JPH09216558A - レール走行移動体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のレール走行移動体装置は、減速機構が
なかったため、登坂走行ができない、またはできても水
平走行が遅くなるという問題点があった。 【解決手段】 レール１０の登坂部分にラック１２を設
け、移動体１４が、水平走行では駆動輪９で小減速比に
よる高速低トルクで、登坂走行では減速機５に連結され
た歯車１１とラック１２との噛み合いで大減速比による
低速高トルクで走行できるよう、駆動系を自動的に切り
替えられるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、監視カメラなど
を搭載した移動体がレール上を移動してプラントなどを
点検するレール走行移動体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のレール走行移動体装置では、駆動
力を得るための手段として、構造的に簡単な摩擦駆動方
式を用いたものが主であった。これは駆動輪にゴムのラ
イニングなどを施し、レールとの摩擦を大きくして、駆
動力を得るものである。この方式は工場内の搬送用モノ
レール、乗車用のモノレールなどで使われており、公知
である。

【０００３】また従来の別のレール走行移動体装置で
は、駆動力を得るための手段としてラックアンドピニオ
ン方式を用いたものもある。これはレール側にラック、
移動体側に回転駆動されるピニオンを設けて、ラックと
ピニオンの噛み合わせで駆動力を得るものである。ラッ
クアンドピニオン方式を用いた方式の一例として、特開
平５−２２１３１１号公報に開示された移動式点検ロボ
ットに使用されているレールがある。ただしこの例で
は、レール上にラックの代わりにチェーンを配設し、移
動体側にピニオンの代わりにスプロケットを取り付け、
スプロケットとチェーンの噛み合わせで駆動力を得てい
る。

【０００４】また、摩擦駆動方式とラックアンドピニオ
ン方式の両方を用いたものもあり、その一例として特開
平４−３２４７８７号公報に開示された監視装置があ
る。この例では駆動輪とピニオンが同軸で一体に取り付
けられており、レールの水平走行部分にはラックがな
く、登坂部分にはラックが配設されている。ピニオンの
外径は駆動輪の外径より小さいので、水平走行では駆動
輪とレールの摩擦で駆動力が得られ、このときピニオン
はからまわりし、登坂部分ではピニオンがラックと噛み
合い、駆動力が得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のレール走行移動
体装置は以上のように構成されているので、水平走行時
の高速走行が簡単に実現できる反面、減速比が小さくト
ルクも小さいので、傾斜部や垂直部の登坂が困難であっ
た。逆に、減速比が大きくトルクも大きい移動体は、登
坂走行が楽にできる反面、水平走行が低速になるという
問題点があった。

【０００６】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたものであり、水平走行では小減速比によ
る高速低トルク、登坂走行では大減速比による低速高ト
ルクで走行し、あらゆるレールの敷設条件でも走行でき
るレール走行移動体装置を得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係るレール走
行移動体装置は、レールの登坂部に設けられた線状噛み
合い手段と、前記レール上を移動する移動体に設けられ
たモータと、このモータによって駆動される駆動輪と、
前記モータにより減速機を介して駆動される回転噛み合
い手段とを備え、前記レールの水平部走行時は前記駆動
輪で走行し、前記レールの登坂部走行時は前記線状噛み
合い手段と前記回転噛み合い手段との噛み合いで走行す
るものである。

【０００８】また、駆動輪はトルクリミッタを介して駆
動されるものである。

【０００９】また、回転噛み合い手段は移動体の走行方
向に移動自在に弾性体を介して移動体に支持されている
ものである。

【００１０】また、移動体の走行を制御する制御装置
と、前記レールの水平部とレールの登坂部との境界部に
設けられ、移動体の通過を前記制御手段に伝える位置検
出手段とを備えたものである。

【００１１】また、移動体の走行距離を演算式によって
計測すると共に、位置検出手段からの信号で、前記演算
式を切り替えるものである。

【００１２】また、制御装置は、レールの水平部走行時
のモータ制御系のサーボゲインと、レールの登坂部走行
時のモータ制御系のサーボゲインとを有し、位置検出手
段からの信号で前記サーボゲインを選択できるものであ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。

【００１４】実施の形態１．図１は、本発明の実施の形
態１によるレール走行移動体装置を示す構成図である。
図において、１は制御装置、２はモータ、３は初段減速
機、４は駆動力分岐手段、５は終段減速機、６は回転噛
み合い手段、７は線状噛み合い手段、８はトルクリミッ
タ、９は駆動輪、１０はレールを表す。なお、制御装置
１は、モータ２を制御して移動体の運転をしており、地
上または移動体本体に設置されている。

【００１５】また、図２はこの発明の実施の形態１によ
るレール走行移動体装置の駆動系を示す概略図である。
図において、２はモータ、３は初段減速機、５は終段減
速機、１１は回転噛み合い手段としての歯車、１２は線
状噛み合い手段としてのラック、８はトルクリミッタ、
９は例えば金属輪にゴムのライニングを施した駆動輪、
１０はレールを表す。また、１３は駆動力分岐手段の例
であり、１３ａはタイミングプーリａ、１３ｂはタイミ
ングプーリｂ、１３ｃはタイミングベルトを表す。

【００１６】また、図３は本発明のレール走行移動体装
置の使用例であり、移動体１４に雲台１８を介してカメ
ラ１７などを搭載し、プラント内に敷設されたレール上
を周囲の状態を点検しながら移動する。なお図示はして
いないが、移動体１４は、レール１０に配設されたトロ
リーまたは移動体１４内に設置された蓄電池などから電
源の供給を受けると共に、レール１０に配設されたフィ
ーダー線からの密結合無線、光伝送などにより制御信号
を受けて制御され、カメラ１７の映像情報を送る。

【００１７】また、図４は本発明に関するレールとラッ
クとの関係を示す概略図である。図４に示すように、レ
ール１０は、水平部（１０ａ）、傾斜登坂部（１０
ｂ）、垂直登坂部（１０ｃ）からなる。登坂部分である
傾斜登坂部１０ｂと垂直登坂部１０ｃには、線状噛み合
い手段としてラック１２がレール１０に沿って取り付け
られている。

【００１８】次に動作について説明する。移動体１４が
レールの水平部１０ａ走行時には、モータ２の駆動力
は、初段減速機３、タイミングプーリ１３ａ、タイミン
グベルト１３ｃ、タイミングベルト１３ｂ、トルクリミ
ッタ８を経て駆動輪９を駆動する。駆動輪９にはゴムの
ライニングが施されており、レール１０との摩擦により
移動体１４は走行する。レールの水平部１０ａにはラッ
ク１２がなく、歯車１１の半径ｒ_g は駆動輪９の半径ｒ
_t より小さいので、歯車１１はレール１０の上で空転す
る。この様子を図５に示す。このとき駆動輪９の回転
は、モータ２の回転を初段減速機３で１段減速した小減
速比のものとなるので、高速低トルクである。このた
め、水平走行では移動体１４は高速で走行できる。

【００１９】次に、移動体１４が水平走行から傾斜登坂
部１０ｂまたは垂直登坂部１０ｃにさしかかったときを
考える。登坂走行に入ると歯車１１がレール１０上のラ
ック１２と噛み合う。この様子を図６に示す。このとき
モータ２の駆動力は、初段減速機３、終段減速機５を経
て歯車１１を回転させる。一方、駆動輪９とレール１０
は接しているので、タイミングプーリ１３ｂと駆動輪９
との間に速度差が生じるが、これはトルクリミッタ８に
より吸収させる。このとき歯車１１の駆動力は、モータ
２の駆動力を初段減速機３と終段減速機５で２段減速し
た大減速比のものになるので、低速高トルクである。よ
って、傾斜登坂部１０ｂとレール垂直登坂部１０ｃでの
登坂走行が低速ではあるが可能になる。なお、このとき
駆動輪９にはトルクリミッタ８で伝達可能な駆動力がか
かり、この分の駆動力は移動体の駆動を助けている。

【００２０】次に、移動体１４が登坂走行から水平部１
０ａにさしかかったときを考える。水平走行に入ると、
歯車１１がレール１０上のラック１２からはずれて空転
する。モータ２の駆動力は、初段減速機３、タイミング
プーリ１３ａ、タイミングベルト１３ｃ、タイミングプ
ーリ１３ｂ、トルクリミッタ８を経て駆動輪９を駆動し
ている。駆動輪９はレール１０と接しているので、移動
体１４は歯車１１がラック１２から外れると、再び高速
で走行する。

【００２１】以上のようにこの実施の形態１によれば、
水平走行では小減速比による高速低トルク、登坂走行で
は大減速比による低速高トルクで走行し、あらゆるレー
ルの敷設条件でも走行できる移動体を得る効果がある。
また、ラックは登坂部にしか必要でないので、低コスト
である。

【００２２】実施の形態２．上記実施の形態１では、駆
動輪が１つの場合について説明したが、駆動輪が２つで
あっても良く、レールが左右にカーブして敷設されてい
る場合、さらに安定した走行を得ることができる。

【００２３】図７は本発明の実施の形態２によるレール
走行移動体装置の駆動系を示す構成図である。図７は図
２の移動体の駆動系の略図を真上から見た図に相当す
る。図において、図２と同一または相当の部分には同一
の符号を付し説明を省略する。また、図の左右方向が移
動体の前後（進行）方向、図の上下方向が移動体の左右
方向である。

【００２４】次に動作を説明する。図２と図７の違い
は、駆動輪９のかわりに駆動輪９ａと駆動輪９ｂを取り
付けたことと、駆動輪が２つになったことに伴ってトル
クリミッタ８をトルクリミッタ８ａとトルクリミッタ８
ｂの２つにしたことである。駆動輪９ａと駆動輪９ｂは
移動体の左右に取り付けられており、歯車１１は移動体
のほぼ中央に取り付けられている。移動体が、レールの
カーブ部を走行しているとき、駆動輪９ａと駆動輪９ｂ
には回転数の差が生じる。この回転数の差は、トルクリ
ミッタ８ａとトルクリミッタ８ｂにより吸収される。一
方、歯車１１は移動体のほぼ中央にあるため、レールが
カーブしていても回転数に大きな変化はない。このた
め、移動体はレールが左右にカーブしていても、支障無
く走行できる。

【００２５】以上のようにこの実施の形態２によれば、
レールが左右にカーブしていても支障無く、安定性を保
って走行できる効果が得られる。

【００２６】実施の形態３．図８は、本発明の実施の形
態３によるレール走行移動体装置の回転噛み合い手段の
ばね取り付け部の側面図である。終段減速機５の出力軸
と同軸にアーム１５が回動自在に取り付けられている。
アーム１５の先端と移動体１４の間にはばね１６が張っ
てあり、ばね１６はアーム１５を中立位置に付勢してい
る。アーム１５の先端には歯車１１の軸が取り付けられ
ている。

【００２７】次に動作について説明する。図で移動体１
４は右から左へ高速で水平走行しているとする。やがて
移動体１４が登坂部へさしかかると歯車１１がラック１
２に衝突する。このとき、歯車１１の位相とラック１２
の位相は一致しているとは限らないので、歯車１１とラ
ック１２はうまく噛み合うとは限らない。しかし噛み合
わなかった場合、ばね１６がたわんでアーム１５が終段
減速機５の軸まわりに回動し、歯車１１の位相がラック
１２に噛み合うまで変化する。このため歯車１１はラッ
ク１２に問題なく噛み合う。なお、ばね１６は十分強い
ものにしておけば、移動体１４の走行には支障はない。

【００２８】以上のようにこの実施の形態３によれば、
ラックと歯車が噛み合い始める時、噛み合いが外れる時
の移動体への衝撃を小さくする効果が得られる。

【００２９】なお、上記実施の形態３では、ばね１６は
つるまきばねにしたが、終段減速機５の軸と歯車１１の
軸との間にアーム１５に沿ってねじりコイルばねをとり
つけてもよい。

【００３０】実施の形態４．図９は本発明の実施の形態
４によるレール走行移動体装置の位置検出手段を示す概
略図である。ラック１２の端部手前のレールには、移動
体の通過を検出する位置検出手段としてのドグ１７が取
り付けられている。なお、移動体１４にはドグ１７と当
たるマイクロスイッチ（図示していない）が取り付けら
れている。

【００３１】次に動作について説明する。移動体１４が
図９の右下から左へ走行すると考える。移動体１４がラ
ック１２に到達する直前に、移動体１４のマイクロスイ
ッチがドグ１７ａに当たる。マイクロスイッチからの信
号は制御手段１に送られ、この信号によりモータ２の回
転数が下がり移動体は減速する。移動体１４は減速した
状態で歯車１１とラック１２が当たるので、当たったと
きの衝撃が小さくなる。移動体１４は減速した状態で所
定の距離走行すると、歯車１１とラック１２が完全に噛
み合うので、そこから制御装置１によりモータ２の回転
数が上がり増速して登坂する。

【００３２】以上のようにこの実施の形態４によれば、
位置検出手段からの信号によってモータの回転数を制御
できるので、移動体のスムーズな走行を得る効果があ
る。

【００３３】なお、上記実施の形態４ではマイクロスイ
ッチを用いたが、近接スイッチなどでもよい。

【００３４】実施の形態５．図１０は本発明の実施の形
態５によるレール走行移動体装置の走行距離測定方法を
示すフローチャートである。なお図中の演算式の符号
は、ｌは走行距離、△ｌは走行距離の増分、ｎはモータ
に取り付けられたエンコーダが何回転したかカウントし
た値、ｎ_r はエンコーダが１回転に発するパルス数、ｋ
_h は初段減速機の減速比、ｋ_l は終段減速機の減速比、
ｒ_t は駆動輪半径、ｒ_p は歯車ピッチ円半径、ＳＷはマ
イクロスイッチをそれぞれ表している。

【００３５】次に動作について説明する。図９におい
て、移動体１４が右下から左へ向かってレールの水平部
１０ａを走行しているとする。このとき移動体１４の走
行距離の増分Δｌは、式（１）（図１０ステップ１）に
より計算される。 △ｌ＝ｎ／ｎ_r ×１／ｋ_h ×２π×ｒ_t ・・・・・・・・・（１） 移動体１４の全走行距離ｌは、このΔｌをスタート地点
から積算したものになる（ステップ２）。

【００３６】次に、図９で移動体１４がドグ１７ａを検
出し、マイクロスイッチがＯＮになって登坂走行に移っ
たとする（ステップ３）。走行距離の増分Δｌの演算式
は、式（２）（図１０ステップ４）に切り替わる。 △ｌ＝ｎ／ｎ_r ×１／ｋ_h ×１／ｋ_l ×２π×ｒ_p ・・・・（２） 以後、ラック１２の部分を登坂しているとき、移動体１
４の全走行距離ｌはこのΔｌをスタート地点からの積算
値に更に積算したものになる（ステップ５）。

【００３７】次に、図９で移動体１４がドグ１７ｂを検
出し、マイクロスイッチがＯＮになって再び水平走行に
移ると、走行距離の増分Δｌの演算式は再び式（１）に
切り替わる。移動体１４の全走行距離ｌはこのΔｌをス
タート地点からの積算値に更に積算したものになる。

【００３８】以上のようにこの実施の形態５によれば、
走行中に減速比が変化しても、スタート地点からの全走
行距離が自動的に測定できる効果が得られる。

【００３９】なお、上記実施の形態５では、回転噛み合
い手段として歯車１１を用いた場合を考えて、ｒ_p を歯
車のピッチ円半径としたが、他の手段を用いた場合に
は、それぞれ相当する値を用いるものとする。

【００４０】また、上記実施の形態５では、スタート地
点からの走行距離の積算値を測定するものとしたが、途
中にドグを設け、ドグと次のドグの間、またはドグとい
くつか先のドグとの間を１区画として番地を割り当て、
その番地内での走行距離を測定するものとしてもよい。

【００４１】実施の形態６．図１１は本発明の実施の形
態６によるレール走行移動体装置の制御系ゲインの調整
方法を示すフローチャートである。なお図中の演算式の
符号は、Ｉｍはモータ２の回転子の慣性であるローター
イナーシャ、Ｍは移動体の台車質量で、あとは式
（１）、（２）と同じである。また、図１２はサーボモ
ータ制御系に用いるモータ部分のブロック図である。
Ｊはモータ及び負荷の慣性モーメントであり、この値は
モータから負荷までに存在する減速比ｋによって変化す
る。本実施の形態についての負荷は、移動体の質量とな
る。

【００４２】次に動作について説明する。図９におい
て、移動体１４が右下から左へ向かってレールの水平部
１０ａを走行しているとする。このときモータ２は駆動
輪９により移動体１４を走行させている。モータ２から
負荷までの減速機としては、初段減速機３のみが存在し
ている。この場合、図１２のモータ２及び負荷の慣性モ
ーメントＪは、式（３）（図１１のＡ）により求められ
る。 Ｊ＝Ｉｍ＋（Ｍ×ｒ_t ² ）／ｋ_h ² ・・・・・・・・・・・（３）

【００４３】次に、図９で移動体１４がドグ１７ａを検
出し、マイクロスイッチがＯＮになって登坂走行に移っ
たとする。この場合、モータ２は歯車１１により移動体
１４を走行させており、モータ２から負荷までの減速機
としては、初段減速機３と終段減速機５が存在する。こ
の場合、図１２のモータ２及び負荷の慣性モーメントＪ
は、式（４）（図１１のＢ）により求められる。 Ｊ＝Ｉｍ＋（Ｍ×ｒ_p ² ）／（ｋ_h ² ×ｋ_l ² ）・・・・・・（４） 式（３）と（４）に示すように、水平走行時と登坂走行
時では明らかにモータ制御に関する定数が異なる。

【００４４】以上のようにこの実施の形態６によれば、
水平走行時と登坂走行時とで減速比が変化しても、自動
的にモータ制御系のゲインの値を変化させることがで
き、安定した走行ができる効果が得られる。なお、上記
実施の形態６では、回転噛み合い手段として歯車１１を
用いた場合を考えて、ｒ_p を歯車のピッチ円半径とした
が、他の手段を用いた場合には、それぞれ相当する値を
用いるものとする。

【００４５】なお、上記実施の形態１から６では、回転
噛み合い手段６として歯車１１をあげたが、スプロケッ
トやタイミングプーリなどであってもよい。また、線状
噛み合い手段７としてラック１２をあげたが、チェーン
やタイミングベルトであってもよい。さらに、駆動力分
岐手段４としてタイミングプーリ１３ａ、タイミングプ
ーリ１３ｂ、タイミングベルト１３ｃをあげたが、歯車
などであってもよい。

【００４６】また、上記実施の形態１から６では、レー
ル走行移動体装置をプラント内の移動点検ロボットとし
て用いた場合を示したが、工場内の部品の移送、病院内
の検体の移送、事務所内の書類の移送、ディスプレイ、
玩具など他の用途に用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１によるレール走行移動
体装置を示す構成図である。

【図２】 本発明の実施の形態１によるレール走行移動
体装置を示す概略図である。

【図３】 本発明のレール走行移動体装置の使用例を示
すイメージ図である。

【図４】 本発明に関するレールとラックの関係を示す
説明図である。

【図５】 本発明の歯車とラックとの関係を示す説明図
である。

【図６】 本発明の歯車とラックとの関係を示す別の説
明図である。

【図７】 本発明の実施の形態２によるレール走行移動
体装置を示す構成図である。

【図８】 本発明の実施の形態３によるレール走行移動
体装置の回転噛み合い手段のばね取り付け部を示す説明
図である。

【図９】 本発明の実施の形態４によるレール走行移動
体装置の位置検出手段を示す説明図である。

【図１０】 本発明の実施の形態５によるレール走行移
動体装置の走行距離測定方法を示すフローチャートであ
る。

【図１１】 本発明の実施の形態６によるレール走行移
動体装置の制御ルーチンを示す図である。

【図１２】 本発明の実施の形態６によるレール走行移
動体装置のモータのブロック線図である。

【符号の説明】

１ 制御手段 ２ モータ ３ 初段減速機 ４ 駆動
力分岐手段 ５ 終段減速機 ６ 回転噛み合い手段 ７ 線状噛み
合い手段 ８ トルクリミッタ ９ 駆動輪 １０ａ レール水平
部 １０ｂ レール傾斜部 １０ｃ レール垂直部 １１
歯車 １２ ラック １３ａ タイミングプーリ １３ｂ タ
イミングプーリ １３ｃ タイミングベルト １４ 移動体 １５ アー
ム １６ ばね １７ カメラ １８ 雲台

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レールの登坂部に設けられた線状噛み合
   い手段と、前記レール上を移動する移動体に設けられた
   モータと、このモータによって駆動される駆動輪と、前
   記モータにより減速機を介して駆動される回転噛み合い
   手段とを備え、前記レールの水平部走行時は前記駆動輪
   で走行し、前記レールの登坂部走行時は前記線状噛み合
   い手段と前記回転噛み合い手段との噛み合いで走行する
   ことを特徴とするレール走行移動体装置。
2. 【請求項２】 駆動輪はトルクリミッタを介して駆動さ
   れることを特徴とする請求項１記載のレール走行移動体
   装置。
3. 【請求項３】 回転噛み合い手段は移動体の走行方向に
   移動自在に弾性体を介して移動体に支持されていること
   を特徴とする請求項１または２記載のレール走行移動体
   装置。
4. 【請求項４】 移動体の走行を制御する制御装置と、前
   記レールの水平部とレールの登坂部との境界部に設けら
   れ、移動体の通過を前記制御装置に伝える位置検出手段
   とを備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか
   に記載のレール走行移動体装置。
5. 【請求項５】 移動体の走行距離を演算式によって計測
   すると共に、位置検出手段からの信号で、前記演算式を
   切り替えることを特徴とする請求項４記載のレール走行
   移動体装置。
6. 【請求項６】 制御装置は、レールの水平部走行時のモ
   ータ制御系のサーボゲインと、レールの登坂部走行時の
   モータ制御系のサーボゲインとを有し、位置検出手段か
   らの信号で前記サーボゲインを選択できることを特徴と
   する請求項４記載のレール走行移動体装置。