(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形を軸の方向に切断した割円筒形状を有するバケットと、該バケットを該バケットの中心軸の回りに回転させる回転機構と、先端部の位置姿勢を制御できる移動機構の該先端部に前記バケットを取り付ける固定機構を備えたエンドエフェクタ。
【請求項２】
前記バケットの円筒の縁部分が鋭角に形成されていることを特徴とする請求項１記載のエンドエフェクタ。
【請求項３】
前記バケットの円筒の縁部分にノコギリ状に多数の角錐の爪が形成されていることを特徴とする請求項１記載のエンドエフェクタ。
【請求項４】
前記バケットの円筒面に細かい成分を落とすため多数のふるい孔が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエンドエフェクタ。
【請求項５】
前記回転機構が前記バケットを１８０度以上にわたって正転および逆転させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のエンドエフェクタ。
【請求項６】
前記回転機構がリンク式アクチュエータを複数備えて前記バケットを回転させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のエンドエフェクタ。
【請求項７】
前記回転機構が前記バケットの軸に取り付けたプーリを含む無限軌道伝動機構であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のエンドエフェクタ。
【請求項８】
さらに、前記バケットの噛み込み位置に高圧水を供給するウォータジェット噴出口を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のエンドエフェクタ。
【請求項９】
さらに、前記バケットの直上に把持対象物を固定する把持装置を備え、前記バケットの回転に先立って把持対象物を一時的に固定することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のエンドエフェクタ。
【請求項１０】
さらに、前記バケットを覆うように保護プレートを備えることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のエンドエフェクタ。
【請求項１１】
さらに、前記保護プレートは少なくとも一部を透明体で形成することを特徴とする請求項１０記載のエンドエフェクタ。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載のエンドエフェクタを先端部に装着した移動機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中あるいは地表の対象物をできるだけ衝撃を与えないでハンドリングするエンドエフェクタに関し、特に砲弾や地雷などの埋設危険物を安全に回収するロボット装置やクレーン装置などに装着するエンドエフェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、合計すると世界で１億個を越える地雷が埋設されていると推定されている。また、旧日本軍が中国で埋設した遺棄化学兵器は約７０万発と推定される。さらに、有害物質をドラム缶に詰めて埋設したところもある。このような地中に埋設された地雷や砲弾など、戦争の危険な遺物を迅速に処理するためには、これら危険物を安全にハンドリングする装置が必要とされる。
【０００３】
実環境下における埋設危険物のハンドリングには、下記のような課題がある。
▲１▼  砲弾や地雷は乱雑な状態で不整地に埋設されており、掘り出し作業が困難である。場合によっては、多量の危険物が相互に密着した状態で埋設されていることもある。
▲２▼  埋設物が一様でなく、また錆・腐蝕・土壌付着などにより形状自体が変化するので、把持対象の形状が一定しない。作業効率を考えると、対象物ごとに専用の把持具を準備するのではなく、ある程度の寸法に納まる対象全てを同じ把持具で扱えることが好ましい。
▲３▼  腐蝕した弾薬や地雷は衝撃を与えると爆発するおそれがあるので、不用意に把持対象に大きな力を作用させないようにしなければならない。
【０００４】
従来、砲弾など危険物の把持装置として、たとえば特開昭５６−５２９００や特開平２−１７６３９８に開示されたものがあるが、これらは未使用の砲弾等を砲に装填するための専用の機構であって、不同一な形状や位置・姿勢を有する廃棄危険物を扱うものではない。また、特開平９−２０８１９５には、フォークリフトなどの荷役車両に装着して引火物を内蔵した筒状コンテナを把持するアタッチメントが開示されているが、これも把持対象に特有なローラ押し付けアームからなる専用品であって、形状や寸法が異なり腐蝕などにより形状が変化することもあるような遺棄埋設危険物を扱うことはできない。
【０００５】
なお、汎用の建設機械や運搬機械に用いられる頑丈な把持アタッチメントを転用して危険物把持を行うことも考えられる。
たとえば、アンローダ用クラムシェルバケットで危険物把持を行う場合には、左右に開口するバケットで対象物を土壌ごと抱え込んで持ち上げるが、バケットの開口を閉じるときに土壌と一緒に対象物を挟み込むため、対象物に圧力が及び火薬が有効なときには爆発に至る場合がある。また、対象物を挟み取るときにはバケットの開口を対象物の幅より大きくしなければならないため、対象物が密接して積まれている場合には対象物１個ずつを選択して把持することが困難である。さらに、対象物の外形に沿ってバケットを差し込んでいくことができないため、対象物に力を及ぼし爆発を誘発することがある。
【０００６】
また、バックホー等の土木機械によく用いられるもので、バケットの端辺にヒンジを設けヒンジ軸を中心に回転するようにしたバケットをリンク機構からなるアームの先端に取り付けたものがある。このバケットを用いた場合は、対象物の外形に沿ってバケットの先端を動かして周囲の土壌を取り込まないようにすることが難しい。また、バケットヒンジ軸の周囲に駆動用リンクが配置されているので、対象物をバケットに取り込むときには駆動リンク部分が地面を押し付けて圧力が他の危険物に及び爆発が生じる危険がある。特に、バケットの背面にヒンジ軸を有するものでは駆動リンク部を地中深く潜り込ませるため、多量の危険物が乱雑に密接した状態で埋設されている場合には全く使用できない。
【０００７】
上記の把持具の他にも、真空吸着を利用した吸着ハンドがあるが、土壌の付着した対象物には適用できない。また開閉式指を用いた挟持ハンドでは、取り落とさないためにある程度の指先把持力を必要とするが、この作業力や衝撃力により爆発の危険がある。また長年土中に埋設されていたため酸化や腐蝕により対象物表面材料が脆弱化している可能性があり、強い力で挟持することは危険である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、地中あるいは地表の対象物をできるだけ衝撃を与えないで安全にハンドリングするエンドエフェクタを提供することであり、特に、砲弾や地雷などの埋設危険物を安全に回収するロボット装置やクレーン装置などに装着するエンドエフェクタを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のエンドエフェクタは、円筒形を軸の方向にほぼ半分に切断した半円筒形状を有するバケットと、そのバケットを軸の回りに回転させる回転機構と、先端部の位置姿勢を制御できる移動機構のその先端部にバケットを取り付ける固定機構を備えたことを特徴とする。
本発明のエンドエフェクタをロボットや門型クレーンに装着して、バケットを伏せた状態で対象物の直上まで近づけ、回転駆動してバケットの端から地中に差し込み、対象物の外周形状に沿って円筒の殻を対象物の下まで挿入する。バケットをさらに駆動しほぼ半回転させてバケットの端面が上を向くようにして持ち上げると、対象物は作業中、挟持力などの強い圧力を受けることなくバケットの中に納まって安全に回収される。
【００１０】
また、対象物の外周を半円筒部材で包み込んだ状態で引き上げるので、引き上げ時に対象物に強い衝撃力などの作業力を与えない。
さらに、腐蝕などの理由によって対象の一部が欠損している場合でも、完全な対象物と同じ装置を用い同じ手順で作業をすることができる。
また、対象物の寸法にばらつきがあったり、変形していても、半円筒の寸法以内のものは全てハンドリングできる。
【００１１】
なお、バケットの円筒縁部分は、鋭角のエッジを形成するようになっていることが好ましい。また、バケットの円筒縁部分はノコギリ状に多数の角錐爪を形成するようにしてもよい。バケットを回転駆動するときに、対象物周辺の土壌を削ぐように排除して対象とする危険物あるいは取り残された危険物に土壌を介した押圧力を及ばさないようにする効果があるからである。
また、バケットの表面に多数の穴が設けられていて、バケット中に掬い取られた土壌の砂、土塊、小石などが簡単にこぼれ出すようになっていることが好ましい。穴は円孔、長孔、スリット孔など適当な形状であってよい。また、バケットを震わすことができるようにして、土壌が漏れ出易いようにしてもよい。
【００１２】
バケットは、対象とする危険物の脇から縁先端を差し込んだ後、危険物をバケットで確実に掬い取り包み込んだ状態で引き上げるため、バケットの回転軸回りにほぼ半回転するようにすることが好ましい。なお、バケットの姿勢を元に戻すばかりでなく、危険物の埋設状態によっては反対側の縁先端から対象物の下に差し込むこともできるようにするため、バケットは１８０度にわたって正逆転ができるようにすることが好ましい。
バケットの回転機構は、リンク式アクチュエータで構成してもよい。複数のアクチュエータを用いて高い駆動トルクを確保することもできる。また、バケット軸にプーリあるいはスプロケットを固定し、ベルトやチェーンで駆動してもよい。さらに、電動機をバケット軸に直結して直接駆動することもできる。
【００１３】
バケット縁部が地面にふれる位置の近傍に高圧水を吹き付けるようにして、バケットの掘進前に土壌を軟化させたり除去させるようにしてもよい。また、バケット縁部に圧力水を供給するウオータジェットの噴出孔を設けてバケットの掘進をより容易にさせるようにしてもよい。
また、磁石盤や吸着盤を備えて、バケットの掘進中に対象物を一時的に固定して掘進を容易にするようにしてもよい。特に爆弾や砲弾を扱うときはバケットの動きにより爆発を誘発することがあるが、磁石盤などを用いるとこれを防止する効果がある。
さらに、爆弾や地雷を扱うときは、爆発を誘発する危険が大きいが、エンドエフェクタを覆うようなシェルタプレートを設けて、爆発の影響を抑制することができる。シェルタプレートは透明のプラスチックなどで形成することにより、操作者の観察を妨げないようにすることができる。
また、操作の容易化を支援するため画像処理装置や遠隔監視装置を併用することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のエンドエフェクタについて１の実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１はロボットが本発明の実施例であるエンドエフェクタを装着した状態を説明する斜視図、図２はバケットの形状を説明する図面、図３はバケットの駆動機構を説明する図面、図４はエンドエフェクタに装着した揺動サポートリンクの働きを説明する図面、図５は危険物を回収する工程の主要な手順ごとのエンドエフェクタの位置を説明する図面である。
【００１５】
エンドエフェクタ１は、ロボット２のアームの先端に装着される。エンドエフェクタ１は、バケット１１とバケットを中心軸１２の周りに回転させる回転機構とシェルタプレート１３から形成され、シェルタプレート１３にはロボット２の末端に設けられるカップリング２１と結合する固定装置が設けられている。
ロボット２は、エンドエフェクタ１を用いて埋設された砲弾５を１個ずつ分離して取り上げ、所定の場所に搬送する。砲弾５の大きさと位置が明確に把握できるように、砲弾５の上面が現れるところまで掘り下げておくことが好ましい。さらに、先端側面が現れるようにトレンチを掘っておくと、作業の進行具合を把握するために便利である。
【００１６】
バケット１１は、円筒の一部から成り、最も典型的にはほぼ半円筒形をしていて、円筒の軸１２の位置でエンドエフェクタ１の回転軸に固定されて、回転軸１２の周りを回転する。
また、図２（ａ）に示すように、バケット１１の縁１４は鋭角を成して、地面に食い込んで容易に掘り進めることができるようになっている。なお、図２（ｂ）に示すように、縁に角錐列を形成して鋸の歯のようにしてもよい。特に回転軸に沿った方向に振動を与えて掘削を容易にする手法を用いるときには、縁１４に角錐列を形成したバケット１１を利用することが好ましい。なお、角錐形状に代えて三角柱を横にした形状を用いても良いことはいうまでもない。
【００１７】
さらに、図２（ｃ）に示すように、バケット１１の円筒面には多数の孔１５を形成しておくことが好ましい。砲弾と一緒に掬い取った土壌を孔から篩い落として、砲弾の集積場に余分な土壌をできるだけ堆積させないようにすることができる。
孔の形状は任意でよく、たとえば、図２（ｄ）に示すような長い孔やスリット１６であってもよい。長孔の向きも軸と同じ方向や軸と斜行する方向であってもよい。
【００１８】
図３はバケット１１を正逆回転させる回転機構を説明する図面である。
図３（ａ）は、シェルタプレート１３の上に設置されたリンク機構１７によりバケット１１を軸１２の周りに回転させるものを表した図面である。バケット１１の側端部に係合ピン１８が固定され、この係合ピン１８にリンク機構１７の端部の係合穴を合わせて、リンク機構１７を押し上げるとバケット１１の側縁部１４が引き上げられ、最高位置では縁１４がほぼ垂直になり、さらに最高点を通り過ぎて下がり係合ピン１８が回転軸１２とほぼ同じ高さまで来るとバケット１１が下向きに伏せられた姿勢を取るようになる。
土壌部に側縁部１４を当てて掘進させるときは、リンク機構１７を引き上げ、最高点を通過したら今度はリンク機構１７を下方向に押していき、最後はバケット１１がほぼ上向きに開口を向けるところまで進めるようにする。
【００１９】
なお、このとき回転軸１２の位置を変化させないようにすると、バケットの外周壁は円筒面を形成するため、回転中は側縁部が掘削した跡をたどって侵入するので外周壁は土壌の抵抗を僅かしか受けない。
反対側の係合ピン１８が設けられた方の側縁部を使って掘進させることができるが、この場合は、地上すれすれに配置された側縁部をリンク機構１７が下の方に押し進めて砲弾の下を通り、最後はほぼ地面の位置まで進めてバケット１１の開口が上を向くようにする。
【００２０】
図３（ｂ）は、リンク機構に代えてベルトを使った回転機構を表したもので、バケット１１の回転軸にベルトプーリ１９を設け、モータに連結された正逆転可能な駆動軸３１とテンションプーリ３２を備え、プーリ間に掛け渡したベルトを左右方向に駆動してバケット１１を操縦することができる。
なお、プーリに代えてチェーンなど他の無限軌道伝動機構を使用してもよいことはいうまでもない。
図３（ｃ）は、回転軸１２に正逆転可能なアクチュエータ３３を直結してバケット１１を駆動するようにした回転機構を示したものである。アクチュエータ３３が比較的大型になるが構造が簡単になる利点がある。
【００２１】
また、図４は別の型式の回転機構を説明する図面である。図４に示した回転機構は、バケット１１を駆動機構３４に直結して駆動する代わりにサポートリンク３５を介して駆動するものである。サポートリンク３５は、バケット１１の左右の側面にそれぞれ設けられたストッパピン３６に係合して揺動する。
サポートリンク３６はバケット１１に固設されないため、対象物によってサイズや形状が適合するバケットに交換することが簡単である。
【００２２】
図５は、危険物を回収するときの主要な手順におけるバケットの位置姿勢を説明する図面である。
図５（ａ）に示すように、撤去しようとする砲弾５が大量に土壌５２に埋まっている。このうちの１個の砲弾５１を取り出す手順を説明する。
初めに、ロボット２のアーム先端にカップリング２１で装着されたエンドエフェクタ１が対象とする埋設砲弾５１の上方に搬送されてくる。バケット１１は回転軸１２の上方位置にあって下方に開口を向けている。
【００２３】
エンドエフェクタ１の上面にはシェルタプレート１３が設けられ、たとえ砲弾５１が暴発してもシェルタプレート１３で爆風を抑え破片が飛散しないようにして、エンドエフェクタ主要部やロボット本体を保護することができる。シェルタプレート１３は透明体で構成され、作業者はシェルタプレート１３越しに対象とする砲弾５１およびその周辺の状態を観察することができる。なお、シェルタプレート１３の上方に撮像装置を備えて、モニタ装置を介して観察するようにしてもよい。このような目的には、川崎重工業株式会社製Ｋ−ＨＩＰＥ−Ｒ−ＰＣなど市販のイメージングシステムを利用することができる。
【００２４】
図５（ｂ）以下ではバケット１１とその回転軸１２のみを描くことにより単純化して、手順を明確に理解できるようにした。
ロボットにより対象とする砲弾５１に対するバケット回転軸１２の位置を調整する。回転軸１２は、バケット１１の回転によりバケット１１の端縁部が砲弾５１の外周近くを通るような位置に配置される。
図５（ｂ）および（ｃ）に示すように、回転軸１２の位置を固定してバケット１１を回転して、端縁部を土壌内に進入させる。軸１２が固定されていると、バケット１１の円筒部は端縁部が掘削した軌跡をなぞって進行するだけで、回転に伴って余分な抵抗を受けることなく挿入することができる。
【００２５】
図示しないが、このとき、端縁部が侵入する辺りの土壌面にウォータジェットを吹き付けて土壌を軟化させておくと、バケット１１が容易に土壌中に進入することができる。また、バケット１１の端縁部にウォータジェット噴出孔を設けて進入中継続してウォータジェットを噴出し続けると、バケット１１はさらに簡単に土中に進入できるようになる。端縁部の進入に抵抗が小さければ、砲弾に対して土壌を介して及ぶ圧力や衝撃力が緩和されることになるので、暴発の危険が小さくなりより安全である。
【００２６】
図５（ｄ）に示すように、バケット１１を初めの状態からほぼ１８０度まで回転させると、端縁部が地上に現れ砲弾５１と砲弾周囲の土壌５２の切り取りが完了する。
そこで、図５（ｅ）に示すように、バケット１１をそのまま引き上げると、目的の砲弾５１はバケット１１に抱き取られたような状態で土壌から分離することができる。
バケット１１を持ち上げると中の土壌５２が篩い孔から漏れこぼれて砲弾５１と一部の土壌が残るが、持ち上げた状態でバケット１１を振動させるようにすると、バケット１１内の土壌５２が効率よく落下して、砲弾５１に付いて搬送される土壌が大幅に減少する。
【００２７】
取り上げた砲弾５１はトラック６に積んで、処理場に送り安全化処理して処分する。
図５（ｆ）に示すように、トラック６の荷台には、砲弾５が山積みになっていて、新しい砲弾５１は衝撃を与えないように上に加えて静置する必要がある。本実施例のエンドエフェクタ１を用いる場合は、バケット１１を回転軸１２の周りにゆっくり回転させることにより、新しい砲弾５１は砲弾の山にそっと載せることができる。
【００２８】
本実施例のエンドエフェクタを使用すると、対象の外周に沿うように周縁部を進入させ対象を包み込むようにして保持するので、対象に挟持力などの荷重が作用しない。また、対象外周を半円筒部材で包み込んだ状態で引き上げるので、引き上げ時に対象に過剰な作業力や衝撃力を与えない。
さらに、腐蝕などの理由により対象の一部が欠損している場合でも、完全な形状をしているときと全く同一の手順によってハンドリングすることができる。
また対象の寸法にばらつきがあったり変形していても、バケットの寸法を超えない限りハンドリングすることが可能である。
なお、バケット１１は円筒を半分に割ったような形状を採用したが、外壁が円周面を形成して中心軸を固定して回転するようにすればよく、半径や円周面の長さは対象物に従って選択することができることは言うまでもない。たとえばごく細い砲弾を対象とするときは、円筒面の角度の小さい浅いバケットで十分である。
【００２９】
さらに、バケットで対象物を拾い出すときに過剰な圧力や衝撃力を及ぼさないで安全に対象物を確保するため、エンドエフェクタに電磁石を備えた固定装置を設けておいて、特にバケットの縁端部が土壌に貫入する前後のタイミングで対象物を磁石に固定しておくようにすると、作業がより安全になる。ここで、電磁石に代えて真空吸着装置を用いることもできる。
また、上記実施例では、本発明のエンドエフェクタをロボットに装着した状態を説明したが、埋設現場に門型クレーンを設置して取り出す場合はクレーンに本発明のエンドエフェクタを装着して利用することができることは言うまでもない。
上記実施例では砲弾を対象とした場合について述べたが、地雷や危険物収納ドラム缶などであっても本発明のエンドエフェクタを全く同じ態様で利用することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明のエンドエフェクタを用いると、誘爆や危険物放出の危険がある遺棄物の埋設場所から安全に取り出し集積して、廃棄処分を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例のエンドエフェクタをロボットに装着した状態を説明する斜視図である。
【図２】本実施例におけるバケットの例を説明する斜視図である。
【図３】本実施例のバケットの駆動機構を説明する斜視図である。
【図４】本実施例に使用する揺動サポートリンクを説明する斜視図である。
【図５】本実施例のエンドエフェクタを用いて危険物を回収する手順を説明する図面である。
【符号の説明】
１  エンドエフェクタ
２  ロボット
５  砲弾
６  トラック
１１  バケット
１２  バケット中心軸、回転軸
１３  シェルタプレート
１４  バケット側縁部
１５  ふるい孔
１６  スリット
１７  リンク機構
１８  係合ピン
１９  プーリ
２１  カップリング
３１  駆動軸
３２  テンションプーリ
３３  アクチュエータ
３４  バケット駆動機構
３５  サポートリンク
３６  ストッパピン
５１  対象埋設砲弾
５２  土壌
【図１】
0003693634.tif 000002
【図２】
0003693634.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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