(57)【要約】【課題】本発明は、力覚を提示するためのセンサを不要とし、力覚を適切に提示することができる力覚提示装置および力覚提示方法を提供する。【解決手段】本発明の力覚提示装置は、変位可能な変位部材を含み変位部分を外部から観察可能な機構と、前記変位部材を所定の硬さに制御する硬さ制御部とを備える。このような力覚提示装置では、変位部材が所定の硬さに制御された制御下で、外力が作用することによって変位部材が変位するので、その変位量は、外力の大きさに対応することになり、上記力覚提示装置は、より適切に力覚を提示することができる。したがって、このような力覚提示装置は、力覚を提示するためのセンサを必要とすることなく、力覚を適切に提示することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位可能な変位部材を含み変位部分を外部から観察可能な機構と、
前記変位部材を所定の硬さに制御する硬さ制御部とを備えること
を特徴とする力覚提示装置。
【請求項２】
前記変位部材に既知の外力を作用させる外力作用部をさらに備えること
を特徴とする請求項１に記載の力覚提示装置。
【請求項３】
生体における所定の部位の力みを測定する力み測定部と、
前記力みと前記変位部材の硬さとの対応関係を示す力み硬さ特性を記憶する力み硬さ特性記憶部とをさらに備え、
前記硬さ制御部は、前記力み硬さ特性から求められる、前記力み測定部で測定された力みに対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御すること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の力覚提示装置。
【請求項４】
前記機構は、医療に用いられる医療用機器を含む医療用機器部と、一方端を前記医療用機器部に連結し所定の自由度を持つ関節部と、前記関節部の他方端に連結し前記関節部を支持する支持部とを備える医療用マニピュレータであること
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
【請求項５】
表示画面に表示を行う表示部と、
錘を模した錘絵図と、変位部分を含み前記錘を支持する支持部材を模した支持絵図とを前記表示部に表示させる表示制御部と、
前記表示画面上に配設されたタッチパネルと、
前記タッチパネルから入力された押圧力と前記変位部分の硬さとの対応関係を示す押圧力硬さ特性を記憶する押圧力硬さ特性記憶部とを備え、
前記表示制御部は、前記押圧力硬さ特性から求められる、前記タッチパネルから入力された押圧力に対応した前記変位部分の硬さで、前記変位部分を変位させて前記支持絵図を前記表示部に表示させること
を特徴とする力覚提示装置。
【請求項６】
生体の所定の運動に関与する筋肉の活動電位による筋電信号を測定する筋電信号測定工程と、
変位可能な変位部材を含み変位部分を外部から観察可能な機構における前記変位部材を所定の硬さに制御する硬さ制御工程と、
前記筋電信号と前記変位部材の硬さとの対応関係を示す筋電信号硬さ特性を筋電信号硬さ特性記憶部に記憶する筋電信号硬さ特性記憶工程とを備え、
前記硬さ制御工程は、前記筋電信号硬さ特性から求められる、前記筋電信号測定工程で測定された筋電信号に対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御すること
を特徴とする力覚提示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位可能な変位部材に作用した外力の大きさを提示する力覚提示装置および力覚提示方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間が行う作業を置き換えたい場合、特に前記作業が人間の入れない場所である場合、近年、ロボットの活用が進展してきている。このロボットの１つに、例えば鉗子マニピュレータを備えた鉗子ロボット等の医療用ロボットが知られている。この医療用ロボットには、生体組織を不必要に傷つけない安全性が要求されており、医療用ロボットの操作者（オペレータ、ユーザ）に力覚の提示が有効である。前記操作者への力覚のフィードバックは、例えば臓器等の生体組織にかかる負荷力を低減し、生体組織の損傷を防止または低減できる。
【０００３】
このような力覚の提示を可能にした技術は、例えば、非特許文献１に開示されている。この非特許文献１に開示の技術は、鉗子先端部に２つの歪みゲージを取り付け、鉗子駆動部に３軸の力センサおよび把持力計測用の力センサをそれぞれ取り付けることによって並進成分３自由度と把持１自由度との力覚の提示を可能にしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｐｈｏｎｇｓａｅｎ  Ｐｉｔａｋｗａｔｃｈａｒａ，Ｓｈｉｎｉｃｈｉ  Ｗａｒｉｓａｗａ，  ａｎｄ  Ｍａｍｏｒｕ  Ｍｉｔｓｕｉｓｈｉ．Ｆｏｒｃｅ  ｆｅｅｄｂａｃｋ  ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｍｏｄｅｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｌａｐａｒｏｓｃｏｐｉｃ  ｍｉｎｉｍａｌ  ｉｎｖａｓｉｖｅ  ｔｅｌｅｓｕｒｇｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ．ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，  Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．４，ｐｐ．４４７−４５４，２００７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記非特許文献１に開示の技術では、力覚を提示するために、歪みゲージや力センサ等のセンサが必要である。このため、センサを取り付けるスペースをロボットに確保する必要がある。特に、医療用ロボットの中でも手術用ロボットのように、もともとサイズの小さい装置では、取り付けスペースの確保が難しい。
【０００６】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、力覚を提示するためのセンサを不要とし、力覚を適切に提示することができる力覚提示装置および力覚提示方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる力覚提示装置は、変位可能な変位部材を含み変位部分を外部から観察可能な機構と、前記変位部材を所定の硬さに制御する硬さ制御部とを備えることを特徴とする。
【０００８】
このような力覚提示装置は、変位部材に外力が作用すると前記外力に応じて前記変位部材が変位する。このため、ユーザは、前記変位部材の変位量を観察することで、擬似力覚により、前記変位部材に作用した前記外力の大きさを認識することができる。したがって、このような力覚提示装置は、力覚を提示するためのセンサを必要としない。擬似力覚とは、例えば視覚や振動刺激等の力覚とは異なる知覚で生じる力覚の錯覚である。ここで、或る所定の第１硬さの変位部材に或る所定の第１外力が作用した場合における前記変位部材の第１変位量と、前記第１硬さと異なる第２硬さの変位部材に同じ大きさの前記第１外力が作用した場合における前記変位部材の第２変位量とは、異なる。このように変位部材の変位量は、位置に比例する項と速度に比例する項とから求められる前記変位部材のインピーダンス（粘弾性）に依存する。ここで、前記速度に比例する項を一定とすると、前記変位部材の変位は、前記変位部材の硬さに依存することになる。そして、上記力覚提示装置では、変位部材の硬さは、硬さ制御部によって制御されている。したがった、上記力覚提示装置では、変位部材が所定の硬さに制御された制御下で、外力が作用することによって変位部材が変位するので、その変位量は、外力の大きさに対応することになり、上記力覚提示装置は、より適切に力覚を提示することができる。したがって、このような力覚提示装置は、力覚を提示するためのセンサを必要とすることなく、力覚を適切に提示することができる。
【０００９】
また、他の一態様では、上述の力覚提示装置において、前記変位部材に既知の外力を作用させる外力作用部をさらに備えることを特徴とする。
【００１０】
このような力覚提示装置は、前記外力作用部によって前記変位部材に既知の外力を作用させ、ユーザに前記変位部材の変位量を観察させることができる。これによってユーザは、外力の大きさと変位量との関係を学習することができる。このため、このような力覚提示装置は、ユーザにより正確な力覚を提示することができる。
【００１１】
また、他の一態様では、上述の力覚提示装置において、生体における所定の部位の力みを測定する力み測定部と、前記力みと前記変位部材の硬さとの対応関係を示す力み硬さ特性を記憶する力み硬さ特性記憶部とをさらに備え、前記硬さ制御部は、前記力み硬さ特性から求められる、前記力み測定部で測定された力みに対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御することを特徴とする。そして、好ましくは、前記力み測定部は、前記所定の部位に関与する筋肉の活動電位による筋電信号を測定する筋電信号測定部であり、前記力み硬さ特性記憶部は、前記筋電信号と前記変位部材の硬さとの対応関係を示す筋電信号硬さ特性を記憶する筋電信号硬さ特性記憶部であり、前記硬さ制御部は、前記筋電信号硬さ特性から求められる、前記筋電信号測定部で測定された筋電信号に対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御するものである。また、好ましくは、前記力み測定部は、前記所定の部位に関与する筋肉の活動電位による筋電信号を測定し、前記測定した筋電信号に基づく擬似張力を測定する擬似張力測定部であり、前記力み硬さ特性記憶部は、前記擬似張力と前記変位部材の硬さとの対応関係を示す擬似張力硬さ特性を記憶する擬似張力硬さ特性記憶部であり、前記硬さ制御部は、前記擬似張力硬さ特性から求められる、前記擬似張力測定部で測定された擬似張力に対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御するものである。
【００１２】
人間の力覚感度は、周囲の環境だけでなく、その人自身の状態によっても影響される。その一つに、生体の部位に入れられる力の入れ具合である力みによって力覚感度が低下し、例えば手を力んで強く握り込んだ状態では、力覚感度が低下する。このような生体部位の力みは、例えば筋電信号によって測定できる。また例えば、力センサによって測定できる。上記力覚提示装置では、ユーザの前記力みに対応した前記変位部材の硬さで前記変位部材が制御される。すなわち、上記力覚提示装置では、生体における所定の部位の力みに対応した生体部位の硬さに前記変位部材の硬さが制御される。したがって、上記力覚提示装置は、ユーザにおける所定部位の力み具合に合わせて力覚を提示できるので、ユーザにより正確な力覚を提示することができる。
【００１３】
また、他の一態様では、上述の力覚提示装置において、前記機構は、医療に用いられる医療用機器を含む医療用機器部と、一方端を前記医療用機器部に連結し所定の自由度を持つ関節部と、前記関節部の他方端に連結し前記関節部を支持する支持部とを備える医療用マニピュレータであることを特徴とする。
【００１４】
これによれば、医療用マニピュレータで力覚提示装置を実現できる。
【００１５】
また、一態様にかかる力覚提示装置は、表示画面に表示を行う表示部と、錘を模した錘絵図と、変位部分を含み前記錘を支持する支持部材を模した支持絵図とを前記表示部に表示させる表示制御部と、前記表示画面上に配設されたタッチパネルと、前記タッチパネルから入力された押圧力と前記変位部分の硬さとの対応関係を示す押圧力硬さ特性を記憶する押圧力硬さ特性記憶部とを備え、前記表示制御部は、前記押圧力硬さ特性から求められる、前記タッチパネルから入力された押圧力に対応した前記変位部分の硬さで、前記変位部分を変位させて前記支持絵図を前記表示部に表示させることを特徴とする。
【００１６】
このような力覚提示装置では、ユーザは、前記変位部材の変位量を観察することで、前記変位部材に作用した外力の大きさを認識することができる。
【００１７】
また、一態様にかかる力覚提示方法は、生体の所定の運動に関与する筋肉の活動電位による筋電信号を測定する筋電信号測定工程と、変位可能な変位部材を含み変位部分を外部から観察可能な機構における前記変位部材を所定の硬さに制御する硬さ制御工程と、前記筋電信号と前記変位部材の硬さとの対応関係を示す筋電信号硬さ特性を筋電信号硬さ特性記憶部に記憶する筋電信号硬さ特性記憶工程とを備え、前記硬さ制御工程は、前記筋電信号硬さ特性から求められる、前記筋電信号測定工程で測定された筋電信号に対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御することを特徴とする。
【００１８】
このような力覚提示方法では、前記変位部材が所定の硬さに制御された制御下で、前記変位部材に外力が作用すると、前記外力に応じて前記変位部材が変位する。このため、ユーザは、前記変位部材の変位量を観察することで、擬似力覚により、前記変位部材に作用した外力の大きさを認識することができる。したがって、このような力覚提示方法は、力覚を提示するためのセンサを必要とすることなく、力覚を適切に提示することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明にかかる力覚提示装置および力覚提示方法は、力覚を提示するためのセンサを必要とすることなく、力覚を適切に提示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態における医療用マニピュレータを用いた力覚提示装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の力覚提示装置における前記医療用マニピュレータの各部を拡大した部分拡大図である。
【図３】第１実施形態の力覚提示装置に外力を与える様子を図である。
【図４】第１実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚の様子およびその力覚の学習の様子を示す図である。
【図５】第１実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚を参照しながら、前記力覚提示装置に目標外力を与える実験の実験結果を示す図である。
【図６】不感帯を考慮した場合における、第１実施形態の力覚提示装置に与える外力と変形量との関係を示す図である。
【図７】不感帯を考慮した場合における、第１実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚を参照しながら、前記力覚提示装置に目標外力を与える実験の実験結果を示す図である。
【図８】第２実施形態の力覚提示装置における筋電信号測定部の外観を示す図である。
【図９】第２実施形態の力覚提示装置における前記医療用マニピュレータの様子を示す図である。
【図１０】第２実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚を参照しながら、前記力覚提示装置に目標外力を与える実験の実験結果を示す図である。
【図１１】第３実施形態における力覚提示装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００２２】
（第１実施形態）
図１は、実施形態における医療用マニピュレータを用いた力覚提示装置の構成を示す図である。図２は、第１実施形態の力覚提示装置における前記医療用マニピュレータの各部を拡大した部分拡大図である。図２（Ａ）は、医療用マニピュレータの先端部分の拡大図であり、図２（Ｂ）は、関節部分の拡大図であり、そして、図２（Ｃ）は、支持部材の拡大図である。
【００２３】
本実施形態における力覚提示装置Ｓは、変位可能な変位部材を含み変位部分を外部から観察可能な機構と、前記変位部材を所定の硬さに制御する硬さ制御部とを備える。このような力覚提示装置Ｓは、前記変位部材が前記硬さ制御部によって所定の硬さに制御された制御下で、前記変位部材に外力が作用する（与えられる）と、前記外力に応じて前記変位部材が変位する。このため、ユーザは、前記変位部材の変位量を観察することで、擬似力覚により、前記変位部材に作用した外力の大きさを認識することができる。したがって、このような力覚提示装置およびこれに実装された力覚提示方法は、力覚を提示するためのセンサを必要とすることなく、力覚を適切に提示することができる。
【００２４】
このような力覚提示装置Ｓは、変位部材の硬さを制御することができる機器に適用することができるが、ここでは、一例として、医療用マニピュレータに用いた力覚提示装置Ｓａについて説明する。
【００２５】
このような実施形態における医療用マニピュレータを用いた力覚提示装置Ｓａは、例えば、図１に示すように、医療用マニピュレータ１０と、硬さ制御部２０ａとを備え、本実施形態では、さらに、後述するように、外力作用部３１を備えている。
【００２６】
医療用マニピュレータ１０は、疾病の診断、治療および予防等の医療に用いられるマニピュレータである。医療用マニピュレータ１０は、変位可能な変位部材を含み変位部分を外部から観察可能な機構の一例に相当する。医療用マニピュレータ１０は、例えば、本実施形態では、図１に示すように、医療用機器部１１と、関節部１２と、支持部１３とを備え、本実施形態では、さらに、連結部１４と、駆動部１５とを備える。
【００２７】
医療用機器部１１は、医療に用いられる医療用機器を備える。医療用機器は、疾病の診断、治療および予防等の医療に用いられる機器であり、例えば、鉗子、レーザメス、超音波探触子および内視鏡カメラ等である。鉗子は、主に、対象物を掴んだり牽引したりするために使用される医療器具であり、例えばケリー鉗子やコッヘル鉗子等の様々な種類がある。レーザメスは、レーザ光の熱エネルギーを利用することによって対象物を切断し、医療用のメスと同様の役割を果たす。レーザメスは、血液を凝固させ、止血効果も持つ。超音波探触子は、超音波を対象物内（被検体内）に送信しこの送信した超音波に起因する超音波を受信する機器である。超音波探触子に接続された超音波診断装置本体によって、超音波探触子で受信した超音波に基づいて被検体内の画像が生成される。内視鏡カメラは、対象物の光像を所定の面（焦点位置）に結像する撮像光学系と、前記所定の面の位置に受光面を配置し前記撮像光学系によって結像された対象物の光像を撮像する撮像素子を備える。内視鏡カメラに接続された内視鏡カメラ装置本体によって、内視鏡カメラで撮像した対象物の光像の信号に基づいて対象物内の画像（静止画および／または動画）が生成される。図１に示す例では、医療用機器部１１の医療用機器は、鉗子である。前記鉗子は、例えば空気圧式グリッパの開閉機構を備え、関節部１２および支持部１３内に配設されたエア供給用管１３３（図２（Ｂ）、（Ｃ）参照）を介して供給される作動空気によって駆動される。前記作動空気は、例えばコンプレッサ等の図略の空気圧供給源から供給される。前記空気圧式グリッパの開閉機構は、公知の常套手段によって構成され、例えば、文献「Ｔａｄａｎｏ，Ｋ．，Ｋａｗａｓｈｉｍａ，Ｋ．，Ｋｏｊｉｍａ，Ｋ．，Ｔａｎａｋａ，Ｎ．，”Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ  ＩＢＩＳ  ＩＶ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．２，ｐ１７９−１８８（２０１０）」に開示されている。
【００２８】
関節部１２は、一方端を医療用機器部１１に連結し、所定の自由度を持つ部材である。医療用機器部１１は、関節部１２に回転可能に連結されてよく、また例えばネジ締結や嵌合等によって固定的に連結されてよい。本実施形態では、関節部１２は、軸方向を基準に径方向に曲がる柔軟構造体、例えば、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、切削スプリングである。この切削スプリングは、例えば、円筒状の金属部材が例えばレーザ加工等による切削加工によって螺旋状に形成されることによって、作製される。この関節部１２は、駆動部１５の駆動力によって所定の硬さに制御でき、また、外力によって２自由度で屈曲する。
【００２９】
より具体的には、例えば、図２（Ｂ）に示すように、切削スプリングの芯部内を軸方向に４本のワイヤ１３４が挿通される。これら４本のワイヤ１３４は、湾曲し難い超弾性合金でそれぞれ形成され、周方向に等間隔（９０度間隔）に配設される。これら４本のワイヤ１３４の各一方端は、切削スプリングにおける、医療用機器部１１が連結されている側の端部にそれぞれ接着固定され、各他方端は、支持部１３内を介して連結部１４で駆動部１５にそれぞれ固定的に連結されている。これによって駆動部１５の駆動力が各ワイヤ１３４を介して切削スプリングに伝達され、これら４本のワイヤ１３４によって所定の硬さに制御される。
【００３０】
また例えば、切削スプリングを軸方向に貫通する４個の貫通孔が周方向に等間隔（９０度間隔）で切削スプリングの螺旋状の部分に形成される。これら４個の貫通孔内には、それぞれ、湾曲し難い超弾性合金で形成されたワイヤ１３４が挿通される。これら４本のワイヤ１３４の各一方端は、前記各貫通孔における、医療用機器部１１が連結されている側の各一方端内でそれぞれ接着固定され、各他方端は、支持部１３内を介して連結部１４で駆動部１５にそれぞれ固定的に連結されている。
【００３１】
これら４本のワイヤ１３４は、周方向に１８０度の位置で互いに対向する一対でいわゆる伸筋と屈筋として機能する。上記構成によって駆動部１５の駆動力が各ワイヤ１３４を介して切削スプリングに伝達され、これら４本のワイヤ１３４によって所定の硬さに制御される。
【００３２】
支持部１３は、関節部１２の他方端に例えばネジ締結や嵌合等によって固定的に連結し、関節部１２を支持する部材である。医療用機器部１１は、関節部１２を介して支持部１３によって支持される。支持部１３は、例えば、図２（Ａ）、（Ｃ）に示すように、中空の円柱状（円筒状）のロッド部材１３１と、ワイヤ１３４を支持する支持環状部材１３２とを備える。支持環状部材１３２は、円筒状の部材であり、軸方向に貫通する４個の貫通孔が周方向に等間隔（９０度間隔）で円筒状の周壁部分に形成され、軸方向に所定の間隔を空けて各貫通孔の各位置を揃えてロッド部材１３１内に配設される。支持部１３内には、上述のエア供給用管１３３が中心に軸方向に沿って支持環状部材１３２を挿通するように配置され、上述の４本のワイヤ１３４が軸方向に沿って支持環状部材１３２の各貫通孔をそれぞれ挿通させて配置される。なお、支持部１３は、軸方向に沿って支持環状部材１３２の各貫通孔をそれぞれ挿通する４本のガイド管をさらに備え、各ワイヤ１３４は、これら各ガイド管内を挿通するように配置されてもよい。ワイヤ１３４の素材だけでなく、このようなガイド管によってワイヤ１３４の湾曲がさらに防止されてもよい。
【００３３】
連結部１４は、支持部１３と駆動部１５とを互いに連結する部材である。また、連結部１４内で、駆動部１５とワイヤ１３４とが連結されている。連結部１４は、例えば、円板状の一対の支持プレート１４１、１４２と、一対の支持プレート１４１、１４２とを互いに連結する複数本の連結シャフト１４３とを備える。連結シャフト１４３は、例えば、周方向に等間隔に４本であり、これら４本の連結シャフトの各一方端は、例えばネジ締結等によって支持プレート１４１に固定的に連結され、各他方端は、例えばネジ締結等によって支持プレート１４２に固定的に連結される。これによって一対の支持プレート１４１、１４２は、所定の間隔を空けて配置される。
【００３４】
駆動部１５は、関節部１２に所定の硬さを与えるための装置であり、例えば、本実施形態では、エアシリンダである。エアシリンダは、圧縮空気のエネルギーを直線運動に変換する機械素子であり、例えば、シリンダ、シリンダ内に収納されシリンダの軸方向に摺動可能なピストン、一方端がピストンに連結され他方端がシリンダの外部に臨むように配設されたピストンロッドとを備え、シリンダには、ピストンをシリンダの軸方向に摺動させるためにシリンダ内に空気を出し入れするための空気口が形成される。駆動部１５は、関節部１２に所定の硬さを与える上述のワイヤ１３４の個数に合わせて、エアシリンダを関節部１２用に４個備えている。駆動部１５の各エアシリンダにおける各ピストンロッドの各他方端には、各ワイヤ１３４の他方端が固定的に連結される。これによってピストンロッドが進退するとワイヤ１３４に駆動力が伝達される。
【００３５】
なお、本実施形態では、駆動部１５には、エアシリンダが用いられたが、これに限定されるものではなく、駆動部１５は、例えば、電気モータ、水圧シリンダ、油圧シリンダ等であってもよい。
【００３６】
そして、硬さ制御部２０ａは、医療用マニピュレータ１０の関節部１２を所定の硬さに制御する装置である。硬さ制御部２０ａは、前記変位部材を所定の硬さに制御する硬さ制御部の一例に相当する。硬さ制御部２０ａは、本実施形態では、エアシリンダによってワイヤ１３４を介して関節部１２に所定の硬さを与えているので、例えば、本実施形態では、図１に示すように、エアシリンダ駆動部２１と、エアシリンダ制御部２２ａとを備える。
【００３７】
エアシリンダ駆動部２１は、駆動部１５のエアシリンダに駆動力を生じさせるために、エアシリンダ制御部２２ａの制御に従って圧縮空気をエアシリンダに供給する装置である。エアシリンダ駆動部２１は、例えば、コンプレッサ等の空気圧供給源と、空気圧供給源から供給される空気圧を調整する圧力調整弁と、圧力調整弁から空気口を介してエアシリンダに供給される圧縮空気の流量をエアシリンダ制御部２２ａの制御に従って調整するサーボ弁とを備えている。
【００３８】
エアシリンダ制御部２２ａは、関節部１２が所定の硬さになるように、エアシリンダ駆動部２１を制御する装置である。より具体的には、エアシリンダ制御部２２ａは、例えばマイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路を備えたマイクロコンピュータによって構成され、関節部１２を所定の硬さに調整する制御信号をエアシリンダ駆動部２１へ出力する。エアシリンダ駆動部２１は、制御信号に対応する所定の流量の圧縮空気がエアシリンダのシリンダへ流入するようにサーボ弁を駆動する。これによって所定の流量の圧縮空気がエアシリンダのシリンダへ流入し、この流入した圧縮空気によってピストンがシリンダの軸方向に摺動し、これに伴ってピストンロッドが所定のストローク量で移動する。これによってワイヤ１３４が移動し、関節部１２が所定の硬さに調整される。例えば、４本のワイヤ１３４が０．２５Ｎで引っ張られることによって第１の硬さで関節部１２が硬くなり、また例えば、４本のワイヤ１３４が０．５Ｎで引っ張られることによって第２の硬さで関節部１２が硬くなり、そして、第２の硬さの方が第１の硬さより硬い。あるいは、互いに対向する一対のワイヤ１３４、１３４それぞれが０．１Ｎおよび０．３Ｎでそれぞれ引っ張られることによって第３の硬さで関節部１２が曲がって硬くなり、また例えば、これら互いに対向する一対のワイヤ１３４、１３４それぞれが０．４Ｎおよび０．６Ｎでそれぞれ引っ張られることによって第４の硬さで関節部１２が同様の曲がり具合に曲がって硬くなり、そして、第４の硬さの方が第３の硬さより硬い。
【００３９】
このような第１実施形態における力覚提示装置Ｓａは、医療用機器部１１および／または関節部１２に外力が作用すると、後述の図４に示すように、この外力に応じて医療用機器部１１および関節部１２が変位する。このため、ユーザは、医療用機器部１１および関節部１２の変位量を観察することで、擬似力覚により、医療用機器部１１および関節部１２に作用した前記外力の大きさを認識することができる。したがって、このような力覚提示装置Ｓａは、力覚を提示するためのセンサを必要としない。なお、Ａおよび／またはＢは、ＡおよびＢのうちの少なくとも一方を意味する。
【００４０】
ここで、或る所定の第１硬さの関節部１２に或る所定の第１外力が直接的にあるいは医療用機器部１１を介して作用した場合における医療用機器部１１および／または関節部１２の第１変位量と、前記第１硬さと異なる第２硬さの関節部１２に同じ大きさの前記第１外力が直接的にあるいは医療用機器部１１を介して作用した場合における医療用機器部１１および／または関節部１２の第２変位量とは、異なる。このような事象を、我々は、経験的に知っている。例えば、同じ重さの魚を釣り上げる場合、太い硬い釣り竿は、撓らずにその先端部があまり変位しないが、細い柔らかい釣り竿は、撓りその先端部が大きく変位する。このように医療用機器部１１および／または関節部１２の変位量は、位置に比例する項と速度に比例する項とから求められる関節部１２のインピーダンス（粘弾性）に依存する。ここで、前記速度に関する項を一定とすると、医療用機器部１１および／または関節部１２の変位量は、関節部１２の硬さに依存することになる。本実施形態における力覚提示装置Ｓａでは、関節部１２の硬さは、硬さ制御部２０ａによって制御されている。したがった、本実施形態における力覚提示装置Ｓａでは、関節部１２が所定の硬さに制御された制御下で、外力が作用することによって医療用機器部１１および関節部１２が変位するので、その変位量は、外力の大きさに対応することになり、本実施形態における力覚提示装置Ｓａは、より適切に力覚を提示することができる。したがって、本実施形態における力覚提示装置Ｓａは、力覚を提示するためのセンサを必要とすることなく、力覚を適切に提示することができる。
【００４１】
また、医療用マニピュレータ１０では、特に医療用機器部１１を滅菌する必要がある。この滅菌のために、医療用機器部１１が高温に加熱されたり、あるいは、ディスポーザブル（使い捨て）にされたりすることから、比較的な高価なセンサを取り付けることが難しい。しかしながら、本実施形態における力覚提示装置Ｓａは、センサレスで、力覚を適切に提示することができるので、特に医療用に効果的である。
【００４２】
図３は、第１実施形態の力覚提示装置に外力を与える様子を図である。図４は、第１実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚の様子およびその力覚の学習の様子を示す図である。図４（Ａ）および（Ｃ）は、第１実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚の様子を示し、図４（Ｂ）は、第１実施形態の力覚提示装置による力覚の学習の様子を示す。そして、図４（Ｄ）は、学習によって獲得される変位量と外力との関係を示すグラフであり、その横軸は、変位量（Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）であり、その縦軸は、外力（Ｆｏｒｃｅ）である。
【００４３】
本実施形態における力覚提示装置Ｓａでは、上述したように、関節部１２が硬さ制御部２０ａによって所定の硬さに制御されているため、ユーザは、医療用機器部１１および関節部１２の変位量を観察することで、擬似力覚により、医療用機器部１１および関節部１２に作用した前記外力の大きさを認識することができる。より具体的には、ユーザは、医療用機器部１１および関節部１２の曲がり具合を観察することによって、過去のユーザの経験（体験）に基づき、外力が大きいか小さいか定性的に外力の大きさを認識することができる。そこで、本実施形態における力覚提示装置Ｓａによって提示される力覚を定量的に判断するために、学習することが有効である。このため、本実施形態における力覚提示装置Ｓａは、上述したように、医療用マニピュレータ１０と、硬さ制御部２０ａとを備え、さらに、外力作用部３１を備えている。
【００４４】
この外力作用部３１は、前記変位部材に既知の外力を作用させる装置である。本実施形態では、例えば、図３に示すように、外力作用部３１は、医療用マニピュレータ１０の医療用機器部１１に連結された糸３２、より具体的には、鉗子先端に括り付けた糸３２を介して医療用機器部１１（鉗子１１）に外力を与える力センサである。力センサを用いることによって医療用機器部１１に与えられた外力も測定できる。
【００４５】
このような力覚提示装置Ｓａでは、外力作用部３１によって糸３２を介して医療用機器部１１に既知の大きさを持つ外力を与え、医療用機器部１１および関節部１２を変位させる。ユーザは、外力の大きさを知る（理解する）とともに、この医療用機器部１１および関節部１２の変位量を観察する。これによってユーザは、医療用機器部１１に作用する外力の大きさと、医療用機器部１１および関節部１２の変位量との関係を学習することができる。
【００４６】
この結果、前記既知な大きさを持つ外力と異なる他の大きさの外力が医療用機器部１１に作用した場合に、ユーザは、その医療用機器部１１および関節部１２の変位量を、ユーザに記憶された、前記既知な大きさを持つ外力が医療用機器部１１に作用した場合における医療用機器部１１および関節部１２の変位量と対比することで、提示された力覚（医療用機器部１１および関節部１２の変位量）から、医療用機器部１１に作用した他の大きさの外力を推定することができる。
【００４７】
例えば、図４（Ｂ）に示すように、外力作用部３１によって糸３２を介して医療用機器部１１に既知の大きさとして例えば１．０Ｎの外力を与え、医療用機器部１１および関節部１２を変位させる。ユーザは、医療用機器部１１に与えられている外力の大きさが１．０Ｎであると知る（理解する）とともに、この医療用機器部１１および関節部１２の変位量を観察する。これによってユーザは、医療用機器部１１に作用する外力の大きさと、医療用機器部１１および関節部１２の変位量との関係、例えば、図４（Ｄ）に示す原点を通る比例関係を学習する。なお、関節部１２は、比較的大きな外力が与えられると、円弧状に変形する。この結果、医療用機器部１１に作用する外力の大きさと、医療用機器部１１および関節部１２の変位量との関係は、非線形となる。このため、医療用機器部１１および関節部１２の変位量は、関節部１２の屈曲角度が微小角に近似可能な範囲である３０度以下であることが好ましい。このような範囲では、前記関係は、上述のように、比例関係（線形）であると見なすことができる。
【００４８】
このような学習の結果、例えば、図４（Ａ）に示すように、医療用機器部１１および関節部１２の変位量が、図４（Ｂ）に示す学習の場合における医療用機器部１１および関節部１２の変位量より小さく、図４（Ｂ）に示す学習の場合に対し半分の変位量であるとユーザが視覚によって判断すると、ユーザは、図４（Ａ）に示す場合に医療用機器部１１に与えられている外力の大きさは、１．０Ｎの半分である０．５Ｎであると推定することができる。また例えば、図４（Ｃ）に示すように、医療用機器部１１および関節部１２の変位量が、図４（Ｂ）に示す学習の場合における医療用機器部１１および関節部１２の変位量より大きく、図４（Ｂ）に示す学習の場合に対し２倍の変位量であるとユーザが視覚によって判断すると、ユーザは、図４（Ｃ）に示す場合に医療用機器部１１に与えられている外力の大きさは、１．０Ｎの２倍である２．０Ｎであると推定することができる。
【００４９】
このような学習による力覚提示実験結果の一例について説明する。図５は、第１実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚を参照しながら、前記力覚提示装置に目標外力を与える実験の実験結果を示す図である。図５（Ａ）ないし（Ｃ）は、被験者Ａ、Ｂ、Ｃの各結果を示す。図６は、不感帯を考慮した場合における、第１実施形態の力覚提示装置に与える外力と変形量との関係を示す図である。図６の横軸は、外力（Ｆｏｒｃｅ）であり、その縦軸は、変位量（Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）である。図７は、不感帯を考慮した場合における、第１実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚を参照しながら、前記力覚提示装置に目標外力を与える実験の実験結果を示す図である。
【００５０】
実験では、外力作用部３１の力センサには、ビー・エル・オートテック社製のＮＡＮＯセンサが用いられ、医療用機器部１１の鉗子先端の変位は、新興光器製作所社製の立体内視鏡１１ｍｍφ直視ＬＳ−１０１Ｄによって直上から撮影され、そのモニタによってユーザに提示された。被験者は、２０代男性の３名であり、実験の意図は、被験者に説明されていない。このような各被験者に対し、医療用機器部１１の鉗子先端に糸３２を介して１．０Ｎの外力が外力作用部３１の力センサによって与えられ、医療用機器部１１の鉗子および関節部１２の変位がユーザによって観察され、学習された。学習後、ユーザは、モニタによって提示された医療用機器部１１の鉗子および関節部１２の変位（力覚提示装置Ｓａによって提示された力覚）を参照しながら（頼りに）、第１に、目標外力１．０Ｎとなるように、医療用機器部１１の鉗子に外力を与える。この場合の実際に医療用機器部１１の鉗子に与えられた外力が力センサによって測定された。これが１０回繰り返された。次に、目標外力が変えられ、第２に、ユーザは、モニタによって提示された医療用機器部１１の鉗子および関節部１２の変位を参照しながら（頼りに）、目標外力０．５Ｎとなるように、医療用機器部１１の鉗子に外力を与える。この場合の実際に医療用機器部１１の鉗子に与えられた外力が力センサによって測定された。これが１０回繰り返された。次に、目標外力が変えられ、第３に、ユーザは、モニタによって提示された医療用機器部１１の鉗子および関節部１２の変位を参照しながら（頼りに）、目標外力０．２５Ｎとなるように、医療用機器部１１の鉗子に外力を与える。この場合の実際に医療用機器部１１の鉗子に与えられた外力が力センサによって測定された。これが１０回繰り返された。
【００５１】
この各被験者に対する実験の各結果が図５（Ａ）ないし（Ｃ）にそれぞれ示されている。図５（Ａ）ないし（Ｃ）には、各目標外力Ｆｒｅｆに対し、実際に医療用機器部１１の鉗子に与えられた外力の平均値および標準偏差が示されている。図５に示すように、外力１．０Ｎで医療用機器部１１の鉗子および関節部１２の変位量を学習することで、被験者は、医療用機器部１１の鉗子および関節部１２の変位（力覚提示装置Ｓａによって提示された力覚）を参照することで、この学習した外力１．０Ｎと同じ目標外力１．０Ｎの場合（Ｆｒｅｆ＝１．０Ｎ）、目標外力１．０Ｎと略等しい大きさで外力を医療用機器部１１の鉗子に与えることができている。また、目標外力０．５Ｎの場合（Ｆｒｅｆ＝０．５Ｎ）、目標外力１．０Ｎの場合に与えた外力よりも小さい大きさで外力を医療用機器部１１の鉗子に与えることができ、そして、目標外力０．２５Ｎの場合（Ｆｒｅｆ＝０．２５Ｎ）、目標外力０．５Ｎの場合に与えた外力よりも小さい大きさで外力を医療用機器部１１の鉗子に与えることができている。
【００５２】
したがって、学習することで、本実施形態における力覚提示装置Ｓａでは、ユーザは、医療用機器部１１および関節部１２の変位量を観察することで、擬似力覚により、医療用機器部１１および関節部１２に作用した前記外力の大きさを定量的に推定できる。このため、このような本実施形態における力覚提示装置Ｓａは、ユーザにより正確な力覚を提示することができる。
【００５３】
ここで、図５（Ａ）ないし（Ｃ）に示すように、目標外力０．５Ｎの場合や目標外力０．２５Ｎの場合では、目標外力と実際に医療用機器部１１の鉗子に与えられた外力との差、すなわち、誤差が同程度含まれている。上述の力覚提示装置Ｓａでは、エアシリンダ１５の駆動によって関節部１２に所定の硬さが付与されている。このため、関節部１２には、駆動力の伝達経路とエアシリンダ１５の摩擦力が影響しているものと推察でき、エアシリンダ１５に駆動力が生じても関節部１２に作用しない不感帯が存在するものと推察できる。
【００５４】
上述では、学習箇所が１個であるため、ユーザは、上述したように、医療用機器部１１に作用する外力の大きさと、医療用機器部１１および関節部１２の変位量との関係が図４（Ｄ）に示すように原点を通る比例関係であると学習する。この結果、ユーザは、不感帯を学習しない。そこで、互いに異なる複数の外力でユーザに学習させることで、不感帯を持つ医療用機器部１１および関節部１２の変位量との関係が学習できる。すなわち、外力作用部３１によって糸３２を介して医療用機器部１１に、既知の互いに異なる複数の大きさを持つ複数の外力が与えられ、医療用機器部１１および関節部１２が複数の変位量で変位される。
【００５５】
例えば、外力作用部３１によって糸３２を介して医療用機器部１１に既知の第１大きさとして例えば１．０Ｎの第１外力を与え、医療用機器部１１および関節部１２を第１変位量で変位させる。ユーザは、医療用機器部１１に与えられている第１外力の第１大きさが１．０Ｎであると知る（理解する）とともに、この医療用機器部１１および関節部１２の第１変位量を観察する。さらに、外力作用部３１によって糸３２を介して医療用機器部１１に既知の第２大きさとして例えば０．２５Ｎの第２外力を与え、医療用機器部１１および関節部１２を第２変位量で変位させる。ユーザは、医療用機器部１１に与えられている第２外力の第２大きさが０．２５Ｎであると知る（理解する）とともに、この医療用機器部１１および関節部１２の第２変位量を観察する。これによってユーザは、医療用機器部１１に作用する外力の大きさと、医療用機器部１１および関節部１２の変位量との関係、例えば、図６に示す不感帯を持つ比例関係を学習することができる。
【００５６】
このような互いに大きさの異なる２個の外力（１．０Ｎおよび０．２５Ｎ）で学習した場合における被験者に対する実験の各結果が図７に示されている。この実験は、不感帯の存在が被験者に認識させられ、学習が外力１．０Ｎおよび０．２５Ｎの２箇所で実施され、目標外力が１．０Ｎの場合、０．７５Ｎの場合および０．５Ｎの場合であることを除き、上述と同様である。図７には、各目標外力に対し、実際に医療用機器部１１の鉗子に与えられた外力の平均値および標準偏差が示されている。図７に示すように、外力１．０Ｎおよび０．２５Ｎの２箇所で医療用機器部１１の鉗子および関節部１２の各変位量をそれぞれ学習することで、被験者は、医療用機器部１１の鉗子および関節部１２の変位（力覚提示装置Ｓａによって提示された力覚）を参照することで、目標外力１．０Ｎの場合、目標外力０．７５の場合および目標外力０．５Ｎの場合の各場合ともに、目標外力と略等しい大きさで外力を医療用機器部１１の鉗子に与えることができている。
【００５７】
したがって、互いに異なる大きさの複数の外力で学習することで、本実施形態における力覚提示装置Ｓａでは、ユーザは、医療用機器部１１および関節部１２の変位量を観察することで、擬似力覚により、医療用機器部１１および関節部１２に作用した前記外力の大きさを定量的により正確に推定できる。このため、このような本実施形態における力覚提示装置Ｓａは、ユーザにさらにより正確な力覚を提示することができる。
【００５８】
次に、別の実施形態について説明する。
【００５９】
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態の力覚提示装置における筋電信号測定部の外観を示す図である。人間の力覚感度は、周囲の環境だけでなく、その人自身の状態によっても影響される。その一つに、力みによって力覚感度が低下し、例えば手を力んで強く握り込んだ状態では、力覚感度が低下する。第２実施形態における力覚提示装置は、力み具合（力みの程度）に応じて力覚の提示を調整するものである。このような第２実施形態における力覚提示装置Ｓｂは、例えば、図１に示すように、医療用マニピュレータ１０と、硬さ制御部２０ｂと、外力作用部３１と、筋電信号測定部４１と、筋電信号硬さ特性記憶部４２とを備えている。これら第２実施形態における医療用マニピュレータ１０および外力作用部３１は、それぞれ、第１実施形態における医療用マニピュレータ１０および外力作用部３１と同様であるので、その説明を省略する。
【００６０】
筋電信号測定部４１は、生体における所定の部位に関与する筋肉の活動電位による筋電信号を測定する装置である。筋電信号測定部４１は、硬さ制御部２０ｂに、より具体的には本実施形態では後述のエアシリンダ制御部２２ｂに接続され、測定結果をエアシリンダ制御部２２ｂへ出力する。
【００６１】
筋電信号測定部４１は、本実施形態では、筋電信号を測定するとともに、さらに、この測定した筋電信号を、生体の筋肉が発揮する張力の大きさと対応付けられた擬似張力に変換する。このような筋電信号測定部４１は、例えば、表面電極と、差動増幅器と、割り算回路と、全波整流器と、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）とを備える。前記表面電極は、前記所定の運動を行う生体部位に装着され、前記所定の運動に関与する筋肉の活動電位を検出するものである。本実施形態では、筋電信号は、図８に示すように、皮膚の表面に電極を張り付けることによって活動電位を記録する表面誘導法によって測定される。各筋電信号は、例えば、前記各表面電極でサンプリング周期１ｋＨｚおよび１２ビット（ｂｉｔ）でサンプリングされ、前記差動増幅器で所定のレベルまでそれぞれ増幅される。これら増幅された各筋電信号は、それぞれ前記割り算回路に入力され、所定値で割り算される。この所定値については、後述する。これら割り算された各筋電信号は、前記全波整流器にそれぞれ入力され、全波整流（絶対値化）される。各筋電信号ごとに、この全波整流した信号は、１０点ごとに平均され（ＥＭＧave ）、さらに、次式１に基づき５点ごとの移動平均が計算される（ＥＭＧma）。このようにして求めた値ＥＭＧmaは、平滑筋電信号と呼ばれる。なお、前記割り算回路の前記所定値の算出では、予め被験者における筋電信号の最大値（ＥＭＧmax）および最小値（ＥＭＧmin）が測定され、次式２によって求められ、このＮＥＭＧが前記割り算回路の前記所定値とされる。
ＥＭＧma（ｔ）＝（１／５）×［ΣＥＭＧave（ｔ−ｉ）］（ただしΣはｉ＝−２〜＋２までの和）      ・・・（１）
ＮＥＭＧ＝［（ＥＭＧ−ＥＭＧmin）／（ＥＭＧmax−ＥＭＧmin）］      ・・・（２）
【００６２】
これら各平滑筋電信号は、それぞれ、前記低域通過フィルタに入力される。この低域通過フィルタは平滑筋電信号を擬似張力に変換して出力する。前記低域通過フィルタの出力信号（擬似張力）は、硬さ制御部２０ｂのエアシリンダ制御部２２ｂに出力される。擬似張力は、筋肉が発生する張力に対応する値である。ＬＰＦ１５は、神経インパルスに対する筋収縮の遅れを補正するための２次系のフィルタであり、その遮断周波数は、擬似張力と筋肉が実際に発生している張力との対応を正確にする観点から、数Ｈｚ、より好ましくは２Ｈｚ〜３Ｈｚに設定される。本実施形態では、カットオフ周波数２．２ｒａｄ／ｓに設定された。
【００６３】
なお、上述では、表面電極によって筋電信号が測定されたが、筋内に刺入する針電極によって筋電信号が測定されてもよい。
【００６４】
このような筋電信号測定部４１は、生体における所定の部位の力みを測定する力み測定部の一例に相当する。
【００６５】
筋電信号硬さ特性記憶部４２は、硬さ制御部２０ｂのエアシリンダ制御部２２ｂと接続され、前記筋電信号と前記変位部材の硬さとの対応関係を示す筋電信号硬さ特性を記憶する記憶素子（記憶装置）であり、例えば、書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）である。本実施形態では、筋電信号測定部４１は、筋電信号だけでなく、筋電信号に基づく擬似張力を求めるので、筋電信号硬さ特性記憶部４２は、前記筋電信号に基づく擬似張力と前記変位部材の硬さとの対応関係を示す擬似張力硬さ特性を記憶する。このような筋電信号硬さ特性記憶部４２は、前記力みと前記変位部材の硬さとの対応関係を示す力み硬さ特性を記憶する力み硬さ特性記憶部の一例に相当する。前記擬似張力硬さ特性は、擬似張力が大きいほど、関節部１２の硬さが硬くなる特性である。すなわち、前記力み硬さ特性は、力みが大きいほど、関節部１２の硬さが硬くなる特性である。
【００６６】
硬さ制御部２０ｂは、筋電信号硬さ記憶部４２に記憶された前記筋電信号硬さ特性から求められる、筋電信号測定部４１で測定された筋電信号に対応した硬さに、医療用マニピュレータ１０の関節部１２を制御するものである。硬さ制御部２０ｂは、エアシリンダ駆動部２１と、エアシリンダ制御部２２ｂとを備える。硬さ制御部２０ｂのエアシリンダ駆動部２１は、硬さ制御部２０ａのエアシリンダ駆動部２１と同様であるので、その説明を省略する。
【００６７】
硬さ制御部２０ａのエアシリンダ制御部２２ａに代わるエアシリンダ制御部２２ｂは、関節部１２が、筋電信号硬さ記憶部４２に記憶された前記筋電信号硬さ特性から求められる、筋電信号測定部４１で測定された筋電信号に対応した硬さになるように、エアシリンダ駆動部２１を制御する。このような硬さ制御部２０ｂは、前記力み硬さ特性から求められる、前記力み測定部で測定された力みに対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御する硬さ制御部の一例に相当する。より具体的には、エアシリンダ制御部２２ｂは、例えばマイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路を備えたマイクロコンピュータによって構成される。エアシリンダ制御部２２ｂは、筋電信号硬さ記憶部４２に記憶された前記筋電信号硬さ特性から求められる、筋電信号測定部４１で測定された筋電信号に対応した硬さに関節部１２を調整する制御信号をエアシリンダ駆動部２１へ出力する。エアシリンダ駆動部２１は、制御信号に対応する所定の流量の圧縮空気がエアシリンダのシリンダへ流入するようにサーボ弁を駆動する。これによって所定の流量の圧縮空気がエアシリンダのシリンダへ流入し、この流入した圧縮空気によってピストンがシリンダの軸方向に摺動し、これに伴ってピストンロッドが所定のストローク量で移動する。これによってワイヤが移動し、筋電信号硬さ記憶部４２に記憶された前記筋電信号硬さ特性から求められる、筋電信号測定部４１で測定された筋電信号に対応した硬さに関節部１２が調整される。
【００６８】
このような第２実施形態における力覚提示装置Ｓｂは、生体部位の力みを筋電信号によって測定し、ユーザの前記筋電信号に対応した関節部１２の硬さで、すなわち、ユーザの前記力みに対応した関節部１２の硬さで関節部１２が制御される。言い換えれば、第２実施形態における力覚提示装置Ｓｂでは、生体における所定の部位の力みに対応した生体部位の硬さに関節部１２の硬さが制御される。したがって、第２実施形態における力覚提示装置Ｓｂは、ユーザにおける所定部位の力み具合に合わせて力覚を提示できるので、ユーザにより正確な力覚を提示することができる。
【００６９】
このような第２実施形態の力覚提示装置Ｓｂに関する力覚提示実験結果の一例について説明する。図９は、第２実施形態の力覚提示装置における前記医療用マニピュレータの様子を示す図である。図１０は、第２実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚を参照しながら、前記力覚提示装置に目標外力を与える実験の実験結果を示す図である。
【００７０】
実験では、筋電信号測定部４１には、ＤＥＬＳＹＳ社製のＢａｇｎｏｌｉ  ＥＭＧ  Ｓｙｓｔｅｍが用いられ、被験者の利き手の母指内転筋付近に装着され、筋電信号が測定された。被験者は、２０代男性の５名であり、実験の意図は、被験者に説明されていない。このような各被験者に対し、１．０Ｎで、学習された。外力は、図９に示すように、医療用マニピュレータ１０の先端を床に押し込むことで与えられ、医療用機器部１１の鉗子に与えられた外力が力センサによって測定された。学習後、ユーザは、モニタによって提示された医療用機器部１１の鉗子および関節部１２の変位（力覚提示装置Ｓｂによって提示された力覚）を参照しながら（頼りに）、目標外力１．０Ｎとなるように、医療用機器部１１の鉗子に外力を与える。これが脱力状態（力みが相対的に小さい、ｒｅｌａｘｅｄ）と緊張状態（力みが相対的に大きい、ｓｔｒａｉｎｅｄ）を交互に１０回繰り返された。この脱力状態および緊張状態のそれぞれに対応して関節部１２の硬さがそれぞれ調整される。そして、再び、学習が行われ、同様に、ユーザは、モニタによって提示された医療用機器部１１の鉗子および関節部１２の変位を参照しながら目標外力１．０Ｎとなるように、医療用機器部１１の鉗子に外力を与える。これが脱力状態と緊張状態を交互に１０回繰り返された。実験結果は、後半の５回のみが記録された。
【００７１】
ここでは、代表的に、この各被験者のうち２名に対する実験の各結果が図１０（Ａ）および（Ｂ）にそれぞれ示されている。図１０（Ａ）および（Ｂ）には、各目標外力に対し、実際に医療用機器部１１の鉗子に与えられた外力の平均値および標準偏差が示されている。また、斜線のハッチングのない棒グラフは、脱力状態および緊張状態のそれぞれに対応して関節部１２の硬さをそれぞれ調整しない場合の結果（第１実施形態の力覚提示装置Ｓａを用いた結果）であり、斜線のハッチングのある棒グラフは、脱力状態および緊張状態のそれぞれに対応して関節部１２の硬さをそれぞれ調整した場合の結果（第２実施形態の力覚提示装置Ｓｂを用いた結果）である。図１０に示すように、脱力状態および緊張状態のそれぞれに対応して関節部１２の硬さをそれぞれ調整することで、脱力状態および緊張状態のそれぞれに対応して関節部１２の硬さをそれぞれ調整しない場合に較べて、被験者は、医療用機器部１１の鉗子および関節部１２の変位（力覚提示装置Ｓｂによって提示された力覚）を参照することによって、この学習した外力１．０Ｎにより近似した大きさで外力を医療用機器部１１の鉗子に与えることができている。
【００７２】
したがって、力みに応じて関節部１２の硬さを調整することで、本実施形態における力覚提示装置Ｓｂは、ユーザの擬似力覚により、ユーザにさらにより正確な力覚を提示することができる。
【００７３】
なお、上述では、筋電信号測定部４１によって筋電信号を測定することによって生体における所定の部位の力み具合を測定したが、筋電信号測定部４１に代え、把持され握る力を測定する把持力センサが用いられてもよい。これに対応して、筋電信号硬さ特性記憶部４２に代え、前記握り力と前記変位部材の硬さとの対応関係を示す握り力硬さ特性を記憶する握り力硬さ特性記憶部が用いられ、硬さ制御部２０ｂに代え、前記握り力硬さ特性から求められる、前記力センサで測定された握り力に対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御する硬さ制御部が用いられる。前記力センサは、例えば、棒状の握部が基部に固定的に突設され、握部の底部に備えられた圧電素子によって握部に加えられた力を検出する装置である。
【００７４】
また、上述では、関節部１２の硬さの制御は、フォワード制御であるが、エアシリンダにおけるピストンロッドの位置を検出するポテンションメータ（位置センサ）をさらに設け、硬さ制御部２０ｂは、このポテンションメータの検出結果に基づいてフィードバック制御してもよい。
【００７５】
次に、別の実施形態について説明する。
【００７６】
（第３実施形態）
図１１は、第３実施形態における力覚提示装置の構成を示す図である。第１および第２実施形態における力覚提示装置Ｓａ、Ｓｂは、実際に外力が作用した結果の変位量で力覚を提示する装置であるが、第３実施形態における力覚提示装置Ｓｃは、仮想的に外力が作用した結果の変位量で力覚を提示する装置である。
【００７７】
この第３実施形態における力覚提示装置Ｓｃは、表示部と、表示制御部と、タッチパネルと、押圧力硬さ特性記憶部と、これらを収納する、例えば図１１に示す比較的薄い直方体箱形のハウジングＨＳとを備える。
【００７８】
前記表示部は、ハウジングＨＳの一方主面に配置された表示画面ＤＳに表示を行う装置である。前記表示制御部は、図１１に示すように、錘を模した例えば矩形状の錘絵図５１と、変位部分を含み錘５１を支持する支持部材を模した例えば線状の支持絵図５２と、押圧力を受け付けて入力するためのタッチパネルＴＰ上の位置を表示する押圧釦絵図５３とを前記表示部の表示画面ＤＳに表示させる装置である。錘絵図５１の重さは、その大きさで表される。支持絵図５２による力覚は、前記変位部位である先端部分の曲がり具合で表される。前記タッチパネルＴＰは、前記表示部の表示画面ＤＳ上に配設され、例えば抵抗膜方式や静電容量方式等によって操作位置を検出して入力する。前記押圧力硬さ特性記憶部は、タッチパネルＴＰから入力された押圧力と前記変位部分（先端部分）の硬さとの対応関係を示す押圧力硬さ特性を記憶する装置である。そして、前記表示制御部は、さらに、前記押圧力硬さ特性から求められる、押圧釦絵図５３の位置に対応するタッチパネルＴＰの位置から入力された押圧力に対応した前記変位部分（先端部分）の硬さで、前記変位部分を変位させて支持絵図５２を前記表示部に表示させる。
【００７９】
このような第３実施形態における力覚提示装置Ｓｃは、例えば、入力を受け付ける入力装置、表示を行う表示装置、ＣＰＵ、力覚を仮想的に提示する力覚提示プログラムや前記押圧力硬さ特性等を記憶した不揮発性の記憶素子やいわゆる前記ＣＰＵのワーキングメモリとなるＲＡＭ等の記憶素子、および、それらの周辺装置を備えた例えばｉＰａｄ等のパーソナルコンピュータによって実現可能である。このようなパーソナルコンピュータは、予め前記記憶素子に記憶された力覚提示プログラムを前記ＣＰＵが実行することによってＣＰＵに機能的に前記表示制御部が構成される。
【００８０】
このような第３実施形態における力覚提示装置Ｓｃでは、支持絵図５２の先端に錘絵図５１が接触するように表示されると、錘絵図５１の大きさに応じた外力が仮想的に支持絵図５２の先端に作用し、図１１に示すように、この外力に応じて支持絵図５２の先端部分が曲がる（撓る）。したがって、第１実施形態の力覚提示装置Ｓａと同様に、ユーザは、支持絵図５２の曲がり具合（撓り具合）を観察することで、擬似力覚により、支持絵図５２に仮想的に作用した前記外力の大きさを認識することができる。
【００８１】
そして、第３実施形態における力覚提示装置Ｓｃでは、ユーザが手指によって押圧釦絵図５３の位置に対応するタッチパネルＴＰが押圧されると、前記表示制御部は、前記押圧力硬さ記憶部に記憶されている前記押圧力硬さ特性から求められる、押圧釦絵図５３上のタッチパネルＴＰから入力された押圧力に対応した硬さで、その先端部分を変位させて支持絵図５２を前記表示部の表示画面ＤＳに表示させる。押圧力が大きくなるに従って手指のタッチパネルとの接触面積が大きくなるので、ユーザの押圧力の程度は、手指のタッチパネルとの接触面積の広狭に応じて求められる。したがって、第２実施形態の力覚提示装置Ｓｂと同様に、押圧力、すなわち手指の力みに応じて支持絵図５２の先端部分の硬さを調整することで、第３実施形態における力覚提示装置Ｓｃは、ユーザの擬似力覚により、ユーザにさらにより正確な力覚を提示することができる。
【００８２】
また、第３実施形態における力覚提示装置Ｓｃは、仮想的に力覚を提示するので、第１および第２実施形態のように現実の医療用マニピュレータ１０を用いることなく、あるいは、現実に医療用マニピュレータ１０を使う前に（本番前に）、力覚の感覚を練習することもできる。
【００８３】
なお、上述の第１ないし第３実施形態の力覚提示装置Ｓ（Ｓａ〜Ｓｃ）は、曲がり具合によって力覚を提示したが、ねじれ具合によって力覚が提示されてもよい。
【００８４】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【００８５】
Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ  力覚提示装置
１０  医療用マニピュレータ
１２  関節部
２０ａ、２０ｂ  硬さ制御部
３１  外力作用部
４１  筋電信号測定部
４２  筋電信号硬さ記憶部
【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１０】
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【図１１】
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【図８】
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【図９】
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