JPWO2006046500A1 - 通信遅延を有する通信路を介して信号を送受信する遠隔制御システム - Google Patents

Abstract

マスタ１とスレーブ２はインターネットなどの通信遅延を有する通信路で接続されている。この通信遅延は無駄時間要素ｅ-Tsで表すことができ、この無駄時間による影響はスレーブ側に加わる加速度次元（力次元）の外乱による影響であると考えることできる。通信外乱オブザーバ４は力信号Ｆと速度ｓＸｅ-Tsから、スレーブ側に加わる通信外乱Ｆ（１−ｅ-Ts）を推定する。この通信外乱に１／Ｊnｓ（Ｊnはスレーブ側の慣性係数（ノミナル値））を乗じてｓＸ（１−ｅ-Ts）を求めこれをｓＸｅ-Tsに加算する。これにより通信遅延を補償したｓＸを得ることができ無駄時間により生ずる影響を補償できる。また、外乱オブザーバ５を設けることによりスレーブ側に加わる外乱Ｆdisを補償することができる。

Description

本発明は、通信遅延を有する通信路を介して信号を送受信する遠隔制御システムに関し、特に、インターネットのように、通信遅延が変動し、通信遅延（無駄時間）が正確に計測できないネットワークを通信手段として用いた遠隔操作システムに適用するに好適な遠隔制御システムに関するものである。

近年のインターネットの急速な普及により、情報通信ネットワークが一般的なものとして浸透している。このような状況において、従来は宇宙空間や原子力プラントなど、いわゆる極限環境において用いられることが多かった遠隔制御を、インターネットを介して実現することができれば、遠隔制御がより一般的なものとして認識され、普及していくであろうと考えられる。
しかし、インターネットは、通信遅延が大きく、かつその値が変動してしまうため、リアルタイム性を重視する遠隔制御の通信経路として用いることが非常に困難である。
従来から、遠隔制御において上記通信遅延の変動に対処するための技術が種々提案されている。
例えば、特許文献１には、ロボットの配置された遠隔地の移動予定データを元に、通信時間遅れを予測し、コマンドの生成のタイミングを通信時間遅れの変動に合わせて変化させるようにしたロボットの遠隔操作装置が記載されている。
また、特許文献２には、通信の時間遅れを力感覚に変換し、遠隔地にある被制御部を遠隔操作するようにした遠隔操作方法及び装置が記載されている。

上記通信遅延は、制御系における無駄時間と捉えることができ、制御系に無駄時間が含まれると、系に位相遅れが生じ、制御系を不安定にする要因となる。
従来から、無駄時間要素を含む制御系の不安定化を補償する方法として、スミス法が用いられてきた。
図１３にスミス法を導入した制御系のブロック図を示す。同図において、Ｃ（ｓ）は制御装置、Ｇ（ｓ）は制御対象の伝達関数を示し、ｅ^-Ts は無駄時間要素である（ｓはラプラス演算子である）。このような無駄時間要素を有する制御系に、同図に示すようにスミス法を用いた補償要素（Smith Predictor) ［Ｇ（ｓ）（１−ｅ^-Ts ）］を追加することで、システムを安定化することができる。

通信遅延が存在するバイラテラルシステム等の遠隔制御装置においても、通信遅延が一定であったり、通信遅延が予測できる場合には、上記スミス法を適用することで、システムの安定化を図ることができる。
図１４（ａ）に通信遅延のあるバイラテラルシステムのブロック図を示し、図１４（ｂ）に、同図（ａ）のバイラテラルシステムにスミス法を適用した場合のブロック図を示す。なお、図１４は、バイラテラルシステムの概念構成を示している。
図１４において、１はマスタ、２はスレーブであり、マスタ１とスレーブ２は、インターネットなどの通信遅延を有する通信路３で接続されている。ここでは、スレーブ２の伝達関数は１／Ｊｓであり、マスタ１からの力信号Ｆがスレーブ２に加わり、スレーブ２から速度信号ｓＸｅ^-Ts がマスタ１に返される。
上記通信遅延は無駄時間要素ｅ^-T1s，ｅ^-T2s，ｅ^-Ts として示されており、Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２である。
図１４（ａ）に示すシステムの通信遅延Ｔ１，Ｔ２の値がわかっている場合には、前記図１３で説明したのと同様に、図１４（ａ）に示すシステムに図１４（ｂ）に示すようにスミス法を用いた補償要素を導入することで、通信遅延を補償した応答ｓＸを得ることができる。
特開２００１−２５９８６号公報 特開２００４−８２２９３号公報

上述したスミス法は、遠隔操作システムにおいて通信遅延（無駄時間）によって引き起こされるシステムの不安定化を補償する方法として広く用いられてきた。しかし、スミス法は遠隔操作システムの通信遅延（無駄時間）の正確な値が計測できない場合には性能が悪化してしまう。このような性質から、インターネットのように、通信遅延（無駄時間）の値が時々刻々変動し、その値が正確に計測できないネットワークを通信手段として適用した遠隔操作システムにおいては満足な性能が得られない。
本発明は、正確な値が計測できない無駄時間を有する制御システムにおいても、無駄時間により生ずる不安定性を補償することができ、また、通信遅延の大きな通信手段を用いたバイラテラル制御に適用することで、遠隔地からの触覚の伝達をすることが可能な遠隔制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を本発明においては次のように解決する。
（１）通信の時間遅延がある通信路を介して、遠隔地にある制御対象を制御する遠隔制御システムにおいて、通信外乱を推定する通信外乱推定手段を設け、該通信外乱推定手段により推定された通信外乱（通信外乱はＸ・（１−ｅ^-ts ）［Ｘ：制御信号、ｔ：遅延時間］として表すことができる）に基づき、補償値生成手段により通信遅延を補償する補償値を生成し、遠隔制御システムにおける通信遅延を補償する。
通信外乱推定手段は、上記通信路における通信遅延を遠隔地の制御対象に加わる加速度次元（力次元）の外乱（通信外乱）であるとして、上記通信路を介して送信する制御信号もしくは制御信号に相当する信号と、遠隔地にある制御対象から送信される応答信号もしくは応答信号に相当する信号に基づき通信外乱を推定する。
（２）上記（１）において、上記遠隔地にある制御対象に加わる外乱を推定する外乱推定手段を設け、この外乱推定手段により推定された外乱に基づき、遠隔地にある制御対象に加わる外乱を補償する。
（３）上記（２）において、遠隔地にある制御対象に加わる外乱が、上記通信外乱推定手段の推定結果へ及ぼす影響が少なくなるように、上記通信外乱推定手段のゲインと、上記外乱推定手段のゲインを設定する。
（４）マスタ側のマニピュレータと、スレーブ側のマニピュレータが通信遅延を有する通信路を介して接続され、マスタ側のマニピュレータに追従させてスレーブ側のマニピュレータを駆動し、スレーブ側に加わる操作力をマスタ側に伝達する遠隔制御システムにおいて、マスタ側のマニピュレータを制御する第１の制御部と、スレーブ側のマニピュレータを制御する第２の制御部と、マスタ側のマニピュレータの出力に基づきスレーブ側のマニピュレータの動作を模擬し、この模擬信号とスレーブ側のマニピュレータから通信路を介して送られるスレーブ側マニピュレータの出力とから通信外乱を推定する通信外乱推定手段と、上記通信外乱推定手段により推定された通信外乱に基づき、通信遅延を補償する補償値を生成する補償値生成手段とを設ける。
そして、マスタ側のマニピュレータの出力を上記通信路を介してスレーブ側に送り、スレーブ側のマニピュレータの出力と上記通信路を介して送られたマスタ側のマニピュレータの出力を第２の制御部に入力し、スレーブ側のマニピュレータを制御するとともに、通信路を介して送られるスレーブ側マニピュレータ出力を上記補償値生成手段の出力により補償し、該補償されたスレーブ側マニピュレータ出力と、マスタ側のマニピュレータの出力を上記第１の制御部に入力し、マスタ側のマニピュレータを制御する。
本発明においては、通信外乱推定手段が、通信遅延（無駄時間）による影響を、システムに加わる加速度次元（力次元）の外乱（通信外乱）による影響とみなして、この通信外乱を観測し補償しているので、通信遅延（無駄時間）の予測値を必要としない。このため、インターネットのように、通信遅延（無駄時間）が正確に計測できないネットワークを通信手段として用いた遠隔操作システムであっても、安定に制御することができる。また、一般的な無駄時間のある制御システムに適用しても、同様の性能を発揮することができる。

本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）通信外乱推定手段により通信外乱を推定し、遠隔制御システムにおける通信遅延による無駄時間を補償しているので、インターネットなどの遅延時間が正確に計測できない通信手段を用いたシステムにおいても、安定に制御することが可能となる。
また、本発明をバイラテラル制御に適用することで、遠隔地からの触覚の伝達をすることが可能となる。
（２）遠隔地にある制御対象に加わる外乱を推定する外乱推定手段を設け、この外乱推定手段により推定された外乱に基づき、遠隔地にある制御対象に加わる外乱を補償することにより、外乱による影響を受けることなく遠隔地の制御対象を操作することができる。
（３）上記通信外乱を推定する通信外乱推定手段と、制御対象に加わる外乱を推定する外乱推定手段のゲインを適切に設定することにより、上記遠隔地にある制御対象に加わる外乱が、上記通信外乱推定手段の推定結果へ及ぼす影響を少なくすることができ、上記通信外乱を正確に推定して補償することが可能となる。
（４）本発明をマスタスレーブ遠隔制御システムに適用することにより、遅延時間の推定値を必要とせず、スレーブ側をマスタ側の動きに安定に追従させることが可能となる。

本発明の概念を説明するブロック図である。 図１においてスレーブ側に外乱オブザーバを設けた場合の構成例を示す図である。 通信外乱オブザーバおよび外乱オブザーバのブロック図である。 Ｇ（ｓ）のゲイン線図（ｇ_net ＜ｇ_d ）である。 Ｇ（ｓ）のゲイン線図（ｇ_net ＞ｇ_d ）である。 本発明の手法を遠隔制御システムに適用した場合の構成例を示す図である。 図６に示す遠隔制御システムのブロック図である。 外乱および反作用力推定オブザーバのブロック図である。 従来例と本願発明の位置応答を示す図である。 スミス法により遅延時間補償を行なった場合の位置応答を示す図である。 本発明により通信遅延時間の補償を行なった場合の位置応答を示す図である。 本発明により通信遅延補償を行なった場合の角度応答と、力応答を示す図である。 スミス法を導入した制御系のブロック図である。 バイラテラルシステムにスミス法を適用した場合のブロック図である。

符号の説明

１ マスタ
１ａ 制御部
１ｂ マニピュレータ
２ スレーブ
２ａ 制御部
２ｂ マニピュレータ
３ 通信路
４ 通信外乱オブザーバ
５ 外乱オブザーバ
５ｍ，５ｓ 外乱および反作用力推定オブザーバ
６ 補償値生成手段
７ 通信遅延補償部
８ スレーブ制御系のモデル

図１は本発明の概念を説明するブロック図であり、まず、図１により本発明の概念を説明する。図１は、本発明をマスタと、遠隔地に配置されたスレーブから構成されるバイラテラル制御に適用した場合の概念構成を示している。
図１において、前記図１４と同様、１はマスタ、２はスレーブであり、マスタ１とスレーブ２は、インターネットなどの時々刻々変動する通信遅延を有する通信路で接続されている。スレーブ２の伝達関数は１／Ｊｓであり、マスタ１からの力信号Ｆがスレーブ２に加わり、スレーブ２から速度信号ｓＸｅ^-Ts がマスタ１に返される。
本発明においては、上記通信遅延を、スレーブ側に加わる外乱、すなわち通信外乱として扱い、この外乱をネットワークを介した外乱推定手段（以下、外乱オブザーバという）を用いて推定する。以後、この外乱オブザーバのことを通信外乱オブザーバと呼ぶ。なお、上記力信号Ｆはトルク信号τであってもよいし、また、速度信号ｓＸは、角速度信号ｓθであってもよい。なお、”ｓ”はラプラス演算子である。

通信遅延のある遠隔制御システムは、前記図１４（ａ）に示したように、通信遅延により生ずる正確に値が計測できない無駄時間要素を備えたシステムとして捉えることができる。前記図１４（ａ）に示したブロック図は、図１（ａ）に示すブロック図に等価変換することができ、上記通信遅延による無駄時間の影響は、加速度次元（力次元）の外乱（通信外乱）による影響であるとみなすことできる。
上述したように、通信遅延による無駄時間の影響を加速度次元の外乱Ｆ（１−ｅ^-Ts ）による影響であるとみなせば、図１（ｂ）に示すように、上記通信外乱を通信外乱オブザーバ４を用いて推定することができる。
通信外乱オブザーバ４は、スレーブに加わる力信号Ｆと、スレーブからの応答信号である速度ｓＸｅ^-Ts から、スレーブ側に加わる通信外乱Ｆ（１−ｅ^-Ts ）を推定するものであり、通信外乱オブザーバ４を用いて、通信遅延による通信外乱を推定することで、前記スミス法と同様に補償値を生成し、図１（ｃ）に示すように、この無駄時間を補償することができる。

すなわち、通信外乱オブザーバ４により推定した加速度次元（力次元）の通信外乱Ｆ（１−ｅ^-Ts ）を補償値生成手段６に与える。補償値生成手段６は、通信外乱Ｆ（１−ｅ^-Ts ）に１／Ｊ_n ｓ（Ｊ_n はスレーブ側の慣性係数（ノミナル値））を乗じて、ｓＸ（１−ｅ^-Ts ）を求める。これをスレーブ２から得られるｓＸｅ^-Ts に加算することで、通信外乱を補償したｓＸを得ることができる。
図１（ｃ）に示すように、通信外乱オブザーバを用いて通信外乱を推定し、通信遅延を補償することで、通信による遅延時間の正確な推定は必要がなくなり、通信遅延が変動する通信手段を用いたシステムにおいても、安定に制御することが可能となる。

上記通信外乱オブザーバ４としては、例えば、論文１や、特開２００４−４９５２３号公報に記載される外乱オブザーバを用いることができる。
＜論文１＞西川直樹, 藤本康孝, 村上俊之, 大西公平: " 環境変動を考慮した３次元２足歩行ロボットの可変コンプライアンス制御" 電気学会産業応用部門誌, Vol.119-D,No.12, pp.1507-1513, (1999)
図３（ａ）に上記通信外乱オブザーバのブロック図を示す。同図に示すように、通信外乱オブザーバ４は、スレーブに加わる力信号Ｆと、スレーブからの応答信号である速度ｓＸｅ^-Ts を取り込み通信路３の通信外乱（もしくは影響）の原因であるとみなした通信外乱Ｆ（１−ｅ^-Ts ）を推定する。
なお、図３において、Ｊ_n はスレーブ側の慣性係数（ノミナル値）、ｇ_net は通信外乱推定手段４のゲイン、ｇ_net ／（ｓ＋ｇ_net ）はローパスフィルタである。
なお、図３（ａ）では、ローパスフィルタとして一次遅れ要素を用いる場合について示したが、２次遅れ以上の高次のローパスフィルタを用いてもよい。

ところで、図１では考慮していないが、実際にはスレーブ側の制御対象に加わる外乱も存在し、この外乱も補償することが望ましい。
図２は、前記図１（ｃ）において、上記外乱Ｆ_dis を補償する外乱オブザーバ５を設けたブロック図である。
上記外乱オブザーバ５としては、図３（ｂ）のブロック図に示すように、上記通信外乱オブザーバ４と同様の構成のオブザーバを用いることができる。
図３（ｂ）に示すように、外乱オブザーバ５は、スレーブに入力される力信号と、スレーブからの速度信号を取り込みスレーブ２に加わる外乱Ｆ_dis を推定する。
なお、図３（ｂ）において、Ｊ_n はスレーブ側の慣性係数（ノミナル値）、ｇ_d は外乱オブザーバ５のゲイン、ｇ_d ／（ｓ＋ｇ_d ）はローパスフィルタである。なお、ローパスフィルタとして２次遅れ以上の高次のローパスフィルタを用いてもよい。
上記外乱オブザーバ５でスレーブ２に加わる外乱Ｆ_dis を推定し、これをスレーブ２の入力側に加算することで、スレーブ２そのものに加わる外乱Ｆ_dis を補償することができる。

ここで、図２に示すようにスレーブ側に加わる外乱を推定する外乱オブザーバ５を設けても、この外乱オブザーバゲインの帯域までの外乱は補償できるが、それ以上の帯域の外乱については補償できない。
この外乱オブザーバ５で補償できない帯域の外乱は、通信外乱オブザーバによる通信外乱推定値に現れてくる。
すなわち、上記外乱オブザーバ５のローパスフィルタを、一次遅れ要素であるｇ_d ／（ｓ＋ｇ_d ）とすると、［ｓ／（ｓ＋ｇ_d ）］×Ｆ_dis の外乱が補償できない外乱として、通信外乱オブザーバ４の出力に現れてくる。
このことを考慮すると、通信外乱オブザーバ４による推定値Ｆ_disnetは次の（１）式のようになる。

ここで、上記（１）式の２項は、スレーブ２そのものに加わる外乱Ｆ_dis による影響であるから、この項はできるだけ小さいことが望ましい。つまり、上記（２）式を全帯域で０にしたいということになる。
そこで、上記通信外乱オブザーバ４のゲインｇ_net と外乱オブザーバ５のゲインｇ_d をどのような値にすればよいのかを検証する。
上記（２）式のｇ_net ／（ｓ＋ｇ_net ）をＧ_net （ｓ）＝ｇ_net ／（ｓ＋ｇ_net ）、ｓ／（ｓ＋ｇ_d ）をＧ_d （ｓ）＝ｓ／（ｓ＋ｇ_d ）として、ｇ_net ＜ｇ_d とした場合と、ｇ_net ＞ｇ_d とした場合の、Ｇ（ｓ）＝Ｇ_net （ｓ）・Ｇ_d （ｓ）のゲイン線図を描くと、図４、図５に示すようになる。なお、図４、図５の横軸はω、縦軸はゲイン（ｄＢ）である。
上記Ｇ（ｓ）のゲインはできるだけ小さい方がよいから、図４、図５から明らかなように、ｇ_net ＜ｇ_d とするのが望ましく、特に、ｇ_net ＜＜ｇ_d とすれば、Ｇ（ｓ）のゲインをより小さくすることができる。
しかし、上記ｇ_d は、サンプリング周波数、ハードウェアの制約からそれほど大きくすることができない。また、通信外乱Ｆ（１−ｅ^-Ts ）をできるだけ正確に推定する必要があることから、ｇ_net はできるだけ大きくするべきである。
これらの条件を考慮すると、現実的な設計においては、Ｇ（ｓ）のゲインを０にすることはできないものの、ｇ_net をできるだけ大きく設定しｇ_net ＝ｇ_d とするのが望ましいと考えられる。
上記のようにゲインｇ_net ，ｇ_d を設定することで、外乱Ｆ_dis が通信外乱オブザーバの出力に影響するのを小さくすることができ、通信外乱を正しく推定することが可能となる。

図６は、本発明の上記手法をマスタ−スレーブ遠隔制御システムに適用した場合の構成例を示す図、図７はそのブロック図である。
図６、図７において、１はマスタ側、２はスレーブ側であり、マスタ側とスレーブ側は、インターネットなどの通信遅延のある通信路３を介して接続されている。図７では、マスタ１側からスレーブ２側へ信号を伝送する場合の通信遅延をｅ^-T1sで表し、スレーブ２側からマスタ１側に信号伝送する場合の通信遅延をｅ^-T2sで表しており、この通信遅延は時々刻々変動する。
図６に示すようにマスタ１側、スレーブ２側には、それぞれマニピュレータ１ｂ、２ｂが設けられ、マニピュレータ１ｂ、２ｂは、それぞれ制御部１ａ，２ａにより制御される。
マスタ側のマニピュレータ１ｂを操作すると、それに応じてスレーブ側のマニピュレータ２ｂが追従して動き、また、スレーブ２側に加わる操作力がマスタ側へ触覚として伝達される。
上記マニピュレータ１ｂ、２ｂは、図７ではそれぞれ伝達関数１／Ｊｓ、１／Ｊｓとして示されており、上記制御部１ａ，２ａは図７におけるＫｐ，Ｋｖ，Ｊｎ，Ｋｆ［ゲイン及び慣性係数（ノミナル値）を乗ずる演算器］等を一つにまとめたものである。
上記マスタ側およびスレーブ側のマニピュレータ１ｂ、２ｂには、センサ（図示せず）が設けられ、マスタ側、スレーブ側のマニピュレータ１ａ，２ａの角速度θ’^res _m ，θ’^res _s 、角度θ^res _m ，θ^res _s が上記センサにより検出される。なお、微分信号を図ではドットで示すが、本文中では、ダッシュ「’」で示す。
また、マスタ１側、スレーブ２側には、外乱オブザーバおよび反作用力推定オブザーバ（以下「外乱および反作用力推定オブサーバ」という）５ｍ，５ｓが設けられ、外乱および反作用力推定オブザーバ５ｍ，５ｓによりマニピュレータ１ｂ，２ｂに加わる外力トルク（外乱）τ_h ，τ_env が推定され、制御部１ａ，２ａの出力に加算されて、外乱が補償される。また、外乱および反作用力推定オブザーバ５ｍ，５ｓにより推定された外力トルクは、加算されて、マスタ側およびスレーブ側の制御部１ａ，２ａに与えられる。なお、外乱および反作用力推定オブサーバ５ｍ，５ｓは外乱と外力トルクを検出しており、この例では、外力トルク以外の外乱はないとみなしている。
さらに、マスタ１側には、上記マニピュレータ１ｂを制御する制御系に加え、スレーブ側の動作を模擬するモデル８と、前記した通信外乱オブザーバ４と、この通信外乱オブザーバ４の出力に基づき、通信外乱の補償値を生成する補償値生成手段６から構成される通信遅延補償部７が設けられている。

図６、図７において、マスタ側のマニピュレータ１ｂの角速度信号θ’^res _m は、比較部１ｄにフィードバックされ、スレーブ２側から送られてくる通信遅延補償部７により通信遅延が補償された角速度信号θ’_p との差が、上記制御部１ａに与えられる。
また、この角速度信号θ’^res _m は通信路３を介してスレーブ側に送信されるとともに、外乱および反作用力推定オブザーバ５ｍに与えられる。さらに、上記通信遅延補償部７のモデル８に入力される。
一方、マニピュレータ１ｂの駆動トルクτ_m が上記外乱および反作用力推定オブザーバ５ｍに与えられ、外乱および反作用力推定オブザーバ５ｍは、マニピュレータ１ｂの駆動トルクと、角速度信号θ’^res _m によりマスタ側に加わる外力トルクτ_h を推定し、外力トルク推定値τ_h ＾と、外力トルク補償値τ_mcmpを出力する。外力トルク推定値τ_h ＾は、通信路３を介してスレーブ２側に送られるとともに、スレーブ２側から通信路３を介して送られてくる外力トルクの推定値τ_env ＾と加算され、制御部１ａに与えられる。
図８に上記外乱および反作用力推定オブザーバ５ｍのブロック図を示す。同図に示すように、外乱および反作用力推定オブザーバ５ｍの構成は、ここでは外力トルク以外の外乱はないものと考えているので、基本的には前記図３（ｂ）に示したものと同じであり、スレーブ側の外乱および反作用力推定オブザーバ５ｓも同様の構成を有している。

図６、図７に戻り、マスタ側のマニピュレータ１ｂの角度信号θ^res _m は、比較部１ｃにフィードバックされ、スレーブ２側から送られてくる通信遅延補償部７により通信遅延が補償された角度信号θ_p との差が、制御部１ａに入力される。また、この角度信号θ^res _m は通信路３を介してスレーブ側に送信されるとともに、上記通信遅延補償部７のモデル８に入力される。
通信遅延補償部７は、スレーブ側の制御系のモデル８を有し、モデル８は、マスタ側の角度信号θ^res _m 、角速度信号θ’^res _m から、スレーブ２側のマニピュレータ２ｂの駆動トルクτ_s を推定する。

通信外乱オブザーバ４は、スレーブ２側のマニピュレータに加わるトルクの推定値τ_s ＾（前記図１、図２における力信号Ｆに相当）とスレーブ２側から通信路３を介して送られてくる角速度信号θ’^res _s （前記図１、図２の速度信号ｓＸｅ^-Ts に相当）に基づき、通信外乱τ_s （１−ｅ^-Ts ）を推定する。通信外乱オブザーバ４により推定されたτ_s （１−ｅ^-Ts ）は、補償値生成手段６に与えられ、前記図１、図２で示したのと同様に、通信遅延を補償する補償値θ’_d 、θ_d が生成される。この補償値θ’_d 、θ_d は、通信路３を介してスレーブ側から送られてくる角速度信号θ’^res _s 、角度信号θ^res _s と加算され、マスタ側の比較部１ｄ，１ｃに与えられ、前記したように前記角速度信号θ’^res _m 、角度信号θ^res _m との差が制御部１ａに入力される。
制御部１ａでは、図７に示すように上記比較部１ｃ，１ｄが出力する位置偏差、速度偏差に位置制御ゲインＫｐ、速度制御ゲインＫｖを乗じて加算する。そして、その加算結果にスレーブ側から送られてくる外力トルクの推定値τ_env ＾と前記外力トルク推定値τ_h ＾の和にゲインＫｆを乗じたものを加算し、慣性係数（ノミナル値）Ｊｎを乗じて出力する。

スレーブ２側の制御系の構成は、上記マスタ側の制御系の構成と同様であり、スレーブ側のマニピュレータ２ｂの角速度信号θ’^res _s は、比較部２ｄにフィードバックされ、マスタ１側から通信路３を介して送られてくる角速度信号θ’^res _m との差が、上記制御部２ａに入力される。また、この角速度信号θ’^res _s は通信路３を介してマスタ側に送信されるとともに、外乱および反作用力推定オブザーバ５ｓに与えられる。
一方、マニピュレータ２ｂに与えられる駆動トルクτ_s が上記外乱および反作用力推定オブザーバ５ｓに与えられ、外乱および反作用力推定オブザーバ５ｓは、マニピュレータ２ｂに与えられる駆動トルクτ_s と角速度信号θ’^res _s に基づきスレーブ２側に加わる外力トルクτ_env を推定し、外力トルク推定値τ_env ＾と、外力トルク補償値τ_scmpを出力する。外力トルク推定値τ_env ＾は、通信路３を介してマスタ１側に送られるとともに、マスタ１側から通信路３を介して送られてくる外力トルクの推定値τ_h ＾と加算され、制御部２ａに入力される。
上記外乱および反作用力推定オブザーバ５ｓの構成は、前記図８に示したものと同様であり、上記外力トルク補償値τ_scmpをマニピュレータ２ｂの駆動トルクに加算することで外力トルクτ_env ＾を補償する。

スレーブ２側のマニピュレータ２ｂの角度信号θ^res _s は、比較部２ｃにフィードバックされ、マスタ１側から送られてくる角度信号θ^res _m との差が、制御部２ａに入力される。また、この角度信号θ^res _s は通信路３を介してマスタ側に送信される。
制御部２ａでは、図７に示すように上記比較部２ｃ，２ｄが出力する位置偏差、速度偏差に位置制御ゲインＫｐ、速度制御ゲインＫｖを乗じて加算する。そして、その加算結果にマスタ側から送られてくる外力トルクの推定値τ_h ＾と前記外力トルクの推定値τ_env ＾の和にゲインＫｆを乗じたものを加算し、慣性係数（ノミナル値）Ｊｎを乗じて出力する。
なお、図６、図７の例では、マスタ側にスレーブ側制御系のモデル８を設けているが、上記モデル８は必須のものではなく、上記スレーブ側の駆動トルクもしくはそれに相当する駆動トルクの値をその他の手段で得てもよい。

図６、図７において、マスタ１側のマニピュレータ１ｂを操作すると、その角速度信号θ’^res _m 、角度信号θ^res _m が通信路３を介してスレーブ２側に送られ、スレーブ側の制御系は、スレーブ２側のマニピュレータ２ｂの角速度θ’^res _s 、角度θ^res _s が上記マスタ１側のマニピュレータ１ｂの角速度信号θ’^res _m 、角度信号θ^res _m に追従するように制御する。
また、スレーブ２側のマニピュレータ２ｂが物体などに接触し外力が作用すると、外乱および反作用力推定オブザーバ５ｓは、この外力を推定し、外力トルク推定値τ_env ＾として出力する。この外力トルク推定値τ_env ＾は、通信路３を介してマスタ１側に送られる。
マスタ１側では、上記外力トルク推定値τ_env ＾と、外乱および反作用力推定オブザーバ５ｍで推定されたマスタ側のマニピュレータ１ｂに加わる外力トルク推定値τ_h ＾と加算して、制御部１ａに与える。このため、マスタ側のマニピュレータ１ｂには、この外力が作用し、マスタ側のマニピュレータ１ｂの操作者は、上記スレーブ側のマニピュレータ２ｂに作用した力を触覚として感じることができる。
一方、通信路３で生ずる通信遅延は、前記図１、図２で説明したように、通信遅延補償部７で補償され、マスタ１側、スレーブ２側の制御系は通信遅延が変動しても安定に制御される。

図９は従来例と本願発明の計算機シミュレーションによる位置応答を示す図であり、図９（ａ）は、本発明の通信遅延時間補償を行なわない場合の位置応答、図９（ｂ）は、本発明により通信遅延を補償した場合の位置応答を示す。なお、この例は遅延時間が一定の場合を示しており、横軸は時間（ｓ）、縦軸は位置（ｍ）である。
図９（ａ）に示すように、遅延時間補償を行なわない場合には、マスタ側の動きにスレーブ側は追従できず、不安定化しているのに対し、本発明により通信遅延時間を補償することにより、図９（ｂ）に示すようにスレーブ側をマスタ側の動きに正確に追従させることができる。

図１０、図１１は、前記スミス法による遅延時間補償を行なった場合と、本発明により通信遅延時間の補償を行なった場合の計算機シミュレーションによる位置応答を示す図であり、この例は、通信の往復遅延時間Ｔが２２０ｍｓ〜４６０ｍｓの範囲で変動する場合を示しており、横軸は時間（ｓ）、縦軸は位置（ｍ）である。
図１０（ａ）は、スミス法により通信遅延時間の補償を行なった場合の位置応答であり、スミス法の中で必要となる遅延時間の推定値をＴ＝２２０ｍｓにした場合を示している。この例は、遅延時間の推定値が実際の遅延時間より短い場合である。
図１０（ｂ）は、スミス法により通信遅延時間の補償を行なった場合の位置応答であり、スミス法の中で必要となる遅延時間の推定値をＴ＝４６０ｍｓにした場合を示している。この例は、遅延時間の推定値が実際の遅延時間より大きい場合である。
図１１は、本発明により通信遅延時間を補償した場合の位置応答である。
図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１１を比較すると明らかなように、スミス法により通信遅延時間を補償した場合、遅延時間の推定値が実際の遅延時間と異なると、応答が悪く、スレーブ側をマスタ側の動きに安定に追従させることができないが、本発明では遅延時間の推定値を必要とせず、本発明の通信遅延補償を行なうことにより、スレーブ側をマスタ側の動きに安定に追従させることができる。

図１２は、本発明により通信遅延補償を行なった場合の角度応答と、力応答を示す図である。図１２（ａ）は、マスタ側を操作したとき、スレーブ側が物体に接触した場合の角度応答を示しており、また、図１２（ｂ）はその場合の力応答を示し、同図の点線で囲んだ部分がスレーブ側が物体に接触したときを示す。上記角度応答と力応答は、実際に日本と他国間で、インターネットを通信経路として用いて行った実験結果である。
同図（ａ）に示すように、スレーブ側が物体に接触したとき、マスタ側には若干行き過ぎが生じているが、同図（ｂ）に示すように、スレーブ側に物体との接触力が加わったとき、マスタ側でその接触力が再現されており、正確な力の伝達が実現されていることがわかる。

Claims (4)

1. 通信の時間遅延がある通信路を介して、遠隔地にある制御対象を制御する遠隔制御システムであって、
   上記通信路における通信外乱を、上記通信路を介して送信する制御信号もしくは制御信号に相当する信号と、遠隔地にある制御対象から送信される応答信号もしくは応答信号に相当する信号に基づき推定する通信外乱推定手段と、
   上記通信外乱推定手段により推定された通信外乱に基づき、通信遅延を補償する補償値を生成する補償値生成手段とを備え、
   上記補償値生成手段により生成された補償値により上記遠隔制御システムにおける通信遅延を補償する
   ことを特徴とする遠隔制御システム。
2. 上記遠隔地にある制御対象に加わる外乱を推定する第２の外乱推定手段を備え、
   該第２の外乱推定手段により推定された外乱に基づき、遠隔地にある制御対象に加わる外乱を補償する
   ことを特徴とする請求項１記載の遠隔制御システム。
3. 上記遠隔地にある制御対象に加わる外乱が、上記通信外乱推定手段の推定結果へ及ぼす影響が少なくなるように、上記通信外乱推定手段のゲインと、上記外乱推定手段のゲインを設定した
   ことを特徴とする請求項２記載の遠隔制御システム。
4. マスタ側のマニピュレータと、スレーブ側のマニピュレータが通信遅延を有する通信路を介して接続され、マスタ側のマニピュレータに追従させてスレーブ側のマニピュレータを駆動し、スレーブ側に加わる操作力をマスタ側に伝達する遠隔制御システムであって、
   マスタ側のマニピュレータを制御する第１の制御部と、スレーブ側のマニピュレータを制御する第２の制御部と、
   マスタ側のマニピュレータの出力に基づきスレーブ側のマニピュレータの動作を模擬し、この模擬信号とスレーブ側のマニピュレータから通信路を介して送られるスレーブ側マニピュレータの出力とから通信外乱を推定する通信外乱推定手段と、
   上記通信外乱推定手段により推定された通信外乱に基づき、通信遅延を補償する補償値を生成する補償値生成手段とを備え、
   マスタ側のマニピュレータの出力を上記通信路を介してスレーブ側に送り、スレーブ側のマニピュレータの出力と上記通信路を介して送られたマスタ側のマニピュレータの出力を第２の制御部に入力し、スレーブ側のマニピュレータを制御するとともに、
   通信路を介して送られるスレーブ側マニピュレータ出力を上記補償値生成手段の出力により補償し、該補償されたスレーブ側マニピュレータ出力と、マスタ側のマニピュレータの出力を上記第１の制御部に入力し、マスタ側のマニピュレータを制御する
   ことを特徴とする遠隔制御システム。
   
   
   

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