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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
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
マニピュレーション研究はここが楽しい
• ロボットが実世界の物体に干渉する
• 人間の作業の動きを理解できる
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
3
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
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
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
ロボットマニピュレーションの分類
ダイナミックマニピュレーション
Dynamic manipulation
野球のボールを打つ,投げるといった,
高速度で実行される物体操作
高速な物体認識や,
高速動作可能なロボットが必要
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
7
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
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
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
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
ロボットに適したセンシング
カメラを用いた形状識別,特徴検出
位置・姿勢の推定
対象物の質量,表面性状までは容易でない
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12
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
2次元平面での囲い込み
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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
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14
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3次元空間ではどうか?
3方向(軸)の並進移動
3方向(軸)の回転
囲い込まない場合もある
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
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ケージングが成立する条件
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ケージングを成立させるかどうか
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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.
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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
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難しい…
どれか一つでも
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16
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
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ロボットハンド
対象物
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
リング型ケージング:対象物の穴に指を挿入して,
指の輪で鎖状に拘束する(Hopf link)
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
18
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
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19
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
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
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つかみやすく
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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
力学拘束と幾何拘束の評価
• 力学拘束の評価
基本方針:
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対象物が抜け出せないかどうか
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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 / 槇田 諭
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22
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𝑦
𝑥
𝑦
gravity
運動しやすい
運動しにくい
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24
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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 / 槇田 諭
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