[論文レビュー] Nutty-based Robot Animation -- Principles and Practices

Tiago Ribeiro, Ana Paiva|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Social Robot Interaction and HRI参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、12のロボットアニメーションの原則、プログラマブルなロボットアニメーションエンジン、およびNuttyワークフローを備えた、伝統的なキャラクターアニメーションとロボティクスを橋渡しするフレームワーク「Nuttyベースのロボットアニメーション」を紹介する。このフレームワークにより、アーティストが視覚的でブロックベースのプログラミングインターフェースを通じて、逆運動学やユーザー追跡などの手続き的アニメーションレイヤーを統合し、リアルタイムでインタラクティブなロボットの動きを設計できる。これにより、現実世界の対人インタラクションにおいて社会的ロボットの表現的でインタラクティブな動きを実現できる。

ABSTRACT

Robot animation is a new form of character animation that extends the traditional process by allowing the animated motion to become more interactive and adaptable during interaction with users in real-world settings. This paper reviews how this new type of character animation has evolved and been shaped from character animation principles and practices. We outline some new paradigms that aim at allowing character animators to become robot animators, and to properly take part in the development of social robots. One such paradigm consists of the 12 principles of robot animation, which describes general concepts that both animators and robot developers should consider in order to properly understand each other. We also introduce the concept of Kinematronics, for specifying the controllable and programmable expressive abilities of robots, and the Nutty Workflow and Pipeline. The Nutty Pipeline introduces the concept of the Programmable Robot Animation Engine, which allows to generate, compose and blend various types of animation sources into a final, interaction-enabled motion that can be rendered on robots in real-time during real-world interactions. The Nutty Motion Filter is described and exemplified as a technique that allows an open-loop motion controller to apply physical limits to the motion while still allowing to tweak the shape and expressivity of the resulting motion. Additionally, we describe some types of tools that can be developed and integrated into Nutty-based workflows and pipelines, which allow animation artists to perform an integral part of the expressive behaviour development within social robots, and thus to evolve from standard (3D) character animators, towards a full-stack type of robot animators.

研究の動機と目的

• 伝統的なキャラクターアニメーターとロボット開発者との間のギャップを埋めるために、アニメーションの原則をロボティクスに統合すること。
• アニメーターが、記録済みの動きにとどまらず、インタラクティブで表現的な行動の設計に能動的に参加できるようにすること。
• 現実世界の人間-ロボット対話におけるリアルタイムで表現的なロボットアニメーションを支援する技術的・概念的フレームワークを構築すること。
• 芸術的表現とロボットの制約を両方理解する「ロボットアニメーター」としての新しい役割を確立すること。
• アニメーションのコンposition、ブレンド、ランタイムでの適応を、ユーザーのインタラクションやロボットの運動学的制約に基づいて行えるツールとワークフローを開発すること。

提案手法

• 伝統的なアニメーション実践とロボティクス実装を一致させる基盤として、ロボットアニメーションの12の原則を提唱する。
• 複数のアニメーションソースを1つのリアルタイムモーショングラフに統合するための、Nuttyワークフローとパイプラインを導入する。
• ランタイムでのアニメーションブレンドと適応を可能にするコアコンponentとして、プログラマブルなロボットアニメーションエンジン（PRAE）を開発する。
• 物理的制限を尊重しながらも表現性と形状を保持するため、オープンループモーショングラフコントローラーに物理的制限を適用する「Nuttyモーションフィルタ」を導入する。
• 色分けされた信号とアニメーションブロックを用いた視覚的でブロックベースのアニメーションエディタ（Nutty Tracks）を設計し、手続き的モーショングラフの直感的プログラミングを可能にする。
• 逆運動学とユーザー追跡行動をアニメーションパイプラインに統合し、リアルタイム入力に基づく動的モーショングラフの適応を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 伝統的なキャラクターアニメーションの原則を、現実世界の設定で表現的でインタラクティブなロボットの動きを可能にするために、どのように適応できるか？
• RQ2 アニメーターが、事前に記録された動きにとどまらず、ロボットの行動を能動的に設計・プログラミングできるようにするために、どのような技術的・ワークフローのイノベーションが必要か？
• RQ3 プログラマブルなアニメーションエンジンは、物理的制約を尊重しながら、複数のモーショングラフソース（例：アイドル動作、顔追跡、IK）のリアルタイムブレンドをどのようにサポートできるか？
• RQ4 どのようなインターフェースパラダイムが、ロボティクスの文脈において、複雑なインタラクティブアニメーションを効果的にコンポジションおよび微調整可能にするか？
• RQ5 アーティスト主導の表現的アニメーションによって、物理的ロボットに「生命の息吹」をもたらすには、リアルタイムの人間とのインタラクションに対応する仕組みをどのように実現できるか？

主な発見

• ロボットアニメーションの12の原則は、アニメーターとロボティクス研究者との間で共通の概念的言語を提供し、相互理解と協働を可能にする。
• Nuttyパイプラインは、逆運動学やユーザー追跡などの手続き的レイヤーを含む複数のアニメーションソースを統合し、1つの整合性のあるモーショングラフ出力としてリアルタイムで生成することで、インタラクティブなロボットアニメーションを実現する。
• Nuttyモーションフィルタは、オープンループモーショングラフコントローラーが物理的制限を尊重しながらも表現的なモーショングラフの形状を保持できるようにし、安全で自然なロボット動作を実現した。
• 色分けされた信号とブロックベースのインターフェースを備えたNutty Tracks視覚的エディタにより、ロボットの運動学的制約やリアルタイム入力と統合された、複雑でレイヤードされたアニメーションをアニメーターが作成・事前視覚化できるようになった。
• このフレームワークにより、アニメーターは従来の3Dキャラクターアニメーションから、ロボットアニメーションの全スタックにまで移行し、社会的ロボットにおける表現的でインタラクティブな行動を能動的に設計できるようになった。
• カスタムスクリプトを介してUnity3Dなどのゲームエンジンにアニメーションツールを統合することで、パイプラインの使いやすさが向上し、プリビジュアライゼーションと反復的設計を支援するようになった。