JP7287610B2 - 吸着ユニット及びこれを用いた橋梁点検ロボット - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石を利用した吸着ユニット及びこれを用いた橋梁点検ロボットに関するものである。

鋼鉄製の構造物に吸着して点検や搬送などの作業を行うために、従来から永久磁石を利用した吸着ユニットが、ロボット等の移動体に組み込まれて用いられている。永久磁石は平坦面では大きな吸着力を示すが、構造物の表面にはリベットや溶接箇所などの突起部があるため、単に永久磁石を並べただけの吸着ユニットは、突起部をうまく乗り越えることができない。

そこで特許文献１に示される吸着ユニットは、図１に示すように固定磁石１とその内部で移動自在な移動ヨーク２とを組み合わせ、移動ヨーク２を出没させることによって凹凸面でも強い吸着力を発揮する構造となっている。しかしこの吸着ユニットは多数の移動ヨーク２とその制動装置３を必要とするため、構造が複雑で製造コストが高くなるという問題があった。

一方、橋梁点検の先行技術としては、特許文献２や特許文献３に示されるように、橋梁の下部に点検用のレールを敷設したうえで、そのレール上にカメラを搭載した台車を走行させて点検を行う点検設備が提案されている。しかしこれらの設備は予めレールを敷設する必要があって作業性が悪いうえ、レールを敷設できない場所では点検を行えないという問題があった。

特開２００９－２１４２７３号公報 特開平８－１２８０１５号公報 特開２００６－３７５５７号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、吸着力を制御することができ構造が簡単な吸着ユニットと、これを用いた橋梁点検ロボットを提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明の吸着ユニットは、磁極の向きを基準面に対して垂直とした主極永久磁石と、磁極の向きを基準面に対して平行とした補極永久磁石とを交互にハルバッハ配列するとともに、補極永久磁石の磁極の向きを反転させる回転機構を設け、前記回転機構を用いて補極永久磁石を回転させることによって前記基準面に作用する磁気吸着力の強弱を自由に制御可能としたことを特徴とするものである。

好ましい実施形態では、基準面が平面であり、主極永久磁石と補極永久磁石をこの基準面に沿って直線状に配置した構造とすることができる。また、基準面が平面であり、主極永久磁石と補極永久磁石をこの基準面に沿って円形に配置した構造とすることもできる。

また、基準面が円筒面であり、主極永久磁石と補極永久磁石をこの基準面に沿って放射状に配置した構造とすることができる。さらに、回転機構が各補極永久磁石を個別に、あるいは同時に反転させる機構であることが好ましい。

また上記の課題を解決するためになされた本発明の橋梁点検ロボットは、上記の吸着ユニットにより橋梁の下面に吸着して走行しながら点検を行う橋梁点検ロボットであって、点検手段を備えた本体と、本体の上面に走行方向に沿って一列に配置された複数組の吸着ユニットと、前記本体を前記走行方向に沿って移動可能とする駆動手段とを備え、前記各吸着ユニットの主極永久磁石と補極永久磁石とが進行方向に沿って一列に配置されており、前記駆動手段が前記吸着ユニットとは別に設けられていることを特徴とする。なお、各吸着ユニットを本体に対して昇降させる昇降機構を備え、前記昇降機構は、前記各吸着ユニットの進行方向の一方側と他方側とを個別に昇降させることが可能である構造とすることができる。また、前記駆動手段が、本体の左右に突設されたレール上に移動可能に設けられた駆動輪であり、前記駆動輪が橋梁の下フランジの側面に常に当接しながら走行する構造とすることができる。

本発明の吸着ユニットは、主極永久磁石と補極永久磁石とをハルバッハ配列するとともに、補極永久磁石の磁極の向きを反転させる回転機構を備えたものであり、基準面に作用する磁気吸着力を、補極永久磁石の磁極の向きを反転させることにより、大きく変化させることができる。

なお、主極永久磁石と補極永久磁石を平面である基準面に沿って直線状に配置した構造とすれば、細長い吸着ユニットとなり、ボルト間の狭い隙間を通過させることが可能となる。また、主極永久磁石と補極永久磁石を平面である基準面に沿って円形に配置した構造とすれば、吸着ユニットの全体サイズを小型化することができる。さらに主極永久磁石と補極永久磁石を円筒状の基準面に沿って放射状に配置した構造とすれば、円筒の内部における吸着力を自由に制御することが可能となる。

また本発明の橋梁点検ロボットによれば、吸着ユニットの前部が橋梁の添接板の端部に達したとき、その吸着力を変化させて段差部を乗り越えることができる。従って本発明の橋梁点検ロボットを用いれば、従来のように予めレールを敷設する必要もなく、作業性よく橋梁の点検を行うことが可能となる。

吸着ユニットの先行技術を示す断面図である。 吸着ユニットの第１の実施形態を示す説明図である。 吸着ユニットの第２の実施形態を示す説明図である。 吸着ユニットの第３の実施形態を示す説明図である。 本発明の実施形態の橋梁点検ロボットの平面図である。 本発明の実施形態の橋梁点検ロボットの側面図である。 本発明の実施形態の橋梁点検ロボットの正面図である。 吸着ユニットの側面図と底面図である。 吸着ユニットの動作説明図である。

（吸着ユニット）
以下に本発明の吸着ユニットの実施形態を説明する。
図２に本発明の吸着ユニットの第１の実施形態を示す。図２に示す５０は基準面であり、この実施形態では紙面に対して垂直な平面である。この基準面５０に沿って、主極永久磁石５１と補極永久磁石５２とが、直線状に交互に配列されている。主極永久磁石５１は矢印で示すように、磁極の向きを基準面５０に対して垂直とした永久磁石であり、補極永久磁石５２は磁極の向きを基準面５０に対して平行とした永久磁石である。この配列をハルバッハ配列といい、磁力を特定方向に最大化することができる磁気回路である。主極永久磁石５１と補極永久磁石５２はともに、磁力が強いネオジウム磁石を用いることが好ましいが、これに限定されるものではない。

図２の（Ａ）の状態では磁力は基準面５０の方向に最大となっており、強い吸着力を発揮する。しかし補極永久磁石５１に回転機構５３を設けて磁極の向きを反転させると、図２の（Ｂ）に示すように強い磁力の向きは反転し、基準面５０の反対方向に強い吸着力を発揮し、基準面５０の方向の吸着力は微弱となる。このため基準面５０の方向に吸着対象物が存在すると、補極永久磁石５１の回転角度により吸着対象物に対する吸着力を自由に変化させることができる。

回転機構５３としては、図２の（Ａ）に示したように各補極永久磁石５２に個別にモータを取り付けてもよく、あるいは単一のモータと歯車、チェーン、ベルト等の動力伝達機構を組み合わせ、各補極永久磁石５２を同時に回転させてもよい。さらに駆動源はモータに限定されるものではなく、シリンダその他の任意のアクチュエータを用いてもよい。

なお、列をなす主極永久磁石５１と補極永久磁石５２の総数は図２では５個としたが、３個とすることもでき、７個以上の奇数とすることもできる。磁石の総数は求められる吸着力に応じて増減すればよいが、総数を増加させた場合にも、直線状に配置することにより吸着ユニットは直線状となり、ボルトの間のような狭い場所を吸着しながら移動するうえで、有利である。

なお図２は原理図であるため、主極永久磁石５１と補極永久磁石５２をともに正方形で示した。実際の機構は、磁石の固定の観点から主極永久磁石５１と補極永久磁石５２をともに立方体を使用し、立方体の凹部が形成された円柱状の磁石ケース中に収納し製作した。磁石ケースへの固定方法を工夫すれば、主極永久磁石５１と補極永久磁石５２を円柱形の磁石で製作することも可能である。

図３に本発明の吸着ユニットの第２の実施形態を示す。この図３では基準面５０は紙面に平行な平面であり、主極永久磁石５１と補極永久磁石５２とが円形に配置されている。主極永久磁石５１は磁極の向きを基準面５０に対して垂直としたものであり、補極永久磁石５２は磁極の向きを基準面５０と平行とし、円に正接する方向としたものである。この第２の実施形態においても、図示を略した適宜の回転機構５３により補極永久磁石５２の磁極の向きを反転させれば、吸着力を変化させることができる。磁石の総数が同一である場合、この第２の実施形態は第１の実施形態よりも、全体のサイズを小型化することができる。

図４に本発明の吸着ユニットの第３の実施形態を示す。この実施形態では基準面５０は円筒面であり、主極永久磁石５１と補極永久磁石５２をこの基準面に沿って交互に放射状に配置した構造となっている。この吸着ユニットは基準面５０の内側に吸着対象物を挿入して用いることを想定したもので、磁極の向きが基準面５０に対して平行な補極永久磁石５２を回転させることにより、中心部に向かう磁力を変化させることができる。このため、例えば磁力クランプ装置として利用することができる。なお、補極永久磁石５２の回転軸は図４（Ａ）に示した方向とするほか、条件によっては図４（Ｂ）に示した方向とすることができる。

上記したように、本発明の吸着ユニットは構造が簡単であり、補極永久磁石の磁極の向きを反転させることにより、基準面に作用する磁気吸着力を大きく変化させることができる。

（橋梁点検ロボット）
次に、図５以下を参照しつつ、前記の第１の実施形態に示した直線状の吸着ユニットを利用した橋梁点検ロボットを説明する。

図５は本発明の実施形態の橋梁点検ロボットの平面図、図６は側面図、図７は正面図である。これらの図において、１０は縦長の本体であり、その上面には複数の吸着ユニット１１が走行方向に沿って配置されている。この実施形態では吸着ユニット１１の数は３であるが、ロボット全体の重量に応じて適宜増減することができる。

図３に示されるように、各吸着ユニット１１はユニットフレーム１２の前後に前輪１３と後輪１４を備え、それらの間には橋梁の下面との接触時に摩擦力を低減する緩衝ベルト１５が掛け渡されている。またユニットフレーム１２の下面にはサーボユニット１６が設けられており、吸着磁石を回転させハルバッハ配列を実現させ全体磁力の強弱コントロールを可能にしている。なお、この橋梁点検ロボットは前進のみでなく後退することも可能であるから、前輪１３と後輪１４との名称は便宜的なものである。

本実施形態では、吸着ユニット１１は図８に示すように４個の主極永久磁石５１と３個の補極永久磁石５２を交互にハルバッハ配列したものであり、何れも磁石ケース１７の内部に収納されている。吸着ユニット１１の下面にはサーボモータ２０と歯車列２１からなる回転機構５３が設けられており、磁極が横向きの補極永久磁石５２を垂直軸の周りに回転させて磁極の向きを反転できるようにした。この構造によって、吸着ユニット１１は橋梁に対する吸着力を変更することができる。この吸着ユニット１１は主極永久磁石５１と3個の補極永久磁石５２を進行方向に一列に配置したものである。

各吸着ユニット１１は、前輪１３と後輪１４の下方に昇降可能な昇降シャフト２２を備え、ユニットフレーム１２と本体１０との距離を、前後個別に変えることができる構造となっている。具体的には、図６に示すように昇降シャフト２２の周囲にはコイルスプリング２３が配置されており、常時は昇降シャフト２２を上方に弾発してユニットフレーム１２と本体１０との距離を最大としている。しかし昇降シャフト２２の下端部には昇降用モータ２４によって駆動されるリンク機構２５が組み込まれており、本体１０に対して昇降シャフト２２を強制的に引き下げることができる。これにより、その昇降シャフト２２の上部の前輪１３または後輪１４は、本体１０の方向に引き下げられることとなる。

図５、図７に示すように、本体１０の左右にはレール３０が突設されており、このレール上に駆動輪３１が設置され、この駆動輪３１が絶えず橋梁の下フランジ６１の側面に密着することにより橋梁点検ロボットの前後移動を可能にしている。ここで吸着ユニット１１は添接板の中央を走行する必要があるため、駆動輪３１は下フランジ６１の幅変化に自動的に追随してレール３０上を動き、なおかつ左右のレールの中央に橋梁点検ロボット誘導させることで橋梁点検ロボットの下フランジ中央走行を可能にしている。駆動輪３１の上には落下防止ホイール３２が設置されており、万が一複数の吸着ユニットが橋梁の下フランジ６１からはがれても橋梁点検ロボットが落下することを防止している。

本実施形態の橋梁点検ロボットは上記のように構成された吸着ユニット１１を備えているため、図９（Ａ）に示すように吸着ユニット１１の先端が橋梁の下面の添接板６０に差し掛かったときに、回転機構によって左側の吸着ユニット１１の補極永久磁石５２の向きを変え、吸着力を低減させるとともに、（Ｂ）のように昇降用モータ２４によって前輪１３を引き下げる。この間、他の吸着ユニット１１は磁力を最大にして、ロボット全体の重量を支えている。このようにして前輪１３が添接板６０の下面に入ったら、次に（Ｃ）のように後輪１４も引き下げる。他の吸着ユニット１１も以下同様にして、ロボットは落下することなく、添接板６０を乗り越えることができる。

なお、下フランジ６１の下面の添接板６０は多数のボルト又はリベットで固定されているが、幅方向の中央部には幅数十ｍｍにわたり、ボルト又はリベットのない部分がある。上記したように吸着ユニット１１はこの部分を走行することにより、ボルト又はリベットの頭部に邪魔されることなく、安定した走行が可能となる。

本体１０には橋梁の下面を撮影するためのカメラ４０が搭載されている。カメラ４０は外部からの指令により上下左右角度調整可能で、撮影位置が変更できる。また画像をリアルタイムで指令作業者に送信し、変状が発見された場合に作業者がより詳しい状況を観察できる。なお、点検手段はカメラ４０に限定されるものではなく、その他の点検手段を搭載することもできる。

以上に説明したように、本発明の橋梁点検ロボットは、吸着ユニット１１により橋梁の下面に吸着し、添接板６０を乗り越えながら走行することができる。このため、橋梁の下方に予めレールを敷設する必要もなく、また点検作業車が入り込めない場所においても、作業性よく橋梁の点検を行うことが可能となる利点がある。

１ 固定磁石（先行技術）
２ 移動ヨーク（先行技術）
３ 制動装置（先行技術）
１０ 本体
１１ 吸着ユニット
１２ ユニットフレーム
１３ 前輪
１４ 後輪
１５ 緩衝ベルト
１６ サーボユニット
１７ 磁石ケース
２０ サーボモータ
２１ 歯車列
２２ 昇降シャフト
２３ コイルスプリング
２４ 昇降用モータ
２５ リンク機構
３０ レール
３１ 駆動輪
３２ 落下防止ホイール
４０ カメラ
５０ 基準面
５１ 主極永久磁石
５２ 補極永久磁石
５３ 回転機構
６０ 添接板

Claims (8)

1. 磁極の向きを基準面に対して垂直とした主極永久磁石と、磁極の向きを基準面に対して平行とした補極永久磁石とを交互にハルバッハ配列するとともに、補極永久磁石の磁極の向きを反転させる回転機構を設け、前記回転機構を用いて補極永久磁石を回転させることによって前記基準面に作用する磁気吸着力の強弱を自由に制御可能としたことを特徴とする吸着ユニット。
2. 基準面が平面であり、主極永久磁石と補極永久磁石をこの基準面に沿って直線状に配置したことを特徴とする請求項１記載の吸着ユニット。
3. 基準面が平面であり、主極永久磁石と補極永久磁石をこの基準面に沿って円形に配置したことを特徴とする請求項１記載の吸着ユニット。
4. 基準面が円筒面であり、主極永久磁石と補極永久磁石をこの基準面に沿って放射状に配置したことを特徴とする請求項１記載の吸着ユニット。
5. 回転機構が各補極永久磁石を個別に、あるいは同時に反転させる機構であることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の吸着ユニット。
6. 請求項２の吸着ユニットにより橋梁の下面に吸着して走行しながら点検を行う橋梁点検ロボットであって、点検手段を備えた本体と、本体の上面に走行方向に沿って一列に配置された複数組の吸着ユニットと、前記本体を前記走行方向に沿って移動可能とする駆動手段とを備え、前記各吸着ユニットの主極永久磁石と補極永久磁石とが進行方向に沿って一列に配置されており、前記駆動手段が前記吸着ユニットとは別に設けられていることを特徴とする橋梁点検ロボット。
7. 前記各吸着ユニットを本体に対して昇降させる昇降機構を備え、前記昇降機構は、前記各吸着ユニットの進行方向の一方側と他方側とを個別に昇降させることが可能であることを特徴とする請求項６に記載の橋梁点検ロボット。
8. 前記駆動手段が、本体の左右に突設されたレール上に移動可能に設けられた駆動輪であり、前記駆動輪が橋梁の下フランジの側面に常に当接しながら走行することを特徴とする請求項６に記載の橋梁点検ロボット。

Images