スライド 1

(1)

Katsura Laboratory

Integrated Design Engineering

Keio University

Department of Electrical Engineering

Nagaoka University of Technology

触覚・力覚情報の保存と再現

（位置・力再現方法および位置・力再現装置）

長岡技術科学大学

助教

横倉

勇希

新技術説明会

(2)

触覚・力覚情報の伝送



聴覚情報の伝送



視覚情報の伝送



触覚・力覚情報の伝送

研究は少なく，実用化に至っていない

触覚・力覚情報の伝送に焦点を当てる

(3)

触覚・力覚情報の伝送



バイラテラル制御

Storage and Reproduction of Motion

スレーブ

マスタ

_マスタ

力情報

位置情報

作用力・反作用力の生

成

作用力・反作用力の生

成

モータ位置の同期

触覚・力覚情報（感触）の伝送が可能に

(4)



バイラテラル制御（モータ周辺のブロック図）

触覚・力覚情報の伝送

位置応答

加速度指令

外乱オブザーバ

モータ

モータ外力

電流指令

速度応答

推定された力応答

力センサレスで

モータの外力を

推定可能

力センサレスで

モータの外力を

推定可能

K

fnfn

, K

_{, K}

f f ; ; トルク定数トルク定数

M

nn

, M

; ; モータ慣性モータ慣性

g

dis dis ; ; フィルタ帯域フィルタ帯域

モータの加速度制御系を構成

(5)

触覚・力覚情報の伝送



バイラテラル制御（全体のブロック図）

Storage and Reproduction of Motion

Quarry行列

（座標変換行列）

Quarry行列

（座標変換行列）

Yuki YOKOKURA, Nagaoka University of Technology -新技術説明会

5 C

C

f

;

力制御器

C

(6)

触覚・力覚情報の伝送



バイラテラル制御

スレーブ

マスタ

Bilateral リニアモータリニアモータリニアモータ位置センサ位置センサ位置センサ位置センサ位置センサ位置センサ対象物体対象物体対象物体

エンドエフェクタ

オペレータ

可動シャフト可動シャフト可動シャフト

(7)



バイラテラル制御

触覚・力覚情報の伝送

Storage and Reproduction of Motion

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -6 -4 -2 0 2 4 6 Time [s] (a) F o rce [N] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -20 -15 -10 -5 0 5 Time [s] (b) Position [ mm] Master Slave Master Slave

接触動作

作用反作用の法則を

人工的に実現！

作用反作用の法則を

人工的に実現！

力応答

位置応答

対象物体の感触

が得られる！

対象物体の感触

が得られる！

7 オペレータが加えた力

オペレータが加えた力

対象物体の反力

位置の同期位置の同期位置の同期

(8)

触覚・力覚伝送技術の応用



医療分野



遠隔診断・遠隔手術



低侵襲・精密な手術



産業分野



遠隔修理・メンテナンス



原子力分野



建設土木分野



触覚・力覚フィード

バック付の建設機械



娯楽分野



触れるテレビ・電話・インターネット



オンラインショッピング

(9)

（人間の動作の保存・再現技術）

触覚・力覚情報の保存と再現

(10)

触覚・力覚情報の保存と再現



聴覚情報の保存と再現



視覚情報の保存と再現



触覚・力覚情報の保存と再現

保存保存

触覚・力覚情報を保存・再現する技術は未確立

再現再現保存保存再現_{再現} 保存保存再現_{再現}

(11)

触覚・力覚情報の保存と再現



モーションコピーシステム

Storage and Reproduction of Motion

操作者の動作を時間と空間を超えて再現できる

(12)

触覚・力覚情報の保存と再現



モーション保存システム

Quarry行列

（座標変換行列）

Quarry行列

（座標変換行列）

C

f

;

力制御器

C

p

(

s

)

;

位置制御器

オペレータの力と位置を保存

(13)

触覚・力覚情報の保存と再現



モーション再現システム

Storage and Reproduction of Motion

13 保存された「力情報」と「位置情報」に従って，

オペレータの動作を模擬する

保存された「

力情報

」と「

位置情報

」に従って，

オペレータの動作を模擬

する

オペレータの力と位置を出力

スレーブは動作を模擬

(14)

モーション保存システム

触覚・力覚情報の保存と再現



保存フェーズ



「力応答」と「位置応

答」を制御コンピュー

タの

メインメモリもしくは，

ハードディスク等々に

保存する

モーション再現システム



再現フェーズ



保存された「力情

報」と「位置情報」

に従ってモータを制

御し再現する

スレーブ

マスタ

スレーブのみ使用

(15)

触覚・力覚情報の保存と再現



モーションコピーシステムの実験結果

Storage and Reproduction of Motion

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -2 0 2 4 6 Time [s] (a) F o rc e [N ] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 10 20 30 40 Time [s] (b) Pos it ion [m m ] Stored Reproduced Stored Reproduced

「位置」と「力」の双方を同時に再現できる

「位置」と「力」の双方

を同時に再現できる

位置応答

力応答

15 （モーションキャプチャ等の従来技術では不可能！）

(16)

触覚・力覚情報の保存と再現



可変速モーション再現システム

可変速再現アルゴリズム

動作の再現速度を自由に可変できる

ｔ

ff

時間方向への伸縮時間方向への伸縮時間方向への伸縮

力情報

ｔ

x

時間方向への伸縮時間方向への伸縮時間方向への伸縮

位置情報

(17)

触覚・力覚情報の保存と再現



可変速モーション再現システムの実験結果

Storage and Reproduction of Motion

触覚・力覚の

_{“スローモーション”}

を実現

触覚・力覚の

_{“スローモーション”}

を実現

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0 5 仮想マスタシステムスレーブシステム仮想マスタシステムスレーブシステム位置応答 [m ] 力応答 [ N ] 時　間 [ s] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 時　間 [ s]

１倍速再現

１倍速

再現

_1/2

_{1/2倍速再現}

倍速

再現

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 Time [s] P o sition x re s [m ] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -5 0 5 Time [s] R eac tio n f o rce F ex t [N ]

Virtual Master System Slave System

20

17

位置応答位置応答力応答力応答位置応答位置応答力応答力応答

(18)

触覚・力覚情報の保存と再現



可変速モーション再現システムの実験結果

触覚・力覚の

_{“早回し”}

を実現

触覚・力覚の

_{“早回し”}

を実現

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0 5 仮想マスタシステムスレーブシステム仮想マスタシステムスレーブシステム位置応答 [m ] 力応答 [ N ] 時　間 [ s] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 時　間 [ s]

１倍速再現

１倍速

再現

₂

_{2倍速再現}

倍速

再現

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 Time [s] P o sition x re s [m ] 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -5 0 5 Time [s] Rea ct io n forc e F ext [N ]

Virtual Master System Slave System

Virtual Master System Slave System 5 5 位置応答位置応答力応答力応答位置応答位置応答力応答力応答

(19)

触覚・力覚情報の保存と再現



多軸モーションコピーシステム

Storage and Reproduction of Motion

単軸システム

_{多軸システム}

Motor1 Master Slave End effector Target Object Motor4 Motor3 Motor2 Motor1 Master Slave End effector Target Object Motor4 Motor3 Motor2

パラレルリンク

モデル

エンドエフェクタエンドエフェクタエンドエフェクタモータモータモータ

19

(20)

触覚・力覚情報の保存と再現



多軸モーションコピーシステム

-250 -200 -150 -100 -50 0 50 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 Position X [mm] P o sitio n Y [mm ]

Storage Phase Reproduction Phase

X方向 力応答 X方向 力応答 Y方向 力応答 Y方向 力応答 X方向 位置応答 X方向 位置応答 Y方向 位置応答 Y方向 位置応答

エンドエフェクタの軌跡

多軸の場合でも「位置」と「力」の双方を再現

多軸の場合でも

「位置」と「力」の双方

を再現

アルミ板の表

面

アルミ板の表

面

開始位置

Hand MCS

(21)



熟練者・手術の術者の繊細な動作の保存・再現



熟練技能者の動作を模擬する

NC

工作機械



手作業を繰り返し再現する産業用ロボット

想定される用途

Storage and Reproduction of Motion

21 未だに手作業に頼っている工程

自動化が難しい工程

（例えば製品の組立等）

未だに手作業に頼っている工程

自動化が難しい工程

（例えば製品の組立等）

(22)

実用化に向けた課題・企業への期待



実用化に向けた課題



人間の自然な動作を扱うために，

自由度

をさらに増やしていく必要



アクチュエータの

トルク不足

→パワーウェイトレシオの

問題

（摩擦の多いギアは使えず，

ダイレクトドライブ

が必

須）



安全対策問題

（産業用ロボットは隔離され，人と共存できない）



企業への期待



機構部分についての技術

を持つ企業との連携



具体的な応用

展開をご提案頂ける企業との連携



現場での

技術実証

（研究室では動いているが・・・）

(23)

本技術に関する知的財産権



発明の名称



位置・力再現方法および位置・力再現装置



出願番号



特願

₂₀₀₈

_-

₁₃₃₆₈₁



公開番号



特開

2009

₂₀₀₉

-

279699



出願人



国立大学法人長岡技術科学大学



発明者



横倉

勇希

,

_,

大石

潔

,

_,

桂

誠一郎

(24)

お問い合わせ先



国立大学法人

長岡技術科学大学



総務部産学・地域連携課

知的財産係

須田



住

所

：

〒

940 ₉₄₀

-

2188

新潟県長岡市上富岡町

1603

₁₆₀₃

-

1

1 長岡技術科学大学

長岡技術科学大学



電

話

：

0258

₀₂₅₈

-

47

47 -

-

9279



FAX

：

₀₂₅₈

_-

₄₇

_-

₉₀₄₀

