ボールボット
Mobile robot design
CMUボールボット[1]は、 2005年に米国カーネギーメロン大学のラルフ・ホリス教授[2]（写真には写っていない）によって作られた最初の成功したボールボットである。
BallIPは、2008年に東北学院大学の熊谷正明教授[3]によって開発された。
2010年にスイスのETHチューリッヒで開発されたRezero [4]
2019 年にデンマークのオールボー大学で開発されたKugle ボールボット[5]
CMU Ballbot [1]は2自由度アームを2本備えています（2011年）。これはアームを備えた世界初の、そして現在のところ唯一のボールボットです。

ボールバランシングロボット（ボールボットとも呼ばれる）は、単一の球面車輪（ボール）上でバランスをとるように設計された、動的安定性を備えた移動ロボットです。地面との接触点が1点であるため、ボールボットは全方向への移動が可能で、他の地上車両と比較して、非常に機敏で、操縦性に優れ、有機的な動きを実現します。その動的安定性により、狭隘な環境、混雑した環境、そして動きの激しい環境における移動性が向上します。ボールボットは、倒立振子と同じ原理で動作します。

歴史

最初の成功したボールボットは、2005年に米国ピッツバーグのカーネギーメロン大学（CMU）ロボティクス研究所のラルフ・ホリス教授によって開発され、2010年に特許を取得しました。[ 9 ] CMUボールボット[8] [10] [11] [12]は、高さと設置面積の両方で人間と同じサイズになるように作られています。ホリス教授とCMUのグループは、ボールボットが蹴る、押すなどの外乱に対して堅牢であり、家具や壁との衝突も処理できることを実証しました。[13] [14] [15] 彼らは、ボールボットを使用してさまざまな興味深い人間とロボットの物理的インタラクション動作を開発できることを示し、[16] [17]ボールボットを使用して高速でダイナミックで優雅な動作を実現するための計画および制御アルゴリズムを提示しました。[18] [19] [20]彼らはまた、ボールボットが人間の環境を自律的にナビゲートし、ポイントツーポイントや監視タスクを達成する能力を実証しました。[21] [22] [23] 2011年にCMUボールボット[8]に2自由度（DOF）のアームが追加され、世界で初めて、そして現在唯一のアームを備えたボールボットとなりました。[24] [25] [26]

2005年、CMU Ballbot [8]が発表されたのとほぼ同時期に、東京大学の研究者グループが独自に、バスケットボールの上でバランスをとる、人間が乗れるボールボット車椅子「BB Rider」の設計を発表しました。[27]しかし、彼らは設計のみを報告し、実験結果は一切発表しませんでした。[27]同じ頃、ハンガリーのLászló Havasiが独自にERROSphereと呼ばれる別のボールボットを発表しました。[28] このロボットは確実にバランスをとることができず、その後の研究は発表されませんでした。

2005年にCMU Ballbot [8]が導入されて以来、世界中のいくつかのグループがボールボットを開発してきました。熊谷正明教授は2008年に東北学院大学でBallIPを開発しました[29]。熊谷教授と彼のグループは、ボールボットが荷物を運び、協調輸送に使用できることを実証しました[30] 。彼らは多数の小型ボールボットを開発し、それらを使用して協調輸送を実証しました[30] 。 [31]スイスのETHチューリッヒの機械工学の学生グループは2010年にRezeroを開発しました[32]。Rezeroは、ボールボットを使用して実現できる高速で優雅な動作を改めて強調しました[33] 。

トマス・アリバス（スペイン）は、2008年にアルカラ大学の修士プロジェクトとして、レゴ・マインドストームNXTを使用して最初のボールボットを開発しました。[34] [35]彼は、システムを簡単にシミュレートするために、Microsoft Excelを使用したシミュレーションプロジェクトを開発しました。[36]スペインのアルカ​​ラ大学宇宙研究グループ（SRG-UAH）内で行われた研究の一環として、非線形動的システムに適用される最適制御と計画を専門とする作業チームが、2012年に「レゴ・マインドストームに基づくモノボールロボット」という論文を発表しました。[37]この記事では、不安定で非線形な制御システムのベースラインとして、数学モデルと軌道制御について説明しています。

山本頼久氏（日本）は、トマス・アリバス氏のプロジェクトに触発され、2009年にレゴ・マインドストームNXTを使用してボールボットを開発した。 [38] [39]彼は、 MATLAB を使用してコントローラを構築、モデル化、作成するための詳細なデモを作成した。[38]アデレード大学（オーストラリア） の機械工学部の学生グループは、2009年にレゴ・ボールボットとフルスケールのボールボットの両方を開発しました。[40] ITMO大学（ロシア）の学生グループは、アルゴリズムを導入し、レゴNXTロボットキットに基づいて、2つのアクチュエータのみを使用して安定性を実現するボールボットを構築しました。[41] YouTubeの動画では、世界中で開発されたボールボットが紹介されています。それらのいくつかは、レゴ・マインドストームNXTを使用して開発されています。[42] [43] [44] [45] [46]その他のカスタムデザインでは、オムニホイールを使用してボールを駆動します。[47] [48] [49] [50]

トーマス・コルベック・イェスペルセン（デンマーク）は、2019年の修士論文としてKugleボールボットを開発した。[51] Kugleボールボットは、オールボー大学で進行中のヒューマン・ロボット・インタラクション研究プロジェクトの一環として開発された人間サイズのボールボットである。3つのモーターとオムニホイール、オンボードのIntel NUC、2つのSICK LiDAR、ARMマイクロプロセッサ、上部のタブレットを備えたこのロボットは、屋内環境で自律的に移動したり、人を案内したりすることができる。修士論文では、システムモデリングに異なるアプローチを採用し、非線形クォータニオンベースの動的モデルを導出している。このモデルは、バランスを安定させるための非線形スライディングモードコントローラと、滑らかな軌道を計画・実行するためのパス追従モデル予測コントローラを導出するために使用される。完全な修士論文と、MATLABソースコードとC++コントローラの実装を含むすべての資料は、GitHubで公開されている。[52]

ボールボットはSFの世界にも登場しています。ピクサーの2008年映画『ウォーリー』には、ボールボットの掃除ロボット「MO」（Microbe Obliterator）が登場しました。また、 Syfyの2010年テレビシリーズ『カプリカ』には、ボールボットの執事ロボット「セルジュ」が登場しました。[53]

動機と特徴

歴史的に、移動ロボットは静的に安定するように設計されてきた。つまり、ロボットは静止しているときにエネルギーを消費する必要がない。これは通常、ベースに3つ以上の車輪を使用することで実現される。転倒を避けるために、これらの静的に安定した移動ロボットは、大きな支持多角形のための広いベースと、重心を下げるためにベースに大きなデッドウェイトを備えている。また、転倒を避けるために、加速度や減速度が低くなる傾向がある。ベースが広いため、静的に安定した移動ロボットは雑然とした人間の環境を移動することが困難である。さらに、これらのロボットには、絶えず変化する人間の環境に適していない他のいくつかの制限がある。どの方向にも転がることができず、その場で方向転換することもできない。[8]

転倒しない細長い移動ロボットを作りたいという要望から、ボールボットのようなバランス移動ロボットが開発されました。ボールボットは通常、単一の球面車輪（ボール）の上でバランスをとる本体を持っています。これは劣駆動システム、つまり、独立した制御入力よりも自由度（DOF）の方が多いシステムを形成します。ボールはアクチュエータを使用して直接制御されますが、本体は直接制御されません。倒立振り子の制御のように、ボールを制御することで本体は不安定な平衡点を中心に直立した状態に保たれます。[8]これにより、ボールボットの位置は限定されていますが永続的に変化します。ボールボットの動作の直感に反する側面は、前進するためには本体を前方に傾ける必要があり、前方に傾くためにはボールを後方に転がさなければならないことです。これらの特性により、ボールボットに望ましい動作を実現するための計画は困難な作業になります。前進直線動作を実現するために、ボールボットは加速するためには前方に傾き、減速するためには後方に傾く必要があります。[14] [18] [24] [32]さらに、ボールボットは求心力を補正するために曲線に沿って傾く必要があり、その結果、優雅で優美な動きが実現します。[18] [22] [24] [32]

セグウェイのような二輪式バランス移動ロボットは一方向にバランスを取りますが、横方向には移動できません。一方、ボールボットは全方向移動型であるため、あらゆる方向に転がることができます。最小旋回半径はなく、方向転換のために ヨーイングする必要もありません。

システムの説明

主要な設計パラメータ

ボールボットの最も基本的な設計パラメータは、高さ、質量、重心、そしてアクチュエータが供給できる最大トルクです。これらのパラメータの選択によって、ロボットの慣性モーメント、最大ピッチ角、ひいては動力学性能、加速性能、そして敏捷性が決定されます。最大速度はアクチュエータの出力とその特性に依存します。最大トルクに加えて、ピッチ角はアクチュエータから地面に伝達できる最大力によっても上限が決まります。したがって、力の伝達に関与するすべての部品の摩擦係数もシステム設計において重要な役割を果たします。また、特にヨーイング時の不要なボールスピンを防ぐため、ロボット本体とボールの慣性モーメントの比にも細心の注意を払う必要があります。[32]

ボールとアクチュエーション

ボールはボールボットの中核要素であり、発生するすべての力を伝達・支持し、粗い接触面による機械的摩耗に耐える必要があります。表面の摩擦係数が高く、慣性が小さいことが不可欠です。CMU Ballbot [8] 、 Rezero [32]、Kugle [51]は、ポリウレタンコーティングを施した中空の金属球を使用していました。BB Rider [27]はバスケットボールを使用し、BallIP [29]とAdelaide Ballbot [40]は薄いゴム層でコーティングされたボウリングボールを使用していました。

球体を駆動するというかなり複雑な問題を解決するために、さまざまな駆動機構が導入されてきました。CMU Ballbot [8]は、逆マウスボール駆動機構を採用しています。コンピュータ入力を提供するためにマウスローラーを駆動する従来のマウスボールとは異なり、逆マウスボール駆動では、ローラーを使用してボールを駆動し、動きを生み出します。逆マウスボール駆動では、4つのローラーを使用してボールを駆動し、各ローラーは独立した電気モーターで駆動されます。ヨー運動を​​実現するために、CMU Ballbot はベアリング、スリップリングアセンブリ、および別のモーターを使用してボールの上で本体を回転させます。[14] LEGO Ballbot [38]も逆マウスボール駆動を採用していますが、ローラーの代わりに通常のホイールを使用してボールを駆動しています。

CMU Ballbot [14]とは異なり、 BallIP、[29] Rezero [32]、および Kugle [51]はボールを駆動するためにオムニホイールを使用しています。この駆動機構は、別個のヨー駆動機構を必要とせず、ボールのヨー回転を直接制御できます。ボールの駆動に4つのモーター、ヨー回転に1つのモーターを使用するCMU Ballbot [14]とは異なり、BallIP、 [29] Rezero [32]、および Kugle [51]は両方の操作に3つのモーターのみを使用します。また、CMU Ballbot の4つのポイントと比較して、力の伝達ポイントは3つしかありません。オムニホイールとボールの接触は1点に減らす必要があるため、ほとんどの利用可能なオムニホイールは、個々の小さなホイール間の隙間が原因で不安定な回転運動になるため、このタスクには適していません。そのため、BallIP [29]プロジェクトでは、連続した円周接触ラインを備えた、より複雑なオムニホイールが導入されました。 Rezero [32]チームは、このオムニホイール設計にローラーベアリングと高摩擦コーティングを施した。[32]また、摩擦力をさらに高めるためにボールをアクチュエータに押し付ける機械式ボールアレスターと、振動を抑えるサスペンションも追加装備した。 [32] Kugleロボットには、大きな傾斜時にボールが押し出されるのを防ぐために、ボールを所定の位置に保持するスカートが装備されている。Adelaide Ballbot [40]は、レゴ版では車輪を使用し、実物大版では従来のオムニホイールを使用している。

BallIP [29]を開発した熊谷正明教授[3]は、部分的にスライドするローラーを使用した別のボール駆動機構を紹介しました[54] [55] 。この設計の目的は、低コストの機構を使用してボール上で 3自由度アクチュエーションを開発することでした。

センサー

ボールボットの位置と本体の向きをセンサー・コンピューター・アクチュエータのフレームワークによって能動的に制御するためには、必要な制御ループを実行するための適切なマイクロプロセッサーやその他の計算ユニットに加えて、ボールボットには基本的に、ボールとボールボット本体の向きを時間の関数として測定できる一連のセンサーが必要です。ボールの動きを追跡するために、通常はロータリーエンコーダ（CMU Ballbot、[8] BallIP、[29] Rezero、[32] Kugle [51]）が使用されます。体の向きの測定はより複雑で、ジャイロスコープ（NXT Ballbots [38] [40]）を使用するか、より一般的には、加速度計、ジャイロスコープ、場合によっては磁力計を含む慣性計測ユニット（CMU Ballbot、[8] BallIP、[29] Rezero、[32] Kugle [51]）を使用して行われます。これらの測定値は、 AHRSアルゴリズムを通じて体の向きに融合されます。

CMU Ballbot [8]は、Hokuyo URG-04LXレーザー距離計を使用して、環境の2Dマップ内で自身の位置を特定します。[22] [23]また、レーザー距離計を使用して障害物を検出し、回避します。[22] [23]逆に、Kugleロボット[51]は、2つのSICK TiM571 2D LiDARを使用して、自身の位置を特定し、障害物を回避し、誘導のために人を検知します。

武器

CMUボールボット[8]は、アームを備えた世界初の、そして現在唯一のボールボットです。[24] [25] [26] 2自由度のアームを2本備え、直列弾性アクチュエータによって駆動されます。アームは中空のアルミニウム管で、先端にダミーウェイトを取り付けることができます。現状では、アームは特別な操作には使用できませんが、ボールボットのダイナミクスへの影響を研究するために使用されています。[24] [25] [26]

システムモデリング、計画、制御

ボールボットをシミュレートし、システムを安定させるのに十分なコントローラを設計するために必要な数学的なMIMOモデルは、カートの上の倒立振り子に非常に似ています。 LEGO NXTボールボット[38] 、 Adelaideボールボット[40] 、 Rezero [32]、およびKugle [51]は、ロボットモデルにアクチュエータモデルを含めていますが、CMUボールボット[8]はアクチュエータモデルを無視し、ボールボットをボールの上のボディとしてモデル化しています。 当初、CMUボールボット[8]は、ボールボットをモデル化するために垂直な平面にある2つの2D平面モデルを使用し[13] [14]、現在では、アームのないボールボット[18] [21] [22]とアームのあるボールボット[24]の両方でヨー運動のない3Dモデルを使用しています。BallIP [29]は、ホイール速度とボディの動きに対するボールの位置の依存性を記述するモデルを使用しています。 Rezero [32]はヨー運動も含む完全な3Dモデルを使用しています。Kugle [51]は、すべての軸の動きを結合した、完全に結合されたクォータニオンベースの3Dモデルを使用しています。

ボールボット（CMU Ballbot、[8] BallIP、[29] NXT Ballbot、[38] Adelaide Ballbot、[40] Rezero [32]）は、バランスを維持し、動作を実現するために線形フィードバック制御アプローチを採用しています。CMU Ballbot [8]は、ボディを所望の角度に維持する内側のバランス制御ループと、ボディ角度をバランス制御器に指令することで所望のボール動作を実現する外側のループ制御器を使用しています。[13] [14] [18] [21] [22] [24] Kugleロボットは、線形フィードバック制御器（LQR）と非線形スライディングモード制御器の両方でテストされ、その結合された動的クォータニオンモデルの利点が示されています。[51]

ボールボットは形状加速型の劣駆動システムである。ボールボットの傾斜角はボールとロボットの加速度に動的にリンクされており、劣駆動システムとなる。CMU ボールボットは、高速でダイナミックかつ優雅なボール運動を実現するために、体の傾斜角の空間で動作を計画する。[18] [21] [22] [24]アームの導入により、CMU ボールボットは計画手順を使用して、体の傾斜角とアームの角度の両方の空間で計画を立て、望ましいボール運動を実現する。[22] [24] [25] さらに、アームが特定の動作に制約され、体の角度のみを使用して望ましいボール運動を実現する必要がある場合も考慮できる。[26] CMU ボールボットは、統合された計画および制御フレームワークを使用して、人間の環境を自律的にナビゲートする。[22] [23]その動作プランナーは、コントローラの空間で計画して優雅なナビゲーションを実現し、ポイントツーポイントおよび監視タスクを実現する。レーザー距離計を使用して、周囲の静的および動的な障害物を積極的に検出し、回避します。[22] [23]

Kugleらは、パスプランニングモデル予測制御器（MPC）を用いて、ボールボットの傾斜角を制御し、与えられたパスを追従させるように設計した。ボールボットの劣駆動特性に起因する時間的な欠落挙動に対応するため、一般的な軌道制御器や参照追従制御器ではなく、パス追従戦略が選択された。パスは多項式としてパラメータ化され、MPCのコスト関数に組み込まれる。一連のソフト制約によって、障害物を回避し、所望の速度で移動することが保証される。[51]

安全機能

ボールボットの最大の懸念は、システム障害発生時の安全性である。この問題に対処するための試みはいくつか行われてきた。CMUボールボット[8]は、3本の格納式着陸脚を導入し、電源を切った後もロボットが直立状態（静的安定状態）を維持できるようにした。また、この静的安定状態から動的安定状態（バランス状態）へ、そしてその逆の遷移も自動的に行うことができる。[13] [15] Rezeroは、システム障害発生時に重大な損傷を防ぐため、転倒防止安全機構を搭載している。[32]

考えられる用途

ボールボットは動的安定性に優れているため、高さや幅を自由に設定でき、物理的にインタラクティブな動作も可能なため、個人用移動ロボットとして理想的です。[8]家庭やオフィスで効果的なサービスロボットとして機能し、ショッピングモールや空港などで人々を案内することができます。[51]現在のボールボット[8] [29] [32]は滑らかな表面でのみ使用できます。ボールボットのコンセプトは多くのメディアの注目を集めており、[10] [11] [12] [31 ] [33] 、ハリウッド映画にもボールボットのキャラクターが登場しています。[56] [53]そのため、ボールボットは玩具を含むエンターテイメント業界で様々な用途に使用されています。

注目すべきBallbotプロジェクト

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