(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定状態を維持するよう地上に接地し、かつそれぞれが自由に動く腿部、脚部及び肩部からなる複数脚で不整地歩行するロボット本体と、当該ロボット本体にこれの前方に差し出されるように取り付けられた腿部、脚部及び肩部からなるマニピュレータと、当該マニピュレータに設けられて、歩行制御のために各脚の着地可能部位の金属の探知および前記ロボット本体付近の地中に埋設された地雷の探知を行う地雷探知器と、前記地雷の埋設地点を測定する全地球測位システムとを備えて、前記地雷探知器による金属の探知結果および地雷の探知結果と前記全地球測位システムが検出した地雷の埋設地点の探知結果とにもとづいて、歩行制御手段に前記地雷を避けるように前記複数脚による歩行制御を行わせることを特徴とする地雷探知ロボット。
【請求項２】
前記ロボット本体には、高精度地中探査レーダが設置されていることを特徴とする請求項１に記載の地雷探知ロボット。
【請求項３】
前記ロボット本体には、先端部にグラスカッタを有するマニピュレータが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の地雷探知ロボット。
【請求項４】
前記ロボット本体には、進行方向の障害物や罠線を光学的に探知するレーザセンサが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の地雷探知ロボット。
【請求項５】
前記グラスカッタを有するマニピュレータには、探知した地雷埋設位置にカラーマーキングを行うエアーガンによるカラーマーキング機構が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の地雷探知ロボット。
【請求項６】
前記ロボット本体に、前記マニピュレータの地雷探知器と地面との距離を制御する距離制御手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の地雷探知ロボット。
【請求項７】
前記地雷探知器の探知対象が対戦車地雷または不発弾であることを特徴とする請求項１に記載の地雷探知ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数脚で不整地歩行しながら地雷の探知を行う地雷探知ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、約１億個近くの対人地雷が戦争当事国を中心に埋設されており、戦争終了後も未処理のまま放置されているために、年間で約２万５千人もの人々が犠牲になっている。このため、その対人地雷の撤去作業が、各国の専門家の参加のもとに精力的に行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これまでの対人地雷の撤去は、作業員が、例えば支持棒の先端に取り付けられた金属探知コイルや地中探知器を地表にかざしながら、これらに対人地雷を含む金属物の有無と位置を探知させ、その後、探知した対人地雷を爆破や除去などによって処理していたため、その探知効率や処理効率が悪く、また人による作業負担が極めて大きく、危険を伴うという問題があった。
【０００４】
本発明はこのような従来の問題を解決するものであり、対人地雷等の有無と位置を高精度かつ能率的に探知しながら、地雷原を安全歩行できる地雷探知ロボットを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的達成のために、請求項１の発明にかかる地雷探知ロボットは、安定状態を維持するよう地上に接地し、かつそれぞれが自由に動く腿部、脚部及び肩部からなる複数脚で不整地歩行するロボット本体と、当該ロボット本体にこれの前方に差し出されるように取り付けられた腿部、脚部及び肩部からなるマニピュレータと、当該マニピュレータに設けられて、歩行制御のために各脚の着地可能部位の金属の探知および前記ロボット本体付近の地中に埋設された地雷の探知を行う地雷探知器と、前記地雷の埋設地点を測定する全地球測位システムとを備え、前記地雷探知器による金属の探知結果および地雷の探知結果と前記全地球測位システムによる該地雷の埋設地点の測定結果にもとづいて、歩行制御手段に、地雷を避けるように前記複数脚による歩行制御を行わせることを特徴とする。これにより、金属探知結果および地雷探知結果に従って、ロボット本体を地雷から回避させながら、複数脚による歩行を進めさせて、能率的にかつ安全に地雷探知を行わせることができる。
【０００６】
また、請求項２の発明にかかる地雷探知ロボットは、前記ロボット本体の腹部に高精度地中探査レーダを設置したものである。これにより、地中深くに埋設された対戦車地雷や不発弾の探知を高感度にて行うことができる。
【０００７】
また、請求項３の発明にかかる地雷探知ロボットは、前記ロボット本体に、先端部にグラスカッタを有するマニピュレータを設けたものである。これにより、地雷探知に入る前後に周辺の草刈を行って、地雷位置のカラーマーキングの容易化、明確化と、地雷探知およびロボットの歩行の容易化、安定化を実現できる。
【０００８】
また、請求項４の発明にかかる地雷探知ロボットは、前記ロボット本体に、進行方向の障害物や罠線を光学的に探知するレーザセンサを設けたものである。これにより、これらの探知した障害物や罠線を適当に除去処理した上で、ロボット本体を安全かつスムースに歩行させることができる。
【０００９】
また、請求項５の発明にかかる地雷探知ロボットは、前記グラスカッタを有するマニピュレータに、探知した地雷埋設位置にカラーマーキングを行うエアーガンによるカラーマーキング機構を設けたことを特徴とする。これにより、後で実施される地雷の除去処理を迅速化、容易化できる。
【００１０】
また、請求項６の発明にかかる地雷探知ロボットは、前記ロボット本体に、前記マニピュレータの地雷探知器と地面との距離を制御する距離制御手段を設けたことを特徴とする。これにより、人が行う場合に比べてはるかに高い精度で地雷探知を行うことができ、地雷探知ロボットの信頼性を高めることができる。
【００１１】
また、請求項７の発明にかかる地雷探知ロボットは、前記地雷探知器の探知対象が対戦車地雷または不発弾であることを特徴とする。これにより、対戦車地雷や不発弾のマッピング後に地雷処理車による対人地雷の処理を高能率に実施できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。図１は本発明の地雷探知ロボットを概念的に示す斜視図であり、同図において、１は安定姿勢で不整地歩行が可能な、腿部、脚部、肩部の三部分が自由に動く６本の脚２を備えたロボット本体で、このロボット本体１に前方に差し出されるように２本のマニピュレ−タ３、４が取り付けられている。
【００１３】
これらのマニピュレータ３、４のうち、マニピュレータ３の先端には、地雷探知器５が取り付けられている。この地雷探知器５は歩行制御のために、各脚の着地可能部位の地雷を含む危険物の探知およびロボット本体周辺に埋設された、金属製や、金属を殆ど含まないプラスチック製の地雷を探知できる金属探知・地中探知機能を備えている。なお、ロボット本体１には地雷探知器５と地面との距離を正確に制御する距離制御手段が設けられている。また、もう一方のマニピュレータ４の先端には草刈用のグラスカッター６が取り付けられている。
【００１４】
また、前記ロボット本体１の上部には、地雷の埋設地点を測定する全地球測位システム（ＧＰＳ）１１が取り付けられている。さらに、図示しないが、ロボット本体の腹部下面には、深度の大きい地中に埋設された対戦車地雷や不発弾を探知する高精度地中探査レーダが設置されている。このほかに、ロボット本体１には周辺の障害物の有無を確認するＣＣＤカメラや、夜間用の赤外線カメラ、さらにはレーザ光線によるスキャニングによって障害物の計測や、地雷原の草むらに仕掛けられたピアノ線状の罠線の探知を行うレーザレンジファインダなどが設置されている。
【００１５】
前記複数脚、ここでは６脚の各脚２は、ロボット本体１が多少無理な姿勢をとるようなことがあっても安定状態を確実に維持するように地上に接地され、かつそれぞれが自由に動く腿部７、脚部８および肩部９とからなり、これらが肩部９側に設けられた各駆動モータ（図示しない）によって駆動されている。なお、１０は前記駆動手段の一つによって脚部８を腿部７に対して駆動（操作）するボールスクリュー部である。
【００１６】
なお、前記各駆動手段は、直流モータと、この直流モータの回転数をある減速比で減速するハーモニック減速機とを備えて、各脚２がロボット本体１の自重を支えながら時速２００ｍで移動させるようにしている。
【００１７】
また、前記マニピュレータ３、４は腿部１２、脚部１３および肩部１４とからなり、これらが各駆動手段（図示しない）によって駆動可能とされている。１５は前記駆動手段の一つにより脚部１３を腿部１２に対して伸縮して駆動（操作）するボールスクリュー部である。そして、各脚部１３の先端には、前記の地雷探知器５およびグラスカッター６が取り付けられている。なお、マニピュレータ４は、グラスカッタ６の設置部位に地雷埋設位置にカラーマーキングを行う、エァーガンによるカラーマーキング機構が並設されている。
【００１８】
前記ロボット本体１には、前記地雷探知器５、ＧＰＳ１１、ＣＣＤカメラ、赤外線カメラ、レーザレンジファインダからの各センシング情報を入力として、地雷の有無、地雷の位置を演算によって求める、この演算結果に従って、前記駆動手段を駆動制御して前記脚２のニューラルネットによる歩行制御を行わせる歩行制御や、前記演算結果を外部のマスタコンピュータに送信する通信制御や、前記マニピュレータの駆動手段を駆動制御して地雷探知器５やグラスカッタ６の作動制御をそれぞれ行う制御手段などを備え、全体として１２０ｋｇとなっている。
【００１９】
かかる構成になる地雷探知ロボットでは、地雷探知領域から離れた地点において、前記ＣＣＤカメラ、赤外線カメラ、レーザレンジファインダから得られるロボット本体周辺の画像や障害物、罠線などの画像情報、地雷探知器５およびＧＰＳ１１から得られる探知情報などにもとづく３Ｄの実時間歩行アニメーション画像、地雷マッピング画像および制御コマンド画像をそれぞれ外部の監視部所に送信し、オペレータはこれらの画像を監視しながら地雷探知ロボットの歩行を遠隔操縦する。
【００２０】
また、このような地雷探知ロボットの歩行は、前記地雷探知器５および腹部の高精度地雷探知器が検出した地雷や不発弾の有無と、ＧＰＳ１１が検出した地雷の位置の各マッピッグ情報にもとづいて、各脚２が地雷を踏むことなく、つまり地雷埋設位置を避けるようにコンピュータが、各脚２ごとの前記駆動手段を駆動して安全な着地をすることにより行われる。これにより、例えば全部の脚２の１回の歩行動作で幅２ｍの探知が可能になる。なお、各脚２の位置は図示しないポテンショメータで計測される。
【００２１】
この地雷探知ロボットの歩行中においては、地雷探知器５のマニピュレータ３の操作による探知、つまり高速でマニピュレータ３を左右に動かして行う地雷探知動作の前後において、マニピュレータ４を遠隔操縦し、グラスカッタ６による草刈を行うことより、地雷探知作業およびカラーマーキングによる地雷探知位置の特定を、より明確なものとすることができる。また、ロボット本体１にガソリンエンジンによって駆動される直流発電機を搭載したパワーユニットを連結することによって、例えば連続５時間の地雷探知作業が行える完全自律型ロボットとすることもできる。
【００２２】
図２は前記各脚２の制御システムを示すブロック図である。これによれば、１脚３関節の前記駆動手段２１から、前記ポテンショメータを含む３関節位置探知回路２２によって探知された腿部７、脚部８および肩部９の位置情報、すなわち脚２の位置情報を外部指令された位置情報を参照（減算）して、これらの誤差をフィードバック位置情報として位置フィードバック制御回路２３を通じて前記駆動手段２１に入力することにより、ＰＤフィードバックによる脚２の位置制御を行うことができる。
【００２３】
一方、着地時の脚にかかる力を力（トルク）センサ２４により計測し、これを外部指令された力情報を参照（減算）して、これらの誤差をフィードバック力情報として力フィードバック制御回路２５を通じてから出力させるとともに、これを外部指令された力情報としてのフィードフォワード情報とした後、加算し、さらにヤコビ行列２７により力指令値から各関節トルク指令値に変換した後前記駆動手段２１に入力することにより、各関節２７により関節のトルク制御を行うことができる。つまり、フィードバックおよびフィードフォワードによる脚２の位置と力のハイブリッド制御が行われる。
【００２４】
さらに、本発明では、ニューラルネットワークの学習にもとづく基準モデル情報と外部指令された前記位置情報とにもとづいて、逆伝達関数型集中ニューロ補償器としてのニューラルネットワーク制御回路２６から、前記駆動手段２１に対してニューロ情報を入力する。これにより、ニューラルネットワークの誤差信号が位置と力のハイブリッド情報を得て、ロボットの入力信号をニューラルネットワークの教師信号として学習する。この結果、脚２が遊脚のときは基準モデル情報である位置目標値による位置制御のみを行うが、脚２が着地するときと脚先に力が発生するとき、トルク目標値による力制御を行うことになる。
【００２５】
次に、この地雷探知ロボットの地雷回避アルゴリズムを説明する。ここでは、脚を置ける範囲で少なくとも一箇所は脚を安定かつ安全に地上に置くことができる場合を想定して説明する。まず、回避目標地点をリアルタイムに計算し、目標軌道を算出しながら回避歩容する手順（第１アルゴリズム）を、図３（ａ）、（ｂ）について説明する。
【００２６】
いま、地雷Ｒが、図３（ｂ）に示すように、通常歩行時の着地予定地点にある場合を想定し、その周辺に脚２を置くことができるかどうかを判定する（第１フェーズ）。すなわち、地雷Ｒに対する回避行動を起さないときの、次の着地予定地点の絶対座標を計算し（ステップＳ１）、続いて探知したすべての地雷と脚２の着地予定地点および回避地点ａ、ｂ、ｃ、ｄとの距離を計算する（ステップＳ２）。このとき、探知した地雷Ｒの位置情報を緯度、経度情報としてメモリに蓄えておく。
【００２７】
次に、脚２の着地予定地点および回避地点ａ、ｂ、ｃ、ｄの順番に、地雷Ｒとの距離が予め定めた一定値以上ある場合には、その着地予定地点は安全と判定して、ここを回避目標座標とする（ステップＳ３）。また、すべての地点で危険であるかどうかを判定し（ステップＳ４）、危険である場合には第２フェーズへ移行する。そして、この回避目標と現在座標とにもとづいて、これらの相対距離を演算し、脚先の移動軌跡を作成していく。
【００２８】
一方、前記第１フェーズによる地雷回避条件を満たせなかった場合には、予め歩行予定地点をある間隔で区切ってエリア分けをし、各エリアの安全性を判定した上で、そのエリア自体をデータベースとして蓄える。そして、次の遊脚を考慮して安全性を判定し、安定な位置に着地させる（第２フェーズ）。この脚２を置く絶対座標の探索の流れを、図４を参照して説明する。
【００２９】
いま、前の脚２のＸ座標より手前もしくはｙ座標が前の脚２よりロボット本体１から見て外側にある位置を選択し（ステップＳ１１）、ロボットの歩行平面が重力方向に垂直な場合に、各脚２の支持地点を結ぶ多角形の中にロボット本体１の重心が入っていれば転倒が避けられることを利用し、安全性の判定をする（ステップＳ１２）。
【００３０】
次に、地雷Ｒの座標と各脚２との各座標からこれらの間の距離を計算し、予め指定した値以下の場合には、その地点は危険地点であると判定する（ステップＳ１３）。このような判定を繰り返し、すべての地点の中で最も着地予定地点までの距離が長い点を目標座標として、以下、第１フェーズと同様にして、各関節目標軌道を作成して歩行を続ける（ステップＳ１４）。
【００３１】
また、安全かつ安定に脚２を置くことができる地点が、脚２の到達可能範囲にない場合は（第３フェーズ）、脚２を地面へ降ろさずに、残りの脚２で安定性を保ちながら前進するなど、第２フェーズまでとは異なる歩行パターンの生成を行い。さらに、それでも地雷Ｒを回避できない場合にはロボット全体の駆動変更を行う。図５および図６は前記第１のアルゴリズムを二つのフェーズに分けて示すフローチャートである。
【００３２】
次にオフラインによる適応歩容の手順（第２アルゴリズム）を説明する。ここでは、歩行する脚２の歩行領域をメッシュ化してエリア分けし、それぞれにメッシュ番号を割り当て、予め脚２のニュートラルポジションから各エリアまでの目標座標データを作成してデータベース化しておく。また、マニピュレータ３の作動による地雷探知時に、これらのエリアの安全判定を行って、危険と判定されたエリアは選択予定エリアから除外する。この上で前記の第１アルゴリズムと同様の手順に従って、各エリアごとにロボット本体１の安定性を判別する。そして、通常予測地点から最も近い距離にあるエリアに向っている軌道をデータベースより呼び出して回避歩行を行う。二歩目以降は、一旦ニュートラルポジションまで脚を戻して、その地点から再び同様に軌道を呼び出していく。このようにして地雷を回避しながらロボット本体１を安全かつ安定に歩行させることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば安定状態を維持するよう地上に接地し、かつそれぞれが自由に動く腿部、脚部及び肩部からなる複数脚で不整地歩行するロボット本体と、当該ロボット本体にこれの前方に差し出されるように取り付けられた腿部、脚部及び肩部からなるマニピュレータと、当該マニピュレータに設けられて、歩行制御のために各脚の着地可能部位の金属探知および前記ロボット本体付近の地中に埋設された地雷の探知を行う地雷探知器と、前記地雷の埋設地点を測定する全地球測位システムとを設けて、前記地雷探知器による金属の探知結果および地雷の探知結果と前記全地球測位システムが検出した地雷埋設地点の測定結果にもとづいて、地雷を避けるように、歩行制御手段に前記複数脚による歩行制御を行わせるようにしたので、金属探知結果および地雷探知結果に従って、ロボット本体に地雷を回避させながら、能率的に安全に歩行させることができるという効果が得られる。
【００３４】
また、前記ロボット本体の腹部に高精度地中探知レーダを設置したので、地中深くに埋設された対戦車地雷や不発弾の探知を高感度にて探知できるとともに、ロボット本体に、端部にグラスカッタを有するマニピュレータを設けたので、地雷探知に入る前後に周辺の草刈を行った後の、地雷位置のカラーマーキングの容易化および明確化と、地雷探知およびロボット歩行の容易化、安定化を実現できる。さらに、前記ロボット本体に、進行方向の障害物や罠線を光学的に探知するレーザセンサを設けたので、これらの探知した障害物や罠線を適当に処理した上で、ロボット本体をスムースに不整地上で歩行させることができるという利点が得られる。
【００３５】
また、前記グラスカッタを有するマニピュレータに、探知した地雷埋設位置にカラーマーキングを行うエアーガンによるカラーマーキング機構を設けたので、後で実施される地雷の除去処理を迅速化、容易化できる。また、前記ロボット本体に、前記マニピュレータの地雷探知器と地面との距離を制御する距離制御手段を設けたので、人が行う場合に比べてはるかに高い精度で地雷探知を行うことができ、地雷探知ロボットの信頼性を高めることができる。さらに、前記地雷探知器の探知対象を対戦車地雷または不発弾としたので、対戦車地雷や不発弾のマッピング後に地雷処理車による対人地雷の処理を高能率に実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態による地雷探知ロボットの全体を概念的に示す斜視図である。
【図２】本発明におけるロボット本体の脚の位置と力のハイブリッドニューロ制御システムを示すブロック図である。
【図３】本発明による地雷回避手順を示す説明図である。
【図４】本発明による他の地雷回避手順を示す説明図である。
【図５】本発明による地雷探知ロボットの危険物回避歩容手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明による地雷探知ロボットの他の危険物回避歩容手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  ロボット本体
２  脚
３、４  マニピュレータ
５  地雷探知器
６  グラスカッタ
１１  ＧＰＳ（全地球測位システム）
Ｒ  歩行制御手段
【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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