(57)【要約】  モジュール式ロボットクローラ（１０）が、それぞれ異なる相互整合性セグメントモジュール（１２）の先在的な集まりの中から選択された複数のセグメントモジュール（１２）を相互連結することによって、形成され得る。これらのセグメントモジュール（１２）は、少なくとも１つの相互連結可能なインターフェースを有することが可能である。この選択は、計画された実施されるべき機能の作動シナリオに基づくことが可能である。
2010533101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一連のそれぞれ異なる機能を果たすようにモジュール式ロボットクローラを調製する方法であって、
計画された実施されるべき機能の作動シナリオに基づいて、それぞれが少なくとも１つの相互連結可能なインターフェースを有する、それぞれ異なる機能を果たす相互整合性セグメントモジュールの先在的な集まりの中から、複数のセグメントモジュールを選択するステップと、
機能の前記シナリオの実施が可能であるモジュール式ロボットクローラを形成するために、前記選択されたセグメントモジュールを直列構成に相互連結させるステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記機能を実施するように、前記モジュール式ロボットクローラを作動させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記モジュール式ロボットクローラの作動中に、前記モジュール式ロボットクローラに対して少なくとも１つの追加のセグメントモジュールを相互連結させるステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記モジュール式ロボットクローラの作動中に、前記モジュール式ロボットクローラから少なくとも１つのセグメントモジュールを連結解除させるステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
複数のモジュールを選択する前記ステップは、
第１の移動モードを有する少なくとも１つのセグメントモジュールを選択するステップと、
前記第１のモードとは異なる第２の移動モードを有する少なくとも１つのセグメントモジュールを選択するステップと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記モジュール式ロボットクローラを作動させるステップと、
前記第１の移動モードと前記第２の移動モードとの間で前記モジュール式ロボットクローラを切り替えるステップと
をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の移動モードは、重力を基準とする面に沿って前記蛇様ロボットビークルを移動させるための、重力作用によるトラクションモードであり、前記第２の移動モードは、反重力を基準とする面に沿って前記蛇様ロボットビークルを移動させるための、自己作用によるトラクションモードである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
モジュール式ロボットクローラシステムであって、
ａ）連鎖状に連結され、少なくとも１つの中間セグメントモジュールを含む、複数のセグメントモジュールを備え、
ｂ）前記少なくとも１つの中間セグメントモジュールは、
ｉ）セグメント本体、
ｉｉ）前記セグメント本体の第１の端部に配置される第１の連結器、および
ｉｉｉ）前記セグメント本体の第２の端部に配置される第２の連結器を有し、
ｉｖ）前記第１の連結器および前記第２の連結器は、複数の中間セグメントが連続的に連結され得るように相互整合性のものであり、
ｃ）前記セグメントモジュールの中の少なくとも１つが、このモジュール式ロボットクローラを移動させるための推進デバイスを備える、モジュール式ロボットクローラシステム。
【請求項９】
前記セグメントモジュールの中の１つの中に配設される少なくとも第２の推進デバイスをさらに備える、請求項８に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項１０】
前記セグメントモジュールの中の少なくとも１つが関節部を備える、請求項８に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項１１】
前記セグメントモジュールの中の少なくとも１つが環境センサを備える、請求項８に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項１２】
前記環境センサは、カメラ、化学センサ、生物学的センサ、光センサ、湿度センサ、振動センサ、温度センサ、電磁センサ、磁力計、音センサ、力センサ、圧力センサ、触覚センサ、ソナー、レーダ、ライダ、放射線センサ、地震センサ、サンプラ、およびそれらの組合せからなる群より選択される、請求項１１に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項１３】
前記セグメントモジュールの中の少なくとも１つが通信モジュールを備える、請求項８に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項１４】
前記通信モジュールは、光学トランシーバ、高周波トランシーバ、電磁波トランシーバ、音響トランシーバ、およびそれらの組合せからなる群より選択される、請求項１３に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項１５】
前記セグメントモジュールの中の少なくとも１つがマニピュレータモジュールである、請求項８に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項１６】
前記セグメントモジュールは、前記モジュール式ロボットクローラの作動中に他のモジュールに連結され得る、または他のモジュールから連結解除され得る装着構造部を備える、請求項８に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項１７】
前記セグメントモジュールはそれぞれ動力供給源を備える、請求項８に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項１８】
前記セグメントモジュールの中の少なくとも２つにわたって供給がなされる動力供給源をさらに備える、請求項８に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項１９】
前記第１の連結器および前記第２の連結器はそれぞれ、連結された中間セグメント同士の間の通信を可能にするための互換性信号インターフェースを備える、請求項８に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項２０】
前記信号インターフェースを介して前記セグメントモジュールと通信状態におかれる制御システムをさらに備える、請求項１９に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項２１】
モジュール式ロボットクローラシステムにおいて、
ａ）複数のセグメントモジュールであって、連結器部分にて互いに交互に着脱自在であり、任意のセグメントモジュールが任意の他のセグメントモジュールに連結され得るように相互整合性であり、共に連結される場合には多機能型モジュール式ロボットクローラを形成する、複数のセグメントモジュールと、
ｂ）少なくとも第１の推進モードを実現する少なくとも１つのセグメントモジュールと、
ｃ）前記第１の推進モードとは異なる少なくとも第２の推進モードを実現する少なくとも１つのセグメントモジュールと
を備える、モジュール式ロボットクローラシステム。
【請求項２２】
少なくとも１つのセグメントモジュールが感知能力を備える、請求項２１に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項２３】
前記セグメントモジュールの中の少なくとも１つがマニピュレータモジュールである、請求項２１に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項２４】
前記セグメントモジュールの中の少なくとも１つが少なくとも３つの連結器を備える、請求項２１に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項２５】
前記セグメントモジュールは、前記モジュール式ロボットクローラの作動中に互いに結合され得る、または互いから結合解除され得る、請求項２１に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項２６】
前記セグメントモジュールは、連結されたセグメントモジュール同士の間の通信を可能にするための信号インターフェースを備える、請求項２１に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【請求項２７】
前記セグメントモジュールと通信状態にある制御システムをさらに備える、請求項２１に記載のモジュール式ロボットクローラ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
この出願は、２００７年７月１０日に出願された、「Ｍｏｄｕｌａｒ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｃｒａｗｌｅｒ」と題された米国仮特許出願第６０／９５９，１０８号に基づく利益を主張するものであり、該出願は、参照によりその全体として本明細書に組み込まれる。
【０００２】
ロボット工学は、盛んな研究分野であり、多数の様々なタイプのロボットビークルが、様々な任務のために開発されてきた。例えば、無人航空機が、軍事的航空偵察において非常に成功を収めている。しかし、無人陸上車については、部分的には、陸上環境が航空環境よりも縦走が著しく困難であるという理由から、あまり成功が得られていない。
【０００３】
無人陸上車両は、移動性を企図する際に多数の困難に直面する。地形は、例えば、固まっていない可動的な物、障害物、植物、限定された幅または高さの空地、段差などを含み、広く多岐にわたる可能性がある。ある環境における作動に対して最適な車両が、他の環境においては上手く作動しない場合がある。
【０００４】
多様なモビリティ構成が、困難な地形を縦走するように適合化されてきた。これらの選択肢には、脚、車輪、および無限軌道が含まれる。脚型ロボットは、敏捷になり得るが、移動および安定性の実現のために、複雑な制御機構を使用する。車輪型車両は、高い移動性を実現することが可能であるが、トラクションまたは牽引力に限度があり、一般的には安定性の実現のために幅を要する。無限軌道車両は、ある環境においては高い安定度を実現することが可能であるが、多くの場合、無限軌道車両は、非常に小型の車両については操縦性に限度がある。さらに、既知の無限軌道車両は、特に地形が狭く、経路が蛇行および湾曲している場合には、多様な障害物に対応することができない。したがって、既知のモビリティ構成は、それらが遂行可能である任務に限定される傾向がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態は、モジュール式ロボットクローラと、モジュール式ロボットクローラを調製するための方法とを含む。一実施形態においては、モジュール式ロボットクローラを調製する方法が、計画された実施されるべき機能の作動シナリオに基づいて、それぞれ異なる機能を果たす相互整合性セグメントモジュールの先在的な集まりの中から、複数のセグメントモジュールを選択するステップを含む。これらのモジュールは、機能のシナリオの実施が可能であるモジュール式ロボットクローラを形成するために、共に直列構成に相互連結され得る。
【０００６】
添付の図面と組み合わせることにより、以下の説明および添付の特許請求の範囲から本発明がさらに十分に明らかになろう。これらの図面は、本発明の例示の実施形態を示すにすぎないと理解しており、したがって、これらの図面は、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。本明細書において概略的に説明され図面中に図示される本発明の構成要素は、多様な異なる構成に構成するおよび設計することが可能であることが、容易に理解されよう。しかし、添付の図面を用いることにより、さらなる具体性および詳細とともに本発明を示し、説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の例示の一実施形態によるモジュール式ロボットクローラの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態によるモジュール式ロボットクローラの中間セグメントモジュールの斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による露出型車輪駆動モジュールの斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態による包囲型車輪モジュールの斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態による露出型二輪モジュールの斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による四輪モジュールの斜視図である。
【図７】本発明の一実施形態による露出型単一無限軌道モジュールの斜視図である。
【図８】本発明の一実施形態による包囲型単一無限軌道モジュールの斜視図である。
【図９】本発明の一実施形態による両無限軌道モジュールの斜視図である。
【図１０】本発明の一実施形態による軸方向回転モジュールの斜視図である。
【図１１】本発明の一実施形態による軸方向往復動モジュールの斜視図である。
【図１２】本発明の一実施形態による、構造物の内側に巻きつけられ、この構造物を登る、モジュール式ロボットクローラの斜視図である。
【図１３】本発明の一実施形態による屈曲関節モジュールの斜視図である。
【図１４】本発明の一実施形態による回転子モジュールの斜視図である。
【図１５】本発明の一実施形態による延長モジュールの斜視図である。
【図１６】本発明の一実施形態による、概して平坦な表面の上を移動するモジュール式ロボットクローラの斜視図である。
【図１７】本発明の一実施形態による、限定された空間を通り屈曲部を曲がり移動する、モジュール式ロボットクローラの上面図である。
【図１８】本発明の一実施形態による、片持ち梁状に突き出てギャップを越える、モジュール式ロボットクローラの斜視図である。
【図１９】本発明の一実施形態による、階段を登るモジュール式ロボットクローラの側面図である。
【図２０】本発明の一実施形態による、構造物の周囲に巻きつけられ、この構造物を登る、モジュール式ロボットクローラの斜視図である。
【図２１】本発明の一実施形態による把持機モジュールの斜視図である。
【図２２】本発明の一実施形態による切断機モジュールの斜視図である。
【図２３】本発明の一実施形態による穿孔機モジュールの斜視図である。
【図２４】本発明の一実施形態によるマニピュレータモジュールの斜視図である。
【図２５】本発明の一実施形態によるトラクションリングモジュールの斜視図である。
【図２６】本発明の一実施形態によるモジュール式ロボットクローラの調製方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の例示の実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面を参照とする。これらの図面は、本発明の一部を形成するものであり、本発明を実施し得る例示の実施形態を例示として図示する。これらの例示の実施形態は、当業者が本発明を実施することが可能となるように十分に詳しく説明されるが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、他の実施形態を実現することが可能であり、本発明に対して様々な変更をなし得ることを理解されたい。したがって、本発明の実施形態の以下のより詳細な説明は、特許請求される本発明の範囲を限定するようには意図されず、本発明の構成部および特徴を説明するために、本発明の最良の実施形態を示すために、ならびに当業者が本発明を実施することが十分に可能となるように、もっぱら例示のために、非限定的に提示される。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ、規定されるべきである。
【０００９】
本発明の以下の詳細な説明および例示の実施形態は、添付の図面を参照することにより最もよく理解されよう。これらの図面においては、本発明の要素および構成部は、全ての図面にわたって数字によって指示される。
【００１０】
本明細書において用いられる場合に、「約」および「実質的に」という語は、寸法、サイズ、編成、パラメータ、形状、濃度、ならびに他の数量および特徴が、正確ではなく、および正確である必要がなく、要望に応じて公差、変換係数、丸め、測定誤差、および、当業者に知られている同様のまたは他の要素を反映して、近似値化されてよい、および／または、さらに大きくて、もしくは小さくてよい。許容される偏差の正確な度合いは、いくつかの場合においては特定のコンテクストによって決定されてよい。
【００１１】
本明細書においては、数値データは、範囲の形式で表され得る、または提示され得る。このような範囲形式は、便宜上の理由から、および簡略化のために、使用されるにすぎず、したがって、その範囲の極限値として明示された数値を含むのみではなく、それぞれの数値および部分範囲が明示されたものと見なされるような範囲内に包含される全ての個々の数値または部分範囲をも含むように、柔軟に解釈されるべきである点を理解されたい。一例としては、「約１から約５まで」の数範囲は、約１から約５までの明示された値を含むだけではなく、示された範囲内の個々の値および部分範囲をも含むように解釈されるべきである。したがって、この数範囲には、２、３および４などの個々の数値、ならびに１〜３、２〜４、および３〜５、等々の部分範囲が含まれる。これと同一の原則が、１つの数値のみを示す範囲に対しても適用される。さらに、このような解釈は、述べられる範囲の幅および特徴の幅にかかわらず適用されるべきである。
【００１２】
図１を参照すると、モジュール式ロボットクローラの図が示されている。全体的に１０で示されるこのモジュール式ロボットクローラは、連鎖状態に連結された複数のセグメントモジュールを備える。セグメントモジュールは、中間セグメントモジュール１２、または、例えば頭部モジュール１４もしくは尾部モジュール１６などの、端部セグメントモジュールとして指定することが可能である。モジュール式ロボットクローラは、１つまたは複数の中間セグメントモジュールを備えてよい。
【００１３】
図２においてさらに詳細に図示されるように、中間セグメントモジュールは、セグメント本体２０、第１の連結器２２、および第２の連結器２４を備える。第１および第２の連結器は、セグメントモジュールの対向端部に配置されてよい。連結器は、モジュール式ロボットクローラを形成するために複数の中間セグメントモジュールを関節連結鎖状態へと連続的に連結させることが可能であるような、相互整合性のものである。中間セグメントモジュールは、以下においてさらに詳細に述べるように、例えば移動、感知、操作、関節部、屈曲、回転、伸延などを含む、様々な機能を果たしてよい。関節部は、受動的なものであってよく、または、被作動的なものであってもよい。
【００１４】
モジュール式ロボットクローラ１０（図１）は、蛇様移動能力を備えることが可能であるが、クローラは、以下の説明からさらに明らかになるように、蛇様移動に限定されない。モジュール式ロボットクローラは、小断面を形成するように設計されてよい。例えば、セグメントモジュール１２、１４、１６は、他のサイズを使用することも可能であるが、直径が約１．３ｃｍ（約０．５インチ）から約５ｃｍ（約２インチ）までの断面を有するように設計されてよい。したがって、モジュール式ロボットクローラは、パイプ、通気孔、ワイヤフェンスなど、小さな開口に進入するまたは通過することが可能である。さらに、モジュール式ロボットクローラは、他の重量を用いることも可能であるが、例えば約９ｋｇ（約２０ポンド）未満の重量に、さらに好ましくは約４．５ｋｇ（約１０ポンド）未満の重量になど、軽量となるように設計されてよい。
【００１５】
さらに詳細にセグメントモジュールを参照すると、セグメントモジュールは、構造化、作動、動力供給、感知、推進、移動、情報収集、相互作用などを含む、様々な機能を果たしてよい。例えば、セグメントモジュールは、モジュール式ロボットクローラを移動させるための推進デバイスを備えることが可能である。
【００１６】
図３から図１１は、推進デバイスを備える様々なタイプのセグメントモジュールを図示する。例示の推進デバイスには、露出型車輪モジュール（図３）、包囲型車輪モジュール（図４）、包囲型車輪モジュール（図５）、四輪型車輪モジュール（図６）など、長手方向移動に適応化された車輪３０を有する車輪モジュールが含まれる。車輪モジュールは、比較的平滑な面および傾斜面の上において、効率的かつ迅速な移動を実現すること可能である。モジュール式ロボットクローラが、構造物の周囲にまたは内側に巻きつけられると、以下においてさらに説明されるように、車輪モジュールにより、クローラは、らせん状移動を行うことも可能となる。
【００１７】
他の例示的な推進デバイスには、露出型単一無限軌道モジュール（図７）、包囲型単一無限軌道モジュール（図８）、および両無限軌道モジュール（図９）などの、無限軌道７２を有する無限軌道モジュールが含まれる。無限軌道モジュールは、車輪モジュールと同様の移動（例えば、前方移動、後方移動、またはらせん状移動など）を実現するが、平滑面または凹凸面の上において機能することが可能である。いくつかの状況においては、無限軌道モジュールは、車輪モジュールよりも大きな牽引力をもたらすことが可能である。
【００１８】
さらに、他の推進デバイスが含まれてもよい。軸方向回転モジュール（図１０）は、上述の車輪モジュールまたは無限軌道モジュールの移動方向に対して直交方向への、平滑面上における移動を可能にするための、外方回転スリーブ９２を備えることが可能である。軸方向往復動モジュール（図１１）は、いくつかの表面タイプの上におけるラチェット様前方移動が可能となるように、前方および後方１０６に移動するスリーブ１０４を備えることが可能である。
【００１９】
モジュール式ロボットクローラは、２つ以上のタイプの推進デバイスを備えるセグメントモジュールで組み立てられてよい。これにより、実施可能な移動モードにおける自由度を高めることが可能となる。例えば、モジュール式ロボットクローラは、少なくとも１つのセグメントモジュールが少なくとも第１の推進モードを実現し、少なくとも１つのセグメントモジュールが第１の推進モードとは異なる少なくとも第２の推進モードを実現する、複数のセグメントモジュールを備えてよい。
【００２０】
ある特定の例としては、モジュール式ロボットクローラは、車輪モジュールおよび軸方向回転モジュールの両方を備えることが可能である。これにより、モジュール式ロボットクローラは前方および後方に移動することが可能となり（車輪モジュールの使用による）、側方に移動することが可能となる（軸方向回転モジュールの使用による）。別の例としては、図１２に図示されるように構造物３０の周囲または内側に巻きつけられた場合に、モジュール式ロボットクローラ１０は、軸方向回転モジュールを使用することにより上方３２または下方３４に直線的に移動することが可能であり、車輪モジュールを使用することにより構造物の周囲にて上方３６にまたは下方３８にらせん状に移動することが可能である。
【００２１】
モジュール式ロボットクローラ１０の移動および能力は、関節部を有する中間セグメントモジュールを備えることによって、強化させることが可能である。例えば、図１３から図１５は、関節部を備える様々なタイプの中間セグメントモジュールを図示する。関節部は、平面入出移動が可能となり、複雑な歩容（例えばスライサリング（ｓｌｉｔｈｅｒｉｎｇ）、サイドワインダ移動（ｓｉｄｅｗｉｎｄｅｒ  ｍｏｖｅｍｅｎｔ）、蛇腹様移動、キャタピラ様クロール、等々）が可能となる屈曲式関節部１３２（図１３）、ならびに、（例えば所望の方向にベンダ、車輪、無限軌道、等々を配向するように）互いに対して軸方向にモジュールを回転させることが可能となる回転式関節部１３４（図１４）などの、回転関節部であってよい。さらに、関節部は、長手方向への延伸または収縮が可能となり、複雑な歩容が可能となる、延伸モジュール（図１５）などの直動関節部であってもよい。セグメントモジュールは、複数の関節部を備えてよく、または、複数の単体関節セグメントモジュールを連続的に連結して、複数の自由度を実現してもよい。
【００２２】
関節部は、受動的なものであってよく、または被作動的なものであってもよい。例えば、受動的関節部は、隣接するセグメントによりこの関節部にかけることが可能な外力に基づいて、位置決めされ得る。受動的関節部は、例えば離脱クラッチ（ｂｒｅａｋ−ａｗａｙ  ｃｌｕｔｃｈ）などを含む、ロック機構またはラチェット機構を備えることが可能である。被作動関節部は、関節部の位置を制御することが可能なアクチュエータを備えてよい。いずれのタイプの関節部も、姿勢の選択または歩容の確立においてモジュール式ロボットクローラを制御するために使用することが可能な、関節部位置感知機能、関節部トルク感知機能、および／または関節部力感知機能を備えてよい。
【００２３】
様々なタイプの関節部および推進モジュールを組み合わせることにより、モジュール式ロボットクローラは、多数の様々なタイプの移動を行うことが可能となる。例えば、クローラ１０は、図１６に図示されるように、平坦なまたは傾斜した支持面１６０の上における移動のために、推進デバイスをその面と接触状態におく姿勢を選択することが可能である。様々な推進デバイスが利用可能となれば、いずれの推進デバイスが支持面と接触状態におかれるかに応じて、様々な移動方向を達成することができる。さらに、支持面と接触状態におかれるモジュール式ロボットクローラの部分を連続的に変更することを伴う関節的歩容を実現することも可能である。
【００２４】
別の例としては、図１７に図示されるように、狭い通路またはパイプを進行する、および、角または屈曲部を曲がるなど、狭い閉鎖的な場所に順応して移動するように、モジュール式ロボットクローラの本体を関節連結させるように、関節部位置を変更することが可能である。
【００２５】
さらに、関節部の剛性を変更することも可能である。例えば、関節部を剛体的にすることにより、本体部分は、図１８に図示されるように、片持ち梁状に突き出てギャップまたは深い穴１８０を越えることが可能となる。
【００２６】
屈曲式関節部および推進デバイスの作動を調整することにより、複雑な移動モードが可能となる。例えば、図１９に図示されるように、クローラの荷重支持部分を下方面１９０から上方面１９２に移行させるために、一連の関節的移動を利用することにより、階段の登攀を行うことが可能となる。要望に応じて、牽引力またはトラクションを得るのを補助するために、またはクローラを所望の位置に移動させるのを補助するために、バッキング動作（ｂｕｃｋｉｎｇ  ｍｏｔｉｏｎ）を行うことが可能である。
【００２７】
上述のように、クローラは、図１２に図示されるように、構造物（例えば、パイプ、煙突、通気孔など）の上方または下方への移動が可能となるように、この構造物の内側に巻きつけられ得る。さらに、クローラは、図２０に図示されるように、構造物３０（例えば、ポールまたは柱など）の上方に登るまたは下方に下ることが可能となるように、この構造物の外側の周囲に巻きつけられ得る。
【００２８】
他の移動モードには、蛇のような態様でのスライサリング、および２つの直交する並進正弦曲線的なセグメントの動作によるサイドワインダリングなどの、蛇的な移動が含まれ得る。蛇腹様移動は、ミミズのような、側方屈曲、折曲、およびさらには延伸によって、実現され得る。キャタピラ様移動は、軸方向リプリング（ａｘｉａｌ  ｒｉｐｐｌｉｎｇ）、回転、等々によって、実現され得る。様々な他の移動モードも可能である。
【００２９】
例えば、いくつかの移動モードは、モジュール式ロボットクローラが、概して水平のまたは若干傾斜する面などの、重力を基準とする面の上において作動する、重力作用によるトラクションモードとして説明することが可能である。このような場合には、推進デバイスに対する牽引力は、蛇的ロボットクローラの重量によって生じる、推進デバイスと重力を基準とする面との間における摩擦によってもたらされ得る。
【００３０】
他の移動モードは、例えば蛇的ロボットクローラが、垂直なパイプまたはポールなどの、反重力を基準とする面の上において作動する場合などには、自己作用によるトラクションモードとして説明することが可能である。このような場合には、推進デバイスに対する牽引力は、反重力を基準とする面の周囲にモジュール式ロボットクローラを巻きつけ、推進デバイスと反重力を基準とする面との間に摩擦を生じさせるように圧搾するなど（例えば内側登攀または外側登攀など）、自己作用による牽引力またはトラクションにより、モジュール式ロボットクローラによってもたらされ得る。さらに、重力作用による牽引力またはトラクションおよび自己作用による牽引力またはトラクションの組合せを使用することもできる。例えば、水平パイプ内を移動する際には、モジュール式ロボットクローラは、パイプの上方面に対して本体のある部分を押し付けて、本体の他の部分とパイプの下方面との間における下方力を、したがって牽引力を高めることができる。作動の際には、モジュール式ロボットクローラは、作動シナリオの要求に応じて、これらのトラクションモード間において切り替わってよい。
【００３１】
一般的には、モジュール式ロボットクローラは、ある環境内を進行するために、要望に応じて複数の異なる移動モードの間で切り替わってよい。例えば、ある作動シナリオは、水平な野を横切り、鎖リンクフェンスを通過し、建造物の縦樋中に進み、縦樋を登り建造物の屋上に上がり、建造物の通気パイプを登りその中に進み、通気パイプを下り建造物内に入り、一連の階段を登るまたは下るように、モジュール式ロボットクローラを操作することを含んでよい。このような作動シナリオは、多数のそれぞれ異なる移動モードにおいてモジュール式ロボットクローラを作動させ、ある環境から次の環境に移る際にこれらの移動モード間で切り替えることを含む。例えば、野を横切る場合には、蛇腹タイプの動作を使用することができ、鎖リンクフェンスを通過する場合には、尺取虫タイプの移動を伴ってよく、縦樋に進入する場合には、クローラの前部部分を上げつつ、後部部分を前方に移動させることを伴ってよく、縦樋および通気孔パイプを登る場合には、外側登攀構成を伴ってよく、通気孔パイプを下る場合には、内側登攀構成を伴ってよい、等々である。
【００３２】
さらに、セグメントモジュールは、環境と相互作用するためのセンサおよび／またはマニピュレータを備えることも可能である。例えば、センサは、カメラ、化学センサ、生物学的センサ、光センサ、湿度センサ、振動センサ、温度センサ、電磁センサ、磁力計、音センサ、力覚センサ、圧力センサ、触覚センサ、ソナー、レーダ、ライダ、放射線センサ、地震センサ、サンプラ、およびそれらの組合せであってよい。
【００３３】
様々なマニピュレータが、図２１から図２３に図示される。例えば、マニピュレータには、把持機（図２１）、切断機（図２２）、および穿孔機（図２３）が含まれ得る。マニピュレータは、図２１から図２３に図示されるように、端部セグメントモジュール上に配設することが可能であり、または、マニピュレータは、図２４に図示されるように、中間セグメントモジュール上に配設することが可能である。
【００３４】
別の例としては、セグメントモジュールは、通信モジュールを備えることが可能である。例えば、通信モジュールは、光学トランシーバ、高周波トランシーバ、電磁波トランシーバ、音響トランシーバ、およびそれらの組合せを含むことが可能である。
【００３５】
セグメントモジュールは、環境条件（例えば埃、泥、水、等々）から保護するための覆いを備えることが可能である。さらに、セグメントモジュールは、例えば図２５に図示されるように、牽引力を強化するために、覆い、トラクションリング、付属物などを備えることも可能である。スパイク、スタッド、繊維、フック、または他の同様の構造物が、セグメントモジュールから延在して、異方性摩擦特性をもたらすことが可能である。ある前方移動モードは、前方移動が可能となるように、１つまたは複数の軸方向往復動モジュールと異方性摩擦を有する１つまたは複数のモジュールとの組合せを利用することが可能である。モジュールは、付属物の選択的な係合および係合解除が可能となるように、交互に延伸および収縮が可能な付属物を備えることが可能である。
【００３６】
本発明の別の実施形態によれば、セグメントモジュールは、連結器部分にて互いに交互に着脱自在なものであってよく、任意のセグメントモジュールを任意の他のセグメントモジュールに連結することが可能となるように相互整合性のものであってよい。例えば、セグメントモジュールは、一方の端部に雄型連結器を備え、他方の端部に相互整合的な雌型連結器を備えることが可能である。
【００３７】
一実施形態においては、連結器は、モジュール式ロボットクローラの作動中に、連結および連結解除を行うことが可能となるように設計された、装着構造部を備えることが可能である。例えば、連結器は、十分な力が連結器を連結または連結解除するために加えられ得る、自己連結式および自己連結解除式のものが可能である。別の例としては、連結器は、作動させることにより連結器を連結または連結解除することが可能なアクチュエータを備えることが可能である。
【００３８】
作動中に連結または連結解除され得る連結器により、作動シナリオの中でモジュール式ロボットクローラの構成を変更させることが可能となり得る。モジュールは、もはや不要となった場合には、例えばクローラの小型化または軽量化を助けるように、結合解除され、置き去りにされてよい。置き去りにされ得るタイプのモジュールの例には、もはや不要である推進モジュール、消耗したエネルギー供給源、消耗したバッテリ、空の燃料タンク、等々が含まれてよい。別の例としては、有用荷重物モジュール（例えば、爆薬センサまたは自立センサなど）が、置き去りにされてよい。
【００３９】
さらに、セグメントモジュールが、作動中のモジュール式ロボットクローラに追加されてよい。例えば、あるモジュール式ロボットクローラにより置き去りにされたモジュールが、第２のモジュール式ロボットクローラによって拾い上げられてよい。別の例としては、２つのモジュール式ロボットクローラが、共に連結されて、単一のモジュール式ロボットクローラを形成してもよい。
【００４０】
動力は、１つまたは複数のセグメントモジュールによって供給されてよい。例えば、動力供給源は、複数のセグメントモジュールにわたって供給がなされてよい。したがって、いくつかのセグメントモジュールが、他のセグメントモジュールに動力を供給してよい。
【００４１】
本発明の別の実施形態によれば、個々のセグメントモジュールは、それら固有の動力供給源を備えることが可能である。例えば、動力を使用するモジュール（例えば、被作動関節部、推進モジュール、センサモジュール、マニピュレータモジュール、等々）が、モジュールを作動させるためにエネルギーを供給するための、バッテリ、燃料電池、機関などを備えてよい。したがって、動力供給源を有するセグメントモジュールが、自給式システムを形成する。この実施形態の１つの利点は、動力を使用する追加のモジュールがロボットクローラに組みつけられるのに応じて、動力供給源が、自動的に高まり容量が増加するという点である。したがって、ある特定の任務用のロボットクローラを組み立てる場合に、使用されているセグメントモジュールの集まりに基づいては、動力供給源をそれぞれ別個に構成する必要がない場合がある。
【００４２】
セグメントモジュールは、２つ以上の連結器を備えてよい。例えば、３つの連結器を有するセグメントモジュールを使用して、分岐構造体を形成することが可能であってよい。より詳細には、モジュール式ロボットクローラは、結節部が、３つ以上の連結器を有する中間セグメントモジュールに対応し、分岐部が、共に直列連結された１つまたは複数のセグメントモジュールに対応する、複数の結節部または分岐部を備えてよい。例えば、モジュール式ロボットクローラは、頭部モジュール、頭部に直列的に連結される複数の中間モジュール、さらに３つの連結器を有する中間モジュールを備えてよい。さらに、中間モジュールは、２つの尾部モジュールに連結されて、二尾型ロボットクローラを形成してよい。さらに、例えばリング、樹木様構造体、等々などを含む、多数の他の構成を形成することも可能である。
【００４３】
モジュール式ロボットクローラは、セグメントモジュールと通信状態にある制御システムを備えることが可能である。例えば、制御システムは、１つまたは複数のセグメントモジュールの中に配設されてよく、制御情報が、ネットワークを介して他のセグメントモジュールに送られる。連結器は、連結されたセグメント同士の間の通信を可能にするために、互換性信号インターフェースを備えることが可能である。制御は、高レベル制御機能（例えば姿勢および歩容の生成など）と、低レベル制御機能（例えば局所的関節部制御、トルク制限、関節部位置感知など）との間で区分されてよい。低レベル制御機能は、セグメントモジュール内に与えられる局所的処理能力によって達成されてよく、この局所的処理能力は、１つまたは複数のセグメントモジュールにおいて行われる高レベル制御処理との通信が可能となるように、信号インターフェースを介して他のセグメントモジュールに相互接続されてよい。別の例としては、高レベル制御処理が、クローラから遠隔的に行われて、例えば無線リンクなどを介してクローラに通信されてよい。
【００４４】
本発明の一実施形態によるモジュール式ロボットクローラを調製する一方法を、図２６と組み合わせて説明する。この方法は、全体的に１００で示され、相互整合性セグメントモジュールの先在的な集まりの中から複数のセグメントモジュールを選択するステップ１０２を含んでよい。これらのセグメントモジュールは、計画された実施されるべき機能の作動シナリオに基づいて選択されてよい。例えば、予期される地形要件、耐久要件、および速度要件に対して特殊な移動性能力を実現するために、様々な推進デバイスおよび関節部を有する特定的なセグメントモジュールが選択されてよい。別の例としては、作動シナリオ内に含まれる、予期される聴取機能、視認機能、切断機能、修復機能、および同様の機能を実現するために、特殊なタイプの感知モジュールまたは操作モジュールが選択されてよい。
【００４５】
さらに、この方法１００は、それらの機能の実施が可能であるモジュール式ロボットクローラを形成するために、選択されたセグメントモジュールを直列構成に相互連結させるステップ１０４を含んでもよい。例えば、モジュールは、上述の相互連結可能なインターフェースを用いて相互連結されてよい。例えば少数（例えば２つもしくは３つのモジュールなど）または多数（例えば５、１０、２０、もしくはさらに多数のモジュールなど）などを採用して、様々な個数のモジュールを相互連結することが可能である。それぞれ異なる作動シナリオが、所望の機能を実施することが可能なセグメントモジュールのそれぞれ異なる独特な組合せを選択するステップを伴ってよい。
【００４６】
このように組み立てられたモジュール式ロボットクローラは、所望の機能を実施するように作動され得る。例えば上述のように、作動中に、追加のモジュールが、モジュール式ロボットクローラに連結されてよく、または、モジュールが、モジュール式ロボットクローラから結合解除されてもよい。例えば上述のように、複数の移動モードが可能である場合には、モジュール式ロボットクローラは、移動モード間にて切り替えられてよい。
【００４７】
ある程度要約して繰り返し述べると、本発明の実施形態によるモジュール式ロボットクローラは、複数の互換性のあるモジュールから組み立てることが可能である。モジュール式ロボットクローラの特徴は、様々な環境における作動を可能にし、様々な予め計画された機能を実施することが可能となるように、特定のセグメントモジュールタイプを選択することによって、適合化させることが可能となる。したがって、モジュール式ロボットクローラは、監視、偵察、アイテムの配置および回収、救助状況、危険な条件における調査、戦闘、等々を含むがこれらに限定されないものについて、有効となり得る。
【００４８】
前述の詳細な説明は、特定の例示の実施形態を参照として、本発明を説明する。しかし、添付の特許請求の範囲において示される本発明の範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更をなし得ることが、理解されよう。詳細な説明および添付の図面は、限定的なものとしてではなく、単なる例示として見なされるべきであり、このような修正または変更がなされる場合には、それらは全て、本明細書において説明され示された、本発明の範囲内に含まれることが意図される。
【００４９】
さらに具体的には、本発明の図示された例示の実施形態が、本明細書において説明されたが、本発明は、これらの実施形態には限定されず、前述の詳細な説明に基づいて当業者により気づかれるであろう、修正、省略、組合せ（例えば種々の実施形態にわたる態様の）、適合化、および／または改変がなされたあらゆる実施形態を含む。特許請求の範囲における限定は、特許請求の範囲において用いられた言葉に基づいて広く解釈されるべきであり、前述の詳細な説明において説明される、または出願の手続き処理の際に説明される例に限定されず、それらの例は、非限定的なものとして見なされるべきである。例えば、本開示においては、「好ましくは」という語は、非限定的なものであり、この語は、「好ましくは、しかし限定されないが」を意味するように意図される。任意の方法クレームまたはプロセスクレームにおいて列挙される任意のステップが、任意の順序において実行されてよく、特許請求の範囲において提示された順序には限定されない。ミーンズプラスファンクションまたはステッププラスファンクションによる限定は、ある特定のクレームの限定に関して、以下の条件、すなわち、ａ）「するための手段」または「するためのステップ」がその限定内に明記される、ｂ）対応する機能がその限定内に明記される、および、ｃ）この機能を支持する構造、材料または作用が本明細書内で説明される、という条件が全て存在する場合にのみ、採用される。したがって、本発明の範囲は、上述にて提示された説明および例によってではなく、添付の特許請求の範囲およびそれらの法的均等物によってのみ、決定されるべきである。
【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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【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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