JP4787965B2

JP4787965B2 - 壁面間移動装置

Info

Publication number: JP4787965B2
Application number: JP2006295016A
Authority: JP
Inventors: 秀次郎斎藤; 啓仁佐藤
Original assignee: Utsunomiya University
Current assignee: Utsunomiya University
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2026-10-30
Also published as: JP2008110432A

Description

本発明は、壁面間を移動する壁面間移動装置に関し、さらに詳しくは、ビルとビルの間のような人間が通れない狭い空間内を自由に移動できる壁面間移動装置に関するものである。

高層ビル外壁の剥離の点検作業、球形ガスホルダの溶接線の検査作業、水力発電用ダム等の垂直に近い壁面での危険な作業等を自動化するためのロボットとして、非特許文献１には種々の壁面移動ロボットが開示されている。

壁面移動ロボットは、重力に逆らって姿勢を保持しながら壁面を移動することを基本的仕様とし、姿勢を保持するためには、壁面にロボット本体を押し付けることが必要となる。その方法として、磁石による電磁力を利用した壁面への吸着や真空ポンプ等による負圧を利用した吸着等が使用されている。また、移動方法には、脚移動形、車輪走行形、クローラ形、脚移動と車輪走行の中間形等多くの方法が提案されている。
日本ロボット学会編「ロボット工学ハンドブック」コロナ社出版（１９９０年）３７８〜３７９頁

ところで、現在、都市高層ビルが立ち並んでおり、ビルとビルの間の空間は人間が通れないほどに狭く取られている。このため、ビルの壁面間のスペースは無駄な空間となっており、この狭い空間内を自由に移動できる移動体があれば、この空間を有効活用することが可能となる。例えば、壁面間の隙間を倉庫代わりにして物品を置いたり、壁面間を伝わって移動して建物の階上や階下を行き来して荷物を運搬したりすることも可能である。

そのためには、壁面間を移動する移動ロボット等の移動体が必要である。しかしながら、非特許文献１に記載されたように、現在、片壁面を使って移動する実用化されたロボットは存在するが、両壁面を使って移動する実用化された移動ロボットは見あたらない。両壁面を使って移動する実用化された移動ロボットが見あたらない理由は、移動体が壁面間を上下移動する場合、例えば、移動体が移動中壁面にしっかりと保持されて落ちないことや、壁面間で保持されながらどのように移動するか、どのようにして移動推力を得るか等の問題の検討が必要となるためであると考えられる。

本願発明者らは、これらの問題を解決する新しい移動機構を既に提案している（特許文献１参照）。かかる特許文献１に記載された壁面間移動装置は、壁面に押し付けられる弾性毛が植え込まれた滑走子を有する一対の滑走子体と、弾性毛が壁面に接触する範囲で滑走子を振幅させる駆動手段と、駆動手段及び滑走子体を支持する移動体本体とを備えたことを特徴としている。そして、実施形態の１つとして、前記駆動手段にエアシリンダを採用したものが開示されている。
特願２００６−０９２７３０

しかしながら、特許文献１に記載された壁面間移動装置において、エアシリンダを採用した場合には、（１）移動体本体に搭載されたエアシリンダまで圧縮空気をエアチューブで送る必要があり、エアチューブ自体が空気圧に耐えうるため硬く作られていることから、エアチューブの重さが上昇中の移動体に逆向きの負荷となり上昇を困難にしてしまう、（２）エアシリンダは、繰返し周波数が７Ｈｚ以上になるとピストンロッドの動作が追従していけず、また、電磁弁のパルスと実際のピストンロッドの動きに時間的な遅延もあることから、エアチューブが長ければ長いほど遅延時間は大きくなってしまう等の問題があり、結果として、エネルギー効率が好ましくなく、移動速度に限界があり、移動速度の正確な制御も困難であった。

本発明は上述した課題を解決したものであって、壁面間で保持されながら落下せずに移動することができるだけでなく、エネルギー効率に優れ、移動速度を速くすることができ、移動速度の制御を容易に行うことができる壁面間移動装置を提供することを目的とする。

本発明は、壁面と壁面の間を移動する壁面間移動装置であって、前記壁面に押し付けられる複数の弾性毛が植え込まれた少なくとも一対の滑走子と、前記弾性毛が前記壁面に接触する範囲で前記滑走子を振幅させる駆動手段と、該駆動手段を支持する移動体本体とを備え、前記駆動手段は、前記移動体本体に固定されたモータと、該モータの回転運動を前記壁面に略垂直な方向に変換して前記滑走子に伝達する加振機構とからなる、ことを特徴とする壁面間移動装置を提供する。かかる構成によれば、モータ及び加振機構により滑走子を加振させて滑走子を壁面に押圧することによって移動体本体の推進力を得ることができる。

前記加振機構は、前記モータの回転運動を前記壁面と略平行な方向の往復直線運動に変換するクランク機構と、該クランク機構の往復直線運動を前記壁面と略垂直な方向の往復直線運動に変換するリンク機構とから構成してもよい。

また、前記滑走子を前記壁面に沿って前記移動体本体の左右に少なくとも一対ずつ配置し、前記モータを、左側の滑走子を加振させる第１モータと、右側の滑走子を同時に加振させる第２モータとから構成するようにしてもよい。

また、本発明の壁面間移動装置は、前記各モータの回転数を制御して前記移動体本体を直進又は曲進させる制御装置を有することが好ましい。かかる構成により、移動体本体の移動方向をコントロールすることができる。

さらに、前記移動体本体の姿勢を計測するセンサを設け、該センサの出力に基づいて前記制御装置により前記各モータの回転数を制御するようにしてもよいし、前記センサを、ロータリ・エンコーダと、該ロータリ・エンコーダの軸に取り付けられた重りとから構成してもよい。

上述した本発明の壁面間移動装置によれば、弾性毛の弾性力と摩擦係数との関係により滑走子を利用して移動体本体を壁面間に沿って落下させずに進行させることができる。また、滑走子の加振手段としてモータを採用したことにより、軽量な電線でエネルギーを供給することができ移動体本体の上昇の妨げにならない、応答遅延の問題が生じないので移動速度を速くすることができる、モータの回転数を制御するだけで移動速度や移動方向を制御することができる等の優れた効果を有し、エネルギー効率にも優れている。

以下、本発明の壁面間移動装置について、図１〜図５を参照しつつ具体的な実施形態を説明する。ここで、図１は本発明の壁面間移動装置の一実施形態を示す側面図であり、図２は図１におけるＩＩ矢視図である。

図１及び図２に示すように、本発明の壁面間移動装置は、壁面に押し付けられる複数の弾性毛１ａが植え込まれた四対の滑走子１と、弾性毛１ａが壁面に接触する範囲で滑走子１を振幅させる駆動手段２と、駆動手段２を支持する移動体本体３とを備え、駆動手段２は、移動体本体３に固定されたモータ４と、モータ４の回転運動を壁面に略垂直な方向に変換して滑走子１に伝達する加振機構５と、から構成されている。また、本実施形態では、各モータ４の回転数を制御して移動体本体３を直進又は曲進させる制御装置（図示せず）と、移動体本体３の姿勢を計測するセンサ６とが移動体本体３に設けられており、センサ６の出力に基づいて各モータ４の回転数を制御するようにしている。

前記滑走子１は、図２における左右横並びの２つ滑走子１，１を一対として勘定している。すなわち、一方の壁面に押し付けられる滑走子１と他方の壁面に押し付けられる滑走子１とから構成される少なくとも一対の滑走子１，１があれば、本発明の壁面間移動装置の滑走子１として成立しうる。

図１に示すように、本実施形態では四対の滑走子１を使用しているが、一方の壁面を押し付ける４つの滑走子１（図１に図示されている４つの滑走子１）を１つに纏めた一対の滑走子を採用してもよい。また、一方の壁面を押し付ける上部の２つの滑走子１（図１に図示されている４つの滑走子１のうち上側の２つの滑走子１）を１つに纏め、同様に下部の２つの滑走子を１つに纏めた二対の滑走子を採用してもよい。

ここで、図３は、滑走子１の拡大図であり、（Ａ）は第１実施形態、（Ｂ）は第２実施形態を示している。移動体本体３を壁面と壁面との間で保持するためには保持する物が必要であり、壁面にしっかりと保持する治具として本発明では滑走子１を採用している。

図３（Ａ）に示すように、滑走子１は複数の弾性毛１ａを台板１ｂに植え付けた形状をしている。弾性毛１ａには、例えば、ナイロン線を使用することができる。図３（Ａ）に示す第１実施形態では、全ての弾性毛１ａを約８０°の植え込み角度で植え付けている。この植え込み角度は、移動装置全体の重量、移動速度、滑走子１の大きさ、弾性毛１ａの材質や長さ等の諸条件により設定されるものであり、８０°に限定されるものではない。

また、図３（Ｂ）に示す第２実施形態では、植え込み角度が異なる少なくとも２種類の弾性毛３１，３２を台板３３に植え付けている。ここでは、弾性毛３１の植え込み角度を７０°、弾性毛３２の植え込み角度を５０°としているが、かかる植え込み角度に限定されるものではなく、例えば、８０°と５０°の組み合わせにしてもよいし、それ以外の組み合わせにしてもよいし、２種類以上の組み合わせにしてもよい。

かかる滑走子１は、後述する駆動手段２に連結された台座１１に、螺子、接着剤、両面テープ等により固定される。図１及び図２に示す実施形態では、台座１１も滑走子１と同じ数だけ用意したが、滑走子１の形状に合わせて適宜変更できることは言うまでもない。例えば、一方の壁面側に１枚の大きな台座を用意したり、図１の上部又は下部において左右方向に長い台座を用意したりして、その台座に複数の滑走子１を固定するようにしてもよい。また、滑走子１の弾性毛１ａを台座１１に直接植え付けるようにしてもよい。なお、滑走子１の動作原理については、本願発明者らによる特許文献１（特願２００６−０９２７３０）に記載されているので、ここでは説明を省略する。

駆動手段２の一部を構成するモータ４は、いわゆる電動モータであり、図示しない電線により電気エネルギーが供給され駆動軸を回転するようになっている。電源は、移動体本体３から離間した外部に配置してもよいし、移動体本体３に搭載した電池であってもよい。また、モータ４は、直流モータでも交流モータでもよい。

かかるモータ４は、具体的には図１に示すように、左側の上部一対及び下部一対の滑走子１を同時に加振させる第１モータ４ａと、右側の上部一対及び下部一対の滑走子１を同時に加振させる第２モータ４ｂとから構成される。第１モータ４ａ及び第２モータ４ｂは、移動体本体３の略中央部に駆動軸が略水平方向となるように並列に配置されており、その軸端は互いに外方を向くように配置されている。なお、各駆動軸の先端には所定の歯車と連結可能なギヤが設けられている。

駆動手段２の一部を構成する加振機構５は、モータ４（第１モータ４ａ及び第２モータ４ｂ）の回転運動を壁面と略平行な方向の往復直線運動に変換するクランク機構１２と、クランク機構１２の往復直線運動を壁面と略垂直な方向の往復直線運動に変換するリンク機構１３とから構成されている。

ここで、図４は、駆動手段２の模式図である。図４に示すように、クランク機構１２は、クランク４１及びスライダ４２を有するスライダクランク機構であり、クランク４１の一端はモータ４により回転される回転台４３に回動可能に連結されている。また、クランク４１の他端はスライダ４２の略中間部に回動可能に連結されている。スライダ４２は、移動体本体３のフレームに形成された長孔４４に摺動可能に連結されている。回転台４３は、モータ４のギヤと噛合する歯車部を有し、回転軸は移動体本体３のフレームに支持されている。

リンク機構１３は、滑走子１及びスライダ４２に連結される一対の平行リンク４５，４５と、滑走子１及び移動体本体３に連結される支持リンク４６とを有する。具体的には、平行リンク４５，４５の一端は、滑走子１の台座１１の両端部にそれぞれ回動可能に連結されており、他端は、平行リンク４５，４５が平行となるようにスライダ４２の両端にそれぞれ回動可能に連結されている。また、支持リンク４６の一端は、滑走子１の台座１１の一端部に回動可能に連結されており、他端は、移動体本体３のフレームに回動可能に連結されている。かかるリンク機構１３は、図４において、左右対称となるように配置されており、支持リンク４６の移動体本体３との連結部及び平行リンク４５，４５のスライダ４２との連結部は左右のリンク機構１３で共有する連結部となっている。なお、リンク機構１２は、図１に示すように、台座１１の両側に連結されている。

上述した駆動手段２によれば、モータ４の駆動により回転台４３が回転し、回転台４３に連結されたクランク４１の一端が回転する。クランク４１の他端は長孔４４に沿って摺動し、スライダ４２は長孔４４に沿って往復直線運動を行う。さらに、平行リンク４５，４５の一端がスライダ４２と共に往復直線運動を行い、支持リンク４６は移動体本体３との連結部を中心に回動する。その結果、滑走子１の台座１１が移動体本体３と平行を保持しつつ壁面に略垂直な方向に振幅することとなる。

前記移動体本体３は、上述した駆動手段２を支持する枠体から構成されている。具体的には、図１及び図２に示すように、左側の駆動手段を支持する左フレーム３ａと、右側の駆動手段を支持する右フレーム３ｂと、左フレーム３ａと右フレーム３ｂを平行に連結する上部フレーム３ｃ及び下部フレーム３ｄと、モータ４を支持するモータ支持フレーム３ｅとから構成されている。

左フレーム３ａ及び右フレーム３ｂは、それぞれ２本のフレームにより構成されており、それぞれのフレームに上述した長孔４４が形成されるとともに、支持リンク４６が回動可能に連結されており、駆動手段２のクランク機構１２及びリンク機構１３が連結されている。また、モータ支持フレーム３ｅは、ここでは直方体の外形を形成する６本のフレームにより構成されているが、モータ４を水平に支持できればよく、図示した構成に限定されるものではない。また、各フレームは、螺子で連結されているが、溶接や接着剤により連結するようにしてもよい。

前記センサ６は、例えば、図１及び図２に示すように、ロータリ・エンコーダ１４と、ロータリ・エンコーダ１４の軸に取り付けられた重り１５とから構成される。移動体本体３の傾きにかかわらず、重り１５は常に鉛直方向に垂れるため、その位置をロータリ・エンコーダ１４で計測することにより移動体本体３の傾斜角度を計測することができる。なお、センサ６は、移動体本体３の傾斜角度を計測できるものであればよく、液体を用いたもの、レーザや赤外線を用いたもの等、種々のものを採用することができる。

ここで、図５は、壁面間移動装置の姿勢制御方法の概念説明図である。図５に示すように、移動体本体３を設定角度Ａの方向に移動させる場合を想定する。まず、移動体本体３の設定角度Ａに設定し、位置αから進行方向に移動体本体３を移動させる。位置βにおいて、実測角度がＢだったとすると、修正すべき角度は実測角度Ｂから設定角度Ａを差し引いた修正角度Ｃである。そして、制御装置（図示せず）によりモータ４の回転数を変化させて滑走子１を加振させることによって修正角度Ｃが０となるように移動体本体３の姿勢を制御する。かかる制御を用いることによって、移動体本体３を任意に直進又は曲進させることができる。

例えば、移動体本体３の角度が設定角度の±１°の範囲以内であれば、両方のモータ４（第１モータ４ａ及び第２モータ４ｂ）に同じ回転数を与え、それを超える角度のときは、傾いているほうのモータ４を回転させて、もう片方のモータ４を停止して、その場で移動体の方向を修正して移動するようにすればよい。

上述した本発明の壁面間移動装置によれば、滑走子１の駆動手段としてモータ４を採用したことにより、軽量な電線でエネルギーを供給することができ、移動体本体３の上昇を妨げることなく、滑走子１を利用して移動体本体３を壁面間に沿って落下させずに進行させることができる。また、応答遅延の問題が生じないので移動速度を速くすることができ、モータの回転数を制御するだけで移動速度や移動方向を制御することもでき、エネルギー効率にも優れている。

以下に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明の内容の理解を容易とするために示した本発明の具体的な例示の一部に過ぎず、本発明は何らこれらに限定されるものではない。ここで、図６は本発明の壁面間移動装置を試験的に作成した壁面間に設置した状態を示す写真であり、図７は図６の壁面間移動装置に採用した滑走子１の拡大図であり、図８は図６の壁面間移動装置に採用した制御システム構成図である。

（滑走子）
図７に示した滑走子１の弾性毛１ａには直径約１．２５ｍｍのナイロン線を使用した。ナイロン線のヤング率は５３０ｋｇ／ｍｍ^２で、台板１ｂから弾性毛１ａの先端までの高さは平均１６．５ｍｍとしたが、高さについては数ｍｍ程度のばらつきがある。また、弾性毛１ａの傾斜角度は８０°とし、５ｍｍ間隔で２４本植え付けた。台板１ｂはメタクリル樹脂材質で、大きさは長さ５０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ３ｍｍであり、底部を平らにするために厚さ０．５ｍｍの塩化ビニル樹脂板を台板１ｂと同じ大きさに切って貼り付けた。

（移動体本体）
図６に示した移動体本体３は、全長３８５ｍｍ、幅２２０ｍｍ、自重９４３ｇであり、前後（図１の幅方向）の滑走子１の中心位置間の距離は２１２ｍｍ、左右（図２の幅方向）の滑走子１の中心位置間の距離は１５８ｍｍであった。使用したモータ４は、直流ギャードモータで、定格電圧２４Ｖ、回転数１３７ｒｐｍ、トルク２．１ｋｇｃｍ、重さ１５５ｇである。

（壁面）
壁面は長さ９００ｍｍ、幅４５０ｍｍ、厚さ１５ｍｍのラワン合板を使用した。実験では壁面間隔を１２８ｍｍに固定して行った。

（上昇速度測定試験）
移動装置の上昇速度は、壁面の上下２点に光源を設け、その光源を移動体本体３が遮る通過時間を測定することによって求めた。具体的には、移動体本体３の先端に遮光板を取り付け、移動体本体３が各光源の光を遮ると、フォトトランジスタを使用した受光回路に信号が入り、さらに波形整形回路からスタートパルスとストップパルスが出力され、ユニバーサルカウンタに入力して時間間隔を測定した。２点間の距離は５０ｍｍとし、実験を５回以上行ったときの平均速度は１０．９ｍｍ／ｓであった。

（牽引荷重測定試験）
移動装置の牽引荷重を荷重検出器を使って測定した。測定方法は移動体本体３の後部にワイヤをつなぎ、その先に荷重検出器を接続した。そして、荷重検出器の検出出力を電源ユニットに入力して電圧出力し、さらにＤＣアンプに入力して信号を増幅して電磁オシログラフで記録した。移動体の最大の牽引荷重は約２．８ｋｇであった。

（制御方法）
図８に示した制御システムを用いて、移動体本体３の上部に取り付けてあるロータリ・エンコーダ１４の軸に取り付けた重り１５により、移動体本体３の角度を検出し、検出角度をエンコーダ入力回路に入力する。さらにＰＩ０１に送られ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）にデータが入力される。ＣＰＵでデータの処理が行われ、その結果をＣＴＣ（Counter Timer Circuit）に出力する。ＣＴＣではモータ４の入力周波数を変えて出力されるが、ＣＴＣで単安定マルチバイブレータにより出力パルス幅を広げられ、モータ駆動回路に送られて、モータ４が回転し移動体本体３が移動する。このとき、タイマ回路から４Ｈｚのパルスを出力しＣＴＣに入力する。ＣＴＣはここで１Ｈｚのパルスに変換し、割込線を介してＣＰＵに対して割り込みをかける。ＣＴＣから割り込みのかかったＣＰＵは、再びエンコーダからのデータをＰＩ０１を通して受け取り、ＣＰＵで演算してモータ駆動回路に送られる。移動体本体３の上昇をストップさせたいときは、ストップ回路よりストップパルスを出力し、ＰＩ０２を通してモータ駆動回路にパルスを送り、モータ４が停止するようになっている。本システムにおいて割り込みは、多数の検出データの入力と制御データの出力を扱うことが多く、動作速度の高速性が要求される。そのためハードウエアにより優先度を設け、本システムでは、ＰＩ０１、ＰＩ０２、ＣＴＣの順に割り込み優先度を設けた。

本発明の壁面間移動装置の一実施形態を示す側面図である。図１におけるＩＩ矢視図である。滑走子１の拡大図であり、（Ａ）は第１実施形態、（Ｂ）は第２実施形態を示している。駆動手段２の模式図である。壁面間移動装置の姿勢制御方法の概念説明図である。本発明の壁面間移動装置を試験的に作成した壁面間に設置した状態を示す写真である。図６の壁面間移動装置に採用した滑走子１の拡大図である。図６の壁面間移動装置に採用した制御システム構成図である。

符号の説明

１滑走子
１ａ，３１，３２弾性毛
１ｂ，３３台板
２駆動手段
３移動体本体
３ａ左フレーム
３ｂ右フレーム
３ｃ上部フレーム
３ｄ下部フレーム
３ｅモータ支持フレーム
４モータ
４ａ第１モータ
４ｂ第２モータ
５加振機構
６センサ
１１台座
１２クランク機構
１３リンク機構
１４ロータリ・エンコーダ
１５重り
４１クランク
４２スライダ
４３回転台
４４長孔
４５平行リンク
４６支持リンク

Claims

壁面と壁面の間を移動する壁面間移動装置であって、前記壁面に押し付けられる複数の弾性毛が植え込まれた少なくとも一対の滑走子と、前記弾性毛が前記壁面に接触する範囲で前記滑走子を振幅させる駆動手段と、該駆動手段を支持する移動体本体とを備え、前記駆動手段は、前記移動体本体に固定されたモータと、該モータの回転運動を前記壁面に略垂直な方向に変換して前記滑走子に伝達する加振機構とからなり、
前記滑走子は、前記壁面に沿って前記移動体本体の左右に少なくとも一対ずつ配置され、前記モータは、左側の滑走子を加振させる第１モータと、右側の滑走子を同時に加振させる第２モータとからなる、ことを特徴とする壁面間移動装置。
前記加振機構は、前記モータの回転運動を前記壁面と略平行な方向の往復直線運動に変換するクランク機構と、該クランク機構の往復直線運動を前記壁面と略垂直な方向の往復直線運動に変換するリンク機構とからなる、請求項１に記載の壁面間移動装置。
前記第１モータ及び前記第２モータの回転数を制御して前記移動体本体を直進又は曲進させる制御装置を有する、請求項１又は請求項２に記載の壁面間移動装置。
前記移動体本体の姿勢を計測するセンサを有し、該センサの出力に基づいて前記制御装置により前記第１モータ及び前記第２モータの回転数を制御する、請求項３に記載の壁面間移動装置。
前記センサは、ロータリ・エンコーダと、該ロータリ・エンコーダの軸に取り付けられた重りとからなる、請求項４に記載の壁面間移動装置。