Keiji Nagatani

Connected tracked robot with offset joint mechanism for multiple configurations

This paper describes various configurations of two connected unit crawlers. By changing the relative position of the two connected vehicle units, the overall robot comprising such a mechanism can automatically adapt to surface obstacles on the field, including complicated structures such as disaster-generated debris. In addition, we analyzed the effect of axis arrangements in order to simplify the realization of the switching function so as to achieve the four basic configurations.

Path Planning and Execution for Planetary Exploration Rovers Based on 3D Mapping

The unmanned exploration of the Moon has steadily increased in the past years due to the renewed interest in creating a permanent human settlement on our natural satellite. After detailed remote sensing from orbiters, the focus is now shifting onto autonomous landing and surface locomotion by robotic devices on and around a specific area of highest interest. Especially, robotic exploration is a precursor for future human settlements on the Moon and in-situ resource utilization (ISRU) is one important aspect in the selection process of candidate locations for such settlements. In the early 1960’s, Watson (Watson et al., 1961) estimated that it would be possible to find deposits of ice caps at the bottom of craters located at the Moon’s polar regions. He argued that the shadows produced on these craters due to the very small deviation of the Moon’s equatorial plane position with respect to the Sun create an environment that would present the proper conditions to retain such deposits. Robotic exploration of these regions becomes a vital initial step on the way to build a permanent base of operations for humans to live on extended periods. The navigation of a vehicle on the Moon is presented with a series of issues such as the trafficability over the lunar soil (called “regolith”), the irregularity of the topography and the poor illumination at the Polar Regions, especially at the craters. In this chapter, attention is centered on the irregularity of the topography and the poor illumination issues. Given that we assume an environment with a very low angle of illumination which results in large shadowed areas, we propose the use of Light Detection and Ranging (LIDAR) systems to perceive the surroundings of the vehicle. These systems are not impaired by the lighting conditions assumed and have been successfully utilized in several outdoor mobile robotic applications (Langer et al., 2000),(Morales et al., 2008),(Skrzypcznski, 2008). The features of the topography of the surface of the Moon may translate as obstacles for the navigation of the vehicle and also may limit the visual range of the exteroceptive sensors at a given location. These obstacles cause an “occluding” effect on the readings of the sensors therefore decreasing the size of the perceivable area. Various researchers have approached the occlusion problem presented on indoor and outdoor autonomous navigation of mobile robotic systems. In (Dupuis et al., 2005),(Rekleitis et al., 2009), an irregular triangulated mesh is created based on a LIDAR’s sensory data, and then “filtered” in order to find “shadows” or occluding obstacles and eliminate them from the map. A description of the problems that occluding obstacles may present in teleoperated navigation is presented in (Kunii & Kubota, 2006). In (Heckman et al., 2007), a method to classify different voxels based on its location with respect to an occluding obstacle is given, whereas 13

Investigation on Relationship between Rotors Axis Length and Ground Effect on a Small Quadrotor UAV Performance

無人航空機の中でも複数の回転翼を持つ小型マルチロータ機 は, 垂直離着陸やホバリング飛行が可能であるという特徴を持つ. 小型マルチロータ機は小型で安価であることから, 期待される用 途は多岐にわたる. 近年では, 被災屋内探査において, 小型マル チロータ機の利用が試みられてきた [1]. マルチロータ機の運用 において, マルチロータ機が着陸する際に, ロータ後流と地面の 間で地面効果が発生し, 機体姿勢が不安定になることが知られて いる. 地面効果が生じる際には, ロータ推力が不規則に変化する ため, 推力制御に意図しない入力が与えられることから, 機体が 不安定となると考えられる. このように着陸挙動が不安定になる ことで, 目標位置への正確な着陸が困難となるだけでなく, 着陸 時に機体が転倒し, マルチロータ機が破損することも予想される. これらの問題点を解決するためには, 地面効果の着陸への影響を 検証し, 着陸挙動を安定化させる対策が求められる. 地面効果がロータに与える影響については, これまで, 有人ヘ リコプタを対象とした研究が行われてきたが [2], 小型マルチロー タ機のように複数の小型ロータが近接して存在する状態が地面 効果に与える影響に関しては, これまで十分に検証されていない. そこで本研究では, 4つのロータをもつクアッドロータ機につい て, 地面効果を受けた際にロータ軸間距離が推力とホバリング効 率に及ぼす影響を解明することを目的とした空気力計測実験を 行った. 本稿では, 地面効果を受けている単独ロータの推力とト ルクの計測ならびに, ロータ軸間距離を変化させた際のクアッド ロータ機の推力変化とホバリング効率の変化について報告する.

Design and Development of Tether Powered Multirotor System for Construction Machine

Up to now, we have constructed a system that makes it easy to control general construction machine remotely. In this research, we describe a camera system using a Tether Powered Multirotor, which is a system for shooting a construction machine from the outside in the system. As a result of conducting practical tests on the Tether Powered Multi-rotor machine system developed so far found several problems. Among them, We thought that the power supply, communication, and performance of the Multi-rotor are a critical and fundamental issue, We propose a new system, developed and evaluated.

Status Display of Unmanned Construction Machine for Initial Response of Sediment Disasters: ― 1st report: Initial Experiments of Information Acquisition System by Multi-Rotor UAV with a Wired Power Feeding System Mounted on an Unmanned Construction Machine ―@@@―第一報：有線給電式マルチロータ機を用いた建設機械周囲の情報取得試験―

火山噴火後の土石流災害や集中豪雨による土砂災害の発生に対 し,掘削,押土,盛土,土砂運搬等の復旧作業に係る緊急作業が 期待される.これらの災害現場は,人の立入りが困難若しくは, 人命に危険を及ぼす可能性があるため,人が搭乗しない建設機械 を用いた無人化施工技術の利用が有用である.この無人化施工技 術は,雲仙普賢岳の砂防堰堤工事に利用され,この 15年で大き な進歩を遂げてきた [1].しかしながら,復旧のフェーズの中で も,特に,発災から 1ヶ月以内の,「二次災害防止のための最低限 の措置を目指した応急復旧」については,熟練オペレータでも, その作業は困難を極める.これは,対象環境の情報不足といった 問題に加え,情報を取得するセンサの設置が困難であることが大 きな要因である.例えば,視覚情報を用いた無人化建設機械の遠 隔操作に有用となる無人カメラ車は,災害初期段階においては, 希望の位置に設置することができるとは限らない.よって,建設 機械に搭載したセンサのみを用いて,できる限り周囲の環境情報 の取得を行うことが望ましい.さらに,不整地環境において作業 を行う際,オペレータに対し,三次元環境情報ならびに建設機械 の転倒可能性に関する提示を行うことができれば,転倒防止に効 果があることも期待できる. そこで,筆者らは,ImPACT タフロボティクスチャレンジの 公募研究助成を受けるとともに,土木研究所の協力を得て,発災 から 1ヶ月以内の,二次災害防止のための最低限の措置を目指し た応急復旧における,無人建設機械の周囲の環境情報と建設機械 自体の状態を提示する手法の研究開発を行う.具体的には,以下 の 3点に関する研究開発を進めることとした.

Development of Teleoperated Mobile Robot for Fumaroles Exploration

Fumaroles exploration is effective investigation for prediction of volcanic eruption. However, until now, fumaroles observation is basically conducted by human, and it is very dangerous work, because of phreatic explosion and toxic gas. Therefore, we aim at developing a teleoperated mobile robot that observes fumaroles in a volcanic area, instead of human. In this paper, we propose a scenario of fumaroles observation by a robot, and introduce our prototype of teleoperated mobile robot for the observation. In addition, we report our initial test conducted in a real volcanic field in Izu-ohsima Island.

J192011 Traversal Experiments on rough terrain for "TrackWalker II" : in Mihara-Yama and Nakatajima dune

To explore in extreme environments, such as a lunar surface or volcanic area in the earth, our research group has been developing small-sized tracked robots, called “TrackWalker” and “TrackWalker II”, in a joint research project with JAXA. Each robot mounts two side sub-tracks, and each sub-track has a swing mechanism to enable simple legged locomotion for traversal on a weak a soil. From 2010 to 2011, we have conducted some field tests using the tracked robots and improved its weakness, and executed performance assessments. In 13 th , March, 2012, JAXA organized a debrief session combined with field test in Nakatajima dune, in Hamamatsu, and we performed hill-climbing demonstration. In this paper, we introduce a brief of mechanism of TrackWalker-II, and report some field tests, including Nakatajima experiment.

1P1-E01 Development of High-frequency 3D LIDAR for mobile robots to detect moving objects

近年,家庭や病院など人間が生活する環境で作業を行うサー ビスロボットの研究開発が盛んに行われている.このような人 間と共存するロボットには,環境に応じた動作を実行するため 様々な機能が要求される.その一つとして近年注目されている のが,三次元環境認識である. ロボットの三次元環境認識には,いくつかの手法があるが,主 な手法としてステレオカメラを用いたものと,3D LIDAR(Light Detection And Ranging)を用いたものに大別される.ステレオ カメラによる環境認識は広く用いられ,多くの研究報告がなさ れているが,この手法では,測定距離に応じて計測精度が低下 する,照明などの影響を受けやすいといった欠点がある.そこ で本研究グループでは,これまで3D LIDARを用いた三次元環 境認識に関する研究を進めてきた[1]. LIDARを用いた三次元環境認識では,三次元環境を距離情報 として詳細に取得できるという利点がある.しかしながら,こ の手法では,三次元環境情報をデータ点の集合によって表現す るため,計測には時間が掛かるという欠点がある.特に移動障 害物を検知する場合には,計測に時間が掛かると,計測中に移 動障害物の位置がずれてしまい,その位置を正確に把握できな いといった問題が生じる. そこで本研究では,測域センサを用いて三次元環境計測を行 い,環境中から移動物体を検出するシステムの構築を研究目的 に設定した.まず,移動物体の三次元位置を高速に把握するた め,高速三次元スキャンが可能なスキャナの開発を行った.三 次元スキャナには,水銀接点のロータリーコネクタを使用し, 測域センサを搭載したステージを無限回転可能とした.さらに 周囲環境を高速スキャンするため,ステージ回転速度を最大 180[rpm]に設定し,高速スキャンを可能とした.ただし,測域 センサで得られるデータ量は一定であるため,一回の三次元ス キャンで得られる測距データ数は少なくなる. 次に,この開発したセンサを利用して移動物体を検知するため, 逐次獲得した三次元環境情報を時間方向に比較し,差分処理を 行うことで,環境中から移動物体を検出する手法を開発した. これまで,測域センサを用いた移動障害物検知に関する研究 は,いくつか行われてきた[2][3][4].Carballoらは,測域センサ を用いて床からの高さが異なる二層の水平面を二次元スキャン Fig. 1 3D LIDAR

2A1-E25 Development of a Small-sized Leg-track Robot to traverse on loose slopes and irregular terrains

Track mechanism has high movability on irregular terrains. Therefore, it is typically used for locomotion mechanism of all-terrain robots. However, the track mechanism sometimes slips while it traverses on loose slopes. Therefore, we developed a new locomotion mechanism, called “Surface-contact-type locomotion”, which has high movability on weak soils. It uses simple leg mechanism that has wide contact area with the ground in order not to corrupt the contact surface. However, it has a disadvantage of low movability on irregular terrains. To solve the above trade-off, we developed “Leg-Track Hybrid Robot” by fusing the both locomotion mechanisms. In this paper, we explain details of the developed locomotion mechanism and report some initial experiments.

2A2-D30 Robust Positioning Device with Optical Sensor and Dual Laser Sources for Mobile Robots Traversing Slippery Terrains

This paper describes the development of a sensing device that can be used to estimate the position of mobile robots on slippery terrains. The device consists of an optical sensor designed for a computer mouse and dual laser light sources for generating a laser speckle pattern. It detects the motion of a moving surface at a large distance from the surface, from 80 mm to 300 mm, by tracking the laser speckle pattern. The use of dual laser light sources makes the tracking robust for large distances from the ground. Some fundamental experiments validated the performance of the device, which tracked surfaces with high accuracy under various height conditions. Finally, the device was mounted on our mobile robot, and simple experiments were conducted on a slippery sandy terrain to evaluate the usefulness of the device as a noncontact odometry system.