ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / Appropriate approaches to robotic manipulation
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ロボットは人間と構造も機構も制御法もまったく異なっている。したがって、人間の代わりに物体を操作したり作業をしたりするときには、ロボットに適した操作方法があると考える。本研究ではロボットの構成にとって有利になるような物体操作手法を探求する。
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ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / Appropriate approaches to robotic manipulation
- 1. 福岡工業大学 工学部 知能機械工学科 槇田 諭 / Satoshi Makita ロボットにぴったりの物体操作や 作業の方法を探求する
- 2. ロボットマニピュレーション Manipulation 意味：操作，あやつり Robotics（ロボット工学）では「物体操作」を 指す ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 2
- 4. ロボットマニピュレーションの分類 • 把持 / Grasping ロボットが対象物に接触し，対象物を力学的に， 力のつりあいを以て，動かないようにする Point: ロボット“だけ”で物体を拘束する ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 4
- 5. ロボットマニピュレーションの分類 • ケージング / Caging ロボットによって対象物を囲い込み，幾何学的に 抜け出せないように拘束する 鳥かご（cage）から Point: 対象物の形状情報・幾何情報だけで拘束できる ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 5
- 6. ロボットマニピュレーションの分類 グラスプレス・マニピュレーション Graspless manipulation 対象物を持ち上げないで，押したり転がしたりする 操作方法 • 対象物を持ち上げなくても操作できる • 対象物を直接につかむことができなくても操作できる • ロボットだけでなく，環境と接触して，影響を受ける ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 6
- 8. 状態の分類 • 静的 / Static （把持など） すべての物体が静止している状態． 運動，速度を考慮しない． • 準静的 / Quasi-static （押し操作など） 物体が限りなくゆっくりと運動している状態． 運動は考慮するが，運動量は考慮しない． • 動的 / Dynamic （打撃・投球など） 物体が加速度を伴って運動している状態． 加速度，慣性力，運動エネルギーを考慮する． ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 8
- 9. ロボットマニピュレーション ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 把持 ケージング グラスプレス・マニピュレーション ダイナミック マニピュレーション 静的，準静的なマニピュレーション 対象物はロボットのみで拘束される 操作中の対象物の位置・姿勢が決まる 把持によらない マニピュレーション 9
- 10. 物体拘束を伴うマニピュレーション • 物体を思い通りに操作するためには，物体拘束 把持 • ロボットのみで対象物を拘束できる • ロボットと操作中の対象物の相対位置・姿勢が決まる グラスプレス・マニピュレーション • ロボットと周りの環境によって対象物を拘束する • 操作中の対象物の相対位置・姿勢が決まる ケージング • ロボットのみで対象物を拘束できる • 対象物の相対位置・姿勢は一意に決まらない ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 10
- 11. ロボットに適した制御 • 位置制御 / Position Control ロボットの関節に内蔵される モータの回転角度を制御 （回転角の計測には エンコーダなどが使用される） 精密なくり返し動作が可能 • 力制御 ロボットの手先などに取り付ける力覚センサで 手先に加わる力・モーメントを計測，制御 ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 11
- 13. 力学的把持に対するケージングの優位性 • ロボットに有利な位置制御のみで 実行可能 力センシング，力制御が不要 • カメラを用いたセンシングのみで動作計画 対象物の質量，表面性状（摩擦係数）が不明 でも，幾何学的な問題として拘束方法を検討可 ※動作計画 / Motion planning ロボットの動き方や経路を自動的に作り出す手法 ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 13
- 14. 2次元平面での囲い込み 2方向の並進移動（平行移動） 1方向の回転 並進や回転の方向を「軸」という ケージングによる対象物の閉じ込め ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 object robot 14
- 16. ケージングが成立する条件 問題：対象物に対するロボットの配置が， ケージングを成立させるかどうか • 必要条件（Caging sets） ケージングを成立させるようなロボットの 配置を定式化する． • 十分条件（Caging test） あるロボットの配置のときにケージングが 成立しているかどうか調べる． ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 無数にあって 難しい… どれか一つでも いい 16
- 17. 3次元物体のケージングの十分条件 プリミティブ（基本的）な形状について 包み込みケージング：対象物の周囲を指で囲う ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 ロボットハンド 対象物 17
- 19. 3次元物体のケージングの十分条件 プリミティブ（基本的）な形状について くびれ型ケージング： 対象物のくびれ部分に指を巻き付けるようにする ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 19
- 20. とはいえ「完全な囲い込み」は難しい • ハンドの機構的に無理な場合 • 可能ではあるが，限定的な場合 ↓ 部分的な囲い込みではどうか？ 対象物は抜け出せるが， 実質的にはほとんど不可な 場合（例：知恵の輪） 抜け出せる方向に重力などが 働いて抜け出しにくい状態 ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 20
- 21. 部分的なケージング • Partial caging, Basket caging, Energy-bounded caging など 対象物は上方向に脱出可能であるが， 重力によって運動しにくい • ハンド形状によって抜け出しにくさが違う つかみやすく 離しにくいハンドの 可能性 ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 重力 Fish trap 21
- 22. 力学拘束と幾何拘束の評価 • 力学拘束の評価 基本方針： 力とモーメントのつり合いがとれるかどうか • 幾何拘束（ケージング）の評価 基本方針： 対象物が抜け出せないかどうか • 部分的ケージング （力学拘束と幾何拘束の両方） ？？？？ ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 重力 22
- 24. 安心に持ちたい・作業したい 手を滑らせても落とさない可能性が高いのは？ ロボットにぴったりの物体操作や作業の方法を探求する / 槇田 諭 𝑥 𝑦 𝑥 𝑦 gravity 運動しやすい 運動しにくい × 運動できない 24