計測自動制御学会東北支部第 211 回研究集会(2003.10.11)
資料番号 211-8

ヒューマノイドロボットの遠隔操作システムにおける教示インターフェースの開発
Development of a Teaching Interface of Teleoperation System
for a Humanoid Robot○臼井俊吾，那須康雄，金子慎一郎，山野光裕，水戸部和久○Shungo Usui，Yasuo Nasu，Shin-ichiro Kaneko，Mitsuhiro Yamano，Kazuhisa Mitobe

山形大学
Yamagata University

キーワード：ヒューマノイドロボット(humanoid robot)，遠隔操作(teleoperation)，超音波位置検出システム(ultrasonic positioning system)，動作軌道生成(motion trajectory generation)

連絡先：〒992-8510

山形県米沢市城南 4 丁目 3 番 16 号

山形大学工学部機械システム工学科那須研究室

臼井俊吾，Tel.:0238-26-3237，Fax.:0238-26-3205，E-mail:ts016@dipfr.dip.yz.yamagata-u.ac.jp

１．はじめに第ではロボットを破損させ失う危険性があ

現在ヒューマノイドロボットの研究は盛んる．また，ロボットが自己の視覚を頼りに判に行われている．なぜなら，ヒューマノイド断し作業する場合，判断の遅れが生じる．こロボットは人間の身体的特徴を持つことかれに対し，遠隔操作システムによって，オペら，人間との共存が求められ，家庭や職場等

レータがロボットの周囲状況を確認し，適切といった人間の生活空間や作業空間への導な動作を判断し，指令を行うことで危険を回入が求められているからである．さらには，避し円滑に作業する動作を教示することが人間の立ち入ることの出来ない危険な環境できる．
また，ヴァーチャル・リアリティ(VR)や災害現場で人間の代わりに働くことが期

アプリケーションの実行によって，オペレー待されている．これらの過酷な環境で働くた

タがよりロボットの立場に立って手元の動め，ヒューマノイドロボットには様々な移動作を指令すること出来，素早い操作が可能と方法(歩行，匍匐等)，障害物の乗り越え，障なる．そこで本研究では，超音波位置検出シ

害物の排除など，多種多様な洗練された動作ステムを応用した，VR インターフェースをが必要となる．しかしながら，ロボットが自有するヒューマノイドロボットの遠隔操作立的に作業を行う場合にはまだまだ不安がシステムにおける教示インターフェースを残る．綿密に計画された動作だとしても，現提案する．
VR におけるインターフェースでオペレー実の状況は不定だからである．そして結果次1

タの全関節の動作をトレースするとユー

2．1．超音波位置検出システム

ザ・インターフェースの複雑化・肥大化を引

超音波位置検出システムは，超音波受信ネき起こしてしまう．そこで本研究では手元でットと送信機，コントロール PC から成る動作をすることに特化し，それに必要な手先(Fig. 2)．
Input Signalの動作軌道に注目している．その入力機構とOutput Signal

Ultrasonic Receiver Net

して，超音波位置検出システム 1)を応用し採Digital I/O Board用している．比較的簡易なセンサシステムをTime Measuring

比較的安価で構成できるという特徴を持つ．

Distance Determination
Position Estimation
Transmitter

2．遠隔操作システム

Ultrasonic Positioning Controller
User Interface Control PC

本システムのコンセプトは，オペレータのFig. 2動作を直接入力するといった VR インターConfiguration of Ultrasonic Positioning Controller

フェースに基づいている．その流れを伴った変位データの検出にはまず，送信機の位置を

遠隔操作の概要は Fig. 1 に示す．

検出する．コントロール PC から送信機に信Humanoid Robot
CCD Camera

Robot Vision号を送り，受信機が音波信号を感知して入力
Ultrasonic Receiver Net

信号をデジタル I/O ボードに送るまでの伝Head Mounted Display
and Gyro Sensor

達時間を測定する．三つ以上の受信機から入力信号を得た段階で，送信機の位置を求める．

Operator

ある室温(t [℃])での音速(V [m/sec])は既知

Motion Data

Motion DataRobotControl PC

LAN or The Internetである為(式(1))，伝達時間を計ることで送信機 T(x, y, z)と受信機 Ri (xi , yi , zi )(i= 1,2,3)の距

User Interface
Control PC

離を決定することが出来る．３つの受信機のFig.1 Schema of Teleoperation system

位置が既知である場合，送信機の位置は幾何
まず，オペレータが動作を計画する．計画し学的に求めることが出来，次の様な連立方程た動作の手先位置は超音波位置検出システ式(2)で算出する(Fig. 3)．
V = 331.5 + 0.6×t

ムを用いて変位データとして検出される．検出された変位データは CORBA を用いて(1)R1( x1, y1, z1 )LAN やインターネットを通して，ユーザ・R2( x2, y 2, z2 )インターフェース・コントロール PC からロr1

ボット・コントロール PC に送られる．送らr2T( x, y, z )れた変位データを基に軌道が生成され，ロボr3

ットは動作を行う．ロボットの動作の様子は

R3( x3, y3, z3 )Z

ジャイロセンサを搭載したヘッド・マウン

Y

ト・ディスプレイ(HMD)を装着したオペレ

OXータが確認することが可能となっている．最Fig. 3

後に，オペレータは確認したロボットとの動Estimation of Transmitter Position?xi1 ? x?2 ? ?yi1 ? y ?2 ? ?z i1 ? z ?2 ? ? i21 ?
?
?xi2 ? x?2 ? ?yi 2 ? y ?2 ? ?zi2 ? z ?2 ? ? i22 ?
?xi3 ? x ?2 ? ?yi3 ? y ?2 ? ?z i3 ? z ?2 ? ? i23 ??

作を基に再度動作を計画する．その際，動作の種類を変更したい場合，動作の切り替えを行う．
2(2)ここで，超音波センサ素子は株式会社村田製作所のRi (xi , yi , zi )：受信機の既知の位置
ri ：送信機から受信機までの距離(i= 1,2,3)

MA40E7R/S が使われている．超音波センサ
素子の諸元は Table.1 に示す．ユーザ・イン

送信機の以前位置は記憶されており，算出された位置と比較して，変位データを算出する． ターフェースのコントロール PC の CPU に本研究で実際に変位データを算出する場合， は Celeron(233MHz)が使われていて，OS八つの受信機を配置している．本来は，送信には Linux を使用している．

機の計測範囲に三つの受信機が入れば十分Table. 1である．しかし，送信機には指向性があり計Technical specifications for MA40E7RS
electrostatic transducer
Receiver

測範囲に限りがある為，広域で計測出来るようTransmitter

Nominal frequencyに１つの面に八つの受信機を格子状に配置し40 [kHz]ている．また，一つの面だけを用いて計測する

Minimum receiving
sensitivityと，送信機の姿勢の変化により概算された位置

Minimum transmitting
sensitivityのデータが乱れてしまう．この問題を避け，正Beam angle

100 [deg]

確なデータを得る為，お互いが直交する三つのCapacitance

2200±20% [pF]

面と三つの超音波センサ素子を取り付けた送

Maximum voltage

85 [Vp-p ]信機に用意した．Fig. 4 は超音波受信ネットとOperating conditions
Temperature-30 ~ 85 [o C]

その座標軸を示した概観図となっている．高さ，Measuring range

0.2 ~ 3 [m]

幅，奥行きは，それぞれ 1500 [mm] となってResolving power

9 [mm]

いる．受信機は 300 [mm] 四方の間隔をあけ

Cover size

18(D) x 12(H) [mm]Weight4.5 [g]Character

Waterproofて配置している．

XO----

106 [dB]

2．2．通信ZY-74 [dB]

検出された変位データがユーザ・インター

Height : 1.5 [m]Width : 1.5 [m]フェース・コントロール PC からロボット・

Depth : 1.5 [m]コントロール PC に通信される．その際，両PC 間の接続に CORBA2) が用いられている．
Fig. 4

本研究で使用されている CORBA は，米国

Ultrasonic Receiver Net and its coordinate systemの Xerox 社製の ILU Ver2.0 である．ユー

また，送信機と受信機の概観図はそれぞれ Fig.

ザ・インターフェース・コントロール PC，5 に示す．

ロボット・コントロール PC それぞれにインストールされている．Fig.6 はオペレータ側の PC とロボット側の PC との通信の関係を示している．CORBA のクライアントとサーバーは CORBA で定義されたプロトコルにより通信する．クライアントはタスクコマン
ドと目標動作データ(手先変位データ，頭部現在角データ)をサーバーに送る．タスクの(a) Receiver(b) Transmitter
Fig. 5 Overview of Receiver and Transmitter3周期が終了したとき，サーバーはタスク結果認するためにジャイロセンサを搭載したをクライアントに返す．

HMD を装着する．ジャイロセンサを搭載しHumanoid Robot
and CCD Camera

HMD andGyro Sensor

Robot Control PC

User Interface Control PC

Robot Controller andMotion Trajectory Generation

User Interface Controller
Ultrasonic Positioning Controller(+ Gyro Sensor Controller)

Motion data
Task command

た HMD は，Fig. 8 に示す．

Ultrasonic
Receiver Net

Gyro Sensor

Roll

CORBA Client

CORBA ServerYaw
Pitch

Task result

Head MountedDisplay

Fig. 6

Communication between User Interface
Control PC and Robot Control PC

Fig. 8Head Mounted Display and Gyro Sensor

HMD は米国の Personal Display Systems
2．3．動作軌道生成社製で i-Visor DH-4400VP である．144 万

超音波位置検出部によって検出された変画素の LCD の 0.49 インチモニタで SVGA位データを基に軌道は生成される．このとき， のグラフィックモードをサポートしている．
ロボットの手先位置の座標は肩関節を原点
重量は 155[g]である．
ジャイロセンサは米国としている．変位データに現在のロボットのの InterSense 社製で InterTrax2 である．角

手先位置を加えた目標データ，過去手先の位速度と角加速度を除いたピッチ，ロール，ヨ置を保存しておいたデータ，現在の手先位置ーの現在角を測定すること出来，オペレータデータ，以上三つのデータから，スプラインとロボットとの連動が可能となっている．最補間により生成される．その際，作業空間と小分解能は 0.02[deg]である．重量は 39[g]胴体接触について判定する．作業空間と胴体である．HMD はアナログ･コンポジット･ビ接触でエラーが生じる場合，新たな通過点とデオケーブルによって、ロボットに搭載され目標点がセットされ，元々の３つのデータにている CCD カメラから直接繋がれる．

新たな目標点を加えたデータから，新たにスプライン補間によって軌道が生成される

2．5．動作の切り替え(Fig.7)．最後に，逆運動学によって手先軌道動作の種類を切り替えたい場合，動作の切角度データは算出される．

り替えを行えるように動作切り替えスイッチを用意した．また，動作を切り替えた際，Reference Position動作を円滑に行えるような軌道を生成する．
Collision

New PathPoint

2．5．1．動作切り替えスイッチ
実際にオペレータが操作する際には，HMD を装着する為，オペレータ自身の手元が見えず，コントロール PC のコンソールを操作が難くなる．そこで，オペレータが手先を見ずに動作の切り替えが出来るよう，オペレータが持つ送信機のグリップ部に動作切り替えスイッチを取り付けた．スイッチ(ON-OFF-ON)は今後の拡張性を考慮し三つ取り付けた．スイッチは切り替えることによ

Robot Body
Current
Position

Fig.7

PreviousPosition

Generating reference hand tip trajectory

2．4．ＨＭＤ部
オペレータはロボットの動作の様子を確4って，四つの動作(右腕動作，左腕動作，両腕が左右対称に動く左右対称動作，両腕が一定の間隔を開けたまま平行に動く左右並行動作)が可能となる(Fig.9)．各スイッチへの割り当て及びグリップの概観図は Fig. 10 に示す．の処理を簡易にする為，超音波位置検出シス
テムから与えられる一つの送信機(片腕分)の変位データのみを用いている．つまり，片腕分の変位データのみで，ロボットは両腕を動かし，オペレータの動作を再現しなければならない．その為，手先位置は各腕の各肩関節を原点とした座標系をとり，左右の腕は同じ手先軌道になるようにしている．この状態で四つの動作を行えるようにする為，一部をZ変更した変位データを左右の腕に与えていY

る．動作の切り替えによって与える変位デー(a)Right Arm(b)Left Arm

タは Table.2 に示す．
Table.2 Given Data of Assignment Switch
Axis
Assignment
Right
Left
Right Arm
Symmetric
Left Arm
Right Arm
Synchronized
Left Arm(c)Symmetric Motion (d)Synchronized Motion
Fig.9 Motion by Changed Switch

3X

YZ

X's Ref
X's Ref
X's Ref

Y's Ref
Y's Ref
Y's Ref

Ｚ's Ref
Ｚ's Ref
Ｚ's Ref

X's Ref
X's Ref
X's Ref- Y's Ref
Y's Ref
Y's Ref - O

Ｚ's Ref
Ｚ's Ref
Ｚ's Ref

Ref: Reference Data
O: Offset

1

右腕動作，左腕動作の場合には，そのまま目標変位データの値を入れることで，オペレー

4 2
1: Only Right Arm
2: Only Left Arm
3: Symmetric Motion
4: Synchronized Motion
Fig.10タの動作を再現する．左右対称動作の場合には，左腕に変位データの Y 成分に符号を変えた値を与えることで，左右の手先が開閉の動作を行う．左右並行動作の場合には，左腕(a)(b)
Assignment of Switch and Switch partに変位データの Y 成分から一定空間分を引2．5．2．スイッチ切り替え時の軌道生成いた値を与えることで，左右の座標系の違いスイッチの切り替え時には，使用しない方である肩幅から定量分狭まった状態を保ち並行な動作を行う．の腕は初期位置に移動し，使用する方の腕はオペレータの指令する位置に移動する方法

3.ヒューマノイドロボット Bonten‑MaruⅡを取っている．スイッチの切り替え時に使用しない方の腕を現状の位置に留める方法も本研究で使用されているヒュ-マノイドロ

考慮してみたが，現状の位置に留めておくとボット， Bonten‑MaruⅡ の概観図と自由度両腕の手先が接触する危険性がある．そこで配置を Fig. 11 に示す．また，Fig. 12 にロボ安全性を重視し，使用しない方の腕は初期位ット・コントロールシステムを示す．ロボッ

置に移動する方法を取った．

トは３自由度を持つ２つの腕，６自由度を持つ２つの脚，２自由度の首，胴体を回転させオペレータの動作を再現する際，軌道生成5る腰を有する．高さ 1.25[m]，総重量 32[kg]動かすと，ロボットの手先はオペレータの動となっている．全ての関節はロータリーエンきを追った．このとき，オペレータは HMDコーダを取り付けた DC サーボモータからを装着し，ロボットからの画像によって，ロハーモニックドライブ減速機よって減速さボットの手先が移動する様子を確認した．確れ駆動する．また，制御には Linux (CPU:認した動作が四角形をなぞるように，オペレ

Celeron 2.4[GHz])を用いた PC を使用してータ自身の手先を動かした．実験を行った部

いる．PC とロボットへ電力を供給するモー屋の温度は 27[℃]であった．ロボットの動き

タドライバはロボットの外部に設置されての連続写真を Fig.13 に示す．

いる．サンプリング周波数は 200[Hz]．頭部には二つのモノクロ CCD カメラが搭載され１２３４５６ている．

Yaw Z

Fig. 11

Roll

Pitch

X

Y

Humanoid Robot Bonten‑MaruⅡ
joint configurationand its

Humanoid Robot “Bonten-Maru II”
DC Servo Motor

Rotary encoder

Current

Motor Driver
Motor Velocity
Command

Encoder Pulse

D/A Board Counter Board
Robot Control PC

NICTo UserInterface
Control PCLAN/Internet(PC spec : CPU Celeron 2.4GHz, OS : Linux)

Fig. 12 Control system of Humanoid Robot
Bonten‑MaruⅡ

4.

実験

本研究では，提案したシステムを用いたヒューマノイドロボット

Bonten-MaruⅡ

Fig.13 The robot motion during the experimentの予備実験を行った．オペレータによって生Fig.14 の(a)と(b)に，超音波受信ネットで得成された手先動作をロボットの手先が再現たオペレータの手先軌道と，右肩の座標原点しているかについて評価した．本実験では，から見たロボットの右手先位置の測定結果オペレータがオンラインで連続的な動作をを示す．また Fig.14 で，矢印方向は動作の計画している．

方向を示し，各点は行動中の測定位置を示し

例として，オペレータが超音波受信センサている．各点の間隔は動作の１周期分を表しネット内の Y-Z 平面内に手先で四角形をなていて，超音波受信ネットの測定時間とロボぞる動作の計画をした．オペレータが手先をットの動作時間とネットワーク通信での時6間遅れを含んで 1.5[sec]となっている．
-50

50-50
z [mm]z [mm]-150-250-150-350-450-250

1100

1000

900

800
y [mm]

700

600

500

150

50-50-150-250

y [mm]
-700

500

400
x [mm]

x [mm]

-800
-900

-1000
-1100

300

200

1100

1000

900

800
y [mm]

700

600

500

200

-50

100

0-100
y [mm]

500

400-200-300

200

100

50-150z [mm]z [mm]-50-250-150-350-450
-600

-700

-800
-900
x [mm]

-1000

-1100

-250
600

300x [mm](a) Measured operator hand tip position(b) Robot right hand tip position
Fig.14 results of the experimentFig.14 の(a)と(b)の目盛の違いは，オペレー位置を訂正し，動作したといえる．言い換えタ‐ロボット間の違いの考慮して，目標デー

ると，ユーザ・インターフェースは，オペレタを 70％減衰させることにより生じる．

ータがロボットとデータを共有することがFig.14 の(a)と(b)との間には，軌道パター出来る VR インターフェースとして機能しンにおいて，多少の相違がある．なぜなら，たといえる．

ロボットの手先軌道は，動作軌道生成におい5.て，行動範囲の限界，稼動範囲，胴体接触におわりにより訂正されるからである．二つの軌道パタ

ヒューマノイドロボットの遠隔操作シスーンは類似している．また，オペレータ自身テムにおける教示インターフェースを提案は HMD を装着している為に手先を肉眼でした．また，超音波位置検出システムを応用確認出来ないが，オペレータが指令する動作した入力機構を採用し，VR インターフェーは四角形になっている．これは，オペレータスを構築した．そして，ヒューマノイドロボ

が HMD の画像のみを用いて自身の手先のット
7Bonten-MaruⅡ用いて動作実験を行い，提案したシステムを評価した．オペレ

参考文献

ータが直感的に計画された動作を，ロボット

1) 兪 竹青，那須康雄，中嶋新一，水戸部和久：超音が再現出来ることから，遠隔操作システムに波センサネットを用いた広範囲位置検出システムの開よる教示インターフェースは有用である．

発，精密工学会誌，67(2001)5,764-769

今後は教示インターフェースの向上に注目し，状況に応じた動作に対応した機能を増

2) Takeda, K.J. and Ruh, W.a. Inside CORBA:やしていく予定である．

Distributed Object Standards and Applications,
Addison-Wesley, Reading, MA, 1997.

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