JPH01160785A

JPH01160785A - 曲面追従用移動ロボット

Info

Publication number: JPH01160785A
Application number: JP62316239A
Authority: JP
Inventors: Shinji Naito; 内藤　紳司; Haruo Kibuse; 木伏　春夫; Masahiro Koike; 正浩小池; Masayuki Watabiki; 綿引　誠之
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-12-16
Filing date: 1987-12-16
Publication date: 1989-06-23

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、移動ロボットの脚または車輪が移動対象の物
体表面に接する部分の構造に係わり、特に曲面や凹凸の
存在する面上の移動に適したロボットの移動機構に関す
る。

〔従来の技術〕

任意形状の面上に物体を置く場合、物体が面に接する接
地点が３個を超えると、面の形状によって接しなくなる
接地点が発生する。このことは。

面上を移動する移動ロボットでも同じで、移動面の形状
などによって、移動面から脚が離れてしまったり、ある
いは車輪が浮き上がってしまったりする。これに対処す
る方法として、移動体に対した車輪を弾性懸架する方法
が広く用いられる６しかしこの方法では移動体に外力が
働くと傾いたりガタが発生し、移動方向や位置・姿勢が
不安定になることは広く知られている。

一方、脚先端または車輪で移動面に吸着して重力に逆ら
いながら移動する壁面移動ロボットでは、別の問題が生
ずる。このような壁面移動ロボットは、吸盤や磁石等の
吸着装置を移動面に密着させることによって吸着力を生
ずる。したがって移動面が平面の場合は、吸着装置を大
形化するか個数を増やすことによって、より大きな吸着
力を得ることができる。しかしながら移動面が曲面の場
合は、任意形状の移動面に対し常時吸着するのは最低３
個でしかない。すなわち吸着装置を多数持たせても、３
個を超える吸着装置の吸着力は無駄になってしまい、十
分な吸着力を確保できない。吸着装置を弾性懸架する方
法も考えられるが、弾性要素の変形に要した力だけ吸着
力が減少してしまう。また、大形の吸着装置は移動面上
の不整地に追従できないため、使用は難しい。

このために浮き上がった脚を能動的に伸縮して移動面に
密着させることが考えられるが、機構が複雑になるため
大形化９重量化は避けられない。

機構を大形化しないで、ある程度の曲面上を移動できる
ようにする方法は、例えば第３回日本ロボット学会学術
講演会予稿集）昭和６０年１１月）の第４２５〜４２６
頁に示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

これは４個の吸着装置をもつ壁面移動ロボットだが、ロ
ボット本体と各吸着装置の間に受動的な自由度を持たせ
て、ある程度の曲面に追従できるようにしている。しか
しながら追従可能な曲面形状は限られている。例えば、
吸着装置の接地点に局部的な凹凸が存在するような場合
は、この吸着装置は最悪の場合吸着力を発揮できない。

本発明の目的は、移動ロボットが移動面に接する接地点
が、任意形状の移動面に対して、常時浮き上がることな
くすべて接するような脚構造のロボットを、弾性要素を
用いずに実現することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、移動ロボットが移動面に接する部分を３点
支持構造とし、さらに３点支持構造の先端に別の３点支
持構造を回転自在に繰り返し接続してゆく階層構造をと
ることにより達成される。

たとえば、脚を用いて歩行する形の移動ロボットにおい
ては、脚の先端を３分割し、分割された各部分の機端に
、先が３分割された別の脚を回転自在に接続すればよい
。必要ならば、このような脚の接続をさらに繰り返して
いけばよい６車輪で走行する形の移動ロボットにおいて
は、３個の車輪の位置関係が固定された３輪構造を、３
個集めて回転自在に接続すればよい。これも同様に、必
要に応じてこのような３輪構造の接続を繰り返していけ
ばよい。

〔作用〕

第１図と第２図は本発明の詳細な説明するために、本発
明の曲面追従用移動ロボットの脚を１本だけ取り出して
示したものである。第１図は脚を平面上に置いた場合、
第２図は曲面上に置いた場合を示している。

フレーム１には３本の脚２ａ〜２ｃが固定されており、
各脚２ａ〜２ｃにはサブフレーム４ａ〜４ｃが自在継手
３ａ〜３ｃを介して回転自在に接続されている。脚２８
〜２ｃに対してサブフレーム４ａ〜４ｃを回転自在に接
続することにより、各サブフレームの位置関係や姿勢に
かかわらず、フレーム１はサブフレーム４ａ〜４ｃに追
従することができる。

サブフレーム４ａには３本の脚５８〜５ｃが固定されて
おり、それぞれの脚５ａ〜５ｃには接地部６８〜６ｃが
固定されている。接地部６ａ〜６ｃの形状を球とするこ
とにより、サブフレーム４ａは任意の移動面形状になら
うことができる。

見方を変えると、サブフレーム４ａは接地部６８〜６ｃ
を接地点として、移動面に対し脚５ａ〜５ｃによって３
点支持されていることになる。サブフレーム４ａ、４ｃ
についても同様に３点支持構造となっている。

以上をまとめると、フレーム１は脚２ａ〜２Ｃをもって
３点支持構造をなし、さらに各脚２ａ〜２Ｃの先端にサ
ブフレーム４ａ〜４ｃが接続されて、それぞれが類似の
３点支持構造をなしている。

したがってこの機構は２階層の３点支持構造ということ
ができる。

このような機構を曲面上においた例が第２図である。サ
ブフレーム１４ａ〜１４ｃのなす３点支持構造はそれぞ
れ任意曲面に追従でき、さらにフレーム１１はサブフレ
ーム１４ａ〜１４ｃの任意配置・姿勢に追従が可能であ
る。したがって第２図の機構は、任意形状の移動面１０
に対して、脚１５ａ〜１５ｈのいずれも浮き上がること
なく追従が可能である。

また、移動面の凹凸が激しくて、これだけでは移動面の
形状に追従できないような場合には、さらに階層化をは
かることができる。たとえばフケーム１に自在継手７を
介して回転自在にロッド８を取り付けた、第１図に示す
ような構造の脚を３個用意し、これをさらに上位のフレ
ームに固定して、全体として３階層の３点支持構造とす
ることが考えられる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を、第３図と第４図を用いて説
明する。第３図と第４図は、本発明を用いた壁面吸着移
動用ロボットの脚を、１本だけ取り出して示したもので
ある。第３図は脚を平面上に置いた場合、第４図は曲面
上に置いた場合を示している。

フレーム２１には３本の脚２２ａ〜２２ｃが固定されて
おり、各脚２２・ａ〜２２ｃにはサブフレーム２４ａ〜
２４ｃが自在継手２３　ａ　〜２３　ｃを介して回転自
在に接続されている。脚２２ａ〜２２ｃに対してサブフ
レーム２４ａ〜２４．　ｃを回転自在に接続することに
より、各サブフレームの位置関係や姿勢にかかわらず、
フレーム２１はサブフレーム２４ａ〜２４ｃに追従する
ことができる。このサブフレーム２４ａには３本の脚２
５ａ〜２５ｃが固定されており、それぞれの脚２５ａ〜
２５ｃには吸着装置２７ａ〜２７ｃが自在継手２６ａ〜
２６ｃを介して回転自在に接続されている。吸着装置２
７ａ〜２７ｃは、移動面の材料・表面性状に応じて、各
種磁石・吸盤などから適当なものを選べばよい。この吸
着装置２７ａ〜２７ｃは、脚２５ａ〜２５ｃに対して回
転自在に接続することにより、移動面の形状にならうこ
とができる。見方を変えると、サブフレーム２４ａは自
在継手２６ａ〜２６ｃの回転中心を仮想接地点として、
移動面に対し脚２５ａ〜２５ｃによって３点支持されて
いることになる。サブフレーム２４ｂ。

２４ｃにいても同様に３点支持構造となっている。

以上をまとめると、フレーム２１は脚２２ａ〜２２ｃを
もって３点支持構造をなし、さらに各脚２２ａ〜２２ｃ
の先端にサブフレーム２４ａ〜２４ｃが接続されて、そ
れぞれが類似の３点支持構造をなしている。したがって
この機構は２階層の３点支持構造ということができる。

このような機構を曲面上においた例が第４図である。サ
ブフレーム３４ａ〜３４ｃのなす３点支持構造はそれぞ
れ任意曲面に追従でき、さらにフレーム３１はサブフレ
ーム３４ａ〜３４ｃの任意配置・姿勢に追従が可能であ
る。したがって第４図の機構は、任意形状の移動面４０
に対して、吸着装置３７　ａ〜３７ｈのいずれも浮き上
がることなく追従が可能である。したがって本実施例に
よれば、壁面吸着移動用ロボットが有する吸着力を有効
に利用することができ、大きな吸着力を確保できる。ま
た任意形状の移動面に対しても吸着装置が剥離すること
がないため、必要最小限の吸着装置を装備すれば十分で
ある。

ここで、本実施例の壁面吸着移動ロボット用の脚に、重
力などの引っ張り荷重が作用した場合の挙動について調
べてみる。第３図においてロッド２９がフレーム２１の
重心に取り付けられているとすると、ロッド２９に動く
引張荷重３０は脚２２ａ〜２２ｃに均等に配分される。

すなわち引張荷重３０の大きさをＷとすると、各脚２２
ａ〜２２ｃにはＷ／３の引張荷重が働くことになる。

つぎに脚２２ａがサブフレーム２４ａの重心に取り付け
られているとすると、脚２２ａに働く引張荷重は脚２５
ａ〜２５ｃに均等に分配され、その大きさはＷ／９とな
る。脚２２ｂ、２２ｃについても同様で、各脚２５ｄ〜
２５ｈに働く引張荷重の大きさはＷ／９となる。すなわ
ち脚全体にＷの荷重が作用するとき、３点支持のｎ回階
層構造を用いることによって、各脚に働く荷重をＷ／３
”とすることができる。このことは任意形状の移動面に
ついて成立する。例えば第４図のような曲面からなる移
動面４０上において脚全体に大きさＷの引張荷重４１が
作用した場合、各脚３５ａ〜３５ｈに作用する荷重は均
等で、その大きさはやはりＷ／９となる。従来の壁面吸
着移動ロボットでは各脚に作用する荷重が不均一なため
、ロボットに働く荷重が大きくなくても、吸着力以上の
荷重が働いている吸着装置から順次剥離して落下すると
いう問題があった。本発明の方法を用いると特定の吸着
装置から剥離することはなく、吸着装置単体の吸着力に
その個数を乗じた値の吸着力を有するロボットが実現で
きる。

また別の実施例として、さらに階層化をはかることが考
えられる。たとえば、第３図のようにフレーム２１に自
在継手２８を介して回転自在にロッド２９を取り付けた
構造の脚を３個用意し、これをさらに上位のフレームに
固定して、全体として３階層の３点支持描造とすること
が考えられる。

本実施例によれば、移動面の凹凸が激しくて２階層では
移動面の形状に追従できない場合でも、階層数を上げる
ことによって任意形状の移動面に追従が可能である。ま
た、２階層では吸着力が不足する場合でも、階層数を上
げて吸着装置を増やすことより必要な吸着力を確保でき
る。

第５図は本発明の脚構造を用いた２足歩行型の壁面吸着
移動ロボットの一実施例である。本体５０には、モータ
や減速機から成る内蔵の能動機構によって駆動される２
本の主脚５１ａ、５１ｂが装備されている。主脚５１ａ
の先は、吸着力制御装置を内蔵した第１フレーム５２に
接続されている。この第１フレーム５２ａには３本の副
脚５３ａ。

５３ｂが固定されており、それぞれの自在継手５４ａ、
５４ｂを介して第２フレーム５５ａ。

５５ｂが接続されている。さらに第２フレーム５５ａ、
５５ｂにはそれぞれ３本ずつの副脚５６ａ〜５６ｄが固
定されており、それぞれに自在継手５７　ａ　〜５７　
ｄを介して吸着装置５８　ａ　〜５８　ｅが接続されて
いる。また、主脚５１ｂについても主脚５１ａと全く同
様の構造となっている。歩行動作は、一方の主脚を移動
面に吸着させた状態で他方の主脚を移動面から持ち上げ
、さらに前方へ送る動作を交互に行なうことで実現でき
る。本体５０には一方の主脚を持ち上げた際のバランス
を取るために、カウンターウェイト６０が装備されてい
る。カウンターウェイト６０は脚上げ動作と同期してア
ーム６１によって矢印６２のように回転運動する。本実
施例によれば、任意傾斜で任意形状の移動面上を、必要
最小限の吸着力が吸着しながら歩行できる。

以上の実施例は歩行型の移動ロボットについて述べてき
たが１本発明は車輪走行型の移動ロボットについても適
用できる。すなわち第１図において、接地部６を車輪に
置き換えることにより、任意形状の移動面に対してどの
車輪も浮き上がることなく追従走行が可能である。

また第３図において、自在継手２６と吸着装装置２７を
、たとえば磁石製車輪に置き換えることにより、任意形
状の移動面に対してどの車輪も剥離する事なく吸着走行
が可能である。また本体に引張荷重Ｗが作用する場合、
各磁石製車輪に作用する荷重は、歩行型の場合と同じく
Ｗ／９で均等である。磁石製車輪は１個あたりの吸着力
がきわめて小さいため、これまで車輪走行型の壁面吸着
移動ロボットは実現されなかった。しかし本発明によれ
ば、車輪数を任意に増やすことができるので必要な吸着
力を比較的容易に得ることができ、さらに特定の車輪か
ら順次剥離して吸着力を失なうこともないため、壁面吸
上移動ロボットが車輪走行型でも実現できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、移動ロボットが移動面に接する接地点
が、任意形状の移動面に対して）ｌき上がることなく、
常時液する脚構造の移動ロボットを実現できる。すなわ
ちこの移動ロボットは、うねりや凹凸のある壁面に対し
て追従することが可能になる。しかも脚部に弾性要素を
用いていないため、移動ロボットに外力が加わっても移
動方向や位置・姿勢が不安定になることはない。

さらに移動ロボット本体に作用する荷重を各脚に均等に
分散することができる。したがって、重力に逆らって壁
面に吸着移動するロボットでは、特定の吸着装置から順
次剥離して吸着力を失うことなく、吸着装置の数に比例
した吸着力を発揮できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の原理を示す斜視図、第３図、
第４図は本発明を壁面吸着移動ロボットの脚に適用した
場合の一実施例の斜視図、第５図は本発明の移動ロボッ
トの一実施例の斜視図である。１．１１，２１．３１・・・フレーム、２，５，１２゜
１５．２２，２５，３２，３５・・・脚、３，７゜１３
．２３，２６，２８，３３，３６，３８゜５４．５７・
・・自在継手、４，１４，２４，３４・・・サブフレー
ム、６．１６・・・接地部、２７．３７゜５１・・・主
脚、５２・・・第１フレーム、５３．５６・・・第　２
　目４７４′・すブフし−４６、／ｂ　　接ｔ＋！：絆１０　坊動面第　３　日２１・・・フし−４２２、２，ｔ・・・バ岬２３．８．２８・・・自り維手２４・・・サプフし−４２７・・報を装量３０・・・引張脣吏第　４　目３１・・フし−４３２、あ・・脚、３３．３６羽・・・金冠縫子あ・・・サア７Ｌ−４３７・・・口ＩＬ８躇シ、１勅・・・ゼ１動画４１　・・・　弓１　タ１トイ＝１重第　５０．５２　・第１フし−ム、５３．５６　・・・畠り　脚、！Ｉ４．．５７　　自冴維乎

Claims

【特許請求の範囲】１、相互に回転またはスライド自在に接続して連鎖をな
す２個以上のリンクと、当該リンク間に装備して、リンク間相互を回転またはス
ライド運動させるアクチュエータと、から成り、連鎖末
端のリンクを物体表面に交互に接触させて移動する移動
機構において、上位側に回転自在に接続され、下位側を
３分割した３点支持構造を連鎖末端のリンクの先に階層的に接続したことを特徴と
する、曲面追従用移動ロボット。２、特許請求の範囲第１項において、物体表面への接地
部に、磁石あるいは吸盤等の吸着装置を回転自在に接続
して、物体表面に吸着しながら移動が可能な曲面追従用
移動ロボット。３、特許請求の範囲第１項において、前記３点支持構造
を階層的に接続して、最下位の部分に回転自在な車輪を
設置し、物体表面走行する曲面追従用移動ロボット。４、特許請求の範囲第３項において、磁石等の吸着装置
で構成した車輪を使用し、物体表面に吸着して走行が可
能な曲面追従用移動ロボット。