計測自動制御学会東北支部 第 202 回研究集会 (2002.7.2)
資料番号 202-1

ウェアラブルロボットの制御システム
Control Systems of Wearable Robots○藤田雄太郎，葛西昭治，佐藤千秋，妻木勇一○ Yutaro Fujita, Shoji Kasai, Chiaki Sato and Yuichi Tsumaki
弘前大学

Hirosaki University
キーワード : ウェアラブルロボット (wearable robot)，テレコミュニケーター (telecommunicator)，テレロボット(telerobot)，パーソナルロボット (personal robot)，仮想現実 (virtual reality)

連絡先 : 〒 036-8561 弘前市文京町 3 番地 弘前大学理工部知能機械システム工学科
妻木勇一，Tel: (0172)39-3686， E-mail: tsumaki@cc.hirosaki-u.ac.jp

1.

はじめにとして，T1, T2 と呼ぶ 2 台のプロトタイプモデ
ルを設計，製作してきた．T1 は，研究用プラット

これまで，我々はテレコミュニケーターと呼ぶ
新しいテレロボットシステムを提案してきた 1) ．
これは，遠隔地に居る人がロボットを通して現地に居る人とコミュニケーションを図る事を目的としたロボットシステムである．概念図を Fig. 1 に示す．携帯電話等の無線通信とインターネットをフォームとして高精度なサーボ機構と拡張性の高い制御システムから構成される．一方，T2 は，小型軽量化を目指すため，簡易型のシステム構成となっている．本論文では，これら 2 台のプロトタイプモデルのハードウェア及び制御システムに関して詳細に述べる．

利用することで，地球規模の自由度の高いシステ
ムが構築可能である．テレコミュニケーターには，ウェアラウブル型と移動型の 2 種類のシステムが2.

ウェアラブルテレコミュニケー
ター考えられている．いずれも，可動式のカメラとポインティング用の腕を有している．これらを利用

ウェアラブルテレコミュニケーターは，小型のすることで遠隔地に居る人は見たいところを自由

ロボットを現地に居る人に装着させることで，遠に見たり，ジェスチャを交えたコミュニケーション

隔地に居る人がこれを通し，装着者とコミュニケーを図ることが可能となる．その結果，従来の携帯ションを図ったり，共通の経験を共有することを電話に比べ高い臨場感を伴ったコミュニケーショ目的としたロボットシステムである．また，ロボッンを実現したり，現地の雰囲気を経験することがトを知能化することで，秘書機能に代表される装できる．すなわち，一種のテレイグジスタンスを着者に対する補助システムとしての可能性も期待実現するテレロボットシステムと言える．

できる．

これまで，ウェアラブルテレコミュニケーター–1–

ロボットは，小型カメラを装備した可動式頭部

InternetHi!

w
Ho!
Hi

isit?

It’sc

ool!

!
Hi

Wearable type

Mobile typeFig. 2
Fig. 1

Photo of T1.

Concept of Telecommunicator.の拡張機能に関する問題で，装着者に対するナビとジェスチャやポインティング用に使用される腕ゲーションや危険認識といった機能を実現するた部から構成される．携帯電話や無線 LAN によりめに必要となる．3 番目と 4 番目は，基本的な問インターネットに接続し，遠隔地のオペレータは，題であり，最後の問題ではジェスチャを利用したロボットを通し見たいところを自由に見たり，ジェ感情表現が重要な役割を果たすと考えられる．

スチャを交えて装着者やその周りの人とコミュニ

このようなウェアラブルテレコミュニケーターケーションを図ることができる．思い通りに視点の可能性と基礎技術を確立するため，2 種類のプを変える事ができるため，高い臨場感を持って現ロトタイプモデルを設計，製作した．詳細を次章

地の経験を装着者と共有できることが期待される．に示す．

ただし，移動手段は，装着者に依存しているため装着者との円滑な関係が重要となる．

なお，ウェアラブルテレコミュニケーターの装着位置であるが，空間安定性，装着者との関係，視このようなウェアラブルロボットを実現するた
めには，以下の問題を解決しなければならない．

• 装着者の体の動きの影響を補償する制御シ界の広さ，見た目等を考慮した結果，肩が最適であるとの結論を得た 2) ．そこで，製作したウェア
ラブルテレコミュニケーターは，肩に載せて使用することを前提に設計を行った．

ステムの確立• 知能化

3.

研究用プラットフォーム T1• 小型軽量化

3.1

T1 の本体• 操作性の良い操作システムの確立

高度な制御システムを構築できるよう，研究用プラットフォームとして T1 を設計，開発した 3) ．

• 装着者との円滑なコミュニケーションの実現

したがって，大きさにはあまり重点を置かず，高最初の問題では，装着者の体の動きによる画像精度なサーボ機構と拡張性の高い制御システムをのぶれを補正したり，操作者の空間知覚を喪失さ有する構成とした．T1 の外観を Fig 2 に示す．自せない制御手法を確立することが必要となる．2

由度は頭部，腕部共に 2 自由度の合計 4 自由度で番目の問題は，ウェアラブルテレコミュニケーターある．自由度配置を Fig. 3 に示す．4 自由度の配–2–

Camera
q4q2
q1

Hand

Fig. 3q3

Kinematic structure of T1.

Fig. 5Assembly drawing of T1 (side view).

Table 1

Fig. 4

Dimensional drawing of T1.

置としたのは，頭部の動きと腕部の動きを独立させることにより，ジェスチャによる，より豊かな感情表現を実現させるためである．T1 の仕様をTable 1 に示す．

Specifications of T1.

item

specification

weight
d.o.f

350 g
4

motion range for head(azimuth)-180 ∼ 180 deg

motion range for head(elevation)-32 ∼ 45 deg

motion range for body-105 ∼ 105 deg(azimuth)motion range for hand∞(elevation)

頭部は，画像ブレを抑えるために高精度な制御システムが要求される．そこで，ハーモニックギアとサーボモータの組み合わせを採用した．ハーモニックギアは，減速比が高いためモータを小型化することができる．ここでは，100:1 のギア比を選択した．これにより，分解能が低いエンコーダーを使用しても出力軸では十分な分解能を得ることができる．実際，16 パルスのエンコーダーを使用することで小型化にも配慮した．さらに，小型化を実現するために，モータとハーモニックギアを並列に配置して平歯車でモータの出力をギアに伝達する構成とした．平歯車を用いることでバックラッシュが生じるが，減速前のため，出力軸に与搭載されている．
腕部は，ジェスチャ用のため高い精度は要求されない．そこで小型化を考慮し，DC サーボモー
タと遊星ギアの組み合わせを用いた．減速比は，64:1 で，エンコーダの分解能は 12 パルスである．
なお，腕の向きの認識性を向上させるため，上下方向は，腕だけ動くものの，左右方向には体ごと動く構成とした．
最終的に全高 110 mm の大きさとなった．外寸および側面組立図を Fig 4, 5 にそれぞれ示す．

3.2

T1 の制御システムえる影響は小さい．頭部は小型の CCD カメラとT1 の制御システムは，拡張性を持たせるため装着者の動きを検出するためのジャイロセンサがPCI バスをベースにシステムを構成した．これに–3–Telecommunicator

Contorol Box
Fan

CCD
CameraWireless LAN Card

Encoder

TitechDriverMotor
RitechInterface
Board

Gyro
SensorVideo
CaptureCard

PCI Backplane

Sound
Card

PCI Bus
Adapter

Mouse

Battery

SBC

HD

MIC
Keyboard

MonitorSpeakerFig. 6

Details of the T1 control system.
Fig. 7

Photo of T2.

より，現在市販されている画像処理ボード等の導入が容易になる．ただし，PCI バスを用いるため大型化は避けられず，装着者が背負って持ち運ぶ構造とした．

T1 の制御システムの詳細を Fig. 6 に示す．CCD
カメラの画像はビデオキャプチャカードに，音声情報はサウンドカードを通して制御用計算機にそれぞれ取り込まれる．駆動部の入出力には，RitechInterface Board を使用する．モータアンプには，Titech Driver を使用する．無線 LAN の PCMCIA
カードは PCI バスアダプタを使って装着される．制Fig. 8

御用計算機には，SBC (Single Board Computer) をDimensional drawing of T2.

使用し，OS にはリアルタイム OS である RT-Linuxを使用する．現在の CPU は，PentiumIII 700 MHz実現した．本体の外寸を Fig 8 に示す．一方，T2である．画像及び音声の通信には，ビデオ会議シの自由度は 3 自由度とした．これは，一般に指示ステムである VIC, RAT を利用する．このように，方向と視線方向が一致することにより，左右方向T1 の制御システムは，一つの計算機により制御かの自由度を共通化したことによる．自由度配置をら通信までカバーする構成となっている．

Fig. 9 に示す．また，T2 の仕様を Table 1に示す．
頭部には小型 CMOS カメラを搭載し，制御用4.

小型軽量プロトタイプ T2

4.1

T2 の本体CPU である PIC は，本体に内臓されている．PICは，ホスト PC であるノート PC と USB で接続されいる．

T2 は，小型軽量化の可能性を検討するために開発した 4) ．このため，機能としては T1 のよう4.2な高機能化は行わず，自由度数も減らした．T2 の
外観を Fig 7 に示す．

T2 の制御システム

T2 の制御システムを Fig. 10 及び Fig. 11 に示す．RC サーボモータはそのパッケージに DC モー

T2 は，本体だけでなく制御システムも含め小タ，減速機，ポテンショメータ，サーボアンプを含型軽量化を目指した．このため，RC サーボモータんでいる．外部から電源と制御信号を加えるだけを使用し，制御用 CPU として PIC を用いることで，回転角度の位置制御が行われる．RC サーボにした．これにより，全体として大幅な小型化をモータの制御は，角度指令値に応じたパルス幅の–4–Camera
q3

Control command
Power supply

q2

Video signal
T2Video capture
cableq1Hand

USB port
Host PCFig. 9

Kinematic structure of T2.
Fig. 10

Table 2The T2 system.

Specifications of T2.

RC servo motor(Arm)(Body)(Camera)item

specification

Host PCweight

170 g

USB

d.o.f

(including harness)
3interface

USB(LS mode 1.5 Mbps)

motion range for head(elevation)-20 ∼ 40 deg

motion range for body(azimuth)-80 ∼ 80 deg

motion range for hand(elevation)0 ∼ 160 deg

USB interface
CYC7C63001

Fig. 11RC servo controller
PIC16F873

Details of the T2 control system.

速度は 1.5 Mbps である．
このような構成にすることで，T2 は，制御信号及び電源を供給する USB ケーブルとビデオキャプチャに入力するビデオ信号用のケーブルをノーPWM 信号を PIC により生成することで行う．角ト PC に接続するだけで良い．将来的には，ビデ度制御指令値は，8 bit で構成した．このため，出オ信号も USB で取り扱うことも可能であると考力軸における角度分解能は，0.6 deg となる．CPUえられる．ただし，現状，USB の電源容量だけでには，Microchip Technology 社の PIC16F873 を使

は 3 個のモータを同時に駆動するには不十分なた用した．

め，モータの駆動方式を工夫する必要がある．

T2 のシステムでは，PIC が RC サーボモータを直接制御するが，上位の指令生成は，ホスト PC

5.

操作システムであるノート PC で行う．このため，PIC とノー容易な操作を実現するため新しい操作インタ

ト PC は USB により接続されている．ホスト PC

フェースを開発した．外観を Fig. 12 に示す．腕部は，ビデオ信号の入力と通信も請け負う．

USB を使用した理由は，現在，広く一般的にの制御には，本体と同様の自由度配置を持つジョ使用されていることと，従来あるインタフェースイスティックを使用する．これは，腕部の指す方に比べデータ転送速度が速く，PC からの電力供向を直感的にオペレータが認識できるためである．

給も小電力であれば可能であることによる．ここ

角度検出用に 2 つのポテンショメータが内臓されでは，Cypress Semiconductor 社の CY7C63001 をている．ジョイスティックの側面組立図を Fig. 13利用した USB インタフェースを採用した．なお，に示す．
頭部の操作には動作検出用マニュピュレータを

バス速度はロースピードモード (LS) で動作し通信装着したフェイスマウントディスプレイを用いる．

–5–

Face Mounted Display
Wearable
Telecommunicator
Control Box

Joystick
3-DOF Manipulator
USBInternetPIC
Control Box

Fig. 12

Overview of the operation system.

Fig. 14

Assembly drawing of a 3-DOF manipu-lator.

Left handFig. 15

Front side

Right handViews from T2 on right shoulder.

PC でビデオ映像を見ながら，カメラ，腕，上体の動きを確認した．T2 から見た画像を Fig. 15 に示す．

Fig. 13

Assembly drawing of a joystick.

7.

まとめ

動作検出用マニピュレータを Fig. 14 に示す．これ

ウェアラブルテレコミュニケーターの研究用とは，操作者の頭部の動きを測定するもので 3 自由して高機能化を目指した T1 と十分な小型軽量化度の自由度を持つ．ジョイスティックと同様にポテを実現した T2 を設計，製作した．両プロトタイ

ンショメータを使って関節角度が計測される．テプモデルのハードウェアと制御システムに関してレコミュニケーターを操作するために必要な角度述べた．今後，通信を含めた総合的な環境の中で，は頭部の azimuth 角と elevation 角の 2 自由度だ必要となる基本機能を確立する予定である．

けであるが，直接これらの角度を測定することは困難であるため，今回は，3 自由度のマニピュレー

参考文献

タを使用することとした．

1) 妻木，Nenchev, 内山，テレコミュニケーター，日本機械学会 [No. 98-4] ロボティクス・メカトロニ
クス講演会’98 講演論文集，2CI3-6, 1998.

これら 2 つの操作インタフェースの情報は，PICに入力され，USB により操作用 PC に取り込まれる．

2) 妻木，藤田，佐藤，ウェアラブルテレコミュニケー
ターの設計，第 19 回日本ロボット学会学術講演会
予稿集，pp. 735–736, 2001.

6.

3) 藤田，佐藤，妻木，ウェアラブルロボット T1 の開発，日本機械学会 [No. 02-6] ロボティクス・メカト
ロニクス講演会’02 講演論文集，1A1-F06, 2002.

動作実験
T1 は動作実験を行う段階には至っていない．

ここでは，T2 の基本動作の確認を行った．ホスト–6–4) 葛西，妻木，小型軽量ウェアラブルロボット T2 の開発，日本機械学会 [No. 02-6] ロボティクス・メカ
トロニクス講演会’02 講演論文集，1A1-F07, 2002.