物理世界と情報世界をつなぐソフトインターフェース.pdf

日本 学会誌Vol xxNo xx pp 1 9 200 x1 学術 技術論文 物理世界 情報世界 平井慎一 Soft Interface connecting Physical and Information Worlds Shinichi Hirai This article proposes a concept of soft interface for the connection between physical world where robots act and information world where robot intelligence is realized First this author summarizes modeling and control of object grasping and manipulation performed by a pair of soft fi ngertips This author points out that a soft fi ngertip works as a soft interface for stable grasping and manipulation This author also introduces two stage control law for stable manipulation by a pair of 2 DOF fi ngers based on qualitative mapping between control variables and state vari ables The proposed control law includes soft interface to cope with uncertainties in real world This mapping based approach is then applied to the control of a fl exible arm based on polar coordinates Key Words Soft interface Physical constraints Grasping and Manipulation Control Mapping 1 実世界 相互作 用 知的 行動 知能 実現 論理 基礎 一方 物理世界 物理法則 支配 黎 明期 進歩 人間 可能 動作 実行 期待 現実 理由 物理世界 情報世界 考 対応 方向 柔 介 実世界 作用 提唱 本論文 柔軟 指先 物体把持 操作 典型的 例 概念 展開 物理世界 情報世界 違 物理制約 挙 実 世界 物理法則 支配 種 物理制約 存在 一方 情報世界 実世界 存在 制約 情報世界 物理制約 拘束 物理制約 反 表現 可能 逆 情報世界 実世界 表現 物 理制約 陽 記述 必要 非対称性 実世界 相互作用 影響 実世界 情報世界 写像 制約 物理世界 物理制約 拘束 情報世 界 写像 物理制約 問題 原稿受付 立命館大学 学科 Dept Robotics Ritsumeikan Univ 引 起 基本的 標本化 誤差 起 因 物理世界 異 表現 得 情報世界 問題 得 実世界 関 情報 対 情報世界 物理法則 反 操作 行 物理法則 物理制約 反 操作 後 情報世界 実世界 写像 行 情報世界 顕在化 問題 実世界 生 本論文 情報世界 物理世界 写像 生 両世界 対応 方向 概念 展開 環境 不確定性 対応 柔 使 考 1 3 4 5 概念 基礎 展開 実用的 例 RCC 6 7 挙 手指 対象物 接触 伴 物体 把持 操作 遂行 柔軟指 8 13 用 把持 操作 関 研究 進 本論文 研究 著者 過去 研 究 基礎 統一的 理解 概念 提案 情報世界 物理世界 対 応 示 系 内在 自由度 物理制約 満 振舞 自由度 定義 2 柔軟指 物体 把持 操作 2 1柔 指先 有 能力 物体 把持 操作 代表的 課題 一 黎明期 数多 研究 成 当初 機械的 手 腕 構築 次 機械 日本 学会誌xx巻xx号 1 200 x年xx月 2平井慎一 的 手 腕 運動 制御 研究 主眼 置 現在 使 機構 制御則 確立 物体 把持 操作 有用 感覚 視覚 触覚 関 研究 進 現在 様 視覚 触覚 利用 状況 特 1980年代以降 能力 急速 発達 様 幾何学的 力学的 計算 可能 物体形 状 手法 普及 伴 手法 提唱 人間 信 予想 現実 物 体把持 物理制約 力 平衡 把 持対象物 剛体 場合 対象物 作用 力 釣 合 対象物 作用 力 既知 対象物 加 力 完全 制御 物体把持 把持力 計算 情報世界 演算 帰着 対象物 加 力 摩擦等 影響 完全 制御 一般的 人間 手指 従来 比較 人間 手指 柔 皮膚 覆 対 従来 手指 硬 材料 構成 気 付 柔 材料 構成 手指 物体 把 持 操作 人間 高 巧緻性 発揮 残念 人間以外 生物 手 指 柔 材料 構成 人間 高 巧緻性 持 人 間 指先 猫 犬 指先 比較 爪 配置 異 前者 爪 平 指 背後 後者 爪 指 先端 柔 指先 背後 爪 相当 硬 部分 有 特性 能力 持 調 柔 指先 硬 爪 成 持 特性 能力 調 少 自由度 採用 三本以上 指 持 各指 複数 自由度 持 従来 多指 複雑 物体 把持 操作 指先 構造 影響 明確 表 恐 高 従来 多指 研究 設計 制御 多大 労力 費 多 多指 実際 把持 操作 可能 逆 把持 操作 明確 以上 検討 基 二 本 指 成 各指 一 回転自由度 持 Fig 1 示 二本 指 回転自由度 軸 平行 対象物体 軸 垂直 平面内 運動 仮定 各指 柔 半球形状 指先 持 柔軟 指先 背後 硬 部材 支持 硬 部材 爪 相 当 物体 把持 操作 観察 双方 指 内側 動 指先 変形 観察 Fig 2 物体 指先 写真 示 二 関節 内側 回転 指 先 変形 大 物体 作用 把持力 大 二 関節角 把持力 調節可能 意味 次 一方 指 内側 他方 指 外側 動 物体 姿勢 観察 Fig 3 物体 指先 写真 示 二本 指 反時計回 回転 物体 時計回 回転 逆 成 立 二 関節角 物体 Fig 1 A pair of 1 DOF fi ngers with soft fi ngertips 姿勢 調整可能 示唆 物体 回転方向 二 本 指 回転方向 逆 注意 上述 観察 柔軟 指先 有 一対 回転指 把持力 物体 姿勢 双方 独立 制御 示唆 一方 自由度 指先 硬 場合 背後 硬 部材 持 指先 球形 場合 Fig 3 a c 状態 平衡 満 物体 把持 自由度 指先 硬 場合 把持力 制御可能 物体 姿勢 制御 結局 一対 一 自由度回転指 把持力 物体 姿勢 双方 独立 制御 背後 硬 部材 支持 柔 指先 有 重要 陽 制御 関 系 平衡 物理制 約 満 動 点 背後 硬 部材 支持 柔軟 指先 平衡 物理 制約 満 作用 2 2柔 指先 有 力学 柔 指先 用 一対 一自由度回転指 把 持力 物体 姿勢 双方 独立 制御 硬 指先 場合 姿勢 制御 剛体 剛体 接触 基礎 従来 定式化 説明 指先 変形 伴 弾性力 定式化 必要 対 象物 平面 柔軟指 接触 場合 指先 対象物 相対 的 位置 姿勢 柔軟指 変形量 物体 指 相対姿勢 定 相対姿勢 指先 接触 対象物 面 指 背後 部材 成 角度 p 表 弾性力 大 柔軟指 変 形量d 物体 指 相対角度 p 依存 実験的 調 製 直径40mm 半球指先 弾性力 計測 引張圧縮 試験 行 率E 0 232MPa 得 様 変形量 相対角度 対 弾性力 計測 Fig 4 a 計測 結 果 示 横軸 相対角度 p 縦軸 弾性力 大 表 変形量d 2 0mm 4 0mm 6 0mm 7 5mm 実験結果 半球形状 柔軟指 弾性力 柔 軟指 変形量 物体 指 相対姿勢 依存 以上 計測結果 平行分布 14 説明 平行分布 仮想的 弾性要素 柔軟指内部 平行 JRSJ Vol xx No xx 2 xx 200 x 物理世界 情報世界 3 a b c Fig 2 Deformation of fi ngertips when two fi ngers rotate in opposite directions a b c Fig 3 Motion of object when two fi ngers rotate in the same direction 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 30 20 10 0 10 20 30 Elastic Force N Orientation deg p 6 0 mm 7 5 mm 2 0 mm 4 0 mm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 30 20 10 0 10 20 30 Elastic Force N Orientation deg p 7 5 mm 6 0 mm 4 0 mm 2 0 mm a experiment b model Fig 4 Elastic force applied to hemispherical soft fi ngertip 配置 対象物 接触 個 仮想的 弾性要素 収 縮 変形量d 相対角度 p 弾性要素 収縮量 定 個 弾性要素 発生 弾性力 積分 接触力 大 求 Fperp Ed2 cos p 1 得 接触力 指 背後 平面 垂直 接触力 大 変形量d 相対姿勢 p 依存 背後 硬 板 支 柔軟指 半球形状 起因 構造 柔 指先 硬 爪 構成 人 指 反 映 Fig 4 b 平行分布 計算結果 示 計算結果 変形量d 一定 限 接触力 大 p 0 最小 Fig 4 a 示 実験結果 p 0 接触力 大 最小 平行分布 接触力 傾向 実験結果 一致 個 弾性要素 積分 平 行分布 次 得 Uperp d p Ed3 3cos2 p 2 変形量d 相対角度 p 依存 2 3柔 指先 把持 物体 姿勢制御 一対 柔軟指 把持 対象物 姿勢 制御 対 象物 姿勢 応 各指 回転自由度 制御 対象物 姿勢 obj 左指 回転角 left 右指 回転角 right 表 指 内側 回転 方向 正 回転角 left right 選 角度 obj left right 鉛直上向 零点 対象物 姿勢 目標値 d obj 表 Fig 3 a 示 回転角 left 減少 外側 回転 right 増加 内側 回転 姿勢角 obj 減少 時計回 回転 obj d obj 姿勢角 obj 減少 回転角 left 減少 right 増加 良 一方 Fig 3 c 示 回転角 left 増加 内側 回転 right 減 少 外側 回転 姿勢角 obj 増加 反時計回 回 転 obj d obj 目標値 d left 減少 d right 増加 一方 obj d obj 目標値 d left 増加 d right 減少 各指 回転自由度 PD制御則 基 仮想的 目 標値 求 uleft KP left d left KD left b 5 uright KP right d right KD right b 6 b 把持力 生成 正 対象物 目標姿勢 関数 日本 学会誌xx巻xx号 3 200 x年xx月 4平井慎一 Table 1 Parameters of object grasped by a pair of 1 DOF fi n gers with soft fi ngertips parametervalue mobj0 3 kg Iobj41 7 kg mm2 Wobj50 mm 2W fi n 98 mm d fi n 4 mm L fi n 76 2 mm m fi n 0 3 kg I fi n 582 kg mm2 a20 mm E0 232 MPa 15 10 5 0 5 10 15 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 Time xobj mm sec 73 73 5 74 74 5 75 75 5 76 76 5 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 Time yobj mm sec a xobjvs time b yobjvs time 15 10 5 0 5 10 15 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 Time obj deg Desired sec Center of Gravity c objvs time d snapshot of the manipulation 30 25 20 15 10 5 0 5 10 15 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 Time f2 deg Desired sec 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 Time f1 deg Desired sec e leftvs time f rightvs time Fig 5Simulation results showing that the posture control of an object grasped by a pair of l DOF fi ngers can be achieved although each of the joint angles contains the steady state error d obj t 3 0s t 1s 8 1s t 2s 5 2s t 0 2 増加 rend 減少 S2 0 2 増加 rend 増加 S2 0 2 増減 rend 増減 一致 関節角 2 2 0 制約 課 rend 値 2 値 制御 一対一 対応関係 導入 第2関 節 人間 肘関節 一方向 曲 他方向 曲 角度 end 1 2 双方 依存 end 1 間 関節角 1 増加 角度 end 増加 関係 1 増減 end 増減 一致 end 値 1 値 制御 一対一 対応関係 導入 以上 end 制御 1 rend 制御 2 対応 単純 一入力一出力 制御則 用 2 制御 期 待 結局 先端位置 極座標 関節角 間 end 1 rend 2 16 定 関係式 基 先端位置 制御 4 2 検証 極座標表現 用 先端位置制御則 検証 双方 長 300 mm 幅25 mm 厚 1 0 mm 密度0 008 g mm3 曲 剛性5 7 Nm rad 曲 粘性0 0001 Nm s rad 持 曲 変形 15個 回転 近似的 表 初期位置 鉛直下向 manipulated point 1 manipulated point 2 positioned point 1 positioned point 2 desired point 1 desired point 2 viscoelastic material x Fig 14One dimensional indirect simultaneous positioning end 2 rad rend 600 mm 目標位置 d end 0 rad r d end 400 mm 角度 end 関 制御 KP 30 KD 4 KI 5 用 距離rend 関 制御 KP 1 0 KD 0 015 KI 0 10 選 結果 Fig 13 示 角度 end 距離rend 目標値 収束 5 議論 第2節 述 対象物 間 介在 柔 軟物 系 影響 系 系 課 幾何制約 系 安定状態 定 介在 柔軟物 形状 特性 選 適 切 導入 系 安定状態 定 第2 3節 第3 1節 述 制御則 生成 仮想目標値 対 比例制御 適用 系 修正 同 様 手法 柔軟 対象物 一次元間接同時位置決 制御 15 提案 一次元間接同時位置決 制御 Fig 14 示 柔軟物上 複数 点 目標位置 案内 位置決 点 直接操作 離 他 点 操作点 動 間接的 位置決 点 操作 位置決 点 誤差 時間積分 積分値 基 操作点 制 御 良 示 第2 3節 第3 1節 第4 1節 述 制御変数 入力変数 増減関係 単調 場合 仮想目標値 生成則 PD 制御則 系 制御 可能性 第2 3節 例 両指 任意 運動 Fig 2 Fig 3 示 二個 基準 運動 left right left right 和 表 第1式 把持力 制御 第2式 obj 制御 対応 例 基準運動 基底 運動 表 一般化座標 制御変数 間 成 立 単調 増減関係 用 系 制御 第3 1節 例 両指 任意 運動 4個 基準運動 l1 l2 r1 r2 l1 l2 r1 r2 l2 r2 l2 r2 和 表 第1式 xobj 制御 第2式 yobj JRSJ Vol xx No xx 8 xx 200 x 物理世界 情報世界 9 制御 第3式 obj 制御 第4式 把持力 制御 対応 例 基準運動 基底 運動 表 一般化座標 制御変数 間 成 立 単調 増減関係 用 系 制御 第4 1節 例 極座標 用 運動 表 極座標 制御変数 間 成 立 単調 増減関係 用 系 制御 以上 例 示唆 一般化 座標 制御変数 間 単調 増減関係 成 立 系 制御 可能性 換言 制御変数 間 単調 増減関係 成 立 系 表現 一般化座標 見出 課 題 単調 増減関係 満 運動機構 制約 課 必要 場合 6 本論文 柔軟指 物体操作 極座標 用 制御 例 概念 展開 一対 一自由度柔軟指 観察 柔軟指先 対 象物 姿勢制御 働 示 二段階 制御則 計算 仮想的 目標値 物理 的 条件 合 作用 示 一対 二自由度柔軟指 対象物 操作 二自由度 極座標 用 手先先端位置制御 適用 人間 学 観点 視点 一 提唱 従 来 多 工学 個 要素 分解 個 要 素 精度良 製作 精度 高 要素 組 上 実現 一方 人間 限 性能 全体 優 発揮 従 来 工学 方向 異 可能 解明 限 性能 単純 制御 則 全体 優 発揮 構 成 考 本論文 提案 性能 限界 要素間 吸収 結果的 優 解釈 以上 述 方向 目指 人間 高 巧緻性 発揮 解明 考 工学的 限 性能 単純 制御則 優 実現 可能 結果 Low Cost Robotics 実現 考 謝辞 柔軟指 制御則 関 研究 井上貴浩君 岡山県立大学 成 一次元間接同時位置決 解 析 柴田瑞穂君 立命館大学 成 二自由度指 物体操作 山崎雄二郎君 制御 村中裕之君 成 感謝 意 示 参 考 文 献 1 Paul R and Shimano B Compliance and control Proc on Joint Automatic Control Conference pp 694 699 1976 2 Mason M T Compliance and Force Control for Computer Controlled Manipulators IEEE Trans SMC SMC 11 No 6 pp 418 432 1981 3 Mason M T Compliant Motion Brady M et al eds Robot Motion Cambridge MIT press pp 305 322 1982 4 Hogan N Impedance Control An Approach to Manipula tion ASME J of Dynamic Systems Measurement and Control Vol 107 1 pp 1 22 1985 5 Cutkosky M and Kao I Computing and controlling the com pliance of a robotic hand IEEE Trans Robotics and Automa tion Vol 5 No 2 pp 151 165 1989 6 Nevins J L et al Exploratory Research in Industrial As sembly Part Mating R 1276 The Charles Stark Draper Lab oratory Inc 1980 7 Whitney D E Quasi Static Assembly of Compliantly Sup ported Rigid Parts ASME J of Dynamic Systems Measure ment and Control Vol 104 pp 65 77 1982 8 Akella P and Cutkosky M Manipulation with Soft Fingers Modeling Contacts and Dynamics IEEE Int Conf Robotics and Automation pp 764 769 1989 9 Xydas N and Kao I Modeling of contact mechanics and friction limit surfaces for soft fi ngers in robotics with ex perimental results Int Journal of Robotics Research Vol 18 No 8 pp 941 950 1999 10 Yokokohji Y Sakamoto M and Yoshikawa T Vision Aided Object Manipulation by a Multifi ngered Hand with Soft Fingertips Proc IEEE Int Conf Robotics and Automation pp 3201 3208 1999 11 Arimoto S Nguyen P Han H Y and Doulgeri Z Dy namics and control of a set of dual fi ngers with soft tips Robotica Vol 18 pp 71 80 2000 12 Arimoto S Tahara K Yamaguchi M Nguyen P and Han H Y Principle of superposition for controlling pinch motions by means of