(57)【要約】本技術の様々な実施形態は、一般にロボット工学に関する。より詳細には、本技術のいくつかの実施形態は、社会的表現能力を有する移動作業ロボットのための統合システム設計に関する。いくつかの実施形態は、社会的表現可能なヘッドユニットを備えるロボットを提供する。ヘッドは、遊星ギヤボックスを有するモータ及びサーボによって生成される少なくとも２つの自由度を有することができる。モータは、モータの作動によってシェルが上下にチルトすることを可能にする支持体を介してシェルに接続可能である。シェルは、支持体に取り付け可能なカメラを受けるように構成されたカメラハウジングを含むことができる。モータは、ヘッドユニットをパンさせるサーボによって制御される回転可能なシャフトに搭載可能である。【選択図】図１
2021523838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットであって、
少なくとも２つの自由度を有するヘッドユニットであって、
ローカル環境の画像又はビデオを捕捉するカメラと、
前記カメラを受けるために取り付けられたカメラハウジングを有するシェルと、
遊星ギヤボックスを有するモータと、
前記シェルを前記モータに接続し、それによって前記モータの作動によって前記シェルが上下にチルトする支持体と、
サーボと、
前記ヘッドユニットからの力を吸収するために２つのアキシアル軸受が取り付けられたシャフトと、を備え、前記遊星ギヤボックスを有する前記モータが前記シャフトに搭載され、前記シャフトが、前記シェルをパンさせる前記サーボによって回転可能である、ヘッドユニットと、
前記ヘッドユニットに接続された本体と、
前記本体の第１の端部に配置される移動ベースであって、各車輪が表面に沿って前記ロボットを推進するように動作する駆動アセンブリに連結された一対の車輪を有する移動ベースと、を備える、ロボット。
【請求項２】
前記ヘッドユニットが、前記シェルの反対側に位置決めされた２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）パネルを備え、前記２つのＬＥＤパネルが、前記ロボットの動作状態を示す色を変化させるように構成された、請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
前記ヘッドユニットの前記シェルが、裏に前記２つのＬＥＤパネルのそれぞれが前記シェルに貼り付けられた２つの半透明ペインを含む、請求項２に記載のロボット。
【請求項４】
前記本体に連結された近位端を有するマニピュレータアームと、グリッパに接続された遠位端と、をさらに含み、前記マニピュレータアームが駆動関節によって接続された複数のセグメントを含み、前記マニピュレータアームを動かして、対象物を回収又は配達させる、請求項１に記載のロボット。
【請求項５】
前記マニピュレータアームの該遠位端が、前記マニピュレータアームの該遠位端に取り付けるために丸みを帯びた近位端を有する手首ハウジングを有するグリッパインタフェースを介して、前記グリッパに接続され、前記手首ハウジングが、前記グリッパの近位端に接続するための長方形の遠位端をさらに有する、請求項４に記載のロボット。
【請求項６】
前記マニピュレータアームと前記グリッパとが、異なる通信プロトコルを利用し、前記グリッパインタフェースが、前記グリッパが前記マニピュレータアームから独立して制御され得るように無線ブリッジを含む、請求項５に記載のロボット。
【請求項７】
前記遊星ギヤボックスが、前記モータがオフになっても前記ヘッドユニットが動かないように十分なトルクを提供するギヤ比を有する、請求項１に記載のロボット。
【請求項８】
前記ギヤ比が１対３０を上回る、請求項７に記載のロボット。
【請求項９】
社会的表現能力を有する擬人化ロボットヘッドユニットであって、
ローカル環境の画像を捕捉するためのカメラと、
前記カメラを受けるために取り付けられたカメラハウジングを有するシェルと、
遊星ギヤボックスを有するモータと、
前記シェルを前記モータに接続し、それによって前記モータの作動によって前記シェルが上下にチルトする支持体と、
サーボと、
前記擬人化ロボットヘッドユニットからの力を吸収するために２つのアキシアル軸受が取り付けられたシャフトと、を備え、
前記遊星ギヤボックスを有する前記モータが前記シャフトに搭載され、前記シャフトが、前記シェルをパンさせる前記サーボによって回転可能である、擬人化ロボットヘッドユニット。
【請求項１０】
前記シェルの反対側に位置決めされた２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）パネルをさらに備え、前記ＬＥＤパネルが、動作状態を示す色を変化させるように構成された、請求項９に記載の擬人化ロボットヘッドユニット。
【請求項１１】
前記動作状態が、傾聴、処理中、及びアイドル状態を含む、請求項１０に記載の擬人化ロボットヘッドユニット。
【請求項１２】
前記シェルが、裏に２つのＬＥＤパネルのそれぞれが貼り付けられた２つの半透明ペインをさらに含む、請求項１０に記載の擬人化ロボットヘッドユニット。
【請求項１３】
２つの眼、鼻、及び口を含む顔の特徴を表示するための前面ＬＥＤパネルをさらに備える、請求項９に記載の擬人化ロボットヘッドユニット。
【請求項１４】
前記遊星ギヤボックスが、前記モータがオフになっても前記擬人化ロボットヘッドユニットが動かないように十分なトルクを提供するギヤ比を有する、請求項９に記載の擬人化ロボットヘッドユニット。
【請求項１５】
前記遊星ギヤボックスが、前記モータがオフになっても前記擬人化ロボットヘッドユニットが動かないように十分なトルクを提供するギヤ比を有する、請求項１３に記載の擬人化ロボットヘッドユニット。
【請求項１６】
ロボットであって、
少なくとも２つの自由度を有する社会的表現可能なヘッドユニットであって、
前記ロボットのローカル環境の画像又はビデオを捕捉するカメラと、顔の特徴を表す電子ディスプレイとを含む一組の電子構成部品と、
前記カメラを受けるために取り付けられたカメラハウジングと、前記電子ディスプレイが裏に固定されている半透明ペインと、を有する前部を有するシェルと、
遊星ギヤボックスを有するモータと、
支持トラスであって、前記シェルを前記モータに接続し、それによって前記モータの作動によって前記シェルが上下にチルトし、前記一組の電子構成部品が前記支持トラスに搭載される、支持トラスと、
サーボと、
前記遊星ギヤボックスを有する前記モータが搭載されているシャフトと、を含み、前記シャフトが、前記シェルをパンさせる前記サーボの作動によって回転可能である社会的表現可能なヘッドユニットと、
前記社会的表現可能なヘッドユニットに接続され、統合トレイを有する本体と、
前記本体の第１の端部に配置される移動ベースであって、表面に沿って前記ロボットを推進させる地面係合駆動部と２つのキャスタを有する移動ベースと、を備える、ロボット。
【請求項１７】
前記社会的表現可能なヘッドユニットが、前記シェルの反対側に位置決めされた２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）パネルを備え、前記ＬＥＤパネルが、前記ロボットの動作状態を示す色を変化させるように構成された、請求項１６に記載のロボット。
【請求項１８】
前記本体に連結された近位端を有するマニピュレータアームと、グリッパに接続された遠位端と、をさらに含み、前記マニピュレータアームが駆動関節によって接続された複数のセグメントを含み、前記マニピュレータアームを動かして、対象物を前記本体の統合トレイに回収又は前記本体の統合トレイから配達させる、請求項１７に記載のロボット。
【請求項１９】
前記マニピュレータアームの該遠位端が、前記マニピュレータアームの該遠位端に取り付けるために丸みを帯びた近位端を有する手首ハウジング有するグリッパインタフェースを介して、前記グリッパに接続され、前記手首ハウジングが前記グリッパの近位端に接続するための長方形の遠位端をさらに有する、請求項１８に記載のロボット。
【請求項２０】
前記マニピュレータアームと前記グリッパとが、異なる通信プロトコルを利用し、前記グリッパインタフェースが、前記グリッパが前記マニピュレータアームから独立して制御され得るように、無線ブリッジを含む、請求項１９に記載のロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１９年５月１４日に出願された米国仮出願番号第６２／６７１，１５９号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本技術の様々な実施形態は、一般にロボット工学に関する。より詳細には、本技術のいくつかの実施形態は、社会的表現能力を有する移動作業ロボットのための統合システム設計に関する。
【背景技術】
【０００３】
屋内環境やヒューマン・ロボット・インタラクションに適した完全に統合された移動作業ロボットプラットフォームは、研究者や商業団体の関心を集めている。これらのサービスロボットは、人間と一緒に働き、家の周りや職場で人間の日常生活で多くのタスクを実行、又は補助するように設計されている。例えば、これらのサービスロボットは、対象物を回収して配達したり、又は定型業務を実行したりできる。個人がこれらのロボットの周りでより心地よく感じるために、サービスロボットは、人間が容易に解釈できる表情をロボットが提供できるように、擬人化されたデザインを作り出すことに焦点を当てて設計可能である。
【０００４】
社会的表現力を作り出すような単純なロボットデザインは、顔を表示するスクリーンを含み得るが、より複雑なデザインは、耳、眼、及び他の顔の特徴を動かすことができる、１０以上の自由度を有する頭部を有してもよい。自由度の数が増えることで多くの表情をもたらし、より人間らしいロボットになる一方で、これらのデザインは、より複雑な機械設計と制御アルゴリズムが必要になる。擬人化されたデザインと複雑さのバランスをとることは困難な場合がある。これら及び他の問題に関して、本発明の実施形態がなされた。
【発明の概要】
【０００５】
本技術の様々な実施形態は、一般にロボット工学に関する。より詳細には、本技術のいくつかの実施形態は、社会的表現能力を有する移動作業ロボットのための統合システム設計に関する。いくつかの実施形態は、社会的表現可能なヘッドユニット、本体、グリッパを有するマニピュレータアーム、及び移動ベースを備えるロボットを提供する。ヘッドユニットは、遊星ギヤボックスを有するモータ及びサーボによって生成される少なくとも２つの自由度を有することができる。モータは、モータの作動によってシェルが上下にチルトすることを可能にする支持体又は支持トラスを介して、シェル（例えば、３Ｄプリント）に接続可能である。
【０００６】
シェルは、支持体に取り付け可能なカメラを受けるように構成されたカメラハウジングを含むことができる。モータは、サーボによって制御される回転可能なシャフトに搭載可能である。このように、サーボの作動によってシャフトを回転させて、ヘッドユニットをパンさせることができる。いくつかの実施形態では、シャフトにアキシアル軸受が取り付けられ、ヘッドユニットからの力を吸収することができる。本体は、（例えば、ネックシェルによって覆われ得るシャフトを介して）ヘッドユニットに接続することができる。移動ベースは、本体の第１の端部に配置され、表面に沿ってロボットを推進するように動作する、駆動アセンブリに連結された一対の車輪又は係合駆動部を含むことができる。
【０００７】
いくつかの実施形態では、ヘッドユニットは、シェルの反対側に位置決めされた２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）パネルを含むことができる。ＬＥＤパネルは、ロボットの動作状態（例えば、傾聴、アイドル状態、処理中、ビジーなど）を示す色を変化させるように構成することができる。ヘッドユニットのシェルは、各ＬＥＤパネルを裏に貼り付け得る２つの半透明ペインを含むことができる。
【０００８】
いくつかの実施形態では、マニピュレータアームの近位端は本体に連結することができ、遠位端はグリッパに接続することができる。マニピュレータアームは、駆動関節によって接続された複数のセグメント（例えば、３、４、７など）を含むことができ、マニピュレータアームを動かして、対象物を回収又は配達させる。マニピュレータアームの遠位端は、マニピュレータアームとグリッパとの間の遷移を提供するグリッパインタフェースを介して、グリッパに接続することができる。いくつかの実施形態では、グリッパインタフェースは、マニピュレータアームの遠位端に取り付けるために丸みを帯びた近位端を有する手首ハウジングを含むことができ、一方、長方形の遠位端をグリッパの近位端に接続するために使用することができる。マニピュレータアームとグリッパとは、異なる通信プロトコルを利用する。グリッパインタフェースのいくつかの実施形態は、グリッパがマニピュレータアームから独立して制御され得るように無線ブリッジを含む。
【０００９】
複数の実施形態が開示されているが、本発明のまだ他の実施形態は、本発明の例示的実施形態を示し説明する以下の詳細な説明から、当業者には明らかになるであろう。理解されるように、本発明は、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な態様に変更可能である。したがって、図面及び詳細な説明は、本質的に例示的なものであり、制限的なものではないとみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本技術の実施形態は、添付図面を用いて記述されかつ説明される。
【００１１】
【図１】本技術の１つ又は複数の実施形態による社会的表現能力を有するロボットの図である。
【００１２】
【図２】図１のロボットの側面図である。
【００１３】
【図３Ａ】図１及び図２に示したロボットのヘッドユニットの様々な図である。
【図３Ｂ】図１及び図２に示したロボットのヘッドユニットの様々な図である。
【図３Ｃ】図１及び図２に示したロボットのヘッドユニットの様々な図である。
【図３Ｄ】図１及び図２に示したロボットのヘッドユニットの様々な図である。
【００１４】
【図４】ロボットのヘッドユニットを側面から見た断面図である。
【００１５】
【図５】様々な構成部品を隠し駆動機構を示した状態で正面から見た、ロボットのヘッドユニットの断面図である。
【００１６】
【図６】様々な構成部品を隠し駆動アセンブリを示した状態の、ロボットのヘッドユニットの分解図である。
【００１７】
【図７】様々な構成部品を隠し駆動アセンブリを示した状態の、ヘッドユニットの分解断面図である。
【００１８】
【図８Ａ】前腕部をグリッパアセンブリに接続するグリッパインタフェースの様々な実施形態の分解図である。
【図８Ｂ】前腕部をグリッパアセンブリに接続するグリッパインタフェースの様々な実施形態の分解図である。
【００１９】
【図９Ａ】様々な構成部品が隠された状態で側面から見たグリッパインタフェースの実施形態の断面図である。
【図９Ｂ】様々な構成部品が隠された状態で側面から見たグリッパインタフェースの実施形態の断面図である。
【００２０】
【図１０】グリッパインタフェースの様々な構成部品の電気的接続を示すブロック図である。
【００２１】
【図１１Ａ】グリッパインタフェースで使用され得るカスタマイズされたプリント回路基板のレイアウトを示す図である。
【図１１Ｂ】グリッパインタフェースで使用され得るカスタマイズされたプリント回路基板のレイアウトを示す図である。
【００２２】
【図１２Ａ】ロボットと共に使用され得るグリッパインタフェース構成部品のピン配列を示す図である。
【図１２Ｂ】ロボットと共に使用され得るグリッパインタフェース構成部品のピン配列を示す図である。
【図１２Ｃ】ロボットと共に使用され得るグリッパインタフェース構成部品のピン配列を示す図である。
【図１２Ｄ】ロボットと共に使用され得るグリッパインタフェース構成部品のピン配列を示す図である。
【００２３】
【図１３Ａ】ロボットで使用され得る様々な構成部品の電気的レイアウトを示すブロック図である。
【図１３Ｂ】ロボットで使用され得る様々な構成部品の電気的レイアウトを示すブロック図である。
【００２４】
【図１４Ａ】キノヴァ社製アームリストコネクタとロボティーク社製−８５グリッパとの間の電気的接続及び通信接続を示すブロック図である。
【００２５】
【図１４Ｂ】キノヴァ社製アームリストコネクタとロボティーク社製−８５グリッパとを接続するために使用され得るカスタマイズされたプリント回路基板のレイアウトを示す図である。
【００２６】
【図１４Ｃ】いくつかの実施形態でロボットと共に使用され得るグリッパインタフェース構成部品のピン配列を示す図である。
【図１４Ｄ】いくつかの実施形態でロボットと共に使用され得るグリッパインタフェース構成部品のピン配列を示す図である。
【００２７】
図面は、必ずしも縮尺通りには描かれていない。同様に、いくつかの構成部品及び／又は操作は、本技術のいくつかの実施形態の議論の目的のために、異なるブロックに分離、又は単一のブロックに結合されていてもよい。さらに、本技術は、様々な変形形態及び代替形態が可能であるが、特定の実施形態は、例として図面に示されており、以下に詳細に記述される。しかしながら、その意図は、記載した特定の実施形態に本技術を限定するものではない。逆に、本技術は、添付の特許請求範囲によって示される本技術の範囲内に当てはまるすべての変更、等価物、及び代案を網羅することを意図する。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本技術の様々な実施形態は、一般にロボット工学に関する。より詳細には、本技術のいくつかの実施形態は、社会的表現能力を有する移動作業ロボットのための統合システム設計に関する。本技術の様々な実施形態は、様々な機能を実行するための適切なレベルのセンサを有する、美的な社会的ヒューマン・ロボット・インタラクション（ＨＲＩ）サービスロボットを提供する。例えば、様々な実施形態は、基本的なタスクを自律的に実行し、人間のデモンストレーションから学習し、機械学習アルゴリズムから学習した動作を展開し、及び／又は他の機能を実行することができる。
【００２９】
サービスロボットのいくつかの実施形態は、より重い構造物を支持するためのパン及びチルトヘッドユニットの設計を含む。ヘッドユニットは、カメラと共に搭載されるシェルを含むことができる。ヘッドユニットは、カメラのパン・チルトというよりは、より人間の首のような動作をすることができる。ヘッドユニットは、リンクされた２つの自由度（すなわち、パンとチルト）を有することができる。ヘッドユニットの機械設計は、サーボモータを使用してパンを制御し、遊星ギヤボックス付きブラシレス直流（ＤＣ）モータを使用してチルトを制御してもよい。各回転軸は、必要な荷重に応じた適切な軸受を備え、様々な材料（例えば、機械加工されたアルミニウム）から構成可能である。
【００３０】
いくつかの実施形態では、マニピュレータアームは、サービスロボット本体に接続され得る。例えば、マニピュレータアームの近位端は本体に連結され、遠位端はグリッパに接続され得る。マニピュレータアームは、駆動関節によって接続された複数のセグメント（例えば、３、４、７など）を含むことができ、マニピュレータアームを動かして、対象物を回収又は配達させる。マニピュレータアームの遠位端は、マニピュレータアームとグリッパとの間に（電気的及び機械的に）遷移を提供するカスタム・グリッパ・インタフェースを介してグリッパに接続され得る。例えば、いくつかの実施形態では、グリッパインタフェースは、マニピュレータアームの遠位端に取り付けるために丸みのついた近位端を有する手首ハウジングを含むことができ、一方、長方形の遠位端は、グリッパの近位端に接続するために使用可能である。マニピュレータアームとグリッパとは、異なる通信プロトコルを利用する。グリッパインタフェースのいくつかの実施形態は、グリッパがマニピュレータアームから独立して制御され得るように無線ブリッジを含む。
【００３１】
以下の説明では、説明の目的で、本技術の実施形態の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載される。しかしながら、本技術の実施形態は、これらの特定の詳細の一部がなくても実施され得ることは、当該技術分野の当業者には明らかであろう。ロボットは、様々な特殊目的のハードウェア、ソフトウェア及び／又はファームウェアで適切にプログラムされたプログラム可能な回路などを含むことができる。
【００３２】
「いくつかの実施形態では」、「いくつかの実施形態による」、「示された実施形態では」、「他の実施形態では」などの語句は、一般に、語句に続く特定の特徴、構造、又は特性が、本技術の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味し、２つ以上の実施形態に含まれていてもよい。さらに、そのような語句は、必ずしも同一の実施形態、また異なる実施形態を指すものではない。
【００３３】
図１は、本技術の１つ又は複数の実施形態による社会的表現能力を有するロボット１００の図である。図１に示すように、ロボット１００は、本体１１０、移動ベース１２０、駆動輪１３０、キャスタ車輪１４０、ヘッドユニット１５０、マニピュレータ１６０、グリッパ１７０、及びトレイ１８０を有する。本体１１０及び／又は移動ベース１２０は、様々な動力源（例えば、バッテリ）、プロセッサ、制御装置、センサ、駆動モータ、及び／又は他の構成部品を含み得る。一対の駆動輪１３０は、駆動輪１３０を回転させるように動作する駆動アセンブリ（図示せず）を保護する移動ベース１２０の外側に配置され、ロボット１００を、地面、床、又は他の支持面に沿って推進する。キャスタ車輪１４０によって、ロボット１００が前方又は後方に倒れるのを防止する追加のバランシング支持を提供することができる。例えば、ロボット１００が電源オフ又は低電力節約モードにあるとき、キャスタ車輪１４０は、ロボット１００を直立に保つために必要な支持を提供することができる。
【００３４】
駆動輪１３０は、駆動輪が独立して移動することを可能にする差動駆動システムの一部であってもよい。このように、駆動輪１３０の相対的な回転速度を変化させることにより、ロボット１００は、追加の操舵構成部品なしに、地面の障害物をナビゲートしたり、所望の目的地に到達したりできる。図１に示された実施形態は、駆動輪１３０を含むが、いくつかの実施形態では、エンドレストレッド（例えば、トラック）のような代替的な地面係合駆動部が使用されてもよい。様々な実施形態によると、移動ベース１２０及び駆動輪１３０は、セグウェイ・ロボティクス・モビリティ・プラットフォーム（Ｓｅｇｗａｙ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｐｌａｔｆｏｒｍ）（ＲＭＰ）をベースにすることができる。移動ベース１２０は、比較的小さなフットプリントを有し得るが、地面又は他の表面に沿ってロボット１００全体を移動させるのに十分な移動力を提供可能である。いくつかの実施形態では、本体１１０及び移動ベース１２０は、互いに相対的に回転可能であってもよい。
【００３５】
ヘッドユニット１５０は、本体１１０に回転可能に連結され、１つ又は複数のカメラ１５２、視覚的インジケータ１５４、１５６、スピーカ（図示せず）、マイクロフォン（図示せず）、ライダセンサ（例えば、北陽電機株式会社製２Ｄセンサ）、ソナーセンサ（例えば、ＭａｘＢｏｔｉｘ社製）、及び／又は他のセンサを含むことができる。これらのセンサは、ナビゲーション及び位置推定アルゴリズムのためのフィードバックを提供するために使用できる。例えば、カメラ１５２は、ロボット１００のローカル環境の画像又はビデオを捕捉してもよい。これらの画像及び／又はビデオを使用して、ロボット１００がピックアップ及び配達をタスクとする対象物の位置を識別できる。いくつかの実施形態によると、視覚的インジケータ１５４及び１５６は、色、パターンなどを変化させるための複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むことができ、ロボットの状態（例えば、処理中、傾聴など）に関する視覚的フィードバックを室内の人間に提供する。また、センサ及びインジケータは、ロボット１００の本体１１０及び移動ベース１２０などの他の場所に配置されていてもよいが、これらに限定されない。
【００３６】
マニピュレータ１６０及びグリッパ１７０は、ロボット１００が様々な環境で相互作用し、様々な有用なタスク（例えば、対象物の取り出し及び配達、ドア又は箱の開封など）を実行することを可能にする。図１に示されたマニピュレータ１６０は、本体１１０に回転可能に連結された近位端部分１６２を含む。マニピュレータ１６０の遠位端部分又は前腕部１６４は、グリッパ１７０に回転可能に連結されてもよい。マニピュレータ１６０は、駆動関節で連結された複数のセグメントを含んでもよい。マニピュレータ１６０及びグリッパ１７０は、様々な力、及び機械学習技術に有用であり得る位置フィードバック信号を提供可能である。ヘッドユニット１５０のカメラ１５２は、マニピュレータ１６０及び／又はグリッパ１７０のナビゲーションのための視覚的フィードバックを提供可能である。
【００３７】
図２に示すように、カメラ１５２は、様々なタスクを実行中、マニピュレータ１６０、グリッパ１７０、及びトレイ１８０を視野内に維持するように設計された視野領域２１０を提供可能である。例えば、ロボット１００は、トレイ１８０から人間又は別の表面（例えば、テーブル）に対象物（図示せず）を配達することをタスクとしてもよい。トレイ１８０は、本体１１０に統合されていてもよく、又は本体１１０から取り外し可能であってもよい。カメラ１５２、エンコーダ、グリッパ１７０からの力信号などからのフィードバックを使用して、ロボット１００は、自律的に所望のタスクを計画、実行することができる。その結果、ロボット１００は、複数の対象物を一度に回収及び／又は配達し、対象物をある場所から別の場所に移動させながら、複数の対象物のそれぞれの位置を追跡することができる。様々な実施形態によると、コマンドは、人間の音声入力としてロボット１００によってサブタスクとして独立して決定されるか、又はコンピュータデバイス（例えば、スマートウォッチ、コンピュータ、タブレットなど）によって生成された信号によって受信可能である。
【００３８】
カメラ１５２及びヘッドユニット１５０の角度は、人間にとってあまりにも不自然、又は不快でないチルト動作を提供可能である。例えば、いくつかの実施形態では、チルト動作は、−３０度〜＋６０度の範囲に限定されてもよい。他の実施形態では、ヘッドユニット１５０のチルト動作の範囲は、より広く又は狭くてもよい。トレイは、いくつかの実施形態では、カメラ１５２によって常に視認可能であってもよく、それによって、トレイ１８０上の任意の対象物をカメラ１５２の視野領域２１０内に保ちながら、ロボットから離れた（例えば、テーブル上の）対象物の識別を可能にする。
【００３９】
図３Ａ〜図３Ｄは、図１及び図２に示すような、ロボット１００のヘッドユニット１５０の様々な図を示す。図３Ａ〜図３Ｄに図示すように、ヘッドユニット１５０は、シェル３１０、カメラハウジング３２０、ＬＥＤパネル３３０、ネック３４０、及びネックシェル３５０を含み得る。いくつかの実施形態では、シェル３１０は、いくつかの実施形態では直径約１０インチである顔（例えば、カメラハウジング及び前面ＬＥＤパネル３３０）を含み、直径約１３インチとすることができる。他の実施形態では、シェル３１０及び顔は、本体１１０のサイズに合わせて小さくても、又は大きくてもよい。前面ＬＥＤパネル３３０（又は他の電子ディスプレイ）は、動いたりまばたきしたりする眼、上げ下げ可能な眉、鼻、及び形状が変化可能な口などの社会的表現の顔の特徴（例えば、微笑みからしかめ面へ）を表示するために使用可能である。
【００４０】
図３Ａ〜図３Ｄに示されるように、カメラハウジング３２０は、ロボットの視線がヘッドユニット１５０が見ている場所と一致するように、シェル３１０内に配置され得る。ＬＥＤパネル又はストリップ３３０は、耳の中に配置され得る。ＬＥＤパネル３３０は色を変化させ、ロボット１００の運転モードの視覚的な表示を提供し得る。例えば、いくつかの実施形態では、ＬＥＤパネル３３０は、ロボット１００が処理中で、人間の音声コマンドを聞いていないときに赤色になってもよい。ＬＥＤパネル３３０は、ロボット１００がコマンドを聞いているときに緑色になり、点滅してもよい。ＬＥＤパネル３３０は、ロボット１００がアイドル状態であることを表すために、心拍を示す青及び白になってもよい。
【００４１】
ロボット１００の社会的能力をモデル化する際には、２つの主な考慮事項があった。それは、ヘッドユニット１５０でジェスチャーを行う能力と、美的であり知的で社交的に見えることである。これらの考慮事項は、いくつかの実施形態では、既製のアクチュエータを使用したパン・チルトモータシステムの設計、及びロボットのためのカスタムシェルの作成によって、それぞれ達成され得る。図３Ａ〜図３Ｄに示された実施形態では、ヘッドユニット１５０は、前後にチルトし、ネック３４０の周りで回転することができる。いくつかの実施形態では、ヘッドユニット１５０の回転は、±９０度に制限されてもよい。他の実施形態では、回転は、より大きくても小さくてもよい。
【００４２】
図４及び図５は、ロボット１００のヘッドユニット１５０をそれぞれ側面及び正面から見た断面図を提供し、ヘッドユニットの制御及び動作のための駆動アセンブリを示す。図４及び図５に示すように、ヘッドユニット１５０は、シェル３１０、支持体（又は支持トラス）４１０、カメラ４２０、ＬＥＤパネル支持体４３０、遊星ギヤボックス４４０を有するモータ、シャフト４５０、デュアル・アンギュラ・コンタクト玉軸受４６０、サーボ４７０、及びネックシェル３５０を含み得る。シェル３１０及びネックシェル３５０は、近傍の人間に美的で好ましいヘッドユニットを提供しながら、内部構成部品を取り囲むように設計されたプラスチックシェルであり得る。カメラ４２０及びシェル３１０は、支持体４１０によって一緒に保持され得る。支持体４１０はまた、様々なスクリーン及びすべての内部電子構成部品（図示せず）と共に、カメラ４２０及び前面ＬＥＤパネル４３０の支持を提供しながら、モータ４４０とシェル３１０を接続することができる。図６及び図７は、様々な構成部品を隠して駆動アセンブリを示した状態のヘッドユニット１５０の分解図を提供する。
【００４３】
注意に基づくジェスチャーを可能にするために、ロボット１００のヘッドユニット１５０の様々な実施形態は、人間が行うのと同様にヘッドユニット１５０を動かす。例えば、いくつかの実施形態では、ヘッドユニット１５０は、少なくとも２つの自由度（すなわち、少なくとも２つの座標フレームでの動作）を有することができる。このように、ヘッドユニット１５０は、思考中に下を向いたり、ロボット１００に話しかけている人間を直接見たり、イエスかノーかをうなずいたりするようにプログラムされてもよい。ヘッドユニット１５０が所望の動作を達成可能にするために、支持体４１０は、遊星ギヤボックスを有するモータ４４０にも連結されたアルミニウム構造物の支持体であってもよい。シャフト４５０は、アルミニウム製であっても、ヘッドの重量の力を吸収するような２軸の軸受４６０が取り付けられてもよい。
【００４４】
遊星ギヤボックスを有するモータ４４０は、ヘッドユニット１５０を上下にチルトすることができ、一方、サーボ４７０（例えば、ダイナミクセル（Ｄｙｎａｍｉｘｅｌ）サーボ）は、ヘッドユニット１５０をパンすることができる。ギヤボックスは、ヘッドの重量を支持するために高いギヤ比を有してもよい。例えば、いくつかの実施形態では、ギヤボックスは、モータ４４０がオフになってもヘッドユニット１５０が動かないように、高いトルクを与えるギヤ比（例えば、１：４５）を有してもよい。この比は、シェルを作り出すために使用される材料、ヘッドユニット１５０に統合される一組の電子構成部品、シェル３１０のサイズ、及び／又は他の要因に応じて高く又は低くしてもよい。このように、様々な実施形態は、モータ４４０が停止されたときにヘッドを所定の位置に維持するための耐荷重バネを必要としない。さらに、モータ４４０及びサーボ４７０は、非常に低いバックラッシュを有するように選択され、非常に滑らかな動作を提供し、ヘッドユニット１５０のぎくしゃくした動作によって生じるノイズを低減することによってカメラの画像検出を改善することができる。
【００４５】
前面ＬＥＤパネル４３０は、半透明のペイン（例えば、白色アクリル樹脂）の裏に位置してもよく、近傍の人間が解釈可能な表情（例えば、まばたき、眼を逸らす、微笑みなど）を作るために使用され得る。前面ＬＥＤパネル４３０は、２つの眼、口、鼻などの伝統的な顔の特徴を表してもよい。いくつかの実施形態では、前面ＬＥＤパネル４３０は、ヘッドユニット１５０の前面ＬＥＤパネルからの顔の表情が依然としてロボットのように見えるように、よりデジタルな外観（例えば、眼のための古典的な８ビットのデジタル文字）を有してもよい。
【００４６】
電気的に、モータ４４０及びサーボ４７０の通信は、プロセッサ（図示せず）に合理化され、プロセッサが、（例えば、エンコーダからの）位置測定値を読み取り制御信号を送信して、ヘッドユニット１５０をパン及びチルトするようにモータ４４０及びサーボ４７０の位置を命令してもよい。コスト削減のために、いくつかの実施形態は、パン用サーボ４７０よりも低いトルクのモータ４４０を使用可能である。チルト用モータ４４０はより多くの制約（例えば、ヘッドユニット１５０の重量を重力に対してバランスさせてスムーズ動く必要がある）を有するので、チルト用モータ４４０のためにより高いトルクのモータが選択されてもよい。モータ４４０及びサーボ４７０は、異なる信号プロトコルを使用して通信してもよいが、追加の制御装置（例えば、ＥＰＯＳ−２及びＲＳ−ｔｏ−ＵＳＢモータ制御装置）とＵＳＢを介して通信してもよい。
【００４７】
図８は、マニピュレータアーム１６０のグリッパアセンブリ１７０に、前腕部１６４を接続するグリッパインタフェースの分解図である。いくつかの実施形態によると、マニピュレータアーム１６０は、７自由度ロボットマニピュレータ（例えば、キノヴァ社製Ｊａｃｏ２  ７自由度ロボットマニピュレータ）とすることができる。マニピュレータアーム１６０は、感覚的フィードバックを提供するために使用でき、選択されたグリッパ１７０（例えば、ワイス社製（Ｗｉｅｓｓ）ＷＳＧ−３２グリッパ）と統合され、指先の力及び圧力を感知するための追加のフィードバックを提供することができる。グリッパ１７０によって提供される追加のフィードバックは、グリッパ１７０を使用して把持するときに印加される力に敏感な対象物の、正確な操作を可能にする。さらに、このフィードバックは、対象物がグリッパ１７０から滑り出るときを感知するために使用してもよい。
【００４８】
グリッパアセンブリ１７０及びマニピュレータアーム１６０の、機械的及び電気的な統合は、図８、図９、及び図１０に示される。マニピュレータアーム１６０の端部８１０は、プリント回路基板８２０、無線ブリッジ８３０、及び手首ハウジング８４０を使用してグリッパ１７０に接続可能である。マニピュレータアーム１６０及びグリッパ１７０間の機械的接続は、（例えば、メンテナンスのために）容易な組立及び分解を可能にするために、モジュラ設計とすることができる。手首ハウジング８４０の形状は、マニピュレータアーム１６０の手首端部８１０の形状とグリッパ１７０のためのインタフェースの矩形プロファイル８５０との間の滑らかな遷移を提供しつつ、視覚的又は美的にも大げさにならないように十分に小さくすることができる。図示された機械的設計は、電子機器（例えば、プリント回路基板８２０及び８３０）及び２つのシステムのインタフェースに使用されるケーブルを保護する、機械加工又は３Ｄプリントされた手首ハウジング８４０を含むことができる。
【００４９】
手首ハウジング８４０は、ロフトボス（ｌｏｆｔｅｄ  ｂｏｓｓ）を使用してモデル化し、マニピュレータアーム１６０の端部８１０の円形プロファイルと、グリッパ１７０の矩形プロファイル８５０とをインタフェースすることができる。手首ハウジング８４０の片端は、ロボット型マニピュレータアーム１６０（例えば、キノヴァ社製マニピュレータ）のそれと一致する取付孔を有することができ、他端は、グリッパ１７０のための取付孔を有することができる。ＰＣＢ８２０は、手首ハウジング８４０内に収まるように十分に小さく、かつ大きな電流を処理する能力を有する必要がある。いくつかの実施形態は、２層設計及びより広い配線幅の使用によってこの問題に対処する。ＰＣＢ８２０は、外部ワイヤのルーティングを回避するために使用され得る。グリッパ１７０とマニピュレータアーム１６０との間に外部ワイヤを有すると、アームの動作に影響を及ぼす。
【００５０】
ロボット１００と共に使用するために選択されたグリッパ及びマニピュレータアームによっては、グリッパ１７０（例えば、ワイス社製ＷＳＧ−３２）によって使用される通信プロトコルが、マニピュレータアーム１６０の通信プロトコルと互換性がない可能性がある。例えば、グリッパ１７０は、選択されたマニピュレータアーム１６０（例えば、キノヴァ社製（Ｋｉｎｏｖａ）Ｊａｃｏ７−ＤＯＦ  ａｒｍ  ＲＳ４８５）のフィードスルー通信プロトコルと互換性のないイーサネットベースのプロトコルを有する可能性がある。したがって、無線ブリッジ８３０を使用して、独立したユニットとしてグリッパ１７０にアクセスしてもよい。マニピュレータアーム１６０と同じ供給電圧（２４Ｖ）で動作させることができるグリッパ１７０に電力を供給するために、マニピュレータアーム１６０の手首端部８１０に電力接続を使用してもよい。
【００５１】
いくつかの市販アーム（例えば、キノヴァ社製Ｊａｃｏ７−ＤＯＦ  ａｒｍ  ＲＳ４８５）のマニピュレータアーム１６０の手首端部８１０のコネクタ１０１０（図１０）は、非標準であり直接インタフェースすることが困難な可撓性フラット・リボン・ケーブルを使用できる。可撓性フラット・リボン・ケーブルは、マニピュレータアーム１６０の手首端部８１０のコネクタ１０１０と、ＰＣＢ８２０上の同一コネクタに取り付け可能である。２４Ｖ電源ラインは、グリッパの電源として機能する２ピンコネクタと、無線ブリッジの電源のための５Ｖ電圧レギュレータ１０２０にルーティングすることができる。レギュレータの出力は、無線ブリッジ８３０にルーティングされる。また、無線ブリッジ８３０は５Ｖ電源を使用してもよい。このように、２層のカスタムＰＣＢ（プリント回路基板）８２０を使用して、可撓性フラット・リボン・ケーブルコネクタとインタフェースし、アームの電源ラインを使用して、グリッパ１７０及び無線ブリッジ８３０の両方に給電することができる。
【００５２】
無線ブリッジ８３０は、カスタムＰＣＢ８２０を介して給電（例えば、５Ｖ）されることができ、それにより、アームのインタフェースＰＣＢは、グリッパ１７０に必要な電圧（例えば、２４Ｖ）を与える。無線ブリッジ８３０は、独立したグリッパ１７０を提供するルータに無線で接続し、マニピュレータアーム１６０を通り抜ける余分なケーブル配線は必要ない。ステータスＬＥＤ（例えば、グリッパ１７０、無線ブリッジ８３０などの）は、ユーザ又は技術者が構成部品の状態を迅速に判断可能にするために、目に見えるようにすることができる。例えば、ＬＥＤは、ユーザ又は技術者が、グリッパ１７０、無線ブリッジ８３０などが、無線ルータ１０２０（図１０）を介して無線ネットワークに接続されているかどうか、電力を受けているかどうか、動作しているかどうか、エラー状態かどうか、などを迅速に判断することを可能にし得る。いくつかの実施形態で使用可能な電圧及び電気的接続が、図１０に図示されている。
【００５３】
図１１Ａ〜図１１Ｂは、グリッパインタフェースで使用され得るカスタマイズされたプリント回路基板のレイアウトを示す図である。例えば、いくつかの実施形態で使用されるワイス社製ＷＳＧ−３２グリッパは、４線式イーサネットプロトコルを使用して通信するのに対して、キノヴァ社製アームは２線式ＲＳ４８５通信のためのフィードスルー機能を有する。この問題を解決するために、キノヴァ社製手首の２４Ｖ出力を使用してＷＳＧグリッパに給電し、２４Ｖを５Ｖに変換して無線ブリッジに給電するＰＣＢを設計した。無線ブリッジは、イーサネットケーブルによってＷＳＧ−３２に接続し、次に、無線でグリッパを第１の無線ルータに接続し、グリッパとの通信を可能にした。大電流による放熱を管理するために、いくつかの実施形態は、図１１Ａ〜図１１Ｂに示すように、広い配線の２層ＰＣＢ設計を使用した。図１２Ａ〜図１２Ｄは、ロボットと共に使用され得るグリッパインタフェース構成部品のピン配列を示す図である。
【００５４】
図１３Ａ〜図１３Ｂは、ロボットで使用され得る様々な構成部品の電気的レイアウトを示すブロック図である。図１３Ａに示すように、ロボット１００のベース１２０は、セグウェイ・ロボティクス・モビリティ・プラットフォーム（ＲＭＰ）１３０２（例えば、ＲＭＰ−１１０）を使用してもよい。ＲＭＰ１３０２は、２４Ｖを１２Ｖに変換するための電圧レギュレータに接続され、これにより、ＷｉＦｉルータ１３０６、イーサネットスイッチ１３０８、及びライダ１３１０に給電することができ、一方、第２のライダセンシングユニット１３１２は、ＲＭＰ１３０２により直接給電され得る。図１３Ｂは、伸縮式ピラー１３１６、アーム１３１８及びグリッパ１３２０、並びにネックチルトモータ１３２２に給電する２４Ｖ補助電源１３１４を図示する。２４Ｖ補助電源１３１４は、降圧レギュレータ１３２４、１３２８、及び１３３８に接続され、５Ｖ、１９．５Ｖ、及び１２Ｖの出力電圧を提供し、眼と耳のＬＥＤ１３２６、コンピュータ１３３０、ネックパン・サーボモータ１３４０、及び吸引グリッパアタッチメント１３４２に給電することができる。オンボードコンピュータ１３３０は、ＲＧＢＤカメラ１３３２、プログラマブル回路基板（例えば、アルドゥイーノ）１３３４、及びタッチスクリーン１３３６を給電及び／又は制御するために使用することができる。
【００５５】
図１４は、キノヴァ社製アームリストコネクタとロボティーク社製−８５グリッパとの間の、電気的接続及び通信接続を示すブロック図である。図１４Ａに示すように、ロボティーク社製グリッパ１４０４は、電力として２４Ｖを使用し、リストコネクタ１４０２と通信するためにＲＳ４８５プロトコルを使用して通信する。図１４Ｂは、キノヴァ社製アームリストコネクタとロボティーク社製−８５グリッパとを接続するために使用され得るカスタマイズされたプリント回路基板１４０６のレイアウトを示す。インタフェースＰＣＢ１４０６は、ロボティーク社製−８５グリッパがキノヴァ社製Ｊａｃｏアームから電力を得て、キノヴァ社製アームのフィードスルーＲＳ４８５ラインを介して通信をルーティングすることを可能にする。次に、グリッパ通信チャネルは、ＲＳ４８５−ＵＳＢ変換器を使用して、アームベースのポートを介して制御コンピュータによってアクセスすることができる。図１４Ｃ〜図１４Ｄは、いくつかの実施形態で、ロボットと共に使用され得るグリッパインタフェース構成部品のピン配列を示す。
【００５６】
［結論］
文脈上他の解釈が必要な場合を除き、本明細書及び特許請求の範囲全体にわたって、単語「備える」、「備えている」などは、排他的又は網羅的な意味とは対照的に、包括的な意味で解釈されるべきであり、すなわち、「含むが、これに限定されない」という意味で解釈されるべきである。本明細書で使用される場合、用語「接続されている」、「連結されている」、又はその変形は、２つ以上の要素間の直接的又は間接的な任意の接続又は結合を意味し、要素間の連結又は接続は、物理的、論理的、又はそれらの組み合わせであり得る。さらに、「本明細書」、「上記」、「以下」、及び同様の意味を持つ単語は、本出願で使用される場合、本出願全体を指し、本出願のいかなる特定の部分を指すものではない。文脈が許す限り、上記の詳細な説明において単数形又は複数形の数を使用する語は、それぞれ複数形又は単数形の数を含むことができる。２つ以上の項目の一覧に関連して「又は」という語は、その語の一覧の項目のいずれか、一覧の項目のすべて、及び一覧の項目の任意の組み合わせの解釈のすべてを包括する。
【００５７】
本技術の実施例の上記詳細な説明は、網羅的であること、又は本技術を上記に開示された正確な形態に限定することを意図するものではない。本技術の特定の例は、例証の目的のために上記に記載されているが、関連する技術の当業者に理解されるように、本技術の範囲内で様々な同等の変更が可能である。本明細書で提供される技術の教示は、必ずしも上記システムに限らず、他のシステムにも適用することができる。上記の様々な実施例の要素及び作用は、本技術のさらなる実施形態を提供するために組み合わせることができる。本技術のいくつかの代替的な実施形態は、上記の実施形態に追加の要素を含むだけでなく、より少ない要素を含むこともできる。
【００５８】
これら及び他の変更は、上記の詳細な説明に照らして、本技術で行うことができる。上記説明は、本技術の特定の例を説明し、考えられる最良の様式を説明するが、上記が文中でどれほど詳細に表されても、本技術は多くの方法で実践することができる。システムの詳細は、その具体的な実施形態においてかなり変化し得るが、一方で本明細書に開示されている技術によって包含され得る。上述のように、本技術の特定の特徴又は態様を記述する際に使用される特定の用語は、その用語が関連する技術の任意の特定の特性、特徴、又は態様に限定されるように本明細書で再定義されていることを意味するように解釈されるべきではない。一般に、添付特許請求の範囲で使用される用語は、上記詳細な説明の部分で明示的にそのような用語を定義しない限り、技術を本明細書に開示されている特定の実施例に限定するように解釈されるべきではない。したがって、本技術の実際の範囲は、開示された実施例だけでなく、特許請求の範囲の下で技術を実践又は実施するすべての等価な手段をも包含する。
【００５９】
請求項の数を減らすために、本技術の特定の態様を特定の請求項の形態で以下に提示するが、出願人は、本技術の様々な態様を任意の数の請求項の形態を意図する。例えば、技術の１つの態様のみがコンピュータ可読媒体の請求項として挙げられているが、他の態様も同様に、コンピュータ可読媒体の請求項として具現化されてもよいし、手段プラス機能の請求項で具現化されるような他の形態で具現化されてもよい。米国特許法１１２（ｆ）条の下で処理されることが意図されている特許請求は、すべて「ための手段」という言葉で始まるが、他の文脈で「ための」という用語を使用することは、米国特許法１１２（ｆ）条の下での処理を援用することを意図していない。したがって、出願人は、本出願又は継続出願のいずれかにおいて、本出願後に、そのような追加の請求様式を追求する権利を留保する。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【国際調査報告】
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