力覚デバイスによる仮想彫刻訓練システムの構築

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(1)情報処理学会第 82 回全国大会. 5F-02. 力覚デバイスによる仮想彫刻訓練システムの構築神原利彦 † †. 1. 岩切大知 †. 八戸工業大学電気電子工学科. 序論. チェーンソーアートのような彫刻で美しい作品を作り出すには、刃物をどのように操り、どうやって削り出して行くかを経験を重ねて習熟する必要がある。だが、刃物自体が危険な物体であり、どんなに安全面で気をつけていても習熟の途中で疲労から負傷するおそれがある。そこで、本研究ではロボットアーム先端に付けた刃物を力覚デバイスで少し離れた場所から遠隔操縦し力加減などを仮想空間と実空間の両方で経験しながら安全に習熟していく彫刻訓練支援システムを提案する。. 2. 手法. 2.1 手法概要本手法の概要を図 1 に示す。アームの操縦者側と、患者およびロボットのいるロボット側の２箇所は、距離が離れているが、図のスレーブ PC とマスター PC の間をインターネット経由で常時接続している。操作者が力覚デバイスのスタイラスを握りアーム先端の刃物を遠隔的に操作する。スタイラスの位置および姿勢の情報がマスター PC で読み取られ、インターネット経由でスレーブ PC へと伝送される。スレーブ PC はその位置・姿勢の情報を基にロボットアームの各関節を駆動する。ロボットアーム先端には力覚センサの付いた刃物が付いており、物体を切り裂く際に刃物にかかる反力が計測され、その反力情報がスレーブ PC 経由でマスター PC へ伝送される。マスター PC は、それらの反力情報を基に力覚デバイスで擬似的な力を発生させて操作者に呈示する。仮想空間で彫刻を習熟する場合は、ロボットアームが CG に置き換わり、力覚センサは、物理計算シミュレータへと置き換わる。 2.2 システムの実装図 1 に示したシステムの一部を実装した。実空間ではなく仮想空間で動かすシステムであり、図 2 にその例を示す。この例では、力覚デバイスでアーム先端の刃物を動かして刃物 CG と物体 CG が接触しても切れ跡が残らない。そこで、仮想空間上でも切削現象を CG で表現する必要がある。 2.3 仮想空間で切削現象を表現する手法前述のように、バーチャル彫刻では仮想空間においてロボットアーム先端の刃物を操作して、塑像を彫り出していくタスクを CG で表現しなければならない。まず削られる物体を m 個のボクセル Oi (i = 1, 2, 3, · · · , m) で表現し、積み上げる。これらを「物体ボクセル」と呼 Development of Remote Operation System for a Manipulator by a Haptic Device Toshihiko KANBARA† and Taichi IWAKIRI† † Dept. of Electric and Electronic Engineering, Hachinohe Institute of Technology 031-8501, Hachinohe, Aomori, Japan {kanbara, g162002}@hi-tech.ac.jp. 4-3. 図 1: システム概要. 図 2: CG ロボットアームでの実装実験ぶ。次に、アーム先端の刃物も n 個のボクセル Kj (j = 1, 2, 3, · · · , n) で表現する。これらを「刃物ボクセル」と呼ぶ。そして、刃物ボクセル Kj と物体ボクセル Oi の衝突を計算し、衝突した物体ボクセルを消滅させることで、刃物による切削を表現する。衝突の判断は、Oi と√ Kj のボクセル間距離 Lij がボクセルの一辺の長さ l に 3 掛けたものより短い場合は衝突したと判断する。つまり、以下の式を満たす場合は衝突が成立し、物体ボクセル Oi を消滅させる。ただし、(Oix , Oiy , Oiz ) はボクセル Oi の中心座標を表す。 √ √ (Oix − Kjx )2 + (Oiy − Kjy )2 + (Oiz − Kjz )2 < l 3 以降は、i と j を変動させて、総当たりで m × n 通りの繰り返し計算すべてで衝突を判断し、衝突した場合は物体ボクセルを消滅させる。. Copyright 2020 Information Processing Society of Japan. All Rights Reserved..

(2) 情報処理学会第 82 回全国大会. 2.4 サンプリングの問題単位時間に刃物ボクセルが大きく動く場合は、動く前と動いた後の周辺の物体ボクセルのみが消滅し、その中間位置の物体ボクセルが消えずに残る現象が発生する。そこで、単位時間あたりの刃物ボクセルの動きが大きい場合にはその中間のボクセル軌道を順運動学で５ほど点サンプリングし、その５点を通るスプライン曲線を算出し、その曲線が通った物体ボクセルを消滅させる。 2.5 力覚の計算手法前節で述べた、i と j の総当たりの組み合わせの中で、衝突と判断された組み合わせを記録しておく。１つ前のフレームにおける刃物ボクセルの位置との引き算でボクセルの速度ベクトル vj を求め、速度ベクトルに比例した反力ベクトルの総和を力覚デバイスで発生させる。要するに、刃物が速く動いて物体に当たった時は大きな反力が、ゆっくり当たった小さな反力が発生するように設定する。比例係数は繰り返し実験で調整する。 2.6 ３次元ラベリング物体ボクセルを積み上げた中を刃物ボクセルが通過することで、切削痕ができるが、刃物が通ってない場所に小さな、除去したい塊が残る問題点がある。例えば、図 3 の右上の塊などがそれに該当する。仮想空間には重力が存在しないので、それらの小さな塊は、大きな塊から切り離されているにもかかわらず、滑り落ちることもなく空中に浮かんでいる。この奇妙な現象が発生する問題を解決するために、２次元画像処理で行われている「ラベル付け処理」を３次元ボクセルに対して適用する。. Aopen 製 A2661-S(Celeron2.4GHz/RAM2GB) を使用した。 3.2 お手本のポリゴン像の生成図 1 のシステムから、ロボットアームを CG に置き換え、力覚センサを物理シミュレータに置き換えて、バーチャル彫刻のシステムを構築した。削られる物体を 20 × 30 × 40=24000 個 (m=24000) のボクセルで表現した。彫刻の経験が無い初心者でも簡単に彫刻できるようにお手本となるウサギの像をポリゴンで表現し、その像全体を覆うようにボクセルを配置した。ボクセルそのものは 0.5 度の透明度で表現し、ウサギの像を透けて見えるようにした。その例を図 4 の左下に示す。操作者は、この透けて見えるポリゴン像を誤って削らないように、刃物を進めることで、ボクセルの塑像を彫り進めて行く。 3.3 バーチャル彫刻システムの実装 CG のロボットアームと、お手本を埋め込んだ物体ボクセルを組み合わせて表示した。刃物ボクセルの個数は n = 50 とした。物体ボクセルの個数は m = 24000 なので毎フレーム、n × m = 120000 通りの総当たりで衝突を判断し物体ボクセルを消滅させた。この実験の例を図 4 に示す。力覚も３次元ラベリングも実装した。３次元ラベリング処理に時間がかかるため、５点サンプリングやスプライン曲線を使った衝突判定は未実装である。. 図 4: バーチャル彫刻の実験. 図 3: 空中に浮かぶ小さな塊手法としては、３軸に沿って１回目の走査を行い、左または下、または奥の隣り合うボクセルが消滅していないなら、その残っているボクセルに付けられた仮ラベルを付ける。同時に、どの仮ラベルと仮ラベルが同一であるかをルックアップテーブルに記録する。２回目の走査で、仮ラベルから真のラベルに付け直す。真のラベルごとに体積計算を行い、体積の少ないラベルの付いたボクセルは自動的に消滅させる。体積のしきい値は実験的に決める。. 3. 4. 結論. 刃物の危険性を憂うことなくロボットアーム先端の刃物を遠隔操縦して、バーチャル彫刻の練習ができるシステムの構築手法を提案した。ボクセルを使った CG で、切削痕を残す表現に加え、力覚呈示や３次元ラベリングを実装した。逆運動学 [2] で刃物を傾ける操作を実装し、分散処理などで、高速化を目指すことを今後の課題とする。また、ボクセルのサイズをもっと小さくして高解像度化することも今後の課題である。. 参考文献. 実験. 3.1 実験装置力覚デバイスとして Sensable 製 Phantom-OMNI を、スレーブ PC として、マウスコンピュータ製 PC(Core i5-3470 3.6GHz/RAM8GB) を、マスター PC として、. 4-4. [1] 神原利彦、千野謙吾: 力覚デバイスを用いたロボットアームの遠隔操縦、情報処理学会第 81 回全国大会予稿集,2019. [2] John J．Craig(著) 三浦宏文 (訳) 下山勲 (訳): ロボティクス機構・力学・制御,91/124, 共立出版,1991.. Copyright 2020 Information Processing Society of Japan. All Rights Reserved..

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