Metric and planning of reliable robotic manipulation, equivalently measuring both geometric and mechanical constraints

Research Project

Project/Area Number	23K22728
Project/Area Number (Other)	22H01457 (2022-2023)
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Multi-year Fund (2024) Single-year Grants (2022-2023)
Section	一般
Review Section	Basic Section 20020:Robotics and intelligent system-related
Research Institution	Fukuoka Institute of Technology
Principal Investigator	槇田諭福岡工業大学, 工学部, 准教授 (60580868)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help	¥12,220,000 (Direct Cost: ¥9,400,000、Indirect Cost: ¥2,820,000) Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000) Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000) Fiscal Year 2022: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Keywords	ロボットマニピュレーション / 把持 / 力学解析 / 物体操作 / 動作計画 / ケージング
Outline of Research at the Start	人間が物を持つときには不意の落下に備えて手を添えるような動作をする．これは対象物と接触して持つ手と，対象物の落下を幾何学的に防止する添え手とを組み合わせた物体操作といえる．ロボットによる物体操作ではこれまで，ロボットが対象物を掴んで接触力を与えて拘束する手法か，ロボット指などでゆるく閉じ込めて抜け出せないようにする手法のいずれかがなされてきた．本研究課題ではこの評価指標の異なる2つの方策を組み合わせることができるように，「ロボットによる物体操作において，その対象物の運動を拘束するときの力学的な作用と幾何学的な作用の両方を等しく統一的に取り扱うことのできる指標の導出」をめざす．
Outline of Annual Research Achievements	人間が物を持つときには不意の落下に備えて手を添えるような動作をする．これは対象物と接触して力を加えて持つ手と，対象物の落下を幾何学的に防止する添え手とを組み合わせた物体操作といえる．ロボットがこのような物体操作を計画できるようにするためには「操作対象物の運動を拘束するときの力学的な作用と幾何学的な作用の両方を等しく統一的に取り扱うことのできる指標の導出」が求められる．本研究では対象物の力学的作用による「運動のしにくさ」に注目して，幾何学的拘束を「無限大の力・モーメントを与えても力のつり合いが保たれて運動できない状態」として扱うことで，両者を力学的指標で統一的に評価する手法を提案する．本年度はまず簡単な2次元平面の問題からこれに取り組んだ．2次元平面の対象物とロボットの場合，並進運動2自由度と回転運動1自由度の計3自由度の問題であり，比較的扱いやすい．まず空間中に存在する対象物，例えば把持されている対象物や床面に接地している対象物など，に対して作用する力・モーメントのつり合いを解析する．これにより対象物がある方向に並進・回転運動するために要する力・モーメントの大きさを計算できる．このとき，その方向へ微小に変位するならば，その変位のために必要とするポテンシャルエネルギーを算出できる．これを離散的に逐次計算することで，対象物がロボットおよび環境に接触しているかどうかに関わらず，一定の方向への運動に必要とするエネルギーの総和を計算できた．このエネルギーが大きいほど対象物は運動しにくい状態にあると評価できる．運動方向の延長上に幾何拘束が存在すれば，それを超えるための力・モーメントは無限大となるので，結果として運動に要するエネルギーも無限大となる．この運動に要するエネルギーの大きさを評価指標とする方針を固めることができた．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本年度は当初の計画としていた，「ロボット指と対象物との接触の有無に関係なく，対象物のロバスト性を「その状態からの運動しにくさ」と定義して計算・評価する」について，二次元平面の問題に着手した．現在までに簡単な例として，二本指で対象物を挟み込み把持をするケースについて，重力の働く方向に手を添えるような幾何拘束を置く場合の解析を行った．この結果として，添え手を置くことによって重力の働く方向への対象物の変位に要するポテンシャルエネルギーは無限大に発散する計算結果を得た．添え手を置かない場合には有限値に計算されるので，当初の研究目的のとおり，幾何学的拘束による対象物の運動しにくさへの効果を力学的に評価することができたといえる．本研究成果についてはまず国内会議で報告，議論した後，検証を重ねて国際会議，学術論文での発表を目指す．次に「並進・回転の6次元コンフィグレーション空間を離散化し，各点における評価値を算出・可視化する」については当初，対象物の運動しにくさをヒートマップ化することを検討したが，その妥当性を再考慮している．あらゆる方向についての計算を行うことは計算コストが重く，また十分な解像度を得ることも難しい．それよりも現在のロボットおよび環境の姿勢・配置によって，対象物が最も運動しやすい，脱出しやすい方向をいくつかの方向に限定して逐次，計算するほうが現実的であると考える．本研究のゴールとして，提案する評価指標を用いたロボットマニピュレーションの動作計画へ発展させることを念頭に置いて，適当かつ高速な評価手法を模索する．
Strategy for Future Research Activity	前年度までの成果として，二次元平面の問題について簡単な事例での検証ができた．これを発展させるためにまず，現行の評価モデルの高精度化と様々なケースでの検証を行う．より多くの事例での数値解析を行うとともに，計算コストを考慮しながら解析の分解能を向上させる．また，二次元平面マニピュレータの実験環境を構築して検証実験も行えるようにしたい．これには評価指標に基づく物体操作の動作計画アルゴリズムの提案も必要であるが，ヒューリスティックなロボットの設定において物体操作の評価を行い，その検証実験を先に進める方策も検討する．その先の展望として，三次元空間のロボットマニピュレーションの問題へ拡張する．基本理論はおおよそそのまま展開可能であるが，三次元空間での姿勢表現および，その離散化について議論する必要があると考える．特に，評価結果をヒートマップ化する方向性については，その表現方法が一意的ではないので注意が必要である．物体操作の動作計画への応用のために有用な方策を検討する．また，実機実験のために初年度に導入したロボットマニピュレータについて，三次元空間での物体操作実験のための準備を進める．当初予定していた製品よりも安価でかつ開発性の高いものを調達できたので，これらを活用して様々なロボットマニピュレーションにおいて提案手法の応用ができるようにしたい．そのためにまず，提案手法を適切に検証できる実験構成を構築するとともに，具体的なアプリケーションに提案手法を組み込めるような理論体系も導出することを進める．