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
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
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
• 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
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
PC
CRT
Device
Controller
Haptic Device
• CPU: Athlon 500MHz
• Memory: 256MB
• Graphics Chip: GeForce 265 32MB
内部構成
Device position.
Switch state.
Feedback forces.
Etc.
PHANToM
Haptic
Device
Controller
Object vertices.
Object faces.
Colors, texture.
Etc.
OBJECT
DATA
Database
Manager
DXF format.
VRML format.
Etc.
Time profile.
Collision detection info.
Modified Object data.
Object
Manager
Graphics
Generator
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
・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
仮想オブジェクトの評価方法
1. 目標形状と造形途中のオ
ブジェクト形状を比較
Layer:m-1
2. 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
3. 最終的に各誤差を平均し、
Layer:n
完成度Wを算出
Rcn
W=
1ー
Σ
n=m-1
Σ n=0
n=m-1
n=0
Rdn – Rbn
Layer:1
Rcn – Rbn
Layer:0
初期形状
造形途中
目標形状
Rdn
Rbn
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)
1.0
目標形状に早期
に近づいている
0.8
W
0.6
0.4
初期変形と最
終的な完成率
Wが低い
0.2
d=0.005
d=0.05
d=0.1
d=0.15
0.0
0.0
50.0
100.0
time (sec)
150.0
200.0
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
1 .0
0 .8
W
0 .6
0 .4
0 .2
0 .0
0 .0
2 0 .0
4 0 .0
6 0 .0
8 0 .0
1 0 0 .0
1 2 0 .0
1 4 0 .0
1 6 0 .0
1 8 0 .0
1 4 0 .0
1 6 0 .0
1 8 0 .0
m m / se c
(se c )
8 .0
6 .0
4 .0
2 .0
0 .0
0 .0
2 0 .0
4 0 .0
6 0 .0
8 0 .0
1 0 0 .0
(se c )
1 2 0 .0
0 .0
2 0 .0
4 0 .0
6 0 .0
8 0 .0
1 0 0 .0
(se c )
1 2 0 .0
8 .0
N
6 .0
4 .0
2 .0
0 .0
変形操作初期
1 4 0 .0
1 6 0 .0
変形操作後期
1 8 0 .0
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
SHARED
DATA
Shared Environment
Manager
TCP/IP
Network
TCP/IP Socket
Agent
TCP/IP Socket
Agent
Server
OBJECT
OBJECT
DATA
DATA
OBJECT
DATA
Database
Database
Manager
Manager
Haptic
Haptic
Device
Device
Controller
Controller
Object
Object
Manager
Manager
Client-Server
Database
Manager
UDP/IP
Network
Network
Network
Socket
Socket
Manager
Manager
Graphics
Graphics
Generator
Generator
Haptic
Device
Controller
Peer-Peer
Local
LocalSystem
SystemLayer
Layer
Object
Manager
Network
Socket
Manager
Graphics
Generator
Local System Layer
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
Networ
k
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]
Delay Time (sec)
400.0
パケット遅延時間
350.0
300.0
250.0
200.0
150.0
100.0
50.0
0.0
0
50
100
150
Data ID
200
通信遅延は約150[ms]~200[ms]程度
250
IPネットワーク環境
• 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
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
Master System
Slave System
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
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
本システムの構成
IP Network
100BASE TX
192.168.1.xx
CRT
Force Sensor
(6DOF)
PC
Device
Controller
PC
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
ネットワーク技術
ロボット・機械
技術
没入型ディ
スプレイ技術
協調型力覚
提示テレイン
タラクション
現実環境との力
覚提示型テレイ
ンタラクション
環境提示型テレ
インタラクション
ダウンロード

仮想力触覚提示を用いた テレインタラクションシステム