JP2010509127A - 選択的に延出可能かつ引っ込め可能な感知付属器を有する無人地上ロボット車両 - Google Patents

Abstract

無人ロボット車両（１０）が、車両フレーム（１８）の直近領域から遠隔の位置で環境を感知することが可能である。無人ロボット車両（１０）は、感知要素（１６）を有する引っ込め可能な付属器（１４）を備える。感知要素は、カメラ、化学センサ、光センサ、力センサなどを備えることができる。

Description

関連出願
本出願は、米国特許商標庁に２００６年１１月１３日に出願された「Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ｇｒｏｕｎｄ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｈａｖｉｎｇ Ａｎ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｌｙ Ｅｘｔｅｎｄｉｂｌｅ Ａｎｄ Ｒｅｔｒａｃｔａｂｌｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ａｐｐｅｎｄａｇｅ」という題名の米国仮特許出願第６０／８５８，８０６号の優先権を主張し、その出願は、その全体が本明細書に参照によって組み込まれる。

本発明は、小型の無人地上ロボット車両に関する。より詳細には、本発明は、選択的に延出可能かつ引っ込め可能な付属器に連結された感知要素を有する無人地上ロボット車両に関する。

ロボット工学は研究の活発な領域であり、多くの異なるタイプのロボット車両がさまざまな仕事のために開発されてきた。たとえば無人飛行機は、軍事空中偵察において大きな成功を収めている。しかし、無人地上車両によって収められた成功は少なく、それは地上の環境が飛行の環境と比べて動作環境がかなり困難なものであることが一因となっている。

たとえば、飛行の環境では一般に障害物がほとんどなく視界が良好であるのと対照的に、地上の環境では一般に地形が多様でありさまざまな障害物が存在する。障害物は多くの問題を生じる。すなわち障害物は、それを登り、それを下り、その周囲を通り、またはそれを移動させる必要があるだけでなく、その障害物の下、上、または背後の領域の視界を遮る可能性がある。地上の環境で誘導すると、行き止りのような多くの後戻りをする可能性があり、通行不可能な経路は、そこに入るまで認識できない可能性がある。その上、回避できないほど手遅れになるまで、危険が発見できない可能性がある。

より大型の車両は、視界の改善をもたらし、これらの問題のうちのいくつかに対処することができる。しかし大型車両は、動力消費が増加し、秘匿性が低下し、狭い通路および小さな開口をうまく通り抜ける能力がより欠如するなどの多くの欠点を有する。したがって、誘導に対処し、障害物によって生じる問題を感知する改善された技術が求められる。

無人地上車両が直面する別の問題は、過酷な環境によって生じる脅威である。無人地上車両のセンサシステムの視界から隠れたどの位置も、敵が隠れる可能性のある場所になる。前に隠れた場所がそこから見える位置に無人地上車両を操縦すると、困ったことにその位置で車両が潜在的な脅威に曝される。前もって領域を偵察することにより、これらの脅威を回避することに役立てることができるが、そのような情報はしばしば入手不可能である。さらに、人が領域に送られる前にそのような偵察を行うことが、ロボット車両に関する１つの価値のある用途である。したがって、ロボット車両が、その使命を遂行するために必要なセンサ情報の取得に関して自給できることが望ましい。

本発明は、従来技術に固有の問題および欠陥を克服するのに役立つ、無人地上ロボット車両を含む。１つの実施形態では、無人ロボット車両は、そこに連結された付属器を有する車両本体を含む。付属器は、選択的に、主要車両本体から外側の方向に延出し、かつ主要車両本体に向かって内側の方向に引っ込めすることができる。感知要素は付属器に連結することができる。したがって感知要素は、車両フレームの直近領域から遠隔の位置で環境を感知することができる。

本発明は、添付の図面とともに読めば、以下の説明および添付の特許請求の範囲からより十分に明らかになる。これらの図面は本発明の例示の実施形態を示すに過ぎす、したがってそれらはその範囲を限定するとみなされないことが理解される。本明細書の図面に全体的に説明され、例示されるような本発明の構成要素は、多様な異なる構成で配置および設計できることが容易に理解されるであろう。それでも、本発明は添付の図面の使用によってさらに具体的かつ詳細に述べられ、説明されるであろう。

本発明の第１の例示の実施形態による選択的に延出可能かつ引っ込め可能な感知付属器を有する無人地上車両の側面図である。 感知付属器が引っ込め位置にある、図１の無人地上車両の側面図である。 本発明の第２の例示の実施形態による無人地上車両の斜視図である。 本発明の第３の例示の実施形態による無人地上車両の斜視図である。 本発明の例示の実施形態による無人地上ロボット車両を使用して環境において遠隔感知する方法の流れ図である。

本発明の例示の実施形態の以下の詳細な説明は、本明細書の一部分を形成し、例として本発明を実施できる例示の実施形態がそこに示される添付の図面に参照を行う。これらの例示の実施形態は、当業者が本発明を実施可能にするために十分に詳しく説明されるが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、その他の実施形態が実現でき、本発明に対してさまざまな変更を行うことができることを理解されたい。したがって、本発明の実施形態の以下のより詳細な説明は、特許請求の範囲に記載されるように、本発明の範囲を限定するために意図されるものではなく、本発明の特徴および特質を述べるため、本発明の最良の動作モードを明記するため、ならびに当業者が本発明を十分に実施できるようにするために、限定ではなく例示の目的のみのために示される。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。

本発明の以下の詳細な説明および例示の実施形態は、添付の図面を参照することによってもっともよく理解され、本発明の要素および特徴が全体を通して数字によって示される。

図１を参照すると、本発明の第１の例示の実施形態による無人地上車両の図が示される。特に図１は、車両本体１２、付属器１４、およびセンサ１６を備える無人地上車両１０を示す。車両本体は、車両が環境内で移動できるようにするためにその中に装着された無限軌道２０を有するフレーム１８を備えることができる。無限軌道の一部分は、無人地上車両に推進力を与えるために地上に接触する。たとえば、本明細書に参照によって組み込まれる、本願の権利者が保有し、同時係属の２００６年に１１月１３日に出願された「Ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｃｒａｗｌｅｒ」という名称の米国仮特許出願第６０／８５８，９１７号、および２００６年に１１月１３日に出願された「Ｔｒａｃｋｅｄ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｃｒａｗｌｅｒ Ｈａｖｉｎｇ ａ Ｍｏｖｅａｂｌｅ Ａｒｍ」という名称の米国仮特許出願第６０／８５８，９１５号には、本発明の実施形態に使用できるさまざまな車両本体の実施形態が記載される。本開示を手にした当業者が思いつくような、さまざまなその他の本体構成を使用することができる。

付属器１４は、車両本体から外側に延出するが、図２に示されるように車両本体に向かって内側に引っ込めることができる。たとえば付属器は、車両本体の中に、車両本体に部分的に、または車両本体に横付けして引っ込めることができる。センサは付属器の遠位端２２のところに装着でき、したがって車両フレームの直近領域から遠隔の位置で環境を感知することができる。

無人地上車両１０の１つの利点は、センサ１６が車両本体１２を危険に曝す必要なしに、無人地上車両の感知能力の向上が可能になることである。たとえば、付属器１４は車両本体１２が安全に保護されながら、角の陰から視察し、急斜面の上から視察し、または保護された覆いのある領域の下から上方を視察するために延出することができる。隠れた敵からの攻撃の危険は、主としてセンサおよび付属器に限定される。センサおよび／または付属器が攻撃され、損傷しても、無人地上車両は動作し続けることができる。無人地上車両の能力は、対応するセンサを有する複数の付属器を備えることによって向上できる。

付属器１４は、図１に示されるように車両本体１２の移動の線２４に沿った前方向に延出することに限定される必要はない。図３は無人地上車両１０’の別の実施形態を示し、付属器１４’が車両本体の移動の線２４に対して側方２６に延出する。その他の変形形態も同様に使用できる。たとえば、垂直に延出する付属器は、通常は車両本体によって可視であり、または到達が可能なものを超える高さにセンサを配置できる。

付属器１４の別の利点は、無人地上車両１０によって到達できない領域に関して感知を遂行できることである。たとえば、付属器は無人地上車両が小さすぎて入ることができない開口または穴に挿入できる。付属器は、たとえばセンサ１６を位置決めする際により大きな可撓性をもたらすために、関節を備えることによって関節動作することもできる。これにより、車両本体１２の視線の内側にない領域を感知することもできる。

付属器１４は、自己支持型であるように設計できる。自己支持型付属器は、支持面に置かれる必要はなく、したがってたとえば縁部を越えて垂直または水平に延出できる。しかし、自己支持型付属器は、到達できる距離に限定される可能性がある。

あるいは、付属器は可撓性および非自己支持型であることができる。図４は、可撓性の非自己支持型付属器３２およびセンサ３４を有する無人ロボット車両３０を示す。たとえば、付属器は、スプール３６の上に引っ込めることができる光ファイバケーブルを備えることができる。高帯域が光ファイバケーブルによって伝送できるので、センサは非常に高度なものにすることができ、車両本体に戻して通信できる大きなセンサデータ転送率を提供する。光ファイバまたは小径のワイヤケーブルを使用することにより、比較的小さなスプールを使用しながら車両本体とセンサの間に長い距離を設けることができる。

可撓性の付属器３２を使用し配備するさまざまな方法が可能である。たとえば、穴を下降するために可撓性の付属器が延出でき、重力を利用してセンサ３４および付属器を穴に引き込むのを助けることができる。別の例として、パイプなどの閉じた領域内で、付属器は地表面に沿って摺動するために延出できる。そのような配備における達成可能な延長距離は、付属器と地表面の間の摩擦の量、ならびに付属器の軸方向の剛性に依存する。軸方向の剛性は、付属器の長手方向軸の方向に加えられた力による撓みに対する付属器の抵抗を意味する。配備された付属器の長さが増加すると、付属器を摺動させることに対抗する摩擦が増加する。十分に長く配備された長さに対して、この摩擦は十分に高いので、付属器をより遠くの距離に押そうとすると付属器が座屈する。この座屈は、たとえば可撓性の光ファイバまたは同様のケーブルに必ずしも損傷を生じないが、センサを少しでもさらに遠くに配備するセンサの能力を限定する可能性がある。摩擦の量は、環境に応じて変わる。たとえば、濡れたパイプの内側は、比較的低い摩擦を生じる可能性があり、アスファルトの表面は比較的高い摩擦を生じる可能性がある。

可撓性の付属器３２は、車両本体の視線の内側にない点にセンサ３４を配備することもできる。たとえば、付属器はいくつかの曲げおよび／または継手を有するパイプを蛇行して降りることができる。可撓性の付属器は、遠隔の領域にアクセスするセンサの能力を向上させるだけでなく、付属器は無人地上車両が付属器を延出させながらより保護された位置のままにすることもできる。

可撓性の付属器およびセンサ３４は、無人ロボット車両３０’と比べて、相対的に小さいものであることができる。無人ロボット車両が監視されている領域に非常に密接して近づく必要がないので、これにより離散的な監視を行うことが可能になる。次いで可撓性の付属器は、監視される領域内にゆっくりと、かつ静かに延出できる。

付属器３２を使用する別の動作モードは、無人ロボット車両３０が移動するときにその後ろにセンサ３４を配備することである。たとえば、センサは第１の位置に配置され、次いで無人地上車両が付属器を延出しながら第２の位置に移動できる。

センサは付属器の遠位端のところに配置されて図示および説明されてきたが、これは必須ではない。センサは車両本体に配置し、付属器を介して遠隔の環境と通信できる。たとえば、化学センサに関して、遠隔の環境の試料採取はストローまたはチューブ様の付属器を介して試料を採取することによって行うことができる。

センサは、無人地上車両の誘導に使用される情報を集めるために使用できる。センサによって集められた情報は、無人地上車両の誘導システムにフィードバックできる。無人地上車両は、向上した状況認識を得るために、付属器を延出し、移動させることによってさまざまな方向に車両から遠隔の環境を探査できる。得られる追加の情報は、より効率的で安全な移動を計画するために使用できる。誘導には、（たとえば車両本体に装着されたセンサから得られたデータを使用する）直近の環境、および（付属器に接続されたセンサから得られたデータを使用する）遠隔の環境の両方を考慮に入れることができる。

センサデータは、たとえば偵察または監視の用途で無人地上車両によって別の位置に伝達することもできる。たとえば、無線ラジオ、空間伝搬光、および超音波音響の通信リンクなどを含む、適用可能な当分野のさまざまな通信方法が知られている。そのような状況での無人地上車両の使用は、個人が危険な状況に曝されるのを回避するのを助けることができる。したがって、無人地上車両は、状況にアクセスするための化学的、生物学的、およびさまざまなその他の物理的な測定値を集めるために危険な領域内に送ることができる。

さまざまなタイプのセンサが本発明の実施形態で使用できる。より具体的には、本発明に有用なセンサのタイプには、カメラ、化学センサ、生物センサ、光センサ、水分センサ、振動センサ、温度センサ、電磁センサ、音センサ、力センサなどが含まれる。ほとんどのセンサは、その環境に関係する情報の受動的な収集装置であるが、能動的なセンサも知られ、無人地上車両とともに使用できる。能動的なセンサは、環境を能動的に探査することによって環境に関する情報を集め、そのセンサには、たとえばソナー、レーダー、ライダー、照明付きカメラなどが含まれる。より具体的には、それによってカメラが視認できる照明を提供するために、カメラセンサを有する光源を備えることが望ましい可能性がある。カメラは、可視、赤外、紫外、または電磁スペクトルの他の領域で動作でき、あるいは電磁スペクトルのいくつかの異なる領域にわたって同時に動作することもできる。使用できるその他のセンサのタイプには、放射性同位元素センサ（ガンマ線検出器、ベータ線検出器、アルファ粒子検出器）、地震感知器、（たとえば暗視装置の）光増幅器、熱画像カメラ、圧力センサ、磁力計）などが含まれる。試料採取型のセンサ（たとえば地表面、流体、化学物質などを試料採取する）も使用できる。複数のセンサおよびセンサの種類が付属器に接続できる。

付属器は、図３に示されるように、マニピュレータを備えることもできる。マニピュレータ２８は、付属器１４’の遠位端２２の付近に配置される。たとえば、マニピュレータは、物体を選択的に把持し、把持解除することができる爪であることができる。したがって無人地上車両１０’は特定の位置へ移動し、その点でマニピュレータおよび付属器を使用してペイロード（payload）を取り上げ、または置くことができる。

別の実施形態では、センサ１６’を付属器に取外し可能に取り付けることができる。言い換えれば、センサがペイロードである。これによって、センサが付属器１４’によって取り上げ、下ろすことができるようになる。センサデータが別の位置に伝達できるように、センサは電源および通信リンクを備える独立したものであることができる。無人地上車両は、マニピュレータを使用していくつかの位置に配置できる複数のセンサを備えることができる。

上述したようないくつかの無人地上車両が同時に配備できる。無人地上車両は、そのセンサ情報をセンサ・インテグレーション・ポイント（ｓｅｎｓｏｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ）へ伝達でき、そこで追加の処理が遂行される。能力の向上を得るためにセンサデータを組み合わせるさまざまな方式が当分野で知られている。たとえば、電磁センサ、振動センサ、または音エネルギーセンサが仮想的なアレイ（ｖｉｒｔｕａｌ ａｒｒａｙ）に組み合わされて、三角測量、位置特定、エネルギー源の解決の能力を提供する。複数の位置からの領域の視覚的な画像により、立体画像および３次元マップを形成可能にすることができる。

複数の無人グループ車両は、通信中継（たとえば無線波通信または光波通信など）、周辺保護または周辺感知、危険状態の検出（たとえば地雷、急造爆発装置、兵器など）を提供するために配備することもできる。

図５は、無人地上ロボット車両を使用した、環境においての遠隔感知の方法の流れ図を示す。上述したように、無人地上ロボット車両は、センサがそこに接続された選択的に延出可能かつ引っ込め可能な付属器を有する。方法は全体的に４０で示され、環境内の第１の点に無人地上ロボット車両を配置するステップ４２を含む。たとえば、車両は自律的に、または使用者の制御の下で第１の点に誘導できる。方法の別のステップは、付属器の遠位端を環境内の第２の点に配置するために、無人地上ロボット車両から付属器を延出するステップ４４である。第２の点は無人ロボット車両の視線内になくてもよい。たとえば上述したように、第２の点は、岩棚または穴の縁部の角または上を通過できる。付属器が配置された後、方法は付属器を介して第２の点で環境に関するセンサデータを集めるステップ４６を含むことができる。別のステップは、付属器を引っ込めさせるステップ４８を含むことができる。

ある程度まとめ、反復すると、本発明の実施形態による無人地上車両は向上した感知および機動力を提供できる。感知付属器は、車両を遠隔の環境の危険に曝す必要なしに、車両から遠隔の環境の感知を可能にする。剛性の付属器は、短い範囲の距離内でのコーナーおよびカーブの周囲を感知することを可能にすることができる。可撓性の付属器は、大きな距離、たとえば深い穴や長いトンネルのところを感知することを可能にすることができる。無人地上車両のグループからのセンサデータは、向上した感知能力をもたらすために組み合わせることができる。

前述の詳細な説明は、特定の例示の実施形態を参照して本発明を説明する。しかし、添付の特許請求の範囲に明記したように本発明の範囲から逸脱せずにさまざまな修正および変形を行うことが可能であることが理解されよう。詳細な説明および添付の図面は、限定するものではなく例示のものにすぎないとみなされ、全てのそのような修正または変更は、もしあれば、本明細書に説明および明記されるように本発明の範囲内に収まることが意図される。

より具体的には、本発明の例示の実施形態を本明細書に説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、前述の詳細な説明に基づいて当業者によって理解されるような修正、省略、組合せ（たとえばさまざまな実施形態の間の態様の）、改造、および／または改変を有する任意および全ての実施形態を含む。特許請求の範囲における限定は、特許請求の範囲で使用された言語に基づいて広く解釈され、前述の詳細な説明で、または出願手続中に説明された例に限定されず、その例は排他的でないと解釈される。たとえば、本開示において、用語「好ましくは」は非排他的であり、「好ましいが、それには限定されない」を意味することが意図される。任意の方法または製法のクレームに列挙された任意のステップは、任意の順で実行でき、特許請求の範囲に表された順に限定されない。ミーンズ・プラス・ファンクション（ｍｅａｎｓ−ｐｌｕｓ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ）、またはステップ・プラス・ファンクション（ｓｔｅｐ−ｐｌｕｓ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の限定は、特定の特許請求の範囲の限定に関して、以下の全てのａ）「〜に関する手段」または「〜に関するステップ」が、その限定に明確に記載される、ｂ）対応する機能がその限定に明白に記載される、ｃ）この機能を裏付ける構造、材料、または作用が明細書中に述べられる、という条件がある場合にのみ使用される。したがって、本発明の範囲は、上記に与えられた説明および例によってではなく、添付の特許請求の範囲およびその法的な等価物によってのみ決定するべきである。

Claims (20)

1. 環境内で移動が可能な車両本体と、
   前記車両本体に連結され、選択的に前記主要車両本体から外側の方向に延出し、前記主要車両本体に向かって内側の方向に少なくとも部分的に引っ込めるように構成された付属器と、
   前記付属器に連結され、車両フレームの直近領域から遠隔の位置で前記環境を感知するように構成されたセンサとを備える、無人地上ロボット車両。
2. 前記センサが、遠位端のところで前記付属器に配置された、請求項１に記載のシステム。
3. 前記センサが、前記付属器に取外し可能に取付け可能である、請求項２に記載のシステム。
4. 前記センサがカメラを備える、請求項１に記載のシステム。
5. 前記センサが化学センサを備える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記センサが光センサを備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記センサが力センサを備える、請求項１に記載のシステム。
8. 前記付属器が、前記車両本体の移動の線に対して実質的に前方に延出するように構成された、請求項１に記載のシステム。
9. 前記付属器が、前記車両本体の移動の線に対して実質的に側方に延出するように構成された、請求項１に記載のシステム。
10. 前記付属器が、前記付属器の遠位端の付近に配置されたマニピュレータをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
11. 前記付属器が光ファイバをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
12. 前記付属器が引っ込んだときに、前記光ファイバを巻きつけるためのリールを前記付属器がさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記付属器が可撓性であり非自己支持型である、請求項１に記載のシステム。
14. 前記付属器が剛性であり自己支持型である、請求項１に記載のシステム。
15. そこに連結されたセンサを有する、選択的に延出可能かつ引っ込め可能な付属器を有する無人地上ロボット車両を使用して環境において遠隔感知する方法であって、
    前記環境内の第１の点に前記無人地上ロボット車両を配置するステップと、
    前記付属器の遠位端を前記環境内の第２の点に配置するように、前記無人地上ロボット車両から前記付属器を延出するステップであって、前記第２の点が前記第１の点から離されているステップと、
    前記付属器を介して前記第２の点で前記環境に関するセンサデータを集めるステップと、
    前記付属器を引っ込めさせるステップとを含む方法。
16. ペイロードを前記付属器の前記遠位端に取外し可能に取り付けるステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ペイロードを前記第２の点に置くステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ペイロードを前記第２の点のところで取り上げるステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記センサデータに基づいて前記無人ロボット車両の移動を制御するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
20. 追加の無人地上車両から受けた追加のセンサデータを前記センサデータと組み合わせるステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。

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