革新的形状・接触検出システム「ConTac」、連続体ロボットの安全性を強化

北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）、石川、日本

人間がロボットに触れると、ロボットは衝突を避けるために動きを変えます。（画像：Van Anh Ho、JAIST）

自然界から着想を得た連続体ロボット

自然界では、タコの柔軟な触手やゾウの鼻のような生物が驚異的な器用さを示します。これらの自然構造に着想を得て、研究者たちは高い柔軟性を持つ連続体ロボットの開発を目指しています。理想的な連続体ロボットは、ほとんどのタスクに必要以上の自由度（DOF）と関節数を特徴とします。これらの特性により、形状を動的に調整・変更し、障害物や予期せぬ状況を回避できます。しかし、複雑な動きにより、形状と運動を特徴づけることが困難です。

従来手法の限界と新システム「ConTac」

連続体ロボットの運動学・動力学問題の解を得る従来の解析手法は、複雑なモデリングに依存し、計算コストを増大させます。あるいは、連続体ロボットに内蔵された柔軟センサーで形状と動きを追跡できますが、この方法では多数の低解像度センサーが必要で、システムが煩雑になります。より有望な解決策は、連続体ロボットの末端に単一のセンシングモジュールを採用することです。しかし、これまでのこの方向での研究は、ロボットの姿勢に焦点を当てたものが多く、接触検出には対処していませんでした。

このギャップに対処するため、北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）のVan Anh Ho准教授率いる日本の研究チームが、柔らかい皮膚を持つロボットアームの形状と接触を推定する新システム「ConTac」を開発しました。

「このシステムの究極の目標は連続体ロボットへの実装ですが、今回の研究では、関節式ロボットアームと柔らかい皮膚を用いた検証に焦点を当てました」とHo博士。チームには、JAIST博士課程学生のTuan Tai Nguyen氏とQuan Khanh Luu氏、ハノイのVNU-UET大学のDinh Quang Nguyen博士が含まれます。

ConTacシステムの構成と特徴

ConTacシステムは、連続体ロボットの曲げを模倣するバックボーン、マーカー付き柔らかい皮膚、皮膚変形を観察するカメラ、皮膚の形状と接触検出モデル、接触認識制御レジームで構成されます。このシステムは、同じメカニズムと形態を持つあらゆるConTacユニットや他のロボットに、キャリブレーションなしで適用できます。

ConTacユニットは、バックボーンと柔らかい皮膚を持つ組み立て済み連続体模倣ロボットアームです。研究者たちはまた、知覚情報を用いてロボットアームの動きを誘導するアドミタンスベースのコントローラーを開発しました。さらに、ConTacユニットはコスト効率が良く、従来の材料から製造可能です。

この革新的システムは、柔らかい連続体皮膚の形状再構成と接触検出のための2つのディープラーニングモデルを採用しています。これらのモデルはシミュレーション画像のみを用いて完全に訓練され、ファインチューニングなしで実ロボットに直接適応可能で、時間とリソースを節約します。システムの移植性は2つの異なるConTacユニットでテストされ、追加調整なしで同様に機能しました。

「ConTacシステムは、複雑な調整なしで様々なロボットシステムに使用されることを目指しています」とHo博士。「私たちのシステムを搭載した柔軟ロボットアームは、多くの障害物がある環境をナビゲートし、人間と安全に相互作用しなければならないスマート農業やヘルスケアサービスに最適です。柔軟性と周囲を感知する能力の組み合わせが、植物や患者との相互作用に完璧です。」

このフレームワークで使用されるセンシングと制御の原則は、既存のロボティクスシステムに取り付け可能な新しい触覚センサーにつながり、ロボットの元の設計を変更せずに安全な人間-ロボット相互作用のための新しいセンシングと制御パラダイムを提供する可能性があります。「すべてのロボットと機械が触覚を持つ社会を想像してください。この変革は産業と日常生活に革命をもたらすでしょう」とHo博士。

詳細については、Van Anh Ho氏までお問い合わせください。メール：保護されたアドレス、電話：+81 761-51-1584。