(57)【要約】      （修正有）【課題】トルクを制御できるサーボモーター装置は遠隔手術システムや安全・安心なロボットの関節駆動への利用が期待されている。小型、高安定性で制御の容易なトルク制御が可能なサーボモーター装置の一般化がされていない状況下において、スナップを利かせてボールを投げるといった人間と同様でエネルギー効率の良い動作を行うことのできる、トルク制御が可能となるサーボモーター装置を提供する。【解決手段】装置基部４１１に軸回転接続された被駆動軸４０３を関節の出力軸とし、被駆動軸４０１に軸回転接続されモーター４１０により回転駆動される被駆動回転体と被駆動軸と被駆動回転体４１２とを捩れ弾性接続する弾性体と被駆動回転体からみて弾性体と反対側に設置される弾性体捩じれ量検出機構に対して、捩じれ指示値と検出捩じれ量とを一致させるように被駆動回転体を駆動制御する。その制御の際に遅れ時間を設定し被駆動軸のスナップ動作を可能とする。【選択図】図１６
2020196091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置基部と、
前記装置基部に軸回転接続される被駆動軸と、
前記被駆動軸に軸回転接続される被駆動回転体と、
前記装置基部に対し前記被駆動回転体を軸回転駆動する双方向回転駆動装置と
前記被駆動軸と前記被駆動回転体とを捩れ弾性接続する弾性体と、
前記弾性体の捩じれ量を検出する捩じれ検出機構と
前記捩じれ検出機構により検出された前記捩じれ量と捩じれ量指示値とが一致するように前記双方向回転駆動装置を駆動制御する制御装置と
から成り、
捩じれ量指示値を目標として、前記被駆動回転体の回転角が回転駆動制御され、前記弾性体に捩じれ量が発生し、前記被駆動軸に駆動トルクが発生する駆動装置。
【請求項２】
前記弾性体の捩じれ量を検出する前記捩じれ検出機構が、
前記被駆動軸と前記被駆動回転体との相対角度変化量として検出する検出機構であることを特徴とする、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記捩じれ検出機構が、
前記被駆動回転体を基準とし、前記弾性体と前記被駆動軸との接続位置の反対側に配置されることを特徴とする、
請求項１から請求項２の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【請求項４】
前記弾性体が、他部品接触型の非線形性発生構造により、非線形弾性体として動作することを特徴とする、
請求項１から請求項３の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【請求項５】
前記弾性体が、非線形弾性体であることを特徴とする、
請求項１から請求項４の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
前記被駆動軸の回転を抑制するダンパーが、
前記被駆動軸あるいは前記被駆動軸に固定される部品と、前記装置基部との両方に接続されることを特徴とする、
請求項１から請求項５の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
前記被駆動軸の回転角度や回転速度などに関する回転状態検出機構が、
前記被駆動軸あるいは前記被駆動軸に固定される部品と、前記装置基部との両方に接続されることを特徴とする、
請求項１から請求項６の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
前記被駆動軸の回転を抑制するダンパーが、
前記被駆動軸あるいは前記被駆動軸に固定される部品と、前記被駆動回転体との両方に接続されることを特徴とする、
請求項１から請求項７の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【請求項９】
前記双方向回転駆動装置が、前記被駆動回転体に対して軸回転駆動動力を動力伝達する手段が、べベル歯車様歯車であることを特徴とする、
請求項１から請求項８の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【請求項１０】
前記双方向回転駆動装置が、前記被駆動回転体に対して軸回転駆動動力を動力伝達する手段が、平ギヤ体であることを特徴とする、
請求項１から請求項８の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
前記双方向回転駆動装置が、前記被駆動回転体に対して軸回転駆動動力を動力伝達する手段が、ウォーム歯車であることを特徴とする、
請求項１から請求項８の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【請求項１２】
前記双方向回転駆動装置が、前記被駆動回転体に対して軸回転駆動動力を動力伝達する手段が、ウォームとゼロリード角のウォームホイルであることを特徴とする、
請求項１から請求項８の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【請求項１３】
前記被駆動回転体の回転駆動制御において、
時間的制御パラメーターの調整により、
前記捩じれ量指示値に対する前記被駆動回転体の回転追従性を遅らせ、
前記被駆動軸に接続される先方部位に瞬間的にかかる反トルクが、
前記弾性体に弾性エネルギーとして蓄えられ、
続く時刻に、前記先方部位が前記弾性エネルギーにより高速なスナップ動作を得る、
ことを特徴とする、
請求項１から請求項１２の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３の少なくともいずれか１つに記載の装置、あるいは、駆動トルクを発生する装置、によりトルク駆動される機械と、
前記機械と情報授受する装着ユニットと
から成り、
前記装着ユニットを装着する運動体が前記装着ユニットに対して与えた要求力値に応じて発生するトルクによる前記機械の駆動と、
その駆動により生じた前記機械の位置変化に応じた前記装着ユニットの拘束運動による前記運動体の態勢変化と、
が同時に生じることによって成立する「三すくみ制御」により、
前記機械と前記運動体とが互いにもう一方の力学的体験を体験できる、
双方向力触覚伝達システム。
【請求項１５】
請求項１４で記載した双方向力触覚伝達システムであって、
前記機械が含む複数の関節の動作がリンク機構により関連付けられる特徴、ならびに、
前記装着ユニットが含む複数の関節の動作がリンク機構により関連付けられる特徴、
のうち、いずれか片方か両方を有する双方向力触覚伝達システム。
【請求項１６】
請求項１４および請求項１５の少なくともいずれか１つに記載の双方向力触覚伝達システムであって、
前記機械の触覚部位の表面に温度センサーが設置され、
請求項１から請求項１３の少なくともいずれか１つに記載の装置、あるいは、駆動トルクを発生する装置によるトルク駆動によって、接触荷重を制御された前記機械の前記触覚部位の荷重接触時表面温度を計測できることを特徴とする、
接触温度情報獲得機能付き双方向力触覚伝達システム。
【請求項１７】
請求項１４および請求項１５の少なくともいずれか１つに記載の双方向力触覚伝達システムであって、
前記機械の触覚部位と、それに相応する前記運動体の触覚部位との構成において、
前記機械の触覚部位が、前記運動体の触覚部位の力学的・伝熱学的特性と同等の特性を有する素材で形成され、
前記機械の触覚部位のコア温度が、断面中央に内蔵される加温・冷却装置により、前記運動体の触覚部位の内部温度と同等の温度に保たれ、
前記運動体の触覚部位の表面と接触するように、前記装着ユニットの内側に設置された加温・冷却体の加温・冷却制御によって、
前記加温・冷却体の表面に突出設置された突出型温度センサーが計測する前記運動体の表面内温度と、
前記機械の触覚部位の接触表面温度とが、
同温度となるように制御されることを付加特徴とし、
前記機械が外部環境から受ける接触温度感覚を前記運動体に対して再現し、前記運動体の温度環境を前記機械が外部に対して再現する、双方向接触温度・双方向力触覚伝達システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルク制御が可能なサーボモーター装置システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
トルクを制御できるサーボモーター装置は、遠隔手術システムやロボット関節への利用が期待されている。
【０００３】
しかし、小型、かつ、制御の容易な、トルク制御が可能なサーボモーター装置は、一般化されていない。
【０００４】
例えば、非特許文献１に記載の図１に示す構造のトルク発生装置では、出力軸に設置したトルク計１０３により計測したトルク値を用いて、出力トルクを電流制御により調整するので、精密な電子制御を必要とすること、目標トルクの急激な変動に対して出力トルクを高速に追従させるのは困難であること、電力消費が大きいこと、などが欠点としてあげられる。
【０００５】
また、この構造において、出力軸１０４に接続される接続部材に働く反力を、力学的エネルギーや弾性エネルギーとして、一旦蓄積し、それを次の時刻に開放し、接続部材を高速で作動させ、エネルギー使用効率や機構の俊敏性を高めるといった、いわゆる「スナップを利かせた動作（スナップ動作）」の実現は不可能である。
【０００６】
「スナップ動作」は、ロボットの駆動制御において、「人間らしさ」、高効率性、俊敏性、高速性において非常に重要であり、それを実現する最新技術が熱望されている。
【０００７】
また、特許文献１には、ロボットの関節機構において、省スペースに収めることができるコンプライアンス機構が記載されている。すなわちベース部に固定された固定軸に第１指部が軸回転支持される構造において、固定軸に軸回転支持されるウォームホイールの内部に第１指部の動きに連動して変形する歪リングを配置し、ウォームホイールがベース部内のモーターによって駆動され回転する。そして、歪リングを介して駆動力が第１指部に伝わり、負荷に応じて歪リングが変形し、第１指部にコンプライアンス性（柔軟性）を有するトルクが発生する。さらにウォームホイールが回転すると、案内ガイド用スリットの端部にストッパ用突起が接触して、ウォームホイールから第１指部に直接力が伝わる、機構が記されている。
【０００８】
しかし、特許文献１において、ウォームホイールを駆動するモーターの制御方法については、リング形状の弾性部材の外周に配置された歪ゲージによって、弾性部材に生じる歪を検出することで計測するトルク計測値が利用できる旨が、記載されるに留まっており、精密なトルク制御装置というより、安全な柔軟構造のロボット関節を提供する技術であると判断される。
【０００９】
ここで、関節の曲げ伸ばし動作を考えればわかるように、歪ゲージは伸縮両方の値を検出する必要があるので、歪ゲージがリング形状の弾性部材の外周に配置されるとは、当該弾性部材の外周への貼付を意味し、歪ゲージは、少なくとも、固定軸にそれぞれ軸回転支持されるウォームホイールと第１指部を直接連結するものでないこと、ウォームホイールと第１指部との角度変化を直接的に捉えるものではないことが、わかる。
【００１０】
出力トルクが、回転弾性部材の捩じれ回転角度によって検出可能であることは、非特許文献２に記載されているが、特許文献１に記載の構造では、ウォームホイール、第１指部、および弾性部材を固定軸の軸方向に並べると、ウォームホイールと第１指部が弾性部材によって近接を妨げられる構造となっており、ウォームホイールと第１指部との角度変化を直接的に捉え難い構造となっており、回転弾性部材の捩じれ回転角度が、高精度、堅牢かつ容易に検出できる構造が期待される。
【００１１】
図２を、非特許文献２から引用して示す。
【００１２】
図２において、バネ２０４に捩じれ角度があれば、出力面板２０８にトルク出力（アクチュエーター出力２０７）が発生し、そのトルク値は、ポテンショメーター２０６で計測されるバネ２０４の捩じれ角から算出される。
【００１３】
しかしながら、図２で示される構造には、下記の欠点が見いだされる。
【００１４】
一つ目は、出力側（右端）に配置されるポテンショメーター２０６に対し、ポテンショメーター支持具２０３によってバネ２０４左端の角度変位を伝えるため、ポテンショメーター支持具２０３が、バネ２０４をまたぐ構造であり、バネ２０４の長さに相当する長いポテンショメーター支持具２０３のたわみにより、高精度にバネの回転変位を計測することが困難である。
【００１５】
二つ目の欠点は、図２の機構単体では、ロボット関節として成立せず、図３あるいは図４のように、被駆動軸２１１ならびに支持や動作に必要な部材（出力面板延長筒２０９、出力板延面２１０、被駆動軸用ベアリング２１２および伝達ギヤ２１３）が必要となり、駆動関節機構として大きな空間体積を占めることである。
【００１６】
さらに、空間占有体積の観点だけでなく、図３をロボット関節として用いる場合、関節内に収容される被駆動軸関連部材（被駆動軸２１１および被駆動時用ベアリング２１２）以外の部品が、関節の外部に飛び出すなど、関節装置形状として適切とならないことも、問題点としてあげられる。
【００１７】
この空間体積と形状といった問題点は、図１の機構でも問題点として残されている。
【００１８】
上記の非特許文献１および２、ならびに、特許文献１に記載の構造においては、それらの設置については考慮されていないが、トルクを発生する駆動装置を安定して駆動・運用するためには、
・出力軸の角度を出力する角度検出機構、
・出力軸の回転を安定制御するための、出力軸−基部間の回転ダンパー、
・出力軸の回転を安定制御するための、弾性体の両端間の回転ダンパー、
・低トルク出力および低トルク負荷時の出力軸角度を与える、中立バネ、
といった付加機構を軸周りに設置する必要がある。
【００１９】
なお、特許文献２には、関節ユニットについて第１駆動機構と第２駆動機構の双方が関節機構に対して同じ方向に位置しているので、ロボット等の装置への関節ユニットの搭載が容易化できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００７−９０４９０号公報（特許４５３５９７９）
【特許文献２】ＷＯ２０１７／２１７４１５号公報
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】Robotec社のwebサイトhttp://www.robotec.tokyo/pc/uniservo_techinfo.html
【非特許文献２】Matthew M． Williamson著，「Series Elastic Actuators」，A．I． Technical Report No．１５２４，Massachusetts Institute of Technology，Artificial Intelligence Laboratory，1995年1月．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
トルクを制御できるサーボモーター装置は、高精度で使用感の良い遠隔手術システムや、安全・安心・低コストで利用でき、人間と同様な高速・俊敏な動作行うロボットの関節駆動への利用が期待されている。
【００２３】
しかし、小型、かつ、制御の容易な、トルク制御が可能なサーボモーター装置は、一般化されていない。
【００２４】
弾性体を使用しない非特許文献１に記載のトルク発生装置において、
・精密な電子制御が必要、
・目標トルクの急変に対し、出力トルクの高速追従が困難、
・電力消費が大きい、
・装置体積が大きく、形状もロボット関節には不向き、
といった解決すべき課題が見いだされた。
【００２５】
弾性体を使用する非特許文献２に記載の直列弾性アクチュエーター（Series Elastic Actuarors）において、
・装置体積が大きく、形状もロボット関節には不向き、
・弾性体捩じれ角の検出センサー位置が不適切で、検出精度が低い、
といった解決すべき課題が見いだされた。
【００２６】
弾性体を使用する特許文献１に記載の関節構造において、
・弾性部材の外周に配置される歪ゲージが、ウォームホイールと第１指部との角度変化を直接的に捉えるものではなく、弾性体角度変化の検出精度が低い、
・ウォームホイールと第１指部が弾性部材によって近接を妨げられる構造となっており、ウォームホイールと第１指部との角度変化を直接的に捉え難い構造である、
といった解決すべき課題が見いだされ、回転弾性部材の捩じれ回転角度が、高精度、堅牢かつ容易に検出できる構造が期待される。
【００２７】
トルクを発生する駆動装置を安定して駆動・運用するためには、
・出力軸の角度を出力する角度検出機構、
・出力軸の回転を安定制御するための、出力軸−装置基部間の回転ダンパー、
・出力軸の回転を安定制御するための、弾性体の両端間の回転ダンパー、
・低トルク出力および低トルク負荷時の出力軸角度を与える、中立バネ、
といった付加機構を軸周りに設置することも必要なので、この設置位置を確保することも課題となる。
【００２８】
したがって、本発明では、上記の課題を解決し、角度制御サーボモーターと置き換えることができる、トルクを制御できるサーボモーター装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
上記課題を解決する本発明は以下の通りである。
【００３０】
（１）装置基部と、前記装置基部に軸回転接続される被駆動軸と、
前記被駆動軸に軸回転接続される被駆動回転体と、前記装置基部に対し前記被駆動回転体を軸回転駆動する双方向回転駆動装置と前記被駆動軸と前記被駆動回転体とを捩れ弾性接続する弾性体と、前記弾性体の捩じれ量を検出する捩じれ検出機構と前記捩じれ検出機構により検出された前記捩じれ量と捩じれ量指示値とが一致するように前記双方向回転駆動装置を駆動制御する制御装置とから成り、捩じれ量指示値を目標として、前記被駆動回転体の回転角が回転駆動制御され、前記弾性体に捩じれ量が発生し、前記被駆動軸に駆動トルクが発生する駆動装置。
【００３１】
（２）前記弾性体の捩じれ量を検出する前記捩じれ検出機構が、
前記被駆動軸と前記被駆動回転体との相対角度変化量として検出する検出機構であることを特徴とする、上記（１）に記載の装置。
【００３２】
（３）前記捩じれ検出機構が、前記被駆動回転体を基準とし、前記弾性体と前記被駆動軸との接続位置の反対側に配置されることを特徴とする、上記（１）から（２）の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【００３３】
（４）前記弾性体が、他部品接触型の非線形性発生構造により、非線形弾性体として動作することを特徴とする、上記（１）から（３）の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【００３４】
（５）前記弾性体が、非線形弾性体であることを特徴とする、上記（１）から（４）の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【００３５】
（６）前記被駆動軸の回転を抑制するダンパーが、前記被駆動軸あるいは前記被駆動軸に固定される部品と、前記装置基部との両方に接続されることを特徴とする、上記（１）から（５）の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【００３６】
（７）前記被駆動軸の回転角度や回転速度などに関する回転状態検出機構が、前記被駆動軸あるいは前記被駆動軸に固定される部品と、前記装置基部との両方に接続されることを特徴とする、上記（１）から（６）の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【００３７】
（８）前記被駆動軸の回転を抑制するダンパーが、前記被駆動軸あるいは前記被駆動軸に固定される部品と、前記被駆動回転体との両方に接続されることを特徴とする、上記（１）から（７）の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【００３８】
（９）前記双方向回転駆動装置が、前記被駆動回転体に対して軸回転駆動動力を動力伝達する手段が、べベル歯車様歯車であることを特徴とする、上記（１）から（８）の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【００３９】
（１０）前記双方向回転駆動装置が、前記被駆動回転体に対して軸回転駆動動力を動力伝達する手段が、平ギヤ体であることを特徴とする、上記（１）から（８）の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【００４０】
（１１）前記双方向回転駆動装置が、前記被駆動回転体に対して軸回転駆動動力を動力伝達する手段が、ウォーム歯車であることを特徴とする、上記（１）から（８）の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【００４１】
（１２）前記双方向回転駆動装置が、前記被駆動回転体に対して軸回転駆動動力を動力伝達する手段が、ウォームとゼロリード角のウォームホイルであることを特徴とする、上記（１）から（８）の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【００４２】
（１３）前記被駆動回転体の回転駆動制御において、時間的制御パラメーターの調整により、前記捩じれ量指示値に対する前記被駆動回転体の回転追従性を遅らせ、前記被駆動軸に接続される先方部位に瞬間的にかかる反トルクが、前記弾性体に弾性エネルギーとして蓄えられ、続く時刻に、前記先方部位が前記弾性エネルギーにより高速なスナップ動作を得る、ことを特徴とする、上記（１）から（１２）の少なくともいずれか１つに記載の装置。
【００４３】
（１４）上記（１）から（１３）の少なくともいずれか１つに記載の装置、あるいは、駆動トルクを発生する装置、によりトルク駆動される機械と、前記機械と情報授受する装着ユニットとから成り、前記装着ユニットを装着する運動体が前記装着ユニットに対して与えた要求力値に応じて発生するトルクによる前記機械の駆動と、その駆動により生じた前記機械の位置変化に応じた前記装着ユニットの拘束運動による前記運動体の態勢変化と、
が同時に生じることによって成立する「三すくみ制御」により、前記機械と前記運動体とが互いにもう一方の力学的体験を体験できる、双方向力触覚伝達システム。
【００４４】
（１５）上記（１４）で記載した双方向力触覚伝達システムであって、前記機械が含む複数の関節の動作がリンク機構により関連付けられる特徴、ならびに、前記装着ユニットが含む複数の関節の動作がリンク機構により関連付けられる特徴、のうち、いずれか片方か両方を有する双方向力触覚伝達システム。
【００４５】
（１６）上記（１４）および（１５）の少なくともいずれか１つに記載の双方向力触覚伝達システムであって、前記機械の触覚部位の表面に温度センサーが設置され、上記（１）から（１３）の少なくともいずれか１つに記載の装置、あるいは、駆動トルクを発生する装置によるトルク駆動によって、接触荷重を制御された前記機械の前記触覚部位の荷重接触時表面温度を計測できることを特徴とする、接触温度情報獲得機能付き双方向力触覚伝達システム。
【００４６】
（１７）上記（１４）および（１５）の少なくともいずれか１つに記載の双方向力触覚伝達システムであって、前記機械の触覚部位と、それに相応する前記運動体の触覚部位との構成において、前記機械の触覚部位が、前記運動体の触覚部位の力学的・伝熱学的特性と同等の特性を有する素材で形成され、前記機械の触覚部位のコア温度が、断面中央に内蔵される加温・冷却装置により、前記運動体の触覚部位の内部温度と同等の温度に保たれ、
前記運動体の触覚部位の表面と接触するように、前記装着ユニットの内側に設置された加温・冷却体の加温・冷却制御によって、前記加温・冷却体の表面に突出設置された突出型温度センサーが計測する前記運動体の表面内温度と、前記機械の触覚部位の接触表面温度とが、同温度となるように制御されることを付加特徴とし、前記機械が外部環境から受ける接触温度感覚を前記運動体に対して再現し、前記運動体の温度環境を前記機械が外部に対して再現する、双方向接触温度・双方向力触覚伝達システム。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来技術に係るトルク出力制御モーター装置の内部構成図。
【図２】従来技術に係る非特許文献１からの引用図であり、直列弾性アクチュエーター（ＳＥＡ）の構造図。
【図３】従来技術に係る図２の構造を用い、長手方向に配置した被駆動軸を駆動した場合の構成の説明図。
【図４】従来技術に係る図２の構造を用い、平行に配置した被駆動軸を駆動させた場合の構成の説明図。
【図５】本発明の第１実施形態および第２実施形態に係る、垂直直交軸ギア列（べベルギアで図示）を使用した装置構造図。（Ａ)は、第１実施形態の断面図である。ただし、弾性体は実体表示されている。(Ｂ)は、第２実施形態の抜粋図であり、被駆動軸と弾性体とが直接接続される場合を説明する説明図である。
【図６】本発明の第３、第４および第５実施形態に係る、弾性体の種類と弾性体支持構造による、非線形出力を得る装置構造の説明図。（Ａ)は第３実施例を、(Ｂ)は第４実施例を、(Ｃ)は第５実施例を、それぞれ示す。
【図７】本発明の第６実施形態に係る、被駆動軸の制御に関する構造体の配置場所を説明する説明図。
【図８】本発明の第７、第８、第９および第１０実施形態に係る、内部ダンパーの配置方法に関するの説明図で、貫通軸ダンパーによる構成を示す。（Ａ)は第７実施形態を、(Ｂ)は第８実施形態を、(Ｃ)は第９実施形態を、（Ｄ)は第１０実施形態を、それぞれ示す。
【図９】本発明の第１１、第１２、第１３および第１４実施形態に係る、内部ダンパーの配置方法に関するの説明図で、非貫通軸ダンパーによる構成を示す。（Ａ)は第１１実施形態を、(Ｂ)は第１２実施形態を、(Ｃ)は第１３実施形態を、（Ｄ)は第１４実施形態を、それぞれ示す。
【図１０】本発明の第１５実施形態および第１６実施形態に係る、平行軸ギア列（平ギアで図示）を使用した装置構造図。（Ａ）は、第１５実施例である。（Ｂ)は、第１６実施例である。
【図１１】本発明の第１７実施形態に係る、直角ねじれ軸ギア列（ウォームギアで図示）を使用した装置構造図。（Ａ)は正面図（断面図）である。（Ｂ)は、被駆動回転体の駆動説明図である。（Ｃ)は、正面図（一部非断面）である。
【図１２】本発明の第１８実施形態に係る、ねじれ軸ギア列（傾斜軸ウォームとリード角ゼロのウォームホイールによるセルフロック機構で図示）を使用した装置構造図。（Ａ)は正面図（断面図）である。（Ｂ)は、被駆動回転体の駆動説明図である。（Ｃ)は、正面図（一部非断面）である。
【図１３】本発明の第２０実施形態に係る、遠隔ロボットと装着ユニットによる力触覚と温度環境の双方向伝達システムに関する、発明者により製作された遠隔ロボットの写真。
【図１４】本発明の第２１実施形態に係る、本発明の装置により指示された握力トルクを発生する遠隔ロボットの手部に関する、発明者によりの製作された遠隔ロボット部分の写真。（Ａ)は親指側から、（Ｂ)は掌側から、それぞれ撮影された、指部が開かれた状態の写真である。（Ｃ)は指部が中間位置の状態の写真である。
【図１５】本発明の第２１実施形態に係る、本発明の装置により指示された握力トルクを発生する遠隔ロボットの手部に関する、発明者によりの製作された遠隔ロボット部分の構造図。（Ａ)は、指部が開かれた状態を示す。（Ｂ)は、指部が閉じられ、指先で小物を把持できる状態を示す。
【図１６】本発明の第２１実施形態に係る、本発明の装置により指示された握力トルクを発生する遠隔ロボットの手部に関する、発明者によりの製作された遠隔ロボット部分の、トルク制御装置の詳細構造図。
【図１７】本発明の第２１実施形態に係る、本発明の装置により指示された握力トルクを発生する遠隔ロボットの手部に関する、発明者によりの製作された遠隔ロボット部分の、トルク制御装置の詳細写真。
【図１８】本発明の第２１実施形態に係る、力触覚と温度環境の双方向伝達システムにおいて、遠隔ロボットに搭載されたトルク制御装置にトルク指示値を送信し、かつ、遠隔ロボットの姿勢を操作者に伝える、発明者により製作された装着ユニットの写真。（Ａ)は親指側から、（Ｂ)は掌側から、それぞれ撮影された装着時の装着ユニットの写真である。（Ｃ)は、は掌側から撮影された、装着ユニット単体の写真である。
【図１９】本発明の第２２実施形態に係る、力触覚と温度環境の双方向伝達システムにおいて、遠隔ロボットに搭載されたトルク制御装置にトルク指示値を送信し、かつ、遠隔ロボットの姿勢を操作者に伝える、発明者に製作された装着ユニットの構造図。  （Ａ)は、指部が開かれた状態を示す。  （Ｂ)は、指部が閉じられ、指先で小物を把持できる状態を示す。
【図２０】本発明の第２２実施形態に係る、力触覚と温度環境の双方向伝達システムにおいて、力触覚の双方向伝達のための新制御方法を示す制御ブロック図。  （Ａ)は従来の力触覚の双方向伝達のための制御方法の制御ブロック図である。  （Ｂ)は本発明の力触覚の双方向伝達のための新制御方法「三すくみ制御」の制御ブロック図である。
【図２１】本発明の第２３実施形態に係る、力触覚と温度環境の双方向伝達システムにおいて、力触覚および温度環境の双方向伝達のための制御方法を示す制御ブロックおよび構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００４９】
「第１実施形態」。
【００５０】
図５は、本発明の第１実施形態を示す。
【００５１】
図５（Ａ）は、第１実施形態の断面図である。ただし弾性体３１８は実体表示されている。
【００５２】
本装置は、装置基部３２０からみて、被駆動軸３１４に所定のトルクを発生する、トルクサーボモーター装置である。
【００５３】
たとえば、ロボットの指部の開閉駆動装置として用いる場合、指定の握力で対象物を把持することができる手部関節駆動を提供することができる。
【００５４】
弱い握力を指定すれば、把持対象物をつぶすことなく、安全にやさしく把持することができ、人間との握手も、安全に行うことが可能となる。
反対に、指定握力を強めれば、対象物をかなり変形させることが可能となる。
【００５５】
同様に、指を開く方向へのトルク制御も可能である。
【００５６】
ロボットの指部の開閉駆動装置として用いる場合、通常、装置基部３２０を掌部に固定接続し、被駆動軸３１４に指部を固定接続して用いる。
【００５７】
本装置は、装置基部３２０が掌部として、また、被駆動軸３１４が関節軸としてそれぞれ使用され、設置対象のロボットの一部を構成するので、省スペースが実現できる。
【００５８】
構造と動作を以下に説明する。
【００５９】
まず、装置基部３２０の両端部に配置される左右２個の被駆動軸用ベアリング３２４によって、被駆動軸３１４が軸回転接続される。
【００６０】
この被駆動軸３１４には、被駆動回転体３１７が被駆動回転体用ベアリング３１６を介し、軸回転接続される。
【００６１】
被駆動回転体３１７には、駆動力伝達機構が設けられており、装置基部３２０に固定される減速ギヤ付き可逆転モーター３２３により、回転駆動される。
【００６２】
減速ギヤ付き可逆転モーター３２３は、本発明を通じて常に、回転方向が制御可能な、双方向回転駆動装置であればよい。
【００６３】
該当するモーター種類としては、直流モーター、三相交流モーター、ステッピングモーターなどが代表例として挙げられる。
【００６４】
また、減速ギヤ付き可逆転モーター３２３は、本発明を通じて常に、モーターの駆動トルクが十分であれば、減速ギヤ付きでなくともよいが、被駆動回転体３１７からの逆トルクによって出力軸３２２が誤回転してはならず、
（i）モーター３２３への動力制御により誤回転を防止する、
（ii）減速ギヤ付きモーターを使用し、そのセルフロック性により誤回転を防止する、
（iii）後述のように、駆動力伝達機構として、ウォームギヤを使用し、そのセルフロック性により誤回転を防止する、
（iv）後述のように、駆動力伝達機構として、ねじれ軸ギア列（傾斜軸ウォームとリード角ゼロのウォームホイール）を使用し、そのセルフロック性により誤回転を防止する、
などの実施形態が実施可能である。
【００６５】
上記(i)以外では、低消費電力性が得られる。
【００６６】
図５（Ａ）の第１実施形態では、駆動力伝達機構として、被駆動回転体３１７とギヤードモーター出力歯車３２１にべベルギヤが採用されている。
【００６７】
被駆動回転体３１７を回転駆動する駆動力伝達機構は、べベルギヤやウォームギアなどの歯車機構に限定されず、本発明を通じて常に、プーリー、チェーン・スプロケットやその他の伝達機構を用いてもよい。
【００６８】
被駆動軸３１４と被駆動回転体３１７とは、弾性体３１８により捩じれ弾性接続されている。
【００６９】
被駆動軸３１４と被駆動回転体３１７との相対角度を、弾性体捩じれ角センサー（３１０、３１１）によって計測し、弾性体の捩じれ量を検知する。
【００７０】
第１実施形態において、弾性体捩じれ角センサー（３１０、３１１）は、貫通軸型抵抗板式ポテンショメーター（ボリューム）であり、被駆動回転体３１７に設置される弾性体捩じれ角センサー(被駆動回転体側要素)３１０と被駆動軸３１４に固定されたセンサー固定座３１５に設置された弾性体捩じれ角センサー(被駆動軸側要素)３１１とで構成される。
【００７１】
弾性体捩じれ角センサー(被駆動回転体側要素)３１０はボリュームのブラシ部であり、
弾性体捩じれ角センサー(被駆動軸側要素)３１１は抵抗板である。
【００７２】
弾性体捩じれ角センサーは、本発明を通じて常に、被駆動軸３１４と被駆動回転体３１７の相対角度が得られるならば、いずれの形式でもよく、たとえば、光学式、磁気式、電磁式などの方式でも良い。
【００７３】
また、弾性体捩じれ角センサー(被駆動軸側要素)は、本発明を通じて常に、被駆動軸３１４の角度に追従して動作できればよく、センサー固定座３１５を介さずとも、被駆動軸３１４に直接接続されていても良い。
【００７４】
センサー固定座３１５および弾性体捩じれ角センサー（３１０、３１１）は、
第１実施形態では、被駆動回転体３１７からみて弾性体３１８の反対側に配置することで、センサーの２要素（３１０、３１１）を近距離に保つことができ、高安定・高精度に、被駆動軸３１４と被駆動回転体３１７との相対角度を検出することができる。
【００７５】
この相対角度は、弾性体の捩じれ量といえるが、弾性体の捩じれバネ定数を用いて、被駆動軸に発生する出力トルクが検出される。
【００７６】
本装置に与える捩じれ量指示値と、弾性体３１８の捩じれ量との差に応じて、減速ギヤ付き可逆転モーター３２３を駆動させる制御により、常に、弾性体３１８の捩じれ量を捩じれ量指示値に合致させておくことができ、被駆動軸３１４には、捩じれ量指示値に応じたトルクが発生する。
【００７７】
べベルギヤの採用により、軸方向に長く、体積の大きなモーター３２３を、装置基部３２０のほぼ中央に、関節軸（被駆動軸３１４）と同一平面かつ垂直に、設置することができ、ロボット関節の駆動装置として最適な構造が得られる。
【００７８】
すなわち、指関節、手首関節、ひじ関節といった多くの関節が、長手要素の端に、それに垂直な関節軸が存在するという特徴をもつので、べベルギヤの採用によって得られる、このモーター配置により、モーターを長手要素に内蔵して隠すことが可能となる。
【００７９】
なお、ベアリングは、円滑な回転を得るために使用する部品であるが、本発明を通じて常に、不要な場合は使用する必要はない。
【００８０】
本発明を通じて常に、もし、被駆動軸３１４と装置基部３２０が、２個の被駆動軸用ベアリング３２４から外に突出し、その突出し部分に十分な長さがある場合、上記の説明において、２個の被駆動軸用ベアリング３２４の間に配置される構造体群は、その突出した領域に配置することが可能である。
【００８１】
「第２実施形態」。
【００８２】
図５（Ｂ）に、第２実施形態の構造図を示すが、第１実施形態からの変更部位についてのみを抜粋して図示した。
【００８３】
図５（Ａ）では、弾性体３１８の一端は、弾性体固定座３１９などの部品を介して被駆動軸３１４に接続されていたが、本発明を通じて常に、図５（Ｂ）のように、被駆動軸３１４と弾性体３１８とは、直接接続されても良い。（第２実施形態）
【００８４】
「第３実施形態」。
【００８５】
図６（Ａ）に、第３実施形態の構造図を示す。
【００８６】
第１実施形態（図５（Ａ））ならびに第２実施形態（図５（Ｂ））でも記載した弾性体３１８の形式については、図６（Ａ）のように、線径および巻き間隔ピッチが一定の線形トーションバネでも良い。（第３実施形態）
【００８７】
本装置を人型ロボットの指関節の駆動に用いる場合、握る場合と開く場合とでは、異なったトルクの大きさやトルク発生特性が要求される。
【００８８】
すなわち、弾性体３１８の捩じれ角と発生トルクの関係が非線形である、非線形トルク発生機構を用いると良い。
【００８９】
それを実現する第１の方法は、線径および巻き間隔ピッチが一定の線形トーションバネを用いた場合であっても、図６（Ａ）の弾性体固定座３１９や被駆動回転体３１７のようなバネの内周部に近接する部位を有する他部品を用意し、
バネの捩じれが、バネ素線がその部品や被駆動軸３１４に巻きつく方向であれば、捩じれ角が増えるについてバネの有効長さが減り、捩じれバネ定数が大きくなる、といったような非線形弾性体機構が得られる。
【００９０】
バネの外周部に近接する部位を有する他部品を用意すれば、
バネの捩じれが、バネ素線が被駆動軸３１４からほどける方向であれば、捩じれ角が増えるについてバネの有効長さが減り、捩じれバネ定数が大きくなる、といったような非線形弾性体機構が得られる。
【００９１】
以上、言いまとめると、第１の方法は、線形弾性体が、他部品接触型の非線形性発生構造により、非線形弾性体として動作する機構であると言える。（第３実施形態）
【００９２】
「第４実施形態」。
【００９３】
図６（Ｂ）に、第４実施形態の構造図を示す。
【００９４】
弾性体３１８の捩じれ角と発生トルクの関係が非線形である、非線形トルク発生機構を実現するための、第２の方法は、弾性体３１８に、バネの長手方向に素線の線径が変化する、バネの長手方向に巻きピッチが変化する、といった非線形バネを用いる方法である。（第４実施形態）
【００９５】
「第５実施形態」。
【００９６】
図６（Ｃ）に、第５実施形態の構造図を示す。
【００９７】
弾性体３１８は、本発明を通じて常に、いかなる形状、いかなる素材でもよい。
【００９８】
形状については、弾性体３１８は、巻き線バネ形状でなくともよく、被駆動軸３１４を取り囲まなくてもよく、個数も、制限されない。
【００９９】
素材についも、金属やゴムなどに限定されない。
【０１００】
図６（Ｃ）では、ゴム素材の弾性体３１８の場合を図示した。（第５実施形態）
【０１０１】
「第６実施形態」。
【０１０２】
図７に、第６実施形態の説明図を示す。
【０１０３】
本装置において、制御安定性の向上や、制御状況のモニターのため、
被駆動軸３１８の回転を抑制して軸回転の安定性を得る回転抑制ダンパー、ならびに、
被駆動軸３１８の回転角度や回転速度などに関する回転状態検出機構を、
被駆動軸３１４あるいは被駆動軸３１４に固定される部品（例えば、弾性体固定座３１９、センサー固定座３１５）と、装置基部３２０とを連絡するように接続するとよい。（第６実施形態）
【０１０４】
具体的には、軸回転操作面（軸側）３１３と軸回転操作面（基部側）３１２とを連絡するように接続するとよい。
【０１０５】
図７には、回転抑制ダンパーならびに回転状態検出機構の設置場所の候補を、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤで示した。
【０１０６】
回転抑制ダンパーならびに回転状態検出機構は、一般的な軸タイプと、一般的ではない特殊な貫通軸タイプがある。
【０１０７】
ＡおよびＤに、回転抑制ダンパーならびに回転状態検出機構を設置する場合は、軸タイプならびに貫通軸タイプの両方が使用できる。
【０１０８】
ＢおよびＣに、回転抑制ダンパーならびに回転状態検出機構を設置する場合は、貫通軸タイプの使用が望ましいが、軸タイプのそれらを用いる場合は、被駆動軸３１４から離れた位置に設置し、軸と被駆動軸３１４との間を歯車などの伝達機構で連絡するとよい。
【０１０９】
「第７実施形態」。
【０１１０】
図８（Ａ）に、第７実施形態の構造図を示す。
【０１１１】
本装置において、制御理論に基づいた制御安定性の向上のため、
被駆動軸３１４あるいは被駆動軸３１４に固定される部品（例えば、固定座Ａ３２７、センサー固定座３１５）と、被駆動回転体３１７とを連絡するように、
内部回転抑制ダンパーを接続するとよい。
【０１１２】
具体的には、例えば、図８（Ａ）のように、弾性体３１８の有る側の、弾性体３１８の外部に、貫通軸ダンパーを配置するとよい。（第７実施形態）
【０１１３】
「第８実施形態」。
【０１１４】
図８（Ｂ）に、第８実施形態の構造図を示す。
【０１１５】
第７実施形態と同様の理由で、例えば、図８（Ｂ）のように、弾性体３１８の有る側の、弾性体３１８の外部でない場所に、貫通軸ダンパーを配置してもよい。（第８実施形態）
【０１１６】
「第９実施形態」。
【０１１７】
図８（Ｃ）に、第９実施形態の構造図を示す。
【０１１８】
第７実施形態と同様の理由で、例えば、図８（Ｃ）のように、弾性体３１８の無い側の、弾性体捩じれ角センサー（３１０、３１１）の外部に、貫通軸ダンパーを配置してもよい。（第９実施形態）
【０１１９】
「第１０実施形態」。
【０１２０】
図８（Ｄ）に、第１０実施形態の構造図を示す。
【０１２１】
第７実施形態と同様の理由で、例えば、図８（Ｄ）のように、弾性体３１８の無い側の、弾性体捩じれ角センサー（３１０、３１１）の外部でない場所に、貫通軸ダンパーを配置してもよい。（第１０実施形態）
【０１２２】
「第１１実施形態」。
【０１２３】
図９（Ａ）に、第１１実施形態の構造図を示す。
【０１２４】
第７実施形態と同様の理由で、例えば、図９（Ａ）のように、弾性体３１８の有る側に、歯車付き軸回転ダンパーを配置してもよい。
【０１２５】
ただし、ダンパー本体を被駆動回転体３１７に設置し、ダンパー軸の歯車は、歯車付固定座３３０の歯車にかみ合わせる。（第１１実施形態）
【０１２６】
このとき、弾性体３１８の一端は、歯車付固定座３３０または被駆動軸３１４に設置される。
【０１２７】
「第１２実施形態」。
【０１２８】
図９（Ｂ）に、第１２実施形態の構造図を示す。
【０１２９】
第７実施形態と同様の理由で、例えば、図９（Ｂ）のように、弾性体３１８の無い側に、歯車付き軸回転ダンパーを配置してもよい。
【０１３０】
ただし、ダンパー本体を被駆動回転体３１７に設置し、ダンパー軸の歯車は、歯車付固定座３３０の歯車にかみ合わせる。（第１２実施形態）
【０１３１】
このとき、弾性体捩じれ角センサー（被駆動軸側要素）３１１は、歯車付固定座３３０または被駆動軸３１４に設置される。
【０１３２】
「第１３実施形態」。
【０１３３】
図９（Ｃ）に、第１３実施形態の構造図を示す。
【０１３４】
図９（Ｃ）では、後述する、平歯車によって被駆動回転体３１７を駆動する形式の構造を図示した。
【０１３５】
第１１実施形態ならびに第１２実施形態では、歯車付固定座３３０および被駆動回転体３１７の両方に歯車を必要としたが、第１３実施形態では、これら被駆動回転体３１７の歯車に統一されている。
【０１３６】
図９（Ｃ）のように、弾性体３１８の有る側に、歯車付き軸回転ダンパーを配置する。
【０１３７】
ただし、ダンパー本体を固定座Ａ３２７に設置し、ダンパー軸の歯車は、被駆動回転体の歯車にかみ合わせる。（第１３実施形態）
【０１３８】
このとき、弾性体３１８の一端は、固定座Ａ３２７または被駆動軸３１４に設置される。
【０１３９】
「第１４実施形態」。
【０１４０】
図９（Ｄ）に、第１４実施形態の構造図を示す。
【０１４１】
図９（Ｄ）では、第１３実施形態と同様、後述する、平歯車によって被駆動回転体３１７を駆動する形式の構造を図示した。
【０１４２】
図９（Ｄ）のように、弾性体３１８の無い側に、歯車付き軸回転ダンパーを配置する。
【０１４３】
ただし、ダンパー本体を固定座Ｂ３２８に設置し、ダンパー軸の歯車は、被駆動回転体の歯車にかみ合わせる。（第１４実施形態）
【０１４４】
このとき、弾性体３１８の一端は、固定座Ａ３２７または被駆動軸３１４に設置される。
【０１４５】
「第１５実施形態」。
【０１４６】
図１０（Ａ）に、第１５実施形態の構造図を示す。
【０１４７】
すでに述べたように、被駆動回転体３１７を回転駆動する駆動力伝達機構は、べベルギヤおよびその他の歯車機構に限定されず、本発明を通じて常に、プーリー、チェーン・スプロケットやその他の伝達機構を用いてもよい。
【０１４８】
図１０（Ａ）に図示した第１５実施形態の構造において、被駆動回転体３１７を回転駆動する駆動力伝達機構は、平歯車が採用されている。（第１５実施形態）
【０１４９】
ただし、ここで、平歯車とは、入力軸および出力軸が平行となる平ギヤ体を意味し、直歯平歯車、はす歯平歯車、山場歯車などに代表される。
【０１５０】
「第１６実施形態」。
【０１５１】
図１０（Ｂ）に、第１６実施形態の構造図を示す。
【０１５２】
弾性体捩じれ角センサー（３１０、３１１）は、被駆動回転体３１７を回転駆動する駆動力伝達機構の種類によっては、図１０（Ｂ）のように、弾性体３１８側に設置することができる。
【０１５３】
ここでは、弾性体捩じれ角センサー（３１０、３１１）を、弾性体３１８の外側に設置した例を示した。（第１６実施形態）
【０１５４】
ただし、弾性体捩じれ角センサー（３１０、３１１）を、弾性体３１８側に設置する場合は、弾性体捩じれ角センサー（３１０、３１１）の長さが長くなり、捩じれ角の計測精度が低下するので、注意を要する。
【０１５５】
「第１７実施形態」。
【０１５６】
図１１に、第１７実施形態の構造図を示す。
【０１５７】
すでに述べたように、被駆動回転体３１７を回転駆動する駆動力伝達機構は、べベルギヤおよびその他の歯車機構に限定されず、本発明を通じて常に、プーリー、チェーン・スプロケットやその他の伝達機構を用いてもよい。
【０１５８】
図１１に図示した第１７実施形態の構造において、被駆動回転体３１７を回転駆動する駆動力伝達機構は、ウォームとウォームホイールが採用されている。（第１７実施形態）
【０１５９】
ウォームとウォームホイールによる駆動力伝達機構は、セルフロック性が比較的強いので、被駆動回転体３１７に掛かるトルクによりモーター出力軸３２２が誤回転することを避けることができ、省エネルギーを実現できる。
【０１６０】
「第１８実施形態」。
【０１６１】
図１２に、第１８実施形態の構造図を示す。
【０１６２】
すでに述べたように、被駆動回転体３１７を回転駆動する駆動力伝達機構は、べベルギヤおよびその他の歯車機構に限定されず、本発明を通じて常に、プーリー、チェーン・スプロケットやその他の伝達機構を用いてもよい。
【０１６３】
図１２に図示した第１８実施形態の構造において、被駆動回転体３１７を回転駆動する駆動力伝達機構は、ウォームとゼロリード角のウォームホイルが採用されている。（第１８実施形態）
【０１６４】
ウォームとゼロリード角のウォームホイールによる駆動力伝達機構は、第１７実施形態で採用した通常のウォームギヤよりセルフロック性が強いので、被駆動回転体３１７に掛かるトルクによりモーター出力軸３２２が誤回転することを、より一層、避けることができ、極めて優秀な省エネルギー性を実現できる。
【０１６５】
「第１９実施形態」。
【０１６６】
図５を説明図として第１９実施形態の説明を以下に行う。
【０１６７】
被駆動回転体３１７の回転駆動制御を行う場合、
時間的制御パラメーターの調整によって、
捩じれ量指示値に対する被駆動回転体３１７の回転追従性を遅らせれば、
被駆動軸３１４に接続される先方部位に瞬間的にかかる反トルクが、
弾性体３１８に弾性エネルギーとして蓄えられ、
つぎの瞬間に、その先方部位が弾性エネルギーによって高速な動作を得ることができる。
【０１６８】
この動作を「スナップ動作」と呼ぶ。
【０１６９】
例えば、本装置を指関節に用い、ボールを指先で投げる場合を考えると、被駆動軸３１４に接続される先方部位である指部にボールを握らせ、本装置を搭載する掌部を加速・減速させると、指にボールからの反力トルクがかかり、弾性体３１８が捩じられ、弾性エネルギーが蓄えられ、つぎの瞬間に、弾性エネルギーによって指とボールが高速に加速され、ボールが高速に放出される。
【０１７０】
「スナップ動作」を実現する技術は、ロボットの駆動制御において、「人間らしさ」、高効率性、俊敏性、高速性において非常に重要であり、実現が熱望されている最新技術である。
【０１７１】
「第２０実施形態」。
【０１７２】
図１３に、本発明の双方向接触温度・双方向力触覚伝達システムのうち、発明者が製作した遠隔ロボットアームの写真を示す。（第２０実施形態）
【０１７３】
「第２１実施形態」。
【０１７４】
図１４から図１９まで、本発明の双方向力触覚伝達システムに関する構造図および写真を示す。
【０１７５】
第２１実施形態である双方向力触覚伝達システムは、以下のように説明できる。
【０１７６】
上記（１）から（１３）の少なくともいずれか１つに記載の装置、あるいは、駆動トルクを発生する装置、によりトルク駆動される機械と、前記機械と情報授受する装着ユニットとから成り、前記装着ユニットを装着する運動体が前記装着ユニットに対して与えた要求力値に応じて発生するトルクによる前記機械の駆動と、その駆動により生じた前記機械の位置変化に応じた前記装着ユニットの拘束運動による前記運動体の態勢変化と、が同時に生じることによって成立する「三すくみ制御」により、前記機械と前記運動体とが互いにもう一方の力学的体験を体験できる、双方向力触覚伝達システム。
【０１７７】
ここで、図１４から図１９までの図において、機械は、ロボット・アームおよびロボットハンドであり、図１４〜１７に図示され、装着ユニットは、図１８〜図１９に図示される。
【０１７８】
機械（ロボットハンド、図１４〜図１６）は、それが含む複数の関節（主として指関節）の動作がリンク機構により関連付けられ、人間の手指の把持時の動作を模擬できる。
【０１７９】
また、装着ユニット（図１８および図１９）が含む複数の関節（指部に対する枠）の動作がリンク機構により関連付けられ、装着する人間の手指の把持動作が適切に違和感なく動作できるように設計された。
【０１８０】
このようなリンク機構によって、親指を含む手指による多自由度な把持動作が１自由度にまとめ上げられ、極めて簡単な制御で人間らしい動作が実現される。
【０１８１】
なお、運動体とは、動くものすべてが該当する。
【０１８２】
たとえば、人間はもちろん、ペットなどの生物（動物、鳥類、魚類、爬虫類）、ロボット・機械も含まれる。
【０１８３】
図１６および図１７は、ロボットハンド（図１４および図１５）の指関節のトルク制御駆動のために、ロボットハンドの掌部に搭載された、本発明のトルク制御の可能なサーボモーター装置である。
【０１８４】
図１６は構造図であり、図１７は発明者が製作した装置の写真である。
【０１８５】
この装置の構造は、ほぼ図５および図７の構造と同じであり、装置基部３２０と被駆動軸３１４の間の回転抑制ダンパーが図７のＡの部位に、装置基部３２０に対する被駆動軸３１４の回転角度の検出装置が図７のＤに、それぞれ搭載されている。
【０１８６】
図１４、図１５、図１７には、親指関節軸が被駆動軸４０１の回転とともに回転駆動される機構も記載されている。
【０１８７】
図５、図７および図１６における対応する部品番号と部品名を下記に記載する。
【０１８８】
４０１：被駆動軸                    ＝  ３１４：被駆動軸
４０２：被駆動軸支持ベアリング      ＝  ３２４：被駆動軸用ベアリング
４０３：被駆動回転体支持ベアリング  ＝  ３１６：被駆動回転体用ベアリング
４０６：バネ固定座                  ＝  ３１９：弾性体固定座
４０８：非線形トーションばね構造    ＝  ３１８：弾性体
４０９：ギヤードモーター出力歯車    ＝  ３２１：ギヤードモーター出力歯車
４１０：減速ギヤ付き可逆転モーター  ＝  ３２３：減速ギヤ付き可逆転モーター
４１１：手部基部                    ＝  ３２０：装置基部
４１２：被駆動回転体                ＝  ３１７：被駆動回転体
４１３：ばね捩じれ角検知用貫通軸ポテンショメーター(ブラシ部)
＝  ３１０：弾性体捩じれ角センサー(被駆動回転体側要素)  
４１４：ばね捩じれ角検出用貫通軸ポテンショメーター(抵抗板部)
＝  ３１１：弾性体捩じれ角センサー(被駆動軸側要素)、  
４１５：センサー固定座              ＝  ３１５：センサー固定座
【０１８９】
「第２２実施形態」。
【０１９０】
図２０に、「三すくみ制御」について図示する。
【０１９１】
図２０（Ａ）は、従来の力触覚の遠隔双方向制御のブロック図である。（第２２実施形態）
【０１９２】
このブロック図には、必要な要素である、遠隔機械、運動体（オペレーター）、装着ユニットの全ては、陽に示されておらす、不完全である。
【０１９３】
図２０（Ｂ）は、「三すくみ制御」のブロック図である。
【０１９４】
「三すくみ制御」（発明者の造語）では、
装着ユニットを装着する運動体が、装着ユニットに対して与えた要求力値に応じて発生するトルクによる機械の駆動と、
その駆動により生じた機械の位置変化に応じた装着ユニットの拘束運動による運動体の態勢変化と、
が同時に生じることによって成立する。
【０１９５】
「三すくみ制御」では、遠隔機械、運動体（オペレーター）、装着ユニットの３者が、「三すくみ」で安定し、その安定が崩れると、次の安定状態に遷移して、動作が行われる。
【０１９６】
「第２３実施形態」。
【０１９７】
図２１に、双方向接触温度・双方向力触覚伝達システムについて構造の説明図を図示する。
【０１９８】
このシステムの接触温度情報獲得の基本となるのは、以下の新技術である。
【０１９９】
上記（１４）および（１５）の少なくともいずれか１つに記載の双方向力触覚伝達システムであって、前記機械の触覚部位の表面に温度センサーが設置され、上記（１）から（１３）の少なくともいずれか１つに記載の装置、あるいは、駆動トルクを発生する装置によるトルク駆動によって、接触荷重を制御された前記機械の前記触覚部位の荷重接触時表面温度を計測できることを特徴とする、接触温度情報獲得機能付き双方向力触覚伝達システム。
【０２００】
さらに、双方向接触温度・双方向力触覚伝達システムについて、図２１を用いて具体的に述べると以下の説明となる。
【０２０１】
上記（１４）および（１５）の少なくともいずれか１つに記載の双方向力触覚伝達システムであって、前記機械の触覚部位と、それに相応する前記運動体の触覚部位との構成において、前記機械の触覚部位が、前記運動体の触覚部位の力学的・伝熱学的特性と同等の特性を有する素材で形成され、前記機械の触覚部位のコア温度が、断面中央に内蔵される加温・冷却装置により、前記運動体の触覚部位の内部温度と同等の温度に保たれ、前記運動体の触覚部位の表面と接触するように、前記装着ユニットの内側に設置された加温・冷却体の加温・冷却制御によって、前記加温・冷却体の表面に突出設置された突出型温度センサーが計測する前記運動体の表面内温度と、前記機械の触覚部位の接触表面温度とが、
同温度となるように制御されることを付加特徴とし、前記機械が外部環境から受ける接触温度感覚を前記運動体に対して再現し、前記運動体の温度環境を前記機械が外部に対して再現する、双方向接触温度・双方向力触覚伝達システム。
【０２０２】
ここで、図２１において、
機械とは、遠隔地にあるロボットをさし、図ではロボットの触覚部が図示されている。
【０２０３】
また、運動体とは、オペレーター（人間）であるが、動くものすべてが該当し、人間はもちろん、ペットなどの生物（動物、鳥類、魚類、爬虫類）、ロボット・機械も含まれるが、図では、操作側にあるオペレーター（人間）の指の触覚部７２２が図示されている。
【０２０４】
ロボットの触覚部は、柔らかさなどの力学的性質や、熱伝達率や比熱などの伝熱学的特性が、オペレーターの触覚部と同等の素材（例えば、エラストマー材７１５）で製作され、ロボット触覚部のコア温度が、断面中央に内蔵される加温・冷却装置（７１６、７１７、７１８、７１９）により、オペレーター指断面７２２のコア温度と同等の温度に保たれ、
外部環境に対応したロボット触覚部の表面温度が、自動的に達成される。
【０２０５】
一方で、オペレーターの触覚部の表面温度は、加温・冷却体（７２３）の表面に突出設置された突出型温度センサー７２８により計測されるが、同時に、オペレーターの触覚部位の表面と接触するように、装着ユニット７２６の内側に設置された加温・冷却体（７２３、７２４）によっても加温・冷却制御される。
【０２０６】
ロボット触覚部の表面温度と、オペレーター触覚部の表面温度とが、同温度となるように、加温・冷却体（７２３、７２４）により加温・冷却制御することで、オペレーター指部は、荷重接触や風などの外部環境下のロボット触覚部の表面温度を感知し、逆に、ロボット触覚部の表面温度は、オペレーター指部の環境も受けた環境下でのオペレーター表面温度を再現し、外部環境に対して感知させることができる。
【０２０７】
力触覚的な双方向性も同時に成立するシステムである。
【符号の説明】
【０２０８】
１０１：ステータ（電磁石）、    １０２：減速機、    １０３：トルク計、
１０４：出力軸、                １０５：ロータ、    １０６：永久磁石、  
１０７：ロータリエンコーダ、
２０１：エンコーダー、                ２０２：減速ギヤ付きモーター、  
２０３：ポテンショメーター支持具、    ２０４：バネ、  
２０５：出力軸管ベアリング、          ２０６：ポテンショメーター、
２０７：アクチュエーター出力、        ２０８：出力面板、
２０９：出力面板延長筒、              ２１０：出力板延面、
２１１：被駆動軸、                    ２１２：被駆動軸用ベアリング、
２１３：伝達ギヤ、                    ２１４：出力軸管、  
３１０：弾性体捩じれ角センサー(被駆動回転体側要素)、  
３１１：弾性体捩じれ角センサー(被駆動軸側要素)、  
３１２：軸回転操作面(基部側)、        ３１３：軸回転操作面(軸側)、
３１４：被駆動軸、                    ３１５：センサー固定座、
３１６：被駆動回転体用ベアリング、    ３１７：被駆動回転体、
３１８：弾性体、                      ３１９：弾性体固定座、      
３２０：装置基部、                    ３２１：ギヤードモーター出力歯車、  
３２２：ギヤードモーター出力軸、      ３２３：減速ギヤ付き可逆転モーター、
３２４：被駆動軸用ベアリング、        ３２５：ギヤードモーター出力ウォーム、  
３２６：貫通軸ダンパー                ３２７：固定座Ａ
３２８：固定座Ｂ                      ３２９：歯車付軸回転ダンパー
４０１：被駆動軸、                    ４０２：被駆動軸支持ベアリング、  
４０３：被駆動体支持ベアリング、      ４０４：指部、    
４０６：バネ固定座、                  ４０７：ダンパー、  
４０８：非線形トーションばね構造、    ４０９：ギヤードモーター出力歯車、  
４１０：減速ギヤ付き可逆転モーター、  ４１１：手部基部、  
４１２：被駆動回転体、  
４１３：ばね捩じれ角検知用貫通軸ポテンショメーター(ブラシ部)、  
４１４：ばね捩じれ角検出用貫通軸ポテンショメーター(抵抗板部)、  
４１５：センサー固定座、              ４１６：被駆動軸角度センサー、  
４１７：被駆動軸角度センサー取付具、  ４２０：第１関節軸、
４２１：第２関節軸、                  ４２２：第１節、      
４２３：第２節、                      ４２４：第３節、  
４２６：第１節対第３節リンク、        ４２７：第２節対手掌リンク、  
４２９：親指部、                      ４３０：温度環境測温システム、  
５０１：位置サーボモーター、          ５０３：第２関節軸、
５０４：第１関節軸、                  ５０５：第１節握力センサー、
５０６：第２節握力センサー、          ５０７：第１節枠、  
５０８：第２節枠、                    ５０９：第３節枠、  
５１０：掌部受枠、                    ５１１：親指軸軸受、  
５１２：被駆動軸駆動歯車、            ５１３：親指軸、  
５１４：第３関節軸、                  ５１５：被駆動軸、  
５１６：開力センサー、                ５１７：操作者手部イメージ、  
５２０：第１節対第３節リンク、        ５２１：第２節対手掌リンク、  
７１０：トルクサーボ装置、            ７１１：電源、  
７１２：温度センサーアンプ、          ７１３：表面温度センサー、
７１４：表面保護シート、              ７１５：エラストマー材、  
７１６：ヒーター、                    ７１７：サーモスタットＩＣ、
７１８：温度設定抵抗素子、            ７１９：パワーＦＥＴ、
７２０：電源、                        ７２１：ヒーター制御用パワーアンプ、  
７２２：オペレーター指断面、          ７２３：ヒーター、
７２４：冷却装置、                    ７２５：位置サーボ装置、
７２６：力学センサー、                ７２７：装着ユニット、  
７２８：突出型温度センサー、          ７２９：温度センサーアンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2020196091.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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