ロボット遠隔制御のための高速無線通信及び操作支援技術の開発
−操作支援技術の開発−
林 宏充*1
Development of Both High-Speed Wireless Communication Technology and Operation Support Technology for Robot Remoteness Control
−Development of Operation Support Technology−
Hiromitsu Hayashi
現在ロボットは産業・国・県共に重点育成分野として，大きな市場が期待される分野である。また，ロボットの 動作の部分的な自律化は進歩しているが，完全自律化はまだ難しい状況となっている。そのために人間による遠隔 操作支援技術は非常に重要である。その遠隔操作に用いられるコントローラの性能として，熟練を要しない直感的 な操作系，小型軽量，高速化への対応等が必要となってきている。そこで本研究では，小型軽量な光ファイバセン サ(FBG)に着目し，それを用いて操作に熟練を必要としないマスタアームタイプのロボット操作装置の開発を行っ た。結果，一本のファイバセンサで手首の曲げ，肘の曲げ，手首の回旋の3点を同時に測定し取り回しが容易で小 型軽量なロボット操作装置を開発した。本装置の取り付け部分の総重量は52ｇに抑え非常に軽量となった。
1 はじめに
ロボット関連分野は将来のリーディング産業として 期待されており，今後ロボット産業を発展させていく ためには遠隔操作技術の高度化が重要な課題である。
現状，ロボットの遠隔操作は，人間が操作アーム等を 操縦し人間の動作をロボットへ伝達している。この場 合，操作者には熟練が必要とされる上，操縦する装置 重量負荷などによって操作者に多大な負担がかかって いる。県内企業の遠隔操作装置の現状を図 1 に示す。
このように非常に重厚な装置で腕単体あたりの装置重 量は 5kg 程度あり操作に負担がかかるものとなってい る。本研究の目的は人間に直接装着し動作計測を行い 直感的な操作系によるロボットの遠隔操作が可能で，
操作負荷を低減するため小型・軽量なセンサを用いた ロボット操作装置を開発することである。
2 測定原理
FBGセンサ1,2)の動作原理を図2に示す。FBGセンサと は光ファイバに屈折率周期構造を作りFBGの透過波長 がその周期に依存することを利用したセンサである。
屈折率周期構造に応力等がかかり歪みが生じるとセン サの歪み量に応じて特定の波長の光が減衰する。
図2のように広帯域光源をFBGに入射すると屈折率周
期に応じた帯域の光が減衰する。この時ファイバに応 力がかかり歪みが生じると屈折率周期が変化するので，
その減衰波長を読み取ることによって歪み量を測定で きその結果FBGにかかっている応力を測定することが できる。ファイバグレーティングセンサの屈折率周期 の大きさが1μm以下のものをFBGと言い反射波長や透 過減衰波長が屈折率周期に依存する性質を持つ。
本研究では小型軽量化や配線が煩雑にならない等の 利点のためにFBGを用いた腕の動作の多点計測を行っ
図 1 遠隔操作装置の現状
d
センサー部：伸縮により透過減衰波長が変化
波長λ 光量
波長λ 光量
光源
d
センサー部：伸縮により透過減衰波長が変化
波長λ 光量
波長λ 光量
波長λ 光量
光源
*1 機械電子研究
λ:波長 d:屈折率周期
図2 FBGによる応力測定の原理図
た。図3にFBGを用いた応力の多点計測方法の原理図を 示す。広帯域光源から幾つかのFBGを通って透過した 光を光スペクトルアナライザ等によって波長-光出力 のデータを測定すると図のような幾つかの減衰のピー クを持った波形が示される。この時，各波形のピーク に対応したFBGが応力によって歪むことでFBGの屈折率 周期が変わるために各波長のピークがシフトする。そ の波長のシフト量を測定することによって各FBGにか かっている応力を測定することができるためFBGを用 いて応力の多点計測が可能となる。今回は一本の光フ ァイバを通して3つのFBGを用い肘の曲げ，手首の曲げ，
手首の回旋の動作データの測定を行った。
図3 FBGによる応力多点計測の原理図
3 実験装置および実験方法
3-1 FBG を用いた腕の各関節の角度測定
開発したロボット操作装置の写真を図4に示す。非 常に軽量で腕単体あたりの装置重量は52gに抑えるこ とができ，操作負荷を大幅に低減できる装置となった。
広帯域光を一本のファイバ上で腕の曲げ，手首の曲 げ，手首の回旋に対応したFBGを透過させて光スペク トルアナライザで測定することによって各関節の動作 を測定した。
3-2 FBG を用いたロボット操作装置の開発
図5に開発したロボット操作装置の計測ソフトウェ アの画面を示す。光スペクトルアナライザで光の減衰 量の波長データを測定しただけではロボットを直接操 作するデータとしては用いることが出来ない。そのた めに光スペクトルアナライザの波長データをパソコン で読み取り演算を行ってロボットを操作するためのデ ータを算出するソフトウェアを作製した。
まず，光スペクトルアナライザから取り込んだ波長 データから波長のピークを抽出するために，波長-光
出力のグラフにおいて傾きが0に近い点を計算して抽 出した。その結果をもとにそれぞれの動作角度を算出 するために，その抽出したピーク波長の一次式に任意 の演算パラメータを与え各関節の角度を算出した。
その角度データを用いて腕の動作状態を3次元で表 示することができたので，このデータを直接ロボット に与えることによってロボットの操作が可能となるこ とが示された。
図4 手首の曲げ角，回旋角，肘の曲げ角の測定装置
演算パラメータ 横から
上から 肘の曲げ
手首の回旋
手首の曲げ
肘
手首
手首 肘 演算パラメータ
横から
上から 肘の曲げ
手首の回旋
手首の曲げ
肘
手首
手首 肘
図5 ロボット操作装置の計測ソフトウェア画面
4 測定結果および考察
4-1 FBG を用いた腕の各関節の角度測定に対する考察 測定結果を図6に示す。 (a)は肘を伸ばし，手首を 反らしている状態で，且つ手首の回旋については手を 前に出している時に手のひらが上に向いている状態で あり，これが初期値となっている。(b)は肘を曲げた 時の測定データで，肘の曲げによって最も波長の短い 範囲の減衰波長のピークが曲げの大きさによってシフ トしているのが読み取れる。この波長を読み取ること によって肘の曲げ角度が測定できることが分かる。同 様に(c)は手首の回旋，(d)は手首の曲げを示し，波長
データから腕の動作測定が可能であることが分かる。
光スペクトルアナライザの測定波長レンジと分解能の 関係からFBGを用いた多点計測においては，測定帯域 を有効に使うことによって，精度が良くなり測定時間 が短くなる。FBGにかかる応力を調節して曲げや回旋 の最大稼動範囲に対して波長のシフト量が2nmに収ま るようにして，無負荷時のFBGの減衰波長のピッチも 2nm毎とすることによって測定時間や測定精度を改善 した。
4-2 FBGを用いたロボット操作装置の開発に関する考察 各関節の角度データを波長データの一次式で演算し そのデータを元に腕の動作状態を3次元表記するソフ トウェアを作った。0.5秒毎に人体状態を表記した場 合に約4度の測定精度で測定が可能となり十分な処理 速度と測定精度を得られた。データの転送レートに合 わせて精度を決めているために，転送レートを改善す ることによって測定精度と処理速度が改善可能となる。
このソフトウェアによって計算されたデータを直接ロ ボットに転送することによってロボットの操作が可能 となり，直感的操作系で操作に熟練を要しないダイレ クトマスターアームによるロボット操作装置を試作で きた。人に取り付けた装置重量は52gに抑えることが でき，非常に軽量で操作負荷を大幅に低減できる装置 となった。
5 まとめ及び今後の予定
本研究において以下の3つの成果を得た。①一本の 光ファイバ上に3つのFBGセンサを用いて手首の曲げ，
肘の曲げ，手首の回旋の動作測定を行い手首，肘など 大きな動きから変位量の少ない手首の回旋までを十分 な精度で測定することができた。②その動作測定デー タを元に直感的操作系のロボット操作装置を試作した。
波長データから腕の曲げ，手首の曲げ，手首の回旋の 動作データを演算して，そのデータを元に操作者の腕 の状態を3次元表示することによって実機における有 意性を示した。③一本のファイバ上で3点の測定を行 うために取り回しが容易で小型軽量なロボット操作装 置を試作した。人に取り付けた総重量は52ｇに抑えた。
以上の結果から，本研究の目的である熟練を要しな い直感的な操作系による小型軽量な遠隔操作装置を開 発することができた。
-62
-59 -56 -53 -50
1541 1542 1543 1544 1545 1546
波長[nm]
光出力[dBm]
無負荷
(a) 初期状態
-62
-59 -56 -53 -50
1541 1542 1543 1544 1545 1546
波長[nm]
光出力[dBm]
0度 90度 150度
(b) 肘の曲げ測定
-62
-59 -56 -53 -50
1541 1542 1543 1544 1545 1546
波長[nm]
光出力[dBm]
-90度 0度 90度
(c) 手首の回旋測定
-65
-62 -59 -56 -53 -50
1541 1542 1543 1544 1545 1546
波長[nm]
光出力[dBm]
0度 90度 180度
(d) 手首の曲げ測定
図6 波長-光出力測定データ
今後は，より実用性の高いロボット操作装置にする ために測定点を増やす必要がある。多点測定で測定点 が多くなってくると互いの測定値が干渉しあうので1 つの方法としてソフトウェアの計算方法を改良して対 応する。また，ロボット操作への応用実験を行い実機 における評価や問題点の抽出によって装置を改良する。
6 参考文献
1)福田武司 他：｢フェムト秒レーザ加工による長周 期ファイバグレーティング｣2004年電気情報通信学 会総合大会講演論文集 p.203 (2004)
2)津田 浩：｢FBG(フ ァイ バ･ブラ ッ グ・ グ レー テ ィン グ)光ファイバセンサの開発｣非破壊検査，54巻2号 pp.71-75 (2005)
