JP2015209021A

JP2015209021A - 移動ロボット

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Publication number: JP2015209021A
Application number: JP2014090051A
Authority: JP
Inventors: 洋吾高田; Yogo Takada; 忠雄川合; Tadao Kawai
Original assignee: Osaka University NUC; Osaka City University PUC
Current assignee: Osaka University NUC; Osaka City University PUC
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2034-04-24
Also published as: JP6504749B2

Abstract

【課題】簡易な構成で、特に、上下方向に延びる壁面に沿って移動可能であり、しかも制御が容易な移動ロボットを提供する。
【解決手段】本発明に係る移動ロボットは、壁面に沿って移動可能な移動ロボットであって、壁面に当接し、当該壁面に沿って移動可能な当接部と、当接部を支持し、壁面から離れる方向に延びる支持部を有するロボット本体と、ロボット本体に搭載され、当該ロボット本体を浮揚させる浮揚手段と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動ロボットに関する。

従来より行われている一般的な橋梁の点検作業は、橋梁の下方に作業用足場を設置した上で行われていた。すなわち、橋梁の下方に作業用足場を敷き詰め、作業員が行き来できる環境を構築した上で、その足場から作業者が橋梁の下部を点検する。また、橋梁の下方が道路の場合には、その道路に高所作業車を設置して橋梁の下部の点検を行う。その他、クレーン式点検車を用いて点検作業が行われる場合もある。

ところが、このような作業では、作業用足場の設置、特殊車両の設置などの準備に時間を要するほか、作業者の負担が大きいという問題がある。これを解決するため、例えば、非特許文献１には、橋梁点検ロボットが提案されている。このロボットは、橋梁の主桁下側のフランジを両側から挟み込んで走行しながら、搭載されたカメラで橋梁の点検を行うように構成されている。

また、非特許文献２には、無限軌道と永久磁石とを搭載したロボットが開示されており、永久磁石によって橋梁鋼板版にロボットを吸着させつつ、無限軌道によって橋梁鋼板版に沿って移動するように構成されている。そして、搭載されたカメラで橋梁の点検を行っている。

しかしながら、非特許文献１のロボットはフランジが設けられている箇所にしか適用することができず、非特許文献２に記載のロボットは金属で形成された箇所にしか用いることができない。したがって、例えば、コンクリートで形成された壁面の点検を行うことは非常に困難であった。

これに対して、例えば、特許文献１のような、プロペラなどの浮揚手段を有するロボットを飛行させ、これにカメラを搭載して壁面を検査することも考えられる。

「橋梁点検ロボットの開発〜維持管理業務の合理化に向けて〜」川田技報vol.22/JAN.,2003, 技術紹介 iXs Research Corp.、"橋梁鋼床版超音波探傷ロボット"、[online]、［平成２４年１１月２２日検索日］インターネット＜http://www.ixs.co.jp/products/robot/saut-robot-j.html＞

特開２００７−５８７４号公報

しかしながら、特許文献１のようなロボットは、プロペラによる揚力によってロボットの自重を支持しなければならないため、出力の大きいモータを利用しなければならず、かえって重量が大きくなるという問題がある。また、プロペラによるロボットの制御は容易ではなく、例えば、停止した状態で検査を行うには、ホバリングなど高度な動作を行う必要があり、制御が困難であるという問題もある。

このように、現在提案されているロボットを橋梁の点検に用いるには、種々の問題があり、改良が要望されていた。但し、このような問題は橋梁の検査のほか、特に、上下方向に延びる壁面に沿って移動するようなロボット全般に共通する問題である。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で、特に、上下方向に延びる壁面に沿って移動可能であり、しかも制御が容易な移動ロボットを提供することを目的とする。

本発明は、壁面に沿って移動可能な移動ロボットであって、前記壁面に当接し、当該壁面に沿って移動可能な当接部と、前記当接部を支持し、前記壁面から離れる方向に延びる支持部を有するロボット本体と、前記ロボット本体に搭載され、当該ロボット本体を浮揚させる浮揚手段と、を備えている。

この構成によれば、移動ロボットを浮揚させる浮揚手段を備えつつ、支持部を介して壁面に当接する当接部を備えている。したがって、本発明に係る移動ロボットは、当接部を壁面に当接させ、この当接部を壁面に沿って移動させつつ、浮揚手段によって浮揚して壁面を登っていく。したがって、ロボットの重量は、浮揚手段だけで支えるのではなく、当接部が壁面に当接することでも重量を支えている。したがって、浮揚手段にかかる負荷を低減することができ、これによって浮揚手段の大型化が防げるため、ロボットの構成を簡易にすることができる。また、当接部が壁面に当接した状態で、壁面に沿って移動するように構成されているため、ロボットは常に壁面と接触した状態となる。したがって、浮揚手段だけで動作を行う場合に比べ、壁面と垂直な方向の制御が不要となるため、動作が安定しやすくなり、制御を容易に行うことができる。

上記移動ロボットにおいて、前記当接部は、前記壁面に当接しつつ回転可能な少なくとも１つの車輪を備えることができる。これにより、壁面に沿ってスムーズに移動することが可能である。

ここで、前記各車輪を、一方向にのみ回転可能に構成することができる。これにより、車輪が反対方向には回転しないため、進行方向から後退するのを防止することができる。例えば、移動ロボットが壁面を登っているとき、何らかの原因で、浮揚手段の出力が低下した場合でも、移動ロボットが下降するのを防止することができる。また、移動ロボットを壁面で停止させる場合、浮揚手段の出力を下げても移動ロボットが下降するのを防止できるため、例えば、浮揚手段を電力で駆動している場合には、消費電力を低減することができる。

さらに、前記車輪に、前記壁面に係合可能な係合部を設ければ、車輪が壁面に対して滑りにくくなり、壁面を確実に移動することができる。また、壁面上で停止しやすくなる。特に、壁面が傾斜面や垂直な面であれば、このように構成すると有利である。

上記移動ロボットにおいて、前記ロボット本体は、前記支持部と連結される延長部をさらに備えることで、前記支持部と前記壁面との間に、当該移動ロボットの重心が位置するように構成することができる。これにより、移動ロボットの重心が壁面寄りに位置するため、移動ロボットを壁面に対して当接させ易くなる。

上記移動ロボットにおいて、浮揚手段の向きを変更することで、浮揚手段による推力の方向を変更することができる。例えば、浮揚手段による推進方向を、前記当接部を前記壁面に押し付ける方向と前記壁面から離れる方向との間で変更可能とすることができる。

上記移動ロボットにおいては、前記浮揚手段の操作を行うための操作信号の受送信を行う無線装置をさらに備えることができる。

上記移動ロボットにおいては、前記浮揚手段の構成は特には限定されないが、少なくとも１つのプロペラとすることができる。

ここで、前記浮揚手段を、水平方向に並ぶ２つのプロペラで構成し、前記各プロペラの回転速度を独立して制御可能に構成することができる。このようにすると、２つのプロペラで移動ロボットが動作するため、バランスが取りやすく、また、各プロペラの回転速度が相違するように制御すれば、壁面上を左右に旋回することができ、細かな動きが可能になる。

本発明に係る移動ロボットによれば、簡易な構成で、特に、上下方向に延びる壁面に沿って移動可能であり、しかも制御が容易である。

本発明に係る移動ロボットの一実施形態を示す側面図である。図１の正面図である。図１の移動ロボットの他の動作形態を示す側面図である。図１の移動ロボットの旋回動作を示す正面図である。図１の移動ロボットの他の例を示す側面図である。

以下、本発明に係る移動ロボットの一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は移動ロボットが壁面に設置された状態を示す側面図、図２は図１の正面図である。

＜１．移動ロボットの概略構成＞
図１及び図２に示すように、この移動ロボットは、主として上下方向に延びる壁面Ｈを登るためのものであり、側面視Ｌ字型に形成されたロボット本体１と、このロボット本体１に搭載され、移動ロボットを浮揚させるための一対の浮揚ユニット２と、を備えている。また、ロボット本体１の端部には、壁面に当接する車輪ユニット３が取り付けられている。以下、各部材を詳細に説明する。

車輪ユニット３は、棒状に延びる軸部材３１と、その両端それぞれに、ワンウェイクラッチ３２を介して取り付けられた車輪３３とを備えており、車輪３３が壁面に当接しながら回転することで、移動ロボットが壁面Ｈに沿って移動するように構成されている。車輪３３は、ワンウェイクラッチ３２により軸部材３１に対して、一方向、つまり壁面Ｈを登る方向に回転可能となっているが、それとは反対の方向、つまり壁面Ｈを下る方向には回転しないようになっている。

ロボット本体１は、棒状の支持部材１１と、棒状の延長部材１２とを備え、これらの端部同士が連結されることで側面視Ｌ字型に形成されている。支持部材１１は、車輪ユニット３の軸部材の中央に連結される第１端部と、延長部材と連結される第２端部とを有している。また、延長部材１２は、支持部材１１と連結される第１端部と、壁面Ｈと当接可能な第２端部とを有している。そして、延長部材１２において、第１端部側には、浮揚ユニット２が取り付けられている。また、延長部材１２において第２端部側には、浮揚ユニット２を制御する制御基板４と、浮揚ユニット２を駆動するためのバッテリ５が取り付けられている。

次に、浮揚ユニット２について説明する。浮揚ユニット２は、延長部材１２と直交するように水平に延びる棒状の支持ロッド２１を備えており、この支持ロッド２１はブラケット２２を介して延長部材１２に取り付けられている。支持ロッド２１は、ブラケット２２上で軸回りに回転可能に支持されている。そして、支持ロッド２１の両端部には、それぞれモータが取り付けられており、各モータにプロペラシャフト２４１ａ，２４１ｂを介してプロペラが取り付けられている。ここでは、説明の便宜のため、壁面Ｈに向かって右側のモータ及びプロペラを、右側モータ２３ａ、右側プロペラ２４ａと称し、壁面Ｈに向かって左側のモータ及びプロペラを、左側モータ２３ｂ、左側プロペラ２４ｂと称することとする。この構成により、右側プロペラ２４ａ及び左側プロペラ２４ｂはそれぞれ独立して回転可能となっている。そして、各プロペラ２４ａ，２４ｂは支持ロッド２１の両端部のギア付モータ２３ａ、２４ｂの出力軸に取り付けられているため、支持ロッド２１が軸回りに回転すると、プロペラ２４ａ，２４ｂの向き、つまりプロペラシャフト２４１ａ，２４１ｂの鉛直方向Ｚに対する角度が変わるようになっている。

次に、支持ロッド２１を回転するための機構について説明する。まず、延長部材１２のブラケット２２には中央モータ２５と、この中央モータ２５により駆動する減速用のギアボックス２６とが取り付けられている。そして、このギアボックス２６は、支持ロッド２１の左右方向の中央付近に固定された歯車２７に噛合っている。さらに、支持ロッド２１と支持部材１１との間にはバネ２８が取り付けられており、支持ロッド２１は、このバネ２８によって支持部材１１側に付勢されている。そして、支持ロッド２１は、初期状態では、後述する図３に示す回転位置にある。すなわち、この回転位置では、プロペラシャフト２４１ａ，２４１ｂが延長部材１２と平行になっており、ここから中央モータ２５を駆動すると、ギアボックス２６を介して歯車２７が回転し、支持ロッド２１は、初期状態からバネ２８に抗して回転するようになっている（図１における回転方向Ａ）。これにより、プロペラシャフト２４１ａ，２４１ｂは図１に示すような、支持部材１１と平行となるような状態まで回転可動域があり，プロペラ推力を壁面Ｈ側に倒して，その分力が移動ロボットを壁面Ｈに押し付けるようにしている。

上述した右側モータ２３ａ、左側モータ２３ｂ、及び中央モータ２５は、それぞれバッテリ５により駆動するとともに、制御基板４によってその回転が制御されている。また、制御基板４には、無線装置が実装されており、無線によって制御基板４に、各モータ２３ａ，２３ｂ，２５に対する制御信号を送信できるようになっている。

上記のように構成された移動ロボットは、延長部材１２の第２端部側に制御基板４やバッテリ５が取り付けられているため、これが重りとなって、図１に示すように、移動ロボットの重心Ｇが、支持部材１１と延長部材１２との間に位置するようになっている。

＜２．移動ロボットの動作＞
次に、上記のように構成された移動ロボットの動作について説明する。まず、図１に示すように、車輪ユニット３を上側に向けた上で、両車輪３３が壁面Ｈに当接するようにセットする。このとき、移動ロボットの重心Ｇが上記のように支持部材１１と延長部材１２との間にあるので、後述するようにプロペラを駆動すると、延長部材１２の第２端部は壁面Ｈに当接する。こうして、壁面Ｈ、支持部材１１、延長部材１２とで側面視三角形の空間が形成される。但し、延長部材１２の第２端部は必ずしも壁面Ｈに当接させなくてもよい。

次に、中央モータ２５を駆動し、プロペラシャフト２４１ａ，２４１ｂが概ね鉛直方向に向くように支持ロッド２１を回転させる。より詳細に説明すると、プロペラシャフト２４１ａ，２４１ｂは、若干壁面側を向くように傾けることが好ましく、これにより移動ロボットの推進方向が壁面Ｈに向かうため、車輪３３を壁面に対して押圧させることができ、車輪３３が壁面Ｈから離れるのを防止することができる。

続いて、右側モータ２３ａ及び左側モータ２３ｂを駆動し、プロペラ２４ａ，２４ｂを回転させると、移動ロボットには上方に向かう推進力が作用する。これにより、移動ロボットは壁面Ｈに沿って上方へ登っていく。このとき、移動ロボットは両車輪３３が壁面Ｈに当接しつつ回転するため、移動ロボットは安定的に上昇する。また、各車輪３３はワンウェイクラッチ３２が取り付けられているため、移動ロボットが下降する方向には回転しない。したがって、何らかの理由でプロペラ２４ａ，２４ｂによる推進力が弱まったとしても、例えば、車輪３３と壁面Ｈとの摩擦力によって移動ロボットは、壁面Ｈ上で滑り落ちることなく静止することができる。また、プロペラ２４ａ，２４ｂを駆動する各モータ２３ａ，２３ｂの出力を低下させることもでき、消費電力を低減することもできる。

このように、移動ロボットは、車輪３３を壁面Ｈに当接させることで、安定して上昇することができるが、車輪３３を壁面Ｈから離した状態で上昇することもできる。すなわち、図３に示すようなプロペラ２４ａ，２４ｂのみによる移動も可能である。この場合、中央モータ２５を駆動し、プロペラシャフト２４１ａ，２４１ｂが延長部材１２と平行になるように、支持ロッド２１を回転させる。これにより、移動ロボットの推進力が壁面Ｈから離れるように作用するため、両車輪３３は壁面Ｈから離間し、移動ロボットは、プロペラ２４ａ，２４ｂのみによって浮揚し、ホバリングなどの動作も可能となる。

また、上記のように、中央モータ２５を駆動し、支持ロッドを回転させることで、移動ロボットは、壁面Ｈに対して前進または後退する方向に移動可能となる。また、右側モータ２３ａ及び左側モータ２３ｂは独立して駆動できるため、例えば、左側モータ２３ａの回転数を右側モータ２３ｂよりも上げると、図４に示すように、移動ロボットは左側に旋回し、左側モータ２３ｂの回転数を右側モータ２３ａよりも上げると、移動ロボットは右側に旋回する。

＜３．特徴＞
以上のように、本実施形態に係る移動ロボットによれば、ロボット本体１を浮揚させるプロペラ２４ａ，２４ｂを備えつつ、支持部材１１を介して壁面に当接する車輪ユニット３を備えている。したがって、この移動ロボットは、車輪ユニット３を壁面に当接させ、この車輪３３を壁面に沿って移動させつつ、プロペラ２４ａ，２４ｂによって移動ロボットを浮揚させて壁面を登っていく。したがって、移動ロボットの重量は、プロペラ２４ａ，２４ｂの駆動だけで支えるのではなく、車輪３３が壁面Ｈに当接することでもロボットの重量を支えている。したがって、プロペラ２４ａ，２４ｂにかかる負荷を低減することができ、これによってモータも小型化できるため、ロボットの構成を簡易にすることができる。

また、車輪３３が壁面Ｈに当接した状態で、壁面Ｈに沿って移動するように構成されているため、ロボットは常に壁面Ｈと接触した状態となる。したがって、プロペラ２４ａ，２４ｂだけで動作を行う場合に比べ、壁面Ｈと垂直な方向の制御が不要となり、動作の制御が容易である。例えば、プロペラだけの場合、ロボットを静止させるホバリングは制御が非常に難しいが、本実施形態のように、ロボットの一部を壁面Ｈに当接させれば、壁面での静止は簡単な制御で可能となる。

また、この移動ロボットは、重心Ｇが支持部材１１と延長部材１２との間にあるため、ロボットの重量は、より壁面に対して作用する。したがって、ロボットの重量をさらに壁面Ｈで支えやすくなる。

この移動ロボットは、コンクリート壁などの壁面に沿って移動することが可能であるため、コンクリート橋、ダム、トンネルなど、人が立ち入りにくい様々な場所で利用可能である。例えば、この移動ロボットにカメラや、種々のセンサ（例えば、温度センサ、渦電流式探傷プローブ、超音波センサ、レーダー探査システムなど）を搭載すれば、作業員が直接検査できないような対象面であっても、移動ロボットによる検査が可能となる。

＜４．変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。

＜４−１＞
上記車輪ユニットの構成は特には限定されず、種々の態様が可能である。例えば、車輪の数は特には限定されず、１または３以上であってもよい。

また、車輪３３と壁面Ｈと摩擦を増大させるため、例えば、図５に示すように、外周面に複数の爪３３１（係合部）を有する車輪３３を用いることもできる。これにより、爪が壁面に引っかかり、車輪が壁面に対して滑りにくくなる。これにより、壁面での停止を確実に行うことができる。

このほか、車輪３３と壁面Ｈとの摩擦力を増大できるものであればよく、凹凸を設けたもの、粘着剤を塗布したもの、あるいは壁面が金属である場合には磁石を設けたものなど、種々の態様が可能である。

また、上記実施形態では、ワンウェイクラッチ３２により車輪３３が一方向にしか回転しないようにしているが、これに限定されるものでなく、他方向に回転できるものであってもよい。こうすることで、プロペラ２４の出力を低下すれば、壁面を下降することができる。

また、車輪は必ずしも設けなくてもよく、壁面Ｈに当接し、且つ壁面Ｈに沿って移動できればよい。例えば、単に支持部材１１の第１端部を当接部として当接させてもよい。

＜４−２＞
上記実施形態では、ロボット本体１を支持部材１１と延長部材１２とでＬ字型に形成しているが、その他の形態でもよい。例えば、箱形の筐体によりロボット本体を構成することもできる。但し、車輪ユニット３を上部に設け、重心Ｇが車輪ユニット３の反対側で、壁面寄りになるように構成することが好ましい。

＜４−３＞
上記実施形態では、無線により移動ロボットの操作を行っているが、予め移動のルートを制御基板にプログラムしておき、無線によらずに移動ロボットが指定されたルートを通るようにしてもよい。

＜４−４＞
上記実施形態では、移動ロボットの浮揚手段として２つのプロペラを用いているが、プロペラの数は特には限定されない。また、プロペラ以外にも、移動ロボットを浮揚できるものであればよく、例えば、エアを吹き出しつつ、上昇するように構成することもできる。

＜４−５＞
上記実施形態では、移動ロボットが垂直な壁面を登る例について説明したが、本発明に係る移動ロボットは、垂直な壁面のほか、傾斜面、水平な面など種々の壁面を移動することができる。

＜４−６＞
上記実施形態の移動ロボットは、橋梁などの点検用のロボットとして説明したが、これに限定されるものではなく、上下方向に延びる壁面上を移動するロボット全般に適用することができる。したがって、検査用に限らず、搬送用のロボット、狭領域未知空間マッピングロボットなどにも適用することができる。

１ロボット本体
１１支持部材（支持部）
１２延長部材（延長部）
２浮揚ユニット（浮揚手段）
３車輪ユニット（当接部）

Claims

壁面に沿って移動可能な移動ロボットであって、
前記壁面に当接し、当該壁面に沿って移動可能な当接部と、
前記当接部を支持し、前記壁面から離れる方向に延びる支持部を有するロボット本体と、
前記ロボット本体に搭載され、当該ロボット本体を浮揚させる浮揚手段と、
を備えている、移動ロボット。
前記当接部は、前記壁面に当接しつつ回転可能な少なくとも１つの車輪を備えている、請求項１に記載の移動ロボット。
前記車輪は、前記壁面を一方向に回転可能に構成されている、請求項２に記載の移動ロボット。
前記車輪には、前記壁面に係合可能な係合部を備えている、請求項２または３に記載の移動ロボット。
前記ロボット本体は、前記支持部と連結される延長部をさらに備えることで、前記支持部と前記壁面との間に、当該移動ロボットの重心が位置するように構成される、請求項１から４のいずれかに記載の移動ロボット。
前記浮揚手段の操作を行うための操作信号の受送信を行う無線装置をさらに備えている、請求項１から５のいずれかに記載の移動ロボット。
前記浮揚手段は、少なくとも１つのプロペラによる構成される、請求項１から６のいずれかに記載の移動ロボット。
前記浮揚手段は、水平方向に並ぶ２つのプロペラで構成され、
前記各プロペラの回転速度を独立して制御可能に構成されている、請求項７に記載の移動ロボット。