第 14 回日本バーチャルリアリティ学会大会論文集 (2009 年 9 月)

テレイグジスタンスの研究 (第 59 報)

FlexibleSensorTube を用いた空圧アームの遠隔操作
Teleoperation of Pneumatic Arm with Flexible Sensor Tube
竹下佳佑 1) ，佐藤克成 1) , 南澤孝太 1) , 渡邊孝一 2) , 新居英明 2) , 川上直樹 1) , 舘2),和田貴志 3) , 田中徹 3) , 上田明寿 3)

Keisuke Tkaeshita, Katunari Sato, Kouta Minamizawa, Kouiti Watanabe, Hideaki Nii, Naoki Kawakami,
Susumu Tachi, Takashi Wada, Toru Tanaka and Meiji Ueda
1) 東京大学大学院情報理工学系研究科（〒 113-8656 東京都文京区本郷 7-3-1)

2) 慶應義塾大学大学院メディアデザイン研究科（〒 223-8526 横浜市港北区日吉 4-1-1)
3) 旭光電機 (株)(〒 650-0022 神戸市中央区元町通 5-7-20)
Abstract : In telexistence master-slave system, a master system is required not to limit operator’s
motion as much as possible and to be able to use easily. FST is proposed as the master systemthat meets requirements. FST is composed of the tube of the multiple joints with potentiometers.
The proposed technique was possible to control 4 DOF robot arm. However, it was not possible tocontrol 7 DOF robot arm. In thie paper, we propose the method how to control 7 DOF robot arm
with FST. Then, we construct the telemanipulation system using pneumatic arm via networks.
Key Words: Master-Slave, Flexible Sensor Tube, Pneumatic Arm

1.

はじめにとができる。しかし、ロボットアームに壁の向こう側のもロボットの遠隔操作において、あたかもロボットの存在のを触らせるようなタスクでは、操作者が壁を回避するよする環境に居るような高度な臨場感を操作者に与えることうな動作をしても、ロボットアームは壁にぶつかる可能性ができる技術は、テレイグジスタンス [1] と呼ばれている。

がある。これは人の腕の 7 自由度に対して、ロボットアーこれを実現するための手法の一つとして、操作者が操るマムの自由度が少ないことが原因であると考えられる。人のスタシステムと遠隔地に存在するスレーブロボットから構腕と同じ自由度である 7 自由度のロボットアームを用いれ成されるマスタスレーブシステムが挙げられる。マスタシ

ばよいが、これまで FST で 7 自由度分の情報を得ることがステムとしては、操作者の動作を極力制限しないこと、操できなかった。
そこで、本稿ではマスタシステムとして FST を用いた場

作者の体格に左右されずどのような人でも容易に操作することが可能等の条件を満たしていることが望ましい。

合における 7 自由度の操作者の腕姿勢を取得する手法とし操作者の体格の違いを吸収することが可能なマスタシスて、操作者の手先の位置だけでなく、手先の姿勢、肘の位置テムとして、多関節の Flexible Sensor Tube(以下 FST)[2]を計測することを提案する。また、7 自由度空圧アームをスが研究されている。FST は小型の関節を多数配置したチューレーブとし、ネットワークを通じた遠隔操作システムを構ブ状のセンサによって構成されており、チューブの先端の 3築する。

次元位置と回転角を算出することができる。このマスタシ
ステムを用いて、操作者の手先の 3 次元座標を計測し、4 自2.

システムの構成

由度ロボットアームをスレーブロボットとするマスタスレー

2.1

システムの概要

ブ [3] が行われている。このマスタスレーブシステムでは遠隔操作システムの構成を図 1 に示す。FST によって操FST の先端を操作者の手先に配置することにより、ロボッ作者の手先の位置と姿勢、肘の位置を計測し、FST 用 PC

トアームの手先の位置を操作者の手先の位置に合わせるこでその情報を取得する。FST と空圧アームでは座標系が異なるので、FST 用 PC で空圧アームの座標系に座標変換をアームと表記した場合には、基本的に空圧シリンダを利用行い、UDP 通信でアーム制御 PC に座標変換した位置、姿したロボットアームをさすものとする。スレーブアームの自勢を送信する。アーム制御 PC は受信した情報を空圧アー

由度配置は肩に 3 自由度、肘に 2 自由度、手首に 2 自由度

ムの各関節の目標角へ変換し、その目標角に各関節角を追となっている (図 4)。スレーブアームの長さは標準的な人間従させるよう空圧アームを制御する。の寸法に合わせて設計されており、上腕の長さが 0.30[m]、前腕の長さが 0.22[m] となっている。詳しい性能について
は文献 [4] に記載されている。

図 1: 遠隔操作システムの概要

2.2

FST

図 3: 空圧アームの概観 [5]FST(図 2) は人体の四肢と頭部に対応したウェアラブルな位置姿勢計測システムであり、これをマスタシステムとして使用する。FST は背中に背負った FST 制御部と、それに接続された最大 6 本のセンサチューブから構成されている。センサチューブは多数の小型の関節で構成されており、操作者の体格、腕や足の長さに関わらず装着することができる。各関節には回転角度を計測するポテンショメータが内蔵されている。このポテンショメータの値を用いてセンサチューブの先端の FST 制御部に対する相対位置、姿勢を FST 制御部で計算し、LAN を通じて PC に出力する。
また、原理的にはセンサチューブの先端だけでなく、FSTの各関節ごとの位置姿勢の計測も各ポテンショメータの値を用いて可能であるが、出力される情報量が多くなるため、現状では行われていない。

図 4: 空圧アームの自由度配置 [5]マスタスレーブ間のマッピング

3.
3.1

腕姿勢表現方式

操縦者の腕の位置姿勢をスレーブアームに反映する方式
は大きく 2 つに分けられる。1 つは肩に対して手先の位置
図 2: FST の概観

姿勢を合わせる方式である。この方式ではスレーブアームの肘位置は上腕・前腕の長さから決定される円周上に制限されるため、操作者の肘位置と一致するとは限らない。も

2.3

空圧アーム

う 1 つは単純に関節角度のみを一致させる方式である。操空圧シリンダを利用して構築されたロボットアーム (図 3)

作者の手先の位置とスレーブアームの手先の位置は基本的をスレーブロボットとして用いる。以降において、スレーブに一致しないが、操作者の上腕・前腕の姿勢とスレーブアー

ムの上腕・前腕の姿勢が一致するため、スレーブアームの周とすると、幾何的な関係から θ4 が求まる。

囲の環境との接触が避けやすくなるという利点がある。文cos θ4

献 [6] によれば、どちらの方式であっても作業タスクへの差は見られないため、一般的に用いられている肩に対する手先位置を一致させる方式を用いる。

3.2=

⃗ |
L1 2 + L2 2 − |SW
2L1 L22(4)

また、肩を起点とする肘の方向ベクトル e より、θ1 と θ2 が求まる。

FST による操作者の姿勢の取得

7 自由度空圧アームを操作するために、図 5 のように操tan θ1=cos θ2=ez
exey

(5)
(6)

作者の手の甲と肘にそれぞれ FST の先端を配置する。手の甲では、手の甲の姿勢に追従するように固定し、FST 制御

θ3 を求めるために順運動学の式を変形する必要がある。順部に対する手の甲の相対座標 Pm と図 4 の台座座標系 XYZ

運動学は以下の式で表現される。ただし Ci = cos θi , Si =に対する回転行列 R を取得する。肘では、FST 制御部に対sin θi とする。

する肘の相対座標 Em を取得する。

Wx=

L2 (C1 C2 C3 S4 + S1 S3 S4 − C1 S2 C4 )−L1 C1 S2(7)
(8)

Wy

=

L2 (S2 C3 S4 + C2 C4 ) + L1 C2Wz=

L2 (S1 C2 C3 S4 − C1 S3 S4 − C1 S2 C4 )−L1 S1 S2(9)上式より θ3 は次のようになる。

sin θ3=cos θ3=

Wx sin θ1 − Wz cos θ1L2 sin θ4Wy − (L2 cos θ4 + L1 ) cos θ2L2 sin θ2 sin θ4(10)(11)

これまで θ1 から θ4 までを求めたので、肩から θ4 までの回

図 5: FST の先端の配置

転行列 0 R4 を求めることができる。θ4 から θ7 までの回転
行列を 4 R7 とすると逆運動学の準備として操作者の肩に対する手首の座標

4

Wm = (Wx , Wy , Wz ) 及び肩を起点とする肘の方向ベク

R7=0

R4−1 R(12)

トル e = (ex , ey , ez ) を導出する。手首の座標 Wm は回転となるので、この方程式を解くことで θ5 から θ7 まで求め行列 R の成分 x を用いてることができる。

Wm=

Pm − kx − Sm(1)となる。k は手の甲と手首の長さであり、事前にキャリブレーションを行い求めておく。Sm は FST 制御部に対する操作者の座標であり、事前に測定した値を使用する。腕の動作に対して肩の移動は僅かであるので、固定された値を用いても十分である。また、e は以下の式で求められる。

e3.3=

1
(Em − Sm )|Em − Sm |(2)

逆運動学による関節角の導出

スレーブアームの模式図を図 6 に示す。点 S はスレーブアームの肩、点 E は肘、点 W は手首、点 P は手の甲にあたる。スレーブアームの寸法は既知とし、上腕の長さを L1 、前腕の長さを L2 とする。θi は図 4 における Ji の関節角度である。肩に対する手先位置を一致させる方式を用いるので、⃗SW=Wm(3)

図 6: スレーブアームの模式図

4.

実装

御が可能であり、1 本の FST で制御を行う方が、操作者の遠隔操作を行うための予備実験として、操作者とスレー動作の制限が少なくなると考えられる。

ブアームを隣り合わせての動作確認を行った。その様子がまた、腕の動作に対して肩の移動は僅かであるとして、事図 7 である。スレーブアームの制御には PID 制御を用いて前に FST 制御部に対する操作者の肩の位置を測定し、固定いる。図 1 におけるネットワークの部分に LAN を用いてされた値を制御に用いている。肩の移動が大きい腕の動作いる他は図 1 と同じシステム構成で行っている。操作者のも行ったが、スレーブアームの動作は不自然に感じられな動作に追従してスレーブアームが動作していることを確かかったため、肩の位置として固定値を用いる手法に問題なめることができた。また、UDP 通信により東大慶応大間のいと言える。しかし、操作者が変わった場合の肩の位置の通信も行った。FST で計測した操作者の腕姿勢が送られて変化に関しては考慮していないため、これに関しての検証いることをシミュレータで確かめた。

が必要である。

まとめ

5.

本稿では、FST をマスタシステムとして用いる場合の操作者の 7 自由度の腕姿勢の取得を提案し、7 自由度空圧アームをスレーブロボットとする遠隔操作システムの構成した。
また、操作者とスレーブアームを隣り合わせての FST を用いての空圧アームの操作の動作実験を行い、提案手法がスレーブアームの制御に有効であることを確認した。本稿の段階では、操作者の腕姿勢を 2 本のチューブを用いて取得したが、今後は、1 本のチューブで腕姿勢を取得し、7 自由度のスレーブアームの制御を行いたいと考えている。また、本稿で提案した姿勢の取得方法は、腕だけでなく足や頭でも有効であると考えられるので、手や頭、足を含めたマスタスレーブシステムを構築したい。
謝辞

本研究の一部は総務省・戦略的情報通信研究開発推進制度（SCOPE）の委託研究として実施された。

参考文献[1] 舘, 阿部稔. テレイグジスタンスの研究第１報, 第 21回 SICE 学術講演会予稿集, pp.167-168, 1982.

[2] 大須賀公一，原口林太郎，升川純司，和田貴志，北田安輝，楠健志. フレキシブルセンサチューブ：FST の開発，第 6 回システムインテグレーション部門学術講演会， pp.327-328, 2005.

[3] 岩田哲也, 大須賀公一. FST を用いた双腕ロボットのマスタスレーブ制御, 日本機械学会 ロボティクス・メカト
ロニクス講演会 (Robomec2007), 2P1-J06, 2007.
[4] Kiyoshi Hoshino and Ichiro Kawabuchi. Mechanismof humanoid robot armwith 7 dofs having pneumaticactuators. IEICE Trans. on Fundamentals, Vol.E89A, No.11, pp.3290-3297, 2006.
[5] Kouichi Watanabe, Hisashi
図 7: 実装の様子

Nagayasu,

Naoki

Kawakami, and Susumu Tachi. Mechanical compliance control system for a pneumatic robot arm. In

肘に配置した。ただ、2.2 節にあるように原理的には FST

SICE Annual Conference 2008, pp.2789-2794, 2008.
[6] 渡邊孝一, 川上直樹, 舘 . マスタスレーブシステムにの先端だけでなく、FST の途中の位置姿勢も計測できる。

おける腕寸法ずれ許容範囲の評価, 日本機械学会 ロボ

FST の先端を手の甲に配置し、FST の適当な位置を肘に固ティクス・メカトロニクス講演会 2008(Robomec2008),

定することによって、1 本の FST で 7 自由度のアームの制

1A1-I17, 2008.

本稿では 2 本の FST の先端をそれぞれ操作者の手の甲と