計測自動制御学会東北支戟第16ロ回研究集会（1996，与．24）
資料番号160−6

マニュアル操作型NetworkedRobot
ManuallyOperatedNetworkedRobot
小菅一弘♯，○村山英之抽，竹尾光治榊KazuhiroKOSUGF，OHideyukiMURAYAMA榊，KojiTAKEO…

＊東北大学，＊＊東北大学大学院，＊＊＊東北大学＊TohokuUniversity）＊＊TohokuUniversity，＊＊＊TbhokuUniversity
キーワード：コンピュータネットワーク（comp山eTnetWOr叫バイラテライルテレオペレーション（由ateralteleopera・tion〕．通信遅れ（communic孔tiondela・Y），ロボット（robot）

達格先：〒980−77 仙台市青葉区荒巻字青葉東北大学工学部機儒知能工学科ロボット工学講座小菅研究室
村山英之∴取1・＝（ロ22）217−6917，一礼x・：（022）217−6917，払m乱批耶rayama鮎r8・medLtOhohl■a⊂．jp

1． はじめにとは異なる．

・多数のユーザにより共有されており，通膚負テレオペレーションは，マスタの位置，速度といっ荷は不規則に変化する．

た運動の情報を遠隔地のスレーブ側へ送信し，スレーブの動作によって作業を行うものである．従来のテ●多数のコンピュータやネットワーク上の機器なレオペレーションシステムでは，宇宙空間などの危どを経由し，伝送経路は定まっていない．

険な環境下で作業をすることを想走していたため，●データがパケット セルなどの単位へ分軌復

マスタとスレーブの間の通信部は，通信衛星専用元される．また，デ」タの圧縮，伸張などが行通信ケーブル，専用無線といった専用の通膚回線にわれる．

よって構成されていた．
Lかし近年のインターネット，情報スーパーハイ●伝送エラーの発生時には自動的にデータの再ウエイ計画などの情報インフラストラクチャの発展送などが行なわれる．

により，通信衛星などの専用の通信回線に比べて比以上のような理由から，ネットワークにおいては通較的手軽で安価といった理由から，コンピュータネッ信条件は時間的に一定ではない．本論文では，このト万一クを介して遠周作業を行うことが注目されてようなネットワークを介したテレオペレーションシいる．

ステムにおける新たな問題点を指摘L，その解決策
専用の通信回線を用いる場合には，通億条件は時間を捜案する．

的にほぼ一定であるとみなせる．しかし，コンピュー
タネットワークでは次のような点が専用の通信回線−1−

ユ雷！盟巳盟放散聖巴㌢・・t・・岬・・・・・川………

1

Fig．1Str11亡t11reOftraditionalteleoperationByS−tem

2．バイラテラルテレオペレーションシス

FigL2 Networkenvironment

テム

ク上で，この通信選れの測定を行なった．

テレオペレーションシステムで遠隔作業を行う場

合．スレーブの力覚をオペレータが感じることができ実験を行なうネットワーク環境は，Fig．2のようないと，非常に作業しにくいことが知られている．

な10BASモ：のイーサネットである．マスタマニピュ

そこで，スレーブ側からマスタ例へ力覚情報のフィー

レータ．スレーブマニピュレータは，それぞれリアドバックを行なうのが，バイラテラルテレオペレー

ルタイムOS VxWork8を用いる制御コンピュータ

ションである．バイラテラルテレオペレーションに（CPtJモトローラ6畠04025MⅡヱ，33MHE）によっておける問題として，マスタとスレーブ聞の通信の遅制御される．このネットワーク上には．ⅤⅩWorksがれの間寒がある．通信遅れのある連倍部を介して速数台，およぴホストとしてUNIXワークステーショ度情報と力情報を送信して，バイラテラルマスタスンが1台接続されている．
ⅤⅩWorksはⅤⅣⅠⅩ4．3BSD完全互換のネットレーブ系を構成した場合1わずかな通信遅れが原因ワーク摸能を持っており，マスタスレーブ間の通膚となってシステムが不安定になることがある．

そこで，AndersonとSp。ngl）は，Scatte，ing変換にはⅤⅣⅠⅩワークステーションとも通信可能なストリーム型ソケットを用いる．

を用いて安定な制御系を構成する方法を握案Lている．この方法では，通膚部はマスタとスレーブ間のこのネットワーク上で，マスタスレーブ間でワーどちら向きに送信しても同じ一定の通倍速れをもつ，クステーションで中継して2［m］おきに10バイトの時不変のむだ時間系であると仮定している．このよデータを送信した場合の，通信遅れを測定した結果

うな通膚遅れを有するマスタスレーブ異において，通がFig・3である・これを見ると，通信遅れは咋】から信部が速度と力について受動性を満たすようにScat−0．94［8］程度の間で不規則に変化し，向きにより遅れtering変換を用いて補償することにより，通膚部のは異なっていることがわかる．Fig．4にこの通信遅安定性を保証している．

れのヒストグラムを示す．

早．ネットワークに削ナる通信遅れ

4．通信遅れの変化による影響

通信部がネットワークの場合には，通信部は向き通信遅れが一定の場合にはFig．与に示すように．

によって遅れ時間が異なる上に，通信兵件により通一定の周期で送信されたデータは．ある一定の遅れ

信遅れは動的に変化すると考えられる．そこで，実をもって送信時と同じ一定の周期で受信される，こ際にテレオペレーションの実験を行なうネットワー

れに対して，通膚遅れが変化する場合には，送信側−2−2030l辞亀雲 u U ヒ U d104000．2Time【sl0．40．60．8I

Timcdelay【sl（a〕SlavetomaBter（a）Slavetoma5ter2ll

辞乱d盲ピー中山′bOOOnU004︻s︺倉一りp心∈芦つ︼∧U1020300400．ヱ

Time【s】

0．4

0．60．畠I

Timcdelay【s】（b）Ma5tertOSlave（b〕Ma占tertO＄lave

Fig・3 Timedel乱yOnCOmputernetWOrk

Fig・4ⅠIistogramOftimedelay（magnification）

5．通信遅れが変化するバイラテラルマス

で一定の周期でサンプリングされたデータであってタスレーブ系一も，受信側は一定の周期ではなく不規則に変化する周期で受けとることになり．Fig．5に示すように，前節で述べたような理由から，ネットワークを介短い周期でまとめてデータが安倍される場合や，長した場合には通信遅れ時間の時間的な変化速度が大い時間にわたってデータが受信されない場合がある．

きくなるため，Scattering変換を用いてもシステムこのような通信遅れの変化する通信部の倒として，が不安定になることが考えられる．そこで，横小路Fig．6に示すようなある時刻で遅れ時間ががrから2）らと同様のモデルを用いて．遅れ時間が動的に変r−drに変化する通信部を考える．この羊うな通膚

動する通倍部を介Lたバイラテラルマスタス・レープ部を介してデータを送信した場合1F毎．6に示すよ系の数値シミュレーションを待った．

うな出力波形の変化が起こる．つまり，通信遅れがまず，1自由度のマスタスレーブ系を次のようにモ一定の場合には，通信部では位相遅れが起こるに過デル化する．マスタおよびスレーブアームの動特性

ぎないが，通信遅れが変化する場合には信号の周波を次式で与える．

数さえも変化することになる．
したがって，通信遅れが動的に変化する通倍部は，㌦＋ん ＝ mm立m＋占m去m

時不変のむだ時間系とはみなせず時変システムとな㌔一差 ＝ mさ蓋J＋古古丘さる，このため，通信部を時不変のむだ時間系と仮定
ここで，よ仰苫βは，アームの変位であり，mm，mβ，LているScattering変換をそのまま用いても，通膚bm，わ古はそれぞれアームの質邑 粘性係数である．

部の安定性が保証されない．

また，んは，オペレータがマスタアームに加える力であり．ムは，スレーブアームが対象物へ加える力

一3−（1）（2）

TransmissionData¶mede】ay細山w山地

Fig．5 TItansmissiondatawithvariabletimedeLay

Fig・6 Waveた・rmwithva．riabletimedelay

である．Tm，㌔は，アクチュエータ駆動力である．
対象物のダイナミクスは次式のような線形モデル

カムである■ これらは遅れ時間をr（りをともなうで与えられるものとする．

が，Scattering変換を用いて次のように補併する．1）
ム ＝ mび蓋J十古址よ一＋亡び∬き4）（3）

主潮＝喜†古瑚一丁）・ん。（モーrト刷8）

m肌古肌et〃は対象物の質量，粘性係軌 バネ係数である．オペレ一夕の動特性を次式で与える．

んd（り ＝ ム（才一r卜抱d（モーr）＋古去m（f）（9〕㌔ターム ＝ m。P諒m＋古。戸主m＋亡叩∬爪（4）ここで，るは伝送舶の特性インピーダンスである．
以上の制御則を用いて．遅れ時間Tが0．6ts］一定のm卿占。p，C。pは．オペレータの腕の質量，粘性係数，バネ係数である．また，丁毎は，オペレータの場合と，遅れ時間の変化速度が最も大きくなるケー筋の合力である．アクチュエータの駆動力は，An−スとして，遅れ時間rが拍】ごとに0・坤】から0．5［s匝

de一日。nら1）の制御別を用いて次式で与える．
Obje亡t
1れ ＝ −βm立爪−んd1＝

一哉ょき＋ムーαJム

（5）

（6）

ここで，ムは，マスタとスレーブ間の運動を一致さ lせる調整力で，次のように与える．
fム＝軋ノ（土さd一互匝＋刀∫（立，d−も）（7〕孟，dはスレーブ個が受信するマスタの速度で，んdFig▼7 SingleDOFma岳terSlavemanipulator

はマスタ側が安倍するスレーブ側から適される調整−4一5〇．

︻∈︼昔 j ≡ 雇 琶 責

0100203040Time【s】（a）ConstanttimedelayOr嘩］

5
仇︻且仇H兵火召七電Od

Fig・9 Compensationtokeeptimedelayconstant

J■：．H≡：＝．＝＝．

ハU・10020304050

Tim亡【s】（b）VariabletimedelayO■2［s］toO・5【＄】＝ll■＝■＝■山■■■■■雷■＝＝＝■■■■■■■＝l■・・・・■■■■■＝……■

Communicationb10Ck¶medday差00n軸nt

Communi・Cation

Fig・8 Positionofarm（simulation）

ヽDelay軋√ト叩ノノeom門閥atOr¶modelay¶m￠d81ay

町りvad止l￠dr＝芳一叩J

T冊＝Hi匝町側喜＝…■■＝＝■■■■t●■＝＝…−■■■■■●●●−●−……■山＝■■■■■■■■●

間で方形波状に動的に変化する場合についてシミュ

Fig・10 StruCtureOfcompeI16ationsystem

レーションを行った．ここでは，遅れ時間はマスタ・スレーブ聞のどちら向きでも同じであるとしている・また，丁如としてf＞1［s］で㌔p＝10匹］なるスに，一定周期でサンプリングされた速度情報や力情テップ入力を与えた．このシミュレーションの結果報に，サンプリング時刻f‡を付加して送信する．最がFig．8である．これをみると，遅れ時間が一定の大の遅れ時間℃よりも短い遅れ時間れで受信され場合には運動は安定しているが，遅れ時間が変化すたデータは，受信側でバッファリングしておく．そる場合には，Sca七te血g変換を用いても不安定になして，付加されたサンプリング時刻いこ基づいて，ることがわかる．

最大の遅れ時間㌔まで待って各アームに指令する．
これにより，みかけの通信の遅れ時間を設定Lた

6．通信遅れの補借

一定の値先にすることができるため，Scattering変6．1 変化する通信遅れの補償換を用いることで通信部の安定性が保証されることになる．このみかけの通信遅れ時間を一定にする補通信遅れが一定でなくてもシステムを安定にする

償システムはFig・10のようになる．通信部全体は，ために，遅れ時間の変イヒを次のように補償すること最大遅れ時間以上の範囲で自由に設定できる一定のを考える．

遅れ時間圭をもつ通信部を，マスタ軋スレーブ側

まず，マスタとスレーブ間の通膚の遅れ時間の最両方に独立にもつようなFig．11に示すシステム構成

大値nを測定しておく．そして，椚g．引こ示すようとなる．

−5−

る．

F■■■■■■−●■■■■■■■■■−■■■■「l Ma虞即皇id0Commu†1i亡ation

S】a帽Si由1

I

C8mmuni亡ation l

6．3 通信兵件に応じてみかけの遅れ時間を設定する
S亡att如ng

鮎at胎「叫】

trans10n¶t一己n5†om

ネットワークの通信遅れの変化は．先のような突発的なものばかりでない．考えられるのは，ネット．＿．＿．＿．＿．＿．＿．＿．

l＿．＿．＿．＿．＿．＿．＿．＿．」

ワークのトラフィックの増大にともなって，遅れ時Fig，11Communicationblockwithcompensaもion 間が長くなる現象がある濃度の時間にわたってつづSyStemく場合である．

そこで，ネットワークの状況の変化によって通信遅れ時間が長くなるのに応じて，設定するみかけの6．2 みかけの通信遅れ時間先の決定遅れ時間を長くすることが考えられる．この際にコマ

ここで，先の遅れ時間の計測結果Fig．3，Fig．4によスタスレーブ間の両方の向きの遅れ時間督同じにすJ ・lr■

ると，通席の遅れ時間は，スレーブからマスタヘ送るために，Fig．11に示すようにマスタ側とスレーブる向きでは．咋Iから0・705【s】の間で不規則に変化す側双方の設定するみかけの遅れ時間をお互いに送りるが，0．49坤］以上になる割合は5％以下である．マ合うことにする．みかけの遅れ時間は，それまでのスタからスレーブヘ送る向きでも．咋岬、ら0月34［司最大の遅れ時間に設定することとする．の間で不規則に変化するが，0・717回以上になるのは5％以下である．これからわかるように，遅れ時間が7．テレオペレーションシステムの制御系最大遅れ時間程度に達する可能性はごくわずかに過構成ぎないことがわかる．また，実際のネットワーク環
これまでに示した通信遅れの補償を用いて，実際境では遅れ時間が長くなる現象は，突発的に発生すに1自由度のバイラテラルテレオペレーションシスることが多く，ごく短時間で以前の短い遅れ時間にテムを構成する．
戻る．

実際のマニピュレータは，摩擦などの影響によりそこで．遺停遅れ時間の95％以上が含まれる遅れ

先のシミュレーションのモデルとは一鼓しないので，時間を，みかけの遅れ時間として設定することが考え

次のようなみかけのインピーダンス特性を持つようられる．この設定したみかけ遅れ時間よりも遅れるに，マニピュレータを制御することを考える．

ケースもありうるが．その割合は5％程度と小さい
ため，その際には1つ前のサンプリングでの値を指令〟蓋m＋n去m＋∬∬m ＝ ムーんd〔10〕することにする．このようにした場合には，マスタ〟蓋∫＋加。＋属七．＝ ムーム

スレーブ間で送受信される速度情報と力覚情報のうち，5％が欠落してVlるのと同様と考えられる．送信

九 ＝ オペレータがマスタアームに加える操作力側でのデータの送信周期をrとすると，1e％の欠落

んd：マスタ側がスレーブ側から受けとる力情報

丁 が起こった場合には平均的な受信周期は（100一冊

ム：スレーブ側からマスタ側へ送られる力情報になると考えられる．r＝2［m］，e＝5％の場合に長：スレーブアームが環掛こ与えるカは，平均的な安倍周期は2・105［Ⅰ闇］となりわずかしかニこで，ムはマスタ側へ伝達される力情報で，先の変化しないため．実用上は問題ないものと考えられ式（7）のように与え，Scattering変換（式〔8），式（9））をー6−（11）値に保たれている．一時的にこれよりも遅れ時間が用いて補償する．

この制御の方法とLては，小菅ら3）4）の仮想内長くなることがあるが，5％以下とわずかであり実際のマニピュレータの運動にはほとんど影響せず実用部モデルによるインピーダンス制御をを用いる．
まず，各マニピュレータの手先に取り付けられた上は問題ない．

力覚センサから．オペレータの操作力九と環境に次に，ネットワークの通信条件の変化に応じて，み与えるカメ8を得る．ここで先のインピーダンスモデかけの遅れ時間を設定Lた場合の実験結果がFig．14で

ルを仮想内部モデルとして，これらの外力がこの仮ある．通信の遅れ時間を見ると，通信条件に応じて想内部モデルに加えられた時の一 このインピーダン遅れ時間がが長くなっていくが，マスタスレーブ間スモデルの運動を制御コンピュータ上で計算する．

で，お互いに設定しているみかけの遅れ時間を送りこのモデルの運動に実際のマニピュレータが追従す合っているので，どちら向きの通唐遅れ時間もほほるように運動を制御することより，実際のマニピュ同じになっていることがわかる．

レータが先のみかけのインピーダンス特性を持つよ9． 由わりにうに制御される．

ネットワークを介したテレオペレーションシステ

ムにおいて，新たに生じる問題点として，通信の遅れ時間が不漁別に変化する点を措嫡した．遅れ時間の変化速度が大きい場合には，Scattering変換を用いてもシステムが不安定になることを示した．

この間患の解決策の秦一歩として．みかけの遅れ時間が一定になるように，遅れ時間を補償すること

Fig，12Impedancemode）によって，Scattering変換により安定性を保証することを捷案した．さらに，一時的な通信負荷の増大にともなう遅れ時間の増大に対応して，みかけの遅乱 実験結果れ時間を設定することを捷案した．そして，実験にこれまでに示した通信遅れの補償を用いて，実際より提案したシステムの有効性を示した．に1自由度のバイラテラルテレオペレーションシス

なお本研究は，平成7年度文部省科学研究費補助テムで寛験を行う．ネットワーク環境は，先の3．範金一般研究（C）（07650304）の援助を受けて行なわれでのネットワークにおける通信遅れ時間の測定時とている研究の一部である．
同様である．各マニピュレータのサーボ周期は2匝】とし，速度情報と力情報も同じ2hs】おきに送信して参考文献

いる．

1）RDbertJ．Anderson，Mark W．Spong：Bilat−

1まず，通信遅れ時間の95％以上が含まれる遅れ時

eralControlofT巨1em乱nlpulatorswithTimeDe−間を，みかけの通信遅れ時間とした場合の実験結果

lay，IEEETrans・OnAlItOma七i亡Control．Vol．34，がFig．13である．みかけの通信遅れ時間は0，718【6】Ⅳ0・与，pp・494一与01（19叫．に設定している．これを見ると，スレーブが環境に拘束されてもアームの運動は安定していることがわ

2）横小路泰最善川恒夫：理想的な筋運動感覚を与かる．通信の遅れは．大部分の時間で0．71坤］の一定

えるマスタ・スレーブマニピュレータのパイラテ−7一︵U︵上．21〇．

∩︶ハU︻∈︼巨竜已○ 州 ︼ 叫 Ⅵ O d∃爪U︵U爪 U︻∈︼∈lロ 卓 口 蓋 S O h

1010Tim亡【s】

Time【sJ（a）Positionofarm（a）Po＄揖onofarmlOU︵U︵Ur0▲U︻早見名賀卓−・SlaYetOmaSter

4O−一一−−−
Ma5t已rtO51av∈∩︶り1010TiTn亡［s】

Time【sJ

0（b）Timedelay（b）Timede王叩Fig．13 withtimedelaycompensation（timedelay

Fig．14 Adap七to・anincreasein七ra用．cO．71紬］）

CONTROL APPLIED TO MASTER−SLAVE
テル制軋計測自動制御学会論文集，第27巻，第1MAⅣIPUI・ATORS，In ProceedingB，201SIR，号，pp．56−63（1991）・

pp．435一朝2（19舶）・

3）小菅一弘古軋勝久，横山竜昭：ロボットの仮想

7）Gunter Niemeyer，J・E・SIotine＝ ADAPTIVE

内部モデル追従制御系−メカニカル・インピーダ

CONTROL ANI）STABLE TELEOPERA−

ンス制御への応用一，計測制御学会論文集，第24TION，1990Japan−VSAsympositlmOn丑exib）e

巷，第1号，pp．55−62（1粥8）・

a11tOmation一礼OpaCiRcrimconferenceTISCI丑，
Pp・1391−1398（1990）・

4）小菅一弘伊藤友孝，福田敏男＝通信遅れを有するスケールドテレマニピュレータの制御，第13回日本ロボット学会学術講演会予稿集，菓13軌
恥．3，pp．丁59−760（199印．

5）小菅一弘，村山英之，竹尾光治‥ コミュニケー
ションネットワークを介したバイラテラルテレ
オペレーションシステム，帯1柑『奉ロボット学会学術講演会予稿集第13軌No．3，pp．T61−762（199叶6）J・Dudragne，

C・Andriot，

R・Foumier，J．Vuillemey：AGENERALIZEDI】ILATERAL

皿8−