JP2011523903A - 力バランス移動ロボットシステム - Google Patents
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Abstract
Description
この出願は、2008年5月21日に出願され、その内容全体がこの明細書中に引用により援用される米国仮出願連続番号第61/054,903号の優先権を米国特許法第119条(e)の下に主張する。
この発明のさまざまな実施例は、移動体資産(mobile assets)に関し、より具体的には、対象物の輸送および操作のために利用可能な力バランス移動ロボットに関する。
ほとんどの既存輸送システムは、人間または荷重の位置決めを静的安定性を通じて行なう。言い換えれば、そのようなシステムは、そのようなシステムの接地について予測されるすべての配置条件に関して機械的構造的に安定である。たとえば、自動車および三輪車は、その重心を、その車輪が形成する多角形の上方に維持する。自動車および三輪車は、その位置を、その速度を維持するのに必要な作動に作動を追加せずに維持する。
起伏の多いまたは雑然とした地形上で使用可能な移動自己バランスロボットシステムが必要とされている。例示的な実施例において、そのようなロボットシステムは、おおよそ一定の速度を表面にわたって維持しながら動的に安定であることができる。加えて、このロボットシステムは、そのバランスを、力を吸収しながらおよび加えながら維持することが望ましい。この発明の実施例は、そのようなロボットシステムに関する。
この発明の原理および特徴を理解しやすくするために、以下にさまざまな例示的な実施例を説明する。この発明の例示的な実施例は、ロボットシステムと、そのようなシステムを制御し、そのバランスを動的に取る方法とを含む。特に、ロボットシステムの実施例は、対象物の輸送および操作のために用いることを背景において説明される。しかしながら、この発明の実施例は、この背景に限定されない。そうではなく、この発明のさまざまな実施例は、さまざまな他の背景において用いることができる。たとえば、バランスを維持しながら、さまざまな実施例は、外部対象物に力を加え得、または外力に晒されても対象物の配置を維持し得る。さまざまな実施例を状況に応じて用いることもできる。加えて、本願における図面に描かれるロボットシステムは、人間の身体的特徴を有するが、これは、この発明に従ったロボットシステムに必要ではない。たとえば、実施例によっては、ロボットシステムは、移動車両または他の移動体資産の外見を有し得る。
図1には、ロボットシステム100の例示的な実施例が示されている。図1に示されるように、ロボットシステム100は、本体110と、接地アセンブリ120と、1つ以上のバランス部材135と、バランスシステム130とを含み得る。本体110は、ロボットシステム100のための構造基礎を提供し得る。接地アセンブリ120は、地面などの表面50の上方に本体110を支持し得る。バランス部材135は、ペイロードを支持するまたはロボットシステム100の動的安定化に寄与するなどのさまざまな機能を提供し得る。そのような動的安定化は、以下に詳細に説明される。
上述のように、および図1に示すように、ロボットシステム100は、本体110と接地アセンブリ120と、1つ以上のバランス部材135と、バランスシステム130とを含み得る。
本体110は、ロボットシステム100のための構造基礎であり得る。本体110は、静的に不安定であることによって、ロボットシステム100全体を静的に不安定にし得る。安定性とは、動作点または配向に戻るシステムの漸近挙動を指す。言い換えれば、ロボットシステム100がバランスを能動的にとらない場合、静的に不安定な本体110は、直立のままでいることができないことがあり得る。しかしながら、ロボットシステム100は、自己のバランスを能動的に取るものであり得るため、本体110を動的に安定化することができる。
再び図1を参照して、接地アセンブリ120は、本体110を地面などの表面50上に支持することができる。たとえば、接地アセンブリ120は、1つ以上の車輪125を含み得る。例示的な実施例において、接地アセンブリ120の地面50との接触域は比較的小さい。したがって、地面50の対応して小さな表面域しかロボットシステム100の動作に必要でない。図1に示されるように、例示的な実施例において、接地アセンブリ120は、2つ以下の車輪125を含み得る。車輪125は、軸方向に位置合わせされ得る。そのような接地アセンブリ120によって支持されているため、ロボットシステム100は、静的に不安定であり得る。
1つ以上のバランス部材135をロボットシステム100のバランスに寄与することも含めてさまざまな目的のために設けることができる。図1に示されるように、バランス部材135は、直列に関節アーム140に配列され得る。この構成は、空間効率がよく、バランス部材135における十分な自由度を提供して、バランス部材135の再位置決めか加速かのいずれかを通じてロボットシステム100のバランスを取ることを可能にし得る。
バランスシステム130は、ロボットシステム100のバランスを能動的に取り得る。例示的な実施例において、バランスシステム130は、ロボットシステム100が外力を吸収するまたは力をその環境に加える間でさえも、ロボットシステム100のバランスを取るのに効果的であり得る。例示的な実施例において、バランスシステム130は、ロボットシステム100がおおよそ一定の速度を表面50にわたって維持する間ロボットシステム100のバランスを取り得る。場合によっては、そのような一定の速度は、ゼロ速度であり得る。所望される速度および他の命令は、制御装置によってロボットシステム100に指示され得る。制御装置は、ロボットシステム100上に位置し得、または遠隔制御装置であり得る。遠隔制御装置が設けられる場合、そのような装置は、ロボットシステム100と有線または無線接続を介して通信し得る。
再位置決めシステム170は、ロボットシステム100のさまざまな構成要素を再位置決めして重心を目標線または目標点まで移動させることによって、ロボットシステム100のバランスを取ることができる。そのような再位置決め構成要素には、たとえば、基部115と、胴部118と、本体110全体と、バランス部材135とが含まれ得る。ロボットシステム100が移動するにつれて、または外力がロボットシステム100に加わるにつれて、質量中心が安定した状態から不安定な状態に変化することがある。ロボットシステム100のさまざまな構成要素が質量中心の再安定化を担っている。再位置決めは、制御ループにおいて繰返し行なわれて、ロボットシステム100のバランスを保持することができる。
加速システム180は、ロボットシステム100にトルクを生じることによってバランスをもたらすことができる。加速システム180の適用は、バランスを保持しようと腕を大きく動かす人の動作に類似する。加速システム180は、感知システム610およびさまざまな力センサ160からロボットシステム100にかかっている力に関するデータを受取り得る。加速システム180は、ロボットシステム100によって加えられるであろう力などの予期される力も考慮に入れ得る。たとえば、ロボットシステム100がテーブルを押すまたはドアを引くよう命令される場合、そのような動作を予期することができる。力が加えられようとする場合、そのような力は、バランスシステム130によって予期することができる。したがって、ロボットシステム100は、1つ以上のバランス部材135を加速させて、予期される力の印加に備えることによってそのような力に対して備えることができる。
駆動システム190は、他のバランスシステムおよび装置によって用いられるシステムに類似し得る。より具体的には、駆動システム190は、接地アセンブリ120を駆動して、質量中心を目標点にまたは目標点を垂直に貫通する目標線に位置決めすることができる。接地アセンブリ120をそのような目標に向かって駆動すると、ロボットシステム100のバランスを取ることができる。接地アセンブリ120の繰返される計算および動きは、制御ループにおいて提供されて、ロボットシステム100のバランスを保持することができる。
したがって、この明細書中に説明されるように、ロボットシステム100の実施例は、平坦でない予測不可能なまたは雑然としたな地形でかつさまざまな力に晒されるまたは加えるとき、効果的に動作することができる。
Claims (47)
- 静的に不安定な自己バランスロボットシステムであって、
1つ以上のバランス部材と、
前記ロボットシステムがおおよそ一定の速度を表面にわたって維持する間前記ロボットシステムに動的安定性を与えるためのバランスシステムとを備え、前記バランスシステムは、前記バランス部材のうち少なくとも1つを繰返し再位置決めして、前記ロボットシステムの質量中心を目標まで移動させ、前記目標は、前記ロボットシステムのバランスを取るように選択される、自己バランスロボットシステム。 - 前記バランスシステムは、再位置決めのための前記バランス部材の部分集合を選択する、請求項1に記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記バランスシステムは、前記ロボットシステムのバランスを取るための目標トルクを計算する、請求項1または2に記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記バランスシステムは、前記バランス部材を加速させて、前記目標トルクを前記ロボットシステムに生じさせる、請求項3に記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記バランスシステムは、フィードバック線形化を利用して、前記バランス部材をどのように再位置決めするかを決定する、請求項1から4のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記バランスシステムは、前記バランス部材をどのように位置決めするかをヤコビ行列の疑似逆元を利用して、前記ロボットシステムの前記質量中心の所望される速度ベクトルを前記バランス部材の目標部材速度ベクトルの集合に写像することによって計算する、請求項1から5のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記バランスシステムは、前記バランス部材の部分集合の再位置決めを非アクティブにするように構成される、請求項1から6のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記バランスシステムは、第1のバランス部材の再位置決めを第2のバランス部材の再位置決めよりも優先するように構成される、請求項1から7のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記バランスシステムは、前記質量中心の再位置決めに対する各バランス部材の寄与に対応して前記バランス部材に重みの集合を適用する、請求項1から8のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記バランスシステムは、選択バランス部材を予め定められた位置に保持するように構成される、請求項1から9のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 静的に不安定な自己バランスロボットシステムであって、
1つ以上のバランス部材と、
前記ロボットシステムがおおよそ一定の速度を表面にわたって維持する間前記ロボットシステムに動的安定性を与えるためのバランスシステムとを備え、前記バランスシステムは、前記バランス部材のうち少なくとも1つを繰返し加速させて、目標トルクを前記ロボットシステムに生じさせ、前記目標トルクは、前記ロボットシステムのバランスを取るように計算されている、自己バランスロボットシステム。 - 前記ロボットシステムを表面の上方で支持するための接地アセンブリをさらに備える、請求項1から11のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記接地アセンブリは、1つ以上の車輪を含む、請求項12に記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記接地アセンブリは、2つ以下の車輪を含む、請求項13に記載の自己バランスロボットシステム。
- 基部をさらに備え、前記バランスシステムは、前記接地アセンブリを駆動して、前記基部を前記ロボットシステムの前記質量中心の下に再位置決めする、請求項12から14のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記バランスシステムは、カルマンフィルタを適用して、前記ロボットシステムの起こり得る動きを予測する、請求項1から15のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記ロボットシステムの一部のピッチの兆候を感知するための感知システムをさらに備える、請求項1から16のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記感知システムは、ジャイロスコープと加速度計とからなる群のうち少なくとも1つを含む、請求項17に記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記感知システムは、前記ロボットシステムに加えられる外力を感知するための力センサをさらに含む、請求項17または18に記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記バランスシステムは、前記外力と等しくかつ対向する力を生じて、前記ロボットのバランスを保持するようにさらに構成される、請求項19に記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記表面にわたる前記ロボットシステムの前記速度は、およそゼロの大きさを有する、請求項1から20のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記ロボットシステムの前記速度は、制御可能である、請求項1から21のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記ロボットシステムの前記速度は、遠隔制御装置によって制御可能である、請求項1から22のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記バランス部材は、直列に配列され、アームジョイントによって繋ぎ合わされて、第1の関節アームを形成する、請求項1から23のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 第2の関節アームをさらに備える、請求項24に記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記バランス部材は、2つ以上のアクチュエータによって制御可能である、請求項1から25のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記アクチュエータのうち少なくとも1つは、電動機である、請求項26に記載の自己バランスロボットシステム。
- 本体をさらに備え、前記バランス部材のうち少なくとも1つは、前記本体から延在する、請求項1から27のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記本体は、
基部と、
前記基部に腰部ジョイントによって取付けられる胴部とを含む、請求項28に記載の自己バランスロボットシステム。 - 前記腰部ジョイントは、腰部アクチュエータに結合されている、請求項28または29に記載の自己バランスロボットシステム。
- 前記バランス部材のうち少なくとも1つは、前記胴部から延在する、請求項28から30のいずれかに記載の自己バランスロボットシステム。
- 一定速度を有する静的に不安定なロボットシステムであって、前記ロボットシステムは、
1つ以上のバランス部材と、
前記ロボットシステムの質量中心が安定である第1の状態と、
前記ロボットシステムの前記質量中心が不安定である第2の状態とを備え、前記質量中心を目標に移動させることによって前記質量中心に安定性が回復される、ロボットシステム。 - 静的に不安定なロボットシステムのバランスを取る方法であって、前記方法は、
1つ以上のバランス部材を有する静的に不安定なロボットシステムを提供するステップと、
前記ロボットシステムの質量中心を計算するステップと、
目標を決定するステップとを備え、前記ロボットシステムは、前記質量中心が前記目標に位置決めされるとバランスが取れ、
前記ロボットシステムをおおよそ一定速度に表面にわたって維持しながら、前記バランス部材のうち少なくとも1つを繰返し位置決めして、前記ロボットシステムの前記質量中心を前記目標に再配置することによって、前記ロボットシステムのバランスを取るステップをさらに備える、方法。 - 基部に適用されると前記基部のバランスを取る目標トルクを計算するステップをさらに備える、請求項33に記載の方法。
- 前記バランス部材を加速させて、前記目標トルクを前記基部に生じさせるステップをさらに備える、請求項34に記載の方法。
- フィードバック線形化を利用して前記バランス部材をどのように再位置決めするかを決定するステップをさらに備える、請求項33から35のいずれかに記載の方法。
- ヤコビ行列の疑似逆元を利用して前記ロボットシステムの前記質量中心の所望される速度ベクトルを前記バランス部材の目標部材速度ベクトルの集合に写像することによって、前記バランス部材をどのように再位置決めするかを計算するステップをさらに備える、請求項33から36のいずれかに記載の方法。
- 前記バランス部材の部分集合の再位置決めを非アクティブにするステップをさらに備える、請求項33から37のいずれかに記載の方法。
- 静的に不安定なロボットシステムのバランスを取る方法であって、前記方法は、
1つ以上のバランス部材を有する静的に不安定なロボットシステムを提供するステップと、
前記ロボットシステムに作用する1つ以上の外力を決定するステップと、
前記ロボットシステムのバランスを取るための目標トルクを計算するステップと、
前記ロボットシステムをおおよそ一定の速度に表面にわたって維持しながら、前記バランス部材のうち少なくとも1つを繰返し加速させて、前記目標トルクを前記ロボットシステムに生じさせることによって、前記ロボットシステムのバランスを取るステップとを備える、方法。 - 前記基部を前記ロボットシステムの前記中心の下に再位置決めするために前記基部を表面にわたって推進するステップをさらに備える、請求項33から39のいずれかに記載の方法。
- 前記基部の起こり得る動きを予測するためにカルマンフィルタを適用するステップをさらに備える、請求項33から40のいずれかに記載の方法。
- 前記基部のピッチの兆候を感知するステップをさらに備える、請求項33から41のいずれかに記載の方法。
- 前記基部の前記ピッチの前記兆候を感知する前記ステップは、ジャイロスコープと加速度計とからなる群のうち少なくとも1つを利用するステップを含む、請求項42に記載の方法。
- 前記ロボットシステムに加えられる外力を感知するステップをさらに備える、請求項33から43のいずれかに記載の方法。
- 前記外力と等しくかつ対向する力を加えて前記基部のバランスを保持するために前記バランス部材を調節するステップをさらに備える、請求項44に記載の方法。
- 前記外力と等しくかつ対向する力を加えて前記基部のバランスを保持するために前記基部を調節するステップをさらに備える、請求項44または45に記載の方法。
- 前記基部のおおよそゼロ速度を前記基部を支持する前記表面にわたって維持するステップをさらに備える、請求項33から46のいずれかに記載の方法。
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