ボールボット

ボールバランシングロボットはボールボットとも呼ばれ、単一の球形車輪（ボール）の上でバランスをとるように設計された動的に安定した移動ロボットです。ボールボットは地面との接触点が 1 つしかないため、全方向移動が可能で、他の地上車両に比べて非常に機敏で、操作しやすく、有機的な動きをします。その動的安定性により、狭く、混雑した、動的な環境でのナビゲーション性が向上します。ボールボットは倒立振り子と同じ原理で動作します。

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）ロボット研究所のラルフ・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、家具や壁との衝突にも対処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相互作用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て、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）アームが追加され、世界で初めて、そして現在のところ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、それ以上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]彼らはいくつかの小さな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再度強調しました。^[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は、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」という記事を発表しました。^[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（日本）は、トマス・アリバス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のビデオでは、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]}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・イェスパーセン（デンマーク）は、2019年に修士論文として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操縦し、人々を案内することができる。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して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ソースコードや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る。ピクサーの2008年の映画『ウォーリー』には、ボールボット掃除ロボット「MO」（Microbe Obliterator）が登場した。Syfyの2010年のテレビシリーズ『カプリカ』には、ボールボット執事ロボット「セルジュ」が登場した。^[53]

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おり、その結果、ロボットは静止している間エネルギーを消費する必要がありません。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ます。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、大きな支持ポリゴンのための広いベースと、重心を下げるためにベースに多くのデッドウェイトを備えています。また、転倒を避けるために、加速または減速が低い傾向があります。ベースが広いため、静的に安定した移動ロボットが雑然とした人間の環境をナビゲートすることは困難です。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ります。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ません。^[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。ボールボットは一般に、単一の球形ホイール（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を形成します。つまり、独立した制御入力よりも自由度（DOF）の方が多いのです。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。本体は、倒立振り子の制御のように、ボールを制御することで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移動できます。ボールボットの動きの直感に反する側面は、前進するためには本体を前に傾ける必要があり、前に傾くためにはボールを後ろに転がさなければならないことです。これらすべての特性により、ボールボットに望ましい動きを実現するための計画は困難な作業になります。前方への直線運動を実現するために、ボールボットは加速するために前に傾き、減速するために後ろ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生まれます。^{[18] [22] [24] [32]}

セグウェイのような、一方向にバランスをとるものの横方向には移動できない二輪式バランス移動ロボットとは異なり、ボールボットは全方向型であるため、どの方向にも転がることができます。最小回転半径はなく、方向を変えるために ヨーイングする必要もありません。

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、アクチュエータが提供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、ひいては動的性能、加速性能、敏捷性が決まります。最大速度は、アクチュエータのパワーとその特性の関数です。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、力の伝達に関係するすべての部品の摩擦係数も、システム設計で重要な役割を果たします。また、特にヨーイング中に望ましくないボールの回転を防ぐために、ロボット本体とボールの慣性モーメントの比率に細心の注意を払う必要があります。^[32]

ボールはボールボットの核となる要素であり、発生するすべての力を伝達して支え、粗い接触面によって引き起こされ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、慣性が低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ました。

球体を作動させるというかなり複雑な問題を解決するために、さまざまな作動メカニズムが導入されてきました。CMU Ballbot ^[8]は、逆マウスボール駆動メカニズムを使用しました。マウスローラーを駆動してコンピューター入力を提供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によって作動します。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使用しましたが、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ました。

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 つのモーターを使用し、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。さらに、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ギャップによって不安定な回転運動が発生するため、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、連続した円周接触線を備えた、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ー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で取り付けた。 ^[32] Kugleロボットには、大きな傾斜の際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、LEGOバージョンではホイールを使用し、フルスケールバージョン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導入しました^{[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の 3自由度アクチュエーションを開発することでした。

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・アクチュエーター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またはその他のコンピューティングユニットの他に、ボールボットには基本的に、時間の関数としてボールとボールボット本体の向きを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ー（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]}）や、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装置（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。

CMU Ballbot ^[8]は、アームを備えた最初の、そして現在のところ唯一のボールボットです。^{[24] [25] [26]直列弾性アクチュエータによって駆動される 2}自由度のアームが 1 組あります。アームは中空のアルミニウム管で、その端にダミーウェイトを追加できます。現在の状態では、アームは重要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]}

ボールボットをシミュレートし、システムを安定化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MIMOモデルは、カート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、ボールの上のボディとしてボールボットを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]の両方にヨー運動のない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使用しています。CMU Ballbot ^[8]は、ボディを所望のボディ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コントローラに指示することで所望のボール動作を実現する外側のループコントローラを使用しています。^{[13] [14] [18] [21] [22] [24]} Kugleロボットは、結合された動的クォータニオンモデルの利点を示すために、線形フィードバックコントローラ（LQR）と非線形スライディングモードコントローラの両方でテストされています。^[51]

ボールボットは、形状加速型の劣駆動システムです。ボールボットの傾斜角度は、ボールとロボットの結果として生じる加速度に動的にリンクされ、劣駆動システムにつながります。CMU ボールボットは、高速でダイナミックで優雅なボールの動きを実現するために、体の傾斜角度の空間で動作を計画します。^{[18] [21] [22] [24]}アームの導入により、CMU ボールボットは、その計画手順を使用して、体の傾斜角度とアーム角度の両方の空間で計画し、目的のボールの動きを実現します。^{[22] [24] [25]} さらに、アームが特定の動作に制限され、体の角度のみを使用して目的のボールの動きを実現する必要がある場合も考慮できます。^[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します。^{[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します。レーザー距離計を使用して、環境内の静的および動的障害物を積極的に検出し、回避します。^{[22] [23]}

Kugle の場合、パス計画モデル予測コントローラ (MPC) は、ボールボットの傾斜角度を制御して指定されたパスをたどるように設計されている。ボールボットの劣駆動特性による一時的な動作の欠如に対応するために、一般的な軌道または参照追跡コントローラよりもパス追従戦略が選択される。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り、障害物が回避され、希望の速度で進むことが保証される。^[51]

ボールボットの最大の懸念は、システム障害が発生した場合の安全性です。この問題に対処するためにいくつかの試みがなされてきました。CMU ボールボット^[8]は、3 本の格納式着陸脚を導入し、ロボットが電源を切った後も立ったまま（静的に安定して）いられるようにしました。また、この静的に安定した状態から動的に安定したバランスの取れた状態に自動的に移行することも、その逆も可能です。^{[13] [15]} Rezero は、システム障害が発生した場合に重大な損傷を防ぐために、ロールオーバー安全機構を搭載しました。^[32]

ボールボットは動的安定性があるため、背が高くて幅が狭く、物理的にインタラクティブな形状にすることもできるため、個人用移動ロボットの理想的な候補となっている。^[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る。^[51]現在のボールボット^{[8] [29] [32]}は滑らかな表面に制限されている。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]} ハリウッド映画にはボールボットのキャラクターがいくつか登場している。^{[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さまざまな用途に使用されている。

• 学術プロジェクト:
  • カーネギーメロン大学（CMU）のボールボット研究プラットフォーム（2005）^[1]
  • BallIP at東北学院大学(2007) ^[3]
  • リゼロチューリッヒ工科大学(2010) ^[4]
  • オールボー大学(AAU)のクーグル(2018) ^[5]
  • イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のボールボットベースの車椅子プロトタイプ（2023年）^[57]
• 産業プロジェクト:
  • ボサノバ・ロボティクスのmObi（2012）^[58]
  • Festo社製BionicMobileAssistant （2015年）^[59]

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