JP3437608B2 - ロボットの遠隔操作装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、宇宙空間等の遠隔地点
に配置されたロボットを、地上等に設置された操縦装置
により操作する場合のように、指令信号の通信に大幅な
遅れが発生する虞れのあるロボットの遠隔操縦装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ロボットの宇宙−地上間等の遠隔操作に
おいては、指令信号の伝送に当たり数秒の通信遅れが生
ずる。この遅れが０．２秒程度であれば、制御系を工夫
する事でバイラテラルマスタスレーブ制御方式（マスタ
位置をスレーブアームが追従し、スレーブ反力をマスタ
アームで再現する方式）を適用することが可能である
が、数秒の通信遅れがある場合には制御系が不安定とな
り、ロボットの遠隔操作が不可能となる。

【０００３】これは、通信遅れを開してフィードバック
制御系を組み込んでいるために発生する不都合であり、
安定な制御系を構成するためには、作業側のロボットに
オープンな指令を与えて、地上−宇宙間に閉ループが形
成されないようにするほかに対策が無い。

【０００４】スレーブアームがマスタアームの位置を追
従して動作してもスレーブアーム側の状態をマスタアー
ム側に返送しない方式としてユニラテラルマスタスレー
ブ方式が提案されている。このユニラテラルマスタスレ
ーブ方式は、前述のように閉ループを有しないので、安
定した制御系を提供できて好ましいが、通信遅れによる
ロボットの遅延を操作者側で考慮して操作しなければな
らず、操作性が極めて悪いばかりでなく、作業対象物等
の作業環境に対して作業ロボットが過大な力を与えてし
まう危険もあるため、実際にはほとんど作業を行なうこ
とが困難に近い事態となるという不都合がある。

【０００５】そこで、シミュレータ上の仮想ロボットを
併用してマスタ操作性を改善し、仮想ロボットの動作を
遠隔地の作業ロボット側に通信するシミュレータ介在型
遠隔操作方式が提案されている（第６８回日本機械学会
全国大会論文集Ｖｏｌ．Ｄ，Ｐ４４３−４４５，１９９
０）。この方式では、操縦装置を介して仮想ロボットを
遅れなく操作することができるので、操作者は通信遅延
を意識することなく簡単に操作できることになり、さら
に作業ロボットは仮想ロボットを追従するオープン動作
であるため安定な遠隔操作装置を構成できる。

【０００６】また、操縦装置とシミュレータとのマスタ
スレーブ構成となるので、シミュレータ上の仮想環境と
仮想ロボットの作業アームとの干渉反力計算を高速に行
えれば、マスタスレーブ制御系をユニラテラルに限らず
バイラテラルで実現する事も可能であり、臨場感のある
操作性を提供できるという利点もある。尤も、この遠隔
操作方式においても、干渉処理が複雑な場合には充分に
高速で処理することは現状ではまだ不可能である。

【０００７】しかも、このシミュレータ介在型遠隔操作
方式においては、実際の作業ロボットや作業環境をシミ
ュレータ上に構築する際のモデル化誤差に起因して作業
ロボットが過大な作業力を発生させるという問題があ
る。作業ロボットの作業環境における位置関係が、完全
に地上側シミュレータの仮想ロボット・仮想環境として
再現されていれば、このシミュレータ介在型は理想的で
良いが、実際にはモデル化誤差が必ず存在する。つま
り、シミュレータ上では反力０で接触していても、実際
に作業を行なっているロボットは過大な作業力を作業環
境に与えていたり、逆に接触していなかったりする。こ
のため、作業ロボットに機械的または制御的コンプライ
アンス（応諾・追従）を与えて誤差の吸収を図っている
が、ユニラテラル操作である以上は過負荷が生じてしま
う危険性は残っている。つまり、作業者が一連の作業を
シミュレータに対して行ない、それを軌道上で再現する
方式は、位置誤差があると過大な作業力を発生して作業
環境やロボットを破壊する危険がある。

【０００８】従って、作業モデルと環境とが一致した理
想的な状態では大幅な操作性の改善が見られるシミュレ
ータ介在型も、通信遅れのあるカメラ画像を介して実動
作を確認しながら１ステップ毎に操作指示しなければな
らず、かつ、最終的な位置調整においは実環境のカメラ
画像を見て慎重に操作しなければならないので、実際の
作業においては全体的な操作性として煩雑さを払拭でき
なかった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来のシ
ミュレータ介在型遠隔操作装置においては、宇宙空間の
配置・形状を、シミュレータ上に完全にはモデル化でき
ないために。作業時に過大な力を発生させる危険があ
り、運用上は、実ロボットのカメラ画像に頼る通信遅れ
のあるユニラテラル操作にならざるを得ず、殆ど作業で
きないほど作業性が悪いという問題があった。

【００１０】そこで、発明が本解決しようとする課題
は、シミュレータ上にモデル化誤差があっても、実際の
ロボットが過大力を発生することがなく、シミュレータ
に対する簡単な操作で遠隔地の作業ロボットが安全に作
業を実施することができる遠隔操作装置を提供すること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の第１の基本構成に係るロボットの遠隔地操
作装置は、遠隔地の作業ロボットの動作を予測模擬した
シミュレータと、該シミュレータの動作内容及び動作量
に応じた値を指令信号に変換して出力する操縦装置と、
この操縦装置より出力された前記指令信号を遠隔地に送
信する通信処理装置と、前記操縦装置の設置箇所から離
隔する地点に設置されて前記操縦装置からの指令信号に
基づいて所定の作業を行なう作業ロボット及びその近傍
に設けられて作業ロボットの動作内容並びに動作量を制
御する制御ユニットを有する遠隔地側設備と、を備えた
ものにおいて、前記制御ユニットは、前記通信処理装置
を介して受信された前記指令信号と作業ロボットの実際
の動作量とにより導かれた通信遅れを用いて、前記作業
ロボットの運動量の最大値が制限された指令値を生成す
る指令値生成部と、この指令値生成部により生成された
前記最大値制限された指令値に基づいて作業ロボットを
力制御する力制御部と、を備えると共に、前記指令値生
成部は、前記通信処理装置を介して受信された指令信号
により示される要求運動値と現在の作業ロボットの運動
値とから最大値制限された要求動作方向ベクトルを生成
し、前記力制御部は、前記指令値生成部により生成され
た前記要求動作方向ベクトルに基づいて前記作業ロボッ
トを制御することを特徴としている。

【００１２】また、本発明の第２の基本構成に係るロボ
ットの遠隔操作装置は、遠隔地の作業ロボットの動作を
予測模擬したシミュレータと、該シミュレータの動作内
容及び動作量に応じた値を指令信号に変換して出力する
操縦装置と、この操縦装置より出力された前記指令信号
を遠隔地に送信する通信処理装置と、前記操縦装置の設
置箇所から離隔する地点に設置されて前記操縦装置から
の指令信号に基づいて所定の作業を行なう作業ロボット
及びその近傍に設けられて作業ロボットの動作内容並び
に動作量を制御する制御ユニットを有する遠隔地側設備
と、を備えるものにおいて、前記制御ユニットは、通信
処理装置を介して受信された前記指令信号と作業ロボッ
トの実際の動作量とにより導かれた通信遅れを用いて、
前記作業ロボットの運動量の最大値が制限された指令値
を生成する指令値生成部と、この指令値生成部により生
成された前記最大値制限された指令値に基づいて作業ロ
ボットを力制御する力制御部とを備えると共に、前記指
令値生成部は、前記通信処理装置を介して受信された指
令信号により示される要求運動値と現在の作業ロボット
の運動値とから最大値制限された要求動作方向ベクトル
を生成し、前記力制御部は、前記指令値生成部により生
成された前記要求動作方向ベクトルを前記作業ロボット
の要求作用力であるものとし、この要求作用力と前記作
業ロボットから検出された実際の運動量の作用力との合
力で運動する計算機上の内部力学モデル運動を追従する
ように前記作業ロボットが動作する内部モデル追従型力
制御に基づいて前記作業ロボットを制御することを特徴
としている。

【００１３】また、本発明の第３の構成に係るロボット
の遠隔操作装置は、遠隔地の作業ロボットの動作を予測
模擬したシミュレータと、該シミュレータの動作内容及
び動作量に応じた値を指令信号に変換して出力する操縦
装置と、この操縦装置より出力された前記指令信号を遠
隔地に送信する通信処理装置と、前記操縦装置の設置箇
所から離隔する地点に設置されて前記操縦装置からの指
令信号に基づいて所定の作業を行なう作業ロボット及び
その近傍に設けられて作業ロボットの動作内容並びに動
作量を制御する制御ユニットを有する遠隔地側設備とを
備えたものにおいて、前記制御ユニットは、通信処理装
置を介して受信された前記指令信号と作業ロボットの実
際の動作量とにより導かれた通信遅れを用いて、前記作
業ロボットの運動量の最大値が制限された指令値を生成
する指令値生成部と、この指令値生成部により生成され
た前記最大値制限された指令値に基づいて作業ロボット
を力制御する力制御部とを備えると共に、前記指令値生
成部は、前記通信処理装置を介して受信された指令信号
により示される要求運動値と現在の作業ロボットの運動
値とから最大値制限された要求動作方向ベクトルを生成
し、前記力制御部は、前記指令値生成部により生成され
た前記要求動作方向ベクトルが速度指令値であるものと
して、前記作業ロボットから検出された作用力の速度相
当値を前記速度指令値から減算した速度で前記作業ロボ
ットが動作するダンピング制御により前記作業ロボット
を制御することを特徴とする。

【００１４】

【００１５】

【作用】従来のシミュレータ介在型の過大力発生問題
は、仮想ロボット位置を目標位置とした位置制御で作業
ロボットが動作している点に起因している。作業ロボッ
トの位置制御ゲインは追従性を高めるためハイゲイン設
定されているので、モデル化誤差により生ずる位置偏差
が作業環境に過大力を与える結果となる。

【００１６】そこで、作業ロボットを位置制御するので
はなく、モデルの位置誤差に依存しない力で制御すれば
良い点に着目し、課題を解決する手段として、作業ロボ
ット側に最大値制限された要求動作方向ベクトルを生成
する指令値生成部と、指令値に従ってロボットを力制御
する力制御部とを設けた構成とした。

【００１７】また、要求動作方向ベクトルは、力制御部
が内部モデル追従型力制御の時は、作用力ベクトルであ
り、力制御部がダンピング制御の時は速度ベクトルとな
る構成にした。

【００１８】尚、操作者は遅れの無いシミュレータ画像
上の仮想ロボットを見て操作することとし、仮想ロボッ
トは実ロボットの動作速度と無関係に自在に動かせ、通
信系はこの仮想ロボット位置を作業側に送信する構成に
した。

【００１９】操作者は、あらかじめ計算機上に設定した
作業環境（仮想環境）と仮想ロボットからなるシミュレ
ータに向かって操作する。シミュレータ画像上の仮想ロ
ボットは、通信による遅れが無いため、通常のロボット
操作方式で容易に操作可能で、操作者は自在に仮想ロボ
ットを操縦できる。

【００２０】ただし、実際の作業ロボットは、後述する
ように仮想ロボットと同一の動作とならないため、一連
の作業を行うには運用上の工夫が必要になる。つまり、
仮想ロボットで小タスク（一連の作業の１行程）を実行
し、実作業ロボットがそのタスクを実行したのを確認し
て、次の小タスクを仮想ロボットで実行していくように
操縦する。一連の作業を連続実行する遠隔操作方式に比
べて、この間欠的ステップ操作は作業時間が掛かること
になるが、通信遅れのある遠隔操作では従来方式も実際
にはステップ操作しており、かつ作業性が極めて悪かっ
たので、今回の提案方式は、簡単な操作と大幅な作業時
間の短縮を提供できる。

【００２１】さて、作業ロボット側であるが、目標位置
として仮想ロボットの位置を受け取ると、移動目標位置
に向かう要求動作方向ベクトルを生成する。このベクト
ルの大きさは、最大値制限部により必ず最大値以下とな
るように生成される。

【００２２】今、このベクトルを速度指令値として捉え
れば、作業ロボットは必ずこの速度以下で動作する。つ
まり、操作者が仮想ロボットを操作した様な軌道を作業
ロボットは必ずしも描かないが、一定速度で最終移動目
標位置に移動する事になる。モデル化誤差のため、作業
ロボットが環境と接触しても、ロボットは検出力により
動作速度を停止させる力制御、すなわちダンピング制御
されているので、一定力（一定速度相当分の力）以上の
負荷を掛けることがない。

【００２３】また、上記動作方向ベクトルを、マス・ダ
ンパからなる仮想の内部力学モデルの作用力として捉
え、ロボットの検出力との合力で運動する内部力学モデ
ル位置をロボットで実現する力制御、すなわち仮想内部
モデル追従型力制御を施せば、作業ロボットは最大値制
限部の最大力以上の力を作業環境に掛けることはなく、
拘束されていない場合は、一定速度（最大力に比例した
速度）以下で動作する。

【００２４】

【実施例】以下、添付図面を参照しながらこの発明の好
適な実施例を説明する。

【００２５】図１は、本発明の第１実施例に係る通信遅
れのあるロボットの遠隔操作装置を示すブロック図であ
る。

【００２６】図１において、地上側には操作者１、操縦
装置２及びシミュレータ３と、通信処理部４の送信処理
ユニット４１及び送信用アンテナ４２が設けられてい
る。地上の操作者１は操縦装置２を介してシミュレータ
３の仮想ロボットを操作するものであり、操縦装置２は
マスタアーム２１及びユニラテラル制御部２２を備えて
おり、シミュレータ３は仮想ロボット画像作成部３１、
シミュレータ画像表示装置３２及び仮想作業環境画像作
成部３３を備えている。

【００２７】環境画像作成部３３は、あらかじめ入力さ
れたモデルデータに基づいて実作業環境を模擬した仮想
作業環境の画像を作成するものであり、ロボット画像作
成部３１は、予め設定された仮想のロボットデータと操
縦装置２からの仮想ロボット指令値（目標位置）とに基
づいて、仮想ロボット画像を更新・生成するものであ
る。生成されたこれらの画像データは、画像表示装置３
２上で重ね合わせられて表示される。

【００２８】このとき、仮想ロボットは操縦装置２から
の指令値に従って運動し、シミュレータ３は仮想環境内
での動作を仮想ロボットにより視認可能なように表示す
るので、容易に位置決め操作を行なうことができる。

【００２９】「図１において、操縦装置２は、マスタア
ーム２１とユニラテラルマスタスレーブ制御部２２から
なるユニラテラル方式を採用しているが、既存のロボッ
ト操縦装置で良く、例えばジョイスティックによる速度
操作で有っても良い。」現在の仮想ロボット指令値（図
１においては仮想ロボットの位置を示す値と等価）は、
通信処理部４を介して宇宙空間の作業ロボット側に送ら
れる。宇宙空間側の設備は、指令値生成部５、作業力制
御部６及び作業ロボット７と、通信処理部４の受信アン
テナ４３及び受信処理ユニット４４とより構成されてい
る。作業側が上記仮想ロボット位置を受け取ると、これ
をロボットの動作目標位置として指令値生成部５に送
る。

【００３０】指令値生成部５は、動作方向ベクトル生成
部５１及び最大値制限部５５よりなり、目標位置と作業
ロボットの現在位置とに基づいて、現在位置から目標位
置の方向に大きさが最大値以下となる指令ベクトルを生
成する。すなわち、動作方向ベクトル生成部５１は仮想
ロボット位置信号及び作業ロボット７の実際の位置信号
を受け入れる減算器５２と、この減算器５２の出力に一
定のゲインを乗算する仮指令ベクトルを出力する乗算器
５３と、より構成されている。

【００３１】指令値生成部５の動作方向ベクトル生成部
５１は、現在位置と目標位置との偏差に適当なゲインを
掛けて仮の指令ベクトルを計算している。仮指令ベクト
ルは最大値制限部５５に送られ、そこでベクトル方向は
変えずに大きさのみを予め与えられた最大力以下となる
ようにリミット処理して、指令ベクトルとして出力す
る。もちろん、指令値生成部５は、図３のような、偏差
ベクトルをリミット処理してから、適当なゲインを掛け
て指令ベクトルとする構成でも良い。

【００３２】指令値生成部５からの指令ベクトルは作業
力制御部６に送られ、ロボットアームの作業力を制御し
て作業ロボット７を動作させる。図１は、仮想内部モデ
ル追従型作業力制御と呼ばれるモデルを用いて作業力制
御処理部を構成しているが、通常の作業ロボットの作業
力を制御する公知の制御手段を用いても良い。

【００３３】仮想内部モデル追従型力制御は、通常ロボ
ットで必要とされる運動制御部６３を応用して簡単に作
業力制御を実現できる方式であり、指令ベクトルは作業
ロボット７の作業力指令値である。つまり、指令値生成
部５は、目標位置の方向に大きさが最大設定値以下とな
る力指令値を生成したことになる。

【００３４】以下、図１の作業力制御部６の詳細を説明
する。加算器６１は、指令値生成部５からの作業力指令
値と、作業ロボット７から検出された実際の作業力とを
合成して合力を生成する。この合力は、マス・ダンパで
構成される内部モデル６２を運動させる。内部モデル６
２は、加算器６１より出力された合力を入力として安定
な運動値を出力するものであればどのようなものでも良
いが、ここではマス・ダンパからなる力学系であるとし
て運動を説明する。

【００３５】ロボット７が拘束されていない時は、作業
ロボット７から検出される作業力は零となるので、内部
モデル６２は指令力にほぼ比例した速度で運動する（厳
密には、マス・ダンパで決まる指令力のローパス出力に
比例していて、比例係数は内部モデルの粘性係数の逆数
となる）。ロボット７が反作用力等の作業環境から外力
を受けると、指令力と検出力が釣り合う方向に内部モデ
ル６２は運動するので、最終的に合力が零となる位置で
内部モデル６２が停止する。

【００３６】内部モデル６２の出力は、位置・速度等の
作業座標系運動値であり、この運動値を通常ロボットで
必要とされる運動制御部６３の目標値運動値として与え
る。運動制御部６３は適当な座標変換を施して、その目
標運動値とロボット７の手先運動値が一致するように作
業ロボット７の検出運動値をフィードバック制御する。
つまり、実際の作業ロボット７は内部モデル６２の運動
を実現するよう動き、作業ロボット７が環境と接触して
いない時は、力指令に比例した速度で動作し、接触する
と環境からの反力が力指令と釣り合う様に力制御され停
止することになる。

【００３７】上述のように、この発明の第１実施例に係
る通信遅れを有するロボットの遠隔操作装置の構成・作
用であるが、遠隔操作の運用を含めて、この提案に係る
遠隔操作方式の内容をより詳細に説明する。作業ロボッ
ト７は力制御により動作するが、仮想内部モデル追従型
力制御の説明で述べたように、ロボット７が作業環境に
接触していない場合、指令力にほぼ比例した速度で動作
する。この指令力は最大値制限部５５によりリミット処
理して生成しているため、目標位置と現在位置との偏差
が大きくとも、一定指令力しか生成しない。つまり、作
業ロボット７は一定速度で目標位置に向かって動作する
だけであり、作業ロボット７の軌跡とシミュレータ３の
仮想ロボットの軌跡とは一般には異なる。この意味で、
通常のマスタスレーブ操作とは異なるが、実際の移動操
作では動作途中の軌跡はあまり意味がなく、最終的な要
求位置にロボットを移動させればよいので特に問題はな
い。ただし、一連の作業では、各点での位置決めが必要
で、操作者は作業の各小タスクを意識して、ステップ毎
に作業指示を出す必要がある。

【００３８】また、図２に示すように、作業ロボット７
のロボットアーム７１が把持するピン７２を穴７３に挿
入する作業を行なう場合は次のようになる。点Ａにより
示されているのは目標位置であり、この位置Ａはピンが
挿入される際の位置にほぼ等しいものとする。実際のア
ーム位置は点Ｐであるので、指令値生成部５は点Ｐから
点Ａに向かう方向に最大指令力Ｆｒを生成する。アーム
はこの指令値に基づく力と検出された反力との合力で動
作するが、ピンは動作の対象である作業環境に接触して
いるので、アーム７１の力制御により指令力の面垂直成
分Ｍと面からの垂直抗力Ｎとが釣り合うことになる。つ
まり、指令力と反力の合力は面水平成分のみとなり、ア
ーム７１は面に沿ってピン穴７３の方向に移動してい
く。

【００３９】このことは、アーム７１が拘束されている
条件の下で最短に目標位置を移動できることを意味して
いて、点Ａを固定して置けば、最終的にピンはピン穴に
自動的に挿入される。ただ実際にはピンと面との摩擦が
存在するため、ピン穴の近傍で力釣合状態となり停止す
るが、その時点で目標位置を多少ずらすように操作する
とピンを挿入することができる。当然のことであるが、
ピン穴の前方に位置決めし、その後挿入操作指令を出す
方式等、運用を工夫することで、挿入作業時間を更に短
縮することも可能である。

【００４０】次に、図３を参照しつつこの発明の第２実
施例に係る通信遅れを有するロボットの遠隔操作装置に
ついて説明する。この第２実施例の遠隔操作装置は、第
１実施例における指令値生成部５の構成を多少変更した
指令値生成部５Ａを備えていること以外の構成は、第１
実施例の遠隔操作装置と同様であるので、同一部分に同
一符号を付して重複説明を省略する。この第２実施例に
おいては、指令値生成部５Ａが、減算器５２、最大値制
限部５５及び乗算器５３より構成されている。減算器５
２は、通信処理部４の受信処理ユニット４４により受信
された地上からの仮想ロボット位置信号から実際の作業
ロボットの位置信号を減算する。この減算された値に基
づいて最大値制限部５５が最大運動量を演算し、この最
大運動量に対して乗算器５３が一定のゲインを乗算する
ことにより指令値が生成される。

【００４１】次に、この発明の第３実施例に係る通信遅
れを有するロボットの遠隔操作装置について、図４を用
いて説明する。図４に示す第３実施例の遠隔操作装置
も、第１及び第２実施例の装置と同様に操縦装置２及び
シミュレータ３を地上側の設備として有している。異な
る点は、操縦装置２がジョイスティック２３により構成
されており、操作者１はジョイスティック２３を操作し
ながらロボット画像と作業環境画像とを仮想的に重ね合
わせた画面を視認しながら宇宙空間にある作業ロボット
の動作を制御する。従って、シミュレータ３も、三次元
画像表示装置３１と、ロボット画像作成部３２と、環境
画像作成部３３と、より概略構成されている。ロボット
画像作成部３２は、地上側ロボット制御部３４と、地上
側ロボット３５と、このロボット３５を撮像する三次元
カメラ３６と、画像フィルタ３７と、より構成されてお
り、また、環境画像作成部３３は、読み込み信号により
読み出される左用及び右用の画像メモリ３８を備えてい
る。

【００４２】通信処理部４の構成も第１及び第２実施例
のそれに相当するが、この第３実施例の遠隔操作装置
は、宇宙空間で作業を行なっている作業ロボット７の画
像を撮像して返送してくる三次元カメラ８１及び地上側
の監視モニタ８２より成る監視機構８を備えているため
地上側及び宇宙空間側の通信ユニットは双方向特性を有
している。指令値生成部５も第１実施例と同様の詳細構
成を有するが、第２実施例のように異なる構成の指令値
生成部５Ａを適用しても良い。

【００４３】作業力制御部６Ａは、第１及び第２実施例
と同様に内部モデル追従型力制御構成としても良いが、
この実施例ではダンピング制御を行うように構成されて
いる。すなわち、作業ロボット７からの反力に所定のゲ
インを乗ずる乗算器６４と、指令値生成部５からの出力
と乗算器６４の出力とを加算する加算器６１と、この加
算器６１の出力と作業ロボットの速度とに基づいて作業
ロボットの動作速度を制御する速度制御部６５と、より
構成されている。なお、力制御部６Ａとしてダンピング
制御を採用したため、指令値生成部５からの出力である
要求動作方向ベクトルは指令速度に相当し、指令値生成
部５の包含する図示しない最大値制御部は、最大速度制
限器に相当する。

【００４４】上記構成を有する第３実施例の遠隔操作装
置の動作を以下に説明する。操作者１は三次元画像表示
装置３１を見ながら、ジョイスティック２３により地上
側ロボット３５を操縦し、作業監視モニタ８２で作業ロ
ボット７の動作状況を監視する。

【００４５】以下にシミュレータ３を含めた地上側の詳
細を述べる。地上側ロボット３５は作業環境を持たず、
作業ロボット７と同一構成の何等拘束を受けない実機ロ
ボットであり、操作者１は操縦装置２であるジョイステ
ィック２３でこれを速度操作する。このロボット３５の
制御は、地上側ロボット制御部３４で行なっており、ジ
ョイスティック２３の速度指令値と地上ロボット３５の
検出運動値とで、フィードバック制御している。

【００４６】通信処理部４はこの地上側ロボット３５の
位置情報を送信すると共に、作業ロボットを監視する三
次元カメラ８１のカメラ画像情報を受信して地上側に伝
送する。監視用の三次元カメラ８１の情報は監視モニタ
８２に表示されるが、画像メモリ３８への読み込み信号
により、この画像情報を画像メモリ３８内の左右視野画
像として読み込むこともできる。通常の運用では、作業
ロボット待機時にのみ読み込み信号を出力し、画像メモ
リ３８に保持して置くため、遠隔操作中に画像メモリ３
８内のデータが更新されることはなく、画像メモリ３８
は環境画像作成部３３として機能する。

【００４７】一方、地上側ロボットの監視カメラ３６の
画像情報は、画像フィルタ３７により、ロボット以外の
外部画像（背景画像）を除去し、ロボット３５の左右視
野画像を抽出する。そして、画像表示装置である三次元
画像表示装置３１により、左右の画像毎に独立して作業
環境画像とロボット抽出画像とを合成して３次元視覚情
報が表示される。以上により、地上側の操作者１はあた
かも実際の作業環境で自在に動くロボットを操縦してい
る感覚を得ることができ、宇宙空間における作業ロボッ
ト７が干渉を受ける様子が視覚的に捉え易くなる。

【００４８】次に、通信系を介した作業側であるが、こ
れは、第１実施例とほぼ同じである。ただし、指令値生
成部５の出力が指令速度であり、作業ロボットがダンピ
ング制御で動作している点が異なる。すなわち、指令値
生成部５の内包する図示しない最大値制限部は指令速度
の最大速度を規定していて、作業ロボット７が環境から
の拘束を受けない時（反力０の時）は、その指令速度が
そのまま目標動作速度となって速度制御部におくられ、
ロボット７は最大速度以下で目標位置方向に移動する。
また、ロボット７が環境と接触すると、目標動作速度は
指令速度から反力（検出力の負値）に比例した速度を引
いて生成しているので、目標速度はどんどん小さくな
り、反力相当の速度と指令速度が釣り合って停止する。

【００４９】言い換えれば、指令速度相当の力を環境に
加えると目標速度が零となり、受信した目標位置がどの
ような位置であっても、環境には最大速度相当の力以上
の負荷を掛けることがないように力制御されている。ダ
ンピング制御は仮想内部モデル追従型力制御と等価では
ないが、実際の動きはほぼ同じで、第１実施例と同様
に、通信遅れが有っても簡単に操作でき、安全で作業効
率の良い遠隔操作装置を提供できる。

【００５０】最後に、図５の第４実施例について説明す
る。操作者１は操縦装置２を介してシミュレータ３を操
縦するが、これと共に作業力指令手段９への操作も行
う。作業力指令手段９は、キーボードやスイッチのよう
なもので構成しても良いが、自動車のアクセルのような
ものでも良く、作業ロボット７の最大発生力を規定でき
る手段であればどのようなものでも良い。通常の運用で
は、ボルト締め作業のように十分な力を発生させたい時
以外は、作業力指令手段９は操作せず、必要に応じて操
作者が作業ロボットの最大発生力を可変する。尚、作業
力指令手段９を操作しない時も、初期最大値が指令最大
力として出力されていて、作業力指令手段９の出力であ
る指令最大力が初期最大値以下になることはないように
構成されている。

【００５１】通信処理部４は、操縦装置２の出力するシ
ミュレータ３の目標位置指令を作業側に送信すると同時
に、作業力指令手段９の指令最大力も送信する。作業側
の指令値生成部５（または５Ａ）は目標位置と実際の作
業ロボット７の位置情報とで、最大値制限された目標位
置に向かう指令ベクトル（力指令ベクトル）を生成する
が、内包する最大値制限部の最大値が、指令最大力によ
り可変される。これにより、通常は過大な力を作業環境
に与えることなく安全に遠隔操作でき、かつ、必要に応
じて大きな力で作業できる遠隔操作を提供できる。

【００５２】なお、上述した実施例は何れも地上側の操
作者と遠隔の宇宙空間に配置された作業ロボットを例に
とって説明したが、この発明はたとえば原子力発電所の
原子炉内部の作業のように人間が実際に踏み込むことが
困難な作業環境で作業を行なう遠隔作業ロボットであれ
ば全て適用可能である。要は隔地者間の通信により発生
する通信遅れに起因して作業ロボットの実際運動の動作
量が過大となる危険性が発生する遠隔作業ロボットの遠
隔制御の分野であれば、いかなる分野であってもその危
険性を除去するために本発明を適用することが可能であ
る。

【００５３】

【発明の効果】本発明では、操作者はシミュレータ画像
の仮想ロボットを操作するので通信遅れを気にすること
なく簡単に動作指令を与えることができる。また、作業
ロボットは最大力の制限された力制御で動作するため、
作業環境に対して過大な力を加えることがなく、かつ大
まかな動作指令で作業を実現できる。これにより、作業
効率を大幅に向上できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の遠隔操作装置を示すブロ
ック図。

【図２】本発明の第１実施例の拘束作業時の動作原理
図。

【図３】本発明の第２実施例の遠隔操作装置を示すブロ
ック図。

【図４】本発明の第３実施例の遠隔操作装置を示すブロ
ック図。

【図５】本発明の第４実施例の遠隔操作装置を示すブロ
ック図。

【符号の説明】

１ 操作者 ２ 操縦装置 ３ シミュレータ ４ 通信処理部 ５，５Ａ 指令値生成部 ６，６Ａ 力制御部 ７ 作業ロボット ５５ 最大値制限部 ６２ 内部モデル ６３ 運動制御部 ６５ 速度制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05B 24/02 B25J 3/00 B25J 9/10 G05B 17/02 G05B 23/02

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】遠隔地の作業ロボットの動作を予測模擬し
   たシミュレータと、該シミュレータの動作内容及び動作
   量に応じた値を指令信号に変換して出力する操縦装置
   と、この操縦装置より出力された前記指令信号を遠隔地
   に送信する通信処理装置と、前記操縦装置の設置箇所か
   ら離隔する地点に設置されて前記操縦装置からの指令信
   号に基づいて所定の作業を行なう作業ロボット及びその
   近傍に設けられて作業ロボットの動作内容並びに動作量
   を制御する制御ユニットを有する遠隔地側設備とを備え
   たロボットの遠隔操作装置において、前記制御ユニットは、 通信処理装置を介して受信された
   前記指令信号と作業ロボットの実際の動作量とにより導
   かれた通信遅れを用いて、前記作業ロボットの運動量の
   最大値が制限された指令値を生成する指令値生成部と、
   この指令値生成部により生成された前記最大値制限され
   た指令値に基づいて作業ロボットを力制御する力制御部
   とを備えると共に、 前記指令値生成部は、前記通信処理装置を介して受信さ
   れた指令信号により示される要求運動値と現在の作業ロ
   ボットの運動値とから最大値制限された要求動作方向ベ
   クトルを生成し、前記力制御部は、前記指令値生成部に
   より生成された前記要求動作方向ベクトルに基づいて前
   記作業ロボットを制御す ることを特徴とするロボットの
   遠隔操作装置。
2. 【請求項２】遠隔地の作業ロボットの動作を予測模擬し
   たシミュレータと、該シミュレータの動作内容及び動作
   量に応じた値を指令信号に変換して出力する操縦装置
   と、この操縦装置より出力された前記指令信号を遠隔地
   に送信する通信処理装置と、前記操縦装置の設置箇所か
   ら離隔する地点に設置されて前記操縦装置からの指令信
   号に基づいて所定の作業を行なう作業ロボット及びその
   近傍に設けられて作業ロボットの動作内容並びに動作量
   を制御する制御ユニットを有する遠隔地側設備とを備え
   たロボットの遠隔操作装置において、 前記制御ユニットは、通信処理装置を介して受信された
   前記指令信号と作業ロボットの実際の動作量とにより導
   かれた通信遅れを用いて、前記作業ロボットの 運動量の
   最大値が制限された指令値を生成する指令値生成部と、
   この指令値生成部により生成された前記最大値制限され
   た指令値に基づいて作業ロボットを力制御する力制御部
   とを備えると共に、 前記指令値生成部は、前記通信処理装置を介して受信さ
   れた指令信号により示される要求運動値と現在の作業ロ
   ボットの運動値とから最大値制限された要求動作方向ベ
   クトルを生成し、前記力制御部は、前記指令値生成部に
   より生成された前記要求動作方向ベクトルを前記作業ロ
   ボットの要求作用力であるものとし、この要求作用力と
   前記作業ロボットから検出された実際の運動量の作用力
   との合力で運動する計算機上の内部力学モデル運動を追
   従するように前記作業ロボットが動作する内部モデル追
   従型力制御に基づいて前記作業ロボットを制御すること
   を特徴とするロボットの遠隔操作装置。
3. 【請求項３】遠隔地の作業ロボットの動作を予測模擬し
   たシミュレータと、該シミュレータの動作内容及び動作
   量に応じた値を指令信号に変換して出力する操縦装置
   と、この操縦装置より出力された前記指令信号を遠隔地
   に送信する通信処理装置と、前記操縦装置の設置箇所か
   ら離隔する地点に設置されて前記操縦装置からの指令信
   号に基づいて所定の作業を行なう作業ロボット及びその
   近傍に設けられて作業ロボットの動作内容並びに動作量
   を制御する制御ユニットを有する遠隔地側設備とを備え
   たロボットの遠隔操作装置において、 前記制御ユニットは、通信処理装置を介して受信された
   前記指令信号と作業ロボットの実際の動作量とにより導
   かれた通信遅れを用いて、前記作業ロボットの運動量の
   最大値が制限された指令値を生成する指令値生成部と、
   この指令値生成部により生成された前記最大値制限され
   た指令値に基づいて作業ロボットを力制御する力制御部
   とを備えると共に、 前記指令値生成部は、前記通信処理装置を介して受信さ
   れた指令信号により示される要求運動値と現在の作業ロ
   ボットの運動値とから最大値制限された要求動作方向ベ
   クトルを生成し、前記力制御部は、前記指令値生成部に
   より生成された前記要求動作方向ベクトルが速度指令値
   であるものとして、前記作業ロボットから検出された作
   用力の速度相当値を前記速度指令値から減算した速度で
   前記作業 ロボットが動作するダンピング制御により前記
   作業ロボットを制御することを特徴とするロボットの遠
   隔操作装置。