計測自動制御学会東北支部 第267回研究集会（2011．10．28）
資料番号267・7⑧

レゴマインドストームNXT を用いた

カフィードバック機構の検討①A丘）rCefeedbackmechanismusingLEGOMINI）STORMSNXTO久保田勝年☆，有我祐一東OKatsutoshiKubota☆，YuichiAriga☆
☆山形大学☆YamagataUniversity
キーワード：カフィードバック（ForceFeedback），遠隔換作（RemoteControl）

連絡先：〒992・0037 米沢市城南4・3・16 山形大学工学部応用生命システム工学科
有我研究室

久保EB勝年，TEL：0238・21・7905，E−mail：ttC55437＠st．yamagata−u．aC．jp

遠隔地間でインターネットを用いてコミュニ

1．序論
レゴ・マインドストームNXT［1］（以下NXT）

ケーションをとる方法は音声や画像を始め様々

は，各種のロボットコンテスト［2］や企業のエンな方法が提案されているが，本研究では力覚をジニア研修などで広く用いられ，子供から大人伝達することを試みる．しかし∴M汀キットにまで，ハードからソフトまでの「ものづくり」

はカセンサに相当するものは付属しておらず，を体感できる教材として有名である．NXTが広またサードパーティからも販売されていない．

く用いられる理由として以下の点が挙げられる．

そこで本研究では，力覚の検知・提示のためのデバイスをNXTにより実現するため機構を1）安価

2）誰にでも簡単に機体の制作が可能

3）豊富な部品・センサ等が用意されているため容易にアイデアを実現可能

4）グラフィック方言語のためプログラミン
グが容易提案する．これは，先行研究t3］をもとにNXT用に構成を改良した，バネと変位センサを組み合わせた構成となっている．この力覚デバイスをマスタ側，スレイブ側の2台用意し，その間をNXT本体に内蔵されているBluetooth通信とPC間のインターネット通信を介して制御する

このように競技用・教育用に幅広く利用されことにより，遠隔地間の力覚によるコミュニケているNXTであるが，この汎用性の高さを利用ーションが可能とする．最終的には，NXTキッすることで，コミュニケーションツールとしてトを所有し，インターネット環境が整っていれの新たな楽しみ方を提案することを本研究ではば，誰とでも力覚伝達を体験することが可能と目指している．

するシステムを橋築することを目指す．

今回は，mTによる力覚デバイスの作製と換部の左右の駆動にはラックアンドピニオン機

NXT本体間のBluetooth通信のみを用いた遠隔構を用いた．図4に実際に作製した力伝達デバ操作による検証実験を通して，力覚デバイスのイスを示す．

成立性を検討したので，それを報告する．
レノ／

2．力伝達デバイスの構成
2．1コンセプト

以下のコンセプトのもとで構成を考えた．
酬・誰でも作製できるシンプルな構成

舶・小型

宣

ぱね

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・なるべくmTキットの付属品で構成・外郭部晶を用いるときは入手容易で安価な

図1．力／変位変換部のモデル図

もの・同じデバイスを2台作製し，マスタースレーブシステムとする

その結果，mTの付属品の中から変位センサとして光センサを用いた．また，外郭部晶からバネを採用し，この2つを組み合わせることで力覚の検知・提示の実現を検討した．
バネの縮みと力は比例関係にあることを利用

図2．作製した力／変位変換部

すると，バネの縮みを光センサの出力で測定することにより，間接的に，発生しているバネカを計測することができる．さらにマスター側のバネの縮みとスレーブ側のバネの縮みを一致させるように制御することで，力を伝達できる．
2．2実機の作製
図1に構成モデルを示す．これは2本のバネで支えられ釣り合っている状態である．操作者
はハンドル部を把持して左右に動かす．その変化を光センサの出力として読み取る．可動範囲は±10mmとした．実際に作製した力／変位変モータ ラックアンドピニオン 土台

図3．力伝達デバイスのモデル図

換部を図2に示す．

次に，力伝達デバイスの構成モデルを図3に示す．土台に固定されたモータにより，上部の力／変位変換部を稼働させる．その動きは，マスター側とスレーブ側の光センサの出力の偏差をとり，その偏差が0になるよう制御される．把持している手を左右に駆動させることで，ハンドルを把持している手に力が伝わる．力／変位変図4．作製した力伝達デバイス

3．ソフトウエア構成

今回はNXT本体間のBluetooth通信のみとし，マスター側で入力された力をスレーブ側へ一方向に伝達することを目的とした．マスタイ札 ス
レーブ側に要求される機能はそれぞれ以下のとおりである．
＜マスター側＞

・力伝達デバイスは固定するように位置制御．
・操作者がハンドルを左右に動かし，その変化

図5．マスター側フローチャート量を読み取る
・Bluet00thでスレーブ側に変化量を送信＜スレーブ側＞

・マスター側から変化量を受信・スレーブ側とマスター側の光センサの変化量の偏差を求める
・偏差が0になるように位置制御
これらの機能を実現するためのアルゴリズム
をそれぞれ図5，図6でフローチャートとして示す．

4．実験

図6．スレーブ側フローチャート

Bluetooth通信で，マスター側からスレーブ側への力伝達されているか実験を行った．力伝達0デバイスを2台用意し，操作者2人でNXT本体0間のBluetoothを介した状態で行った．マスタ00 098ていることがわかる．

0センサ出力の偏差が0になるように位置制御し0して，スレーブ側の力／変位変換部が稼働し，光0とができた・マスター側の光センサの出力に対0の，マスター側からスレーブ側へ力伝達するこ

0出力の変化を示す．結果として遅延はあるもの

7654321

図7にマスターイ恥 スレーブ側の光センサの0るためにハンドルを握っている状態とした．

︻邑l⊃dl⊃OJOSuむS010云

し引きする．スレーブ側の操作者は反力を受け

0ー側の操作者は力／変位変換部のハンドルを押0246

8 10 12 14 16 18 20
T盲me【sec】

図7・マスター・スレーブの光センサの出力

5．結論

今回はBluetooth通信を用いた遠隔操作の検証実験を通して，力覚デバイスの検討を行った．

その結果，力覚の検知・提示をバネを有する機構と位置制御の組み合わせで実現し，カフィードバックデバイスの成立性を確認できた．また，遠隔操作の動作確認をすることができた．

しかし，以下のハードの問題が明らかになった．

・力／変位変換部の楠造において，与圧をかけた状態でのデバイスの作製が困難
・与圧でゆがんでしまいデバイスが安定しなし＼

・光センサの値が安定しない
これらに対する対策として，・構造安定化のためバネの代替品として輪ゴムを用いて引っ張り構造にする
・外部からの光を遮断する工夫が必要が考えられる．

また，今後は，マスター側，スレーブ側と分けることなく双方向受信にすること，そしてインターネットを介した遠隔操作を実現することを課題とする．この際，Bluet00th・インターネッ
トを介すことで遅延が発生してしまうおそれがある．遅延により操作性が悪化し，デバイスの成立性がなくなる．この間題解決のために新たにむだ時間制御を行うことで，遅延による影響を低減させることができると考えられる．

インターネットを介する通信で成立性を確認することができれば，新たなコミュニケーションツールとして提案できると共に，むだ時間制御対象のツールとしても利用できるのではないかと考えている．

【参考文献】［1］レゴマインドストーム NXT公式サイト＜http：／／www．1egoeducation．jp／mindstorms／＞［2］ETロボコン2011＜http：／／www．etrobojp／2011／＞［3】上村貴彦，有我祐一，渡部慶二，村松鋭一，
遠藤茂：「パワーアシスト装置の制御に関する研究」，計測自動制御学会東北支部第245回研究集会，資料番号245・26，2008．