第 14 回日本バーチャルリアリティ学会大会論文集 (2009 年 9 月)

6 自由度ヘッド及び空圧アームを有するロボットを用いたマスタスレーブシステムの構築-テレイグジスタンスの研究第 60 報Master-Slave System using Robot with a 6DOF Robot Head and Pneumatic Robot Arms.
-Study on telexistence LX渡邊孝一 1) ，川上直樹 2) , 舘

1)

Kouichi WATANABE, Naoki KAWAKAMI and Susumu TACHI
1) 慶應義塾大学 大学院メディアデザイン研究科（〒 223-8526 神奈川県横浜市港北区日吉 4-1-1, {kouichi, tachi}@tachilab.org）
2) 東京大学 大学院情報理工学系研究科（〒 113-8656 東京都文京区本郷 7-3-1, kawakami@star.t.u-tokyo.ac.jp）

Abstract : We propose a new master-slave system that aim to make safety and smooth communication with human. Proposed slave head has 6 DOF unlike conventional robot head which has 3DOF. It achieves not only gestures generated by a combination of the robot head and other bodyparts but also motion parallax of operator. Proposed slave arm has pneumatic actuators instead ofelectronic DC motors, and it achieves a mechanical compliance of robot arm as near as a essential
softness of human arm. In this research, we construct and implement a master-slave system thatconsists of an above mentioned 6 DOF robot head and pneumatic robot arms.
Key Words: telexistence, master-slave, human-robot communication

1.

はじめに全体を利用してジェスチャーをする，など身体に深く関わる

我々は遠隔操縦・遠隔コミュニケーションにおいてあた動作が多数挙げられる．これらは，接触を伴う相互作用がかもロボットの存在する遠隔の環境に居るかのような高度ない場合とある場合に分けられる．接触を伴う相互作用がな臨場感を持つことを可能とする技術，テレイグジスタン無い場合とは，図 1(a) のようなジェスチャなどを指す．こスの研究を進めている．テレイグジスタンスを利用するこの場合では，操縦者の思い通りに動くこと，自分の姿勢がとで，これまで視聴覚中心だった遠隔通信におけるコミュ視認できること，各部位の相対関係が保たれていることなニケーションに，身体の動作や触覚に関する情報が加わり，どが必要であり，動作の範囲，動作の追従性，動作時の各身より現実に近い遠隔コミュニケーションを実現可能である．

体部位の相対関係が重要な要素であるといえる．接触を伴これまでにテレイグジスタンスマスタスレーブの研究は多う相互作用をする場合とは，図 1(b) のような握手などを指くなされてきたが，人の社会に入り込みコミュニケーションす．この場合では，安心して触れられること，人のような柔を行うことを目的としたシステム，またそのような条件下軟な動きが出来ること，力の共有が出来ることなどが必要

での評価プラットフォームの実機レベルでの実装例は殆どであり，関節の柔軟性，操縦者と遠隔地の人との間での力無い．そこで，人とロボットとのコミュニケーションに必要の共有が重要な要素であるといえる．

な要素挙げ，それを満たした新しいスレーブロボットの提上記の要素を満たすシステムの実現のために，従来のロ案及びそれを用いたテレイグジスタンスマスタスレーブシ

ボットシステムの構成を再検討してみる．ここでは，頭部とステム構築と実機実装を行う．

腕部の 2 部位にのみ注目し検討する．従来の人型ロボットの頭部の多くは首回転 2 ないしは 3 自由度を有するが，人2.

人とのコミュニケーションの要素

間の頭部は首や胴部の運動に連結した並進運動も含めて 6

人同士のコミュニケーションの例として，面と向かって自由度あり，3 自由度では人間の頭部の運動を十分に再現し会話する，握手をする，物の受け渡しをする，手を振る，体きれない．また，従来の人型ロボットアームの多くは，人間の腕と同等の自由度を有しソフトウェア若しくはセンサ

Slave等を利用して柔軟性を確保しているが [1]，アクチュエータに依存する関節剛性の高さにより衝突時を含めた完全な柔Network

TORSO
Control PC

position & posture

position & posture

Pneumatic Arm
Control PC

head position & posturereference angle

joint angle
end force

Head Sensor
image

Camerareference angle

利用すべきであると考える．

Master Arm
Control PC

force
joint angle

軟性は獲得できず，アクチュエータレベルで柔軟なものをMaster

Master HeadControl PC

HMD
joint angle
reference angle

Motorそこで本稿では，頭部の自由度が 6 自由度あり，腕部がEncoder

柔軟アクチュエータにより構築されるロボットを構築し，そMotor
Encoder

れを利用した新しいテレイグジスタンスマスタスレーブシ
EM hybrid
regulators

ステムを提案・実装する．

Encoder

Force sensor

図 2: TORSO - Pneumatic arm hybrid system

conﬁguration.

らに，空圧アームの先端に取り付けられた力センサから外部接触力情報を取得し，マスタ側に送る．マスタでは得ら(a) Gesture of robot.

(b) Handshaking with robot.

図 1: Communication with robot.

れた力情報からマスタアーム各軸の参照角度を求め，各軸の DC モータを駆動し操縦者に力提示をする．なお，空圧アームの場合は各シリンダ室の内圧から手先の力を推定することが出来るため，力センサレスでのバイラテラル実装も可能であるが，ここでは将来的な課題として留めておく．

TORSO-空圧アームシステムの提案

3.

3.2

スレーブロボット実装環境

本章では，前章で掲げた要素を満たすマスタスレーブシTORSO 及び空圧アームの配置は以下のようにした．両ステムの提案・実装を行う．システムを構成する要素として，空圧アーム間の肩幅はおよそ 0.5 [m] で，一般的な成人男性

頭部には文献 [2] にて筆者らにより提案されているロボットの肩幅の 1.2 倍程度である．この肩幅のずれが許容される範ヘッド TORSO を，腕部には文献 [3] にて提案されている囲であることは既に我々の予備評価1 から分かっている．ま空圧アクチュエータにより構成された空圧アームを利用すた，図 3 に示すように TORSO は空圧アームの両肩から前る．TORSO は従来の首回転 3 自由度を持つロボットヘッ方に 0.1 [m] ほどずらした位置に配置する．この配置に関す

ドに腰回転 2 自由度，首上下並進 1 自由度を追加した 6 自る検討は次章にて行う．

由度を有する頭部・腰部一体型のロボットヘッドである．空0.50 m

圧アームは人間の腕の動きを再現するのに必要な 7 自由度を有し，圧縮した空気による本質的な弾性を利用した柔ら
0.22 m

かい駆動やインタラクションが可能なロボットアームであ0.10 mる．空圧アクチュエータは，最近になって空圧ゴム人工筋を用いた人型アームも実現されており，注目されるアクチュエータである [4]．TORSO 及び空圧アームの詳細は前述した各文献を参照されたい．

3.1

上面図

TORSO-空圧アームシステム構成

提案するシステムの全体構成を図 2 に示す．システムは頭部と腕部で独立に情報のやり取りを行う構成となってい正面図

図 3: Arrangement of TORSO - Pneumatic arm

robot.

る．頭部では，頭部に装着する HMD に取り付けられた頭部位置姿勢計測センサの情報を取得し，スレーブ側に送る．ス

3.3

システム実装結果レーブ側では受け取った操縦者の頭部位置姿勢から TORSO

システム構成図 2 及び配置図 3 に基づいてシステムを実装の参照関節角度を求め，TORSO 各軸の DC モータを駆動した結果を図 4 及び図 5 に示す． マスタアームには 6 自由する．TORSO のヘッドに取り付けられたカメラの情報は度外骨格マスタアームを用い，不足 1 自由度を補うための肘そのまま操縦者が装着している HMD に送り，遠隔の視覚姿勢計測に加速度センサ (浅草ギ研 AS-3ACC) を，力計測情報を立体提示する．一方腕部では，マスタアーム各軸のに小型 6 軸力センサ (BL autotech) を利用する．マスタアー

角度情報を取得し，スレーブ側に送る．スレーブ側では受け取った操縦者の手先位置姿勢から空圧アームの参照関節角度を求め，電空ハイブリッドレギュレータを駆動する．さ1 4 章の評価を肩幅に適用したところ，1.2 倍程度まではタスク性能が低下しないという結果を得ている．この評価結果は VR 学会論文誌 Vol.14 No.3 に掲載予定である．

の重量を少し感じるものの，頭部の拘束感が少なく腰自由度により広い範囲を見ることができるため，自然とロボット側の環境にいるかのような錯覚に陥ることがわかった．加えて，ロボット側では胴体が無いに等しいのにもかかわらず，動作から人のようなしぐさが見受けられ，各部位の相対関係が正しく保たれる必要があることを実証したと考える．
図 5 では，ロボット側の環境にて人間とインタラクションを行う例として握手動作を行っている様子を示している．
空圧アームの柔軟性により，ロボット側の人間は安全で自然な握手動作が可能である．また，関節が全体的に柔軟に実現されているため，暴走時の危険性などもなくロボット自身に触れるような動作を行ったとしても装置を壊すことなく駆動し続けることが出来た．

頭部-肩部の前後位置ずれによるタスク影響評価

4.

TORSO のように広い可動範囲を持つ装置に対してアームなどを組み合わせる時，その可動範囲を阻害しないように設計や配置等を考えなければならない．本章では，前章で実装したスレーブ実装環境における配置の検討を行う．

図 4: TORSO - Pneumatic arm robot.

TORSO のすぐ横に空圧アームを配置すると，TORSOが持つ腰回転自由度に起因する広い可動範囲の殆どが使えなくなってしまう．空圧アームを TORSO の可動範囲を阻害しないように配置するためには，１）アームを設置している肩部が TORSO に連動して動くような機構を設ける，２）

TORSO の可動範囲に空圧アームが入らないように特別な設計を行う，３）TORSO と空圧アームの配置を工夫する，の 3 方式が考えられる．どの方式でも TORSO の広い可動範囲を妨げずにシステムを構築可能だが，ここでは既に構築されたシステムを利用するため，TORSO と空圧アームの配置を工夫する方式を採用する．

TORSO の可動範囲を阻害せず且つ肩幅を人間のサイズに合わせて TORSO と空圧アームを配置するためには，
図 5: Handshake task using TORSO - PneumaticTORSO と空圧アームを前後にずらす以外に方法がない．しarm.

かしその場合に，操作性や臨場感などに影響が生じる可能性がある．そこで，ロボットの頭部と肩部が前後にずれを持った場合にタスクに与える影響を調べる．

ムの制御 PC は Intel Pentium4 プロセッサで 2.8 [GHz]，メ4.1

評価環境

モリ 512 [MB] のものである．スレーブアームの制御 PC はシミュレータ環境を含めた実験システム構成を図 6 に示Intel Core2Duo プロセッサで 2.0 [GHz]，メモリ 2.0 [GB]す．OpenGL エンジンを用いてコンピュータ内に生成したのものである．TORSO の制御 PC は Intel Pentium4 プ

VR シミュレーション環境内に CG のロボットヘッドおよびロセッサで 2.4 [GHz]，メモリ 1.0 [GB] のものである．頭スレーブアームを構築し，ダイナミクス調整やタスクの成否部位置姿勢計測には ADL-1(shooting star tech.) を利用し判定を簡単にするために物理演算エンジン Open Dynamics

た．HMD は試作したものであり，水平画角 46 度で解像度Engine (ODE) を適用する．シミュレータ内にはロボットが 1024 × 768，総重量が 2 [kg] 程度である．

ヘッドおよびロボットアームの他にタスク用の環境オブジェ実装した結果から，これまでのロボットよりも人間に近クトとしてスタートポイントとターゲットポイントが配置いしぐさを表現できていることを確認できた．また，実際にされ，ロボットアームの手先と接触判定が行われる．シミュ

体験すると，4〜5 分程度使用しているだけで，HMD 越し

レーション環境の生成に用いた PC は Xeon プロセッサでに見えるロボットアームがまるで自分の腕であるかのよう3.2[GHz]，メモリ 2.0 [GB] のものである．に感じてくるようになり，非常に自然なテレイグジスタン

評価では手先との接触を伴いかつ最もプリミティブなタス状態が作り出せていることを実感できた．さらに，HMDスクとして，空間内に配置された環境オブジェクトを手先

評価結果

4.3

Simulation Environment
headtracksystemTarget point
Start pointImage

HMD

得られた結果を表 1 に示す．行要素が頭部と肩部のずれで，列要素がずれ量 0.00 [m] で正規化した平均遂行時間とその標準偏差である．結果からわかるように，0.15 [m] まで前方にずらした場合でも，分散は多少大きくなっている

Robot Head Camera's
View

ものの遂行時間の平均値は殆ど低下していない．よって，ポインティングタスクを遂行する上では頭部の肩部に対するずれが 0.15 [m] 程度まで許容されるといえる．

Create Environment

表 1: Eﬀect of task performance by shift between

head and shoulder.

PC
Head Position and Posture

0.00

0.05

0.10

0.15

Average time

1.000

0.948

0.912

0.975

Standard deviation

0.219

0.281

0.220

0.387

図 6: System conﬁguration and simulation envi-

ronment of length experiment.

で触れるポインティングタスクを採用する．環境にはポイ

上記の結果より，TORSO-空圧アームシステムとしては，ンティング対象のスタートポイントとターゲットポイント

TORSO を空圧アームの肩の位置より 0.10 [m] まで手前にが生成され，それぞれを手先で交互にポインティングする

ずらして配置した前章の構成で性能低下等の問題は生じなことでタスクを遂行していく．図 7 にスタートポイントといと考えられる．

ターゲットポイントの配置を示す．各ポイントはロボットに正対する垂直平面上に生成する．視点から平面までの距おわりに5.

離は，被験者の腕の長さの 0.9 倍の位置となるように取る．

本稿では，人とのコミュニケーションを目的とした新しターゲットポイントは角度間隔 72 [deg] でスタートポイン

いテレイグジスタンスマスタスレーブシステムの提案を行っトを中心とした五角形の頂点に，試行中はランダムに生成た．今後，提案したシステムを利用して人と触れる環境下する．スタートポイントからターゲットポイントまでの距

における身体性の発現や自己の認識構造に関する様々な評

離を垂直画角 (34.5 [deg]) と平面までの距離を用いて，視価を行うことで，テレイグジスタンス技術の展開に留まら野内に正五角形がぎりぎり視認できる大きさになるようにず人間の解明を進めていきたい．

決めた．
謝辞

Target Point
Start Point

0.05 0.10 0.15
頭部shift

視野

本研究の一部は戦略的情報通信研究開発推進制度（SCOPE）の支援を受けて行われた．

Z

参考文献

72°

[1] H. Iwata, S. Kobashi, T. Aono, and S. Sugano. Design

Yof anthropomorphic 4-dof tactile interaction manipu(上腕＋前腕)×0.9

図 7: Start-Target points arrangement of length

experiment.

lator with passive joints. In Proceedings of IEEE/RSJ
IROS, pp. 1941–1946, 2005.
[2] Kouichi

Watanabe,Ichiro

Kawabuchi,Naoki

Kawakami, Taro Maeda, and Susumu Tachi. Torso:
Development of a telexistence visual system using
4.2

評価条件

スタートポイントに触れた後にランダムに生成されるター
ゲットポイントに触れるまでにかかった時間をタスク遂行

a 6-d.o.f. robot head. Advanced Robotics, Vol. 22,
No. 10, pp. 1053–1073, 2008.
[3] Kouichi

Watanabe,Hisashi

Nagayasu,Naoki

時間として評価に利用する．評価では，CG 空間上に生成さKawakami, and Susumu Tachi. Mechanical compli-

れたロボットヘッドをロボットアームの肩の位置から前方

ance control system for a pneumatic robot arm. Inにずらして評価する．視点からスタートポイントまでの距

SICE Annual Conference 2008, pp. 2789–2794, 2008.

離については，ヘッドのずれ量に関係なく一定とする．ず[4] FestoAG&CompanyKG.

Airic’sarm.

れのパターンとしては，0.00, 0.05, 0.10, 0.15 [m] とし，肩http://www.festo.com/INetDomino/coorp sites/の位置を原点として前方を正方向とする．

en/ffeed49f2394ea43c12572b9006f7032.htm.