JP2010509129A - 蛇行型ロボット式無限軌道車 - Google Patents

Abstract

多数の運動の動きが可能な蛇行型ロボット式無限軌道車が開示される。この蛇行型ロボット式無限軌道車は、少なくとも１つの作動リンクによって共に連結された複数のフレーム・ユニットを備える。各フレーム・ユニットは、蛇行型ロボット式無限軌道車の前方の運動を可能にする無限軌道を備える。少なくとも１つの作動リンクは、蛇行型ロボット式無限軌道車がさまざまな姿勢をとることを可能にするいくつかの運動の自由度を有する。

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「Ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｃｒａｗｌｅｒ」という題名の米国仮特許出願第６０／８５８，９１７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、高い自由度の作動リンク（ａｃｔｕａｔｅｄ ｌｉｎｋａｇｅ）によって相互連結された複数軌道式のフレーム・ユニットを有する蛇行型ロボット式無限軌道車に関する。

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、それは地上の環境は飛行の環境よりも移動がかなり困難であることが一因となっている。

無人地上車両は、機動力が試される場合に多くの困難に直面する。地形は、たとえば、緩く、移動する物質、障害、植生、幅および高さの制限された空地、段差などを含み、多様である可能性がある。１つの環境での動作に最適化された車両は、その他の環境では低い性能しか発揮できない。

車両の大きさに関連するトレードオフもある。大きな車両は、たとえば段差、下降、間隙などを含むいくつかの障害によりよく対処することができる。一方で、大きな車両は、容易に狭い通路をうまく通り抜けられず、またはパイプの内側を這って進むことができず、また植生によってより簡単に抑止されてしまう。大きな車両は、より容易に位置を突き止められる傾向にもあり、したがって離散的な偵察の用途にはあまり望ましくはない。対照的に、小さな車両はより離散的であるが、障害を克服することはより大きな進路誘導上の課題となる。

さまざまな機動性の構成が、異なる地形を移動するために適用されている。これらの選択肢には、脚、車輪、および軌道が含まれる。脚の付いたロボットは俊敏であるが、移動および安定性を得るために複雑な制御機構を使用する。車輪付きの車両は、高い機動性をもたらすことができるが、限られたトラクションしかもたらすことができず、安定性を得るために幅が必要になる。

装軌車が知られ、従来からタンク様式の構成で構成されている。装軌車はある種の環境において高い安定度を可能にすることができるが、一般に装軌車は、非常に小さな車両には限定された操作性しかもたらさない。さらに、よく知られている装軌車は、特に地形が狭く、経路が曲がりくねっている場合に多様な障害に対応することができない。

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、蛇行型ロボット式無限軌道車を含む。１つの実施形態では、蛇行型ロボット式無限軌道車は、第１のフレームおよび第２のフレームを備え、各フレームは、その中に回転可能に支持された無限軌道を有する。第１および第２のフレームは、作動リンクアームによって連結されている。このリンクアームは、それぞれのフレームに各端部で連結された一対の腕状の作動リンクと、腕状の作動リンクの間の肘状の作動関節とを有する。

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。

本発明の例示の実施形態による蛇行型ロボット式無限軌道車の斜視図である。 本発明の実施形態による腕状の作動リンクの斜視図である。 本発明の実施形態による肘状の作動リンクの斜視図である。 本発明の実施形態による腕状の作動リンクの斜視図である。 本発明の実施形態による露出した底部を備える実質的に密封された無限軌道を有するフレームの斜視図である。 本発明の実施形態による露出した上部および露出した底部を備える無限軌道を有するフレームの斜視図である。 本発明の一実施形態によるタンク様の構成での蛇行型ロボット式無限軌道車の斜視図である。 本発明の一実施形態による蛇様の構成での蛇行型ロボット式無限軌道車の斜視図である。 本発明の一実施形態による外側を上る構成での蛇行型ロボット式無限軌道車の斜視図である。 本発明の一実施形態による異なる内側を上る構成での蛇行型ロボット式無限軌道車の斜視図である。 本発明の一実施形態による異なる内側を上る構成での蛇行型ロボット式無限軌道車の斜視図である。 本発明の一実施形態による異なる内側を上る構成での蛇行型ロボット式無限軌道車の斜視図である。 図１１（ａ）は本発明の一実施形態による自力で立て直す蛇行型ロボット式無限軌道車の一連の移動の上面図である。図１１（ｂ）は本発明の一実施形態による自力で立て直す蛇行型ロボット式無限軌道車の一連の移動の上面図である。図１１（ｃ）は本発明の例示の実施形態による自力で立て直す蛇行型ロボット式無限軌道車の一連の移動の上面図である。図１１（ｄ）は本発明の例示の実施形態による自力で立て直す蛇行型ロボット式無限軌道車の一連の移動の上面図である。図１１（ｅ）は本発明の例示の実施形態による自力で立て直す蛇行型ロボット式無限軌道車の一連の移動の上面図である。 図１２（ａ）は本発明の一実施形態による蛇行型ロボット式無限軌道車に関するさまざまな姿勢の斜視図である。図１２（ｂ）は本発明の一実施形態による蛇行型ロボット式無限軌道車に関するさまざまな姿勢の斜視図である。図１２（ｃ）は本発明の一実施形態による蛇行型ロボット式無限軌道車に関するさまざまな姿勢の斜視図である。図１２（ｄ）は本発明の一実施形態による蛇行型ロボット式無限軌道車に関するさまざまな姿勢の斜視図である。図１２（ｅ）は本発明の一実施形態による蛇行型ロボット式無限軌道車に関するさまざまな姿勢の斜視図である。図１２（ｆ）は本発明の一実施形態による蛇行型ロボット式無限軌道車に関するさまざまな姿勢の斜視図である。 本発明の一実施形態による制御システムの概略図である。 本発明の別の実施形態による蛇行型ロボット式無限軌道車である。 本発明の別の実施形態による蛇行型ロボット式無限軌道車である。

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最もよく理解され、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蛇行型ロボット式無限軌道車の図が示される。具体的には、図１は、第１のフレーム１２および第２のフレーム１４を含むものとして、蛇行型ロボット式無限軌道車１０を示す。各フレームは、フレームに回転可能に支持された無限軌道１６、１８を備える。フレームは、多自由度の作動リンクアーム２０によって共に連結される。多自由度のリンクアームは、第１のフレームに連結された第１の腕状の作動リンク２２、第２のフレームに連結された第２の腕状の作動リンク２４、および第１と第２の腕状の作動リンクの間に連結された肘状の作動関節２６を備える。

図２にさらに詳細に示される腕状の作動リンク２２、２４は、２つの異なる側方の軸２８、２９を中心とした曲げ運動、および長手方向軸３０を中心とした回転運動を行う。長手方向は、長手方向軸を中心とした運動が捻じり運動または回転運動に対応するように、全体的に作動リンクに沿って向けられた方向を指す。側方は、側方軸を中心とした運動が曲げ運動に対応するように、長手方向軸に対して全体的に垂直またはある角度で向けられた方向を指す。２つの異なる側方軸は、それに限定されるわけではないが、互いに直角になっていることができる。図３にさらに詳細に示される肘状の作動関節は、側方軸３２を中心とした曲げ運動を提供する。

腕状の作動リンク２２、２４は、さまざまな様式で構成することができる。たとえば、腕状の作動リンクは、一連の連結された組合せのヨー曲げ関節、ピッチ曲げ関節、および回転関節を備えることができ、さまざまなアームリンクが関節とフレームの間に連結されている。たとえば、図４に示されるように、本発明の１つの実施形態によれば、腕状の作動リンク４０がヨー曲げ関節４４を介してフレーム１２、１４に連結されたヨーアーム４２を備えることができ、それによって無限軌道１６、１８が定格の動作位置にあり、かつ実質的に水平の支持面に接触している場合に、フレームに対して実質的に垂直に向けられた側方軸２８を中心とした曲げである、ヨー４６を提供する。腕状の作動リンクは、フレームに対して実質的に水平に向けられた側方軸２９を中心とした曲げである、ピッチ５２を提供するピッチ曲げ関節５０を介してヨーアームに連結されたピッチアーム４８を備えることもできる。腕状の作動リンクは、ピッチアームの長手方向軸３０を中心とした回転であるロール５６を提供する回転関節５４も備えることができる。垂直および水平に対する言及は、その支持面の上で蛇行型ロボット式無限軌道車が動作し、無限軌道が支持面と接触する場合の、実質的に水平の支持面に対する定格の方向を指す。蛇行型ロボット式無限軌道車が転倒した場合に、蛇行型ロボット式無限軌道車に対する垂直方向が支持面に対して実際に水平であることが理解されよう。

フレーム１２、１４および無限軌道１６、１８をさらに詳細に検討すると、図５に示されるように底部６０のみが露出されるように無限軌道が実質的に密閉され、または図６に示されるように無限軌道１６、１８の上部６２および底部６０が露出するように無限軌道が部分的に密閉されるようにフレームをさまざまな様式で構成することができる。無限軌道の上部および底部の両方が露出される場合、フレームはどちらの側が上に向けられても、推進力を提供できることに留意されたい。この構成の利点は、蛇行型ロボット式無限軌道車の動作が以下にさらに論じられると、より明白になるであろう。フレームは、無限軌道を駆動するために無限軌道に連結された駆動部（図示されない）を備えることができる。任意で、駆動部は、ある範囲の速度にわたって（たとえば時計回りおよび反時計回りの）どちらの方向にも無限軌道を駆動するように構成することができる。無限軌道に駆動力を加えるためのさまざまなタイプの駆動部および連結技術が知られ、本発明の実施形態に適用することができる。

図１に戻って参照すると、高い自由度の作動リンクアーム２０と二連の単一軌道のフレーム１２、１４の組合せによって、蛇行型ロボット式無限軌道車１０が次に説明されるように多くの異なる運動のモードを可能にする。蛇行型ロボット式無限軌道車を動作させることは、蛇行型ロボット式無限軌道車に対する所望の姿勢を確立するために、多自由度の作動リンクアーム（ａｃｔｕａｔｅｄ ｍｕｌｔｉ−ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ ｌｉｎｋａｇｅ ａｒｍ）を関節動作させることを含むことができる。無限軌道１６、１８の駆動動作は、さらに蛇行型ロボット式無限軌道車の姿勢を制御し、運動を提供するために、高い自由度の作動リンクアームの関節動作と連携できる。蛇行型ロボット式無限軌道車の姿勢を確立する場合に、関節にかかるトルクおよび力が本明細書にさらに論じられるように計算に入れることができる。

第１の姿勢が本明細書で「タンク」構成と呼ばれ、第１のフレーム１２および第２のフレーム１４が図７に示されるように横に並んで配置される。フレームは、作動リンクアーム２０から同じ方向に延出し、平行であってもよいが、それは必須ではない。タンク構成は、たとえば険しい坂を移動する場合に蛇行型ロボット式無限軌道車１０に側方の安定性を提供する。蛇行型ロボット式無限軌道車は、無限軌道１６、１８を同じ方向に駆動することによって前方および逆方向に移動でき、無限軌道を反対方向に駆動することによって旋回される。一般に、タンク様構成で蛇行型ロボット式無限軌道車を移動させることは、無限軌道に（反対方向を含む）異なる駆動速度を加えることを伴う可能性がある。

第２の姿勢が本明細書で「列車」構成と呼ばれ、第１のフレーム１２および第２のフレーム１４が、図８に示されるように、端部同士を整列して配置される。フレームは、平行であってもよいが、それは必須ではない。列車構成により、より小さな輪郭が提供され、それによって蛇行型ロボット式無限軌道車１０が小さな穴、パイプ、トンネルなどに入ることができるようになる。列車構成により、蛇行型ロボット式無限軌道車が、間隙および穴を橋渡しすることもできるようになる。列車構成では、無限軌道１６、１８を駆動することによって前方および逆方向の運動が提供される。タンク構成に対して、無限軌道のうちの１つの方向の向きが逆になることに留意されたい。蛇行型ロボット式無限軌道車の旋回は、第１のフレームと第２のフレームの間の角度を形成するために、作動リンクアーム２０の動作によって提供できる。

蛇行型ロボット式無限軌道車は、構造の外側を上るように構成することもできる。図９に示されるように、蛇行型ロボット式無限軌道車１０は、無限軌道の露出部分７２、７４が互いに向かい合い、構造の両側の外面７６、７８に接触するように、構造７０の周りに巻きつけられる。無限軌道を駆動して、蛇行型ロボット式無限軌道車が構造を上下に移動できる。この外側を上る構成で、たとえばポールを含む多くの異なる構造的なジオメトリを上昇できる。

蛇行型ロボット式無限軌道車は、構造の内側を上るように構成することもできる。図１０（ａ）および１０（ｂ）は、２つの異なる内側を上る構成を示す。１つの内側を上る構成では、蛇行型ロボット式無限軌道車１０は、無限軌道の露出部分７２、７４が互いに反対を向き、構造７０の対向する内面８０、８２と接触するように構成される。内側を上る構成は、パイプ、煙突、ウォールインテリアなどを上るのに役立つことができる。

図１０（ｃ）に示されるように、構造の同じ内面８０と接触して無限軌道の露出部分７２、７４を同じ方向に向け、対向する内面８２と接触して作動リンクの部分を配置することによって、蛇行型ロボット式無限軌道車が構造７０の内側を上ることが可能であることもできる。

さまざまな関節運動が同様に、蛇行型ロボット式無限軌道車に関して可能である。たとえば、図１１（ａ）〜１１（ｅ）は、上から見た図で、横転した蛇行型ロボット式無限軌道車の１つの技術である自力での立て直しを示す。蛇行型ロボット式無限軌道車１０は、図１１（ａ）でその側面を付けて横たわって示され、無限軌道の露出部分７２、７４がもはや表面と接触していない。第１のステップでは、作動リンクアーム２０がフレームを図１１（ｂ）に示されるように約９０度の角度で配置するように作動される。これは、その点で腕状の関節のうちの１個が図１１（ｃ）に示されるような表面と接触して、無限軌道の露出表面のうちの１つを配置するために回転できる、安定した構成をもたらす。次いで、もう１個の腕状の関節は、図１１（ｄ）に示されるようにもう１つのフレームを同様に配置するように回転される。この点で、両方の無限軌道は、表面と接触する。次いで、リンクアームは図１１（ｅ）に示されるように、蛇行型ロボット式無限軌道車が続くことができるように真っ直ぐにされる。任意で、蛇行型ロボット式無限軌道車が前に進み始めながら、リンクアームを真っ直ぐにすることができる。蛇行型ロボット式無限軌道車は、その向きを決定し修正するのを補助するために、軌道荷重センサ、慣性基準などのシステムを含むことができる。たとえば、２００６年１１月１３日に出願され、参照によって本明細書に組み込まれる、本願の権利者が所有し、同時係属の「Ｃｏｎｆｏｒｍａｂｌｅ Ｔｒａｃｋ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ｆｏｒ ａ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｃｒａｗｌｅｒ」という名称の米国仮特許出願第６０／８５８，８０５号は、本発明の実施形態に使用できるデフレクタおよび荷重感知要素を備える無限軌道用の懸架システムを記載する。

その他の自力立て直し運動モードも可能である。たとえば、蛇行型ロボット式無限軌道車１０は、蛇行型ロボット式無限軌道車が実質的に軌道の最も離れた端部のみによって実質的に支持されるように、（以下にさらに説明されるように）作動リンクアーム２０を動作することによって弓状の構成に配置できる。この構成は、不安定である可能性があり、関節式リンクアームのさらなる動作によって蛇行型ロボット式無限軌道車を横転させる。

本発明の実施形態による蛇行型ロボット式無限軌道車は、より従来的な車輪付きの車または装軌車では不可能な多くの数の姿勢モードおよび運動モードが可能である。蛇行型ロボット式無限軌道車１０がとることができるさらなる姿勢が、図１２（ａ）〜１２（ｆ）に示される。たとえば、作動リンクアーム２０はフレーム１２、１４を互いに対してある角度で配置できる。したがって、蛇行型ロボット式無限軌道車は、上（図１２（ａ））、下（図１２（ｂ））、左（図１２（ｃ））、または右（図１２（ｄ））方向に弓状にできる。上下に弓状にすることは、窪みおよび隆起などの地形の平らでない部分を進路誘導するのに役立つことができる。左右に弓状にすることは、旋回し障害物を避けるのに役立つことができる。

別の姿勢は、つづら折り構成（ｚａｇ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）と呼ぶことができ、フレームが平行な線で向けられるが、図１２（ｅ）に示されるように作動リンクアームから反対の方向にオフセットし、延出する。タンク構成と同様に、つづら折り構成は、蛇行型ロボット式無限軌道車にさらなる安定性を提供できる。

さまざまな姿勢が静止的な意味で説明されたが、蛇行型ロボット式無限軌道車はそれが操作されると、その姿勢を劇的に変えることができることが理解されよう。さらに、蛇行型ロボット式無限軌道車が動作する環境に応じて、上記の姿勢の修正されたバージョンも有用であると証明できる。

上記に論じたように、さまざまな動的な運動モードが可能である。前述の議論は、推進力を提供する無限軌道の動作に焦点を当てた原理を有するが、作動リンクの動作も推進を補助できることが理解されよう。たとえば、作動リンクの突然の律動的な動きが、もつれたときに蛇行型ロボット式無限軌道車にトラクションを提供し、または自由にするのに役立つことができる。別の例として、軌道の空間的な向きは、その上を移動している表面に合致するために作動リンクによって周期的または連続的に調整できる。たとえば、図１２（ｆ）は捩れた構成を示す。

多自由度の関節式リンクアーム２０の議論に戻ると、蛇行型ロボット式無限軌道車の実施形態用にさまざまなその他の構成も可能である。一般に、リンクアームは、７つの異なる軸を中心とした運動を提供する少なくとも７つの作動関節を備える（しかし、これらの軸のうちのいくつかは場合によっては互いに同一直線上になることができる）。これらの関節は、単軸、二軸、三軸の関節であることができる。リンクアームは以下の一連の連結された組合せのうちの任意のものを含むことができる。

・７個の単軸関節
・３個の単軸関節、および２個の二軸関節
・１個の単軸関節、および２個の三軸関節
・２個の二軸関節、および１個の三軸関節
たとえば、リンクアームは５個の単軸の作動曲げ関節と２個の単軸の作動回転関節の一連の組合せを含むことができ、曲げ関節は少なくとも２個の異なる関節軸を提供する。たとえば、４個の曲げ関節を、リンクの中心に配置された第５の曲げ関節を中心にして対称的に配置することができ、２個の曲げ関節が中心のそれぞれの側に配置される。回転関節は、中心の周りに対称的に配置することもできる。たとえば、回転関節は、対称的に配置された曲げ関節の間に配置され、またはフレームに隣接して配置された、（たとえば、図７に示されるように）第５（中心に置かれた）曲げ関節に隣接して配置できる。

あるいは、直列の２個の単軸関節として同じ２自由度を提供する二軸関節、または直列の３個の単軸関節として同じ３自由度を提供する三軸関節も使用できる。二軸関節は、たとえば、２軸における曲げを提供できる。これらの軸は直交することができるが、それは必須ではない。三軸関節は、たとえば、２つの側方軸における曲げ、および第３の長手方向軸を中心とした回転を提供できる。

関節は、曲げまたは回転運動を提供する回転関節に限定される必要はない。平行運動を提供する直動関節も含むことができる。関節は、たとえば偏心運動を提供するための回転および直動の特徴の両方を組み込むことができる。

次に、蛇行型ロボット式無限軌道車１０の制御がさらに詳細に論じられる。上記に示したように、蛇行型ロボット式車両の運動および姿勢は多自由度の作動リンクアーム２０の関節動作、および無限軌道１６、１８の回転によって制御できる。したがって、図１３に概略の形で示されるように、蛇行型ロボット式無限軌道車は制御サブシステム９０を備えることができる。制御サブシステムは、蛇行型ロボット式無限軌道車の姿勢を制御するために、作動リンクアーム２０の各作動関節９２と接続している。制御システムは、無限軌道の回転の速さおよび方向を制御するために、第１および第２の無限軌道に連結された駆動ユニット９４とも接続して、蛇行型ロボット式無限軌道車の運動を制御することができる。制御システムは、制御サブシステム、リンクアームの関節、および駆動ユニットの間で交信するように構成された通信網９６も備えることができる。

通信網のさまざまな実装形態が可能である。たとえば、多数のノードが、たとえばＲＳ−４８５、ＲＨＡＭＩＳ、ＵＳＢ、イーサネットなどを含む限られた数のワイヤで通信できるようにするさまざまな通信プロトコルが知られている。あるいは、通信網は無線構成要素を含むことができる。たとえば、通信網は、蛇行型ロボット式無限軌道車と蛇行型ロボット式無限軌道車から離れて配置された制御システムとの間の通信を提供する無線部分を備えることができる。

制御サブシステムのさまざまな実装形態が可能である。たとえば、１つの実施形態では、制御システムは、蛇行型ロボット式無限軌道車の制御のためにマスター複製を使用できる。マスター複製制御システムでは、マスター複製は蛇行型ロボット式無限軌道車から離れて配置される。マスター複製は、蛇行型ロボット式無限軌道車と同じ関節を含み、所望の姿勢に手動で操作される。関節に配置されたセンサが関節の位置を感知し、これらの位置は蛇行型ロボット式無限軌道車に伝達され、蛇行型ロボット式無限軌道車はその関節を作動させて同じ姿勢を確立しようとする。任意で、蛇行型ロボット式無限軌道車の関節は、力センサ、トルクセンサ、またはその両方を含むことができ、それによって関節にかかる力および／またはトルクが測定できるようになる。関節の力および／またはトルクは、任意で複製のマスターに伝達して戻され、それによって制御システムに力のフィードバックを提供する。本発明の実施形態に適用できる、さまざまな力のフィードバック制御システムが知られている。

制御システムは、蛇行型ロボット式無限軌道車に組み込むことができ、それによって無限軌道車が自律的に動作できるようになる。たとえば、無限軌道車は、長い時間にわたって自律的に動作できる。１つの実施形態では、制御システムは、１個または複数の密接して結合した関節を局所的に制御する、分散した関節および軌道の制御装置を備えることができる。分散した関節および軌道の制御装置は、無限軌道車の中に配置された、または無限軌道車から外側に配置されたマスター制御装置と通信できる。

別の実施形態では、蛇行型ロボット式無限軌道車の制御は第１のフレームの制御を含むことができ、他のフレームが第１のフレームの制御下に置かれる。たとえば、オペレータは、第１のフレームの向きおよび運動を制御できる。次いで、その他のフレームは、第１のフレームに追従する。１つの特定の制御手法には、作動リンクアームにかかる力を最小限に抑えるように、第１のフレームに追従する際に、その他のフレームを自動的に操舵することを含むことができる。

別の例として、蛇行型ロボット式無限軌道車の制御は、ジョイスティックの使用を含むことができる。たとえばジョイスティックを介して、作動リンクの運動を制御することによってロボットの姿勢を制御するために、二次元のジョイスティックを使用できる。ジョイスティックにおける２自由度の動作の動きを、規定のプリミティブ（ｐｒｉｍｉｔｉｖｅｓ）を介して多自由度の作動リンクの複雑な運動に変換することができる。特定の例として、ジョイスティックを継続して保持して蛇行型ロボット式無限軌道車をタンク様構成と蛇様構成の間で移動して、左または右へのジョイスティックを移動させることにより、蛇行型ロボット式無限軌道車を左または右に弓形にさせることができる。別の特定の例として、ジョイスティックを前または後ろに継続的に保持して蛇行型ロボット式無限軌道車を内側または外側を上る構成にして、前または後ろへジョイスティックを移動させることにより、蛇行型ロボット式無限軌道車を上または下に弓形にすることができる。当然のことながら、理解されるように、ジョイスティックから運動に対するさまざまなマッピングが定義できる。オペレータと制御システムの間のインターフェースが、知られているように、パーソナルコンピュータ、ラップトップ、携帯情報端末などによるメニュー駆動インターフェース操作を介して提供できる。

制御システムは、関節において、ある程度のコンプライアンスを提供するように構成することもできる。たとえば、可撓性のロボット式無限軌道車の環境によって関節に加えられる力は、感知され、制御システムに伝達できる。ある力の閾値を超えると、関節は移動可能にできる。たとえば、関節は、機械システム、電気システム、または混交した電気機械システムのいずれかによって実施される離脱クラッチを備えることができる。蛇行型ロボット式無限軌道車に可変のコンプライアンスを提供するために、力の限界閾値を調整可能にすることができる。たとえば、固い姿勢を提供するための高い閾値は、ある種の障害物を押して通るのに有用であることを証明できる。あるいは、低い閾値は、曲がってその他のタイプの障害物を避けるのに有用であることを証明できる。

別の例として、制御システムは、プロセッシングシステムを使用して実施できる。たとえばある種の姿勢（たとえば、タンク、つづら折り、弓形、列車、または上昇構成）をとるためのプリミティブ、および（たとえば前方、後方などの）運動のためのプリミティブを含む、さまざまな運動プリミティブを予めプログラムすることができる。制御には、関節の力センサおよび環境のセンサからのフィードバックを含むことができる。人為および自動の混交した制御を組み合わせることができる。たとえば、コマンド／プリミティブを実行する、自動化された低レベルのフィードバック・ループを使用して高レベルの手動コマンド／プリミティブが実施できる。制御機能が、たとえば姿勢制御、コンプライアンス制御、運動制御、力制御、およびその混交した組合せを含むサブシステムに分割できる。

図１４に、本発明の一実施形態による蛇行型ロボット式無限軌道車の別の構成が示される。蛇行型ロボット式無限軌道車１００は、複数のフレーム・ユニット１０２を備え、それぞれが、その中に回転可能に支持された無限軌道を有する。たとえば、無限軌道は、上記に論じたような１つまたは複数の露出表面を有することができる。少なくとも１つの多自由度の作動リンクアーム１０４が、フレーム・ユニットの間に連結される。たとえば、Ｎ個のフレーム・ユニットの場合、フレームを相互連結して多フレームの列車にするためにＮ−１個のリンクアームが使用される。多自由度の作動リンクアームは、たとえば上述したように、少なくとも７個の関節軸を備える。任意で、多自由度の作動リンクアームは、多フレームの列車が、たとえばいくつかの個々のフレーム、対のフレーム、またはより短い多フレームの列車に再構成できるように、フレーム・ユニットの間で取外し可能に連結できる。

蛇行型ロボット式無限軌道車は、多自由度の作動リンクアームおよびまたはフレームに配置されたさまざまなセンサまたは工具を備えることもできる。たとえば、図１５に示されるように、蛇行型ロボット式無限軌道車１１０は、フレームのうちの１つ１１２に配置されたカメラ１１６を有することができる。別の例として、カメラは、先頭フレームと後続のフレームの両方に配置できる。たとえば、前方のカメラは、主に環境を精査するために使用でき、後方のカメラは制御の目的で蛇行型ロボット式無限軌道車の姿勢を観測するために使用できる。たとえば、レーダ、ライダ、赤外線検出器、温度センサ、化学センサ、力センサ、運動検出器、マイクロフォン、アンテナなどを含むその他のセンサが蛇行型ロボット式無限軌道車に配置できる。別の例として、たとえば光源、クランプ、グリッパ、マニピュレータ、カッタ、ドリル、材料採取器などを含む工具も、蛇行型ロボット式無限軌道車に配置することもできる。別の例として、蛇行型ロボット式無限軌道車は、フレームに配置された関節式アームを含むことができる。２００６年１１月１３日に出願され、本願の権利者が所有し、同時係属の「Ｔｒａｃｋｅｄ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ ｗｉｔｈ Ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ Ａｒｍｓ」という名称の米国仮特許出願第６０／８５８，９１５号は、関節式アームを有する蛇行型ロボット式無限軌道車を記載し、参照によって本明細書に組み込まれる。

ある程度まとめ、反復すると、本発明の実施形態による蛇行型ロボット式無限軌道車が、さまざまな用途および環境において配備できる。たとえば、限定としてではないが、用途には捜索救難、軍事作戦、および生産工程を含むことができる。蛇行型ロボット式無限軌道車は、不安定な建築物、軍事衝突状態、および化学的汚染、生物学的汚染、または核汚染された環境などの危険な環境に人間を曝す必要をなくすのに役立つことができる。蛇行型ロボット式無限軌道車の構成上の柔軟性により、多数の運動モードが提供される。たとえば、タンク様構成での運動は高い安定性を提供できる。蛇様の構成での運動は、狭い経路またはパイプを通るアクセスを提供できる。たとえばポールなどの構造の外側を上ること、およびたとえばパイプなどの構造の内側を上ることも可能である。

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。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 (48)

1. 第１のフレームであって、該第１のフレームによって回転可能に支持された第１の無限軌道を有する第１のフレームと、
   前記第１のフレームに連結された第１の腕状の作動リンクであって、長手方向軸を中心とした回転移動、および２つの異なる側方軸を中心とした曲げ運動を提供する第１の腕状の作動リンクと、
   前記第１の腕状の作動リンクに連結された肘状の作動関節であって、側方軸を中心とした曲げ運動を提供する肘状の作動関節と、
   前記肘状の作動関節に連結された第２の腕状の作動リンクであって、長手方向軸を中心とした回転移動、および２つの異なる側方軸を中心とした曲げ運動を提供する第２の腕状の作動リンクと、
   前記第２の腕状の作動リンクに連結された第２のフレームであって、該第２のフレームによって回転可能に支持された第２の無限軌道を有する第２のフレームとを備える、蛇行型ロボット式無限軌道車。
2. 前記腕状の作動リンクの前記２つの異なる側方軸が、互いに実質的に直角になっている、請求項１に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
3. 前記腕状の作動リンクが、
   前記第１のフレームの定格の動作位置に対して実質的に垂直に向けられた側方軸を中心としたヨー曲げを提供する第１のヨー曲げ関節によって前記第１のフレームに連結された第１のヨーアームと、
   前記第１のフレームの前記定格の動作位置に対して実質的に水平に向けられた側方軸を中心としたピッチ曲げを提供する第１のピッチ曲げ関節によって前記ヨーアームに連結された第１のピッチアームと、
   前記第１のピッチアームに連結された第１の回転関節とを備える、請求項１に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
4. 前記腕状の作動リンクが、
   前記第１の無限軌道の定格の動作位置に対して実質的に垂直な軸の周りでヨー曲げを提供する第１の曲げ関節と、
   前記第１の無限軌道の前記定格の動作位置に対して第１の実質的に水平な軸の周りでピッチ曲げを提供する第２の曲げ関節と、
   第２の軸を中心としたロール回転を提供する回転関節であって、前記第２の軸が、前記第１の実質的に水平な軸に対して実質的に直交している回転関節とを備える、請求項１に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
5. 前記フレームが前記無限軌道を部分的に密閉して、前記フレームの底部および上部に沿って前記無限軌道の露出部分を提供する、請求項１に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
6. 前記フレームが、前記フレームの底部に沿った前記無限軌道の露出部分を除いて前記無限軌道を実質的に密閉する、請求項１に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
7. 前記フレームが、前記無限軌道に連結された駆動部を備える、請求項１に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
8. 前記第１および第２の腕状の作動リンクならびに前記肘状の作動関節のそれぞれと接続し、蛇行型ロボット式無限軌道車の姿勢を制御するように構成された制御サブシステムをさらに備える、請求項１に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
9. 前記制御システムと、前記第１および第２の腕状の作動リンクならびに前記肘状の作動関節のそれぞれとの間で交信するように構成された通信網をさらに備える、請求項８に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
10. 前記制御サブシステムが、前記第１の無限軌道および第２の無限軌道にそれぞれ連結された第１の駆動部および第２の駆動部とも接続する、請求項８に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
11. 前記制御サブシステムがさらに、前記第１および第２の腕状の作動リンクならびに前記肘状の作動関節のコンプライアンスを制御するように構成された、請求項８に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
12. 前記制御サブシステムが複製マスターを備える、請求項８に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
13. 少なくとも２つのフレーム・ユニットであって、それぞれが、その中に回転可能に支持された第１の無限軌道を有するフレーム・ユニットと、
    前記フレーム・ユニットの間に連結された少なくとも１つの多自由度の作動リンクアームであって、少なくとも、
    第１の作動三軸関節と、
    作動単軸関節と、
    第２の作動三軸関節との連結された組合せを備える少なくとも１つの多自由度の作動リンクアームとを備える、蛇行型ロボット式無限軌道車。
14. 前記作動三軸関節が、単軸回転器および二軸ベンダーを備える、請求項１３に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
15. 前記単軸回転器が、長手方向軸を中心とした回転を提供する、請求項１４に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
16. 前記二軸ベンダーが、２つの実質的に直交している側方軸を中心とした曲げを提供する、請求項１４に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
17. 前記作動三軸関節が、一連の連結された２個の単軸ベンダーおよび１個の単軸回転器を備える、請求項１３に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
18. 前記作動単軸関節が、側方軸を中心とした曲げを提供する単軸ベンダーを備える、請求項１３に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
19. 前記第１および第２の作動三軸関節が、異なるフレーム・ユニットに連結され、前記作動単軸関節が、前記第１と第２の作動三軸関節の間に連結された、請求項１３に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
20. 前記単軸関節が、第１のリンクアームを介して前記第１の三軸関節に連結され、前記単軸関節が、第２のリンクアームを介して前記第２の三軸関節に連結された、請求項１３に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
21. 前記フレーム・ユニットがそれぞれ、前記無限軌道に連結された駆動ユニットを備える、請求項１１に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
22. 前記駆動ユニットと接続し、前記蛇行型ロボット式無限軌道車の運動を制御するように構成された駆動制御部をさらに備える、請求項２１に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
23. 前記多自由度の作動リンクアームと接続し、蛇行型ロボット式無限軌道車の姿勢を制御するように構成された制御サブシステムをさらに備える、請求項１３に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
24. 前記多自由度の作動リンクアームと接続し、前記蛇行型ロボット式無限軌道車の前記関節に加えられた力およびトルクを制御するように構成された制御サブシステムをさらに備える、請求項１３に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
25. 第１のフレームであって、該第１のフレームによって回転可能に支持された第１の無限軌道を有する第１のフレームと、
    第２のフレームであって、該第２のフレームによって回転可能に支持された第２の無限軌道を有する第２のフレームと、
    前記第１のフレームと前記第２のフレームの間に連結された多自由度の作動リンクアームであって、
    第１の作動二軸関節と、
    作動三軸関節と、
    第２の作動二軸関節との連結された組合せを備える多自由度の作動リンクアームとを備える、蛇行型ロボット式無限軌道車。
26. 前記作動二軸関節が二軸ベンダーを備える、請求項２５に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
27. 前記二軸ベンダーが、２つの実質的に直交している側方軸を中心とした曲げを提供する、請求項２６に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
28. 前記作動二軸関節が、リンクアームを介して連結された２つの単軸ベンダーを備える、請求項２５に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
29. 前記作動三軸関節が、２個の単軸回転器および１個の単軸ベンダーを備える、請求項２５に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
30. 前記単軸ベンダーが、前記２個の単軸回転器の間に連結される、請求項２９に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
31. 少なくとも２つのフレーム・ユニットであって、それぞれが、その中に回転可能に支持された無限軌道を有するフレーム・ユニットと、
    フレーム・ユニットの列を形成するために前記フレーム・ユニットの間に連結された少なくとも１つの多自由度のリンクアームであって、一連の連結された組合せの少なくとも７個の作動関節を備える少なくとも１つの多自由度の作動リンクアームとを備える、蛇行型ロボット式無限軌道車。
32. 前記少なくとも７個の作動関節が、一連の連結された組合せの少なくとも７個の回転関節を備える、請求項３１に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
33. 前記少なくとも７個の作動関節が、一連の連結された組合せの少なくとも７個の曲げ関節を備える、請求項３１に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
34. 前記少なくとも７個の作動関節が、一連の連結された組合せの５個の曲げ関節および２個の回転関節を備える、請求項３１に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
35. 前記５個の曲げ関節および２個の回転関節が、前記多自由度のリンクアームの中心の周りに対称的に配置される、請求項３２に記載の蛇行型ロボット式無限軌道車。
36. 蛇行型ロボット式無限軌道車を操作する方法において、
    第１のフレームおよび第２のフレームを提供するステップであって、各フレームが、駆動可能な無限軌道を有するステップと、
    前記第１のフレームを多自由度の作動リンクアームを有する前記第２のフレームに連結するステップであって、前記多自由度の作動リンクアームが、前記蛇行型ロボット式無限軌道車を形成するために、一連の連結された組合せの少なくとも７個の作動関節を備えるステップと、
    前記蛇行型ロボット式無限軌道車に対する所望の姿勢を確立するために、前記多自由度の作動リンクアームを関節動作させるステップとを含む方法。
37. 前記蛇行型ロボット式無限軌道車の運動を制御するために、前記多自由度の作動リンクアームの関節動作と前記駆動可能な無限軌道の駆動動作を連携させるステップをさらに含む、請求項３６に記載の方法。
38. 前記蛇行型ロボット式無限軌道車の短い律動的な運動を生成するために、前記多自由度の作動リンクアームを動作させるステップをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
39. 前記蛇行型ロボット式無限軌道車の姿勢をさらに制御するために、前記多自由度の作動リンクアームの関節動作と前記駆動可能な無限軌道の駆動動作を連携させるステップをさらに含む、請求項３６に記載の方法。
40. 前記第１のフレームおよび前記第２のフレームをタンク状の構成内に位置決めするステップをさらに含み、前記第１のフレームおよび前記第２のフレームが、横に並び、前記多自由度の作動リンクアームに対して同じ方向に延出する、請求項３９に記載の方法。
41. 前記蛇行型ロボット式無限軌道車の移動運動をもたらすために、前記無限軌道を同じ方向に駆動するステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
42. 前記蛇行型ロボット式無限軌道車の旋回運動をもたらすために、前記無限軌道を反対方向に駆動するステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
43. 前記第１のフレームおよび前記第２のフレームを列状の構成に配置するステップをさらに含み、前記第１のフレームおよび前記第２のフレームの端部同士が整列されている、請求項３９に記載の方法。
44. 前記蛇行型ロボット式無限軌道車の移動運動をもたらすために、前記無限軌道を同じ方向に駆動するステップをさらに含む、請求項４３に記載の方法。
45. 前記第１のフレームおよび前記第２のフレームを、外側が上がる構成で配置するステップをさらに含み、前記第１のフレームおよび前記第２のフレームは、前記無限軌道の露出部分が互いに向かい合い、構造のうち上がる対向する外側表面と接触して向けられる、請求項３９に記載の方法。
46. 前記第１のフレームおよび前記第２のフレームを、内側が上がる構成で配置するステップをさらに含み、前記第１のフレームおよび前記第２のフレームは、前記無限軌道の露出部分が互いに反対に向き、構造のうち上がる対向する内側表面と接触して向けられる、請求項３９に記載の方法。
47. 前記第１のフレームおよび前記第２のフレームをつづら折り構成に配置するステップをさらに含み、前記第１のフレームおよび前記第２のフレームは、横に並び、前記多自由度の作動リンクアームに対して反対の方向に延びる、請求項３９に記載の方法。
48. 前記第１のフレームおよび前記第２のフレームを弓状の構成に配置するステップをさらに含み、前記第１のフレームおよび区画のフレームが互いに対してある角度で配置されている、請求項３９に記載の方法。

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