日本ロボット学会ヒューマノイド・ロボティクス研究専門委員会: ヒューマノイド・ロボティクス2019夏の学校

趣旨

人型ロボットの力学・制御・運動計画・行動計画・実装に関する勉強会を行います。人型ロボット研究に現在携わっている、あるいはこれから携わる意志のある方たちの研究力向上と、互いの研究について組織を越えて忌憚なく議論できるコミュニティの育成を狙いとするものです。

幾つかのトピックについて、講師から聴講者に一方的に知識を伝達するのではなく、全員で議論し理解を深めることを旨とします。講師は主に議論の舵取り役を務めます。参加される方々には、可能な範囲で予習をしておいて頂きたく存じます。

今年は、昨年のアンケートで「今後聴きたいトピック」としてご希望が多く上げられた「深層学習」「受動歩行」について、早稲田大学の尾形哲也先生と名古屋工業大学の佐野明人先生をお招きしご講演頂きます。

また、昨年好評でした受講者からの研究発表を今年も募ります。 1件あたり30～60分程度を想定しております。最先端で活動している一流研究者から質の高いフィードバックを戴けるチャンスですので、奮ってご応募下さい。内容は既発表/未発表を問いません。
※公的な発表記録にはなりませんのでご注意下さい。
※発表希望者多数の場合は主催者にて選抜させて頂きます。
※必要に応じて、参加者には守秘誓約書に署名して頂きます。

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場所

明治大学駿河台キャンパスリバティタワー8F 1083教室

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スケジュール

9/7(土)
8:45- 9:15	受付
9:15- 9:20	開会挨拶
9:20-10:50	講義1: 人型ロボットの動力学森澤光晴（産総研）
11:00-12:30	講義2: 人型ロボットの低次元力学田﨑勇一（神戸大）
12:30-13:30	昼休み
13:30-15:00	講義3: 人型ロボットの脚運動制御杉原知道（PFN）
15:10-16:40	講義4: ロボット動作の力学的設計中西淳（名城大）
9/8(日)
9:20-10:50	特別講義: 深層学習モデルによるロボットの感覚運動学習尾形哲也先生（早稲田大）
11:00-12:30	セミナー: 歩行・走行動作の魅力佐野明人先生（名工大）
12:30-13:15	昼休み
13:15-16:15	受講者による研究発表
16:25-17:55	ディスカッション
17:55-18:00	閉会挨拶，解散

※今年は懇親会は行いません。

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講義

講義1: 人型ロボットの動力学森澤光晴（産総研）

数年前には歩くこともままならなかったトルク制御型ヒューマノイドロボットが、今ではごく当たり前のように歩行が実現されている。本講義では、これらのトルク制御型ヒューマノイドロボットで全身運動制御を行うにあたって重要な動力学および接触表現の定式化やそれらを用いた二次計画法による全身運動制御の実現方法について述べる。

主なトピック：人型ロボットの運動方程式、接触表現、不等式制約条件・優先度付き逆動力学、全身運動制御

参考文献
藤本康孝ら：“床との衝突および摩擦を考慮した2足歩行ロボットの三次元運動シミュレーション,” 日本ロボット学会誌, Vol.15, No.6, pp.857-863, 1997.
K. Yoshida, General Formulation for Under Actuated Manipulators, Proc. of IEEE/RSJ IROS, pp.1651-1657, 1997.
梶田ら：“分解運動量制御：運動量と角運動量に基づくヒューマノイドの全身運動生成,” 日本ロボット学会誌, Vol.22, No.6, pp.772-779, 2004.
H. Hirukawa, et al, “A universal stability criterion of the foot contact of legged robots ? adios ZMP,” Proc. of IEEE ICRA, 2006.
S. Caron, et al, "ZMP Support Areas for Multicontact Mobility Under Frictional Constraints," IEEE Transactions on Robotics, vol. 33, no. 1, pp. 67-80, 2017.
O. Khatib, “A Unified Approach for Motion and Force Control: The Operational Space Formulation,” IEEE Int. Journal of Robotics and Automation, vol.3, no.1, pp.43-53, 1987.
K. Yamane, et al, “Natural motion animation through constraining and deconstraining at will,” IEEE Trans. on Visualization and Computer Graphics, Vol. 9, No. 3, pp.352-360, 2003.
N. Mansard, et al, “A Unified Approach to Integrate Unilateral Constraints in the Stack of Tasks,” IEEE Trans. on Robotics, vol.25, no.3, pp.670-685, 2009.
A. Escande, et al, “Fast Resolution of Hierarchized Inverse Kinematics with Inequality Constraints,” Proc. of IEEE Conf. on Robotics and Automation, pp.3733-3738, 2010.
O. Kanoun, et al, “Kinematic control of redundant manipulators: generalizing the task priority framework to inequality tasks,” IEEE Trans. on Robotics, 2011, 27 (4), pp.785-792.
杉原, “乗数法による優先度付き逆運動学のロバスト解法, 第19回ロボティクスシンポジア, pp.215-220, 2014.
M. Benallegue, et al, “Fact C1 Proximity Queries using Support Mapping of sphere-torus-patches bounding volumes,” Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp.483-488, 2009.
金広ら: “実機の物理制約を考慮した即応的脚軌道生成手法,” 日本ロボット学会誌, Vol. 28, No.10, pp.1251-1261, 2010.
M. Morisawa, et al, “Biped locomotion control for uneven terrain with narrow support region,” Proc. of IEEE/SICE Int. Symposium on System Integration, pp. 34-39, 2014.
S. Feng, et al, “Optimization-based full body control for the DARPA Robotics Challenge,” Journal of Field Robotics, Vol. 32, no.2, pp.293-312, 2015.
M. A. Hopkins, et al, “Optimization-Based Whole Body Control of a Series Elastic Humanoid Robot,” Int. Journal of Humanoid Robotics, vol.13, no.1, 2015.
T. Koolen, et al, “Design of a Momentum-Based Control Framework and Application to the Humanoid Robot Atlas,” Int. Journal of Humanoid Robotics, vol.13, no.1, 2016.
B. Henze, et al, “Passivity-based whole-body balancing for torque-controlled humanoid robots in multi-contact scenarios,” Int. Journal of Robotics Research, Vol. 35(12) 1522?1543, 2016.
Y. Kanemoto, et al, “Compact and High Performance Torque-Controlled Actuators and its Implementation to Disaster Response Robot,” in Proc of IEEE Robotics and Automation, pp.4057-4063, 2018.

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講義2: 人型ロボットの低次元力学田﨑勇一（神戸大）

本講義では，多くの自由度を有する人型ロボットの運動生成や制御系設計を考える上で重要となる低次元力学について述べる．マルチボディダイナミクスから線形倒立振子モード（LIPM）を導出し，その基本的な性質を明らかにする．また，低次元動力学モデルを用いた歩行軌道生成や転倒回避解析について，制御理論との関連に触れつつ述べる．

主なトピック：重心動力学，線形倒立振子モード，歩行軌道生成，Capturability解析

資料訂正箇所

参考文献
S. Caron, Q. Pham and Y. Nakamura: "ZMP Support Areas for Multicontact Mobility Under Frictional Constraints," IEEE Transactions on Robotics, vol. 33, no. 1, pp. 67-80, Feb. 2017.
T. Koolen, T. de Boer, J. Rebula, A. Goswami, J. Pratt: "Capturability-based analysis and control of legged locomotion, Part 1: Theory and application to three simple gait models", The International Journal of Robotics Research, 31(9), 1094–1113, 2012.

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講義3: 人型ロボットの脚運動制御杉原知道（PFN）

本講義では人型ロボットの脚運動制御について議論する。重心-ZMPモデルに基づいて、代表的脚運動である立位安定化、足踏み、歩行の力学現象としての性質を概観した後に、それらの運動を成立させるためのZMP統合的制御器設計、さらに全身運動を合成する実時間制御システムの階層的構成について論じる。

主なトピック: 重心-ZMPモデル、立位安定化、足踏み制御、力学変容、神経振動子、位相制御、受動歩行、着地位置制御、ZMP操作、階層的全身制御

参考文献
F. B. Horak and L. M. Nashner, Central programming of postural movements: adaptation to altered support-surface configurations, Journal of Neurophysiology, Vol. 55, No. 6, pp. 1369-81, 1986.
Y. Fujimoto and A. Kawamura, Robust Biped Walking with Active Interaction Control between Foot and Ground, in Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 2030-2035, 1998.
S. Hyon, Passivity-Based Full-Body Force Control for Humanoids and Application to Dynamic Balancing and Locomotion, in Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 4915-4922, 2006.
F. Miyazaki and S. Arimoto, A Control Theoretic Study on Dynamical Biped Locomotion, Transaction of the ASME, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 102, pp. 233-239, 1980.
J. Furusho, H. Tamura and M. Masubuchi, A Hierarchical Forecast Control of a Dynamical Biped Locomotion System, in Proceedings of the 9th IFAC World Congress, 1984.
T. Sugihara, Standing Stabilizability and Stepping Maneuver in Planar Bipedalism based on the Best COM-ZMP Regulator, in Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1966-1971, 2009.
K. Mitobe, G. Capi and Y. Nasu, Control of walking robots based on manipulation of the zero moment point, Robotica, Vol. 18, No. 6, pp. 651-657, 2000.
S. Kajita, T. Yamaura and A. Kobayashi, Dynamic Walking Control of a Biped Robot Along a Potential Energy Conserving Orbit, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 8, No. 4, pp. 431-438, 1992.
J. Pratt, J. Carff, S. Drakunov and A. Goswami, Capture Point: A Step toward Humanoid Push Recovery, in Proceeding of the 2006 IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, pp. 200-207, 2006.
D. C. Witt, A Feasibility Study on Automatically-Controlled Powered Lower-Limb Prostheses, University of Oxford Technical Report, 1970.
高西淳夫, 石田昌巳, 山崎芳昭, 加藤一郎, 2足歩行ロボットWL-10RDによる動歩行の実現, 日本ロボット学会誌, Vol. 3, No. 4, pp. 325-336, 1985.
南方英明, 堀洋一, 3次元可変速二足歩行に関する実験的研究, 電気学会論文誌D, Vol. 118, No. 1, pp. 10-15, 1998.
伊藤聡, 阪圭央, 川崎晴久, 佐々木実, 床反力情報に基づいた平衡制御と歩行パターン生成器のオンライン・リズム学習, 電子情報通信学会学会誌, Vol. J88-D-II, No. 2, pp. 406-415, 2005.
S. Grillner, Locomotion in vertebrates: central mechanisms and reflex interaction, Physiology Review, Vol. 55, No. 2, pp. 247-304, 1975.
R. Kato and M. Mori, Control Method of Biped Locomotion Giving Asymptotic Stability of Trajectory, Automatica, Vol. 20, No. 4, pp. 405-414, 1984.
L. Jalics, H. Hemami and Y. F. Zheng, Pattern Generation Using Coupled Oscillators for Robotic and Biorobotic Adaptive Periodic Movement, in Proceedings of the 1997 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 179-184, 1997.
G. Taga, Self-organized control of bipedal locomotion by neural oscillators in unpredictable environment, Biological Cybernetics, Vol. 75, pp. 147-159, 1991.
O. Katayama, Y. Kurematsu and S. Kitamura, Theoretical Studies on Neuro Oscillator for Application of Biped Locomotion, in Proceedings of the 1995 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 2871-2876, 1995.
K. Tsuchiya, S. Aoi and K. Tsujita, Locomotion control of a biped locomotion robot using nonlinear oscillators, in Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 1745-1750, 2003.
J. Morimoto, G. Endo, J. Nakanishi and G. Cheng, A Biologically Inspired Biped Locomotion Strategy for Humanoid Robots: Modulation of Sinusoidal Patterns by a Coupled Oscillator Model, IEEE Transactions on Robotics, Vol. 24, No. 1, pp. 185-191, 2008.
T. Sugihara, Dynamics Morphing from Regulator to Oscillator on Bipedal Control, in Proceedings of the 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 2940-2945, 2009.
T. Sugihara, Consistent Biped Step Control with COM-ZMP Oscillation Based on Successive Phase Estimation in Dynamics Morphing, in Proceedings of the 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 4224-4229, 2010.
M. Okada, K. Tatani and Y. Nakamura, Polynomial Design of the Nonlinear Dynamics for the Brain-like Information Processing of Whole Body Motion, in Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1410-1415, 2002.
H. Miura and I. Shimoyama, Dynamic Walk of a Biped, The International Journal of Robotics Research, Vol. 3, No. 2, pp. 60-74, 1984.
M. H. Raibert, H. B. Brown Jr. and M. Chepponis, Experiments in Balance with a 3D One-Legged Hopping Machine, The International Journal of Robotics Research, Vol. 3, No. 2, pp. 75-92, 1984.
T. McGeer, Passive Dynamic Walking, The International Journal of Robotics Research, Vol. 9, No. 2, pp. 62-82, 1990.
M. Garcia, An. Chatterjee, A. Ruina and M. Coleman, The Simplest Walking Model: Stability, Complexity, and Scaling, ASME Journal of Biomechanical Engineering, Vol. 120, No. 2, pp. 281-288, 1998.
T. Sugihara, Biped Control To Follow Arbitrary Referential Longitudinal Velocity based on Dynamics Morphing, in Proceedings of the 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 1892-1897, 2012.
F. Gubina, H. Hemami and R. B. McGhee, On the Dynamic Stability of Biped Locomotion, IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering, Vol. BME-21, No. 2, pp. 102-108, 1974.
T. Sugihara, Y. Nakamura and H. Inoue, Realtime Humanoid Motion Generation through ZMP Manipulation based on Inverted Pendulum Control, in Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1404-1409, 2002.
O. Khatib, A Unified Approach for Motion and Force Control of Robot Manipulators: The Operational Space Formulation, The International Journal of Robotics and Automation, Vol. RA-3, No. 1, pp. 43-53, 1987.
D. E. Whitney, Resolved Motion Rate Control of Manipulators and Human Prostheses, IEEE Transactions on Man-Machine Systems, Vol. 10, No. 2, pp. 47-53, 1969.
土壁創一, 杉原知道, 接触状態変化に対し低感度な重心-ZMPモデルに基づく二脚ロボット制御, 第33回日本ロボット学会学術講演会, 2I2-06, 2015.
長阪憲一郎, 稲葉雅幸, 井上博允, 体幹位置コンプライアンス制御を用いた人間型ロボットの歩行安定化, 第17回日本ロボット学会学術講演会, pp. 1193-1194, 1999.
杉原知道, 中村仁彦, 加速度補正によるヒューマノイドロボットの高精度ZMP操作, 第22回日本ロボット学会学術講演会, 3L21, 2004.

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講義4: ロボット動作の力学的設計中西淳（名城大）

本講義では，非線形微分方程式で記述される力学系（動的システム）を用いたロボットの動作生成について述べる．運動学習プリミティブ(Dynamic Movement Primitives)を中心に，力学系の持つ望ましい性質を用いたロボット動作の力学的設計の基本的な考え方や，力学系を用いた目的とする運動の表現手法について述べる．また，近年のロボットの運動学習および動作設計手法との関連についても議論したい．

主なトピック：力学系，動的システム，アトラクタ，リミットサイクル，ベクトル場，到達運動，周期運動，運動学習プリミティブ(DMP)，見まね学習，位相振動子，関数近似

資料訂正箇所

参考文献
A. J. Ijspeert, J. Nakanishi, H. Hoffmann, P. Pastor, and S. Schaal, Dynamical Movement Primitives: Learning Attractor Models for Motor Behaviors, Neural Computation, 25, pp. 328-373, 2013
P. Pastor et al., From Dynamic Movement Primitives to Associative Skill Memories, Robotics and Autonomous Systems, 61(4), pp. 351-361, 2013
岡田，中村，脳型情報処理を行う力学系の多項式設計法とそのヒューマノイドの全身運動生成への応用，日本ロボット学会誌，22(8), pp. 1050-1060, 2004
S. M. Khansari-Zadeh and A. Billard, Learning Stable Non-Linear Dynamical Systems with Gaussian Mixture Models, IEEE Trans. on Robotics, 27(5), pp. 943-957, 2011
S. Calinon and D. Lee, Learning Control, Hunanoid Robotics: A Reference, Springer, 2018 (available here)
S. H. Strogatz, Nonlinear Dynamics and Chaos, Addison-Wesley, 1994 (Chapter 5-7)
H. Khalil, Nonlinear Systems, Third Edition, Prentice Hall, 2002 (Chapter 1-2)
M. Williamson, Robot Arm Control Exploiting Natural Dynamics, Ph.D Thesis, MIT, 1999
G. Endo et al., Learning CPG-based Biped Locomotion with a Policy Gradient Method: Application to a Humanoid Robot, Int. J. of Robotics Research, 27(2), pp. 213-228, 2008
J. Nakanishi et al., Learning from demonstration and adaptation of biped locomotion, Robotics and Autonomous Systems, 47, pp. 79-91, 2004
J. Morimoto et al., A Biologically Inspired Biped Locomotion Strategy for Humanoid Robots: Modulation of Sinusoidal Patterns by a Coupled Oscillator Model, IEEE Trans. on Robotics, 24(1), pp. 185-191, 2008

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特別講義: 深層学習モデルによるロボットの感覚運動学習尾形哲也先生（早稲田大）

TBA

参考文献
Ryunosuke Yokoya, Tetsuya Ogata, Jun Tani, Kazunori Komatani, and Hiroshi G. Okuno: Experience Based Imitation Using RNNPB, Advanced Robotics, VSP and Robotics Society of Japan, Vol. 21, No. 12, pp. 1351-1367, Oct. 2007.
Kuniaki Noda, Hiroaki Arie, Yuki Suga, and Tetsuya Ogata: Multimodal Integration Learning of Robot Behavior using Deep Neural Networks, Robotics and Autonomous Systems, Vol. 62, No. 6, pp. 721-736, 2014. DOI:10.1016/j.robot.2014.03.003
Kuniaki Noda, Yuki Yamaguchi, Kazuhiro Nakadai, Hiroshi G. Okuno, and Tetsuya Ogata: Audio-Visual Speech Recognition using Deep Learning, Applied Intelligence, Springer, Vol. 42, Issue. 4, pp. 722-737, April 2015. DOI:10.1007/s10489-014-0629-7
Pin-Chu Yang, Kazuma Sasaki, Kanata Suzuki, Kei Kase, Shigeki Sugano, and Tetsuya Ogata: Repeatable Folding Task by Humanoid Robot Worker using Deep Learning, IEEE Robotics and Automation Letters (RA-L), Vol.2, No.2, pp. 397-403, Nov. 2016. DOI: 10.1109/LRA.2016.2633383
Sergey Levine, Chelsea Finn, Trevor Darrell, Pieter Abbeel: End-to-End Training of Deep Visuomotor Policies, Journal of Machine Learning Research 17 (2016) pp. 1-40.
Kuniyuki Takahashi, Kitae Kim, Tetsuya Ogata, and Shigeki Sugano: Tool-body Assimilation Model Considering Grasping Motion through Deep Learning, Robotics and Autonomous Systems, Vol. 91, pp. 115-127, May 2017. doi.org/10.1016/j.robot.2017.01.002
Kuniyuki Takahashi, Tetsuya Ogata, Jun Nakanishi, Gordon Cheng, and Shigeki Sugano: Dynamic Motion Learning for Multi-DOF Flexible-Joint Robots Using Active-Passive Motor Babbling through Deep Learning, Advanced Robotics, Vol. 31, pp. 1002-1015, Nov. 2017. doi.org/10.1080/01691864.2017.1383939
Sergey Levine, Peter Pastor, Alex Krizhevsky, Deirdre Quillen: Learning Hand-Eye Coordination for Robotic Grasping with Deep Learning and Large-Scale Data Collection, The International Journal of Robotics Research, Volume: 37 issue: 4-5, pp. 421-436, 2018.
Tatsuro Yamada, Hiroyuki Matsunaga, and Tetsuya Ogata: Paired Recurrent Autoencoders for Bidirectional Translation between Robot Actions and Linguistic Descriptions, IEEE Robotics and Automation Letters (RA-L), Vol. 3, Issue 4, pp. 3441-3448, Oct. 2018. DOI: 10.1109/LRA.2018.2852838
Kanata Suzuki, Hiroki Mori, and Tetsuya Ogata: Motion Switching with Sensory and Instruction Signals by designing Dynamical Systems using Deep Neural Network, IEEE Robotics and Automation Letters (RA-L),Vol. 3, Issue 4, pp. 3481-3488, Oct. 2018. DOI: 10.1109/LRA.2018.2853651

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セミナー: 歩行・走行動作の魅力佐野明人先生（名工大）

1991年6月，McGeerと彼の受動歩行機に出会った．受動歩行が自身の歩行研究に大きなインパクトを与えることになるとは当時思わなかった．知的探求心から歩行・走行動作をあらゆる観点で深く考察し，その過程でいくつかの知見を発見するに至り，結果として人型ロボットが形作られてきていることを語りたい．また最近，受動的力学機序と深層学習の融合に興味があり，機械学習による重力の概念獲得についても議論したい．