JP2650904B2

JP2650904B2 - 自律型配管メンテナンスロボツト

Info

Publication number: JP2650904B2
Application number: JP62049946A
Authority: JP
Inventors: 敏男福田
Original assignee: Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
Current assignee: Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
Priority date: 1987-03-06
Filing date: 1987-03-06
Publication date: 1997-09-10
Anticipated expiration: 2012-09-10
Also published as: JPS63219490A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、原子力発電所、石油・ガスパイプラインや
化学プラント等の配管の検査・メンテナンスを行う自律
型配管メンテナンスロボットに関する。

（従来の技術）現在の原子力発電所、石油・ガスパイプラインや化学
プラント等の配管の検査・メンテナンスは、配管の腐
食、ひび割れなどによる事故を未然に防ぐため必要不可
欠であるが、大変危険な作業であるため、これらの作業
を人間に代わって行うロボットの開発が強く望まれてい
る。この種のロボットは配管を外部から検査しながら、
自律的に移動し、フランジなどの障害物を発見するとこ
れを認識し、回避するといった多機能性を持っているこ
とが要求される。このような要求に応えるために、既
に、この出願の発明者はメンテナンスロボット１号機と
して、配管表面を移動しながら探傷を行うと共に、水平
直管の走行とフランジ通過が可能なロボットを、更に、
２号機として、水平管における走行、フランジ通過、Ｔ
字管通過、及びスパイラル走行が可能なロボットを、３
号機として、垂直管を上昇したり、隣の配管への乗り移
りが自在な自律型配管メンテナンスロボットを開発し
た。

以下、それらのロボットの構成の概略について、図を
用いて説明する。

まず、１号機について、第37図及び第38図を参照しな
がら説明する。

図中、１は締め付け制御ギヤボックス、２は左右のア
ーム、３は車輪駆動ギヤボックス、４は左右の駆動車
輪、５は自由転動車輪、６は障害物センサ（赤外線セン
サ）、７は探傷センサ（渦電流センサ）、８は結合部で
あり、R₁は１両目のロボット、R₂は２両目のロボット、
R₃は３両目のロボットであり、３両編成となっている。

このロボットは、マイクロコンピュータで制御される
３個のステッピングモータによって、合計９個の車輪の
開閉動作を行い、配管表面を締め付けることによって、
姿勢を保持し、左右のアーム２に取り付けられる左右の
駆動車輪４の合計６個の車輪を駆動することにより、前
・後進動作を行うように構成されている。

そこで、障害物センサ６によって配管上の障害物を検
出し、それがフランジであることが認識されると、この
ロボットはフランジ乗り越え動作を行う。

以下、第39図を参照しながら、このフランジ乗り越え
動作について説明する。

このロボットが配管10上のフランジ11から一定の距離
に到達し、そのロボットが搭載する障害物センサ６によ
って、障害物がフランジ11であることを認識する〔第39
図（ａ）〕と、ステッピングモータによって、先頭の１
両目のロボットR₁の３個の車輪が開き〔第39図（ｂ）及
び（ｃ）〕、フランジ11を通過する。その際のロボット
の姿勢保持、前進動作などは2,3両目のロボットR₂,R₃が
行う。フランジ通過後〔第39図（ｄ）〕はステッピング
モータによって、先頭の１両目のロボットR₁の３個の車
輪を閉じて配管を締め付けて姿勢の再保持を行う。2,3
両目のロボットR₂,R₃のフランジ乗り越え動作も同様に
して行うが、２行目のロボットR₂のフランジ乗り越え時
には1,3両目のロボットR₁,R₃が、３両目のロボットR₃の
フランジ乗り越え時には1,2両目のロボットR₁,R₂がそれ
ぞれ姿勢保持，前進動作を行うようになっている。

更に、２号機として、多関節機能を有する姿勢可変形
移動ロボットを開発した。このロボットは１号機にはで
きなかったＴ字管を通過するために、各モジュール間に
関節を設けてパルスモータにより各モジュール間の相対
角変位を可能にした３リンク２関節構造のロボットであ
る。

第40図及び第41図を参照しながら係る２号機の概略機
構について説明する。

ロボット本体は、締め付け用ギヤボックス12、左右ア
ーム13、車輪駆動ギヤボックス14、駆動車輪15、自由転
動車輪16、探傷センサ17より構成される部分を１モジュ
ールとする合計３モジュールからなり、各モジュール間
には関節部18を有している。M₁は第１のモジュール、M₂
は第２のモジュール、M₃は第３モジュールであり、３両
編成となっている。また、自由転動車輪16は操舵可能で
あり、スパイラル走行ができる構成となっている。

このロボットはマイクロコンピュータで、３個のステ
ッピングモータが制御され、ホールディングトルクが一
定になるように、歪ゲージ出力を用いた力フィードバッ
ク制御により、配管を締め付けて姿勢を保持するための
車輪の開閉作を行い、左右２個の駆動車輪15を駆動させ
て、前，後進動作を行う。

以下、このロボットによるＴ字管通過動作について説
明する。

第42図はこのロボットによるＴ字管通過移動モード図
である。

ここで、ロボット脚部の開閉動作と、モジュール間の
関節部18まわりの回転運動によって、Ｔ字管を通過する
ため、関節部18のパルスモータの負担軽減のために、ロ
ボット本体を移動していく側に90度傾けた状態で走行さ
せる。また、各モジュールには探傷用センサ17を搭載し
ている。

非接触センサ（図示なし）により、分岐している管19
を識別し、Ｔ字管であると判断された場合〔第42図
（ａ）〕には、ステッピングモータの動作により第１の
モジュールM₁のアームを開き、関節部18を駆動して第１
のモジュールM₁を屈折し〔第42図（ｂ）〕、他のモジュ
ールで姿勢制御を行いながら前進する。次に、第１のモ
ジュールM₁のアームを閉じて、分岐している管19をホー
ルディングする〔第42図（ｃ）〕。次いで、第２モジュ
ールM₂のアームを開き、第１のモジュールM₁と第３のモ
ジュール1M₃を前進させる〔第42図（ｄ）〕。次に、第
２のモジュールM₂のアームを閉じて、分岐している管19
をホールディングする〔第42図（ｅ）〕。次いで、第３
のモジュールM₃のアームを開き、第１のモジュールM₁及
び第２のモジュールM₂により、姿勢制御を行いながら前
進する〔第42図（ｆ）〕。次に、第３のモジュールM₃の
関節部18を駆動して屈折し、そのアームを閉じ、分岐し
ている管19をホールディングする〔第42図（ｇ）〕。

次に、この３号機について第43図を参照しながら説明
する。

第43図はこの３号機の概略構成を示す斜視図である。

このロボットは、尺取り虫形式の移動形態を有し、本
体20、左右のアーム22を有する２組のアームユニット2
1、センサユニット23から構成される。その本体の構造
は、配管の長手方向の移動機構として、アームユニット
間の距離の伸縮動作及び配管の周方向移動機構として、
配管の中心軸と同一の回転軸を持ち、横へ捩れる（スラ
イド）動作の２つの駆動機能を備えている。更に、本体
とアームユニット間は回転関節によって連結され、モー
タにより回転制御される。回転範囲は180度である。セ
ンサユニット23はガイドレール24と、モータとセンサ25
からなる走行ユニットからなり、走行ユニットがガイド
レール上をモノレールのように走行する。以上の動作を
行うアクチュエータは全てステッピングモータであり、
合計９個用いている。なお、26はサイドスライドレール
である。

このロボットの基本的な動作は後述する本発明のロボ
ットの動作と同様であり、ここでは説明を省略する。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、上記のロボットにおいては、配管に沿
って走行する場合のロボットのホールディング機構及び
その駆動回路は複雑で、しかも多くのステッピングモー
タを搭載しているので、ロボット自体の重量が大きくな
り、円滑な走行に問題があった。

特に、垂直管を上昇したり、隣の配管への乗り移りを
行う高度の機能を有する自律型配管メンテナンスロボッ
トにおいては、そのホールディング機構及びその駆動回
路の簡素化、ロボット自体の軽重量化は信頼性を大きく
左右するものであり、その改善が強く望まれていた。

本発明は、上記問題点を除去し、ロボットのホールデ
ィング機構及びその駆動回路を改善し、複雑な配管群に
対しても、確実に走行可能であり、しかも低騒音の高度
の機能を有する自律型配管メンテナンスロボットを提供
することを目的とする。

（問題点を解決するための手段）本発明は、上記問題点を解決するために、自律型配管
メンテナンスロボットにおいて、本体と、この本体の前
後に配設される左右アームを有する二組のアームユニッ
トと、前記左右アームの開閉を行う形状記憶合金バネを
有するアクチュエータと、前記左右アームが閉じた後、
その左右アームを締め付け保持するロック手段と、前記
本体の伸縮手段と、前記本体の前部と後部の周方向の相
対的変位を行うスライド手段と、前方のアームユニット
を土台として前方へ本体の回転を行う回転手段と、後方
のアームユニットを土台として後方へ本体の回転を行う
回転手段と、前記アームユニットの前面で固定されるセ
ンサユニットを設けるようにしたものである。

（作用）本発明によれば、第１図乃至第３図に示されるよう
に、このロボットは、開閉可能なアーム33,34を有する
２組のアームユニット31,32を持ち、そのアーム33と34
で配管を交互に締め付けて全体を支えながら、本体30の
伸縮とアームの持ち換えによる間歇動作で前進する。ま
た、周方向への移動は、配管の中心軸と同一の曲率中心
を持つスライドレール35を設け、本体30の前部又は後部
で周方向に捩れる構造を有し、前進と同様の間歇動作で
移動する。更に、アームユニット31,32と本体30間には
回転手段を有し、前方のアーム33を土台として本体30を
前方へ回転し、或いは後方のアーム34を土台として本体
30を後方へ回転することができる。また、点線で示され
るように、ロボットの全面にはセンサユニット41（詳細
は後述）を設け、障害物センサによる障害物の検出及び
配管診断センサによる配管の診断行うことができる。

特に、本発明においては、このロボットのアーム33,3
4の開閉は、形状記憶合金製のコイルバネ（後述）を用
い、熱弾性型マルテンサイト変態で生じた低温相が変形
をうけた後、加熱によって高温相に逆変態する際に生起
する形状記憶効果を利用する。即ち、形状記憶合金製の
コイルバネへの給電、遮断により加熱冷却することでア
ーム33,34の開閉動作を行うようにしたものである。

また、アーム33,34が閉じられた後、更に、アーム締
め付け保持するロック機構（後述）によって、配管を締
めつけ、強固にして、安定的なホールディングが行われ
る。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳
細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す自律型配管メンテナ
ンスロボットの概略斜視図、第２図はその自律型配管メ
ンテナンスロボットの要部を示す正面図、第３図はその
アーム開閉用アクチュエータの回路構成図である。

これらの図に示されるように、本発明のロボットは、
基本的には、前記した第３号機の構成を採用している。

以下、このロボットの各部の構造について説明する。

〔Ａ〕本体の構造本体は前進のための伸縮機構と、周方向移動のための
横スライド機構とを有する。そこで、本体は、第４図に
示されるように、３つの部分B,C,Dに分割される。

本体30は、（１）長手方向への移動機構、つまり、ア
ームユニット31,32間の距離の伸縮機構は、ステンレス
棒とリニアボールベアリングの組み合わせによる片持ち
構造とし、第５図に示されるように、伸縮用モータMC70
は本体の部分Ｂ（第４図参照）に固定され、ギヤ71を介
して本体の部分Ｃ（第４図参照）に固定されているラッ
ク72を駆動する。（２）横スライド機構、つまり、配管
の周方向への移動機構は、第６図に示されるように、基
部73に固定された横スライド用モータMD74によってスプ
ロケットホイール75を回転させ、スライドレール35に固
定されているラダーチェーン76に動力を伝達する。即
ち、横スライド用モータMD74を用い、平歯車の２段減速
でスライドレール35を動作させる。つまり、配管42の中
心軸と一致する回転軸を持ち、横へ捩れる（スライド）
動作を行う。77は基部73に支持されるコロであり、スラ
イドレール35の移動を案内する。更に、（３）本体30と
アームユニット31,32間はウォームギャを利用した回転
関節で連結され、第７図に示されるように、モータMA−
１により回転（持ち上げ，持ち下げ）制御される。回転
範囲は180度である。

また、本体持ち上げ用モータ（MA−１）68及びアーム
締め付け用モータ（MA−２）69はアームユニット内に収
納し、更に、前記した伸縮用モータMC70と横スライド用
モータMD74とを有し、この第７図においては、アーム34
は水平になるように伸ばされ、本体持ち上げ用モータ
（MA−１）68に最大の加重がかかる状態となっている。
このように、片方のアーム33で配管42にロボットを固定
した際、そのアーム33を基点として本体を回転させる。
また、本体に対してアームを回転させる。更に、アーム
締め付け用モータ（MA−２）69は、第８図に示されるよ
うに、アーム開閉用アクチュエータによって、アーム33
a,33b（34a,34bも同様）を閉じて、配管を一時的に締め
付けた後、確実なホールディングトルクを得るために、
ワイヤ機構を用いて、配管を締め付ける。即ち、第８図
及び第９図に示されるように、片方のアーム33aの先端
にはフック81が支持部83に固定された枢支軸82に枢支さ
れ、アーム33aと33bを閉じる〔第10図（ａ）及び第10図
（ｂ）参照〕と、フック81のカム部81aにアーム33bの先
端が当たり、フック81は枢支軸82を中心にして、フック
81の先端部81bが回転し、その先端部81bが、アーム33b
にある係止ワク86にかかる。この係止ワク86はワイヤ8
7、雌ネジ88を介してアーム締め付け用モータ（MA−
２）69につながれており、このモータ（MA−２）69によ
って、ワイヤ87を介してフック81を引っ張ることによっ
て配管を締め付け〔第10図（ｃ）参照〕、アームの内側
にあるゴム板33fと配管42との摩擦力によって姿勢を保
持する。なお、第７図には示されていないが、アーム33
側にも持ち上げ用モータ及びアーム締め付け用モータが
前記同様に配設される。

〔Ｂ〕アームの構造左右アーム33a,33b（34a,34bも同様）は配管42の管径
に対応したグリッパ形状をしており、このアームの上部
には前記した形状記憶合金製のコイルバネを用いたアー
ム開閉用アクチュエーアが設けられる。二点で枢支軸に
より枢支される開閉機構が形成される。

〔Ｃ〕アーム開閉用アクチュエータロボットが配管42にとりつく時、一時的にアームを開
閉させれ配管42を締め付ける。そのために、形状記憶合
金（SMC）製のコイルバネ37,38を用いる。そして、二点
で枢支軸により枢支される一対のレバーを有する開閉機
構が構成される。

即ち、第１図及び第２図に示されるように、アーム33
a,33b（34a,34bも同様）は枢支軸36を有し、アーム33a,
33bとは反対側に延びる一体の受片33c,33dを設け、それ
らの受片33c,33d間に形状記憶合金製のコイルバネ37,38
及びバイアス用の通常のバネ39を並列に張設する。40は
枢支軸36が固定される固定部である。

更に、第３図に示されるように、形状記憶合金製のコ
イルバネ37,38は受片33c,33dとは絶縁物33eによって絶
縁され、その各端子は形状記憶合金駆動回路（後述）に
接続される。

〔Ｄ〕センサユニットの構造第１図に点線で示されるように、センサユニット41は
環状のセンサ用ガイドレール41a、センサ41bとセンサユ
ニットを回転させるためのモータとからなり、このモー
タの駆動により、センサ41bが周方向にガイドレール41a
に沿って走行する。なお、詳細な実施例は後述する。ま
た、ガイドレール41aは前記した左右アームと同期をと
って開閉動作を行う。

〔Ｅ〕システム構成次に、このロボットのシステム構成について説明す
る。

第11図はこのロボットのシステム構成を示す。

この図において、43はCPU（中央処理装置）、44はD/A
コンバータ、45はDO、46はDI、47はA/Dコンバータ、48,
49はフォトカプラを含む絶縁回路（Isolation Circui
t）、50はアクチュエータ駆動回路、51はアーム開閉用
形状記憶合金バネ、52はステッピングモータ用駆動回
路、53はステッピングモータであり、前記した２個の本
体持ち上げ用モータ、２個のアーム締め付け用モータ、
伸縮用モータ（MC）70、横スライド用モータ（MD）74、
センサユニット用モータが該当する。54は赤外線LED駆
動回路、55は赤外線LED、56は赤外線センサ用増幅回
路、57は赤外線フォトトランジスタ、58は超音波センサ
用増幅回路、59は超音波センサ、60は可聴音センサ用増
幅回路、61は可聴音センサ、62は渦電流センサ用増幅回
路、63は渦電流センサ、64は非常用センサ、65はプラン
トマップ、66はデータベースである。

この図に示されるように、フランジやＴ字管などの障
害物を認識するセンサとして超音波センサ59や赤外線フ
ォトトランジスタ57をする赤外線センサを設ける。ま
た、これらのセンサが正常に作動しながった場合に動作
するリミットスイッチからなる非常用センサ64を持って
いる。また、渦電流センサ63を用いて配管の傷や肉厚減
少などの異常診断検出を行う。即ち、配管上に発生させ
た渦電流の傷による変化をインピーダンスの変化として
取り出して、電圧の変化に変換して、A/Dコンバータ47
を介してCPU43に取り込み、異常診断検出を行う。

また、可聴音を対象とした音声による異常診断を行う
ための可聴音センサ（マイクロホン）61を設ける。即
ち、可聴音センサ（マイクロホン）61により、配管の異
常状態に起因する特有の可聴音をピックアップし、異常
診断を行う。

更に、種々の診断事例に対処するためのデータベース
66、ロボットの位置表示や経路決定などに有効なプラン
トマップ65を具備する。

また、CPUへ接続される入出力部であるDO45、DI46はP
PI（Programable Periphral Interface）からなる。

更に、移動機構の制御方法は、移動量に応じたパルス
数をステッピングモータに送るオープン制御である。な
お、外界及び自己の情報を取り入れて移動するクローズ
トループ制御を行うようにしてもよい。

以下、このロボットの動作について説明する。

〔Ｆ〕基本動作このロボットは多くの障害に対応できる構造となって
いるので、障害に応じて形態を制御するため、基本的な
動きに対してはルーチン代する必要がある。

（１）通常走行モード第12図は通常走行モード図、第13図はそのタイムチャ
ートである。

これらの図に示されるように、アーム33,34の形状記
憶合金（SMA）製コイルバネ37,38（第１図乃至第３図参
照）には通電されず、前方のワイヤＡ及び後方のワイヤ
Ｂは引っ張られた状態にあり、アームユニット31及び32
によって、２組のアーム33及び34で配管42をホールディ
ングしている状態〔第12図（ａ）〕から、ワイヤＡを弛
緩し、形状記憶合金コイルバネ37,38に給電して、コイ
ルバネ37,38が縮むと、前方のアーム33を開き〔第12図
（ｂ）〕、その状態で伸縮用モータMC70を駆動して、本
体30を伸長する〔第12図（ｃ）〕。次に、形状記憶合金
（SMA）製コイルバネ37,38への給電を断つと、コイルバ
ネ37,38は伸長して、前方のアーム33を閉じ、ワイヤＡ
を引っ張って、配管42をホールディングする〔第12図
（ｄ）〕。次に、ワイヤＢを弛緩し、後方のアームの形
状記憶合金（SMA）製コイルバネ37,38への給電を行い、
後方のアーム34を開き〔第12図（ｅ）〕、この状態で本
体30を縮める〔第12図（ｆ〕）。そして、後方のアーム
の形状記憶合金（SMA）製コイルバネ37,38への給電を断
つと、後方のアーム34が閉じ、ワイヤＢを引っ張ること
により、１サイクルすることになる。

第14図は通常走行動作のフローチャートであり、この
図に示されるように、パラメータをセットし、前進
か後退かを判断し、障害物があるか否かをサーチし
て、障害物がある場合にはこのルーチンをパスする。障
害物がない場合には、アーム33を開き、本体30を伸
ばし、アーム33を閉じ、アーム34を開き、本体30
を縮め、アーム34を閉じて、前進すべき長さまでこ
れを繰り返す。ロボットが後退する（前記ステップ）
場合もアーム33とアーム34の動作が逆になるだけで、同
様の動作を行う。

（２）周方向の移動動作次に、第15図は周方向の移動のフローチャートであ
る。

この図において、まず、パラメータをセットし、
スライド方向が右か左かを診断し、スライド方向が右の
場合には、障害物があるか否かのサーチを行い、障害
物がある場合にはこのルーチンをパスする。障害物がな
い場合には、前アームを開き、本体を伸ばし、本
体を右の方向へスライドし、前アームを閉じる。次い
で、後アームを開き、本体を左方向へスライドし、
後アーム34を閉じ、前アームを開き、本体を縮
め、前アームを閉じる。これを到着するまで行う。
また、本体を左方向へスライドする（前記ステップ）
の場合もスライドの方向が逆になるだけで、同様の動作
を行う。ここでも、前後アームの開閉動作は形状記憶合
金（SMA）製コイルバネを用いて行う。

（３）フランジ通過動作次に、フランジ通過動作について説明する。

第16図はフランジ通過モード図、第17図はそのタイム
チャートである。

この図に示されるように、フランジ通過時には、ま
ず、ロボットが前方にフランジ90を赤外線センサによっ
て発見し、所定の位置に来ると、フランジ通過動作には
いる〔第16図（ａ）〕。そこで、ワイヤＢを弛緩し、後
アーム34を開き、前方のアーム33を土台として、本体の
回転（持ち上げ）を行い〔第16図（ｂ）〕、その回転角
が90度になると〔第16図（ｃ）〕、アーム34のユニット
を180度回転し、〔第16図（ｄ）〕、更に、前方のアー
ム33を土台として、本体を90度回転させ〔第16図
（ｅ）〕、後アーム34を閉じて、ワイヤＢを引っ張り配
管をホールディングする〔第16図（ｆ）〕。この状態
で、フランジを跨いだ恰好になる。今度は、ワイヤＡを
弛緩し、前アーム33を開き〔第16図（ｇ）〕、後アーム
34を土台にして同様の動作を行って、フランジを通過す
る〔第16図（ｈ）乃至第16図（ｌ）〕。

ここでも、アーム33,34の開閉動作は形状記憶合金（S
MA）製コイルバネ37,38を用いて行う。

第18図はそのフランジ通過動作のフローチャートであ
る。

まず、アーム34を開き、前方のアームを土台とし
て本体の回転（持ち上げ）を行い、その回転角が90度
になると、アーム34のユニットを回転し、その回転
角が180度になると、更に、前方の本体を土台にして
回転を行い、その回転角度が90度になると、アーム
34を閉じ、アーム33を開き、後方の本体を土台にし
て回転を行い、その回転角が90度になると、アーム
33のユニットを回転し、その回転角が180度になる
と、更に、後方の本体を土台にして回転を行い、そ
の回転が90度になると、アーム33を閉じる。

（４）Ｔ字管通過動作（その１）第19図はＴ字管通過動作（その１）モード図、第20図
はそのタイムチャートである。

まず、赤外線センサによりＴ字管（或いはＬ字管）を
認識すると、横にスライドして、移動すべきＴ字管或い
はＬ字管に正対する〔第19図（ａ）〕。次に、ワイヤＢ
を弛緩し、後アーム34を開き〔第19図（ｂ）〕、前アー
ム33を土台として本体を持ち上げ〔第19図（ｃ）〕、分
岐している配管91を後アーム34を閉じてつかみ〔第19図
（ｄ）〕、ワイヤＢを引っ張ってホールディングする
〔第19図（ｅ）〕。次に、ワイヤＡを弛緩し、前アーム
33を開いて〔第19図（ｆ）〕、今度はアーム34を土台に
して、前アームを持ち上げ〔第19図（ｇ）〕、180度回
転して分岐している管91に乗り移る〔第19図（ｈ）〕。

（５）Ｔ字管通過動作（その２）第21図はＴ字管通過（その２）モード図、第22図はそ
のタイムチャートである。

まず、赤外線センサによりＴ字管（或いはＬ字管）を
認識すると、横にスライドして、移動すべきＴ字管或い
はＬ字管に正対する〔第21図（ａ）〕。次に、ワイヤＡ
を弛緩し、後アーム33を開き、後アーム34を土台にして
本体を回転（持ち上げ）て、本体を伸ばし、更に前方の
本体を回転する〔第21図（ｂ）〕。分岐している配管に
達すると、前アーム33を閉じ〔第21図（ｃ）〕、ワイヤ
Ａを引っ張り分岐している配管をホールディングする
〔第21図（ｄ）〕。次に、ワイヤＢを弛緩し、後アーム
34を開いて〔第21図（ｅ）〕、本体を回転しながら本体
を縮小する。更に、本体を回転しながら本体を縮小する
〔第21図（ｆ）〕。次に、後アーム34閉じて、ワイヤＢ
を引っ張り配管をホールディングし、次に、後アーム34
を土台にして、前アーム33を開き、本体を回転しながら
本体を伸長し、前アーム33を分岐されている配管の方向
へ進める〔第21図（ｇ）〕。次に、前アーム33を閉じ、
ワイヤＡを引っ張り分岐されている配管をホールディン
グし、前アーム33を土台として、後アーム34を引き寄
せ、分岐されている配管91へ移行する〔第21図
（ｈ）〕。

（６）配管乗り移り動作第23図は隣接配管への配管乗り移りモード図、第24図
はそのタイムチャートを示す。

まず、周方向に向けた超音波センサによって、乗り移
ろうとする隣接配管92の位置及び距離を検出する〔第23
図（ａ）〕。

次いで、ワイヤＡを弛緩し、前アーム33を開き〔第23
図（ｂ）〕、後アーム34を土台にして、本体を回転（持
ち上げ）し〔第23図（ｃ）〕、更に、前の本体を大きく
回転し〔第23図（ｄ）〕、前アーム33を隣接配管92に沿
わせ〔第23図（ｅ）〕、前アーム33を閉じ、ワイヤＡを
引っ張り隣接配管92をホールディングする〔第23図
（ｆ）〕。次に、前アーム33を土台にして、ワイヤＢを
弛緩し、後アーム34を開き〔第23図（ｇ）〕、本体後部
の回転を行い、本体後部の下げを行う〔第23図
（ｈ）〕。更に、本体後部の下げを行ない、隣接配管92
に後ろアーム34を沿わせ〔第23図（ｉ）〕、後アーム34
を閉じ、ワイヤＢを引っ張ることによって、後アーム34
によって隣接配管92をホールディングする〔第23図
（ｊ）〕。

第25図は隣接配管への配管乗り移り動作のフローチャ
ートである。

移動軌跡を示した第30図及び第31図を共に参照しなが
らそのフローについて説明する。

まず超音波センサによる隣接配管のセンシングを行
う。アーム33を開き、後アームを土台とした本体の
回転を行い、本体の持ち上げ角度θ_５に等しいか否か
を判断して、角度θ_５に等しくなると、アーム33ユニ
ットを回転し、その回転角度θ_２に等しいか否かを判
断する。次に、アーム33を閉じ、アーム34を開き、
本体の回転（前）を行い、その回転角度θ_２に等し
いか否かを判断する。等しい場合には、アーム34ユニ
ットを回転し、本体の持ち下げ角度θ_５に等しいか否
かを判断して、角度θ_５に等しくなると、アーム34を
閉じる。

〔Ｇ〕障害物センサ障害物センサはロボットが配管上を移動する際、フラ
ンジ,T字管等の障害物を見つけると反応し、ロボットの
制御部に信号を送って、進行コースの状態を認識させる
ためので、目に相当する。

第26図は障害物センサの一実施例を示す構成図であ
り、第26図（ａ）は正面図、第26図（ｂ）は側面図であ
る。

このロボットは赤外線LED55（第11図参照）と赤外線
フォトトランジスタ57（第11図参照）を組み合わせたフ
ォトインタラプタ構成の赤外線センサ93を有し、この赤
外線センサ93で、主に近接した障害物を検出する。更
に、赤外線センサ93では検出が難しい隣接配管などの離
れた距離にあるものは、超音波センサ59を用いて検出す
る。また、非常時に動作するリミットスイッチ94を有す
る非常用センサ64（第11図参照）を実装する。また、配
管の診断用センサとして渦電流センサ63（第11図参照）
を設ける。更に、本発明においては、配管の診断用セン
サとして可聴音センサ61（マイクロホン）を搭載し、ガ
ス流などに起因する配管の接続状態、配管の異常振動音
などを聴診できるようにする。なお、この図において、
95はモータ41cによって駆動される車輪、96はコロ、97
は支持部である。また、超音波センサ59は第26図（ｃ）
に示されるように、隣接配管を検出する場合には上方向
に向けて装着する。

また、ガイドレール41aは、第27図に示されるよう
に、一点で枢支軸97で枢支され、前記した左右アーム33
a,33bの開閉に同期して、形状記憶合金バネ98を駆動す
ることにより開閉される。

〔Ｈ〕運動制御方法このロボットは、４関節５リンクから成り、さまざま
な形態に変化して、障害を乗り越えて行くので、関節を
目的に応じて制御する必要がある。ここでは、ロボット
全体を、配管を土台とするマニュピュレータのようにみ
なして、変換行列、ヤコビ行列による運動制御方法につ
いて述べる。

このロボットは両端のアームで配管を持ち換えながら
進むが、前アームＡで配管をつかみ、後アームＢを動か
す場合と、後アームＢで配管をつかみ、前アームＡを動
かす場合とでは、基準からの関節の順序が異なるため、
変換行列も異なる。そこで、前アームＡを動かすモード
をコントロールモードＡ、後アームＢを動かすモードを
コントロールモードＢと称することにする。尺取り虫の
ように進む時は、コントロールモードをA,B,A,B,・・と
切り換えながら進むことになり、これをデュアルモード
制御方法と呼ぶことにする。

次に、第28図にコントロールモードＡの座標系を、第
29図にコントロールモードＢの座標系を示すと共に、ヤ
コビ行列J_A,J_Bを示す。

ただし、なお、関数d₀,θ_１は実際には存在しないが、コントロ
ールモードA,Bに共通な移動開始点である基点に対する
ロボットの位置と姿勢を表すために設けた仮想の関節で
ある。

変換行列、ヤコビ行列を計算することによって、ロボ
ット先端（アームの中心）の位置，姿勢及び各関節の微
小変化に対するアームの位置と姿勢の微小変化を知るこ
とができる。

次に、隣接配管乗り移りにおけるヤコビ行列について
説明する。

第30図はコントロールモードＡにおけるアームＡの軌
道説明図、第31図はコントロールモードＢにおけるアー
ムＢの軌道説明図である。

配管乗り移りにおけるヤコビ行列には、ロボットが横
スライド機構を用いて管と管の間に移動した状態から考
えると、二次元内の問題となる。そのため、ヤコビ行列
は次のように簡単化される。コントロールモードＡにお
いて、コントロールモードＢにおいて、ここで、距離Ｌ＝300mm離れた位置にある配管に乗り移
る場合を考える。関節θ₂,θ_５を必要角だけ等速回転さ
せた場合のアーム中心の軌道を式（６），（７）を用い
て計算する第30図及び第31図のようになる。

このように、ヤコビ行列によって関節を制御した場合
のアームの軌道を求めることができる。反対に、逆ヤコ
ビ行列によってこの軌道から関節の微小変化を計算する
ことも可能である。この解析は、このロボット全般にわ
たって、設計段階では、関節の数や種類、リンクの長さ
などをシミュレーションを行うことにより、ロボットの
動作範囲や動き方などの調べることができ、また、制御
段階では、この軌道を与えることにより、逆ヤコビ行列
より、各関節制御などを決定することができるので、設
計上、制御上から、有効であると考えられる。逆ヤコビ
行列は、コントロールモードＡでは、コントロールモードＢでは、このような隣接配管への乗り移りは、何本も横に並ん
でいる配管群を検査したり、異なる系統の配管に移るの
に大変有効である。

次に、本発明の第２実施例を示すアームの締めつけ手
段について説明する。即ち、この実施例では、前記した
機構的な締め付け手段に代わって、電磁的な締め付け手
段を構成したものである。

第32図は電磁的なロック機構を具備するロボットの斜
視図、第33図はそのロック機構の要部側断面図、第34図
はその下面図である。

これらの図において、100は電磁ロック機構、101は左
側のアーム33bの先端部に取り付けられる鉄芯、102は右
側のアーム33aの先端部に取り付けられる鉄芯であり、
それらの鉄芯は左右アームが閉じ、鉄芯101に巻回され
るコイルが励磁された時に、閉磁路が形成され、両アー
ム33a,33bは強力に吸引される。このコイル103には、第
11図に示されるように、ロボットの制御部から、アクチ
ュエータ駆動回路50を介してオン、オフ制御される。

このロック手段を用いたロボットのタイムチャートを
示すと第35図のようになる。このタイムチャートからも
明らかなように、ロボットのワーク時間の大幅な短縮を
図ることができる。

第36図は本発明の第２の実施例を示す自律型配管メン
テナンスロボットの構成図である。

図中、105は配管、106は左アーム、107は右アーム、1
08は右アーム107に一体に延設される受部、109は左アー
ムに一体に延設される受部、110は両アームの枢支軸、1
11は受部108,109間に張設される形状記憶合金製コイル
バネ、112,113は駆動車輪、114,115は従動車輪であり、
このロボットの駆動形態は前記した従来の第１号機，第
２号機と同様のものである。

この実施例では一点が枢支される枢支軸110を有する
一対のレバーを具備する開閉機構、つまり、枢支軸110
をテコの中心として、４個の車輪で配管を把持し、更
に、電磁ロック機構（第34図参照）によりロックする。
その状態で、駆動車輪112,113の駆動により、ロボット
の前進を行う。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではな
く、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、
これらを本発明の範囲から排除するものではない。

（発明の効果）以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次の
ような効果を奏することができる。

（１）従来のこの種のロボットに比して、モータの数を
低減し、ロボット自体の重量を軽量にすることができ
る。また、コンパクトに構成することができ、機構を大
幅に簡素化することができる。

（２）アームの開閉にステッピングモータを代えて、形
状記憶合金バネを用いることにより、アームの開閉動作
が速くなり、ロボットの単位時間当たりの仕事量の向上
を図ることができる。

（３）アームの開閉にステッピングモータに代えて、形
状記憶合金バネを用いることにより、騒音を低減するこ
とができる。特に、可聴音センサを搭載する場合にステ
ッピングモータによる騒音、振動がなくなり、精度の高
い配管診断を行うことができる。

（４）形状記憶合金バネはアームを開閉するだけの機能
を果たすだけであり、その後は別個のアームのロック手
段が施されるために、形状記憶合金バネに無理がかかる
ことがなく、円滑な動作を行うことができる。

（５）ロック手段に電磁石を用いる場合には、更に、ロ
ボット本体の軽量化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す自律型配管メンテナン
スロボットの概略斜視図、第２図はその自律型配管メン
テナンスロボットの要部を示す正面図、第３図はそのア
ーム開閉用アクチュエータの構成図、第４図はロボット
の本体の模式図、第５図は本体の伸縮機構の概略説明
図、第６図は本体のスライド機構の概略説明図、第７図
はロボットの駆動装置の概略説明図、第８図はロック機
構の要部側面図、第９図はその下面図、第10図はそのロ
ック機構の動作説明図、第11図は本発明のロボットのシ
ステム構成図、第12図は通常走行モード図、第13図はそ
のタイムチャート、第14図は通常走行動作のフローチャ
ート、第15図は周方向の移動動作のフローチャート、第
16図はフランジ通過モード図、第17図はそのタイムチャ
ート、第18図はそのフランジ通過動作のフローチャー
ト、第19図はＴ字管通過（その１）モード図、第20図は
そのタイムチャート、第21図はＴ字管通過（その２）モ
ード図、第22図はそのタイムチャート、第23図は隣接配
管への配管乗り移りモード図、第24図はそのタイムチャ
ート、第25図は隣接配管への配管乗り移り動作のフロー
チャート、第26図は障害物センサの一実施例を示す構成
図、第27図はセンサユニットの構成図、第28図はコント
ロールモードＡの座標系を示す図、第29図はコントロー
ルモードＢの座標系を示す図、第30図はコントロールモ
ードＡにおけるアームＡの軌道説明図、第31図はコント
ロールモードＢにおけるアームＢの軌道説明図、第32図
は電磁的なロック機構を具備するロボットの斜視図、第
33図はそのロック機構の要部側断面図、第34図はその下
面図、第35図は本発明の電磁的なロック機構を具備する
ロボットの通常走行動作フローチャート、第36図は本発
明の第２の実施例を示す自律型配管メンテナンスロボッ
トの構成図、第37図は従来の第１の自律型配管メンテナ
ンスロボットの正面図、第38図はそのロボットの側面
図、第39図はそのロボットのフランジ通過モード図、第
40図は従来の第２の自律型配管メンテナンスロボットの
正面図、第41図はそのロボットの側面図、第42図はその
ロボットのＴ字管通過モード図、第43図は従来の第３の
自律型配管メンテナンスロボットの斜視図である。 30……本体、31,32……アームユニット、33,34,33a,33b
……アーム、33c,33d……受片、33e……絶縁物、33f…
…ゴム板、35……スライドレール、36,82,97,110……枢
支軸、37,38……コイルバネ、39……バネ、40……固定
部、41……センサユニット、41a……環状のセンサ用ガ
イドレール、41b……センサ、41c……モータ、42,91,10
5……配管、44……D/Aコンバータ、45……DO、46……D
I、47……A/Dコンバータ、48,49……絶縁回路、50……
アクチュエータ駆動回路、51……形状記憶合金、52……
ステッピングモータ用駆動回路、53……ステッピングモ
ータ、54……赤外線LED駆動回路、55……赤外線LED、56
……赤外線センサ用増幅回路、57……赤外線フォトトラ
ンジスタ、58……超音波センサ用増幅回路、59……超音
波センサ、60……可聴音センサ用増幅回路、61……可聴
音センサ、62……過電流センサ用増幅回路、63……過電
流センサ、64……非常用センサ、65……プラントマッ
プ、66……データベース、68……本体持ち上げ用モータ
（MA−１）、69……アーム締め付け用モータ（MA−
２）、70……伸縮用モータ（MA）、71……ギヤ、72……
ラック、73……基部、74……横スライド用モータ（M
D）、75……スプロケットホイール、76……ラダーチェ
ーン、77,96……コロ、81……フック、81a……カム部、
81……先端部、83,97……支持部、86……係止ワク、87
……ワイヤ、88……雌ネジ、90……フランジ、92……隣
接配管、93……赤外線センサ、94……リミットスイッ
チ、95……車輪、98……形状記憶合金バネ、100……電
磁ロック機構、101,102……鉄芯、103……コイル、106
……左アーム、107……右アーム、108,109……受部、11
1……形状記憶合金製コイルバネ、112,113……駆動車
輪、114,115……従動車輪。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）本体と、（ｂ）該本体の前後に配設される左右アームを有する二
組のアームユニットと、（ｃ）前記左右アームの開閉を行う形状記憶合金バネを
有するアクチュエータと、（ｄ）前記左右アームが閉じた後、該左右アームを締め
付け保持するロック手段と、（ｅ）前記本体の伸縮手段と、（ｆ）前記本体の前部と後部の周方向の相対的変位を行
うスライド手段と、（ｇ）前方のアームユニットを土台として前方へ本体の
回転を行う回転手段と、（ｈ）後方のアームユニットを土台として後方へ本体の
回転を行う回転手段と、（ｉ）前記アームユニットの前面に固定されるセンサユ
ニットを具備することを特徴とする自律型配管メンテナ
ンスロボット。
【請求項２】前記アクチュエータは二点の枢支軸を有す
る一対のレバーを有する開閉機構を具備することを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の自律型配管メンテナ
ンスロボット。
【請求項３】前記アクチュエータは一点の枢支軸を有す
る一対のレバーを有する開閉機構を具備することを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の自律型配管メンテナ
ンスロボット。
【請求項４】前記ロック手段は前記アームの一方の先端
部にフックを設け、他方の先端部に該フックが係合する
係合部材を有し、前記フックをワイヤを介して引っ張り
或いは弛緩するモータを具備することを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の自律型配管メンテナンスロボッ
ト。
【請求項５】前記ロック手段は前記アームの一方の先端
部に電磁石を有し、他方の先端部に該電磁石によって吸
引される部材を配設するようにしたことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の自律型配管メンテナンスロボ
ット。
【請求項６】前記センサユニットはガイドレールと該ガ
イドレール上を移動するセンサとを具備することを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の自律型配管メンテナ
ンスロボット。
【請求項７】前記センサユニットはガイドレールの開閉
を行う形状記憶合金製のアクチュエータを具備すること
を特徴とする特許請求の範囲第６項記載の自律型配管メ
ンテナンスロボット。
【請求項８】前記センサユニットは障害物を検出するセ
ンサを具備することを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の自律型配管メンテナンスロボット。
【請求項９】前記センサユニットは配管を診断するセン
サを具備することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の自律型配管メンテナンスロボット。
【請求項１０】前記センサは渦電流センサであることを
特徴とする特許請求の範囲第９項記載の自律型配管メン
テナンスロボット。
【請求項１１】前記センサは可聴音センサであることを
特徴とする特許請求の範囲第９項記載の自律型配管メン
テナンスロボット。