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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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/

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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

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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

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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）

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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

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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

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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

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システム構成 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 14

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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

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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

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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

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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

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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

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回収機構 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 21

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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

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射出機構 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 23

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射出機構 2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 24

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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/

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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

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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

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[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

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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