JPH11105752A

JPH11105752A - 走行装置

Info

Publication number: JPH11105752A
Application number: JP26896297A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Maruki; 木英明丸
Original assignee: Toshiba Engineering Corp; Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Engineering Corp; Toshiba Corp
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1997-10-01
Publication date: 1999-04-20

Abstract

(57)【要約】【課題】階段走行時、走行装置の全長を長く保って走
行の姿勢を安定に保つ一方、踊り場、コーナ部などの狭
隘箇所では全長を短くして小回りを利かして方向転換を
容易にすること。【解決手段】クローラ式走行装置１はクローラ２を有
する。このクローラ２は駆動輪８、覆帯９、前部回転輪
１１、後部回転輪１４から構成される。さらに、走行装
置１はクローラ２から独立した走行部３を有する。この
走行部３にはクローラ２を含む接地長さを変化させるた
めの調整装置１６が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば高層建家
内の点検、監視等に用いられるロボットに係り、特にロ
ボットが各階の階段、踊り場等を走行するとき、ロボッ
ト自身が階段、踊り場等に合わせて走行能力を変化さ
せ、所望の走行能力を発揮させるようにした走行装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電所、化学プラント等の高層建
屋内の点検、監視は、安全上監視員による監視に何らか
の危険が予想される場合にロボットによる方法が用いら
れる。このロボットには各階に監視対象の多数の機器が
点在しているために通路幅が狭い階段、踊り場を人間並
みに走行する能力が求められる。ロボットの走行部には
階段等の走行性および移動時の制御性を考慮してクロー
ラ式走行装置を用いるものが多いが、このクローラ式走
行装置においては、たとえば階段を登りながら走行する
とき、走行装置の接地面が２段以上のステップエッジと
接して安定な姿勢が保たれるようにしなければならな
い。一方、走行装置の接地面をあまり長くし過ぎると、
踊り場やコーナ部の走行で走行装置の小回りが利かなく
なり、円滑に方向転換ができなくなる可能性がある。

【０００３】この対策としてクローラ式走行装置の全長
を状況に応じて変化させる３つの方法が提案されてい
る。第１の方法は前後のクローラの間隔を伸縮させる方
法であり、第２の方法はクローラを振り上げる方法であ
り、これらは２対クローラ式に適用することができる。
第３の方法はクローラ自身を変形させる方法で、これは
１対クローラ式に適用することが可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記したクローラ式走
行装置の全長を変化させる方法はクローラ接地面を短縮
できることから、ある程度広い踊り場やコーナ部では容
易に方向転換が可能であるが、広さが狭隘になればなる
ほど、小回りが利かなくなって方向転換等のための円滑
な動作が難しくなり、機動性が損なわれている。

【０００５】また、２対クローラ式走行装置において、
クローラを振り上げるように構成したものでは図１２
（ａ）に示すように走行装置７１のクローラ７２がロボ
ット本体７３のマニピュレータ７４の動作範囲に入って
しまい、作業そのものを困難にする可能性がある。ま
た、クローラを変形させるようにしたものでも図１２
（ｂ）に示すようにクローラ７２がマニピュレータ７４
の動作範囲に入り、作業そのものを困難にする。

【０００６】さらに、ロボット本体７３の視覚がこれら
の振り上げられたクローラ７２あるいは変形したクロー
ラ７２によって影響を受け、正確な動作を果し得なくな
る可能性がある。

【０００７】本発明の目的は階段走行時、走行装置の全
長を長く保って走行装置の姿勢を安定に保つ一方、踊り
場、コーナ部などの狭隘箇所では全長を短くして小回り
を利かして方向転換を容易にすることのできる走行装置
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は駆動輪、２個の回転輪を有する一対のクロー
ラを備え、外界センサで捉えた外界情報に基づいて自身
の進むべき方向を判断しつつ、クローラを所定の方向に
回転させて移動するように構成した走行装置において、
クローラの後端に連ねてクローラから独立した走行手段
を設け、走行手段にクローラを含む接地長さ全長寸法を
任意に変化させる調整装置を設けたことを特徴とする。

【０００９】走行装置の一部はたとえば階段走行時には
クローラを含む接地長さを大きく増し、一方、踊り場や
コーナ部などの狭隘箇所では小回りが利くように接地長
さを短くするためのクローラから独立している走行手段
として構成される。接地長さを変化させるためにこの走
行手段は調整装置を有する。この調整装置により階段走
行時にクローラを含む接地長さが、たとえば階段ステッ
プ２段以上確保できるように走行手段の接地長さを調節
する。このような走行条件に応じて接地長さを変えなが
ら走行することにより、階段、障害物等の走行時、走行
装置の姿勢を安定に保ち、一方、踊り場、コーナ部など
の狭隘箇所では小回りを利かして方向転換を容易にする
ことができる。この独立した走行手段はその走行機構を
クローラの走行機構を速度および動作方向を同期させる
ように制御する。

【００１０】本発明は、望ましくは走行手段がクローラ
もしくはそりあるいは多連ローラで構成される。

【００１１】さらに、本発明は、望ましくは走行手段が
クローラと走行手段との間の角度を任意に変えるための
振り上げ機構を備える。

【００１２】また、本発明は、望ましくはクローラの水
平部から斜め上方に延びる傾斜部に一定のピッチを保っ
てステップセンサを設け、クローラの覆帯が階段のステ
ップエッジに接地したことをステップセンサで検知し、
その検知信号に基づいて階段のステップ高さおよび奥行
きを判断し、クローラを含む接地長さが階段ステップ２
段以上確保できるように独立した走行装置の長さを調整
装置によって変化させる。

【００１３】さらに、本発明は、望ましくは外界センサ
が超音波あるいは光波を用いて非接触により障害物を検
知し、この検知信号に基づいて走行制御部から障害物に
対処する指令信号をクローラ駆動部に与える。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１において、クローラ式走行装
置１はクローラ２、走行部３、走行制御部４、外界セン
サ５を有する。クローラ２は接地センサ６およびエンコ
ーダ７を備えた駆動輪８、覆帯９、覆帯張力調整転輪１
０、前部回転輪１１、ステップセンサ１２および接地セ
ンサ１３を備えた後部回転輪１４から構成されている。

【００１５】また、このクローラ２は水平部から斜め上
方に延びる傾斜部を含み、逆三角形をなすように構成
し、頂点に駆動輪８、他の２点にそれぞれ前部および後
部回転輪１１、１４を配置している。さらに、走行部３
は位置センサ１５を備えた調整装置１６を有する。

【００１６】外界センサ５は、たとえば超音波により非
接触にて障害物あるいは階段との距離、通路幅等を検知
して走行制御部４に伝送している。この外界センサ５は
後記のように全方位をカバーできるようにセンサ要素を
配置している。

【００１７】クローラ２の接地センサ６は走行面との接
地を両輪軸に与えられる接地荷重に基づいて検知し、走
行制御部４に伝送している。エンコーダ７は駆動部８の
走行駆動距離を検知し、走行制御部４に伝送している。

【００１８】また、ステップセンサ１２は階段エッジあ
るいは障害物との接触を検知して走行制御部４に伝送し
ている。走行部３の接地センサ１３は同様に走行面との
接地を両輪軸に与えられる接地荷重に基づいて検知し、
走行制御部４に伝送している。位置センサ１５は走行部
３の調整機構１６の位置および姿勢を検知して走行制御
部４に伝送している。

【００１９】さらに、走行装置１はロボット本体１７を
搭載している。このロボット本体１７はマニピュレータ
１８、ロボット制御部１９、認識部２０、視覚センサ２
１、ロボット外界センサ２２、信号伝送部２３およびア
ンテナ２４から構成されている。

【００２０】また、走行制御部４およびロボット制御部
１９は外部の操作制御盤２５から信号伝送部２６および
アンテナ２７を介して送られる遠隔操作のための制御信
号を受信することができる。ロボット制御部１９はロボ
ット本体１７に搭載される慣性航法装置２８の検出信号
を受信するように信号伝送路によって結ばれている。

【００２１】上記したロボット本体１７を搭載した走行
装置１の外観を図２に示している。外観に現れるロボッ
ト本体１７の要素はマニプレータ１８、視覚センサ２
１、ロボット外界センサ２２、アンテナ２４で、他の要
素はロボット本体１７の内部に収容されている。

【００２２】一方、図３および図４に走行部３の詳細を
示している。調整装置１６は図３に示すガイドフレーム
２９を有する。ガイドフレーム２９の中心には後記の走
行モータの外面に沿って滑らせる上下２面からなる摺動
部３０が形成されている。また、ガイドフレーム２９の
側面に沿って摺動部３０とほぼ同じ長さを保ってラック
３１が形成されている。ガイドフレーム２９の端部には
後記の覆帯を掛けわたす回転輪３２が備えられる。

【００２３】さらに、上記のガイドフレーム２９の上下
２面の摺動部３０に合わせてそれの外面を小判形に形成
される走行モータ３３が設けられる。この走行モータ３
３には駆動歯車部３４が備えられ、駆動歯車部３４と同
軸上にスプロケット３５が設けられている。

【００２４】また、走行モータ３３と一体の車軸３６が
設けられる。この車軸３６は中空であり、その外周部に
は中空の回転軸３７が設けられ、軸上にはピニオン３
８、歯車３９が備えられる。歯車４０は車軸３６と一体
に構成される。走行モータ３３の両側には移動するガイ
ドフレーム２９が走行モータ３３の中心からずれるのを
防止するつば部４１が備えられる。

【００２５】上記の調整装置１６の車軸３６は、図４に
示すように走行装置１の２個の支持体４２に支承されて
いる。この車軸３６が支持体４２に正しく心出しされた
とき、ガイドフレーム２９のラック３１と車軸３６のピ
ニオン３８とがかみ合い、走行装置１の駆動部４３の軸
上の駆動歯車４４と回転軸３７の歯車３９とがかみ合い
駆動部４３の軸上の駆動歯車４５と車軸３６の歯車４０
とがかみ合うように構成されている。

【００２６】回転輪３２（図３参照）に掛けわたす覆帯
４６はガイドフレーム２９全体を覆っており、それの周
方向全域にわたり鎖状に連なる連接部材４７が備えられ
る。この連接部材４７と走行モータ３３のスプロケット
３５とがかみ合い、走行モータ３３によりスプロケット
３５が回転する間、ガイドフレーム２９の案内溝４８に
沿って覆帯４６が移動するようになっている。また、図
に示すように水平に配置される走行モータ３３の外面に
ガイドフレーム２９の上下２面の摺動部３０が接し、ガ
イドフレーム２９を走行モータ３３の外面に沿って滑ら
せることができる。なお、図中符号４９は車軸３６の内
部を通すケーブルを示しており、走行モータ３３への電
力を供給する。

【００２７】一方、図５にクローラ２に装着する多数の
ステップセンサ１２を示している。これらのステップセ
ンサ１２はクローラ１２の前部回転輪１１に向かって水
平部から斜め上方に延びる傾斜部に固定片５０で固定さ
れた覆帯ガイド５１に設けられている。ステップセンサ
１２は長尺の覆帯ガイド５１の走行面に決められたピッ
チ（覆帯一節分程度以下）を保持して並び、それぞれに
コネクタ５２が備えられる。この覆帯ガイド５１の表面
には覆帯９の連接部材５３を案内する案内溝５４が形成
されている。

【００２８】一方、図６に外界センサ５の詳細を示して
いる。たとえば超音波センサからなるセンサ要素５５は
全方位をカバーするために本体の全周にわたり配置され
ている。なお、このセンサ要素は超音波センサに代えて
光センサを用いることが可能である。

【００２９】上記構成からなる走行装置の動作を説明す
る。クローラ式（あるいは振り上げ式クローラ式）走行
部３を備えた走行装置１が階段上を安定した姿勢を保っ
て円滑に走行するには次のような条件が満たされる必要
がある。すなわち、図７において、階段Ｓがステップ高
さｈを有するとき、走行装置１は水平部から斜め上方に
延びる傾斜部の先端にある前部回転輪１１の中心から接
地面までの高さｈを必要とする。

【００３０】また、階段Ｓのステップエッジに覆帯９が
常に直角に当たるためには斜め上方に延びる傾斜部の寸
法は半径≧ｈとなることから、傾斜部の長さが約ｈとな
り、縮小時走行部全長ＬはＬ≧1/2 ｄ₁＋α＋ｈとな
る。ここに、αは階段エッジ間の最短直線距離を表わ
し、４５度の階段Ｓでは、ｈ＝Ｄ、α＝（２ｈ）^1/2と
なる。

【００３１】一方、階段Ｓ上で安定した姿勢を保って走
行するには走行装置１が階段のステップエッジ間に落ち
込むことのないように常に２つ以上のステップエッジと
接触できる長さ２α以上が必要とされる。したがって、
走行装置１の展開時最大全長ＡはＡ≧1/2 ｄ₂＋２α＋
ｈとなる。

【００３２】以上の説明から、縮小時走行部全長Ｌで１
段目を登り、その後は寸法を縮小するために収納状態に
あったクローラを外に展開して展開時最大全長Ａを保っ
て走行すればよいことが判る。

【００３３】このような要求を満たすべく走行部３は狭
隘箇所での小回りの利く走行のために走行モータ３３に
沿ってガイドフレーム２９が走行装置１の収納域に動
き、走行装置１を最小寸法とする一方、階段上での安定
した姿勢を保持するためにガイドフレーム２９が走行装
置１の外に移動し、走行装置１を最大寸法にする。すな
わち、クローラ２に装着したステップセンサ１２が階段
ステップと接触し、検知信号が走行制御部４に入力され
ると、その階段に関する寸法配置データを記憶した走行
制御部４がこの寸法、配置を正しく認識し、調整装置１
６に対して走行部３の長さを変えるように指令信号を出
力する。指令信号が駆動部４３に伝わると、駆動歯車４
４が回転し、歯車３９を介してピニオン３８が回転し、
これとかみ合うラック３１によってガイドフレーム２９
が走行装置１の収納域に移動する。反対に、展開時には
ガイドフレーム２９が走行装置１の外に移動する。

【００３４】なお、走行部３の長さを変えるのはステッ
プセンサ１２の検出信号によらなくても、階段を登り始
める前から展開時最大全長に展開させてもよい。また、
走行部３を振り上げ式クローラによって構成したものは
階段を登る前に展開時最大全長に変化させる。

【００３５】一方、走行部３は振り上げ機構で角度を変
えることも可能である。駆動部４３からの駆動力を駆動
歯車４５から歯車４０を介して車軸３６に伝えること
で、走行モータ３３で回転を拘束されているガイドフレ
ーム２９を回転させ、角度を変えることができる。この
振り上げ動作のためには走行部３が床面に当たらないよ
うにする必要があり、位置センサ１５からの検知信号が
走行制御部４に与えられ、ガイドフレーム２９の移動完
了後に振り上げが開始されるようになっている。

【００３６】さらに、走行部３の調整装置１６に備えら
れる位置センサ１５が調整装置１６の姿勢を走行制御部
４に伝送し、また、駆動輪８の接地センサ６および後部
回転輪１４の接地センサ１３が走行装置１の姿勢を走行
制御部４にそれぞれ伝えて走行装置１は自身の姿勢を正
確に知ることができる。

【００３７】また、エンコーダ７が走行制御部４に与え
られる検知信号で駆動輪８の走行距離を得て、搭載した
ジャイロ等の慣性航法装置により現在位置を認識しつ
つ、慣性航法で目的地まで正確に走行を制御することが
可能である。

【００３８】さらに、走行中、走行装置１の外界センサ
５からの検知信号に基づいて障害物等の有無を正確に判
断する。障害物に向かって外界センサ５から超音波を発
し、障害物の位置を捉え、臨機に応じて障害のない走行
位置を決定し、走行制御部４から指令信号をクローラ２
の駆動部に出力する。

【００３９】これに代えて、本実施の形態の走行装置１
に搭載したロボット本体２１の視覚センサ２１およびロ
ボット外界センサ２２によっても走行を制御することが
可能である。視覚センサ２１からの検知信号はロボット
本体２１の認識部２０で処理されて外界の障害物までの
距離、配置等が判断される。この認識結果からそのとき
の障害物に対処する指令信号を走行制御部４から出力す
る。

【００４０】さらに、ロボット外界センサ２２の検知信
号に基づいて障害物の有無を認識部２０で判断し、この
認識結果から通行可能な経路を導き、得られた走行経路
を走行制御部４に出力してそのときの障害物に対処する
指令信号を出力する。

【００４１】これらの外界センサ５、視覚センサ２１、
ロボット外界センサ２２は全方向で障害物等を検知する
ために、たとえば超音波の送波および受波に支障を来す
範囲に走行装置等の一部要素があると、誤った判断を下
すことがあるが、本実施の形態においては送波および受
波に支障を来す範囲内には走行装置等の一部要素がな
く、正確に走行を続けることができる。

【００４２】また、マニピュレータ１８の動作範囲内に
も走行装置等の一部要素がなく、マニピュレータ１８が
動くときに干渉を起こすなどの不具合が生じるのを防ぐ
ことができる。

【００４３】さらに、本発明の他の実施の形態を説明す
る。走行装置は上記実施の形態のクローラ式走行部３に
代えて異なる形式の走行部により構成することができ
る。図８（ａ）に示すものは走行手段がそり式走行部５
６からなるもので、ガイドフレーム５７を囲うそり５８
によって構成される。走行部５６には上記実施の形態と
同様な調整装置が備えられる。このそり式走行部５６に
よるものは構造が簡単で、より軽量な走行装置１を得る
ことが可能であるが、走行駆動機能がないので、接地面
が滑りによる走行となる。

【００４４】また、図８（ｂ）に示すものは走行手段が
多連ローラ式走行部５９からなるもので、ガイドフレー
ム６０の両側に配置される多数個のローラ６１によって
構成される。走行部５９には上記実施の形態と同様な調
整装置が備えられる。走行部５９には階段のステップエ
ッジ等で上下移動を少なくするための小径のローラ６１
を使用する必要がある。なお、このローラ６１は一部あ
るいは全部を駆動ローラを用いて強制駆動方式で構成し
てもよい。

【００４５】さらに、図９に示すものは振り上げ式クロ
ーラからなる走行部６２を有する。この走行部６２は振
り上げ機構６３と連結されており、これを上方に振り上
げて長さを縮小することができる。本実施の形態におい
ては調整装置が振り上げ機構６３のみからなり、極めて
簡素な手段により構成することが可能になる。また、走
行装置１の重量が軽くなり、軽量な走行装置を得ること
ができる。

【００４６】また、図１０に示すものは折畳み式クロー
ラからなる走行部６４を有する。この走行部６４は伸縮
機構６５と連結されており、これを水平位置に置いて長
さを縮小することができる。折畳みにおいては回転輪１
４を押し出しながら、覆帯張力調整転輪１０も同時に押
し出し、回転輪１４、覆帯張力調整転輪１０と、回転輪
６６との間に折畳まれた覆帯９を送り出し、必要な覆帯
長さを確保する。

【００４７】また、覆帯張力調整転輪１０はそれ自身に
加わる覆帯９の押し付け力等から覆帯９の張力を検知す
る。検知信号は走行制御部４に伝えられ、制御信号によ
り最適な張力となるように走行装置１の基板ガイド（図
示せず）に沿って覆帯張力調整転輪１０の位置が変わ
る。

【００４８】さらに、本発明による走行装置１の有利な
点は次のような働きを得ることが可能になることであ
る。たとえば、図１１（ａ）に示す床面Ｆから突出して
いる仕切りなどの障害物６７を乗り越えての走行および
作業において走行装置１に設けられた走行部３の振り上
げの自由度を利用し、乗り越えた時の走行能力および作
業時の安定を図ることが可能になる。

【００４９】また、図１１（ｂ）に示す高所にある弁６
８を操作するとき、走行部３の振り上げ自由度を利用
し、弁６８までの距離Ｈを短縮するべくクローラ２に対
する走行部３の角度を調節して必要な高さを確保するよ
うな使い方も可能である。

【００５０】さらに、上述した実施の形態と異なる構成
を用いることが可能である。たとえば、視覚センサ２１
およびロボット外界センサ２２は走行装置１に設けるこ
とができる。ステップセンサ１２は簡素化のために省略
することも可能である。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように本発明はクローラの
後端に連ねてクローラから独立した走行手段を設け、こ
の走行手段にクローラを含む接地長さを任意に変化させ
る調整装置を設けているので、階段、障害物等の走行
時、走行装置の全長を長く保って走行装置の姿勢を安定
に保つことができ、走行装置の安全性をより向上させる
ことが可能である。また一方、踊り場、コーナ部などの
狭隘箇所では全長を短くして小回りを利かして方向転換
を容易にすることができ、走行装置の機動性をより高め
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による走行装置の一実施の形態を示すブ
ロック図。

【図２】本発明によるロボット本体を搭載している走行
装置の斜視図。

【図３】本発明による走行部の調整装置の詳細を示す斜
視図。

【図４】本発明による走行部の詳細を示す断面図。

【図５】本発明によるステップセンサの詳細を示す斜視
図。

【図６】本発明による外界センサの詳細を示す斜視図。

【図７】本発明による走行装置の階段走行時における安
定姿勢を保持するための条件を説明する摸式図。

【図８】（ａ）（ｂ）は本発明の他の実施の形態を示す
斜視図。

【図９】本発明の他の実施の形態を示す斜視図。

【図１０】本発明の他の実施の形態を示す斜視図。

【図１１】（ａ）（ｂ）は本発明による走行装置の望ま
しい使用例を示す図。

【図１２】（ａ）（ｂ）は従来技術によるロボット用走
行装置の動作を示す斜視図。

【符号の説明】

１走行装置２クローラ３、５６、５９、６２、６４走行部８駆動輪９、４６覆帯１２ステップセンサ１６調整装置１７ロボット本体２９、５７、６０ガイドフレーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動輪、２個の回転輪を有する一対のクロ
ーラを備え、外界センサで捉えた外界情報に基づいて自
身の進むべき方向を判断しつつ、前記クローラを所定の
方向に回転させて移動するように構成した走行装置にお
いて、前記クローラの後端に連ねて該クローラから独立
した走行手段を設け、前記走行手段に前記クローラを含
む接地長さ全長寸法を任意に変化させる調整装置を設け
たことを特徴とする走行装置。
【請求項２】前記走行手段がクローラもしくはそりある
いは多連ローラからなることを特徴とする請求項１記載
の走行装置。
【請求項３】前記走行手段が前記クローラと該走行手段
との間の角度を任意に変えるための振り上げ機構を備え
ることを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項４】前記クローラの水平部から斜め上方に延び
る傾斜部に一定のピッチを保ってステップセンサを設
け、前記クローラの覆帯が階段のステップエッジに接地
したことを前記ステップセンサで検知し、その検知信号
に基づいて階段のステップ高さおよび奥行きを判断し、
前記クローラを含む接地長さが階段ステップ２段以上確
保できるように独立した前記走行装置の長さを該調整装
置によって変化させるようにしたことを特徴とする請求
項１記載の走行装置。
【請求項５】前記外界センサが超音波あるいは光波を用
いて非接触により障害物を検知し、この検知信号に基づ
いて走行制御部から障害物に対処する指令信号を前記ク
ローラの駆動部に与えるようにしたことを特徴とする請
求項１記載の走行装置。