情報処理学会 インタラクション 2023
IPSJ Interaction 2023

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2023/3/1

卓上と壁の間を移行する群ロボット corobos におけるアタッチメントの改良
中川 陽介1,a)

韓 燦教2,b)

苗村 健1,c)

概要：
我々は以前，小型ロボット同士が協力し，卓上と壁面の間を移行する群ロボットプラットフォーム「corobos」を提案した．群ロボットが卓上と壁面を行き来できるようになることで，卓上にあるものを壁に移動させるなど，室内空間を動的に変容できると期待される．corobos は小型ロボットに 3D プリントしたアタッチメントを装着することで，卓上と壁面の移行を実現する．本稿では，以前の 3 種類のアタッチメントを 1種類に減らし，全てのロボットが自由に移行できるようにすることで，システム全体の柔軟性を向上させた．また，移行しやすいアタッチメントの形状を設計し，形状ごとの移行率の評価を行った．さらに，卓上と壁面を移行する corobos をユーザが自由に配置するデモを作成した．

1. はじめにしていない．
そこで，我々は卓上と壁面の間を移行する群ロボット

産業用ロボットだけでなく様々なロボットが我々の生活

corobos を提案，実装した [7]．corobos は卓上と垂直な壁環境へ導入されている．床掃除ロボットが普及しているよ

面の間に移行のための構造物を置くことなく，ロボット同うに，移動するロボットが人間の活動する空間のあらゆる士が協調動作することで移行を行う．corobos はロボット場所に存在し，活動を支える日も遠くないであろう．中でトイの toio™ [8] をベースとしており，磁石を取り付けるもインタフェースの分野では，主に卓上で利用される TUIs

ことで強磁性体の壁面に吸着する他，3D プリントしたア（Tangible User Interfaces）に小型ロボットによる自律行タッチメントと呼ばれる外部パーツを一部のロボットに取動機能を搭載した Actuated TUIs の研究が進んでいる．

り付けている．アタッチメントを取り付けたロボットは他

このような流れの中で，インタフェースとして群ロボッのロボットを 90 度回転させ，卓上と壁面の間を移行させトを用いる Swarm UI に注目が集まっている．群ロボット

る．ただし，移行させるロボットが電池切れや故障等で機とは，単純な機能を搭載した小型ロボットが複数台で協力能しなくなった場合を考えると，全てのロボットが同じ機することにより，様々なアプリケーションを実現するもの体として扱える方が望ましいと考えられる．

である．Swarm UI は，単体での人間とのインタラクショ

本提案では，図 1 のように全てのロボットに 1 種類の共ンと，全体の形状による情報提示が可能であることを特徴

通アタッチメントを取り付けることで，卓上と壁の間を移としており，それらの多くはロボットの移動により達成さ行させることを目指す．なお本稿では，卓上と壁面の間のれる．

移動を通常の移動と区別して移行と呼ぶこととする．

そのため群ロボットの移動能力を高めることは重要である．しかし，群ロボットの移動範囲は，壁面 [1]，空中 [2]，
服表面 [3] と広がっているものの，主に水平面，特に卓2. 関連研究
2.1 壁面に吸着するロボット

上 [4], [5] で使われることを前提としている．一方，壁面は壁面へ吸着するロボットは，Wall climbing robot とし人間とのインタラクションにおいて有望であるとされていて 1990 年以降に盛んに研究されてきた [9], [10]．例えば，るが [6]，卓上と壁面の間を移行する swarm UI はまだ存在

Nguyen らは強磁性体の建造物の検査を目的とした多方向自転車型ロボット [10] を開発している．前後の磁性のある

12a)b)c)

東京大学大学院 情報理工学系研究科
東京大学大学院 情報学環
nakagawa@nae-lab.org
hanc@nae-lab.org
naemura@nae-lab.org© 2023 Information Processing Society of Japan

車輪により建造物表面に吸着し，複雑な形状にも適応できるように設計されている．
一方，このようなロボットとは異なり，屋内壁面へ吸着322

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2023/3/13. 卓上と壁の間を移行する群ロボット：
corobos
3.1 以前の設計
我々は以前，卓上と壁の間を移行する群ロボット corobosを発表した [7]．
一般的な 2 輪駆動する小型ロボットにおいて，移行時には 90 度の回転を必要とする．設置型のスロープを用いない場合は，車輪が地面から浮いてしまい動力を伝えにくく，1 台のみで移行を実現することは難しい．
corobos では複数台で協力する事により，設置型のスロープを用いない移行を実現している．以前の設計では，少数のロボットにのみアタッチメントと呼ばれる外部パーツを
図 1

卓上と壁面の間を移行する群ロボットプラットフォーム:

corobos

取り付け，他のロボットを移行させている．
アタッチメントは 3 種類あり，push，T2W (table-to-wall), W2T (wall-to-table) である．卓上から壁面への移行には，移行するロボットの他に，push と T2W のアタッチメントを取り付けたロボットが 1 台ずつ必要で，壁面から卓上への移行には push と W2T アタッチメントを取り付するロボットも存在する．iRobot 社の Root™ [11] は，底けたロボットが 1 台ずつ必要である．

面に入っている磁石でホワイトボードに吸着する自走型ロボットであり，ホワイトボード上に線を描く・消すといった動作も可能である．
以降，壁面への吸着は磁力によるものとし，ロボット本体に永久磁石を取り付け，壁面は強磁性体であるものとする．

3.2 今回の設計方針
以前の corobos では移行するロボットにはアタッチメントを付けず，4 台程度の移行させるロボットのみにアタッチメントを取り付ける事で，ロボット同士が協力し移行することができた．これにより，移行するロボットを増やしてもアタッチメントを増やすことなく移行が可能である．

2.2 群ロボット
分散化され密接に協力し合う集団は，一般に群れ（群）と呼ばれ，協調することで個々の力を超えるような作業を行うことができる．同様に群ロボットは協力することで様々な協調動作を実現する．
中でも Zooids [4] では，全体の形状で情報提示を行うだけではなく，個のロボットを用いて人間が操作するといったインタラクションが可能である．また，HERMITS [12]では，改造した小型ロボットに mechanical shell と呼ばれ

ただし，移行させるロボットが電池切れや故障等で機能しなくなった場合，役割を交代させるには人の手でアタッチメントを交換する必要があり，互換性がないというデメリットがあった．
本提案では，全てのロボットに 1 種類の共通アタッチメントを取り付けるだけで，ロボットが卓上と壁の間を移行できることを目指す．これにより，ある 1 台が動かなくなったとしても，他の 1 台が代わりとなることができ，システム全体としての柔軟性が向上することが見込まれる．

る着脱可能な外付け部品を接続することで個体としてのロボットの能力を拡張しており，また協調作業をさせることで群ロボットとしての応用を示した．
群ロボットの研究の多くは卓上での利用に限定される傾向にある．一方，壁面での群ロボットの利用は UbiSwarm [1]で考察されており，室内空間のあらゆる場所に群ロボットが存在するビジョンが示されている．ここでは群ロボットが卓上と壁面の間を移行する方法として，壁面と卓上の角に磁性体のスロープを置く手法が述べられている．しかし，この方法では移行可能な場所がスロープがある場所に限定され，スロープが卓上にあることで人間の活動を常に阻害してしまうというデメリットが存在する．

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3.3 移行メカニズム
本提案では卓上から壁面，壁面から卓上のどちらの移行
でも，移行させるロボット 1 台と移行するロボット 1 台，計 2 台のロボットを使用する．移行するロボットは後方下部をもう一方のロボットから押してもらい，壁に押し付けられることで 90 度の回転を実現する．
アタッチメントを図 2 のように改良し，全てのロボットに装着させることを考える．アタッチメントには push とslope という 2 種類の役割があり，それぞれ図 2 で示す部分に対応している．push は他のロボットの後方下部を押す役割で，slope は押された際に自身を 90 度回転させる役割

323

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図 21B-46
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群ロボットに装着するアタッチメント: 他のロボットの後方下部を押すための push とロボット自身が 90 度回転するためのslope からなる．

である．slope の部分は側方に広がった形に設計した．こ図 3

卓上から壁面への移行方法

図 4

壁面から卓上への移行方法

れは，前のロボットを push 部分で押して回転させる際に，前のロボットが slope 部分に当たらないようにするためである．
卓上から壁面への移行では，図 3 のように移行を行う．
以下の説明では移行させるロボット（青）を A，移行するロボット（赤）を B と呼ぶ．

( 1 ) 卓上の A，B を 1 直線に並べる．
( 2 ) A が B を押す事により，B が壁に押し付けられ回転する．

( 3 ) B が磁石の力で壁面に吸着する．
( 4 ) 移行が完了し，B は壁面で走行する．
また，壁面から卓上への移行を図 4 に示す．卓上から壁面への移行と同様に，以下のような手順で移行を行うことができる．

4.2 アタッチメントの実装移行を実現させるため，toio2 台に図 5 のようなアタッ( 1 ) 壁面の A，B を 1 直線に並べる．

チメントを設計，3D プリンタで印刷し，取り付けた．設計( 2 ) A が B を押す事により，B が卓上に押し付けられ回転の際，図 5(d) に示すように 4 つのパラメータを考慮した．

する．

( 3 ) B が卓上に着地する．
( 4 ) 移行が完了し，B は卓上で走行する．

ここで，pushw , pushh はそれぞれ push 部分の横幅と高さ，slopew , slopeh はそれぞれ slope 部分の横幅と高さである．
次にこれらのパラメータの決定手順を図 6 を用いなが以前の corobos では，卓上から壁面に移行する際，90 度ら説明する．push 部分について，他のロボットを押しての回転を行った後に壁面まで押して吸着させ移行するとい回転させる際，回転モーメントの関係からなるべく低い位う手順であった．今回の設計では前のロボットを押すだけ置を押した方が良い．そのため，pushh については試作しで移行が可能となっている．て toio を安定して押せる最低の値であった 5.0 mm とし

4. 実装
4.1 使用するロボット

た．push 部分で前方のロボットを押す際には push 部分上方の角が接することとなる．押していくと前方のロボットが徐々に傾いていくが，この時前方ロボットの上面が当た

本研究ではロボットトイである toio™ [8] を利用する．

らないような pushw が望ましい．そのために必要な長さ

toio は特殊な紙面上に置くことで，目視できない程度の微を needw とする．ロボットや push が直方体であると想定

細に印刷されたマーカを読み取り，自身の紙面上での位置し，ロボットの高さを roboth ，ロボットが回転した角度を情報を取得できる．ロボットは BLE 接続により PC と接θ とおくと，needw は続し，Unity により制御を行った．
また，toio の底面に薄型ネオジム磁石（丸型直径 12 mm，needw = roboth sin θ − pushh tan θ(1)厚さ 1.3 mm，表面磁束密度 200 mT ）を貼り付け，ホワである．θ = 0°から θ = 90°における needw の最大値がイトボードの壁へ吸着できるようにした．

pushh が必要最低限必要な長さである．これは，© 2023 Information Processing Society of Japan324

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図 7

図 5

作成したアタッチメントの外観とパラメータ: (a) 斜めから見た図 (b) 正面から見た図 (c) 上から見た図 (d) 横から見た図作成したアタッチメントの形状の比較が望ましい．そのため今回は以下の式（3）で表される曲線を設計に用いた．ただし n は 1.0 以上の実数である．
()nxy = slopeh ·(0 < x < slopew )(3)slopewslope の形状を決定するために，n を 1.0 から 3.0 まで変化させ，それぞれ移行に必要な最低限の力を求めた．具体的な手順としては，x 座標 0 から slopew までを等間隔に1000 分割し，各値について対応する曲線上の点で移行中のロボットが壁と接する際に，モーメントの釣り合いから回転に必要な力を式（4）で計算し，その最大の力を求めた．

P =mg · OG · cos(θ + θG )OS · sin(θ + θS )(4)

ここで，m はロボットの質量，g は重力加速度，OG と OSはそれぞれ回転中心から重心までの距離と壁との接点まで
図 6

θ = cos−1(の距離である．また，θ はロボットの回転角度，θS は直線

corobos の移行途中の様子

pushhroboth

OS とロボット底面のなす角，θG は直線 OG とロボット底) 13(2)のときである．pushh = 5.0 mm，roboth = 25.8 mm（アタッチメントの厚み 1.5 mm を含む）を式（2）に代入して面のなす角である．今回，重心の位置は toio の中央として計算した．
結果を図 8 に示す．この結果から n = 1.3 の時に回転に必要な力が小さく，移行がしやすいと考えられる．

θ を求め，さらに式（1）に代入して，needw = 15.0 mm

結果を受け，アタッチメントを実際に設計し，移行率を得た．これが必要な長さの最大値なので，これを pushw

及び移行時間の比較実験を行った．実験は図 7 のように，とした．

n = 1.0 と n = 1.3，そして必要最低限の力がその平均にslopew は前のロボットを押し 90 度回転させた際に前の近い n = 2.4 の 3 つのアタッチメントで行った．実験条件

ロボットと干渉しないよう，ロボットの高さと同じ長さとは以下のとおりである．まず，卓上と壁面のホワイトボーした．slopeh はロボットと同じ高さでは回転モーメントがドに toio 動作用の紙を貼り付けて固定した．スクリプトは足りず，移行ができなかった．十分な高さとアタッチメン

Unity で動作させ，toio のモータ速度指定を最大として前トの重心を考慮して試作を重ねた結果，slopeh は toio の高のロボットを押した．押し始めてから 5 秒以内にロボットさの 2 倍である 48.6 mm とした.

が 90 度回転し，壁面の用紙のマーカを認識できれば成功と次にアタッチメントの slope 部分の形状について説明すし，できなければ失敗とした．移行時間については，押し始る．以降では，図 5(d) のようにアタッチメント側面からめてから壁面用紙を認識するまでを測定している．60 fps

見た時の xy 座標を利用する．原点は push の先端下部であで実行しているため，誤差は 0.017 s 程度見込まれる．

り，点 (slopew , slopeh ) が slope の頂点である．ロボットが移行率を測定した結果を表 1 に示す．壁面から卓上では滑らかに回転することができるように slope の形状は凸型

全てのアタッチメントで 100 回試行中 100 回成功した．こ© 2023 Information Processing Society of Japan325

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図 8
表 11B-46
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slope の形状と回転に必要な力の関係

アタッチメントの形状と移行成功率の関係

卓上と壁面を周回するデモ: corobos は卓上から壁，壁から卓上へ移行することが出来るため，卓上と壁面間を周回することができる．

移行率 (%)n

図 10

卓上から壁面

壁面から卓上

1.0

51

100

1.3

1001002.41001005. デモンストレーション
本節では作成した 2 種類のデモを紹介する．1 つ目はcorobos が卓上と壁面を周回するデモであり，安定して移行ができることでスムーズに corobos が周回する．また，2 つ目は，corobos と人とのインタラクションの例として，文字が書かれた corobos を人が並び替えるデモである．

5.1 卓上と壁面を周回する corobos
このデモでは，卓上に置いた corobos が他のロボットを押し，また押してもらうことで壁面へ移行し，壁面から卓上へ移行する．そして壁面でも同じことを行うことで卓上から壁面へ移行する．そのため，3 台以上であれば卓上から壁面を周回することができる．どの corobos も同じ役割を有しており，1 台が動かなくなったとしても別のロボットが代わりとなることができる．
図 9

アタッチメントの形状と移行時間の関係

5.2 corobos と人のインタラクション
れは slope 部分が卓上へ押し付けられた際，ある程度回転してしまえば磁石の吸着が弱まり，重力の影響で回転でき人が corobos を卓上に置くことで，特定の corobos が卓上から壁面へ移行するデモを作成した．

るためと考えられる．一方卓上から壁面では，n = 1.3, 2.4

このデモでは corobos にそれぞれ文字が 1 つ書かれておでは 100 回移行に成功したが，n = 1.0 では 51 回となっり，人は corobos を配置することで，文字を自由に並び替た．これは push 部分と slope 部分の境目で急激に傾きがえることができる．並び替えた corobos は，卓上で互いを変化するためと考えられる．

認識しながら協力して卓上から壁面へ移行する．そして，また移行時間について n = 1.3, 2.4 についてまとめた結果を図 9 に示す．壁面から卓上についてはほぼ差は見られないが，卓上から壁面に関しては，平均時間を比較すると

n = 1.3 では 0.53 s，n = 2.4 では 1.70 s となった．また，壁面においてあらかじめプログラムされた特定の文字列へと整列する．

6. まとめ

標準偏差も n = 1.3 では 0.006，n = 2.4 では 0.239 となる

本稿では我々が以前提案した，協力することで卓上と壁ため，n = 1.3 の方が早く安定して移行できる．そのため曲の間を移行する群ロボット corobos のアタッチメントの改線の形状は式（3）に n = 1.3 を代入したものに決定した．

良案を示した．以前の corobos は一部のロボットに 3 種類のアタッチメントを取り付けることでアタッチメントのな© 2023 Information Processing Society of Japan326

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[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]
図 11

corobos と人のインタラクション: 卓上の文字が書かれた
corobos を人が自由に配置すると，corobos は協力しながら壁面に移行し，指定した文字の順に整列する．

[10]

いロボットを移行させていたが，本提案では全てのロボッ
トに 1 種類のアタッチメントを取り付けることで，全てのロボットが移行することができる．これによりロボットが互いに役割を交替することができ，システム全体の柔軟性が向上した．また評価として，スムーズな移行を実現するアタッチメントのパラメータを決定するための実験を行った．そして，卓上と壁面を周回するデモ及び corobos と人がインタラクションするデモを作成した．
今後，2 壁面間の移動や天井への移動といった corobos

[11]
[12]

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