JPH1024875A - 壁面走行ロボットの足回り装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】橋梁や鉄塔の外壁面等の壁面昇降して所定の作
業を行うロボットの壁面に形成された段差部をスムーズ
に乗越えして走行し、脱落や転倒剥離がないようにす
る。 【解決手段】ロボット１' の車体フレームを前後方向に
三分割し、各分割車体ホイールに対しアクチュエータの
流体シリンダ１２を介しフロントホイール７を上下に伸
縮させて見かけ上の高さを低くするようにし、併せて吸
着体の磁石５も流体シリンダ１３により壁面４への広が
りを防止し、吸着力の減少を防止する。又、ホイールを
３つ以上にしてフロントホイール７の段差部９の乗越え
を行うに際しての吸着力の減少をミドルホイール７''と
リヤホイール７' によりバックアップし安定した吸着力
を保証するようにする。 【効果】壁面に段差部があってもスムーズに乗越えが出
来、滑落や転倒，剥離等が生ぜず、所定の作業が確実に
行われるように保証される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】開示技術は、橋梁や鉄塔等の相当
な高さを有する鋼構造物の壁面にて走行し、所定の施工
や検査等の作業を自動的に、或いは、遠隔操作等により
行うホイール付のロボットの足回り装置の構造の技術分
野に属する。

【０００２】

【従来の技術】周知の如く、市民生活の向上は産業の隆
盛に負うところが大であり、各種産業は都市部や都市近
郊は言うに及ばず、地方部にあってもますますその企業
活動は盛んになってきている。

【０００３】そして、通信網や道路交通手段の全国的ネ
ットワークに支えられて各企業体は活動範囲を陸上部の
みならず、臨海，海上へも進出させ、さまざまな構築物
等の施設が稼動している。

【０００４】而して、これらの施設，構造物は初期構築
は勿論のこと、経年的な稼動にあっても施設の効率的稼
動や経済効果等の点から常にその機能が定常的に設計通
りに維持されることが不可欠であり、したがって、初期
構築時の仕上げ検査等は勿論のこと、稼動中における検
査もメンテナンス時にも極めて重要である。

【０００５】そして、企業活動が大規模になると、かか
る構築物はサイズ，規模共に大きくなり、しかも、山間
部や遠隔地，臨海地区にあっても人手作業にとって悪条
件の高所や複雑部位に在る態様が多く、そのため、初期
構築作業は勿論のこと、検査メンテナンス等の所定の作
業は安全性やコスト，正確さ等の点から人手作業によら
ず自動式や遠隔操作式のロボットによる作業態様が多く
採り入れられるようになり、近時ますますかかる態様が
導入される傾向にあり、その限り、該種ロボットによる
より正確な作業性の向上についての研究や開発改善，改
良が求められ、又、実際に行われつつある。

【０００６】そして、高層構築物の橋梁，鉄塔，大型船
舶の船殻等の鉄鋼構造物の外壁等の壁面に沿って昇降等
の走行を行いながら、検査やメンテナンス等の所定の作
業を行う態様について、図６に示す基本的態様の力学的
モデルにより略説すると、自動式、或いは、遠隔操作式
のロボット１はその車体フレーム２に所定の作業装置３
を装備し、壁面４に対して滑落，剥離，転倒等のトラブ
ルを防止すべく該ロボット１を所定に吸着する吸着体と
しての磁石５，５' を付設するフロントホイール７、リ
ヤホイール７' により前進後退（昇降移動）の走行を行
いながら、所定の走行作業や検査作業を行うようにされ
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】而して、該壁面４がフ
ラット（許容範囲の緩傾斜）な場合にはロボット１の重
心８はフロントホイール７、リヤホイール７' 間に在っ
て壁面４に常に一定距離を保つようにされて走行される
ために、スリップはともかくとして、所定のスムーズな
走行が行われ、ロボット１の滑落や転倒等のトラブルは
生じないようにされることは数理解析や実験よっても確
認されている。

【０００８】尚、上記スリップについてはホイールに所
定の滑り加工を施したり、タイヤを装着することにより
充分にクリアーされ得るものである。

【０００９】ところで、壁面４にあっては、図７に示す
様に、壁面４自体のボルトヘッドやパネルの重合部の凹
凸形状の段差部９が存在する形態が多くあり、したがっ
て、ロボット１の走行に際してはフロントホイール７
（走行時はリヤホイール７' ）に対して該凹凸形状部９
のエッジ１０がロボット１の走行に障害となる場合があ
り、段差部の乗越え接線角が摩擦係数によって決められ
る一定以上の角度を有する段差部９に対してはその乗越
えが不可能となる不都合さがあり、単に該乗越えが不可
能であるばかりでなく、当該図７に示す様に、フロント
ホイール７の浮き上りが重心８に対しモーメント１１を
生じて不測の転倒を生じたり、又、ロボット１の壁面４
に対する吸着作用がフロント側の磁石５について弱くな
ることになり、リヤホイール７' 側の磁石５によりこれ
をバックアップ的に司どらざるを得ず、その結果、壁面
４に対する充分な吸着力を付与出来ず、したがって、一
定の摩擦係数があっても、脱落や転倒とまでいかなくと
も、揺動等を生じ、所定の作業が所望通りに出来ないと
いう難点があった。

【００１０】これに対処するに、ホイール７，７' の径
を大きくし、段差部９のエッジ１０に対する乗越え接線
角を小さくすることにより乗越えを行うことが出来るこ
とは理論的には可能であっても、実際の設計にあっては
それだけロボット１の車体フレーム２の壁面４に対する
間隔、即ち、重心８の該壁面４に対する間隔を大きくと
ることになり、ロボット１自体の嵩高を招き、結果的に
重量増大ともなり、走行に支障をきたしかねないという
ネックがある。

【００１１】このように磁石５の吸着体による壁面４に
対する間隔を保持しての走行を行うロボット１には段差
部を乗越えするに力学的な吊り合い条件から生じる不可
避的な走行不能の欠点を有しているものである。

【００１２】又、かかる壁面４の段差部９やエッジ１０
による問題はボルトやパネルばかりでなく、経年的な異
物付着等によって形成される段差部によっても生ずるも
のであり、実稼動にあってホイール７，７' の乗越えを
困難化し、吸着体５と壁面４とのクリアランスを広げ、
駆動力を低減させるものであった。

【００１３】

【発明の目的】この出願の発明の目的は上述従来技術に
基づく壁面に対する磁石等の吸着体を装備し、鋼構造物
の壁面を自動式に、或いは、遠隔操作式に走行する所定
の作業用のロボットの壁面に形成された段差部の乗越え
に伴う走行障害や転倒等の問題点を解決すべき技術的課
題とし、壁面走行ロボットの本来的なメリットを充分に
生かし、該壁面に段差部が形成されていても、安定した
走行が行え、所定の施工や検査等の作業が設計通りにス
ムーズに行えるようにして建設産業における対面作業技
術利用分野に益する優れた壁面走行ロボットの足回り装
置を提供せんとするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段・作用】上述目的に沿い先
述特許請求の範囲を要旨とするこの出願の発明の構成
は、前述課題を解決するために、橋梁や鉄塔、或いは、
大型船舶の船殻等の鉄鋼構造物の立設壁面に対する所定
の施工やメンテナンス、或いは、検査作業等を磁石等の
吸着体を有する自走式、或いは、遠隔操作式のロボット
を所定の昇降走行に際し、前後方向のホイールフレーム
を車体ホイールに対し進退させて車軸を壁面に対し高さ
を所定に制御して凹凸形状等の段差部との高さ差を少く
し、フロントホイールの吸着力を大きくして乗越え抵抗
をコントロールし得るようにし、併せて磁石等の吸着体
の壁面に対するクリアランスを流体シリンダ等のアクチ
ュエータを介し大小にコントロールし得るようにし、ホ
イールにタイヤ等を装着し摩擦力が小さくならないよう
にし、段差部が壁面に形成されていても容易に乗越え出
来、又、車体フレームを半分割以上にして走行に際して
のフロントホイールを段差部を乗越えた時に当該フロン
トホイール側の吸着力が低減された際にも後側のリヤホ
イール側の吸着体により壁面に対する吸着力をバックア
ップし、ロボットの姿勢が不安定になるのを防止し、確
実、且つ、スムーズに所定の作業が安定して継続的にす
ることが出来るようにした技術的手段を講じたものであ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、この出願の発明の１実施形
態を図１〜図５に基づいて説明すれば以下の通りであ
る。

【００１６】尚、図６，図７と同一態様部分は同一符号
を用いて説明するものとする。

【００１７】図示実施形態は橋梁等の鉄鋼構造物の外壁
の垂立状壁面４に対する無線操縦式のロボットの態様で
ある。

【００１８】図１，図２に示す態様において、１' はこ
の出願の発明の要旨の中心を成す壁面走行ロボットであ
り、その車体フレーム２には所定の作業装置３が装備さ
れ、壁面４に対しては該車体フレーム２に対しアクチュ
エータとしての流体シリンダ１２を介しホイールフレー
ム６が（高さ方向に）進退動自在に配設されて車軸１４
を介しフロントホイール７、リヤホイール７' を回動裡
に軸装している。

【００１９】又、各ホイール７，７' の間には（左右両
側のホイール７，７' の間には）ロボット１' を壁面４
に対し所定の間隔状態を保持するように吸着作用する吸
着体としての永久磁石５が同じくアクチュエータの流体
シリンダ１３を介しホイールフレーム６に対し（高さ方
向に）進退自在に設けられている。

【００２０】そして、フロントホイール７が壁面４に形
成されているボルトヘッドやパネル、或いは、付着物等
により形成される段差部９を図示しないセンサーを介し
て該フロントホイール７がエッジ１０を検知すると、予
め設定されたプログラムにより永久磁石５をアクチュエ
ータ１３により引き上げて吸着力をまず弱めるようにさ
れている。

【００２１】そして、予め設定されたプログラムによ
り、段差部９の乗越え接触角に相当する高さ分だけ車体
フレーム６をアクチュエータ１２により引き上げて縮小
し、見かけ上の該段差部９の高さを低くするようにして
乗越え抵抗を小さくするようにされている。

【００２２】而して、両アクチュエータ１２，１３の高
さ調整コントロールは該ロボット１の作業装置３内にセ
ットされている図示しない適宜の制御装置のコンピュー
タを介し容易に行うことが出来るようにされている。

【００２３】勿論、当該実施形態は無線操縦によるリモ
ートコントロール式の自動制御タイプであるために、当
該無線操縦によるコントロールも行われ得るものであ
る。

【００２４】而して、車体フレーム２にあっては前後方
向に図２に示す様に、３分割され、各々バネ式ジョイン
トや流体圧式ジョイント１２によりフレキシブルに連結
され、各々アクチュエータ１３を介しホイールフレーム
６が独立して設けられ、各磁石５を独立に装備してお
り、又、フロントホイール７とリヤホイール７' の間に
はミドルホイール７''が独立して装備されて、各ホイー
ル７，７' ，７''は各々アクチュエータ１３により伸縮
自在にされ、又、採用する各磁石５も各々独立に伸縮自
在にされている。

【００２５】したがって、図３〜図５に示す様に、ロボ
ット１' は各３分割された各車体フレーム２、及び、各
ホイールフレーム６によりスネークオン式に壁面４に対
し進行方向に対し平面状で走行することが出来、該壁面
４にボルトヘッドやパネル等の段差部９が在る場合に
は、各ホイール７，７' ，７''の高さを見かけ上高くし
て乗越え抵抗を減少させ、容易に乗越えが出来、併せて
各ホイールフレーム６の磁石５は壁面４に対する吸着間
隔を一定に保つように伸縮してロボット１' の壁面４に
対する吸着力が下がらないようにされるようにされてい
る。

【００２６】尚、図３〜図５に示す走行プロセスにおい
て、（イ），（ロ），（ハ）〜（イ' ），（ロ' ），
（ハ')はロボット１の走行の移動プロセスを示すもので
はなく、段差部９に対する各ホイール７，７' ，７''の
乗越えステージを示すものである。

【００２７】而して、図３は機械的段差部９を乗越えす
る態様であり、通常の高さ基準位置を保ったまま走行す
る状態を示しており、図４は長い上り段差部９' を乗越
えする状態を示してあり、図５は下り段差部９''を乗越
えするステージの状態を示しているものであり、上述し
た如く、各ホイール７，７' ，７''の乗越えステージを
図示の都合上１列で示しているものである。

【００２８】したがって、図３，図４，図５に於ける白
矢印はかかる各ステージの変位プロセスを示しているに
過ぎないものである。

【００２９】而して、当該実施形態においてフロントホ
イール７とリヤホイール７' との間にミドルホイール７
''を配設する理由は前述した如く該フロントホイール７
の段差部９，９' ，９''のエッジ１０の乗越えに際し、
該各段差部９，９' ，９''の乗越えは容易には行われる
ものの、リヤホイール７' の磁石のみの吸着力でロボッ
ト１' を支持することは不安定になるためにこれをバッ
クアップしてカバーするべく設けたものである。

【００３０】したがって、フロントホイール７、或い
は、リヤホイール７' の段差部９，９' ，９''の乗越え
に際しても磁石５によるロボット１' の壁面４に対する
吸着力は確実に保証されることになる。

【００３１】上述構成において、電波操縦による遠隔操
作を介しロボット１' により橋梁や鉄塔等の鋼構造物の
壁面４に沿って昇降走行させつつ所定の施工作業や検査
等のメンテナンス作業を行うに際し、該壁面４が略フラ
ットな面の場合には各ホイール７，７' ，７''はスムー
ズに転動走行し、作業装置３により所定の作業を行うも
のであるが、該壁面４にボルトヘッドやパネル重合部や
付着異物等の段差部９，９' ，９''が在る場合には、フ
ロントホイール７が（昇降いずれの場合であっても）が
該段差部９，９' ，９''の吸着のエッジ１０に接触する
と、図示しないセンサーが段差部乗越え接触角を検出
し、まず、フロントホイール７に対するアクチュエータ
の流体シリンダ１２を縮少して該フロントホイール７を
してそのホイールフレーム６を車体ホイール２に対し引
き込み、見かけ上の段差部９，９'，９''の高さを低く
し、即ち、車軸１４をを高くして乗越え抵抗を下げ、ロ
ボット１' の段差部９，９' ，９''に対する乗越えを壁
面４がフラットな場合と同様に行うようにし、その際、
吸着体の磁石５が該壁面４に対しその間隔を広げてロボ
ット１' の壁面４に対する吸着を弱めるように不安定に
なるようになるが、この出願の発明にあっては後側のミ
ドルホイール７''とリヤホイール７' が各磁石５を壁面
４に対しそれがフラットな場合同様に壁面４との間隔を
調整するようにされているために吸着力の不安定さは生
ぜず、ロボット１' は安定した状態で段差部９，９' ，
９''をスムーズに乗越えして走行し、そのため、所定の
作業は支障なく行われる。

【００３２】この場合、該段差部９，９' ，９''が短い
場合は図３に示す通りであって通常の高さの基準位置を
保持したまま、ステージ（イ）〜（ロ），（ハ）へステ
ージが移行し、スムーズに乗越え走行が行われ、又、該
段差部９，９' ，９''の上り状態では図４に示す通り同
様にスムーズな乗越え走行が行われ、該段差部９，９'
，９''を乗越えたホイール７，７' ，７''の位置姿勢
が安定するようになり、又、図４と逆に下りの長い段差
部９''の場合は図５に示す状態となり、上述（イ' ）〜
（ロ' ）を経て（ハ' ）にステージが移るのに比べ（イ
''）〜（ロ''）を経て（ハ''）へと各ステージが移行す
る。

【００３３】この場合、降りたホイール７，７' ，７''
の位置が基準高さとなるものである。

【００３４】そして、各ステージにあってはロボット１
' に装備する図示しないセンサーとマイクロコンピュー
タが上述動作を行うものであって、電波操縦による無線
操作によってこれを行うものでなく、遠隔操作は昇降，
各所定の作業の指令を発するに過ぎない。

【００３５】尚、この出願の発明の実施形態は上述実施
形態に限るものでないことは勿論であり、例えば、磁石
等の吸着体のアクチュエータを介しての伸縮（昇降）は
光センサーを装備して該吸着体が段差部に近接、或い
は、近接したタイミングで行う等種々の態様が採用可能
である。

【００３６】又、設計変更的にはアクチュエータはピニ
オンラック等を用いたりすることも出来ることは勿論の
ことである。

【００３７】そして、ロボットの遠隔操作についてはワ
イヤーケーブルやテープケーブル等を介し行うことが出
来、その応用例としては吸着体は磁石を電磁石にした
り、バキューム機構にする等も出来、それによって壁面
は鋼構造物ばかりでなく、コンクリート構造物であって
も良い等の応用が可能である。

【００３８】そして、ロボットの作業対象は山間部や複
雑な部位に作業に限らず、水上に於ける船舶の船殻に対
しても行え、又、微小角度オーバーハングする壁面に対
しても行えるものである。

【００３９】そして、この間車体フレーム２にあっては
図２に示す様に、３つに分割されてフレキシブルジョイ
ント１２を介していることにより、対応するホイールフ
レームを介してのホイール７，７' ，７''、及び、各吸
着体５の独立した相対伸縮を可能にし得るものである。

【００４０】そして、各ホイールにタイヤが装着してい
る場合には装備している光センサーが段差部を検知する
と、該タイヤのエア圧を高低にコントロールし、ホイー
ル径を制御して該段差部に対する乗越え抵抗を変化させ
てスムーズに乗越え走行にする等の技術展開にプラスさ
せることも出来る。

【００４１】

【発明の効果】以上、この出願の発明によれば、基本的
に橋梁や鉄塔等の鉄鋼構造物等の外壁面を昇降する等走
行して初期施行作業やメンテナンス作業，点検等の諸作
業を自動的、或いは、遠隔操作による自動制御を行うロ
ボットの足回り装置にあって、該壁面がフラットな場合
にはスムーズな走行が保証され、滑落や転倒等が生じな
い態様であっても、該壁面にボルトヘッドやパネル重合
部や付着異物等の段差部が在る場合には当該ロボットの
壁面に対する間隔が広がって剥離や転倒等、或いは、滑
落等が生じて所定の作業がスムーズに行われない場合で
あるが、フロントホイールが当該段差部のエッジに当接
して乗越え抵抗が大きくなると、ホイールフレームを車
体フレームに縮退させて該フロントホイールの段差部に
対する見かけ高さを低くし、乗越え抵抗を減少させてス
ムーズに走行が出来るようにし、併せて磁石等の吸着体
をもアクチュエータを介し車体フレームに対し進退動自
在に出来るようにしたことにより、段差部が形成されて
いる部位にあっても吸着力を弱めることなく、したがっ
て、乗越えが確実に行え、加えて、壁面に対するホイー
ルを進行方向に対し少くとも３つ以上にすることによ
り、フロントホイールが段差部に対し乗越えを容易にさ
せ得るにもかかわらず、リヤホイールの吸着力が不安定
になることを防止し、フロントホイールの段差部に対す
る乗越え時に後に２つ以上のホイールが吸着力をバック
アップして安定した乗越え走行を保証するという優れた
効果が奏される。

【００４２】そのため、段差部の下方（後方）への滑落
等が生ぜず、又、段差部による重心回りのモーメントが
生じても、転倒が生ぜず、安定姿勢での走行が続行さ
れ、所定の作業が確実に行われるという優れた効果が奏
される。

【００４３】そのため、本来的な段差部の力学的吊り合
いから生ずる変動的な段差部の乗越え不能の問題が確実
に解決され、高所や危険部位でのロボットのみによるメ
リットのある作業が確実に行えるという優れた効果が奏
される。

【００４４】そして、ロボットのサイズにもよるが、こ
の出願の発明にあってはホイールフレームや吸着体の進
退アクチュエータを浮設するだけであることから、サイ
ズの増大は勿論のこと、重量増大もそれほど大きな影響
を与えず、ロボット自体の設計や構造等に重大な影響が
ないメリットがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この出願の発明の１実施形態の模式概略正面図
である。

【図２】同、模式概略側面図である。

【図３】同、磁界段差部に対するロボットの乗越えの各
ステージの模式側面図である。

【図４】長い上り段差部に対するロボットの各ステージ
の模式側面図である。

【図５】長い下り段差部に対するロボットの各ステージ
の模式側面図である。

【図６】フラットな壁面に対するロボットの車体模式側
面図である。

【図７】段差部を有する壁面のロボットの走行模式側面
図である。

【符号の説明】

４ 壁面 １' ロボット ２ 車体フレーム ６ ホイールフレーム ５ 吸着体（磁石） ７，７' ，７'' ホイール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷口 弘文 静岡県富士市大淵3154 社団法人日本建設 機械化協会 建設機械化研究所内 (72)発明者 井辺 智吉 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】車体フレームにホイールフレームと壁面に
   対する吸着体が併設されている壁面走行ロボットの足回
   り装置において、上記車体フレームに対しホイールフレ
   ームがアクチュエータを介して進退動自在に装備され、
   更に該ホイールフレームに対し上記吸着体がアクチュエ
   ータを介して進退自在に装備されていることを特徴とす
   る壁面走行ロボットの足回り装置。
2. 【請求項２】車体フレームが３つ以上に伸縮自在に分割
   され、該各車体フレームに各々ホイールフレームが装備
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の壁面走行ロボットの足回り装置。
3. 【請求項３】上記吸着体が磁石にされていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１，２項いずれか記載の壁面走
   行ロボットの足回り装置。
4. 【請求項４】上記磁石が永久磁石にされていることを特
   徴とする特許請求の範囲第３項記載の壁面走行ロボット
   の足回り装置。
5. 【請求項５】上記ホイールフレームに軸装したホイール
   にタイヤが装備されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１，２，３項いずれか記載の壁面走行ロボットの
   足回り装置。
6. 【請求項６】上記アクチュエータが流体シリンダにされ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の壁
   面走行ロボットの足回り装置。
7. 【請求項７】上記アクチュエータがピニオンラック機構
   にされていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の壁面走行ロボットの足回り装置。