知能ロボコン出場機体 "Kaninchen" の製作 / Building the Robot named "Kaninchen" for inrof 2019

東京工業大学ロボット技術研究会，
第69回研究報告会（2019年前期）における発表資料です．

Transcript

1. Tokyo Tech The Society for the Study of Robotics The 69th Conference 知能ロボコン出場機体 "Kaninchen" の製作 2019/7/14 yuki (16: @blessingyuki) Team Members: makky (@mmaakkyyii) & kiwi (@nullKiwi)
2. 目次 • はじめに • 知能ロボコンについて • 大会概要 • ルール • 製作機体について • 機械設計 • 回路・制御 • 認識・動作計画 • まとめ 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 1
3. 目次 • はじめに • 知能ロボコンについて • 大会概要 • ルール • 製作機体について • 機械設計 • 回路・制御 • 認識・動作計画 • まとめ 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 2
4. はじめに • 知能ロボコン2019に参加 チーム名： “tty” 機体名 ： “Kaninchen” （ドイツ語で「兎」） • チーム構成 • 機械 ：kiwi • 回路制御：makky • 制御情報：yuki 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 3
5. 目次 • はじめに • 知能ロボコンについて • 大会概要 • ルール • 製作機体について • 機械設計 • 回路・制御 • 認識・動作計画 • まとめ 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 4
6. 大会概要 • 知能ロボットコンテスト • 知能ロボットコンテスト フェスティバル内の大会 • 誰でも参加可能 • 第31回大会 • 2019年6月15, 16日 • スリーエム仙台市科学館（宮城県） • 中高生，高専・大学生，社会人など幅広く参加 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 5 http://www.inrof.org/irc/
7. 目次 • はじめに • 知能ロボコンについて • 大会概要 • ルール • 製作機体について • 機械設計 • 回路・制御 • 認識・動作計画 • まとめ 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 6
8. ルール • オブジェクトを決められた位置に運ぶ • チャレンジャーコース • 赤・青・黄の3色のボール • 今回出場 • マスターズコース • 赤・青・黄の3色のボール • 空き缶 • 水入りペットボトル 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 7 https://www.dougukan.com/ allproducts/baby_product/mb all.htm
9. ルール • 時間制限あり（早くは必ずしも正義ではない） • ロボットは完全自律型 • 展開制限なし • 初期機体制限あり • 台数制限なし 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 8
10. フィールド 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 9 第31回 ルールブックより スタート 位置 ボールが あるエリア ボールを 入れる ゴール （色別）
11. 評価基準 • 一次予選 • 競技点で評価 • 二次予選以降 • 競技点 • 審査員点 • パフォーマンス性 • チャレンジ性 • 芸術性 • スピード感 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 10
12. 目次 • はじめに • 知能ロボコンについて • 大会概要 • ルール • 製作機体について • 機械設計 • 回路・制御 • 認識・動作計画 • まとめ 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 11
13. コンセプト •オブジェクトを射出して点を取る • 回収後，運ぶのではなくゴールに投げこむ 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 12 https://www.irasutoya.com/2 014/07/blog-post_9042.html
14. システム構成 • アクチュエータ • 駆動用モータ x4 • RCサーボモータ x2 • ソレノイド • センサ • エンコーダ x4 • ジャイロセンサ x1 • 深度 / カラーカメラ x1 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 13
15. システム構成 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 14
16. 目次 • はじめに • 知能ロボコンについて • 大会概要 • ルール • 製作機体について • 機械設計 • 回路・制御 • 認識・動作計画 • まとめ 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 15
17. メインフレーム • t1.5のアルミ板材2枚と 真鍮スペーサで構成 • 中央の穴：配線用 • 板間には バッテリを収納 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 16
18. 移動機構 • モータ：380（減速比 1:75） • 4輪メカナム（60mm径） • 出力軸に エンコーダ (AMT102-V) 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 17 埋め込みナット
19. 移動機構 • モータマウントを ABS 3Dプリントで製作 • 内側の突起が モータの穴を拘束 • マウントが弾性を持ち， サスペンションレスで4点接地 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 18
20. 回収機構 • アーム2本＋受け皿 • アームはそれぞれ RCサーボモータで駆動 • できるだけボールとの 接触面積を少なく 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 19
21. 回収機構 • 最大の問題：ボールの特性 • 柔らかく，摩擦が強い • 転がり接触で解決 • 回収アームの両端に ベアリングを埋め込み 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 20
22. 回収機構 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 21
23. 射出機構 • ソレノイドで駆動 • リンクで速度を増幅 • 射出角は ストッパで調整 • 水平方向1m程度 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 22
24. 射出機構 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 23
25. 射出機構 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 24
26. 排障器 • ボールの特性上， フレームと地面の間に挟まってしまう • 排障器を取り付け 乗り上げ回避 • 爪とキーで ワンタッチ脱着 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 25
27. 目次 • はじめに • 知能ロボコンについて • 大会概要 • ルール • 製作機体について • 機械設計 • 回路・制御 • 認識・動作計画 • まとめ 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 26
28. メインボード • マイコン：STM32F103RCT6 • 機能 • Jetson TX2からの指令受信 (USB-UART) • モータドライバへの指令 • ソレノイドドライバの操作 • サーボモータの駆動 • ジャイロの受信と姿勢補償 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 27
29. 姿勢補償 • 1軸ジャイロセンサ (R1350N) を搭載 • フィルタリング済みの値を出力するセンサ • 目標姿勢と推定姿勢の偏差に対しPI補償 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 28
30. モータドライバ • マイコン：STM32F303K8T6 • ドライバ：VNH2SP30 (※現在はNRND) • 3相エンコーダ読み取り， 外部とのSPI通信が可能 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 29
31. モータドライバ • モータドライバ自体は汎用設計 • 位置，速度，トルク制御可能 • 今回はPI補償による速度制御 • MATLAB®のSystem Identification Toolbox™で 二次系でモデル推定 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 30
32. ソレノイドドライバ • 100 V に昇圧してソレノイドを駆動 • DC/DCコンバータと ダイオードチャージポンプ回路の組み合わせ • 出力側にコンデンサ • 820 µF, 180 Vを2つ並列 • ファンによる強制空冷 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 31
33. 目次 • はじめに • 知能ロボコンについて • 大会概要 • ルール • 製作機体について • 機械設計 • 回路・制御 • 認識・動作計画 • まとめ 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 32
34. 処理系 Jetson™ TX2 + Carrier Board J120 • OS: Linux for Tegra (JetPack 3.3) • ミドルウェア： ROS (Robot Operating System) Kinetic Kame 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 33
35. シリアル通信 • USB 2.0による指令送信 (115,200 bps, 100 Hz) • 一般的な ヘッダ-データ-チェックサム構成 （計14 bit） • 送信内容 • 目標速度 • 目標姿勢 • 回収指令 • 射出指令 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 34
36. 画像認識 • カメラ：RealSense™ d435 • 深度画像とカラー画像を取得 • 前提： 画像取得時， ロボットは静止している 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 35
37. 画像認識 OpenCV内の純粋な画像処理のみで認識を実装 1. 時間に対する加重平均 2. Canny のエッジ（輪郭）検出 3. Hough 変換による円形の探索 4. 候補点近傍の色相を抽出する 5. 得られた色相がボールの色相と合うか判定 6. 候補の列挙 7. 深度画像から最も近いものを選択 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 36
38. 画像認識 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 37 深度 輪郭 色相 結果 正しく識別する確率：~90%程度
39. 軌道生成 • 速度曲線フィッティング • 移動量と最大速度，最大加速度を与えて算出 • サンプリングタイム 10 ms • 生成した軌道を そのまま100 Hz で指令 • フィードバックなしで 前後移動誤差 0.5%以内 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 38
40. 軌道生成 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 39
41. ROSによる開発 • アプリケーション単位をノードとして構築 • ノード間は内部での通信により情報交換可能 • 今回は工数の削減のために利用 • RealSense™ のAPIが簡単に使える • あくまでも研究開発における試験運用向け • 厳密なリアルタイム性等は期待できない 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 40 http://www.ros.org/
42. 統合 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 41
43. 目次 • はじめに • 知能ロボコンについて • 大会概要 • ルール • 製作機体について • 機械設計 • 回路・制御 • 認識・動作計画 • まとめ 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 42
44. 大会結果について 予選敗退です • 大会本番だけ何故かシリアル通信が途切れた • 原因は現在も不明，鋭意究明中 • 練習不足感 • 余裕を持った開発を • フィールドはちゃんと作って練習しましょう 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 43
45. 知ロボに興味を持たれた方へ シンプルな競技テーマに対して， • 様々なアイディアで， • 一人でもチームでも 挑戦できます （部内からの）参加者を増やしましょう！（？） 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 44
46. [重要] 補足情報 学位論文執筆期間中のロボコン参加には， 相応のリスクと負担が伴います． 充分な覚悟を持った上で， 計画的に参加するようにしましょう． ※1 進捗が計画的に進むことは稀 ※2 ロボット製作は楽しいので実質息抜きみたいなところが 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 45
47. 謝辞 渋谷教育学園幕張中学校・高等学校の 中学電気部・高校物理部の皆様には， 大会の知見の提供や練習台の貸し出しなど， 多くの支援を賜りました． この場を借りて感謝を申し上げます． 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 46
48. 質疑応答 • 後から思いついた質問等は， 研究報告書（部内限定）をご覧いただくか， 製作者へ直接ご連絡ください． 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 47