WO2022004568A1

WO2022004568A1 - 制御システム、制御方法及びプログラム

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Publication number: WO2022004568A1
Application number: PCT/JP2021/024049
Authority: WO
Inventors: 貴裕野崎
Original assignee: 学校法人慶應義塾
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2022-01-06
Also published as: JPWO2022004568A1; US20230264342A1

Abstract

【課題】より適切なロボットの物理的インタラクションを実現する。【解決手段】制御システム１は、マスタ装置３０と、スレーブ装置３０と、マスタ装置３０及びスレーブ装置３０を制御する制御装置１０とを備える。制御装置１０において、応答値取得部１５１は、マスタ装置２０の可動部の動作を表す物理量のデータ及びスレーブ装置３０の可動部の動作を表す物理量のデータを取得する。指令値算出部１５２は、マスタ装置２０とスレーブ装置３０とを含む仮想物体を仮想し、応答値取得部１５１によって取得された物理量のデータに基づいて、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０への入力によって仮想物体に表れる挙動に、マスタ装置２０とスレーブ装置３０とを追従させるための指令値を算出する。

Description

制御システム、制御方法及びプログラム

　本発明は、ロボット等の動作を制御する制御システム、制御方法及びプログラムに関する。

　近年、ロボットによる多様な作業を実現するため、人や環境との安全な接触を実現するロボット制御技術が求められている。
　特に、対象物の位置や大きさ、硬さのバラつき等、モデル化が困難で不確定な要素に柔軟に対応するためには、機械的インピーダンスの適応的な調整と、コンプライアントな動作の実現が不可欠である。
　なお、ロボットの動作を制御する技術として、例えば、特許文献１には、コンプライアンス制御を行うロボットに関する技術が記載されている。

特開２００３－１４５４５７号公報

　ロボットの適応的な物理的インタラクションを実現する方法の１つとして、マスタ・スレーブシステムを応用したロボットの制御技術が用いられている。マスタ・スレーブシステムを応用したロボットの制御技術として、マスタ・スレーブ間で、周辺環境の機械的インピーダンスを再現したり、ロボットの操作性を高めたりする手法が種々提案されている。
　しかしながら、従来の技術を用いたロボットは、周辺環境の機械的インピーダンスの再現性や操作性が十分に高いものではなかった。
　そのため、従来の技術においては、ロボットの適切な物理的インタラクションを実現することが困難であった。
　本発明の課題は、より適切なロボットの物理的インタラクションを実現することである。

　上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る制御システムは、
　操作のための入力を受け付ける第１の装置と、対象物に対する動作を行う第２の装置と、前記第１の装置に入力された操作に応じて前記第２の装置を制御すると共に、前記第２の装置が対象物から受けた反力を前記第１の装置に伝達する制御を実行する制御装置と、を備え、
　前記制御装置は、
　前記第１の装置の可動部の動作を表す物理量のデータ及び前記第２の装置の可動部の動作を表す物理量のデータを取得するデータ取得手段と、
　前記第１の装置と前記第２の装置とを含む仮想物体を仮想し、前記データ取得手段によって取得された前記物理量のデータに基づいて、前記第１の装置及び前記第２の装置への入力によって前記仮想物体に表れる挙動に、前記第１の装置と前記第２の装置とを追従させるための指令値を算出する指令値算出手段と、
　を備えることを特徴とする。

　本発明によれば、より適切なロボットの物理的インタラクションを実現することができる。

本発明の概念を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る制御システム１の全体構成を示す模式図である。制御システム１の具体的構成例を示すブロック図である。制御システム１が実行する速度制御処理の流れを説明するフローチャートである。仮想物体に質量ｍ（慣性）を想定した状態を示す模式図である。仮想物体に粘性係数Ｄ（粘性）を想定した状態を示す模式図である。仮想物体に弾性係数Ｋ（弾性）を想定した状態を示す模式図である。

　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
　初めに、本発明に適用される基本的原理について説明する。

［基本的原理］
　図１は、本発明の概念を示す模式図である。
　図１に示すように、本発明においては、マスタ・スレーブシステムを応用したロボットにおいてマスタ装置及びスレーブ装置を含む仮想物体を想定し、マスタ装置及びスレーブ装置への入力が仮想物体への入力であるとした場合の仮想物体の挙動にマスタ装置及びスレーブ装置の動作を追従させる制御を行う。このとき、マスタ装置及びスレーブ装置から入力される力応答にアドミタンスを乗じて速度を表すパラメータを算出し、現在の速度と共に、速度指令値としてマスタ装置及びスレーブ装置の位置制御系に与える。
　これにより、マスタ装置及びスレーブ装置における動作の再現性及び操作性として、従来と同等以上の性能を得ることができる。
　したがって、より適切なロボットの物理的インタラクションを実現することが可能となる。
　また、本発明においては、速度指令値に基づく制御を行うことができるため、既存の位置（または速度）制御系のシステム（加速度制御を想定していないシステム）との親和性が高いものとなる。ただし、本発明において、加速度指令値に基づく制御を行うことも可能である。
　なお、位置と速度（または加速度）あるいは角度と角速度（または角加速度）は、微積分演算により置換可能なパラメータであるため、位置あるいは角度に関する処理を行う場合、適宜、速度あるいは角速度等に置換することが可能である。

［構成］
　次に、本発明のシステム構成について説明する。
　図２は、本発明の一実施形態に係る制御システム１の全体構成を示す模式図である。
　図２に示すように、本実施形態に係る制御システム１は、制御装置１０と、マスタ装置２０と、スレーブ装置３０と、を含んで構成され、制御装置１０とマスタ装置２０及びスレーブ装置３０とは、インターネット等の公衆網、専用線あるいは通信ケーブルによる直接接続等、有線通信または無線通信によって接続されている。

　制御装置１０は、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）あるいはプログラマブルコントローラ等、プロセッサ及びメモリを備える情報処理装置によって構成され、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０において取得された物理量（ここでは、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０における可動部の位置とする）に基づいて、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０それぞれにおける速度（または位置）の指令値を算出する。そして、制御装置１０は、算出した速度（または位置）の指令値をマスタ装置２０及びスレーブ装置３０に送信する。
　このとき、制御装置１０は、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０を含む仮想物体を想定し、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０への入力が仮想物体への入力であるとした場合の仮想物体の挙動にマスタ装置２０及びスレーブ装置３０を追従させる速度（または位置）の指令値を算出する。

　マスタ装置２０は、スレーブ装置３０を操作するための入力を受け付けると共に、入力に対する反力を出力する。具体的には、マスタ装置２０は、スレーブ装置３０を操作するための入力によって変化した可動部の物理量（ここでは位置）を取得し、制御装置１０に送信する。また、マスタ装置２０は、制御装置１０から送信された速度指令値（または位置指令値）に基づいて、アクチュエータを制御し、可動部の速度を目標速度（または目標位置）に追従させる。

　スレーブ装置３０は、マスタ装置２０による操作に応じて環境（対象物）に対する出力を行うと共に、出力に応じた環境からの反力が入力される。具体的には、スレーブ装置３０は、制御装置１０から送信された速度指令値（または位置指令値）に基づいて、アクチュエータを制御し、可動部の速度を目標速度（または目標位置）に追従させる。また、スレーブ装置３０は、環境からの反力を受けた可動部の物理量（ここでは位置）を取得し、制御装置１０に送信する。

［具体的構成］
　次に、制御システム１の具体的構成について説明する。
　図３は、制御システム１の具体的構成例を示すブロック図である。
　図３に示すように、制御装置１０は、応答値取得部１５１と、指令値算出部１５２と、指令値送信部１５３と、を備えている。

　応答値取得部１５１は、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０において取得された物理量（ここでは、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０における可動部の位置）を取得する。
　指令値算出部１５２は、応答値取得部１５１によって取得されたマスタ装置２０及びスレーブ装置３０の物理量に基づいて、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０を含むと仮想した仮想物体（質量ｍを有する仮想物体）の挙動にマスタ装置２０及びスレーブ装置３０を追従させる速度指令値（または位置指令値）を算出する。具体的には、指令値算出部１５２は、例えば、以下の式（１）及び（２）に従って、マスタ装置２０に対する速度指令値及びスレーブ装置３０に対する速度指令値を算出する。

　ただし、式（１）及び（２）において、Ｖ_１ ^ｒｅｆはマスタ装置２０への速度指令値、Ｖ_２ ^ｒｅｆはスレーブ装置３０への速度指令値、Ｃ_ｖは速度制御器、Ｙはアドミタンス、Ｆ_１はマスタ装置の力応答値、Ｆ_２はスレーブ装置３０の力応答値、Ｖ_１はマスタ装置２０の可動部の速度、Ｖ_２はスレーブ装置３０の可動部の速度である。

　なお、Ｆ_１及びＦ_２は、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０から取得された物理量（ここでは位置）から、各種力推定手法（加速度に変換して質量との乗算値として推定するあるいはオブザーバにより推定する等）を用いて取得することができる。また、Ｖ_１及びＶ_２は、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０から取得された物理量（ここでは位置）の微分により取得することができる。ただし、制御装置１０がマスタ装置２０及びスレーブ装置３０から物理量として力を取得し、式（１）及び（２）の演算に用いることとしてもよい。

　また、式（１）及び（２）においては、速度指令値を算出する場合の式を示したが、位置指令値を算出し、位置指令値によってマスタ装置２０及びスレーブ装置３０を制御することも可能である。また、加速度指令値（例えば、後述する式（３）及び（４）参照）を算出し、加速度指令値によってマスタ装置２０及びスレーブ装置３０を制御することも可能である。さらに、アクチュエータの電流指令値あるいは電圧指令値を算出し、アクチュエータの電流指令値あるいは電圧指令値によってマスタ装置２０及びスレーブ装置３０を制御することも可能である。

　指令値送信部１５３は、指令値算出部１５２によって算出されたマスタ装置２０の指令値（ここでは速度指令値）及びスレーブ装置３０の指令値（ここでは速度指令値）をマスタ装置２０及びスレーブ装置３０に送信する。

　また、図３に示すように、マスタ装置２０は、物理量取得部２５１と、ドライバ２５２と、アクチュエータ２５３と、を備えている。
　物理量取得部２５１は、マスタ装置２０の可動部（例えば、アクチュエータ２５３の出力軸）の位置を検出する位置センサを備え、位置センサによって検出された可動部の位置を制御装置１０に送信する。なお、物理量取得部２５１が、位置センサに加えて、マスタ装置２０の可動部が受ける力を検出する力センサを備え、力センサによって検出された可動部が受ける力を制御装置１０に送信することとしてもよい。また、物理量取得部２５１が、位置センサに代えて、マスタ装置２０の可動部（例えば、アクチュエータ２５３の出力軸）の速度（または加速度）を検出する速度センサ（または加速度センサ）を備え、速度センサ（または加速度センサ）によって検出された可動部の速度（または加速度）を制御装置１０に送信することとしてもよい。
　ドライバ２５２は、制御装置１０によって送信されたマスタ装置２０の指令値に応じた駆動電流（または駆動電圧）をアクチュエータ２５３に出力する。
　アクチュエータ２５３は、マスタ装置２０に入力される操作に対して、ドライバ２５２から入力された駆動電流（または駆動電圧）に従って、反力を出力する。

　また、図３に示すように、スレーブ装置３０は、物理量取得部３５１と、ドライバ３５２と、アクチュエータ３５３と備えている。
　物理量取得部３５１は、スレーブ装置３０の可動部（例えば、アクチュエータ３５３の出力軸）の位置を検出する位置センサを備え、位置センサによって検出された可動部の位置を制御装置１０に送信する。なお、物理量取得部３５１が、位置センサに加えて、スレーブ装置３０の可動部が受ける力を検出する力センサを備え、力センサによって検出された可動部が受ける力を制御装置１０に送信することとしてもよい。また、物理量取得部３５１が、位置センサに代えて、スレーブ装置３０の可動部（例えば、アクチュエータ３５３の出力軸）の速度（または加速度）を検出する速度センサ（または加速度センサ）を備え、速度センサ（または加速度センサ）によって検出された可動部の速度（または加速度）を制御装置１０に送信することとしてもよい。

　ドライバ３５２は、制御装置１０によって送信されたスレーブ装置３０の指令値に応じた駆動電流（または駆動電圧）をアクチュエータ３５３に出力する。
　アクチュエータ３５３は、ドライバ３５２から入力された駆動電流（または駆動電圧）に従って、環境（対象物）への力を出力する。

［動作］
　次に、制御システム１の動作を説明する。
［速度制御処理］
　図４は、制御システム１が実行する速度制御処理の流れを説明するフローチャートである。
　速度制御処理は、制御装置１０において、速度制御処理の実行が指示されることに対応して開始される。

　ステップＳ１において、制御装置１０の応答値取得部１５１は、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０から物理量を取得する。具体的には、ステップＳ１において、応答値取得部１５１は、マスタ装置２０の物理量取得部２５１及びスレーブ装置３０の物理量取得部３５１から可動部の位置を取得する。なお、このとき、応答値取得部１５１は、マスタ装置２０の物理量取得部２５１及びスレーブ装置３０の物理量取得部３５１から可動部の速度あるいは加速度や、可動部が受ける力を取得することとしてもよい。

　ステップＳ２において、制御装置１０の指令値算出部１５２は、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０に対する速度指令値を算出する。具体的には、指令値算出部１５２は、式（１）及び（２）に従って、マスタ装置２０に対する速度指令値及びスレーブ装置３０に対する速度指令値を算出する。なお、このとき、位置指令値を算出し、位置指令値によってマスタ装置２０及びスレーブ装置３０を制御することも可能である。また、このとき、加速度指令値を算出し、加速度指令値によってマスタ装置２０及びスレーブ装置３０を制御することも可能である。

　ステップＳ３において、制御装置１０の指令値送信部１５３は、指令値算出部１５２によって算出されたマスタ装置２０の速度指令値及びスレーブ装置３０の速度指令値をマスタ装置２０及びスレーブ装置３０に送信する。これにより、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０におけるバイラテラル制御が実現される。
　ステップＳ４において、制御装置１０の指令値算出部１５２は、速度制御処理の終了が指示されたか否かの判定を行う。
　速度制御処理の終了が指示されていない場合、ステップＳ４においてＮＯと判定されて、処理はステップＳ１に戻る。
　一方、速度制御処理の終了が指示された場合、ステップＳ４においてＹＥＳと判定されて、速度制御処理は終了する。

　このような処理により、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０における動作の再現性及び操作性として、従来と同等以上の性能を得ることができる。
　したがって、より適切なロボットの物理的インタラクションを実現することが可能となる。
　また、上述の制御によってマスタ装置２０及びスレーブ装置３０を制御する場合、制御のために必要なパラメータが低減されることから、装置間で送受信されるデータ量を減少させることができる。

［効果の検証］
　次に、上述の制御システム１と従来手法とにおける制御性能を比較した検証結果について説明する。
　従来手法との比較を行うために、上述の式（１）及び（２）を加速度指令値に換算すると、以下の式（３）及び（４）のように表される。

　ただし、式（３）及び（４）において、ｓはラプラス演算子、Ｘ_１ ^ｒｅｆはマスタ装置２０への位置指令値(即ち、ｓ^２Ｘ_１ ^ｒｅｆはマスタ装置２０への加速度の指令値)、Ｘ_２ ^ｒｅｆはスレーブ装置３０への速度指令値(即ち、ｓ^２Ｘ_２ ^ｒｅｆはスレーブ装置３０への加速度の指令値)、Ｃ_ｐは位置制御器、Ｙはアドミタンス、Ｆ_１はマスタ装置の力応答値、Ｆ_２はスレーブ装置３０の力応答値、Ｘ_１はマスタ装置２０の可動部の位置、Ｘ_２はスレーブ装置３０の可動部の位置である。

　直感的なロボットの操作においては機械的インピーダンスの伝送が重要となる。電気系とのアナロジーより、機械的インピーダンスの伝送は二端子対回路を用いて表現され得る。二端子対回路におけるＡＢＣＤパラメータは、式（５）によって表される。

　と表される。

　接触環境の機械的インピーダンスをＺ_２とすると、スレーブ装置３０における速度Ｖ_２と力Ｆ_２との関係は、
Ｆ_２＝－Ｚ_２Ｖ_２　　　（６）
　となる。

　式（５）及び（６）より、以下の式（７）が得られる。

　ここで、右辺第１項におけるＶ_１の係数は、環境の機械的インピーダンスが再現される程度を示す指標であり再現性Ｐｒと呼ばれている。また、右辺第２項におけるＶ_１の係数は操作時に生じる力の程度を示す指標であり、操作性Ｐｏと呼ばれている。これらを用いることで、Ｆ_１は、式（８）のように表すことができる。
Ｆ_１＝（Ｐ_ｒＺ_２＋Ｐｏ）Ｖ_２　　　（８）
　スレーブ装置３０が接触する環境の機械的インピーダンスを操作者が操作を入力するマスタ装置２０で再現するためには、
Ｆ_１＝Ｚ_２Ｖ_１　　　（９）
　となる必要がある。

　これを実現する理想的なＡＢＣＤパラメータの１つは、以下の式（１０）のように表すことができる。

　このときの再現性Ｐｒおよび操作性Ｐｏは理想的な値をとり、
Ｐｒ＝１　　　（１１）
Ｐｏ＝０　　　（１２）
　となる。
　上述の制御システム１においては、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０が共に接触する仮想物体を想定し、制御装置１０は、この仮想物体の挙動にマスタ装置２０及びスレーブ装置３０の動作を追従させる制御を行うものとしている。

　このとき、式（３）及び（４）を理想的な加速度制御系に与えたとすると、
ｓ^２Ｘ^ｒｅｆ＝ｓ^２Ｘ^ｒｅｓ　　　（１３）
が成り立つ。
　したがって、ＡＢＣＤパラメータは、以下の式（１４）のように求められる。

　また、再現性Ｐｒ及び操作性Ｐｏは、
Ｐｒ＝１　　　（１５）
Ｐｏ＝１／Ｙ　　　（１６）
　となる。

　これに対し、従来手法（加速度ベースのバイラテラル制御）においては、加速度指令値が、以下の式（１７）及び（１８）のように表される。

　ここで、理想的な加速度制御系を仮定し、式（１３）が成り立つとすると、従来手法のＡＢＣＤパラメータは、以下の式（１９）のように求められる。

　また、再現性Ｐｒ及び操作性Ｐｏは、
Ｐｒ＝１　　　（２０）
Ｐｏ＝ｓ／Ｃ_ｆ　　　（２１）
　となる。ただし、Ｃ_ｆは力制御器である。

［操作性の比較］
　本発明と従来手法とを操作性について比較すると、本発明におけるアドミタンスＹを慣性Ｍｙによるもののみとした場合、
Ｙ＝１／Ｍ_ｙｓ　　　（２２）
　と表される。
　一方、従来手法における力制御器Ｃ_ｆをゲインＫ_ｆの比例制御器と仮定すると、
１／Ｋ_ｆ＝Ｍ_ｙ　　　（２３）
　において、本発明と従来手法とで同一の操作性を得られることがわかる。

［マイナーループの影響の比較］
　次に、本発明と従来手法とのマイナーループの影響について比較する。
　ここでは、現在普及している産業用マニピュレータを仮定し、比較を行う。従来の位置制御に基づく産業用マニピュレータを模擬するため、マイナーループとしてＰＩＤの位置制御器を仮定する。このとき、加速度指令値から加速度応答値までの伝達関数は、以下の式（２４）のように求められる。

　ここで、Ｃ_ＰＩＤはＰＩＤ制御器、Ｍはモータ慣性をそれぞれ表している。比較のため、式（２３）のように仮定すると、従来手法の操作性は、以下の式（２５）で表されることがわかる。

　一方、本発明の操作性は、以下の式（２６）で表されることがわかる。

　したがって、右辺第１項より、低域において、本発明の操作性が優位であることがわかる。

［変形例１］
　上述の実施形態においては、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０を実際に接続し、これらを制御する例について説明したが、これに限られない。即ち、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０の一方または両方を仮想の装置（仮想空間で各種動作を実行する仮想的な装置のモデル）として構成し、制御装置１０が、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０を制御することとしてもよい。また、この場合、仮想の装置が、特定の動作モデル（円を描く動作のモデルや、特定のルーチンに従って動作するモデル等）を実行するものとし、制御装置１０が、特定の動作モデルに対応する仮想物体の挙動に、マスタ装置２０またはスレーブ装置３０を追従させる制御を行うこととしてもよい。
　これにより、単体の装置において、仮想的なマスタ・スレーブシステムの動作に従って、上述の制御を行うことが可能となる。また、特定の動作モデルを実行する仮想の装置の動作に従って、マスタ装置２０またはスレーブ装置３０を制御することが可能となる。

［変形例２］
　上述の実施形態において、制御システム１で処理される力、位置または速度等を拡大または縮小（スケーリング）することが可能である。
　例えば、制御装置１０が制御を行う際に、仮想物体に入力される物理量（位置あるいは力等）をスケーリングしたり、マスタ装置２０への指令値あるいはスレーブ装置３０への指令値をスケーリングしたりすることができる。また、マスタ装置２０のドライバ２５２やスレーブ装置３０のドライバ３５２が出力する駆動電流（または駆動電圧）を増加あるいは減少させることにより、マスタ装置２０あるいはスレーブ装置３０の動作をスケーリングすることができる。
　これにより、微細な動作や巨大な動作を人間が感知し易い大きさに変換することが可能となる。

［変形例３］
　上述の実施形態において、制御システム１における動作時の制御パラメータ（速度指令値あるいは取得した物理量等）を記録することが可能である。また、記録された制御パラメータを読み出し、これら制御パラメータに従って、マスタ装置２０あるいはスレーブ装置３０を制御することで、記録された動作を再現することが可能である。
　これにより、過去に行われた動作を保存したり、特定の動作を繰り返して実行したりすることが可能となる。

［変形例４］
　上述の実施形態において、制御システム１における動作時の制御パラメータを分析することにより、対象物の物理特性を測定することができる。
　例えば、操作のための入力に対して、検出された対象物からの応答値により、対象物の慣性、粘性、弾性等を算出することができる。
　これにより、制御システム１によって対象物に接触することで、特別な測定器を用いることなく、対象物の物理特性を把握することができる。

［変形例５］
　上述の実施形態において、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０を含む仮想物体は、質量ｍ（慣性）を有することを想定したが、これに限られない。即ち、質量ｍ（慣性）のみならず、粘性あるいは弾性（剛性）等、物体が有する種々の物理特性を仮想物体に想定することが可能である。
　図５は、仮想物体に質量ｍ（慣性）を想定した状態を示す模式図である。また、図６は、仮想物体に粘性係数Ｄ（粘性）を想定した状態を示す模式図である。また、図７は、仮想物体に弾性係数Ｋ（弾性）を想定した状態を示す模式図である。
　図５～図７に示すように、仮想物体には、慣性、粘性及び弾性を想定することが可能である。また、仮想物体の慣性、粘性及び弾性は、単独で、あるいは、組み合わせて想定することができる。仮想物体の慣性、粘性及び弾性を想定する場合、仮想物体のアドミタンスＹとして、以下の式（２７）を設定することができる。
Ｙ＝１／（ｍｓ＋Ｄ＋Ｋ（１／ｓ））　　　（２７）
　また、この場合、仮想物体（即ち、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０）に働く力ｆと速度ｖとの関係は、以下の式（２８）のように表される。
ｖ＝Ｙｆ＝ｆ／（ｍｓ＋Ｄ＋Ｋ（１／ｓ））　　　（２８）
　仮想物体に設定される慣性は、仮想物体の加速のし難さを表している。マスタ装置２０とスレーブ装置３０とで鋭敏な力の伝達を行う場合には、慣性を極力小さくすることが望ましい。
　また、仮想物体に設定される粘性は、マスタ装置２０に入力される操作力及びスレーブ装置３０に入力される環境（対象物）からの反力に加えて、アドミタンスＹの設定による第三の力が加わることを表している。仮想物体に設定される粘性は、操作力のブレを抑制する等の効果を有する。
　さらに、仮想物体に設定される弾性は、加えられた力による変形に対して仮想物体が元に戻ろうとする特性を表している。仮想物体に弾性を設定することで、仮想物体を特定の位置に動かす等の制御を行うことができる。
　このように、仮想物体に想定する物理特性を異なるものとすることにより、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０を種々の動作形態で制御することが可能となる。

　以上のように、本実施形態に係る制御システム１は、制御装置１０と、マスタ装置２０と、スレーブ装置３０と、を備える。
　マスタ装置２０は、操作のための入力を受け付ける。
　スレーブ装置３０は、対象物に対する動作を行う。
　制御装置１０は、マスタ装置２０に入力された操作に応じてスレーブ装置３０を制御すると共に、スレーブ装置３０が対象物から受けた反力をマスタ装置２０に伝達する制御を実行する。
　制御装置１０は、応答値取得部１５１と、指令値算出部１５２と、指令値送信部１５３と、を備えている。
　応答値取得部１５１は、マスタ装置２０の可動部の動作を表す物理量のデータ及びスレーブ装置３０の可動部の動作を表す物理量のデータを取得する。
　指令値算出部１５２は、マスタ装置２０とスレーブ装置３０とを含む仮想物体を仮想し、応答値取得部１５１によって取得された物理量のデータに基づいて、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０への入力によって仮想物体に表れる挙動に、マスタ装置２０とスレーブ装置３０とを追従させるための指令値を算出する。
　これにより、仮想物体に追従させる制御手法としたことで、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０における動作の再現性及び操作性として、従来と同等以上の性能を得ることができる。
　したがって、より適切なロボットの物理的インタラクションを実現することが可能となる。

　指令値算出部１５２は、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０に入力された力に、力を速度、位置及び加速度の少なくともいずれかに変換する乗算要素を乗算して得られる仮想物体の速度、位置及び加速度の少なくともいずれかと、マスタ装置２０またはスレーブ装置３０の速度、位置及び加速度の少なくともいずれかとの差分に基づいて、マスタ装置２０またはスレーブ装置３０の指令値を算出する。
　これにより、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０から仮想物体に入力される力と、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０の速度、位置及び加速度の少なくともいずれかを取得することで、高精度なバイラテラル制御を実行することができる。

　指令値算出部１５２は、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０に入力された力にアドミタンスを乗算して得られる仮想物体の速度、位置及び加速度の少なくともいずれかと、マスタ装置２０またはスレーブ装置３０の速度、位置及び加速度の少なくともいずれかとの差分に基づいて、マスタ装置２０またはスレーブ装置３０の指令値を算出する。
　これにより、力を適切に速度または位置に変換して、高精度なバイラテラル制御を実行することができる。

　指令値算出部１５２は、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０から入力された力に基づくフィードフォワード成分を加算して指令値を算出する。
　これにより、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０をより高精度に仮想物体の挙動に追従させることができる。

　マスタ装置２０及びスレーブ装置３０の少なくともいずれかは、仮想の装置として構成される。
　指令値算出部１５２は、当該仮想の装置の動作に基づく仮想物体の挙動に、マスタ装置２０とスレーブ装置３０とを追従させるための指令値を算出する。
　これにより、単体の装置において、仮想的なマスタ・スレーブシステムの動作に従って、仮想物体の挙動に動作を追従させる制御を行うことが可能となる。

　マスタ装置２０及びスレーブ装置３０の少なくともいずれかは、特定の動作モデルを実行する仮想の装置として構成される。
　指令値算出部１５２は、当該特定の動作モデルに基づく仮想物体の挙動に、マスタ装置２０とスレーブ装置３０とを追従させるための指令値を算出する。
　これにより、特定の動作モデルを実行する仮想の装置の動作に従って、マスタ装置２０またはスレーブ装置３０を制御することが可能となる。

　マスタ装置２０及びスレーブ装置３０の少なくともいずれかの出力において、力、位置または速度の少なくともいずれかを拡大または縮小するスケーリングを行う。
　これにより、微細な動作や巨大な動作を人間が感知し易い大きさに変換することが可能となる。

　マスタ装置２０及びスレーブ装置３０の少なくともいずれかの制御に関するパラメータを時系列に記録する。
　これにより、過去に行われた動作を保存することが可能となる。

　記録されたマスタ装置２０及びスレーブ装置３０の少なくともいずれかの制御に関するパラメータを時系列に読み出し、当該パラメータに基づいてマスタ装置２０またはスレーブ装置３０を制御することにより、動作の再現を行う。
　これにより、過去に行われた動作を再現したり、特定の動作を繰り返して実行したりすることが可能となる。

　マスタ装置２０及びスレーブ装置３０の少なくともいずれかの制御に関するパラメータに基づいて、対象物の物理特性に関する情報を取得する。
　これにより、制御システム１によって対象物に接触することで、特別な測定器を用いることなく、対象物の物理特性を把握することができる。

　なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
　例えば、上述の実施形態においては、式（１）及び（２）の右辺第２項として、Ｙ（Ｆ_１＋Ｆ_２）を加算するものとした。これに対し、式（１）及び式（２）の右辺第２項を加算することなく、速度指令値を算出することとしてもよい。即ち、式（１）及び式（２）の右辺第２項は、制御精度をより高めるためのフィードフォワード項であるため、制御システム１で必要とされる制御精度に応じて、式（１）及び式（２）の右辺第２項を加算することなく、速度指令値を算出することも可能である。なお、式（３）及び式（４）の右辺第２項Ｙ（Ｆ_１＋Ｆ_２）ｓについても同様である。

　また、上述の実施形態において、式（１）及び（２）では、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０の力応答値に対して、アドミタンスＹを乗算して速度を算出する例について説明したが、これに限られない。即ち、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０の力応答値に対して、力を速度または位置に変換する各種乗算要素を乗算し、速度または位置の指令値を算出することが可能である。力を速度または位置に変換する各種乗算要素は、固定値とすることの他、その内容（力を速度または位置に変換する変換特性）を設計可能な行列あるいは関数等とすることができる。

　また、上述の実施形態において、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０を同種の指令値（例えば、速度指令値）によって制御する場合を例に挙げて説明したが、これに限られない。即ち、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０に与える指令値の種類は、それぞれ異なるものとしてもよい。
　同様に、上述の実施形態において、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０で同種の物理量（例えば、可動部の位置）を取得する場合を例に挙げて説明したが、これに限られない。即ち、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０で取得する物理量の種類は、それぞれ異なるものとしてもよい。
　また、上述の実施形態において、マスタ装置２０及びスレーブ装置３０を制御する制御装置１０を備える場合を例に挙げて説明したが、これに限られない。即ち、マスタ装置２０を制御する制御装置１０及びスレーブ装置３０を制御する制御装置１０をそれぞれ設置することとしてもよい。

　また、上述の実施形態及び変形例等を組み合わせた実施形態とすることが可能である。
　また、上述の実施形態における処理は、ハードウェア及びソフトウェアのいずれにより実行させることも可能である。
　即ち、上述の処理を実行できる機能が制御システム１に備えられていればよく、この機能を実現するためにどのような機能構成及びハードウェア構成とするかは上述の例に限定されない。
　上述の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータにネットワークや記憶媒体からインストールされる。

　プログラムを記憶する記憶媒体は、装置本体とは別に配布されるリムーバブルメディア、あるいは、装置本体に予め組み込まれた記憶媒体等で構成される。リムーバブルメディアは、例えば、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、または光磁気ディスク等により構成される。光ディスクは、例えば、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｋ－Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ），ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｋ），Ｂｌｕ－ｒａｙ　Ｄｉｓｃ（登録商標）等により構成される。光磁気ディスクは、ＭＤ（Ｍｉｎｉ－Ｄｉｓｋ）等により構成される。また、装置本体に予め組み込まれた記憶媒体は、例えば、プログラムが記憶されているＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）やハードディスク、あるいは、半導体メモリ等で構成される。

　なお、上記実施形態は、本発明を適用した一例を示しており、本発明の技術的範囲を限定するものではない。即ち、本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、省略や置換等種々の変更を行うことができ、上記実施形態以外の各種実施形態を取ることが可能である。本発明が取ることができる各種実施形態及びその変形は、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

　１　制御システム、１０　制御装置、２０　マスタ装置、３０　スレーブ装置、１５１　応答値取得部、１５２　指令値算出部、１５３　指令値送信部、２５１，３５１　物理量取得部、２５２，３５２　ドライバ、２５３，３５３　アクチュエータ

Claims

　操作のための入力を受け付ける第１の装置と、対象物に対する動作を行う第２の装置と、前記第１の装置に入力された操作に応じて前記第２の装置を制御すると共に、前記第２の装置が対象物から受けた反力を前記第１の装置に伝達する制御を実行する制御装置と、を備え、
　前記制御装置は、
　前記第１の装置の可動部の動作を表す物理量のデータ及び前記第２の装置の可動部の動作を表す物理量のデータを取得するデータ取得手段と、
　前記第１の装置と前記第２の装置とを含む仮想物体を仮想し、前記データ取得手段によって取得された前記物理量のデータに基づいて、前記第１の装置及び前記第２の装置への入力によって前記仮想物体に表れる挙動に、前記第１の装置と前記第２の装置とを追従させるための指令値を算出する指令値算出手段と、
　を備えることを特徴とする制御システム。
　前記指令値算出手段は、前記第１の装置及び前記第２の装置に入力された力に、力を速度、位置及び加速度の少なくともいずれかに変換する乗算要素を乗算して得られる前記仮想物体の速度、位置及び加速度の少なくともいずれかと、前記第１の装置または前記第２の装置の速度、位置及び加速度の少なくともいずれかとの差分に基づいて、前記第１の装置または前記第２の装置の前記指令値を算出することを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
　前記指令値算出手段は、前記第１の装置及び前記第２の装置に入力された力にアドミタンスを乗算して得られる前記仮想物体の速度、位置及び加速度の少なくともいずれかと、前記第１の装置または前記第２の装置の速度、位置及び加速度の少なくともいずれかとの差分に基づいて、前記第１の装置または前記第２の装置の前記指令値を算出することを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
　前記指令値算出手段は、前記第１の装置及び前記第２の装置から入力された力に基づくフィードフォワード成分を加算して前記指令値を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の制御システム。
　前記第１の装置及び前記第２の装置の少なくともいずれかは、仮想の装置として構成され、
　前記指令値算出手段は、当該仮想の装置の動作に基づく前記仮想物体の挙動に、前記第１の装置と前記第２の装置とを追従させるための前記指令値を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の制御システム。
　前記第１の装置及び前記第２の装置の少なくともいずれかは、特定の動作モデルを実行する仮想の装置として構成され、
　前記指令値算出手段は、当該特定の動作モデルに基づく前記仮想物体の挙動に、前記第１の装置と前記第２の装置とを追従させるための前記指令値を算出することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の制御システム。
　前記第１の装置及び前記第２の装置の少なくともいずれかの出力において、力、位置または速度の少なくともいずれかを拡大または縮小するスケーリングを行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の制御システム。
　前記第１の装置及び前記第２の装置の少なくともいずれかの制御に関するパラメータを時系列に記録することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の制御システム。
　記録された前記第１の装置及び前記第２の装置の少なくともいずれかの制御に関するパラメータを時系列に読み出し、当該パラメータに基づいて前記第１の装置または前記第２の装置を制御することにより、動作の再現を行うことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の制御システム。
　前記第１の装置及び前記第２の装置の少なくともいずれかの制御に関するパラメータに基づいて、前記対象物の物理特性に関する情報を取得することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の制御システム。
　操作のための入力を受け付ける第１の装置と、対象物に対する動作を行う第２の装置と、前記第１の装置に入力された操作に応じて前記第２の装置を制御すると共に、前記第２の装置が対象物から受けた反力を前記第１の装置に伝達する制御を実行する制御装置と、を含む制御システムにおける制御装置が実行する制御方法であって、
　前記第１の装置の可動部の動作を表す物理量のデータ及び前記第２の装置の可動部の動作を表す物理量のデータを取得するデータ取得ステップと、
　前記第１の装置と前記第２の装置とを含む仮想物体を仮想し、前記データ取得ステップにおいて取得された前記物理量のデータに基づいて、前記第１の装置及び前記第２の装置への入力によって前記仮想物体に表れる挙動に、前記第１の装置と前記第２の装置とを追従させるための指令値を算出する指令値算出ステップと、
　を含むことを特徴とする制御方法。
　操作のための入力を受け付ける第１の装置と、対象物に対する動作を行う第２の装置と、前記第１の装置に入力された操作に応じて前記第２の装置を制御すると共に、前記第２の装置が対象物から受けた反力を前記第１の装置に伝達する制御を実行する制御装置と、を含む制御システムにおける制御装置を構成するコンピュータに、
　前記第１の装置の可動部の動作を表す物理量のデータ及び前記第２の装置の可動部の動作を表す物理量のデータを取得するデータ取得機能と、
　前記第１の装置と前記第２の装置とを含む仮想物体を仮想し、前記データ取得機能によって取得された前記物理量のデータに基づいて、前記第１の装置及び前記第２の装置への入力によって前記仮想物体に表れる挙動に、前記第１の装置と前記第２の装置とを追従させるための指令値を算出する指令値算出機能と、
　を実現させることを特徴とするプログラム。