2016 Fiscal Year Research-status Report
操作型機械における基本入出力ゲインの自動調整手法に関する研究
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16K06196
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
亀崎 允啓 早稲田大学, 理工学術院総合研究所(理工学研究所), 次席研究員(研究院講師) (30468863)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ヒューマンマシンインタフェース / 操作型機械システム / 操作支援 / 操作ゲイン / 人間機械システム / 操作性 / 使いやすさ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成２８年度は，操作者・作業条件・作業機で構成される使用条件の組み合わせにおいて，作業性能の最大化するためのＢＩＯＧの形状（傾きや次数）の分析を行った．また，ＢＩＯＧ調整のトリガとなる特徴量の変化について，使用条件への非依存性に留意して抽出を行った．これらを統合して操作ゲインの調整メカニズムを導出した．
身体的・精神的に負荷がかかる場合，操作量のヒストグラム（度数分布）の頻度が一部の領域に偏ってしまうと考えられる．これらに共通する調整法則を分析すると，「いかなる状況であっても操作頻度の偏りを解消し，操作量ヒストグラム波形を平準化する」と読み取れる．定式化による解の保証が重要と考え，調整システムを制御系と捉える．満遍なく利用することを表す均等分布となる操作力をばね復帰型レバーに入力すると，レバー位置の応答波形は正規分布となることが分かっている．以上から，大局的傾向を捉えられる「制御変数（操作量ヒストグラム）」を「目標値（正規分布）」へ近づけるための「調整規範」に基づき，「操作変数（ＢＩＯＧ）」を調整するものと捉える．
ＢＩＯＧの形状は，操作入力と動作速度を用いた単調増加関数で表す．無操作の位置から始動点までを不感帯，飽和点（初期速度最大点）から最大操作位置までを飽和帯として設定する．本研究では，可変ＢＩＯＧの基礎検討を行うため，2つの区分を有する1次関数で表現し，区分の接続点を変傾点と呼ぶ．始動点はシステムの安全性に関わるため，変傾点と飽和点を調整する．導出したルールを実装し，既知条件化で有用性を検証した．大操作の多い作業では，大操作領域の頻度を微操作領域へ移動させるために飽和点を右側へ移動させること，微操作の多い作業では，小操作領域の頻度を飽和領域へ移動させるために，変傾点右下に移動させることが，作業時間および主観的な使いやすさの向上に寄与することが分かった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２８年度は，使用条件に適したＢＩＯＧパラメータの理論的考察に基づき，ＢＩＯＧの調整メカニズムを導出した．操作者（技能）・作業条件（環境や内容）・作業機（自由度）で構成される使用条件の組み合わせにおいて，作業性能の最大化するためのＢＩＯＧの形状（傾きや次数）の分析を行った．また，ＢＩＯＧ調整のトリガとなる特徴量の変化について，使用条件への非依存性に留意して抽出を行った．分析の結果，人間機械システムによらず，「いかなる状況であっても操作頻度の偏りを解消し，操作量ヒストグラム波形を平準化する」という基本制御測を定義した．使用条件が変わっても常にレバーの全操作帯域を満遍なく利用させることで操作感覚が保持され，未習熟作業や未経験作業へのスムーズな適応が期待できる．さらに，導出したルールを実装し，既知条件化で実機実験を行った結果，ＢＩＯＧ調整における基本制御側の有用性を，作業時間や主観的な使いやすさの観点から確認することができた．これらのことから，理論的な考察に基づいた調整メカニズムを導出することができ，平成２９年度で取り組むシステム開発に有用となる知見を実機実験から得ることができたといえる．以上から，当研究課題は順調に進捗しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２８年度に行ったＢＩＯＧ調整のためのパラメータや調整メカニズムに関する分析結果を踏まえ，平成２９年度は，人間機械系における入出力操作ゲイン調整における課題であった「使用条件の時変性」，および「人間の機械操作に対する学習機序」を考慮したＢＩＯＧの自動調整システムの具体化を図る．大局的な作業傾向を捉えられる作業履歴情報を用いてオフラインでＢＩＯＧを調整することを考えている．駆動関節軸単体での単軸基本規範を構築したのち，駆動関節軸間の関係性（手先ベクトル）を考慮した複軸協調規範を開発する予定である．
具体的には，操作量ヒストグラム波形を正規分布波形に近づける共通の調整規範を提案する．長時間の作業により構成される各種データのヒストグラム波形は，局所的な変化には大きく影響を受けにくいと考えられることから，ＢＩＯＧの調整前後で速度ヒストグラム（スレーブシステムの動作出力側）は保持されるという仮説を立てることができる．この仮説に基づき，各波形における差分を埋めるための簡単な面積変換を行うことで，ＢＩＯＧの調整量に応じた操作量ヒストグラム移動量を定量的かつ一意に推定することができる．操作量ヒストグラム波形を正規分布波形に一致させたときのＢＩＯＧが，調整後の新しいＢＩＯＧとなる．この調整ルールを数式化することで，駆動関節軸単体での単軸基本規範を構築する．その後，多軸マニピュレータへの実装を考慮して，駆動関節軸間の関係性（手先の移動ベクトル）を考慮した複軸協調規範を開発する．このとき，機械操作に対して違和感を与える可能性のある，極端に急峻な傾きや変傾点前後での急激な傾き変化を避けるため，適切な定義域の設定と違和感を低減するための補正規範を新たに開発する．
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| Causes of Carryover |
物品費（精神的負荷や身体的負荷を計測するため計測装置）とそれに伴う諸経費の未使用により，次年度使用額が生じている．上記の計測装置は，実質平成２９年度で利用するものであるが，実験をスムーズに行えるように，平成２８年度の段階で前もって購入・準備してことを予定していた．しかし，システムの開発および予備実験が進むにしたがって，当初予定した計測装置の性能・仕様を見直す（再検討の）必要性がでてきた．このことから，適切な計測を行える計測装置の仕様再検討を平成２９年度前期に行うこととした．これによって，次年度使用額が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
実験自体は，平成２９年度の後期に行うため，次年度使用額の発生は，研究計画には影響を与えるものではない．平成２９年度前期に，計測装置の仕様再検討を行い，購入を行う予定である．平成２９年度に当初計上していた経費についても計画通り，購入を行う．
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