JP4158561B2

JP4158561B2 - マイクロロボット

Info

Publication number: JP4158561B2
Application number: JP2003064613A
Authority: JP
Inventors: 俊介小山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2023-03-11
Also published as: JP2004268223A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
リモートコントロール可能なマイクロロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、筐体サイズが数立方センチメートル程度の小型のロボット（以下、「マイクロロボット」と称する）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかるマイクロロボットは、小型であり、大型のものに比べて安価に製造できるため、玩具などに好適である。ところで、マイクロロボットをリモートコントロールする場合には、当該マイクロロボットに受光部を設け、赤外線通信などによる制御が行われている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−１７０７７０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記赤外線通信では、送信信号の空間的広がり小さいため、リモートコントローラからの赤外線信号をマイクロロボットの受光部が受光できない場合があるといった問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、リモートコントローラからの制御信号を、より確実に受信することのできるマイクロロボット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】
上記目的を達成するために、本発明は、導電性部材から形成された筐体と、前記筐体外部に設けられ、前記筐体をアースとして、電波を受信する逆Ｆアンテナと、前記逆Ｆアンテナのアンテナエレメント及び前記筐体の間に介挿され、当該アンテナエレメントから前記筐体表面までの離間距離を所定の距離に保つ介挿材と、受信信号に応じて前記筐体を移動させる駆動部とを備え、前記筐体には、前記逆Ｆアンテナの給電線の取り付け位置を規定する規定部が設けられることを特徴とするマイクロロボットを提供する。
前記介挿材は非導電部材から形成されても良い。
前記アンテナエレメントは、金属板材であっても良い。
前記アンテナエレメントに沿って非導電部材から形成された補強板を設けても良い。
この構成によれば、マイクロロボットが電波を受信するアンテナを備えるため、リモートコントローラとの間の通信に電波による無線通信を用いることが可能となる。すなわち、電波を用いた無線通信では、送信信号を広範囲にわたり送出することが可能となるため、マイクロロボットが信号を受信する際に、自身の位置や姿勢に影響されることなく信号を受信し易くなる。
さらに、アンテナの取り付け位置を示す規定する規定部により、アンテナを筐体に容易に取り付けることが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態にかかるマイクロロボット１０の構成を示す正面透視図であり、図２は、マイクロロボット１０の構成を示す側面透視図である。なお、図２において、筐体内部の幾つかの構成要素については図示を省略している。マイクロロボット１０本体の大きさは、縦、横、高さの各々が数ｃｍ程度であり、その筐体１１は、プラスチックや金属から形成されている。筐体１１の正面部には、図示のように、人間の眼および口を模した造詣が施されている。
【０００９】
筐体１１には、電源部１３、回路部１４、駆動部１６ａ、１６ｂが収容されている。電源部１３は、箱型の電池ケース１３０と、この電池ケース１３０に収納されるボタン電池１３２とを備え、ボタン電池１３２は筐体１１下部から出し入れされる。回路部１４は、フレキシブルテープなどにより互いに電気的に接続された２枚の回路基板１４０、１４２を備え、各回路基板１４０、１４２が上下方向に積層して配置されている。最上に配置された回路基板１４０上には、筐体１１の２つの孔部１５０の各々に挿入された金属線からなる２本のアンテナエレメント１５が半田付けなどにより電気的に接続され、各アンテナエレメント１５の半田付けパターンが、当該回路基板１４０上に実装されたバラン１４５に接続され、Ｖ字型（あるいはＵ字型でも良い）ダイポールアンテナが形成されている。
【００１０】
バラン１４５は、ダイポールアンテナのような平衡信号を不平衡信号（グランドと信号線との対）に変換する素子であり、図３に示すように、一対の不平衡端子１４５ａ、１４５ｂと、一対の平衡端子１４５ｃ、１４５ｄを備え、この両端子対の間でインピーダンスを所定の比で変換する。小型機器にあっては、バラン１４５として面実装タイプのチップバランが用いられることが多く、本実施形態のマイクロロボット１０にも、このタイプのものが用いられる。図４は、バラン１４５の面実装パターンの一例を示す図である。上記アンテナエレメント１５は、平衡端子１４５ｃ、１４５ｄの各々から引き出されたエレメント接続部１４６の各々に１本ずつ接続され、ダイポールアンテナを構成する。アンテナエレメント１５の長さは、無線通信に使用される波長の約１／４であり、例えばBluetooth（登録商標）通信（周波数：２．５ＧＨｚ）が用いられる場合には、アンテナエレメント長は３ｃｍ程度となり、筐体１１と略同程度の寸法となる。なお、これらアンテナエレメント１５の詳細については後に詳述する。
【００１１】
再び図１に戻り、駆動部１６ａ、１６ｂは、車輪と、当該車輪の車輪軸を中心に回転駆動する駆動素子とを備え、回路部１４の回路基板１４２に設けられたドライバ（後述）により制御される。この駆動素子には、腕時計の輪列を駆動する圧電アクチュエータなどが用いられる。上記電源部１３、回路部１４及び駆動部１６ａ、１６ｂの各々は、図示せぬスペーサにより筐体１１に対して支持されている。ここで、電源部１３および回路部１４は、一対の駆動部１６ａ、１６ｂの間であって、両者が上下方向に重なるように配置されている。また、電源部１３、回路部１４、一対の駆動部１６ａ、１６ｂおよび２本のアンテナエレメント１５の各々は、筐体１１の中心に対して左右対称に配置されているため、筐体１１の左右の重量バランスが保たれる、左右に倒れ難くなる。
【００１２】
上記構成のマイクロロボット１０は、図６に示すように、親機コントローラ２０からの無線電波をアンテナエレメント１５により受信し、電波に含まれる制御信号に基づいて走行指示される。この無線通信には、任意の無線通信を用いることができるが、本実施形態ではBluetooth（登録商標）が用いられ、マイクロロボット１０同士でも無線通信が可能となっている。
【００１３】
ところで、Ｖ字型（あるいはＵ字型）アンテナにあっては、２本のアンテナエレメント１５が成す挟角θ（図１参照）と、各アンテナエレメント１５の垂直軸（鉛直方向）からの傾斜角φ（図２参照）とに応じて、アンテナの指向特性やインピーダンス（以下、「アンテナ特性」と称する）が変化してしまう。従って、筐体１１の小さなマイクロロボット１０にアンテナエレメント１５を取り付ける際には、その位置決めが容易ではなく、ましてや、マイクロロボット１０を量産する場合に、一体ずつその都度位置決めを行うことは容易ではない。そこで本実施形態では、次のようにしてアンテナエレメント１５の位置決めを容易としている。
【００１４】
すなわち、筐体１１の頭頂部付近に、アンテナエレメント１５の取り付け位置を規定するための孔部１５０を穿ち、この孔部１５０に棒状のアンテナエレメント１５を挿入しバラン１４５と電気的に接続すれば、アンテナエレメント１５の挟角θ、傾斜角φが所定の値に決定される構成（すなわち、アンテナエレメント１５の配置姿勢が決定される構成）としている。孔部１５０を筐体１１のどこに設けるかは、筐体１１内部におけるバラン１４５の配置位置（すなわち、回路基板１４０上におけるアンテナエレメント１５の取付位置）と、所望のアンテナ特性を得るための角度θ、φとから決定され、これについて以下に詳述する。
【００１５】
図６は、バラン１４５とアンテナエレメント１５との配置関係を示す図である。この図において、ＸＹＺ座標系は、バラン１４５とアンテナエレメント１５との接続点（より具体的には、図４に示す２つのエレメント接続部１４６の中点）を原点Ｏとし、このバラン１４５が設けられる回路基板１４０上面をＸ−Ｙ平面とする直交座標である。２つの孔部１５０は、原点Ｏに対して左右（Ｘ−Ｙ軸）に対象な位置に設けられるものとする。このような座標系において、一方の孔部１５０の中心Ｐの座標点をＰ（Ｘｐ、Ｙｐ、Ｚｐ）とすると、挟角θと傾斜角φとは次式で表される。
θ＝２×Ａｒｃｔａｎ(Ｘｐ／√（Ｙｐ²＋Ｚｐ²）)・・・・（式１）
φ＝Ａｒｃｔａｎ(Ｙｐ／Ｚｐ)・・・・・・・・・・・・・（式２）
【００１６】
そこで、所望のアンテナ特性を得るための挟角θおよび傾斜角φを実験等により予め求め、（式１）、（式２）を満たすように座標点Ｐ（Ｘｐ、Ｙｐ、Ｚｐ）を設定することで孔部１５０を穿つ位置が決定され、この位置に穿たれた孔部１５０によりアンテナエレメント１５の位置決めが行われる。これにより、所望のアンテナ特性が得られるのである。また、マイクロロボット１０を量産する場合であっても、各筐体１１の上記位置に孔部１５０を設けるようにすれば良く、アンテナエレメント１５に挿入し、回路基板１４０上のエレメント接続部１４６に半田付けするだけで、所望のアンテナ特性を得る挟角θおよび傾斜角φに位置決め固定されるため、位置決めが非常に容易となる。なお、マイクロロボット１０が転倒したり壁面などに衝突した場合に、アンテナエレメント１５が変形するのを防止すべく、挟角θ、傾斜角φは、アンテナエレメント１５全体がマイクロロボット１０の筐体１１の横幅および縦幅内に収まるように設定されることが望ましい。
【００１７】
次いで、マイクロロボット１０の機能的構成について説明する。図７は、マイクロロボット１０の機能的構成を示すブロック図であり、図８は、親機コントローラ２０の機能的構成を示すブロック図である。図７において、アンテナ１６０は、上記アンテナエレメント１５により構成され、親機コントローラ２０からの電波を受信し、受信信号を無線回路１６２に出力する。無線回路１６２は、受信信号からデータ信号を復号すると共にコントローラＣＰＵ１６４に出力するものであり、回路部１４の回路基板１４０に設けられる。感度などの性能を考えた場合、アンテナを含む高周波回路と、データ処理を行うデジタル回路部分は別々の基板、たとえば無線回路は１４０、デジタル回路は１４２上に実装することが特性を安定させる方法のひとつである。また、信号送信時にあっては、無線回路１６２は、コントローラＣＰＵ１６４からの信号を送信信号に変換し（変調して）アンテナ１６０に出力し、外部に電波を送出する。
【００１８】
コントローラＣＰＵ１６４は、マイクロロボット１０の各部の動作を制御するものであり、プログラムが格納されているＲＯＭや、各種データが格納されるＲＡＭなどの記憶素子も備え、回路部１４の回路基板１４２上に設けられている。ドライバ回路１６６は、コントローラＣＰＵ１６４の制御の下、駆動部１６ａ、１６ｂが備える駆動素子１６８を駆動制御するものであり、回路部１４の回路基板１４２上あるいは駆動素子の近く(図示せず)に設けられている。駆動素子１６８は、上述したように、駆動部１６ａ、１６ｂに設けられた車輪を回転させるものである。フィードバック回路１６９は、駆動素子１６８の駆動状態に応じた信号をコントローラＣＰＵ１６４に出力するものであり、これにより、フィードバック制御が行われる。以上の各回路等の電源電圧は電源部１３から供給されている。
【００１９】
一方、親機コントローラ２０は、図８に示すように、電波を送受するためのアンテナ２００と、このアンテナ２００に接続される無線回路２０２と、親機コントローラ２０の各部を制御するコントローラＣＰＵ２０４を備えている。これら各構成要素は、マイクロロボット１０が備える構成要素と略同様であるため、その詳細については省略する。
【００２０】
この構成の下、親機コントローラ２０にあっては、コントローラＣＰＵ２０４の制御の下、マイクロロボット１０を制御するための電波が無線回路２０２からアンテナ２００を介して送出され、この電波がマイクロロボット１０に受信される。そして、マイクロロボット１０が受信した電波に基づいて走行などすることにより、リモートコントロールが行われる。
なお、親機コントローラ２０に操作子を設け、ユーザが操作子を操作することで、マイクロロボット１０をリモートコントロールする構成としても良い。また、コントロール対象となるマイクロロボット１０が複数ある場合には、親機コントローラ２０に各マイクロロボット１０の位置や動きを検出するためのセンサを設け、各マイクロロボット１０の位置や動きに応じて、夫々を制御するようにしても良い。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態によれば、マイクロロボット１０がアンテナ１６０を備え、親機コントローラ２０からの電波を受信する構成であるため、赤外線通信などに比べて、自身の位置や姿勢が受信状態に影響し難く、親機コントローラ２０からの制御信号を、より確実に受信することが可能となる。
また、アンテナエレメント１５の取り付け位置を規定する孔部１５０が、所望のアンテナ特性に応じた位置に予め穿たれているため、この孔部１５０を用いてアンテナエレメント１５を位置決め固定するだけで、所望のアンテナ特性を得ることが可能となる。
なお、アンテナの位置は基板への取り付け位置１４６と筐体に開けられた孔部１５０とにより決まる。バランは平衡不平衡変換の為に用いることが望ましいが、回路が小さくなった場合などにはパターンの工夫により部品としてこれを用いないことも可能である。この場合アンテナへの給電パターン１４６をそれぞれ信号とグランドに接続する。
【００２２】
＜第２実施形態＞
次いで、本発明の第２実施形態について説明する。図９は、本実施形態にかかるマイクロロボット１０の構成を示す正面透視図であり、図１０は、側面透視図である。また、図１１は、上面図である。本実施形態のマイクロロボット１０が、第１実施形態にて説明したマイクロロボット１０と大きく異なる点は、２本のアンテナエレメント１５からなるＶ字型（あるいはＵ字型）ダイポールアンテナに代えて、筐体１１の外部に逆Ｆアンテナ１７０を備える点である。以下、この相違点について詳述する。
【００２３】
マイクロロボット１０の筐体１１は、金属材などの導電性部材から形成され、この筐体１１が逆Ｆアンテナ１７０のグランド（アース）として用いられる。具体的には、逆Ｆアンテナ１７０のアンテナエレメント１７０ａが途中から折れ曲り、その一端が筐体１１の表面に対して略垂直に立設するように接続されると共に、筐体１１内部の回路基板１４０のグランドパターンが筐体１１の頭頂部付近に電気的に接続される。一方、アンテナエレメント１７０ａの他端は筐体１１の背面に沿って垂れ下がり開放端になされる共に、アンテナエレメント１７０ａの途中に給電線１７０ｂが接続され、アンテナエレメント１７０ａ、給電線１７０ｂとで略逆Ｆ形状が構成される。給電線１７０ｂは、筐体１１の頭頂部付近に設けられた孔部１５０に挿入され、回路基板１４０の給電点に電気的に接続される。給電点のインピーダンスは、一般的には５０Ω程度のものが用いられるが、本実施形態では、筐体１１の電位（すなわちグランド）を基準とした給電線のインピーダンスに整合するような値になされている。アンテナエレメント１７０ａの長さ（接地端から開放端までの長さ）は、無線通信に使用される電波波長の約１／４である。例えばBluetooth通信（周波数：２．５ＧＨｚ）が用いられる場合には約３ｃｍとなり、筐体１１のサイズと略同程度となる。
【００２４】
上記孔部１５０は、第１実施形態にて説明した孔部１５０と同様に、アンテナ（すなわち、逆Ｆアンテナ１７０）の取り付け位置を規定するものであり、逆Ｆアンテナ１７０の給電線１７０ｂを孔部１５０に挿入し、回路基板１４０の給電点と電気的に接続することで、逆Ｆアンテナ１７０の位置決めが行われる。すなわち、第１実施形態と同様に、逆Ｆアンテナ１７０を筐体１１に取り付ける際の位置決めを容易とすることが可能となっている。ここで、給電線１７０ｂは、回路基板１４０の上面に対して垂直に接続される構成が好ましく、孔部１５０は、かかる構成を達成し得る箇所に穿たれている。
【００２５】
また、図１０に示すように、筐体１１とアンテナエレメント１７０ａとの間には、このアンテナエレメント１７０ａから筐体１１の表面までの離間距離を一定に保つための介挿材１７２が適宜の箇所（図示例では２箇所）に設けられている。この介挿材１７２は、プラスチックなどの非導電部材（絶縁体）から形成されており、筐体１１の表面に予め取り付け固定されている。すなわち、上記孔部１５０と、介挿材１７２とにより、逆Ｆアンテナ１７０の取り付け位置および取付姿勢が一意に決定される。なお、介挿材１７２がアンテナエレメント１７０ａに予め取り付け固定されている構成であっても良い。また、衝撃によるアンテナエレメント１７０ａの変形を防止すべく、逆Ｆアンテナ１７０が筐体１１に取り付けられた際に、介挿材１７２がアンテナエレメント１７０ａおよび筐体１１の両方に固定されることが好ましい。
【００２６】
本実施形態のマイクロロボット１０にあっては、筐体１１の外形に沿った姿勢で配置される逆Ｆアンテナ１７０が用いられるため、筐体１１の上方にアンテナが突出することなく、天井が低いような場所であっても、アンテナが邪魔になることなくスムーズに移動することができる。また、電波を受信するアンテナを備える構成としたため、赤外線通信などに比べて、自身の位置や姿勢が受信状態に影響し難く、親機コントローラ２０からの制御信号を、より確実に受信することが可能となる。
【００２７】
＜変形例＞
上述した各実施形態は、あくまでも例示であり、本発明の範囲内で任意に変形可能である。そこで、以下各種の変形例について説明する。
【００２８】
（１）各実施形態では、金属線からなるアンテナエレメントを備えるアンテナについて例示した。しかしながら、金属線は、マイクロロボット１０の転倒時や壁面などとの衝突時に衝撃により変形し易い。そこで、アンテナエレメントの変形を防ぐべく、アンテナエレメントに沿って非導電部材からなる補強板などを設け、アンテナエレメントの強度を補強する構成としても良い。なお、アンテナとして逆Ｆアンテナ１７０が用いられる場合には、アンテナエレメント１７０ａに金属板材を用いることにより、その強度を高くすることができる。
【００２９】
（２）各実施形態では、マイクロロボット１０が無線通信により親機コントローラ２０によって制御される構成について例示した。しかしながら、マイクロロボット１０が、自身の位置を検出する手段、あるいは、対象物の位置を検出する手段を備え、当該検出結果を複数のマイクロロボット１０間で無線通信により送受し、受信結果、すなわち、互いの位置に応じて移動する構成としても良い。この構成によれば、複数人でプレーするスポーツを模した動きをマイクロロボット１０に実行させることが可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、リモートコントローラからの制御信号を、より確実に受信することのできるマイクロロボットが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるマイクロロボットの構成を示す正面透視図である。
【図２】同マイクロロボットの構成を示す側面透視図である。
【図３】同バランを説明するための図である。
【図４】本実施形態にかかるバランの構成を示す図である。
【図５】同マイクロロボットと親機コントローラとの間の無線通信を模式的に示す図である。
【図６】同孔部の配置位置を説明するための図である。
【図７】同マイクロロボットの機能的構成を示すブロック図である。
【図８】同親機コントローラの機能的構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第２実施形態にかかるマイクロロボットの構成を示す正面透視図である。
【図１０】同マイクロロボットの構成を示す側面透視図である。
【図１１】同マイクロロボットの構成を示す上面図である。
【符号の説明】
１０…マイクロロボット、１１…筐体、１５…アンテナエレメント、１６ａ、１６ｂ…駆動部、２０…親機コントローラ、１４０…回路基板、１４５…バラン、１４６…エレメント接続部、１５０…孔部、１６０…アンテナ、１６２…無線回路、１７０…逆Ｆアンテナ、１７０ａ…アンテナエレメント、１７０ｂ…給電線、１７２…介挿材。

Claims

導電性部材から形成された筐体と、
前記筐体外部に設けられ、前記筐体をアースとして、電波を受信する逆Ｆアンテナと、
前記逆Ｆアンテナのアンテナエレメント及び前記筐体の間に介挿され、当該アンテナエレメントから前記筐体表面までの離間距離を所定の距離に保つ介挿材と、
受信信号に応じて前記筐体を移動させる駆動部とを備え、
前記筐体には、前記逆Ｆアンテナの給電線の取り付け位置を規定する規定部が設けられることを特徴とするマイクロロボット。
前記介挿材は非導電部材から形成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロロボット。
前記アンテナエレメントは、金属板材であることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロロボット。
前記アンテナエレメントに沿って非導電部材から形成された補強板を設けることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロロボット。