2021 Fiscal Year Annual Research Report
ハプティックシェアードコントロールを用いた水中ロボット作業の効率化と実証展開
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21H01294
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
坂上 憲光 東海大学, 海洋学部, 教授 (20373102)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小金澤 鋼一 東海大学, 工学部, 教授 (10178246)
和田 隆広 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (30322564)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 水中ロボット / 操縦支援 / ハプティックシェアードコントロール / ROV / 多関節グリッパ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ダイバーや熟練者が操縦する水中ロボットに頼った目視検査や回収作業に対して，Haptic
Shared Controlと剛性可変な多関節グリッパを水中ロボットに適用し，作業の効率化と自動化の向上を図るため，ハードウェア・ソフトウェアの改良・開発を行い，被験者実験を行うことでその有効性を確認した．
操縦と力覚提示を実現する小型軽量デバイスの開発では，水中ロボットの自由度操作，力覚提示できるものを構築し，水中ロボットの操縦試験を実施した．画像処理による環境認識のためのソフトウェアを開発し，この小型軽量デバイスにHaptic Shared Controlを導入する基礎実験も行った．
水中ロボットの近接作業に対し，Haptic Shared Controlを適用し，被験者実験からその有効性を実証した．パイプの外観検査と外乱中での定点保持の目視作業に対して，被験者実験を行い，主観指標や客観指標を用いて定量的に評価した．これらの結果から，操縦者はロボットの位置制御よりもメインとなる目視タスクに注意を向けられるようになり、精神的負荷を軽減することを示した．またロボットの位置制御誤差も小さく抑えることができた．現在は制御則の改善や別の作業に対する実験を検討している．さらに，海洋実験の準備段階として，Haptic Shared Controlを導入した水中ロボットを用いて，港湾内の水中目視検査のデモンストレーションも実施した．
水中多関節グリッパに関しては，ハードウェア及びソフトウェアの改良を行うことでメンテナンス性を改善している．把持対象とグリッパとの距離を調整可能な機構設計を進めており，Haptic Shared Controlによる作業性の向上のみならず，グリッパ単体での性能向上も図り，作業の効率化と自動化の向上を目指している．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
各研究者が基盤技術/システムの構築に取り組み，全体としてはおおむね順調に進展している．開始時および期間途中に全体ミーティングを開催し，本研究の進捗状況や課題点，これまでの研究成果の情報を共有した．また研究成果発表に向けた打ち合わせも行った．以下に各項目の進捗を示す．
開発した操縦デバイスは，操縦者が船に乗り込んだ際に身体の揺れが操作への誤入力となりにくい構造とし，操縦者へ負担をかけない大きさ・重さを実現するため基板設計，モータ選定，機構設計等に取り組み，デバイスを製作した．このデバイスを水中ロボットの操縦に利用し，Haptic Shared Controlに利用できることを水槽実験にて確認した．この小型操縦デバイスを用いた他の実験を計画し始めている．
水中ロボット操縦に対するHaptic Share Controlの有効性を検証するため幾つかの被験者実験を行ってきた．目視検査を想定したパイプ追従タスクと外乱下での定点保持タスクを実施してきた．どちらの実験でも被験者の操作性や精神的負荷の評価を行い，Haptic Share Controlによって被験者は水中ロボット操縦を容易に感じること，目視検査に集中できること，精神的負荷が軽減できることを確認した．得られた結果に基づき新たな実験を計画し，2022年度に向けた指針もみいだしている．ここまで得られた知見を活用することで，今後は接触作業を対象にした実験に向かえる状況にある．来年度予定しているフィールド実験に向けた予備試験を港湾内で実施し，提案手法のフィールド利用の有効性も確認し始めている．
水中多関節グリッパによる接触作業に向けたHaptic Shared Controlの適用に関しては，ハードウェアを改良し，準備中である．電装系及び機構の改良を行い，水中実験に向けて問題がないことを確認している．
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は，前年度の成果を踏まえて次の目標である水中接触作業やフィールド実験に向かう準備を進める．2021年度に得られた成果を研究者間で情報共有し，具体的な研究達成目標や成果発表に向けた計画を立てる．現状での具体的な問題点やその対応策などを下記に示す．
操縦と力覚提示を実現する小型軽量デバイスでは，共同研究者と議論し，機構改善を行い，頑強なデバイスを構築する．そしてこの操縦装置の有効性を確認するための被験者実験を計画する．Haptic Shared Controlの一部として本デバイスを活用し，制御方法の改善や力の提示量のチューニングを実験的に行う．
水中ロボットに対するHaptic Share Controlの有効性では，目視検査を対象とした実験から，反力を伴う水中作業への適用に移行していく．想定しているタスクとしては，反力を伴うウォータージェットによる水中洗浄やグリッパによる把持作業である．この際，反力を伴わない作業に比べ，水中ロボットの運動方程式や制御則の取り扱い方がロボットや操縦者のパフォーマンスに大きく影響する．このため，反力補償や機体の誘導制御法の構築，流体力推定・計測等の課題に取り組んでいく予定である．また，接触作業においては対象物の認識が重要となる．フィールド環境での対象物の認識精度を向上させるための画像処理法の開発も行っていく．
水中多関節グリッパに関しては，接触作業の実現に向け，自由度の追加と水中把持実験を実施していく．グリッパ単体実験や水中ロボットに搭載した実験を行い，ロボットの動揺や対象物の形状に対してロバストな把持を実現することを目標とする．
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