JP4876246B2 - 触覚制御方法および触覚制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、操作端であるマスタと作業端であるスレーブとの間で、マスタからスレーブへの位置制御と、スレーブからマスタへの力制御とを共に実現可能にする触覚制御方法および触覚制御装置に関する。

近年、電話やテレビなどの聴覚情報や視覚情報に次ぐ情報として、触覚情報が大いに注目されている。この触覚情報は、作用と反作用の法則に従っているため、音響情報や視覚情報と比較して制御が困難である。そのため、触覚伝達技術の分野では、バイラテラル制御が代表的な方法として用いられ、この技術の急速な発展につれて、バイラテラル制御の研究が非常に広い範囲で行なわれている。

バイラテラル制御は、マスタとスレーブとの間で位置（姿勢）と力の状態を一致させるように制御することで、マスタからスレーブへの位置制御と、スレーブからマスタへの力制御を同時に行なう制御方法である。この制御方法を応用することで、例えば遠隔地からの爆発物処理技術や遠隔地からの手術のように、作業時の加工反力や振動などの情報を操作者が感じながら、遠隔操作による精巧な作業が可能になる。

バイラテラル制御を実現する装置や方法の例として、例えば特許文献１には、操作者により操作されるマスタと、このマスタの操作に応じて動作するスレーブとを備えたマスタ・スレーブ装置において、スレーブが環境と接触している状態では、マスタを操作する操作者に力覚・触覚を呈示するために、スレーブにかかる力が、マスタに加えられる力と特定の関係にある力に追従するように、アクチュエータによりスレーブを力制御する一方で、スレーブが環境と接触していない状態では、スレーブの位置とマスタの位置がお互いに追従するように、モータによりマスタを位置制御し、且つ前記アクチュエータによりスレーブを位置制御するものが開示されている。

また別な特許文献２には、スレーブが環境に接触していない状態では、マスタの位置座標により作成した位置指令値に基づき、スレーブの位置制御を行ない、スレーブが環境と接触している状態では、ハンチングなどの不安定な振動を抑制するために、環境の法線方向にほぼ一致する力制御方向に関して、力目標値と力センサで測定した反力が一致するように力制御を行なうと同時に、前記力制御方向に直交する位置制御方向に関して、マスタの位置座標により作成した位置指令値に基づき、スレーブの位置制御を行なうハイブリッド制御を行ない、さらにこのハイブリッド制御により、操作者がスレーブを力制御方向に動かせなくなることを回避するために、操作者のスイッチ操作によって、予め決められた速度でスレーブを環境から離れる方向へ動作させるように、スレーブに動作指令を行なう別な制御モード（遷移モード）を付加したものが開示されている。
特開２００２−３０７３３６号公報 特開平８−２８１５７３号公報

上記特許文献１，２に代表されるようなバイラテラル制御は、単独のマスタと単独のスレーブとによる１対１の制御であることから、環境のインピーダンスを感じることができるのは一人に限られる。そのため、例えばパプティック教育などに応用するために、複数人が一つの環境を同時に触れるようなシステムを構築する場合には、現状のバイラテラル制御において、マスタの台数分だけスレーブを用意するか、さもなければ環境をモデル化するなどして仮想的に環境を作らなければならない。

マスタの数だけスレーブを用意する前者のシステムは、マルチマスタ・マルチスレーブシステムと呼ばれているが、これは各組のロボット（マスタ，スレーブ）を独立して制御できるので、ロボット間の信号干渉を完全になくすことができる。しかし、システムを無限に拡張すると、同じ環境または同じ環境の箇所を同時に触れることができない。また、触覚伝送装置としてマスタと同数のスレーブを用意することは、経済的にも効率的ではない。

また、スレーブを１台にすると、スレーブ側の反力が干渉により簡単に影響を受けるので、これを解決するために、後者のシステムのような環境の数学的モデルを作成する必要がある。しかし、モデル化した環境では、スレーブ側環境の実際の硬さをマスタで再現するような、バイラテラル制御本来の目的を達成しているとは言い難い。また、例えば遠隔地からの爆発物処理のような環境のモデル化が、常に実現できるとは限らない。

このように、既存のバイラテラル制御に対して単純にスレーブを増やしたり、モデル化された環境を想定するだけでは、システムの応用範囲を狭めることになる。とりわけ、マルチメディア情報技術においては、視覚や聴覚に次ぐ第３の情報として、触覚情報が強く求められているが、上述した理由からも、複数のマスタのそれぞれに独立したインピーダンスを返すようなシステムは未だに存在しない。さらに、特許文献１にも記載されているように、バイラテラル制御には対称型，力帰還型，並列型というように多くの制御方法が提案されているが、複数台のロボットによる情報共有制御や、各ロボット間での情報分離制御の観点からすれば、既存のバイラテラル制御が複数台のロボット制御にそのまま適応できるとは言い難いのが現状である。

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、マスタと同数のスレーブを用意したり、環境をモデル化することなく、複数台のロボットによる触覚情報の共有制御を実現可能にし、さらには各マスタ間で触覚情報の分離制御を可能にする触覚制御方法および触覚制御装置を提供することにある。

本発明は、複数台のマスタと、一台以上のスレーブとを備え、操作者によるそれぞれの前記マスタの操作に応じて動作するように、環境に接触する前記スレーブを制御する触覚制御方法において、第１外乱オブザーバにより前記マスタおよび前記スレーブに加わるそれぞれの外力を推定し、その推定値を前記マスタおよび前記スレーブの入力にそれぞれフィードバックすることで、加速度次元で当該マスタおよび当該スレーブを個々に制御するステップを備え、前記マスタおよび前記スレーブからの各位置応答を、実空間における第１加速度応答値としてそれぞれ取得し、その中で選択される２つの前記第１加速度応答値の差を各々算出して仮想空間に変換出力する差モード生成のステップと、前記仮想空間に設けられ、前記差モード生成のステップからの各出力に基づいて、前記マスタおよび前記スレーブの位置変位をそれぞれゼロにするために、加速度次元での位置指令値を各々生成する位置制御のステップと、前記仮想空間からの前記各位置指令値を、実空間における前記マスタおよび前記スレーブへの第１加速度参照値にそれぞれ変換して出力するステップと、を行ないながら、第２外乱オブザーバにより前記マスタおよび前記スレーブの各反力を推定し、実空間におけるそれぞれの力応答を第２加速度応答値として出力するステップと、前記各第２加速度応答値を加算して前記仮想空間に出力する和モード生成のステップと、前記仮想空間に設けられ、前記和モード生成のステップからの出力に基づいて、前記マスタおよび前記スレーブが作用・反作用の法則を満たすような力応答に見合う第２加速度参照値を、当該マスタおよび当該スレーブにそれぞれ出力する力制御のステップと、を行なうことからなる。

この場合、前記マスタからの前記実空間における第１加速度応答値に、そのマスタの反力推定値に対する全ての前記マスタの反力推定値の比を乗じたＩＲ乗算値を、前記各マスタに対応して各々前記差モード生成のステップに出力する演算ステップをさらに行ない、前記差モード生成のステップで、各々の前記ＩＲ乗算値と、前記スレーブからの第１加速度応答値の中で、２つの値の差を各々算出して仮想空間に変換出力すると共に、前記マスタへの第１加速度参照値に、全ての前記マスタの反力推定値に対するそのマスタの反力推定値の比を乗じた値を、当該マスタに出力する逆演算ステップをさらに行なうことが好ましい。

また、本発明は、操作者により操作される複数台のマスタと、前記操作者によるそれぞれの前記マスタの操作に応じて環境に接するように動作する一台以上のスレーブとを備えた触覚制御装置において、前記マスタおよび前記スレーブに加わるそれぞれの外力を推定する第１外乱オブザーバと、加速度次元で前記マスタおよび前記スレーブを個々に制御するために、前記外力の推定値を当該マスタおよび当該スレーブの入力にそれぞれフィードバックするフィードバック部と、前記マスタおよび前記スレーブからの各位置応答を、実空間における第１加速度応答値としてそれぞれ取得し、その中で選択される２つの前記第１加速度応答値の差を各々算出して仮想空間に変換出力する差モード生成手段と、前記マスタおよび前記スレーブの各反力を推定し、実空間におけるそれぞれの力応答を第２加速度応答値として出力する第２外乱オブザーバと、前記各第２加速度応答値を加算して前記仮想空間に出力する和モード生成手段と、前記仮想空間に設けられ、前記差モード生成手段からの各出力に基づいて、前記マスタおよび前記スレーブの位置変位をそれぞれゼロにするために、加速度次元での位置指令値を各々生成する位置コントローラと、前記仮想空間からの前記各位置指令値を、実空間における前記マスタおよび前記スレーブへの第１加速度参照値にそれぞれ変換して出力する逆変換手段と、前記仮想空間に設けられ、前記和モード生成手段からの出力に基づいて、前記マスタおよび前記スレーブが作用・反作用の法則を満たすような力応答に見合う第２加速度参照値を、当該マスタおよび当該スレーブにそれぞれ出力する力コントローラと、を備えている。

この場合、前記マスタからの前記実空間における第１加速度応答値に、そのマスタの反力推定値に対する全ての前記マスタの反力推定値の比を乗じたＩＲ乗算値を、前記各マスタに対応して各々前記差モード生成手段に出力するＩＲ演算手段を備え、前記差モード生成手段は、各々の前記ＩＲ乗算値と、前記スレーブからの第１加速度応答値の中で、２つの値の差を各々算出して仮想空間に変換出力するものであると共に、前記マスタへの第１加速度参照値に、全ての前記マスタの反力推定値に対するそのマスタの反力推定値の比を乗じた値を、当該マスタに出力するＩＲ逆演算手段を備えるのが好ましい。

上記方法および上記装置によれば、第１外乱オブザーバと第２外乱オブザーバによって、マスタおよびスレーブを加速度次元で制御することにより、システムのロバスト性を確保しつつ、マスタおよびスレーブの位置変位をそれぞれゼロにする位置制御と、マスタおよびスレーブが作用・反作用の法則を満たすような力制御を、仮想空間上で各々独立して行なうことが可能になる。そのため、それまでマスタとスレーブが１対１のシステムでしか実現し得なかった触角共有制御を、２台以上のマスタと１台以上のスレーブとにより実現することが可能になる。

また、同じ力でも位置偏差の違いは触った時に違う硬さを生じることから、操作者の入力に応じた個別の位置変化を実現するために、マスタからの前記実空間における第１加速度応答値に、そのマスタの反力推定値に対する全てのマスタの反力推定値の比を乗じたＩＲ乗算値を各マスタ毎に算出すると共に、マスタに第１加速度参照値を出力する際に、この第１加速度参照値に、全ての前記マスタの反力推定値に対するそのマスタの反力推定値の比を乗じた値を各マスタ毎に算出する。これにより、各マスタ間で触覚情報の分離制御が可能になり、通信におけるクロストークの除去が可能になる。

以下、添付図面に基づいて、本発明における好適な実施例を詳細に説明する。図１は、本実施例で提案する触覚制御装置のブロック構成を示している。同図において、当該触覚制御装置は、操作者側のマスタロボットとして、第１マスタ１および第２マスタ２が設けられ、インピーダンスＺ_ｅの環境３と接触するスレーブロボットとしてスレーブ５が設けられている。つまり、ここでは操作者により操作される２台のマスタ１，２と、各マスタ１，２の動きに応じて動作する１台のスレーブ５とを備えており、二人の操作者が、各々のマスタ１，２を通して同時に１つの環境３に触れるように構成されている。なお、マスタ１，２は３台以上の複数台あってもよく、またスレーブ５も複数台あっても構わない。このように、複数台のマスタ１，２と一台以上のスレーブ５との間で触覚情報のやり取りを行なう新規な制御系を、従来知られているバイラテラル制御と区別するために、マルチラテラル制御と呼ぶ。

前記マスタ１，２やスレーブ５は、何れも可動部であるアクチュエータや検出部である位置センサなどを備えた類似の装置で構成され、各々に独立した外乱オブザーバ11，12，15を備える。これらの外乱オブザーバ11，12，15は、周知のようにコンピュータのソフトウェアなどで構成される。

ここで、本実施例で使用する外乱オブザーバ11，12，15について、その詳細を説明する。先ず、図２は、マスタ１，２やスレーブ５に組み込まれる駆動源としての電動モータ20を、理想電流源によって制御した場合のモデルを、ブロック図として示している。ここにあるＸ^ref・・（以下、数式や図以外では、１階の微分を「^・」とし、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。）は加速度参照値であり、Ｘ^res・・は加速度応答値を示している。また、Ｉ_ａ ^refは電流参照値であり、Ｆ_disは外乱力を示している。

同図において、21は、加速度参照値Ｘ^ref・・を電動モータ20に印加する電流参照値Ｉ_ａ ^refに変換する電流−加速度変換器であり、22は、電流参照値Ｉ_ａ ^refに見合う力Ｆ_ｇを発生する電流−力変換器である。このモータ自身の力Ｆ_ｇと外乱力Ｆ_disとの差が、便宜的に記された減算器23によって電動モータ20より発生する全ての力となり、これが力−加速度変換器24により加速度応答値Ｘ^res・・に変換され出力される。なお、電流−力変換器22，減算器23および力−加速度変換器24は、独立した構成として設けられている訳ではなく、モータ自身に備えられている。また、添え字のｎは公称値を意味する。

前記電動モータ20により発生する全ての力は、モータの運動方程式と呼ばれており、次の数１にてあらわされる。

ここで、Ｍはアクチュエータ質量であり、添え字のｎは、その値が公称値であることを示している。また、電流−力変換器22は電動モータ20自体の特性として備えられており、電流参照値Ｉ_ａ ^refと推進力定数（トルク定数）Ｋ_ｆとの積が、モータ自身の力Ｆ_ｇとなる（Ｆ_ｇ＝Ｋ_ｆ・Ｉ_ａ ^ref）。

こうした一般的な電動モータ20を備えたマスタ１，２やスレーブ５に対して、図１に示すような外乱オブザーバ11，12，15が各々付加される。これらの外乱オブザーバ11，12，15は、前記電流参照値（指令値）Ｉ_ａ ^refと、検出されるモータ速度とに基づき、モータに加わる力（外乱力Ｆ_dis）を可能な限り迅速に推定する機構であり、加速度次元でシステムとしてのロバスト性を確保するために用いられている。ここで、モータに加わる外乱Ｆ_disは、次の数２のようにあらわされる。

上記数２において、Ｆ_ｇは重力であり、Ｆ_intは内部干渉力であり、Ｆ_ｃはクーロン摩擦であり、Ｄｘ^・は粘性摩擦であり、Ｆ_extは外部入力であり、記号の後にある添え字_ｎは公称値を意味する。また、右辺の第一項は電動モータ20自身の慣性変動であり、第二項は力の脈動を意味する。

図３は、上記数２に示すような外乱の推定値＾Ｆ_dis（以下、数式や図以外では、この推定値をあらわす「＾」を、対応する記号の前に併記する。）を出力する外乱オブザーバ11，12，15のブロック線図を示している。当該外乱オブザーバ11，12，15は、電動モータ20への電流参照値Ｉ_ａ ^refを力（トルク）単位の第１信号に変換し、この変換した信号と電動モータ20の速度応答値Ｘ^・とに基づいて、外乱の推定値＾Ｆ_disを算出し出力するものである。また、実際の電動モータ20は、前記加速度応答値Ｘ^res・・に見合う位置ｘを出力するものなので、ここでは便宜上、１／ｓの積分器26，27を２段組み込んでいる。前記速度応答値Ｘ^・は、位置検出手段（例えばリニアエンコーダやロータリエンコーダ）により得られる電動モータの位置ｘを、１階微分することで得ているので、この位置検出手段により発生する高域ノイズを低減させるために、外乱オブザーバ11，12，15には、ローパスフィルタ29が組み込まれる。すなわち、電動モータ20への外乱Ｆ_disは、次の数３のような一次のローパスフィルタ29を介して推定される。

上記数３において、ｇ_disはローパスフィルタ29のカットオフ周波数を意味する。この数３における外乱推定値＾Ｆ_disを、補償電流として電動モータ20の入力にフィードバックすれば、図３に示す外乱オブザーバ11，12，15によって、加速度次元でロバスト性を確保することが可能になる。

図４は、図３と等価なロバスト加速度制御システムを示したものである。この制御システムは、外乱Ｆ_disを推定する推定手段30を有し、数４に示す感度関数Ｇ_ｓによる影響を受ける。

この感度関数Ｇ_ｓは、外乱Ｆ_disがどのように制御システムに影響を与えるのかを示す感度に相当するもので、外乱Ｆ_disの角周波数が数４に示すカットオフ周波数ｇ_disを超えると、制御システムが外乱力の影響を受けるようになる。こうした外乱オブザーバ11，12，15を用いることで、マスタ１，２やスレーブ５に加わる外力（外乱Ｆ_dis）のみを推定することが可能になる。

図１に戻り説明すると、31は、マスタ１，２とスレーブ５との間の作用・反作用を制御する力サーボであり、41〜43は、マスタ１，２とスレーブ５との間の位置偏差を吸収調整する第１〜第３の位置レギュレータである。また、マスタ１，２およびスレーブ５のそれぞれには、自身に加えられる反力トルクを観測する第１〜第３の反力トルクオブザーバ51〜53が個々に設けられる。これらの力サーボ31と位置レギュレータ41〜43は、マスタ１，２およびスレーブ５を制御するために、マスタ１，２やスレーブ５が置かれる実空間とは区別された仮想空間に設計される。

第１反力トルクオブザーバ51は、第１マスタ１に対する操作者入力を反力トルクとして推定するもので、この推定した操作者入力は力−加速度変換器55によって加速度値Ｘ_m1 ^F・・に変換され、加算器59に出力される。また、第２反力トルクオブザーバ52は、第２マスタ２に対する操作者入力を推定するもので、この推定した操作者入力は別な力−加速度変換器56によって加速度値Ｘ_m2 ^F・・に変換され、加算器59に出力される。さらに、第３反力トルクオブザーバ52は、環境３の反力を推定して、この推定した反力はさらに別な力−加速度変換器57によって加速度値Ｘ_Ｓ ^F・・に変換され、加算器59に出力される。加算器59は、各加速度値Ｘ_m1 ^F・・，Ｘ_m2 ^F・・，Ｘ_Ｓ ^F・・の加算値を、仮想空間にある前記力サーボ31に出力する。すなわち、ここでの加算器59は、加速度次元情報の加算値を和モードの加速度応答値Ｘ_Ｃ ^cmd・・として生成する和モード生成手段としての機能を果たす。

力サーボ31は、前記加算器59からの和モードの加速度応答値Ｘ_Ｃ ^cmd・・に基づき、マスタ１，２およびスレーブ５が作用・反作用の法則を満たすような加速度参照値Ｘ_m1 ^refF・・，Ｘ_m2 ^refF・・，Ｘ_Ｓ ^refF・・を、マスタ１，２およびスレーブ５に対応した加算器61〜63にそれぞれ出力するものである。この力サーボ31は、仮想空間での加速度応答値Ｘ_Ｃ ^cmd・・と参照値Ｘ_Ｃ ^ref・・との差を減算器35で算出し、これにより得られた算出結果と、ゲイン調整器36による力ゲインＣｆとの積算を、仮想空間から第１マスタ１，第２マスタ２およびスレーブ５のそれぞれに対する実空間の力指令値が、加速度参照値Ｘ_m1 ^refF・・，Ｘ_m2 ^refF・・，Ｘ_Ｓ ^refF・・として出力するように構成されている。

一方、71は、前記マスタ１，２およびスレーブ５からの実信号の位置応答値として、加速度応答値Ｘ_m1 ^P・・，Ｘ_m2 ^P・・，Ｘ_Ｓ ^P・・を入力とし、２つの加速度応答値Ｘ_m1 ^P・・，Ｘ_m2 ^P・・，Ｘ_Ｓ ^P・・の間の差を、内蔵する変換行列Ｔによりそれぞれ算出して、これを差モードの加速度応答値Ｘ_ｄ（1-2） ^・・，Ｘ_ｄ（2-3） ^・・，Ｘ_ｄ（3-1） ^・・として仮想空間に出力する差モード生成手段としての行列変換器である。前記第１〜第３の位置レギュレータ41〜43は、行列変換器71からの各加速度応答値Ｘ_ｄ（1-2） ^・・，Ｘ_ｄ（2-3） ^・・，Ｘ_ｄ（3-1） ^・・に基づき、第１マスタ１，第２マスタ２およびスレーブ５のそれぞれにおける位置変位をゼロにするために、仮想空間からの加速度次元での位置指令値を生成するもので、マスタ１，２による差モードの加速度応答値Ｘ_ｄ（1-2） ^・・と、第１位置レギュレータ41のゲイン調整器46による位置ゲインＣｐとの積により、第１位置指令値が生成され、マスタ２とスレーブ５による差モードの加速度応答値Ｘ_ｄ（2-3） ^・・と、第２位置レギュレータ42のゲイン調整器47による位置ゲインＣｐとの積により、第２位置指令値が生成され、スレーブ５とマスタ１による差モードの加速度応答値Ｘ_ｄ（3-1） ^・・と、第３位置レギュレータ43のゲイン調整器48による位置ゲインＣｐとの積により、第３位置指令値が生成されるようになっている。

72は、前記仮想空間からの第１〜第３の位置指令値を、前記変換行列Ｔの逆行列Ｔ^invを利用して、第１マスタ１，第２マスタ２およびスレーブ５に対する実空間の位置指令値に、加速度参照値Ｘ_m1 ^refP・・，Ｘ_m2 ^refP・・，Ｘ_Ｓ ^refP・・として変換し、前記加算器61〜63に出力する逆変換手段としての逆行列変換器である。そして、第１加算器61は、第１位置指令値である加速度参照値Ｘ_m1 ^refP・・と、第１力指令値である加速度参照値Ｘ_m1 ^refF・・との和を、第１マスタ１への目標値として当該第１マスタ１に出力し、第２加算器62は、第２位置指令値である加速度参照値Ｘ_m2 ^refP・・と、第２力指令値である加速度参照値Ｘ_m2 ^refF・・との和を、第２マスタ２への目標値として当該第２マスタ２に出力し、第３加算器63は、第３位置指令値である加速度参照値Ｘ_m3 ^refP・・と、第１力指令値である加速度参照値Ｘ_m1 ^refF・・との和を、スレーブ５への目標値として当該スレーブ５に出力する。つまりここでは、逆行列変換器72および第１〜第３の加算器61〜63が、仮想空間で生成された力サーボ31からの加速度次元での力指令値と、第１〜第３の位置レギュレータ41〜43からの加速度次元での位置指令値とを統合し、実空間にあるマスタ１，２およびスレーブ５に、加速度次元での目標値に変換出力する統合変換手段75を構成している。

次に、上述したシステム構成のマルチラテラル制御系を理解するために、マルチラテラルシステムの最小単位であるバイラテラルシステムを基にして、本実施例独自の設計手法を説明する。

図５は、マスタが１台の場合のシステム概念図を示している。本実施例では、上述したような和モードや差モードのモード分解によって、バイラテラル制御を実現しており、力帰還型や並列型などといった従来の設計法とは異なる。同図において、操作者ロボットをマスタ１とし、環境と接触するロボットをスレーブ５とする時、環境のインピーダンスＺ_ｅを正確に再現するためには、マスタ１およびスレーブ５の位置および力の各情報を一致させる必要がある。マスタ１の位置をｘ_ｍとし、スレーブの位置をｘ_ｓとし、マスタ１に生じる操作者の入力すなわち作用力と、それを受けて環境３から発生する反力とを、それぞれＦ_ｍ，Ｆ_ｓと定義すると、バイラテラル制御の最終的な目標は、次の数５および数６であらわせる。

上記数５は、操作者の入力と環境からの反力が一致すべきであることを意味し、また数６はマスタ１およびスレーブ５の位置偏差が０であることを意味する。バイラテラル制御においては、この二つの目標を同時に満たす必要があり、本実施例では、それぞれの式を加速度次元で統合している。数７および数８は、上記数４および数５の２つの式を加速度次元に直したものであり、数７のｘ_ｍ ^・・とｘ_ｓ ^・・は、それぞれ操作者入力と環境３からの反力を意味し、数８のｘ_ｍ ^・・とｘ_ｓ ^・・は、マスタ１の位置とスレーブ５の位置を意味している。また、数８の「→」は、矢印に向けた値に近づくという意味である。

ここで、数７および数８は、加速度次元情報の和，差で計算されており、それぞれ和のモード，差のモードとして表現される。それぞれの仮想空間において、和のモードの制御器（図１に示す加算器59）と、差のモードの制御器（図１に示す行列変換器71）を設計することができ、数９に示すような２次のアダマール行列Ｈ_２を有する変換式を利用することで、実空間から仮想空間への変換が可能になる。

ここで、ｘ_ｃ ^・・とｘ_ｄ ^・・は、それぞれ和のモードの加速度応答と、差のモードの加速度応答を意味する。数７に示す和のモードは、作用・反作用の法則を満たす力サーボにより構成されている。力サーボにおける和のモードのブロック線図を、図６に示す。システムへの入力は外乱として入力されるため、外乱オブザーバ（図１に示す反力トルクオブザーバ51〜53）によって、推定された反力情報を用いる。数８に示す差のモードは、位置変位（偏差）をゼロにするための位置レギュレータによって構成されている。バイラテラル制御の場合、１台のマスタ１と１台のスレーブ５だけで構成されるので、差のモードは１つだけとなり、位置レギュレータも１台あればよい。図７は、バイラテラル制御における位置レギュレータのブロック線図を示したものである。

本実施例では、力サーボおよび位置レギュレータを加速度次元で統合してバイラテラル制御を構成しており、上記数８に示す変換のためのアダマール行列Ｈ_２を通して、力および位置に関する仮想空間での加速度参照値ｘ_ｃ ^ref・・，ｘ_d ^ref・・が得られる。

数１０は和のモードの制御器すなわち力サーボ機構を示しており、ここにあるＣ_ｆは力サーボのゲインである。また、数１１は差のモードの制御器すなわち位置レギュレータを示しており、Ｃ_ｐは位置レギュレータのゲインである。各ロボット（マスタ１およびスレーブ５）に対する加速度参照値を生成するために、力サーボと位置レギュレータは加速度次元で統合されるが、和のモードと差のモードはお互いに線形独立を保っているので、その応答が相互に干渉することはなく、それぞれの制御器を独立に設計することができる。それぞれの仮想空間で得られた力と位置に関する各加速度参照値は、アダマール逆行列Ｈ_２ ^-1によって実空間のマスタ１およびスレーブ５への各加速度参照値として再び統合される。マスタ１の加速度参照値ｘ_ｍ ^ref・・と、スレーブ５の加速度参照値ｘ_ｓ ^ref・・は、次の数１２のように算出される。

次に、上記バイラテラル制御を拡張したマルチラテラル制御の設計手法について説明する。図１に示す実施例では、マルチラテラル制御法を検証するために、マスタ１，２とスレーブ５からなる３台のロボットを考慮している。マルチラテラル制御の概念図は図８のように表せる。これは、個々のロボットが位置の応答（位置応答値ｘ^cmd）および（力応答値Ｆ^cmd）に関して互いに影響しあっていることを示している。マルチラテラル制御は、ロボットの数が増える程その構造がより複雑になるが、加速度制御に基づくモード分解によって、前述したバイラテラル制御と同様に、和のモードおよび差のモードの２つに分解できる。和のモードは合計値であるため、ロボットの数が増えても１つだけ存在するが、差のモードはマルチラテラル制御系の場合、ロボットの数だけ存在するので、ここでは３つ存在することになる。マルチラテラル制御の理想的な応答目標は、バイラテラル制御の場合と同様で、以下の数１３および数１４のようにあらわすことができる。

ここで、数１３はマルチラテラル制御における和のモード（図１に示す力サーボ31）の目標応答であり、数１４は差のモード（図１に示す位置レギュレータ41〜43）の目標応答である。マルチラテラル制御法においても、これらの２つのモードの各式を同時に満たすために、それぞれの式を加速度次元に変換する。この数１３と数１４の式は、和のモードの加速度参照値ｘ_ｃ ^ref・・と、差のモードの加速度参照値ｘ_d ^ref・・として、次の数１５および数１６のようにそれぞれ記述することができる。

上記数１６のＴは、行列変換器71に適用される変換行列を示している。ここでは最も一般的な変換行列Ｔを適用しているが、この変換行列Ｔの要素は容易に設定変更することが可能で、３台のロボットのスケーリングを決めることが可能になる。数１３を和のモードの参照値として考えた場合、和のモードの制御器は次の数１７のようにあらわせる。従って、マルチラテラル制御における和のモードのブロック線図は、図９のように表現できる。差のモードも同様にコントローラは次の数１８のようにあらわされ、ブロック線図は図１０のように表現できる。

こうして、複数台のマスタおよび１台乃至複数台のスレーブから、外乱オブザーバを通して得られる力や位置の情報を、仮想空間で設計した力サーボや位置レギュレータにより加速度次元で統合することにより、システムのロバスト性を確保しつつ、力と位置に関する触覚情報を、これらのマスタやスレーブで共有することが可能になる。

ところで、上記マルチラテラル制御では、３台のロボットからそれぞれ違う入力があったとしても、制御系の構成上全てのロボットは全く同じ動作をする。しかし，２Ｎの力で４ｍｍの位置変位と、４Ｎの力で４ｍｍの位置変位では、感じる硬さが若干異なる。つまり、触覚情報分離の観点からすれば、２人の操作者が１台のスレーブロボットを動かして環境を触る際に、全てのロボットが全く同じ位置変位をするので、操作者の入力に対する反力が得られない。

このような点を考慮して、本実施例では、操作者の入力に応じた個別の位置変位を実現するために、ＩＲ（Identity Ratio：アイデンティティー比）を導入する。このＩＲは、マスタ全体の入力に対する自身の入力の比率を示す指数（貢献度）であり、図１に示すシステムでは、α，β（または１／α，１／β）がＩＲに対応する。ＩＲは、１つのマスタに着目した場合に、全てのマスタに加わる反力の合計値と、そのマスタの反力との比を表しており、具体的に図１に示す例では、自身の反力トルクオブザーバ51で推定されるマスタ１の反力Ｆ_m1 ^reacと、反力トルクオブザーバ52で推定されるマスタ２の反力Ｆ_m2 ^reacとに基づき、次の数１９にて算出され、本実施例では、操作者からの各入力が所定値以上（例えば１Ｎ）の場合に有効となるように構成される。

上記数１９におけるαやβの値は、推定された反力Ｆ_m1 ^reac，Ｆ_m2 ^reacがいわば変数の一種であることから、ＩＲは時々刻々リアルタイムに更新される。また、次の数２０，数２１は実空間と仮想空間とを変換するための変換行列であり、これらの行列は、実空間から仮想空間（数２０）、または仮想空間から実空間（数２１）への変換を簡素化する。

そして、図１に示すように、第１マスタ１の位置指令値に相当する加速度応答値Ｘ_m1 ^P・・と、第１マスタ１の反力（Ｆ_m1 ^reac）に対する全てのマスタ１，２に加わる全反力（Ｆ_m1 ^reac＋Ｆ_m2 ^reac）の比であるαとを乗じて、行列変換器71に出力するＩＲ積算器83を設けると共に、第２マスタ２の位置指令値に相当する加速度応答値Ｘ_m2 ^P・・と、第２マスタ２の反力（Ｆ_m2 ^reac）に対する全てのマスタ１，２に加わる全反力（Ｆ_m1 ^reac＋Ｆ_m2 ^reac）の比であるβとを乗じて、行列変換器71に出力する別のＩＲ積算器84を設けることで、マスタ１，２におけるそれぞれの反力に応じた実空間からの位置指令値が、行列変換器71で仮想空間に変換される。また、逆行列変換器72により仮想空間から実空間への加速度参照値に変換する際にも、特に第１マスタ１に対する加速度参照値Ｘ_m1 ^refP・・を前記αで除算した値が、ＩＲ除算器81によって加算器61に出力され、同様に第２マスタ２に対する加速度参照値Ｘ_m2 ^refP・・を前記βで除算した値が、ＩＲ除算器82によって加算器62に出力されるようになっている。これにより、操作者からの各入力に対するそれぞれの位置応答が実現でき、通信におけるクロストークを除去して、各マスタ１，２毎の触覚情報の分離が可能になる。

図１１は、前記ＩＲによる計算処理過程をあらわすブロック図である。同図において、実空間で各マスタ１，２の加速度応答値Ｘ_m1 ^P・・，Ｘ_m2 ^P・・が、ＩＲ積算器83，84によって各々α，βと積算され、この積算値が実空間からの位置指令値として行列変換器71に出力される。各マスタ１，２からの位置応答にＩＲを積算すると、マスタ１，２への各々の入力に従った位置変位量を生成できる。行列変換器71は、実空間から仮想空間への差モードを生成し、それぞれの差モードにおいて、位置レギュレータ41〜43による位置偏差を吸収調整する制御が行なわれる。

また、位置レギュレータ41〜43で調整された仮想空間からの位置応答値は、逆行列変換器72によって実空間の加速度参照値Ｘ_m1 ^refP・・，Ｘ_m2 ^refP・・に変換され、これらの加速度参照値Ｘ_m1 ^refP・・，Ｘ_m2 ^refP・・を前記α，βでそれぞれ除算した値が、ＩＲ除算器81，82によって各マスタ１，２にフィードバックされる。すなわち、前記差モードを使用する場合に、ＩＲを位置参照値に導入するだけでは、各位置レギュレータ41〜43において、位置偏差＝０の条件を満足できない。そこで、ＩＲの逆数と仮想空間からの位置応答値との積をＩＲ除算器81，82で計算すると、仮想空間における条件を満足できる。こうした一連の制御により、触覚情報の共有と分離が実現可能になる。

以上のように、本実施例では、操作者により操作される複数台のマスタ１，２と、この操作者によるそれぞれのマスタ１，２の操作に応じて動作する一台以上のスレーブ５とを備えた触覚制御装置において、マスタ１，２およびスレーブ５に加わるそれぞれの外力を推定する第１外乱オブザーバ11，12，15と、加速度次元で当該マスタ１，２および当該スレーブ５を個々に制御するために、前記外力の推定値をマスタ１，２およびスレーブ５の入力にそれぞれフィードバックするフィードバック部と、マスタ１，２およびスレーブ５からの各位置応答を、実空間における第１加速度応答値Ｘ_m1 ^P・・，Ｘ_m2 ^P・・，Ｘ_Ｓ ^P・・としてそれぞれ取得し、その中で選択される２つの第１加速度応答値Ｘ_m1 ^P・・，Ｘ_m2 ^P・・，Ｘ_Ｓ ^P・・の差を各々算出して、仮想空間に変換出力する差モード生成手段としての行列変換器71と、マスタ１，２およびスレーブ５の各反力を推定し、実空間におけるそれぞれの力応答を第２加速度応答値Ｘ_m1 ^F・・，Ｘ_m2 ^F・・，Ｘ_Ｓ ^F・・として出力する第２外乱オブザーバ51，52，53と、各々の第２加速度応答値Ｘ_m1 ^F・・，Ｘ_m2 ^F・・，Ｘ_Ｓ ^F・・を加算して仮想空間に出力する和モード生成手段としての加算器59と、仮想空間に設けられ、行列変換器71からの出力に基づいて、マスタ１，２およびスレーブ５の位置変位をそれぞれゼロにするために、加速度次元での位置指令値を各々生成する位置コントローラとしての位置レギュレータ41〜43と、仮想空間からの前記各位置指令値を、実空間におけるマスタ１，２およびスレーブ５への第１加速度参照値Ｘ_m1 ^refP・・，Ｘ_m2 ^refP・・，Ｘ_Ｓ ^refP・・にそれぞれ変換して出力する逆変換手段としての逆行列変換器72と、仮想空間に設けられ、加算器59からの出力に基づいて、マスタ１，２およびスレーブ５が作用・反作用の法則を満たすような力応答に見合う第２加速度参照値Ｘ_m1 ^refF・・，Ｘ_m2 ^refF・・，Ｘ_Ｓ ^refF・・を、マスタ１，２およびスレーブ５にそれぞれ出力する力コントローラとしての力サーボ31と、を備えている。

これにより、第１外乱オブザーバ11，12，15と第２外乱オブザーバ51，52，５３によって、マスタ１，２およびスレーブ５を加速度次元で制御することにより、システムのロバスト性を確保しつつ、マスタ１，２およびスレーブ５の位置変位をそれぞれゼロにする位置制御と、マスタ１，２およびスレーブ５が作用・反作用の法則を満たすような力制御を、仮想空間上で各々独立して行なうことが可能になる。そのため、それまでマスタとスレーブが１対１のシステムでしか実現し得なかった触角共有制御を、２台以上のマスタ１，２と１台以上のスレーブ５とにより実現することが可能になる。

なお、この場合は第１〜第３の反力トルクオブザーバ51〜53と、外乱オブザーバ11，12，15は、図１に示すように別体に構成するのが好ましいが、一体に構成してもよい。

そしてこれは、複数台のマスタ１，２と、一台以上のスレーブ５とを備え、操作者によるそれぞれのマスタ１，２の操作に応じて動作するように、環境３に接触するスレーブ５を制御する触覚制御方法において、第１外乱オブザーバ11，12，15によりマスタ１，２およびスレーブ５に加わるそれぞれの外力を推定し、その推定値をマスタ１，２およびスレーブ５の入力にそれぞれフィードバックすることで、加速度次元でマスタ１，２およびスレーブ５を個々に制御するステップを備え、マスタ１，２およびスレーブ５からの各位置応答を、実空間における第１加速度応答値Ｘ_m1 ^P・・，Ｘ_m2 ^P・・，Ｘ_Ｓ ^P・・としてそれぞれ取得し、その中で選択される２つの第１加速度応答値Ｘ_m1 ^P・・，Ｘ_m2 ^P・・，Ｘ_Ｓ ^P・・の差を各々算出して、仮想空間に変換出力する差モード生成のステップと、仮想空間に設けられ、差モード生成のステップからの出力に基づいて、マスタ１，２およびスレーブ５の位置変位をそれぞれゼロにするために、加速度次元での位置指令値を各々生成する位置制御のステップと、仮想空間からの位置指令値を、実空間におけるマスタ１，２およびスレーブ５への第１加速度参照値Ｘ_m1 ^refP・・，Ｘ_m2 ^refP・・，Ｘ_Ｓ ^refP・・にそれぞれ変換して出力するステップと、を行ないながら、第２外乱オブザーバ51，52，53によりマスタ１，２およびスレーブ５の各反力を推定し、実空間におけるそれぞれの力応答を第２加速度応答値Ｘ_m1 ^F・・，Ｘ_m2 ^F・・，Ｘ_Ｓ ^F・・として出力するステップと、各々の第２加速度応答値Ｘ_m1 ^F・・，Ｘ_m2 ^F・・，Ｘ_Ｓ ^F・・を加算して仮想空間に出力する和モード生成のステップと、仮想空間に設けられ、和モード生成のステップからの出力に基づいて、マスタ１，２およびスレーブ５が作用・反作用の法則を満たすような力応答に見合う第２加速度参照値Ｘ_m1 ^refF・・，Ｘ_m2 ^refF・・，Ｘ_Ｓ ^refF・・を、マスタ１，２およびスレーブ５にそれぞれ出力する力制御のステップと、を行なう方法でも、同様に実現可能である。

また本実施例は、マスタ１，２からの前記実空間における第１加速度応答値Ｘ_m1 ^P・・，Ｘ_m2 ^P・・，Ｘ_Ｓ ^P・・に、そのマスタ１，２の反力推定値に対する全てのマスタ１，２の反力推定値の比（α，β）を乗じたＩＲ乗算値を、各マスタ１，２に対応して各々行列変換器71に出力するＩＲ演算手段としてのＩＲ積算器83，84を備え、行列変換器71は、ＩＲ積算器83，84からの各々のＩＲ乗算値と、スレーブ５からの第１加速度応答値Ｘ_Ｓ ^P・・の中で、２つの値の差を各々算出して仮想空間に変換出力するものであると共に、マスタ１，２への第１加速度参照値Ｘ_m1 ^refP・・，Ｘ_m2 ^refP・・，Ｘ_Ｓ ^refP・・に、全てのマスタ１，２の反力推定値に対するそのマスタ１，２の反力推定値の比（１／α，１／β）を乗じた値を、当該マスタ１，２に出力するＩＲ逆演算手段としてのＩＲ除算器81，82を備えている。

この場合、同じ力でも位置偏差の違いは触った時に違う硬さを生じることから、操作者の入力に応じた個別の位置変化を実現するために、マスタ１，２からの実空間における第１加速度応答値Ｘ_m1 ^P・・，Ｘ_m2 ^P・・，Ｘ_Ｓ ^P・・に、そのマスタ１，２の反力推定値に対する全てのマスタ１，２の反力推定値の比（α，β）を乗じたＩＲ乗算値を各マスタ１，２毎に算出すると共に、マスタ１，２に第１加速度参照値Ｘ_m1 ^refP・・，Ｘ_m2 ^refP・・，Ｘ_Ｓ ^refP・・を出力する際に、この第１加速度参照値Ｘ_m1 ^refP・・，Ｘ_m2 ^refP・・，Ｘ_Ｓ ^refP・・に、全てのマスタ１，２の反力推定値に対するそのマスタ１，２の反力推定値の比（α，β）を乗じた値を各マスタ毎に算出する。これにより、各マスタ間で触覚情報の分離制御が可能になり、通信におけるクロストークの除去が可能になる。

そしてこれは、マスタ１，２からの前記実空間における第１加速度応答値Ｘ_m1 ^P・・，Ｘ_m2 ^P・・，Ｘ_Ｓ ^P・・に、そのマスタ１，２の反力推定値に対する全てのマスタ１，２の反力推定値の比（α，β）を乗じたＩＲ乗算値を、各マスタ１，２に対応して各々行列変換器71に出力する演算ステップをさらに行ない、前記差モード生成のステップで、ＩＲ積算器83，84からの各々のＩＲ乗算値と、スレーブ５からの第１加速度応答値Ｘ_Ｓ ^P・・の中で、２つの値の差を各々算出して仮想空間に変換出力すると共に、マスタ１，２への第１加速度参照値Ｘ_m1 ^refP・・，Ｘ_m2 ^refP・・，Ｘ_Ｓ ^refP・・に、全てのマスタ１，２の反力推定値に対するそのマスタ１，２の反力推定値の比（１／α，１／β）を乗じた値を、当該マスタ１，２に出力する逆演算ステップをさらに行なう方法でも実現可能である。

次に、上記手法の有効性を検討するために、シミュレーションを行なった結果を説明する。このシミュレーションでは、２人の操作者が、各々のマスタ１，２から同時にスレーブ５を操作して、環境３に接触させる実験を行なった。環境３には仮想の壁を想定しており、壁モデルのパラメータを含むシミュレーションのパラメータは、次の表１に示すとおりである。

上記表１において、推進力定数Ｋ_ｔの単位はＮ／Ａ，モータ質量の単位はＫｇ，粘性Ｄ_ｅの単位はＮ／ｍ／ｓ，剛性Ｋ_ｅの単位はＮ／ｍである。

図１２は、シミュレーション結果を示すグラフで、図１２（ａ）は時間経過に伴う力応答を示し、図１２（ｂ）はその力応答に対する位置応答を示している。この図１２（ｂ）は、上記ＩＲを用いていない場合の位置応答を示しており、各マスタ１，２およびスレーブ５において、全ての位置応答が一致しているのが確認できる。そのため、この場合は、操作者に応じた個別の位置変位を実現できていない。一方、図１２（ｄ）は、図１２（ｃ）の力応答に対する位置応答であり、マスタ１，２からの各入力に対する位置応答が実現できている。

次に、図１３に示すマルチラテラル制御システムを用いた実験について、説明する。このシステムは、マスタ１，２とスレーブ５からなる３台のロボットにより構成され、これらのロボットは、何れも直線運動を行なうリニアアクチュエータ91を備えている。当該リニアアクチュエータ91は基台92に対して可動可能な可動部93を備えたリニアモータ94を有する。また、各リニアアクチュエータ91の位置偏差を、位置検出手段であるリニアエンコーダ95により検出する。リニアエンコーダ95の分解能は0.1μｍであり、またそのサンプリング周波数は100μsecである。リニアモータ94の定格推力，モータ質量，推進力定数は、それぞれ2.7Ｎ，0.27kg，3.33である。

実験は、最初に第２マスタ２を動かして、スレーブ５を環境３に接触させる。次に第１マスタ１の入力を加え、第１マスタ１および第２マスタ２により環境３に接するスレーブ５を動作させる。実験結果を図１４〜図１８に示す。これらの各図に示すように、実験は、Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩからなる３つの領域に分けられる。第１領域Ｉは、マスタ１，２からの入力がないゼロ入力領域であり、第２領域ＩＩは、１台の第２マスタ２による環境３への接触領域であり、第３領域ＩＩＩは、２台のマスタ１，２による環境３への接触領域である。図１４は力応答の特性を示し、図１５は入力に対するＩＲの応答特性を示している。第２領域ＩＩにおいては、第１マスタ１の入力は０であり、第２マスタ２の入力の大きさに関係なく、当該第２マスタ２のＩＲ（１／β）は１となる。また、第３領域ＩＩＩにおいては、第１マスタ１および第２マスタ２の入力が１Ｎを超えるため、各入力に応じて、ＩＲが変動している。１／α，１／βの各値は、入力の総和を分母として計算するので、ＩＲが有効な領域であれば、その和は１になる。また、ＩＲは数１９に示すように、マスタ１，２への入力に対する比率で計算されるため、スレーブ５には適用しない。ＩＲはゼロ入力領域（第１領域Ｉ）において無効になるので、情報分離が行われるのは少なくとも一つのマスタ１から入力が行なわれた第２領域ＩＩ及び第３領域ＩＩＩになる。図１６は実空間での位置応答を示しており、また図１７は仮想空間での位置応答を示している。実空間ではそれぞれの入力に応じた位置応答を示しており、ＩＲによる情報の分離機能が確認できる。しかし、図１７に示すように仮想空間においては全ての位置応答は一致しており、モード制御理論が破綻していない事を示している。図１８（ａ）は和のモードにおける力応答を示しており、また図１８（ｂ）〜（ｄ）は、スレーブ５と第１マスタ１間，第１マスタ１と第２マスタ２間，および第２マスタ２とスレーブ５間の各差のモードにおける位置応答を示している。それぞれの位置応答はほぼゼロを示し、２つのコントローラ（力サーボ31および位置レギュレータ41〜43）が正確に動作していることを示している。

このように、本実施例で提案したマルチラテラル制御による触覚制御方法とその装置において、システムを設計する際に外乱オブザーバに基づく加速度制御を行うことにより、力サーボ31と位置レギュレータ41〜43の独立制御が可能になる。また、複数マスタ１，２による１台のスレーブ５の接触動作シミュレーション及び実験を行った結果、提案したアイデンティティー比（Identity Ratio,：ＩＲ)を新たに導入することで、マスタ１，２への入力に応じた環境３の硬さを各マスタ１，２で再現する事が可能になった。また、スレーブ５の台数は無限に拡張可能であり、触覚メディアを念頭に置いた本発明の有効性を確認することができた。

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。

本実施例で提案するマルチラテラル制御による触覚制御方法と触覚制御装置は、加速度制御に基づいて作用・反作用の法則を遠隔地で複数のシステム間において人工的に再現するもので、その新規性は高い。これまで１対１でのバイラテラル制御システムでしか実現し得なかった触覚共有制御を、複数台で実現が可能になることにより、新たなマルチメディア情報として力覚・触覚情報を扱うことが可能になる。そのため、産業的にもロボットの感覚機能の拡張や工作機械，自動車，遠隔操作といったマン・マシンインターフェイスに画期的な性能改善が予想されるだけでなく、スキル獲得やスキル教育，ｅビジネスへの展開，新しいハプティックディスプレイによるハプティック放送やハプティック通信等の巨大な産業が立ち上がる可能性も予想できる。

本発明の好ましい実施例を示す触覚制御装置の制御モデルをあらわしたブロック線図である。 一般的な電動モータの制御モデルを示すブロック線図である。 図１に組み込まれる外乱オブザーバの制御ブロック線図である。 図３と等価なロバスト加速度制御システムのブロック線図である。 バイラテラル制御におけるシステムの概念図である。 本実施例で適用するバイラテラル制御における力サーボのブロック線図である。 本実施例で適用するバイラテラル制御における位置レギュレータのブロック線図である。 マルチラテラル制御におけるシステムの概念図である。 マルチラテラル制御における和のモードをあらわすブロック線図である。 マルチラテラル制御における差のモードをあらわすブロック線図である。 本実施例におけるマルチラテラル制御の触覚情報分離過程をあらわすブロック図である。 シミュレーションにより得られた力応答と位置応答の比較結果を示すグラフである。 本実施例におけるマルチラテラル制御システムを用いた実験装置の一例を示す斜視図である。 本実施例に基づく実験装置による時間と力応答の特性を示すグラフである。 本実施例に基づく実験装置による時間とＩＲの特性を示すグラフである。 本実施例に基づく実験装置による実空間での時間と位置の特性を示すグラフである。 本実施例に基づく実験装置による仮想空間での時間と位置の特性を示すグラフである。 本実施例に基づく実験装置による和のモードと差のモードの各特性を示すグラフである。

１ 第１マスタ（マスタ）
２ 第２マスタ（マスタ）
３ 環境
５ スレーブ
11，12，15 第１外乱オブザーバ
31 力サーボ（力コントローラ）
41〜43 位置レギュレータ（位置コントローラ）
51，52，53 反力トルクオブザーバ（第２外乱オブザーバ）
59 加算器（和モード生成手段）
71 行列変換器（差モード生成手段）
81，82 ＩＲ除算器（ＩＲ逆演算手段）
83，84 ＩＲ積算器（ＩＲ演算手段）

Claims (4)

1. 複数台のマスタと、一台以上のスレーブとを備え、
   操作者によるそれぞれの前記マスタの操作に応じて動作するように、環境に接触する前記スレーブを制御する触覚制御方法において、
   第１外乱オブザーバにより前記マスタおよび前記スレーブに加わるそれぞれの外力を推定し、その推定値を前記マスタおよび前記スレーブの入力にそれぞれフィードバックすることで、加速度次元で当該マスタおよび当該スレーブを個々に制御するステップを備え、
   前記マスタおよび前記スレーブからの各位置応答を、実空間における第１加速度応答値としてそれぞれ取得し、その中で選択される２つの前記第１加速度応答値の差を各々算出して仮想空間に変換出力する差モード生成のステップと、
   前記仮想空間に設けられ、前記差モード生成のステップからの各出力に基づいて、前記マスタおよび前記スレーブの位置変位をそれぞれゼロにするために、加速度次元での位置指令値を各々生成する位置制御のステップと、
   前記仮想空間からの前記各位置指令値を、実空間における前記マスタおよび前記スレーブへの第１加速度参照値にそれぞれ変換して出力するステップと、を行ないながら、
   第２外乱オブザーバにより前記マスタおよび前記スレーブの各反力を推定し、実空間におけるそれぞれの力応答を第２加速度応答値として出力するステップと、
   前記各第２加速度応答値を加算して前記仮想空間に出力する和モード生成のステップと、
   前記仮想空間に設けられ、前記和モード生成のステップからの出力に基づいて、前記マスタおよび前記スレーブが作用・反作用の法則を満たすような力応答に見合う第２加速度参照値を、当該マスタおよび当該スレーブにそれぞれ出力する力制御のステップと、を行なうことを特徴とする触覚制御方法。
2. 前記マスタからの前記実空間における第１加速度応答値に、そのマスタの反力推定値に対する全ての前記マスタの反力推定値の比を乗じたＩＲ乗算値を、前記各マスタに対応して各々前記差モード生成のステップに出力する演算ステップをさらに行ない、
   前記差モード生成のステップで、各々の前記ＩＲ乗算値と、前記スレーブからの第１加速度応答値の中で、２つの値の差を各々算出して仮想空間に変換出力すると共に、
   前記マスタへの第１加速度参照値に、全ての前記マスタの反力推定値に対するそのマスタの反力推定値の比を乗じた値を、当該マスタに出力する逆演算ステップをさらに行なうことを特徴とする請求項１記載の触覚制御方法。
3. 操作者により操作される複数台のマスタと、前記操作者によるそれぞれの前記マスタの操作に応じて環境に接するように動作する一台以上のスレーブとを備えた触覚制御装置において、
   前記マスタおよび前記スレーブに加わるそれぞれの外力を推定する第１外乱オブザーバと、
   加速度次元で前記マスタおよび前記スレーブを個々に制御するために、前記外力の推定値を当該マスタおよび当該スレーブの入力にそれぞれフィードバックするフィードバック部と、
   前記マスタおよび前記スレーブからの各位置応答を、実空間における第１加速度応答値としてそれぞれ取得し、その中で選択される２つの前記第１加速度応答値の差を各々算出して仮想空間に変換出力する差モード生成手段と、
   前記マスタおよび前記スレーブの各反力を推定し、実空間におけるそれぞれの力応答を第２加速度応答値として出力する第２外乱オブザーバと、
   前記各第２加速度応答値を加算して前記仮想空間に出力する和モード生成手段と、
   前記仮想空間に設けられ、前記差モード生成手段からの各出力に基づいて、前記マスタおよび前記スレーブの位置変位をそれぞれゼロにするために、加速度次元での位置指令値を各々生成する位置コントローラと、
   前記仮想空間からの前記各位置指令値を、実空間における前記マスタおよび前記スレーブへの第１加速度参照値にそれぞれ変換して出力する逆変換手段と、
   前記仮想空間に設けられ、前記和モード生成手段からの出力に基づいて、前記マスタおよび前記スレーブが作用・反作用の法則を満たすような力応答に見合う第２加速度参照値を、当該マスタおよび当該スレーブにそれぞれ出力する力コントローラと、を備えたことを特徴とする触覚制御装置。
4. 前記マスタからの前記実空間における第１加速度応答値に、そのマスタの反力推定値に対する全ての前記マスタの反力推定値の比を乗じたＩＲ乗算値を、前記各マスタに対応して各々前記差モード生成手段に出力するＩＲ演算手段を備え、
   前記差モード生成手段は、各々の前記ＩＲ乗算値と、前記スレーブからの第１加速度応答値の中で、２つの値の差を各々算出して仮想空間に変換出力するものであると共に、
   前記マスタへの第１加速度参照値に、全ての前記マスタの反力推定値に対するそのマスタの反力推定値の比を乗じた値を、当該マスタに出力するＩＲ逆演算手段を備えたことを特徴とする請求項３記載の触覚制御装置。