JP2011118924A - Articulated structure, and wearing tool, system and human machine interface using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、１個以上の節ユニットが連結あるいは分離して構成される多関節構造体を生命体あるいはロボットや機械等に装着してその位置・動き・形状などを同定する認識手段に関する技術であると同時に、前記多関節構造体を１個単位あるいは数個単位に自動あるいは手動で分離・連結可能とする技術である。 The present invention relates to a recognition means for attaching a multi-joint structure formed by connecting or separating one or more node units to a living body, a robot, a machine, or the like and identifying its position, movement, shape, etc. At the same time, the articulated structure can be separated or connected in units of one or several units automatically or manually.
また本発明は、前記多関節構造体を１個以上の連結分岐手段を用いて多段連結可能とすることで、人体の手足や頭の位置を認識する、あるいは延長や面への展開、メッシュ構造への展開などを可能とする技術である。さらに前記多関節構造体の連結部にアクチュエータ手段を加えることで前記多関節構造体を駆動・変形することも可能にする技術である。 In addition, the present invention enables the multi-joint structure to be connected in multiple stages using one or more connecting and branching means, thereby recognizing the positions of human limbs and heads, or extending or expanding the surface, mesh structure It is a technology that enables deployment to the future. Furthermore, it is a technique that enables the multi-joint structure to be driven and deformed by adding an actuator means to the connecting portion of the multi-joint structure.
また本発明は、移動可能とした前記多関節構造体を大規模地震等で倒壊した被災建造物内へ進入して、建物の下敷きになった人を探し出したりする場合に使用される特殊環境用ロボットに応用するなど有線技術と無線技術の連携による位置同定に関する技術である。 Further, the present invention is for a special environment used when the articulated structure made movable is entered into a damaged building collapsed due to a large-scale earthquake or the like and a person under the building is searched. It is a technology related to position identification by cooperation between wired technology and wireless technology, such as application to robots.
回転や湾曲など複雑に移動する測定対象の現在位置や形状を同定するために、従来はエンコーダを駆動軸分用意したり、光ファイバーの屈折率を用いるなど高価で複雑な手段が用いられていた。 In order to identify the current position and shape of a measurement object that moves in a complicated manner such as rotation and bending, conventionally, expensive and complicated means such as preparing an encoder for the drive shaft or using the refractive index of an optical fiber have been used.
また、特願２００５−１６６５５８の出願では、各節の関節部にポテンショを取り付けることで多関節構造体の位置・動き・形状などを安価・高精度に同定することを可能とした。しかし、多関節構造体の長さが、対象物で必要な量に対して長すぎあるいは短すぎたりして、うまく適用することが難しい状況もあった。これを従来技術の第１の問題点とする。 In the application of Japanese Patent Application No. 2005-166558, the position, movement, shape, etc. of the multi-joint structure can be identified with low cost and high accuracy by attaching a potentiometer to the joint portion of each node. However, the length of the multi-joint structure is too long or too short for the amount required for the object, and there are situations in which it is difficult to apply it successfully. This is the first problem of the prior art.
また、特願２００５−１６６５５８の出願では、分岐手段は講じたもののより複雑なメッシュ構造体あるいは面上の位置同定を行なうことは出来なかった。さらにそれらを自律で変形させたり駆動することも出来なかった。これを従来技術の第２の問題点とする。 In addition, in the application of Japanese Patent Application No. 2005-166558, although a branching means was taken, a more complicated mesh structure or position on the surface could not be identified. Moreover, they could not be deformed or driven autonomously. This is the second problem of the prior art.
また大規模地震等の災害が発生した場合に、迅速な人命救助作業が必要とされる。被災した建物内（地下鉄、地下街、高層ビルなど）は極めて危険性が高く、ロボットによる人命救助作業の支援が期待されている。
災害発生直後における迅速な情報収集は、迅速な人命救助を実施する上で重要である。高速かつ分散的な情報収集による高効率化と高精度化が、その後の被害を軽減すると考えられる。被災した建物内での危険空間で、人間が情報収集を行うことは二次災害が発生する確率を増大させるため、複数のロボットが建物内を高速に走破し、高速かつ分散的な情報収集を行い得ることが望まれている。
In addition, when a disaster such as a large-scale earthquake occurs, quick lifesaving work is required. The damaged buildings (subways, underground malls, high-rise buildings, etc.) are extremely dangerous and are expected to support life-saving operations using robots.
Prompt collection of information immediately after a disaster occurs is important in carrying out prompt lifesaving. High-efficiency and high-precision through high-speed and decentralized information gathering is expected to reduce subsequent damage. Humans collecting information in a dangerous space in a damaged building increases the probability of a secondary disaster, so multiple robots run through the building at high speeds, collecting high-speed and distributed information. It is hoped that it can be done.
従来から、レスキューロボットなど、多自由度マニピュレータを駆使して、被災建造物の瓦礫下などの障害物を除去しながら、被災者を探索するロボットが研究されている。その中で、効率的な救助活動を実現する探索ロボットシステムとして、探索空間を少なくとも１以上のメッシュに分割し、分割されたメッシュに探索ロボットを配置するものが知られている（特許文献１参照）。このシステムは、探索空間を１つまたは複数のメッシュに分割して、メッシュごとに探索ロボットを配置することで、被災地等の捜索領域をくまなく探索でき、被災者の位置を正確に把握して、効率的に救助活動を展開するものである。また探索活動は安価な小型のロボットで実現することができ、障害物の小さな隙間を抜けて広い範囲を探索することも可能とするものである。 Conventionally, robots that search for disaster victims, such as rescue robots, using a multi-degree-of-freedom manipulator while removing obstacles such as under the rubble of damaged buildings have been studied. Among them, a search robot system that realizes an efficient rescue operation is known in which a search space is divided into at least one mesh and the search robot is arranged in the divided mesh (see Patent Document 1). ). This system divides the search space into one or more meshes and arranges search robots for each mesh, so that the search area such as the stricken area can be searched and the location of the victims can be accurately grasped. In this way, the rescue operation is developed efficiently. In addition, the search activity can be realized by an inexpensive small robot, and it is possible to search a wide range through a small gap of an obstacle.
しかし、特許文献１で開示された技術の場合、羽の駆動による飛行手段を用いて、探索ロボットをメッシュごとに配置するため、一次的には障害物の表面に沿って探索を行うこととなり、表面の隙間から障害物内部に侵入して探索するものではなかった。従って、地下鉄、地下街、高層ビルなどの閉鎖空間において、閉じ込められた被災者の情報を迅速に収集することが困難であった。 However, in the case of the technology disclosed in Patent Document 1, since the search robot is arranged for each mesh using the flying means driven by the wings, the search is primarily performed along the surface of the obstacle, It was not intended to search through the obstacles through the gaps on the surface. Therefore, it has been difficult to quickly collect information on the victims confined in closed spaces such as subways, underground malls, and high-rise buildings.
また、クローラ型のロボットが無線通信若しくは有線通信にて遠隔制御しながら、障害物内部に侵入して探索するものが知られている（例えば、特許文献２〜特許文献４を参照。）。しかし、これらは被災建造物の瓦礫下などの不整合な場所を探索するものであるが、個々のロボットが協調して、高速かつ分散的に被災者の情報を収集し得るものではなかった。これらを従来技術の第３の問題点とする。 A crawler-type robot is known that intrudes into and searches an obstacle while being remotely controlled by wireless communication or wired communication (see, for example, Patent Documents 2 to 4). However, they search for inconsistent places such as under the debris of a disaster-built building, but individual robots cannot cooperate and collect information on the victims at high speed and in a distributed manner. These are the third problem of the prior art.
上記の問題に鑑みて、本発明の第１の課題は、前記多関節構造体の長さを手動で任意に変更可能とすることである。１個単位に節ユニットを分割可能としてもよい。また自動制御で適切な長さに自動で分離・連結する構成・手段にしてもよい。 In view of the above problems, a first problem of the present invention is to allow the length of the multi-joint structure to be arbitrarily changed manually. The node unit may be divided into one unit. Further, a configuration / means for automatically separating and connecting to an appropriate length by automatic control may be employed.
本発明の第２の課題は、前記多関節構造体どうしを連結する他、１対多に複数分岐する分岐ユニットとの接続が、その先のさらに別の分岐ユニットと接続するなど、複数の前記多関節構造体と前記分岐ユニットをメッシュ構造で連結可能とするものである。例えば人体の動きを同定する場合において、腰に第１の分岐ユニット、手足へそれぞれ伸びる前記多関節構造体、さらにその先に接続される分岐ユニット、そこから指単位で伸びる前記多関節構造体という構成の実現である。
あるいは海中において複数設置した前記多関節や接続される対象物の位置同定や動きを、メッシュ構成あるいは面構成で構成した前記多関節構造体で認識する手段の実現である。
A second problem of the present invention is that the articulated structures are connected to each other, and a connection with a branch unit that branches in a one-to-many manner is connected to a further other branch unit. The multi-joint structure and the branch unit can be connected with a mesh structure. For example, when identifying the movement of the human body, the first branch unit at the waist, the multi-joint structure extending to the limbs, the branch unit connected to the tip, and the multi-joint structure extending from the finger unit. Realization of the configuration.
Alternatively, it is a realization of means for recognizing the position identification and movement of a plurality of articulated joints and objects to be connected in the sea with the articulated structure configured with a mesh configuration or a surface configuration.
本発明の第３の課題は、前記多関節構造体等の有線技術と、離散するような環境下でも通信可能な無線技術の連携又は無線通信間におけるエリア調整による位置同定手段の実現である。その技術を基に複数のロボットが地下鉄ホーム（改札を含む）、地下街、高層ビルなどの閉鎖空間（階段、ドアを含む）において、障害物の回避・乗り越え・軽量物の排除を行いながら、迅速に歩く人間と同程度の平均速度で、半自律走行し得ることである。
また、本発明の第４の課題は、複数のロボットの走行経路をモニタリングし、複数の映像を含むセンシング情報をＧＩＳ（Geographic Information System）上にマッピングし得ることである。
A third problem of the present invention is the realization of position identifying means by cooperation of wired technology such as the articulated structure and wireless technology capable of communication even in a discrete environment or by area adjustment between wireless communications. Based on this technology, multiple robots can quickly avoid obstacles, get over, and eliminate lightweight objects in closed spaces (including stairs and doors) such as subway platforms (including ticket gates), underground malls, and high-rise buildings. It is possible to run semi-autonomously at an average speed similar to that of a human walking.
A fourth problem of the present invention is to monitor traveling routes of a plurality of robots and map sensing information including a plurality of images on a GIS (Geographic Information System).
すなわち、地下鉄駅、地下街、空港、高層ビルなどにおいて、複数のロボットが、階段やドアのある建物内で被災した人を探索しながら迅速に移動し、建物のＧＩＳマップをもとにして、決められた地点とそこに至るまでの映像等のセンサ情報を、高速かつ分散的に情報収集し得る装置を提供することを目的とする。 In other words, in subway stations, underground malls, airports, high-rise buildings, etc., multiple robots move quickly while searching for victims in buildings with stairs and doors, and are determined based on the GIS map of the building. It is an object of the present invention to provide a device capable of collecting information on a given point and sensor information such as video up to that point at high speed and in a distributed manner.
上記目的を達成するため、本発明の多関節構造体は、節ユニット間の連結部にポテンショメータ等の変化量検出センサが設けられ、複数のセンサをグループ単位とし、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、信号処理部間は通信ネットワークに接続され、通信ネットワークに接続された処理演算部が、センサの信号データに基づいて演算処理する多関節構造体であって、多関節構造体における外形形状は管状若しくは筒状に構成され、内部に動力線が配設され、多関節構造体の形状が変形した際に、節ユニット間の連結部の変化量をリアルタイムに検出し、節ユニット間の連結部の並進、回転移動した際の移動量及びベクトルを出力でき、多関節構造体が人体又は移動体に組み込まれたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the articulated structure of the present invention is provided with a change amount detection sensor such as a potentiometer at the joint between the node units, and a plurality of sensors are grouped, and sensor signals are signaled in groups. A multi-joint structure that is captured by the processing unit and is connected to the communication network between the signal processing units, and the processing calculation unit connected to the communication network performs arithmetic processing based on the signal data of the sensor. The outer shape of the tube is configured in a tubular or cylindrical shape, power lines are arranged inside, and when the shape of the multi-joint structure is deformed, the amount of change in the connecting portion between the node units is detected in real time, and the node unit It is possible to output a translation amount and a vector at the time of translational and rotational movement of the connecting portion between them, and a multi-joint structure is incorporated into a human body or a movable body.
本発明の多関節構造体は、複数個の単位装置（本明細書では、節ユニットと呼ぶ。）が連結部を介して長尺状につながり、全体形状を形成する。各節ユニットには、節ユニット間の連結部にポテンショメータ等の変化量検出センサが設けられ、隣接する節ユニットの位置および動作を相対的に検出・測定できるようになっている。
変化量検出センサからの出力信号は、グループ単位にまとめられ、信号処理部に取り込まれる。ここで、グループ単位としているのは、個々の節ユニットに信号処理部を形成する必要性を回避するためである。信号処理部間は通信ネットワークに接続されており、同様に、通信ネットワークに接続された処理演算部が、多関節構造体の全てのセンサからの検出信号を用いて、多関節構造体の全体形状を算出する。
In the multi-joint structure of the present invention, a plurality of unit devices (referred to as node units in this specification) are connected in a long shape via a connecting portion to form an overall shape. Each node unit is provided with a change amount detection sensor such as a potentiometer at a connecting portion between the node units so that the position and operation of adjacent node units can be relatively detected and measured.
The output signals from the change amount detection sensors are grouped into groups and taken into the signal processing unit. Here, the group unit is used to avoid the necessity of forming a signal processing unit in each node unit. The signal processing units are connected to the communication network. Similarly, the processing calculation unit connected to the communication network uses the detection signals from all the sensors of the multi-joint structure to determine the overall shape of the multi-joint structure. Is calculated.
本発明のポイントは、多関節構造体の全体形状が変形した際に、節ユニット間の連結部の変化量をリアルタイムに検出し、節ユニット間の連結部の並進、回転移動した際の移動量及びベクトルを出力することである。節ユニット間の連結部の並進とは連なる関節が直線的に追随することをいい、回転移動とは連なる関節が左右、上下に相対的位置関係を変化させることをいう。なお、節ユニット間の連結部のねじれについても同様に検出、出力が可能である。
節ユニット間の連結部の並進、回転移動した際の移動量及びベクトルを用いることにより、以下に述べる様々な応用装置が設計できることになる。
The point of the present invention is that when the overall shape of the multi-joint structure is deformed, the amount of change in the connection between the node units is detected in real time, and the amount of movement when the connection between the node units is translated and rotated. And outputting a vector. The translation of the connecting portion between the node units means that the continuous joints follow linearly, and the rotational movement means that the continuous joints change the relative positional relationship left and right and up and down. The twisting of the connecting portion between the node units can be similarly detected and output.
By using the translation of the connecting part between the joint units, the amount of movement and the vector at the time of rotational movement, various application devices described below can be designed.
動力線や信号線を内蔵（配置）出来るように、外形形状を管状や筒状に構成したものである。 The outer shape is formed in a tubular shape or a cylindrical shape so that a power line or a signal line can be incorporated (arranged).
本発明の多関節構造体の小型化を追求する上で、信号線や動力線などの配線を排除し、多関節構造体の本体そのものにパターンを配置するものである。例えば、多関節構造体の表面材料をプラスチック樹脂とし、回路基板の基板パターンを表面あるいは内層のプラスチック樹脂上に描くことで、電子回路基板と配線を無くすことができる。 In pursuing downsizing of the articulated structure of the present invention, wiring such as signal lines and power lines is eliminated, and a pattern is arranged on the body of the articulated structure itself. For example, the surface material of the multi-joint structure is made of a plastic resin, and the circuit pattern of the circuit board is drawn on the surface or the inner layer of the plastic resin, whereby the electronic circuit board and the wiring can be eliminated.
本発明の装着具は、上記の多関節構造体を組み込んだ構成とされたことを特徴とする。 The wearing tool of the present invention is characterized in that the above-described multi-joint structure is incorporated.
ここでいう装着具は、例えばジャケットなどの一般服や消防服などの特殊服やボディースーツが含まれる。これらの服に多関節構造体を組み込む。多関節構造体の組み込み方は、以下の実施の態様で説明する。 The wearing equipment here includes, for example, general clothes such as a jacket, special clothes such as fire fighting clothes, and body suits. Incorporate articulated structures in these clothes. A method for incorporating the multi-joint structure will be described in the following embodiments.
本発明の装着具は、人体に装着した際の、人体の微小な変動を無効化するためのフィルター処理を、多関節構造体の演算処理部に備えた構成とされたことを特徴とする。 The wearing tool of the present invention is characterized in that the arithmetic processing unit of the multi-joint structure has a filter process for invalidating minute fluctuations of the human body when worn on the human body.
人体に装着した際の微小な変動を、手ぶれ防止カメラのように無効化するものである。 It is intended to invalidate minute fluctuations when worn on the human body like a camera shake prevention camera.
本発明の装着具は、上記の多関節構造体が両手や両足、頭にそれぞれ装着され、腰あるいは背中に取り付けた基準装置の位置および前記多関節構造体の全体形状から、両手，両足，頭の各位置および各動作をリアルタイムに測定し得る構成とされたことを特徴とする。 The mounting tool of the present invention is such that the above-mentioned multi-joint structure is mounted on both hands, both legs and the head, and the position of the reference device attached to the waist or back and the overall shape of the multi-joint structure are both hands, both legs and head. It is characterized in that each position and each movement of the apparatus can be measured in real time.
本発明の装着具は、上記の多関節構造体が腕に装着され、少なくとも車椅子を含む移動体に取り付けた基準装置の位置および多関節構造体の全体形状から、腕の移動動作をリアルタイムに測定し、移動体を制御し得る構成とされたことを特徴とする。 The mounting tool of the present invention measures the arm movement operation in real time from the position of the reference device attached to the mobile body including at least the wheelchair and the overall shape of the multi-joint structure when the multi-joint structure is mounted on the arm. In addition, the moving body can be controlled.
本発明の装着具は、上記の多関節構造体が、両手や両足、頭にそれぞれ装着され、腰あるいは背中に取り付けた基準装置の位置および多関節構造体の全体形状から、両手，両足，頭の各位置および各動作をリアルタイムに測定し、該測定データをリハビリ用データあるいはトレーニング用データとして使用し、目標値データとの差分に応じて、多関節構造体の連結部に可動し得る構成とされたことを特徴とする。 According to the mounting tool of the present invention, the above-described multi-joint structure is mounted on both hands, both feet, and the head, and from the position of the reference device attached to the waist or back and the overall shape of the multi-joint structure, both hands, both feet, the head A configuration that can measure each position and each motion of the joint in real time, use the measurement data as rehabilitation data or training data, and move to the connecting portion of the multi-joint structure according to a difference from the target value data; It is characterized by that.
本発明の装着具は、上記の多関節構造体が、指に装着され、キーボード入力など各入力が行い得る構成とされたことを特徴とする。 The mounting tool of the present invention is characterized in that the above-described multi-joint structure is mounted on a finger so that each input such as keyboard input can be performed.
本発明の装着具は、上記の多関節構造体が腕および指に装着され、遠隔で手術の手技を行い得る構成とされたことを特徴とする。 The mounting tool of the present invention is characterized in that the above-described multi-joint structure is mounted on an arm and a finger so that a surgical procedure can be performed remotely.
本発明の医療器具は、上記の多関節構造体が内視鏡の手技に用いられる医療器具に装着され、前記医療器具の位置認識を行い得る構成とされたことを特徴とする。胃や大腸などの内視鏡の位置を同定することで、患者の痛みを軽減する。あるいは細密にＦＳＴを構成することで、血管の内部や尿管などにも進入可能となることを特徴とする。 The medical instrument of the present invention is characterized in that the above-described multi-joint structure is attached to a medical instrument used for an endoscopic procedure, and the position of the medical instrument can be recognized. By identifying the position of endoscopes such as the stomach and large intestine, the pain of the patient is reduced. Alternatively, it is possible to enter the inside of a blood vessel or the ureter by finely configuring the FST.
本発明のシステムは、上記の多関節構造体により、水中を浮上・沈下あるいは左右前後に移動するプロペラ等移動手段を持つ移動部と、船上の制御装置とが連結され、前記移動部の位置および動作がリアルタイムに同定可能で、且つ、目標の位置に対して移動制御が可能で、前記移動部に対してデータ通信および給電が可能である構成とされたことを特徴とする。 In the system of the present invention, the above-described multi-joint structure connects a moving unit having a moving means such as a propeller that floats and sinks in water or moves back and forth, and a control device on a ship. It is characterized in that an operation can be identified in real time, movement control can be performed with respect to a target position, and data communication and power supply can be performed with respect to the moving unit.
本発明のシステムは、上記のシステムにおいて、移動部がカメラ及び／又はセンサを備え、船のドックに上げることなく船底の調査が可能となる構成とされたことを特徴とする。
また本発明のシステムは、更に、移動部がアームを備え、水底における基礎組立作業が可能となる構成とされたことを特徴とする。
The system according to the present invention is characterized in that, in the above-described system, the moving unit includes a camera and / or a sensor so that the bottom of the ship can be surveyed without being raised to the ship dock.
Further, the system of the present invention is further characterized in that the moving part is provided with an arm, and a foundation assembling work at the bottom of the water is possible.
本発明のヒューマンマシンインターフェースは、上記の多関節構造体が両手、両足、頭、指を含む人体の各部位にそれぞれ装着され、腰、背中或いは搭乗するロボットを含む移動体に取り付けた基準装置の位置および多関節構造体の全体形状から、人体の各部位の位置および動作をリアルタイムに測定し得る装着具を用いて移動体を操作し得る構成とされたことを特徴とする。 The human machine interface of the present invention is a reference device attached to a moving body including a waist, a back, or a robot to be mounted, with the above articulated structure mounted on each part of the human body including both hands, both feet, head, and fingers. It is characterized in that the moving body can be operated using a mounting tool that can measure the position and motion of each part of the human body in real time from the position and the overall shape of the multi-joint structure.
上記の多関節構造体において、更に、節ユニットに防水や防塵、防火など必要に応じた外皮を被せると同時に、当該外皮を節ユニットに固定する手段を付加したことを特徴とする。 In the multi-joint structure, the node unit is further provided with a means for fixing the outer skin to the node unit at the same time as covering the node unit with a waterproof, dustproof, fireproof or other necessary outer shell.
本発明の多関節構造体を人体に装着すれば、人体や指の動きを検知するセンサとして利用でき、本発明の多関節構造体を利用した装着具などは、リハビリ用トレーニング装置やスポーツ用トレーニング装置や熟練技能者の伝承アシスト装置などに利用できるという効果を有する。また、本発明の多関節構造体によれば、水中などの位置関係の把握が困難な劣悪環境下における作業を容易に行なうことができる。
上記の構成を有することにより、地下鉄駅、地下街、空港、高層ビルなどにおいて、複数の関節が、階段やドアのある建物内で被災した人を探索しながら迅速に移動し、建物のＧＩＳマップをもとにして、決められた地点とそこに至るまでの映像情報等を、高速かつ分散的に情報収集し得ることができるといった効果を有する。
If the articulated structure of the present invention is attached to a human body, it can be used as a sensor for detecting the movement of a human body or a finger. A wearing device using the articulated structure of the present invention can be used as a rehabilitation training device or a sports training. It has the effect that it can be used for a device or a transfer assist device for skilled technicians. Further, according to the multi-joint structure of the present invention, it is possible to easily perform work in a poor environment where it is difficult to grasp the positional relationship such as underwater.
By having the above configuration, in a subway station, underground mall, airport, high-rise building, etc., multiple joints move quickly while searching for a victim in a building with stairs and doors, and a GIS map of the building Based on the above, it is possible to collect information on a predetermined point and video information up to that point at high speed and in a distributed manner.
以下、本発明の実施形態について、図を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明の範囲は、図示例に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the scope of the present invention is not limited to the illustrated examples.
図１は本発明に係る多関節構造体（ＦＳＴ）の全体斜視図であり、図２は２本のＦＳＴが勘合した状態の斜視図である。ＦＳＴ１は節２を最小単位とした複数の節で構成されたチューブ状構造体であり、各節間は自在に可動する仕組となっている。各ＦＳＴは両端の節を接続節３として他のＦＳＴと連結して、さらに多数の節が連なった多関節構造体を構成することができる。各節の可動部には節同士の対向角度の変動、距離の変動、軸回転の変動（捩れ）について、変化量検出のためのポテンショメータが設置されている。ＣＰＵボードは１０節に１の割合で配設され、またＦＳＴ全体で１の処理演算装置が配設されている。チューブ内には電線が配設されている。 FIG. 1 is an overall perspective view of a multi-joint structure (FST) according to the present invention, and FIG. 2 is a perspective view of a state in which two FSTs are fitted together. The FST 1 is a tube-like structure composed of a plurality of nodes with the node 2 as a minimum unit, and the structure between the nodes is freely movable. Each FST can be connected to other FSTs with nodes at both ends as connection nodes 3 to form a multi-joint structure in which a large number of nodes are connected. A potentiometer for detecting the amount of change is installed in the movable part of each node with respect to variations in the opposing angle between nodes, variations in distance, and variations (twist) in shaft rotation. The CPU board is arranged at a ratio of 1 in 10 sections, and 1 processing operation device is arranged in the entire FST. An electric wire is disposed in the tube.
ポテンショメータが検出した変化量データは１０節単位でＣＰＵボードに取り込こまれ、ＣＰＵボードが処理したデータはチューブ内の有線通信ネットワークを介してリアルタイムで処理演算部に伝達され、処理される。処理された節間の変動データは移動量、ベクトルとして出力される。 The change amount data detected by the potentiometer is taken into the CPU board in units of 10 nodes, and the data processed by the CPU board is transmitted to the processing operation unit in real time via the wired communication network in the tube and processed. The processed inter-node variation data is output as a movement amount and vector.
図１、図２はチューブ状の構造体であり、検出データの通信ネットワークはチューブ内に配線された有線通信により行なわれているが、本発明による多関節構造体はチューブ形状に限定されるものではない。例えば、棒状或いは線状の構造体として、有線配線は棒状構造体の表面あるいは内層に回路パターンとして焼き付けることも可能である。 1 and 2 show a tube-like structure, and a communication network for detection data is performed by wired communication wired in the tube. However, the articulated structure according to the present invention is limited to a tube shape. is not. For example, as a rod-like or linear structure, the wired wiring can be baked as a circuit pattern on the surface or inner layer of the rod-like structure.
図３はＦＳＴが分岐する結合ユニットと勘合した状態の斜視図である。ＦＳＴ端節（接続節）３は中継・分岐ボックス５に設けられたＦＳＴとの接続部４に挿入され、結合ユニットを介して一度に他の複数のＦＳＴと勘合することが可能になる。 FIG. 3 is a perspective view of a state in which the FST is combined with a branch unit. The FST end node (connection node) 3 is inserted into the connection part 4 with the FST provided in the relay / branch box 5 and can be combined with a plurality of other FSTs at once via the coupling unit.
図６（Ａ）は最小単位の節の斜視図である。ＦＳＴの各節は両端部に他の節と接続するための接続部１３を備えている。両端部に備えられた接続部のうち一方は節本体より一回り小さなリング形状（リング部）であり、他方は本体と同一径であって、３ヶ所に切欠部を有するリング形状（切欠リング部）を呈している。リング部の寸法は切欠リング部に嵌合可能のであり、モータ等の動力を用いることで、各節は分離、結合を容易に行なうことができる。 FIG. 6A is a perspective view of the node of the smallest unit. Each node of the FST has a connecting portion 13 for connecting to other nodes at both ends. One of the connecting parts provided at both ends is a ring shape (ring part) that is slightly smaller than the node body, and the other is the same diameter as the main body, and has a ring shape (notch ring part) at three locations. ). The dimensions of the ring part can be fitted into the notch ring part, and by using the power of a motor or the like, each node can be easily separated and connected.
図６（Ｂ）は３つの節が結合した状態の斜視図である。リング部Ａは切欠リング部Ｂに嵌合しており、３つの節は連結状態にある。小型モータ（図示しない）によりリング部Ａが切欠リング部Ｂの内周に沿って回転すると節間の回転角度が変動する。回転方法に関しては特に図示しないがカメラレンズの焦点リングのように±９０°の範囲内で回転するなどの機構の付与が考えられる。又、図示しないが、リング部と切欠リング部をフレキシブル継手を介して連結し、モータ、制御装置を備えることにより、節ユニット間の間隔を前後に伸縮させたり、上下左右に位置関係を変化させたりすることができる。リング部及び切欠リング部自体を褶曲させてフレキシブル構造として、モータ、制御装置を備えても同様の効果を得ることができる。 FIG. 6B is a perspective view of a state where three nodes are coupled. The ring part A is fitted in the notch ring part B, and the three nodes are in a connected state. When the ring part A is rotated along the inner periphery of the notch ring part B by a small motor (not shown), the rotation angle between the nodes varies. Although the rotation method is not particularly illustrated, it is conceivable to provide a mechanism such as a rotation within a range of ± 90 ° like a focus ring of a camera lens. Although not shown in the figure, the ring part and the notch ring part are connected via a flexible joint, and equipped with a motor and a control device, the distance between the node units can be expanded and contracted forward and backward, and the positional relationship can be changed vertically and horizontally. Can be. Even if the ring part and the notch ring part itself are bent to form a flexible structure and include a motor and a control device, the same effect can be obtained.
図７（Ａ）は節にクローラ１４を設置した状態の斜面図であり、図７（Ｂ）は各節が分離すると共に節単位で移動する場合の斜視図である。駆動手段としては段差や窪み等凹凸のある平面上を進行するためにクローラ型のものが好ましいが、進行できるための他の手段であっても差し支えない。なお、図（７）ではクローラは節の両側面下部に設置されているが、これに限定されるものではない。上部に追加設置することにより、傾いて窪みにはまった場合等空転する両側面下部のクローラを補助する機能を持たせることも可能である。 FIG. 7A is a perspective view in a state where the crawler 14 is installed at a node, and FIG. 7B is a perspective view when each node is separated and moved in units of nodes. The driving means is preferably a crawler type in order to travel on a flat surface having unevenness such as a step or a depression, but other means for traveling can be used. In FIG. 7, the crawler is installed at the lower part of both side surfaces of the node, but is not limited to this. By additionally installing at the upper part, it is also possible to provide a function of assisting the crawlers at the lower part of both side surfaces that are idling when tilted into the depression.
図４はＦＳＴを人間の体に取り付けた状態の概念図である。人間の頭部にはＦＳＴと連結したヘッドマウントディスプレイが装着され、両腕及び両脚には合計４本のＦＳＴが取り付けられ、両手部分にはハンドコントローラ、両足部分にはフットコントローラが設置されている。さらに、腰の部分には５本のＦＳＴと連結した基準部（分岐ユニット）が設置されている。基準部を中心とした頭部、左右の手、足、腕、脚の位置関係と形状はＦＳＴによりリアルタイムで把握され、そのデータは有線通信あるいは無線通信により遠隔地など外部に伝達することができる。 FIG. 4 is a conceptual diagram of the FST attached to a human body. A head-mounted display connected to the FST is attached to the human head, a total of four FSTs are attached to both arms and legs, a hand controller is installed in both hands, and a foot controller is installed in both legs. . Further, a reference portion (branching unit) connected to five FSTs is installed on the waist. The positional relationship and shape of the head, left and right hands, feet, arms, and legs centered on the reference portion are grasped in real time by FST, and the data can be transmitted to the outside such as a remote place by wired communication or wireless communication. .
その情報を基に、外部のロボットや機械の制御を行う、いわゆる「マスタースレーブ動作」が実現出来る。さらに、ＨＭＤにより得られた画像データや、ハンドコントローラ、フットコントローラのデータを通信で出力することも可能である。またＦＳＴに駆動部を追加すれば、人体の両手、両足の動作を適切に補正するなど、人体への制御をＦＳＴを通じて行なうことも可能である。両手、両足に装着したコントローラが人間の動作をサポートすることもできるのである。ＦＳＴを装着するだけで、理想的なゴルフスイングを行うように人体を通常速度あるいはスローモーションで動かすなど、様々な応用が考えられる。 Based on this information, a so-called “master-slave operation” for controlling an external robot or machine can be realized. Furthermore, it is also possible to output image data obtained by the HMD, data of the hand controller, and foot controller by communication. If a drive unit is added to the FST, it is possible to control the human body through the FST, such as appropriately correcting the movements of both hands and both feet of the human body. Controllers attached to both hands and feet can also support human movements. Various applications such as moving the human body at normal speed or slow motion to perform an ideal golf swing can be considered simply by wearing the FST.
図５はＦＳＴを消防服に組み込んだ状態の概念図である。ＦＳＴを組み込んだ衣服１２はＦＳＴ１とヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）８やハンドコントローラ９、ひじグリップ１１などで構成される。消防士は暗闇の災害現場等において、ＦＳＴを組み込んだ衣服を着用することで、マスタースレーブで遠隔操作されるレスキューロボットなどを制御することが可能となる。具体例として、ＦＳＴを装着した消防士をマスター、人が近づけないような高熱の現場に近接する消火ロボットをスレーブとした場合、マスターは現場からの映像を消火ロボットに搭載したカメラ映像をＨＭＤに映すことで状況を把握することが出来る。次にＦＳＴを装着した腕を動かすと、ＦＳＴは自己の位置や動きの変化を検出する。それらの情報でスレーブを制御出来るようにすることで、前進などの移動や消火用アームや放水の制御などを、ＨＭＤの情報を元に腕の操作だけで行うことが可能になる。またＨＭＤに赤外線カメラなど暗視機能を有する手段を付与すれば、暗闇の中の画像情報を得ることも可能である。
また人体や周辺からの情報を受け取るセンサをＦＳＴあるいは周辺構成部品として加えることも可能である。筋電信号や脈拍などの生体情報、地磁気や気圧などの環境情報、放射能や有毒ガスなど危険情報などをそれぞれ認識するセンサ群をＦＳＴに取り付けることで、ＨＭＤ８でその情報を一元管理するなど出来る。
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a state in which the FST is incorporated in a fire fighting suit. A garment 12 incorporating an FST includes an FST 1, a head mounted display (HMD) 8, a hand controller 9, and an elbow grip 11. A firefighter can control a rescue robot or the like that is remotely operated by a master / slave by wearing clothes incorporating FST in a dark disaster site. As a specific example, if the firefighter wearing FST is the master and the fire extinguishing robot close to a high-heated site that cannot be approached by the slave is the slave, the master converts the video from the site to the HMD to the camera video mounted on the fire extinguishing robot. The situation can be grasped by projecting. Next, when the arm wearing the FST is moved, the FST detects changes in its position and movement. By making it possible to control the slave with such information, it is possible to perform movement such as forward movement, fire extinguishing arm, control of water discharge, and the like only by operating the arm based on the information of the HMD. Further, if the HMD is provided with means having a night vision function such as an infrared camera, it is possible to obtain image information in the dark.
It is also possible to add a sensor for receiving information from the human body and the periphery as an FST or a peripheral component. By attaching a sensor group that recognizes biological information such as myoelectric signals and pulses, environmental information such as geomagnetism and atmospheric pressure, danger information such as radioactivity and toxic gas, etc. to the FST, the information can be centrally managed by the HMD8. .
図１２はＦＳＴを手指に装着した装置の概念図である。２３は指圧センサ、２４は指用に細く設計されたＦＳＴ，２５は一般ＦＳＴから指用ＦＳＴへの分岐ユニット、２６は指用ＦＳＴ，指圧センサを組み込んだグローブである。装着者の指先の動きをＦＳＴと指圧センサを通じてデータ化し、蓄積、出力することができる。また、データ化されたそれらの情報をＦＳＴと指圧センサを通じて正確に再現することが可能になる。本装置に無線通信装置を加えることにより遠隔地における診察・治療を行なうことができる。指圧センサによる脈の計測、痙攣の状態などの把握が可能になる。ＴＶカメラ等の画像情報と組合わせて、手当てや微細な手術を行なうこともできる。離島などの無医村地域に本装置を設置しておけば、本装置により応急手当を行い、その後医者が手術を行なうなどの連携プレイをすることが可能になる。さらに、本装置を演奏家の手指に装着し、演奏家の手指の動きのデータ化及びデータ化された情報を、本装置を用いて再現することが可能になる。 FIG. 12 is a conceptual diagram of an apparatus in which an FST is mounted on a finger. 23 is a finger pressure sensor, 24 is a thin FST designed for fingers, 25 is a branch unit from a general FST to a finger FST, and 26 is a glove incorporating a finger FST and finger pressure sensor. The movement of the wearer's fingertip can be converted into data through the FST and the finger pressure sensor, and stored and output. In addition, it is possible to accurately reproduce the information that has been converted into data through the FST and the acupressure sensor. By adding a wireless communication device to this device, it is possible to perform diagnosis and treatment at a remote place. It is possible to measure the pulse by the acupressure sensor and grasp the state of convulsions. Treatment and fine surgery can be performed in combination with image information from a TV camera or the like. If this apparatus is installed in a non-medicine village area such as a remote island, it is possible to perform linked play such as performing first aid with this apparatus and then performing surgery by the doctor. Further, the apparatus can be mounted on the performer's fingers, and the movement of the performer's fingers can be converted into data and the information converted into data can be reproduced using the apparatus.
図１３はＦＳＴを内視鏡と組合わせた装置の概念図である。２７は人体、２８は内視鏡である。内視鏡の位置および向きがＦＳＴにより正確に把握されるので腫瘍等の位置を正確に把握することができる。また、ＦＳＴを通じて内視鏡の動きを緻密に制御できるので、人間が操作する場合に生じうるチエック漏れを起こすことなく、腸管等の内部状態を完全にチエックすることができる。
あるいは細密にＦＳＴを構成することで、血管の内部に進入させて映像を撮影したり、動脈硬化を起こすような血管壁の障害物を除去する用途などにも利用出来る。あるいは尿道から膀胱、さらには尿管、腎臓と通って映像を撮影したり、結石の破壊を行う用途にも利用出来る。これらはいずれも進入させるチューブの位置や形状が同定出来ることと、先端部位あるいは全体を前後左右に移動（チューブを変形）させるアクチュエータ手段を実装することで初めて実用となるものである。例えばペニスなどの尿道から進入させた後、膀胱に入ったチューブをさらに尿管に入れるのは今までの技術では極めて困難だったが、映像やＦＳＴ形状の情報を確認しつつ、先端を進入口に対して移動させることが可能となる。
FIG. 13 is a conceptual diagram of an apparatus in which an FST is combined with an endoscope. Reference numeral 27 is a human body, and 28 is an endoscope. Since the position and orientation of the endoscope can be accurately grasped by FST, the position of a tumor or the like can be accurately grasped. In addition, since the movement of the endoscope can be precisely controlled through the FST, the internal state of the intestinal tract and the like can be completely checked without causing a check leak that may occur when a human operates.
Alternatively, by finely configuring the FST, the image can be taken by entering the inside of the blood vessel or used for removing an obstacle on the blood vessel wall that causes arteriosclerosis. Alternatively, it can be used for taking pictures from the urethra through the bladder, further through the ureter and kidney, and for destroying stones. These are practical only when the position and shape of the tube to be entered can be identified and the actuator means for moving the tip portion or the whole in the front-back and left-right directions (deforming the tube) is mounted. For example, after entering from the urethra, such as a penis, it was extremely difficult to put the tube that entered the bladder into the ureter with the conventional technology. However, while confirming the information on the image and FST shape, the tip was entered. It becomes possible to move with respect to.
図１４（Ａ）はＦＳＴを横に並べて面状にした装置の概念図である。２９は面状に構成したＦＳＴを示している。図１４（Ｂ）は面状に構成したＦＳＴの一部を立ち上げて椅子の座部と背もたれを形成している概念図である。３０は着座状態認識センサを示す。ＦＳＴは面状とすることにより様々な形状を作り出すことができる。災害時にその状況に応じた適切な形状に変化し、状況の変動によってさらに別の形状に変化することも可能である。一例としてベッドに寝たきりあるいは車椅子に座りっぱなしの状態は患者にとってはつらく、床ずれなどが起きているが、これを面上のＦＳＴにかかっている荷重などの情報を元に、随時変形させることで負荷のかかる場所を移動させ、苦痛を軽減することが可能になる。この場合、その変形用動力として空圧や油圧などの手段と組み合わせるのも有効である。 FIG. 14A is a conceptual diagram of an apparatus in which FSTs are arranged side by side to form a plane. Reference numeral 29 denotes a planar FST. FIG. 14B is a conceptual diagram in which a part of the FST configured in a planar shape is raised to form a seat portion and a backrest of the chair. Reference numeral 30 denotes a seating state recognition sensor. Various shapes can be created by making the FST planar. It is possible to change to an appropriate shape according to the situation at the time of a disaster, and to change to another shape according to the change of the situation. As an example, if you are bedridden or sitting in a wheelchair, it may be difficult for the patient to cause bed slipping. It is possible to move the place where the load is applied and reduce pain. In this case, it is also effective to combine the power for deformation with means such as pneumatic pressure or hydraulic pressure.
図１０はＦＳＴを用いて水中での作業等を行なうシステムの概念図である。本システムはＦＳＴ１と船上のＦＳＴ接続基準点１６と移動動力付き水中移動ユニット１８と監視カメラ１９と水中用ハンド２０から成る。水中における作業や監視は光が届かないこと、海流の影響を受けやすいこと等から位置の正確な把握が難しく、また位置の迅速な制御も困難であるが、ＦＳＴを用いることにより位置の把握、制御が容易に行なえる。ＦＳＴは水中移動ユニットにより分岐され、より機敏な動きを行なうことができると共に複数の対象物に同時に対応することができる。水中移動ユニットにはカメラ、センサが設置されており、水中の状況をモニタリングできる。水中移動ユニットの１には水中用ハンドが取り付けられている。水中用ハンドの位置はＦＳＴ接続基準点１６を基準としてＦＳＴの位置同定機能により正確に把握され、移動対象物体２１に容易に達することができる。移動対象物体を把持した後は、やはりＦＳＴの位置同定機能により移動先に正確・迅速に達することができる。 FIG. 10 is a conceptual diagram of a system that performs an underwater operation or the like using FST. This system includes an FST 1, an FST connection reference point 16 on the ship, an underwater moving unit 18 with moving power, a surveillance camera 19, and an underwater hand 20. Underwater work and monitoring are difficult to accurately grasp the position because light does not reach and is easily affected by ocean currents, and it is difficult to control the position quickly. Easy to control. The FST is branched by the underwater moving unit, can perform more agile movement, and can simultaneously deal with a plurality of objects. Cameras and sensors are installed in the underwater mobile unit, and the underwater situation can be monitored. An underwater hand is attached to one of the underwater mobile units. The position of the underwater hand is accurately grasped by the position identification function of the FST with reference to the FST connection reference point 16 and can easily reach the moving target object 21. After gripping the object to be moved, the destination can be accurately and quickly reached by the FST position identification function.
ＦＳＴには監視カメラが設置されているので傷、貝の付着などの船底状況をくまなくチエックすることができる。海流に流されても基準位置との関係で正確な位置同定が可能なので、位置制御により監視カメラを正しい位置に復帰させることが可能で、チエックすべき状態を見逃してしまうこともない。 The FST is equipped with a surveillance camera, so it is possible to check the bottom of the ship such as scratches and shellfish. Since accurate position identification is possible in relation to the reference position even if the current is swept by the ocean current, it is possible to return the surveillance camera to the correct position by position control and not to miss the state to be checked.
図１１はＦＳＴを乗降型ロボット２２と連携させたシステムの概念図である。乗降型ロボットは肩、肘、手、腰、膝、足首が可動するように設計されている。ＦＳＴは乗降用ロボットの可動部分に対応させて操作者の肩、両手、両腕、両脚、両足に装着されている。
操作者が肩や腕等を動かした場合には、その動作がＦＳＴによりデータ化され、乗降型ロボットの対応部位への作動指令となって伝達される。ロボットは指令にしたがって可動部分を作動させ、操作者と同一の動きを行なう。このようにＦＳＴと組合わせることにより乗降用ロボットを操作者の意のままに操ることが可能である。
FIG. 11 is a conceptual diagram of a system in which the FST is linked to the getting on / off robot 22. The getting on and off robot is designed to move the shoulders, elbows, hands, hips, knees and ankles. The FST is attached to the operator's shoulder, both hands, both arms, both legs, and both feet in correspondence with the movable parts of the getting-on / off robot.
When the operator moves his shoulder, arm, etc., the operation is converted into data by FST and transmitted as an operation command to the corresponding part of the boarding / exiting robot. The robot operates the movable part according to the command and performs the same movement as the operator. Thus, by combining with FST, it is possible to operate the boarding / alighting robot at the will of the operator.
図１５は、本発明の多関節構造体（ＦＳＴ）の概略構成図を示している。
ＦＥＴの各関節は、クローラ型の駆動手段、無線通信手段を備え、また、センシング手段としてカメラセンサ又は熱線センサ備える。
各関節同士は、連結部を介して自由に連結・分離できるようになっている。
建造物内に侵入する際に階段の上り下りや障害物の乗り越えや、場合によっては出入り口のドアを開けて侵入する場合は、各関節が長尺連結してチューブのように移動する。一方、進入後、広範囲に探索する場合には、分離して個々の関節が独自に移動し探索する。
FIG. 15 shows a schematic configuration diagram of a multi-joint structure (FST) of the present invention.
Each joint of the FET includes a crawler type driving unit and a wireless communication unit, and also includes a camera sensor or a heat ray sensor as a sensing unit.
Each joint can be freely connected and separated via a connecting portion.
When entering the building, when going up and down stairs, overcoming obstacles, or in some cases opening the entrance door, the joints move in a long tube connected like a tube. On the other hand, when searching for a wide range after entering, individual joints move independently and search.
この場合、単独の関節として別れて移動し探索することも可能であるが、２個もしくは３個の関節が連結状態のまま移動し探索することも可能である。個々の関節全てが同一の機能を備える場合もあるが、一部の関節は特殊モジュールとして機能する場合も考えられるからである。
特殊モジュールとは、例えば、救助物資（食料、水）などの搬送を主機能としたロボットや、挟持手段を有するロボットやバッテリ補充用のロボットなどが挙げられ、多関節構造体の関節としての機能も有するものである。
In this case, it is possible to move and search separately as a single joint, but it is also possible to move and search with two or three joints in a connected state. This is because all the individual joints may have the same function, but some joints may function as special modules.
Special modules include, for example, robots whose main function is transporting rescue supplies (food, water), robots having clamping means, robots for battery replenishment, etc., and function as joints of multi-joint structures It also has.
また、各関節が連結部する部分は、多軸駆動する機能を備えている。各関節が長尺連結して蛇のように移動できるように、連結部は上下・左右・回転方向に多軸駆動できるようになっている。
図９はＦＳＴが無線及び有線の連携により制御されている概念図である。ＦＳＴは全体が連結している場合には有線により通信及び位置同定が可能であるが、分離された場合には無線１５により通信及び位置同定を行なうことが可能となる。なお、連結状態においても、有線の補完装置としての役割を果たすことができる。
Further, the portion where each joint is connected has a function of multi-axis driving. The joints can be driven in multiple axes in the up / down, left / right, and rotational directions so that the joints can be moved together like a snake.
FIG. 9 is a conceptual diagram in which the FST is controlled by cooperation between wireless and wired. When the FST is connected as a whole, communication and position identification can be performed by wire, but when the FST is separated, communication and position identification can be performed by the radio 15. Even in the connected state, it can serve as a wired supplementary device.
図１６に、本発明の多関節構造体が長尺連結した外観イメージ図を示す。
長尺連結の先頭には、挟持手段を有する節ユニットが、２台目には、カメラセンサを有する節ユニットが連結されている。２台目以降の各節ユニットにはクローラ型の駆動手段を設けられている様子が示されている。
In FIG. 16, the external appearance image figure which the multi joint structure of this invention connected long is shown.
A node unit having clamping means is connected to the head of the long connection, and a node unit having a camera sensor is connected to the second unit. A state in which crawler type driving means is provided in each of the second and subsequent node units is shown.
図１７は、長尺連結した節ユニットが建造物内部に侵入した後、分離され、各節ユニットが独自に移動し探索をしている様子を表したものである。各々の節ユニットは通信手段により相互に通信し探索情報を収集していく。この情報収集の過程で、建造物内の立体地図を作成するために、各々の節ユニットの位置を正確に知る必要がある。独自に移動する各節ユニットが各々の位置を認識するために、建造物内部に屋内ＧＰＳ構築用中継局ユニットを配置する。
すなわち、測位用アンテナを含むＧＰＳ部と無線ネットワーク部を有するＧＰＳ通信用中継局ユニットを、節ユニットがあたかも産卵するように屋内に適宜配置していく。
FIG. 17 shows a state in which long-connected node units are separated after entering the building, and each node unit moves and searches independently. Each node unit communicates with each other by communication means to collect search information. In the process of collecting information, it is necessary to accurately know the position of each node unit in order to create a three-dimensional map in the building. In order for each node unit that moves independently to recognize its position, a relay station unit for indoor GPS construction is arranged inside the building.
That is, a GPS communication relay station unit having a GPS unit including a positioning antenna and a wireless network unit is appropriately arranged indoors so that the node unit lays eggs.
具体的には、３基のＧＰＳ通信用ユ中継局ユニットからの受信が不可になるギリギリのポイントまで進んだ際に、新たに産卵（１基設置）する。これにより自律制御でＧＰＳ網を拡張することができるため、節ユニット位置の同定機能を継続させることが可能となる。
中継局ユニットを配置する際には、同定された節ユニットの現在位置が同中継局ユニットにセットされる。これにより撤収の際に同中継局ユニットは回収が可能である。
Specifically, a new egg is laid (one set) when it reaches the last point where reception from the three relay unit units for GPS communication becomes impossible. As a result, the GPS network can be expanded by autonomous control, so that the node unit position identification function can be continued.
When the relay station unit is arranged, the current position of the identified node unit is set in the relay station unit. As a result, the relay station unit can be recovered upon withdrawal.
また、複数の節ユニットおよび配置される複数のＧＰＳ通信用中継局ユニットは、いずれもアドホックネットワークで認証・登録される。ここでアドホックネットワークとは、無線ＬＡＮのようなアクセスポイントを必要としない、無線で接続できる端末(パソコン、PDA、携帯電話など)のみで構成されたネットワークを意味し、自立分散型無線ネットワークとも言われる。各節ユニットは、固定基地となるＧＰＳ通信用中継局ユニットで構成されるメッシュ状のネットワークに対して、移動と共にアドホックで所属するＧＰＳ通信用中継局ユニットをリアルタイムで切り替えるようにしている。 Further, the plurality of node units and the plurality of GPS communication relay station units arranged are all authenticated and registered in the ad hoc network. Here, an ad hoc network means a network composed only of terminals (PCs, PDAs, mobile phones, etc.) that can be connected wirelessly without requiring an access point such as a wireless LAN, and is also referred to as an autonomous distributed wireless network. Is called. Each node unit is configured to switch the relay station unit for GPS communication belonging to the mesh network composed of the relay station unit for GPS communication serving as a fixed base in real time as it moves.
設置したＧＰＳ通信用中継局ユニットからの位置情報を元に、各節ユニットは自己位置を同定すると共に環境認識を行う。環境認識は距離画像ＣＭＯＳで構成される立体検知センサの距離データを元に、立体地図を合成して作成する（３６０度ぐるりと撮影したデータを元に地図作成）。
ただし、この方法は最短でも都度の地図作成に数秒必要であり、移動性能に制限が出てくる。迅速に階段を駆け下りる性能が要求される場合は、移動中の撮像データを合成して地図を作成することにより、リアルタイム性を確保する。
Based on the position information from the installed GPS communication relay station unit, each node unit identifies its own position and recognizes the environment. Environment recognition is created by synthesizing a three-dimensional map based on distance data of a three-dimensional detection sensor constituted by a distance image CMOS (map creation based on data photographed around 360 degrees).
However, this method requires several seconds to create each map at the shortest, and the movement performance is limited. When the ability to run down stairs quickly is required, real-time performance is ensured by creating a map by synthesizing moving image data.
そして、被災者を熱線センサやカメラセンサで発見し、被災者と音声で対話したり、救援物資を搬送するのである。
図１８に、本発明の多関節構造体により、地下３階の建造物内を探索しているイメージ図を示す。
長尺連結された節ユニットが、１Ｆの出入り口から侵入し、１階には節ユニットが２台とＧＰＳ通信用中継局ユニットが１台設置され、Ｂ１階には節ユニットが２台とＧＰＳ通信用中継局ユニットが２台設置され、Ｂ２階には節ユニットが１台とＧＰＳ通信用中継局ユニットが２台設置され、Ｂ３階には節ユニットが１台とＧＰＳ通信用中継局ユニットが１台設置されている。
Then, the victim is discovered with a heat ray sensor or a camera sensor, and a dialogue with the victim is made by voice or relief supplies are conveyed.
FIG. 18 shows an image diagram in which a multi-joint structure of the present invention searches for a building on the third basement floor.
Long-connected node units enter from the entrance of 1F, two node units and one GPS communication relay station unit are installed on the first floor, and two node units are installed on the B1 floor with GPS communication. Two relay station units are installed, one node unit and two GPS communication relay station units are installed on the B2 floor, and one node unit and one GPS communication relay station unit are installed on the B3 floor. A stand is installed.
各節ユニットからの収集情報から建造物内の立体地図を作成し、その中での各節ユニットの位置をマッピングしている。また、平面地図も作成し、節ユニットの位置をマッピングしている。更に、Ｂ３階では被災者を発見し、その撮影画像が示されている。これらの地図情報、各節ユニットおよび中継局ユニットの位置情報、現場画像情報は、無線により進入してきた長尺連結の節ユニットに送られる。長尺連結されている節ユニットは、情報を伝達していき、建造物外部まで情報を届ける。建造物外部では監視操作端末が設けられ、逐次情報を収集し、被災状況を操作者に把握可能なようにしている。 A three-dimensional map in the building is created from the collected information from each node unit, and the position of each node unit in it is mapped. A plane map is also created to map the position of the node unit. Furthermore, on the B3 floor, a victim is found and the captured image is shown. These map information, position information of each node unit and relay station unit, and field image information are sent to a long-connected node unit that has entered wirelessly. Node units connected in a long way transmit information and deliver information outside the building. A monitoring operation terminal is provided outside the building to collect information sequentially so that the operator can grasp the damage situation.
本発明の多関節構造体で構築された通信ネットワーク内に入った人間は、ネットワークに接続されたＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）で各節ユニットからの画像や位置情報を確認すると共に、各節ユニットに指示を与えることも可能である。 A human who enters the communication network constructed with the multi-joint structure of the present invention checks the image and position information from each node unit with an HMD (head mounted display) connected to the network, and It is also possible to give instructions.
この他、移動性と基地機能を有するバギー車などの移動体に、複数台の節ユニットを積み込んで、被災した建造物付近に到達する。移動体で一次探索を行い、節ユニットが進入困難な被災状態において、最適な進入路（瓦礫の除去など）の策定を可能とする。 In addition, a plurality of node units are loaded on a moving body such as a buggy car having mobility and a base function, and reach the vicinity of the damaged building. A primary search is performed on a moving body, and it is possible to formulate an optimal approach path (such as debris removal) in a damaged state where it is difficult for the node unit to enter.
図１９に、各節ユニットがＧＰＳ通信用中継局ユニットを排出し配置していくイメージ図を示す。ＧＰＳ通信用中継局ユニットの形状は、節ユニットの内部から排出されやすいように外観は流線形の卵型にしている。 FIG. 19 shows an image diagram in which each node unit discharges and arranges the GPS communication relay station unit. The GPS communication relay station unit has a streamlined egg shape in appearance so that it can be easily discharged from the inside of the node unit.
次に、本発明の多関節構造体が建屋内に侵入する際に、階段の上り下りや障害物の乗り越えや、場合によっては出入り口のドアを開けて侵入する場合は、各節ユニットが長尺連結してチューブのように移動することにより、階段の段差やドアのノブの高さの問題をどのように解決するかについて説明する。
図２０と図２１は、各節ユニットが長尺連結して階段を上る様子を示している。図２０は階段を１段上り始めた様子を示しており、図２１は階段を３段上った様子を示している。階段の段差を乗り越えるために、クローラ型駆動手段と、連結部の軸駆動手段が連携していることがわかる。
Next, when the multi-joint structure of the present invention enters the building, when the stairs are climbed up and down, obstacles are climbed, or in some cases, the doors of the entrances are opened, the individual node units are long. A description will be given of how to solve the problem of the steps of the stairs and the height of the door knob by connecting and moving like a tube.
20 and 21 show a state in which each knot unit is connected in a long way and goes up the stairs. FIG. 20 shows a state where the staircase has begun to rise one step, and FIG. 21 shows a state where the staircase has been raised three steps. It can be seen that the crawler type driving means and the shaft driving means of the connecting portion are linked in order to overcome the steps of the stairs.
また、図２２は、各節ユニットが連結してドアのノブの位置まで這い上がる様子を示している。ドアのノブに対しては、各節ユニットが連結してチューブのように移動することにより、ドアのノブの位置まで這い上がることが可能となり、挟持手段を有する先頭の節ユニットがドアのノブを操作してドアを開けるのである。 FIG. 22 shows a state in which each node unit is connected and climbed up to the position of the door knob. With respect to the door knob, each joint unit is connected and moved like a tube, so that it is possible to crawl up to the position of the door knob. Operate to open the door.
ここで挟持手段とは、図２３に示すように、回るドアノブを左右方向から挟み込めるものである。ドアノブの形状、大きさ、位置はセンシング手段により認識している。例えば、ドアノブが時計方向に回すとドアが開くものであったとする。各節ユニットが長尺連結して、そのチューブの全体形状を変形させることにより、ドアノブを時計方向に回し、ドアを開けるのである。 Here, as shown in FIG. 23, the clamping means is to clamp the rotating door knob from the left and right directions. The shape, size and position of the doorknob are recognized by the sensing means. For example, it is assumed that the door opens when the door knob is turned clockwise. Each node unit is connected long and deforms the entire shape of the tube, thereby turning the door knob clockwise to open the door.
以上述べてきた本発明の多関節構造体は、多関節構造体を構成する節ユニット又は複数の節ユニットにより成る節ユニットブロックで構成される前記多関節構造体全体において、どの部位にその多関節構造体が存在するかをシステム全体が認識する必要がある。例えば人体に装着する場合、右手用のＦＳＴと左手のＦＳＴがそれぞれ接続された時点で、どちらのＦＳＴが右手側なのか認識する必要が、ＦＳＴとシステム全体の両者に必要である。それぞれの用途に応じて認識方法を選択できるが、大きくは以下の３つに別れよう。 The multi-joint structure of the present invention described above is the multi-joint structure in which the multi-joint structure is composed of the knot unit constituting the multi-joint structure or the knot unit block composed of a plurality of knot units. The entire system needs to recognize whether a structure exists. For example, when wearing on the human body, it is necessary for both the FST and the entire system to recognize which FST is on the right hand side when the right-hand FST and the left-hand FST are connected. Although the recognition method can be selected according to each application, it can be roughly divided into the following three.
（１）元々各部の専用として作る（最も汎用性が低い）
（２）ＤＩＰスイッチなど接続時にＩＤを認識させる（やや低い）
（３）社内ＬＡＮのように接続と同時に自動認証出来るアドホック認証（汎用性が高い）
これらはコストや求められる機能に応じて選択されることになる。
(1) Originally made exclusively for each part (lowest versatility)
(2) Recognize ID at the time of connection such as DIP switch (slightly low)
(3) Ad hoc authentication (high versatility) that can be automatically authenticated at the same time as the connection, such as in-house LAN
These are selected according to the cost and the required function.
特に、複数のＦＳＴで多段接続あるいは分岐接続されると共に、無線手段で複数のユニット間が通信ネットワークを構成しているような状況下において、ＦＳＴの延長や追加、あるいは故障時の交換では、設定不要で瞬時に当該ＦＳＴの追加や削除、交換を行う必要がある。そのような用途ではパソコン用ＬＡＮに見られるようなアドホック認証手段を選択するのが最適である。
逆に、常に特定のものにしか接続されないなど用途が明確な場合は、出荷時に個別情報をＲＯＭに焼きこむなど、簡単にＩＤ認証を構成することも可能である。
In particular, in a situation where a multi-stage connection or a branch connection is made by a plurality of FSTs and a communication network is formed between a plurality of units by wireless means, setting is required for extension or addition of FSTs or replacement at the time of failure. It is necessary to add, delete, or replace the FST instantly without need. For such applications, it is optimal to select an ad hoc authentication means such as found in personal computer LANs.
On the other hand, if the application is clear, such as being always connected to a specific one, ID authentication can be easily configured, such as burning individual information into a ROM at the time of shipment.
以上述べてきた本発明の多関節構造体は、前記多関節構造体を１個単位あるいは数個単位に自動あるいは手動で分離・連結可能とする技術、前記多関節構造体を１個以上の連結分岐手段を用いて多段連結可能とする技術、有線技術と無線技術の連携による位置同定に関する技術、自己ＩＤの認証技術を有することで、広く様々な産業に利用可能となる。 The articulated structure according to the present invention as described above is a technology that enables the articulated structure to be separated or connected in units or several units automatically or manually, and the articulated structure is connected to one or more units. Having technology that enables multi-stage connection using branching means, technology related to position identification by cooperation between wired technology and wireless technology, and self-ID authentication technology can be widely used in various industries.
本発明の多関節構造体を人体に装着すれば、人体や指の動きを検知するセンサとして利用出来る。また、本発明の多関節構造体を利用した装着具などは、リハビリ用トレーニング装置やスポーツ用トレーニング装置や熟練技能者の伝承アシスト装置などに応用が期待できる。 If the multi-joint structure of the present invention is attached to a human body, it can be used as a sensor for detecting the movement of a human body or fingers. Further, the wearing tool using the multi-joint structure of the present invention can be expected to be applied to a rehabilitation training device, a sports training device, a transfer assist device for skilled technicians, and the like.
また本発明の多関節構造体は、災害時、建物の下敷きになった人を探し出したりする場合に使用される特殊環境用ロボットシステムに利用できる。
地下鉄ホーム（改札を含む）、地下街、高層ビルなどの閉鎖空間（階段、ドアを含む）において、障害物の回避・乗り越え・軽量物の排除を行いながら、迅速に歩く人間と同程度の平均速度で、半自律走行でき、また、複数の節ユニットの走行経路をモニタリングし、複数の映像を含むセンシング情報をＧＩＳ（Geographic Information System）上にマッピングできることが理解される。複数の節ユニットが、階段やドアのある建物内で被災した人を探索しながら迅速に移動し、建物のＧＩＳマップをもとにして、決められた地点とそこに至るまでの映像情報等を、高速かつ分散的に情報収集できるのである。
The articulated structure of the present invention can be used for a robot system for special environments used when searching for a person who lays a building under a disaster.
In closed spaces (including stairs and doors) such as subway platforms (including ticket gates), underground malls, and high-rise buildings, average speeds similar to those of a fast walking person while avoiding obstacles, getting over, and eliminating lightweight objects Thus, it can be understood that semi-autonomous traveling can be performed, the traveling route of a plurality of node units can be monitored, and sensing information including a plurality of images can be mapped on a GIS (Geographic Information System). Multiple node units move quickly while searching for victims in a building with stairs and doors, and based on the GIS map of the building, the video information, etc. up to that point is obtained. It is possible to collect information at high speed and in a distributed manner.
１ フレキシブルセンサチューブ（ＦＳＴ）
２ 最小単位の節
３ 接続部
４ ＦＳＴ接続部
５ 中継・分岐ＢＯＸ
６ 腰装着型分岐ＢＯＸ
７ 人体
８ ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）
９ ハンドコントローラ
１０ フットコントローラ
１１ ひじグリップ
１２ ＦＳＴを組み込んだ衣服
１３ 前後・左右・回転などの可動を可能とした接続部
１４ クローラ
１５ 無線を用いた通信ならびに位置同定手段
１６ 船上のＦＳＴ接続基準点
１７ 船
１８ 水中移動ユニット（連結機能有り）
１９ 監視カメラ
２０ 水中用ハンド
２１ 移動対象物体
２２ 乗降用ロボット
２３ 指圧センサまたはモーションレスポンス
２４ 指用ＦＳＴ
２５ 指用ＦＳＴ用分岐ユニット
２６ 指用ＦＳＴなどを組み込んだ手袋
２７ 人体
２８ 内視鏡
２９ 平行に並べることで面上に構成したＦＳＴ
３０ 着座状態認識センサ
３１ バッテリー
３２ 無線ＬＡＮ
Ａ 頭用ＦＳＴ（ＨＭＤと接続）
Ｂ 右手用ＦＳＴ（ハンドコントローラと接続）
Ｃ 左手用ＦＳＴ（ハンドコントローラと接続）
Ｄ 右足用ＦＳＴ（フットコントローラと接続）
Ｅ 左足用ＦＳＴ（フットコントローラと接続）
1 Flexible sensor tube (FST)
2 Node unit 3 Connection 4 FST connection 5 Relay / branch BOX
6 Waist-mounted branch BOX
7 Human body 8 Head mounted display (HMD)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 Hand controller 10 Foot controller 11 Elbow grip 12 Clothes incorporating FST 13 Connection part enabling movable back and forth, right and left, rotation, etc. 14 Crawler 15 Communication and position identification means using radio 16 FST connection reference point on ship 17 Ship 18 Underwater mobile unit (with connection function)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 19 Surveillance camera 20 Underwater hand 21 Moving object 22 Boarding / alighting robot 23 Acupressure sensor or motion response 24 Finger FST
25 FST branch unit for fingers 26 Gloves incorporating FST for fingers, etc. 27 Human body 28 Endoscope 29 FST configured on the surface by arranging in parallel
30 Seating state recognition sensor 31 Battery 32 Wireless LAN
A head FST (connected to HMD)
B FST for right hand (connected to hand controller)
C Left-handed FST (connected to hand controller)
D FST for right foot (connected to foot controller)
E Left foot FST (connected to foot controller)
Claims (14)
前記多関節構造体における外形形状は管状若しくは筒状に構成され、内部に動力線が配設され、
前記多関節構造体の形状が変形した際に、前記節ユニット間の連結部の変化量をリアルタイムに検出し、前記節ユニット間の連結部の並進、回転移動した際の移動量及びベクトルを出力でき、
前記多関節構造体が人体又は移動体に組み込まれたことを特徴とする多関節構造体。 A change amount detection sensor such as a potentiometer is provided at a connecting portion between the node units, a plurality of sensors are set as a group unit, and a signal of the sensor is taken into the signal processing unit for each group unit. And a processing operation unit connected to the communication network is an articulated structure that performs arithmetic processing based on signal data of the sensor,
The outer shape of the multi-joint structure is configured in a tubular or cylindrical shape, and a power line is disposed inside,
When the shape of the multi-joint structure is deformed, the amount of change in the connecting portion between the node units is detected in real time, and the amount of movement and vector when the connecting portion between the node units is translated and rotated are output. Can
A multi-joint structure, wherein the multi-joint structure is incorporated in a human body or a moving body.
2. The multi-joint structure according to claim 1, wherein means for fixing the outer skin to the node unit at the same time as covering the node unit with a waterproof, dustproof, fireproof or other outer skin as necessary is added. Structure.
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