(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
他方のロボットモジュールに接続するための、少なくとも３つの接続ポートを有するハウジングと、
回転のための動作パワーを供給するために回転軸機構に回転駆動的に接続された、前記ハウジング内のアクチュエータと、
取り付けられる他方のロボットモジュールを所定の位置にロックするために前記アクチュエータの回転軸の周りに円形状に形成された複数のコネクタ歯を備えた接続プレートであって、少なくとも２つのモジュール間の接続を形成するための接続プレート、を備えた前記少なくとも３つの接続ポートのうちの１つの接続ポートと、
前記アクチュエータからの回転動作を前記少なくとも３つの接続ポートのうちの１つの接続ポートに伝達するために前記アクチュエータに回転駆動的に接続されたギア機構と、
接続された他方のロボットモジュールに関する当該ロボットモジュールの回転を制御するために前記アクチュエータに接続された制御ユニットと、
前記ロボットモジュールの動作に利用する電気エネルギーを供給するための、前記アクチュエータに隣接したエネルギー貯蔵素子と、
他方のロボットモジュールが当該ロボットモジュールの特定の接続ポートに接続されているか否かを検知するための少なくとも一つの位置センサと
を備える玩具構築システムのためのロボットモジュール。
【請求項２】
互いに接続された複数のロボットモジュールからなるロボットモジュールの集合であって、各ロボットモジュールが、
他のロボットモジュールに接続するための少なくとも３つの接続ポートを有するハウジングと、
回転のための動作パワーを供給するために回転軸機構に回転駆動的に接続された、前記ハウジング内のアクチュエータと、
取り付けられる他方のロボットモジュールを所定の位置にロックするために前記アクチュエータの回転軸の周りに円形状に形成された複数のコネクタ歯手段によって、少なくとも２つのロボットモジュール間の接続を形成する接続プレートを備えた前記少なくとも３つの接続ポートのうちの１つの接続ポートと、
前記アクチュエータからの回転動作を前記少なくとも３つの接続ポートのうちの１つの接続ポートに伝達するために前記アクチュエータに回転駆動的に接続されたギア機構と、
接続された他方のロボットモジュールに関する当該ロボットモジュールの回転を制御するために前記アクチュエータに接続された制御ユニットと、
前記ロボットモジュールの動作に利用する電気エネルギーを供給するための、前記アクチュエータに隣接したエネルギー貯蔵素子と、
他方のロボットモジュールが当該ロボットモジュールの特定の接続ポートに接続されているか否かを検知するために前記制御ユニットと通信する位置センサと
を備えたことを特徴とする玩具構築システムのためのロボットモジュールの集合。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に再構成可能なモジュラーロボットシステムに関し、特に、玩具構成システム（toy construction system）内で並列に（in multiples）再構成され得るロボットモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
モジュラーロボットシステムは、新規な機能性（functionality）を可能とする新規なシステムを形成するために、分離可能で、種々の組合わせ方（arrangement）に再接続され得るモジュールから成るようなシステムである。これによって、同じ数のロボットモジュールのために、複合的な、可能なロボット構造がもたらされる。システムによって達成されるべきタスクに基づいて、ユーザは、一定の数のモジュールを相互連結して、所望のシステムを形成する。そのようなシステムは、雑多ではなく、むしろより均質化する傾向がある。即ち、システムは、異なるタイプのモジュールを持ち得るが、モジュールタイプの数に対する、モジュールのトータルの数の比率は低い。伝統的なロボットシステムでは、ロボットアームのような、一つあるいはそれ以上の機構、あるいは、マニピュレータが、タスク仕様及びプログラムに従って動作（motion）及び作用(action)を制御する制御システムに接続され得る。動作は、ポイント・ツー・ポイントのトラッキング動作、あるいは、軌道トラッキング動作を含み得る。作用には、エンド・エフェクト制御あるいは、道具及び機械のような他のシステムへのインターフェーシングを含みうる。
【０００３】
伝統的なシステムのための制御器は、マルチ−導電部ケーブルシステムを通じてロボットシステムに接続された、集中化されたユニットである。それゆえ、そのようなモジュールから組み立てられたシステムは、限定的な機械的意味のモジュラーであり、その再構成可能性は限定される。制御システムエレクトロニクスは集中化されているので、モジュールは、インテリジェントな単一のユニットとは考えられない。というのは、それらは、専用の制御プロセッサ及び関連ソフトウェアを欠くからである。
【０００４】
ロボットシステムはまた、玩具業界でその応用が発見された。玩具開発は、人形内で音声を再生するような単純な機能、つまりロボットでの単純な動きパターンの実行、から、洗練された作用パターン及び振舞い形式を持つロボット玩具の開発に進展した。
【０００５】
玩具組み立て要素は、一部は、組み立て要素のプログラミングを通じて、また、一部は、種々のタイプの相互接続された玩具組み立て要素からなる構造の組み立てを通じて、異なる物理的作用を行い得る。種々のタイプの組み立て要素を通じて、構造の形成について、及び、構造に種々の機能を与えることについての膨大な可能性が存在する。構造の物理的作用は、電気モータによって制御された、単純な、あるいは比較的複雑な動作を含み得るか、あるいは、光や音声の放出を含み得る。玩具の物理的作用は、玩具とその周囲状況との相互作用によって調整され得、玩具は、対象物あるいは光、あるいは、可能であれば音声との物理的接触に反応し、相互作用に基づいてその振舞いを変化するようにプログラムされ得る。そのようなプログラム可能な玩具は、無条件の応答を為すために、あるいは条件付きの応答を為すために、中央処理ユニットによってプログラムされる。
【０００６】
しかし、これらの玩具は、外部中央処理ユニットが、要素をプログラムし、その動作，及び種々の組み立て要素のタイプを指示することを要求する。本発明の目的は、能動モジュール（その各々がそれ自身内のマイクロ制御器，アクチュエータ，入力及び出力装置によって、単一ロボットユニットとして機能する構成への統合機械的及び／又は電気的接続によって、容易にお互いに接続される能力を持つ）を有する、モジュラーロボット玩具構築システムを提供することである。
【０００７】
Munch他に対する、「A Programmable Toy with Communication Means」と題した国際特許番号ＷＯ  00/45925は、他の組み立て要素と結合され得る、マイクロプロセッサ制御の玩具組み立て要素を教示する。例えば、それは、モータ及び車輪を有してモーター化された玩具車両を形成する別々の構造に結合され得る。各マイクロプロセッサは、サブプログラムコールのリストを特定することによって個別に作動され得るサブプログラムを含むメモリに記憶された命令を実行する。
玩具は、命令を第２の玩具に通信するための送信機を有する。
【０００８】
【発明の概要】
簡潔に述べると、そして、本発明の一つの面に従って、玩具構築システムのためのロボットモジュールが提供される。ロボットモジュールは、回転のための動作パワーを供給するために、ピボット機構に接続されたギア機構及びアクチュエータを取り囲むハウジングを含む。エネルギー貯蔵素子が、パワーをアクチュエータに供給し、アクチュエータに接続された制御ユニットから受信された命令に応答してアクチュエータが回転する。接続プレートは、少なくとも２つのモジュール間の接続を形成する。少なくとも一つの位置センサが、お互いに接続されたモジュールの組合わせ方を検知するために提供される。
【０００９】
本発明の他の面に従って、玩具構築システムのためのロボットモジュールの組み立てが提供される。ロボットモジュールの組み立ては、互いに接続された複数のロボットモジュールからなる。各ロボットモジュールは、回転のための動作パワーを供給するために、ピボット機構に接続されたギア機構及びアクチュエータを取り囲むハウジングを含む。エネルギー貯蔵素子が、パワーをアクチュエータに供給する。アクチュエータに接続された制御ユニットから受信された命令に応答してアクチュエータは回転する。接続プレートは、少なくとも２つのモジュール間の接続を形成する。少なくとも一つの位置センサが、お互いに接続されたモジュールの組合わせ方を検知するために提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
ロボット要素を含む玩具構築システムは、一つあるいは複数のモータ、あるいは他の電子構成要素を制御する中央処理ユニット（ＣＰＵ）によって制御される、単一のロボットを組み立てるために使用されるように設計される。一つより多いＣＰＵを一緒にリンクすることが可能かもしれない一方、こうすると、かなりの複雑化及び努力が必要となり、進歩的なユーザによってのみ達成され得る。本発明は、能動的モジュール（そのそれぞれが、アクチュエータ，入力素子，及び出力素子のような構成要素を持つマイクロ制御器を統合する）から成る玩具構築システムである。システムは一般的に、各モジュールの多数のコピー（所望の構造を達成するために必要な数だけ繰り返される）を含む。これらのモジュールは、それらの統合された機械的及び／又は電気的接続によって容易に、お互いに接続され、自動的に一緒にネットワーク化される。システムは、別個のモジュールのグループというよりはむしろ、その振舞いが種々の手段によってプログラムされうる、単一接続されたロボットとして機能する。
【００１１】
図１を参照する。ここで、本発明のロボットモジュール10の一つの実施例が示される。
【００１２】
いくらかの膨大な既知のプラスチィック材料を含み得る、ハウジング11が、３個あるいはそれ以上の接続プレート（そのうちの一つがアクチュエータ、例えばモータ、の出力シャフトに接続される）を支持する。少なくとも一つの接続プレートが、それを機械的及び電気的に、他のモジュールに接続し得る。他の接続プレートは、他のロボットモジュール10への機械的接続ポイントとしてのみ機能し得る。接続プレートセンター14は、例えばＩＲあるいは、誘導された電気信号によって、あるいは音声あるいは振動信号によって、電気的接触を作ることによって送信された電気信号のような他の通信手段を通じて、モジュール間の通信を可能とする。リング接触16及び18は、モジュール間の電気的接続を提供する。ハウジング及び他の部分内で使用される材料は、注入された成型されたプラスチック、あるいはシート−カット（sheet-cut）あるいは成型プラスチック、金属、厚紙、木、あるいはセラミックスのような他の材料から作られ得る。図１が、ハウジング11についての多くの可能な構成の一つのみを示すことが理解されるであろう。例えば、ハウジング11の形状は、より丸みを帯び得るか、あるいは立方体、あるいは多面角であり得る。
【００１３】
ここでの目的のために、モジュールは、内部構造を取り囲み支持する、ハウジング及び接続プレートを持つように記載される。しかし、モジュールは、関連の同時出願の、Yim他に対する“Robotic Toy Modular System with Distributed Program”なるタイトルの米国出願シリアルナンバーＸＸＸＸＸＸＸＸ（ここに参照として採りこまれる）に記載されたものような膨大な形状及び構成の内のいかなる形をも採り得ることが明白となるであろう。
【００１４】
図２は、ギアセット及び、サーボモータ22（電気ＤＣモータ，ＡＣ，ブラシレスモータ，バックドライブ可能なギアを持つモータ、あるいは非バックドライブギア及びアクチュエータと構造間のトルク制限クラッチを持つモータのような他の回転モータのような、いかなる既知のタイプのものでも有り得る）を備えた制御部を含む、ロボットモジュール10のハウジングを通じた断面図を示す。アクチュエータギアは、プラスチック，金属，あるいは、その２つの組合わせであり得、ウォーム（worm）及びウォームギア，平歯車装置（spur gear），遊星歯車式の（planetary）,あるいはハーモニック（harmonic）ギアのような、一つあるいはそれ以上のタイプのギア段階から成り得る。超音波モータあるいは圧電性モータのような低速、高トルクアクチュエータはまた、この応用に良く適し得る。連続永久回転でさえ、いかなる回転も可能であること、及び、ギアセットはトランスミッションで必要とされ得るか、あるいは必要とされ得ないことが理解されるが、サーボアクチュエータは、約190度の動作を通じて回転する。
【００１５】
各モジュールは、事前にプログラムされ得るかあるいは、外部的にプログラムされ得る、ユニット内のプリント回路基板24上に載置されるＣＰＵ25をも含む。ＣＰＵは非揮発性メモリ，バッテリーバックされた（battery backed）ＲＡＭ，入力／出力ポート，アナログからデジタルの変換器，タイマー，アナログ比較期，あるいは他の類似素子を含み得る。エネルギー貯蔵素子20は、２つから３つのNiMh1.5Ｖバッテリーあるいは、再充電可能なあるいは再充電不可能だが取替可能なバッテリー、あるいはスーパーキャップ（super cap）のような、他の既知のエネルギー貯蔵素子を含む。センサ及びアクチュエータが、ＣＰＵとともに、単一ユニット（これはその隣接ユニットにしっかりと接続される）内に統合されるので、システムは、落下されても、移動されても、分離しない。
【００１６】
個々のモジュールＣＰＵは、モジュール間の接続プレートを通じて自動的に一緒にネットワークされるので、位置センサー及びＣＰＵを通じて、ロボットはその構成あるいはモジュールの組合わせを検知できる。通信ポートが、モジュール上の特定のポートに付着されたモジュールの存在を検知するための隣接−検知センサとして使用され得る。隣の隣接モジュールの存在を検知するために、ポート上の近接センサが使用され得るか、あるいは、隣接ポートへの通信を試みるローカル通信手段が使用され得る。個々のモジュールＣＰＵは、モジュール間の接続プレートを通じて自動的に一緒にネットワークされるので、モジュールの相対的接続の全体的なイメージが、決定され得る。モジュールは、タッチセンサ，バンプセンサ（bump sensor），光センサ，音声センサ，レンジングセンサ（ranging sensor），近接センサ，温度センサ，あるいはガスセンサのような、何らかの膨大な使用可能な他のセンサーをも含み得る。
【００１７】
ロボットモジュールは、システムが検知するそのモジュールの特定の構成に対して、自動的に複数の事前プログラムされたルーチンから選択できる。例えば、端と端が接して付着されるモジュールを持つシステムは、どこで、モジュールが互いに付着されるかを検知し得、それによって形状がヘビに類似することを推論し、その後、システムを制御して、事前にプログラムされたヘビ類似の動作を使用する。いかなる構成もこのようにして使用され、事前に記憶された、あるいは自動的に生成され得る、いかなる所望の動作をも指示することが理解される。代替的にロボットは、パーソナルコンピュータ，ＰＤＡ，あるいはデジタル電話からプログラムされ得る。ユーザの素養に従って、ロボットは遠隔操作され得、半自動的に機能され得、あるいは、完全に自動化され得る。
【００１８】
接続プレート12がより詳細に図３に示される。各コネクタプレートは、モジュールの、その隣接モジュールに対する配置を可能とするコネクタ歯（teeth）30を含む。理解され得るように、２つのコネクタが一緒に噛み合わされる（mated）多くのやり方を変更する、いかなる数のコネクター歯も使用され得る。例えば、８つの歯は、それに隣接するモジュールに対する、モジュールの８つの回転位置を可能とする。そして、６つの歯は、６つの位置を可能とすることになる。必要ではないが、歯位置の対称的な配置によって、回転を通じたモジュールの面の柔軟な接続が可能となる。ここでやはり考慮される、非対称的な歯の配置は、接続ポイントにおけるモジュールの配置，あるいはキーイング（keying）に対して制限を与える。これは、通信あるいは検知素子の数を有利に削減させ、２つの接続平面の相対的な方向付けを自動的に決定させる。各々の、生の（live）接続プレートは、ギャップによって分離された、２つの同心円状リング電気接触も含む。外側リング36はパワーのためのものであり、内部リング32は接地のためのものである。代替的に、電気接触は、端と端が接するピン，噛み合うピンであり得、あるいは電気的接触は、無性コネクター（hermaphroditic connector）の形式であり得る。接続プレートの中心は、モジュール間でのＩＲあるいは他のタイプの信号の交換（インターモジュール通信あるいは隣接モジュールの検知、のような）を可能とするための開口部34を含む。生の接続プレートは、サーボモータに接続され、サーボモータによって駆動される。
【００１９】
図４に示されたコネクタアーム40は、ロボットモジュールの、固定接続プレートと生の（live）接続プレートの双方に接続し、モジュールを電気的に及び機械的に一緒に接続する。代替的に、ロボットモジュールは、互いに直接接続され得るか、あるいは、プレートと直接接続の何らかの組合わせで接続され得る。コネクタアーム40の、この実施例によって、180度アタッチメント（attachment）が可能となる。歯42は、採りつけモジュールの、所定の位置でのロック（locking）に適したプロファイル（profile）を持ち、機械的なカップリングが可能である、いかなる膨大な、可能なプロファイルの形態をも採り得る。
【００２０】
図５を参照する。ここには、90度のアッタチメントを可能とするコネクタアーム50が示される。歯52は、同じ目的を持ち、図４の歯42と同じ機能を奏する。図４及び図５が、少なくとも２つの接続ポートを持つ、多くの可能なコネクタアーム構成（その全てがここでの開示で考慮される）の内、２つののみを示すことが理解されるであろう。
【００２１】
ロボットモジュール10及びコネクタアーム50間の可能な接続の例が、図６と図７に示される。
【００２２】
図８を参照する。ここには、ここで開示されるロボットモジュール800の代替の実施例が示される。この実施例では、コネクタ810のそれぞれが４つの歯820を持つ。付加的に、Ｕ型コネクタ830が、ロボットモジュール800の頂上に配置され、２つの反対側にあるコネクタ810に付着される。コネクタアーム830はこのようにして、ロボットモジュール800に４つの接続ポートを与える、追加の機械的接続ポート840を付加する。モジュ−ル800のアクチュエータの回転は、このコネクタアームを、180度の範囲より大きく移動させ得る。
【００２３】
図９を参照する。ここには、図１のモジュールの接続によって達成可能な多くの形状の一つの実施例が示される。この実施例では、モジュール910，920，930，940，950，及び960が、曲がり得て、ヘビのような動作で移動し得る、線状の形状を形成するように、端と端が接するように接続される。
【００２４】
図１０は、５つのモジュール1010，1020，1030，1040，及び1050が、中央モジュール1030が２つの組のモジュールを接続するように接続される、他の可能な構成を示す。第１のモジュールの組、1010及び1020は、モジュール1030の一つのコネクタプレートから延びる一方、第２のモジュールの組1040と1050は、モジュール1030の第２のコネクタプレートから延びる。この実施例で、モジュール1010と1020は、モジュール1030のアクチュエータの中心を通じて延びる軸の周りに回転するように移動し得る。モジュール1040は、同様に、アクチュエータモジュール1030の中心を通じて延びる軸の周りを回転するように移動し得る。モジュール1010は、モジュール1020とモジュール1010の間のコネクタプレートの中心を通じて延びる軸の周りを回転するように移動し得る。そして、モジュール1050は、モジュール1040とモジュール1050との間のコネクタプレートの中心を通じて延びる軸の周りを移動し得る。これらの結合された移動の効果は、歩行状態を作り出すために、脚を上下に移動する能力を提供することである。受動的構成要素1015，1025，1045，及び1055は、モジュール1010，1020，1040，及び1050の端部にそれぞれ付着される。この実施例で、受動的構成要素は、それらが付着されるモジュールが脚として機能するのを可能とさせる。他の機能を可能とさせる、他のタイプの受動的構成要素もまた、種々の組合わせでモジュールに付着され得ることが理解されるであろう。
【００２５】
当業者に理解され得るように、そのようなモジュールの多くの可能な組合わせ方が存在する。モジュラロボットシステムは、拡張可能でもあり、ユーザがより多くのモジュールを付加して、より大きく、より複雑な構造を組み立てることを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモジュラー要素の一つの実施例の斜視図。
【図２】図１のモジュラー要素の断面図。
【図３】図１のモジュラー要素のための接続プレートの一つの実施例の斜視図。
【図４】図１のモジュラー要素のためのコネクターアームの一つの実施例の斜視図。
【図５】図１のモジュラー要素のためのコネクターアームの他の実施例の斜視図。
【図６】図５のコネクターアームと接続された種々のモジュラー要素の斜視図。
【図７】図４のコネクターアームと接続された種々のモジュラー要素の斜視図。
【図８】本発明のモジュラー要素の他の実施例の斜視図。
【図９】図１の複数のモジュラー要素のための一つの可能な構成。
【図１０】図１の複数のモジュラー要素のための他の可能な構成。
【符号の説明】
10  ロボットモジュール
11  ハウジング
12  接続プレート
16  リング接触
18  リング接触
20  エネルギー貯蔵素子
22  サーボモータ
24  プリント回路基板
25  ＣＰＵ
30  コネクタ歯
32  内部リング
34  開口部
36  外側リング
40  コネクタアーム
42  歯
50  コネクタアーム
52  歯
800  ロボットモジュール
810  コネクタ
820  ４つの歯
830  Ｕ型コネクタ
840  機械的接続ポート
910  モジュール
920  モジュール
930  モジュール
940  モジュール
950  モジュール
960  モジュール
1010  モジュール
1015  受動的構成要素
1020  モジュール
1025  受動的構成要素
1030  モジュール
1040  モジュール
1045  受動的構成要素
1050  モジュール
1055  受動的構成要素
【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】
0004557488.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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