25th Anniversary of YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 人間の生活空間で働く 自律型知能移動ロボット −実環境への適応− ２００５年８月３１日 筑波大学 油田信一 25th Anniversary of 「山彦」による屋内自律ナビゲーション YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of ロボット技術 １： テレオペレーション 人間と機械の インタフェース ２： 自律行動 自律性、自立性 臨機応変な行動 YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of 自律移動ロボットに期待される作業と対象 作業内容： YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 ・アメニティタスク → 一般生活者 •遊び相手 ・掃除 ・サービスタスク •生活支援 ・警備 •道案内 ・荷物運搬 → 老齢者・障害者・健常者 •配送 ・搬送 ・管理タスク •草刈り ・収穫 → 人間・動物 •土木工事 •メインテナンス ・フィールドタスク → 苦渋作業からの解放 •採掘作業 ・探査 → 人間のいけないところ 25th Anniversary of 自律移動ロボットに期待される作業と環境 YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 環境： 作業内容： •家庭内 •屋内 •市街地 •道路 •農地 •建設現場 •荒地・鉱山 •深海 •宇宙 •遊び相手 ・掃除 •生活支援 ・警備 •道案内 ・荷物運搬 •配送 ・搬送 •草刈り ・収穫 •土木工事 •メインテナンス •採掘作業 ・探査 ロボットの知能 • 人間の知能／動物の知能 ： 目的としての知能 • ロボットの知能 − 仕事（作業）をするための知能 ： 手段としての知能 25th Anniversary of YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 知能ロボット • 複雑な環境内で、複雑な仕事を実現 − 実世界対応技術 − （決められた）作業の達成能力 • 簡単な指示でキチンと働く − 良いヒューマンインタフェース − （ユーザから見た）多目的性、汎用性 25th Anniversary of YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of 働くロボットに求められること YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 • 自然な環境で働くこと 実世界問題 • 普通の仕事をすること 25th Anniversary of 知能ロボットの技術要素 • 実世界対応技術 – センサ ・・・ 環境認識 – アクチュエータ ・・・ 制御 • ヒューマンインターフェイス技術 – 操作 – 提示 • ロボットの知能 – Reasoning，学習 • システムインテグレーション YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of YMBC PROJECT 移動ロボットの特徴： 行動・作業空間の大きさ • マニピュレータ ー ほぼロボット自身の大きさ • 移動ロボット − 自分自身の大きさの数百 ∼数千倍 TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of YMBC PROJECT 移動ロボットの知能 ：自律性 TSUKUBA SINCE 1977 作業空間の大きさ • 環境の多様さと複雑さ • 環境整備の難しさ • 正確なモデル作成が不可能 • 時々刻々の変化 への対処能力 25th Anniversary of 筑波大学 自律移動ロボットプロジェクト YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 山彦プロジェクト 研究の目的： • 実環境で働き 人間の生活を支援するロボット技術 25th Anniversary of YMBC PROJECT 筑波大学 知能ロボット研究室 自律型移動ロボット「山彦」 •自律性を持ち •自立的に移動できる •移動ロボット TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of 移動ロボットの基本能力 ナビゲーション • 目的地まで行くこと • 自律性の基本機能 YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of YMBC PROJECT 自律的ナビゲーションの実現 TSUKUBA SINCE 1977 • 環境地図（事前知識） ：論理的データ + ：アナログ信号 センサデータ • 経路計画 + 動作制御 ：論理的処理 ：アナログ処理 25th Anniversary of YMBC PROJECT 自律ナビゲーションシステムの構造 動作情報 TSUKUBA SINCE 1977 制御信号 内界センサ 自己位置推定 走行制御 環境 環 境 地図・ 環境モデル 環境情報 外界センサ 環境認識 ナビゲーションシステム 動作計画 25th Anniversary of 自律ナビゲーションの戦略 YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 • 世界座標系上での位置推定・動作計画と制御 • センサデータと地図（事前知識）の利用 – 環境理解 – 自己位置推定 • 計画と制御の分離 – オフラインの動作計画 – オンラインとリアルタイムの動作制御 ナビゲーションのための座標系 世界座標系 ロボット 座標系 25th Anniversary of 自己位置推定技術： ポジショニング • グローバルポジショニング（Global Positioning） – 初期位置情報なしの位置推定 • 位置追跡（Position tracking） – 移動量測定に基づく YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of 世界座標系における自己位置推定 YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 • 内界センサによるロボットの移動量の累積 – 慣性センサの連続測定（デッドレコニング） – ロボット位置と同時に誤差の大きさも推定 • 外界センサの離散・非同期使用 – 最尤推定（MLE)によるデータの融合 – 拡張カルマンフィルタ 25th Anniversary of YMBC PROJECT ３階層による動作計画と制御系の構成 （オフライン）経路計画 − 論理的（組み合わせ）最適化／静的処理 − 幾何学情報を利用（ロボットの大きさを考慮） 経路情報・環境情報 （オフライン）軌跡設計 − 数値的最適化 − 時間軸・物理的・力学的条件を考慮 制御系への目標入力 （オンライン・実時間）フィードバック制御 − 実世界における実行 TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of YMBC PROJECT ロボットの走行・軌跡制御 TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of YMBC PROJECT センサ情報の取り込み TSUKUBA SINCE 1977 （オフライン）経路計画 − 論理的（組み合わせ）最適化／静的処理 − 幾何学情報を利用（ロボットの大きさを考慮） 制御系への目標入力 （オンライン・実時間）フィードバック制御 − 実世界における実行 センサ情報 （オフライン）軌跡設計 − 数値的最適化 − 時間軸・物理的・力学的条件を考慮 センサ処理系 経路情報・環境情報 「山彦」のコントローラのアーキテクチャ 機能分散 – モジュール化アーキテクチャ モジュール間に高い独立性を持たせる ひとつの機能に ひとつのCPU 機能の追加時の 容易性と柔軟性 [機能] 統括系、走行制御系、超音波測 距系、視覚処理系、音声合成など 25th Anniversary of YMBC PROJECT 「山彦」のコントローラのアーキテクチャ 開発環境（クロスコンパイ ラ） マスターモジュー ル User Programs Human Interface Communication LINK 走行制御 モジュー ル 位置推定 モジュール Motor Driver Encoder Interface Motor and Encoder TSUKUBA SINCE 1977 超音波測距 モジュール 視覚処理 モジュール Transducer Driver Transducer CCD Camera 25th Anniversary of YMBC PROJECT 「山彦」に実装された機能モジュール マスターCPU 走行制御CPU Master module Locomotion module TSUKUBA SINCE 1977 視覚処理CPU Vision module 超音波測距CPU USRF module 「山彦」のアーキテクチャ 「山彦」 マスターモジュール User CPU Program T805 Libraries Transputer コマンドと links 走行制御モジュール データ Motion CPU Control Process T805 I/F circuits 開発 システム 音声合成モジュール V.S. CPU Process 68000 I/F circuits 超音波測距モジュール Range Finding CPU T805 Process I/F circuits 移動ロボットの行動記述と制御（問題の切り分け） 走行すべき経路の計画 統括系（マスター） 追従目標経路の 並び（直線、円弧、…） 現在位置の確認と次に走行すべき 経路の指示 追従目標経路 （直線、円弧、…） 外界センサによる測位 経路追従制御 速度目標値 駆動輪速度制御 位置 推定系 ∫dt 自己位置推定系 （オドメトリ、 ランドマーク観測） 走行制御系 Ｂ 実装 – モジュールへのコマンド送信 モジュールからのデータ読み取り 「山彦」 マスターモジュール User CPU Program T805 Libraries 走行制御モジュール Motion Control Process CPU T805 I/F circuits Spur_line(0,0,0); while(near_pos(0,3,0.5)) usleep(10000); Spur_line(0,3,π/2); while(near_pos(3,3,0.5)) usleep(10000); Spur_line(3,3,-π); while(near_pos(3,0,0.5)) usleep(10000); Spur_line(3,0,-π/2); while(near_pos(0,0,0.5)) usleep(10000); stop_Q(); 正方形上を移動する Position based navigation of quadruped robot Time-space coordination of multiple robots Long Term Continuous Activity of Autonomous Mobile Robot 25th Anniversary of YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 th 25 th PROJECT 25YMBC Anniversary Anniversary of 廊下環境での長時間活動 TSUKUBA SINCE 1977 YMBC PROJECT SINCE 1976 z廊下環境での１週間に渡る自立ナビゲーション z環境： – 筑波大学第三学群 Ｌ棟４階廊下 zタスク目標： – 往復７０ｍの廊下巡回走行 – 約３０分に１度づつ， １週間に３００回程度 th 25 th PROJECT 25YMBC Anniversary Anniversary of デバッグのための実験監視環境 TSUKUBA SINCE 1977 YMBC PROJECT SINCE 1976 常にロボットの動きを見続けるのは困難 zＰＣによるログ記録 • ロボットの内部状態やセンサ値を無線でＰＣに保存 z映像記録システム • ロボットのセンサでは分からない周囲の様子を観察する ために環境中にカメラを２台設置． th 25 th PROJECT 25YMBC Anniversary Anniversary of 01年12月以降の実験結果 TSUKUBA SINCE 1977 YMBC PROJECT SINCE 1976 目標の1週間程度の長時間活動を成功させた。 番号 開始日時 動作時間 走行距離 1 12月05日 22時間57分30秒 2,870m 2 12月09日 22時間45分13秒 2,870m ほぼ同じ時間で 安定して暴走． 3 12月11日 22時間36分04秒 2,870m （ひとつのミスのみ問題） 4 12月12日 22時間32分52秒 2,870m 5 12月13日 23時間09分09秒 2,940m 6 12月14日 22時間02分52秒 2,800m 7 12月15日 22時間36分22秒 2,870m 8 12月21日 6日05時間11分36秒 18,970m 9 03月08日 8日00時間52分41秒 24,570m メモリリークを発見， 改善した 基地出庫で衝突 目標達成 th 25 th PROJECT 25YMBC Anniversary Anniversary of 実験８の結果解析 TSUKUBA SINCE 1977 YMBC PROJECT SINCE 1976 z 6日間の長時間活動を実現した。 z 6日5時間11分36秒，２７１ナビゲーション，約１９ｋｍ z 障害物の検出…巡回中１６回，出庫中７回 z ほとんどが人間 床テープ検出ミス … ３１５回中３５回 z 充電端子接続ミス … １２回 z 入庫の再試行で全て対処できた． z 失敗の原因は出庫時のふらつきによる衝突 z 障害物を人間しか想定していなかった。 z 低速走行時の走行制御性に多少難点がある。 th 25 th PROJECT 25YMBC Anniversary Anniversary of 実験９の結果解析 TSUKUBA SINCE 1977 YMBC PROJECT SINCE 1976 z 目的とする1週間以上の長時間活動を実現した。 z 8日0時間52分41秒，３５１ナビゲーション，約２４ｋｍ z 障害物の検出…超音波３９回，バンパ１８回 z 床テープ検出ミス … ３８７回中３６回 z 充電端子接続ミス … ０回 z 失敗の原因は他の研究室の荷物の搬出 z 83693通信データのうち，923個に欠損(0.135％) Remote viewing on the Web using Mobile Robotic Avatars 25th Anniversary of 遠隔ロボットによる美術館 鑑賞 県立つくば美術館 インター ネット WWWブラウザからの 絵画鑑賞 YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of Experiments and Demo. at the Tsukuba art museum YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of Remote viewing at user site - Example of remote viewing - YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 研究室で日常的に働くロボット − 来客へのお茶のサービス 25th Anniversary of YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of SH２／SH4を使ったロボットたち 車輪型階段昇降ロボットの制御 小柳栄次氏（桐蔭横浜大学）設計による 車輪型階段昇降ロボット YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of 480mm 脚・車輪方式の移動 56 0m m mm 0 7 5 YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 •全重量41kg アーム 12kg 本体 10kg バッテリー 7kg •タイヤ直径 285mm •ホイールベース 290mm •モータ MAXON Re40 150Watt •電源電圧 48V 25th Anniversary of 動きの自由度 YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of ロボットの制御のポイント YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 • 機構間の同期 • 本体とアームユニットの情報のやりとり – 有線は不可能 25th Anniversary of 制御系のシステム構成 YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 統括コントローラ アーム回転機構用 モータドライバ 本体コントローラ コントローラ アーム回転機構用 モータドライバ アーム回転機構用 イニシャライズセンサ アーム軸可変機構用 モータドライバ 車輪回転機構用 モータドライバ 光通信回路 光通信回路 光通信回路 光通信回路 端末コントローラ 端末コントローラ アーム回転機構用 イニシャライズセンサ 歪ゲージ 端末回路 本体回路 アーム軸可変機構用 モータドライバ 車輪回転機構用 モータドライバ 歪ゲージ アーム軸可変機構用 イニシャライズセンサ アーム軸可変機構用 イニシャライズセンサ 端末回路 25th Anniversary of 制御系のシステム構成 YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 統括コントローラ 動作コマンド アーム回転機構用 エンコーダ値 モータドライバ アーム回転機構用 イニシャライズセンサ アーム軸可変機構用 エンコーダ値 モータドライバ 車輪回転機構用 モータドライバ エンコーダ値 本体コントローラ モータの移動量 デューティー比 光通信回路 アーム回転機構用 モータドライバ エンコーダ値 光通信回路 光通信回路 光通信回路 デューティー比 端末コントローラ デューティー比 端末コントローラ アーム回転機構用 イニシャライズセンサ 歪ゲージ 歪ゲージ値 端末回路 本体回路 アーム軸可変機構用 エンコーダ値 モータドライバ 車輪回転機構用 モータドライバ エンコーダ値 歪ゲージ 歪ゲージ値 アーム軸可変機構用 イニシャライズセンサ アーム軸可変機構用 イニシャライズセンサ 端末回路 25th Anniversary of 本体コントローラ回路 YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of 端末コントローラ回路 YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of 階段を上るときのロボットの動き YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 車輪型移動ロボットの 三次元位置・姿勢を推定する モジュール • モジュールの機能 – 自動で位置と姿勢を推定。 – ホストコンピュータからの要求に応じて推 定結果を返す 25th Anniversary of モジュールの構成 ホスト ホスト YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of 推定方法 • センサはジャイロ、重力センサ(加速度センサ)、 ロータリエンコーダを使用 ① まずジャイロにより姿勢を推定。 この時発生するドリフト誤差を重力センサとの 融合により修正。 (ただし重力センサで修正できる２軸分のみ修正) ② 次に姿勢とタイヤの回転数を用いて位置を推定。 YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of YMBC PROJECT 位置推定 実験の例 使用した台車 TSUKUBA SINCE 1977 教育・研究用の小型移動ロボット「ビーゴ」 開発コンセプト 教育、研究用として、小型ながらも、高い環境認識、 教育、研究用として、小型ながらも、高い環境認識、 走行能力を持ち、拡張性の高い移動ロボットを作成する。 走行能力を持ち、拡張性の高い移動ロボットを作成する。 仕様 サイズ L:312, D:245, H:282[mm] 重量 約 3 [kg] (ノート、バッテリーを除く) 速度 約 60 [cm/sec] 登坂能力 10 [deg] 連続稼働時間 7 [h] (バッテリーにより異なる) システム構成 ＳＨ７０４５Ｆ ビーゴに搭載するノートＰＣ 走行制御ライブラリ ＵＲＧ制御ライブラリ 利用例 USB, RS232 走行制御プログラム 測域センサＵＲＧ •実環境におけるナビゲーション •実環境におけるナビゲーション •道環境における環境地図作成と自己位置同定 •道環境における環境地図作成と自己位置同定 •複数台の自律ロボットによる協調動作 •複数台の自律ロボットによる協調動作 •移動ロボットのための要素技術開発 •移動ロボットのための要素技術開発 モータ 25th Anniversary of 機能分散型コントローラの特徴 • システム全体を複数のコントローラで構成 • コントローラ間での相互通信 統括制御 走行制御 環境センシング マップ管理 YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of 制御プログラムのレイヤー構成 統括側 コントローラ側 走行コマンド 座標系処理 走行モード管理 座標系管理 並進制御 回転制御 っっっっっっっっっｂ 車輪制御 自己位置推定 モータ制御 エンコーダ制御 モータデバイス エンコーダデバイス YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of ビーゴによる障害物回避 YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 25th Anniversary of YMBC PROJECT TSUKUBA SINCE 1977 Thank You for your Attention http://www.roboken.esys.tsukuba.ac.jp
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