JP2012523056A - 自律移動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】構造体により限定された作業空間内で移動する自律移動装置の移動可能な領域が拡大されて作業領域が拡大され、隣接した作業領域へ作業装置を容易に移動させることができる自律移動装置を提供する。
【解決手段】本発明による自律移動装置は、メインフレーム、メインフレームの上部に結合される複数の上部ウインチ及びメインフレームの下部に結合される複数の下部ウインチを含み、作業空間内に位置する移動プラットフォームと、一端部は構造体の下側にそれぞれ結合され、他端部は上部ウインチにそれぞれ連結されて長さが調整可能な複数の第1ワイヤと、一端部は構造体の上側にそれぞれ結合され、他端部は下部ウインチにそれぞれ連結されて長さが調整可能な複数の第2ワイヤと、を含むことを特徴とする

Description

本発明は、自律移動装置に関し、より詳細には、船舶ブロックの隔壁のような構造体により限定された作業空間内での作業装置を移動させるための自律移動装置に関する。
通常、大型船舶の船体は、船体の一部を構成するブロック(block)単位で製作した後、ブロックを互いに組立てる方式により製作される。つまり、原資材の表面のさびや異物をブラスティング(blasting)などの方法により除去した後、腐食防止のための塗装を施した後に、原資材を溶接などの方法を用いてブロックに製造し、これらのブロックを互いに組立てて船体を完成する。
このようなブロックの内部においても、溶接、ブラスティング、塗装作業などが行われる。よって、ブラスティングに使用されたグリット(grit)の収去、塗装後の塗膜の乾燥作業、検査作業、塗膜測定作業などの様々な作業もブロック内で行われることになる。このようなブロック内部での作業効率を向上させるために、溶接、塗装及び検査などを行う各種自動化装備が続々と開発されている。
一方、ブロックの内部は、隔壁やシェルプレート(shell plate)などの構造体で取り囲まれており、船体の構造的な剛性を補強するために多数のロンジ(longi)やスチフナ(stiffener)などのような補強材が設けられる。このような補強材は、ブロックの内面に向けて突出するように設けられている。よって、補強材は上述したブロック内部での各種作業の妨害要素として作用する。
図1は、船舶のブロック内部の一例を示す図面である。
図1を参照すると、ブロック内部10には、多数の補強材15、16が内側に向けて突出するように設けられている。また、ブロック内部10も隔壁13などの構造体により複数の作業空間11に区画され、このような隔壁13には作業者の通路などとして使用されるマンホール17が形成され、作業者及び作業装備などをこのマンホール17を介して移動させることになる。
よって、船舶の建造過程においては、人がブロック内部10の補強材15、16のような複雑な構造物を避けながら作業を行っており、自動化装備を用いる場合であっても毎度自動化装備を受動で移動させて設けた後に作業を行っているのが実情である。また、ブロック内部10の上部に対する作業を行うためには、ブロック内部10に足場(図示せず)を設け、作業者がその上で作業を行っているのが実情である。
このように、人がブロック内部10のこのような複雑な構造物を避けながら作業したり、足場(図示せず)という別の構造物をブロック内部10に設け、これを移動させながら作業したりするには多くの時間、労動力及びコストを要する。
特に、ブロック内部10での溶接、塗装及び検査などのために自動化装備を使用する場合、ブロック内部10に設けられた補強材15、16などの各種構造物ないし足場(図示せず)は、上述した自動化装備の作業効率をかえって低下させる。
さらに、単一船体油槽船の沈没事故から惹起される各種問題のため、国際海事機関は、1996年以降油槽船の二重船体建造を義務化し、LNG船舶の場合には、船体の安全性などの観点から二重船体建造を基本事項としている。よって、船舶のブロック内部は、さらに複雑な形状となり、その内部での作業はさらに困難となった。
よって、船舶のブロック内部のように、複雑な形状の構造体により限定された作業空間内でも各種作業を容易に行うことができる技術の開発が求められている。
本発明は、上記のような必要により案出されたもので、ブロック内部に設けられた補強材などにかかわらず、作業装置をブロック内部の作業空間内で容易に移動させることができ、作業領域を拡大させることができる自律移動装置を提供することを目的とする。
上記のような目的を達成するために、本発明の一側面によれば、構造体により限定された作業空間内で移動する自律移動装置であって、メインフレーム、メインフレームの上部に結合される複数の上部ウインチ及びメインフレームの下部に結合される複数の下部ウインチを含み、作業空間内に位置する移動プラットフォームと、一端部が構造体の下側にそれぞれ結合され、他端部が上部ウインチにそれぞれ連結されて長さが調整可能な複数の第1ワイヤと、一端部が構造体の上側にそれぞれ結合され、他端部が下部ウインチにそれぞれ連結されて長さが調整可能な複数の第2ワイヤと、を含む自律移動装置が提供される。
ここで、複数の上部ウインチと複数の下部ウインチとは、メインフレームの上部と下部とを区画する平面に対して垂直の方向から見たときに、互いに離隔した位置に配置されることが可能である。上部ウインチ及び下部ウインチの数はそれぞれ4つであってもよく、4つの上部ウインチ及び4つの下部ウインチは、それぞれメインフレームの上部と下部とを区画する平面上にて長方形を形成しながら配置され、4つの下部ウインチが形成する長方形のある一辺は、4つの上部ウインチが形成する長方形のある一辺よりも短くてもよい。
自律移動装置は、メインフレームに結合され、作業装置をガイドするガイドレールをさらに含むことができる。ガイドレールは、互いに平行な複数のガイドバーを含むことができ、複数のガイドバーはメインフレームから突出した複数のサポータにより支持されていてもよい。複数のガイドバーのそれぞれの断面は、コ形状を有してもよく、それぞれの開放部が互いに向き合うように設置されてもよい。複数のガイドバーのそれぞれには、長さ方向に沿ってラックギアが配置または形成され、作業装置は、複数のラックギアと噛み合う複数のピニオンギアを含むことができる。作業装置は、ガイドレールと転がり接触する複数のローラをさらに含むことができる。
本発明による自律移動装置は、作業装置を搭載した移動プラットフォームを作業空間内での所望する位置へ容易に移動させることができるため、ブロック内部に設けられた補強材などの障害物にもかかわらず各種作業を効率的に行うことができ、作業の完全自動化が可能となり、作業に要するコスト及び時間を低減することができる。
船舶のブロック内の作業空間の一例の斜視図である。 本発明の一実施例に係る自律移動装置を概略的に示す斜視図である。 本発明の一実施例に係る自律移動装置の移動プラットフォームの斜視図である。 本発明の一実施例に係る自律移動装置を用いて、作業装置を隣接した作業空間へ移送させるときの斜視図である。 本発明の一実施例に係る自律移動装置のワイヤ連結方法を説明するための比較例を概略的に示す側面図である。 本発明の一実施例に係る自律移動装置を概略的に示す側面図である。 図3に示された移動プラットフォームに搭載されている作業装置の一例の正面図である。 図7のA部分の拡大図である。
以下、本発明の実施例を添付した図面に基づいて詳細に説明する。但し、同一または対応する構成要素には同一の参照番号を付し、これに関する重複説明は省略する。そして、本発明に係る自律移動装置が使用される作業空間としては、船舶の船体を構成するブロックを代表的な例に挙げて説明する。
図2は、本発明の一実施例に係る自律移動装置に作業装置が搭載されている状態を示す図面である。
図2を参照すると、移動プラットフォーム100、第1ワイヤ510及び第2ワイヤ520を含む本発明の一実施例に係る自律移動装置が、ブロック内部10の作業空間11内に設置されており、移動プラットフォーム100には作業装置300が搭載されている。
移動プラットフォーム100に設けられた複数の上部ウインチ111には、一端部が作業空間11を限定する構造体の下側に結合された複数の第1ワイヤ510の他端部がそれぞれ連結されている。そして、複数の下部ウインチ113には、構造体の上側に結合された複数の第2ワイヤ520の他端部がそれぞれ連結されている。
ここで、構造体とは、隔壁(図1の13参照)や補強材(図1の15及び16参照)のように、ブロック内部(図1の10参照)の作業領域(図1の11参照)の端部に位置する構造物を指称する。
複数の上部ウインチ111は、複数の第1ワイヤ510を巻き取るかあるいは繰り出してそれぞれの長さを調整し、複数の下部ウインチ113は、複数の第2ワイヤ520を巻き取るかあるいは繰り出してそれぞれの長さを調整する。複数の第1ワイヤ510及び複数の第2ワイヤ520のそれぞれの長さが調整されると、作業空間11内の移動プラットフォーム100の位置が変わる。よって、複数の上部ウインチ111及び複数の下部ウインチ113を制御すれば移動プラットフォーム100を作業空間11内の所望する位置へ移動させることができる。
移動プラットフォーム100は、作業空間11内では空中に浮かんだ状態で移動されるので、移動するに補強材15、16による差し障りはない。特に移動プラットフォーム100が移動すべき位置まで最短経路で移動できるので、移動に要する時間も最小化される。
作業装置300とは、溶接、ブラスティング、塗装及び表面検査など作業空間11内で必要とされる様々な作業を行う装置である。つまり、本発明の一実施例に係る自律移動装置は、作業空間11内で作業を行う位置へ作業装置300を迅速かつ容易に移動させることができる。
移動プラットフォーム100については、図3を参照してより詳細に説明する。
図3は、本発明の一実施例に係る自律移動装置の移動プラットフォームを示す図面である。
図3を参照すると、本発明の一実施例に係る自律移動装置の移動プラットフォーム100は、メインフレーム101、複数の上部ウインチ111及び複数の下部ウインチ113を含む。
メインフレーム101の上部には複数の上部ウインチ111が結合され、メインフレーム101の下部には複数の下部ウインチ113が結合される。上部ウインチ111及び下部ウインチ113は、メインフレーム101の端部に配置される。
メインフレーム101の上部と下部とを区画する平面があると仮定すると、平面に対して垂直の方向から移動プラットフォーム100を見たときに、上部ウインチ111及び下部ウインチ113はそれぞれ長方形の頂点を形成するように配置される。このとき、下部ウインチ113の形成する長方形は、上部ウインチ111の形成する長方形よりも、向かい合う一対の辺の長さが短い。
つまり、下部ウインチ113は、上部ウインチ111に比べて、メインフレーム101の中心部方向へより近く配置される。これについては、後述する図5及び図6を参照してより詳細に説明する。
一方、移動プラットフォーム100は、移動プラットフォーム100に搭載される作業装置(図2の300参照)を支持及びガイドするガイドレール150をさらに含む。ここで、ガイドレール150はメインフレーム101から突出されるように形成または設けられる複数のサポータ131によりメインフレーム101に支持されている。
ガイドレール150は、作業装置(図3の300参照)を移動プラットフォーム100の上側だけでなく下側にも搭載できるように、示されているようにメインフレーム101の上側及び下側の両方に設けられることができる。また、図示されていないが、ガイドレール150は、メインフレーム101の側方向に設けられることも可能である。
ここで、ガイドレール150は互いに平行に配列されるが、本願で平行とは、加工及び設置により生じる公差などを考慮した平行を意味し、例えば、列車の線路に設けられる一対のレールのように実質的に平行に設けられた状態を指称する。
したがって、このようなガイドレール150により、作業装置300は移動プラットフォーム100に搭載可能となり、ガイドレール150により支持及びガイドされてガイドレール150の長さ方向に沿って移動することができる。
作業装置300を用いてブロック内部10の作業空間11での作業を完了した後には、作業装置300を隣接した他の作業空間(図示せず)へ移動させる必要がある。作業装置300の移動については、図4を参照して説明する。
図4は、本発明の一実施例に係る自律移動装置を用いて、作業装置を隣接した作業空間へ移送させるときの状態を示す斜視図である。図1をともに参照して説明する。
図4を参照すると、本発明の一実施例に係る自律移動装置の移動プラットフォーム100に搭載された作業装置300は、マンホール17を介して隣接した他の作業空間(図示せず)に設けられた他の移動プラットフォーム100aに移動することができる。つまり、ブロック内部10の作業空間11内で行われるべき作業の完了後、作業装置300を隣接した他の作業空間へ移動させて作業を続けて行うことができる。
したがって、移動プラットフォーム100は、マンホール17を介して隣接した他のブロックの内部(図示せず)に位置する他の移動プラットフォーム100aと一側が接するようにしなければならなく、作業装置300は移動プラットフォーム100から他の移動プラットフォーム100aに移動できるようにしなければならない。このために、移動プラットフォーム100の一端部が他の移動プラットフォーム100aにドッキング(docking)するようにしなければならないため、移動プラットフォーム100がマンホール17まで移動しなければならず、他の移動プラットフォーム100aもマンホール17まで移動しなければならない。移動プラットフォーム100が作業空間11の端部まで移動することについては、後述する図5及び図6を参照して説明する。
図5は、本発明の一実施例に係る自律移動装置のワイヤの連結方法を説明するための比較例を示す図であり、図6は、本発明の一実施例に係る自律移動装置を概略的に示す側面図である。
図5を参照すると、ブロック内部10の作業空間11を限定する構造体にそれぞれの一端部が結合されたワイヤ500a、500bの他端部が、それぞれ移動プラットフォーム100bに設けられた複数のウインチ110a、110bに連結される。
このとき、複数のワイヤ500a、500bのそれぞれは、移動プラットフォーム100bに設けられた複数のウインチ110a、110bのうちワイヤの一端部が構造体に結合された位置から最も近い位置にあるウインチ110a、110bにそれぞれ連結される。
つまり、図5に示すように、構造体の一側の上側に一端部が結合されたワイヤ500aの他端部は、移動プラットフォーム100bの一側の上部に設けられたウインチ110aに連結され、構造体の他側の上側に一端部が結合されたワイヤ500bの他端部は移動プラットフォーム100bの他側の上部に設けられたウインチ110bに連結される。その他のワイヤ500c、500dも同じ方法で、より近いウインチ110c、110dにそれぞれ連結される。
このような連結構造を有する比較例は、移動プラットフォーム100bを作業空間11の一側へ移動させる場合、特に、図4に示されたように、作業空間11の一側の端部まで移動させなければならない場合、移動プラットフォーム100bが近接すべき側面の構造体に連結されたワイヤ500a、500dの長さを最大限短縮しなければならない。
ところが、移動プラットフォーム100bに加えられる荷重は構造体の上側に連結されたワイヤ500a、500bに作用し、特に移動プラットフォーム100bの位置を移動させるために長さの短縮されたワイヤ500a、500dに、より大きい張力が作用することになる。よって、示されているような場合には、構造体の一側の上側に結合されたワイヤ500aに最大張力が作用することになる。
ここで、移動プラットフォーム100bが構造体の一側に移動されるほどワイヤ500aにはさらに大きい張力が加えられることになる。このとき、移動プラットフォーム100bの水平を維持するために、構造体の他側の上側に結合されたワイヤ500bにも一定の張力が加えられることになる。よって、ワイヤ500aにいくら大きい張力を加えても、移動プラットフォーム100bには他側ワイヤ500bによる水平分力が作用するので、移動プラットフォーム100bが作業空間11の端部のマンホール17まで移動することは困難となる。
このような問題を解決するために、ワイヤの一部が互いに交差するように連結する方法があるが、これについては、図6を参照して説明する。
図6を参照すると、第1ワイヤ510及び第2ワイヤ520は互いに交差する形状で上部ウインチ111及び下部ウインチ113にそれぞれ連結される。
つまり、ブロック内部10の作業空間11を限定する構造体の一側の上側に結合された第2ワイヤ520a及び下側に結合された第1ワイヤ510aの他端部は、移動プラットフォーム100の一側に設けられた下部ウインチ113a及び上部ウインチ111aにそれぞれ連結される。そして、構造体の他側の上側に結合された第2ワイヤ520b及び下側に結合された第1ワイヤ510bの他端部は、それぞれ移動プラットフォーム100の他側に設けられた下部ウインチ113b及び上部ウインチ111bにそれぞれ連結される。
ここで、図6に示すように、移動プラットフォーム100を作業空間11の一側端まで移動させる場合、一側の第1ワイヤ510a及び一側の第2ワイヤ520aは、長さが最大限短縮される。
このとき、移動プラットフォーム100の水平を維持するためには、他側の第2ワイヤ520bに張力を加えて移動プラットフォーム100の他側が荷重により下方に下がらないようにしなければならない。しかし、他側の第2ワイヤ520bに張力を加えると、移動プラットフォーム100に、作業空間11の他側端に向けた水平方向の力が加えられるため、移動プラットフォーム100が作業空間11の一側端に移動することを妨害する。
ここで、一側の第1ワイヤ510aに張力を加えると、移動プラットフォーム100には、移動プラットフォーム100を作業空間11の一側端に向けた水平方向の力と移動プラットフォーム100の一側を下方に下げる垂直方向の力とが作用する。
移動プラットフォーム100の一側を下方に下げる垂直方向の力は、一側に設けられた下部ウインチ113aが一側の第2ワイヤ520aにより下方に移動しないように支持するので、一側に設けられた下部ウインチ113aを基準点にするモーメント(moment)として作用し、移動プラットフォーム100の他側を上方に持ち上げる力として作用する。
よって、他側の第2ワイヤ520bに加えられる張力を低下させることができ、他側の第2ワイヤ520bにより移動プラットフォーム100に加えられる作業空間11の他側に向けた水平方向の力を低下させることができる。そして、一側の第1ワイヤ510aにより移動プラットフォーム100に加えられる、作業空間11の一側に向けた水平方向の力のために、移動プラットフォーム100が作業空間11の一側に向けて移動することが容易となる。
一方、移動プラットフォーム100には、一側の第2ワイヤ520aによる作業空間11の一側に向けた水平方向の力も作用するので、移動プラットフォーム100は作業空間11の一側端まで移動することができる。
このように、移動プラットフォーム100の水平を維持するための張力が一側の第1ワイヤ510a及び他側の第2ワイヤ520bに分散されるので、移動プラットフォーム100の移動可能な範囲が増加する。
そして、上述したように、移動プラットフォーム100を作業空間11の一側端まで移動させるためには、一側の第1ワイヤ510aにより一側の下部ウインチ113aを基準にして移動プラットフォーム100に加えられるモーメントを利用しなければならない。このようなモーメントを活用するためには、上部ウインチ111と下部ウインチ113とが、図3を参照して説明したように、移動プラットフォーム100のメインフレーム(図3の101参照)の上部と下部とを区画する平面に対して垂直の方向から見たとき、互いに離隔して配置されなければならない。
ここで、上部ウインチ111及び下部ウインチ113が、メインフレーム101の上部と下部とを区画する平面に対して垂直の方向から見たとき離隔する最適な距離は、実験やシミュレーションにより得ることができる。ただし、図示されていないが、移動プラットフォームの形状が図示された移動プラットフォーム100と異なる場合には、上部ウインチ111及び下部ウインチ113の上記離隔する最適な距離も変わるので、移動プラットフォームの形状に応じて、上記離隔する距離は変わることになる。
参照として、図示されたように、移動プラットフォーム100が作業空間11の一側端に移動する場合は一側第2ワイヤ520aに最大の張力が加えられるので、第2ワイヤ520aとしては、最大に作用する張力よりも大きい許容引張強度を有するものを選択して使用すればよい。
上述したように、上部ウインチ111及び下部ウインチ113を、移動プラットフォーム100のメインフレーム(図3の101参照)の上部と下部とを区画する平面に対して垂直の方向から見たとき、互いに離隔した位置に配置すると、移動プラットフォーム100の移動可能な範囲が拡大される。そして、図4を参照して説明したように、隣接した移動プラットフォーム100aへ作業装置300を容易に移動させることができるので、作業装置300により行われる作業を完全に自動化することができる。
図7は、図3に示された移動プラットフォームに搭載された作業装置の一例を示す正面図であり、図8は、図7のA部分の拡大図である。図7及び図8を共に参照しながら説明する。
図7を参照すると、一対のガイドレール150により作業装置300が支持及びガイドされる。ここで、作業装置300には、示されているようにガイドレール150に移動可能に結合されるベース301及び上述したような各種作業を行う作業ロボット310が含まれることができる。
図8を参照すると、ガイドレール150にはガイドバー151が含まれ、ガイドバー151には、作業装置300のベース301を上下方向に支持及びガイドする複数のフランジ153、155が設置または一体に形成される。よって、ガイドレール150は長さ方向に垂直の断面が、コ形状を有し、開放された一側157が互いに向き合うように配列されて、ベース301の両側部を支持及びガイドすることになる。
上述したように、ベース301はガイドレール150の長さ方向に沿って移動することができるため、ベース301及びフランジ153、155の間には摩擦が発生し得る。また、作業装置300が各種作業を行う間に発生する振動がガイドレール150に伝達されて騷音を誘発することがある。
したがって、ベース301の両側部の上下側に複数のローラ350、351を設けて、ベース301と上下側及びフランジ153、155との間に摩擦が発生したり、互いに振動が伝達されたりしないように、ローラ350、351とフランジ153、155とが転がり接触しながらベース301を支持する。
一方、作業装置300が、ガイドレール150の長さ方向に沿って移動できるように、示されているように、ラックギア159をガイドバー151の長さ方向に沿って設置または突出形成し、ベース301には、ラックギア159に噛み合い、駆動装置(図示せず)により回転するピニオンギア330を設けることができる。
図示していないが、ガイドレール150の両端部にそれぞれスプロケットホイール(sprocket wheel)を設け、二つのスプロケットホイールの間をチェーンで連結した後、チェーンの一部にベース301の両側の一部を結合させれば、作業装置300をガイドレール150の長さ方向に沿って移動させることができる。
そして、図示していないが、ガイドレール150の長さ方向に沿ってねじ軸を設け、ベース301の両側に、ねじ軸により貫通されるナット部を形成するか、またはねじ軸に結合されたナットを結合させることにより、作業装置300をガイドレール150の長さ方向に沿って移動させることができる。
上述した以外にも作業装置300をガイドレール150の長さ方向に沿って移動させることができる様々な直線運動装置を適用することができる。
一方、作業装置300を用いてブラスティングや塗装作業を行う場合、粉塵やグリットなどがガイドレール150の開放部157を介して流入されることがある。よって、図示していないが、ガイドレール150の開放部にはカーテン形態の防塵膜や防塵ブラシなどを設けることが可能である。
以上では本発明の一実施例に係る自律移動装置について説明したが、本発明の思想は本明細書に記載した実施例に限定されず、本発明の思想を理解する当業者は同一の思想範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、追加などにより他の実施例を容易に提案することができるが、これも本発明の思想範囲内に含まれるといえる。

Claims (8)

  1. 構造体により限定された作業空間内で移動する自律移動装置であって、
    メインフレーム、前記メインフレームの上部に結合される複数の上部ウインチ及び前記メインフレームの下部に結合される複数の下部ウインチを含み、前記作業空間内に位置する移動プラットフォームと、
    一端部が前記構造体の下側にそれぞれ結合され、他端部が前記上部ウインチにそれぞれ連結されて長さが調整可能な複数の第1ワイヤと、
    一端部が前記構造体の上側にそれぞれ結合され、他端部が前記下部ウインチにそれぞれ連結されて長さが調整可能な複数の第2ワイヤと、
    を含む自律移動装置。
  2. 前記複数の上部ウインチ及び前記複数の下部ウインチは、前記メインフレームの上部と下部とを区画する平面に対して垂直の方向から見たとき、互いに離隔した位置に配置されたことを特徴とする請求項1に記載の自律移動装置。
  3. 前記上部ウインチ及び前記下部ウインチの数は、それぞれ4つであり、
    4つの前記上部ウインチ及び4つの前記下部ウインチはそれぞれ前記メインフレームの上部と下部とを区画する平面上にて長方形を形成するように配置され、
    4つの前記下部ウインチが形成する長方形における互いに向き合う一対の辺が、4つの前記上部ウインチが形成する長方形における互いに向き合う一対の辺よりも短いことを特徴とする請求項2に記載の自律移動装置。
  4. 前記メインフレームに結合され、作業装置をガイドするガイドレールをさらに含む請求項1に記載の自律移動装置。
  5. 前記ガイドレールは、互いに平行な複数のガイドバーを含み、
    前記複数のガイドバーは、前記メインフレームから突出する複数のサポータにより支持されることを特徴とする請求項4に記載の自律移動装置。
  6. 前記複数のガイドバーのそれぞれの断面は、コ形状であり、それぞれの開放部が互いに向き合うことを特徴とする請求項5に記載の自律移動装置。
  7. 前記複数のガイドバーのそれぞれには、長さ方向に沿ってラックギアが配置または形成され、
    前記作業装置は、前記複数のラックギアに噛み合う複数のピニオンギアを含むことを特徴とする請求項4に記載の自律移動装置。
  8. 前記作業装置は、前記ガイドレールと転がり接触する複数のローラをさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の自律移動装置。
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