2016 Fiscal Year Research-status Report
任意物体の精細な触覚情報を保存・再現する高臨場感感触シミュレータの開発
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15K05934
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
横倉 勇希 長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (70622364)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大石 潔 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (40185187)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | モーションコントロール / 実世界ハプティクス / ダイオードクランプリニア増幅器 / 外乱オブザーバ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マイクとスピーカ，カメラとディスプレイに代表される様々な音響映像・画像機器に関する研究開発が大きく進んだことで，あらゆる状況における視聴覚情報の保存と再生が可能となった。ところが，人間には視覚と聴覚のみならず触覚・力覚器官も備わっているにも関わらず，未だ方今の科学技術では触覚・力覚情報については扱え切れていないのが現状である。その困難さの原因は，実世界の物体の力学的特性は大変に複雑であることに加え，感触の保存と再現に不可欠なアクチュエータ制御システムの制御性能の要求を満たすことが難しいことにある。そこで本研究では，第一に，従来手法では不可能であった力学的特性が複雑に変化する非線形環境の保存と再現を，物理モデルに基づく新しい触覚解析・制御アルゴリズムによって実現する。第二に，ダイオードクランプリニア増幅器と呼ばれる新しいモータ駆動回路を用いた広帯域力制御系を実装し，さらに制御器設計手法を確立することで，従来手法において問題となっている力制御系の制御性能を大幅に向上する。先行研究により「実世界の物体の力学的特性が押し込み位置・速度・加速度に従って複雑に変化してしまう問題」と「保存・再現時に用いられる力制御系の制御性能の問題」の二つの問題により触覚・力覚感触の保存と再現が困難になることが分かっている。そのため本研究では，前者の問題を課題１，後者の問題を課題２と定義し，これら二つの課題の解決に力を注ぐことで，最終的に任意物体の感触の再現性の向上を目指す。課題１に対しては，非線形な力学的特性を考慮した感触保存・再現アルゴリズムの開発によって解決を図り，一方の課題２に対しては，モータ駆動用低雑音・高精度・高効率なダイオードクランプリニア増幅器を開発することで解決する。本技術の確立により，産業分野や医療分野，介護福祉分野において有用な高臨場感感触シミュレータを実現できる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成２８年度においては，課題１の「実世界の物体の力学的特性が押し込み位置・速度・加速度に従って複雑に変化してしまう問題」の実機実験および検証評価を実施した。また，「力の生データ」を活用する触覚・感覚感触の保存アルゴリズムの理論面での解析と，シミュレーションを実施し有効性を明らかにした。さらに，アクチュエータ制御のためのソフトウェア開発を行い，アルミニウム合金製のブロックや工業用スポンジ，ゴムなどの物体の感触を保存し，触覚・力覚感覚をディジタルデータとしてコンピュータの記憶装置に格納する実機実験を実施した。その後に，保存された感触データに基づいてリニアアクチュエータを駆動することで，実世界の物体感触に極めて近い感触の再現に成功した。位置と力の時間応答がどれだけ合致するかという観点で評価を行い，提案手法の有効性が確かめられた。一方の課題２の「保存・再現時に用いられる力制御系の制御性能の問題」に対しては，力制御性能を高められるダイオードクランプリニア増幅器を開発した。従来ではn型半導体とp型半導体の双方のMOSFETが必要となり部品選定に制約があったが，新たに開発した駆動回路ではn型MOSFETのみで構成できるため設計自由度が向上した。加えて２８年度では，増幅器に不可欠な電圧バランス回路を新たに開発したことで，必要な電源数を削減することが可能となり，ハードウェアの統合化を実現できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究開発の最終年度では，これまでに開発してきた触覚・力覚の新しい保存再現アルゴリズム，制御器設計手法，n型MOSFETのみを用いたダイオードクランプリニア増幅器，増幅器駆動に必要となる電圧バランス回路の個々の性能向上と信頼性向上を実施，実験結果の解析と評価を行い，それぞれが正常に機能することを確認する。また，個々のそれぞれの構成部分をユニット化し，モーションコントロール研究グループとパワーエレクトロニクス研究グループが共同となって統合していき，提案手法による広帯域力制御系の実現可能性を実機実験を通じて検証する。最後に，総合評価を実施し，任意物体の精細な触覚情報を保存・再現する高臨場感感触シミュレータが実現可能であることを確認する。
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| Causes of Carryover |
高臨場感感触シミュレータの開発に不可欠なアクチュエータ駆動回路製作に当たり，次年度に一部の電子回路部品を購入する必要が生じたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度において必要な電子回路部品を購入し，本研究計画の最終目標である高臨場感感触シミュレータを開発する。
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