JP3190026B1

JP3190026B1 - 人間型ロボット体感提示装置およびマスタスレーブ制御装置

Info

Publication number: JP3190026B1
Application number: JP37536799A
Authority: JP
Inventors: 利之井床; 政巳小林; 仁志蓮沼; 栄一八木; 哲也久保田; 繁一志子田
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2001-07-16
Anticipated expiration: 2019-12-28
Also published as: JP2001191272A

Abstract

【要約】【課題】人間型ロボットの腰の動きを感得できるよう
な体感提示装置を提供し、また人間型ロボットの腰の動
きを感得しながら腰の動きを遠隔から指示して操縦する
マスタスレーブ制御装置を提供する。【解決手段】乗員４の頭を拘束する頭部拘束部３と、
腰を載置する座部２１と、足を載せる足台２を備え、頭
部拘束部が乗員の頭を緩く拘束し、座部２１をロボット
の腰の動きに対応して足台に対し運動するようにした装
置において、乗員４が足台２に足を載せて固定し頭を緩
く拘束された立ち姿勢で座部２１に腰を載せた状態で、
座部２１がロボットの腰の動きと連動して乗員の腰を動
かすことにより、ロボットの体感を再現的に感得させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人間の動作を高臨
場感で体感提示するために使用される体験装置やシミュ
レータ、あるいはロボットの遠隔操作装置などに用いる
体感提示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マスタスレーブ制御方式の人間型ロボッ
トは操縦者を代行して動作するものであるから、操縦者
がロボットの体感を正しく感得して始めて的確な制御を
行うことができる。このため、ロボットに各種の感覚セ
ンサを備えて操縦者に感覚を提示し、操縦者が提示され
た感覚に基づいて操作できるようにしたマスタスレーブ
制御装置がある。このような制御装置により運搬物の荷
重を腕力に反映させたり、ハンドの把持力を制御するこ
とができる。しかし、従来の制御装置では腰が座席に固
定されるため、腰の相対的な動きを体感させることがで
きない。このため、ロボットの腰自体の動きや姿勢の変
化や上体が傾いて重心が移動するために起こる腰位置の
変化、さらに腰の動きや加速度に反映する歩行の感覚な
どが正しく伝達できない。

【０００３】なお、体感提示装置としては、フライトシ
ミュレータのコックピットやバーチャルシアターの客席
など、ムービングベース装置に座席を載せて全体を振動
させたり傾斜させて人に体感を提示するものがある。た
とえば特開平７−２５３７５１号公報には、ビデオプロ
ジェクタと観客用の座席を別々に設けて、それぞれを撮
影時のビデオカメラ姿勢を基準にして姿勢制御して仮想
現実感を体感し得るようにした小型軽量化体感映像装置
が開示されている。このような装置により身体全体とし
ての傾きや加速度を体感提示して臨場感を持たせること
ができる。しかし、上記のような体感提示装置は、身体
の下肢部を含む体感を忠実に伝達して臨場感を楽しむ装
置や、人間型ロボットなど操縦者が対象機械と体感を共
有することにより正確な操作を行うための制御装置に適
用することができない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、特に歩行したりする高度な人間型
ロボットの開発が進む現在、これらを的確に操縦する場
合など体感提示をより完全にするため、腰の動きを感得
できるような体感提示方法および装置を提供し、また人
間型ロボットの腰の動きを感得しながら腰および上体の
動きを遠隔から指示して操縦するマスタスレーブ制御装
置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の人間型ロボット体感提示装置は、乗員の頭
を拘束する頭部拘束部と、腰を載置する座部と、足を載
せる足台を備え、頭部拘束部が乗員の頭を緩く拘束し、
座部がロボットの腰の動きに対応して座部が足台に対し
て相対的に水平あるいは垂直または水平および垂直に移
動することを特徴とする。本発明の体感提示装置では、
乗員は足台に足を載せて固定し頭を緩く拘束された立ち
姿勢で座部に腰を載せる。この状態で、座部がロボット
の腰の動きと連動して動くと、乗員の腰がロボットの動
きに倣って運動する。たとえば、ロボットが歩くときに
はその歩行リズムにしたがって乗員の腰も前後上下運動
するので、乗員はロボットの体感を再現的に感得するこ
とができる。

【０００６】また、人間型ロボットでは、人と同じよう
に上体を前方に傾けるときは腰を引き後方に傾けるとき
には腰を出してバランスを保つようにするが、乗員も座
部の運動を介して腰の位置変化を感じるので、ロボット
の姿勢変化を正確に認識することができる。同様に、腰
の左右の動きにより上体の左右の傾きや揺れを感応する
ことができる。上体の傾きは、頭と腰の位置関係で把握
することができるが、頭が腰と共に動くと相対的位置が
変化しないため、頭部拘束部により頭を緩く抑えて腰に
連れて動かないようにしている。

【０００７】なお、頭部拘束部は乗員の肩や手腕を拘束
することにより、間接的に頭部を緩く拘束するように構
成してもよい。腰の動きは頭に対する相対的な動きとし
て提示することができるが、肩に対する動きに基づいて
把握することも可能である。また、肩は手や腕に繋がっ
ているので、肩や手腕を拘束することにより頭を拘束し
たと同じ効果を得ることもできる。なお、座部の動き
は、ロボットの腰の動きを定率倍に拡大したり縮小して
提示してもよい。ロボットのスケールは必ずしも人と同
じでなく、またロボットの受ける衝撃などもそのまま人
に提示しないで緩和したり強調したりする方がよいこと
もあるからである。

【０００８】また、足台が装置に固定され座部が運動す
る代わりに、座部が装置本体に対して固定され、足台が
座部に対して水平運動するようにしても同様の効果が得
られる。なお、足台は、乗員の足を載置する構成であっ
てもよいが、乗員の足を掴んで固定する把持具を備えて
もよい。把持具があれば乗員が体感提示や操縦に対して
無意味な動きをしないようにすることができる。さら
に、頭部拘束部は、乗員の頭が拘束中心からずれた量を
検出する機能を備えて、乗員が頭を動かすことによりロ
ボットの上体の運動や腰の運動を規定してロボット操縦
を行えるようにしてもよい。なお、ロボットの上体傾き
角と乗員の上体傾き角が所定の倍率関係になっていても
よい。また、座部も、乗員の腰の動きを検出し、ロボッ
トの腰の足に対する相対運動を規定してロボット操縦を
行えるようにしてもよい。

【０００９】本発明のマスタスレーブ制御装置は、上記
のような体感提示装置、あるいは動作指示装置を備え
て、人間型ロボットの制御を行うことができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明について実施例に基
づき図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係
る人間型ロボット体感提示装置の実施例を示す構成図、
図２は該実施例における頭部拘束部の構成を示す斜視
図、図３は本発明の人間型ロボット用マスタスレーブ制
御装置の実施例を示すブロック図、図４は該マスタスレ
ーブ制御装置に使用する演算方法のブロック図、図５は
マスタスレーブ制御を行うコックピットのイメージ図、
図６は同制御装置における直立したロボットとの対応関
係を説明する図面、図７は同じくロボットの上体が傾い
たときの対応関係を説明する図面である。

【００１１】本実施例の人間型ロボット体感提示装置
は、座部１と足台２と頭部拘束部３とからなり、乗員４
にロボットの体感を提示したり、ロボットに動作を指示
する装置である。図１を参照すると、座部１は、床に載
置された台座１１と、水平面内を左右すなわちＸ軸方向
に移動する第１の摺動板１３と、前後すなわちＹ軸方向
に摺動する第２の摺動板１５と、垂直すなわちＺ軸方向
に移動する支持板１７と、支持板１７の上で垂直方向に
移動する座席支持板１９と、座席支持板１９に固定され
た座席２１により構成される。

【００１２】第１摺動板１３はＸ軸駆動モータ２３によ
りＸ軸方向に駆動される。なお、第１摺動板１３は裏面
に設けられたリニアガイド２５が台座１１に設けられた
レールに係合して円滑に運動する。また、第２摺動板１
５はＹ軸駆動モータ２７によりＹ軸方向に駆動される。
第２摺動板１５も裏面に設けられたリニアガイド２９が
第１摺動板１３の上に設けられたレールに係合して円滑
に運動する。

【００１３】第２摺動板１５と支持板１７の間にはパン
タグラフとこれを駆動するＺ軸駆動モータ３３が設けら
れている。パンタグラフは、一端が第２摺動板または支
持板に固定された軸受に回転可能に軸支され、他端が支
持板または第２摺動板に対して並進するリニアガイド３
７上に固定された軸受に軸支された１対の軸部材３１
と、一端を軸部材の中間に軸支し他端をＺ軸駆動モータ
３３により進退させるようにした板部材３５からなる。
Ｚ軸駆動モータ３３が板部材３５を押すと１対の軸部材
３１の傾斜角が大きくなるため支持板１７が上方向に動
き、板部材３５を引くと支持板１７が下方向に動く。

【００１４】支持板１７の上にはパンタグラフ３９が設
けられ、その上に座席支持板１９が設けられている。パ
ンタグラフ３９は、一端が支持板１７または座席支持板
１９に固定された軸受に回転可能に軸支され、他端が座
席支持板１９または支持板１７に対して並進するリニア
ガイド４１上に固定された軸受に軸支された１対の軸部
材からなる。一方の軸部材の端部にねじが設けられてい
て、ねじに固定されたハンドル４３を回転してねじを進
退させることにより座席２１が上下する。

【００１５】足台２は床に固定されている。また、頭部
拘束部３は一端が装置に対して固定された部材に回転可
能に取付られ、他端に乗員４がかぶるヘルメット４５を
取付てある。頭部拘束部３は適当な強さのダンパー機構
を備えて乗員４の頭を緩やかに拘束する。図２は、頭部
拘束機構の例を示す図である。本頭部拘束機構は、ヘル
メット４５を端部に取付て前後、左右、上下にスライド
できるようにしたもので、前後方向と左右方向にバネを
設けてヘルメット４５を中央位置に緩やかに拘束するよ
うにしてある。ヘルメット４５はジンバル機構を用いて
取付られていて、頭が軸回りに回転する動きは反映しな
いようになっている。

【００１６】なお、ヘルメット４５はＨＭＤを組み込ん
だ構造のものであってもよい。また、重りを滑車でバラ
ンスさせてＨＭＤやヘルメットの重量を相殺するように
してもよい。さらに、腕や手の体感提示や動きを指示す
るための装置としてマスタアームに手腕が拘束されてい
る場合は、これらの拘束力で肩の位置ひいては頭の位置
が拘束されるから、ヘルメット４５によらずに手腕を拘
束する手段で代替することも可能である。

【００１７】乗員４は、ハンドル４３により自分の腰の
高さに合わせて座席２１の高さを調節し、足台２に登
り、足台２上の所定の位置に足を据えて、腰を座席２１
に載せ、頭部拘束部３のヘルメット４５を頭にかぶる。
このとき、乗員４は座席２１に深く腰掛けて座席に体重
を完全に預けるのではなく、立ち姿勢を取って体重を足
にかなり掛けて、座席２１の動きを腰で感じることがで
きるようにすることが好ましい。なお、座席２１はシー
ト形に限られず、人が跨るサドル形であってもよく、ま
た腰部を吊る構造であってもよい。

【００１８】本実施例の人間型ロボット体感提示装置
は、人間型ロボットに備えた検出器で取得した腰部の動
きを乗員４に体感として提示する。さらに、体感提示装
置にも検知器を備えて、乗員４が装置上で姿勢を変化さ
せることにより人間型ロボットの操縦を遠隔で行うため
に使用することもできる。図３に、人間型ロボットと信
号を交換して体感提示と遠隔操縦をするようにした人間
型ロボット体感提示装置の構成を示す。体感提示装置
は、操作者が遠隔でロボットを操縦するコックピットに
組み込まれている。

【００１９】人間型ロボット５０には、腰部加速度検出
器５１、ロボット駆動機構における各部の回転角を測定
する回転角検出器５３、腰部移動量算出手段５５、通信
手段５７、およびロボットの運動制御装置５９が設けら
れている。ロボット腰部の加速度は腰部加速度検出器５
１で直接検出される。また、ロボット腰部の移動量、す
なわち立ち位置における腰基準位置からの腰の移動量も
しくは相対位置情報は、腰部移動量算出手段５５により
各部の回転角検出器５３の測定値を用いて算出される。
腰部の移動量と加速度の測定値は通信手段５７を介して
遠隔操作装置６０に伝送される。

【００２０】遠隔操作装置６０は人間型ロボット体感提
示装置に備えられた制御装置である。遠隔操作装置６０
は、通信手段６１、腰部移動指令算出手段６３、腰部位
置駆動装置６５、さらに操作員４が座る座席２１を動か
す機構６７を備え、また操作員４の頭を緩く拘束する手
段７１、拘束中心位置からの偏差を検出する手段７３、
および上体姿勢指令算出手段６９を備える。

【００２１】腰部移動指令算出手段６３は、ロボット腰
部の移動量と加速度を通信手段６１を介して入力し、そ
れらを座席２１の動きとして再現するための駆動指令を
生成し、体感提示装置のＸ軸駆動モータ２３、Ｙ軸駆動
モータ２７、Ｚ軸駆動モータ３３を駆動する。足を足台
２に載せて座席２１に浅く腰掛けている操作員４は、ロ
ボット腰部と連動した座席２１にしたがって動く腰の動
きに基づいて、ロボットが歩行したり姿勢を変えたりし
て腰が相対的に運動する状態を感得することができる。

【００２２】なお、腰部移動指令は、腰部加速度と腰の
移動量に基づいて決められる。図４は移動指令算出回路
６３の機能を説明するブロック図である。腰部加速度
は、第１の係数Ｋａを掛けてハイパスフィルタを通し、
積分器で積分演算し移動量に変換して出力加算器に入力
される。一方、基準位置から見た腰部の移動量は、第２
の係数Ｋｐを掛けて出力加算器に入力される。出力加算
器は上記ふたつの量を加算し、腰部移動指令として出力
する。第１係数Ｋａと第２係数Ｋｐは、実験により最適
な体感を与えるような値を決定する。ハイパスフィルタ
は、計測された腰部加速度のオフセット成分を除去して
積分器にかけるためのウオッシュアウトフィルタとして
作用する。

【００２３】また、本発明の体感提示装置をロボットの
マスタスレーブ制御装置に用いることにより、操作者４
がロボットの姿勢制御を行えるようにすることもでき
る。頭部拘束部３には拘束中心位置からの頭の偏差量を
計測する偏差検出器７１が組み込まれている。操作員４
は上体を傾けることにより頭を意図的に移動させる。す
ると偏差検出器７１が拘束中心位置からの偏差方向と偏
差量を検出して上体姿勢指令算出手段６９に入力する。
上体姿勢指令算出手段６９には、座席２１の移動量がＸ
軸駆動モータ２３、Ｙ軸駆動モータ２７、Ｚ軸駆動モー
タ３３の移動量として入力されており、これらの情報を
加味してロボット上体の傾きを指示する上体姿勢指令を
出力する。上体姿勢指令信号は通信手段６１，５７を介
して人間型ロボットの運動制御装置５９に送られ、各部
の機構を駆動してロボットの姿勢を制御する。こうして
姿勢が変化したためにロボットの腰部位置が変化する
と、その変化量と変化加速度はロボットの検出器により
検出されて、遠隔操作装置６０に送られ、座席２１を駆
動することにより操作員４の腰部位置にフィードバック
される。

【００２４】図５は、人間型ロボットのマスタスレーブ
制御を行うコックピットのイメージ図である。操作員４
は、ロボットから見える映像を投影するディスプレイス
クリーンの前に中腰で立ち、フットペダル２の上に足を
載せ座席２１に軽く腰掛けて頭部拘束部３の先端に取付
られたＨＭＤ４５と、腕の先に操作器を取付けたマスタ
ハンド８１を装着する。ディスプレイスクリーンの周囲
には立体音響装置８３が配設されている。操作員４は、
ロボットの移動時など広範囲の映像が必要なときには、
ディスプレイスクリーンの映像を観察しながら操縦し、
手先を使った作業を指示するときは、ＨＭＤ４５による
立体画像と音響装置８３による立体的な音響でロボット
の作業環境を臨場感豊かに受け取りながら、ロボットの
触覚や力覚に基づいてマスタバンド８１を操作してロボ
ットの手指や腕を操縦し、さらに座席２１の動きに基づ
いてロボットの全身運動や姿勢を感得しながら頭を動か
すことによりロボットの上体姿勢制御を行う。

【００２５】図６は、コックピットの操作員４と直立し
た人間型ロボット５との対応関係を説明する図面であ
る。ロボット５が直立している場合は、頭の動きでロボ
ットの視線方向を制御することができる。ロボット視線
のチルトは、操作員４の頭部基準位置Ｐ０と首部基準位
置Ｐ２を結ぶ線と腰部基準位置Ｐ１と首部基準位置Ｐ２
を結ぶ線の角度に基づいて制御する。また、ロボット視
野のパンは、頭部の回転に基づいて指示する。なお、ロ
ボットの前進後退などの位置制御は別途補助操縦桿によ
る指示に基づいて行われる。

【００２６】図７は、人間型ロボット５の腰部位置とコ
ックピットで操縦する操作員４の腰部位置の関係を表す
図面である。ロボット５は上体を前に傾けた姿勢で立
ち、操作員４は足を床に置き頭を緩く拘束されて座席２
１に腰掛けている。ロボット５が前傾しているときは、
ロボットの腰に原点を有し上体に軸を有するロボットに
固有の座標系^SΣは、ロボットが直立している状態で腰
の位置に原点を有するロボットの基準座標系^SBΣに対し
て、上体の軸が傾斜角θ_Sで傾くとともに重心の移動を
相殺するため原点位置が距離Ｘ₁だけ後退する。

【００２７】ロボット５の姿勢変化に対応して、体感提
示装置が座席２１を後方にＰ₁動かす。すると、操作員
４の腰が後退するが、足と頭が固定されているため、上
体が傾斜角θ_Mだけ傾き、操作員４はロボットの上体が
傾いたことを知ることができる。このとき、提示比率α
を決めて、θ_M＝αθ_Sとなるように提示してもよい。ま
た、座席２１の移動距離Ｐ₁とロボット５の腰の移動量
Ｘ₁の間にも提示比率βを決めておくことができる。

【００２８】また、操作員４が上体を傾けると、ヘルメ
ットもしくはＨＭＤ４５が拘束中心位置からずれるの
で、偏倚量を偏差検出器７３が検出し、偏差測定量に応
じてロボット５の姿勢を変化させる。操作員の偏差指示
量は必要に応じて係数を掛けて拡大もしくは縮小してロ
ボット姿勢に反映させる。このように、腰の移動量と加
速度を実際のロボットの動きに対して適当な倍率を乗じ
て提示することにより、人間型ロボットのスケールが違
う場合や、ロボットが受ける衝撃を緩和したり強調して
伝達する場合など、適当な倍率を設定して人が感応でき
るようにすることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の人間型ロボ
ット体感提示装置はロボットの姿勢を体感提示できるの
で、マスタスレーブ制御装置に組み込むことにより、操
縦者がロボットの姿勢を感得しながら正確に姿勢制御す
ることができるようになる。また、身体の姿勢や下肢部
の動きを忠実に伝達するので、シミュレーション装置に
適用することにより、高い臨場感を与えてより現実に近
いシミュレーションが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る人間型ロボット体感提示装置の実
施例を示す構成図である。

【図２】本実施例における頭部拘束部の構成を示す斜視
図である。

【図３】本発明の人間型ロボット用マスタスレーブ制御
装置の実施例を示すブロック図である。

【図４】図３の実施例におけるマスタスレーブ制御装置
に使用する演算方法のブロック図である。

【図５】本実施例の制御装置を用いてマスタスレーブ制
御を行うコックピットのイメージ図である。

【図６】本実施例の制御装置における直立したロボット
との対応関係を説明する図面である。

【図７】本実施例の制御装置においてロボットの上体が
傾いたときの対応関係を説明する図面である。

【符号の説明】

１座部２足台２３頭部拘束部４乗員・操作員５人間型ロボット１１台座１３第１摺動板１５第２摺動板１７支持板１９座席支持板２１座席２３Ｙ軸駆動モータ２５，２９，３７，４１リニアガイド２７Ｘ軸駆動モータ３１軸部材３３Ｚ軸駆動モータ３５板部材３９パンタグラフ４３ハンドル４５ヘルメット５０人間型ロボット５１腰部加速度検出器５３回転角検出器５５腰部移動量算出手段５７通信手段５９運動制御装置６０遠隔操作装置６１通信手段６３腰部移動指令算出手段６５腰部位置駆動装置６７座席移動機構６９上体姿勢指令算出手段７１頭部拘束手段７３頭部偏差検出手段８１マスタハンド８３立体音響装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者八木栄一兵庫県明石市川崎町１番１号川崎重工業株式会社明石工場内 (72)発明者久保田哲也兵庫県明石市川崎町１番１号川崎重工業株式会社明石工場内 (72)発明者志子田繁一兵庫県明石市川崎町１番１号川崎重工業株式会社明石工場内 (56)参考文献特開平10−180657（ＪＰ，Ａ) 特開平11−10567（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−142084（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 3/00 - 3/10 B25J 9/10 - 9/22 B25J 13/00 - 13/08 B25J 19/02 - 19/06 G09B 9/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】乗員の頭を拘束する頭部拘束部と、腰を
載置する座部と、足を載せる足台を備え、前記頭部拘束
部が乗員の頭を緩く拘束し、前記座部が前記足台に対し
て相対的に水平あるいは垂直または水平および垂直に移
動するものであって、該座部が前記ロボットの腰の動き
に対応して運動することを特徴とする人間型ロボット体
感提示装置。
【請求項２】前記頭部拘束部が乗員の肩や手腕を拘束
して間接的に頭部を緩く拘束することを特徴とする請求
項１記載の人間型ロボット体感提示装置。
【請求項３】前記座部が前記ロボットの腰の動きに対
して定率倍のストローク運動することを特徴とする請求
項１または２記載の人間型ロボット体感提示装置。
【請求項４】前記座部が装置本体に対して固定され、
前記足台が該座部に対して水平あるいは垂直または水平
および垂直に移動することを特徴とする請求項１から３
のいずれかに記載の人間型ロボット体感提示装置。
【請求項５】前記座部が前記頭部拘束部に対して相対
的に移動して前記乗員の上体が傾いて、該乗員の上体傾
き角が前記ロボットの上体傾き角の定率倍になることを
特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の人間型ロ
ボット体感提示装置。
【請求項６】前記頭部拘束部が乗員の頭が拘束中心か
らずれた量を検出することを特徴とする請求項１から５
のいずれかに記載の人間型ロボット体感提示装置。
【請求項７】前記座部が乗員の腰によって運動し前記
足台との相対運動により該乗員の腰の動きを検出するこ
とを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の人間
型ロボット体感提示装置。
【請求項８】請求項１から７のいずれかに記載の人間
型ロボット体感提示装置を備えて乗員により人間型ロボ
ットを制御するマスタスレーブ制御装置。