人に優しい建設ロボット遠隔操縦技術の研究（その２）

〔i,C616717:62519 束急'に'1:財支材↓研究所報ヽ)26

人に優 しい建設 ロボ ッ ト遠隔操縦技術の研究

(そ

の

2)

柳 原

好孝

* 危険地帯や過酷な作業兵党下で建設 ロボ ッ トを遠隔操縦する場合, これまで作業状況の提示方法はオペ レー タにと つて決 して良好なものではな く,疲労感や違和感が発生 し,長時間の運転が難 しいとされていた 本論文では,遠隔操縦時の違和感 として考えられる立体視,力覚提示についてその改善策を提案 し

,実

験結果を もとにその有効性を示す まず,視覚提示に関 しては,開発 した左右眼独立駆動の立l本視可能なカメラ装置を使用 し,利き眼を含めたオペ レータの個人差を考慮 した場合 と理論上の輻模角の違いについて述べる また,力覚提示に関 してはマスタヘの反力提示 として機能的電気刺激

(FES)を

利用 し,スレーブ装置である ロボン トア ムの知 付生を確認 した キーヮ ド

:

建設 ロボッ ト,遠隔操縦,立体視,機能的電気刺激 要 約 目 次 11まじめ￨こ 2個人差を考慮 した視覚表示方法の評価 1. は じめに 災害地や過酷環境 下での作業 にお いて

,建

設機械 や 建 設 ロボ ッ トを運転す る場合

,オ

ペ レー タを二次災害 の発 生 す る恐れ の あ る危 険 な場所 に派 遣す るこ とは

,労

働 安 全 上避 けなけれ ばな らない

.し

か しなが ら

,人

命 救 助 を 伴 う緊急 工事や 人 間でなけれ ば復 旧で きない作業 につ い ては作業 を実施 しているのが現状である 筆者 らは これ まで に建設 ロボ ッ トを遠 隔操縦す るため のイ ンタフェイ スで ある視覚や力覚提示につ いて研 究を 進 めてきた

lD)前

報告J)で は, さらに一歩人間に とつ て よ り使 いやす いイ ンタフェイ スの立場 に立 ったシステ ムを構 築す る 目的 で

,建

設 ロボ ッ トの 遠 隔操縦 時 にオペ レー タが感 じ る違和感 や疲 労感 を軽減す るこ とができ る と考 え られ る左右独 立駆動の立体視 可能 なカ メラ装 置 について提案 し

,概

要 につ い て報告 した また

,力

覚提 示 に 関 しては機能的電気刺激

(FE

S)を

採用す る方法 を晃案 し, パ ワーシ ョベルの遠 隔操縦 を例 にその有効イ性を示 した。 今 回の報告 では

,前

年度 に構 築 したシステム を使用 し

,人

間 に とつて使 用 しや す い ものにな 3機能的電気刺激による力覚提示 4おわ り1こ つてい るか

,視

覚 と力覚 につ いて評 価 を行 った結果 につ いて述べ る

2

個人差 を考慮 した視覚提示方法の評価 2.1 実験 目的 前報告4)で 示 したシステムを用い, さ らに超 音波 距離 計 で物 体間距離 を計測 し

,瞳

孔間距離及 び利 き限

,斜

視 あ るいは光学的 な特性 に よる個人差 を輻撲運動 に よつて 補正 し

,個

人各 々の視 覚特性 に合 わせ た輻犠 調整 システ ムを構築す るこ とを 目的 とした。 まず

,輻

検 運動 の個人 映像信号(LR) ● ResetPulse 回 転 角 しabVIE‖による フィー ドバ ック市」御

園

モ ー タ ドライ 指 令 電圧 駆 動 電 圧 エ ンヨーダパルス Hl孔 間 距 維 可変 カ メ ラ取 り付 け 台 図

1

輻草秦角左右独立 可変 システム実験装置 メインユニ ッ ト パ ル ス カ ウ ン 電 源 エ ン コー ダ モ ー タ駆 動 パルスジェネ レータ 超音波測距計 コン トロー ラ αDカメラ (左右独立輻横角可変型) ThinkPad 235 *メ カ トロ研究室

■

習

:亙

零

最

:黎

,

た ときの左右カメラの角度

,お

よび個人輻挨角測定を実 施 した また

,各

被験者について利 き眼の測定を合わせ て実施 した 図

3に

実験の様子を示す ①

HMDお

よびカメラ間距自任を被験者の瞳孔間距離に 合わせ る ②対象物体指標は中央に配置 されているので像の位置 が見かけ上中央になるように調節 ③② の条件 が満た された ら

,二

重像が見えないよ うな 位置 (融像範囲

)に

なるよ うに左右のカメラを独立 に操作す る ①

以上の作業を各距離5回繰 り返す。なお

,各

モ ータの回転角は実験毎に原点に戻される 5 0 1000 2000 物体 間距離 d[nュ肛l] 図

4

左右 回転 角比較 C ゛・モv' ］   孝 一 享 こ:と ■

eH

Rttht 図

2

理論輻犠角 と個人輻楼角 差 を計測 し

,そ

の結果 を評価 す る こ ととした 図1に実 験 で使用 した実験装置 を示す 。 2.2 実験方法

1)理

論輻楼角 と個人輻横角 図2に理論 輻楼角 お よび個 人輻壌 角 を示す 理論輻楼 角 θ_v[deg]とは左右対称 な理論的 な輻楼角 を指 し

,個

人輻 楼角 θ _{LR← θL+θ R)[deg]と は被験 者 が最 も}

,違

和感 を 感 じない映像 が表示 され た ときの左 右非姑称 な輻車奏角 を 指す 。

2)利

き眼の定義 利 き眼 とは利 き腕 と同様 の意 味 と して用 い られ

,主

と して物体 を見 る ときに用いてい る限球 を指す。近年 の統 計 では右 眼利 きが多い ことが分 か つてい る

.右

眼利 きの 男性 は

63%,女

性 は

57%,左

眼利 きは男女 とも10%以下 である (他は両 目利 き)

3)実

験条件 理 論輻較 角 と個人輻楼角 との関係 を見いだす ために対 象物体指標 を一定距離

(15-∼

22,001rlmを 100■mュ ピッ チ

)に

置 き

,被

験者 6名 が 自身 で輻 検 角 を輻撲 コン トロ ー ラで調節す る。その際

,被

験者 が 以 下の条件 を満 た し 翁 宅 ︶ Φ ば 暮 回 ［ 昌 ］ 全 ︶ へ ０ 叢 既 顛 ≦ 0 1000 2000 実距離 d[mlll] 0 100 仮想距聰'(x)[Hlln] 図

6

注視点算 出結果 図

5

実距離 dと 仮想二巨高塩d'の 関係 冒 通 ︵し ヽ つ 盤 翌 単 塁 Iく ;ヤ1 1Ft t 」【

▲ 左カメラ

回輸

r)右

カメラ

回

梅角

理論曲線

<)実輿芭

(5回

平動

1:1醜 輌楼 角 左 右独 立 可 変 システ ム 図

3

実験状況

木急l,十_{設技術研究所キkヤ})26 実験 では各被験者 の各 距日とにお け る個人輻壌 角 θ LR[deg]を

DCサ

ー ボ モー タの回転角 θR[deg](右 眼カ メ ラ

),

θL[deg](左 日艮カ メ ラ

)に

よ り計測 し

,求

め る ここではまず

,個

人輻楼 角 と理 論 輻模 角の間 には差異 が見 られ るか検 証す るこ とが重要 とな る。 この差異 を定量的 に評価 す るた めに今 回独 自 に注視点 とい う表現方 法 を用 いた. 注視 点 とは

,物

体 が置かれ て いた実 位置(0,d】こ対 して図2のよ うに

DC

サー ボモ ー タの 回転角, θR' θし の値 か ら

,被

験 者 が最 適 と評 価 し 力覚情報 θ6、 θ6、 97 θ5、θ6、 θ7 θ4 04 01、 θ2、 θ3 た輻楼角 (個人輻車奏角

)の

交点 ld'(x),d(ylつ [nllm]を指 す

23

実験結果および考察 以下に代表 的 な被験者 の実験結果 を示す 被験者 は, 事前の測定で利 き眼は右 眼

,瞳

孔間距離

741-で

あつた。 図

4は

回転角 と実距離 の関係 を示 した もので あ る 特 長 として

,利

き眼 で あ る右眼 は

,理

論値 (θ γ/2)よ りわ ずかに大 き く

,左

眼は理論値 よ りもさらに大 きい また, 利 き限で はない左 眼 の回転角 の変化 には

,ば

らつ きが あ る 図5に仮想距離d'(y)と 実距離 の 関係 を示す 実距離 に 比べ

j仮

想 距離 が常 に近方 にあ り

,そ

の傾 きはほば一 定 である 次に

,利

き眼 の影響 をみ るため に

,左

右 眼の 中心 か ら のずれ量である仮想P巨目仁d'lxlと d'(ylの関係 を図6に示す 水平方 向の注視 点 は利 き眼 であ る右 眼 の方 に合 わせ る 傾 向にあ り融合範 囲は右狽1に広い また

,そ

の傾 向は遠距離であるほ ど強い 以下に

,全

被 験者 にお け る共通 の事項 につ いて考察 を ま とめる。 ① 全被験者 で実 距離 よ りも仮想 距離 の方 が同等 かそれ 以下である。 ②半数 の被験者 において 200011lin付近 で仮想 距離が実 距離の約

1/2で

ある ③個人輻鞍角 と利 き眼の関係 につ いては2種がある ①lつは

,利

き眼 はあま り調整 せ ず に利 き眼ではない 方を調節 してい る傾 向がある ⑤ も う1つは

,利

き眼 で あ る眼 の方 を主 に調節 して い る傾向 ⑥利 き眼 ではな い方 で調節す る場合

,角

度 にば らつ き が多い 以上 の こ とか ら

,利

き眼 と調節 す る限 との関係 に こ と な る点があ る もの の

,理

論輻鞍 角 に比 べ

,対

象物 を近 く に見てい るこ とと, どち らか の眼 の一方 を大き く調節 し ていることが分 か つた. 関節角度情報 図

7

遠隔操縦 システム れ によ り

,個

人輻犠角 のデー タを システ ムに反 映す とで通 常オペ レー タが とって い る輻壌運動 を再現す とが可能であると考 え られ る.

3

機能的電気刺激 による力覚提示

31

実験 目的 これ までス レーブ狽1に使 用 して いた ミニパ ワー シ ョベ ル とは別 に

,今

回新 た にス レーブlttlをロボ ッ トアーム と した図 7に 示す遠隔操縦 システムを構築 した これ は, ミニパ ワー シ ョベ ルで実験 した 3自 由度 か ら 6自 由度 に動作 を拡張す るもので

,力

覚提示 を前腕 のみ か ら上腕 まで とす るこ とがで きる

.つ

ま り

,こ

の システ ムに よ り人間の肩腕 と同等 の力党提示 が可能 とな り

FE

Sに

よる力覚提示の有効性 を評価す るこ とがで きる.

32

システムの概要 オペ レー タの腕 には磁気式位置セ ンサの受信器 が 2カ 所 に張 り付 けてあ り

,磁

場発 生装置 (トランス ミッタ) か らみたそれ ぞれ の受信器 の二次元座標 と姿勢 を計沢1す ることができる それ らの値 をもとにオペ レー タの腕 の 角度 (7自 由度

)を

計算 している これ を ロボ ッ トアー ムヘの指令信号 として制御装置‐ヽ入力 し,ロボ ッ トアー ム (6自 由度

)が

動イ乍す る したがって

,オ

ペ レー タは 受信器 を貼 り付 けた 自分の腕 を動かすだけで ロボ ッ トア ー ムの6つの関節 を同時に動かす ことができ, ロボ ッ ト アームはオペ レー タの腕 と同 じ姿勢 を とる オペ レー タ はあたか もロボ ッ トアー ムが 自分 の腕 になった よ うな感 覚 で ロボ ッ トアー ムを操縦す ることがで きる ロボ ッ トアームの先端 には6軸力覚セ ンサを取 り付け てあ り

,対

象物 に触れ ることで ロボ ッ トアーム先端 に発 生す る力 とモー メン トを計測す ることができる

.そ

れ ら を もとに ロボ ッ トアームの各関節に発生す る トル クの静 力学的な解析・計算 を行 つている 計算 した トル クをも とにオペ レー タの腕に

FESを

行い肘 を伸 ばす動 きに対 す る反力

,手

首を掌側 に曲げる動 きに対す る反力

,手

首 を親指側 に曲げる動 きに対す る反力の提示 を行 う. ︼ ミ   ン ﹂ こ る る FES表 面H極

f

一も 磁 気 式3 ン サ θl、 θ2、 03 コン トローラ 6軸力党センサ

④手首が上側に反 り返る方向と、肘を曲fザる方向に 筋力が発生 し、ォペ レータは反力と認識する ②反力を受ける事による トルクが発生する ③発生 した トルクに 比例 した電気刺激を行う ①オペレータが日本ットアームを動かす 位置セ ンサ レシーバ CCDカメラ モニタ 図

9

実験配置図 これ によ り

,オ

ペ レー タの腕 に

FESの

ための小 さな 表面電極 を貼 り付けるだ け とい うシンブル な形 で反力 を 提示 できるとい うこ とが可能 となっている

33

反力提示方法 ロボ ン トア

ム

が反力を受 けてい るときに

,オ

ベ レー タヘ の反力提示 を行 う 今

,図

8に示す よ うに腕 を仲 ば す こ とで ロボ ッ トアー ムを動か し

Jエ

ン ドエ フェクタが 壁面 に接触 した とす る エ ン ドエ フェクタが反力を受 け る とロボ ッ トアームの各関節 に トル クが発生す る

,こ

の 発生 した トル クに比例す るよ うな電気刺激 をオペ レー タ が腕 を動か している方向 とは逆向きの方向に腕が動 くよ うな筋 に対 して行 う オペ レー タの腕 に本人 の言志 とは 無関係 に

,動

か している方向 とは逆向 きの方向に腕が動 くよ うな筋力が発生す るのでオベ レー タはそれ を反力 と して認識す る とい うものである 本研究では

,電

極 を前腕 (長撓側手根伸筋

,尺

側手根 伸筋

)に

2カ 所

,上

腕 (上腕 二頭 筋

)に

1カ 所

,そ

れ ぞ れ1対づつ取 り付け

FESを

行い

,筋

力を発生 させ て, 肘 を伸ばす動 きに対す る反力

,手

首を掌側 に曲げる動 きに対す る反 力

,手

首を親指側に曲げる動 きに 対す る反力の提示 を行 う 力 覚 セ ンサ ＼ 3.4 接触判定実験

341

実験方法 本研究で提案す るイ ンター フェ イスの有効性 を検証す るため, 2 つの実験 を行 った

,ま

ず

,こ

のシ ステムに よっての対象物の位置を 認識す ることがで きるのかを検証 す る実験 を行 った 本 システ ムを用 いて

,被

験者 に ロボ ッ トアームを遠隔操縦 させ る 対象物 に触れ るまでエ ン ドエ フェク タを近づけ

,接

触 した と認識 で き た ところでエ ン ドエ フェクタを壁 か ら自仁す とい う実験 を

,反

力提示 が ある場合 とない場合で

,被

験者 6名 で5回づつ実施 した 実験時 における庫ボ ッ トアームやオペ レ ー タの酉己置は図9に示す 対象物 は床面 との摩擦 力を越 え る力が加 わる と移動す るが

,そ

の 最大静止摩擦力 は

294N,動

摩擦 力は19御であった 以下に実段手順 を示す ① 被験者 の ロボ ッ トアーム操 縦 に よる本 システム動作確 認 と修練 ② 擬 似的な遠隔操縦環境で実験 を行 うため

,ロ

ボ ッ トアームが対象物 に触れ る作業現場 を被験者 が直 接観 察 しないよ うに

, CCDカ

メラとモニタを用 い視覚情報の提示 を行 う

,実

験 中は被験者 にイヤ フォ ンを装着 させ

,作

業現場 の聴覚情報 は遮断す る ③ 被験者 には 「ロボ ッ トアームを操縦 して対象物 に 触れた と認識 した らロボ ッ トアームを引いて下 さ い

Jと

い う指令のもと

,作

業 を実施 させ る ① 対象物が移動 した距自とを測定 して評価 を行 う

342

実験結果 対象物接触判定実験の結果 を

,表 1,図 10に

示す 表 1は

,被

映者毎 の対象物 が動 いた距離 の平均値 を

,図

には全体の平均値 と標準偏差を表 している これか ら, 反力提示がある方が

,個

人差があるものの

,対

象物 の移 動量が少ない とい う傾 向が ある とい うことがわか る こ れ は

, CCDカ

メラか らの画像だけでは作業に必要な情 図

8

反 力提 示 ヘッドフォン 磁 気発生装置 (ツー ス) ロボットアーム 面

(働

)

束急l十設ォt術研究所キ報ヽた26 表

1

被験者毎の

FES実

験結果

対象物体移動距液

m→

FES》

リ

FESな

し

‡

炭験者

A

4・1 9.4 1薦

父者

B

5.1 12.0

被験者

C

3.8 7.5

被馬

寅者

D

10,9 12.5

被験者

E

7.1 7.7

ネ

鯨 者

F

18.9 17.4 平 均 8.31 11.08 報が不十分 であ り

, FESに

よる反力提示 に よる力覚情 報が補 った結果 であると考 え られ る. 3.5 な らい動作実験

351

実験方法 次の実験 として

,対

象物の位置 の認識 と

,押

し付 け力 の制御 を行 う実験を行 つた。 前述 の実験同様 の遠隔操縦 システムを用いて, ロポ ン トアームを操縦す る

.ま

ず

,オ

ペ レータは肘 を約

90度

に曲げ

,掌

を壁面に向けた (前腕 の回外

,回

内角度が約

90度

)準

備 の姿勢 を とる オペ レー タは ロボ ッ トアー ムを準備の姿勢か ら操縦 をスター トさせ

,エ

ン ドエ フェ クタが垂直面に接触す るまで ロボ ッ トアーム を伸ばす 一度接触 した らそのまま垂直面に対 し

,無

負荷 でな状態 で下方に移動 させ る実験 を行 った。被験者 は, 日隠 しし, 視覚情報は一切与 えず

, FESに

よる反力晃示 と聴覚情 報 のみの足示 と した。 実験時にお ける配置 を図

11に

示す. 3.5.2 実験結果 オペレータには視覚情報が 伝わらないように 目隠しをする 16 14

厨

LSあ

り

FESな

し

図

10

接触判定結果 図

12∼

図

14に

実験 開始か ら10∼

40秒

の区間におけ るオペ レー タの腕 の角度

,反

力晃示 を行 つて い る軸 の ロ ボ ッ トアー ム側 に発生 して いる トル ク

,垂

直面 が受 けて い る力を示す

.図

13か

らエ ン ドエ フェ クタは初 めに垂 直面 に接触 した直後 に1度だ け垂直面 か らはなれ

,そ

の 後反力 を受 け るこ とに よる トル クが発 生 してい て

,エ

ン ドエ フェクタは常時垂 直面 に接触 していることがわか る. 図

14は

垂直面 が受 けてい る力 を示 してい るが

,エ

ン ドエ フェ クタが垂直面 に角虫れてい る と推沢」され る区間 に お ける力 を見 る とほぼ一 定の振幅 の範 囲 内で垂直 面 を押 してい るとい うこ とがわか る 以上 の こ とよ り

,オ

ペ レー タは

FESに

よる反 力提示 に よ り

,ロ

ボ ッ トアー ムが垂直面に触れ てい る感覚が伝 わ って きて

,な

お かつ どの程度 の反力 を受 けてい るのが 判断可能である といえる 垂 直 平 面

5

おわ りに 今 回の報告 では

,以

下の

2つ

の課題 につ い てそ の有効性 を示す 目 的 で行 った実験 に よ り 何点 か の改善点 を見 い だす ことができた. まず

,第

一 に視覚 に 関 しては遠 隔操縦 時 の 違和感・ 疲 労感 に付 い て問題 を提 起 し

,そ

の 解決 手法 と して立体視 にお け る輻車奏角 の個 人 差 を考慮 した システ ム の構成方法を提案 した` 10

冨

二

Ｒ

畔

Ｇ

畿

堅

儘

終

８     ６     ４       ２     ０ ロボットアーム 位 置センサ レシーバ 面 電 極 図

11

な らい動 作実験の配置図 力覚センサ ＼ 磁気発 生装 置 (ツース)

［_８ ﹂_Ｖ Ю ］ 悩 収 ︲００ ８０ ６０ ４０ ２０ ０ ｇ 巳 ぎ 己 超 咀 10 20 30 40 計 河 時間[s] 図

14

垂直面 の受 ける力 つ ぎに

,こ

れ まで ミニパ ワー シ ョベル を使用 し

,前

腕 100 80 0 10 20 30 40 計測時間[S] 図

13

肘の角度・ トル ク のみ の力覚提示 を行 っていた ものを上腕 にまで拡張す る こ とがで きた。また, ロボ ッ トアー ムを使用 しその有効 性 を示す ことがで きた 今 後

,解

決 しな けれ ば な らない課題 と して

,視

覚 に関 して は

,今

回得 られ た輻車秦運動 の個 人差デー タを数式化 し

,シ

ステ ムの動作プ ログラム として構 築す るこ とな ど があげ られ る。 また

,力

覚提示 に関 しては

,も

の を持つ な どの動 的 な 評価が今後必要 となる 0 -10 -20 -30 -40 -50 ［ 邑 Ｒ 50 10 20 30 図

12

手首の角度・ トル ク 40 計 ′ヽ司時間[s] 一_； ４ 工 衣 赤 20 10 0 謝 辞 本研究を行 うにあた り

,「

視覚提示方法の評価」の研究に関 しては武蔵 工業大学工学部機械 システムェ学科冨田教授,田中助教授, 「機能的電気刺激による力覚提示装置」の研 究に関 しては,秋田大学工学資源学部機械 工学科大 日方教授 のご指導いただき深 く感 謝いた します. 参考文献

1)柳

原 好孝 :機能的電気刺激 を用いた反力提示 システムの開発

,東

急建設技術研 究所報N023,pp 287-292,1997年

2)柳

原 好孝 :機能的電気刺激 を用いた建設 ロボ ッ ト遠隔操縦技術の開発

,東

急建設技術研 究所報 No24,Pp 227-232,1998年

3)村

上 龍大,長谷川 清泰 他4名 :機 能的電気刺激 を用いた遠隔操縦 システムの開発

,計

測 自動制御学会第

14回

ヒューマ ン・ インタフェイス・シンポジ ウム論文集,PP277-280,1998年

4)柳

原 好孝 :人 に優 しい建設 ロボ ッ ト遠隔操縦技術の研究

,東

急建設技術研究所報No25,pp 153-156,1999年

AN STUDY OF TELEOPERATING CONSTRUCTION ROBOT TO THE HU卜

生

AN BEING

Y Yanagihara

WVhen a constluction tobot wvas operated under the danger area and the bitter working environrncnt as to thc distance,the 、vay ofpresentillg it of the、 vorking conditions、vas never good fOr the operator,but tttigue and the sense ofincongコ ュity occured,

and thought thationg opcratiOn was difEcult so far

That refonll measure is proposed about stereo vision、 vhich it can think about as a sensc of incongコ ュity in he rcmote

opcration,force feedback,and that validity is shown by this thesis in the place.

First,it became clear that working eFicicncy improved、vhen a diffcrence in the opcrator including hc effect、 vas taken into

consideration about the sight presentation by using the stereo camera dcvicc of the developed len‐ ight eye independence dive could.

Moreover,何1lctional elec面 c stimulus was used about the force feedback as an anti‐ power presentation to mastcr,and the