(57)【要約】【課題】瓦礫内探索ロボットが瓦礫に埋もれた人を発見した場合に、その位置を正確に把握することを目的とする。【解決手段】瓦礫内探索ロボットが外部の空気コンプレッサーから空気圧チューブやＣＣＤカメラ等の信号情報ケーブルで結ばれる必要性があることに鑑み、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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多関節構造のチューブであって、
前記チューブは、内部に空洞を有する複数のリンク部と該リンク部を連鎖する少なくとも１自由度の関節とで構成され、
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、
前記センサと前記信号処理部の間に配線させる信号ケーブルと、前記通信ネットワークを構成する通信ケーブルとが階層構造となっており、
前記リンク部の内部の空洞が、前記信号ケーブルおよび前記通信ケーブルの通路となっていることを特徴とするフレキシブルセンサチューブ。
【請求項２】
前記多関節構造のチューブが硬質性の樹脂、複合素材、金属、又は、それらの組み合わせからなることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルセンサチューブ。
【請求項３】
前記リンク部および前記関節部の全体をチューブで覆い、チューブ内に格納したことを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルセンサチューブ。
【請求項４】
前記多関節構造のチューブの関節部に駆動手段を設け、チューブ単体での移動を可能とした請求項１に記載のフレキシブルセンサチューブ。
【請求項５】
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得る接合手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルセンサチューブ。
【請求項６】
１つのフレキシブルセンサチューブから複数のフレキシブルセンサチューブが伸びることができる分岐手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルセンサチューブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、震災などで倒壊した家屋の瓦礫内に埋もれた人を検索するロボットの自己位置同定技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
震災などで倒壊した家屋の瓦礫の下など、人が狭く危なくて進入することが困難なところ、また、瓦礫の下敷きとなり人の進入が不可能なところに、自由自在に進入して、瓦礫内に埋もれた人の状況などをカメラセンサー等で知ることができる瓦礫内探索ロボットが研究されている。
【０００３】
本発明者が提案する瓦礫内探索ロボットは、複数の台車とそれらを連結する関節から構成され、不整地の多い災害現場や段差や溝での容易な移動が行える構成を有する。この瓦礫内探索ロボットは、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めるようにし、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えるものである（非特許文献１を参照）。
【０００４】
一方で、高所の検査、狭い管の奥の調査、災害などの瓦礫の下の調査など、人が、狭い・高い又は危なくて、行きにくいところ、行けないところに自在に近づき、その状況を先端に設けたカメラ等のセンサで把握する円盤状の部品の連なりが知られている（特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３２９４７８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】特定非営利活動法人国際レスキューシステム研究機構のホームページ内ロボット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の瓦礫内探索ロボットにおいて、探索ロボットは、倒壊した家屋の瓦礫の下に潜り込むため、その位置を把握することが必要となる。これは探索ロボットが瓦礫内に埋もれた人を発見した場合に、その位置を把握し、迅速に救助活動を行うためである。
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。
【０００８】
また、探索ロボットが瓦礫内に埋もれた人を発見した時に、ブザーやサイレン等の音や光を発生させる方法も考えられるが、瓦礫の隙間から音や光がもれてくるはずであり、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。特に、救助活動のため、大勢の救助員が動員され、瓦礫の取り除く作業の下では、作業音が大きく、ブザーやサイレン等の音で位置を特定しようとすると、作業を中断する必要があり、救助活動作業の効率を損なうことになる。
【０００９】
本発明は、震災などで倒壊した家屋の瓦礫内に埋もれた人を発見するため、瓦礫の下に潜り込み外から見えなくなった、瓦礫内探索ロボットの自己位置同定手段を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上述の瓦礫内探索ロボットが外部の空気コンプレッサーから空気圧チューブやＣＣＤカメラ等の信号情報ケーブルで結ばれる必要性があることに鑑み、瓦礫内探索ロボットの自己位置同定手段として、本発明に係るフレキシブルセンサチューブを完成したのである。
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。
【００１１】
そこで、本発明の第１の観点からは、多関節構造のチューブであって、前記チューブは、内部に空洞を有する複数のリンク部と該リンク部を連鎖する少なくとも１自由度の関節とで構成され、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、前記センサと前記信号処理部の間に配線させる信号ケーブルと、前記通信ネットワークを構成する通信ケーブルとが階層構造となっており、前記リンク部の内部の空洞が、前記信号ケーブルおよび前記通信ケーブルの通路となっているフレキシブルセンサチューブが提供される。
【００１２】
ここで、１ないし複数のセンサを１グループとし、グループ単位にセンサの信号が信号処理部に取り込まれることとしたのは、以下の理由による。
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。
【００１３】
また、上記の第１の観点で、信号処理部の間は通信ネットワークに接続されるが、この通信ネットワークは、処理演算部にも接続される。処理演算部では、各信号処理部から通信ネットワークを介して送られてくる関節角など変化量検出センサの信号データを取り込み、フレキシブルセンサチューブの全体形状を算出する。処理演算部は、瓦礫内探索ロボットが位置する側と反対側の、フレキシブルセンサチューブの一端に配設される。処理演算部で算出したフレキシブルセンサチューブの全体形状は、起点となるフレキシブルセンサチューブの一端を原点として、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の位置情報として３次元的に算出され、フレキシブルセンサチューブの起点とは反対の一端に位置する瓦礫内探索ロボットの瓦礫内部における３次元位置を同定するのである。
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。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。
【００１４】
また、フレキシブルセンサチューブを構成する多関節構造のチューブは、硬質性の樹脂であることが好ましい。瓦礫内の中を通ることから、フレキシブルセンサチューブを構成する多関節構造のチューブは耐久性があることが必要であり、また、関節角によって全体の形状を正確に算出すべく、自由度のある関節の連鎖部以外の所は形状が一定の硬質なものが好ましい。さらに、フレキシブルセンサチューブの先端に位置する瓦礫内探索ロボットの負荷を考慮し、フレキシブルセンサチューブは軽量であることが好ましいからである。
【００１５】
また上記樹脂以外にも、図７のような薄板加工あるいはダイキャスト成型による軽金属類で、チューブ本体または外装を構成しても良い。カーボン等を利用した複合素材も使用出来るし、例えばチューブの最も外側を金属、内側を樹脂で構成するなどの組み合わせで構成することも可能である。また、図４では露出している関節部を、図７のようにチューブ内に隠蔽する構成も可能である。図７のように構成すれば、ロボットの移動に伴うチューブの移動も円滑になることが期待出来る。
【００１６】
また、フレキシブルセンサチューブの多関節構造のチューブの関節部に、駆動手段を設けて、チューブ単体での移動を可能とすることも良い。駆動手段とは、例えば、瓦礫内探索ロボットと同様のクローラや車輪などである。フレキシブルセンサチューブ自体にも駆動手段を設けることにより、瓦礫内探索ロボットが引っ張る負荷を減らすことができ、また、瓦礫内の移動がスムーズに行うことができる。
【００１７】
第１の観点のフレキシブルセンサチューブにおいて、さらに、接合手段、若しくは、分岐手段を備えたフレキシブルセンサチューブが提供される。
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。
【００１８】
また、分岐手段とは、１つのフレキシブルセンサチューブから、枝葉が分かれていくように、複数のフレキシブルセンサチューブが伸びることができるよう分岐させる役割をなすものである。
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。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るフレキシブルセンサチューブでは、上述の構造を有しているため、瓦礫の下に潜り込み外から見えなくなった瓦礫内探索ロボットの位置を同定することができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】フレキシブルセンサチューブを用いた走行ロボット自己位置同定システムの概念図
【図２】フレキシブルセンサチューブを用いた走行ロボット自己位置同定システムの概略構成図
【図３】フレキシブルセンサチューブの一実施例の構成図
【図４】フレキシブルセンサチューブの一実施例の外観図
【図５】フレキシブルセンサチューブを用いたロボット追従システムの概略図
【図６】接合手段と分岐手段を用いたフレキシブルセンサチューブの概念図
【図７】フレキシブルセンサチューブの他の実施例の外観図を示すもので、（ａ）は真っ直ぐに伸びたフレキシブルセンサチューブ、（ｂ）は、蛇行したフレキシブルセンサチューブの様子を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。
【実施例１】
【００２２】
本発明に係るフレキシブルセンサチューブの一実施例について図１〜４を用いて説明する。図１と図２は、それぞれフレキシブルセンサチューブを用いた走行ロボット自己位置同定システムの概念図と概略構成図を示している。また、図３と図４は、それぞれフレキシブルセンサチューブの一実施例の構成図と外観図を示している。
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。
【００２３】
２００個の関節の全ポテンショメータの出力信号を独立した信号ケーブルで集約すると、２００数本の信号線が必要となってくることになり現実的でない。
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。
【００２４】
フレキシブルセンサチューブの一端に設けられた処理コンピュータに、通信ネットワークを介して、全ポテンショメータのデータが集約され、集約されたデータに基づいてフレキシブルセンサチューブの形状が算定される。これにより、フレキシブルセンサチューブの端の位置する瓦礫内探索ロボットの３次元位置が同定される。
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。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明に係るフレキシブルセンサチューブは、瓦礫内探索ロボットの自己位置同定手段として利用できる可能性を有する。
【符号の説明】
【００２６】
１      フレキシブルセンサチューブ
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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