2021 Fiscal Year Annual Research Report
Acquition of Perception Action Control Systems on Environment-Adaptive Mobile Manipulation Robot with Multi-body Transformer Mechanism
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20H00226
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
稲葉 雅幸 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 教授 (50184726)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小島 邦生 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 助教 (50839131)
木村 航平 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 特任助教 (50839230)
垣内 洋平 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 特任准教授 (70501328)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ロボティクス / 認識行動制御システム / 多態変形機構 / トランスフォーマ / ヒューマノイド / 飛行ロボット / 水中ロボット / センサ融合システム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2021年度は，空中飛行と水中行動の各行動実験を行い，交付申請書の計画を進め，下記の成果を得た．
(A) 多態推進操作機構と全身の機構配置表現の構築：飛行推進可能な方法として２つのロータをユニットし，飛行可能な推進形態と2脚，4脚，6脚などの地上推進機構との合体可能な構成を構築し，全身の機構配置表現システムを実装した．多態身体構造のモジュールリンク間をつなぐジョイントモジュールに挿入して利用可能な力センサチップ搭載基板を開発し，多種類のロボットの身体へ内力計測可能な分散モジュールとそれを表示するシステムを構築した．
(B) 移動時の位置・外力・姿勢推定と移動推進制御：慣性センサの効率的なフィルタリング処理による小型多態ロボットでの姿勢推定を進め，慣性センサと外界観測センサとの統合による位置推定，関節負荷，駆動力，力センサからの外力推定を行う仕組みを構築し，それに基づき全身の制御を行うシステムを構築した．また，空中，水中環境での行動シミュレーションが可能な環境を構築し，多種類の多態ロボットのロボットモデルからシミュレータに必要な環境記述モデルをコンパイル生成する環境を実現し，行動プログラムをコントローラとして与えれば任意の多態ロボットで各種行動をシミュレートする環境を構築し，githubでの公開，大学院講義での評価を行った．
(C) 作業時の揺動推定と体勢維持制御：体内分散ジョイントセンサモジュールを水中で行動するロボットへも適応させ，同じ骨格のロボットを操縦デバイスとして利用し，水中行動するロボットへの姿勢教示や動作教示をインタラクティブに行える環境を構築した．水中行動実験として，水中上半身運動に伴う反動行動，水中歩行，水中物体歩行運搬，水中壁面掃除動作を行い，体内分散センサモジュールのセンサ情報取得し，姿勢維持安定化制御の方策検討試行可能な環境を構築した．
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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
本研究の多態推進操作機構を備えた環境適応移動作業型知能ロボットの研究は，地上，水中，空中を行動可能なロボットを多様な構成法を検討し必要な道具立てを開発しながら，将来の新しい知能ロボット研究進化教育基盤環境の設計と実装を行っているものであり，残された期間までに，その研究開発環境を学部生，修士論文，博士論文生らの研究基盤として利用可能となるように評価を行いながら進めてきており，これまでのところ大変順調に進んできている．
多数の関節自由度をもった多種類のロボットと水陸空と多様な環境での実験を短期間に進められるように，ロボット駆動要素は市販の小型モジュールを利用し，制御ボード，センサボードをその小型モジュールに合わせて新規設計開発して進めている．できあがっているモジュールにより，等身大などの大型ロボットと同等あるいはそれ以上のセンシング機能を搭載させ，故障破損しても交換が容易な体制が整い，短期間に学生らの様々な応用行動実験に対応できる環境を構築してきている．
これまで，地上では，２脚２腕ロボットが膝に駆動二輪，腕に受動２輪をもち，段差の２足歩行と平地４輪高速移動を行うロボットを実現し，水中では通常の２脚２腕ロボットを防水化し，水面に浮遊できるような浮遊体を背中に装着することで，水面近くにおいてバタ足やバタフライ動作により目標対象物を目で見つけて泳いで把持するという行動を一昨年行い，今年度は，浮遊体をはずせば水底での双腕反動動作，歩行物体運搬，壁面での立ち作業などを行えた．とくに，空中飛行では，２個のロータを独立ピッチ制御することで地上を歩行しつつ，高台へ飛びたち，人発見挨拶行動，ドア開け，把持物収納行動まで視覚に基づく行動として実現してきており，ヒューマノイドが水中，空中飛行可能としたという研究成果となっており，国際会議でも取材を受けるなど高い評価を得てきている．
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| Strategy for Future Research Activity |
今は，研究期間の折り返し点であり，残り２年間で，研究計画に掲げている，(A) 多態推進操作機構と全身の機構配置表現の構築，(B) 移動時の位置・外力・姿勢推定と移動推進制御，(C) 作業時の揺動推定と体勢維持制御，(D) 道具利用環境操作作業の認識行動操縦制御，(E) 環境適合の移動形態と作業形態との形態変換と全身の分解組立手順生成のせれぞれを充実させて，最終的に全体の研究総括を行うための研究を継続する．
小型ロボットでのモジュールは位置制御を継続することで姿勢を保持することになるが，変形した姿勢での行動維持にはその姿勢は固定でエネルギー消費を伴わない存在となるモジュールであれば，実応用における展開が可能となることが見込める．そのため，ブレーキや機構的にバックドライブしない駆動系を利用するモジュールの構成法を検討し，全体重と身体剛性・エネルギー効率を考慮する必要がある等身大サイズでのロボットにおいてとくに重要な機能となると予想されることから，可能な試作構造を検討しつつ評価を行えるようにしてゆく．
ソフトウェアでは，市販品でクローズで定評のあったものが近年オープンソース化されることが増えてきており，開発から３５年利用してきているロボットシステム記述言語euslispによる多態変形ロボットの構造記述からそれらの各シミュレータシステムへ入力するモデルファイルを生成するコンパイラを構成することで，シミュレータシステムの比較評価を進めつつ，基盤システムに統合可能な予測機能，制御機能，適応行動機能の構成法の最小必須機能を明らかにしつつ，新しい言語，ソフトウェア基盤環境へ適応させる努力を行いながら，抽象化と一般化の多様性と多態性を備えた知能ロボットシステムのソフトウェア基盤環境の進化が途絶えないよう，発展可能なの基盤ソフトウェア環境としてゆける基盤を構築してゆくことを進める．
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[Journal Article] Circus ANYmal: A Quadruped Learning Dexterous Manipulation with Its Limbs,2021
Author(s)
Shi, Fan, Homberger, Timon, Lee, Joonho, Miki, Takahiro, Zhao, Moju, Farshidian, Farbod, Okada, Kei, Inaba, Masayuki, Hutter, Marco
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Journal Title
in Proceedings of The 2021 IEEE International Conference on Robotics and Automation,
Volume: ICRA2021
Pages: 2316-2323
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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