20141101 大田区民大学での講演「実際にロボットを動かす方法」

実際にロボットを動かす方法
産業技術大学院大学
情報アーキテクチャ専攻助教
上田隆一

講師
• 上田隆一
– 産業技術大学院大学助教
– USP研究所フェロー
– Family & Robotics協会理事
2014/11/1
大田区民大学【産業技術大学院大学提携講座】テクノロジーの
最先端から豊かな暮らし、安心安全の社会へ2

最近のロボットブーム
• ここ1, 2年のマスコミのにぎわい
– 検索すれば最近の記事がたくさん引っかかる
2014/11/1

「ロボット」という言葉
• 人の興味を引きやすい
– SFっぽい
– 最先端っぽい
– プロモーションにうってつけ
• 誤解が多い
– 実は意外と身近
• どうやって動いているか知ることで仕事上・趣味上のチャンスが
– 本日は「どうやって動かすか」を真剣に考える
2014/11/1

ロボット= 人の代わりをするもの
• 昔から職場や生活空間に存在
– 工場: 溶接, ちょっとした輸送
– 家庭: 掃除
– お店: 警備, 扉の開閉（=自動ドア）
– ...
• 人の型をしているかどうかは重要でない
– アトム，ドラえもん，ガンダム, etc. → 誤解の根源
• これらは「絵」
2014/11/1

実世界のロボット
• 例をいくつかお見せします
• 以下の切り口から観察
– 入力: センサで何かを感じる
• カメラ, 赤外センサ, レーダ, ソナー
– 出力: モータ等で何か実世界に作用を与える
• アクチュエータ, スピーカ, モニタ表示
2014/11/1

例1: 茶運び人形
• http://www.youtube.com/watch?v=1ZoFGCSF
S1o
• 入出力を考えてみましょう
– 入力: 茶を置く台（と，その下のスイッチ）
– 出力: タイヤ
– 間には歯車等の機構
• 歯車がスイッチの情報を動きに変換
2014/11/1

例2: 自動ドア
• ロボットだと考えてみましょう
– http://www.youtube.com/watch?v=0HVgEruaUg4
• 入力: 光（赤外線？）センサ
• 出力: ドアの開閉
• 間には（おそらく簡単な）電子回路
– これも歯車同様，入出力をつないでいる
2014/11/1

例3: サッカーロボット
• http://www.youtube.com/watch?v=Oz2wIDD
02LY
• 入力: カメラ画像
• 出力: 歩行等の動作
• 間にコンピュータ
2014/11/1

例4: BigDog
• https://www.youtube.com/watch?v=cHJJQ0z
NNOM
• 入出力，その間をつなぐものはなんでしょう？
2014/11/1

実世界のロボット-まとめ
• 入出力だけ。それだけ。
• ロボットの動かし方
– 入出力する部品をうまく選ぶ
– 入出力をうまく繋ぐ
2014/11/1

典型的な例
2014/11/1
入出力変換用
ノートPC
センサ（Kinect）からの入力用
USB
台車（タイヤ）への出力用
USB

本日の話
入出力をコンピュータでつなぐ話
2014/11/1

（本題に入る前に）コンピュータって何？
• インターネットやメールをするもの
• 入力された情報を処理して出力する機械
仕事入力出力
会社の経理勤怠の記録等給与明細
年賀状を作る住所のリスト, 図案ハガキ
インターネットで何か見るURL 表示するデータ
ロボットセンサから出る値モータ等への指令
• 一つのコンピュータで何でも入出力
– ソフトウェアで入出力関係を制御
2014/11/1

典型的なロボットの論理的構造
• センサデータ処理: 意味ある情報を抽出
• 行動決定: 情報から出力を決定
• 情報の統合: 複数のセンサデータから自己位置等を算出
2014/11/1
センサ1
センサ2
センサデータ
処理
（画像処理等）
物の位置情報等
情報の統合
（状態推定等）
行動決定
モータ1
モータ2
... ...

センサデータ処理の例（画像処理）
• カメラで動映像を撮影して行動の判断基準に
• 動画像って何？
– 動映像は1枚1枚の画像をつなげたもの
– 画像は1点1点の色を数字で並べたもの
2014/11/1
写真（数字の並び）写真（数字から絵を再現）
231 228 209
228 225 206
226 223 204
227 224 205
226 223 204
224 221 202
...

情報量が多すぎる
• お茶汲み人形の行動決定表
– スイッチON: 動く
– スイッチOFF: 止まる
• 画像からの行動決定表
– 画像のデータの並びが...
• 231 228 209 228 225 206 226 223 204...: 動く
• 231 228 209 228 225 206 226 223 205...: 止まる
• ...
– 多すぎる
2014/11/1

画像処理で必要な情報だけ抽出
• 例: 画像から顔を抽出
人の顔
手持ちのブラックリストの3番目の人物
位置（座標x=100,y=200）
• 行動決定しやすくなる
– 例（自動ドアへの応用）
• リスト3番目の人物: ドアを開けない
• それ以外: 開ける
2014/11/1

その他センサ
• 測域センサ
– レーザで物体の距離を計測
• Kinect
– レーザ+ カメラ→ 3次元画像
• 使い方は画像処理と一緒
– 何かしらの数字から興味の情報を抽出
2014/11/1

動作計画
• 自動ドアは開いて閉まるだけなので簡単
• 移動するロボット・手を持つロボットは
どう動けばいい？
– ただセンサデータに反応するだけでなく、
「手順」を考えなければならない
2014/11/1

例: 自動車の車庫入れ
• 手順
– 以下の繰り返し
• 自動車の位置を確認（入力）
• 頭の中で予測（計画）
• 実行（出力）
2014/11/1

計画の方法
• 探索
– 乗換案内と方法は同じ
• 行き先のグラフを作る
– グラフ（専門用語）: 路線図のようなもの
• 一番よい経路を見つける
– 例
• rapidly exploring random tree
2014/11/1

情報の統合
• 1回のセンサ入力から分からない情報を
複数のセンサ入力から作る
– 右下の例:
• カメラ画像で旗の位置を計測して自分の位置を計測
• 旗の距離と向きしか分からない場合、
最低2回の計測が必要
2014/11/1
カメラ観測
（1回目）
カメラ観測
（2回目）

統合の方法
• 伝統的な測量
• ベイズ推定
– 推定したいものを
確率的に逐次的に
求めていく
2014/11/1
旗1
旗2

ここまでのまとめと次の話
• ロボットを動かす技術を大雑把に3つ紹介
– センサ情報処理、動作計画、情報の統合
– それぞれ面白い。身の回りで使われている技術
• 疑問
– これを全部自分で作るのか？
• 昔（15年くらい前）はほぼ全部作っていた
（まともに動かすのに凄腕のプログラマで2ヶ月）
• 今はそんなに頑張らなくてもいいところまで簡単に
2014/11/1

オープンソース
• ソフトウェアは一度作ると何度でも利用可
• ただし権利関係がややこしい
• オープンソース
– 大半のソフトウェアは公開されており
ライセンスの制限の下、誰でも使用可
– 主な理由
• そうしておかないと相互利用できず全員が損
• 公開しないと進化しない
– 商売しにくいという問題は存在
– ロボット業界でも積極利用の動き
2014/11/1

ROS（Robot Operating System）
• パソコンでロボット用機器をつなぐためのソフト
– 企業や一般人がセンサやモータなどを
ROSを通して動かせるようにする
→プログラムするときに自分でやることが減る
• 買ってきたロボットをすぐ動かせる
– ロボットの形状等が既にデータとして提供されている
– 公開プログラムを使える
2014/11/1

例: TurtleBot2
• 動くまで
– 購入
– 「Linux」というOSをインストール
– このサイトの手順に従う
• 手順に従って動作させてみました
– movie1
– movie2
2014/11/1

OpenCV
• 画像処理ツール
– 例
2014/11/1
境界線（エッジ）の抽出顔の認識

まとめ
• ロボットとは
– 何かSFの話ではない。
そういうストーリー付けは思考停止を生む。
– 入出力
• ロボットを動かすということ
– 技術の総合格闘技とも言える
• 画像処理、探索、推定
– 教育や趣味にいかがでしょうか
2014/11/1

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