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成果報告書詳細
管理番号20170000000748
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 次世代人工知能・ロボット中核技術開発 革新的ロボット要素技術分野 行動記憶レイヤ統合に基づく衝撃対応実時間行動システム中核総合化研究開発
公開日2018/3/16
報告書年度2015 - 2016
委託先名国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P15009
部署名ロボット・AI部
和文要約本事業の目的は,ヒューマノイドロボットが大きな外乱を受ける場合に対応行動をとることが可能な,行動記憶に基づく衝撃対応全身行動を可能とするシステム統合技術開発であり,先導研究では以下の4項目に焦点をあて研究開発を行った.
(1)行動記憶統合ロボットの実時間衝撃対応検証評価:先導研究では本グループで開発した等身大ヒューマノイドロボットJAXON にて実機検証評価実験を行い,立位時に立脚状態を維持したバランス維持および足踏み出しによるバランス維持機能による衝撃対応行動の実現を行った.具体的には,立位時・歩行時の衝撃要因として,路面環境の複雑さから受ける衝撃,マニピュレーション時の認識計画誤差に起因する衝撃,想定しない突発的な衝撃に焦点をあて,比較的軽微な衝撃に対しては立脚状態を維持しながらバランスを維持し,比較的重度の衝撃に対し足踏み出しを行いバランス維持する機能の開発および検証を行った.
(1ー1)立位時バランス機能の開発と実機検証:制御器としては,足先手先力センサ・姿勢センサフィードバックに基づく足先手先の脚腕協調反力制御を開発し,平地での4脚歩行,2脚ないし4脚歩行での凹凸路面での検証を行った.また,外乱が大きくなる場合には立脚状態でのバランス維持だけでなく足を踏み出すバランス維持機能が必須となるため,重心位置・速度を統合した状態量を計測,フィードバックし,遊脚期中に足先着地位置を修正する方法を開発した.これらを併用し,2脚立位時および歩行時外乱に外部から衝撃力を加える実験,および凹凸路面上の不整地歩行実験を行い,足踏み出しによる効果を確認した.さらに,作業中にロボット自身の認識・計画誤差に起因し環境と干渉した場合,動作を緊急停止することで衝撃が加わり続け転倒が起こることを防ぐと期待できる.単純に緊急停止するだけでなく,重心を減速させ転倒を防ぐことを目的とし,動作を巻き戻す機能によりロボット重心を減速させ緊急停止まで至る機能をJAXONに適用し,衝撃対応性を評価した.力覚センサを有しない部位で衝撃を受けてもそれを検知し,動作巻き戻し・緊急停止により対応可能であることを確認した.
(1ー2)ヒューマノイドロボット外装試作と検証:検証ヒューマノイドロボットの衝撃対応性をハードウェアレベルで向上すべく, 骨格外装・柔軟表皮外装の更新,着衣型柔軟防塵防水外装開発を行った.JAXONは元々アルミ製・ステンレス製の骨格外装を有しており,これらに加え,柔軟素材の表皮外装を臀部・背面部などに適用した.また,特に屋外環境では衝撃吸収外装が水・塵などに対し頑健性を持つ必要があり,本事業での多様な作用部位・複雑な外乱下での実証実験を行うためにはロボット全身を覆う外装が不可欠であり,柔軟で防塵防水機能を有する着衣型外装(胴長タイプ,手袋タイプ)の開発を行った.これら該当部位単位で高い防塵防水性が得られることを確認し,水中平地歩行,水中階段歩行,水中不整地から衝撃力を受けるような複雑外乱環境下での歩行継続が可能となることを実証した.また,衝撃対応性を向上させる身体構造改良を検討した.
(1ー3)衝撃対応実証実験環境準備:本事業の検証実験では,屋内環境,屋外環境を想定し,これまで過去に本グループが行ってきたロボット行動タスクに開発する衝撃対応システムを適用し,実証評価を行う.先導研究では屋外環境を想定した,起伏の激しい凹凸路面環境,災害環境を模した水没環境などの実験設備を実証実験に活用した.
(1ー4)統合ソフトウェア群の他ロボットへの適用性検証:カワダロボティクス社製HRPー2に足踏み出し機能ソフトウェアなどを展開し,統合ソフトウェア群の他ロボットへ適用可能か検証した.
(2)センシング(環境センシングと自己周囲リスクマップ生成):等身大ヒューマノイドロボットに搭載されるセンサ値に基づき周囲環境認識を行い,環境情報を蓄積する技術を開発した.
(2ー1)視覚センサに基づく環境計測・地図生成技術適用:ロボット頭部に搭載するレーザ計測値に基づき環境三次元情報を取得し,取得した2次元地図・高さ方向地図生成技術を適用し,路面壁面起伏度情報を生成・蓄積する技術の開発を行った.また地図情報に基づき,路面壁面起伏度推定に基づく歩行形態選択技術の開発を行い,実機実験を通し検証した.さらに,周囲環境情報に基づく自己位置同定結果に基づき,移動誤差の補正を行う方法を適用し,行動記憶蓄積と利用の評価を行った.過去に視野に含まれており現在は視認できない段差上の歩行が実現可能となることを確認した.
英文要約The purpose of this project is to develop real-time system integration technology which enables a humanoid robot to react against large impulsive disturbance based on a behavior memory layer. In the prior research period, we focused on the following four technical points.
1. Evaluation of capability of real-time reaction against impulsive disturbance for a humanoid robot with the behavior memory integration:
In the prior period, we used a life-sized humanoid robot JAXON, which has been developed in our group, to achieve standing balancing and stepping and to evaluate the capability of real-time reaction against impulsive disturbance. In detail, we focused on disturbance from terrain, the disturbance caused by recognition and planning error while manipulation, and unexpected impulsive disturbance.
1-1. Development standing balance controller and evaluation:
We developed reaction force control based on hands/feet force sensors and IMU (Inertial Measurement Unit) sensors and evaluated quad walking and biped walking on a flat terrain and an uneven terrain. We also developed controller for foot landing position modification using estimated COM (Center-Of-Mass) position and velocity because standing balancing is not feasible for large impulsive disturbance and evaluated the controller in biped walking on an uneven terrain and push recovery while standing and walking. Moreover, when the robot collides with the environment because of recognition and planning error while manipulation, emergency stopping of motion is expected to avoid from falling down. In this case, we applied motion reversing functionality to decelerate COM motion to avoid from falling down. We confirmed that we can avoid from falling down collision at the points without force sensors using the motion reversing controller.
1-2. Prototyping and evaluation of outer cases of a humanoid robot:
In order to improve hardware capability of reacting against impulsive disturbance, we upgraded exoskeleton and soft outer cases and prototyped water-proof suits. In addition to JAXON's original outer cases, we added soft flesh cases on the surface of the hip and the back. Moreover, especially in outside environment for this project's evaluation, outer cases should robust against water and dust and cover the whole body. Therefore, we prototyped soft and dust- and water-proof suits (glove type and pants type). We confirmed these suits has capability of dust- and water-proof at each part, and evaluated underwater flat terrain walking, under-water stair walking, under-water uneven terrain walking caused by complicated disturbance. We also conducted a study to upgrade JAXON's body structure to improve robustness against disturbance.
1-3. Using evaluation experimental setup:
We used household task environment and rough terrain and underwater environment to evaluate the robot system through various tasks.
1-4. Evaluation of capability of migration:
We evaluated capability of migration of the controllers developed on JAXON to apply them to the other robot, HRP-2.
2. Sensing:
We developed a method to recognize and store environment information using robot's vision and laser sensors.
2-1. Measurement of environment information and mapping based on a laser sensor:
We developed mapping and storing of ground and wall terrain information by measuring three-dimensional environment information using robot's laser sensor and by mapping of two-dimensional height map generation. Based on the obtained map, we developed walking strategy selection based on ground and wall terrain information. We also evaluated localization and modification of locomotion error and storing as a behavior memory. We confirmed that walking on currently invisible stairs using past recognition results.
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