(57)【要約】【課題】水平および垂直方向の高所移動を可能にして、移動範囲を平面から空間に広げることにある。【解決手段】複数軸の関節をシリアルに結合させて構成され、先端部に配管を把持するグリッパ１０４を有する右腕及び左腕と、これらの腕が回動自在に連結され、何れかの腕のグリッパにより配管を把持することで支持されるロボット本体１０３とを備えた移動ロボットにおいて、ロボット本体１０３を支持している腕の姿勢がロボット本体に対して一定とし、この状態で遊離腕を進行方向に移動させてグリッパにより配管を把持させた後、両腕で配管２０１とロボット本体１０３との距離が一定に保持されるようにロボット本体１０３を静的に移動させ、一歩毎に遊離アームとして進行方向へ振り出す腕をロボット本体の姿勢が一定に保持されるように交互に切換えて移動させる。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数軸の関節をシリアルに結合して構成され、先端部に把持部材を把持する把持部を有する複数のアームと、これらのアームが回動自在に連結され、前記何れかのアームの把持部により前記把持部材を把持することで支持されるロボット本体とを備えた移動ロボットにおいて、
前記ロボット本体を支持しているアームの姿勢がロボット本体に対して一定とし、この状態で遊離アームを進行方向に移動させると共に、把持部により移動先の把持部材を把持させる第１のステップと、
この第１のステップで遊離アームの把持部が把持部材を把持した後、全てのアームで前記把持部材と前記ロボット本体との距離が一定に保持されるように前記ロボット本体を一歩移動させる第２のステップと、
前記ロボット本体が一歩移動する毎に遊離アームとして進行方向へ振り出すアームを交互に切換えながら前記ロボット本体の姿勢が一定に保持されるように移動させる第３のステップと、
からなることを特徴とする移動ロボットの移動方法。
【請求項２】
請求項１記載の移動ロボットの移動方法において、
遊離アームが進行する方向は垂直方向であることを特徴とする移動ロボットの移動方法。
【請求項３】
請求項１記載の移動ロボットの移動方法において、
遊離アームが進行する方向は水平方向であることを特徴とする移動ロボットの移動方法。
【請求項４】
請求項２記載の移動ロボットの移動方法において、
複数の把持部材が水平に且つ同一垂直面の上下方向に配設されている場合、梯子を昇降するように遊離アームを垂直に移動させることを特徴とする移動ロボットの移動方法。
【請求項５】
請求項３記載の移動ロボットの移動方法において、
複数本の把持部材が水平方向に隣接して平行に配設されている場合、雲梯を渡るように遊離アームを進行方向と把持部材の長手方向とが直交する方向に移動させることを特徴とする移動ロボットの移動方法。
【請求項６】
複数軸の関節をシリアルに結合して構成され、先端部に把持部材を把持する把持部を有する複数のアームと、これらのアームが回動自在に連結され、前記何れかのアームの把持部により前記把持部材を把持することで支持されるロボット本体とを備えた移動ロボットにおいて、
前記ロボット本体を支持しているアームの姿勢をロボット本体に対して一定とした状態で、遊離アームを進行方向に移動させると共に、把持部により移動先の把持部材を把持させるように制御する第１の制御手段と、
この第１の制御手段で遊離アームの把持部が把持部材を把持した後、全てのアームを前記把持部材と前記ロボット本体との距離が一定に保持されるように制御して前記ロボット本体を一歩移動させる第２の制御手段と、
前記ロボット本体が一歩移動する毎に遊離アームとして進行方向へ振り出すアームを交互に切換制御して前記ロボット本体の姿勢が一定に保持されるように移動させる第３の制御手段と、
からなることを特徴とする移動ロボットの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配管などの柱状部材を利用して移動が可能な移動ロボットの移動方法及び制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の移動ロボットとしては、その多くが車輪型、脚式、クローラ型等による床面上を移動するものであり、特に車輪型が広く用いられている。
【０００３】
一方、柱や梁などの構造物を伝わって高所移動を行うロボットが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
この高所移動ロボットは、２個の構造物把持用グリッパと、グリッパ間の回転および直動の自由度を有する連結部によって構成される。
【０００５】
かかる構成の高所移動ロボットにおいては、一つのグリッパで柱等を把持してロボットの位置を固定し、遊離したグリッパを連結部の駆動によって進行方向へ動作させて移動先の構造物を把持し、元把持状態であったグリッパを同様に動作させることでロボット全体の移動を可能にしている。
【０００６】
【公知文献１】
特開平６−２２６６５８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の床面上を移動する移動ロボットは、脚式、クローラ型など段差を乗り越えられるものもあるが、基本的には平地面内に行動範囲が限定されるものであった。
【０００８】
一方、後者の高所移動ロボットは、機構の自由度と可動範囲の制約によって複雑な柱構造への対応や大きな障害物の回避は困難である。
【０００９】
例えばプラント内の点検を行う汎用的な移動作業ロボットを考えた場合、点検個所付近までの平地移動および階段昇降、足場の不安定な場所での高所移動、目的の場所での所定作業などが想定されるが、従来の移動ロボットでは平面から空間に広がる移動範囲を移動して各種の作業を行うには不十分である。
【００１０】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、汎用的作業能力を確保しつつ手すりや配管など掴まることのできる構造物を足場として用い、水平および垂直方向の高所移動を可能にすることにより、移動範囲を平面から空間に広げることができる移動ロボットの移動方法及び制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような方法により移動ロボットを移動させるものである。
【００１２】
本発明は、複数軸の関節をシリアルに結合させて構成され、先端部に把持部材を把持する把持部を有する複数のアームと、これらのアームが回動自在に連結され、前記何れかのアームの把持部により前記把持部材を把持することで支持されるロボット本体とを備えた移動ロボットにおいて、前記ロボット本体を支持しているアームの姿勢がロボット本体に対して一定とし、この状態で遊離アームを進行方向に移動させると共に、把持部により移動先の把持部材を把持させた後、全てのアームで前記把持部材と前記ロボット本体との距離が一定に保持されるように前記ロボット本体を静的に移動させ、且つ一歩毎に遊離アームとして進行方向へ振り出すアームを前記ロボット本体の姿勢が一定に保持されるように交互に切換えて移動させる。
【００１３】
【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。
【００１４】
図１は本発明による移動ロボットの第１の実施形態を示す構成図で、ここでは一例として双腕型ロボットに適用した場合を説明する。
【００１５】
本ロボット１００は、６軸からなるアーム２本、つまり左腕１０１と右腕１０２と、これら両腕１０１，１０２が回動自在に連結され、内部に電装品が収納されたロボット本体１０３からなる。
【００１６】
これら両腕１０１，１０２は、１自由度の関節モジュールを連結した構造のもので、軸番号をロボット本体側から数えると、２，３，４軸は腕の長さを伸縮できるように同じ向きの軸とし、１軸はこれに直交するように配置される。
【００１７】
また、手先の姿勢を変化させ易いように手先側の２つの軸は、回転方向が互いに直交するように配置されている。
【００１８】
腕の先端には配管把持用のグリッパ１０４が連結され、１自由度の直動開閉動作で配管１０５を把持するようにしてある。また、このグリッパ１０４は垂直配管を把持してぶら下がった状態でもロボット本体を支持できる程度の把持力を有している。
【００１９】
この場合、これら両腕１０１，１０２の各軸の関節及びグリッパ１０４の直動開閉部を駆動するアクチュエータとしては、図示しない例えば電動モータが各部に内蔵されている。
【００２０】
また、ロボット本体１０３には、図示していないが、視覚センサ、触覚センサ等の各種センサが付設され、さらに作業目的に合わせて各種の検査器具や作業機器が担持させることが可能にしてある。
【００２１】
ここで、向きの定義として図１に示したロボットの右手座標系において、ｘ軸方向をロボットの右方向、ｚ軸方向を上方とする。
【００２２】
図２は、上記移動ロボットの制御システムを示す構成図である。
【００２３】
図２に示すようにロボット本体１０３に付設された各種センサから検出信号が入力されると軌道生成アルゴリズムに基づいて両腕１０１，１０２の各軸の関節及びグリッパ１０４の直動開閉部を駆動する電動モータの回転角度等の位置情報を表す制御信号を出力するコントローラ１０６を備えている。
【００２４】
このコントローラ１０６は、ロボット本体１０３を支持している左腕１０２を支持腕としてその姿勢がロボット本体１０３に対して一定、つまり把持部１０４がロボットの重心の鉛直上方に位置し、この状態で右腕１０３を遊離腕として進行方向に移動させて把持部１０４により配管を把持させる第１の制御手段１０６ａと、この第１の制御手段１０６ａで遊離腕の把持部が配管を把持した後、両腕で配管とロボット本体との距離が一定に保持されるようにロボット本体１０３を静的に一歩移動させる第２の制御手段１０６ｂと、ロボット本体１０３が一歩移動する毎に遊離腕として進行方向へ振り出す腕を交互に切換制御してロボット本体の姿勢が一定に保持されるように移動させる第３の制御手段１０６ｃとを備えている。
【００２５】
次にこのロボットが配管にぶら下がって移動する場合を説明する。
【００２６】
図３は、左腕２０２が支持腕、右腕２０３が遊離腕となって水平配管２０１の前進移動を行う例を示している。ここで、支持腕とはグリッパ１０４により水平配管２０１を把持している腕であり、遊離腕とはグリッパ１０４が水平配管１０４を把持していない状態の腕を言う。
【００２７】
まず、図３（ａ）に示すように支持腕となる左腕２０２のグリッパ１０４がロボット本体１０３の真上にきて重心が安定している姿勢から動作を開始し、右腕２０３を遊離した後前方へ振り出し、図３（ｂ）に示すように移動先の配管２０１を把持する。
【００２８】
その後、両腕を用いてロボット本体１０３を図３（ｃ）に示すように前進させる。この場合、片腕支持状態時にロボットの全重量が負荷となる支持腕である左腕２０２は動かさずに姿勢が固定されているので、腕にかかる最大発生負荷を小さく抑えることができる。また、図３（ｄ）に示すように支持腕２０２のグリッパ１０４が常にロボット本体１０３の重心の鉛直上方向にある配管を把持することで重心位置が安定した状態で動作を行うことができる。
【００２９】
なお、支持腕２０２の姿勢を固定するため、ロボット本体位置から見た遊離腕２０３の移動ストロークが一歩のロボット本体移動量となる。
【００３０】
さらに、配管２０１とロボット本体１０３との距離を一定とするため、ロボット本体１０３の移動軌跡は直線となり、またロボット本体の姿勢を一定に保持するため、ロボットの中心となるロボット本体部を安定に移動させることができる。このロボット本体の安定移動は、ロボット本体１０３にカメラや荷物を載せた場合に視覚画像の安定化、発生する負荷の減少といった効果が得られる。
【００３１】
次にもう一歩進む場合は、右腕２０３を支持腕、左腕２０２を遊離腕に役割を入れ替えて同様の動作を行う。
【００３２】
このようにロボットが水平配管にぶら下がり、ロボット本体１０３を支持している腕の姿勢をロボット本体１０３に対して一定とし、遊離腕を進行方向に移動した後、全ての腕でロボット本体を静的に移動させ、且つ一歩毎に支持腕と遊離腕とを交互に切換えて移動することで、常に片側だけの腕に負荷がかかって機構の疲弊に偏りが発生することを防ぐことができる。
【００３３】
図４は、左腕２０２が支持腕、右腕２０３が遊離腕の状態で垂直配管３０１の昇り動作を行う例を示している。なお、垂直配管を移動する場合は、水平配管移動に対して、グリッパ１０４の向きを常に配管を把持できるように９０度曲げた状態で行われる。
【００３４】
図４（ａ）に示すように水平配管移動の場合と同様に左腕２０２である支持腕の姿勢を固定した状態で、右腕２０３を遊離腕として上方に振り出し、図４（ｂ）に示すように支持腕の上方に位置する移動先の垂直配管３０１をグリッパ１０４により把持する。
【００３５】
その後、両腕を用いてロボット本体１０３を図４（ｃ）に示すように一歩上昇させる。
【００３６】
このようにロボットが垂直配管３０１にぶら下がり、ロボット本体１０３を支持している腕の姿勢をロボット本体１０３に対して固定とし、遊離腕を進行方向に移動した後、全ての腕でロボット本体を静的に移動させ、且つ一歩毎に支持腕と遊離腕とを交互に切換えて移動することで、ロボット本体１０３を垂直配管３０１の目的位置まで移動させることができる。
【００３７】
図５は、複数本の水平配管が適宜の間隔を存して同一高さで平行に配設されている場合のロボットの横渡り移動例を示している。この場合、渡る方向の腕が遊離腕となり、もう片方の腕が支持腕となる。
【００３８】
いま、図５（ａ）に示すように両腕のグリッパ１０４で渡元配管４０１を把持してぶら下がった状態にあるものとする。この状態から右腕２０３を支持腕、左腕２０２を遊離腕として図５（ｂ）に示すように渡先配管４０２方向でその下をくぐらせるように振り出し、ロボット本体から遠く離れた状態でグリッパ１０４により渡先配管４０２を把持する。
【００３９】
従って、ロボットは図５（ｃ）に示すように支持腕により渡元配管４０１を把持し、遊離腕により渡先配管４０２を把持した状態となる。
【００４０】
その後、図５（ｄ）に示すように遊離腕と支持腕の役割を入れ替えて元支持腕を渡元配管の下をくぐらせて振り出し、図５（ｅ）に示すように渡先配管４０２を両腕により把持する。
【００４１】
その後、同様の動作を繰返すことで、ロボットを目的とする水平配管位置まで移動することができる。
【００４２】
図６は図３と同様に水平配管２０１の前進移動を行う例を示している。
【００４３】
図３と異なる点は、ロボット本体１０３の移動のために最初に振り出す遊離腕を常に毎歩同じ側の腕とし、使用する腕に特異性を持たせることにある。
【００４４】
すなわち、まず図６（ａ）に示す状態から右腕２０３を遊離した後、前方へ一定歩幅で振り出し、図６（ｂ）に示すように移動先の配管２０１を把持する。
【００４５】
その後、両腕を用いてロボット本体１０３を図６（ｃ）に示すように前進させ、この状態で今度は左腕２０２を遊離した後、前方へ右腕と同じ歩幅で振り出し、図６（ｄ）に示すように両腕により配管２０１を把持する。
【００４６】
次にもう一歩進む場合も、上記と同様の動作を行う。
【００４７】
このような移動方法とすれば、両腕ともロボットの重心位置上方の配管を把持した状態を初期姿勢とし、両腕によるロボット本体移動後に支持腕だった腕を遊離して動作の初期位置に戻し、次の一歩へ移行させることにより、例えば手先に何らかのツールを搭載して重くなっても腕にかかる移動負荷を小さくすることができる。
【００４８】
図７は、複数本の配管が同一垂直面上に水平に適宜の間隔を存して上下方向に配設されている場合のロボットの昇降移動例を示している。この場合、各腕のグリッパの向きを常に配管側に向けた状態にしてある。
【００４９】
いま、図７（ａ）に示すように左腕２０２のグリッパ１０４で水平配管２０１を把持している状態でその下方の配管から右腕２０３を遊離して図７（ｂ）に示すように支持腕で把持している配管の上方の配管に向けて振り出し、そのグリッパ１０４により把持する。
【００５０】
その後、両腕を用いてロボット本体１０３を図７（ｃ）に示すように上昇させる。
【００５１】
次にもう一歩上昇する場合は、右腕２０３を支持腕、左腕２０２を遊離腕に入れ替えて同様の動作を行う。
【００５２】
このような移動方法によれば、ロボットは梯子の昇降の要領でグリッパ１０４を配管に引っ掛けるだけで、大きな把持力を必要とすることなく、昇降移動することができる。
【００５３】
図８は、複数本の水平配管が適宜の間隔を存して同一高さで平行に配設されている場合のロボットの横渡り移動例を示している。
【００５４】
いま、図８（ａ）に示すように中央の水平配管４０１を左腕２０２のグリッパ１０４で把持し、一つ手前の水平配管４００を右腕２０３のグリッパ１０４により把持した状態にあるものとする。この状態から左腕２０２を支持腕、右腕２０３を遊離腕として図８（ｂ）に示すように一つ先の水平配管４０２方向でその下方をくぐらせるように振り出し、グリッパ１０４によりその水平配管４０２を把持する。
【００５５】
その後、両腕により中央の水平配管４０１と一つ先の水平配管４０２を把持した状態でロボット本体１０３を図８（ｃ），（ｄ）に示すように水平に移動させる。
【００５６】
このように片腕支持状態時にロボット本体の全重量が負荷となる支持腕の姿勢は固定されるので、腕にかかる最大発生負荷を小さく抑えることができる。
【００５７】
次の水平配管に横渡りする場合には右腕２０３を支持腕、左腕２０２を遊離腕として前述同様に横渡り移動する。
【００５８】
このような移動方法によれば、ロボットが雲梯を渡るように進行方向と配管長手方向が直交する向きで移動することで目的位置まで連続して渡ることができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、汎用的作業能力を確保しつつ手すりや配管などの把持部材に掴まることのできる構造物を足場として用い、水平および垂直方向の高所移動を可能にすることにより、移動範囲を平面から空間に広げることができる移動ロボットの移動方法及び制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明による移動ロボットの第１の実施形態を示す構成図。
【図２】同実施形態の移動ロボットの制御システムを示す構成図。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は同実施形態において、ロボットが水平配管にぶら下がって水平移動する例の説明図。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は同実施形態において、ロボットが垂直配管にぶら下がって昇降移動する例の説明図。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は同実施形態において、ロボットが水平配管にぶら下がって複数本の水平配管相互間を横渡移動する例の説明図。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は同実施形態において、ロボットが水平配管にぶら下がって移動する第２の例の説明図。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は同実施形態において、同一垂直面に複数の水平配管が上下方向に配設されている場合、ロボットが梯子の昇降の要領で移動する例の説明図。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は同実施形態において、複数の水平配管が水平方向に配設されている場合、ロボットが雲梯を渡る要領で移動する例の説明図。
【符号の説明】
１００…双腕型ロボット
１０１，２０２…左腕
１０２，２０３…右腕
１０３…ロボット本体
１０４…グリッパ
１０５，２０１，３０１，４００．４０１，４０２…配管
１０６…制御装置
１０６ａ…第１の制御手段
１０６ｂ…第２の制御手段
１０６ｃ…第３の制御手段
【図１】
2004188551.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004188551.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004188551.tif 000009
【図８】
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