(57)【要約】【課題】遠隔で行われるバイラテラル制御における位置の制御精度を向上させること。【解決手段】力触覚伝達システムにおいて、マスタ装置は、マスタ装置の動作から取得される情報と、スレーブ装置の応答に関する情報とに基づいて、マスタ装置の動作における位置を制御し、マスタ装置の動作から取得される情報と、スレーブ装置の応答に関する情報とに基づいて、マスタ装置の動作における力を制御し、この力の制御に対し、通信経路における通信遅延の補償を行う。スレーブ装置は、スレーブ装置の動作から取得される情報と、マスタ装置からの制御に関する情報とに基づいて、スレーブ装置の動作における速度を制御し、スレーブ装置の動作から取得される情報と、マスタ装置からの制御に関する情報とに基づいて、スレーブ装置の動作における力を制御する。【選択図】図５
2019155497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信経路を介して接続されたマスタ装置とスレーブ装置とを含む力触覚伝達システムであって、
前記マスタ装置は、
前記マスタ装置の動作から取得される情報と、前記スレーブ装置の応答に関する情報とに基づいて、前記マスタ装置の動作における位置を制御する位置制御部と、
前記マスタ装置の動作から取得される情報と、前記スレーブ装置の応答に関する情報とに基づいて、前記マスタ装置の動作における力を制御する力制御部と、
前記力制御部の制御に対し、前記通信経路における通信遅延の補償を行う遅延補償部と、を備え、
前記スレーブ装置は、
前記スレーブ装置の動作から取得される情報と、前記マスタ装置からの制御に関する情報とに基づいて、前記スレーブ装置の動作における速度を制御する速度制御部と、
前記スレーブ装置の動作から取得される情報と、前記マスタ装置からの制御に関する情報とに基づいて、前記スレーブ装置の動作における力を制御する力制御部と、
を備えることを特徴とする力触覚伝達システム。
【請求項２】
前記スレーブ装置の動作における位置の制御ゲインは０であることを特徴とする請求項１に記載の力触覚伝達システム。
【請求項３】
前記スレーブ装置の前記速度制御部は、前記通信経路の遅延がない場合に比べて、前記スレーブ装置の動作における速度を低下させることを特徴とする請求項１または２に記載の力触覚伝達システム。
【請求項４】
前記マスタ装置の前記位置制御部は、前記通信経路の遅延がない場合に比べて、前記マスタ装置の動作における位置の追従性を低下させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の力触覚伝達システム。
【請求項５】
通信経路を介して接続されたマスタ装置とスレーブ装置とを含む力触覚伝達システムで実行される力触覚伝達方法あって、
前記マスタ装置が、
前記マスタ装置の動作から取得される情報と、前記スレーブ装置の応答に関する情報とに基づいて、前記マスタ装置の動作における位置を制御する位置制御ステップと、
前記マスタ装置の動作から取得される情報と、前記スレーブ装置の応答に関する情報とに基づいて、前記マスタ装置の動作における力を制御する力制御ステップと、
前記力制御ステップにおける制御に対し、前記通信経路における通信遅延の補償を行う遅延補償ステップと、を含み、
前記スレーブ装置が、
前記スレーブ装置の動作から取得される情報と、前記マスタ装置からの制御に関する情報とに基づいて、前記スレーブ装置の動作における速度を制御する速度制御ステップと、
前記スレーブ装置の動作から取得される情報と、前記マスタ装置からの制御に関する情報とに基づいて、前記スレーブ装置の動作における力を制御する力制御ステップと、
を含むことを特徴とする力触覚伝達方法。
【請求項６】
通信経路を介して接続されたマスタ装置とスレーブ装置とを含む力触覚伝達システムにおけるマスタ装置を制御するコンピュータに、
前記マスタ装置の動作から取得される情報と、前記スレーブ装置の応答に関する情報とに基づいて、前記マスタ装置の動作における位置を制御する位置制御機能と、
前記マスタ装置の動作から取得される情報と、前記スレーブ装置の応答に関する情報とに基づいて、前記マスタ装置の動作における力を制御する力制御機能と、
前記力制御機能の制御に対し、前記通信経路における通信遅延の補償を行う遅延補償機能と、を実現させることを特徴とするプログラム。
【請求項７】
通信経路を介して接続されたマスタ装置とスレーブ装置とを含む力触覚伝達システムにおけるスレーブ装置を制御するコンピュータに、
前記スレーブ装置の動作から取得される情報と、前記マスタ装置からの制御に関する情報とに基づいて、前記スレーブ装置の動作における速度を制御する速度制御機能と、
前記スレーブ装置の動作から取得される情報と、前記マスタ装置からの制御に関する情報とに基づいて、前記スレーブ装置の動作における力を制御する力制御機能と、
を実現させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力触覚伝達システム、力触覚伝達方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、バイラテラル制御により力触覚の伝達を行う技術が実現されている。
また、近年の情報通信技術の発達により、遠隔地において、バイラテラル制御が行われるケースも増加しつつある。
例えば、特許文献１には、遠隔地においてバイラテラル制御を行うための技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−０７１０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、遠隔地において、バイラテラル制御等の位置や力の制御を行う場合、通信遅延による制御性能の悪化や、制御系の不安定化を招く場合がある。ここで、ＣＤＯＢ（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ  Ｏｂｓｅｒｖｅｒ）を用いて通信遅延による影響を抑制する技術等が提案されているが、位置制御の精度を向上させるに留まる等、位置及び力の高精度な制御が共に求められる場合に十分な解決方法とはなっていない。
即ち、従来の技術においては、遠隔で行われるバイラテラル制御における力の制御精度が十分なものではなかった。
【０００５】
本発明は、遠隔で行われるバイラテラル制御における力の制御精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の一態様の力触覚伝達システムは、
通信経路を介して接続されたマスタ装置とスレーブ装置とを含む力触覚伝達システムであって、
前記マスタ装置は、
前記マスタ装置の動作から取得される情報と、前記スレーブ装置の応答に関する情報とに基づいて、前記マスタ装置の動作における位置を制御する位置制御部と、
前記マスタ装置の動作から取得される情報と、前記スレーブ装置の応答に関する情報とに基づいて、前記マスタ装置の動作における力を制御する力制御部と、
前記力制御部の制御に対し、前記通信経路における通信遅延の補償を行う遅延補償部と、を備え、
前記スレーブ装置は、
前記スレーブ装置の動作から取得される情報と、前記マスタ装置からの制御に関する情報とに基づいて、前記スレーブ装置の動作における速度を制御する速度制御部と、
前記スレーブ装置の動作から取得される情報と、前記マスタ装置からの制御に関する情報とに基づいて、前記スレーブ装置の動作における力を制御する力制御部と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、遠隔で行われるバイラテラル制御における力の制御精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】バイラテラル制御を実現する基本的なシステムのブロック線図である。
【図２】通信遅延が存在する場合のバイラテラル制御を示すブロック線図である。
【図３】通信遅延補償のためのＤＯＢ及びＲＦＯＢを実装したバイラテラル制御を示すブロック線図である。
【図４】力制御器に対する通信遅延補償の作用を示すブロック線図である。
【図５】本発明を適用したバイラテラル制御を示すブロック線図である。
【図６】本発明を適用した力触覚伝達システムの構成を示すブロック図である。
【図７】本発明を適用したバイラテラル制御における力の応答を示す模式図である。
【図８】図１に示す基本的なバイラテラル制御において通信遅延の影響が生じた場合（図２のブロック線図）の力の応答を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
［本発明の基本的概念］
本発明に係る力触覚伝達システムは、通信経路を介して遠隔的に接続されたマスタとスレーブとの間でバイラテラル制御を行う際に、通信遅延による影響を抑制し、力及び位置の制御精度を適切に確保することを可能とするものである。
このような機能を実現するために、本発明に係る力触覚伝達システムにおいては、マスタに位置制御器と力制御器とを実装し、スレーブに速度制御器と力制御器とを実装する。また、マスタには、力制御器に対する通信遅延補償が適用される。
この結果、スレーブ側では、操作者がマスタ側に加えた力と同じ力で環境（接触対象物）と接触する。即ち、マスタ側からスレーブ側に力触覚が伝達されるといった、マスタ操作者が支配的となる柔らかい接触動作が実現される。これにより、通信遅延下での正確な力のつり合いが達成され、高精度な力触覚の伝達が実現される。
以下、本発明における基本的概念について具体的に説明する。
【００１０】
［通信遅延補償の実現］
図１は、バイラテラル制御を実現する基本的なシステムのブロック線図である。
図１において、Ｍはモータ慣性、Ｍｎはモータ慣性のノミナル値、Ｚ（ｓ）はラプラス演算子ｓを変数とする環境インピーダンスを表すものとする。
なお、図１のブロック線図では、ラプラス変換のｓ領域の関数として各ブロックを表している（以下のブロック線図も同様である）。
図１に示すシステムは、通信経路を介することなく、通信遅延が生じないシステムにおいて、マスタとスレーブとの間で力触覚伝達を実現するものである。
図１に示すシステムでは、マスタ及びスレーブにおける位置ｘと力Ｆとの間で、式（１）、（２）が成立する。
ｘｍ−ｘｓ＝０      （１）
Ｆｍ＋Ｆｓ＝０      （２）
ただし、添え字ｍはマスタを表し、添え字ｓはスレーブを表している。
【００１１】
式（１）、（２）は、マスタとスレーブとの間で位置の差が０であり、マスタとスレーブとの間で力の和が０（マスタとスレーブとの力の向きが反対で大きさが等しい）状態を表している。
ここで、図１に示すバイラテラル制御では、マスタ側及びスレーブ側それぞれに外乱オブザーバＤＯＢ（Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ  Ｏｂｓｅｒｖｅｒ）及び反力推定オブザーバＲＦＯＢ（Ｒｅａｃｔｉｏｎ  Ｆｏｒｃｅ  Ｏｂｓｅｒｖｅｒ）が実装されている。そして、ＤＯＢによりロバストな制御が達成され、ＲＦＯＢにより力センサを用いない反力推定が実現される。
図１に示すシステムにおけるマスタ及びスレーブそれぞれの加速度参照値ｄ２／ｄｔ２ｘｍ（ｒｅｆ）、ｄ２／ｄｔ２ｘｓ（ｒｅｆ）は、式（３）、（４）のように表される。
【００１２】
【数１】
2019155497.tif 000003
【００１３】
ただし、Ｆｈのハットは操作者の操作時の力の推定値を表し、Ｆｅｎｖのハットは環境反力（接触物からの反力）の推定値を表し、Ｃｐ及びＣｆは、それぞれ位置制御器及び力制御器を表している。また、ｘｓ（ｒｅｓ）はスレーブの応答位置、ｘｍ（ｒｅｓ）はマスタの応答位置を表している。ただし、図１において、参照値を表す添え字ｒｅｆ及び応答を表す添え字ｒｅｓはそれぞれ下付き文字で表し、マスタを表す添え字ｍ及びスレーブを表す添え字ｍは上付き文字で表している（以下の図において、外乱を表す添え字ｄｉｓ等についても適宜同様の表現を用いる）。
【００１４】
式（３）、（４）におけるＣｐ及びＣｆは、式（５）、（６）で表される。
Ｃｐ＝Ｋｐ＋Ｋｖｓ      （５）
Ｃｆ＝Ｋｆ      （６）
ただし、Ｋｐは位置ゲインを表し、Ｋｖは速度ゲインを表し、Ｋｆは力ゲインを表している。
【００１５】
式（３）、（４）において、位置制御器Ｃｐが位置の追従を実現し、力制御器Ｃｆが力のつり合いを実現する。
式（３）、（４）に基づく制御を行うことで、マスタ−スレーブ間で位置追従および力のつり合いが同時に達成される。そのため、図１に示すシステムにおいては、正確な力触覚の伝達がバイラテラル制御により実現される。
【００１６】
これに対し、ネットワークによって遠隔的に接続されたマスタとスレーブとの間では、制御情報がネットワークを介して交換されるため、通信遅延Ｔ１及びＴ２が発生する。この通信遅延によって、制御系の性能が劣化し、制御系として不安定となる可能性がある。
図２は、通信遅延が存在する場合のバイラテラル制御を示すブロック線図である。
図２に示すシステムでは、図１に示すシステムに対し、マスタとスレーブとの間に存在する通信経路によって、マスタからスレーブに対しては通信遅延Ｔ１が発生し、スレーブからマスタに対しては通信遅延Ｔ２が発生している。
図２に示すシステムにおけるマスタ及びスレーブそれぞれの加速度参照値ｄ２／ｄｔ２ｘｍ（ｒｅｆ）、ｄ２／ｄｔ２ｘｓ（ｒｅｆ）は、式（７）、（８）のように表される。
【００１７】
【数２】
2019155497.tif 000004
【００１８】
式（７）、（８）を参照すると、マスタ及びスレーブ共に、位置制御器及び力制御器内に通信遅延による影響が生じていることがわかる。これにより、位置追従と力のつり合いが共に劣化し、正確な力触覚伝達が達成されなくなるため、高精度な遠隔制御を実現することが困難となる。
そこで、図２に示す構成において、マスタの制御に用いられるＤＯＢ、ＲＦＯＢに加えて、通信遅延補償のためのＤＯＢ、ＲＦＯＢを新たにマスタ側に実装する。
【００１９】
図３は、通信遅延補償のためのＤＯＢ及びＲＦＯＢを実装したバイラテラル制御を示すブロック線図である。
また、図４は、力制御器に対する通信遅延補償の作用を示すブロック線図である。
図３及び図４に示すブロック線図において、外乱の推定値（Ｆｎｅｔのハット）は、式（９）のように表される。
【００２０】
【数３】
2019155497.tif 000005
【００２１】
ただし、Ｇ−１（ｓ）はＤＯＢにおける制御対象モデルの逆関数であり、Ｕは入力を表している。
通信遅延Ｔ１、Ｔ２は、通信外乱Ｄ１、Ｄ２とみなすことができるため、式（９）は式（１０）のように書き換えることができる。
【００２２】
【数４】
2019155497.tif 000006
【００２３】
式（１０）を参照すると、マスタ側から見た場合、通信外乱Ｄ１は外乱の推定値（Ｆｎｅｔのハット）に比べてスレーブ側の応答である環境反力の推定値（Ｆｅｎｖのハット）及び環境反力（Ｆｅｎｖ）をＴ１だけ遅らせる。また、通信外乱Ｄ２はスレーブからマスタへ送られる情報である環境反力の推定値（Ｆｅｎｖのハット）をＴ２だけ遅らせる。
そのため、式（１０）は式（１１）のように書き換えられる。
【００２４】
【数５】
2019155497.tif 000007
【００２５】
スレーブからのフィードバック情報は通信遅延による影響を受けているため、外乱の推定値（Ｆｎｅｔのハット）は環境反力（Ｆｅｎｖ）に加えてむだ時間要素を含んでいる。
そのため、式（１１）における第１項と第２項との差は、式（１２）に示すように通信遅延に対する通信遅延補償値となる。
【００２６】
【数６】
2019155497.tif 000008
【００２７】
式（１２）を参照すると、マスタ側のＤＯＢでは、外乱の推定値（Ｆｎｅｔのハット）が実際の外乱の発生タイミングよりＴ１だけ進んだ情報となっている。
即ち、式（１２）によれば、通信遅延による影響を含まない外乱が推定され、力制御器に対する通信遅延補償が実現されていることがわかる。
なお、スレーブ側に加わる外乱Ｆｄｉｓが、式（１３）示すように環境反力（Ｆｅｎｖ）だけでなく、摩擦力（Ｆｆｒｉｃ）や重力（Ｆｇ）等の外乱を含んでいる場合、式（１４）に示すように、ＲＦＯＢ内でこれらの余分な外乱項が補償される。
【００２８】
【数７】
2019155497.tif 000009
【００２９】
以上のような遅延補償により、実際の力推定値のフィードバックに代わって、むだ時間を含まない環境反力の推定値がマスタ側の力制御器内で制御に用いられる。
したがって、マスタ側の加速度参照値は、式（１５）のように表される。
【００３０】
【数８】
2019155497.tif 000010
【００３１】
マスタ側からスレーブ側への通信遅延Ｔ１が存在するため、接触動作時におけるマスタ−スレーブ間の力の関係は式（１６）のように表される。
【００３２】
【数９】
2019155497.tif 000011
【００３３】
式（１６）によれば、接触動作時において、力制御器内には通信遅延による影響が存在しないことがわかる。即ち、本発明により、通信遅延下のバイラテラル制御における力制御器への通信遅延補償が実現されることが確認できる。
【００３４】
［制御剛性の考察］
次に、本発明によって通信遅延補償を実現した場合の制御剛性について考察する。
モーションコントロールにおける出力は位置と力であり、位置をｘ、力をｆとした場合、制御剛性ｋは式（１７）のように表される。
【００３５】
【数１０】
2019155497.tif 000012
【００３６】
バイラテラル制御においては、位置制御と力制御とが独立に行われている。即ち、位置追従は位置制御器、力のつり合いは力制御器によって実現される。つまり、制御剛性に基づくと、自由動作では位置制御が支配的となり、接触動作では力制御が支配的となる。
接触動作では力制御が支配的となるとすると、バイラテラル制御が通信遅延下にある場合には、接触動作時に大きな位置の誤差が発生することとなる。そのため、位置制御器が位置の誤差をなくすよう作用することから、マスタの操作者がシステムに加えた力よりも大きな力がスレーブ側に発生する場合がある。この場合、力のつり合いが達成されなくなる。
【００３７】
そこで、本発明においては、接触動作時等に余分な力を発生させないために、スレーブ側の位置制御に関する制御ゲインを通信遅延がない場合に比べて小さく設定する。
なお、スレーブ側で余分に発生する力は式（１８）のように表され、位置制御器のゲインに依存することがわかる。
【００３８】
【数１１】
2019155497.tif 000013
【００３９】
式（１８）を参照すると、正確な力のつり合いを達成するためには、位置制御器のゲインをできるだけ小さく、理想的には０に設定することが望ましい。
そこで、本発明においては、位置制御器のゲインを０に設定する。
【００４０】
一方、位置制御器のゲインを０とした場合、スレーブ側では位置制御が行われなくなり、スレーブ側は自由かつ素早い挙動を示すこととなる。そのため、ブレーキの役割として、スレーブ側には速度制御を実装する。
このような制御器設計とすることにより、通信遅延下での正確な力のつり合いが実現される。
【００４１】
また、マスタの操作性を向上させるために、本発明においては、マスタの位置制御器のゲインを通信遅延がない場合よりも小さく設定する。
仮に、マスタの位置制御器のゲインが高く（通信遅延がない場合と同等に）設定されている場合、マスタは高い制御剛性でスレーブの位置に追従しようとするため、自由動作時には通信遅延の影響により、過度に大きな操作力が生じてしまう。
これに対し、マスタの位置制御器のゲインを通信遅延がない場合よりも小さく設定することで、通信遅延の影響により生じる操作力を抑制することができる。
したがって、本発明においては、マスタ側に生じる操作力を低減するために、位置制御器のゲインを通信遅延がない場合に比べて小さく設定する。
【００４２】
図５は、本発明を適用したバイラテラル制御を示すブロック線図である。
図５に示すシステムでは、マスタには位置制御と力制御とが実装されており、スレーブには速度制御と力制御とが実装されている。また、マスタ側では力制御器に対する通信遅延補償が施されている。
図５に示すシステムにおけるマスタ及びスレーブそれぞれの加速度参照値ｄ２／ｄｔ２ｘｍ（ｒｅｆ）、ｄ２／ｄｔ２ｘｓ（ｒｅｆ）は、式（１９）、（２０）のように表される。
【００４３】
【数１２】
2019155497.tif 000014
【００４４】
式（１９）、（２０）に示す加速度参照値に基づくバイラテラル制御を行うことにより、スレーブは操作者がマスタに加えた力と同じ力で環境と接触する。即ち、マスタ側からスレーブ側に力触覚が伝達されるといった、マスタの操作者が支配的となる柔らかい接触動作が実現される。
そのため、通信遅延下での正確な力のつり合いが達成され、高精度な力触覚の伝達が実現される。
したがって、遠隔で行われるバイラテラル制御における力の制御精度を向上させることが可能となる。
【００４５】
次に、本発明を適用した力触覚伝達システムについて説明する。
［構成］
図６は、本発明を適用した力触覚伝達システム１の構成を示すブロック図である。
図６に示すように、力触覚伝達システム１は、マスタ装置１０と、スレーブ装置２０とを含んで構成され、マスタ装置１０とスレーブ装置２０とは、専用の伝送路あるいはインターネット等の公衆ネットワーク等によって構成されるネットワーク３０を介して通信可能に構成されている。
【００４６】
マスタ装置１０は、操作者の操作によって操作される操作子（操作部材）１１と、操作子１１の位置を検出する位置検出部１２と、操作子１１の位置及びスレーブ装置２０からの応答（スレーブ装置２０における位置及び力の情報）に基づいて操作子１１の位置を制御する位置制御部１３と、操作子１１の位置を基に算出される力及びスレーブ装置２０からの応答に基づいて操作子１１が出力する力を制御する力制御部１４と、力制御部１４における力の制御に対して通信遅延の補償を行う遅延補償部１５と、操作子１１の位置及び操作子１１が出力する力を制御するアクチュエータ１６とを備える装置によって構成される。なお、本実施形態において、操作子１１の位置は、加速度の次元の値（加速度参照値）等に適宜置換して用いられる。
マスタ装置１０における位置制御部１３、力制御部１４及び遅延補償部１５は、例えば、図５に示すブロック線図の位置制御、力制御及び遅延補償の機能を備えている。
【００４７】
スレーブ装置２０は、接触対象物に接触する接触子（接触部材）２１と、操作子１１の位置を検出する位置検出部２２と、マスタ装置１０からの制御信号（マスタ装置１０における位置及び力の情報）及び対象物からの作用に基づいて接触子の移動速度を制御する速度制御部２３と、マスタ装置１０からの制御信号及び対象物からの作用に基づいて接触子が出力する力を制御する力制御部２４と、接触子の移動速度及び接触子が出力する力を制御するアクチュエータ２５とを備える装置によって構成される。なお、本実施形態において、操作子１１の位置は、加速度の次元の値（加速度参照値）等に適宜置換して用いられる。
スレーブ装置２０における速度制御部及び力制御部は、例えば、図５に示すブロック線図の速度制御及び力制御の機能を備えている。
【００４８】
［動作］
図６に示す構成において、スレーブ装置２０の接触子２１が接触対象物に接触していない状態では、遅延補償部１５がマスタ装置１０とスレーブ装置２０とにおける遅延補償を行うことにより、マスタ装置１０には通信遅延の影響が抑制された状態で、スレーブ装置２０からの力触覚が伝達される。このとき、スレーブ装置２０においては、速度制御部２３の機能により、接触子の移動速度が抑制され、通信遅延下での正確な力のつり合いが実現される。また、マスタ装置１０においては、通信遅延がない場合よりも位置制御のゲインが小さく設定されているため、マスタ装置１０に過度な操作力（スレーブ装置２０の位置に追従する力）が発生する事態を抑制できる。
【００４９】
ここで、スレーブ装置２０の接触子２１が接触対象物に接触した場合、スレーブ装置２０の接触子２１の位置と、マスタ装置１０の操作子１１の位置との間に制御のずれが生じるものの、スレーブ装置２０における位置制御は行われないため、マスタ装置１０の操作者が操作子１１に加えた力よりも大きな力がスレーブ装置２０の接触子に発生する事態を抑制できる。そのため、マスタ装置１０とスレーブ装置２０との間で力のつり合いを維持することができる。
このような動作により、スレーブ装置２０は、操作者がマスタ装置１０の操作子１１に加えた力と同じ力で環境（接触対象物）と接触する。即ち、マスタ装置１０からスレーブ装置２０に力触覚が伝達されるといった、マスタ装置１０の操作者が支配的となる柔らかい接触動作が実現される。これにより、通信遅延下での正確な力のつり合いが達成され、高精度な力触覚の伝達が実現される。
【００５０】
［効果］
図７は、本発明を適用したバイラテラル制御における力の応答を示す模式図である。
図７に示すように、本発明を適用したバイラテラル制御においては、マスタにおける力制御に通信遅延補償を行った結果、マスタとスレーブとの間で正確な力の伝達が実現されていることがわかる。
【００５１】
図８は、図１に示す基本的なバイラテラル制御において通信遅延の影響が生じた場合（即ち、図２のブロック線図）の力の応答を示す模式図である。
なお、図８においては、５００［ｍｓ］の固定的な通信遅延が生じた場合の力の応答を示している。
図８に示すように、基本的なバイラテラル制御において通信遅延が生じた場合（図２のブロック線図の場合）、力のつり合いが大きく崩れ、正確なバイラテラル制御が実現できないことがわかる。
【００５２】
以上のように、本実施形態における力触覚伝達システム１では、マスタ装置１０に位置制御部１３と力制御部１４とが実装され、スレーブ装置２０に速度制御部と力制御部とが実装される。また、マスタ装置１０には、力制御部１４に対する通信遅延補償を行う遅延補償部１５が実装される。
そのため、スレーブ装置２０においては、操作者がマスタ装置１０に加えた力と同じ力で環境と接触することができる。即ち、マスタ装置１０からスレーブ装置２０に力触覚が伝達され、マスタ装置１０の操作者が支配的となる柔らかい接触動作が実現される。
したがって、通信遅延下での正確な力のつり合いが達成され、高精度な力触覚の伝達を実現することができる。
【００５３】
以上のように構成される力触覚伝達システム１は、マスタ装置１０において、位置制御部１３と、力制御部１４と、遅延補償部１５とを備え、スレーブ装置２０において、速度制御部２３と、力制御部２４とを備えている。
マスタ装置１０において、位置制御部１３は、マスタ装置１０の動作から取得される情報と、スレーブ装置２０の応答に関する情報とに基づいて、マスタ装置１０の動作における位置を制御する。
力制御部１４は、マスタ装置１０の動作から取得される情報と、スレーブ装置２０の応答に関する情報とに基づいて、マスタ装置１０の動作における力を制御する。
遅延補償部１５は、力制御部１４の制御に対し、通信経路における通信遅延の補償を行う。
スレーブ装置２０において、速度制御部２３は、スレーブ装置２０の動作から取得される情報と、マスタ装置１０からの制御に関する情報とに基づいて、スレーブ装置２０の動作における速度を制御する。
力制御部２４は、スレーブ装置２０の動作から取得される情報と、マスタ装置１０からの制御に関する情報とに基づいて、スレーブ装置２０の動作における力を制御する。
これにより、スレーブ装置２０においては、操作者がマスタ装置１０に加えた力と同じ力で環境と接触することができる。即ち、マスタ装置１０からスレーブ装置２０に力触覚が伝達され、マスタ装置１０の操作者が支配的となる柔らかい接触動作が実現される。
したがって、通信遅延下での正確な力のつり合いが達成され、高精度な力触覚の伝達を実現することができる。
【００５４】
スレーブ装置２０の動作における位置の制御ゲインは０である。
これにより、スレーブ装置２０の接触動作時に、位置制御が位置の誤差をなくすよう作用することに起因して、マスタ装置１０の操作者がシステムに加えた力よりも大きな力がスレーブ装置２０に発生することを防ぐことができる。
したがって、スレーブ装置２０における接触動作時に、マスタ装置１０との力のつり合いを実現することができる。
【００５５】
スレーブ装置２０の速度制御部２３は、通信経路の遅延がない場合に比べて、スレーブ装置２０の動作における速度を低下させる。
これにより、スレーブ装置２０の動作における速度にブレーキをかける作用が生まれ、通信遅延が発生する状況において、マスタ装置１０との正確な力のつり合いを実現することができる。
【００５６】
マスタ装置１０の位置制御部１３は、通信経路の遅延がない場合に比べて、マスタ装置１０の動作における位置の追従性を低下させる。
これにより、スレーブ装置２０において、通信遅延の影響により生じる操作力を抑制することができる。
【００５７】
なお、本発明は、本発明の効果を奏する範囲で変形、改良等を適宜行うことができ、上述の実施形態に限定されない。
例えば、上述の実施形態においては、マスタ装置１０の操作子１１の位置及びスレーブ装置２０の接触子２１の位置等、可動部材の位置を検出し、検出された位置から速度あるいは力を算出するものとしたが、これに限られない。即ち、可動部材の位置、速度、力等、マスタ装置１０の動作から取得される情報やスレーブ装置２０の動作から取得される情報は、センサによって検出することが可能であると共に、検出された他の物理量を基に算出することのいずれも可能である。
【００５８】
また、上述の実施形態においてブロック線図として示した構成は、同等の機能が定義されたソフトウェアとして実現することが可能である。この場合、マスタ装置１０及びスレーブ装置２０に備えられたプロセッサが、上述の実施形態におけるブロック線図の機能が記述されたプログラムを実行する。また、上述の実施形態においてブロック線図として示した構成は、ハードウェアの回路として実現することが可能であり、また、ソフトウェアとハードウェアの組み合わせとして実現することも可能である。
即ち、上述の実施形態における処理は、ハードウェア及びソフトウェアのいずれにより実行させることも可能である。
換言すると、上述の処理を実行できる機能が力触覚伝達システム１に備えられていればよく、この機能を実現するためにどのような機能構成及びハードウェア構成とするかは上述の例に限定されない。
上述の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータにネットワークや記憶媒体からインストールされる。
【００５９】
プログラムを記憶する記憶媒体は、装置本体とは別に配布されるリムーバブルメディア、あるいは、装置本体に予め組み込まれた記憶媒体等で構成される。リムーバブルメディアは、例えば、磁気ディスク、光ディスク、または光磁気ディスク等により構成される。光ディスクは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｋ−Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ），ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ），Ｂｌｕ−ｒａｙ  Ｄｉｓｃ（登録商標）等により構成される。光磁気ディスクは、ＭＤ（Ｍｉｎｉ−Ｄｉｓｋ）等により構成される。また、装置本体に予め組み込まれた記憶媒体は、例えば、プログラムが記憶されているＲＯＭやハードディスク等で構成される。
【符号の説明】
【００６０】
１  力触覚伝達システム、１０  マスタ装置、１１  操作子、１２，２２  位置検出部、１３  位置制御部、１４，２４  力制御部、１５  遅延補償部、１６  アクチュエータ、２０  スレーブ装置、２１  接触子、２３  速度制御部、２５  アクチュエータ、３０  ネットワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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