JP5017649B2 - Motion learning system and motion learning method - Google Patents

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JP5017649B2 JP2007053868A JP2007053868A JP5017649B2 JP 5017649 B2 JP5017649 B2 JP 5017649B2 JP 2007053868 A JP2007053868 A JP 2007053868A JP 2007053868 A JP2007053868 A JP 2007053868A JP 5017649 B2 JP5017649 B2 JP 5017649B2
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本発明は、例えば熟練者などのモーションの抽出,保存,再現を可能にするモーション習得システムおよびモーション習得方法に関する。   The present invention relates to a motion learning system and a motion learning method that enable extraction, storage, and reproduction of motion of, for example, an expert.

モーションコントロールは、ここ10年ほどの間に急速に発展してきた技術分野である。従来の閉環境下におけるモーションコントロールでは、外乱の抑圧に主眼が置かれていたが、最近はロボットの社会への普及や介護システムの開発などの、ヒューマンインタラクションを前提にした新しいモーションコントロールが望まれている。特に近年、ロボットによる低侵襲性外科医療や熟練者のスキル保存といった人間の高度な作業支援のためのスキル抽出技術の確立が求められている。   Motion control is a technical field that has developed rapidly over the last decade. Conventional motion control in a closed environment focused on suppressing disturbances, but recently, new motion control based on human interaction, such as the spread of robots into society and the development of nursing care systems, is desired. ing. In particular, in recent years, there has been a demand for the establishment of skill extraction techniques for advanced human work support such as minimally invasive surgical treatment by robots and skill preservation of skilled workers.

これまでに、画像情報に基づいて人間のスキルを抽出する研究が数多く行なわれている。また、環境との接触動作を繰り返し行なうようなタスクの抽出と再現には力制御に基づく動作が必要であり、仮想環境を用いて再現を行なうものや、位置と力のハイブリッド制御を用いたものなどが提案されている。しかしながら,現状では必ずしも満足のいく力制御系が計装されておらず、実現が容易ではない。それは、力覚情報は本来「作用・反作用の法則」に支配される双方向的情報であるにもかかわらず、現状の力制御系は所謂アクチュエータに印加する電流をコントロールして、その結果として生じる軸トルクを制御する単方向(Unilateral)性の力制御であり、アクチュエータに加えられる外力に応じて力覚フィードバックを行なうような双方向(Bilateral)性の情報を取り扱う基本的な手法を欠いているためである。   Many studies have been conducted so far to extract human skills based on image information. In addition, tasks based on force control are necessary for the extraction and reproduction of tasks that repeatedly perform contact operations with the environment, such as those using a virtual environment or those using hybrid position and force control. Etc. have been proposed. However, at present, a satisfactory force control system is not necessarily instrumented, and it is not easy to realize. Although force information is originally bidirectional information governed by the “law of action / reaction”, the current force control system controls the current applied to the so-called actuator, resulting in the result. Unilateral force control that controls the axial torque, and lacks a basic method for handling bilateral information that provides force feedback in response to external force applied to the actuator. Because.

具体的な例として、例えば特許文献1には、ワークである皿内面に対しての筆記動作に関する筆記情報とワーク情報を、マスター機構部によって認識すると、コントローラがスレーブ機構のロボットアームとスレーブ側皿を動作制御して、前記筆記動作を再現させるシステムが開示されているが、これは位置情報だけでモーションの抽出と再現を行なおうとしているので、環境との接触・被接触の繰り返し動作を再現することが難しい。   As a specific example, for example, in Patent Document 1, when the master mechanism unit recognizes writing information and writing information related to a writing operation on the inner surface of the plate, which is a workpiece, the controller recognizes the robot arm of the slave mechanism and the slave side plate. The system that reproduces the writing action by controlling the movement is disclosed, but since this is trying to extract and reproduce the motion only by the position information, it repeats the contact / contact operation with the environment. It is difficult to reproduce.

環境との接触を伴う動作を実現するためには、ロバスト性を失うことなく制御剛性をゼロに制御する加速度制御が必要不可欠であることが知られている。こうした加速度制御に基づく制御系を導入すれば、人間の実際の力入力(アクチュエータにとっては外乱となる)を指令値としたロバストな力覚フィードバック制御が実現できる。さらに、マスタ・スレーブシステムに基づくバイラテラル力覚フィードバック制御系を構成することにより、「作用・反作用の法則」に支配される双方向的情報である力覚情報から、人間の作用力と環境からの反作用力とをそれぞれ抽出することが可能になる。   It is known that acceleration control for controlling the control stiffness to zero without losing robustness is indispensable for realizing an operation involving contact with the environment. By introducing such a control system based on acceleration control, it is possible to realize robust force feedback control using an actual human force input (which is a disturbance for the actuator) as a command value. Furthermore, by constructing a bilateral force feedback control system based on the master / slave system, from force information, which is bidirectional information governed by the “law of action / reaction”, from human action force and environment It is possible to extract the reaction force of each.

遠隔地の力覚情報を手元で感じるためのバイラテラル制御は、これまでに多くの手法が提案されてきた。しかし、従来のバイラテラル制御法ではマスタシステムに力制御,スレーブシステムに位置制御を行なう力帰還型をはじめとして、より多くのシステム間における力覚情報の共有制御にそのまま拡張することはできず、確立されているとは言い難い。そこで、本願の発明者らは、これまでに加速度制御に基づく新しいバイラテラル制御系を提案し、実世界における力覚情報の鋭敏な再現に成功している(特願2006−57632)。具体的には、マスタシステムとスレーブシステムとの間を加速度制御による制御を行なうことにより、力制御と位置制御の統合を容易に実現することができ、遠隔地における「作用・反作用の法則」の人工再現が可能になる。また、この加速度制御に基づく制御手法は無限次元のロボットシステムに拡張することが可能であるため、所謂マルチラテラル制御として一般化が可能である。
特開2006−62052号公報
Many methods have been proposed to date for bilateral control to sense remote haptic information at hand. However, the conventional bilateral control method cannot be directly expanded to share control of force information among more systems, including force feedback type that controls force in the master system and position control in the slave system. It is hard to say that it has been established. Therefore, the inventors of the present application have so far proposed a new bilateral control system based on acceleration control, and have succeeded in sharply reproducing force information in the real world (Japanese Patent Application No. 2006-57632). Specifically, by performing acceleration control between the master system and the slave system, it is possible to easily realize integration of force control and position control. Artificial reproduction is possible. Further, since the control method based on this acceleration control can be extended to an infinite dimensional robot system, it can be generalized as so-called multilateral control.
JP 2006-62052 A

しかし、上記マルチラテラル制御を実現したモーション習得システムでは、次のような問題を生じる。   However, the motion learning system that realizes the multilateral control has the following problems.

マルチラテラル制御では、一人の主操作者(指導者)が遠隔地に存在する複数の従操作者(訓練者)に対し、マスタシステムとスレーブシステムとにより、環境との接触を伴う動作の教示が可能となる。しかし、従操作者の動作が主操作者に戻ってしまい、これが主操作者の動作を拘束することになるため、従操作者に対して十分な動作の教示が行なわれなくなる懸念を生じていた。   In multi-lateral control, one master operator (instructor) teaches a plurality of subordinate operators (trainers) who are in remote locations by the master system and slave system. It becomes possible. However, since the operation of the sub operator returns to the main operator, and this restricts the operation of the main operator, there has been a concern that sufficient operation cannot be taught to the sub operator. .

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、従操作者の動きが主操作者に戻ることなく、主操作者の動きを従操作者に十分教示することが可能なモーション習得装置およびモーション習得方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and the purpose of the present invention is to provide a motion that can sufficiently teach the movement of the master operator to the slave operator without the movement of the slave operator returning to the master operator. The object is to provide a learning device and a motion learning method.

上記課題を解決するために、本発明のモーション習得システムは、主操作システムで抽出した主操作者の動作を、従操作システムで再現するモーション習得システムであって、前記従操作システムは、前記主操作者の動作を第1加速度応答として出力する仮想出力手段と、従操作者の操作力に応じた第1等価加速度が加えられ、この第1等価加速度と第1加速度参照値を入力して、第2加速度応答を出力する可動可能なマスタシステムと、前記従操作者の操作に伴う環境からの反作用力に応じた第2等価加速度が加えられ、この第2等価加速度と第2加速度参照値を入力して、第3加速度応答を出力する可動可能なスレーブシステムと、前記第1等価加速度と前記第2等価加速度が前記仮想出力手段に出力されないように、前記第1加速度応答,前記第2加速度応答,前記第3加速度応答,前記第1等価加速度,および前記第2等価加速度から、前記マスタシステムへの前記第1加速度参照値と、前記スレーブシステムへの前記第2加速度参照値をそれぞれ算出して、前記マスタシステムと前記スレーブシステムを加速度制御するマルチラテラル制御手段と、を備えている。 In order to solve the above-mentioned problem, the motion learning system of the present invention is a motion learning system that reproduces the operation of the main operator extracted by the main operation system using the sub operation system, and the sub operation system includes the main operation system. A virtual output means for outputting the operation of the operator as a first acceleration response and a first equivalent acceleration corresponding to the operation force of the slave operator are added , and the first equivalent acceleration and the first acceleration reference value are input, and movably master system that outputs a second acceleration response, the従操second equivalent acceleration is applied in accordance with the reaction force from the environment with the author of the operation, the second equivalent acceleration and the second acceleration reference value enter a, and moveable slave system that outputs a third acceleration response, as the second equivalent acceleration and the first equivalent acceleration is not output to the virtual output means, said first acceleration response , The second acceleration response, the third acceleration response, the first equivalent acceleration, and the second equivalent acceleration, the first acceleration reference value to the master system, and the second acceleration reference to the slave system. Multi-lateral control means for calculating each value and controlling the acceleration of the master system and the slave system.

この場合の前記マルチラテラル制御手段は、前記第1等価加速度と前記第2等価加速度との和が0になるように、前記第1等価加速度と前記第2等価加速度との加算値を、力サーボの制御パラメータと乗算して、和モードの加速度参照値x ・・ ic ref を算出し、前記第1加速度応答と前記第2加速度応答とのの偏差が位置次元で0になるように、前記第1加速度応答から前記第2加速度応答を差し引いた偏差を、位置レギュレータの制御パラメータと乗算して、差モードの第1加速度参照値x ・・ id1 ref を算出し、前記第2加速度応答と前記第3加速度応答との間の偏差が位置次元で0になるように、前記第2加速度応答から前記第3加速度応答を差し引いた偏差を、前記位置レギュレータの制御パラメータと乗算して、差モードの第2加速度参照値x ・・ id2 ref を算出し、前記第1加速度応答と前記第2加速度応答との偏差に比例したアシスト力が前記マスタシステムに生じるように、i番目の前記従操作システムにおける前記第1加速度参照値x ・・ im ref と前記第2加速度参照値 ・・ is ref 、後述する数21でそれぞれ算出するものである。 In this case, the multilateral control means calculates the sum of the first equivalent acceleration and the second equivalent acceleration as a force servo so that the sum of the first equivalent acceleration and the second equivalent acceleration becomes zero. by multiplying the control parameter of, calculating a reference value of acceleration x · · ics ref sum mode, as deviation between the second acceleration response and the first acceleration response is zero at a position dimension, A difference obtained by subtracting the second acceleration response from the first acceleration response is multiplied by a control parameter of a position regulator to calculate a first acceleration reference value x ·· id1 ref in a difference mode, and the second acceleration response The difference obtained by subtracting the third acceleration response from the second acceleration response is multiplied by the control parameter of the position regulator so that the deviation between the third acceleration response and the third acceleration response becomes zero in the position dimension. Second acceleration of The reference value x ·· id2 ref is calculated, and the first force in the i-th slave operation system is such that an assist force proportional to the deviation between the first acceleration response and the second acceleration response is generated in the master system. The acceleration reference value x ·· im ref and the second acceleration reference value x ·· is ref are respectively calculated by Equation 21 described later .

た、前記アシスト力を記憶するアシスト力記憶手段をさらに備えるのが好ましい。 Also, further preferably comprises an assist force storage means for storing the assist force.

さらに好ましくは、前記仮想出力手段は、前記主操作システムで抽出した主操作者の動作情報を保存する記憶部と、この記憶部の前記動作情報から前記第1加速度応答を出力する出力部と、により構成される。   More preferably, the virtual output means includes a storage unit that stores the operation information of the main operator extracted by the main operation system, and an output unit that outputs the first acceleration response from the operation information of the storage unit, Consists of.

上記課題を解決するために、本発明のモーション習得方法は、主操作システムで抽出した主操作者の動作を、従操作システムで再現するモーション習得方法であって、前記従操作システムは、前記主操作者の動作を第1加速度応答として出力する仮想出力手段と、従操作者の操作力に応じた第1等価加速度が加えられ、この第1等価加速度と第1加速度参照値を入力して、第2加速度応答を出力する可動可能なマスタシステムと、前記従操作者の操作に伴う環境からの反作用力に応じた第2等価加速度が加えられ、この第2等価加速度と第2加速度参照値を入力して、第3加速度応答を出力する可動可能なスレーブシステムと、を備え、前記第1等価加速度と前記第2等価加速度が前記仮想出力手段に出力されないように、前記第1加速度応答,前記第2加速度応答,前記第3加速度応答,前記第1等価加速度,および前記第2等価加速度から、前記マスタシステムへの前記第1加速度参照値と、前記スレーブシステムへの前記第2加速度参照値をそれぞれ算出して、前記マスタシステムと前記スレーブシステムを加速度制御するマルチラテラル制御を行なっている。 In order to solve the above-described problem, the motion learning method of the present invention is a motion learning method for reproducing the operation of the main operator extracted by the main operation system using the sub operation system, and the sub operation system includes the main operation system. A virtual output means for outputting the operation of the operator as a first acceleration response and a first equivalent acceleration corresponding to the operation force of the slave operator are added , and the first equivalent acceleration and the first acceleration reference value are input, and movably master system that outputs a second acceleration response, the従操second equivalent acceleration is applied in accordance with the reaction force from the environment with the author of the operation, the second equivalent acceleration and the second acceleration reference value enter a, and moveable slave system that outputs a third acceleration response comprises, as the said first equivalent acceleration second equivalent acceleration is not output to the virtual output means, said first acceleration response , The second acceleration response, the third acceleration response, the first equivalent acceleration, and the second equivalent acceleration, the first acceleration reference value to the master system, and the second acceleration reference to the slave system. Multi-lateral control is performed to calculate the respective values and to control the acceleration of the master system and the slave system.

この場合の前記マルチラテラル制御では、前記第1等価加速度と前記第2等価加速度との和が0になるように、前記第1等価加速度と前記第2等価加速度との加算値を、力サーボの制御パラメータと乗算して、和モードの加速度参照値x ・・ ic ref を算出し、前記第1加速度応答と前記第2加速度応答とのの偏差が位置次元で0になるように、前記第1加速度応答から前記第2加速度応答を差し引いた偏差を、位置レギュレータの制御パラメータと乗算して、差モードの第1加速度参照値x ・・ id1 ref を算出し、前記第2加速度応答と前記第3加速度応答との間の偏差が位置次元で0になるように、前記第2加速度応答から前記第3加速度応答を差し引いた偏差を、前記位置レギュレータの制御パラメータと乗算して、差モードの第2加速度参照値x ・・ id2 ref を算出し、前記第1加速度応答と前記第2加速度応答との偏差に比例したアシスト力が前記マスタシステムに生じるように、i番目の前記従操作システムにおける前記第1加速度参照値x ・・ im ref と前記第2加速度参照値 ・・ is ref 、後述する数21でそれぞれ算出する。 In the multilateral control in this case, the added value of the first equivalent acceleration and the second equivalent acceleration is set to a force servo so that the sum of the first equivalent acceleration and the second equivalent acceleration becomes zero . by multiplying the control parameter, to calculate the acceleration reference value x · · ics ref sum mode, as deviation between the first acceleration response and the second acceleration response is zero at a position dimension, the A difference obtained by subtracting the second acceleration response from the first acceleration response is multiplied by a control parameter of the position regulator to calculate a first acceleration reference value x ·· id1 ref in a difference mode, and the second acceleration response and the The deviation obtained by subtracting the third acceleration response from the second acceleration response is multiplied by the control parameter of the position regulator so that the deviation between the third acceleration response and the third acceleration response becomes zero in the position dimension. Second acceleration reference The reference value x ·· id2 ref is calculated, and the first force in the i-th slave operation system is such that an assist force proportional to the deviation between the first acceleration response and the second acceleration response is generated in the master system. The acceleration reference value x ·· im ref and the second acceleration reference value x ·· is ref are respectively calculated by Equation 21 described later .

た、前記アシスト力をアシスト力記憶手段に記憶することが好ましい。 Also, it is preferable to store the assist force to assist force storage means.

さらに、前記仮想出力手段において、前記主操作システムで抽出した主操作者の動作情報を保存し、その後で前記動作情報から前記第1加速度応答を出力するのが好ましい。   Further, it is preferable that the virtual output means stores the operation information of the main operator extracted by the main operation system and then outputs the first acceleration response from the operation information.

上記請求項1のシステムおよび請求項の方法によれば、従操作システムにおいて、仮想出力手段,マスタシステム,およびスレーブシステムの間で、力覚・触覚情報を共有するマルチラテラル制御が行なわれる。そのため、主操作システムで操作した環境との接触を伴う主操作者の動きを、一乃至複数の従操作システムで同時に再現させながら、例えば従操作システムを利用する従操作者に対する訓練を行なうことが可能になる。また、従操作者が操作する従操作システムは、マスタシステムとスレーブシステムに基づくシステム構成を有することから、位置制御ベースのモーション習得システムやモーション習得方法では実現できなかった環境との接触を伴う動作の伝達を可能にできる。 According to the system of claim 1 and the method of claim 5 , in the slave operation system, multilateral control for sharing force / tactile information is performed among the virtual output means, the master system, and the slave system. Therefore, it is possible to train, for example, a slave operator using the slave operation system while simultaneously reproducing the movement of the master operator accompanied with the environment operated by the master operation system using one or more slave operation systems. It becomes possible. In addition, since the slave operating system operated by the slave operator has a system configuration based on the master system and the slave system, the operation involving contact with the environment that could not be realized by the position control-based motion learning system or motion learning method. Can be transmitted.

さらに、従操作システムにおけるマルチラテラル制御は、主操作システムそのものではなく、主操作者の動作を第1加速度応答として出力する仮想出力手段と、マスタシステムおよびスレーブシステムとの間で行なわれ、しかも、第1等価加速度や第2等価加速度が、仮想出力手段に出力されないように構成されている。したがって、従操作者が従操作システムのマスタシステムをどのような力で操作した場合であっても、主操作者の動作が従操作者の動作によって支配されることなく、そのため従操作者からの力の影響を受けずに、一人の主操作者が一またはそれ以上の従操作者に対して同時にトレーニングを行なうことが可能になることから、従操作者の動作が主操作者に戻ることはなく、主操作者の動作を従操作者に十分教示することが可能になる。 Furthermore, the multilateral control in the slave operation system is performed between the master system and the slave system, not the main operation system itself, but the virtual output means for outputting the operation of the main operator as the first acceleration response, the first equivalent acceleration or the second equivalent acceleration, that is configured to not output to the virtual output means. Therefore, no matter what force the subordinate operator operates the master system of the subordinate operating system, the operation of the main operator is not dominated by the operation of the subordinate operator. It is possible for one master operator to perform training for one or more slave operators at the same time without being affected by force. Therefore, it is possible to sufficiently teach the operation of the primary operator to the secondary operator.

上記請求項2のシステムおよび請求項の方法によれば、従操作システムのマスタシステムとスレーブシステムによって、作用と反作用の人工的な再現を行なうことが可能になる。また、主操作者の動作を、従操作システムの仮想出力手段からマスタシステムとスレーブシステムに正確に伝達することが可能になる。さらに、主操作者と従操作者との間の動作に差が生じた場合に、その偏差に比例したアシスト力がマスタシステムに働くこととなり、従操作者のトレーニング効果を高めることができる。 According to the system of claim 2 and the method of claim 6 , the master system and slave system of the slave operating system can artificially reproduce the action and the reaction. In addition, the operation of the main operator can be accurately transmitted from the virtual output means of the slave operation system to the master system and the slave system. Further, when a difference occurs in the operation between the primary operator and the secondary operator, an assist force proportional to the deviation acts on the master system, and the training effect of the secondary operator can be enhanced.

上記請求項のシステムおよび請求項の方法によれば、従操作システムで発生したアシスト力の総和を記憶することで、例えば技術の習得度(スキルレベル)を定量的に評価することが可能になる。 According to the system of claim 3 and the method of claim 7 , it is possible to quantitatively evaluate, for example, the skill level of the technique by storing the total assist force generated in the slave operation system. become.

上記請求項のシステムおよび請求項の方法によれば、仮想出力手段に複数の主操作者の動作情報をデータベース化して保存することができるので、従操作システムをいわゆるトレーニングシミュレータとして使用することも可能になる。 According to the system of claim 4 and the method of claim 8 , since the operation information of a plurality of main operators can be stored in a database in the virtual output means, the slave operation system is used as a so-called training simulator. Will also be possible.

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。先ず図1に基づき、本発明のモーション習得システムが適用する外乱オブザーバを用いたロバスト加速度制御系の制御システムの一例を説明する。このような加速度制御系は、環境との接触を伴う動作を実現する上で必要不可欠なものである。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。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, an example of a control system for a robust acceleration control system using a disturbance observer applied by the motion learning system of the present invention will be described with reference to FIG. Such an acceleration control system is indispensable for realizing an operation involving contact with the environment. 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.

同図において、1は外乱力Fdisを推定する対象として設けられ、エネルギーを動力に変換する可動可能なアクチュエータであり、これはリニアモータなどの駆動源に電流値iを入力することにより、実際の位置xに動作するものである。アクチュエータ1には、実際の位置xを電気的な位置信号に変換して検出出力するために、例えばリニアエンコーダなどの位置センサ2が装着される。 In the figure, reference numeral 1 denotes a movable actuator that is provided as a target for estimating a disturbance force F dis and converts energy into power. This is achieved by inputting a current value i to a drive source such as a linear motor. It moves to the position x. A position sensor 2 such as a linear encoder is attached to the actuator 1 in order to convert the actual position x into an electrical position signal and output it.

一方、アクチュエータ1を制御する位置情報型の外乱オブザーバ3は、このアクチュエータ1への指令値である電流値iを入力すると共に、位置xを擬似微分器4で擬似微分した値、即ち応答速度値^xを入力して、これらの各値から外乱力の推定値を出力するもので、実際には擬似微分器4と共に、コンピュータのソフトウェアなどで構成される。擬似微分器4は、前記位置信号を推定速度信号に変換するもので、位置xに対し擬似微分を施すことで、ノイズに対する感度を抑制した変換出力を得ることができる。外乱オブザーバ3は、前記アクチュエータ1と等価的な逆モデルが組み込まれ、前記電流iを力単位の第1信号に変換し、この第1信号と前記擬似微分器4からの応答速度^θ を微分して得た第2信号とを比較した第3信号を出力する逆モデル部5と、この逆モデル部5での微分の際にカットオフ周波数を設定することにより形成され、前記逆モデル部5から低周波帯域の成分の第3信号を取り出し、これを推定外乱力^Fdisとして出力するローパスフィルタ6と、により構成される。また7は、前記推定外乱力^Fdisを、目標となる電流参照値Irefと同じ単位の補償電流値Icmpに逆変換する力−電流変換手段であり、この補償電流値Icmpと電流参照値Irefとを加算器8で加算することで、アクチュエータ1に入力する前記電流値(電流指令値)iを算出するようにしている。これにより、図1の各構成からなる装置では、外部からアクチュエータ1に加わる外乱力Fdisを除去することができる。なお、アクチュエータ1は位置信号を出力するものなので、便宜上2段の積分器(1/s)を通して、アクチュエータ1の出力(加速度x・・を2回積分して、実際の位置xを出力)としている。 On the other hand, the position information type disturbance observer 3 for controlling the actuator 1 inputs a current value i which is a command value to the actuator 1 and a value obtained by pseudo-differentiating the position x by the pseudo-differentiator 4, that is, a response speed value. ^ X · is input, and an estimated value of the disturbance force is output from each of these values. In actuality, the estimated value is composed of the pseudo-differentiator 4 and computer software. The pseudo-differentiator 4 converts the position signal into an estimated speed signal. By performing pseudo-differentiation on the position x, it is possible to obtain a conversion output with suppressed sensitivity to noise. The disturbance observer 3 incorporates an inverse model equivalent to the actuator 1, converts the current i into a first signal in force unit, and the response speed ^ θ m · from the first signal and the pseudo-differentiator 4. The inverse model unit 5 that outputs a third signal that is compared with the second signal obtained by differentiating the signal, and the inverse model unit 5 is formed by setting a cutoff frequency during differentiation in the inverse model unit 5. The low-pass filter 6 extracts the third signal of the low frequency band component from the unit 5 and outputs it as the estimated disturbance force ^ F dis . Reference numeral 7 denotes force-current conversion means for reversely converting the estimated disturbance force ^ F dis into a compensation current value I cmp in the same unit as the target current reference value I ref , and the compensation current value I cmp and the current The current value (current command value) i to be input to the actuator 1 is calculated by adding the reference value I ref with the adder 8. Thereby, in the apparatus which consists of each structure of FIG. 1, the disturbance force F dis added to the actuator 1 from the outside can be removed. Since the actuator 1 outputs a position signal, the output of the actuator 1 (acceleration x ·· is integrated twice to output the actual position x) through a two-stage integrator (1 / s) for convenience. Yes.

図1に示す制御システムは、モータに作用する各種外乱(すなわち外乱力Fdis)の影響を、外乱オブザーバ3で除去することにより、ロバストな加速度制御系を構築している。ここでは、アクチュエータ1の駆動源として、リニアモータを採用する。モータに作用する外乱力Fdisは、次の式で表される。 The control system shown in FIG. 1 constructs a robust acceleration control system by removing the influence of various disturbances acting on the motor (that is, disturbance force F dis ) with the disturbance observer 3. Here, a linear motor is adopted as the drive source of the actuator 1. The disturbance force F dis acting on the motor is expressed by the following equation.

ここで、図1および上記数1に記載されている各記号を説明すると、Irefは電流参照値であり、Kは推力定数であり、xはモータ位置であり、記号の後にある添え字は公称(ノミナル)値を意味する。また、上記数1の右辺第1項は慣性変動,第2項は推力定数の変動による推力リプル,第3項のFはクーロン摩擦力,第4項のDは粘性摩擦力,第5項のFextは外力を表している。 Here, each symbol described in FIG. 1 and Equation 1 will be described. I ref is a current reference value, K t is a thrust constant, x is a motor position, and a suffix after the symbol. n means a nominal value. The first term on the right-hand side of the equation 1 is the inertia variation, the second term thrust ripple due to variations in the thrust constant, F c is the Coulomb friction of the third term, D m x · a fourth term viscous friction forces, F ext in the fifth term represents external force.

前記電流参照値Irefとモータ速度xが、遮断周波数gpdを有する擬似微分器4によって検出可能であるとき、数1で定義される外乱力Fdisは、次の式に示す外乱オブザーバ3により、一次のローパスフィルタ6を通して次のように推定される。 When the current reference value I ref and the motor speed x · can be detected by the pseudo-differentiator 4 having the cutoff frequency g pd , the disturbance force F dis defined by Equation 1 is a disturbance observer 3 expressed by the following equation: Is estimated through the first-order low-pass filter 6 as follows.

但し、上記数2において、g*disは次のように表わせる。 However, in the above equation 2, g * dis can be expressed as follows.

この推定外乱力F^disを、次の式のように力−電流変換手段7で補償電流値Icmpに変換してフィードバックすることにより、外乱に対してロバストな制御系を有する制御システムを構築することができる。 The estimated disturbance force F ^ dis is converted into a compensation current value I cmp by the force-current conversion means 7 as shown in the following equation and fed back to construct a control system having a control system that is robust against the disturbance. can do.

図2は、図1に示す制御システムを等価的に表わしたものである。図1における外乱オブザーバ3に基づくロバスト制御系は、図2に示すような加速度制御系になる。図2の要素11内に示された数式の感度関数より、ここでは外乱オブザーバ3の遮断周波数gdisを大きく設定することにより、外乱力Fdisの影響が除去されることが分かる。また、外乱オブザーバ3によりロバスト加速度制御系が実現されるばかりではなく、モータに加えられる外力Fextのみを力覚センサレスで推定することも可能になる。なお12は、アクチュエータ1において、加速度参照値x・・refと、要素11からの推定外乱力F^disを力−加速度変換手段13で変換した推定加速度との差が、加速度x・・として出力されることを等価的に表わした減算器である。こうして、アクチュエータ1を構成するモータに対するロバスト加速度制御系が実現できる。 FIG. 2 is an equivalent representation of the control system shown in FIG. The robust control system based on the disturbance observer 3 in FIG. 1 is an acceleration control system as shown in FIG. From the sensitivity function of the mathematical formula shown in the element 11 of FIG. 2, it can be seen that the influence of the disturbance force F dis is removed by setting the cutoff frequency g dis of the disturbance observer 3 large here. Further, not only a robust acceleration control system is realized by the disturbance observer 3, but also only the external force F ext applied to the motor can be estimated without a force sensor. In the actuator 1, a difference between the acceleration reference value x ·· ref and the estimated acceleration obtained by converting the estimated disturbance force F ^ dis from the element 11 by the force-acceleration converting means 13 is output as the acceleration x ···. It is a subtractor that equivalently expresses what is done. Thus, a robust acceleration control system for the motor constituting the actuator 1 can be realized.

ここで、力覚フィードバック制御は実世界における力覚情報の獲得と再現にあたって必要不可欠なものであり、実世界ハプティクスの基盤技術となっている。力覚フィードバックシステムにおいて、入力はモータに直接加えられる外力Fextであり、これを瞬時にフィードバックして倣い動作をすることが目的となる。 Here, the haptic feedback control is indispensable for acquiring and reproducing the haptic information in the real world, and is a basic technology of the real world haptics. In the haptic feedback system, the input is an external force F ext that is directly applied to the motor, and the purpose is to perform a copying operation by instantaneously feeding back this.

覚フィードバック制御を実現するシステムは、アクチュエータ1に対して2重の外乱オブザーバループを備えることにより実現され、そのブロック線図は図3のように表される。 System for realizing the haptic feedback control is realized by the actuator 1 comprises a double disturbance observer loop, the block diagram is represented as shown in FIG.

同図において、15はアクチュエータ1のモータで、ロバスト加速度制御を実現する内側の第1の外乱オブザーバ16は、前記図1に示す外乱オブザーバ3と、擬似微分器4と、力−電流変換手段7とにより構成される。また、外側の第2の外乱オブザーバ17は、同定した摩擦モデルなどを用いることにより、モータ15への外力のみを推定し(推定外力F^ext)、これを反転器18で反転させてフィードバックすることが可能になる。図3において、19は加速度参照値を導出する外力−加速度変換手段で、これは前記推定外力F^extと力覚フィードバックゲインCとの乗算にて算出される。また、20は電流参照値Irefを導出する加速度−電流変換手段で、これは前記加速度参照値x・・refを(M/Ktn)と乗算することで算出される。 In the figure, reference numeral 15 denotes a motor of the actuator 1, and an inner first disturbance observer 16 for realizing robust acceleration control includes the disturbance observer 3, the pseudo-differentiator 4 and the force-current converting means 7 shown in FIG. It consists of. Further, the outer second disturbance observer 17 estimates only the external force to the motor 15 by using the identified friction model or the like (estimated external force F ext ), and reverses this with the inverter 18 to feed back. It becomes possible. 3, 19 is an external force derives the acceleration reference value - by the acceleration converting unit, which is calculated by multiplication of said estimated external force F ^ ext and tactile feedback gain C f. Reference numeral 20 denotes acceleration-current conversion means for deriving a current reference value I ref , which is calculated by multiplying the acceleration reference value x ·· ref by (M n / K tn ).

推定外力F^extは、第2の外乱オブザーバ17により、1次のローパスフィルタを通して次式のように推定される。 The estimated external force F ext is estimated by the second disturbance observer 17 through the first-order low-pass filter as follows:

図3のシステムは図4のように、等価的に簡略化して表現することが可能である。ここで、加速度次元制御器23への入力は、加速度参照値x・・refと外力の等価加速度x・・extであり、外力の等価加速度x・・extから加速度応答値x・・refまでの伝達関数を1にすることで、加速度次元制御器23による力覚フィードバックが実現される。外力の等価加速度x・・extは次式のように、推定外力F^extをノミナル質量Mnで除することにより得られ、これは図4の力−加速度変換手段24で実現する。 The system of FIG. 3 can be expressed in an equivalently simplified manner as shown in FIG. Here, the input to the acceleration dimension controller 23 is an acceleration reference value x · · ref and the external force of the equivalent acceleration x · · ext, from equivalent acceleration x · · ext of the external force to the acceleration response values x · · ref By setting the transfer function to 1, force feedback by the acceleration dimension controller 23 is realized. The equivalent acceleration x ·· ext of the external force is obtained by dividing the estimated external force F ext by the nominal mass Mn as shown in the following equation, which is realized by the force-acceleration converting means 24 of FIG.

このように、図4に示すような二重の外乱オブザーバ16,17によるループ構成を組み込むことによって、ロバストかつ制御剛性が0のセンサレス力覚フィードバック制御が構築でき、人間や環境への親和性の高い接触動作が実現可能となる。   In this way, by incorporating a loop configuration with the double disturbance observers 16 and 17 as shown in FIG. 4, a sensorless force feedback control with a robust and zero control rigidity can be constructed, and the compatibility with humans and the environment is improved. High contact operation can be realized.

次に、上述した好ましいシステム構成を組み込んだモーション習得システムの一実施例を具体的に説明する。この実施例では、遠隔教育により熟練者の動作を伝達し、トレーニングを行なうシステムについて詳述するが、操作を指示する操作システムと、操作システムからの指令を受けてその操作を遠隔地で再現する被操作システムとを、通信手段で接続したあらゆるモーション習得システムにも適用できる。   Next, an embodiment of a motion learning system incorporating the above-described preferred system configuration will be specifically described. In this embodiment, a system for transmitting an expert's actions and training by distance learning will be described in detail. An operation system for instructing an operation and an operation from the operation system are reproduced at a remote place. The present invention can also be applied to any motion learning system in which the operated system is connected by communication means.

熟練者の動作の伝達にあたっては、アクチュエータ1が環境と接触する時の力覚情報をいかに抽出し、それを遠隔地で再現するかが問題となる。力覚情報は視覚情報や聴覚情報とは異なり、実世界における「作用・反作用の法則」に支配されるため、抽出と再現を実現するためには、マスタシステムとスレーブシステムとによるバイラテラル力覚フィードバックが必要となる。   In transmitting the motion of the skilled person, it becomes a problem how to extract force information when the actuator 1 comes into contact with the environment and reproduce it at a remote place. Because haptic information is different from visual and auditory information, it is governed by the “law of action / reaction” in the real world, so in order to realize extraction and reproduction, bilateral haptics between the master system and the slave system are used. Feedback is required.

図5は、こうしたバイラテラル力覚フィードバックによる「作用・反作用の法則」の人工的実現の概念を示した模式図である。同図では、操作者側に設置した主操作システムたる操作システム31が、マスタシステム32とスレーブシステム33とにより構成される。これにより、操作者(熟練者)Oの実世界における「作用・反作用の法則」は、マスタシステム3に加わる操作者Oの操作体Sへの作用力と、スレーブシステム3が受ける環境Eから操作体Sへの反作用力とに分離可能になり、熟練者の動作中における力覚情報の抽出や遠隔地での再現が可能になる。 FIG. 5 is a schematic diagram showing the concept of artificial realization of the “law of action / reaction” by such bilateral force feedback. In the figure, an operation system 31 that is a main operation system installed on the operator side includes a master system 32 and a slave system 33. Thus, the operator (skilled) "of action and reaction law" in the real world O is the force acting on the operating body S of the operator O applied to the master system 3 2, slave system 3 3 undergoes environmental E Can be separated from the reaction force to the operating body S, and force information can be extracted and reproduced at a remote place while the skilled person operates.

図6は、熟練者すなわち熟練トレーナ(指導者)側の操作システム31における全制御系の構成を具体的に示したものである。同図において、熟練トレーナの操作システム31を構成するマスタシステム32とスレーブシステム33は、図4で説明したアクチュエータ1への加速度制御手段34,35をそれぞれ備えている。ここで、マスタシステム32への入力は、熟練トレーナの操作力の等価加速度x・・ 1m extと、加速度参照値x・・ 1m refであり、出力は加速度応答値x・・ 1mである。また、スレーブシステム33への入力は、環境Eからの反作用力の等価加速度x・・ 1s extと、加速度参照値x・・ 1s refであり、出力は加速度応答値x・・ 1sである。 FIG. 6 specifically shows the configuration of all control systems in the operation system 31 on the side of an expert, that is, an expert trainer (instructor). In the figure, a master system 32 and a slave system 33 that constitute the operation system 31 of the trained trainer respectively include acceleration control means 34 and 35 for the actuator 1 described in FIG. Here, the input to the master system 32 is the equivalent acceleration x ·· 1m ext of the operating force of the skilled trainer and the acceleration reference value x ·· 1m ref , and the output is the acceleration response value x ·· 1m . The input to the slave system 33 is the equivalent acceleration x ·· 1s ext of the reaction force from the environment E and the acceleration reference value x ·· 1s ref , and the output is the acceleration response value x ·· 1s .

操作システム31においてバイラテラル力覚フィードバックを実現するためには、熟練トレーナの操作力F1mと環境Eからの反作用力F1sの和を0に制御することと、マスタシステム32の位置x1mとスレーブシステム33の位置x1sとの偏差を0に制御することを、マスタシステム32とスレーブシステム33が同時に実現するように構成する必要がある。マスタシステム32とスレーブシステム33が、それぞれの加速度制御手段34,35により図4のように制御されている場合、バイラテラル力覚フィードバックの目標は以下の各数式のように表わすことができる。 In order to realize bilateral force feedback in the operation system 31, the sum of the operation force F 1m of the skilled trainer and the reaction force F 1s from the environment E is controlled to 0, and the position x 1m of the master system 32 It is necessary to configure the master system 32 and the slave system 33 to simultaneously realize the deviation from the position x 1s of the slave system 33 to 0. When the master system 32 and the slave system 33 are controlled as shown in FIG. 4 by the respective acceleration control means 34 and 35, the target of bilateral force feedback can be expressed as the following equations.

上記数7の式の加算値x・・ 1c extを算出するために、操作システム31には、マスタシステム31に入力する等価加速度x・・ 1m extと、スレーブシステム32に入力する等価加速度x・・ 1s extとを加算する加算器36が設けられる。同様に、上記数8の式の偏差x・・ 1dを算出するために、操作システム31には、マスタシステム31から出力される加速度応答値x・・ 1mから、スレーブシステム32から出力される加速度応答値x・・ 1sを減算する減算器37が設けられる。 In order to calculate the added value x · · 1c ext formula in Formula 7, the operation system 31, and the equivalent acceleration x · · 1 m ext input to the master system 31, & equivalent acceleration x to be input to the slave system 32 - an adder 36 for adding the 1s ext is provided. Similarly, in order to calculate the deviation x ·· 1d of the equation (8), the operation system 31 receives the acceleration response value x ·· 1m output from the master system 31 and the acceleration output from the slave system 32. A subtracter 37 for subtracting the response value x ·· 1s is provided.

このように、数7や数8に示すバイラテラル力覚フィードバックの目標式は、マスタシステム32とスレーブシステム33との間の和のモードと差のモードで表現される。和のモードと差のモードは直行する仮想空間で表現されるため、加速度制御に基づいてそれぞれの空間で独立に制御系を設計することにより、上記の目標を満たすことが可能になる。なお、マスタシステム32に入力する等価加速度x・・ 1m extは、操作システム31に備えた力−加速度変換手段38を利用して、熟練トレーナの操作力F1mから次の式にて算出できる。 Thus, the bilateral force feedback target equation shown in Equations 7 and 8 is expressed by the sum mode and the difference mode between the master system 32 and the slave system 33. Since the sum mode and the difference mode are expressed in an orthogonal virtual space, the above-mentioned goal can be satisfied by designing the control system independently in each space based on the acceleration control. Note that the equivalent acceleration x ·· 1m ext input to the master system 32 can be calculated from the operating force F 1m of the skilled trainer using the force-acceleration converting means 38 provided in the operating system 31 by the following equation.

同様に、スレーブシステム33に入力する等価加速度x・・ 1s extは、操作システム31に備えた力−加速度変換手段39を利用して、環境Eからの反作用力F1sから次の式にて算出できる。 Similarly, the equivalent acceleration x ·· 1s ext input to the slave system 33 is calculated from the reaction force F 1s from the environment E by the following equation using the force-acceleration conversion means 39 provided in the operation system 31. it can.

前記加算器36により得られた加算値x・・ 1c extは、熟練トレーナの操作力の等価加速度x・・ 1m extと、環境Eからの反作用力の等価加速度x・・ 1s extとの和であり、これはバイラテラル力覚フィードバック制御を実現する操作システム31の入力となる。加算値x・・ 1c extが0になるように制御することで、人工的に「作用・反作用の法則」を実現することができる。和のモードにおける加速度参照値x・・ 1c refは、加算値x・・ 1c extが0になるように制御する力サーボ制御器40により、前記加算値x・・ 1c extと力サーボCfとを乗算して、以下の式のように生成される。 The added value x ·· 1c ext obtained by the adder 36 is the sum of the equivalent acceleration x ·· 1m ext of the operating force of the skilled trainer and the equivalent acceleration x ·· 1s ext of the reaction force from the environment E Yes, this is an input to the operation system 31 that realizes bilateral force feedback control. By controlling the added value x ·· 1c ext to be 0, the “law of action / reaction” can be artificially realized. The acceleration reference value x ·· 1c ref in the sum mode is obtained by converting the added value x ·· 1c ext and the force servo Cf by the force servo controller 40 that controls the added value x ·· 1c ext to be 0. Multiply and generate as follows:

一方、前記数8において、x・・ 1mはマスタシステム32の加速度応答値であり、x・・ 1sはスレーブシステム33の加速度応答値を表しており、記号「→」は2階積分をした位置偏差が0になることを示している。マスタシステム32とスレーブシステム33の加速度応答の偏差x・・ 1dは、以下の式のように差のモードにおいて位置レギュレータC(s)を構成する位置レギュレータ制御器41により、0に制御される。 On the other hand, in Equation 8, x ·· 1m represents the acceleration response value of the master system 32, x ·· 1s represents the acceleration response value of the slave system 33, and the symbol “→” represents the position obtained by the second-order integration. It shows that the deviation becomes zero. The acceleration response deviation x ·· 1d between the master system 32 and the slave system 33 is controlled to 0 by the position regulator controller 41 constituting the position regulator C p (s) in the difference mode as shown in the following equation. .

ここで、x・・ 1d refは差のモードにおける加速度参照値を示す。実際の操作システム31は、和のモードにおける力サーボCfと、差のモードにおける位置レギュレータC(s)を同時に実現するために、数11および数12から生成されるそれぞれの加速度参照値x・・ 1c ref,x・・ 1d refを加速度次元で以下の式のように統合する。 Here, x ·· 1d ref indicates an acceleration reference value in the difference mode. In order to simultaneously realize the force servo Cf in the sum mode and the position regulator C p (s) in the difference mode, the actual operation system 31 has the acceleration reference values x · • 1c ref , x ·· 1d ref are integrated in the acceleration dimension as shown in the following equation.

上式において、左辺のx・・ 1m refはマスタシステム32に入力する加速度参照値であり、この値は図6に示すように、各加速度参照値x・・ 1c ref,x・・ 1d refを加算する加算器42と、この加算器42で得た値に1/2を乗算する演算器43とにより生成される。また、x・・ 1s refはスレーブシステム33に入力する加速度参照値であり、この値は図6に示すように、加速度参照値x・・ 1c refから加速度参照値x・・ 1d refを減算する減算器44と、この加算器44で得た値に1/2を乗算する演算器45とにより生成される。 In the above equation, x ·· 1m ref on the left side is an acceleration reference value input to the master system 32, and this value is obtained by converting each acceleration reference value x ·· 1c ref and x ·· 1d ref as shown in FIG. It is generated by an adder 42 for adding and an arithmetic unit 43 for multiplying the value obtained by the adder 42 by 1/2. Also, x · · 1s ref is acceleration reference value to be input to the slave system 33, this value is as shown in FIG. 6, subtracts the acceleration reference value x · · 1d ref from the acceleration reference values x · · 1c ref The value is generated by a subtracter 44 and an arithmetic unit 45 that multiplies the value obtained by the adder 44 by ½.

前述のように、マスタシステム32およびスレーブシステム33の各アクチュエータ1は、加速度制御手段34,35によってそれぞれロバスト加速度制御されていることから、これらのマスタシステム32およびスレーブシステム33において加速度参照値x・・ 1m ref,x・・ 1s refが実現され、バイラテラル力覚フィードバックが可能になる。そして、このようなマスタシステム32およびスレーブシステム33への力応答や位置応答などを記憶手段(図示せず)に記憶して、熟練トレーナの動作を時系列のデータベースとして保存することが可能になる。 As described above, since each of the actuators 1 of the master system 32 and the slave system 33 is subjected to the robust acceleration control by the acceleration control means 34 and 35, the acceleration reference value x ·・ 1m ref and x ・ ・ 1s ref are realized, and bilateral force feedback is possible. Then, such force response and position response to the master system 32 and slave system 33 can be stored in a storage means (not shown), and the operation of the skilled trainer can be saved as a time-series database. .

次に、本実施例が実現するマルチラテラル制御に基づく遠隔教育システムについて説明する。ここで提案する遠隔教育システムは、一人の熟練トレーナが遠隔地に存在する複数のトレーニ(訓練者)に対して、同時に「匠」の技術をトレーニングする機能を有する。こうした機能を実現するために、図6に示す操作システム31から、図示しない通信手段を介して、マルチラテラル制御により熟練トレーナの動作を各トレーニの被操作システムに伝達する。   Next, a distance learning system based on multilateral control realized by the present embodiment will be described. The distance learning system proposed here has a function in which one skilled trainer simultaneously trains the technique of “Takumi” to a plurality of trainees (trainers) existing in a remote place. In order to realize such a function, the operation of the skilled trainer is transmitted from the operation system 31 shown in FIG. 6 to the operated system of each trainee by multilateral control through communication means (not shown).

一般的に、複数台のシステム間で力覚・触覚情報を共有するマルチラテラル制御は、遠隔地に存在する3台以上の複数のシステム間で「作用・反作用の法則」を人工的に実現するため、あたかも1台のシステムを複数の操作者が操作する感覚を再現することが可能である。しかしながら、一人の熟練トレーナが多くのトレーニをトレーニングする際には、マルチラテラル制御をそのまま適用すると熟練トレーナの操作による信号が相対的に弱まり、動作の伝達が困難になることが明らかになっている。そこで、本実施例では図7に示すような新しい構成のマルチラテラル制御を提案することにより、遠隔教育システムを実現する。   In general, multilateral control that shares haptic / tactile information among multiple systems artificially realizes the “law of action / reaction” among multiple multiple systems in remote locations. Therefore, it is possible to reproduce the feeling that a plurality of operators operate one system. However, when a trained trainer trains many trainees, it is clear that if multi-lateral control is applied as it is, the signal from the trainer's operation becomes relatively weak and it becomes difficult to transfer the motion. . Therefore, in this embodiment, a distance learning system is realized by proposing a multi-lateral control having a new configuration as shown in FIG.

図7で提案するシステムにおいて、操作システムであるトレーナシステム51は、前述した操作システム31と同じ構成を有するので、ここでは詳しく説明しない。熟練トレーナの力覚は、マスタシステム32とスレーブシステム33との間のバイラテラル力覚フィードバックにより、「作用・反作用の法則」を人工的に再現しつつ抽出される。一方、操作再現システムに相当する各トレーニシステム52〜52には、トレーナの操作システム31によって抽出された動作をもとに、仮想トレーナ5がそれぞれ設けられている。また、N台のトレーニシステム52〜52は、トレーナシステム51と同様のマスタシステム55とスレーブシステム56がそれぞれ設けられる。これにより、操作者(訓練者)O’の実世界における「作用・反作用の法則」は、マスタシステム55に加わる操作者O’の操作体S’への作用力と、スレーブシステム56が受ける環境E’から操作体S’への反作用力とに分離可能になり、操作者O’の動作中における力覚情報の抽出が可能になる。 In the system proposed in FIG. 7, the trainer system 51, which is the main operation system, has the same configuration as the operation system 31 described above, and will not be described in detail here. The sense of force of the skilled trainer is extracted by artificially reproducing the “law of action / reaction” by bilateral force feedback between the master system 32 and the slave system 33. On the other hand, each trainee system 52 1 to 52 N corresponding to the operation reproducing system, based on the operation that has been extracted by the operation system 31 of the trainer, the virtual trainer 5 7, respectively. The N trainee systems 52 1 to 52 N are provided with a master system 55 and a slave system 56 similar to the trainer system 51, respectively. As a result, the “law of action / reaction” in the real world of the operator (trainer) O ′ is the force applied to the operating body S ′ of the operator O ′ applied to the master system 55 and the environment received by the slave system 56. It becomes possible to separate the reaction force from E ′ to the reaction force to the operating body S ′, and it becomes possible to extract the haptic information during the operation of the operator O ′.

図7では、トレーニシステム52〜52を構成するマスタシステム55とスレーブシステム56、および前記仮想トレーナ5の3台のシステム間で、マルチラテラル制御を構成することにより,トレーニシステム52〜52の数と関係なく、熟練トレーナが各トレーニに対して,あたかも1対1で動作のトレーニングをする状況を再現することが可能になる。 In Figure 7, the master system 55 and the slave system 56 constituting the trainee system 52 1 to 52 N, and between the virtual trainer 5 7 three systems, by constituting the multilateral control, Training system 52 1 - Regardless of the number of 52 N , it is possible to reproduce the situation where the trained trainer trains each trainee on a one-on-one basis.

図8は、図7に示すi番目のトレーニシステム52における全制御系の構成を示したものである。トレーニシステム52は前述のように、操作システム31のマスタシステム32からの加速度応答値x・・ 1mを出力する仮想出力手段としての仮想トレーナ57と、加速度制御手段61を備えたマスタシステム55と、加速度制御システム62を備えたスレーブシステム56とを、以下に説明するマルチラテラル制御手段63により加速度次元で相互に制御する構成を有している。マスタシステム55およびスレーブシステム56の各アクチュエータ1は、加速度制御手段61,62によってそれぞれロバスト加速度制御されるが、これらの加速度制御手段61,62は、図4で説明した通りのものである。マスタシステム55への入力は、トレーニの操作力の等価加速度x・・ im extと、マルチラテラル制御手段63で得られる加速度参照値x・・ im refであり、出力は加速度応答値x・・ imである。また、スレーブシステム56への入力は、環境E’からの反作用力の等価加速度x・・ is extと、加速度参照値x・・ is refであり、出力は加速度応答値x・・ isである。 FIG. 8 shows the configuration of the entire control system in the i-th trainee system 52 i shown in FIG. As described above, the trainee system 52 i includes a virtual trainer 57 serving as a virtual output unit that outputs the acceleration response value x ·· 1m from the master system 32 of the operation system 31, and a master system 55 including the acceleration control unit 61. The slave system 56 including the acceleration control system 62 is configured to mutually control in the acceleration dimension by the multilateral control means 63 described below. The actuators 1 of the master system 55 and the slave system 56 are subjected to robust acceleration control by the acceleration control means 61 and 62, respectively. These acceleration control means 61 and 62 are as described with reference to FIG. The input to the master system 55 is the equivalent acceleration x ·· im ext of the operating force of the trainee and the acceleration reference value x ·· im ref obtained by the multilateral control means 63, and the output is the acceleration response value x ·· im im It is. The input to the slave system 56 is the equivalent acceleration x ·· is ext of the reaction force from the environment E ′ and the acceleration reference value x ·· is ref , and the output is the acceleration response value x ·· is .

マスタシステム55への等価加速度x・・ im extは、力−加速度変換手段65を利用して、トレーニの操作力Fimからモータ質量のノミナル値Mを除算することで算出できる。同様に、スレーブシステム56への等価加速度x・・ is extは、力−加速度変換手段66を利用して、環境E’からの反作用力Fisからモータ質量のノミナル値Mを除算することで算出できる。 The equivalent acceleration x ·· im ext to the master system 55 can be calculated by using the force-acceleration conversion means 65 and dividing the nominal value M n of the motor mass from the operating force F im of the trainee. Similarly, the equivalent acceleration x ·· is ext to the slave system 56 is obtained by dividing the nominal value M n of the motor mass from the reaction force F is from the environment E ′ using the force-acceleration conversion means 66. It can be calculated.

ここで、トレーナシステム51を1番目のシステムとし、トレーニシステム52〜52を2番目以降のシステムと考えると、各トレーニシステム52〜52は、熟練トレーナの操作システム31と同様に、マスタシステム55とスレーブシステム56にそれぞれ備えた加速度制御手段61,62により、加速度制御に基づく制御系を構成している。この加速度制御に基づき、各トレーニシステム52〜52に導入するためのマルチラテラル制御の目標は以下の各式のように表される。 Here, assuming that the trainer system 51 is the first system and the trainee systems 52 2 to 52 N are the second and subsequent systems, each traini system 52 2 to 52 N is similar to the operation system 31 of the skilled trainer. A control system based on acceleration control is constituted by acceleration control means 61 and 62 provided in the master system 55 and the slave system 56, respectively. Based on this acceleration control, the target of the multilateral control to be introduced into each of the trainee systems 52 2 to 52 N is expressed by the following equations.

まず、数14において、i(i=2〜N)番目の各トレーニシステム52におけるトレーニの操作力Fimの等価加速度x・・ im extと、環境E’からの反作用力Fisの等価加速度x・・ is extとの和x・・ ic extを0に制御することで、「作用・反作用の法則」の人工的実現が可能になる。これは、前記マルチラテラル制御手段63に、マスタシステム55への等価加速度x・・ im extと、スレーブシステム56への等価加速度x・・ is extとを加算する加算器68と、この加算器68で得られた加算値x・・ ic extが0になるような加速度参照値x・・ ic refを出力する和モード制御手段69と、による第1ループを備えることで達成される。ここで、和モードにおける加速度参照値x・・ ic refは、力サーボ制御器69により、前記加算値x・・ ic extと力サーボCfとを乗算して、以下の式のように生成される。 First, in Equation 14, the equivalent acceleration x ·· im ext of the operating force F im of the trainee in each i (i = 2 to N) -th traini system 52 i and the equivalent acceleration of the reaction force F is from the environment E ′. By controlling the sum x ·· ic ext with x ·· is ext to 0, it is possible to artificially realize the “law of action / reaction”. This is the multilateral control unit 63, and the equivalent acceleration x · · im ext to the master system 55, an adder 68 for adding the equivalent acceleration x · · IS ext to the slave system 56, the adder 68 The sum mode control means 69 for outputting the acceleration reference value x ·· ic ref so that the added value x ·· ic ext obtained in step 1 becomes 0 is achieved. Here, the acceleration reference value x ·· ic ref in the sum mode is generated by the force servo controller 69 by multiplying the added value x ·· ic ext and the force servo Cf by the following equation. .

また、上記数15〜数17の各式において、x・・ imは、i(i=2〜N)番目の各トレーニシステム52におけるマスタシステム55の加速度応答値であり、またx・・ isは、i(i=2〜N)番目のトレーニシステム52におけるスレーブシステム56の加速度応答値である。ここでは、トレーニシステム52を構成する3台のマルチラテラルシステム(すなわち、マスタシステム55,スレーブシステム56,仮想トレーナ57)の間で、それぞれの加速度応答の偏差x・・ id1,x・・ id2,x・・ id3を0に制御することで、熟練トレーナの動作の伝達が可能になる。 In the above equations 15 to 17, x ·· im is an acceleration response value of the master system 55 in each i (i = 2 to N) th trainee system 52 i , and x ·· is Is an acceleration response value of the slave system 56 in the i (i = 2 to N) -th trainee system 52 i . Here, the three multilateral system (i.e., the master system 55, the slave system 56, the virtual trainer 57) constituting the trainee system 52 i during, the deviation x · · each acceleration response id1, x · · id2 , X ·· id3 is controlled to 0, so that the operation of the skilled trainer can be transmitted.

こうした熟練トレーナの動作伝達を可能にするために、図8に示すマルチラテラル制御手段63は、仮想トレーナ57からの加速度応答値x・・ 1mからマスタシステム55からの加速度応答値x・・ imを差し引いた偏差x・・ id1を算出する減算器71と、この偏差x・・ id1が位置次元で0になるような加速度参照値x・・ id1 refを算出する位置レギュレータ制御器72とによる第2ループを備えると共に、マスタシステム55からの加速度応答値x・・ imからスレーブシステム56からの加速度応答値x・・ isを差し引いた偏差x・・ id2を算出する減算器73と、この偏差x・・ id2が位置次元で0になるような加速度参照値x・・ id2 refを算出する位置レギュレータ制御器74とによる第3ループを備えている。つまり、マルチラテラルシステムにおける加速度応答の各偏差x・・ id1,x・・ id2は、以下の式のように、差モードにおいて位置レギュレータC(s)を有する位置レギュレータ制御器72,74を備えることにより、何れも0に制御される。 To enable operation transfer of such skilled trainer, multilateral control unit 63 shown in FIG. 8, the acceleration response values x · · im from the master system 55 from the acceleration response values x · · 1 m from the virtual trainer 57 a subtracter 71 for calculating a deviation x · · id1 minus, the by the position regulator controller 72 which calculates an acceleration reference value x · · id1 ref as the deviation x · · id1 becomes zero at the position dimension 2 provided with a loop, a subtracter 73 for calculating a deviation x · · id2 by subtracting the acceleration response values x · · iS from the slave system 56 from the acceleration response values x · · im from the master system 55, - the deviation x · id2 is provided with a third loop by the position regulator controller 74 which calculates an acceleration reference value x · · id2 ref such that 0 at position dimension. That is, each of the deviations x ·· id1 , x ·· id2 of the acceleration response in the multilateral system includes the position regulator controllers 72 and 74 having the position regulator C p (s) in the difference mode as shown in the following equation. As a result, both are controlled to zero.

ここでx・・ id1 refは、位置レギュレータ制御器72からの差モードにおける加速度参照値であり、またx・・ id2 refは、位置レギュレータ制御器74からの差モードにおける加速度参照値である。3台のマルチラテラルシステム間の差モードは、そのうち2つの差モードを制御することで残りの1つの差モードが従属的に決定するため、位置レギュレータ制御器72,74を含むループは2つ設ければ十分である。 Here, x ·· id1 ref is an acceleration reference value in the difference mode from the position regulator controller 72, and x ·· id2 ref is an acceleration reference value in the difference mode from the position regulator controller 74. The difference mode between the three multilateral systems is determined by controlling one of the two difference modes, so that the remaining one difference mode is subordinately determined. Therefore, two loops including the position regulator controllers 72 and 74 are provided. Is sufficient.

バイラテラル力覚フィードバックの場合と同様に、ここでのマルチラテラル制御手段63も、和モードにおける力サーボCfと、差のモードにおける位置レギュレータC(s)とにより生成されるそれぞれの加速度参照値x・・ id1 ref,x・・ id2 refを、以下の式のように加速度次元で統合し、各トレーニの操作システムであるマスタシステム55への加速度参照値x・・ im refおよびスレーブシステム56への加速度参照値x・・ is refを生成するように構成される。 As in the case of the bilateral force feedback, the multilateral control means 63 here also uses the respective acceleration reference values generated by the force servo Cf in the sum mode and the position regulator C p (s) in the difference mode. x ·· id1 ref and x ·· id2 ref are integrated in the acceleration dimension as shown in the following expression, and the acceleration reference value x ·· im ref to the master system 55 which is the operation system of each trainee and the slave system 56 Is configured to generate an acceleration reference value x ·· is ref .

上式において、マスタシステム55への加速度参照値x・・ im refは、力サーボ制御器69からの加速度参照値x・・ ic refから、位置レギュレータ制御器72からの加速度参照値x・・ id1 refを減算する減算器75と、この加算器42で得た値に1/2を乗算する演算器76とにより生成される。また、スレーブシステム56への加速度参照値x・・ is refは、力サーボ制御器69からの加速度参照値x・・ ic refから、位置レギュレータ制御器74からの加速度参照値x・・ id2 refを減算する減算器77と、この加算器42で得た値に1/2を乗算する演算器78とにより生成される。 In the above formula, the acceleration reference value x · · im ref to the master system 55, the acceleration reference values x · · i c ref from the force servo controller 69, the acceleration reference value x · · from the position regulator control 72 It is generated by a subtractor 75 that subtracts i d1 ref and an arithmetic unit 76 that multiplies the value obtained by the adder 42 by ½. The acceleration reference value x ·· is ref to the slave system 56 is derived from the acceleration reference value x ·· i c ref from the force servo controller 69 and the acceleration reference value x ·· i d2 from the position regulator controller 74. It is generated by a subtractor 77 that subtracts ref, and an arithmetic unit 78 that multiplies the value obtained by the adder 42 by ½.

このように、図8に示すトレーニシステム52は、仮想トレーナ57を含むマルチラテラルシステム間を、マルチラテラル制御手段63で制御することによって、オンラインで遠隔地に存在する複数のトレーニに対して、トレーニングを同時に行なうことが可能になる。さらに、データベース化した熟練トレーナの動作を保存し、これを仮想トレーナ57としてトレーニシステム52で使用してもよい。そうすることで、操作システム31との間でオンラインの通信手段をわざわざ利用しなくても、図8に示すトレーニシステム52をトレーニングシミュレータとして使用することができる。 As described above, the trainee system 52 i shown in FIG. 8 controls a plurality of trainees online at remote locations by controlling the multilateral systems including the virtual trainer 57 with the multilateral control means 63. Training can be performed simultaneously. Furthermore, the operation of the trainer trained in the database may be stored and used as the virtual trainer 57 in the trainee system 52 i . By doing so, the trainee system 52 i shown in FIG. 8 can be used as a training simulator without using an online communication means with the operation system 31.

さらに重要な点は、図8に示すマルチラテラル制御手段63は、トレーニの動作とは非干渉に、仮想トレーナ57から一方的に加速度応答値x・・ 1mが出力されるように、すなわち、トレーニの操作力Fimの等価加速度x・・ im extや、そのときの環境E’からの反作用力Fisの等価加速度x・・ is extが、仮想トレーナ57に出力されないように、構成されているということである。このようにすれば、トレーニがトレーニシステム52のマスタシステム55をどのような力で操作した場合であっても、トレーナの動作がトレーニの動作によって支配されることなく、そのためトレーニからの力の影響を受けずに、一人の熟練トレーナが一またはそれ以上のトレーニに対して同時にトレーニングを行なうことが可能になる。 More importantly, the multilateral control means 63 shown in FIG. 8 is arranged so that the acceleration response value x ·· 1m is unilaterally output from the virtual trainer 57 without interference with the operation of the trainee, that is, The equivalent acceleration x ·· im ext of the operating force F im and the equivalent acceleration x ·· is ext of the reaction force F is from the environment E 'at that time are not output to the virtual trainer 57. That's what it means. In this way, no matter what force the trainee manipulates the master system 55 of the trainee system 52 i , the operation of the trainer is not governed by the operation of the trainee. Without being affected, one skilled trainer can simultaneously train one or more trainees.

さらに、従来の位置制御ベースでのトレーニングでは、熟練トレーナの操作システムおよびトレーニの操作システムにおける全ての位置応答が一致するために、トレーニの操作とは無関係に強制的に動作を同期させることにつながり、トレーニング効果が高いとはいえなかった。本実施例で提案するシステムでは、マルチラテラル制御手段63によるマルチラテラル制御を導入することにより、熟練トレーナの動作とトレーニの動作との間で差が生じた場合に、その偏差に比例したアシスト力が、上記第2ループでマスタシステム55に対して働く。そのため、トレーニの操作とは無関係に強制的に動作を同期させることがなく、トレーニング効果を向上できる。   Furthermore, conventional position control based training forces all the position responses in the trainer's operating system and trainee's operating system to match, forcing the movements to be synchronized independently of the trainee's operation. The training effect was not high. In the system proposed in the present embodiment, by introducing the multilateral control by the multilateral control means 63, when a difference occurs between the operation of the skilled trainer and the operation of the trainee, the assist force proportional to the deviation is generated. However, it works for the master system 55 in the second loop. Therefore, the training effect can be improved without forcibly synchronizing the operation regardless of the operation of the trainee.

図9は、上記実施例で提案したマルチラテラル制御に基づく遠隔教育システムの有効性を確認するための実験装置の一例を示している。この図に示すように、実験用の遠隔教育システムは、1台の熟練トレーナの操作システム31と、複数台(図では2台)のトレーニの操作システムすなわちトレーニシステム52,52とにより構成される。また、操作システム31は、ローカルでマスタシステム32およびスレーブシステム33に基づくシステム構成を有していると共に、トレーニシステム52,52も同様に、ローカルでマスタシステム55およびスレーブシステム56に基づくシステム構成を有している。 FIG. 9 shows an example of an experimental apparatus for confirming the effectiveness of the distance learning system based on the multilateral control proposed in the above embodiment. As shown in this figure, the distance learning system for experiments is composed of one skilled trainer operating system 31 and a plurality of trainee operating systems (two in the figure), that is, trainee systems 52 1 and 52 2. Is done. The operation system 31, together have a system configuration based on the master system 32 and the slave system 33 locally Training system 52 1, 52 2 Similarly, based on the master system 55 and the slave system 56 at the local system It has a configuration.

実験装置のアクチュエータ1はそれぞれリニアモータ81により構成されており、人間の指で行なう操作に対応している。操作者O,O’のリニアモータ81への操作力と、それによる環境E,E’からリニアモータ81への反作用力は、何れも図3で示すような外乱オブザーバ16,17により、力覚センサレスで推定を行なうことができる。また、操作システム31を構成するマスタシステム32およびスレーブシステム33は、それぞれアクチュエータ1の位置検出手段としてのリニアエンコーダ82を備えていると共に、トレーニシステム52,52のマスタシステム55およびスレーブシステム56にも、それぞれアクチュエータ1の位置検出手段としてのリニアエンコーダ83を備えている。これらのリニアエンコーダ82,83からの検出信号により、上述した位置,速度,加速度の応答値を得ることができる。 Each of the actuators 1 of the experimental apparatus is composed of a linear motor 81 and corresponds to an operation performed with a human finger. The operating force of the operators O and O ′ to the linear motor 81 and the reaction force from the environments E and E ′ to the linear motor 81 are both sensed by the disturbance observers 16 and 17 as shown in FIG. Estimation can be performed without a sensor. The master system 32 and the slave system 33 constituting the operating system 31, together with includes a linear encoder 82 as a position detecting means of the actuator 1, respectively, Training system 52 1, 52 2 of the master system 55 and the slave system 56 In addition, a linear encoder 83 is provided as position detecting means for the actuator 1. Based on the detection signals from the linear encoders 82 and 83, the response values of the position, velocity, and acceleration described above can be obtained.

センサレス力覚フィードバックを実現するための外乱オブザーバ16,17に用いる摩擦同定の精度は、力覚の推定精度に強く影響するために、推定誤差を最小にするためには機構的な摩擦を少なくすることが重要である。ここでは、摩擦の影響を機構的に除去することが可能なロッド型のリニアモータ81として、例えばジイエムシーヒルストン社のシャフトモータを用いた。リニアアクチュエータの詳細を表1に示す。また、アクチュエータ1以外の各部を制御プログラムで構成し、そのサンプリングタイムを100μsに設定している。   The accuracy of friction identification used in the disturbance observers 16 and 17 for realizing sensorless force feedback strongly influences the force estimation accuracy. Therefore, in order to minimize the estimation error, the mechanical friction is reduced. This is very important. Here, as a rod-type linear motor 81 capable of mechanically removing the influence of friction, for example, a shaft motor manufactured by DMC Hillstone was used. The details of the linear actuator are shown in Table 1. Each part other than the actuator 1 is configured by a control program, and the sampling time is set to 100 μs.

上記実験装置では、操作システム31のマスタシステム32を操作する熟練トレーナが、環境Eへの接触動作を各トレーニシステム52,52に伝達させる実験を行った。熟練トレーナの操作システム31とトレーニシステム52,52の初期位置は、それぞれのスレーブシステム33,56のアクチュエータ1を、環境E,E’と接触した状態に設置することで一致させている。トレーニングを行なう動作は以下の通りである。
(1)実験開始から1秒後に、3秒間フリーモーション(環境E,E’と接触しない動作)を3往復行なう。
(2)実験開始から4秒後に、2秒間環境E,E’への押し動作を行なう。
(3)実験開始から6秒後に、環境E,E’への接触動作からフリーモーションへと移行する。
In the experimental apparatus, an experiment was conducted in which an experienced trainer operating the master system 32 of the operation system 31 transmits the contact operation to the environment E to each of the trainee systems 52 1 and 52 2 . Initial position of the operation system 31 of the skilled trainer Training system 52 1, 52 2 has an actuator 1 of each of the slave system 33,56, it is matched by installing in contact environment E, and E '. The operation for training is as follows.
(1) 1 second after the start of the experiment, 3 reciprocations of free motion (operation not in contact with the environments E and E ′) are performed for 3 seconds.
(2) Four seconds after the start of the experiment, the pushing operation to the environments E and E ′ is performed for 2 seconds.
(3) Six seconds after the start of the experiment, the operation moves from the contact operation to the environments E and E ′ to the free motion.

また、実験で用いた制御パラメータを表2に示す。   Table 2 shows the control parameters used in the experiment.

図10a〜図10dは実験結果を示したもので、図10aは、熟練トレーナの操作システム31におけるマスタシステム32とスレーブシステム33の各力応答を示し、また図10bは、同じマスタシステム32とスレーブシステム33の各位置応答を示している。図10cは、トレーニシステム52のマスタシステム55,スレーブシステム56および仮想トレーナ57の各力応答を示し、また図10dは、同じマスタシステム55,スレーブシステム56および仮想トレーナ57の各位置応答を示している。 10a to 10d show the experimental results. FIG. 10a shows the force response of the master system 32 and the slave system 33 in the operation system 31 of the trained trainer. FIG. 10b shows the same master system 32 and slave. Each position response of the system 33 is shown. Figure 10c is a Training system 52 1 in the master system 55, shows each force response of the slave system 56 and virtual trainer 57, and FIG. 10d is the same master system 55, indicates each position response of the slave system 56 and virtual trainer 57 ing.

図10aおよび図10bでは、操作システム31がマスタシステム32とスレーブシステム33に基づく構成となっているため、操作者Oの作用力と環境Eからの反作用力の分離が可能になり、環境Eとの接触を含む動作が正確に抽出できていることが分かる。さらに、マスタシステム32で抽出される操作者Oの作用力と、スレーブシステム33で抽出される環境Eからの反作用力の和はほぼ0であり、マスタシステム32とスレーブシステム33との間の位置応答も一致していることから、遠隔地における「作用・反作用の法則」が良好に再現できていることが確認できる。   10a and 10b, since the operation system 31 is based on the master system 32 and the slave system 33, it is possible to separate the action force of the operator O and the reaction force from the environment E. It can be seen that the motion including the contact is accurately extracted. Furthermore, the sum of the action force of the operator O extracted by the master system 32 and the reaction force from the environment E extracted by the slave system 33 is almost zero, and the position between the master system 32 and the slave system 33 is Since the responses are also consistent, it can be confirmed that the “law of action / reaction” in the remote place can be reproduced well.

一方、図10cおよび図10dにより、トレーニシステム52においてもバイラテラル力覚フィードバックが実現できていることが分かる。また、図10dに示すように、実験開始後4秒付近に、トレーニである操作者O’の位置応答と仮想トレーナ57の位置応答が偏差を持っているが、これは差のモードにおける位置レギュレータ制御器72により、これを修正しようとするアシスト力がマスタシステム55に対し働いていることが、図10cから確認できる。このアシスト力は、スレーブシステム56が環境E’と接触したときの反作用力がフィードバックされているものではないため、図10cの4秒付近を見ると、スレーブシステム56の力応答は0になっている。また、6秒後から9秒後にかけて生じている熟練トレーナ(操作者O)とトレーニ(操作者O’)の動作の偏差についても同様に、仮想トレーナ57の動作に対して、位置レギュレータ制御器72が仮想バネ・仮想ダンパとして作用することでアシスト力が発生し、トレーニの動作を修正していることが分かる。 On the other hand, FIGS. 10c and Fig. 10d, it can be seen that can be realized bilateral force feedback also in the Training system 52 1. In addition, as shown in FIG. 10d, the position response of the operator O ′ as a trainee and the position response of the virtual trainer 57 have a deviation around 4 seconds after the start of the experiment. This is a position regulator in the difference mode. It can be confirmed from FIG. 10 c that the assisting force to correct this is acting on the master system 55 by the controller 72. This assist force is not a feedback force when the slave system 56 comes into contact with the environment E ′. Therefore, when the vicinity of 4 seconds in FIG. 10c is seen, the force response of the slave system 56 becomes zero. Yes. Similarly, with respect to the operation deviation of the trainer (operator O) and the trainee (operator O ′) occurring from 6 seconds to 9 seconds, the position regulator controller It can be seen that the assist force is generated by 72 acting as a virtual spring / virtual damper, and the operation of the trainee is corrected.

このように、本実施例で提案する遠隔教育システムにより、環境E,E’との接触を含む動作について、各トレーニを最適にトレーニングできることを確認した。   As described above, it was confirmed that each trainee can be optimally trained for the operation including the contact with the environments E and E ′ by the distance learning system proposed in this embodiment.

以上のように本実施例では、操作システム31で抽出した主操作者すなわち操作者Oの動作を、トレーニシステム52で再現するモーション習得システムやモーション習得方法であって、トレーニシステム52は、操作者Oの動作を第1加速度応答x・・ 1mとして出力する仮想トレーナ57と、従操作者である操作者O’の操作力に応じた第1等価加速度x・・ im extが加えられ、この第1等価加速度x ・・ im ext と第1加速度参照値x ・・ im ref を入力して、第2加速度応答x ・・ im を出力する可動可能なマスタシステム55と、操作者O’の操作に伴う環境E’からの反作用力に応じた第2等価加速度x・・ is extが加えられ、この第2等価加速度x ・・ is ext と第2加速度参照値x ・・ is ref を入力して、第3加速度応答x ・・ is を出力する可動可能なスレーブシステム56と、を備えており、さらに第1等価加速度x ・・ im ext と第2等価加速度x ・・ is ext が仮想トレーナ57に出力されないように、第1加速度応答x ・・ 1m ,第2加速度応答x ・・ im ,第3加速度応答x ・・ is ,第1等価加速度x ・・ im ext ,および第2等価加速度x ・・ is ext から、マスタシステム55への第1加速度参照値x ・・ im ref と、スレーブシステム56への第2加速度参照値x ・・ is ref をそれぞれ算出して、マスタシステム55とスレーブシステム56を加速度制御するマルチラテラル制御手段63を備えている。 In the main operator or operating of the operator O and extracted with operating system 31, a motion learning system and motion learning how to reproduce with Training system 52 i, Training system 52 i this embodiment as described above, A virtual trainer 57 that outputs the motion of the operator O as a first acceleration response x ·· 1m , and a first equivalent acceleration x ·· im ext corresponding to the manipulation force of the operator O 'as a slave operator are added , enter the first equivalent acceleration x · · im ext a first acceleration reference value x · · im ref, a moveable master system 55 you output a second acceleration response x · · im, the operator O ' a second equivalent acceleration x · · iS ext applied in accordance with the reaction force from the environment E 'due to the operation of the input of the second equivalent acceleration x · · iS ext and second acceleration reference values x · · iS ref to, the movable Allowed you output the third acceleration response x ·· is A slave system 56 comprises a, as further first equivalent acceleration x · · im ext and second equivalent acceleration x · · IS ext is not output to the virtual trainer 57, first acceleration response x · · 1 m, The first acceleration reference value to the master system 55 from the second acceleration response x ·· im , the third acceleration response x ·· is , the first equivalent acceleration x ·· im ext , and the second equivalent acceleration x ·· is ext x ·· im ref and the second acceleration reference value x ·· is ref to the slave system 56 are calculated, respectively, and multilateral control means 63 for controlling the acceleration of the master system 55 and the slave system 56 is provided.

この場合、前記マルチラテラル制御手段63に代えて、第1等価加速度x ・・ im ext と第2等価加速度x ・・ is ext が仮想トレーナ57に出力されないように、第1加速度応答x ・・ 1m ,第2加速度応答x ・・ im ,第3加速度応答x ・・ is ,第1等価加速度x ・・ im ext ,および第2等価加速度x ・・ is ext から、マスタシステム55への第1加速度参照値x ・・ im ref と、スレーブシステム56への第2加速度参照値x ・・ is ref をそれぞれ算出して、マスタシステム55とスレーブシステム56を加速度制御するマルチラテラル制御を行なう方法を採用してもよい。 In this case, in place of the multilateral control means 63 , the first acceleration response x ·· 1m is set so that the first equivalent acceleration x ·· im ext and the second equivalent acceleration x ·· is ext are not output to the virtual trainer 57. , Second acceleration response x ·· im , third acceleration response x ·· is , first equivalent acceleration x ·· im ext , and second equivalent acceleration x ·· is ext , refer to the first acceleration to the master system 55 By adopting a method of performing multilateral control for calculating acceleration of the master system 55 and the slave system 56 by calculating the value x ·· im ref and the second acceleration reference value x ·· is ref to the slave system 56 , respectively. Also good.

こうすると、トレーニシステム52において、仮想トレーナ57,マスタシステム55,およびスレーブシステム56の間で、力覚・触覚情報を共有するマルチラテラル制御が行なわれる。そのため、操作システム31で操作した操作者Oの動きを、一乃至複数のトレーニシステム52で同時に再現させながら、例えばトレーニシステム52を利用する操作者O’に対して、「匠」の技術を伝承するための遠隔教育訓練を行なうことが可能になる。また、操作者O’が操作するトレーニシステム52は、マスタシステム55とスレーブシステム56に基づくシステム構成を有することから、位置制御ベースのモーション習得システムでは実現できなかった環境E’との接触を伴う動作の伝達を可能にできる。 As a result, in the trainee system 52 i , multilateral control for sharing force / tactile information among the virtual trainer 57, the master system 55, and the slave system 56 is performed. For this reason, the technique of “Takumi” is applied to, for example, the operator O ′ who uses the trainee system 52 i while simultaneously reproducing the movement of the operator O operated by the operation system 31 by one or more trainee systems 52 i. It is possible to carry out distance education training to pass on. Further, since the trainee system 52 i operated by the operator O ′ has a system configuration based on the master system 55 and the slave system 56, contact with the environment E ′ that cannot be realized by the position control-based motion acquisition system is performed. The accompanying motion can be transmitted.

さらに、トレーニシステム52におけるマルチラテラル制御は、主操作システムそのものではなく、操作者Oの動作を第1加速度応答x・・ 1mとして出力する仮想トレーナ57と、マスタシステム55およびスレーブシステム56との間で行なわれ、しかも、トレーニの操作力F im の等価加速度x ・・ im ext や、そのときの環境E’からの反作用力F is の等価加速度x ・・ is ext が、仮想トレーナ57に出力されないように構成されている。したがって、トレーニがトレーニシステム52 のマスタシステム55をどのような力で操作した場合であっても、トレーナの動作がトレーニの動作によって支配されることなく、そのためトレーニからの力の影響を受けずに、一人の熟練トレーナが一またはそれ以上のトレーニに対して同時にトレーニングを行なうことが可能になることから、操作者O’の動作が操作者Oに戻ることはなく、操作者Oの動作をトレーニシステム52側の操作者O’に十分教示することが可能になる。 Further, the multilateral control in the trainee system 52 i is not the main operation system itself, but the virtual trainer 57 that outputs the operation of the operator O as the first acceleration response x ·· 1m , the master system 55 and the slave system 56. In addition, the equivalent acceleration x ·· im ext of the operating force F im of the trainee and the equivalent acceleration x ·· is ext of the reaction force F is from the environment E 'at that time are output to the virtual trainer 57 that is configured so as not to be. Therefore, even if the trainee operates the master system 55 of the trainee system 52 i with any force, the operation of the trainer is not governed by the operation of the trainee, and thus is not affected by the force from the trainee. In addition, since one skilled trainer can simultaneously train one or more trainees, the operation of the operator O ′ does not return to the operator O, and the operation of the operator O can be performed. it is possible to sufficiently taught Training system 52 i side of the operator O '.

また、本実施例のマルチラテラル制御手段63若しくはマルチラテラル制御では、i番目の前記従操作システムにおいて、第1等価加速度x・・ im extと第2等価加速度x・・ is extとの和が0になるように、第1等価加速度x ・・ im ext と第2等価加速度x ・・ is ext との加算値x ・・ ic ext を、力サーボの制御パラメータCfと乗算して、和モードの加速度参照値x ・・ ic ref を算出し、第1加速度応答x ・・ 1m と第2加速度応答x ・・ im との間の偏差x ・・ id1 が位置次元で0になるように、第1加速度応答x ・・ 1m から第2加速度応答x ・・ im を差し引いた偏差x ・・ id1 を、位置レギュレータの制御パラメータC (s)と乗算して、差モードの第1加速度参照値x ・・ id1 ref を算出し、第2加速度応答x ・・ im と第3加速度応答x ・・ is との間の偏差が位置次元で0になるように、第2加速度応答x ・・ im から第3加速度応答x ・・ is を差し引いた偏差x ・・ id2 を、位置レギュレータの制御パラメータC (s)と乗算して、差モードの第2加速度参照値x ・・ id2 ref を算出し、第1加速度応答x ・・ 1m と第2加速度応答x ・・ im との間の偏差x ・・ id1 に比例したアシスト力がマスタシステム55に生じるように、第1加速度参照値x ・・ im ref と第2加速度参照値 ・・ is ref 、上記数21でそれぞれ算出している。 In the multilateral control means 63 or multilateral control of the present embodiment, the sum of the first equivalent acceleration x ·· im ext and the second equivalent acceleration x ·· is ext is 0 in the i-th slave operation system. The sum mode acceleration is obtained by multiplying the added value x ·· ic ext of the first equivalent acceleration x ·· im ext and the second equivalent acceleration x ·· is ext with the control parameter Cf of the force servo so that The reference value x ·· ic ref is calculated, and the first acceleration so that the deviation x ·· id1 between the first acceleration response x ·· 1m and the second acceleration response x ·· im becomes zero in the position dimension. response x from · · 1 m deviation x · · id1 obtained by subtracting the second acceleration response x · · im, by multiplying the control parameter of the position regulator C p and (s), the first acceleration reference value x · · of the difference mode id1 ref is calculated, and the deviation between the second acceleration response x ·· im and the third acceleration response x ·· is Is multiplied by the control parameter C p (s) of the position regulator, so that the deviation x ·· id2 obtained by subtracting the third acceleration response x ·· is from the second acceleration response x ·· im is set to 0 in the position dimension. Te, calculates a second acceleration reference values x · · id2 ref difference mode, the assist force proportional to the deviation x · · id1 between the first acceleration response x · · 1 m and the second acceleration response x · · im Are generated in the master system 55, the first acceleration reference value x ·· im ref and the second acceleration reference value x ·· is ref are respectively calculated by the above equation ( 21 ).

こうすると、トレーニシステム52のマスタシステム55とスレーブシステム56によって、作用と反作用の人工的な再現を行なうことが可能になる。 In this way, the master system 55 and the slave system 56 of the trainee system 52 i can artificially reproduce the action and the reaction.

また、操作者Oの動作を、トレーニシステム52の仮想トレーナ57からマスタシステム55とスレーブシステム56に正確に伝達することが可能になる。 Also, the operation of the steering author O, it is possible to accurately transmit the virtual trainer 57 Training system 52 i to the master system 55 and the slave system 56.

さらに、操作者O,O’との間の動作に差が生じた場合に、その偏差に比例したアシスト力がマスタシステム55に働くこととなり、操作者O’のトレーニング効果を高めることができる。 Further, when a difference occurs between the operations of the operators O and O ′, an assist force proportional to the deviation acts on the master system 55, and the training effect of the operator O ′ can be enhanced.

さらに図示しないが、前記アシスト力を記憶するアシスト力記憶手段をさらに備えた構成や、前記アシスト力をアシスト力記憶手段に記憶する方法を採用してもよい。トレーニシステム52で発生したアシスト力の総和を記憶することで、例えば技術の習得度(スキルレベル)を定量的に評価することが可能になる。 Further, although not shown in the figure, a configuration further including an assist force storage unit that stores the assist force or a method of storing the assist force in the assist force storage unit may be employed. By storing the sum of assist forces generated in the trainee system 52 i , for example, it becomes possible to quantitatively evaluate the level of skill acquisition (skill level).

また図示しないが、仮想トレーナ57が、操作システム31で抽出した操作者Oの動作情報を保存する記憶部と、この記憶部に記憶した動作情報から第1加速度応答x・・ 1mを出力する出力部と、を備えた構成や、仮想トレーナ57において、操作システム31で抽出した操作者Oの動作情報を保存し、その後でこの動作情報から第1加速度応答x・・ 1mを出力する方法を採用してもよい。 Although not shown, the virtual trainer 57 stores the operation information of the operator O extracted by the operation system 31, and the output for outputting the first acceleration response x ·· 1m from the operation information stored in the storage unit. In the virtual trainer 57, the operation information of the operator O extracted by the operation system 31 is stored, and then the first acceleration response x ·· 1m is output from the operation information. May be.

こうすると、仮想トレーナ57に複数の操作者Oの動作情報をデータベース化して保存することができるので、トレーニシステム52をいわゆるトレーニングシミュレータとして使用することも可能になる。 In this way, since the operation information of the plurality of operators O can be stored in the virtual trainer 57 as a database, the trainee system 52 i can be used as a so-called training simulator.

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.

本発明で提案するモーション習得システムは、熟練トレーナおよびトレーニが操作するシステムに止まらず、遠隔操作が行なわれるあらゆるシステムに適用が可能であるが、それぞれのローカルでマスタ・スレーブに基づくシステム構成をとることにより、これまでの位置制御ベースのシステムでは実現できなかった環境との接触を伴うモーションの伝達が可能になった。また、主操作者である熟練トレーナの動作と、従操作者であるトレーニの動作に差が生じた際には、動作を修正するためのアシスト力が発生するため、そのトレーニング効果は飛躍的に向上する。さらに、このような力覚情報に基づく遠隔教育は、従来の画像・音声ベースのものよりも教育効果の向上が見込めるばかりでなく、熟練トレーナの動作を力覚情報と統合してディジタルデータベース化することが可能であるため、熟練技術保存の問題に対して画期的な解決法に成り得る。本発明に基づく生産技術や高度医療の発展が見込めるばかりでなく、放送によるスキル伝達をも可能にするなど、触覚メディアを扱うための基盤技術となりうる。   The motion learning system proposed in the present invention can be applied not only to a system operated by skilled trainers and trainees but also to any system in which remote operation is performed, but each has a system configuration based on a master / slave locally. As a result, it has become possible to transmit motion with contact with the environment that could not be realized with conventional position control-based systems. In addition, when there is a difference between the motion of the trainer trained as the primary operator and the motion of the trainee trained as the secondary operator, an assist force for correcting the motion is generated, so the training effect is dramatically improved. improves. Furthermore, the distance education based on such haptic information not only can improve the educational effect compared to the conventional image / sound based, but also integrates the operation of skilled trainers with the haptic information into a digital database. Can be an epoch-making solution to the problem of skill storage. It can be a basic technology for handling tactile media such as not only the development of production technology and advanced medicine based on the present invention but also the ability to transmit skills by broadcasting.

本発明の一実施例におけるモーション習得システムに適用可能な、ロボットシステムの一例をあらわしたブロック線図である。It is a block diagram showing an example of the robot system applicable to the motion acquisition system in one Example of this invention. 同上、図1と等価な外乱オブザーバによる加速度制御系システムのブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram of an acceleration control system using a disturbance observer equivalent to FIG. 同上、力覚フィードバック制御を実現するシステムの一例を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows an example of the system which implement | achieves force feedback control same as the above. 同上、図3と等価なシステムのブロック線図である。FIG. 4 is a block diagram of a system equivalent to FIG. 同上、バイラテラル力覚フィードバックによる「作用・反作用の法則」の人工的実現の概念を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the concept of the artificial realization of the "law of action / reaction" by bilateral force feedback same as the above. 同上、熟練トレーナ側の操作システムにおける全制御系の構成を具体的に示すブロック線図である。FIG. 3 is a block diagram specifically showing the configuration of all control systems in the operation system on the expert trainer side. 同上、マルチラテラル制御に基づく遠隔教育システムの概念的構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the conceptual structure of the distance education system based on multilateral control same as the above. 同上、各トレーニの操作システムにおける全制御系の構成を具体的に示すブロック線図である。FIG. 3 is a block diagram specifically showing the configuration of all control systems in the operation system of each trainee. 同上、マルチラテラル制御に基づく遠隔教育システムの有効性を確認するための実験装置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the experimental apparatus for confirming the effectiveness of the distance education system based on multilateral control same as the above. 図9の実験装置による実験結果であって、熟練トレーナの操作システムにおける力応答を示すグラフである。It is an experimental result by the experimental apparatus of FIG. 9, Comprising: It is a graph which shows the force response in the operation system of an expert trainer. 図9の実験装置による実験結果であって、熟練トレーナの操作システムにおける位置応答を示すグラフである。It is an experimental result by the experimental apparatus of FIG. 9, Comprising: It is a graph which shows the position response in the operation system of an expert trainer. 図9の実験装置による実験結果であって、トレーニシステムにおける力応答を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing an experimental result of the experimental apparatus of FIG. 9 and a force response in the trainee system. FIG. 図9の実験装置による実験結果であって、トレーニシステムにおける位置応答を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing an experimental result by the experimental apparatus of FIG. 9 and showing a position response in the trainee system. FIG.

31 操作システム(主操作システム)
51 トレーナシステム(主操作システム)
52トレーニシステム(従操作システム)
55 マスタシステム
56 スレーブシステム
57 仮想トレーナ(仮想出力手段)
63 マルチラテラル制御手段
31 Operation system (main operation system)
51 Trainer system (main operation system)
52 i Traini System (Subordinate Operation System)
55 Master system 56 Slave system 57 Virtual trainer (virtual output means)
63 Multilateral control means

Claims (8)

主操作システムで抽出した主操作者の動作を、従操作システムで再現するモーション習得システムであって、
前記従操作システムは、前記主操作者の動作を第1加速度応答として出力する仮想出力手段と、
従操作者の操作力に応じた第1等価加速度が加えられ、この第1等価加速度と第1加速度参照値を入力して、第2加速度応答を出力する可動可能なマスタシステムと、
前記従操作者の操作に伴う環境からの反作用力に応じた第2等価加速度が加えられ、この第2等価加速度と第2加速度参照値を入力して、第3加速度応答を出力する可動可能なスレーブシステムと、
前記第1等価加速度と前記第2等価加速度が前記仮想出力手段に出力されないように、前記第1加速度応答,前記第2加速度応答,前記第3加速度応答,前記第1等価加速度,および前記第2等価加速度から、前記マスタシステムへの前記第1加速度参照値と、前記スレーブシステムへの前記第2加速度参照値をそれぞれ算出して、前記マスタシステムと前記スレーブシステムを加速度制御するマルチラテラル制御手段と、を備えたことを特徴とするモーション習得システム。
A motion acquisition system that reproduces the operation of the primary operator extracted by the primary operation system using the secondary operation system.
The slave operation system includes virtual output means for outputting the operation of the main operator as a first acceleration response;
A movable master system that receives a first equivalent acceleration according to the operating force of the slave operator, inputs the first equivalent acceleration and the first acceleration reference value, and outputs a second acceleration response;
A second equivalent acceleration corresponding to a reaction force from the environment accompanying the operation of the slave operator is added, and the second equivalent acceleration and the second acceleration reference value are input to output a third acceleration response. A slave system,
The first acceleration response, the second acceleration response, the third acceleration response, the first equivalent acceleration, and the second so that the first equivalent acceleration and the second equivalent acceleration are not output to the virtual output means. Multilateral control means for calculating the first acceleration reference value to the master system and the second acceleration reference value to the slave system from the equivalent acceleration, respectively, and controlling the acceleration of the master system and the slave system; , A motion acquisition system characterized by comprising.
前記マルチラテラル制御手段は、i番目の前記従操作システムにおいて、
前記第1等価加速度と前記第2等価加速度との和が0になるように、前記第1等価加速度と前記第2等価加速度との加算値を、力サーボの制御パラメータと乗算して、和モードの加速度参照値x・・ ic refを算出し、
前記第1加速度応答と前記第2加速度応答との間の偏差が位置次元で0になるように、前記第1加速度応答から前記第2加速度応答を差し引いた偏差を、位置レギュレータの制御パラメータと乗算して、差モードの第1加速度参照値x・・ id1 refを算出し、
前記第2加速度応答と前記第3加速度応答との間の偏差が位置次元で0になるように、前記第2加速度応答から前記第3加速度応答を差し引いた偏差を、前記位置レギュレータの制御パラメータと乗算して、差モードの第2加速度参照値x・・ id2 refを算出し、
前記第1加速度応答と前記第2加速度応答との偏差に比例したアシスト力が前記マスタシステムに生じるように、前記第1加速度参照値x・・ im refと前記第2加速度参照値x・・ is refを、次の数式でそれぞれ算出するものであることを特徴とする請求項1記載のモーション習得システム。
The multilateral control means is the i-th slave operation system,
A sum mode is obtained by multiplying the added value of the first equivalent acceleration and the second equivalent acceleration by the control parameter of the force servo so that the sum of the first equivalent acceleration and the second equivalent acceleration becomes zero. Acceleration reference value x ·· ic ref of
The deviation obtained by subtracting the second acceleration response from the first acceleration response is multiplied by the control parameter of the position regulator so that the deviation between the first acceleration response and the second acceleration response becomes zero in the position dimension. Then, the first acceleration reference value x ·· id1 ref in the difference mode is calculated,
The deviation obtained by subtracting the third acceleration response from the second acceleration response so that the deviation between the second acceleration response and the third acceleration response becomes zero in the position dimension is a control parameter of the position regulator. Multiply and calculate the second acceleration reference value x ·· id2 ref in the difference mode,
The first acceleration reference value x ·· im ref and the second acceleration reference value x ·· is is such that an assist force proportional to the deviation between the first acceleration response and the second acceleration response is generated in the master system. The motion learning system according to claim 1, wherein ref is calculated by the following formulas.
前記アシスト力を記憶するアシスト力記憶手段をさらに備えたことを特徴とする請求項2記載のモーション習得システム。   The motion learning system according to claim 2, further comprising assist force storage means for storing the assist force. 前記仮想出力手段は、前記主操作システムで抽出した主操作者の動作情報を保存する記憶部と、この記憶部の前記動作情報から前記第1加速度応答を出力する出力部と、により構成されることを特徴とする請求項1〜3の何れか一つに記載のモーション習得システム。   The virtual output means includes a storage unit that stores the operation information of the main operator extracted by the main operation system, and an output unit that outputs the first acceleration response from the operation information of the storage unit. The motion acquisition system according to any one of claims 1 to 3, wherein 主操作システムで抽出した主操作者の動作を、従操作システムで再現するモーション習得方法であって、
前記従操作システムは、前記主操作者の動作を第1加速度応答として出力する仮想出力手段と、
従操作者の操作力に応じた第1等価加速度が加えられ、この第1等価加速度と第1加速度参照値を入力して、第2加速度応答を出力する可動可能なマスタシステムと、
前記従操作者の操作に伴う環境からの反作用力に応じた第2等価加速度が加えられ、この第2等価加速度と第2加速度参照値を入力して、第3加速度応答を出力する可動可能なスレーブシステムと、を備え、
前記第1等価加速度と前記第2等価加速度が前記仮想出力手段に出力されないように、前記第1加速度応答,前記第2加速度応答,前記第3加速度応答,前記第1等価加速度,および前記第2等価加速度から、前記マスタシステムへの前記第1加速度参照値と、前記スレーブシステムへの前記第2加速度参照値をそれぞれ算出して、前記マスタシステムと前記スレーブシステムを加速度制御するマルチラテラル制御を行なうことを特徴とするモーション習得方法。
A motion learning method for reproducing the operation of the master operator extracted by the master operation system using the slave operation system,
The slave operation system includes virtual output means for outputting the operation of the main operator as a first acceleration response;
A movable master system that receives a first equivalent acceleration according to the operating force of the slave operator, inputs the first equivalent acceleration and the first acceleration reference value, and outputs a second acceleration response;
A second equivalent acceleration corresponding to a reaction force from the environment accompanying the operation of the slave operator is added, and the second equivalent acceleration and the second acceleration reference value are input to output a third acceleration response. A slave system,
The first acceleration response, the second acceleration response, the third acceleration response, the first equivalent acceleration, and the second so that the first equivalent acceleration and the second equivalent acceleration are not output to the virtual output means. The first acceleration reference value to the master system and the second acceleration reference value to the slave system are calculated from equivalent acceleration, respectively, and multilateral control is performed to control the acceleration of the master system and the slave system. A motion learning method characterized by this.
前記マルチラテラル制御では、i番目の前記従操作システムにおいて、
前記第1等価加速度と前記第2等価加速度との和が0になるように、前記第1等価加速度と前記第2等価加速度との加算値を、力サーボの制御パラメータと乗算して、和モードの加速度参照値x・・ ic refを算出し、
前記第1加速度応答と前記第2加速度応答との間の偏差が位置次元で0になるように、前記第1加速度応答から前記第2加速度応答を差し引いた偏差を、位置レギュレータの制御パラメータと乗算して、差モードの第1加速度参照値x・・ id1 refを算出し、
前記第2加速度応答と前記第3加速度応答との間の偏差が位置次元で0になるように、前記第2加速度応答から前記第3加速度応答を差し引いた偏差を、前記位置レギュレータの制御パラメータと乗算して、差モードの第2加速度参照値x・・ id2 refを算出し、
前記第1加速度応答と前記第2加速度応答との偏差に比例したアシスト力が前記マスタシステムに生じるように、前記第1加速度参照値x・・ im refと前記第2加速度参照値x・・ is refを、次の数式でそれぞれ算出することを特徴とする請求項5記載のモーション習得方法。
In the multilateral control, in the i-th slave operation system,
A sum mode is obtained by multiplying the added value of the first equivalent acceleration and the second equivalent acceleration by the control parameter of the force servo so that the sum of the first equivalent acceleration and the second equivalent acceleration becomes zero. Acceleration reference value x ·· ic ref of
The deviation obtained by subtracting the second acceleration response from the first acceleration response is multiplied by the control parameter of the position regulator so that the deviation between the first acceleration response and the second acceleration response becomes zero in the position dimension. Then, the first acceleration reference value x ·· id1 ref in the difference mode is calculated,
The deviation obtained by subtracting the third acceleration response from the second acceleration response so that the deviation between the second acceleration response and the third acceleration response becomes zero in the position dimension is a control parameter of the position regulator. Multiply and calculate the second acceleration reference value x ·· id2 ref in the difference mode,
The first acceleration reference value x ·· im ref and the second acceleration reference value x ·· is is such that an assist force proportional to the deviation between the first acceleration response and the second acceleration response is generated in the master system. 6. The motion learning method according to claim 5, wherein each ref is calculated by the following mathematical formula.
前記アシスト力をアシスト力記憶手段に記憶することを特徴とする請求項記載のモーション習得方法。 The motion learning method according to claim 6, wherein the assist force is stored in an assist force storage unit. 前記仮想出力手段において、前記主操作システムで抽出した主操作者の動作情報を保存し、その後で前記動作情報から前記第1加速度応答を出力することを特徴とする請求項の何れか一つに記載のモーション習得方法。 In the virtual output means stores the operation information of the main operator extracted by the main control system, then any one of claims 5-7, characterized in that outputs the first acceleration response from the operation information The motion learning method described in one.
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