JP7123415B2

JP7123415B2 - 連結可能な走行車両

Info

Publication number: JP7123415B2
Application number: JP2019539678A
Authority: JP
Inventors: 俊道妻木
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2038-08-31
Also published as: JPWO2019045065A1; WO2019045065A1

Description

本発明は、複数の単体の走行車両を複数台連結して踏破性能を向上させることができる連結可能な走行車両に関する。

月、惑星での探査及び作業、そして地球上の建設現場、災害現場、火山地域などでの探査や各種作業に利用される自動ロボットには、高い不整地踏破性能が求められる。そのため、比較的低い重心にするとともに車輪にはクローラを用いることで、不整地踏破性能を高めることが提案されている（例えば、特許文献１）。

また、高い段差のある障害物を乗り越えることを意図して種々の形態の自動走行ロボットが提案されている。例えば特許文献２には、本体となる三角クローラ装置と、これと別に従動クローラ装置とをリンクで連結する形態のクローラロボットが提案されている。特許文献２によれば、このような構成とすることで、高い障害物を乗り越えることが可能であるとされている。

ＷＯ２０１６／１２９１３９特開２００７－２３７９９１

しかしながら、１台の単体の走行車両が障害物を乗り越える能力には限界があり、不整地踏破性能の向上も制約される。

そこで、本発明は、複数の単体の走行車両を複数台連結することで踏破性能を向上させることができる連結可能な走行車両を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の連結可能な走行車両は、車両本体と、前記車両本体に設けられた第１の駆動輪と、前記駆動輪を駆動する駆動部と、前記車両本体上部に固定する固定部、前記固定部から車両本体よりも前方へ延びるアーム部、前記アーム部の先端に設けられ、進行方向前方に位置する他の前方走行車両の被クランプ部と結合可能なハンド部を備えたクランプ部と、前記車両本体上部に設けられ、進行方向後方に位置する他の後方走行車両の前記ハンド部により結合される被クランプ部とを備える。

前記第１の駆動輪にはクローラが巻き掛けられていることが好ましい。

前記クランプ部は、前記車両本体から取り外し可能に固定することができる。

さらに前記車両本体の前方かつ上方に突き出して設けられた、周囲にクローラが巻き掛けられたフリッパを備え、前記駆動部によりフリッパの周囲に巻き掛けられたクローラを駆動するよう構成することができる。

前記車両本体の後部に、後部フレームを備えることができる。

連結可能な走行車両は、前記前方走行車両と前記クランプ部により連結されている連結モードでは、前記前方走行車両が障害物を乗り越えるときは前記アーム部を介して前記前方走行車両を押すことにより前記前方走行車両の障害物の乗り越えを補助し、前記後方走行車両と前記後方走行車両のクランプ部により連結されている連結モードでは自身が障害物を乗り越えたときは前記アーム部を介して前記後方走行車両を引くことにより前記後方走行車両の障害物の乗り越えを補助する。

複数の走行車両をアーム部を介して連結することで、連結された複数の走行車両全体としての踏破性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るアームで２両が連結された走行車両の斜視図である。本発明の一実施形態に係るアームで２両が連結された走行車両の側面図である。本発明の一実施形態に係るアームで２両が連結された走行車両の平面図である。本発明の一実施形態に係る走行車両の各部を説明するための側面図である。単体モードで低い障害物を乗り越える実験を示した図である。単体モードで低い障害物を乗り越える実験を示した図である。単体モードで低い障害物を乗り越える実験を示した図である。単体モードで低い障害物を乗り越える実験を示した図である。単体モードで低い障害物を乗り越える実験を示した図である。単体モードで低い障害物を乗り越える実験を示した図である。単体モードで低い障害物を乗り越える実験を示した図である。単体モードで低い障害物を乗り越える実験を示した図である。単体モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。単体モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。単体モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。単体モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。単体モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。単体モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。連結モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。連結モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。連結モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。連結モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。連結モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。連結モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。連結モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。連結モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。連結モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。連結モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。連結モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。連結モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。連結モードで高い障害物を乗り越える実験を示した図である。

以下に図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１Ａ～図１Ｃは、本発明に係る連結可能な走行車両の実施の一形態として、連結可能な２台の走行車両１００及び２００を、アーム３００で連結した状態を示しており、図１Ａは斜視図、図１Ｂは側面図、図１Ｃは平面図である。図１Ｂの左側が前（進行方向）、右側が後となり、走行車両１００は後ろ側、走行車両２００は前側に配置されている。ただし、走行車両１００を前側、走行車両２００を後ろ側に配置することもできる。なお、図１Ａ～図１Ｃでは省略しているが、走行車両２００にも、アーム３００を含むクランプ部（後述が）が設けられている。さらに、別の走行車両のアーム３００を介して同型の走行車両を３台以上接続することも可能である。また、本実施形態では、走行車両を単体で作動させる場合を単体モード、２つ又はそれ以上の走行車両をアーム３００で連結して作動させる場合を連結モードと呼ぶ。

図２は、走行車両１００及びアーム３００を含むクランプ部の各部を説明するために、幾分簡略化して示した進行方向左側の側面図である。走行車両１００の本体には、後ろ側に駆動輪１０、転輪１２、１４、１６、１８が設けられている。駆動輪１０、転輪１２、１４、１６、１８にはクローラ２０が巻き掛けされている。走行車両１００の進行方向右側の側面にも同様のクローラ２０が巻き掛けされている。

駆動輪１０を駆動することにより、転輪１２、１４、１６、１８及びクローラ２０が回転し、前方（図の左方向）への移動、後方（図の右方向）への移動、並びに回転などが可能となる。クローラ２０を使用することにより、車輪だけの場合に比べて不整地の踏破性能が向上するが、クローラを用いない実施形態も可能である。なお、本実施形態では、駆動輪を一例として本体の後部側に設けたが、本体の中央部又は本体の前部側に設けることもできるし、後部と前部の両方に設けることもできる。

走行車両１００の前部には、転輪１８の部分から斜め上前方に突き出すようにフリッパ３０が設けられている。フリッパ３０は、フリッパフレーム３２の両端に転輪１８及び誘導輪３４が設けられ、その間にフリッパクローラ３６が巻き掛けられて構成されている。すなわち転輪１８は、クローラ２０とフリッパクローラ３６によって共有されている。フリッパフレーム３２の下側には、誘導輪の代わりとなる摺動バックプレート３８が設けられている。

駆動輪１０を駆動すると、クローラ２０の回転に伴って転輪１８が回転し、それに連動してフリッパクローラ３６も回転する。すなわち、１つの駆動装置（モータ）でクローラ２０とフリッパクローラ３６を一緒に同期駆動する。フリッパクローラ３６の回転方向は、クローラ２０の回転方向と同じである。このようなフリッパ３０を設けることにより、前方にある障害物の乗り越え能力を向上させることができる。特に、障害物の壁面が９０°を超えて走行車両側に傾斜しているような角度の場合でも、フリッパ３０を設けることによって乗り越える可能性が高まる。したがって、障害物乗り越え能力の向上のためにはフリッパ３０を設けることが望ましいが、本発明においてフリッパを設けることは必須ではない。

走行車両１００の上部には、アーム３００を含むクランプ部が設けられている。クランプ部には、固定部５２、アーム３００、アーム３００の先端に設けられたハンド７０が含まれる。固定部５２において、クランプ部は取り外し可能に本体上部に取り付けられる。アーム３００は、弾性ダンパ６０を中央部として固定部５２側の後半部６２と、先端側の前半部６４を含み、弾性バンパ６０がある中央部が両端部よりも高い位置となる形状とされている。このアーム３００の形状は、後述の障害物の乗り越えの際に、走行車両本体と干渉しないように考慮されているが、走行車両本体と干渉しなければ、他にも例えば上に凸な円弧状とすることもできる。

アーム３００の全体的な長さは、連結モードで障害物を乗り越えるときに、乗り越え性能が単体モードのときよりも十分に向上するよう考慮して設定することが望ましい。弾性ダンパ６０及びトルクリミッタ６１は、後方の走行車両が前方の走行車両を押す方向の力が過度に働いたとき、並びに、前方の走行車両が後方の走行車両を引っぱる力が過度に働いたときに、アーム部が曲折又は破損されることを防ぐよう受動的にこの過度な力を逃がすように設計されている。

走行車両１００の上部にはさらに、連結用被クランプ部５４が設けられている。連結用被クランプ部５４は、この走行車両１００の後ろ側にさらに別の走行車両を連結する場合に、当該他の走行車両の前半部６４の先端に設けられているハンド７０（後述）によってクランプされるようになっている。固定部５２には、単体モードで作業する際にアーム３００を俯仰するための駆動軸５６が設けられている。アーム３００で他の走行車両と連結する連結モードでは、駆動軸５６の角度は従動する。なお、図２には示されていないが、アーム３００の基部には旋回軸も設けられており、水平面内での旋回動作も可能である。

後半部６２のほぼ中央には、アーム３００のねじれ（ロール）を許容するための弾性ダンパ６６が設けられている。前半部６４の先端には、駆動軸６８を介してハンド７０が、駆動軸６８の回りに回動可能に設けられている。単体モードのときには、駆動軸６８及びハンド７０を使って、サンプル採取などの各種作業を行うことができる。一方、連結モードのときは、ハンド７０は、前方の走行車両の連結用被クランプ部５４にクランプされ固定される。また、単体モードのときに、必要がなければアーム３００を含むクランプ部を取り外すこともできる。

走行車両１００の後端部には、直角三角形状の後部フレーム９０が設けられている。後部フレーム９０は、直角三角形の斜辺に当たる部分が駆動輪１０の内側部分から斜め上に伸びている。この斜辺に当たる部分には、滑りのよい樹脂製の摺動板が貼り付けられている。この後部フレーム９０は、前進して障害物を乗り越える際に、この摺動板が、越えた後の障害物の上部を摺動することによって、本体後部が障害物から落下せずにスムーズに着地するのを助ける。いわば、走行車両１００の後部（尾部）に、簡易のフリッパがあるような働きをする。なお、この後部フレーム９０は、本体から取り外し可能とすることもできる。また、後部フレーム９０の形状は本体後部がスムーズに着地できる形状であればよく、直角三角形には限定されない。

次に、単体モード及び連結モードにおける走行車両の障害物乗り越え性能について説明する。図３Ａ～図３Ｈ、図４Ａ～図４Ｆ、図５Ａ～図５Ｍは、実際に行った実験の様子を簡略化して示している。また、これらの図の左側には、障害物の高さを表すための目盛りを示している。

図３Ａ～図３Ｈは、走行車両１００を単体モードで右から左に向かって走行させて高さｈの障害物９２を乗り越えさせる実験を行った様子を示している。図３Ｂに示すように、左側に進む走行車両１００のフリッパ３０が前方に設けられた障害物９２に当接し、走行車両１００がさらに左側に進むと、フリッパ３０がガイドの役割を果たし、図３Ｃ、図３Ｄに示すように時計回りに傾斜しながら前方が障害物９２の上に乗り上げ、最終的に図３Ｅに示すように全体が障害物９２の上に乗り上がった状態となる。走行車両１００のクローラがさらに回転すると、図３Ｆ、図３Ｇ、図３Ｈに示すように、走行車両１００は左に進んで障害物９０から降りて障害物９０を乗り越えることができた。

次に、高さを２ｈとした障害物９４を単体モードで乗り越える場合について、図４Ａ～図４Ｆを参照して説明する。高さｈの障害物９０の場合と同様に、走行車両１００のフリッパ３０が障害物９４に当接してさらに進むと、図４Ｃ、図４Ｄ、図４Ｅに示すように走行車両１００は時計回りに傾斜してゆくが、図４Ｅに示すように走行車両１００が上向きに垂直となった後は、障害物９４の高さが高すぎるため走行車両１００は障害物９４の上に乗り上げることはできず、重心位置の関係で後ろ側に傾き、図４Ｆに示すように転倒した。このように、単体モードの走行車両１００では、障害物の高さが高くなると乗り越えることができない場合がある。

続いて、同じ高さ２ｈの障害物９４を、連結モードで乗り越える場合について、図５Ａ～図５Ｍを参照して説明する。この連結モードでは、走行車両１００が後方車両、走行車両２００が前方車両となり、両者がアーム３００を含むクランプ部により連結される。連結モードでは、走行車両１００及び２００は共に自身の駆動輪１０を駆動して移動する。

図５Ａに示すように、前方の走行車両２００のフリッパ３０が障害物９４に当接し、走行車両１００及び２００がさらに進むと、図５Ｂ、図５Ｃに示すように走行車両２００は時計回りに傾斜してゆくが、単体モードの場合の図４Ｅ、図４Ｆと異なるのは、アーム３００を介して後ろ側の走行車両１００が前側の走行車両２００のクローラを障害物９４に押し付けることによって走行車両２００の後ろ側への転倒は防止されて、図５Ｄに示すように障害物９４の側壁に沿って上向きに垂直となる。

このとき、走行車両２００は、矢印で示すように後方からアーム３００を介して水平に押されることによって走行車両２００のクローラと障害物との間の摩擦力が大きくなって登坂力が向上する。この状態で走行車両２００のクローラが回転することによって、走行車両２００は矢印で示すように上向きに移動する。すなわち後方の走行車両１００が前方の走行車両２００の障害物乗り越えを補助する。このとき、駆動軸５６及び６８（図２参照）は、従動的に稼働するだけでよい。

走行車両２００のクローラの中央部分が障害物９４の上端部を超えると、走行車両２００は図５Ｅに示すように反時計回りに回転し、図５Ｆに示すように障害物９４の上に乗り上げ、さらに図５Ｇ、図５Ｈに示すように障害物９４を乗り越える。

続いて走行車両１００及び２００が自身の駆動輪１０を駆動してさらに左側へ移動すると、図５Ｉに示すように、後ろ側の走行車両１００のフリッパ３０が障害物９４に当接し、さらに図５Ｊ、図５Ｋに示すように走行車両１００は時計回りに傾斜してゆく。

このとき、アーム３００を介して前側の走行車両２００が後ろ側の走行車両１００を図の左向き（前方側）に引っぱる状態となり、走行車両１００の後ろ側への転倒は防止される。そして矢印で示すように走行車両１００のクローラは障害物９４の側面に引き付けられて走行車両１００のクローラと障害物との間の摩擦力が大きくなり、登坂力が向上する。走行車両１００のクローラが回転することによって、走行車両１００は障害物９４の側壁に沿って上向きに移動する。このように、前方の走行車両２００が後方の走行車両１００の障害物乗り越えを補助する。

さらに走行車両１００は走行車両２００によって左向きに引っぱられると共に走行車両１００のクローラが回転することによって、図５Ｌに示すように障害物９４の上に乗り上げ、さらに図５Ｍに示すように障害物９４を乗り越える。このときも、駆動軸５６及び６８（図２参照）は、従動的に稼働するだけでよい。このあと、後方の走行車両１００の後部（尾部）が障害物９４から急落下することが予想されるが、後部フレーム９０（図２参照）によって、その際の衝撃を伴う急落下が抑えられる。

このように、２つの走行車両をアーム３００及びハンド７０を含むクランプ部で連結した連結モードにすると、前方の走行車両２００が障害物を乗り越えるときは後方の走行車両１００がその乗り越え動作を補助し、後方の走行車両１００が障害物を乗り越えるときは前方の走行車両２００がその乗り越え動作を補助することによって、単体モードにおける単体の走行車両だけでは乗り越えることのできなかった高さの障害物を乗り越えることが可能となり、障害物の乗り越え性能を向上させることが可能となる。

図３Ａ～図３Ｈ、図４Ａ～図４Ｆ、図５Ａ～図５Ｍに示したような人工的かつ直交系の障害物とは異なる大きな岩などの不定形な障害物を乗り越える際には、前方の走行車両２００と後方の走行車両１００の接地方向や傾斜の違いにより、アーム３００が（動的に）ねじられようとすることがある。そのような場合には、弾性ダンパ６６（図２参照）がこのようなねじれに対応するので、連結した走行車両全体としてそのような不定形な障害物の乗り越えも柔軟に行うことができる。また、不定形な障害物を乗り越える際に生じうる、前方の走行車両２００と後方の走行車両１００の推進方向に対する傾きや曲がりに対しては、アーム３００の基部に設けられた旋回軸の従動によって対応することができる。

なお、本実施形態では、２台の走行車両１００及び２００が全く同じ同型の走行車両として説明した。多数の走行車両を量産することによってコストを低減できるという点では、全く同じ複数の走行車両を接続することが望ましいことは確かである。しかしながら、本発明の主たる効果である障害物乗り換え性能を向上させるという観点からは、連結モードで２台或いは３台以上接続する各走行車両は全く同じものであることは必ずしも必要ではない。例えば、接続する複数の走行車両の形状及び性能が多少異なっていたとしても、少なくともアーム又はこれに相当するもので互いを連結することができるようにされたものも、本発明の技術的範囲に含まれると理解されるべきであり、本明細書において「同型」といった場合には、このような構造や機能に多少の相違があるものも含むものとする。

本発明に係る走行車両は、連結モードとすることで、単体モードの場合では乗り越えることのできない高い障害物を乗り越えることが可能となる。このため、例えば単体の走行車両をペイロードの小さい小型のロケットで別々に月や惑星を初めとする他の天体に運搬し、その場でこれらを複数連結して連結モードとすることによって、高い障害物乗り越え性能を付与することができるので、将来の宇宙用途としての利用が考えられる。また、地上用途としても、天井が低いために人間が入りにくいが内部に障害物が存在する、例えば高速道路下の狭い空間やビル建設現場などにおいて各種作業を行う場合にも利用することができる。

また、例えば広い領域において多数の走行車両を用いて各種作業を行うような場合に、単体の走行車両では乗り越えられない障害物が見つかった場合に、必要に応じて複数の単体の走行車両同士が互いに連結し合って連結モードに入り、この状態で障害物を乗り越えたあとに、元の単体モードに戻って作業を継続させるという利用方法も想定される。

１０駆動輪
１２，１４，１６，１８転輪
２０クローラ
３０フリッパ
３２フリッパフレーム
３４誘導輪
３６フリッパクローラ
３８摺動バックプレート
５２固定部
５４連結用被クランプ部
５６駆動軸
６０，６６弾性ダンパ
７０ハンド
９０後部フレーム
９２，９４障害物
１００，２００走行車両
３００アーム

Claims

車両本体と、
前記車両本体に設けられた第１の駆動輪と、
前記駆動輪を駆動する駆動部と、
前記車両本体上部に固定する固定部、前記固定部から車両本体よりも前方へ延びるアーム部、前記アーム部の先端に設けられ、進行方向前方に位置する他の前方走行車両の被クランプ部と結合可能なハンド部を備えたクランプ部と、
前記車両本体上部に設けられ、進行方向後方に位置する他の後方走行車両の前記ハンド部により結合される被クランプ部と、
を備え、前記クランプ部は、前記車両本体から取り外し可能に固定されている、他の走行車両と連結可能な走行車両。
前記第１の駆動輪にはクローラが巻き掛けられている請求項１に記載の連結可能な走行車両。
前記車両本体の前方かつ上方に突き出して設けられた、周囲にクローラが巻き掛けられたフリッパを備え、前記駆動部によりフリッパの周囲に巻き掛けられたクローラを駆動するよう構成された、請求項１又は２に記載の連結可能な走行車両。
前記車両本体の後部に、後部フレームを備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の連結可能な走行車両。
前記前方走行車両と前記クランプ部により連結されている連結モードでは、前記前方走行車両が障害物を乗り越えるときは前記アーム部を介して前記前方走行車両を押すことにより前記前方走行車両の障害物の乗り越えを補助し、前記後方走行車両と前記後方走行車両のクランプ部により連結されている連結モードでは自身が障害物を乗り越えたときは前記アーム部を介して前記後方走行車両を引くことにより前記後方走行車両の障害物の乗り越えを補助する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の連結可能な走行車両。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の連結可能な走行車両を前記クランプ部及び被クランプ部により複数台連結した連結モードで走行する連結可能な走行車両。