Hirose Fukushima Lab


4足歩行型法面作業ロボット TITAN XI	BACK TO WALKING ROBOTS

Movie.1 Basic walking experiment on the ground

Movie.2 Walking experiment on 30 degree slope covered with concrete frames

　山間地の多い日本では線路や道路を敷設するため、山の側面を削って法面（斜面）を形成する工事が多数行われている。これらの法面ではPhoto.1のように崖崩れ防止のために、鉄筋コンクリートフレームを設置して法面を安定させる工事や、ロックボルト・永久アンカーボルトを打設して法面を補強する工事が行われる。そして通常ボルトやアンカーを打ち込む補強工事では法面に穴を掘る削孔工事が必要であるが、従来の削孔工事はこれまでほとんどの工程が人手で行われてきた。しかし、その作業は高所で行われるうえ大規模であるため著しく非効率で多大なコストと時間を要し、また滑落などの事故に繋がるため危険度が高い。したがって、その作業の自動化が強く望まれているのが現状である。

　この要求に応えるため、Photo.2に示すクローラや車輪を用いた削孔用の建設機械が既に開発され、この建設機械による工法は「無足場工法」として確立されている。しかし、この工法は山地の複雑な地形を反映している凹凸のある斜面、段差のある斜面、コンクリートフレームが複雑に設置されている斜面等では適用しにくいという問題を有している。このような環境では、クローラや車輪型車両では自在に動き回ることができず、また設置されたコンクリートフレームを破損させてしまうからである。そこで我々は既存の建設工法を改良するためTITAN VIIによる基礎研究で積み重ねた知見から、実用化を目指した4足歩行型法面作業ロボットTITAN XIを開発した。

　Fig.1はTITAN XIによる作業の構想図である。TITAN XIによる工事は次の手順で行う。（1）工事現場近くまで搬送トラックにより輸送し、補助クローラにより搬送トラックから降車した後工事現場である法面の近くまで整地をクローラで移動する。（2）法面に近づいたら歩行に切り替え平地から法面に乗り移る。（3）テザーにより牽引されながら法面を安定に歩行し削孔機構を工事地点（主にコンクリートフレームの交差点）まで運ぶ。（4）削孔機の姿勢を脚で調整し削孔する。そしてこれらの工事手順に必要な特性を発揮するようTITAN XIはFig.2に示すような機構構成とした。これらの機構構成は主に、歩行のための脚、補助移動や緊急時に使用するためのクローラ、自重補償用のテザーを巻き取るためのウィンチ、削孔機構、エンジンを水平に保つためのエンジンリフト、から構成することとした。

　開発したTITAN XIをPhoto.3に示す。重量は7,000[kg]、脚長は3.7[m]である。
　TITAN XIの脚機構には脚の可動範囲と脚力の関係を解析し（Fig.3）、建設機械であるバックホウを改良した機構（Fig.4）を導入した。同時に安価で実用的な電磁比例弁を採用することにより実用的な脚駆動システムも構築した。
　TITAN XIが外部環境を認識するために、測量に用いられるTotal Station（TOPCON社製）を応用した地図生成システムと自己位置同定システムを搭載した。またコンクリートフレームで覆われた法面を安定に歩行する必要があることから、TITAN XIの歩容に関しては間歇クロール歩容に基づいた法面フレーム跨ぎ越え歩容を提案し、Photo.4に示すように試験法面での歩行に成功した。

Photo.1 Reinforced concrete frames on slope	Photo.2 Conventional construction machine for the drilling
Photo.3 TITAN XI	Photo.4 Snapshots of a walking experiment on a slope covered with concrete frames
Fig.1 Construction steps by TITAN XI	Fig.2 Concept of TITAN XI
Fig.3 Backhoe-modified drive mechanism	Fig.4 Output force distribution to the downward at the tip of the backhoe-modified drive mechanism

References:

程島竜一，土居隆宏，福田靖，広瀬茂男，岡本俊仁，森純一："4足歩行型法面作業ロボットTITAN XIの開発 -基本設計と脚機構の動作実験-"，日本ロボット学会誌，Vol.23, No.8, pp.847-857 (2005)
Takahiro Doi, Ryuichi Hodoshima, Yasishi Fukuda, Shigeo Hirose, Toshihito Okamoto, and Junichi Mori: "Development of Quadruped Walking Robot TITAN XI for Steep Slopes　- Slope Map Generation and Map Information Application -," J. of Robotics and Mechatronics, Vol.18, No.3, pp.318-324 (2006)
Ryuichi Hodoshima, Takahiro Doi, Yasushi Fukuda, Shigeo Hirose,Toshihito Okamoto, Junichi Mori: "Development of TITAN XI: a Quadruped Walking Robot to Work on Slopes - Design of system and mechanism," Proc. Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp.792-797, Sendai, Japan (2004)
Takahiro Doi, Ryuichi Hodoshima, Yasushi Fukuda, Shigeo Hirose, Toshihito Okamoto, Junichi Mori: "Development of a Quadruped Walking Robot to Work on Steep Slopes,TITAN XI (Walking motion with compensation for compliance)," Proc. Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp.3413-3418, Edmonton, Alberta, Canada (2005)