JPWO2007029800A1 - 可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械 - Google Patents

Abstract

トルク伝達用の駆動ワイヤ（１１）をチューブ（１２）内に挿通してなる一対の可撓性シャフト（１０）を有する。可撓性シャフト（１０）の一端をそれぞれ動力源（２）に接続するとともに、その他端をそれぞれ左右一対のクローラ機構（１０２）に接続する。可撓性シャフト（１０）を介してクローラ機構（１０２）を遠隔操作で駆動制御することにより、走行可能にする。

Description

本発明は、地震等の災害発生時に被災者を緊急に探索するために瓦礫内探査に有効に利用し得る可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械に関するものである。

近年、レスキュー工学における重要な課題として、地震等の災害発生時に倒壊した建物内に取り残された被災者を緊急に探索するための瓦礫内探索用レスキューロボットの研究が精力的に行われている。人が入り込めない危険な瓦礫の中を移動可能なロボットの有用性が注目されている。

たとえば特許文献１には、車体とこの車体の両側部に回転可能に取り付けられた左右の無限軌道装置とこの無限軌道装置をラジコンあるいはコードを介して駆動させる駆動装置とを備えた救助ロボットが開示されている。

なお、レスキュー用ではないが、従来より産業用等として極めて多くのロボットあるいは機械装置等が提案開発されている。

無線操縦型のレスキューロボットは、指令電波が瓦礫内の機体に届かなくなるという脆弱性がある。また、自律型のレスキューロボットの場合、瓦礫内で探索活動をしている間にレスキューロボットが行方不明になってしまうことがある。さらに、エネルギーの面でレスキューロボットの活動可能な時間が限られているため、十分に継続して探査することができないという問題も有している。

一方、有線により電気エネルギーを供給することで、継続的に長時間探査活動を行えるようにすることも可能である。しかしながら、ロボット本体に搭載されるアクチュエータの重量と、移動に要する駆動トルクとのバランスが極めて難しく、容易に実現することができないのが実情である。
さらに、ロボット本体に電気的な動力源を搭載しているものが多く、これらの場合ガス漏れの懼れがある瓦礫内では火災発生の原因になる等の危険性がある。

特開２００４−１８８５８１号公報

本発明はかかる実情に鑑み、機動性や安全性に優れるとともに、遠隔操作により的確かつ円滑に作動し、レスキューロボットとして優れた効果を発揮し得る可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械を提供することを目的とする。

本発明による可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械は、トルク伝達用の駆動ワイヤをチューブ内に挿通してなる一対の可撓性シャフトを有し、該可撓性シャフトの一端をそれぞれ動力源に接続するとともに、その他端をそれぞれ従動側の左右一対のクローラ機構に接続し、前記可撓性シャフトを介して前記クローラ機構を遠隔操作で駆動制御することにより、走行可能に構成したことを特徴とする。

また、本発明の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械において、前記駆動ワイヤは、撚り方向が層ごとに反転する多層構造のワイヤからなり、一対の駆動ワイヤの回転方向の異同に応じて前記クローラ機構が同一または反対方向に回転するようにしたことを特徴とする。

また、本発明の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械において、前記一対の可撓性シャフトが並列して１束にまとめて結束されることを特徴とする。

また、本発明の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械において、前記可撓性シャフトの長手方向に沿って所定間隔おいて、前記駆動ワイヤを回転自在に支持するベアリングが配設されることを特徴とする。

また、本発明の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械において、移動機械本体に撮像装置を搭載し、該撮像装置で得られた映像をモニターしながら遠隔操作により操縦可能としたことを特徴とする。

本発明によれば、動力源として大容量の駆動モータを備えることで、探索活動に必要かつ十分な駆動トルクを伝達可能としている。これにより動力源から離れた場所で探索活動するクローラロボットに対して、駆動トルクがスムーズに伝達される。

また、左右２機のクローラ機構に可撓性シャフトを接続し、その回転方向の異同に応じて左右のクローラ機構が同一または反対方向に回転する。これによりクローラロボットの前進、左右旋回および後進動作の操縦が可能となり、瓦礫を容易かつ円滑に乗り越えることができる。

さらに、一対の可撓性シャフトが並列して１束にまとめて結束され、クローラロボットが前進または後進する際に可撓性シャフトが相互に反対方向に回転するように設定されている。これにより２本の可撓性シャフトによって伝達される駆動トルクは、クローラロボットの移動以外には互いに打ち消しあい、動力源から伝達される駆動トルクの影響でクローラロボットが転倒するのを有効に防止することができる。

図１は、本発明の実施形態において可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械をクローラロボットとしてレスキュー活動に適用した場合の例を概念的に示した図である。 図２は、本発明の実施形態における全体構成例を示す図である。 図３は、本発明の実施形態における可撓性シャフトまわりを示す図である。 図４は、本発明の実施形態における可撓性シャフトに配設されるベアリングまわりを示す図である。 図５は、本発明の実施形態における駆動ワイヤの構成例を示す図である。 図６は、本発明の実施形態における可撓性シャフトに配設されるベアリングまわりの具体的構成例を示す図である。

以下、図面に基づき、本発明による可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械の好適な実施の形態について説明する。

図１は、この実施形態において可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械をクローラロボットとしてレスキュー活動に適用した場合の例を概念的に示した図である。この例では家屋等の崩壊現場など、２次災害の危険がある場所に被災者が取り残されているかを調査すべく、現場から離れた安全な場所からクローラロボットを遠隔操縦し、探索活動が実施されるものとする。

被災者がいる被災現場から離れた場所に操縦基地１が設置され、可撓性シャフト１０を介して操縦基地１とクローラロボット１００とが接続される。操縦基地１には制御装置が設置され、この制御装置によって駆動制御される２つの駆動モータ２が装備されている。動力源として用いられる駆動モータ２は比較的大容量のものを使用し、その回転出力軸に可撓性シャフト１０の一端が接続される。

図２にも示されるように制御装置としては、たとえばパーソナルコンピュータ３（以下、パソコンという）を使用し、そのキーボード上に「前進」、「後退」、「右旋回」および「左旋回」に対応付けされたキーが設定されている。キーの押圧操作でその間、ＤＡ変換器４からアンプ５を介してそれぞれの駆動モータ２に指令電圧が入力され、これによりクローラロボット１００はキー操作に対応した運動を行うようになっている。また、キーの押圧操作を止めることにより、駆動モータ２に対する指令電圧は０（ゼロ）になりクローラロボット１００は静止する。

図３および図４等に示されるように可撓性シャフト１０は、トルク伝達用の駆動ワイヤ１１をチューブ１２内に挿通してなる。この場合、駆動ワイヤ１１の一端が動力源である駆動モータ２に接続され、その他端は後述するように減速機を介して従動側のクローラロボット１００の駆動ホイールに接続される。

チューブ１２は柔軟かつ軽量な材料、たとえばシリコン材料によりチューブ状に形成される。回転トルクを伝達する駆動ワイヤ１１をチューブ１２により覆う構造とし、チューブ１２自体は回転しないようしており、曲線形状を維持するものである。

ここで、駆動ワイヤ１１は、撚り方向が層ごとに反転する多層構造のワイヤからなる。図５は、駆動ワイヤ１１の具体的構成例を示しており、ステンレス鋼（典型的にはＳＵＳ３０４）の素線を使用し、Ｓ撚りの第１層１１Ａ、Ｚ撚りの第２層１１ＢおよびＳ撚りの第３層１１Ｃからなる３層構造を有する。

また、図３に示されるように可撓性シャフト１０の長手方向に沿って所定間隔おいて、駆動ワイヤ１１を回転自在に支持するベアリング１３が配設される。この実施形態では図４に示したように各ベアリング１３は、一対のフランジ付きベアリング１３Ａ，１３Ｂからなり、ベアリング１３Ａ，１３Ｂのそれぞれフランジ部１３ａ同士が接着・固定される。ベアリング本体部分は、チューブ１２の内孔１２ａに圧入され、接着・固定される。

さらに、各ベアリング１３においてベアリング１３Ａ，１３Ｂの側近には留め具１４が付設される。留め具１４は駆動ワイヤ１１に固定され、これによりベアリング１３が駆動ワイヤ１１の軸方向に沿って移動するのを防止することができる。

ここで、図６はベアリング１３の具体的構成例を示している。この例では各ベアリング１３Ａ，１３Ｂとも、駆動ワイヤ１１側に固定された内輪１３ｂとチューブ１２側に固定された外輪１３ｃとこれら内外輪間に装着されたボール１３ｄを含む。

また、図３に示されるように一対の可撓性シャフト１０は、並列して１束にまとめて結束される。２本の可撓性シャフト１０は、その一端で一対の駆動モータ２にそれぞれ接続されるが、駆動モータ２のできるだけ至近位置で相互に結束され、そのままクローラロボット１００まで延設され、その直近で分岐する。

つぎに、クローラロボット１００は、ボディ１０１の左右両側にクローラ機構１０２を備え、その駆動ホイール１０３が車軸１０４のまわりに回転するようになっている。この場合、一方の可撓性シャフト１０は、減速機１０５を介して右側の駆動ホイール１０３の車軸１０４に接続され、他方の可撓性シャフト１０は、減速機１０５を介して左側の駆動ホイール１０３の車軸１０４に接続される。なお、図３において前方を矢印Ｆｒ、後方を矢印Ｒｒにより示す。また、図３において減速機１０５は簡略化して記載されているが、複数の変速ギヤを有し、負荷の大小に応じてその変速比を変えることができるように構成されている。

また、クローラロボット１００には撮像装置が搭載され、この撮像装置で得られた映像をモニターしながら遠隔操作により操縦し得るようになっている。撮像装置としては、たとえばＣＣＤカメラ１０６が好適であり、その映像は操縦基地１のモニター６で見ることができる。

図１に示されるように操縦者Ｍは操縦基地１において、ＣＣＤカメラ１０６で撮影された映像をモニター６で見ながら、制御装置であるパソコン３上でキー操作することで駆動モータ２を駆動制御する。そして、可撓性シャフト１０を介して、そのキー操作に対応した運動を行うようにクローラロボット１００を遠隔操縦することができる。

さて、かかる遠隔操縦型のクローラロボット１００には、以下の性能等が要求される。すなわち、
１）動力源から離れた場所で探索活動するクローラロボット１００に対して、駆動トルクがスムーズに伝達される（性能１）。
２）前進、左右旋回および後進動作の操縦が可能で、瓦礫を乗り越えることができる（性能２）。
３）動力源から伝達される駆動トルクの影響で、クローラロボット１００が転倒することがない（性能３）。

先ず、性能１に関して、Ｚ撚りの単層構造のワイヤを用いずに多層構造のワイヤとすることで、ワイヤが撓んだ部位に回転トルクが作用しても、スムーズにトルク伝達が行われるようにしている。なお、本発明においてはクローラロボット１００自体に動力源を搭載していないため、そのままではクローラロボット本体に動力源を搭載した移動機構の場合に比べて、その分エネルギー効率の点で不利である。これに対して本発明では動力源として大容量の駆動モータ２を備えることで、探索活動に必要かつ十分な駆動トルクを伝達可能としている。

性能２に関して、クローラロボット１００の移動機構に対して、２本の可撓性シャフト１０を適用することで対応する。前述したようにクローラロボット１００は、左右２機のクローラ機構１０２を有し、一対の駆動ワイヤ１１の回転方向の異同に応じて左右のクローラ機構１０２が同一または反対方向に回転するようにしている。

すなわち、たとえば図３の図示例のように一方の可撓性シャフト１０の駆動ワイヤ１１が時計方向に回転し、他方の可撓性シャフト１０の駆動ワイヤ１１が反時計方向に回転することで、左右のクローラ機構１０２が減速機１０５を介して図示のように同一方向に回転し、このときクローラロボット１００は前進する。また、駆動ワイヤ１１が上記とは逆に回転することで、左右のクローラ機構１０２は上記とは逆方向かつ同一方向に回転し、このときクローラロボット１００は後進する。このようにクローラ機構１０２が同一方向に回転することにより、クローラロボット１００は前進または後進することができる。

一方、駆動ワイヤ１１の回転方向が同一のときクローラ機構１０２は相互に逆方向に回転し、クローラロボット１００は右または左に旋回することができる。すなわち、たとえば図３において２本の可撓性シャフト１０の駆動ワイヤ１１がともに時計方向に回転することで、右に旋回する。また、駆動ワイヤ１１がともに反時計方向に回転することで、左に旋回する。なお、上記駆動ワイヤ１１の回転制御は、操縦基地１にて制御装置により２つの駆動モータ２を制御することで、容易かつ的確に行うことができる。

クローラロボット１００は上記のように前進、後進および左右旋回するように自在に駆動制御することができる。このことに加えて、本発明では前述したようにクローラロボット１００自体に動力源を搭載していないため、比較的軽量の機体重量で移動機械を構成することができる。よって、かかる構造によりクローラロボット１００は瓦礫等を容易かつ確実に乗り越えることが可能になる。

さらに、性能３に関して、クローラロボット１００の走行中なんらかの障害物等が原因で、クローラ機構１０２がスタックした場合を想定する。このような場合、クローラ機構１０２に伝達する駆動トルクを増大させると、その増大したトルク自体がクローラロボット１００が転倒するように作用する可能性がある。これに対して本発明では一対の可撓性シャフト１０が並列して１束にまとめて結束されている。この場合さらに、上述したようにクローラロボット１００は前進または後進する際には可撓性シャフト１０（駆動ワイヤ１１）が相互に反対方向に回転するように設定されている。これにより２本の可撓性シャフト１０によって伝達される駆動トルクは、クローラロボット１００の移動以外には互いに打ち消しあって、転倒の原因となるように作用しない。

上記の場合、クローラロボット１００の走行起動等に起因して、可撓性シャフト１０はループ状等の曲線状形態をとりながら任意に変形する。かかる使用条件下では駆動ワイヤとチューブの二重構造を持つこの種のシャフトにおいて、一般に駆動ワイヤを高速回転させた場合にチューブの内側が磨耗し、さらに高負荷のトルクの作用でチューブごと捩れてしまうという問題の対策が必要である。また、高負荷のトルクが作用したとき、伝達してきたトルクが駆動ワイヤを回転させる方向に有効に作用せず、駆動ワイヤが捩れながら軸方向に強く縮もうとする現象がある。

本発明では前述したように撚り方向が層ごとに反転する多層構造のワイヤからなる駆動ワイヤ１１を用いる。また、可撓性シャフト１０の長手方向に沿って所定間隔おいてベアリング１３が配設され、これにより駆動ワイヤ１１がチューブ１２に直接当たらないようにする。さらに、フランジ付きベアリング１３を使用することで、チューブ１２に対してベアリング１３が軸方向に位置ずれしないようにしている。さらに、駆動ワイヤ１１に固定された留め具１４は、ベアリング１３が駆動ワイヤ１１の軸方向に沿って移動するのを防止し、これらの工夫により駆動ワイヤ１１およびチューブ１２の相互干渉を防ぐとともに、両者間の軸方向ずれをなくすることができ、円滑作動を実現することができる。

上述した可撓性シャフト１０を用いたクローラロボット１００の走行実験を行ったところ、クローラロボット１００は可撓性シャフト１０が届く範囲であれば、地面を自由に移動することができることが確認された。また、可撓性シャフト１０に二重のループを描かせた状態で、クローラロボット１００に障害物を乗り越えさせたところ、前進してその障害物を容易に乗り越え、その後スムーズに旋回することができた。

なお、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更等が可能である。
たとえば、可撓性シャフト１０が一対のフランジ付きベアリング１３Ａ，１３Ｂを有する例を説明したが、いずれか１つ、すなわち単一のベアリングで構成することも可能である。
また、図３にはクローラロボット１００が後輪駆動の例として示されているが、前輪駆動としてもよく、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。さらに、クローラ機構の代わりに、たとえば車輪を備えたものであっても本発明を適用可能である。

さらに、制御装置としてパソコンを使用する例を説明したが、これ以外にも所謂、ジョイスティックタイプのものを使用することができる。例えば左右２本のジョイスティックレバーを備え、２本のレバー両方を奥（操縦者から見て前方側）に傾倒させると前進、両方を手前に傾倒させると後進、右側レバーが奥で左側レバーを手前に傾倒させると左旋回、右側レバーが手前で左側レバーを奥に傾倒させると右旋回するように、それぞれのレバーの傾きを検出して駆動モータに指令電圧を入力する装置を構成することもできる。この場合、各レバーの傾倒角度に応じて駆動モータの発生トルクの大きさを調整することも可能である。

また、可撓性シャフトの本数は必要に応じて適宜増設することができる。すなわち、例えばクローラ機構をロボット本体の上面や側面に追加することにより、瓦礫内でも有効に推進力を確保することができる。
さらに、開閉ハンド（開閉動作機構を持つハンド）をロボット本体に装備した場合、その開閉ハンドの駆動トルク供給用として用いることができ、レスキューロボットとして多機能化を図ることができる。

本発明によれば、動力源として大容量の駆動モータを備えることで、探索活動に必要かつ十分な駆動トルクを伝達可能としている。これにより動力源から離れた場所で探索活動するクローラロボットに対して、駆動トルクがスムーズに伝達される。

また、左右２機のクローラ機構に可撓性シャフトを接続し、その回転方向の異同に応じて左右のクローラ機構が同一または反対方向に回転する。これによりクローラロボットの前進、左右旋回および後進動作の操縦が可能となり、瓦礫を容易かつ円滑に乗り越えることができる。

さらに、一対の可撓性シャフトが並列して１束にまとめて結束され、クローラロボットが前進または後進する際に可撓性シャフトが相互に反対方向に回転するように設定されている。これにより２本の可撓性シャフトによって伝達される駆動トルクは、クローラロボットの移動以外には互いに打ち消しあい、動力源から伝達される駆動トルクの影響でクローラロボットが転倒するのを有効に防止することができる。

Claims (16)

1. トルク伝達用の駆動ワイヤをチューブ内に挿通してなる一対の可撓性シャフトを有し、該可撓性シャフトの一端をそれぞれ動力源に接続するとともに、その他端をそれぞれ従動側の左右一対のクローラ機構に接続し、
   前記可撓性シャフトを介して前記クローラ機構を遠隔操作で駆動制御することにより、走行可能に構成したことを特徴とする可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
2. 前記駆動ワイヤは、撚り方向が層ごとに反転する多層構造のワイヤからなり、一対の駆動ワイヤの回転方向の異同に応じて前記クローラ機構が同一または反対方向に回転するようにしたことを特徴とする請求の範囲１に記載の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
3. 前記一対の可撓性シャフトが並列して１束にまとめて結束されることを特徴とする請求の範囲１に記載の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
4. 前記一対の可撓性シャフトが並列して１束にまとめて結束されることを特徴とする請求の範囲２に記載の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
5. 前記可撓性シャフトの長手方向に沿って所定間隔おいて、前記駆動ワイヤを回転自在に支持するベアリングが配設されることを特徴とする請求の範囲１に記載の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
6. 前記可撓性シャフトの長手方向に沿って所定間隔おいて、前記駆動ワイヤを回転自在に支持するベアリングが配設されることを特徴とする請求の範囲２に記載の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
7. 前記可撓性シャフトの長手方向に沿って所定間隔おいて、前記駆動ワイヤを回転自在に支持するベアリングが配設されることを特徴とする請求の範囲３に記載の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
8. 前記可撓性シャフトの長手方向に沿って所定間隔おいて、前記駆動ワイヤを回転自在に支持するベアリングが配設されることを特徴とする請求の範囲４に記載の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
9. 移動機械本体に撮像装置を搭載し、該撮像装置で得られた映像をモニターしながら遠隔操作により操縦可能としたことを特徴とする請求の範囲１に記載の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
10. 移動機械本体に撮像装置を搭載し、該撮像装置で得られた映像をモニターしながら遠隔操作により操縦可能としたことを特徴とする請求の範囲２に記載の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
11. 移動機械本体に撮像装置を搭載し、該撮像装置で得られた映像をモニターしながら遠隔操作により操縦可能としたことを特徴とする請求の範囲３に記載の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
12. 移動機械本体に撮像装置を搭載し、該撮像装置で得られた映像をモニターしながら遠隔操作により操縦可能としたことを特徴とする請求の範囲４に記載の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
13. 移動機械本体に撮像装置を搭載し、該撮像装置で得られた映像をモニターしながら遠隔操作により操縦可能としたことを特徴とする請求の範囲５に記載の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
14. 移動機械本体に撮像装置を搭載し、該撮像装置で得られた映像をモニターしながら遠隔操作により操縦可能としたことを特徴とする請求の範囲６に記載の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
15. 移動機械本体に撮像装置を搭載し、該撮像装置で得られた映像をモニターしながら遠隔操作により操縦可能としたことを特徴とする請求の範囲７に記載の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
16. 移動機械本体に撮像装置を搭載し、該撮像装置で得られた映像をモニターしながら遠隔操作により操縦可能としたことを特徴とする請求の範囲８に記載の可撓性シャフトを用いた遠隔操縦型移動機械。
    
    
    

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