Title
遠隔操作建設ロボットシステムのマスタ・スレープ制御( 内
容の要旨(Summary) )
Author(s)
加藤, 英寿
Report No.(Doctoral
Degree)
博士(工学) 甲第219号
Issue Date
2004-03-25
Type
博士論文
Version
URL
http://hdl.handle.net/20.500.12099/1940
※この資料の著作権は、各資料の著者・学協会・出版社等に帰属します。氏 名(本籍) 学 位 の 種 類 学位授与番号 学位授与日付 専 攻 学位論文題目 加 藤 英 寿(岐阜県) 博 士(工学) 甲第 219 号 平成16 年 3 月 25 日 生産開発システム工学専攻 遠隔操作建設ロボットシステムのマスタ･スレーブ制御
(Master-Slave Controlfor a Tele-Operation System of Construction Robot) 学位論文審査委員 (主査) (副査) 教 授 佐々木 実 義 久 尚 高 時 宏 藤 崎 田 武 川 山 授 授 授 教 教 教 助
論文内容の要旨
日本は火山噴火による火砕流,台風や集中豪雨による土石流や崖崩れなどの土砂災害が多数発生 し,その被害を最小限に抑えるために災害発生後の迅速な対策を実施する必要に迫られている.し かし,早急な対応が必要な復旧作業では二次災害の発生が懸念されることが多いことから,近年, このような場合の対策として,操作者が安全な場所から建設機械を遠隔操作するシステムが活用さ れ,その効果を発揮している.この遠隔操作システムでは,操作者は複数のモニタを見ながらジョ イスティックにより建設機械を遠隔操作する方法が採用されている.しかし,従来の遠隔換作シス テムでは現場の情報が視覚情報のみに限定されてしまうことから,繊細かつ複雑な操作が困難とな る.このような場合,操作者に対してあたかも建設機械に搭乗して作業しているかのような高い臨 場感を提示することが決定的に重要となる.しかし,建設機械による無人化施工システムでは,こ れまでに視覚システムや通信システムなどが精力的に研究･開発されてきたが,操縦システムにつ いては雲仙普賢岳での無人化施工時以前から現在に至るまで,全く変化していないのが現状である. このような背景の下,本研究の目的は,建設機械の作業によって発生する作業反力を力覚として操 作者へ提示することが可能な力覚提示システムの構築にある. 先ず本研究では,本システムにバイラテラル制御を適用するための第一段階として,繊細な作業 を行う上で最重要となるフォークグラブを考察の対象とし,これに作用する外力を力覚として提示 可能な力覚提示手法について検討した.本制御法によれば,フォークグラブに外力が作用している ときに限って反力を発生するために,その駆動力に対して開催を導入し,さらにジョイスティック への反力をマスタとスレーブの偏差に依存した項とスレーブの駆動力に依存した項の併用による 構成法とした.そして本制御法の有効性を検討するために,フォークグラブによる穐々の把持動作に基づく実験とシミュレーションを行った.その結果によれば,フォークグラブによる柔らかい対 象物の緩慢な把持動作ばかりでなく,その他の把持動作に対しても,その把持状況を反映した反力 が発生し,良好な操作感覚が得られることを確認した･ さて,遠病棟作によって高精度かつ安全な作業を行うには,操作者に対して建設ロボットの作業 による力感覚をより広範囲かつ詳細に提示することが必要となる.そこで,フォークグラブのみな らず,ブーム,アーム,･スイングに対しても同様に本制御法が拡張可能となれば,建設ロボットの 操作性は大幅に改善されるものと期待される.そこで本研究では,フォークグラブを対象として提 案した先の制御法を全駆動軸へ拡張するための手法について検討した･しかし,他の駆動軸に対し て本制御棒を拡張する場合,特にブームとアームでは実測の駆動力にリンクの自重に起因した外力 が含まれるため,本制御法をそのまま適用することは困難となる(ただし,スイングにはそのまま 適用可能).そこで,ブームおよびアームに対して,フロント部の姿勢から各ピストンへの自重の 影響を補償するための手法を提案し,この手法を本制御法に適用した･そして種々の動作における 実験により,その有効性を検討した.その結果によれば,全駆動軸に対して良好な操作感覚が得ら れることを確認した. 次に,建設ロボットの操作システムに対して本制御法を適用した際の操作性を被験者を介して評 価することで,本制御法による力覚提示機能の有用性を客観的に検証した･換仲性評価実験では, 被験者は実際の災害復旧工事において遠隔操作によって行われた作業を模擬した作業を行った･そ して,操作性を評価するための指標として一般的な指標である行動的指標に加えて,主観的指凰 生理的指標の3種類を用いて操作性を評価した.なお,被験者へ提示する視覚情報には,複数のカ メラの映像とCGによって構築される仮想空間の2種類を用いた.その結果によれば,カメラ映像や 仮想空間を用いた遠隔操作システムに対して本制御法に基づく力覚提示機能を付加すれば,ロボッ ト操作をより安全に実施することができるばかりでなく一棟作者への精神的な負担を軽減できるこ とが確認された. 以上によれば,建設ロボットのフォークグラブ,ブーム,アーム,スイングを対象としたマス タ･スレーブ系に対して,建設ロボットによる作業状況を良好に提示できる力覚提示手法を構成し, 遠隔換作による作業を高精度かつ安全に実施可能な操作システムを実現することができた･
論文審査結果の要旨
日本は火山噴火による火砕風台風や集中豪雨による土石流や崖崩れなどの土砂災害が多数発生 し,その被害を最小限に抑えるために災害発生後の迅速な対策を実施する必要に迫られている･し かし,早急な対応が必要な復旧作業では二次災害の発生が懸念されることが多く,近年,このよう な場合の対策として,操作者が安全な場所から災害現場にある建設機械を遠隔操作するシステム (無人化施工システム)が活用され,その効果を発揮している.しかしト建設機械による無人化施工システムでは,これまでに視覚システムや通倍システムなどが精力的に研究･開発されてきたが, 操縦システムについては雲仙普賢岳での無人化施工時以前から現在に至るまで,全く変化していな いのが現状である.このような背景の下,本研究では,建設機械の作業によって発生する作業反力 を力覚として操作者へ提示することが可能な力覚提示システムの構築を目指している. 先ず本研究では,繊細な作業を行う上で最重要となるフォークグラブを考察の対象とし,これに 作用する外力を力覚とし.て提示可能な力覚提示手法について検訂している･本制御法では,フォー クグラブに外力が作用しているときに限って反力を発生させるために,その駆動力に対して聞値を 導入し,さらにジョイスティックヘの反力をマスタとスレーブの偏差に依存した項とスレーブの駆 動力に依存した項の併用による構成法としている.そして本制御法の有効性を検討するために,フ ォークグラブによる種々の把持動作に基づく実験とシミュレーションを行うことで,フォークグラ ブによる柔らかい対象物の綬慢な把持動作ばかりでなく,その他の把持動作に対しても,その把持 状況を反映した反力が発生し,良好な操作感覚が得られることを確認している･ さて,遠隔操作によって高精度かつ安全な作業を行うには,換作者に対して建設ロボットの作業 による力感覚をより広範囲かつ詳細に提示することが必要となる.そこで,フォークグラブのみな らず,ブーム,アーム,スイングに対しても同様に本制御法が拡張可能となれば,建設ロボットの 操作性は大幅に改善されるものと期待される.しかし,他の駆動軸に対して本制御法を拡張する場 合,特にブームとアームでは実測の躯動力にリンクの自重に起因した外力が含まれるため,本制御 法をそのまま適用することは困難となる(ただし,スイングにはそのまま適用可能)･そこで,ブ ームおよびアームに対して,フロント部の姿勢から各ピストンへの自重の影響を補償するための手 法を提案し,この手法を本制御法に適用している.そして,種々の動作における実験結果から,フ ォークグラブのみならず,ブーム,アーム,スイングに対しても良好な操作感覚が得られることを 確認している. 次に,建設ロボットの操作システムに対して本制御法を適用した際の操作性を被験者を介して評 価することで,本制御法による力覚提示機能の有用性を客観的に検証している.換作性評価実験で は,実際の災害復旧工事において遠隔操作によ?て行われた作業を模擬した作業を行い,その際の 操作性を評価するための指標として一般的な指標である行動的指標に加えて,主観的樹乳生理的 指標の3種類を用いている.なお,被験者へ提示する視覚情報には,複数のカメラの映像とCGによ って構築される仮想空間の2種類を用いている.その結果によれば,カメラ映像や仮想空間を用い た遠隔換作システムに対して本制御法に基づく力覚提示機能を付加すれば,ロボット操作をより安 全に実施するばかりでなく,換作者への精神的な負担を軽減し得ることを確静している. 以上によれば,建設ロボットのフォークグラブ,ブーム,アーム,スイングを対象とし たマスタ･スレーブ系に対して,建設ロボットによる作業状況を良好に提示できる力覚提 示手法を構成し,遠隔操作による作業を高精度かつ安全に実施することが可能な操作シス テムを実現する展望を拓いている.
本論文によって得られた以上の知見と成果は,工学上および工業上,重要な貢献をするもの であると判定された.
