仮想力覚技術を利用したVR技術の実践的応用について 北陸先端科学技術大学院大学 情報科学研究科 堀井　洋

本発表の構成 仮想力覚を利用したVR技術の現状 仮想力覚の応用例１： 陶磁器を対象とした3次元造形システム 仮想力覚の応用例２： VRを利用した遠隔ロボット操作インタフェース 今後の展望

計算機技術の発達に伴い，仮想現実（Virtual Reality)技術が進歩． VR技術の概略 計算機技術の発達に伴い，仮想現実（Virtual Reality)技術が進歩． 従来のＶＲシステム 画像や音声のみの仮想提示 精密機械技術の進歩 力覚や触覚の仮想提示 画像や音声以外に力覚を提示 利用者に対して非常に強い現実感を与える

仮想力覚提示技術 仮想力覚提示装置 モーターなどを用いた力フィードバック機構 用途に応じて複数の形態が存在 更新周波数は１ｋHz付近 応用分野 医療・福祉分野：医療シミュレータ，リハビリ支援システム 科学技術分野：工業デザインシステム 芸術分野：インタラクティブアート，造形支援システム アミューズメント分野：コンピュータゲーム

テレインタラクションへの仮想力覚の応用が求められている テレインタラクションシステム 複数のVRシステムをネットワークを利用して相互接続 複数の利用者による遠隔地間での協調作業の実現 応用分野 医療・福祉分野：遠隔医療システム 科学技術分野：協調型工業デザインシステム アミューズメント分野：対戦型コンピュータゲーム テレインタラクションへの仮想力覚の応用が求められている

陶磁器製品など工芸品のデザイン・試作などには高いコストを要する 応用例１：3次元工芸品造形システム 陶磁器製品など工芸品のデザイン・試作などには高いコストを要する 設計支援システムによる開発コストの削減 設計支援システム導入の問題点 計算機環境中で自由なデザイン作業を行うためには、高い熟練度が必要 手指やへらなどによる造形と比較すると、直観的な入力インターフェースが乏しい

本システムの特徴 VR環境における自由な造形作業の実現 仮想現実環境における造形作業 複雑な指令コマンドや数学曲面を理解･把握する必要がない 力覚提示装置を用いた入力インタフェース 造形時の重さ・粘りなどを伴ったより自然な入力インタフェース IPネットワークによる造形環境の共有 複数のデザイナーによる遠隔協調作業の実現 VR環境における自由な造形作業の実現

システム構成 CPU: Athlon 500MHz Memory: 256MB 力触覚提示型入力装置 PHANToM 動作空間: 160×180×250mm 分解能: 0.03mm 最大提示力: 8.5N 入力: 6自由度　出力: 3自由度 CPU:　Athlon 500MHz Memory: 256MB Graphics Chip: GeForce 265 32MB PC CRT Device Controller Haptic Device

内部構成 PHANToM DXF format. OBJECT DATA VRML format. Etc. Device position. Switch state. Feedback forces. Etc. Time profile. Collision detection info. Modified Object data. Database Manager Haptic Device Controller Object Manager PHANToM Graphics Generator Object vertices. Object faces. Colors, texture. Etc. Deformation data. Host status Etc.

造形作業環境の概要 ・造形作業空間： 130x 180x 250 mm ・仮想オブジェクト： 約5000ポリゴン ・仮想オブジェクト：　約5000ポリゴン ・テクスチャー画像の貼り付け ・造形方法 ‐ポリゴン単位での微小変形 ‐連続面定義による連続変形 ・力覚提示機能 ‐提示・非提示の切り替え ‐提示力覚量のパラメータ設定（ばね係数/ダンパー係数） 造形作業例

力覚提示の有効性に関する評価実験 実験目的 VR環境下での造形作業における力覚提示の有効性の検証 実験方法 初期形状(球形）と目標形状(円筒形）を設定 実験時間は3分間 オブジェクトの変形ルールは半径方向のみ 被験者　20歳代男性　5人 複数のダンパ定数とばね定数について実験を行う 初期形状 目標形状

Σ Σ 仮想オブジェクトの評価方法 目標形状と造形途中のオブジェクト形状を比較 初期形状 目標形状と造形途中のオブジェクト形状を比較 オブジェクトを半径方向に均等に輪切りにし、各小円筒ごとに誤差を算出 最終的に各誤差を平均し、完成度Wを算出 造形途中 目標形状 Layer:m-1 Rdn Layer:n Rcn Rbn Σ n=m-1 Rdn – Rbn n=0 W= 1 ー Layer:1 Σ n=m-1 Rcn – Rbn n=0 Layer:0

実験結果（その１） 造形実験における完成率Wの時間変化：（k=0.5） 目標形状に早期に近づいている 初期変形と最終的な完成率Wが低い

実験結果（その２） 完成率Wと入力速度および提示反力の関係 変形操作初期 変形操作後期

実験の考察 いずれのダンパ係数においても，変形開始直後から急速にWは増加する。 力覚が強く提示されているd=0.1と力覚提示が弱いd=0.005を比較すると、d=0.1の作業環境で効率の高い造型作業が行われている。 形状変形初期において仮想力覚の提示は重要であると考察される。

IPネットワークを利用した接続構成 Client-Server Peer-Peer Server Local System Layer SHARED DATA Shared Environment Manager TCP/IP Network TCP/IP Socket Agent TCP/IP Socket Agent Client-Server Server Object Manager Network Socket Graphics Generator Database Haptic Device Controller OBJECT DATA Local System Layer Object Manager Network Socket Graphics Generator Database Haptic Device Controller OBJECT DATA Local System Layer Object Manager Network Socket Graphics Generator Database Haptic Device Controller OBJECT DATA Local System Layer UDP/IP Network Peer-Peer UDP/IP Layer TCP/IP Layer

応用例２： VRを利用した遠隔ロボット 操作インタフェース 遠隔操作ロボットの現状 従来の遠隔操作ロボットシステム 遠隔操作元（Master)と遠隔操作対象（Slave)が直接接続 ネットワークを利用した遠隔操作ロボットシステム 公共的なネットワークの利用 Network Mechanical Link, Wire, Cable. etc

遠隔操作インタフェースとしてのVR環境 操作画像情報の転送方式 [従来システム] CCDカメラなどによる固定視点情報 動的な環境の変化に対応可能 視点が固定であり、複数台のカメラが必要 [VRシステム] 　CGによる環境情報の再現 環境情報について既知であることが必要 視点移動が自由であり、視点数は通信量に非依存 制御情報や通信状態などの提示方式

IPネットワークの通信遅延 平均:176.81[ms] 標準偏差:73.8[ms] 通信遅延は約150[ms]～200[ms]程度

IPネットワーク環境 遠隔操作ロボットが不安定化 平均して数百ミリ秒から数秒の通信遅延が存在 遅延自体が不確定に変動 通信遅延時間は中継するルータの数など複数の要因に依存 遠隔操作ロボットが不安定化

遠隔操作システムの安定性を決定する２つの要素 通信遅延時間にあわせた操作入力速度制限値 ロボット制御システムの安定性維持 遠隔操作システムの安定性を決定する２つの要素 通信遅延時間 →利用する通信回線,設備に依存 入力速度 →操作者の操作入力指令を調整する事は可能 システム側での操作入力の制限 「指令値入力制限手法」 通信遅延時間にあわせた操作入力速度制限値 を摩擦力に変換して操作者に提示

使用する機器構成 力触覚提示型入力装置 PHANToM 動作空間: 160×180×250mm 分解能: 0.03mm 入力: 6自由度　出力: 3自由度 Master System ７軸垂直多関節ロボット PA-10 最大稼働半径: 1030mm 位置決め精度: 0.1mm 先端取扱重量: 98N 出力: 7自由度 Slave System

本システムの構成 Master System Slave System IP Network 100BASE TX 192.168.1.xx CRT Force Sensor (6DOF) PC PC Device Controller Robot Controller Haptic Device Master System Slave System

システム内部処理の流れ

操作インタフェースの例 複数の視点による環境情報提示 制御情報の仮想環境への提示

仮想力覚提示を伴った遠隔操作

今後の展望 仮想力覚提示型ＶＲ技術 協調型力覚提示テレインタラクション ネットワーク技術 現実環境との力覚提示型テレインタラクション ロボット・機械技術 没入型ディスプレイ技術 環境提示型テレインタラクション