琉球大学主催 工学部情報工学科 卒業研究中間発表

MIDIを用いたロボットのモーション操作の実現

075754D 比嘉盛尚 指導教員 : 山田孝治

1 はじめに

２足型ヒューマノイドロボットがホビーロボットとして

安価に入手できるようになった今、人間がロボットを操作す

る機会が増えている。それに伴い多くのロボット操作のイ

ンターフェースが必要とされている。本研究では、ロボット

制御のデバイスとして電子楽器に注目した。電子楽器は音

源とコントローラーが独立しているため、コントローラー

がどのような形であろうとも音を制御できる。

電子楽器のインタフェース規格はMIDI[1]である。MIDIは、31.25Kbpsでの非同期シリアル通信によるデータの授受が可能である。MIDIをロボット制御に用いた例として、beat情報を用いてモーションを切り替える研究 [2]がなされている。ここで、MIDI規格に準拠した電子機器を操作することで、２足型ヒューマノイドロボットのモーションの

制御を目標とする。

2 MIDI

MIDI（Musical Instrument Digital Interface）は、シンセサイザーを搭載する電子楽器の演奏データの形式、プロ

トコル、物理インターフェースの総称で、世界共通規格で

ある。

MIDIのデータは、実際の音ではなく音楽の演奏情報である。具体的には、小節や拍といった時間概念、キーの強さ

や長さ、音色などが記録されている。データサイズは、実

際の音を録音しデジタル化したものに比べ、非常に小さい。

一本のMIDIケーブルには、最大 16の機器を扱えるよう 16チャンネル用意されている。また、MIDI規格では楽器のいろいろな演奏動作に対してMIDIメッセージが定義されており、具体的には、キーボードでは、鍵盤を「押す（ノート

オン）」、「放す（ノートオフ）」といった動作 1つ 1つに特定のMIDIメッセージを割り当てている。次におもなMIDIメッセージの例を示す。(表１)

表 1: MIDIメッセージの例MIDIメッセージ フォーマット

ノートオン 9n Note# Velosity

ノートオフ 8n Note# Velosity

プログラムチェンジ Cn Program#

2.1 MIDIメッセージ

前述したMIDIメッセージは、メッセージの種類を表すステータスバイトと 1つ以上のデータバイトに区別される。各バイトのなかでも最上位ビットが 1のものはステータスバイトで、最上位ビットが 0のものはデータビットである。次に、ステータスバイトとデータバイトについて示す。

• ステータスバイト

ステータスバイトの下位４ビットがチャンネルを指定

し、上位４ビットが命令の種類を表す。

• データバイト

ステータスバイトで指定された命令に応じてデータバ

イト数が変化し、その値は、命令のパラメータを表す。

具体的なMIDIメッセージの例を図 1に示す。

! !" # # " # # # #

# # " " " " # ## # " " " " # #

ステータスバイト

データバイト データバイト

チャンネル番号命令の種類

(発音命令)

音の高さ

（ピアノの最低音から60番目の高さ）

音の強さ

（128段階で60番目の音の強さ）

図 1: ノートオン命令の場合

2.2 MIDIの実装

本研究では、MIDI の実装には Max を用いる。Max はCycling ’74社 [3]が開発・保守している C言語をベースとしたマルチメディア用のビジュアルプログラミング言語で

ある。

3 ２足型ヒューマノイドロボット

本研究室では、２足型ヒューマノイドロボットに近藤科学

株式会社 [4]のKHR-3HV(図 4)を用いている。22の自由度を持ち、RCB-4HVで制御され，モーション教示機能によってモーションの作成が容易となっている。

本研究では、この KHR-3HVを用いる。次に、RCB-4HVのプロトコルを示す。(図 2)

琉球大学主催 工学部情報工学科 卒業研究中間発表

サイズコマ

ンド

!"#

番号

動作

速度動作ポジション

チェッ

クサム

単独サーボ動作

$ % & ' ( )*

サイズコマ

ンド!"#番号

動作

速度動作ポジション

複数サーボ動作

$ % &～) +

チェッ

クサム

,-$.～,

図 2: RCB-4HVのプロトコル

サイズ・・・コマンド全体のバイト数

コマンド・・・単独操作 or複数操作ICS番号・・・動かす動作の指定動作速度・・・サーボの動作速度

動作ポジション・・・サーボを移動させる場所

4 適用方法

MIDI規格に準拠した電子楽器と計算機を接続し、電子楽器からのMIDI信号を計算機上で解析を行い、KHR-3HVのモーションとマッピングを行う。その結果から、KHR-3HVのモーション操作を行う。

制御フロー図を図 3に示す。

MIDI

信号

信号解析ロボットのモーショ

ンへのマッピング

シリアル

接続

MIDI

接続

!"#アプリケーション

制御

信号

図 3: 制御フロー

次に、マッピングの例を表 2に示す。

表 2: マッピング例命令 モーションの判別 挙動

ノートオン 音の高さ 実行

ノートオフ 音の高さ 終了

他命令 なし なし

複数命令 なし なし

5 実験内容

実機の運用にはメンテナンスや部品の劣化が懸念される

ため、利便性を考慮して 3Dモデル (図 5)を用意し、計算機上でシミュレーションを行う。実験環境を表 3で示す。

表 3: 実験環境

名称 (備考)

ロボット KHR-3HV

3DCG作成ソフト Blender(Ver. 2.49b)[5]

物理シミュレータ Bullet(Ver. 2.77)[6]

計算機 MacBookPro(MacOSX Ver. 10.6.5)

電子楽器 検討中

6 まとめと今後の課題

MIDI信号を用いた２足型ロボットのモーション操作を目標に、実現方法を検討した。現在は KHR-3HVの 3Dモデル (図 5)を作成中であり、今後はこの手法を計算機上を実装し、3Dモデルを用いて実験を行うとともに、MIDIプログラムの作成を進める。

図 4: KHR-3HV 図 5: 3D model

参考文献

[1] “MIDI MANUFACTURERS ASSOCIATION”http://www.midi.org/

[2] 中原直人宮崎光二中津良平:“音楽情報を用いたCGキャラクタのダンスモーションのリアルタイム制御”(電子情報通信学会,2008)

[3] “Cycling ’74”http://cycling74.com/

[4] “近藤科学株式会社”http://www.kondokagaku.jp/

[5] “Blender.org”http://www.blender.org/

[6] “BULLET PHYSICS LIBRARY”http://bulletphysics.org/wordpress/