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遠隔ロボット工学とは、主にテレビ、無線ネットワーク（Wi-Fi、Bluetooth、ディープスペースネットワークなど）、または有線接続を用いて、半自律型ロボットを遠隔から制御するロボット工学の分野です。これは、遠隔操作と遠隔プレゼンスという2つの主要な下位分野を組み合わせたものです。
遠隔操作とは、機械を遠隔で操作することを意味します。これは「リモートコントロール」という言葉と意味が似ていますが、通常は研究、学術、技術分野で使われます。最も一般的にはロボット工学や移動ロボットに関連付けられますが、人が遠隔からデバイスや機械を操作するあらゆる状況に適用できます。[ 1 ]
遠隔操作は、研究コミュニティと技術コミュニティの両方で、遠隔操作を指す最も標準的な用語です。これは、「テレプレゼンス」とは対照的です。テレプレゼンスとは、オペレーターが遠隔環境に存在しているように感じ、遠隔ロボットを通して自分の存在を投影する没入型インターフェースを備えた遠隔ロボットシステムのサブセットを指します。オペレーターがすべての主要な感覚（視覚、聴覚、触覚）を通して遠隔環境に存在しているように感じることができる最初のテレプレゼンスシステムの 1 つは、 1990 年代初頭に米国空軍研究所で開発されたVirtual Fixturesシステムでした。このシステムにより、オペレーターは器用な作業（穴にペグを挿入する）を遠隔で実行することができ、実際にはロボットが遠隔で作業を行っているにもかかわらず、オペレーターはペグを挿入しているかのように感じました。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
テレマニピュレーター（またはテレオペレーター）とは、人間のオペレーターが遠隔操作する装置である。単純な場合、例えばラジコン飛行機や係留式深海潜水機のように、操作者のコマンド動作が制御対象装置の動作に直接対応する。通信遅延によって直接制御が非現実的な場合（例えば遠隔操作の惑星探査車）、あるいはオペレーターの作業負荷を軽減したい場合（例えば遠隔操作の偵察機や攻撃機）には、装置は直接制御されず、指定された経路をたどるように指示される。高度化するにつれて、障害物回避など、ある程度自律的に動作する装置も開発され、これは惑星探査車でも一般的に用いられている。
オペレーターが遠隔地からロボットを操作できるように設計された装置は、テレメカロボットと呼ばれることがある。
遠隔ロボット工学と遠隔プレゼンスの2つの主要な構成要素は、視覚アプリケーションと制御アプリケーションです。遠隔カメラは、ロボットからの視点を視覚的に表現します。ロボットカメラを直感的な制御を可能にする視点に配置することは、SF（ロバート・A・ハインラインの1942年の短編小説「ウォルドー」）に基づいた最近の技術ですが、速度、解像度、帯域幅がロボットカメラを意味のある方法で制御するのに十分なレベルに達したのはごく最近のことであるため、実用化には至っていません。ヘッドマウントディスプレイを使用すると、下の図に示すように、頭部を追跡することでカメラの制御が容易になります。
これは、ユーザーがシステムの遅延、動きへの反応の遅れ、視覚表現に違和感を感じない場合にのみ有効です。解像度の不足、ビデオ画像の遅延、動きと反応の機械的およびコンピュータ処理の遅れ、カメラレンズやヘッドマウントディスプレイレンズによる光学的な歪みなどの問題が発生すると、視覚的な動きの表現による前庭刺激の欠如によって悪化する「シミュレーター酔い」を引き起こす可能性があります。
ユーザーの動きと認識の不一致、例えば登録エラー、過剰なフィルタリングによる動作応答の遅延、小さな動きに対する解像度の不足、および速度の遅さなどが、これらの問題の一因となる可能性があります。
同じ技術でロボットを制御することも可能だが、その場合、目と手の協調性の問題がシステム全体にさらに蔓延し、ユーザーの緊張や不満によってシステムが使いにくくなる可能性がある。
ロボットを製作する際の傾向としては、制御上の問題を減らすために自由度を最小限に抑えることであった。近年のコンピュータの進歩により、自由度を増やすことに重点が移り、より知的で人間らしい動きをするロボット装置が可能になった。これにより、ユーザーが自分の動きでロボットを制御できるため、より直接的な遠隔操作も可能になった。[ 5 ]
遠隔操作ロボットのインターフェースは、一般的なMMK（モニター・マウス・キーボード）インターフェースのようにシンプルなものでも構いません。没入感は劣りますが、コストは安価です。インターネット接続で駆動する遠隔操作ロボットは、多くの場合このタイプです。MMKにジョイスティックを追加することは有効な改良点であり、これによりロボットの平面移動をより直感的に操作できるようになります。
専用のテレプレゼンスシステムでは、ヘッドマウントディスプレイ（単眼または両眼表示）と、ジョイスティック、関連するボタン、スライダー、トリガーコントロールを備えた人間工学的に最適化されたインターフェースが使用されます。
その他のインターフェースでは、コンピュータ生成画像の代わりに、完全に没入できる仮想現実インターフェースとリアルタイムビデオを融合させています。[ 6 ]別の例としては、全方向トレッドミルと没入型ディスプレイシステムを使用して、歩行者や走行者がロボットを操作するという方法があります。追加の変更点としては、赤外線サーマルイメージング、リアルタイム脅威評価、デバイスの回路図などの統合データ表示が挙げられます。
アポロ計画を除けば、ほとんどの宇宙探査は遠隔操作の宇宙探査機で行われてきました。たとえば、宇宙ベースの天文学のほとんどは遠隔操作の望遠鏡で行われてきました。たとえば、ロシアのルノホート1号ミッションでは、地上の人間のオペレーターがリアルタイム（光速で2.5秒の時間遅延）で操作する遠隔操作の探査車を月面に着陸させました。ロボットによる惑星探査プログラムでは、地上の人間がプログラムする宇宙船を使用し、実質的に長時間の遅延を伴う遠隔操作を実現しています。最近の注目すべき例としては、火星探査ローバー（MER）とキュリオシティ探査車があります。MERミッションの場合、宇宙船と探査車は保存されたプログラムで動作し、地上の探査車操縦者が毎日の動作をプログラムしました。国際宇宙ステーション（ISS）は、デクスターと呼ばれる2本のアームを持つ遠隔操作マニピュレーターを使用しています。さらに最近では、遠隔操作実験のために人型ロボットRobonaut [ 8 ]が宇宙ステーションに追加されました。
NASAは、軌道上からの有人探査を用いた将来の惑星探査に、高性能遠隔ロボットシステムの使用を提案している[ 9 ] 。ランディスが提案した火星探査のコンセプトでは、火星への前駆ミッションとして、有人機が乗組員を火星に運ぶが、地表に着陸するのではなく軌道上に留まり、その間に高性能遠隔ロボットが地表でリアルタイムに操作されるという方法が考えられる[ 10 ] 。このようなシステムは、単純な長時間遅延ロボット操作を超え、惑星上での仮想テレプレゼンスの領域へと移行するだろう。このコンセプトに関する研究の一つである、リアルタイムロボット操作を用いた有人探査（HERRO）コンセプトでは、このようなミッションは様々な惑星の目的地を探査するために使用できると示唆されている[ 7 ] 。
モバイルデバイス、タブレット、ポータブルコンピュータを使用した高品質のビデオ会議の普及により、オフィス、自宅、学校などで、直接その場にいられない場合でも、コミュニケーションやコラボレーションにおいて遠隔での物理的な存在感をより良く感じさせるのに役立つテレプレゼンスロボットが飛躍的に成長しました。ロボットのアバターは、遠隔地の人の指示に従って移動したり、周囲を見回したりできます。[ 11 ] [ 12 ]
ディスプレイ上でのビデオ会議を利用する、主に2つのアプローチが存在する。
従来のビデオ会議システムやテレプレゼンスルームでは、一般的に遠隔操作が可能なパン・チルト・ズームカメラが提供されています。遠隔地のユーザーが会議中にデバイスの頭を回して自然に周囲を見渡せる機能は、テレプレゼンスロボットの最も優れた機能とみなされることがよくあります。そのため、開発者たちはこの最も優れた機能に焦点を当て、はるかに低コストのロボットを作成するデスクトップテレプレゼンスロボットという新しいカテゴリーに参入しました。デスクトップテレプレゼンスロボットは「ヘッドアンドネックロボット」[ 14 ]とも呼ばれ、会議中にユーザーが周囲を見渡せるようにし、場所から場所へ持ち運べるほど小さいため、遠隔ナビゲーションの必要性をなくします。[ 15 ]
遠隔操作ロボットの中には、長期の病気で定期的に学校に通えない子供たちにとって非常に役立つものもあります。最新の革新的なテクノロジーは人々を結びつけ、互いに繋がり続けることを可能にし、孤独感を克服するのに大いに役立ちます。[ 16 ]
海洋遠隔操作無人探査機（ROV）は、ダイバーにとって深すぎる、あるいは危険すぎる水域での作業に広く用いられている。ROVは、海上石油プラットフォームの修理や、沈没船にケーブルを取り付けて引き上げる作業などに利用される。通常、ROVはテザーで水上船舶の制御センターに接続されている。タイタニック号の残骸は、ROVと乗組員が操縦する船舶の両方によって調査された。
さらに、遠隔操作ロボットに関する多くの研究が、医療機器や低侵襲手術システムの分野で行われています。ロボット手術システムを使えば、外科医はマニピュレーターが入るだけの小さな穴を通して体内で手術を行うことができ、胸腔を開いて手を入れる必要はありません。
NISTは、緊急対応[ 17 ]および法執行機関の遠隔ロボットシステム[ 18 ] [ 19 ]に使用される一連のテスト規格を維持しています。
遠隔操作式マニピュレーターは、放射性物質の取り扱いに用いられる。
遠隔操作ロボットは、インスタレーションアート作品にも活用されており、テレガーデンは、ユーザーがウェブを通じてロボットを操作するプロジェクトの一例である。
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