JPH11109847A

JPH11109847A - セル及び多細胞ロボット

Info

Publication number: JPH11109847A
Application number: JP26850997A
Authority: JP
Inventors: Minoru Kawahara; 実河原
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1997-10-01
Publication date: 1999-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】目的に応じた専用の部品や装置を必要とする
ことなく、種々の機能を有するセル及びその組合せによ
って任意の機能を実現できる多細胞ロボットを提供する
こと。【解決手段】相互に連結する連結手段と、相互の位置
を検知する検知手段と、相互に信号を送受信する通信手
段とを備え、前記連結手段により他のセルと連結し、前
記検知手段により前記他のセルの位置を検知し、前記通
信手段により前記他のセルと通信する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、種々の機能を有
するセル及び複数のセルから成る多細胞ロボットに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ロボットは、電子回路技術及び機構技術
が組み合わされて種々の機能を発揮するように構成され
ている。一般に、電子回路技術においては、電子回路の
構成を変更することなく、汎用のハードウェアを使用し
ながら、種々の複雑な信号処理を行なうことができるよ
うになってきている。

【０００３】これは、ノイマン式コンピュータ等の普及
によって、プログラム処理によりメモリ上のプログラム
を書き換えるだけで、容易に異なる種類の信号処理を行
なうことができるからである。しかも、プログラム処理
を階層化することによって、より一層複雑で任意な信号
処理が可能になってきている。一方、機構技術において
は、目的に応じて最適な機構を実現するため、場合によ
っては専用の部品や装置を製作している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のロボットにおい
て、高性能の部品を製作するためには、特別の技能や製
造装置が必要となり、また僅かな機能変更や故障でも技
術者が必要となり、コストが高くなってしまうという問
題があった。さらに、専用の部品や装置は、他の用途に
は使用できないことが多く、産業廃棄物として処理する
必要があり、このためのコストも必要になるという問題
があった。

【０００５】この発明は、以上の点に鑑み、目的に応じ
た専用の部品や装置を必要とすることなく、種々の機能
を有するセル及びその組合せによって任意の機能を実現
できる多細胞ロボットを提供することを目的としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、この発明に
よれば、相互に連結する連結手段と、相互の位置を検知
する検知手段と、相互に信号を送受信する通信手段とを
備えたセルであって、前記連結手段により他のセルと連
結し、前記検知手段により前記他のセルの位置を検知
し、前記通信手段により前記他のセルと通信することに
より達成される。

【０００７】また、上記目的は、この発明によれば、相
互に連結する連結手段と、相互の位置を検知する検知手
段と、相互に信号を送受信する通信手段とを備えたセル
が複数で構成されている多細胞ロボットであって、少な
くとも１つの前記セルが、自力で移動するための移動手
段と、他のセルを制御するための制御手段とを備えた頭
脳セルであり、少なくとも１つの前記セルが、撮像手段
を備えている視覚セルであり、少なくとも１つの前記セ
ルが、他のセルとの位置関係を変更する駆動手段を備え
ている駆動セルであることにより達成される。

【０００８】上記構成によれば、頭脳セルと視覚セルと
複数の駆動セルが、互いに連結手段によって連結するこ
とにより、１つの多細胞ロボットを構成することができ
る。そして、このような構成の多細胞ロボットは、視覚
セルからの撮像信号に基づいて、頭脳セルが目的に応じ
た指令に従って、各駆動セル及び視覚セルを制御する。
これにより、多細胞ロボットは、任意の動作を行なうこ
とができ、所望の機能を実現できるので、非常に自由度
の高いロボットとすることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好適な実施形態
を添付図を参照しながら詳細に説明する。尚、以下に述
べる実施形態は、この発明の好適な具体例であるから、
技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発
明の範囲は、以下の説明において特にこの発明を限定す
る旨の記載がない限り、これらの態様に限られるもので
はない。

【００１０】図１は、この発明のセルの実施形態を示す
概略斜視図である。このセル１００は、例えば直径１０
ｍｍの中空球体に形成され、かつ表面に滑り止めの塗装
（図示せず）が施されている軟磁性体で成る殻１１０を
備えている。

【００１１】この殻１１０の中心から延びる直交する３
軸（ｘ，ｙ，ｚ）が殻１１０と交差する６つの位置に
は、窓１１１〜１１６がそれぞれ設けられ、それらの窓
１１１〜１１６の内側には、圧電素子１２１〜１２６が
それぞれ備えられている。これらの圧電素子１２１〜１
２６は、超音波マイクロホン兼スピーカとして構成され
ており、セル１００相互間の位置を検知する検知手段と
して、また各セル１００間の指令を送受信する通信手段
として機能するようになっている。

【００１２】このような構成において、２つのセル１０
０による位置検知機能を図２を参照して説明する。発信
側のセル１００Ａの各圧電素子１２１Ａ〜１２６Ａは、
例えば２００ｋＨｚの超音波を、図３（Ａ１）〜（Ａ
６）に示すように順次に異なる長さで発信する。

【００１３】これに対して、受信側のセル１００Ｂの各
圧電素子１２１Ｂ〜１２６Ｂのうち圧電素子１２１Ｂ
は、セル１００Ａの圧電素子１２１Ａ及び１２２Ａから
の超音波を殆ど検出せず、図３（Ｂ１）、（Ｂ２）に示
すように、セル１００Ａの圧電素子１２３Ａ及び１２４
Ａからの超音波のみを検出する。

【００１４】その際、２００ｋＨｚの超音波の波長λ
は、常温にて約１．７ｍｍであることから、セル１００
Ｂの圧電素子１２１Ｂにおいては、セル１００Ａの圧電
素子１２３Ａ及び１２４Ａからの超音波は、５波遅れ
で、また圧電素子１２５Ａ及び１２６Ａからの超音波
は、７波遅れで検知されることになる。また、セル１０
０Ｂの圧電素子１２４Ｂにおいては、セル１００Ａの圧
電素子１２３Ａ及び１２４Ａからの超音波は、７波遅れ
で検知されることになる。

【００１５】このようにして、セル１００Ｂの他の各圧
電素子も、それぞれ異なる位相で、セル１００Ａの各圧
電素子からの超音波を検出する。その際、各超音波の位
相遅れは、圧電素子間の距離によって決まることから、
セル１００Ｂが、各圧電素子間の距離を求めて、三角法
等に基づいて、セル１００Ａの向き及び距離を検知す
る。尚、各セル１００Ａ、１００Ｂ間の通信機能として
は、最短距離を有する圧電素子間にて、超音波により通
信される。

【００１６】以上のような構成のセル１００は、複数集
まって多細胞ロボットを構成するのであるが、その際に
種々の機能を発揮するために、以下に述べる３種類のも
のがある。図４は、自力で移動するための移動手段と、
他のセルを制御するための制御手段とを備えた頭脳セル
の実施形態を示す概略構成図である。この頭脳セルＢ
は、電池１２、１本の電磁石１３、自走用のモータ１
４、モータ用駆動回路１５及び制御回路１６が、殻１１
に内蔵された構成となっている。

【００１７】電磁石１３は、他のセルとの連結の位置決
め用のものであり、一軸方向にのみ設けられている。電
磁石１３の磁芯１３ａには、殻１１及び他の構成要素が
固定されており、これらの重心が球体の中心と一致する
ように構成されている。モータ１４は、公知の構成を有
しており、そのロータ側が、電磁石１３の磁芯１３ａに
電磁クラッチ（図示せず）を介して固定されていると共
に、そのステータ側には、バラストウエイトとして、電
池１２、モータ用駆動回路１５及び制御回路１６が固定
されており、モータ用駆動回路１５によって駆動され
る。

【００１８】制御回路１６は、モータ用駆動回路１５を
制御すると共に、内蔵されたプログラム又はリモートコ
ントロールによる指令に基づいて、他の連結されるべき
セルを制御するものである。尚、制御回路１６は、図２
においては、３つに分割されているが、これに限らず、
２つに分割されていてもよく、また１つに統合されてい
てもよい。

【００１９】このような構成において、モータ１４が回
転駆動されると、重力によってバラストウエイトが下方
に引張られるので、反作用によってステータ側である磁
芯１３ａ及び殻１１が回転することになり、頭脳セルＢ
が自走することになる。

【００２０】これに対して、電磁クラッチが解除された
状態で、図示しないサブモータが回転駆動されると、こ
のサブモータによって、モータ１４が図示矢印ａ方向に
平行移動される。例えば、モータ１４が左側に移動され
ると、重心が左側に移動することになる。従って、再び
電磁クラッチが接続されて、モータ１４が回転駆動され
ると、頭脳セルＢの走行方向は、左側にずれることにな
る。以上のようにして、モータ１４及びサブモータの制
御によって、頭脳セルＢは、平面上の任意の位置に回転
移動することになる。

【００２１】図５は、撮像手段を備えた視覚セルの実施
形態を示す概略構成図である。この視覚セルＥは、電池
２２、１本の電磁石２３、ＣＣＤカメラ２４、画像信号
処理回路２５及び電源回路２６が、殻２１に内蔵された
構成となっている。電磁石２３は、他のセルとの連結の
位置決め用のものであり、一軸方向にのみ設けられてい
る。

【００２２】ＣＣＤカメラ２４は、視覚機能として、殻
２１の表面に配設されたレンズ２４ａを介して周囲の画
像を取り込むためのものである。画像信号処理回路２５
は、ＣＣＤカメラ２４により取り込まれた画像信号か
ら、必要な画像データを抽出し、さらに圧縮するように
なっている。電源回路２６は、電池２２からの駆動電圧
に基づいて、ＣＣＤカメラ２４及び画像信号処理回路２
５を駆動するものである。

【００２３】図６は、他のセルとの位置関係を変更する
駆動手段を備えた駆動セルの実施形態を示す概略構成図
である。この駆動セルＭは、電池３２、３本の電磁石３
３、３４、３５、駆動回路３６及び制御回路３７が、殻
１１に内蔵された構成となっている。電磁石３３、３
４、３５は、他のセルとの連結の位置決め用及び駆動用
のものであり、３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向にそれぞれ設け
られている。駆動回路３６は、例えばパルス幅変調によ
って、各電磁石３３、３４、３５をそれぞれ駆動するた
めのものである。

【００２４】制御回路３７は、駆動回路３６を制御する
ことにより、各電磁石３３、３４、３５の駆動電流値を
適宜に制御して、所望の方向の合成磁界を得るようにな
っている。即ち、各電磁石３３、３４又は３５の何れか
のみに電流を流す場合、その電磁石の方向（Ｘ軸、Ｙ軸
またはＺ軸方向）に磁界が生ずるが、例えば電磁石３
３、３４のみに電流を流すと、ＸＹ平面上の斜め方向の
磁界が生ずる。このようにして、制御回路３７が、各電
磁石３３、３４、３５の駆動電流を適宜に制御すること
により、任意の方向の合成磁界（以下、磁軸という）が
生ずることになる。

【００２５】図７は、この発明の多細胞ロボットの実施
形態を示す概略構成図である。この多細胞ロボット１０
は、順次に一列に連結された複数個（図示の場合、１２
個）のセル１００から構成されている。ここで、各セル
１００は、図１にて左側から順に、視覚セルＥ、駆動セ
ルＭ１、頭脳セルＢ、駆動セルＭ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ
５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８、Ｍ９、Ｍ１０である。尚、駆動
セルＭ１〜Ｍ１０は、それぞれ全く同じ構成の駆動セル
（以下、駆動セルＭという）である。

【００２６】このような構成の多細胞ロボット１０の動
作例を説明する。当初、複数個のセルは、ばらばらの状
態で置かれている。この状態から、外部の超音波リモー
トコントロール装置により、頭脳セルＢの圧電素子に指
令が送出される。これにより、頭脳セルＢは、この指令
を圧電素子を介して制御回路に記憶すると共に、この指
令に基づいて必要な動作を行う。以下、例として、壁の
隙間に潜むゴキブリの捕獲を行なう仕事について説明す
る。

【００２７】頭脳セルＢは、必要なセルを集める。即
ち、最も近い駆動セルＭを圧電素子により探して、この
駆動セルＭに向かってモータ及びサブモータにより自走
し、その駆動セルＭを電磁石により連結する。これによ
り、頭脳セルＢ及び駆動セルＭは、３軸方向に移動する
ことができるようになり、機動性が向上することにな
る。

【００２８】そして、頭脳セルＢは、駆動セルＭと共
に、同様に近くの駆動セルＭに向かって移動して、この
駆動セルＭを連結する。このようにして、頭脳セルＢ
は、必要なセル、即ちこの場合は１０個の駆動セルＭ及
び視覚セルＥを集める。

【００２９】次に、頭脳セルＢは、頭脳セルＢを中心と
して、各駆動セルＭ及び視覚セルＥにより円陣を組む。
そして、頭脳セルＢは、各駆動セルＭ及び視覚セルＥに
対して簡単な動作確認を行ない、故障しているセルがあ
った場合には、そのセルを排除して、正常なセルと交換
する。

【００３０】続いて、頭脳セルＢは、各駆動セルＭを並
び順に従って、順次に、Ｍ１、Ｍ２、・・・Ｍ１０なる
ＩＤを割り当て、各駆動セルＭに上記ＩＤを復唱させ
る。このＩＤは、その後の相互の位置確認の際の順番や
指令の伝達経路を構成することになる。その後、頭脳セ
ルＢは、各セル、即ち駆動セルＭ１〜Ｍ１０及び視覚セ
ルＥに対して、上記仕事における手順を圧電素子により
伝達する。

【００３１】このようにして、前準備が完了し、仕事が
開始される。先づ、図７に示すように、視覚セルＥを先
頭にして、以下駆動セルＭ１、頭脳セルＢ、駆動セルＭ
２〜Ｍ１０の順に、一列に並んで互いに連結する。

【００３２】次に、図７にて点線で示すように、駆動セ
ルＭ８が、山型に持ち上げられた後、下げられる。即
ち、駆動セルＭ７の磁軸が時計回りに徐々にずらされる
ことにより、駆動セルＭ７は駆動セルＭ６の表面に沿っ
て持ち上げられる。これに対して、駆動セルＭ９の磁軸
が反時計回りに徐々にずらされることにより、駆動セル
Ｍ９は駆動セルＭ１０の表面に沿って持ち上げられる。

【００３３】これにより、駆動セルＭ８は、駆動セルＭ
７及びＭ９によって挟持された状態で上方に持ち上げら
れるので、駆動セルＭ８を頂点とする山型の形態となる
のである。尚、上記動作の際、各駆動セルＭ７〜Ｍ９
は、それぞれ表面に設けられた圧電素子同士で通信を行
なうことにより、所定位置から外れた場合には、電磁石
の駆動電流を調整することにより位置修正される。

【００３４】上述した同様の動作を駆動セルＭ７、Ｍ
６、Ｍ５、Ｍ４、Ｍ３、Ｍ２、頭脳セルＢ、駆動セルＭ
１、視覚セルＥに対して順次に行うことにより、多細胞
ロボット１０は、尺取り虫のように屈伸運動することに
なり、セル１つ分だけ前進することになる。

【００３５】以上の動作を繰り返し行なうことによっ
て、多細胞ロボット１０は、所望の方向に向かって前進
し、例えばゴキブリの潜む壁の隙間に進入する。その
際、進路の認識、障害物や段差等の検知は、視覚セルＥ
のＣＣＤカメラ及び画像信号処理回路によって行なわ
れ、検知結果が圧電素子により頭脳セルＢの制御回路に
送信される。これにより、多細胞ロボット１０は、これ
らの障害物等を回避しながら前進することになる。

【００３６】多細胞ロボット１０が、ゴキブリに接近し
たら、頭脳セルＢは、他の駆動セルＭ１〜Ｍ１０を組み
換えて、図８に示すように、Ｙ字形を構成する。そし
て、多細胞ロボット１０は、視覚セルＥからの画像信号
に基づいて、そのＹ字形の二股部分１０ａ、１０ｂによ
りゴキブリを把持する。ここで、把持する前に、ゴキブ
リが逃げてしまった場合には、再び多細胞ロボット１０
は、ゴキブリの追跡を行なって、再度二股部分１０ａ、
１０ｂによりゴキブリを把持する。

【００３７】そして、二股部分１０ａ、１０ｂによるゴ
キブリの把持に例えば３度失敗した場合には、多細胞セ
ル１０は、再び一列に整列した状態でゴキブリに接近
し、１つおきのセルの電磁石に逆の駆動電流を印加する
ことによって、その磁軸を瞬間的に反転させる。これに
より、各セルは、互いに磁気的に反発して瞬時にはじけ
ることになる。

【００３８】そして、いくつかのセルがゴキブリに衝突
してゴキブリが一時的に気を失ったときは、多細胞ロボ
ット１０は、再びＹ字形を構成し、二股部分１０ａ、１
０ｂにより気を失ったゴキブリを把持する。そして、多
細胞ロボット１０は、Ｙ字形の二股部分１０ａ、１０ｂ
によりゴキブリを把持した状態で、壁の隙間から出て来
る。以上により、多細胞ロボット１０によって、壁の隙
間に潜むゴキブリを捕獲することができる。

【００３９】以上のように、頭脳セルＢが、目的に応じ
て必要な数の視覚セルＥや駆動セルＭを集めて統合する
ことにより、汎用性の高い個々のセルを組み合わせて、
所望の機能を実現できるので、非常に自由度の高い機構
を得ることができる。

【００４０】また、各セルＢ、Ｅ、Ｍは、汎用性が高い
ことから、専用の部品や装置等が不要となり、コストを
低減することができる共に、セルＢ、Ｅ、Ｍが故障した
場合には、故障したセルのみを交換するだけで済み、修
理による中断時間を排除することができ、生産性を向上
させるとができる。さらに、１つの目的のための多細胞
ロボット１０が不要になった場合には、個々のセルＢ、
Ｅ、Ｍを他の用途に容易に転用することができ、無駄が
なくなると共に、産業廃棄物を大幅に削減することがで
きる。

【００４１】尚、上述した実施形態においては、多細胞
ロボットは、１２個のセルから構成されているが、これ
に限らず、種々の目的に応じて、適正な個数のセルが組
み合わされることにより、所望の目的に適した多細胞ロ
ボットを構成することができる。その際、目的によって
は、頭脳ロボット及び視覚ロボットは、１つに限らず、
複数個としても良い。さらに、各セルが、階層構造を有
するように互いに組み合わされることによって、より多
彩な機能が実現できると共に、容易な制御が実現でき
る。

【００４２】また、上述した実施形態においては、セル
は、頭脳セル、視覚セル及び駆動セルの３種類から構成
されているが、これに限らず、他のセル、例えば駆動セ
ルに対して電源を供給する補助電源セルや、視覚以外の
知覚、例えば聴覚を担当する知覚セル等、他の特殊セル
を利用することにより、多細胞ロボットの機能を向上さ
せることができる。

【００４３】さらに、上述した実施形態においては、セ
ルの殻は、１０ｍｍの直径の球体として示されている
が、これに限らず、任意の直径の球体、あるいは正多面
体の形状であっても良い。特に、より一層小型に構成さ
れることにより、より細密な作業に適した多細胞ロボッ
トを構成することができる。

【００４４】また、上述した実施形態においては、各セ
ルの連結機能及び運動機能は、共通の電磁石を使用して
いるが、これに限らず、例えばファスナー状の連結手段
と、殻自体の変形による運動機能を有するようにしても
良い。この場合、周囲から磁気的影響を受けず、また周
囲に対して磁気的影響を及ぼさず、また連結力及び運動
能力が高くなる。

【００４５】さらに、上述した実施形態においては、各
セル間の相互位置確認及び通信機能は、圧電素子により
実現されているが、これに限らず、他の手段、例えば電
波や光を使用することも可能である。また、相互位置確
認機能は、各セルの表面を感圧シートで覆うことによ
り、皮膚感覚を持たせ、接触位置によって相互位置確認
を高精度で行なうことも可能である。

【００４６】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
目的に応じた専用の部品や装置を必要とすることなく、
種々の機能を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のセルの実施形態を示す概略斜視図。

【図２】図１のセルによる位置検知機能を説明する図。

【図３】図２の位置検知の際に用いられる超音波波形を
示す図。

【図４】自力で移動するための移動手段と、他のセルを
制御するための制御手段とを備えた頭脳セルの実施形態
を示す概略構成図。

【図５】撮像手段を備えた視覚セルの実施形態を示す概
略構成図。

【図６】他のセルとの位置関係を変更する駆動手段を備
えた駆動セルの実施形態を示す概略構成図。

【図７】この発明の多細胞ロボットの実施形態を示す概
略構成図。

【図８】図７の多細胞ロボットがＹ字形に組み換えられ
た状態を示す概略斜視図。

【符号の説明】

１０・・・多細胞ロボット、１１、２１、３１、１１０
・・・殻、１２、２２、３２・・・電池、１３、２３、
３３、３４、３５・・・電磁石、１３ａ・・・磁芯、１
４・・・モータ、１５、３６・・・駆動回路、１６、３
７・・・制御回路、２４・・・ＣＣＤカメラ、２５・・
・画像信号処理回路、２６・・・電源回路、１００・・
・セル、１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１
２６・・・圧電素子、Ｂ・・・頭脳セル、Ｅ・・・視覚
セル、Ｍ・・・駆動セル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相互に連結する連結手段と、相互の位置を検知する検知手段と、相互に信号を送受信する通信手段とを備えたセルであっ
て、前記連結手段により他のセルと連結し、前記検知手段に
より前記他のセルの位置を検知し、前記通信手段により
前記他のセルと通信することを特徴とするセル。
【請求項２】前記セルが、自力で移動するための移動
手段と、他のセルを制御するための制御手段とを備えて
いる頭脳セルである請求項１に記載のセル。
【請求項３】前記セルが、撮像手段を備えている視覚
セルである請求項１に記載のセル。
【請求項４】前記セルが、他のセルとの位置関係を変
更する駆動手段を備えている駆動セルである請求項１に
記載のセル。
【請求項５】相互に連結する連結手段と、相互の位置を検知する検知手段と、相互に信号を送受信する通信手段とを備えたセルが複数
で構成されている多細胞ロボットであって、少なくとも１つの前記セルが、自力で移動するための移
動手段と、他のセルを制御するための制御手段とを備え
た頭脳セルであり、少なくとも１つの前記セルが、撮像
手段を備えている視覚セルであり、少なくとも１つの前
記セルが、他のセルとの位置関係を変更する駆動手段を
備えている駆動セルであることを特徴とする多細胞ロボ
ット。
【請求項６】前記各セルが、一列に並んで相互に連結
されることにより、屈伸運動して移動する請求項５に記
載の多細胞ロボット。
【請求項７】前記各セルが、Ｙ字形状に相互に連結さ
れることにより、Ｙ字形状を構成する二股部分により、
対象物を把持する請求項６に記載の多細胞ロボット。