JP6344523B2

JP6344523B2 - 球乗りロボット

Info

Publication number: JP6344523B2
Application number: JP2017504987A
Authority: JP
Inventors: 滋辻; 満北河
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2018-06-20
Anticipated expiration: 2036-02-29
Also published as: JPWO2016143581A1; CN107407939B; WO2016143581A1; CN107407939A; US20170357272A1; US10168715B2

Description

本発明は、球乗りロボットに関し、詳しくは、鉛直軸を中心に回転する場合にバランスをとりながら所定の姿勢を保つことのできる球乗りロボットに関する。

球乗りロボットには、１つの球体上でバランスをとりながら所定の姿勢を保つことができるように構成されたものがあり、球体を転動させて移動したり、球体中心を通る鉛直軸を中心に回転したりすることができるように構成されたものがある。

そして、特許文献１には、そのような球乗りロボットの一例として、図５に示すような球乗りロボット１０１が開示されている。
特許文献１に開示されている球乗りロボット１０１は、球体１１０と、球体１１０上に配設されたロボット本体１２０とを備えている。
ロボット本体１２０は、球体１１０を転動させるための複数の駆動機構１２１と、ロボット本体１２０の姿勢を制御する姿勢制御用アクチュエータ１２４を備えている。また、ロボット本体の内部には、ロボット本体１２０の姿勢を検出する姿勢検知センサ１２６が取り付けられている。

そして、複数の駆動機構１２１を駆動して球体１１０を転がすことで、球体１１０に乗ったロボット本体１２０が、球体１１０とともに所望の位置まで移動することができるように構成されている。

また、この球乗りロボット１０１においては、姿勢制御用アクチュエータ１２４を用いて、ロボット本体１２０の上部に配設された重りを水平方向に移動させることで重心を変え、球乗りロボット１０１を所定の方向に傾けて姿勢制御を行うことができるように構成されている。

特開２００５−３４２８１８号公報

ところで、球乗りロボットにおいて、ロボット本体は、基本的に、その重心が球体の中心を通る鉛直軸上に位置するような態様で球体上に乗せられることにより、転倒や落下などを招くことなく、球体とともに移動したり、球体の上で回転したりすることができるように構成されている。

一方、ロボット本体には、装飾部材や、姿勢検知センサ、バッテリー、制御機器などを備えていることから、ロボットを設計するにあたり、ロボット本体の重心を、その軸線上に位置させることは困難である。
したがって、ロボット本体を、その重心が上記鉛直軸上に位置するような態様で球体上に乗せた場合、ロボット本体に配設された姿勢検知センサの位置や向きなどは、設計した位置や向き（例えば、ロボット本体の軸線を回転軸として回転対称になるような位置や向き）からある程度ずれてしまうことは避けがたいのが実情である。

そして、姿勢検知センサの位置や向きなどが意図する位置や向きからずれた状態で、ロボット本体を、例えば、ロボット本体の重心が位置する、球体の中心を通る鉛直軸廻りに回転（ヨー方向に回転）させた場合、姿勢検知センサが、ヨー方向の回転に起因して発生する他の方向の成分（例えばロール方向の成分）を拾ってしまい、正確な姿勢検知ができず、ロボット本体の姿勢を精度よく制御することが困難になるという問題点がある。

本発明は、上記課題を解決するものであり、球体上に乗ったロボット本体を、その重心が位置する鉛直軸を中心に回転（ヨー方向に回転）させた場合に、精度よく姿勢を制御することが可能な球乗りロボットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の球乗りロボットは、
球体と、
前記球体上に乗った状態で、前記球体を転動させ、前記球体とともに移動することができるように構成されたロボット本体と
を備えた球乗りロボットであって、
前記ロボット本体が、
前記球体上を自身がヨー方向に回転するための駆動機構と、
前記ロボット本体のヨー方向の角速度を検出するヨー方向角速度センサと、
前記ロボット本体のロール方向の角速度を検出するロール方向角速度センサと
を有し、
前記ロボット本体の重心が前記球体の中心を通る鉛直軸と一致するような姿勢で前記ロボット本体が前記球体上に位置し、前記ロール方向角速度センサの基軸が、ピッチ方向に、水平に対して傾斜した状態で、前記ロボット本体を、前記鉛直軸を中心とするヨー方向に回転させた場合において、前記ロール方向角速度センサの前記基軸の前記傾斜に基づいて生じる、ロール方向の角速度の検出誤差を打ち消す補正を行うことにより、前記ロボット本体が所定の姿勢を保ちつつ回転することができるように構成されていることを特徴としている。

また、本発明の球乗りロボットは、前記ロボット本体が、ピッチ方向の角速度を検出するピッチ方向角速度センサを備え、前記ピッチ方向角速度センサで検出した角速度をもとに、前記ロール方向角速度センサの前記基軸が水平に対して傾斜している角度を求め、前記角度に基づいて、前記ロール方向の角速度の誤差を求めるように構成されていることが好ましい。

ロボット本体が、ピッチ方向の角速度を検出するピッチ方向角速度センサを備え、ピッチ方向角速度センサで検出した角速度をもとに、ロール方向角速度センサの基軸が水平に対して傾斜している角度を求め、前記角度に基づいて、ロール方向の角速度の誤差を求めるように構成されているので、より安定してヨー方向に回転することが可能な球乗りロボットを提供することができる。

本発明の球乗りロボットは、ロボット本体の重心が球体の中心を通る鉛直軸と一致するような姿勢でロボット本体が球体上に位置し、ロール方向角速度センサの基軸が、ピッチ方向に、水平に対して傾斜した状態で、ロボット本体を、鉛直軸を中心とするヨー方向に回転させた場合において、ロール方向角速度センサの基軸の傾斜に基づいて生じる、ロール方向の角速度の検出誤差を打ち消す補正を行うようにしているので、鉛直軸を中心に回転（ヨー方向に回転）する場合に、精度よく姿勢を制御することが可能で、ロボット本体を、所定の姿勢で安定して回転させることが可能な球乗りロボットを提供することができる。

なお、本発明では、球乗りロボットが正面を向いた場合の、前後に傾く方向をピッチ方向、左右に傾く方向をロール方向としているが、球乗りロボットの正面は、ロボットの意匠や展示の方法などより任意に決められることができる。すなわち、本発明において、球乗りロボットのどの向きを正面とするかは、任意に決めることのできる事項であり、例えば、ロール方向とピッチ方向を互いに置き換えて構成しても、同様の効果を得ることができる。

本発明の実施形態にかかる球乗りロボットの概略を示した斜視図である。本発明の実施形態にかかる球乗りロボットの側面図であり、ロボット本体の重心が球体中心を通る鉛直軸に一致している状態を示す図である。図２に示したロボット本体をヨー方向に回転させた場合に発生するヨー方向の角速度と、誤差成分としてロール方向に発生する角速度を示す図である。本発明の実施形態にかかる球乗りロボットの制御入出力図である。従来の球乗りロボットを示す図である。

次に、本発明の実施形態を示して本発明をさらに詳しく説明する。

本発明の実施形態にかかる球乗りロボット１は、図１に示すように、１つの球体１０と、球体１０上に乗った状態で球体１０を転動させ、球体１０とともに移動することができるように構成されたロボット本体２０とを備えている。

球乗りロボット１は、コンピュータなどの制御装置（図示せず）により遠隔操作され、球体１０を転動させることでステージ５上を移動し、また、球体１０の中心を通る鉛直軸ｖ１を中心としてヨー方向に回転することができるように構成されている。

なお、この実施形態では、球乗りロボット１を、ステージ５上の同一位置で、鉛直軸ｖ１を中心としてヨー方向に回転させる場合を中心に説明を行う。

球乗りロボット１の球体１０は、樹脂材料からなる球形の剛体である。球体１０は、金属材料から構成されていてもよく、また、金属材料を樹脂材料で被覆することにより形成されたものであってもよい。ただし、ロボット本体２０が滑り落ちたりせず、また、下記のオムニホイール２１ａ〜２３ａからの駆動力が十分に伝わるように、表面は適切な摩擦抵抗を有するものであることが望ましい。

ロボット本体２０は、球体１０上を自身がヨー方向に回転するための３つの駆動機構２１，２２，２３を備えている。
また、ロボット本体２０は、ピッチ方向の角速度を検出するピッチ方向角速度センサ２５と、ロール方向の角速度を検出するロール方向角速度センサ２６と、ヨー方向の角速度を検出するヨー方向角速度センサ２７とを備えている。
ロボット本体２０には、これらの角速度センサ２５〜２７からの入力信号を演算処理し、それぞれの駆動機構２１〜２３へ駆動指令を出力する制御部３０（図４参照）が内蔵されている。

駆動機構２１〜２３は、ロボット本体２０を全方位に移動可能とするためのオムニホイール（ｏｍｎｉｗｈｅｅｌ）２１ａ，２２ａ，２３ａと、オムニホイール２１ａ〜２３ａをそれぞれ回転させるギア付きサーボモータ２１ｂ，２２ｂ，２３ｂを備えている。駆動機構２１〜２３は、その軸心が鉛直方向Ｖに対して三叉状に分岐するように配設され、オムニホイール２１ａ〜２３ａの外周面が球体１０の表面に接するように球体１０上に配設されている。
この駆動機構２１〜２３を駆動させることにより、ロボット本体２０が、球体１０とともに任意の方向に移動することが可能で、かつ、ロボット本体２０が球体１０上において、ヨー方向に回転することができるように構成されている。なお、ロボット本体２０が回転する際に、球体１０は停止していてもよいし、逆方向に少し回転していてもよい。

また、この実施形態の球乗りロボット１においては、そのステージ５上の水平方向の位置を、図１には示していない制御手段により制御することができるように構成されている。

また、ロボット本体２０は、制御部３０として機能する回路基板２８を有しており、上述したピッチ方向角速度センサ２５とロール方向角速度センサ２６は、回路基板２８に実装されている。また、ヨー方向角速度センサ２７は、その基軸が鉛直方向Ｖと平行になるように、ロボット本体２０のカバー２９の内側に配設されている。

この実施形態の球乗りロボット１は、上述のように、駆動機構２１〜２３や、ピッチ方向角速度センサ２５、ロール方向角速度センサ２６、ヨー方向角速度センサ２７などを備えており、ロボット本体２０は、その重心Ｇが球体１０の中心を通る鉛直軸ｖ１上に位置するように球体１０上に乗った状態においては、図２に示すように、ロボット本体２０の軸線Ｔと鉛直軸ｖ１とが一致せず、軸線Ｔと鉛直軸ｖ１とは所定の角度（この実施形態ではθ_p）を有しており、回路基板２８の主面はピッチ方向に、水平に対して所定の角度（この実施形態ではθ_p）傾斜した状態となる。
その結果、ロール方向角速度センサ２６の基軸Ｙ１も、ピッチ方向に、水平に対して所定の角度（この実施形態ではθ_p）傾斜した状態となる。

そのため、例えば、ロボット本体２０を、その重心Ｇが位置する球体１０の中心を通る鉛直軸ｖ１を中心に、ヨー方向に回転させると、ロール方向角速度センサ２６により検出されるロール方向の角速度には、ロール方向角速度センサ２６の基軸Ｙ１の傾斜に基づいて生じる誤差が含まれることになる。すなわち、ヨー方向の回転に起因して発生するロール方向の成分を拾ってしまい、それが、ロール方向の角速度の検出値に含まれる誤差となる。

そのため、この実施形態にかかる球乗りロボット１は、上述の状態で、ロボット本体２０を鉛直軸ｖ１を中心に回転させた場合において、ロール方向角速度センサ２６の基軸Ｙ１の傾斜に基づいて生じる、ロール方向の角速度の検出誤差を打ち消す補正を行うように構成されている。

具体的には、上述の補正を行った後の、ロール方向の角速度は、ロール方向角速度センサ２６の基軸Ｙ１の水平に対する傾斜角度がθ_pである場合に、以下に示す（式１）に基づいて計算される。

ω_r1 ＝（ω_r−ω_y・ｓｉｎθ_p）・・・（式１）
ω_r1：補正後のロール方向の角速度
ω_r：補正前のロール方向の角速度（ロール方向角速度センサで検出する角速度）
ω_y：ヨー方向の角速度
θ_p：ピッチ方向の傾斜角度（ロール方向角速度センサの基軸の、水平に対する傾斜角度）

すなわち、球乗りロボット１は、ロボット本体２０をヨー方向に回転させる場合に、ヨー方向に発生する角速度ω_yに対応して誤差成分としてロール方向に発生する角速度（ω_y・ｓｉｎθ_p）を求め（図３参照）、ロール方向角速度センサ２６にて検出した角速度（補正前）ω_rから誤差成分としての角速度（ω_y・ｓｉｎθ_p）を減算することで、補正後のロール方向の角速度ω_r1が求められる。
なお、ヨー方向に発生する角速度ω_yは、上述したヨー方向角速度センサ２７で検出することができる。

そして、この実施形態にかかる球乗りロボット１は、上述のようにして求めた、補正後のロール方向の角速度ω_r1を用いて、球体１０上のロボット本体２０がヨー方向に回転する場合の、ロール方向の傾きを制御して、ロボット本体２０が安定してヨー方向に回転することができるように構成されている。

具体的には、以下に示す（式２）に基づき、補正後のロール方向の角速度ω_r1を時間ｔで積分することで、ロボット本体２０のロール方向の傾きθ_r（図示せず）を算出し、このロール方向の傾きθ_rが、目標値（例えば傾きが０）に近づくように制御されることにより、ロボット本体２０が安定してヨー方向に回転することができるように構成されている。

なお、上記実施形態の（式１）におけるピッチ方向の傾斜角度θ_pとしては、図２に示すように、ロボット本体２０が、その重心Ｇが鉛直軸ｖ１上に位置するように球体１０上に乗った状態における、ロボット本体２０の軸線Ｔと鉛直軸ｖ１のなす角度θ_p（固定値）を用いてもよく、また、ピッチ方向角速度センサ２５で検出した角速度から算出した実際の傾斜角度θ_p（変動値）を用いることも可能である。

また、上記実施形態では、球乗りロボット１を、ステージ５上の同一位置で、鉛直軸ｖ１を中心としてヨー方向に回転させる場合を中心に説明を行ったが、球乗りロボット１を水平方向に等速に移動させながらヨー方向に回転させる場合にも、本発明を適用することが可能である。

本発明はさらにその他の点においても上記の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲内において種々の応用、変形を加えることが可能である。

１球乗りロボット
５ステージ
１０球体
１０ａ球体の中心
２０ロボット本体
２１，２２，２３駆動機構
２１ａ，２２ａ，２３ａオムニホイール
２１ｂ，２２ｂ，２３ｂギア付きサーボモータ
２５ピッチ方向角速度センサ
２６ロール方向角速度センサ
２７ヨー方向角速度センサ
２８回路基板
２９カバー
３０制御部
Ｇロボット本体の重心
Ｈ水平方向
Ｔロボット本体の軸線
Ｖ鉛直方向
ｖ１球体の中心を通る鉛直軸（ヨー方向の基軸）
Ｘピッチ方向の基軸
Ｙロール方向の基軸
Ｙ１ロール方向角速度センサの基軸
ω_y ヨー方向の角速度
ω_y・ｓｉｎθ_p 誤差成分としてロール方向に発生する角速度
θ_p ピッチ方向の傾斜角度

Claims

球体と、
前記球体上に乗った状態で、前記球体を転動させ、前記球体とともに移動することができるように構成されたロボット本体と
を備えた球乗りロボットであって、
前記ロボット本体が、
前記球体上を自身がヨー方向に回転するための駆動機構と、
前記ロボット本体のヨー方向の角速度を検出するヨー方向角速度センサと、
前記ロボット本体のロール方向の角速度を検出するロール方向角速度センサと
を有し、
前記ロボット本体の重心が前記球体の中心を通る鉛直軸と一致するような姿勢で前記ロボット本体が前記球体上に位置し、前記ロール方向角速度センサの基軸が、ピッチ方向に、水平に対して傾斜した状態で、前記ロボット本体を、前記鉛直軸を中心とするヨー方向に回転させた場合において、前記ロール方向角速度センサの前記基軸の前記傾斜に基づいて生じる、ロール方向の角速度の検出誤差を打ち消す補正を行うことにより、前記ロボット本体が所定の姿勢を保ちつつ回転することができるように構成されていること
を特徴とする球乗りロボット。
前記ロボット本体が、ピッチ方向の角速度を検出するピッチ方向角速度センサを備え、前記ピッチ方向角速度センサで検出した角速度をもとに、前記ロール方向角速度センサの前記基軸が水平に対して傾斜している角度を求め、前記角度に基づいて、前記ロール方向の角速度の誤差を求めるように構成されていること
を特徴とする請求項１記載の球乗りロボット。