(57)【要約】【課題】動作範囲が異なるジョイスティックとモバイルロボットとの間で力覚フィードバックを得ながらの操作を可能とする。【解決手段】動作範囲が異なるジョイスティック１０とモバイルロボット１１とを用い、ジョイスティック１０によりモバイルロボット１１を操作する。モバイルロボット１１の移動中に、当該モバイルロボット１１が受ける時系列な力の触覚情報を取得し、取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理し、解析処理結果からの接触情報をジョイスティック１０にフィードバックするから、力覚フィードバックを得ながら操作を行うことができ、動作範囲の異なるジョイスティック１０とモバイルロボット１１との間で、直感的な操作が可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作範囲が異なる操作体と被操作体とを用い、前記操作体により前記被操作体を操作する操作方法において、
前記被操作体の動作中に、当該被操作体が受ける時系列な力の触覚情報を取得し、
前記取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理し、
前記解析処理結果から前記接触情報を前記操作体にフィードバックすることを特徴とする操作方法。
【請求項２】
前記被操作体が移動体であり、
前記移動体の移動中に、当該移動体が受ける時系列な力の触覚情報を取得し、
前記取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理し、
前記解析処理結果から前記接触情報を前記操作体にフィードバックすることを特徴とする請求項１記載の操作方法。
【請求項３】
前記操作体により前記被操作体を遠隔操作することを特徴とする請求項１または２記載の操作方法。
【請求項４】
前記被操作体が無限に動作可能であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の操作方法。
【請求項５】
前記動作範囲の異なる操作体と被操作体との間のバイラテラル制御において、次元を変化させるスケーリングを行うことを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載の操作方法。
【請求項６】
前記操作体と被操作体との機構および動作範囲の違いを補償することを特徴とする請求項１から５の何れか一つに記載の操作方法。
【請求項７】
動作範囲が異なる操作体と被操作体とを用い、前記操作体により前記被操作体を操作する操作装置において、
前記被操作体の動作中に、当該被操作体が受ける時系列な力の触覚情報を取得する手段と、
前記取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理する処理手段と、
前記解析処理結果から前記接触情報を前記操作体にフィードバックする力覚フィードバック手段と、
を備えることを特徴とする操作装置。
【請求項８】
前記被操作体が移動体であり、
前記移動体の移動中に、当該移動体が受ける時系列な力の触覚情報を取得する手段と、
前記取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理する処理手段と、
前記解析処理結果から前記接触情報を前記操作体にフィードバックする力覚フィードバック手段と、
を備えることを特徴とする請求項７記載の操作装置。
【請求項９】
前記操作体により前記被操作体を遠隔操作することを特徴とする請求項７または８記載の操作装置。
【請求項１０】
前記被操作体が無限に動作可能な移動手段を備えることを特徴とする請求項７〜９の何れか一つに記載の操作装置。
【請求項１１】
前記動作範囲の異なる操作体と被操作体との間のバイラテラル制御手段と、次元を変化させる次元スケーリング手段とを備えることを特徴とする請求項７〜１０の何れか一つに記載の操作装置。
【請求項１２】
前記操作体と被操作体との機構および動作範囲の違いを補償する手段を備えることを特徴とする請求項７から１１の何れか一つに記載の操作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作体の動作範囲と被操作体の動作範囲とが異なるシステム間において力覚フィードバックを行う操作方法および操作装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間の持つ感覚のなかで、機械と人間、若しくは遠隔地に存在する人間と人間との間を結ぶ重要な感覚として、視覚，聴覚，触覚が挙げられる。視覚や聴覚に対応する画像や音声の処理技術は、情報通信工学の発展とともにインターフェースとして急速に広まり、産業の基盤技術として欠かせないものとなっている。例えば、写真，テレビ，電話，蓄音機等の発明により、視覚や聴覚に関する情報の伝送や、保存や、再生が可能となり、さらにはビデオカメラやテレビにより、視覚および聴覚情報の放送も可能になった。これは、あたかも人間が持つ視覚や聴覚が、時間と空間を越えたように感じさせることと等価であるといえる。現在では、そうした視覚や聴覚情報の解析や加工を取り扱うディジタル信号処理技術の開発も、日々進歩している。
【０００３】
一方、感覚情報の一つを担う触覚情報は、視覚や聴覚の情報に次ぐ新たなマルチメディア情報として、これを抽出したり、保存したり、加工したり、伝送したり、人工的に再現したりする技術の開発が求められている。これに対して、マスタシステムとスレーブシステムとによるロボットシステム間の遠隔操作や、動かしている位置とその位置での各種情報を触覚を介して表示するようなハプティック（触覚）ディスプレイは、触覚情報を扱う技術として多くの研究が行なわれている。
【０００４】
しかしながら、上述した視覚や聴覚に関する情報は受動的で、単方向性の感覚情報であるのに対し、触覚情報は実世界における「作用・反作用の法則」に束縛される双方向性の感覚情報であり、しかも接触対象である環境に能動的に接触することで、初めてその情報が得られるので、モデルベースやヴァーチャルリアリティを応用した触覚情報の再現は行なわれているものの、実世界における触覚情報の取得は困難である。実世界ハプティクスは、このような実世界における触覚情報の抽出や再現を扱う学問領域であり、実世界における遠隔地からのバイラテラル力覚フィードバックやマルチラテラル（多方向）触覚伝送技術などが開発されている。
【０００５】
こうした実世界におけるバイラテラル力覚フィードバックの実現に際しては、例えば非特許文献１，２に開示されるように、主に「透明性」の向上を目的として研究が進められてきた。「透明性」には空間透明性と時間透明性の２種類があり、そのうち空間透明性は触覚の再現可能な自由度に相当するため、多自由度力覚フィードバックの効率の良い統合が望まれる。一方、時間透明性は、その再現する触覚情報の周波数帯域に相当するため、触覚情報の直流成分から高周波成分までの時間遅れのない伝達が求められる。
【０００６】
多自由度で広帯域な実世界環境からの力覚フィードバックを実現するためには、ロバスト性を失わずに制御剛性をゼロにするための加速度制御が不可欠であり、非特許文献３で開示されるような外乱オブザーバによる実現手法が広く用いられている。特に非特許文献４では、外乱オブザーバを用いることで、広帯域の力覚情報を力覚センサレスで取得できることが示されており、外乱オブザーバのさらなる広帯域化について多くの研究がなされている。
【０００７】
さらに、バイラテラル制御は、遠隔操作や遠隔医療などに応用され、特に鉗子ロボットや宇宙空間での作業用ロボットなどの研究が行われている。このように、実世界の触覚伝送は今後の人間支援のために必要不可欠なものである。しかし、これらのバイラテラル制御の多くは同一のマスタ・スレーブシステムを持つものであり、これまでに異なった移動範囲を持つロボット同士のバイラテラル制御はほとんど研究されていない。このように従来の手法は、そのほとんどが同構造あるいは同動作範囲のシステムを用いたものであるため、拡張性，操作性向上に限界があった。
【非特許文献１】ディー．エイ．ローレンス（D．A．Lawrence）「バイラテラル遠隔操作における安定性と透明性（Stability and Transparency in Bilateral Teleoperation）」、米国電気電子学会  ロボティクスおよびオートメーション論文誌（IEEE Transactions on Robotics and Automation）、第９巻第５号（Vol.9，No.5）、pp．624−637，１９９３年１０月（October，1993）
【非特許文献２】横小路  泰義，吉川  恒夫（Y．Yokokohji，T．Yoshikawa）、「理想的な運動感覚における計算構築と実験に対するマスタスレーブのバイラテラル制御（Bilateral Control of Master-Slave Manipulators for Ideal Kinesthetic Coupling-Formulation and Experiment）」米国電気電子学会  ロボティクスおよびオートメーション論文誌（IEEE Transactions on Robotics and Automation）、第10巻第５号（Vol.10，No.5）、pp．605−620，１９９４年１０月（October，1993）
【非特許文献３】大西  公平，柴田  昌明，村上  俊之（K．Ohnishi，M．Shibata，T．Murakami）、「高性能メカトロニクス用モーション制御（Motion Control for Advanced Mechatronics）」、米国電気電子学会／米国機械学会メカトロニクス論文誌（IEEE／ASME Transactions on Mechatronics）、第１巻（Vol．1）、第１号（No．1）、pp．56−67、１９９６年３月（March,1996）位置・力再現方法
【非特許文献４】村上  俊之，郁  方銘，大西  公平（T．Murakami，F．Yu，K．Ohnishi）、「多自由度マニピュレータにおけるトルクセンサレス制御（Torque Sensorless Control in Multidegree-of-freedom Manipulator）」、米国電気電子学会  産業電子論文誌（IEEE Transactions on Industrial Electronics）、第40巻第２号（Vol.40，No.2）、pp．259−265、１９９３年４月（April，1993）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、動作範囲が異なる操作体と非操作体との間で力覚フィードバックを得ながら操作を行う操作方法および操作装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明における操作方法は、動作範囲が異なる操作体と被操作体とを用い、前記操作体により前記被操作体を操作する操作方法において、前記被操作体の動作中に、当該被操作体が受ける時系列な力の触覚情報を取得し、前記取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理し、前記解析処理結果から前記接触情報を前記操作体にフィードバックすることを特徴とする。
【００１０】
また、前記被操作体が移動体であり、前記移動体の移動中に、当該移動体が受ける時系列な力の触覚情報を取得し、前記取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理し、前記解析処理結果から前記接触情報を前記操作体にフィードバックすることを特徴とする。
【００１１】
この場合、前記操作体により前記被操作体を遠隔操作することができる。
【００１２】
また、前記被操作体が無限に動作可能である。
【００１３】
さらに、前記動作範囲の異なる操作体と被操作体との間のバイラテラル制御において、次元を変化させるスケーリングを行うことを特徴とする。
【００１４】
また、前記操作体と被操作体との機構および動作範囲の違いを補償する。
【００１５】
上記方法に対応するように、本発明における操作装置は、動作範囲が異なる操作体と被操作体とを用い、前記操作体により前記被操作体を操作する操作装置において、前記被操作体の動作中に、当該被操作体が受ける時系列な力の触覚情報を取得する手段と、前記取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理する処理手段と、前記解析処理結果から前記接触情報を前記操作体にフィードバックする力覚フィードバック手段とを備えることを特徴とする。
【００１６】
また、前記被操作体が移動体であり、前記移動体の移動中に、当該移動体が受ける時系列な力の触覚情報を取得する手段と、前記取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理する処理手段とを備え、前記解析処理結果から前記接触情報を前記操作体にフィードバックする力覚フィードバック手段とを備えることを特徴とする。
【００１７】
この場合、前記操作体により前記被操作体を遠隔操作することが好ましい。
【００１８】
また、前記被操作体が無限に動作可能な移動手段を備えることが好ましい。
【００１９】
さらに、前記動作範囲の異なる操作体と被操作体との間のバイラテラル制御手段と、次元を変化させる次元スケーリング手段とを備える。
【００２０】
また、前記操作体と被操作体との機構および動作範囲の違いを補償する手段を備える。
【発明の効果】
【００２１】
上記請求項１の方法および請求項７の装置によれば、異なる動作範囲を有する操作体と被操作体のシステムにおいて、力覚フィードバックを得ながら操作を行うことができ、動作範囲の異なる操作体と被操作体との間で、直感的な操作が可能となる。
【００２２】
上記請求項２の方法および請求項８の装置によれば、動作範囲が有限な操作体と動作範囲が無限な移動体のシステムにおいて、力覚フィードバックを得ながら、直感的な操作を行うことができる。
【００２３】
上記請求項３の方法および請求項９の装置によれば、異なる動作範囲を有する操作体と被操作体のシステムにおいて、遠隔操作が可能となる。
【００２４】
上記請求項４の方法および請求項１０の装置によれば、被操作体の動作範囲を無限に拡張することができる。
【００２５】
上記請求項５の方法および請求項１１の装置によれば、バイラテラル制御によって双方向伝達される情報に次元スケーリングというスケーリングファクタを導入することにより、動作の違いである操作体の位置変化と被操作体の速度変化などといった異なる次元間で同期を取ることが可能になり、被操作体の動作範囲を無限に拡張することができる。
【００２６】
上記請求項６の方法および請求項１２の装置によれば、双方の動作範囲の違いを補償することができ、機構によらず遠隔操作の動作範囲を拡張することができ、将来のユビキタス触覚情報伝送社会の実現における基本的手法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。
【００２８】
これまでに電話やラジオ，テレビといったマルチメディアが広く普及しており、さらには、近年のインターネットや携帯電話の世界的な広まりにより必要な情報をいつでもどこでも取得することができるようになった。これらのコミュニケーションツールは遠隔地の人と人をつなぐためのものであり、これらの多くは人間の視聴覚情報をやり取りするものである。
【００２９】
これらの視聴覚にあわせ、第３のマルチメディアとして触覚が注目されており、以下に、異なった動作範囲を持つロボット同士のバイラテラル制御を可能とする新規な発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００３０】
図１は、本発明の好適な実施例１を示し、移動可能なハプティックデバイスを用いて感覚フィードバックを行うモバイルハプトの概略説明図である。同図に示すように、モバイルハプトは操作体であるジョイスティック１０と非操作体であるモバイルロボット１１で構成され、このモバイルロボット１１は移動体である。
【００３１】
本発明では移動可能なハプティックデバイスを用いて感覚フィードバックを行うモバイルハプトという概念を提案する。モバイルハプトはジョイスティック１０とモバイルロボット１１で構成されている。モバイルハプトが実装されれば、ジョイスティック１０の操作杆１０Ｌを操作することで、遠隔地の移動ロボットの取得した触覚情報がフィードバックされる。このため、危険な場所での作業や移動に時間がかかる場所での作業を効率的に行うことができる。
【００３２】
モバイルハプトにおいてモバイルロボット１１の移動範囲は無限大であり、ジョイスティック１０の操作杆１０Ｌは人間が操作するため可動域が限られてしまう。この移動範囲の異なるシステム間でバイラテラル力覚フィードバックを実現するために、新しく次元スケーリングバイラテラル制御という手法を提案する。
【００３３】
この制御ではバイラテラル制御系の中で微分や積分を行うスケーリングを導入するものである。この次元スケーリングバイラテラル制御手段１００を用い、モバイルハプトを実現することによって、これまでの視聴覚情報中心のコミュニケーションから、視聴触覚のマルチメディアコミュニケーションを提示することが可能となる。また、テレビジョンやラジオに触覚情報を付加することで新しい遠隔操作技術やテレハプティクスが可能となる。
【００３４】
下記の表１に前記モバイルロボット１１の各パラメータの定義を示す。
【００３５】
【表１】
2009282720.tif 000003
【００３６】
なお、上記表１の「移動ロボット」は、モバイルロボット１１である。
【００３７】
まず、モバイルロボット１１の動作および制御について説明すると、図１および図２に示すように、モバイルロボット１１は、接触環境である路面に当接する移動手段としての左右駆動輪１２Ａ，１２Ｂと、この駆動輪１２Ａ，１２Ｂにそれぞれ回転力を付与する駆動源としてのモータ１３Ａ，１３Ｂとを備え、これらの駆動輪１２Ａ，１２Ｂとモータ１３Ａ，１３Ｂにより、モバイルロボット１１を路面上に走行駆動させるアクチュエータ１４を構成している。本実施例で使用するモータ１３Ａ，１３Ｂは、モータドライバ１５からの数値制御信号により作動し、減速機構を設けることなく駆動輪１２Ａ，１２Ｂを直接駆動するダイレクトドライブ形式のサーボモータであるが、他の形式の駆動源を用いてもよい。モータドライバ１５は、移動体制御手段６から出力される左右のトルク指令信号を、それぞれ電流制御信号に変換してモータ１３Ａ，１３Ｂに供給するドライバ本来の機能の他に、各モータ１３Ａ，１３Ｂひいては各駆動輪１２Ａ，１２Ｂの各回転位置を監視し、それぞれの位置応答信号を移動体制御手段６に出力する検知手段１６としての機能をも備えている。なお、駆動輪１２Ａ，１２Ｂは、モバイルロボット１１の本体１１Ｂの右側および左側にそれぞれ設けられる。
【００３８】
前記移動体制御手段６は、モバイルロボット１１を速度制御するもので、より具体的には、モバイルロボット１１の並進モードと回転モードにおける速度を制御するものであり、前記検知手段１６から出力される左右の駆動輪１２Ａ，１２Ｂの各位置応答信号から、並進モードと回転モードの各速度応答値を算出し、各駆動輪１２Ａ，１２Ｂの位置応答信号をそれぞれの速度応答値に変換する手段として擬似微分器を採用し、また、左右の各速度応答値を並進モードと回転モードの各速度応答値に変換する手段として、あらゆる物理的なパラメータにおける実世界の関節空間から仮想的な態様空間への変換を可能にする２次のQuarry（クオリー）行列を用いた変換器を採用することができる。
【００３９】
また、前記移動体制御手段６は、アクチュエータ１４への指令値として与えられる並進モードの速度指令値から、算出された並進モードの速度応答値を差し引いた値に、並進モードの速度制御比例ゲインを掛け合わせることで、並進モードの加速度参照値を求め、また、同じくアクチュエータ１４への指令値として与えられる回転モードの速度指令値から、算出された回転モードの速度応答値を差し引いた値に、回転モードの速度制御比例ゲインを掛け合わせることで、回転モードの加速度参照値を求め、これらの並進モードと回転モードの各加速度参照値から、左右のモータ１３Ａ，１３Ｂに対するトルク参照値を算出するもので、並進モードと回転モードの各加速度参照値を、左右のモータ１３Ａ，１３Ｂに対するトルク参照値に変換する手段として、クオリー行列の逆行列を用いた逆変換器を採用することができる。このクオリー行列の逆行列は、仮想的な態様空間から実世界の関節空間への変換を可能にするものである。
【００４０】
そして、上述したように移動体制御手段６により、指令値として与えられた並進モードと回転モードの各速度指令値に、並進モードと回転モードの各速度応答値がそれぞれ追従するような速度制御が、モバイルロボット１１に対して行なわれる。なお、移動体制御手段６によってアクチュエータ１４を速度制御するのではなく、アクチュエータ１４を位置制御，加速度制御，トルク制御，または力制御する構成であってもよい。
【００４１】
さらに、移動体制御手段６は、左右の駆動輪１２Ａ，１２Ｂに加わる外乱トルクを推定する外乱オブザーバ１７，１８を備え、これらの外乱オブザーバ１７，１８で算出された各推定外乱トルク値から、並進モードと回転モードの各推定外乱値を算出し、また、左右の駆動輪１２Ａ，１２Ｂに加わる反力トルクを推定する反力オブザーバ１９，２０を備え、これらの反力オブザーバ１９，２０で算出された各推定反力トルク値から、並進モードと回転モードの各推定反力値を算出する。
【００４２】
外乱オブザーバ１７，１８および反力オブザーバ１９，２０は、左右のモータ１３Ａ，１３Ｂに対応してそれぞれ組み込まれており、左右の駆動輪１２Ａ，１２Ｂにおける外乱および反力を推定し、センサを設けることなく、モータ１３Ａ，１３Ｂが外部（環境Ｅ）から受ける外乱および反力を検出することができ、モバイルロボット１１自体が路面や障害物などから受ける力を、力覚センサなしで得ることができる。また、本実施例における移動体制御手段６は、何れの物理的なパラメータでも、クオリー行列による変換機能によって、並進モードと回転モードのそれぞれで独立した速度制御系を構成することができる。また、外乱についても同様のクオリー行列を用いることで、移動体に加わる並進モードの外乱と回転モードの外乱にそれぞれ分解することが可能になる。
【００４３】
また、上述した移動体制御手段６による速度制御系では、モバイルロボット１１の位置情報を、モータドライバ１５からの位置応答信号により移動体制御手段６が算出している。この場合、計時手段の時間カウントを利用して、ある時間における力と位置を特定する触覚情報を取得する構成であってもよい。
【００４４】
一方、ジョイスティックは、２個のダイレクトドライブモータを備え、それらモータ１とモータ２は直交するように配置され、そのモータ１とモータ２は一方が並進用、他方が回転用である。
【００４５】
図３に、ジョイスティック１０のモータ１のブロック線図を示す。操作体制御手段７は外乱オブザーバ２３，２４と反力オブザーバ２５，２６を備え、それら外乱オブザーバ２３，２４と反力オブザーバ２５，２６は、モータ１とモータ２に対応してそれぞれ設けられ、これらモータ１とモータ２はモータドライバ２１を介してジョイスティック制御手段７に接続されている。なお、以下の説明で、図や数式以外では、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。また、別に推定値をあらわす「＾」を、対応する記号の前に併記する。ここで、加速度指令θ・・J1ref，外乱オブザーバ２３で推定される外乱トルクτ＾J1dis，モータ１の慣性モーメントをＪnJ1とすると、モータ１へのトルク指令τJ1refは下記の数１となる。
【００４６】
【数１】
2009282720.tif 000004
【００４７】
同様に、モータ２では加速度指令θ・・J2ref、外乱オブザーバ２４で推定される外乱トルクτ＾J2dis、モータ２の慣性モーメントをＪnJ2とすると、モータ２へのトルク指令τJ2refは下記の数２となる。
【００４８】
【数２】
2009282720.tif 000005
【００４９】
このように、外乱オブザーバ２３，２４で推定された外乱トルクをフィードバックすることでロバストな加速度制御系である力覚フィードバック手段１０１を構築する。また、操作者Ａがジョイスティック１０に与える反力τ＾J1extは、反力推定オブザーバ２５により推定する。
【００５０】
次に、図１および図２で説明したモバイルロボット１１の制御を行うために、等価慣性行列を求めることを考える。図１に示すように各々のパラメータが定められたとき、運動エネルギー関数は、下記の数３により表される。
【００５１】
【数３】
2009282720.tif 000006
【００５２】
上記数３の右辺第１項は並進運動エネルギー，第２項は車体における回転エネルギー，第３項は駆動輪における回転エネルギーである。数３より等価慣性行列Ｍθは以下の数４となる。
【００５３】
【数４】
2009282720.tif 000007
【００５４】
等価慣性行列Ｍθ，左右駆動輪の加速度参照値θ・・Rref，θ・・Lrefは、下記の数５によって左右駆動輪１２Ａ，１２ＢのトルクτL，τRに変換される。
【００５５】
【数５】
2009282720.tif 000008
【００５６】
上記の等価慣性行列Ｍθを用いてモバイルロボット１１の加速度制御系である前記移動体制御手段６の一部を構成する。
【００５７】
図４にモバイルロボット１１の加速度制御系のブロック線図を示す。この制御系は、指令値として並進モード加速参照値ｘ・・ref及び回転モード加速度参照値φ・・refを与える。これにより、加速度指令に対応した力と位置の応答が得られる。図４中「Ｑ2」は２次のQuarry行列であり、下記の数６のように表される。
【００５８】
【数６】
2009282720.tif 000009
【００５９】
上記数６のQuarry行列を用いることで、あらゆるパラメータは実世界の関節空間からモード空間へと変換することができる。
【００６０】
左右駆動輪位置応答θLres，θRresから並進モード位置応答ｘres及び回転モード位置応答φresへの変換は、下記の数７に示すようにQuarry行列Ｑ2によって行われる。
【００６１】
【数７】
2009282720.tif 000010
【００６２】
また、反力推定オブザーバから推定された左右駆動輪の反力トルクτ＾Lext
，τ＾Rextについても同様にQuarry行列Ｑ2を用いて並進モード反力τtraextと回転モード反力τrotextに変換することができ、下記の数８のように表される。
【００６３】
【数８】
2009282720.tif 000011
【００６４】
一方で、モード空間から関節空間への逆変換についてはQuarry逆行列Ｑ2-1によって下記の数９に示すように実現される。
【００６５】
【数９】
2009282720.tif 000012
【００６６】
上記数９において、θL・・ref，θR・・refは左右駆動輪１２Ａ，１２Ｂの加速度参照値である。このように変換された左右駆動輪１２Ａ，１２Ｂの加速度参照値θL・・ref，θR・・refと等価慣性行列Ｍθの積をとることで各モータのトルク指令となる。
【００６７】
図５に本発明で提案する次元スケーリングバイラテラル制御手段１００のブロック線図を示す。次元スケーリングバイラテラルとは次元の異なるデバイス間でバイラテラル制御を行うことである。この制御では、並進モードおよび回転モード上で独立して制御を行い、被操作体であるモバイルロボット１１の操作を行う。また、Quarry行列を用いることで和のモードで力制御−差のモードで位置制御をそれぞれ行う。このときのパラメータを下記の表２に示す。
【００６８】
【表２】
2009282720.tif 000013
【００６９】
本実施例では、ハプティックデバイスとしてジョイスティック１０とモバイルロボット１１を用いる。このとき、ジョイスティック１０は人間が操作を行うため動作範囲が有限であるが、モバイルロボット１１は無限に動作が可能である。このため、モバイルロボット１１をジョイスティック１０と同じ次元で制御を行うと動作範囲が限られてしまう。そこで、ジョイスティック１０とモバイルロボット１１の間の次元をスケーリングする方法を提案する。並進モードのトルク参照値は下記の数１０となる。
【００７０】
【数１０】
2009282720.tif 000014
【００７１】
並進モードの位置偏差はモバイルロボット１１の位置を微分して得た速度とジョイスティック１０の位置から下記の数１１として計算される。
【００７２】
【数１１】
2009282720.tif 000015
【００７３】
同様に回転モードのトルク参照値は位置偏差は下記の数１２および数１３で計算できる。
【００７４】
【数１２】
2009282720.tif 000016
【００７５】
【数１３】
2009282720.tif 000017
【００７６】
これら得られた位置とトルクを加速度に統一すると以下の数１４〜数１７のようになる。
【００７７】
【数１４】
2009282720.tif 000018
【００７８】
【数１５】
2009282720.tif 000019
【００７９】
【数１６】
2009282720.tif 000020
【００８０】
【数１７】
2009282720.tif 000021
【００８１】
制御器によりＱ2-1を用いて逆変換を行って下記の数１８および数１９に示すようにジョイスティック１０とモバイルロボット１１の加速度参照値を求める。なお、上述した計算は制御器により行われる。
【００８２】
【数１８】
2009282720.tif 000022
【００８３】
【数１９】
2009282720.tif 000023
【００８４】
ここでモバイルロボット１１の次元をあわせるため、ｓｘ・・ref，ｓφ・・refの積分を行い加速度参照値を算出する。これらの算出は、有限なジョイスティック１０の有限な操作範囲を移動範囲が無限なモバイルロボット１１の被操作動作に変換する次元スケーリング手段１０２により行われ、次元の異なる加速度参照値がジョイスティック１０とモバイルロボット１１に入力される。
【００８５】
次に、実験結果について説明する。
【００８６】
図６は実験の様子を示す説明図であり、モバイルロボット１１を壁に衝突させる実験と悪路を走行する実験を行い、有用性の確認を行った。実験のシステム構成を図７に示す。モバイルロボット１１とジョイスティック１０はRT-Linuxで制御される。パソコン同士はLANで接続され、独自のプロトコルであるNUTPによって通信を行う。NUTPによってモバイルロボット１１とジョイスティック１０の反力および位置を相互に送信する。この送信のためにモバイルロボット１１とジョイスティック１０とはネットワークケーブルにより接続されている。なお、ケーブルを用いずに無線により遠隔操作することもできる。
【００８７】
まず、モバイルロボット１１を壁に衝突させる実験を行った。モバイルロボット１１の初期位置に壁を設置する。そして、ジョイスティック１０から前後に移動する推進指令を送り、壁に衝突させる。このときの実験結果を図８および図９に示す。図８はジョイスティック１０の実験結果であり、図８(a)は角度応答、図８(b)は角速度応答、図８(c)は反力である。同様に、図９はモバイルロボット１１の実験結果であり、図９(a)は位置応答、図９(b)は速度応答、図９(c)は反力である。反力は波形が反転した状態で形はほぼ一致している。壁に衝突した際のモバイルロボット１１の振動はジョイスティック１０の角速度情報および角度情報からフィードバックされていることがわかる。また、モバイルロボット１１の速度とジョイスティック１０の角度の波形がある程度一致しており所望の制御が達成されていること確認できる。
【００８８】
次に、悪路を走行する実験を行った。この実験では、走行する路面に凹凸の波板（図示せず）を置き、その上を走行した。先の実験と同様に、初期位置に波板を置き、ジョイスティック１０から推進指令を送り走行した。図１０はジョイスティック１０の実験結果である。図１０(a)は角度応答、図１０(b)は角速度応答、図１０(c)は反力である。同様に、図１１はモバイルロボット１１の実験結果である。図１１(a)は位置応答、図１１(b)は速度応答、図１１(c)は反力である。また、モバイルロボット１１の振動はジョイスティック１０の角速度に反映されており、モバイルロボット１１の速度とジョイスティック１０の角度もある程度一致する結果となった。この実験において、細かな振動でもジョイスティック１０にフィードバックがなされていることが明らかとなった。
【００８９】
以上のように、本発明では、異なる動作領域を持つロボット同士でのバイラテラル制御の新しい方法として次元スケーリングバイラテラル制御系を提案し、ジョイスティック１０とモバイルロボット１１との間でのモバイルハプトを実現した。これにより、リアルタイムの実世界触覚伝送を可能にした。本発明により、新しい遠隔医療や遠隔操作技術の向上だけでなく、あらゆる実世界触覚情報をフィードバック可能なハプティックデバイスの実現に応用できる。
【００９０】
そして、バイラテラル制御によって双方向伝達される情報に次元スケーリングという新しいスケーリングファクタを導入することにより、ジョイスティック１０の位置変化とモバイルロボット１１の速度変化という異なる次元間で同期をとることが可能になり、結果として双方の動作範囲の違いを補償することができる。
【００９１】
本実施例では、これまでに実現できなかった異なる動作範囲を有するマスタ・スレーブシステムのようなハプティックデバイス間で鋭敏な力覚フィードバックを得ることができ、次元スケーリングを含むバイラテラル制御系の構成を実現した。これにより、例えばジョイスティック１０と移動ロボットであるモバイルロボット１１によって構成されるモバイルハプトのようなシステムにおいて直感的な遠隔操作が可能になる。さらには、ハプティックデバイスの機構によらず遠隔操作の動作範囲を拡張することができ、将来のユビキタス触覚情報伝送社会の実現における基本的手法となりうる。
【００９２】
以上のように本実施例では、動作範囲が異なる操作体たるジョイスティック１０と被操作体たるモバイルロボット１１とを用い、ジョイスティック１０によりモバイルロボット１１を操作する操作方法において、モバイルロボット１１の動作中に、当該モバイルロボット１１が受ける時系列な力の触覚情報を取得し、前記取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理し、前記解析処理結果から前記力の接触情報をジョイスティック１０にフィードバックし、また、動作範囲が異なるジョイスティック１０とモバイルロボット１１とを用い、ジョイスティック１０によりモバイルロボット１１を操作する操作装置において、モバイルロボット１１の動作中に、当該モバイルロボット１１が受ける時系列な力の触覚情報を取得する手段たる移動体制御手段６と、前記取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理する処理手段たるバイラテラル制御手段１００と、前記解析処理結果から前記力の接触情報をジョイスティック１０にフィードバックする力覚フィードバック手段１０２とを備えるから、異なる動作範囲を有するジョイスティック１０とモバイルロボット１１のシステムにおいて、力覚フィードバックを得ながら操作を行うことができ、動作範囲の異なるジョイスティック１０とモバイルロボット１１との間で、直感的な操作が可能となる。
【００９３】
また、被操作体たるモバイルロボット１１が無限に動作可能な移動手段たる左右駆動輪１２Ａ，１２Ｂを備えるから、異なる動作範囲を有するジョイスティック１０とモバイルロボット１１のシステムにおいて、遠隔操作が可能となる。
【００９４】
さらに、前記動作範囲の異なるジョイスティック１０とモバイルロボット１１との間のバイラテラル制御手段１００と、次元を変化させる次元スケーリング手段１０２とを備えるから、バイラテラル制御によって双方向伝達される情報に次元スケーリングというスケーリングファクタを導入することにより、動作の違いであるジョイスティック１０の操作杆１０Ｌの位置変化とモバイルロボット１１の速度変化などといった異なる次元間で同期をとることが可能になり、モバイルロボット１１の動作範囲を無限に拡張することができる。
【００９５】
また、ジョイスティック１０とモバイルロボット１１との機構および動作範囲の違いを補償する手段を備えるから、双方の動作範囲の違いを補償することができ、機構によらず遠隔操作の動作範囲を拡張することができ、将来のユビキタス触覚情報伝送社会の実現における基本的手法が得られる。
【００９６】
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。例えば、操作体はジョイスティックに限らず各種タイプのものを用いることができる。また、被操作体は、モバイルロボット以外にも、鉗子ロボットや宇宙空間での作業用ロボットなど各種のものに適用可能である。さらに、移動手段は車輪に限らず、移動体を無限に移動可能とするものなら無限軌道などでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
上記実施例で提示した操作方法および操作装置により、これまでに実現できなかった異なる動作範囲を有するマスタ・スレーブシステムのようなハプティックデバイス間で鋭敏な力覚フィードバックを得ることをでき、次元スケーリングを含むバイラテラル制御系の構成を実現している。これにより、例えばジョイスティックと移動ロボットによって構成されるモバイルハプトのようなシステムにおいて直感的な遠隔操作が可能になる。さらには、ハプティックデバイスの機構によらず遠隔操作の動作範囲を拡張することができ、将来のユビキタス触覚情報伝送社会の実現に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の実施例１における移動可能なハプティックデバイスを用いて感覚フィードバックを行うモバイルハプトの概略説明図である。
【図２】同上、全体構成を示すブロック図である。
【図３】同上、ジョイスティックのモータのブロック線図である。
【図４】同上、モバイルロボットの加速度制御系のブロック線図である。
【図５】同上、次元スケーリングバイラテラル制御系のブロック線図である。
【図６】同上、実験の様子を示す説明図である。
【図７】同上、実験のシステム構成を示すブロック図である。
【図８】同上、実験装置による実験結果であって、ジョイスティックの衝突実験結果を示すグラフである。
【図９】同上、実験装置による実験結果であって、モバイルロボットの衝突実験結果を示すグラフである。
【図１０】同上、実験装置による実験結果であって、ジョイスティックの悪路走行実験結果を示すグラフである。
【図１１】同上、実験装置による実験結果であって、モバイルロボットの悪路走行実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９９】
１  モータ（並進モード用）
２  モータ（回転モード用）
６  移動体制御手段
７  操作体制御手段
１０  ジョイスティック（操作体）
１１  モバイルロボット（被操作体・移動体）
１００  次元スケーリング制御手段
１０１  力覚フィードバック手段
１０２  次元スケーリング手段
【図１】
2009282720.tif 000024
【図２】
2009282720.tif 000025
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2009282720.tif 000032
【図１１】
2009282720.tif 000033
【図６】
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