第 15 回日本バーチャルリアリティ学会大会論文集 (2010 年 9 月)

テレイグジスタンスの研究 (第 63 報)-TELESAR3 において許容される通信遅延の検討Study on Telexistence LXIII -Study of Tolerance of Network Delay for TELESAR3竹下佳佑 1) , 渡邊孝一 2) ，佐藤克成 1) , 南澤孝太 2) , 舘

2)

Keisuke Takeshita, Kouichi Watanabe, Katsunari Sato, Kouta Minamizawa and Susumu Tachi
1) 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)

2) 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)

Abstract : In master-slave system, time delay between the human motion and display output isa large problem that induces postural sway of subjects during motion. In this study, we evaluatedpostural sway of subjects based on the center of gravity and whether the delay was able to berecognized for investigating the tolerance of the network delay with TELESAR3. By measuring
delay that system possesses, the tolerance of the communication delay proved to have to make itto 18ms or less.
Key Words: Time Delay, Master-Slave System, Telexistence, Visual Movement

1.

はじめにシステム全体の遅延での議論は行われなかった。

ロボットの遠隔操作において、あたかもロボットの存在

そこで本稿では、実験環境について検討を行ったうえで、する環境にいるような高度な臨場感を操作者に与える技術

システムに遅延を追加した場合の身体動揺の計測と遅延の認は、テレイグジスタンスと呼ばれる。我々はこれまで、マ識に関する主観的評価を行う。その結果に加え、TELESAR3スタスレーブシステム TELESAR3 の開発を行ってきた。

システム、身体動揺の評価実験システムが有する遅延を測TELESAR3 の頭部システムは、腰に 2 自由度を持つ人定することによって、TELESAR3 の通信系における通信遅延の許容範囲について検討する。の体幹運動を再現するロボットヘッド TORSO[1] と、HeadMounted Display(HMD) によって構成されている。このよ

2.

うな HMD を用いたシステムにおいて、操作者の運動感覚評価の対象と提示される視覚情報の間のずれが身体動揺や「映像酔い」

TELESAR3 を用いて実験環境を構築すると、実験環境がと呼ばれる現象を引き起こすことが知られている。このた複雑になってしまう。そこで、本稿での評価は TELESAR3め、操作者の頭部運動が提示される映像に遅れなく反映さを用いた実空間ではなく、VR シミュレーション環境で行れることが望ましいが、通信を有するシステムにおいて、遅う。実験から得られる結果を、TELESAR3 での通信遅延の延を完全になくすことは困難である。TELESAR3 において許容範囲の検討に用いるために、各システムが有する遅延通信系を組むために、これらの現象が引き起こされない遅の測定を行う。

延の許容範囲を明確にする必要がある。

遅延の許容範囲の評価指標は、文献 [3] と同様に、操作者これまで、遅延の影響に関する様々な評価が行われてきの運動感覚と提示される視覚情報のずれによって誘発されており [2]、一般に遅延を認識できる閾値は 100[ms] からる身体動揺と、遅延を認識できるかどうかの主観評価で行200[ms] だと言われている。しかし、TORSO は操作者の頭う。身体動揺は重心の位置の動揺として見られることが知部運動への高速な追従が可能である一方、倒立振子の先端られているため、本稿でもそれに倣い、重心の位置を評価にステレオカメラが搭載されているような、不安定な系の指標とする。

制御が必要となるシステムである。そのため、一般に言わこれら 2 つを評価指標として、2 種類の実験を行う。実れている遅延の許容範囲よりも条件が厳しくなる可能性が験 1 では規則的な動作における身体動揺を評価する。規則ある。これまで、TORSO 系での評価も行ってきた [3] が、的な動作を行う実験タスクにおいて、遅延の大きさと動作146

の大きさ、微小動揺の大きさの間に正の相関があると予想れ、実験 1 で用いた ADL-1 で 6.63[ms]、実験 2 で用いた頭している。実験 2 では実験タスクを不規則な動作として評部位置計測システムで 3.12[ms]、TELESAR3 で用いるウェ価を行う。遅延によって動作が誘発、抑制されることによアラブルマスタ FST(Flexible Sensor Tube) で 11.6[ms] でり、遅延が大きいほど平均パワー周波数が大きくなると予あった。

想している。

映像生成部の遅延は実験環境では VR 環境の生成に要する時間、TELESAR3 では TORSO の追従に要する時間と3.

実験環境カメラの撮像周期となる。VR 環境の生成に要する時間はシミュレーションのループタイムから見積もることが出来実験環境の構成を図 1 に示す。この環境に通信遅延に相る。TORSO の追従に要する時間は人間が無理なく動く範当する遅延を追加し実験を行う。
評価は VR 環境で行った。VR 環境は OpenGL と Open

囲では 2[ms] 以下だと分かっている。また、カメラの撮像

Dynamics Engine(ODE) を用いて作成した。VR 環境には周期は 60[Hz] である。遅延の最大値は実験環境で 16[ms]、CG のロボットヘッドと被験者の動作の指標を設置した。

TELESAR3 で 19[ms] 程度であると見積もられる。

TORSO と同じ 6 自由度を有するロボットヘッドが、被験映像描画部では実験環境、TELESAR3 ともに同じ HMD者の頭部運動に追従し、被験者はロボットヘッドの視点位を用いている。ディスプレイを一定の周期で点滅させてい置に対応する VR 環境の映像を見ることになる。設置したる状態で、フォトダイオードからの電圧値をマイコンを用指標については各実験の項で述べる。また、空間内座標はいてシリアル通信で PC に送り、ディスプレイの点滅と比ロボットヘッド前方に Y 軸、天頂方向に Z 軸とした右手座較した。遅延の平均値は 26.2[ms] であった。
これらの測定結果より、実験環境が有する遅延は実験 1標系とした。

で 49[ms] 程度、実験 2 で 45[ms] 程度、TELESAR3 頭部

頭部の位置姿勢計測には実験 1 では ShootingStar 社製システムの有する遅延は 56[ms] 程度となる。

ADL-1 を、実験 2 では小野電機社製の頭部位置計測システムを用いた。いづれもリンク機構を有する 6 自由度位置

実験 1:規則的な動作における身体動揺の評価

姿勢計測装置である。VR 環境の提示には HMD(水平画角5.

42[deg]、解像度 1024 × 768[pixel]、応答時間 30[ms]) を利5.1用した。重心の計測にバランス Wii ボード (任天堂) を用

実験手法

文献 [3] での評価実験と同様に、VR 環境に設置してあるいた。

箱を、それを隠すように設置された壁の左右から交互に覗き込むように見るタスクを 30 秒間行った。
被験者は HMD を装着した状態でバランス Wii ボード上に足を自然に開いて立ち、メトロノーム 40[cpm] のリズ
ムに合わせ壁の奥の箱を覗き込む。箱はロボットヘッドから 1.5[m] 前方に設置し、各辺の長さが 0.1[m] の立方体とした。箱を基準位置から視認できないように高さ 0.3[m]、幅が 0.17[m] の壁をロボットヘッドから 1[m] 前方に設置した。
壁と箱の高さは、被験者が直立した際にロボットヘッドの正面にくるように設定した。このような位置関係では、左右に体を曲げる運動の振幅は 30cm 程度となる。被験者へは足をバランス Wii ボードから上げないこと、膝を出来る限り曲げず腰から上を動かしてもらうこと、箱が少しでも

図 1: 通信遅延の許容範囲を求めるための実験環境

4.

見えれば十分であることを指示した。
システムに追加する遅延は 0,25,50,100,200[ms] の 5 種類

システムの有する遅延の測定とした。各遅延に対して 10 回の試行を行い、被験者ごとに実験環境及び TELESAR3 頭部システムが有する遅延の計 50 回測定した。追加される遅延の順番はランダムである。

測定を行った。各システムが有する遅延は、大まかに頭部

重心の位置の計測データは、メトロノームで指示するリズ位置姿勢計測部、映像生成部、映像描画部に分けられる。

ムに動作を合わせるまでの時間を考慮し、最初の 5 秒間を頭部位置姿勢計測部の遅延は計測装置にエンコーダを取除いた 25 秒間を分析に用いた。

り付け、エンコーダの出力値と計測装置の出力値の相互相関

各計測データから x 軸方向の位置の軌跡長 (以下、単にから求めた。エンコーダは OMRON の E6H-C、エンコー軌跡長とする) を求め、システムに追加する遅延が 0[ms] のダの出力値の取り込みには Interface の PCI-6205C を用いときの平均値で正規化し、遅延間で比較を行った。

た。エンコーダの立ち上がり時間や PCI-6205C の取り込み

また、x 軸方向の位置に 0.24-0.38[Hz] の周波数成分をカッにかかる時間は仕様書から、それぞれ 1[µs] 以下、250[ns]トするフィルタを用いたものから分散 (以下、単に分散とす以下と分かっている。エンコーダの出力値と頭部計測装置る) を求め、軌跡長と同様の比較を行った。実験タスクでのの出力値は 0.5[ms] 周期で記録した。遅延の平均値はそれぞ147

動作が 0.33[Hz] の動作であるので、その近傍の周波数成分を取り除くことにより、遅延によって誘発、抑制される微小な動揺を見ることができる。0.24-0.38[Hz] という範囲は予備実験により求めた。
遅延を認識できるかどうかについて評価するために、試行ごとに、(1) 遅れを感じない、(2) 遅れているような気がする、(3) 明らかに遅れを感じる、の 3 つの選択肢から１つを回答させた。

5.2

結果

図 3: 実験 1 における重心の分散

遅延の認識に関する主観評価の結果を表 1 に示す。表 1の値は、全被験者の回答の合計である。遅延 0[ms] に対して25,50,100,200[ms] との間のカイ二乗検定を行ったところ、

6.

実験 2:不規則な動作における身体動揺の評価

100,200[ms] で有意な差が見られた。ここでは有意水準を

6.1

実験手法

実験 1 において、規則的な実験タスクが結果に影響を与え5%としている。これらの結果より、遅延 50[ms] と 100[ms]ている可能性がある。そこで、被験者の動作の大きさ、動作の間に遅延を認識できる閾値があると考えられる。のタイミングが不規則となるタスクを設定し評価を行った。
図 4 のように 2 本の棒を VR 空間に配置し、被験者には

表 1: 実験 1 における主観評価の回答2 本の棒が重なって見える位置に移動することを指示した。

遅延 [ms](1)(2)(3)030100253262502712110062014化量、留まっていなければならない時間は位置の変化ごと2000337にランダムに決定される。

赤い棒はロボットヘッドの 2.0[m] 前方に固定されており、黒い棒はロボットヘッドから Y 軸方向に 1.0[m] の距離を保ちながら位置を変化させる。この位置の変化の範囲は X 軸方向に± 0.10[m] 以下であり、棒が重なって見える位置に被験者が 2〜4[s] 留まると位置が変化する。黒い棒の位置の変次に重心の位置の軌跡長を遅延 0[ms] の平均値で正規化したものを図 2 に示す。エラーバーは標準偏差である。遅延0[ms] に対する 25,50,100,200[ms] との間で t 検定を行い、有意水準 5%を有意な差があるとし「*」をグラフに記述した。遅延 0[ms] に対する軌跡長の有意な増大は遅延 50[ms]と 100[ms] で見られる。
図 4: 実験 2 における指標の配置システムに追加する遅延の種類、試行数、1 試行あたりの測定時間、遅延の認識に関する主観評価は実験 1 と同様とした。
身体動揺の評価は、x 軸方向の重心位置の平均パワー周波数を用いた。重心位置は直立時には 0.2[Hz] 以下の大きな周波数成分を持つことが知られているため、前処理としてカットオフ周波数が 0.2[Hz] のハイパスフィルタを作用させ

図 2: 実験 1 における重心の軌跡長ている。システムに追加する遅延が 0[ms] のときの平均値で正規化し、遅延間で比較を行った。

図 3 は重心位置の分散を遅延 0[ms] の平均値で正規化し6.2結果たものを示している。図中の記号は図 2 と同様である。遅遅延の認識に関する主観評価の結果を表 1 に示す。表 1

延 0[ms] に対する分散の有意な増大は遅延 50[ms],100[ms]の値は、全被験者の回答の合計である。遅延 0[ms] に対してと 200[ms] で見られる。

25,50,100,200[ms] との間のカイ二乗検定を行ったところ、100,200[ms] で有意な差が見られた。ここでは有意水準を148

5%としている。これらの結果より、遅延 50[ms] と 100[ms]延を認識できる閾値に近い値であり、妥当な結果が得られの間に遅延を認識できる閾値があると考えられる。

たと言える。
実験 1,2 ともに実験環境に追加された遅延が 50[ms],100[ms]で身体動揺が誘発されたが、200[ms] では異なる影響が見

表 2: 実験 2 における主観評価の回答られた。表 1,2 から追加された遅延が 200[ms] の場合、大遅延 [ms](1)(2)(3)0181022522535017110310081210のではないかと考えられる。実験 2 においては、遅延の認

2001623識によって動作が慎重になり高周波成分が減少したと考え半の試行で明らかな遅延を認識していることが読み取れるが、この遅延の認識が身体動揺の結果に影響を与えていると思われる。実験 1 においては、被験者は提示される映像によって動くのではなく、予想した地点まで動くことを意識したために軌跡長 (図 2) で有意な増大が見られなかったられる。明らかな遅延により操作者の動作が抑制されるのであれば、素早い動作が困難なロボットのマスタスレーブ
次に重心の位置の平均パワー周波数を遅延 0[ms] の平均において、あえて提示される映像に遅延を追加することで値で正規化したものを図 5 に示す。図中の記号は実験 1 と操作者に素早い動作をさせないようにするといったことも同様である。遅延 0[ms] に対して遅延 50[ms] と 100[ms] で考えられる。

有意な増大が、200[ms] で有意な減少が見られる。

まとめ

8.

TELESAR3 の通信系における遅延の許容範囲を明らかにするために、本稿ではシステムに遅延を追加した場合の身体動揺の計測と遅延の認識に関する主観的評価を行った。
その結果に加え、TELESAR3、実験環境が有する遅延を測定したことによって、TELESAR3 の通信系において、通信遅延が 18[ms] 以下通信系を組む必要がある。通信遅延が18[ms] 以下の通信系を組むことは十分に可能であるので、実際に TELESAR3 での遠隔操作システムの構築を行いたいと考えている。

図 5: 実験 2 における平均パワー周波数

謝辞

7.

本研究の一部は JST-CREST「人間調和型情報技術」研究領域の支援によって行われた。

考察
各実験の結果から、遅延を認識できる閾値よりも小さな参考文献

遅延で身体動揺が誘発されることがわかる。そのため、遅[1] Kouichi

Watanabe,

IchiroKawabuchi,

Naoki

延の許容範囲は身体動揺が誘発される遅延の範囲で議論すKawakami,るべきであると言える。本稿での実験において、システム”TORSO: Development of a telexistence visual sys-に追加される遅延の大きさが 25[ms] と 50[ms] の間に身体

tem using a 6-d.o.f. robot head,” Advanced Robotics,

動揺が誘発される閾値があること、実験環境の有する遅延

TaroMaeda,andSusumuTachi,

Vol.22, No.10, pp.1053-1073, 2008.

が 49[ms] であることから、システム全体の遅延の許容範囲[2] Robert S. Allison, Laurence R. Harris, Michaelは 74[ms] 以下である。

Jenkin, Urszula Jasiobedzka, James E. Zacher, ”Tol-TELESAR3 の頭部システムが有する遅延が最大で 56[ms]erance of Temporal Delay in Virtual Environments,”であるので、TELESAR3 の通信系において通信遅延は 18[ms]vr, pp.247, IEEE Virtual Reality Conference 2001

以下に抑える必要がある。TELESAR3 がマスタスレーブ間(VR 2001), 2001

で通信する情報の大部分は TORSO に搭載されているステ[3] 竹下 佳佑, 渡邊 孝一, 佐藤 克成, 南澤 孝太, 舘, ”テ

レオカメラからの映像であり、これを 18[ms] 以下の遅延でレイグジスタンスの研究 (第 62 報) TELESAR3 システ通信することは十分に可能である。

ムの遅延の評価,” 日本機械学会 ロボティクス・メカトロ

遅延の認識に関する主観評価では実験 1,2 ともに、システニクス講演会 (Robomec2010) 論文集, 1A1-F28 (2010)

ムに追加される遅延の大きさが遅延 50[ms] と 100[ms] の間に遅延を認識できる閾値があると考えられる。各実験環境が有する遅延の大きさより、実験結果からは 99[ms] と 145[ms]の間に閾値があるといえる。これは一般に言われている遅149