JP2021033092A

JP2021033092A - 自走式ロボット

Info

Publication number: JP2021033092A
Application number: JP2019154122A
Authority: JP
Inventors: 中村　太郎; Taro Nakamura; 太郎中村; 拓己保井; Takumi Yasui; 雄貴眞野; Yuki Mano; 文臣伊藤; Fumiomi Ito
Original assignee: Chuo University
Current assignee: Chuo University
Priority date: 2019-08-26
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2021-03-01
Anticipated expiration: 2039-08-26
Also published as: JP7301358B2

Abstract

【課題】管路に方向変換部が設定されている場合でも、管内をスムースに進行可能な自走式ロボットを提供する。【解決手段】外筒と、外筒の内側に設けられた内筒と、外筒及び内筒の軸方向各端部に設けられ、外筒の内周及び内筒の外周とともに閉空間を形成する端部部材とを備え、閉空間に流体を供給することにより軸方向に収縮するとともに径方向に膨張し、閉空間から流体を排出することにより軸方向に伸長するとともに径方向に収縮する伸縮ユニットを連結手段を介して複数連結し、伸縮ユニットを蠕動運動を模すように管内において動作させて推進力を得る自走式ロボットであって、連結手段は、伸縮ユニット及び該連結手段を前記管内壁に対して非接触とする支持する支持手段を備えるようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、自走式ロボットに関し、特に蠕動運動を摸して走行する自走式ロボットの移動速度を向上可能な自走式ロボットに関する。

従来、下水道等の管内を検査するための管体内検査装置として収縮時に拡径し、伸長時に縮径する伸縮ユニットを複数連結し、ミミズの蠕動運動を模すように伸縮ユニットを順番に伸縮することで管内における推進力を発生させているものが知られている（特許文献１）。

特開２０１４−２２８６５８号公報

しかしながら、下水道の管路の総延長は、４６万ｋｍを上る一方で、５０年以上経過した老朽管の急増が見込まれており、検査効率を向上すべく、管内を検査する検査装置のより一層の移動速度の向上が求められている。しかし、管路には、例えば、直角等に方向を変える曲管やエルボ等の方向変換部が設けられているため、伸縮ユニットの通過の妨げとなっている。
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、管路に方向変換部が設定されている場合でも、管内をスムースに進行可能な自走式ロボットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのアクチュエータの構成として、外筒と、前記外筒の内側に設けられた内筒と、前記外筒及び前記内筒の軸方向各端部に設けられ、前記外筒の内周及び前記内筒の外周とともに閉空間を形成する端部部材と、を備え、前記閉空間に流体を供給することにより軸方向に収縮するとともに径方向に膨張し、前記閉空間から流体を排出することにより軸方向に伸長するとともに径方向に収縮する伸縮ユニットを連結手段を介して複数連結し、前記伸縮ユニットを蠕動運動を模すように管内において動作させて推進力を得る自走式ロボットであって、前記連結手段は、前記伸縮ユニット及び該連結手段を前記管内壁に対して非接触となるように支持する支持手段を備えたことを特徴とする。
本構成によれば、伸縮ユニットや連結手段が管内壁に接触しないので、曲管部であってもスムースに進行することができ、その結果自走式ロボットの移動速度を向上させることができる。
また、自走式ロボットの構成として、連結手段を、一方の伸縮ユニットに取り付けられる取付体と、他方の伸縮ユニットに取り付けられる取付体と、各取付体が回動自在に取り付けられ、２つの取付体を結合させる結合体とを備えるユニバーサルジョイントとしたり、支持手段を伸縮ユニットの軸線を中心とし、放射状に延長する繊維群としたり、また、支持手段を各結合体に取り付けるようにしても良い。

自走式ロボットの概略構成図である。伸縮ユニットの断面図である。伸縮ユニットの弾性膨張体の断面図である。伸縮ユニットの動作を示す図である。ジョイントを示す図である。支持手段の平面図である。ジョイントの動作を示す図である。バルブユニットの概略構成図である。支持手段の作用を示す図である

以下、発明の実施形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明される特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らず、選択的に採用される構成を含むものである。

以下、本発明の実施形態について、各図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る管Ｚ内を移動する自走式ロボット１の概略構成図である。自走式ロボット１は、概略、管Ｚ内を移動する移動体としての走行部１０と、走行部１０を動作させるコンプレッサー７０と、コントローラー８０とを備える。

走行部１０は、複数の伸縮ユニット２０と、伸縮ユニット２０同士を接続するジョイント４０と、バルブユニット６０と、先頭部９０と、を備える。以下の説明では、矢印Ｘ１に沿う方向を走行部１０の進行方向とし、この進行方向に沿って前側、逆を後側としてその前後方向を特定する。

図２は、伸縮ユニット２０の一構成例を示す軸方向断面図である。伸縮ユニット２０は、内筒２１と、内筒２１とともに二重管を形成するように内筒２１の外周を囲むように配設される外筒２２と、内筒２１及び外筒２２との端部に設けられる一対の端部部材２３；２３とを備える。

内筒２１は、軸方向に沿って伸縮可能な蛇腹構造を有する断面円形の筒体である。本実施形態の蛇腹構造は、螺旋状の蛇腹構造を有するものとして説明するが、これに限定されない。内筒２１を構成する素材には、例えば、軸線の曲がりを許容し、内周側や外周側からの圧力により変形しにくい可撓性を有する素材で構成されることが好ましい。内筒２１は、各端部が端部部材２３に設けられた内筒固定部２８に取り付けられる。

図３は、図２中のＡ１−Ａ１矢視における外筒２２の断面を誇張して示した図である。同図に示すように、外筒２２は、弾性体より形成される円筒状の筒本体２２Ａと、当該筒本体２２Ａの内部において密に内挿された複数の繊維２２Ｂとから構成される。筒本体２２Ａの材質としては、シリコーンゴム等の合成ゴム、或いは天然ラテックスゴム等の天然ゴム等の気密性及び伸縮性を有する弾性素材が好適である。

繊維２２Ｂは、一端側から他端側まで連続するように、軸線に沿って延長するように外筒２２の壁厚内に配置され、本実施例では層状に複数積層して密に内挿される。なお、繊維２２Ｂは、積層せずに単層であっても良い。繊維２２Ｂは、筒本体２２Ａの軸方向に沿って延在するものとして示すが、軸方向に対して交差するように設けても良い。この外筒２２は、各端部が端部部材２３に設けられる外筒固定部２９に取り付けられる。

繊維２２Ｂの素材としては、等、軸方向への伸縮変化の小さい素材が好適である。例えば、繊維２２Ｂの素材には、例えば、アラミド繊維、炭素（カーボン）繊維、ガラス繊維、ナイロン、ポリアミド系繊維やポリオレフィン系繊維、金属繊維等の被伸長性を有するものを適宜選択して用いることができる。繊維に適当なプライマー処理、又は、表面酸化処理を行うことで、接着性を十分に向上させることができるが、好ましくは、ゴムとの接着性に応じて選択すると良い。
また、繊維２２Ｂの形態は、フィラメント、ヤーン（スパン・ヤーン及びフィラメント・ヤーン）、ストランド等のいずれの形態でも用いることができ、さらに、撚りをかけずに収束させた無撚繊維、これらの繊維を複数本撚って作成した繊維を用いることも可能である。繊維の種類にもよるが、二種類以上の素材の異なる繊維や形態の異なる繊維を組み合わせても良い。
なお、上述の一端側から他端側まで連続するようにとは、一本の繊維２２Ｂが外筒２２の一端側から他端側に到達する状態や、外筒２２の軸方向長さよりも短い複数の繊維が、軸方向に連続的に分布することで一端側から他端側まで到達する状態を意図する。

また、筒本体２２Ａを形成する素材は、後述する空気室Ｓへの圧縮空気の給排によってその形状が変化し得る材質であれば如何なる材質であっても良い。また、筒本体２２Ａの厚さや繊維２２Ｂの配置については、外筒２２の空気排出時の伸長する力等を考慮して決められる。

端部部材２３は、例えば樹脂や硬質のゴム、金属等により円筒状に形成された円筒体であって、内筒２１を固定する内筒固定部２８と、外筒２２を固定する外筒固定部２９とを備える。
内筒固定部２８は、内筒２１の外周を嵌着可能に端部部材２３の内周面の一端側に設けられる。本実施形態では、内筒２１が螺旋状の蛇腹構造を有するものとしたことから内筒固定部２８は、例えば、当該内筒２１の螺旋形状を利用し、内筒２１の外周をねじ込み可能な螺旋溝として形成される。以下、端部部材２３において軸方向に内筒固定部２８が設けられた側を内側といい、その逆側を外側という。

例えば、内筒固定部２８を形成する螺旋溝は、内筒２１との気密性を考慮し、少なくとも内筒２１の外周側において螺旋を描く山部の１ピッチ以上となるように形成すると良い。また、内筒固定部２８は、例えば、内筒２１の外周面としまりばめとなるように形成することにより、内筒２１との気密性をより確実なものとすることができる。

外筒固定部２９は、端部部材２３の外周面に形成される。外筒固定部２９は、内筒固定部２８に固定された内筒２１の端面よりも所定距離軸方向外側に位置し、端部部材２３の外周を軸方向外側に行くにしたがって外径が漸次小径となるように、例えば球面状やテーパー状等に形成される。外筒２２は、端部が外筒固定部２９を軸方向外側に過ぎるように外筒２２を配置した状態において、端部部材２３の軸方向外側からリング状のカシメ部材３０を外筒２２の外周面側に被せ、さらにカシメ部材３０の外側から半円状に形成された一対の固定部材３２で端部部材２３の外周面に挟み込むように固定することで端部部材２３に固定される。

このように内筒２１及び外筒２２の端部を端部部材２３；２３に固定することにより、伸縮ユニット２０には、内筒２１の外周面と端部部材２３の外周面、及び外筒２２の内周面によって囲まれた閉空間としての空気室Ｓが形成される。

さらに、端部部材２３には、ジョイント４０を固定するためのジョイント固定部３４と、空気室Ｓへの空気を給排を可能にする給排孔３６が設けられる。
ジョイント固定部３４は、例えば、端部部材２３に外筒２２を固定した状態において前述の固定部材３２よりも軸方向外側に露出して設けられる。ジョイント固定部３４は、例えば、端部部材２３の肉厚方向（半径方向）に貫通するねじ孔として形成される。

給排孔３６は、内周側から内筒固定部２８と外筒固定部２９との間に形成された空気室Ｓに空気を給排可能に形成される。例えば、給排孔３６は、端部部材２３の内周面から端部部材２３の内側の端面に貫通する貫通孔として形成される。この給排孔３６には、後述のバルブユニット６０から延長するチューブが接続される。

図４は、伸縮ユニット２０の動作を示す図である。伸縮ユニット２０は、空気室Ｓに空気を供給することにより、軸方向に長さがｘ１からｘ２へと収縮するとともに径方向に外径がｄ１からｄ２へと拡径する。また、空気室Ｓから空気を排出することにより軸方向の長さがｘ２からｘ１へと伸長するとともに径方向に外径がｄ２からｄ１へと収縮する。以下、管Ｚの内壁に接するように空気室Ｓに空気が供給された状態を膨張状態、空気室Ｓから空気が排出された状態を収縮状態という。伸縮ユニット２０は、空気を供給し、膨張させることにより、外筒２２の外周面と管Ｚの内壁とに摩擦を生じさせるアクチュエータとして機能する。

図５は、ジョイント４０の外観図である。
ジョイント４０は、伸縮ユニット２０に取り付けられる一対の取付体４１と、取付体４１同士を結合する結合体４２と、コイルばね４４とを備える。
取付体４１は、例えば、端部部材２３の外周に嵌着可能な大きさに形成された円筒状の基部４１Ａと、基部４１Ａの一側側において直径方向に互いに対向し、基部４１Ａの軸方向に沿って延長するように同一の長さで突設された一対の突片４１Ｂ；４１Ｂを備える。

結合体４２は、取付体４１の突片４１Ｂ；４１Ｂの内周面側を摺動可能な外径を有する環状部材として形成される。ジョイント４０は、一方の取付体４１の突片４１Ｂ；４１Ｂと、他方の取付体４１の突片４１Ｂ；４１Ｂとを対向させ、互いに９０°捻じれた状態で結合体４２に取り付けられる。各取付体４１は、例えば、各突片４１Ｂの肉厚方向及び結合体４２の肉厚方向に軸部材４３を介して連結することで、各取付体４１が結合体４２に対してそれぞれ軸部材４３を軸として回転可能に取り付けられる。即ち、ジョイント４０は、中空のユニバーサルジョイントとして機能する。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、コイルばね４４は、一方の取付体４１の内周空間から結合体４２の内周空間を経て他方の取付体４１の内周空間に達するように設けられる。コイルばね４４は、例えば、外径が結合体４２の内径よりもやや小さく、一方の取付体４１や他方の取付体４１から脱落不能となるように取付体４１；４１に取り付けられる。

上述のように、取付体４１及び結合体４２を環状にすることにより、伸縮ユニット２０を連結したときに、伸縮ユニット２０の内筒２１の内側の空間を一続きに維持できるので、後述の伸縮ユニット２０を動作させるためのチューブの挿通を妨げることがない。

また、ジョイント４０には、取付体４１を端部部材２３に対して所定の位置に配置したときに、ジョイント固定部３４に螺入され、貫通したねじの先端が侵入する固定部４６が設けられる。固定部４６は、例えば、基部４１Ａの外周面から円筒状に窪む有底の凹部として設けられ、ジョイント４０の固定部４６を貫通するねじが進入し、底付きすることで端部部材２３に可能に形成される。

ジョイント４０の各基部４１Ａ；４１Ａには、伸縮ユニット２０を支持し、伸縮ユニット２０の管Ｚの内壁への接触を防止する支持手段５０が設けられる。
図６は、支持手段５０の一例を示す図である。支持手段５０は、取付体４１の基部４１Ａの外周に装着可能に形成された台座５１と、台座５１の外周面側に触接される繊維群５３とを備える。

図６に示すように、台座５１は、例えば、内周面が基部４１Ａの外周形状に沿って嵌着可能な半円状に形成される。台座５１の内周面には、該台座５１を基部４１Ａに取り付けたときに、突片４１Ｂ；４１Ｂの間に挿入され、基部４１Ａに対する位置決めをする一対の位置決め片５２が設けられている。
繊維群５３は、支持手段５０を平面視したときに、半円状に形成された台座５１の内周面の中心を中心とする放射状に延長するように複数の繊維５３ｚが台座５１の外周面に、例えば、ブラシを形成するように植設される。繊維群５３を形成する繊維の素材には、例えば、ナイロン繊維などのように腰のある弾性を有するものが好ましい。より好ましくは、例えば、図１に示すように、伸縮ユニット２０の両端に連結されたジョイント４０により、伸縮ユニット２０が図４（ａ）に示す収縮状態において、管Ｚの内壁に接触しない（非接触とする）ような剛性が得られるように、太さや素材を選ぶと良い。さらに好ましくは、繊維群５３は、曲管部を進行するときに、伸縮ユニット２０やジョイント４０が管Ｚの内壁に接触しないように、支持可能に太さや素材、繊維５３ｚの数量を選択すると良い。また、繊維群５３を形成する繊維５３ｚが台座５１から延長する方向は、前述の平面視において放射状に限定されず、走行部１０が曲管部を進行するときに、伸縮ユニット２０やジョイント４０が管Ｚの内壁に接触しないように適宜変更すればよい。
支持手段５０は、基部４１Ａの外周において一周にわたり繊維群５３が放射状に延長するように基部４１Ａに対で取り付けられる。繊維群５３を形成する繊維５３ｚの長さは、管Ｚの内壁に対してほぼ全周にわたり、ミミズの進行をその摩擦により妨げない程度に軽く接触していてもよく、全周が接触しなくとも、管Ｚのほぼ中心をジョイント４０により連結された伸縮ユニット２０が進行できる程度の支持する大きさがあればよい。また、円周上、分割されていても良い。
なお、繊維群５３は、台座５１に対して着脱（交換）可能に構成するようにしても良い。繊維群５３を台座５１に対して着脱可能に構成することにより、例えば、繊維５３ｚが摩耗したときに、ジョイント４０に台座５１を取り付けたまま交換できる。また、例えば、管Ｚの直径が異なる場合等において、繊維５３ｚの長さが異なる繊維群５３に簡単に交換することで前述のように機能させることができる。

図７は、ジョイントの動作を示す図である。支持手段５０が取り付けられたジョイント４０により連結された伸縮ユニット２０：２０は、図７（ａ）に示す直線状態や、図７（ｂ）に示すように、伸縮ユニット２０同士の軸線が交差するように屈曲することが可能となる。
なお、支持手段５０は、図７（ｂ）に示すように、ジョイント４０の折れ曲がりによって支持手段５０の台座５１同士が衝突し、連結された伸縮ユニット２０の曲がりに規制を与えるが、台座５１の幅を適宜変更することにより曲がりの角度を制御することができる。また、台座５１同士の接触を制御することにより、伸縮ユニット２０同士の不要な曲がりを抑制することにより、曲管部における円滑な進行とともに推進速度を向上させることができる。

図８は、バルブユニット６０の概略構成図である。
バルブユニット６０は、最後尾の伸縮ユニット２０の後方に、例えば、前述のジョイント４０を介して接続される。
バルブユニット６０は、各伸縮ユニット２０の空気室Ｓに、コンプレッサー７０から圧縮空気を供給、或いは、空気室Ｓに供給された圧縮空気を排出するための電磁弁６２を備える。電磁弁６２は、一つの伸縮ユニット２０について２つ設けられ、本実施形態では、７つの伸縮ユニット２０に対応して１４個の電磁弁６２が一つの収容体に一体的に収容される。
各電磁弁６２は、コントローラー８０から出力される信号に基づいて、伸縮ユニット２０への圧縮空気の供給、伸縮ユニット２０からの圧縮空気の排出、圧縮空気の供給による伸縮ユニット２０の膨張状態の維持、圧縮空気の排出による伸縮ユニット２０の収縮状態の維持などが制御される。電磁弁６２には、例えば、３方弁が適用できる。

コンプレッサー７０は、伸縮ユニット２０を駆動するための駆動源であって、前述のバルブユニット６０の電磁弁６２に所定の圧力に加圧された圧縮空気を供給する。例えば、前述のバルブユニット６０において分配管を介して各電磁弁６２を連通させておくことにより、コンプレッサー７０から一本の配管を延長し、バルブユニット６０に接続すれば良い。

コントローラー８０は、ワンチップ等の所謂コンピューターであって、複数の電磁弁６２に対して個別に信号を出力可能に接続される。コントローラは、ジョイント４０を介して連結された伸縮ユニット２０が蠕動運動を模すように、所定の順序で膨張、収縮、膨張状態の維持、収縮状態の維持がなされるように、複数の電磁弁６２に個別に信号を出力する。

先頭部９０は、進行方向先頭の先頭の伸縮ユニット２０Ａに取り付けられ、例えば、内部にカメラ等の撮影手段や、撮影した内容を記録する記録手段、撮影した画像を管Ｚ外に無線により出力する通信手段等が収容される。

上記構成の走行部１０によれば、管Ｚ内に図１に示す曲管部Ｚｍがある場合でもスムースに移動することができる。図９は、支持手段５０の作用を示す図である。図９（ａ）に示す曲管部Ｚｍは、所謂エルボーと称されるもっとも曲率半径の小さい場合を示している。このような曲管部Ｚｍでは、図９（ｂ）に示すように直角に曲がる管内壁Ｚａが形成される。例えば、前述の走行部１０に支持手段５０がない場合には、走行部１０が曲管部Ｚｍを通過するときに、直角の管内壁Ｚａにこすれるように進行することになり、推進力に大きな抵抗を生じさせてしまう。
一方、本実施形態で説明したように、走行部１０のジョイント４０に支持手段５０を取り付けることにより、繊維群５３が直角の管内壁Ｚａにこすれながら移動するため、伸縮ユニット２０やジョイント４０を管内壁Ｚａから遠ざけ、摩擦を小さくすることができる。これにより、走行部１０は、曲管部Ｚｍにおける推進力の低下が抑制され、スムースに通過することができる。

また、図１における直管部Ｚｓにおいても、支持手段５０の繊維群５３が、図９（ｃ）に示すように伸縮ユニット２０やジョイント４０が管内壁Ｚａから離れるように支持するため、走行部１０が直管部Ｚｓを進行するときの摩擦を低下することができる。例えば、前述の支持手段５０をジョイント４０に取り付けない場合、図４（ａ）に示すように、収縮（軸方向に伸長）した状態から、図４（ｂ）に示すように、伸縮ユニット２０を膨張（軸方向に収縮）させると、伸縮ユニット２０の軸線は、外筒２２が管内壁Ｚａに接触した状態にある位置から管内壁Ｚａの中心線とほぼ一致する位置へと移動する。
一方、本実施形態に示すように、支持手段５０をジョイント４０に取り付けた場合、伸縮ユニット２０やジョイント４０が管内壁Ｚａから離れるように支持されるため、収縮（軸方向に伸長）した状態から膨張（軸方向に収縮）に至る伸縮ユニット２０の軸線の変化を小さくすることができる。これにより、伸縮ユニット２０の蠕動運動動作において、ジョイント４０の折れ曲がる角度が小さくなり、効率良く推進力を得ることができる。

なお、上記実施形態では、支持手段５０を台座５１及び繊維群５３により構成するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、スポンジ等のように、前述のように、伸縮ユニット２０やジョイント４０の管内壁Ｚａとの直接的な接触を回避できる柔軟性及び復元性を有するものであれば適宜変更しても良い。

１自走式ロボット、１０走行部、２０伸縮ユニット、２１内筒、２２外筒、
２３端部部材、３０カシメ部材、３２固定部材、
３４ジョイント固定部、３６給排孔、４０ジョイント、４１取付体、
４２結合体、
４３軸部材、５０支持手段、５１台座、５３繊維群、６０バルブユニット、
７０コンプレッサー、８０コントローラー。

Claims

外筒と、前記外筒の内側に設けられた内筒と、前記外筒及び前記内筒の軸方向各端部に設けられ、前記外筒の内周及び前記内筒の外周とともに閉空間を形成する端部部材と、を備え、
前記閉空間に流体を供給することにより軸方向に収縮するとともに径方向に膨張し、前記閉空間から流体を排出することにより軸方向に伸長するとともに径方向に収縮する伸縮ユニットを連結手段を介して複数連結し、前記伸縮ユニットを蠕動運動を模すように管内において動作させて推進力を得る自走式ロボットであって、
前記連結手段は、
前記伸縮ユニット及び該連結手段を前記管の内壁に対して非接触となるように支持する支持手段を備えたことを特徴とする自走式ロボット。
前記連結手段は、
一方の伸縮ユニットに取り付けられる取付体と、
他方の伸縮ユニットに取り付けられる取付体と、
前記各取付体が回動自在に取り付けられ、２つの取付体を結合させる結合体と、を備えるユニバーサルジョイントからなることを特徴とする請求項１に記載の自走式ロボット。
前記支持手段は、前記伸縮ユニットの軸線を中心とし、放射状に延長する繊維群からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の自走式ロボット。
前記支持手段は、各結合体に取り付けられることを特徴とする請求項３に記載の自走式ロボット。