計測自動制御学会東北支部 第 340 回研究集会 (2022.12.23)
資料番号 340-2

物資搬送を目的とした球殻ロボットに関する研究
Study on a spherical shell robot for transporting goods○浅利太地 ∗ ，長縄明大 ∗○ Taichi Asari∗ , Akihiro Naganawa∗*秋田大学*Akita University
キーワード : 球殻ロボット (spherical robot)，移動制御 (movement control)，物資搬送 (transportinggoods)，内部駆動装置 (inner drive unit)，複合機構 (combined mechanism)

連絡先 : 〒 010-8502 秋田市手形学園町 1-1 秋田大学大学院理工学研究科
長縄

1.

明大，Tel.: (018)-889-2726 E-mail: naganawa@gipc.akita-u.ac.jp

緒言

は，従来の車輪型や追従型の移動ロボットと比

近年，インターネット通販の拡大に伴い，宅配需要も増加している．しかし，物流業界はドライバーの減少と高齢化による人手不足が顕在化しており，その解決策として無人物資搬送が注目されている．現在，主に検討されている無人搬送手段として，自動運転車とドローンによる搬送が挙げられる．しかし，自動運転車の欠点として，入り組んだ道での配送効率の低下や不整地への輸送が考慮されていない点が挙げられる．また，ドローンの欠点としてエネルギー効率が悪く，長距離輸送に適していない点，悪天候時には使用できない点などが挙げられ，特に，冬期間降雪に見舞われる地域での運用は困難であると考えられる．

較して，駆動機構やセンサ，制御装置などがすべて球殻のなかに入っているため，外部環境から移動に必要な部品を保護することができる．
また，球体であることによりどの方向からの衝突に対しても転がることができるため，転倒のリスクがなく，短時間で安定性を回復することができる．さらに，同程度の大きさの車輪型ロボットと比較すると，球全体を車輪とみなすことができるため，高い悪路走破性をもつ構造であるといえる．このため，従来の車輪型や追従型の移動ロボットに比べ，月面探査や社会福祉施設，地震などの災害現場といった未知の領域や，環境が変化する領域でのナビゲーションに優れている 1) ．

本研究では，物資搬送を可能とする球殻ロボットの開発とその性能評価を行うことを目的とする．球殻ロボットは，移動ロボットの一種で，ボール状の球殻の中に機構や制御装置などをすべて組み込んで構成される．この球殻ロボット

–1–

2.

球殻ロボットの構成

2.1

設計コンセプト

ル上を内部機構が移動する構造とした．本構造であれば，接地面がレール部分だけとなるので内部機構が通過しない球殻内面と接地面以外の本研究で考案したロボットのコンセプトを Fig.
1 に示す．Gregory C らの研究 2) によると，球殻球殻外面にセンサやカメラを実装することが可能となる．

ロボットの乗り上げることのできる高さ h（Fig.

2 に模式図を示す）は，球殻の半径を R，球殻2.2駆動原理の中心と内部機構の重心の距離を x とすると次本研究で試作した球殻ロボットは，前後方向式で求められる．

h=R−

√

への移動と左右への旋回動作で異なる駆動原理

R 2 − x2(1)を利用した．

式 (1) より，内部機構の重心を球殻の中心から遠まず，前後方向への移動については重心移動ざけるほど乗り上げ可能な高さが h 大きくなるによる駆動を利用した．ここで，Fig. 3 のようにことがわかる．なお，物資を収容する空間を球球殻内に車輪をもつロボットが配置されている殻内上部に確保するために Fig.1 のようなレー場合を考える．平衡状態で静止している状態から内部のロボットが動くと球殻内の重心の位置が変化する．これにより，トルクが発生し，新たな平衡位置に球殻が回転する 3) ．このとき，発生するトルク T [N・m] は，ロボットの質量を m，中心から重心までの距離を r，平衡状態からのロボットの傾きを θ とすると次式のように表される．

T = mgr ∗ sin θ(2)

本研究で試作した球殻ロボットについては，4 輪構成とし，前輪の 2 輪を駆動輪とした．

Fig. 1

設計コンセプト Design Concept

Fig. 2 乗り上げ可能な段差 Steps that can beclimbed2)

Fig. 3 重心移動型の簡略モデル Simplified
model of center-of-gravity shift type–2–

次に，旋回動作については反作用トルクを利また，アクチュエータとしてステッピングモー用した．Fig. 1 のような回転円盤を内部機構のタを 3 台使用した．2 台は駆動輪に，1 台は回転中央に実装し，回転の加減速によって得られる円盤に使用した．回転円盤は，直径 210 mm，重反作用トルクを用いてロボットが左右方向に回量 240 g とし，より大きな角運動量が得られる転する．この方法の特徴として，得られる反作ように円周上に重りを配置した．また，姿勢角用トルクと円盤の角速度は比例関係にあり，円検出には InvneSense 社の MPU6050 を搭載した

盤の角速度が大きくなると反作用トルクも大きくなることが挙げられる 4) ．

センサモジュールを使用した．このモジュールは，3 軸加速度センサ，3 軸ジャイロセンサが組み込まれており，姿勢角検出に優れている．そ2.3の他のレールや車輪などのパーツは，3D プリン

装置構成

タを用いて作成し，球殻は 2 つのアクリルドー

Fig. 4 に本研究で試作した球殻ロボットを示す．ロボットのサイズは，球殻内に物資を入れムを合わせることで球殻とした．Fig. 5 にハードウェア構成のブロック線図を示す．

るスペースが必要であるため，直径 300 mm とした．Table 1 に部品構成を示す．なお，本ロボットの制御には，Raspberry Pi4 を使用した．

Fig. 5 ハードウェアのブロック線図 Hardware
block diagram

Fig. 4装置構成 Device configuration

Table 1 部品構成 Component composition
No. 品名142mm ステッピングモータ 12V(MERCURY MOTOR)
26 軸センサ MPU6050
3Raspberry Pi44モータドライバ L6470(Strawberry Linux)
5
モバイルバッテリー 5V(Anker)
6
リポバッテリー 11.4V

Fig. 6
unit–3–

物資収容部 Material accommodation

2.4

物資収容部

3.2

直進性能検証Fig. 6 に物資収容部を示す．回転円盤上部の本ロボットの直進性能の検証を行った．ロボッ

空きスペースにボックスを設置し，物資収容部とトを床に貼ったテープの上に乗せ，ロボットを前した．収容可能な物資の寸法は幅 150 mm，奥進させた．その様子を Fig. 7，姿勢角度を Fig.

行 150 mm，高さ 75 mm である．これは，定8 に示す．Fig. 7 より，床の線に対して徐々に形外郵便の厚さ最小規格対応の段ボール（幅 91

左にずれていって直進できていないことがわかmm, 奥行 141 mm，高さ 27 mm）を収容可能なる．これは，内部機構の重心が左側に偏ってい寸法である．なお，動作試験の結果，収容可能るためであると考えられる．直進性能の向上にな物資重量は 250 g であり，これを超えると駆ついては，今後，姿勢角の情報から回転円盤を動用モータが脱調してしまうことがあった．

回転させることにより実現させる予定である．

3.

動作検証

3.1

移動速度の測定3.3

旋回動作検証本ロボットの旋回動作の検証を行った．実験は，駆動輪による前進を行いながら円盤を回転

本ロボットの前進時の移動速度の測定を行った．この際，物資として約 200 ｇの物資をボックス内に固定したため，ロボット全体の重量は4.05 kg となった．速度は，球殻が 2 回転するのに要する時間をストップウォッチで 5 回計測し，その平均時間から算出した．その結果，移動速度は 21.6 cm/s であることがわかった．

させ，旋回を行った．Fig. 9 に右旋回の様子を示す．Fig. 9 より，約 90 °の右旋回を行っていることがわかる．この際，旋回半径は約 25 cmであった．旋回については，円盤の回転速度を調整することによって任意の角度への旋回が可能である．しかし，旋回に必要な回転速度は床面との摩擦力に依存するため，今後姿勢角を用いて任意の角度での旋回を行えるような制御を行う予定である．

Fig. 7

直進の様子 Motion of straightFig. 9Fig. 8

ロール・ピッチ・ヨー角

右旋回の様子 Right-handed turnFig. 10 悪路走破性の検証 Verification ofrough road drivability–4–

3.4

悪路走破性検証

本ロボットの悪路走破性の検証を行った．Fig.

10 に検証の様子を示す．床にベニヤ板などを置き，11 mm の段差を作り出した．ロボットが十分加速した状態で段差に進入したところ，大きな減速はともなったものの乗り上げ，通過することができた．11 mm よりも高い段差でも検証を行ったが，球殻内で内部機構の傾斜角が大きくなるとレールと駆動輪の間で滑りが発生し，乗り上げることができなかった．球殻の中心と内部機構の重心の距離 x を，球殻半径 R の 2/3と仮定する．式 (1) より，球殻ロボットの乗り上げることのできる高さ h は 38 mm と求まる．
したがって，現在乗り上げ可能な段差は理論値の約 29%であることがわかる．この点に関しては，今後，滑りが発生しないように駆動輪とレールの材質の検討を行う予定である．

4.

結言

本研究では，物資搬送を目的とした球殻ロボットの試作を行い，その性能を検証した．移動性能については，90 °旋回はできたが，直進性能の向上や任意の角度での旋回が課題であり，今後はロボットにフィードバックを取入れ，直進性能の向上と任意の角度での旋回を実現する予定である．

参考文献
1) Jiazhen Chen, Ping Ye, Hanxu Sun Qingxuan
Jia: Design and Motion Control of a Spherical
Robot With Control Moment Gyroscope,2016
3rd International Conference on Systems andInformatics(ICAI) , 114/120,(2016)2) Gregory C, Schroll:DYNAMIC MODEL OF ASPHERICAL ROBOT FROM FIRST PRINCIPLES, Colorado State University masters
theses, (2010)
3) Richard Chase, Abhilash Pandya: A Reviewof Active Mechanical Driving Principles ofSpherical Robots, Robotics, 1, 3/23,(2012)–5–4) B. Alexey, K. Alexander, K. Yury, K. Anton :Stabilization of the motion of a sphericalrobot using feedbacks, Applied Mathematical
Modelling, 69,582/592 (2019)