新規開発ロボットのハードウェア議論

[KiyoshiroKawanabe]

今後開発するロボットのハードウェア的な特徴、設計指針を定める。

[KiyoshiroKawanabe]

4月8日のミーティングで議論を行う。
それまでに、このissueにそれぞれの考え(構想、特徴など)を記述する。この場で議論しても良い。

[KiyoshiroKawanabe]

オープンプラットフォームオフィスロボットの構想

どのようなロボットが多く利用されるか？を考えた。
「作りやすい」「拡張性が高い」「使いやすい」にフォーカスしたロボットが良いと考える。

作りやすさ(用意のしやすさ)

既存のロボットを買わずに自作することを選ぶ理由として、拡張性などがあげられるが、作りずらいもの(高価すぎる、専用工具が必要、部品の入手性が悪いなど)は使用しにくい。
考えられる作りやすさとして、以下のものを考える。

• 部品の入手性
• 組み立ての簡易化
• 低コスト

拡張性の高さ

使用されるシーンは多岐にわたり、利用者が都合のいいように改造、開発ができるハードウェアが求められる。
設計データを公開するだけでなく、マニピュレータ、エンドエフェクタをユニット化するなど。

使いやすさ

扱いやすいロボット

• 修理、メンテナンスのしやすさ
• 使いやすいソフトウェア

[KiyoshiroKawanabe]

世の中にあるロボットのいいところは利用する、足りていないと思う部分は開発する。
設計に必要なデータ(関節配置、作業領域、等)を星取表でまとめる。
調べるロボットはある程度の実績のあるオフィスロボットやホームロボット。

[KiyoshiroKawanabe]

星取表の項目案です。
https://docs.google.com/spreadsheets/d/1a9mXiqUpWjKearySTNIkAG2LPRkPyFXfSYnTcqYwrtE/edit?usp=sharing
項目とそれぞれの評価基準を以下に記します。
項目、評価基準が適切かアドバイスをお願いします。

拡張性

〇：ハードウェアの拡張性がある
△：あまりない
✖：ない

可搬重量

〇：?kg以上持てる
△：?kg~?kgまで持てる
✖：0~?kgまで持てる

重量を設定する必要がある

接地面積

〇：接地面積が小さい
△：普通
✖：大きい

これも定義が必要。
接地面積によって活動できる場所が変わる。
こちらが想定している活動場所を定義し、そこで活動する際に接地面積が小さいか大きいか。

屋外移動

〇：屋外の移動可能
△：可能だが非推奨
✖：不可

オムニホイール、メカナムホイールなどは非推奨？

[Keita1Mori]

本日の議論

マニピュレータ

目的：?

• 関節軸配置
• ペイロード（目標3kg)
• センサー類
• 機械学習を意識する
  • 学習を使用しているアームの設計を模倣する
  • リーダーフォロー
  • 力学フィードバック
• エンドエフェクタを軽くする（慣性を少なくする）
• アクチュエータ選定

台車

目的：屋内、屋外を走行できるようにする。機動性が高いこと、屋内でも動けるような大きさ。

• 駆動の種類
  • 対抗二輪、差動二輪
  • メカナム、オムニ
  • 差動ステア
• 胴体のヨー軸方向回転
• 自律移動におけるオドメトリの取り方

[KiyoshiroKawanabe]

ハードウェア要件の期日：6/5

[Keita1Mori]

メモ

ハードウェアの要件

• オープンソースで公開されていること
• 拡張性が高い
• 幅広い用途に使用可能
• 双腕であること
• 作業のために手先にカメラを搭載されいること
• 高所、低所のマニピュレーション可能であること
• 床との接地面積がなるべく小さいこと
• アームのペイロードが2kg以上であること

以下に理由をまとめる

オープンソースで公開されている

研究目的の「設計データを公開する」ことに由来する。また設計データを公開しているオフィスロボットが少ないため。

拡張性が高い

icartのように公開したロボットをベースに開発ができるようにするため、拡張性が高いハードウェアが求められる。

幅広い用途に使用可能

幅の広い分野で使用可能であることにより、おにぎりやプリント、検収物の回収など複数で複雑なタスクが1台のロボットで作業を遂行できるため。

双腕であること

作業効率を上げるため

作業のために手先にカメラが搭載されいること

手先カメラの搭載によって狭い空間でのマニピュレーションが可能であるから、また正確に物体を把持するため。

アームのペイロードが2kg以上であること

遂行できるタスクの範囲が広がるため。（例：ドアの開閉、運べる物の範囲が広がるため）
2kgの理由としては調査したロボットが2kgであることに由来。

高所、低所のマニピュレーションが可能であること

作業を行う上でおにぎりを落として拾うことやエレベータのボタンを押す必要性があると考えられるためマニピュレーションの作業空間を広げるために上下機構が必要である

床との接地面積がなるべく小さいこと

狭い空間でも作業を遂行するため。

[yasuohayashibara]

調査した結果と上記の要件がつながっていない気がします．
上記の要件の根拠が調査した内容ではなく，自分の考えが基になっているので，それでは調査しなくても良いのでは？ということになります．
ロボットの方向性はこちらで決めても良いと思いますが，他のロボットを調べた結果それを行うためにはこれがベストであるという話の流れにする必要があると思います．

[KiyoshiroKawanabe]

修正しました。
@MibuchiYuta @Keita1Mori @YugoNishio @yasuohayashibara
コメントお願いします。

ハードウェアの要件

• オープンソースで公開
• 拡張性が高い
• 片腕、双腕の切り替えが可能
• 作業のために手先にカメラを備える
• アームのペイロードが2kg以上
• 高所、低所のマニピュレーションが可能
• 床との接地面積を小さくする

以下に理由をまとめる

オープンソースで公開

設計データを公開しているオフィスロボットが少ないため、設計データを公開することで研究開発の敷居を下げる

拡張性が高い

icartのように公開されたロボットをベースに開発を進められるようにするため、拡張性の高いハードウェアが必要である。

片腕、双腕の切り替えが可能

片腕タイプのサービスロボットも多くあり、RoboCup@Homeに出場しているロボットは特に片腕である。一方、TIAGoはユーザの使用用途に応じて片腕か双腕かを選択できる。それにならい、片腕と双腕を用途に応じて付け替えるようにする。

手先にカメラを備える

日立のマルチタスク型ロボットや創価大学のsobit proは手先にカメラを付け、狭い作業空間での視覚補助や、物体把持時の認識などに利用している。それにならい、各グリッパにカメラを備える。

アームのペイロードを2kg以上

研究室のドアを開閉する場合、アームのペイロードは2kg必要である。TIAGoや日立のマルチタスク型ロボットなどは2kgのペイロードを持っており、これらの構造を模倣することで同等の性能を確保する。

高所、低所のマニピュレーションが可能

ロボットの作業範囲を大幅に拡大するため、胴体部に昇降機構を備える。日立のマルチタスク型ロボット、TIAGo、Fetchなどがこの機構を持ち、作業範囲を広げている。

床との接地面積を60cm以下とする

狭い空間での作業を可能にするため、ロボットの接地面積を小さくする必要がある。RoboCup@Homeに出場しているロボットは直径60cm以下であり、それ以下の接地面積であれば、家庭内やオフィス内でのタスクの実行が可能である。

[yasuohayashibara]

方向性ということでは良いとは思いますが，もっと精緻な議論を行う必要があるかと思います．

例えば，「拡張性が高い」ということを要件とした場合，何をもって拡張性が高いと判断するかが分かりません．
曖昧なのでどうやって拡張性が高い要件を満たす設計を行えば良いかが分からないと思います．

高所，低所のマニピュレーションが可能ということに対して，どこを高所，低所とするかという定義がありません．

また，作業領域やグリッパの種類などもおそらく設計に必要になると思いますが，それが議論されていません．

他にもありますが，分かりやすいところを示しています．

要件を並べることで，あとは設計するだけにすることが目的だと思いますが，これでは何を設計するのかかがまだ不明確だと思います．

あと，全体を見渡して決定していると思いますが，上記の説明だと一部のロボットがそうであるので，このロボットもそうするという感じに受け取れて，あまり印象はよくありません．

最後に，まずはこのように全部入りの仕様にしても良いと思いますが，希望を全部叶えるロボットは設計・製作が難しくなると思います．
果たしてオープンプラットフォームとして望まれるものかということも意識したほうが良い気がします．

[KiyoshiroKawanabe]

オフィスロボットの作業内容と作業領域

• 作業内容
  • 研究室から食堂へのおにぎりのお使い
• 作業領域
  • 千葉工業大学林原研究室内
  • 千葉工業大学津田沼キャンパス2号館
  • 千葉工業大学津田沼キャンパス屋外

ハードウェアの要件

• オープンソースで公開
• 差動2輪台車
• 双腕マニピュレータ
• 2種類のハンド
• 2自由度を持った首
• マニピュレータが上下に動く機構
• 接地面積が60cm以下
• LiDAR, IMU, RGB-Dカメラ, マイク, スピーカーを使用

オープンソースで公開

設計図、CADデータ、部品リスト、組立説明書、などの情報を公開する。

差動2輪台車

屋内で活動するオフィスロボットの多くは、オムニホイールやメカナムホイールを使用して全方位移動を行う。しかし、屋外を自律走行する際にはオドメトリが取れず、自律走行が困難になることがある。そのため、差動2輪台車で設計し、ベースフレームにはORNE-boxを使用する。

双腕マニピュレータ

調査したオフィスロボットは片腕マニピュレータのものが多くあった。特に、RoboCup@Homeに出場しているチームのロボットはほとんどが片腕のものであった。しかし、今回設定した作業内容では、おにぎり、お金の把持とエレベータ操作やドアの開閉操作を同時に行う必要があるため、双腕マニピュレータで設計する。

2種類のハンド

右ハンド、左ハンドで種類を変える。
ハンドの使用が想定されるのは、お金とおにぎりの把持、ドアノブ操作、エレベータボタンの押下、である。
なにがいいのだろう。

2自由度を持った首

首部分には、ピッチ軸とヨー軸方向の回転軸を持たせる。調査したほぼすべてのロボットが2自由度をもっており、必要不可欠な要件であると考える。

マニピュレータが上下に動く機構

今回設定したタスクの中で、ハンドが届く必要のある上限と下限は以下のようになっている。

• 上限：エレベータの18階のボタン
• 下限：地面
  この範囲にマニピュレーションできるよう、上下方向に移動する機構を備える。

接地面積が60cm以下

RoboCup@Homeに出場しているロボットは直径60cm以下である。そのため、接地面積が60cm以下であれば一般的なオフィス内での活動が行えると考えられる。

LiDAR, IMU, RGB-Dカメラ, マイク, スピーカーを使用

LiDAR、IMUは自律移動に使用。RGB-Dカメラは認識、マイクとスピーカーは人間との会話に使用する。
これらの機器は調査したロボットの多くに装備されており、標準的な装備である。