(57)【要約】  力バランスロボットシステムおよび関連する方法が開示される。ロボットシステムは、本体と、バランス部材と、バランスシステムとを含み得る。ロボットシステムは、静的に不安定であり得、これは静的に不安定な本体を有する結果であり得る。バランス部材は、本体にジョイントで接続され得る。バランスシステムは、ロボットシステムのバランスを動的に取るために用いられる１つ以上のサブシステムを有し得る。そのようなサブシステムは、再位置決めシステムと、加速システムと、駆動システムとを含み得る。再位置決めシステムは、バランス部材を再位置決めして、質量中心を目標の上方に位置決めすることができる。加速システムは、バランス部材を加速させて、目標トルクを生じることができる。駆動システムは、前記ロボットシステムの車輪を駆動して、バランスを維持することができる。バランスを保持しながら、ロボットシステムは、外力を吸収し、外部対象物に力を加え得る。
2011523903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
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。
【請求項１８】
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。
【請求項１９】
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。
【請求項２０】
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。
【請求項２１】
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。
【請求項２２】
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。
【請求項２３】
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。
【請求項２４】
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。
【請求項２５】
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。
【請求項２６】
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。
【請求項２７】
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。
【請求項２８】
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。
【請求項２９】
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。
【請求項３０】
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。
【請求項３１】
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。
【請求項３２】
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。
【請求項３３】
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。
【請求項３４】
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。
【請求項３５】
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。
【請求項３６】
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。
【請求項３７】
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。
【請求項３８】
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。
【請求項３９】
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。
【請求項４０】
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。
【請求項４１】
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。
【請求項４２】
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。
【請求項４３】
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。
【請求項４４】
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。
【請求項４５】
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。
【請求項４６】
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。
【請求項４７】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
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。
【０００２】
技術分野
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。
【背景技術】
【０００３】
背景
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。
【０００４】
静的安定システムの欠点は、一般的に、静的バランスを維持するために地面との複数の接点またはそれに代えて大きな接地面を必要とすることである。その結果、そのような装置は、起伏の多いまたは雑然とした地形の上で用いるためには実用的でない。
【０００５】
既存の動的安定システムは、静的安定のシステムのこの問題を解決するが、さらなる問題を生じる。動的安定システムは、休止中は必ずしも安定ではないが、システムの能動的な動きによって安定させることができるシステムである。たとえば、動的安定システムには、米国特許第５，９７１，０９１号、第６，９１５，８７８号および第７，０８２，３５０号に記載されるものが含まれる。静的安定性は、そのようなシステムの要件ではないため、動的安定システムは、一般的に、静的安定システムが有するよりも少ないまたは小さい接点を有する。その結果、動的安定システムの中には、システムの動作のために利用可能な地面がより小さくとも利用可能なものがある。
【０００６】
そのような動的安定システムの欠点は、接地面が任意に移動してバランスを維持することが許されている点である。たとえば、上記特許における動的安定システムの車輪は、絶え間なく前後に移動してバランスを維持することが許されている。したがって、これらのシステムは、人間と直接接触する用途には安全でないことがあり、またその上で動作するための任意に大きい地面を必要とすることがある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
概要
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。
【０００８】
この発明の実施例は、ロボットシステムおよびその制御方法を含み得る。そのようなロボットシステムの例示的な実施例は、本体と、接地アセンブリと、少なくとも２つのバランス部材と、バランスシステムとを含み得る。
【０００９】
本体は、ロボットシステムのための構造基礎としての役割を果たし得る。本体は、静的に不安定であり得、その結果、ロボットシステム全体が静的に不安定であり得る。バランスシステムは、本体とロボットシステムとを全体として動的に安定化するために設けられている。加えて、本体は、バランスシステムの構成要素などのロボットシステムの動作のためのさまざまな機器を収容し得る。
【００１０】
接地アセンブリは、本体を地面などの表面の上方に支持し得る。例示的な実施例において、接地アセンブリは、地面に１つ以上の小さな接触域で接触する。接触域が小さいことにより、ロボットアセンブリは、小さく雑然としたまたは平らでない表面上で効果的に動作することができる。しかしながら接触域がそのように小さい結果、上述のように、本体は、静的に不安定であり得る。たとえば、接地アセンブリは、２つの軸方向に位置合わせされた車輪を含み得る。能動的バランスシステムがなければ、たった２つの車輪によって支持されるとき、本体は、倒れてしまうであろう。
【００１１】
１つ以上のバランス部材がロボットシステムの動的安定化を可能にし得る。例示的な実施例において、バランス部材は、鎖状に配列されて、関節アームを形成する。アームにおいて、バランス部材をジョイントでつなぎ合わせるすることができ、各ジョイントを、アクチュエータに結合することができる。バランス部材の本体に対する位置は、ジョイントの配向がわかっているため容易に決定することができる。
【００１２】
バランスシステムは、ロボットシステムによって吸収されるまたは加えられる力に晒されてもロボットシステムをバランスが取れた状態に保つために利用される１つ以上のサブシステムを有し得る。そのようなシステムには、再位置決めシステムと、加速システムと、駆動システムとが含まれ得る。再位置決めシステムおよび加速システムは、バランス部材を操作して、本体をバランスが取れた状態に保つことができる。より具体的には、再位置決めシステムは、バランス部材を再位置決めして、質量中心を再位置決めすることができる。加速システムは、バランス部材を加速させて、本体のバランスを取るのに有効なトルクを生じることができる。一方、駆動システムは、ロボットシステムの車輪を駆動して、バランスを維持することができる。バランスシステムのそのようなサブシステムの各々を、独立して用いてロボットシステムのバランスを取ることができ、またこれに代えて、サブシステムを互いに協調させて用いて、ロボットシステムの特定の用途専用のバランスを提供することができる。
【００１３】
ロボットシステムおよび方法のこれらのおよび他の目的、特徴および利点は、以下の明細書を添付の図面に関連して読むとより明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の例示的な実施例に従ったロボットシステムを示す図である。
【図２】この発明の例示的な実施例に従った、ペイロードを固定位置に支持するロボットシステムを説明する図である。
【図３】この発明の例示的な実施例に従った、バランス部材およびペイロードのための平行鎖を有するロボットシステムを説明する図である。
【図４】この発明の例示的な実施例に従った、ペイロードのバランスを取るバランス部材の複数の鎖を有するロボットシステムを説明する図である。
【図５Ａ】この発明の例示的な実施例に従った、ペイロードを関節アーム上に支持するロボットシステムを説明する図である。
【図５Ｂ】この発明の例示的な実施例に従った、閉鎖ループ状に配列された関節アーム上にペイロードを支持するロボットシステムを説明する図である。
【図６】この発明の例示的な実施例に従ったロボットシステムのさまざまなハードウェア構成要素のブロック図である。
【図７Ａ】この発明の例示的な実施例に従ったロボットシステムの再位置決めシステムの効果を説明する図である。
【図７Ｂ】この発明の例示的な実施例に従ったロボットシステムの再位置決めシステムの効果を説明する図である。
【図８】この発明の例示的な実施例に従った再位置決めシステムの動作方法を説明する図である。
【図９】この発明の例示的な実施例に従ったロボットシステムの加速システムの動作を説明する図である。
【図１０】この発明の例示的な実施例に従ったロボットシステムの駆動システムの動作方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
詳細な説明
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。
【００１６】
この発明のさまざまな要素を構成するものとして以下に説明される構成要素は、例示的なものであることが意図されており、限定的なものではない。この明細書中に説明される構成要素と同じまたは類似の機能を行なうであろう多くの適切な構成要素が、ロボットシステムおよび方法の範囲内に包含されることが意図される。この明細書中に説明されないそのような他の構成要素には、たとえばこの発明の開発後に開発された構成要素が含まれ得るが、これに限定されない。
【００１７】
次に、図面を参照して、ロボットシステムおよび方法のさまざまな実施例を詳細に説明する。図中、類似する参照番号は、類似する部品を図面を通して表わす。
【００１８】
Ｉ．  ロボットシステムの概要
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。
【００１９】
ロボットシステム１００は、ロボットシステム１００に作用するすべての力のバランスが取れているとき平衡状態にあると考えられる。最も単純な静的場合において、ロボットシステム１００に作用するトルクは、ロボットシステム１００の質量に作用する重力から生じる。したがって、平衡状態は、一般的に、ロボットシステム１００の質量中心が目標線上にあるときに達成され、この目標線は、目標点を垂直に貫通する。目標点は、地面などの表面５０上の点であり、ロボットシステム１００は、ロボットシステム１００の質量中心が目標点の上方に位置決めされているときバランスが取れている。たとえば、ロボットシステム１００が平坦な表面５０の上方でゼロ速度を有するとき、目標点は、ロボットシステム１００が表面５０に接触する各点の間の中心点である。平坦な表面５０上の二輪ロボットシステム１００の場合、そのような目標点は、２つの車輪の各接点の間の中心位置である。
【００２０】
バランスシステム１３０を通じて、ロボットシステム１００は、そのさまざまな構成要素のバランスを取ることによって平衡状態を回復しようとする。ロボットシステム１００は、静的に安定である必要はない。言い換えれば、ロボットシステム１００の構成要素が固定された状態にあるとすると、ロボットシステム１００は、一般的に、環境外乱などの外力下で平衡状態のままでいない。典型的に、ロボットシステム１００は、バランスを失うことによって、その姿勢、高さ、またはピッチを変更するであろう。場合によっては、外力下でそのような固定された状態のままでいることは、ロボットシステム１００が倒れることを引起す。
【００２１】
静的に安定ではないが、ロボットシステム１００は、動的に安定であり得る。言い換えれば、ロボットシステム１００は、その状態を能動的に変化させることによって、外力が加えられるときそのバランスを保持することができる。さらに、ロボットシステム１００の実施例の中には、ロボットシステム１００が自身のバランスを絶え間なく取りながら、ペイロードをペイロードの目標点まで戻し得るものもある。
【００２２】
一般的に、ロボットシステム１００は、絶え間なく質量中心を「安定化」させようとすることによって、バランスが取れた状態のままでいることができる。この明細書中で用いられる用語「安定質量中心」は、ロボットシステム１００全体がバランスが取れているまたは安定化されているよう位置決めされた質量中心を指す。質量中心を安定化させようとする他のシステムおよび装置は、装置を常に目標点の上方で傾けることによってそうする。目標点は、表面５０上の点であり、質量中心は、目標点の上方に配置されると安定化される。一般的に、目標点は、一組の車輪１２５間など、接地アセンブリ１２０の各接点の中心となる位置である。しかしながら、他の装置の難しさは、装置が傾くにつれて装置の基部が移動し、それによって、目標点を動的に変化させることである。その結果、そのような他の装置は、前後に振動して、バランスが取れた状態のままでいることが多い。
【００２３】
一方、ロボットシステム１００の実施例は、接地アセンブリ１２０に厳しい動き制限を適用して、バランスを維持することができる。接地アセンブリ１２０の任意の固定場所を与えられたロボットシステム１００に「動作点」の三次元体積を与えることができる。動作点は、ペイロードの目標位置、またはそれに代えてドリルまたはねじ回しの接触点など、力が加えられる点であり得る。
【００２４】
ロボットシステム１００は、大量の動作点と、接地アセンブリ１２０の変位の制限とを、バランス部材１３５の作動される運動または位置決めを通じて達成できる。その結果、ロボットシステム１００の質量中心を、動作点の位置から完全にまたは部分的に切離すことができる。これにより、所与の目標点に対する大量の動作点が生じる。加えて、バランスシステム１３０は、ロボットシステム１００が１つ以上の外力を吸収することを可能にし得、接地アセンブリ１２０の変位を制約しながら動作点を回復し得る。
【００２５】
その結果、ロボットシステム１００は、線、点、または絶え間なく変化する表面５０に適用可能であり得る。ロボットシステム１００は、バランスを取り、表面接触およびペイロード位置決めへの制約の絶え間ない変更を満足させることができる。さらに、ロボットシステム１００装置は、可撓性機械構造を有し得るため、ロボットシステム１００を、特定の工学的制約に適合させることができる。
【００２６】
ＩＩ．ロボットシステムの構成要素
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。
【００２７】
例示的な実施例において、本体１１０およびバランス部材１３５などのロボットシステム１００のさまざまな構成要素は、鋼、アルミニウムまたは強化重合体などの剛性で頑丈な材料から構成される。
【００２８】
Ａ．本体
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。
【００２９】
本体１１０は、ロボットシステム１００のバランスシステム１３０の動作において利用されるさまざまな機器も収容し得る。以下に詳細に説明されるように、バランスシステム１３０は、ロボットシステム１００をバランスが取れた状態に維持し得る。
【００３０】
例示的な実施例の中には、本体１１０が基部１１５と、任意選択的な胴部１１８とを含み得るものもある。設けられている場合、胴部１１８は、基部１１５からおおむね上方へ延在し得る。１つ以上のバランス部材１３５は、図１に示されるように、胴部１１８から延在し得る。基部１１５および胴部１１８は、作動される腰部ジョイント１１９によって互いに取付けられ得、この腰部ジョイントは、電動機で制御可能である。
【００３１】
Ｂ．接地アセンブリ
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。
【００３２】
ロボットアセンブリ１００は、この明細書中で２つの軸方向に位置合わせされた車輪１２５上に支持されるものとして説明されるが、これはロボットシステム１００のすべての実施例に必要ではない。たとえば、ロボットシステム１００は、１つの車輪またはより大きなローラ上に支持され得る。これに代えて、ロボットシステム１００は、静的に安定でたとえば３つまたは４つの車輪上に支持され得る。その場合、起伏の多い地形を進むことなどによりロボットシステム１００が不安定になると、バランスシステム１３０を依然として利用して、ロボットシステムを安定化することができる。
【００３３】
この発明の実施例に従ったロボットシステム１００は、ロボットシステム１００と地面５０との間の接触域が限られているまたは不規則な場合に動作可能であり得る。たとえば、ロボットシステム１００は、危険な地雷地帯、取り壊されたまたは不安定な建物、ならびに最小限の接地およびセンサ、工具および検出器の正確な位置決めが必要な他の状況において有用であり得る。加えて、ロボットシステム１００は、対象物を高速で平坦でない地形上で重力、求心力および水の波などの加速力の存在下で運送するための他の装置よりも、高い安定性を実現することができる。
【００３４】
他の重要な用途には、工場自動化が含まれ得、この場合、プログラム可能な操作タスクは、限られた作業空間内での機械構成部品の輸送および組立を要求する。病院自動化において、ロボットシステム１００は、患者の身体活動を監視し、可動性が制限されている人間に身体的支持および移動を提供することができる。
【００３５】
そのような用途は、ロボットシステム１００に必要な接地域が小さいことによって、ならびに以下に詳細に説明されるようにバランスシステム１３０によって提供されるバランシングおよび安定化が効果的であることによって可能となり得る。
【００３６】
Ｃ．バランス部材
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。
【００３７】
本体１１０から１つ以上の関節アーム１４０が延在し得る。図１に示すように、ロボットシステム１００の例示的な実施例は、２つの関節アーム１４０を有し得るが、これは、必要ではない。関節アーム１４０において、各バランス部材１３５を、作動されるジョイント１５０で隣接するバランス部材１３５に接続することができる。追加の作動されるジョイント１５０、肩部ジョイント１５５は、関節アーム１４０を本体１１０に取付け得る。ジョイント１５０は、各バランス部材１３５を隣接するバランス部材１３５に対して決められた位置に位置決めし得る。各ジョイント１５０は、隣接するバランス部材１３５に対して少なくとも１、最大６の自由度を提供し得る。加えて、各ジョイント１５０は、電動機または他のアクチュエータで制御可能であり得る。
【００３８】
関節アーム１４０は、たとえばバランスをロボットシステム１００に与えることおよびペイロードを支持することを含めて、さまざまな目的に役立ち得る。１つ以上の力センサ１６０をロボットシステム１００にかかる力を検出するために設けることができる。そのような力センサ１６０を、関節アーム１４０のうち１つ以上の末端またはその近くに設けることができる。力センサ１６０は、ペイロードまたは他の環境要因によってロボットシステム１００に加えられた力を検出することができる。したがって、ロボットシステム１００は、その状態または構成を変化させて、バランスを取るまたは加えられた力に反作用することができる。ペイロード２００の場合、検出された力を、ペイロード２００のバランスをどのように取るかを決定する際に用いることができる。
【００３９】
ペイロードは、人間、装置または他の対象物など、ロボットシステム１００によって支持可能な多くの外部対象物であり得る。ロボットシステム１００がペイロードを運ぶとき、ペイロードは、外力をロボットシステム１００にかけ、ロボットシステム１００の質量中心を変更し得る。したがって、ロボットシステム１００のバランスシステム１３０は、バランス部材１３５を再位置決めすることによってなど、ロボットシステム１００のバランスを回復する必要がある。
【００４０】
２つの別個の関節アーム１４０としての配列に加えて、さまざまな代替的な配列をバランス部材１３５について実現することができる。ロボットシステム１００の特定の作りのための配列を、ペイロードのバランスを取るようにまたは定常外力に耐えるように、技術者または他の使用者の仕様に従って選択することができる。
【００４１】
図２には、ペイロード２００を固定位置に支持するためのロボットシステム１００が示されている。そのような実施例において、バランス部材１３５を、ロボットシステム１００に作用する任意の外力およびロボットシステム１００によって加えられる力とともにペイロード２００のバランスを取るように配列することができる。バランス部材１３５は、ロボットシステム１００が移動し、外力が加えられるにつれて、ペイロード２００のバランスを取るように移動可能であり得る。
【００４２】
図３には、ペイロード２００およびバランス部材１３５が平行鎖３１０の構成要素であるロボットシステム１００の実施例が示されている。第１の鎖３１０において、ペイロード支持部３２０は、ペイロード２００を支持し得る。ペイロード支持部３２０は、駆動されるペイロードジョイント３３０によって本体１１０に取付けられ得、ペイロード２００を本体１１０から離れるように延ばし得る。ペイロードジョイント３３０は、電動機などのさまざまな種類のアクチュエータで制御可能であり得る。第２の鎖３１０において、バランス部材１３５は、ペイロード２００のロボットシステム１００の残りの部分とのバランスを取り得る。そのようなバランシングは、バランス部材１３５の目標を定めた動きおよび再位置決めを含み得る。
【００４３】
図４にはペイロード２００を支持するロボットシステム１００のさらに別の実施例が示されている。この実施例において、バランス部材１３５をペイロード２００に平行な、関節アーム１４０などの複数の鎖３１０として配列することができる。加えて、ペイロード２００を、示されるように、関節アーム１４０上に位置決めすることができる。図３のロボットシステム１００と比較して、ロボットシステム１００のこの実施例は、バランス構成の量の増加を実現することができる。
【００４４】
さらにこれに代えて、図５Ａから図５Ｂに示されるように、ペイロード２００を、関節アーム１４０で支持することができる。示すように、ペイロード２００を、関節アーム１４０の末端またはその近位に位置決めすることができる。これに代えて、図示しないが、ペイロード２００を、関節アーム１４０の中間部分で支持することができる。
【００４５】
加えて、図５Ｂに示されるように、バランス部材１３５は、閉鎖ループ５１０を形成し得る。閉鎖ループ５１０は、バランス部材１３５の位置決めまたは動きに冗長性をもたらし得る。その結果、バランス部材１３５の閉鎖ループ５１０の使用を通じてより多数の平衡状態が可能となり得る。
【００４６】
組合せおよびペイロード２００とバランス部材１３５とのさまざまな追加的な配列を実現することができる。
【００４７】
Ｄ．バランスシステム
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。
【００４８】
図６には、バランスシステムが利用できるロボットシステム１００のさまざまなハードウェア構成要素のブロック図が示されている。図６に示されるように、上述の構成要素に加えて、ロボットシステム１００は、感知システム６１０と、少なくとも１つの記憶装置６２０と、少なくとも１つの処理装置６３０と、一組のコントローラ６４０と、一組のアクチュエータ６５０とをロボットシステム１００のさまざまなジョイントを制御するために含み得る。
【００４９】
感知システム６１０は、ロボットシステム１００の姿勢の兆候を感知するための１つ以上の構成要素を含み得る。たとえば、例示的な実施例において、感知システム６１０は、ジャイロスコープ６１２と加速度計６１６とを含み得、これらのうちいずれかまたは両方は、基部１１５の中に収容され得る。ジャイロスコープ６１２は、基部１１５などのロボットシステム１００の局所の角速度を感知することができる。より具体的には、ジャイロスコープ６１２は、ロボットシステム１００の基部１１５または他の局所のロール（roll）、チルト（tilt）、およびヨー（yaw）における速度を感知することができる。加速度計６１６は、重力などの、基部１１５に作用する加速を感知することができる。重力の検出は、基部１１５のピッチ（pitch）を示し得る。感知システム６１０によって検出されたさまざまなデータを、少なくとも一時的に記憶装置６２０に格納することができる。
【００５０】
処理装置６３０は、加速および角速度データを処理して、基部１１０のピッチおよびそのピッチが変化している速度を決定することができる。この情報を用いて、ロボットシステム１００の質量中心を決定し、ロボットシステム１００の基部１１０の今後の動きを予測することができる。加えて、この情報をロボットシステム１００のバランスをどのように取るかを決定する際に用いることができる。たとえば、処理装置６３０は、ピッチ情報を用いて、１つ以上のコントローラ６４０にそのコントローラに対応するジョイント１５０を作動させるように命令することができる。ジョイント１５０の動きの結果、バランス部材１３５は、加速または再位置決めされて、ロボットシステム１００のバランスを取ることができる。
【００５１】
上記の構成要素を用いて、ロボットシステム１００の実施例は、１つまたは複数のバランス技術を実現化することによって、以前のシステムおよび装置よりも効果的にバランスを達成することができる。各バランス技術は、バランスシステム１３０のサブシステムによって提供され得る。バランスシステム１３０のサブシステムには、再位置決めシステム１７０と、加速システム１８０と、駆動システム１９０とが含まれ得る。
【００５２】
１．再位置決めシステム
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。
【００５３】
ロボットシステム１００のバランス部材１３５の各々は、決定可能な質量を有する剛性の、すなわち非可撓性の構成要素であり得る。場合によっては、バランス部材１３５は、予め定められた既知の質量を有するであろう。しかしながら他の場合においては、バランス部材１３５は、最初は未知の質量を有し得る。この場合、そのようなバランス部材１３５の質量は、バランス部材１３５がロボットシステム１００にかける力に基づいて決定することができる。そのような力は、たとえば力センサ１６０で検出することができる。同様に、ロボットシステム１００のさまざまな他の構成要素は、既知のまたは決定可能な質量を有し得る。ロボットシステム１００のさまざまなジョイント１５０および１１９は既知の配向を有するので、バランス部材１３５および他の構成要素の基部１１５または予め定められた点に対する位置を決定することができる。加えて、基部１１５の姿勢を感知システム６１０から決定することができる。この、既知のおよび決定可能な情報の収集の結果、ロボットシステム１００の質量中心を決定することができる。
【００５４】
ロボットシステム１００におよびによって加えられるさまざまな力を、ロボットシステム１００の質量中心を計算する際に考慮することができる。たとえば、これに限定されないが、ロボットシステム１００がペイロード２００を支持する場合、ペイロード２００は、少なくとも質量中心を計算するという目的のためには、ロボットシステム１００の一部であると考えられる。
【００５５】
加えて、再位置決めシステム１７０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を考慮に入れ得る。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に命令される場合、そのような動作を予期することができる。力が加えられる場合、そのような力は、バランスシステム１３０で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、ロボットシステム１００の１つ以上の構成要素を再位置決めして、予期される力に備えることによって、そのような力に対して準備することができる。さまざまな状況において、人間は、重い箱を引張る前にしゃがんで、大きな応力中心距離（lever arm）を作る空間を自身に与えるかもしれない。同様に、ロボットシステム１００は、ロボットシステム１００が予期される力を受けるまたは加える準備をすることができるように、さまざまな構成要素を再位置決めし得る。
【００５６】
再位置決めシステム１７０は、ロボットシステム１００の現在のまたは予期される質量中心を決定し得る。再位置決めシステム１７０は、質量中心が再位置決めされるべき目標線または点も決定し得る。次に再位置決めシステム１７０は、バランス部材１３５などの１つ以上の個別の構成要素をどのように再位置決めするかを決定して、質量中心を目標線または点に再配置することができる。
【００５７】
再位置決めシステム１７０の単純な実施例の中には、さまざまな構成要素をどのように再位置決めするかを決定する力づく法（brute force method）を適用することができるものもある。力づく法において、バランス部材１３５の可能性のある再位置決めの部分または完全集合のサンプリングをシミュレーションすることができる。再位置決めの所与の集合のシミュレーション後、所与の再位置決めでの予想される質量中心位置を計算することができる。最もよい試験結果の再位置決めの集合を、ロボットシステム１００に適用して、質量中心を再配置することができる。力づく法は、比較的大きなサンプリングサイズに適用されると効果的であり得るが、そのような方法は、不必要に時間がかかる。
【００５８】
望ましい再位置決めを決定するより高度な方法は、ヤコビ行列を利用し得る。現在の質量中心位置と、目標線または目標点であり得る目標とから、再位置決めシステム１７０は、目標に向かっての質量中心の移動の速度ベクトルを決定することができる。ジョイント１５０操作をバランス部材１３５などのさまざまな構成要素の位置に関連付ける行列が存在する。そのような行列の導関数は、ジョイント１５０速度をさまざまな構成要素の速度に、したがって質量中心の速度に関連付けるヤコビ行列である。質量中心についての所望の速度ベクトルを決定して、質量中心を目標に向かって移動させることができる。ヤコビ行列の疑似逆元を用いて、そのような速度ベクトルをさまざまな構成要素の速度ベクトルの集合に写像することができる。したがって、各構成要素をそのような構成要素についての対応する個別の速度ベクトルに従って再位置決めすると、質量中心を目標に向かって移動させることができる。
【００５９】
場合によっては、１つ以上の構成要素は、ロボットシステム１００の他の構成要素よりも優先的に再位置決めされ得る。たとえば、バランス部材１３５の第１の集合と関連付けられるジョイント１５０および１１９は、固定されたままである必要があり得る。別の例では、バランス部材１３５の第２の集合の再位置決めは、必要な場合にのみ、バランス部材１３５の第３の集合の再位置決めがロボットシステム１００のバランスを取るのに不十分なときに行われるよう、バランス部材１３５の第２の集合と関連付けられるジョイント１５０および１１９を非優先にすることができる。再位置決め優先順位のさまざまな組合せを、再位置決め構成要素の全体集合に適用することができる。
【００６０】
そのような優先順位の実現化は、構成要素をどのように再位置決めするかを決定するために用いられるアルゴリズムによって異なり得る。上述の力づく法の場合、たとえば、選択された構成要素を固定することは、試験した集合の一覧から選択再位置決め集合を除くことによって行なうことができる。ヤコビ行列を利用するより高度な方法において、選択行列をヤコビ行列で乗算して、個別の再位置決め可能な構成要素を選択または選択解除することができる。その関連するジョイント１５０および１１９が固定されたままの構成要素の部分集合を、選択行列は識別することができる。これに代えて、重み付け集合をヤコビ行列で乗算して、各ジョイント１５０または１１９が質量中心に影響を及ぼすために用いられている程度または重みを決定することができる。
【００６１】
図７Ａから図７Ｂには、再位置決めシステム１７０の例示的な効果が示されている。図７Ａには、平坦な表面５０上に位置決めされたロボットシステム１００の実施例の状態が描かれている。図７Ｂには、平坦でない地形によって傾けられたときの同じロボットシステム１００が示されている。示されるように、ロボットシステム１００の関節アーム１４０は、それ自体を再構成して、平坦でない地形上でロボットシステム１００のバランスを取り戻す。
【００６２】
図８には、再位置決めシステム１７０でロボットシステム１００のバランスを取る方法８００が示されている。図８に示されるように、８１０で、ロボットシステム１００は、バランスシステム１３０を開始させ得る。８２０で、ロボットシステム１００の処理装置６３０は、再位置決めシステム１７０を通じてロボットシステム１００のバランスを取るための制御ループに入り得る。ループ内、８３０で、感知システム６１０は、ロボットシステム１００の姿勢、力およびトルクに関連するさまざまなデータを検出し得る。８４０で、質量中心および目標を決定することができる。目標が目標線であり得る場合もあれば、目標が目標点であり得る場合もある。８５０で、再位置決めの集合をバランス部材１３５について計算することができる。８６０で、作動されるジョイント１５０は、計算されたとおりバランス部材１３５を再位置決めし得る。制御ループは、所望される限り繰返されて、再位置決めシステム１７０を通じてロボットシステム１００のバランスを取ることができる。
【００６３】
２．加速システム
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。
【００６４】
ロボットシステム１００に影響する現在のおよび予期される力に応答して、加速システム１８０は、バランス部材１３５を加速させて、ロボットシステム１００に目標トルクを生じさせて、ロボットシステム１００のバランスを取ることができる。例示的な実施例において、目標トルクは、ロボットシステム１００の本体１１０のバランスを維持または回復するように計算される。
【００６５】
ジョイント１５０の平衡配位ｑ0を考えると、トルクをそのようなジョイント１５０に以下の制御法則に従って加えることができる。
【００６６】
【数１】
2011523903.tif 000003
【００６７】
式中、Θはジョイント１５０の角度を表わし、上付きのｖは、導関数を表わし、初期値は、上付きの０によって表わされる。
【００６８】
上記制御法則は、トルクに適用可能であり、直動ジョイント１５０に対する力に関して等価に書かれる。個別のジョイント１５０に対するゲインは、所望されるジョイント１５０運動、ロボットシステム１００の構成および環境要素に基づいて選択され得る。ゲインの特定の値は、アクチュエータの種類、システムの質量および環境条件を含めてロボットシステム１００において用いられる構成要素の詳細によって決定され得る。ゲインはまた、感知されたデータ、使用者がプログラム可能な仕様またはこれらの組合せに基づいてリアルタイムに選択されてもよい。
【００６９】
加速システム１８０の背後にある直感は、ロボットシステム１００に加えられる外力は、システムのどこかに反映されるであろうというものである。言い換えれば、外力に応答して、何かが加速されなくてはならない。しかしながら、作動されるジョイント１５０および１１９があるので、この加速するものはロボットシステム１００の性能基準にとって重要である必要はない。たとえば、ペイロード２００の位置などの重要な基準は、外力によって影響を受ける必要はない。加えて、ロボットシステム１００の構成要素の構成は、構成要素がバランスを保持したまま互いに向かってまたは互いから離れるよう移動されて、おおよそゼロまたは他の目標値、正味トルクを達成することができるよう、いくらかの冗長性を提供し得る。
【００７０】
図９には、ペイロード２００がその位置を保持するよう、外力に応答して加速するバランス部材１３０が示されている。摩擦などの第２の外力と、内力を加える能力とが存在するとして、当初の外力は、１つ、複数、またはすべての制御可能なシステム構成要素を加速することによって相殺される。そのような構成要素には、基部１１５、胴部１１８、本体１１０全体、およびバランス部材１３５が含まれ得るが、これに限定されない。たとえば、図９に示されるように、地面との摩擦ｆfrictionが外力を供給すると仮定して、トルクτwを車輪１２５に加えることができ、バランス部材１３５がペイロード２００に加えられた力ｆ1に関して加速するよう、２つのジョイントトルクτ1およびτ2を追加的に加えることができる。これにより車輪１２５およびペイロード２００は、外力ｆ1をバランス部材１３５を加速することによって吸収しながら静止したままになり得る。
【００７１】
数学的に、摩擦力ｆfrictionなど、接地アセンブリ１２０の並進を抑制する外力が存在すると仮定して、ロボットシステム１００を以下のように表現することができる。
【００７２】
【数２】
2011523903.tif 000004
【００７３】
上記の方程式において、小文字はベクトルを表わし、大文字は行列を表わす。ベクトルｑは、ジョイント角度のベクトルである。ベクトルｑvvは、ジョイント加速のベクトルである。行列Ｎは、現在のベクトルｑに依存する行列であり、このベクトルは、カルマンフィルタまたは他の状態推定器で推定することができる。行列Ｃは、現在のベクトルｑおよびｑｖに依存する行列であり、これらのベクトルは、ジョイント位置および速度を表わす。最後に、ベクトルｔは、ジョイントトルクのベクトルである。
【００７４】
役に立つ外力が加えられる点は、ロボットシステム１００の中でジョイント１５０または１１９であると仮定することができる。たとえば、摩擦ｆfrictionの場合、加えられる力の点は、接地アセンブリ１２０が地面５０に接触する点である。さらに、ｑ0は、関連するジョイントの初期角度であり、ｑ1は、車輪の角度であり、ｑ2は、バランス部材１３５またはジョイント１５０もしくは１１９によって移動可能な他の構成要素の角度であると仮定することができる。
【００７５】
上述の関連するジョイントの他に１つだけジョイントを有するロボットシステム１００を考える。そのようなシステム１００は、図９に描かれている。ＮABを行列ＮのＡ行目Ｂ列目にある要素として定義する。同様に、ｑAは、ベクトルqのＡ番目の要素として定義される。したがって、以下が当てはまり得る。
【００７６】
【数３】
2011523903.tif 000005
【００７７】
０番目のジョイント（ｔ0＝０）の周りにはトルクが存在しないと仮定することができる。接地アセンブリ１２０の地面との接点の作動はないはずであるので、これは実際のところである。さらに、０番目のジョイント（ｑ0vv＝０）の周りでは加速がないはずである。そのような加速は、車輪１２５の横揺れ（rolling）を示すであろう。したがって、以下のとおりである。
【００７８】
【数４】
2011523903.tif 000006
【００７９】
上記は、３つの方程式と２つの未知数とからなる系を説明する。よって、自由パラメータがこの方程式系の中に存在する。自由パラメータは、１つ以上のトルクｔ1およびｔ2が、ロボットシステム１００のバランスを取るなど特定の目的を達成するように選択されることを可能にする。特に、ｔ1を基部１１５を接地アセンブリ１２０に接続するジョイントが加速しない平衡条件を満たすように選択することができる。加えて、ｔ2を、ロボットシステム１００の選択された構成要素が加速することを許すように計算することができる。そのような選択は、方程式を並べ替え、解く上での事項である。
【００８０】
ロボットシステム１００が複数のジョイント１５０および１１９ならびに質量を含む状況において、冗長システムがもたらされる。上記の方程式に関して、この場合、ｔ0＝０であり、ｔ1は、加えられた力ｆ1への動的応答である。複数のジョイント１５０および１１９ならびに質量（すなわち可動構成要素）からなるそのようなシステムでは、より多くの垂直項（すなわち方程式）を用いることができる。結果として、ｔ0およびｔ1が上記のように定義されている限り、我々はトルクをさまざまに選択することができる。加えるトルクを選択する方法は、再位置決めシステム１７０が構成要素をどのように再位置決めするかを決定するために利用する方法に似得る。ヤコビ行列およびその導関数、ハミルトン行列を用いて、ロボットシステム１００のすべての構成要素の運動について全体最小値を決定することができる。加えて、我々は、再位置決めシステム１００によって行なわれるのと同様に、構成要素に優先順位を付けることができる。たとえば、特定のジョイント１５０または１１９がその限界に近い場合、他のジョイント１５０および１１９の運動は、特定のジョイント１５０または１１９よりも優先させることができる。
【００８１】
ロボットシステム１００のさまざまな構成要素の加速を制御ループにおいて繰返し行なって、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。
【００８２】
３．駆動システム
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。
【００８３】
適切に適用されると、状態推定器は、感知システム６１０から受取る雑音の多いデータを減らすことができる。そのような状態推定器は、カルマンフィルタであり得る。状態推定器を利用して、比較的平滑な、すなわち雑音が多くない本体１１０の動きの予測をもたらすことができる。その結果、接地アセンブリ１２０の前後の運動を、バランスシステム１３０の他のサブシステムが非アクティブにされているときでさえも、他のシステムおよび装置と比較して著しく低減することができる。
【００８４】
図１０には、駆動システム１９０でロボットシステム１００のバランスを取る方法１０００が示されている。図１０で示されるように、１０１０で、ロボットシステム１００は、バランスシステム１３０を開始させ得る。１０２０で、ロボットシステム１００の処理装置６３０は、駆動システム１９０を通じてロボットシステム１００のバランスを取るための制御ループに入り得る。ループ内、１０３０で、感知システム６１０は、ロボットシステム１００の姿勢、力およびトルクに関連するさまざまなデータを検出し得る。１０４０で、状態推定器をそのようなデータに適用することができる。１０５０で、状態推定器の出力から、処理装置６３０は、ロボットシステム１００に対する座標系における質量中心および目標を計算し得る。１０６０で、プロセッサは、接地アセンブリ１２０のコントローラに接地アセンブリを移動させて、目標をロボットシステム１００の質量中心にまたはに向かって再配置するよう指示し得る。制御ループは、所望される限り繰返されて、駆動システム１９０を通じてロボットシステム１００のバランスを取ることができる。
【００８５】
バランスシステム１３０のサブシステム１７０、１８０および１９０は、相補的なものであり得、組合せて適用されて、性能を向上または専用化することができる。たとえば、バランス部材１３５位置、アクチュエータトルク限界、接地域、またはそれらの組合せに制限が存在する場合、サブシステム１７０、１８０および１９０の特定の組合せおよび重み付けを用いることができる。
【００８６】
ＩＩＩ．結論
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。
【００８７】
ロボットシステム１００は例示的な形態で開示されたが、以下の特許請求の範囲に規定されるロボットシステム１００、方法、およびその等価物の趣旨ならびに範囲から逸脱することなく多くの変形、追加および削除を行なってもよいことが当業者には、明らかであろう。
【図１】
2011523903.tif 000007
【図２】
2011523903.tif 000008
【図３】
2011523903.tif 000009
【図４】
2011523903.tif 000010
【図５Ａ】
2011523903.tif 000011
【図５Ｂ】
2011523903.tif 000012
【図６】
2011523903.tif 000013
2011523903.tif 000014
【図８】
2011523903.tif 000015
【図９】
2011523903.tif 000016
【図１０】
2011523903.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月20日(2011.1.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
望ましい再位置決めを決定するより高度な方法は、ヤコビ行列を利用し得る。現在の質量中心位置と、目標線または目標点であり得る目標とから、再位置決めシステム１７０は、目標に向かっての質量中心の移動の速度ベクトルを決定することができる。ジョイント１５０操作をバランス部材１３５などのさまざまな構成要素の位置に関連付ける行列が存在する。そのような行列の導関数は、ジョイント１５０速度をさまざまな構成要素の速度に、したがって質量中心の速度に関連付けるヤコビ行列である。質量中心についての所望の速度ベクトルを決定して、質量中心を目標に向かって移動させることができる。ヤコビ行列の疑似逆元、または別の逆運動学または逆動力学解法を用いて、そのような速度ベクトルをさまざまな構成要素の速度ベクトルの集合に写像することができる。追加的な例として、この発明の実施例は、ヤコビ行列の擬似逆元ではなく、ロボットヤコビアン、減衰擬似逆元、ヤコビアン転置、または動的に一致したヤコビ逆行列を採用して、ジョイントトルクまたは速度を作業空間トルクおよび速度から得ることができる。各構成要素をそのような構成要素についての対応する個別の速度ベクトルに従って再位置決めすると、質量中心を目標に向かって移動させることができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８０】
ロボットシステム１００が複数のジョイント１５０および１１９ならびに質量を含む状況において、冗長システムがもたらされる。上記の方程式に関して、この場合、ｔ0＝０であり、ｔ1は、加えられた力ｆ1への動的応答である。複数のジョイント１５０および１１９ならびに質量（すなわち可動構成要素）からなるそのようなシステムでは、より多くの垂直項（すなわち方程式）を用いることができる。結果として、ｔ0およびｔ1が上記のように定義されている限り、我々はトルクをさまざまに選択することができる。加えるトルクを選択する方法は、再位置決めシステム１７０が構成要素をどのように再位置決めするかを決定するために利用する方法に似得る。ヤコビ行列または他の行列を用いて、ロボットシステム１００のすべての構成要素の運動について全体最小値を決定することができる。加えて、我々は、再位置決めシステム１００によって行なわれるのと同様に、構成要素に優先順位を付けることができる。たとえば、特定のジョイント１５０または１１９がその限界に近い場合、他のジョイント１５０および１１９の運動は、特定のジョイント１５０または１１９よりも優先させることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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第１の部分集合を選択し、前記バランス部材の第２の部分集合を前記バランス部材の現在の位置に保持する、請求項１に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項３】
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に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項６】
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に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項７】
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に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項８】
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に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
前記ロボットシステムを表面の上方で支持するための車輪付き接地アセンブリをさらに備える、請求項９に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項１１】
前記接地アセンブリは、２つ以下の車輪を含む、請求項１０に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項１２】
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繰返し再位置決めする、請求項１０に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項１３】
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、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９に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項１４】
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備え、前記バランスシステムは、前記外力と等しいかつ対向する力を生じて、前記ロボットシステムのバランスを保持するように構成される、請求項９に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項１５】
前記表面にわたる前記ロボットシステムの前記おおよそ一定の速度は、およそゼロの大きさを有する、請求項９に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項１６】
前記ロボットシステムの前記おおよそ一定の速度は、使用者が選択可能である、請求項９に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項１７】
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、関節アームを形成する、請求項９に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項１８】
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９に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項１９】
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、前記本体から延在し、前記本体は、
基部と、
胴部と、
腰部アクチュエータに取付けられる腰部ジョイントとを含み、前記腰部ジョイントは、前記胴部を前記本体の前記基部に運動可能に取り付けている、請求項９に記載の自己バランスロボットシステム。
【請求項２０】
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。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2011523903.tif 000018
【図３】
2011523903.tif 000019
【図４】
2011523903.tif 000020
【図５Ａ】
2011523903.tif 000021
【図５Ｂ】
2011523903.tif 000022
【図６】
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【図７Ａ】
2011523903.tif 000024
【図７Ｂ】
2011523903.tif 000025
【図８】
2011523903.tif 000026
【図９】
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【図１０】
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【図１】
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【国際調査報告】
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