(57)【要約】【課題】通信時間遅れがある状態で、リモートサイトにおけるロボットマニピュレータ等と対象物の接触・離脱動作の状態を操作者に力感覚により伝達する。【解決手段】リモートサイト装置は、マニピュレータ１１、力センサ、リモート計算機１３を備える。遠隔操作装置は、力感覚入力装置２１及び遠隔操作計算機２２を備える。通信回線３０には、通信の時間遅れが存在する。マニピュレータ１１はコンプライアンス制御が行われているため、送信されたコマンドによるコンプライアンス基準位置とマニピュレータ１１に作用する外力ｆにより、マニピュレータ位置が計算される。遠隔操作計算機２２では送信コマンドと受信テレメトリの値を用いて力感覚入力装置２１への反力（力感覚表示）を計算し、力感覚入力装置２１を操作している操作者に力感覚（反力）として表示する。【選択図】　　　　図３
2004082293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠隔操作装置と、リモートサイト装置と、これら装置間で情報を伝達するための通信の時間遅れが存在する通信回線を備える遠隔操作システムを用いて、前記遠隔操作装置により前記リモートサイト装置の被制御部を通信時間遅れを伴い遠隔操作するための遠隔操作方法であって、
前記遠隔操作装置は、前記通信回線を介して、被制御部の位置又は姿勢に関するコマンドを前記リモートサイト装置に送信し、前記リモートサイト装置から被制御部の位置又は姿勢に関するテレメトリを受信すること、
前記リモートサイト装置は、前記通信回線を介して、前記遠隔操作装置から前記コマンドを受信し、前記テレメトリを前記遠隔操作装置に送信すること、
前記遠隔操作装置は、操作者からの入力に従って指令値を出力するとともに前記遠隔操作装置が求めた力感覚を表示値として操作者へ伝達する力感覚入力装置により入力された前記コマンドと、前記リモートサイト装置から受信した前記テレメトリとに基づき、通信時間遅れを表示する時間遅れ力感覚表示値と、被制御部の対象物への接触を表示する接触力感覚表示値とを求めること、
前記遠隔操作装置は、前記リモートサイト装置における被制御部の状態を表すための力を、時間遅れ力感覚表示値及び接触力感覚表示値に基づき力感覚表示値として求め、その力感覚表示値を力感覚入力装置により力感覚として操作者に伝達すること
を含む前記遠隔操作方法。
【請求項２】
遠隔操作装置と、リモートサイト装置と、これら装置間で情報を伝達するための通信の時間遅れが存在する通信回線を備える遠隔操作システムを用いて、前記遠隔操作装置により前記リモートサイト装置の被制御部を通信時間遅れを伴い遠隔操作するための遠隔操作方法であって、
前記遠隔操作装置は、前記通信回線を介して、被制御部の位置又は姿勢に関するコマンドを前記リモートサイト装置に送信し、前記リモートサイト装置からコンプライアンス基準位置又は姿勢及び被制御部位置又は姿勢の情報を含むテレメトリを受信すること、
前記リモートサイト装置は、前記通信回線を介して、前記遠隔操作装置からコマンドを受信し、前記テレメトリを前記遠隔操作装置に送信すること、
前記遠隔操作装置は、操作者からの入力に従って指令値を出力する力感覚入力装置により入力された前記コマンドと、前記リモートサイト装置から受信したコンプライアンス基準位置又は姿勢との差に基づく値を時間遅れ力感覚表示値として求めること、
コンプライアンス基準位置又は姿勢と被制御部位置又は姿勢との差に基づく値を接触力感覚表示値として求めること、
前記遠隔操作装置は、前記リモートサイト装置における被制御部の状態を表すための力を、時間遅れ力感覚表示値及び接触力感覚表示値に基づき力感覚表示値として求め、その力感覚表示値を力感覚入力装置により力感覚として操作者に伝達すること
を含む前記遠隔操作方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の遠隔操作方法において、
前記遠隔操作装置力感覚表示値を求めることは、
送信コマンドと受信テレメトリ中のコンプライアンス基準位置又は姿勢との差に第１の係数を乗じた値を、通信時間遅れを表示する時間遅れ力感覚表示値として求めること、
受信テレメトリ中のコンプライアンス基準位置又は姿勢と被制御部位置又は姿勢との差に第２の係数を乗じた値を、被制御部の対象物への接触を表示する接触力感覚表示値として求めること、
求められた時間遅れ力感覚表示値と接触力感覚表示値との和により力感覚表示値を求めること
を含む遠隔操作方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の遠隔操作方法において、
被制御部が対象物に接触する場合、及び、被制御部が接触力が作用している状態から接触力が作用しない状態への動作が完了する場合、力感覚表示が変化すること、第１の係数は第２の係数に異なる値を設定する場合、増加から減少へ又は減少から増加へ変化することにより、接触に関する状態を操作者に認識させることを特徴とする遠隔操作方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の遠隔操作方法において、
被制御部に接触力が作用している状態から接触力が作用しない状態へと動作する送信コマンドが完了する時点において、力感覚表示がゼロを通過すること、すなわち力感覚表示の方向が反転することで、接触に関する状態を操作者に認識させることを特徴とする遠隔操作方法。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれかに記載の遠隔操作方法において、
力感覚表示は、次式により求めることを特徴とする遠隔操作方法。
Ｆ＝ｋｔ（ｘｒ−ｘｃ）＋ｋｃ（ｘｔ−ｘｒ）
ここで、
ｋｔ、ｋｃは、それぞれ予め定められる第１及び第２の係数（ゲイン）、
ｘｃは、操作者が入力する指令値（コマンド位置）、
ｘｒは、遠隔操作装置が受信する、被制御部動作を制御するコンプライアンス基準位置、
ｘｔは、遠隔操作装置が受信する、被制御部位置
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の遠隔操作方法において、
前記リモートサイト装置の被制御部が動作中の状態である場合、力感覚表示が変化することを特徴とする遠隔操作方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の遠隔操作方法において、
被制御部の状態は、対象物との接触、離脱、接触又は離脱の動作開始又は動作中又は動作完了のいずれか又は複数であることを特徴とする遠隔操作方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の遠隔操作方法において、
前記コマンドによる指示位置が一定で、且つ、前記リモートサイト装置の被制御部の位置が一定である場合、力感覚表示が一定であることを特徴とする遠隔操作方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の遠隔操作方法において、
前記リモートサイト装置における被制御部はコンプライアンス制御されており、
コンプライアンス制御式は、被制御部に発生する力に関して、被制御部位置又は姿勢とコンプライアンス基準位置又は姿勢との差に相当する値又は被制御部停止時に発生している力に基づき定められ、
前記コンプライアンス制御式により受信されたコマンドをコンプライアンス基準位置又は姿勢として被制御部位置又は姿勢を求めることを特徴とする遠隔操作方法。
【請求項１１】
遠隔操作装置と、リモートサイト装置と、これら装置間で情報を伝達するための通信の時間遅れが存在する通信回線を備え、前記遠隔操作装置により前記リモートサイト装置の被制御部を通信時間遅れを伴い遠隔操作するための遠隔操作システムにおける遠隔操作装置であって、
遠隔操作計算機と、
操作者からの入力に従って指令値を出力するとともに前記遠隔操作計算機が求めた力感覚表示値を力感覚表示として操作者へ伝達する力感覚入力装置と
を備え、
前記遠隔操作計算機は、
前記通信回線を介して、被制御部の位置又は姿勢に関するコマンドを前記リモートサイト装置に送信し、一方、コンプライアンス制御される前記リモートサイト装置から被制御部の位置又は姿勢に関するテレメトリを受信する手段と、
前記力感覚入力装置により入力された前記コマンドと前記リモートサイト装置から受信した前記テレメトリに基づき、通信時間遅れを表示する時間遅れ力感覚表示値と、被制御部の対象物への接触を表示する接触力感覚表示値とを求める手段と、
前記リモートサイト装置における被制御部の状態を表すための力を、時間遅れ力感覚値表示及び接触力感覚表示値に基づき力感覚表示値として求め、その力感覚表示値を前記力感覚入力装置により力感覚として操作者に伝達する手段と
を有する前記遠隔操作装置。
【請求項１２】
遠隔操作装置と、リモートサイト装置と、これら装置間で情報を伝達するための通信の時間遅れが存在する通信回線を備え、前記遠隔操作装置により前記リモートサイト装置の被制御部を通信時間遅れを伴い遠隔操作するための遠隔操作システムにおける遠隔操作装置であって、
遠隔操作計算機と、
操作者からの入力に従って指令値を出力するとともに前記遠隔操作計算機が求めた力感覚表示値を力感覚表示として操作者へ伝達する力感覚入力装置と
を備え、
前記遠隔操作計算機は、
前記通信回線を介して、被制御部の位置又は姿勢に関するコマンドを前記リモートサイト装置に送信し、一方、コンプライアンス制御される前記リモートサイト装置からコンプライアンス基準位置又は姿勢及び被制御部位置又は姿勢の情報を含むテレメトリを受信する手段と、
前記力感覚入力装置により入力された前記コマンドと、前記リモートサイト装置から受信したコンプライアンス基準位置又は姿勢との差に基づく値を時間遅れ力感覚表示値として求める手段と、
コンプライアンス基準位置又は姿勢と被制御部位置又は姿勢との差に基づく値を接触力感覚表示値として求める手段と、
前記リモートサイト装置における被制御部の状態を表すための力を、時間遅れ力感覚表示値及び接触力感覚表示値に基づき力感覚表示値として求め、その力感覚表示値を前記力感覚入力装置により力感覚として操作者に伝達する手段と
を有する前記遠隔操作装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠隔操作方法及び装置に係り、特に、通信時間遅れを伴う遠隔操作における被制御部の動作・停止・接触等の状態についての力感覚を表示することができる遠隔操作方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙・深海などの遠距離通信を伴う場合の遠隔操作では、操作のための信号伝送は通信時間遅れが生ずることが予想される。例えば、宇宙空間の地球周回軌道上と地上との間の通信には、通常２〜１０秒程度の通信時間遅れが発生する。このような極限環境では作業用ロボットが必要とされるが、自律型ロボットには今だ実現するための技術的課題も多く、実用的な方法として遠隔操作ロボットが有効であると期待できる。
【０００３】
一方で、近年の通信技術の発達は目覚しく、インターネットなどを通じて視覚・聴覚の情報のやりとりは一般家庭にまで浸透している。今後、手術、保守等に代表される技能者による遠隔作業、インターネットを介した技能教育等を目的とし、インターネット等のネットワーク又は通信回線の利用が触覚・力覚情報の通信に広がっていくことが予想される。このような状況において、一般回線を用いる場合、通信時間遅れが伴うことが予想される。
このため、時間遅れなく動作する仮想的なロボットをシミュレートし、仮想環境モデルを作り制御信号を送る方法が盛んに研究されている（例えば、文献：尹他　日本ロボット学会誌　１９，４，ｐ５１８−５２７（２００１）、特開２００１−２５９８６号公報、参照）。また、作業ロボットが対象物に対して過大負荷がかからないようにコンプライアンス制御する技術が公知である（特許第３１５１４３７号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、安全性又は作業性の面からロボットの活躍が望まれる場面は多く想定されるが、完全自律型ロボットの実現は困難な場合が多く、遠隔操作型ロボットの遠隔操作技術の向上が望まれる。遠隔操作において、通信時間遅れをいかに克服するかは重要な課題である。従来、ロボットマニピュレータの遠隔操作を行う場合、力覚情報が操作性向上の重要なファクターとなるが、通信時間遅れにより力覚フィードバックが難しい場合があるとされてきた。
【０００５】
従来、特に数秒もしくはそれ以上の通信時間遅れを伴う遠隔操作では、被制御部の力実測値を操作者にフィードバックすることは困難であるとされている。このため、従来の遠隔操作に関する技術では、計算機内にモデルを構築し、そのモデルを操作する手法（そのモデルにより計算される力がフィードバックされる）が主流であった。すなわち、実際のロボットに送信されるコマンドはオープンループであり、実際のロボットの動作結果は操作に反映されない。言い換えると計算機モデルで検証したコマンドが送信されることになる。このような従来技術では、高精度モデルの構築が課題となる。
【０００６】
しかし、従来の技術では、仮想モデルと実際との誤差を必ずしも埋めきることができない。この点は、宇宙−地上間のみならず、通信状態が良くない状況での遠隔操作、遠隔医療においても課題となる。
また従来の技術では、仮想ばね・ダンパーにより力の応答性を低下させる手法なども考えられているが、微細作業が困難である、などの課題がある。このように、従来、通信時間遅れを伴う遠隔操作における力フィードバックは困難なため実用的な手法がなく、これまで視覚情報に頼っていた。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、特に通信時間遅れがある状態で、リモートサイトにおけるロボットマニピュレータ等の被制御部の動作・停止及び被制御部と対象物の接触等の状態を操作者に力感覚として伝達することを可能とする遠隔操作方法及び装置を提供することを目的とする。本発明は、人間が自分の手で力を感じて、被制御部の動作や対象物との接触等の状態を力感覚で把握することで、あたかもその場にいるような遠隔操作装置及び方法を提供することを目的とする。また、本発明は、通信時間遅れを力感覚表示することで触覚又は力覚から認識させることにより、操作者はリモートサイトにおける力の発生情報を時間遅れの認識とあわせて処理可能とすることを他の目的とする。すなわち、本発明は、これまで困難とされてきた、ロボットマニピュレータに発生する力実測値の力感覚認識を可能とすることを目的とする。さらに、本発明は、従来のように時間遅れを視覚・聴覚などにより認識して触覚認識されるべき力発生情報との関係を頭脳において処理する場合に比べ、格段に操作性を向上することを他の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の解決手段によると、
遠隔操作装置と、リモートサイト装置と、これら装置間で情報を伝達するための通信の時間遅れが存在する通信回線を備える遠隔操作システムを用いて、前記遠隔操作装置により前記リモートサイト装置の被制御部を通信時間遅れを伴い遠隔操作するための遠隔操作方法であって、
前記遠隔操作装置は、前記通信回線を介して、被制御部の位置又は姿勢に関するコマンドを前記リモートサイト装置に送信し、前記リモートサイト装置から被制御部の位置又は姿勢に関するテレメトリを受信すること、
前記リモートサイト装置は、前記通信回線を介して、前記遠隔操作装置から前記コマンドを受信し、前記テレメトリを前記遠隔操作装置に送信すること、
前記遠隔操作装置は、操作者からの入力に従って指令値を出力するとともに前記遠隔操作装置が求めた力感覚を表示値として操作者へ伝達する力感覚入力装置により入力された前記コマンドと、前記リモートサイト装置から受信した前記テレメトリとに基づき、通信時間遅れを表示する時間遅れ力感覚表示値と、被制御部の対象物への接触を表示する接触力感覚表示値とを求めること、
前記遠隔操作装置は、前記リモートサイト装置における被制御部の状態を表すための力を、時間遅れ力感覚表示値及び接触力感覚表示値に基づき力感覚表示値として求め、その力感覚表示値を力感覚入力装置により力感覚として操作者に伝達すること
を含む前記遠隔操作方法が提供される。
【０００９】
本発明の第２の解決手段によると、
遠隔操作装置と、リモートサイト装置と、これら装置間で情報を伝達するための通信の時間遅れが存在する通信回線を備える遠隔操作システムを用いて、前記遠隔操作装置により前記リモートサイト装置の被制御部を通信時間遅れを伴い遠隔操作するための遠隔操作方法であって、
前記遠隔操作装置は、前記通信回線を介して、被制御部の位置又は姿勢に関するコマンドを前記リモートサイト装置に送信し、前記リモートサイトからコンプライアンス基準位置又は姿勢及び被制御部位置又は姿勢の情報を含むテレメトリを受信すること、
前記リモートサイト装置は、前記通信回線を介して、前記遠隔操作装置からコマンドを受信し、前記テレメトリを前記遠隔操作装置に送信すること、
前記遠隔操作装置は、操作者からの入力に従って指令値を出力する力感覚入力装置により入力された前記コマンドと、前記リモートサイト装置から受信したコンプライアンス基準位置又は姿勢との差に基づく値を時間遅れ力感覚表示値として求めること、
コンプライアンス基準位置又は姿勢と被制御部位置又は姿勢との差に基づく値を接触力感覚表示値として求めること、
前記遠隔操作装置は、前記リモートサイト装置における被制御部の状態を表すための力を、時間遅れ力感覚表示値及び接触力感覚表示値に基づき力感覚表示値として求め、その力感覚表示値を力感覚入力装置により力感覚として操作者に伝達すること
を含む前記遠隔操作方法が提供される。
【００１０】
本発明の第３の解決手段によると、
遠隔操作装置と、リモートサイト装置と、これら装置間で情報を伝達するための通信の時間遅れが存在する通信回線を備え、前記遠隔操作装置により前記リモートサイト装置の被制御部を通信時間遅れを伴い遠隔操作するための遠隔操作システムにおける遠隔操作装置であって、
遠隔操作計算機と、
操作者からの入力に従って指令値を出力するとともに前記遠隔操作計算機が求めた力感覚表示値を力感覚表示として操作者へ伝達する力感覚入力装置と
を備え、
前記遠隔操作計算機は、
前記通信回線を介して、被制御部の位置又は姿勢に関するコマンドを前記リモートサイト装置に送信し、一方、コンプライアンス制御される前記リモートサイト装置から被制御部の位置又は姿勢に関するテレメトリを受信する手段と、
前記力感覚入力装置により入力された前記コマンドと前記リモートサイト装置から受信した前記テレメトリに基づき、通信時間遅れを表示する時間遅れ力感覚表示値と、被制御部の対象物への接触を表示する接触力感覚表示値とを求める手段と、
前記リモートサイト装置における被制御部の状態を表すための力を、時間遅れ力感覚値表示及び接触力感覚表示値に基づき力感覚表示値として求め、その力感覚表示値を前記力感覚入力装置により力感覚として操作者に伝達する手段と
を有する前記遠隔操作装置が提供される。
【００１１】
本発明の第４の解決手段によると、
遠隔操作装置と、リモートサイト装置と、これら装置間で情報を伝達するための通信の時間遅れが存在する通信回線を備え、前記遠隔操作装置により前記リモートサイト装置の被制御部を通信時間遅れを伴い遠隔操作するための遠隔操作システムにおける遠隔操作装置であって、
遠隔操作計算機と、
操作者からの入力に従って指令値を出力するとともに前記遠隔操作計算機が求めた力感覚表示値を力感覚表示として操作者へ伝達する力感覚入力装置と
を備え、
前記遠隔操作計算機は、
前記通信回線を介して、被制御部の位置又は姿勢に関するコマンドを前記リモートサイト装置に送信し、一方、コンプライアンス制御される前記リモートサイト装置からコンプライアンス基準位置又は姿勢及び被制御部位置又は姿勢の情報を含むテレメトリを受信する手段と、
前記力感覚入力装置により入力された前記コマンドと、前記リモートサイト装置から受信したコンプライアンス基準位置又は姿勢との差に基づく値を時間遅れ力感覚表示値として求める手段と、
コンプライアンス基準位置又は姿勢と被制御部位置又は姿勢との差に基づく値を接触力感覚表示値として求める手段と、
前記リモートサイト装置における被制御部の状態を表すための力を、時間遅れ力感覚表示値及び接触力感覚表示値に基づき力感覚表示値として求め、その力感覚表示値を前記力感覚入力装置により力感覚として操作者に伝達する手段と
を有する前記遠隔操作装置が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
１．構成
図１に、遠隔操作システムの構成図を示す。
本実施の形態の遠隔操作システムは、遠隔操作されるリモートサイト装置１０と、遠隔操作装置２０と、これらの間で情報を伝達する通信回線３０を備える。
リモートサイト装置１０は、被制御部の一例としてのマニピュレータ（ロボットマニピュレータ、Ｒｅｍｏｔｅ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）１１、力センサ１２、リモート計算機（Ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ）１３を備える。マニピュレータ１１は、例えば、可汎式汎用知能アームを有し、その手先には力センサ１２が取り付けられ、リモート計算機１３によりコンプライアンス制御が行われている。リモート計算機１３は、遠隔操作装置２０から送信されるコマンドを通信回線３０を介して受信し、その位置又は姿勢をコンプライアンス基準位置又は姿勢とした動作を自律的に行う。また、リモート計算機１３は、マニピュレータ１１の、例えばアーム手先等の制御対象となる位置又は姿勢に関して、コンプライアンス基準（中心）位置又は姿勢及びマニピュレータ位置又は姿勢の情報を測定したテレメトリ（測定信号、測定情報）を通信回線３０を介して、遠隔操作装置２０に送信する。
遠隔操作装置２０は、力感覚入力装置（Ｆｏｒｃｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ　ｈａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）２１及び遠隔操作計算機（Ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ）２２を備える。力感覚入力装置２１は、操作者の入力（指示、指令、コマンド）を計測することにより指令値（コマンド位置又は姿勢）を出力信号として出力するとともに、アクチュエータを備えており外部からの入力信号を操作者へ力（力表示、力フィードバック）として伝達することができる。力感覚入力装置２１は、例えば、複数自由度（例、二自由度）の力感覚ジョイスティック、フィードバックジョイスティック，マスターアーム等を用いることができる。
通信回線３０は、リモートサイト装置１０と遠隔操作装置２０とを接続するもので、例えば、ＲＳ−２３２Ｃ等の適宜のインターフェイスにより接続される。通信回線３０としては、有線又は無線又はこれらを組み合わせた適宜の通信回線又は通信ネットワークが用いられる。なお、通信回線３０には、回線長、通信装置、ネットワーク、障害物などの要因により、通信の時間遅れが存在する。
【００１３】
図２は、遠隔操作計算機の構成図である。
遠隔操作計算機２２は、中央処理装置（ＣＰＵ）である処理部２０１、入力部２０２、出力部２０３、表示部２０４、記憶部２０５、力感覚入力装置２１と接続されるインターフェース２０６、通信回線３０と接続される通信インターフェース２０７、スター又はバス等の適宜の接続部２０８を備える。記憶部２０５には、後述するような予め定められた係数、制御ゲイン等のパラメータが、入力部２０２等により予め記憶されている。また、処理部２０１は、記憶部２０５に対して、送信コマンド及び受信テレメータを必要に応じて適宜書込み及び読出しする。
【００１４】
２．制御動作
図３に、遠隔操作方法の動作説明図を示す。
図には、データの流れ及び処理計算が示される。通信時間は遠隔操作計算機２２とリモート計算機１３の通信に発生するものであり、これに対し遠隔操作計算機２２と力感覚入力装置２１との間、および、リモート計算機１３とマニピュレータ１１との間の通信時間は無視できる。そして、時刻ｔｌに、力感覚入力装置２１からのコマンド入力に従い、遠隔操作計算機２２から位置又は姿勢に関するコマンドが送信されると、時刻ｔｍに、リモート計算機１３はそれを受信することとなる。リモート計算機１３は時刻ｔｍにコンプライアンス基準位置又は姿勢及びマニピュレータ位置又は姿勢を含むテレメトリを、必要に応じて測定して又は計算機内部のデータを使用する等により、通信回線３０に送信する。さらに、その後時刻ｔｎに、遠隔操作計算機２２は通信回線３０を介してリモート計算機１３からテレメトリを受信する。なお、ｔｌ＜ｔｍ＜ｔｎの関係となる。また、ｘｃは操作者が入力する指令値（コマンド位置、Ｃｏｍｍａｎｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ｘｒは、マニピュレータ動作を制御するコンプライアンス基準位置（Ｒｅｆｅｒｒｅｎｃｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ｘｔは、マニピュレータ位置（Ｔｉｐ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ）をそれぞれ表す。ここで、遠隔操作計算機２２においてｘｃ（ｔｌ）＝ｘｒ（ｔｎ）である。
【００１５】
リモート計算機１３は、マニピュレータ１１をコンプライアンス制御しているため、送信されたコマンドによるコンプライアンス基準位置ｘｒとマニピュレータ１１に作用する外力ｆにより、時刻ｔｍにおいて次のような制御式からマニピュレータ位置ｘｔが計算される。すなわち、マニピュレータはコンプライアンス制御式（Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｑｕａｔｉｏｎ）を満たす動作を行うこととなる。
【００１６】
【数１】
2004082293.tif 000003
各変数・パラメータは、一般性を持たせるために、行列・ベクトルにより表現されることとする。
（ここで、Ｍ、Ｃ、Ｋは、それぞれ予め定められる制御ゲイン）
【００１７】
遠隔操作計算機２２では時刻ｔにおいて、操作者が入力するコマンド位置ｘｃと、遠隔操作計算機２２が受信するコマンドに対する結果であるｘｒ及びｘｔ、の値が存在する。これらの値を用いて力感覚入力装置２１に与える力Ｆ（力表示に相当）を計算する。遠隔操作計算機２２は、次のような力フィードバック式（Ｆｏｒｃｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ　ｅｑｕａｔｉｏｎ）から力感覚入力装置２１への反力を計算し、力感覚入力装置２１のプログラムにおいてこの反力の大きさが適当に補正され、力感覚入力装置２１を操作している操作者に力感覚（反力）として表示する。
Ｆ＝ｋｔ（ｘｒ−ｘｃ）＋ｋｃ（ｘｔ−ｘｒ）
（ここで、
ｋｔ、ｋｃは、それぞれ予め定められる第１及び第２の係数（ゲイン）、
ｘｃは、操作者が入力する指令値（コマンド位置）、
ｘｒは、遠隔操作装置が受信する、被制御部動作を制御するコンプライアンス基準位置、
ｘｔは、遠隔操作装置が受信する、被制御部位置、
である。）
【００１８】
なお、上式で示される力Ｆを構成する力感覚のパラメータとしては、第１項の「時間遅れ力感覚表示」と第２項の「接触力感覚表示」を含む。「時間遅れ力感覚表示」は、ｋｔ（ｘｒ−ｘｃ）の項であり、通信の時間遅れを力感覚に変換したものである。一方、「接触力感覚表示」は、ｋｃ（ｘｔ−ｘｒ）の項であり、マニピュレータの力（例、手先力）を力感覚に変換したものを、それぞれ表す。「時間遅れ力感覚表示」の力の大きさと、「接触力感覚表示」の力の大きさは、この係数ｋｔ、ｋｃの値を変更することにより、適宜設定することができ、それによりマニピュレータ１１の状態を操作者が適宜の感覚として認識することができる。
【００１９】
３．遠隔操作具体例
図４に、遠隔操作方法の動作説明図を示す。図４（Ｂ）中、上の破線は接触力感覚表示成分、下の破線は時間遅れ力感覚表示成分を示し、これらの和を実線で示している。
また、図５に、動作と座標系の説明図を示す。この図では、マニピュレータ１１の手先座標系（初期手先位置に原点が固定されるベース座標系）及び力感覚入力装置２１の座標系のうちＸ軸及びＺ軸が示される。
【００２０】
これらの図を参照して、本実施の形態を、送信コマンドによる一回のロボットマニピュレータ動作時間（ある位置からある位置への移動）が、通信遅延時間より小さい場合を例にとり説明する。マニピュレータ１１に指令する動作は、一例として、単純な押し付け作業であり、障害物（壁、床等の対象物）と離れた位置からマニピュレータ１１を動作させ、障害物に接触後、障害物から離す、という作業である。ここで、操作者による力感覚入力装置２１からの入力をコマンド位置ｘｃとして、マニピュレータ１１はコンプライアンス制御されているものとする。遠隔操作計算機２２がリモート計算機１３から受信するテレメトリ情報としては、コンプライアンス基準位置ｘｒ、マニピュレータ１１のアーム手先位置又は姿勢を表すマニピュレータ位置ｘｔがある。また、力感覚表示の設定条件（ｋｔ、ｋｃ）としては、一例として、次の関係が成り立つ値とする。
（時間遅れ力感覚表示の力の大きさ）＜（接触力感覚表示の力の大きさ）
以下に時系列的な動作を説明する。ここで、力の増加および減少は、力の大きさに対する表現であり、方向には関係ない。
【００２１】
（１）押し付けコマンド入力
まず、操作者が力感覚入力装置２１によりロボットマニピュレータ動作を指示するコマンド入力をｔ０からｔ１まで行うと、遠隔操作計算機２２が計算する力感覚表示Ｆは、入力に比例して（特に、時間遅れ力感覚表示成分が）増加する（すなわち、この例では、Ｆ＝ｋｔ（０−ｘｃ）となる。）。ｔ１において、力感覚入力装置２１によるコマンド入力が完了すると、ｘｃが一定となるため、遠隔操作計算機２２が計算する力感覚表示Ｆは一定となる。操作者は、この力感覚表示の変化により力感覚入力装置２１から受ける感覚により、コマンド入力の開始及び完了を認知することができる。
【００２２】
（２）マニピュレータ接触動作開始
ｔ２よりロボットマニピュレータ１１が動作を開始すると、遠隔操作計算機２２が計算する力感覚表示Ｆは減少する（すなわち、Ｆ＝ｋｔ（ｘｒ−ｘｃ）のうちｘｒが増加することで、この項が減少する。）。操作者は、この力感覚表示の変化により力感覚入力装置２１から受ける感覚により、マニピュレータの障害物への接触動作開始を認知することができる。
【００２３】
（３）マニピュレータ接触
この動作中にｔ３においてマニピュレータ１１に障害物との接触が発生した場合、設定条件である、「（時間遅れ力感覚表示の力の大きさ）＜（接触力感覚表示の力の大きさ）」により、遠隔操作計算機２２が計算する力感覚表示Ｆは減少方向から増加方向へと変化する（すなわち、Ｆ＝ｋｔ（ｘｒ−ｘｃ）＋ｋｃ（ｘｔ−ｘｒ）のうち、第２項が増加して力感覚表示に影響することとなる。）。操作者は、この力感覚表示の変化に従い力感覚入力装置２１から受ける感覚により、マニピュレータの接触を認知することができる。遠隔操作計算機２２が計算する力感覚表示Ｆは、ｔ４においてマニピュレータ１１のコンプライアンス基準位置（参照点）が目標値に達するまで増加し、その後一定となる。操作者は、さらに、この力感覚表示の変化に従い力感覚入力装置２１から受ける感覚により、マニピュレータ１１のコンプライアンス基準位置が目標値に達したことを認知することができる。
【００２４】
（４）離脱コマンド入力
次に接触を認知した操作者が、ｔ５において、力感覚入力装置２１により接触状態を脱する動作についてのコマンド入力を行う。この操作により、遠隔操作計算機２２が計算する時間遅れ力感覚表示成分は減少し、接触力感覚表示成分は一定となり、これらの和としての力感覚入力装置２１から操作者が受ける力感覚表示Ｆは減少をはじめる。その後、遠隔操作計算機２２が計算する力感覚表示Ｆは反対方向の力を表示し、動作入力完了であるｔ７まで増加し、その後一定となる。操作者は、この力感覚表示の変化に従い力感覚入力装置２１から受ける感覚により、マニピュレータ１１の離脱コマンドの入力及び入力完了、また、コマンドが離脱できたことを認知することができる。
【００２５】
（５）マニピュレータ離脱動作開始
ｔ８において、ロボットマニピュレータ１１が障害物から離脱する動作を開始すると、遠隔操作計算機２２が計算する接触力感覚表示成分が減少し、さらに、時間遅れ力感覚表示成分が力感覚表示に影響することとなり、これらの和として力感覚入力装置２１から操作者が受ける力感覚表示Ｆは増加する。操作者は、この力感覚表示の変化に従い力感覚入力装置２１から受ける感覚により、マニピュレータ１１の離脱動作開始を認知することができる。
【００２６】
（６）マニピュレータ離脱
マニピュレータ１１の接触から脱する時刻ｔ９において、遠隔操作計算機２２が計算する力感覚表示Ｆは時間遅れ力感覚表示成分のみとなり、増加方向から減少方向へと変化する。操作者は、この力感覚表示の変化に従い力感覚入力装置２１から受ける感覚により、マニピュレータ１１の障害物からの離脱を認知することができる。最終的にロボットマニピュレータ１１の動作が完了するｔ１０に達すると、力感覚表示はゼロとなる。操作者は、さらに、この力感覚表示の変化に従い力感覚入力装置２１から受ける感覚により、マニピュレータ動作の完了を認知することができる。
【００２７】
このように、ロボットマニピュレータの動作の認知とともに、力感覚入力装置２１により受ける操作者が確実に認知できる力感覚表示の増加、減少、一定、反転、等の現象により、接触・離脱等に関する動作の状態（動作点、ポイント）を認知することが可能となる。力感覚入力装置２１による力感覚表示により、動作・接触等の情報を認知できることにより、視覚・知覚情報より多くの情報を認知できることとなり、操作効率の向上が期待できる。
【００２８】
なお、動作入力中のｔ５〜ｔ７の間に、「（時間遅れ力感覚表示の力の大きさ）＝（接触力感覚表示の力の大きさ）」の設定とすることにより、接触点となる時刻ｔ８において力感覚表示はゼロとすることができる。また、「（時間遅れ力感覚表示の力の大きさ）＜接触力感覚表示の力の大きさ」」の設定である場合、力感覚表示がゼロとなる点は少し遅くなる。「（時間遅れ力感覚表示の力の大きさ）＜＜接触力感覚表示の力の大きさ」」という設定とした場合、力感覚表示はゼロとならない。これらのことを考慮して、「時間遅れ力感覚表示の力の大きさ」と「接触力感覚表示の力の大きさ」、すなわち、ｋｔ、とｋｃは、適宜適切に設定する必要がある。
【００２９】
４．作業実験例
図６は、作業実験例の結果を示す図である。図６（ａ）は、接触時間と接触認知時間の差、図６（ｂ）は、離れた時間と離れたことを認知する時間の差、図６（ｃ）は、離脱時における接触点へのコマンド誤差を示す図であり、それぞれの結果を平均と標準偏差が示される。
作業実験例は、上述のように、ロボットマニピュレータの手先により対象障害物を押し付けるものである。この作業実験例では、次のイ）〜ハ）を測定した。
イ）ロボットマニピュレータ１１が対象障害物に接触した時間とその状態を操作者が認知した時間の差、
ロ）ロボットマニピュレータ１１が対象障害物から離れた時間とその状態を操作者が認知した時間の差
ハ）最終状態におけるロボットマニピュレータ１１と対象障害物との距離
【００３０】
イ）はｔ３、ロ）はｔ９、ハ）はｔ６を、それぞれ力感覚入力装置２１から受ける力感覚により認知する評価である。ハ）に関しては、コマンド入力において対象障害物から離れるコマンド送信を認知することを評価しており、認知が遅れれば最終状態におけるロボットマニピュレータと対象障害物との距離が大きくなることを評価した。力感覚のパラメータとして、
１）時間遅れ力感覚表示＝ｋｔ（コマンド位置−テレメトリコンプライアンス基準位置）
２）接触力感覚表示＝ｋｃ（テレメトリコンプライアンス基準位置−テレメトリマニピュレータ位置）
と設定し、ｋｔ＝１、ｋｃ＝１．０、１．５、２．０の場合について、被験者４人が１０回ずつ操作を行い、評価を行った。
【００３１】
この作業実験例では、現象が生じた時間と認知した時間、またはそれぞれの位置の差をとっているので、各値は小さいほど的確に認知できていると評価できる。イ）では係数ｋｃが大きいほど認知度が高く、ロ）では係数ｋｃが大きいほど認知度が高く、ハ）では係数ｋｃが小さいほど認知度が高い、と予測される。結果として、イ）とハ）は予測どおり、ロ）は予測と違い、ｋｃ＝１．５、２．０、１．０の順で的確な認知ができている。しかし、ロボットマニピュレータ１１が障害物から離れる時間を認知する値であるロ）は、ロボットマニピュレータが離れるコマンドを認知する値であるハ）と密接に関係しており、ハ）の認知が的確であるとロ）の認知も的確になるといえる。このような理由によりこの実験例の結果が予測と異なる結果となったことには説明がつく。
【００３２】
５．付記
本発明の遠隔操作方法又は遠隔操作の装置・システムは、その各手順をコンピュータに実行させるための遠隔操作プログラム、遠隔操作プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体、遠隔操作プログラムを含みコンピュータの内部メモリにロード可能なプログラム製品、そのプログラムを含むサーバ等のコンピュータ、等により提供されることができる。
【００３３】
また、上述では、主に、ｘｃ、ｘｒ、ｘｔは、それぞれ位置として説明したが、姿勢を表すデータとしても本発明を適用することができる。さらに、上述では、主に、送信コマンドによる一回のロボットマニピュレータ動作時間が通信遅延時間より小さい場合、また、マニピュレータを単純な障害物へ押し付ける作業について、説明したが、本発明はこれに限らず、適宜のコマンド動作時間及び通信遅延時間、マニピュレータ等の適宜のロボットや被制御装置を対象とした適宜の作業・動作に適用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によると、以上のように、特に通信時間遅れがある状態で、リモートサイトにおけるロボットマニピュレータ等の被制御部の動作・停止及び被制御部と対象物の接触等の状態を操作者に力感覚として伝達することを可能とする遠隔操作方法及び装置を提供することができる。本発明によると、人間が自分の手で力を感じて、被制御部の動作や対象物との接触等の状態を力感覚で把握することで、あたかもその場にいるような遠隔操作装置及び方法を提供することができる。また、本発明によると、通信時間遅れを力感覚表示することで触覚又は力覚から認識させることにより、操作者はリモートサイトにおける力の発生情報を時間遅れの認識とあわせて処理可能とすることができる。すなわち、本発明によると、これまで困難とされてきた、ロボットマニピュレータに発生する力実測値の力感覚認識を可能とすることができる。さらに、本発明によると、従来のように時間遅れを視覚・聴覚などにより認識して触覚認識される力発生情報との関係を頭脳において処理する場合に比べ、格段に操作性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、遠隔操作システムの構成図。
【図２】図２は、遠隔操作計算機の構成図。
【図３】図３は、遠隔操作方法の動作説明図。
【図４】図４は、遠隔操作方法の動作説明図。
【図５】図５は、動作と座標系の説明図。
【図６】図６は、作業実験例の結果を示す図。
【符号の説明】
１０　　　　　リモートサイト装置
２０　　　　　遠隔操作装置
３０　　　　　通信回線
１１　　　　　マニピュレータ
１２　　　　　力センサ
１３　　　　　リモート計算機
【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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