5G Evolution & 6G特集(2) —具体化に向けた取組みとユースケース—
セルラ通信×リアルハプティクスで拓く遠隔操作ロボットの革新的技術

少子高齢化に起因する将来の労働力不足が懸念される我が国において，人間に代わる新たな働き手となり得るロボットと，それを実現するロボティクスへの社会的要求が一層高まりつつある．ドコモは，ロボティクスに関する将来性を見据えて，慶應義塾大学ハプティクス研究センター（以下，慶大）が開発したロボットの制御技術「リアルハプティクス」に着目している．

リアルハプティクスは，力触覚伝送技術^*2によって遠隔操作ロボットが触れるモノの手応えを遠隔操縦者に感じ取ってもらうことができる．従来の遠隔操作において，操縦者は掴み心地や力加減量を視覚的に判断する必要があり，操縦者のセンスが求められていた．一方，リアルハプティクスによる遠隔操作の場合，操縦者は遠隔操作ロボットからのリアルなモノの手応えのフィードバックを受けつつ，より直感的にロボットを操作することができる．このようにして，リアルハプティクスは操縦者の直感的な力加減に基づいた柔軟で優しいロボット制御を可能にする．

慶大は，IoA（Internet of Actions）®の概念を提唱しており，リアルハプティクスをIoAの基幹となる重要な技術と位置付けている．IoAとは，ネットワークを通じて機械・ヒト・操作コンテンツをダイナミックに連結させ，遠隔操作を通じて料理や掃除といった人々の動作を持ち寄る（お互いに提供する）ことや，ネットワークに繋がったロボットが人間のように融通の利く動作を自発的に行ってくれる世界の概念である．IoAの基幹技術となるリアルハプティクスは，人間とロボットとの協創を促進し，社会のさらなる効率化や社会課題解決に貢献することが期待できる．

ドコモは，リアルハプティクスの唯一無二な先進性とIoA実現に向けて必要とされるネットワークとの親和性と発展性に注目し，慶大との研究開発を推進してきた[1]．本プロジェクトでは，有線通信を介すことでしか実現できなかったリアルハプティクスの遠隔操作について，セルラ通信を介して実現することに注力している．さらに，ドコモはIoAの世界をより一層広げるためのプラットフォーム開発を進めており，人間の作業をベースとしたリアルハプティクスの拡張機能を検討している．これらの研究開発を通じて，ドコモは，5G Evolution & 6G時代の新たなユースケースの創出と，セルラ通信ならではの利便性が高いソリューションやサービスの提供をめざしている．

本稿では，リアルハプティクスの特徴，本プロジェクトがめざすIoAの姿，セルラ通信を介したリアルハプティクスの実現可能性について解説する．

1. 力触覚伝送技術：人間が感じる力触覚をデータとして表し，電気通信を介して伝送する技術．

（2）力触覚量の定義

文献[2]では，力覚や触覚は人間内部で発生する感覚の仕組みに依存するために客観的に表すのが困難であるが，人間が知覚する手応えは力覚と触覚を合わせた力触覚として表され，対象との接触の際に生じるエネルギーの移動によって定量的に記述できると述べている．その力触覚の刺激の大きさは力触覚量として定義されており，力触覚量の瞬時値^*7を式(1)として，力触覚量の実効値^*8を式(2)として，次のように表すことができる．なお，fは力，vは速度，ΔTは時間窓^*9を示す．

2.2 触覚フィードバック技術「ハプティクス」との関連性

（1）ハプティクスの定義と特徴

ハプティクスは触覚フィードバック技術や皮膚感覚フィードバック技術と呼ばれている．その定義を一意にまとめることは難しいが，力・振動・動きなどをアクチュエート^*10できるデバイスを用いて人工的に感触を作り出し，デバイス利用者に疑似的な感触を与える技術，という説明が多くみられる．

多くのヒトが体験済みであろうハプティクスの活用例として，ビデオゲームのキャラクター操作やスマートフォンの文字入力などが挙げられる．これらにおいて，ユーザはゲームコントローラーやスマートフォンに内蔵されたアクチュエーターから振動触覚フィードバックを得ることができる．前者は，ビデオゲーム内で操作しているキャラクターのアクションに応じた感触のフィードバックをユーザに与える．後者は，ボタンとしての機構を備えないディスプレイをユーザの動作に応じて振動させ，あたかもボタンを押し込んだような感触のフィードバックをユーザに与える．

このようにハプティクスは，実際の刺激とは異なる代替的なアクチュエーターの刺激によって触覚を疑似的に再現するものであり，ユーザを錯覚させることを得意とする．そのため，ビデオゲームやVR（Virtual Reality）などとの親和性が非常に高い．

（2）遠隔操作ロボットにおける触覚フィードバックの比較

リアルハプティクスはバイラテラル制御の精度を高めるための技術であるが，触覚フィードバック技術の一種であるともいえる．遠隔操作ロボットにおける振動触覚フィードバックと力触覚フィードバックの比較例を図1に示す．振動触覚フィードバックの場合，操縦者はアクチュエーターの振動を通じて遠方のダイヤモンドの存在や疑似的な肌触りを体感することができる．しかし，力加減は勘案されていないため，操縦者はダイヤモンドの形状を認識できるような手応えを得ることができない．一方，力触覚フィードバックの場合，存在や肌触りのみならず，リアルな力加減がリーダー・フォロワー間で共有されるため，操縦者はダイヤモンドが存在していないにもかかわらず，硬くて握り潰せないような，実際にダイヤモンドを握った手応えを得ることができる．

1. 触覚：人間と対象が軽く触れ合うときに生起する感覚．ここでは，力覚と区別される．
2. 力覚：対象が人間に，あるいは人間が対象に力を及ぼすときに生起する感覚．ここでは，触覚と区別される．
3. 暗黙知：言葉や数値によって定義することが難しい主観的な知識．
4. 形式知：言葉や数値によって定義することができる客観的な知識．
5. 瞬時値：ある時点における瞬間的な値．
6. 実効値：本稿では，力触覚量の瞬時値を時系列に波形化したものから，交流の電圧または電流の表現方法に使われる実効値の定義に基づいて導出した数値のこと．ある波形に対して二乗・平均・平方根をとるような定義であるため，RMS（Root Mean Square）値とも呼ぶ．時間によって大きく変動する力触覚量をデータとして取り扱うのに適した表現である．
7. 時間窓：時系列データのうち，一部の区間を切り取った部分のこと．タイムウィンドウとも呼ぶ．
8. アクチュエート：人間や環境に対して，物理的に影響を及ぼすこと．

前述したIoAの世界を広げるには，リアルハプティクスとセルラ通信の融合が必要不可欠である．このIoAの世界は2つの方向性があり，以下ではそれぞれの方向性にセルラ通信を関連付けた世界観を述べる．

1. MEC：ユーザに近い位置にサーバを設置したシステムのこと．通常サーバはインターネット上に設置されるが，MECサーバはキャリア網内に設置することで，遅延を減らすことができる．これにより，通信の応答速度（レスポンス）を大幅に向上させる．
2. 自律走行ロボット（AMR）：センサなどで経路を把握し，自律的に走行できるロボット．障害物を自律的に判断できるため，経路の再設定や人間と協調することを得意とする．
3. メタバース：コンピュータネットワークに構築された3次元の仮想空間およびそれを利用したサービス．

リアルハプティクスを活用した遠隔操作ロボットはリーダーとフォロワーの動きを常に同期させる必要があるため，通信遅延がロボットの制御性能に大きく影響を及ぼすことが明らかになっている．ただし，有線ネットワーク環境かつ日本国内での利用であれば，ロボットの制御性能へ影響を及ぼさない程度の通信環境が整えられているため，リアルハプティクス技術を十分に活用できる．

ドコモでは，セルラ通信においてもリアルハプティクス本来の能力を発揮し，直接接触と遜色の無い手応えが得られる遠隔操作の実現を目標としている．しかし，基地局装置と端末装置の無線通信区間で発生する遅延ゆらぎ^*14が原因で，ロボットを正常に操作できないことが，セルラ通信を介した実験で明らかになっている．

一対一の音声通話やビデオ通話はキャッチボール形式のコミュニケーションであり，話し手と聞き手の状態を寸分違わず同期する必要はなく，違和感なく会話を実施するための許容遅延基準をこれまでの第4世代移動通信システム（4G）で満たせる．しかし，力触覚伝送は触覚情報を常にリーダーとフォロワーの間で同期し続ける必要があり，許容遅延条件が厳しい．この力触覚伝送に4Gを用いた場合は，遅延要件を満たせず，ロボットが徐々に制御不能な状態になってしまう．従って，セルラ通信における力触覚伝送を用いた遠隔操作を実現するためには，無線通信区間で発生する遅延ゆらぎを限りなく抑えた無線通信技術が必要となる．

4.2 5GのURLLCを活用した実証実験

ドコモでは，基地局装置と端末装置の無線通信区間で発生する遅延ゆらぎを限りなく抑制可能な第5世代移動通信システム（5G）の高信頼・低遅延通信（URLLC：Ultra-Reliable and Low Latency Communications）^*15に着目し，セルラ通信でのリアルハプティクス実現可能性検証を行った．本実験では，この無線通信区間においてURLLCならびに5Gの高速大容量通信（eMBB：enhanced Mobile BroadBand）^*16の要件を満たすパラメータ設定を基地局と端末相当の実験装置に適用し，遠隔操作ロボットの操作性を比較する．

（1）実験概要

リアルハプティクスを用いたロボットの遠隔操作が可能で，かつURLLCまたはeMBBの要件を満たす実験装置を介してネットワーク装置を構成した．その構成を図2に示す．リーダーとフォロワーのそれぞれが送信したパケットは，端末装置・基地局装置間の無線通信区間を経て，アプリケーションサーバに通される．アプリケーションサーバはリーダーとフォロワーが力触覚情報を双方向に共有することができるよう，リーダーから受け取ったパケットをフォロワーへ，フォロワーから受け取ったパケットをリーダーへ転送する制御を実施する．また，アプリケーションサーバと基地局装置の間に介在するネットワークエミュレータ^*17は，伝送距離の長さが及ぼす遅延の影響を模擬するために，パケットに対して固定遅延^*18を適宜追加する．

（2）評価項目

本実証実験では，図3に示すようなスポンジを把持した際に発生する力触覚量の再現率を評価項目とする．力触覚量の再現率は前述のとおり定義した実効値の式(2)を基に，次式で定義される．

式(3)は，リーダーとフォロワーそれぞれに働く位置・力・速度の誤差の百分率となり，100％に近いほど性能が良いことを示す．つまり，遠方側で知覚した手応えに対し，通信を介して手元側で知覚した手応えの鮮明度合いを表す．

（3）実験結果と考察

リーダー・フォロワー間における力触覚量の再現率を図4に示す．

URLLCによる無線通信を適用し，かつ固定遅延を追加しない場合，力触覚量の再現率は最大で96.4％に達する．この再現率は有線通信のみを介することで得られる再現率とほとんど同じであり，ここでは本物の物体を直接つかむ手応えに限りなく近い感触が再現されていることになる．さらに，固定遅延の追加量が30ms以下の場合，再現率は80％を上回る．これらの結果は，無線通信区間における遅延ゆらぎの程度が軽微であるために，リーダー・フォロワー間において高精度のバイラテラル制御がなされ，高い透明性が達成されたことを示唆するものである．パケットログ解析を実施したところ，URLLCの場合は後述のeMBBの場合と比較して遅延ゆらぎが大幅に抑制されることが確認された．

他方，eMBBによる無線通信を実施する場合，適宜追加される固定遅延の量にかかわらず，力触覚量の再現率は平均43％にとどまる．この結果は，高速大容量に重きを置いた通信技術では，無線通信区間における通信遅延ならびに遅延ゆらぎの影響によりバイラテラル制御の精度が損なわれるために，リアルハプティクスによる精細な手応えの再現が困難であることを裏付けるものである．なお，固定遅延の追加量が40ms以上の場合，ロボットが制御不能な状態となったため，データ取得自体が困難な状態であった．

以上の結果から，URLLCを適用した場合は，直接モノをつかんだ手応えを遜色なく再現可能であるため，eMBBでは安定が困難だったリアルハプティクスを活用した無線遠隔操作の実現可能性を高められることが分かった．

1. 遅延ゆらぎ：無線通信区間におけるスケジューリング・再送処理などが主な理由で引き起こされる遅延のこと．固定遅延と可変遅延に分けられ，可変遅延の変化度合いのこと．ジッタ（jitter）とも呼ぶ．
2. 高信頼・低遅延通信（URLLC）：5Gの要件の1つで，高信頼かつ低遅延な無線通信を実現する技術．
3. 高速大容量通信（eMBB）：5Gの要件の1つで，高速かつ大容量な無線通信を実現する技術．
4. ネットワークエミュレータ：ネットワーク上で発生する遅延，ゆらぎ，パケット損失などのさまざまな事象を再現できる装置．
5. 固定遅延：光ケーブルなどの伝送系を電波または電気信号が通過する際の伝搬遅延が主な理由で引き起こされる，持続する遅延のこと．

本稿では，リアルハプティクスについて，世間で広く知られているハプティクス技術との関連性，セルラとの融合で実現できる将来のユースケース，セルラ通信での実現可能性を解説した．今後の展望として，5G Evolutionや第6世代移動通信システム（6G）の要件として期待されている低遅延化に関する制御機能に着目し，セルラ通信での実現可能性検証を重ねてリアルハプティクスの実用化をめざす．また，セルラで実現するIoAの第一歩として，リアルハプティクスのユニーク性を追求し，セルラ通信を用いたソリューション提供に向けてプラットフォーム開発を加速させる．

最後に，本プロジェクトの取組みおよび本稿執筆に協力いただいた慶應義塾大学ハプティクス研究センターに感謝の意を表する．

• [1] 高畑，ほか：“リアルタイムロボティクスによるハプティック通信技術，”本誌，Vol.15，No.3，pp.53-56，Oct. 2007.
  https://www.docomo.ne.jp/corporate/technology/rd/technical_journal/bn/vol15_3/053.html
• [2] 大西 公平，ほか：“ハプティクスとその応用 ―力触覚の伝送・記録・再現・表示―，”株式会社シーエムシー出版，2022.
• [3] 大西 公平，斉藤 佑貴，福島 聡，松永 卓也，野崎 貴裕：“リアルハプティクスの拓く未来社会，”日本AEM学会誌，Vol.25，No.1，pp.9-16，2017.
• [4] 鈴木 敦，大西 公平：“通信遅延下におけるバイラテラル遠隔操作の再現性と操作性，”電気学会論文誌Ｄ（産業応用部門誌），Vol.133，No.7，pp.738-746，2013.
• [5] 野崎 貴裕，半谷 聡：“テレイグジスタンスとリアルハプティクス —人間と機械の融合が拓く新たな未来—，”日本ロボット学会誌，Vol.36，No.10，pp.668-672，2018.