JP5692931B2

JP5692931B2 - 走行ロボット

Info

Publication number: JP5692931B2
Application number: JP2012500690A
Authority: JP
Inventors: 内田　康之; 康之内田
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2031-02-22
Also published as: WO2011102527A1; JPWO2011102527A1

Description

本発明は、不整地走破性に優れる摩擦駆動車輪方式の走行ロボットに関する。
本出願は、日本国において２０１０年２月２２日に出願された日本特許出願番号特願２０１０−０３６５４７を基礎として優先権を主張するものであり、この出願を参照することにより、本出願に援用される。

大規模地震等の大規模災害が発生した現場では、二次災害の防止のため、救急隊も直ちに突入することができないことがある。そこで、災害現場では、被害者や救助隊の安全確保のためにも、事前に、安全な経路の探索、危険物や被害者の捜索等の情報収集を行う情報収集ロボットが望まれる。また、持ち運び等が便利なように、小型で軽量化され、更に、耐衝撃性にも優れた走行ロボットが望まれる。

これまで様々な情報収集ロボットの開発がされてきたが、近年の傾向としては、装備として隊員の負担にならない程度の小型・軽量のものが増えつつある。

例えば、三菱電機特機システム株式会社と総務省消防庁は、クローラー型の移動ロボットとしてFRIGO−Mを共同開発した（下記非特許文献１参照）。この移動ロボットは、全長０．４３７［ｍ］、全幅０．３５０［ｍ］、全高０．１５２［ｍ］、質量約１２［ｋｇ］であり、走行速度は約１．１［ｍ／ｓ］と速く、不整地走破性も高い。

しかしながら、携行に人員一名を要するため携行性が良いとは言い難い。

また、RECON ROBOTICS社（米国）は、小型・軽量で実用的なRECON SCOUT THROWBOTを開発し、警察等で実用試験を行っている（下記非特許文献２参照）。車輪径０．０７６［ｍ］、全幅０．１８７［ｍ］、バランサー（尻尾）長０．１０２［ｍ］、質量約０．６［ｋｇ］であり、走行速度は約０．３［ｍ／ｓ］である。非常に小型・軽量で構造も簡素であるが、二輪型であるため、建物内にあるケーブル等の小さな凹凸も乗り越えることが難しく、不整地走破性が低い。また、後部についているバランサー（尻尾）は、動力を持たないため走行中は抵抗であり、バランサー（尻尾）を破損してしまった場合には、走行不可能となってしまう。構造的にも、走行中の様々な衝撃をモータに直接に伝えてしまい、動力伝達部の故障を引き起こしやすい。

なお、これら２つのロボットは、災害、犯罪現場のほか、車下、床下、天井裏等狭隘な空間での情報収集を目的としている。

特開２００７−２３７９９１号公報

小型クローラー移動ロボット（FRIGO-M）を紹介したホームページ、インターネット<〈URL：http://www.melos.co.jp/jigyou/product/index13.html(2010年2月検索)〉 RECON SCOUT THROWBOTを紹介したホームページ、インターネット〈URL：http://www.recon-scout.com/products/photos.cfm(2010年2月検索)〉

そこで、本発明は、小型で携行性に優れるとともに、不整地走破性にも優れた走行ロボットを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る走行ロボットは、駆動部が設けられた略円筒形状をなす本体部と、上記本体部の相対する各側面部に設けられる走行部とを備える。上記走行部は、外周部が弾性体で形成され、上記駆動部により回転駆動される内輪と、それぞれが弾性体で形成され、上記内輪に接触配置されることで上記内輪より摩擦により駆動力が伝達される２つ以上の外輪とを有する。例えば、上記外輪は、３つであり、上記内輪の周囲に等間隔に配置され、両側で合わせて、４輪で走行するようにしても良い。

この走行ロボットは、外輪の車軸を、上記本体部の各側面部に取り付けられた環状の板バネに例えば等間隔に取り付けるようにして、サスペンション機能を付加する。また、上記駆動部は、上記本体部の各側面部に設けられた走行部のそれぞれに対して、駆動モータを有するスキッドステア方式とし、超信地旋回を可能としても良い。

また、走行ロボットは、リンク機構によって、複数台連結して、１台では走行不能な大きな障害物も乗り越えられるようにしても良い。上記リンク機構は、例えば、上記本体部の外周にベアリングを介して取り付けられ、上記本体部の外側において回転自在の外周フレームと、上記外周フレームに設けられる結合部と、連結先の該走行ロボットの外周フレームに設けられる結合部とを接続する柔軟性を有する連結部材とを有する。

本発明によれば、外周部が弾性体で形成され、駆動部により回転駆動される内輪と、それぞれが弾性体で形成され、内輪に接触配置されることで内輪より摩擦により駆動力が伝達される２つ以上の外輪とを有するので、内輪から外輪に効率的に駆動力が伝達される。外輪を３つ以上設けた場合、路面と接地していない外輪は、内輪への接触圧が小さくなり、これにより、駆動力のロスを小さくすることができる。更に、内輪や外輪の弾性体の効果で、路面等からの衝撃を緩和でき、衝撃を駆動部と分離し、駆動部へ衝撃が伝達されにくくすることができる。

図１は、本発明が適用された走行ロボットの一部切り欠き斜視図である。図２は、本発明が適用された走行ロボットの摩擦駆動車輪方式の原理を示す平面図である。図３は、外輪の取付構造を示す断面図である。図４は、本発明が適用された走行ロボットの摩擦駆動車輪方式の原理を示す側面図である。図５は、本発明が適用された走行ロボットを複数台連結した状態を示す平面図である。図６は、図５の走行ロボットが段差を乗り上げる状態を示す側面図である。図７は、連結可能な走行ロボットの斜視図である。図８は、走行ロボットの連結構造を示す断面図である。

以下、本発明が適用された走行ロボットについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．走行ロボットの概要
２．走行ロボットの構成
２−１全体構成
２−２摩擦駆動車輪方式
３．変形例
３−１走行ロボットの連結
３−２走行ロボットのリンク構造
３−３その他の変形例

１．走行ロボットの概要
発明者らが、ここで提案する走行ロボットは次の通りである。

（１）小型：爆発物等の不審物は、車下に設置されることも多く、この様な狭隘な場所の捜索を可能とするため、ロボットの全高は、一般的な自動車の最低地上高を考慮した０．１２［ｍ］以下とする。

（２）軽量：救助隊員は、約２６〜２７［ｋｇ］にもなる様々な救助器材を携行しなければならない。隊員一人が携行できる限界質量は約３０［ｋｇ］と言われている。すなわち、新たな装備となるロボットに許される質量は、数ｋｇ程度と考えられる。そこで、隊員の負担を極力軽減させるために、ロボットの質量は、１［ｋｇ］以下とする。

（３）機動性：協働する隊員の歩行速度と操縦性を考慮し、走行速度は０．３〜１．１［ｍ／ｓ］程度とする。また、建物内にあるケーブルや段差等の小さな凹凸を安定的に走破でき、障害となるバランサーを不要とするために、４輪以上で全輪を駆動し走行する。また、狭隘な空間で超信地旋回を可能とする両側の走行部を独立駆動したスキッドステア方式とする。

（４）耐衝撃性：障害物の奥へ投げ入れる運用、走行中の転倒や滑落に耐えられる構造とするために、路面等からの衝撃を緩和するサスペンション機構として、本体と車軸を板ばねでシンプルに結合し、さらに、動力伝達部にゴムによる摩擦駆動を適用する。また、本体部の保護と走行姿勢の任意性から、本体部を覆うよう片側に３輪を配置する。

（５）拡張性：ここで提案するロボットは単体でも走行が可能なモジュール構造である。将来の拡張として、複数のモジュールを柔軟な多自由度リンク機構により蛇のように連結可能とすることで、単体では走破できない大きな障害を克服できるようにする。

２．走行ロボットの構成
（２−１）全体構成
図１及び図２に示すように、本発明が適用された走行ロボット１は、略円筒形状をなす本体部１１を有する。この本体部１１は、本体枠１２内に、走行箇所を撮像する撮像部１３、撮像データや制御データの送受信を行う無線ユニット１４、電源となるバッテリ１５、駆動源となる駆動モータ１６、駆動モータ１６を駆動制御するモータドライバ１７、全体の動作を制御するコントローラ１８等が内蔵されている。

撮像部１３は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサを撮像素子に用いた小型カメラであって、撮像レンズを、本体枠１２より外部に臨ませるように取り付けられている。

無線ユニット１４は、遠隔操作装置と無線でデータをやり取りするものであり、走行ロボット１を走行、停止等させるための制御データを送受信するとともに、撮像部１３で撮像した動画像データを、遠隔操作装置に送信する。なお、遠隔操作装置との通信は、有線や赤外線通信であっても良い。また、送受信データは、暗号化されていても良い。この場合、送信機に暗号化処理部を設け、受信機に復号処理部を設けるようにする。

バッテリ１５は、例えば、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等である。なお、バッテリ１５は、一次電池であっても良い。

コントローラ１８は、例えば、無線ユニット１４で、駆動モータ１６の制御データを受信すると、受信した制御データをモータドライバ１７に出力し、モータドライバ１７によって駆動モータ１６を駆動制御する。また、コントローラ１８は、撮像部１３で撮像した動画像データ等の撮像データを、無線ユニット１４を介して遠隔操作装置等に送信する。

以上のように構成された走行ロボット１は、無線ユニット１４で、遠隔操作装置からの制御データを受信することで、走行停止等の動作を行うとともに撮像部１３で撮像を開始し、撮像した撮像データを遠隔操作装置や他のコンピュータに送信する。

なお、走行ロボット１には、以上説明したユニットの他に、又は選択的に、ＧＰＳ（Galileo positioning system, Global Positioning System)ユニットやマイクユニットやライト等の他のユニットを設けるようにしても良い。

（２−２）摩擦駆動車輪方式
走行ロボット１に採用された摩擦駆動車輪方式は、図１−図３に示すように、駆動モータ１６からの動力が内輪から摩擦力を介して外周に等間隔で接触配置された３つの外輪に伝達される。この走行ロボット１では、略円筒状をなす本体部１１の相対する側面部に走行部２１，２１が設けられ、それぞれの走行部２１に、各種衝撃を緩和、分離するため摩擦駆動車輪方式が採用されている。

なお、走行部２１，２１のそれぞれは、同じ構成を備えているため、以下の説明では、一方の走行部２１を例に取り説明する。

具体的に、走行部２１は、駆動部として、本体枠１２内に固定された駆動モータ１６の駆動軸に取り付けられた平歯車２２に、ギヤ２３が噛合されてなる。ギヤ２３の回転軸２４は、本体枠１２の支持片に回転自在に取り付けられており、この回転軸２４には、内輪２５が取り付けられている。内輪２５は、回転軸の先端部に取り付けられた円柱状の部材であり、少なくとも外周部がゴム、スポンジ等の弾性体により形成されている。かくして、駆動モータ１６の駆動力は、平歯車２２、ギヤ２３等の複数のギヤ等で構成されるギヤ列を介して内輪２５に駆動力が伝達される。
なお、平歯車２２は、ウォームでも良い。また、駆動モータ１６の駆動力を内輪２５に伝達する機構は、この例に限定されるものではない。更に、駆動部としては、駆動モータ１６を２つの走行部２１毎に設けるのではなく、駆動モータを１つにして、１つの駆動モータで２つの走行部に駆動力を伝達するようにしても良い。

本体部１１の相対する側面部には、本体部１１の両側に張り出すようにして略環状をなすフランジ部２８が連続的に又は断続的に形成されている。フランジ部２８には、本体部１１の径方向に弾性変位するように、板バネ２６が環状に、径方向に弾性変位可能な状態で取り付けられている。更に、この径方向に弾性変位可能な板バネ２６には、図３に示すように、車軸２７，２７，２７がねじ２９やナット３０等で固定される。この車軸２７，２７，２７は、外輪３１用であり、それぞれ回転するホイール３２，３２，３２が取り付けられ、このホイール３２，３２，３２に、外輪３１，３１，３１が取り付けられている。外輪３１，３１，３１も、内輪２５と同じく、ゴム、スポンジ等の弾性体により形成されている。具体的に、ＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエンゴム）を用いたスポンジやハネナイト（商標）と言った衝撃・振動吸収性に優れた制振ゴムが用いられる。

３つの外輪３１，３１，３１は、板バネ２６に、等間隔に取り付けられ、均一な圧力で、中心の内輪２５に圧接される。

なお、ここでは、外輪３１，３１，３１の車輪径を、０．０３［ｍ］程度の段差を乗り越えられるように０．０６［ｍ］としている。

以上のような摩擦駆動車輪方式において、駆動モータ１６からの駆動力は、図４に示すように、内輪２５から摩擦力を介して、その外周に等間隔で接触配置した３つの外輪３１，３１，３１に伝達される。すなわち、走行ロボット１を図４中矢印Ａ方向に走行させる場合、内輪２５は、図４中矢印Ｂ方向に回転し、内輪２５に従動する外輪３１，３１，３１は、図４中矢印Ｃ方向に回転する。内輪２５と外輪３１，３１，３１には、柔らかいゴム、スポンジ等の弾性体を使用することで、摩擦により駆動力を伝達し易くしている。また、外輪３１，３１，３１は、板バネ２６により支持されており、内輪２５や外輪３１，３１，３１の弾性体との効果を併せることで、路面等からの衝撃を緩和でき、衝撃を駆動モータ１６やギヤ２３や平歯車２２と分離し、伝達し難くしている。したがって、駆動モータ１６から内輪２５に駆動力を伝達するギヤ列が衝撃によって破損することを防止できる。すなわち、走行ロボット１では、本体部１１と外輪３１，３１，３１の車軸２７，２７，２７とを板ばね２６でシンプルに結合し、さらに、内輪２５や外輪３１，３１，３１に弾性体を用い、動力伝達部に摩擦駆動を適用することで、路面等からの衝撃を緩和するサスペンション機構を実現している。更に、このようなサスペンション機構では、障害物の奥へ投げ入れたときや、走行中の転倒や、滑落によって加わる大きな衝撃にも耐えることができる。

更に、路面と接地している２つの外輪３１，３１は、自重により板バネ２６が内側に、すなわち図４中矢印Ｄ方向に変形することで、内輪２５との接触圧が増し、路面と接地している２つの外輪３１，３１には、効率的に駆動力が伝達されることになる。一方で、路面と接地していない上側の１つの外輪３１は、内輪２５への接触圧が小さくなり、これにより、駆動力のロスを小さくすることができる。

なお、直線走行する場合、コントローラ１８は、モータドライバ１７によって、走行部２１，２１のそれぞれの駆動モータ１６，１６を同方向に同速度して駆動し、進行方向を曲げる場合には、左右の外輪３１，３１，３１の回転速度を変える。また、超信地旋回をする場合、コントローラ１８は、モータドライバ１７によって、走行部２１，２１の駆動モータ１６，１６を同速度で互いに反対に回転させることになる。

なお、発明者らは、具体的に表１に示す走行ロボット１を試作した。

以上のように、本発明が適用された走行ロボット１では、救助隊員が携行する際の負担を軽減できる全長０．１３０［ｍ］、全幅０．１５４［ｍ］、全高０．１２０［ｍ］と小型化、質量０．９［ｋｇ］と軽量化が図れ、摩擦駆動車輪による４輪駆動で高い不整地走破性を実現できる。

３．変形例
（３−１）走行ロボットの連結
以上のように構成された走行ロボット１は、更に複数台を連結することで、単体では走破できない大きな障害を走破できるようになる。

すなわち、図５及び図６に示すように、本発明が適用された走行ロボット１ａ，１ａ，１ａは、リンク機構４１，４１で連結されている。各走行ロボット１ａ，１ａ，１ａは、上記図１−図４を用いた走行ロボット１の本体枠１２の外周に、更に、ボールベアリング４２を介して外周フレーム４３が設けられている。したがって、外周フレーム４３は、走行ロボット１に対して回転自在である。そして、外周フレーム４３には、多自由度リンク機構４１ａ，４１ａによって連結されている。多自由度リンク機構４１ａ，４１ａ間は、例えば柔軟性を有するロープ状、ホース状の連結部材４４，４４によって連結されている。

図６に示すように、先頭の走行ロボット１ａの先頭側の外輪３１ａが段差５０に当たったとき、外周フレーム４３の内側の走行ロボット１ａは、外輪３１ｃが図６中矢印Ｅ方向に回転し、これまで、外輪３１ａ，３１ｂで走行していた先頭の走行ロボット１ａは、外輪３１ａ，３１ｃで走行するようになる。すなわち、先頭の走行ロボット１ａは、外周フレーム４３に対して本体部１１のみがボールベアリング４２を介して回転し、外輪３１ｃが段差５０の上段に接地し、外輪３１ａ，３１ｃで走行する。次いで、後続の走行ロボット１ａも、段差５０において、外周フレーム４３に対して本体部１１のみがボールベアリング４２を介して回転して、段差５０を乗り上げる。

以上のような図５及び図６の例では、単体の走行ロボット１では走破できない大きな障害物を安定して走破することができる。
なお、各走行ロボット１ａ，１ａのそれぞれの駆動部は、同期して駆動モータを制御しても良く、また、独立して制御しても良い。また、先頭の走行ロボット１ａが後続の走行ロボットを牽引するようにしても良い。また、以上の例では、２台の走行ロボット１ａ，１ａを連結した場合を説明したが、連結する台数は、これに限定されるものではなく、３台以上であっても良い。

（３−３）走行ロボットのリンク構造
図７及び図８に示すように、他の走行ロボットと連結可能な走行ロボット４０は、リンク機構として、本体枠１２の外周に、更に、ベアリング４２ａを介して外周フレーム４３が設けられている。外周フレーム４３は、本体部１１の外周より大きい直径を有する一対の環状部４３ａ，４３ａと、一対の環状部４３ａ，４３ａとの間を架橋する一又は複数の架橋部４３ｂとを有し、本体部１１の全体を覆うように設けられる。一対の環状部４３ａ，４３ａは、本体部１１の本体枠１２との間に、ドライベアリング４２ａが設けられている。これにより、外周フレーム４３は、本体部１１に対して回転自在となっている。また、架橋部４３ｂ，４３ｂの各端部は、環状部４３ａ，４３ａにビス４３ｃ等によって固定されている。勿論、この固定は、接着剤や溶接等で行うようにしても良い。
なお、ベアリングとしては、ドライベアリングに代えてボールベアリングであっても良い。また、環状部４３ａの数も、１つでも、３つ以上でも良い。
一対の環状部４３ａ，４３ａの間の架橋部４３ｂには、他の走行ロボットと連結する連結部材４４が結合される結合部４４ａが設けられている。結合部４４ａは、ゴム管口のように、周回り方向に複数の溝が設けられ、連結部材４４の抜け止め部が設けられている。
２台の走行ロボット４０，４０を連結する連結部材４４は、ゴムやスポンジ等の可撓性を有する紐状部材であり、連結される走行ロボット４０，４０が互いにある程度自由に向きを変えることができるようになっている。また、連結部材４４は、内部が中空のホースである。例えば、連結部材４４は、ホース状とすることで、内部に、電気ケーブルを挿通し、２台の走行ロボットを電気的に接続することができる。このような連結部材４４は、各端部を、連結する走行ロボット４０，４０の結合部４０，４０に差し込み、２台の走行ロボット４０，４０を結合することができる。
なお、外周フレーム４３の構成は、本体部１１に対して回転自在で、結合部４４ａが設けられていれば特に限定されるものではない。
（３−２）その他の変形例
以上の例では、外輪３１が３つの場合を説明したが、本発明では、２つ又は４つ以上の外輪を備えていても良い。外輪が２つの場合には、先端が地面に接地する尻尾となるバランサを本体部１１の進行方向上流側に設けるようにすればよい。

本発明は、平地のみならず不整地においても、走破性に優れ、また、耐衝撃性にも優れる。また、小型で軽量である。したがって、災害現場や、天井裏や車下等の狭隘な場所での各種作業を支援する情報収集ロボットや作業ロボットに適用することができる。また、ホビー玩具等の娯楽用途の走行ロボットとしても適用可能である。

１走行ロボット、１ａ走行ロボット、１１本体部、１２本体枠、１３撮像部、１４無線ユニット、１５バッテリ、１６駆動モータ、１７モータドライバ、１８コントローラ、２１走行部、２２ウォーム、２３ギヤ、２４回転軸、２５内輪、２６板バネ、２７車軸、２８フランジ部、２９ねじ、３０ナット、３１外輪、３１ａ外輪、３２ホイール、４０連結可能な走行ロボット、４１リンク機構、４１ａ多自由度リンク機構、４２ボールベアリング、４２ａドライベアリング、４３外周フレーム、４３ａ環状部、４３ｂ架橋部、４３ｃビス、４４連結部材、４４ａ結合部、５０段差

Claims

駆動部が設けられた略円筒形状をなす本体部と、
上記本体部の相対する各側面部に設けられる走行部とを備え、
上記走行部は、
外周部が弾性体で形成され、上記駆動部により回転駆動される内輪と、
それぞれが弾性体で形成され、上記内輪に接触配置されることで上記内輪より摩擦により駆動力が伝達される２つ以上の外輪とを有し、
上記外輪の車軸は、上記本体部の各側面部に取り付けられた環状の板バネに取り付けられている走行ロボット。
上記外輪の車軸は、上記環状の板バネに等間隔に取り付けられている
請求項１記載の走行ロボット。
上記駆動部は、上記本体部の各側面部に設けられた走行部のそれぞれに対して、駆動モータを有するスキッドステア方式である
請求項１又は２記載の走行ロボット。
上記外輪は、３つであり、上記内輪の周囲に等間隔に配置されている
請求項１記載の走行ロボット。
該走行ロボットは、リンク機構によって、複数台連結される
請求項１記載の走行ロボット。
上記リンク機構は、上記本体部の外周にベアリングを介して取り付けられ、上記本体部の外側において回転自在の外周フレームと、
上記外周フレームに設けられる結合部と、
連結先の該走行ロボットの外周フレームに設けられる結合部とを接続する柔軟性を有する連結部材と
を有する請求項５記載の走行ロボット。