(57)【要約】【課題】力触覚提示システムにおいて、ナノＭＲ流体を用いて複数の動作に係る力触覚を受動的に発現できるようにする。【解決手段】開閉軸２３ａにハンド用ＭＲデバイス２３が連結された開閉機構２１を有するハンド制御ユニット２０と、開閉機構２１が連結された平行リンク機構１１及びそれに連結されたアーム用ＭＲデバイス１２を有するアーム制御ユニット１０と、ハンド用ＭＲデバイス２３及びアーム用ＭＲデバイス１２にそれぞれ制御電流を供給する電源制御装置３０とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネトレオロジー流体を用いたＭＲデバイスを備えた力触覚提示システムにおいて、
ハンド用ＭＲデバイスが開閉軸に連結された開閉機構を有するハンド制御ユニットと、
上記開閉機構が連結された駆動機構及び該駆動機構の回転軸に連結されたアーム用ＭＲデバイスを有するアーム制御ユニットと、
上記ハンド用ＭＲデバイス及び上記アーム用ＭＲデバイスにそれぞれ制御電流を供給する電源制御装置とを備えている
ことを特徴とする力触覚提示システム。
【請求項２】
請求項１に記載の力触覚提示システムにおいて、
上記駆動機構は、平行リンク機構であり、該平行リンク機構を構成する一対のリンク部材の回転軸にアーム用ＭＲデバイスがそれぞれ連結されている
ことを特徴とする力触覚提示システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の力触覚提示システムにおいて、
二組の上記ハンド制御ユニット及び上記アーム制御ユニットが作業台の上に配置されており、マスタスレーブ式の遠隔操作を行うマスタアームを構成する
ことを特徴とする力触覚提示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、皮膚表面の触覚と筋肉感覚よりなる力触覚を再現する力触覚提示システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、外部から磁場が印加されると、その磁場の大きさに応じて粘性が変化するマグネトレオロジー流体（Magnetorheological fluid、以下、ＭＲ流体）が知られている。その粘性変化は可逆的であり、応答速度は数ミリ秒といわれている。ＭＲ流体は、強磁性粒子をオイル等の溶媒に分散させたものであり、強磁性粒子が外部磁場に応じて配列してクラスターを形成し、そのクラスターが流動抵抗となって見かけ上の粘性が変化する。磁場を印加して流体をせん断すれば、クラスターは崩壊と再生を繰り返し、安定なせん断抵抗を示す。これまで、その特性を利用したブレーキ、クラッチ、ダンパなど様々な応用が検討されてきた。中でも、ＭＲダンパは欧米を中心として既に実用化されている。
【０００３】
従来のＭＲ流体では、強磁性粒子としてカルボニル鉄粉といわれる直径数ミクロンの鉄粒子が用いられている。ミクロンサイズであるが故に、時間が経てば鉄粒子は沈降し、場合によっては粒子沈降層は強固なケーキ層を形成して容易に再分散させることができないことがある。ダンパなど、強力な力で流体が撹拌される用途を除いて、ＭＲ流体が実用化されない要因の１つと推察される。この課題解決の一案として、直径が１００ｎｍ程度の鉄ナノ粒子を用いた鉄ナノ粒子分散ＭＲ流体(以下、ナノＭＲ流体)が開発されている。
【０００４】
ところで、物を持ったときに感じる重さや掴んだときの力加減は、皮膚で感じられる触覚の一部であるという捉え方がある。一方で、これは、皮膚ではなく筋力への反力によるものであり、これを「力覚」という独立した感覚とする考えもある。そこで、皮膚表面の触覚と筋肉感覚の両方を以下、力触覚とする。
【０００５】
近年、胸腔や腹腔の内視鏡下手術用ロボットが開発され、広く利用されている。しかし、この医療ロボットは、視覚情報及び聴覚情報によって操作されており、触覚や力覚情報は得られない。このため、縫合糸の操作などの手加減が難しく縫合糸を引きちぎってしまったり、縫合が不完全になってしまったりする場合がある。また、アームが臓器や腹壁に接触しても操作者は手応えとして感知することができない。
【０００６】
そこで、歪みゲージなどの変位センサから情報を得て、その情報を用いて触覚や力覚を再現するためにモータを用いると、応答速度が速いが、電動機で生ずるトルク変動及び速度の周期的変動（コギング）が発生する。これは、回転子の磁極が固定子の磁極を通過する際に磁束が変動することによって発生する。しかも、モータは減速機と組み合わせればトルクが増大し、小さなデバイスができるものの、減速機を逆回転させると大きな抵抗が発生する。このため、必要以上に押し戻す力が発生し、安全面で問題が生じるおそれがある。一方、空圧や油圧を用いれば、応答速度が遅いという問題がある。さらに、電磁クラッチでは、動摩擦及び静摩擦のギャップが問題となる。
【０００７】
そこで、上記ナノＭＲ流体を用いた力触覚提示システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この力触覚提示システムは、操作者の操作によって変位する変位部を有する操作部と、変位部の変位動作に連動して回転する回転部を有し、供給される電流値の変化により内部に封入された磁気粘性流体に付与する磁場の強さを変化させて、回転部の回転抵抗を変化させるように構成された回転抵抗発生装置と、変位部の変位量を検出する変位量検出部とを含む操作ユニット及び変位量検出部で検出された変位量に応じて変位する従動部と、従動部が対象物体に触れることにより発生する従動部への反力を検出する反力検出部とを含む従動ユニットを備え、反力検出部が検出する反力に応じて回転抵抗発生装置に供給する電流値を制御するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１５−３１９７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１のものでは、掴む感覚をナノＭＲ流体を用いて再現できるようにしているが、さらなる改善の余地がある。すなわち、１つの回転軸の回転抵抗だけでなく、さらに多くの変位量に係る力触覚を提示できるようにしたいというニーズがある。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ナノＭＲ流体を用いて複数の動作に係る力触覚を受動的に発現できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、この発明では、把持力だけでなく、スライド移動時の力触覚も発現できるようにした。
【００１２】
具体的には、第１の発明では、マグネトレオロジー流体を用いたＭＲデバイスを備えた力触覚提示システムを前提とし、
上記力触覚提示システムは、
開閉軸にハンド用ＭＲデバイスが連結された開閉機構を有するハンド制御ユニットと、
上記開閉機構が連結された駆動機構及び該駆動機構の駆動部に連結されたアーム用ＭＲデバイスを有するアーム制御ユニットと、
上記ハンド用ＭＲデバイス及び上記アーム用ＭＲデバイスにそれぞれ制御電流を供給する電源制御装置とを備えている。
【００１３】
上記の構成によると、電源制御装置により、ハンド用ＭＲデバイス及びアーム用ＭＲデバイスに電流を送ってＭＲ流体の粘性を変化させることで、開閉機構や駆動機構を操作するときの力加減に変化を与えたり、振動を加えたりすることで、力触覚を再現できる。ここで、「駆動機構」は、リンク機構、回転機構など特に限定されず、移動、回転などの動きを生じさせる機構をいう。
【００１４】
第２の発明では、第１の発明において、
上記駆動機構は、平行リンク機構であり、該平行リンク機構を構成する一対のリンク部材にアーム用ＭＲデバイスがそれぞれ連結されている。
【００１５】
上記の構成によると、駆動機構として平行リンク機構を用いた場合には、一対のリンク部材にそれぞれアーム用ＭＲデバイスを連結することで、ＸＹ座標における移動の力触覚の再現が可能となる。
【００１６】
第３の発明では、第１又は第２の発明において、
二組の上記ハンド制御ユニット及び上記アーム制御ユニットが作業台の上に配置されており、マスタスレーブ式の遠隔操作を行うマスタアームを構成する。
【００１７】
上記の構成によると、作業台に両手を置いてマスタアームを操作し、スレーブアームを制御する場合に利用でき、その際に力触覚を再現できるので、例えば手術支援ロボットのマスタアームとして利用すれば、縫合糸の操作などにおいて手加減がしやすくなる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、ハンド制御ユニットの開閉機構の開閉軸にハンド用ＭＲデバイスを連結し、この開閉機構が連結されたアーム制御ユニットの駆動機構の回転軸にアーム用ＭＲデバイスを連結し、これらに電源制御装置によって制御電流を供給するようにしたことにより、ナノＭＲ流体を用いて複数の動作に係る力触覚を受動的に発現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る力触覚提示システムの概要を示す斜視図である。
【図２】アーム制御ユニットを拡大して示す側面図である。
【図３】ハンド制御ユニットを拡大して示す斜視図である。
【図４】ＭＲデバイスの一例を拡大して示す断面図である。
【図５】前腕と手部の２リンクモデルでの上肢動作をモデル化した座標系を示す図である。
【図６】アーム制御ユニットの可動域をモデル化した座標系を示す図である。
【図７】力触覚提示システムを含むシステム全体を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１〜図３は本発明の実施形態に係る力触覚提示システム１の基本構造を示す。力触覚提示システム１は、医師などの操作者が操作を行うコンソール２を備え、このコンソール２は、板状の作業台３と、この作業台３を支持する脚部４とを備え、その手前側に一対のクッション製のアームレスト５が設けられている。
【００２２】
作業台３上には、左右一対のマスタアーム６が設けられている。各マスタアーム６は、それぞれ操作者の右手及び左手に対応している。各マスタアーム６は、アーム制御ユニット１０とハンド制御ユニット２０を備えている。
【００２３】
図２に拡大して示すように、アーム制御ユニット１０は、平行リンク機構１１を備え、この平行リンク機構１１は、４本のリンク部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを備えている。第１及び第２リンク部材１１ａ，１１ｂが第１リンク軸１１ｅで回動可能に連結され、第３及び第４リンク部材１１ｃ，１１ｄが第２リンク軸１１ｆで回動可能に連結されている。また、第２リンク部材１１ｂと第４リンク部材１１ｄとが第３リンク軸１１ｇで連結されている。これにより、平行リンク機構１１が構成されている。そして、第２リンク部材１１ｂの先端がハンド制御ユニット２０に連結されている。この平行リンク機構１１によって手先の位置が決められる。第１リンク部材１１ａ及び第３リンク部材１１ｃは、それぞれアーム用ＭＲデバイス１２の回転軸１２ａに連結され、そのトルクがアーム用ＭＲデバイス１２で調整されるようになっている。アーム用ＭＲデバイス１２自体は、は、作業台３に固定されている。回転軸１２ａが平行リンク機構１１の駆動軸を構成している。
【００２４】
この手先の力ベクトルとアーム用ＭＲデバイス１２のトルクは平行リンク機構１１の運動学に基づき計算される。
【００２５】
操作者は、両前腕をアームレスト５においてハンド制御ユニット２０を操作する。本実施形態では、ハンド制御ユニット２０の平行移動に伴うＸ−Ｙ方向の力触覚をアーム制御ユニット１０が制御し、親指と人差し指の開閉に伴う力触覚をハンド制御ユニット２０が制御するように構成されている。
【００２６】
図３に、ハンド制御ユニット２０の構造の概略を示し、このハンド制御ユニット２０は、ハサミ状の開閉機構２１を有する。この開閉機構２１は、例えば、ケース側パーツ２１ａと軸側パーツ２１ｂとを有する。ケース側パーツ２１ａはハンド用ＭＲデバイス２３のケース２３ｂに連結され、軸側パーツ２１ｂは、ハンド用ＭＲデバイス２３の開閉軸２３ａに連結されている。ケース側パーツ２１ａ及び軸側パーツ２１ｂに親指又は人差し指をそれぞれ差し込んで開閉機構２１の開閉操作が行われる。そして、ハンド用ＭＲデバイス２３により、ケース側パーツ２１ａと軸側パーツ２１ｂとの相対角の変化に伴う回転トルクが返されるようになっている。
【００２７】
ハンド用ＭＲデバイス２３とアーム用ＭＲデバイス１２はそれぞれ異なる性能が要求される。アーム用ＭＲデバイス１２はハンド用ＭＲデバイス２３に比べて大きなトルクが必要になるため、サイズも大きくなる。
【００２８】
例えば、作業台３の裏側には、電源制御装置３０が設けられている。この電源制御装置３０は、例えば図７に示すように、各ＭＲデバイス１２，２３に電流を送り込む、リニアサーボアンプ等よりなる電源３１と、この電源３１から送り込む電流量を制御する制御部３２とを備えている。そして、左右一対のアーム制御ユニット１０とハンド制御ユニット２０は、作業台３の表側に配置することで、見映えと操作性を向上させている。
【００２９】
スレーブ側は、例えば手術支援ロボットのスレーブアーム４０が想定される。スレーブアーム４０は、各種センサ類を備えたセンサユニット４１と、スレーブアーム４０の動作を実現する、モータ等のアクチュエータ４２とを備えている。
【００３０】
図４にアーム用ＭＲデバイス１２の具体的な構成例を示す。同図に示すアーム用ＭＲデバイス１２は、回転軸１２ａ、ロータ１２ｂ、ステータ１２ｃ及びコイル１２ｄを含む。一部拡大して示すように、ロータ１２ｂ側の内側多層ディスク１２ｇとステータ側の外側多層ディスク１２ｆとの間には、マグネトレオロジー流体としてのＭＲ流体１２ｈが封入されている。ロータ１２ｂのコイル１２ｄには、電源制御装置３０により任意の電流が供給されるようになっている。
【００３１】
ＭＲ流体１２ｈは、磁性粒子を分散媒に分散させて形成した液体であり、特にその磁性粒子がナノサイズの金属粒子（金属ナノ粒子）からなるものが使用できる。磁性粒子は磁化可能な金属材料からなり、金属材料に特に制限はないが軟磁性材料が好ましい。軟磁性材料としては、例えば鉄、コバルト、ニッケル及びパーマロイ等の合金が挙げられる。分散媒は、特に限定されるものではないが、一例として疎水性のシリコーンオイルを挙げることができる。磁気粘性流体における磁性粒子の配合量は、例えば３〜４０ｖｏｌ％とすればよい。磁気粘性流体にはまた、所望の各種特性を得るために、各種の添加剤を添加してもよい。
【００３２】
上記構成を備えるアーム用ＭＲデバイス１２において、コイル１２ｄに電流が印加されると、矢印Ｐａ、Ｐｂに示す方向に沿って電磁回路１２ｅが形成される。この磁路は、ＭＲ流体１２ｈを貫通し、これにより、ＭＲ流体１２ｈには、磁場の強さに応じた粘度（ずり応力）が発現する。内側多層ディスク１２ｇと外側多層ディスク１２ｆとの間での伝達トルクが磁場の強さに応じて大きくなる。その結果、回転軸１２ａの回転抵抗もコイル１２ｄに給電される電流値に応じて大きくなるようになっている。
【００３３】
ハンド用ＭＲデバイス２３についても同様の構成であり、開閉軸２３ａの回転抵抗が内部のコイルに給電される電流値に応じて大きくなるようになっている。
【００３４】
このように、電源制御装置３０により、ハンド用ＭＲデバイス２３及びアーム用ＭＲデバイス１２に電流を送ってＭＲ流体の粘性を変化させることで、開閉機構２１や平行リンク機構１１を操作するときの力加減に変化を与えたり、振動を加えたりすることで、力触覚を再現できる。
【００３５】
本実施形態では、作業台３に両手を置いてマスタアーム６を操作し、スレーブアームを制御する場合に利用でき、その際に力触覚を再現できるので、例えば手術支援ロボットのマスタアーム６として利用すれば、縫合糸の操作などにおいて手加減がしやすくなる。
【００３６】
したがって、本実施形態に係る力触覚提示システム１によると、ナノＭＲ流体を用いて複数の動作に係る力触覚を受動的に発現できる。
【００３７】
−力触覚提示システムの実施例−
次に、本実施形態に係る力触覚提示システム１の実施例について説明する。
【００３８】
片腕分のデバイス設計を行うために、例えば図５の座標系を設定した。操作中は前腕の一部をアームレスト５に置き、この点を中心として前腕が回転運動のみを行うものと仮定した。また、前腕と手部の２リンクモデルで人の上肢動作をモデル化した。前腕の回転中心を原点Ｏとして２次元平面上の座標系を設定した。Ｘは横方向、Ｙは前方向である。手関節位置を点Ａ、グリップ中心を点Ｂとする。ＯＡをＬＡ＝２０センチメートル、ＡＢをＬＢ＝１０センチメートルと仮定する。前腕のＹ軸に対する角度をθＡとし、０〜４５度の変化を想定する。前腕に対する手部の角度をθＢとして０〜９０度の変化を想定した。点Ｂの位置（ＸＢ,ＹＢ）は次式で求めることができる。
【００３９】
ＸＢ=ＬＡ×sin（θＡ）＋ＬＢ×sin（θＡ＋θＢ）      （１）
ＹＢ=ＬＡ×cos（θＡ）＋ＬＢ×cos（θＡ＋θＢ）      （２）
アーム制御ユニットの可動域を図５よりも大きくすることによって操作者の可動域内のすべての運動を可能とした。ただし、アーム制御ユニット１０の目的は抵抗力の制御であり、可動域の境界に近い領域（特異点近傍）では適度な力触覚提示ができなくなる。そこで、可操作性楕円体を考慮してアーム制御ユニット１０の配置とリンク長さを設計した。
【００４０】
まず、図５と同じ座標系の上にアーム制御ユニット１０の各関節位置と角度変数を図６のように定義する。アーム制御ユニット１０の原点Ｏdは２次元平面（作業台３）上の任意の位置（ＸＯ,ＹＯ）に配置可能であるとする。第１リンク部材１１ａの長さＯdＣをＬ１、第２リンク部材１１ｂの長さＣＤをＬ２とする。リンク機構として平行リンク機構１１を用いるものとし、第１リンク部材１１ａ、第２リンク部材１１ｂのそれぞれの絶対角を制御可能とする。そこで、第１リンク部材１１ａの角度をθ１、第２リンク部材１１ｂの角度をθ２とする。点Ｄの位置（ＸＤ, ＹＤ）は次式で求めることができる。
【００４１】
ＸＤ=Ｌ１×sin（θ１）＋Ｌ２×sin（θ２）＋ＸＯ      （３）
ＹＤ=Ｌ１×cos（θ１）＋Ｌ２×cos（θ２）＋ＹＯ      （４）
左右のマスタアーム６が干渉しないように左右のアーム制御ユニット１０の間隔を調整する。又は動作範囲を仕切り板や長穴等で限定するとよい。
【００４２】
このような設計により、例えば、手術支援ロボットとして使用でき、左右のアーム制御ユニット１０は、例えば、その回転中心が、左右の肘の固定位置からそれぞれ内側に０．０７５ｍ、前方に０．１２５ｍになるように作業台３上に固定される。各リンク部材１１ａ〜１１ｄのリンク軸間の距離を１００mmとし、手先の提示力は、例えば１Ｎ(１００ｇｆ)以上とする。また、手先の運動方向と逆方向に力を提示する場合に少なくとも半分以上の角度範囲でそれを正確に行う（それ以外の方向でも多少の方向のずれはあるが、反力を返すことができる）。また、アーム用ＭＲデバイス１２のブレーキ最大トルクは０．２Ｎｍとする。
【００４３】
（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【００４４】
すなわち、上記実施形態では、力触覚提示システム１は、駆動機構としてＸＹ座標内で移動可能な平行リンク機構１１を有しているが、さらにＺ座標や回転方向についてもアクチュエータ４２を駆動可能に構成してもよい。その方向に駆動した際に対応するＭＲデバイスの回転軸が回転されるようにすれば、その回転抵抗を制御することで、力触覚を受動的に発現できるようになる。
【００４５】
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【符号の説明】
【００４６】
１      力触覚提示システム
２      コンソール
３      作業台
４      脚部
５      アームレスト
６      マスタアーム
１０      アーム制御ユニット
１１      平行リンク機構
１１ａ    第１リンク部材
１１ｂ    第２リンク部材
１１ｃ    第３リンク部材
１１ｄ    第４リンク部材
１１ｅ    第１リンク軸
１１ｆ    第２リンク軸
１１ｇ    第３リンク軸
１２      アーム用ＭＲデバイス
１２ａ    回転軸
１２ｂ    ロータ
１２ｃ    ステータ
１２ｄ    コイル
１２ｅ    電磁回路
１２ｆ    外側多層ディスク
１２ｇ    内側多層ディスク
１２ｈ    ＭＲ流体
２０      ハンド制御ユニット
２１      開閉機構
２１ａ    ケース側パーツ
２１ｂ    軸側パーツ
２３      ハンド用ＭＲデバイス
２３ａ    開閉軸
２３ｂ    ケース
３０      電源制御装置
３１      電源
３２      制御部
４０      スレーブアーム
４１      センサユニット
４２      アクチュエータ
【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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