[論文レビュー] MAVI: A Research Platform for Telepresence and Teleoperation

Mojtaba Karimi, Tamay Aykut+1 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2018

Teleoperation and Haptic Systems参考文献 14被引用数 8

ひとこと要約

MAVIは、全方向ホロノミック走行、7自由度の円筒形アームと並行グリッパー、360°没入型ビジョンを提供する駆動式ステレオパンチルトロールユニット（PTRU）を備えた低コストでオープンソースのテレプレゼンスロボットプラットフォームです。ROSベースのソフトウェアフレームワークに構築されており、力覚、IMU、ステレオビジョンを含むリアルタイムのセンサフィードバックを提供し、複雑な環境における信頼性の高い遠隔操作と遠隔操作による操作を可能にします。

ABSTRACT

One of the goals in telepresence is to be able to perform daily tasks remotely. A key requirement for this is a robust and reliable mobile robotic platform. Ideally, such a platform should support 360-degree stereoscopic vision and semi-autonomous telemanipulation ability. In this technical report, we present our latest work on designing the telepresence mobile robot platform called MAVI. MAVI is a low-cost and robust but extendable platform for research and educational purpose, especially for machine vision and human interaction in telepresence setups. The MAVI platform offers a balance between modularity, capabilities, accessibility, cost and an open source software framework. With a range of different sensors such as Inertial Measurement Unit (IMU), 360-degree laser rangefinder, ultrasonic proximity sensors, and force sensors along with smart actuation in omnidirectional holonomic locomotion, high load cylindrical manipulator, and actuated stereoscopic Pan-Tilt-Roll Unit (PTRU), not only MAVI can provide the basic feedbacks from its surroundings, but also can interact within the remote environment in multiple ways. The software architecture of MAVI is based on the Robot Operating System (ROS) which allows for the easy integration of the state-of-the-art software packages.

研究の動機と目的

• マシンビジョンおよび人間-ロボットインタラクション分野における研究・教育を支援する低コストで頑丈かつ拡張性のあるテレプレゼンスロボットプラットフォームの開発。
• ユーザーの頭部運動を模倣する駆動式PTRUを用いた360°ステレオビジョンによる没入型遠隔存在を実現すること。
• 高負荷の円筒形アームと力覚フィードバックセンサを備えたマルチモーダルな環境インタラクションを支援すること。
• コスト、モularity、パフォーマンスのバランスをとった、モジュラーでオープンソースのハードウェアおよびソフトウェアプラットフォームを提供すること。
• IMU、レーザーランジファインダー、超音波センサ、力覚センサなどの高度なセンシングとリアルタイム制御を統合し、信頼性の高い屋内ナビゲーションと操作を実現すること。

提案手法

• マニピュレータの負荷対応性と安定性を向上させるために、カスタム線形垂直サスペンションを備えたメカニカルホイールを用いた全方向ホロノミック走行システムの設計。
• 正確な遠隔操作タスクを実現するため、並行グリッパーと統合された力覚センサを備えた7自由度の円筒形アームの実装。
• 2台のファイッシュアイレンズカメラを備えた駆動式ステレオパンチルトロールユニット（PTRU）の開発により、360°ステレオビジョンと頭部運動同期を実現。
• 環境認識と状態推定のため、複数のセンサ（IMU、レーザーランジファインダー、超音波センサ、力覚センサ）の統合。
• レイヤードノード設計を採用したROSベースのソフトウェアアーキテクチャの採用：ドライバ層（100Hzのリアルタイムセンサ読み取り）、制御層（ロボット走行、マニピュレータ、PTRU、SLAMの100Hz制御ループ）、高レベルコマンド用のアプリケーション層。
• 視覚遅延を低減し、ユーザーの没入感を向上させるために、頭部運動予測に基づくPTRU制御ループにおける遅延補償の適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストでモジュラーなテレプレゼンスロボットプラットフォームは、屋内環境における信頼性の高い360°ステレオビジョンと半自律的マニピュレーションをどのように実現できるか？
• RQ2 リアルタイムのマルチモーダルフィードバック（視覚、遠隔操作、聴覚）と最小限の遅延を実現するためのハードウェアおよびソフトウェアアーキテクチャはどのようなものか？
• RQ3 サスペンションを備えた全方向ホロノミック走行システムは、屋内テレプレゼンスロボットの安定性とパフォーマンスをどのように向上させるか？
• RQ4 分散処理（ロボットおよびクライアント側のノード）を採用したROSベースのフレームワークは、スケーラブルかつ拡張性のあるテレプレゼンスシステムをどの程度サポートできるか？
• RQ5 PTRUに力覚フィードバックと予測制御を統合することで、ユーザーの没入感とテレプレゼンス体験はどの程度向上するか？

主な発見

• MAVIプラットフォームは、全方向ホロノミック走行、7自由度の円筒形アーム、360°ステレオビジョンを備えたPTRUを統合し、完全な身体的遠隔存在と操作を実現した。
• ロボット走行、マニピュレータ、PTRUの100Hzリアルタイム制御ループにより、迅速かつ正確な作動が可能であり、PTRUにおける遅延補償により視覚遅延が低減された。
• ROSベースのソフトウェアフレームワークにより、最新のパッケージとのシームレスな統合が可能であり、重要なリアルタイムノードはロボット上、非リアルタイムノードはクライアント側で実行された。
• レーザーランジファインダー、オドメトリ、超音波センサ、IMUのデータを用いたGmapping SLAMパッケージを活用し、10Hzで動作する信頼性の高い屋内ナビゲーションとマップ作成が実現された。
• ボディおよびPTRUに搭載された2つのBNO055 9軸IMUにより、100Hzで正確でフィルタリングされた姿勢および運動データが得られ、動きの追跡とフィードバックが向上した。
• Thalmic Labsのアームバンドを用いたジェスチャー制御が可能で、腕の姿勢とEMG信号を活用した直感的な走行および操作コマンドが可能となった。