第 15 回テレイグジスタンス研究会(2020 年 2 月)

テレイグジスタンスの研究（第 97 報）―5 指ロボットハンドとレッグ機構を含む 67 自由度テレイ
グジスタンスロボットの全身マスタースレーブ制御―
Study on Telexistence XCVII: Full-body Master-slave Control of 67DoF Telexistence Robot including Five-finger
Robot Hand and Leg Mechanism井上康之 1)，加藤史洋 1)，舘暲 1)
Yasuyuki INOUE, Fumihiro KATO and Susumu TACHI1) 東京大学 高齢社会総合研究機構(〒113-8656 東京都文京区本郷 7-3-1, y-inoue@tachilab.org)
Abstract: A telexistence robot which has human-resemble body structure and works under master-slave control
can reproduce human’s complex body movements for performing many kinds of teleoperation like a real human.
In this peper, a full-body robot control system for the latest model of the telexistence robot “TELESAR VI” isshown. One of the main features of this robot control system is that the five-finger robot hand is preciselycontrolled by using newly developped finger measurement system. Also, this control system manages a pair of6-DoF leg mechanism which can copy the leg posture of the robot’s operator sitting on a chair. Owing to thesefeatures, the opeartor can achieve fine manual operation as if the robot hand were own, and the appearance ofrobot’s body such as arms, hands and legs synchronizing with own body is expected to bring whole-body transfer
of bodily consiousness.
Key Words: Telexistence, robot hand, master-slave control, presice hand manipulation

1. はじめに[4]は，操縦者の身体運動を光学式モーションキャプチャ

テレイグジスタンスは人が今いる場所とは異なる別のと曲げ感知式センサグローブで計測し，その計測データに空間に実際に存在しているような体験を生じさせる技術

基づいてロボットのトルソ（5 自由度）・ヘッド（3 自由度）・を指す概念である[1]．テレイグジスタンスを実現させるアーム（7 自由度×2）・ハンド（15 自由度×2）の各関節をことを目的として，人間と同等な運動機能や感覚機能を備制御することで，ロボットに操縦者と同じ身体運動をリアえた人型代理ロボット TELESAR（Telexistence Surrogate

ルタイムで再現させるものであった．特に，頭部の視点（目Athropomorphic Robot）がこれまで開発されてきた[2-4]．

／カメラ）と腕の終端部（手甲部）については，その 3 次

その最新型となるテレイグジスタンスロボット TELESAR

元的な位置と姿勢に関する 6 自由度をマスタースレーブ間

VI は JST-ACCEL 身体性メディアプロジェクト[5]によってで正確に一致させるための逆運動学が解かれている．これ開発された．TELESAR VI の特徴として，従来のテレイグジによってロボットに搭載されたステレオカメラ映像が操スタンスロボット（TELESAR V[4]）の 52 自由度よりも多縦者の頭部運動に合わせて変化し，その映像を HMD などをい 67 自由度の機構を有して操縦者の頭や腕・手指の動き通じて操縦者に提示することで，操縦者の網膜上にロボッに加えて脚の動きまでを再現することが可能であること，

トの視界が投影されることになる．さらに，操縦者が操作また，触原色原理に基づく触覚センシング／提示システム

するロボットハンドの空間座標は，奥行方向も含めて操縦を備えてロボットハンドで触れた触感を伝送・再現できる者が自分自身の手を見た時の場所と正確に一致する．これことなどがある[6]．本稿では，TELESAR VI の 67 自由度にによって操縦者の身体に対する視覚情報と固有感覚情報関する全身マスタースレーブ制御について述べる．

が整合し，ロボットに対する強い没入感覚をもたらす．

2. 関連研究
従来の TELESAR V に関するマスタースレーブシステム

しかし，TELESAR V のロボットハンド制御は，マスター側の計測システムの制約から指先の位置や姿勢に関する厳密な逆運動学が解かれておらず，代わりに，特定の手指グローブ（図 1）を開発することでこの問題を解決した．

姿勢をマスタースレーブ間で一致させるアドホックな調

この複合センサグローブは，2 種類のセンサ情報を相互に整[7]が適用されていた．そのため，ロボットハンドで再現利用した計算モデルを用いることで手指運動の計測精度された指の動きの正確性が担保されるのは限定的な範囲と安定性の両方が確保されている[8]．この計測システムに留まる．また，TELESAR V は円筒状の下半身が台座に固を通して得られた 60 自由度のデータを利用して，4 節で述定される形であり，人間の下肢に相当するレッグ機構は備べる TELESAR VI のロボットハンド（16 自由度×2）の制御わっていない．そのため，テレイグジスタンス中の操縦者を行う．

が下を向くと自らの足が存在しないように見えてしまい，全身体的な没入感覚の維持が妨げられる．
これに対して，TELESAR VI では操縦者の計測システムとIMU
sensor

ロボットのメカニズムを改良し，これらの問題を解決した．
具体的には，新規に開発された複合式センサグローブと 16自由度ロボットハンドを用いることで，操縦者が行う手指運動のより厳密なマスタースレーブ制御が実現された．また，ロボットの下半身には 6 自由度レッグ機構を左右に搭載することで，操縦者の座位姿勢での両脚の動きが再現される．このレッグ機構の存在は，ロボットに対する操縦者の自己投射性を強めるだけでなく，代理ロボットの動きをOpticalMarker

通して伝わる操縦者の存在感も強化するため，ロボットを用いた身体性コミュニケーションに貢献することが期待される．次節では，TELESARA V に対するこれらの改良点も

図1

手指運動計測用複合センサグローブ

含めて，全身マスタースレーブ制御システムの詳細を述べていく．

4. TELESAR VI の運動制御システム

3. 操縦者の身体運動計測システム

4.1 ロボットメカニズムの仕様

3.1 光学式モーションキャプチャ

TELESAR VI の全身のメカニズムは，6 自由度トルソとTELESAR V の計測システムと同様，操縦者の大きな身体3 自由度ヘッドから成る本体部（川渕機械技術研究所，

運 動 は 光 学 式 モ ー シ ョ ン キ ャ プ チ ャ （ Acuity inc,UHB_01）と，その両肩に取り付けた 7 自由度アーム×2

OptiTrack, Prime 13/13W）で計測する．以前のシステム（川渕機械技術研究所，UHA_02），腰部底板に取り付けたでは再帰性反射マーカの取付部位が頭部・両肩・両手首の6 自由度レッグ×2（川渕機械技術研究所，AHS_01），さら5 箇所だったのに対して，本システムでは更に左右の上腕に，左右のアーム先端に取り付けた 16 自由度ハンド×2と足先にもマーカを配置して，合計 9 箇所の身体部位の 3（川渕機械技術研究所，Universal_Hand_05）という要素

次元的な位置と姿勢を最大 240Hz で計測する．この計測でで構成される（図 2, 3）．各関節には高出力の DC マイク

得られた 54 自由度のデータを利用し，4 節で述べるロモータ（FAULHABER Drive Systems）が搭載され，人体TELESAR VI の胴体（6 自由度）・頭部（3 自由度）・アームの複雑な身体動作を再現するのに十分な広い可動範囲を（7 自由度）×2 およびレッグ（6 自由度×2）の制御を行持つ（表 1-4）．

う．さらに，操縦者が両手に装着したグローブの先端には赤外 LED マーカが取り付けられており，左右合わせて 10本の指先位置の動きを時分割によって最大 30Hz で計測し，後述する慣性式センサグローブと組み合わせて操縦者の手指運動計測に利用する．
3.2 慣性式センサグローブ
TELESAR V で操縦者の手指運動の計測システムに用いられた曲げ感知式センサグローブ（5DT, 5DT-14）は，各指節の間の平面的な屈曲角度は計測できるが 3 次元的な指先の方向や位置を計測できず，ロボットハンド制御において指先に関する逆運動学が解けない課題があった．これに対して TELESAR VI の計測システムは慣性式センサグローブ（AiQ Synertial Ltd, IGS-CobraGlove16）を採用し，更にモーションキャプチャによる位置計測と組み合わせることで指先の位置と姿勢を 30Hz で計測可能な複合センサ

図2TELESAR VI の外形寸法（ボディ）表4JT1JT2JT3JT4JT5JAb
JF1JF2JF3
図3TELESAR VI ハンド関節の可動性

有用可動範囲可動部位可動方向-120°～ 0°X軸
母指-60°～ 0°
基節3軸
Y軸
回転0°～ +45°
X軸
0°～ +112° 中節1軸回転
Y軸-30°～ +80° 末節1軸回転
Y軸
0°～ 15°アブダクション
Y軸
0°～ +78°
Z軸
対向指0°～ +112°
3リンク平面Z軸
回転-30°～ +80°
Z軸

TELESAR VI の外形寸法（ハンド）
4.2 TELESAR VI のマスタースレーブ制御

表1TELESAR VI ボディ関節の可動性

有用可動範囲可動部位 可動方向
JB1-18°～ +18°
X軸
JB2-10°～ +35°
腰3軸回転
Y軸
JB3-90°～ +90°
Z軸
JB4 0mm ～ +100mm 脊柱1軸並進
Z軸
JB5-26°～ +8°Y軸
胸2軸回転
JB6-16°～ +16°
X軸
JH1-30°～ +30°
X軸
JH2-30°～ +45°
首3軸回転
Y軸
JH3-60°～ +60°
Z軸

テレイグジスタンスの実現において重要な点は，視点から指先や足先などの終端部位に向かうベクトルをマスタースレーブ間で一致させることであり，これは以下の 2 式の制約として表現される[4]．
𝑤𝑤𝑠𝑙_𝑒𝑦𝑒𝑻 = 𝑚𝑠_𝑒𝑦𝑒𝑻(1)

𝑠𝑙_𝑒𝑦𝑒𝑚𝑠_𝑒𝑦𝑒𝑠𝑙_𝑒𝑛𝑑𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡𝑻 = 𝑚𝑠_𝑒𝑛𝑑𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡𝑻(2)

この 2 つの式が満たされることで，操縦者はあたかも自分の身体がロボットと重なっているような感覚を作り出し，操縦者自身の身体スキルを利用した直観的なマスタースレーブ操作が可能になる．TELESAR VI ではまず，(1)式に基づいてボディの制御を行う．計測された操縦者の頭部位置と姿勢（6 自由度）および胸部姿勢（3 自由度）を用い

表2JA1JA2JA3JA4JA5JA6JA7TELESAR VI アーム関節の可動性て(1)式を満足させる JB1～JB6 および JH1～JH3 の値を求

有用可動範囲可動部位
可動方向-35°～ +115°
Y軸-100°～ +15° 肩3軸回転
Z軸-150°～ +30°
X軸-130°～ 0°
肘1軸回転
Y軸-90°～ +90°
X軸
-12°～ +42° 手首3軸回転
Y軸-42°～ +57°
Z軸

める逆運動学を解く[9]．次に，(2)式に基づいてアームを制御する．計測された操縦者の手首位置と姿勢（6 自由度）および上腕の方向（1 自由度）を用いて(2)式を満足させる
JA1～JA7 の値を求める逆運動学を解く[9]．なお，従来のTELESAR V では，手首以降の逆運動学が解かれていなかったのに対して，TELESAR VI では手指計測システムの更新とロボットハンドの自由度の増加（15→16）によって，ロボットハンドの 5 本の指すべてに対して可能な限りマスター
スレーブ間で位置や姿勢を一致させる逆運動学を適用す
る．まず，ヒト側での可動範囲が最も広い親指は，それに表3JL1JL2JL3JL4JL5JL6TELESAR VI レッグ関節の可動性

有用可動範囲-8°～ +8°-25°～ +5°-25°～ +60°
0°～ +115°-15°～ +15°
-25°～ +25°

可動部位

可動方向
Z軸
大腿Y軸
3軸回転
X軸
膝1軸回転
Y軸
X軸
足首2軸回転Y軸対応するロボット側の自由度も多いため，計測された指先の位置（3 自由度）と姿勢（3 自由度）から(2)式をできるだけ満足させる JT1～JT5 の値を求める．その後，可動範囲が親指よりも広くない対向 4 指については，それに対応するロボット側の自由度も少ないため，姿勢に関する制御を妥協し，計測された指先位置（3 自由度）から以下の(3)式を満足させる JF1～JF3 および JAb の値を求める[10]．
𝑠𝑙_𝑡ℎ𝑢𝑚𝑏

𝑷𝑠𝑙_𝑓𝑖𝑛𝑔𝑒𝑟 = 𝑚𝑠_𝑡ℎ𝑢𝑚𝑏𝑷𝑚𝑠_𝑓𝑖𝑛𝑔𝑒𝑟(3)

この制御の結果，指の各節の曲がりはマスタースレーブ間で異なるが，その指先どうしの空間的な配置関係は両者で同一になり，人間の手指作業の遂行に重要な「摘まむ」指参考文献の形がロボットハンドで再現されるようになる（図 4）．

[1]S. Tachi, Telexistence (2nd Edition). World Scientific, 2015.
eye
thumb

[2]S. Tachi, H. Arai and T. Maeda, “Tel-existence master-slaveeyefingerfingerthumb

system for remote manipulation”, Proceedings of IROS ’90.
IEEE International Workshop, pp. 343–348, 1990.
[3]S. Tachi, K. Watanabe, K. Takeshita and K. Minamizawa,“Mutual Telexistence Surrogate System: TELESAR4 telexistence in real environments using autostereoscopic
immersive display -”, IEEE/RSJ International Conference onIntelligent Robots and Systems, pp. 25 – 30, 2011.
[4]C. L. Fernando, M. Furukawa, T. Kurogi, S. Kamuro, K. Sato,K. Minamizawa and S. Tachi, “Design of TELESAR V forTransferring Bodily Consciousness in Telexistence”, 2012

Operator

図4Robot

IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots andSystems, pp.5112 – 5118, 2012.

視点から母指・対向指に向かうベクトルの一致[5]http://www.jst.go.jp/kisoken/accel/en/research_project/ongoi

また，レッグに関しては，アームの制御と同様，(2)式を[6]舘暲，井上康之，加藤史洋，C. L. Fernando，M. Y. Saraiji：

満足させるように計測された操縦者の足首の位置・姿勢（6テレイグジスタンスの研究（第 96 報）―TELESAR VI：自由度）を用いて JL1～JL6 の値を求め，視点からのベク

67 自由度を有するテレイグジスタンス AVATAR システ

トルをマスタースレーブ間で一致させる制御を行う（図 5）．

ムー，第 15 回テレイグジスタンス研究会予稿集，pp. 1

ng/h26_05.html– 6, 2020 年 2 月.
[7]C. L. Fernando, M. Furukawa, K. Minamizawa, S. Tachi,"Experiencing ones own Hand in Telexistence Manipulation
with a 15 DOF Anthropomorphic Robot Hand and a Flexible
Master Glove", Proceedings of the 23rd InternationalConference on Artificial Reality and Telexistence (ICAT),
pp.20 – 27, 2013.
[8]Y. Inoue, F. Kato, and S. Tachi, “Finger Motion Measurement
System for Telexistence Hand Manipulation”, Proceedings ofthe 22nd International Symposium on Measurement and図5

視点から足先に向かうベクトルの一致

Control in Robotics(ISMCR-2019), 2019.
[9]井上康之，M. Y. Saraiji，C. L. Fernando，加藤史洋，山崎5. まとめ喬輔，田島優輝，舘暲：テレイグジスタンスの研究（第本稿では，新規に開発されたテレイグジスタンスロボッ89 報）―テレイグジスタンスのためのロボットシミュ

ト TELESAR VI の合計 67 自由度を用いた全身マスタースレ

レーションシステム―，第 22 回日本バーチャルリアリーブ制御の概要をまとめた．基本的な構成は従来までのシティ学会大会論文集，2017 年 9 月.

ステムを踏襲しつつ，操縦者側の運動計測システムとロボ[10]Y. Inoue, F. Kato, and S. Tachi, “Master-Slave Robot

ット側のメカニズムを更新することによって，これまで困Hand Control Method based on Congruence of Vectors for

難であったロボットハンドの指先の正確な運動制御や，レTelexistence Hand Manipulation”, Proceedings of the 22ndッグ機構を用いたより人間らしい身体表現の再現が可能

International Symposium on Measurement and Control inになった．

Robotics(ISMCR-2019), 2019.

謝辞

本研究は国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）の戦略的創造研究推進事業（ACCEL）「触原色に立脚した身体性メディア技術の基盤構築と応用展開」の支援によって行われた．