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触覚の解析方法および触覚の解析装置 コモンズ

国内特許コード P110005586
整理番号 7021
掲載日 2011年8月18日
出願番号 特願2007-212687
公開番号 特開2009-047503
登録番号 特許第5158562号
出願日 平成19年8月17日(2007.8.17)
公開日 平成21年3月5日(2009.3.5)
登録日 平成24年12月21日(2012.12.21)
発明者
  • 大石 潔
  • 桂 誠一郎
出願人
  • 国立大学法人長岡技術科学大学
発明の名称 触覚の解析方法および触覚の解析装置 コモンズ
発明の概要

【課題】個体の動作を触覚情報として取得して定量的に把握し、そこから動作の特徴を抽出することが可能な触覚の解析方法および触覚の解析装置を提供する。
【解決手段】個体を動作させたときの時系列な反作用力の触覚情報を入力手段2により取得し、この入力手段2で取得した触覚情報を、処理手段3により時間領域で可視化できるように解析処理し、この解析処理結果から個体の動作に関し周波数的な特徴を抽出手段24で抽出する。これにより、例えば熟練技術者の持つスキルや、個体の動作の特徴や癖といった諸情報の特徴的な周波数について、個体の動作を触覚情報として取得して定量的に把握することができ、そこから動作の特徴を抽出することが可能になる。
【選択図】図1

従来技術、競合技術の概要


人間の感覚情報を扱う技術は、人間と人間、或いは人間と機械とを結ぶ重要なインターフェースとして、これまでに巨大な産業を生成していることは周知の通りである。特に、視覚や聴覚に対応する画像や音声の処理技術は、情報通信工学の発展とともにインターフェースとして急速に広まり、産業の基盤技術として欠かせないものとなっている。例えば、写真,テレビ,電話,蓄音機等の発明により、視覚や聴覚に関する情報の伝送や、保存や、再生が可能となり、さらにはビデオカメラやテレビにより、視覚および聴覚情報の放送も可能になった。これは、あたかも人間が持つ視覚や聴覚が、時間と空間を越えたように感じさせることと等価であるといえる。現在では、そうした視覚や聴覚情報の解析や加工を取り扱うディジタル信号処理技術の開発も、日々進歩している。



一方、感覚情報の一つを担う触覚情報は、視覚や聴覚の情報に次ぐ新たなマルチメディア情報として、これを伝送して保存し、人工的に再現する技術の開発が求められている。そのため、マスターシステムとスレーブシステムとによるロボットシステム間の遠隔操作や、動かしている位置とその位置での各種情報を触覚を介して表示するようなハプティック(触覚)ディスプレイは、触覚情報を扱う技術として多くの研究が行なわれている。



しかしながら、上述した視覚や聴覚に関する情報は受動的で、単方向性の感覚情報であるのに対し、触覚情報は実世界における「作用・反作用の法則」に束縛される双方向性の感覚情報であり、しかも接触対象である環境に能動的に接触することで、初めてその情報が得られるので、モデルベースやヴァーチャルリアリティを応用した触覚情報の再現は行なわれているものの、実世界における触覚情報の取得は困難である。



こうした実世界における触覚情報の抽出や再現を行なう実世界ハプティクスとして、例えば非特許文献1には、実世界における遠隔地からのバイラテラル力覚フィードバックの制御手法が提案されている。また別な非特許文献2には、多方向のシステム間で力覚情報のやり取りを可能にするマルチラテラル触覚伝送技術が提案されている。



実世界におけるバイラテラル力覚フィードバックの高性能再現において、「透明性」は、バイラテラルシステムの代表的な評価指標としてよく知られている。バイラテラルシステムとして高い「透明性」を確保するためには、空間透明性と時間透明性の双方を満たす必要がある。空間透明性は、触覚の再現可能な自由度に相当するもので、効率の良い多自由度力覚フィードバックの統合が望まれる。一方、時間透明性はその再現する触覚情報の周波数帯域に相当するもので、人間の持つ触覚であるDC~400Hzを最低限確保する必要がある。



つまり、こうしたバイラテラルシステムにおいて、多自由度で広帯域な実世界環境からの力覚フィードバックを実現するためには、例えば非特許文献4や非特許文献5で提案されているように、ロバスト性を失わずに制御剛性をゼロにするための加速度制御が不可欠であり、具体的には非特許文献6~非特許文献8に開示される外乱オブザーバによる実現手法が広く用いられている。特に非特許文献9~非特許文献11では、外乱オブザーバを用いることで広帯域の力覚情報を力覚センサレスで取得できることが開示されており、また外乱オブザーバの広帯域化については、非特許文献12~非特許文献14でも多くの研究提案がなされている。



その中で本願発明者らは、非特許文献14において、アクチュエータの位置を検出する位置エンコーダの情報に加えて、アクチュエータの加速度を検出する加速度センサの情報に基づき、当該アクチュエータに加わる外力を推定する位置・加速度統合型の外乱オブザーバを提案し、またそれ以前に特願2006-57614号で出願も行なっている。そして、このような外乱オブザーバによって、1kHz以上の極めて広帯域を有するバイラテラル力覚フィードバックを実現している。



このように、実世界における触覚情報の抽出や再現に関し、様々な研究が行なわれているが、そこで取得した触覚情報を視覚的に表現する技術は、生産工学や低侵襲性外科医療の分野で望まれてはいるものの、開発がなされてはおらず、実用化に至っていない。例えば触覚情報を視覚的に表現する一手法として、力覚センサや、非特許文献9で提案された反力推定オブザーバなどで得られたデータを、時系列順に表示することが考えられるが、この場合には接触する環境が、「つるつる」や「ざらざら」するといった定性的な表現でしか評価を行なうことができない。そのため双方向性を有する実世界における触覚情報を扱う基本概念として、触覚情報をより直感的且つ定量的に評価できる装置や方法が求められていた。

【非特許文献1】下野 誠通,桂 誠一郎,大西 公平(T.Shimono,S.Katsura,K.Ohnishi)、「環境モデルに基づく実世界力覚情報再現のための双方向モーションコントロール(Bilateral Motion Control for Reproduction of Real World Force Sensation based on the Environmental Model)」、電気学会 産業応用部門誌(IEEJ Transactions on Industry Applications)、第126-D巻第8号(Vol.126-D,No.8)、pp.1059-1068、2006年8月(August,2006)

【非特許文献2】桂 誠一郎,松本 雄一,大西 公平(S.Katsura,Y.Matsumoto,K.Ohnishi)、「マルチラテラル制御による「作用・反作用の法則」の実現(Realization of "Law of Action and Reaction" by Multilateral Control)」、米国電気電子学会 産業電子工学論文誌(IEEE Transactions on Industrial Electronics)、第52巻第5号(Vol.52,No.5)、pp.1196-1205、2005年10月(October,2005)

【非特許文献3】桂 誠一郎,大西 公平(S.Katsura,K.Ohnishi),「マルチラテラル制御によるハプティック訓練システムの実現(A Realization of Haptic Training System by Multilateral Control)」、米国電気電子学会 産業電子工学論文誌(IEEE Transactions on Industrial Electronics)、第53巻第6号(Vol.53,No.6)、pp.1935-1942、2006年12月(December,2006)

【非特許文献4】エイ.サバノヴィチ(A.Sabanovic)「パワーエレクトロニクスおよびモーション制御システムにおけるスライディングモード(Sliding Modes in Power Electronics and Motion Control Systems)、米国電気電子学会 第29回産業電子工学学会年次会議論文(Proceedings of the 29th IEEE Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society)、IECON 2003年-ロアノーク(IECON’03-ROANOKE)、pp.997-1002,2003年11月(November,2003)

【非特許文献5】富塚 誠義(M.Tomizuka)「現代メカトロニックシステム工学における各センサ(Sensors in the Engineering of Modern MechatronicSystems)」、第三回メカトロニックシステムシンポジウム論文(Proceedings of the 3rd IFAC Symposium on Mechatronic Systems)メカトロニクス2004年-シドニー(MECHATRONICS’04-SYDNEY)、pp.19-24、2004年9月(September, 2004)

【非特許文献6】大石 潔,大西 公平,宮地 邦夫(K.Ohishi,K.Ohnishi,K.Miyachi)、「負荷トルク推定に基づくDCモータのトルク-速度調整(Torque-Speed Regulation of DC Motor Based on Load Torque Estimation)」、電気学会 パワーエレクトロ二クス国際会議論文(Proceedings of the IEEJ International Power Electronics Conference,パワーエレクトロ二クス国際会議-東京(IPEC-TOKYO)、第2巻(Vol.2)、pp.1209-1216、1983年3月(March,1983)

【非特許文献7】大西 公平,柴田 昌明,村上 俊之(K.Ohnishi,M.Shibata,T.Murakami)、「高性能メカトロニクス用モーション制御(Motion Control for Advanced Mechatronics)」、米国電気電子学会/米国機械学会メカトロニクス論文誌(IEEE/ASME Transactions on Mechatronics)、第1巻(Vol.1)、第1号(No.1)、pp.56-67、1996年3月(March,1996)

【非特許文献8】桂 誠一郎,大西 公平(S.Katsura,K.Ohnishi),「外乱オブザーバに基づく位相進み補償器による多慣性共振系の絶対安定化(Absolute Stabilization of Multi-Mass Resonant System by Phase-Lead Compensator Based on Disturbance Observer)」、米国電気電子学会 最新モーション制御国際ワークショップ会議録(Proceedings of the 9th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control)、2006年-イスタンブール(AMC’06-ISTANBUL)、第1巻(Vol.1)、pp.194-199、2006年3月(March,2006)

【非特許文献9】村上 俊之,郁 方銘,大西 公平(T.Murakami,F.Yu,K.Ohnishi)、「多自由度マニピュレータにおけるトルクセンサレス制御(Torque Sensorless Control in Multidegree-of-freedom Manipulator)」、米国電気電子学会 産業電子工学論文誌(IEEE Transactions on Industrial Electronics)、第40巻第2号(Vol.40,No.2)、pp.259-265、1993年4月(April,1993)

【非特許文献10】桂 誠一郎,松本 雄一,大西 公平(S.Katsura,Y.Matsumoto,K.Ohnishi)、「力制御に対する力バンド幅の分析と実験有効性(Analysis and Experimental Validation of Force Bandwidth for Force Control)」、第53巻第3号(Vol.53,No.3)、pp.922-928、2006年6月(June,2006)

【非特許文献11】桂 誠一郎,松本 雄一,大西 公平(S.Katsura,Y.Matsumoto,K.Ohnishi)、「力制御のための力覚センシングのモデリングおよび外乱オブザーバの妥当性確認(Modeling of Force Sensing and Validation of Disturbance Observer for Force Control)」、第54巻第1号(Vol.543,No.1)、pp.530-538、2007年2月(February,2007)

【非特許文献12】エム.バートルッツォ,ジー.エス.ブージャ,イー.スタンパッチア(M.Bertoluzzo,G.S.Buja,E.Stampacchia)、「高帯域幅トルク外乱補償器の性能解析(Performance Analysis of a High-Bandwidth Torque Disturbance Compensator)」、米国電気電子学会/米国機械学会メカトロニクス論文誌(IEEE/ASME Transactions on Mechatronics)、第9巻(Vol.9)、第4号(No.4)、pp.653-660、2004年12月(December,2004)

【非特許文献13】水落 麻里子,辻 俊明,大西 公平(M.Mizuochi,T.Tsuji,K.Ohnishi)「加速度制御システムに対するマルチレートサンプリング方法(Multirate Sampling Method for Acceleration Control System)」、米国電気電子学会 産業電子工学論文誌(IEEE Transactions on Industrial Electronics、第54巻(Vol.54)、第3号(No.3)、pp.1462-1471、2007年6月(June,2007)

【非特許文献14】入江 航平,桂 誠一郎,大石 潔(K. Irie, S. Katsura, K. Ohishi)、「複数センサに基づいた外乱オブザーバによる高度モーションコントロール(Advanced Motion Control by Multi-Sensor based Disturbance Observer)、電気学会 電気電子工学論文誌(IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering)、第1巻(Vol.1)、第1号(No.1)、pp.112-115、2006年5月(May,2006)

産業上の利用分野


本発明は、触覚情報に基づき個体の動作を抽出し得る触覚の解析方法および触覚の解析装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
個体の動作に応じて作動するアクチュエータを備え、
前記アクチュエータは、1台以上のマスターシステムおよび2台以上のスレーブシステムをネットワークで接続してなり、前記個体からの作用力を前記マスターシステムで受けると、この作用力に伴う反作用力を、前記ネットワークを介して前記スレーブシステムで生成するようになっており、
ある時間にどのような反作用力が生じているのかを、前記個体を動作させたときの時系列な力の触覚情報として取得し、
前記取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理して、前記触覚情報に含まれる時間と力との関係を、周波数と振幅との関係を示す周波数分析データに変換し
前記周波数分析データから前記個体の動作または反応を抽出することを特徴とする触覚の解析方法。

【請求項2】
前記周波数分析データから、前記抽出した動作または反応を視覚的に表現させることを特徴とする請求項1記載の触覚の解析方法。

【請求項3】
記アクチュエータから抽出した力によって、前記触覚情報を取得することを特徴とする請求項1または2記載の触覚の解析方法。

【請求項4】
記アクチュエータが制御手段により制御されているシステムから抽出した力によって、前記触覚情報を取得することを特徴とする請求項1または2記載の触覚の解析方法。

【請求項5】
前記アクチュエータからの力が、位置センサ,速度センサ,加速度センサ,電流センサ,力センサ,トルクセンサ,または歪みゲージを用いて抽出されることを特徴とする請求項3または4記載の触覚の解析方法。

【請求項6】
前記アクチュエータからの力が、外乱オブザーバにより抽出されることを特徴とする請求項3または4記載の触覚の解析方法。

【請求項7】
前記周波数分析データと前記個体とを関連付けた関連付けデータを、当該個体毎に記憶手段に記憶させることを特徴とする請求項1~の何れか一つに記載の触覚の解析方法。

【請求項8】
前記解析処理が行なわれると、前記周波数分析データと前記記憶手段から読み出される前記関連付けデータとの比較解析を行ない、比較解析結果を出力することを特徴とする請求項記載の触覚の解析方法。

【請求項9】
前記取得した触覚情報をフーリエ変換またはウェーブレット変換またはコサイン変換により時間領域で解析処理することを特徴とする請求項1~の何れか一つに記載の触覚の解析方法。

【請求項10】
個体の動作に応じて作動するアクチュエータを備え、
前記アクチュエータは、1台以上のマスターシステムおよび2台以上のスレーブシステムをネットワークで接続してなり、前記個体からの作用力を前記マスターシステムで受けると、この作用力に伴う反作用力を、前記ネットワークを介して前記スレーブシステムで生成する構成を有し、
ある時間にどのような反作用力が生じているのかを、前記個体を動作させたときの時系列な力の触覚情報として取得する入力手段と、
前記取得した前記触覚情報を時間領域で解析処理して、前記触覚情報に含まれる時間と力との関係を、周波数と振幅との関係を示す周波数分析データに変換する処理手段と、
前記周波数分析データから前記個体の動作または反応を抽出する抽出手段と、を備えたことを特徴とする触覚の解析装置。

【請求項11】
前記処理手段は、前記周波数分析データから、前記抽出した動作または反応を視覚的に表現させるものであることを特徴とする請求項1記載の触覚の解析装置。

【請求項12】
記アクチュエータから抽出した力によって、前記触覚情報を取得する構成としたことを特徴とする請求項1または1記載の触覚の解析装置。

【請求項13】
記アクチュエータが制御手段により制御されているシステムから抽出した力によって、前記触覚情報を取得する構成としたことを特徴とする請求項1または1記載の触覚の解析装置。

【請求項14】
前記アクチュエータからの力を、位置センサ,速度センサ,加速度センサ,電流センサ,力センサ,トルクセンサ,または歪みゲージを用いて抽出する構成としたことを特徴とする請求項12または13記載の触覚の解析装置。

【請求項15】
前記アクチュエータからの力を抽出する外乱オブザーバを備えたことを特徴とする請求項12または13記載の触覚の解析装置。

【請求項16】
前記周波数分析データと前記個体とを関連付けた関連付けデータを、当該個体毎に記憶手段に記憶させる構成としたことを特徴とする請求項1~1の何れか一つに記載の触覚の解析装置。

【請求項17】
前記解析処理が行なわれると、この周波数分析データと前記記憶手段から読み出される前記関連付けデータとの比較解析を行ない、比較解析結果を出力する認証手段を備えたことを特徴とする請求項16に記載の触覚の解析装置。

【請求項18】
前記処理手段は、前記取得した触覚情報をフーリエ変換またはウェーブレット変換またはコサイン変換により時間領域で解析処理するものであることを特徴とする請求項1017の何れか一つに記載の触覚の解析装置。
産業区分
  • 測定
  • 工業用ロボット
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 権利存続中
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