(57)【要約】【課題】非周期的な力覚提示とは独立して，手関節に正確な振動を提示することのできる振動力覚提示装置の提供，およびこの装置を用いた脳卒中片麻痺患者を主な対象とする上肢リハビリ支援装置の提供【解決手段】人間に対し，振動力覚を提示する装置であって，人間が操作する操作部（１）と，前期操作部の手関節からの位置および／または姿勢を検出する位置あるいは姿勢検出部（２）と，振動中心が手関節上にあるように配置され，操作部の振動自由度と同じ数よりなるアクチュエータからなる振動発生部（３）と，接続部（４）とを備えることを特徴とする装置であり，非周期的な力覚提示とは独立して，手関節に正確な振動を提供することができる．【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間に対し，振動力覚を提示する装置であって，人間が操作する操作部と，前期操作部の位置および／または姿勢を検出する検出部と，振動中心が手関節上にあるように配置され，操作部の振動自由度と同じ数よりなるアクチュエータからなる振動発生部を備えることを特徴とする振動力覚提示装置．
【請求項２】
触力覚提示装置との接続部および／または環境との固定部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の振動力覚提示装置．
【請求項３】
人間に対し，振動力覚を提示する装置であって，人間が操作する操作部と，前期操作部の位置および／または姿勢を検出する検出部と，振動中心がグリップ中心にあるように配置され，操作部の振動自由度と同じ数よりなるアクチュエータからなる振動発生部を備えることを特徴とする振動力覚提示装置．
【請求項４】
脳卒中片麻痺患者を主な対象とする上肢リハビリにおける共同運動の発生の警告および／または促通に用いることを特徴とする請求項１および２および３に記載の振動力覚提示装置
【請求項５】
振動発生部に，サーボモータを用いた請求項１および２および３および４に記載の振動力覚提示装置．
【請求項６】
振動発生部に，超音波モータを用いた請求項１および２および３および４に記載の振動力覚提示装置．
【請求項７】
振動発生部に，リニア振動アクチュエータを用いた請求項１および２および３および４に記載の振動力覚提示装置．
【請求項８】
振動発生部に，機能性流体クラッチをアクチュエータに取りつけた請求項１から７に記載の振動力覚提示装置．
【請求項９】
振動発生部に，パウダークラッチをアクチュエータに取りつけた請求項１から７に記載の振動力覚提示装置．
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は，バーチャルリアリティシステムをはじめ，遠隔操作システムやロボット教示などの工学的分野，またリハビリテーションや運動機能回復訓練など医療，運動生理学，福祉分野において使用され，人間に対して触覚および力感覚を提示するヒューマンインターフェースとしての触力覚提示装置のための振動グリップに関する．
【背景技術】
【０００２】  これまで，サーボモータなどアクティブなアクチュエータを力発生部に用いた触力覚提示装置は，提示できる自由度の数およびアクチュエータの数にかかわらず多数開発されている．例えば，米国センサブル，テクノロジー社（ＳｅｎｓＡｂｌｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｉｎｃ．）製のファントム（ＰＨＡＮＴｏＭ）（特許文献１）は，回転関節型リンク機構を用いた力覚提示装置で，３台のサーボモータを用いて３次元の力覚提示を実現している．【０００３】  また，ＦＣＳコントロールシステムズ社製のハプティックマスター（ＨａｐｔｉｃＭａｓｔｅｒ）（非特許文献１）は，３台のサーボモータを用いており，回転関節および直動関節を用いた３次元の力覚提示システムである．この他，商用および研究用を含め，アクティブなアクチュエータを用いた触力覚提示装置は数多く開発されている．【０００４】  あるいは，アクティブなアクチュエータを用いた触力覚提示装置と比較して，機構的な安全性を確保した，ブレーキなどのパッシブ型の触力覚提示装置も開示されている（非特許文献２）．この装置は，１台のパウダークラッチを用いて１自由度の力覚を提示している．【０００５】  本発明者らは，先にＥＲ流体ブレーキ（クラッチを含む），ＭＲ流体ブレーキ（クラッチを含む）を冗長個数用いて力覚提示特性を改善したパッシブ型力覚提示装置を提案した（特許文献２）．【０００６】  一方，上肢に周期的な振動力覚を提示する装置としては，川平らのリハビリを目的とした振動刺激装置がある（特許文献３）．この装置では，小型の振動モータを用いて前腕の側部に振動を与える．すなわち，手関節に対して選択的に振動刺激を与えてはいない．
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】  米国特許第５，５８７，９３７号請求書
【特許文献２】  特開２０００−３２２１３１号公報
【特許文献３】  特開２００６−３４６１０８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】  Ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｌｉｎｄｅ  Ｒ．Ｑ．，Ｌａｍｍｅｒｔｓｅ  Ｐ．，Ｆｒｅｄｅｒｉｋｓｅｎ  Ｅ．，ａｎｄ  Ｒｕｉｔｅｒ  Ｂ．：“Ｔｈｅ  ＨａｐｔｉｃＭａｓｔｅｒ，ａ  Ｎｅｗ  Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｈａｐｔｉｃ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ”，Ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  Ｅｕｒｏｈａｐｔｉｃｓ  ２００２，１−５，２００２
【非特許文献２】  斉藤理，小森谷清，村田良司：“パッシブな力覚提示手法−パウダークラッチを用いた力覚提示装置−”，日本機械学会ロボティクス，メカトロニクス講演会’９８講演論文集ＣＤ−ＲＯＭ，２ＡＩＩＩ−６，１９９８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  特許文献１・２，非特許文献１・２に示したような触力覚提示装置では，１台のアクチュエータあるいはブレーキがある自由度の非周期的な力覚と周期的な力覚の提示に同時にはたらくため，手先に発生する非周期的な力覚と周期的な力覚を同時に制御するのが困難であるという問題がある．【００１０】  ここで，非周期的な力覚とは，ステップやランプなどの，定常状態で収束し，多数の周波数成分を連続的に含む力覚を指す．また，周期的な力覚とは，正弦波や三角波などの，定常状態で収束せず，特定の周波数を多く含む力覚を指すことにする．【００１１】  また，手先における正確な振動力覚提示の観点からは，手関節に対して正確な振動を与える必要がある．【００１２】  しかし，特許文献３に示す装置では，前腕に振動を与えるため，手先に正確な振動を与えることができない．また，振動モータを振動の提示に使用しているため，振動の制御が困難である．【００１３】  本発明は，このような課題を解決するためになされた発明であって，その主な目的は，力覚提示装置の把持部に取り付けることで，手先への非周期的な力覚提示とは独立して，手関節への周期的な振動力覚を制御する振動力覚提示装置を提供することであり，脳卒中片麻痺等の共同運動の発現を抑制することを目的とするリハビリ訓練等を実施する上で大きな効果を持つ．
【課題を解決するための手段】
【００１４】  上記課題を解決するため，本発明では，振動中心が手関節上に存在するようにし，非周期的な力覚提示とは独立した振動発生部によって，手関節の振動を駆動する．あるいは，グリップ部回転中心を加振の中心とすることにより，その反作用によって，手関節の振動を駆動する．【００１５】  本発明は具体的には，図１に示すように，人間に対し，振動力覚を提示する装置であって，人間が操作する操作部（１）と，前期操作部の手関節からの位置および／または姿勢を検出する位置あるいは姿勢検出部（２）と，振動中心が手関節上にあるように配置され，操作部の振動自由度と同じ数よりなるアクチュエータからなる振動発生部（３）と，接続部（４）とを備えることを特徴とする．
あるいは，図６，図７に示すように，グリップ部（１５）の回転中心を中心としたアクチュエータにより振動を与え，その反動により手関節上に振動中心がある振動を与えるようにアクチュエータ（４１）からなる振動発生部を備えることを特徴とする．
振動提示用のアクチュエータとしては，サーボモータ，超音波モータ，リニア振動アクチュエータ等を用いることができる．【００１６】  また，接続部は，様々な力覚提示装置の操作部に取り付ける，あるいは取り付けずに固定する，あるいは自由端とすることができる．【００１７】  また，振動発生部は，アクチュエータにクラッチを取り付け，振動の周期に合わせてクラッチをオンオフすることで，半波整流された振動を与えることができる．
整流用のクラッチとしては，機能性流体クラッチ，パウダークラッチ等を用いることができる．
【発明の効果】
【００１８】  上記のように本発明は，非周期的な力覚提示とは独立して，正確に手関節に周期的な振動を提示することを可能とする振動力覚提示装置である．また，これを用いることにより，脳卒中片麻痺等における共同運動の発生を患者に，警告，および／または，リハビリにおける促通の効果を持つ．【００１９】  本発明は，独立して振動提示装置として使用することができるほか，様々な力覚提示装置の操作部に取り付けることで，それらの装置の力覚提示に加えて，それとは独立した振動提示が可能となる．また，これを用いることにより，脳卒中片麻痺等における共同運動の発生を患者に，警告，および／または，リハビリにおける促通の効果を持つ．【００２０】  また，本発明は，制御性に優れたアクチュエータを使用することで，手先に与える振動の周期や振幅などを正確に制御することができる．また，これを用いることにより，脳卒中片麻痺等における共同運動の発生を患者に，警告，および／または，リハビリにおける促通の効果を持つ．【００２１】  加えて，本発明は，制御性に優れたクラッチをアクチュエータに取り付けて使用することで，手先に与える振動を交流と半波整流で制御することができる．また，これを用いることにより，脳卒中片麻痺等における共同運動の発生を患者に，警告，および／または，リハビリにおける促通の効果を持つ．
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の構成図である．
【図２】本発明に係る触力覚提示装置のための振動力覚提示装置の第１実施形態を示す俯瞰図である．
【図３】本発明に係る触力覚提示装置のための振動力覚提示装置の第２実施形態を示す俯瞰図である．
【図４】本発明に係る触力覚提示装置のための振動力覚提示装置の第３実施形態を示す俯瞰図である．
【図５】本発明に係る触力覚提示装置のための振動力覚提示装置の第４実施形態を示す俯瞰図である．
【図６】本発明に係る触力覚提示装置のための振動力覚提示装置の第５実施形態を示す側面図である．
【図７】本発明に係る触力覚提示装置のための振動力覚提示装置の第６実施形態を示す側面図である．
【図８】本発明に係る触力覚提示装置のための振動力覚提示装置の第７実施形態を示す側面図である．
【符号の説明】１  操作部
２  位置あるいは姿勢検出部
３  振動発生部
４  接続部
５  グリップ
６  手関節回転中心
７，８，９，１０  リンク
１１  接続部
１２  回転型アクチュエータ
１３  前腕固定部
１４  手関節回転角度計測センサ
１５  グリップ
１６  手関節回転中心
１７，１８  リンク
１９  接続部
２０  回転型アクチュエータ
２１  前腕固定部
２２  手関節回転角度計測センサ
２３  グリップ
２４  手関節回転中心
２５，２６  リンク
２７  接続部
２８  回転型アクチュエータ
２９  手関節回転角度計測センサ
３０  グリップ
３１  手関節回転中心
３２，３３  リンク
３４  接続部
３５  直動型アクチュエータ
３６  回転型クラッチ
３７  前腕固定部
３８  手関節回転角度計測センサ
３９  機能性流体クラッチ
４０  機能性流体クラッチ出力軸
４１  モータ
４２  モータ出力軸
４３  先端リンク
４４  先端リンク（４３）とリンク（４５）の間の回転軸
４５  リンク
４６  モータの出力軸に取り付けられた重りであり，モータトルクの反動トルクを発生するための回転重りである．
４７  グリップ（１５）に振動トルクを伝える回転軸であり，軸の一端はモータ（４１）に取り付けられている．
４８  回転軸（４７）を自由回転させるためのベアリング
【発明を実施するための形態】
【００２３】  本発明に関する触力覚提示システムの第１実施形態について，図２を用いて説明する．
【００２４】  図２は，本発明に関する第１実施形態の前腕固定３リンク手回転振動力覚提示装置の俯瞰図である．
グリップ（５）を人間が把持して操作する．（５）は手関節回転中心（６）にリンク（７），（８）よりなる平行リンクで取り付けられている．（６）はリンク（９），（１０）よりなる平行リンクによって，接続部（１１）に取り付けられている．（１１）は触力覚提示装置に固定する．（６）には回転型アクチュエータ（１２）が取り付けられており，手関節を中心とする回転振動を把持者に与える．また，（６）には前腕固定部（１３），手関節回転角度計測センサ（１４）が固定されている．（１３）は前腕を固定することで，正確に手関節にのみ振動を与える．
【００２５】  本実施形態では，アクチュエータが触力覚提示装置に固定されるので，アクチュエータを固定した出力通りの振動を得ることができる．触力覚提示装置の力覚発生部はグリップではなく，手関節上になるが，制御モデルを変更することで，同時に触力覚提示装置による正確な力覚提示も可能である．脳卒中片麻痺患者の上肢リハビリ訓練において共同運動が発生した際に，振動による促通の手段を提供することも可能である．
【００２６】  本発明に関する触力覚提示システムの第２実施形態について，図３を用いて説明する．
【００２７】  図３は，本発明に関する第２実施形態の前腕固定２リンク手回転振動力覚提示装置の俯瞰図である．
グリップ（１５）を人間が把持して操作する．（１５）と手関節回転中心（１６）はリンク（１７），（１８）よりなる平行リンクで接続部（１９）に固定されている．（１９）は触力覚提示装置に固定する．（１６）には回転型アクチュエータ（２０）が回転自由に取り付けられており，手関節を中心とする回転振動を把持者に与える．また，（２０）に固定されるように，（１６）には前腕固定部（２１）が取り付けられている．（２１）は前腕を固定することで，正確に手関節にのみ振動を与える．（２１）には手関節回転角度計測センサ（２２）が固定されている．
【００２８】  本実施形態では，アクチュエータが触力覚提示装置に固定されないので，アクチュエータを自由回転させ，その反力で振動を提示する．触力覚提示装置の力覚発生部はグリップ上にあり，触力覚提示装置の制御モデルを変更することなく，同時に触力覚提示装置による正確な力覚提示も可能である．脳卒中片麻痺患者の上肢リハビリ訓練において共同運動が発生した際に，振動による促通の手段を提供することも可能である．また，機構が簡単で慣性モーメントを小さくできる．
【００２９】  本発明は，上記の実施形態に限定されるものではなく，本発明の範囲内において種々の様態を採用することが可能である．
【００３０】  本発明に関する触力覚提示システムの第３実施形態について，図４を用いて説明する．
【００３１】  図４は，本発明に関する第３実施形態の前腕自由２リンク手回転振動力覚提示装置の俯瞰図である．
グリップ（２３）を人間が把持して操作する．（２３）と手関節回転中心（２４）はリンク（２５），（２６）よりなる平行リンクで接続部（２７）に固定されている．（２７）は触力覚提示装置に固定する．（２４）には回転型アクチュエータ（２８）が回転自由に取り付けられており，手関節を中心とする回転振動を把持者に与える．（２５）には手関節回転角度計測センサ（２９）が固定されている．
【００３２】  本実施形態では，把持者の前腕が固定されず，自由に運動できる．本実施形態を様々な触力覚提示装置の操作部に取り付けて使用する場合，把持者は退避動作が取りやすく，安全性が向上する．脳卒中片麻痺患者の上肢リハビリ訓練において共同運動が発生した際に，振動による促通の手段を提供することも可能である．
【００３３】  本発明は，上記の実施形態に限定されるものではなく，本発明の範囲内において種々の様態を採用することが可能である．
【００３４】  本発明に関する触力覚提示システムの第４実施形態について，図５を用いて説明する．
【００３５】  図５は，本発明に関する第４実施形態の振動切替型前腕固定２リンク手回転振動力覚提示装置の俯瞰図である．
グリップ（３０）を人間が把持して操作する．（３０）と手関節回転中心（３１）はリンク（３２），（３３）よりなる平行リンクで接続部（３４）に固定されている．（３４）は触力覚提示装置に固定する．（３１）には直動型アクチュエータ（３５）が回転型クラッチ（３６）を介して回転自由に取り付けられており，手関節を中心とする回転振動を把持者に与える．また，（３６）に固定されるように，（３１）には前腕固定部（３７）が取り付けられている．（３７）は前腕を固定することで，正確に手関節にのみ振動を与える．（３７）には手関節回転角度計測センサ（３８）が固定されている．
【００３６】  本実施形態では，直動型アクチュエータの振動の周期に合わせて回転型クラッチをオンオフすることで，半波整流の振動を手関節に与えることができる．また，クラッチを常にオンにしておけば，交流振動も提示でき，提示可能な振動を切り替えることができる．
脳卒中片麻痺患者等の上肢リハビリ訓練等において共同運動が発生した際に，振動による促通の手段を提供することが可能である．
【００３７】  本発明は，上記の実施形態に限定されるものではなく，本発明の範囲内において種々の様態を採用することが可能である．
【００３８】  図６は，本発明に関する第５実施形態のグリップ部回転振動型の振動力覚提示装置側面図である．グリップ部と手関節の距離は近く，手の回転慣性は小さいため，グリップ部の回転振動は，手関節にほぼ正確に伝えられる．
グリップ（１５）を人間が把持して操作する．グリップ（１５），機能性流体クラッチ（３９），モータ（４１）は同一回転軸上にある．モータ（４１）が振動トルクをモータ出力軸（４２）を通じて機能性流体クラッチに伝達する．機能性流体クラッチ（３９）には，ＥＲ流体，ＭＲ流体等の高速応答が可能な機能性流体が封入されており，１００Ｈｚ程度までの高速な振動まで伝達可能である．このような高速な振動を療法士が与えることは困難である．機能性流体クラッチ（３９）の役割の一つは安全の確保である．高速な振動を与えるには，モータの回転子の慣性に打ち勝つため，モータ（４１）には大きな電流を流す必要があり，その際の発生トルクは大きくなる．機能性流体クラッチ（３９）を，把持部であるグリップ（１５）との間に入れることにより，伝達トルクの制限や，異常事態発生時のトルク伝達停止が可能となる．機能性流体クラッチ（３９）のもう一つの役割は，モータ（４１）の制御と組み合わせることにより，様々な触力覚提示を可能とすることにある．
脳卒中片麻痺患者等の上肢リハビリ訓練等において共同運動が発生した際に，振動による促通の手段を提供することが可能である．
【００３９】  本発明は，上記の実施形態に限定されるものではなく，本発明の範囲内において種々の様態を採用することが可能である．
【００４０】  図７は，本発明に関する第６実施形態のグリップ部回転振動型の振動力覚提示装置側面図である．部品（４６）は，モータ出力軸（４２）に取り付けられた回転重りであり，モータトルクの反動トルクを発生する．グリップ（１５）を人間が把持して操作する．グリップ（１５），モータ（４１），部品（４６）は同一回転軸上にある．部品（４７）は，グリップ（１５）に振動トルクを伝える回転軸であり，軸の一端はモータ（４１）に取り付けられている．
このシステムにおいては，回転に関する固定点が無いため，振動感覚のみがグリップ部に伝えられるため，大きな力で手関節を回す危険性が無い．グリップ部と手関節の距離は近く，手の回転慣性は小さいため，グリップ部の回転振動は，手関節にほぼ正確に伝えられる．
脳卒中片麻痺患者等の上肢リハビリ訓練等において共同運動が発生した際に，振動による促通の手段を提供することが可能である．
【００４１】  本発明は，上記の実施形態に限定されるものではなく，本発明の範囲内において種々の様態を採用することが可能である．
【００４２】  図７は，本発明に関する第７実施形態のグリップ部回転振動型の振動力覚提示装置側面図である．
グリップ（１５）を人間が把持して操作する．グリップ（１５），モータ（４１），機能性流体クラッチ（３９）は，同一回転軸上にある．能性流体クラッチ（３９）は，先端リンク（４３）に取り付けられている．機能性流体クラッチ出力軸（４）にモータ（４１）が取り付けられている，モータ出力軸（４２）にグリップ（１５）が取り付けられている．振動トルクは，モータ出力軸（４２）を通じてグリップ（１５）伝達される．機能性流体クラッチ（３９）には，ＥＲ流体，ＭＲ流体等の高速応答が可能な機能性流体が封入されている．機能性流体クラッチ（３９）の役割の一つは安全の確保である．機能性流体クラッチ（３９）のもう一つの役割は，モータ（４１）の制御と組み合わせることにより，様々な触力覚提示を可能とすることにある．
脳卒中片麻痺患者等の上肢リハビリ訓練等において共同運動が発生した際に，振動による促通の手段を提供することが可能である．
【００４３】  本発明は，上記の実施形態に限定されるものではなく，本発明の範囲内において種々の様態を採用することが可能である．
【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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