[論文レビュー] Four-Arm Manipulation via Feet Interfaces

Jacob Hernandez Sanchez, Walid Amanhoud+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2019

Muscle activation and electromyography studies参考文献 24被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、ユーザーが独自の5自由度（5-DOF）の足インターフェースを用いて両足で制御する4本腕の操作システムを提案する。このシステムにより、ユーザーの手は操作を担い、足は支持作業を担う。インピーダンス制御を用いた遠隔操作と、動的システムを用いた軌道生成、および触覚フィードバックを組み合わせることで、接触時における高い力透明性（RMSE 0.033 N）と効果的な外部擾乱抑制が達成された。本研究は、直接的な足による制御が、余剰なロボットアームの操作に有効であることを実証した。

ABSTRACT

We seek to augment human manipulation by enabling humans to control two robotic arms in addition to their natural arms using their feet. Thereby, the hands are free to perform tasks of high dexterity, while the feet-controlled arms perform tasks requiring lower dexterity, such as supporting a load. The robotic arms are tele-operated through two foot interfaces that transmit translation and rotation to the end effector of the manipulator. Haptic feedback is provided for the human to perceive contact and change in load and to adapt the feet pressure accordingly. Existing foot interfaces have been used primarily for a single foot control and are limited in range of motion and number of degrees of freedom they can control. This paper presents foot-interfaces specifically made for bipedal control, with a workspace suitable for two feet operation and in five degrees of freedom each. This paper also presents a position-force teleoperation controller based on Impedance Control modulated through Dynamical Systems for trajectory generation. Finally, an initial validation of the platform is presented, whereby a user grasps an object with both feet and generates various disturbances while the object is supported by the feet.

研究の動機と目的

• 両足を同時に用いて2本のロボットアームを遠隔操作可能にする機械的・制御的システムの開発。
• 脚によるロボットアーム制御の課題に取り組み、脚が自重を支えつつ、協調的な操作に十分な機動性と作業空間を確保する必要があること。
• 自然な両腕が高精度な作業を担う一方で、足で制御されるアームがサポート作業や力が要る作業を担う、手を離した作業を可能にする。
• 接触状況下での安定的で透明かつ応答性の高い制御を実現するため、直接的な足による遠隔操作と触覚フィードバックの妥当性を検証すること。

提案手法

• 両足の接近操作を可能にするために、直列キネマティクスを用いて最大の作業空間を確保した2つの5-DOF足インターフェースの設計。
• 動的システムによる軌道生成と調節を施したインピーダンス制御に基づく位置-力遠隔操作制御器の実装。
• Tait-Bryan角を表現し、特異点を回避するための補助フレームを含むDenavit-Hartenberg（DH）キネマティクスモデルの採用。
• 足の平台に設置された力センサを用いた触覚フィードバックの統合により、ユーザーに相互作用力をリアルタイムで反映させ、適応を促進。
• 高い透明性と低い力誤差を実現するため、低ギア比と逆可動性を持つジョイントの採用。
• 接触作業中の柔軟性向上のため、動的システムにおけるアトラクタダイナミクスを用いて運動の収束を誘導。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1本の足に5自由度を備えた二重足インターフェースが、操作タスクにおける2本のロボットアームの安定的かつ協調的な制御を可能にするか？
• RQ2 触覚フィードバックは、物体の把持や擾乱の適用時における接触力の認識と圧力の適応にどの程度有効か？
• RQ3 動的システムによるモodulation付きインピーダンス制御は、足による遠隔操作における運動の滑らかさと力追従性をどの程度向上させるか？
• RQ4 自由移動時および接触時における位置および力追従性の性能は、どのように評価されるか？
• RQ5 ハンマーによる急激な外部擾乱が加わった場合でも、システムは安定性と透明性を維持できるか？

主な発見

• 接触フェーズ中に、タスク方向に高い力透明性を達成し、平均二乗誤差（RMSE）はわずか0.033 Nであった。
• 自由移動時における把持方向の位置追従誤差（RMSE_y = 0.087 m）は、接触フェーズ（RMSE_y = 0.107 m）よりも低く、仮想アトラクタが制約された物体形状に押し込まれたためと推測される。
• 直交方向では、接触時（RMSE_x = 0.050 m, RMSE_z = 0.060 m）の追従誤差が自由移動時（RMSE_x = 0.132 m, RMSE_z = 0.074 m）よりも低く、拘束下での安定性と収束性の向上を示している。
• インピーダンス制御戦略により、運動が滑らかに抑えられ、特にハンマーによる急激な擾乱時において安定性が向上した。
• 外部摂動に対して、二足での把持を安定して維持でき、システムの頑健性とユーザーの適応能力を実証した。
• 近似的な動的補償を施したオープンループの触覚制御では、小さな力誤差が得られたため、初期段階の実装では閉ループ力制御が必ずしも必要ではない可能性を示唆している。