JP4641330B2 - 走行ロボット自己位置同定システム、それを用いた人体位置特定システムおよびロボット追従システム - Google Patents
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一般に、自己位置の同定方法としては、GPS等の電波を利用したものがある。しかし、災害現場では無線環境が悪いという状況が多々あること、また、瓦礫の下の場合は開空間ではないこと、さらに、一般に金属片が多く混じる瓦礫内では金属片が電波障害となって電波がとどかないことなどの理由から、瓦礫内探索ロボットの自己位置同定方法としては適切でない。また、GPSで探索ロボットの位置を同定するとしても、その位置の同定分解能は5〜10m程度であり、ピンポイントで、探索ロボット、すなわち瓦礫内に埋もれた人の位置を同定することは困難である。
すなわち、瓦礫内探索ロボットと外部の空気コンプレッサーとを結ぶ空気圧チューブやロボットに取り付けられたCCDカメラ等の信号情報ケーブルを多関節構造のチューブで覆い、各関節角をポテンショメータ等のセンサにより検出し、そのセンサの出力信号から多関節構造のチューブの全体形状を算出することにより、多関節構造のチューブの先端部に位置する瓦礫内探索ロボットの位置を同定することとしたものである。
瓦礫内探索ロボットは、瓦礫の中を数十m程度動きまわることを想定している。このため、瓦礫内探索ロボットに取り付ける本発明のフレキシブルセンサチューブの全長も数十m程度必要である。フレキシブルセンサチューブは、多関節構造のチューブから成り、各関節の長さは数cm程度であり、各関節は1自由度若しくはn自由度の関節の連鎖で構成されている。各関節の可動部には、ポテンショメータ等の関節角を検出する変化量検出センサが装備されている。変化量検出センサの数は最低でも関節の個数必要であり、そのセンサからの出力信号も関節の個数以上となる。
関節の個数であるが、仮に、フレキシブルセンサチューブの全長を30mとし、各関節の長さを3cmとし、1自由度の関節の連鎖で構成されているとした場合、1000個となる。
柔軟で性能の高いフレキシブルセンサチューブに得ようとすれば、関節数が多くなり、各関節の自由度も高くなる。各関節の自由度が増えたり、フレキシブルセンサチューブの全長が伸びたり、各関節の長さが短くなれば、変化量検出センサ数が増加し、変化量検出センサの出力信号もそれに従い増加することになる。
従って、多くの変化量検出センサの出力信号を取り込む必要があり、その信号ケーブルを削減するべく、所定数の関節を1グループとし、グループ単位に変化量検出センサの信号が信号処理部に取り込まれる構成としたのである。1グループとする関節の数は、フレキシブルセンサチューブの設計や、変化量検出センサの信号を取り込む信号処理部の設計により決定されるものである。信号処理部は1ボードで構成されるのが好ましく、その入出力端子の個数としては8〜32が通常であり、1グループとする関節の数も8〜32が適切であろう。
これにより、瓦礫内探索ロボットが瓦礫内に埋もれた人を発見した時に、ピンポイントで、瓦礫内探索ロボットの位置、言い換えれば、瓦礫内に埋もれた人の位置を同定することが可能となるのである。瓦礫内に埋もれた人の位置をピンポイントで知ることができるため、救助活動が素早く行うことができ、ひいては多くの被災者を救出することが可能となる。
従来から、追従するロボットが先導者の空間的な移動情報を認識するために、ロボットがカメラを複数台備え、ステレオカメラにして先導者の位置をとらえるといった手段が知られている。しかし、ステレオカメラにして先導者の位置をとらえるといった手段では、先導者と追尾するロボットの間に壁等の障害物が入ると、カメラで先導者に取り付けたポイントを検知できなくなるという問題や、また、周囲の照明条件に大きく影響を受け、特に夜間などでは照明器具が必要となってくるといった問題があった。
第1の観点の走行ロボット自己位置同定システムにおけるフレキシブルセンサチューブを利用して、追従するロボットが先導者の空間的な移動情報を認識することで、かかる問題を回避できるのである。
すなわち、第1の観点の走行ロボット自己位置同定システムにおけるフレキシブルセンサチューブの一端をロボットに取り付け、他端を先導者の体に取り付けると、ロボットはフレキシブルセンサチューブの全体形状から他端の先導者の位置を同定できることとなる。さらに、先導者の両足先とフレキシブルセンサチューブの一端の間の相対運動を検出する手段を設けることで、先導者の両足先の軌跡を追尾するロボットが認識できることとなり、瓦礫等の不整路面上において先導者によって示された通過可能な空間や着地場所を、ロボットが追従していくことができるのである。
ここで、接合手段とは、2つのフレキシブルセンサチューブを接合して長さを延長していく役割をなすものである。フレキシブルセンサチューブの終端の関節同士がジョイントできるか、若しくは、別個のジョイント部材を用いてフレキシブルセンサチューブの終端の関節同士がジョイントしても良い。
この関節同士のジョイントは、関節機構のジョイントのみならず、空気圧チューブや、信号情報ケーブルなどのジョイントも意味するものである。
この分岐手段においても、上述の接合手段と同様に、関節機構のジョイントのみならず、空気圧チューブや、信号情報ケーブルなどのジョイントが行われる。
また、ロボットが先導者を追従するシステムにおいて、本発明の走行ロボット自己位置同定システムにおけるフレキシブルセンサチューブを用いることで、先導者の通過空間や着地場所を同定することができる効果を有する。
さらに、瓦礫内探索ロボットに電磁波の送受信等による生体情報獲得手段を備えることにより、地上の電波の影響を受けず、かつ電波を遮蔽する地中の障害物を回避した精度の良い生体情報を取得することができる。この場合、ロボットの走行中の情報の蓄積により、多方向からの立体的な情報が取得できて生体位置の特定がより正確になると共に、ロボットの走行ルート自体の情報を救助のための情報として活用することが可能となる。
図1に示すように、瓦礫内探索ロボット4は、台車11と関節12から構成され、ロボット本体の上と下に付いているクローラを用いて、瓦礫の中にロボットの先頭台車から突っ込み、先頭台車に取り付けられたCCDカメラで操縦と人体検索を行うものである。そして、その瓦礫内探索ロボット4の後方台車にフレキシブルセンサチューブ1が連結されている。ここで、動力源10は、瓦礫内探索ロボット4の動力として必要な空気圧を送り込む装置や電源供給装置である。また、携帯ディスプレイ9は、モバイルPCなどの処理コンピュータも兼ねるもので、フレキシブルセンサチューブ1の全体形状を算定して、携帯ディスプレイ9上に表示する。
図2の概略構成図に示すように、フレキシブルセンサチューブ1は、収納ドラム14に巻きつけられ収納されており、瓦礫内探索ロボット4の進行に伴い、収納ドラム14から巻き出されていく。図2中に矢印で示した部分を拡大したのが、図3の構成図である。
図3の構成図は、フレキシブルセンサチューブの一部分の11個のリンク部とその間の10個の関節のところを示している。また、XはX軸(横軸)方向に自由度を有する関節の箇所を示しており、YはY軸(縦軸)方向に自由度を有する関節の箇所を示している。 各関節には、小型のポテンショメータが装着されており、関節角の角度データを検出することができる。
XとYの箇所には、関節角を測定するためのポテンショメータ6が配設されており、各ポテンショメータ6から処理演算部(処理コンピュータ)7へと信号線15が配線されている。
また、図4の外観図に示されるように、フレキシブルセンサチューブは、長さ約5cmのリンク部3と1自由度の関節2の連鎖で構成されている。ここで、リンク部3は、約5cm四方のもので、内部に直径約3cmの空洞13を有している。この空洞は、空気圧チューブやカメラ等の信号情報ケーブルの通路の役割を持つものである。
ここで、関節数は要求されるフレキシブルセンサチューブの全長から決まり、個数が200の関節の場合は、フレキシブルセンサチューブの全長は約10mとなる。
そのため、10個の関節を1グループとして、10個のポテンショメータを1つの信号処理部(CPUボード)5に集約している。そして、200個の関節が、20のグループに分かれ、20枚のCPUボードが分散してポテンショメータの信号を処理する。
各CPUボードは、有線通信ネットワークで接続される。有線通信ネットワークは上述のリンクの空洞13内に配設されている。
これら形状、位置の情報は地形情報と併せて、携帯ディスプレイなどに表示される。
フレキシブルセンサチューブ1の一端を追尾ロボット21に取り付け、もう一端を先導者20の腰に取り付けている。先導者の腰と両足先の相対運動を知るため、先導者の腰から両足先にかけての関節の動きを検出するポテンショメータが設けられている。
従って、追尾ロボット21は、フレキシブルセンサチューブ1の全体形状から、先導者20の腰の3次元位置を同定することができ、また、先導者20の腰から両足先にかけての関節の動きを検出するセンサのデータから、両足先の位置を知ることができるのである。
図6(a)は、2本のフレキシブルセンサチューブを接合手段30で接続し、全長を延長したものである。また、図6(b)は、1本のフレキシブルセンサチューブに分岐手段31を用いて、3本のフレキシブルセンサチューブを接続したものである。
瓦礫内探索ロボットは電磁波受信方向に向かって走行するが、走行中にも電磁波を発信・受信して、新たな情報取得による生体の位置情報の修正を行い、それに伴い進路を修正していく。このように、発進後、探索ロボットは生体とダイナミックかつインタラクティブに情報をやりとりして、進路修正を繰り返して生体にたどり着くのである。また、本実施例により得られる情報は生体の位置を特定するための情報に留まらない。探索ロボットの瓦礫等の中の走行ルートや運転中に取り込んだ周囲の画像等の情報を後の救助計画の基礎情報とすることも可能となる。瓦礫内には様々な障害物が存在するので、特定された生体の位置に向かった直線ルートを救助ルートとしてとり得ないことも多いが、探索ロボットの走行ルート及び走行ルート周辺の画像情報は救助ルート決定に対しての極めて貴重な情報となる。すなわち、生体位置という点情報のみでなく、そこに至るプロセスである線及び面情報を獲得することができるのである。さらに、生存者を発見した後には、探索ロボットに生存者の生体情報・周辺の状況の画像情報を取り込み送信させることで、最適な救助計画を作成できることとなる。
また、ロボットが先導者を追従するシステムにおいて、先導者の通過空間および着地場所の同定手段としても有用である。
さらに、本発明の走行ロボット自己位置同定システムにおけるフレキシブルセンサチューブは接合手段、分岐手段を具備することで、様々な用途に活用が期待できる。
2 関節
3 リンク部
4 瓦礫内探索ロボット
5 信号処理部(CPUボード)
6 ポテンショメータ
7 処理演算部(処理コンピュータ)
8 有線通信ネットワーク
9 携帯ディスプレイ
10 動力源
11 瓦礫内探索ロボットを構成する台車
12 瓦礫内探索ロボットを構成する関節
13 空洞
14 収納ドラム
15 信号線
20 先導者
21 追尾ロボット
22 腰から両足先にかけてのフレキシブルセンサチューブ
30 接合手段
31 分岐手段
X X軸(横軸)方向に自由度を有する関節
Y Y軸(縦軸)方向に自由度を有する関節
Claims (10)
- 多関節構造のチューブであって、
各関節の可動部に設けられたポテンショメータ等の変化量検出センサと、
1ないし複数のセンサをグループ単位とし、前記グループ単位に前記センサの信号を取り込む信号処理部と、
前記信号処理部間は通信ネットワークに接続され、
前記通信ネットワークに接続され、前記センサの信号データに基づいて多関節構造のチューブの形状を算出する処理演算部と、
を備えたフレキシブルセンサチューブ、
前記フレキシブルセンサチューブの一端が走行ロボットに取り付けられ、前記多関節構造のチューブの形状を算出することにより、前記走行ロボットの位置を同定することを特徴とする走行ロボット自己位置同定システム。 - 請求項1の走行ロボット自己位置同定システムにおいて、ロボットに存在する可動軸の情報入手手段を備えたことを特徴とする走行ロボット自己位置同定システム。
- 請求項1又は2に記載の走行ロボット自己位置同定システムにおける走行ロボットが、生体の生命機能検出手段を備えたことを特徴とする人体位置特定システム。
- 前記生体の生命機能検出手段が電磁波送受信用アンテナを備え、反射電磁波を利用して人体の生命機能を検出するものであることを特徴とする請求項3に記載の人体位置特定システム。
- 前記電磁波送受信用アンテナが広域スキャンと狭域スキャンの切替機能を有することを特徴とする請求項4に記載の人体位置特定システム。
- 前記生体の生命機能検出手段による測定位置を動的に修正し、かつ、複数の測定位置における人体位置の特定に関する情報を組み合せて人体位置の特定を行うことを特徴とする請求項3〜5のいずれかに記載の人体位置特定システム。
- 前記人体位置特定に加え、前記走行ロボットが走行した経路に関する情報も備えたことを特徴とする請求項6に記載の人体位置特定システム。
- 先導者をロボットが追従するシステムにおいて、請求項1に記載の走行ロボット自己位置同定システムにおける前記フレキシブルセンサチューブの一端が先導者の体に取り付けられ、前記先導者の両足先と前記フレキシブルセンサチューブの一端の間の相対運動を検出する手段を備えたことを特徴とするロボット追従システム。
- 請求項1に記載の走行ロボット自己位置同定システムにおける前記フレキシブルセンサチューブが接合手段を備えること。
- 請求項1に記載の走行ロボット自己位置同定システムにおける前記フレキシブルセンサチューブが分岐手段を備えること。
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