JP5978423B2 - クローラ走行型探索用ロボット - Google Patents
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Description
こうしたロボットのうち、特に悪路や段差のある環境でも、所要のルートを走行し、目標とする位置に確実に到達させる必要があるものについては、悪路走行、段差走行に有利で旋回性に優れたクローラ走行型探索用ロボットが広く採用されている。
こうしたクローラ走行装置を備えたロボットとして、下記特許文献1には、左右一組の三角クローラ装置の中間に、リンクを介して従動クローラ装置を回転自在に連結し、段差乗り上げ時に、三角クローラ装置に対する従動クローラ装置の位置を制御することが記載されている。
このため、別途CCDカメラを左右、上下にアングル調整する機構を設け、クローラ走行装置とは別個に独立して調整、制御しなければならない。
(1)車体の前壁に撮影部を備えるとともに、該車体の左右両側において、前後端の一方に駆動輪、他方に従動輪を設け、両者間に掛け渡された一対の無限軌道帯を前記駆動輪により回転駆動する無限軌道帯を備えたクローラ走行型探索用ロボットにおいて、前記車体の左右両側壁における前記駆動輪及び従動輪の車軸間の間であって、前記無限軌道帯の中心部に、前記車体の前方側及び後方側と干渉しない長さを備えたアーム部の両基端を回転可能に取り付け、該アーム部先端に取り付けられた車体幅方向アームを無限軌道帯の前方あるいは後方に回転させて外部の環境を押圧することにより、前記車体の傾斜角度を制御するようにした。
これにより、クローラ走行装置の小型コンパクト化を実現した上で、高い段差を確実に乗り越えることが可能になり、アングル調整機構を設けることなく、車体の前壁に設けたCCDカメラ等の撮影部により、上方、下方を含むさまざまなアングルで環境中必要な箇所の撮影を簡単な操作で行うことができる。
クローラ走行装置の本体部は、従来と同様の構成であり、車体1の左右両側壁には、前後端に駆動輪2、従動輪3が配置され、両者の間に無限軌道帯4が掛け渡されて噛合されている。
左右の駆動輪2のそれぞれを減速機を介して個別に駆動するモータは、車体1の内部に搭載した二次電池等により電力供給を受けるコントローラ(マイクロプロセッサ)により、回転方向及び回転速度が独立して制御され、無線モジュールを介した遠隔操作による操縦、あるいは予めプログラムされた経路に沿って自動走行を行うことができる。
なお、図1においては、手前側の車体側壁を透視して内部の構造を図示している。
また、車体1の前壁には、家屋床下の状態を撮影するため、左右一対の照明用LED7とCCDカメラ8が、駆動輪2と従動輪3の車軸を結ぶ水平面に向けて設置されており、これらもコントローラに接続され、オンオフ制御、入出力制御が行われるようになっている。
コントローラは、CCDカメラ8からの映像情報を、車体1の内部に設けた通信部(無線モジュール)を介して送信し、家屋床下の映像を外部からリアルタイムに確認、記録できるようになっている。なお、図示していないが、車体1の後壁には、音波、電波、レーザー波などを用いた距離センサを設け、後進時に障害物等との距離を検出し、衝突や落下を避けるため、コントローラを介して駆動輪2を停止させるようにしている。
特に段差の高さが様々に変化する環境を走行させる際には、CCDカメラ8からの映像情報に基づいて、障害物の高さを解析するようにすることが好ましく、ステレオカメラとすることで、障害物までの距離や障害物の高さを判定できるようにすれば、前壁、後壁とも距離センサを省略することができる。
このコロ9dの直径は、支軸9a、車体幅方向アーム9cの幅より大きく、後述するように、コの字型アームが前後にどのように回転しても、コロ9dが最初に段差等に接触するようにする。
また、車体幅方向アーム9cを円柱状のロッドとして、このロッドに、長さ方向にわたってパイプ状の合成樹脂製ローラーを回転自在に支持するようにしてもよい。
さらに、走行面が平坦で、車体幅方向アーム9cが走行面に接触した状態で前後にスムースに移動できる場合には、コロ9dや合成樹脂製ローラーを設けなくてもよい。
アーム駆動用モータもコントローラにより制御され、減速ギア9eの軸に取り付けられたアーム角度検出器(図示せず)の出力に基づいて、駆動輪2と従動輪3の車軸を結ぶ水平線分に対する角度θが調整できるようになっている。支軸9aを回転するモータとしては、角度センサが不要なステップモータを使用してもよい。
また、コントローラは、後述するように、アーム部9bやコロ9dが段差の手前側上端角部を押圧したり、無限軌道帯4の後方を押し上げるのに必要なトルクが得られるよう、アーム駆動用モータの電流を監視して出力トルクの制御を行うトルク制御機能を有することが好ましい。
駆動輪2と従動輪3の半径をr、軸間距離をL(W)、支軸9aが駆動輪2の車軸と従動輪3の車軸を結ぶ線分の中点に設置したとき、アーム部9bのアーム長は、最低でも、
[ (L(W)/2+r)2+(Sh―r)2 ]の平方根より長いことが必要である。
なお、実機では、L=22cm、r=7.5cmのクローラ走行装置を使用しており、Sh=15cmの段差を乗り上げるため、アーム部9bのアーム長は20cm以上とすることが必要となる。
通常走行時は、コの字アーム9の車体幅方向アーム9cが、前方及び後方に設けたCCDカメラ8や距離センサを妨害することのないよう、進行方向後側において、駆動輪2と従動輪3の車軸を結ぶ水平線分に対し、例えば、15°程度上昇したところを初期位置に維持する。もちろん、CCDカメラ8や距離センサの妨げにならなければ、初期位置はどの角度でもよく、進行方向側に傾斜させてもよい。
無限軌道帯4が段差を乗り越えるか否かは、まず、無限軌道帯4の前端が、段差の垂直壁に接した状態で無限軌道帯4を駆動したとき、無限軌道帯4の前端が段差の垂直壁を登り、段差の手前側角部に乗り上げることが第1の前提条件となる。
次に、この状態で、無限軌道帯4の駆動を継続して段差に乗り上げていく際、クローラ走行装置の重心から鉛直におろした線分が、接触している段差の手前側角部を越えることが第2の前提条件となる。
すなわち、駆動輪2と従動輪3の半径rが7.5cm、軸間距離L(W)が22cmのクローラ走行装置の場合、乗り越えられる段差の最大高さは4.8cmであることが分かる。
この高さは、ガイドローラ5や、段差角部との接触部における無限軌道帯4の凹みにより多少変化はするが、実機でも、コの字アーム9を作動させない場合、確実に乗り越えられる段差は5cm程度が限界で、これより段差を高くすると、乗り越えられず転倒する確率が高くなり、家屋床下検査用ロボットに求められる15cmの段差を乗り越えることは到底不可能である。
したがって、この場合には、コの字アーム9は、初期位置である後側に15°程度上昇した位置に保持したまま、回転駆動する必要はない。
この条件は、アーム9bの長さをL(9b)、駆動輪2、従動輪3の半径をr、車軸を結ぶ水平線分の進行方向を0°としたときのアーム角度をθ、段差をShとしたとき、次の(1)式で表すことができる。
L(9b)・sinθ+r>Sh・・・・・・・(1)
L(9b)・cosθ>L(W)/2+r・・・・(2)
ただし、駆動輪2と従動輪3の軸間距離をL(W)とし、コの字アーム9の支軸9aを、駆動輪2と従動輪3の車軸間の中点に設置するものとする。
(1)式は、
L(9b)・sinθ+r=25×0.5+7.5=20cm
(2)式は、
L(9b)・cosθ=25×0.866=21.65>L(W)/2+r=22/2+7=18.5
となり、段差が20cmでも、(1)、(2)の両条件式を満足し、アーム9cに取り付けられたコロ9dを段差の上端角部に乗り上げさせることができる。
すなわち、無限軌道帯4が段差垂直壁や地面で空転する場合、無限軌道帯4の駆動を停止し、クローラ走行装置が、段差直前でその前端が段差に平行になるよう位置制御を行う。その上で、遠隔操縦装置により、コの字アーム9を時計方向に回転させ、コロ9dの下方が段差の上端角部に乗り上げるよう、アーム駆動用モータを制御する。このとき、コロ9dが段差の上端角部に届かないような場合には、アーム部9bのアーム長を制御するサーボモータを駆動してアーム9bを延出させる。
すなわち、クローラ走行装置が走行中、CCDカメラ8や距離センサにより前方に段差垂直壁を発見したとき、コントローラが段差までの距離とクローラ走行装置の走行速度に応じて、アーム駆動用モータを制御して、無限軌道帯4が段差垂直壁に到る直前までに、コロ9dが段差の上端角部に乗り上げるよう、アーム部9bの回転角度θを制御する。その際の回転角度θの目標値は、段差垂直壁が一定の高さの場合は、予め定めた値とすればよいし、一定でない場合は、CCDカメラ7からの映像情報に基づいて、段差垂直壁の高さを計測し、その高さに基づいて、回転角度θの目標値を定めるようにすればよい。
ただし、前述の条件式(1)と(2)をともに満足する必要があり、段差の高さShとの関係などに応じて、並行してアーム部9bのアーム長を制御するサーボモータを制御するようにしてもよい。
このため、アーム駆動用モータの電流を監視して出力トルクの制御を行い、アーム部9bが所定のトルクで段差の上端角部を押圧するようフィードバック制御を行うことが好ましい。これにより、アーム部9bの回転角度θを自動的に無限軌道帯4の駆動に連携させることができる。特に、アーム駆動用モータのトルク及び回転速度を無制限に大きくすると、トラックシュー6が段差の上端角部に乗り上げる前に、車体1が転倒してしまうこともあるので、こうした制御は有効である。
この状態で、クローラ走行装置の重心から鉛直におろした線分が、接触している段差角部を越えるような高さ(実機では5cm以下)の場合、無限軌道帯4がこの段差に乗り上げることできる。したがって、無限軌道帯4前端の段差垂直壁との接触部、及び、無限軌道帯4後端の地面との接触部で滑りが発生しないという条件で、環境中の段差の高さが、無限軌道帯4がそのまま乗り越え得る高さ以下の場合には、アーム部9bの回転角度θを以上のように制御することで、路面や段差がぬかるんでいたり、滑りやすい環境でも、段差乗り越えを確実に行うことができる。
すなわち、駆動輪2と従動輪3の半径rが7.5cm、軸間距離L(W)が22cmのクローラ走行装置の場合では、段差が5cmよりはるかに高い場合には、このままではこれを乗り越えることはできない。
すなわち、コロ9dあるいはアーム部9bが段差の上端角部を押圧する状態から反時計方向に回転させ、図6に示すように、車体幅方向アーム9cに取り付けられたコロ9dが段差手前の地面に接し、車体1の後端部を持ち上げ、車体1の水平面に対する傾斜角度を例えば45°以上とならないようにする。
したがって、遠隔操縦による場合は、例えば、無限軌道帯4の駆動を停止し、アーム駆動用モータを制御して、コの字アーム9を反時計方向に回転させ、コロ9dが段差手前の地面に接し、車体1の後端を持ち上げながら、無限軌道帯4を低速度で駆動するといった操作を繰り返せばよい。
なお、コロ9dが段差手前の地面に届かないような場合には、前述と同様に、アーム部9bのアーム長を制御するサーボモータを駆動してアーム9bを延出させるようにすればよい。
ただし、このとき、アーム部9bが無限軌道帯4の後端に回り込んだ状態のままであると、段差の上端角部に干渉し、車体1が段差に乗り上げるのを妨害する可能性があるので、車体1の重心が段差の上端角部を越え、段差上面に着地する方向に回転する直前に、アーム部9bを図において時計方向に回転させ、回転角度θを初期状態に戻す必要がある。
なお、車体1の内部に傾斜センサを設けた場合には、車体1の重心が段差の上端角部を越え、段差上面に着地する方向に回転したことを検出することにより、自動的にコの字アーム9を初期位置に復帰させることができる。
左右の無限軌道帯4の駆動輪2を駆動するモータ、コの字アーム9を駆動して回転角度θを制御するアーム駆動モータを制御するコントローラは、マイクロプロセッサ等で構成され、入出力インターフェースを介して、CCDカメラ8、距離センサ、各駆動輪2の速度及び電流値(トルク)、アーム駆動モータの電流値(トルク)及びコの字アーム9の回転角度θ、車体の傾斜角を検出する傾斜センサからの検出値が入力され、操縦者による遠隔操縦、あるいは、段差を自動判別し、各駆動輪2の駆動速度、コの字アーム9の回転角θを連携制御する。
S0で、段差を乗り越える際のシーケンスが開始され、S1でCCDカメラ8、距離センサにより、進行方向前方の段差を検出し、S2で、段差までの距離及び段差の高さを演算する。ここで、段差の高さが、物理的に乗り越え不能な高さ、具体的には、駆動輪2と従動輪3の半径rが7.5cm、軸間距離L(W)が22cmの場合、無限軌道帯4の前端と後端間の37cmより高い場合、S3で、段差上りシーケンスを終了し、迂回路等を探索する。
なお、予め、無限軌道帯4が段差の手前側角部に乗り上げることが不可能な滑りやすい環境で走行させる場合は、S6を省略し、段差の手前側からコの字アーム9の回転を開始し、クローラ走行装置が段差垂直壁に接するタイミングで、コロ9dの下端あるいはアーム部9bを、段差角部に押し付けるようにしてもよい。
S10で車体の傾斜角が水平になり、S11で無限軌道帯4が段差上面に乗り上げたことが判定されるまで、コの字アーム9の回転角度制御を行う。
以上の処理フローにより、クローラ走行装置は、環境(滑りやすい地面、段差)や進路に存在する段差に応じて、自動的に、しかもこれまで乗り上げることができなかった高い段差でもスムースに乗り越えることが可能となる。
しかし、段差上面の幅が狭く、次の段差垂直壁までの距離が軸間距離Lの半分に満たない場合、無限軌段差角部を乗り越えて段差上面に着地しようとしても、次の段差角部が無限軌道帯4に当接してしまい、車体1が水平になれない場合が発生し得る。
このとき、無限軌道帯4の前端側底面が次の段差角部に乗り上げている場合は、図3、図4で説明したトラックシュー6を段差の上端角部に乗り上げさせるための制御を行う必要はない。
車体1の後端部が、乗り越えを終了した段差角部に乗り上げている場合は、無限軌道帯4を駆動して、車体1の後端部を現在の段差表面に着地させた上で、図6、図7で説明した車体1の後端部を持ち上げる動作を繰り返す。
さらに、車体1の後端部が現在の段差表面に着地することなく、現在の段差角部に着地した際は、コの字アーム9を制御することなく、そのまま次の段差を乗り上げていくことが可能となる。
しかし、段差垂直壁、地面が滑りやすいが、段差が低く、コの字アームのサポートがなくても、確実に乗り越えることができる環境を走行させる場合には、コの字アームを後方に回転させる必要はなく、コの字アーム9を進行方向前方側に配置してもよい。この場合には、コロ9dを設ける必要はなく、例えば、アーム部9bや車体幅方向アーム9cに合成樹脂のコーティングをしたり、凹凸を形成することで、段差の上端角部に確実に当接するようにすればよい。
その状態で、左右の駆動輪2を逆方向に駆動することにより、車体1を無限軌道帯4後端の両接触点の中点から伸びる垂線を中心に旋回させ、LED7による照明により、床材の裏面、根太の周辺を撮影することが可能になる。
その状態で、左右の駆動輪2を逆方向に駆動することにより、車体1を無限軌道帯4後端の両接触点の中点から伸びる垂線を中心に旋回させ、LED7による照明により、床材の裏面、根太の周辺を撮影することが可能になる。
2 駆動輪
3 従動輪
4 無限軌道帯
5 ガイドローラ
6 トラックシュー
7 LED
8 CCDカメラ
9 コの字アーム
9a 支軸
9b アーム部
9c 車体幅方向アーム
9d コロ
9e 減速ギア
9f 駆動ギア
Claims (9)
- 車体の前壁に撮影部を備えるとともに、該車体の左右両側において、前後端の一方に駆動輪、他方に従動輪を設け、両者間に掛け渡された一対の無限軌道帯を前記駆動輪により回転駆動する無限軌道帯を備えたクローラ走行型探索用ロボットにおいて、
前記車体の左右両側壁における前記駆動輪及び従動輪の車軸間の間であって、前記無限軌道帯の中心部に、前記車体の前方側及び後方側と干渉しない長さを備えたアーム部の両基端を回転可能に取り付け、該アーム部先端に取り付けられた車体幅方向アームを前記無限軌道帯の前方あるいは後方に回転させて外部の環境を押圧することにより、前記車体の傾斜角度を制御するアーム駆動機構を設けたことを特徴とするクローラ走行型探索用ロボット。 - 前記無限軌道帯が前記環境中に存在する段差の直前に到達した際、前記アーム部が、その両先端間に取り付けられた車体幅方向アームの下方で前記段差の手前側上面角部に接触するよう回転させ、前記駆動輪を駆動することにより、前記無限軌道帯が前記段差の手前側上面角部に接触するまで、前記アーム部を回転させるアーム駆動機構を設けたことを特徴とする請求項1に記載のクローラ走行型探索用ロボット。
- 前記アーム駆動機構を駆動するモータのトルクを検出し、前記無限軌道帯が前記段差の手前側上面角部に接触するまで、前記アーム部が前記段差の手前側上面角部を押圧するように制御することを特徴とする請求項2に記載のクローラ走行型探索用ロボット。
- 前記無限軌道帯が前記環境中に存在する段差に乗り上げる際、前記アーム駆動機構により、前記車体幅方向アームを前記車体の後端側から前記無限軌道帯の後端下方に向けて回転させ、前記無限軌道帯の後端を上昇させるようにしたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載のクローラ走行型探索用ロボット。
- 前記車体幅方向アームに、前記無限軌道帯の後端を上昇させる際、最初に外部の環境に接触するローラーを取り付けたことを特徴とする請求項4に記載のクローラ走行型探索ロボット。
- 前記車体に傾斜センサを設け、前記アーム駆動機構が、前記無限軌道帯の後端を上昇させる際、車体の水平面に対する傾斜角度が上限以下となるよう制御することを特徴とする請求項4または請求項5に記載のクローラ走行型探索用ロボット。
- 前記車体幅方向アームを前記車体の上方から前記無限軌道帯の前方下方に回転することにより、前記車体の前端を上方に向けて傾斜させることにより、前記車体の前壁に設けた撮影部により、上方の環境を撮影できるようにしたことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載のクローラ走行型探索用ロボット。
- 前記車体幅方向アームを前記車体の上方から前記無限軌道帯の後方下方に回転することにより、前記車体の後端を上方に向けて傾斜させることにより、前記車体の前壁に設けた撮影部により、下方の環境を撮影できるようにしたことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載のクローラ走行型探索用ロボット。
- 前記アーム部にアームの長さを可変するアーム長可変機構を設けたことを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載のクローラ走行型探索用ロボット。
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