「ROBO-剣」競技用ロボット

2013年12月から始まった競技会「ROBO-剣」のために作ったロボットです。汎用的なアームロボットとしての応用を目指し、色画像および深度画像センサーを用いた自律制御を行います。

仕様

写真:ロボット全体像

仕様(2013年12月現在)
画像センサーSoftkinetic DepthSense DS325
制御装置ラップトップPC
電源12V
自由度5
使用モーターKONDO KRS-6003HV ICS
KRS-4034HV ICS
KRS-4033HV ICS
KRS-4032HV ICS

動作の様子

対象物の自動検出と経路計画、動作のデモ

小手(黄色)、面(赤)、胴(青)を打てという指示だけを手動で与えている。

教示再生により毛筆で字を書くデモ

予め人がロボットを手で動かして字を書いた動作を関節角度の系列として記録し、そのまま再現させたもの。ロボット一発芸のために作成。

技術的解説

機構系

写真:サーボの連結構造 写真:ベース構成部品

KONDOのロボット用サーボモーターとその専用ブラケットを使用。

自由度は根本からピッチ・ロール・ピッチ・ロール・ピッチの5軸(まっすぐ前後に伸ばした状態での軸方向)。 ロール軸はスラスト軸受となるため、KONDOのロボット用サーボのオプション品のフリクションスペーサー4000Aを使用してサーボの出力軸そのものを関節軸とした。

台座は12mmのMDF板および30mmの木丸棒、40mm角の木角棒等を使用して製作。動作の反動で倒れないようにするため、テーブルを吸着する吸盤を組み込んだ。 写真:アームをベースに取り付けたところ

一部の部品はアルミ板金製で自作。

写真:根本軸のKRS-6003用自作ブラケット 写真:根本軸の構造

カメラの取り付け

DS325は外形に合わせたフレームではめ込んで固定。元々フレキシブルアーム等を付けるための2個のM2ネジ穴が空いているが、強度に不安があるため。

写真:DS325取り付け用フレーム後方から 写真:DS325取り付け用フレーム前方から

手首部分(竹刀の根本)

「竹刀」をグリップ部分に差し込んでネジで横から固定する構造。鍔はABS板から切り出したものを竹刀に通して一緒に固定。

写真: 竹刀根元部分(黒ABSバージョン) 写真: 竹刀根元部分、分解したところ(木製バージョン)

グリップ部分は3Dプリンタを用いて作成(STLファイル)。 パワーLED基板を取り付けて「竹刀」を光らせることもできるように根本側の空洞と穴を設けてある。

写真: 竹刀根元部分へのLED放熱基板の取り付け。 写真: プラスチック製の「剣」をLEDで光らせた様子。

また、筆書き用には別の部品に交換する。ロボットの輸送時に筆を着脱する必要があり、再現性を持って取り付けできるように工夫したもの。

写真: 竹刀根元部分の変遷とバリエーション。剣道競技用と筆書き用。

竹刀

「竹刀」は直径6mmと決められている。今までに試した素材はアルミ、木材、プラスチック等。

電装系

ラップトップPCにロボット用サーボおよびDS325をUSBで直接接続。サーボ系にはKONDOのUSB-ICS変換アダプターを使用。

サーボの動力用電源は12V5Aのスイッチング方式ACアダプタ、あるいは適当な10.8V〜11.1Vのバッテリーを使用。

ソフトウェア

カメラキャリブレーション、ハイドアイ系校正の概要

DS325のカメラおよび深度センサーは校正パラメータがメーカーによって提供されている。ライブラリを使用して画像と深度画像を得る際、コールバック関数にはそのパラメータも一緒に送られてくる。これらを利用して対象物の座標をカメラを中心とする座標系で得ることができる。スケールも物理的な長さと対応させられる。

また一方で、アームの関節同士の連結構造は正確にわかっており、各リンクの長さも実測によって求められる。よって各関節の現在角度が与えられればアームの根本を基準とした座標系(アーム座標系)で竹刀先端の座標を求めることができる。

したがって、カメラの座標系とアーム座標系の間の変換が行えれば良い。スケールは一致しているので、回転と並進の6自由度を求めれば良い。適当な初期値を与え、対応点のペアから誤差最小化により変換パラメータを求める。

また、2017年バージョンでは各関節の角度オフセットとリンクの長さも一緒に推定するようにした。実際に試合でも効果があって打撃の精度が良くなったように見えるが、要検証。

アーム経路計画

開発中。現在仮設的に竹刀先端と対象物の距離+αをポテンシャル関数とするポテンシャル法を採用している。

大会出場記録

2013年12月、登録名「RKS-1」でROBO-剣第1回大会に出場。ベスト4。

2014年12月、登録名「逡巡」でROBO-剣第2回大会に出場。3回戦敗退(1回戦はシード)。制御技術賞受賞。 写真:制御技術賞賞状

2015年12月、登録名「逡巡」でROBO-剣第3回大会に出場。2回戦敗退。画像処理技術賞受賞。

2016年6月、登録名「逡巡」でROBO-剣第4回大会に出場。1回戦敗退。画像処理テクニック賞受賞。

2017年7月、登録名「逡巡」でROBO-剣第5回大会に出場。第三位入賞。画像処理テクニック賞受賞、Futaba賞受賞。

山口 辰久

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