(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合移動が可能な多関節海底ロボットであって、
流線型の胴体と、
前記胴体の左右側及び前方に複数個が取り付けられ、多数個の関節で構成された多関節歩行足と、
前記胴体内に取り付けられ、前記多関節歩行足を通じて歩行状態及び遊泳状態を制御する制御手段と、
前記制御手段により制御され、前記多関節歩行足を駆動させる駆動信号を発生する歩行足駆動手段と、
前記胴体内に取り付けられて、胴体の姿勢及び外部物体との接触を感知する感知手段と、
前記胴体内に取り付けられて、胴体の浮力を感知する浮力感知手段と、
外部装置と有無線信号を送受信する通信手段と、
を含み、
前記感知手段は、
前記胴体と前記多関節歩行足との間に設置され、前記多関節歩行足に作用する力とモーメントをセンシングする力／モーメントセンサと、
前記多関節歩行足の足先に設置されて流速のサイズと方向とをセンシングする接地力センサと、
前方の２つの前記多関節歩行足に設置されて接地感知を遂行するモーメントセンサと、
を含み、
前記制御手段は、センシングされた前記流速のサイズと方向とにより前記胴体が転覆されたり飛ばされたりしないように接地力を調節し、センシングされた前記接地感知により前記多関節海底ロボットの歩行時に前記多関節歩行足の接地状態を確認しながら前記多関節海底ロボットを海底地面に沿って移動させたり停止して待機させたりし、
前記胴体の左右側に取り付けられた前記多関節歩行足は４個の関節で連結され、前記胴体の前方に取り付けられた前記多関節歩行足は６個の関節で連結されて各々Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を中心にロール、ピッチ及びヨー軸回転運動をしてロボットアーム機能を実現することを特徴とする、複合移動が可能な多関節海底ロボット。
【請求項２】
前記胴体の前面には超音波カメラが取り付けられたことを特徴とする、請求項１に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
【請求項３】
前記感知手段は、姿勢センサ及び運動計測センサを含むことを特徴とする、請求項１に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
【請求項４】
前記感知手段は、水中位置追跡装置を含むことを特徴とする、請求項１に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
【請求項５】
前記胴体の前面に取り付けられて水中映像を撮影する撮影手段を含み、前記撮影手段は、ファン／ティルティング機能水中カメラ及び照明装置であることを特徴とする、請求項１に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
【請求項６】
前記通信手段は光通信モデムであることを特徴とする、請求項１に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
【請求項７】
前記通信手段は、光ファイバ及び電源線内蔵２次ケーブルを介して緩衝器と連結されることを特徴とする、請求項１に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
【請求項８】
前記胴体は軽量高強度複合繊維素材で製作されたことを特徴とする、請求項１に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
【請求項９】
前記歩行足駆動手段は、
モータ駆動信号を発生するモータ駆動部と、
モータ駆動部の信号によって動作する第１乃至第Ｎ電動モータ、及び前記電動モータに従って動作され、前記多関節歩行足及びロボットアーム兼用歩行足のリンク連結されて各々のモータの動作を伝達する第１乃至第Ｎ減速器と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
【請求項１０】
前記浮力感知手段は、前記海底ロボットの重量を−１０ｋｇ乃至＋１０ｋｇに可変調節し、
前記多関節歩行足のうち、前方の２つの歩行足はロボットアーム機能を選択的に有するようにグリッパを備えることを特徴とする、請求項１に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボット。
【請求項１１】
請求項１に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットと、
緩衝器と、
前記海底ロボットから送信された水中状態データを格納し、海底ロボットの移動方向をモニターリングし、制御する母船と、を含み、
前記緩衝器は、母船に１次ケーブルで連結され、前記多関節海底ロボットは緩衝器（depressor）に２次ケーブルで連結されて、１次ケーブルの抵抗力は緩衝器までかかり、海底ロボットに伝達されないことを特徴とする、複合移動が可能な多関節海底ロボットを用いた海底探査システム。
【請求項１２】
前記多関節海底ロボットは、
複数個の信号をスイッチングする第１スイッチングハブと、
受信信号を光信号に変換する光ファイバコンバータと、
前記第１スイッチングハブに連結されて入力及び出力信号を処理するコンピュータと、
前記コンピュータに連結されたＲＳ２３２、ＲＳ４８５、ＵＳＢ、及びＣＡＮ装置と、
前記第１スイッチングハブに一端が連結され、他端には複数個のネットワークカメラが連結された第２スイッチングハブと、
前記第１スイッチングハブに一端が連結され、他端には複数個のアナログカメラが連結されたビデオエンコーダと、
前記第１スイッチングハブに連結され、前方をスキャニングして映像を撮影し、転送する前方注視ソナー（Forward Looking Sonar：ＦＬＳ、２０）あるいは前方スキャニングソナーと、
前記第１スイッチングハブに連結され、前方映像を撮影し、転送する超音波カメラと、
を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の複合移動が可能な多関節海底ロボットを用いた海底探査システム。
【請求項１３】
前記緩衝器は、
複数個の信号をスイッチングするスイッチングハブと、
前記スイッチングハブに連結されてスイッチングハブを通じて転送された受信信号を光信号に変換して母船に転送する光ファイバコンバータと、
入力及び出力信号を処理し、一端にはＲＳ２３２が連結され、他端は前記スイッチングハブに連結されたコンピュータと、
一端には複数個のアナログカメラが連結され、他端は前記スイッチングハブに連結されたビデオエンコーダと、
前記スイッチングハブに連結された複数個のネットワークカメラと、
を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の多関節海底ロボットを用いた海底探査システム。
【請求項１４】
前記母船は、
一端には複数個のコンピュータが連結され、他端には光信号を転送する第１及び第２光ファイバ変換機を含み、
前記第１及び第２光ファイバ変換機は、前記海底ロボットの光ファイバコンバータ及び前記緩衝器の光ファイバコンバータと各々連結されたことを特徴とする、請求項１１に記載の多関節海底ロボットを用いた海底探査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は歩行と遊泳の複合移動機能を有する多関節海底ロボット及びこれを用いた海底探査システムに関し、より詳しくは、プロペラ方式により推進力を得る既存の海底ロボットとは異なり、多数個の関節からなる足を用いて海底面に近接して歩行と遊泳により移動する新たな概念の複合移動が可能な多関節海底ロボットを用いた海底探査システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
海の平均水深は３８００ｍで、地球で生命が生きることができる空間の９９％を占めて、深海はこの空間の８５％を占めるが、人間はまだ深海の１％も観察できなかった。また、地球上にはまだ発見されていない生命の種の数が１,０００万〜３,０００万種に推算され、現在まで１４０万種が発見されただけである。まだ発見されていない大多数の種は海に生きている。これは、去る２５年間、深海では平均２週当たり１種の新たな生命が発見されたという事実が反証している。また、陸上資源の枯渇によって深海石油及びガスボーリング事業は、２００２年全体石油生産量の２％から２００９年８％に毎年増加しており、２０１５年には１５％に達することと予想される。２００９年我が国は国土海洋部と４個の民間企業が‘海底熱水鉱床開発事業団’を構成してトンガ鉱区で２０１２年以後、本格商業開発に取り掛かる計画である。このように海洋は巨大な探査の価値を有しているが、危険な海洋環境は人類が容易に海中に接近できるように許容しない。無人海底ロボットは、このような問題点に対する１つの代案として開発されており、現在まで全世界的に広く活用されてきたし、その活用範囲が徐々に拡大されている。海底ロボットは、役割によって主に広い領域を探査する自律無人潜水艇と、相対的に狭い領域で精密作業を遂行するＲＯＶとに分けられ、大部分の海底ロボットはプロペラを推進装置に用いている。プロペラは、長い間水中推進機に使われてきたものであり、その推進メカニズムに対する理論がよく確立されており、特定領域ではその効率も高い。しかしながら、我が国の西海岸は潮の干満の差が大きく、潮流が強く、視界が悪い特殊な地域であって、一般的に使われるプロペラ推進方式の海底ロボットでは海底精密作業に多い困難性を経ている。また、堆積土壌からなる深海を精密現場調査する場合、プロペラ流動による海底の撹乱が問題になることもある。
【０００３】
プロペラとは異なる形態の海底ロボットに、無限軌道を用いる方法と、多数個の足を用いる方法がある。生体模倣研究の一環としてザリカニロボットが開発されたことがある［Joseph, A. (2004). “Underwater walking”, Arthropod Structure & Development Vol 33, pp 347-360.］。これを通じてザリカニの機構学的構造と足取りを分析し、人工筋肉アクチュエータと命令ニューロンに基づいた中央制御器を具現した。前記ロボットは、実際作業用よりは生体模倣認識及び歩行研究に焦点を置いている。また、海岸線を調査する目的に、水陸両用６足歩行ロボットが研究されたことがある［Tanaka, T., Sakai, H., Akizono, J.(2004). “Design concept of a prototype amphibious walking robot for automated shore line survey work”, Oceans ’04 MTS/IEEE Techno-Ocean ’04, pp 834-839.］。前記ロボットを通じて防水型水中関節を開発し、多数回に亘ってロボットを改善して軽量化した。しかしながら、陸上のロボットを水中に拡張することに焦点を置いているので、流体力学的観点での積極的な接近は実現できなかった。一方、ペダルを用いて歩行と遊泳を行うように設計された６個のペダルを有する水陸両用ロボットが開発されたことがあるが、各々ペダルは１自由度の単純な形態で、多関節多足ロボットの形態ではない［Christina, G., Meyer, N., Martin, B., “Simulation of an underwater hexapod robot,” Ocean Engineering, Vol 36, pp 39-47, 2009, Theberge, M. and Dudek, G., “Gone swimming [seagoing robots]”, IEEE spectrum, Vol 43, No 6, pp 38-43, 2006.］。
【０００４】
海底ロボット（underwater robot）は無人潜水艇（ＵＵＶ；unmanned underwater vehicle）ともいい、自律無人潜水艇（ＡＵＬ）と遠隔無人潜水艇（ＲＯＶ）とに大別される。自律無人潜水艇は、数百メートルから数百キロメートルまでの領域に該当する科学的調査や探索に主に使われる。現在まで開発された大部分のＡＵＶは、科学調査や軍事用の目的に活用されている。遠隔無人潜水艇は、数十センチメートル以下の位置精密度で、海底調査や精密作業に活用される。遠隔無人潜水艇は、海底ケーブル埋設をはじめとして、海底パイプライン、海底構造物のメンテナンスなど、多様な作業に活用されている。
【０００５】
遠隔無人潜水艇の活用分野は、次の通り要約される。第１に、沈没船探査及び引揚作業と、沈没船による油類流出防止作業、第２に、海洋科学調査と海洋資源探査及び開発、第３に、海底構造物設置、調査支援及びメンテナンス、第４に、機雷探査、機雷除去などの軍事的目的に活用される。
【０００６】
海底作業用遠隔無人潜水艇は、大きく２つ形態に移動性を得る。第１に、プロペラ方式はＡＵＶのような航走型では効果的であるが、精密作業を要求するＲＯＶでは制御安定性を得ることが容易でない。これは、水中でＲＯＶに作用する流体力が非線形的であり、推力も不感帯、応答遅延、飽和などの強い非線形性を内在しているためである。特に、我が国の西海岸の潮流のように強い海流に露出する場合、姿勢安定性と移動性を確保し難く、これによって、位置精密度、操作精密度、そして鮮明な超音波映像を得ることが困難であるので、海底作業が不可能な場合が多い。潮流の方向は一日に４回ずつ変わり、我が国の西海岸は潮流による最大流速が３ノットから７ノットに達する。プロペラを用いる既存の潜水艇では、強い潮流環境で必然的に不安定な操縦性と高いエネルギー消耗などの問題を有する。
【０００７】
第２に、無限軌道形態の推進方式は、不規則な海底地形や障害物地域を走行し難く、走行方式の特性上、海底を撹乱させる短所を有している。海底は、沈没船、漁場、ロープ、廃網など、各種障害物と暗礁、軟弱地盤など、海底地形の制約条件が常に存在するので、無限軌道方式の走行に困難性がある。また、海底調査の場合、撹乱されていない環境で撹乱を最小化しながらなされなければならない現場調査（in-situ survey）が多いが、このような用途への使用が困難であるという問題点がある。
【０００８】
既存の海底作業の技術的限界を再度整理すれば、次の通りである。
安全性の問題
ダイバーが直接作業に参加する場合、潜水病をはじめとするさまざまな危険要素による安全問題が存在する。
作業時間の問題
ダイバーが作業する場合、減圧無しで作業できる時間は２１ｍ水深で３０分、４０ｍでは５分に制限される。
潮流の問題
潮流の方向は一日に４回ずつ変わり、我が国の西海岸は潮流による最大流速が３ノットから７ノットに達する。ダイバーは勿論、海底ロボットにおいても潮流は最も克服し難い、かつ危険な対象である。プロペラを用いる既存の潜水艇では、強い潮流環境で必然的に不安定な操縦性と高いエネルギー消耗などの問題点を有する。
悪視界の問題
西海岸の特性の１つは、悪い視界である。地域と時間によって差があるが、視界が僅か２０〜３０ｃｍに過ぎない所も多い。
障害物と不規則海底地形の問題
海底は、沈没船、漁場、ロープ、廃網などの各種障害物と、暗礁などの不規則な海底地形が常に存在しているので、ダイバー及び海底ロボットの作業を妨害し、甚だしくは生命を脅かす。
環境干渉の問題
プロペラやキャタピラ方式の海底ロボットは、必然的に海底面を撹乱させる。海底調査の場合、撹乱されていない環境でなされなければならない調査が多い。
【０００９】
既存の浅海域海底作業技術のうち、ロボット（無人潜水艇）を用いる技術の最も大きい限界は、強潮流と悪視界の克服に要約できる。ヘミレ（Ｌ３．３ｍ×Ｗ１．８ｍ×Ｈ２．２ｍ）の場合、２ノットの潮流で約２００ｋｇの抵抗力を受けて、２００ｍ長さの直径２０ｍｍケーブルは約２４０ｋｇの抵抗力を受ける。これを克服するために推進力を増加させることは、全体重量とサイズの増加に繋がって、根本的な解決策にならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の１つの目的は、従来プロペラ方式や無限軌道方式の問題点を補完するための手段に複合移動が可能な多関節海底ロボット及びこれを用いた海底探査システムを提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、プロペラによる流動により撹乱されやすい海底の堆積土壌で環境撹乱無しで海底作業を遂行することができるように遊泳と歩行機能を有する複合移動が可能な多関節海底ロボット及びこれを用いた海底探査システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記１つの目的を達成するための本発明の実施形態に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットを用いた海底探査システムは、複合移動が可能な多関節海底ロボットと、緩衝器と、前記海底ロボットから送信された水中状態データを格納し、海底ロボットの移動方向をモニターリングし制御する母船を含み、前記緩衝器は地上母船に１次ケーブルで連結され、前記多関節海底ロボットは緩衝器（depressor）に２次ケーブルで連結されて、１次ケーブルの抵抗力は緩衝器までかかり、海底ロボットに伝達されないことを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、前記多関節海底ロボットは、複数個の信号をスイッチングする第１スイッチングハブ、受信信号を光信号に変換する光ファイバコンバータ、前記第１スイッチングハブに連結されて入力及び出力信号を処理するコンピュータ、前記コンピュータに連結されたＲＳ２３２、ＲＳ４８５、ＵＳＢ、及びＣＡＮ装置、前記第１スイッチングハブに一端が連結され、他端には複数個のネットワークカメラが連結された第２スイッチングハブ、前記第１スイッチングハブに一端が連結され、他端には複数個のアナログカメラが連結されたビデオエンコーダ、前記第１スイッチングハブに連結され、前方をスキャニングして映像信号を撮影し転送する前方注視ソナー（Forward Looking Sonar：ＦＬＳ、２０）あるいは前方スキャニングソナー、及び前記第１スイッチングハブに連結され、前方映像を撮影し転送する超音波カメラを含むことを特徴とする。
【００１４】
また、好ましくは、前記緩衝器は、複数個の信号をスイッチングするスイッチングハブ、前記スイッチングハブに連結されて、スイッチングハブを通じて転送された受信信号を光信号に変換して母船に転送する光ファイバコンバータ、入力及び出力信号を処理し、一端にはＲＳ２３２が連結され、他端は前記スイッチングハブに連結されたコンピュータ、一端には複数個のアナログカメラが連結され、他端は前記スイッチングハブに連結されたビデオエンコーダ、及び前記スイッチングハブに連結された複数個のネットワークカメラを含むことを特徴とする。
【００１５】
また、好ましくは、前記母船は、一端には複数個のコンピュータが連結され、他端には光信号を転送する第１及び第２光ファイバ変換機を含み、前記第１及び第２光ファイバ変換機は、前記海底ロボットの光ファイバ変換機及び前記緩衝器の光ファイバ変換機と各々連結されたことを特徴とする。
【００１６】
好ましくは、前記多関節海底ロボットは、流線型の胴体、前記胴体の左右側に各々一対ずつ複数個が取り付けられ、多数個の関節で構成された多関節歩行足、前記胴体内に取り付けられた制御手段、前記制御手段により制御され、前記多関節歩行足を駆動させる歩行足駆動手段、前記胴体内に取り付けられて胴体の姿勢及び外部物体との接触を感知する感知手段、浮力感知手段、外部装置と有無線信号を送受信する通信手段、及び前記歩行足を通じて歩行状態及び水中での遊泳状態を制御する制御手段を含むことを特徴とする。
【００１７】
また、前記浮力感知手段は、前記海底ロボットの重量を−１０ｋｇ乃至＋１０ｋｇに可変調節し、前記多関節歩行足のうち、前方側の２つの歩行足はロボットアーム機能を選択的に有するようにグリッパを備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットを用いた海底探査システムは、プロペラ推進とは全く異なる新たな概念の６個の足で構成された海底ロボットを用いることによって、海底ロボットが海底に密着して移動し、姿勢及び運動感知センサーを用いて姿勢を維持しながら潮流を克服し、海底で遊泳及び歩行することができ、海底ロボットを通じての海底データをリアルタイムに緩衝器を経由して地上の母船に有無線通信手段を通じて転送されることによって、浅海及び深海での海底探査を行なうことができる効果がある。
【００１９】
また、本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットを用いた海底探査システムは、海底ロボットに超音波映像装備を搭載して、濁度の高い水中でも探索が可能であり、前の２つの足はロボットアームにも使用するようになることで、浅海及び深海で海底探査が効果的に遂行される効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１ａ】本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットを用いた海底探査システムに関する概略的な概念図である。
【図１ｂ】本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットを用いた海底探査システムに関する概略的な概念図である。
【図２】本発明の実施形態に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットを概略的に示す斜視図である。
【図３】本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットのブロック構成図である。
【図４】本発明に従う海底ロボットの概念設計を用いてＣＦＤ方法により流速がある流体の中に置かれた海底ロボットに作用する圧力の分布を推定したシミュレーション状態を示す図である。
【図５】本発明に従う複合移動が可能な多関節手動ロボットの水中リンクのベクトル度とリンク座標系を示すものである。
【図６】流体の流れに対する姿勢の補償を概念的に示す図であって、各々低流速、高流速、及び後側流速状態を示す図である。
【図７】本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットの流体力対応姿勢補償概念図である。
【図８】本発明の好ましい実施形態に従う多関節海底ロボットを用いた海底探査システムの具体的なブロック構成図である。
【図９】本発明の好ましい実施形態に従う多関節海底ロボットのロボット足の関節部分を示す詳細図である。
【図１０】本発明の好ましい実施形態に従う多関節海底ロボットの電動モータとハーモニック減速器からなる耐圧防水関節構造の一部側断面図である。
【図１１】本発明の好ましい実施形態に従うロボットアーム兼用足の関節部分を示す詳細図である。
【図１２】本発明の好ましい実施形態に従うロボット足及びロボットアーム兼用足の機構学的構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付の図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照すれば明確になる。しかしながら、本発明は以下に開示される実施形態に限定されるものでなく、互いに異なる多様な形態に具現され、単に本実施形態は本発明の開示が完全になるようにし、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇により定義されるだけである。明細書の全体に亘って同一な参照符号は同一な構成要素を指し示す。
【００２２】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットに関して詳細に説明すると、次の通りである。
【００２３】
図１ａ及び図１ｂは、本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットを用いた海底探査システムに関する概略的な概念図である。
【００２４】
図１ａを参照すると、本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットを用いた海底探査システム１０００は、複合移動が可能な多関節海底ロボット１００が海底２００ｍに到達して歩行する状態を示し、前記多関節海底ロボット１００は緩衝器（depressor）２００に２次ケーブル２４０で連結され、緩衝器２００は母船３００に１次ケーブル２２０で連結される。１次ケーブル２２０の抵抗力は緩衝器２００までかかり、海底ロボット１００に伝達されない。
【００２５】
前記複合移動が可能な２００ｍ探査用多関節海底ロボット１００を用いた海底探査システム１０００は、強潮流環境でテザーケーブルに作用する流体力がロボットに及ぼす影響を最小化するために緩衝器（depressor）２００を置いて運用する概念である。前記海底探査システム１０００は次の通り２つの任務を有する。
海底構造物や沈没船舶の調査／観察
強潮流環境で海底に密着移動することによって、海底構造物や沈没船舶などに接近し、光学及び音響装備を用いて悪視界の海底環境に存在する構造物を調査／観察する。
【００２６】
海底構造物や沈没船舶の調査／観察のために必要なワイヤー切断、グラインディング、ドリリングなどの作業をロボットアームで遂行する。
浅海域海洋科学調査
２００ｍ以内の海底環境で多足歩行により移動することによって、海底の撹乱を最小化しながら海洋物理、化学、生物、地質などの研究に必要な科学調査データを取得する。
【００２７】
２００ｍ以内の海底で科学調査のために必要な生物、土壌、海水などのサンプルを採取する。
【００２８】
図１ｂを参照すると、本発明の更に他の具現例である６,０００ｍまで複合移動により探査可能な深海用海底探査システム１０００−１が海底６,０００ｍに到達して遊泳し歩行する状態を示し、前記多関節海底ロボット１００−１は緩衝器（depressor）２００にケーブルで連結され、緩衝器２００は母船３００にケーブルで連結される。緩衝器２００と多関節海底ロボット１００−１とは、有線通信または無線通信が可能である。
【００２９】
前記複合移動が可能な６,０００ｍ探査用多関節海底ロボット１００を用いた海底探査システム１０００は潮流がほとんどない深海環境を想定して考案されたが、テザーケーブルの重量がロボットに及ぼす影響を最小化するために緩衝器（depressor）２００を置いて運用する概念である。深海用多関節海底ロボットは、深海の堆積層に対する撹乱を最小化し、ロボットの足が海底土壌に陥ることを防止するために浮力調節機能を有する。前記海底探査システム１０００は、次のように２つの任務を有する。
深海海洋科学調査
堆積土壌からなる軟弱基盤の深海底環境で海底撹乱を最小化しながら海洋物理、化学、生物、地質などの研究に必要な科学調査データを取得する。
【００３０】
６,０００ｍまでの海底で科学調査のために必要な生物、土壌、海水などのサンプルを採取する。
長期精密海底調査
海底熱水鉱床などの不規則な海底地形を近接精密探査する。
【００３１】
無線自律制御モードでは緩衝器無しで単独に運用され、エネルギーを最小化しながら定まった地域を長期観測する。
【００３２】
本発明では、既存のプロペラ方式の潜水艇とは異なる新たな概念の海底ロボットで既存の限界を克服しようとし、このために、図２のような複合移動が可能な多関節海底ロボットを開示する。従来技術で言及された既存の限界は、以下のような概念で克服する。
【００３３】
安定性に関して、ダイバーが直接作業することに危険な環境では、ダイバーの代わりに海底ロボットを作業に用いる。
【００３４】
作業時間に関して、海底ロボットを用いることによって、ダイバーの潜水時間の限界を克服する。
【００３５】
潮流に対して、ロボットは海底に密着して接地力が大きくなる姿勢を維持することによって、潮流を克服し、海底ロボット１００と母船３００との間に緩衝器２００を置いてケーブルにかかる潮流力が海底ロボット１００に及ぼす影響を減らす。
【００３６】
悪視界に関して、比較的濁度の影響を少なく受ける多様な超音波映像装置を活用し、光学カメラは近接確認用に活用する。
【００３７】
障害物と不規則海底地形に関して、自ら障害物に縺れないように多足を用いて海底に着地して静的安定性を維持し、不規則海底地形でも多関節足を用いて所望の胴体の姿勢を維持しながら歩行移動する。
【００３８】
環境干渉に関して、海底の撹乱を最小化できるように海底歩行の方法により移動及び作業する。
【００３９】
本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットを開発するための４種類の核心技術を定義し、技術開発の接近方法を提案する。新しく提案される海底ロボットはプロペラ方式により推力を得る既存の海底ロボットとは異なり、多数個の関節からなる足を用いて海底面に近接して歩行と遊泳により移動する新たな概念の海底ロボットを提供するものである。
【００４０】
この海底ロボットの概念はあたかもカニ（Crab）とザリカニ（Lobster）が海底面で移動し作業する形態と類似するので、ロボットの名前を‘Crabster’と命名した。
【００４１】
本発明に従う海底ロボットは、我が国の近海２００ｍ水深までの海底で沈没船の探査と海洋科学調査を遂行する（また、６,０００ｍ水深までの海底で海洋科学調査を遂行する）。特に、潮流（Tidal current）が強く、視界（Visibility）が悪い西海岸の環境で作業することができ、また堆積土壌で環境撹乱無しで遊泳と歩行機能を有する形態である。
【００４２】
＜表１＞は、本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットの具現例である図１ａ及び図１ｂに対する概略的な諸元を各々表したものである。
【００４３】
【表１】
0006001085.tif 000002
【００４４】
＜表１＞に示すように、足数は歩行足が４個であり、ロボットアーム兼用足は２個である。
【００４５】
また、本発明に従う海底ロボットは、海底で悪視界を探知できる装置を備える。基本諸元（足を畳んだ時）は長さ２．２ｍ、幅１ｍ、高く１．１ｍ、最大重量３００ｋｇ（積載荷重含み）、最大地上高０．５ｍ、足数は歩行足４ＤＯＦ ４個、ロボットアーム兼用足６ＤＯＦ ２個、最大仕様は最大歩行速度０．５ｍ／ｓｅｃ（１．８ｋｍ／ｈ）、最大作動水深２００ｍ、最大克服潮速２ｋｎｏｔｓ、最大電力消耗量２０ｋＷ以下である。海上状態克服能力は、最大作業条件Sea state ３、最大生存条件Sea state ４である。悪視界探知能力は、探知道１００ｍ以上及び１０ｍ以上の２つの形態を遂行することができる。即ち、最大探知距離１００ｍ以上に海底で前方をスキャニングすることができる前方スキャニングソナーと最大探知距離１００ｍ以上にリアルタイムソナー映像を提供する超音波カメラが取り付けられて、悪視界環境での視界を確保する。制御方式は、有線遠隔制御方式が使われ、電源供給はテザーケーブルを用いる。
【００４６】
前記複合移動が可能な海底ロボットの必要機能を再度整理する。
機能
−  海底に着地して多関節多足で胴体の姿勢を調節し歩行移動。
【００４７】
−  海底で作業用ロボットアーム２基装着。
【００４８】
−  悪視界を克服するために超音波映像装備装着。
【００４９】
−  濁度、溶存酸素量、伝導度、温度、深度、ｐＨ計測センサー内蔵。
【００５０】
−  海底ロボットの全ての情報はリアルタイムに遠隔モニターリング。
【００５１】
−  不規則地形、潮流など、外乱による転覆危険対応姿勢安定化及び足取り補正機能
耐圧水密方式
−  ２００ｍの水深で構造的に安定な耐圧、水密性能。
【００５２】
−  回転軸系など、油積式水密の場合、絶縁油内の作動保証。
【００５３】
−  海水及び塩分による腐食に対する方式機能。
強靭性
−  海上状態３で動作、海上状態４で生存。
【００５４】
−  ２ノットの海流で移動及び作業、３ノットの海流で生存。
【００５５】
−  零下１０度から映像４０度までの温度環境で正常作動、零下３０度から７５度までの環境で生存。
信頼性
−  水中及び海上で２４時間連続使用可能。
【００５６】
−  科学調査データは、国際社会公認信頼度維持。
運用便宜性
−  海上状態３以下で進水引揚可能
−  操作者の便利のための使用者グラフィックインターフェース装着
−  一部の自動可能を提供して操作者の負担軽減
メンテナンス性
−  海底ロボット１００とその支援装置は装備の分解、組立、交替容易。
【００５７】
−  モジュール化製作、充分な余裕品確保。
【００５８】
−  多様な母船を活用可能、包装、移動、設置容易性確保。
拡張性
−  追加装備のための余裕チャンネルの通信ラインと電源ライン確保。
【００５９】
−  水中作業工具のロボットアーム交替装着。
非常状態対処機能
−  海底ロボット１００と遠隔システムとの機械的連結装置が切れた場合、海底ロボット１００は３日以上自体電源を用いて自身の水中位置を超音波で送信。
【００６０】
−  海底ロボット１００が水中で過度な海底の急傾斜や瞬間的な海流または運用の失策により転覆された場合、自らまたは遠隔支援装置の助けを受けてその姿勢を回復できる機能確保。
【００６１】
本発明に従う６,０００ｍ探査用海底ロボットは、２００ｍ探査用海底ロボットと類似するが、潮流の影響がほとんどなく、視界の良い安定した深海環境で科学調査を遂行することを目的とするので、浮力調節機能をさらに内蔵し、遊泳機能を有することによって、堆積土壌の撹乱を最小化する。また、無線通信機能と自律制御器能を追加して探査の種類と方式を拡張した。
【００６２】
本発明に従う海底ロボットの水中関節メカニズム開発の接近方法に対する内容は以下の＜表２＞に整理した。
【００６３】
【表２】
0006001085.tif 000003
【００６４】
＜表２＞によれば、水中関節メカニズムに主要要求機能として、まず機械分野では耐圧／水密が要求され、モータ／ギア／ベアリング一体防水型関節モジュールが開発され、油積式Ｏリング構造による回転軸系の耐圧方式構造開発を遂行する。方式において、アルミニウム、ステンレスなどの耐食性材料が適用され、絶縁油充填方式の油積式設計が適用され、犠牲両極設置による方式構造を有する。また、ハーモニックドライブ減速器を採択してゼロバックラッシュになるようにし、構造解析基盤最適設計を遂行し、軽量高強度材質を使用した。
【００６５】
電気分野では、小型軽量高出力関節を有する海底ロボットを提供するために、低速高トルクＢＬＤＣモータを採択し、海水と充填油を用いた放熱構造を設計し、関節位置フィードバックのためにホールセンタータイプ近接リミットセンサ及び電気式絶対位置エンコーダを適用した。制御分野では、コンプライアンス制御器設計を適用した。
【００６６】
本発明に従う多関節海底ロボットの構造を図２及び図３でより詳細に説明する。
【００６７】
まず、図２は本発明の実施形態に従う多関節海底ロボットを概略的に示す斜視図である。図２の多関節海底ロボットの形態は実施形態に過ぎず、外形は変形可能である。
【００６８】
図２を参照すると、多関節海底ロボット１００は、流線型の胴体１１０、前記胴体の左右側に各々一対ずつ複数個が取り付けられ、多数個の関節で構成された多関節歩行足、前記胴体内に取り付けられ、前記多関節歩行足を通じて歩行状態及び水中での遊泳状態を制御する制御手段、前記制御手段により制御され、前記多関節歩行足を駆動させる駆動信号を発生する歩行足駆動手段、前記胴体内に取り付けられて、胴体の姿勢及び外部物体との接触を感知する感知手段、前記胴体内に取り付けられて、胴体の浮力を感知する浮力感知手段、及び外部装置と有無線信号を送受信する通信手段を含むことを特徴とする。
【００６９】
前記浮力感知手段は、浮力感知機能を提供するための浮力感知センサを備え、浮力を感知センサにより感知された感知信号により胴体の浮力を調節することができる機能を提供する。
【００７０】
前記感知手段は、姿勢及び運動計測センサ４２、水中位置追跡装置５０、及び前記胴体の底面に設置された力／モーメントセンサ４３を含むことを特徴とする。
【００７１】
前記胴体の前面に取り付けられて水中映像を撮影する撮影手段を含み、前記撮影手段は超音波カメラ２０及びファン／ティルティング機能水中カメラ２２、及び照明装置２２ａ（図示せず）を含むことを特徴とする。
【００７２】
前記通信手段は、光通信モデム６０を含むことを特徴とする。
【００７３】
前記通信手段は、光ファイバ及び電源線内蔵２次ケーブル２４０を介して緩衝器と連結されることを特徴とする。
【００７４】
前記胴体は、軽量高強度複合繊維素材で製作されたことを特徴とする。
【００７５】
また、前記感知手段は、海底ロボットの前方の２つの足に設置されて接地感知を遂行するモーメントセンサを含むことを特徴とする。
【００７６】
前記海底ロボット１００の胴体部１１０の側面には、複数個の多関節歩行足（１２１、１２２、１２３（図示せず）、１２４、１２５（図示せず）、１２６）が総６個備えられるが、両側面に各々２つずつ備えられ（１２３、１２４、１２５、１２６）、前方側に２つ（１２１、１２２）が備えられる。この中、前方側に付着された２つの多関節歩行足１２１、１２２はロボットアーム兼用足であって、足とアームの機能を遂行する。各々の多関節歩行足１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６は、各々複数個の関節部（例えば、１２１ａ、１２１ｂ、１２２ａ、１２２ｂなど）で構成される。
【００７７】
本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボット１００は、６足または４足で海底歩行し、２つの前足はロボットアームにも活用できる。４個の足１２３、１２４、１２５、１２６は、電動モータにより能動的に制御される４個の関節構造を有し、前の２つの足は６個の関節と１つのグリッパを有する。このような概念は、生体機能模倣に焦点を置いたザリカニロボットと、各々の足が１つの関節とペダルで構成された技術［ Christina, G., Meyer, N., Martin, B., “Simulation of an underwater hexapod robot,” Ocean Engineering, Vol 36, pp 39-47, 2009.］と差別化される。また、流体力に対応して能動的に姿勢を制御する新たな海底ロボットである。
【００７８】
多関節海底ロボットの足の構造は、以下、図９から図１２で詳細に説明する。海底ロボットが移動する場合には６個の足を用いて姿勢の安定性を確保しながら速い歩行が可能である。ロボットアーム兼用足を用いて作業したり物を移したりする場合、４個の足で胴体を支持するか、または歩行移動する。海底ロボットが４個の足で移動する場合には、６個の足で移動する場合に比べて歩行安定性と速度が相対的に落ちるが、水中で必要な作業と移動機能を全て達成できる。
【００７９】
本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボット１００は、強潮流環境で作業することに適合するように流線型の胴体１１０と多関節構造の足形状を有し、流体力などによる外乱を感知し、これに従う影響を最小化するように胴体及び足の姿勢を制御する機能を有する。
【００８０】
次に、図３は本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットのブロック構成図である。
【００８１】
図３を参照すると、複合移動が可能な多関節海底ロボット１００の遊泳及び歩行過程を制御する制御システム１０、超音波で１００ｍまでの前方を撮影する前方スキャニングソナー２０、超音波で１０ｍまでの前方映像をリアルタイムに撮影する超音波カメラ２０ａ、水中状態を撮影し、回転及び角度転換が可能なファン／ティルティング機能水中カメラ２２及び照明装置２２ａ（図示せず）、遊泳及び歩行過程時、センシングされたデータ及び撮影された映像データを格納するデータ格納部３０、海底ロボットの姿勢を感知し、運動状態を計測する姿勢及び運動計測センサ４２、海底ロボットの歩行足に作用する力とモーメントをセンシングする力／モーメントセンサ４３、関節角度のリミットを感知するための近接センサ４４、ロボットの速度と流速をセンシングする速度センサ４８、遂行ロボットの水中位置をリアルタイムに追跡し、センシングする水中位置追跡装置５０、緩衝器との信号送受信を処理する光通信モデム６０、電動モータの駆動信号を発生するモータ駆動部７０、モータ駆動部の信号によって動作する第１乃至第Ｎ電動モータ７２−１，・・・，７２−Ｎ、電動モータによって動作され、関節メカニズムと連結されてモータの動作を伝達する第１乃至第Ｎ減速器７４−１，・・・，７４−Ｎ、光通信モデムを通じて緩衝器及び地上母船と信号を送受信し、海底ロボットの遊泳及び歩行時、入手されたデータを転送する機能を制御する制御システム１０、及び電源を供給する電源部８０を含む。
【００８２】
その他、各々の足部分の端部には接地感知のための力センサあるいは感知センサが取り付けられる（図示せず）。
【００８３】
本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットは、海底に設置され、緩衝器に中間連結され、地上母船と緩衝器を介して連結される。地上母船は、海底地形に対する撮影された映像情報を海底ロボットを通じて転送を受けて格納し、特定地域の探索のために移動命令信号を送信する。
【００８４】
海底ロボットは、特定地域に向けて海底地面に沿って移動し、移動時、歩行または遊泳が可能である。潮流に従って感知手段である姿勢センサを通じて姿勢を変形させる（図６及び図７参照）。この際、前方から押し寄せる潮流に対抗して垂れた姿勢を取ることによって、裏返るなどの事故を防止するようになる。歩行時には、多関節歩行足に設置された感知手段であるモーメントセンサを通じて足の接地状態を確認しながら海底地面に沿って移動するか、または停止して待機する。遊泳時には多関節歩行足の全ての関節を一字にぴんと伸ばして泳ぐように移動する。悪視界を克服するために撮影手段である超音波カメラ、ファン／ティルティング水中カメラ（光学カメラ）を通じて探査地域を撮影し、マルチ−ビーム（multi-beam）照明装置を通じて前方周囲を明るく照らしながら移動する。
【００８５】
本発明の好ましい実施形態に従う複合移動が可能な多関節海底ロボット１００は、総６個の足に２８個の関節を有し、能動的に海底歩行を遂行する構造である。各関節は、第１乃至第Ｎ電動モータ７２−１，・・・，７２−Ｎにより駆動される。海底ロボットの関節を機械的、電気的に設計し制御する技術は、水中メカニズム技術として定義する。陸上で適用される関節メカニズム技術は、水圧が存在する海水中で適用できるように拡張または再設計された。
【００８６】
前記関節メカニズムは、図２に示すような本発明に従う多関節リンク海底ロボットの６個の足の各々に構成された関節メカニズムをいい、各々の足は４個の関節で連結され、前方の２つの足は６個の関節で連結される。前方の２つの足に連結された関節は各々ロボットアームの役割を兼ねる。
【００８７】
各関節メカニズムは、関節駆動モータ、ハーモニック減速器、関節角度センサ、関節リミットセンサで構成される。関節駆動モータは、小型軽量低速高トルクを得るために、フレームレスＢＬＤＣモータを使用して、耐圧防水ハウジングを設計して、その中に取り付けた。耐圧防水ハウジングは、Ｏリングを用いて水密した。関節のバックラッシュを最小化し、適切な減速比を得るためにハーモニックドライブ減速器を採択した。また、絶対角度を提供する電気式エンコーダを関節に減速器出力側に取り付けることによって、関節の絶対角度を得ることができる。安全のために関節角度リミットにはマグネチック形式の近接スイッチを取り付けた。図１０にはこのような関節構造を示す。
海底ロボットに作用する流体力の解析及びモデリング
本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットに作用する流体力に対して説明する。水は空気の１０００倍に達する密度を有する流体であるので、水中環境で動作しなければならない海底ロボットは流体力を無視できない動力学特性を有する。本発明では、流体力の解析方法に、ＡＮＳＹＳなどの数値計算ツールを用いる電算流体力学（ＣＦＤ；computational fluid dynamics）方法を適用する。
【００８８】
図４は、本発明に従う海底ロボットの概念設計を用いてＣＦＤ方法により流速がある流体の中に置かれた海底ロボットに作用する圧力の分布を推定したシミュレーション状態を示す図である。このような過程を通じて海底ロボットに作用する流体力を姿勢と流体の方向によって計算分析することができる。
【００８９】
図４で、歩行足のうち、ロボットアーム兼用足１２１ａ、１２１ｂ、１２２ａ、１２２ｂ、及び残りの右側歩行足１２４ａ、１２４ｂ、１２６ａ、１２６ｂ、及び左側歩行足１２３ａ、１２３ｂ、１２５ａ、１２５ｂで構成される。
【００９０】
図５は、本発明に従う複合移動が可能な多関節手動ロボットの水中リンクのベクトル度とリンク座標系を示すものである。
【００９１】
図５を参照すると、流速がある水中で多関節多足を用いて歩行または遊泳する場合、流体力を考慮した関節の経路計画と制御が必要であり、このために必須的に先行されなければならないものが足リンクに作用する流体力のモデリングである。水中ロボットアームの動力学式は、陸上のロボットアーム動力学式に流体力を添加して＜数式１＞のように表現することができる。
【００９２】
【数１】
0006001085.tif 000004
【００９３】
ここで、Ｍは付加質量を含んだ慣性行列であり、Ｃはコリオリと遠心力、Ｄは流体抵抗及び揚力、Ｇは浮力と重力、τは関節トルクである。流体抵抗力と揚力は、関節の角度、関節角速度、流体の速度、リンクの形状に従う流体力係数の関数となる。これを定義するために、まずリンクを薄い円板に分けて、各円板に作用する流体力を近似的に表現することによって、これらの積分によりリンクに作用する流体力を近似化する。海底ロボットのリンクの座標と速度及び力ベクトル度を図５のように定義すれば、ｊ番目リンクに作用する流体抵抗力はｉ番目座標に対して＜数式２＞のように近似的に表現することができる。
【００９４】
【数２】
0006001085.tif 000005
【００９５】
ここで、ＣＤｊはｊ番目リンクの２次元流体抵抗係数であり、σｉはｊ番目リンクの円板の速度ベクトルと流体速度ベクトルとの間の角度である。ｄｐｊは円板をｉνｎｊに直角であるベクトルに投影した長さである。ｉνｎｊはｊ番目リンクの長手方向に直角である円板の並進速度成分である。これからｉ番目関節に作用する流体力トルクは円板の位置ベクトルｉｒｊを考慮して次の＜数式３＞のように表現することができる。
【００９６】
【数３】
0006001085.tif 000006
【００９７】
これら流体力と流体力トルクを決定する速度ベクトルｉνｎｊを関節角速度ベクトルで表現すれば一般化トルクを得ることができ、＜数式１＞の流体抵抗力の項Ｄを近似的に求めることができる。
流体力最適歩行経路計画
水中でリンクに作用する流体力を最適化するように経路を計画すれば、歩行や遊泳にかかるエネルギーの効率を高めることができる。空気中に比べて水中では１,０００倍に達する流体力を受けるため、流体力を最適化することによって、システムの効率を向上させることをもう１つの核心技術として定義する。歩行においては、足取りの計画に流体力を考慮して余裕自由度を活用し、遊泳では関節に作用する流体力により作用する胴体の推進力が最大になるように関節の角度と速度を計画するものである。このような流体力最適歩行経路計画の問題は、次の通り定形化できる。即ち、以下の＜数式４＞で与えられる以下の不等式条件を満たし、足取りによって与えられる関節制約条件を満たし、かつ水中で動く足に作用する＜数式５＞のような流体力目的関数ｇを最小にする関節経路パラメータを求める。
【００９８】
【数４】
0006001085.tif 000007
【００９９】
【数５】
0006001085.tif 000008
【０１００】
外力対応姿勢補償制御
プロペラ方式とは異なり、潮流の中で安定な姿勢を維持することがCRABSTERの主要概念であるので、潮流のような外力に対応するための姿勢補償制御技術を核心技術として定義する。
【０１０１】
図６は流体の流れに対する姿勢の補償を概念的に示す図であって、各々低流速、高流速、及び後側流速状態を示す図である。
【０１０２】
図７は、本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットの流体力対応姿勢補償概念図である。
【０１０３】
海流が存在する海の中で海流により転覆されたり、飛ばされたりしないながら、安定な姿勢を維持するための接近方法に、図６のようにザリカニの姿勢補償方法を導入する。ザリカニは、流速のサイズと方向によって姿勢を変化しながら接地力を調節する。前述した電算流体力学解析方法を通じて胴体の姿勢別に得ることができる揚力と抵抗力を得れば、これを用いて海底で作業できる条件を導出することができる。ロボットが海流に飛ばされない条件は、ロボットの自重と揚力により発生する接地足先の摩擦力が流体抵抗力より大きいものである。即ち、図７から次の＜数式６＞の関係が得られる。
【０１０４】
【数６】
0006001085.tif 000009
【０１０５】
ここで、ｍはロボットの質量、ｇは重力加速度、Ｂはロボットの浮力であり、ｆＦはロボットの海底面接地摩擦力、ｆＤは流体抵抗力、ｆＥはその他の外力成分であり、μは接地摩擦係数、ｆＬはロボットに作用する揚力である。＜数式６＞で、ｆＤとｆＥは流速とロボット姿勢に対する関数であるので、＜数式６＞の不等式が満たすように姿勢を補償することによって、潮流を克服することができる。海底ロボットで姿勢補償機能を具現するために、流速センサ（あるいは、速度センサ）、力／トルクセンサ、姿勢センサ（あるいは、姿勢及び運動計測センサ）、接地力感知センサ（あるいは、モーメントセンサ）などが取り付けられる。図７を参照すると、多関節海底ロボット１００は多関節歩行足を用いて姿勢を変化させることによって、潮流を克服する形態を見ることができる。多関節海底ロボットは、胴体を前に垂れて前方での潮流に対応している。
【０１０６】
本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットは、６個の足を有し、２つの前足はロボットアーム機能を兼ねる。また、海底に密着して歩行移動し、胴体の形状と姿勢を用いて潮流による外乱を克服し、安定した姿勢で海底作業を遂行する概念の海底ロボットである。本発明に従う海底ロボットの核心技術は、水中関節メカニズム、流体力の解析及びモデリング、流体力最適歩行経路計画、そして外力対応姿勢補償制御などの４種類である。
【０１０７】
図８は、本発明の好ましい実施形態に従う多関節海底ロボットを用いた海底探査システムの具体的なブロック構成図である。
【０１０８】
図８を参照すると、海底ロボット１００は、図３に図示された構成の他に、複数個の信号をスイッチングするスイッチングハブ１５０、及び光信号を転送する光ファイバコンバータ１５２を含み、前記スイッチングハブ１５０にはＲＳ２３２及びＲＳ４８５装置、ＵＳＢ及びＣＡＮ装置が連結された入力及び出力信号を処理するコンピュータ１６２、複数個のネットワークカメラが連結されたスイッチングハブ１６４、複数個のアナログカメラが連結されたビデオエンコーダ１６６、前方注視ソナー（Forward Looking Sonar：ＦＬＳ、２０）あるいは前方スキャニングソナー、及び超音波カメラ２０ａが連結される。
【０１０９】
緩衝器２００は、複数個の信号をスイッチングするスイッチングハブ２１０、光信号を転送する光ファイバコンバータ２２２、入力及び出力信号を処理し、ＲＳ２３２が連結されたコンピュータ２３０、複数個のアナログカメラ２４２、２４３、２４４、２４５が連結されたビデオエンコーダ２４０、及び複数個のネットワークカメラ２５２、２５４が連結される。
【０１１０】
母船３００は、複数個のコンピュータ３３１乃至３３９が連結され、前記光ファイバコンバータ３２２、３２４が連結されたスイッチングハブ３１０を含む。前記光ファイバコンバータ３２２は、前記緩衝器２００の光ファイバコンバータ２２２と連結され、前記光ファイバコンバータ３２４は前記海底ロボット１００−１の光ファイバコンバータ１５２と連結される。前記複数個のコンピュータは、海底ロボット用コンピュータ３３１、緩衝器用コンピュータ３３２、ビデオコンピュータ３３３、ソナー用コンピュータ３３４、ハイパック（Hypack）用コンピュータ３３５、ＵＳＢＬコンピュータ３３６、マルチビームコンピュータ３３７、ＵＣ用コンピュータ３３８、及び予備コンピュータ３３９を表す。
【０１１１】
前記のように連結された海底ロボット１００、緩衝器２００、及び母船３００を含んだ海底探査システムを通じて海底地形を観察するためのシステムを構築し、海底ロボット１００−１を制御して海底地形に対するデータを確保することができる。
【０１１２】
図９は本発明の好ましい実施形態に従う多関節海底ロボットのロボット足の関節部分を示す詳細図であり、図１０は本発明の好ましい実施形態に従う多関節海底ロボットの電動モータとハーモニック減速器からなる耐圧防水関節構造の一部側断面図であり、図１１は本発明の好ましい実施形態に従うロボットアーム兼用足の関節部分を示す詳細図であり、図１２は本発明の好ましい実施形態に従うロボット足及びロボットアーム兼用足の機構学的構造を示す図である。
【０１１３】
図９を参照すると、本発明の好ましい実施形態に従う多関節海底ロボットのロボット足の関節部分は、第１関節１２５ａ、第２関節１２５ｂ、第３関節１２５ｃ、及び第４関節１２５ｄから構成される。前記第４関節１２５ｄの端部にロボット足１２４ａが連結され、第３関節１２５ｃ及び第４関節１２５ｄの間にロボット足１２４ｂが連結される。
【０１１４】
前記第１関節１２５ａ、第２関節１２５ｂ、及び第３関節１２５ｃは、耐圧防水関節構造により防水組立されている（図１０参照）。
【０１１５】
図１０を参照すると、第１関節１２５ａ、第２関節１２５ｂ、及び第３関節１２５ｃは、耐圧防水関節構造により防水組立されているが、具体的には、第１防水胴体４１０、第２防水胴体４２０、及び第３防水胴体４３０から構成され、第１防水胴体４１０にはフレームレスＢＬＤＣモータ７２−１が防水用Ｏリング４１４により包まれて耐圧防水ハウジング４１８に内接されてベアリング４１２を媒介に取り付けられる。前記フレームレスＢＬＤＣモータ７２−１の駆動力を減速させる減速器７４−１は、ベアリング４１２を媒介に前記耐圧防水ハウジング４１８の内に回転可能に連結される。
【０１１６】
図１１を参照すると、本発明の好ましい実施形態に従うロボットアーム兼用足の関節部分は、第１関節１２５ａ、第２関節１２５ｂ、第３関節１２５ｃ、第４関節１２５ｄ、第５関節１２５ｅ、及び第６関節１２５ｆから構成される。前記第６関節１２５ｆの端部にグリッパ１２２ａ−１が連結され、第３関節１２５ｃ及び第４関節１２５ｄの間にロボット足１２１ｃが連結され、第４関節１２５ｄ及び第５関節１２５ｅの間にロボット足１２１ｂが連結され、第５関節１２５ｅ及び第６関節１２５ｆの間にロボット足１２１ａが連結される。
【０１１７】
前記第１関節１２５ａ、第２関節１２５ｂ、及び第３関節１２５ｃは、耐圧防水関節構造により防水組立されている（図１０参照）。その他の関節も耐圧防水構造で組立される。各々の関節のフィードバック（feedback）は関節に設置されたリミットセンサを通じて感知されることができ、リミットセンサはホールセンサ（図示せず）が使用できる。
【０１１８】
図１２を参照すると、本発明の好ましい実施形態に従うロボット足及びロボットアーム兼用足の機構学的構造を説明すると、海底ロボット胴体１１０に４個のロボット足が連結され、海底ロボット胴体１１０の前方に２つのロボットアーム兼用足が連結される。各々Ｘ、Ｙ、Ｚ軸を中心にロール（ROLL）、ピッチ（PITCH）、及びヨー軸（YAW）回転運動する。
【０１１９】
再度整理すると、本発明の好ましい実施形態に従う多関節海底ロボット１００−１は、総６個の足に２８個の関節を有し、能動的に海底歩行を遂行する構造である。各関節は、第１乃至第Ｎ電動モータ７２−１，・・・，７２−Ｎにより駆動される。海底ロボット１００−１の関節を機械的、電気的に設計し、制御する技術は、水中メカニズム技術として定義する。陸上で適用される関節メカニズム技術は、水圧が存在する海水の中で適用できるように拡張または再設計された。
【０１２０】
前記関節メカニズムは、図２に示すような本発明に従う多関節リンク海底ロボットの６個の足の各々に構成された関節メカニズムをいい、各々の足は４個の関節で連結され、前方の２つの足は６個の関節で連結される。前方の２つの足に連結された関節は各々ロボットアームの役割を兼ねる。
【０１２１】
各関節メカニズムは、関節駆動モータ７２−１，・・・，７２−Ｎ、ハーモニック減速器７４−１，・・・，７４−Ｎ、関節角度センサ７６−１，・・・，７６−Ｎ、関節リミットセンサ７８−１，・・・，７８−Ｎから構成される。関節駆動モータは、小型軽量低速高トルクを得るためにフレームレスＢＬＤＣモータを使用して、耐圧防水ハウジングを設計して、その中に取り付けた。耐圧防水ハウジングはＯリングを用いて水密した。関節のバックラッシュを最小化し、適切な減速比を得るためにハーモニックドライブ減速器を採択した。また、絶対角度を提供する電気式エンコーダ、即ち、関節角度センサを関節の減速器出力側に取り付けることによって、関節の絶対角度を得ることができる。安全のために、関節角度リミットセンサはマグネチック形式の近接スイッチで構成される。
【０１２２】
前記ロボットアーム兼用足部分に設置された第６関節１２５ｆの電動モータは、減速器はグリッパを作動させるためのものである。
【０１２３】
以上、本発明の実施形態を中心に説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する技術者の水準で多様な変更や変形を加えることができる。このような変更及び変形は本発明が提供する技術思想の範囲を外れない限り、本発明に属するということができる。したがって、本発明の権利範囲は、以下に記載される請求範囲により判断されるべきである。
【符号の説明】
【０１２４】
１０    制御システム（制御手段）
２０    超音波カメラ
３０    データ格納部
４２    姿勢及び運動計測センサ
５０    水中位置追跡装置
６０    光通信モデム
７０    モータ駆動部
８０    電源部
１００    海底ロボット
１１０    胴体
２００    緩衝器
３００    母船
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットを用いた海底探査システムは、プロペラ推進とは全く異なる新たな概念の６個の足で構成された海底ロボットを用いることによって、海底ロボットが海底に密着して移動し、姿勢及び運動感知センサを用いて姿勢を維持しながら潮流を克服し、海底で遊泳及び歩行することができ、海底ロボットを通じての海底データをリアルタイムに緩衝器を経由して地上の母船に有無線通信手段を通じて転送されることによって、浅海及び深海での海底探査を行なうことができる効果がある。
また、本発明に従う複合移動が可能な多関節海底ロボットを用いた海底探査システムは、海底ロボットに超音波映像装備を搭載して濁度の高い水中でも探索が可能であり、前の２つの足はロボットアームにも使用するようになることによって、浅海及び深海で海底探査が効果的に遂行される効果がある。
【図１ａ】
0006001085.tif 000010
【図１ｂ】
0006001085.tif 000011
【図２】
0006001085.tif 000012
【図３】
0006001085.tif 000013
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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