JP2009279699A - Position-force reproducing method and position-force reproducing device - Google Patents

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誠一郎 桂
Kiyoshi Oishi
潔 大石
Yuki Yokokura
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a position-force reproducing method and position-force reproducing device capable of storing, in the form of data, and reproducing an operation in which contact and non-contact are repeatedly performed. <P>SOLUTION: This position-force reproducing device includes an actuator 201 as a means for acquiring position information and force contact information in time series, a control unit 203 for analyzing and processing the acquired position information and force contact information, and a storage means 204 for storing the result of the analysis and processing. The position information and the force contact information are reproduced according to the result of the stored analysis and processing. Consequently, both the position and force in contact and in non-contact can be reproduced, such an operation that contact and non-contact are repeated can be stored and reproduced, both the position and force of an operator A can be reproduced, and the operation of the operator A can be reproduced irrespective of time and space. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、接触と非接触の動作をデータとして保存し、再現する位置・力再現方法および位置・力再現装置に関する。   The present invention relates to a position / force reproduction method and a position / force reproduction apparatus that store and reproduce contact and non-contact operations as data.

人間の持つ感覚のなかで、機械と人間、若しくは遠隔地に存在する人間と人間との間を結ぶ重要な感覚として、視覚,聴覚,触覚が挙げられる。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。   Among human senses, visual, auditory, and tactile sensations are important senses that connect machines and humans, or humans and humans that exist in remote places. Image and sound processing technologies that correspond to vision and hearing are rapidly spreading as interfaces with the development of information and communication engineering, and are indispensable as industrial basic technologies. For example, the invention of photography, television, telephones, phonographs, etc. enabled the transmission, storage, and playback of information related to vision and hearing, and the broadcasting of vision and hearing information was also possible using video cameras and televisions. . This is equivalent to making the human sense of vision and hearing transcend time and space. Currently, the development of digital signal processing technology that handles the analysis and processing of such visual and auditory information is progressing day by day.

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、これを抽出したり、保存したり、加工したり、伝送したり、人工的に再現したりする技術の開発が求められている。これに対して、マスタ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。   On the other hand, tactile information, which is one of sensory information, is extracted, stored, processed, transmitted, and artificially reproduced as new multimedia information after visual and auditory information. Development of such technology is required. On the other hand, remote operation between the robot system by the master system and the slave system, and the haptic display that displays the moving position and various information at the position through the tactile sense, the tactile information is displayed. A lot of research has been done on the technology to be handled.

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。実世界ハプティクスは、このような実世界における触覚情報の抽出や再現を扱う学問領域であり、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やマルチラテラル(多方向)触覚伝送技術などが開発されている。   However, the visual and auditory information described above is passive and unidirectional sensory information, whereas tactile information is bidirectional sensory information that is bound by the “law of action and reaction” in the real world. Yes, the information can be obtained for the first time by actively touching the environment that is the object of contact, so the haptic information is reproduced using the model base and virtual reality, but the haptic information in the real world has been reproduced. Acquisition is difficult. Real-world haptics is an academic field that deals with the extraction and reproduction of tactile information in the real world. Bilateral force feedback and multilateral (multi-directional) tactile transmission technology from remote locations in the real world have been developed. ing.

こうした実世界におけるバイラテラル力覚フィードバックの実現に際しては、例えば非特許文献1,2に開示されるように、主に「透明性」の向上を目的として研究が進められてきた。「透明性」には空間透明性と時間透明性の2種類があり、そのうち空間透明性は触覚の再現可能な自由度に相当するため、多自由度力覚フィードバックの効率の良い統合が望まれる。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ため、触覚情報の直流成分から高周波成分までの時間遅れのない伝達が求められる。   In order to realize such bilateral force feedback in the real world, for example, as disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2, research has been conducted mainly for the purpose of improving “transparency”. There are two types of “transparency”: spatial transparency and temporal transparency, of which spatial transparency corresponds to the degree of freedom of tactile reproducibility, so efficient integration of multi-degree-of-freedom force feedback is desired. . On the other hand, since the time transparency corresponds to the frequency band of the tactile information to be reproduced, transmission without time delay from the direct current component to the high frequency component of the tactile information is required.

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、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、非特許文献3で開示されるような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4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示されており、外乱オブザーバのさらなる広帯域化について多くの研究がなされている。   In order to achieve force feedback from a real-world environment with multiple degrees of freedom and wide bandwidth, acceleration control is required to make the control stiffness zero without losing robustness, which is disclosed in Non-Patent Document 3. Such a realization method using a disturbance observer is widely used. In particular, Non-Patent Document 4 shows that wide-range force information can be acquired without using a force sensor by using a disturbance observer, and many studies have been made on further widening the disturbance observer.

このように、実世界および実時間における触覚情報の抽出や再現に関する研究は、従来から行なわれているものの、これまでのロボット等を利用したシステムの多くは位置または力のみを保存・再現するものであったため、環境と非接触のみあるいは接触時のみの再現しか行うことができなかった。そして、音声情報や画像情報の保存及び再現についての技術は広く研究開発が行われているが、触覚情報の保存や再現に関する技術は未だ確立されていない。   In this way, research on the extraction and reproduction of haptic information in the real world and real time has been conducted in the past, but many conventional systems using robots, etc., store and reproduce only the position or force. Therefore, it was only possible to reproduce the environment without contact or only with contact. In addition, although research and development have been extensively conducted on technologies for storing and reproducing audio information and image information, technologies for storing and reproducing tactile information have not been established yet.

一方、本願発明者らは、触覚情報を可視化する技術として、「ハプトグラフ(Haptograph)」を提案している(非特許文献5や、特願2007−212685号などを参照)。ハプトグラフは、取得した触覚情報に周波数解析を施すことで、あたかも写真のように触覚を色で表現することが可能である。そして、このような技術を利用して、これまでにない情報の保存と再現に関する技術の開発が求められていた。
ディー.エイ.ローレンス(D.A.Lawrence)「バイラテラル遠隔操作における安定性と透明性(Stability and Transparency in Bilateral Teleoperation)」、米国電気電子学会 ロボティクスおよびオートメーション論文誌(IEEE Transactions on Robotics and Automation)、第9巻第5号(Vol.9,No.5)、pp.624−637,1993年10月(October,1993) 横小路 泰義,吉川 恒夫(Y.Yokokohji,T.Yoshikawa)、「理想的な運動感覚における計算構築と実験に対するマスタスレーブのバイラテラル制御(Bilateral Control of Master-Slave Manipulators for Ideal Kinesthetic Coupling-Formulation and Experiment)」米国電気電子学会 ロボティクスおよびオートメーション論文誌(IEEE Transactions on Robotics and Automation)、第10巻第5号(Vol.10,No.5)、pp.605−620,1994年10月(October,1993) 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)位置・力再現方法 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) 桂 誠一郎,入江 航平,大石 潔(S.Katsura,K.Irie,K.Ohishi)、「広帯域力制御に基づくハプトグラフによる環境情報の視覚化(Visualization of Environmental Information by Haptograph Based on Wideband Force Control)、米国電気電子学会 第33回産業電子部門年次会議論文(Proceedings of the 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society)、IECON 2007年−台北(IECON'07-TAIPEI)、pp.368−373,2007年11月(November,2007)
On the other hand, the present inventors have proposed “Haptograph” as a technique for visualizing tactile information (see Non-Patent Document 5, Japanese Patent Application No. 2007-212585, etc.). A haptograph can express a tactile sensation with a color like a photograph by performing frequency analysis on the acquired tactile information. In addition, there has been a demand for the development of technology related to storage and reproduction of information that has never existed using such technology.
Dee. A. D. A. Lawrence “Stability and Transparency in Bilateral Teleoperation”, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Volume 9 No. 5 (Vol.9, No.5), pp. 624-637, October 1993 (October, 1993) Yokoko Yasuyoshi, Yoshikawa Tsuneo (T. Yoshikawa), “Bilateral Control of Master-Slave Manipulators for Ideal Kinesthetic Coupling-Formulation and Experiment ”, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 10, No. 5, Vol. 10, No. 5, pp. 605-620, October 1994 (October, 1993) Koji Ohnishi, Masaaki Shibata, Toshiyuki Murakami (K. Ohnishi, M. Shibata, T. Murakami), “Motion Control for Advanced Mechatronics”, The Institute of Electrical and Electronics Engineers / Mechanical Society of Mechanical Engineers (American Society of Mechanical Engineers) IEEE / ASME Transactions on Mechatronics), Volume 1 (Vol.1), Issue 1 (No.1), pp. 56-67, March 1996 (March, 1996) Position / force reproduction method Toshiyuki Murakami, Toshiyuki Tsuji, Tohru Onishi (T. Murakami, F. Yu, K. Ohnishi), “Torque Sensorless Control in Multidegree-of-freedom Manipulator”, American Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 40, No. 2 (Vol.40, No.2), pp. 259-265, April 1993 (April, 1993) Seiichiro Katsura, Kohei Irie, Kiyoshi Oishi (S. Katsura, K. Irie, K. Ohishi), “Visualization of Environmental Information by Haptograph Based on Wideband Force Control, Institute of Electrical and Electronics Engineers 33rd Annual Conference of the Industrial Electronics Division (IEEE Industrial Electronics Society), IECON 2007-Taipei (IECON'07-TAIPEI), pp. 368-373, 2007 November (November, 2007)

本発明は上記の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、接触と非接触を繰り返す動作をデータとして保存し、再現することができる位置・力再現方法および位置・力再現装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a position / force reproduction method and a position / force reproduction apparatus that can store and reproduce the operation of repeating contact and non-contact as data. There is.

上記課題を解決するために、本発明における位置・力再現方法は、時系列な位置情報と力の接触情報を取得し、前記取得した位置情報と力の接触情報を解析処理し、この解析処理結果を記憶手段に保存し、この保存した解析処理結果により前記位置情報と力の接触情報を再現することを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the position / force reproduction method according to the present invention acquires time-series position information and force contact information, analyzes the acquired position information and force contact information, and performs the analysis process. The result is stored in a storage means, and the position information and force contact information are reproduced based on the stored analysis processing result.

この場合、前記位置情報と力の接触情報を可変速で再現することができる。   In this case, the position information and force contact information can be reproduced at a variable speed.

また、前記位置情報と力の接触情報を、時系列を逆に再現することもできる。   Further, the position information and the contact information of the force can be reproduced in reverse time series.

さらに、個別の時系列な位置情報と力の接触情報を多数取得し、前記取得した多数の位置情報と力の接触情報を解析処理し、この解析処理結果を記憶手段に保存し、この保存した解析処理結果により前記多数の位置情報と力の接触情報を同時または個別に再現することを特徴とする。   Further, a large number of pieces of individual time-series position information and force contact information are obtained, the obtained many pieces of position information and force contact information are analyzed, and the analysis processing results are stored in a storage means. According to an analysis processing result, the multiple pieces of position information and force contact information are reproduced simultaneously or individually.

上記方法に対応するように、本発明における位置・力再現装置は、時系列な位置情報と力の接触情報を取得する手段と、前記取得した位置情報と力の接触情報を解析処理する処理手段と、前記解析処理結果を保存する記憶手段とを備え、前記保存した解析処理結果により前記位置情報と力の接触情報を再現する構成としている。   Corresponding to the above method, the position / force reproduction device according to the present invention includes means for acquiring time-series position information and force contact information, and processing means for analyzing the acquired position information and force contact information. And storage means for storing the analysis processing result, and the position information and the force contact information are reproduced based on the stored analysis processing result.

この場合、前記位置情報と力の接触情報を可変速で再現する再現条件設定手段を備えることが好ましい。   In this case, it is preferable to include reproduction condition setting means for reproducing the position information and the contact information of the force at a variable speed.

また、前記位置情報と力の接触情報を、時系列を逆に再現する再現条件設定手段を備えることが好ましい。   In addition, it is preferable that a reproduction condition setting unit that reproduces the position information and the contact information of the force in reverse time series is provided.

さらに、個別の時系列な位置情報と力の接触情報を多数取得する手段と、前記取得した多数の位置情報と力の接触情報を解析処理する処理手段と、前記解析処理結果を保存する記憶手段とを備え、前記保存した解析処理結果により前記多数の位置情報と力の接触情報を同時または個別に再現する構成としている。   Furthermore, means for acquiring a large number of individual time-series position information and force contact information, a processing means for analyzing the acquired numerous position information and force contact information, and a storage means for storing the analysis processing results And a plurality of position information and force contact information are reproduced simultaneously or individually according to the stored analysis processing result.

上記請求項1の方法および請求項5の装置によれば、接触時と非接触時の位置・力の双方の再現を実現でき、接触−非接触を繰り返すような動作を保存・再現させることができる。   According to the method of claim 1 and the apparatus of claim 5, reproduction of both the position and force at the time of contact and non-contact can be realized, and an operation that repeats contact-non-contact can be stored and reproduced. it can.

上記請求項2の方法および請求項6の装置によれば、保存したデータに基いて、接触−非接触を繰り返す動作を等速・可変速で再現することができる。   According to the method of claim 2 and the apparatus of claim 6, the operation of repeating contact-noncontact can be reproduced at constant speed and variable speed based on the stored data.

上記請求項3の方法および請求項7の装置によれば、接触−非接触を繰り返す動作を逆再生することができる。   According to the method of claim 3 and the apparatus of claim 7, the operation of repeating contact-noncontact can be reversely reproduced.

上記請求項4の方法および請求項8の装置によれば、多人数による接触−非接触を繰り返す動作を、同時にあるいは個別に保存・再現することができる。   According to the method of claim 4 and the apparatus of claim 8, the operation of repeating contact-noncontact by a large number of persons can be stored and reproduced simultaneously or individually.

本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。   Preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below do not limit the contents of the present invention described in the claims. In addition, all the configurations described below are not necessarily essential requirements of the present invention.

図1は、本発明の好適な実施例1を示す視聴覚情報と触覚情報の保存と再現の流れを示している。同図に示すように、視聴覚情報についてはマイクやカメラによって保存され、スピーカやディスプレイを用いて再生される。ここでは触覚情報の保存と再現を実現するモーションコピーシステムを提案する。モーションコピーシステムとは、アクチュエータを用いて触覚情報の保存と再現を行うシステムであり、このモーションコピーシステムは、モーション保存システム200とモーション再現システム300で構成される。モーション保存システム200は操作者Aの動作を保存し、モーション再現システム300は保存された動作データを基に、操作者Aの位置と力の双方を再現することができる。すなわち時間と空間を越えて操作者の動作を再現することができる。このモーションコピー技術を用いれば、熟練技術者の動作を保存することができ、ロボットに技術の継承をさせることが可能となる。   FIG. 1 shows a flow of storage and reproduction of audiovisual information and tactile information showing a preferred embodiment 1 of the present invention. As shown in the figure, the audiovisual information is stored by a microphone or camera and reproduced using a speaker or a display. Here, we propose a motion copy system that realizes the preservation and reproduction of tactile information. The motion copy system is a system that stores and reproduces tactile information using an actuator. The motion copy system includes a motion storage system 200 and a motion reproduction system 300. The motion storage system 200 stores the operation of the operator A, and the motion reproduction system 300 can reproduce both the position and the force of the operator A based on the stored operation data. That is, the operation of the operator can be reproduced across time and space. By using this motion copy technology, it is possible to save the operation of a skilled engineer and to allow the robot to inherit the technology.

図2は、上述したモーション保存システムの概念を示す図面である。同図に示すように、モーション保存システム200は、二つのアクチュエータ201,202によりバイラテラル制御部203によって動作する。マスタ側の操作者Aは、このバイラテラル制御部203によりスレーブ側の環境Eの感触を知覚できる。このとき、マスタ側の触覚情報を動作データとして、記憶手段たる記憶装置204に記憶する。この記憶された動作データは、モーション再現システム300によって操作者Aの動作を再現する際に用いられる。   FIG. 2 is a diagram illustrating the concept of the motion storage system described above. As shown in the figure, the motion storage system 200 is operated by a bilateral control unit 203 by two actuators 201 and 202. The operator A on the master side can perceive the feel of the environment E on the slave side by the bilateral control unit 203. At this time, the tactile information on the master side is stored as operation data in the storage device 204 as storage means. The stored operation data is used when the motion reproduction system 300 reproduces the operation of the operator A.

図3は、上述したモーション再現システム300の概念を示す図面である。モーション再現システム300では一つのアクチュエータ301を用い、このアクチュエータ301はスレーブ側となる。マスタ側のアクチュエータは仮想的に用意され、この仮想マスタシステム2Kは、モーション保存システム200の記憶装置204で保存された動作データによって構成されている。この保存された動作データを基にして、スレーブ側へ触覚情報を伝送し、スレーブ側のアクチュエータ301はそれに従って動作する。このように制御を行うことで、過去に保存されたマスタの操作者Aの動作データをいつでも再現することができる。   FIG. 3 is a diagram illustrating the concept of the motion reproduction system 300 described above. The motion reproduction system 300 uses one actuator 301, which is on the slave side. The actuator on the master side is virtually prepared, and this virtual master system 2K is configured by operation data stored in the storage device 204 of the motion storage system 200. Based on the stored operation data, tactile information is transmitted to the slave side, and the actuator 301 on the slave side operates accordingly. By performing the control in this way, the operation data of the master operator A stored in the past can be reproduced at any time.

図4は、モーション保存システム200の実験装置の一例を示している。モーション保存システム200はリニアモータを備えた2つのアクチュエータ201,202を備え、同図に示すように、マスタシステム2Mのアクチュエータ201においては、アクチュエータ201の設置用固定板として、平面が矩形の金属製板材からなる土台12が設けられ、その土台12の上面における長手方向に沿って、金属製からなる丸棒状の軸体13が土台12の上面上に前後方向に移動自在に設けられている。また、軸体13の長手方向のほぼ中央箇所の位置には、土台12の上面上に固定したリニアモータ14が装着されている。このリニアモータ14によって、軸体13はその長手方向に移動できるようになっている。さらに、軸体13の長手方向の他端には、検知手段としての位置エンコーダ15が装着されている。この位置エンコーダ15によって、軸体13の位置と加速度とを測定することができる。   FIG. 4 shows an example of an experimental device of the motion storage system 200. The motion storage system 200 includes two actuators 201 and 202 each having a linear motor. As shown in the figure, the actuator 201 of the master system 2M is made of a metal having a rectangular plane as a fixing plate for installing the actuator 201. A base 12 made of a plate material is provided, and a round bar-shaped shaft body 13 made of metal is provided on the upper surface of the base 12 so as to be movable in the front-rear direction along the longitudinal direction of the upper surface of the base 12. In addition, a linear motor 14 fixed on the upper surface of the base 12 is mounted at a substantially central position in the longitudinal direction of the shaft body 13. The linear motor 14 allows the shaft body 13 to move in the longitudinal direction. Further, a position encoder 15 as a detecting means is attached to the other end of the shaft body 13 in the longitudinal direction. The position encoder 15 can measure the position and acceleration of the shaft body 13.

また、同様にスレーブシステム3Sのアクチュエータ202も、アクチュエータ202の設置用固定板として、平面が矩形の金属製板材からなる土台22が設けられ、この土台22の上面における長手方向に沿って、金属製からなる丸棒状の軸体23が土台22の上面上に前後方向に移動自在に設けられている。また、軸体23の長手方向のほぼ中央箇所の位置には、土台22の上面上に固定したリニアモータ24が装着されている。このリニアモータ24によって、軸体23はその長手方向に移動できるようになっている。さらに、軸体23の長手方向の他端には、検知手段としての位置エンコーダ25が装着されている。この位置エンコーダ25によって、軸体23の位置と加速度とを測定することができる。   Similarly, the actuator 202 of the slave system 3S is also provided with a base 22 made of a metal plate having a rectangular plane as an installation fixing plate for the actuator 202, and is made of a metal along the longitudinal direction on the upper surface of the base 22. A round rod-like shaft body 23 is provided on the upper surface of the base 22 so as to be movable in the front-rear direction. Further, a linear motor 24 fixed on the upper surface of the base 22 is mounted at a substantially central position in the longitudinal direction of the shaft body 23. The linear motor 24 allows the shaft body 23 to move in the longitudinal direction. Further, a position encoder 25 as a detecting means is attached to the other end of the shaft body 23 in the longitudinal direction. With the position encoder 25, the position and acceleration of the shaft body 23 can be measured.

モーション保存システム200では、バイラテラル制御部203によりマスタ側の操作者Aは、スレーブ側の環境Eに触れることができる。上記の実験装置で用いたスレーブ側の環境Eは鉄のブロックである。モーション保存システム200はマスタの位置情報と力情報を制御周期毎に記憶装置204のメモリに記憶し、動作データファイルとして保存する。   In the motion storage system 200, the operator A on the master side can touch the environment E on the slave side by the bilateral control unit 203. The slave-side environment E used in the experimental apparatus is an iron block. The motion storage system 200 stores the master position information and force information in the memory of the storage device 204 for each control period, and stores the information as an operation data file.

図5は、モーション再現システム300の実験装置の一例を示している。モーション再現システム300のアクチュエータ301は先述の通りスレーブ側のリニアモータ24一つのみで構成される。スレーブの先端はモーション保存システム200と同様、環境Eとして鉄のブロックに接触できるように設定されている。モーション保存システム200の記憶装置204で保存された動作データファイルに基づき、モーション再現システム300はスレーブシステム3Sのアクチュエータ301を動作させる。なお、各々のシステム200,300は、アクチュエータシステム201,202,301以外の各部を制御プログラムで構成し、制御プログラムはRT-Linuxで実装してそのサンプリングタイムを100μsに設定している。なお、その制御パラメータを下記の表1に示す。   FIG. 5 shows an example of an experimental apparatus of the motion reproduction system 300. As described above, the actuator 301 of the motion reproduction system 300 includes only one linear motor 24 on the slave side. The tip of the slave is set so that it can contact the iron block as environment E, like the motion storage system 200. Based on the operation data file stored in the storage device 204 of the motion storage system 200, the motion reproduction system 300 operates the actuator 301 of the slave system 3S. In addition, each system 200 and 300 comprises each part other than actuator system 201,202,301 by a control program, the control program is mounted by RT-Linux, and the sampling time is set to 100 microseconds. The control parameters are shown in Table 1 below.

図6は、上述したモーション保存システム200の概念を示すブロック線図である。モーション保存システム200はバイラテラル制御部203を備え、実世界の関節空間と仮想世界のモード空間とに大別される。同図において、マスタモータは、前記マスタシステム2Mのリニアモータ14であり、スレーブモータは、前記スレーブシステム3Sのリニアモータ24である。各マスタには外乱オブザーバ31,32がそれぞれ備えられており、外乱の補償を行い、加速度制御を可能とする。パラメータは関節空間からモード空間へQuarry行列(クオリー行列)を用いて変換することができる。なお、以下の説明で、図や数式以外では、1階の微分を「・」,2階の微分を「・・」として便宜上あらわし、対応する記号の後に併記する。また、別に推定値をあらわす「^」を、対応する記号の前に併記する。 FIG. 6 is a block diagram showing the concept of the motion storage system 200 described above. The motion storage system 200 includes a bilateral control unit 203, and is roughly divided into a joint space in the real world and a mode space in the virtual world. In the figure, the master motor is the linear motor 14 of the master system 2M, and the slave motor is the linear motor 24 of the slave system 3S. Each master is provided with disturbance observers 31 and 32, respectively, to compensate for disturbances and enable acceleration control. Parameters can be converted from joint space to mode space using a Quarry matrix. In the following description, except for figures and mathematical expressions, the first-order differential is represented as “•” and the second-order differential is represented as “••” for convenience, and written after the corresponding symbol. In addition, “^” representing an estimated value is additionally written before the corresponding symbol.

下記の数1に2次のQuarry行列Q2を示す。 A quadratic Quarry matrix Q 2 is shown in Equation 1 below.

図中の反力推定オブザーバ33,34はマスタの反力FM extとスレーブの反力FS extを推定する。推定されたマスタ及びスーブの反力FMext,FSextは、下記の数2に示すQuarry行列Q2によって、和のモードの力応答FC resと差のモードの応答FD resに変換される。 The reaction force estimation observers 33 and 34 in the figure estimate the master reaction force F M ext and the slave reaction force F S ext . The estimated master and sub reaction forces F M ^ ext and F S ^ ext are summed mode response F C res and difference mode response F D res according to the Quarry matrix Q 2 shown in Equation 2 below. Is converted to

また、位置センサたる位置エンコーダ15,25より得られたマスタの位置応答xM resとスレーブの位置応答xS resについても、下記の数3でモード空間に変換される。 Further, the master position response x M res and the slave position response x S res obtained from the position encoders 15 and 25 as position sensors are also converted into a mode space by the following equation (3).

Quarry行列で変換された和のモードの力応答FC resと差のモードの位置応答xD resを用いて、以下のように制御器が構成される。 Using the sum mode force response F C res transformed by the Quarry matrix and the difference mode position response x D res , the controller is configured as follows.

ここでCfは力制御器35のゲイン、Kpは位置制御器36の比例ゲイン、Kdは微分ゲインである。力制御器35で得られる和のモードの加速度参照値x・ ・C refと、位置制御器36で得られる差のモードの加速度参照値xD・・refは、下記の数6に示すQuarry逆行列Q2 -1によって関節空間マスタシステム2Mと関節空間スレーブシステム3Sへそれぞれ逆変換される。 Here C f is the gain of the force controller 35, the K p proportional gain of the position controller 36, the K d is the derivative gain. The acceleration reference value x ·· C ref of the sum mode obtained by the force controller 35 and the acceleration reference value x D ·· ref of the difference mode obtained by the position controller 36 are the Quarry inverse shown in the following equation (6). The matrix Q 2 −1 is inversely transformed into the joint space master system 2M and the joint space slave system 3S, respectively.

上記のようにして逆変換されたマスタの加速度参照値x・・M refとスレーブの加速度参照値x・・S refにより各アクチュエータが制御される。 Each actuator is controlled by the master acceleration reference value x ·· M ref and the slave acceleration reference value x ·· S ref which are inversely transformed as described above.

このようにして和のモードでは力制御を行い、差のモードでは位置制御を行い、バイラテラル制御部203を構成する。この制御部203が構築されると、マスタの操作者Aはスレーブの触覚情報を把握することができる。   In this way, force control is performed in the sum mode, and position control is performed in the difference mode, and the bilateral control unit 203 is configured. When the control unit 203 is constructed, the master operator A can grasp the tactile information of the slave.

そして、モーション保存システム200は、マスタの位置応答xM resとマスタの反力FMextを記憶装置204のメモリに保存し、動作データとして記憶される。この動作データはモーション再現システム300で操作者Aの動作を再現する際に用いられる。 The motion storage system 200 stores the master position response x M res and the master reaction force F M ^ ext in the memory of the storage device 204 and stores them as operation data. This motion data is used when the motion reproduction system 300 reproduces the motion of the operator A.

図7はモーション再現システム300のブロック線図を示す。モーション再現システム300の基本的な構造はモーション保存システム200と同様である。モーション再現システム300のモーションコントロールについてもモーション保存システム200と同様である。すなわちモード空間において和のモードで力制御を、差のモードで位置制御を構成する。モーション保存システム200との唯一の違いは実世界にマスタシステムが存在しないことである。従ってアクチュエータ301は一つのみを用いる。モーション再現システム300の仮想マスタシステム2Kは、仮想マスタモータ14Kが仮想的に用意され、モーション保存システム200で保存された動作データによって構成されている。この仮想マスタモータ14Kは、保存されたマスタの反力FMextと位置応答xM resの時系列データを一方的に出力する。このように制御部303を構成することで、保存されたマスタの位置と力を差異無く再現することができる。つまり、過去に保存された操作者Aの動作をいつでも再現することが可能となる。 FIG. 7 shows a block diagram of the motion reproduction system 300. The basic structure of the motion reproduction system 300 is the same as that of the motion storage system 200. The motion control of the motion reproduction system 300 is the same as that of the motion storage system 200. That is, in the mode space, force control is configured in the sum mode, and position control is configured in the difference mode. The only difference from the motion storage system 200 is that there is no master system in the real world. Therefore, only one actuator 301 is used. In the virtual master system 2K of the motion reproduction system 300, a virtual master motor 14K is virtually prepared and configured by operation data stored in the motion storage system 200. The virtual master motor 14K unilaterally outputs time series data of the stored master reaction force F M ^ ext and position response x M res . By configuring the control unit 303 in this way, the stored master position and force can be reproduced without difference. That is, it is possible to reproduce the operation of the operator A stored in the past at any time.

次に、上記図4及び図5で説明した実験装置を用いた実験結果について説明する。図8には、操作者Aが軸体13を操作し、軸体13が環境Eに触れない自由動作を行った場合を示し、図9には、軸体13が環境Eを押す動作のみの場合を示し、図10には、軸体13を環境Eに衝突させた場合の実験結果を示す。また、図8〜10の(a)、(b)はモーション保存システム200によって保存された位置情報と力情報をそれぞれ示す。一方、図8〜図10の(c)、(d)はモーション再現システム300によって再現された位置と力を示す。この実験結果からは、環境Eに接触しない自由動作、環境Eを押す動作、環境Eに衝突させる動作のいずれの場合であっても、再現された力と位置は保存された力と位置に完璧に合致することがわかる。従って、本発明のモーションコピーシステムは操作者Aの動作を保存し再現することができる。   Next, experimental results using the experimental apparatus described with reference to FIGS. 4 and 5 will be described. FIG. 8 illustrates a case where the operator A operates the shaft body 13 and performs a free motion in which the shaft body 13 does not touch the environment E. FIG. 9 illustrates only the operation in which the shaft body 13 presses the environment E. FIG. 10 shows experimental results when the shaft body 13 collides with the environment E. FIG. 8A to 10B show position information and force information stored by the motion storage system 200, respectively. On the other hand, (c) and (d) of FIGS. 8 to 10 show the position and force reproduced by the motion reproduction system 300. From the results of this experiment, the reproduced force and position are perfect for the stored force and position, regardless of whether it is a free movement that does not contact the environment E, an action that pushes the environment E, or an action that collides with the environment E. You can see that Therefore, the motion copy system of the present invention can store and reproduce the operation of the operator A.

以上のように本実施例では、時系列な位置情報と力の接触情報を取得し、前記取得した位置情報と力の接触情報を解析処理し、この解析処理結果を記憶手段たる記憶装置204に保存し、この保存した解析処理結果により前記位置情報と力の接触情報を再現する方法を提供し、また、位置・力再現装置は、時系列な位置情報と力の接触情報を取得する手段であるアクチュエータ201と、取得した位置情報と力の接触情報を解析処理する処理手段たるモーション保存システム200の制御部203と、解析処理結果を保存する記憶装置204とを備え、保存した解析処理結果により前記位置情報と力の接触情報を再現する構成としている。   As described above, in this embodiment, time-series position information and force contact information are acquired, the acquired position information and force contact information are analyzed, and the analysis processing result is stored in the storage device 204 serving as storage means. And a method for reproducing the position information and the force contact information based on the stored analysis processing result, and the position / force reproduction device is a means for acquiring time-series position information and force contact information. A certain actuator 201, a control unit 203 of the motion storage system 200, which is a processing means for analyzing the acquired position information and force contact information, and a storage device 204 for storing the analysis processing result, and depending on the stored analysis processing result The position information and force contact information are reproduced.

これにより接触時と非接触時の位置・力の双方の再現を実現でき、接触−非接触を繰り返すような動作を保存・再現させることができる。そして、操作者の位置と力の双方を再現することができ、時間と空間を越えて操作者の動作を再現することができる。このモーションコピー技術を用いれば、熟練技術者の動作を保存することができ、ロボットに技術の継承をさせることが可能となる。   As a result, it is possible to reproduce both the position and force at the time of contact and at the time of non-contact, and it is possible to store and reproduce the operation of repeating contact-non-contact. Then, both the position and force of the operator can be reproduced, and the operation of the operator can be reproduced over time and space. By using this motion copy technology, it is possible to save the operation of a skilled engineer and to allow the robot to inherit the technology.

図11は本発明の好適な実施例2を示す再現速度可変モーションコピーシステムの概念図であり、この例では、再現する速度を可変にすることができるモーションコピーシステムについて述べる。上述したモーションコピーシステムは保存された動作をそのままの1倍速で再現するのみの例であった。可変再現速度について考慮されたモーションコピーシステムが構築されれば、1倍速だけでなく任意の速度で、保存された操作者Aの動作を再現することができる。この再現速度は遅くすることも、逆に早くすることも可能であり、自由に設定できる。   FIG. 11 is a conceptual diagram of a reproduction speed variable motion copy system showing a second preferred embodiment of the present invention. In this example, a motion copy system capable of varying the reproduction speed will be described. The motion copy system described above is an example that only reproduces a stored operation as it is at 1 × speed. If a motion copy system taking into account the variable reproduction speed is constructed, the stored operation of the operator A can be reproduced not only at 1 × speed but also at an arbitrary speed. This reproduction speed can be slow or conversely fast and can be set freely.

モーション保存システム200は、実施例1の保存システムとなんら変わりはない。従って、実施例1で示した通常のモーション保存システム200で保存された動作データは、そのまま再現速度可変モーション再現システムに利用できる。   The motion storage system 200 is not different from the storage system of the first embodiment. Therefore, the operation data stored in the normal motion storage system 200 shown in the first embodiment can be used as it is in the variable reproduction speed motion reproduction system.

これに対して、図12に可変再現速度などについて考慮されたモーション再現システム300Aのブロック線図を示す。基本的な制御部303の構造は実施例1のモーション再現システム300と同等である。しかし、仮想マスタシステム2Kは再現条件設定手段41を備え、再現速度指令などを与えられる点が異なる。この再現速度指令は自由に設定することができる。その再現条件設定手段41により外部から与えられた再現速度指令により、保存された動作データの出力速度を変化させる。   On the other hand, FIG. 12 shows a block diagram of a motion reproduction system 300A in which variable reproduction speed and the like are considered. The basic structure of the control unit 303 is the same as that of the motion reproduction system 300 of the first embodiment. However, the virtual master system 2K is different from the virtual master system 2K in that the reproduction condition setting means 41 is provided and a reproduction speed command is given. This reproduction speed command can be set freely. The output speed of the stored operation data is changed by a reproduction speed command given from the outside by the reproduction condition setting means 41.

また、再現条件設定手段41は、モーション保存システム200の記憶装置204で記憶したデータを、時間を逆にして、逆再現するように設定したり、この逆再現において再現速度(出力速度)を自由に設定したりすることができ、それらの再現条件は、条件設定入力手段42により、再現条件設定手段41に可変で入力設定することができる。その再現条件入力手段42としてはキーボードや切替操作摘みなどが例示される。   In addition, the reproduction condition setting means 41 sets the data stored in the storage device 204 of the motion storage system 200 to be reversely reproduced with the time reversed, or the reproduction speed (output speed) can be freely set in this reverse reproduction. These reproduction conditions can be variably input and set in the reproduction condition setting means 41 by the condition setting input means 42. Examples of the reproduction condition input means 42 include a keyboard and a switching operation knob.

次に、実験例について説明する。実験装置は実施例1のモーションコピーシステムの場合と同様であり、図4に示したモーション保存システム200の実験装置と、図5のモーション再現システムの実験装置とを使用した。なお、軸体13を環境Eに衝突させた場合のみについて実験を行った。   Next, experimental examples will be described. The experimental apparatus is the same as in the case of the motion copy system of Example 1, and the experimental apparatus of the motion storage system 200 shown in FIG. 4 and the experimental apparatus of the motion reproduction system of FIG. 5 were used. The experiment was conducted only when the shaft body 13 was made to collide with the environment E.

図13に、モーション保存システムによって保存された動作データを示す。これに対して、図14〜図17に再現速度可変モーション再現システム300Aの実験結果を示す。図14〜図17の(a)は位置応答を示し、図14〜図17の(b)は力応答を表す。これらの図14〜図17は、それぞれ再現速度が1倍のとき、2倍のとき、3倍のとき、1/2倍のときを示している。   FIG. 13 shows the operation data stored by the motion storage system. In contrast, FIGS. 14 to 17 show experimental results of the reproduction speed variable motion reproduction system 300A. 14A to 17A show the position response, and FIGS. 14B to 17B show the force response. FIGS. 14 to 17 show the reproduction speed of 1 time, 2 times, 3 times, and 1/2 times, respectively.

これらの実験結果から分かることは、再現条件設定手段41による再現速度指令が任意の値に設定されていても、再現された位置応答と力応答は、モーション保存システムによって保存された位置情報と力情報に合致することである。従って、保存された操作者Aの動作を任意の速度で再現可能なことが確認できる。これまで行われていた音声と画像のスローモーションではなく、物体の位置情報と力情報とをスローモーションや逆再生で得ることができる。なお、実験では、再現速度が1倍、2倍、3倍、1/2倍の場合を行ったが、再現速度をアナログ的に設定可能にしてもよいし、時間を逆にした逆再現の場合にも、再現速度を可変にすることができる。   It can be understood from these experimental results that even if the reproduction speed command by the reproduction condition setting means 41 is set to an arbitrary value, the reproduced position response and force response are the position information and force stored by the motion storage system. To match the information. Therefore, it can be confirmed that the stored operation of the operator A can be reproduced at an arbitrary speed. It is possible to obtain object position information and force information by slow motion or reverse playback, instead of slow motion of audio and images that have been performed so far. In the experiment, the reproduction speed was 1, 2, 3 and 1/2 times. However, the reproduction speed may be set in an analog manner, or the reverse reproduction with the time reversed. Even in this case, the reproduction speed can be made variable.

以上のように本実施例では、再現条件設定手段41により、前記位置情報と力の接触情報を可変速で再現することができ、保存したデータに基いて、接触−非接触を繰り返す動作を等速・可変速で再現することができる。   As described above, in this embodiment, the position information and the contact information of the force can be reproduced at a variable speed by the reproduction condition setting means 41, and the operation of repeating contact-noncontact based on the stored data is performed. Can be reproduced at high speed and variable speed.

また、位置情報と力の接触情報を、時系列を逆に再現する再現条件設定手段41を備えるから、接触−非接触を繰り返す動作を逆再生することができ、さらに、可変速で逆再生することもできる。   Further, since the reproduction condition setting means 41 that reproduces the position information and the contact information of the force in reverse time series is provided, the operation of repeating contact-noncontact can be reproduced in reverse, and further, reverse reproduction is performed at a variable speed. You can also.

図18は本発明の好適な実施例3を示すモーションコピーシステムのブロック線図であり、この例のモーションコピーシステムでは、アイデンティティ比を考慮したマルチラテラル制御を行う。このマルチラテラル制御はバイラテラル制御を拡張したものであり、複数台のモータ間で力と位置のやり取りを行い、触覚情報の共有を可能とする。従来のマルチラテラル制御では複数台のモータは同じ動作をする。従って、複数のマスタが一つのスレーブを操作しようとする場合、複数の操作者A,A…同士で互いに影響しクロストークが発生する。すなわち各々の操作者A,A…はスレーブの触覚情報だけでなく、他の操作者A,A…の動作までも知覚することになる。これは将来の触覚放送技術を構築する上で問題となる。   FIG. 18 is a block diagram of a motion copy system showing a third preferred embodiment of the present invention. In the motion copy system of this example, multilateral control is performed in consideration of the identity ratio. This multilateral control is an extension of the bilateral control, and exchanges force and position between a plurality of motors to enable sharing of tactile information. In conventional multilateral control, a plurality of motors perform the same operation. Therefore, when a plurality of masters try to operate one slave, the plurality of operators A, A... Influence each other and crosstalk occurs. That is, each operator A, A ... perceives not only the tactile information of the slave but also the operations of other operators A, A .... This is a problem in constructing future tactile broadcasting technology.

そこで、アイデンティティ比を用いたマルチラテラル制御を提案する。モーションコピーシステムに、マルチラテラル制御部205を設けることによって操作者A,A…間の情報分離が可能となる。この制御系はN−1台のマスタで1台のスレーブを操作することを目的とする。図中のマスタ1〜N−1の反力の等価加速度x・・M1 Fres〜x・・MN-1 Fres及びスレーブの反力の等価加速度x・・S FresはN次のQuarry行列QNによってモード分解され、モード分解するためのモード分解手段を制御部205が備える。このうち分解された和のモードの反力の等価加速度x・・C Fresを使ってモード空間において力サーボ(力制御器)35により制御を行う。一方で、同様に差のモードに分解された実加速度x・・D1 Pres〜x・・DN-1 Presを用いて位置レギュレータ(位置制御器)36により制御される。和のモードの加速度参照値x・・C ref及び差のモードの加速度参照値x・・D1 ref〜x・・DN refは、Quarry逆行列Q2 -1によって、マスタ1〜N−1の加速度参照値x・・M1 ref〜x・・MN-1 refとスレーブの加速度参照値x・・S refに変換でき、このための演算処理手段51を制御部205は備える。なお、演算処理手段51にはコンピュータの計算アルゴリズムを用いることができる。 Therefore, we propose multilateral control using identity ratio. By providing the multilateral control unit 205 in the motion copy system, information separation between the operators A, A. The purpose of this control system is to operate one slave with N-1 masters. In the figure, the equivalent acceleration x ·· M1 Fres to x ·· MN-1 Fres of the reaction force of the masters 1 to N-1 and the equivalent acceleration x ·· S Fres of the reaction force of the slave are represented by the Nth-order Quarry matrix Q N. The control unit 205 includes mode decomposition means for mode decomposition and mode decomposition. Control is performed by a force servo (force controller) 35 in the mode space by using the equivalent acceleration x ·· C Fres of the reaction force of the sum mode that is decomposed. On the other hand, it is controlled by the position regulator (position controller) 36 using the actual acceleration x ·· D1 Pres to x ·· DN-1 Pres similarly decomposed into the difference modes. The acceleration reference value x ·· C ref in the sum mode and the acceleration reference value x ·· D1 ref to x ·· DN ref in the difference mode are the accelerations of the masters 1 to N-1 by the Quarry inverse matrix Q 2 -1 . The reference value x ·· M1 ref to x ·· MN-1 ref and the slave acceleration reference value x ·· S ref can be converted, and the control unit 205 includes arithmetic processing means 51 for this purpose. Note that a calculation algorithm of a computer can be used for the arithmetic processing means 51.

従来のマルチラテラル制御では、この各々の加速度参照値をそのまま各マスタに入力していたが、ここではアイデンティティ比を乗算した後に各マスタに入力する。マスタがN−1台存在するとき、マスタiのアイデンティティ比IRiは、下記の数7から得られる。また、各々の加速度参照値とアイデンティティ比を乗算する作業も前記制御部205によりなされる。 In the conventional multilateral control, each acceleration reference value is input to each master as it is, but here, it is input to each master after being multiplied by the identity ratio. When there are N-1 masters, the identity ratio IR i of the master i can be obtained from Equation 7 below. Further, the control unit 205 also multiplies each acceleration reference value by the identity ratio.

ここでFi extはマスタiの推定反力である。アイデンティティ比はスレーブに加わる全体の入力に対する自身の入力の比であり、これを反映することで各マスタの独立な動作を可能にする。従って各々のマスタ間では情報分離がなされた上で、複数のマスタで1つのスレーブを操作し触覚情報の共有ができる。 Here, F i ext is an estimated reaction force of the master i. The identity ratio is the ratio of its own input to the total input applied to the slave, and reflects this to allow each master to operate independently. Therefore, after information is separated between the masters, a plurality of masters can operate one slave and share tactile information.

図19に各マスタシステム2M,2Mとスレーブシステム3Sのブロック線図を示す。外乱オブザーバ31はアクチュエータに加わる外乱Fdisを推定し、これを補償することで加速度制御を実現する。反力の等価加速度x・・Fresは反力推定オブザーバによって推定された反力F^extと慣性Mnで計算される。図18に示すマルチラテラル制御系は、図19の加速度応答値x・・Pres、反力の等価加速度x・・Fresを用いて構成する。 FIG. 19 shows a block diagram of each of the master systems 2M and 2M and the slave system 3S. The disturbance observer 31 estimates the disturbance F dis applied to the actuator and compensates for this to realize acceleration control. The equivalent acceleration x ·· Fres of the reaction force is calculated by the reaction force F ext estimated by the reaction force observer and the inertia M n . The multilateral control system shown in FIG. 18 is configured using the acceleration response value x ·· Pres and the equivalent acceleration x ·· Fres of the reaction force shown in FIG.

この例のモーションコピーシステムは、モーション保存システム200Bとモーション再現システム300Bの2つで構成される。ここではそのうちの一方、モーション保存システム200Bについて説明する。   The motion copy system in this example is composed of a motion storage system 200B and a motion reproduction system 300B. Here, one of them, the motion storage system 200B will be described.

基本的な構造はアイデンティティ比を考慮したマルチラテラル制御と同等である。モーションコピーシステムで用いられるパラメータを以下に示す。この例のモーションコピーシステムは、任意の複数台数のマスタシステム2Mが存在する場合でも対応できるが、ここでは2つのマスタシステム2M,2Mと1つのスレーブシステム3Sで構成された例について述べる。   The basic structure is equivalent to multilateral control considering identity ratio. The parameters used in the motion copy system are shown below. The motion copy system of this example can cope with the case where there are any number of master systems 2M. Here, an example constituted by two master systems 2M, 2M and one slave system 3S will be described.

図20は、モーション保存システム200Bの実験装置の一例を示している。この例のモーション保存システム200Bの実験ではリニアモータを備えた3つのアクチュエータ201,201A,202を使用し、うち2つのアクチュエータ201,201Aをマスタ1,マスタ2、残り1つのアクチュエータ202をスレーブとする。マスタ1及びマスタ2のアクチュエータ201,201Aはそれぞれの操作者A,Aが操作を行い、スレーブを動作させる。スレーブ側リニアモータ24の軸体13の先端が環境Eに接触し、この感触をマルチラテラル制御によって各マスタに伝達する。本実験ではスレーブ側の環境Eにスポンジを用いた。スポンジの硬さはモデル化していない。すなわち、制御系にとって未知のパラメータである。各アクチュエータ201,201A,202は制御部303により制御され、RT-Linuxによってプログラム制御され、各操作者Aの動作を記憶装置204のメモリに保存し動作データをファイルに出力する。保存された動作データファイルはモーション再現システム300Bで利用される。   FIG. 20 shows an example of an experimental apparatus of the motion storage system 200B. In the experiment of the motion storage system 200B of this example, three actuators 201, 201A, 202 having linear motors are used, of which two actuators 201, 201A are master 1, master 2, and the remaining one actuator 202 is a slave. . The actuators 201 and 201A of the master 1 and the master 2 are operated by the respective operators A and A to operate the slaves. The tip of the shaft 13 of the slave-side linear motor 24 contacts the environment E, and this feeling is transmitted to each master by multilateral control. In this experiment, a sponge was used for environment E on the slave side. The hardness of the sponge is not modeled. That is, the parameter is unknown to the control system. The actuators 201, 201A, and 202 are controlled by the control unit 303, and are program-controlled by RT-Linux. The operation of each operator A is saved in the memory of the storage device 204, and the operation data is output to a file. The stored operation data file is used in the motion reproduction system 300B.

図21は、モーション再現システム300Bの実験装置の一例を示している。スレーブは仮想的に用意するため、モーション保存システム200Bの場合と異なり、アクチュエータ301は、2台のリニアモータ24,24Aを使用する。この2台のリニアモータ24,24Aがそれぞれマスタ1とマスタ2となる。各マスタの軸体23,23の先端は、モーション保存システム200Bで用いたスポンジに接触できるように設定されている。モーション再現システム300Bについても制御部303により制御され、RT-Linuxによって制御され、再現する際には、モーション保存システム200Bによって作成された動作データファイルを基にして制御が行われる。   FIG. 21 shows an example of an experimental apparatus of the motion reproduction system 300B. Since the slave is virtually prepared, unlike the motion storage system 200B, the actuator 301 uses two linear motors 24 and 24A. The two linear motors 24 and 24A serve as a master 1 and a master 2, respectively. The tips of the shafts 23 and 23 of each master are set so that they can contact the sponge used in the motion storage system 200B. The motion reproduction system 300B is also controlled by the control unit 303, controlled by RT-Linux, and is reproduced based on the operation data file created by the motion storage system 200B.

図22にモーション保存システム200Bのブロック線図を示す。モーション保存システム200Bは仮想的なモード空間と実世界の関節空間の2つの空間を有する。実世界の関節空間における物理的なあらゆるパラメータは、Quarry行列によって仮想的なモード空間へと変換できる。3次のQuarry行列Q3は以下に示す数8で与えられる。 FIG. 22 shows a block diagram of the motion storage system 200B. The motion storage system 200B has two spaces, a virtual mode space and a real-world joint space. Any physical parameter in the real-world joint space can be transformed into a virtual mode space by the Quarry matrix. The cubic Quarry matrix Q 3 is given by the following equation (8).

このQuarry行列Q3によってマルチラテラル制御を実現できる。各マスタシステム2M,2Mとスレーブシステム3Sの反力の等価加速度x・・M1 Fres,x・・M2 Fres,x・・S Fresは、下記の数9によって各モードの等価加速度に分解され、制御部205はその分解の分解手段を備える。 Multi-lateral control can be realized by the Quarry matrix Q 3 . The equivalent accelerations x ·· M1 Fres , x ·· M2 Fres , x ·· S Fres of the reaction forces of the master systems 2M and 2M and the slave system 3S are decomposed into the equivalent accelerations of the respective modes by the following equation (9). The unit 205 includes a decomposition means for the decomposition.

マスタ及びスレーブの実加速度x・・M1 Pres,x・・M2 Pres,x・・S Presの場合も同様に、下記の数10を用いて関節空間からモード空間へ変換し、制御部205はその変換のための変化手段を備える。 Similarly, in the case of the actual acceleration x ·· M1 Pres , x ·· M2 Pres , x ·· S Pres of the master and the slave, the joint space is converted to the mode space using the following equation 10, and the control unit 205 A change means for conversion is provided.

モード空間へ変換された各々の加速度のうち実際に制御に用いられるのは、共通モードにおける反力の等価加速度x・・C Fres,差動モード1の実加速度x・・D1 Pres及び差動モード2の実加速度x・・D2 Presの3つのみである。共通モードにおいて、反力の等価加速度x・・C Fresを用い、下記の数11に示すように、力サーボ35により制御される。 Of the accelerations converted to the mode space, the actual acceleration used in the common mode is x ·· C Fres , the actual acceleration x ·· D1 Pres in the differential mode 1 and the differential mode. There are only 3 actual accelerations x 2 and D2 Pres . In the common mode, the reactive acceleration equivalent acceleration x ·· C Fres is used and is controlled by the force servo 35 as shown in Equation 11 below.

前記数11において、Cfは力制御器35のゲインである。 In Equation 11, C f is the gain of the force controller 35.

一方の差動モードにおいては実加速度x・・D1 Pres,x・・D2 Presを用いて、下記の数12,数13により位置レギュレータ36を構成する。 In one differential mode, the position regulator 36 is configured by the following equations 12 and 13 using the actual acceleration x ·· D1 Pres and x ·· D2 Pres .

ここで、KP,Kは位置レギュレータ36のゲインである。上記数11〜数
13で計算された各モードの加速度参照値は、Quarry逆行列QS -1によって仮想的なモード空間から実世界の関節空間へと逆変換でき、制御部303はその逆変換のための逆変換手段を備える。
Here, K P and K v are gains of the position regulator 36. The acceleration reference values of the respective modes calculated in the above equations 11 to 13 can be inversely transformed from the virtual mode space to the real world joint space by the Quarry inverse matrix Q S −1 , and the control unit 303 performs the inverse transformation. Inverse conversion means is provided.

上記数14により各マスタの加速度参照値x・・M1 ref〜x・・M2 refとスレーブの加速度参照値x・・S refが計算される。アイデンティティ比を用いたマルチラテラル制御を行う場合では、この加速度参照値は実際には各々のアイデンティティ比を掛けた後にマスタ及びスレーブに入力する。マスタ1のアイデンティティ比IR1は下記の数15を用いて算出し、マスタ2のアイデンティティ比IR2は下記の数16を用いて算出する。 The acceleration reference value x ·· M1 ref to x ·· M2 ref of each master and the acceleration reference value x ·· S ref of the slave are calculated by the above equation (14). In the case of performing multilateral control using an identity ratio, the acceleration reference value is actually input to the master and slave after being multiplied by each identity ratio. The identity ratio IR 1 of the master 1 is calculated using the following formula 15, and the identity ratio IR 2 of the master 2 is calculated using the following formula 16.

このアイデンティティ比はオンラインで計算され、各々のマスタの入力によって時々刻々と変化する。ここでは各マスタの入力が閾値である0.3N以上の場合にアイデンティティ比を有効とする。アイデンティティ比は実空間のマスタの位置参値を強制的に変化させる。従って、他のマスタ及びスレーブとの位置応答を仮想的に揃える必要がある。そこで、各マスタの応答値にアイデンティティ比の逆数を乗じる。なお、これらの制御は制御部205によりなされる。 This identity ratio is calculated online and changes from moment to moment with each master's input. Here, the identity ratio is valid when the input of each master is equal to or greater than the threshold value of 0.3N. The identity ratio forcibly changes the position threshold of the master in real space. Accordingly, it is necessary to virtually align position responses with other masters and slaves. Therefore, the response value of each master is multiplied by the reciprocal of the identity ratio. These controls are performed by the control unit 205.

モーション保存システム200Bでは、スレーブの反力の等価加速度x・・S Fresと実加速度x・・S Pres,及びマスタ1のアイデンティティ比IR1,マスタ2のアイデンティティ比IR2の時系列データを制御周期毎に保存する。保存されたデータはモーション再現システム300Bで各操作者A,Aの動作を再現する際に用いられる。 In the motion preserving system 200B, the slave cycle reaction force equivalent acceleration x ·· S Fres and actual acceleration x ·· S Pres , master 1 identity ratio IR 1 , master 2 identity ratio IR 2 time-series data are controlled. Save every time. The stored data is used when the motion reproduction system 300B reproduces the operations of the operators A and A.

図23に、モーション再現システム300Bのブロック線図を示す。モーション再現システム300Bの基本的な構造は、モーション保存システム200Bの場合と同じである。ただし、モーション保存システム200Bと違う点は、保存されたデータを仮想的なスレーブと見立て、仮想スレーブシステム3Kが仮想的に用意されている。すなわち、再現システム300Bではスレーブを使用しない。この仮想スレーブは、保存されたスレーブの反力の等価加速度x・・S Fresと実加速度x・・S Presの時系列データを一方的に出力する。また、モーション保存システム200Bで保存されたマスタ1のアイデンティティ比IR1,マスタ2のアイデンティティ比IR2に従い、それぞれのアイデンティティ比についても操作する。このようにしてモーション保存システム200Bで保存された動作データを用いて仮想的に用意されたスレーブに従い、マスタ1とマスタ2は制御される。提案するモーション再現システム300Bにより、マスタ1の操作者Aとマスタ2の操作者Aの動作を独立して再現することが可能となる。 FIG. 23 shows a block diagram of the motion reproduction system 300B. The basic structure of the motion reproduction system 300B is the same as that of the motion storage system 200B. However, the difference from the motion storage system 200B is that a virtual slave system 3K is virtually prepared by regarding the stored data as a virtual slave. That is, the reproduction system 300B does not use a slave. This virtual slave unilaterally outputs time-series data of the stored slave reaction force equivalent acceleration x ·· S Fres and actual acceleration x ·· S Pres . Further, according to the identity ratio IR 1 of the master 1 and the identity ratio IR 2 of the master 2 stored in the motion storage system 200B, the respective identity ratios are also operated. In this way, the master 1 and the master 2 are controlled according to the slave prepared virtually using the operation data stored in the motion storage system 200B. With the proposed motion reproduction system 300B, the operations of the operator A of the master 1 and the operator A of the master 2 can be reproduced independently.

次に、図20および図21に示した実験装置による実験結果について説明する。図24はモーション保存システム200Bの実験結果を示し、図24(a)は位置応答を示し、図24(b)は力応答を示し、図24(c)はアイデンティティ比の変化を示す。従来のマルチラテラル制御では、全てのシステムの位置応答は一致したものとなる。しかしながら、図24(a)からは、各々のマスタ及びスレーブの位置応答は、アイデンティティ比に従い異なったものとなっていることがわかる。アイデンティティ比によって、スレーブの位置応答を入力に応じて各マスタに分配できていることが確認できる。モーション保存システム200Bの実験では、スレーブの動作データと各マスタのアイデンティティ比が保存される。   Next, experimental results using the experimental apparatus shown in FIGS. 20 and 21 will be described. 24 shows the experimental results of the motion storage system 200B, FIG. 24 (a) shows the position response, FIG. 24 (b) shows the force response, and FIG. 24 (c) shows the change in the identity ratio. In conventional multilateral control, the position responses of all systems are the same. However, FIG. 24 (a) shows that the position response of each master and slave is different according to the identity ratio. From the identity ratio, it can be confirmed that the position response of the slave can be distributed to each master according to the input. In the experiment of the motion storage system 200B, the slave operation data and the identity ratio of each master are stored.

図25はモーション再現システム300Bの実験結果を示し、図25のスレーブのデータと各マスタのアイデンティティ比は、モーション再現システム300Bによって保存された動作データである。図25(a)のマスタ1及びマスタ2の位置応答は、図24(a)に示すマスタ1とマスタ2の位置応答に合致していることが確認できる。また、図25(b)に示す各マスタの力応答についても、図24(b)に示される各マスタの力応答に一致する。すなわち、各マスタの位置と力が、過去に保存された位置と力に追従している。またマスタ1の操作者Aとマスタ2の操作者Aの位置と力を再現することができることも確認できる。従って、マスタ1とマスタ2は独立してモーションの保存と再現ができることを示している。   FIG. 25 shows experimental results of the motion reproduction system 300B. The slave data and the identity ratio of each master in FIG. 25 are operation data stored by the motion reproduction system 300B. It can be confirmed that the position responses of the master 1 and the master 2 in FIG. 25A match the position responses of the master 1 and the master 2 shown in FIG. Also, the force response of each master shown in FIG. 25 (b) also matches the force response of each master shown in FIG. 24 (b). That is, the position and force of each master follows the position and force stored in the past. It can also be confirmed that the positions and forces of the operator A of the master 1 and the operator A of the master 2 can be reproduced. Therefore, it is shown that the master 1 and the master 2 can store and reproduce the motion independently.

このように、モーション保存システム200Bによって各マスタの動作データを保存し、モーション再現システム300Bによって再現することができる。結果として一連のモーションコピーシステムによって各マスタの操作者Aの位置と力を再現できることを確認した。   As described above, the motion data of each master can be stored by the motion storage system 200B and can be reproduced by the motion reproduction system 300B. As a result, it was confirmed that the position and force of the operator A of each master can be reproduced by a series of motion copy systems.

以上のように本実施例では、個別の時系列な位置情報と力の接触情報を多数取得し、取得した多数の位置情報と力の接触情報を解析処理し、この解析処理結果を記憶手段に保存し、この保存した解析処理結果により多数の位置情報と力の接触情報を同時または個別に再現し、また、個別の時系列な位置情報と力の接触情報を多数取得する手段たるアクチュエータ201,201Aと、取得した多数の位置情報と力の接触情報を解析処理する処理手段たる制御部205と、解析処理結果を保存する記憶手段たる記憶装置204とを備え、保存した解析処理結果により多数の位置情報と力の接触情報を同時または個別に再現する構成としているから、多人数による接触−非接触を繰り返す動作を、同時にあるいは個別に保存・再現することができる。   As described above, in this embodiment, a large number of pieces of individual time-series position information and force contact information are acquired, the acquired many pieces of position information and force contact information are analyzed, and the analysis processing results are stored in the storage means. The actuator 201 serving as means for storing and reproducing a large number of position information and force contact information simultaneously or individually according to the stored analysis processing result, and acquiring a large number of individual time-series position information and force contact information, 201A, a control unit 205 serving as a processing unit that performs analysis processing on a large number of acquired position information and force contact information, and a storage device 204 serving as a storage unit that stores analysis processing results. Because it is configured to reproduce position information and force contact information simultaneously or individually, it is possible to store and reproduce the operation of repeating contact-non-contact by a large number of people simultaneously or individually. .

また、スレーブに加わる全体の入力に対する自身の入力の比であるアイデンティティ比を用いた制御を行うことにより、操作者A,A…間の情報分離が可能となり、保存されたデータによりモーション再現システム300Bで各操作者A,Aの動作を独立して再現することができる。   Further, by performing control using the identity ratio that is the ratio of its own input to the total input applied to the slave, information separation between the operators A, A... Is possible, and the motion reproduction system 300B is based on the stored data. Thus, the operations of the operators A and A can be reproduced independently.

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。   In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation implementation is possible in the range of the summary of this invention.

上記実施例で提示した位置・力再現方法および位置・力再現装置により、操作者の位置と力の双方を再現することができ、時間と空間を越えて操作者の動作を再現することができる。このモーションコピー技術を用いれば、熟練技術者の動作を保存することができ、ロボットに技術の継承をさせることが可能となる。   With the position / force reproduction method and position / force reproduction device presented in the above embodiment, both the operator's position and force can be reproduced, and the operation of the operator can be reproduced over time and space. . By using this motion copy technology, it is possible to save the operation of a skilled engineer and to allow the robot to inherit the technology.

本発明の実施例1における視聴覚情報と触覚情報の保存と再現を示す概略図である。It is the schematic which shows preservation | save and reproduction of audiovisual information and tactile information in Example 1 of this invention. 同上、モーション保存システムの概念を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the concept of the motion preservation | save system same as the above. 同上、モーション再現システムの概念を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the concept of the motion reproduction system same as the above. 同上、モーション保存システムの実験装置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the experiment apparatus of a motion preservation | save system same as the above. 同上、モーション再現システムの実験装置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the experimental apparatus of a motion reproduction system same as the above. 同上、モーション保存システムのブロック線図である。It is a block diagram of a motion preservation system same as the above. 同上、モーション保存システムのブロック線図である。It is a block diagram of a motion preservation system same as the above. 同上、実験装置による実験結果であって、自由動作の場合を示すグラフである。It is a graph which shows the result of an experiment by an experimental device, and shows the case of free motion. 同上、実験装置による実験結果であって、押す動作の場合を示すグラフである。It is an experiment result by an experimental apparatus as above, Comprising: It is a graph which shows the case of pushing operation | movement. 同上、実験装置による実験結果であって、衝突動作の場合を示すグラフである。It is a graph which shows the case of a collision operation | movement as an experimental result by an experimental apparatus same as the above. 本発明の実施例2における再現速度可変モーションコピーシステムの概念を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the concept of the reproduction speed variable motion copy system in Example 2 of this invention. 同上、再現速度について考慮されたモーション再現システムのブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram of a motion reproduction system in which reproduction speed is considered. 同上、モーション保存システムによって保存された動作データを示すグラフ図である。It is a graph figure which shows the operation data preserve | saved by the motion preservation | save system same as the above. 同上、再現速度可変モーション再現システムの実験結果を示し、再現速度1倍の場合のグラフ図である。FIG. 5 is a graph showing experimental results of a reproduction speed variable motion reproduction system, and showing a reproduction speed of 1 times. 同上、再現速度可変モーション再現システムの実験結果を示し、再現速度2倍の場合のグラフ図である。FIG. 5 is a graph showing experimental results of a reproduction speed variable motion reproduction system, and showing a case where the reproduction speed is doubled. 同上、再現速度可変モーション再現システムの実験結果を示し、再現速度3倍の場合のグラフ図である。FIG. 5 is a graph showing experimental results of a reproduction speed variable motion reproduction system, and showing a reproduction speed of 3 times. 同上、再現速度可変モーション再現システムの実験結果を示し、再現速度1/2倍の場合のグラフ図である。FIG. 6 is a graph showing experimental results of a reproduction speed variable motion reproduction system, and a reproduction speed of 1/2 times. 本発明の実施例3におけるモーション保存システムのブロック線図である。It is a block diagram of the motion preservation | save system in Example 3 of this invention. 同上、各マスタシステムとスレーブシステムのブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram of each master system and slave system. 同上、モーション保存システムの実験装置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the experiment apparatus of a motion preservation | save system same as the above. 同上、モーション再現システムの実験装置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the experimental apparatus of a motion reproduction system same as the above. 同上、マルチラテラル制御とアイデンティティ比に基づくモーション保存システムのブロック線図である。It is a block diagram of a motion preservation system based on multilateral control and identity ratio. 同上、マルチラテラル制御を用いたモーション再現システムのブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram of a motion reproduction system using multilateral control. 同上、実験装置による実験結果であって、モーション保存システムの結果を示すグラフである。It is an experiment result by an experiment apparatus, Comprising: It is a graph which shows the result of a motion preservation | save system. 同上、実験装置による実験結果であって、モーション再現システムの結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of an experiment by an experimental apparatus, and shows the result of a motion reproduction system.

符号の説明Explanation of symbols

2M マスタシステム
3S スレーブシステム
41 再現条件設定手段
200 モーション保存システム
200A モーション保存システム
200B モーション保存システム
201 アクチュエータ(取得する手段)
201A アクチュエータ(取得する手段)
203 バイラテラル制御部
204 記憶装置(記憶手段)
205 マルチラテラル制御部
300 モーション再現システム
300A モーション再現システム
300B モーション再現システム
301 アクチュエータ
303 制御部
2M Master system 3S Slave system 41 Reproduction condition setting means 200 Motion storage system 200A Motion storage system 200B Motion storage system 201 Actuator (means for acquiring)
201A Actuator (Means to acquire)
203 Bilateral control unit 204 Storage device (storage means)
205 Multi-Lateral Control Unit 300 Motion Reproduction System 300A Motion Reproduction System 300B Motion Reproduction System 301 Actuator 303 Control Unit

Claims (8)

時系列な位置情報と力の接触情報を取得し、
前記取得した位置情報と力の接触情報を解析処理し、
この解析処理結果を記憶手段に保存し、この保存した解析処理結果により前記位置情報と力の接触情報を再現することを特徴とする位置・力再現方法。
Obtain time-series position information and force contact information,
Analyzing the acquired position information and force contact information;
A position / force reproduction method characterized in that the analysis processing result is stored in a storage means, and the position information and force contact information are reproduced based on the stored analysis processing result.
前記位置情報と力の接触情報を可変速で再現することを特徴とする請求項1記載の位置・力再現方法。   2. The position / force reproduction method according to claim 1, wherein the position information and force contact information are reproduced at a variable speed. 前記位置情報と力の接触情報を、時系列を逆に再現することを特徴とする請求項1または2記載の位置・力再現方法。   3. The position / force reproduction method according to claim 1, wherein the position information and force contact information are reproduced in reverse time series. 個別の時系列な位置情報と力の接触情報を多数取得し、
前記取得した多数の位置情報と力の接触情報を解析処理し、
この解析処理結果を記憶手段に保存し、この保存した解析処理結果により前記多数の位置情報と力の接触情報を同時または個別に再現することを特徴とする位置・力再現方法。
Acquire a lot of individual time-series position information and force contact information,
Analyzing the acquired position information and contact information of force,
A position / force reproduction method characterized in that the analysis processing result is stored in a storage means, and the position information and force contact information are reproduced simultaneously or individually by the stored analysis processing result.
時系列な位置情報と力の接触情報を取得する手段と、
前記取得した位置情報と力の接触情報を解析処理する処理手段と、
前記解析処理結果を保存する記憶手段とを備え、
前記保存した解析処理結果により前記位置情報と力の接触情報を再現するように構成したことを特徴とする位置・力再現装置。
Means for acquiring time-series position information and force contact information;
Processing means for analyzing the acquired position information and force contact information;
Storage means for storing the analysis processing result,
A position / force reproduction apparatus configured to reproduce the position information and force contact information based on the stored analysis processing result.
前記位置情報と力の接触情報を可変速で再現する再現条件設定手段を備えることを特徴とする請求項5記載の位置・力再現方法。   6. The position / force reproduction method according to claim 5, further comprising reproduction condition setting means for reproducing the position information and force contact information at a variable speed. 前記位置情報と力の接触情報を、時系列を逆に再現する再現条件設定手段を備えることを特徴とする請求項5または6記載の位置・力再現方法。   7. The position / force reproduction method according to claim 5, further comprising reproduction condition setting means for reproducing the position information and force contact information in reverse time series. 個別の時系列な位置情報と力の接触情報を多数取得する手段と、
前記取得した多数の位置情報と力の接触情報を解析処理する処理手段と、
前記解析処理結果を保存する記憶手段とを備え、
前記保存した解析処理結果により前記多数の位置情報と力の接触情報を同時または個別に再現するように構成したことを特徴とする位置・力再現方法。
Means for acquiring a large number of individual time-series position information and force contact information;
Processing means for analyzing and processing the acquired multiple position information and force contact information;
Storage means for storing the analysis processing result,
A position / force reproduction method, wherein the plurality of position information and force contact information are reproduced simultaneously or individually based on the stored analysis processing result.
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