JP2016203330A - Autonomous muscle robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は液圧により駆動され、かつ自律的に稼働することができる自律型筋肉ロボットに関する。 The present invention relates to an autonomous muscular robot that is driven by hydraulic pressure and can operate autonomously.
近年、人間の立ち入りが困難な場所での各種作業を実行するためのロボットが種々開発されている。係るロボットについて、例えばアームの筋肉の動きを複数のシリンダ体で模擬し、供給する液圧により複数のシリンダ体を駆動して自由位置に制御する筋肉ロボットと称すべきものが開発、提案されている。 In recent years, various robots have been developed for performing various operations in places where human access is difficult. As such a robot, for example, a muscle robot that simulates the movement of the arm muscles with a plurality of cylinder bodies and drives the plurality of cylinder bodies with a supplied hydraulic pressure to control to a free position has been developed and proposed. .
特許文献1は、筋肉ロボットの一例を示している。特許文献1には、「シリンダ室内に液媒体が充填される第1のシリンダ体と第2のシリンダ体と、液媒体が充填される中空部を備えたピストン体と、第1のシリンダ体とピストン体と第2のシリンダ体により形成される液媒体空間内に液圧を供給する液圧供給機構を備えた液圧駆動のアクチュエータであって、ピストン体は可撓性を有した曲がる素材でできており、アクチュエータ全体として曲がりながらシリンダ−ピストン駆動により伸縮することができる。」と記載されている。
特許文献1に記載されたアクチュエータは、外部に設けられた液圧制御部によりピストン体を稼働させる構成のものであり、液圧供給機構を用いて、液圧制御部とピストンとを接続する必要がある。そのため、例えば狭隘部を通過する際には、この液圧供給機構の取り回しを考慮する必要がある。また、必要に応じで電力等を供給するケーブル等も必要となり、取り扱いの煩雑さが生じてしまう。
The actuator described in
そこで、本発明が解決しようとする課題は、ロボット自体が独立して作業が可能な自律型筋肉ロボットを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an autonomous muscular robot in which the robot itself can work independently.
以上のことから本発明においては、胴体部に、アームと脚のいずれか一方または双方が連結され、アームや脚は供給された液圧により作動するアクチュエータにより任意位置に制御される自律型筋肉ロボットであって、胴体部に、アームや脚に液圧を供給するためのタンク、ポンプおよび複数の電磁弁を含む電磁弁ユニットで構成された液圧制御部と、電源及び電磁弁を制御するための制御信号を与える制御ユニットを備えていることを特徴とする自律型筋肉ロボットである。 As described above, in the present invention, either or both of the arm and the leg are connected to the body part, and the arm and the leg are controlled to an arbitrary position by the actuator that is operated by the supplied hydraulic pressure. In order to control a power source and a solenoid valve, a hydraulic pressure control unit configured by a solenoid valve unit including a tank, a pump, and a plurality of solenoid valves for supplying fluid pressure to the body and the arm, and a plurality of solenoid valves. It is an autonomous muscular robot characterized by including a control unit that gives a control signal.
本発明によれば、ロボット自体が独立して作業が可能な自律型筋肉ロボットを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an autonomous muscular robot in which the robot itself can work independently.
以下図面を用いて本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の説明に入る前に、本発明の自律型筋肉ロボットにおいて適用可能な、アクチュエータの構造及び機能、並びに従来におけるロボット構成の一例について説明する。 Prior to the description of the present invention, an example of the structure and function of an actuator and a conventional robot configuration applicable to the autonomous muscle robot of the present invention will be described.
図2は、アームを備えたロボットの典型的な一例を示している。ロボットは、液圧駆動ロボットアーム部1a、1b、ハンド部31、さらには必要に応じて関節部41を備えて構成され、これらの部分が作業現場環境200内に置かれる。2は液圧制御部、80は作業現場環境側の液圧駆動ロボットアーム部1a、1bに、駆動用の液圧を輸送するための液圧ケーブルである。液圧制御部2は、作業現場環境200内に置かれてもよいが、多くの場合には保守管理の問題などの観点で、作業現場200とは隔絶された場所におかれることが多い。
FIG. 2 shows a typical example of a robot having an arm. The robot is configured by including hydraulically driven
図3は、アーム1の代わりに脚21を構成するロボットの一例を示している。アーム1が脚21に置換されているのみである。
FIG. 3 shows an example of a robot that constitutes a
図4は、具体的なアクチュエータの構成例を示す図である。この図のアクチュエータが、図2の液圧駆動ロボットアーム部1a、1bの部分を構成し、あるいは図3の脚21を構成する。図4aは、液圧駆動のアクチュエータ100の一構成例を模式的に示す図、図4bは、液圧駆動のアクチュエータ100の各構成要素を分解して示した図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a specific configuration example of the actuator. The actuator of this figure constitutes the hydraulic drive
図4a及び図4bに示すように、液圧駆動のアクチュエータ100は、第1のシリンダ体10、第2のシリンダ体20、ピストン体30、液圧供給機構40、間隔リミッタ機構50、弾性体60を備えた構成となっている。なお、弾性体60は中央にある第1のシリンダ体10や第2のシリンダ体20やピストン体30が分かりやすいように、左右に1つずつ弾性体60a、弾性体60bのみを示しているが、実際には横断面において中央のピストン体30の周囲に等間隔にn本設けた構成となっている。
As shown in FIGS. 4 a and 4 b, the hydraulically driven
図5は、図1の液圧駆動ロボットアーム1a、1bのA−A断面図を示している。図5aに示す断面には、例えば4組の第1のシリンダ体10が配置されている。図5bは、図5aのC−C断面を示しており、複数のピストン体30がそれぞれ異なる伸縮をすることで、一方端210を固定位置とする時、他方端220を上下方向に曲げることができ、自由位置を採用できることを示している。
FIG. 5 shows a cross-sectional view of the hydraulic
図6は、図2の液圧制御部の構成例を示している。液圧制御部2は、タンク3、ポンプ4、電磁弁ユニット5、さらには制御盤6を含んで構成されている。なお電磁弁ユニット5は複数の電磁弁で構成され、図5bの動きを実現するために必要な複数の第1のシリンダ体10の夫々に必要な液圧を、制御盤6からの制御信号により調整されて、液圧をアクチュエータに供給する。
FIG. 6 shows a configuration example of the hydraulic pressure control unit in FIG. The hydraulic
以上、図2から図6を用いて説明した従来の筋肉ロボットは、現場のロボットが、遠隔位置に設けられた液圧制御部2により駆動されており、従って筋肉ロボットの可動範囲は限定されたものであった。
As described above, in the conventional muscular robot described with reference to FIGS. 2 to 6, the on-site robot is driven by the
図1に示す本発明の筋肉ロボットは、従来の筋肉ロボットに比べて自由な移動が可能であり、自律性を高めたものになっている。図1の自律型筋肉ロボットは、例えば4組のアーム1(1A、1B、1C、1D)と、支持部7と、ロボット胴体部16が一体に形成されている。なお特に必要がない限り、以降においてハンド部31とアーム部1a、1bを含む構成全体を単にアームと称する。
The muscular robot of the present invention shown in FIG. 1 can move more freely than a conventional muscular robot, and has improved autonomy. In the autonomous muscle robot of FIG. 1, for example, four sets of arms 1 (1A, 1B, 1C, and 1D), a
4組のアーム1(1A、1B、1C、1D)の構成は、図2に例示されたものと同じであり、支持部7は、液圧ケーブル80を収納するとともに、4組のアーム1(1A、1B、1C、1D)とロボット胴体部16を連結、支持している。
The configuration of the four sets of arms 1 (1A, 1B, 1C, 1D) is the same as that illustrated in FIG. 2, and the
ロボット胴体部16内には、図1の液圧制御部2が保有する機能、機器を、制御盤6を除いてすべて含んで構成されている。つまりロボット胴体部16は、タンク3、ポンプ4、電磁弁ユニット5を含んで構成されている。さらにロボット胴体部16は、バッテリー15、制御ユニット14、通信モジュール17を備え、バッテリー15は制御ユニット14、通信モジュール17、ポンプ4、電磁弁ユニット5に必要な電力を供給する。このため、バッテリー15は高出力のリチウムイオン電池などを用いるのがよい。また図1の自律型筋肉ロボットは、適宜の位置、例えば支持部7のアーム1先端が見える位置にカメラを備えて、適宜監視、制御に利用するのがよい。
The
制御ユニット14は演算機能を備えており、予め内蔵されたプログラムの実行により所定の作業を実施すべく、図4に示す複数のアクチュエータに対して適切な液圧を供給すべく、ポンプを制御し、さらには電磁弁ユニット5内の複数の電磁弁の開閉、あるいは開度を制御する。また制御ユニット14は、通信モジュール17を介して図示せぬ中央側の監視制御装置との間の通信により、作業状態の監視結果を報告し、あるいは中央側の監視制御装置からの指示により作業を実行可能である。制御ユニット14は、従来における制御盤6の機能を代替したものということができる。
The
図1に示すロボット胴体部16内の機能、構成は、単重系とされるのが望ましい。当該筋肉型ロボットは、人間の立ち入りが困難な場所での各種作業を実行することが期待されており、その意味では故障に対する信頼度を挙げた構成である多重系とするのが望ましいが、一方において大型化、重量化することが避けられない。本発明の自律型筋肉ロボットは、作業現場環境200内において多数台が投入され、作業分担により初期の作業を完遂するに適しており、1台が故障により停止したにしても作業から外すか、あるいは他の自律型筋肉ロボットを用いて作業現場環境200から搬出修理することが可能である。その為に単重系であっても支障がない。むしろ、軽量化による負荷の軽減、強いてはバッテリー15の使用時間を長くできることの方にメリットが大きい。
It is desirable that the function and configuration in the
次に本発明に係る自律型筋肉ロボットの変形、代案事例について説明する。まず図7は、図1の通信機能を無線から有線に置き換えたものである。無線通信方式の図1のロボット胴体部16内の通信モジュール17の代わりに、通信ケーブル19を配置して、図示せぬ中央側の監視制御装置との間の通信により、作業状態の監視結果を報告し、あるいは中央側の監視制御装置からの指示により作業を実行可能としたものである。
Next, modifications and alternative examples of the autonomous muscular robot according to the present invention will be described. First, FIG. 7 is obtained by replacing the communication function of FIG. 1 from wireless to wired. A
図8は、図1、図6の自律型筋肉ロボットに、液圧駆動ロボット脚21を設けたものである。図の例では脚は4脚として、自立の安定性と、自由移動を可能としている。液圧駆動ロボット脚21もアーム1と同様に、タンク3からポンプ4、電磁弁ユニット5を介して液圧が供給され、制御ユニット14からの信号により内部アクチュエータが駆動されている。なお、ロボット胴体部16に対して、アーム1、脚21、支持部7をどのように形成するのが良いのかについて、作業現場環境、作業内容などに応じて、適宜最適な形態とすることが可能である。
FIG. 8 is a diagram in which a hydraulically driven
図9は、図8の脚21付の自律型筋肉ロボットを正面から見た図である。脚21により任意位置に移動するとともに、当該場所でのアームによる作業を可能としている。
FIG. 9 is a front view of the autonomous muscular robot with
次に本発明の変形代案事例として、ロボット胴体部16の小型化に向けた改良案を説明する。ロボット胴体部16には、各種機能、各種形状の機器が多数搭載されている。このため機器間のスペースが多いほどロボット胴体部16が大型化する。他方において、作業現場環境あるいは、作業現場環境に至るまでのルートに狭隘部を含む場合には、狭隘部で作業可能なように大きさをコンパクト化する必要がある。
Next, as an alternative example of the present invention, an improvement plan for reducing the size of the
図10では、ロボット胴体部16内の機器のうち、最も容量が大きく、かつ形状を変更しやすい機器として、アクチュエータに送る圧液を保管しているタンク(水槽)に着目した。図1の構成と比較して明らかなように、タンク3を3つの小型タンク3A,3B,3Cに分割して連絡管101により相互接続している。この場合には、分割した小型タンクをロボット胴体部16内任意のスペースに配置可能であり、小型化に貢献できる。
In FIG. 10, attention is focused on a tank (water tank) that stores the pressurized liquid to be sent to the actuator, as the apparatus having the largest capacity and easy to change the shape among the apparatuses in the
図11もタンクに着目した事例である。タンク3を変形可能な弾性の袋で作成し、任意のスペースに配置可能な構造としている。この事例では、タンクの可撓性を利用することでロボット胴体部16内の機器間スペースを埋めることが可能であり、小型化に貢献できる。
FIG. 11 is also an example focusing on the tank. The tank 3 is made of a deformable elastic bag and has a structure that can be placed in an arbitrary space. In this case, the space between the devices in the
図12は、ロボットの作業環境に放射線環境を含む場合の対策である。ロボット胴体部16内の電子機器である制御ユニット14、通信モジュール17が放射線環境に置かれることによる放射線照射劣化を抑止する手法である。図12の例では、タンク3をロボットの胴体16外周部に配置し、かつ、制御ユニット14、通信モジュール17を胴体中央部に配置することで、周囲の放射線環境から、照射劣化によるロボットの破損を防止する。
FIG. 12 shows a countermeasure when the work environment of the robot includes a radiation environment. This is a technique for suppressing radiation irradiation deterioration caused by the
図12の例では、制御ユニット14、通信モジュール17などの電子機器を胴体内部収納容器22内に収納する。そのうえで、胴体内部収納容器22の外壁とロボット胴体部16の外壁との間に圧液を収納するタンク部分を構成している。胴体内部収納容器22に収納される機器は、図1、図7においてロボット胴体部16内に収納されている機器が対象となる。胴体内部収納容器22に収納される制御ユニット14、通信モジュール17などの電子機器は、タンク内の圧液を経由する形で、周囲の放射線環境から照射を受けるため、微弱な照射となり、照射劣化によるロボットの破損を防止することができる。
In the example of FIG. 12, electronic devices such as the
以上説明した本発明によれば、ロボット胴体部16内に液圧制御部2及び、バッテリー15、制御ユニット14、通信機能を含むことにより、独立した処理機能の実行が可能であり、いわゆる自律型筋肉ロボットを実現している。
According to the present invention described above, the
本発明は、人間の立ち入りが困難な場所での各種作業を実行するためのロボットとして好適であり、特に原子力発電所の廃炉作業現場などに使用するのがよい。 The present invention is suitable as a robot for performing various operations in a place where it is difficult for humans to enter, and is particularly suitable for a decommissioning work site of a nuclear power plant.
1:アーム
1a、1b:液圧駆動ロボットアーム部
2:液圧制御部
3:タンク
4:ポンプ
5:電磁弁ユニット
6:制御盤
7:支持部
14:制御ユニット
15:バッテリー
16:ロボット胴体部
17:通信モジュール
18:カメラ
19:通信ケーブル
21:脚
22:胴体内部収納容器
10:第1のシリンダ体
20:第2のシリンダ体
30:ピストン体
31:ハンド部
40:液圧供給機構
41:関節部
50:間隔リミッタ機構
60:弾性体
80:液圧ケーブル
100:液圧駆動のアクチュエータ
101:連絡管
200:作業現場環境
210:一方端
220:他方端
1:
Claims (8)
前記胴体部に、前記アームや脚に液圧を供給するためのタンク、ポンプおよび複数の電磁弁を含む電磁弁ユニットで構成された液圧制御部と、電源及び前記電磁弁を制御するための制御信号を与える制御ユニットを備えていることを特徴とする自律型筋肉ロボット。 One or both of arms and legs are connected to the torso, and the arms and legs are autonomous muscular robots that are controlled to an arbitrary position by an actuator that operates by the supplied hydraulic pressure,
A fluid pressure control unit composed of a solenoid valve unit including a tank, a pump, and a plurality of solenoid valves for supplying fluid pressure to the arms and legs, and a power source for controlling the solenoid valve. An autonomous muscular robot comprising a control unit that gives a control signal.
前記制御ユニットは、無線通信ユニットまたは通信ケーブルにより、中央の監視制御装置と通信を行うことを特徴とする自律型筋肉ロボット。 The autonomous muscular robot according to claim 1,
The autonomous muscular robot, wherein the control unit communicates with a central supervisory control device by a wireless communication unit or a communication cable.
前記電源は、前記ポンプ、前記複数の電磁弁を含む電磁弁ユニット、及び前記電磁弁を制御するための制御信号を与える制御ユニットに電力供給していることを特徴とする自律型筋肉ロボット。 The autonomous muscular robot according to claim 1 or 2,
The power source supplies power to the pump, an electromagnetic valve unit including the plurality of electromagnetic valves, and a control unit that provides a control signal for controlling the electromagnetic valves.
前記胴体部に収納された機器は、単重系で構成されることを特徴とする自律型筋肉ロボット。 The autonomous muscular robot according to any one of claims 1 to 3,
The autonomous muscle robot according to claim 1, wherein the device housed in the torso part is constituted by a single weight system.
前記タンクは複数の小型タンクで構成され、前記胴体部の任意部位に設置されるとともに、複数の小型タンクの間が連絡管により接続されていることを特徴とする自律型筋肉ロボット。 The autonomous muscular robot according to any one of claims 1 to 5,
The autonomous muscular robot, wherein the tank is composed of a plurality of small tanks, is installed at an arbitrary part of the body part, and the plurality of small tanks are connected by a connecting pipe.
前記タンクは、変形可能な弾性の袋で作成されていることを特徴とする自律型筋肉ロボット。 The autonomous muscular robot according to any one of claims 1 to 5,
2. The autonomous muscle robot according to claim 1, wherein the tank is made of a deformable elastic bag.
前記胴体部内に、胴体内部収納容器を配置して、該胴体内部収納容器内に、ポンプおよび複数の電磁弁を含む電磁弁ユニットで構成された液圧制御部と、電源及び前記電磁弁を制御するための制御信号を与える制御ユニットを備え、前記胴体部と前記胴体内部収納容器内の間に、前記アームや脚に液圧を供給するためのタンクを形成していることを特徴とする自律型筋肉ロボット。 The autonomous muscular robot according to any one of claims 1 to 5,
A fuselage internal storage container is disposed in the body part, and a hydraulic pressure control unit including a pump and a solenoid valve unit including a plurality of solenoid valves, a power source, and the solenoid valve are controlled in the fuselage internal storage container. And a control unit for supplying a control signal for performing the operation, and a tank for supplying hydraulic pressure to the arm and the leg is formed between the body part and the body internal storage container. Type muscle robot.
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