日本ロボット学会誌 Vol. xx No. xx, pp.1〜8, 201x

1

学術論文

堆積物への乗り上げを考慮したバキューム作業ロボットの開発
田中 浩輔∗1
矢野 賢一∗1

乙幡 陽太∗1
福井 茂∗2

松井 博和∗1
有馬 利彦∗2

Vacuum Work Robot Considering Riding up on Sediment
Kousuke Tanaka∗1 , Yota Oppata∗1 , Hirokazu Matsui∗1 , Ken’ichi Yano∗1 ,Shigeru Fukui∗2 and Toshihiko Arima∗2
In general, workers use a hose connected to a vacuum car to clean up iron ore that has fallen from the conveyor andaccumulated. However, vacuuming by workers requires the conveyor to be stopped during the operation to prevent
contact between workers and the conveyor, which leads to a decrease in productivity. Therefore, it is necessary todevelop a vacuum work robot to replace the worker. Additionally, using a remote-controlled vacuum work robot toclean the pile makes it diﬃcult to vacuum the sediment because the nozzle moves away from the sediment when
the robot rides up on sediment. Hence, it is important to automatically control the nozzle position to maintain theproper distance between the nozzle and sediment. In this study, we purposed to develop a robot eﬃcient vacuuming
operation that can automatically control the nozzle position and reduce the amount of leftover suction. Therefore,
we proposed a nozzle position control method that enables the robot to vacuum sediment even when it rides up on
sediment. In conclusion, we proved the eﬀectiveness of the proposed method through experiments with automatic
nozzle position control on a test course simulating the work environment.
Key Words: Crawler Robot, Link Mechanism, Vacuum Robot, Nozzle Position Control, Iron Mill

1. 緒

清掃方法は回転ブラシによって，ごみを巻き上げ内部に格納す言る方式が用いられている．しかしながら，これらのロボットは製鉄所では鉄鉱石や石炭等をベルトコンベアで運搬している．
その際，振動によって運搬物が隙間から落下したり，強風によっ

粉塵や雨風，汚泥などがある過酷な環境での作業を考慮して開発されていない．

て舞い上がることで，コンベア下に大量の鉄鉱石や石炭が堆積し一方で，ブルドーザ等のブレードが搭載された重機やロボッてしまう [1] [2]．清掃対象となる鉄鉱石や石炭の大きさは 5 〜

ト [8] を用いて，一度に大量の堆積物を清掃・運搬する方法も20 [mm] であり，高さ 1 〜 2 [m] の山となって堆積している．

あるが，コンベア下のような狭小空間においては，バキューム

また，それらが混ざった堆積物の比重は約 4 [t/m3 ] である．堆

ホースを堆積物に近づけることで堆積物を吸引でき，最小限の積した鉄鉱石や石炭を放置すると，ベルトコンベアの損傷に繋移動で効率的な清掃が可能なバキューム作業が適している．

がるため，定期的にバキューム清掃作業をする必要がある [3]．

一方，バキューム作業を対象とした清掃ロボットとして，

しかしながら，製鉄所における作業員がコンベア下で作業するの低下につながってしまう [4]．そのため，コンベア下の狭小空

Gerotto 社が開発した LOMBRICO S [9] や LOMBRICO S
EX-0 [10]，著者らが開発したバキューム作業ロボットがある [11] [12]．LOMBRICO は油圧を動力とした有線式の遠隔操間において，人の代わりにバキューム清掃作業を実施可能とす

作ロボットであり，コンベア周辺や下水道内といった狭所の清掃る作業支援ロボットの開発が急務となっている [5]．

が可能である．また，著者らが開発したバキューム作業ロボッ

間は安全上の観点からコンベアを停止する必要があり，生産性

人の代わりに清掃作業を行うロボットに関する研究として，トは，ロボットの直進動作に合わせてノズル先端位置を左右方

荒井らは家庭内環境を想定した自動マッピングとマップ内の全向に自動で制御し，堆積物を吸い残しなく吸引できる範囲の拡領域を清掃する清掃ロボットシステムを開発した [6]．また，石大を実現している [11] [12]．

川らは屋外清掃の自動化に着目し，屋外清掃ロボットの開発おしかしながら，安全のために現場から離れた位置でロボットよび実証実験を行った [7]．これらの研究において，ロボットのの遠隔操作を行う場合，操縦者はノズルと堆積物との位置関係を目視で確認できないため，ノズル先端位置を適切に制御する

原稿受付
三重大学
∗2
品川ファーネス株式会社∗1
Mie University∗2
Shinagawa Furnace Co., Ltd.
∗1

日本ロボット学会誌 xx 巻 xx 号

ことは難しい．特に，ロボットが堆積物に乗り上げてしまった
場合には，ノズルが堆積物から離れてしまい，堆積物を吸い残してしまう．一方で，位置関係を把握できるようなカメラをロ
ボット本体に搭載することも考えられるが，泥や埃のカメラへ—1—

201x 年 xx 月

田中 浩輔

2

乙幡 陽太

松井 博和

矢野 賢一

福井 茂

有馬 利彦

の付着や作業効率の低下が懸念される．そのため，ロボットが型軽量であることや，コンベア下という劣悪な環境で正常に動堆積物に乗り上げてしまった場合でも，遠隔操作で吸い残しな作するために防水防塵性に優れている Table1 に示す仕様を持くバキューム作業を行うために，作業環境に合わせてノズル先

つ直動アクチュエータ [15] を採用した．

端位置を自動制御する必要がある．
そこで本研究では，遠隔地からでも吸い残しなく効率的なバ

Table 1 Speciﬁcation of power cylinder F series LPF040L1.0J

キューム作業を行うために，高い応答性を実現するノズル昇降機

Rated thrust
400 [Nm]
Rated speed
15 [mm/s]
Stroke100 [mm]
Minimum length
270 [mm]
Maximum length
370 [mm]
Maximum width
59.4 [mm]Weight1.2 [kg]Power supply
DC 12 [V]Motor output
29 [W]
Rated load current
3.7 [A]
Constraint current
16.7 [A]Rated operating time
5 [min]構の設計手法を提案するとともに，ロボットが堆積物に乗り上げても，吸引力を発揮可能な位置にノズル先端を自動で制御することができるバキューム作業ロボットを開発することを目的とする．最終的には，リンク寸法の最適化によってノズル昇降動作の応答性を高めたバキューム作業ロボットを用いてバキュー
ム作業を実施し，堆積物への乗り上げ時のノズル先端位置の推移とバキューム作業後の堆積物の吸い残しについて，リンク寸法の最適化をしていないバキューム作業ロボットとその性能を比較することで本提案システムとリンク寸法最適化手法の有効性を示す．

バキューム作業ロボットに搭載している Fig.1 のリンク機構

2. バキューム作業ロボット

は，テコの原理を応用したものであり，テコには小さな力で大きな力を得るという利点の他に，小さな動きを大きな動きに拡

2. 1 ノズル昇降機構の開発
ロボットが堆積物に乗り上げてしまった場合にノズルが堆積物から離れてしまい，堆積物を吸い残してしまう問題に対し，ロボットが堆積物へ乗り上げた場合にも吸い残しのない吸引を可能とするため，ノズルの自動昇降機構を搭載したバキューム
作業ロボットを開発する．要求される作業効率については，バキューム作業は吸引物や現場によって異なるが，作業員が行う

大できるという利点がある．したがって，このリンク機構を導入することにより，直動アクチュエータの伸縮に伴うノズルの昇降速度が増大することを期待できる．また，このリンク機構
は直動アクチュエータに対する固定節 Lab と回転節 Lca のリンク寸法を変更することで，ノズル昇降速度やノズル昇降角度，
出力トルクを調整することができる．

2. 2 ノズル位置制御システム

場合の作業効率は 5〜30 [m3 /h] ほどであり，ロボットも作業員と同等の作業効率が要求される．また，本研究で開発するロボットは作業員によるバキューム作業で一般的に用いられている外径 120 [mm] のバキュームホースを使用する．使用するバ3

キュームポンプの性能は最大風量 90〜110 [m /min] であり，最大静圧-0.07 [MPa] である [13]．
堆積物への乗り上げに対応するためには，ノズル昇降動作は

ノズル先端位置を制御するため，開発したバキューム作業ロ
ボットの動作モデルを構築する．まず，座標系とパラメータ，
添え字が指し示すロボット構造における各要素の位置との対応
を Fig.2 に示す．ここで，地面に固定された座標系をワールド座標系とし，ワールド座標系から見た座標は小文字の x および

y の添え字で表す．

可能な限り速いことが望ましい．ノズル昇降機構の動力として，
まずモータと減速機の組み合わせが考えられる．しかし，モー
タと減速機の組み合わせの場合には，ノズル位置を保持するためには，重力に抗うために常にトルクを発生させる必要がある
ため，電力消費が激しくなることや，歯車への負荷が常にかかり続けるために歯車の摩耗が早くなってしまう問題がある．そこで，ノズル昇降機構の構造として，Fig.1 に示す油圧シャベ
ルのブームやアームを上下させる際に用いられる直動アクチュ
エータを含んだリンク機構を組み込む [14]．ここで，Lab は固Fig. 2 Deﬁning the coordinate system and robot parameters

定節であり，Lca は回転節，Lbc は直動節，A および B はリンク機構の内角である．

一方，ロボットに固定されたロボット座標系から見た座標は大文字の X および Y の添え字で表す．また，a はノズル昇降機構回転中心を表し，f はノズル先端位置，r はクローラ半径，

L はクローラ長，l はクローラ中心およびノズル昇降機構回転中
心間距離，ψ はクローラ中心から見たノズル昇降機構回転中心
位置の偏角，Ln はノズル昇降機構回転中心およびノズル先端位
置間距離（以下，リンクアームと述べる），ε はノズル昇降機構の回転節に対する仮想リンクアームの取付け角度，θ はワールド座標系から見たロボットの傾き角度，φ はロボット座標系かFig. 1 Link mechanism

ら見た仮想リンクアームの角度を表している．
リンク機構の直動節 Lbc として搭載する直動アクチュエータには，ロボットを人が運搬する際の負荷を小さくするために小JRSJ Vol. xx No. xx

以上を基に，ノズル先端位置を順運動学により記述する．まず，ノズル昇降機構回転中心の y 座標を式 (1) で表す．

—2—

xx, 201x

堆積物への乗り上げを考慮したバキューム作業ロボットの開発

ya = r +L
sin θ + l sin(θ + Ψ )2

3

Controller ブロックでは角度偏差と比例ゲイン Kp を用いて

（1）

式 (6) により，直動アクチュエータを動作させるモータドライ

次に，ロボット座標系から見たノズル先端位置の Y 座標 Yf

バへの印加電圧 Vin [V] を算出する．なお，モータドライバへの制御入力の最大値は ±5 [V] であるため，それを超えた場合を式 (2) で表す．

Yf = Ln sin φは ±5 [V] として出力した．比例ゲイン Kp については予備実（2）

験より Kp = 3 と設定した．

式 (2) で求めたロボット座標系から見たノズル先端位置の Y
座標 Yf をワールド座標系からみたロボットの傾き角度 θ および



5


ノズル昇降機構回転中心の y 座標 ya を用いて座標変換し，ワールド座標系から見たノズルの位置の y 座標 yf を式 (3) で得る．

yf = Ln sin (θ + φ) + r +L
sin θ + l sin (θ + Ψ )
2

Vin =

（3）

−5

(Kp (φref − φ) > 5)
Kp (φref − φ)

(Kp (φref − φ) < −5)（6）

3. リンク寸法の最適化

yf を求める上で，変数はワールド座標系から見たロボットの傾き角度 θ およびロボット座標系から見た仮想リンクアームの角度 φ である．ワールド座標系から見たロボットの傾き角度 θ
はロボット内部に設置した 6 軸慣性計測センサにより得ることができる．ロボット座標系から見た仮想リンクアームの角度 φは，ノズル昇降機構回転中心に設置した角度センサから得ることができる．
次に，ノズル先端位置を所望の位置に制御するために必要なロボット座標系から見た仮想リンクアームの角度 φref を逆運動
学によって求める．目標とするノズル先端位置の y 座標を yref

ロボットが堆積物に走行して乗り上げた際に堆積物の吸い残しが発生してしまう問題を解決するため，ノズル昇降動作の高い応答性を持ったバキューム作業ロボットを開発する．
そこで，ノズル昇降速度と堆積物への乗り上げ時のノズル先端位置の関係を調べるために，ロボットが堆積物へ乗り上げた際のノズル先端位置の推移を解析する．
シミュレーションに使用したロボットのモデルを Fig.4 に示す．三角形 abc はノズル昇降機構を表しており，三角形 agh はクローラを表し，三角形 def はノズルを表している．

とし，式 (1) および式 (3) から式 (4) を得る．

yref = Ln sin (θ + φref ) + ya

（4）

最後に，式 (4) を φref について変形し，式 (5) を得る．

φref = arcsin

yref − ya
−θ
Ln

（5）

式 (5) より，所望のノズル先端位置を指定すれば仮想リンク
アームの目標角度が得られる．これを満たすようにノズル駆動システムを動作させることで，ノズル先端位置の制御が可能となる．提案するノズル先端位置制御手法の流れを下記に示す．

Fig. 4 Model of vacuum work robot（1）6 軸慣性計測センサによりロボットの傾き角度 θ を取得．
（2）θ を用いてノズル昇降機構回転中心の座標 ya を式 (1) によって算出．
（3）ya および目標とするノズル先端位置 yref を用いて式 (5) より仮想リンクアームの目標角度 φref を算出．
（4）φref と角度センサより得られた現在の仮想リンクアームの角度 φ を比較．
（5）φref と φ の偏差から Controller によりノズル駆動システムを動作させる直動アクチュエータへの印加電圧 Vin を算出．
（6）ノズル駆動システムを動作させることで，ノズル先端位置
を目標位置へと制御．

ノズル昇降機構の寸法については，直動アクチュエータが最大長と最小長の中間の長さ 320 [mm] となったときにリンク機
構の内角 A が 90 [deg] となるように，固定節 Lab = 207 [mm]，
回転節 Lca = 244 [mm] とした．また，ロボットの傾き角度 θ
は路面とクローラ底面を示す節 g-h とのなす角とし，θde はノ
ズル駆動システムの固定節 Lab とノズル上面を示す節 d-e とのなす角，θerror は路面と節 d-e とのなす角とする．
ロボットは 0.58 [m/s] で前進し，10 [deg] の傾斜を持つ堆積物へ乗り上げるとする．その際，ロボットの傾き角度 θ に合わ
せて，ノズル先端位置をノズル駆動システムにより制御する．
具体的には θerror = 0 [deg] を維持するよう制御する．その際，この流れを基に構築したノズル位置制御システムのブロック

リンク機構の内角 A は角度センサから，ロボットの傾き角度 θ

線図を Fig.3 に示す．ここで Forward kinematics ブロックはは 6 軸慣性計測センサから得られるものとする．なお，直動節式 (1) で構成されており，Inverse kinematics ブロックは式 (5)Lbc を構成する直動アクチュエータは，可能な限り速く駆動させた場合を想定し，常に定格速度である 15 [mm/s] で伸縮するものとし，制御方法は ON-OFF 制御とした．また，シミュレー
ションのサンプリングタイムは 0.01 [s] である．

で構成されている．

バキューム作業ロボットにおけるシミュレーション結果をFig. 3 Block diagram of nozzle position control system

日本ロボット学会誌 xx 巻 xx 号

Fig.5 に示す．ここで，鎖線はロボットの傾き角度 θ の推移を表しており，点線はノズル昇降機構の固定節 Lab とノズル上面を示す節 d-e とのなす角 θde ，実線は制御対象である θerror を—3—

201x 年 xx 月

田中 浩輔

4

乙幡 陽太

松井 博和

矢野 賢一

福井 茂

有馬 利彦

示している．

Fig. 7 Relation between robot and friction coeﬃcient

地面と接触しないように坂の傾きに合わせてノズルを上げる必Fig. 5 Simulation of climbing without optimized link dimensions

要があるため，上向きのノズル昇降角度も 25 [deg] 必要になる．
よって，必要なノズル昇降角度 50 [deg] と設定した．

θ = arctan µ

Fig.5 より，時刻 1.7 [s] から乗り上げが開始し，2.2 [s] にロ（7）

ボットが堆積物に乗り上げきっていることが分かる．一方で，次に，必要な出力トルクを決定する．回転軸から l 離れた位

乗り上げが開始したと同時にノズル駆動システムが動作し，回置で接続した長さ L かつ線密度 ρ のバキュームホースによって転節が回転することで θerror の目標値を維持しようとしている

ノズル昇降機構に加わる力 F とノズル昇降機構の直動アクチュ

ことが分かる．しかし，実際に目標値に収束したのは 3.7 [s] 経
過した時点であり，θerror の最大値は 7.2 [deg] となっている．

エータが縮むために必要なトルク M と重力加速度 g の関係を
Fig.8 と式 (8) に示す．Fig.8 の図中の太い破線はロボットに接

また，ノズル先端位置のシミュレーション結果を Fig.6 に示続されたバキュームホースを表しており，細い破線はノズルをす．ここで，実線は 10 [deg] の傾斜を持つ堆積物を示しており，表している．また，使用したホースの線密度 ρ は 2.46 [kg/m]

破線はノズル先端位置の軌跡を示している．実線の上の 3 つのであり，l は 125 [mm] であった．ここで，ノズルとノズルを支三角形はそれぞれノズル昇降機構，ノズルおよびクローラ機構

持するフレームの重量については直動アクチュエータが縮むこを表している．この結果からも，ロボットが乗り上げを開始しとを補助するように働くため，計算から除外した．

た時点でノズル先端位置が堆積物から離れる方向に動いており，吸引できていない領域が存在していることが分かる．

Fig. 8 Required output torqueFig. 6 Trajectory of nozzle position without optimized link dimensionsM=
以上の結果から，不適切なリンク寸法のノズル昇降機構では

ρLg
l
2

（8）

なる．そこで，ノズル昇降角度とノズル駆動システムの動作に結果として，バキューム作業に用いる一般的な長さ L = 10[m] のホースが接続された場合，ホースの重量によるモーメン
トのつり合いの式 (8) から，必要な出力トルク M は約 15 [Nm]

必要なトルクを制約として，ノズル昇降速度を最適にするリンと求められた．ここで，ホースの長さは作業現場に合わせて延ク寸法，すなわち固定節 Lab および回転節 Lca の寸法を決定

長する場合があることを考慮して，必要なトルクを 30 [Nm] に

する．

決定した．

ノズル昇降速度が不足し，堆積物への乗り上げに対応できなく

まず，制約となるノズル駆動システムに必要なノズル昇降角

最終的に，本研究におけるノズル駆動システムの要求仕様は，度について決定する．角度 θ を持つ坂にロボットを置いたとき

ノズル昇降角度が 50 [deg]，必要なトルクを 30 [Nm] と設定しのロボットの質量 m と重量加速度 g と路面とゴムクローラのた．これらを制約として，ノズル駆動システムのノズル昇降速

摩擦係数が µ の関係を Fig.7 に示す．

度を最速にするリンク寸法，すなわち固定節 Lab および回転節
Lca の寸法を決定する．
固定節 Lab および回転節 Lca の寸法を決定する手順を Fig.9に示す．ここで，dt はサンプリングタイムであり，f は直動ア
クチュエータの推力，vL は直動アクチュエータの伸縮速度，ωA
はノズル駆動システムのノズル昇降速度である．なお，dt および vL の値はシミュレーション時と同じ値に設定した．また，下付き文字で max はその変数の最大値を意味しており，min は最小値，ref は目標値を意味している．

予備実験から砂利路面とゴムクローラの静止摩擦係数 µ を 0.5としたとき，ロボットが自重によって滑り落ちない限界の角度
は摩擦角の定義 [16] から得られる式 (7) より約 25 [deg] となる．本研究の対象となる堆積物の山の傾斜角度が最大でも約 20[deg] であるため，ロボットが作業可能な角度は十分である．ここで，ロボットが堆積物に乗り上げる場合には，坂の傾きに合わせてノズルを下げる必要があるため，下向きのノズル昇降角
度は 25 [deg] 必要になる．加えて，坂を下る場合にはノズルがJRSJ Vol. xx No. xx—4—xx, 201x

堆積物への乗り上げを考慮したバキューム作業ロボットの開発

5Fig. 10 Simulation of climbing without optimized link dimensions

結果を Fig.11 に示す．ここで実線は 10 [deg] の傾斜を持つ堆積物を示しており，破線はノズル先端位置の軌跡を示している．
実線の上の 3 つの三角形はそれぞれノズル昇降機構，ノズルおよびクローラ機構を表している．

Fig. 11 Trajectory of nozzle position with optimized link dimensions

この結果からも，ノズル駆動システムの動作により堆積物への乗り上げ時のノズル先端の上昇が抑えられており，吸引できない領域がほとんどないことが分かる．この結果よりノズル昇降機構のリンク寸法を Lab = 322 [mm]，Lca = 63 [mm] として決定した．
Fig. 9 Flowchart for determining the link dimensions

最終的に，決定したノズル昇降機構のリンク寸法を適用した

回転節の最終値 Lca max については，機構が小型になるよう

バキューム作業ロボットを設計，製作した．製作したノズル昇に使用するホースの直径を超えないことを条件とし，120 [mm]降機構を Fig.12 に示し，製作したバキューム作業ロボットをとした．また，回転節の初期値 Lca min については，リンクの形

Fig.13 に示す．

状を維持するための条件および死点の状態を回避するための条
件から 51 [mm] とした．なお，Lbc min は直動アクチュエータの最小長さであり，仕様から 270 [mm] である．また，Lbc max
は直動アクチュエータの最大長さであり，仕様から 370 [mm]である．
この手順によって得られた，最適な固定節の長さ Lab opt お
よび最適な回転節の長さ Lca opt の値はそれぞれ 322 [mm] お
よび 63 [mm] となった．
次に，このリンク寸法で構築したノズル駆動システムを用いて，再度シミュレーションを行った．解析結果を Fig.10 に示
す．ここで，鎖線はロボットの傾き角度 θ の推移を表しており，
点線はノズル昇降機構の固定節 Lab とノズル上面を示す節 d-eとのなす角 θde ，実線は制御対象である θerror を示している．

Fig. 12 Developed nozzle lifting and lowering mechanism with
optimized link dimensions

この結果から，目標値に収束したのは時刻 2.5 [s] を経過した時点であり，リンク寸法の最適化をしていないバキューム作業

効果的なバキューム作業を実現するために，ノズルと堆積物ロボットの結果と比較して，1.2 [s] 早く収束している．制御対との適切な距離と角度を考慮して設計を行った．路面に近いノ象である θerror についても，最大値は 3.1 [deg] であり，リンク

ズル位置は堆積物との距離が縮まり，吸引効率が向上するが，寸法の最適化をしていないバキューム作業ロボットの結果から路面との摩擦や衝突によって移動が困難になるリスクがあるため，Fig.4 のノズル上面を示す節 d-e が路面と平行である状況

4.1 [deg] 小さくなっている．
また，ノズル先端位置について注目したシミュレーションの日本ロボット学会誌 xx 巻 xx 号

（θerror が 0 [deg]）では，ノズルと路面の間に約 3 [cm] の隙間—5—201x 年 xx 月

田中 浩輔

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乙幡 陽太

松井 博和

矢野 賢一

福井 茂

有馬 利彦

なお，リンク寸法の最適化をしていないロボットに搭載しているノズル昇降機構の各リンク寸法は固定節 Lab = 207 [mm]，
回転節 Lca = 258.6 [mm] であり，ノズル先端位置の目標値はyref = 0 [mm] として提案するノズル位置制御システムにより
ノズル先端位置の制御を実施した．

Fig. 13 Developed vacuum work robotが空くように設計した．さらに，ノズルの吸引口が路面と平行

Fig. 14 Test course for vacuum work experimentな角度では，ノズルが路面に密着してしまうことが予想されることや効率的な吸引には堆積物だけでなく空気も吸い込む必要

リンク寸法の最適化をしていないバキューム作業ロボットにがあるため，Fig.4 の節 d-e が路面と平行である状況（θerror がよるバキューム作業実験の様子を Fig.15 に示す．また，式 (3)0 [deg]）で，ノズルと路面の間の角度が 45 [deg] になるよう設により推定したノズル先端位置 yf とモーションキャプチャによ計した．

る測定結果を Fig.16 に示す．ここで，点線はターゲットマーカ

走行部には不整地走破性に優れたクローラ機構を採用し，駆動部には小型軽量化のためにインホイールモータを組み込んだ．

―の変位量を示しており，実線は式 (3) により推定したノズル
先端位置 yf の推移を示している．

また，ノズルの傾き角度を測定するための角度センサとロボッ
トの傾き角度を測定するための 6 軸慣性計測センサを設置した．
加えて，無線通信モジュールを組み込み，遠隔操作を可能とした．また，開発したバキューム作業ロボットにはカメラが搭載されており，ロボット前方の状況を遠隔地から確認することもできる．製作したリンク寸法を最適化したバキューム作業ロボットの仕様を Table2 に示す．
Table 2 Speciﬁcation of developed vacuum work robot with
optimized link dimensions
In-wheel motor
DC 24 [V] / 250 [W] × 2
Battery
DC 24 [V] / 80 [Ah]Frequency band
2.4 [GHz]
Continuous work time
30 [min]Maximum forward speed
0.75 [m/s]
Weight79.5 [kg]Length1030 [mm]Width
636 [mm]
Height501 [mm]

4. 検 証 実 験
開発したバキューム作業ロボットの清掃能力およびノズル位
置制御システムの有効性を検証するために，バキューム作業実
験を行った．実験では，合板上に堆積物に見立てた 10 [deg] のスロープを設置するとともに，清掃対象の堆積物として砂を設置した．次に，バキュームカー [13] により負圧を発生させ，ロFig. 15 Vacuum work experiment without optimized link dimensions

ボットが搭載したノズルから砂を吸引しながら，設置したスロー
プ上を走行することで，バキューム作業時のロボットの堆積物

Fig.16 より，推定したノズル先端位置 yf については 5.2 [s]への乗り上げを再現する．そして，リンク寸法の最適化をして経過時点からロボットの乗り上げに合わせて上昇し，6.6 [s] 経

いないバキューム作業ロボットとリンク寸法の最適化をしたバ

過時点で目標位置からの変位の最大値は 28.6 [mm] となった．

キューム作業ロボットで，ノズル先端位置の推移と堆積物の吸引結果を比較する．

ターゲットマーカ―の変位量についても推定したノズル先端位置 yf と同様に，ロボットの乗り上げに合わせて上昇し，6.1 [s]

製作したテストコースを Fig.14 に示す．ここで，ノズル先端

経過時点で目標位置からの変位の最大値は 54.6 [mm] となった．

位置 yref については式 (3) により推定することに加え，モーショ

この結果，バキューム作業後の砂は Fig.17 に示すように，堆ンキャプチャシステム (三次元動作解析装置) により測定した．

積物への乗り上げ後は堆積物の吸い残しが発生している状態と

JRSJ Vol. xx No. xx—6—xx, 201x

堆積物への乗り上げを考慮したバキューム作業ロボットの開発

7

Fig. 16 Result of vacuum work experiment without optimized
link dimensions

なった．

Fig. 18 Vacuum work experiment with optimized link dimensions

Fig. 17 Condition of sand after vacuum work without optimized
link dimensions

Fig.15 の実験の様子と Fig.16 のノズル先端位置の推移から
ロボットが堆積物へ乗り上げた後にノズル先端が上昇し，堆積物からノズル先端が離れてしまったため，Fig.17 に示すように砂を吸い残してしまった．このことから，リンク寸法の最適化をしていないロボットが堆積物に乗り上げた場合では，乗り上げ
中に清掃対象を吸い残しなく吸引することは難しく，バキュー
ム作業の効率は低下してしまう．
次に，リンク寸法の最適化をしたロボットを用いてバキューム
作業実験を実施した．なお，ノズル先端位置の目標値は yref = 0

Fig. 19 Result of vacuum work experiment with optimized linkdimensions[mm] として，提案するノズル位置制御システムにより，ノズル
先端位置の制御を行った．リンク寸法の最適化をしたロボットを用いた実験の様子を Fig.18 に示す．また，式 (3) により推定したノズル先端位置 yf とモーションキャプチャによる測定結果
を Fig.19 に示す．

Fig.19 より，推定したノズル先端位置 yf についてはロボットの堆積物への乗り上げ後も目標値 yref = 0 [mm] 付近を維持しており，目標値との差の最大値は 9.3 [mm] に抑えられている．
また，モーションキャプチャシステムより得られたノズルの変位量についても推定したノズル先端位置 yf と同様に，ロボットの乗り上げ開始後もほぼ一定の値を推移していることが分かる．
変位量の最大値については，28.2 [mm] となっている．この結果，バキューム作業後の砂は Fig.20 に示すように，堆積物へのFig. 20 Condition of sand after vacuum work with optimized
link dimensions

乗り上げ後も吸い残しなく吸引され，合板の表面が露出した状ておらず，Fig.20 に示すように砂を吸い残しなく吸引ができた．

態となった．

このことから，リンク寸法の最適化をしたロボットでは，ロボッ

Fig.18 の実験の様子と Fig.19 のノズル先端位置の推移から，ロボットが乗り上げた後もリンク寸法の最適化により高い応答

トが堆積物へ乗り上げた場合においても堆積物を吸引することができ，効率的なバキューム作業が可能となった．

性を持っていることがわかる．また，ノズルが堆積物から離れ日本ロボット学会誌 xx 巻 xx 号

—7—

以上の結果から，ソフトウェアのみでは解決が困難なバキュー

201x 年 xx 月

田中 浩輔

8

乙幡 陽太

松井 博和

矢野 賢一

ム作業ロボットが堆積物に乗り上げた場合に，ノズル先端が堆有馬 利彦

上を目的としたバキューム作業ロボットの吸引口位置決め制御”，第38 回日本ロボット学会学術講演会 (RSJ2019)，2020．
[13] “品川ファーネス株式会社ウェブサイト・事業情報 クリーン事業”，
https://furnax.co.jp/business_clean.html(2023 年 6 月 12 日
アクセス)[14] “ヤンマーホールディングス株式会社ホームページ 油圧ショベル・ミ
ニショベルの仕組みについて”，https://www.yanmar.com/jp/construction/tips/column/basis_02.html(2023 年 6 月 12 日アクセス)[15] “パワーシリンダ F シリーズ 主要諸元”，https://tt-net.tsuba
kimoto.co.jp/tecs/pdct/sad/pdct_Dtl_LP.asp?kata=LPF040L1.0(2023 年 6 月 12 日アクセス)[16] “一般社団法人日本機械学会 機械工学事典 摩擦角”，https://www.js
me.or.jp/jsme-medwiki/16:1012415(2023 年 6 月 12 日アクセス)

積物から離れてしまい堆積物を吸引できなくなる問題に対して，
ハードウェアの設計段階からノズル昇降機構の応答性を考慮することで，ロボットが堆積物に乗り上げた場合においても吸い残しが発生しないバキューム作業を可能にした．
今後は，防水性や防塵性を高めた設計を行うことにより，本研究で対象にしたコンベア下のような狭小空間に加えて，汚泥の清掃作業や粉塵の多い環境への適応が期待される．

5. 結

福井 茂

言

現在，製鉄所のコンベア下のような狭く視認が困難な環境やロボットが堆積物に乗り上げた状況においても，ロボットの傾き

田中浩輔に応じてノズル位置を適切に制御できるバキューム作業ロボッ

2021 年 3 月三重大学大学院工学研究科機械工学専
攻修了．同年 4 月日立建機株式会社入社，現在に至る．作業支援ロボットの研究開発に従事．

トの開発が求められている．
本研究では，高い応答性を持ったリンク機構を実現するためのリンク寸法最適化手法と，ロボットの傾きに応じてノズル先端位置を自動制御するシステムを提案した．

乙幡陽太

最終的に，清掃作業環境を想定したテストコースにおけるバ2020 年 3 月三重大学大学院工学研究科機械工学専
攻修了．同年 4 月三重大学大学院工学研究科シス
テム工学専攻博士後期課程入学，現在に至る．作業
支援ロボットの研究開発に従事．
（日本ロボット学会学生会員）

キューム作業実験により，堆積物への乗り上げ時のノズル先端
位置の推移とバキューム作業後の堆積物の吸い残しについて，
リンク寸法の最適化をしていないロボットとその性能を比較することで本提案システムの有効性を示した．
今後の展望として，提案ロボットが実用化されることにより，危険な環境でのバキューム作業をロボットが担うことが可能となり，製鉄所における生産効率の向上や労働災害の発生防止に寄与することが期待される．

参 考 文 献[ 1 ] 小林英治，宮島純：“産業用コンベヤベルトと技術動向”，日本ゴム協会誌，第 90 巻，第 9 号，pp．450-455，2017．
[ 2 ] “浅上重機作業株式会社ホームページ・事業案内”，https://www.asagami.co.jp/asagami-jyuki/business/east/east_01/(2023 年 6月 12 日アクセス)[ 3 ] “JFE 瀬戸内物流株式会社ホームページ・変革の取り組み・「革新的」な取り組み”，https://jfe-setouchi-logistics.co.jp/value/dev
elopment.html(2023 年 6 月 12 日アクセス)[ 4 ] “株式会社 JRC ホームページ・改善事例”，https://www.jrcnet.co.jp/proposal/case/2744(2023 年 6 月 12 日アクセス)[ 5 ] “物流ニュース LNEWS・鴻池運輸／空間や狭所に落下した鉱石を回収する装置を開発”，https://www.lnews.jp/2021/09/n0901305.ht
ml(2023 年 6 月 12 日アクセス)[ 6 ] Y．Arai，Y．Hosoda，S．Egawa，A．Koseki，T．Tajima，Y．
Asa and Y．Okada：“System Design of Home Cleaner Robot”，
in Proc．Joint Automatic Control Conference，pp．797-800，
2005．
[ 7 ] K．Ishikawa，H．Aoyama，J．Seki，M．Okamura，S．Ishimura，
K．Ozaki，K．Yokota，S．Yamamoto：“Practical Design and
Use of Autonomous Robot for Outdoor Cleaning”，Journal of
Robotics Society of Japan，vol．25，Issue 6，pp．802-812，2007．
[ 8 ] “Neerja 社ホームページ・Remote controlled electric mini dozer”，
https://www.neerjagroup.com/mini-dozer/(2023 年 6 月 12 日アクセス)[ 9 ] “Gerotto 社ホームページ・Lombrico S”，https://www.gerotto.
it/en/mini-robot-excavators/products/lombrico-s(2023 年 6月 12 日アクセス)[10] “Gerotto 社ホームページ・Lombrico S EX-0”，https://www.ge
rotto.it/en/mini- robot- excavators/products/lombrico- s- e
x-0(2023 年 6 月 12 日アクセス)[11] K．Tanaka，S．Tian，K．Yano，T．Arima and S．Fukui：“Suction-port Position Control for Vacuum Working Robot to
Improve Working Eﬃciency”，Proc．of TENCON，pp．10461051，2020．
[12] 田中浩輔，森本竜弘，矢野賢一，有馬利彦，福井茂：“作業効率の向JRSJ Vol. xx No. xx

松井博和
1992 年名古屋工業大学工学部電気情報工学科卒業．
1994 年名古屋大学大学院工学研究科博士前期課程情報工学修了．1997 年神鋼電機株式会社入社．1998
年三重大学工学部助手．2000 年名古屋大学（工学博士）．コミュニケーション，自律移動や学習支援
に関する知能ロボットの研究に従事．現在三重大学
大学院工学研究科助教．電子情報通信学会会員．
（日本ロボット学会正会員）

矢野賢一
1999 年豊橋技術科学大学大学院工学研究科博士後期課程修了．同年豊橋技術科学大学工学部生産シス
テム工学系助手，2004 年岐阜大学工学部機械シス
テム工学科助教授，2010 年三重大学大学院工学研究科機械工学専攻教授となり，現在に至る．その間，2002 年 8 月〜2003 年 8 月ベルリン工科大学客員研究員．システム制御理論とその応用に関する研究に従事．2006 年
計測自動制御学会中部支部賞研究賞，2008 年度日本鋳造工学会日下賞，2010 年計測自動制御学会学会賞（論文賞），2012 年システム制御
情報学会学会賞（論文賞），2022 年日本鋳造工学会西山圭三賞，2023
年システム制御情報学会賞（論文賞，産業技術賞）等受賞．システム
制御情報学会，計測自動制御学会，日本機械学会，日本鋳造工学会，
日本鉄鋼協会，日本生体医工学会，IEEE などの会員．（日本ロボット学会正会員）（日本ロボット学会正会員）

—8—

福井茂
2015 年 3 月明治大学卒業．2018 年 4 月品川ファーネス株式会社入社，現在に至る．1991 年医療廃棄物パック「HAZ-PAC」で日本パッケージデザイン
通産大臣賞受賞．技術部門及び研究開発、新規事業部門を担当．

有馬利彦
1989 年 3 月湘南工科大学機械工学部卒業，1989 年
4 月より品川ファーネス株式会社に入社，現在に至る．アルミ溶解炉や大型吸引車（ジャイアントバック）の設計製作に従事．

xx, 201x