JVRSJ Vol.7 No.2 June, 2002

研究室紹介

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【研究室紹介】研究室紹介●研究室紹介●企画・基本設計から詳細設計に至るまで、顧客やデザイナの感性を定量化して形状設計にデジタル的に反映させる仕組みについて一連のテーマを試みている。生産に慶應義塾大学理工学部
システムデザイン工学科

関しては、熟練加工作業者がもつ経験やノウハウを自動的にデジタル化（データベース化）する研究、切削抵抗力を詳細に予測（計算）して切削工具の最適な送り速度

青山（英）研究室と工作物の最適な固定力を決定する CAM システム開発に関する研究、ロボットオフラインティーチングに関する研究、組立手順教示システムに関する研究、切削抵抗力を様々な分力として検出する磁歪式センサの開発研究などを行っている。したがって本研究室では、バーチャルリアリティのデバイスを開発するのではなく、既存青山英樹のバーチャルデバイスを設計や生産のプロセスに活用して、新たな設計・生産の手法を提案したり、新たな設計・生産システムを開発することを研究の一つの方向として捉えている。以下に、本研究室で行われているバーチャ１．はじめに
慶應義塾大学理工学部システムデザイン工学科は、「モルリアリティデバイスを活用した設計・生産システムにノづくり」
教育を目指した学科として 6 年前に新設され、ついて概説する。

2002 年 3 月に修士卒業生（1 期生）を社会に送りだした。
同学科のカリキュラムは、機械工学、建築工学、電気工学、２．バーチャルクレイモデリングシステム制御工学、情報工学の基礎学問から構成されており、大従来、図 1 に示すように、自動車のような高い意匠性変にユニークな教育を試みている。本学科で行っているを要求される製品の意匠設計では、製品企画・製品コン教育・研究については、卒業生がいかに社会で活躍するセプトに基づいてデザイナがアイデアをスケッチとしてかによって判断されることになり、その評価を得るには表現し、それを基にクレイモデルなどの物理モデルが製もう少し時間が必要である。我々システムデザイン工学

作され、そのモデルの測定データから CAD モデルが構科教員一同は、卒業生の大いなる活躍を期待し、そのカ築されるリバースエンジニアリングが行われている。こリキュラムが高い評価を得られるものと確信をして、日の場合、クレイモデルの製作に多大な時間とコストが費頃の教育・研究活動を行っている。

やされ、リードタイムの短縮の障害となっている。

その中で、青山（英）研究室は、設計・生産システム

このため、本研究では、図 2 に示すようなバーチャルに関する研究を幅広く行っている。設計に関しては、意

クレイモデリングシステムによる設計プロセスを提案し匠設計（スタイルデザイン）の支援システムに関する研ている。同プロセスでは、デザイナは製品企画・製品コ究を中心に行っている。製品の外観デザインについて、ンセプトを基にスケッチでアイデアを固め、バーチャ

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研究室紹介

Concept

Physical Model��������andIdea

Measurement process�������

Computer ModelSketch������������������������

図 � 従来の意匠設計手順
Concept

SketchVirtual Clay ModelIdea

High Quality
Computer Model��������������������������������orEvaluationor��������
図 �

Position Tracker(ISOTRAK II)

Position &�����������

図 3 は、構築したバーチャルクレイモデリングシステ
ムの構成図を示している。同システムは、2 台のワークステーションで構成され、その一つはデータグローブか

Finger JointAngle

Work Station(SGI O2)

らデータを獲得してバーチャルクレイモデリング作業におけるバーチャルハンドを構築するとともに、バーチャWork Station(SGI VWS320)��������Force

Position &�����������

Force Feedback Device(PHANToM)

ルツールによるモデリング作業における反力を力返還装Computer��������

置（PHANToM）によりオペレータにフィードバックす

Head Mounted Display(Mediamask)を立体情報としてオペレータに表示する機能を果たす。

る。もう一方のワークステーションは、バーチャル空間
この立体表示は、ヘッドマウントディスプレーを用いてPosition Tracker(ISOTRAK II)

図３

Data-Baseバーチャルクレイモデリングによる意匠設計

Data Glove(Super Glove)

Position &�����������

Proposition

実現されているため、バーチャルクレイの後ろ側からの作業も可能となり、操作性が高い。2 台のコンピュータ

バーチャルクレイモデリングシステム構成

は、ネットワークで情報が共有されている。
バーチャルツールの形状は、自在に定義できる。図 4
は、バーチャルツールの形状定義と、同ツールによるモル空間にてクレイモデルを製作する。したがって、クレデリングプロセスを示している。また、図 5 は、バーチャイモデルの製作と同時に CAD モデルが構築され、設計ルクレイモデリングシステムにより構築されたモデルのプロセスの効率化が図られる。

一例を示している。

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研究室紹介(a) Scraper shape

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手に装着
触覚情報
小型振動モータ
3 次元位置姿勢センサ

指の位置姿勢データ
指の曲げ角度データ

データグローブ

コンピュータ

頭に装着
3 次元位置姿勢センサ

頭部の位置姿勢データ
仮想空間

ヘッドマウントディスプレイ

図６

図 組立手順教示システム構成
6 組立手順教示システム構成(b) Initial shape
図４

理解が可能であるため、より直感的・効果的な組立作業(c) Reformed shape

バーチャルツールによる形状モデリングの教示を行うことが可能になる。また言語の違いを問わずに利用することができるため、製品製造のグローバル化が容易になる効果も考えられる。
図 6 は、組立手順教示システムの構成を示している。
同システムは、オペレータの操作動作を読みとる入力装置（データグローブ（日商エレクトロニクス社製、Super Glove）、3 次元位置姿勢センサ（Polhemus 社製、3SPACE FASTRAK）、入力されたデータを用いて仮想空間内にオペレータを配置しオペレータの動作を模擬する
図５

シミュレーション装置（コンピュータ）、およびオペレー

バーチャルモデル例

３．組立手順教示システム
CAD/CAM/CAE システムにより設計・生産プロセスの効率化が図られたことは疑いのない事実である。しかし組立プロセスにおいては、部品を試作した後、実際に組立作業を行って組立手順を確認し、組立作業指示書を作成する。その後、作業者に組立作業指示書と 2 次元図面からなる組立マニュアルが提示され、組立プロセスの教育・訓練が行われている。ここで、試作後に行われている組立作業のマニュアル作成および作業者への教育・訓練を設計段階で行うことができれば、設計・生産プロセスを効率化できる。
本研究では、バーチャルリアリティ技術を組立作業のシミュレーションと教示に適用する。設計者がバーチャルリアリティデバイスを用い、設計段階において設計データ（3 次元 CAD データ）を利用して仮想空間内で組立作業を実行する。その作業プロセスを基に組立作業をアニメーション化するとともに、組立作業指示書を作成する。アニメーションによる組立作業指示書は、その視認性の良さから経験の少ない作業者であっても素早い

図７47

組立作業結果144
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研究室紹介

タに仮想空間を立体視させるとともに仮想空間における触覚情報を提供する出力装置（ヘッドマウントディスプレイ（OLYMPUS 社製，Mediamask）、小型振動モータ）から構成される。
図 7 は、開発したシステムによりバーチャル空間において設計者により懐中電灯の組立作業が行われている様子が示されている。このプロセスデータを基に、組立作業のアニメーション教示が可能となった。
４．オフラインロボットティーチングシステム（a）ロボットアームの握持

産業用ロボットは、生産プロセスに導入され、作業者を過酷な労働条件から解放してきた。自動車の組立ラインに見られるような溶接や組立プロセスなど、人間にとって厳しい作業を代行している。ロボットを溶接や組立プロセスで利用する際には、所望の動作を教示し、動作プログラムを生成する必要がある。このとき、実ラインを停止させ、ロボットの動作経路を現場ティーチングにより教示する手法が一般的に用いられており、そのティーチングの間、生産を停止しなければならず、効率上、問題となっている。この問題に対して、実ラインに(ｂ）ロボットアームの移動おけるティーチング時間を短縮することを目的として、三次元仮想空間において教示データを生成するオフラ

図９

インティーチング法が提案されているが、仮想空間でロシステム評価実験

ボットをマウスやキーボードなどで制御するため、操作本システムは、図 8 に示されるように、三次元仮想空性が悪く、オペレータの負担が大きいことが問題として間を構築するとともにティーチングデータを生成するコ指摘されている。そこで本研究では、バーチャルリアリ

ンピュータ、オペレータを三次元仮想空間に配置する立ティデバイスを用いることによって、三次元仮想空間で体視装置（ヘッドマウントディスプレイ）、オペレータオペレータが直接ロボットを操作しながら移動経路を簡の手の動作を検出するデータグローブから構成される。

単に教示できるオフラインティーチングシステムを開発ヘッドマウントディスプレイおよびデータグローブにしている。

は、位置および姿勢を検出する磁気センサが設置されて動作入力装置
振動子

いる。仮想空間内において物体の把持をオペレータに認

立体視装置

データグローブ����������識させるため、振動素子をデータグローブに搭載し、物ヘッドマウントディスプレイ

体を把持した時には把持しているデータグローブに振動������� ���������が与えられる。
磁気センサ

磁気センサ

��������������

オペレータの手の動作は、仮想空間内にバーチャルハンドとして表現される。バーチャルハンドは、三次元仮想空間内に構築された多関節型バーチャルロボットの三次元画像データ

指曲げ角度データ

アームの任意位置を把持でき、把持判定機能により把持位置・姿勢データ状態と認識されたとき、把持されたバーチャルロボットアーム部分の色を変化させるとともに、振動素子によりコンピュータ振動が与えられ、把持状態が認識される。把持されたロ三次元仮想空間

図８

ボットアームは、バーチャルハンドの位置・姿勢に追従して動作し、オペレータの所望の位置・姿勢へロボットオフラインロボットティーチング
システム構成図

アームを移動させることができる。バーチャルハンドに

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研究室紹介設置された磁気センサから得られる位置・姿勢データを

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145●研究室紹介●用いて、随時バーチャルロボットの各関節の位置（座標）が算出され、教示データとして保存される。
図 9 は、開発したシステムのティーチング機能を検証

東京工業大学大学院
情報理工学研究科計算工学専攻するために行った実験を示している。図 9(a) は、仮想空間内でバーチャルハンドによりロボットアームを把持している状態を、同図 (b) は、任意の位置にロボットアームを移動している状態を示している。これにより得ら中嶋研究室

れた教示データを用いて仮想空間にてロボットを動作させ、ロボットが教示動作を実行することが確認された。
５．おわりに橋本直己、中嶋正之

以上、本稿では、慶應義塾大学理工学部システムデザイン工学科の青山（英）研究室で行われている研究テーマの中から、バーチャルリアリティデバイスを用いて新たな設計・生産システムを開発している内容について紹介した。本稿で紹介した研究あるいは本研究室での研究内容に興味がありましたら、下記の Web ページをご覧１．はじめにいただければ幸いである。また、e-mai でのお問い合わ

我々の研究室では、画像を扱うことを中心に、画像認せも歓迎している。

識・画像解析・画像生成などに関する研究を行っています。我々の予想をはるかに越えるようなスピードで普及、進歩している PC（パーソナルコンピュータ）やインタ【連絡先】
慶應義塾大学

理工学部

システムデザイン工学科ーネット、マルチメディアなどの利用において、計算機青山英樹研究室を用いた画像の生成や複数の計算機間の画像の転送は、〒 223-8522

非常に重要な課題となっています。そのような中で、我

横浜市港北区日吉 3-14-1々は、従来から、CG( コンピュータグラフィックス ) をTEL: 045-566-1722

FAX: 045-566-1720

用いた自然物体の生成、人間の動作、表情などの表現、

e-mail: haoyama@sd.keio.ac.jp

および、CG 画像の圧縮技術について検討を行って来ま

URL: http://www.ina.sd.keio.ac.jp/haoyama.htm

した。最近では、計算機の作り出した仮想空間を体験できる様々なシステムが提案され、我々が従来提案してきた画像生成技術の応用分野が広がってきています。そのような仮想空間で、体験者が現実空間とのギャップを意識せずに没入できるような現実空間と仮想空間のシームレスなインタラクションも、これからの重要な課題であると考えています。そのため、CAVE を始めとした没入感の高い大型ディスプレイ装置や、その中で自然に使える入力インタフェースの研究などを近年盛んに行っています。以下、これらの VR を中心とした研究内容を簡単に紹介します。
２．CAVE を中心とした没入型仮想空間の構築
中嶋研究室では、1996 年に日本で初めて CAVE システムを導入しました。現在ではいくつかの大学や研究所に設置されていますが、当時としてはその具体的な構成

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