Boxie自律型ロボット：33分の詳細解説 | Marvelmind

0:01 皆さん、こんにちは。今日は、私たちの新しいロボット、Marvelmind Boxieをかなり詳しくご紹介します。このロボットは何のためのものでしょうか。まずは自律配送、そして研究、教育、開発全般のためです。では、基本から始めましょう。ロボットの大きさは約31 cm × 31 cmです。高さは、確か15……同僚にメジャーを持ってきてもらって、あとで詳しくお見せします。重量は4.5 kgで、駆動方式は次のとおりです。駆動輪が2つあり、さらに

0:58 キャスターが2つあります。シャーシは金属製で、非常に剛性が高くなっています。ペイロードが最大10 kgだからです。では、何ができるのでしょうか。まず、ロボットとは何かという話です。ロボットは3つの大きなことができなければなりません。1つ目は、環境を感知できること。だからこのロボットには多種多様なセンサーがあり、一般にセンサーフュージョンはあらゆる自律型ロボットのカギです。2つ目は、情報を処理し、記録し、過去の記憶から呼び出せること。そして3つ目は、アクチュエーターを動かして周囲の環境に働きかけられることです。私たちの場合はまず配送ですが、それだけではありません。

1:56 このあとお話しするように、ほかにも多くのインターフェースがあります。このロボットは拡張することを前提に開発されているからです。つまり、実質的にはトラクターです。追加の機器を搭載する前提で設計されています。ここでご覧いただいているのは、私たちがStandard構成と呼んでいるものです。ベースがあり、Intel RealSenseのLIDARと3Dカメラがすでに搭載され、標準バッテリーを備えています。Base構成は、当社のウェブサイトで確認していただくとわかりますが、これと同じでIntel RealSenseがないものです。Advanced構成は、すべて同じ内容に加えて、容量を増やすための追加バッテリーを内蔵し、さらにいくつかのものが付属します。たとえば、

2:56 固定ビーコンの同梱、延長保証、必要に応じた追加のトレーニングなどです。では、少し話を戻しましょう。センサーにはどんなものがあるのか。本当にたくさんあります。ロボットが動作する環境は厳しく、それこそが、実際の現場で使うロボットと、研究室やデモ用のロボットとを分けるものだからです。倉庫や組立工場、製造施設などの実際の環境は非常に厳しいものです。騒音があることもあれば、照明があることも、照明がないこともあります。ロボットは、1つ、2つ、3つ、あるいはそれ以上のセンサーをセンサーフュージョンで組み合わせて、こうしたあらゆる環境で動作できなければなりません。では、そのセンサーとは何でしょうか。

3:55 もちろん、まずは当社独自の新しい高精度ナビゲーションシステムです。ご覧のとおり、全方向マイクが2つあります。それぞれの全方向マイクには4つのマイクが入っています。そのため、1つのマイクで360度をカバーでき、それが2つあります。そして2つのマイクの間隔（基線）によって、非常に正確な位置だけでなく向きも測定できます。それぞれの点の位置をセンチメートル級の精度で算出し、基線の長さがわかっていれば、ロボットが向いている方向を数度の精度で知ることができるからです。そしてもちろん、これは常に慣性計測装置（IMU）と組み合わせて動作します。このロボットには複数のIMUが搭載されています。ロボットの内部には、実質的に2台のSuper-Beaconが組み込まれています。

4:53 そして、こちらに見えるのが Super-Beaconのマイクです。トランスデューサーも見えます。ここではソナーとして使われていますが、ロボット内部のSuper-Beaconの一部です。つまり私はSuper-Beaconを使っていて、それはお客様も利用できます。そしていつものように、ここではジャイロを使っています。ジャイロはドリフトします。そのドリフトを取り除くのが、ペアードビーコン構成です。これがドリフトを打ち消します。つまり、非常に精密で非常に正確なIMUを、ドリフトなしで同時に手に入れられるということです。ドリフトはペアードビーコン構成によって取り除かれるからです。ですから、これは当社が提供している通常のペアードビーコン構成と何も変わりません。

5:50 これはペアードビーコンです。あるいは、この小さな子の兄貴分とも変わりません。当社の産業用途向けロボットV100も、高精度な屋内ナビゲーションと測位に加えて、ペアードビーコンによる位置と向きの検出を実装しています。もちろん、これはロボットであり、私たちは常にセンサーフュージョンの話をしているので、測位にはこれだけでなくオドメーターも使っています。車輪が2つあり、それぞれにオドメーターが組み込まれています。オドメトリのデータはAPI経由でお客様も利用でき、もちろんロボット自身も自律走行に使っています。つまり、測位、

6:47 IMU、オドメーターのデータをフュージョンしているわけです。ただ、多くの場合、お客様は光学式ナビゲーションを使える選択肢を望まれます。必須ではなく、あくまで選択肢としてです。そのために、Intel RealSense 3Dを用意しています。LIDARは当然、環境を把握して障害物を知るために使い、3Dカメラは位置推定と測位に使います。この2つを組み合わせると、非常に優れたソリューションになります。ただし、光学式のソリューションと屋内GPSのソリューションの間には、とても大きな違いがあります。屋内GPSなら、たとえば50 m移動しても、2 cmの精度で同じ地点に戻ってこられます。どれだけ移動しても関係なく、いつでも2 cmの精度で戻れます。つまりこれは

7:45 一種の絶対測位です。光学式トラッキングは絶対測位ではありません。常に相対的なトラッキングです。RealSenseは非常によく機能し、要件も満たしていて、クローズドループで約1%の精度とされています。つまり、たとえば100 m移動して戻ってくると、公式には出発点から最大1 mずれる可能性があるということです。これは、このサイズのロボットにとっても、一般的に見ても、かなり大きなずれです。ですから、光学式は、追加のビーコンなしで移動する、つまり移動全般にはとても適しています。というのも、たとえば当社の屋内GPSは周囲に固定ビーコンのネットワークが必要ですし、同時に制約がないわけでもないからです。だからこそ、お客様には

8:44 選択肢を用意しています。屋内GPSのみの構成、あるいは屋内GPSで位置と向きを取り、オドメトリを加え、さらに光学式のRealSenseでセンサーフュージョンを補う構成です。ここまでがロボットの位置の話で、これは自律走行、自律ナビゲーション、屋内測位にとって非常に重要な要件です。しかし周囲には障害物もあります。障害物に対処し、それを検知して、避けて走行する必要があります。そのために複数のセンサーがあります。先ほど述べたとおりRealSenseもこの役割を果たしますが、実装が複雑すぎる場合があります。それに対応するには、大量の計算とソフトウェアが必要になります。そこで、障害物検知用に1D LIDARも搭載しています。これは

9:43 暗い環境では最大4 mまで検知できます。一般的な環境、つまり非常に明るい環境では最大1 mです。もちろん、少なくともその程度は確保することを推奨しています。これもAPI経由で利用できます。私がお話ししていることはすべて自律走行に使われていますが、同時にAPIを通じて、お客様がロボットの上に独自のシステムを開発するためにも利用できます。特に最初のうちは、足りないものがあればお知らせください。有効にします。私たち自身が使っている機能なので、喜んでそのAPIを提供します。つまり、たとえば車輪の制御を引き継ぐといったこともできます。ロボットは当社独自の自律走行システムとソフトウェアで走りますが、それをご自身で行うこともできます。ハードウェア、ドライバー、ソフトウェア、そしてセンサーをはじめとする多くの要素がそろった、すぐに使えるシャーシとしてロボットを使えるわけです。

10:42 そして当社のものを使わずに、APIを通じて独自の自律走行の仕組みを構築することもできます。繰り返しになるかもしれませんが、覚えておいてください。まずLIDARです。複数あって、前面に2つ、コーナーに3つ、正確にはコーナーに2つと側面に1つ、そして背面にもいくつかあります。ただし、これらは光学式です。障害物になるのに、光学式のLIDARでは見えない物体に出くわすこともあります。たとえば反射しすぎるもの、透明すぎるもの、あるいはメッシュ状のものです。メッシュはLIDARでは検知できない、あるいは検知できないことがあります。これはかなり難しいところです。

11:41 そこで全体として補い合うわけです。測位にセンサーフュージョンという同じ考え方を当てはめているのと同様に、障害物検知にも同じ考え方を当てはめています。つまり、ここでもRealSenseの3D LIDARがあり、当社独自の1D LIDARがあり、さらにソナーもあります。これらすべてを組み合わせることで、ロボットは実環境で物体を検知し、対処できます。もちろん、そのほかにも、センサーとは思えないかもしれないけれど実はセンサーであるものがあります。たとえば消費電流の測定です。ロボットが普通に走っていて、モーターが消費する電流を検知しているとします。そこで突然、たとえばすべてを見逃したとします。ソナーでも見逃し、

12:39 LIDARでも、3D LIDARでも、何でも見逃した場合です。こういう物体は、尖っていて細く、反射が返ってこないので、検知が非常に難しいのです。たとえばロボットが気づかずに、そのまま押し始めてしまったとします。電流を検知していれば、走行に何らかの変化があったことがわかります。つまりこの観点では、電流検知も障害物検知、ひいては回避の一要素なのです。そしてもちろん、電流検知は本来、バッテリーの持続時間の推定や、お客様やユーザーへの通知などに使います。これらはすべて利用できます。センサーフュージョン、センサーフュージョン、センサーフュージョン。呪文のように繰り返しますが、これがあらゆる自律型ロボットのカギです。

13:38 内部には多種多様なセンサーがあります。しかし、センサーは自律型ロボットの要素の1つにすぎず、それだけでは十分ではありません。処理能力が必要です。では、プロセッサーやボード、内部の処理全般についてお話ししましょう。複数の階層と複数のボードがあります。中心となるのはRaspberry Piです。あの有名なRaspberry Piが内部に搭載されています。小型で消費電力の少ない、ワイヤレス接続付きのRaspberry Pi Zeroです。これにより、Raspberry Pi上で強力なLinux、Raspbian、ROSがそのまま使えます。もちろんインターフェースも利用できます。標準の40ピンインターフェースで、

14:37 ウェブで見られるものとまったく同じです。つまり利用できます。一部は内部で使っていますが、大半はお客様が直接使えます。つまりRaspberry Piが、いわば中心となる上位のコンピューターであり処理系です。私たちも使っていますが、処理能力とメモリーの大部分は、ロボットと一緒に、あるいはロボットの上で使う外部機器のために、お客様が利用できます。もちろん、それだけではありません。内部には当社独自のボードもあります。これらのピンはオドメーターボード用で、このオドメーターボードにも40ピンがありますが、こちらはより下位レベルのピンです。たとえば機器を載せていて、アームや

15:38 カメラ、グリッパーなどをオン・オフしたいとします。その場合、ここから直接給電できます。12 V、5 Vがあり、グラウンドも取れます。つまり40ピンとグラウンドを使ってオン・オフを切り替えられます。すべてこれらのピンから行い、もちろんすべてAPIから操作できます。さらにディスプレイがあり、これは実質的にAndroidスマートフォンです。つまり上位プロセッサーが2つあります。ROSを動かせるRaspberryと、Androidです。エンドユーザー向けのインターフェースはお好みで選べます。少し先に進みましょう。HDMIがあり、

16:36 このHDMIはRaspberryに接続されています。ですから、マウス、キーボード、HDMIを簡単につないで、ソフトウェアやプログラムをRaspberryに直接アップロードし、そこでネイティブに実行して、必要なデバッグをすべて行えます。さらに、たとえばディスプレイやモニターに、いずれかの電源や、ここに取り付けた外付けの追加バッテリーから給電することもできます。開発で必要なら、モニターをロボットに載せたまま走らせることさえできます。では、コンピューターの話に戻りましょう。どんなコンピューターが使えるのか。まず上位としてRaspberry、次に当社のオドメトリボードです。これはほかのすべてのボードを統括するメインの制御ボードで、多くの要素に直接アクセスできます。たとえば

17:36 電源スイッチや、Super-Beaconから受け取るデータの直接制御など、Raspberryより下位レベルの多くの要素です。さらにその上に、ユーザーインターフェースとしてAndroidスマートフォンがあり、ほかにも実にさまざまな機能を提供します。ただ、これについては少しあとでお話しします。シャーシについてです。前述のとおり、主な用途はA地点からB地点への配送です。ぜひ当社の動画をご覧ください。最大10 kgまでまったく問題なく運べ、非常に頑丈です。金属製で、厚さは2 mm、いや1.5 mmだったと思いますが、いずれにしても非常に頑丈です。かなりの重量を運べる設計ですが、推奨は最大10 kgです。内部のバッテリーは、実質的に

18:36 航空便で送れる最大容量、つまり100 Whに制限されています。現在これが輸送可能な上限なので、搭載をお勧めする最大容量もこれです。そしてこれがAdvanced構成の容量です。Base構成ではもっと小さく、Standard構成はその中間です。ほかには何があるでしょうか。ご覧のとおり、シャーシには多くの穴があります。これは通気用ではなく、お客様のボード用に設計されたものです。どんなボードかというと、穴はあらかじめ設計されています。もちろんArduinoです。こんな高度なロボットにArduinoを載せるのはかなり変わっていると思われるかもしれませんが、それもありでしょう。Arduino専用に設計された穴があります。

19:35 追加のRaspberry専用に設計された穴もあります。可能であれば、ご自身のRaspberryを搭載することを常にお勧めしています。電源はUSBかこの電源から取り、プログラムやアプリケーションを当社のRaspberryから完全に独立して実行してください。そのほうが開発がずっと簡単になります。つまりArduino、Raspberry、そしてJetsonです。Jetsonも搭載できます。すべてでも一部でも、お好みで搭載できます。そしてもちろん、アームや箱など、ロボットで運ぶ追加の機器を取り付けるための一般的な取り付け穴もあります。少し違う構成が必要な場合はお知らせください。構成は変更できます。お客様の具体的なニーズや

20:34 要件に合わせて、受注生産で製作できます。バッテリーについてもう少しお話しします。ロボットはかなりの量を運び、かなり長く走る必要があるので、実質的にこの領域全体がバッテリー用のスペースです。標準のバッテリーは約4,000 mAh、つまり4 Ahです。全体の容量は約50 Whで、最大は100 Whです。ただ、それは内部に収める場合の最大で、ご希望ならバッテリーを何層にも、最大10 kg分まで簡単に積むことができます。その上に載せて、内部で接続するだけです。とても簡単です。同僚にバッテリーを持ってきてもらって、

21:34 バッテリーがどんなものかお見せします。このように、追加のバッテリーはとても簡単に接続できます。必要な場合のために言っておくと、バッテリーは12 Vで、ごく一般的な電圧なので使いやすく、扱いやすいものです。では、インターフェースについてお話ししましょう。先ほど触れたように、インターフェースはこれです。ただ、インターフェースの前に、バッテリーについて少しだけ。内部には同じようなバッテリーが収まっていて、このようにつなぐだけで、どんどん追加できます。まずは、このように内部がいっぱいになるまで追加のバッテリーを入れられます。これは内部の話で、バッテリーを固定する専用のホルダーがあります。あるいは、必要であれば、

22:35 ここに大きなバッテリー層を載せることもできます。そうすると容量は、12 Vバッテリーで数十Ahにもなります。では、インターフェースについてです。インターフェースは、どんなロボットにとっても非常に重要な要素です。ロボットは環境を感知し、処理し、環境に対して出力しなければならないからです。主な出力は配送、つまり基本的にはモーターの駆動ですが、それだけではありません。では、このロボットにはどんなインターフェースがあるのか。もう一度、すでにお見せしたものから。USBです。USBはいちばんシンプルで簡単です。これらのUSBはRaspberryに接続されていますが、ほかにも多くのボードがRaspberryに接続されています。どんなボードかというと、もちろんオドメーター、そしてもちろんIntel

23:34 RealSense、そして Super-Beaconです。つまり、ロボットの内部にはかなり大規模なUSBネットワークがあり、ここには外部USBインターフェースが6つあります。そして従来どおり、内部にもインターフェースが1つあります。たとえば上部に取り付ける必要があるものを接続したいけれど、ロボットの背面は使いたくない場合、そこにUSBを挿せます。ほかには何があるか。HDMIです。必要に応じて内部のRaspberryでプログラムを実行するのに非常に便利です。それから、もちろん電源です。この電源スイッチは、保管するときの最終的なオン・オフ用です。通常の状態では、ロボットの電源は切らないことをお勧めします。ロボットはロボットであり、常に生きているものだからです。そして、

24:33 ほかのMarvelmindデバイスと同じように、ロボットをスリープさせることができます。スリープさせると眠り、そのあとウェイクアップできます。ですから、物理的に電源を切る必要はありません。ただし、保管するとき、発送するとき、輸送するときは、もちろん外部スイッチを使って、電気を完全に遮断してください。充電について。通常の充電は1 Aで、これが標準で付属します。より速く充電したい場合は、オプションの急速充電器を用意しています。この急速充電器は、こちらの5〜10倍ほど速く充電できます。特に大容量のバッテリーを内部に搭載している場合は、オプションの急速充電器がとても有効です。ボタンもいくつかありますが、これはマウスのボタンのようなもので、さまざまな

25:30 タスクを割り当てられます。現在はモードの切り替えに使っていて、こちらは一時停止とスリープモードのボタンのようなものです。ただ、現在の割り当てはAPIで行っているので、ほぼ何でも割り当てられます。いわばファンクションボタンです。ほかに何かを導入したくない、Dashboardで操作したくないというときに、ロボットのほぼすべての機能をこれらのボタンに割り当てられます。そしてもちろんリセットです。リセットは必ずなければなりません。当社のロボットは信頼性が高いですが、それでもリセットは常に必要です。では、もう一度。これは12 Vのバッテリーなので、12 Vの充電器が付属します。

26:30 インターフェースには何があるでしょうか。こちらの40ピンです。Raspberryの40ピンがここに出ているのがわかります。I2C、UART、SPI、ステレオのオーディオ、それにいくつかの汎用GPIOが使えます。こちらもほぼ同じですが、さらに多くの機能があります。外部機器の電源のオン/オフ切り替えについては、すでにお話ししました。まずI2Cは、たとえばセンサーなどをより低いレベルで制御するためのものです。つまり、同じデータをAPI経由で、オドメトリボードからでもRaspberryからでも取得できます。どちらを使うかは用途次第で、システムにどこまで深く、どのレベルで関わりたいかによって決まります。I2C、UART、SPIが使えます。電源は、5 V（オン/オフ切り替え可）、12 V（オン/オフ切り替え可）、

27:30 グランド（オン/オフ切り替え可）です。その他の詳細は、マニュアルをご確認ください。ただし、ここまでは物理的な接続の話です。物理的な接続はもちろん重要ですが、それがすべてではありません。無線接続もあり、ロボットには多くの無線接続が搭載されています。まずWi-Fiです。Raspberry Pi Zeroを搭載しているので、Raspberry Pi Zeroに直接Wi-Fiで接続でき、手軽に使えます。もちろん、スマートフォンにもWi-Fiがあります。そちらが便利な場合もあり、Androidで動くアプリケーションには便利です。ただし、インターフェース系ではない、よりロボティクス寄りのアプリケーションには、このRaspberry Pi ZeroのWi-Fiをおすすめします。Bluetoothも同様に使えます。スマートフォンでは2G、3G、4Gが使えます。

28:29 もちろん、SIMカードはご自身で用意していただく必要があります。つまり、実質的にはご自身のスマートフォンと同じです。ディスプレイとして使うほか、さまざまな便利な使い方ができる、普通のAndroidスマートフォンです。先ほど触れたとおり、2G、3G、4Gで接続でき、必要に応じて追加のWi-Fiも使えます。さらにGPSもあります。このロボットは主に屋内用途向けに設計されていますが、GPSがあるなら使わない手はありません。そう、GPSもBluetooth経由で利用できます。ほかには何があるでしょうか。センサーについてもう少し詳しくお話しします。センサーについてはすでに触れましたが、RealSenseのセンサーは基本的にそのまま再利用できます。まず、ここで使って外部機器をUSB経由で接続することもできますし、

29:29 Raspberry上でセンサーフュージョンの一部として使うこともできます。ただしその場合、このデータは当社自身がセンサーフュージョンに使っているため、そこからデータを取り出すには、かなり深いレベルで操作する必要があります。このデータソースを切り離せば、外部ボード上で独自にさまざまな処理ができますが、その場合はセンサーフュージョン全体もお客様の責任になります。つまり、お客様のボードが上位でセンサーフュージョンを行う必要があります。フロントパネルには、ほかに何があるでしょうか。順に見ていきましょう。LEDは主に、ロボット同士の光通信、ユーザーとの光によるコミュニケーション、そして暗い環境でRealSenseを補助するための追加の照明に使われます。

30:30 冒頭でも触れたように、センサーの種類ごとに必ず課題があります。環境のノイズが大きすぎると、周囲がうるさすぎて超音波による測位が失敗することがあります。また、テーブルの下に入り込んで固定ビーコンが見えなくなった場合は、オドメトリとRealSenseに頼る必要があります。走行中、オドメトリとRealSenseはどちらも誤差が蓄積していきますが、その誤差は、超音波ベースの屋内GPSシステムによる絶対位置を使って打ち消します。つまり、組み合わせればうまく機能しますが、それぞれ単独では環境によって課題が生じることがあります。たとえば光学センサーは、周囲に光がないと当然うまく機能しません。そこでこれらのLEDが光を供給します。次にソナーです。先ほども触れたとおり、ごく一般的なソナーで、特別なものではありません。こちらが送信、こちらが受信です。

31:29 まず、周囲の物体、つまり超音波で捉えられる一般的な物体を検出できます。さらに、物体の方向もある程度わかります。こちらだけで送信してこちらで受信すれば物体の方向がわかりますし、こちらで送信して到達時間差から物体の方向を求めることもできます。つまり、障害物検知のための追加データが得られます。「このセンサーで聞こえたから、物体はこのあたりにあるはずだ」というだけではなく、それよりも正確です。改めてまとめると、このロボットは配送や追加機器の搭載をはじめ、非常に多くのさまざまなユースケース、いわば本当に幅広いロングテールのユースケースに向けて設計されています。

32:28 接続性の面では、高レベル、低レベル、電源供給のいずれでも高い柔軟性があります。それから、言い忘れていましたが、前面にはカメラもあります。上向きのカメラで、たとえばQRコードの読み取りや測位に使います。もちろんRaspberryに接続されていて、標準のカメラが付属しています。他のすべてのシステムを補完し、さまざまな用途でセンサーフュージョンの一部になります。堅牢で、拡張でき、操作が簡単で、全体として柔軟です。お客様が当社のロボットを実にさまざまな用途に使っていることを、私たちは知っているからです。設計段階から柔軟性を持たせていますが、さらに何か必要な場合、特別な仕様が必要な場合、何かを追加したい場合は、お気軽にご相談ください。その点でも柔軟に対応しており、このBoxieロボットのカスタム構成も喜んで製作します。ご覧いただき、ありがとうございました。