2023 Fiscal Year Research-status Report
Cooperation Control Platform of Micro-Robots Implemented LiDAR System
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22K03985
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
長澤 純人 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (30400279)
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2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | マイクロロボット / 組込型LiDAR / MEMS積層静電型角度センサ / 形状記憶合金 / Robot Operation System 2 / XRCE-DDS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は以下の３つの研究項目を柱として，効率的に研究を実施している．本年度の成果は審査付英文論文2本，国際学会発表1件，国内学会発表3件で発表された．
【１】マイクロロボット用の組込型LiDARの開発： 非常に小型で我々が開発している小型多脚ロボットにも搭載可能なToF式レーザ距離センサ (VL53L1X) から得られた距離と，IMU (Inertial Measurement Unit) によって推定されるロボット体軸角度から，2次元の周囲の環境地図を作成するシステムを構築した．シグモイド関数による環境地図の補正法を提案し，実際の環境とよく一致することを確認した．
【２】角度センサとアクチュエータの一体化モジュール： 折曲抵抗変化型の角度センサとSMAを使用したセンサ・アクチュエータ一体化モジュールを設計，試作，評価した．このモジュールを搭載する予定の，折り紙構造による小型多脚ロボットは，組立の簡略化のためにトラス構造を省略ながらも，構造部剛性を高めるためにSU-8プロセスを導入し，その有効性を確認した（杉本・長澤, Robotica, 2024）．
【３】アプリケーション開発のためのミドルウェア実装： 組込コンピュータのようなリソースが少ないMPUでも信頼性の高いモジュール間通信を実現するROS2のDDS-XRCE (Data Distribution Service for eXtremely Resource Constrained Environment) を複数の移動ロボットに実装し，従来のソケット通信プログラミングとパフォーマンスを比較・評価した．また，ROSで制御されるクローラロボットと多脚ロボットの歩行中の体軸変化がLiDARによるSLAMに与える影響を定量的に評価し，IMUによる補正が必要であることを明らかにした（関・山本・長澤，MDPI Sensores, 2024）．
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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
理由：マイクロロボット用の組込型LiDARは，ToF式レーザ距離センサとIMUの連携により2次元の環境地図を作成した．シグモイド関数による補正を行うことで実際の環境とよく一致することを確認した．センサ・アクチュエータ一体化モジュールは，折曲抵抗変化型の角度センサと小型軽量なSMA（形状記憶合金ワイヤ）を使用し，試作と評価を進めた．ミドルウェアはROS2のXRCE-DDSを導入し，従来のモジュール間通信とのパフォーマンスを比較評価した．各研究項目はほぼ予定通り進行しており，自己評価は「おおむね順調」としている．
【１】 マイクロロボット用の組込型LiDARの開発：小型多脚ロボットに搭載可能なToF式レーザ距離センサ (VL53L1X) を用いた点群データ測定とIMUによる体軸推定の連動により，2次元の環境地図を作成した．スキャン時に回転方向による環境との誤差が生じたが，シグモイド関数による補正で実際の環境と一致する測定結果を得られた．
【２】 MEMS積層静電型角度センサのアクチュエータ化：積層電極は角度によって静電容量が変化するため角度センサとして使用可能である．しかし，電極間ギャップが大きいためアクチュエータとしては不適であり，SMAを用いてモジュール化を進めた．折曲抵抗変化型の角度センサとSMAを使用したセンサ・アクチュエータ一体化モジュールを設計，試作，評価した．
【３】 アプリケーション開発のためのミドルウェア実装：ROS2のDDS-XRCEを実装し，信頼性の高いモジュール間通信を実現した．複数の移動ロボット間で情報を共有するシステムを構築し，従来のソケット通信プログラミングとのパフォーマンスを比較評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度に組込型LiDARのIMU体軸推定とシグモイド関数による補正で良い成果を得たので，2024年度にはROS対応化と小型多脚ロボットへの搭載が可能である．角度センサとSMAアクチュエータの一体化モジュールは折り紙構造で設計され，ROS対応化でフィードバック制御も実装する．2024年度には全機能をROS2で統合実装する予定である．
【１】マイクロロボット用の組込型LiDARの開発： 2023年度は組込型LiDARのIMU体軸推定とシグモイド関数による測定値補正が予想以上に良い成果が得られたので，2024年度に予定しているROS対応化，小型多脚ロボットへの搭載が無理なく実施できる状況となっている．
【２】角度センサとアクチュエータの一体化モジュール： 2023年度の角度センサとSMAアクチュエータの一体化モジュールの試作は折り紙構造で設計されているため，2024年度に折り紙構造の小型多脚ロボットへの統合はスムーズに実施できる．この折り紙構造の多脚ロボットも，2023年度に構造体部にSU-8プロセスを導入したことで，より単純な構造・組立が可能になった．また，角度センサとSMAのフィードバック制御も進んでおり，ROS対応化の際に実装できる．
【３】アプリケーション開発のためのミドルウェア実装： 2023年度にはROS2の導入が加速的に進んだ．研究室でレスキューコンテストに参加したことで，研究室全体でROS2システムへの習熟度が高くなった．ROS2を使うことで，クローラ移動と多脚移動の移動機構以外の部分を完全に同一機能とするロボットを比較することができ，多脚移動がLiDARによるSLAMに与える影響を定量的に評価できた．組込MPUにROS2機能を実装するためのDDS-XRCE の導入と評価も済んで2024年度には本研究の全機能をROS2で統合実装する．
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| Causes of Carryover |
2023年度は，SU-8やレジストなどのプロセス材料の消費量が予想よりも少なくて済んだが，その分2024年度にプロセス材料費が必要になる． 2024年度はこれまでの研究成果を統合実装するため，メカトロニクス材料などの費用にも使用する予定である．
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