装着型ロボットの操作感と制御系設計への応用

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(1)データベースシステム 126-5 （２００２．１．２１）. 装着型ロボットの操作感と制御系設計への応用 ○金森直希 (電通大) 田中孝之田中一男. Operating Feeling of Wearable Robot and the Application to Control System Design *Naoki KANAMORI, Takayuki TANAKA, Kazuo TANAKA University of Electro-Communications, 1-5-1 Chofugaoka, Chofu, Tokyo Abstract— This paper addresses subjective evaluation for operating feeling in a wearable robot. The NASA-TLX method, which is mental workload index analysis, is employed to investigate operating feeling for various impedance parameters and task parameters. The result shows the existence of three patterns of human operation. The patterns correspond to viscosity-based operation, restoring force-based operation and inertia-based operation, respectively. We verify the existence of three patterns by analyzing force sensor data. Furthermore, the verification of three pattern classification is also investigated by the semantic differential method and factor analysis. Key Words: wearable robot, impedance control, subjective evaluation, operating feeling, human interface. 1.. はじめに. ロボット技術の発達にともない，マスタ・スレーブ型遠隔操作システム，重量物搬送用のパワーアシストシステムといった人間が機械と直接に触れて操作する人間–機械協調系が注目されている．このようなシステムは，人間の有する高度な認知・制御能力と，機械の優れた可搬能力および耐環境性を合せ持つシステムとして，これまでロボットの利用が敬遠されがちであった人間の生活環境下における様々な用途への応用が考えられており近年特に期待が高い．筆者らのグループでは人間–機械協調系の一例として，介護者の負担が大きいとされている要介護者の移乗作業 (ベッド –車椅子間の移動など ) における負担軽減を狙い，介助者に装着する形式の介助補助ロボットの開発を行っている 1)2) ．このロボットには，人間が操作器に直接力を加えて操作し，作業結果を同操作器を通して人間側に提示する力・触覚インタフェースが用いられている．このような操作器には，介助者が機械を直観的・直接的に操作できる利点があるが，操作器の特性が作業のしやすさに多大な影響を及ぼすため，操作者が作業しやすいように操作器の動的な特性を設計する必要があると考えられる．開発中の装着型ロボットは，一般の人々の自由な介助作業を想定しており，作業のしやすさや操作感の良いことがより求められる．そのため，操作者が行う作業に応じて操作器の動的な特性を制御系により随時変更する必要があると考えられる．そこで，本研究では良い操作感を操作者に与える装着型ロボットの操作器の制御系を設計する際の指針を得ることを目的として，人間が操作器を操作する際の主観的な操作感と操作器の動的特性の関係を調べた．. 2.. 合わせ，前腕を同アームに沿うようにしてこの操作部に置く．肘を伸ばした状態から 90◦ 曲げた状態を初期位置 (θ = 0) とし，操作者は肘位置を回転中心とした水平面内で前腕を動かすことができる．ディスプレイ画面の表示とアームの角度とが対応しており，操作者はアームの角度 θ がディスプレイ画面に表示される位置目標値 (周波数 ω の sin 波:振幅 ±20◦ ) に追従するように前腕を動かし操作部に力 f を加える作業を行う．この作業を視覚位置規範追従タスクと呼ぶことにする．. 操作感の主観評価のための実験. 実験システムを Fig.1 に示す．1 自由度の水平型アームに操作者の手首部分を置く部材 (操作部) が取り付けてられており，操作者は肘をアームの回転中心付近に. 1 −31−. Computer A/D. Pulse Counter. Strain Amp. Force Sensor. D/A Motor Driver. Resolver. DD Motor ǰ . Screen Fig.1 Experimental system.

(2) 操作アームのモデルを Fig.2 に示す．操作アームは操作力 f をもとに式 (1) の機械インピーダンスを実現するようインピーダンス制御される．. Md. Dd. Kd. ȁP. Ǯ. 1.3 2.3 4.0. 1 5 1. 50 25 25. 0 0 0. 0 0 0. 3.1 3.4 0.3 0.7 1.1 1.3 1.7 0.3 0.2 0.4 0.4 0.5. 10 1 1 5 10 10 10 1 5 10 10 5. 0 0 25 25 50 50 25 0 0 0 25 0. 0 0 0 0 5 10 5 0 5 10 10 10. 0 0 0 0 0.7 1.0 0.7 0 1.0 1.0 1.0 1.4. п п п ֣ ֣ п п. ȁ AWWL. (1). 1. ここで，Md ，Dd ，Kd はそれぞれ目標の慣性，粘性，剛性の各係数であり，x はリンク上の力センサ取り付け位置における円周方向の変位である．Md ，Dd ，Kd を変更することで操作感を変えることができる．予備実験を行い，タスク周波数およびインピーダンスパラメータを Table 1 のように決定した．. 4. 8. ǰ= 0. Pattern A. 㱔. Pattern B. x Fig.2 Operation arm model. 10. 10. : Md [kg] : Dd [Ns/m]. 1, 5, 10 0, 25, 50. Stiffness. : Kd [N/m]. 0, 5, 10. f –10 6 Time. 6 Time. θ –20. 8 [sec]. (2) Pattern B 20. 0. 0. f. [N]. 5. –5. f. 6 Time. θ [deg]. 3.. f. –10. 8 [sec]. (1) Pattern A. これらのパラメータ組み合わせ 81 通りそれぞれについて視覚位置規範追従タスクを課し，操作感について主観評価を行わせた．パラメータの組み合わせは学習効果の影響を考慮してランダムに決定した．1 回の操作は 15 秒間である．操作終了後ただちにメンタルワークロードの主観的指標である NASA-TLX および SD 法の質問用紙に記入させた．. 0. 0. –20. θ. f. 20 θ [deg]. Inertia Viscosity. 0. θ [deg]. [N]. 20. 0. Table 1 Selected task and impedance parameters. 1, 4, 8. Pattern C. [N]. f. : ω [rad/s]. 0 0 1.3 0. る際に操作者が積極的に制動させた結果と考えられる．一方，Pattern A は減衰する特性を有している．操作者はこの減衰特性を利用して制動を行ったために Pattern C に見られるような f の細かな振動が発生しなかったと考えられる．Pattern B は復元力の発生する特性を有しており，操作者はこの復元力を利用した操作を行ったと考えられる．. Force sensor. Task frequency. 1.8 2.5 3.5 ֣. f. Md x ¨ + Dd x˙ + Kd (x − x0 ) = f. Table 2 Values of AWWL. θ –20. 8 [sec]. (3) Pattern C. NASA-TLX と力センサ値による分析. NASA-TLX の回答データからそれぞれの AWWL(適応重みづけ平均値) を求め，小さいものから 5 つ ω ごとに選択したものを Table 2 に示す．また，それぞれのパラメータ組み合わせに対応する固有振動数 ωn および減衰係数 ζ を併記した．図より評価値の高いもの (AWWL の小さいもの) は Pattern A∼C の 3 パターンに分類できることがわかる． Fig.3 は，Pattern A∼C のパターンについて操作時の力センサ値の時間変化を表したものである．f と θ の位相ずれはそれぞれのパターンで大きく異なっており，操作力の波形の特徴も異なっている．Pattern C では，制動時に f の細かい振動が見られる．これは，Pattern C が減衰しない特性を有するため，アームを制動させ. Fig.3 Values of force sensor. 4.. SD 法と因子分析による検証. SD 法と因子分析による解析により 3 つの操作パターンの分類の妥当性を検証する．SD 法で用いる評価用語は予備実験を行い 70 対に集約した．質問用紙の各評価項目は 5 段階尺度とした．回答データから因子分析を行った．全 81 サンプルについての分析結果を Table 3 に，ω = 1, 8 の場合の分析結果をそれぞれ Table 4，5 に示す．ω = 4 の場合は全 81 サンプルの分析とほとんど同様の結果となった．表中の記号 ⊕，はそれぞれその因子軸の正方向，負方向を意味する．. 2 −32−.

(3) 全ての分析結果について，第 1 因子が操作感の総合評価を表すと解釈できた．第 2 因子以降は ω ごとに因子の解釈が異なる．ω = 1 では，第 2 因子については，全 81 サンプル分の分析結果の第 2 因子と同様に，正方向は制動性を，負方向は敏捷性を表している．第 3 因子については，正方向は安心感を表しており，負方向は冷淡さを表している．ω = 8 では，第 2 因子については，正方向には控え目や落着きの他に安定や丸みの項目が重要となり，安定性と解釈できる．負方向には敏感や動きのはやさの他に偏りやくせの項目が重要となり，敏捷性と偏向性の合わさったものと解釈できる．第 3 因子については，正方向は掌握感を，負方向は安心感を表している．以下に分析結果および考察をまとめる．. (1) タスクの周波数 ω が変化すると，操作感を構成する因子も変化する．すなわち，操作感にはタスク依存性がある．操作アームの動特性と操作感の関係をモデル化するためにはこのタスク依存性を考慮する必要がある． (2)ω = 1 では活動性 (制動性–敏捷性) の寄与率が高いのに対し，ω = 8 では安定感や偏向性の寄与率が高い．操作者は，低い周波数の目標値変化に対応する際には素早い操作の必要がなく，マクロ的な追従操作には余裕がある．目につくわずかな追従誤差の抑制に専念することになり，アームの活動性に対してより敏感になったものと考えられる．わずかな操作を行う際，操作者の意に反してアームの挙動が大きいと操作感の低下を招く．アームの慣性が小さい場合は始動・制動時に操作者の非常に微妙な操作が要求され，慣性が大きいと始動・制動時に大きな力が必要となり，どちらも操作者の負担が大きい．復元力が存在する場合，操作者は常に復元力を相殺するための力を加える必要があり負担が大きい．適度の粘性を有し，かつアームの挙動が操作者の希望よりも小さい場合は，適度な大きさの操作力を入力することで微視的な操作を行いやすいと考えられる．ω = 1 のときに Pattern A が現れるのはこのためであると考えられる．一方，高い周波数の目標値変化に対応するには素早い操作が必要であり，わずかな追従誤差に関与する余裕がない．そのため，アームのマクロ的な安定性や偏向性に対してより敏感になったものと考えられる．素早い操作を行うためにはアームが操作者の素早い動作に追従する必要があるが，アームの慣性が大きいと始動時および制動時に操作者の負担が大きくなり，アームの粘性が大きいと常に大きな操作力を要する．ω = 8 の場合に Pattern B が多く現れるのは，復元力を利用した素早い操作および全行程で安定した操作が可能なためと考えられる． (3)ω = 4 では，このタスク周波数が操作者にとって速すぎも遅すぎもしなかっために，因子の構成が全 81 サンプル分のそれと同様となったものと考えられる．. 5.. おわりに. 本研究では，力触覚インタフェースを有する操作器の操作感を調べるために，様々な動特性を有するアームを操作した場合の操作感の主観評価を行った．NASA-. 3 −33−. Table 3 Results of factor analysis (81 samples) Factor Contribution Important term 1st 62.4 ⊕ 総合的に良い総合的に悪い 2nd 15.4 ⊕ 制動性敏捷性 ⊕ 変化性 (弾力感・メリハリ) 特殊性 (一般性・自由さ) 4th 1.79 ⊕ 恐怖感安心感 Cumulative contribution 86.2% 3rd. 6.65. Table 4 Results of factor analysis (ω = 1) Factor Contribution Important term 1st 71.6 ⊕ 総合的に良い総合的に悪い 2nd 8.08 ⊕ 制動性敏捷性 3rd 3.97 ⊕ 安心感冷淡さ Cumulative contribution 83.7%. Table 5 Results of factor analysis (ω = 8) Factor Contribution Important term 1st 64.7 ⊕ 総合的に良い総合的に悪い 2nd 10.1 ⊕ 安定性敏捷性・偏向性 3rd 6.35 ⊕ 掌握感安心感 Cumulative contribution 81.2%. TLX および因子分析を用いて多面的な分析を行い，操作感の良いアーム動特性は 3 パターンに分類できることを示した．一口に操作感が良いといっても制動性–敏捷性，安定性–偏向性，安心感–恐怖感といった質的な差異がある．これら操作感の質的な差異は，これまでの人間–機械協調系の制御では見過ごされてきた点である．今後は，操作感の質的な差異の重要性を考慮し，より良い操作感を与える操作器の動的特性を実現するための制御方策を考えていく．参考文献. 1) 小山猛, 山藤和男, 田中孝之, “介護用装着型ヒューマン・アシスト装置に関する研究 (第 1 報, コンセプト , システム設計と実機の開発)”, 日本機械学会論文集 C 編, Vol. 66, No.651, pp.155-160 (2000). 2) 吉川宏祐, 小山猛, 田中孝之, 田中一男, “介護用装着型ヒューマン・アシスト・システム (第 9 報, 実用的な介護動作のための制御システムの設計)”, 第 19 回日本ロボット学会学術講演会講演論文集, CDROM, pp.1291-1292 (2001)..

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