(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットによって狭隘部を含む経路を探索又は前記経路について作業を行うロボットシステムにおいて、ロボットと、該ロボットの作動を監視制御する制御用コンピュータと、ロボット内部に巡らされ且つ前記制御用コンピュータに接続されているネットワークで構成され、前記ロボットは複数のアームを関節によって手先まで順次繋いで多関節構造に構成された多関節ロボットであり、前記手先を含む先端部は探索センサを備え、前記関節はそれぞれＣＰＵ、通信デバイス、関節駆動用モータを備え、
前記制御用コンピュータには目標認識処理部、前後進制御部及び手先方向制御部が、また前記制御用コンピュータと各関節に配設された前記ＣＰＵには継承制御部が分散配置されてなり、
前記目標認識処理部は前記探索センサからの検知信号に基づいて前記手先が進むべき目標方向と移動すべき目標距離を定め、前記手先方向制御部は前記目標認識処理部から送られる目標方向の情報により手先角度を制御し、且つ前記前後進制御部で前記目標認識処理部からの情報と前記制御用コンピュータからの情報に基づいて前後進距離が決定され、
前記継承制御部は、前記手先方向制御部からの手先角度と前後進制御部からの進むべき距離の情報とに基づいて、前記狭隘部を前記手先の前進に伴って前記手先が占めていた向きと位置を該手先に繋がるアームが１ステップ前の手先と同じ向き及び位置をとるように制御し、以下後続のアームが同じ向き及び位置を順次占めるように、その関節角と前後進距離とを後続アームの関節に順次継承して、前記関節のくねり運動の継承制御によって前記狭隘部を通過することから成ることを特徴とするロボットシステム。
【請求項２】
前記アームは中空構造を有し、前記関節の一部はオフセット回転関節であることから成る請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項３】
前記探索センサは、前記手先の周囲を撮影するカメラ、音源方向を探知可能なマイクロフォン、又はガスの濃度又は流れを検出可能なガス検出器であることから成る請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項４】
前記経路として形成されている内部管路の全体又は一部を前記狭隘部とする直管又は屈曲配管についての探索又は作業に適用されることから成る請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項５】
前記経路の一部として形成されている入口部を前記狭隘部とする容器についての探索又は作業に適用されることから成る請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項６】
瓦礫内に形成されている通路の探索又は作業に適用されることから成る請求項１に記載のロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ロボットによって狭隘部を含む経路を探索又は前記経路について作業を行うロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直管や屈曲管、或いは容器の内部の検査、修理等のメンテナンスにおいては、管径が小さい場合や、扱われる液体、気体等の流体が人体に対して危険性がある場合、或いは作業員が直接に入り込むのが適切でない場合には、作業員の代わりに経路を走行可能な点検ロボットが用いられている。従来の管内等のための点検ロボットは、ロボット本体に車輪やその駆動を行う走行部を備え、経路の内壁に車輪を当接させながら車輪駆動によって移動したり、或いは尺取り虫の歩行動作と同様のインチング移動をするものが殆どである。しかしながら、こうした点検ロボットは、曲がることができるそれほど小さくない最小半径を有しているので、経路に小曲率部分があるとその部分が狭隘部となって通過することができないという問題がある。
【０００３】
阪神淡路大震災をきっかけに、地震等で倒壊した建物等の瓦礫の中を移動可能にしたロボット及びそのシステムが提案・開発されてきている。例えば、瓦礫内探索用多関節型移動システムとして、各リンクにクローラ（キャタピラ）を装着した蛇状の多リンクシステム移動が提案されている（非特許文献１参照）。また、ベローズ状の胴体を持つ尺取り虫運動を行うスライム型がれき内探査ロボットも提案されている。これらの提案では、各リンクに設けられているクローラやキャタピラが、コンクリート、石、木材、家具等が散乱した瓦礫につかえて立ち往生する可能性があり、あるいはベローズ状胴体は、粉体や砂状体の環境では前後進が困難になるなど、実用化までには至っていない。
【非特許文献１】「大都市大震災軽減化特別プロジェクト、ＩＩＩ被害者救済等の災害対応戦略の最適化  ４．レスキューロボット等次世代防災基盤技術の開発  平成１４年度成果報告書」、特定非営利活動法人国際レスキューシステム研究機構、独立行政法人防災科学技術研究所及び文部科学省研究開発局、平成１５年３月、ｐ９４〜１０３，ｐ１４２〜１４５，ｐ１６１〜１６４
【０００４】
また、上記非特許文献１においては、狭隘部のための点検ツールとして、内部探査用の伸縮アームとその先端にＣＣＤを備えたファイバースコープが提案されているが、方向の誘導が極めて困難であり、再現性がない。カメラ付き覗き筒は、先端だけを曲げて周囲を観察できるが、筒全体は曲がる構造ではないので、一方向だけの探索となる（同文献ｐ１４６〜１４９）。更に、上記非特許文献１においては、３自由度関節を有する蛇型ロボットの提案もされている（同文献ｐ１７６〜１８２）が、外部情報と内部の制御態様との関連にまで具体的な提案を含むものではない。
【０００５】
現在、ガス配管、上下水道配管、原子炉などの狭隘部での点検修理のニーズが高まっている。ガス配管、上下水道配管、原子炉などの狭隘箇所での作業ロボットは、通常のメンテナンスにおいて重要であるばかりでなく、地震などの災害時のライフライン確保に必須、且つ緊急に確立すべき技術である。狭隘箇所内部の点検修理を行うロボットに要求される項目として、爆発性雰囲気、水中などの劣悪環境での使用に耐える耐環境性や、点検修理ツールの実装法があるが、それにも増して、狭隘部でロボットを動作させるための小型化とスリム化、或いは更に、ロボット内ネットワーク利用による省配線技術とリモート操作の容易化が挙げられる。
【０００６】
本発明者らは、既に、駆動側アームと従動側アームがアーム軸線に対して傾斜したオフセット回転軸線回りに回転駆動されるオフセット回転関節を少なくとも複数個有する多関節ロボットにおいて、前記駆動側アーム先端に高減速比の関節回転伝動機構部が所定のオフセット角度で傾斜して固定され、該関節回転伝動機構は駆動側であるステータ部と従動側であるロータ部とで構成され、前記ステータ部がステータハウジング、該ステータハウジングに回転自在に固定され外周面にカム面が形成され、モータで回転駆動される中空回転軸、内周面が前記中空回転軸のカム面と係合するカム作動面で外周面が歯面となって弾性変形可能に固定されてなる入力ギア部材からなり、前記ロータ部材が、ロータハウジング、該ロータハウジングに固定され、前記ステータ部の入力ギア部材と噛合い前記中空軸と同一回転軸心で回転する出力ギア部材からなり、前記ロータハウジングに従動側アームを固定してオフセット回転関節を構成した多関節ロボットを提案している（特許第３３２６４７２号）。この多関節ロボットは、各関節がオフセット回転関節となっており、各関節がオフセット回転するのみで従来の３次元ロボットでは実現が困難であったエンドエフェクタの３次元空間での自由な向きと位置を選択することができる。しかも各アームの動きの組合せが蛇のようにうねった動きをさせることができ、例えばエンドエフェクタが作業対象物に達するまで複雑経路を経なければならない位置（例えば障害物の背後等）にある作業対象物にも作業を行うことが可能である。従来のように、例えば作業点の教示をエンドエフェクタの始点から目標位置までの軌道の教示を行い、その教示された作業点間を多関節ロボットの各関節に配置されたモータの制御量として計算して軌道生成すると、非常に膨大な量の情報を各時刻毎に処理しなければならず、コンピュータの負荷が増大し、応答速度が遅くなる問題点があるので、各関節と中央コンピュータとのネットワークを構築し、継承制御を行うことを提案している。
【０００７】
また、本発明者らは、既に、ロボットの腕を構成している両端部がオフセット角をもってカットされた円筒形状である各関節ユニットの全面に亘って圧力分布が測定できる接触センサを提供し、該センサからの検出値をもちいてロボットの腕のリアルタイムの駆動制御を可能にする技術を提供している（特開２００１−２８７１８９号公報）。平行に配置された行電極と糸巻き形態に配置された列電極とを組み合わせて感圧シートセンサを構成することによって、両端部がオフセット角をもってカットされた円筒形状である各関節の全面に亘り電極交点が分布させることを可能にしている。また、行列ともに所定幅をカバーする電極構造とすることによって、出力信号端子の数を減少させて演算処理の負担を軽減することを可能にした。更に各関節毎に備えた感圧シートセンサ、エンコーダと情報処理手段とによってローカル処理を実行してからＣＰＵに送信することで、中央の演算処理負担を軽減している。
【０００８】
更に、本発明者らは、既に、回転機構のみで二次元面の曲げ動作ができて高負荷加重に対応でき、介護補助ロボット等の双腕機構に適用できる回転修正機構付きオフセット回転関節ユニットを提案している（特開２００３−２５２６９号公報）。この回転修正機構付きオフセット回転関節ユニットによれば、第１アーム、その軸線を中心に回転駆動される回転修正アーム、該回転修正アームと斜交する軸線を中心として回転駆動される第２アームとで１組のオフセット回転関節ユニットが構成される。第１アームと回転修正アームを連結する回転修正関節機構部と、回転修正アームと第２アームを連結するオフセット回転関節機構部を単一のモータで駆動し、オフセット回転関節機構部の回転に伴って、回転修正関節機構部が同期して逆回転することによって、回転機構のみで第２アームを、第１アームに対して２次元面で曲げ動作をさせることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、ロボットによって狭隘部を含む経路を探索又はその経路について作業を行うロボットシステムにおいて、手先が進むべき経路を自動的に探索し、関節構造によって狭隘部が存在していても通過可能とする点で解決すべき課題がある。
【００１０】
この発明の目的は、各種センサによる誘導で、手先が必要な方向に向けて経路を進行可能であり、従来のロボットでは不可能であった狭隘部の通過を含む経路での自在な作業を可能にするロボットシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、この発明によるロボットシステムは、ロボットによって狭隘部を含む経路を探索又は前記経路について作業を行うロボットシステムにおいて、ロボットと、該ロボットの作動を監視制御する制御用コンピュータと、ロボット内部に巡らされ且つ前記制御用コンピュータに接続されているネットワークで構成され、前記ロボットは複数のアームを関節によって手先まで順次繋いで多関節構造に構成された多関節ロボットであり、前記手先を含む先端部は探索センサを備え、前記関節はそれぞれ小型のコンピュータ（ＣＰＵ）、通信デバイス、関節駆動用モータを備えてなり、前記探索センサの検出に基づいて前記手先が進むべき方向を定め、前記狭隘部を前記手先の前進に伴って前記手先が占めていた向きと位置とを後続のアームが順次占めるように、その制御内容を後続アームの関節に順次継承して、前記関節のくねり運動の継承制御によって前記狭隘部を通過することから成ることを特徴とするものである。
【００１２】
このロボットシステムによれば、ロボットは複数のアームを関節によって手先まで順次繋いで多関節構造に構成された多関節ロボットであり、手先を含む先端部には探索センサを備えているので、先ず、探索センサの検出に基づいて手先が進むべき方向が定められ、その進行方向に対応して手先を繋ぐ関節が作動し、手先の向きが進行方向に合わせられる。ロボットは全体が手動又は作動装置による自動にて進行させられるが、このとき、手先の進行方向を維持する態様で後続の多関節構造のアームと関節が作動する。手先に繋がるアームは１ステップ前の手先と同じ位置及び姿勢を取るように作動し、以下、更に後続のアームと関節も同様の作動をして、全体としてはくねり運動の継承制御を受けて作動する。したがって、経路に狭隘部が存在していても、手先が通過可能であれば、以後のアームや関節（全部、又は一部）が通過可能であるかが判断可能である。狭隘部の広さが、手先が通過可能でない場合には、無理に通過しようとするときに何れかの関節又は作動装置の作動トルクが過大になるので、そうした場合を判断可能である。なお、ロボットは、逆のくねり運動をすることによって元の位置に戻ることができる。
【００１３】
このロボットシステムにおいて、前記アームは中空構造を有し、前記関節の一部はオフセット回転関節とすることができる。アームを中空構造に構成することによって、中空内部に手先や関節を作動させるに必要な配線を、外部に曝すことなく収容することができ、配線を保護した状態でロボット内ネットワークを構成することができる。また、そうしたネットワークを利用することで、省配線を達成しリモート操作を容易に行うことができ、結果として多関節ロボットのくねり運動の継承制御を行い易くすることができる。
【００１４】
このロボットシステムにおいて、前記探索センサは、前記手先の周囲を撮影するカメラ、音源方向を探知可能なマイクロフォン、又はガスの濃度や流れを検出可能なガス検出器とすることができる。探索センサはＣＣＤカメラ等の適宜のカメラでよく、撮像信号は光ファイバーで送信することができる。必要があれば周囲を照らす光源も、カメラに合わせて備えることができる。カメラで撮影した画像を別場所に設置した表示器に表示させることで、探索方向を手動で設定することができる。また、撮影画像のデータから探索方向を自動的に決定することも可能である。探索センサが音源方向を探知可能なマイクロフォンである場合、探知した音源方向は、何かの事象の発生方向と考えられるので、探索方向の有力な候補に定めることができる。探索センサがガスの濃度や流れを検出可能なガス検出器である場合、ガス濃度が高い方向、或いはガス流れの上流方向は、ガス漏出源が存在する方向と考えられるので、探索方向の有力な候補に定めることができる。
【００１５】
このロボットシステムは、前記経路として形成されている内部管路の全体又は一部を前記狭隘部とする直管又は屈曲配管についての探索又は作業に適用することができる。直管又は屈曲配管は、ロボットによるメンテナンスに適しており、特に、経路として全体又は一部が狭隘部を構成している場合には、狭隘部を通過するために本ロボットシステムが好適である。
【００１６】
また、このロボットシステムは、前記経路の一部として形成されている入口部を前記狭隘部とする容器についての探索又は作業に適用することができる。入口部が狭隘部となっている容器に外部からロボットを入り込ませる場合、狭隘部を通過するのに本ロボットシステムは好適である。
【００１７】
更に、このロボットシステムは、瓦礫内に形成されている通路の探索又は作業に適用することができる。瓦礫内においては、経路の存在自体を探索するのが重要になり、その経路は狭隘部を持つことが十分考えられる。本ロボットシステムは、狭隘部を持つか否かに関わらず、経路を探索して作業を行うのに適している。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によるロボットシステムは、上記のように構成されているので、ガス配管内、上下水道管内、原子炉施設の配管等の、狭隘部を含む作業領域で、点検、修理、メンテナンス等の作業をスムーズに行うことができる。特に、狭隘部が配管のエルボのように曲率が小さい部分を含んでいても、誘導が容易であってスムーズに通過し且つ作業を行うことができる。また、この発明による作業ロボットは、地震で建物等が倒壊して生じる瓦礫内でも、手先が進むべき方向を自動的に探索するので、人命救助、ライフラインの確保等、災害発生時に緊要な作業を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付した図面に基づいて、この発明によるロボットシステムの実施例を説明する。図１は、この発明によるロボットシステムの一実施例を示す模式図、図２は図１に示すロボットシステムの作動を制御するための制御ブロック図、図３は図２に示す制御ブロックにおける制御フローを示すフローチャートである。
【００２０】
図１において模式図として示すこの発明によるロボットシステム１は、基部１２から複数のアーム（１３ａ等の一部のみを図示）を回転関節（１４ａのみ図示）及びオフセット関節（１５ｅのみ図示）を介して手先１６まで順次繋いで多関節構造に構成された多関節ロボット（以下、「ロボット」と略す）２と、ロボット２の作動を監視制御する制御用コンピュータ３と、ロボット２の内部に巡らされ且つ制御用コンピュータ３に接続されているネットワーク４とを備えている。ロボット２自体の構造の詳細については、図４を参照して後述する。制御用コンピュータ３は通常はロボット２から離れた位置に配置されており、作業者等は、制御用コンピュータ３を用いてディスプレイ上でセンサ２０等の探索センサからの検知信号をモニタするとともに、手先１６が進むべき方向とその移動距離を指示することができる。
【００２１】
探索センサは、例えばＣＣＤカメラから成るセンサ２０とすることができるが、センサ２０以外にも複数構成に配置することができる。また、センサ２０に複合機能を備えさせてもよい。例えば、ステレオ視で狭隘部の開口の大きさと距離を計測する構成としたり、画像処理にて開口の大きさ、レーザ距離計又は超音波距離計で狭隘部までの距離を計測する構成とすることができる。ネットワーク４は、センサ２０等の探索センサからの検知信号と制御用コンピュータ３からの制御信号とを受けて、すべての関節１４，１５との間、及び各関節１４，１５同士の間で信号の遣り取りを可能にしている。各関節１４，１５は内部に小型のコンピュータ（ＣＰＵ）、通信デバイス、関節駆動用モータ等の必要な部品・機構を備えている。したがって、ロボット２の全体の作動の制御についてはセンサ２０等の探索センサの検知信号と制御用コンピュータ３からの指令・操作信号とを受けて行われ、後述するくねり運動制御等については、各関節１４，１５がそれぞれの役割を他の関節と連携しつつ果たすことによる分散制御で行われる。
【００２２】
図２には、ロボットシステム１の作動を制御するための制御ブロック図が示されている。この制御ブロック図によれば、探索センサ（センサ２０、及び後述するセンサ２１も含む）からの検知信号は目標認識処理部５に送られる。目標認識処理部５は、探索センサからの情報に基づいて狭隘部が存在する方向とその狭隘部までの距離、即ち進むべき目標方向と移動すべき目標距離を定める。作業者は、制御用コンピュータ３において、前進・後進の指令や又はその具体的な操作を指示することができ、その指令・操作信号が前後進制御部６に入力される。前後進制御部６には目標認識処理部５からの目標距離に関する情報が入力されるので、両入力に基づいて実際に移動すべき前後進距離が決定され、継承制御部８に送られる。
【００２３】
目標認識処理部５が設定した目標方向は、手先方向制御部７に送られる。手先方向制御部７は手先１６の向き目標方向に合わせるように制御する。手先１６にはセンサ２０が機械的に取り付けてあるので、その制御結果によってセンサ２０の向きが変化するが、センサ２０の向きの変化の情報は目標認識処理部５に直ちに送られて、その変化については目標方向に反映される。手先１６が向いた手先角度についての情報は、継承制御部８に送られる。継承制御部８は、手先１６が向いた手先角度の情報と前後進制御部６からの進むべき距離の情報とに基づいて、各アーム１３を接続する回転関節１４及びオフセット関節１５を制御して、手先１６が占めていた位置と方向が手先１６に繋がる各アーム１３後続のアームに順次継承されていく、所謂、くねり運動を可能にする制御を行う。目標認識処理部５、前後進制御部６及び手先方向制御部７は、通常、制御用コンピュータ３内に設けることができるが、継承制御部８は、制御用コンピュータ３内及び各関節１４、１５に分散配置されたＣＰＵとで構成することができる。
【００２４】
図２に示す制御ブロックにおける制御フローが図３においてフローチャートとして示されている。図１及び図２を参照しつつ、図３示すフローチャートを説明すると、制御が開始する（ステップ０、「Ｓ０」と略す、以下同様）と、センサ２０等によって空隙検出と狭隘部の開口径の計測が行われると、目標認識処理部６において手先１６の目標方向と目標距離とを定める目標認識処理が行われる（Ｓ１）。先ず、狭隘部の開口径をロボット２が進入可能か否かが判定され（Ｓ２）、Ｓ２において進入可能であると判定された場合には、次に、前進距離計測が行われる（Ｓ３）。前進距離が定まると、前後進制御部６において前進制御が行われる（Ｓ４）。同時に、継承制御部８は、手先１６の前進に伴って手先１６が占めていた向きと位置とを後続のアームが順次占めるように、回転関節１４及びオフセット関節１５を制御する継承制御を行う（Ｓ５）。ロボット２が前進すると、前進位置において再度、Ｓ１が開始され、以下、同様の制御が繰り返される。その結果、ロボット２はくねり運動を行い、曲がった経路であっても狭隘部を通過することができる。
【００２５】
Ｓ２において進入可能でないと判定された場合には、センサ２０が全方向を探索したか否かを判定する（Ｓ６）。全方向を探索済みであると判定される場合には、前進が不可能であると判断して、ロボット２が全体的に後退して、別の空隙（狭隘部）を探索する（Ｓ７）。Ｓ６における判定で、まだ全方向を探索済みでない場合には、手先方向制御部７によって手先１６の方向を変える手先角度変更が行われ、Ｓ１に戻って、新たな空隙検出と狭隘部の開口径の計測に基づいて目標認識処理が行われる。なお、手先１６が最終目標に到達した場合や、作業者からの割り込み命令があったときには、例えばＳ５の継承制御の後で、適当な判定を行ってこの制御ループから離脱することができる。
【００２６】
図４はこの発明によるロボットシステムに用いられるロボットの一適用例を示す概略図、図５は図４に示すロボットの別の適用例を示す概略図、図６及び図７は、この発明によるロボットシステムを、入口部を狭隘部とする容器についての探索又は作業への適用例の概要を示す図、図８は図４に示すロボットを瓦礫内に形成されている通路の探索又は作業への適用例の概要を示す図である。
【００２７】
図４は、この発明によるロボットシステムに用いられるロボットによって直管の内部を検査している状態のイメージ図である。図４では直管３０が模式的に示されており、ロボットシステム１が直管３０の最深位置まで進行した状態で示されている。この例では、ストレートな経路３１の全体が狭隘部３２となっている。ロボットシステムに用いられるロボット２は、基部１２から複数のアーム１３ａ〜１３ｊを、回転関節１４ａ〜１４ｅ又はオフセット関節１５ａ〜１５ｅを介して手先１６まで順次繋いで多関節構造に構成された多関節ロボットである。回転関節１４ａ〜１４ｅは、ロボット２の軸線１７の周りに回転する、即ち、ロール軸の周りの回転のみを行う関節である。一方、オフセット関節１５ａ〜１５ｅは、後述するように、その前後のアームの向きを変えることができる関節である。回転関節１４ａ〜１４ｅとオフセット関節１５ａ〜１５ｅとは、アーム１３ａ〜１３ｊに対して交互に適用されて、隣り合う二つのアームを接続している。こうした多関節構造には、上記した本出願人が既に特許を取得している特許第３３２６４７２号、或いは特開２００３−２５２６９号公報に開示の技術を用いることができる。
【００２８】
ロボット２の手先１６は、最も先端側のアーム１３ｊに対して進退可能な手先基部１８と、手先基部１８の先端部分に取り付けられたハンド１９と、探索センサの一つとして手先基部１８の先端端面に設けられた光ファイバーカメラ２０とを備えている。ハンド１９は、図示の例では、開閉動作可能な一対のフィンガから構成されている。ロボット２は、最も先端側のアーム１３ｊにもう一つの探索センサとしての光ファイバーカメラ２１を備えている。なお、探索センサとしては別の種類の情報を得るためのセンサを含むものであってもよいことは明らかであり、ハンド１９に代えて他の作業ツールを備えてよいことも明らかである。
【００２９】
ロボットシステム１としては、回転関節１４ａ〜１４ｅとオフセット関節１５ａ〜１５ｅとを通じてアーム１３ａ〜１３ｊの内部に引き回される配線を、基部１２から別場所に設けられた操作室（図示せず）まで有線又は無線で接続することでネットワーク４（図１）が構成されている。ロボット２の状態及び管内壁３４のような経路３１内部の情報がネットワーク４を通じて外部の制御用コンピュータ３へ伝達され、また、制御用コンピュータ３からの指令によってロボット２は探索、進退、検査、修理等の必要な動作と作業とを行うように構成されている。
【００３０】
ロボット２は、例えば手動によって、その先端部である手先１６が入口部３３を通じて直管３０の内部のストレートな経路３１に挿入され、その後、手先１６とそれに続くロボット２の本体が経路３１に進められる。探索センサ２０，２１による経路３１の探索結果に基づいて、手先１６が進むべき方向が定められる。本例の場合には、経路３１の全体がストレート状であるので、進行方向は直進方向に定められる。手先１６に後続する各アーム１３ａ〜１３ｊは、手先１６の進行に伴って回転関節１４ａ〜１４ｅとオフセット関節１５ａ〜１５ｅとについてもそのままの姿勢で手先１６に繋がった状態で進行するので、多関節構造はくねり運動の継承制御を必要としていない。光ファイバーセンサ２０，２１による検出情報に基づいて直管３０の内部が検査され、手先１６は管内壁３４等に対して修理等の必要な作業を行う。なお、ロボット２が直管３０の経路３１から後退する場合の動作は、進行方向が異なる以外、経路３１内に進行する場合と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００３１】
図５は、図４に示すロボットを屈曲配管の内部を検査や作業に適用した状態のイメージ図である。図５に示すロボットシステムそれ自体の構成（ロボット２及び外部に設けられ得る設備）は、図４に示すロボットシステム１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付すことで再度の説明を省略する。図５に示す例では、ロボットシステム１が適用される配管が屈曲配管４０である。屈曲配管４０は、入口部４２に繋がる上部側の直管部４３、Ｓ字状の曲管部４４及び下部側の直管部４５から構成されており、内部に屈曲した経路４１を形成している。この例においても、屈曲配管４０の経路４１の全体が狭隘部を形成しており、ロボット２は、屈曲配管４０の例えば内壁面４６について、探索、進退、検査、修理等の必要な動作と作業とを行うように構成されている。
【００３２】
ロボット２は、その先端部である手先１６が入口部４２を通じて屈曲配管４０の内部の屈曲した経路４１に挿入され、その後、手先１６が経路４１に沿って進められる。光ファイバーカメラ２０，２１から成る探索センサによる経路４１の探索結果に基づいて、手先１６が進むべき方向が定められる。本例の場合には、直管部４３の短いストレートな経路に続いてＳ字状に屈曲した曲管部４４が続き、更にその後再び直管部４５に続いているので、探索センサによってそうした管内部の屈曲状態が検出されたときに、その情報に基づいて手先１６が進むべき進行方向がその都度定められる。例えば手動でロボット２を全体的に進行させるときに、手先１６に後続する各アーム１３ａ〜１３ｊは、手先１６の進行に伴って回転関節１４ａ〜１４ｅとオフセット関節１５ａ〜１５ｅとを順次作動させる。ロボット２の進行に伴って手先１６が順次占めていた位置とその位置における方向の情報は、内部のネットワーク４を通じて後続の各アーム１３ａ〜１３ｊ或いは各関節１４，１５に伝達されているので、後続の各アーム１３ａ〜１３ｊは、嘗て手先１６が占めていた位置に順次到達させるように且つその位置に到達したときには手先１６が指していた方向と同じ方向を指すように、各関節１４，１５が作動する。即ち、手先１６に繋がった状態で多関節構造がくねり運動の継承制御を行う。光ファイバーセンサ２０，２１による検出情報に基づいて屈曲配管４０の内部が検査され、手先１６は内壁面４６等に対して修理等の必要な作業を行う。なお、ロボット２が屈曲配管４０の経路４１から後退する場合は、進行方向が異なる以外、経路４１内に進行する場合と同様に、くねり運動の継承制御で動作するので、重複する説明を省略する。
【００３３】
図６及び図７は、この発明によるロボットシステムに用いられるロボットを、入口部を狭隘部とする容器についての探索又は作業に適用した適用例の概要を示す図である。図６はこの発明によるロボットシステムにおいてロボットを容器に導入した状態を示す図であり、図７は図６に示すロボットによって容器内部の点検を行っている状態を示す図である。図６及び図７に示すロボットシステムそれ自体の構成（ロボット２及び外部に設けられ得る設備）は、図４に示すロボットシステム１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付すことで再度の説明を省略する。図６及び図７に示す容器５０は、原子炉容器であり、放射線の漏れを無くすために出入り口の数や広さは極力制限されている。容器５０に関連して、その経路５１は、入口部として設けられている長さの短い観察用貫通孔５２と、観察用貫通孔５２に繋がる容器５０の内部５３である。観察用貫通孔５２は経路５１において狭隘部を構成しており、ロボット２は観察用貫通孔５２を通じて容器５０の内部５３に導入される。この例では、探索センサ２０，２１の検出によって、観察用貫通孔５２は長さが短く且つ直下に広がる容器５０の内部５３の領域は、容器５０の空間であるとの情報が得られる。手先１６を含めたロボット２の進行方向は、その情報に基づいて真下方向に決定され、ロボット２は観察用貫通孔５２を通過した後も真っ直ぐな状態で導入される。入口部である観察用貫通孔５２が狭隘部となっている容器５０に外部からロボット２を入り込ませる場合、狭隘部を通過するのに本ロボットシステム１は好適である。
【００３４】
ロボット２の容器５０への導入時或いはその直後に、探索センサ２０，２１によって、観察用貫通孔５２の周囲における容器５０の様子、例えば、容器５０の内壁面５４の存在位置が検出される。ロボット２の容器５０への導入後には、その情報に基づいて、内壁面５４に対するロボット２の作動範囲、即ち、手先１６の到達範囲や位置、方向が決定される。経路５１は、狭隘部となる観察用貫通孔５２以外の領域では大きく開放されているので、くねり運動の継承制御で動作する必要は必ずしもないが、内部５３の構造が複雑になる場合には、そうしたくねり運動の継承制御が必要となる。
【００３５】
図８は、この発明によるロボットシステムに用いられるロボットを瓦礫内に形成されている通路の探索又は作業に適用した状態を示す概略図である。地震の発生によって建物等が崩壊したとき、人やライフラインが瓦礫内に埋まったり取り残されることがあり得る（閉じ込められた人が、図８において符号６５で示されている）。このような場合、瓦礫内に、人の救出やライフラインの確保・修理には、瓦礫内に経路の存在自体を探索するのが重要になり、その経路は狭隘部が含まれる可能性が高いが、具体的にどの部分が狭隘部になっているかは不明であることが多い。この発明によるロボットシステム１は、こうした瓦礫内に形成されている可能性がある通路の探索又は作業に適している。ロボットシステム１それ自体の構成（ロボット２及び外部に設けられ得る設備）は、図４に示すロボットシステム１と同様であるので再度の説明を省略する。
【００３６】
図示の例では、瓦礫６０は、外からでは経路が存在するか、また存在するとして狭隘部を持つか否かまでは判らないことがある。そこで、例えば手動によって、ロボット２を当初、認識可能な経路６１を手がかりに瓦礫６０内に押し込んでゆく。ロボット２の先端の手先１６には探索センサとして光ファイバーカメラ２０，２１が設けられているので、撮影された画像を手がかりに、手先１６が進むべき方向が選択・決定される。瓦礫６０内に存在する狭隘部６２，６３，６４が検出されたときには、画像から又は押し進めたときの抵抗を検出する等によって通過可能か否かを判断する。なお、探索センサは、光ファイバーカメラ２０，２１のみならず、人が発する声や水が漏れる音のような音声を拾うマイクロフォン、ライフラインの一つとして供給管から漏れたガスの種類や流れを検出するガスセンサ、火災による熱や煙を検出する熱・煙センサとしてもよいことは明らかである。
【００３７】
本発明におけるロボットシステムにおいて用いられるロボットにおいて、使用されるオフセット関節機構は、従来のヒンジ型関節に比べて中空構造であるため、配管配線を内部に収容できる。したがって、このロボットシステムは狭隘箇所での作業を行うシステムとして適している。また、ロボットは、関節可動部の気密化が容易であるので、さまざまな気体液体雰囲気内での作業が可能である。また、構造重量当たりの発生トルクが大きく、軽量な多関節ロボットが実現できる。更に、ロボット内のネットワークにより、接続電線数を減少できるなどを特徴とする独創的なロボットシステムを構築することができる。この関節を用いたロボットは、狭い箇所から内部に侵入し、内部で手先をいろいろな方向に向けることで、従来にはできなかった狭い場所での自在な作業が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上、この発明によるロボットシステムについて、実施例を挙げて説明したが、いずれも探索センサの検出情報に基づいてロボットの手先が進むべき方向を定めている。しかしながら、経路についての情報は、一部が既に判明している情報、即ち、設計図によって予め判明している経路情報を利用してもよいことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明によるロボットシステムの一実施例を示す模式図である。
【図２】図１に示すロボットシステムの作動を制御するための制御ブロック図である。
【図３】図２に示す制御ブロックにおける制御フローを示すフローチャートである。
【図４】この発明によるロボットシステムに用いられるロボットの一適用例を示す概略図である。
【図５】図４に示すロボットの別の適用例を示す概略図である。
【図６】この発明によるロボットシステムを、入口部を狭隘部とする容器についての探索又は作業へ適用した適用例の概要を示す図である。
【図７】図６に示すロボットによって容器内部の点検を行っている状態を示す図である。
【図８】図４に示すロボットを瓦礫内に形成されている通路の探索又は作業に適用した適用例の概要を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  ロボットシステム                  ２  ロボット
３  制御用コンピュータ                ４  ネットワーク
５  目標認識処理部                    ６  前後進制御部
７  手先方向制御部                    ８  継承制御部
１３ａ〜１３ｊ  アーム
１２  基部
１４ａ〜１４ｅ  回転関節              １５ａ〜１５ｅ  オフセット関節
１６  手先                            １７  軸線
１８  手先基部                        １９  ハンド
２０，２１  光ファイバーカメラ
３０  直管                            ３１  経路
３２  狭隘部                          ３３  入口部
３４  管内壁
４０  屈曲配管                        ４１  経路
４２  入口部                          ４３，４５  直管部
４４  曲管部                          ４６  内壁面
５０  容器（原子炉容器）              ５１  経路
５２  観察用貫通孔                    ５３  容器５０の内部
５４  容器５０の内壁面
６０  瓦礫                            ６１  経路
６２，６３，６４  狭隘部              ６５  閉じ込められた人
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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