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：B16

加速度指令による船内フリーフライヤーの遠隔操作○横浜真誠，妻木勇一（弘前大学)

Teleoperation of an Intra-Vehicular Free-Flyer Using Acceleration Commands∗Mami YOKOHAMA, Yuichi TSUMAKI (Hirosaki University)
Abstract– In our previous work, a new space robot system named IVFF (Intra-Vehicular Free-Flyer)
has been introduced to support intra-vehicular activities in the space station. It utilizes a propeller
propulsion to fly in the station. However, its dynamics reduces the ability of teleoperation. In this paper,
we propose a new predictive display technique to overcome the problem. The experimental results showsthat our method decreases task completion time and enhances safety.
Key Words: IVFF, SHB, Predictive display, Acceleration command, International space station

1

序論
現在，国際宇宙ステーションの建設が進められており，様々な宇宙実験が予定されている．しかし，国際宇宙ステーションにおける宇宙飛行士の滞在人数には限りがあるため，軌道上での人員不足が懸念されている．
そのため，宇宙飛行士の船内活動を支援するロボットの研究が進められている．NASA では，PSA(PersonalSatellite Assistant) と呼ばれる船内用小型フリーフライングロボットの研究が行われている [1]．PSA は情報の収集や発信といった非接触作業のみを対象とした船内活動支援を目的としている．しかし，非接触作業のみでは十分に船内活動をサポートすることができない．
そこで我々は，非接触作業だけではなく接触作業を含む支援も可能なロボットシステムとして船内用フリーフライヤーシステム (Intra-Vehicular Free-Flyer System,IVFFS) を提案してきた [2], [3]．Fig. 1 に IVFFS の概Fig. 1: Concept of the IVFFS.

念図を示す．さらに，我々は IVFFS のひとつの形態として SHB(Space Humming Bird) と呼ぶフリーフライ

そこで，本論文ではこのような問題に対処するため，ヤーを提案してきた．

ロボット本体の予測位置を表示するオペレータ支援をSHB は地上からの遠隔操作により，船内活動を支援提案する．なお，提案する予測位置表示は通信時間遅する．しかし，SHB を地上から遠隔操作する場合，通れがある場合の予測表示とは異なる．すなわち，通信信時間遅れにより作業効率が低下する．この問題を解時間遅れが無い状態を提示するのではなく，未来の予決するためには，3 次元グラフィクスシミュレータ等を想されるロボットの位置を提示するものである．した用いた予測表示が有効と考えられる．一方，SHB は船がって，本論文では通信時間遅れが無い状態で有効な内が与圧されていることを利用して，推進システムとオペレータ支援システムについて論ずる．7 名の被験してプロペラ推進の利用を前提としている．しかし，プ者に対し，実験を行い，提案する手法の有効性を検証

ロペラ推進は大きな推力を得ることが難しいので，機した．

体の動きはダイナミクスの影響を受け，即応性のある2

動きは期待できない．すなわち，操作者が遠隔操作にSHB と問題点
現在船内活動支援用ロボットとして検討中である SHB

より直接 SHB を操作する場合，加速度指令を機体に与の概観を Fig. 2 に示す．また，SHB の特徴を以下にえて操作を行うことになる．このため，操作者は慣性示す．の影響を考慮しながら操作しなくてはならず，操作効• 自由飛行型ロボット

率が著しく劣化する．

193

具体的には，動作しているロボットが現在速度 v cur

Stereo cameraで等速運動していると仮定し，tpre 秒後のロボットのPropeller

予測位置 ppd を提示する．ロボットの現在地を pcur とすれば ppd は以下のように表される．

Hand

ppd = pcur + v cur tpre

(1)

Sucking disk

この予測位置表示のもつ特徴を以下に示す．

• 予測位置表示はロボットの現在位置 pcur に対して現在速度 v cur で等速運動したと仮定した時の予測

Fig. 2: Overview of the SHB.

位置を提示するため，操作する実際のロボットに比べて立ち上がりが速い．

• プロペラを用いた推進システムの利用• 地上からの遠隔操作による運用• ロボットを目標位置に停止させる場合，予測位置• 吸盤を用いた壁への固定表示が目標位置に達しても，ロボットが速度を持っ• 全身を用いたマニピュレーション機能ているため，予測位置表示は，さらに先に進もうとする．そのため操作者は予測位置表示に対して

SHB の特徴は，全身を用いたマニピュレーション機能

目標位置に留まる逆向きの指令を与え続ける必要により，接触作業を実現できることであるが，もう一がある．

つの特徴として，船内の空気を利用したプロペラ推進の利用がある．これにより電気エネルギーだけで自由• ロボットに対する予測位置表示までの位置と方向飛行が可能となる．しかし，プロペラ推進に大きな推は，ロボットの現在の速度ベクトルに等価である力は期待できないのでロボットの動きは慣性の影響をため，結果的にロボットと予測位置表示が一致し，大きく受けることになる．また，実際には，プロペラ距離が 0 となった時，ロボットの現在速度 v cur がの反力の影響も無視できないが，問題が複雑化するの0 となる．

で本論文ではプロペラの反力の影響は扱わない．なお，• 予測位置表示を用いた操作は，操作者が速度ベク直接推力（加速度）を操作指令として与えるよりは，自トルを意識した操作でもあるため，加速度指令で律機能を持たせることにより，より高度な指令（例えありながら速度制御に近い感覚で操作することがば目標位置）を与えるほうがシステムとしては望まし可能である。

い．しかし，これを実現するためには，正確な自己位加速度指令によるシミュレーション実験

4置同定法を確立しなければならない．また，自律機能だけでは対応できない状況も起こりえる．そこで，本提案する予測位置表示の効果を検証するため，コン論文では，より低レベルな指令である加速度指令を直ピュータグラフィックスによるシミュレーション実験を接操作者が与える場合を取り扱う．この場合，ロボッ行った．

トは慣性の影響を大きく受け，操作性が著しく劣化す

4.1

る．例えば，目標位置に静止させることも，目標位置実験システム

Fig. 3 に実験システムの概要を示す．シミュレータ

で速度が零になるようタイミング良く指令を与えなければならず困難となる．

は Red Hat Linux 9 上に，OpenInventor を用いて構予測位置表示築した．SHB を動かすインタフェースとして 6 軸力覚3センサ IFS (Intelligent Force Sensor: ニッタ株式会社)

上述の問題を解決するために，予測位置表示を提案を用いたジョイスティックを使用した．力覚センサを用する．提案する予測位置表示は，従来の通信時間遅れいているため，操作者が加える力を直接測定することに対処するために用いられる予測表示とは異なる．従が出来る．

来の予測表示は，通信時間遅れがないと仮定した時の4.2ロボットの状態を示したものであるが，提案する方法

加速度指令は，予測されるロボットの未来の位置を提示する方法

SHB に与える加速度指令は，操作者がジョイスティッである．すなわち，通信時間遅れが発生していない状クに加える力に比例するようにした．具体的には，次態でのオペレータ支援システムである．

式のように SHB の推進力 F を操作者が加えた力 f に194yObstacle

OpenInventor
Red Hat Linuxxz

StartyxGoalz
6-axes force/torque sensor

SHB

Predictive modelFig. 3: A system of the CG simulator.
Fig. 4: Overview of the simulator.

適当なゲイン k をかけて求め，そこから，加速度を算したと見なした．このシミュレータを用いて， tpre =出した．

0, 1, 2, 3 s の条件下で操作実験を行った．
F = kf(2)

実験する前に，被験者に 3 分間の操作練習を行わせ，その後，3 回の操作実験を行う．この操作を tpre = 0,実験では，k = diag[0.03, 0.03, 0.03, 0.025, 0.025, 0.025]

1, 2, 3 s と変えて行い，計 12 回の操作実験を行った．とし，SHB の質量を 1 kg と定めた．

4.3

また，操作の「慣れ」の検証を行うため，計 12 回の実験後，tpre = 0 s の条件下（予測位置表示ナシ）で 3操作実験回の操作実験を行った．このとき 3 分間の操作練習は複数の被験者を用いて，予測位置表示を利用した加行っていない．実験の流れを以下に示す．

速度指令の操作実験を行い，その有効性を検証する．実験のために，2 次元平面のシミュレータを構築した．構・・ 操作練習（3 分）○ 予測位置表示ナシ (tpre = 0) ・１

築したシミュレータの座標系を Fig. 3 に示す．シミュ操作実験（3 回）

レータの環境として仮想の壁に囲まれた縦 1 m, 横 2 m

・・ 操作練習（3 分）○ 予測位置表示アリ (tpre = 1) ・２の台を想定した．シミュレータ内の SHB は並進 2 自由操作実験（3 回）度，回転 1 自由度の計 3 自由度を持ち，加速度指令により操作される．実験に使用したシミュレータ環境を・・ 操作練習（3 分）○ 予測位置表示アリ (tpre = 2) ・３Fig. 4 に示す．シミュレータ内では，SHB に生じる摩操作実験（3 回）擦は無いものとする．また，今回は予測位置表示の有・・ 操作練習（3 分）○ 予測位置表示アリ (tpre = 3) ・４

効性を検証する実験であるため，被験者が操作し易い操作実験（3 回）

よう SHB が壁にぶつかった場合は跳ね返るように設定
・・ 操作実験（3 回）○ 予測位置表示ナシ (tpre = 0) ・５した．反発係数を 0.5 としている．

4.4以上の実験を行い，ゴールするまでの操作時間，壁実験条件

7 名の被験者が加速度指令により SHB を操作する．との衝突回数およびスタートからゴールまでの SHB の軌跡を測定した．

実験に用いるシミュレータ内にはスタート位置とゴー4.5

ル位置が提示してあり，スタートからゴールまでの間実験結果には 4 つの障害物が置かれている．被験者にはそれら実験により得られた被験者全員の平均操作時間と平の障害物に出来るだけ接触しないように SHB を操作す

均衝突回数を Fig. 5 に示す．また，操作時間と衝突回るよう指令を与える．スタート地点から出発し，ゴー数が平均値に近い被験者の軌道データを Fig. 6 に示す．

ル位置にある決められた枠内に SHB の方向を合わせ，tpre = 2 s の時のデータを (a) に，予測位置表示ナシのSHB を停止させることでゴールとなる．ゴールの基準

場合を (b) に示してある．

は，ゴール座標より並進に関しては縦横それぞれに±Fig. 5 を見ると，予測位置表示が無い場合，最初に30 mm 以内，回転に関しては± 10 °以内の範囲に収行った実験１○と最後に行った実験５○ では，操作時間もまることとし，並進速度は± 10 mm/s 以内，回転角速衝突回数も減少している．これは，被験者が操作に慣度は± 0.1 rad/s 以内の範囲内に収まったときゴールれたことを意味する．しかし，最後に行った実験５○と195





Completion time
Collision frequency



17



16



time (sec)











Ԙ

ԙ

without PD with 1s PD

collision frequency



90

Ԛ

ԛ

Ԝ

with 2s PD

with 3s PD

without PD

without PD

with 1s PD

with 2s PD

with 3s PD

Fig. 7: Results of questionnaire.

Fig. 5: Task completion time and collision frequency.

(a) ではスムーズに停止していることが見て取れる．こStartの現象は，Fig. 6の被験者のみならず，他の被験者に関0.5しても同様の傾向が見られた．
一方，予測時間 tpre に着目すると，tpre の値によって，若干作業時間や衝突回数にばらつきがあることが0わかる．そこで，実験終了後， 被験者にどの状態が操作し易かったか，アンケートを実施した．アンケート

Goal-0.5-10time 30.0 sec
collision frequency‫ޓ‬0では操作し易いと思う順に順位を付けてもらい，1 位

1を 3 点，2 位を 2 点，3 位を 1 点，4 位を 0 点として操作性を評価した．その結果を Fig. 7 に示す．予測位(a) with PD (tpre = 2)

置表示があるほうが無い場合に比べ操作しやすかった
ことがわかる．また，予測時間に関しては，tpre = 1 sStartおよび tpre = 2 s の場合の評価が高く，tpre = 3 s に0.5なると，その評価が下がっていることがわかる．被験者のデータとアンケートを比べると， 操作時間が短い
被験者は，tpre = 1 s の予測時間を好み，操作時間が0長かった被験者は tpre = 2 s の予測時間を好む傾向が見られた．このことから，予測時間と操作性の関係は，

Goal
-0.5

-10time 49.1 sec
collision frequency‫ޓ‬5

操作ゲインとの関係があると考えられ，これについて1は，今後検討課題としたい．

5(b) without PD

結論
加速度を直接指令するフリーフライングロボットのFig. 6: Trajectory data.

遠隔操作システムにおいて，操作性を向上させる予測位置表示手法を提案した．また，7 名の被験者による比べても予測位置表示を tpre = 2 s として導入した３○実験を行い，提案する手法の有効性を検証した．そのの場合は，操作時間が 66.7%に減少し，衝突回数に関結果，操作時間，衝突回数とも減少し，提案する予測しては 13.6%に減少している．これより，提案する予測位置表示を導入することにより，操作時間が短縮され，位置表示が有効に働くことを実証した．

参考文献

衝突回数を減少させる効果があることが見て取れる．
さらに，Fig. 6を見ると，(a) の予測位置表示が有る場合の方が，(b) の予測位置表示がない場合に比べ軌道が滑らかあり， 衝突もなく安定していることがわかる．
特に，ゴール位置付近に注目すると，(b) では，SHB を停止させるために試行錯誤を繰り返しているのに対し，

196[1] http://ic.arc.nasa.gov/ic/projects/psa/[2] 妻木勇一，Dragomir Nenchev，船内フリーフライヤー
システム，第 45 回宇宙科学技術連合講演会講演集，pp.
787–790, 2001.
[3] Y. Tsumaki, M. Yokohama, D. N. Nenchev, IntraVehicular Free-Flyer System, Proceedings of the 2003
IEEE/RSJ International Conference on Intelligent
Robots and Systems, pp. 2547-2552, 2003.