WO2006046500A1

WO2006046500A1 - 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

Info

Publication number: WO2006046500A1
Application number: PCT/JP2005/019483
Authority: WO
Inventors: Kouhei Ohnishi; Toshiaki Tsuji; Kenji Natori
Original assignee: Keio University
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2006-05-04
Also published as: JP4930938B2; JPWO2006046500A1

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／Ｊn ｓ（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

明細書

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技術分野

[0001] 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、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。

背景技術

[0002] 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、 V、わゆる極限環境にぉ、て用いられることが多力つた遠隔制御を、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、通信遅延が大きぐ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、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ヽる。

[0003] 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ィ匕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、システムを安定ィ匕することができる。

[0004] 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、システムの安定ィ匕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 lZjs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— ^Tls, 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 Tl, Τ2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。

特許文献 1：特開 2001— 25986号公報

特許文献 2 :特開 2004— 82293号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 上述したスミス法は、遠隔操作システムにお、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ィ匕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、場合には性能が悪ィ匕してしまう。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、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、ては満足な性能が得られな、。

本発明は、正確な値が計測できな、無駄時間を有する制御システムにお、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。

課題を解決するための手段

上記課題を本発明にお、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-ピユレータを駆動し、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- ピユ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-ピュレータカも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-ピユレータの出力を第 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 -ピユ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、るので、通信遅延 (無駄時間）の予測値を必要としな!ヽ。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。

発明の効果

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、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。

図面の簡単な説明

[0008] [図 1]本発明の概念を説明するブロック図である。

[図 2]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。

[図 3]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。

[図 4]G (s)のゲイン線図（g <g )である。

net d

[図 5]G (s)のゲイン線図（g >g )である。

net d

[図 6]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 7]図 6に示す遠隔制御システムのブロック図である。

[図 8]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。

[図 9]従来例と本願発明の位置応答を示す図である。

[図 10]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。

[図 11]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

[図 12]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 13]スミス法を導入した制御系のブロック図である。

[図 14]ノ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

[0009] 1 マスタ la 制御部

lb 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

発明を実施するための最良の形態

[0010] 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カゝ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ヽる。

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 lZjs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 s Θであってもよい。なお、 "s"はラプラス演算子である。

[0011] 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 (l— 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ォブザーバ 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、スレーブ力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さる。

[0012] 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（1ー„を補償値生成手段6に与ぇる。補償値生成手段 6は、通信外乱 F (l— e— T^s )に lZJ s (Tはスレーブ側の慣性係数 (ノミナル値)）を乗じて、 sX(l— 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。

[0013] 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 >西川直榭，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. l2, 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 (l— e— ^Ts )を推定する。

なお、図 3にお、て、 J はスレーブ側の慣性係数 (ノミナル値）、 g は通信外乱推

n net 定手段 4のゲイン、 g / (s+g )はローノスフィルタである。

net net

なお、図 3 (a)では、ローノ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!、。

[0014] 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 を補償する外乱オブザーバ 5を設けた

dis

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、上記通信外乱ォブザーノ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、スレーブ力の速度信号を取り込みスレーブ 2に加わる外乱 F を推定する。

dis

なお、図 3 (b)において、 J はスレーブ側の慣性係数 (ノミナル値）、 g は外乱ォブ

n d

ザーバ 5のゲイン、 g / (s+g )はローパスフィルタである。なお、ローパスフィルタと

d α

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!、。

上記外乱オブザーバ 5でスレーブ 2にカ卩わる外乱 F を推定し、これをスレーブ 2の

ais

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 を補償することができ

dis

る。

[0015] 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力それ以上の帯域の外乱にっ、ては補償できな、。

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 )とすると、 [sZ (s + g ) ] X F の外乱が補償できない外乱として、通信外乱 d a dis

ォブザーノ 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 は次の（1)式のよう

disnet

になる。

[0016] [数 1] F disne t F{1- e~^Ts)

s +g_n

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 による影響である dis

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 と外乱オブザーバ 5のゲイン gをど net d のような値にすればょ、のかを検証する。

上記（2)式の g /(s + g )を。 (s)=g /(s + g )、sZ(s + g )を G (s)=s net net net net net d d

Z(s+g )として、 g く gとした場合と、 g >gとした場合の、 G(s)=G (s)-G d net d net d net 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 く gとするのが望ましぐ特に、 g くく gとすれば、 G(s)のゲインをより小さくす net d net d

ることがでさる。

しかし、上記 g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 d

ることができない。また、通信外乱 F(l— 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 をできるだけ大きく設定し g =g とするのが望ましいと考えら net net d

れる。

上記のようにゲイン g , gを設定することで、外乱 F が通信外乱オブザーバの出

net d dis

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ー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—^Tls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 lb、 2bが設けられ、マニピュレータ lb、 2bは、それぞれ制御部 la, 2aにより制御される。

マスタ側のマニピュレータ lbを操作すると、それに応じてスレーブ側のマ-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 lb、 2bは、図 7ではそれぞれ伝達関数 1ZJS、 lZjsとして示されており、上記制御部 la, 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 lb、 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 la, 2aの角速度 0，^res , Θ ' ^res 、

m s 角度 0 ^res , 0 ^res 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

m s

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ォブザーバ（以下「外乱および反作用力推定ォブサーバ」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 lb, 2bにカ卩わる外力トルク (外乱） τ , てが推定され、制御部 la, 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 la, 2aに与えられる。なお、外乱および反作用力推定ォブサーバ 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、とみなして、る。

さらに、マスタ 1側には、上記マニピュレータ lb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、この通信外乱ォブザーバ 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が設けられてヽる。

[0019] 図 6、図 7において、マスタ側のマニピュレータ lbの角速度信号 Θ，^res は、比較部 m

Id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 0 ' との差が、上記制御部 laに与えられる。

P

また、この角速度信号 Θ '^res は通信路 3を介してスレーブ側に送信されるとともに、 m

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 lbの駆動トルク τ が上記外乱および反作用力推定ォブザ m

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 lb の駆動トルクと、角速度信号 Θ '^res によりマスタ側に加わる外力トルク τ を推定し、 m h

外力トルク推定値 τ 'と、外力トルク補償値 τ を出力する。外力トルク推定値 τ " h mcmp 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 'と加算され、制御部 laに与えられる。

env

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。

[0020] 図 6、図 7に戻り、マスタ側のマニピュレータ lbの角度信号 Θ ^res は、比較部 lcにフ m

イードバックされ、スレーブ 2側力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 との差が、制御部 laに入力される。また、この角度信号 Θ ^res

P 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 m

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 0 ^res 、角速度信号 e ' ^res から、スレーブ 2側のマニピュレータ 2bの駆動 m m

トルク τ を推定する。

S

[0021] 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

" (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 s

れてくる角速度信号 Θ '^res (前記図 1、図 2の速度信号 sXe— ^Tsに相当）に基づき、通

S

信外乱 τ (l -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 (1 e—

S S

^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 ' 、 Θ が生成される。この補償値 θ ' 、 Θ は、通信路 3を介し d d d d

てスレーブ側力送られてくる角速度信号 θ '^res 、角度信号 Θ ^res と加算され、マスタ s s

側の比較部 Id, lcに与えられ、前記したように前記角速度信号 Θ '^res 、角度信号 Θ m

r^es との差が制御部 laに入力される。

m

制御部 laでは、図 7に示すように上記比較部 lc, Id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 Κνを乗じて加算する。そして、その加算結果にスレーブ側力送られてくる外力トルクの推定値 τ 'と前記外力トルク推定値 env

て "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 h

る。

[0022] 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 0，^res は、比較部 2dにフィードバックされ、 s

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 との差が、上記制御 m

部 2aに入力される。また、この角速度信号 Θ ^{, res} は通信路 3を介してマスタ側に送信 s

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 が上記外乱および反作用力推

S

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-ピユレータ 2bに与えられる駆動トルク τ と角速度信号 6 ' ^res に基づきスレーブ 2側に加わ

S S

る外力トルク τ を推定し、外力トルク推定値 τ 'と、外力トルク補償値 τ を出力する。外力トルク推定値て 'は、通信路 3を介してマスタ 1側に送られるとともに、

env

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 'と加算され、制

h

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 をマニピュレータ 2bの駆動トルクに加算するこ

scmp

とで外力トルク τ 'を補償する。

env

[0023] スレーブ 2側のマニピュレータ 2bの角度信号 0 ^res は、比較部 2cにフィードバックさ

s

れ、マスタ 1側力送られてくる角度信号 Θ ^res との差が、制御部 2aに入力される。ま

m

た、この角度信号 Θ ^res は通信路 3を介してマスタ側に送信される。

s

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 Κνを乗じて加算する。そして、その加算結果にマスタ側力ら送られてくる外力トルクの推定値 τ 'と前記外力トルクの推定値 τ

h e

"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 nv

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ぐ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。

[0024] 図 6、図 7において、マスタ 1側のマニピュレータ lbを操作すると、その角速度信号

Θ ^{, res} 、角度信号 0 ^res 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 m m

御系は、スレーブ 2側のマニピュレータ 2bの角速度 Θ，^res 、角度 Θ ^res が上記マスタ 1

s s

側のマニピュレータ lbの角速度信号 Θ '^res 、角度信号 e ^res に追従するように制御

m m

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 'は、通信路 3を介してマスタ 1側に送ら

env

れる。

マスタ 1側では、上記外力トルク推定値 τ 'と、外乱および反作用力推定ォブザ

env

ーバ 5mで推定されたマスタ側のマニピュレータ lbに加わる外力トルク推定値 τ 'と加算して、制御部 laに与える。このため、マスタ側のマニピュレータ lbには、この外力が作用し、マスタ側のマニピュレータ lbの操作者は、上記スレーブ側のマ-ピユレータ 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。

[0025] 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一ブ側は追従できず、不安定ィ匕しているのに対し、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。

[0026] 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、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、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、応答が悪ぐ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力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

請求の範囲

[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-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力も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-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-ピユ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。