ナノハプトによる微細力覚フィードバック
小 杉洸†貴萬修 太 郎†

桂誠 一 郎†近年，聴覚情報や視覚情報に次ぐ第 3 のメディアとして触覚情報が注目されている．特に実世界ハプティクスは，実世界を対象としているために今後の情報技術に大きな発展をもたらすと期待される．
触覚伝達を実現することは，人間が空間的な移動を伴わずに感覚だけを送ることを意味している．したがって，電気信号として触覚情報を扱うことができるため情報の加工が容易となり，人間と等しいスケールだけでなく異なるスケールに対しても力情報によるインタラクションを可能にする．従来の視覚情報のみでなく触覚情報を加えることで，操作者により多くの情報を与えることができ，操作の正確性および安全性を向上することができる．本稿ではその有用性を力覚フィードバック付きマイク
ロマニピュレーションシステムであるナノハプト（Nano-hapto）によって示す．

Force Feedback from Micro Environment by Using Nano-hapto
Takahiro Kosugi,† Shutaro Yorozu† and Seiichiro Katsura†Recently, real-world haptics has been attracted as a third multimedia technology. By transmitting haptic information, humans carry out some tasks without the transportation to theremote place. It means that only human’s sensation exists in remote place. One of theapplications of the bilateral control is macro-micro bilateral control which deals with force
feedback to the operator from the micro environment. Since operators obtain not only visual
information but also haptic information, they can feel as if they are touching the real microenvironment, and the more precise and safety manipulation are realized compared with visualbased manipulation. In this paper, the validity of the macro-micro bilateral control is verified
by Nano-hapto which is the micro manipulation system with force feedback.

力制御と位置制御の情報が共有されない制御系が考え

1. は じ め にられてきたために，精度の高い触覚情報の伝達ができマルチメディア技術は様々なコミュニケーションツーなかった．これに対し，加速度制御に基づくバイラテ

ルに応用され発展してきている．聴覚や視覚はその代ラル制御では座標変換によりアクチュエータの空間か表例であり，それらの基盤技術は広く社会に浸透してら和の空間と差の空間により構成される仮想モード空いる．近年，聴覚情報や視覚情報に次ぐ第 3 のメディ間に分解することで，和の空間と差の空間で独立に制ア技術として触覚情報が注目されてきており，特に実御剛性を設計することが可能となった．これにより力世界の物に対して触覚情報を扱う学問である実世界ハ制御と位置制御を同時に統合することができるため，プティクスの研究が盛んに行われている．触覚情報は，

5)
鮮明な触覚情報の伝達が実現できるようになった．

対象物に接触してはじめて知覚することができる作

本稿では，バイラテラル制御の応用であるマクロマ用・反作用の法則という物理法則に支配されているたイクロバイラテラル制御に注目している．マクロマイ

め，情報を双方向に伝達すること必要となり，視聴覚クロバイラテラル制御とは，異なるスケールのマスタ情報とは異なる性質がある．触覚情報を伝達するためおよびスレーブ間での力覚伝達手法であり，人間が直に，マスタスレーブシステムから成るバイラテラル制接操作することができない領域へ拡張することができ

1)∼4)

御に関する研究が数多く行われてきた．しかしな

る．従来のマイクロマニピュレーションでは，視覚情がら，マスタシステムで力制御しスレーブシステムで報のみに基づいていたため，接触状態も視覚から判断位置制御を行う力帰還型等，各アクチュエータ単位でしなければならない．したがって，人間は力加減を知覚することができず器具や試料を破壊してしまう可能† 慶應義塾大学
Keio University性が生じる．そこでマクロマイクロバイラテラル制御を用いることで視覚情報に加えて，触覚情報もフィー情報処理学会 インタラクション 2011

MicroscopeSlaveMasterOperator

図 2 ナノハプトの全体図
Fig. 2 Overview of Nano-Hapto.

図 1 ナノハプトのコンセプト
Fig. 1 Concept of Nano-hapto.

ドバックすることで操作の正確性および安全性を向上することが期待される．この研究に関しても様々な制
御法6)∼9) が提案されてきたが，加速度制御に基づく制御法10) により鮮明な力覚伝達が実現される．本稿
図 3 スレーブシステム
Fig. 3 Slave system.

では，加速度制御に基づくマクロマイクロバイラテラ
ル制御の有用性を開発した力覚フィードバック付きマイクロマニピュレーションシステムであるナノハプト（Nano-hapto）を用いて確認する．

2. ナノハプト

3. マクロマイクロバイラテラル制御
本研究では人間が微細環境に対して操作することを本章では，力覚フィードバック付きマイクロマニピュ考えているため，マスタおよびスレーブ間で位置と力レーションシステムであるナノハプト（Nano-hapto）のスケーリングを行う必要がある．微細環境を対象とについて説明する．ナノハプトのコンセプトを図 1 にするマクロマイクロバイラテラル制御の目標式は (1)表し，実際のシステムを図 2 に示す．図 2 では砂糖 1式，(2) 式で表すことができる．

粒を把持している状態である．また図 3 はスレーブシ

αxm − xs = 0(1)ステムの拡大図であり，姿勢は 6 自由度のスチュワー

βFm + Fs = 0(2)トプラットホーム，把持は先端 1 自由度で制御される．

ここで x，F はそれぞれ位置と力を表し，下付き文字

把持に関しては，先端のモータが駆動することでピンm ，s はマスタおよびスレーブを表している．また αセットが動作する構造となっている．各モータにロッは位置のスケーリングゲイン，β は力のスケーリング

ド型リニアモータを採用することで機構的に摩擦を除ゲインである．バイラテラル制御では力制御と位置制去しており，それぞれ外乱オブザーバおよび反力推定御を同時に実現することが求められる．そこで各モーオブザーバが実装されているため，力センサレスで力タから得られる情報をスケーリングゲイン行列 S2 に情報を取得することができる11)12) ．図 2 ではマスタより，モード空間に変換する．

[の 1 自由度と先端 1 自由度間でバイラテラル制御を行っている．
ナノハプトでは，スレーブ先端の画像を顕微鏡により拡大して視覚情報を与え，さらにマクロマイクロバイラテラル制御によって微細環境からの力覚情報をフィードバックすることが可能となる．

S2 =[FCFD]

β1

α−1]

[= S2(3)ext
F̂mF̂sext](4)

ナノハプトによる微細力覚フィードバック

Motor Space
Common Mode

Master systemwith DOB and RFOB

Modal SpaceSlave systemwith DOB and RFOBDifferential Mode

Motor Space
図 4 マクロマイクロバイラテラル制御のブロック線図
Fig. 4 Block diagram of the micro-macro bilateral control.

[]xC[= S2xD

xresm]

表 1 実験パラメータ
Table 1 Experimental parameters.

(5)

xress

ここで下付き文字 C ，D は和のモードおよび差のモードを表している．力の和のモードを力制御，位置の差のモードを位置制御することによりモード空間における加速度参照値を得ることができる．

ẍref= Cf (0 − FC )C= −Kf FC(6)resẍrefD = Cp (s)(0 − xD )Parameter
Mmn
Ktmn
Msn
Ktsn
αβ
Kf
KpKv
gdis
greac

= −(Kp + Kv s)xresD(7)

ここで Kf ，Kp ，Kv はそれぞれ力ゲイン，位置ゲイ

gpd

Description
Nominal mass of master
Force coeﬃcient of master
Nominal mass of slave
Force coeﬃcient of slave
Position scaling gain
Force scaling gain
Force gain
Position gain
Velocity gain
Cut-oﬀ frequency of
disturbance observer
Cut-oﬀ frequency ofreaction force observer
Cut-oﬀ frequency ofpseudo derivation

Value
0.245 kg
3.33 N/A
0.01 kg
0.906 N/A
0.03330.03333.0
10000.0
200.0
1000.0 rad/s
1000.0 rad/s
2000.0 rad/s

ン，速度ゲインであり，上付き文字 ref は参照値である．各モータの加速度参照値はスケーリングゲイン行列の逆行列 S−12 によって得られる．

[ẍrefm]ẍrefs[= S−12ẍref
Cẍref
D

実験結果を図 5，図 6 に示す．図 5 は位置応答値であり，マスタのスケーリングが行われた位置とスレー]ブの位置が同期していることがわかる．また図 6 は力(8)応答値であり，マスタスレーブ間で作用・反作用の法則が達成されており，マスタにおいて環境反力を人工マクロマイクロバイラテラル制御のブロック線図を的に再現できていることが確認できる．実験結果より，

図 4 に示す．

微細環境からの力覚フィードバックが実現され，開発

4. 実

験

本稿ではマクロマイクロバイラテラル制御の有用性を示すために，ナノハプトにより実験を行った．各したナノハプトおよびマクロマイクロバイラテラル制御の有用性を示すことができた．

5. お わ り に

リニアモータは RTAI3.7 により制御され，制御周期

本稿では，微小環境からの力覚フィードバックを実は 0.2 ms である．エンコーダの分解能はマスタが 50現するマイクロマニピュレーションシステムであるナnm，スレーブが 10 nm である．また実験パラメータ

ノハプト（Nano-hapto）を紹介した．ナノハプトをを表 1 に示す．環境は砂糖 1 粒とし，制御系にとって用いることにより，従来の視覚情報に加えて微細環境砂糖の剛性などのパラメータは未知となっている．

からの力覚情報も人間は知覚することができる．した情報処理学会 インタラクション 2011
0.00020.00015

Position [m]0.00015e-0050-5e-005-0.0001
05101520Time [s]図 5 位置応答値の実験結果
Fig. 5 Experimental results of position responses.
0.80.60.4

Force[N0.20-0.2-0.4-0.6-0.8-105101520Time [s]図 6 力応答値の実験結果Fig. 6 Experimental results of force responses.

がって，より多くの情報に基づく操作が可能となり，正確性および安全性を高めることができると期待される．ナノハプトの有用性を示すために微細環境に対し実験を行ったが，理論的には大きな環境に対してもスケーリングゲインの設定により適用することができる．
このように実世界において力覚情報の伝達がリアルタイムに可能になることで人間は物理的な移動を伴わず，電気信号により感覚だけを遠隔地・極限環境下へ伝達することができ，さらには情報を加工することによって人間のスケールを越えた領域への人間の感覚伝送を実現することも可能となる．
謝辞 本研究の一部は，NEDO 産業技術研究助成事業 (プロジェクト ID: 07C46047a) によって行われたことを記し，関係各位に謝意を表す。

参 考1)

文献

B. Hannaford : “A Design Framework
for Teleoperators with Kinesthetic Feedback,”
IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 9, No. 5, pp. 426–434, 1989.
2) D. A. Lawrence : “Stability and Transparency
in Bilateral Teleoperation,” IEEE Transactions
on Robotics and Automation, Vol. 9, No. 5, pp.
624–637, 1993.

3) K. Hashtrudi–Zaad and S. E. Salcudean : “Onthe Use of Local Force Feedback for Transparent Teleoperation,” Proceedings of the 1999
IEEE International Conference on Roboticsand Automation, pp. 1863–1869, 1999.
4) Y. Yokokohji and T. Yoshikawa : “Bilateral
Control of Master-slave Manipulators for Ideal
Kinesthetic Coupling – Formulation and Experiment,” IEEE Transactions on Roboticsand Automation, Vol. 10, No. 5, pp. 605 – 620,1994.
5) S. Katsura, W. Iida and K. Ohnishi : “Medical Mechatronics - An Application to HapticForceps,” IFAC Annual Reviews in Control,Vol. 29, No. 2, pp. 237 – 245, 2005.
6) S.E. Salcudean and J. Yan : “Towards aForce-reflecting Motion-Scaling System for Microsurgery,” Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation,
ICRA’94, Vol. 3, pp. 2296 – 2301, 1994.
7) K. Takeo and K. Kosuge : “Implementationof the Micro-macro Teleoperation System without Using Slave-side Force Sensors,” Proceedings of the IEEE International Conference onRobotics and Automation, ICRA’97, Vol. 2, pp.
1600 – 1605, 1997.
8) A. Sano, H. Fujimoto and T. Takai : “Personal Scaling on Micro-Teleoperation,” Proceedings of the 26th IEEE Annual Conference of the IEEE Incustrial Electronics Society,
IECON’00, Vol. 1, pp. 7 – 12, 2000.
9) M. Sitti and H. Hashimoto : “Teleoperated Touch Feedback from the Surfaces at
the Nanoscale: Modeling and Experiments,”
IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,Vol. 8, No. 2, pp. 287 – 298, 2003.
10) T. Shimono, S. Katsura, S. Susa, T. Takei,and K. Ohnishi :Transmission of RealWorld Force Sensation by Micro/Macro Bilateral Control Based on Acceleration Controlwith Standardization Matrix, IEEJ Transactions on Industry Applications, Vol. 128-D, No.
6, pp. 726–732, 2008.
11) K. Ohnishi, M. Shibata, and T. Murakami: “Motion control for advanced mechatronics,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 1, No. 1, pp. 56–67, 1996.
12) T. Murakami, F. Yu, and K. Ohnishi :“Torque Sensorless Control in Multidegree-offreedom Manipulator,” IEEE Transactions onIndustrial Electronics, Vol. 40, No. 2, pp. 259–265, 1993.