(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザインタフェースとして用いられ、体の一部に可動部を含むロボットであって、前記可動部を駆動する駆動部と、前記可動部の位置情報を取得する位置情報センサと、前記駆動部の動きを停止させる遮断部とを含むロボットと、通信接続部とを備え、
前記通信接続部は、通信回線を介して、前記位置情報センサからの前記可動部の位置を示す信号を相手側に伝送し、相手側から前記可動部に対応する位置情報を受けて前記位置情報を前記駆動部へ送り、
前記駆動部は受けた前記位置情報に基づき前記可動部を駆動し、
前記通信接続部は、前記通信回線の状態を監視し、通信データの欠損を発見したときはその前又は後の通信データに基づきデータの補完を行う、ことを特徴とするロボットフォン。
【請求項２】
前記通信接続部は、前記通信回線の状態を監視し、前記通信回線に異常を発見したときは前記遮断部を動作させて前記駆動部の動きを停止させるとともに、
通信回線が切断されたこと、所定時間においてデータの受信がないこと、相手にコマンドを送ったが返事が一定時間経ってもないこと、及び、信号に変調がかけられているときそのキャリアを検出できないこと、のうちのいずれかに該当するとき、前記通信回線が異常であると判定することを特徴とする請求項１記載のロボットフォン。
【請求項３】
前記ロボットは、前記駆動部の駆動力を所定値以下に制限するリミッタを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のロボットフォン。
【請求項４】
ユーザインタフェースとして用いられ、体の一部に可動部を含むロボットであって、前記可動部を駆動する駆動部と、前記可動部の位置情報を取得する位置情報センサと、前記可動部のインピーダンスを変化させるインピーダンス可変手段とを含むロボットと、通信接続部とを備え、
前記通信接続部は、通信回線を介して、前記位置情報センサからの前記可動部の位置を示す信号を相手側に伝送し、相手側から前記可動部に対応する位置情報を受けて前記位置情報を前記駆動部へ送り、
前記駆動部は受けた前記位置情報に基づき前記可動部を駆動し、
前記通信接続部は、前記通信回線の状態を監視し、その状態を示す信号を前記インピーダンス可変手段へ送り、前記可動部のインピーダンスを変化させる、ことを特徴とするロボットフォン。
【請求項５】
前記通信接続部は、前記通信回線の帯域が確保できるときは前記可動部をスムースに動かせるようにし、逆に帯域が確保できないときは前記可動部のインピーダンスを増し、素早い動きを入力できなくするように制御することを特徴とする請求項４記載のロボットフォン。
【請求項６】
前記通信接続部は、接続時の情報に基づき相手側の通信回線の種類を判定し、この判定結果に応じて通信帯域を決定し、前記通信帯域に応じて前記可動部のインピーダンスを変化させることを特徴とする請求項５記載のロボットフォン。
【請求項７】
前記通信接続部は、通信時のエラーレート又は信号対雑音比を監視することにより通信可能な帯域を判定し、前記帯域に応じて前記可動部のインピーダンスを変化させることを特徴とする請求項５記載のロボットフォン。
【請求項８】
前記インピーダンス可変手段は、前記可動部に設けられた機械的な機構により前記可動部のインピーダンスを変化させることを特徴とする請求項４記載のロボットフォン。
【請求項９】
前記インピーダンス可変手段は、前記駆動部に所定の制御を加えることにより前記可動部のインピーダンスを変化させることを特徴とする請求項４記載のロボットフォン。
【請求項１０】
前記通信接続部は、前記通信回線の帯域が変動したとき、前記インピーダンス可変手段により前記可動部のインピーダンスを前記帯域に応じて変化させることを特徴とする請求項４記載のロボットフォン。
【請求項１１】
ユーザインタフェースとして用いられ、体の一部に可動部を含むロボットであって、前記可動部を駆動する駆動部と、前記可動部の位置情報を取得する位置情報センサとを含むロボットと、前記ロボットの入力信号又は前記ロボットの出力信号の周波数を制限するフィルタを含む通信接続部とを備え、
前記通信接続部は、通信回線を介して、前記位置情報センサからの前記可動部の位置を示す信号を相手側に伝送し、相手側から前記可動部に対応する位置情報を受けて前記位置情報を前記駆動部へ送り、
前記駆動部は受けた前記位置情報に基づき前記可動部を駆動し、
前記通信接続部は、前記通信回線の状態を監視し、その状態に応じて前記フィルタの特性を調節する、ことを特徴とするロボットフォン。
【請求項１２】
前記通信接続部は、前記通信回線の帯域が予め定められた所定帯域よりも広いとき前記フィルタの入力信号をそのまま出力させ、前記通信回線の帯域が狭いとき前記フィルタにローパスフィルタ又はバンドパスフィルタの特性を持たせることを特徴とする請求項１１記載のロボットフォン。
【請求項１３】
システムの適正な応答速度より高い周波数の信号を除去するフィルタを備え、前記駆動部の許容限度を超える速度で前記可動部が操作されたときに、この操作をフィードバックしないことを特徴とする請求項１１記載のロボットフォン。
【請求項１４】
前記位置情報の直流成分を除去するフィルタを備え、自分側のロボットの姿勢と相手側のロボットの姿勢を異なった状態にできることを特徴とする請求項１１記載のロボットフォン。
【請求項１５】
所定の低周波成分を除去するフィルタを備えることを特徴とする請求項１１記載のロボットフォン。
【請求項１６】
前記通信接続部により送受信される前記可動部の位置を示す信号又は前記位置情報は、差分情報であることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載のロボットフォン。
【請求項１７】
前記可動部が所定時間以上動かされなかったとき又は電源投入時に、前記可動部の位置を示す信号又は前記位置情報は予め定められた値に設定され、これにより前記可動部が所定の状態に設定されることを特徴とする請求項１６記載のロボットフォン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、離れた場所に置かれた複数のロボットの形・動き・位置等を同期させることにより人がコミュニケーションを図るためのロボット・ユーザ・インタフェース（ＲＵＩ）のひとつであるロボットフォンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ペットロボットやヒューマノイド、美術館案内ロボット、介護ロボット等の人間共存型のロボットが人気を博している。これらロボットはコンピュータの画面内を動き回るＣＧキャラクタと比べて圧倒的な存在感を有しており、それがまた人気の一因となっていると考えられる。
【０００３】
ロボットはまさに身体性を有するコンピュータであるととらえることができ、この身体の物理存在自体が圧倒的な存在感の源泉となるとともに、身体を用いた物理的相互作用を通し、実世界に対して大きな影響力を発揮することができる。
【０００４】
この実世界と強力なインタラクションを可能とするロボットを実世界と情報世界とのインタフェースとしてとらえた概念がロボティックインタフェースとして提案されている（Y. Wakita, S. Hirai, K. Machida, K. Ogimoto, T. Itoko, P. Backes and S. Peters, Application of intelligent monitoring for super long distance teleoperation, Proc., IEEE IROS'96, Osaka, pp.1031-1037, 1996）。特にロボットをユーザインタフェース-Robotic User Interface (RUI)-として用いることにより、実世界に対して入力と出力を兼ね備えた実世界指向のユーザインタフェース環境を構築できると考えられる。また、ロボットの汎用機械としての特性を生かすことにより、物理インタフェースを用いつつもある程度の汎用性を確保しやすいという利点も存在する。
【０００５】
そして、実世界と別の実世界を結ぶためのRUIの実装がテレイグジスタンス及びオブジェクト指向型テレイグジスタンスである。オブジェクト指向型テレイグジスタンスとは、「遠隔地の物体の形や動きなどを彼我で共有することにより、遠隔地での作業やコミュニケーションを図る」ための概念である。
【０００６】
従来のテレイグジスタンス／テレプレゼンスは、遠隔ロボットの周辺の環境を取り込み、これを操作者の周辺に再構成することにより臨場感を伝達し、自らがその場にいるかのような感覚で遠隔ロボットを操作可能とするものである。テレイグジスタンスは操作者への高度な臨場感の提示を前提にした手法であるため、臨場感の計測、伝達、提示を行う部分でハードウエア及びソフトウェアの負担が高くなる傾向がある。また、テレイグジスタンスは自分があたかも遠隔ロボットそのものになったかのような感覚、つまり一人称視点で遠隔ロボットの操作を行うため、スレーブロボットが人間と同構造、同サイズ、同動特性のときに最も効果的である。しかしながら、現状では人間と同構造のロボットを製作すること自体が困難であり、人型のロボットで人間と同等以上の動特性を実現し、さらにそのロボットを用いて作業を行うことが可能になるまでには相当の技術的課題が山積している。また、移動型ロボットや建機のように作業対象や応用分野によってはスレーブロボットが人と同構造、同サイズではない場合や、あるいは視点も一人称より三人称視点（俯瞰視点）の方が操作上有利な場合も多いと考えられる。
【０００７】
そこで、本願では、遠隔環境をユーザの周囲に再構成するのではなく、遠隔ロボットそのものをユーザの手元に再構成することにより、より簡便にかつ直感性を維持しつつ遠隔ロボットの制御を行うことを提案する。従来のテレイグジスタンスが「いかに遠隔環境と操作者とを密に、透明に接合するか」という環境指向システムであったのに対し、本発明は「いかに遠隔ロボットと手元のデバイスとを密に結合するか」ということに主眼をおいた、オブジェクト指向のテレイグジスタンスである。
【０００８】
なお、触覚の共有を通して遠隔地とのコミュニケーションを開示した文献として次のものがある。
（１）Brave, S., and Dahley, A. inTouch : A Medium for Haptic Interpersonal Communication, Extended Abstracts of CHI'97, pp.363-364, ACM Press, 1997.
（２）Brave, S., Ishii, H., and Dahley, A. Tangible Interface for Remote Collaboration and Communication, Proceedings of CSCW'98, pp.169-178, ACM Press, 1998.
（３）Fogg, B.J., Cutler, L., Arnold, P., and Eisback C. HandJive: a device for interpersonal haptic entertainment, Proceedings of CHI'98, pp.57-64, ACM Press, 1998.
【０００９】
（１）は三本の木製ローラーによる回転力のみの伝達に関し、（２）はチェスの駒状の物体、（３）は手に握ったバルーンのふくらみ、と提示される情報が極めて限定されているため、コミュニケーションを行う上ではアンビエントな情報低伝達手段に納まっている。これに対し、本願発明は人に近い自由度配置のロボットを共有させることにより自由度の高い触覚情報の共有のみならず視覚的にもジェスチャ情報を伝達可能となっている。
【００１０】
ぬいぐるみをユーザインタフェースとして用いた例として次の文献がある。
（４）星野由紀子、鈴木保匡、山本英子、廣川憲隆、稲葉雅幸、井上博允、日常生活での視聴触覚対話行動研究のための卓上全身型ロボットの開発、日本ロボット学会第16回学術講演会、pp.5-6,1998.
（５）米澤朋子、ブライアン  クラークソン、安村通晃、間瀬健二、文脈に応じた音楽表現を伴うセンサぬいぐるみ、インタラクション２００１論文集、pp.19-20,2001.
【００１１】
星野らはぬいぐるみを物理エージェントとして利用し、米澤らは人形を音楽のインタラクティブ操作のための入力インタフェースとして利用している。
（４）（５）はいずれも、人形を物体共有型のコミュニケーションに用いているものではない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、離れた場所に置かれた複数のロボットの形・動き・位置等を同期させることにより人がコミュニケーションを図ることができるロボットフォンを提供することを目的とする。
【００１３】
特に、何らかの理由で通信回線が一次的に不通になったり、不意に切断されたときに支障が生じないロボットフォンを提供することを目的とする。
【００１４】
また、通信回線の帯域（通信速度）が異なるときに、通信帯域に合わせて好ましい制御を行うことができるロボットフォンを提供することを目的とする。
【００１５】
また、通信遅延に起因する制御系の発振を防ぐことができるロボットフォンを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るロボットフォンは、ユーザインタフェースとして用いられ、体の一部に可動部を含むロボットであって、前記可動部を駆動する駆動部と、前記可動部の位置情報を取得する位置情報センサと、前記駆動部の動きを停止させる遮断部とを含むロボットと、通信接続部とを備え、
前記通信接続部は、通信回線を介して、前記位置情報センサからの前記可動部の位置を示す信号を相手側に伝送し、相手側から前記可動部に対応する位置情報を受けてこれを前記駆動部へ送り、
前記駆動部は受けた前記位置情報に基づき前記可動部を駆動し、
前記通信接続部は、前記通信回線の状態を監視し、これに異常を発見したときは前記遮断部を動作させて前記駆動部の動きを停止させるものである。
前記通信回線は、電話回線のような有線回線、無線ＬＡＮやブルートゥースのような無線回線を含む。あるいはピアツーピア（１対１）接続の有線又は無線の通信線であってもよい。
【００１７】
好ましくは、前記ロボットは、前記駆動部の駆動力を所定値以下に制限するリミッタを備える。
【００１８】
好ましくは、前記通信接続部は、前記通信回線の状態を監視し、通信データの欠損を発見したときはその前及び／又は後の通信データに基づきデータの補完を行う。
【００１９】
この発明に係るロボットフォンは、ユーザインタフェースとして用いられ、体の一部に可動部を含むロボットであって、前記可動部を駆動する駆動部と、前記可動部の位置情報を取得する位置情報センサと、前記可動部のインピーダンスを変化させるインピーダンス可変手段とを含むロボットと、通信接続部とを備え、
前記通信接続部は、通信回線を介して、前記位置情報センサからの前記可動部の位置を示す信号を相手側に伝送し、相手側から前記可動部に対応する位置情報を受けてこれを前記駆動部へ送り、
前記駆動部は受けた前記位置情報に基づき前記可動部を駆動し、
前記通信接続部は、前記通信回線の状態を監視し、その状態を示す信号を前記インピーダンス可変手段へ送り、前記可動部のインピーダンスを変化させるものである。
【００２０】
好ましくは、前記インピーダンス可変手段は、前記可動部に設けられた機械的な機構により前記可動部のインピーダンスを変化させる。
好ましくは、前記インピーダンス可変手段は、前記駆動部に所定の制御を加えることにより前記可動部のインピーダンスを変化させる。
【００２１】
好ましくは、前記通信接続部は、前記通信回線の帯域が狭くなったとき、前記インピーダンス可変手段によりインピーダンスを増加させて前記可動部を動かしにくくする。
【００２２】
この発明に係るロボットフォンは、ユーザインタフェースとして用いられ、体の一部に可動部を含むロボットであって、前記可動部を駆動する駆動部と、前記可動部の位置情報を取得する位置情報センサとを含むロボットと、前記ロボットの入力信号及び／又は前記ロボットの出力信号の周波数を制限するフィルタを含む通信接続部とを備え、
前記通信接続部は、通信回線を介して、前記位置情報センサからの前記可動部の位置を示す信号を相手側に伝送し、相手側から前記可動部に対応する位置情報を受けてこれを前記駆動部へ送り、
前記駆動部は受けた前記位置情報に基づき前記可動部を駆動し、
前記通信接続部は、前記通信回線の状態を監視し、その状態に応じて前記フィルタの特性を調節するものである。
【００２３】
好ましくは、前記通信接続部は、前記通信回線の帯域が予め定められた所定帯域よりも広いとき前記フィルタの入力信号をそのまま出力させ、前記通信回線の帯域が狭いとき前記フィルタにローパスフィルタ及び／又はバンドパスフィルタの特性を持たせる。
なお、前記通信接続部により送受信される前記可動部の位置を示す信号及び／又は前記位置情報は、差分情報であってもよい。この場合、前記可動部が所定時間以上動かされなかったとき及び／又は電源投入時に、前記可動部の位置を示す信号及び／又は前記位置情報は予め定められた値に設定され、これにより前記可動部が所定の状態に設定されることが望ましい。
前述の発明における前記駆動部、前記位置情報センサ及び通信接続部等の各部分の制御は例えばコンピュータにより実現される。例えば、コンピュータは、前記通信接続部が、通信回線を介して、前記位置情報センサからの前記可動部の位置を示す信号を相手側に伝送し、相手側から前記可動部に対応する位置情報を受けてこれを前記駆動部へ送るように制御し、前記駆動部は受けた前記位置情報に基づき前記可動部を駆動するように制御し、前記通信接続部は、前記通信回線の状態を監視し、これに異常を発見したときは前記遮断部を動作させて前記駆動部の動きを停止させるように制御する。
本発明はこのコンピュータのためのプログラムも含むものである。この発明の制御を実行するためのプログラムは、例えば、記録媒体に記録される。
媒体には、例えば、ＥＰＲＯＭデバイス、フラッシュメモリデバイス、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光磁気ディスク、ＣＤ（ＣＤ−ＲＯＭ、Ｖｉｄｅｏ−ＣＤを含む）、ＤＶＤ（ＤＶＤ−Ｖｉｄｅｏ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭを含む）、ＲＯＭカートリッジ、バッテリバックアップ付きのＲＡＭメモリカートリッジ、フラッシュメモリカートリッジ、不揮発性ＲＡＭカートリッジ等を含む。
また、電話回線等の有線通信媒体、マイクロ波回線等の無線通信媒体等の通信媒体を含む。インターネットもここでいう通信媒体に含まれる。
媒体とは、何等かの物理的手段により情報（主にデジタルデータ、プログラム）が記録されているものであって、コンピュータ、専用プロセッサ等の処理装置に所定の機能を行わせることができるものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態１．
本発明は、オブジェクト指向型テレイグジスタンスの一形態としての形状共有システムに関わる。形状共有システムとは、オブジェクトの形状を同期させることにより遠隔地との形状の共有を図り、遠隔地とのインタラクションを可能とするシステムである。「形」は対象を識別、認識するに当って最も基本となる要素の一つであり、また対象の状態を知る上で重要なキーでもある。形状共有システムは、対象物の認識において重要な役割を果たす形状の同期を行うことにより、遠隔ロボットと手元のデバイスの密な結合を達成するものである。
【００２５】
リアルタイムで形状の同期を行うことにより、ただ単に静的なオブジェクトの形を伝えるだけでなく、形が変化していく過程である「動き」も伝えることが可能となる。また、自分の側のオブジェクトの形状がまさに遠隔側のオブジェクト形状を示しており、ディスプレイとしての効果も有している。入力と出力は同一デバイスで行われ、入力と出力の切り替えのない直感的な操作体系が実現される。さらに、オブジェクトとのインタラクションは、手という感覚の入力と外界に対する出力が同時に可能な器官を介して行われるため、本システムは本質的にインタラクティブなインタフェースと位置付けられる。
【００２６】
本発明において、実世界と強力なインタラクションを可能とするロボットが実世界と情報世界とのインタフェースとして用いられる（ロボットユーザインタフェース-Robotic User Interface (RUI)）。
【００２７】
ＲＵＩは次のような特徴をもつ。
・物理世界と相互作用を行うことが可能であり、実際にものを動かすといった作業が可能である。
・ロボットの形状や動作により視覚的な情報の表示を行うことできる。
・ロボットから人に力を加えることにより触覚的な情報の提示もできる。
・人の側が直接ロボットに触れ、その形状を変化させることにより、指示入力操作可能である。
・ロボットへの呼びかけ、ロボット自体の発話といった音声を介したインタラクションが可能である。
【００２８】
ＲＵＩのひとつとしてロボットフォンが提案されている。ロボットフォンとは、離れた場所に置かれた複数のロボットの形・動き・位置等を同期させることにより人がコミュニケーションを図るためのＲＵＩである。ロボットフォンでは形状の同期をリアルタイムにおこなうことにより、オブジェクトの形の情報だけでなく、その動きも伝達可能となる。また、通常のディスプレイに表示された電子的なくぼみとは異なり、実際に人に触れて力を伝えることや、物を動かして作業を行うといったことも可能となる。つまり、視覚・触覚・聴覚を統合して提示可能な電話であると言える。なお、双方の利用者が同時にロボットに力を加えた場合はお互いの相手の力を感じることになる。
【００２９】
一般にロボットはセンサ等の情報に基づきロボット自身で判断を行い、自動的に動作する自律型のものと、判断は操作する人間が行う他律形のロボットに分けることができるが、このロボットフォンは後者の他律型のロボットにカテゴライズされる。
【００３０】
以下、ロボットフォンの例を説明する。
図１はぬいぐるみ型のロボットフォンを示す。図１の１ａ，１ｂはそれぞれクマのぬいぐるみに収められたロボットフォンであり、通話をするためのマイク１１とスピーカ１２、クマのぬいぐるみの骨格の関節に設けられたモータ・遊星歯車減速機１３及び位置検出手段（ポテンショメータ）１４、及びこれらを制御するためのプロセッサ１５、通信回線２を通して通信を行うための通信接続部１６を備える。スピーカ１２はぬいぐるみの胸部に、マイク１１は頭部に装着されている。これらは骨格とともにクマのぬいぐるみに組み込まれている。マイク１１及びスピーカ１２はぬいぐるみの前側に向けて取りつけられていて、利用者はロボットフォンと向き合って通話及び操作することができる。このことにより、相手と対話しているという感覚を得ることができる。
【００３１】
図では表示を省略しているが、モータ・遊星歯車減速機１３及び位置検出手段１４は骨組みの関節部分にそれぞれ設けられている。例えば、クマのぬいぐるみの右腕内部や頭部に設けられる。これらモータ・遊星歯車減速機１３及び位置検出手段１４は２自由度、頭部に２自由度の合計４自由度のアクチュエータである。より人間に近い自由度を持たせ、かつより軽い力で動作を可能にするために、四肢にそれぞれ２自由度、頭部に３自由度の全身で１１の自由度をもたせることが好ましい。これにより外力によるぬいぐるみの姿勢の変化を外部に出力したり、外部からの信号に基づき姿勢を変えることができる。プロセッサ１５はバイラテラル制御を行い、ロボットフォン１ａと１ｂを同じ姿勢に保つ。バイラテラルとは双方向という意味である。バイラテラル制御は、例えば、マニピュレータが受けた重量や反力(接触感)を操作レバーなどに重さとして伝える制御方式として知られている。２つのロボットフォン１ａ，１ｂは通信網２に接続され、これを介して互いに相手方と通話できるとともに、自分のぬいぐるみに力を加えてその姿勢を変えてこれを相手に反映させる、つまり同じ姿勢にさせることができる。
【００３２】
図１のように、人あるいは動物に近い形状にロボットフォンを構成することにより、ジェスチャを用いたコミュニケーションを可能にするロボットフォンを実現できる。本発明の実施の形態に係るロボットフォン１ａ，１ｂを用いて行う通話及び操作の例を図２に示す。二人の利用者がそれぞれロボットフォン１ａ，１ｂと向かい合って通話及び操作を行っている。多くのユーザは人形で遊んだ経験を持つため、容易に人形型のインタフェースを操作することができる。例えば、片方のロボットフォンの手を振ることによりもう一方のロボットフォンの手を振らせることや、首の動作によるＹＥＳ／ＮＯのジェスチャを行わせることができる。また、双方のユーザが同時に人形の手を振った場合は、人形の手を介して相手の力を感じつつ握手を行うこともできる。ロボットフォンは同時に一つの物体を操作するため、状態によってときに自分の分身として、ときに相手の分身として自分に働くことになる。
【００３３】
図３は、他の例であるヘビ型のロボットフォンを示す。本体の幹部は７個の節１７−１〜１７−７で構成される。節１７−１〜１７−７は回転自在の関節により互いに接続され、全体としてヘビのように体をくねらせることができる。各節にはモータ・遊星歯車機構１３及びポテンショメータ１４からなるモジュールをそれぞれ備える。図３のヘビ型のロボットフォンにおいてアクチュエータとしてサーボモータが６個用いられている。
【００３４】
このヘビ型ロボットフォンは、動作可能な領域が二次元平面内であるという制約はあるものの、胴体そのもので形状を表現することができる。手で触ることによりその形状を自由に構成することができる。
【００３５】
以上の例において、サーボモータの制御は、例えばワンボードマイコン上のソフトウェアで実現される。モータの駆動にはＰＷＭ制御が用いられる。バイラテラルサーボの制御方として図４に示すような対称型を採用し、対となるサーボモータの位置偏差を常に最小とするように制御を行っている。図４において、２０は前記位置偏差を求める減算器、２１ａ，２１ｂは前記位置偏差に基づきロボット１ａ，１ｂの対となるサーボモータをそれぞれ駆動する位置指令部である。ロボット１ａ，１ｂから出力される角度信号はポテンショメータ１４により得られる。ロボット１ａ，１ｂに加えられる力はロボットの骨格の関節に作用し、これの位置すなわち姿勢を変えるためのものである。なお、本明細書においてロボットとは、生物の形、構造、機能のいずれか、もしくは全てを規範とした機械のことである。
【００３６】
図４の制御システムにおいて、利用者がロボット１ａ又は１ｂに力を加えてその姿勢を変化させると、そのことが角度信号として出力される。ロボット１ａの姿勢とロボット１ｂの姿勢が減算器２０で比較される。姿勢が異なっている場合、つまり一部又は全部の関節の位置が一致しない場合、当該関節の位置を一致させるように位置指令部２１ａ，２１ｂはそれぞれロボット１ａ，１ｂのサーボモータに指令を出す。各サーボモータがこれに応答することにより、ロボット１ａ，１ｂの姿勢は同じになる。例えば、ロボット１ａの腕を上げたとすると、位置指令部２１ｂはロボット１ｂに腕を上げるように指令する。一方、位置指令部２１ａはロボット１ａに腕を下げるように指令するので、操作した者は反力を感じることになる。対称型のバイラテラル制御は、力センサを必要とせず、制御器を単純に構成することが可能である。
【００３７】
図４の制御システムによれば、マスタとなるデバイスを操作するとスレーブデバイスはこの操作に遅れなく追従するので、マスタデバイスの操作者は自由にスレーブデバイスの形状をコントロールすることができる。
【００３８】
この例において、手元の形状と操作対象の形状を一致させるようにする操作方法をとったことで、デバイスとリアルタイムのインタラクションを行いながら、形状をつくっていくことが可能となり、非常に直感的な操作方法となっている。すなわち、操作者の手元に存在するデバイスが、常にリモートの形状を提示しつづけるディスプレイデバイスとしての機能も果たしている。さらに、完全に対称なバイラテラル制御を行っているので、どちらのデバイスがマスタかスレーブかという区別はなく、相互に操作し合うことが可能である。また、位置だけでなく、力の伝達も行われており、たとえば、片方のデバイスの関節を動かさないように手で拘束すると、もう一方のデバイスで相手側のデバイスが拘束されている状態を感じることができる。
【００３９】
ところで、ロボットフォンは通信回線を通じて互いに相手のロボットフォンの操作を行っているが、何らかの理由で通信回線が一次的に不通になったり、不意に切断されることも予想される。このような場合でも支障がないようにシステムが設計されることが望ましい。本システムは、従来の極限作業用ロボットなどとは違い、特定のオペレータだけではなく、広く一般に使用されることが想定されるのでなおさらである。
【００４０】
このような要請に応えるシステムを図５及び図６に示す。
図５において、通信状態監視部４０ａ，４０ｂは回線の状態、例えば回線が切断されたか、受信したデータの一部に欠落がないかなどを監視するとともに、回線状況に応じた制御信号を位置指令部２１ａ，２１ｂ及び／又はロボット１０ａ，１０ｂに対して出力する。データ補完部４１ａ、４１ｂは、受信したデータの一部に欠損が発見された場合、前後の通信データより欠損データを補完する。位置指令部２１ａ，２１ｂは、前述の位置偏差に基づきロボット本体１０ａ，１０ｂのサーボモータを駆動するが、その制御は前記通信状態監視部４０ａ，４０ｂにより制御される。
【００４１】
図６は、図５のロボット１０ａ，１０ｂの内部構成を示すブロック図である。図６において、遮断器１０１は通信状態監視部４０の出力に基づきモータ１３ａの電源を遮断する。通信に異常があるときにモータ１３ａの電源が遮断される。トルクリミッタ１０２は、例えば供給する電流の大きさを一定値以下に抑えることによりモータ１３ａが発生するトルクを制限する。トルクリミッタ１０２は機械的なものであってもよい。トルク検出器１０３はモータ１３ａが発生するトルクの大きさを検出してトルクリミッタ１０２に送る。トルク検出器１０３は、例えばモータ１３ａの電流値を測定して間接的にトルクを検出したり、モータ１３ａの軸、遊星歯車減速機１３ｂの軸及び／又は人形の腕、足などの部分のトルクを直接検出する。
【００４２】
図７は処理の概略を示すフローチャートである。通信状態監視部４０が通信状態を監視し（Ｓ１）、通信に異常があるとき（Ｓ２でＹＥＳ）、遮断機１０１に指令を出してモータ駆動電流を遮断させる（Ｓ３）。
【００４３】
本発明の実施の形態１に係るシステム／装置の駆動機構として比較的強いトルクのモータ１３ａ及び減速比の小さな遊星歯車減速器１３ｂを採用している。このため、ロボット１０のサーボ電源が切れた状態では、各軸はバックドライバビリティを有しており、外力で比較的自由に動かすことができる。システム動作中は、ロボットフォン１ａと１ｂの間で常にお互いの相手と通信が正常に行われていることを確認しあっている。万が一、通信に異常が発見された場合（例えば、通信回線が切断された、一定時間データの受信がない、相手にコマンドを送ったが返事（ＡＣＫ）が一定時間経ってもない、雑音が異常に大きい、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が著しく劣化した、信号に変調がかけられているときそのキャリアを検出できない、データエラーが異常に多い、明らかに異常なデータ（不自然な姿勢を示すデータ、可能な移動速度を超える腕・足の動きを示すデータ、通常考えられる限度を超えた腕・足の振りなどの動きを示すデータ、など）、遮断機１０１が即座にロボット１０のサーボ電源を遮断する。前述のように遊星歯車減速器１３ｂの減速比は比較的小さいので、ロボット１０のサーボ電源が遮断されたとしても、各軸は使用者の力で自由に動かすことができる。例えば、ロボットフォン１の腕と体の間に使用者の指が挟まれ、この状態でサーボ電源が遮断されたとしても、使用者は腕を動かして指を外すことができる。なお、図６では遮断器１０１はロボット１０の入力部に設けられていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、位置指令部２１の出力側あるいは入力側に遮断器１０１を設けてもよい。また、遮断器１０１の代わりに入力信号をニュートラル（モータをどちらにも回転させない電圧、例えば接地電位）にするスイッチあるいはバイアス手段、あるいはモータ１３ａの駆動力の伝達を遮断するクラッチを用いてもよい。
【００４４】
また、各軸の制御器の最終段にトルクリミッタ１０２を備えるので、どのような状況においても設定値以上の過大なトルクをロボット１０が発生しないようにできる。
【００４５】
通信回線２の品質が劣化することも考えられる。この場合に生じる通信パケットロスなど通信異常とは見なされないごく短時間の通信データ欠損に対しては、データ補完部４１において前後の通信データより欠損データの補完を行い、通信データ欠損をある程度回復することができる。データ補完部４１における欠損データの補完には、実装に応じて前値ホールドや直線補完、カルマンフィルタなどの手法を適宜用いる。なお、比較的短い間の間欠的なデータ欠損であれば補完も有効であるが、欠損の期間が長くなったり、連続的なバースト誤りが生じた場合は補完しきれないことが考えられる。このような場合、前述のようにサーボ電源を遮断することが望ましい。この処理を行うため、データ補完部４１において補完が不能になったことを示す信号を通信状態監視部４０へ送り、これを受けて通信状態監視部４０がサーボ電源遮断命令を出力するようにしてもよい。
【００４６】
本発明の実施の形態１に係るシステム／装置によれば、ロボットフォン間の通信回線に障害が生じたときでも、使用者に支障を与えることがない。
【００４７】
発明の実施の形態１の変形例．
図５において、データ補完部４１は通信網２からデータを受け、これを補完したデータを加減算器２０に送っていた。本発明は係る構成に限定されない。例えば、図８に示すように、位置指令部２１内にデータ補完部４１を設け、差分データに対して補完を行うようにしてもよい。この場合でも同様の作用効果を奏する。
【００４８】
発明の実施の形態２．
本発明の実施の形態１に係るシステム／装置は、ロボットフォン間の通信回線の障害に対処するためのものであった。通信回線の障害と言えないまでも通信速度が一時的に低下することがある。あるいは、相手の通信回線の性能・品質により通信速度（通信帯域）が大きく異なることもある。例えば、通常の電話回線でモデムを使用する場合は２８．８ｋｂｐｓ、ＩＳＤＮの場合でも６４ｋｂｐｓであるが、ＡＤＳＬの場合は８Ｍｂｐｓ程度の通信が可能になることもある（利用者と電話局の間の距離に応じて通信速度が変化するので、同じＡＤＳＬでも利用者ごとに通信速度が異なることもある）。ロボットフォンで相手とコミュニケーションする場合、通信回線の種類・状態に応じて通信帯域が異なるのでこれに合わせた制御方式を採用することが好ましい。さらに通信回線の種類・状態を使用者に知らせることができる制御方式が望ましい。本発明の実施の形態２に係るシステム／方法はこのような要請に応えるものである。
【００４９】
発明の実施の形態２に係るシステムを図９及び図１０に示す。
図９において、通信状態監視部４０ａ，４０ｂは回線の状態、すなわち通信帯域を監視する。例えば、接続時の情報に基づき相手側の通信回線が通常の電話線か、ＡＤＳＬか、ＣＡＴＶかなどを判定し、この判定結果に応じて通信帯域を決定する。あるいは、通信時のエラーレート、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）などの情報に応じて実際に通信可能な速度（帯域）を判定する。プロトコルにおいて通信確立時に通信速度を決定してもよい。そして、通信帯域に応じた制御信号（通信帯域幅に関する信号）を位置指令部２１ａ，２１ｂ及び／又はロボット１０ａ，１０ｂに対して出力する。位置指令部２１ａ，２１ｂは、前述の位置偏差に基づきロボット本体１０ａ，１０ｂのサーボモータを駆動するが、その制御は前記通信状態監視部４０ａ，４０ｂにより制御される。
【００５０】
図１０は、図９のロボット１０ａ，１０ｂの内部構成を示すブロック図である。図１０において、ブレーキ１０４は、通信状態監視部４０からの信号を受けて、遊星歯車減速機１３ｂの出力軸（人形の腕、足などに結合されている）及び／又はモータ１３ａの回転軸に制動を加えるものである。ブレーキ１０４が作動すると人形の腕、足などを外力で動かす際の抵抗が増大する。この抵抗の大きさは調整可能であり、例えば通信帯域幅の信号により制御される。
【００５１】
通信帯域が変動すると、通信帯域幅によってバイラテラル制御系が対応可能な入力周波数（操作の速さ）が変わってくる。そこで、通信状態監視部４０とブレーキ１０４を用いて、通信帯域に応じてシステムに入力可能な周波数（操作の速さ）を制限する。すなわち、ロボット１０のローカルな制御により各軸のインピーダンス（動かし易さ）をダイナミックに変化させる。例えば、帯域が確保できるとき（ＡＤＳＬのように通信帯域幅が広いとき）はスムーズに動かせるようにし、逆に帯域が確保できないとき（通常のモデムを利用しているとき）はインピーダンスを増し、素早い動きを入力できなくする。このような処理により通信回線の種類・状態に応じた制御が可能になる。使用者から見れば通信相手・通信状態により操作のしやすさ（人形の腕・足などを軽く動かせるか、力を入れないと動かせないか、など）が変化することになる。いわば、ロボットフォンを通じて使用者は回線の重さを感じることができるのである。
【００５２】
発明の実施の形態２の変形例．
図１０において、人形の腕・足などのインピーダンスを増すための手段としてブレーキ１０４を用いた。本発明は係る構成に限定されない。例えば、図１１に示すように、人形の腕・足などが外力により動かされたときポテンショメータ１４の信号からこれを判定し、モータ１３ａを駆動して逆向きのトルクを発生させるようにしてもよい。インピーダンス発生部１０５は通信帯域幅に基づきこのトルクの大きさを決定する。例えば、ＡＤＳＬの場合はトルクをゼロか小さい値とし、通常の電話回線の場合はトルクを大きな値とする。この場合でも同様の作用効果を奏する。
【００５３】
なお、インピーダンスを変化させる手法として、インピーダンスを変化させる手法として、機械的な機構を用いるのではなく、インピーダンス制御などのモータ制御上の方法によりインピーダンスを変化させてもよい。例えば、モータ１３ｂの端子を短絡することによる電気ブレーキを用いてもよいし（端子間に接続する抵抗値によりインピーダンスを変化させることができる）、逆向きのトルクを発生させるインピーダンス発生用のモータを設けてもよい。
【００５４】
より一般的には、テレイグジスタンスにおける公知のインピーダンス制御を適用できる。インピーダンス制御はロボットと環境の動力学的相互作用に関する制御であり、可動部や環境の動特性が機械的インピーダンスのモデルで記述されるものである。この制御法は、一般的にはロボットが環境に接触する場合、ロボットと環境との動力学的相互作用をインピーダンスの変化としてとらえ、ロボットと環境とを統合して制御対象とするものである。発明の実施の形態においてインピーダンスを変化させるということは、ロボットあるいはロボットフォン全体について記述されるインピーダンスのパラメータを変化させることに相当する。
【００５５】
発明の実施の形態３．
ところで、通常のバイラテラル制御を、通信遅延を有する回線経由で行うと、制御系の発振が生じやすいという問題がある。通信遅延により、相手側から常に時間的に遅れたフィードバックがかえってくるため、発振しづらい制御系を作るのが難しいためである。
【００５６】
従来、対称型バイラテラル制御は、単純であるがあまり用いられていなかった。制御する相手側の装置・部分の重さが、操作者側にそのまま返ってくるためである。そのため、より高度な力帰還型の制御手法がより多く用いられている。単純な対称型バイラテラル制御において通信遅延の問題を解決するという提案はなされていなかった。
【００５７】
係る通信遅延の問題の解消のために、前記発明の実施の形態で説明した、通信帯域の変動に対応して入力周波数を制限する手法を用いることができる。発明の実施の形態３において用いた、遅延による発振を防ぐための手法について図１２を参照して説明する。
【００５８】
図１２において、通信状態監視部４０ａ，４０ｂは回線の状態、すなわち通信帯域を監視するとともに、通信帯域に応じた制御信号（通信帯域幅に関する信号）をフィルタ４２ａ，４２ｂに対して出力する。フィルタ４２ａ，４２ｂはロボット１０が出力する角度信号から所定の帯域の信号を抽出して出力する。どの帯域の信号を抽出するか（時定数などのフィルタのパラメータ）は、通信状態監視部４０の出力信号により制御される。位置指令部２１ａ，２１ｂは、前述の位置偏差に基づきロボット本体１０ａ，１０ｂのサーボモータを駆動する。
【００５９】
本発明の実施の形態３において、片側の操作者がロボット１０を操作し始めると、その結果が角度信号として出力される。この信号が相手側にフィードバックされる。このフィードバックされる信号の帯域を通信網２の通信帯域に合わせて制限することにより、制御系の発振を抑制することができる。
【００６０】
例えば、通信帯域が所定幅のときに最適に動作するように設計・調整されたロボットフォン間において、通信帯域が前記所定幅よりも広いとき、フィルタ４２は入力信号をそのまま出力する。通信帯域が前記所定幅よりも狭いとき、入力信号をそのまま出力しても相手側がそれに追従できずロボットフォンの不自然な動作を招き、これがために使用者が何度も操作を繰り返したり、操作を途中で止めたりすることも予想される。そこで、フィルタ４２で利用可能な帯域幅内の信号のみを抽出し、これを相手にフィードバックする。
【００６１】
なお、フィルタ４２に通信帯域による制御と無関係なフィルタ機能を持たせてもよい。例えば、システムの適正な応答速度より高い周波数の信号を除去する機能をもたせる。モータ１３ａが駆動できる以上の速度でロボット１０の人形の腕・足等を使用者が腕・足等を動かしたとき、このような操作のフィードバックを行わないようにできる。あるいはロボット１０の角度信号の直流成分（角度の絶対値）を除去する機能をもたせてもよい。この場合、腕・足等が動いた角度だけ（差分）相手の腕・足等が動くので、互いに通信している２つのロボットフォンの姿勢（腕・足等の位置）を異ならせ、この状態（互いに異なる姿勢）で腕・足等を前後・左右に振るという操作が可能である。あるいは所定の低周波成分を除去する機能を持たせてもよい。ポテンショメータ１４の出力のドリフトを除去できるし、また、２つのロボットフォンの姿勢が一致しないとき（例えば二人の使用者が同じ腕を異なる状態にしようとしているとき）、モータ１３ａがいつまでも動き続けて過負荷になる、といったことを避けることができる。
【００６２】
発明の実施の形態３の変形例．
図１２において、フィルタ４２をロボット１０の出力に設けたが、フィルタ４２を位置指令部２１の入力に設けるようにしてもよい。この例を図１３に示す。この例は、相手からフィードバックされてきた信号の帯域を制限するものである。
【００６３】
例えば、通信帯域が所定幅のときに最適に動作するように設計・調整されたロボットフォン間において、通信帯域が前記所定幅よりも広いとき、フィルタ４２は入力信号をそのまま出力する。通信帯域が前記所定幅よりも狭いとき、フィルタ４２で利用可能な帯域幅内の信号のみを抽出する。
【００６４】
また、同様にフィルタ４２に通信帯域による制御と無関係なフィルタ機能を持たせてもよい。
【００６５】
ところで、上記発明の実施の形態において、ロボットフォンの制御として公知のバイラテラル制御を採用している。公知のバイラテラル制御では位置情報（絶対値）を送っていた。しかし、一般的なバイラテラル制御と異なり、ロボットフォンにおいては両者の腕や足の位置等を一致させる必要はあまりない。そこで、位置情報の絶対値を送るのではなく、その差分（変化量）を送るようにすることができる。この場合、結果としてロボットフォン間の腕や足の姿勢は一致しなくなるが、相手に首を振る動作や腕や足を動かす動作をさせる点で支障はない。
【００６６】
位置情報として差分を送る場合、通信しているロボットフォン間において腕や足等の絶対位置の誤差が累積し、やがて両者の姿勢が全く異なってしまうということが考えられる。そこで、適当なときにリセット処理を行い、腕や足等の位置を初期状態（デフォルト）に戻すことが望ましい。
リセットの手法としてつぎのようなものがある。
・所定時間放置されていたときデフォルトの位置に戻る。
・パワーオン時にリセットする。
【００６７】
上記説明において、ロボットフォンを同じデバイスを用いた双方向性通信用のインタフェース（例えば電話機）として説明していた。ロボットフォンはこれに限定されず、異なるタイプのデバイスに接続されてもよい。例えば相手がコンピュータであってもよい。より一般的には、本ロボットフォンを人形型のフォースフィードバック（force feedback）のためのデバイスとして用いることができる。例えば、ロボットフォンを手で操作できる程度の大きさとし、ゲームコンピュータの入出力インタフェースとして使用することができる。プレイ中においてゲーム中のキャラクタの動きや環境による影響などを受けてロボットフォンが動作しその姿勢が変化する。これにより遊技者にゲーム中のキャラクタの動き等がフィードバックされる。ロボットフォンは人形・動物型であるので汎用的に使える。例えば、ロボットフォンにあたかも自動車のハンドルを持っているかのような姿勢をとらせ、この状態で腕を操作することによりゲームコンピュータにハンドル操作の情報を与え、逆にゲームコンピュータにより腕を動作させることによりハンドルに加わる力や動きを表現することができる。
【００６８】
本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
【００６９】
また、本明細書において、手段（部）とは必ずしも物理的手段を意味するものではなく、各手段の機能が、ソフトウェアによって実現される場合も包含する。さらに、一つの手段の機能が、二つ以上の物理的手段により実現されても、若しくは、二つ以上の手段の機能が、一つの物理的手段により実現されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  発明の実施の形態に係るロボットフォンの例を示す図である。
【図２】  発明の実施の形態に係るロボットフォンの利用形態の説明図である。
【図３】  発明の実施の形態に係るロボットフォンの他の例を示す図である。
【図４】  発明の実施の形態に係るロボットフォンの制御系の説明図である。
【図５】  発明の実施の形態１に係る制御システムの機能ブロック図である。
【図６】  発明の実施の形態１に係るロボットの機能ブロック図である。
【図７】  発明の実施の形態１に係る制御システムの動作フローチャートである。
【図８】  発明の実施の形態１に係る制御システムの他の例を示す図である。
【図９】  発明の実施の形態２に係る制御システムの機能ブロック図である。
【図１０】  発明の実施の形態２に係るロボットの機能ブロック図である。
【図１１】  発明の実施の形態２に係るロボットの他の例を示す図である。
【図１２】  発明の実施の形態３に係る制御システムの機能ブロック図である。
【図１３】  発明の実施の形態３に係る制御システムの他の例を示す図である。
【符号の説明】
１    ロボットフォン
２    通信回線（通信網）
１０    ロボット
１１    マイク
１２    スピーカ
１３    サーボモータ及び遊星歯車減速機を含む駆動機構
１４    位置検出器（ポテンショメータ）
１５    プロセッサ
１６    通信接続部（モデム等）
１７    ヘビ型ロボットフォンの本体を構成する節
２０    加減算器
２１    位置指令部
４０    通信状態監視部
４１    データ補完部
４２    フィルタ
１０１  遮断機
１０２  トルクリミッタ
１０３  トルク検出器
１０４  ブレーキ
１０５  インピーダンス発生部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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