日本バーチャルリアリティ学会第 12 回大会論文集(2007 年 9 月)

操作者の腕姿勢を反映したテレイグジスタンス
マスタスレーブシステムの開発- テレイグジスタンスの研究（第 53 報） Telexistence Master-Slave system reflecting the arm posture of the operator
渡邊孝一，川上直樹 ，舘暲
Kouichi WATANABE, Naoki KAWAKAMI and Susumu TACHI東京大学大学院 情報理工学系研究科(〒113-0033 東京都文京区本郷 7-3-1,
Kouichi_Watanabe@ipc.i.u-tokyo.ac.jp,{kawakami, tachi}@star.t.u-tokyo.ac.jp)
Abstract:. In telexistence master-slave system, it is important how to conform the master (operator) to theslave when the operator operates slave of different measurement. In the conventional master-slave system
intended for the arm, the slave arm conforms to the master arm. However, for more natural and comfortable
operation the slave arm should conform to the arm of operator. In this paper, we present new master-slave
system, which can acquire and reproduce the posture of operator's arm.
Key Words: telexistence, master slave, configuration differing slave

1.はじめにを明らかにする。現状のマスタシステムは外部計測装置[2]我々は遠隔操縦や遠隔コミュニケーションにおいてあを用いるもの、設置型外骨格装置[3]を用いるもの、完全装たかもロボットの存在する環境に居るような高度な臨場着型装置[4]を用いるものに大きく分けられる。外部計測装感を持つことを可能とする技術をテレイグジスタンス[1]

置は操作者の任意の部位を計測可能だが、力情報をやり取と呼び、本技術に関する研究を行っている。特に、操作者りできない。一方で、設置型外骨格装置は力情報がやり取が操るマスタシステムと遠隔地に置かれたスレーブロボりできるが、骨格の先端位置姿勢情報しか得られない[1]。

ットからなるマスタスレーブシステムはテレイグジスタ

また、完全装着型装置は装着する人に合わせて設計する必ンスを実現するための手法の一つとして注目されている。

要がある。

テレイグジスタンスマスタスレーブの理想は一つの汎そこで本稿では、外部計測装置と設置型外骨格装置を組用的なマスタシステムから様々な場所にある様々な形態み合わせたマスタシステムに着目する。この複合マスタシのスレーブロボットを操作できることである。それは人型ステムは腕の寸法の異なるユーザに対しても、同一形状のロボットであったり、小さな虫サイズのロボットであったマスタで操作が可能であると考えられる。つまり力提示がり、巨大なビルサイズのロボットであったりしてもよい。

有効な設置型外骨格装置を利用し、力情報を相互にやり取様々な形態のスレーブロボットにテレイグジスタンス

りしながら操作者の関節の位置情報を外部計測装置によする際、操作者はすべてのロボットをまるで自分自身であり得るようなシステムである。操作者の腕に着目すると、るかのように違和感なく扱えることが望ましい。しかし現複合マスタシステムによって手先の位置姿勢・力情報に加在のマスタスレーブシステムでは操作者の各部位の寸法えて肘・肩の位置を取得することができるようになる。ことスレーブロボットの寸法が異なるため、完全に同じであの情報を用いて、操作者とスレーブの形状差異などを考慮るかのように扱うことはできない。

しながら、人間の作業特性に合わせて適切な再現アルゴリ

本稿ではテレイグジスタンスマスタスレーブシステムの理想の一つである 1 マスタ多スレーブシステムを実現

ズムをスレーブロボットへ与えることにより、より自然なテレイグジスタンスが構築できると考えられる。

するための第一歩として、従来のマスタシステムを組み合外部計測装置により得られた操作者の腕姿勢をスレーわせた複合マスタシステムを提案し、寸法の異なるスレーブロボットに反映させる際に、操作者の腕寸法に完全に等ブへ操作者の腕姿勢を合わせる手法を提案する。

しく設計された人型スレーブアームであれば、正確に位置姿勢を合わせることが出来る。しかし誰でも利用できる汎2.従来のマスタスレーブシステムと問題点

用的なスレーブロボットを用いる場合、スレーブロボット

1 マスタ多スレーブ形式のシステム実現のために、従来の腕寸法は操作者と異なることが想定される。腕寸法が異のマスタスレーブシステムの分類とそれらの持つ問題点なる場合、手先の位置が操作者の手先位置と一致していた207

としても肘位置や肩位置が一致しないため、前腕を利用しるが、スレーブアームと上腕・前腕の長さの比率が操作者たタスクをおこなうことが難しい。前腕を利用したタスクと異なるスレーブアームの場合、従来のような腕全体でののうち、手先－肘間の位置関係を正確に一致させなければスケーリングでは肩位置が一致しなくなってしまう。そこ実行が困難なタスクがそれに当たる。

で、上腕・前腕を別々の座標軸を持つと仮定し、座標軸ご例えば、図 1 のような腕がちょうど入る程度の隙間からとに寸法をスケーリングして操作者の腕位置とスレーブ

ものを取り出すようなタスクを行う場合、手先と肘の位置アームの位置を合わせる必要がある。このとき、上腕・前関係がマスタとスレーブで一致していなければスレーブ腕が異なる空間になってしまうため、力情報の処理や視覚ロボットと隙間のエッジが衝突してしまう。

的な情報への影響を考慮する必要がある。
操作者の腕姿勢にスレーブアームを合わせる手順を図 2に示す。まず、外部計測装置により操作者の各関節位置を求め、手先位置を H、肘位置を E、肩位置を S、とする(図2(a)参照)。スレーブアームの手先位置を H’とし肘・肩位置を決めてゆく。HE を結ぶ直線を line-HE、H から line-HEに沿ってスレーブアームの前腕の長さだけ離れた位置をスレーブアームの肘位置 E’と定義する。ここで、HE と H’E’の長さの比が前腕の寸法のスケールを決める。次に肩位置
S から図左下に表示してある座標軸の X 軸に平行な線line-X を延ばす。E’を中心としてスレーブ上腕の長さの半径を持つ円 Sphere_E’S’を定義し、line-X との交点をスレーブアームの肩位置 S’とする。ここで、ES と E’S’の比が上腕の寸法のスケールを決める。

図 1 前腕の不一致が影響するタスク例

S

line_HES

line_HE

本稿では、このような手先と肘の位置関係が一致していないと遂行が難しいタスクを対象としたマスタスレーブ
システムに対してそれを解決するアルゴリズムとシステ

E'

E

E

ムを提案することで、最終的に描く理想的なマスタスレー
Zブシステム実現の導入部分を提供する。

ZY

HX

X

3.操作者の腕位置姿勢を考慮したマスタスレーブ
システム

YH
(a)

(b)

外部計測装置から得られた位置情報から、操作者の腕のline_-X

line_-X位置姿勢情報を計算する。得られた位置姿勢に対して、ス

sphere_E'S'

レーブアームの位置姿勢の決め方はいくつか考えられる。

S'

例えば、手先を優先的に手先－肘－肩の順に決める方式や肩－肘－手先の順に決める方式などである。本稿では手先S－肘間の関係が一致していなければ遂行が難しいタスク

Sを対象としていることから、手先－肘－肩の順に決める方式を採用する。肩や肘を先に決めてしまうとスレーブアー

E'性があり、タスクの実行に影響が生じる。

ZZ

Y

では、単純に姿勢を決定するとスレーブアームと操作者のEYH

手先－肘－肩の順にスレーブアームの姿勢を決定する
とき、操作者の腕寸法と異なる寸法を持つスレーブアーム

E'E

ムの手先位置が操作者の手先位置に一致しなくなる可能

HX

X

(c)

(d)

肩の位置が一致せず、手先－肘の姿勢により肩の位置が大きく変動してしまう。そのため操作者の寸法をスレーブア

図 2 スレーブアームの位置姿勢情報計算手順

ームの寸法に一致させるために座標空間をスケーリングする必要がある。従来のマイクロマニピュレータなどにおけるスケーリング[5]では、操作者の肩と手先の距離をマス

前述のように決定されたスレーブアームの位置姿勢を利

タの肩と手先の距離に一致するように寸法を調整してい用することによりスレーブアームの手先から肘，肘から肩208までの長さの比が操作者の腕と一致するようになる．このような操作環境では、操作者がまるで自分の腕であるかの4.3.力情報の処理外部計測装置により肘・肩位置を決定した場合、設置型外骨格装置を利用した力情報の相互やり取りにおいて各ようにスレーブアームを操作できると考えられる。

関節の姿勢決定が難しくなる。通常、設置型外骨格装置を利用した力情報の相互やり取りでは、デカルト座標空間に4.システム構成と処理フロー

おいて手先の位置姿勢を手先に加わる力により再計算す

本稿で提案するシステム構成は図 3 のようになる。通常る。そして計算された手先の位置姿勢から逆運動学によりのマスタスレーブ構成に対して、マスタ側は設置型外骨格各関節の位置姿勢を求めるため、操作者の各関節位置情報装置と外部計測装置の 2 つから構成される。

が適切に反映されない。スレーブアームの肘の位置は手先に加わる力と現在の手先の位置姿勢、操作者の手先の位置

スレーブ側

設置型外骨格装置

各スレーブ[torque]

姿勢のみで計算されるため、再計算されたスレーブアーム

マスタ側[force,angle]が取るべき手先の位置姿勢は操作者の肘の位置情報が反Marker data

ムの肘の位置が一致しなくなり、制御ができなくなる。よって、スレーブアームの各関節角度決定の際には操作者の[force,angle][torque]映されない。このため、操作者の肘の位置とスレーブアー

外部計測
装置

[command][position]

各関節位置情報をインピーダンス制御の計算に適用して[position,posture,force...]

各スレーブ制御部

適切な姿勢を選択しなければならない。
マスタ制御部

Network[position,posture,force...]Network

外部計測装置制御部[position]

図 3 システム構成

外部計測PC

Master-PC

データ測定

エンコーダ取得

データ受信

順運動学計算エンコーダ取得

システムの処理フローは図 4 のようになる。本章ではマスタ側処理、スレーブ側処理、力情報の処理に分けて考えMasterへデータ送信

外部計測データ
受信

順運動学計算

データ測定

データ送受信データ送受信インピーダンス制御

腕の姿勢決定アルゴリズム

逆運動学計算各Slave位置姿勢データ生成

る。
4.1.マスタ側処理
マスタ側は通常のマスタスレーブシステム同様に各関Slave-PC

節角度を取得して順運動学を計算し手先の位置姿勢を求める。外部計測装置側から送られてきた肩・肘・手先の位置情報と求めた手先の位置姿勢をスレーブ側に送り、スレーブ側の手先の位置姿勢を受け取る。受け取ったスレーブの手先の位置姿勢とマスタの手先の位置姿勢からコンプライアンス制御を行い逆運動学の計算して各関節を駆動トルク出力する。このとき、コンプライアンス制御にはインピーダン
ス制御[6]を利用する。インピーダンス制御はインピーダンエンコーダ取得

インピーダンス制御

スパラメータを変更することでマスタスレーブ間に存在する見かけ上のインピーダンス(介在インピーダンス)をあ逆運動学計算

る程度自由に変更できる。手先のマニピュレーションを行う際には介在インピーダンスはできるだけ小さいほうがトルク出力よく[7]、さらに稼動域提示などにも応用できる[8]ことからインピーダンス制御を採用する。

エンコーダ取得

4.2.スレーブ側処理
スレーブ側ではマスタ側同様に各関節角度を取得して順運動学を計算し手先の位置姿勢を求めた後、マスタ側へ手先の位置姿勢を送り、マスタ側の手先の位置姿勢および肩・肘の位置を受け取る。受け取った各情報を用いて 2 章
で述べた手法によりスレーブアームの位置姿勢を決定する。その後インピーダンス制御を行い、逆運動学を計算して各関節を駆動する。

209

図 4 処理フロー5.まとめ[3] 朝原佳昭, 川渕一郎, 梶本裕之, 川上直樹, 舘暲, "テレイグジ

本稿ではテレイグジスタンスマスタスレーブシステム

スタンスの研究(第 37 報) TELESARII マスタアームの開発(1)" ,の理想のひとつである 1 マスタ多スレーブシステムを実

第 4 回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演現するための第一歩として、マスタシステムを構築するた会論文集，pp. 596--597，2003

めに必要な計測手段の選択と寸法の異なるスレーブへ操[4] M.S. Shimamoto, ``TeleOperator/telePresence System (TOPS)

作者の腕姿勢を合わせる手法を提案した。計測手段としてConcept Verification Model (CVM) Development,'' N.K. Saxena,

外部計測装置と設置型外骨格装置の 2 つを用いた複合マ

ed., Recent Advances in Marine Science and Technology, '92,

スタシステムを採用し、操作者の手先－肘－肩の順にスレ

Pacon International, pp. 97-104, 1992

ーブアームの位置姿勢を決定してゆく方式により、より自[5] Edwardo Arata Yamamoto Murakami, Toshiyuki Kondo, Koji Ito:

然なマスタスレーブシステムが実現可能であると考える。

"Man-Machine Dynamic Characteristics Related to Position and今後、本提案システムを実際に構築し、マニピュレーシForceControlTasks

in

Micro-Teleoperation

Systems",

ョンの設定・タスク実行を行ったうえで本手法の有効性のProceedings of SICE Annual Conference 2003, TAI-15-5, Fukui,検証を行い、スケーリング時に起こる影響の対処を行う。

Japan, (2003)

また力情報処理時に問題となるインピーダンス制御への[6] 舘 暲, 榊 泰輔, “ インピーダンス制御型マスタ・スレーブ・操作者の各関節位置情報適用アルゴリズムを確立し、あらシステム (I) －基本原理と伝送遅れへの応用－” , 日本ロボッ

ゆるスレーブロボットへの違和感のない自然なテレイグ

ト学会誌, Vol.8, No.3, pp.241-252, 1990

ジスタンスを実現する。

[7] 宗玄清宏, 中河原修平, 朝原佳昭, 多田隈理一郎, 梶本裕之, 川上直樹, 舘 暲, “ テレイグジスタンス用人型スレーブアームの参考文献

冗長自由度を考慮したインピーダンス制御：テレイグジスタンス[1] 舘暲, 阿部稔, “ テレイグジスタンスの研究第１報” , 第 21 回の研究(第 40 報)” , ロボティクス・メカトロニクス講演会'04,

SICE 学術講演会予稿集，pp.167-168,1982.

2004[2] 栗原一貴，鈴木一郎，丹下学，山根克，杉原知道，稲邑哲也，[8] 渡邊孝一, 宗玄清宏, 川上直樹, 舘暲, “ 介在インピーダンス

中村仁彦, “ リアルタイムモーションキャプチャを用いたヒュによるスレーブロボットの可動域提示 -テレイグジスタンスのーマノイドのオプティカルコックピット” , ロボティクス・メカ研究(第 52 報)-” , ロボティクス・メカトロニクス講演会

トロニクス講演会(ROBOMEC)2002, 2002

(ROBOMEC)2007, 2007

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