![研究背景
2
災害で活躍できるロボットの一つ[1]
〇 凹凸や障害物のある不整地を移動可能
✕ 自由度の増大に伴い計算量が増加する
[2] 稲垣伸吉，“受動体節間関節をもつムカデ型多脚歩行ロボットの接地点追従法による分散歩行制御”，2011
〇計算負荷の軽減が可能になった
歩行計画が先頭脚の接地点の計画に集約された
・先頭脚の接地点を決定する際の操作系インターフェイス
・脚の接地点への着き方
接地点追従法 (FCP gait control)[2]
本研究で着目する点
[1] 村田勇樹，時間的制約充足型統合制御に基づく事象駆動型 6 脚移動ロボットの不整地歩行, 2019
多脚移動ロボット
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6脚移動ロボットにおける脚の冗長自由度化と没入型操作系の開発
- 2. 研究背景 2 災害で活躍できるロボットの一つ[1] 〇 凹凸や障害物のある不整地を移動可能 ✕ 自由度の増大に伴い計算量が増加する [2] 稲垣伸吉，“受動体節間関節をもつムカデ型多脚歩行ロボットの接地点追従法による分散歩行制御”，2011 〇計算負荷の軽減が可能になった 歩行計画が先頭脚の接地点の計画に集約された ・先頭脚の接地点を決定する際の操作系インターフェイス ・脚の接地点への着き方 接地点追従法 (FCP gait control)[2] 本研究で着目する点 [1] 村田勇樹，時間的制約充足型統合制御に基づく事象駆動型 6 脚移動ロボットの不整地歩行, 2019 多脚移動ロボット
- 3. 従来研究 3 脚の自由度について 4脚の脚型ロボットで1肢7自由度を持ち，垂直はしご昇降や工具を使用した作業の 実現をしている． [4] 〇 冗長な自由度を生かして様々なタスクがこなせている 本研究でも… • 接地点追従法型のロボットにも活かしたい [4] 橋本健二，WAREC-1–高度な移動および操作機能を備えた４本足のロボット, 2017 操作系インタフェースについて 360度の映像を見て操作できるテレプレゼンスロボット [3] 〇 ロボット視点で臨場感のある映像を用いた操作系を実現した 本研究でも… • 臨場感のある操作系を歩行ロボットにも応用したい • 立体的に不整地を見られるようにしたい [3] B. Xu, S. Pathak, H. Fujii, A. Yamashita and H. Asama, Spatio-Temporal Video Completion in Spherical Image Sequences, 2017 https://newswitch.jp/p/6685
- 4. 研究目的 4 ２．脚の冗長自由度化による接地方法の検討 完了 今後 1. アルゴリズムの検討 3. 実機への実装 2. シミュレーション １．没入型操作系の開発 完了 進行中 1. ロボットの遠隔操作型システムの構築 2. 3D-HMDを用いた操作系の開発 4. 提案手法の評価・検討 3. 実機実験
- 5. 研究目的 5 ２．脚の冗長自由度化による接地方法の検討 完了 今後 1. アルゴリズムの検討 3. 実機への実装 2. シミュレーション １．没入型操作系の開発 完了 進行中 1. ロボットの遠隔操作型システムの構築 2. 3D-HMDを用いた操作系の開発 4. 提案手法の評価・検討 3. 実機実験
- 6. 接地点追従法 6 先頭脚の接地した位置を共有して歩行している様子 [2] [3] [1] [4] [5] ロボット全体の歩行計画が先頭脚の接地点計画に集約されていることが分かる Mode1：接地点からの離脱 Mode2：中間点で停留 Mode3：前方の接地点への接地 Mode4：胴体を前進 接地点追従法（FCP gait control） 2 1 4 3 制御オートマトン
- 7. 没入型操作系の開発 7 [6] Nvidia Jetson Xavier NX Developer Kit, https://developer.nvidia.com/embedded/jetson-xavier-nx-devkit ステレオ カメラ 組み込みPC モバイルバッテリ マイコン 距離画像 カメラ [7] Pico Flexx ,https://pmdtec.com/picofamily/ [8] VIVE Cosmos, https://www.vive.com/jp/product/vive-cosmos/overview/ システム構成 ロボットの紹介 ロボットの遠隔操作型システム 距離画像カメラ 組み込み PC マイコン サーボ モータ モバイル バッテリ ステレオカメラ 6脚ロボット Lipoバッテリ [5] [6] [7] [5] ZED mini , https://www.stereolabs.com/zed-mini/ ＰＣ 操作者 HMD コントローラ [8] 無線 LAN 3D-HMDを用いた没入型操作系
- 8. ステレオカメラ 没入型操作系の開発 距離画像カメラ 組み込み 小型PC マイコン サーボ モータ モバイル バッテリ ステレオカメラ ＰＣ 6脚ロボット Lipoバッテリ 操作者 HMD コントローラ システムの流れ • ステレオカメラの左右2つのレンズから映 像を撮影する ステレオカメラで撮影
- 9. ステレオカメラ 没入型操作系の開発 距離画像カメラ 組み込み 小型PC マイコン サーボ モータ モバイル バッテリ ステレオカメラ ＰＣ 6脚ロボット Lipoバッテリ 操作者 HMD コントローラ システムの流れ ストリーミング映像 • ステレオカメラでとらえた映像を組 み込み小型PCを用いて操作者側の PCに送信する
- 10. 没入型操作系の開発 距離画像カメラ 組み込み 小型PC マイコン サーボ モータ モバイル バッテリ ステレオカメラ ＰＣ 6脚ロボット Lipoバッテリ 操作者 HMD コントローラ システムの流れ • ステレオカメラの左右2つのレンズの映像 をUnityを用いてヘッドマウントディスプ レイに３D映像として表示する． Unity • コントローラの動きに連動する画面上の 緑色のステッキで凹凸や距離を確認しな がら接地点を探す． 3D映像を見て 接地点を探す
- 11. 没入型操作系の開発 距離画像カメラ 組み込み 小型PC マイコン サーボ モータ モバイル バッテリ ステレオカメラ ＰＣ 6脚ロボット Lipoバッテリ 操作者 HMD コントローラ システムの流れ • 赤い枠の中で接地点を探がし，決定した らコントローラのトリガーを引く． Unity 接地点の決定 • 画面内の赤い枠の中が距離画像カメラで 距離が測定可能な領域になっている． 接地点
- 12. 没入型操作系の開発 距離画像カメラ 組み込み 小型PC マイコン サーボ モータ モバイル バッテリ ステレオカメラ ＰＣ 6脚ロボット Lipoバッテリ 操作者 HMD コントローラ システムの流れ Unity 接地点の距離画像カメラ のピクセル座標(𝑥, 𝑦) • 接地点の位置を距離映像カメラ のピクセル座標に変換 • UDP通信を用いてピクセル 座標を組み込みPCに送信 距離映像 カメラ 𝒙 𝒚
- 13. 没入型操作系の開発 距離画像カメラ 組み込み 小型PC マイコン サーボ モータ モバイル バッテリ ステレオカメラ 6脚ロボット Lipoバッテリ システムの流れ ＰＣ 操作者 HMD コントローラ 距離映像 カメラ • 接地点の距離画像カメラからの距離を 測定する 接地点の距離を測定
- 14. 没入型操作系の開発 距離画像カメラ 組み込み 小型PC サーボ モータ モバイル バッテリ ステレオカメラ 6脚ロボット Lipoバッテリ マイコン シリアル通信 システムの流れ • ロボットの先頭脚が与えられた接 地点に移動する． ＰＣ 操作者 HMD コントローラ ロボット ロボットの先頭脚が移動
- 16. 16 操作者側（HMD）の映像 ４× 没入型操作系の開発 • コントローラで 仮想の緑色の棒 を操作している． • 凹凸や距離を確 かめ接地点を決 定する．
- 17. 実験方法 • 没入型操作系と平面映像の操作系を用いて，比較を行う． • 被験者は6脚移動ロボットの操作の経験がない学生5名 • 歩行する環境は石やレンガを並べた全長1[m]の不整地 • 試行回数は被験者1人につき没入型操作系で6回，平面映像の 操作系で6回の合計12回とする． 没入型操作系の実機実験 評価方法 1. 踏破成功回数 2. 踏破成功時の平均時間 3. 環境把握のしやすさ 4. 接地点の決定のしやすさ （3と4は10点満点で評価してもらう） 没入型操作系（3D映像） 平面映像の操作系（2D映像）
- 18. 18 ×４ 没入型操作系の結果 平面映像の操作系の結果 実機実験の結果 結果の比較 • 踏破成功回数 • 平均時間 • 環境把握 • 接地点の決定 • 大きな違いはない • 没入型操作系の方が容易 • 平面映像の操作系の方が容易
- 19. 19 無線化した通信システム 〇 遠隔操作ができる 4x 4x 有線接続された通信システム ✕ 遠隔操作ができていない ロボットと操作者間の通信システム 4x 実機実験の結果
- 20. 20 実機実験のまとめ・考察 平面映像の操作系 没入型操作系 ✕ 凹凸や距離がわかりにくい 〇 マウスの操作が簡単 有線接続されたシステム ✕ 遠隔操作ができていない 無線化したシステム 〇 遠隔操作ができる 〇 立体映像が見えるため凹凸や距離がわかりやすい ✕ コントローラの操作が難しい • 不整地の移動を目的としている脚式ロボット には有効である． • 接地点を指定するためのインタフェースには 改善の余地がある． • 実践向けになった．
- 21. 研究目的 21 ２．脚の冗長自由度化による接地方法の検討 完了 今後 1. アルゴリズムの検討 3. 実機への実装 2. シミュレーション １．没入型操作系の開発 完了 進行中 1. ロボットの遠隔操作型システムの構築 2. 3D-HMDを用いた操作系の開発 4. 提案手法の評価・検討 3. 実機実験
- 22. 脚の冗長自由度化 22 Mode3：前方の接地点への接地 接地完了 接地点に接近 制御オートマトン Mode1：接地点からの離脱 Mode2：中間点で停留 Mode3：前方の接地点への接地 Mode4：胴体を前進 接地点追従法（FCP gait control） 2 1 4 3 脚を3自由度から4自由度にし冗長自由度を作る 〇 接地角度を大きくし地面とリンクの衝突を防ぐ ✕ 脚の先端のリンクが地面に衝突している
- 23. 23 𝜽 𝑡 = 𝜃1 𝑡 𝜃2 𝑡 𝜃3 𝑡 T 𝜃3 𝑡 ≥ Θ Which minimize : Find: Given: Subject to : 1 2 𝜽 𝑡 − 𝜽 𝑡 − 1 ∆𝑡 T 𝜽 𝑡 − 𝜽 𝑡 − 1 ∆𝑡 𝜽 𝑡 − 1 = 𝜃1 𝑡 − 1 𝜃2 𝑡 − 1 𝜃3 𝑡 − 1 T 脚の冗長自由度化 最適化問題 不等式制約を用いて 角度を制限する 𝜽 𝑡 : 関節角度 𝐽 : ヤコビ行列 𝐽† : 疑似逆行列 ∆𝒓 𝑡 : 移動ベクトル 𝜽 𝑡 = 𝜽 𝑡 − 1 + ∆𝑡𝐽†∆𝒓 𝑡 + 𝐼𝑀×𝑀 − 𝐽†𝐽 𝒌 𝒌 = 𝟏𝑴 T 𝜽 𝑡 − 1 + ∆𝑡𝟏𝑴 T 𝐽† ∆𝒓 𝑡 − Θ 𝟏𝑴 T 𝐽†𝐽𝟏𝑴 − 𝑴 , 𝟏𝑴= 0 0 1 , 𝑴 = 𝟏𝑴 T 1 0 0 0 1 0 0 0 1 𝟏𝑴
- 25. まとめと今後の予定 25 まとめ 今後の予定 １．没入型操作系インターフェイスの開発 • ロボット・操作者間のシステムの無線化をし遠隔操作を可能にした • MR，HMDを用いた没入型操作系の開発をした • 没入型操作系と平面映像の操作系を実機実験により比較検討した ２．脚の冗長自由度化 • 脚の冗長自由度化をしアルゴリズムの検討を行った • シミュレーションにより動作確認の実施を行った １．没入型操作系インターフェイスの開発 • 本手法の改善 • 他の手法の検討 ２．脚の冗長自由度化 • 実機への実装
Editor's Notes
- ６脚移動ロボットにおける脚の 冗長自由度化と没入型操作系の開発と題しまして，名古屋大学工学研究科 機械システム工学専攻 村井裕弥が発表させていただきます．
- まず始めに研究背景です．多脚移動ロボットは災害で活躍できるロボットの一つであるといわれています． ここで多脚移動ロボットには凹凸や障害物のある不整地を移動可能という利点がありますが，自由度の増大に伴い計算量が増加するというデメリットがあります． そこで接地点追従法という制御手法が提案され，歩行計画が先頭脚の接地点の計画に集約され，計算負荷の軽減が可能になりました． そして歩行計画が先頭脚の接地点の計画に集約されることから本研究では，先頭脚の接地点を決定する際の操作系インターフェイス，脚の接地点への着き方に着目することにしました．
- 次に従来研究についてです． こちらの研究は360度の映像を見て操作できるテレプレゼンスロボットであり，ロボット視点で臨場感のある映像を用いた操作系を実現しています． 本研究でも歩行ロボットの操作系に臨場感を向上させ，さらに立体的に不整地を見られる操作系を開発したいと考えました また橋本らの研究では，4脚ロボットで1肢7自由度を持ち，垂直はしご昇降や工具を使用した作業の実現をしています． 冗長な自由度を生かして様々なタスクがこなせており，接地点追従法型のロボットにも活かしたいと考えました．
- 次に本研究の研究目的についてです． 研究目的は２つあり， １つ目は没入型操作系の開発です． ロボットの遠隔操作型システムの構築. 3D-HMDを用いた操作系の開発. 実機実験を完了しており，現在は 提案手法の評価・検討を行っています． ２つ目は，冗長自由度化による脚の接地方法の検討です． アルゴリズムの検討，シミュレーションを完了しており，実機への実装を今後行っていきたいと考えております．
- まず初めに1つ目の研究目的の没入型操作系の開発について発表します．
- まずは本研究で用いている接地点追従法という制御手法について説明します． 接地点追従法は4つのモードからなる制御オートマトンからなり， モード１は接地点からの離脱 モード2は中間点で停留 モード3は前方の接地点への接地 モード4は胴体を前進 となっています． 接地点追従法の大きな特徴である先頭脚の接地した位置を共有して歩行している様子を下に示していますが この様子から，ロボット全体の歩行計画が先頭脚の接地点計画に集約されていることがわかります．
- 次に本研究で開発した操作系のシステム構成についての説明をします． 本研究ではこのシステムにより2つのことを実現しました． 1つ目はロボットの遠隔操作の実現 2つ目は3D-HMDを用いた没入型操作系の開発です． そして左に示したシステムを右の写真のように実装しています．
- 次に没入型操作系のシステムの流れを説明していきます． まず始めにロボットに搭載したステレオカメラの左右2つのレンズから映像を撮影します
- 次にステレオカメラでとらえた映像を組み込み小型PCを用いて操作者側のPCに送信します
- 操作者側のＰＣでUnityを用いてステレオカメラの左右2つのレンズの映像を使って，ヘッドマウントディスプレイに３D映像として表示します． 操作者はコントローラの動きに連動する画面上の緑色のステッキで凹凸や距離を確認しながら接地点を探します．
- 画面内の赤い枠の中が距離画像カメラで距離が測定可能な領域になっており， その内側で接地点を探がし，決定したらコントローラのトリガーを引き接地点を決定します．
- 次に接地点の位置を距離画像カメラのピクセル座標に変換し，UDP通信を用いてそのピクセル座標をロボット側の組み込みPCに送信します．
- そして送られたピクセル座標の点をもとに接地点の距離画像カメラからの距離を測定します
- そして組み込み小型PCからマイコンへその情報を送信し， ロボットの先頭脚が与えられた接地点に移動する． という流れになっています．
- 次に没入型操作系の実際の操作の様子についてです． 操作者はヘッドマウントディスプレイを装着し，コントローラを3次元的に操作しロボットを操作しています．
- 次に操作者のヘッドマウントディスプレイに表示されている映像を再生します． このように操作者は立体的な映像を見てコントローラで仮想の緑色の棒を動かしています． そして，それを用いて不整地の凹凸や距離を確かめながら接地点を決定しています．
- 次に本研究で行った実機実験についてです． 実験方法は以下のようになっています． 没入型操作系と平面映像の操作系を用いて，比較を行う． 被験者は6脚移動ロボットの操作の経験がない学生5名 歩行する環境は石やレンガを並べた全長1[m]の不整地 試行回数は被験者1人につき没入型操作系で6回，平面映像の操作系で6回の計12回とする． です． 実験における各操作系の評価方法は4つあり， 踏破成功回数 ，踏破成功時の平均時間，環境把握のしやすさ，接地点の決定のしやすさです． （スタートからゴールまでにかかった平均時間から胴体を常に動かした場合に1[m]進むのにかかる時間（30秒）を差し引いた踏破成功時の平均の操作合計時間となっています）
- 次に実機実験の結果についてです． 以下の表のようになっています 踏破成功回数 ，平均時間は大きな違いは見られませんでした． 一方で 環境把握に関しては 没入型では平均で7.4点，平面映像では5.8点であり没入型操作系の方が環境把握が容易であったことが分かります． 接地点の決定に関しては， 没入型では平均で6点，平面映像は7.4点であり平面映像の操作系の方が接地点の決定が容易であったことが分かりました．
- 次にロボットと操作者間の通信システムについてです． まずは有線接続されたシステムについてです． video このようにロボットと操作者のPCが有線でつながれているため操作者はロボットが歩行している側を離れることができず遠隔操作ができていませんでした． 次に無線化した通信システムについてです． video このように，無線化したことでロボットの遠隔操作が可能になりました．
- 次にまとめ・考察です． 実機実験の結果と被験者からの意見から平面映像の操作系は凹凸や距離がわかりにくかったが，操作が簡単 没入型操作系では立体映像が見えるため凹凸や距離がわかりやすいが，コントローラの操作が難しいため接地点の決定が難しいという事が分かりました． そのため没入型操作系は不整地の移動を目的としている脚式ロボットには有効であるが接地点を指定するためのインタフェースにはまだ改善の余地があると考えました． また，本研究で開発したシステムはロボット・操作者間のシステムを無線化したことで遠隔操作が可能になり，より実践向きになりました．
- 次に２つ目の研究目的である，脚の冗長自由度化による接地方法の検討についてです．
- 脚の冗長自由度化では接地点追従法におけるモード３でロボットの脚が接地点に近づき，接地する動作に着目します． そして右図のように脚の先端のリンクが地面に衝突する課題の解決に取り組みます． 本研究ではロボットの脚を3自由度から4自由度にし，冗長自由度を作ることで接地角度を大きくし地面とリンクの衝突を防ぐことを考えました．
- そこで以下の最適化問題を解きます． 関節角度の和を最小にしながら，不等式制約を与えることで先端のリンクの地面に対する角度を大きく保つことを考えます．
- シミュレーションの結果を以下に示しました． 角度制約なしの場合は地面に対する角度が小さくなっていることが分かります． 一方で，45度という関節の角度制約をつけることで，脚が接地をする際に角度制約を守り，角度を大きく保てていることが分かりました．
- 最後にまとめと今後の予定です． 没入型操作系インターフェイスの開発に関しては ロボット・操作者間のシステムの無線化をし遠隔操作を可能にしました またMR，HMDを用いた没入型操作系の開発をしました そしてその没入型操作系と平面映像の操作系を実機実験により比較検討しました 脚の冗長自由度化に関しては， 脚の冗長自由度化をしアルゴリズムの検討を行い シミュレーションにより動作確認の実施を行いました 今後の予定としては没入型操作系のインターフェイスの開発では，本手法の改善やほかの手法の検討を行っていきたいと考えており， 脚の冗長自由度化に関しては実機への実装を行っていきたいと考えております．