JP5055064B2 - 遠隔操作装置及び遠隔操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動ロボット等に対して遠隔操作を行うための遠隔操作装置及び遠隔操作方法に関する。

従来、移動ロボット等の制御対象（被遠隔操作部）に対して対話形式で操作を行うための遠隔操作装置が提案されている。

そして、このような遠隔操作装置として、操作者が把持する遠隔操作装置自体を動かす速度に応じて、制御対象の移動速度を制御したり、または、遠隔操作装置自体の位置に応じて、制御対象の移動速度の制御や位置の制御を行うものが提案されている。このような遠隔操作装置においては、机や台がなくても、制御対象に対する操作を行うことができる。

特許文献１には、空間中で遠隔操作装置を動かすことにより、制御対象となるディスプレイ画面上に表示されているカーソルを、当該画面上に表示されているアイコン上に移動させて選択し、命令を与えて操作する遠隔操作装置が記載されている。

この遠隔操作装置は、遠隔操作装置の動きを検出して動きを表わす信号を発生する動き検出手段と、画面上に表示されているアイコンを選択するための選択スイッチとを備えて構成されている。遠隔操作装置の動きの検出は、遠隔操作装置の角速度の検出、または、加速度の検出によって行うようにしている。

すなわち、遠隔操作装置の動きの検出は、遠隔操作装置に内蔵された加速度検出器の出力を、１回積分、あるいは、２回積分することによって、遠隔操作装置の速度、または、位置を求めることによって行っている。
特開平７−２８４１６６号公報

ところで、前述のような従来の遠隔操作装置においては、操作者は、操作者に対する遠隔操作装置の相対的な移動速度、または、位置に応じて、制御対象に対する制御が行われることを意図している。

ところが、遠隔操作装置を持つ操作者自身が移動しながら操作を行った場合には、操作者自身の移動速度が、遠隔操作装置の移動速度に重畳される。そして、遠隔操作装置に内蔵された加速度検出器によっては、遠隔操作装置の移動速度に操作者自身の移動速度が重畳されているか否かを判別することができない。

そのため、操作者自身が移動している場合には、制御対象の移動速度、または、位置を操作者の意図する通りに正しく制御することができない。

そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、操作者により把持部を把持されこの把持部の移動速度、または、位置に応じて制御対象の移動速度、または、位置の制御を行う遠隔操作装置及び遠隔操作方法において、操作者自身が移動している場合にも、制御対象の移動速度、または、位置を操作者の意図する通りに正しく制御することができる遠隔操作装置及び遠隔操作方法を提供することを目的とする。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る遠隔操作装置及び遠隔操作方法は、以下の構成のいずれか一を有するものである。

〔構成１〕
操作者により把持部を把持され、この把持部の移動速度、または、位置に応じて、制御対象の移動速度、または、位置の制御を行う遠隔操作装置であって、操作者に把持される把持部に内蔵され、この把持部の移動速度を検出する第１の加速度検出手段と、操作者の身体に装着される本体部に内蔵され、操作者の移動速度を検出する第２の加速度検出手段と、第１の加速度検出手段により検出された把持部の加速度を積分して把持部の移動速度を求め、第２の加速度検出手段により検出された操作者の加速度を積分して操作者の移動速度を求め、把持部の移動速度から操作者の移動速度を減じて把持部の操作者に対する相対速度を求め、この相対速度を積分して把持部の操作者に対する相対位置を求める演算手段と、把持部の操作者に対する相対速度、または、把持部の操作者に対する相対位置に基づいて、制御対象に対する速度指令信号、または、位置指令信号を生成する制御手段とを備え、把持部及び本体部は、絶対方向を検出する絶対方向検出手段を有しており、演算手段は、絶対方向検出手段により検出された把持部及び本体部の絶対方向に基づいて、初期状態において把持部のローカル座標系と本体部のローカル座標とを一致させるとともに、本体部のローカル座標系における操作者の速度を絶対方向の座標系における速度に変換してから、把持部のローカル座標系における速度に変換することを特徴とするものである。

〔構成２〕
構成１を有する遠隔操作装置において、演算手段は、操作者が把持部に対する操作を行う期間のみにおいて積分処理を行うことにより、把持部及び操作者の速度、または、位置を求めるための積分処理を同一の期間に行うことを特徴とするものである。

〔構成３〕
操作者に把持される把持部の加速度を第１の加速度検出手段により検出し、操作者の加速度を第２の加速度検出手段により検出し、把持部及び操作者の絶対方向を検出し、把持部及び操作者の絶対方向に基づいて、初期状態において把持部のローカル座標系と操作者のローカル座標とを一致させ、第１の加速度検出手段により検出された把持部の加速度を積分して把持部の移動速度を求め、第２の加速度検出手段により検出された操作者の加速度を積分して操作者の移動速度を求め、操作者のローカル座標系における速度を絶対方向の座標系における速度に変換してから、把持部のローカル座標系における速度に変換し、把持部の移動速度から操作者の移動速度を減じて把持部の操作者に対する相対速度を求め、この相対速度を積分して把持部の操作者に対する相対位置を求め、把持部の操作者に対する相対速度、または、把持部の操作者に対する相対位置に基づいて、制御対象に対する速度指令信号、または、位置指令信号を生成して、制御対象に対する制御を行うことを特徴とするものである。

〔構成４〕
構成３を有する遠隔操作方法において、積分処理は、操作者が把持部に対する操作を行う期間のみにおいて行うことにより、把持部及び操作者の速度、または、位置を求めるための積分処理を同一の期間に行うことを特徴とするものである。

本発明に係る遠隔操作装置及び遠隔操作方法においては、構成１、または、構成３を有することにより、把持部の操作者に対する相対速度、または、把持部の操作者に対する相対位置に基づいて制御対象に対する速度指令信号、または、位置指令信号を生成するので、把持部を把持している操作者自身が移動しながら操作を行った場合においても、制御対象の速度制御、または、位置制御を正しく行うことが可能となる。また、操作者は、把持部の方向を気にすることなく、把持部を任意の方向に向けて操作することが可能である。そして、初期状態において把持部のローカル座標系と本体部のローカル座標とを一致させるとともに、本体部のローカル座標系における操作者の速度を、把持部のローカル座標系における速度に変換するので、把持部の操作者に対する相対速度、または、把持部の操作者に対する相対位置を容易、かつ、迅速に演算することができる。

なお、把持部の操作者に対する相対速度、または、把持部の操作者に対する相対位置には、角速度、または、回転位置を含めることとしてもよく、この場合には、操作者に対する把持部の方向に応じた操作をすることが可能となる。

本発明に係る遠隔操作装置及び遠隔操作方法においては、構成２、または、構成４を有することにより、操作者が把持部に対する操作を行う期間のみにおいて積分処理を行うことにより、把持部及び操作者の速度、または、位置を求めるための積分処理を同一の期間に行うので、演算処理のタイミングのずれにより生ずる誤差を最小に抑えることができる。

すなわち、本発明は、操作者により把持部を把持されこの把持部の移動速度、または、位置に応じて制御対象の移動速度、または、位置の制御を行う遠隔操作装置及び遠隔操作方法において、操作者自身が移動している場合にも、制御対象の移動速度、または、位置を操作者の意図する通りに正しく制御することができる遠隔操作装置及び遠隔操作方法を提供することができるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

〔遠隔操作装置の構成〕
図１は、本発明に係る遠隔操作方法を実施する本発明に係る遠隔操作装置の構成を示すブロック図である。

本発明に係る遠隔操作装置は、移動ロボット（自走ロボット）等の制御対象に対して遠隔操作を行うための遠隔操作装置である。この遠隔操作装置は、図１に示すように、把持部１及び本体部２とを有して構成される。把持部１は、操作者によって把持されて使用される。本体部２は、操作者の身体（胴体部など）に装着される。

把持部１には、第１の加速度検出手段となる第１の３軸加速度検出器３が内蔵されている。また、本体部２には、第２の加速度検出手段となる第２の３軸加速度検出器４が内蔵されている。

さらに、把持部１には、第１の３軸角速度検出器５、第１の絶対方向検出器６、操作期間入力インターフェイス７及びその他のマンマシンインターフェイス８が内蔵されている。また、本体部２には、第２の３軸角速度検出器９及び第２の絶対方向検出器１０が内蔵されている。

第１及び第２の３軸角速度検出器５，９は、ジャイロスコープ等である。また、第１及び第２の絶対方向検出器６，１０は、例えば、地磁気方向検出器等であって、地磁気の方向等に基づいて、絶対方向を検出することができるものである。操作期間入力インタフェース７は、プッシュボタン等であって、操作開始等の種々の情報の入力操作を行うことができる。その他のマンマシンインターフェイス８もプッシュボタン等であって、種々の情報の入力操作を行うことができる。

また、本体部２には、演算手段となるコンピュータ等の演算装置１１及び制御手段となる通信装置１２が内蔵されている。演算装置１１は、各３軸加速度検出器３，４、各３軸角速度検出器５，９及び各絶対方向検出器６，１０からの検出信号が送られ、これら検出信号に基づいて、後述する種々の演算処理を行う。この演算装置１１は、把持部１、または、本体部２のいずれに内蔵してもよく、あるいは、これらのいずれからも離間して配置してもよい。

通信装置１２は、演算装置１１による演算結果に応じて、速度指令信号、または、位置指令信号を生成し、移動ロボット等の制御対象１０１との間で、有線、または、無線による通信を行う。この通信装置１２は、把持部１、または、本体部２のいずれに内蔵してもよく、あるいは、これらのいずれからも離間して配置してもよい。

なお、この遠隔操作装置においては、第１及び第２の絶対方向検出器６，１０に代えて、把持部１と本体部２との初期座標を一致させるための方向決め装置１３を用いてもよい。この方向決め装置１３は、本体部２に設けられ、把持部１をこの方向決め装置１３に対して装着することによって、把持部１の本体部２に対する相対方向及び相対位置を所定の方向及び位置に規定するようになっている。

〔遠隔操作装置の動作〕
図２は、本発明に係る遠隔操作装置の使用状態を示す平面図である。

この遠隔操作装置は、動作を開始すると、以下のようにして、制御対象１０１に対する遠隔操作を行う。

（１）まず、図２に示すように、本体部２が操作者１０２の身体に装着され、把持部１が操作者１０２に把持された状態で、これら本体部２及び把持部１に共通座標系を定義する。

共通座標系の一例として、図２に示すように、地磁気及び重力方向を基準として、北方向をＸ軸、重力方向の逆方向をＺ軸とする右手系絶対座標系を考える。演算装置１１は、操作者１０２が操作期間入力インタフェース７を操作（オン操作）したタイミングにおいて、把持部１及び本体部２の３軸加速度検出器３，４及び絶対方向検出器（地磁気方向検出器）６，１０からの検出信号を読み取り、共通座標系に対する姿勢角の初期値を算出する。

図３は、把持部１のローカル座標系を示す斜視図である。

図４は、本体部２（操作者１０２）のローカル座標系を示す斜視図である。

共通座標系に対する姿勢角の初期値は、把持部１については、図３に示すように、共通座標系に対する把持部１のローカル座標系の回転角度の初期値Ａｕ０（αｕ０，βｕ０，γｕ０）〔deg〕である。また、本体部２については、図４に示すように、共通座標系に対する本体部２のローカル座標系の回転角度の初期値Ａｏ０（αｏ０，βｏ０，γｏ０）〔deg〕である。なお、本体部２のローカル座標系は、操作者１０２のローカル座標系と考えてもよい。

なお、演算装置１１が各３軸加速度検出器３，４及び各絶対方向検出器６，１０からの検出信号を読み取るまでの間は、操作者１０２は、把持部１に本体部２を基準とした相対加速度を与えてはならない。これは、操作者１０２が操作期間入力インタフェース７を操作した時点から、演算装置１１が各３軸加速度検出器３，４及び各絶対方向検出器６，１０からの検出信号を読み取るまでの間のＴｉ〔sec〕を初期化時間とし、この間は、操作者１０２は、把持部１を本体部２に対して動かさないようにすることで達成できる。初期化時間Ｔｉは、１０ｍsec程度で十分である。

この初期化時間Ｔｉ内において、操作者１０２が本体部２を伴って把持部１を把持したままで、一定速度で移動、もしくは、加速度を伴って移動することは、本体部２と把持部１に共通の座標系を設定するうえでは問題ない。操作者１０２が加速度を伴って移動する場合には、一般には、−Ｚ軸方向が重力方向に一致しないことになるが、本体部２と把持部１とに共通した座標系の設定は達成することができる。

（２）次に、操作者１０２が操作期間入力インタフェース７を操作（オン操作）してから初期化時間Ｔｉ〔sec〕経過後に、操作者１０２が把持部１に対し、本体部２に対する相対速度を与えることにより、制御対象１０１に対する速度制御、または、位置制御が開始される。

このとき、演算装置１１は、各３軸角速度検出器５，９からの検出信号により、把持部１及び本体部２の角速度を読み取り、これらを積分して、把持部１及び本体部２の回転角度を算出する。これら回転角度を、把持部１及び本体部２の回転角度の初期値に加えることによって、任意の時間における共通座標系に対する把持部１の姿勢角Ａｕ（αｕ，βｕ，γｕ）〔deg〕及び本体部２の姿勢角Ａｏ（αｏ，βｏ，γｏ）〔deg〕が算出される。

（３）また、演算装置１１は、操作者１０２が操作期間入力インタフェース７を操作（オン操作）している間、把持部１及び本体部２の３軸加速度検出器３，４からの検出信号を周期Ｔ〔sec〕で積分し、Ｔ〔sec〕毎に、把持部１及び本体部２の速度を算出する。

把持部１の速度は、把持部１のローカル座標系における速度ｖｕ（ｖｕｘ，ｖｕｙ，ｖｕｚ）〔ｍ／sec〕であり、本体部２の速度は、本体部２のローカル座標系における速度ｖｏ（ｖｏｘ，ｖｏｙ，ｖｏｚ）〔ｍ／sec〕である。

（４）次に、演算装置１１は、把持部１の３軸加速度検出器３からの検出信号の積分を行う周期に同期して、その時点の把持部１の姿勢角Ａｕに基づいて、把持部１のローカル座標系から共通座標系への回転行列Ｒｕを算出する。また、演算装置１１は、本体部２の３軸加速度検出器４からの検出信号の積分を行う周期に同期して、その時点の本体部２の姿勢角Ａｏに基づいて、本体部２のローカル座標系から共通座標系への回転行列Ｒｏを算出する。

（５）さらに、演算装置１１は、各３軸加速度検出器３，４からの検出信号の積分を行う周期に同期して、下記の演算を行い、把持部１のローカルな座標系における本体部２の移動速度ｖｏｕ〔ｍ／sec〕を演算する。

Ｖｏｕ＝（ｖｏｕｘ，ｖｏｕｙ，ｖｏｕｚ）
＝Ｒｕ^−１・Ｒｏ・（ｖｏｘ，ｖｏｙ，ｖｏｚ）
（６）そして、演算装置１１は、各３軸加速度検出器３，４からの検出信号の積分を行う周期に同期して、下記の演算を行い、把持部１のローカルな座標系における本体部２の移動速度を減じた把持部１の速度Ｖｕ〔ｍ／sec〕を演算する。

Ｖｕ＝（Ｖｕｘ，Ｖｕｙ，Ｖｕｚ）
＝（ｖｕｘ−ｖｏｕｘ，ｖｕｙ−ｖｏｕｙ，ｖｕｚ−ｖｏｕｚ）
（７）なお、操作者１０２が操作期間入力インタフェース７を操作しないとき（オフ操作）は、把持部１及び本体部２の各３軸加速度検出器３，４、各３軸角速度検出器５，９及び各絶対方向検出器６，１０からの検出信号は処理されない。

（８）そして、通信装置１２は、把持部１のローカルな座標系における本体部２の移動速度を減じた把持部１の速度Ｖｕに基づいて、制御対象１０１に対する速度指令信号、または、位置指令信号を生成し、移動ロボット等の制御対象１０１に送信する。これら速度指令信号、または、位置指令信号により、本体部２及び操作者１０２が任意の方向に任意の速度で移動をしていても、制御対象１０１に対して正しく速度制御、または、位置制御することが可能となる。

（９）また、制御装置１１は、把持部１のローカルな座標系における本体部２の移動速度を減じた把持部１の速度Ｖｕを積分して、本体部２に対する把持部１の相対位置を求めてもよい。通信装置１２は、この相対位置に基づいて、制御対象１０１に対する速度指令信号、または、位置指令信号を生成することにより、制御対象１０１に対する速度指令信号、または、位置指令信号を生成し、移動ロボット等の制御対象１０１に送信する。これら速度指令信号、または、位置指令信号により、本体部２及び操作者１０２が任意の方向に任意の速度で移動をしていても、制御対象１０１に対して正しく速度制御、または、位置制御することが可能となる。

なお、この遠隔操作装置において、把持部１には、３軸加速度検出器３、３軸角速度検出器５、絶対方向検出器（地磁気方向検出器）６及び操作期間入力インタフェース７以外にも、制御対象１０１に対する指令信号入力器や、制御対象１０１の状態を表示する表示器を設けてもよい。また、演算装置１１は、デジタルコンピュータのみならず、デジタル回路及びアナログ回路により構成されたものであってもよい。

また、この遠隔操作装置においては、本体部２は、操作者１０２の身体のうち、操作者１０２の移動速度を示す部位、例えば、胴体部、腹部などに装着される。この本体部２においては、第２の３軸加速度検出器４、第２の３軸角速度検出器９及び第２の絶対方向検出器１０をそれぞれ複数備えることとし、各検出器からの検出信号の平均値を求めることにより、本体部２の移動速度をより高精度に求めることができる。

〔他の実施の形態〕
この遠隔操作装置において、把持部１及び本体部２の共通座標系を設定する手段として、把持部１の本体部２に対する相対角度が既知となるように、把持部１を本体部２に対して固定した状態で操作期間入力インタフェース７を操作し、その後に、遠隔操作を開始するようにしてもよい。

図５は、本発明に係る遠隔操作装置における方向決め装置１３の構成を示す斜視図である。

この場合には、図５に示すように、把持部１の本体部２に対する方向が一意に定まるように、把持部１を固定することができる方向決め装置１３を用いる。この方向決め装置１３は、本体部２に装備することができる。なお、この方向決め装置１３は、必ずしも本体部２に装備することを要しないが、操作期間入力インタフェース７を操作（オン操作）するタイミングにおいて、把持部１の本体部２に対する相対角度が既知となるものであることを要する。

この遠隔操作装置においては、操作者１０２は、遠隔操作を開始する前に、図５中の（ｂ）に示すように、必ず把持部１を方向決め装置１３に固定して操作期間入力インタフェース７を操作（オン操作）する。このとき、方向決め装置１３のローカル座標系を把持部１及び本体部２の共通座標系とすることが可能となる。その後、図５中の（ａ）に示すように、把持部１を方向決め装置１３から切り離して、前述したような遠隔操作を行うことができる。

この遠隔操作装置においては、地磁気方向検出器等の絶対方向検出器６，１０は不要である。ただし、演算精度を上げるためには、地磁気方向検出器等の絶対方向検出器６，１０と方向決め装置１３とを併用してもよい。

なお、前述の説明における遠隔操作装置及び遠隔操作方法においては、操作者１０２が把持部１を本体部２に対して移動させる速度に応じて制御対象１０１を速度制御し、または、把持部１の本体部２に対する位置に応じて制御対象１０１を速度制御、または、位置制御している。

しかし、本発明に係る遠隔操作装置及び遠隔操作方法は、操作者１０２が把持部１を本体部２に対して回転させる角速度に応じて制御対象１０１を角速度制御し、または、把持部１の本体部２に対する角度に応じて制御対象１０１を角速度制御、または、角度制御する場合にも適用することができる。

本発明に係る遠隔操作方法を実施する本発明に係る遠隔操作装置の構成を示すブロック図である。 前記遠隔操作装置の使用状態を示す平面図である。 前記遠隔操作装置の把持部のローカル座標系を示す斜視図である。 前記遠隔操作装置の本体部（操作者）のローカル座標系を示す斜視図である。 前記遠隔操作装置における方向決め装置の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ 把持部
２ 本体部
３ 第１の３軸加速度検出器
４ 第２の３軸加速度検出器
５ 第１の３軸角速度検出器
６ 第１の絶対方向検出器
７ 操作期間入力インターフェイス
９ 第２の３軸角速度検出器
１０ 第２の絶対方向検出器
１１ 演算装置
１２ 通信装置
１３ 方向決め装置

Claims (4)

1. 操作者により把持部を把持され、この把持部の移動速度、または、位置に応じて、制御対象の移動速度、または、位置の制御を行う遠隔操作装置であって、
   前記操作者に把持される把持部に内蔵され、この把持部の移動速度を検出する第１の加速度検出手段と、
   前記操作者の身体に装着される本体部に内蔵され、操作者の移動速度を検出する第２の加速度検出手段と、
   前記第１の加速度検出手段により検出された前記把持部の加速度を積分して前記把持部の移動速度を求め、前記第２の加速度検出手段により検出された前記操作者の加速度を積分して前記操作者の移動速度を求め、前記把持部の移動速度から前記操作者の移動速度を減じて前記把持部の前記操作者に対する相対速度を求め、この相対速度を積分して前記把持部の前記操作者に対する相対位置を求める演算手段と、
   前記把持部の前記操作者に対する相対速度、または、前記把持部の前記操作者に対する相対位置に基づいて、制御対象に対する速度指令信号、または、位置指令信号を生成する制御手段と
   を備え、
   前記把持部及び前記本体部は、絶対方向を検出する絶対方向検出手段を有しており、
   前記演算手段は、絶対方向検出手段により検出された前記把持部及び前記本体部の絶対方向に基づいて、初期状態において把持部のローカル座標系と本体部のローカル座標とを一致させるとともに、本体部のローカル座標系における操作者の速度を絶対方向の座標系における速度に変換してから、把持部のローカル座標系における速度に変換する
   ことを特徴とする遠隔操作装置。
2. 前記演算手段は、前記操作者が前記把持部に対する操作を行う期間のみにおいて積分処理を行うことにより、前記把持部及び前記操作者の速度、または、位置を求めるための積分処理を同一の期間に行う
   ことを特徴とする請求項１記載の遠隔操作装置。
3. 操作者に把持される把持部の加速度を、第１の加速度検出手段により検出し、
   前記操作者の加速度を、第２の加速度検出手段により検出し、
   前記把持部及び前記操作者の絶対方向を検出し、
   前記把持部及び前記操作者の絶対方向に基づいて、初期状態において把持部のローカル座標系と操作者のローカル座標とを一致させ、
   前記第１の加速度検出手段により検出された前記把持部の加速度を積分して前記把持部の移動速度を求め、前記第２の加速度検出手段により検出された前記操作者の加速度を積分して前記操作者の移動速度を求め、
   操作者のローカル座標系における速度を絶対方向の座標系における速度に変換してから、把持部のローカル座標系における速度に変換し、
   前記把持部の移動速度から前記操作者の移動速度を減じて前記把持部の前記操作者に対する相対速度を求め、この相対速度を積分して前記把持部の前記操作者に対する相対位置を求め、
   前記把持部の前記操作者に対する相対速度、または、前記把持部の前記操作者に対する相対位置に基づいて、制御対象に対する速度指令信号、または、位置指令信号を生成して、前記制御対象に対する制御を行う
   ことを特徴とする遠隔操作方法。
4. 前記積分処理は、前記操作者が前記把持部に対する操作を行う期間のみにおいて行うことにより、前記把持部及び前記操作者の速度、または、位置を求めるための積分処理を同一の期間に行う
   ことを特徴とする請求項３記載の遠隔操作方法。

Images