JP6109643B2 - クローラ型ロボット及びそれを連結した走行ロボット連結体 - Google Patents

Description

本発明は、レスキュー用などに好適なクローラ型ロボット及びそれを連結した走行ロボット連結体に関する。

人間の進入が難しい場所での検査や探索等の作業は、その場所を適切に走行可能なロボットに行わせることが好ましい。そのようなロボットとしては、種々のものが知られている。その中で、クローラ（無限軌道）型ロボットは、クローラのクローラベルトが地面に接することで地面の状態に柔軟に対応して走行することが可能であるといったメリットを有する。

産業用の分野では、個々の作業に特化したクローラ型ロボットが提案されている。例えば、特許文献１及び２などには、工場の配管内の検査等を行う配管内作業用のものが提案されている。特許文献１に記載のクローラ型ロボットは、３個のクローラが中心軸に対して互いに回転対称な位置に設けられ、それらのクローラが半径方向に移動可能であるものである。３個のクローラベルトが配管の内壁に押し付けられることで、配管が傾斜したり垂直になったりしていても走行できる、としている。特許文献２に記載のクローラ型ロボットは、２個のクローラがハの字型に設けられたものである。２個のクローラにより、安定して配管内を走行できる、としている。

その一方、近年、災害等が起こった場合に被害者の探索や救助又は被害物の検査などを行うレスキュー用のロボットが注目されている。レスキュー用のクローラ型ロボットとしては、例えば、特許文献３には、クローラを左右に設けたクローラ装置を２種類備え、大きな段差を容易に乗り越えることができるように、２種類のクローラ装置のどちらかを地面の状況に応じて選択するようなクローラ型ロボットが提案されている。また、特許文献４には、瓦礫の狭い空間にも進入し得るように、上下２段に積層したクローラの一対をロボット本体の左右それぞれに設けたクローラ型ロボットが提案されている。

特開２００２−２２００４９号公報 実用新案登録第３１３３６６７号公報 特開２００７−２３７９９１号公報 特開２００８−２１３６７１号公報

しかし、特許文献３、４に記載のものを含む従来のレスキュー用のクローラ型ロボットは、転倒しないようにクローラが巨大なものが通常であり、配管や瓦礫の中などの非常に狭い空間への進入ができない場合も少なくない。また、レスキュー用として、特許文献１、２の記載のような配管内作業用のクローラ型ロボットを使用することも考えられるが、目的と異なる使用方法であるので、困難な点も多い。例えば、特許文献１に記載のものは、瓦礫などがクローラの間に挟まり易いので、瓦礫などの中は走行し難いし、複数のモータなど部品が多いので小型化が難しい。また、特許文献２に記載のものは、平地で瓦礫があると転倒し易い。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、配管や瓦礫の中などの非常に狭い空間への進入が容易なクローラ型ロボット及びそれを連結した走行ロボット連結体を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載のクローラ型ロボットは、長手方向の中心軸に沿って中空孔を有するとともに、該中空孔を形成する壁部に３個以上のクローラベルトコア部が形成されたフレームと、前記中空孔に収容され、回転トルクを生成する回転トルク生成部と、前記中空孔に収容され、前記回転トルクによって中心軸のまわりを回転し、螺旋状の突起したウォーム歯部が側面に形成されたウォームと、前記ウォームの側面の外方に、中心軸の軸回りに略等間隔で３個以上が前記クローラベルトコア部に配置されるものであって、前記ウォームのウォーム歯部にかみ合い得る多数の突起したクローラベルト歯部が外周面に形成されており、該多数のクローラベルト歯部の一部のクローラベルト歯部が前記ウォーム歯部にかみ合うことで、該ウォームの回転に追従して回動するクローラベルトと、を備えていることを特徴とする。

請求項２に記載のクローラ型ロボットは、請求項１に記載のクローラ型ロボットにおいて、前記クローラベルトは、クローラ型ロボットの他方の端部と一方の端部において折り返していることを特徴とする。

請求項３に記載のクローラ型ロボットは、請求項１又は２に記載のクローラ型ロボットにおいて、前記クローラベルト歯部は、両方の側縁端の近傍が緩やかな曲面状であり、中央近傍は平面状であることを特徴とする。

請求項４に記載のクローラ型ロボットは、請求項１〜３のいずれか１項に記載のクローラ型ロボットにおいて、横移動を可能にする横移動制御部を更に備え、該横移動制御部は、前記回転トルク生成部の静止部と前記フレームとの固定及びその解除を制御し、かつ、半径方向に延伸する支持棒体部を有していることを特徴とする。

請求項５に記載のクローラ型ロボットは、請求項４に記載のクローラ型ロボットにおいて、前記横移動制御部は、可動体がスライドすることにより前記固定及びその解除が行われることを特徴とする。

請求項６に記載のクローラ型ロボットは、請求項１〜５のいずれか１項に記載のクローラ型ロボットにおいて、前記クローラベルトは、クローラ型ロボットの他方の端部と一方の端部において折り返し、かつ、外圧がかかっていないとき、前記フレームの外方に位置する部分が、該両方の折り返し部分から中央に近づくにつれて前記フレームの前記クローラベルトコア部から距離を大きくしながら離れて行っていることを特徴とする。

請求項７に記載のクローラ型ロボットは、請求項６に記載のクローラ型ロボットにおいて、前記３個以上のクローラベルトは、前記フレームの外方に位置する部分が形成する最大の外径が、該クローラ型ロボットが進入し走行する配管の内径よりも大きく、該クローラ型ロボットが該配管に進入し走行するとき、その内壁に押し付けられて変形することによって弾性力が発生し、該クローラ型ロボットは、前記内壁との摩擦力によって、前記内壁を掻き分けて走行し、前記配管が鉛直方向のとき、自身を保持しながら、前記内壁を掻き分けて上昇することを特徴とする。

請求項８に記載の走行ロボット連結体は、請求項１〜７のいずれか１項に記載のクローラ型ロボットを関節部を介して複数個連結したことを特徴とする。

本発明によれば、単一のウォームの周りにそれに追従して回動する複数のクローラベルトを備えているので、配管や瓦礫の中などの非常に狭い空間への進入が容易となるクローラ型ロボット及びそれを連結した走行ロボット連結体を提供することができる。

本発明の実施形態に係るクローラ型ロボットを示す斜視図である。 同上のクローラ型ロボットの上方から見た平面図である。 同上のクローラ型ロボットの他方の端部側から見た正面図である。 同上のクローラ型ロボットのフレームの一部を切断して内部を示す平面図である。 同上のクローラ型ロボットのＡ−Ａで示す切断面で切断し他方の端部側から見た断面図である。 同上のクローラ型ロボットのＢ−Ｂで示す切断面で切断し他方の端部側から見た断面図である。 同上のクローラ型ロボットのＣ−Ｃで示す切断面で切断し他方の端部側から見た断面図である。 同上のクローラ型ロボットの試作品を示す写真である。 同上のクローラ型ロボットの試作品を配管内を走行させる動作実験を示す写真である。 同上の走行ロボット連結体を示す模式図である。 同上のクローラ型ロボットに横移動制御部を付加したもののフレームの一部を切断して内部を示す平面図である。 同上のクローラ型ロボットに横移動制御部を付加したものを一方の端部側から見た背面図である。 同上のクローラ型ロボットに横移動制御部を付加したもののギヤモータ（回転トルク生成部）と横移動制御部を示す模式的な平面図であって、（ａ）がギヤモータの静止部とフレームが固定している状態、（ｂ）がギヤモータの静止部とフレームが固定解除している状態である。 同上のクローラ型ロボットに横移動制御部を付加したもののＥ−Ｅで示す切断面で切断し一方の端部側から見た断面図であって、（ａ）がギヤモータの静止部とフレームが固定している状態、（ｂ）がギヤモータの静止部とフレームが固定解除している状態である。 同上のクローラ型ロボットに横移動制御部を付加したものの試作品を横移動させる動作実験を示す写真である。 同上のクローラ型ロボットに横移動制御部を付加したものの走行ロボット連結体を示す上方から見た模式図である。 同上のクローラ型ロボットのクローラベルトが大きく撓んで巻かれているものについてフレームの一部を切断して内部を示す平面図である。 同上のクローラ型ロボットのクローラベルトが大きく撓んで巻かれているものについてＢ−Ｂで示す切断面で切断し他方の端部側から見た断面図である。 同上のクローラ型ロボットのクローラベルトが大きく撓んで巻かれているものの試作品を示す写真である。 同上のクローラ型ロボットのクローラベルトが大きく撓んで巻かれているものの試作品を鉛直方向に延伸する配管内を上昇させる動作実験を示す写真である。 同上のクローラ型ロボットのクローラベルトが大きく撓んで巻かれているものの試作品を平地から配管内に進入させる動作実験を示す写真である。 同上のクローラ型ロボットのクローラベルトが大きく撓んで巻かれているものの試作品を水平方向から鉛直方向に曲がる配管内を走行させる動作実験を示す写真である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係るクローラ型ロボット１は、レスキュー用などに好適なロボットであって、図１〜図３に示すように、略角柱形をなしたものである。このクローラ型ロボット１は、走行のために、図４に示すように、フレーム２と、回転トルク生成部であるギヤモータ３と、ウォーム４と、複数の（本実施形態では６個の）クローラベルト５、５、・・・と、を備えている。

フレーム２は、大略多角筒状をなし、長手方向の中心軸Ｃに沿って中空孔２ａを有する。この中空孔２ａを形成する壁部は、図６等に示すように、後述するクローラベルト５が巻かれるクローラベルトコア部２ｂと、クローラベルト５が巻かれないクローラベルト間部２ｃと、が、中心軸Ｃの軸回りに複数個（本実施形態では６個づつ）交互に設けられている。クローラベルト間部２ｃは、クローラベルトコア部２ｂよりも外方に突出したものとなっている。また、フレーム２は、図４及び図７に示すように、放射状に延びた接続部２ｄを介してクローラベルト間部２ｃに接続された内部部品固定部２ｅが、クローラ型ロボット１の一方の端部１ａ側（図４において右側）近傍の位置で中空孔２ａの中に設けられている。このフレーム２は、例えば、硬い樹脂製のものを用いることができる。

また、クローラベルトコア部２ｂの一方の端部（図４において右側（クローラ型ロボット１の一方の端部１ａ側）の端部）と他方の端部（図４において左側（クローラ型ロボット１の他方の端部１ｂ側）の端部）には、巻かれるクローラベルト５との摩擦によるエネルギー消費を抑えるため、ローラ２ｆが取り付けられている（図５参照）。

回転トルク生成部であるギヤモータ３は、フレーム２の中空孔２ａに収容され、前述した内部部品固定部２ｅに固定して取り付けられている。ギヤモータ３は、電力が供給されると、その出力軸部３ａがクローラ型ロボット１の所要の走行速度に応じた回転速度で中心軸Ｃのまわりを回転する。ギヤモータ３は、内蔵のモータが高速で回転し、その回転をギヤで減速して回転トルクを増大させている。

ギヤモータ３は、求める回転トルクと回転速度を得易いので、回転トルク生成部として好ましいが、他の回転トルク生成部（例えば、ギヤ付きでないモータなど）を用いることも場合によっては可能である。

ウォーム４は、回転トルク生成部であるギヤモータ３が生成した回転トルクによって中心軸Ｃの回りを回転する単一のものである。ウォーム４は、フレーム２の中空孔２ａに収容されている。ウォーム４は、詳細には、その端面の中心部にギヤモータ３の出力軸部３ａが取り付けられている。ウォーム４は、例えば、硬い樹脂製のものを用いることができる。

ウォーム４は、その側面に螺旋状の突起したウォーム歯部４１が形成されている。

複数のクローラベルト５、５、・・・は、ウォーム４の側面の外方に、中心軸Ｃの軸回りに略等間隔に、フレーム２のクローラベルトコア部２ｂに配置されている（図６参照）。複数のクローラベルト５、５、・・・は、本実施形態では６個が配置されているが、３個以上配置されていれば、クローラ型ロボット１として動作可能である。

クローラベルト５は、無限軌道を形成するように、閉じて扁平な輪状になっており、前述したように、フレーム２のクローラベルトコア部２ｂに巻かれて配置されている。クローラベルト５の多くの部分は、クローラベルトコア部２ｂの側面に沿い、それに近接する（図４参照）。クローラベルト５は、クローラ型ロボット１の他方の端部１ｂと一方の端部１ａにおいて折り返すので、比較的柔軟な材料からできており、例えば、シリコーンゴム製である。

クローラベルト５の外表面には、図２に示すように、突起し少し斜めにクローラベルト５の幅方向に横断するクローラベルト歯部５１が多数形成されている。複数のクローラベルト５、５、・・・の全ては、それぞれのクローラベルトコア部２ｂの内側に位置する一部のクローラベルト歯部５１が単一のウォーム４のウォーム歯部４１とかみ合うように配置される（図４参照）。

複数のクローラベルト５、５、・・・は、ウォーム４の回転に追従して回動し、クローラベルトコア部２ｂの側面の外側と内側において長手方向に動く。クローラ型ロボット１が他方の端部１ｂから一方の端部１ａに向かって（図４において左から右へ）走行するときは、一方側（図４において左側）から見て右回りにウォーム４が回転する。そして、クローラベルト５は、クローラベルトコア部２ｂの側面の内側に位置したクローラベルト歯部５１がかみ合ったウォーム４のウォーム歯部４１に側部から押されて、クローラ型ロボット１の他方の端部１ｂから一方の端部１ａに向かって（図４において左から右へ）長手方向に動き、その一方の端部１ａで折り返し、クローラベルトコア部２ｂの側面の外側に位置したクローラベルト歯部５１がクローラ型ロボット１の一方の端部１ａから他方の端部１ｂに向かって（図４において右から左へ）長手方向に動き、その他方の端部１ｂで折り返す。

クローラ型ロボット１は、次のように動作する。ギヤモータ３に電圧をかけると、ギヤモータ３が駆動され、その出力軸部３ａが回転する。そして、ギヤモータ３の出力軸部３ａに連結しているウォーム４が回転する。そして、ウォーム４の回転によりそれとかみ合った複数のクローラベルト５、５、・・・が長手方向に動く。こうして、ウォーム４の回転力がクローラベルト５の長手方向への力に変換される。そして、クローラベルト５の多数のクローラベルト歯部５１が平地、配管内、瓦礫などの接触面を蹴り出すことで、クローラ型ロボット１が走行する。

このようなクローラ型ロボット１は、ウォーム４の回転によって、その周りに配置された複数のクローラベルト５、５、・・・が動作する。クローラベルト５のクローラベルト歯部５１は、ウォーム４のウォーム歯部４１にかみ合う役割と外部の接触面を蹴り出す役割の両方を果たす。ウォーム４は、単一であり、また、かなり細型に（直径を小さく）することが可能である。また、ギヤモータ３などの部品も中央に収容することが可能である。それにより、クローラ型ロボット１は、非常に簡素な構造であり、配管や瓦礫の中などの非常に狭い空間に進入できるように小型化が可能である。

クローラ型ロボット１は、配管や瓦礫の中などの非常に狭い空間において、配管や瓦礫などが走行方向に対して左右又は上側に接触しても、複数のクローラベルト５、５、・・・を用いて、下側の接触面と同様に蹴り出すので、進入して走行し易い。

クローラ型ロボット１は、配管や平地などで、瓦礫などによってどのように転倒しても、複数のクローラベルト５、５、・・・の内のいずれかが下側の接触面に接触するので、その後の走行が可能である。

また、フレーム２のクローラベルト間部２ｃは、両側のクローラベルト５、５が適正な方向に回動するようにガイドするとともに、できるだけ外方に突出させることで、クローラベルト５、５の間に小さな瓦礫などが挟まるのを防止することができる。

また、クローラベルト５のクローラベルト歯部５１は、両方の側縁端（クローラベルト５の幅方向の側縁端）５１ａ、５１ａの近傍を緩やかな曲面状にする（図２及び図３等参照）と、平地の接触面に接触したときに、それに接触する２個のクローラベルト５、５と接触面との接触面積を大きくすることができ、駆動力を大きくすることができる。また、クローラベルト歯部５１の中央近傍（クローラベルト５の幅方向の中央近傍）５１ｂは、両方の側縁端５１ａ、５１ａの近傍のように曲面状にはせずに、平面状にする（図２及び図３等参照）と、クローラベルト歯部５１とウォーム歯部４１を余り高くしなくても、クローラベルト歯部５１とウォーム歯部４１のかみ合い部分（重なり合う部分）が大きくなって（図５参照）、かみ合いによって生じる応力を小さくして、それらの変形を効果的に防止することができる。

また、ギヤモータ３にかける電圧の正負により、ギヤモータ３の回転方向を変えて、ウォーム４の回転方向を変え、それにより、クローラ型ロボット１の他方の端部１ｂから一方の端部１ａに、及び一方の端部１ａから他方の端部１ｂに向かっての走行が可能である。

次に、試作したクローラ型ロボット１の動作実験内容について次に述べる。

クローラ型ロボット１のギヤモータ３の回転数Ｍとウォーム４の歯のピッチｐは、以下の（１）式を満たすように設計した。Ｖは、摩擦等を考慮しないときのクローラ型ロボット１の目標の走行速度である。

なお、ギヤモータ３の回転数Ｍは、ギヤモータ３に内蔵されるモータの回転数Ｎとギヤの減速比ｉから、以下の（２）式から求められる。

クローラ型ロボット１の設計値の走行速度Ｖは、１００ｍｍ／ｓと設定した。（１）式及び（２）より、ギヤモータに内蔵されるモータが定格回転数３０，０００ｒ／ｍｉｎのブラシレスＤＣモータで、ギヤの減速比が６７のものを選定し、ウォーム４は歯のピッチを１６．３ｍｍに決定した。試作したクローラ型ロボット１は、図８に示すように、全長が１００ｍｍ、最外径の直径Φが４７ｍｍであり、また、質量が０．１３Ｋｇであり、一方の端部１ａ側から電線を通してギヤモータ３に電力が供給されるものである。

このクローラ型ロボット１は、動作実験の結果、走行速度は約２０ｍｍ／ｓであり、ギヤモータ３に電力を供給後、スムーズに複数のクローラベルト５、５、・・・が駆動され、走行する様子が見受けられた。

なお、試作のクローラ型ロボット１は、以下のようにして製作した。クローラベルト５は、まず、型に液状ゴム（信越化学工業株式会社製ＫＥ１６００）を注入した後、蓋をかぶせてそのまま７０℃恒温室に６０分間放置した。その後、固まって成形されたゴムを取り出した後，それぞれの片端に液状ゴムを塗布した後両者を密着させて輪状とし、その状態で再び恒温室に60分間放置して接着させた。フレーム２及びウォーム４は、３ＤＣＡＤによって形状データを作成した後、ＡＢＳ樹脂を３Ｄプリンタ（Ｓｔｒａｔａｓｙｓ社製Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｅｌｉｔｅ）によって造形した。

次に、クローラ型ロボット１を配管内を走行させる動作実験を述べる。実験で用いる配管Ｔは、屈曲部ＴＢを有するものである。クローラ型ロボット１を、図９（ａ）に示すように、配管Ｔの管内で屈曲部ＴＢの右側に、他方の端部１ｂが屈曲部ＴＢに向かうように置き、一方の端部１ａから他方の端部１ｂに向かって（図９（ａ）において右から左へ）走行させた。そうして屈曲部ＴＢに達すると、クローラ型ロボット１の他方の端部１ｂにおけるクローラベルト５の折り返しの部分が、図９（ｂ）に示すように、屈曲部ＴＢの内壁に接触して内側から外側に向かってかき分け、そして、図９（ｃ）に示すように、受動的に管路に沿って走行することができた。なお、配管Ｔは、観測のために半分に切断したものである。

以上説明したクローラ型ロボット１は、所望の機能を発揮するように、様々な部品を搭載した機能部をフレーム２の中空孔２ａに収容したり或いはフレーム２の前後に取り付けたりすることができる。所望の機能を発揮する部品は、例えば、周囲の照明する照明装置、周囲の物体を検出するカメラ、クローラ型ロボット１を制御する外部の制御装置と通信する無線通信装置などである。ここで、クローラ型ロボット１が転倒して中心軸Ｃまわりに回転しても、水準器などを搭載することで水平位置を判別し、カメラの画像の回転を補正することも可能である。また、ギヤモータ３や上記機能部などに電力を供給するのに、上記試作のクローラ型ロボット１のように電線を用いてもよいし、フレーム２の中空孔２ａにバッテリーを収容してもよい。

クローラ型ロボット１は、図１０に示すように、関節部７を介してクローラ型ロボット１を複数個連結して走行ロボット連結体６にすることも可能である。関節部７は、例えば、前段のクローラ型ロボット１のフレーム２の他方の（クローラ型ロボット１の他方の端部１ｂ側の）端部及び後段のクローラ型ロボット１’のフレーム２’の一方の（クローラ型ロボット１の一方の端部１ａ’側の）端部を延長して、それぞれの中心軸Ｃ上にフレーム延長部２ｇ、２ｈ’を設け、これらのフレーム延長部２ｇ、２ｈ’（つまり、クローラ型ロボット１、１’）をモータを用いて能動的に或いは単に受動的に相互の方向が変えられるように（例えば、全方向に回ることが可能なジョイントのように）連結して構成する。

このような走行ロボット連結体６では、前段のクローラ型ロボット１が瓦礫などの段差Ｄを乗り越える場合や管路内でカーブを曲がる場合において、後段のクローラ型ロボット１’は、前段のクローラ型ロボット１よりも、クローラベルト５と下側の接触面との接地面積が通常大きいため、走行ロボット連結体６全体としての推進力発生の役割を受け持つ。また、クローラ型ロボット１、１’の相互の方向を能動的に変えられるようにすると、走行ロボット連結体６全体の方向も変えることができる。

なお、クローラ型ロボット１は、レスキュー用に限らず、配管内作業用などにも利用可能である。

以上、本発明の実施形態に係るクローラ型ロボット１及びそれを連結した走行ロボット連結体６について説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内での様々な設計変更が可能である。

次に説明するクローラ型ロボット１Ａは、図１１及び図１２に示すように、クローラ型ロボット１に横移動を可能にする横移動制御部８を付加したものである。

横移動制御部８は、ギヤモータ（回転トルク生成部）３の静止部３ｂとフレーム２との固定及びその解除を制御し、また、半径方向に延伸する支持棒体部８ａを有している。ここで、支持棒体部８ａは、ギヤモータ３の静止部３ｂに対する位置（相対位置）が固定されたものである。また、支持棒体部８ａは、クローラベルト５の位置よりも少し長く延伸している。すなわち、支持棒体部８ａの端８ａａの中心軸Ｃからの距離Ｆ（図１２において破線の矢印で示す。）は、クローラベルト５の端よりも長い。これにより、いずれかの向きにギヤモータ３の静止部３ｂとともに支持棒体部８ａが回転したときにはその端８ａａの近傍が地面等に衝突してそれ以上の回転が阻止されることとなる。なお、ギヤモータ３の静止部３ｂは、回転する出力軸部３ａに対して静止している部分（ステータを含む部分）である。

本実施形態では、横移動制御部８は、図１３に示すように、ギヤモータ３の静止部３ｂに螺子３ｃ等で固定して取り付けられた横移動制御基部８ｂと、横移動制御基部８ｂの内部に取り付けられた可動体制御部８ｃと、横移動制御基部８ｂに固定して取り付けられ中心軸Ｃに沿って長手方向に延伸した中間延伸部８ｄと、を有している。また、ギヤモータ３は、クローラ型ロボット１の場合と異なり、前述した内部部品固定部２ｅに固定されていない。

可動体制御部８ｃは、横移動制御基部８ｂに固定して取り付けられた可動体軸部８ｃａと、可動体８ｃｂと、を有して構成されている。可動体軸部８ｃａに沿って可動体８ｃｂがスライドすることにより、フレーム２の一部である上記の内部部品固定部２ｅと横移動制御基部８ｂとの固定及びその解除が行われ、その結果、ギヤモータ３の静止部３ｂとフレーム２との固定及びその解除が行われる。図１３（ａ）は、ギヤモータ３の静止部３ｂとフレーム２との固定状態を示しており、可動体８ｃｂが内部部品固定部２ｅに設けられた孔部２ｅａに嵌り込むことで、横移動制御基部８ｂと内部部品固定部２ｅとが固定されている。図１３（ｂ）は、ギヤモータ３の静止部３ｂとフレーム２との固定解除状態を示しており、可動体８ｃｂが内部部品固定部２ｅに設けられた孔部２ｅａに嵌り込んでおらず、横移動制御基部８ｂと内部部品固定部２ｅとが固定されていない。なお、内部部品固定部２ｅの孔部２ｅａは、図１４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、内部部品固定部２ｅの内側面に複数（図では６個）設けられ、ギヤモータ３の静止部３ｂとフレーム２との固定解除状態から固定状態に移行するとき、可動体８ｃｂはその近傍に有る孔部２ｅａに嵌り込むことになる。

中間延伸部８ｄは、クローラ型ロボット１Ａの一方の端部１Ａａ側のクローラベルト５の折り返しの部分の位置以上に延伸しており、前述した支持棒体部８ａが接続部８ｄａを介して接続されている。また、支持棒体部８ａの端８ａａの近傍の部分は球形になっている。

ギヤモータ３の静止部３ｂとフレーム２が固定しているときは、クローラ型ロボット１Ａは、クローラ型ロボット１について前述したのと同様な動作を行う。

すなわち、ウォーム４のウォーム歯部４１とクローラベルト５のクローラベルト歯部５１がかみ合うとき、かみ合い面には、軸方向（長手方向）の力成分と周方向の力成分がそれぞれ発生する。ウォーム歯部４１は螺旋状に形成されているため、ウォーム歯部４１とクローラベルト歯部５１とが軸方向に対して斜めに傾いているからである。しかしながら、ギヤモータ３の静止部３ｂとフレーム２が固定しているため、ウォーム４のウォーム歯部４１のかみ合い面に働く周方向の力成分の他に、ギヤモータ３の静止部３ｂとフレーム２の間にも同じ大きさの力がそれとは反対向きに働く。そのため、それらの力が互いに打ち消し合うため、周方向の合力は０になる。その結果、軸方向に働く力成分だけがクローラベルト５に作用するため、クローラ型ロボット１Ａの一方の端部１Ａａ（図１２において右側の端部）から他方の端部１Ａｂ（図１２において左側の端部）に、又は他方の端部１Ａｂから一方の端部１Ａａに向かって走行（直進）するようになる。

ギヤモータ３の静止部３ｂとフレーム２の固定が解除されているときは、クローラ型ロボット１Ａは、ギヤモータ３の出力軸部３ａの回転方向（ウォーム４の回転方向）に自転して横方向に移動する。

すなわち、ウォーム４のウォーム歯部４１とクローラベルト５のクローラベルト歯部５１がかみ合うとき、かみ合い面には、軸方向（長手方向）の力成分と周方向の力成分がそれぞれ発生するが、ギヤモータ３の静止部３ｂとフレーム２が固定していないため、かみ合い面の周方向力成分は打ち消されないことになる。また、ギヤモータ３の出力軸部３ａの回転の反作用として、それと反対向きにギヤモータ３の静止部３ｂが回転し、支持棒体部８ａが地面等に衝突する。そうすると、支持棒体部８ａと地面等との接触点を支点として、ウォーム４のウォーム歯部４１とクローラベルト５のクローラベルト歯部５１のかみ合い面の周方向の力成分によりクローラ型ロボット１Ａが自転して横方向する。このとき、かみ合い面の軸方向成分にも力は働いているが、かみ合い面の摩擦力によりクローラベルト５が軸方向に動くことはない。よって、クローラ型ロボット１Ａは横方向のみ移動することになる。

このように、クローラ型ロボット１Ａは、クローラ型ロボット１とほぼ同じ大きさで有りながら、クローラ型ロボット１Ａの一方の端部１Ａａから他方の端部１Ａｂに、又は他方の端部１Ａｂから一方の端部１Ａａに向かって走行（直進）可能であり、更に、横移動制御部８により、自転して横方向に移動可能である。

なお、本実施形態では、クローラ型ロボット１Ａの一方の端部１Ａａ側に支持棒体部８ａが設けられているため、通常、主な走行方向は、一方の端部１Ａａから他方の端部１Ａｂに向かう方向となる。また、支持棒体部８ａが中間延伸部８ｄに接続される接続部８ｄａにバネ等を設け、他方の端部１Ａｂから一方の端部１Ａａに向かって走行する際の地面等における障害物の影響をなくすように、支持棒体部８ａが柔軟に微動できるようにすることも可能である。

次に、クローラ型ロボット１Ａを横移動させる動作実験を述べる。クローラ型ロボット１Ａを、図１５（ａ）に示すように、フロア上に置き、ギヤモータ３の静止部３ｂとフレーム２との固定を解除した状態で、ギヤモータ３に電圧をかけた。そうすると、図１５（ｂ）、（ｃ）に示すように、クローラ型ロボット１Ａは自転し横方向に移動することができた。

クローラ型ロボット１Ａは、クローラ型ロボット１の場合と同様にして、図１６に示すように、関節部７Ａを介してクローラ型ロボット１Ａを複数個連結して走行ロボット連結体６Ａにすることもできる。関節部７Ａは、例えば、前段のクローラ型ロボット１Ａのフレーム２の一方の（クローラ型ロボット１Ａの一方の端部１Ａａ側の）端部及び後段のクローラ型ロボット１Ａ’のフレーム２’の他方の（クローラ型ロボット１Ａの他方の端部１Ａｂ’側の）端部を延長して、それぞれの中心軸Ｃ上にフレーム延長部２Ａｇ、２Ａｈ’を設け、これらのフレーム延長部２Ａｇ、２Ａｈ’（つまり、クローラ型ロボット１Ａ、１Ａ’）をモータを用いて能動的に或いは単に受動的に相互の方向が変えられるように（例えば、全方向に回ることが可能なジョイントのように）連結して構成する。

このような走行ロボット連結体６Ａは、前述の走行ロボット連結体６と同様な動作が可能である。更には、走行ロボット連結体６Ａは、種々の動作が容易にできるようになる。例えば、前段のクローラ型ロボット１Ａを直進させ、後段のクローラ型ロボット１Ａ’を直進させることで、全体を直進させることができる。また、前段のクローラ型ロボット１Ａを左（又は右）に自転させ、後段のクローラ型ロボット１Ａ’を左（又は右）に自転させることで、全体を真っ直ぐ横方向に移動させることができる。また、前段のクローラ型ロボット１Ａを左（又は右）に自転させ、後段のクローラ型ロボット１Ａ’を右（又は左）に自転させることで、全体をその場で旋回させることができる。また、前段のクローラ型ロボット１Ａを左（又は右）に自転させ、後段のクローラ型ロボット１Ａ’を直進させることで、図１６に示すように、全体を斜めに移動させることができる。なお、図１６におけるＧは障害物などを示している。

以上説明したクローラ型ロボット１Ａ及びそれを連結した走行ロボット連結体６Ａについても、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内での様々な設計変更が可能である。

次に説明するクローラ型ロボット１Ｂは、レスキューや配管内作業などの時に鉛直方向の配管内を容易に上昇できるように、クローラ型ロボット１のクローラベルト５を設計変更したクローラベルト５Ｂを用いている。また、このクローラベルト５Ｂに応じて、クローラ型ロボット１のフレーム２を設計変更したフレーム２Ｂを用いている。

このクローラベルト５Ｂは、図１７に示すように、大きく撓んで巻かれている。すなわち、クローラベルト５Ｂは、クローラ型ロボット１Ｂの他方の端部１Ｂｂと一方の端部１Ｂａにおいて折り返し、かつ、外圧がかかっていないとき、フレーム２Ｂの外方に位置する部分が、両方の折り返し部分５Ｂｂ、５Ｂａから中央５Ｂｃに近づくにつれてフレーム２Ｂのクローラベルトコア部２Ｂｂから距離を大きくしながら離れて行っている。

これより、クローラベルト５Ｂ、５Ｂ、・・・は、フレーム２Ｂの外方に位置する部分が形成する最大の外径（中央５Ｂｃ、５Ｂｃ、・・・の位置のクローラベルト歯部５１、５１、・・・が形成する外径）が、クローラ型ロボット１Ｂが進入し走行する配管の内径よりも大きくすることができる。そのため、クローラベルト５Ｂ、５Ｂ、・・・は、その配管にクローラ型ロボット１Ｂが進入し走行するとき、その内壁に押し付けられて外圧がかかり、大きく変形することによって弾性力が発生する。そして、クローラ型ロボット１Ｂは、内壁との摩擦力によって、内壁を掻き分けて走行する。特に、配管が鉛直方向のときは、クローラ型ロボット１Ｂは、自身を保持しながら、更に内壁を掻き分けて上昇することが可能である。

また、クローラ型ロボット１Ｂは、クローラベルト５Ｂを内壁に向かって移動させて押し付けるような機構及びアクチュエータを別に設けているのではないので、重量化及び大型化を招来するものではない。

フレーム２Ｂは、図１８に示すように、大略円筒状とし、クローラベルトコア部２Ｂｂとクローラベルト間部２Ｂｃの外径を同じにしており、また、図４及び図５に示したようなローラ２ｆは省略している。クローラ型ロボット１Ｂの両方の端部１Ｂａ、１Ｂｂにおいては、クローラベルト間部２Ｂｃはクローラベルトコア部２Ｂｂよりも長手方向に延びており、そのクローラベルト間部２Ｂｃ、２Ｂｃの間をクローラベルト５Ｂが通過する（図１９参照）。それにより、クローラ型ロボット１Ｂの両方の端部１Ｂａ、１Ｂｂにおいて、クローラ型ロボット１Ｂの中心軸の軸回りにクローラベルト５Ｂが変形するのを防止することができる。フレーム２Ｂのその他の点については、フレーム２について前述した通りである。

次に、クローラ型ロボット１Ｂの動作実験について述べる。

試作のクローラ型ロボット１Ｂのクローラベルト５Ｂの具体的な設計は、以下のようにした。すなわち、クローラ型ロボット１Ｂが鉛直方向に延伸する配管内で少なくともその位置を保持するために必要な保持力Ｆを（３）式を用いて算出した。

ここで、μはクローラベルト５Ｂと配管の内壁との摩擦係数、ｍはクローラ型ロボット１Ｂの質量（単位はｋｇ）、ｇは重力加速度（単位はｍ／ｓ^２）である。従って、クローラベルト５Ｂが１個につき必要な弾性力Ｆ_０は（４）式で表される。

ここで、ｎはクローラベルト５Ｂの数である。そして、この弾性力Ｆ_０となるように、クローラベルト５Ｂの硬度と厚みを決定した。

このようにして、図１９に示すような試作のクローラ型ロボット１Ｂを製作した。

図２０は、鉛直方向に延伸する配管Ｔ内を上昇させる動作実験の様子を示している。クローラ型ロボット１Ｂは、クローラベルト５Ｂの弾性力によって保持されながら、クローラベルト５Ｂが配管Ｔの内壁に対して滑ることなく安定して配管内を上昇することができている。

図２１は、配管Ｔの内径を超える外径のクローラ型ロボット１Ｂが平地から配管Ｔ内に進入する様子を示している。クローラ型ロボット１Ｂは、平地に有る図２１（ａ）に示す状態から配管Ｔ内へ進入しようとすると、図２１（ｂ）、（ｃ）に示すように、クローラベルト５Ｂ、５Ｂ、・・・が大きく変形しながら配管Ｔの内壁を掻き分けて推進しており、それにより、図２１（ｄ）に示すように、配管Ｔ内にスムーズに進入できている。

図２２は、水平方向から鉛直方向に曲がる配管Ｔ内を走行させる動作実験の様子を示している。クローラ型ロボット１Ｂは、図２２において左下から右方向に（水平方向に）走行し、屈曲部ＴＢにおいても経路に沿って柔軟に変形することによって走行し、それから鉛直方向に方向を変えて走行することができている。

クローラ型ロボット１Ｂは、クローラ型ロボット１の場合と同様にして、複数個連結して走行ロボット連結体にすることもできる。

以上説明したクローラ型ロボット１Ｂ及びそれを連結した走行ロボット連結体についても、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内での様々な設計変更が可能である。例えば、クローラ型ロボット１Ａがクローラベルト５Ｂ（及びフレーム２Ｂ）を備えるようにすることも可能である。

１、１Ａ、１Ｂ クローラ型ロボット
１ａ、１Ａａ、１Ｂａ クローラ型ロボットの一方の端部
１ｂ、１Ａｂ、１Ｂｂ クローラ型ロボットの他方の端部
２、２Ｂ フレーム
２ａ フレームの中空孔
２ｂ、２Ｂｂ フレームのクローラベルトコア部
３ ギヤモータ（回転トルク生成部）
３ｂ ギヤモータ（回転トルク生成部）の静止部
４ ウォーム
４１ ウォーム歯部
５、５Ｂ クローラベルト
５１ クローラベルト歯部
５１ａ クローラベルト歯部の側縁端の近傍
５１ｂ クローラベルト歯部の中央近傍
６、６Ａ 走行ロボット連結体
７、７Ａ 関節部
８ 横移動制御部
８ａ 支持棒体部
Ｃ 中心軸

Claims (8)

1. 長手方向の中心軸に沿って中空孔を有するとともに、該中空孔を形成する壁部に３個以上のクローラベルトコア部が形成されたフレームと、
   前記中空孔に収容され、回転トルクを生成する回転トルク生成部と、
   前記中空孔に収容され、前記回転トルクによって中心軸のまわりを回転し、螺旋状の突起したウォーム歯部が側面に形成されたウォームと、
   前記ウォームの側面の外方に、中心軸の軸回りに略等間隔で３個以上が前記クローラベルトコア部に配置されるものであって、前記ウォームのウォーム歯部にかみ合い得る多数の突起したクローラベルト歯部が外周面に形成されており、該多数のクローラベルト歯部の一部のクローラベルト歯部が前記ウォーム歯部にかみ合うことで、該ウォームの回転に追従して回動するクローラベルトと、
   を備えていることを特徴とするクローラ型ロボット。
2. 請求項１に記載のクローラ型ロボットにおいて、
   前記クローラベルトは、クローラ型ロボットの他方の端部と一方の端部において折り返していることを特徴とするクローラ型ロボット。
3. 請求項１又は２に記載のクローラ型ロボットにおいて、
   前記クローラベルト歯部は、両方の側縁端の近傍が緩やかな曲面状であり、中央近傍は平面状であることを特徴とするクローラ型ロボット。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のクローラ型ロボットにおいて、
   横移動を可能にする横移動制御部を更に備え、
   該横移動制御部は、前記回転トルク生成部の静止部と前記フレームとの固定及びその解除を制御し、かつ、半径方向に延伸する支持棒体部を有していることを特徴とするクローラ型ロボット。
5. 請求項４に記載のクローラ型ロボットにおいて、
   前記横移動制御部は、可動体がスライドすることにより前記固定及びその解除が行われることを特徴とするクローラ型ロボット。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のクローラ型ロボットにおいて、
   前記クローラベルトは、クローラ型ロボットの他方の端部と一方の端部において折り返し、かつ、外圧がかかっていないとき、前記フレームの外方に位置する部分が、該両方の折り返し部分から中央に近づくにつれて前記フレームの前記クローラベルトコア部から距離を大きくしながら離れて行っていることを特徴とするクローラ型ロボット。
7. 請求項６に記載のクローラ型ロボットにおいて、
   前記３個以上のクローラベルトは、前記フレームの外方に位置する部分が形成する最大の外径が、該クローラ型ロボットが進入し走行する配管の内径よりも大きく、該クローラ型ロボットが該配管に進入し走行するとき、その内壁に押し付けられて変形することによって弾性力が発生し、
   該クローラ型ロボットは、前記内壁との摩擦力によって、前記内壁を掻き分けて走行し、前記配管が鉛直方向のとき、自身を保持しながら、前記内壁を掻き分けて上昇することを特徴とするクローラ型ロボット。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のクローラ型ロボットを関節部を介して複数個連結したことを特徴とする走行ロボット連結体。