JP2000209781A - モジュ―ル配電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接続関係が動的に変化可能なモジュール群に
対して電力を供給することができるシステムを提供す
る。 【解決手段】 モジュール１２４、１２６は、周囲の４
面が接続プレートとなっており、各プレートは２種類の
リード部１２８、すなわち突出したプラスリード部と伸
展しないマイナスリード部とを備える。モジュール１２
４が電源１２２に接続されると、モジュール１２４の左
側プレートのリード部が電源１２２の正負極に接続し、
そのプレートがルートに、他の３面のプレートが分岐プ
レートになる。モジュール１２４にモジュール１２６が
接続されると、モジュール１２６の左側プレートがルー
トとなる。モジュール１２４と１２６の接触したプレー
ト同士の部分では、プラスリード部が相手のマイナスリ
ード部を押し込むことにより相手モジュールのスイッチ
１２９が開動作し、単一ループの回路が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、連結したモジュー
ルに対する配電システムに関し、特に構成モジュール数
が動的に変化しうる相互連結可能なロボットモジュール
群に対する電力供給に関する。

【０００２】

【従来の技術】構造を形成するために自律可動ロボット
を利用することは従来より研究されているが、実際にそ
れを具体化した例はほとんどない。メタモルフォーゼ
（metamorphosing）ロボット、多形状ロボット、形状変
化ロボット、あるいはモーファブル（morphable：変形
可能）構造などとして知られているように、原則とし
て、そのようなモジュールロボットの集まりは、共同し
て、ある構造を形成したり、ある仕事を実行したりす
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、多数の
ロボットを構築し、制御し、配電することの難しさが、
自動ロボットの利用増進の妨げとなっていた。

【０００４】本発明は、 このようなロボットモジュー
ルの集合体に対する電力等の供給のための仕組みを提供
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では、構築、制
御、電力供給のための適切な機構を備え、多数のモジュ
ールが集まって動作する多方面に応用可能な自律可動ロ
ボットを提供する。本発明に係る自律可動ロボットは、
多様な地形での（荷物運搬、配達、調査、探査などのた
めの）移動に用いることができる。また、（橋や壁や椅
子などの）構造の動的な構築や、（任意の形状を形成す
る）３次元的視覚化、触覚的表示、あるいは浮き出し構
造の動的構成（例えばスタンプ装置のプリントヘッドの
形成）などにも利用できる。典型例としては、実質的に
同じ構造を有する多数の小さい自律可動ロボット（例え
ば体積１０立方センチメートル以下）を用いる。こうす
ることにより、空間を最小限の隙間で満たすようにロボ
ットを詰め込むことができ、ロボットが互いの回りを移
動することによりロボットの集合体の構造を変化させる
ことができる。小さいモジュールロボットを多数用いる
ことにより、小数の大きいモジュールロボットを用いる
場合よりも大きな自由度が得られ、故障したモジュール
をすぐに交換することができる。このような多ロボット
システムは、故障モジュールの増大に対して本質的な冗
長性を有しており、システムの故障は壊滅的にはならず
控えめなものになる。各ロボットモジュールは、隣のモ
ジュールとの通信や電力伝達のための機構を有し、これ
により全てのモジュールが１つの接続されたコンポーネ
ントになる。

【０００６】ある好適な態様では、面心立方格子状に詰
め込み可能な斜方（菱面）十二面体又はこれと類似の形
状を、各ロボットモジュールの構造的枠組みを構成する
ために利用する。この枠組みは、頂点要素、稜線要素又
は面要素の組の少なくとも一つを規定し、これら要素は
一緒になって又は分離して、空間充填的な斜方十二面体
形状をなす。この枠組みは、移動機構により、他のロボ
ットモジュールに対して相対的に動かされる。これは、
その枠組みに取り付けられた回転軸機構により実現さ
れ、この機構はその枠組みを他の可動ロボットモジュー
ルに対して回転可能にする。また、別の適切な機構を用
いて、ロボットモジュールに対して並進又は回転の力を
加えることもできる。この移動機構に電力ユニットが接
続され、これにより移動のための駆動電力が供給され
る。これら移動機構及び電力ユニットに対して制御ユニ
ットが接続され、これによりその枠組みが制御される。
電力ユニット及び制御ユニットは、各モジュールの外部
又は内部に取り付けることができる。ただし、外部電力
供給機構がロボットモジュールに対する電力供給に用い
られる場合は、電力スイッチングユニットを内部に取り
付けることが好適である。

【０００７】例えば、その枠組みは中心接続部から放射
状に延びる頂点要素により実質的に構成することができ
る。この場合、回転軸機構は頂点要素の各頂点に設けら
れる。この代わりに、実質的に空間充填的斜方十二面体
を形成するように組み合わされた稜線部材（又は面部
材）により前述の枠組みを構成することもできる。この
場合、回転軸機構は各稜線部材の稜線（又は各面部材の
面）に取り付けられる。理解されるように、移動（回
転）機構としては、電子機械的なもの、圧電式のもの、
電気的にトリガされる形状記憶合金を用いたもの、流体
圧式のもの、空気圧式のもの、重力アシスト式のもの、
収縮性のポリマーや引き込み式のワイヤを用いたもの、
その他そのロボットモジュール群に対して並進又は回転
運動を行わせることが可能な適切なシステム、を用いる
ことができる。

【０００８】有利なことには、斜方十二面体は密に積み
重ねることができ、空間充填的な３次元構造を構成する
ことができる。各面、稜線又は頂点には、電気的なプレ
ート、導体その他の適切なコネクタを設けることがで
き、これによりロボットモジュール間で電力やデータを
伝達することができる。例えば、ロボットモジュールの
集合体は、開口や中空部、上部の張り出しや下部の切り
込みなどを構成し、モデル又は複雑な３次元的構造を構
成することができる。このような集合体は、外部の制御
ユニット（例えばコンピュータ）からの直接的な案内指
示によって形成することができる。この外部制御ユニッ
トは、各モジュールをアドレス指定して各モジュールに
対して移動命令を出す。この代わりに、複数のロボット
モジュールの各々に個別制御ユニットを設け、これらに
より制御の少なくとも一部を実行させる分散的な制御シ
ステムを用いることも可能であり、この分散システム
は、集合体の案内指示のために、単独で利用してもよい
し、外部制御ユニットと組み合わせて利用することもで
きる。

【０００９】可動ロボットモジュールからなる集合体を
用いて構造体を形成するための好適な方法では、可動ロ
ボットモジュール群の位置についての一組のゴール、制
約又はガイドラインを用いる。各ロボットモジュール
は、それら一組のゴールの中の１つに向かって移動し、
このとき各モジュールからその隣接モジュールへと、そ
のゴール組についての状態情報が伝達される。このよう
な組立手順によれば、各ロボットモジュールの動作や位
置を個別に指令する全体制御手法の場合のような計算上
のオーバーヘッドが生じることなく、構造が徐々に形成
されていく。

【００１０】多数のモジュールロボットを組み立てる前
述のシステムは、コンピュータシステムのための、触覚
的なユーザ出力インタフェースに用いることも好適であ
る。このようなシステムは、各々が実質的に少なくとも
部分的に多面体（斜方十二面体や六角プリズム、立方体
などの空間充填的な多面体、又は八面体や十二面体など
の非空間充填的な多面体、を含む）の形状をした複数の
ロボットモジュールを包含する。各ロボットモジュール
は、隣接ロボットモジュールに対して運動可能であり、
構造を形成するための制御ユニットを備え、コンピュー
タシステムの視覚的、触覚的な出力機構を提供する。各
ロボットモジュールはユーザからの入力を検出するため
のセンサを有する。ロボットモジュール群を（位置や圧
力、光、その他の検出可能な状態の）変化を監視するた
めの検出ユニットとして用い、コンピュータシステムに
対する入力機構を提供することもできる。

【００１１】例えば、３次元ＣＡＤ／ＣＡＭプログラム
からの情報を用いて３次元的な構造を規定することもで
きる。この場合、数百数千ものロボットモジュールを組
み立てて、視覚的、触覚的な表示を動的に構築すること
ができる。ユーザは３次元構造の領域に触れることがで
き、このときロボットモジュール群により検出された移
動（変位）や圧力、光の変化を、前述のＣＡＤ／ＣＡＭ
プログラムへの入力として用いることができる。ユーザ
は、このようなシステムを用いて、実際の構造とその仮
想的なＣＡＤ／ＣＡＭ表現の両方を、対話的に創造し、
修正し、観察し、触ることができる。このような動的に
形成される構造をユーザ用のコンピュータインタフェー
スとして利用することに加え、ロボットモジュールの集
合体は、型やレリーフ構造（例えば地勢図やエンボス・
スタンプなど）の生成、その他素早く効率的に構造の再
構成を行うことが有益な目的に利用可能である。

【００１２】構造構築やそのための制御と同様に重要な
ことには、多数のモジュールに対する十分な電力供給が
ある。電力供給は本発明の構成の動作にとって極めて重
要である。内蔵式の電源（例えばバッテリ、燃料電池、
光電池）も利用可能であるが、一般的には外部電源を用
いることが好適である。残念ながら従来のバス（母線）
を用いた電圧型の電力供給方式は、規則的に又は不規則
に積み重ねられた多数のモジュールに電力供給を行うに
は一般的に適切ではない。それらモジュールの多くがそ
の固定的なバスに対して簡単に接続することができない
からである。連鎖的に繋がったモジュール群により、電
圧電源に接続可能なリンクされた電力供給バスを構成す
るという別の公知の手法も、多数のモジュールを用いた
ときにはうまく機能しない。例えば、標準的な定電圧方
式は、電流が各モジュールを並列的に流れ、各モジュー
ルが所定の負荷を駆動する。このようなシステムが動作
するには、モジュール群を通る電力供給バスの抵抗が十
分小さく、電源から最も遠いモジュールにおいて著しい
電圧降下が生じないようになっていなければならない。
このような抵抗の低減は、典型的には接続すなわち導線
のサイズを大きくすることにより実現される。また、各
モジュールで消費される電力は抵抗の二乗の関数であ
る。各モジュールの電力消費に関しては最悪のケースを
想定して設計をしなければならない。すなわち、全ての
電力が１つのモジュールを通ると言う想定である。この
ことは、動作の観点から言えば、この最悪ケースのモジ
ュールに一定電圧（例えば５Ｖ）で電流が流れ、その電
流が全モジュールを通っていくということを意味する。
各モジュールが１００ｍＡを必要とし、１０００個のモ
ジュールがある場合は、その最悪ケースのモジュールに
は１００Ａの電流が流れることになる。標準的な銅製の
導線を用いた場合、モジュール群を通る電力供給バスは
非常に太いものになり、装置全体のサイズや重量に著し
い影響を与える。このような制約により、モジュールの
数が数ダースよりも多いような多数のモジュール群に対
しては、実用上、定電圧電力供給方式を適用することが
できない。

【００１３】本発明は、連結された多数のモジュールに
対する電力供給のための新たな構成を提供する。複数の
モジュールは、各々電力接続プレートを備える。すなわ
ち、各モジュールには、動的に定められる１つのルート
電力接続プレートと、動的に定められる少なくとも一つ
の分岐電力プレートが設けられる。各モジュールは、更
に電力分配コントローラを備え、これにより（機械的機
構、電子機械的機構、アナログ電子制御機構、ディジタ
ル電子制御機構、又はソフトウエア制御のディジタルス
イッチなどを介して）１つのルート電力接続プレートと
１以上の分岐電力接続プレートを動的に決定する。電力
は、電力接続プレート同士によって接続されたモジュー
ル同士の間を、一方の分岐電力接続プレートからもう一
方のルート電力接続プレートへと伝達されることによっ
てのみ、分配される。もし定電流電源が複数のモジュー
ルの中の１つに接続され、電力接続プレートにより接続
された複数のモジュールの全てに対して実質的に一定の
電流が供給されれば、各モジュールは、そのモジュール
を通る際の電圧降下により、バスから電力を引き出すこ
とができる（これに応じて電源に対する電圧要求は増大
する）。この方式には、集合体にいかに多くのモジュー
ルがあったとしても、各モジュールは、他のモジュール
の電力要求とは独立して、必要とする電力を引き出すと
いう利点がある。理解されるように、多数のモジュール
に対して同様の方式で電力を供給することは、定電圧型
の電源では実現不可能である。なぜなら、モジュール群
を通る電力供給バスが実質上ゼロ抵抗である必要がある
からである。

【００１４】定電流システムを実現するための電力供給
バスを構成するにはどのリンクを用いるべきかという問
題は、外部の電力スイッチング制御システムにより全体
的にアドレッシングされる。いかなるリンクシステム
も、接続された各電源ごとに電力供給ループが１つだけ
構成されるように動作しなければならない。これによ
り、１つのループ内の各モジュールには同じ電流が供給
される。この制約は、故障の影響を受けやすいシステム
や、モジュールが追加されたり、削除されたり、故障し
たりしたときの電力供給系の素早い再構成の際には決定
することが困難である。

【００１５】この発明は、複数の電子的モジュール間の
スイッチ接続経路の動的な再構成のための局所的（ロー
カル）な方法を提供する。この方法では、各電子モジュ
ールはＮ個の接続部材を持ち、設けられた各電源ごとに
電流ループが１つだけ形成される。この方法では、各電
子モジュールに対してルートスイッチが１つだけ定めら
れ（このスイッチは、機械式、電子機械式、磁力式、電
気式、光学式の接点、接続プレート、その他のスイッチ
部材を用いることができる）、各モジュールの残りのＮ
−１個の接続部材は分岐スイッチ（このスイッチも、機
械式、電子機械式、磁力式、電気式、光学式の接点、接
続プレート、その他のスイッチ部材を用いることができ
る）と定められる。これにより、複数のモジュールを通
る連続的なスイッチ接続経路が維持され、Ｎ（≧１）個
の分岐スイッチからなる第１の組は、別の電子モジュー
ルのルートスイッチに接続され、Ｎ（≧０）個の分岐ス
イッチからなる第２の組は、電子モジュール間の分岐ス
イッチから分岐スイッチへの接続がなされないように非
動作状態にされている。このようなシステムは、線状ア
レイ、分岐アレイ、３次元アレイ、ループなどの構造に
適用することができ、開口や中空部のある３次元構造な
どにさえも適用することができる。モジュールの集合体
には複数の電源を接続することができ、この場合、全て
のモジュールに対して電力を供給するために、複数の閉
電気経路が形成される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

【００１７】図１に示すように、可動ロボットモジュー
ル１１の集合体１０は、実質的に３次元的な“Ｘ”の形
状をもつ構造１２を構成するのに用いられている。構造
１２は、２つの基部１４及び１５の上に構築されてお
り、それら２つの基部には電源１６からそれぞれ個別に
電力が供給されている。集合体１０の形状は、外部の制
御モジュール１８の支援により、又は各ロボットモジュ
ール１１に分散された分散制御システムの支援により、
あるいは内部制御システム及び外部制御システムの組合
せにより、形成される。ＣＡＤ／ＣＡＭシステム１９
を、集合体１０の設計を助けるために利用することもで
きる。あるいは、ユーザが集合体１０のモジュール１１
を動かし（あるいはモジュール自身が動き）、結果とし
て得られた構造の形状がセンサ１７及びシステム１９に
より捕捉される。このようにして、集合体をユーザから
の入力又はユーザへの出力として用いることができる。

【００１８】同様に、図２に示すように、盛り上がった
モジュール２２のレリーフ状集合体２０は、（電源２６
に接続された）電源取出口２５を有する基部２４の上
に、外部制御により、あるいは自律的に、配列され、制
御モジュール２８とそれに接続されたＣＡＤ／ＣＡＭシ
ステム２９により、全体又はその一部が制御される。図
１の集合体と同様、多数のモジュールロボットを構成し
組み立てるためのこのようなシステムは、コンピュータ
システム（例えばシステム１９又は２９）の触知可能な
ユーザ出力用インタフェースとの関連で、特に有用であ
る。各ロボットモジュールは、ユーザ入力を検知するた
めのセンサ２７を装備することができる。複数のロボッ
トモジュールは、（位置、圧力、光その他の検知可能な
状態の）変化を監視するための検出ユニットとの関連で
用いた場合、コンピュータシステムへの入力機構として
用いることができる。

【００１９】入力の検知は、個別の圧縮歪みセンサ又は
引っ張り歪みセンサのアレイを用いて行うことができ
る。また、この代わりに、埋込式又は外付けの位置セン
サを用いてもよい。連続型のセンサ（例えば容量センサ
の二層シート）を用いることもできる。ある特に便利な
連続センサのタイプでは、複数の容量性又は抵抗性のス
トリップを用い、加えられた変形圧力をその変形圧力に
比例する位置検出可能なアナログ信号に変換する。単純
な容量センサ、抵抗性歪みセンサ、アナログ又はディジ
タルの圧力スイッチ、誘導センサ、ホール効果センサ、
渦電流センサ、流体流れセンサなどの様々なタイプのセ
ンサを用いることができる。ある具体例では、ロボット
モジュールが、位置センサ又は環境センサを備える。様
々なセンサ方式、例えば、ジャイロスコープセンサで絶
対位置又は相対位置を求める方式や、加速時計、音響又
は赤外線を用いた距離計測技術、などが装備可能であ
る。例えば従来からある光センサ、画像センサ、熱セン
サ、電磁センサ、振動センサや音響センサ等を含む環境
センサを用いることもできる。目的とする応用に応じ
て、ディファレンシャルＧＰＳ（Ｄ−ＧＰＳ）ポジショ
ニングや画像解析・認識、音響・音声識別、示差熱分析
センサ（differential thermal sensor）、などの高価
なシステムを組み込んだ環境又は位置センサを、入力と
して用いることもできる。当業者ならば分かるように、
以上に挙げたセンサは、外部イベント、内部イベント、
あるいは振動、力、トルク、熱伝動などのようなモジュ
ールに伝達されるイベント、を検知することができる。

【００２０】センサは、ロボットモジュールに搭載され
たＣＩＳＣ又はＲＩＳＣプロセッサに接続することがで
きる。例えば、Ｓｉｇｎｅｔｉｃｓの８７ｃ７５２又は
８７ｃ７５１、Ｍｏｔｏｒｏｌａの６８ＨＣ１１又は６
８５８２、ＡＲＭの７１０などを、ユーザが定義したタ
ッチを処理するために用いることができる。Ａ／Ｄコン
バータやディジタル・シグナル・プロセッサなどのコプ
ロセッサを、単体で、あるいはメインプロセッサと連携
して用いれば、より好適である。実施形態には、フラッ
シュＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭを用いることができ
る。より高価な埋込式ＤＲＡＭ（embedded DRAM）を用
いる例も考えられる。記憶装置を強化する例としては、
ハードディスク装置をロボットモジュール内に設けた
り、あるいは外部接続を介して制御モジュール１８又は
２８のハードディスク装置に接続可能としたり、するな
どの構成が可能である。

【００２１】当業者ならば分かるように、外部通信手段
は、内部プロセッサや内部メモリを少なくとも部分的に
肩代わりする（ただし、必要なセンサをサポートした
り、通信のバッファリングやシグナリングを行ったりす
るために必要な内部処理は除く）。用いるセンサのタイ
プに応じて、センサデータは、制御モジュール１８又は
２８にディジタル形式で直接的に供給されたり、図３に
示すような内部搭載の汎用Ａ／Ｄコンバータ３９（典型
的には４ビット又は８ビット幅。ただし、様々な応用の
中で用いられるものには、１ビットの小さなものから３
２ビットもの大きなものまで多岐にわたる）によりディ
ジタルフォーマットに変換されたりする。当業者ならば
分かるように、複数のセンサやセンサタイプの組合せ
を、各ロボットモジュールの全体又は一部で使用するこ
ともできる。

【００２２】集合体１０からの上記センサが検知した情
報を用い、３次元ＣＡＤ／ＣＡＭプログラム（制御モジ
ュール１８又は２８に関連して実行されている）によ
り、３次元構造を再構成することができる。この３次元
構造は、数百数千ものロボットモジュールを組み立てる
ことにより、図１又は図２に示した視覚又は触覚ディス
プレイとして動的に構築することが可能である。ユーザ
は、３次元構造のエリアにタッチすることができ、ロボ
ットモジュールにより検知された動きや圧力、光の変化
などが、ＣＡＤ／ＣＡＭプログラムの入力として用いら
れる。ユーザは、このようなシステムを用いて、実際の
構造あるいはＣＡＤ／ＣＡＭシステムによるその構造の
仮想的な表現を、対話的に作ったり、修正したり、見た
りすることができる。このような動的に構成される構造
をユーザのコンピュータインタフェースとして利用する
のに加え、ロボットモジュールの集合体は、型やレリー
フ構造（例えば地勢図やエンボス・スタンプなど）、そ
の他素早く効率的に構造の再構成を行うことが有益な構
造を作成するための、出力モードでの利用が可能であ
る。

【００２３】このような利用法に加え、ロボットモジュ
ール群は、自律的に最適化するユーザインタフェース
（例えば、ロボットモジュール群で構成されたキーを有
し、ユーザ専用の構成になるよう再調整が可能なキーボ
ード）として、又は人間的な要因を考慮したエンジニア
リング（取っ手や要部支持具などのような体に合った構
造のサイズや位置を素早く調整するなど）として、ある
いはユーザ専用のサイズの道具や装置、インターフェー
ス機材（例えば体積可変のカップや容器）を直接的に構
成するために、利用することができる。ロボットモジュ
ール群は、多機能ツールの基礎部分を構成したり（例え
ば、頭部が平らなねじをプラスねじに変形するなど）、
他のシステムのための搬送機構の一部を構成したり（例
えば、移動するロボットモジュール群がパーツを目的の
位置に運んだり、電力、機械力、データなどを分配する
ためにリンクされたりなど）する。ロボットモジュール
は、非常に再構成のしやすい構造要素として用いること
ができ、これにより例えば、地震の被害を受けた建物な
どの支えなどのためのトラスや支持物、引っ張り部材な
どを素早く構築することができる。

【００２４】当業者ならば分かるように、ユーザが規定
可能な様々な構造を構成するロボットモジュール１１
は、球や楕円体、正多面体、一般の多面体など、様々な
形状から構成することができる。例えば、その全体形状
は、直方体に近いものであってもよいし、ドーナツ形状
や平面状でもよく、ユーザが規定する様々な不規則な形
状をサポートするのに十分なほど順応性があるものがよ
い。連動可能なデザインの複数協動型の形状要素（例え
ばボールとソケット、錠前と鍵、スライス可能又は回転
可能な連結された要素群など）を用いることも可能であ
る。形状は実質的に固定的なものであってもよいし、限
定された範囲での柔軟性をもっていたり外部からの再構
成を可能とするものであってもよい。モジュール間の橋
渡しや空間の充填その他の用途（例えば最初にサポート
される構造がトラス用の可変長の伸縮自在のモジュール
群を持つなど）のために、高度な再構成が可能なモジュ
ールを用いることができる。大抵の用途では、実質的に
同一の形状のものを用いることが好ましい。しかし、複
数の形状（例えば直方体と立方体など）を用いる用途も
考えられる。

【００２５】特に好適な形状は、外殻又は枠組みを有す
る多面体に基づくものであり、これら外殻又は枠組み
は、頂点要素の組、稜線要素の組、面要素の組の中の少
なくとも一つを形成する。適切な移動機構（例えばヒン
ジ構造又はボール・ソケット構造など）を用いて頂点、
稜線又は面を回転させることにより、多面体が動く。多
面体の頂点要素は、中心の取付ポイントから放射状に延
びる構造によって規定することができる。多面体の稜線
要素は、エッジ支持部の相互接続枠組みとして規定でき
る。多面体の面要素は、プレート又は外殻（シェル）に
連結している頂点、稜線又は面により規定できる。図３
に示す多面体の好適な一例では、頂点要素、稜線要素又
は面要素が、単体で又は相互の組合せにより、空間充填
可能な斜方体形状の十二面体のロボットモジュール３０
及び３２の形状を実質的に持つ枠組み構造を形成してい
る。その枠組み構造は、図３の部分断面部分に示すよう
に、頂点に接続されたトラス３５によって内部から支え
られている（トラス３５がその枠組みの一部を形成して
いる）。また、枠組み構造は、稜線部で接続された面板
によって構成することもできるし、稜線要素群のみから
構成することもできる。図３に示すような多面体の回転
は、ヒンジ３４とアクチュエータ３６によって実現され
る。アクチュエータ３６には、電気機械的なもの、圧電
式のもの、電気的にトリガされる形状記憶合金を用いた
もの、流体圧式のもの、空気圧式のもの、重力アシスト
式のもの、収縮性のポリマーや引き込み式のワイヤを用
いたもの、その他の適切な駆動機構を用いたものが含ま
れる。

【００２６】図３に示した斜方（菱面）十二面体は空間
充填可能な等面多面体（isohedora）であり、２次元に
おける六角形に対応する３次元形状である。斜方十二面
体によれば、立方体モジュールや単純な立方体詰め込み
（パッキング）方式を用いた場合に起こる困難を回避で
きる。六角形の場合と同様、斜方十二面体は、図３に示
すように、単純に１つの稜線をヒンジとして、隣の斜方
十二面体に対して面と面とを合わせるような回転運動を
するだけでよい。いずれかの稜線に関して斜方十二面体
を回転させてあるパッキング状態から別のパッキング状
態へと変化させる際、その回転量はいずれの場合も正確
に１２０°である。この性質により、斜方十二面体を面
心立方構造でパッキングする（詰め込む）ことができ
る。パッキングされたとき、全ての稜線は、隣接する高
々３つの斜方十二面体によって形成される。１本の稜線
の周りに３つの斜方十二面体が存在する場合、そのエッ
ジ周りの動きは起こらない。そのエッジ周りの３６０°
の空間が満たされているからである。斜方十二面体が１
つの場合は、その周りを動く別の斜方十二面体がないの
で、動きが起こらない。動作は、正確に２つの斜方十二
面体があるときにのみ起こる。このエッジ同士の関係の
均一性が、エッジ回りの回転を可能にする機構の設計を
単純にする鍵である。更に、回転は、エッジ同士や面同
士を互いに対してスライドさせることなく実行すること
ができるので、摩擦に対する配慮やスライド式コネクタ
などの設計などを行う必要がない。

【００２７】概略的に言って、本実施形態における斜方
十二面体モジュールの動作については、２つの基本的な
制約がある。

【００２８】１．回転のための共有エッジを備えた親の
斜方十二面体がなければならない（モジュールをその親
モジュールに対して回転させる）２．モジュールの移動
は、他のモジュールと衝突してはならない。

【００２９】ある応用例では、モジュールの集合体全体
が、移動の間及び移動の後、互いに隣接していなければ
ならないという別の制約を設けることもある。この制約
は、１つの電源から、全てのモジュールに対して、隣接
モジュールへの電気的な接続を介して電力供給を行うこ
とを想定した場合に有用である。

【００３０】前述の第２の制約から、モジュールが他の
モジュールの動きを妨害することに関する「妨害制約」
が導かれる。極端な例として、ある斜方十二面体がモジ
ュール群により完全に取り囲まれた場合、すなわちその
十二面体の周りに１つの面に１つずつ、合計１２個の斜
方十二面体がある場合を考えると、当該十二面体モジュ
ールは隣接するモジュールの１つと衝突せずに動くこと
はできない。別の極端な例として、図３のように２つの
モジュールしかない場合を考えると、一方のモジュール
に対する他方のモジュールの回転動作は、いずれの他の
モジュールからも妨害されない。動作設計においては、
斜方十二面体のどの稜線が用いられ、どの隣接モジュー
ルが斜方十二面体のその稜線回りの回転を妨害するか、
を考慮することが必要である。ある面に接触している隣
接モジュールがある稜線回りの運動を妨害する場合、そ
の面をその稜線回りの運動の妨害面と呼ぶ。

【００３１】実際には、そのような考慮は、稜線と斜方
十二面体の中心とによって形成される平面を考え、その
平面で斜方十二面体を２つに分けることによって行う。
一方の側には５つの面が完全に含まれ、他方の側にも５
つの面が完全に含まれ、２つの面は半分に分割される。
分割された２つの面は、分割した稜線に関する妨害面と
みなされる。さらに、回転の意味によって、一方の側の
５つの面も妨害面である。この結果を、７側面の妨害制
約と呼ぶ。この制約は、斜方十二面体が厚みの大きい形
状を構成するのに用いられた場合、ほぼ厳格な制約とな
る。６個の斜方十二面体が共通の頂点のところに集まっ
た場合、それら全ての斜方十二面体は、他の全ての斜方
十二面体のその頂点に接する稜線に関する動きを妨害す
る。この集団は不可動である。どのモジュールも動けな
い。妨害制約は対称性を持つので、この逆も成り立つ。
すなわち、モジュールが動いて行った結果この構成にな
るようなことはない。この構成の他に様々な構成が存在
し得るが、大抵は、最も薄い部分が斜方十二面体３個よ
り厚い立体的な構成である。したがって、純粋に斜方十
二面体の形状から構築することができる構成の組は、限
られている。

【００３２】しかしながら、図４及び５を見れば分かる
ように、斜方十二面体モジュール群の形状を少し修正し
て、７側面制約を５側面制約まで緩和することにより、
不可動問題は解決される。特に、２等分面で分割された
２つの面は、もはや妨害面ではなくなる。５側面制約で
は、不可動な構成はなくなる。このための形状の修正
は、１つの頂点を約１４パーセントだけ斜方十二面体の
中心の近くに移動させることである。この頂点に接続さ
れる４本の稜線も移動させる。５側面制約にするための
１つの修正は、斜方体を構成する菱形面を短軸に対して
回転可能に取り付け、これら菱形面を図４に示すように
わずかに小さくすることである。衝突が起こりそうにな
ると、７側面制約と５側面制約の違いにより、干渉する
頂点（interfering）を構成する４つの面のそれぞれ半
分の４つの三角形は、図５に示すように内側に動く。可
動の頂点により、制約を除去しつつ、回転稜線が維持さ
れる。

【００３３】同様の形状を持つ斜方十二面体又は修正斜
方十二面体のロボットモジュール群を用いることには多
くの利点がある。自律組立ロボットの重要な問題の一つ
に、個別モジュールの動作がある。小さいロボットにと
っては、回動／回転動作は、摺動動作よりも好ましい。
なぜなら、回転の方が摩擦が小さいからである。摩擦は
系の大きさが小さくなるほど大きな問題になる。また、
稜線回りの１２０°の回転は、離散的な動作として取り
扱えるので、可能な構成と移動戦略を決める移動制約は
単純化される。回転機構を単純化したので、面心立方パ
ッキングは単純な立方体パッキングの好ましい特徴の多
くを保存することになる。第一に、２つの同じ斜方十二
面体の２つの面が整列して互いに押し付け合わされてい
る（くっついる）時、それら２面が共有する４本の稜線
のどの１つについての回転が起こっても、その回転によ
り別の面同士の組がくっつく。この後いかなる回転が起
こっても同様の結果となる。この性質は、立方体や全て
の正多面体にも当てはまることだが、等面多面体（isoh
edra：同じ面からなる多面体）すべてには当てはまらな
い。この等面多面体的性質により、製造が容易になる。
同じモジュールから構成されることにより、バッチ（一
括）生産でき、単価を削減できるというメリットが生ま
れる。さらに、各モジュールは、同じパーツの繰り返し
により作られる。例えば、各多面体は面群から構成さ
れ、各面は稜線群から構成され、各稜線は頂点群から構
成される。もし多面体が斜方十二面体のように等長の稜
線を持つ等多面体の場合、面レベル及び辺レベルでも同
様のバッチ生産が可能である。

【００３４】集合体の個々のロボットモジュールの動き
を求めるために、集合体における全体的な通信のための
機構が必要となる。この通信機構は、ローカル（局所
的）のメッセージパッシングにより、あるいはローカル
通信及び直接通信の組合せにより、直接的なものとなり
うる。ロボットモジュールの形状やそれらの相互接続の
形態、パッキングのタイプ、あるいは要求される可動性
に応じて、様々なスキームを利用することができ、その
スキームによりロボットモジュール同士の間の恒久的
な、又は間欠的な、場合によっては一度限りの、通信が
行われる。例えば、密にパッキングされた空間充填構造
の多面体群には、モジュール間の導線接続を利用するこ
とができる。またこの代わりに、各種の無線又は光通信
技術を利用することも考えられる。導線接続の場合、稜
線、面又は頂点に設けられたプラグ・ソケット形式のコ
ネクタを、データ通信のために利用することができる。
プラグ・ソケットシステムは、大容量且つ高速のデータ
転送のための双方向接続に利用できる。電気的なコネク
タの厳密なデザイン及び配置位置は、目的とする用途に
よって、したがってモジュールの形状によって決まる。
例えば、単純な固定的なコネクタを各面の中央に設け、
周囲の全てのモジュールとの接続を可能とする例が考え
られる。別の例としては、もっと複雑なデザインが必要
とされる。例えば、４つの稜線コネクタに、ばね式の接
点を設ける構成のモジュールも考えられる。

【００３５】図１及び２に示したような密にパッキング
された配列には、シリアル接続を用いることもできる。
データ転送のためのシリアル接続は、接続の数が少なく
て済み、実際的にいって信頼性も高いという利点があ
る。シリアル通信方式を光通信又は無線システムに用い
ることにより、物理的な接続の必要性がなくなる。光技
術に関しては、送信機と受信機の配列が依然として重要
であるが、光パイプやレンズ集光技術を上手に利用すれ
ば、より柔軟な構成が可能になる。無線システムは、Ｅ
Ｍ（電磁波）スペクトルの多くのバンド（ｋＨｚ、ＭＨ
ｚ、ＧＨｚ）を利用することができ、多くの変調技術
（振幅変調、周波数変調、コード分割多重接続（ＣＤＭ
Ａ）を用いた変調）を利用でき、送信機のパワーの範囲
で動作する。システムが適切な通信許容限界に合わせて
設計されていれば、たいていの場合、直接接触（direct
alignment）の必要性ない。送信機の通信範囲は、設計
の上で重要な事項となる。もし、送信信号がモジュール
から数ミリメートル以内で受信できる程度の出力なら
ば、その信号は相互に分離（アイソレート）され、シス
テムのトポロジー（構成）は物理的な接続性によって規
定され、隣接する信号源からの干渉を避けるためのシス
テム設計の複雑さは最小となる。一方、この代わりにも
っと出力の大きい電波を用いる設計も考えられる。この
場合、全てのモジュールが他の全てのモジュールとコン
タクトすることができ、モジュール間の接続は他のパラ
メータから決定される必要がある。信号の強度、あるい
はもっと確実にはロボットモジュールの識別に関係する
情報が、集合体における全てのモジュールの位置を表す
空間マップのために利用できる。同じ周波数で動作する
ディジタルパケットデータシステムについては、ＣＳＭ
Ａ−ＣＤやＣＳＭＡ−ＣＡなどのキャリアセンス多重接
続（ＣＳＭＡ）方式がこの問題を解決するものとして周
知である。別の解決方式として、異なる周波数を用いる
モジュール群を用い、送信機の出力に応じて周波数を再
利用する（すなわち干渉しない範囲で同一周波数を用い
る）という方式が考えられる。更に別の方法として、Ｅ
Ｍスペクトルの同じ領域に複数の信号を重畳するスペク
トル拡散変調として知られている技術を用いたコード分
割多重接続（ＣＤＭＡ）を利用することも可能である。

【００３６】各種の公知のアルゴリズムを用いて、これ
までに説明したような所望の構造的な出力の作成をサポ
ートするための自律的なロボットモジュール同士の間で
の情報分散をサポートすることができることは理解でき
るであろう。これらのシステムに、移動制御データを生
成するためにマスターコントローラ（例えば図１又は２
の制御モジュール１８又は２８）を設けてもよいし、そ
れらモジュール群におけるもっと分散的な制御スキーム
を採用してもよい。以下に示すアルゴリズムの例は、情
報がどのようにしてモジュール間を移動するかを示す。

【００３７】デイジーチェイン・ルーティング モジュール群は、相互の間で論理的な接続関係を持つよ
うに配列され、この接続関係により、各モジュールは、
隣のモジュールに対する予め設定されたラインによる情
報の送信のみを行う。すなわち、モジュール群は、各々
に対してデイジーチェイン接続されている。このチェイ
ンの開始点に送られた情報はＩＤを含み、このチェイン
の最初のモジュールはそのＩＤを自分のＩＤと比較す
る。もしＩＤが一致すれば、そのモジュールがデータに
対して動作する。ＩＤが一致しなければ、そのモジュー
ルはそのデータをチェイン上の次のコンピュータに送
り、そのデータが自分の目的地を見つけるまでこれが繰
り返される。

【００３８】Ｎ分ルーティング Ｎ分ルーティングでは、装置のＩＤに目的地までの経路
が含まれる。単純なルーティングは、物理的に接続され
たモジュール同士の間の４分ルーティングに基づくもの
である。４分ルーティングでは、配列は、概念的に、各
ノードが１つの入力と３つの出力を持つ４分木として構
成される。このシステムでは、ＩＤのビットのペアは、
１つのルーティングコマンドを含んでいる。０は、パケ
ットを１番目の出力に送ることを示し、１は２番目の出
力を示し、２は３番目の出力を示し、３はこれ以上転送
しないことを意味する。また、現在考慮されているビッ
ト数（bit number）、及びいつパケットが目的地に到着
したか、を一連のノード群に教えるために、カウント値
が設けられており、このカウント値は各ノードによって
逐次減らされていく。この方法では、パケットは、各段
階での単純な選択によりノードからノードへと、目的モ
ジュールに達するまで順に転送されていく。３以上の出
力を持つＮ分システム（実装上は２のべき乗が便利であ
る（例えば２、４、８、１６…）が構築可能なことは容
易に理解されるであろう。

【００３９】フラッディング（flooding） フラッディング（すなわち幅優先巡回）は、事前に定め
られたルーティング構造を持たない。制御モジュール
は、ソースモジュールからの最初のパケットを取り上
げ、それが各モジュールの正しいＩＤを持っているかど
うかをチェックする。パケットが正しいＩＤを持ってい
なければ、そのモジュールに直接接続されたモジュール
のうち、そのモジュールがまだそのパケットを送信した
ことがないか、又はそのモジュールがまだそのパケット
を受け取ったことがないモジュールのすべてに対して、
そのパケットが送出される。この結果、そのパケットの
コピーの大群がモジュールアレイ上を横断することにな
り、正しいパケットは最終的にその目的地に到達する。
パケットは、最大ホップ数というパラメータを持ってお
り、これにより、そのパケットが最終的にシステムから
除去されることが保証される。この方法の欠点は、上記
の２つのスキームに比べて、はるかに多くのモジュール
が不要なデータの処理のための負荷を受けることであ
り、これはシステム全体の効率に影響する。

【００４０】ホット・ポテト（Hot Potato） ホット・ポテト・アルゴリズムは、前述のフラッディン
グ・アルゴリズムに似ているが、再転送されるパケット
がたった１つの出力に送出される点が異なる。この出力
は、無作為に選ばれるか、あるいは最も混雑していない
ものが選ばれる。このプロセスは、パケットが正しいモ
ジュールに到達したときに終了する。パケットがその目
的地に到達するタイミングは、決定論的に求めることが
できない。

【００４１】モジュールの形状、モジュールの動作、及
びモジュール間のデータ分散の他に、本実施形態の重要
な局面は、モジュール群の構成（構造）の設計である。
これは、図６に最もよく示されている。図６は、（以上
に説明したような）ロボットモジュール群の初期構成５
２を最終構成７０に変換するためのプロセス５０の具体
例を示したものである。集合体の各モジュールの動き
は、ボックス６０及び以下に説明する順序付き最近接ゴ
ールロボットモジュール運動方式（ordered nearest go
al robotic module movement method）に従って反復的
に決定される。

【００４２】この方法では、各モジュールは、採りうる
最も近いゴールに向かって動く一方、隣接モジュール群
からそのゴールのステータスについての情報を取得す
る。ゴール群が満足される順序に関して制約を設ける。
これら制約は、各モジュールにより、ゴール位置の関数
として求められる。各モジュールは、ユークリッド距離
に関するヒューリスティックな知識に基づき運動の方向
を選択するが、２つ以上の隣接モジュールを持つ位置に
対して高い優先度を与える。タイムステップ当たりに通
信される情報は、モジュールの数に対して独立である。

【００４３】情報記憶及び伝搬 各モジュールは、全ゴール位置とそのモジュール自身の
現在の位置との表現から出発する。それは、各ゴールの
現在の状態についての情報、例えばそれが満足されるべ
きゴールを知っているか否かなどの情報を増やす。各モ
ジュールは、自分自身の状態、例えば現在自分に隣接し
ているモジュールの数及び位置などの情報の動的な格納
も実行する。情報伝搬を、隣接モジュールの状態情報に
関する問合せに限定することで、情報伝搬はモジュール
に対して重要な情報だけに限定される。特定のゴールに
関する情報の要求や、隣接モジュールの隣接モジュール
に関する問合せなどがその例である。

【００４４】ゴール順序づけ制約 全てのゴールが満足されることを保証するために、この
アルゴリズムはゴールが満足される順番に制約を加えて
いる。基本的な考え方は、目標となる構成を１つの面で
掃引し、その面が通り過ぎるにつれてゴール位置を満足
していくというものである。実際には、ある領域は他よ
りも幾分先になる。各モジュールは、その面の好適な方
向を知っているだけでよい。

【００４５】まず、モジュール群に対する座標系を規定
する。面心立方パッキングのために、モジュール群は、
３次元の碁盤目格子の中心に置かれ、ｘ，ｙ及びｚ座標
の和が偶数になるような３次元格子上の各整数位置に配
置される。

【００４６】任意のゴール位置Ｇについて、

【数１】Ｈ（Ｇ）＝ｙ＋ｚ と定義する。ここで、ｙ及びｚは、Ｇのｙ座標及びｚ座
標である。この関数は前述の面の方向を規定する。

【００４７】２つの位置が少なくとも１つの頂点を共有
する場合、それら２つの位置は「頂点隣接である」と呼
ぶ。そして、もしＧの頂点隣接のゴールＮのいくつかに
ついて、ゴールＮが満足されておらず且つＨ（Ｎ）＜Ｈ
（Ｇ）であるならば、Ｇはゴール制約されている（すな
わちゴールに選ぶことができない）。言い換えれば、Ｇ
の近くのＨ値が小さいゴールがまず満足されるべきであ
る。Ｇがゴール制約されていない場合、Ｇは許容可能で
ある。

【００４８】ここで面隣接（面を共有する）の代わりに
頂点隣接を用いている訳は、２つのモジュールが面隣接
ではなく、頂点隣接である場合も、それら両者間に干渉
（妨害）が起こりうるからである。

【００４９】この制約の下では、Ｇの高々７個の隣接位
置が、Ｇが満足される前に満足される。この結果は、１
つのモジュールが７個までの隣接位置を持ち、前述した
５側面制約を用いて自由に動くことができるという物理
的な制約に対応している。

【００５０】予約制約 位置Ｌに有り、ゴールＧに向かって動いているモジュー
ルは、もしＬがＧに隣接しており、且つ

【数２】Ｈ（Ｌ）＞Ｈ（Ｇ） であれば、ゴールを予約することができる。

【００５１】もしモジュールがこれら２つの基準を満足
するならば、そのモジュールはそのゴールを予約した時
刻を記録する。モジュールはその後この予約を、１００
ターンの間、又は同じゴールを先に予約した隣接モジュ
ールと通信するまで、維持する。モジュールが隣に動い
た後、それはそれに対して問い合わせを行い、この状態
を伝達する。そのモジュールの隣接モジュールのいずれ
かが同じゴールに向かって動きつつある場合には、その
隣接モジュールはそのゴールが既に予約されており、異
なるゴールを選ばざるを得ないことを記録する。この予
約情報は、これら隣接モジュール群からこのゴールに向
かっている他のモジュールに伝搬される。他のモジュー
ルに他のゴールを選ばせることにより、予約をしている
モジュールは、更に多くの移動の余地を得ることがで
き、そのモジュールのゴールを満足することができる。

【００５２】補助 ゴールＧは一般的にＨ（Ｐ）＜Ｈ（Ｇ）となる隣接ゴー
ルＰをもっている。前述の順序づけ制約の下では、Ｐは
Ｇの前に満足され、この結果あるモジュールがＧを予約
したとき、そのモジュールはＰを親として用い、Ｐの上
を転がってＧに到達する。そのような親Ｐが存在しない
場合は、２つのアクションの内の１つが起こる。もし順
序づけ制約の下でＧがその隣接ゴール群の全てよりも前
に満足されなければならない場合は、Ｇは予約すること
ができない。そうでない場合は、あるモジュールがＧを
予約したとき、そのモジュールは補助要請フラグを立て
る。もし隣接モジュールもＧに向かって動いていたら、
その隣接モジュールは、別のゴールを選ぶ代わりに、Ｈ
（Ｌ）＜Ｈ（Ｇ）を満足する隣の位置Ｌに動き、その予
約をしているモジュールを補助する。すると、予約をし
ているモジュールは、補助要請フラグをおろし、その補
助モジュール上を転がってそのゴールに到達する。

【００５３】判定 モジュールが様々なゴールについて知っている情報に基
づき、そのモジュールは最も近い制約されていないゴー
ルを選択し、そのゴールに向かって移動を開始する。モ
ジュールは、望むゴール位置に到達すると、その運動を
停止する。これにより、ゴールの許容可能性が決して過
大評価されないと保証される。すなわち、モジュール
は、ゴールが制約されていない時に制約されていると考
えることはあっても、その反対は決して起こらない。ま
た、これにより、ゴールが一旦許容可能になると、許容
不能には決してならないことも保証される。ゴールの満
足に関する情報も決して過大評価されない。

【００５４】場合によっては、すべての許容可能なゴー
ルが満足されているか予約されているために、あるモジ
ュールがゴールを持たないことがある。その場合、その
モジュールは、デフォルトのゴールＤに向かって動く。
デフォルトゴールＤは、例えばゴール構成から、

【数３】Ｄ＝Ｍ＋（０，４，４） によって計算することができる。ここで、ＭはＨ（Ｍ）
が最大となるゴール位置であり、順序づけられた３つ組
は（ｘ，ｙ，ｚ）座標に対応する。

【００５５】全てのゴールＧについて、Ｈ（Ｄ）≧Ｈ
（Ｇ）＋８であることに留意されたい。このことは、行
き場所のないモジュール群を除けることにより過密状態
の緩和を助け、ゴール群が予約をしたモジュール群によ
って満足されるようにする。

【００５６】各位置において、モジュールは、隣接モジ
ュールの隣接モジュールについて問合せ、到達可能な隣
接位置を全て求めることにより、ゴールに向かって動く
ための方向を選択する。次にモジュールは、これらの位
置を次の基準に従ってランク付けする。

【００５７】１．ある位置が望むゴールならば、最高の
優先順位 ２．ある位置が少なくとも１つの満足されたゴールを隣
接位置として持てば、中程度の優先順位 ３．ある位置が少なくとも２つの隣接モジュールを持て
ば、低い優先順位。

【００５８】ユークリッド距離は２次的な基準として用
いられる。すなわち、望むゴールに最も近い位置は他の
位置よりも優先される。結びつきは無作為に断ち切られ
る。モジュール群は、前述の第２及び第３の基準によ
り、ゴールに向かう長いチェイン（鎖）となって広がる
よりは、一つところにかたまる傾向がある。長いチェイ
ンとならないことにより、ユークリッド距離のヒューリ
スティックに関して極小解の数が大幅に低減される。そ
れでも起こる２、３の極小解に陥らないために、モジュ
ールはシミュレーティッド・アニーリングを用いる。シ
ミュレーティッド・アニーリングでは、モジュールはと
きどき前述の優先度ルールを無視し、好ましくない方の
位置を選択する。

【００５９】計算量についての分析 情報伝搬は、モジュールに対して最も重要な情報のみに
限られている。あるモジュールは、その隣のモジュール
に対して次に挙げる事柄について問い合わせることだけ
ができる。

【００６０】１．私のゴールは既に満足されているか？ ２．他のモジュールが私のゴールを予約してしまってい
るか？ ３．私の補助が必要か？私を補助しているか？ ４．私が知らないゴールをあなたは満足しているか。

【００６１】モジュールがこれらの問合せから情報を得
ると、モジュールはその情報を見つけたことを自分の状
態情報の組の中に記録する。このプロセスにより、情報
は徐々に全てのモジュールに伝搬する。もしモジュール
が、上記問合せ（４）を用いて特定のゴールＧが満足さ
れていることを知れば、そのモジュールは、前述の順番
付け制約の下で、Ｇを許容可能にする前に他のどのゴー
ルが満足されているべきかを判定する。

【００６２】全体のアルゴリズムはタイムステップに従
って処理される。１つのタイプステップは、モジュール
が以下のうちの１以上を実行する際に費やす時間であ
る。

【００６３】そのモジュールが許容可能と考えているゴ
ール群から選択を行う 隣接モジュールに問合せを行う 隣接モジュール上を転がる。

【００６４】以下の計算量分析は、このタイムステップ
の定義を用いる。情報は極めて限られており、移動に関
するヒューリスティクスは非常にコストが低いので、１
モジュール当たりの時間的な計算量は次のようになる。

【００６５】情報伝達：１タイムステップ当たりＯ
（１） 計算時間：Ｏ（ｇ）、ここでｇはゴールの数 メモリ要求：Ｏ（ｇ）。

【００６６】現在の実装では、最悪の場合の計算時間
は、最も近いゴールを周期的に探索することによる。予
備計算スキーム（予め計算しておく方式）を用いれば、
情報伝達及びメモリ要求がおそらく穏当な上昇の仕方を
するとして、これはＯ（ｌｏｇ（ｇ））又はＯ（１）ま
で低減できる。

【００６７】これらの計算では、連続運動制約が破られ
るかどうかを判定するためにハードウエア的解決手段を
用いることを想定している。これについては、効率のよ
いソフトウエア的解法が未だ見つかっていない。

【００６８】アルゴリズムの証明 順序付き最近接ゴール計画装置は、いくつかのテストケ
ースについて模擬試験された。これらテストケースは、
様々なサイズの初期の四角形構成から出発し、様々な複
雑さを持つゴール構成、例えば５４個の斜方十二面体
（図２に関連して説明したものに類似のもの）を持つ平
らな“Ｘ”形状の構成、４４１個の斜方十二面体からな
るティーカップ構成、６２５個の斜方十二面体からなる
中空の球形状の構成など、に至る。平面的な四角形構成
からティーカップ形状への並べ換えを、６４×６４×６
４の作業領域格子の中で完了するまでには、１８０８タ
イムステップを要した。１００％の完成に至らない形状
もいくつかあった。中空球は、斜方十二面体が内側で閉
じこめられ、外側に出られなくなって終了してしまうこ
ともありうる。この状況は、球壁の厚みによって変化す
る。６２５個の斜方十二面体による中空球の完成例で
は、約３４４２のタイムステップを要する。

【００６９】膨大な数のモジュールに十分な電力供給を
行うには、どのモジュール間リンクにより電力伝達バス
が実現されるかを決定することが必要になる。ある適切
な機構が図７に示される。図７には、モジュール８６、
８７及び８８を含む３モジュールシステム８０を模式的
に示しており、このシステムは定電流電源８２から電力
を運ぶともに、オプションとして信号モジュール８４を
設け電力電流に適切な信号変調を行うことにより、同時
にデータを運ぶこともできる。定電流システム８０は、
適切な外部電力切替制御システムによる全体的なアドレ
ッシングが不要であるという利点がある。その代わり
に、各モジュール８６、８７及び８８は、電力切り替え
をローカルで局所的に制御することができる（この切り
替えは、モジュール電気接点９３、９４、９５、９６、
９７、９８及び９９を介して動作するスイッチ９０、９
１及び９２により行われる）。このような構成により、
システムの故障に関する冗長性が改善され、モジュール
の追加やモジュールの削除、モジュールの故障などの際
に電力供給を素早く再構成することができる。

【００７０】図７に示すように、本実施形態は、複数の
電子的モジュール間のスイッチ接続経路の動的再構成の
ための局所的な手法を利用する。ここで、各電子的モジ
ュールは、Ｎ個の接続部材を持つ（この例では１モジュ
ール当たり３個の接続が可能である）。このようなスイ
ッチ接続経路は、電力、データ、又は電力及びデータの
両方、その他適切な資源（例えばモジュール間を伝送さ
れる流体や微粒子など）の伝送に用いることができる。
デイジーチェーンルーティングなどの例では、このよう
な動的に再構成可能な接続経路が必要とされる。

【００７１】まず、各電子モジュールごとにルートスイ
ッチが１つ決められ、各電子モジュールの残りのＮ−１
個の接続部材は分岐スイッチに定められる。そして、連
続的なスイッチ接続経路は複数の電子モジュールを通
り、各電子モジュールにおいて、Ｎ個（Ｎ≧１）の分岐
モジュールからなる第１の組は、別の電子モジュールの
ルートスイッチに接続され、Ｎ個（Ｎ≧０）の分岐スイ
ッチからなる第２の組は、電子モジュール間の分岐スイ
ッチから分岐スイッチへの接続がなされないように非動
作状態にされる。このようなシステムは、線状アレイ、
分岐アレイ、３次元アレイ、ループなどの構造に適用す
ることができ、開口や中空部のある３次元構造などにさ
えも適用することができる。

【００７２】上記方法の処理の一例として、図７のモジ
ュール８６、８７及び８８のための電力伝送経路（矢印
付きの線で示す）を考える。モジュール８６に電力が供
給されるとき、スイッチ９０は、接点９３をモジュール
８６に対するルート接点に決定し、残りの接点９４及び
９９を分岐接点とする。同様に、モジュール８７にモジ
ュール８６から電力が供給されるとき、スイッチ９０
は、接点９３をモジュール８６に対するルート接点に決
定し、接点９５をルート接点に決定し、接点９６を分岐
接点とする。このパターンでモジュール８８についても
決定が行われ、接点９７がルート接点、接点９８が分岐
接点に決定される。この結果、連続スイッチ接続経路は
モジュール８６、８７及び８８を通るように設定され、
分岐接点９８及び９９は、電子モジュール間の分岐接点
接続を防ぐために、電子機械的機構などにより引き込ま
れて非動作状態にされる。

【００７３】図８及び９に示すように、本実施形態にお
ける局所的なスイッチング（各モジュールのローカルで
のスイッチング）による電力伝達の動的再構成は、モジ
ュール群の集合体に対して接続可能な複数の電力供給系
を実現可能にする。この再構成方式では、複数の閉じた
電気的経路が、全てのモジュールに対する電力供給のた
めに形成される。図８において、モジュール１０６及び
１０７は、基部プレート１１０、１１２からそれぞれ電
力供給を受けている。モジュール集合体１００内の各モ
ジュールはそれぞれ１つのルートのみを持つことがで
き、且つこのシステムは２つの電源（基部プレート１１
０及び１１２）を持つので、このシステムは２つの電流
ループを持つことになる。第１のループはモジュール１
０６−１０３−１０１−１０２−１０４を通り、第２の
ループはモジュール１０７−１０５を通る。モジュール
１０３と１０４とが面を接していたとしても、その面に
向いている接点は共に分岐接点なので、それら両モジュ
ールは（局所的スイッチング制御により接点同士が物理
的に分離されていることにより）電気的に接続されてい
ないことに注意されたい。接点は、一旦分岐接点に設定
されると、分岐から分岐への電気接続が形成されないよ
うに引き込まれるが、その一方でルートから分岐への接
続は依然として許される。同様に、対面しているモジュ
ール１０４と１０５も分岐・分岐間の接続なので、やは
り両者の間に電気的な接続は形成されず、基部プレート
１１０及び１１２からの相互に分離した電流ループが残
る。

【００７４】図９に示すように、図８の集合体１００か
らモジュール１０３が取り除かれた場合、システムは電
力経路を局所的かつ動的に再構成する。モジュールが電
力供給を失うと、接点群は各々のデフォルト状態へと動
き、ルート接点が伸展する。モジュール１０６及び１０
７の電力供給を受けている接点は、ルート接点としてラ
ベル付けされる一方、他の接点は収納されて分岐状態と
なり、各モジュールへの電力供給の継続を可能にする。

【００７５】図１０に、接続されたモジュール群におけ
る上記のスイッチング動作のいくつかを実現するための
別の方法を示す。図１０に示すように、電源１２２に接
続可能な純機械的スイッチは、電力スイッチモジュール
１２４及び１２６を、線状、分岐線状、あるいはその他
の非ループパターンで接続するのに用いることができ
る。図１０に示すように、各接続プレートは、２種類の
リード部１２８、すなわち突出したプラスのリード部
と、伸展できないマイナス、すなわち雌のリード部とを
備えている。２つの接続プレートが接触した時（例えば
モジュール１２４と１２６）、長い方のリード部がマイ
ナスリード部に対して接し、この押圧により同時に他の
モジュールのスイッチ１２９が開動作し、電力ループが
多重的になることを防ぐ。

【００７６】可動部品の数を最小限にすることが、故障
しやすい可動部品が少なくなるので、一般的によい設計
である。図１１には、１つの連続的な回路ループにより
多数の接続されたモジュール群（図示省略）を通って電
力を自動的にルーティングするために、モジュールの内
部に、可動部品がほとんどないＮＭＯＳ（エンハンスメ
ント・モード）を適用した実施形態が示される。図１１
は、各々が４つのコネクタＩdd，Ｉss，Ｖout、Ｖinを
持つ４つのモジュール接続プレートを示す。当業者なら
分かるように、このデザインは、接続プレートの数の変
化に応じて容易に変更可能である。Ｉdd及びＩssとラベ
ル付けされたコネクタは、定電流ラインのための接続を
形成する。Ｖout及びＶinとラベル付けされたコネクタ
は、ＭＯＳＦＥＴのスイッチングに十分なだけの高電圧
を供給するための小電流高電圧のラインである。あるモ
ジュールが電源に接したとき、定電流電源がＩdd及びＩ
ssに接続され、これと実質的に同時に、電気的コネクタ
の物理的な接触により、Ｖinに電圧が印加される。Ｖin
に対する電圧は、高い方のＩddの電圧レベルと比較し
て、用いるＭＯＳＦＥＴを駆動するのに十分なほど高い
（例えば１０Ｖ）。Ｉddは電源の高電位側である。図示
した抵抗は、十分高い抵抗値をもっており、この結果、
小電流バス上の電流は大電流バス上の電流よりも相対的
に小さくなる。

【００７７】ＭＯＳＦＥＴ群に加え、物理的なスイッチ
１４５、１４６、１４７及び１４８が常閉状態で設けら
れ、これらスイッチは相手の接続プレートと接したとき
に開状態となる。各接続プレート上のそれらスイッチ
は、磁気的作用で開くリードスイッチでもよいし、フォ
トインタラプタのような光学的インタラプタや、２つの
モジュールの接触動作により物理的に開かれる物理接点
などでもよい。

【００７８】モジュールが接続プレートに接すると、一
方の接続プレートのＩddが、接続先のモジュールの接続
プレートのＩssに接続され、同様に前者のＩssは後者の
Ｉddに接続される。同様に、一方プレートのＶoutは他
方プレートのＶinに接続される。ＩssとＩddは電力電流
の伝送経路を形成し、ＶoutとＶinは、その伝送経路の
スイッチングのため、及びどのプレートがルートプレー
トとなるかを決めるための高電圧電流を流す。

【００７９】定電流ラインは、図では太線で示されてい
る。ＭＯＳＦＥＴ１３９〜１４３は一列に並んで回路ル
ープを構成し、接続プレートから接続プレートへとデイ
ジーチェーン方式でつながるＩdd及びＩssのラインを、
接続したり分離したりすることができる。ＭＯＳＦＥＴ
１４０、１４１、１４２、１４３は、同じプレート上の
ＩddとＩssとの間の接続を形成したり遮断したりするた
め用いられる。接続プレート上にモジュールがない場
合、そのプレート上のＩddライン及びＩssラインとは、
回路の連続性を維持するために互いに短絡されている必
要がある。モジュールがあれば、その接続プレート上の
ＩddとＩssとは互いに短絡されてはならず、電流はＩdd
とＩssとを通って隣のモジュールに流れる。このような
ＭＯＳＦＥＴは、モジュールの分岐を終端するので、終
端ＭＯＳＦＥＴと呼ぶ。ＭＯＳＦＥＴ１３６、１３７、
１３８及び１３９は、隣接モジュールに向かうＩddライ
ンの接続をオンオフする。接続プレート上に、電力供給
されていないモジュール（又はルート接続プレート）が
存在すれば、それに対応するＭＯＳＦＥＴがオンにな
り、Ｉddを介してそのモジュールに対して電力供給が行
われる。もし、隣接モジュールが既に電力供給を受けて
おり（分岐接続プレート）、且つその接続プレートも電
力供給を受けていれば（分岐接続プレート）、電流は流
れず、Ｉddは対応するＭＯＳＦＥＴ１３６、１３７、１
３８又は１３９によりオープンとなる。このようなＭＯ
ＳＦＥＴは、隣接モジュールへ電力を伝達したり遮断し
たりするので、伝達ＭＯＳＦＥＴと呼ぶ。

【００８０】各接続プレートは終端ＭＯＳＦＥＴを１つ
と伝達ＭＯＳＦＥＴを１つ備える。符号１３１で示した
５つのＭＯＳＦＥＴのグループ、及び同様のグループ１
３２、１３３、１３４は、終端ＭＯＳＦＥＴと伝達ＭＯ
ＳＦＥＴとの切り替えに用いられ、１つの接続プレート
に関連する。それらは、終端ＭＯＳＦＥＴと伝達ＭＯＳ
ＦＥＴとをＶoutとＶinの電圧レベルに従ってセットす
る。

【００８１】

【表１】 図の中央にグループとして示されるＭＯＳＦＥＴ群１４
４は全ての接続プレートのＶout電圧をセットするため
に用いられる。ＭＯＳＦＥＴ群１４４の機能は、Ｖinが
最初に高電圧（Ｈ）を受け取った場合には、それに対応
するＶoutを低レベル（Ｌ）に設定すると共に、その他
のＶoutを高（Ｈ）に設定し、そのＶinがＨ状態でなく
なるまで、それらの電圧を維持するというものである。
言い換えれば、最初に電力供給されたプレートにはルー
トというラベルを付け、そのプレートが電力を失うまで
（非接続状態になるまで）その状態を維持する。

【００８２】上記のコンポーネントの機能を示す典型的
なシナリオとして次のようなものが考えられる。このシ
ナリオでは、まずモジュールに電力供給が供給され（１
番目の接続プレートが電力を受ける）、次にそのモジュ
ールにあるモジュールが加えられ（別のモジュールへの
電力の供給）、最後にループが検出される（既に電力供
給を受けているモジュールが接続される）。この回路の
理解のためには、大電流ライン（太線）がグランドに接
続されていると考えるとよい。もし注目するモジュール
が、電力供給を受けている系に上部接続プレートを介し
て接すれば、ＩddとＩssは定電流バスに接続され、“グ
ランド”基準電圧が確立される。

【００８３】スイッチ１４５は、それに接する相手の接
続プレートが存在すると開かれる。上部コネクタ（接続
プレート）のＶinは信号Ｈ（高：例えば１０Ｖ）を受け
取る。１０Ｖの信号は、ＭＯＳＦＥＴ群１４４内を伝搬
し、下部コネクタ、右側コネクタ及び左側コネクタのそ
れぞれＶoutまで達する。

【００８４】同様に、下部、右側及び左側のコネクタの
Ｖinは、スイッチ１４６、１４７及び１４８を介して高
電圧Ｈを受け取る。

【００８５】上部コネクタでは、ＶoutはＬ（低）とな
り、ＶinはＨとなり、この結果終端ＭＯＳＦＥＴ１４０
がオフになり伝達ＭＯＳＦＥＴ１３６がオンになる。

【００８６】他の終端ＭＯＳＦＥＴ１４１、１４２、１
４３はオンになり、伝達ＭＯＳＦＥＴ１３７、１３８、
１３９はオフになる。したがって、電流は上部接続プレ
ートのＩddから流れ込み、他の３つのプレートの終端Ｍ
ＯＳＦＥＴを通って上部接続プレートのＩssから流れ出
る。袋小路に似ている。

【００８７】この時点で、例えば右側接続プレートに新
たなモジュールが接続されると、その新たなモジュール
のＶinは、上記右側接続プレートのＶoutから１０Ｖを
受け取る。したがって、スイッチングレベル電圧はモジ
ュールからモジュールへ伝達される。スイッチ１４６は
新たなモジュールが来ることによって開かれる。右側接
続プレートのＶinは浮いてＬになるので、終端ＭＯＳＦ
ＥＴ１４１がオフになり伝達ＭＯＳＦＥＴ１３７がオン
になって電流はその新たなモジュールへと流れる。

【００８８】もしその新たなモジュールが既に電力供給
を受けていたならば、スイッチ１４６が開いたとき、Ｖ
inは、その電力供給を受けている新たなモジュールのＶ
outによってＨレベルに上昇されるので、Ｖinはフロー
トのＬレベルにはならない。

【００８９】分離された高電圧スイッチングバスについ
ては多くの変形例がある。スイッチングレベル電圧は、
各モジュールで個別に生成することができる。これは、
大電流ラインから、光起電（phot-oltaic）効果、スイ
ッチングＤＣ−ＤＣコンバータ、自励変換器などのいず
れかを用いてエネルギーを取り出すことにより行える。
ルートにラベル付けする別の方法（Ｖin及びＶoutの電
圧レベルを用いる以外の方法）は、光をラベルとして用
いるというものである。例えば、ＶoutがＨレベルとな
ることで分岐接続を示す代わりに、ＬＥＤをオンにし、
そのラベル（ＬＥＤオン）を光検出デバイス（フォトダ
イオード、フォトトランジスタ、ＣｄＳセル、光起電セ
ルなど）で検出することでも、同じことができる。光起
電セル（光電池）を用いた場合、そのエネルギーは高電
圧のスイッチングレベル電圧を生成するのに用いること
もできる。

【００９０】本実施形態には、スイッチングのロバスト
性を強化するために、再配置や何らかのモジュール構成
要素の故障のときのモードとして、モジュールが接続を
形成しない故障モードが存在する。例えば、あるモジュ
ールのためのスイッチング回路１５０の中の電力接続の
ロバスト性は、図１２に示すようなリレー１５４を用い
ることにより強化される。ここで、リレー１５４は通常
は閉じている。このスイッチは、誘導コイル１５２を用
いて開かれる。抵抗１５８はそのリレーのコイルと同じ
抵抗値を有する。理想的には、この抵抗値は電力損失を
少なくするために小さい値がよい。最も内側の四角形構
造１５６上の４つのスイッチの組は受動的に動作し、も
し２つのモジュール（２つ目のモジュールのスイッチン
グ回路も図示したスイッチと同様であるとする）が接合
して両者の間に電流が流れると、その電流の一部（約１
／３）がそのリレーを通り、その冗長的な並列スイッチ
を開くようにする。この接続は、メーク・ビフォア・ブ
レーク（make-before-break）スイッチとして機能し、
電流が実際に流れている間のみブレークする。したがっ
て、もしモジュールが接続し、欠陥のあるスイッチを持
つ場合、又はモジュール内部で一部の導線が切れている
場合は、電流は流れず、リレー１５４は作動せず（外れ
ず）、モジュール集合体全体の回路は維持される。もし
回路が既に形成された後に故障が生じた場合は、システ
ム全体の全てのリレーは閉路され、故障したモジュール
を除いてリレー群が開くにつれて、電力経路は自律的に
再形成される。このような方式の代わりに、そのリレー
コイルの経路を通る電流を検知する機構を設けることに
より、同じ機能を実現することも可能である。例えば、
ホール効果センサを用いて磁界の変化を計測することも
できる。このセンサはパワーＭＯＳＦＥＴを駆動してス
イッチを開路する。光学的な方式（電流によりランプや
ＬＥＤを点灯させ、この光を検知するなど）も利用可能
である。

【００９１】上記のモジュールスイッチを、電力経路に
おける局所的自律的な電力ループの取り外し制御に用い
ることは、モジュールシステムのロバスト性を向上させ
る。例えば、あるモジュールシステムでは、モジュール
群は高度に並列的な構造を構成し、６つの面が電力接続
プレートとなっている立方体を、立方体３個分の厚さに
積み重ねて形成した３次元的な塊（２７個の立方体）を
構成する。ループのない電力・データ経路は、何百もの
異なるものが形成可能である。もしいずれかのモジュー
ルが故障して電力又はデータを伝達できなくなったら、
これ以外のモジュール群が自動的に、他の接続構造のう
ちの１つを形成する。ロバスト性をより向上させるため
に、論理レベル電圧は、独立した高電圧小電流バスから
生成するよりも、ローカルの電力ラインから生成した方
がよい。もし１つのモジュールで電力ラインが機能しな
くなった場合、そのモジュールの論理レベル信号が生成
されなくなり、これによりシステムはそのモジュールを
（電気的意味で）検出して回路から取り除く。複数の電
源が利用可能な場合、システムは必要に応じてそれらを
利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実質的に斜方十二面体の形状を持つロボット
モジュールからなる集合体により構成された、３次元的
な“Ｘ”形状の構造を概略的に示す図である。

【図２】 “Ｘ”形状の触覚的表示を形成するロボット
モジュールの実質的に２次元的な配列を概略的に示す図
である。

【図３】 ヒンジ回りに互いに対して相対的に回転する
２つの斜方十二面体形状のロボットモジュールを概略的
に示す図である。

【図４】 密に詰め込まれる集合体におけるロボットモ
ジュールの回転可能性を高めるための、屈曲可能な面を
有する略斜方十二面体形状のロボットモジュールを示す
図である。

【図５】 密に詰め込まれる集合体におけるロボットモ
ジュールの回転可能性を高めるための、屈曲可能な面を
有する略斜方十二面体形状のロボットモジュールを示す
図である。

【図６】 ロボットモジュールの大規模集合体における
部分的に分散された制御スキームを示す図である。

【図７】 接続された３つのモジュールに対する動的に
切り換えられる定電流電力伝達機構を示す図である。

【図８】 ２つの分離された電源からモジュール集合体
への電気的に切り替えられる接続を示す図である。

【図９】 図８のモジュール集合体から１つのモジュー
ルを取り外した後の接続故障を防ぐためのスイッチ接続
の動的再構成を説明するための図である。

【図１０】 線状あるいは分岐した線状など、ループの
ない構造に構成されたモジュール群に対して好適な機械
的なスイッチング回路の一例を示す図である。

【図１１】 任意に配列されるモジュール群に対して好
適な電気的なスイッチングシステムの例を示す図であ
る。

【図１２】 ロバスト性のある、故障許容性のあるスイ
ッチ回路を示す図である。

【符号の説明】 １０ 集合体、１１ 可動ロボットモジュール、１４，
１５ 基部、１６ 電源、１８ 制御モジュール、１９
ＣＡＤ／ＣＡＭシステム、８２ 定電流電源、８４
信号モジュール、８６，８７，８８ モジュール、９
０，９１，９２スイッチ、９３，９４，９５，９６，９
７，９８，９９ 接点、１２２ 電源、１２４，１２６
モジュール、１２８ リード部、１２９ スイッチ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のモジュールと、それら複数のモジ
   ュールの１つに接続された定電流電源と、を含み、 前記モジュールは、 動的に定められる１つのルート電力接続プレートと、動
   的に定められる少なくとも一つの分岐電力プレートと、
   を含む複数の電力接続プレートと、 １つのルート電力接続プレートと１以上の分岐電力プレ
   ートとを動的に決定し、電力接続プレートによって接続
   されたモジュール同士の間で、分岐電力接続プレートか
   らルート電力接続プレートへの向きに電力を伝達するた
   めの電力分配コントローラと、 を備え、 前記定電流電源は、電力接続プレートによって接続され
   た複数のモジュールに対して実質的に一定の電流を供給
   することを特徴とするモジュール配電システム。
2. 【請求項２】 複数の可動ロボットモジュールと、それ
   ら複数の可動ロボットモジュールの１つに接続された定
   電流電源と、を含み、 前記モジュールは、 電力接続プレートを介して外部から電力供給を受けるア
   クチュエータと、 動的に定められる１つのルート電力接続プレートと、 動的に定められる少なくとも一つの分岐電力プレート
   と、 １つのルート電力接続プレートと１以上の分岐電力プレ
   ートとを動的に決定し、電力接続プレートによって接続
   されたモジュール同士の間で、分岐電力接続プレートか
   らルート電力接続プレートへの向きに電力を伝達するた
   めの電力分配コントローラと、 を備え、 前記定電流電源は、電力接続プレートによって接続され
   た複数の可動ロボットモジュールに対して実質的に一定
   の電流を供給することを特徴とするモジュール配電シス
   テム。
3. 【請求項３】 請求項２記載のシステムであって、定電
   流電源を複数備え、それら各定電流電源が、それぞれ前
   記複数の可動ロボットモジュールのうちの１つに接続さ
   れ、前記電力接続プレートで接続された前記複数のモジ
   ュールの１つの部分集合に対して実質的に一定の電流を
   供給することを特徴とするモジュール配電システム。