JP2019090264A - 壁面走行ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 互いに交差する壁面間を確実に走行することができる壁面走行ロボットを提供する。【解決手段】 本体１０と、本体１０の進行方向前後にそれぞれ取り付けられた前輪２０および後輪３０と、前輪２０を駆動する前輪駆動手段４０と、前輪駆動手段４０の駆動を制御する制御手段５０とを備え、前輪２０および後輪３０が磁力により壁面に吸着して走行可能な壁面走行ロボット１であって、前輪２０および後輪３０が走行する第１の壁面を押圧して前輪２０と第１の壁面との吸着を解除する押圧手段６０を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、壁面走行ロボットに関する。

橋梁等の構造物の壁面を走行する壁面走行ロボットとして、例えば、特許文献１に開示された構造物点検ロボットが知られている。この構造物点検ロボットは、構造物の点検装置を搭載する本体と、車輪を回転駆動することにより本体を移動させる走行装置とを備えている。車輪は、複数の磁石が周方向に沿って等間隔に配置されており、車輪が強磁性体の走行面に吸着されることで、天井面や垂直面などの壁面を走行することができる。

特開２０１６−１２５２８９号公報

磁石車輪を有する壁面走行ロボットは、本体が大型化・高重量化すると、走行中の壁面からの落下を確実に防止するために、車輪の磁石を強力にする必要がある。ところが、壁面に対する車輪の吸着力が大きくなると、天井面および垂直面など交差する２つの壁面の間で車輪が双方に強固に吸着されてしまい、壁面走行ロボットが走行不能になるおそれがあった。

そこで、本発明は、互いに交差する壁面間を確実に走行することができる壁面走行ロボットの提供を目的とする。

本発明の前記目的は、本体と、前記本体の進行方向前後にそれぞれ取り付けられた前輪および後輪と、前記前輪を駆動する前輪駆動手段と、前記前輪駆動手段の駆動を制御する制御手段とを備え、前記前輪および後輪が磁力により壁面に吸着して走行可能な壁面走行ロボットであって、前記前輪および後輪が走行する第１の壁面を押圧して前記前輪と前記第１の壁面との吸着を解除する押圧手段を備える壁面走行ロボットにより達成される。

この壁面走行ロボットにおいて、前記制御手段は、前記第１の壁面を走行中に前記前輪と第２の壁面との衝突を検知することにより、前記押圧手段を作動させて前記第１の壁面を押圧し、前記前輪を前記第２の壁面に移行させることが好ましい。前記後輪は、前記本体にアームを介して回動自在に取り付けられていることが好ましい。

更に、この壁面走行ロボットは、前記アームを駆動するアーム駆動手段を備えることが好ましく、前記制御手段は、前記前輪が前記第２の壁面に移行した後も前記後輪が前記第１の壁面に吸着した状態が維持されるように、前記アームを駆動することが好ましい。また、前記後輪が壁面から受ける抗力を検出する抗力検出センサを備えることが好ましい。

本発明によれば、互いに交差する壁面間を確実に走行することができる壁面走行ロボットを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る壁面走行ロボットの斜視図である。 図１に示す壁面走行ロボットを後方から見た背面図である。 図１に示す壁面走行ロボットの側面図である。 図１に示す壁面走行ロボットの不安定動作を説明するための工程図である。 図１に示す壁面走行ロボットの安定動作を説明するための工程図である。 本発明の壁面走行ロボットの安定動作を説明するための模式図である。 本発明の壁面走行ロボットの移動軌跡の一例を示す模式図である。 本発明の壁面走行ロボットの他の安定動作を説明するための模式図である。 本発明の壁面走行ロボットの移動軌跡の他の例を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る壁面走行ロボットの斜視図であり、図２は、図１に示す壁面走行ロボットを後方から見た背面図である。図１および図２に示すように、壁面走行ロボット１は、本体１０と、本体１０の進行方向前後にそれぞれ取り付けられた前輪２０および後輪３０と、前輪２０を駆動する前輪駆動装置４０と、制御装置５０と、走行面を押圧する押圧装置６０と、本体１０と後輪３０との間に介在されたアーム７０と、アーム７０を駆動するアーム駆動装置８０とを備えている。

本体１０は、左右に延びる矩形状の支持板１１と、支持板１１の下面から垂下する一対の側板１２，１２と、支持板１１下面に左右両側に突出するようにそれぞれ固定された一対の固定軸１３，１３とを備えており、一対の固定軸１３，１３に２つの前輪２０がそれぞれ回転自在に支持されている。図示していないが、本体１０には、橋梁、塔、タンク等の構造物の壁面を走行して当該構造物の腐食の有無等を検査する検査装置を搭載することができる。

前輪２０は、非磁性材料からなるハブ２１の外周に沿って複数の永久磁石２２が等間隔に配置されており、永久磁石２２の表裏面が、強磁性材料からなるリング部材２３，２３によって挟持されている。ハブ２１は、固定軸１３の端部が挿入される挿入孔２１１が中心部に形成されており、裏面側には従動ギア２４が固定されている。永久磁石２２は、磁極が固定軸１３の軸線方向に沿って配置されており、図２に示すように、磁性を有する構造物の壁面１００側に形成される磁束ｆにより、前輪２０の外周面が壁面１００に吸着される。

後輪３０は、前輪２０と同様の構成を備えており、後輪３０の外周面が、磁性を有する構造物の壁面１００に磁力により吸着される。後輪３０の磁力は、前輪２０の磁力よりも小さく設定されている。

前輪駆動装置４０は、支持板１１の上面の左右両側に設けられた駆動モータ４１，４１を備えている。各駆動モータ４１の駆動軸には駆動ギア４２が取り付けられており、前輪２０に設けられた従動ギア２４に駆動ギア４２が噛合することにより、左右の前輪２０を個別に駆動することができる。

制御装置５０は、支持板１１に支持されており、各前輪駆動装置４０の駆動を制御すると共に、後述する押圧装置６０やアーム駆動装置８０の駆動を制御する。

押圧装置６０は、支持板１１に設けられたモータ６１、駆動伝達装置６４および昇降板６５を備えている。モータ６１の出力軸には駆動ギア６２が、駆動伝達装置６４が備える台形ねじ軸には従動ギア６３が、それぞれ設けられており、駆動ギア６２と従動ギア６３とが噛合している。駆動伝達装置６４の台形ねじ軸には、昇降板６５に設けられたナットが螺合しており、モータ６１の駆動によって昇降板６５が昇降する。昇降板６５は、左右両側に一対の押圧棒６６，６６が取り付けられている。各押圧棒６６は、基端部が昇降板６５に固定され、他端側が支持板１１を貫通して支持板１１よりも下方に延びており、図２に示すように、各押圧棒６６先端が壁面１００から離れた状態から、押圧棒６６を矢示のように下降させることにより、壁面１００を押圧することができる。押圧装置６０の昇降機構は、クランク機構やラック・ピニオン機構等のように回転運動を直線運動に変換する他の公知の機構であってもよく、あるいは、油圧シリンダ等を用いることもできる。押圧棒６６により壁面１００を確実に押圧できるように、押圧棒６６の先端部に拡径部を設けたり弾性体を装着する等して、壁面１００との当接面積を広くしてもよい。

アーム７０は、角筒状の一対の支持部材７１，７１の先端部が連結軸７２により連結されており、連結軸７２に後輪３０が回転自在に支持されている。一対の支持部材７１，７１の基端側には回動軸７３が固定されており、回動軸７３が一対の側板１２，１２に回動可能に支持されている。回動軸７３の一端側は、側板１２を貫通して従動ギア７４が設けられている。各支持部材７１には、後輪３０が壁面１００から受ける抗力を検出する抗力検出センサ７５が設けられており、後輪３０と壁面１００との吸着状態を抗力検出センサ７５により検出することができる。本実施形態では、抗力検出センサ７５としてひずみセンサを使用しているが、圧力センサ等の他のセンサであってもよい。

アーム駆動装置８０は、支持板１１の下面側にブラケット１４により支持された駆動モータ８１と、駆動モータ８１の駆動軸に設けられた駆動ギア８２とを備えている。駆動ギア８２は、アーム７０の従動ギア７４と噛合しており、駆動モータ８１の正逆回転によりアーム７０を揺動させて、本体１０に対するアーム７０の角度を調整することができる。

上記の構成を備える壁面走行ロボット１は、図３に側面図で示すように、前輪２０の駆動によって第１の壁面１０１を矢示Ａ方向に走行中に、第１の壁面１０１と交差する第２の壁面１０２に前輪２０が衝突すると、前輪駆動装置４０の駆動モータ４１の負荷トルクが増大する。制御装置５０は、この負荷トルクの増大を検出して前輪２０が第２の壁面１０２に衝突したことを検知し、押圧装置６０を作動させて、押圧棒６６により第１の壁面１０１を矢示Ｂ方向に押圧する。これにより、前輪２０は、第１の壁面１０１との吸着が解除されて第１の壁面１０１から離隔し、第２の壁面１０２に移行して矢示Ｃ方向に走行する。後輪３０は、前輪２０の走行に追従して、第１の壁面１０１から第２の壁面１０２へと移行する。前輪２０と第２の壁面１０２との衝突検知は、圧力センサ、光電センサ、超音波センサ等のように、障害物等を検出可能な各種センサを用いて行うことも可能である。

本実施形態の壁面走行ロボット１は、上記のように前輪２０および後輪３０が走行する第１の壁面１０１を押圧する押圧装置６０を備えることにより、第１の壁面１０１との吸着を確実に解除することができる。したがって、第１の壁面１０１および第２の壁面１０２の双方に前輪２０が吸着された場合でも、第１の壁面１０１との吸着を容易に解除して、前輪２０を第２の壁面１０２にスムーズに移行させることができる。第１の壁面１０１および第２の壁面１０２は、本実施形態においては互いに直交しているが、直交以外の交差であってもよい。

本実施形態の押圧装置６０は、押圧棒６６が第１の壁面１０１を確実に押圧できるように、押圧方向を第１の壁面１０１の法線方向としているが、法線方向に対して若干傾斜させてもよい。例えば、進行方向前方に向けて若干傾斜する方向に第１の壁面１０１を押圧すると、第２の壁面１０２との吸着力を若干弱めながら前輪２０を第２の壁面１０２に移行させることができるので、第２の壁面１０２に対する前輪２０の吸着力が強力な場合に有効である。一方、前輪２０を第２の壁面１０２に確実に接近させたい場合には、進行方向後方に向けて若干傾斜する方向に第１の壁面１０１を押圧する構成にしてもよい。

本実施形態の押圧装置６０は、一対の押圧棒６６，６６が、一対の固定軸１３，１３の延長線と交差するように配置されており、図３の側面視において、前輪２０が第１の壁面１０１に接する箇所を各押圧棒６６が押圧する。押圧棒６６の押圧箇所は、前輪２０の上記接地箇所から進行方向前後に若干ずらすことで、第２の壁面１０２への前輪２０の移行を促すこともできる。押圧棒６６の数は特に限定されるものではなく、中央に１本のみを配置したり、３本以上の多数本を適宜の箇所に配置してもよい。

後輪３０は、通常は前輪２０の走行に追従させることが可能であるが、図４（ａ）に示すように、壁面走行ロボット１が、天井面である第１の壁面１０１から、垂直面である第２の壁面１０２に移行する場合には、走行が不安定になり易いため注意が必要である。すなわち、図４（ａ）に示す状態から押圧棒６６を作動させて前輪２０と第１の壁面１０１との吸着を解除した後、前輪２０が第２の壁面１０２を走行すると、図４（ｂ）に示すように、前輪２０の矢示Ｄ方向の回転に伴い、アーム７０には矢示Ｅ方向に回動する力が作用する。この状態から前輪２０が下方に向けて更に走行すると、後輪３０が第１の壁面１０１から離れてアーム７０の姿勢が不安定になるため、図４（ｃ）に示すように、アーム７０が矢示Ｆ方向に回動することがある。このような場合には、前輪２０と第２の壁面１０２との吸着が解除されて、壁面走行ロボット１が落下するおそれがある。

このため、本実施形態の壁面走行ロボット１は、後輪３０が本体１０にアーム７０を介して回動自在に支持されており、これによって走行中の落下を確実に防止している。すなわち、図５（ａ）に示す状態から押圧棒６６を作動させて前輪２０と第１の壁面１０１との吸着を解除させた後、前輪２０が第２の壁面１０２を走行する際に、図５（ｂ）に示すように、本体１０に対するアーム７０の角度（例えば、アーム７０を支持する側板１２とアーム７０とがなす角度α）を徐々に小さくすることで、後輪３０が第１の壁面１０１に吸着された状態を確実に維持することができ、図５（ｃ）に示すように、後輪３０を第２の壁面１０２に移行させることができる。

本体１０に対するアーム７０の角度の調整は、アーム駆動装置８０によって行うことができ、例えば、制御装置５０が、第２の壁面１０２における前輪２０の走行量の検出（例えば、エンコーダの値）や、抗力検出センサ７５の検出に基づいて、図５（ｂ）の矢示Ｆ方向にアーム７０が回動するように、アーム駆動装置８０の駆動を制御することができる。アーム７０の角度調整は、アーム駆動装置８０を設けずに行うことも可能であり、例えば、第２の壁面１０２における下方への前輪２０の走行中に、前輪２０を矢示Ｇ方向に回転させて上方に後退させてもよい。あるいは、後輪３０を駆動する駆動装置を設けて、後輪３０の後退によりアーム７０を矢示Ｆ方向に回動させてもよい。アーム７０の矢示Ｆ方向の回動と、前輪２０の矢示Ｇ方向の回転とは、いずれか一方のみであってもよいが、これらを組み合わせてアーム７０の角度調整を行うこともできる。

図６は、本発明の壁面走行ロボットの模式図である。図６（ａ）が後輪２０の中心位置が前輪３０の真上にあるときの状態を示しており、図６（ｂ）が第１の壁面１０１から第２の壁面１０２への移行途中の状態を示しており、図６（ｃ）が第２の壁面１０２への移行完了後の状態を示している。図６の側面視において、Ｒは前輪２０の半径、ｒは後輪３０の半径、ａは前輪２０の中心からアーム７０の回動軸７３までの距離、ｂは回動軸７３から後輪３０の中心までの距離、Ｙｉは移行完了後における前輪２０および後輪３０の中心間距離、θは水平方向に対する回動軸７３と前輪２０の中心を結んだ線のなす角度、φは回動軸７３と前輪２０の中心を結んだ線に対するアーム７０の角度、θｉは移行完了後における水平方向に対する回動軸７３と前輪２０の中心を結んだ線のなす角度、φｉは移行完了後における回動軸７３と前輪２０の中心を結んだ線に対するアームの角度である。

図６（ｃ）に示す水平方向の関係から、ａcosθi＋ｒ＝Ｒとなるため、θｉは、下記の数式１によって得られる。但し、−１＜（Ｒ−ｒ）／ａ＜１であり、ｂ＞（Ｒ−ａsinθｉ）／sin(θｉ＋φｉ)である。

また、移行完了後における前輪２０および後輪３０の中心間距離Ｙｉは、下記の数式２によって得られる。

図６（ｃ）に示す移行完了後においては、アーム７０が第２の壁面１０２と平行になることから、上記数式２のθi＋φiは、π／２（９０°）である。

この移行完了後の条件から、壁面走行ロボットの移行途中におけるθおよびφの最適値を算出する。壁面走行ロボットの落下を防ぐために、θ及びφは、幾何学的な関係から下記の数式３を満たす必要がある。ここで、図６（ａ）に至るまでの壁面走行ロボットの走行においてはアーム７０の角度の調整を行わなくてもロボットは落下することはない。そのため図６（ａ）の状態以降のθおよびφの最適値の算出が重要となる。

上記数式３から、π／２≦θ＋φ≦πの範囲に注意すると、φは下記数式４によって得られる。

φが上記数式４の条件を満たしつつ、π／２≦θ＋φ≦πとなるように、移行中のθおよびφを設定することで、壁面走行ロボットの落下を確実に防止することができる。一例として、Ｒ＝５９、ｒ＝２２．５、ａ＝３８．８、ｂ＝７０にそれぞれ設定して、移行完了後のＹｉ、θｉおよびφｉを求めると、Ｙｉ＝約８３．１６、θｉ＝約１９．８°、φｉ＝約７０．１°となり、これらの値からθおよびφを求めた。このときの前輪２０中心、後輪３０中心および回動軸７３の軌跡を、図７に示す。

図６においては、回動軸７３がアーム７０に対して第２の壁面１０２側となるようにアーム７０の角度調整を行っているが、図８に示すように、アーム７０が回動軸７３に対して第２の壁面１０２側となるようにアーム７０の角度調整を行ってもよい。この場合には、θおよびφを以下の手順で求めることができる。

移動中のθ及びφの関係式については、上記数式３によって与えられる。図８（ｃ）に示す水平方向の関係から、ｂcos(θｉ＋φｉ)＋ｒ＝Ｒとなるため、θｉは、下記の数式５によって得られる。但し、−１＜（Ｒ−ｒ）／ｂ＜１であり、ａ＞（Ｒ−ｂsin(θｉ+φｉ)）/sinθｉである。

また、図８（ｃ）に示す移行完了後における前輪２０および後輪３０の中心間距離Ｙｉは、下記の数式６によって得られる。

図８（ｃ）に示す移行完了後においては、アーム７０の回動軸７３と前輪２０の中心を結んだ線のなす角度が第２の壁面１０２と平行になることから、上記数式５および６のθiは、π／２（９０°）である。

この移行完了後の条件から、壁面走行ロボットの移行途中におけるθおよびφの最適値を算出する。ここで壁面走行ロボットの落下を防ぐためにθ及びφは幾何学的な関係から下記の数式７を満たす必要がある。ここで図８（ａ）に至るまでの壁面走行ロボットの走行においてはアーム７０の角度の調整を行わなくてもロボットは落下することはない。そのため図８（ａ）の状態以降のθおよびφの最適値の算出が重要となる。

上記数式７から、０＜θ＋φ≦π／２の範囲に注意すると、φは下記数式８によって得られる。

φが上記数式８の条件を満たしつつ、０＜θ＋φ≦π／２となるように、移行中のθおよびφを設定することで、壁面走行ロボットの落下を確実に防止することができる。一例として、Ｒ＝５９、ｒ＝２２．５、ａ＝３８．８、ｂ＝７０にそれぞれ設定して、移行完了後のＹｉ、θｉおよびφｉを求めると、Ｙｉ＝約１０９．７、θｉ＝９０°、φｉ＝約-３１．４°となり、これらの値からθおよびφを求めた。このときの前輪２０中心、後輪３０中心および回動軸７３の軌跡を、図９に示す。

１ 壁面走行ロボット
１０ 本体
２０ 前輪
３０ 後輪
４０ 前輪駆動装置
５０ 制御装置
６０ 押圧装置
７０ アーム
７５ 抗力検出センサ
８０ アーム駆動装置

本発明の前記目的は、本体と、前記本体の進行方向前後にそれぞれ取り付けられた前輪および後輪と、前記前輪を駆動する前輪駆動手段と、前記前輪駆動手段の駆動を制御する制御手段とを備え、前記前輪および後輪が磁力により壁面に吸着して走行可能な壁面走行ロボットであって、前記前輪および後輪が走行する天井面である第１の壁面を押圧して前記前輪と前記第１の壁面との吸着を解除する押圧手段を備え、前記後輪は、前記本体にアームを介して回動自在に取り付けられており、前記アームを駆動するアーム駆動手段を更に備え、前記制御手段は、前記第１の壁面を走行中に、前記前輪と垂直面である第２の壁面との衝突を検知することにより、前記押圧手段を作動させて前記第１の壁面を押圧して前記前輪を前記第２の壁面に移行させ、前記前輪が前記第２の壁面に移行した後も前記後輪が前記第１の壁面に吸着した状態が維持されるように、前記アーム駆動手段による前記アームの駆動を制御する壁面走行ロボットにより達成される。

この壁面走行ロボットにおいて、前記制御手段は、前記第２の壁面における下方への前記前輪の走行中に、前記前輪を上方に後退させて、前記本体に対する前記アームの角度を調整することができる。

また、前記制御手段は、前記第２の壁面における前記前輪の走行量の検出に基づき、前記アーム駆動装置の駆動を制御することができる。あるいは、前記後輪が壁面から受ける抗力を検出する抗力検出センサを備えることにより、前記制御手段は、前記抗力検出センサの検出に基づき、前記アーム駆動装置の駆動を制御することができる。

また、前記制御手段は、前記第２の壁面における前記前輪の走行量の検出に基づき、前記アーム駆動手段の駆動を制御することができる。あるいは、前記後輪が壁面から受ける抗力を検出する抗力検出センサを備えることにより、前記制御手段は、前記抗力検出センサの検出に基づき、前記アーム駆動手段の駆動を制御することができる。

Claims (5)

1. 本体と、前記本体の進行方向前後にそれぞれ取り付けられた前輪および後輪と、前記前輪を駆動する前輪駆動手段と、前記前輪駆動手段の駆動を制御する制御手段とを備え、前記前輪および後輪が磁力により壁面に吸着して走行可能な壁面走行ロボットであって、
   前記前輪および後輪が走行する第１の壁面を押圧して前記前輪と前記第１の壁面との吸着を解除する押圧手段を備える壁面走行ロボット。
2. 前記制御手段は、前記第１の壁面を走行中に前記前輪と第２の壁面との衝突を検知することにより、前記押圧手段を作動させて前記第１の壁面を押圧し、前記前輪を前記第２の壁面に移行させる請求項１に記載の壁面走行ロボット。
3. 前記後輪は、前記本体にアームを介して回動自在に取り付けられている請求項２に記載の壁面走行ロボット。
4. 前記アームを駆動するアーム駆動手段を備え、
   前記制御手段は、前記前輪が前記第２の壁面に移行した後も前記後輪が前記第１の壁面に吸着した状態が維持されるように、前記アームを駆動する請求項３に記載の壁面走行ロボット。
5. 前記後輪が壁面から受ける抗力を検出する抗力検出センサを備える請求項３または４に記載の壁面走行ロボット。

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