2020 Fiscal Year Annual Research Report
多肢型飛行ロボットの知覚統合と環境適応制御による複合移動様式と操作能力の相乗獲得
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19H04188
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
趙 漠居 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 特任助教 (30825378)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 多肢型飛行ロボット / 知覚統合システム / 環境適応制御 / 空中操作能力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は,多肢型飛行ロボットという発展的身体構成を実現することで，環境適応可能な複合的移動様式と操作能力の相乗的獲得するという目的を中心に進めている．2020年は，(1)多肢構造の機体特性に適応した飛行制御手法，(2)深層学習を取り入れた知覚システムの構築，(3)環境接触を活用した空中操作計画法，を明らかにした．
まず，前年度に確立した多リンク系構造を有する機体構成を踏まえて，機体の空中運動における特異点を究明し，それぞれ機構学、流体力学及び振動学に起因するものに分類した．さらに，それぞれの特異点に適応いｓた最適化問題を含む飛行制御手法を提案し，力学シミュレーション・実機の両方での検証実験を行い，とりわけ直線形状での安定飛行を実現した．
次に，前年度に取り組んだ知覚統合システムで活用できる環境認識機能として，周囲環境にある物体の自動検出と追従を可能にする画像処理課題に取り組んだ．自然言語処理分野で提案されているTransformerという新しい深層学習のネットワーク構造を取り入れ，既存のテンプレートマッチングを拡張した新しい視覚追従のフレームワークを提案し，実時間かつロバストな視覚追従機能を実現した．
さらに，多リンク構造を利用した動作生成に関しては，多点接触を活用した安定な環境・物体操作の動作計画法に取り組んだ．シリアルリンク構造の始点を吸着力あるいは摩擦力で相対的に環境に固定することで，ルート固定のアームマニピュレータとみなすことができる．ただし，推力による重力補償と環境から外力補償が不可欠である．こういった一般てきなアームマニピュレータとことなる力・モーメントの釣り合い問題を定式化し，最適化手法を用いて手先による物体・環境操作の動作計画法を確立した．それにより，シリアルリンク構造を有する飛行ロボットによる空中でのドア開け動作を実現した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画では多肢型飛行ロボットに着目した知覚統合と環境適応制御の構成法の研究テーマであったが，今年度では，流体力学，機構学，振動学といった基礎物理学に基づいた多リンク型飛行ロボットの構造特性を解明し，運動学における特異点を発見した．さらに，こういった特異点に適応した飛行制御手法を確立したことはロータ型飛行ロボット全般に適用できる成果であり，強い波及効果を示している．次に，環境・物体操作における推力の制御計画問題の提示と最適化手法を用いた実時間計画手法は日本ロボット学会で最優秀技術・研究賞と研究奨励賞を受賞するなど，その新規性は高く評価されている．さらに，深層学習を用いた画像処理手法は飛行ロボットのみならず，地上ロボットさらには一般的な計算機でも高い視覚追従性能を発揮できることが確認されいる．これらの成果は当初の研究計画以上の広がりを見せている．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の成果を踏まえて，1) 知覚統合による行動生成；2) 環境接触を活用した空中操作の深化；3) 移動様式の能動的な切り替え，を目指していく.
1) 知覚統合による行動生成：各リンクモジュールに配置されている知覚センサから，高度な知覚情報の抽出と統合が可能になったが，次年度はこのような統合された情報を用いて飛行・歩行・環境操作のそれぞれフェーズにおける行動生成法を模索していく．
2) 環境接触を活用した空中操作の実現：今年度に確立した環境接触を安定な空中動作制御計画法を踏まえて，環境接触を活用した空中操作能力の深化に取り組む．特に，多肢構造を利用し，複数のエンドエフェクトを利用した両腕操作やHand-Eyeシステムを構築し，通常の飛行ロボットでは実現困難な高度な高所作業の実現を目指す．
3) 移動様式の能動的な切り替え：今年度では，多リンク系飛行ロボットの任意姿勢での安定な飛行を実現し，さらに四足型ロボットの基本走行方法を検討した．次年度は，環境状況を分散知覚センサから得られた統合的な情報を用いて，自身の最適な移動様式を選択する能動的な切り替え能力を実現する．
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