JP2004001230A - Micro robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は極めて小さな例えば約１立方センチメートル程度の大きさでワイヤレス制御可能なマイクロロボットに関する。 {Circle around (1)} The present invention relates to a micro robot that can be wirelessly controlled with a very small size, for example, about 1 cubic centimeter.
従来、ロボットをワイヤレス制御する場合にはラジオコントロールと言われる制御を行っており、電波を利用した制御方式が用いられていた。また、方向を制御するためには電波に制御信号を重畳させて操舵していた。更に、自律的に所望の方向に向かわせるためには指向性を有するアンテナを用いたり、視覚センサ等を併用したりしていた。走行部には車輪を用いて走行抵抗を減らしていた。また、充電するためにの端子は剛体の接点から成り、框体の凹部に形成されていた。 Conventionally, when wirelessly controlling a robot, control called radio control has been performed, and a control method using radio waves has been used. Further, in order to control the direction, steering is performed by superimposing a control signal on a radio wave. Furthermore, in order to autonomously direct the vehicle in a desired direction, a directional antenna is used, or a visual sensor or the like is used in combination. The running part used wheels to reduce running resistance. In addition, the terminal for charging was made of a rigid contact and was formed in a recess of the frame.
ところが、前述のロボットの制御方式では電波を利用しているため、送信側及び受信側共に多くの電気素子を必要とし、操舵のための機構が必要なことから小型化には適していなかった。また、例えば電波が発信される方向に自律的に移動させるシステムにするためには前述のアンテナやセンサを付加する必要があり、この点においても小型化には適していなかった。更に、駆動部以外の部分を車輪で支持した場合には車輪が小さいと大きな凹凸を乗り越える事ができず、逆に、車輪が大きいと小型化が困難であった。充電端子も取り扱い上小さくする事ができず、小型化の妨げになっていた。 However, since the above-described robot control method uses radio waves, many electrical elements are required on both the transmission side and the reception side, and a mechanism for steering is required, which is not suitable for miniaturization. Further, for example, in order to make the system autonomously move in the direction in which radio waves are transmitted, it is necessary to add the above-mentioned antenna and sensor, and this point is not suitable for miniaturization. Furthermore, when parts other than the drive unit are supported by wheels, if the wheels are small, it is not possible to get over large irregularities. Conversely, if the wheels are large, it is difficult to reduce the size. The charging terminal could not be made small in handling, which hindered miniaturization.
また、そのようなロボットに何等かの作業をさせようとしても、そのような機構がまだ開発されていない状況にあった。
更に、小形化の要請から大容量のバッテリーを取り付けることができず、ワイヤレス制御という観点からは非接触で充電することが望ましいが、そのような充電機構もまだ開発さていなという状況にあった。
Further, even if such a robot is tried to perform any operation, such a mechanism has not yet been developed.
Furthermore, a large-capacity battery cannot be installed due to the demand for miniaturization, and it is desirable to charge wirelessly from the viewpoint of wireless control, but such a charging mechanism has not yet been developed. .
本発明の目的は、１立方センチメートル程度の大きさのマイクロロボットを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a micro robot having a size of about 1 cubic centimeter.
本発明の一つの態様によるマイクロロボットは、検出領域が一部重複する少なくとも２個のセンサと、互いに独立して駆動され、移動方向に対し直角方向に離れた駆動点を有する少なくとも１対の駆動部と、前記センサの出力に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、充電可能であり、前記センサ、前記駆動部及び前記制御部に電源電圧を供給する電源部とを有し、前記制御部及び前記電源部が前記駆動部の間に配置され、前記１対の駆動部によって走行グランドに対して駆動される２つの駆動点と、走行グランドに対してすべり摩擦接触する摺動部の３点により支持される。このように構成されたことにより小形化が可能になっている。特に、センサの検出領域を重複させたことにより、簡単な回路で目標に対して自律的に移動する機能が得られる。また、駆動部がそれぞれ独立して制御されるので、簡単な機構で複雑な動作を制御することができる。また、制御部及び電源部が１対の駆動部の間に配置されているので、ロボット本体の小形化が可能になっている。更に、１対の駆動部によって走行グランドに対して駆動される２つの駆動点と、走行グランドに対して摩擦接触する摺動部の３点により支持されているので、バランスがとれて安定した走行が可能になっている。 A microrobot according to one aspect of the present invention includes at least two sensors whose detection regions partially overlap each other and at least one pair of driving units that are driven independently of each other and have driving points that are separated in a direction perpendicular to the moving direction. A control unit that controls the driving unit based on an output of the sensor, and a power supply unit that is chargeable and supplies a power supply voltage to the sensor, the driving unit, and the control unit. And a power supply unit are disposed between the driving units, and two driving points driven by the pair of driving units with respect to the traveling ground, and a sliding unit that is in sliding frictional contact with the traveling ground. Supported by points. With this configuration, miniaturization is possible. In particular, by overlapping the detection areas of the sensors, a function of autonomously moving with respect to the target with a simple circuit can be obtained. Further, since the driving units are independently controlled, complicated operations can be controlled with a simple mechanism. Further, since the control unit and the power supply unit are arranged between the pair of drive units, the robot body can be downsized. In addition, since the two driving points driven by the pair of driving units with respect to the traveling ground and the sliding portion that frictionally contacts the traveling ground are supported by three points, balanced and stable traveling is achieved. Has become possible.
また、本発明の他の態様によるマイクロロボットにおいては、框体より突出し可撓性を有し、かつ電源部と導通している突起部を有し、該突起部に通電することにより前記電源部を充電する。突起部は摺動部として機能し、走行抵抗が減って走行性や走破性が向上するばかりでなく電源部と導通させて充電用の端子とした事により、充電の作業が容易になったと共に、電源部に応力を集中させて破壊してしまう事がなくなった。 Further, in a micro robot according to another aspect of the present invention, the micro robot has a protrusion protruding from the frame body and having flexibility and being electrically connected to a power supply unit. Charge. The protruding part functions as a sliding part, which not only reduces running resistance and improves running and running performance, but also makes charging work easier by connecting it to the power supply and using it as a charging terminal. This eliminates the possibility that the stress is concentrated on the power supply and the power supply is broken.
図１は本発明の一実施例のマイクロロボットの側面図であり、図２はその上面図である。ロボット本体１０の正面部には図示のように１対のセンサ１２，１４が設けられている。このセンサ１２，１４には例えばフォトダイオード、フォトトランジスタ等からなる光センサや、音波を圧電素子により電圧に変換する超音波センサ等が用いられるが、この実施例においてはフォトトランジスタを用いるものとする。そして、センサ１２は検出領域としての視野Ａ１を有し、センサ１４も検出領域としての視野Ａ２を有しており、両視野Ａ１，Ａ２はその中央部で重複しており、両センサ１２，１４は重複した視野Ａ３を有する。従って、光源からの光が正面即ち視野Ａ３にあるときには、両センサ１２，１４がその光を検出することになる。なお、センサ１２はロボット本体１０の左側に配置されているので後述する図面のフローチャートにおいてはＬセンサと記述し、また、センサ１４はロボット本体１０の右側に配置されているので同様にしてＲセンサと記述する。
FIG. 1 is a side view of a micro robot according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a top view thereof. A pair of
図３は図１の底面図である。電源部１６が中央部分に配置されており、これは例えば電気二重層コンデンサ、ニッケルカドニウム電池等からなる。この電源部１６に近接して回路部２２が設けられている。この回路部２２は回路基板２３に実装したＣＭＯＳ−ＩＣ２４、プルダウン用のチップ抵抗２６等を含んでおり、その詳細は後述する。駆動部２８，３０はそれぞれステップモータ及び減速機構を内蔵し、回路部２２により制御され、これらのステップモータ及び減速機構を介して、出力軸３２，３４と嵌合した車輪３６，３８を回転駆動する。車輪３６，３８は外周にゴムが取り付けられている。なお、車輪３６，３８の形状は円形に限られず、その用途に応じて三角形、四角形等の種々の形状を取り得る。
FIG. 3 is a bottom view of FIG. A
スペーサ３９は、框体３９ａに対して電源部１６、回路部２２及び駆動部２８，３０を支持している。電源部１６及び回路部２２は一対の駆動部２８，３０の間であって、両者が重なるように配置されている。従って、電源部１６及び回路部２２は全体の体積の割には面積を広くとれる。このため、電源部１６においてはコンデンサや二次電池の内部抵抗を小さくできるので大電流が効率良く取り出せ、回路部２２においては複雑な機能を有する大型のＩＣチップの実装に有利である。更に、駆動部２８，３０は相互に離れた位置に配置されているので磁気的な干渉等がなくなる。
The
マイクロロボット本体１０の底部には摺動部１，２が設けられており、どちから一方が走行グランド３に接している。図１の実施例においてはマイクロロボット本体１０の重心Ｇは、車輪３６が走行グランド３と接する駆動点３６ａの鉛直方向４に対して、わずかに図の左方（以後前方と呼ぶ）にある為、摺動部１が走行グランドに接している。
摺 動 Sliding
図４は走行グランド３が傾斜しておりロボット本体１０がその斜面を登る場合を示す説明図である。ここでは、駆動部の登坂能力が限界に近いものとする。このような状況において、重心Ｇは鉛直方向４に対して図右側（以下後方と呼ぶ）に位置し摺動部２が走行グランド３に接している。ここで、登坂能力を向上させるには、駆動部のトルクを増すばかりでなく、摺動部の摩擦抵抗を減らし、駆動点３６ａの摩擦力を増す必要がある。即ち、最も駆動力を必要とする登坂においては駆動部の駆動力の反作用によりマイクロロボット本体１０の前方が持ち上がろうとする力と、重心と鉛直方向の関係によると力を合わせた状態で、駆動点３６ａに全ての重量がかかる重心の位置が良い。換言すれば、走行グランドが平らか下り坂である場合には、重心Ｇは鉛直方向より前にあり、登坂能力の限界近傍で重心Ｇが鉛直方向より後方にある構成、即ち、走行グランド３によっては駆動点の鉛直方向４に対し重心Ｇが鎖交する位置関係にある事が好ましい。
FIG. 4 is an explanatory view showing a case where the
図５及び図６は本発明の他の実施例に係るロボット本体の側面図及び底面図である。この実施例においては充電とバランサのために触覚部１８及び尾２０が設けられている。この触覚部１８及び尾２０にはそれぞれ摺動部１８ａ，２０ａが設けられ前述の摺動部１，２と同等の機能を有しているが、走行グランド３と接する位置がロボット本体１０の外部にある。このため、摺動部１８ａ，２０ａにかかる力が少なく、摩擦抵抗が少ない為、走行のロスが少ない。触覚部１８及び尾２０の端部側には曲げ部１８ｂ，２０ｂが設けられており、走行グランドに対し滑らかに湾曲している。このような構成においては、走行グランド３に大きな凹凸があっても摺動しながら容易に走破することができる。
FIGS. 5 and 6 are a side view and a bottom view of a robot body according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, a
この触覚部１８及び尾２０は可撓性のみならず導電性をも備えており、少なくとも一方は、電気二重層コンデンサや二次電池等からなる電源部１６に導通している。この様な構成においては、触覚部１８又は尾２０の突起部を介して電源部１６を充電できるため、取り扱いが容易であるばかりでなく、可撓性があるので、応力が集中することがなく破壊されにくい。
The
図７は本発明のマイクロロボットの車輪３４，３６の側面の部分拡大図である。外周部に凹部３５、凸部３６を設け、ゴムやプラスチックなどの高摩擦剤３５ａ，３６ａを添付している。この様な構成においてては、高摩擦剤３５ａ，３６ａが硬化性を有する液状であれば、表面張力により図示の形状で硬化するため、走行グランドに対し、高摩擦剤３６ａの部分のみが接する。従って、マイクロロボットの荷重が集中し高摩擦剤３６ａが弾性変化し易くなり、大きな摩擦抵抗が得られ、登坂能力が向上する。なお、凹凸の形状は本実施例に限定するものではなく、車輪に替えてアーム等を用いた場合においても同様に接触部に高摩擦剤を添付すれば良い。
FIG. 7 is a partially enlarged view of the side surfaces of the
図８は回路部２２の詳細を示したブロック図である。ＡＬＵ、各種のレジスタ等で構成されたＣＰＵコア４０には、プログラムが格納されているＲＯＭ４２、そのＲＯＭ４２のアドレスデコーダ４４、各種データが格納されるＲＡＭ４６、及びそのＲＡＭ４６のアドレスデコーダ４８が接続されている。水晶振動子５０は発振器５２に接続され、発振器５２の発振信号はＣＰＵコア４０にクロック信号として供給される。入出力制御回路５４にはセンサ１２，１４の出力が入力し、それはＣＰＵコア４０に出力される。電圧調整器５６は電源部１６の電圧を回路部２２に安定して供給するためのものである。モータ駆動制御回路５８はＣＰＵコア４０との間で制御信号の授受を行い、モータ駆動回路６０，６２を介してステップモータ６４，６６を制御する。以上の各回路等の電源電圧は電源部１６から供給されている。
FIG. 8 is a block diagram showing details of the
なお、ステップモータ６４は駆動部３０に内蔵されており、ロボット本体１０の右側に配置されているので、後述する図面のフローチャートにおいてはＲモータと記述し、また、ステップモータ６６は駆動部２８に内蔵されており、ロボット本体１０の左側に配置されているので同様にしてＬモータと記述する。
Since the
図９はセンサ１２の回路図である。センサ１２はホトトランジスタ１２ａから構成されており、このホトトランジスタ１２ａのエミッタに直列にプルダウン抵抗２６が接続されている。ホトトランジスタ１２ｂのエミッタから受光出力が取り出され、受光出力は入出力制御回路５４にて波形整形されてＣＰＵコア４０に出力される。この回路図はセンサ１２の例であるが、センサ１４も全く同一の構成からなっている。
FIG. 9 is a circuit diagram of the
図１０は駆動部３０の平面図であり、図１１はその展開図である。ステップモータ６４は励磁コイル６８及び、マグネットからなるロータ７０を有し、電子時計において用いられる電磁式２極ステップモータがこの実施例においては用いられている。ロータ７０はピニオン７２を駆動し、ピニオン７２はギヤを介してピニオン７４を駆動し、ピニオン７４はギヤを介してピニオン７６を駆動し、このようにして減速されたピニオン７６は車輪３８を回転駆動する。この図６及び図７の機構は電子時計の機構を適用したものである。駆動部２８の機構も図６及び図７に示された機構と同一である。ステップモータ６４，６６は、図６及び図７に示すように、高速回転させたものを減速させて車輪を回転駆動するようにしているので駆動部３０，２８の小形化が図られている。更に、励磁コイル６８がロータ７０から離れた位置に設けられいるので、この点においても駆動部３０，２８の薄形化・小形化が図られている。
FIG. 10 is a plan view of the driving
図１２は上述の実施例のロボットの基本動作例を示したタイミングチャートである。センサ１２，１４に光が入射しないとその出力は０Ｖであるが、入射するとその光量に応じた電圧を出力する。その電圧は入出力制御回路５４において所望のスレッショルド電圧で波形成形され、ＣＰＵコア４０に入力し、モータ駆動制御回路５８は駆動回路６０，６２を介してステップモータ６４，６６に正、逆に交互に駆動パルスを供給する。従って、センサ１２が受光している区間Ｓ１はステップモータ６４が駆動し、車輪３８が回転駆動される。センサ１４が受光している区間Ｓ２はステップモータ６６が駆動し、車輪３６が回転駆動される。双方のセンサ１２，１４が受光している区間Ｗではステップモータ６４，６６が駆動し、車輪３８，３６が回転駆動される。
FIG. 12 is a timing chart showing a basic operation example of the robot of the above embodiment. If no light is incident on the
従って、最も単純な駆動例として、光源からの光が視野Ａ１にあると（但し視野Ａ３を除く）光センサ１２はそれを受光し、ステップモータ６４がその受光出力に応じてが車輪３８をに回転させる。このとき、車輪３６は停止状態になっているので、ロボット本体１０は全体が左の方向に向かって旋回移動することになる。また、光源からの光が視野Ａ２にあると（但し視野Ａ３を除く）光センサ１４はそれを受光し、ステップモータ６６はその受光出力に応じて車輪３６を回転させる。このとき、車輪３８は停止状態になっているので、ロボット本体１０は全体が右方向に向かって旋回移動することになる。更に、光源からの光が視野Ａ３にあると光センサ１２，１４はそれを受光し、ステップモータ６４，６６はその受光出力に応じて車輪３８，３６を回転駆動させ、ロボット本体１０は真っ直ぐ移動することになる。ロボット本体１０はこのようにして制御されることにより光源に向かって移動することになる。尚、本実施例においては、センサの位置と視野の方向に対して動く駆動部の配置は一つの組み合わせを示した本実施例に限定するものではない。
Therefore, as the simplest driving example, when light from the light source is in the field of view A1 (except for the field of view A3), the
ところで、上記の動作説明においては受光センサ１２，１４が受光したときには一定の速度で駆動する場合の例について説明したが、駆動開始時には加速度をつけて駆動した方が駆動力が高まる。
By the way, in the above description of the operation, an example in which the
図１３は駆動開始時に加速制御する場合の基本動作を示すフローチャートであるある。まず、ＣＰＵコア４０はステップモータ６４の駆動パルスのクロック周波数Ｒｃを１６Ｈｚに設定し(S1)、次にそ駆動パルスを計数するカウンタの値Ｒｃをリセットする(S2)。次に、センサ１２からの受光出力があるかどうかを判断し(S3)、受光出力があった場合には、上記のクロック周波数Ｒｃの駆動パルスを１パルス供給してステップモータ６４を駆動し、そのときのパルスを計数する(S4)。その計数値Ｒｎが所定値例えば１５であるかどうかを判断し(S5)、１５になっていなければ上述の処理(S3)，(S4)を繰り返す。
FIG. 13 is a flowchart showing a basic operation when acceleration control is performed at the start of driving. First, the
クロック周波数Ｒｃ（＝１６Ｈｚ）の駆動パルスで１５パルス分駆動すると、次に、駆動パルスのクロック周波数Ｒｃが１２８Ｈｚ（最大値）に達しているかどうかを判断し、その値に達していない場合には、駆動パルスのクロック周波数Ｒｃを例えば３２Ｈｚに設定して(S7)、上述の処理を同様に繰り返す。そして、駆動パルスのクロック周波数Ｒｃが１２８Ｈｚ（最大値）に達すると(S6)、それ以後はその周波数の駆動パルスで駆動する。センサ１２の受光出力がなくなると(S3)、ステップモータ６４を停止する(S8)。このフローチャートはセンサ１２（Ｌセンサ）とステップモータ６４（Ｒモータ）との関係を示したものであるが、センサ１４（Ｒセンサ）とステップモータ６６（Ｌモータ）との関係も全く同様である。
When driving is performed for 15 pulses with a driving pulse having the clock frequency Rc (= 16 Hz), it is determined whether the clock frequency Rc of the driving pulse has reached 128 Hz (maximum value). Then, the clock frequency Rc of the drive pulse is set to, for example, 32 Hz (S7), and the above processing is repeated in the same manner. Then, when the clock frequency Rc of the drive pulse reaches 128 Hz (maximum value) (S6), the drive is thereafter performed with the drive pulse of that frequency. When there is no light output from the sensor 12 (S3), the
ところで、図１３のフローチャートは理解を容易にするために、センサ１２とセンサ１４と関係を述べなかったが、例えばセンサ１４が受光状態にあってステップモータ６６が駆動され、ロボット本体１０が光源の方に向ていくと、センサ１２も受光状態になる。このように場合にはセンサ１２によって駆動されるステップモータ６４の駆動状態をステップモータ６６の駆動状態に一致させる必要がある。このように駆動状態を位置させなければ、ロボット本体１０が光源の方に向いた時点で直線移動ができなくなる。つまり旋回移動から直線移動への移行が円滑に行われなくなる。
13 does not describe the relationship between the
図１４は上記の点を考慮した制御のフローチャートである。上述の場合と同様に、ＣＰＵコア４０はステップモータ６４の駆動パルスのクロック周波数Ｒｃを１６Ｈｚに設定し(S1)、次にその駆動パルスの数を計数するカウンタの値Ｒｃをリセットする(S2)。次に、もう一方の側のセンサ１４の受光出力があるかどうかを判断する(S2a) 。センサ１４の受光出力があった場合には、センサ１４の側の制御系の駆動パルスのクロック周波数Ｌｃ及びカウンタの値Ｌｎをセンサ１２側の駆動パルスのクロック周波数Ｒｃ及びカウンタの値Ｒｎとして初期設定する(S2b) 。このようにして設定した後には、図９のフローチャートと同様に処理される。なお、このフローチャートもセンサ１２の制御系についての動作を示すものであるが、センサ１４の制御系においても同様である。 つまり、駆動開始時に他のセンサの制御系が駆動状態にあるとその状態を初期値として取り込んで始動するようにしたので、一方のセンサにのみが受光した場合には加速しながら方向を変え、そして両方のセンサが受光するようになるとその瞬間に両制御系を同じ駆動状態にさせて直進させる。従って、旋回移動から直線移動への移行が円滑に行われ、光に対する応答性が向上する。
FIG. 14 is a flowchart of the control in consideration of the above points. As in the case described above, the
図１５は駆動パルスの波形図である。図１３及び図１４のフローチャートにおいて示したように駆動開始時に加速する場合に駆動力を増すためには、例えば１６Ｈｚのクロック周波数の場合にはそのパルス幅を７．８ｍｓｅｃとしそのパルス幅を大きくとり、周波数が高くなるに従ってそのパルス幅は小さくてすむので、３２Ｈｚのクロック周波数の場合にはそのパルス幅を６．３ｍｓｅｃ、６４Ｈｚのクロック周波数の場合にはそのパルス幅を５．９ｍｓｅｃ、１２８Ｈｚのクロック周波数の場合にはそのパルス幅を３．９ｍｓｅｃとする。このようにすることにより必要な駆動力に応じた駆動パルスを供給することができ、合理的な駆動が可能になる。 FIG. 15 is a waveform diagram of the driving pulse. As shown in the flowcharts of FIGS. 13 and 14, in order to increase the driving force when accelerating at the start of driving, for example, in the case of a clock frequency of 16 Hz, the pulse width is set to 7.8 msec, and the pulse width is set to be large. Since the pulse width can be reduced as the frequency increases, the pulse width is 6.3 msec for a clock frequency of 32 Hz, and 5.9 msec and 128 Hz for a clock frequency of 64 Hz. In the case of a frequency, the pulse width is 3.9 msec. In this manner, a drive pulse corresponding to a necessary drive force can be supplied, and rational drive can be performed.
図１６は障害物を回避する場合の処理を示すフローチャートであり、図１７はその回避動作の説明図である。ここでは図示を省略するが、ロボット本体１０の前部に、超音波センサ、渦電流センサ、若しくは接触センサ又はこれらの組み合わせからなる障害物センサを設けるものとする。
FIG. 16 is a flowchart showing a process for avoiding an obstacle, and FIG. 17 is an explanatory diagram of the avoiding operation. Although not shown here, an obstacle sensor composed of an ultrasonic sensor, an eddy current sensor, a contact sensor, or a combination thereof is provided at the front of the
まず、その障害物センサにより障害物があるかどうかを判断する(S11) 。障害物がなければそのまま作業を続ける（又はそのまま進む）(S12) 、障害物があれば、ステップモータ６４又は６６を逆転する(S13) 。その状態を所定時間例えば５秒間続ける(S14) 。この時間は方向変換するに必要な時間であればよいのでこの時間に限定されるものではなく、また、移動距離を設定してもよい。その後再びその障害物センサにより障害物があるかどうかを判断する(S11) 。このような処理を繰り返すことにより障害物があった場合には方向を変換して回避するようにしている。
First, it is determined whether there is an obstacle by the obstacle sensor (S11). If there is no obstacle, the operation continues (or proceeds as it is) (S12). If there is an obstacle, the
図１８は衝突をステップモータの誘起電圧により検出し、そして障害物を回避する場合の処理を示すフローチャートであり、図１９はその回避動作の説明図である。ステップモータ６４，６６を駆動し(S21) 、その状態でステップモータ６４が回転しているかどうかを検出し(S22) 、回転していれば次にステップモータ６６が回転しているかどうかを検出する(S23) 。ステップモータ６６も回転していれば障害物はないものとして作業を続ける(S24) 。なお、ステップモータ６４，６６の回転の有無の検出方法はモータが回転すると励磁コイル６８に誘起する電圧は大きいが、回転していないと小さいことを利用する。
FIG. 18 is a flowchart showing a process for detecting a collision by an induced voltage of a step motor and avoiding an obstacle, and FIG. 19 is an explanatory diagram of the avoidance operation. The
図２０はステップモータの回転の有無を検出する方法を示したタイミングチャートである。図示のように、ステップモータが回転状態にあるときは、駆動パルスが印加された後にロータ７０が回転すると、ロータ７０の回転に伴って誘起電圧が励磁コイル６８に誘起され、誘起電流が流れる。その誘起電流の大きさを例えばコンパレータにより検出することにより回転状態を把握することができる。ステップモータが回転状態にないときは、駆動パルスが印加された後にロータ７０が回転せず、従って誘起電圧が励磁コイル６８に誘起されず、誘起電流が流れない。これにより回転状態にないことを把握することができる。
FIG. 20 is a timing chart showing a method for detecting the presence or absence of rotation of the step motor. As shown, when the rotor is rotated after the drive pulse is applied when the stepping motor is in a rotating state, an induced voltage is induced in the
ステップモータ６４の回転を検出した際に回転していないものと判断された場合には(S22) 、ステップモータ６４，６６の駆動を停止し(S25) 、ステップモータ６４，６６を逆転する(S26) 。その逆転駆動状態を例えば５秒間継続し(S27) 、次に回転されていないと判断されたステップモータ６４を再び駆動し(S28) 、その状態を例えば５秒間継続する(S29) 。その後最初の処理(S21) に戻る。また、ステップモータ６６の回転を検出した際に回転していないものと判断された場合には(S23) 、ステップモータ６４，６６の駆動を停止し(S30) 、ステップモータ６４，６６を逆転する(S31) 。その逆転駆動状態を例えば５秒間継続し(S32) 、再びステップモータ６６を駆動し(S33) 、その状態を５秒間継続する(S29) 。その後最初の処理(S21) に戻る。
If it is determined that the motor is not rotating when the rotation of the
以上のようにしてステップモータ６４，６６の回転の有無を検出して回転していなければその駆動を一旦停止した後に逆転し、次に、回転していないと判断されたステップモータを再び回転させるようにしている。例えばロボット本体１０が壁に衝突してステップモータ６６が回転していない状態が発生すると、ステップモータ６４，６６の駆動を一旦停止した後に逆転して後退させ、その後ステップモータ６６を駆動して方向を変換する。その後ステップモータ６４，６６を駆動して直進させるようにしているので、障害物を回避して進むことができる。
As described above, the presence or absence of rotation of the
なお、図１８のフローチャートにおいてはステップモータ６４，６６の双方を駆動している状態下における障害物の回避について説明したが、いずれか一方のみを駆動している場合についても同様に処理される。例えばステップモータ６４が駆動している場合には、図１８において処理(S21) においてステップモータ６４を駆動し、その後は処理(S22) 、処理(S25) 〜(S29) を行うことにより対処できる。ステップモータ６６を駆動している場合も同様であり、図１８において処理(S21) においてステップモータ６６を駆動し、その後は処理(S23) 、処理(S30) 〜(S33) ，(S29) を行うことにより対処できる。
In the flowchart of FIG. 18, the avoidance of the obstacle while both the
図２２〜図２３は本発明の他の実施例に係るマイクロロボットの正面、側面及び背面をそれぞれ示した図である。ロボット本体の前部にはセンサ８２ａ〜８２ｄが設けられ、後部にはスクリューが８４ａ〜８４ｄが設けられており、液体中で駆動できるように構成されている。スクリュー８４ａ〜８４ｄが左右上下に４個設けられておりそれぞれステップモータにより駆動されるので、ロボット本体８０を左右方向に制御ができるのは勿論、上下方向にも制御できる。
FIGS. 22 to 23 are front, side, and back views, respectively, of a microrobot according to another embodiment of the present invention. Sensors 82a to 82d are provided at the front part of the robot main body, and screws 84a to 84d are provided at the rear part, and are configured to be able to be driven in liquid. Since four screws 84a to 84d are provided in the left, right, up and down directions and each is driven by a step motor, the
図１又は図５のロボットはモータが２個しかないので同一のタイミングで各モータに駆動パルスを供給するが、この実施例においてはスクリュー８４ａ〜８４ｄが４個設けられているのでそれを駆動するステップモータも４個必要になり、これらを同一のタイミングの駆動パルスで駆動したのでは電源部１６の消耗が激しくなるので図２４に示す回路によりそのタイミングをずらしている。
Since the robot of FIG. 1 or FIG. 5 has only two motors, it supplies drive pulses to each motor at the same timing. In this embodiment, since four screws 84a to 84d are provided, they are driven. Since four step motors are required, and if these are driven by drive pulses of the same timing, the
図２４はモータ駆動回路の周辺の回路を示したブロック図である。この回路図においては、図８のモータ駆動回路６０，６２の他にモータ駆動回路８６，８８を設け、これらの駆動回路はステップモータ６４，６６，９０，９２を駆動する。そして、ステップモータ６４，６６，９０，９２はスクリュー８４ａ〜８４ｄを回転駆動する。この実施例においては、更にモータ駆動回路６０，６２，８６，８８の位相を制御する位相差回路９４〜１００を設けており、各位相差回路９４〜１００の位相調整角を異ならせて、モータ駆動回路６０，６２，８６，８８から同一のタイミングで駆動パルスが出力しないようにしている。
FIG. 24 is a block diagram showing peripheral circuits of the motor drive circuit. In this circuit diagram,
なお、上述の実施例においてはセンサにより光を検出してその方向に進む例について説明したが、検出の対象は光だけでなく、磁気、熱（赤外線）、音、電磁波等であってもよい。また、検出対象物に進むのではなくそれから逃げるように制御することもできる。その場合には図１又は図５の実施例においてはセンサ１２のオフによりステップモータ６４を駆動し、そして車輪３８を駆動する。センサ１４のオフによりステップモータ６６を駆動し、そして車輪３６を駆動する。センサ１２，１４の双方がオンのときにはステップモータ６４，６６を逆転駆動し、そして車輪３８，３６を反転駆動することににより、ロボット本体１０を後退又は退避させる。更に、２種類以上の検出対象物を用意し、一方の検出対象物に対してはそれに向かって制御し、他方の検出対象物に対してはそれから逃げるように制御すれば、きめ細かな制御が可能になる。この制御は図２１〜図２３のロボット本体１００にも勿論適用できる。
In the above-described embodiment, an example has been described in which light is detected by a sensor and travels in that direction. However, the detection target may be not only light but also magnetism, heat (infrared rays), sound, electromagnetic waves, and the like. . It is also possible to control so as to escape from the detection target instead of proceeding to the detection target. In that case, in the embodiment of FIG. 1 or FIG. 5, the
ロボット本体の移動方向は光等の検出対象物を基準とするだけでなく、例えば移動軌跡を予めプログラムしておいて、それに従って制御するようにしてもよい。また、外部から司令を与えてその移動軌跡を制御してもよい。更に、上述の各制御を適宜組み合わせつつ、且つ学習機能を持たせて制御するようにしてもよい。
図２５は本発明の他の実施例のマイクロロボットの上面図である。ロボット本体１０の正面部には図示のように１対の方向制御センサ１２，１４が設けられているが、この他にロボット本体１０の上部には作業制御用センサ１５（図２５には図示せず、図２６参照）が設けられており、後述するように、この作業制御用センサ１５を介して外部からの作業指令を受ける。なお、このロボット本体１０の底面図は図６の実施例と同様である。
The moving direction of the robot body is not limited to a reference object such as light, but may be, for example, programmed in advance and controlled according to a moving locus. Further, a command may be given from outside to control the movement locus. Further, the above-described controls may be appropriately combined and controlled with a learning function.
FIG. 25 is a top view of a micro robot according to another embodiment of the present invention. A pair of
図２６は図２５の実施例の回路部２２の詳細を示したブロック図である。ＡＬＵ、各種のレジスタ等で構成されたＣＰＵコア４０には、プログラムが格納されているＲＯＭ４２、そのＲＯＭ４２のアドレスデコーダ４４、各種データが格納されるＲＡＭ４６、及びそのＲＡＭ４６のアドレスデコーダ４８が接続されている。水晶振動子５０は発振器５２に接続され、発振器５２の発振信号はＣＰＵコア４０にクロック信号として供給される。入出力制御回路５４には方向制御用センサ１２，１４及び作業制御用センサ１５の出力が入力し、それはＣＰＵコア４０に出力される。モータ駆動制御回路５８はＣＰＵコア４０との間で制御信号の授受を行い、モータ駆動回路６０，６２を介してステップモータ６４，６６を制御すると共に、アクチュエータ駆動回路６３を介して作業用アクチュエータ６７を制御する。
FIG. 26 is a block diagram showing details of the
なお、ステップモータ６４は駆動部３０に内蔵されており、ロボット本体１０の右側に配置されているので、後述する図面のフローチャートにおいてはＲモータと記述し、また、ステップモータ６６は駆動部２８に内蔵されており、ロボット本体１０の左側に配置されているので同様にしてＬモータと記述する。
Since the
図２７は図２６の回路部の制御動作を示すフローチャートである。方向制御用センサ１２，１４により発光しているターゲットに向って移動し、操作者の指示により作業用センサ１５がその指示を受信して所定の作業をする。
FIG. 27 is a flowchart showing the control operation of the circuit section of FIG. The operator moves toward a target that emits light by the
まず、ＣＰＵコア４０は方向制御用センサ１２が受光してオンになっているかどうかを判断し(S41) 、オンになっていれば光源は左側にあるものとしてステップモータ６４を駆動して車輪３８を回転駆動し、左側に旋回する(S42) 。また、方向制御用センサ１２がオフになっていれば(S41) 、ステップモータ６４の駆動を停止する(S43) 。次に、方向制御用センサ１４が受光してオンになっているかどうかを判断し(S44) 、オンになっていなけばステップモータ６６の駆動を停止する(S45) 。以上の処理を繰り返して方向制御用センサ１４がオンになると(S44) 、ステップモータ６６を駆動する(S47) 。このように動作することによりロボット本体１０は光源に向かって移動し、次に、作業制御用センサ１５が受光しているかどうかを判断し(S47) 、作業制御用センサ１５が受光していない状態では上述の動作を繰り返して前進する。作業制御用センサ１５が受光してオンになっていると、アクチュエータ駆動動回路６３により作業用アクチュエータ６７を制御して所望の作業をする(S48) 。
First, the
図２８は図２５及び図２６において作業制御用センサ１５を装備しなかった場合のの動作を示すフローチャートである。この実施例においても、まず、ＣＰＵコア４０は方向制御用センサ１２が受光してオンになっているかどうかを判断し(S51) 、オンになっていれば光源は左側にあるものとしてステップモータ６４を駆動して車輪３８を回転駆動し、左側に旋回する(S52) 。また、方向制御用センサ１２がオフになっていれば(S51) 、ステップモータ６４の駆動を停止する(S53) 。次に、方向制御用センサ１４が受光してオンになっているかどうかを判断し(S54) 、オンになっていなけばステップモータ６６の駆動を停止する(S55) 。以上の処理を繰り返して方向制御用センサ１４がオンなると(S54) 、ステップモータ６６を駆動する(S57) 。このように動作することによりロボット本体１０は光源に向かって移動し、次に、ステップモータ６４，６６が回転しているかどうかを判断し(S57) 、ステップモータ６４，６６が回転している状態では上述の動作を繰り返して前進する。ロボット本体１０が所定の個所に到達して衝突するとステップモータ６４，６６がその瞬間回転しなくなるので、その回転しないことをもって所定の位置に到達したものと見なして、次に、アクチュエータ駆動動回路６３により作業用アクチュエータ６７を制御して所望の作業をする(S58) 。
FIG. 28 is a flowchart showing the operation when the
なお、ステップモータ６４，６６が回転しているかどうかの判断は次のようにしてなされる。ステップモータが回転状態にあるときには駆動パルスが励磁コイル６８に供給された後にロータ７０が回転し、そのロータ７０の回転に伴って誘起電圧が励磁コイル６８に誘起され、誘導電流が流れる。その誘導電流の大きさをコンパレータ等により検出することにより回転状態にあることが検出される。ステップモータが回転状態にないときには、駆動パルスが供給された後にロータ７０が回転せず、従って誘起電圧が励磁コイル６８に誘起されない。これにより回転状態にないことが検出される。
判断 Whether the
図２９は回路部２２の他の実施例の詳細を示すブロック図である。この実施例においてはセンサとして、受信センサ１０２、発信素子１０４及び検出素子１０６を入出力制御回路５４に接続している。図３０はそのロボット本体１０の上面図であり、受信センサ１０２及び発信素子１０４が図示の位置に配置されている。この実施例においては受信センサ１０２により移動の指令と作業の指令とを受けるようにしており、例えば赤外線を利用してその指令（直進指令、右折指令、左折指令、後退指令、作業指令等）に応じたパターンのパルス信号等を受光センサ１０２に向けて出力する。検出素子１０６は例えばイメージセンサ、触覚センサ等から構成されており、検出素子１０６で検出された情報は発信素子１０４を用いて操作側に伝えられる。
FIG. 29 is a block diagram showing details of another embodiment of the
図３１は図２９の回路部の制御動作を示すフローチャートである。まず、受信センサ１０２が直進指令を操作側から受けるとＣＰＵコア４０はそれを判断して(S61) 、ステップモータ６４，６６を駆動し直進する(S62) 。受信センサ１０２が右折指令を操作側から受けるとＣＰＵコア４０はそれを判断して(S63) 、ステップモータ６６を駆動し右折する(S64) 。受信センサ１０２が左折指令を操作側から受けるとＣＰＵコア４０はそれを判断して(S65) 、ステップモータ６４を駆動し左折する(S66) 。受信センサ１０２が後退指令を操作側から受けるとＣＰＵコア４０はそれを判断して(S67) 、ステップモータ６４，６６を逆回転駆動してロボット本体１０を後退させる(S68) 。いずれの移動制御指令もなかった場合にはステップモータ６４，６６の駆動を停止させる(S69) 。次に、ＣＰＵコア４０は作業指令が入力されているかどうかを判断する(S70) 。作業指令が入力されていない場合にはそのまま終了するが、作業指令が入力されている場合にはアクチュエータ駆動回路６３により作業用アクチュエータ６７を制御して所望の作業を行う(S71) 。その後、ＣＰＵコア４０は受信センサ１０２を介して発信指令が入力しているかどうかを判断し(S72) 、発信指令が入力している場合には例えば検出素子１０６により検出された情報を符号化して発信素子１０４を介して操作側に送信する(S73) 。以上の処理がサイクリックに繰り返される。
FIG. 31 is a flowchart showing the control operation of the circuit section of FIG. First, when the receiving
ところで、上述の作業としては各種の作業が挙げられるが、その例を示すと次のとおりである。
(1) マイクロポンプにより薬液の吐出。
(2) 温度、圧力、成分、画像等のセンシング。
(3) ハンドによる作業（例えばパーツ等の運搬）。
(4) データの記憶・送信。
(5) マイクロロボット自体の作用（例えば穴埋め、自爆による加工、種々の機能をもったロボットが集積して働く）。
(6) サンプルの摂取、投棄。
By the way, the above-mentioned work includes various works, and examples thereof are as follows.
(1) Discharge of chemical solution by micro pump.
(2) Sensing of temperature, pressure, components, images, etc.
(3) Work by hand (for example, transporting parts etc.).
(4) Data storage and transmission.
(5) The function of the micro robot itself (for example, filling in holes, processing by self-destruction, robots with various functions are integrated and work).
(6) Ingestion and dumping of samples.
図３２は本発明のマイクロロボットを内視鏡に適用した例を示す断面図である。この装置においては、回路部２２により制御されるプランジャ１１０を有し、このプランジャ１１０はその先端部に設けられたピストン１１２を駆動する。マイクロポンプ１１４はプランジャ１１０及びピストン１１２から構成されており、このピストン１１２の移動により薬液１１６はノズル１１８を介して管内に吐出される。このロボットの外周側には光起電力素子１２０が取り付けられている。発光部からの光が光ファイバ１２２により導かれミラー１２４で反射し、それは更に管内壁１２６で反射して今までとは逆の経路で受光部に導かれ、内視鏡としての機能を果たす。この管内壁１２６で反射した光の一部は光起電素子１２０にも入力し、回路部２２の電源部（図示せず）を充電する。なお、この実施例の構成は、図２５及び図２６に記載された実施例とその基本的な考え方は同一であるが、センサ１２，１４、車輪３６，３８、ステッップモータ６４，６６等の部材が不要になっている。
FIG. 32 is a sectional view showing an example in which the micro robot of the present invention is applied to an endoscope. The apparatus has a plunger 110 controlled by a
この実施例においては、回路部２２にはデコーダを内蔵しており、そのデコーダは光起電力素子１２０の出力が接続される電源部に並列接続され、充電電流に含まれる制御信号を取り出して解析する。従って、この実施例においては、内視鏡として管内を観察しながら所望の位置で、作業指令を光ファイバ１２２を介して操作側から供給し、回路部２２はそれを光起電素子１２０を介して取り込み、プランジャ１１０を駆動して薬液１１６をノズル１１８から吐出する。
In this embodiment, the
図３３は本発明の他の実施例に係るマイクロロボットの底面図であり、図３４はその側面図である。この実施例のマイクロロボットは、図２５に示されるロボット本体にマイクロポンプ１３０を内蔵させ、前面部にノズル１３２を設けたものである。この実施例においては、例えば図２７のフローチャートの作業(S48) 、図２８のフローチャートの作業(S58) 及び図３１のフローチャートの作業(S71) において、マイクロポンプ１３０を駆動してノズル１３２から薬液を吐出する。 FIG. 33 is a bottom view of a micro robot according to another embodiment of the present invention, and FIG. 34 is a side view thereof. The micro robot of this embodiment has a micro pump 130 built in the robot main body shown in FIG. 25 and a nozzle 132 provided on the front surface. In this embodiment, for example, in the operation (S48) of the flowchart of FIG. 27, the operation (S58) of the flowchart of FIG. 28, and the operation (S71) of the flowchart of FIG. Discharge.
図３５は本発明の他の実施例に係るマイクロロボットの側面図であり、図３６はその底面図である。この実施例のマイクロロボットは、図２５に示されるロボット本体１０にハンド機構を設けたものである。ロボット本体１０の上部に上モータユニット１４０が設けられ、それは上ピニオン１４２を回転させ、上ピニオン１４２は上ギヤ１４４と係合して、軸１５２に回転自在に支持されている上アーム１４６を駆動する。ロボット本体１０の下部に下モータユニット１４８が設けられ、それは下ピニオン１４９を回転させ、下ピニオン１４９は下ギヤ１５０と係合し、軸１５２に回転自在に支持されている下アーム１５４を駆動する。この上アーム１４６及び下アーム１５４はハンド１５６を構成している。
FIG. 35 is a side view of a micro robot according to another embodiment of the present invention, and FIG. 36 is a bottom view thereof. The microrobot of this embodiment has a hand mechanism provided on the
図３７は図３５及び図３６の実施例のマイクロロボットの回路部２２の詳細を示したブロック図である。この実施例は図２６の回路図と基本的に同一であるが、上モータ駆動回路１６０及び下モータ駆動回路１６２が設けられている。上モータ駆動回路１６０は上モータユニット１４０に内蔵している上モータ１６４を駆動制御し、下モータ駆動回路１６２は下モータユニット１４８に内蔵している下モータ１６６を駆動制御する。なお、上モータ１６４及び下モータ１６６はステップモータで構成されいるのが望ましく、そのようにした場合には上モータ１６４と下モータ１６６とを同期して駆動するのが容易になる。
FIG. 37 is a block diagram showing details of the
図３８は図３５〜図３７の実施例のマイクロロボットの制御動作を示すフローチャートである。まず、作業制御用センサ１５が制御指令を受けると、ＣＰＵコア４０はその指令がア−ムを上げる指令であるかどうかを判断する(S81) 。その指令がア−ムを上げる指令であった場合には上モータ駆動回路１６０により上モータ１６４を反時計方向に回転させる(S82) 。これにより上アーム１４６は時計方向に回動する。次に、下モータ駆動回路１６２により下モータ１６６を反時計方向に回転させる(S83) 。これにより下アーム１５４は時計方向に回動する。このように上アーム１４６及び下アーム１５４を共に時計方向に回転させることによりハンド１５６は図３９に示されるように上がる。
FIG. 38 is a flowchart showing the control operation of the micro robot of the embodiment shown in FIGS. First, when the
また、ＣＰＵコア４０がア−ムを下げるという指令を受け取ると(S84) 、上モータ駆動回路１６０により上モータ１６４を時計方向に回転させる(S85) 。これにより上アーム１４６は反時計方向に回動する。次に、下モータ駆動回路１６２により下モータ１６６を時計方向に回転させる(S86) 。これにより下アーム１５４は反時計方向に回動する。このように上アーム１４６及び下アーム１５４を共に反時計方向に回転させることによりハンド１５６は下がる。
When the
また、ＣＰＵコア４０がア−ムを開くという指令を受け取ると(S87) 、上モータ駆動回路１６０により上モータ１６４を反時計方向に回転させる(S88) 。これにより上アーム１４６は時計方向に回動する。次に、下モータ駆動回路１６２により下モータ１６６を時計方向に回転させる(S86) 。これにより下アーム１５４は反時計方向に回動する。このように上アーム１４６を時計方向に回転させ、下アーム１５４を反時計方向に回転させることにより、上アーム１４６と下アーム１５４とは図４０に示されるように開く。
When the
また、ＣＰＵコア４０がア−ムを閉じるという指令を受け取ると(S90) 、上モータ駆動回路１６０により上モータ１６４を時計方向に回転させる(S91) 。これにより上アーム１４６は反時計方向に回動する。次に、下モータ駆動回路１６２により下モータ１６６を反時計方向に回転させる(S92) 。これにより下アーム１５４は時計方向に回動する。このように上アーム１４６と下アーム１５４とを互いに接近するように制御することにより、上アーム１４６と下アーム１５４とは閉じる。
When the
図４１は本発明の他の実施例に係るマイクロロボットの概念図であり、図４２はその側面図である。ロボット本体１０は図示のように作業用モータ２００を内蔵しており、この作業用モータ２００はモータステータ２０２とロータ２０４とから構成されている。このロボット本体１０は非磁性管２０６内に配置されており、この非磁性管２０６には液が入っているものとする。非磁性管２０６の外側にはコイルステータ２０８が配置され、コイルステータ２０８にはコイル２１０が巻回されている。 図４３は作業モータ２００の詳細を示した図である。モータステータ２０２には内周部に一対の内ノッチ２０２ａが設けられ、外周部に一対の外ノッチ２０２ｂが設けられており、内ノッチ２０２ａの位置と外ノッチ２０２ｂの位置とは図示のように周方向にずれている。ロータ２０４はマグネットから構成されており、Ｎ極とＳ極の２極に着磁されている。外部からの磁界がかけられると、図示のように磁束２１２がモータステータ２０２内を通る。
FIG. 41 is a conceptual diagram of a micro robot according to another embodiment of the present invention, and FIG. 42 is a side view thereof. The robot
図４３〜４６は作業モータ２００の動作原理を示す図である。図４４は磁界が外部から加えられていない状態を示した図である。この状態ではロータ２０４のＮ極とＳ極との境界点が内ノッチ２０２ａに対向して安定している。次に、磁界を図４５のようにかけると、ロータ２０４は回転するが、外ノッチ２０２ｂの部分のモータステータ２０２の部分は狭くなっているので、強い磁界が加わると磁気飽和し、この部分での磁界は弱くなるので、ロータ２０４の前記の境界点は外ノッチ２０２ｂの部分で安定する。その後、磁界を外部から加えるのを停止すると、図４６に示すように、ロータ２０４の前記境界点が内ノッチ２０２ａに対向して安定する。このようにして図４４から図４６にかけてロータ２０４は半回転していることが分かる。次に、磁界を反対方向から供給すると、ロータ２０４は更に半回転する。このように磁界を交互に加えることによりロータ２０４は連続的に回転することになる。なお、上記の説明は半時計方向に回転させる場合の例であるが、時計方向にも同様にして回転させることができる。また、このモータの動作原理自体は上述の実施例のステップモータ６４，６６等にも適用される。
FIGS. 43 to 46 are diagrams illustrating the operation principle of the
作業用モータ２００の動作原理が明らかになったところで、次に図４１及び図４２の装置の動作説明をする。コイル２１０に正・負の励磁電流を供給すると、コイルステータ２０８にそれに対応した磁束が発生し、その磁束は非磁性管２０６を通ってモータステータ２０２に至り、上述の動作原理によりロータ２０４が回転する。そのロータ２０４の回転によりマイクロポンプとして機能させたり、図示しないスクリューを回転させて推進したり或いは液体の流れを作ったりすることができる。或いは図示しないカッターを回転させて目的とする部分を削除したりすることもできる。
(4) Now that the operation principle of the working
特にこの実施例においてはコイルステータ２０８を非磁性管２０６の長さ方向に移動すると、その磁界による磁力により作業用モータ２００それ自体もその移動に沿って移動する。従って、外部から磁界を加えることによりマイクロロボット本体１０の位置を制御することができる。更に、外部から磁界を加えることにより作業用モータ２００を駆動することができるので、マイクロロボット本体１０には作業用モータ２００を駆動するエネルギーを保存する手段（蓄電池）を必要としない。なお、コイルステータ２０８は１個ではなく、非磁性管２０６の長さ方向に沿って複数個設けて、複数のロボット本体１０を順次駆動させるようにしてもよい。また、コイル２１０は単相である必要はなく、３相等の多相コイルによって構成してもよい。その場合にはモータステ−タ２０２等もそれに対応した構成にする。
In particular, in this embodiment, when the
なお、上述の実施例のステップモータは図４１の実施例を除いて、超音波モータ等によってもよい。また、必要に応じて上述の各実施例の要素を適宜組み合わせてマイクロロボットを構成してもよい。 The stepping motor of the above embodiment may be replaced by an ultrasonic motor or the like except for the embodiment of FIG. Further, a micro robot may be configured by appropriately combining the elements of the above-described embodiments as needed.
次に、電源１６に対する充電機構について説明する。 図４７は電磁誘導による充電機構を付加した回路部２２の詳細を示したブロック図である。モータ駆動回路６２の充電回路の出力が電源部１６に接続され、この電源部１６には電圧調整器５６が接続されている。この電圧調整器５６は昇圧回路３００と電圧リミッター３０２とから構成されている。
Next, a charging mechanism for the
図４８はこの実施例のモータ駆動回路６２の詳細を示す回路図である。モータドライバ３０４，３０６，３０８，３１０は励磁コイル６８に対して図示のようにＨ接続され、そして、各ドライバには並列に、且つ逆方向にダイオード３１２，３１４，３１６，３１８が接続さている。また、交流磁界を検出するためのスイッチ３２０，３２２が励磁コイル６８の両端に接続され、これらのスイッチ３２０，３２２が閉成されると、励磁コイル６８に対して閉回路が形成される。また、励磁コイル６８の両端は磁界検出用インバータ３２４，３２６に導かれ、その出力はオア回路３２８を介してモータ駆動制御回路５８に導かれる。定常的にはドライバ３０４，３１０とドライバ３０８，３０６とが交互に駆動され励磁コイル６８に励磁電流が供給されてステップモータ６６が駆動されるが、充電動作時には全ドライバ３０４，３０６，３０８，３１０をオフにして、後述する充電スタンドの充電コイルからの電磁誘導を励磁コイル６８が受けると、誘起電圧がダイオード３１２，３１４，３１６，３１８により整流されて電源部１６に導かれて充電動作をする。なお、ドライバ３０４，３０６，３０８，３１０が図示のようにＦＥＴにより構成されていてそれに等価的に含まれるダイオードが十分機能する場合には外付けのダイオード３１２，３１４，３１６，３１８を省略することもできる。
FIG. 48 is a circuit diagram showing details of the
図４９は電源部１６を構成している電気二重層コンデンサ３３４の放電特性であり、図５０は電圧調整器５６の詳細を示す回路説明図である。図５０においては、高容量コンデンサ３３４及びリミッタースイッチ３３０を有し、更にもう１つの電源としてコンデンサ３６０を有している。コンデンサ３３４からコンデンサ３６０へその電圧を昇圧しながら充電する手段が破線１３５で囲まれた部分に示されている。コンデンサ３３４からコンデンサ３６０へ昇圧しながら充電する手段３３５はコンデンサ３４０，３５０とスイッチ３３６，３３８，３４２，３４４，３４６，３４８，３５２とから構成されている。コンデンサ３６０から制御部２２の各部に電源電圧が供給されている。検出器３３２はコンデンサ３３４の電圧を検出する。
FIG. 49 shows the discharge characteristics of the electric
次に図５０の回路の動作を説明する。
大容量コンデンサ３３４がフル充電された後にその電圧が１．２Ｖ以上の時はコンデンサ３３４とコンデンサ３６０とは同じ電圧である。コンデンサ３３４の電圧が１．２Ｖ〜０．８Ｖの時は昇圧手段３３５により１．５倍に昇圧してコンデンサ３６０へ充電する。この動作は図４９のｔ1 〜ｔ3 の区間である。従って、この時のコンデンサ３６０の電圧は１．８Ｖ〜１．２Ｖとなる。コンデンサ３３４の電圧が０．８Ｖ〜０．６Ｖの時は昇圧手段３３５により２倍に昇圧されコンデンサ３６０に充電される。この動作図４９のｔ3 〜ｔ4 の区間である。この時のコンデンサ３６０の電圧は１．６Ｖ〜１．２Ｖとなる。
Next, the operation of the circuit of FIG. 50 will be described.
When the voltage of the
コンデンサ３３４の電圧が０．６以下の時は昇圧手段３３５により３倍に昇圧してコンデンサ３６０に充電する。この動作は図４９のｔ4 以降である。この状態を示したのが図４９である。実線で示した電圧が図５０のコンデンサ３６０の電圧であり破線で示した電圧がコンデンサ３３４の電圧である。
When the voltage of the
次に昇圧手段３３５の動作を説明する。
昇圧する時、まずコンデンサ３３４からコンデンサ３４０，３５０に充電しそれからコンデンサ３３４，３４０，３５０によりコンデンサ３６０を充電する。即ち図５１〜図５３に示す動作をくり返す事により昇圧充電が可能となる。
１．５倍昇圧の時は図５１の（Ａ）、（Ｂ）
２．０倍昇圧の時は図５２の（Ａ）、（Ｂ）
３．０倍昇圧の時は図５３の（Ａ）、（Ｂ）に示している。
これらの切換は図５０のスイッチ３３６，３３８，３４２，３４４，３４６，３４８，３５２のスイッチングにより実行される。
Next, the operation of the
When the voltage is boosted, first, the
At the time of 1.5-fold step-up, (A) and (B) of FIG.
52 (A) and (B) of FIG.
53 (A) and (B) of FIG. 53 when the voltage is boosted by 3.0 times.
These switching operations are performed by switching the
以上述べたようにこの実施例によれば動作可能な時間を、図４９において、ｔ2 時間からｔ5 時間まで伸ばしている。また、コンデンサ３３４の電圧で言えば従来０．９Ｖらか１．８Ｖの間でしか使えなかったものが、本実施例によれば０．３Ｖから１．８Ｖまで使うことができ、コンデンサ３３４に蓄えられたエネルギーが有効に使われていることが分る。
The operable time According to this embodiment as described above, in FIG. 49, are extended from t 2 hours to t 5 hours. According to the present embodiment, the voltage of the
また、この実施例では昇圧手段３３５が１．５倍、２．０倍、３．０倍の３種類の昇圧手段を有し、それを電圧検出部３３２による電圧信号により切換えて使っているが、本発明はこの３種に限定されるものではなく、１種類でも又多種類用意してもよく又倍率もさまざま考えられる。また、電圧の検出を本実施例ではコンデンサ３３４の電圧を検出している（１．８，１．２，０．８，０．６Ｖ）がコンデンサ３６０の電圧を検出して（１．８Ｖ，１．２Ｖ）、昇圧手段３３５の内容と比較して昇圧状態を決めることも勿論可能である。この方法は検出電圧が少なくて良いという利点がある。
In this embodiment, the boosting means 335 has three types of boosting means of 1.5 times, 2.0 times and 3.0 times, which are switched by a voltage signal from the
図５４は上述のマイクロロボットに適用される充電スタンドの斜視図である。図示のように、例えば赤外線を放射する信号発生装置３７０の近傍にはエネルギー供給装置３７２が設置されており、エネルギー供給装置３７２の上部には充電エリア３７４が形成されている。
FIG. 54 is a perspective view of a charging stand applied to the above-mentioned micro robot. As shown in the figure, for example, an
図５５はエネルギー供給装置３７２の構成を示すブロック図である。発振器３７６の出力は増幅器３７８により増幅されて充電コイル３８０を励磁する。この充電コイル３８０の励磁電流の周波数はステップモータの追随可能な周波数よりも高い周波数に設定しておく。
FIG. 55 is a block diagram showing a configuration of the
図５６は自動充電時の動作を示すフローチャートである。ＣＰＵコア４０は電源部１６の電圧値を取り込み、それが所定の基準電圧より高いかどうかを判断し(S111)、高い場合には通常の動作を継続する(S112)。電源部１６の電圧が所定の基準電圧ＶL より低い場合には充電動作を開始する。まず、ロボット本体１０はその場で一回転する。例えば左側に旋回し始め、センサ１２がオンなっているかどうかを判断し(S113)、オンなっていれば信号発生装置１７０は左側にあるものとし、ステップモータ６４を駆動する(S114)。これにより車輪３８が回転駆動して左側に旋回する。また、センサ１４がオンなっているかどうかを判断し(S115)、オンなっていれば信号発生装置１７０は右側にあるものとし、ステップモータ６６を駆動する(S116)。これにより車輪３６が回転駆動して右側に旋回する。なお、このセンサ１２，１４はそれぞれ２個の素子を内蔵し、一方の素子は例えば通常の光に応答してガイド用いられ、他方の素子は例えば信号発生装置３７０からの赤外線にのみ反応して充電エリア３７４をサーチするのに用いられるものとする。
FIG. 56 is a flowchart showing the operation at the time of automatic charging. The
次に、図４８のスイッチ３２０，３２２を閉成し、仮にロボット本体１０が充電エリア３７４に到達すると、励磁コイル６８は充電コイル３８０によって発生する磁界を受けて誘起電圧を発生する。この誘起電圧はインバータ３２４，３２６及びオア回路３２８を介してＣＰＵコア４０に取り込まれ、そこで交流磁界が検出されたことが検出される(S117)。このようにして交流磁界が検出されると、ロボット本体１０は充電エリア１７４の上にいることになるので、ステップモータ６４，６６の駆動を停止する(S118)。励磁コイル６８は充電コイル３８０によって発生する磁界を受けて誘起電圧を発生し、その誘起電圧はダイオード３１２，３１８，３１６，３０６により整流されて電源部１６に導かれ、電源部１６には充電電流が供給される。そして、ＣＰＵコア４０は電源部１６の電圧を取り込んでそれが基準値ＶH より高いかどうかを判断し(S119)、高くなると再び通常の動作に移る(S112)。
Next, when the
なお、充電スタンドの信号発生装置３７０は超音波、磁気等を発生するものでもよい。その場合にはロボット本体側にはそれを検出するセンサを装備する必要がある。また、エネルギー供給装置３７２から発生する磁気、光、熱等を検出して移動するようにしてもよい。その場合には信号発生装置３７０は不要になる。
更に、エネルギー供給装置３７２はロボット本体１０が充電エリア３７４に到達してから作動させるようにしてもよく、その場合には省エネルギー化が図られる。
Note that the signal generator 370 of the charging station may generate ultrasonic waves, magnetism, or the like. In that case, it is necessary to equip the robot main body with a sensor for detecting it. Further, it may be moved by detecting magnetism, light, heat or the like generated from the
Further, the
図５７〜図６０は本発明の他の実施例に係るマイクロロボットを示す図であり、図５７は前方から見た図、図５８は後方から見た図、図５９は図５８の５９−５９断面図、図６０はアームの機能を説明する図である。この実施例のマイクロロボットは、管内を流れる液体中でフィンを回転することにより推進すると共に、充電時には液体の流れを利用して発電しそれにより充電するようにしたものである。ロボット本体１０の前部には４本のアーム４００が取り付けられており、後部にはフィン４０２が取り付けられその外周部には外歯４０４が設けられている。また、フィン４０２はカバー部４０６により覆われている。フィン４０２はピニオン４０８を介してステップモータ６６に連結されている。アーム４００はその一方の端部がプランジャ４１０により駆動されるように構成されており、プランジャ４１０が引かれるとアーム４００が拡がり、アーム４００の端部が管の内壁に押し当てられるとロボット本体１０は液中に停留する。
57 to 60 are views showing a micro robot according to another embodiment of the present invention. FIG. 57 is a view seen from the front, FIG. 58 is a view seen from the back, and FIG. 59 is a view 59-59 of FIG. FIG. 60 is a sectional view illustrating the function of the arm. The microrobot according to this embodiment is designed to be propelled by rotating fins in a liquid flowing in a tube, and to generate power by using the flow of the liquid during charging, thereby performing charging. Four
この実施例の回路２２の構成は図４７に示されているものと基本的には同一であり、図４７のステップモータ６４をプランジャ４１０に置き換えればよい。通常の動作状態においては、ステップモータ６６よりフィン４０２が回転駆動されロボット本体１０は液中を前進する。そして、電源部１６の電圧が所定の基準値ＶL より低くなると、ステップモータ６６の駆動を停止し、プランジャ４１０を引いてアーム４００を拡げる。これによりロボット本体１０が液体中にて停止することになる。その停留状態にて管内に液が流れていると、フィン４０２が回転しその結果ステップモータ６６のロータ７０が回転し、励磁コイル６８に誘起電圧が発生し、その誘起電圧は上述の実施例の場合と同様に整流されて電源部１６に導かれ、電源部１６に充電電流が供給される。このようにして充電され所定の基準電圧ＶH 以上になると、プランジャ４１０を復帰させてアーム４００を閉じてロボット本体１０の停留状態を解き、ステップモータ６６を駆動することにより再び前進を開始する。
The structure of the
図６１は光起電力素子により充電する場合の制御部の構成を示すブロック図である。光起電力素子として例えばソーラーセル４１２を有し、このソーラーセル４１２の出力は電圧調整器５６のリミッタ３０２（図４７参照）を介して電源部１６に供給されると共に、デコーダ４１６を介してＣＰＵコア４０に供給される。
図６２は図６１の実施例の動作を示すフローチャートである。この実施例においては通常の作業時もソーラーセル４１２により充電をしている。ところが、電源部１６の電圧が所定の基準電圧ＶL より低くなると(S121)、ステップモータ６４，６６を駆動し(S122)、その状態をこれらのモータの回転が検出できなくなるまで継続する(S123)，(S124)。つまり、ステップモータ６４，６６をロボット本体１０が壁等に衝突するまで駆動することによりロボット本体１０を隅の方に退避させ、その状態で例えば１００秒程度の間充電する(S125)。そして、電源部１６の電圧が所定の基準電圧ＶL より高くなると(S121)、再び通常の作業時に戻る(S122)。なお、この実施例においては発光側の発光素子を制御することにより、発光素子からエネルギーを供給するだけでなく、制御信号を発光エネルギーに重畳させることにより制御信号を供給することもできる。ロボット本体１０側ではソーラーセル２１２の出力をデコーダ４１６により解析してＣＰＵコア４０に取り込む。
FIG. 61 is a block diagram illustrating a configuration of a control unit when charging is performed by a photovoltaic element. For example, a solar cell 412 is provided as a photovoltaic element. The output of the solar cell 412 is supplied to the
FIG. 62 is a flowchart showing the operation of the embodiment in FIG. In this embodiment, the battery is charged by the solar cell 412 even during normal work. However, when the voltage of the
ところで、図６１の実施例においてはソーラーセル４１２による例について説明したが、これを熱発電素子に置き換えてもよい。熱発電素子は温度差により発電するので、エネルー供給側においては吸熱及び発熱を交互に繰り返せば（充電スタンドにて吸発熱素子を駆動する）、熱発電素子は継続的に発電できる。但し、その場合には、熱発電素子の出力は交互に正、負を繰り返すので、充電回路２１４には整流回路が必要となる。この場合だけでなく、電磁誘導により充電する場合において、励磁コイル６８によらず、充電用のコイルをソーラーセル２１２の代わりに設けてそれによって電源部１６を充電する場合にも整流回路が必要になる。
By the way, although the example of the solar cell 412 has been described in the embodiment of FIG. 61, this may be replaced with a thermoelectric generator. Since the thermoelectric generator generates power based on the temperature difference, if the heat absorption and heat generation are alternately repeated on the energy supply side (by driving the heat absorption and generation elements at the charging station), the thermoelectric generator can continuously generate power. However, in this case, the output of the thermoelectric generator alternates between positive and negative alternately, so that the charging circuit 214 requires a rectifier circuit. Not only in this case, but also in the case of charging by electromagnetic induction, a rectifying circuit is required in the case where a charging coil is provided instead of the
図６３は充電、障害回避、作業及び帰投を組み合わせた制御をする場合の動作を示すフローチャートである。ＣＰＵコア４０は電源部１６の電圧を取り込んでその値が所定の基準電圧ＶL より高いかどうかを判断する(S131)。電源部１６の電圧が所定の基準電圧ＶL よりも低ければ充電動作に移る(S132)。この充電動作は上述の各実施例における動作と同一である。電源部１６の電圧が所定の基準電圧ＶL よりも高ければ、次に障害物があるかどうかを判断する(S133)。障害物の有無の検出は、例えば障害物検出用のセンサを取り付けてそれにより検出したり、ステップモータが回転していない状態を検出することにより行う。後者の場合の検出は次のようにして行なう。回転状態にあるときにはステップモータの励磁コイルに駆動パルスを供給した後に、誘起電圧が大となり、回転していない状態においては誘起電圧が小となるので、誘起電圧の大きさを検出することによりその判断がなされる。
FIG. 63 is a flowchart showing the operation in the case of performing a control combining charging, obstacle avoidance, work, and return throw. The
障害物があると判断されたときには(S133)、回避動作をする(S134)。回避動作としては、停止、後退等の制御処理を行うことによりなされる。障害物がないと判断されると、所望の作業（前進等）を行う(S134)。次に、帰投指令あるかどうかを判断し(S135)、帰投指令がなければ上述の処理を繰り返し、帰投指令があった場合には帰投する(S135)。この実施例においては帰投指令が外部からあるまでの作業を続けているが、作業が終わったら自動的に帰投するようにしてもよい。帰投の方法は充電スタンドへの移動と同様になされる。 と き に は When it is determined that there is an obstacle (S133), an avoidance operation is performed (S134). The avoidance operation is performed by performing control processing such as stopping and retreating. If it is determined that there is no obstacle, a desired operation (such as forward movement) is performed (S134). Next, it is determined whether or not there is a return-to-throw instruction (S135). If there is no return-to-throw instruction, the above-described processing is repeated, and if there is a return-to-throw instruction, return is made (S135). In this embodiment, the operation is continued until the return instruction is issued from the outside. However, the return operation may be automatically performed after the operation is completed. The method of returning home is the same as that of moving to the charging station.
Claims (2)
互いに独立して駆動され、移動方向に対し直角方向に離れた駆動点を有する少なくとも１対の駆動部と、
前記センサの出力に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、
充電可能であり、前記センサ、前記駆動部及び前記制御部に電源電圧を供給する電源部とを有し、
前記制御部及び前記電源部が前記駆動部の間に配置され、前記１対の駆動部によって走行グランドに対して駆動される２つの駆動点と、走行グランドに対してすべり摩擦接触する摺動部の３点により支持されることを特徴とするマイクロロボット。 At least two sensors whose detection areas partially overlap,
At least one pair of driving units driven independently of each other and having driving points separated in a direction perpendicular to the moving direction;
A control unit that controls the driving unit based on an output of the sensor;
A power supply unit that is rechargeable and supplies a power supply voltage to the sensor, the driving unit, and the control unit,
The control unit and the power supply unit are disposed between the driving units, and two driving points driven by the pair of driving units with respect to a traveling ground, and a sliding unit that is in sliding frictional contact with the traveling ground. A micro robot characterized by being supported by the following three points.
2. The micro device according to claim 1, further comprising: a protrusion protruding from the frame body and having flexibility and being electrically connected to the power supply unit, wherein the power supply unit is charged by supplying electricity to the protrusion. robot.
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