計測自動制御学会東北支部第164回研究集会（1996．11．22）
資料番号164＿10

人間の手作業をロボットに実現させるための作業解析の構想

APlan払rHandworkAnalysis払rItsReali2iationbyRobots○山田晋治，内山勝

OShinjiYamada，MasaruUchiyama
東北大学

TohokuUniversity
キーワード＝ 技量（Skill）．接触作業（ContactedTask），ピン挿入（Peg−in−HoleIn昌ertion），トラッキングビジョン（TrackingVision），3次元位置測定装置（3DPositionSe皿SOr）．力覚センサ（Fbrce／ToTqueSensor）
連絡先＝ 〒g80一丁7 仙台市青葉区荒巻字青葉東北大学工学部横械航空工学科宇苗摸システム学講座
山田晋治，Tヒl．＝（022）217−6973，FaJ【∴（D22）217−6971，駐mail＝Ta皿ada鮎pace・me血・tOb中上u・aC−jp

が必要となる．そこで，技量発現機構として，力／1． はじめにコンプライアンス制御の研究が進められているパ人間が組み立て作業のような部品同士の接触をラレルロボットHEXAを用いる6），7）．HEXA伴う作業を行う際，自らが持ってVlる作業対象のに制御モデルを適用し，モデルの安当性を検証す特性に関する知識をもとに状況判断し，適切な動る必要がある．

作を行う．すなわち，作業対象に積橿的に働きか

国1にピン挿入作業を取り上げ，手作業の解析

け，そのときの反応を見てその特性を理解し，行から制御モデルを構築し，それをHEXAにより動に移す1）．これに対し，ロボットが組み立て作実現し，制御モデルの妥当性を評価する我々の構業を行う場合は，作業村象の状態を常に認識しな想を示す．

がら適切な動作を行う必要がある．しかし，部品同士の接触を伴う作業では，この状態認識は容易ではなく．ロボットが作業対象の状態を認識できなくなってしまうことがある．

ロボットに人間の持つ手作業の巧みさ，すなわち技量を実現させるためには，まず，人間の作業過程の力学を理解し，そこからロボットで実現できるような制御モデルを構築する必要がある2）〜5）．この構築した制御モデルに基づき，技量を発現させるためには，高精度な力／モーメント発生機構

囲1 技量の解析と実現ー1−2．作業例

2．2 クランク回し作業
囲3のようにクランクを回す際の運動を考える．

図2から囲5に代表的な作業（研磨，クランケ

ハンドルをしっかり握って回転させると，ハンド回し，辺合わせ，ピン挿入作業）を示す．これらので動かすことができる方向というのは，茸軸に沿作業では，部品同士の接触を伴い，作業対象物のう並進とz軸回りの回転運動に限定される，その位置だけではなく，作業に伴い発生する力も考慮他の並進，回転の方向には動かすことはできないに入れてヤらねばならない．

が，力を加えることができる．以上のような拘束

これらの作業をマニピュレータによって行わせのもとで．人間はうまく作業を行っているものとるための制御法として，インピーダンス制御法と思われる．

ハイブリッド制御法が知られている8）9）．ィン l
ピーダンス制御法は，手先効果器の外力に村する機械インピーダンスを目的とする作業遂行に都合の良いように設定し，位置と力を制御する．他方，
ハイブリッド制御では，位置と力の制御したい方向を定め，それぞれの方向の位置と力を測定し，それらをフィードバックして目標値に近づける．

これらの制御法を考慮しながら，簡単にそれぞれの作業の特徴を述べる．

2．1 研磨作業
図3 クランク回し作業
材料表面などをグラインダーを用いて研磨する
際，巧みに工具を動かしたりして，加える力を調
2．3 辺合わせ作業

節する．図2のように表面（ヱ軸方向）が凸凹な場
合などは，そのときの変位量（位置，速度等）と力囲4のような辺合わせ作業を行う方法として，との関係（インピーダンス特性）を制御しつつ，力まず辺Aに向かって姿勢を変えながら辺を一致さ制御を行っているものと思われる．

せる．次に，辺Aに接触させながら，辺Bに一致させる．

固2 研磨作業

国4 辺合わせ作業−2−

2．4 ピン挿入作業
組み立て作業を行う際には，穴に差L込んではめるという作業が必要とされる場合がある．．これを一般化したのが，ペグインホール作業とよばれるもので．丸棒（peg）をはめあい公差の小さな穴（hole）に挿入する作業である（回5）・本論文では，このピン挿入作業を取り上げ，人間がどのように巧みに作業を行っているかを解明する．まず，人間の手作業に関するデータを取得する．第3章で述べる作業解析装置を構築し，データ取得の実験を行う．

国6 システムの構成

閉経過の管理を伴う処理に対するプログラミングの複雑化を回避でき，複雑な処理を容易に取扱うことができる．

位置データは，ビデオ信号の入出力を行うビデオモジュール（VM）と相関演算による追跡処理を行うトラッキングモジュール（TM）の2種類のVMEバス規格のボードで構成されるトラッキングビジョンを利用する．まず，カメラの映像をVMでA／D

囲5 ピン挿入作業変換し，TMの画像メモリへ転送する．TMで相関演算処理された結果をメインコンピュータに送る．

3．実験システム処理されたTMの画像メモリは，VMでD／A変

3．1 システム構成換されて，ビデオ信号とLてモニタに出力される．
カデータとして，変換器のひずみデータがセン

実験装置のシステム構成を国6に示す．このシサコントローラ内でAノD変換され，その結果得

ステムでは，メインコンピュータとして25MHzられるディジタルデータがひずみゲージ毎に，12CPtTのMC68LCO40を搭載したCPtTボードを使

ビットパラレルでパラレルⅠノ0ボードヘ出力さ用している．また，OSとしては，リアルタイムれる．

OSのVxWorksを使用Lている．このメインコン
ピュータは，ワークステーションにEthernetでつ3．2 トラッキングビジョン

ながっていて，UNIX上でソフトウェアの開発ヤ英トラッキングビジョンは，動画像中の移動する行結果の解析ができる．ⅤⅩWorksでは，タスクご複数ターゲットを追跡しながら，その位置情報をとに優先順位を付け，重要なタスクは最優先で処フレーム間（1／30［8】）で連続的に出力する高速相理できる．また，複数のタスクを実行したり，時−3−ト）に変換する．また，メインコンピュータから自開演算追跡処理装置である．

由にアクセスできるオーバレイ画像メモリを実装しており．処理結果の表示に利用できる10）11） 1
3．3 3次元位置測定装置
作業中の物体の位置，姿勢は3次元位置判定装置
FASTRAK（Polhemus社）によっても計測できる・
Search Window

msT且AIくは磁気変換技術を応用し，3次元内に存在する物体の位置（ェ，肌わ，姿勢（画亡叫封瓜叫rロ叫

国7 MEPによる動き検出をレシーバをあてて計測する3次元位置測定装置である．位置0．呂【mm】．角度0・15［deglの精度でTMでは，動き予測プロセッサ（MEP）により測定できる．また，最大で120ボインり秒の高速相関演算を高遠に実行している．囲7に示すようサンプリングを実現できる．磁気を利用しているに，MEPは1フレーム中にNxN（Ⅳ＝80r16）

ので金属等の磁界に影響を与えなVl環境で利用し画素の参照画像に対して，それを各方向に−8〜なければならない．

＋7画素ずらして探索範囲の中で相関演算（対応磁気変換技術について簡単に説明する．図9に画素の差の絶対値の総和）を行ない，最も相関の示すようにトランスミツタ（直流コイル）に交流を高い位置を求める．相関演算とは，参照画像ズと加えると磁界が発生する．この磁界中にレシーバある時刻での探索範囲内の小領域yとの誤差値（直流コイル）を置くとレシーバに電流が誘起され
九「＋．Ⅳ

恥＝∑∑l晶叩−㌦小＋jl

る．この電流の大ききをコンピュータで処理する

川

m＝1れ＝1

ことにより位置，角度データを出力する．

を求める演算である．かi，ブが最小となる（豆，封をTransmitter

動きベクトルとして出力する．

MagneLic Field

Re亡eiver■−−￣￣￣￣￣￣￣−−−−−■

■一一
一−一一■

：

Vid亡0InoIJ（L ReEererLC亡Windov＋ Ser亡hWirLdow
DrIV仁Circuit

Fmm亡1 Fram亡2VRAMl；
VR几MH：

Ou申u【VRAMヨ ≡Videolnput Mqd已国9 磁気変換技術

囲8 映像入力モード
3．4 力覚センサ
また，3杖の画條メモリを持っており，それらをカ覚センサは変換器，変換器ケーブル，および囲8のように参照画像用，探索画像用，画像入力コントローラから構成されている．変換器の8組用に切替えて使用することで相関演算を行なう．のひずみゲージからの信号を，ユーザシステムかVMはNTSC準拠のビデオ信号を入力し，モノらのクロック信号または．コントローラ内部のククロ256階調のデジタル画像（512x512x8ピッロック信号に同期して出力する．ひずみゲージかm4

らの信号は，ディジタル信号に変操Lて出力されピン挿入作業において，人間がペグを挿入する

る．信号の伝送速度は最大2000【Hヱ］（0・5【ms】〕ま一般的な方法とLて，ペグを情けながらホールまで上げることができる．この信号を用いてユーザ・で持っていき，挿入する際にべグを垂直に立て，作システム内で行列計算を行うことにより6成分の業を完了させるやり方が挙げられる．

力／トルク・データが得られる．定格荷重は力10実験条件は以下のように設定する．

【kgfトトルタ100【k虞・Cm】，許容過負荷は定格荷

サンプリングタイム ＝ 0．037【sト重の500％まで，精度は定格値の1％以下となっている．

ホール内径：直5h7

ペグ外径：担5H7ペグ長さ：30【mm】

本論文では，ピン挿入作業について，ペグとホートラッキングビジョンが映像を人力し．処理を行
ル部の物体各点に発生する接触力を詳細に測定すうのに1／30［s】かかるので．サンプリングタイムるため，ホールを2つの部品から構成する．以下．

を0．037【s】とし，トラッキング処理以外のデータ

これらをホール部1，2と記述し，力覚センサを取得等の仕事を残った時間で行う．今回の実験で
囲10のように配置する．

は3次元位置測定装置は使用しなVl．
座標系を設定するため，ペグとホールを図11のように記す．ホール部人口を原点とした座標系（ロー∬ヱ）を基準としてペグ先端の位置（ェ，ヱ）を測定する．力／トルクはペグ先端に固定Lた座標系（0 一ご ヱ ）を基準とLて加わる値（舘，蔦t，叫′・）Force Sensorを測定する．ペグ部の力覚センサが測定する値にForce Sensor

は，ペグ自身の質量も含まれているため，実験を囲10 力覚センサの配置行う前に，質量，センサ中心からペグ重心位置を求め，ペグの2点に図11のように円形のシールをはり，この2点を参照画像としてトラッキング

4．予備実験きせ，ペグの傾きβを求め，重力の影響を補正し4．1 実験方法ている．残り2個の力覚センサはホール部1，2でのペグとの接触力を測定する．

王 R虎ー亡nCCWindow

4．2 結果以上の方法で実験を行った結果を示す．ペグ先端の位置，姿勢〔∬，Z，即とそこに加わる力，トルク（鳥t，ろ・，几屯・）を図12に，ホール部1．2に加わる力を図13に示す（実線：ホール部1，点線：ホール部2）．トラッキングビジョンの精度についてであるが，当研究室のこれまでの研究で対象物が回転すると正確なトラッキングできなかった．そこで，今回は円形のシールを追わせ．より
国11 座標系の設定正確なトラッキングを可能とした．

ー5−

︻N︼■︼王Dコq▲
Tim已【5Ⅰ園13 ホールでの接触力・JェU盲N︼．音側■qコロ○コ■

j止Tiロ】亡【s】

丘Tim仁【5】▼：p4−1山固12 ペグの位置と力一劇∫lmml

囲14 ペグの平面での軌道

4．3 作業特徴の抽出●無拘束下での運動
この運動をロボットに実現させるには，得ら構築した作業解析装置によって得られた結果にれた位置データp＝（苫，ヱ，即とそのデーついて簡単に考察する．

タからカ＝（孟，j，∂〕を求めてやり，pとカペグの平面内（諾，ヱ）の軌道について，測定結果とを教示することによって可能になると思わを国14に示す．この固より，作業を行う際ペグれる．

をホール人口まで直線的に導いていることがわかる．次に．図12，囲13からホール入口で接触し●拘束下での運動て．力，モーメントを加わえていることがわかる・

βを0に戻Lているとき，同時に舘，蔦・，叫′・ホールに挿入するため，ヱ方向に力を加えるが，姿とホール部に働く力も減少していることがわ勢を傾けたままでは挿入できない．この状態からかる．これより，接触力はβに依存している次の段階に進むためには，手先にかかる力が減少と思われる．βと接触力より拘束時での作するように，姿勢を変え，ホール部に設定したヱ業モデルが構築できるのではないかと思わ

軸にべグを平行にする．次に，ペグ▼を完全に押しれる．

込むまで力をヱ方向に加えていくが，押し込む際，ホール部における接触力についてであるが，ペ手先には大きな拘束力を受ける．これは，はめあグの傾きを直すことにより，ホール部2での接触い公差が小さいことによる摩擦の影響と考えられ力がホール部1より小さくなる．ホール部2でのる．作業は拘束，つまり攫触力が働かない自由空

接触力が小さくなることより作業が進行すること

間での運動とペグとホールが接触して拘束を受けがわかる．

ながらの運動に分類できる．

−62）内山勝：接触状態のシュミレーション，日本ロボット学会誌Vol．11No．2，201／205（1993）

5． おわりに3）内山凰今橋晃一＝ルールペースト人工技能シス
テムの計算横援用ルール作成，日本ロボット学会誌

本論丈では，ピン挿入作業での位置，カデータ

Vol．12No．3，459／465（1994）を取得するための作業解析装置を構築L，得られ

4）R．Koeppe，A・Breidenbach．G▲Hirzinger＝Ski11
Representation and Acquisition af Compliant

たデータから簡単に特徴を述べ，今後のデータのMotions U5ing 乱 丁占∝b Device，Proc・Of the

取り扱いに対する考えを述べた．3次元位置測定

IEEE／RSJInt，Conf．onhteuigeJltRobotand
Systems，Ⅳ0・2，89T／904（1996）

装置（mSTRA王（）とトラッキングビジョンとを組

べた研磨，辺合わせ，クランク回L作業等の解析

与）妻木勇一．山田晋治，内山勝：インピーダンス特性を残Lた力制御に関する一考察，第14回ロボット学会学術講演会，101g／1020（19g6）装置を構築し，データを取得する予定である．さ6）三韓敏雄＝パラレルロボットHEXAによる技能の実現に関する研究，東北大学工学研究科精密工学

み合わせて，ピン挿入作業以外にも，第2章で述専攻修士学位論文（1g96）

らに，ロボットに人間の手作業の巧みさを実現さ

7）B・Pora・P11kham，T・Miwa，D・N・Nenchev，
M．Uchiyama．：FrictionCompensationTechniqtleSせるためには，得られたデータをもとに，作業を

hr Compliance Controlof aHEXA Parare11
Robot，第14回ロボット学会学術講演会，1027／1ロ28

定量的に解析する必要がある．

（19舗）

なお．本研究は平成7〜9年度文部省科学研究

印書川恒夫＝ ロボット制御基礎論，181／20丁，コロナ

費補助金重点帯域研究「感覚と行動の統合による社（19叫

9＝obnJ．Craig著，≡浦安丸下山勲訳＝ロボテイ
クス一概構・力学・制御−，303／319，共立出版株式

機械知能の発現礁構の研究」〔領域代表者：井上博允），A蛙計画研究「技量の力学的理解に関する研会社（1991）

10）内山隆，沢崎直之，青木草，森田俊執稲本亀住
藤雅彦，稲葉雅章，井上博允：ビデオレートトラッ

究」（課題番号：07245103，代表者：有本卓）の援助を受けて行われているものである．

キングビジョンの実用化，第12回ロボット学会学術講演会，34古／346（1994）
11）井上博允十稲葉雅章，森武乱立川哲也＝局所相

参考文献

関演算に基づく実時間ビジョンシステムの開発，日本ロボット学会誌Vbl．13No．1，134／140（19g可1）高瀬＝囲克．雨薄明博＝動的な応答を用いた作業

監札第14回ロボット学会学術講演会，1029〃030（1996）−7−