JP2019198948A - Contact mode estimation device - Google Patents

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裕基 加藤
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裕基 加藤
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Abstract

To enable a contact mode to be estimated in real time so that an autonomous robot such as a satellite can reliably capture a moving free airborne object by using only a force sensor.SOLUTION: So as to capture an approaching object, a contact mode estimation device detects that the object collides with a robot hand, on the basis of a signal output from a force sensor, and performs an update of a particle state and evaluation of particles by executing a particle filter in response to the collision of the object with the object. Thus, the contact mode estimation device determines the timing when the object can be captured by closing a holding part of the robot hand.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、接触モード推定装置に関し、より詳しくは、接近する物体がロボットハンドに接触したときの接触モードを推定し、その物体を捕獲するためにロボットハンドを閉じるタイミングを決定する接触モード推定装置に関する。   The present invention relates to a contact mode estimation device, and more specifically, a contact mode estimation device that estimates a contact mode when an approaching object comes into contact with a robot hand and determines a timing for closing the robot hand to capture the object. About.

スペースデブリ、すなわち廃用となった人工衛星のような宇宙ゴミが問題となってきているが、そのようなスペースデブリを宇宙空間で捕獲する必要がある場合がある。そのような場合には、ロボットハンド(グリッパー)が取り付けられたロボットアームをチェイサー衛星などに搭載して、それによって、捕獲対象のスペースデブリにチェイサー衛星を接近させ、ロボットアームを操作し、ロボットハンド内にスペースデブリの一部を導き入れた後に、ロボットハンドを閉鎖してスペースデブリを捕獲する。この際、確実に捕獲できる位置にスペースデブリが来た時にロボットハンドを閉じるようにタイミングを決定する必要がある。   Space debris, that is, space debris such as abandoned satellites, has become a problem, but there are cases where such space debris needs to be captured in space. In such a case, a robot arm equipped with a robot hand (gripper) is mounted on a chaser satellite or the like, thereby causing the chaser satellite to approach the space debris to be captured and operating the robot arm. After introducing a part of the space debris inside, the robot hand is closed to capture the space debris. At this time, it is necessary to determine the timing so that the robot hand is closed when the space debris comes to a position where it can be reliably captured.

従来の技術としては、接触センサを使用してロボットハンドに対象物が接触したことを判断するものがあった(非特許文献1)。この技術では、ロボットハンドの内側に、接触センサが複数の場所に分割されて取り付けられており、それによってターゲット物体がどこに接触したかを感知する。そして、接触を感知すると、粒子フィルタによってターゲット物体の位置の推定を開始する。しかし、ターゲットの物体に衝突する可能性のあるロボットハンドの可動部分を含め、あらゆる部分に接触センサを配置するのは現実的ではない。このように、複数の接触センサを使う手法があったが、実用には問題があった。   As a conventional technique, there is one that uses a contact sensor to determine that an object has contacted a robot hand (Non-Patent Document 1). In this technique, a contact sensor is divided into a plurality of places and attached to the inside of the robot hand, thereby sensing where the target object has come into contact. When contact is detected, estimation of the position of the target object is started by the particle filter. However, it is not realistic to arrange the contact sensor in every part including the movable part of the robot hand that may collide with the target object. Thus, there was a method using a plurality of contact sensors, but there was a problem in practical use.

Bayesian Estimation for Autonomous Object Manipulation Based on Tactile Sensors_PetrovskayaBayesian Estimation for Autonomous Object Manipulation Based on Tactile Sensors_Petrovskaya

スペースデブリの除去や、壊れた人工衛星の修理においては、自由飛行する物体を捕獲する必要がある。特に、捕獲するロボットハンドと捕獲される対象物体がお互いに動くような、動的に変化する環境では、適切なタイミングでロボットハンドを閉じるように指示し、ロボットハンドと対象物体との間の相対速度をゼロにするための物理的な制約を作ることが必要である。それができない場合、ロボットハンドが対象物体を弾き飛ばすなどすることによって対象物体を捕獲できなくなったりする。   To remove space debris and repair broken satellites, it is necessary to capture free-flying objects. In particular, in a dynamically changing environment where the captured robot hand and the captured target object move relative to each other, the robot hand is instructed to close at an appropriate timing, and the relative relationship between the robot hand and the target object is determined. It is necessary to create physical constraints to make the speed zero. If this is not possible, the robot hand may not be able to capture the target object, for example, by flipping the target object.

このような問題を克服するために、接触モード推定(contact mode estimation)を含む適切な制御方式を構築する必要がある。しかし、このような接触モード推定は、正確な衝突予測モデルがリアルタイムで実行できない状況で実行されなければならないことが多い。また、移動する剛体である対象物体を捕獲する際には、対象物体とロボットハンドとの間で弾性衝突や滑りが発生する。ここで、剛体の衝突の結果の速度は、局所的な接線方向および材料特性を含む表面状態に影響を受けるものであり、衝突の結果はしばしば安定しない。その結果、予測の誤差が発生することが通常である。   In order to overcome such problems, it is necessary to construct an appropriate control method including contact mode estimation. However, such contact mode estimation often has to be performed in a situation where an accurate collision prediction model cannot be performed in real time. Further, when a target object that is a moving rigid body is captured, an elastic collision or slip occurs between the target object and the robot hand. Here, the speed of the result of the collision of the rigid bodies is affected by the surface conditions including local tangential direction and material properties, and the result of the collision is often not stable. As a result, a prediction error usually occurs.

本発明では、そのような目的のために、動く剛体を捕獲するための力覚センサのみを用いたリアルタイムの衝突ベースの接触モード推定を提案するものである。これを達成するために、本発明では、接触モードとして、接触における力学特性だけでなく、ロボットハンド内のセグメント化された衝突位置を使用する。   For this purpose, the present invention proposes a real-time collision-based contact mode estimation using only a force sensor for capturing a moving rigid body. In order to achieve this, the present invention uses segmented collision positions in the robot hand as well as the mechanical properties in contact as the contact mode.

ここで、確率的アプローチとして、粒子フィルタを接触モード推定に使用することが考えられる。予測のために、剛体の計算可能でサンプリング可能(サンプルを複数発生させること)な衝突モデルを採用する。それぞれの粒子によって異なる衝突がシミュレーションされるが、事後分布モデルは、主として力覚センサによって検出された衝突タイミングに従って更新され、捕獲動作の間に最も判断の基礎となる測定を伴う。粒子フィルタは予測誤差を小さくすることが可能であるが、機体上でのリアルタイム性を損なう可能性があるような、大きな計算資源を必要とすることが知られている。   Here, as a probabilistic approach, it is conceivable to use a particle filter for contact mode estimation. For the prediction, we adopt a collision model that can calculate and sample a rigid body (generate multiple samples). Although different collisions are simulated for each particle, the posterior distribution model is updated primarily according to the collision timing detected by the force sensor, with the most fundamental measurement during the capture operation. It is known that the particle filter can reduce the prediction error, but requires a large calculation resource that may impair the real-time property on the airframe.

本発明は、上述の問題に対処するためになされたものであり、計算資源の問題に関しては、衝突トリガフィルタを備えた粒子フィルタを用いて、物体の閉鎖に必要な接触モードを推定する。衝突によって粒子フィルタの計算の開始をトリガするためには、力覚センサのみを用いて詳細な情報を提供することができ、また、衝突による計算のトリガは、計算量の低減に寄与する。本発明により、力覚センサのみを用いて、衛星のような自律型ロボットが、移動する自由飛行物体を確実に捕獲するために接触モードをリアルタイムに推定することができるようになる。   The present invention has been made to cope with the above-mentioned problem. Regarding the computational resource problem, a particle filter with a collision trigger filter is used to estimate a contact mode necessary for closing an object. In order to trigger the start of particle filter calculation by collision, detailed information can be provided using only a force sensor, and triggering calculation by collision contributes to a reduction in calculation amount. According to the present invention, an autonomous robot such as a satellite can estimate a contact mode in real time in order to reliably capture a moving free-flying object using only a force sensor.

上述の課題は以下のような特徴を有する本発明によって解決される。すなわち本発明は、接近する物体を捕獲するためにロボットハンドの把持部を閉鎖するタイミングを決定するための接触モード推定装置であって、ロボットハンドに与えられた力を表わす信号を出力する力覚センサを有し、力覚センサから出力される信号に基づき物体がロボットハンドに衝突したことを検出し、粒子フィルタのための複数の粒子のデータを発生させ、粒子のそれぞれの位置及び接触モードをシミュレーションし、物体のロボットハンドへの衝突を検出したことに応答して、粒子フィルタを実行して粒子の状態の更新及び粒子の評価を行うことにより、物体がロボットハンドの把持部の閉鎖によって捕獲可能なタイミングを判断する。また本発明は、物体がロボットハンドの把持部の閉鎖によって捕獲可能なタイミングをする際に、粒子フィルタを実行することによって、それぞれの粒子について、物体の実際の衝突時間との時間差に基づいて重みを求め、それぞれの粒子を衝突位置に移送し、ロボットハンドとの接触モードを求め、正規化後にリサンプリングすることによって前記粒子の状態の更新を実行し、閉鎖可能領域に対応する接触モードを経験した粒子の重みの合計が所定値以上になるまでシミュレーションと粒子の状態の更新を反復させ、粒子の重みの合計が所定値以上のときにロボットハンドの把持部を閉鎖するタイミングと評価する、ことを特徴とする。   The above-described problems are solved by the present invention having the following features. That is, the present invention is a contact mode estimation device for determining the timing for closing a grip portion of a robot hand in order to capture an approaching object, and outputs a signal representing a force applied to the robot hand. It has a sensor, detects that an object has collided with the robot hand based on a signal output from the force sensor, generates a plurality of particle data for the particle filter, and determines the position and contact mode of each particle. In response to simulating and detecting the collision of the object with the robot hand, the particle is executed to update the particle state and evaluate the particle, thereby capturing the object by closing the gripping part of the robot hand. Determine possible timing. In addition, the present invention performs weighting for each particle based on the time difference from the actual collision time of the object by executing a particle filter when the object can be captured by closing the grip part of the robot hand. Each particle is transferred to the collision position, the contact mode with the robot hand is determined, the state of the particle is updated by re-sampling after normalization, and the contact mode corresponding to the closeable region is experienced. The simulation and the updating of the particle state are repeated until the total particle weight is equal to or greater than a predetermined value, and when the total particle weight is equal to or greater than the predetermined value, the timing of closing the grip portion of the robot hand is evaluated. It is characterized by.

また本発明は、物体の衝突前の位置を捕捉するためのセンサを更に有し、センサから得られた情報に基づき物体の位置及び運動を推定し、その推定値に基づき複数の粒子を発生させるように構成してもよい。また本発明は、センサとしてカメラを使用し、カメラから得られた物体の画像に基づき、物体の位置及び運動を推定するように構成してもよい。また本発明は、力覚センサから出力される信号に基づき、物体がロボットハンド上で滑っていることを検出し、シミュレーションにおいて、ロボットハンドに衝突した粒子がロボットハンドの表面に沿って動く場合にロボットハンド上で滑っているものとしてシミュレーションするように構成してもよい。また本発明は、ロボットハンドが先端に取り付けられたロボットアームを有し、物体のロボットハンドへの衝突を検出したときに衝突の衝撃を吸収するようにロボットアームを動作させるインピーダンス制御を行うように構成してもよい。   The present invention further includes a sensor for capturing the position of the object before the collision, estimates the position and motion of the object based on information obtained from the sensor, and generates a plurality of particles based on the estimated value. You may comprise as follows. Further, the present invention may be configured to use a camera as a sensor and estimate the position and motion of an object based on an image of the object obtained from the camera. Further, the present invention detects that an object is slipping on the robot hand based on a signal output from the force sensor, and in the simulation, when particles colliding with the robot hand move along the surface of the robot hand. You may comprise so that it may simulate as what is sliding on the robot hand. In the present invention, the robot hand has a robot arm attached to the tip, and impedance control is performed to operate the robot arm so as to absorb the impact of the collision when the collision of the object with the robot hand is detected. It may be configured.

また本発明は、ロボットハンドの表面を複数のセグメントから構成されるものとして定義したときの粒子がどの前記セグメントと接触したかを接触モードが表わし、ロボットハンドによって捕獲可能な閉鎖可能領域に対応する接触モードはロボットハンドの閉鎖可能領域に面するセグメントに対応するものであるように構成してもよい。また本発明は、接触モード推定装置の各手段によって実施されるステップからなる接触モード推定方法として把握することができる。また本発明は、接触モード推定装置をコンピュータに実現させるプログラムや、接触モード推定方法をコンピュータに実行させるプログラムとして把握することができ、また、そのようなプログラムを記憶したコンピュータ読取可能記録媒体として把握することもできる。   In the present invention, when the surface of the robot hand is defined as being composed of a plurality of segments, the contact mode indicates which segment the particle contacts with, and corresponds to a closeable region that can be captured by the robot hand. The contact mode may be configured to correspond to a segment facing the closeable region of the robot hand. Moreover, this invention can be grasped | ascertained as the contact mode estimation method which consists of a step implemented by each means of a contact mode estimation apparatus. In addition, the present invention can be understood as a program for causing a computer to implement the contact mode estimation device and a program for causing the computer to execute the contact mode estimation method, and as a computer-readable recording medium storing such a program. You can also

本発明は、接近する物体を捕獲するために、力覚センサから出力される信号に基づき物体がロボットハンドに衝突したことを検出し、物体のロボットハンドへの衝突を検出したことに応答して、粒子フィルタを実行して粒子の状態の更新及び粒子の評価を行うことにより、ロボットハンドの把持部の閉鎖によって物体を捕獲可能なタイミングを判断するという構成を有するため、力覚センサからの出力のみに基づいて、ロボットハンドを閉鎖するタイミングをリアルタイムに推定することができるという効果を有する。また本発明は、ロボットハンドの把持部の閉鎖によって物体を捕獲可能なタイミングを判断する際に、粒子フィルタを実行することによって、粒子の物体の実際の衝突時間との時間差に基づいて重みを求め、それぞれの粒子を衝突位置に移送し、ロボットハンドとの接触モードを求め、正規化後にリサンプリングすることによって粒子の状態の更新を実行し、ロボットハンドによって捕獲可能な閉鎖可能領域に対応する接触モードを経験した粒子の重みの合計が所定値以上になるまでシミュレーションと粒子の状態の更新の処理を反復させ、粒子の重みの合計が所定値以上のときにロボットハンドの把持部を閉鎖するタイミングと評価するように構成すると、計算量を減少させた粒子フィルタを使用しながらも、確実に物体がロボットハンドによって捕獲されるタイミングをリアルタイムに推定することができるという効果を有する。   In order to capture an approaching object, the present invention detects that the object has collided with the robot hand based on a signal output from the force sensor, and in response to detecting the collision of the object with the robot hand. Since it has a configuration in which the particle filter is executed to update the particle state and the particle is evaluated to determine when the object can be captured by closing the grip part of the robot hand, the output from the force sensor Based on this, it is possible to estimate the timing for closing the robot hand in real time. Further, the present invention obtains a weight based on the time difference from the actual collision time of the particle object by executing a particle filter when determining the timing at which the object can be captured by closing the grip part of the robot hand. , Each particle is transferred to the collision position, the contact mode with the robot hand is determined, the particle state is updated by re-sampling after normalization, and the contact corresponding to the closable area that can be captured by the robot hand Timing of closing the robot hand grip when the total particle weight exceeds the specified value by repeating the simulation and particle state update process until the total weight of the particles experiencing the mode exceeds the specified value When using a particle filter with a reduced calculation amount, the object is surely placed in the robot hand. Thus an effect that it is possible to estimate the timing of captured in real time.

また本発明は、物体の衝突前の位置を捕捉するためのセンサから得られた情報に基づき物体の位置及び運動を推定し、その推定値に基づき複数の粒子を発生させるように構成すると、物体の衝突直前の実際の状態に基づいて粒子を発生させ、正確な推定ができるという効果を有する。また本発明は、センサとしてカメラを使用するように構成すると、カメラと画像処理装置によって、簡便かつ高精度に物体の位置などを推定できるという効果を有する。また本発明は、力覚センサから出力される信号に基づき、物体がロボットハンド上で滑っていることを検出し、シミュレーションにおいて、ロボットハンドに衝突した粒子がロボットハンドの表面に沿って動く場合にロボットハンド上で滑っているものとしてシミュレーションするように構成すると、物体が弾性衝突だけでなく滑りを生じた際にも、粒子フィルタで正確にシミュレーションできるという効果を有する。滑りは、インピーダンス制御を行った場合に発生しやすく、滑りの検出による更新処理のトリガは、特にインピーダンス制御に適している。また本発明は、ロボットハンドが先端に取り付けられたロボットアームを有し、衝突の衝撃を吸収するようにロボットアームを動作させるインピーダンス制御を行うように構成すると、衝撃を吸収することによって確実に対象物体の捕獲を行うことができるという効果を有する。   Further, the present invention estimates the position and motion of an object based on information obtained from a sensor for capturing the position of the object before the collision, and generates a plurality of particles based on the estimated value. Particles are generated on the basis of the actual state immediately before the collision, and accurate estimation can be performed. Further, according to the present invention, when the camera is used as the sensor, the position of the object can be estimated easily and with high accuracy by the camera and the image processing apparatus. Further, the present invention detects that an object is slipping on the robot hand based on a signal output from the force sensor, and in the simulation, when particles colliding with the robot hand move along the surface of the robot hand. If the simulation is performed on the assumption that the robot is slipping on the robot hand, it is possible to perform an accurate simulation with the particle filter when the object slips as well as the elastic collision. Slip is likely to occur when impedance control is performed, and a trigger for update processing by detecting slip is particularly suitable for impedance control. Further, according to the present invention, when the robot hand has a robot arm attached to the tip and is configured to perform impedance control for operating the robot arm so as to absorb the impact of the collision, the object can be reliably obtained by absorbing the impact. It has an effect that an object can be captured.

また本発明は、ロボットハンドの表面を複数のセグメントに分割し、粒子がどのセグメントと接触したかを接触モードが表わし、閉鎖可能領域に対応する接触モードは閉鎖可能領域に面するセグメントに対応するものであるように構成すると、接触モードの推定により確実に物体が閉鎖可能領域にあることを推定できるという効果を有する。   The present invention also divides the surface of the robot hand into a plurality of segments, the contact mode indicates which segment the particle contacts, and the contact mode corresponding to the closeable region corresponds to the segment facing the closeable region. If it is configured to be a thing, it has an effect that it can be reliably estimated that the object is in the closeable region by estimating the contact mode.

本発明の実施形態に係る接触モード推定装置100の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the contact mode estimation apparatus 100 which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る接触モード推定装置100に接続されるロボットハンド200の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the robot hand 200 connected to the contact mode estimation apparatus 100 which concerns on embodiment of this invention. ロボットハンドの位置セグメントと接触モードとの関係を表わす図である。It is a figure showing the relationship between the position segment of a robot hand, and a contact mode. 衝突トリガフィルタを用いた粒子フィルタに基づく接触モード推定アルゴリズムを示す図である。It is a figure which shows the contact mode estimation algorithm based on the particle | grain filter using a collision trigger filter. 剛体の衝突の際の力学的な関係を示す図である。It is a figure which shows the dynamic relationship at the time of the collision of a rigid body. ロボットハンドのセグメントに対応する接触モードを表わす図である。It is a figure showing the contact mode corresponding to the segment of a robot hand. 接触モード推定装置の動作を示すフロー図である。It is a flowchart which shows operation | movement of a contact mode estimation apparatus. 物体捕獲までの一連のステップを表わす図である。It is a figure showing a series of steps until object capture. 物体の衝突時の挙動(インピーダンス制御時の滑りを含む)を説明する図である。It is a figure explaining the behavior at the time of an object collision (including slip at the time of impedance control). 物体の衝突時の挙動(弾性衝突と滑り)を説明する図である。It is a figure explaining the behavior (elastic collision and slip) at the time of collision of an object. 滑りモードに入る予測アルゴリズムを示す図である。It is a figure which shows the prediction algorithm which enters slip mode. 法線方向の力覚センサの出力の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the output of the force sensor of a normal direction. 法線方向の力覚センサの出力の例(滑り中の衝突を含む)を示す図である。It is a figure which shows the example (including the collision in a slip) of the output of the force sensor of a normal direction. インピーダンス制御下で対処できる全ての接触モードの推定アルゴリズムを示す図である。It is a figure which shows the estimation algorithm of all the contact modes which can cope under impedance control. 座標系を示す図である。It is a figure which shows a coordinate system. 初期の粒子に加えるノイズを表わす図である。It is a figure showing the noise added to an initial particle. インピーダンス制御なしの場合の衝突特性のサンプリングのプロファイルを示す図である。It is a figure which shows the sampling profile of the collision characteristic in the case of no impedance control. インピーダンス制御なしの場合の実験によって得られたCCMEの基本性能を表わす図である。It is a figure showing the basic performance of CCME obtained by experiment in the case of no impedance control. 接触モード推定の推移を表わす図である。It is a figure showing transition of contact mode estimation. ノイズと成功率の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between noise and a success rate. インピーダンス制御ありの場合の衝突特性のサンプリングのプロファイルを示す図である。It is a figure which shows the profile of the sampling of the collision characteristic in the case with impedance control. インピーダンス制御ありの場合の滑りトリガフィルタを用いた実験によって得られたCCMEの基本性能を表わす図である。It is a figure showing the basic performance of CCME obtained by the experiment using the slip trigger filter in the case of impedance control. 滑りトリガフィルタを用いた接触モード推定の推移を表わす図である。It is a figure showing transition of contact mode estimation using a slip trigger filter. 滑りトリガフィルタを用いた接触モード推定の推移を表わす図である。It is a figure showing transition of contact mode estimation using a slip trigger filter. 滑りトリガフィルタを用いた接触モード推定の推移を表わす図である。It is a figure showing transition of contact mode estimation using a slip trigger filter. 滑りトリガフィルタを用いない接触モード推定の推移を表わす図である。It is a figure showing transition of contact mode estimation which does not use a slip trigger filter. 滑りトリガフィルタを用いない接触モード推定の推移を表わす図である。It is a figure showing transition of contact mode estimation which does not use a slip trigger filter.

(接触モード推定装置100の構成)
これから、本発明の実施形態に係る接触モード推定装置100の説明を行う。ただし本発明は以下に説明する具体的態様に限定されるわけではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の態様を取り得る。また、接触モード推定装置100の構成も、図に示されるものに限らず同様の動作が可能である限り任意の構成を取ることができる。例えば複数の構成要素が実行する動作を単独の構成要素により実行してもよいし、あるいは情報処理ユニットの機能を複数のユニットに分散する等、単独の構成要素が実行する動作を複数の構成要素により実行してもよい。また、接触モード推定装置100のメモリ内に記憶される各種データは、それとは別の場所に記憶されていてもよいし、メモリに記録される情報も、1種類の情報を複数の種類に分散して記憶してもよいし、複数の種類の情報を1種類にまとめて記憶してもよい。まず、接触モード推定装置100の構成について説明する。図1は、本発明の実施形態に係る接触モード推定装置100の構成を示すブロック図である。接触モード推定装置100は、大きく、情報処理ユニット110、コントローラ121、インターフェイス131から構成される。接触モード推定装置100は、モータ122、力覚センサ132、画像処理ユニット141と接続されている。情報処理ユニット110は、プロセッサ、一時メモリ(RAM)等から構成されて各種の演算やフロー制御を行う主演算回路110cと、メモリ(図示せず)とを含み、メモリには、接触モード推定プログラム110pのようなプログラムが記憶される。メモリは、具体的には、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリとすると好適であるが、HDDなどを使用することも可能である。
(Configuration of contact mode estimation apparatus 100)
Now, the contact mode estimation apparatus 100 according to the embodiment of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the specific modes described below, and can take various modes within the scope of the technical idea of the present invention. Further, the configuration of the contact mode estimation device 100 is not limited to that shown in the figure, and any configuration can be adopted as long as a similar operation is possible. For example, operations performed by a plurality of components may be performed by a single component, or operations performed by a single component, such as distributing the functions of an information processing unit to a plurality of units. May be executed. Further, various data stored in the memory of the contact mode estimation apparatus 100 may be stored in a different location, and information recorded in the memory is also distributed to a plurality of types of one type of information. May be stored, or a plurality of types of information may be stored in one type. First, the configuration of the contact mode estimation apparatus 100 will be described. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a contact mode estimation apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. The contact mode estimation apparatus 100 is largely composed of an information processing unit 110, a controller 121, and an interface 131. The contact mode estimation apparatus 100 is connected to the motor 122, the force sensor 132, and the image processing unit 141. The information processing unit 110 includes a processor, a temporary memory (RAM), and the like, and includes a main arithmetic circuit 110c that performs various calculations and flow control, and a memory (not shown). The memory includes a contact mode estimation program. A program such as 110p is stored. Specifically, the memory is preferably a nonvolatile memory such as a flash memory, but an HDD or the like can also be used.

コントローラ121は、ロボットハンド200の開閉を制御するモータ122を制御する構成であり、情報処理ユニット110からの指令に基づいて、ロボットハンド200を閉鎖したり開放したりする信号をモータ122に伝達する。インターフェイス131は、情報処理ユニット110と、その外部の構成との間で信号の送受信ができるように信号の形態を変換することにより、それらを電気的に接続する構成であり、具体的には、インターフェイス用のICなどである。インターフェイス131は、力覚センサ132、画像処理ユニット141と接続されており、力覚センサ132や画像処理ユニット141からの信号を適切な形式に変換して情報処理ユニット110に伝達する。なお、説明の都合上、図面においてインターフェイスは1つの構成として記載しているが、接続対象の構成の種類によっては、別々のインターフェイスを使用することもあるし、インターフェイス131が不要な場合もある。   The controller 121 is configured to control a motor 122 that controls opening and closing of the robot hand 200, and transmits a signal for closing and opening the robot hand 200 to the motor 122 based on a command from the information processing unit 110. . The interface 131 is a configuration that electrically connects the information processing unit 110 and the external configuration by converting the signal form so that the signal can be transmitted and received. Specifically, IC for interface. The interface 131 is connected to the force sensor 132 and the image processing unit 141, converts signals from the force sensor 132 and the image processing unit 141 into an appropriate format, and transmits them to the information processing unit 110. For convenience of explanation, the interface is described as one configuration in the drawing. However, depending on the type of configuration to be connected, a different interface may be used or the interface 131 may not be necessary.

画像処理ユニット141は、カメラ142から取得した一連の画像データに基づき、画像を認識して、画像中の物体の位置決定、種別判別、計測などを行う構成であり、典型的には、プロセッサ、一時メモリ、プログラムを記憶したROM等から構成されて画像処理を行うユニットである。画像処理ユニット141はカメラ142と組み合わされてマシンビジョンシステムを構成する。画像処理ユニット141は、取得した一連の画像データに基づき、捕獲されるべき対象物体の位置や速度を特定して、それを表わすデータを接触モード推定装置100に出力する。カメラ142は、衛星300のロボットハンド200の前方の映像を撮影するためのカメラである。カメラ142は、それの撮影範囲の一連の画像のデータを取得する。取得した画像データは、画像処理ユニット141によって処理され、画像に写った対象物体が認識される。   The image processing unit 141 is configured to recognize an image based on a series of image data acquired from the camera 142 and perform position determination, type determination, measurement, and the like of an object in the image. This unit is composed of a temporary memory, a ROM storing programs, and the like, and performs image processing. The image processing unit 141 is combined with the camera 142 to constitute a machine vision system. The image processing unit 141 specifies the position and speed of the target object to be captured based on the series of acquired image data, and outputs data representing the target object to the contact mode estimation apparatus 100. The camera 142 is a camera for capturing an image in front of the robot hand 200 of the satellite 300. The camera 142 acquires data of a series of images in the shooting range. The acquired image data is processed by the image processing unit 141, and the target object shown in the image is recognized.

図2は、本発明の実施形態に係る接触モード推定装置100に接続されるロボットハンド200の構成を示す図である。ロボットハンド200は、スペースデブリなどの対象物体を把持するための構成であり、典型的には、ベース201の先に1対の把持部202を有するグリッパー機構である。把持部202は、物体を挟むための棒状の部分であり、少なくとも物体を把持するときには内側向きに傾斜した状態となると好適である。1対の把持部202の間の距離を縮めることにより、それらに挟まれた閉鎖領域を形成し、その中に存在する物体を把持することができる。把持部202は、ロボットハンド200のベース201と一体に形成されており、1対の把持部202とベース201とを内側に平行移動することにより、閉鎖領域を形成するように構成することができる。ここで閉鎖領域とは把持部202が閉鎖したときの領域であり、ここに物体が捕獲される。なお、把持部202が閉鎖したときに物体を捕獲できる領域を閉鎖可能領域と呼ぶ。また、把持部202はベース201に対して旋回可能に取り付けられることもでき、この場合、1対の把持部202を内側に旋回させることによって閉鎖領域を形成する。また、ロボットハンド200は、把持部202の開く量(角度あるいは距離)を調整するためのモータ122などの動力源に機械的に接続されており、そのモータを制御することにより、把持部202を閉じたり開いたりすることができる。ロボットハンド200の内側の形状は、その最奥部である底部203が、ロボットハンド200の開口部から見て、中心付近が凹部となっていると好適である。例えば、底部203は、直角に近い頂角を有する2つの等辺から形成されるものとすることができる。このような形状であると、対象物体がロボットハンド200の入口の開口部から閉鎖可能領域内に入ってきたときに、それが底部203の左右いずれかの辺に衝突すると、対象物体の運動方向を約90度変えて中心方向に跳ね返すことになって複数回の衝突が発生し易くなり、対象物体を閉鎖可能領域内に留めておくことが容易になる。   FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the robot hand 200 connected to the contact mode estimation apparatus 100 according to the embodiment of the present invention. The robot hand 200 is configured to grip a target object such as space debris, and is typically a gripper mechanism having a pair of grip portions 202 at the tip of a base 201. The gripper 202 is a rod-shaped part for sandwiching an object, and it is preferable that the gripper 202 is inclined inward when at least the object is gripped. By reducing the distance between the pair of gripping portions 202, a closed region sandwiched between them can be formed, and an object existing therein can be gripped. The gripper 202 is formed integrally with the base 201 of the robot hand 200, and can be configured to form a closed region by translating the pair of grippers 202 and the base 201 inward. . Here, the closed region is a region when the gripper 202 is closed, and an object is captured here. A region where an object can be captured when the gripper 202 is closed is referred to as a closeable region. The grip 202 can also be pivotably attached to the base 201. In this case, the closed region is formed by turning the pair of grips 202 inward. The robot hand 200 is mechanically connected to a power source such as a motor 122 for adjusting the opening amount (angle or distance) of the gripper 202, and the gripper 202 is controlled by controlling the motor. Can be closed or opened. As for the inner shape of the robot hand 200, it is preferable that the bottom 203, which is the innermost part, is a concave portion near the center when viewed from the opening of the robot hand 200. For example, the bottom 203 can be formed from two equal sides having apex angles close to a right angle. With such a shape, when the target object enters the closeable region from the opening at the entrance of the robot hand 200, if it collides with either the left or right side of the bottom 203, the direction of movement of the target object Is changed by about 90 degrees and bounces back toward the center, so that multiple collisions are likely to occur, and it is easy to keep the target object in the closeable region.

ロボットハンド200の後端には、力覚センサ132が取り付けられており、力覚センサ132は、さらにロボットアーム250の先端に取り付けられている。力覚センサ132は、フォーストルクセンサともいい、加えられた力成分やモーメント成分を示す信号を出力するセンサである。ロボットハンド200に物体が衝突や接触すると力覚センサ132からそれに対応する信号が出力される。この信号により、対象物体がロボットハンド200に衝突したり、その上で滑っていることを検出することができる。ロボットアーム250は、モータなどの動力源により角度などを調節可能な関節を1つ以上有しており、そのモータを制御することにより、その先端を所望の位置及び方向に置くことができるような自由度を与える構成である。ロボットアーム250は、その基部が衛星300(図示せず)に取り付けられており、ロボットハンド200の衛星300からの距離や方位を変えることができるようになっている。衛星300は、典型的にはチェイサー衛星であり、スペースデブリに接近するように宇宙空間を移動させることが可能である。接触モード推定装置100は、電子装置であるため、好適には衛星300の内部に収容される。接触モード推定装置100は、モータ122への制御ラインや力覚センサ132からの信号ラインなどと接続されている。   A force sensor 132 is attached to the rear end of the robot hand 200, and the force sensor 132 is further attached to the tip of the robot arm 250. The force sensor 132 is also called a force torque sensor, and is a sensor that outputs a signal indicating an applied force component or moment component. When an object collides with or comes into contact with the robot hand 200, a corresponding signal is output from the force sensor 132. With this signal, it can be detected that the target object has collided with the robot hand 200 or is sliding on it. The robot arm 250 has one or more joints, the angle of which can be adjusted by a power source such as a motor, and the tip of the robot arm 250 can be placed in a desired position and direction by controlling the motor. This is a configuration that gives a degree of freedom. The base of the robot arm 250 is attached to a satellite 300 (not shown), and the distance and direction of the robot hand 200 from the satellite 300 can be changed. The satellite 300 is typically a chaser satellite, and can move in outer space so as to approach the space debris. Since the contact mode estimation device 100 is an electronic device, it is preferably housed inside the satellite 300. The contact mode estimation device 100 is connected to a control line to the motor 122, a signal line from the force sensor 132, and the like.

以下の実施形態では、捕獲する対象物体は自由飛行するスペースデブリであり、ロボットハンド200はロボットアーム250を介して衛星300に取り付けられているが、本発明は、そのような宇宙のアプリケーション以外の目的であっても、3次元において自由飛行あるいは2次元において自由移動する物体を、ロボットハンドのようなグリッパー機構で捕獲するものに適用することができる。この場合、対象物体は、宇宙空間に限られず、空気中や、水中などに存在するものでも構わない。対象物体が空気中や水中の場合は、空気や水の抵抗をシミュレーションにおいて考慮すればいい。   In the following embodiment, the target object to be captured is free-flying space debris, and the robot hand 200 is attached to the satellite 300 via the robot arm 250, but the present invention is not limited to such space applications. Even for the purpose, it can be applied to an object that captures a free flight in three dimensions or an object that freely moves in two dimensions by a gripper mechanism such as a robot hand. In this case, the target object is not limited to outer space, and may be an object existing in the air or in water. When the target object is in the air or underwater, the resistance of air or water may be considered in the simulation.

(接触モード推定装置100の動作−インピーダンス制御なし)
次に接触モード推定装置100の動作について説明する。接触モード推定は、接触モード推定プログラム110pが主演算回路110cに読み込まれて実施されることによって、実行される。対象物体の衝突時にロボットハンド200を動かして衝撃を緩和させる動作をインピーダンス制御と呼ぶが、そのようなインピーダンス制御を行わず、対象物体の衝突時にロボットハンド200は衛星300に対して固定されている実施形態について説明する。
(Operation of contact mode estimation apparatus 100-without impedance control)
Next, operation | movement of the contact mode estimation apparatus 100 is demonstrated. The contact mode estimation is executed by reading the contact mode estimation program 110p into the main arithmetic circuit 110c and executing it. The action of moving the robot hand 200 when the target object collides to alleviate the impact is called impedance control, but such impedance control is not performed, and the robot hand 200 is fixed to the satellite 300 when the target object collides. Embodiments will be described.

本発明は、移動する典型的には剛体である対象物体を捕獲するための力覚センサのみを用いたリアルタイムの衝突ベースの接触モード推定を提案するものである。接触モードとは、対象物体の閉鎖を確立して捕獲するためにロボットハンド200を閉じるための信号を生成するタイミングを決定するために定義されたものであり、対象物体がロボットハンド200に対してどのように接触しているのかを示すものである。本発明では、粒子フィルタの手法を用い、最小限の計算量で接触モードを決定するために「衝突トリガフィルタ」と呼ぶ、対象物体がロボットハンド200に衝突したことによって主な計算がトリガされる手法や、「衝突トリガフィルタ」に加えて「滑りトリガフィルタ」を使用した手法を採用した。対象物体の位置や運動の予測には、Brachの衝突モデルを使用する。これは、計算上軽量であり、3つの衝突特性のパラメータを用いて衝突事象を表現することが可能であるため、剛体の衝突モデルベースのシミュレーションに適している。また、粒子フィルタはその3つの衝突特性のパラメータを変化させてサンプリングを行うことによって、予測しにくい衝突事象を種々のパターンで表現することが可能である。これによって、衝突事象を正確にシミュレーションできる。これから説明する本発明の方法では、合理的な計算資源(平均で3.9ミリ秒、最悪で6.1ミリ秒の計算時間)を使用して、対象物体の捕獲の100%の成功率を達成することができた、という効果が得られた。   The present invention proposes real-time collision-based contact mode estimation using only a force sensor to capture a moving target object, typically a rigid body. The contact mode is defined to determine the timing for generating a signal for closing the robot hand 200 in order to establish and capture the closure of the target object. It shows how they are touching. In the present invention, the main calculation is triggered by the collision of the target object with the robot hand 200, which is called a “collision trigger filter” in order to determine the contact mode with a minimum amount of calculation using the particle filter method. In addition to the method and “collision trigger filter”, a method using a “slip trigger filter” was adopted. Brach's collision model is used to predict the position and motion of the target object. This is computationally lightweight, and can express a collision event using parameters of three collision characteristics, and thus is suitable for a rigid collision model-based simulation. In addition, the particle filter performs sampling by changing parameters of the three collision characteristics, so that it is possible to express collision events that are difficult to predict in various patterns. As a result, the collision event can be accurately simulated. The method of the present invention to be described uses a reasonable computational resource (average 3.9 milliseconds, worst case 6.1 milliseconds) to achieve a 100% success rate of target capture. The effect that it was able to be achieved was obtained.

(粒子フィルタによる接触モードの推定)
本発明は、まず、統計的な推定方法として粒子フィルタを使用するものである。粒子フィルタとは、直感的に説明すれば、隠れた対象の状態など(本発明では、直接観測できない位置)を確実に得られる観測値(本発明では力覚センサの出力)から推定するために、複数(本発明では、数百個程度)の粒子のデータを初期状態で発生させた後、シミュレーションによってステップ的に物理法則等に従って各粒子の状態を変化させつつ、観測値に基づいて各粒子に重み(確率)を与え、さらにその重みに応じて各粒子の状態(位置)を変化させて粒子の分布密度が確率を表わし続けるようにした後、前述のステップ的なシミュレーションからプロセスを反復させることによって、粒子の分布密度により隠れた対象の状態(位置)を推定する数学的手法である。これから、まず、接触モードを定義した後、ベイズフィルタリングの表現から導かれる粒子フィルタを用いた接触モード推定の数学的基礎について説明する。以下に説明するアルゴリズムが、接触モード推定プログラム110pが主演算回路110cによって実行されることによって、接触モード推定装置100による接触モード推定の機能が実施される。
(Estimation of contact mode by particle filter)
The present invention first uses a particle filter as a statistical estimation method. Intuitively speaking, a particle filter is used to estimate the state of a hidden object (a position that cannot be directly observed in the present invention) from an observed value (output of a force sensor in the present invention) that can be reliably obtained. After generating data of a plurality of particles (about several hundred in the present invention) in the initial state, each particle is changed based on the observation value while changing the state of each particle step by step according to a physical law or the like by simulation. Is given a weight (probability), and the state (position) of each particle is changed in accordance with the weight so that the distribution density of the particles continues to represent the probability, and then the process is repeated from the stepwise simulation described above. This is a mathematical method for estimating the state (position) of an object hidden by the distribution density of particles. From now on, after defining the contact mode, the mathematical basis of the contact mode estimation using the particle filter derived from the expression of Bayesian filtering will be described. The contact mode estimation function by the contact mode estimation apparatus 100 is implemented by executing the contact mode estimation program 110p by the main arithmetic circuit 110c in the algorithm described below.

(接触モードの定義)
対象物体の捕獲のためには、捕獲フェーズにおいて、ロボットハンド200のような把持により捕獲を行う構造との間で、その対象物体がどのように接触しているか(あるいは、接触していないか)という情報が必要になる。そのような情報を、接触モードと呼ぶことにする。確実に対象物体の捕獲を行うためには、把持に先立って対象物体の周りに幾何学的な物体包囲を形成することが必要である。一旦、ロボットハンドが物体を包囲した状態で閉じることによって物体閉鎖が成立すると、ロボットハンドは対象物体を取り逃がすことなく、捕獲に成功することになる。これが、捕獲の具体的な要件である。そのときに要求される動作としては、第1に、対象物体がロボットハンドの閉鎖可能領域に入る前に、ロボットハンド200が開いた状態でなければならない。第2に、対象物体が閉鎖可能領域に入ったときには、すぐにロボットハンド200を閉鎖して閉鎖の形状を確立しなければならない。そして、第1のステップから第2のステップに進むためには、対象物体が物体閉鎖領域に入ったことを検出することが必要である。これが本発明の接触モード推定の目標である。そのために、接触モード推定アルゴリズムは、対象物体が閉鎖可能領域に入ったことを検出するために、対象物体の位置(すなわち、対象物体がロボットハンド200の近くにあるか、内部にあるか、など)を推定しなければならない。
(Definition of contact mode)
In order to capture the target object, in the capture phase, how the target object is in contact (or is not in contact) with a structure that captures by gripping, such as the robot hand 200. This information is necessary. Such information is called a contact mode. In order to reliably capture the target object, it is necessary to form a geometric object surrounding around the target object prior to grasping. Once the object is closed by closing the robot hand in a state of surrounding the object, the robot hand succeeds in capturing without missing the target object. This is a specific requirement for capture. First, as the operation required at that time, the robot hand 200 must be opened before the target object enters the closeable region of the robot hand. Second, when the target object enters the closeable region, the robot hand 200 must be closed immediately to establish the closed shape. In order to proceed from the first step to the second step, it is necessary to detect that the target object has entered the object closed region. This is the goal of the contact mode estimation of the present invention. For this reason, the contact mode estimation algorithm detects the position of the target object (ie, whether the target object is near or inside the robot hand 200, etc.) in order to detect that the target object has entered the closeable region. ) Must be estimated.

本発明における接触モードとしては、まず、(1)接触なし、(2)閉鎖準備完了の状態(ready-to-close, rtc)、および(3)閉鎖可能でない箇所との接触がある状態、の3つのカテゴリが区別できる必要がある。図3は、ロボットハンドの位置セグメントと接触モードとの関係を表わす図である。図3には、ロボットハンド200Aが示されている。このロボットハンド200Aは、把持部がベースに対して旋回することによって閉鎖領域を作る構造を有するものである。このような形状であれば、把持部が閉じていない初期状態では、底部に物体が接触したときには閉鎖準備完了の状態であるが、それ以外の部分、例えば把持部に物体が接触したときには閉鎖可能の状態ではない。このように、図3で、破線で示した箇所は閉鎖準備完了となる部分であり、1点鎖線で示した箇所は閉鎖可能ではない部分である。そして、閉鎖準備完了となる部分を1つの位置セグメントとして扱ってもいいし、それを複数の位置セグメントに分割して扱ってもよい。閉鎖可能ではない部分についても同様である。このように、ロボットハンド200Aを複数の位置セグメントに分割し、そのそれぞれが閉鎖可能ではない部分か閉鎖準備完了の部分のいずれかに属するようにする。接触モードは、対象物体が、どの位置セグメントに衝突したのかということによって定義される。そして、対象物体が、閉鎖可能領域に対応している(典型的には、閉鎖可能領域に面している)接触モードにあるかどうかで(あるいは、対象物体がそのような接触モードにある確率が相当程度高いか否かで)、対象物体が閉鎖可能領域にあるかどうかが判断される。こうすることによって、閉鎖準備完了の位置セグメントに物体が衝突したときは「(2)閉鎖準備完了の状態」になったと判断し、閉鎖可能ではない位置セグメントに物体が衝突したときは「(3)閉鎖可能でない箇所との接触がある状態」と判断することが可能となる。そして、粒子フィルタによって、対象物体が閉鎖準備完了の位置セグメントに所定の確率以上で衝突した(すなわち、閉鎖準備完了に対応する接触モードに所定の確率以上で入った)と推定されたときに閉鎖準備完了となったと判断し、ロボットハンド200に閉鎖する指示を出すことによって、その対象物体を確実に捕獲することが可能となる。   As the contact mode in the present invention, first, (1) no contact, (2) ready-to-close (rtc), and (3) contact with a non-closable part, It is necessary to distinguish three categories. FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between the position segment of the robot hand and the contact mode. FIG. 3 shows a robot hand 200A. This robot hand 200 </ b> A has a structure in which a closed region is formed by a gripping part turning with respect to a base. With such a shape, in the initial state where the gripping part is not closed, the object is ready for closing when the object comes into contact with the bottom part, but can be closed when the object comes into contact with other parts, for example, the gripping part. It is not in the state. As described above, in FIG. 3, a portion indicated by a broken line is a portion where preparation for closing is completed, and a portion indicated by a one-dot chain line is a portion which cannot be closed. Then, a part that is ready for closing may be handled as one position segment, or may be divided into a plurality of position segments. The same applies to the part that cannot be closed. In this way, the robot hand 200A is divided into a plurality of position segments, each of which belongs to either a non-closable part or a ready-to-close part. The contact mode is defined by which position segment the target object collides with. Whether or not the target object is in a contact mode corresponding to the closeable region (typically facing the closeable region) (or the probability that the target object is in such a contact mode) Whether or not the target object is in the closable region. In this way, when an object collides with a position segment that is ready for closure, it is determined that “(2) the state is ready for closure”. When an object collides with a position segment that is not closeable, “(3 It is possible to determine that “there is a contact with a part that cannot be closed”. Then, the particle filter closes when it is estimated that the target object has collided with a position segment ready for closing with a predetermined probability (that is, the contact mode corresponding to the preparation for closing is entered with a predetermined probability). By determining that the preparation has been completed and instructing the robot hand 200 to close, the target object can be reliably captured.

あるロボットハンドにおいて、捕獲動作を実現するために接触モードを設定する際には、上記の3つのカテゴリを識別できれば、他の接触モード設定は自由に設定できる。そのような他の接触モードとしては、例えば、接触力学特性の差異や、ロボットハンド内での位置セグメントを使用することができる。また、衝突の形態(弾性衝突か滑りか)や衝突回数なども接触モードとして使用することも可能である。例として、ロボットハンド200の辺と頂点(接触モードの境界線が辺の中央にある場合も対処可能)のような位置で接触モードを定義することが考えられ、また、異なる材料特性を持った部位ごとに接触モードを定義することが考えられる。つまり、捕獲動作を実現するためには、ロボットハンド内での部位に対して、「(2)閉鎖準備完了の状態」と「(3)閉鎖可能でない状態」が接触モードにより明確に区別できれば、「(2)閉鎖準備完了の状態」または「(3)閉鎖可能でない状態」に追加的なモードを自由に設定することができる。   When a contact mode is set to realize a capture operation in a certain robot hand, other contact mode settings can be freely set as long as the above three categories can be identified. As such other contact modes, for example, a difference in contact dynamic characteristics or a position segment in the robot hand can be used. The collision mode (elastic collision or sliding), the number of collisions, and the like can also be used as the contact mode. As an example, it is conceivable to define the contact mode at a position such as the side and vertex of the robot hand 200 (which can be dealt with even when the boundary line of the contact mode is in the center of the side), and it has different material characteristics. It is conceivable to define a contact mode for each part. In other words, in order to realize the capture operation, if “(2) ready state for closing” and “(3) state that cannot be closed” can be clearly distinguished by the contact mode for the part in the robot hand, An additional mode can be freely set to "(2) state ready for closing" or "(3) state not closeable".

(粒子フィルタの数学的基礎)
これから、粒子フィルタによるシミュレーションによる物体の接触モード推定のための数学的な基礎について説明する。モデルベースのアプローチは、力学の連続的なパラメータを表すベクトルを用いた状態空間方程式(state-space equations)によるモデル化された状態推定のために一般的に使用されるが、粒子フィルタは、ハイブリッド(連続状態および離散モード)表現のシステムを含むモード推定のために一般的に使用されるものである。ベイジアンフィルタリング(Bayesian filtering)に基づくモード推定のために、事後確率(posterior)
を使用する。ここで、
は対象物体の連続状態(具体的には、位置情報)のシーケンスであり、
は離散接触モード(具体的には、ロボットハンド200のどのセグメントに接触しているか)のシーケンスであり、
はセンサ観測値(具体的には、力覚センサ132からの出力をサンプリングしたもの)の集合である。M個のユニークな離散接触モードでは、時刻tにおける接触モードは、
で表される。次に、状態の遷移は、
として表される。
連続状態xは、ロボットハンド内の位置情報なので、それを使用することによってロボットハンド内の部位が一意に特定できる。つまり、連続状態
から接触モード
を計算することができる。すなわち、それらから
を明示的に計算することができる(つまり、ロボットハンド200の外形の形状や位置は分かるため、粒子の位置xから接触モードdを直接求めることができるということである)。
(Mathematical basis of particle filter)
A mathematical basis for estimating the contact mode of an object by simulation using a particle filter will be described below. Model-based approaches are commonly used for modeled state estimation by state-space equations using vectors representing continuous parameters of mechanics, but particle filters are hybrid It is commonly used for mode estimation involving systems of representation (continuous and discrete modes). A posteriori probability (posterior) for mode estimation based on Bayesian filtering
Is used. here,
Is a sequence of the target object's continuous state (specifically, location information)
Is a sequence of discrete contact mode (specifically, which segment of the robot hand 200 is in contact),
Is a set of sensor observation values (specifically, a sample of the output from the force sensor 132). For M unique discrete contact modes, the contact mode at time t is
It is represented by Next, the state transition is
Represented as:
Since the continuous state x is position information in the robot hand, a site in the robot hand can be uniquely specified by using the continuous state x. That is, continuous state
To contact mode
Can be calculated. Ie from them
(That is, since the shape and position of the outer shape of the robot hand 200 are known, the contact mode d can be directly obtained from the particle position x).

(接触モード推定の導出)
接触モード推定を導出するために、粒子の動的な状態を表す動的システムは、まず、次のように表わされる。
ここで、ωはプロセスノイズまたは外乱、fは高い非線形も含むシステムの連続状態遷移関数(具体的には、直前の位置、接触モード、プロセスノイズから、非衝突時の空間の飛行の法則や、衝突時の式(14)〜(23)による弾性衝突の力学に従って、新しい位置を定める関数)、vは計測ノイズ、gは、本発明の目的のための衝突検出関数である接触モード決定関数(具体的には、位置から、その位置がロボットハンド200上にあるときの、ロボットハンドのセグメント化された位置を定める関数)、hは、やはり高度に非線形なシステムである可能性がある測定関数である。
(Derivation of contact mode estimation)
In order to derive a contact mode estimate, a dynamic system that represents the dynamic state of a particle is first represented as:
Where ω is process noise or disturbance, f is a continuous state transition function of the system including high nonlinearity (specifically, from the previous position, contact mode, process noise, the law of flight in the space at the time of non-collision, A function that determines a new position according to the dynamics of elastic collision according to the equations (14) to (23) at the time of collision), v is measurement noise, and g is a contact mode determination function (a collision detection function for the purposes of the present invention). Specifically, from the position, a function that determines the segmented position of the robot hand when the position is on the robot hand 200), h is a measurement function that may also be a highly nonlinear system It is.

本発明では、ベイジアンフィルタリングで事後確率分布計算の再帰的反復を行うために、一次のマルコフ定式化(first-ordered Markov formulation)を適用する。これ以降、簡便な表現で説明するために、連続状態xと離散モードdの両方を含むことができる、一般的状態sを適用する。すると、動きを推定するための式に関し、再帰的予測ステップはChapman-Kolmogorovの式を適用し、更新ステップはベイズの法則を適用することによって、それぞれ以下の式(4)、式(5)となる。
すなわち、式(4)で、状態st-1の元での状態stとなる確率を、時間t−1までのセンサ観測値が存在する元での1つ前の状態st-1となる確率をかけたものを状態st-1で積分することによって、時間t−1までのセンサ観測値が存在する元での状態stとなる確率(確率分布関数(probability distribution function))が求められる。式(5)で、式(4)で求めた確率に対して、時間tの状態stで時間tのセンサ観測値ztが得られる尤度(p(zt|st))をかけたものを、そのかけたもの自身を状態stで積分した正規化定数で除することによって、時間tまでのセンサ観測値が存在する元での状態stとなる確率(確率分布関数)が求められる。先に言及した通り、接触モードdtは、式(2)の予測された連続状態xtから計算できるので、以下の統計的因数分解(stochastic factorization)による読み替えを適用することができる。
それを式(1)、(2)に適用すると、式(4)、(5)は次のようになる。
In the present invention, a first-order Markov formulation is applied in order to perform recursive iteration of posterior probability distribution calculation by Bayesian filtering. Hereinafter, in order to explain in a simple expression, the general state s that can include both the continuous state x and the discrete mode d is applied. Then, the recursive prediction step applies the Chapman-Kolmogorov equation, and the update step applies Bayes's law to the equation for estimating the motion, and the following equations (4), (5) and Become.
That is, in equation (4), the probability that the state s t at state s t-1 of the original, the state s t-1 before one of the original sensor observations are present up to the time t-1 Is integrated in the state s t-1 to obtain the probability (probability distribution function) of the state s t in the presence of sensor observations up to time t-1. Desired. In equation (5), the probability (p (z t | s t )) that the sensor observation value z t at time t is obtained in the state st at time t is multiplied by the probability obtained by equation (4). and what, by dividing the normalization constant obtained by integrating itself obtained by multiplying the state s t, the probability that the state s t of the original to the presence of sensor observations up to the time t (probability distribution function) is Desired. As mentioned above, the contact mode d t can be calculated from the predicted continuous state x t of equation (2), so the following replacement by statistical factorization can be applied.
Applying it to equations (1) and (2), equations (4) and (5) are as follows.

接触モード推定に必要なベイジアンフィルタリングの事後確率分布は明示的には計算できないため、ベイジアンフィルタリングの近似解として、一般的に粒子フィルタが利用される。粒子フィルタは、(例えばカルマンフィルタと比較して)離散モードだけでなく、非線形プロセス、非ガウスノイズ、マルチモーダルケースに対処するためのベイジアン状態推定のための柔軟な理論的フレームワークを提供することができる。各粒子は、連続動的状態変数
および離散接触モード
を含む状態を表し、ここで、粒子のインデックスとしてのN個の粒子の中のnは、角括弧内に記載されている。次に、一組の粒子は
として表される。各粒子には、
との定義による、重み
と呼ばれる関連する確率質量(probability mass)があり、これを使用して、ベイジアンフィルタリングの確率分布は、デルタ関数を使用して、以下のように構成される。
これは、左辺のベイジアンフィルタリングの確率を、右辺の粒子フィルタの表現で表したものとも理解できる。ここで実際には、事後確率
は、マルコフ仮定(Markov assumption)を用いて再帰的に更新・維持されるものであるが、フィルタリングされた推定値
のみを与えて、
を次のように計算することが有用である。
ここで、
は、ユーザー定義の重要度密度(importance density)と呼ばれるものであり、十分に分散した状態から、予測によって適当な分散をさらに与えるものである。すなわち、式(10)は、時間t−1での重みに対して、時間tの位置xtが存在する元での時間tでの力覚センサの出力ztが得られる尤度を、時間t−1で粒子が位置xt-1に存在する元での時間tで粒子が位置xtが存在する確率にかけたもの(を重要度密度で除したもの)が時間tでの重みに比例することを表わすものである。
Since the posterior probability distribution of Bayesian filtering necessary for contact mode estimation cannot be explicitly calculated, a particle filter is generally used as an approximate solution for Bayesian filtering. Particle filters can provide a flexible theoretical framework for Bayesian state estimation to deal with non-linear processes, non-Gaussian noise, and multimodal cases as well as discrete modes (compared to Kalman filters, for example) it can. Each particle is a continuous dynamic state variable
And discrete contact modes
Where n in the N particles as a particle index is listed in square brackets. Next, a set of particles
Represented as: Each particle has
The weight, as defined by
There is an associated probability mass called, and using this, the probability distribution for Bayesian filtering is constructed as follows using a delta function:
This can also be understood as a representation of the probability of Bayesian filtering on the left side in terms of a particle filter on the right side. Here in fact, the posterior probability
Are recursively updated and maintained using the Markov assumption, but filtered estimates
Give only
It is useful to calculate
here,
Is called a user-defined importance density, and gives an appropriate distribution by prediction from a sufficiently distributed state. That is, the expression (10) indicates the likelihood that the output z t of the force sensor at the time t with the position x t at the time t is obtained with respect to the weight at the time t−1. proportional to the weight of those particles at time t in the original is subjected to the probability that there are position x t (a divided by severity density) at time t of the particles at t-1 is present at the position x t-1 Represents what to do.

(力覚センサによる衝突モデルによる接触モード推定)
これから、力覚センサのみを用いて剛体を捕獲するための新しいモデルに基づく推定を行う理論を説明する。物体閉鎖を作るため接触モードの推定のための2つの基本的な構成要素は、衝突トリガフィルタ(collision-triggered filter)を用いた粒子フィルタ(particle filter)と、剛体の計算可能でサンプリング可能な衝突モデルとを含むものである。
(Contact mode estimation by collision model with force sensor)
In the following, we will explain the theory of estimation based on a new model for capturing rigid bodies using only force sensors. Two basic components for contact mode estimation to create an object closure are a particle filter using a collision-triggered filter and a computable and sampleable collision of a rigid body. Model.

(衝突トリガフィルタ)
図4は、衝突トリガフィルタを用いた粒子フィルタに基づく接触モード推定アルゴリズムを示す図である。本発明で提案する衝突トリガフィルタでは、力覚センサによって衝突が検出されたときに、主な推定や評価の処理が行われる。一般的な粒子フィルタでは、頻繁に更新やリサンプリングが行われ、相当な計算資源が必要となる。それと比較して、本発明の方法では、更新およびリサンプリングの両方のステップは、衝突が検出されたときにトリガされるものであり、それにより計算量を大幅に削減することが可能である。アルゴリズムのそれぞれのラインにおける動作について、以下に説明する。
(Collision trigger filter)
FIG. 4 is a diagram illustrating a contact mode estimation algorithm based on a particle filter using a collision trigger filter. In the collision trigger filter proposed in the present invention, when a collision is detected by the force sensor, main estimation and evaluation processes are performed. In a general particle filter, updating and resampling are frequently performed, and considerable computational resources are required. In contrast, in the method of the present invention, both the update and resampling steps are triggered when a collision is detected, which can greatly reduce the amount of computation. The operation in each line of the algorithm will be described below.

ライン1では、キャプチャ前の事前知識によって与えられた並進と角度の両方の情報を用いて、粒子が発生させられて種々の位置と速度で初期化される。より具体的には、カメラ142のような外界センサによって、接近してくる捕獲対象の物体の相対位置推定を捕獲前の段階で行う。すなわち、カメラ142によって取得された連続的な画像に基づき画像処理ユニット141が対象物体を特定し、それの位置や速度をあらかじめ推定しておき、それを粒子の初期化に使用する。なお、カメラ以外のセンサを使用して対象物体の位置や速度を測定しておくことも可能である。その目的のためには、例えば、LIDAR(Light Detection and Ranging)のような測距計などを使用することができる。チェイサー(具体的には、自機である衛星300)と対象物体はいずれも剛体であるため、まず対象物体の重心位置をサンプリングし、その情報から、対象物体の被把持部の位置の変換行列を用いて計算を実行する必要がある。チェイサーも同様に重心の位置と速度、およびロボットハンド200の位置・速度を計算し、ロボットハンド200から、チェイサーの把持部への相対位置を計算する必要がある。予期される誤差は(平均および分散のパラメータを使用して)統計的にモデル化することができ、それはライン1の初期化段階で表現される。粒子フィルタの実施のために、初期状態誤差の大きさは、粒子の初期状態における分散の大きさを決定する。   In line 1, using both translational and angular information given by prior knowledge before capture, particles are generated and initialized at various positions and velocities. More specifically, the relative position of the approaching target object is estimated by an external sensor such as the camera 142 at the stage before capturing. That is, the image processing unit 141 identifies a target object based on continuous images acquired by the camera 142, estimates its position and velocity in advance, and uses it for particle initialization. It is also possible to measure the position and speed of the target object using a sensor other than the camera. For that purpose, for example, a distance meter such as LIDAR (Light Detection and Ranging) can be used. Since both the chaser (specifically, its own satellite 300) and the target object are rigid bodies, the position of the center of gravity of the target object is sampled first, and the conversion matrix of the position of the gripped portion of the target object is obtained from the information. It is necessary to perform calculation using. Similarly, the chaser needs to calculate the position and speed of the center of gravity and the position and speed of the robot hand 200, and calculate the relative position from the robot hand 200 to the gripper of the chaser. The expected error can be modeled statistically (using the mean and variance parameters), which is expressed in the line 1 initialization stage. For particle filter implementation, the magnitude of the initial state error determines the magnitude of the dispersion in the initial state of the particles.

ライン2は、ライン3からライン4までに存在するラインのステップを、nを1から粒子数Nまで変化させながら反復させるものである。ライン3は、位置情報である連続状態の予測である。粒子は、ロボットハンド200と衝突する前は、物理学の法則(例えば、空中での自由落下、軌道上ランデブードッキングにおける飛行)に従うことによって空間を単純に移動する。粒子がロボットハンド200のいずれかの位置などに衝突すると、「Brachのモデル」を用いて、衝突前の速度と、適切にサンプリングされた衝突パラメータとに基づいて、衝突後の速度が求められる。粒子の衝突では、ロボットハンド200の頂点または辺のどの部分(すなわち、どのセグメント)が、被把持部に衝突したかに応じて、それの接触モードを更新する(ライン4)。   Line 2 repeats the line steps existing from line 3 to line 4 while changing n from 1 to the number N of particles. Line 3 is a prediction of a continuous state that is position information. Before the particle collides with the robot hand 200, the particle simply moves in space by following the laws of physics (eg, free fall in the air, flight in orbital rendezvous docking). When the particle collides with any position of the robot hand 200 or the like, the velocity after the collision is obtained based on the velocity before the collision and the appropriately sampled collision parameters using the “Brac model”. In the collision of particles, the contact mode of the robot hand 200 is updated according to which part (that is, which segment) of the apex or side of the robot hand 200 collides with the gripped part (line 4).

力覚センサは、正確な力積(impulse)およびその方向を計算するにはノイズが多過ぎるが、衝突が起きたことによるパルス信号を確実に検出することはできる。衝突が検出された場合(ライン6)、衝突トリガフィルタが作動する。すなわち、力覚センサ132からの信号において、衝突に相当する大きさの信号が検出されたときに、衝突トリガフィルタを作動させる。ライン7は、ライン8からライン10までに存在するラインのステップを、nを1から粒子数Nまで変化させながら反復させるものである。ライン8の各粒子の観測モデルは、ここでは実際の衝突時間
と、対応するシミュレーションされた衝突時間
との間の時間差に基づいて以下のように評価する。
すなわち、シミュレーションされた衝突時間tcollが実際の衝突時間tcurに近い粒子ほど、その粒子の確率への寄与が大きくなり、重みが大きくなる。式(11)は式(10)に代入されて、各粒子の重みが計算される。
ここで、
は、ユーザによって定義された衝突時間差の分散であり、被把持部の運動の推定誤差および速度に依存するものである。各々がシミュレーションされている粒子群のなかで、対象物体の衝突時において、力覚センサ132によって検出された衝突に対応する衝突をすでに経験した粒子があり、これをケースAと呼ぶ。これらの粒子については、シミュレーションにおいてすでに発生した衝突における衝突時間を
として記録する。残りの粒子(ケースB。衝突をまだ経験していない粒子)については、シミュレーションされた衝突が発生するまで予測を前進させる必要がある。すなわち、ケースBの粒子については
は、その粒子が衝突するまでシミュレーションの時間ステップを進めることによって計算される。ライン9では、各々の粒子の位置情報である連続状態が衝突状態に移される。つまり、ケースAの粒子の場合は時間的に巻き戻し、ケースBの場合は時間的に前進させることによって、
で、粒子は衝突直前の状態の位置と速度を有するようにする。換言すれば、各粒子は、衝突位置(の直前)まで移送される。すなわち、力覚センサ132によって対象物体の実際の衝突が検出されたのであるから、それぞれの粒子も衝突位置に移動させ、実際の状態に対応させる。なお、ケースBであって、時間を相当程度進めても衝突しない粒子は、そもそも衝突の確率がほぼ存在しないものとして、重みをゼロにするなどの処理で消去すると好適である。なお、衝突時間差に基づき式(11)及び式(10)に従って重みが決定され、確率的な差異が粒子に与えられる。このようにして、移送された粒子の衝突は、次の反復での予測ステップ(ライン3)で異なる衝突パラメータでシミュレーションされる。このように、異なる衝突が、できるだけ少ない粒子数で効率よくシミュレーションされる。
と衝突
は、対応する衝突と共に記録される(ライン10)。粒子が衝突から離れるとすぐに、接触モード
は衝突がないことを示す。他方、衝突時の接触モードを記録した
を使用して閉鎖準備完了のための接触モード推定が後で行われる(ライン17)。ライン12は、通常の粒子フィルタで行うように、各々の粒子がライン8で得られた評価値が合計1になるように正規化するものである。ライン13は、通常の粒子フィルタで行うように、リサンプリングを行い、各々の粒子を確率の高い元の粒子の場所に置き換える。ライン15及び16は、長時間衝突していない古い粒子のサニティチェックであり、あまりに長い時間衝突が行われない粒子を除去するものである。除去する時間のためのしきい値は
の数倍にすると好適である。より具体的には、古い粒子については
であり、重みはアクティブな粒子に分散させられることになる。そして、ライン17で、閉鎖準備完了のタイミングは次のように求められる。
すなわち、式(12)で、接触モードmに対応する衝突を経験した粒子の重みwtの総計が1からNまでの粒子に対して計算され、式(13)で、閉鎖準備完了となる確率p(drtc)が、閉鎖準備完了となる接触モードdrtcに属する接触モードの重みが合計されて計算される。そして、確率p(drtc)が所定の確率以上(0.99、1.00など)になったことによって、閉鎖準備完了が判断される。ライン18で、時刻tを1ステップ進めてライン2に戻り(図4のt→t+1は、tを制御ループ周波数の1サイクルだけ進めることを表わす)、そこで、前述のシミュレーションと評価からなる制御ループを反復することになる。ここで、粒子フィルタは、制御ループに必要な状態を生成するため、各粒子が予測と評価のすべてのステップを通過しなくてはならないため、計算パワーを消費することで一般的によく知られている。さらに、推定のためにより大きい空間をカバーするためには、より多くの粒子が必要である。特に、力制御ループは、衝突現象が典型的にはわずか数ミリ秒しか持続しないため、1kHz程度の高い制御ループ周波数を必要とする。これらの事実により、リアルタイムの計算を実行させることは非常に困難であった。一方、本発明のアルゴリズムは、連続して状態推定を出力しないものであり、これにより計算の要件は大幅に緩和される。本発明のアルゴリズムは、捕獲操作に必要な、最小限の接触モードを推定するだけである。粒子の前進(ライン8のケースB)とリサンプリング後の衝突予測についてのみは、高い計算資源を消費する可能性があるが、両方とも、計算を減少させるために、実際の衝突が力覚センサ132によって検出されたときだけに計算される。
The force sensor is too noisy to calculate the exact impulse and its direction, but can reliably detect the pulse signal due to the occurrence of a collision. If a collision is detected (line 6), the collision trigger filter is activated. That is, when a signal having a magnitude corresponding to a collision is detected in the signal from the force sensor 132, the collision trigger filter is activated. Line 7 repeats the steps of the lines existing from line 8 to line 10 while changing n from 1 to the number N of particles. The observation model for each particle in line 8 is the actual collision time here.
And the corresponding simulated collision time
Based on the time difference between
That is, as the simulated collision time t coll is closer to the actual collision time t cur , the contribution to the probability of the particle increases and the weight increases. Equation (11) is substituted into Equation (10) to calculate the weight of each particle.
here,
Is the variance of the collision time difference defined by the user and depends on the estimation error and speed of the movement of the gripped part. Among the group of particles that are each simulated, there is a particle that has already experienced a collision corresponding to the collision detected by the force sensor 132 at the time of the collision of the target object. For these particles, the collision time in the collision that has already occurred in the simulation is calculated.
Record as. For the remaining particles (Case B. Particles that have not yet experienced a collision), the prediction needs to be advanced until a simulated collision occurs. That is, for case B particles
Is calculated by advancing the time step of the simulation until the particle collides. In line 9, the continuous state, which is the position information of each particle, is moved to the collision state. That is, by rewinding in the case of case A particles, by moving forward in the case of case B,
Thus, the particles have the same position and velocity immediately before the collision. In other words, each particle is transferred to (immediately before) the collision position. That is, since the actual collision of the target object is detected by the force sensor 132, each particle is also moved to the collision position, and is made to correspond to the actual state. In case B, particles that do not collide even if the time is advanced to some extent are preferably erased by a process such as setting the weight to zero, assuming that there is almost no probability of collision in the first place. The weight is determined according to the equations (11) and (10) based on the collision time difference, and a stochastic difference is given to the particles. In this way, the collision of the transferred particles is simulated with different collision parameters in the prediction step (line 3) in the next iteration. In this way, different collisions are efficiently simulated with as few particles as possible.
Collision
Is recorded with the corresponding collision (line 10). Contact mode as soon as the particle leaves the collision
Indicates no collision. On the other hand, the contact mode at the time of collision was recorded.
Is used later to estimate contact mode for closing preparation (line 17). Line 12 normalizes each particle so that the evaluation value obtained in line 8 is 1 in total, as in a normal particle filter. Line 13 performs resampling, as is done with a normal particle filter, replacing each particle with a probable original particle location. Lines 15 and 16 are sanity checks for old particles that have not collided for a long time, and remove particles that have not collided for too long. The threshold for the time to remove is
It is preferable to make it several times larger. More specifically, for old particles
And the weights will be distributed over the active particles. Then, on line 17, the timing of completion of closing preparation is obtained as follows.
That is, in equation (12), the total of the weights w t of the particles that have experienced a collision corresponding to the contact mode m is calculated for particles from 1 to N, and the probability of being ready for closure in equation (13). p (d rtc ) is calculated by summing the weights of the contact modes belonging to the contact mode d rtc that is ready for closing. When the probability p (d rtc ) is equal to or higher than a predetermined probability (0.99, 1.00, etc.), it is determined that the closing preparation is complete. Line 18 advances time t by one step and returns to line 2 (t → t + 1 in FIG. 4 indicates that t is advanced by one cycle of the control loop frequency), where a control loop consisting of the aforementioned simulation and evaluation is performed. Will be repeated. Here, particle filters are generally well known for consuming computational power because each particle must go through all the steps of prediction and evaluation in order to generate the necessary states for the control loop. ing. Furthermore, more particles are needed to cover a larger space for estimation. In particular, the force control loop requires a high control loop frequency on the order of 1 kHz because the collision phenomenon typically lasts only a few milliseconds. Because of these facts, it is very difficult to execute real-time calculation. On the other hand, the algorithm of the present invention does not continuously output state estimates, which greatly reduces the computational requirements. The algorithm of the present invention only estimates the minimum contact mode required for the capture operation. Only particle advancement (Case B of line 8) and collision prediction after resampling can consume high computational resources, but in order to reduce computation, both actual collisions are force sensors Calculated only when detected by 132.

(接触モード推定の動作フロー)
以上、接触モード推定の数学的基礎について説明してきたが、そのような数学的基礎を利用して接触モード推定装置100が動作するときのステップを簡潔にまとめると以下のようになる。図7は、接触モード推定装置の動作を示すフロー図である。
(Operation flow for contact mode estimation)
Although the mathematical basis for the contact mode estimation has been described above, the steps when the contact mode estimation apparatus 100 operates using such a mathematical basis are briefly summarized as follows. FIG. 7 is a flowchart showing the operation of the contact mode estimation apparatus.

チェイサーである衛星300は、捕獲の対象物体に対して、それに取り付けられたロボットアーム250の先のロボットハンド200の1対の把持部202の間に対象物体の被把持部が来るように、適切な方向及び速度で近づいている。カメラ142は、ロボットハンド200の前方の空間の画像を連続的に撮影しており、画像処理ユニット141は、その画像から対象物体を特定し、その対象物体の画像部分の大きさや動きから、対象物体の位置及び速度を推定しておくと好適である。これにより、対象物体がロボットハンド200のどの位置に衝突するのかが推定できる。   The satellite 300 which is a chaser is suitable for the target object to be captured so that the target object gripping part comes between the pair of gripping parts 202 of the robot hand 200 ahead of the robot arm 250 attached thereto. Approaching in different directions and speeds. The camera 142 continuously captures images of the space in front of the robot hand 200, and the image processing unit 141 identifies the target object from the image, and determines the target from the size and movement of the image portion of the target object. It is preferable to estimate the position and speed of the object. Thereby, it can be estimated to which position of the robot hand 200 the target object collides.

情報処理ユニット110は、推定された対象物体の位置及び速度に基づいて、粒子フィルタのための複数の粒子を表わすデータを発生させる(S101)。このステップは、図4のアルゴリズムのライン1に対応する。具体的には、情報処理ユニット110中にデータ領域を設定し、そこに、発生させたそれぞれの粒子のある時刻における位置、接触モードなどを記憶させる。粒子としては、推定された位置を中心として、適切な分散を与えた値を使用して分散させた複数の粒子を発生させる。粒子を発生させるタイミングは、カメラ142が最も正確に対象物体の運動を確認できるタイミングが好適である。例えば、対象物体が、ロボットハンド200の陰に隠れない程度に近付いたときなどとすることができる。接触モードとは、ロボットハンド200のセグメント化されたどの部分に接触しているのかを表わす情報であり、例えば、ロボットハンド200に接触していないときは接触モード:1、ロボットハンド200のセグメント2に接触しているときは接触モード:2などのように定義される。図6は、ロボットハンドのセグメントに対応する接触モードを表わす図である。図において、d2などのように「d」の次に数字が続く参照符合で、ロボットハンド200上のセグメント化された位置が示されている。その「d」の次に数字が、そのセグメントに接触した場合の接触モードとなる。ロボットハンド200やロボットアーム250の外形の情報は既知であり、ロボットハンド200の把持部202の開く程度やロボットアーム250の位置は衛星300側で制御されるため、それらへの指示値あるいはそれらからのエンコーダからの位置の出力から、ロボットハンド200の各部の空間的な位置は既知である。従って、粒子の位置が定まれば、その粒子がロボットハンド200に接触しているのかいないのか、接触している場合にはどのセグメントに接触しているかを特定することができ、それにより接触モードを特定できる。   The information processing unit 110 generates data representing a plurality of particles for the particle filter based on the estimated position and velocity of the target object (S101). This step corresponds to line 1 of the algorithm of FIG. Specifically, a data area is set in the information processing unit 110, and the position, contact mode, and the like of each generated particle at a certain time are stored therein. As the particles, a plurality of dispersed particles are generated using a value given appropriate dispersion around the estimated position. The timing at which the particles are generated is preferably a timing at which the camera 142 can confirm the movement of the target object most accurately. For example, it may be when the target object is close enough to be hidden behind the robot hand 200. The contact mode is information indicating which part of the robot hand 200 is in contact with, for example, the contact mode when the robot hand 200 is not in contact: 1, segment 2 of the robot hand 200 When touching, the contact mode is defined as 2 or the like. FIG. 6 is a diagram illustrating a contact mode corresponding to a segment of the robot hand. In the figure, a segmented position on the robot hand 200 is indicated by a reference numeral in which “d” is followed by a number, such as d2. The number after “d” is the contact mode when the segment is touched. Information on the external shape of the robot hand 200 and the robot arm 250 is known, and the degree of opening of the gripper 202 of the robot hand 200 and the position of the robot arm 250 are controlled on the satellite 300 side. From the position output from the encoder, the spatial position of each part of the robot hand 200 is known. Therefore, once the position of the particle is determined, it can be specified whether the particle is in contact with the robot hand 200, and if it is in contact, which segment is in contact with the robot hand 200. Can be identified.

次に情報処理ユニット110は、時刻t(典型的には、現在の時間)における、各粒子の位置及び接触モードをシミュレーションする(ステップS102)。このステップは、図4のアルゴリズムのライン2〜4に対応する。ここでは、粒子を記述する連続的状態をシミュレーションする。典型的な連続的状態は位置であるが、位置の変化率である速度もシミュレーションの対象に含めると好適である。シミュレーションは、実際の時間経過と同じようにリアルタイムで実行する必要がある。そのため、実際の対象物体の動きを粒子フィルタで精度よく推測できる程度の計算量をリアルタイムに実行できるような計算資源を使用する必要がある。それぞれの粒子の位置の変化は、物理法則に従ってシミュレーションされる。その物理法則は、ロボットハンド200に接触せず、空間を自由に飛行しているときは典型的には等速直線運動であり、ロボットハンド200に衝突したときは、典型的には弾性衝突や滑りである。ロボットハンド200の外形の形状や位置は既知であるため、それに基づく、粒子がロボットハンド200とどのように衝突するかが計算される。対象物体とロボットハンド200が衝突した時にどのように運動が変化するのかを求めるための剛体衝突モデルについては、後で、詳述する。なお、後述のステップS107でNoと判断されたときにtは1ステップ進められてステップS102に戻るため、ステップS102は、所定の間隔(例えば、1msの周期)で反復的に実行されて、制御ループが形成される。   Next, the information processing unit 110 simulates the position and contact mode of each particle at time t (typically the current time) (step S102). This step corresponds to lines 2-4 of the algorithm of FIG. Here we simulate the continuous state describing the particles. A typical continuous state is a position, but it is preferable to include a velocity, which is a rate of change of the position, in the simulation target. The simulation needs to be executed in real time in the same way as the actual time passage. Therefore, it is necessary to use a calculation resource that can execute in real time a calculation amount that can accurately estimate the actual movement of the target object with the particle filter. Changes in the position of each particle are simulated according to physical laws. The laws of physics are typically constant-velocity linear motion when the robot hand 200 does not touch and freely fly in space, and when it collides with the robot hand 200, It is slipping. Since the shape and position of the outer shape of the robot hand 200 are known, it is calculated how particles collide with the robot hand 200 based on the shape and position. A rigid body collision model for determining how the motion changes when the target object collides with the robot hand 200 will be described in detail later. When it is determined No in step S107, which will be described later, t is advanced by one step and the process returns to step S102. Therefore, step S102 is repeatedly executed at a predetermined interval (for example, a cycle of 1 ms) to perform control. A loop is formed.

情報処理ユニット110は、力覚センサ132の出力をモニタしており、力覚センサ132の出力により、対象物体がロボットハンド200のいずれかの場所に衝突したことを検出する(ステップS103)。このステップは、図4のアルゴリズムのライン6に対応する。力覚センサの出力は所定の間隔で反復的にサンプリングされており、その出力の絶対値が所定の値を超えたときに対象物体がロボットハンド200のいずれかの場所に衝突したと判断する。その所定の間隔は、制御ループの間隔と同じでよい。なお、出力の絶対値がピークからなだらかに減少する場合は、弾性衝突ではなく、滑りが発生していると判断することもできる。衝突が検出されないときは、ステップS104からステップS105をスキップしてステップS106に進行する。一方、衝突が検出されたときは、次のステップS104に進行する。   The information processing unit 110 monitors the output of the force sensor 132, and detects that the target object has collided with any location of the robot hand 200 based on the output of the force sensor 132 (step S103). This step corresponds to line 6 of the algorithm of FIG. The output of the force sensor is repeatedly sampled at a predetermined interval, and when the absolute value of the output exceeds a predetermined value, it is determined that the target object has collided with any place of the robot hand 200. The predetermined interval may be the same as the control loop interval. In addition, when the absolute value of an output reduces gently from a peak, it can also be judged that the slip has occurred instead of the elastic collision. If no collision is detected, the process proceeds from step S104 to step S106, skipping step S105. On the other hand, when a collision is detected, the process proceeds to the next step S104.

ステップS103で対象物体の衝突が検出された場合、情報処理ユニット110は、各粒子の衝突時間(衝突時刻)と実際の衝突時間(衝突時刻)との時間差に基づいて重みを計算する(ステップS104)。このステップは、図4のアルゴリズムのライン7,8,11に対応する。具体的には、式(11)で各粒子の衝突時間と実際の衝突時間との時間差が小さいほどその粒子の寄与が大きくなるような確率を求め、それを式(10)に代入する。式(10)では、1ステップ前の粒子の重みに対して、1ステップ前の位置から現在の位置に粒子が移動する確率に現在の位置に粒子がある状態で現在のセンサ観測値が得られる尤度をかけた(さらに、重要度密度により分散を与えた)ものを求めて、現在(時間t)の粒子の重みを求める。実際の衝突時間に近い衝突時間を現した粒子ほど、対象物体の実際の運動に近い運動を有しているはずであるため、このステップの処理により、対象物体の実際の運動に近い運動をしている粒子ほど大きい重み(確率)となり、粒子全体として、対象物質の運動をより正確に推定することができるようになる。   When the collision of the target object is detected in step S103, the information processing unit 110 calculates the weight based on the time difference between the collision time (collision time) of each particle and the actual collision time (collision time) (step S104). ). This step corresponds to lines 7, 8, and 11 of the algorithm of FIG. Specifically, the probability that the contribution of the particle becomes larger as the time difference between the collision time of each particle and the actual collision time is smaller in the equation (11) is calculated and substituted into the equation (10). In the equation (10), the current sensor observation value is obtained in the state where the particle exists at the current position with the probability that the particle moves from the position one step before to the current position with respect to the weight of the particle one step before. What is multiplied by the likelihood (further distributed by the importance density) is obtained, and the weight of the current (time t) particle is obtained. Since particles that have a collision time that is close to the actual collision time should have a movement that is closer to the actual movement of the target object, this step causes the movement to be closer to the actual movement of the target object. As the particles are larger, the weight (probability) becomes larger, and the motion of the target substance can be estimated more accurately as a whole particle.

次に、情報処理ユニット110は、各粒子を衝突位置に移送し、接触モードを求め、正規化後に、重みに応じてリサンプリングする(ステップS105)。このステップは、図4のアルゴリズムのライン7,9,10,11,12,13に対応する。ここでは、式(11)の説明で前述したように、衝突をすでに経験した粒子(ケースA)については時間を衝突時に巻き戻し、衝突をまだ経験していない粒子(ケースB)については衝突するまでシミュレーションを進めることによって、各粒子が衝突している状態に移送される。そして、どのセグメントと衝突しているか、すなわち、接触モードが求められる。さらに、すべての粒子を正規化してすべての粒子の確率の合計が1になるようにした後に、ステップS104で求めたそれぞれの粒子の重みに応じて粒子をリサンプリングする。リサンプリングは、各々の粒子を、確率の高い(重みの大きい)元の粒子の場所に、確率の高さ(重みの大きさ)に応じた個数で置き換える処理である。リサンプリングすることによって、それぞれの粒子の重みは等しくなるが、粒子の密度が確率を表すようになる。この際、重みがほとんどゼロの粒子は他のいずれかの重みの大きい粒子の位置に移動することになる。このステップにより、粒子の存在密度によって、対象物体がそのいずれかの粒子の位置に存在する確率が表わされることになる。ステップS104とステップS105によって、粒子の状態(位置、重み)が更新される。   Next, the information processing unit 110 transfers each particle to the collision position, obtains the contact mode, resamples according to the weight after normalization (step S105). This step corresponds to lines 7, 9, 10, 11, 12, 13 of the algorithm of FIG. Here, as described above in the description of Expression (11), the time is rewinded for the particles that have already experienced a collision (Case A), and the particles that have not yet experienced the collision (Case B) collide. By proceeding with the simulation, each particle is transferred to a collision state. Then, which segment is in collision, that is, the contact mode is obtained. Furthermore, after normalizing all the particles so that the total probability of all the particles becomes 1, the particles are resampled according to the weight of each particle obtained in step S104. Resampling is a process of replacing each particle with the number of particles according to the high probability (weight) by replacing the original particle with a high probability (high weight). By resampling, the weight of each particle is equal, but the density of the particles represents the probability. At this time, particles having almost zero weight move to the position of any other particle having a large weight. By this step, the probability that the target object exists at the position of any one of the particles is represented by the existence density of the particles. In step S104 and step S105, the state (position, weight) of the particle is updated.

次に情報処理ユニット110は、長時間(例えば、衝突時間の標準偏差の数倍)衝突しない粒子(outdated particle)の重みをゼロにする(ステップS106)。このステップは、図4のアルゴリズムのライン15,16に対応するものであり、サニティチェックと呼ばれる処理である。重みがゼロにされた粒子は、次回のリサンプリングで、重みの大きい別の粒子の位置に置き換えられることになる。これによって、衝突しそうにない位置を飛行している粒子が消去されて無駄な計算を防ぐことができるとともに、その粒子が重みの大きい粒子の位置に再配分されることによって、粒子による対象物体の位置推定を精度よく継続することができる。なお、ステップS106のリサンプリングは、必ずしも行わなくてはならないステップではなく、長時間衝突しない粒子が発生しにくい状況によっては、リサンプリングを行わなくても、精度の高い対象物体の位置推定を行うことができる。   Next, the information processing unit 110 sets the weight of the particles that do not collide for a long time (for example, several times the standard deviation of the collision time) to zero (step S106). This step corresponds to the lines 15 and 16 of the algorithm in FIG. 4 and is a process called sanity check. The particle whose weight is set to zero is replaced with the position of another particle having a larger weight in the next resampling. As a result, particles flying in a position where they are unlikely to collide can be eliminated, and wasteful calculation can be prevented. Position estimation can be continued with high accuracy. Note that the resampling in step S106 is not necessarily a step that needs to be performed. Depending on the situation in which particles that do not collide for a long time are unlikely to be generated, the position of the target object is accurately estimated without performing resampling. be able to.

次に情報処理ユニット110は、閉鎖可能領域の接触モードを経験した粒子の重みの合計が所定値以上かどうかを判断する(ステップS107)。このステップは、図4のアルゴリズムのライン17に対応するものである。このためには、各粒子の重みとそれの直前の衝突による接触モードから、粒子全体の接触モードごとの確率を計算する。具体的には、式(12)で接触モードmの全粒子の重みwd(m)を算出する。そして、閉鎖可能領域において、粒子で評価された物体の確率が所定の値以上であるかどうか、すなわち、物体が閉鎖可能領域に(所定の確率以上で)存在するかどうかが判断される。それためには、まず、式(13)で、閉鎖準備完了の状態に対応する接触モードの全粒子の重みを合計して、閉鎖準備完了となる確率p(drtc)を求める。閉鎖準備完了の状態に対応する接触モードは、例えば図6においては、接触モード2,3,8,9である。接触モード2,3,8,9は、閉鎖可能領域に面しているセグメントに相当するものであり、この近傍に対象物体が存在するときにロボットハンド200を閉鎖すれば、対象物体を確実に捕獲することができる。次に、その閉鎖準備完了となる確率p(drtc)が所定の確率以上であるかどうか(1.00あるいは1.00に近い所定の数値以上)が評価され、所定の確率以上であれば、対象物体が閉鎖可能領域に当該所定の確率以上で存在しており、閉鎖準備完了になったと評価(判断)してステップS108に進行する。ステップS104、S105、S106(必ずしも必須ではない)、S107によって、対象物体のロボットハンド200への衝突を検出したことに応答して、粒子フィルタを実行して粒子の状態の更新及び粒子の評価を行うことにより、ロボットハンド200の把持部202の閉鎖によって対象物体を捕獲可能なタイミングを判断することになる。ステップS107において、閉鎖準備完了となる確率p(drtc)が所定の確率未満であれば、時刻tを1ステップ進めてステップS102に戻り(図7のt→t+1は、tを制御ループ周波数の1サイクルだけ進めることを表わす)、そこで、前述の更新と評価からなる制御ループを反復することになる。 Next, the information processing unit 110 determines whether or not the total of the weights of the particles that have experienced the closeable region contact mode is equal to or greater than a predetermined value (step S107). This step corresponds to line 17 of the algorithm of FIG. For this purpose, the probability for each contact mode of the entire particle is calculated from the weight of each particle and the contact mode due to the collision just before it. Specifically, the weight w d (m) of all particles in the contact mode m is calculated by the equation (12). Then, in the closeable region, it is determined whether or not the probability of the object evaluated by the particles is greater than or equal to a predetermined value, that is, whether or not the object exists in the closeable region (greater than or equal to the predetermined probability). For that purpose, first, the weight p of all the particles in the contact mode corresponding to the state of preparation for closing is summed up by the equation (13) to obtain the probability p (d rtc ) of being ready for closing. For example, in FIG. 6, contact modes 2, 3, 8, and 9 correspond to the closed preparation completion state. The contact modes 2, 3, 8, and 9 correspond to the segments facing the closeable region. If the robot hand 200 is closed when the target object is present in the vicinity thereof, the target object is surely secured. Can be captured. Next, it is evaluated whether or not the probability p (d rtc ) for completing the closing preparation is equal to or higher than a predetermined probability (more than a predetermined numerical value close to 1.00 or 1.00). The target object is present in the closable area with the predetermined probability or more, and it is evaluated (determined) that the preparation for closing is completed, and the process proceeds to step S108. In response to detecting the collision of the target object with the robot hand 200 in steps S104, S105, S106 (not necessarily required) and S107, the particle filter is executed to update the particle state and evaluate the particle. By doing so, it is determined when the target object can be captured by closing the gripper 202 of the robot hand 200. In step S107, if the probability p (d rtc ) that the closing preparation is completed is less than the predetermined probability, the time t is advanced by one step and the process returns to step S102 (t → t + 1 in FIG. This represents an advance by one cycle), where the control loop consisting of the above update and evaluation is repeated.

ステップS107で閉鎖準備完了と判断された場合、情報処理ユニット110は、コントローラ121を介して、ロボットハンド200の把持部202の開閉を制御するモータ122に把持部202が閉鎖されるような信号を送る(ステップS108)。これによって、ロボットハンド200の把持部202が閉じて閉鎖領域が形成され、閉鎖可能領域にあった対処物体が閉鎖領域に確保されて、把持されることになる。   When it is determined in step S107 that the preparation for closing is completed, the information processing unit 110 sends a signal via the controller 121 to the motor 122 that controls the opening / closing of the gripping part 202 of the robot hand 200 so that the gripping part 202 is closed. Send (step S108). As a result, the grip portion 202 of the robot hand 200 is closed to form a closed region, and the object to be handled in the closeable region is secured in the closed region and is gripped.

上述のステップS101からステップS108の処理により、近付いてくる対象物体をほぼ確実にロボットハンド200で捕獲することが可能である。なお、今まで1回の衝突の場合について説明してきたが、衝突が2回以上の場合も粒子フィルタを用いて同様にシミュレーションを行うことができる。すなわち、接触モードに、ロボットハンドのセグメントの情報に加えて、何回目の衝突であるのかという情報を追加すればよい。そして、物体がロボットハンドに2回目の衝突を行った場合、その2回目の衝突が力覚センサで検出された時に粒子フィルタを使用して、2回目の衝突を行う粒子をシミュレーションで抽出すればよい(すなわち、1回目の衝突以降、長時間2回目の衝突を行わない粒子をサニティチェックで重みをゼロにして、2回目の衝突を行う粒子の位置に置き換える)。その際には、1回目の衝突と同じく、実際の衝突時間との衝突時間差によって、粒子の重みが変化させられる。   By the processing from step S101 to step S108 described above, the approaching target object can be almost certainly captured by the robot hand 200. Although the case of one collision has been described so far, the simulation can be similarly performed using the particle filter even in the case of two or more collisions. In other words, in addition to the robot hand segment information, information about the number of collisions may be added to the contact mode. If the object collides with the robot hand for the second time, when the second collision is detected by the force sensor, a particle filter is used to extract the particles that make the second collision by simulation. Good (that is, particles that do not collide for the second time for a long time after the first collision are zeroed by sanity check and replaced with the positions of the particles that perform the second collision). At that time, as in the first collision, the weight of the particles is changed by the collision time difference from the actual collision time.

(剛体の計算可能でサンプリング可能な衝突モデル)
前述のステップS102での、対象物体とロボットハンド200との弾性衝突においてどのように運動が変化するのかについて、ここで説明する。ここでは、モデルベースの手法に使用される剛体衝突モデルについて説明する。具体的なモデルとしては、Brachの剛体衝突モデルを用いる。Brachの剛体衝突モデルには、計算の負荷が低いこと、及び粒子フィルタに対して特に親和性がある、という2つの利点がある。
(Rigid body computable and sampleable collision model)
Here, how the motion changes in the elastic collision between the target object and the robot hand 200 in the above-described step S102 will be described. Here, a rigid body collision model used for the model-based method will be described. As a specific model, Brach's rigid collision model is used. Brach's rigid collision model has two advantages: low computational burden and particularly affinity for particle filters.

図5は、剛体の衝突の際の力学的な関係を示す図である。剛体{1}は剛体{2}に衝突する。衝突点は法線方向(n)と平面接線方向(t。図は2Dの場合であるためtと表現することができるが、3Dの場合はt1とt2を使用して表現することができる)を有している。各物体の重心は、衝突前に既知であるか、推定されているので、その重心から衝突点までの位置ベクトルdを並進および回転の両方で計算することができる。Brachのモデルは、これらの要因を考慮して、衝突特性e、em、及びμを使用して衝突後の速度をシミュレーションするための衝突現象を表わす。次の式は、これの2Dバージョンである。
ここで、mは質量、Iは回転軸の慣性モーメント、vは並進速度、ωは回転速度、Pは力積、Mはモーメントであり、添え字iとfは、それぞれ、衝突前と衝突後を示す。最初の3つの方程式は運動量保存則である。式(17)は、並進方向の反発係数(e)から導かれる。Brachのモデルは、式(18)に示されるように、回転方向における反発係数(em)を規定している。em=+1のとき、それは弾性的である。em=0のとき、それは、非弾性角度衝突である。em=−1のとき、モーメントインパルスはゼロである(すなわち、M=0)。モーメントMについては、各物体の角運動方程式により、次のように解くことができる。
最後に、Brachは摩擦係数を通常表すμを定義しているが、式(19)に示すように、法線方向から接線方向の力積の比を含むように定義を拡張した。Brachのμは、物体が擦れているときの摩擦係数として使用できる。そのような場合、その大きさは材料の特性に依存する。しかし、衝突に関しては、それは、物体がどのように衝突したかにも依存し、小さな値になる傾向がある。負の値は、係数が式(1)でどのように定義されるかの観点からも許容可能であり、PnおよびPtのいずれかまたは両方が、式(20)および(21)のために、負の値となり得る。係数の符号は、接線相対速度を減少させるように決定され、これは摩擦力がどのように作用するかを表わす。こうして、実際の捕獲動作の間に、衝突後の速度(j=1及び2として、vjnf,vjtf,ωjf)は、式(14)〜(19)を使用して、衝突前の速度(vjni,vjti,ωji)及び3つの衝突パラメータから予測することが可能である。
FIG. 5 is a diagram showing a dynamic relationship at the time of collision of rigid bodies. The rigid body {1} collides with the rigid body {2}. The collision point can be expressed as t in the normal direction (n) and the plane tangential direction (t. The figure shows the case of 2D, but it can be expressed using t 1 and t 2 in the case of 3D. Can). Since the center of gravity of each object is known or estimated before the collision, the position vector d from the center of gravity to the collision point can be calculated by both translation and rotation. Brach model represents in consideration of these factors, the collision characteristics e, e m, and the collision phenomenon for simulating the speed after the collision by using the mu. The following equation is a 2D version of this.
Here, m is the mass, I is the moment of inertia of the rotating shaft, v is the translational speed, ω is the rotational speed, P is the impulse, M is the moment, and the suffixes i and f are before and after the collision, respectively. Indicates. The first three equations are momentum conservation laws. Equation (17) is derived from the restitution coefficient (e) in the translation direction. Brach model prescribes as shown in equation (18), the coefficient of restitution in the rotational direction (e m). When e m = + 1, it is elastic. When e m = 0, it is an inelastic angle collisions. When e m = -1, the moment the impulse is zero (i.e., M = 0). The moment M can be solved as follows by the angular motion equation of each object.
Finally, Brach defines μ, which usually represents the coefficient of friction, but extended the definition to include the impulse ratio from the normal direction to the tangential direction, as shown in Equation (19). Brach's μ can be used as a coefficient of friction when the object is rubbing. In such a case, its size depends on the properties of the material. However, with respect to collisions, it also depends on how the object collided and tends to be a small value. Negative values are also acceptable in terms of how the coefficients are defined in equation (1), where either or both of P n and P t are due to equations (20) and (21) In addition, it can be a negative value. The sign of the coefficient is determined to reduce the tangential relative velocity, which represents how the frictional force works. Thus, during the actual capture operation, the post-impact speed (v jnf , v jtf , ω jf , where j = 1 and 2) is calculated using the equations (14)-(19) It is possible to predict from (v jni , v jti , ω ji ) and three collision parameters.

さらに、Brachの剛体衝突モデルは、粒子フィルタに対して特に親和性を持っている。衝突モデルを定量的に評価するために、Brachのモデルは直感的な衝突特性e、em、及びμを使用して、衝突前および衝突後のパラメータの関係を表現することができる。これらの衝突特性パラメータは、明示的に計算することはできない。それでも、確率モデルベースのアプローチを使用するので、統計的表現(すなわち、平均および分散)で表される衝突特性パラメータを使用してサンプリングすることができ、実験的に衝突特性の傾向を推定することができる。衝突パラメータが与えられた場合の計算された衝突後速度が以下を満足するように、衝突パラメータをサンプリングする。
ここで、EjiとEjfは運動エネルギーを表わす。実際の動作中には、e、em、及びμを適切にサンプリングし、式(24)の不満足が発生しないようにする。
In addition, Brach's rigid collision model has a particular affinity for particle filters. To quantitatively evaluate the collision model, model Brach uses intuitive crashworthiness e, e m, and mu, it is possible to express the relationship before and parameters after the collision impact. These collision characteristic parameters cannot be calculated explicitly. Still, since it uses a probabilistic model-based approach, it can be sampled using impact characteristics parameters expressed in statistical terms (ie, mean and variance) and experimentally estimate impact characteristics trends Can do. The collision parameters are sampled so that the calculated post-collision speed given the collision parameters satisfies:
Here, E ji and E jf represent kinetic energy. During actual operation, e, e m, and appropriately sampling the mu, dissatisfaction of formula (24) will not happen.

(実験の装置)
本発明の接触モード推定装置100の性能を評価するための実験を行った。そのために、モックアップのチェイサーと、エアベアリングを備えたターゲットを用意し、平面摩擦のない動きをエミュレートした。実験の目的は、43mmの開口部入口(すなわち、頂点10と11の間の距離)を備えたチェイサーのグリッパー(ロボットハンド。図6に示す)を使用して宇宙デブリのターゲットを捕獲することである。このスケールモデルにおいて、1.16kg−m2の慣性モーメントで31.3kgの重量のターゲットは、ターゲットの重心から187mm離れた位置に10mm×10mmの正方形の被把持部がある。テストベッドには、モーションキャプチャカメラシステムが装備されており、評価のため約120Hzで各オブジェクトの実際の6自由度の位置を測定した。チェイサーのロボットハンド200には、衝突インパルスを測定するためにWacoh(登録商標)製の6軸の力覚センサを備えた固定接点シャフトが装備されている。実験では、ターゲットを手で慎重に押し、チェイサーのグリッパーをバックグラウンドフレームに固定して、複数物体の力学を含む制御の問題が生じないようにした。計算には、Ubuntu 16.04に搭載されたROS−kineticフレームワークを、実験全体ではラップトップPC(2.9GHzのIntel Core i7−3520M(登録商標)のCPUおよび8GBメモリ)を使用した。このセットアップでは、力覚センサのデータ収集を含め、1kHzの制御ループ周波数が達成された。
(Experimental equipment)
An experiment was conducted to evaluate the performance of the contact mode estimation apparatus 100 of the present invention. To that end, we prepared a mock-up chaser and a target with air bearings to emulate motion without planar friction. The purpose of the experiment was to capture the space debris target using a chaser gripper (robot hand, shown in FIG. 6) with a 43 mm opening entrance (ie, the distance between vertices 10 and 11). is there. In this scale model, a target having a weight of 31.3 kg with an inertia moment of 1.16 kg-m 2 has a 10 mm × 10 mm square gripped portion at a position 187 mm away from the center of gravity of the target. The test bed was equipped with a motion capture camera system and measured the actual 6 degrees of freedom position of each object at about 120 Hz for evaluation. The chaser robot hand 200 is equipped with a fixed contact shaft having a 6-axis force sensor manufactured by Wacoh (registered trademark) for measuring a collision impulse. In the experiment, the target was pushed carefully by hand and the chaser gripper was fixed to the background frame to avoid control problems including multi-object dynamics. For the calculation, a ROS-kinetic framework installed in Ubuntu 16.04 was used, and a laptop PC (2.9 GHz Intel Core i7-3520M (registered trademark) CPU and 8 GB memory) was used for the entire experiment. In this setup, a control loop frequency of 1 kHz was achieved, including force sensor data collection.

実験では、ロボットハンド200の先端から約 350mm離れた位置で、典型的なランデブードッキング動作範囲である29〜99/秒(平均61mm/秒)の速度になるように、手で静かにターゲットを押した。回転速度は、実際のスペースデブリの捕獲操作で期待されるように、平均1.5度/秒として手で加えられた。前述したように、衝突特性のプロファイルe、em、およびμは予測に使用され、それは初期の並進速度および回転速度に依存する。粒子フィルタの場合、衝突特性のパラメータは変化を持たせてサンプリングされる。これらの衝突特性の平均および分散は、図17に示すように決定された。本発明で使用する粒子フィルタでは、粒子の予測(図4の表のライン3)に際して空間を動くものと衝突するものが存在する。また、ここでは、Brachの衝突モデルを使用している。Brachの衝突モデルの式は式(14)〜(23)に示しているが、そこに示されているように、剛体接触の脱出速度を決定づける3つの衝突パラメータは、e(並進の弾性係数)、em(回転方向の弾性係数)、μ(力積の比。完全に擦れたときには摩擦)であり、それによりモデル化がされている。ある衝突があったとして、その時の衝突特性を正確に予測することはできないが、ある程度の傾向があることが理解されてきた。それは、以下の通りである。
(i)接触時間(thit)は、接触方向、鉛直方向の相対速度に依存する。
(ii)eは接触時間に依存する。
(iii)μは接触方向、鉛直方向の相対速度に依存する。
図17は、インピーダンス制御なしの場合の衝突特性のサンプリングのプロファイルを示す図である。上述の傾向を表わすために、粒子の予測(またはシミュレーション)のために衝突特性を設定する際に、図17のグラフに示されるように、モンテカルロ法で数値を分散させている。
In the experiment, at a position about 350 mm away from the tip of the robot hand 200, the target is gently pushed by hand so that the speed is 29 to 99 / second (average 61 mm / second) which is a typical rendezvous docking operation range. It was. The rotation speed was manually added as an average of 1.5 degrees / second, as expected in actual space debris capture operations. As described above, the profile e of collision characteristics, e m, and μ is used to predict, it depends on the initial translational velocity and rotational speed. In the case of a particle filter, the parameters of the collision characteristics are sampled with changes. The average and variance of these impact characteristics were determined as shown in FIG. In the particle filter used in the present invention, there is a particle filter that collides with a moving object in the prediction of particles (line 3 in the table of FIG. 4). Here, Brach's collision model is used. Brach's collision model equations are shown in equations (14)-(23), and as shown there, the three collision parameters that determine the escape velocity of the rigid contact are e (translational elastic modulus) , E m (elastic modulus in the rotational direction), μ (ratio of impulse, friction when completely rubbed), and thus modeled. It has been understood that although there is a certain collision, the collision characteristics at that time cannot be accurately predicted, but there is a certain tendency. It is as follows.
(I) The contact time (t hit ) depends on the relative velocity in the contact direction and the vertical direction.
(Ii) e depends on the contact time.
(Iii) μ depends on the relative velocity in the contact direction and the vertical direction.
FIG. 17 is a diagram illustrating a sampling profile of collision characteristics when there is no impedance control. In order to represent the above-mentioned tendency, when setting the impact characteristics for the prediction (or simulation) of particles, as shown in the graph of FIG. 17, numerical values are dispersed by the Monte Carlo method.

(実験1:基本性能評価)
本発明による衝突ベース接触モード推定(collision-based contact mode estimation, CCME)を、推定精度と計算時間という基本性能を測定するためのテストによって評価する。最初の接触モード(最初に衝突した辺または頂点のセグメント番号)が分散されるように、実験データを収集した。ノイズに対するロバスト性を示すために、図16の表に示すように、モーションキャプチャシステムによって測定された真の状態に初期ノイズを人為的に加えた。これは以下のような理由による。まず、粒子フィルタでは、粒子の初期値が必要である(図4の表のライン1)。具体的には、あるタイミングで推定されている位置および速度を中心に、その時に想定される推定の誤差を加味して各粒子を拡散させて配置する必要がある。この実験では、モーションキャプチャカメラによって精度が高い値を計測しており、そのようなシステムに基づいて、図19の黒枠で囲んだ白い四角形で表される被把持部をプロットしている。それを「真値」と考えることができるが、それでもカメラによる計測の性能の限界があり、キャリブレーション誤差や計測誤差は含まれる。さらに、接触現象は1ミリメータの誤差があるだけでも、衝突により、空中で跳ね返ったり、めり込んでしまったりするように、結果が大きく異なるものである。従って、誤差を含ませてシミュレーションを行うことが重要である。この実験においても、その「タイミングで推定されている位置および速度」を設定することが必要になる。それを「真値」と考え、さらに、図16のμ(平均)分だけ位置(p)と速度(v)をずらし、かつ、その状態からσ(分散)の大きさの分散で粒子を拡散させている。
(Experiment 1: Basic performance evaluation)
The collision-based contact mode estimation (CCME) according to the present invention is evaluated by a test for measuring the basic performance of estimation accuracy and calculation time. Experimental data was collected so that the first contact mode (segment number of the first impacted edge or vertex) was distributed. In order to show robustness against noise, initial noise was artificially added to the true state measured by the motion capture system, as shown in the table of FIG. This is due to the following reasons. First, the particle filter requires an initial value of particles (line 1 in the table of FIG. 4). Specifically, it is necessary to disperse and arrange each particle with a position and speed estimated at a certain timing as a center and an estimation error assumed at that time. In this experiment, a high-accuracy value is measured by a motion capture camera, and based on such a system, a gripped portion represented by a white square surrounded by a black frame in FIG. 19 is plotted. Although it can be considered as a “true value”, there are still limitations on the measurement performance of the camera, and calibration errors and measurement errors are included. Furthermore, even if the contact phenomenon has an error of only 1 millimeter, the result is greatly different, such as rebounding in the air or indentation due to a collision. Therefore, it is important to perform a simulation including an error. Also in this experiment, it is necessary to set the “position and velocity estimated at timing”. Considering this as a “true value”, the position (p) and velocity (v) are shifted by μ (average) in FIG. 16, and the particles are diffused from that state with a variance of σ (dispersion). I am letting.

CCMEの場合、対象物体の被把持部が開口部入口を出る前に、対象物体の被把持部が辺2,3,8または9に当たったときに、p(drtc)が1になる(閉鎖準備完了信号が生成された)ことを意味する。対象物体の被把持部が辺2,3,8または9に当たっていない場合、p(drtc)は1になることなく0になるはずである。図18は、インピーダンス制御なしの場合の実験によって得られたCCMEの基本性能を表わす図である。図18に示す表は、図16に示す表に示される初期粒子分布でCCMEが100%の接触モード推定の正確さを有していることを示している。図18において、「最初の衝突の接触モード」は、ターゲットの被把持部がグリッパーに最初に当たった箇所を表わす。4−7/12/13はグリッパーの外側に当たったケースであり、これは捕獲できない場合であるが、このようなケースも検出が必要である。「10/11」は、グリッパーの頂点(角)に当たったケースであり、ここに当たっただけでは、グリッパーは閉じてはいけない。「8/9」はグリッパー内部深くに直接入ったケースである。「試行数」は試行の回数である。「脱出した試行数」は、一旦、ターゲットの被把持部がグリッパー内部に入ったが、閉鎖するタイミングを逃したために、ターゲットの被把持部がグリッパーの外部に出ていってしまい、捕獲に失敗してしまった回数である。今回の実験では実際の捕獲動作は行っていないために、そのようなケースが発生している。「推定の正確さ」は、接触推定の成功率である。すべてが、1.00であり、すべてが成功している。「計算時間(ms)/最悪」は、図4のライン7〜12の動作にかかった処理時間の最悪値である。制御周期の1msを超えているが、この推定動作は制御動作には使わず、一旦ターゲットの被把持部がグリッパー内部から出ていく前にそれを検出できればよいため、問題とはならない。「計算時間(ms)/最悪」は、図4のライン7〜12の動作にかかった処理時間の平均値である。 In the case of CCME, p (d rtc ) becomes 1 when the gripped portion of the target object hits the side 2, 3, 8, or 9 before the gripped portion of the target object exits the opening entrance. A closure ready signal has been generated). When the gripped portion of the target object does not hit the side 2, 3, 8 or 9, p (d rtc ) should be 0 instead of 1. FIG. 18 is a diagram showing the basic performance of CCME obtained by an experiment without impedance control. The table shown in FIG. 18 shows that CCME has a contact mode estimation accuracy of 100% with the initial particle distribution shown in the table shown in FIG. In FIG. 18, the “contact mode of the first collision” represents a portion where the gripped portion of the target first hits the gripper. 4-7 / 12/13 is a case that hits the outside of the gripper, which is a case where it cannot be captured, but such a case also needs to be detected. “10/11” is a case of hitting the apex (corner) of the gripper, and the gripper should not be closed only by hitting here. “8/9” is a case directly inside the gripper. “Number of trials” is the number of trials. The “number of trials that escaped” indicates that the target gripped part once entered the gripper, but the target gripped part went out of the gripper because it missed the closing timing, and capture failed. It is the number of times it has done. In this experiment, the actual capture operation was not performed, so such a case occurred. “Estimation accuracy” is the success rate of contact estimation. Everything is 1.00 and everything is successful. “Calculation time (ms) / worst” is the worst value of the processing time required for the operations of the lines 7 to 12 in FIG. Although the control period exceeds 1 ms, this estimation operation is not used for the control operation, and it is only necessary to detect the target gripped part before it comes out of the gripper. “Calculation time (ms) / worst” is an average value of the processing time required for the operations of the lines 7 to 12 in FIG.

図19に代表的な試行のモード推定の推移を示す。その図は、ターゲットがグリッパーの衝突するところを上から撮影した画像に、粒子フィルタによって推定された粒子の分布を対応付けた図である。その図では、左から時間(単位はs)が進んでいる。上段、中段、下段の試行は、それぞれ、辺8(ケース8)、頂点10(ケース10)、辺4(ケース4)に最初に衝突したものである。黒枠で囲まれた白の(矢印で方向及び速度が示された)四角形は、被把持部の位置と向きを表し、対象物体の本体は画像中に確認できる。灰色の四角形はアクティブな粒子を表わす。上段のケース8では2回の衝突が必要であるが、粒子は被把持部を良好に追跡する。中段のケース10では、p(drtc)は頂点10に達すると低くなるが、辺8に達すると直ちに回復してすぐに閉鎖準備完了信号を示す。頂点10に当たると辺に比べて微妙な条件が必要になるため、少数の粒子のみが分布している場合は簡単に解が見つからないことがある。下段のケース4の場合、図4の表のライン15とライン16に記載されているように、古い粒子(図の明るい灰色の四角形)のサニティチェックによりロボットハンド200内部の確率を消去する。最後に、適切なタイミングで閉鎖準備完了の信号を供給しなければならない。参考として、図18の脱出した試行の多くは、ロボットハンドを開いたまま被把持部がロボットハンドの入口から出ることを示唆している。接触モード推定では、これらのケースが救済される。 FIG. 19 shows a transition of a typical trial mode estimation. The figure is a diagram in which the particle distribution estimated by the particle filter is associated with an image obtained from above where the target collides with the gripper. In the figure, time (unit: s) advances from the left. The upper, middle, and lower trials are the first collisions with side 8 (case 8), vertex 10 (case 10), and side 4 (case 4), respectively. A white rectangle surrounded by a black frame (the direction and speed are indicated by arrows) represents the position and orientation of the gripped portion, and the main body of the target object can be confirmed in the image. Gray squares represent active particles. The upper case 8 requires two collisions, but the particles track the gripped portion well. In the middle case 10, p (d rtc ) decreases when it reaches the vertex 10, but when it reaches the edge 8, it immediately recovers and immediately indicates a closure ready signal. When hitting the vertex 10, subtle conditions are required as compared to the side, and therefore, when only a small number of particles are distributed, a solution may not be easily found. In the case 4 of the lower stage, as described in the lines 15 and 16 in the table of FIG. 4, the probability inside the robot hand 200 is erased by the sanity check of old particles (light gray squares in the figure). Finally, the closure ready signal must be provided at the appropriate time. For reference, many of the escaped trials in FIG. 18 suggest that the gripped portion exits from the entrance of the robot hand with the robot hand open. In the contact mode estimation, these cases are relieved.

図18には、この推定の計算時間の結果も示されており、粒子フィルタの主な問題点が示されている。CCMEの計算(すなわち、図4のライン7〜12の計算、ケースBの粒子の衝突の検出が計算の最も時間のかかる部分である)の平均/最悪時間は、それぞれ3.9/6.1ミリ秒である。これは制御ループの周波数(1ミリ秒)よりも遅いが、接触モード推定は制御と並行して実行できるため、問題とはならない。計算時間の要件は、被把持部がロボットハンドの衝突部分にまだ接近している時間であり、例えばランデブードッキング操作の速度に基づくと0.2秒となり、得られた計算時間の結果はこれを満足するものである。このように、本発明では、過度の計算資源がなくとも、十分にリアルタイムの推定を実行できる。   FIG. 18 also shows the result of calculation time of this estimation, and shows the main problems of the particle filter. The average / worst time of the CCME calculation (i.e., the calculation of lines 7-12 in FIG. Milliseconds. This is slower than the control loop frequency (1 millisecond), but this is not a problem because contact mode estimation can be performed in parallel with control. The calculation time requirement is the time during which the gripped part is still approaching the collision part of the robot hand, for example, 0.2 seconds based on the speed of the rendezvous docking operation. Satisfied. Thus, in the present invention, sufficient real-time estimation can be performed without excessive computational resources.

(実験2:初期状態誤差の評価)
初期状態誤差の大きさは、粒子の初期状態分散の大きさを決定する要因である。その効果を確認するために、最初に予測されたノイズへの影響を評価した。図16の初期粒子分布は推定精度に影響しないため、記録された代表的な試行で初期化時に異なる大きさのノイズ(ガウス分布とDCバイアスの両方)を粒子に追加した。その結果を図20に示す。図20は、ノイズと成功率の関係を示す図である。このシミュレーションされた実験では、前の実験(図16)における粒子の初期化ノイズの大きさにノイズ係数が乗算される。初期の衝突の接触モード10の成功率は、ノイズ因子=1で失敗し始め、200粒子の場合は400粒子の場合よりも急に下降する。これは、初期状態誤差が増加するにつれて、より多くの粒子が探索空間をカバーするために必要であることを示す。そして、より多くの計算が必要である(平均で8.3ミリ秒、最悪で14.2ミリ秒)。すなわち前の実験と比較して2倍以上である。まとめると、計算資源は、捕獲前の段階における運動の推定誤差の大きさに依存するものである。
(Experiment 2: Evaluation of initial state error)
The magnitude of the initial state error is a factor that determines the magnitude of the initial state dispersion of the particles. In order to confirm the effect, the impact on the noise that was first predicted was evaluated. Since the initial particle distribution in FIG. 16 does not affect the estimation accuracy, different magnitudes of noise (both Gaussian distribution and DC bias) were added to the particles during initialization in the representative trial recorded. The result is shown in FIG. FIG. 20 is a diagram illustrating the relationship between noise and success rate. In this simulated experiment, the magnitude of the particle initialization noise in the previous experiment (FIG. 16) is multiplied by a noise factor. The success rate of the contact mode 10 of the initial collision starts to fail with a noise factor = 1, and drops more rapidly for 200 particles than for 400 particles. This indicates that as the initial state error increases, more particles are needed to cover the search space. And more calculations are needed (average 8.3 milliseconds, worst case 14.2 milliseconds). That is, it is twice or more compared with the previous experiment. In summary, the computational resource depends on the magnitude of the motion estimation error in the pre-capture stage.

(接触モード推定装置100の動作−インピーダンス制御あり)
これから、インピーダンス制御下での、回転しているスペースデブリ捕獲のための接触モード推定について説明する。まず、接触モード推定を用いた、回転しているスペースデブリ捕獲のための力の制御について説明する。先に、インピーダンス制御を行わない形態の接触モード推定法を説明したが、それは、ロボットハンド200が地面に固定された環境に基づくものである。この実施形態では、回転しているスペースデブリを捕獲するために必要な、自由飛行ターゲットを捕獲するための、インピーダンス制御下のロボットアーム上のロボットハンドを使用するものであり、また、それに関連する接触モードの問題も取り扱う。
(Operation of contact mode estimation apparatus 100-with impedance control)
Now, contact mode estimation for capturing rotating space debris under impedance control will be described. First, the control of force for capturing rotating space debris using contact mode estimation will be described. The contact mode estimation method in which impedance control is not performed has been described above, which is based on an environment in which the robot hand 200 is fixed to the ground. This embodiment uses and is associated with a robotic hand on an impedance-controlled robot arm to capture the free flight target required to capture rotating space debris. It also deals with contact mode issues.

宇宙アプリケーションにおけるスペースデブリの除去および壊れた衛星の修理は、自由に動く物体の捕獲を必要とする。Hillの方程式で表現されたClohessy−Wiltshireシステムの衝突回避操作が可能な範囲の後は(従来の)協調的ランデブー動作でもワンショット動作(すなわち、やり直しができない動作)となってしまう。一方でこの回転物体捕獲の場合、ワンショット動作である上に、対象物体が回転しており、さらには、ターゲットマーカを有さない捕獲対象の3DCAD情報を持っていたとしても、軌道上での状態は未知であるため、そのワンショット動作はより困難となる。これは、完全なリハーサルも、地上での完璧なテスト準備も、カメラセンサによる測定と接触の力学の観点から行うことができないことを意味する。特に、測定が困難であるために、捕獲が不完全となり、回転物体の捕獲における初期接触時に、それ以降の動作に影響のある程度の相対速度の残留が予想されることを意味する。このような非協調的なロボットでの捕獲においては、剛体間の衝突と、その後の相対的な位置エネルギーの相殺を考慮する必要がある。衝突の影響に対処するために、機械的インピーダンスを制御するインピーダンス制御を行うとより好適である。   Removal of space debris and repair of broken satellites in space applications requires the capture of freely moving objects. After the range in which the collision avoidance operation of the Clohesy-Wiltshire system expressed by the Hill equation is possible, a one-shot operation (that is, an operation that cannot be performed again) is performed even in a (conventional) cooperative rendezvous operation. On the other hand, in the case of this rotating object capture, it is a one-shot operation, the target object is rotating, and even if it has 3D CAD information of the capture target without the target marker, Since the state is unknown, the one-shot operation becomes more difficult. This means that neither a complete rehearsal nor a complete test preparation on the ground can be performed in terms of camera sensor measurements and contact dynamics. In particular, the measurement is difficult, meaning that the capture is incomplete, and at the initial contact in capturing the rotating object, it is expected that some residual relative velocity will be affected that will affect subsequent operations. In such uncoordinated robot capture, it is necessary to consider collision between rigid bodies and subsequent offset of relative potential energy. In order to cope with the influence of the collision, it is more preferable to perform impedance control for controlling the mechanical impedance.

先に説明したインピーダンス制御のない接触モード推定は、適切なタイミングでロボットとターゲットの間の相対速度をゼロにするためにロボットハンドを閉じるタイミングが推定結果である。インピーダンス制御下での接触モード推定の課題は、先に説明した弾性的衝突と比べて長い衝突持続時間となるために、粒子の予測位置の変動が大きくなることである。衝突トリガフィルタは、衝突という明確に判別可能な情報を使用するが、インピーダンス制御を行うと、情報量が制限されて推定の精度が低下する可能性がある。   The contact mode estimation without impedance control described above is an estimation result at the timing when the robot hand is closed in order to make the relative speed between the robot and the target zero at an appropriate timing. The problem of contact mode estimation under impedance control is that the predicted position of the particle becomes large because of the long collision duration compared to the elastic collision described above. The collision trigger filter uses information that can be clearly discriminated as a collision, but if impedance control is performed, the amount of information is limited and the accuracy of estimation may be reduced.

ここでは、非協調的な自由飛行物体の捕獲のためのロボットアームのためのインピーダンス制御方式における、力覚センサのみを用いた接触モード推定を提案する。より具体的には、Brachモデルの出力を用いて接触モード推定のために滑り現象をモデル化し、粒子フィルタの更新プロセスをより完全なものとする。その実現のために、このために、先に説明したインピーダンス制御のない接触モード推定アルゴリズムを修正する。この技術は、対象物体が閉鎖可能領域に入ったことを確実に検出することによって、回転する剛体をより確実に捕獲できるようするものである。   In this paper, we propose contact mode estimation using only a force sensor in an impedance control method for a robot arm for uncoordinated free-flying object capture. More specifically, the slip phenomenon is modeled for contact mode estimation using the output of the Brach model to make the particle filter update process more complete. For this purpose, the contact mode estimation algorithm without impedance control described above is modified for this purpose. This technique makes it possible to more reliably capture the rotating rigid body by reliably detecting that the target object has entered the closeable region.

これから、まず、インピーダンス制御下での接触モード推定の問題を定式化し、次に、インピーダンス制御下での衝突に基づく接触モード推定を用いた、自由に回転する剛体捕獲制御方式を提案する。   From this, we first formulate the problem of contact mode estimation under impedance control, and then propose a freely rotating rigid body capture control method using contact mode estimation based on collision under impedance control.

(インピーダンス制御下での接触モード推定)
これから、インピーダンス制御下での接触モード推定について説明する。従来の対象物体の捕獲手順は、観察(observation)、接近(approaching)、追跡(tracking)、捕獲(capturing)、および同期化(synchronizing)からなるものであった。しかしながら、従来は、追跡ステップの後であっても、ステップ全体にわたってカメラを使用しての完全な観察能力を前提としているので、現実的ではない。確実な捕獲を達成するうえで、上記の問題を克服するためには、カメラが、近距離で非協調なターゲットの相対位置と状態を測定する機能を失った場合でも、捕獲が可能な方法を構築する必要がある。具体的なアプローチとして、衛星は、物体を捕獲するためにロボットハンドをいつ閉鎖すべきかを知るため、カメラから独立した力覚センサを用いて接触モードを推定することとする。捕獲が成功するためには、接触モードの推定が成功する必要がある。また、衝突による衛星への衝撃を緩和するために、インピーダンス制御を行うこととする。
(Contact mode estimation under impedance control)
From now on, contact mode estimation under impedance control will be described. Conventional capture procedures for a target object consisted of observation, approaching, tracking, capturing, and synchronizing. However, conventionally, even after the tracking step, it is impractical because it assumes full observation capability using the camera throughout the step. In order to overcome the above problems in achieving reliable capture, there is a way to capture even if the camera loses the ability to measure the relative position and state of the uncoordinated target at close range. Need to build. As a specific approach, the satellite will use a force sensor independent of the camera to estimate the contact mode in order to know when to close the robot hand to capture the object. In order for capture to be successful, the contact mode estimation needs to be successful. In addition, impedance control is performed to reduce the impact on the satellite due to the collision.

カメラが非協調ターゲットを測定できる接近段階において、カメラが目標を見逃し、相対位置情報の入力がなくなることを仮定すると、予想接触時間および位置ならびにターゲットの被把持部への経路は、周期的に更新される必要がある。相対位置データが早期に不安定になると、衛星はターゲットから一度離れてから、接近ステップの始めからやり直す。逆に、相対位置データの入力がそれなりに安定したまま、ターゲット近傍まで進むことができた場合は次のステップに進む。この場合、そこでカメラの情報が途切れても、衛星は元の位置に戻ることができない。   Assuming that the camera misses the target and there is no input of relative position information in the approach phase where the camera can measure the non-cooperative target, the expected contact time and position and the path to the target gripping part are updated periodically. Need to be done. If the relative position data becomes unstable early, the satellite will leave the target once and start again from the beginning of the approach step. On the contrary, if the relative position data can be moved to the vicinity of the target while the input of the relative position data is stable as it is, the process proceeds to the next step. In this case, even if the camera information is interrupted, the satellite cannot return to the original position.

この実施形態では、従来の追跡ステップの代わりにリンプという別のステップが追加される(図8)。図8は、物体捕獲までの一連のステップを表わす図である。リンプ以降のステップは以下の通りである。
・リンプ(Limp):カメラによる最終的な予測に基づいて、衛星に、対象物体の接近方向と速度が入力される。ロボットアーム250はまた、次のステップでインピーダンス制御を行うことができるような衝突姿勢に入る。この後、衛星は、被把持部との最初の衝突が生じるまで、与えられた速度でリンプ状態(サーボなし)で待機する。この時点での対象物体に対する衛星300の速度は、約100mm/秒である。
In this embodiment, another step called limp is added instead of the traditional tracking step (FIG. 8). FIG. 8 is a diagram illustrating a series of steps up to capturing an object. The steps after limp are as follows.
Limp: Based on the final prediction by the camera, the approach direction and speed of the target object are input to the satellite. The robot arm 250 also enters a collision posture so that impedance control can be performed in the next step. After this, the satellite waits in the limp state (no servo) at the given speed until the first collision with the gripped portion occurs. At this time, the speed of the satellite 300 with respect to the target object is about 100 mm / second.

そして、次のステップは下記の通りである:
・捕獲(Capture):最初の衝突が発生した後、衛星は、カメラなしで対象物体の被把持部で物体閉鎖を行う。衝突によって、相対運動に起因する有効なエネルギーを消すためにインピーダンス制御が行われる。これに伴い、接触モード推定によってロボットハンド200をいつ閉じるかが決定される。
・同期(synchronizing):物体を閉鎖するために、ここで衛星のロボットハンド200が閉鎖される。衛星は、ターゲット間の相対運動をキャンセルするように制御される。物体が閉鎖されると、衛星と対象物体は分離されない。衛星とロボットアームをナビゲートするのには十分な時間がある。
位置誤差に対して余裕のあるロボットハンドを設計する必要がある。また、位置誤差に加えて、初期衝突時の有効な相対速度も期待される。このような状況のために、以下に説明するような弾性衝突を扱うことができる力覚センサベースの接触推定によるインピーダンス制御を行う。
And the next step is as follows:
Capture: After the first collision occurs, the satellite closes the object at the gripped part of the target object without a camera. Impedance control is performed to extinguish the effective energy due to the relative motion due to the collision. Along with this, when the robot hand 200 is closed is determined by the contact mode estimation.
• Synchronizing: The satellite robot hand 200 is now closed to close the object. The satellite is controlled to cancel the relative motion between the targets. When the object is closed, the satellite and the target object are not separated. There is enough time to navigate the satellite and robot arm.
It is necessary to design a robot hand that can afford a position error. In addition to the position error, an effective relative velocity at the time of initial collision is also expected. For such a situation, impedance control based on force sensor-based contact estimation capable of handling elastic collision as described below is performed.

(相対位置情報がない場合を含むインピーダンス制御)
自由に回転する剛体を捕獲する際には、その回転運動が問題となる。したがって、剛体間のある程度の相対速度が予測され、エネルギー相互作用が存在する。この状況に対処するために、インピーダンス制御理論を採用した。ここでは、相対位置情報がない場合についてのインピーダンス制御法について説明する。インピーダンス制御法の式は次のとおりである。式において、上部に1つドットがつくと、1回微分したことを表わしている
ここで、xgpは、被把持部の位置および向きのベクトルであり、xeは、ロボットハンドの位置および向きのベクトル(ロボットハンド及びロボットアームへの動作の指示値、あるいはそれらからの位置エンコーダの出力により取得)であり、Feはロボットハンドに加えられる外力(トルクセンサにより検出する)であり、De、MeおよびKeはゲイン行列である。所望のロボットハンドの加速度x∈eを解くと、方程式は次のようになる。
この場合、少なくとも捕獲ステップでは、被把持部の相対的な位置についての情報はない。従って、以下のようになる。
他方、相対速度も同様に計算することはできないが、モータの変化からロボットハンドの速度を計算することができ、これにより、減衰時間を計算することができる。
(Impedance control including when there is no relative position information)
When capturing a rigid body that rotates freely, its rotational motion becomes a problem. Thus, some relative velocity between the rigid bodies is predicted and there is an energy interaction. In order to deal with this situation, impedance control theory was adopted. Here, the impedance control method when there is no relative position information will be described. The formula of the impedance control method is as follows. In the formula, if there is a dot at the top, it means that it has been differentiated once.
Here, x gp is a vector of the position and orientation of the gripped part, and x e is a vector of the position and orientation of the robot hand (instruction value of the operation to the robot hand and robot arm, or position encoder from them) F e is an external force applied to the robot hand (detected by a torque sensor), and De , Me and Ke are gain matrices. Solving for the desired robot hand acceleration xεe, the equation is:
In this case, at least in the capture step, there is no information about the relative position of the gripped portion. Therefore, it becomes as follows.
On the other hand, although the relative speed cannot be calculated in the same manner, the speed of the robot hand can be calculated from the change of the motor, and the decay time can be calculated accordingly.

ヤコビ行列は次のように定義される。
ここで、Jmはヤコビアンである。また、φmはモータの角度位置であり、モータのエンコーダから取得される情報である。所望のモータ角度位置は式(5.4)の両辺を時間に対して微分することによって、以下のように導き出される。
ロボットロボットアームの力学の式(ロボットアームの回転方向の運動方程式)は次のとおりである。
ここで、Hmはロボットアームの慣性行列であり、τmはロボットアームに対する指令となる所望のモータトルクである。式(5.2)、式(5.5)、および式(5.6)から、ロボットアームのモータに対する指令は、捕獲ステップで計算される。インピーダンス制御が適切に適用されると、衝突時間が長くなる。それにより粒子の予測位置が変動し、接触モード推定において隣接する接触モードを区別することが困難になる。
The Jacobian matrix is defined as follows:
Here, J m is a Jacobian. Φ m is the angular position of the motor and is information acquired from the encoder of the motor. The desired motor angular position is derived as follows by differentiating both sides of the equation (5.4) with respect to time.
The dynamic equation of the robot robot arm (the equation of motion in the rotation direction of the robot arm) is as follows.
Here, H m is an inertia matrix of the robot arm, and τ m is a desired motor torque that becomes a command to the robot arm. From equations (5.2), (5.5), and (5.6), the command for the robot arm motor is calculated in the capture step. When impedance control is properly applied, the collision time is lengthened. As a result, the predicted position of the particles varies, and it becomes difficult to distinguish adjacent contact modes in the contact mode estimation.

(インピーダンス制御による接触モード推定)
これから、力覚センサを用いた接触モード推定を含むインピーダンス制御を提示する。ここでは、前述の、ロボットアームのインピーダンス制御のない衝突モデルに基づく接触モード推定(CCME)理論を適用する。ここでは、インピーダンス制御下での滑りトリガフィルタによる接触モード推定を説明する。インピーダンス制御を行うと、現実の対象物体に滑りが発生しやすくなり、また、推測においても粒子が滑りを生じやすくなるためである。なお、インピーダンス制御を行わずに滑りトリガフィルタを使用した接触モード推定を行うことも可能である。
(Contact mode estimation by impedance control)
Hereafter, impedance control including contact mode estimation using a force sensor is presented. Here, the contact mode estimation (CCME) theory based on the collision model without impedance control of the robot arm is applied. Here, the contact mode estimation by the slip trigger filter under impedance control will be described. This is because when impedance control is performed, slipping is likely to occur in an actual target object, and particles are likely to slip even in estimation. It is also possible to perform contact mode estimation using a slip trigger filter without performing impedance control.

図9は、物体の衝突時の挙動(インピーダンス制御時の滑りを含む)を説明する図である。今までの説明では、すべての衝突が弾性であり、衝突後に接触部分が離れると仮定している(図9の(A))。インピーダンス制御は弾性的な剛体衝突を含むが、接触部分は衝突後に離れていても接触したままであってもよい。また、インピーダンス制御を行う際には、「滑り」の現象が生じることがある(図9の(B))。インピーダンス制御が完全に行われると、反発係数は0になり、非弾性衝突となる。しかし、スペースデブリの捕獲は剛体衝突を伴うため、インピーダンスマッチングが実現するのはほとんど不可能である。特にスペースデブリ捕獲では、対象物が大きく、被把持部が対象物体の外側に位置するため、被把持部は対象物体の重心から離れている。したがって、完全なインピーダンス整合は期待されないが、適切なインピーダンス制御をすると滑りが発生する可能性がある。滑りトリガフィルタを実施するために、滑り現象を予測するためのモデル化を行い、フィルタリングを行うための検出が必要である。   FIG. 9 is a diagram for explaining the behavior at the time of collision of an object (including slipping during impedance control). In the description so far, it is assumed that all the collisions are elastic and the contact portion is separated after the collision ((A) in FIG. 9). Impedance control includes elastic rigid collisions, but the contact portion may be separated or remain in contact after the collision. Further, when impedance control is performed, a phenomenon of “slip” may occur ((B) in FIG. 9). When the impedance control is completely performed, the coefficient of restitution becomes 0 and an inelastic collision occurs. However, since space debris capture involves rigid body collisions, impedance matching is almost impossible to achieve. Especially in space debris capture, the object is large and the gripped part is located outside the target object, so the gripped part is separated from the center of gravity of the target object. Therefore, perfect impedance matching is not expected, but slipping may occur if appropriate impedance control is performed. In order to implement a slip trigger filter, it is necessary to model for predicting the slip phenomenon and to detect for filtering.

(滑り現象の予測)
剛体の滑り現象、およびその予測について説明する。この場合、Brachの剛体衝突モデルも使用する。図10は物体の衝突時の挙動(弾性衝突と滑り)を説明する図である。図10の(A)では、下の物体の右端の辺で衝突が発生している。速度によって決定される衝突特性(e、em、μ)と、両方の剛体の慣性特性および微視的な材料特性に基づいて、両方の物体の速度出力が決定される。衝突後、上の物体は離れていくが、離れる空間がある。図10の(B)の場合には動く余地がない。そのため、上の物体は、下の物体に何らかの力を加えながら、下の物体の表面に沿って動かなければならない。この現象を滑りという。
(Prediction of slip phenomenon)
The rigid body slip phenomenon and its prediction will be described. In this case, Brach's rigid collision model is also used. FIG. 10 is a diagram for explaining the behavior (elastic collision and slip) at the time of collision of an object. In FIG. 10A, a collision occurs at the right end side of the lower object. Collision characteristics determined by the speed and (e, e m, μ) , based on the inertial properties and microscopic material properties of both rigid, the speed output of both objects is determined. After the collision, the upper object moves away, but there is a space to leave. In the case of FIG. 10B, there is no room for movement. Therefore, the upper object must move along the surface of the lower object while applying some force to the lower object. This phenomenon is called slipping.

滑りという現象を予測して計算するために、滑りモードに入る予測アルゴリズムを図11に示す。滑りが発生するかどうかは、Brachのモデルを使用して出力速度を計算した後、2つの物体が幾何学的な干渉を有するかどうかによって決定される。具体的には、ライン6で、接触点が表面に沿って移動しているかが判断され、そうである場合には、滑りがあるものと判断される。実際には、位置は最終的な速度(k=1および2)に従って前進させられ、衝突について確認される。
FIG. 11 shows a prediction algorithm for entering the slip mode in order to predict and calculate the phenomenon of slip. Whether or not slip occurs is determined by whether the two objects have geometric interference after calculating the output velocity using Brach's model. Specifically, in line 6, it is determined whether the contact point is moving along the surface. If so, it is determined that there is slip. In practice, the position is advanced according to the final velocity (k = 1 and 2) and checked for a collision.

(滑り現象の検出)
衝突後に滑りが発生する際に、ロボットアーム先端についている力覚センサ132に力が加えられるため、容易に検出が可能である。図12は、法線方向の力覚センサ132の出力の例を示す図である。一般的に、衝突の持続時間は数十ミリ秒未満であり、それよりも弱い力がそれより長く加えられると、滑りが発生している。粒子フィルタの計算で滑りが検出された場合、滑らずに自由空間を移動している粒子をフィルタリングして除去することができる。すなわち、滑りが現実に発生しているのであるから、滑りを起こしていない粒子の重みをゼロにすることによって推定を正確にすることできる。また、滑り中に、図13に示すように、新しい衝突が発生することがある。図13は、法線方向の力覚センサの出力の例(滑り中の衝突を含む)を示す図である。これらは、被把持部が位置する場所の接触モード推定のための情報を与えることになる。
(Slip detection)
When slipping occurs after a collision, a force is applied to the force sensor 132 attached to the tip of the robot arm, so that it can be easily detected. FIG. 12 is a diagram illustrating an example of the output of the force sensor 132 in the normal direction. In general, the duration of a collision is less than a few tens of milliseconds, and slipping occurs when a weaker force is applied for longer. If slip is detected in the particle filter calculation, particles moving in free space without slipping can be filtered out. That is, since the slip actually occurs, the estimation can be made accurate by setting the weight of the particle not causing the slip to zero. In addition, a new collision may occur during sliding as shown in FIG. FIG. 13 is a diagram illustrating an example of the output of the force sensor in the normal direction (including a collision during sliding). These give information for estimating the contact mode of the place where the gripped part is located.

(全体アルゴリズム)
図14に示すアルゴリズムは、インピーダンス制御下で対処できる全ての接触モードの推定アルゴリズムである。ライン1から13までは図4に示すアルゴリズムと同様であり、衝突が検出されたときに更新プロセスが開始されるものである。予測プロセス(ライン3)は、この実施形態では、図11に示すアルゴリズムで説明した滑り予測を含む。時刻tにおける接触モードはdt∈{d(1),d(2),…,d(K)}で表わしており、これを使用して、ロボットハンド200が閉鎖準備完了かどうかを決定する。ここで、d(k’)をd(k)が滑りを起こした場合と定義する。更新プロセスが実行された後、滑りトリガフィルタが採用される。滑りが発生しているかどうかは、力覚センサの出力によって(弱い力が長い時間出力されることを検出することによって)追跡され、滑り接触モードまたは非滑りモードの粒子に応じてフィルタリングされる(ライン16〜22)。具体的には、ライン16から17で、力覚センサ132によって滑りが検出された場合、滑りの状態ではない粒子についてリサンプリングが実行され、ライン18で正規化が実行される。また、ライン19から20で、衝突が検出されたが滑りではない場合に、滑りの状態の粒子についてリサンプリングが実行され、ライン21で正規化が実行される。ライン23及び24は、長時間衝突していない古い粒子のサニティチェックであり、あまりに長い時間衝突が行われない粒子を除去するものである。ライン25で、閉鎖準備完了のタイミングが判断される。ライン26で、時刻tを1ステップ進めてライン2に戻り(図14のt→t+1は、tを制御ループ周波数の1サイクルだけ進めることを表わす)、そこで、前述のシミュレーションと評価からなる制御ループを反復することになる。なお、滑りの検出によってトリガされたフィルタはそのタイミングで一度だけ実行されるため、図13に示すように、滑りの途中で衝突が検出された場合(ライン6)、衝突トリガフィルタが個別に実行される(ライン7〜11)。以上、滑りトリガフィルタを使用する場合について要点をまとめると、力覚センサ132から出力される信号に基づき、対象物体がロボットハンド200上で滑っていることを検出し、複数の粒子のそれぞれにおいて、ロボットハンド200に衝突した粒子がロボットハンド200の表面に沿って動く場合にロボットハンド200上で滑っているものとしてシミュレーションし、対象物体がロボットハンド200上で滑っていることをさらに検出したことに応答して、粒子フィルタを実行して接触モードの評価を行うことにより、対象物体がロボットハンド200の把持部202の閉鎖によって捕獲可能なタイミングを推定することによって、衝突だけでなく滑りを考慮したシミュレーションと推定を行うことが可能である。
(Overall algorithm)
The algorithm shown in FIG. 14 is an estimation algorithm for all contact modes that can be handled under impedance control. Lines 1 to 13 are similar to the algorithm shown in FIG. 4 and the update process is started when a collision is detected. The prediction process (line 3) in this embodiment includes the slip prediction described in the algorithm shown in FIG. The contact mode at time t is represented by d t ∈ {d (1) , d (2) ,..., D (K) }, and is used to determine whether the robot hand 200 is ready for closing. . Here, d (k ′) is defined as a case where d (k) slips. After the update process is performed, a slip trigger filter is employed. Whether slipping is occurring is tracked by the output of the force sensor (by detecting that a weak force is output for a long time) and filtered according to particles in sliding contact mode or non-slip mode ( Lines 16-22). Specifically, if slip is detected by the force sensor 132 at lines 16 to 17, resampling is performed for particles that are not in a slip state, and normalization is performed at line 18. Also, if a collision is detected on lines 19 to 20 but not slipping, resampling is performed on the slipped particles and normalization is performed on line 21. Lines 23 and 24 are sanity checks for old particles that have not collided for a long time, and remove particles that have not collided for too long. At line 25, the timing for the completion of the closure preparation is determined. Line 26 advances time t by one step and returns to line 2 (t → t + 1 in FIG. 14 indicates that t is advanced by one cycle of the control loop frequency). Will be repeated. Since the filter triggered by the detection of slip is executed only once at that timing, as shown in FIG. 13, when a collision is detected during the slip (line 6), the collision trigger filter is executed individually. (Lines 7-11). As described above, when summarizing the point about using the slip trigger filter, based on the signal output from the force sensor 132, it is detected that the target object is slipping on the robot hand 200, and in each of the plurality of particles, When the particle colliding with the robot hand 200 moves along the surface of the robot hand 200, it is simulated that the particle is sliding on the robot hand 200, and it is further detected that the target object is sliding on the robot hand 200. In response, by evaluating the contact mode by executing the particle filter, by considering the timing at which the target object can be captured by the closing of the grasping portion 202 of the robot hand 200, slipping as well as collision is considered. Simulation and estimation can be performed.

接近ステップにおける視覚によるサーボ中の予想される推定位置誤差は、平均および分散パラメータを用いて統計的にモデル化され、図14に示すアルゴリズムのライン1に示されるリンプステップで反映させられる。粒子フィルタを実行するにあたり、初期状態の誤差の大きさは、粒子の初期状態での分散の大きさを決定する。粒子の状態は、予想される初期誤差よりも多くの空間をカバーする必要がある。   The estimated estimated position error during visual servoing in the approach step is statistically modeled using the mean and variance parameters and reflected in the limp step shown in line 1 of the algorithm shown in FIG. In performing the particle filter, the magnitude of the initial state error determines the magnitude of the initial dispersion of the particles. The particle state needs to cover more space than expected initial error.

(必要な計算資源)
必要な計算リソースの量について説明する。計算量は、インピーダンス制御がない場合と同様であると予想される。滑りトリガフィルタリングステップ(ライン17およびライン20)は、衝突トリガフィルタリングと比較して計算上無視できるものと予想される。衝突トリガフィルタは、パラメータ化されたサンプリングプロセスを伴うが、滑りトリガフィルタは、以前の衝突から続く、ある方向のある速度を使用するため、パラメータ化されたサンプリングプロセスを有しない。速度ベクトルの大きさをサンプリングすることを考慮してもよいが、最終的には相手物体の同じ点と衝突するので、サンプリングの効果は限定的である。従って、実際の滑りトリガフィルタは、限られた計算資源しか必要としないリサンプリングのみを含んでいる。
(Necessary computational resources)
Describe the amount of computational resources required. The amount of calculation is expected to be the same as that without impedance control. The slip trigger filtering step (line 17 and line 20) is expected to be computationally negligible compared to collision trigger filtering. A collision trigger filter involves a parameterized sampling process, but a slip trigger filter uses a certain velocity in a certain direction that continues from a previous collision and therefore does not have a parameterized sampling process. Sampling the magnitude of the velocity vector may be considered, but the effect of sampling is limited because it eventually collides with the same point of the opponent object. Thus, the actual slip trigger filter includes only resampling that requires limited computational resources.

(実験)
インピーダンス制御下の粒子フィルタによる衝突モデルベースの接触モード推定アルゴリズム全体(図14のアルゴリズム、図11のアルゴリズムを含む)を検証するために実験を行った。より具体的には、以下の評価を行った。
・接触モード推定のための計算時間を含む様々な衝突スキームを用いた異なる実験試験からの性能検証(実験3)
・滑りトリガフィルタを用いた接触モード推定の利点(実験4)
(Experiment)
An experiment was conducted to verify the entire collision model-based contact mode estimation algorithm (including the algorithm of FIG. 14 and the algorithm of FIG. 11) with a particle filter under impedance control. More specifically, the following evaluation was performed.
・ Performance verification from different experimental tests using various collision schemes including calculation time for contact mode estimation (Experiment 3)
-Advantage of contact mode estimation using slip trigger filter (Experiment 4)

(実験装置)
実験では、エアベアリングロボットシステムを使用する。ここでは、チェイサーは地面に固定されている。図15に座標系を示す。座標系は次のようになる。
・ワールド{W}:地上のデータはモーションキャプチャシステムから取得される。
・チェイサー{CH}:チェイサーに固定の座標系。ここでは、地面に固定されている。
・ロボットハンド{EE}:{CH}から前方向の力学データを取得。このフレームにおいて接触モード推定が行われる。
・ターゲット{TA}:自由飛行のターゲット本体に固定の座標系。
・被把持部{GP}:被把持部はターゲットの一部であり、ターゲットの重心から少し離れている(185mm)。
(Experimental device)
In the experiment, an air bearing robot system is used. Here, the chaser is fixed to the ground. FIG. 15 shows the coordinate system. The coordinate system is as follows.
World {W}: Ground data is acquired from the motion capture system.
Chaser {CH}: A coordinate system fixed to the chaser. Here, it is fixed to the ground.
・ Robot hand {EE}: Acquires forward mechanical data from {CH}. Contact mode estimation is performed in this frame.
Target {TA}: A coordinate system fixed to the target body for free flight.
-Grasped part {GP}: The grabbed part is a part of the target, and is slightly separated from the center of gravity of the target (185 mm).

チェイサーは、力覚センサの高さを含めて、各リンクの長さがL01=110mm(ジョイント1への本体の重心)、L12=100mm(ジョイント1からジョイント2)、L23=100mm(ジョイント2からジョイント3)、およびL3E=188mm(力覚センサの高さを含む、ジョイント3から{EE}基部まで)の平面上の3自由度のアームを有している。ハーモニックドライブ(登録商標)システムによって生成されたハーモニックギヤを備えたアクチュエータが使用される。目標は、重さ31.3kg、スケールモデルでは慣性モーメント1.16kg−m2、ターゲットのCoGから185mm離れたところに10mm×10mm四方の被把持部を備える。
チェイサーにはオンボードバッテリーShorai LFXシリーズ(12V、7A)が装備されている。計算のために、ラップトップPCを備えたUbuntu 16.04(2.9GHzのIntel Core i7−3520M(登録商標)のCPUおよび8GBメモリ)にインストールされたROS−kineticキネティックフレームワークが、実験全体に使用されている。チェイサーのロボットハンドには、6軸の力覚センサWacoh Tech DynPickを備えた固定接点シャフトが装備されており、衝突衝撃と滑り現象を測定することができる。
In the chaser, the length of each link including the height of the force sensor is L 01 = 110 mm (center of gravity of the main body to the joint 1), L 12 = 100 mm (joint 1 to joint 2), L 23 = 100 mm ( Joint 2 to joint 3), and L 3E = 188 mm (including the height of the force sensor, from joint 3 to {EE} base) and a three-degree-of-freedom arm on the plane. An actuator with a harmonic gear generated by a Harmonic Drive® system is used. The target has a weight of 31.3 kg, a moment of inertia of 1.16 kg-m 2 in the scale model, and a 10 mm × 10 mm square gripped part at a distance of 185 mm from the target CoG.
The chaser is equipped with an on-board battery Shorai LFX series (12V, 7A). For the calculation, the ROS-kinetic kinetic framework installed on Ubuntu 16.04 (2.9 GHz Intel Core i7-3520M® CPU and 8 GB memory) with a laptop PC was used throughout the experiment. in use. The chaser robot hand is equipped with a fixed contact shaft equipped with a 6-axis force sensor Wacoh Tech DynPick, and can measure collision impact and slip phenomenon.

実験はリンプステップから開始した。浮揚しているターゲットは、物体間の相対速度については、70〜133mm/秒(平均100mm/秒)の速度で、手で静かに押される。回転速度は、手で平均2.4度/秒で与えられる。ターゲットは、グリッパーの先端から350mm離れたところに置かれる。これは、リンプステップと類似の状況である。この時点で、粒子には、カメラ測定に基づく状態予測のノイズの分散に対応する、図16に示されるノイズプロファイルが割り当てられる。このノイズプロファイルは、インピーダンス制御なしの場合の実験で使用したものと同じである。接触モード推定が適切なタイミングで閉鎖準備完了を示すときに対象物体の捕獲が成功となる。接触モード推定のために、衝突特性e、em、およびμのプロファイルは、初期並進速度および回転速度に依存する。図21に、インピーダンス制御ありの場合の衝突特性のサンプリングのプロファイルを示す。これは、インピーダンス制御なしの場合の実験で使用した図17のものと比較して、より長い衝突時間が予想されるため、それに応じて変更したものである。ターゲットの被把持部が開口部を出る前に、ターゲットの被把持部が辺2,3,8または9に当たったときに、p(drtc)が1になる(閉鎖準備完了信号も生成される)と、実験が成功したことになる。粒子数は実験全体で200に固定している。 The experiment started with a limp step. The levitating target is gently pushed by hand at a speed of 70 to 133 mm / sec (average of 100 mm / sec) with respect to the relative speed between objects. The rotation speed is given by hand at an average of 2.4 degrees / second. The target is placed 350 mm away from the tip of the gripper. This is a situation similar to a limp step. At this point, the particles are assigned the noise profile shown in FIG. 16, corresponding to the noise variance of the state prediction based on camera measurements. This noise profile is the same as that used in the experiment without impedance control. The capture of the target object is successful when the contact mode estimation indicates that the closure preparation is complete at an appropriate time. For contact mode estimation, crashworthiness e, profile of e m, and μ is dependent on the initial translational velocity and rotational speed. FIG. 21 shows a sampling profile of collision characteristics in the case of impedance control. This is because the longer collision time is expected as compared with that of FIG. 17 used in the experiment without impedance control, and is changed accordingly. When the target gripped part hits the side 2, 3, 8 or 9 before the target gripped part exits the opening, p (drtc) becomes 1 (a closing preparation completion signal is also generated) ) And the experiment was successful. The number of particles is fixed at 200 throughout the experiment.

(実験3:基本性能の評価)
様々な衝突スキームによる異なる実験から性能の検証を行い、その結果を図22に示す。図22は、インピーダンス制御下の滑りトリガフィルタを用いたCCMEの基本性能を表わす図である。インピーダンス制御下の衝突後のターゲットの挙動が完全にカバーされるように初期接触モードを変化させて、実験データを収集、記録した。これには、辺または頂点との衝突、非滑り接触モードも含まれる。これらの結果は、インピーダンス制御下の粒子フィルタによる衝突モデルベースの接触モード推定アルゴリズムが、初期推定誤差を考慮しても有効であることを示している。
(Experiment 3: Evaluation of basic performance)
The performance is verified from different experiments with various collision schemes, and the results are shown in FIG. FIG. 22 is a diagram showing the basic performance of CCME using a slip trigger filter under impedance control. Experimental data was collected and recorded by changing the initial contact mode so that the behavior of the target after impact under impedance control was completely covered. This includes collisions with edges or vertices and non-sliding contact modes. These results show that the collision model-based contact mode estimation algorithm using a particle filter under impedance control is effective even considering the initial estimation error.

図23,図24、および図25は、滑りトリガフィルタを用いた接触モード推定の代表的な遷移のケースを示している。それらの図は、ターゲットがグリッパーの衝突するところを上から撮影した画像に、粒子フィルタによって推定された粒子の分布を対応付けた図である。その図では、左から時間(単位はs)が進んでいる。図23は、滑りトリガフィルタを用い、最初の衝突の接触モードが8の場合の、接触モード推定の推移を示す図である。図24は、最初の衝突の接触モードが8の場合の接触モード推定の遷移を示す図である。図25は、最初の衝突の接触モードが10の場合の接触モード推定の遷移を示す図である。暗いグレーの四角形は衝突した粒子を表わす。明るいグレーの四角形は滑りスライディングモードに入る。グレーの四角形は空間に向かうもの(衝突なし)であり、黒枠で囲まれた白い四角形はモーションキャプチャシステムからのデータであり、ターゲットの実際の被把持部の位置である。最初のケースでは(図23)、最初の衝突の後、接触モードは滑りモードに入る(dt=d(8’))。滑りが検出されると、粒子は、非滑りの粒子は消去され、滑りの粒子に集められる。これは、滑りの間の第2の接触モード推定を容易にする。第2の衝突は、閉鎖準備完了信号のタイミングを決定する(すなわち、p(drtc)=1)。第2のケースでは(図24)、接触モードは最初の衝突の後に滑りモードに入っていない。実験結果は、閉鎖準備完了信号のタイミングをまだ正確に決定できることを示している。その結果は、インピーダンス制御がない場合の図18の8/9の場合と同様である。これは、インピーダンス制御の特性を有利に利用して接触モード推定を行ったことを示している。図25の場合、p(drtc)は頂点10に当たったときに低いままである。頂点10では、ロボットハンドの上部に当たった粒子が主に生き残る。しかし、いくつかの粒子が頂点に衝突すると、いくつかのリサンプリングされた粒子がここに集まり、種々の衝突特性により頂点での衝突をシミュレーションすることが可能である。この後、より多くの衝突が検出されると、p(drtc)の確率は徐々に増加する。辺8に当たると直ちに確率が回復し、閉鎖準備完了を示す。その結果は、インピーダンス制御がない場合の図18の10/11の場合と同様である。 23, 24, and 25 show typical transition cases of contact mode estimation using a slip trigger filter. In these figures, the distribution of particles estimated by the particle filter is associated with an image taken from above where the target collides with the gripper. In the figure, time (unit: s) advances from the left. FIG. 23 is a diagram illustrating the transition of the contact mode estimation when the slip trigger filter is used and the contact mode of the first collision is 8. FIG. 24 is a diagram showing a transition of the contact mode estimation when the contact mode of the first collision is 8. FIG. 25 is a diagram illustrating a transition of the contact mode estimation when the contact mode of the first collision is 10. Dark gray squares represent colliding particles. The light gray square enters sliding sliding mode. The gray rectangle is toward the space (no collision), and the white rectangle surrounded by a black frame is data from the motion capture system and is the position of the actual gripped portion of the target. In the first case (FIG. 23), after the first collision, the contact mode enters the slip mode (d t = d (8 ′) ). When slipping is detected, the particles are collected into slipping particles, with the nonslipping particles being erased. This facilitates second contact mode estimation during sliding. The second collision determines the timing of the closure ready signal (ie, p (drtc) = 1). In the second case (FIG. 24), the contact mode has not entered the slip mode after the first collision. Experimental results show that the timing of the closure ready signal can still be accurately determined. The result is the same as in the case of 8/9 in FIG. 18 when there is no impedance control. This indicates that the contact mode estimation was performed by utilizing the characteristic of impedance control advantageously. In the case of FIG. 25, p (drtc) remains low when hitting vertex 10. At vertex 10, the particles that hit the top of the robot hand mainly survive. However, if some particles collide with the vertices, some resampled particles gather here and it is possible to simulate collisions at the vertices with various collision characteristics. After this, if more collisions are detected, the probability of p (drtc) increases gradually. Immediately after hitting edge 8, the probability recovers, indicating that the closure is ready. The result is the same as the case of 10/11 in FIG. 18 when there is no impedance control.

試行の間のフィルタリングステップの接触モード推定の計算時間は、平均で4.2ミリ秒であり、最悪の場合で8.3ミリ秒であり、十分に許容できるものである。実験3に示されるように、インピーダンス制御による接触モード推定のための滑りトリガフィルタを用いたCCMEの性能検証により、それが十分な性能を有することを検証した。異なる実験ケースを用いて様々な衝突スキームを使用してテストを行ったが、100%の推定の正確さが得られた。接触モード推定の計算時間は、平均で4.2ミリ秒、最悪で8.3ミリ秒であり、十分に許容できるものである。   The calculation time for the contact mode estimation of the filtering step between trials is 4.2 ms on average and 8.3 ms in the worst case, which is well tolerated. As shown in Experiment 3, the performance verification of CCME using a slip trigger filter for contact mode estimation by impedance control verified that it has sufficient performance. Tests were performed using different collision schemes with different experimental cases, and 100% estimation accuracy was obtained. The calculation time for contact mode estimation is 4.2 milliseconds on average and 8.3 milliseconds at worst, which is sufficiently acceptable.

(実験4:滑りトリガフィルタを用いた接触モード推定の利点の評価)
ここでは、滑りトリガフィルタを使用した接触モード推定の利点を評価する。滑りトリガフィルタは、(インピーダンス制御がない場合の)衝突トリガのみによる接触モード推定に別のトリガを追加することによって、いくつかの類似した離散モードの推定をより正確にするものである。図26と図27は、図23の場合で得られた記録データを使用したが、滑りトリガフィルタを使用しない場合の接触モードの遷移を表わす図である。図26の場合は、衝突のみである2つの衝突信号のトリガ情報を使用して、閉鎖準備完了信号のタイミングを正確に推定している。一方、図27は失敗した場合である。図27の中の黒枠で囲まれていない白い四角形は、衝突していない古い粒子を表わす。図27の場合、wd10=p(d(10))の割合が残っており(=0.0163)、p(drtc)が1.00になっていないため、正確な推定は行えなかった。これは、インピーダンス制御がより長い衝突時間を誘発し、その衝突時間中にいくつかの粒子が頂点10に到達することがあるためである。しかし、滑りトリガフィルタは、フィルタリングのために滑りという別の条件を追加することによって、このような状況から救済することができる。試行の成功率は、滑りトリガフィルタを有する場合で100%(33回の試行のうち33回の成功)、滑りトリガフィルタが無い場合は87.9%(33回の試行のうち29回の成功)である。これは、滑りトリガフィルタを用いた接触モード推定の利点を明確に示している。
(Experiment 4: Evaluation of advantages of contact mode estimation using slip trigger filter)
Here, the advantages of contact mode estimation using a slip trigger filter are evaluated. The slip trigger filter makes some similar discrete mode estimations more accurate by adding another trigger to the contact mode estimation by collision trigger only (in the absence of impedance control). FIG. 26 and FIG. 27 are diagrams showing the transition of the contact mode when the recorded data obtained in the case of FIG. 23 is used but the slip trigger filter is not used. In the case of FIG. 26, the trigger information of two collision signals that are only collisions is used to accurately estimate the timing of the closing preparation completion signal. On the other hand, FIG. 27 shows a case where the operation has failed. A white square not surrounded by a black frame in FIG. 27 represents an old particle that has not collided. In the case of FIG. 27, since the ratio of w d10 = p (d (10) ) remains (= 0.0163) and p (d rtc ) is not 1.00, accurate estimation cannot be performed. . This is because the impedance control induces a longer collision time, and some particles may reach the vertex 10 during the collision time. However, the slip trigger filter can be remedied from this situation by adding another condition of slip for filtering. The success rate of trials is 100% with slip trigger filter (33 out of 33 trials), and 87.9% without slip trigger filter (29 out of 33 trials) ). This clearly shows the advantage of contact mode estimation using a slip trigger filter.

本発明は、スペースデブリを宇宙空間で捕獲する衛星に取り付けられたロボットアームの先のロボットハンドへの対象物体の接触モードを推定することにより対象物体の位置を推定して捕獲するために利用することが可能である。さらに本発明は、3次元において自由飛行、あるいは2次元において自由移動する物体を、ロボットハンドのようなグリッパー機構で捕獲する任意のシステムに適用することができる。   The present invention is used to estimate and capture the position of a target object by estimating the contact mode of the target object to a robot hand ahead of a robot arm attached to a satellite that captures space debris in outer space. It is possible. Furthermore, the present invention can be applied to an arbitrary system that captures an object that freely flies in three dimensions or moves freely in two dimensions by a gripper mechanism such as a robot hand.

100 :接触モード推定装置
110 :情報処理ユニット
110c :主演算回路
110p :接触モード推定プログラム
121 :コントローラ
122 :モータ
131 :インターフェイス
132 :力覚センサ
141 :画像処理ユニット
142 :カメラ
200 :ロボットハンド
200A :ロボットハンド
201 :ベース
202 :把持部
202A :把持部
203 :底部
250 :ロボットアーム
300 :衛星
100: Contact mode estimation device 110: Information processing unit 110c: Main arithmetic circuit 110p: Contact mode estimation program 121: Controller 122: Motor 131: Interface 132: Force sensor 141: Image processing unit 142: Camera 200: Robot hand 200A: Robot hand 201: Base 202: Grasping part 202A: Grasping part 203: Bottom part 250: Robot arm 300: Satellite

Claims (7)

接近する物体を捕獲するためにロボットハンドの把持部を閉鎖するタイミングを決定する接触モード推定装置であって、
前記ロボットハンドには、前記ロボットハンドに与えられた力を感知し、前記力を表わす信号を出力する力覚センサが取り付けられており、
前記力覚センサから出力される前記信号に基づき、前記物体が前記ロボットハンドに衝突したことを検出する衝突検出部と、
粒子フィルタのための複数の粒子を表わすデータを発生させる粒子発生部と、
前記粒子のそれぞれの位置及び前記ロボットハンドとの接触モードをシミュレーションする粒子シミュレーション部と、
前記物体の前記ロボットハンドへの前記衝突を検出したことに応答して、前記粒子フィルタを実行して前記粒子の状態の更新及び前記粒子の評価を行うことにより、前記ロボットハンドの把持部の閉鎖によって前記物体を捕獲可能なタイミングを判断する閉鎖タイミング判断部と、
を有することを特徴とする接触モード推定装置。
A contact mode estimation device for determining a timing for closing a gripping part of a robot hand to capture an approaching object,
The robot hand is attached with a force sensor that senses a force applied to the robot hand and outputs a signal representing the force.
A collision detection unit for detecting that the object has collided with the robot hand based on the signal output from the force sensor;
A particle generator for generating data representing a plurality of particles for a particle filter;
A particle simulation unit for simulating each position of the particles and a contact mode with the robot hand;
In response to detecting the collision of the object with the robot hand, the particle filter is executed to update the state of the particle and to evaluate the particle, thereby closing the grip portion of the robot hand. A closing timing determination unit that determines a timing at which the object can be captured by:
The contact mode estimation apparatus characterized by having.
前記閉鎖タイミング判断部は、前記物体の前記ロボットハンドへの前記衝突に応答して、
前記粒子フィルタを実行することによって、前記それぞれの粒子について、それの衝突時間と前記物体の実際の衝突時間との時間差に基づいて重みを求め、前記それぞれの粒子を衝突位置に移送し、前記ロボットハンドとの接触モードを求め、正規化後にリサンプリングすることによって前記粒子の状態の更新を実行し、
前記ロボットハンドによって捕獲可能な閉鎖可能領域に対応する接触モードを経験した粒子の重みの合計が所定値以上になるまで前記シミュレーションと前記粒子の状態の更新の処理を反復させ、前記粒子の重みの合計が所定値以上のときに前記ロボットハンドの把持部を閉鎖するタイミングと評価する、
請求項1に記載の接触モード推定装置。
The closing timing determination unit is responsive to the collision of the object with the robot hand,
By executing the particle filter, a weight is obtained for each of the particles based on a time difference between the collision time of the particle and the actual collision time of the object, and the particle is transferred to a collision position, and the robot Determine the contact mode with the hand, perform the particle state update by resampling after normalization,
The simulation and the update of the state of the particles are repeated until the sum of the weights of the particles that have experienced the contact mode corresponding to the closable area that can be captured by the robot hand is equal to or greater than a predetermined value. Evaluating the timing of closing the grip part of the robot hand when the total is a predetermined value or more,
The contact mode estimation apparatus according to claim 1.
前記物体の衝突前の位置を捕捉するためのセンサと、
前記センサから得られた情報に基づき、前記物体の位置及び運動を推定する対象物体位置推定部と、
をさらに有し、
前記粒子発生部は、前記対象物体位置推定部によって推定された前記衝突時の前記物体の前記位置及び運動に基づき、あらかじめ前記粒子フィルタのための複数の粒子を発生させる、請求項1に記載の接触モード推定装置。
A sensor for capturing a pre-collision position of the object;
A target object position estimator that estimates the position and motion of the object based on information obtained from the sensor;
Further comprising
2. The particle generation unit according to claim 1, wherein the particle generation unit generates a plurality of particles for the particle filter in advance based on the position and movement of the object at the time of the collision estimated by the target object position estimation unit. Contact mode estimation device.
前記センサはカメラであり、
前記対象物体位置推定部は、前記カメラから得られた前記物体の画像に基づき、前記物体の位置及び運動を推定する、
請求項3に記載の接触モード推定装置。
The sensor is a camera;
The target object position estimation unit estimates the position and motion of the object based on the image of the object obtained from the camera.
The contact mode estimation apparatus according to claim 3.
前記力覚センサから出力される前記信号に基づき、前記物体が前記ロボットハンド上で滑っていることを検出する滑り検出部、をさらに有し、
前記粒子シミュレーション部は、前記複数の粒子のそれぞれにおいて、前記ロボットハンドに衝突した粒子が前記ロボットハンドの表面に沿って動く場合に前記ロボットハンド上で滑っているものとしてシミュレーションし、
前記閉鎖タイミング判断部は、さらに、前記物体が前記ロボットハンド上で滑っていることを検出したことに応答して、前記粒子フィルタを実行して前記接触モードの評価を行うことにより、前記物体が前記ロボットハンドの把持部の閉鎖によって捕獲可能なタイミングを推定する、請求項1に記載の接触モード推定装置。
A slip detection unit that detects that the object is slipping on the robot hand based on the signal output from the force sensor;
The particle simulation unit simulates that each of the plurality of particles is sliding on the robot hand when the particles colliding with the robot hand move along the surface of the robot hand,
In response to detecting that the object is sliding on the robot hand, the closing timing determination unit further executes the particle filter to evaluate the contact mode, thereby The contact mode estimation apparatus according to claim 1, wherein timing that can be captured by closing a grip portion of the robot hand is estimated.
前記ロボットハンドが先端に取り付けられたロボットアームと、
前記衝突検出部が前記物体の前記ロボットハンドへの衝突を検出したときに、前記衝突の衝撃を吸収するように前記ロボットアームを動作させるインピーダンス制御部と、
をさらに有する、請求項5に記載の接触モード推定装置。
A robot arm with the robot hand attached to the tip;
An impedance control unit that operates the robot arm to absorb the impact of the collision when the collision detection unit detects a collision of the object with the robot hand;
The contact mode estimation device according to claim 5, further comprising:
前記接触モードは、前記ロボットハンドの表面を複数のセグメントから構成されるものとして定義したときの、前記粒子がどの前記セグメントと接触したかを表わすものであり、
前記閉鎖タイミング判断部における前記ロボットハンドによって捕獲可能な閉鎖可能領域に対応する接触モードは、前記ロボットハンドの閉鎖可能領域に面するセグメントに対応するものである、請求項1に記載の接触モード推定装置。
The contact mode represents which segment the particle has contacted with when the surface of the robot hand is defined as being composed of a plurality of segments,
The contact mode estimation according to claim 1, wherein the contact mode corresponding to the closeable region that can be captured by the robot hand in the close timing determination unit corresponds to a segment facing the closeable region of the robot hand. apparatus.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111390872A (en) * 2020-03-19 2020-07-10 上海航天控制技术研究所 Double-arm cooperative flexible dragging and butt joint inverse operation method for extravehicular robot
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