JP2014019210A - クローラ走行型探索用ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】クローラ型探索用ロボットの小型コンパクト化、低コスト化を実現しながら、高い段差を確実に乗り越え可能とし、車体前壁に設けたＣＣＤカメラのアングルを自由に調整できるようにする。
【解決手段】クローラ走行装置の車体１両側壁に、駆動輪２、従動輪３の車軸間の間に位置して、コの字アーム９の両支軸９ａを回転可能に取り付ける。無限軌道帯４が段差の直前に到達した際、無限軌道帯４が段差の手前側上面角部を乗り上げていく際、さらには車体１の前壁に設けたＣＣＤカメラ８により、上方、下方の環境を撮影する際、アーム部９ｄの先端に取り付けた車体幅方向アーム９ｃを、無限軌道帯４の前端下方あるいは後端下方に向けて回転させ、外部の環境を押圧することにより、車体の傾斜角度を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、クローラ走行型探索用ロボットに関する。

近年、危険な環境や人が入り込めないような狭い環境内にロボットを進行させ、その内部状況を撮影したり、災害時に倒壊した家屋に閉じこめられた人の探索を行わせるロボット等の様々な用途のロボット開発が行われている。
こうしたロボットのうち、特に悪路や段差のある環境でも、所要のルートを走行し、目標とする位置に確実に到達させる必要があるものについては、悪路走行、段差走行に有利で旋回性に優れたクローラ走行型探索用ロボットが広く採用されている。

クローラ走行装置は、車体の左右両側において、前後端の一方に駆動輪、他方に従動輪を設け、両者間に掛け渡された一対の無限軌道帯を備えている。
こうしたクローラ走行装置を備えたロボットとして、下記特許文献１には、左右一組の三角クローラ装置の中間に、リンクを介して従動クローラ装置を回転自在に連結し、段差乗り上げ時に、三角クローラ装置に対する従動クローラ装置の位置を制御することが記載されている。

また、下記特許文献２には、クローラ走行装置の前後にアームを設け、段差乗り上げを支援することが記載されている。

特許第４６３５２５９号公報 特表２０１０−５０９１２８号公報

クローラ走行装置を使用しても、乗り越えられる段差には限界があり、特に、家屋床下検査の場合、人がくぐり抜けるための最小限の隙間を確保するため、基礎部分等に、地面からの高さ１５ｃｍを残して開口部が形成されており、床下の状況をくまなく撮影するためには、小型のクローラ走行装置で、こうした１５ｃｍの段差をスムースに通過できるようにしなければならない。

しかし、上記特許文献１に示されたものでは、左右一組の三角クローラ装置と、従動クローラ装置が必要であることから、構造が複雑で、しかも、高さ方向にも長さ方向に所要のスペースを要するため、低コスト化、コンパクト化に限界が生じる。特に、越え得る段差の設計目標が高いほど、左右一組の三角クローラ装置を大きくしなければならないため、スペース面、重量面で不利となり、家屋床下をくまなく走行することが困難である。

また、特に、危険な環境や人が入り込めないような狭い環境内にロボットを進行させ、その内部状況を撮影したり、災害時に倒壊した家屋に閉じこめられた人の探索を行わせる場合、各クローラ走行装置に配備したＣＣＤカメラ等の撮影装置により、左右のみならず、上方の状況や、クローラ走行装置が進行することができない陥没部内部の状況を撮影する必要がある。例えば、家屋床下検査を行う場合には、基礎部分に加え、床材の裏面、根太の経年劣化を正確に撮影することが求められ、倒壊した家屋の内部で閉じこめられた人を探索する場合には、クローラ走行装置が進入できる限界位置で、下方の状況を撮影しなければならない場合もある。
このため、別途ＣＣＤカメラを左右、上下にアングル調整する機構を設け、クローラ走行装置とは別個に独立して調整、制御しなければならない。

特に、ＣＣＤカメラをクローラ走行装置を自動走行させるための映像センサとして共用する場合、上方、下方を含めた様々なアングルで独立して撮影できるようにするためには、専用のＣＣＤカメラを設ける必要があり、コストアップを招くとともに、システム、操作を複雑にするという問題点があった。

そこで、本発明の目的は、クローラ走行装置の小型コンパクト化、低コスト化を実現しながら、高い段差を確実に乗り越えられるようにするとともに、アングル調整機構を設けることなく、上方、下方を含む様々なアングルの映像を、クローラ走行装置の姿勢を自由に制御できるようにすることにより、単一のＣＣＤカメラで撮影可能にすることにある。

この目的を達成するため、本発明のクローラ走行型探索用ロボットにおいては、次のような技術的手段を講じた。すなわち、
（１）車体の前壁に撮影部を備えるとともに、該車体の左右両側において、前後端の一方に駆動輪、他方に従動輪を設け、両者間に掛け渡された一対の無限軌道帯を前記駆動輪により回転駆動する無限軌道帯を備えたクローラ走行型探索用ロボットにおいて、車体の左右両側において、駆動輪及び従動輪の車軸間の間に、アーム部の両基端を回転可能に取り付け、該アーム部先端に取り付けられた車体幅方向アームを無限軌道帯の前方あるいは後方に回転させて外部の環境を押圧することにより、前記車体の傾斜角度を制御するようにした。

（２）上記のクローラ走行型探索用ロボットにおいて、無限軌道帯が環境中に存在する段差の直前に到達した際、前記アーム部が、その両先端間に取り付けられた車体幅方向アームの下方で前記段差の手前側上面角部に接触するよう回転させ、駆動輪を駆動することにより、無限軌道帯が段差の手前側上面角部に接触するまで、アーム部を回転させるようにした。

（３）上記のクローラ走行型探索用ロボットにおいて、記アーム駆動機構を駆動するモータのトルクを検出し、無限軌道帯が段差の手前側上面角部に接触するまで、アーム部が段差の手前側上面角部を押圧するように制御した。

（４）上記のクローラ走行型探索用ロボットにおいて、無限軌道帯が環境中に存在する段差に乗り上げる際、アーム駆動機構により、車体幅方向アームを車体の後端側から無限軌道帯の後端下方に向けて回転させ、無限軌道帯の後端を上昇させるようにした。

（５）上記のクローラ走行型探索用ロボットにおいて、前記車体幅方向アームに、前記無限軌道帯の後端を上昇させる際、最初に外部の環境に接触するローラーを取り付けた。

（６）上記のクローラ走行型探索用ロボットにおいて、車体に傾斜センサを設け、アーム駆動機構が、無限軌道帯の後端を上昇させる際、車体の水平面に対する傾斜角度が上限以下となるよう制御するようにした。

（７）上記のクローラ走行型探索用ロボットにおいて、車体幅方向アームを車体の上方から無限軌道帯の前方下方に回転することにより、車体の前端を上方に向けて傾斜させることにより、車体の前壁に設けた撮影部により、上方の環境を撮影できるようにした。

（８）上記のクローラ走行型探索用ロボットにおいて、車体幅方向アームを車体の上方から無限軌道帯の後方下方に回転することにより、車体の後端を上方に向けて傾斜させることにより、車体の前壁に設けた撮影部により、下方の環境を撮影できるようにした。

（９）上記のクローラ走行型探索用ロボットにおいて、アーム部にアームの長さを可変するアーム長可変機構を設けた。

駆動輪及び従動輪の車軸間の間に、両基端を回転可能に取り付けたアーム部をアーム駆動機構により回転することにより、無限軌道帯が段差の直前に到達した際、無限軌道帯が段差の手前側上面角部を乗り上げていく際、さらには車体の前壁に設けたＣＣＤカメラ８で上方、下方の環境を撮影する際、アーム部の先端に取り付けた車体幅方向アーム９ｃにより、外部の環境を押圧することにより、車体の傾斜角度を最適に制御することが可能になる。
これにより、クローラ走行装置の小型コンパクト化を実現した上で、高い段差を確実に乗り越えることが可能になり、アングル調整機構を設けることなく、車体の前壁に設けたＣＣＤカメラ等の撮影部により、上方、下方を含むさまざまなアングルで環境中必要な箇所の撮影を簡単な操作で行うことができる。

家屋床下検査用ロボットに適用した実施例１の全体構造を示す図。 無限軌道帯が乗り越え得る段差の高さについての幾何学的なシミュレーションを示す図。 無限軌道帯の先端が段差直前に到達したときのコの字アームの回転を示す図。 コの字アームが回転して、無限軌道帯の前端を段差上面角部に向けて上昇させている状態を示す図。 無限軌道帯の前方下面が段差上面角部に接触したときの状態を示す図。 無限軌道帯の後端を持ち上げ、段差上面に乗り上げさせている状態を示す図。 段差上面への乗り上げが終了した状態を示す図。 クローラ走行型ロボットの制御システムの一例を示す図。 クローラ走行装置が段差を乗り越えるまでの制御フローの一例を示す図。 上方を撮影する際のクローラ走行装置の状態を示す図。 下方を撮影する際のクローラ走行装置の状態を示す図。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１は、本発明によるクローラ走行装置を、家屋床下検査用ロボットに適用した際の全体構造を示す。
クローラ走行装置の本体部は、従来と同様の構成であり、車体１の左右両側壁には、前後端に駆動輪２、従動輪３が配置され、両者の間に無限軌道帯４が掛け渡されて噛合されている。
左右の駆動輪２のそれぞれを減速機を介して個別に駆動するモータは、車体１の内部に搭載した二次電池等により電力供給を受けるコントローラ(マイクロプロセッサ)により、回転方向及び回転速度が独立して制御され、無線モジュールを介した遠隔操作による操縦、あるいは予めプログラムされた経路に沿って自動走行を行うことができる。
なお、図１においては、手前側の車体側壁を透視して内部の構造を図示している。

この実施例では、車体１が１８０°転倒した場合でも同様の走行が可能なように、左右両側面からみたとき、車体１及び無限軌道帯４は、駆動輪２と従動輪３の車軸を結ぶ水平線分、そして、この水平線分の中線に対し軸対称形となっている。なお、車体１の上面及び底面側には、ガイドローラ５が設けられ、無限軌道帯４を案内している。

さらに、無限軌道帯４の表面には、障害物に対する走行性を高めるため、合成樹脂等からなる半円柱状のトラックシュー６が、進行方向に対し直交するよう、すなわち車体１の幅方向に一定の間隔で取り付けられている。
また、車体１の前壁には、家屋床下の状態を撮影するため、左右一対の照明用ＬＥＤ７とＣＣＤカメラ８が、駆動輪２と従動輪３の車軸を結ぶ水平面に向けて設置されており、これらもコントローラに接続され、オンオフ制御、入出力制御が行われるようになっている。
コントローラは、ＣＣＤカメラ８からの映像情報を、車体１の内部に設けた通信部(無線モジュール)を介して送信し、家屋床下の映像を外部からリアルタイムに確認、記録できるようになっている。なお、図示していないが、車体１の後壁には、音波、電波、レーザー波などを用いた距離センサを設け、後進時に障害物等との距離を検出し、衝突や落下を避けるため、コントローラを介して駆動輪２を停止させるようにしている。

もちろん、反転した状態で走行することも想定して、前壁及び後壁のそれぞれに、ＬＥＤ７、ＣＣＤカメラ８、距離センサを設置してもよい。
特に段差の高さが様々に変化する環境を走行させる際には、ＣＣＤカメラ８からの映像情報に基づいて、障害物の高さを解析するようにすることが好ましく、ステレオカメラとすることで、障害物までの距離や障害物の高さを判定できるようにすれば、前壁、後壁とも距離センサを省略することができる。

車体１の両側壁における無限軌道帯４のほぼ中心部には、コの字アーム９の支軸９ａが取り付けられている。この支軸９ａには、アーム部９ｂの一端が直交するよう固着されており、アーム部９ｂの他端間に車体幅方向アーム９ｃの両端が固着され、その両外端に、コロ(ローラー)９ｄが回転自在に取り付けられている。
このコロ９ｄの直径は、支軸９ａ、車体幅方向アーム９ｃの幅より大きく、後述するように、コの字型アームが前後にどのように回転しても、コロ９ｄが最初に段差等に接触するようにする。
また、車体幅方向アーム９ｃを円柱状のロッドとして、このロッドに、長さ方向にわたってパイプ状の合成樹脂製ローラーを回転自在に支持するようにしてもよい。
さらに、走行面が平坦で、車体幅方向アーム９ｃが走行面に接触した状態で前後にスムースに移動できる場合には、コロ９ｄや合成樹脂製ローラーを設けなくてもよい。

支軸９ａの回転軸には、車体１の内部において減速ギア９ｅが一体的に取り付けられている。アーム駆動用モータにより駆動される駆動ギア９ｆにより、この減速ギア９ｅを回転駆動することにより、駆動輪２と従動輪３の車軸を結ぶ水平線分に対するアーム部９ｂの角度θが調整できるようになっている。
アーム駆動用モータもコントローラにより制御され、減速ギア９eの軸に取り付けられたアーム角度検出器(図示せず)の出力に基づいて、駆動輪２と従動輪３の車軸を結ぶ水平線分に対する角度θが調整できるようになっている。支軸９ａを回転するモータとしては、角度センサが不要なステップモータを使用してもよい。
また、コントローラは、後述するように、アーム部９ｂやコロ９ｄが段差の手前側上端角部を押圧したり、無限軌道帯４の後方を押し上げるのに必要なトルクが得られるよう、アーム駆動用モータの電流を監視して出力トルクの制御を行うトルク制御機能を有することが好ましい。

コの字アーム９のアーム部９ｂの長さは、少なくとも支軸９ａを介して回転したとき、車体１の前方側、あるいは後方側と干渉しないように設定するが、好ましくは、回転３６０°回転できるよう、支軸９ａを無限軌道帯４の中心部に取り付け、いずれの角度でもクローラ走行装置と干渉しないように設定するとよい。また、車体幅方向アーム９ｃと車体１との間にロック機構を設ければ、クローラ走行装置を持ち運ぶ際にハンドルとして利用こともできる。

後述するように、高さＳｈの段差を乗り上げる際、無限軌道帯４の進行方向前端が段差壁に接触している状態で、少なくとも、車体幅方向アーム９ｃに取り付けられたコロ９ｄが、段差の手前側上端角部に乗り上げることが必要である。
駆動輪２と従動輪３の半径をｒ、軸間距離をＬ(Ｗ)、支軸９ａが駆動輪２の車軸と従動輪３の車軸を結ぶ線分の中点に設置したとき、アーム部９ｂのアーム長は、最低でも、
［ (Ｌ(Ｗ)／２＋ｒ)²＋(Ｓｈ―ｒ)² ］の平方根より長いことが必要である。
なお、実機では、Ｌ＝２２ｃｍ、ｒ＝７.５ｃｍのクローラ走行装置を使用しており、Ｓｈ＝１５ｃｍの段差を乗り上げるため、アーム部９ｂのアーム長は２０ｃｍ以上とすることが必要となる。

駆動輪２と従動輪３の半径ｒ、軸間距離Ｌ等のクローラ走行装置の仕様と、乗り越えるべき最大の段差高さＳｈとの関係に対応して、アーム部９ｂのアーム長を手動あるいは自動的に調整できるようにするため、アーム部９ｂを２分割し、両者をスライド溝を介してボルト止めしたり、基端側のアーム部９ｂにサーボモータを取り付け、ウオームギアを介して他端側のアーム部９ｂを伸縮できるようにすることが好ましい。

以下、クローラ走行装置が段差を乗り越える際のコの字アーム９の作動を順を追って説明する。
通常走行時は、コの字アーム９の車体幅方向アーム９ｃが、前方及び後方に設けたＣＣＤカメラ８や距離センサを妨害することのないよう、進行方向後側において、駆動輪２と従動輪３の車軸を結ぶ水平線分に対し、例えば、１５°程度上昇したところを初期位置に維持する。もちろん、ＣＣＤカメラ８や距離センサの妨げにならなければ、初期位置はどの角度でもよく、進行方向側に傾斜させてもよい。

ここで、コの字アーム９を作動させずにクローラ走行装置が乗り越えることのできる段差の最大値について考察する。
無限軌道帯４が段差を乗り越えるか否かは、まず、無限軌道帯４の前端が、段差の垂直壁に接した状態で無限軌道帯４を駆動したとき、無限軌道帯４の前端が段差の垂直壁を登り、段差の手前側角部に乗り上げることが第１の前提条件となる。
次に、この状態で、無限軌道帯４の駆動を継続して段差に乗り上げていく際、クローラ走行装置の重心から鉛直におろした線分が、接触している段差の手前側角部を越えることが第２の前提条件となる。

ここで、実際に設計した実機の仕様に沿い、駆動輪２と従動輪３の半径ｒを７.５ｃｍ、軸間距離Ｌを２２ｃｍとし、ガイドローラ５の影響、段差角部との接触部における無限軌道帯４の凹みも無視し、さらに、無限軌道帯４前端の段差垂直壁との接触部、及び、無限軌道帯４後端の地面との接触部で滑りが発生しないという条件で、簡単な演算式で、乗り越え得る段差の高さについて、幾何学的なシミュレーションを行うと、図２のようになる。

この結果から分かるように、横軸がクローラ走行装置の車体１の進行方向に対する傾斜角度、縦軸が段差の高さ(ｃｍ)としたとき、４０°〜４５°近辺のとき、段差高さが最大となり４.８ｃｍである。
すなわち、駆動輪２と従動輪３の半径ｒが７.５ｃｍ、軸間距離Ｌ(Ｗ)が２２ｃｍのクローラ走行装置の場合、乗り越えられる段差の最大高さは４．８ｃｍであることが分かる。
この高さは、ガイドローラ５や、段差角部との接触部における無限軌道帯４の凹みにより多少変化はするが、実機でも、コの字アーム９を作動させない場合、確実に乗り越えられる段差は５ｃｍ程度が限界で、これより段差を高くすると、乗り越えられず転倒する確率が高くなり、家屋床下検査用ロボットに求められる１５ｃｍの段差を乗り越えることは到底不可能である。

ここで、クローラ走行装置の進路に段差がある場合、前述のように、駆動輪２と従動輪３の半径ｒが７.５ｃｍ、軸間距離Ｌ(Ｗ)が２２ｃｍで、支軸９ａが駆動輪２の車軸と従動輪３の車軸を結ぶ線分の中点に設置されているクローラ走行装置の場合、無限軌道帯４における前端の段差垂直壁との接触部と後端の地面との接触部で滑りが発生しないという前提で、段差が５ｃｍ以下であれば、コの字アーム９を作動させずにクローラ走行装置が乗り越えることができる。
したがって、この場合には、コの字アーム９は、初期位置である後側に１５°程度上昇した位置に保持したまま、回転駆動する必要はない。

しかし、段差垂直壁、地面が滑りやすい場合、段差が５ｃｍ以下であっても、無限軌道帯４が段差垂直壁や地面の接触部で空転してしまい、無限軌道帯４が、段差上端角部に乗り上げることができず、上述の前提条件をクリアすることができない。

このように、クローラ走行装置が段差を乗り越えるには、少なくとも、無限軌道帯４の先端が段差垂直壁に接した後、駆動輪２の駆動に伴ってその先端が段差垂直壁に沿って上昇し、無限軌道帯４が段差の上端角部に乗り上げること、すなわち、この実施例ではトラックシュー６のひとつが段差上端角部に乗り上げることが必要である。

したがって、このような場合を想定して、クローラ走行装置が段差直前に到達したとき、図３のように、進行方向後側において、水平面に対し１５°程度上昇した初期状態から、この図において、コの字アーム９を時計方向に回転させ、少なくとも車体幅方向アーム９ｃに取り付けられたコロ９ｄの下端が、段差の上端角部に乗り上げる位置、すなわち、段差の高さが１５ｃｍの場合は、コロ９ｄの下端が１５ｃｍより高くなるようにする。
この条件は、アーム９ｂの長さをＬ(９ｂ)、駆動輪２、従動輪３の半径をｒ、車軸を結ぶ水平線分の進行方向を０°としたときのアーム角度をθ、段差をＳｈとしたとき、次の(１)式で表すことができる。
Ｌ(９ｂ)・ｓｉｎθ＋ｒ＞Ｓｈ・・・・・・・(１)

また、少なくとも、無限軌道帯４の前端が段差垂直壁に接している状態で、車体幅方向アーム９ｃに取り付けられたコロ９ｄが段差の上端角部に乗り上げるためには、コロ９ｄが、無限軌道帯４の前端より前方に位置する必要があり、その条件は、次の(２)式で表すことができる。
Ｌ(９ｂ)・ｃｏｓθ＞Ｌ(Ｗ)／２＋ｒ・・・・(２)
ただし、駆動輪２と従動輪３の軸間距離をＬ(Ｗ)とし、コの字アーム９の支軸９ａを、駆動輪２と従動輪３の車軸間の中点に設置するものとする。

前述のとおり、実機では、駆動輪２と従動輪３の半径ｒが７.５ｃｍ、軸間距離Ｌ(Ｗ)が２２ｃｍであり、アーム９ｂの長さＬ(９ｂ)を２５ｃｍとしたが、この場合、例えば、θを３０°とすると、
(１)式は、
Ｌ(９ｂ)・ｓｉｎθ＋ｒ＝２５×０.５＋７.５＝２０ｃｍ
(２)式は、
Ｌ(９ｂ)・ｃｏｓθ＝２５×０.８６６＝２１.６５＞Ｌ(Ｗ)／２＋ｒ＝２２／２＋７＝１８.５
となり、段差が２０ｃｍでも、(１)、(２)の両条件式を満足し、アーム９ｃに取り付けられたコロ９ｄを段差の上端角部に乗り上げさせることができる。

したがって、クローラ走行装置の無限軌道帯４における駆動輪２と従動輪３の軸間距離Ｌ(Ｗ)、駆動輪２、従動輪３の半径ｒ、支軸９ｂの車体１側壁における取り付け位置と、乗り上げるべき段差Ｓｈの最大値に応じて、アーム９ｂの長さＬ(９ｂ)と、クローラ走行装置が段差直前に到達したときアーム９ｂのアーム角度θを選定することが必要である。

このように、コの字アーム９を時計方向に回転させ、コロ９ｄの下端を段差の上端角部に乗り上げさせる際、遠隔操縦による場合は、操縦者がＣＣＤカメラ８からの映像情報を確認しながら行う。
すなわち、無限軌道帯４が段差垂直壁や地面で空転する場合、無限軌道帯４の駆動を停止し、クローラ走行装置が、段差直前でその前端が段差に平行になるよう位置制御を行う。その上で、遠隔操縦装置により、コの字アーム９を時計方向に回転させ、コロ９ｄの下方が段差の上端角部に乗り上げるよう、アーム駆動用モータを制御する。このとき、コロ９ｄが段差の上端角部に届かないような場合には、アーム部９ｂのアーム長を制御するサーボモータを駆動してアーム９ｂを延出させる。

このようなコの字アーム９の回転角の制御を自動化することも可能である。
すなわち、クローラ走行装置が走行中、ＣＣＤカメラ８や距離センサにより前方に段差垂直壁を発見したとき、コントローラが段差までの距離とクローラ走行装置の走行速度に応じて、アーム駆動用モータを制御して、無限軌道帯４が段差垂直壁に到る直前までに、コロ９ｄが段差の上端角部に乗り上げるよう、アーム部９ｂの回転角度θを制御する。その際の回転角度θの目標値は、段差垂直壁が一定の高さの場合は、予め定めた値とすればよいし、一定でない場合は、ＣＣＤカメラ７からの映像情報に基づいて、段差垂直壁の高さを計測し、その高さに基づいて、回転角度θの目標値を定めるようにすればよい。
ただし、前述の条件式(１)と(２)をともに満足する必要があり、段差の高さＳｈとの関係などに応じて、並行してアーム部９ｂのアーム長を制御するサーボモータを制御するようにしてもよい。

さらに、無限軌道帯４が段差垂直壁や地面で空転するのを、無限軌道帯４の駆動量と、ＣＣＤカメラ８や距離センサの検出値とを比較することにより検出し、空転した場合のみ、操縦者と同様の手順で、無限軌道帯４の駆動、アーム駆動用モータによる回転角θの制御を行うようにしてもよい。

以上のようにして、コの字アーム９のコロ９ｄが段差の上端角部に乗り上げを完了したとき、操縦者による遠隔操作で、無限軌道帯４の駆動輪２を駆動するとともに、コの字アーム９のアーム部９ｂを図３において、さらに時計方向に回転駆動することにより、図４に示される状態を経て、図５に示されるように、トラックシュー６のひとつが段差の上端角部に乗り上げることできる。

この場合、遠隔操縦装置により、アーム部９ｂを回転させながら、無限軌道帯４の駆動速度を微調整するようにしてもよいが、初期段階でコロ９ｄの下方が段差の上端角部を押圧し、その後もアーム部９ｂのいずれかで段差の上端角部に対する押圧を継続させ、無限軌道帯４を段差の上端角部に乗り上げさせることが必要である。
このため、アーム駆動用モータの電流を監視して出力トルクの制御を行い、アーム部９ｂが所定のトルクで段差の上端角部を押圧するようフィードバック制御を行うことが好ましい。これにより、アーム部９ｂの回転角度θを自動的に無限軌道帯４の駆動に連携させることができる。特に、アーム駆動用モータのトルク及び回転速度を無制限に大きくすると、トラックシュー６が段差の上端角部に乗り上げる前に、車体１が転倒してしまうこともあるので、こうした制御は有効である。

このように、無限軌道帯４が段差の上端角部への乗り上げを完了した状態で、無限軌道帯４の駆動輪２を駆動することにより、クローラ走行装置の車体１が次第に垂直に向けて傾斜していく。
この状態で、クローラ走行装置の重心から鉛直におろした線分が、接触している段差角部を越えるような高さ(実機では５ｃｍ以下)の場合、無限軌道帯４がこの段差に乗り上げることできる。したがって、無限軌道帯４前端の段差垂直壁との接触部、及び、無限軌道帯４後端の地面との接触部で滑りが発生しないという条件で、環境中の段差の高さが、無限軌道帯４がそのまま乗り越え得る高さ以下の場合には、アーム部９ｂの回転角度θを以上のように制御することで、路面や段差がぬかるんでいたり、滑りやすい環境でも、段差乗り越えを確実に行うことができる。

しかし、段差がこれより高い場合は、無限軌道帯４が段差の上端角部への乗り上げた状態で、無限軌道帯４の駆動輪２を駆動すると、クローラ走行装置の重心が接触している段差角部を越えることができず、後方への転倒を繰り返すことになる。
すなわち、駆動輪２と従動輪３の半径ｒが７.５ｃｍ、軸間距離Ｌ(Ｗ)が２２ｃｍのクローラ走行装置の場合では、段差が５ｃｍよりはるかに高い場合には、このままではこれを乗り越えることはできない。

そこで、図５に示すように、無限軌道帯４に取り付けられたトラックシュー６のひとつが段差の上端角部に乗り上げた段階で、コントローラにより、アーム駆動用モータによるコの字アーム９のアーム部９ｂを、各駆動輪２の駆動と同期させる。
すなわち、コロ９ｄあるいはアーム部９ｂが段差の上端角部を押圧する状態から反時計方向に回転させ、図６に示すように、車体幅方向アーム９ｃに取り付けられたコロ９ｄが段差手前の地面に接し、車体１の後端部を持ち上げ、車体１の水平面に対する傾斜角度を例えば４５°以上とならないようにする。

このとき、駆動輪２の駆動に伴い、無限軌道帯４のトラックシュー６は、少なくとも段差の上端角部に係合して進んでいき、コロ９ｄにより車体１の後端部が持ち上げられないと、車体１は徐々に垂直に向けて傾斜していく。
したがって、遠隔操縦による場合は、例えば、無限軌道帯４の駆動を停止し、アーム駆動用モータを制御して、コの字アーム９を反時計方向に回転させ、コロ９ｄが段差手前の地面に接し、車体１の後端を持ち上げながら、無限軌道帯４を低速度で駆動するといった操作を繰り返せばよい。

また、車体１の内部に傾斜センサを設け、コントローラが、例えば、車体１の水平面に対する傾斜角度を上限以下、例えば４５°以上とならないようにアーム駆動用モータを制御するようにしてもよい。こうすることで、各駆動輪２の速度を微調整することなく、最高速度を維持しても、アーム部９ｂの回転角度θがこれに連動して最適な値に自動的に制御され、車体幅方向アーム９ｃに取り付けられたコロ９ｄが段差手前の地面に接し、車体１の後端側を持ち上げ、最適な傾斜角度を維持しながら段差乗り上げをサポートすることができる。
なお、コロ９ｄが段差手前の地面に届かないような場合には、前述と同様に、アーム部９ｂのアーム長を制御するサーボモータを駆動してアーム９ｂを延出させるようにすればよい。

この状態を維持しながら駆動輪２の駆動することにより、図７に示すように、車体１の段差への乗り上げが終了する。
ただし、このとき、アーム部９ｂが無限軌道帯４の後端に回り込んだ状態のままであると、段差の上端角部に干渉し、車体１が段差に乗り上げるのを妨害する可能性があるので、車体１の重心が段差の上端角部を越え、段差上面に着地する方向に回転する直前に、アーム部９ｂを図において時計方向に回転させ、回転角度θを初期状態に戻す必要がある。
なお、車体１の内部に傾斜センサを設けた場合には、車体１の重心が段差の上端角部を越え、段差上面に着地する方向に回転したことを検出することにより、自動的にコの字アーム９を初期位置に復帰させることができる。

以上のようにして、無限軌道帯４が段差垂直壁や地面で空転する場合でも、段差が通常のクローラ走行装置で越え得る限界高さよりはるかに高い場合でも、コの字アーム９の回転角度θを制御することにより段差をスムースに乗り越えることができる。

ここで、コの字アーム９の回転角度θを制御して、クローラ走行装置が段差を乗り越えるための無限軌道帯４の駆動制御及びコの字アーム９の回転角θ制御を含む、クローラ走行型ロボットの制御システムの一例を図８に示す。
左右の無限軌道帯４の駆動輪２を駆動するモータ、コの字アーム９を駆動して回転角度θを制御するアーム駆動モータを制御するコントローラは、マイクロプロセッサ等で構成され、入出力インターフェースを介して、ＣＣＤカメラ８、距離センサ、各駆動輪２の速度及び電流値(トルク)、アーム駆動モータの電流値(トルク)及びコの字アーム９の回転角度θ、車体の傾斜角を検出する傾斜センサからの検出値が入力され、操縦者による遠隔操縦、あるいは、段差を自動判別し、各駆動輪２の駆動速度、コの字アーム９の回転角θを連携制御する。

図９のフローチャートを用いて、この制御システムにより、自動制御を行う場合制御フロー(シーケンス)の一例を説明する。
Ｓ０で、段差を乗り越える際のシーケンスが開始され、Ｓ１でＣＣＤカメラ８、距離センサにより、進行方向前方の段差を検出し、Ｓ２で、段差までの距離及び段差の高さを演算する。ここで、段差の高さが、物理的に乗り越え不能な高さ、具体的には、駆動輪２と従動輪３の半径ｒが７.５ｃｍ、軸間距離Ｌ(Ｗ)が２２ｃｍの場合、無限軌道帯４の前端と後端間の３７ｃｍより高い場合、Ｓ３で、段差上りシーケンスを終了し、迂回路等を探索する。

段差の高さが乗り越え可能な高さ、例えば１５ｃｍ以下のとき、Ｓ４で、コの字アーム９の回転角度θを初期位置の１６５°(後方から１５°上昇した位置)にセットし、Ｓ５で、無限軌道帯４の前進駆動を継続し、前端を段差垂直壁に接触させ、段差乗り越えを実施する。

Ｓ６で駆動輪２の速度及び車体の傾斜角を検出する傾斜センサの検出値に基づいて、無限軌道帯４が段差の手前側角部に乗り上げたか否かを判別する。駆動輪２を駆動しているにもかかわらず、所定時間車体の傾斜角度が変わらないときは、地面、段差垂直壁との間で滑りが発生し、無限軌道帯４の段差角部への乗り上げが不能と判断し、Ｓ７で、駆動輪２を停止し、コの字アーム９を初期位置から時計方向に回転させる。そして、車体幅方向アーム９ｃの両端に取り付けたコロ９ｄの下端、あるいはアーム部９ｂを、段差角部に押し付けさせ、アーム駆動モータの電流値に基づき、所定のトルクで押圧させ、車体２の前端を持ち上げる。
なお、予め、無限軌道帯４が段差の手前側角部に乗り上げることが不可能な滑りやすい環境で走行させる場合は、Ｓ６を省略し、段差の手前側からコの字アーム９の回転を開始し、クローラ走行装置が段差垂直壁に接するタイミングで、コロ９ｄの下端あるいはアーム部９ｂを、段差角部に押し付けるようにしてもよい。

Ｓ８でコの字アーム９の回転により、車体の傾斜角度が例えば４５°になったか否かを判別し、４５°になったときＳ５に戻り、Ｓ６で、無限軌道帯４が段差の手前側角部に乗り上げたことを判定するまで、Ｓ７、Ｓ８を繰り返す。

無限軌道帯４が段差の手前側角部に乗り上げた後、Ｓ９で駆動輪２の駆動に伴い、車体の最大傾斜角が４５°となるように、コの字アーム９を反時計方向に駆動して、無限軌道帯４の後端を持ち上げる制御を行う。
Ｓ１０で車体の傾斜角が水平になり、Ｓ１１で無限軌道帯４が段差上面に乗り上げたことが判定されるまで、コの字アーム９の回転角度制御を行う。

その後再びＳ１２で次の段差の検出・判別を行い、さらに段差がある場合には、Ｓ５に戻り、前述のＳ７以降のフローを繰り返す。
以上の処理フローにより、クローラ走行装置は、環境(滑りやすい地面、段差)や進路に存在する段差に応じて、自動的に、しかもこれまで乗り上げることができなかった高い段差でもスムースに乗り越えることが可能となる。

以上、具体的な実施例に基づいて説明したが、これ以外にも、コの字アーム９の回転角度θを制御することにより、様々な態様の段差でもクローラ走行装置の安定走行に寄与することができる。

すなわち、段差が階段状で、上面の幅が十分にある場合には、上述の制御を繰り返すことにより、段差を順次乗り越えていくことが可能である。
しかし、段差上面の幅が狭く、次の段差垂直壁までの距離が軸間距離Ｌの半分に満たない場合、無限軌段差角部を乗り越えて段差上面に着地しようとしても、次の段差角部が無限軌道帯４に当接してしまい、車体１が水平になれない場合が発生し得る。
このとき、無限軌道帯４の前端側底面が次の段差角部に乗り上げている場合は、図３、図４で説明したトラックシュー６を段差の上端角部に乗り上げさせるための制御を行う必要はない。

一方、車体１の後端部が、現在の段差表面に着地している場合には、図６、図７で説明した車体１の後端部を持ち上げ動作を繰り返す。
車体１の後端部が、乗り越えを終了した段差角部に乗り上げている場合は、無限軌道帯４を駆動して、車体１の後端部を現在の段差表面に着地させた上で、図６、図７で説明した車体１の後端部を持ち上げる動作を繰り返す。
さらに、車体１の後端部が現在の段差表面に着地することなく、現在の段差角部に着地した際は、コの字アーム９を制御することなく、そのまま次の段差を乗り上げていくことが可能となる。

また、車体１の重心が段差の上端角部を越えたとき、車体１は重力の作用により、接触する上端角部を基点に、段差の上面に向けて下端を下方に回転し、着地しようとする。このとき、無限軌道帯４の前端が高速で段差表面に激突し、場合によっては衝撃でクローラ走行装置が段差から落下する可能性がある。

そこで、図６に示すように段差を乗り越え、図７のように段差上面に着地する際、車体幅方向アーム９ｃに取り付けたコロ９ｄを図６において時計方向に急速に回転させ、次の段差角部に当接させ、その後アーム部９ｂを徐々に反時計方向に戻すことにより、無限軌道帯４の前端をゆっくりと着地させることが可能となる。

さらに段差を降下していくときは、時系列を図３〜図７の逆として、図７の状態から、車体１の重心をゆっくりと段差の上端角部から下方に移動させ、車体幅方向アーム９ｃに取り付けたコロ９ｄを地面に着地させ、図６の状態とする。この状態から、アーム部９ｂを徐々に時計方向に回転させて、図５の状態から、アーム部９ｂあるいはコロ９ｄを段差の上端角部に接触するように時計回りに駆動し、図４の状態とする。次にアーム部９ｂをゆっくりと反時計方向に回すことで、図３に示すように、無限軌道帯４の後端を着地させることが可能となる。

なお、上記の実施例では、コの字アーム９の支軸９ａを、駆動輪２と従動輪３の中点に設置し、無限軌道帯４の前端が段差の上端角部に乗り上げる際、そして、その後車体１が段差に乗り上げる際に、コの字アーム９を前方あるいは後方に回転させて補助を行うようにした。
しかし、段差垂直壁、地面が滑りやすいが、段差が低く、コの字アームのサポートがなくても、確実に乗り越えることができる環境を走行させる場合には、コの字アームを後方に回転させる必要はなく、コの字アーム９を進行方向前方側に配置してもよい。この場合には、コロ９ｄを設ける必要はなく、例えば、アーム部９ｂや車体幅方向アーム９ｃに合成樹脂のコーティングをしたり、凹凸を形成することで、段差の上端角部に確実に当接するようにすればよい。

逆に段差が高く、コの字アームを後方に回転させてサポートを行う必要があるが、無限軌道帯４と段差垂直壁、地面との摩擦力を十分に得られるときは、コの字アーム９を進行方向後方側に配置してもよい。

このようにして、走行環境中の段差を乗り越え、床材の裏面、根太の状況を撮影する際は、無限軌道帯４の駆動を一旦停止し、初期状態であるコの字アーム９の１３５°のアーム角度から、コの字アーム９を連続的に時計方向に駆動して、車体幅方向アーム９ｃの両端に取り付けられたコロ９ｄにより地面を押圧して、ＣＣＤカメラ８が設置された車体１の前壁を持ち上げていく。この際、例えば、車体１の傾斜角を検出する傾斜センサの検出値に基づき、駆動輪２と従動輪３の軸間を結ぶ線が、図１０に示すように、地面に対し、例えば、４５°となるようにアーム駆動モータを制御する。
その状態で、左右の駆動輪２を逆方向に駆動することにより、車体１を無限軌道帯４後端の両接触点の中点から伸びる垂線を中心に旋回させ、ＬＥＤ７による照明により、床材の裏面、根太の周辺を撮影することが可能になる。

また、このように車体１を傾斜させ、車体１の前壁を持ち上げた状態で、左右の無限軌道帯４をともに進行方向に駆動して、クローラ走行装置を直線的に駆動し、床材の裏面、根太を連続的に走査して撮影することも可能である。その際、地面が連続的に傾斜している場合、あるいは車体幅方向アーム９ｃに障害物が衝突した場合でも、常時、車体１の傾斜角を検出する傾斜センサの検出値に基づき、駆動輪２と従動輪３の軸間を結ぶ線が、地面に対し一定の角度となるようフィードバックが行われる。このため、例えば、クローラ走行装置が連続して上方に傾斜する地面を走行する際には、コの字アーム９が反時計方向に駆動され、例えば４５°のように、水平面に対し一定の傾斜角が保たれるので、車体１の前壁を持ち上げた状態でのクローラ走行装置の走行安定性を高めるとともに、床材の裏面、根太の映像のぶれを低減して、より鮮明な映像を得ることができる。

逆に、クローラ走行装置が進入できる限界位置で、下方の状況を撮影しなければならい場合は、無限軌道帯４の駆動を一旦停止し、初期状態であるコの字アーム９の１３５°のアーム角度から、コの字アーム９を連続的に反時計方向に駆動して、車体幅方向アームの両端に取り付けられたコロ９ｄにより地面を押圧して、ＣＣＤカメラ８が設置された車体１の後壁を持ち上げ、車体１の前壁を下方に傾斜させていく。この際、例えば、車体１の傾斜角を検出する傾斜センサの検出値に基づき、駆動輪２と従動輪３の軸間を結ぶ線が、図１１に示すように、地面に対し、例えば、−４５°となるようにアーム駆動モータを制御する。
その状態で、左右の駆動輪２を逆方向に駆動することにより、車体１を無限軌道帯４後端の両接触点の中点から伸びる垂線を中心に旋回させ、ＬＥＤ７による照明により、床材の裏面、根太の周辺を撮影することが可能になる。

このように車体１を傾斜させ、車体１の後壁を持ち上げた状態で、左右の無限軌道帯４をともに進行方向に駆動して、クローラ走行装置を直線的に駆動し、車体１の下方の状態をより鮮明に撮影することが可能である。その際、地面が連続的に傾斜している場合、あるいは左右の無限軌道帯４のいずれかが障害物に衝突した場合でも、常時、車体１の傾斜角を検出する傾斜センサの検出値に基づき、駆動輪２と従動輪３の軸間を結ぶ線が、地面に対し一定の角度となるようフィードバックが行われる。このため、例えば、クローラ走行装置が後端を持ち上げながら連続して上方に傾斜する地面を走行する際には、コの字アーム９が時計方向に駆動され、例えば−４５°のように、水平面に対し一定の傾斜角が保たれるので、車体１の後端を持ち上げた状態でのクローラ走行装置の走行安定性を高めることができる。

このように、本発明のクローラ装置によれば、様々な走行環境に対応して、コの字アーム９の回転角度θを最適に制御することにより、コンパクトな構成で、車体の安定性を維持しながら、所望の走行ルートを確実に走破することが可能となるとともに、アングル調整する機構や個別のＣＣＤを設置することなく、環境の上方や下方を確実かつ操縦者の意図どおりに撮影することが可能になる。

１ 車体
２ 駆動輪
３ 従動輪
４ 無限軌道帯
５ ガイドローラ
６ トラックシュー
７ ＬＥＤ
８ ＣＣＤカメラ
９ コの字アーム
９ａ 支軸
９ｂ アーム部
９ｃ 車体幅方向アーム
９ｄ コロ
９ｅ 減速ギア
９ｆ 駆動ギア

Claims (9)

1. 車体の前壁に撮影部を備えるとともに、該車体の左右両側において、前後端の一方に駆動輪、他方に従動輪を設け、両者間に掛け渡された一対の無限軌道帯を前記駆動輪により回転駆動する無限軌道帯を備えたクローラ走行型探索用ロボットにおいて、
   前記車体の左右両側において、前記駆動輪及び従動輪の車軸間の間に、アーム部の両基端を回転可能に取り付け、該アーム部先端に取り付けられた車体幅方向アームを前記無限軌道帯の前方あるいは後方に回転させて外部の環境を押圧することにより、前記車体の傾斜角度を制御するアーム駆動機構を設けたことを特徴とするクローラ走行型探索用ロボット。
2. 前記無限軌道帯が前記環境中に存在する段差の直前に到達した際、前記アーム部が、その両先端間に取り付けられた車体幅方向アームの下方で前記段差の手前側上面角部に接触するよう回転させ、前記駆動輪を駆動することにより、前記無限軌道帯が前記段差の手前側上面角部に接触するまで、前記アーム部を回転させるアーム駆動機構を設けたことを特徴とする請求項１に記載のクローラ走行型探索用ロボット。
3. 前記アーム駆動機構を駆動するモータのトルクを検出し、前記無限軌道帯が前記段差の手前側上面角部に接触するまで、前記アーム部が前記段差の手前側上面角部を押圧するように制御することを特徴とする請求項２に記載のクローラ走行型探索用ロボット。
4. 前記無限軌道帯が前記環境中に存在する段差に乗り上げる際、前記アーム駆動機構により、前記車体幅方向アームを前記車体の後端側から前記無限軌道帯の後端下方に向けて回転させ、前記無限軌道帯の後端を上昇させるようにしたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のクローラ走行型探索用ロボット。
5. 前記車体幅方向アームに、前記無限軌道帯の後端を上昇させる際、最初に外部の環境に接触するローラーを取り付けたことを特徴とする請求項５に記載のクローラ走行装置。
6. 前記車体に傾斜センサを設け、前記アーム駆動機構が、前記無限軌道帯の後端を上昇させる際、車体の水平面に対する傾斜角度が上限以下となるよう制御することを特徴とする請求項４または請求項５に記載のクローラ走行型探索用ロボット。
7. 前記車体幅方向アームを前記車体の上方から前記無限軌道帯の前方下方に回転することにより、前記車体の前端を上方に向けて傾斜させることにより、前記車体の前壁に設けた撮影部により、上方の環境を撮影できるようにしたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のクローラ走行型探索用ロボット。
8. 前記車体幅方向アームを前記車体の上方から前記無限軌道帯の後方下方に回転することにより、前記車体の後端を上方に向けて傾斜させることにより、前記車体の前壁に設けた撮影部により、下方の環境を撮影できるようにしたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載のクローラ走行型探索用ロボット。
9. 前記アーム部にアームの長さを可変するアーム長可変機構を設けたことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のクローラ走行型探索用ロボット。
   
   
   
   
   

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