JP6951704B2 - ロボット及び回転体装置 - Google Patents

Description

本発明は、推進部を備えるロボット及び回転体装置に関する。

非特許文献１には、鋼板等への強力な吸着と離脱とを容易に切り替えられる内部力補償型磁気吸着ユニット（ＩＢマグネット：Internally Balanced Magnetic Unit）が開示されている。

ＩＢマグネットは、フレーム内に変位可能に支持された永久磁石と、永久磁石の吸着力を打ち消すようにフレームと永久磁石との間に設けられたバネと、永久磁石の位置を操作する操作ロッドとを有する。ＩＢマグネットは、永久磁石をフレーム内で吸着面側に移動させることで、永久磁石が吸着面に強力に吸着し、ＩＢマグネットを吸着面に強力に固定できる。一方、フレームと永久磁石との間には、永久磁石の吸着力を打ち消すようにバネ力が作用しているため、永久磁石が吸着面に強力に吸着していても、弱い力で永久磁石をフレーム内で変位させることができる。このため、大きな力を要さずに操作ロッドを操作して永久磁石を吸着面から離間させることができ、これにより永久磁石の吸着面への強力な吸着が解放され、ＩＢマグネットを吸着面から簡単に離間させることができる。

非特許文献１には、原子炉又は船舶などの鋼板上を動くロボットにＩＢマグネットを適用することが提案されている。

広瀬茂男、今里峰久、工藤良昭、梅谷陽二、"内部力補償型磁気吸着ユニット"、日本ロボット学会誌、日本ロボット学会、１９８５年２月、３巻１号、ｐ．１０−１９

ＩＢマグネットは、強い力を要さずに吸着面への吸着と離脱とを切り替えることができ、かつ、吸着しているときに強力な吸着力を得ることができる。しかし、ＩＢマグネットは離脱可能な磁石に過ぎないため、ＩＢマグネット単体ではロボットを走行させることはできない。

本発明の目的は、走行面に吸着しながら走行できるロボット、磁石の吸着と離脱とを適宜切り替えることのできる回転体装置を提供することを目的とする。

本発明に係るロボットは、
走行面に接触して推進する推進部を備えたロボットであって、
前記推進部には複数の磁石が設けられ、
前記推進部が推進したときに前記複数の磁石の各々を前記走行面に吸着した状態と前記走行面から離脱した状態とに切り替えるカムと、
前記カムを前記走行面から離間する方向へ変位可能な変位機構と、を備え、
前記変位機構によって前記カムが変位したときに前記走行面に吸着した前記磁石の吸着が解放される。

本発明に係る回転体装置は、
複数の磁石が設けられた回転体と、
前記回転体が回転したときに前記複数の磁石の各々を前記回転体の外周側に移動した状
態と前記回転体の内方に移動した状態とに切り替えるカムと、
前記カムを前記回転体の内方へ変位可能な変位機構と、を備え、
前記変位機構によって前記カムが変位したときに前記外周側で吸着対象物に吸着した前記磁石の吸着が解放される。

本発明によれば、走行面に吸着しながら走行できるロボットを提供できる。また、回転体において磁石の吸着と離脱とを適宜切り替えることのできる回転体装置を提供できる。

ボイラの内壁を移動する比較例のロボット（Ａ）と、ボイラの内壁の一例（Ｂ）とを示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るＩＢＭクローラ機構の斜視図（Ａ）と箇所Ｃの構造を示す概念図（Ｂ）である。 ＩＢマグネットの離脱した状態（Ａ）と吸着した状態（Ｂ）とを示す概念図である。 ＩＢマグネットの永久磁石の吸着力と３つの板バネのバネ力との関係を示すグラフである。 実施形態のＩＢＭクローラ機構に搭載されるＩＢマグネットの構造例を示す図で、図５（Ａ）はＩＢマグネットが走行面から離脱した状態を示し、図５（Ｂ）はＩＢマグネットが走行面に吸着した状態を示す。 カム機構の検証機の構成を示す側面図である。 カム機構の検証機を示す斜視図である。 実施形態のＩＢＭクローラ機構を示す側面図である。 実施形態のＩＢＭクローラ機構を示す斜視図である。 実施形態のＩＢＭクローラ機構の壁面走行試験の様子を示す図である。 ＩＢＭクローラ機構が壁面走行する際のＩＢマグネットの様子を示す図であり、図１１（Ａ）〜図１１（Ｆ）は壁面走行中の異なるタイミングの状態を時系列に並べた図である。 カム機構が有る場合と無い場合とでＩＢＭクローラ機構の走行抵抗を比較したグラフである。 実施形態の変形例１に係るＩＢＭクローラ機構を示す側面図である。 実施形態の変形例２に係る回転体装置を示す側面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

＜比較例の車輪型移動法式の問題点＞
図１は、ボイラの内壁を移動する比較例のロボット（Ａ）と、ボイラの内壁の一例（Ｂ）とを示す斜視図である。

火力発電に用いられる発電用ボイラの火炉内壁における減肉点検を代替するロボットシステムの開発（下記文献（１）〜（３）を参照）において、比較例のロボット２００の壁面吸着機構の問題点が明らかとなった。このロボット２００は、センサを搭載し壁面計測を行う点検台車２０２と、点検台車２０２の底面に固定された永久磁石２０４と、壁面を走行する複数の車輪２０６とを有する。

点検対象としているボイラ内壁は、図１（Ａ）のような長手が鉛直方向の円管２２１と平板２２３とが交互に配置及び溶接された形状をしており、図１（Ｂ）のように曲がった円管２２１ａが配置される箇所もある。ロボット２００に適用された吸着機構は、図１（Ａ）に示すように、４つの車輪２０６が壁面の平板２２３へ接触し、壁面から離れた位置の永久磁石２０４により吸着力を得る方式である。この方法を用いたロボット２００では、車輪２０６が障害物に乗り上げる等により壁面から離れた場合に、永久磁石２０４の発生する吸着力が急激に低下してロボット２００が壁面から離脱する恐れがあることが確認された。また、壁面が平面でなく湾曲しているような場合には、永久磁石２０４と壁との距離が変化するため、吸着力の喪失又は永久磁石２０４と壁面との接触などが起こることが予想された。このため、曲がった円管２２１ａが配置された箇所においては、車輪２０６で乗り越えることは極めて困難であると考えられた。

これらの現象を回避するには、磁性体である壁面に直接磁石が吸着する移動方式が有効である。壁面に吸着し壁面上を移動する移動体に関して、以前より多く研究・開発がなされている。前述のような磁性体へ直接吸着する移動方式の一つに磁力クローラが挙げられる（下記文献（４）〜（８）を参照）。磁力クローラは永久磁石又は電磁石が周上に配置された履帯（「クローラ」とも言う）を循環運動させることで磁性体面に吸着しながら移動する装置である。磁性体表面へ吸着する移動体では、壁面の凹凸又は塗装などへの対応が課題である。壁面の凹凸又は塗装に対応する場合には、平面の場合より強い吸着力を求められるが、壁面状況によっては永久磁石を用いる場合に離脱のために大きな力が必要になる。また、電磁石を用いる場合には電流の操作が必要となる。

参考文献
文献（１）：小澤将生，多田隈建二郎，岡田佳都，田所諭，“大型ボイラ内壁を検査するロボットシステムの開発 ―上下移動機構と試作点検台車の統合による点検システムについての報告 ―”，ロボティクス・メカトロニクス 講演会2017，(2017), 1P1-B03．
文献（２）：小澤将生， 多田隈建二郎，岡田佳都，藤浪拓海，田所諭，“炉内壁点検装置のための水平方向カウンタウェイトによる振動抑制機構の開発”，第17回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会，(2016)，2I2-2．
文献（３）：Masaki OZAWA, Yoshito OKADA, Kenjiro TADAKUMA and Satoshi TADOKORO "Robot System for Inspection of the Inner Wall of Large Boiler - Integration and evaluation of the system prototype comprising a sensing vehicle and ground equipment -", 2017 IEEE/SICE International Symposium on System Integration, (2017)
文献（４）：内藤紳司，佐藤主税，藤井正昭，“負荷分散クローラ機構の開発”, (1987)， 日本ロボット学会誌，vol.5, No.5, pp.335-338.
文献（５）：福田敏男，西堀賢司，松浦英雄，新井史人，酒井哲，金重正規， “壁面走行ロボットの研究: 第 2 報, 可変構造クローラ形モデルの機構と走行実験”，日本機械学会論文集 C 編, (1994)，vol.60, No.569, pp.211-217.
文献（６）：社団法人日本建設機械化協会，磁力吸着式移動装置，特開2007-248265，1994-5-24.
文献（７）：梶山茂，磁石クローラ式走行装置，特開2000-221178，2000-8-11.
文献（８）：今城元広，磁力吸着式走行台車，特開2007-248265，2007-9-27.

＜実施形態＞
そこで、上述の問題点を解決する移動機構として、本実施形態では、複雑な磁性体表面上に強力に吸着しながらも低い力で離脱することが可能であり、これにより滑らかな移動を可能とする内部力補償型磁気吸着クローラ機構１を採用したロボットについて説明する。以下では、内部力補償型磁気吸着クローラ機構を、ＩＢＭ（Internally Balanced Magnetic）クローラ機構１と呼ぶ。図２は、本発明の実施形態に係るＩＢＭクローラ機構の斜視図（Ａ）と、図２（Ａ）の箇所Ｃの構造を説明する概念図（Ｂ）である。

本実施形態のＩＢＭクローラ機構１は、複数のＩＢマグネット２０をチェーン１２で連結した履帯１４と、履帯１４を循環運動可能に保持するスプロケット１６と、ＩＢマグネット２０の操作ロッド２８（図２（Ｂ））を操作するカムプレート１８とを備える。さらに、ＩＢＭクローラ機構１は、スプロケット１６を回転自在に支持し、かつ、カムプレート１８を固定的に支持する装置フレーム３５（図９を参照）を備える。ＩＢＭクローラ機構１は、本発明に係る回転体装置の一例に相当する。履帯１４は、本発明に係る回転体の一例に相当する。ＩＢマグネット２０は、本発明に係る磁石の一例に相当する。カムプレート１８及び操作ロッド２８の先端のカムフォロア２８ａは、カム機構３３を構成し、本発明に係る切替部の一例に相当する。カム機構３３は自動着脱機構と呼んでもよい。ＩＢＭクローラ機構１は、装置フレーム３５に検査装置などの作業装置が搭載されて実施形態に係る作業用のロボットを構成する。

実施形態のＩＢＭクローラ機構１は、履帯１４上に搭載したＩＢマグネット２０のもつ永久磁石２４により磁性体表面に強力に吸着することが可能である。一方で、ＩＢマグネット２０のもつ微小な力で走行面から離脱できる機構を利用した自動着脱機構（カム機構３３）により、ＩＢＭクローラ機構１の移動中に各ＩＢマグネット２０が自動で走行面に着脱する。換言すれば、実施形態のＩＢＭクローラ機構１は、履帯１４の永久磁石２４に発生する内部力が補償されるＩＢマグネット２０と、それを操作するカム機構３３により移動時の各永久磁石２４の走行面からの離脱時に必要な力が小さく、滑らかに移動できる特徴を有する。このため、ＩＢＭクローラ機構１は、装置重量を運ぶ以上の力をほとんど必要とせずに壁面等の走行面を移動できる。続いて、ＩＢＭクローラ機構１の各部について詳細に説明する。

＜推進部＞
履帯１４及びスプロケット１６は推進部３１を構成する。履帯１４は、複数のＩＢマグネット２０とチェーン１２とを接続して構成される。ＩＢマグネット２０は、履帯１４の幅方向に長い形状を有し、複数のＩＢマグネット２０の長手方向の両端が左右２つのチェーン１２にそれぞれ接続されている。以下、左右とは、走行面に平行でかつ履帯１４の推進方向に直交する方向と定義する。複数のＩＢマグネット２０は、チェーン１２の長手方向に等間隔に接続され、また、各ＩＢマグネット２０は、吸着側を履帯１４の外周側に向け、操作ロッド２８を内周側に向けて接続されている。スプロケット１６は、スプロケット軸１７を介して装置フレーム３５（図９を参照）に回転自在に支持されている。推進部３１は、スプロケット１６が回転し、履帯１４の一部の範囲が走行面に接触しつつ循環移動することで、走行面に沿って推進する。推進部３１は、動力を発生させてスプロケット１６を回転させる駆動装置を有していても良いし、外部から与えられた動力によって推進する構成であってもよい。

＜ＩＢマグネット＞
図３は、ＩＢマグネットの走行面から離脱した状態（Ａ）と走行面に吸着した状態（Ｂ）とを示す概念図である。

ＩＢマグネット２０は、吸着面からの離脱時に必要な力を補償し減少させる機構を有するマグネットである（広瀬茂男，今里峰久，工藤良昭，梅谷陽二，“内部力補償型磁気吸着ユニット”，日本ロボット学会学会誌，(1985)，vol.3, no.1, pp.10-19、を参照）。ＩＢマグネット２０は、走行面に接触する非磁性体のフレーム２２と、フレーム２２の内側に変位可能に保持された永久磁石２４と、非線形特性を有しフレーム２２と永久磁石２４との間に永久磁石２４の吸着力に抗する力を及ぼす補償バネ２６と、永久磁石２４に連結された操作ロッド２８とを有する。

操作ロッド２８は、フレーム２２の内側に配置された永久磁石２４を走行面に完全吸着した吸着状態から、走行面からある程度離れ吸着力がほとんどゼロになる離脱状態までストローク運動させることができ、これによりＩＢマグネット２０の吸着力を操作できる。

ＩＢマグネット２０が磁性体表面（走行面等）に接近すると、内蔵された永久磁石２４が磁性体表面の方へ移動し、磁性体表面に吸着する。このときフレーム２２は永久磁石２４の吸着力の分だけ磁性体表面に押し付けられているが、同時に永久磁石２４は自身の吸着力と同じだけの反発力を補償バネ２６から受ける。このため、永久磁石２４の内部力（フレーム２２に対して永久磁石２４を相対的に動かす力）は摩擦力を無視すれば理論上はほぼゼロとすることができ、操作ロッド２８を引き上げると微小な力で磁性体表面から永久磁石２４を離脱させることができる。操作ロッド２８を引き上げる際、フレーム２２が磁性体表面に当接する一方、フレーム２２に対して永久磁石２４が相対的に移動することで、永久磁石２４が磁性体表面から離脱する。

＜ＩＢマグネットの設計例＞
図５は、実施形態のＩＢＭクローラ機構に搭載されるＩＢマグネットの構造例を示す図であり、図５（Ａ）はＩＢマグネットが走行面から離脱した状態を示し、図５（Ｂ）はＩＢマグネットが走行面に吸着した状態を示す。

ここでは、実施形態のＩＢＭクローラ機構１に適用されるＩＢマグネット２０の具体的な設計例について述べる。本実施形態では、ＩＢＭクローラ機構１の吸着対象として、発電用ボイラの内壁に見られる、鉄製の鉛直な円管と平板とが交互に接続された壁を想定している。

永久磁石２４には、ヨーク付きネオジム磁石（残留磁束密度：１１７０-１２２０［ｍＴ］、磁性体平面への吸着力：４３［ｋｇｆ］）が採用され、これを１ユニットのＩＢマグネット２０に１つ搭載する。

ＩＢマグネット２０に使用する補償バネ２６は、所定のストロークで変位する永久磁石２４の吸着力と等しい補償力を発生する非線形バネとするとよい。設計・製作の容易性から、バネ定数の異なる複数のバネを組み合わせることで非線形特性を実現する階差式多段バネ方式を採用できる。本設計例では、補償バネ２６は、３段階のバネで構成され、各段のバネは２枚の板バネで構成される。

図４は、ＩＢマグネットの永久磁石の吸着力と補償バネの非線形のバネ力との関係を示すグラフである。同グラフの横軸は永久磁石２４と走行面との間隙を示す。

補償バネ２６を設計する場合、先ず、永久磁石２４の吸着力特性を近似するような３本の直線をグラフに引く。各段に使用するバネのバネ定数を１段目からそれぞれｋ_１、ｋ_２、ｋ_３とすると、各直線の傾きはそれぞれ２ｋ_１、２ｋ_１＋２ｋ_２、２ｋ_１＋２ｋ_２＋２ｋ_３に等しい。グラフから各バネ定数は、例えばｋ_１＝２［Ｎ／ｍｍ］、ｋ_２＝１０［Ｎ／ｍｍ］、ｋ_３＝７０．５［Ｎ／ｍｍ］のように求められる。

次にこれらのバネ定数を満たし、それぞれの駆動時に干渉しないような板バネを選定する。各段の板バネは、図４のように永久磁石２４と走行面との距離が短くなるにつれて段階的に変形が始まるように異なる長さを有する。既製品から選定するため、板バネの幅と厚みを固定した場合の最適なバネ長を計算する。板バネのステンレス鋼の縦弾性係数をＥ、板バネの幅をｂ、厚みをｔとしたとき、片持ちはりのたわみの式から各バネ長Ｌ_Ｎは、式（１）で求められる。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、３段の板バネを有する補償バネ２６は、永久磁石２４の保持体２５の左右両側に設けられる。３段の板バネの一端は永久磁石２４の保持体２５に固定され、３段の板バネの他端はフレーム２２の段差部２３に当接可能に配置される。永久磁石２４が走行面から最も離れたとき、３段の板バネのうちの１段目が段差部２３に当接してバネ力を作用させ、永久磁石２４が走行面に近づく過程で３段の板バネのうち２段目と３段目とが順次段差部２３に当接してバネ力を作用させる。

ＩＢマグネット２０には、２本の操作ロッド２８が永久磁石２４の保持体２５の左右に設けられている。操作ロッド２８の先端部にはカムフォロア２８ａが設けられている。

図５（Ａ）に示すように、ＩＢマグネット２０の離脱時には、操作ロッド２８がフレーム２２に対して上昇し、走行面に当接されたフレーム２２に対して永久磁石２４が上昇することで、永久磁石２４か走行面から離間する。また、このとき、補償バネ２６の２段目と３段目の板バネが段差部２３から離れている。一方、図５（Ｂ）に示すように、ＩＢマグネット２０の吸着時には、操作ロッド２８がフレーム２２に対して下降し、吸着面に当接されたフレーム２２に対して永久磁石２４が下降することで、永久磁石２４が吸着面に近接する。また、このとき、補償バネ２６の２段目と３段目の板バネの先端が段差部２３に当接して変形し、永久磁石２４の保持体２５とフレーム２２との間に永久磁石２４の吸着力に抗するバネ力を与える。このような構成により、吸着面からの離脱時に必要な力を補償し減少させる機構が実現される。

＜カム機構（ＩＢマグネットの自動着脱機構）＞
ＩＢマグネット２０は操作ロッド２８の操作により吸着状態と離脱状態との切り替えを行うことができる。ＩＢＭクローラ機構１が走行面を移動する際、吸着した各ＩＢマグネット２０が離脱及び吸着すべきタイミングで操作ロッド２８を操作することで、離脱のための力を多く消費することなく連続して移動し続けることができる。本実施形態のＩＢＭクローラ機構１は、この操作ロッド２８の入出機構として、装置の移動に合わせて他の動力なしに操作ロッド２８を連続的に入出動作できるカム機構３３を備える。

カム機構３３は、装置フレーム３５に支持されたカムプレート１８と、ＩＢマグネット２０のカムフォロア２８ａとを含む構成である。カム機構３３は、ＩＢマグネット２０のもつ微小な力で走行面から離脱できる機構を利用した自動着脱機構である。カム機構３３は、ＩＢマグネット２０の操作ロッド２８を操作して、ＩＢマグネット２０の永久磁石２４が走行面に吸着した吸着状態と、永久磁石２４が走行面から離脱した離脱状態とに切り替える。

カム機構３３は、推進部３１が推進したときに複数のＩＢマグネット２０の各々を吸着状態と離脱状態とに切り替える。具体的には、カム機構３３は、推進部３１の運動に連動して各ＩＢマグネット２０の吸着状態と離脱状態とを切り替える。より具体的には、カム機構３３は、複数のＩＢマグネット２０を履帯１４の循環経路に沿って連続的に循環させながら、循環経路中の位置に応じて各ＩＢマグネット２０の吸着状態と離脱状態とを切り替える。また、カム機構３３は、ＩＢマグネット２０の履帯１４に沿った方向の運動を、履帯１４に垂直な方向の運動に変換して、各ＩＢマグネット２０の吸着状態と離脱状態とを切り替える。

図６は、カム機構の検証機の構成を示す側面図である。図７は、カム機構の検証機を示す斜視図である。図６及び図７の検証機８０は、検証のために、ＩＢマグネット２０が吸着状態と離脱状態とを切り替える範囲の動作のみを行う構成であり、実施形態のＩＢＭクローラ機構１のようにＩＢマグネット２０が循環移動するための構成は省かれている。

図６及び図７の検証機８０では、装置の移動を、ＩＢマグネット２０がリニアガイド８１に沿ってスライドする動きによって模擬している。リニアガイド８１によりＩＢマグネット２０がスライドすると、操作ロッド２８の先端のカムフォロア２８ａがカム溝１８Ａａに沿ってスライドし、スライド方向の運動か上下方向の運動に変換されて昇降される。すなわち、カム溝１８Ａａの２段階のオフセット部分をつなぐ斜部Ｗ１で操作ロッド２８のカムフォロア２８ａが操作される。これにより、ＩＢマグネット２０が吸着状態と離脱状態とに切り替えられる。操作ロッド２８を入出動作させるための力は装置を移動するための力に上乗せされるが、操作ロッド２８の出し入れに必要な力は微小であるため、装置の移動に大きく影響することはなく、装置のスムーズな移動が可能となる。

この検証機８０を壁面で動作させたところ、問題なくＩＢマグネット２０の着脱動作が可能であることを確認できた。また、吸着状態と離脱状態との各状態で、ＩＢマグネット２０を壁面から垂直に引きはがす際に必要な力を、フォースゲージを用いて測定した。その結果、引きはがしに必要な力は吸着状態では９０〜１１０［Ｎ］、離脱状態では２〜７［Ｎ］であり、カム機構３３Ａ及びＩＢマグネット２０は要求通り動作したことが確認できた。

図８は、実施形態のＩＢＭクローラ機構を示す側面図である。図９は、実施形態のＩＢＭクローラ機構を示す斜視図である。

実施形態のＩＢＭクローラ機構１に搭載されるカム機構３３は、カム溝１８ａの両端が解放されたカムプレート１８が設けられる。カムプレート１８は、ＩＢマグネット２０の２つの操作ロッド２８に対応して左右対称に２組設けられる。各カムプレート１８のカム溝１８ａは、履帯１４の走行面側の直線部分に沿った直線部Ｈ１と、直線部Ｈ１の両側で走行面から離れる方向に傾斜した斜部Ｈ２と、カムフォロア２８ａの導入と導出を容易にするガイド部Ｈ３とを有する。

履帯１４が循環運動すると、循環経路中の複数のＩＢマグネット２０のうち走行面に近づいてくるＩＢマグネット２０の操作ロッド２８のカムフォロア２８ａが、開放端からカム溝１８ａに進入する。さらに、ＩＢマグネット２０が循環経路中の円弧部分から直線部分に移動する際、カムフォロア２８ａが斜部Ｈ２を通過し、これによりＩＢマグネット２０の永久磁石２４が挿入操作されて吸着状態となる。その後、ＩＢマグネット２０が履帯１４の直線部分にある間、ＩＢマグネット２０は吸着状態を継続する。

さらに、履帯１４が循環運動し、ＩＢマグネット２０が進行方向を向いて後方の円弧部分に差し掛かると、ＩＢマグネット２０のカムフォロア２８ａが斜部Ｈ２を通過する。これによりＩＢマグネット２０の操作ロッド２８が出し操作されてＩＢマグネット２０が離脱状態となる。これにより、ＩＢマグネット２０は走行面から小さな力で離脱して循環経路の円弧部分へ進むことができる。円弧部分の途中で、ＩＢマグネット２０のカムフォロア２８ａは開放端からカム溝１８ａを抜ける。

複数のＩＢマグネット２０は、カム機構３３により、上述のように各ＩＢマグネット２０の循環経路中の位置に応じて吸着状態と離脱状態とを切り替え、これによりＩＢＭクローラ機構１は走行面に強く吸着しつつ、走行面に沿ってスムーズに移動することができる。また、ＩＢマグネット２０は左右対称に２つの操作ロッド２８を有し、ＩＢＭクローラ機構１には２つの操作ロッド２８に対応して左右対称の２組のカムプレート１８が設けられている。これにより安定的な永久磁石２４の入出操作が実現される。

＜壁面走行試験＞
続いて、実施形態のＩＢＭクローラ機構１の壁面走行試験について説明する。図１０は、実施形態のＩＢＭクローラ機構の壁面走行試験の様子を示す図である。

走行試験に使用したＩＢＭクローラ機構１は、前述の通り、推進部３１としてチェーン１２とスプロケット１６とが適用され、複数のＩＢマグネット２０の長手方向の両端部にはそれぞれ２本のチェーン１２のアタッチメント１２ａが接続されている。履帯１４には全部で１８個のＩＢマグネット２０を搭載しており、走行面に一度に吸着する永久磁石２４は３〜４個である。履帯１４の幅が２３５ｍｍ、スプロケット１６の直径は１６５ｍｍ、２組のスプロケット１６の軸間距離が２０３．２ｍｍである。

また、走行試験に使用したＩＢＭクローラ機構１は、前述の通り、内部に２組のカムプレート１８を搭載する。カムプレート１８のカム溝１８ａの形状とカムフォロア２８ａの軌道は、図８に示す通りである。２つのスプロケット軸１７より内側に着脱を行う斜部Ｈ２があり、永久磁石２４の着脱が行われる。また、永久磁石２４の離脱状態が保たれたままＩＢマグネットが履帯１４の円弧部に移動するよう、また、開放端からカム溝１８ａにカムフォロア２８ａが進入しやすいよう、カム溝１８ａの両端部にはガイド部Ｈ３が設けられている。ガイド部Ｈ３は、開放端に向けて溝幅が大きくされた（例えば円弧状に開いた）部位である。また、永久磁石２４がなるべく走行面に垂直にストローク移動するよう、ＩＢＭクローラ機構１には、左右対称に２組のカムプレート１８が設けられ、ＩＢマグネット２０の２本の操作ロッド２８が同時に操作される。

走行試験では、図１０に示すように、ウインチ５１でＩＢＭクローラ機構１を引いたときに、ＩＢＭクローラ機構１が壁面５４に吸着しながら走行可能であるかどうかを検証した。ウインチ５１としてはサーボウインチを適用し、ＩＢＭクローラ機構１の装置フレーム３５とウインチ５１とが上方のプーリ５３を介してロープ５２で接続されている。移動速度は約１７０ｍｍ／ｓとした。

図１１は、ＩＢＭクローラ機構が壁面走行する際のＩＢマグネットの様子を示す図であり、図１１（Ａ）〜図１１（Ｆ）は壁面走行中の異なるタイミングの状態を時系列に並べた図である。図１１（Ａ）〜図１１（Ｆ）は、１５ｆｐｓ（０．０６７ｓ）ごとのタイミングで撮影された画像であり、図１０中の枠Ｆ１の部分を示している。図１１中、走行面に近接する３つのＩＢマグネット２０にマーカを付してある。図１１から、壁面走行中、複数のＩＢマグネット２０が、履帯１４の循環経路中の直線部分から円弧部分に移動する際に、走行面から着脱される様子が分かる。走行試験では、上昇、下降のどちらにおいてもＩＢＭクローラ機構１の壁面５４での走行が可能であることが確認された。

＜カム機構の有無による走行抵抗の比較＞
ＩＢＭクローラ機構１の走行中は、カム機構３３を用いたＩＢマグネット２０の操作によりＩＢマグネット２０の走行面からの離脱時に必要な力が少なくなるため、走行時に発生する走行抵抗が低下すると考えられる。一方で、従来の通常の磁力クローラに相当するカム機構３３が無い構成では、走行面に吸着中のＩＢマグネット２０を離脱させるために余分な力が必要となる。続いて、走行抵抗のカム機構３３の有無による差を比較する試験について述べ、カム機構３３の効果を検証する。

試験方法を次に述べる。試験では、ＩＢＭクローラ機構１に走行面として吸着させた鉄板にフォースゲージを接続し、フォースゲージを走行方向に引いてＩＢＭクローラ機構１に対して鉄板を相対的にスライドさせ、この状態でフォースゲージにより走行抵抗の最大値を測定する。フォースゲージより得られる値のうち、１番目のピークは履帯１４の回転を開始するのに必要な力を含んでいる。そこで、ＩＢマグネット２０の離脱時に発生する力を含む２番目以降のピークを走行抵抗の最大値とする。カム機構３３が有る場合と、カム機構３３を取り除いた場合の各々の条件で１３回ずつ測定を行い、測定された抵抗値の最大値の平均を比較した。

図１２は、この結果の走行抵抗を比較したグラフである。グラフからカム機構３３が有る場合のほうが、無しの場合と比べて走行抵抗の最大値が低いことが分かる。この結果からも、ＩＢＭクローラ機構１のカム機構３３が正しく機能したことが示された。また、この比較試験においてカム機構３３が有る場合にも走行抵抗が発生する理由としては、ＩＢＭクローラ機構１の重量のほかに、鉄板とＩＢマグネット２０との吸着力と、想定された吸着対象の壁面とＩＢマグネット２０との吸着力とに差があるため、離脱中のＩＢマグネット２０の操作ロッド２８に、カム機構３３による入出時に抵抗が発生することが理由の１つとして挙げられる。このような走行抵抗を定量的に評価するようにしても良い。

＜実施形態効果＞
以上のように、本実施形態のＩＢＭクローラ機構１を有するロボットによれば、履帯１４が循環運動して走行面を走行する際に、履帯１４に搭載された複数のＩＢマグネット２０の何れかが走行面に吸着する。したがって、走行面が平面でなく湾曲していたり凹凸があったりする場合でも、ロボットを走行面に強固に吸着させて走行することができる。また、本実施形態のＩＢＭクローラ機構１は、履帯１４が推進したときに各ＩＢマグネット２０を吸着状態と離脱状態とに切り替えるカム機構３３を有する。これにより、履帯１４の複数のＩＢマグネット２０が走行面に吸着した状態のまま、履帯１４が循環運動しようとして、履帯１４の運動が阻害されてしまうことが防止される。すなわち、履帯１４のスムーズな推進を実現できる。

また、本実施形態のＩＢＭクローラ機構１は、ＩＢマグネット２０の吸着状態と離脱状態とを切り替える構成としてカム機構３３を採用している。これにより、吸着状態と離脱状態とを切り替えるために専用の動力又はアクチュエータ等が不要となり、履帯１４の循環軌道中のＩＢマグネット２０の位置に応じてＩＢマグネット２０の吸着状態と離脱状態とを切り替えることができる。すなわち、履帯１４の循環運動に連動してＩＢマグネット２０の状態を自律的に切り替えることが可能となる。さらに、ＩＢマグネットの状態を切り替える構成を、簡単に構成でかつ少ない部品点数で実現できる。

また、本実施形態のＩＢＭクローラ機構１は、履帯１４に複数搭載される磁石がＩＢマグネット２０である。したがって、永久磁石２４によりＩＢＭクローラ機構１の走行面への強力な吸着を実現できる。加えて、履帯１４の全周のうち走行面に接触している範囲から走行から離れる範囲へＩＢマグネット２０が移動する際には、ＩＢマグネット２０の離脱に必要な力を大幅に抑えることが可能となる。したがって、ＩＢマグネット２０の吸着状態と離脱状態との切り替えに必要な抵抗を含んだＩＢＭクローラ機構１の全体的な走行抵抗を低減することができる。これらによって、ＩＢＭクローラ機構１を搭載したロボットを、ロボットの全体重量を運ぶ以外の力をほとんど必要とせずに、走行させることができるという効果が得られる。

以上のことから、本実施形態のＩＢＭクローラ機構１を有するロボットを、例えばボイラ火炉の内壁を点検するロボットに適用した場合、複雑な磁性体面を有する内壁に強力に吸着して、内壁を走行することができる。さらに、低い力でＩＢマグネット２０を吸着状態と離脱状態とに切り替えることができ、内壁に沿った滑らかなロボットの移動が可能となる。

なお、ＩＢＭクローラ機構１は、鋼板などの永久磁石２４が吸着する磁性体の走行面を走行できるだけでなく、非磁性体である板状の壁体等でも走行することができる。この場合、ＩＢＭクローラ機構１に加えて、履帯１４と同様の吸着機構をもう一組設け、壁体を挟んでＩＢＭクローラ機構１と吸着機構とを磁力で引き合わせることで、ＩＢＭクローラ機構１を壁体に吸着した状態にすることができる。この状態でＩＢＭクローラ機構１と反対側の吸着機構とを同一方向に走行するように循環運動させることで、非磁性体である壁体に沿ったＩＢＭクローラ機構１の走行が実現される。

（変形例１）
図１３は、実施形態の変形例１に係るＩＢＭクローラ機構１Ｂを示す側面図である。変形例１に係るＩＢＭクローラ機構１Ｂは、上記実施形態のＩＢＭクローラ機構１に、カムプレート１８を走行面に垂直な方向に変位可能とする機構を設けたものである。前述した実施形態と同様の構成要素については、同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

変形例１のＩＢＭクローラ機構１Ｂは、カムプレート１８がリニアガイド１９を介して装置フレーム３５（図９を参照）に支持されている。リニアガイド１９は、カムプレート１８を走行面に対して垂直方向に並進可能な構成である。また、リニアガイド１９には、カムプレート１８を通常時に規定位置から動かないようにするストッパーが設けられる。ストッパーを解除することで例えば人手によりカムプレート１８を上段位置へ動かすことが可能となる。規定位置とは、履帯１４の循環経路中の走行面側の直線部分に位置するＩＢマグネット２０を吸着状態にする位置であり、上段位置とは、履帯１４の循環経路中の走行面側の直接部分に位置するＩＢマグネット２０を離脱状態にする位置である。なお、カムプレート１８をリニアガイド１９に従って変位させるアクチュエータを備えてもよい。

変形例１のＩＢＭクローラ機構１Ｂによれば、カムプレート１８を規定位置で使用することで、前述した実施形態のＩＢＭクローラ機構１と同様の動作が実現される。一方、ＩＢＭクローラ機構１Ｂの搬送時など、水平な鋼板上にＩＢＭクローラ機構１Ｂを配置したり、鋼板上からＩＢＭクローラ機構１Ｂを持ち上げたりする際には、カムプレート１８を上段位置に変位させる。これにより、鋼板に面した複数のＩＢマグネット２０の操作ロッド２８が出し操作されて、鋼板に面する複数のＩＢマグネット２０を離脱状態にすることができる。これにより、鋼板上へあるいは鋼板上からＩＢＭクローラ機構１Ｂを搬送する際、ＩＢマグネット２０の吸着が解放されて、搬送の作業性を向上できる。

（変形例２）
図１４は、実施形態の変形例２に係る回転体装置を示す側面図である。

変形例２は、上述したＩＢＭクローラ機構１と同様の構成を有する２つの回転体装置６１、６２を用意し、これらを組み合わせて動力伝達機構６０を構成した例である。変形例２において、各スプロケット軸１７は、固定位置で回転可能に支持される。一方の回転体装置６１のＩＢマグネット２０と、他方の回転体装置６２のＩＢマグネット２０とは、互いに極性が反対になるように永久磁石２４が設けられる。

変形例２の動力伝達機構６０では、一方の回転体装置６１に動力が与えられて履帯１４が循環運動すると、幾つかのＩＢマグネット２０同士が吸着していることで、他方の回転体装置６２に動力が伝達される。また、履帯１４の循環経路中の両方の回転体装置６１、６２のＩＢマグネット２０が近接する直線部分から、離間する円弧部分へ、ＩＢマグネット２０が移動するときには、カム機構３３により、ＩＢマグネット２０同士の吸着が低い力で解除される。

以上のように、変形例１の回転体装置６１、６２及び動力伝達機構６０によれば、両方のＩＢマグネット２０同士の吸着により、一方の回転体装置６１から他方の回転体装置６２へ動力を伝達することができる。さらに、カム機構３３による回転に連動した操作ロッド２８の操作により、回転体装置６１、６２を少ない回転抵抗で滑らかに回転させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明した、しかし、本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、本発明に係る推進部の一例として、履帯１４とスプロケット１６とを組み合わせたクローラ構造の推進部３１を示した。しかし、推進部は、例えば車輪形状であっても良い。また、上記の実施形態では、推進部３１に搭載される磁石として、ＩＢマグネットを適用した例を示したが、例えばＩＢマグネットと同様の構成要素を持ちつつ、永久磁石２４の吸着力と補償バネ２６のバネ力とのつり合いが弱い構成のマグネットであってもよいし、補償バネ２６を持たないマグネットであってもよい。また、推進部３１に搭載される磁石としては、電磁磁石を適用してもよい。

また、上記実施形態では、履帯１４に設けられた複数の磁石の走行面への着脱を切り替える切替部としてカム機構を用いた例を示した。しかし、切替部としては、例えは複数の磁石をそれぞれ変位させる複数のアクチュエータと、複数のアクチュエータを循環経路中の位置に応じて電気的に作動させる制御装置とを含む構成を適用してもよい。また、本発明に係る切替部としては、カム機構に限られず、走行面からの応力を利用して適宜な位置で自動的に磁石を離脱する方向へ作用させる動力伝達機構を適用してもよい。

また、実施形態に示したＩＢＭクローラ機構１では、複数のＩＢマグネット２０をチェーン１２で連結させて履帯１４が構成されたが、例えばベルト状の履帯をケースとし、ケースに複数の永久磁石と補償バネを内蔵した形態を採用してもよい。また、履帯に加わる走行面からの応力を利用してカム機構３３を用いずに永久磁石を走行面から引き離す構造を適用してもよい。その他、実施の形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１、１Ｂ ＩＢＭクローラ機構（回転体装置）
１２ チェーン
１４ 履帯（回転体）
１６ スプロケット
１７ スプロケット軸
１８ カムプレート
１９ リニアガイド
Ｈ１ 直線部
Ｈ２ 斜部
Ｈ３ ガイド部
２０ ＩＢマグネット
２２ フレーム
２４ 永久磁石
２６ 補償バネ
２８ 操作ロッド
２８ａ カムフォロア
３１ 推進部
３３ カム機構（切替部）
３５ 装置フレーム
６０ 動力伝達機構
６１、６２ 回転体装置

Claims (4)

1. 走行面に接触して推進する推進部を備えたロボットであって、
   前記推進部には複数の磁石が設けられ、
   前記推進部が推進したときに前記複数の磁石の各々を前記走行面に吸着した状態と前記走行面から離脱した状態とに切り替えるカムと、
   前記カムを前記走行面から離間する方向へ変位可能な変位機構と、を備え、
   前記変位機構によって前記カムが変位したときに前記走行面に吸着した前記磁石の吸着が解放される、
   ロボット。
2. 前記複数の磁石の各々はＩＢマグネットである、
   請求項１記載のロボット。
3. 複数の磁石が設けられた回転体と、
   前記回転体が回転したときに前記複数の磁石の各々を前記回転体の外周側に移動した状態と前記回転体の内方に移動した状態とに切り替えるカムと、
   前記カムを前記回転体の内方へ変位可能な変位機構と、を備え、
   前記変位機構によって前記カムが変位したときに前記外周側で吸着対象物に吸着した前記磁石の吸着が解放される、
   回転体装置。
4. 前記複数の磁石の各々はＩＢマグネットの永久磁石である、
   請求項３記載の回転体装置。

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