(57)【要約】【課題】未知の実環境との安定した接触動作を確立すると共に、人間の指のようなモーションを個々に抽出，保存，再現できるようにする。【解決手段】ロバスト性を保ちつつ制御剛性をゼロにする加速度制御を、外乱オブザーバにより各ロボットシステムのアクチュエータ１に行なう。アクチュエータ１の外乱加速度θ・・extと加速度応答θ・・resとを、モード加速度変換手段27，28によりモードクオリー行列を用いて直交座標系の非干渉モードにおける加速度外乱ｍ・・extや加速度応答値ｍ・・resに変換する。そして、これらの加速度外乱ｍ・・extや加速度応答値ｍ・・resを基に、非干渉モードの各々に対応した対象物47に対するモーションを抽出する。【選択図】図４
2008030167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロバスト性を保ちつつ制御剛性をゼロにする加速度制御を、実空間の動作自由度に対応して配置した複数のロボットシステムの各アクチュエータに行なう第１のステップと、
前記各アクチュエータへの外力の等価加速度と当該各アクチュエータの加速度応答とを、モードクオリー行列を用いて直交座標系で定義される各々が独立した非干渉モードの外力の等価加速度と加速度応答に変換する第２のステップと、
前記第２のステップで得た非干渉モードにおける外力の等価加速度と加速度応答とに基づいて、前記非干渉モードの各々に対応した対象物に対するモーションを抽出する第３のステップと、からなることを特徴とするモーション習得システムの制御方法。
【請求項２】
前記ロボットシステムがマスターシステムとスレーブシステムとにより構成され、前記第１のステップで、前記マスターシステムと前記スレーブシステムの各アクチュエータを、前記加速度制御に基づくバイラテラル制御により制御することを特徴とする請求項１記載のモーション習得システムの制御方法。
【請求項３】
前記非干渉モードに変換した加速度情報を保存する第４のステップをさらに含むことを特徴とする請求項１または２記載のモーション習得システムの制御方法。
【請求項４】
前記各非干渉モード毎に、当該非干渉モードにおける外力の等価加速度に対する加速度応答の比を決定し、前記第４のステップで保存した加速度情報に基づく加速度目標値と、前記第２のステップで得た非干渉モードにおける外力の等価加速度または加速度応答との偏差を入力として、前記比に基づき設定した前記非干渉モードにおける加速度制御系からその加速度参照値を算出する第５のステップと、
前記モードクオリー行列の逆行列を用いて、前記非干渉モードにおける加速度参照値を前記各ロボットシステムへの加速度参照値に変換する第６のステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項３記載のモーション習得システムの制御方法。
【請求項５】
前記アクチュエータがリニアアクチュエータであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のモーション習得システムの制御方法。
【請求項６】
ロバスト性を保ちつつ制御剛性をゼロにする加速度制御を、実空間の動作自由度に対応して配置した複数のロボットシステムの各アクチュエータに行なう加速度制御手段と、
前記各アクチュエータへの外力の等価加速度と当該各アクチュエータの加速度応答とを、モードクオリー行列を用いて直交座標系で定義される各々が独立した非干渉モードの等価加速度と加速度応答に変換するモード加速度変換手段と、
前記モード加速度変換手段で得た非干渉モードにおける等価加速度と加速度応答とに基づいて、前記非干渉モードの各々に対応した対象物に対するモーションを抽出するモーション抽出手段と、を備えたことを特徴とするモーション習得システム。
【請求項７】
前記ロボットシステムがマスターシステムとスレーブシステムとにより構成され、前記加速度制御手段は、前記マスターシステムと前記スレーブシステムの各アクチュエータを、前記加速度制御に基づくバイラテラル制御により制御するものであることを特徴とする請求項６記載のモーション習得システム。
【請求項８】
前記非干渉モードに変換した加速度情報を保存する記憶手段をさらに備えたことを特徴とする請求項６または７記載のモーション習得システム。
【請求項９】
前記各非干渉モード毎に、当該非干渉モードにおける外力の等価加速度に対する加速度応答の比を決定し、前記記憶手段に保存される加速度情報に基づく加速度目標値と、前記モード加速度変換手段で得た非干渉モードにおける外力の等価加速度または加速度応答との偏差を入力として、前記比に基づき設定した前記非干渉モードにおける加速度制御系からその加速度参照値を算出するモード加速度算出手段と、
前記モードクオリー行列の逆行列を用いて、前記非干渉モードにおける加速度参照値を各ロボットシステムへの加速度参照値に変換するモード加速度逆変換手段と、をさらに備えたことを特徴とする請求項８記載のモーション習得システム。
【請求項１０】
前記アクチュエータがリニアアクチュエータであることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一つに記載のモーション習得システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば熟練者などのモーションの抽出，保存，再現を可能にするモーション習得システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボットによる低侵襲性外科医療や熟練者のスキル保存といった人間の高度な作業支援のための技術の確立が求められている。こうした要求に対し、画像情報に基づいて人間のスキルを抽出する研究が数多く行なわれているが、環境との接触動作を繰り返し行なうようなタスク（人間の作業内容）の抽出と再現は、力制御に基づく動作が必要であるため困難な状況となっている。
【０００３】
例えば特許文献１には、ワークである皿内面に対しての筆記動作に関する筆記情報とワーク情報を、マスター機構部によって認識すると、コントローラーがスレーブ機構のロボットアームとスレーブ側皿を動作制御して、前記筆記動作を再現させるシステムが開示されている。しかし、これも前記画像情報と同じく、位置情報だけでモーションの抽出と再現を行なおうとしているので、環境との接触・被接触の繰り返し動作を再現することが難しい。
【特許文献１】特開２００６−６２０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
こうした問題に対し、他の技術として、仮想環境下で再現を行なうものや、位置と力のハイブリッド制御を用いたものなどが提案されている。しかしながら、現状では人間の動作やタスク内容に応じて再現を行なうような満足のいく力制御系が計装されてはおらず、実現は必ずしも容易ではない。その理由として、力覚情報は本来「作用・反作用の法則」に支配される双方向的情報であるにもかかわらず、現状の力制御系は単方向（Unilateral）性であり、双方向（Bilateral）性情報を取り扱う基本的な手法を欠いているからであると考えられる。また、ロボットに人間のような器用な動作を実現させるためには、多自由度システムの効率的な統合モーションが強く望まれていた。
【０００５】
本発明は上記の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、未知の実環境との安定した接触動作を確立すると共に、例えば人間の指のようなモーションを個々に抽出することができるモーション習得システムの制御方法およびその装置を提供することにある。
【０００６】
また、本発明の別な目的は、前記抽出したモーションを保存できるモーション習得システムの制御方法およびその装置を提供することにある。
【０００７】
さらに、本発明の別な目的は、多自由度システムの効率的な統合モーションを実現して、位置と力のハイブリッドモーションの再現を行なうことができるモーション習得システムの制御方法およびその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、ロバスト性を保ちつつ制御剛性をゼロにする加速度制御を、実空間の動作自由度に対応して配置した複数のロボットシステムの各アクチュエータに行なう第１のステップと、前記各アクチュエータへの外力の等価加速度と当該各アクチュエータの加速度応答とを、モードクオリー行列を用いて直交座標系で定義される各々が独立した非干渉モードの外力の等価加速度と加速度応答に変換する第２のステップと、前記第２のステップで得た非干渉モードにおける外力の等価加速度と加速度応答とに基づいて、前記非干渉モードの各々に対応した対象物に対するモーションを抽出する第３のステップと、からなる。
【０００９】
上記制御方法においては、前記ロボットシステムがマスターシステムとスレーブシステムとにより構成され、前記第１のステップで、前記マスターシステムと前記スレーブシステムの各アクチュエータを、前記加速度制御に基づくバイラテラル制御により制御することが好ましい。
【００１０】
また、前記非干渉モードに変換した加速度情報を保存する第４のステップをさらに含むことが好ましい。
【００１１】
また、前記各非干渉モード毎に、当該非干渉モードにおける外力の等価加速度に対する加速度応答の比を決定し、前記第４のステップで保存した加速度情報に基づく加速度目標値と、前記第２のステップで得た非干渉モードにおける外力の等価加速度または加速度応答との偏差を入力として、前記比に基づき設定した前記非干渉モードにおける加速度制御系からその加速度参照値を算出する第５のステップと、前記モードクオリー行列の逆行列を用いて、前記非干渉モードにおける加速度参照値を各ロボットシステムへの加速度参照値に変換する第６のステップと、をさらに含むことが好ましい。
【００１２】
また、前記アクチュエータがリニアアクチュエータであることが好ましい。
【００１３】
本発明におけるモーション習得システムは、ロバスト性を保ちつつ制御剛性をゼロにする加速度制御を、実空間の動作自由度に対応して配置した複数のロボットシステムの各アクチュエータに行なう加速度制御手段と、前記各アクチュエータへの外力の等価加速度と当該各アクチュエータの加速度応答とを、モードクオリー行列を用いて直交座標系で定義される各々が独立した非干渉モードの等価加速度と加速度応答に変換するモード加速度変換手段と、前記モード加速度変換手段で得た非干渉モードにおける等価加速度と加速度応答とに基づいて、前記非干渉モードの各々に対応した対象物に対するモーションを抽出するモーション抽出手段と、を備えている。
【００１４】
上記システムにおいては、前記ロボットシステムがマスターシステムとスレーブシステムとにより構成され、前記加速度制御手段は、前記マスターシステムと前記スレーブシステムの各アクチュエータを、前記加速度制御に基づくバイラテラル制御により制御するものであることが好ましい。
【００１５】
また、前記非干渉モードに変換した加速度情報を保存する記憶手段をさらに備えることが好ましい。
【００１６】
また、前記各非干渉モード毎に、当該非干渉モードにおける外力の等価加速度に対する加速度応答の比を決定し、前記記憶手段に保存される加速度情報に基づく加速度目標値と、前記モード加速度変換手段で得た非干渉モードにおける外力の等価加速度または加速度応答との偏差を入力として、前記比に基づき設定した前記非干渉モードにおける加速度制御系からその加速度参照値を算出するモード加速度算出手段と、前記モードクオリー行列の逆行列を用いて、前記非干渉モードにおける加速度参照値を各ロボットシステムへの加速度参照値に変換するモード加速度逆変換手段と、をさらに備えることが好ましい。
【００１７】
また、前記アクチュエータがリニアアクチュエータであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
上記請求項１の方法および請求項６のシステムによれば、複数のロボットシステムの各アクチュエータに対して、ロバスト性を失うことなく制御剛性をゼロにする加速度制御が行なわれるので、環境との接触を伴う動作が実現できる。また、モードクオリー行列を用いて、人間の動作やタスクに基づく直交座標系の非干渉モードを新たに定義し、そこで各々が独立したモーションを抽出することが可能であるため、例えば人間の指に対応したモーションの抽出が容易になる。したがって、未知の実環境との安定した接触動作を確立すると共に、例えば人間の指のようなモーションを個々に抽出することができる。
【００１９】
上記請求項２の方法および請求項７のシステムによれば、モーション抽出に際して特に重要な環境からの反作用力の抽出が可能になる。
【００２０】
上記請求項３の方法および請求項８のシステムによれば、抽出したモーションを保存して、例えば非干渉モードに変換した加速度情報を別な場所で読み出すことが可能になる。
【００２１】
上記請求項４の方法および請求項９のシステムによれば、先に抽出し保存した非干渉モードに変換した加速度情報を基に、同一若しくは別なロボットシステムで再現することができ、モーションの再現性が確保される。特に、非干渉モード毎に加速度次元で制御系を構成しているので、位置情報と力情報の統合が可能になっており、非干渉モードにおける外力の等価加速度に対する加速度応答の比を１または０に設定すれば、個々の非干渉モード毎に位置次元若しくは力次元での再現が可能になり、それを実空間でのロボットシステムのモーションに反映させることができる。そのため、多自由度システムの効率的な統合モーションを実現して、位置と力のハイブリッドモーションの再現を行なうことができる。
【００２２】
上記請求項５の方法および請求項１０のシステムによれば、直線駆動を行なうリニアアクチュエータにより、摩擦の影響を機構的に除去できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面に基づいて、本発明における好適な各実施例を詳細に説明する。
【００２４】
図１〜図１０は、本発明の第１実施例を示すものである。先ず図１に基づき、本発明のモーション習得システムに適用可能な、モーションコントロールにおける加速度制御を実現したロボットシステムの一例を説明する。
【００２５】
同図において、１は外乱トルクを推定する対象として設けられ、エネルギーを動力に変換する可動可能なアクチュエータであり、これはリニアモータなどの駆動源に電流値ｉを入力することにより、実際の位置θｍに動作するものである。アクチュエータ１には、実際の位置θｍを電気的な位置信号に変換して検出出力するために、例えばリニアエンコーダなどの位置センサ２が装着される。
【００２６】
一方、アクチュエータ１を制御する位置情報型の外乱オブザーバ11は、前記アクチュエータ１への指令値である電流値ｉを入力すると共に、位置θｍを擬似微分器12で擬似微分した値、即ち応答速度値＾θ・ｍ（以下、数式以外では、この推定値をあらわす「＾」を、対応する記号の前に併記すると共に、１階の微分を「・」，２階の微分を「・・」として便宜上あらわし、対応する記号の後に併記する。）を入力して、これらの各値から外乱トルクの推定値を出力するもので、実際には擬似微分器12と共に、コンピュータのソフトウェアなどで構成される。擬似微分器12は、前記位置信号を速度信号に変換するもので、位置θｍに対し擬似微分を施すことで、ノイズに対する感度を抑制した変換出力を得ることができる。外乱オブザーバ11は、前記アクチュエータ１と等価的な逆モデルが組み込まれ、前記電流ｉをトルク（力）単位の第１信号に変換し、この第１信号と前記擬似微分器12からの応答速度＾θｍ・を微分して得た第２信号とを比較した第３信号を出力する逆モデル部14と、この逆モデル部14での微分の際にカットオフ周波数を設定することにより形成され、前記逆モデル部14から低周波帯域の成分の第３信号を取り出し、これを外乱トルクの推定値＾τdisとして出力するローパスフィルタ15と、により構成される。また16は、前記外乱トルクの推定値＾τdisを、目標となる電流参照値Ｉrefと同じ単位の推定電流値Ｉcmpに逆変換するトルク−電流変換手段であり、この推定電流値Ｉcmpと電流参照値Ｉrefとを加算器17で加算することで、アクチュエータ１に入力する前記電流値（電流指令値）ｉを算出するようにしている。これにより、図１の各構成からなる装置では、外部からアクチュエータ１に加わる外乱トルクτdisを除去することができる。なお、アクチュエータ１は位置信号を出力するものなので、便宜上２段の積分器（１／ｓ）を通して、アクチュエータ１の出力（加速度θｍ・・を２回積分して、実際の位置θｍを出力）としている。
【００２７】
図１に示すロボットシステムは、モータに作用する各種外乱の影響を、外乱オブザーバ11で除去することにより、ロバストな加速度制御系を構築している。モータに作用する外乱トルクτdisは、次の数１であらわされる。
【００２８】
【数１】
2008030167.tif 000003
ここで、図１および上記数１に記載されている各記号を説明すると、Ｉrefは電流参照値であり、Ｊｍはモータ慣性であり、Ｋｔはトルク定数であり、θｍはモータ位置であり、記号の後にある添え字ｎは公称（ノミナル）値を意味する。また、上記数１の右辺第１項は慣性変動トルク，第２項はトルク定数の変動によるトルクリプル，第３項のＦｃはクーロン摩擦トルク，第４項のＤｍθｍ・は粘性摩擦トルク，第５項のτextは外力をあらわしている。
【００２９】
前記電流参照値Ｉrefとモータ速度θｍ・が、遮断周波数ｇpdを有する擬似微分器12によって検出可能であるとき、数１で定義される外乱トルクτdisは、図１に示す外乱オブザーバ11により、一次のローパスフィルタ15を通して次のように推定される。
【００３０】
【数２】
2008030167.tif 000004
但し、上記数２において、ｇ*disは次のように表わせる。
【００３１】
【数３】
2008030167.tif 000005
この外乱トルクの推定値＾τdisを、トルク−電流変換手段16で推定電流値Ｉcmpに変換してフィードバックすることにより、外乱に対してロバストな制御系を有するロボットシステムを構築することができる。
【００３２】
図２は、図１に示すロボットシステムを等価的に表わしたものである。図１におけるロボットシステムは、図２のブロック21内に示された数式の感度関数により影響を受ける。つまり外乱オブザーバ11は、ロボットシステムに加わる外力のみを推定することが可能になる。なお22は、加速度参照値θｍ・・refと推定した外乱トルクとの差が、加速度応答値θｍ・・として出力されることを等価的に表わした減算器である。
【００３３】
図２に示すように、上記外乱オブザーバ11に基づくロバスト制御系は、加速度次元でアクチュエータ１のモータを制御する加速度制御系になることがわかる。この図２において、外乱オブザーバ11の遮断周波数ｇdisを大きく設定することで、外乱トルクτdisの影響が除去されることがわかる。これによって、アクチュエータ１を構成するモータに対するロバスト加速度制御系が実現できる。
【００３４】
ここで、本発明におけるモーションの抽出，保存，再現（これらを纏めて、「習得」という）システムにおいて、加速度制御系のロボットシステムを採用する理由を説明する。モーションコントロールの設計指標となるシステムの制御剛性について、アクチュエータ１の駆動力をｆとし、位置をｘとすると、当該制御剛性κは次のように定義できる。
【００３５】
【数４】
2008030167.tif 000006
上記数４によれば、位置制御と力制御の関係は次のように理解できる。
【００３６】
【数５】
2008030167.tif 000007
理想的な位置制御では、位置ｘの変位が０になるため、制御剛性κは無限大となり、力ｆが有限値ならいくらでも良い、すなわち力ｆが不定になる。逆に理想的な力制御では、力ｆの変位が０になるため、制御剛性κは０となり、位置ｘが不定になる。
【００３７】
ヒューマンインタラクションのためのモーションコントロールでは、制御剛性κが０の柔らかい制御が望まれる。ロバスト性を失わずに制御剛性κを０にするには、アクチュエータ１に対する位置制御ループを外し、外乱オブザーバ11により定められた等価外乱をキャンセルする手法が広く知られている。この結果、本発明で採用するロボットシステムは、必然的に所望の加速度が実現される加速度制御系のものになる。
【００３８】
次に、上記加速度制御系のロボットシステムを利用したモーション抽出の手法について説明する。ここでは、人間の多自由度モーションを抽出するためのロボットシステム群の統合的な制御手法として、インタラクションモード制御を導入する。このインタラクションモード制御では、従来の個々のシステムに対して制御系を構成する手法と異なり、ロボットシステム間の干渉のみを考慮し、非干渉化されたモード空間で制御系の構成を行なう。このロボットシステム間におけるモードは、後述するモードクオリー行列の導入により抽出することが可能である。
【００３９】
また、ロボット群で達成すべきタスクを記述するためのタスクコードとして、ハイブリッド比という新たな制御指標を導入する。インタラクションモード制御では、全ての情報が加速度ベースで相互にやり取りされるため、それぞれのモード空間にハイブリッド比を任意に決定することで、直感的でフレキシブルな分散システム設計が可能になる。
【００４０】
ハイブリッド比の概念について説明すると、先ず、図１に示すような外乱オブザーバ11によって、ロボットシステムのロバスト性が確保されている場合、当該システムは図３に示すような加速度制御系に等価的に変換される。図３では、ロボットシステムへの入力は加速度参照値θｍ・・refと他のロボットシステムからの加速度外乱θ・・extとなり、その偏差を減算器22が加速度応答値θｍ・・として出力するように等価的に構成される。理想的な位置制御では、外力の影響を完全に抑圧するため、加速度参照値θｍ・・refと加速度応答値θｍ・・を等しい値に制御することが可能である。一方、理想的な力覚フィードバック制御（力制御）では、外力がシステムへ入力される指令値となるため、加速度外乱θ・・extと加速度応答値θｍ・・が等しくなる。ここで、加速度制御系における制御系設計の指標として導入されるハイブリッド比ＨＲは、以下のように他システムによる加速度外乱θ・・extが、加速度応答値θｍ・・に及ぼす影響の割合として定義される。
【００４１】
【数６】
2008030167.tif 000008
上記式によれば、理想的な位置制御ではハイブリッド比ＨＲが０になり、理想的な力覚フィードバック制御ではハイブリッド比ＨＲが１になる。提案するハイブリッド比ＨＲと前記制御剛性κとの関係は、次の表１のようになる。
【００４２】
【表１】
2008030167.tif 000009
次に、モードクオリー行列について説明すると、インタラクションモード制御は、複数のロボットシステム間の干渉についてのみ、制御を行なうものであるため、本実施例ではモードクオリー行列を用いて、直交座標系で定義される非干渉モードを抽出する。パラメータ変換手段であるモードクオリー行列を用いることにより、ロボットシステムの物理パラメータを、コンピュータ内で処理される仮想モード空間でのパラメータに変換することができる。モードクオリー行列Ｑｎ（ｎ＝１〜５）は、例えば以下のように定義される。
【００４３】
【数７】
2008030167.tif 000010
上記モードクオリー行列Ｑｎの次数はロボットシステム群で実現できるタスク自由度の数に一致する。そのため、例えば人間の指のモーションに対応した数のロボットシステムを用意した場合には、そのロボットシステムの数に一致した次数でモードクオリー行列Ｑｎが決定される。また、モードクオリー行列Ｑｎの性質として、当該モードクオリー行列Ｑｎとその転置行列の積は直交行列になるため、直交性を有することが確認できる。従って、個々のロボットごとに制御系を設計するのではなく、モードクオリー行列Ｑｎにより非干渉化された仮想の直交モード上で制御系を設計し、モードクオリー行列Ｑｎの逆行列である逆モードクオリー行列Ｑｎ−１により、多自由度に構成される各ロボットシステムにおいて、加速度参照値θｍ・・refを統合することが可能になる。
【００４４】
図４は、インタラクションモード制御の一般構造を示すブロック線図で、ここでは、モーション習得システムとして実現したインタラクションモード制御によるロボットシステム群の分散制御設計を表している。同図において、θ・・はロボットシステムの関節座標系における加速度を示す。また関節空間において、最初の添え字Ａ〜Ｎは、各ロボットシステムの識別子をアルファベット順に表わし、２番目の添え字１〜Ｎは、各々のロボットシステム中におけるアクチュエータ１の識別子を数字順に表している。また、作業空間における添え字Ａ〜Ｎは、各ロボットシステムの識別子に対応して付けられたものである。
【００４５】
図４において、一般的な関節動作を行なうＮ個のロボットシステムは、各々が一乃至複数のアクチュエータ１を備えて、実空間である関節空間に配置される。また、ここには図示していないが、それぞれのアクチュエータ１は、前記図３に示すようなロバスト加速度制御系を実現するために、擬似微分器12やトルク−電流変換手段16を含む外乱オブザーバ11が設けられる。また、各アクチュエータ１の加速度応答値θ・・resと他のロボットシステムからの加速度外乱θ・・extは、加速度変換手段25，26により、ヤコビ行列を用いて作業空間における加速度ｘ・・に変換できるようになっている。ここで、第１の加速度変換手段25は、一つのロボットシステムを構成する各アクチュエータ１への加速度外乱θ・・extを取り込んで、作業空間における加速度外乱ｘ・・extに変換する。また別な第２の加速度変換手段26は、一つのロボットシステムを構成する各アクチュエータ１からの加速度応答値θ・・resを取り込んで、作業空間における加速度応答値ｘ・・resに変換する。好ましくは、前記加速度外乱θ・・extを、擬似微分器12を含む外乱オブザーバ11で推定して得ることにより、各アクチュエータ１において力覚センサレスを実現して、システム構成を簡素化することができる。また、アクチュエータ１からの加速度応答値θ・・resも、前述した位置センサ２からの検出信号を、微分器（図示せず）で２回微分するなどして取得することができる。
【００４６】
27，28は、前述したモードクオリー行列Ｑｎを記憶保存するモード加速度変換手段である。当該モード加速度変換手段27，28は、前記加速度変換手段25，26により得られた加速度応答値ｘ・・refを受けて、作業空間におけるロボットシステム群の干渉を抽出し、内蔵するモードクオリー行列Ｑｎを利用して、直交モード空間における非干渉な加速度ｍ・・に変換し出力するものである。具体的には、第１のモード加速度変換手段27は、第１の加速度変換手段25でそれぞれ得た作業空間における加速度外乱ｘ・・extを、モード空間における加速度外乱ｍ・・extに変換する。また、第２のモード加速度変換手段28は、第２の加速度変換手段26でそれぞれ得た作業空間における加速度応答値ｘ・・resを、モード空間における加速度応答値ｍ・・resに変換する。こうして得られたモード空間の加速度外乱ｍ・・extや加速度応答値ｍ・・resは、ロボットシステムの数に対応した複数の独立したモードの加速度情報として、後述するインタラクションモード制御部31に出力されると共に、好ましくはコンピュータの記憶手段30に記憶保存される。
【００４７】
31は、モード空間における加速度外乱ｍ・・ext，加速度応答値ｍ・・res，加速度目標値ｍ・・cmd，およびタスクコードを入力として、モード空間でのモーションの抽出やロボットシステムによるモーションの再現を行なえるように、個々のモード空間における加速度参照値ｍ・・refを生成するインタラクションモード制御部である。また32は、コンピュータ内で設定されるタスクコマンドを受けて、前述した外力の等価加速度と加速度応答との比を定義する所望のハイブリッド比ＨＲを、インタラクションモード制御部31が設定した個々のモード空間毎に決定し、これをタスクコードとしてインタラクションモード制御部31に出力するハイブリッド比決定手段である。ハイブリッド比決定手段32は、例えば図示しない操作手段により、後述する「抽出モード」を選択した旨のタスクコマンドを受けると、実際のロボットシステムの構成を考慮したハイブリット比を決定し、後述する「再現モード」を選択した旨のタスクコマンドを受けると、前記モードクオリー行列Ｑｎで規定される所望のモード空間に対応したハイブリッド比を決定して、その何れかのハイブリッド比に対応したタスクコードを生成するようになっている。
【００４８】
さらに33は、インタラクションモード制御部31で得られた各モードの加速度参照値ｍ・・refを、作業空間における加速度参照値ｘ・・refに逆変換する逆モードクオリー行列Ｑｎ−１を備えたモード加速度逆変換手段である。このモード加速度逆変換手段33で得られた作業空間における加速度参照値ｘ・・refは、ロボットシステムの数に対応して設けた逆ヤコビ行列を有する加速度逆変換手段34によって、関節空間における加速度参照値θ・・refに逆変換され、各アクチュエータ１に出力される。これにより、インタラクションモード制御部31から出力される各モードの加速度参照値ｍ・・refに基づいて、実空間に配置した各ロボットシステムでモーションを再現させることが可能になる。
【００４９】
なお、アクチュエータ１を除く各部の構成は、何れもコンピュータの処理手段として設けられる。したがって、図４に示す各ブロック構成は、理解を容易にするために機能的に区画されたに過ぎず、処理手段に同等の機能を備えてあれば、全て本発明の範疇に含まれる。
【００５０】
上述した各構成において、モード加速度変換手段27，28で変換されたモード空間の加速度ｍ・・は、モードクオリー行列Ｑｎの性質として直交座標系で表現されるため、それぞれのモード空間で独立な制御系の設計が可能となる。即ち、所望のタスクに応じたハイブリッド比ＨＲをモード空間ごとに実現することができるため、各モードのハイブリッド比ＨＲをまとめたものを、前記ハイブリッド比決定手段32でタスクコードとして対応付けることができる。個々のモード空間で生成される加速度参照値ｍ・・refは、モード加速度逆変換手段33に用意された逆モードクオリー行列Ｑｎ−１により、各ロボットシステムの加速度参照値θ・・refとして統合され実現される。従って、ここでのインタラクションモード制御部31によるインタラクションモード制御は、ヤコビ行列を用いたロボットの運動学と同様に、モードクオリー行列Ｑｎによる新たな直交モード座標変換手法として、ロボットシステム群のモーション統合を実現できる。
【００５１】
次に、上記インタラクションモード制御に基づき、人間の物体把持モーションの抽出と再現を行なう各手法について説明する。操作物を人間の指とした場合、モードクオリー行列Ｑｎの次数は、再現可能な人間の指の本数に対応するため、独立したモード空間において、容易に人間のスキルドモーションの取得および解析を行なうことができる。ここでは、前記モード空間に人間のモーション情報を抽出し、保存するための「抽出モード」と、前記保存情報とタスクコードに基づいてモーションの再現を行なう「再現モード」について、その一連の動作を説明する。
【００５２】
図５は、図４に示す装置構成を実現する実験装置の一例である。ここでの実験装置は、インタラクションモード制御を３体のリニアモータシステムに適用する。したがって、人間の親指，人差し指，中指の３本の指に対応したモーションの抽出と再現が可能になる。図５の実験装置では、実空間に配置される３つの各ロボットシステムＡ，Ｂ，Ｃに、摩擦の影響を機構的に除去することが可能なロッド型のリニアアクチュエータを採用する。これは、基台42に対して水平方向に可動可能なロッド状の可動部43を備えたリニアモータ44として配設される。また、46は前記位置センサ２に相当するリニアエンコーダである。なお、各アクチュエータの詳細パラメータは、次の表２のように設定した。実験でのサンプリングタイムは、100μｓに設定している。
【００５３】
【表２】
2008030167.tif 000011
図５において、47は各ロボットシステムＡ，Ｂ，Ｃの可動部43先端に支持された対象物である。ここでは、ロボットシステムＡ，Ｂ，Ｃを３本の指に見立てて、ロボットシステムＡの各可動部43と、ロボットシステムＢ，Ｃの可動部43で、対象物47を両側から把持している。
【００５４】
このように構成されたシステムは３自由度を有するために、それぞれのアクチュエータの加速度応答値ｘ・・refと加速度外乱ｘ・・extは、モード加速度変換手段27，28の３次のモードクオリー行列Ｑ３を用いて、次の数８や数９に示すモード座標上の加速度応答値ｍ・・resと加速度外乱ｍ・・extに変換できる。
【００５５】
【数８】
2008030167.tif 000012
【００５６】
【数９】
2008030167.tif 000013
ここで、ｘｉ・・（ｉ＝Ａ〜Ｃ）は、それぞれのロボットシステムＡ〜Ｃにおける加速度を示し、ｍｉ・・（ｉ＝１〜３）は、モード空間における加速度をあらわす。図６に示すように、上記モードクオリー行列Ｑ３を用いて、ロボットシステムＡ〜Ｃにおける加速度ｘｉ・・res，ｘｉ・・extを、それぞれモード空間における加速度ｍｉ・・res，ｍｉ・・extに変換することで、第１モードである重心位置（center of gravity：ＣＯＧ），第２モードであるヨーイング，第３モードである内部の独立した３個のモードに変換できる。このようなモードに変換した理由は、人間の３指を考えた場合、そのモーションは、対象物47の重心を動かすアクチュエータ，対象物47を遥動回転するアクチュエータ，および対象物４７を把持するアクチュエータの独立した３モードに分解できることに基づいている。操作物が物体把持タスクである場合、個々のモードは、移動タスク，回転タスク，把持タスクに対応することになる。したがって、モード空間で定義される仮想のアクチュエータ（タスク）は、考慮すべき操作物に応じて、上記ＣＯＧ，ヨーイング，内部動作以外のものを設定してもよく、その場合、コンピュータ内で設定される独立したモードは２つ以上あればよい。
【００５７】
抽出モードと再現モードの切り換えは、ハイブリッド比を統合したタスクコードにより実現することができる。すなわち、タスクコマンドにより、抽出モードと再現モードの何れか一方を指示すると、ハイブリッド比決定手段32はそれぞれのモード毎に異なる値のハイブリッド比を、統合したタスクコードとしてインタラクションモード制御部31に出力するようになっている。上記３体のロボットシステムＡ〜Ｃのタスクコードは以下のように定義できる。
【００５８】
【数１０】
2008030167.tif 000014
図７は、インタラクションモード制御に基づく人間の物体把持モーションの抽出および再現制御を実現するモーション習得システムのブロック線図を示しており、前記図４と同一箇所には同一の符号を付記している。ここで用いる実験装置は、ロボットシステムＡ〜Ｃの駆動源として、それぞれリニアモータを用いた１自由度のシステムであるため、図４で示した作業空間と関節空間が等しいものとなっている。したがって、このようなシステムでは、図４に示すような加速度変換手段25，26や加速度逆変換手段34は不要であり、関節空間に設置した各ロボットシステムＡ〜Ｃの加速度外乱ｘ・・extが、第１のモード加速度変換手段27に直接入力され、各ロボットシステムＡ〜Ｃの加速度応答値ｘ・・resが、第２のモード加速度変換手段28に直接入力される。また、モード空間において生成される加速度参照値ｍ・・refは、モード加速度逆変換手段33により逆モードクオリー行列Ｑ３−１を利用して関節空間における加速度参照値ｘ・・refに変換され、各ロボットシステムＡ〜Ｃのアクチュエータ１へ分配，統合される。
【００５９】
さらに、この図７において、51はハイブリッド比決定手段32で決定されるハイブリッド比ひいてはタスクコードに応じて、モード加速度変換手段27，28で変換されたモード空間の加速度参照値ｍ・・refまたは加速度外乱ｍ・・extのいずれか一方を、モード空間の各単位毎にインタラクションモード制御部31に送り出すタスクコード選択手段である。インタラクションモード制御部31は、各モード空間毎の加速度目標値ｍ・・cmdから、加速度参照値ｍ・・refまたは加速度外乱ｍ・・extのいずれか一方を減算する減算器52Ａ〜52Ｃと、前記各モード空間毎に得られた減算器52Ａ〜52Ｃの算出結果に、内蔵する伝達要素Ｃ１（ｓ）〜Ｃ３（ｓ）を乗算して、モード空間における加速度参照値ｍ・・refを算出する積算手段53Ａ〜53Ｃと、を備えている。
【００６０】
上記構成において、抽出モードでは３体のロボットシステムＡ〜Ｃが人間の操作入力に従って動作を行なうため、人間からの反作用力を制御する必要がある。そのため、抽出モードを選択した旨のタスクコマンドをハイブリッド比決定手段32に出力すると、当該ハイブリッド比決定手段32は、前述した３つの非干渉モードにおいて、それぞれのハイブリッド比ＨＲを理想的な力制御とする１に設定する。このときのタスクコードは以下のようになる。
【００６１】
【数１１】
2008030167.tif 000015
また、上記数１１で表わされるタスクコードを実現するために、モード空間における制御系の各伝達要素Ｃｉ（ｓ）（ｉ＝１〜３）を、以下のような力サーボとして構成設定する。なお、ここでＫfi（ｉ＝１〜３）は力サーボゲインである。
【００６２】
【数１２】
2008030167.tif 000016
それと共に、ハイブリッド比決定手段32は、各モードのハイブリッド比ＨＲが何れも１であることから、第１のモード加速度変換手段27で変換された各モードの加速度外乱ｍ１・・ext，ｍ２・・ext，ｍ３・・extが、インタラクションモード制御部31に入力されるように、タスクコード選択手段51を制御する。抽出モードでは、各モード空間毎の加速度目標値ｍ１・・cmd，ｍ２・・cmd，ｍ３・・cmdが０であることから、インタラクションモード制御部31は、前記各モードの加速度外乱ｍ１・・ext，ｍ２・・ext，ｍ３・・extと、数１２で記述された力サーボのゲインとを掛け合わせて、モード空間における加速度参照値ｍ１・・ref，ｍ２・・ref，ｍ３・・refを算出する。この加速度参照値ｍ１・・ref，ｍ２・・ref，ｍ３・・refは、モード加速度逆変換手段33における逆モードクオリー行列Ｑ３−１によって、関節空間における加速度参照値ｘ・・refに逆変換され、各アクチュエータ１に分配される。各アクチュエータ１の加速度参照値は、前記外乱オブザーバに基づくロバスト制御系により実現される。
【００６３】
図８は、抽出モードでの実験結果を示したものである。人間が親指，人差し指，中指の３本の指を用いて、３体のロボットシステムＡ〜Ｃに力を加えて操作し、物体（対象物）を把持しながら搬送動作を行っている。このときの各ロボットシステムＡ〜Ｃにおける時間−位置の特性を、図８（ａ）〜（ｃ）に示す。また、モードクオリー行列Ｑｎを用いて変換されたモード空間における時間−位置応答の特性を、図８（ｄ）〜（ｆ）に示す。なお、モード１は重心位置（ＣＯＧ），モード２はヨーイング，モード３は内部の各動作を意味する。モード空間における実験結果より、先にモード１の位置応答が大きく変位し、次にモード２の位置応答が大きく変位していることから、人間がまずＣＯＧ動作を行ない、続いてヨーイング動作を行っていることが確認できる。また，全てのモードにおいてハイブリッド比ＨＲは１に設定されているため、人間の力覚フィードバック制御が実現され、モード空間におけるモーションが抽出できる。
【００６４】
また、この抽出モードでは、モード加速度変換手段27，28で得られたモード空間の加速度情報である加速度外乱ｍ・・extや加速度応答値ｍ・・resを、記憶手段30に記憶保存することができる。これにより、モード空間で抽出したモーションを加速度次元で記憶保存することができる。なお記憶手段30は、前記加速度外乱ｍ・・extや加速度応答値ｍ・・resと、ハイブリッド決定手段32で決定されるハイブリッド比ＨＲとに基づいて、インタラクションモード制御部31で得られる個々のモード空間における位置応答や力応答を、非干渉モードに変換した加速度情報として保存するようにしてもよい。
【００６５】
一方、再現モードでは、各ロボットシステムＡ〜Ｃが自動的に物体を把持しながら、抽出モードで抽出したモーションを記憶手段30から読み出して、これを各ロボットシステムＡ〜Ｃで再現することができる。ここでは、再現モードを選択した旨のタスクコマンドをハイブリッド比決定手段32に出力すると、当該ハイブリッド比決定手段32は、前述した３つの非干渉モードにおいて、モード１とモード２に対するハイブリッド比ＨＲを０とし、モード３に対するハイブリッド比ＨＲを１に設定する。その理由は、モード１の重心モードとモード２のヨーイングモードに関しては、位置次元の再現を行ない、モード３の内部モードに関しては、力次元の再現を行なう必要があるからである。このときのタスクコードは以下のようになる。
【００６６】
【数１３】
2008030167.tif 000017
また、上記数１３で表わされるタスクコードを実現するために、モード空間における加速度制御系の各伝達要素Ｃｉ（ｓ）（ｉ＝１〜３）を、以下のように設定する。
【００６７】
【数１４】
2008030167.tif 000018
なお、上記数１４でＫpi（ｉ＝１，２）は位置制御ゲインであり、Ｋvi（ｉ＝１，２）は速度制御ゲインである。また、Ｋf3は内力制御モードにおける力サーボゲインである。
【００６８】
それと共に、ハイブリッド比決定手段32は、モード１，２のハイブリッド比ＨＲが共に０で、モード３のハイブリッド比ＨＲが１であることから、第２のモード加速度変換手段28で変換されたモード１，２の加速度応答値ｍ１・・res，ｍ２・・resと、第１のモード加速度変換手段27で変換されたモード３の加速度応答値ｍ３・・extが、インタラクションモード制御部31の減算器52Ａ〜52Ｃに各々入力されるように、タスクコード選択手段51を制御する。再現モードでは、記憶手段30で保存記憶される加速度情報から得たモード空間毎の加速度目標値ｍ１・・cmd，ｍ２・・cmd，ｍ３・・cmdが、インタラクションモード制御部31の減算器52Ａ〜52Ｃに各々入力され、インタラクションモード制御部31は、各減算器52Ａ〜52Ｃからの算出結果を、前記数１４で記述された伝達要素Ｃｉ（ｓ）（ｉ＝１〜３）とそれぞれ掛け合わせて、モード空間における加速度参照値ｍ１・・ref，ｍ２・・ref，ｍ３・・refを算出する。この加速度参照値ｍ１・・ref，ｍ２・・ref，ｍ３・・refは、モード加速度逆変換手段33における逆モードクオリー行列Ｑ３−１によって、関節空間における加速度参照値ｘ・・refに逆変換され、各アクチュエータ１に分配される。各アクチュエータ１の加速度参照値は、前記外乱オブザーバに基づくロバスト制御系により実現される。
【００６９】
本実施例で提案した手法の有効性を確認するために、従来の位置制御による再現実験と、インタラクションモード制御による再現実験との比較を行った。従来の位置制御による再現結果を図９に示す。図９（ａ）〜（ｃ）は、各ロボットシステムＡ〜Ｃにおける時間−位置の特性を示しており、図９（ｄ）〜（ｆ）は、モードクオリー行列によって得られたモード空間における時間−位置応答の特性を示している。さらに図９（ｇ）は、内力モードの時間−力応答を示している。これらの結果より、位置応答に関しては、各ロボットシステムＡ〜Ｃにおける位置サーボによって、再現誤差はほぼ０になっていることが分かる。しかし、内力の値に関しては不定であるため、把持モーションの再現に関しては保証がされていない（図９（ｇ）参照）。そのため、従来の位置制御のみでは人間のモーションを再現することができない。
【００７０】
一方、提案するインタラクションモード制御による再現結果を図１０に示す。図１０（ａ）〜（ｃ）は、各ロボットシステムＡ〜Ｃにおける時間−位置の特性を示しており、図１０（ｄ）〜（ｆ）は、モードクオリー行列によって得られたモード空間における時間−位置応答の特性を示している。これらの結果より、ＣＯＧ動作およびヨーイング動作は、各モードにおける位置サーボにより再現がなされていることが分かる。また、内力モードの時間−力応答の特性を図１０（ｇ）に示し、ここでは内力モードにおける把持力指令は１Ｎとしている。この図１０（ｇ）により、内力はＣＯＧ動作やヨーイング動作によらず一定に制御できていることが分かる。従って、人間のスキルドモーションの抽出と再現において、本実施例におけるインタラクションモード制御が有用であることが確認できる。
【００７１】
このように、本実施例では、インタラクションモード制御に基づいて、人間のスキルドモーションを抽出または再現する手法を提案した。ここでのインタラクションモード制御は、モードクオリー行列を用いてロボットシステム群の非干渉化モードを抽出することが可能であるため，人間の五指に対応したモーションの抽出と再現に非常に有用である。また、他システムからの加速度外乱から加速度応答値に及ぼす影響の割合として、ハイブリッド比という新たな制御指標を定義した。これにより、人間のモーションにおけるタスクを記述するためのタスクコードを確立して、力制御，位置制御を統一的に加速度ベースで扱うことが可能になる。
【００７２】
次に、本発明の第２実施例を図１１〜図１７に基づき説明するが、前記第１実施例と共通する箇所には共通の符号を付し、共通する部分の説明は重複を避けるために極力省略する。
【００７３】
図１１は、本実施例におけるモーション習得システムにおけるモーション抽出モードのブロック線図を示している。この第２実施例は、前記ロボットシステム群として、複数のロボットシステムＡ〜Ｃからなるマスターシステム61と、複数のロボットシステムＡ〜Ｃからなるスレーブシステム62とを利用して、熟練者のスキルを抽出したり、人工的に再現したりする制御方法を提案する。関節空間に配置されたマスターシステム61とスレーブシステム62の各アクチュエータ１は、前述した外乱オブザーバ11のような加速度制御に基づくバイラテラル制御により制御される。バイラテラル制御とは、マスターシステム61とスレーブシステム62との間で位置と力の状態を一致させるように制御を行なうことで、マスターシステム61からスレーブシステム62への位置制御と、スレーブシステム62からマスターシステム61への力制御を同時に行なう制御方法であり、それを具体化する制御手段は周知であるので、ここでは詳しく説明しない。このようなバイラテラル制御を用いることで、「作用・反作用の法則」に支配される双方向的情報である力覚情報から、操作者の作用力と反作用力を分離することができる。また、スキルの保存と再現に際しては、前記第１実施例と同様に、インタラクションモード制御に基づき非干渉モード毎に加速度次元で制御系を構成することで、位置情報と力情報の双方が統合可能であり、触覚ベースでのスキルデータベースとスキルシミュレーション開発への応用が期待できる。
【００７４】
図１１に示すモーション習得システムは、人間の３指のモーションに対応して、それぞれ３体のマスターシステム61とスレーブシステム62を備えている。また、ここでの実験装置も、アクチュエータ１としてロッド型のリニアアクチュエータを使用する。したがって、作業空間と関節空間は等しく、図４に示すような加速度変換手段25，26や加速度逆変換手段34は不要となる。
【００７５】
図１２は、図４に示す装置構成を実現する実験装置の一例である。個々の構成は第１実施例と共通であるので説明を省略するが、後述する抽出モードでは、操作者64が操作するマスターシステム61と、この操作者に合せて対象物47を把持するスレーブシステム62が並設されている。
【００７６】
再度図１１に戻り、第１のモード加速度変換手段27Ａは、マスターシステム61を構成する各ロボットシステムＡ〜Ｃの加速度外乱ｘNm・・ext(Ｎ＝Ａ，Ｂ，Ｃ)を、モード空間における加速度外乱ｍim・・ext(ｉ＝１〜３)に変換すると共に、別な第１のモード加速度変換手段27Ｂは、スレーブシステム62を構成する各ロボットシステムＡ〜Ｃの加速度外乱ｘNs・・ext(Ｎ＝Ａ，Ｂ，Ｃ)を、モード空間における加速度外乱ｍis・・ext(ｉ＝１〜３)に変換する。同様に、第２のモード加速度変換手段28Ａは、マスターシステム61を構成する各ロボットシステムＡ〜Ｃの加速度応答値ｘNm・・ (Ｎ＝Ａ，Ｂ，Ｃ)を、モード空間における加速度応答値ｍim・・(ｉ＝１〜３)に変換すると共に、別な第２のモード加速度変換手段28Ｂは、スレーブシステム62を構成する各ロボットシステムＡ〜Ｃの加速度外乱ｘNs・・(Ｎ＝Ａ，Ｂ，Ｃ)を、モード空間における加速度応答値ｍis・・(ｉ＝１〜３)に変換する。
【００７７】
ここでは、モード空間におけるマスターシステム61とスレーブシステム62の加速度応答値を、それぞれｍｍ・・およびｍＳ・・と定義し、モード空間におけるマスターシステム61とスレーブシステム62の外力の等価加速度を、それぞれｍｍ・・extおよびｍＳ・・extと定義する。バイラテラル制御の目標は以下のように記述できる。
【００７８】
【数１５】
2008030167.tif 000019
【００７９】
【数１６】
2008030167.tif 000020
上記数１５は、「作用・反作用の法則」を実現するために、マスターシステム61とスレーブシステム62の受ける外力の等価加速度の和を０にすべきであることを示している。一方、数１６はマスターシステム61とスレーブシステム62の間で同期を確保するために、加速度応答の偏差を０にすべきであることを示している。このようにバイラテラル制御系の目標は、マスターシステム61とスレーブシステム62の和と差の座標系で定義されるため、２次のモードクオリー行列Ｑ２を用いて、次の数１７〜数１９のようにまとめて表現することが可能である。
【００８０】
【数１７】
2008030167.tif 000021
【００８１】
【数１８】
2008030167.tif 000022
【００８２】
【数１９】
2008030167.tif 000023
ここで、ｍｃ・・とｍｄ・・は、それぞれモード空間における加速度応答の和と差のモードをあらわし、ｍｃ・・extとｍｄ・・extは、それぞれモード空間における外力の等価加速度の和と差のモードを表わしている。すなわち、図１１のシステムでは、前記数１９のモードクオリー行列Ｑ２を用いて、前記モード空間における等価加速度（加速度外乱）ｍim・・ext，ｍis・・extから、その和ｍic・・extと差ｍid・・extの各値をそれぞれ算出する第１の加速度算出手段71Ａ，71Ｂ，71Ｃと、前記モード空間における加速度応答ｍim・・，ｍis・・から、その和ｍic・・と差ｍid・・の各値を算出する第２の加速度算出手段72とを、各々備えている。
【００８３】
また、前記数１５を実現するために、和のモードにおける外力の等価加速度ｍc・・extに対して、次のような力サーボで構成設定する。
【００８４】
【数２０】
2008030167.tif 000024
【００８５】
【数２１】
2008030167.tif 000025
また、和のモードでは人間の入力に従って反作用力を制御する必要があることから、抽出モードでは全ての空間モードにおいてハイブリッド比ＨＲが１に設定される。つまり、和のモードにおけるハイブリッド比ＨＲｃは以下のように表される。
【００８６】
【数２２】
2008030167.tif 000026
上記のハイブリッド比に基づき、モード空間における加速度制御系の各伝達要素Ｃic（ｓ）（ｉ＝１〜３）を以下のように設定する。なお、下記のＫfic（ｉ＝１〜３）は、力制御ゲインを表わす。
【００８７】
【数２３】
2008030167.tif 000027
一方、差のモードでは、数１６を実現するために、加速度応答の偏差を０にするような定値制御が行なわれる。
【００８８】
【数２４】
2008030167.tif 000028
【００８９】
【数２５】
2008030167.tif 000029
ここで、Ｃｐは位置レギュレータを表わす。差のモードでは、外乱を補償して位置の同期を確保する必要があることから、全ての空間モードにおいてハイブリッド比を０にする必要がある。従って、差のモードにおけるハイブリッド比ＨＲｄは以下のように表される。
【００９０】
【数２６】
2008030167.tif 000030
上記ハイブリッド比ＨＲｄに基づいて、モード空間における加速度制御系Ｃid（ｓ）（ｉ＝１〜３）を以下のように設定する。
【００９１】
【数２７】
2008030167.tif 000031
ここで、Ｋfid（ｉ＝１〜３）は位置制御ゲインを表わし、Ｋvid（ｉ＝１〜３）は速度制御ゲインを表わす。こうすることで、和と差の直交座標系において、力サーボと位置レギュレータを独立して設計することが可能である。
【００９２】
上記モード空間における和のモードの加速度参照値ｍic・・（ｉ＝１〜３）と、差のモードの加速度参照値ｍid・・（ｉ＝１〜３）を算出するために、このモーション抽出モードでは、モード空間におけるインタラクションモード制御部として、和モード制御部74と差モード制御部75を備えている。和モード制御部74は、第１の加速度算出手段71で算出され、減算器77Ａ〜77Ｃを経て出力された各モード空間の和のモードにおける外力の等価加速度ｍic・・extと、前記数２１や数２３で記述された伝達要素Ｃic（ｓ）とをそれぞれ掛け合わせて、数２０に示すモード空間における和のモードの加速度参照値ｍiｃ・・refを算出する第１の積算手段78Ａ〜78Ｃを備えている。また、差モード制御部75は、第２の加速度算出手段72で算出された各モード空間の差のモードにおける加速度応答値ｍid・・と、前記数２５や数２７で記述された伝達要素Ｃid（ｓ）とをそれぞれ掛け合わせて、数２４に示すモード空間における差のモードの加速度参照値ｍiｄ・・refを算出する第２の積算手段79Ａ〜79Ｃを備えている。
【００９３】
前記モード空間には、以下の式のように力サーボと位置レギュレータを加速度次元で統合して、マスターシステム61とスレーブシステム62に対応するモード空間の加速度参照値ｍim・・ref，ｍiｓ・・refを生成する加速度逆算出手段81が設けられる。
【００９４】
【数２８】
2008030167.tif 000032
上記数２８の各式は、前記数１９で示した二次のモードクオリー行列Ｑ２の逆行列Ｑ２−１を用いて、次のように結合することが可能である。
【００９５】
【数２９】
2008030167.tif 000033
上記マスターシステム61とスレーブシステム62に対応するモード空間の加速度参照値ｍim・・ref，ｍis・・refは、モード加速度逆変換手段33Ａ，33Ｂにおける逆モードクオリー行列Ｑ３−１によって、関節空間における加速度参照値ｘNm・・ref，ｘNs・・ref（Ｎ＝Ａ，Ｂ，Ｃ）にそれぞれ逆変換され、各アクチュエータ１に分配される。各アクチュエータ１の加速度参照値は、第１実施例と同様に、前記外乱オブザーバに基づくロバスト制御系により実現される。モード加速度逆変換手段33Ａ，33Ｂの動作を数式で表わすと、次のようになる。
【００９６】
【数３０】
2008030167.tif 000034
図１３は、上記構成におけるシステムのモーション抽出モードにおける実験結果を示したものである。操作者がマスターシステム61を操作して外力を与えると、スレーブシステム62がその操作に従って、対象物47を把持し移動させるタスクを行っている。マスターシステム61およびスレーブシステム62に設けた各アクチュエータ１の時間−位置応答の特性を図１３（ａ）〜（ｃ）に示し、上記モードクオリー行列Ｑ３を用いて各モード空間の位置応答にそれぞれ変換したものを図１３（ｄ）〜（ｆ）に示す。また、モード空間において、把持物体への把持力に相当する内部モードの時間−力応答の特性を図１３（ｇ）に示す。
【００９７】
この実験結果より、操作者が重心，ヨーイング，重心の順に対象物47を把持しながら移動させていることが確認できる。また、マスターシステム61およびスレーブシステム62を構成することにより、人間（操作者）の操作する把持物体の把持力を抽出することができる。さらに、マスターシステム61とスレーブシステム62との間の位置応答は非常によく追従しており、「作用・反作用の法則」が人工的に再現されている。従って、この実施例で提案するシステムでも、人間の３指のモーションを独立したモード毎に抽出しスキルの解析を行なうことができる。
【００９８】
次に、当該第２実施例のモーション再現モードについて説明する。図１４は、前記図１１で抽出したモード空間のモーションを、関節空間に設置したスレーブシステム62で自動的に再現するシステムの構成を示している。なお、スレーブシステム62に代わって、同じ構成であるマスターシステム61を用いても構わない。図１４では、これをロボットシステムＡ〜Ｃとして記述している。第１実施例で説明したように、物体把持タスクを実現する場合、図６に示す重心モードとヨーイングモードに関しては位置次元で再現を行ない、内部モードに関しては力次元で再現する。そのため、再現モードでのハイブリッド比ＨＲｒは、以下のように表わせる。
【００９９】
【数３１】
2008030167.tif 000035
上記のハイブリッド比ＨＲｒに基づき、モード空間における加速度制御系の各伝達要素Ｃｉ（ｓ）（ｉ＝１〜３）は、次のように設定する。なおこれは、前記数１４に示したものと同じである。
【０１００】
【数３２】
2008030167.tif 000036
ハイブリッド比決定手段32は、モード１，２のハイブリッド比ＨＲｒが０で、モード３のハイブリッド比ＨＲｒが１であることから、第２のモード加速度変換手段28で変換されたモード１，２の加速度応答値ｍ１・・，ｍ２・・と、第１のモード加速度変換手段27で変換されたモード３の加速度応答値ｍ３・・extが、インタラクションモード制御部31の減算器77Ａ〜77Ｃに各々入力されるように、個々では図示しないタスクコード選択手段を制御する。再現モードでは、記憶手段30で保存記憶される加速度情報から得たモード空間毎の加速度目標値ｍ１・・cmd，ｍ２・・cmd，ｍ３・・cmdが、インタラクションモード制御部31の減算器77Ａ〜77Ｃに各々入力され、インタラクションモード制御部31は、各減算器77Ａ〜77Ｃからの算出結果を、前記数３２で記述された伝達要素Ｃｉ（ｓ）（ｉ＝１〜３）とそれぞれ掛け合わせて、モード空間における加速度参照値ｍ１・・ref，ｍ２・・ref，ｍ３・・refを算出する。この加速度参照値ｍ１・・ref，ｍ２・・ref，ｍ３・・refは、モード加速度逆変換手段33における逆モードクオリー行列Ｑ３−１によって、関節空間における加速度参照値ｘ・・refに逆変換され、各アクチュエータ１に分配される。各アクチュエータ１の加速度参照値は、前記外乱オブザーバに基づくロバスト制御系により実現される。
【０１０１】
なお、ここにあるインタラクションモード制御部31は、前記図１１に示す和モード制御部74と同じ構成とすることができる。但し、積算手段78Ａ〜78Ｃで設定される伝達要素は、モーションの抽出モードと再現モードでは異なる。
【０１０２】
本実施例においても、その有効性を確認するために、従来の位置制御による再現実験と、本実施例で採用したインタラクションモード制御による再現実験との比較を行った。ここでも操作者はマスターシステム61を操作し、スレーブシステム62がその操作に従って対象物47を把持し移動させるタスクを行っている。従来の位置制御による再現結果を図１５に示す。図１５（ａ）〜（ｃ）は、各ロボットシステムＡ〜Ｃにおける時間−位置の特性を示しており、図１５（ｄ）〜（ｆ）は、モードクオリー行列によって得られたモード空間における時間−位置応答の特性を示している。一方、図１６は、本実施例で採用したインタラクションモード制御による再現結果を示している。図１６（ａ）〜（ｃ）は、各ロボットシステムＡ〜Ｃにおける時間−位置の特性を示しており、図１６（ｄ）〜（ｆ）は、モードクオリー行列によって得られたモード空間における時間−位置応答の特性を示している。両者を比較すると、重心位置とヨーイング位置に関しては、本実施例の提案手法も良好な再現性が得られている。さらに図１７は、把持物体の把持力に相当する内部モードの力応答に関し、前記図１１の構成により抽出されたマスターシステム61とスレーブシステム62の時間−力応答の特性と、従来の位置制御（位置サーボ）による時間−力応答の特性と、本実施例で提案するインタラクションモード制御での時間−力応答の特性とを、各々（ａ）〜（ｃ）に示している。この実験結果からも明らかなように、従来の方法では位置制御に基づく再現であるため、把持力に関しては不定となり、これでは対象物47を把持することができない。一方、本実施例の提案法は、重心位置やヨーイング位置の変化に関係なく、一定の把持力が再現されており、対象物47を良好に把持することができる。
【０１０３】
こうした実験結果により、提案するインタラクションモード制御では、物体把持タスクが独立した例えば３つのモードにそれぞれ保存され、これを再現することが確認できる。
【０１０４】
この実施例では、マスターシステム61とスレーブシステム62を用いて、人間のモーションを抽出し、人工的に再現するモーション習得システムを提案している。ここでのモーション習得システムは、バイラテラル制御系により構成されるモーション抽出モードとインタラクションモード制御により構成されるモーション再現モードの２個のモードから構成される。モーション抽出モードでは、「作用・反作用の法則」に支配される双方向的情報である力覚情報から、操作者の作用力と反作用力の分離を行なうことが可能になる。また、モードクオリー行列を用いて人間の指に対応した直交座標系で定義される非干渉モードを抽出し、物体の把持，移動，回転といった人間の持つ動作ごとに、スキルの解析を行なうためのモーションの抽出手法を提案した。モーション再現モードでは、インタラクションモード制御に基づき、抽出モードで得られた人間のモーションを忠実に再現することができる。提案した方法を、例えば３体のリニアアクチュエータを用いた物体把持タスクに適用すれば、人間の３指からなるモーションを抽出および保存し、且つ重心，ヨーイングの移動と把持力を自動的に再現することが可能になる。
【０１０５】
以上のように上記各実施例では、ロバスト性を保ちつつ制御剛性をゼロにする加速度制御を、実空間の動作自由度に対応して配置した各ロボットシステムのアクチュエータ１に行なう第１のステップと、アクチュエータ１への外力の等価加速度と当該アクチュエータ１の加速度応答とを、モードクオリー行列を用いて直交座標系で定義される各々が独立した非干渉モードの等価加速度と加速度応答に変換する第２のステップと、第２のステップで得た非干渉モードにおける等価加速度と加速度応答とに基づいて、非干渉モードの各々に対応した対象物47に対するモーションを抽出する第３のステップと、からなるモーション習得システムの制御方法を提案する。
【０１０６】
このように、複数のロボットシステムの各アクチュエータ１に対して、ロバスト性を失うことなく制御剛性をゼロにする加速度制御が行なわれるので、環境との接触を伴う動作が実現できる。また、モードクオリー行列を用いて、人間の動作やタスクに基づく直交座標系の非干渉モードを新たに定義し、そこで各々が独立したモーションを抽出することが可能であるため、例えば人間の指に対応したモーションの抽出が容易になる。
【０１０７】
そしてこれは、前記第１のステップを機能的に備えた加速度制御手段としての外乱オブザーバ11と、前記第２のステップを機能的に備えたモード加速度変換手段27，27Ａ，27Ｂ，28，28Ａ，28Ｂと、前記第３のステップを機能的に備えたモーション抽出手段（インタラクションモード制御部31，ハイブリッド比決定手段32，和モード制御部74，差モード制御部75）と、を備えたモーション習得システムによっても実現できる。
【０１０８】
また、上記モーションの抽出に際しては、前記ロボットシステムがマスターシステム61とスレーブシステム62とにより構成され、前記第１のステップで、前記マスターシステム61と前記スレーブシステム62の各アクチュエータ１を、前記加速度制御に基づくバイラテラル制御により制御し、若しくは前記マスターシステム61と前記スレーブシステム62の各アクチュエータ１を、前記加速度制御に基づくバイラテラル制御により制御するように、前記加速度制御手段を構成することが好ましい。
【０１０９】
こうすれば、「作用・反作用の法則」に支配される双方向的情報である力覚情報から、操作者の作用力と反作用力を分離することができ、モーション抽出に際して特に重要な環境からの反作用力の抽出が可能になる。
【０１１０】
また、前記非干渉モードに変換した加速度情報を保存する第４のステップをさらに含むか、或いは前記非干渉モードに変換した加速度情報を保存する記憶手段30をさらに備えるのが好ましい。
【０１１１】
こうすると、抽出したモーションを保存して、例えば非干渉モードに変換した加速度情報を別な場所で読み出すことが可能になる。
【０１１２】
また、各非干渉モード毎に、当該非干渉モードにおける外力の等価加速度に対する加速度応答の比（ハイブリッド比ＨＲ）を決定し、前記第４のステップで保存した加速度情報に基づく加速度目標値と、前記第２のステップで得た非干渉モードにおける外力の等価加速度または加速度応答との偏差を入力として、前記ハイブリッド比ＨＲに基づき設定した非干渉モードにおける加速度制御系からその加速度参照値を算出する第５のステップと、前記モードクオリー行列の逆行列を用いて、前記非干渉モードにおける加速度参照値を各ロボットシステムへの加速度参照値に変換する第６のステップと、をさらに含むことが好ましい。
【０１１３】
こうすると、先に抽出し保存した非干渉モードに変換した加速度情報を基に、同一若しくは別なロボットシステムで再現することができ、モーションの再現性が確保される。特に、非干渉モード毎に加速度次元で制御系を構成しているので、位置情報と力情報の統合が可能になっており、ハイブリッド比を１または０に設定すれば、個々の非干渉モード毎に位置次元若しくは力次元での再現が可能になり、それを実空間でのロボットシステムのモーションに反映させることができる。
【０１１４】
そしてこれは、前記各非干渉モード毎に、当該非干渉モードにおける外力の等価加速度に対する加速度応答の比（ハイブリッド比ＨＲ）を決定し、記憶手段30に保存される加速度情報に基づく加速度目標値と、モード加速度変換手段27，27Ａ，27Ｂ，28，28Ａ，28Ｂで得た非干渉モードにおける外力の等価加速度または加速度応答との偏差を入力として、前記ハイブリッド比ＨＲ比に基づき設定した非干渉モードにおける加速度制御系からその加速度参照値を算出するモード加速度算出手段（インタラクションモード制御部31，ハイブリッド比決定手段32，和モード制御部74，差モード制御部75）と、前記モードクオリー行列の逆行列を用いて、非干渉モードにおける加速度参照値を各ロボットシステムへの加速度参照値に変換するモード加速度逆変換手段33，33Ａ，33Ｂと、をさらに備えた構成でも実現できる。
【０１１５】
また、直線駆動を行なうリニアアクチュエータを、上記アクチュエータとして特に用いることで、摩擦の影響を機構的に除去できる。
【０１１６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本実施例で提案するモーション習得システムおよびその制御方法は、インタラクションモード制御や、マスター・スレーブシステムを用いて熟練者のスキルを抽出し、人工的に再現するもので、その新規性は高い。特に、マスター・スレーブシステムは加速度制御に基づくバイラテラル制御系により制御されるため、未知の実環境との安定した接触動作と、多自由度の統合モーションの実現が可能である。さらに、モードクオリー行列の導入により、例えば人間の五指に対応した直交座標系で定義される非干渉モードを抽出し、物体の把持，移動，回転といった人間の持つ動作毎に、スキルの保存と再現を行なうことが可能になる。スキルの保存と再現に当たっては、非干渉モード毎に加速度次元で制御系を構成することで、位置情報と力情報の双方が統合可能であり、触覚ベースでのスキルデータベースとスキルシミュレータ開発の応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明の第１実施例におけるモーション習得システムに適用可能な、ロボットシステムの一例をあらわしたブロック線図である。
【図２】同上、図１と等価な外乱オブザーバによる加速度制御系システムのブロック線図である。
【図３】同上、図１に組み込まれる外乱オブザーバの制御ブロック線図である。
【図４】同上、インタラクションモード制御を具体化した一般構造を示すブロック線図である。
【図５】同上、図４に示す装置構成を実現する実験装置の一例を示す斜視図である。
【図６】同上、モード空間における３指による物体把持タスクを示す説明図である。
【図７】同上、インタラクションモード制御に基づく人間の物体把持モーションの抽出および再現制御を実現するモーション習得システムのブロック線図である。
【図８】インタラクションモード制御によるモーションの抽出結果を示す各特性のグラフである。
【図９】従来の位置制御によるモーションの再現結果を示す各特性のグラフである。
【図１０】インタラクションモード制御によるモーションの再現結果を示す各特性のグラフである。
【図１１】本発明の第２実施例を示すモーション習得システムにおけるモーション抽出モードのブロック線図である。
【図１２】同上、図１１に示す装置構成を実現する実験装置の一例を示す斜視図である。
【図１３】同上、モーションの抽出結果を示す各特性のグラフである。
【図１４】同上、モーション抽出モードで抽出したモーションを自動的に再現するのに好適なモーション習得システムのブロック線図である。
【図１５】従来の位置制御によるモーションの位置応答に関する再現結果を示す各特性のグラフである。
【図１６】同上、本実施例の実験結果に基づくモーションの位置応答に関する再現結果を示す各特性のグラフである。
【図１７】内部モードの力応答に関する再現結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１１９】
11  外乱オブザーバ（加速度制御手段）
27，27Ａ，27Ｂ，28，28Ａ，28Ｂ  モード加速度変換手段
30  記憶手段
31  インタラクションモード制御部（モーション抽出手段，モード加速度算出手段）
32  ハイブリッド比決定手段（モーション抽出手段，モード加速度算出手段）
33，33Ａ，33Ｂ  モード加速度逆変換手段
74  和モード制御部（モーション抽出手段，モード加速度算出手段）
75  差モード制御部（モーション抽出手段，モード加速度算出手段）
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図５】
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【図６】
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【図１２】
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