計測自動制御学会東北支部 第 282 回研究集会 (2013.7.17 )
資料番号 282-5

感性情報を考慮した動作制御システムの構築に関する基礎的検討
A Basic Study on the Construction of a Motion Control System
Including Kansei-Information Processing○最上秀*，朝香佑太*，松尾健史*，三浦武*，田島克文*○Shu Mogami*, Yuta Asaka* , Kenshi Matsuo*, Takeshi Miura*, Katsubumi Tajima**秋田大学*Akita University
キーワード：ロボット動作(robot motion)，感性情報 (Kansei information)
連絡先：〒010-8502 秋田県秋田市手形学園町 1-1 秋田大学大学院 工学資源学研究科
三浦

1.

武，Tel.：(018)889-2329，Fax.：(018)837-0406，E-mail：miura@ipc.akita-u.ac.jp

課題となっている．

はじめに上記のような課題を解決するため，実際
近年，ロボットは，産業分野に留まらず，にロボットを動作させた際の感情分析の実様々な分野への応用がなされてきており，験が行われ始めている2)．しかし，ロボットそれは人と接する分野にも及んでいる．文

動作の根本となる単純動作に焦点を絞った

献 1)で述べられているように，ロボットと感情分析はほとんど行われていない．

いうのは，当初は事業の高効率化や，人間

そこで，本研究では，感性情報を考慮しが行うには危険な作業を代行するために生た動作制御システムの構築を目的として，み出されたものであった．しかし，現在にまず，単純動作に対して人がどのような感おいては，開発当初の目的とは全く異なり，情を抱くのかを明らかにし，次に，得られ人にできない作業というよりは，むしろ人た結果を用いて，希望する感情を抱かせると同じように作業することが求められ始めような動作を実現するシステムを構築するている．

ための基礎的な検討を行う．

そのため，文献 1)で述べられている「優具体的には，単関節のアームシステムをしさ」，言い換えると，人に「快さ」や「安対象とし，まず，単純な繰り返し動作の様心」といった印象を抱かせることが，人と子を視覚的刺激として被験者に与える実験

接する分野におけるロボット技術の重要なを行い，単純動作に対する感情因子を抽出-1-する．次に，抽出された感情の再現に関しにおいて用いられた種々の動作のそれぞれて，アームによって物体を移動させるシスを特徴づける動作パラメータとの関係から，テムを用い，その様子を視覚的刺激として希望する感情を再現する動作制御が可能か被験者に与える実験を行って，より実際のどうかを検討する．
以下では，第 3 章で反復動作実験につい動作に近い動作を与えた場合における課題を検討する．て，第 4 章で運搬動作実験について述べる．

2.

3.

反復動作実験

3.1

実験条件

実験全体の構成
第 1 章で述べたように，本研究では単関節のアームを用いた動作制御システムを用いて実験を行う．ここでは，その動作を被反復動作実験に用いた実験装置を図 1 に験者が決められた時間だけ観察するという示す．この実験では，図 1 に示すような形形で実験が実施される．実験は，単純動作で肘の屈曲・伸展を生成している．ここで，を対象とした第 1 段階のものと，実動作に実際の動作は基本ステップ角 1.8deg.のステより近い形の動きで物体（本研究では紙コッピングモータによって生成される．アーップ）を移動させる第 2 段階のものに分け

ムの長さは 315mm となっており平均的なられる（これ以降では，前者を反復動作実

人の前腕部および手の部分の長さより若干験，後者を運搬動作実験と呼ぶこととする）．

短くなっている．また，動作角度はこのとき使用されるアームは，人の腕に50.4~180deg.の範囲としている．また，屈おける前腕部および手の部分を模して作成

曲・伸展を交互に繰り返す動作を生成してした．また，アームの色としては感情に影いる．

響をおよぼさないようにすることを考慮し，実験において用いたサンプル動作の詳細

無彩色でかつ明度も中程度である N5（灰色）を図 2 に示す．具体的には，三角波状およを用いている．

び台形波状の角度変化波形（(a)および(b)）

反復動作実験では，動作に対する感情をと三角波状，台形波状および正弦波状（(c)，

確認するために，種々の概念の「意味」を(d)および(e)）の速度変化波形を用いた．図

定 量 的 に 測 定 す る Semantic differential

2 において，T は屈曲および伸展の 1 周期にtechnique(SD 法) を用いて実験を行い，得ら要する時間， m は回転角度，Vm は最大速度れた値を因子分析4)することで，単純動作にをそれぞれ示している．

3)

ここで，サンプル動作のパラメータを表対する感情因子を抽出する．
第 1 章で述べたように，運搬動作実験で1 に示す．(a)および(b)では  m および T を段は，反復動作実験で抽出された感情を実現階的に変化させて動作サンプルを生成した．

するため，より実動作に近い動作である物

また，(c)，(d)および(e)は Vm および T を段体を移動させる動作に対する感情を，SD 法階的に変化させて動作サンプルを生成した．

を用いた実験で取得し，得られた値と実験最終的に動作サンプルは 87 個となる．
-2-yx315mm
running
direction
40mm
50.4~180deg.

図1Fig. 1

反復動作実験の実験装置

Experimental system for the reciprocal-motion experiment.

mrotation angle

rotation angle

m0

T/ 20

T tim e(a) Angle-variation based pattern(triangle waveform)

(b)

T/3

2T/3

T timeAngle-variation based pattern(trapezoid waveform)

Vm0

T/ 2

2T / 3TT /4

tim e

rotation speed

rotation speedVm0

T/6(d)(c) Velocity-variation based pattern(triangle waveform)

rotation speed

Ttime

Velocity-variation based pattern(trapezoidal waveform)

Vm

T /4

T/2

3 T /4T
tim e-Vm(e)

T/2 2T/3 5T/6-Vm

-Vm

0

T/3

Velocity-variation based pattern(sinusoidal waveform)

図2

サンプル動作の詳細

Fig. 2 The details of sample movements.

-3-表1
Table 1

サンプル動作のパラメータ

The parameters of sample movements.

(a) Angle-variation based pattern(triangle waveform)

 m [deg.](b)

Angle-variation based pattern(trapezoid waveform)

 m [deg.]

T [s]

T [s]

52.2

0.8

1.2

54

1.2

1.8

54

0.8

2.4

55.8

1.2

3.6

106.2

1.6

2.4

108

2.4

3.6

108

1.2

4.8

109.8

1.8

7.2

162

1.6

3.6

163.8

2.4

5.4

162

2.4

7.2

163.8

3.6

10.8

(c) Velocity-variation based pattern(triangle waveform)(d)

Velocity-variation based pattern(trapezoidal waveform)(e) Velocity-variation based pattern(sinusoidal waveform)

Vm[min-1]

T [s]Vm[min-1]

T [s]Vm[min-1]

T [s]

105.0
141.7
178.5
90.00
120.0150.0
67.50
92.25
117.0
40.50
54.00
67.50
29.25
38.25
47.25
13.50
17.25
21.00
5.700
7.500
9.300

0.40
0.54
0.68
0.48
0.64
0.80
0.96
0.82
1.04
1.08
14.4
1.80
1.56
2.04
2.52
3.60
4.60
5.60
7.60
10.0
12.4

84.00
105.0
126.0
67.50
86.25
105.0
54.00
67.50
81.00
30.00
39.00
48.00
22.50
28.12
33.75
9.000
12.00
15.00
4.500
5.700
6.900

0.48
0.60
0.72
0.54
0.69
0.84
0.72
0.90
1.08
1.20
1.56
1.92
1.80
2.25
2.70
3.60
4.80
6.00
9.00
11.4
13.8

150.0150.0
150.0
120.0
120.0
120.0
90.00
90.00
90.00
60.00
60.00
60.00
30.00
30.00
30.00
15.00
15.00
15.00
7.500
7.500
7.500

0.30
0.40
0.50
0.40
0.56
0.72
0.40
0.70
1.00
0.48
0.96
1.44
1.00
2.00
3.00
2.40
4.00
5.60
3.20
6.20
9.20

SD 法による実験で用いる形容詞対群とに対して図 3 に示すような 7 件法評定の質しては，人に接する分野で利用されるロボ問紙の該当部に○を記入してもらう．被験ットに求められ得る感情を考慮して，10 尺者には，屈曲・伸展を 1 周期とし，1 サン度用意した．今回の実験では，各サンプル

プルあたり 10 周期分の動作を，ランダムな-4-表 2 因子分析結果
Table 2 The result of factor analysis.
第1第2第3
因子負荷量 因子負荷量 因子負荷量0.024440.01828
0.9525
力強い⇔ 弱弱しい
0.18000.05863
0.9454速い⇔遅い
0.2326- 0.02170
0.9283
派手な⇔地味な- 0.1389
0.3484- 0.8688
緩やか⇔激しい0.21550.38380.8588
なめらかな⇔ ぎこちない
0.20920.9052- 0.06972
心地よい⇔不快な- 0.1104
0.8784- 0.3364
安心する⇔危険な
0.19300.81550.02444
繊細な⇔粗い
0.73070.1223
人間的な⇔機械的な
0.4780
興味がわく⇔ 興味がわかない
0.3351
0.042220.668449.54%
32.43%
7.371%
寄与率
因子名
速さ
快さ
興味
尺度

共通性
0.93020.93990.94420.91070.93430.87490.90270.82030.98610.9868

行われている．
図 3 反復動作実験に用いた尺度
Fig. 3The scales used for the3.2

実験結果

reciprocal-motion experiment.
ここでは，第 2 章で述べたように，実験で得られたデータを因子分析を行って感情因子を抽出する．本研究では評定値の個人差の影響は評価対象としていないので，因子分析には各サンプルに対する被験者全員の平均評定値を用いる．
また，因子分析には主因子法5)および基準バリマックス法4)を用いた．表 2 にその結果を示す．
まず，第 1 因子負荷量を見ると，「速い⇔遅い」「緩やか⇔激しい」といった，動作速
図 4 反復動作実験装置の全体図
Fig. 4度に関わる形容詞対の因子負荷量が高いこ

The general view of theとから，本研究では第 1 因子を「速さ（Speed）」

reciprocal-movement experiment.の因子と命名した．
次に，第 2 因子負荷量を見ると，「心地よ順序で 29 サンプル観察してもらう．実験にい⇔不快な」や「安心する⇔危険な」といは被験者として 20 歳代の男性 11 名に参加った，人がその動作を見て気持ち良く感じしてもらっている．よって，1 サンプルあるか否かに関係している形容詞対の因子負たり 3 ~ 4 人分の評定値が得られることと荷量が高いことから，本研究では第 2 因子なる．3 波長形昼白色の蛍光灯を補助照明を「快さ（Pleasantness）」と命名した．に用いている北窓の部屋を使用して，図 4最後に，第 3 因子負荷量を見ると，「興味に示すような配置で実験を行う．なお，実がわく⇔興味がわかない」の形容詞対のみ

験は被験者同士の影響を避けるため個別に因子負荷量が高いことから，第 3 因子を「興-5-味（Interest）」と命名した．
以上のことから，単純動作に対して人は「速さ（Speed）」，「快さ（Pleasantness）」，「興味（Interest）」の 3 つの感情を抱くことが推測される．
4.

運搬動作実験

4.1

実験条件
図 5 運搬動作実験の実験装置
Fig. 5

次に，反復動作実験の結果から得られた

Experimental system for thetransportation-motion experiment.

感情因子を用いて，運搬動作実験を行う．
実験装置を図 5 に示す．ここで，動作制御は反復動作実験と同様に基本ステップ角2vm1.8deg.のステッピングモータを用いて行う．
図 5 に示されるように，運搬動作実験では
vm

動作角度を  r  61.2 deg.としている．ここでは，直線移動を想定し，アームの先端が描
く弧と，始点と終点を結ぶ弦の長さの差が5%程度となるように考慮してこの角度を決定した．

図 6 サンプル動作における速度波形

実験時には，アームの先端部分に白色のFig. 6紙コップ（飲み口部分で直径 65mm）を持

Waveforms in sample movements.

たせ，コップを右から左へ移動させる動作を生成している．紙コップを用いた理由としては，日常生活の中で手にする機会が多v(t)=く，また動作制御を行うにあたり，アームに持たせる物体は軽量のほうが好ましかっTa (t  )  v m
43a( T  t )  vm4(0  t T)
2T(  t  T)
2(1)

ここで，a は加速度， v m   r / T は定速駆たことが挙げられる．
ここでは，移動中の速度変化として図 6動時(a = 0)の速度である．のような速度波形を与えた．これらの動作

図 6 において，最大速度が 2vm となる波

波形は，時刻 T/2（T：動作全体の時間）で形のうち，0~T/2 で正の加速度をとるものを加速度の符号が切り替わる等加速度運動とA，負の加速度をとるものを E としている．

なっている．具体的には次式のようになる．

また，動作時間 T 内で加速度が 0 であるものを C とし，A および C の中間の加速度をとるものを B，E および C の中間の加速度-6-r

図 8 動作感情の尺度
Fig. 8transportation movement experiment.

図 7 角度波形
Fig. 7The scales used for theWaveforms of angle variation.

表 3 サンプル動作のパラメータ
Table 3 The parameters ofsample movements.
T[s]a[deg/s2]
ABCDE

0.5

979.2

489.6

0-489.6-979.2

1.0

244.8

122.4

0-122.4-244.8

1.5

108.8

54.40

0-54.40-108.82.0

61.20

30.600-30.60-61.20

2.539.17

19.58

0-19.58-39.17

3.027.20

13.60

0-13.60-27.20

3.5

19.99

9.992

0-9.992-19.99

4.0

15.30

7.650

0-7.650-15.30

図 9 運搬動作実験装置の全体図
Fig. 9The general view of thetransportation movement experiment.

動作である．
表 3 に各サンプル波形の動作パラメータをとるものを D としている．

を示す．ここでは，動作時間 T を 0.5s から上記の速度変化により得られる角度変化

4.0s まで 0.5 きざみに 8 通り用意し，動作時を図 7 に示す．A の動きとしては，緩やか間ごとに図 6 に示した 5 種の加速度でサンに始動して徐々に加速し，時刻 T/2 で最大プル動作を生成する．最終的に，動作サン速度をとったのち徐々に減速し，緩やかにプルは 40 個となる．

停止する動作となる．逆に E では，急速に反復動作実験と同様に，運搬動作実験で始動して徐々に減速し，時刻 T/2 で速度が 0も SD 法を用いた実験を行う．SD 法に用いになったのち徐々に加速し，急速に停止する形容詞対は，反復動作実験の結果得られる動作となる．また，C は加速度 0 の定速た，「速さ」，「快さ」，「興味」の感情因子に動作である．さらに，B は A および C の中対応したものを使う．

間の動作であり，D は E および C の中間の実験では，各サンプルに対して，図 8 に-7-示すような 7 件法評定の質問紙の該当部に7○を記入してもらう．被験者には，運搬動6↑速い作を 1 サンプルにつき 1 回，ランダムな順

5

序で 20 サンプルを観察してもらう．なお，
4

希望があればもう 1 度だけ動作を見せる．
実験には被験者として，20 歳代の男性 8 名3に参加してもらっている．よって，1 サン

2↓遅い

プルあたり 4 人分の評定値が得られること

11となる．ここで，反復動作実験と運搬動作

23434T(a)実験の被験者に重なりはない．また，実験には反復動作実験時と同じ部屋を使用してSpeed7↑快いおり，図 9 に示すような配置で実験を行っ6た．なお，実験は被験者同士の影響を避け5るため個別に行われている．

44.2

実験結果

3

ここでは，SD 法によって得られた評定値

2と，各動作サンプルを特徴づけるパラメー1↓不快な12T

タである動作時間 T および加速度 a との関(b) Pleasantness係を検討する．
はじめに，各感情因子の評定値と動作時7間 T の関係を見る．図 10 に，評定値と動作↑興味がわく
6

時間 T の関係を示す．縦軸は，各々の感情因子に対する被験者の平均評定値となって5いる．

4すべての因子において， 動作時間 T が長3くなると，評定値が小さくなる傾向がみられたため，相関係数の算出および検定6)を行2った．それぞれの結果をまとめたものを表1↓興味がわかない124 に示す．結果として，すべての因子に関Tして，有意水準 1%および 5%で有意な負の(c) Interest

34

相関がみられた．
図 10

次に，各感情因子の評定値と，加速度 a

評定値と動作時間の関係

Fig. 10 Relationship between rating scaleの関係を見る．図 11 に，評定値の分布を示

value and operating time.

す．ここでは，全体の傾向を把握しやすく-8-表 4 相関係数の検定
Table 4 Test of correlation coefficient.
Speedr = 0.885

t0= 11.73|t0|>t ○Pleasantnessr = 0.585

t0= 4.447|t0|>t ○Interestr = 0.532

t0= 3.870|t0|>t ○t (n 2,0.05) = 2.024 (significance level:5%)t (n2,0.05) = 2.712 (significance level:1%)

t0  r n  2 / 1  r

76543210-40-30-20-100

10203040

sgn(a) a (deg/s 2 )1 / 2

2n: number of samples (n=40), r: correlation coefficient

するため，横方向の水平軸を加速度 a の平(a)方根としている．また，図中の曲線は，動Speed

作時間 T ごとの加速度－評定値面における2 次の近似曲線である．

76543210

図 11 を見ると，すべての因子において，動作時間 T が増加するにつれ近似曲線が規則的に変化している．具体的には，速さに-40-30-20-100

ついては，T が小さい領域では直線的であ10203040sgn(a) a (deg/s 2 )1 / 2るが，T が増加すると下に凸→直線→上に凸と変化している．快さに関しては上に凸→直線→下に凸，興味は直線→下に凸→直線→上に凸のように変化している．また，(b) Pleasantness

その形は a = 0 を中心に，左右対称に近いものもあれば，正負どちらか一方の値が突出しているものもある．
4.376543210

考察-40

ここでは，上記の結果から感情に則した-30-20-10010203040sgn(a) a (deg/s 2 )1 / 2動作制御が可能であるかどうかの検討を行う．
まず，動作時間 T について考察する．図10 および表 4 より，すべての因子は動作時(c) Interest

間 T に対して負の相関を持っており，動作時間 T が長くなると評定値が小さくなるこ
図 11とが分かった．これは，「速さ」に関しては，評定値と加速度の関係

Fig. 11 Relationship between rating scale

動作時間 T が長くなるほど最高速度が低く

value and acceleration.
-9-なるためだと考えられる．また，「快さ」と(2) 物体を移動させるような動作に関して「興味」に関しては，動作時間が長くなるは，人に与えたい感情値から動作時間をにつれ，最大速度が遅くなり，動作がぎこ決定することが可能であると考えられちなくなるためだと考えられる．

る．

すべての因子に関して，それらの評定値(3) 先に動作時間が定まれば，加速度も同時は動作時間 T との間に線形な相関関係が見に決定できる可能性が示された．

られることから，目標となる評定値を設定以上のことから，「速さ」，「快さ」，「興味」

した場合に，それを実現する T 値を与えるの感情の再現に関して，物体を移動させる手続きを比較的容易に構成できると考えらような動作に関しては，希望する感情を抱れる．

かせるような動作を実現するシステムの構

次に，加速度 a について考察する．図 11

築ができる可能性が示された．に示したように，すべての因子において，動作時間の変化に応じて近似曲線が規則的参考文献に変化しているように見える．また，加速度の正負に対して非対称な傾向も若干では

1)

工業調査会 (1993)

あるが見られる．前述したように，動作時間はそれぞれの感情の評定値から決定でき

加藤一郎：21 世紀のロボット，88/114，2)

村川賀彦，十時伸：サービスロボッる可能性があることが示されている．これトによる「ふるまい」の評価－商業施を利用して，先に動作時間を決めておけば，設での試験運用－，信学技法，

図 11 中の加速度－評定値面上において，与HCS2006-54，31/36(2006)

えられた評定値から加速度を決定すること

3)

C. E. Osgood，G. J. Suci，and P. H.

が可能になると考えられる．しかし，近似

Tannenbaum ： The Measurement of

曲線の形によっては，候補となる点が 2 つMeaning ， University of Illinois Pressとなる場合もあり得るので，その場合にどUrbana，1/30 (1957)
4)のように対処するかが今後の課題となる．

芝祐順：因子分析法，105/126，東京大学出版会 (1979)
5.

5)

おわりに

管民郎：初心者がらくらく読める

多変量解析の実践本研究では,

代数学社 (1993)

単関節のアームを用いた動作制御システムを用いて実験を行い，単純動作に対して人が抱く感情を抽出し，また，抽出した感情の再現が可能であるかを検討した．結果として，次のようなことがわかった．
(1) 単純動作に対して，人は「速さ」，「快さ」および「興味」の感情を抱く．
- 10 -

上，161/207，現6)

小林龍一：相関・回帰分析入門(改)，59/62，東京河北印刷 (1972)