JP2005349517A

JP2005349517A - 浮力発生機構を有する移動ロボット、及び移動ロボット群

Info

Publication number: JP2005349517A
Application number: JP2004172000A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kato; 猛加藤; Masahiro Kato; 雅弘加藤; Takeshi Tamaki; 剛玉木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】空間移動性、情報収集能力、群知能、環境適応能力に優れ、探索、巡回、情報収集に適した自律小型ロボットとその無線ネットワーク化ロボット群を提供する。
【解決手段】知能（プロセッサ）、感覚機能（センサ、カメラなど）、無線通信機能、運動機能（車輪、無限軌道輪、多脚など）、浮揚機能（バルーン、プロペラなど）を備えることにより、ロボット構成材に掛かる重力を低減して三次元構造面上を移動し、情報収集、自律分散処理、自己組織化を行なうことを可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、探査、巡回、情報収集に適した自律小型ロボットに係り、特に無線センサネットワークとマルチエージェントによる群知能や環境適応を発揮するに好適なロボットに関する。

災害救助、環境制御、安全管理、危険探知などの多様な分野において、探査、巡回、情報収集に向けた小型ロボットや知能ロボットが盛んに検討され、ロボット技術とネットワーク技術を組み合わせた群行動ロボットの研究も行なわれている。一方、情報通信、情報システムの分野では、ユビキタス情報社会における移動端末サービスや情報監視サービスに向けた広帯域無線通信や無線アドホックネットワークの検討が進み、センサ技術と無線ネットワーク技術を組み合わせた無線センサネットワークの研究が始まっている。

ロボット技術と情報通信技術は次第に歩み寄り、将来的に群行動ロボット技術と無線センサネットワーク技術が融合していくと予想される。ネットワークは固定的、受動的な既定のネットワークから行動的、自律的に変化する自己組織化ロボットネットワークへ、情報はセンサノードからサーバへ情報を吸い上げる集中処理からロボットノード自身の自律分散処理へ、ロボットは個体の高度プログラミングから群行動による適応システムへと進化するであろう。したがって将来のロボットには、自律行動を可能にする知能、群行動を可能にする無線ネットワーク性能、情報の探索と収集に適した運動性能やセンサ性能が必要であり、さらに利便性と偏在性の実現に向けて小型かつ低価格であることが重要になると予見される。

このような動向を捉えて、探査、巡回、情報収集を目的とする代表的な自律行動ロボット、群行動ロボットとして（１）車輪、クローラ、多脚歩行、蛇行、これらのハイブリッドによる歩行ロボット、（２）飛行昆虫ロボット、（３）飛行船ロボット、（４）浮嚢体節ロボットなどの先行的な研究が行なわれている。（１）歩行ロボットはロボット分野で最も盛んに研究され、このうちクローラロボットは比較的に探査用途として開発が進んでいる。クローラロボットは無限軌道輪を備え、補助アームや重心移動などを利用して床面の段差や障害物を乗り越えて移動する。また、無線中継機能によりロボット群が互いに中継して通信経路を確保する。（２）飛行昆虫ロボットは羽ばたく翅やプロペラを備えた数ｃｍサイズの自律マイクロロボットであり、昆虫のように空中を飛んで移動する。飛虫ロボットの大群を放つことにより、幾つかが探査や情報収集に失敗しても残りが成功することを想定している。（３）飛行船ロボットはヘリウムガスを充填した1ｍオーダーのサイズのバルーンを備え、空中を浮遊しながら移動する。飛行制御用のプロペラにより、空気抵抗や環境外乱の影響を抑えて安定な自律飛行を目指している。（４）浮嚢体節ロボットは浮嚢を含む体節で構成されるロボットであり、浮嚢をボンベやコンプレッサで変形させ、体節を繋ぐ関節をモータなどの駆動装置で制御して歩行する。重力より浮力を小さくし、重力のモーメントより浮力のモーメントを大きくすることにより、倒れても復原する。

Akihiko Ikeuchi, Toshi Takamori, Shigeru Kobayashi, Masayuki Takashima, Siro Takashima, Masatoshi Yamada, "Development of Mobile Robots for Search and Rescue Operation Systems," The 4th International Conference on Field and Service Robotics, pp.321-326, 2003

R.J. Wood, S. Avadhanula, and R.S. Fearing, "Microrobotics using Composite Materials: the Micromechanical Flying Insect Thorax," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation 2003, pp. 1842-1849 Hisao Kadota, Hidenori Kawamura, Masahito Yamamoto, Toshihiko Takaya, Azuma Ohuchi, "Design of Vision-Based Motion Control System for Balloon Robot,", The 9th International Symposium on Artificial life and Robotics 2004, Vol.1, pp.325-328, Jan 28-30, 2004 特開２００１−９６４８２号公報

歩行ロボットの一種である車輪ロボットは車輪の半径を超える段差や障害物を乗り越えることができない。クローラロボットは無限軌道輪や補助アームにより車輪ロボットに比べて踏破性が優れているが、やはりサイズを超える凹凸には不適である。多脚ロボットは不整な足場、蛇行ロボットは不安定、軟弱な足場に適するとされているが、移動自由度が地面や床面の上に制約されるため、探査や情報収集の範囲に限界がある。

飛行昆虫ロボットは三次元空間を自由に移動でき、狭い場所でも機敏に動ける可能性があるが、滞空や低速移動を行なうことが難しい。飛行させるには数ｃｍ、１００ｍｇオーダの小型軽量化が必須であるが、逆に風や環境変化による影響を受け易くなる。常に翅を動かすため十分な電源が必要であるが、この重量が飛行性能と相反する。同様に重量制限のため多種のセンサや監視カメラを搭載することが困難であり、無線通信器も重量、アンテナサイズ、通信距離の点から実現しにくい。また、常時飛び回るロボットは人体へ危険を及ぼす可能性がある。

飛行船ロボットは三次元空間を移動でき、バルーンの浮力により飛行昆虫ロボットが苦手とする空中浮遊や低速移動を行なえる。しかし、風、空調、対流により押し流され、部屋の壁や隅から抜け出せなくなることがある。風や環境外乱の影響に対して安定的に三次元姿勢制御を行なうためには、十分な推力を有する複数のプロペラと駆動電源が必要であり、これらの重量を支えるためバルーンが１ｍオーダーのサイズにまで大きくなってしまう。比較的広い空間でしか用いることができず、群行動を行なわせる場面はかなり限定される。

浮嚢体節ロボットは浮力より重力が大きく、移動範囲は歩行ロボットと同じく地面や床面に制約される。姿勢が崩れても重力とバルーンの浮力の回転モーメントにより立ち直るが、逆に歩行、関節動作、風などにより体節であるバルーンが動くと重力とのバランスが変わって振動することになる。接地点から遠いほど振幅が大きく、センサやカメラによる情報収集の妨げとなる。また、体節を動かすにはボンベ、コンプレッサ、モータなどが必要であり、これらの重量をバルーン自体で構造的に支持し、さらに復原力すなわち浮力を得るためにはバルーンが比較的大きくならざるを得ない。

以上をまとめると、従来、歩行ロボットには移動が二次元平面に制限される上に凹凸や段差が障害となる問題があり、飛行昆虫ロボットには低速運動性能、情報収集能力、無線ネットワークによる群行動能力に問題があり、飛行船ロボットには狭い空間では利用しにくく群行動に不向きであり、浮嚢体節ロボットには動作によって安定な姿勢が崩れ小型化しにくい問題があった。本発明の課題は、将来の自己組織化適応ロボットネットワークの実現に向けて、二次元平面上に制約されない自由度の大きい運動性能と、情報の探索や収集に十分なセンサ性能と、群行動を可能にする無線ネットワーク性能とを備え、群知能と無線センサネットワークを融合させた自律小型ロボット群を提供することである。

本発明の浮揚運動ロボットは、知能（プロセッサ）、感覚機能（センサ）、無線通信機能などから成る無線センサネットワーク機能と、車輪、クローラ、多脚歩行、または蛇行などの運動機能と、浮力を生む嚢胞（バルーン）または羽翼（プロペラ、翅など）から成る浮揚機能とから構成される自律小型ロボットである。このロボットは、浮揚機能により無線センサネットワーク機能や運動機能などのロボット構成材に加わる重力を低減または相殺し、運動機能により重力と浮力の差分やモーメントを支持し、無線センサネットワーク機能からの情報により運動機能を駆動し、天井、壁、床などの三次元構造面の表面を移動する。望ましくは、重力と浮力が概ね同一の作用線上に在り、これらが運動機能の支点に囲まれた範囲内に在って、重力と浮力の合力やモーメントを三次元構造面から運動機能が受ける垂直抗力、摩擦力、吸着力により支持して、安定な姿勢を保って移動する。

さらに、浮揚運動ロボットは、嚢胞と羽翼の双方を備えて、空中を浮遊し、姿勢を変更し、障害を乗り越え、天井、壁、床などの間を飛び移る。運動機能に分散する感覚機能を備えて、無線センサネットワーク機能からの中枢神経的指令系統に加え、感覚機能から運動機能に直結する反射神経的指令系統により運動機能を駆動する。測位機能、画像認識機能を備えて位置情報、画像情報を取得し、電源自給機能を備えて自律行動を継続する。

また、浮揚運動ロボット群は、自律的に通信接続を行なう無線通信機能を介して自己組織化無線ネットワークを編成し、群行動を取る。知能として感覚機能や無線通信機能からの情報を自律判断するエージェントを備えてマルチエージェントシステムを構成し、群知能を成す。ロボット間で無線通信機能を介してプログラムを移送するエージェントを備えてモバイルエージェントシステムを構成し、遺伝子交配を行なう。

本発明の浮揚運動ロボットによれば、嚢胞から成る浮揚機能により重力を低減させるまたは上回る浮力を得て天井、壁、床などの三次元構造面を移動するので、従来の歩行ロボットのように運動空間が重力方向に対して垂直な二次元平面上に制限されることが無く、不整、不安定な足場でも荷重を掛けずに移動できる。さらに、浮揚機能として嚢胞と共に羽翼を用いることにより、従来の飛行昆虫ロボットや飛行船ロボットのように三次元空間を移動するので、凹凸や障害物を回避して自在に探索や情報収集を行なえる。

浮揚運動ロボットは、常時飛行する飛行昆虫ロボットに対して、三次元構造面上で低速運動や滞留を行なえる。浮揚機能により飛行昆虫ロボットに比べてロボット構成材の許容重量が増すので、多種のセンサ、カメラ、無線通信機能、大容量電源を搭載し、十分な情報収集能力と無線ネットワーク性能を得られる。また、浮揚運動ロボットは、常時空中姿勢制御を行なう飛行船ロボットに対して、三次元構造面上で安定な姿勢を保って移動するので、姿勢制御機構や電源を軽量化して嚢胞のサイズを小型化し、比較的狭い空間においても偏在して活動できる。さらに、浮嚢体節ロボットに比べて回転モーメントを抑えて安定な姿勢で移動でき、運動機能である体節と嚢胞を分けることによりバルーンを小型化できる。

浮揚運動ロボット群は、自己組織化無線ネットワークにより相互の通信を維持するので、連携した群行動を取れる。群知能により未知の環境に対して効率的に探索や巡回を行ない、情報収集や自律分散処理を実行できる。遺伝子交配により環境の変化に対応したロボットの遺伝子を他のロボットに移送できるので、ロボット群は適応システムとして進化していく。

本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施例１の浮揚運動ロボットの外観構成図である。図１において、浮揚運動ロボット１００は、知能と無線通信機能の実現を司るプロセッサモジュール１０とアンテナ１１、感覚機能の実現を司るセンサモジュール１２と測距センサ１３、運動機能の実現を司る基部２０と脚２１、浮力発生機能を司る嚢胞３０から構成されている。

プロセッサモジュール１０は、マイクロプロセッサ、メモリ、アンテナ１１を介して送受信する無線通信回路、脚２１の駆動回路から成る。脚２１の駆動回路は、各種センサからの入力などに応じてマイクロプロセッサで生成される指令やアンテナ１１を介して外部から入力される指令に基づいて脚２１を駆動する。センサモジュール１２は各種のセンサ、光や音などの送信器、これらと測距センサ１３の駆動回路から成り、プロセッサモジュール１０に接続されている。基部２０はロボット１００の骨格を成す構造部材であり、プロセッサモジュール１０、脚２１、嚢胞３０が取り付けられている。脚２１には例えば人工筋肉アクチュエータが用いられ、プロセッサモジュール１０により駆動される。実施例１の一つの特徴である嚢胞３０はガスを充填したバルーンから成る。バルーン素材としてはフィルム、ラバー、塩化ビニールが代表的であるが、実施例１では薄く軽く強靭なナイロン系フィルムを用いている。ガスのバリア性を高めるため特性の異なるフィルムと多層構造にし、さらにバルーンの表面にアルミ蒸着を施している。ガスとしては、空気より軽い水素ガスとヘリウムガスのうち、安全性の観点から後者を採用している。

実施例１の浮揚運動ロボット１００では、嚢胞３０の表面へ基部２０、プロセッサモジュール１０、センサモジュール１２が順に搭載され、基部２０の四方から４本の脚２１が嚢胞３０を跨いで伸びロボット１００全体を支持している。嚢胞３０は脚２１でロボット本体を支持する、また移動させるのに邪魔にならないような位置・形状にする必要があり、例えば概ね軸対称な回転楕円体である。プロセッサモジュール１０、センサモジュール１２、基部２０、脚２１は（例えば、嚢胞３０の対称軸を含む面に関して）概ね面対称に配置すると、ロボット本体のバランスがとりやすく、姿勢制御などの面で都合がよい。アンテナ１１はプロセッサモジュール１０の無線通信機能との接続を考慮して配置され、さらにアンテナ１１、センサモジュール１２、測距センサ１３は外部への見通しを考慮して、見通しのよい位置に配置するとよい。プロセッサモジュール１０、センサモジュール１２、アンテナ１１、基部２０、脚２１を合わせた重心は概ね嚢胞３０の中心軸上にあり、重力と嚢胞３０の浮力は概ね同一の作用線上に在って回転モーメントを抑え、これらの作用線は脚２１に囲まれた範囲内に在って姿勢を安定させている。このように、浮力発生機構が軸対象または面対称な形状として、ロボット構成材の重心が浮力発生機構の対称軸または対称面上に置くことにより、姿勢を安定させて制御し易くなる効果がある。

図１８から図２０は浮揚運動ロボット１００に作用する力の説明図である。図１８は重力より浮力が大きい場合、図１９は等しい場合、図２０は小さい場合を示す。図１８（ａ）ではロボット１００が天井面１６０に接しており、重力ベクトルＷと浮力ベクトルＢの差分すなわち合力を天井面１６０から脚２１が受ける垂直抗力Ｎにより支えている。重力Ｗと浮力Ｂが同じ作用線上にありモーメントが生じず、重力Ｗと浮力Ｂの作用線が脚２１の支点に囲まれた範囲内に在るため、姿勢が安定する。図１８（ａ）及び図２１に示すように、脚２１（脚２１−１、２１−３）を駆動力Ａにより動かすと、脚２１の先端が天井面１６０から摩擦力Ｆを受けて支点となり、ロボット１００に駆動力Ａの反作用Ｄ（−Ａ）が加わり、ロボット１００が図１８では左へ、図２１では左下へ移動する。この際に脚２１−２、２１−４は摩擦力を減じるために天井面１６０からわずかに浮かせておく。脚２１−１、２１−３の次に脚２１−２、２１−４を動かせばロボット１００は図２１の左上へ進み、これらを交互に繰り返すことによりロボットは図２１の左方向へ進む。なお、脚２１−１、２１−２、２１−３、２１−４を同時に動かすことも可能であり、これらの動かし方を変えれば前進、後退、左折、右折、回転、ジグザグ運動など多様な動作を行なえる。

図１８（ｂ）ではロボット１００が壁面１６１に在り、重力Ｗと浮力Ｂの合力を脚２１が壁面１６１から受ける摩擦力Ｆにより支えている。重力Ｗと浮力Ｂのモーメントは、脚２１の壁面１６０への吸着力Ｓと壁面１６１から受ける垂直抗力Ｎにより打ち消され、ロボット１００は壁面１６１から剥がれ落ちない。脚２１を駆動力Ａにより動かすと、摩擦力Ｆ’により脚２１が支点となって反作用Ｄによりロボット１００が移動する。図１８（ｃ）ではロボット１００が床面１６２に在り、重力Ｗと浮力Ｂの合力を脚２１の床面１６２への吸着力Ｓにより支えている。ロボット１００は床面１６２でも図１８（ａ）と同様に脚２１を駆動して移動する。

図１９ではロボット１００の重力Ｗと浮力Ｆが概ね等しくなるように調整してあり、脚２１に働く垂直抗力Ｎと吸着力Ｓにより天井面１６０、壁面１６１、床面１６２に取り付き、壁面１６１に在っては重力Ｗと浮力Ｆのモーメントを消して姿勢を安定させている。図２０では重力Ｗより浮力Ｆが小さいため、天井面１６０に在っては吸着力Ｓ、壁面１６１に在っては垂直抗力Ｎと吸着力Ｓ、床面１６２に在っては垂直抗力Ｎにより姿勢を保っている。図１９及び図２０においても、ロボット１００は図１８（ａ）の説明と同様に、脚２１の駆動力Ａ、摩擦力Ｆ、反作用Ｄの働きにより移動する。なお、例えばロボット１００が初めに図１８の状態に在って、バルーン３０のガスが不測の事態で抜けるか、ガスバリア性が不十分になった場合、浮力が減少して行き図１８の状態から図１９の状態を経て図２０の状態に変化することが想定されるが、脚２１の吸着力が十分であればロボット１００の活動を維持できる。

図２は実施例１の浮揚運動ロボット１００の回路ブロック構成図である。図２において、プロセッサ部１３０はマイクロプロセッサ、メモリ、クロック生成回路から成り、無線通信回路部はアンテナ１４０、高周波回路１４１、ベースバンド回路１４２から成り、センサ回路部はセンサ１５０、送信器１５１、これらの駆動回路１５２から成り、運動回路部は脚のアクチュエータ１６０、その駆動回路１６１から成り、各回路部に給電する電源回路部はバッテリー１７０、光または電磁波の受電器１７１、その制御部１７２から成る。

無線通信方式としては、通信速度、通信距離、消費電力、プロセッサ部１３０の許容データ処理量と外部との所要通信量、消費電力、ノイズ環境などを考慮し、微弱無線、小電力無線、近距離無線、無線ＬＡＮ、ＵＷＢ、赤外線通信などから選択する。複数の方式の無線通信回路を搭載すればマルチモードの基地局、中継局として動かせる。アンテナ１４０としては図１のようなポールアンテナだけでなく、平面アンテナ、アレイアンテナなども選択肢である。アンテナ機能を触覚センサと共用しても良く、脚やバルーンの導電部分もアンテナとして利用可能である。

センサ１５０としては、視覚（光、赤外線）、聴覚（音、超音波）、触覚（圧力）、嗅覚（ガス）、味覚（化学）、温度、湿度、風速、風圧、照度、磁気、方位、振動、速度、加速度、画像（静止画、動画）、測距など多様な種類から用途に応じて選択する。画像センサとしてはレンズカメラの他、小型軽量なピンホールカメラもある。測距センサとしては超音波、レーザ、赤外線、画像認識などがあり、位置精度や測定範囲に応じて選択する。例えば超音波センサを用いて、無線と超音波の伝搬速度の差を利用してロボット間を無線で同期して超音波の到達時間を測定し、この到達時間からロボット間の距離を計算し、無線ネットワークを介して多数のロボット間の距離を基に三辺測量を行ない、各ロボットの測位を行なう。また、バルーン内部の圧力、温度などをセンサで感知して浮力をモニタすれば、浮力に変動があっても姿勢を安定に制御でき、浮力が落ちればアラームを出して自律的にメンテナンスドックに戻れる。

アクチュエータ１６０としては、形状記憶合金、圧電性材料、導電性高分子などの機能材料による小型軽量の人工筋肉が候補である。形状記憶合金であれば、圧電性材料より低電圧駆動が可能であること、導電性高分子に対して電解質溶剤が不要であること等の利点がある。他のアクチュエータとして、高分子ゲル、イオン伝導性高分子、電歪ポリマ、液晶エラストマ、流体圧、超音波、静電気などを利用したものがある。アクチュエータ１６０は、無線通信回路部またはセンサ回路部と結合したプロセッサ部１３０からの中枢神経的情報系統と、アクチュエータ１６０に在るセンサと駆動回路１６１による反射神経的情報系統により駆動される。

バッテリー１７０としては、小型乾電池、軽量且つ大容量なリチウムイオン電池やリチウムイオンポリマー電池、場合によっては燃料電池などの中から電圧、容量、重量、サイズを考慮して選択する。受電器１７１としては、太陽電池、フォトダイオード、マイクロウェーブ受信器などが利用できる。電源回路部はバッテリー１７０の残量が減少するとプロセッサ部１３０に通知し、プロセッサ部１３０はセンサ１５０により光源または電磁波源の給電所を感知してそこまでロボットを移動させ、受電器１７１によりバッテリー１７０を充電する。他の方法として、例えばパンタグラフのような接触子または運動機能を構成する導電材を介して、ロボットの移動面に設けた給電ラインや電源端子からバッテリーを充電する方法も取り得る。

図３は実施例１の浮揚運動ロボット１００の運動機能の構成図である。図３において、運動機能の骨格は基部１８０、関節１８１、脚１８２、１８３、１８４から成る。脚１８２の人工筋肉１９０、１９１、１９２とコイルばね１９４はそれぞれ係留部１８５、１８６、１８７、１８８で基部１８０に繋がり、人工筋肉１９３と板ばね１９５は脚１８２と脚１８３に繋がっている。人工筋肉１９０、１９１、１９２、１９３は形状記憶合金から成り、電流を流して発熱させることにより収縮して力を発揮する。脚１８２、１８３は、無通電ではコイルばね１９４と板ばね１９５により定常状態に保持され、人工筋肉１９０、１９１の一方に通電することにより左右に動き、人工筋肉１９２と１９３に通電することにより下に動く。例えば、無通電状態から、人工筋肉１９１に通電、人工筋肉１９２と１９３に通電、人工筋肉１９１を遮電し人工筋肉１９０に通電、人工筋肉１９２と１９３を遮電、人工筋肉１９０を遮電するプロセスを繰り返すことにより、歩行運動を行なう。

脚１８２、１８３、１８４の材料として、アルミ、ステンレス、チタンなどの金属材料、樹脂、セラミックなどの非金属材料などが挙がるが、剛性、重量、加工性、耐環境性などを考慮する必要がある。実施例１では主に剛性と軽量化を重視してアルミ合金を用いている。形状として一般的に棒材、角材、板材があるが、剛性を保って軽量化したい場合には、丸型や角型のパイプ、Ｈ字型、Ｔ字型、Ｕ字型、Ｌ字型などの断面形状とし、さらに穴抜き加工や繰り抜き加工を施す。基部１８０も脚１８２、１８３、１８４と同様に軽量化を図るため、フレーム構造やプロセッサモジュールなどの基板と一体化したモノコック構造などを採用しても良い。脚１８４の裏には滑り止めとしてラバー材、起毛材、粘着材、または吸着材などが用いられ、表面には吸着性を高めるため凹凸、織目パターン、吸盤、フック、アンカーなどが加工される場合がある。脚先に吸着力を発生させるためには、ロボットを歩かせる天井面・壁面・床面の素材・加工に適合するように脚１８４の裏を設計する。プロセッサモジュールやセンサモジュールがマイクロチップ化しロボットが十分軽量になれば、ヤモリや昆虫の脚先のように微細毛構造によるファンデルワールス力を利用して吸着できる。

以上の構成により、実施例１の浮揚運動ロボット１００は、浮揚機能である嚢胞３０によりバルーン素材を含めたロボット構成材の合計重量に相当する浮力を得て、運動機能である脚２１により重力と浮力の差分やモーメントを支持しながら、天井、壁、床などの三次元構造面を移動する。ロボット１００はプロセッサ（知能）、センサ（感覚機能）、無線通信機能からの情報に基づいて移動し、センサにより情報を収集し、プロセッサにより情報を自律的に処理して判断し、無線通信機能により他のロボットや無線基地局とネットワークを編成し情報を伝達する。

図４は実施例１の浮揚運動ロボット群の利用形態として、ビルにおける情報収集の一例を示す説明図である。図４において、ビルの三次元構造面は天井１２０、床１２１、壁１２２、１２３、１２４から成り、窓１２５、１２６や電灯１２７がある。浮揚運動ロボット１１０、１１１、１１２は天井１２０、ロボット１１３、１１４は床１２１、ロボット１１５は壁１２３を移動している。ロボット１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５は、ロボット構成材の重量より浮揚機能の浮力を大きくすれば天井に、前者より後者を小さくすれば床に、前者と後者をほぼ等しくすれば壁を移動させるのに適するが、前者と後者をほぼ等しく調整してロボットの脚の吸着力を十分に持たせれば、ロボット１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５は天井１２０、床１２１、壁１２２、１２３、１２４を自在に移動できる。各ロボットは電源の残量が少なくなると、既知の位置にある給電所１２７または１２５の近傍に移動し、受電器によりバッテリーを充電して自給する。

浮揚運動ロボット１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５は、自律的な無線通信機能によりネットワークを構成することができる。これらのロボットは互いの距離が離れるように散開して情報収集エリアを拡大し、ネットワークから孤立したロボットは探索行動を起こして通信可能範囲に移動し、通信環境や位置が変化すればネットワーク接続先を切り替え、意図的にネットワークから離れ周囲の情報収集を行なって復帰するなど、動的ネットワークを構成する。図５のネットワーク構成図に示すように、リンク数が多いロボットはシンクノード１３１、ハブノード１３２として基地局機能、中継局機能を自律的に担い、これらのノードに他のロボット１３３がアドホック接続、マルチホップ接続、基地局接続により繋がり、ロボット全体で自己組織化ネットワーク１３０を編成する。

また、一つの無線通信機能を有する大半のロボット１３３と、広帯域長距離通信機能を併せ持つ少数のマルチモードロボット１３１、１３２を用いることにより、これらのロボット群はマルチモードロボットをシンク、ハブとして自律的に階層化し、さらに広域且つ高速なネットワークを構成できる。なお、図６の測位機能の説明図に示すように、ロボット群１４０、１４１、１４２、１４３、１４４は各ロボットが記憶する移動経路情報（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）（ｉ＝０，１，２，３，４）や相互の測距情報ｌｉｊ（ｉ，ｊ＝０，１，２，３，４，ｉ≠ｊ）に基づいて、三辺測量計算や最尤位置計算を行なうことにより位置を同定する。こうして、ロボット群１４０、１４１、１４２、１４３、１４４が収集するセンサ情報と位置情報が結びつき、有用なセンサ情報マップが得られる。

図７は実施例１の浮揚運動ロボット群の利用形態として、群知能の一例を示す説明図である。浮揚運動ロボット群１５１〜１６４は自己組織化無線センサネットワークを構成し、目標１５０の探索活動を行なっている。各ロボット１５１〜１６４は、痕跡（Stigmergy）によるアントシステムに倣って、探索経路（位置情報空間）に道標フェロモン（重み付けパラメータ）を置き、フェロモンの濃い経路を好んで移動するという、局所的、分散的な行動ルール（エージェント）に従って探索活動を行なう。ロボット群１５１〜１６４が同じ動作に陥らず行動に幅を持たせるため、各ロボットはフェロモン情報に対して確率的行動選択を行なう。環境変化に自律適応するためフェロモン情報は時間的に蒸発（減少）し、距離的に減衰する。

こうして、個々のロボットの局所的行動ルール（マルチエージェント）による集合的行為により大域的な群行動としての群知能（Swarm Intelligence）が創発する。例えば、ロボット１５１がネットワークから離れてランダムな探索に出かけ、位置１５１’まで移動して目標１５０を発見し、ネットワーク接続範囲に戻る。ロボット１５１の往復経路にフェロモンが置かれて濃くなり、探索活動を行なっている他のロボット１５２〜１５６に無線通信機能を介して伝わり、これらのロボットがフェロモンに惹かれて確率的選択を行ないつつ位置１５２’〜１５６’に移動し、目標１５０に到達するネットワークが形成される。このような群知能による探索活動は、災害救助支援、危険物探知、汚染区域探査など多様な分野に適用できる。

なお、各ロボット１５１〜１６４には初期値としてランダムな個性を持たせてあり、多種のセンサ情報の処理方法や重み付け、探索行動選択のアルゴリズムや確率が異なる。所定の時期（交配期）になると、ロボットは互いに周囲のロボットと個性情報すなわち遺伝子を交配する。遺伝子交配は、探索経験、目標発見回数、ネットワーク役割経験などに基づく重み付けと、均一化を防ぐための確率変動により成される。こうして、より効率的に探索活動を行なうように群知能が進化し、環境変化に応じて適応遺伝子が優位に立って広まり、ロボット群は自律適応システムとして働く。

図８から図１６は、本発明の浮揚運動ロボットの幾つかのバリエーションの構成図であり、三次元構造面の一つである天井２０９、２１９、２２９、２３９、２４９、２５９、２６９、２８９や壁面２７９に在る場合を例に採っている。図８の浮揚運動ロボット２００は、実施例１と同様に機能モジュール（知能、感覚機能、無線通信機能など）２０１、運動機能の基部２０２と脚２０３、浮揚機能（バルーン）２０４から成り、バルーン２０４を挟んで天井２０９と反対側に機能モジュール２０１を備え、脚２０３がバルーン２０４を跨ぐ。機能モジュール２０１が無線通信を行ない易く、脚２０３の可動範囲を大きく取れて凹凸や障害物を乗り越え易い。図９のロボット２１０は、図８のロボット２００とは反対に、バルーン２１４と天井２１９の間に機能モジュール２１１、基部２１２、脚２１３を備える。脚２１３を短くして軽量化し、ロボット２１０の小型化を図り易い。図１０のロボット２２０は、機能モジュール２２１、基部２２２、バルーン２２４と、図８のロボット２００の脚２０３の代わりに車輪または無限軌道輪２２３を備える。モータの性能によるが、高速移動を行ない易い。

図１１のロボット２３０は、図８のロボット２００と同様に機能モジュール２３１、基部２３２、脚２３３を備え、浮力発生機構としてバルーン２３４と共にプロペラ２３５がある。脚２３３とプロペラ２３５により姿勢を変更し、三次元構造面を移り変わり、障害物を乗り越え易くなる。通常は脚２３３、一時的にプロペラ２３５を駆動することにより消費電力を抑えて電源の軽量化を図れる。図１２のロボット２４０は、機能モジュール２４１、基部２４２、脚２４３と、複合構造のバルーン２４４を備える。必要な浮力、ロボットのサイズの制限、バルーン素材の寸法、製造の容易さ、コストなどに応じて様々な形状、例えば多面体、ドーナツ状、複数のバルーンを使い得る。図１３のロボット２５０は、バルーン２５４の表面に複数の機能モジュール２５１、２５１’、基部２５２、２５２’、脚２５３、２５３’を備える。三次元的な姿勢変更や障害物踏破を行ない易くなる。図１４のロボット２６０は、配線を兼ねた柔構造材２６２によりバルーン２６４の内部に支えられた機能モジュール２６１と、運動機能としてバルーン２６４の表面に多数の繊毛２６３を備える。繊毛運動により不安定、軟弱な足場でも移動し易い。

図１５のロボット２７０は、機能モジュール２７１と基部２７２がバルーン２７４の中心からオフセットした位置に在り、６本の脚２７３（３本は不図示）のうち前脚や中脚より後脚が長くしてある。壁面２７９から９０°回転した天井面や床面でも重力Ｗと浮力Ｂによるモーメントが概ね同レベルになり、重力Ｗと浮力Ｂの作用線間の距離が概ね等しくなり、このモーメントを長さや配置を調製した６本の脚２７３で支えるので、天井、壁、床の何れに在っても姿勢を安定に保ち易い。すなわち、ロボット構成材の重力と浮力発生機構の浮力の作用線が概ね等距離に在るように配置することにより、天井面、壁面、床面などの三次元構造面の何れにあっても姿勢を安定化させ制御し易くなる効果がある。脚の本数、長さ、関節数、配置は用途に応じて選択すれば良い。図１６のロボット２８０は、機能モジュール２８１、基部２８２、バルーン２８４を備え、脚２８３の関節の稼動範囲が大きい。不測の事態によりロボット２８０の姿勢が引っくり返っても、脚２８３の関節を反転させて起き上がれる。脚２８３とは別に専用の起き上がり機構を設けても良い。

図１７は、図１１の浮揚運動ロボットを一例に採った移動形態のバリエーションの説明図である。ロボット２７０は、プロペラの推力により天井２８４から離れ、方向舵により反転し（２７０’）、床２８７に着地する（２７０”）。ロボット２７１は、センサにより障害物２８５を感知し、プロペラを駆動して乗り越え（２７１’）、再び天井２８４に着地する（２７１”）。ロボット２７２は、壁２８６を感知し、脚にある反射神経、すなわち中枢神経的なプロセッサに拠らず脚に内蔵するセンサから直接に脚のアクチュエータを動かす機能を利用して壁２８６に沿って脚を動かし、壁２８６に移動する（２７２’）。ロボット２７３は、誤った逆様の体勢をプロペラにより立て直し（２７３’）、段差２８８を飛び越して着地する（２７３”）。このように、本発明の浮揚運動ロボットは、三次元構造面と三次元空間を自由に移動でき、探索、巡回、情報収集を効率的に行なえる。

本発明による浮揚運動ロボットは、群知能ロボット、無線センサネットワークロボット、環境適応ロボットとして好適な自律小型ロボットである。空間移動の自由度と自律的な群知能を有する利点を活かし、地震、台風、火災などにより被災したビル、公共施設、家屋などの現場における災害調査や人命探索に利用でき、地雷やＮＢＣ兵器などによる広域汚染区域における危険物探知にも有用である。

また、浮揚運動ロボットは、無線センサネットワークの基地局（シンク）、ハブ、ノードとして利用でき、自律的に移動し環境変化に適応しながら情報収集、キャリブレーション、データ処理を行なえる。例えば、ビル、橋梁、トンネル、鉄道、道路などの建築構造物では、自律的に巡回して環境調査や劣化診断などの構造ヘルスモニタリングを実施でき、検査や修理に要する維持コストの削減に寄与できる。また、オフィス、工場、農場、公共施設の環境管理、防災、遠隔監視、警備、医療福祉施設の看護や通報、自治体、学校、家庭の安全管理や犯罪防止など、応用分野は多岐に亘る。

本発明の実施形態の浮揚運動ロボットの外観構成図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットの回路ブロック構成図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットの運動機能の構成図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボット群の利用形態の説明図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボット群のネットワーク構成図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボット群の測位機能の説明図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボット群の群知能の説明図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットのバリエーションの構成図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットのバリエーションの構成図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットのバリエーションの構成図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットのバリエーションの構成図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットのバリエーションの構成図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットのバリエーションの構成図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットのバリエーションの構成図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットのバリエーションの構成図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットのバリエーションの構成図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットの移動形態の説明図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットに作用する力の説明図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットに作用する力の説明図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットに作用する力の説明図である。本発明の実施形態の浮揚運動ロボットに作用する力の説明図である。

符号の説明

１００浮揚運動ロボット、１０プロセッサモジュール（知能、無線通信機能）、１１センサモジュール（感覚機能）、１２測距センサ（測位機能）、１３無線アンテナ（触角、聴覚）、２０基部、２１脚（運動機能）、３０嚢胞（浮揚機能）。

Claims

プロセッサモジュールと、センサ部と、外部と通信するための無線通信部と、移動するための多脚、車輪、または無限軌道輪を含む運動機構と、浮力を発生させるための嚢胞また羽翼から成る浮力発生部とを備える移動ロボットであって、
該ロボットに加わる重力と上記浮力発生部による浮力の合力及び合成モーメントを運動機能に掛かる垂直抗力、摩擦力、または吸着力により支持し、
上記プロセッサモジュール、上記センサ部、または上記無線通信部からの情報に基づいて上記運動機構を駆動することにより移動することを特徴とする移動ロボット。
請求項１記載の移動ロボットが移動する主たる三次元構造面において、
該ロボットに加わる重力と浮力発生部による浮力が概ね同一の作用線上に在るように、上記プロセッサモジュール、上記センサ部、上記無線通信部、上記運動機構、上記浮力発生部が配置されて成ることを特徴とする移動ロボット。
請求項１記載の移動ロボットが移動する主たる三次元構造面において、
該ロボットに加わる重力と上記浮力発生部による浮力の作用線が上記運動機構の支点に囲まれた範囲内に在ることを特徴とする移動ロボット。
請求項１記載の移動ロボットにおいて、
上記浮揚機能が概ね軸対称または面対称な対称形から成り、該ロボットの重心が上記浮力発生部の該対称軸または該対称面上に在ることを特徴とする浮揚運動ロボット。
請求項１記載の移動ロボットが移動する天井面、壁面、床面において、
該ロボット構成材に加わる重力と浮揚機能による浮力の作用線が概ね等距離に在るように、上記プロセッサモジュール、上記センサ部、上記無線通信部、上記運動機構、上記浮力発生部が配置されて成ることを特徴とする移動ロボット。
請求項１記載の上記ロボットにおいて、
嚢胞と羽翼の双方から成る上記浮力発生部を備え、嚢胞により定常的な浮力を得て、羽翼により一時的な姿勢変更または空中浮遊を行なうことを特徴とする移動ロボット。
請求項１記載の移動ロボットにおいて、
形状記憶合金、圧電性材料、または導電性高分子による人工筋肉アクチュエータを用いて上記運動機構を駆動することを特徴とする移動ロボット。
請求項１記載の移動ロボットにおいて、
上記センサ部または上記無線通信機能部と結合した上記プロセッサモジュールによる中枢神経的情報系統と、各運動機構に分散したセンサモジュール能による反射神経的情報系統とにより上記運動機構を駆動することを特徴とする移動ロボット。
請求項１記載の移動ロボットにおいて、
上記センサ部に無線、光、音波、または画像による測距機能または測位機能を備えることを特徴とする移動ロボット。
請求項１記載の移動ロボットにおいて、
上記センサ部にカメラを備え、上記プロセッサモジュールにより画像処理または画像認識を行なうことを特徴とする移動ロボット。
請求項１記載の移動ロボットにおいて、
上記無線通信部のアンテナとして、上記センサ部、上記運動機構、または上記浮力発生部を構成する導電材を利用することを特徴とする移動ロボット。
請求項１記載の移動ロボットにおいて、
上記プロセッサモジュール、上記センサ部、上記無線通信部、または上記運動機構の動力として、電池と光または電磁波による受電器とから成る電源を備え、
電源の残量が減少すると上記センサ部を用いて給電所を感知して自律的に移動し、給電所から上記受電器により電力を受け自給することを特徴とする移動ロボット。
請求項１記載の移動ロボットにおいて、
上記プロセッサモジュール、上記センサ部、上記無線通信部、または上記運動機構の動力として電池を備え、
該ロボットが備える接触子または上記運動機構を構成する導電材を介して、三次元構造面に在る端子から受電することを特徴とする移動ロボット。
プロセッサモジュールと、センサ部と、外部と通信するための無線通信部と、移動するための多脚、車輪、または無限軌道輪を含む運動機構と、浮力を発生させるための嚢胞また羽翼から成る浮力発生部とを備えるロボットに加わる重力と上記浮力発生部による浮力の合力及び合成モーメントを運動機能に掛かる垂直抗力、摩擦力、または吸着力により支持し、三次元構造面を移動する移動ロボットの複数を含み、
各ロボットのプロセッサモジュールまたはセンサ部からの情報と、無線通信部からのロボット相互の通信情報とに基づいて、群行動を行なうことを特徴とする移動ロボット群。
請求項１４記載の移動ロボット群において、
各ロボットが上記無線通信機能として自律的なアドホック接続機能または基地局接続機能を備え、ロボット相互の通信環境または位置に応じて自己組織化無線ネットワークを編成することを特徴とする移動ロボット群。
請求項１４記載の移動ロボット群において、
各ロボットが上記プロセッサモジュールに、上記センサ部または上記無線通信部からの情報に対して自律的に判断するエージェント機能を備えることにより、マルチエージェントシステムによる群知能を備えることを特徴とする移動ロボット群。
請求項１４記載の移動ロボット群において、
各ロボットが上記プロセッサモジュールに、上記無線通信部を介してプログラムを移送するモバイルエージェント機能を備えることにより、モバイルエージェントシステムによる遺伝子交配を行なうことを特徴とする移動ロボット群。