協調機械システム論ユビキタス技術ミューチップ copyright (c) hajime asama,...

Copyright (c) Hajime Asama, Univ. of Tokyo. All rights reserved 2010

協調機械システム論

協調機械システム論(10.11.25，本郷）

東京大学大学院工学系研究科精密機械工学専攻淺間一

http://www.robot.t.u-tokyo.ac.jp/asamalab/


ユビキタス技術


ユビキタスとは

• 遍在する（どこにでもある）コンピュータ（分散エージェント）• 物，動物，人，環境への埋め込み• ネットワークへの接続

PDA

携帯電話・PHS

パソコンインターネット

µT-Engine

Mote

マイクロサーバアドホックネットワーク

データキャリア（ICタグ）RF-ID

Ubiquitous Devices


ユビキタス技術の動向• Ubiquitous Computing (Mark Weiser (Xerox PARC))

• 米国におけるプロジェクトTTT(Things That Think) (MIT Media Lab), Oxygen (MIT CSAI Lab)

• 技術開発IT (Information Technology including computers and network technology) Micro Servers and Ad hoc NetworkTags (Data Carriers) and RF-ID (Radio Frequency Identification)

• 日本におけるフォーラム，コンソーシアムECHONET Consortium, Cyber-Assist Consortium(AIST), Ubiquitous Networking Forum (Ministry of Public Management, Home Affairs, Posts and Telecommunications), Network Robot Forum

• インフラ開発Auto-ID Center (EPC Global), Ubiquitous ID Center


無線通信方式• RF-ID (125KHz, 13.56MHz, 2.45GHz, 950MHz; 4K-

100Kbps)• 微弱無線 (315MHz, 20Kbps)• 特定小電力無線 (429MHz, 600-数十Kbps)• Bluetooth (2.4GHz, 1Mbps)• ZigBee (2.4GHz-900MHz, 20Kbps～250kbps )• 無線 LAN (IEEE 802.11b, g, a: 2.45GHz, 5.8GHz, 11Mbps,

54Mbps)• PHS (Personal Handy Phone System) (1.9GHz, 64Kbps)• 携帯電話 (800MHz, 1.5GHz, 2.0GHz, 384Kbps)• WiFi• WiMAX


非接触IDタグとは（データキャリア技術）

個体の自動認識技術から発展


データキャリア技術と応用

バーコード２次元バーコード

磁気カードICカード非接触RF-IDカード

指輪型（接触型）

スウォッチアクセス

応用例リフト券／コンサート券，Suica，ETC，飼育動物（含ペット）管理，身分証明書（入退室管理，決済機能付），健康保険証，クレジットカード，商品情報管理／製品履歴管理（生産，流通，運用），等

Suica

RF-ID(Radio Frequency Identification)不揮発記憶媒体（読出，書込）非接触通信機能（電磁誘導，無線）情報処理機能（CPU）

TIRIS

ミューチップ


RF-IDシステム技術

Reader/WriterTags(Data Carrier)Nonvolatile memory storage (Erasable)EEPROM, FERAM, Flash MemoryAntenna/CoilCan be used to

read/write data in tags

ContactlessCommunication

ComputerRobot

Can be embedded everywherein objects, animals, humans, environment


RF-IDシステムの基本構成

Reader/Writer

Antenna

Tags

Antenna, Coil

Battery-less type

Computer

Power(Electro-magnetic Induction)

Read

Communication(Electro-magnetic Induction orElectric Wave)

Write Read Write

Memory

Battery type

Reader/Writer

Antenna

Tags

Antenna, Coil

Computer

BatteryMemory


RF-IDあれこれ• タグ内データ

IDのみ／ID以外のデータ• 読み出し／書き込み

読み出しのみ／書き込み可

• 電源電池無（電磁誘導）／電池有

• 通信電磁誘導／電波

• 周波数125[KHz], 13.56[MHz], 2.45[GHz]


ユビキタスシステムの設計要素

• サイズ• 通信距離

<10[mm], <200[mm], <3[m], <30[m], <100[m]• 通信速度

4[Kbps], 100[Kbps], 1[Mbps], 10M[bps]• 環境条件

オンメタル，水分，人体，等

• 寿命（電池有の場合）• エネルギー消費


RF-IDを用いたユビキタス環境

TagTag

Tag

Tag

TagTag

Tag

Tag

Tag

Tag

Tag


ユビキタス・システムの構成

Service Robot

Environment User



Service Robot

Environment User

R/W

Tag Tag Tag

Tag

TagR/W Tag

Tag



Service Robot

Environment UserR/W

Tag Tag Tag

WCPDA

Tag

Tag

Tag R/WTag



Service Robot

Environment UserR/W

Tag

Server

Tag

R/W

Tag

Tag


知的データキャリア(IDC)とその応用


知的データキャリア(IDC)の基本構成

CPU通信制御，センサ信号処理，暗号化／復合化をはじめとするプログラマブルな知的情報処理

メモリEEPROMなどの読み書き可能な不揮発性記憶装置

RF部非接触双方向通信機構，電磁誘導による電源供給（弱）

電源（オプション）バッテリーによる電源供給（強）

I/O部（オプション）センサやアクチュエータの入出力インタフェース

R F部

メモリ電源

C PU

I/O部


知的データキャリア(IDC)の概念

Reader / Writer

IDC

Object

IDC搬送目的地

荷物の属性

搬送時の注意

Robot

他のロボットへの伝言

通行規制・方向指示

Robot

IDCs

進入禁止！

IDC

環境に知的データキャリア（IDC）を設置し，

近づいたロボットがその場において有用な情報を獲得できる

ロボットはIDCを好きな場所へ設置でき，

情報を残す（更新する）こともできる

ロボットどうしの

標識・伝言板


蟻のコミュニケーションフェロモン

E. O. Wilson: Journey to the Ants, The Belknap Press, 1994


マーキング行動


知的データキャリア(IDC)の開発

• 場所に設置したり，人・小動物・ロボットなどが持ち歩ける

• 内部でデータの蓄積・管理・処理が可能

• 局所的双方向無線通信による容易な情報交換

• IDCの開発場所／物／所有者に依存した分散的情報収集・管理

環境を情報化・知能化・エージェント化

センシング，人間とのI/F機能付加による多機能化


これまでに開発した知的データキャリア

IDC ver. 1

IDC Units handledby a robot

IDC Unit (ver. 1)

IDC ver. 2 IDC ver. 3

IDC ver. 4

超小型IDC


インテリジェントデータキャリア ver. 4

S ize: 111x63x15 [m m ]W eight: 75 [g] (w ith Li-ion batteries)C om m unication: R F -IDF requency: 290 [M H z], 315 [M H z]M odulation: O O K (O n-O ff K eying)C om m unication R ate: 1200 [bps]C om m unication R ange:< 1.5 - 2.0 [m ]M em ory S ize: 68 [byte]


IDCシステムの応用

ロボット応用• 荷搬送におけるタスク分散管理

• 未知環境協調探索

• 自己位置同定のためのランドマーク

• 遠隔操作ガイダンス

• 自律的誘導機能の創発

• 役割分担による協調作業

• 分散地図管理

その他の応用• ユーザ適応型可変環境システム

• レスキュー支援システム

• 実験動物管理システム

• 医療過誤防止システム


荷物搬送作業への適用

IDC

Object

搬送目的地

荷物の現在位置

作業状況

■荷物（IDC）が持っている情報

■実ロボットによる荷物搬送作業

・環境に配置された荷物を搬送目的地へ搬送する

・荷物にはIDCを設置し，情報を書き込んでおく

・移動ロボットはフォークリフトで荷物を搬送できる

Destination

Robot

■ロボットの動き

巡回経路を走行（ IDCとの通信待ち）

荷物（IDC）に近接したら，

IDCから荷物固有の情報を獲得

現在地情報を元に

荷物把持

搬送目的地情報を元に

荷物搬送，設置

巡回経路へ戻る


荷物搬送実験

作業環境搬送目的地

荷物（IDC）

IDC通信範囲

作業環境

3.0 m

全方向移動ロボット

(ZEN)

IDCから荷物固有の情報を得たロボットによって

作業環境内の荷物が搬送目的地まで搬送された

■結果















環境探索作業への適用

IDC

unit

前後左右４方向の

通路情報

■分岐路のIDCに書き込む情報

■実ロボットによる環境探索作業

・直交した通路環境を全探索する（全通路走破）

・分岐路にIDCを設置し，探索に有用な情報を書き込む

・ロボットは探索を進めると共にIDCの情報を更新する

■ロボットの動き

環境を道なりに走行（ IDCとの通信待ち）

分岐路に到達してIDCを発見したら，

IDCから分岐路の情報を獲得

分岐路情報を元に

進行方向を選択

進行方向に対する新たな情報を発見したら

分岐路のIDCに情報を書き込む

他のロボットがIDCを参照して，

協調的に探索作業を行うことができる

探索の状況

探索の責任者

・複数のロボットで分岐路情報の共有を行う


未知環境探索実験

EntranceExit

Robot_A

Robot_B

IDC

180

0 [deg]

90270















Procedure of Self-localization

Robot

Communicable area

CommunicationImage processing

IDC

Recognition area

Trial of communicatiion with IDC

Acquisition of IDC's absolute position

Detection of IDC using RF communication

Recognition of IDC by image processing

Calculation of relative position

Calculation of robot's absolute position

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)


Navigation Experiment

START &

GOAL

IDC unit 2

IDC unit 3

5.0 [m]

3.5 [m]

IDC unit 1

1.0 [m]

1.0 [m]

1.0 [m]


Experimental Results

Trajectory of robotTarget path

5.0 [m]

3.5 [m]

Trajectory of robotTarget path

IDC

IDC

IDC

5.0 [m]

3.5 [m]

Only deadreckoning with odometry Navigation with self-localization















Teleoperation Guidance

1[m]

Start

Goal

1[m]0.7[m]

0.6[m]

0.6[m]

0.6[m]

Condition:- uncertain(unknown) environment to the operator.- operation with only feedback image and local information.- 2 IDCs in the environment.- the local information is already stored in each IDC.

Experimental Environment


Teleoperation Guidance

•Arrow > path way, not yet searching•Stop > dead end•Gray cube > wall, obstacles

Connection Status

Data loading status

Local map presentation















局所情報に基づく自律誘導

Example of robot operating environment


局所情報に基づく自律誘導

Comparison of task execution


従来手法の問題点

• 地図情報管理・ロボットを誘導するために必要となる全環境にわたる詳細

な地図の利用：記述・管理が困難

・集中管理：環境の変化に対する即応性・柔軟性・通信量

・ロボットによる分散管理：環境の変化に対する整合性

• 誘導制御・デッドレコニング・オドメトリ：誤差の蓄積

・ナビゲーション：環境依存（部分的・限定的）

• トラフィック等の動的な状況の変化への対応


地図の利用と標識・信号の利用

大域的地図情報に基づく目的地までの経路計画

交通標識や信号機に基づくナビゲーション

大雑把な静的情報

動的情報詳細な静的情報

視覚認識による情報取得（標識・信号機・障害物を含む環境）

軌道計画走行制御，ナビゲーション


本手法の戦略・研究目的

• 大局的地図情報（大雑把な静的情報）予め記述・ロボットが管理

• 大局的地図情報に基づく経路計画

• 局所的地図情報（詳細な静的情報）・動的情報各場所で分散的に管理

センサ＋場所との通信による情報取得

局所的地図情報・動的情報に基づく軌道計画

自律＋環境からの誘導によるナビゲーション

知的データキャリアを用いたインフォメーション・アシスタント

レーザポインタを用いた光照射器

インフォメーションアシスタントおよび光照射器を用いた屋内移動ロボットの自律ナビゲーション


大域的地図情報（大雑把な静的情報）

• 最終目的地と大局的地図に基づく経路の作成

基本的にはロボットは計画された経路を壁沿い走行

トポロジカルマップをグラフ探索にて経路計画

ダイクストラ法の利用最短経路を辿りながら経路計画

トポロジカルマップ

一般屋内環境の例

分岐点内走行が困難

分岐点環境の形状は非一様他のロボットとの衝突・交通整理が必要通路を移る際の軌道生成が必要自己位置同定が困難


局所的地図情報（詳細な静的情報）・動的情報

• 分岐点内に進入したことの認識

• 目的方向の認識・状況に応じた経路選択

• 経路走行のための軌道計画

• 軌道に沿ったナビゲーション


壁沿い・障害物回避走行

赤外線センサ(LOCISS)による• 壁沿い走行• 障害物回避走行


IAのみを利用したロボットのナビゲーション～ロボット走行誤差と到達点のばらつき～


IAを用いた光誘導システム

Camera

InformationAssistant

Mobile Robot

Laser Pointer

IDC

IDC Reader/WriterCamera

InformationAssistant

Mobile Robot

Laser Pointer

IDC

IDC Reader/Writer

Laser spots

床

天井

局所的情報管理局所的地図等

動的情報管理トラフィック状況等

経路計画軌道提示

レーザーポインタパンチルト機構照射点制御


ナビゲーション実験

• ナビゲーション実験に使用したシステム

自律型移動ロボット






ステッピングモータ

KH39EM2-801ステップ角１．８度２００ステップ/３６０°DC5.6V ０．４A １１０ｇ






実験環境

実験を行った一般屋内環境

理化学研究所研究交流棟２階


ナビゲーションアルゴリズム

繰り返し動作

Robot IAs

探索信号受信誘導開始送信

分岐点内軌道計画

トポロジカルマップ格納無線LANから目的地を送信

動作開始，経路計画

Operator

IA探索信号を発信しながら

赤外線センサに基づく壁沿い走行

（障害物検出時には回避走行）

通路環境

分岐点進入を確認目的位置・現在位置送信

光誘導器により軌道上にレーザスポット照射スポット追従指示

CCDカメラによりスポットを認識追従走行，追従完了送信

誘導完了送信

探索信号受信目的地到達送信

分岐点環境

動作終了


一般屋内環境ナビゲーション実験


IDC（知的データキャリア）

知的データキャリアIDC(Intelligent Data Carrier)

Reader/Writer + Antenna

R F部

メモリ電源

C PU

I/O部

（環境に分散配置）・IDC内の情報の読み書き

Reader/Writerアンテナ

IDC（RF-ID，電磁誘導で電源供給）

非接触通信

・環境の知能化

・分散かつ動的な情報管理

無電池（屋外で電源確保不要）

２．これまでに開発したシステム


既存カートシステムの問題点

誘導線走行

Magnet Sensor ・定点信号の動作命令数が少ない

・マグネットによる固定的な情報管理

＊定点信号：マグネットのS・Nの組合せ（増速，減速，停止，分岐・・・）

状況変化に対応不可能

ＩＤＣを応用すれば

動的な情報管理が可能となり、誘導システムとして拡張可能

Guide Wire

Magnets

Guide Sensor

既存カートシステムの問題点


新規に試作したカート用IDCシステム

アンテナ

リーダ・ライタ IDCタグ


試作IDCシステム仕様

• 通信距離 100[mm]（最大150[mm]）

• ユーザエリア 110[byte]（高速時6[byte]利用）

（26通りのデータ利用可能）

• アンテナサイズ 600×450×50[mm]

• 電源（アンテナ，R/W） +12[V]（最大1[A]）

• IDCタグ直径130[mm] 厚さ5[mm]（円盤形）

• RFID通信速度読み出し：4.8kbps／書き込み：0.96kbps

理研PC R/W アンテナIDCタグ

RS-232C19200[bps]

RFIDcomm読み出し：4.8kbps／書き込み：0.96kbps[bps]

RS-232C4byte9600bps

5[msec]2.5[msec]

カート

3.3[msec](100[msec]周期)


試作システムのカートへの装着

リーダ・ライタアンテナ


現状の実験用カート


ＩＤＣを用いたカートシステム

MainControler


IDC

非接触双方向通信

情報の読み・書きが可能

カートがIDC上を通過する際


IDC速度制御

IDC分岐


ＩＤＣを用いた速度制御実験

ＩＤＣ１ＩＤＣ２ＩＤＣ３

ガレージ

＜ＩＤＣ格納情報＞停止

＜ＩＤＣ格納情報＞減速2km/h

＜ＩＤＣ格納情報＞増速8km/h

カート・前進(3km/h)スタート

データ量：6[byte](6進数表現)

4.0m

8.0m 22.0m



MainControler


IDC





IDC速度制御

IDC分岐


ＩＤＣを用いた分岐実験

ガレージ

ＩＤＣ１

＜ＩＤＣ格納情報＞右方向分岐

カート・前進(3km/h)スタート

1.8m

右分岐コマンド２秒間送信

（2秒間以下：分岐不可）データ量：6[byte](6進数表現)

4.0m



MainControler


IDC





IDC速度制御

IDC分岐


動的な情報管理

既存カートシステム

ＩＤＣ搭載カートシステム

右へ

右へ

右へ右へ右へ

右へ

右は混んでるよ左から行った方がいいよ右は混んでるよ

左から行った方がいいよ

マグネット

ＩＤＣ

状況の変化に対応できない

混雑が発生する可能性がある

固定的情報管理

動的情報管理

状況の変化に対応できる

混雑を抑制できる

結果

そのため

そのため

結果















小型下刈作業用移動機械（イワフジ工業社製）

• 作業機械：全長2459 [mm]，全幅1340 [mm]，全高1487 [mm]• 動力源：水冷式ディーゼルエンジン排気量952 [cc]• 速度：1.5 [km/h]• 刈払機：幅1234 [mm]• 不整地走行機能

左右２輪段軸機構

（地上高50 [mm]-650 [mm]）• 自律制御機能

姿勢制御及び刈払機接地制御

• 遠隔操作機能

オペレータからの無線指令

地雷探索下刈りなどの段取り


IDCの林業機械の下刈り作業への応用の構想大域的な（おおまかな）位置情報

GPSなどで計測

局所的な（詳細な）位置情報

IDCなどにより取得大まかな作業分担は、地図を

基に事前に算出

境界附近では、IDCを利用し

て、自律的に重複をさける

大域(GPS)と局所(IDC)を併用した

場所・領域の特定

作業領域の割当てと局所的管理

（ユビキタス化）


IDCの林業機械の下刈り作業への応用

IDCの設置とIDCにより地図管理

IDC

Robot

Tree

9

65

1 2

7

3

10

11

4

8

2

651

6

9

1 3

6

2

7

9

5

1

6

7

10

5

2 4

87

3

111

0

9

6

3

8

43

7

118

7

10

7

11

9

8

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