力覚フィードバックを用いた人とロボット間の遠隔協調の

安定化と高品質化

星城大学 名古屋工業大学

黄 平国 石橋 豊

2019年3月19日 早稲田大学・西早稲田キャンパス2019年電子情報通信学会総合大会

発表内容

背景

研究目的

力覚フィードバックを用いた遠隔ロボットシ

ステム

安定化と高品質化の取り組みと成果

・安定化

・高品質化

結論と今後の課題

背景 遠隔⼿術や遠隔教育など様々な分野で⼒覚メディアが使⽤ ネットワークを介すことにより，遠隔で⾏う作業の効率や

精度が改善の期待

ユーザ体感品質(QoE︓ Quality of

Experience)の劣化、不安定現象の発⽣

ネットワーク遅延やその揺らぎ、

パケット⽋落QoS(Quality of Service)保証のないネットワークを介して⼒覚メディアを伝送

⼒覚を⽤いたバイラテラル遠隔ロボットシステム

⽬的

⾼安定・⾼品質・⾼精度な遠隔ロボットシステムのバイラテラル制御を実現

ロボット・制御⼯学の分野で研究されてきている安定性を確保する制御

通信・ネットワーク⼯学の分野における⾼いサービス品質（QoS）を維持するQoS制御

融合・発展

本研究⼒覚フィードバックを⽤いた遠隔ロボットシステムを対象

安定化と高品質化を実現するための取り組み：

1)安定化︓安定化制御を提案し、効果を検証

2)⾼品質︓⾼効率なQoS制御を実現するための知覚特性評価

力覚フィードバックを用いた遠隔ロボットシステム

産業⽤ロボットの外観

ロボットの位置の決定方法*1 K. Suzuki et al., Proc. IEEE GCCE, Oct. 2015.

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反力の計算方法*1 K. Suzuki et al., Proc. IEEE GCCE, Oct. 2015.

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安定化と高品質化の取り組み

前述の力覚フィードバックを用いた遠隔ロボットシステムを一つまたは二つ利用

人とロボット間（人-人, 人-ロボット, ロボット-ロボット間）の遠隔協調の安定化と高品質化に取り組む.安定化：フィルタによる安定化制御、粘性による

安定化制御、衝突時反力制御、切り替え制御

高品質化：力の方向に対する人の知覚特性を調査、

ロボット位置の追従制御、力情報を用いた

ロボット位置制御

協調作業として, ボールを押す作業, 物体を手渡したり一緒に運んだりする作業などを対象

安定化に関する取り組み

ウェーブフィルタ

位相制御フィルタ

フィルタによる安定化制御(1/2)

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フィルタによる安定化制御(2/2)

ウェーブフィルタ

位相制御フィルタ

位相制御フィルタでゲインを落とすことにより，

fsからxrへの，xmからfmへの位相遅れを改善

いかなる通信遅延に対しても，力学的閉ループの安定性を保証

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評価システム

ネットワークエミュレータ

評価⽅法

産業⽤ロボットアームに取り付けられた⾦属棒でボール(ゴムボール)を押し込む作業

簡単のため、産業⽤ロボットアームを垂直⽅向のみに動くように設定（1軸で動作）

ネットワークエミュレータで固定遅延を発⽣

産業⽤ロボットと触覚インタフェース装置の作業空間と⼒の違いの吸収

作業空間(Robot : Geomagic)

⼒(Robot : Geomagic)

1 : 1 1 : 1作業範囲を限定 最⼤提⽰反⼒を3.3Nに限定

評価結果(1/2)安定化⼿法を⽤いない場合ネットワーク遅延︓ 0ms

システムが不安定になり、産業⽤ロボットと触覚インタフェース装置の位置と⼒が⼤きく振動

デモビデオ

評価結果(2/2)安定化⼿法を⽤いる場合ネットワーク遅延︓ 0ms

位置︓産業⽤ロボットと触覚インタフェース装置の位置がほぼ⼀致⼒︓ロボットの⼒が急速に変化、触覚インタフェース装置へ出⼒される⼒は緩やかに変化

デモビデオ

問題点

[1] 黄平国, 三好孝典, 石橋豊, “遠隔ロボットシステムにおけるバイラテラル制御の安定化,” 信学技報, CQ2016-125, Mar. 2017.

改善手法

評価方法

評価結果(1/2)

評価結果(2/2)

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評価結果(1/2)

評価結果(2/2)

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評価方法

一つの力覚フィードバックを用いた遠隔ロボットシステムを利用

作業では、被験者はビデオを見ながら触覚インタフェース装置

によって産業用ロボットを操作し、金属棒でボール（硬い物体で

ある硬式テニスボール）を押す

衝突時半力制御を用いる場合と用いない場合の二通りを扱う

力のマッピング比率

産業用ロボット：触覚インタフェース装置＝2:1 (Kscale ＝0.5)産業用ロボット：触覚インタフェース装置＝1:1 (Kscale ＝1.0)

空間のマッピング比率：

産業用ロボット：触覚インタフェース装置＝1:1

評価結果(1/2)

評価結果(2/2)

切り替え制御

作業対象である物体の硬さを判定し, その硬さに応じて

粘性による安定化制御と衝突時反力制御を切り替える

・柔らかい物体:粘性による安定化制御

・硬い物体:衝突時反力制御

評価方法

一つの力覚フィードバックを用いた遠隔ロボットシステムを利用

作業では、被験者はビデオを見ながら触覚インタフェース装置

によって産業用ロボットを操作し、金属棒でボール（柔らかい物

体であるソフトテニスボールと硬い物体である硬式テニスボール

）を押す

各被験者はそれぞれのボールに対して10秒間で5回を押す

三種類の制御を扱う

粘性による安定化制御、衝突時反力制御、切り替え制御

評価結果(1/2)

評価結果(2/2)

高品質化に関する取り組み

力の方向に対する人の知覚特性を調査

ロボット位置の追従制御

力情報を用いたロボット位置制御

時間の関係上、割愛

力の方向の知覚特性

力覚を用いた遠隔ロボットシステムを二つ用いて、

触覚インタフェース装置によって、人がどの程度ま

で正確に力の方向を知覚することができるかを実

験により調査

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評価システムの構成

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評価方法(1/2)

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評価方法(2/2)

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評価結果(1/2)

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評価結果(2/2)

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結論

力覚フィードバックを用いた遠隔ロボットシステムを扱い, 人とロボ

ット間の遠隔協調の安定化と高品質化を実現するための著者らの

取り組みとその成果を紹介

安定化を実現するために, フィルタによる安定化制御の効果を

調べる他, 粘性による安定化制御, 衝突時反力制御を提案し, その効果を検証した

高品質化を実現するために,力の方向に対する人の知覚特性を

QoE評価により明らかにした。QoS制御として, ロボット位置の

追従制御, 力情報を用いたロボット位置制御などを提案し, それ

らの効果を検証した

今後の課題

安定化制御とQoS制御を統合的に考えることが

必要

力覚フィードバック制御にAIを適用するなどによ

って, 人とロボット間の遠隔協調を高度化するこ

とが重要

補助資料（4種類の制御の比較）

評価方法(1/2)

評価方法(2/2)

評価結果(1/4)

評価結果(2/4)

評価結果(3/4)

評価結果(4/4)

比較のまとめ