(57)【要約】【課題】接触と非接触を繰り返す動作をデータとして保存し、再現することができる位置・力再現方法および位置・力再現装置を提供する。【解決手段】時系列な位置情報と力の接触情報を取得する手段であるアクチュエータ２０１と、取得した位置情報と力の接触情報を解析処理する制御部２０３と、解析処理結果を保存する記憶手段２０４とを備え、保存した解析処理結果により前記位置情報と力の接触情報を再現する。これにより接触時と非接触時の位置・力の双方の再現を実現でき、接触−非接触を繰り返すような動作を保存・再現させることができ、操作者Ａの位置と力の双方を再現することができ、時間と空間を越えて操作者Ａの動作を再現することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
時系列な位置情報と力の接触情報を取得し、
前記取得した位置情報と力の接触情報を解析処理し、
この解析処理結果を記憶手段に保存し、この保存した解析処理結果により前記位置情報と力の接触情報を再現することを特徴とする位置・力再現方法。
【請求項２】
前記位置情報と力の接触情報を可変速で再現することを特徴とする請求項１記載の位置・力再現方法。
【請求項３】
前記位置情報と力の接触情報を、時系列を逆に再現することを特徴とする請求項１または２記載の位置・力再現方法。
【請求項４】
個別の時系列な位置情報と力の接触情報を多数取得し、
前記取得した多数の位置情報と力の接触情報を解析処理し、
この解析処理結果を記憶手段に保存し、この保存した解析処理結果により前記多数の位置情報と力の接触情報を同時または個別に再現することを特徴とする位置・力再現方法。
【請求項５】
時系列な位置情報と力の接触情報を取得する手段と、
前記取得した位置情報と力の接触情報を解析処理する処理手段と、
前記解析処理結果を保存する記憶手段とを備え、
前記保存した解析処理結果により前記位置情報と力の接触情報を再現するように構成したことを特徴とする位置・力再現装置。
【請求項６】
前記位置情報と力の接触情報を可変速で再現する再現条件設定手段を備えることを特徴とする請求項５記載の位置・力再現方法。
【請求項７】
前記位置情報と力の接触情報を、時系列を逆に再現する再現条件設定手段を備えることを特徴とする請求項５または６記載の位置・力再現方法。
【請求項８】
個別の時系列な位置情報と力の接触情報を多数取得する手段と、
前記取得した多数の位置情報と力の接触情報を解析処理する処理手段と、
前記解析処理結果を保存する記憶手段とを備え、
前記保存した解析処理結果により前記多数の位置情報と力の接触情報を同時または個別に再現するように構成したことを特徴とする位置・力再現方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触と非接触の動作をデータとして保存し、再現する位置・力再現方法および位置・力再現装置に関する。
【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】
このように、実世界および実時間における触覚情報の抽出や再現に関する研究は、従来から行なわれているものの、これまでのロボット等を利用したシステムの多くは位置または力のみを保存・再現するものであったため、環境と非接触のみあるいは接触時のみの再現しか行うことができなかった。そして、音声情報や画像情報の保存及び再現についての技術は広く研究開発が行われているが、触覚情報の保存や再現に関する技術は未だ確立されていない。
【０００８】
一方、本願発明者らは、触覚情報を可視化する技術として、「ハプトグラフ（Haptograph）」を提案している（非特許文献５や、特願２００７−２１２６８５号などを参照）。ハプトグラフは、取得した触覚情報に周波数解析を施すことで、あたかも写真のように触覚を色で表現することが可能である。そして、このような技術を利用して、これまでにない情報の保存と再現に関する技術の開発が求められていた。
【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）
【非特許文献５】桂  誠一郎，入江  航平，大石  潔（S．Katsura，K．Irie，K．Ohishi）、「広帯域力制御に基づくハプトグラフによる環境情報の視覚化（Visualization of Environmental Information by Haptograph Based on Wideband Force Control）、米国電気電子学会  第３３回産業電子部門年次会議論文（Proceedings of the 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society）、ＩＥＣＯＮ  ２００７年−台北（IECON'07-TAIPEI）、pp．368−373，２００７年１１月（November，2007）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、接触と非接触を繰り返す動作をデータとして保存し、再現することができる位置・力再現方法および位置・力再現装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明における位置・力再現方法は、時系列な位置情報と力の接触情報を取得し、前記取得した位置情報と力の接触情報を解析処理し、この解析処理結果を記憶手段に保存し、この保存した解析処理結果により前記位置情報と力の接触情報を再現することを特徴とする。
【００１１】
この場合、前記位置情報と力の接触情報を可変速で再現することができる。
【００１２】
また、前記位置情報と力の接触情報を、時系列を逆に再現することもできる。
【００１３】
さらに、個別の時系列な位置情報と力の接触情報を多数取得し、前記取得した多数の位置情報と力の接触情報を解析処理し、この解析処理結果を記憶手段に保存し、この保存した解析処理結果により前記多数の位置情報と力の接触情報を同時または個別に再現することを特徴とする。
【００１４】
上記方法に対応するように、本発明における位置・力再現装置は、時系列な位置情報と力の接触情報を取得する手段と、前記取得した位置情報と力の接触情報を解析処理する処理手段と、前記解析処理結果を保存する記憶手段とを備え、前記保存した解析処理結果により前記位置情報と力の接触情報を再現する構成としている。
【００１５】
この場合、前記位置情報と力の接触情報を可変速で再現する再現条件設定手段を備えることが好ましい。
【００１６】
また、前記位置情報と力の接触情報を、時系列を逆に再現する再現条件設定手段を備えることが好ましい。
【００１７】
さらに、個別の時系列な位置情報と力の接触情報を多数取得する手段と、前記取得した多数の位置情報と力の接触情報を解析処理する処理手段と、前記解析処理結果を保存する記憶手段とを備え、前記保存した解析処理結果により前記多数の位置情報と力の接触情報を同時または個別に再現する構成としている。
【発明の効果】
【００１８】
上記請求項１の方法および請求項５の装置によれば、接触時と非接触時の位置・力の双方の再現を実現でき、接触−非接触を繰り返すような動作を保存・再現させることができる。
【００１９】
上記請求項２の方法および請求項６の装置によれば、保存したデータに基いて、接触−非接触を繰り返す動作を等速・可変速で再現することができる。
【００２０】
上記請求項３の方法および請求項７の装置によれば、接触−非接触を繰り返す動作を逆再生することができる。
【００２１】
上記請求項４の方法および請求項８の装置によれば、多人数による接触−非接触を繰り返す動作を、同時にあるいは個別に保存・再現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明の好適な実施例１を示す視聴覚情報と触覚情報の保存と再現の流れを示している。同図に示すように、視聴覚情報についてはマイクやカメラによって保存され、スピーカやディスプレイを用いて再生される。ここでは触覚情報の保存と再現を実現するモーションコピーシステムを提案する。モーションコピーシステムとは、アクチュエータを用いて触覚情報の保存と再現を行うシステムであり、このモーションコピーシステムは、モーション保存システム２００とモーション再現システム３００で構成される。モーション保存システム２００は操作者Ａの動作を保存し、モーション再現システム３００は保存された動作データを基に、操作者Ａの位置と力の双方を再現することができる。すなわち時間と空間を越えて操作者の動作を再現することができる。このモーションコピー技術を用いれば、熟練技術者の動作を保存することができ、ロボットに技術の継承をさせることが可能となる。
【００２４】
図２は、上述したモーション保存システムの概念を示す図面である。同図に示すように、モーション保存システム２００は、二つのアクチュエータ２０１，２０２によりバイラテラル制御部２０３によって動作する。マスタ側の操作者Ａは、このバイラテラル制御部２０３によりスレーブ側の環境Ｅの感触を知覚できる。このとき、マスタ側の触覚情報を動作データとして、記憶手段たる記憶装置２０４に記憶する。この記憶された動作データは、モーション再現システム３００によって操作者Ａの動作を再現する際に用いられる。
【００２５】
図３は、上述したモーション再現システム３００の概念を示す図面である。モーション再現システム３００では一つのアクチュエータ３０１を用い、このアクチュエータ３０１はスレーブ側となる。マスタ側のアクチュエータは仮想的に用意され、この仮想マスタシステム２Ｋは、モーション保存システム２００の記憶装置２０４で保存された動作データによって構成されている。この保存された動作データを基にして、スレーブ側へ触覚情報を伝送し、スレーブ側のアクチュエータ３０１はそれに従って動作する。このように制御を行うことで、過去に保存されたマスタの操作者Ａの動作データをいつでも再現することができる。
【００２６】
図４は、モーション保存システム２００の実験装置の一例を示している。モーション保存システム２００はリニアモータを備えた２つのアクチュエータ２０１，２０２を備え、同図に示すように、マスタシステム２Ｍのアクチュエータ２０１においては、アクチュエータ２０１の設置用固定板として、平面が矩形の金属製板材からなる土台１２が設けられ、その土台１２の上面における長手方向に沿って、金属製からなる丸棒状の軸体１３が土台１２の上面上に前後方向に移動自在に設けられている。また、軸体１３の長手方向のほぼ中央箇所の位置には、土台１２の上面上に固定したリニアモータ１４が装着されている。このリニアモータ１４によって、軸体１３はその長手方向に移動できるようになっている。さらに、軸体１３の長手方向の他端には、検知手段としての位置エンコーダ１５が装着されている。この位置エンコーダ１５によって、軸体１３の位置と加速度とを測定することができる。
【００２７】
また、同様にスレーブシステム３Ｓのアクチュエータ２０２も、アクチュエータ２０２の設置用固定板として、平面が矩形の金属製板材からなる土台２２が設けられ、この土台２２の上面における長手方向に沿って、金属製からなる丸棒状の軸体２３が土台２２の上面上に前後方向に移動自在に設けられている。また、軸体２３の長手方向のほぼ中央箇所の位置には、土台２２の上面上に固定したリニアモータ２４が装着されている。このリニアモータ２４によって、軸体２３はその長手方向に移動できるようになっている。さらに、軸体２３の長手方向の他端には、検知手段としての位置エンコーダ２５が装着されている。この位置エンコーダ２５によって、軸体２３の位置と加速度とを測定することができる。
【００２８】
モーション保存システム２００では、バイラテラル制御部２０３によりマスタ側の操作者Ａは、スレーブ側の環境Ｅに触れることができる。上記の実験装置で用いたスレーブ側の環境Ｅは鉄のブロックである。モーション保存システム２００はマスタの位置情報と力情報を制御周期毎に記憶装置２０４のメモリに記憶し、動作データファイルとして保存する。
【００２９】
図５は、モーション再現システム３００の実験装置の一例を示している。モーション再現システム３００のアクチュエータ３０１は先述の通りスレーブ側のリニアモータ２４一つのみで構成される。スレーブの先端はモーション保存システム２００と同様、環境Ｅとして鉄のブロックに接触できるように設定されている。モーション保存システム２００の記憶装置２０４で保存された動作データファイルに基づき、モーション再現システム３００はスレーブシステム３Ｓのアクチュエータ３０１を動作させる。なお、各々のシステム２００，３００は、アクチュエータシステム２０１，２０２，３０１以外の各部を制御プログラムで構成し、制御プログラムはRT-Linuxで実装してそのサンプリングタイムを１００μｓに設定している。なお、その制御パラメータを下記の表１に示す。
【００３０】
【表１】
2009279699.tif 000003
図６は、上述したモーション保存システム２００の概念を示すブロック線図である。モーション保存システム２００はバイラテラル制御部２０３を備え、実世界の関節空間と仮想世界のモード空間とに大別される。同図において、マスタモータは、前記マスタシステム２Ｍのリニアモータ１４であり、スレーブモータは、前記スレーブシステム３Ｓのリニアモータ２４である。各マスタには外乱オブザーバ３１，３２がそれぞれ備えられており、外乱の補償を行い、加速度制御を可能とする。パラメータは関節空間からモード空間へQuarry行列（クオリー行列）を用いて変換することができる。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。
【００３１】
下記の数１に２次のQuarry行列Ｑ2を示す。
【００３２】
【数１】
2009279699.tif 000004
図中の反力推定オブザーバ３３，３４はマスタの反力ＦMextとスレーブの反力ＦSextを推定する。推定されたマスタ及びスーブの反力ＦM＾ext，ＦS＾extは、下記の数２に示すQuarry行列Ｑ2によって、和のモードの力応答ＦCresと差のモードの応答ＦDresに変換される。
【００３３】
【数２】
2009279699.tif 000005
また、位置センサたる位置エンコーダ１５，２５より得られたマスタの位置応答ｘMresとスレーブの位置応答ｘSresについても、下記の数３でモード空間に変換される。
【００３４】
【数３】
2009279699.tif 000006
Quarry行列で変換された和のモードの力応答ＦCresと差のモードの位置応答ｘDresを用いて、以下のように制御器が構成される。
【００３５】
【数４】
2009279699.tif 000007
【００３６】
【数５】
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ここでＣfは力制御器３５のゲイン、Ｋpは位置制御器３６の比例ゲイン、Ｋdは微分ゲインである。力制御器３５で得られる和のモードの加速度参照値ｘ・ ・Crefと、位置制御器３６で得られる差のモードの加速度参照値ｘD・・refは、下記の数６に示すQuarry逆行列Ｑ2-1によって関節空間マスタシステム２Ｍと関節空間スレーブシステム３Ｓへそれぞれ逆変換される。
【００３７】
【数６】
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上記のようにして逆変換されたマスタの加速度参照値ｘ・・Mrefとスレーブの加速度参照値ｘ・・Srefにより各アクチュエータが制御される。
【００３８】
このようにして和のモードでは力制御を行い、差のモードでは位置制御を行い、バイラテラル制御部２０３を構成する。この制御部２０３が構築されると、マスタの操作者Ａはスレーブの触覚情報を把握することができる。
【００３９】
そして、モーション保存システム２００は、マスタの位置応答ｘMresとマスタの反力ＦM＾extを記憶装置２０４のメモリに保存し、動作データとして記憶される。この動作データはモーション再現システム３００で操作者Ａの動作を再現する際に用いられる。
【００４０】
図７はモーション再現システム３００のブロック線図を示す。モーション再現システム３００の基本的な構造はモーション保存システム２００と同様である。モーション再現システム３００のモーションコントロールについてもモーション保存システム２００と同様である。すなわちモード空間において和のモードで力制御を、差のモードで位置制御を構成する。モーション保存システム２００との唯一の違いは実世界にマスタシステムが存在しないことである。従ってアクチュエータ３０１は一つのみを用いる。モーション再現システム３００の仮想マスタシステム２Ｋは、仮想マスタモータ１４Ｋが仮想的に用意され、モーション保存システム２００で保存された動作データによって構成されている。この仮想マスタモータ１４Ｋは、保存されたマスタの反力ＦM＾extと位置応答ｘMresの時系列データを一方的に出力する。このように制御部３０３を構成することで、保存されたマスタの位置と力を差異無く再現することができる。つまり、過去に保存された操作者Ａの動作をいつでも再現することが可能となる。
【００４１】
次に、上記図４及び図５で説明した実験装置を用いた実験結果について説明する。図８には、操作者Ａが軸体１３を操作し、軸体１３が環境Ｅに触れない自由動作を行った場合を示し、図９には、軸体１３が環境Ｅを押す動作のみの場合を示し、図１０には、軸体１３を環境Ｅに衝突させた場合の実験結果を示す。また、図８〜１０の(a)、(b)はモーション保存システム２００によって保存された位置情報と力情報をそれぞれ示す。一方、図８〜図１０の(c)、(d)はモーション再現システム３００によって再現された位置と力を示す。この実験結果からは、環境Ｅに接触しない自由動作、環境Ｅを押す動作、環境Ｅに衝突させる動作のいずれの場合であっても、再現された力と位置は保存された力と位置に完璧に合致することがわかる。従って、本発明のモーションコピーシステムは操作者Ａの動作を保存し再現することができる。
【００４２】
以上のように本実施例では、時系列な位置情報と力の接触情報を取得し、前記取得した位置情報と力の接触情報を解析処理し、この解析処理結果を記憶手段たる記憶装置２０４に保存し、この保存した解析処理結果により前記位置情報と力の接触情報を再現する方法を提供し、また、位置・力再現装置は、時系列な位置情報と力の接触情報を取得する手段であるアクチュエータ２０１と、取得した位置情報と力の接触情報を解析処理する処理手段たるモーション保存システム２００の制御部２０３と、解析処理結果を保存する記憶装置２０４とを備え、保存した解析処理結果により前記位置情報と力の接触情報を再現する構成としている。
【００４３】
これにより接触時と非接触時の位置・力の双方の再現を実現でき、接触−非接触を繰り返すような動作を保存・再現させることができる。そして、操作者の位置と力の双方を再現することができ、時間と空間を越えて操作者の動作を再現することができる。このモーションコピー技術を用いれば、熟練技術者の動作を保存することができ、ロボットに技術の継承をさせることが可能となる。
【実施例２】
【００４４】
図１１は本発明の好適な実施例２を示す再現速度可変モーションコピーシステムの概念図であり、この例では、再現する速度を可変にすることができるモーションコピーシステムについて述べる。上述したモーションコピーシステムは保存された動作をそのままの１倍速で再現するのみの例であった。可変再現速度について考慮されたモーションコピーシステムが構築されれば、１倍速だけでなく任意の速度で、保存された操作者Ａの動作を再現することができる。この再現速度は遅くすることも、逆に早くすることも可能であり、自由に設定できる。
【００４５】
モーション保存システム２００は、実施例１の保存システムとなんら変わりはない。従って、実施例１で示した通常のモーション保存システム２００で保存された動作データは、そのまま再現速度可変モーション再現システムに利用できる。
【００４６】
これに対して、図１２に可変再現速度などについて考慮されたモーション再現システム３００Ａのブロック線図を示す。基本的な制御部３０３の構造は実施例１のモーション再現システム３００と同等である。しかし、仮想マスタシステム２Ｋは再現条件設定手段４１を備え、再現速度指令などを与えられる点が異なる。この再現速度指令は自由に設定することができる。その再現条件設定手段４１により外部から与えられた再現速度指令により、保存された動作データの出力速度を変化させる。
【００４７】
また、再現条件設定手段４１は、モーション保存システム２００の記憶装置２０４で記憶したデータを、時間を逆にして、逆再現するように設定したり、この逆再現において再現速度（出力速度）を自由に設定したりすることができ、それらの再現条件は、条件設定入力手段４２により、再現条件設定手段４１に可変で入力設定することができる。その再現条件入力手段４２としてはキーボードや切替操作摘みなどが例示される。
【００４８】
次に、実験例について説明する。実験装置は実施例１のモーションコピーシステムの場合と同様であり、図４に示したモーション保存システム２００の実験装置と、図５のモーション再現システムの実験装置とを使用した。なお、軸体１３を環境Ｅに衝突させた場合のみについて実験を行った。
【００４９】
図１３に、モーション保存システムによって保存された動作データを示す。これに対して、図１４〜図１７に再現速度可変モーション再現システム３００Ａの実験結果を示す。図１４〜図１７の(a)は位置応答を示し、図１４〜図１７の(b)は力応答を表す。これらの図１４〜図１７は、それぞれ再現速度が１倍のとき、２倍のとき、３倍のとき、1/2倍のときを示している。
【００５０】
これらの実験結果から分かることは、再現条件設定手段４１による再現速度指令が任意の値に設定されていても、再現された位置応答と力応答は、モーション保存システムによって保存された位置情報と力情報に合致することである。従って、保存された操作者Ａの動作を任意の速度で再現可能なことが確認できる。これまで行われていた音声と画像のスローモーションではなく、物体の位置情報と力情報とをスローモーションや逆再生で得ることができる。なお、実験では、再現速度が１倍、２倍、３倍、1/2倍の場合を行ったが、再現速度をアナログ的に設定可能にしてもよいし、時間を逆にした逆再現の場合にも、再現速度を可変にすることができる。
【００５１】
以上のように本実施例では、再現条件設定手段４１により、前記位置情報と力の接触情報を可変速で再現することができ、保存したデータに基いて、接触−非接触を繰り返す動作を等速・可変速で再現することができる。
【００５２】
また、位置情報と力の接触情報を、時系列を逆に再現する再現条件設定手段４１を備えるから、接触−非接触を繰り返す動作を逆再生することができ、さらに、可変速で逆再生することもできる。
【実施例３】
【００５３】
図１８は本発明の好適な実施例３を示すモーションコピーシステムのブロック線図であり、この例のモーションコピーシステムでは、アイデンティティ比を考慮したマルチラテラル制御を行う。このマルチラテラル制御はバイラテラル制御を拡張したものであり、複数台のモータ間で力と位置のやり取りを行い、触覚情報の共有を可能とする。従来のマルチラテラル制御では複数台のモータは同じ動作をする。従って、複数のマスタが一つのスレーブを操作しようとする場合、複数の操作者Ａ，Ａ…同士で互いに影響しクロストークが発生する。すなわち各々の操作者Ａ，Ａ…はスレーブの触覚情報だけでなく、他の操作者Ａ，Ａ…の動作までも知覚することになる。これは将来の触覚放送技術を構築する上で問題となる。
【００５４】
そこで、アイデンティティ比を用いたマルチラテラル制御を提案する。モーションコピーシステムに、マルチラテラル制御部２０５を設けることによって操作者Ａ，Ａ…間の情報分離が可能となる。この制御系はＮ−１台のマスタで１台のスレーブを操作することを目的とする。図中のマスタ１〜Ｎ−１の反力の等価加速度ｘ・・M1Fres〜ｘ・・MN-1Fres及びスレーブの反力の等価加速度ｘ・・SFresはＮ次のQuarry行列ＱNによってモード分解され、モード分解するためのモード分解手段を制御部２０５が備える。このうち分解された和のモードの反力の等価加速度ｘ・・CFresを使ってモード空間において力サーボ（力制御器）３５により制御を行う。一方で、同様に差のモードに分解された実加速度ｘ・・D1Pres〜ｘ・・DN-1Presを用いて位置レギュレータ（位置制御器）３６により制御される。和のモードの加速度参照値ｘ・・Cref及び差のモードの加速度参照値ｘ・・D1ref〜ｘ・・DNrefは、Quarry逆行列Ｑ2-1によって、マスタ１〜Ｎ−１の加速度参照値ｘ・・M1ref〜ｘ・・MN-1refとスレーブの加速度参照値ｘ・・Srefに変換でき、このための演算処理手段５１を制御部２０５は備える。なお、演算処理手段５１にはコンピュータの計算アルゴリズムを用いることができる。
【００５５】
従来のマルチラテラル制御では、この各々の加速度参照値をそのまま各マスタに入力していたが、ここではアイデンティティ比を乗算した後に各マスタに入力する。マスタがＮ−１台存在するとき、マスタｉのアイデンティティ比ＩＲiは、下記の数７から得られる。また、各々の加速度参照値とアイデンティティ比を乗算する作業も前記制御部２０５によりなされる。
【００５６】
【数７】
2009279699.tif 000010
ここでＦiextはマスタｉの推定反力である。アイデンティティ比はスレーブに加わる全体の入力に対する自身の入力の比であり、これを反映することで各マスタの独立な動作を可能にする。従って各々のマスタ間では情報分離がなされた上で、複数のマスタで１つのスレーブを操作し触覚情報の共有ができる。
【００５７】
図１９に各マスタシステム２Ｍ，２Ｍとスレーブシステム３Ｓのブロック線図を示す。外乱オブザーバ３１はアクチュエータに加わる外乱Ｆdisを推定し、これを補償することで加速度制御を実現する。反力の等価加速度ｘ・・Fresは反力推定オブザーバによって推定された反力Ｆ＾extと慣性Ｍnで計算される。図１８に示すマルチラテラル制御系は、図１９の加速度応答値ｘ・・Pres、反力の等価加速度ｘ・・Fresを用いて構成する。
【００５８】
この例のモーションコピーシステムは、モーション保存システム２００Ｂとモーション再現システム３００Ｂの２つで構成される。ここではそのうちの一方、モーション保存システム２００Ｂについて説明する。
【００５９】
基本的な構造はアイデンティティ比を考慮したマルチラテラル制御と同等である。モーションコピーシステムで用いられるパラメータを以下に示す。この例のモーションコピーシステムは、任意の複数台数のマスタシステム２Ｍが存在する場合でも対応できるが、ここでは２つのマスタシステム２Ｍ，２Ｍと１つのスレーブシステム３Ｓで構成された例について述べる。
【００６０】
図２０は、モーション保存システム２００Ｂの実験装置の一例を示している。この例のモーション保存システム２００Ｂの実験ではリニアモータを備えた３つのアクチュエータ２０１，２０１Ａ，２０２を使用し、うち２つのアクチュエータ２０１，２０１Ａをマスタ１，マスタ２、残り１つのアクチュエータ２０２をスレーブとする。マスタ１及びマスタ２のアクチュエータ２０１，２０１Ａはそれぞれの操作者Ａ，Ａが操作を行い、スレーブを動作させる。スレーブ側リニアモータ２４の軸体１３の先端が環境Ｅに接触し、この感触をマルチラテラル制御によって各マスタに伝達する。本実験ではスレーブ側の環境Ｅにスポンジを用いた。スポンジの硬さはモデル化していない。すなわち、制御系にとって未知のパラメータである。各アクチュエータ２０１，２０１Ａ，２０２は制御部３０３により制御され、RT-Linuxによってプログラム制御され、各操作者Ａの動作を記憶装置２０４のメモリに保存し動作データをファイルに出力する。保存された動作データファイルはモーション再現システム３００Ｂで利用される。
【００６１】
図２１は、モーション再現システム３００Ｂの実験装置の一例を示している。スレーブは仮想的に用意するため、モーション保存システム２００Ｂの場合と異なり、アクチュエータ３０１は、２台のリニアモータ２４，２４Ａを使用する。この２台のリニアモータ２４，２４Ａがそれぞれマスタ１とマスタ２となる。各マスタの軸体２３，２３の先端は、モーション保存システム２００Ｂで用いたスポンジに接触できるように設定されている。モーション再現システム３００Ｂについても制御部３０３により制御され、RT-Linuxによって制御され、再現する際には、モーション保存システム２００Ｂによって作成された動作データファイルを基にして制御が行われる。
【００６２】
図２２にモーション保存システム２００Ｂのブロック線図を示す。モーション保存システム２００Ｂは仮想的なモード空間と実世界の関節空間の２つの空間を有する。実世界の関節空間における物理的なあらゆるパラメータは、Quarry行列によって仮想的なモード空間へと変換できる。３次のQuarry行列Ｑ3は以下に示す数８で与えられる。
【００６３】
【数８】
2009279699.tif 000011
このQuarry行列Ｑ3によってマルチラテラル制御を実現できる。各マスタシステム２Ｍ，２Ｍとスレーブシステム３Ｓの反力の等価加速度ｘ・・M1Fres，ｘ・・M2Fres，ｘ・・SFresは、下記の数９によって各モードの等価加速度に分解され、制御部２０５はその分解の分解手段を備える。
【００６４】
【数９】
2009279699.tif 000012
マスタ及びスレーブの実加速度ｘ・・M1Pres，ｘ・・M2Pres，ｘ・・SPresの場合も同様に、下記の数１０を用いて関節空間からモード空間へ変換し、制御部２０５はその変換のための変化手段を備える。
【００６５】
【数１０】
2009279699.tif 000013
モード空間へ変換された各々の加速度のうち実際に制御に用いられるのは、共通モードにおける反力の等価加速度ｘ・・CFres，差動モード１の実加速度ｘ・・D1Pres及び差動モード２の実加速度ｘ・・D2Presの３つのみである。共通モードにおいて、反力の等価加速度ｘ・・CFresを用い、下記の数１１に示すように、力サーボ３５により制御される。
【００６６】
【数１１】
2009279699.tif 000014
前記数１１において、Ｃfは力制御器３５のゲインである。
【００６７】
一方の差動モードにおいては実加速度ｘ・・D1Pres，ｘ・・D2Presを用いて、下記の数１２，数１３により位置レギュレータ３６を構成する。
【００６８】
【数１２】
2009279699.tif 000015
【００６９】
【数１３】
2009279699.tif 000016
ここで、ＫP，Ｋｖは位置レギュレータ３６のゲインである。上記数１１〜数
１３で計算された各モードの加速度参照値は、Quarry逆行列ＱS-1によって仮想的なモード空間から実世界の関節空間へと逆変換でき、制御部３０３はその逆変換のための逆変換手段を備える。
【００７０】
【数１４】
2009279699.tif 000017
上記数１４により各マスタの加速度参照値ｘ・・M1ref〜ｘ・・M2refとスレーブの加速度参照値ｘ・・Srefが計算される。アイデンティティ比を用いたマルチラテラル制御を行う場合では、この加速度参照値は実際には各々のアイデンティティ比を掛けた後にマスタ及びスレーブに入力する。マスタ１のアイデンティティ比ＩＲ1は下記の数１５を用いて算出し、マスタ２のアイデンティティ比ＩＲ2は下記の数１６を用いて算出する。
【００７１】
【数１５】
2009279699.tif 000018
【００７２】
【数１６】
2009279699.tif 000019
このアイデンティティ比はオンラインで計算され、各々のマスタの入力によって時々刻々と変化する。ここでは各マスタの入力が閾値である0.3Ｎ以上の場合にアイデンティティ比を有効とする。アイデンティティ比は実空間のマスタの位置参値を強制的に変化させる。従って、他のマスタ及びスレーブとの位置応答を仮想的に揃える必要がある。そこで、各マスタの応答値にアイデンティティ比の逆数を乗じる。なお、これらの制御は制御部２０５によりなされる。
【００７３】
モーション保存システム２００Ｂでは、スレーブの反力の等価加速度ｘ・・SFresと実加速度ｘ・・SPres，及びマスタ１のアイデンティティ比ＩＲ1，マスタ２のアイデンティティ比ＩＲ2の時系列データを制御周期毎に保存する。保存されたデータはモーション再現システム３００Ｂで各操作者Ａ，Ａの動作を再現する際に用いられる。
【００７４】
図２３に、モーション再現システム３００Ｂのブロック線図を示す。モーション再現システム３００Ｂの基本的な構造は、モーション保存システム２００Ｂの場合と同じである。ただし、モーション保存システム２００Ｂと違う点は、保存されたデータを仮想的なスレーブと見立て、仮想スレーブシステム３Ｋが仮想的に用意されている。すなわち、再現システム３００Ｂではスレーブを使用しない。この仮想スレーブは、保存されたスレーブの反力の等価加速度ｘ・・SFresと実加速度ｘ・・SPresの時系列データを一方的に出力する。また、モーション保存システム２００Ｂで保存されたマスタ１のアイデンティティ比ＩＲ1，マスタ２のアイデンティティ比ＩＲ2に従い、それぞれのアイデンティティ比についても操作する。このようにしてモーション保存システム２００Ｂで保存された動作データを用いて仮想的に用意されたスレーブに従い、マスタ１とマスタ２は制御される。提案するモーション再現システム３００Ｂにより、マスタ１の操作者Ａとマスタ２の操作者Ａの動作を独立して再現することが可能となる。
【００７５】
次に、図２０および図２１に示した実験装置による実験結果について説明する。図２４はモーション保存システム２００Ｂの実験結果を示し、図２４(a)は位置応答を示し、図２４(b)は力応答を示し、図２４(c)はアイデンティティ比の変化を示す。従来のマルチラテラル制御では、全てのシステムの位置応答は一致したものとなる。しかしながら、図２４(a)からは、各々のマスタ及びスレーブの位置応答は、アイデンティティ比に従い異なったものとなっていることがわかる。アイデンティティ比によって、スレーブの位置応答を入力に応じて各マスタに分配できていることが確認できる。モーション保存システム２００Ｂの実験では、スレーブの動作データと各マスタのアイデンティティ比が保存される。
【００７６】
図２５はモーション再現システム３００Ｂの実験結果を示し、図２５のスレーブのデータと各マスタのアイデンティティ比は、モーション再現システム３００Ｂによって保存された動作データである。図２５(a)のマスタ１及びマスタ２の位置応答は、図２４(a)に示すマスタ１とマスタ２の位置応答に合致していることが確認できる。また、図２５(b)に示す各マスタの力応答についても、図２４(b)に示される各マスタの力応答に一致する。すなわち、各マスタの位置と力が、過去に保存された位置と力に追従している。またマスタ１の操作者Ａとマスタ２の操作者Ａの位置と力を再現することができることも確認できる。従って、マスタ１とマスタ２は独立してモーションの保存と再現ができることを示している。
【００７７】
このように、モーション保存システム２００Ｂによって各マスタの動作データを保存し、モーション再現システム３００Ｂによって再現することができる。結果として一連のモーションコピーシステムによって各マスタの操作者Ａの位置と力を再現できることを確認した。
【００７８】
以上のように本実施例では、個別の時系列な位置情報と力の接触情報を多数取得し、取得した多数の位置情報と力の接触情報を解析処理し、この解析処理結果を記憶手段に保存し、この保存した解析処理結果により多数の位置情報と力の接触情報を同時または個別に再現し、また、個別の時系列な位置情報と力の接触情報を多数取得する手段たるアクチュエータ２０１，２０１Ａと、取得した多数の位置情報と力の接触情報を解析処理する処理手段たる制御部２０５と、解析処理結果を保存する記憶手段たる記憶装置２０４とを備え、保存した解析処理結果により多数の位置情報と力の接触情報を同時または個別に再現する構成としているから、多人数による接触−非接触を繰り返す動作を、同時にあるいは個別に保存・再現することができる。
【００７９】
また、スレーブに加わる全体の入力に対する自身の入力の比であるアイデンティティ比を用いた制御を行うことにより、操作者Ａ，Ａ…間の情報分離が可能となり、保存されたデータによりモーション再現システム３００Ｂで各操作者Ａ，Ａの動作を独立して再現することができる。
【００８０】
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】
【００８１】
上記実施例で提示した位置・力再現方法および位置・力再現装置により、操作者の位置と力の双方を再現することができ、時間と空間を越えて操作者の動作を再現することができる。このモーションコピー技術を用いれば、熟練技術者の動作を保存することができ、ロボットに技術の継承をさせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の実施例１における視聴覚情報と触覚情報の保存と再現を示す概略図である。
【図２】同上、モーション保存システムの概念を示した説明図である。
【図３】同上、モーション再現システムの概念を示した説明図である。
【図４】同上、モーション保存システムの実験装置を示す説明図である。
【図５】同上、モーション再現システムの実験装置を示す説明図である。
【図６】同上、モーション保存システムのブロック線図である。
【図７】同上、モーション保存システムのブロック線図である。
【図８】同上、実験装置による実験結果であって、自由動作の場合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、押す動作の場合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、衝突動作の場合を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施例２における再現速度可変モーションコピーシステムの概念を示した説明図である。
【図１２】同上、再現速度について考慮されたモーション再現システムのブロック線図である。
【図１３】同上、モーション保存システムによって保存された動作データを示すグラフ図である。
【図１４】同上、再現速度可変モーション再現システムの実験結果を示し、再現速度１倍の場合のグラフ図である。
【図１５】同上、再現速度可変モーション再現システムの実験結果を示し、再現速度２倍の場合のグラフ図である。
【図１６】同上、再現速度可変モーション再現システムの実験結果を示し、再現速度３倍の場合のグラフ図である。
【図１７】同上、再現速度可変モーション再現システムの実験結果を示し、再現速度1/2倍の場合のグラフ図である。
【図１８】本発明の実施例３におけるモーション保存システムのブロック線図である。
【図１９】同上、各マスタシステムとスレーブシステムのブロック線図である。
【図２０】同上、モーション保存システムの実験装置を示す説明図である。
【図２１】同上、モーション再現システムの実験装置を示す説明図である。
【図２２】同上、マルチラテラル制御とアイデンティティ比に基づくモーション保存システムのブロック線図である。
【図２３】同上、マルチラテラル制御を用いたモーション再現システムのブロック線図である。
【図２４】同上、実験装置による実験結果であって、モーション保存システムの結果を示すグラフである。
【図２５】同上、実験装置による実験結果であって、モーション再現システムの結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８３】
２Ｍ  マスタシステム
３Ｓ  スレーブシステム
４１  再現条件設定手段
２００  モーション保存システム
２００Ａ  モーション保存システム
２００Ｂ  モーション保存システム
２０１  アクチュエータ（取得する手段）
２０１Ａ  アクチュエータ（取得する手段）
２０３  バイラテラル制御部
２０４  記憶装置（記憶手段）
２０５  マルチラテラル制御部
３００  モーション再現システム
３００Ａ  モーション再現システム
３００Ｂ  モーション再現システム
３０１  アクチュエータ
３０３  制御部
【図６】
2009279699.tif 000020
【図７】
2009279699.tif 000021
【図１１】
2009279699.tif 000022
【図１２】
2009279699.tif 000023
【図１８】
2009279699.tif 000024
【図１９】
2009279699.tif 000025
【図２２】
2009279699.tif 000026
【図２３】
2009279699.tif 000027
【図２４】
2009279699.tif 000028
【図２５】
2009279699.tif 000029
【図１】
2009279699.tif 000030
【図２】
2009279699.tif 000031
【図３】
2009279699.tif 000032
【図４】
2009279699.tif 000033
【図５】
2009279699.tif 000034
【図８】
2009279699.tif 000035
【図９】
2009279699.tif 000036
【図１０】
2009279699.tif 000037
【図１３】
2009279699.tif 000038
【図１４】
2009279699.tif 000039
【図１５】
2009279699.tif 000040
【図１６】
2009279699.tif 000041
【図１７】
2009279699.tif 000042
【図２０】
2009279699.tif 000043
【図２１】
2009279699.tif 000044