| 【発明の名称】 |
多関節構造体、それを用いた装着具、システムおよびヒューマンマシンインターフェース |
| 【発明者】 |
【氏名】大須賀 公一
【氏名】中川 志信
【氏名】和田 貴志
【氏名】北田 安輝
【氏名】楠 健司
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| 【要約】 |
【課題】多関節構造体の長さを手動で任意に変更可能とする。
【構成】本発明の多関節構造体は、各関節間の連結部にポテンショメータ等の変化量検出センサが設けられ、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が信号処理部に取り込まれ、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た処理演算部が、前記センサの信号データに基づいて演算処理する多関節構造体において、前記多関節構造体の形状が変形した際に、前記関節間の連結部の変化量をリアルタイムに検出し、前記関節の並進、回転移動した際の移動量及びベクトルを出力する構成とされる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】
節ユニット間の連結部にポテンショメータ等の変化量検出センサが設けられ、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が信号処理部に取り込まれ、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た処理演算部が、前記センサの信号データに基づいて演算処理する多関節構造体において、前記多関節構造体の形状が変形した際に、前記節ユニット間の連結部の変化量をリアルタイムに検出し、前記節ユニット間の連結部の並進、回転移動した際の移動量及びベクトルを出力することを特徴とする多関節構造体。
【請求項２】
前記多関節構造体において、外形形状を管状若しくは筒状に構成し、内部に動力線及び／又は信号線を配設し得ることを特徴とする請求項１に記載の多関節構造体。
【請求項３】
前記多関節構造体において、形状表面あるいは内層に動力線及び／又は信号線の回路パターンを配設したことを特徴とする請求項１又は２に記載の多関節構造体。
【請求項４】
前記多関節構造体を構成する節ユニット又は複数の節ユニットにより成る節ユニットブロックが、前記多関節構造体あるいは無線手段で構成される節ユニット群などシステム全体の中で自己ＩＤの認識機能を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多関節構造体。
【請求項５】
前記多関節構造体において、１ないし複数単位の節ユニットが、任意の前記連結部で分離および連結し得ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多関節構造体。
【請求項６】
前記連結又は分離される節ユニット又は節ユニットブロックが、連結又は分離されることで新たに形成されるあるいは接続変更される、多関節構造体あるいは無線手段で構成される節ユニット群などシステム全体の中で、アドホック等の自己ＩＤの自動認識機能を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の多関節構造体。
【請求項７】
前記多関節構造体において、節ユニット間の連結部を可動できる動力手段を備え、前記多関節構造体の全体形状の変形や移動を可能とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多関節構造体。
【請求項８】
前記多関節構造体において、節ユニットが駆動手段を備え、１ないし複数単位の節ユニット又は前記多関節構造体全体が移動し得ることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の多関節構造体。
【請求項９】
前記多関節構造体において、節ユニットがクローラを備え、１ないし複数単位の節ユニットが移動し得ることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の多関節構造体。
【請求項１０】
前記節ユニットが、更に通信手段およびセンシング手段を備えることを特徴とする請求項８又は９に記載の多関節構造体。
【請求項１１】
前記節ユニットの内部に、位置認識用のＧＰＳ（Global Positioning System）部と無線通信部とを備えた中継局ユニットを少なくとも１つ装備し、所定のアルゴリズムを用いて前記中継局ユニットの配置位置を特定し、前記駆動手段および前記通信手段を用いて前記配置位置に移動し、前記節ユニットの内部から前記中継局ユニットを排出し配置させることを特徴とする請求項１０に記載の多関節構造体。
【請求項１２】
前記所定のアルゴリズムは、３基の前記中継局ユニット若しくは前記節ユニットからのＧＰＳ通信の受信エリアの境界地点を、中継局ユニットの配置位置と判定するものであることを特徴とする請求項１１に記載の多関節構造体。
【請求項１３】
前記多関節構造体の全体形状および前記位置認識用のＧＰＳから、前記節ユニットの位置を同定することを特徴とする請求項１１に記載の多関節構造体。
【請求項１４】
前記多関節構造体において、ドアを開閉するためのドアノブ操作をし得る挟持手段を備えたロボットが先頭に配置されるように合体されることを特徴とする請求項１０に記載の多関節構造体。
【請求項１５】
前記節ユニットが備える前記センシング手段において、被写体までの距離測定および画像撮影を同時に行い得るセンサを搭載していることを特徴とする請求項１０に記載の多関節構造体。
【請求項１６】
前記節ユニットが、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を備え、前記センサの動作や状態が外部から観察し得るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の多関節構造体。
【請求項１７】
前記節ユニットが、回転機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の多関節構造体。
【請求項１８】
請求項１に記載の多関節構造体を組み込んだことを特徴とする装着具。
【請求項１９】
前記装着具を人体に装着した際の、人体の微小な変動を無効化するためのフィルター処理を、前記演算処理部に備えたことを特徴とする請求項１８に記載の装着具。
【請求項２０】
請求項１に記載の多関節構造体が両手や両足、頭にそれぞれ装着され、腰あるいは背中に取り付けた基準装置の位置および前記多関節構造体の全体形状から、両手，両足，頭の各位置および各動作をリアルタイムに測定し得ることを特徴とする装着具。
【請求項２１】
請求項１に記載の多関節構造体が腕に装着され、少なくとも車椅子を含む移動体に取り付けた基準装置の位置および前記多関節構造体の全体形状から、腕の移動動作をリアルタイムに測定し、前記移動体を制御し得ることを特徴とする装着具。
【請求項２２】
請求項４乃至６のいずれか１項に記載の多関節構造体が、両手や両足、頭にそれぞれ装着され、腰あるいは背中に取り付けた基準装置の位置および前記多関節構造体の全体形状から、両手，両足，頭の各位置および各動作をリアルタイムに測定し、該測定データをリハビリ用データあるいはトレーニング用データとして使用し、目標値データとの差分に応じて、前記多関節構造体の連結部に可動し得ることを特徴とする装着具。
【請求項２３】
請求項１に記載の多関節構造体が、指に装着され、キーボード入力など各入力が行い得ることを特徴とする装着具。
【請求項２４】
請求項１に記載の多関節構造体が腕および指に装着され、遠隔で手術の手技を行い得ることを特徴とする装着具。
【請求項２５】
請求項１に記載の多関節構造体が内視鏡の手技に用いられる医療器具に装着され、前記医療器具の位置認識を行うことを特徴とする医療器具。
【請求項２６】
請求項４乃至６のいずれか１項に記載の多関節構造体を、複数並べて面を構成したことを特徴とする平面構造体。
【請求項２７】
請求項２６に記載の平面構造体を構成する前記多関節構造体の連結部が前記動力手段により可動することにより、前記平面構造体の平面を屈曲させて立体を形成し得ることを特徴とする立体構造体。
【請求項２８】
請求項１に記載の多関節構造体により、水中を浮上・沈下あるいは左右前後に移動するプロペラ等移動手段を持つ移動部と、船上の制御装置とが連結され、前記移動部の位置および動作がリアルタイムに同定可能で、且つ、目標の位置に対して移動制御が可能で、前記移動部に対してデータ通信および給電が可能であることを特徴とするシステム。
【請求項２９】
前記移動部がカメラ及び／又はセンサを備え、船のドックに上げることなく船底の調査が可能となることを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記移動部がアームを備え、水底における基礎組立作業が可能となることを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
請求項１に記載の多関節構造体が両手、両足、頭、指を含む人体の各部位にそれぞれ装着され、腰、背中或いは搭乗するロボットを含む移動体に取り付けた基準装置の位置および前記多関節構造体の全体形状から、人体の各部位の位置および動作をリアルタイムに測定し得る装着具を用いて前記移動体を操作し得ることを特徴とするヒューマンマシンインターフェース。
【請求項３２】
請求項１に記載の多関節構造体において、節ユニットに防水や防塵、防火など必要に応じた外皮を被せると同時に、当該外皮を節ユニットに固定する手段を付加したことを特徴とする多関節構造体。
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【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、１個以上の節ユニットが連結あるいは分離して構成される多関節構造体を生命体あるいはロボットや機械等に装着してその位置・動き・形状などを同定する認識手段に関する技術であると同時に、前記多関節構造体を１個単位あるいは数個単位に自動あるいは手動で分離・連結可能とする技術である。
【０００２】
また本発明は、前記多関節構造体を１個以上の連結分岐手段を用いて多段連結可能とすることで、人体の手足や頭の位置を認識する、あるいは延長や面への展開、メッシュ構造への展開などを可能とする技術である。さらに前記多関節構造体の連結部にアクチュエータ手段を加えることで前記多関節構造体を駆動・変形することも可能にする技術である。
【０００３】
また本発明は、移動可能とした前記多関節構造体を大規模地震等で倒壊した被災建造物内へ進入して、建物の下敷きになった人を探し出したりする場合に使用される特殊環境用ロボットに応用するなど有線技術と無線技術の連携による位置同定に関する技術である。
【背景技術】
【０００４】
回転や湾曲など複雑に移動する測定対象の現在位置や形状を同定するために、従来はエンコーダを駆動軸分用意したり、光ファイバーの屈折率を用いるなど高価で複雑な手段が用いられていた。
【０００５】
また、特願２００５−１６６５５８の出願では、各節の関節部にポテンショを取り付けることで多関節構造体の位置・動き・形状などを安価・高精度に同定することを可能とした。しかし、多関節構造体の長さが、対象物で必要な量に対して長すぎあるいは短すぎたりして、うまく適用することが難しい状況もあった。これを従来技術の第１の問題点とする。
【０００６】
また、特願２００５−１６６５５８の出願では、分岐手段は講じたもののより複雑なメッシュ構造体あるいは面上の位置同定を行なうことは出来なかった。さらにそれらを自律で変形させたり駆動することも出来なかった。これを従来技術の第２の問題点とする。
【０００７】
また大規模地震等の災害が発生した場合に、迅速な人命救助作業が必要とされる。被災した建物内（地下鉄、地下街、高層ビルなど）は極めて危険性が高く、ロボットによる人命救助作業の支援が期待されている。
災害発生直後における迅速な情報収集は、迅速な人命救助を実施する上で重要である。高速かつ分散的な情報収集による高効率化と高精度化が、その後の被害を軽減すると考えられる。被災した建物内での危険空間で、人間が情報収集を行うことは二次災害が発生する確率を増大させるため、複数のロボットが建物内を高速に走破し、高速かつ分散的な情報収集を行い得ることが望まれている。
【０００８】
従来から、レスキューロボットなど、多自由度マニピュレータを駆使して、被災建造物の瓦礫下などの障害物を除去しながら、被災者を探索するロボットが研究されている。その中で、効率的な救助活動を実現する探索ロボットシステムとして、探索空間を少なくとも１以上のメッシュに分割し、分割されたメッシュに探索ロボットを配置するものが知られている（特許文献１参照）。このシステムは、探索空間を１つまたは複数のメッシュに分割して、メッシュごとに探索ロボットを配置することで、被災地等の捜索領域をくまなく探索でき、被災者の位置を正確に把握して、効率的に救助活動を展開するものである。また探索活動は安価な小型のロボットで実現することができ、障害物の小さな隙間を抜けて広い範囲を探索することも可能とするものである。
【０００９】
しかし、特許文献１で開示された技術の場合、羽の駆動による飛行手段を用いて、探索ロボットをメッシュごとに配置するため、一次的には障害物の表面に沿って探索を行うこととなり、表面の隙間から障害物内部に侵入して探索するものではなかった。従って、地下鉄、地下街、高層ビルなどの閉鎖空間において、閉じ込められた被災者の情報を迅速に収集することが困難であった。
【００１０】
また、クローラ型のロボットが無線通信若しくは有線通信にて遠隔制御しながら、障害物内部に侵入して探索するものが知られている（例えば、特許文献２〜特許文献４を参照。）。しかし、これらは被災建造物の瓦礫下などの不整合な場所を探索するものであるが、個々のロボットが協調して、高速かつ分散的に被災者の情報を収集し得るものではなかった。これらを従来技術の第３の問題点とする。
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−３３９８９６号公報
【特許文献２】特開２００４−１８８５８１号公報
【特許文献３】特願２００４−１５７９７７号公報
【特許文献４】特開平９−１４２３４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記の問題に鑑みて、本発明の第１の課題は、前記多関節構造体の長さを手動で任意に変更可能とすることである。１個単位に節ユニットを分割可能としてもよい。また自動制御で適切な長さに自動で分離・連結する構成・手段にしてもよい。
【００１３】
本発明の第２の課題は、前記多関節構造体どうしを連結する他、１対多に複数分岐する分岐ユニットとの接続が、その先のさらに別の分岐ユニットと接続するなど、複数の前記多関節構造体と前記分岐ユニットをメッシュ構造で連結可能とするものである。例えば人体の動きを同定する場合において、腰に第１の分岐ユニット、手足へそれぞれ伸びる前記多関節構造体、さらにその先に接続される分岐ユニット、そこから指単位で伸びる前記多関節構造体という構成の実現である。
あるいは海中において複数設置した前記多関節や接続される対象物の位置同定や動きを、メッシュ構成あるいは面構成で構成した前記多関節構造体で認識する手段の実現である。
【００１４】
本発明の第３の課題は、前記多関節構造体等の有線技術と、離散するような環境下でも通信可能な無線技術の連携又は無線通信間におけるエリア調整による位置同定手段の実現である。その技術を基に複数のロボットが地下鉄ホーム（改札を含む）、地下街、高層ビルなどの閉鎖空間（階段、ドアを含む）において、障害物の回避・乗り越え・軽量物の排除を行いながら、迅速に歩く人間と同程度の平均速度で、半自律走行し得ることである。
また、本発明の第４の課題は、複数のロボットの走行経路をモニタリングし、複数の映像を含むセンシング情報をＧＩＳ（Geographic Information System）上にマッピングし得ることである。
【００１５】
すなわち、地下鉄駅、地下街、空港、高層ビルなどにおいて、複数のロボットが、階段やドアのある建物内で被災した人を探索しながら迅速に移動し、建物のＧＩＳマップをもとにして、決められた地点とそこに至るまでの映像等のセンサ情報を、高速かつ分散的に情報収集し得る装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１の多関節構造体は、節ユニット間の連結部にポテンショメータ等の変化量検出センサが設けられ、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が信号処理部に取り込まれ、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た処理演算部が、前記センサの信号データに基づいて演算処理する多関節構造体において、前記多関節構造体の形状が変形した際に、前記節ユニット間の連結部の変化量をリアルタイムに検出し、前記節ユニット間の連結部の並進、回転移動した際の移動量及びベクトルを出力する構成とされたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の多関節構造体は、複数個の単位装置（本明細書では、節ユニットと呼ぶ。）が連結部を介して長尺状につながり、全体形状を形成する。各節ユニットには、節ユニット間の連結部にポテンショメータ等の変化量検出センサが設けられ、隣接する節ユニットの位置および動作を相対的に検出・測定できるようになっている。
変化量検出センサからの出力信号は、グループ単位にまとめられ、信号処理部に取り込まれる。ここで、グループ単位としているのは、個々の節ユニットに信号処理部を形成する必要性を回避するためである。信号処理部間は通信ネットワークに接続されており、同様に、通信ネットワークに接続された処理演算部が、多関節構造体の全てのセンサからの検出信号を用いて、多関節構造体の全体形状を算出する。
【００１８】
本発明のポイントは、多関節構造体の全体形状が変形した際に、節ユニット間の連結部の変化量をリアルタイムに検出し、節ユニット間の連結部の並進、回転移動した際の移動量及びベクトルを出力することである。節ユニット間の連結部の並進とは連なる関節が直線的に追随することをいい、回転移動とは連なる関節が左右、上下に相対的位置関係を変化させることをいう。なお、節ユニット間の連結部のねじれについても同様に検出、出力が可能である。
節ユニット間の連結部の並進、回転移動した際の移動量及びベクトルを用いることにより、以下に述べる様々な応用装置が設計できることになる。
【００１９】
本発明の請求項２の多関節構造体は、請求項１の多関節構造体において、外形形状を管状若しくは筒状に構成し、内部に動力線及び／又は信号線を配設し得る構成とされたことを特徴とする。
【００２０】
動力線や信号線を内蔵（配置）出来るように、外形形状を管状や筒状に構成したものである。
【００２１】
本発明の請求項３の多関節構造体は、請求項１の多関節構造体において、形状表面あるいは内層に動力線及び／又は信号線の回路パターンを配設した構成とされたことを特徴とする。
【００２２】
本発明の多関節構造体の小型化を追求する上で、信号線や動力線などの配線を排除し、多関節構造体の本体そのものにパターンを配置するものである。例えば、多関節構造体の表面材料をプラスチック樹脂とし、回路基板の基板パターンを表面あるいは内層のプラスチック樹脂上に描くことで、電子回路基板と配線を無くすことができる。
【００２３】
本発明の請求項４の多関節構造体は、多関節構造体を構成する節ユニット又は複数の節ユニットにより成る節ユニットブロックで構成される前記多関節構造体全体において、どの部位にその多関節構造体が存在するかをシステム全体が認識するために、自己ＩＤの認識機能を有していることを特徴とする。これによってどの部位の多関節構造体が変化したか等の情報を、多関節構造体が多数存在するシステムの中でもユニークに特定することが可能となる。また必要とする対象物体の中の節ユニット又は節ユニットブロックに対応したパートからの特有情報の検出又は情報伝達を可能とする。これらは多関節構造体が無線手段などで離散しているシステムでも同様に利用可能である。
【００２４】
本発明の請求項５の多関節構造体は、請求項１〜３の多関節構造体において、１ないし複数単位の節ユニットが、任意の前記連結部で分離および連結し得る構成とされたことを特徴とする。分離、連結の手段としては、コンピュータと無線又は有線による通信装置とモータ等の動力装置を組み合わせた自動分離・連結手段があるが、それに限定されず、各節ユニットにコンピュータと動力装置を備える場合も含まれ、また手動による分離・連結も含まれる。
【００２５】
各節ユニットがブロック状に分離および連結できることで、全体の大きさを自由に制御でき、また、以下に述べるように、節ユニットに各種機能を持たせることで応用範囲を広げることができる。
【００２６】
本発明の請求項６の他間接構造体は、節ユニット又は節ユニットブロックが、有線あるいは無線手段で連結又は分離される度に、アドホック等の自己ＩＤの自動認識機能を有することで、前記多関節構造体あるいは無線手段で構成される節ユニット群などシステムの中でただちに特定出来ることを特徴とする。これにより、多関節構造体が複数存在するシステムの中でも、どの多関節構造体のどの部位が新設あるいは更新されたかを、ユニークかつ瞬時に特定することが可能となる。これらの情報は自己ＩＤの自動認識機能により、リアルタイムに新たな対象物の対応したパートからの特有の情報検出又は当該パートへの情報伝達を可能とする。
【００２７】
本発明の請求項７の多関節構造体は、請求項１〜３の多関節構造体において、節ユニット間の連結部を動かせる動力手段を備え、多関節構造体の全体形状の変形や屈伸による移動を可能とする構成とされたことを特徴とする。
【００２８】
節ユニット間の連結部を動かせる動力手段を設けることにより、多関節構造体の全体形状を制御することが可能となる。多関節構造体の各節ユニットの連結部をモータ等で可動にすることで、自律的に連結・分離を行わせることが可能であり、また、連結部位の前後・左右・回転等の可動を行わせることが可能となる。
【００２９】
本発明の請求項８の多関節構造体は、請求項４〜６の多関節構造体において、節ユニットが駆動手段を備え、１ないし複数単位の節ユニット又は前記多関節構造体全体で移動し得る構成とされたことを特徴とする。
【００３０】
節ユニットが駆動手段を備えることで、多関節構造体全体が一体的に移動できると共に、節ユニットが多関節構造体から独立して独自に移動できるようにしたものである。ここで、節ユニットの駆動手段としては、クローラ型の駆動機構であることが好ましい。クローラ型の駆動機構とすることにより、災害時に倒壊した建屋の狭い間隙を通り抜けて内部に侵入することが可能となるからである。
【００３１】
また、クローラ型の駆動機構とすることにより、２足歩行ロボットと同様に、階段を迅速に移動することが可能となる。被災建造物内を移動する関節は、先ず被災建造物内に進入する必要がある。２足歩行できる人型ロボットよりも、節ユニットがコンパクトで、それらが長尺連結することにより被災建造物内に進入しやすいチューブ形状としたものである。
後述するように、長尺連結することとしたのは、人型ロボットと同様、階段の上り下りやドアのノブを用いた開閉ができるようにするためである。節ユニットはクローラ型の駆動手段を備えることで、構成が簡素となり、また、迅速に移動できるのである。
【００３２】
本発明の請求項１０の多関節構造体は、請求項８又は９の多関節構造体において、節ユニットが、更に通信手段およびセンシング手段を備え、複数の前記節ユニットが前記連結部を介して分離及び合体し、且つ、前記連結部が多軸駆動し得る機能を備える構成とされたことを特徴とする。
【００３３】
ここで、通信手段は節ユニットが相互に通信を行ったり、後述する中継局ユニットの間で信号を送受信したりするためのもので、節ユニットが連結しているときは有線通信もしくは無線通信を、分離しているときは無線通信を行うものである。
【００３４】
また、センシング手段とは、人体等を検知するための熱線センサ（赤外線センサ）や立体検知センサ、環境状態を調査するための温度センサ・ガスセンサ、現場画像を撮像するためのカメラセンサ、障害物検知のための円軸レーザスキャニング装置やソナーなどをいう。また、被災者を探索するため、人の心音を検知するバイタルセンサも含まれる。
この他、マイクやスピーカーなどの音声入出力手段、電力送受信手段を備えるものである。その他の構成要素を含んでいてもよい。
【００３５】
複数の節ユニットが連結部を介して連結したり分離したりするとは、以下で説明するような状況に応じて、各節ユニットが列車のように連結部を用いて連結・分離をできるものである。例えば、建屋内に侵入する際に階段の上り下りや障害物の乗り越えや、場合によっては出入り口のドアを開けて侵入する場合は、各節ユニットが長尺連結してチューブのように移動することにより、階段の段差やドアのノブの高さの問題を解決することが可能となる。
【００３６】
すなわち、階段の段差は、各節ユニットが連結してチューブな構造体のように移動することにより、段差を超えようとしている関節の駆動力に対して、水平部に位置する節ユニットの駆動力が連結部を介して加わり、階段の段差部を乗り越えることが可能となる。
また、ドアのノブに対しては、節ユニットが連結してチューブのように移動することにより、ドアのノブの位置まで這い上がることが可能となり、先頭の関節がドアのノブを操作してドアを開けるのである。これらについては後述する実施例で詳細に説明する。
【００３７】
また、広範囲を一斉に捜索する場合は、節ユニットが連結部ごとに切り離され分離されて、各節ユニットが独立に移動し被災者の捜索や現場の状態を監視調査する。
【００３８】
連結部が多軸駆動する機能を備えるとは、節ユニットが連結部において、上下・左右・回転と自由に稼動できることを意味する。
【００３９】
本発明の請求項１１の多関節構造体は、請求項１０の多関節構造体において、節ユニットの内部に、位置認識用のＧＰＳ（Global Positioning System）部と無線通信部とを備えた中継局ユニットを少なくとも１つ装備し、所定のアルゴリズムを用いて中継局ユニットの配置位置を特定し、駆動手段および通信手段を用いて配置位置に移動し、節ユニットの内部から中継局ユニットを排出し配置させる構成とされたことを特徴とする。
【００４０】
建物が倒壊した場合に、内部の鉄筋などが電波障害となって、外部から建物内部に電波が到達しない場合が多い。本発明の多関節構造体は、複数の節ユニットが長尺連結してチューブのように建物内部に侵入し、建物内部で各節ユニットが分離され独立に移動探索する。しかし、この場合でも建物内部の壁面、倒壊した障害物などにより各節ユニットが通信不能状態に陥ったり、その位置を認識できない状態に陥ることが予想される。
【００４１】
そこで、電波の届かない屋内において、ＧＰＳの発信機を３台以上配置することで、建物内部の物体の位置を同定する技術を用いて、ＧＰＳ部と無線通信部を備えた中継局ユニットを節ユニット内部に搭載して、それを節ユニットがあたかも産卵するように屋内で適宜配置し、各節ユニットが自らの位置を認識できることにしたものである。中継局ユニットの配置位置を特定するために所定のアルゴリズムを用いるのは、近傍のエリアに中継局ユニットを重複して配置することがないように、ある程度の空間的間隔を置いて中継局ユニットを配置するためである。
【００４２】
本発明の請求項１２の多関節構造体は、請求項１１の多関節構造体における所定のアルゴリズムが、３基の前記中継局ユニット若しくは前記節ユニットからのＧＰＳ通信の受信エリアの境界地点を、中継局ユニットの配置位置と判定する構成とされたことを特徴とする。
【００４３】
３基のＧＰＳ部を搭載した中継局ユニットからの受信が不可になる地点まで進行した際に、各節ユニットが更に１基の中継局ユニットを配置するか、もしくは節ユニット自らがＧＰＳ発信機として機能することにより、各節ユニットの位置の同定機能の継続が可能となる。
【００４４】
本発明の請求項１３の多関節構造体は、請求項１０の多関節構造体における多関節構造体の全体形状および前記位置認識用のＧＰＳから、前記節ユニットの位置を同定する構成とされたことを特徴とする。
【００４５】
本発明の請求項１４の多関節構造体は、請求項１０の多関節構造体において、ドアを開閉するためのドアノブ操作をし得る挟持手段を備えたロボットが先頭に配置されるように合体される構成とされたことを特徴とする。
【００４６】
引き下げるドアノブや回るドアノブを操作するために、挟持手段を備えたロボットを長尺連結の先頭に配置されるように合体させる。各関節が連結してチューブのように移動することにより、ドアのノブの位置まで這い上がることが可能となり、先頭の挟持手段を備えたロボットがドアのノブを操作してドアを開けるのである。
ここで挟持手段とは、ドアノブを左右方向から挟み込めるものである。
また、ドアノブの形状、大きさ、位置は、多関節構造体の関節に備えられたセンシング手段により認識する。
【００４７】
本発明の請求項１５の多関節構造体は、請求項１０の多関節構造体において、被写体までの距離測定および画像撮影を同時に行い得るセンサを搭載している構成とされたことを特徴とする。
【００４８】
センシング手段において、被写体までの距離測定および画像撮影を同時に行い得るセンサとは、２台のカメラセンサをステレオ配置したものや、光切断法３次元センサや、ＣＭＯＳ (相補型金属酸化物半導体)を利用したイメージセンサがある。
多関節構造体の関節には、応答速度、省電力の観点から、距離画像ＣＭＯＳイメージセンサを用いた。これにより、人物位置検出や障害物検出、ドアノブ位置検出を可能としている。
【００４９】
本発明の請求項１６の多関節構造体は、請求項１の多関節構造体において、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を備え、センサの動作や状態が外部から観察し得る構成とされたことを特徴とする
【００５０】
多関節構造体の各節ユニットのセンサの動作や状態を目視で確認できるようにするためである。例えば人体に装着した際に、腕を伸ばすと伸ばした方向にＬＥＤがフラッシュしたり、上に移動すると赤色、下に移動すると青色点灯などさせることで、暗視環境下でもＦＳＴを装着した人体の動きを周囲に知らせることが出来る。
【００５１】
本発明の請求項１６の多関節構造体は、請求項１の多関節構造体における節ユニットが回転機構を備えた構成とされたことを特徴とする。ここで回転機構とは、節ユニット自体が軸を中心とした回転を行なう機構をいう。
【００５２】
各節ユニットが回転機構を備えることにより、全体形状の変形の自由度が向上する。連なる節ユニットが傾斜地等の環境にある場合には、回転機構によりねじれを防止してＦＳＴ全体姿勢の安定を保持できる。また、傾斜環境によっては、回転機構の制御により一部の節ユニットのみを回転させて、接地力を向上させることもできる。
【００５３】
本発明の請求項１８の装着具は、請求項１の多関節構造体を組み込んだ構成とされたことを特徴とする。
【００５４】
ここでいう装着具は、例えばジャケットなどの一般服や消防服などの特殊服やボディースーツが含まれる。これらの服に多関節構造体を組み込む。多関節構造体の組み込み方は、以下の実施の態様で説明する。
【００５５】
本発明の請求項１９の装着具は、請求項１８の装着具を人体に装着した際の、人体の微小な変動を無効化するためのフィルター処理を、多関節構造体の演算処理部に備えた構成とされたことを特徴とする。
【００５６】
人体に装着した際の微小な変動を、手ぶれ防止カメラのように無効化するものである。
【００５７】
本発明の請求項２０の装着具は、請求項１の多関節構造体が両手や両足、頭にそれぞれ装着され、腰あるいは背中に取り付けた基準装置の位置および前記多関節構造体の全体形状から、両手，両足，頭の各位置および各動作をリアルタイムに測定し得る構成とされたことを特徴とする。
【００５８】
本発明の請求項２１の装着具は、請求項１の多関節構造体が腕に装着され、少なくとも車椅子を含む移動体に取り付けた基準装置の位置および多関節構造体の全体形状から、腕の移動動作をリアルタイムに測定し、移動体を制御し得る構成とされたことを特徴とする。
【００５９】
本発明の請求項２２の装着具は、請求項４乃至６のいずれか１項の多関節構造体が、両手や両足、頭にそれぞれ装着され、腰あるいは背中に取り付けた基準装置の位置および多関節構造体の全体形状から、両手，両足，頭の各位置および各動作をリアルタイムに測定し、該測定データをリハビリ用データあるいはトレーニング用データとして使用し、目標値データとの差分に応じて、多関節構造体の連結部に可動し得る構成とされたことを特徴とする。
【００６０】
本発明の請求項２３の装着具は、請求項１の多関節構造体が、指に装着され、キーボード入力など各入力が行い得る構成とされたことを特徴とする。
【００６１】
本発明の請求項２４の装着具は、請求項１の多関節構造体が腕および指に装着され、遠隔で手術の手技を行い得る構成とされたことを特徴とする。
【００６２】
本発明の請求項２５の医療器具は、請求項１の多関節構造体が内視鏡の手技に用いられる医療器具に装着され、前記医療器具の位置認識を行い得る構成とされたことを特徴とする。胃や大腸などの内視鏡の位置を同定することで、患者の痛みを軽減する。あるいは細密にＦＳＴを構成することで、血管の内部や尿管などにも進入可能となることを特徴とする。
【００６３】
本発明の請求項２６の平面構造体は、請求項４〜６の多関節構造体を、複数並べて面を構成されたことを特徴とする。
【００６４】
本発明の請求項２７の立体構造体は、請求項２６の平面構造体を構成する前記多関節構造体の連結部が前記動力手段により可動することにより、平面構造体の平面を屈曲させて立体を形成し得る構成とされたことを特徴とする。
【００６５】
本発明の請求項２８のシステムは、請求項１の多関節構造体により、水中を浮上・沈下あるいは左右前後に移動するプロペラ等移動手段を持つ移動部と、船上の制御装置とが連結され、前記移動部の位置および動作がリアルタイムに同定可能で、且つ、目標の位置に対して移動制御が可能で、前記移動部に対してデータ通信および給電が可能である構成とされたことを特徴とする。
【００６６】
本発明の請求項２９のシステムは、請求項２８のシステムにおいて、移動部がカメラ及び／又はセンサを備え、船のドックに上げることなく船底の調査が可能となる構成とされたことを特徴とする。
また本発明の請求項３０のシステムは、請求項２９のシステムにおいて、移動部がアームを備え、水底における基礎組立作業が可能となる構成とされたことを特徴とする。
【００６７】
本発明の請求項３１のヒューマンマシンインターフェースは、請求項１の多関節構造体が両手、両足、頭、指を含む人体の各部位にそれぞれ装着され、腰、背中或いは搭乗するロボットを含む移動体に取り付けた基準装置の位置および多関節構造体の全体形状から、人体の各部位の位置および動作をリアルタイムに測定し得る装着具を用いて移動体を操作し得る構成とされたことを特徴とする。
【００６８】
本発明の請求項３２は請求項１に記載の多関節構造体において、節ユニットに防水や防塵、防火など必要に応じた外皮を被せると同時に、当該外皮を節ユニットに固定する手段を付加したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００６９】
本発明の多関節構造体によれば、前記多関節構造体を１個単位あるいは数個単位に自動あるいは手動で分離・連結することが可能となり、前記多関節構造体を１個以上の連結分岐手段を用いて多段連結可能とすることも可能となり、有線技術と無線技術の連携による位置同定や自己ＩＤの自動認証も可能という効果を有する。
また、本発明の多関節構造体を人体に装着すれば、人体や指の動きを検知するセンサとして利用でき、本発明の多関節構造体を利用した装着具などは、リハビリ用トレーニング装置やスポーツ用トレーニング装置や熟練技能者の伝承アシスト装置などに利用できるという効果を有する。また、本発明の多関節構造体によれば、水中などの位置関係の把握が困難な劣悪環境下における作業を容易に行なうことができる。
さらに上記の構成を有することにより、地下鉄駅、地下街、空港、高層ビルなどにおいて、複数の関節が、階段やドアのある建物内で被災した人を探索しながら迅速に移動し、建物のＧＩＳマップをもとにして、決められた地点とそこに至るまでの映像情報等を、高速かつ分散的に情報収集し得ることができるといった効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７０】
以下、本発明の実施形態について、図を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明の範囲は、図示例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００７１】
図１は本発明に係る多関節構造体（ＦＳＴ）の全体斜視図であり、図２は２本のＦＳＴが勘合した状態の斜視図である。ＦＳＴ１は節２を最小単位とした複数の節で構成されたチューブ状構造体であり、各節間は自在に可動する仕組となっている。各ＦＳＴは両端の節を接続節３として他のＦＳＴと連結して、さらに多数の節が連なった多関節構造体を構成することができる。各節の可動部には節同士の対向角度の変動、距離の変動、軸回転の変動（捩れ）について、変化量検出のためのポテンショメータが設置されている。ＣＰＵボードは１０節に１の割合で配設され、またＦＳＴ全体で１の処理演算装置が配設されている。チューブ内には電線が配設されている。
【００７２】
ポテンショメータが検出した変化量データは１０節単位でＣＰＵボードに取り込こまれ、ＣＰＵボードが処理したデータはチューブ内の有線通信ネットワークを介してリアルタイムで処理演算部に伝達され、処理される。処理された節間の変動データは移動量、ベクトルとして出力される。
【００７３】
図１、図２はチューブ状の構造体であり、検出データの通信ネットワークはチューブ内に配線された有線通信により行なわれているが、本発明による多関節構造体はチューブ形状に限定されるものではない。例えば、棒状或いは線状の構造体として、有線配線は棒状構造体の表面あるいは内層に回路パターンとして焼き付けることも可能である。
【００７４】
図３はＦＳＴが分岐する結合ユニットと勘合した状態の斜視図である。ＦＳＴ端節（接続節）３は中継・分岐ボックス５に設けられたＦＳＴとの接続部４に挿入され、結合ユニットを介して一度に他の複数のＦＳＴと勘合することが可能になる。
【００７５】
図６（Ａ）は最小単位の節の斜視図である。ＦＳＴの各節は両端部に他の節と接続するための接続部１３を備えている。両端部に備えられた接続部のうち一方は節本体より一回り小さなリング形状（リング部）であり、他方は本体と同一径であって、３ヶ所に切欠部を有するリング形状（切欠リング部）を呈している。リング部の寸法は切欠リング部に嵌合可能のであり、モータ等の動力を用いることで、各節は分離、結合を容易に行なうことができる。
【００７６】
図６（Ｂ）は３つの節が結合した状態の斜視図である。リング部Ａは切欠リング部Ｂに嵌合しており、３つの節は連結状態にある。小型モータ（図示しない）によりリング部Ａが切欠リング部Ｂの内周に沿って回転すると節間の回転角度が変動する。回転方法に関しては特に図示しないがカメラレンズの焦点リングのように±９０°の範囲内で回転するなどの機構の付与が考えられる。又、図示しないが、リング部と切欠リング部をフレキシブル継手を介して連結し、モータ、制御装置を備えることにより、節ユニット間の間隔を前後に伸縮させたり、上下左右に位置関係を変化させたりすることができる。リング部及び切欠リング部自体を褶曲させてフレキシブル構造として、モータ、制御装置を備えても同様の効果を得ることができる。
【００７７】
図７（Ａ）は節にクローラ１４を設置した状態の斜面図であり、図７（Ｂ）は各節が分離すると共に節単位で移動する場合の斜視図である。駆動手段としては段差や窪み等凹凸のある平面上を進行するためにクローラ型のものが好ましいが、進行できるための他の手段であっても差し支えない。なお、図（７）ではクローラは節の両側面下部に設置されているが、これに限定されるものではない。上部に追加設置することにより、傾いて窪みにはまった場合等空転する両側面下部のクローラを補助する機能を持たせることも可能である。
【００７８】
図４はＦＳＴを人間の体に取り付けた状態の概念図である。人間の頭部にはＦＳＴと連結したヘッドマウントディスプレイが装着され、両腕及び両脚には合計４本のＦＳＴが取り付けられ、両手部分にはハンドコントローラ、両足部分にはフットコントローラが設置されている。さらに、腰の部分には５本のＦＳＴと連結した基準部（分岐ユニット）が設置されている。基準部を中心とした頭部、左右の手、足、腕、脚の位置関係と形状はＦＳＴによりリアルタイムで把握され、そのデータは有線通信あるいは無線通信により遠隔地など外部に伝達することができる。
その情報を基に、外部のロボットや機械の制御を行う、いわゆる「マスタースレーブ動作」が実現出来る。さらに、ＨＭＤにより得られた画像データや、ハンドコントローラ、フットコントローラのデータを通信で出力することも可能である。またＦＳＴに駆動部を追加すれば、人体の両手、両足の動作を適切に補正するなど、人体への制御をＦＳＴを通じて行なうことも可能である。両手、両足に装着したコントローラが人間の動作をサポートすることもできるのである。ＦＳＴを装着するだけで、理想的なゴルフスイングを行うように人体を通常速度あるいはスローモーションで動かすなど、様々な応用が考えられる。
【００７９】
図５はＦＳＴを消防服に組み込んだ状態の概念図である。ＦＳＴを組み込んだ衣服１２はＦＳＴ１とヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）８やハンドコントローラ９、ひじグリップ１１などで構成される。消防士は暗闇の災害現場等において、ＦＳＴを組み込んだ衣服を着用することで、マスタースレーブで遠隔操作されるレスキューロボットなどを制御することが可能となる。具体例として、ＦＳＴを装着した消防士をマスター、人が近づけないような高熱の現場に近接する消火ロボットをスレーブとした場合、マスターは現場からの映像を消火ロボットに搭載したカメラ映像をＨＭＤに映すことで状況を把握することが出来る。次にＦＳＴを装着した腕を動かすと、ＦＳＴは自己の位置や動きの変化を検出する。それらの情報でスレーブを制御出来るようにすることで、前進などの移動や消火用アームや放水の制御などを、ＨＭＤの情報を元に腕の操作だけで行うことが可能になる。またＨＭＤに赤外線カメラなど暗視機能を有する手段を付与すれば、暗闇の中の画像情報を得ることも可能である。
また人体や周辺からの情報を受け取るセンサをＦＳＴあるいは周辺構成部品として加えることも可能である。筋電信号や脈拍などの生体情報、地磁気や気圧などの環境情報、放射能や有毒ガスなど危険情報などをそれぞれ認識するセンサ群をＦＳＴに取り付けることで、ＨＭＤ８でその情報を一元管理するなど出来る。
【００８０】
図１２はＦＳＴを手指に装着した装置の概念図である。２３は指圧センサ、２４は指用に細く設計されたＦＳＴ，２５は一般ＦＳＴから指用ＦＳＴへの分岐ユニット、２６は指用ＦＳＴ，指圧センサを組み込んだグローブである。装着者の指先の動きをＦＳＴと指圧センサを通じてデータ化し、蓄積、出力することができる。また、データ化されたそれらの情報をＦＳＴと指圧センサを通じて正確に再現することが可能になる。本装置に無線通信装置を加えることにより遠隔地における診察・治療を行なうことができる。指圧センサによる脈の計測、痙攣の状態などの把握が可能になる。ＴＶカメラ等の画像情報と組合わせて、手当てや微細な手術を行なうこともできる。離島などの無医村地域に本装置を設置しておけば、本装置により応急手当を行い、その後医者が手術を行なうなどの連携プレイをすることが可能になる。さらに、本装置を演奏家の手指に装着し、演奏家の手指の動きのデータ化及びデータ化された情報を本装置を用いて再現することが可能になる。
【００８１】
図１３はＦＳＴを内視鏡と組合わせた装置の概念図である。２７は人体、２８は内視鏡である。内視鏡の位置および向きがＦＳＴにより正確に把握されるので腫瘍等の位置を正確に把握することができる。また、ＦＳＴを通じて内視鏡の動きを緻密に制御できるので、人間が操作する場合に生じうるチエック漏れを起こすことなく、腸管等の内部状態を完全にチエックすることができる。
あるいは細密にＦＳＴを構成することで、血管の内部に進入させて映像を撮影したり、動脈硬化を起こすような血管壁の障害物を除去する用途などにも利用出来る。あるいは尿道から膀胱、さらには尿管、腎臓と通って映像を撮影したり、結石の破壊を行う用途にも利用出来る。これらはいずれも進入させるチューブの位置や形状が同定出来ることと、先端部位あるいは全体を前後左右に移動（チューブを変形）させるアクチュエータ手段を実装することで初めて実用となるものである。例えばペニスなどの尿道から進入させた後、膀胱に入ったチューブをさらに尿管に入れるのは今までの技術では極めて困難だったが、映像やＦＳＴ形状の情報を確認しつつ、先端を進入口に対して移動させることが可能となる。
【００８２】
図１４（Ａ）はＦＳＴを横に並べて面状にした装置の概念図である。２９は面状に構成したＦＳＴを示している。図１４（Ｂ）は面状に構成したＦＳＴの一部を立ち上げて椅子の座部と背もたれを形成している概念図である。３０は着座状態認識センサを示す。ＦＳＴは面状とすることにより様々な形状を作り出すことができる。災害時にその状況に応じた適切な形状に変化し、状況の変動によってさらに別の形状に変化することも可能である。一例としてベッドに寝たきりあるいは車椅子に座りっぱなしの状態は患者にとってはつらく、床ずれなどが起きているが、これを面上のＦＳＴにかかっている荷重などの情報を元に、随時変形させることで負荷のかかる場所を移動させ、苦痛を軽減することが可能になる。この場合、その変形用動力として空圧や油圧などの手段と組み合わせるのも有効である。
【００８３】
図１０はＦＳＴを用いて水中での作業等を行なうシステムの概念図である。本システムはＦＳＴ１と船上のＦＳＴ接続基準点１６と移動動力付き水中移動ユニット１８と監視カメラ１９と水中用ハンド２０から成る。水中における作業や監視は光が届かないこと、海流の影響を受けやすいこと等から位置の正確な把握が難しく、また位置の迅速な制御も困難であるが、ＦＳＴを用いることにより位置の把握、制御が容易に行なえる。ＦＳＴは水中移動ユニットにより分岐され、より機敏な動きを行なうことができると共に複数の対象物に同時に対応することができる。水中移動ユニットにはカメラ、センサが設置されており、水中の状況をモニタリングできる。水中移動ユニットの１には水中用ハンドが取り付けられている。水中用ハンドの位置はＦＳＴ接続基準点１６を基準としてＦＳＴの位置同定機能により正確に把握され、移動対象物体２１に容易に達することができる。移動対象物体を把持した後は、やはりＦＳＴの位置同定機能により移動先に正確・迅速に達することができる。
【００８４】
ＦＳＴには監視カメラが設置されているので傷、貝の付着などの船底状況をくまなくチエックすることができる。海流に流されても基準位置との関係で正確な位置同定が可能なので、位置制御により監視カメラを正しい位置に復帰させることが可能で、チエックすべき状態を見逃してしまうこともない。
【００８５】
図１１はＦＳＴを乗降型ロボット２２と連携させたシステムの概念図である。乗降型ロボットは肩、肘、手、腰、膝、足首が可動するように設計されている。ＦＳＴは乗降用ロボットの可動部分に対応させて操作者の肩、両手、両腕、両脚、両足に装着されている。
操作者が肩や腕等を動かした場合には、その動作がＦＳＴによりデータ化され、乗降型ロボットの対応部位への作動指令となって伝達される。ロボットは指令にしたがって可動部分を作動させ、操作者と同一の動きを行なう。このようにＦＳＴと組合わせることにより乗降用ロボットを操作者の意のままに操ることが可能である。
【００８６】
図１５は、本発明の多関節構造体（ＦＳＴ）の概略構成図を示している。
ＦＥＴの各関節は、クローラ型の駆動手段、無線通信手段を備え、また、センシング手段としてカメラセンサ又は熱線センサ備える。
各関節同士は、連結部を介して自由に連結・分離できるようになっている。
建造物内に侵入する際に階段の上り下りや障害物の乗り越えや、場合によっては出入り口のドアを開けて侵入する場合は、各関節が長尺連結してチューブのように移動する。一方、進入後、広範囲に探索する場合には、分離して個々の関節が独自に移動し探索する。
【００８７】
この場合、単独の関節として別れて移動し探索することも可能であるが、２個もしくは３個の関節が連結状態のまま移動し探索することも可能である。個々の関節全てが同一の機能を備える場合もあるが、一部の関節は特殊モジュールとして機能する場合も考えられるからである。
特殊モジュールとは、例えば、救助物資（食料、水）などの搬送を主機能としたロボットや、挟持手段を有するロボットやバッテリ補充用のロボットなどが挙げられ、多関節構造体の関節としての機能も有するものである。
【００８８】
また、各関節が連結部する部分は、多軸駆動する機能を備えている。各関節が長尺連結して蛇のように移動できるように、連結部は上下・左右・回転方向に多軸駆動できるようになっている。
図９はＦＳＴが無線及び有線の連携により制御されている概念図である。ＦＳＴは全体が連結している場合には有線により通信及び位置同定が可能であるが、分離された場合には無線１５により通信及び位置同定を行なうことが可能となる。なお、連結状態においても、有線の補完装置としての役割を果たすことができる。
【００８９】
図１６に、本発明の多関節構造体が長尺連結した外観イメージ図を示す。
長尺連結の先頭には、挟持手段を有する節ユニットが、２台目には、カメラセンサを有する節ユニットが連結されている。２台目以降の各節ユニットにはクローラ型の駆動手段を設けられている様子が示されている。
【００９０】
図１７は、長尺連結した節ユニットが建造物内部に侵入した後、分離され、各節ユニットが独自に移動し探索をしている様子を表したものである。各々の節ユニットは通信手段により相互に通信し探索情報を収集していく。この情報収集の過程で、建造物内の立体地図を作成するために、各々の節ユニットの位置を正確に知る必要がある。独自に移動する各節ユニットが各々の位置を認識するために、建造物内部に屋内ＧＰＳ構築用中継局ユニットを配置する。
すなわち、測位用アンテナを含むＧＰＳ部と無線ネットワーク部を有するＧＰＳ通信用中継局ユニットを、節ユニットがあたかも産卵するように屋内に適宜配置していく。
【００９１】
具体的には、３基のＧＰＳ通信用ユ中継局ユニットからの受信が不可になるギリギリのポイントまで進んだ際に、新たに産卵（１基設置）する。これにより自律制御でＧＰＳ網を拡張することができるため、節ユニット位置の同定機能を継続させることが可能となる。
中継局ユニットを配置する際には、同定された節ユニットの現在位置が同中継局ユニットにセットされる。これにより撤収の際に同中継局ユニットは回収が可能である。
【００９２】
また、複数の節ユニットおよび配置される複数のＧＰＳ通信用中継局ユニットは、いずれもアドホックネットワークで認証・登録される。ここでアドホックネットワークとは、無線ＬＡＮのようなアクセスポイントを必要としない、無線で接続できる端末(パソコン、PDA、携帯電話など)のみで構成されたネットワークを意味し、自立分散型無線ネットワークとも言われる。各節ユニットは、固定基地となるＧＰＳ通信用中継局ユニットで構成されるメッシュ状のネットワークに対して、移動と共にアドホックで所属するＧＰＳ通信用中継局ユニットをリアルタイムで切り替えるようにしている。
【００９３】
設置したＧＰＳ通信用中継局ユニットからの位置情報を元に、各節ユニットは自己位置を同定すると共に環境認識を行う。環境認識は距離画像ＣＭＯＳで構成される立体検知センサの距離データを元に、立体地図を合成して作成する（３６０度ぐるりと撮影したデータを元に地図作成）。
ただし、この方法は最短でも都度の地図作成に数秒必要であり、移動性能に制限が出てくる。迅速に階段を駆け下りる性能が要求される場合は、移動中の撮像データを合成して地図を作成することにより、リアルタイム性を確保する。
【００９４】
そして、被災者を熱線センサやカメラセンサで発見し、被災者と音声で対話したり、救援物資を搬送するのである。
図１８に、本発明の多関節構造体により、地下３階の建造物内を探索しているイメージ図を示す。
長尺連結された節ユニットが、１Ｆの出入り口から侵入し、１階には節ユニットが２台とＧＰＳ通信用中継局ユニットが１台設置され、Ｂ１階には節ユニットが２台とＧＰＳ通信用中継局ユニットが２台設置され、Ｂ２階には節ユニットが１台とＧＰＳ通信用中継局ユニットが２台設置され、Ｂ３階には節ユニットが１台とＧＰＳ通信用中継局ユニットが１台設置されている。
【００９５】
各節ユニットからの収集情報から建造物内の立体地図を作成し、その中での各節ユニットの位置をマッピングしている。また、平面地図も作成し、節ユニットの位置をマッピングしている。更に、Ｂ３階では被災者を発見し、その撮影画像が示されている。これらの地図情報、各節ユニットおよび中継局ユニットの位置情報、現場画像情報は、無線により進入してきた長尺連結の節ユニットに送られる。長尺連結されている節ユニットは、情報を伝達していき、建造物外部まで情報を届ける。建造物外部では監視操作端末が設けられ、逐次情報を収集し、被災状況を操作者に把握可能なようにしている。
【００９６】
本発明の多関節構造体で構築された通信ネットワーク内に入った人間は、ネットワークに接続されたＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）で各節ユニットからの画像や位置情報を確認すると共に、各節ユニットに指示を与えることも可能である。
【００９７】
この他、移動性と基地機能を有するバギー車などの移動体に、複数台の節ユニットを積み込んで、被災した建造物付近に到達する。移動体で一次探索を行い、節ユニットが進入困難な被災状態において、最適な進入路（瓦礫の除去など）の策定を可能とする。
【００９８】
図１９に、各節ユニットがＧＰＳ通信用中継局ユニットを排出し配置していくイメージ図を示す。ＧＰＳ通信用中継局ユニットの形状は、節ユニットの内部から排出されやすいように外観は流線形の卵型にしている。
【００９９】
次に、本発明の多関節構造体が建屋内に侵入する際に、階段の上り下りや障害物の乗り越えや、場合によっては出入り口のドアを開けて侵入する場合は、各節ユニットが長尺連結してチューブのように移動することにより、階段の段差やドアのノブの高さの問題をどのように解決するかについて説明する。
図２０−１と図２０−２は、各節ユニットが長尺連結して階段を上る様子を示している。図２０−１は階段を１段上り始めた様子を示しており、図２０−２は階段を３段上った様子を示している。階段の段差を乗り越えるために、クローラ型駆動手段と、連結部の軸駆動手段が連携していることがわかる。
【０１００】
また、図２１は、各節ユニットが連結してドアのノブの位置まで這い上がる様子を示している。ドアのノブに対しては、各節ユニットが連結してチューブのように移動することにより、ドアのノブの位置まで這い上がることが可能となり、挟持手段を有する先頭の節ユニットがドアのノブを操作してドアを開けるのである。
【０１０１】
ここで挟持手段とは、図２２に示すように、回るドアノブを左右方向から挟み込めるものである。ドアノブの形状、大きさ、位置はセンシング手段により認識している。例えば、ドアノブが時計方向に回すとドアが開くものであったとする。各節ユニットが長尺連結して、そのチューブの全体形状を変形させることにより、ドアノブを時計方向に回し、ドアを開けるのである。
【０１０２】
以上述べてきた本発明の多関節構造体は、多関節構造体を構成する節ユニット又は複数の節ユニットにより成る節ユニットブロックで構成される前記多関節構造体全体において、どの部位にその多関節構造体が存在するかをシステム全体が認識する必要がある。例えば人体に装着する場合、右手用のＦＳＴと左手のＦＳＴがそれぞれ接続された時点で、どちらのＦＳＴが右手側なのか認識する必要が、ＦＳＴとシステム全体の両者に必要である。それぞれの用途に応じて認識方法を選択できるが、大きくは以下の３つに別れよう。
【０１０３】
（１）元々各部の専用として作る（最も汎用性が低い）
（２）ＤＩＰスイッチなど接続時にＩＤを認識させる（やや低い）
（３）社内ＬＡＮのように接続と同時に自動認証出来るアドホック認証（汎用性が高い）
これらはコストや求められる機能に応じて選択されることになる。
【０１０４】
特に、複数のＦＳＴで多段接続あるいは分岐接続されると共に、無線手段で複数のユニット間が通信ネットワークを構成しているような状況下において、ＦＳＴの延長や追加、あるいは故障時の交換では、設定不要で瞬時に当該ＦＳＴの追加や削除、交換を行う必要がある。そのような用途ではパソコン用ＬＡＮに見られるようなアドホック認証手段を選択するのが最適である。
逆に、常に特定のものにしか接続されないなど用途が明確な場合は、出荷時に個別情報をＲＯＭに焼きこむなど、簡単にＩＤ認証を構成することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
以上述べてきた本発明の多関節構造体は、前記多関節構造体を１個単位あるいは数個単位に自動あるいは手動で分離・連結可能とする技術、前記多関節構造体を１個以上の連結分岐手段を用いて多段連結可能とする技術、有線技術と無線技術の連携による位置同定に関する技術、自己ＩＤの認証技術を有することで、広く様々な産業に利用可能となる。
【０１０６】
本発明の多関節構造体を人体に装着すれば、人体や指の動きを検知するセンサとして利用出来る。また、本発明の多関節構造体を利用した装着具などは、リハビリ用トレーニング装置やスポーツ用トレーニング装置や熟練技能者の伝承アシスト装置などに応用が期待できる。
【０１０７】
また本発明の多関節構造体は、災害時、建物の下敷きになった人を探し出したりする場合に使用される特殊環境用ロボットシステムに利用できる。
地下鉄ホーム（改札を含む）、地下街、高層ビルなどの閉鎖空間（階段、ドアを含む）において、障害物の回避・乗り越え・軽量物の排除を行いながら、迅速に歩く人間と同程度の平均速度で、半自律走行でき、また、複数の節ユニットの走行経路をモニタリングし、複数の映像を含むセンシング情報をＧＩＳ（Geographic Information System）上にマッピングできることが理解される。複数の節ユニットが、階段やドアのある建物内で被災した人を探索しながら迅速に移動し、建物のＧＩＳマップをもとにして、決められた地点とそこに至るまでの映像情報等を、高速かつ分散的に情報収集できるのである。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明のフレキシブルセンサチューブ（ＦＳＴ）の概略形状斜視図
【図２】本発明のＦＳＴを２本勘合した外観斜視図
【図３】分岐する結合ユニットと勘合した概略図
【図４】人の手・足・頭にＦＳＴを取り付ける説明図
【図５】衣服に組み込んだイメージ図
【図６】１個単位に分割可能なＦＳＴの概略図
【図７】クローラを付帯したＦＳＴの概略図
【図８】レスキュー現場での展開図
【図９】無線と有線の連携のイメージ図
【図１０】水中における連携のイメージ図
【図１１】乗降型ロボットとの連携のイメージ図
【図１２】指ＦＳＴ（手袋）のイメージ図
【図１３】内視鏡への応用のイメージ図
【図１４】ＦＳＴで椅子を構成しているイメージ図
【図１５】ＦＳＴの概略構成図
【図１６】ＦＳＴが長尺連結した外観イメージ図
【図１７】各関節が独自に移動し探索を行っているイメージ図
【図１８】ＦＳＴにより、地下３階の建造物内を探索しているイメージ図
【図１９】ＦＳＴの各関節がＧＰＳ通信用中継局ユニットを排出し配置していくイメージ図
【図２０−１】ＦＳＴの各関節が長尺連結して階段を１段上り始めた様子を示している。
【図２０−２】ＦＳＴの各関節が長尺連結して階段を３段上った様子を示している。
【図２１】ＦＳＴの各関節が連結してドアのノブの位置まで這い上がる様子を示している。
【図２２】ドアノブを左右方向から挟み込む様子を示している。
【符号の説明】
【０１０９】
１ フレキシブルセンサチューブ（ＦＳＴ）
２ 最小単位の節
３ 接続部
４ ＦＳＴ接続部
５ 中継・分岐ＢＯＸ
６ 腰装着型分岐ＢＯＸ
７ 人体
８ ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）
９ ハンドコントローラ
１０ フットコントローラ
１１ ひじグリップ
１２ ＦＳＴを組み込んだ衣服
１３ 前後・左右・回転などの可動を可能とした接続部
１４ クローラ
１５ 無線を用いた通信ならびに位置同定手段
１６ 船上のＦＳＴ接続基準点
１７ 船
１８ 水中移動ユニット（連結機能有り）
１９ 監視カメラ
２０ 水中用ハンド
２１ 移動対象物体
２２ 乗降用ロボット
２３ 指圧センサまたはモーションレスポンス
２４ 指用ＦＳＴ
２５ 指用ＦＳＴ用分岐ユニット
２６ 指用ＦＳＴなどを組み込んだ手袋
２７ 人体
２８ 内視鏡
２９ 平行に並べることで面上に構成したＦＳＴ
３０ 着座状態認識センサ
３１ バッテリー
３２ 無線ＬＡＮ
Ａ 頭用ＦＳＴ（ＨＭＤと接続）
Ｂ 右手用ＦＳＴ（ハンドコントローラと接続）
Ｃ 左手用ＦＳＴ（ハンドコントローラと接続）
Ｄ 右足用ＦＳＴ（フットコントローラと接続）
Ｅ 左足用ＦＳＴ（フットコントローラと接続）
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| 【出願人】 |
【識別番号】５０１３９７９２０
【氏名又は名称】旭光電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１８年８月３１日（２００６．８．３１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１２３５０４
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 啓七
【識別番号】１００１２７１６６
【弁理士】
【氏名又は名称】本間 政憲
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| 【公開番号】 |
特開２００８−５５５４４（Ｐ２００８−５５５４４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成２０年３月１３日（２００８．３．１３） |
| 【出願番号】 |
特願２００６−２３４９４６（Ｐ２００６−２３４９４６） |
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