計測自動制御学会東北支部 40 周年記念学術講演会
2004 年 12 月 22 日，23 日 日本大学工学部

講演番号：B09

高臨場テレマニピュレーション用カメラアームの開発○田中博貴，妻木勇一（弘前大学）

Development of a Camera Arm for Teleoperation with Realistic Sensation∗Hiroki TANAKA, Yuichi TSUMAKI (Hirosaki University)
Abstract– A movable camera is required to improve task performance during teleoperation, because it
gives realistic sensation to the operator. Especially, 6-DOF motions enhance such eﬀectiveness. In thispaper, a 6-DOF camera arm is introduced to a dual arm teleoperation system. Suﬃcient work spaceis assured by both a serial link mechanism and the SC control method. In addition, it is foldable forcompact storage. Design concept and details of a prototype will be addressed.
Key Words: Camera arm, Teleoperation, Telexistence, Singularity, SC approach

1

序論
Viewing point

手術用ロボットや危険物を取り扱うロボットなど，高い信頼性と高度な判断が要求されるロボットは，遠隔操作を主体として運用されることが多い．この時，現場の状況を操作者へ提示するためにカメラが使用される．一方，遠隔操作において，効果的な作業を行わせるには，高い臨場感を与えることが重要であると言わPoint of interestれている．したがって，視覚情報への依存度が高い人間に高い臨場感を与えるためには，カメラからの情報Fig. 1: View point changing system.

が重要となる．
遠隔操作に使用されるカメラの形態として，基準座る．設計要求を以下に示す．

標系に固定されたカメラと可動式のカメラがある．可動式のカメラには，作業するロボットの手先に固定さ(1) 操作者に高い臨場感を提示できること．

れたものと単独での動きが可能なタイプがある．さら(2) 操作マニピュレータの作業領域を撮像可能なこと．に，単独で動けるカメラは，ジンバル機構により姿勢のみ変えられるものとカメラ専用のマニピュレータを(3) 折り畳み可能なこと．

用い並進移動も可能なタイプもある [1]．

(4) 小型軽量であること．

高い臨場感を操作者に提示するためには，単独での動きが可能で，姿勢だけではなく，並進運動も実現で(5) 高い位置決め精度を実現すること．

きるカメラが望ましい．実際，コンピュータグラフィッ(6) 容易な操作インタフェースを実現すること．

クスを利用したモデルベーストシステムにおいて，視点を自由に変更することの重要性が指摘されている [2]．
本論文では，6 自由度の自由度を持つカメラアームの条件はこれを満足させることである．この条件を満を開発し，双腕遠隔操作システムに組み込むことによたすためには，操作者の頭部の動きをカメラが実現でり，高い臨場感を持つ遠隔操作システムを構築する．開きなくてはならない．このためには，回転運動だけで発するカメラアームは，ステレオ視が可能で，使用しはなく，並進運動も実現する必要がある．一方，操作ないときは折り畳むことが出来る．また，特異点適合対象を効率よく観察する方法として，視点と注視点を法と呼ぶ制御手法を用いることで特異点においても安操作する方法がある [2]．概念図を Fig. 1 に示す．注視定な制御を実現し，広い作業領域を実現することがで点を中心とする球座標で視点を動かすことにより，対きる．

2

効果的な遠隔操作システムを実現するためには，高い臨場感を操作者に提示できることが重要である．(1)

象物を様々な角度から眺めることが容易になる．一方，設計概念

視点を中心とする球座標で注視点を動かすことにより，開発するカメラアームは，三菱重工製の PA-10 マニ

広い範囲の視覚を得ることが容易となる．ただし，微ピュレータを 2 台使用した双腕マニピュレータシステ

妙な注視点の操作には，デカルト座標による方法が優ムの遠隔操作を行うための視覚システムとして開発すれている．実際のカメラに同様の方法を適用するため

97

ʣ7..kkFig. 3: Required work space of the camera arm.
Fig. 2: Overview of the camera arm.

Motor 3には，カメラに最低 5 自由度の自由度が必要となる．さLink 2

Cameraらに，ステレオ視ができることも高い臨場感を提示するためには必要となる．

(2) の条件から，比較的広い作業領域を持つ PA-10
マニピュレータの作業範囲を考慮してリンクパラメータ及び機構を考える必要がある．(3) の条件は，カメラアームを使用しない時に対する要求である．すなわち，作業の邪魔にならないよう折り畳める事が必要となる．
また，カメラアームの電源を切った場合に，ブレーキを使わなくても一定の場所に収まることは機構を簡易にする点でも好ましい．(4) の条件は，小型化により安全性を確保すると同時に取り扱いの良さを確保するためである．(5) の条件は，正確なカメラキャリブレーションを行うために必要である．このことは，遠隔操作時にコンピュータグラフィックスをスーパーインポーズする場合や，画像処理による計測を行う際に重要となる．(6) の条件は，熟練者でなくてもカメラアームを操作できることを目指した条件である．例えば，特異点を気にすることなく操作できれば，操作者にとって使いやすいシステムと言える．

Motor 4

Link3
Motor 6
Motor 5

Link 1

Motor 2Motor 1

Fig. 4: Details of the camera arm.
なる．特に，双腕マニピュレータの視覚システムとして使用する場合，マニピュレータ同士が干渉することも考えられ，冗長性はこれを解決するために有効な方以上のような設計要求を考慮してカメラアームの設法と考えられる．しかし，今回対象としている PA-10計を行った．設計したカメラアームの外観を Fig. 2 には冗長性を持っており，カメラアームとの干渉はマニ示す．

ピュレータ側で回避できる．以上の点を考慮し，カメ

3カメラアームの設計

3.1

自由度

ラアームの自由度を 6 自由度とした．

3.2

機構パラメータの選定

比較的広い作業領域を実現するために，シリアルリン

前章に示したように，操作者の頭部運動を実現した
り，効果的な視点変更を行うためには，姿勢 3 自由度，ク機構を採用する．アームに搭載するものは小型 CCD

並進 3 自由度の計 6 自由度が必要である．一方，カメ

カメラだけなので，アームの負担も軽く，シリアル機ラアームに冗長性を与えることも考えられる．この場構はこの点でも適している．また，カメラアームを折合，カメラアームは障害物等を回避することが可能とり畳んで収納することができるよう肘部の関節を軸方

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Table 1: Link parameters.
Link 1
Link 2
Link 3

Video capture board

400mm
450mm
117mm
3D mouse

Table 2: Range of movement.
Joint123456

Human-interactivecomputer
RIF-171-1

Range-180 °〜 +180 °-125 °〜 +125 °-180 °〜 +180 °-180 °〜 +180 °-150 °〜 +150 °-180 °〜 +180 °ARC-PCI/22

PCI bus
Camera arm
control box

Controller
OS : RT-LinuxARCNET

ARCNET

向にオフセットすることとした．これにより，カメラアームに電源が入っていない場合でも定位置に収納す

CN3
CN2C
CN1C
Controller

ることが可能となり，ブレーキが不用となる．なお，収納状態でも姿勢部を変更することができ，ジンバル機

CN3
CN2C
CN1C
Controller

構と同様の動きが可能である．一方，姿勢部は，運動学が簡単な球状手首を採用することとした．
次に，カメラアームのリンクパラメータを決める．まFig. 5: Hardware architecture.

ず，PA-10 の作業範囲を決める必要がある．Fig. 2 に示すように，カメラアームを設置する双腕マニピュレーと PA-10 の両方の制御を行う．このため OS には，RT-タは，土台が対向するように配置してあり，前部，上囲を前部に絞り，直径 900 mm の球を作業領域としてLinux を採用している．カメラアームのモータアンプには，電子ガバナ回路を内臓した (有) ライテックス社製
Titech Driver を使用する．また，制御ボードとしてカウンタ機能と D/A 変換機能を備えた Ritech Interface
Board を使用している．

仮定した．カメラアームの目標作業範囲を Fig. 3 に示

4.2部，後部の広い範囲で双腕作業を実施することができる．しかし，人間の作業領域を考えた場合，通常，胸の前で作業をすることが多い．そこで，今回は作業範す．これに基づき，決定したリンクパラメータを Table

カメラ部

ステレオ視が可能なように 2 台のカメラをアーム先1 に示す．また，カメラアームの各関節の可動範囲をTable 2 に示す．

端に取り付けている．カメラには，38 万画素の CIS 社
製ボードカメラ DCC-3355N を使用する．NTSC 規格

一方，小型軽量化のため，リンクにはアルミの中空に対応しており，20 g と軽量で十分小型である．この円筒部材を使用し，並進 3 自由度部には，減速比が大カメラは外部同期に対応しているためステレオ視が可

きくバックラッシュのないハーモニックドライブを使用能であり，操作者に臨場感ある映像を提示できる．カメした．これは，並進部のガタがカメラの角度と位置のラからの映像信号は操作用 PC のビデオキャプチャー両方に影響を与えることを考慮した結果である．これボードに取り込むことができる．

に対し，姿勢部 3 自由度には，減速機として遊星歯車4.3を利用した．これは，先端部を軽量化するためである．

操作インターフェース

入力デバイスとして，3D CONNEXION 社製 3D

実際に設計したカメラアームの詳細を Fig. 4 に示す．
なお，4 軸めのモータは中空円筒部材であるリンク 2

Mouse Magellan を用いる．3D Mouse は，6 自由度の中に収納されている．

（並進，回転）の入力が可能である．この他にも，ヘッ4

全体システムドマウントディスプレイや開発中の能動ディスプレイ

4.1

制御システム[3] を用いた操作システムも検討中である．

5

次に制御システムについて述べる．ハードウェアの構成図を Fig. 5 に示す．カメラアームの制御用 PC は，PA-10 とアークネットで繋がっており，カメラアーム

99

運動学

Denavit-Hartenberg の 記 法 に 基 づ き ，座 標 系 をFig. 6 のように設定した．この座標系により決まるリン

d0

d4

a2

dE

Z0 Z1
d2

X0 X1
X2
Y2

Y0 Y1 Z2

d3

Z4 Z6

ZE

Y5

Y3X3

Z3

X4 X5 X6XE

YE

Y4 Z5 Y6Fig. 6: Coordinate systems of the camera arm.
Table 3: Link parameters of the camera arm.
iJoint1Joint2
Joint3
Joint4
Joint5
Joint6ai−100a2000

αi−10°-90 °0°
90 °
-90 °
90 °

di0d2d3d400Fig. 7: A scene from a fixed camera.

θiθ1
θ2
θ3
θ4θ5θ6

クパラメータを Table 3 に示す．一般にマニピュレータを制御する際には，機構の特異点が大きな問題になる．特異点近傍では，過大な関節角速度が発生し，制御不能に陥る可能性があり，危険だからである．特に遠隔操作などで操作者がカメラアームをカメラ視点のみを頼りにして制御した場合には，意識せずに特異点に近づく可能性が高い．この問題に対して，従来我々が提案している特異点適合法を採用する [4]．この方法をFig. 8: A scene from a camera on the camera arm.

用いることで操作者は特異点近傍においても過大な関
節角速度を生じることなく，マニピュレータの手先速

ムは 6 自由度の自由度を持っており，カメラを動かすこ度方向を保ったまま安全に通過することが可能となる．とで高い臨場感を操作者に提示することができる．ま

6

た，特異点の問題がこのようなカメラアームに大きな動作シミュレータ影響を与えることを指摘し，これを解決するために特カメラアームの動きを検証するために，コンピュー異点適合法を導入することを示した．

タグラフィックスを用いたシミュレータを構築した．シ

参考文献

ミュレータは，Linux 上に Open Inventor を使用して[1] Craig R. Carignan, David L. Akin, J. Corde Lane,“Dynamic Tool Vector for Robo-Centric Control,”Proc. of the 2000 IEEE Int. Conf. on Robotics andAutomation, pp. 1188–1193, 2000.
[2] Y. Tsumaki, M. Kotera, D. N. Nenchev and M.
Uchiyama, “Advanced Experiments with a Teleoperation System Based on the SC Approach,” Proc. ofthe IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots andSystems, pp. 1196–1201, 1998.
[3] 妻木勇一，佐藤拓也，河合聡志，“能動ディスプレイ”，
日本バーチャルリアリティ学会第 9 回大会論文集，pp.
443–444, 2004.
[4] 妻木勇一，小寺真司，D.N. ネンチェフ，内山勝，“6 自由度マニピュレータの特異点適合遠隔操作”，日本ロボット学会誌，Vol. 16, No. 2, pp. 195–204, 1998.

製作した．カメラアーム自体の映像を一つのウィンドウに提示し，カメラからの映像を別のウィンドウに提示してある．実際の操作画面を Fig. 7, 8 に示す．カメ
ラアームの操作には，前述の 3D Mouse を使用する．
シミュレータを使って実験したところ，カメラ映像のみの視覚情報に頼った場合，気付かないうちにアームの特異点に近づいてしまうことがあった．このことからも特異点適合法をカメラアームに導入することは必要であると考えられる．

7

結論
双腕遠隔操作システムに導入するカメラアームの設計概念およびその詳細を述べた．開発したカメラアー100