JP2008522880A - ボール・ロボット - Google Patents

Abstract

外殻と、直径方向の主軸と、少なくとも１つの振り子と、少なくとも２つの駆動モータを備える駆動機構とを有し、該駆動モータが、外殻の内側面の近傍で振り子に配置されるボール・ロボット。また、ボール形の外殻と、外殻に取り付けられ外殻の回転の主軸と同軸の直径方向の軸と、外殻の内側に配置され直径方向の軸によって支持される駆動機構とを備え、該直径方向の軸が、回転の主軸に沿った外殻の寸法変化を収容するように配置されるボール・ロボットを提供する。

Description

本発明は、屋内、屋外、並びに惑星及び月などの惑星体を含めた様々な環境で動くことが可能な自律型又は制御ロボット・ボールに関する。

ロボットの設計において主要な問題は、ロボットを衝撃、階段、カーペット、様々な障害物、放射線、熱変動、或いは人又は他のロボットの直接操作などのすべての周辺の及び動作状況に耐えるのに十分頑強にすることである。従来技術の車輪付きロボットは、ひっくり返ることがあり、その後動作可能位置に戻ることができない。この問題に対する他の手法は、ロボットの本体より大きな車輪を使用すること、又はロボットを正しい位置に「ひっくり返す」ことができるレバー機構を使用することである。これらの手法の代替例は、両側に走路を備えた平坦で矩形の形状のロボットを使用することで、これにより、両側の走路のために、ロボットが逆さにひっくり返り、そのように続行することが可能になる。

さらに代替の及び非常に競合的な設計は、以下の従来技術特許ＵＳ６，２２７，９３３、ＵＳ６，４１４，４５７、ＳＥ５１７６９９、ＤＥ１９６１７４３４、ＤＥ１９５１２０５５、ＤＥ４２１８７１２及びＷＯ９７／２５２３９に記載されるようなボール・ロボット概念である。このようなボール・ロボットは一般に、球体の外殻と、外殻に囲まれた駆動機構とを備える。ボール・ロボットの移動原理は、その質量重心を移動することによってシステムの均衡を乱すことに基づいている。駆動機構を主軸の周りを両方向に３６０度回転することができるように設計することで、質量重心の転位が、この回転の方向によってロボットを前方又は後方に動き出させる。

従来技術のボール・ロボットは２つの主要なグループに分類することができる。
・直径に沿って外殻に結合され、主軸の周りを回転するためにバラスト振り子を駆動するように構成される駆動機構を支持する主軸を備える振り子タイプ。
・外殻内側面によって支持され、この内側面に沿って移動可能な駆動機構を備える外殻駆動タイプ。

さらに報告「ＡＲＩＡＮＤＡ ＡＯ４５３２−０３／６２０１，Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｒｏｂｏｔｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｂｉｌｉｔｙ」は、両タイプの従来技術のボール・ロボットについて優れた概説を提供している。この概説で開示される設計は、
・外殻の形状を変更することを可能にする伸縮式の主軸を備える振り子タイプのボール・ロボット、
・科学的器具の筐体として使用される中空の主軸を備えるボール・ロボット、
・主駆動モータが振り子内に配置され、駆動ベルト装置を介して主軸の周りを回転するために振り子を駆動し、これによりロボットの質量重心を低下させる振り子タイプのボール・ロボット
を含む。

外殻駆動タイプのボール・ロボットは、特に衝撃の影響を受けやすいという点で重大な欠点がある。厳しい地形で、又は外部から加えられる力によって、駆動機構は容易に損壊する。

したがって振り子タイプのボール・ロボットは、特に振り子が短く、よって質量重心が高い場合により頑強であると考えられる。

図１及び２は、従来技術の振り子タイプのボール・ロボットの実施例を示す。ボール・ロボット１０は、駆動機構３０を取り囲む球体の外殻２０を備える。駆動機構は、両端が外殻に取り付けられる直径方向の主軸４０によって支持され、この主軸の周りを回転するように配置される。主軸の回りを回転するように駆動されると、振り子の質量重心が転位するため、ボール・ロボットは動き出す。さらにロボットは、分析、監視及び作動装置システムの形態の付加的装置を備えてもよい。外殻は、完全な球体の形状及び／又は最小で１０から３０面までを有する多面的外殻であってよい。外殻は、周りを回転するのに適した１つの主軸が保持される限り、任意の方法で伸長又は成形されてもよい。外殻の外側面はさらに、ボール・ロボットが、ずり落ちたり横に滑ったりなどしないように図柄を備えてもよい。

このような従来技術の振り子タイプのボール・ロボットの欠点は、静置から大きな障害物、すなわち半径の２５％を超える障害物を横断する能力が極めて低いことである。質量重心（ＣＭ）が幾何学的中心にある、又はボール・ロボットの幾何学的中心から半径の１５％を下回って近接する手法は、横断能力が、球体の中心から質量重心（ＣＭ）までと、球体の半径までの距離の比率に比例することから、横断能力が制限される。

本発明の目的は、従来技術の１つ又は複数の欠点を克服する新規のボール・ロボットを提供することである。これは、添付の特許請求の範囲によって定義されるようなボール・ロボットによって実現される。

本発明は、優れた横断能力と、屋内、屋外共に、様々な地形、爆撃された建物、惑星体などで動作する頑強な機構とを有するロボット・ボールを備える完全なロボット・システムを提供する。ロボット・ボールは伸縮式の主軸を備え、任意の所与の地点からすべての方向に移動する能力を有する。提示するロボット・システムは、高レベルの自律性、カメラ、太陽センサ、ＧＰＳ、加速度計、傾斜計、ジャイロスコープ、バッテリ充電、障害物探知器、分散システム、分散知能、薄膜太陽電池、薄膜センサ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、高速通信、互換性のある積載量及びセンサを維持する機構及び構造を備えたボール・ロボットを提供する。

本発明の別の目的は、傾斜計、及び科学的方法、監視などを実行する間長距離にわたって自律的に航行するためのＧＰＳ（他の位置決めシステム）を備えるロボット・ボールを提供することである。

駆動システムは、球体の外殻を伸縮式／ばねが解放された軸の周りを回転させる１つ又は複数の電気駆動モータを備える。操舵システムは、回転の任意の個々の地点から、任意の方向に移動する可能性を与えるような方法で形成される。

本発明は、ボール・ロボットの特定の領域において以下の重要な進歩を実現する。
・改良された横断能力（質量重心を低下させる）。
・任意の方向の移動及びジャンプ。
・大きな衝撃に対する耐性（伸縮式軸、ばねが解放された軸）。
・液体、ガス及び攻撃性の化学物質に対する耐性（密封式外殻）。
・ドリフト監視並びに分析、航行及び自律的動作を促進する通信及びセンサ装置（内側の中空主軸）。
・ドッキング措置を含めた充電装置。
・ドリフト監視並びに分析、航行及び自律的動作を促進するセンサ信号処理（画像処理、音声処理、超音波アレイ信号処理、レーダ信号処理など）。
・簡略化された手動操舵／航行（ロボット動力学の統計的な学習）。
・障害回避、物体／人間の検知及び認識、言葉／ジェスチャによる学習、行動計画、世界表現などの様々な作業に対する自律性（学習の強化、システムの分類、選択主義者の方法、音声及び画像処理）。

本発明によるボール・ロボット・システムのボール・ロボットは、以下の特徴の１つ又は複数を有する。
・中空の主軸を備える球体又はほぼ球体の密封式外殻
・外殻の内側に配置される機械駆動ユニット
・外殻の内側又は外側のバッテリ電源システム
・１つ又は複数の基地局にデータを送信し、及びそこからデータを受信する１つ又は複数のアンテナを含む無線通信ユニット
・データを記憶し、送受信するコンピュータ処理ユニット
・外殻の内側の測定可能な物理的な量／変化を感知し、収集し伝送するハウスキーピング・センサ・ユニット
・外殻の又は外殻の外側の測定可能な物理的な量／変化を感知し、収集し伝送するセンサ・システム・ユニット
・機械駆動装置及び拡声器、ビデオ・プロジェクタ並びに他の受動的及び能動的なセンサ（超音波、レーザ、ソナー）などの他の作動装置を制御する作動装置システム・ユニット
・センサ・システムによって配信されるセンサ・データの信号処理のためのセンサ・信号処理ユニット
・リアルタイムの自律的適応、並びにセンサ及び記憶された作動装置信号に基づくロボット行動の学習に関する１つ又は複数の学習モジュール。

さらに本発明によるボール・ロボット・システムの外付けのバッテリ充電装置は、以下の特徴の１つ又は複数を有してもよい。
・無線通信ユニット。
・誘導充電装置。
・ドッキング機構。

またさらに、本発明によるボール・ロボット・システムの外付けの航行及び監視基地局は、以下の特徴の１つ又は複数を有してもよい。
・ロボット装置プラットフォームと連絡する送受信ユニット（その無線通信ユニット）。
・ロボット装置プラットフォームから送信される重要なデータを連続的に処理し、視覚化する表示ユニット。
・ロボット装置プラットフォーム、及びその機械制御システム・ユニットと連絡する複数のアンテナのうちの１つと結合する従来型のジョイスティックを有する航行ユニット。
・手動のオペレータが、ロボット装置プラットフォームに搭載された様々な作動装置を作動させることを可能にする実行ユニット。
・ロボットから送受信されたデータに基づいて、ロボット学習の様々な形態を可能にする１つ又は複数の学習モジュール。

上記の特徴の具体的な実施例を以下に記載する。

初期の製作品で質量重心（ＣＭ）の位置は、球体ロボットの横断能力に関して重要な役割を果たすことが明らかである。したがって、外殻により近づけてＣＭを低下させることは非常に重要であり、その比率σは、

のように定義される。

図３は、ｌ_ｃｍとＲとの関係を示す。本発明で、少なくとも５０％から９５％まで及びそれを超える比率σを実現することができる。この間隔内で要求される実施比率σによって、
５０％≦σ≦５５％
５５％≦σ≦６０％
６０％≦σ≦６５％
６５％≦σ≦７０％
７０％≦σ≦７５％
７５％≦σ≦８０％
８０％≦σ≦８５％
８５％≦σ≦９０％
９０％≦σ≦９５％
σ＞９５％
が有利であるはずである。比率σが高いほど横断能力が向上する結果となる。しかし、振り子タイプのボール・ロボットの一般的な設計により、ロボットの堅牢性及び機能性を維持しながらＣＭを低下させることは容易には果たされない。

本発明の一実施例によって、ＣＭを低下させることによって高い比率σを有するボール・ロボットを提供する。これは、駆動ユニット（モータ又は他の任意のタイプの駆動システム）をロボットの外殻にできるだけ近接して釣り下げて配置することによって実現される。ここで本発明によるボール・ロボットは、外殻と、直径方向の主軸と、少なくとも１つの振り子と、少なくとも２つの駆動モータを備える駆動機構とを有し、該駆動モータは、外殻の内側面の近傍で振り子に配置される。

本発明によるボール・ロボットは、直径方向の主軸の周りを回転するために、１つ又は複数の振り子を駆動するように構成された駆動機構を備える振り子タイプである。一実施例を図４ａ及び４ｂに示す。駆動機構３０は、直径方向の主軸４０の周りを回転するために駆動機構３０を駆動する一次モータ５０を備える。上述のように一次モータ５０は、ＣＭを低下させるために、外殻２０の内側面の近傍で一次振り子６０の下部に配置される。一次振り子６０は、その上方端で直径方向の主軸２０によって回転可能に支持され、一次モータ５０は、一次伝送装置７０によって主軸２０の周りを回転するために、一次振り子を駆動するように配置される。一次モータ５０は電気モータであってよく、一次伝送装置７０は、ベルト、チェーン又は軸装置等などの好適な任意の伝送装置であってもよい。さらに伝送装置７０は、液体式動力伝送装置等であってもよい。一次モータ５０は、前後の方向に回転するように、ボール・ロボット１０を駆動する主電源である。

駆動機構はさらに、二次振り子８０と、主軸４０と交差し一次振り子６０に取り付けられる二次軸１００の周りを回転するために、二次振り子８０を駆動する二次モータ９０とを備える。いずれの方向に回転も、ＣＭがその方向に移動するのでロボット・ボール１０を同じ方向に向けることから、二次振り子８０は主に操舵手段として使用される。二次振り子８０がロボット・ボール１０の動きに影響を与える可能性（二次振り子８０の重量及び質量中心によって決まる）を以下トルクと呼ぶ（振り子のトルクが高いことは、重量が重く停止中のＣＭが低いことと等しい）。好ましくは二次振り子８０は、一次振り子６０に比べてできるだけ高いトルクを有し、これにより最適な制御性が実現する。二次振り子８０のトルクを高めるために、二次モータ９０が、外殻２０の内側面の近傍で二次振り子８０の下部に配置される。二次モータ９０は、二次伝送装置１１０によって二次軸１００の周りを回転するために、二次振り子８０を駆動するように配置される。二次伝送装置１１０は、一次伝送装置について記載されたようないずれのタイプでもよい。好ましくは二次振り子８０は、二次軸１００の周りを３６０度回転できるように形成される。

一次及び二次モータ５０、９０を制御することによって、質量重心（ＣＭ）を、地面との接触地点及びロボット１０の中心を通る垂直線の周囲に任意の角度で配置することが可能になる。

図４ｃは、図４ａ及び４ｂに開示するような本発明によるボール・ロボットの実施例のより詳細な実施例を示す。

二次振り子８０のトルクをさらに高めるために、ロボット駆動機構の他の部品及び制御システム１２０が、外殻の内側面の近傍で二次振り子８０の下部に配置される。このような部品は、電源（バッテリ）、メイン・コンピュータ・ユニットなどを含んでもよい。好ましくは、すべての、又はほとんどすべてのこれらの部品及びユニットは二次振り子に配置されなければならない。

図５ａ及び５ｂに示す一実施例によると、可能な限りの二次振り子分銅１２０が、二次振り子８０の横軸１４０の周りで回転可能な回転部材１３０に配置される。回転部材１３０は、回転部材の旋回トルクを最大にするために好ましくは回転部材１３０に配置される回転モータによって、回転するように駆動される。回転部材１３０の回転により、ロボット１０が静止している間主要な進行方向（主軸によって決められる）を変えることができる。図６に示すように、静止したロボット・ボール１０の回転は、回転部材１３０の回転の加速度によって実現するので、二次振り子８０の水平方向にトルクを行使し、これによりボール・ロボット１０が回転することになる。加速度は、正又は負（減速）のいずれであってもよい。

一実施例によると、本発明のボール・ロボットは、主軸４０の両側で、二次軸１００に配置される２つの二次振り子８０、１５０を備える駆動機構を有する。２つの二次振り子８０、１５０は好ましくは、互いに対してバランスを保つ。一実施例では、２つの二次振り子８０、１５０は、１つの共通の駆動モータによって二次軸１００の周りを同調して回転するように駆動される。

或いは、それぞれの２つの二次振り子８０、１５０は、別個のモータによって二次軸の周りを回転するように別々に駆動される。別々に駆動される２つの二次振り子８０、１５０は、図７ａからｄに示すようないくつかの動作の傾向を示す。
ａ．反対方向の加速による静止状態の回転
ｂ．二次振り子が二次軸の周りを３６０度回転可能な条件でのボール・ロボットの横方向の動き
ｃ．主軸の垂直方向の配置、上面図
ｄ．主軸の垂直方向の配置、側面図
ｅ．やはり二次振り子が二次軸の周りを３６０度回転可能な条件で、両振り子を反対方向に回転させ同時に減速させることによって、所望のジャンプ方向に向いている両振り子の回転の急停止を引き起こすことによるジャンプ動作。

図８に示す一実施例によれば、本発明によるボール・ロボットは、外殻２０の内側面の近傍で単一の駆動振り子１６０に配置される一次及び二次駆動モータ５０、９０を備える駆動機構を有する。この実施例で一次モータ５０は、かさ歯車タイプなどの一次伝送装置１７０によって直径方向の主軸４０の周りを回転するために、駆動振り子を駆動するように配置され、かさ歯車装置は、二次軸１００で回転可能に支持されている。先の実施例と同様に二次モータ９０は、二次伝送装置１８０によって、主軸４０と交差する二次軸１００の周りを回転するために、駆動振り子１６０を駆動するように配置される。好ましくは駆動振り子１６０は、二次軸１００の周りを３６０度回転可能である。

この実施例の可動性を最大にするために、好ましくは図７に関して上述した実施例と同様に、第２の駆動振り子１９０を設ける。２台の駆動振り子の実施例を図９に示す。第２の駆動振り子１９０は、外殻２０の内側面の近傍に配置される第３の駆動モータ２００を備え、該第３の駆動モータ２００は、第３の伝送装置によって二次軸１００の周りを回転するために、第２の駆動振り子１９０を駆動するように配置される。この実施例は、図７の実施例の一次振り子が欠けたものであるという事実により、この実施例の可動性は卓越している。

駆動ユニットは、伝送システムを介しての直径方向の主軸との接触を除いて、外殻と接触しないことに注目することが重要である。このことがロボットを衝撃に対して安全なシステムにする。直接の衝撃が何らかの損傷を引き起こす地点は２箇所のみである。これらは、外殻に対しての主軸の取付け地点である。本発明は、これらの地点を衝撃に対して安全にする２つの方法を提供することによって、この問題を解決する。
・ロボットの主軸が、弾性継ぎ手を有する伸縮式である。
・中実／中空の主軸が、外殻内でいくつかの弾性継ぎ手（ばね、ゴムの形態の弾性体の部材）に掛かっている。

さらに、直径方向の主軸を長手方向に曲がるようにすることによって、衝撃による外殻の変形を抑制することができ、すなわち外殻の変形は、事前定義の抑制された変形によって衝撃力を吸収するように調整される。したがって本発明の一実施例は、ボール形の外殻と、外殻に取り付けられ、外殻の回転の主軸と同軸である直径方向の軸と、外殻の内側に配置され、直径方向の軸によって支持される駆動機構とを備え、該直径方向の軸が、回転の主軸に沿った外殻の寸法変化に対応するように構成されるボール・ロボットである。主軸４０が、２つの直径方向の地点で外殻に固定式に取り付けられる硬い軸の場合、次いで衝撃力は、図１０ａに示すように、外殻の非調整の局所変形によって吸収される。本発明によるボール・ロボットにおいて外殻の衝撃による変形は、図１０ｂに示すように、楕円体の変形に調整される。

一実施例で主軸は、衝撃力を吸収するため、すなわち外殻内のバウンシング又は振動を回避するための制動機能を備える。別の実施例で制動の程度は、ボール・ロボットがバウンシング・モード及び制動モード並びに中間モードを有することができるように調整可能である。

図１１に示す一実施例によると、伸縮式軸４０は、外殻２０に取り付けられる２つの端部２１０、２２０と、駆動機構３０を担持する中間部２３０とを備え、該中間部２３０は、例えばスプライン２４０によって、端部に対して回転できないように配置される。

さらに別の実施例によると、直径方向の軸は、ロボットに担持される付加的センサ及び／又は作動手段（装置）を収容するように構成される中空の管である。中空管は、外殻の内側に完全に封入されてもよいし、又は該管の一方又は両端部が外殻の開口と連通する、又はその延長部として構成されてもよく、管に収容される任意の装置は、ロボットが動作している周辺環境又は他の任意の媒体への直接の経路を有する。一実施例で外殻と管は一緒に、駆動機構を収容する内部容積を封入する閉じた構造物を形成し、内部容積は周辺媒体に対して密閉されている。したがって、このような実施例での駆動機構は密閉された環境で動作し、よって周辺の空気中又は媒体に生じる可能性のある埃などの反応物質に曝されない。同時に、科学的器具又は周辺の空気と接触しなければならない他の任意の装置を中空管に配置することができる。中空軸によって、ロボットは例えば、砂、雪、水、危険性のあるガス及び／又は液体の厳しい環境で動作することが可能になり、及びそれらを又は他の任意の物体を中空軸に配置されるセンサ及び／又は作動装置を使用して分析する能力を有することが可能になる。一実施例で、中空軸は円形の断面形状を有するが、矩形、多角形等のような任意の好適な形状であってもよい。いくつかの異なるタイプの装置を担持することができる可撓性のロボット・システムを実現し、及び装置の容易な交換を可能にするために、中空軸は締め付け構造、及び嵌め合い構造を有する付加的装置を備える。

質量重心をできるだけ低く維持するために、中空軸に配置される任意の付加的装置をできるだけ軽くすることが重要である。したがって、周辺の空気等に接触しなければならない付加的装置の一部のみが中空軸に配置され、付加的装置の残りの部分は駆動機構の振り子に配置される。或いは、ボール・ロボットのメイン・システムによって主として実現することができる付加的装置の部分は、付加的装置から除外しなければならない。一実施例によると、付加的装置用の別個の電源を省くために、付加的装置は、ロボットの主電源によって電源を供給されるように構成される。最大の可撓性を実現するために、したがって中空軸は、付加的装置に電力を伝導する電源インターフェースを備えることができる。次いでこのような電源インターフェースは、付加的装置の交換を容易にする。同様の方法で、該装置に必要とされる任意の処理がメイン・コンピュータによって対処できるように、メイン・コンピュータは、付加的装置と通信するインターフェースを備えることができる。通信インターフェースは、無線、又は中空軸内に規格化されたインターフェース・コネクタを備えたワイヤ・ベースのどちらでもよい。

中空の主軸の内側に配置することができるセンサ及び作動装置の例は、

センサ
・地雷探知器
・ガスセンサ
・カメラ
・ＩＲ検知器
・ＵＶ検知器
・ノイズ検知器
・質量分析計
・ＲＦ−ＩＤチップ検出／読み取り
・ガイガー計算管
・薬物検出センサ
・等

作動装置
・ドリル
・グリップ
・モールド
・拡声器
・消火器
・火炎放射器
・ビデオ・プロジェクタ
・等
である。

一実施例によると少なくとも１つのカメラは、内部及び外部レンズを備え、中空軸の内側に搭載される。全視野は、中空軸の端部又は軸（ただし、外殻の外側の）の中にミラーを搭載することによって実現することができ、これにより、光を中空軸の中へ及びカメラ・レンズへと反射させる。図１２に示す一実施例で、軸４０の端部のミラー２５０は円錐体として設計されるので、中空軸４０に搭載される両カメラ２６０に対して３６０度の全視野を提供することができる。またカメラ・レンズに向けて中空軸へと反射される全視野は、魚眼レンズ又は他の任意の広角レンズを使用することによって可能にすることができる。また少なくとも１つのカメラは、視野を固定して、すなわち前方、又は使用者の選択する任意の方向に向いて、外殻の外側の中空軸の端部に又は中空軸内に固定して搭載することができる。立体視覚は、主軸の両端部に１つのカメラを搭載することによって実現することができる。

本発明の一実施例によると、ボール・ロボット１０の直径方向の主軸４０は、伸縮可能な端部キャップ２７０を備える。伸縮可能な端部キャップ２７０は、カメラ、又はカメラ・レンズ、アンテナ、科学的装置、障害物検知システムなどを収容することができる。図１３は、伸縮可能な端部キャップ２７０の一実施例を示す。端部キャップ２７０は、中空の主軸全体を覆う必要はなく、中空の主軸を必要とすることもない。端部キャップ２７０は、中空軸の一部又は全体を覆うことができ、端部キャップはさらに軸の外側に延長することができる。さらに閉じた状態では、伸縮可能な端部キャップ２７０は、中空軸又は外殻の内部を周囲の空気又は媒体から密封するように形成することができる。端部キャップ２７０は、電気モータ及びギア装置、又は空気圧式、液圧式等のような他の任意の好適な駆動装置によって伸長及び収縮することができる。

外殻が完全に導電物質から、又は少なくとも１つの導電性の層から製造される場合、次いでロボットの内部からの任意の電磁信号は遮断され、外部に到達することができない。この場合、通信アンテナはロボットの外部、特に有利には端部キャップに搭載することができる。図１３は、水平及び垂直の両方向で通信するための最良のアンテナ・ダイアグラムを提供するために、端部キャップ２７０に互いに対して４５度傾斜して搭載される双極アンテナの一実施例を示す。

さらに別の実施例によると、ボール・ロボットの外殻は多層式外殻である。多層式外殻は少なくとも２つの層を有し、ロボットの温度制御及びソーラーパワー機能を組み入れる。多層式外殻に含めることができる層の実施例は、薄膜太陽電池、可変放射物質、薄膜センサ、薄膜作動装置等である。図１４にロボット多層式外殻の実施例を示す。

一実施例によると、本発明のボール・ロボット・システムは、ロボット及び充電局内に電源システムに接続されたインダクタを備える誘導性充電システムを提供する。しかし他の実施例では、ロボット・ボールは、直接接触充電のための接触面を備えてもよい。

ボール・ロボット・システムの通信構成を図１５に記載する。本明細書に開示されるロボット・システムは、ボール・ロボット・タイプであるが、一般的なシステムを他のタイプのロボットで使用することができる。少なくとも１つ又は複数のロボットをロボット・トランシーバ局（ＲＴＳ）を使用して、制御することができる。ＲＴＳは、ケーブル伝送又は無線伝送（任意の利用可能な速度でのＬＡＮ、又はＷＬＡＮ）、又は低地球軌道（ＬＥＯ）通信衛星を使用して、制御／監視局コンピュータと通信する。ＬＥＯ衛星の通信プロトコルは、モデム規格である。また、中継衛星又はより高い軌道又はプラネタリ衛星を使用することができる。通信システムは、宇宙での適用のためにＣＣＳＤＳ規格を使用する。球体ロボットは、他の球体ロボットと通信しそこからのデータを中継することができ、これにより、可能な限りの長距離の又は冗長性を持つ探査／調査が可能になる。

一実施例によると、ボール・ロボット・システムは、
・多変量のセンサ、及び／又は作動装置の反応、及び／又はデータ収集、及び／又はデータ分析のための少なくとも２つの球体ロボットの使用
・長い距離、及び／又はＲＴＳの伝送能力を超える動作のための少なくとも２つの球体ロボット及び／又は任意の単一のロボットの使用
・ＲＴＳと少なくとも１つの球体ロボット間の、及び／又はデータ分析などのために処理能力を分配する目的で、直接的な少なくとも２つの球体ロボット間の高速データ通信リンク。これは、１つのロボットが高速分析のためにＲＴＳにデータを伝送し、その結果が、該ロボットに伝送して戻されることである。或いはこれは、１つのロボットが興味深いと判断し高速分析を必要とするデータを収集し、単一のロボットではこの高速分析を行うことができないので、分析のために他のロボットに作業の一部を伝送することによって証明される。
・少なくとも１つの再プログラム可能な制御装置（ＦＰＧＡ、ＭＣＵ等）を備えた球体ロボット制御システム。これは典型的には、ロボットを配置する間、様々な機能を有するＦＰＧＡである。案内段階の間、再プログラム可能な装置は、案内データを分析するためにプログラムすることができ、他のデータを処理するために自律的に又は命令によって再プログラムすることができる。
・分散型バスを介して分散知能を備える球体ロボット内部電子機器。球体ロボット・システムは、分散型バスによって接続された複数の処理ユニットにわたって処理能力を分配することができる。
を有する。

本発明によるボール・ロボットの内部電子機器の一実施例を図１６に記載する。ボール・ロボットは通信及び案内能力を必要とする。これは、少なくとも１つの微小制御装置（ＭＣＵ）又は中央演算処理装置（ＣＰＵ）又はフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）又はデジタル信号処理装置（ＤＳＰ）、及び／又は動的電子機器を備えた他のデジタル論理装置に実装される。本発明により、電子機器を分散システム、すなわち分散型バスを介して操作される複数のデジタル論理装置（分散知能）にわたって実装することが可能になる。しかしこれは必須ではなく、機能及び／又はセンサの同一の組を単一のＣＰＵに実装することができる。図１６でこれは、通信ユニットが、他のロボット及び／又はＲＴＳ及び／又は衛星との通信を担う１組のユニット中に示されている。ハウス・キーピング・ユニットは、ＧＰＳ受信機、太陽センサ、加速度計、ジャイロスコープ、傾斜計、障害物検知器、消費電力、温度及び付加的データ検知及び／又はセンサ及び／又は作動装置を備える任意の付加的装置からデータを収集する。ハウス・キーピング・ユニットは、これらのデータを処理し、案内ユニットに案内入力を供給する。ハウス・キーピング・ユニットはまた、バッテリ充電処理又は動作中のバッテリ状態を制御及び／又は監視する。案内ユニットは、案内データによって少なくとも１つ又は複数のモータを制御し、これは自律的に実現されても遠隔制御されてもよい。

図１７は、データ／監視制御局と、充電局と、ロボット・トランシーバ局と、球体ロボットとを備える完全なボール・ロボット・システムの一実施例を示す。ＲＴＳ、データ／監視局、充電局間の情報の転送は、光通信、及び／又は利用可能な速度でＬＡＮ、及び／又はＷＬＡＮを使用する安定したラインによって行われる。データ／監視局は、充電局及びＲＴＳを共に監視し制御する。ロボットの充電は自律的に行われ、２つのモードが推定される。ロボットが、限界値に達したので充電局に戻ることを自律的に判断する。第２の選択肢は、データ／監視局が、自律的に又は能動的な命令でのいずれかで、任意の又はすべての利用可能なロボットに充電局に戻るように伝えることである。

データ／監視局は、全システムの制御／監視のためのグラフィカル・ユーザ・インターフェース（ＧＵＩ）を有する。インターネット接続をデータ／監視局に追加することが可能であり、その様式でデータ／監視局は、ロボット・システムの遠隔サービスのためのウェブ・サーバとして機能することができる。データ／監視局は、システムを侵入又は不正アクセスから保護するためのファイアウォール機能を有する。インターネットをデータ／監視局に接続することで、内部ネットワークはＩＰ番号の完全な組を使用することが可能になる（すなわち、地表のＩＰバージョン６，１０２１番号／ｍ２）。

ＲＴＳ及び／又は充電局は、内部ＬＡＮ／ＷＬＡＮスイッチを介して、システムに追加することができる。ＲＴＳ及び／又は充電局の接続要求を満たすために、付加的なスイッチを内部ＬＡＮ／ＷＬＡＮスイッチ追加することができる。

すべての従来技術のボール・ロボットは、様々な状況におけるロボット行動の分析的な規範に基づく制御システムを備える。しかしながら、この階級のロボットの幾何学的形状はすべての分析システムに対して十分簡素であるように見えるが、ボール・ロボットの動的行動は常に分析システムで予見できるわけではなく、ロボット制御のためのロボット動力学の自明でないコンピュータ要求の厳しい物理的モデリング（解析力学による）を引き起こすことがわかってきている。これらの欠点を克服するために、本発明によるボール・ロボット・システムは、ロボットの様々な行動をより良好な全体的な性能へと適合することができる１組の学習モジュール／システムを備える。学習システムが、センサ・システムを介して入力を受け取り、本明細書で提案するボール・ロボットの新規な機械的システムを介して、ロボットの物理的行動を実行させる作動装置信号を出力する自己学習型ボール・ロボット・システムの基本構成を図１８に示す。

学習システムへの入力変数は、システム変数のすべての又は一部の推定の測定値である。推定は、カルマン・フィルタ・タイプの状態推定アルゴリズムによるノイズのあるセンサ読み取り値から得られる。

地雷センサ、ガスセンサ、カメラ、ＩＲセンサ、ＵＶ検知器、超音波変換器、ノイズ検知器、質量分析計などの様々な形態のセンサからの付加的入力変数は、フィルタをかけられたセンサ示度である。

教師あり学習及び強化学習に関して、学習システムの２つの主要な出力変数は、ロボット基準システムに対する主振り子及び操舵振り子の位置を制御する、ロボットの２つのモータに直接つながる。さらにまた、ドリル、グリップ、モールド、拡声器、消火器、火炎放射器、ビデオ・プロジェクタ、カメラ位置、カメラ焦点合わせなどの作動装置を制御する出力があってよい。

図１８はボール・ロボットの文脈における学習モジュール又はシステムの概略である。センサ・システムは、環境及びロボットの状態についての情報を収集し前処理する。従来の教師あり学習に関して、環境は、ロボットが動作する環境だけでなく、ロボットの一部ではない外部の管理者によって提供される動作情報も包含する。学習システムは、並列の及び／又は階層的な方法で組織された１つ又は複数の副部品／モジュールから構成されてもよい。

従来技術においてロボット学習は極めて広い科学分野であるが、報告される手法は、従来型の非球体ロボットに限定されてきた。ロボット学習に対する基本的な手法の多くは、ボール・ロボットに適用可能だが、特定の地理的形状及びボール・ロボットの動力学のための作動システムを実現するために、新規の態様を考慮しなければならない。包括的でないボール・ロボットの重要な学習作業のリストは、
１）ボール・ロボット動力学の学習
２）水平方向でロボットの主軸のバランスをとるための学習
３）ロボットの位置を認識するための学習
４）ロボットの近辺の物体／景色／状況を認識するための学習（知覚）
５）物体回避学習
６）周辺を通る最適な経路を計画するための学習
７）例えば経路追従の間、成功した人型ボール・ロボット遠隔制御駆動体の尾行
８）周辺の内部の地理学上の地図の学習
である。

上記の問題を解決するために、多くの異なる学習方法を適用することができる。ここで考慮されるボール・ロボット・システムは、以下の方法に基づく１つ又は複数の学習モジュールを包含する。
１）所望の作動装置信号が、１つ又は複数の人間の管理者（教師）によって提供される学習作業のための従来の教師あり学習。この場合の可能な実施例は、水平方向で主軸のバランスをとること、ロボットの定位、物体認識、経路追従、物体回避を学習することである。
２）確率的並びに遅延されてもよい利用可能な唯一の情報が、最適化のためにセンサ示度及びスカラー動作手段から構成される、学習作業のための強化学習及び人口的発達方法。この種の学習は一般に、従来の教師あり学習と比べて時間がかかるが、ロボット学習過程における任意の人間の干渉を回避することを可能にする。
３）センサ・データ圧縮及び確率密度推定などの様々な前処理作業のための教師なし学習。しかしこの種の教師なし学習は、教師あり及び／又は強化学習の文脈において、下位区分とみなされる場合があり、及び／又は自己学習又は自己編成のセンサ・システムとみなされる場合がある。

基本的に従来型のロボットについて検討されるすべての学習方法は、人工神経ネットワーク（ＡＮＮ）を基盤としてきたが、本明細書に開示するボール・ロボット・システムで学習方法は、全くＡＮＮに限定されない。ＡＮＮの他に、従来の教師あり学習を創り出す多くの他の可能性がある。このような可能性の実施例は、多変量スプライン、射影追跡、回帰及び決定トリー、回帰及び分類に基づく原型、パラメータ及び非パラメータの統計的多変量回帰及び分類、学習オートマタ、隠れマルコフ・モデル及び適応ファジー・システムを含む。我々は、知られた最も広範な概説のいくつかを提案するＨａｓｔｉｅ，Ｔｉｂｓｈｉｒａｎｉ及びＦｒｉｅｄｍａｎによる「Ｔｈｅ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ｌｅａｒｎｉｎｇ」及びＭｉｔｃｈｅｌｌによる「Ｍａｃｈｉｎｅ Ｌｅａｒｎｉｎｇ」のような最近の教科書のこの広範な可能性について包括的資料を全く認識しない。強化学習及び人工発達の分野では、さらに文献はより分散している。強化学習の実施が完全にＡＮＮに依拠する必要がないことを示す最近の教科書は、Ｂｅｒｔｓｅｋａｓによる「Ｎｅｕｒｏ−ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ」及びＳｕｔｔｏｎ及びＢａｒｔｏによる「Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ Ｌｅａｒｎｉｎｇ」である。３番目の重要な古典的参考資料は、強化学習の初期の形態の１つであり、包括的なアルゴリズムの基礎を含むＪｏｈｎ Ｈｏｌｌａｎｄによる「Ｃｌａｓｓｉｆｉｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ」及び「ｂｕｃｋｅｔ ｂｒｉｇａｄｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ」での研究である。

図１８に示すように、学習システムはセンサ出力を入力として取得し、作動装置信号を出力として生成する。センサ信号は、周辺の状態を示す様々な形態、又は幾分圧縮された機能のリストから構成され、ロボット動力学は、位置及びモータの速さなどの作動装置の現在の状態を含む。センサ信号はまた、異なるレベルの特性及び詳細を有する学習信号を含む。従来の教師あり学習では、センサ信号は、学習システムは（再）生成することを学習するべきであるという所望の作動装置の読み取り値のアレイから構成される。強化学習及び人工的発達（包括的アルゴリズム、進化するロボット工学）で、訓練信号は、より優れたシステムの新しい世代を設計するために使用される、遅延された確率的スカラー動作情報の形態で生じる。人工的発達方法に伝統的な教育アルゴリズムは存在しない。センサ作動装置マッピングに対する候補手法の母集団を評価する代わりに、新規の候補手法は、現世代における最も見込みのある手法に基づいている。強化学習で標準の手法は、現在の決定的又は確率的センサ作動装置マッピング（方針）を条件として、周囲から見込まれる将来の報酬を予測する価値関数を推定するものである。連続的に更新される推定価値関数に基づいて、見込まれる累積報酬を増大させる傾向のある改良されたセンサ作動装置マッピングが実現する。

上記で示すように、利用可能な多数の文献があり、選択される具体的な手法は、ボール・ロボットと、具体的なセンサと、利用可能なセンサ前処理システムとによって行われる作業に左右される。したがってここで鍵となる発明は、種々の方法でロボットをより実質的に有益にするボール・ロボット作動システムの学習サブシステムを包含することである。球体ロボットの分野において、従来技術と比較して付加される重大な有用性の実施例のいくつかは、
１）人間のオペレータによる、主軸の自己均衡及び球体動力学の自己学習を介してのより簡単な操舵
２）ロボット制御のための、ロボット動力学の自明でないコンピュータ要求の物理的モデリング（解析力学による）を必要としない
３）例えば監視作業などの忍耐力を必要とする経路追従のより簡単な実現
４）簡略化され改良された物体及び人間の認識行動
５）使いやすい障害物回避の利用
６）ＧＰＳセンサ読み取り値及び局所センサ入力機構の組合せに基づくロボットの確固とした位置確認
７）人間の監視者によって知能行動として認識される自律的行動の様々な度合いを得るための具体的な可能性（自律的探査並びに物体及び人間の認識でのように）
である。

振り子タイプの一般的なボール・ロボットの概略横断側面図である。 振り子タイプの一般的なボール・ロボットの概略横断正面図である。 振り子タイプの一般的なボール・ロボットにおけるｌ_ｃｍとＲの関係を示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例を概略的に示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例を概略的に示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例を概略的に示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例を概略的に示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例を概略的に示す図である。 図５ａ及び５ｂに示す実施例の作動原理を示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例の作動原理を示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例の作動原理を示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例の作動原理を示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例の作動原理を示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例の作動原理を示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例を概略的に示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例を概略的に示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例を概略的に示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例を概略的に示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例を概略的に示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例を概略的に示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例を概略的に示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例を概略的に示す図である。 本発明によるボール・ロボットの実施例を概略的に示す図である。 本発明によるボール・ロボットの外殻の一実施例を概略的に示す図である。 本発明によるボール・ロボット・システムの通信構成を示す図である。 本発明によるボール・ロボットの内部電子機器の実施例を示す図である。 本発明による完全なボール・ロボット・システムの一実施例を示す図である。 本発明によるボール・ロボット・システムの自己学習ボール・ロボット・システムの基本構成を示す図である。

Claims (26)

1. 基本的に球体の外殻と、直径方向の主軸と、前記主軸に枢動可能に結合される少なくとも１つの振り子と、少なくとも２つの駆動モータを備え、前記振り子を駆動するための駆動機構とを備え、前記駆動モータが、前記外殻の内側面の近傍で前記振り子に配置されるボール・ロボット。
2. 前記駆動機構が、前記直径方向の主軸の周りを回転するために前記駆動機構を駆動する一次モータを備え、前記一次モータが、前記外殻の内側面の近傍で一次振り子の下部に配置され、前記一次振り子が、その上方端で前記直径方向の主軸によって回転可能に支持され、前記一次モータが、一次伝送装置によって前記主軸の周りを回転するために前記一次振り子を駆動するように配置され、
   前記駆動機構がさらに、二次振り子と、前記主軸と交差し前記一次振り子に取り付けられる二次軸の周りを回転するために、前記二次振り子を駆動するモータとを備え、前記二次モータが、前記外殻の内側面の近傍で前記二次振り子の下部に配置され、前記二次モータが、二次伝送装置によって前記二次軸の周りを回転するために、前記二次振り子を駆動するように配置される、請求項１に記載のボール・ロボット。
3. 前記駆動機構が、前記主軸の両側で前記二次軸に配置される２つの二次振り子を備える、請求項２に記載のボール・ロボット。
4. 前記外殻の内側面の近傍で前記二次振り子の下部にすべて配置される電源（バッテリ）と、制御システム等とを備える、請求項２に記載のボール・ロボット。
5. 前記電源、制御システム等が、前記二次振り子の横軸の周りを回転可能な回転部材に配置される、請求項４に記載のボール・ロボット。
6. 前記駆動機構が、前記外殻の内側面の近傍で駆動振り子に配置される一次及び二次駆動モータを備え、前記一次モータが、一次伝送装置によって前記主軸の周りを回転するために、前記駆動振り子を駆動するように配置され、前記二次モータが、二次伝送装置によって前記主軸と交差する二次軸の周りを回転するために、前記駆動振り子を駆動するように配置される、請求項１に記載のボール・ロボット。
7. 前記駆動機構が、前記外殻の内側面の近傍で第２の駆動振り子に配置される第３の駆動モータを備え、前記第３の駆動モータが、第３の伝送装置によって前記二次軸の周りを回転するために、前記第２の駆動振り子を駆動するように配置される、請求項６に記載のボール・ロボット。
8. ボール形外殻と、前記外殻に取り付けられ前記外殻の回転の前記主軸と同軸である直径方向の主軸と、前記外殻の内側に配置され前記直径方向の軸によって支持される駆動機構とを備え、前記直径方向の軸が、回転の前記主軸に沿った前記外殻の寸法変化に対応するように配置されるボール・ロボット。
9. 前記直径方向の軸が、弾性の方式で前記外殻に取り付けられる、請求項８に記載のボール・ロボット。
10. 前記直径方向の軸が弾性の伸縮式の軸である、請求項８に記載のボール・ロボット。
11. 前記伸縮式の軸が、前記外殻に固定される２つの端部と、前記駆動機構を担持する中間部とを備え、前記中間部が、例えばスプラインによって前記端部に対して回転できないように配置される、請求項１０に記載のボール・ロボット。
12. 前記直径方向の軸が、少なくとも１つの弾性部材によって前記外殻に取り付けられる、請求項９に記載のボール・ロボット。
13. 前記直径方向の軸が、前記ロボットに担持される付加的センサ及び／又は作動手段（装置）を収容するように構成される中空管である、請求項１から１２までのいずれか一項に記載のボール・ロボット。
14. 前記管が円形、矩形又は多角形の横断面形状を有する、請求項１３に記載のボール・ロボット。
15. 前記管が、締め付け構造及び嵌め合い構造を有する付加的装置を備える、請求項１３に記載のボール・ロボット。
16. 前記付加的装置が、前記ロボットの主電源によって電力を供給される、請求項１３に記載のボール・ロボット。
17. 前記管が、前記付加的装置に電力を伝導する電源インターフェースを備える、請求項１６に記載のボール・ロボット。
18. 前記ロボットが、メイン・コンピュータと、前記メイン・コンピュータと前記付加的装置間の通信のための通信インターフェースとを備える、請求項１３に記載のボール・ロボット。
19. 前記通信インターフェースが無線である、請求項１８に記載のボール・ロボット。
20. 前記通信インターフェースが、前記管に通信インターフェース接続及び前記付加的装置に嵌め合い接続を有するワイヤ・タイプである、請求項１８に記載のボール・ロボット。
21. 前記管が前記外殻に開口の延長部を形成する、請求項１３に記載のボール・ロボット。
22. 前記管が前記外殻の２つの開口をつなぎ、前記外殻及び前記管が一緒に前記駆動機構を収容する内部容積を封入する閉じた構造物を形成する、請求項１３に記載のボール・ロボット。
23. 前記外殻の前記開口に端部キャップが配置される、請求項２２に記載のボール・ロボット。
24. 前記端部キャップが、前記外殻の前記開口に対して延長可能である、請求項２３に記載のボール・ロボット。
25. 前記端部キャップが、前記無線通信システム用のアンテナを備える、請求項２３に記載のボール・ロボット。
26. 自己学習制御システムを有するボール・ロボット。

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