成果報告書詳細
管理番号20160000000507
タイトル平成26年度ー平成27年度成果報告書 環境・医療分野の国際研究開発・実証プロジェクト ロボット分野の国際研究開発・実証事業 Choreonoidフレームワークを用いた災害対応ロボットシミュレータの研究開発(2)
公開日2016/7/15
報告書年度2014 - 2015
委託先名国立大学法人九州大学
プロジェクト番号P12001
部署名ロボット・AI部
和文要約件名:平成26年度ー平成27年度成果報告書 環境・医療分野の国際研究開発・実証プロジェクト/ロボット分野の国際研究開発・実証事業/Choreonoidフレームワークを用いた災害対応ロボットシミュレータの研究開発

ロボットと環境との相互作用において,摩擦接触は非常にきわめて影響の大きい要因の一つである.そのため,ロボットの挙動をシミュレートするためには,摩擦接触現象の適切なモデル化が必須である.物体間の摩擦現象は通常,静止摩擦状態と動摩擦状態という二つのまったく異なる状態をもち,摩擦力は物体間の相対速度の不連続関数として表されることが多い.従来のシミュレータにおいては,摩擦力を零速度近傍で速度に対して連続な粘性抵抗力として近似したり,零速度近傍で物理的に意味がない閾値を設けて静止摩擦状態と動摩擦状態を切り替えたりしていた.この性質を数値計算で取り扱うことは簡単ではなく,条件分岐の些細なプログラムミスが,数値的な振動や,最大静止摩擦力以下の外力でのすべりなど不自然な挙動を発生する.さらに,Choreonoidで採用されている「拘束ベース」のシミュレーション手法では,多数の物体が多数の点で摩擦接触する場合においては,接触点数の2乗あるいは3乗に比例して計算量が増大するという問題もある.「ペナルティベース」のシミュレーション手法においては計算量の増大は比較的抑えられるが,接触力をバネ・ダンパ要素によって近似するため,パラメータの設定によっては,不要な振動や,不自然に過大な跳ね返りが生じるという問題がある.本開発項目において九州大学では特に,これらの問題を回避する新しい摩擦接触力演算技術をChoreonoidに実装することを目指し,以下の結果を得た.一つはChoreonoidの摩擦接触力を計算する機能を拡張するプラグイン(付加ソフトウェア)「BetterContactPlugin」である.これは2つの機能を持つ.一つめの機能は,摩擦接触力をより正確に計算する機能である.このために,フランスINRIA(国立情報学自動制御研究所)で開発された数値計算ソフトウェア「SICONOS」の関数群を利用している.もう一つの機能は,外界と多数の点で摩擦接触する柔軟体などのシミュレーションを高速にする機能である.簡単なインタフェースによって,ペナルティベースで計算する物体と拘束ベースで計算する物体をユーザが指定できるようになっており,パラメータはほぼ自動でチューニングされるようになっている.これによりユーザーは,計算結果の正確さと計算の速さのバランスを目的に応じて調整することができる.もう一つの成果は,Choreonoidの「Customizer」と呼ばれる機能を利用して,関節摩擦のあるリンク系を表現する手法の確立である.特に,ホースなどの線状柔軟体は,関節摩擦と関節バネを持つ剛体リンク系として実装できる.また,この手法は,ドアノブのように,摩擦によって位置(角度)が保持されている物体の表現にも用いることができる.これらの新規開発技術により,Choreonoidで表現できる物理現象の幅が拡大し,正確さと高速性のバランスを調整する自由度をユーザーに提供することが可能になった.
英文要約Title: The International R&D and Demonstration Project in Environment and Medical Device Sector / The International R&D and Demonstration Project on Robotic Field / R&D of the Disaster Response Robot Simulator Based on the Choreonoid Framework (FY2014-FY2015) Final Report

To appropriately simulate the behavior of robots, the modeling of frictional contact phenomena is an important issue. Friction phenomena between two objects involve two distinctly different states: kinematic friction state and static friction state. The friction force is also expressed as a discontinuous function of the relative velocity between the objects. The handling of this discontinuous nature in digital computation is not an easy problem and small errors in the conditional branches in the program cause unnatural behaviors of the simulated world, such as chattering and unbounded drift under external forces smaller than the maximum static friction force. Another important problem to be solved is the computational load that increases proportionally to the second- or third-power of the number of contact points. This is the nature of the constraint-based methods, which is adopted by Choreonoid. The penalty-based method is a useful candidate to circumvent this problem, but it causes unnaturally excessive bouncing or instability unless the parameters are appropriately chosen. In this research project, Kyushu University worked on the improvement of Choreonoid for simulating frictional contact phenomena. Two results have been achieved. One achievement is a plugin, named "BetterContactPlugin." The plugin has two functions. One is to allow users to use a more accurate algorithms for frictional contact problems. The algorithms are provided as functions of a software package named SICONOS, which has been developed by INRIA (French National Institute of Research in Informatics and Automation). The plugin is designed to pass data to the SICONOS module to obtain more accurate results. The other function of BetterContactPlugin is that it allows user to choose the penalty-based method to accelerate the computation. The parameters are tuned automatically to obtain a better stability as well as they can be also tuned by users through a simple graphical interface. The second achievement is a technique to implement joint friction by using the "Customizer" function of Choreonoid. Many flexible objects such as hoses can be expressed as a multi-linkage mechanism with joint compliance and joint friction. The new function allows for the use of such objects in the simulation. These new techniques allow Choreonoid to simulate a wider variety of physical phenomena and provide users with more freedom to adjust the balance between the accuracy and the computational speed.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る