(57)【要約】【課題】的確な力覚を提示できる必要最小個数数のパッシブな力発生部を用いた力覚提示装置の提供【解決手段】人間に対し、力感覚を提示する回転関節型リンク機構（５）のパッシブ型力覚提示システムであって、人間が操作する操作部（６）と、前記操作部の位置を検出する位置検出部（７）と、操作部の自由度の数と同じ数よりなるブレーキを用いたパッシブ型力発生部（８）を用いて各パッシブ型力発生部の動作によって前記操作部に対する力としてそれぞれ直交する抗力をかけることができるブレーキ力伝達部（９）と、前記位置検出部の出力を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御装置（１０）とを備えることを特徴とする装置であり，的確な力覚を提示することができる．また，前記操作部に加えられた力を検出する力検出部（１１）を備える際には，この情報も用いて制御することにより力覚提示性能を改善することができる．【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間に対し、力感覚を提示する触力覚提示システムであって、人間が操作する操作部と、人間が前記操作部に加えた力および／または前記操作部の位置および／または姿勢を検出する検出部と、操作部の自由度の数と同じ数よりなる、前記操作部に対する力に対してそれぞれ直交する抗力をかけることができるパッシブ型力発生部と、前記パッシブ型力発生部から前記操作部に力を伝達するブレーキ力伝達部と、前記検出部からの前記力および／または前記位置および／または前記姿勢の情報を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御部とを備え、触力覚提示システムの基台から操作部に至る機構を回転関節型リンク機構とすることを特徴とするパッシブ型触力覚提示システム。
【請求項２】
パッシブ型力発生部に、ＥＲ流体やＭＲ流体等の機能性流体を用いた請求項１に記載の触力覚提示システム。
【請求項３】
パッシブ型力発生部に、パウダブレーキまたはパウダクラッチを用いた請求項１に記載の触力覚提示システム。
【請求項４】
パッシブ型力発生部に、電磁ブレーキまたは電磁クラッチを用いた請求項１に記載の触力覚提示システム。
【請求項５】
駆動伝達部に、リニアガイドを用いた請求項１〜４に記載の触力覚提示システム。
【請求項６】
駆動伝達部に、傘歯車を用いた請求項１〜４に記載の触力覚提示システム。
【請求項７】
駆動伝達部に、ワイヤー・プーリーシステムあるいはワイヤー・ベルトシステムを用いた請求項１〜４に記載の触力覚提示システム。
【請求項８】
パッシブ型力発生部に加えて、アクティブ型力発生部を備え、パッシブ型力発生部とアクティブ型力発生部を切り替えることのできる、請求項１〜７に記載の触力覚提示システム。
【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システムに関する。
【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システムは、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システムは数多く開発されている。【０００４】  しかし、触力覚提示システムの力発生部にアクティブなアクチュエータを用いた場合、故障や暴走など不慮の事故により操作する人間に危険が及ぶ可能性がある。また、特別に機構的、電気的、あるいはソフトウェア的に対策を施すことで安全性を高めることは可能であるが、装置やシステムが複雑化する上、完全に危険性を排除することは難しい。【０００５】  これに対し、パッシブ型力発生部を用いた触力覚提示システムは、操作者の加えた力に対する抗力のみを提示するため、誤って装置が操作者に危害を加える可能性は全くない。【０００６】  このような、パッシブ型力発生部を用いた触力覚提示については、斉藤らのパウダクラッチを用いた触力覚提示システム（非特許文献２）が開示されている。このシステムは、１台のパウダクラッチを用いて１自由度の力覚を提示している。【０００７】  しかし、パッシブ型力発生部の発生できる力には制限があるため、ある自由度の力覚を実現するために必要最小限の数の力発生部しか用いていない場合、提示できる触覚、力感覚に制限が生じる。【０００８】  これに対し、ある自由度の力覚を提示するために最小限必要の数よりも多い冗長な数のパッシブ型力発生部を用いることで、最小限必要な数しか用いていない場合には提示できない精密な触覚、力感覚を提示することができる。【０００９】  このような冗長個数のパッシブ型力発生部を用いた触力覚提示システムとして、冗長個数の電磁ブレーキを用いたＢｏｏｋらのＰＴＥＲがある（非特許文献３）。【００１０】  また、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）を冗長個数用いた力覚提示システムを提案した（特許文献２、非特許文献４）．
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【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
【非特許文献】
【００１２】
【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  Ｅｕｒｏｈａｐｔｉｃｓ２００２、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、２ＡＩＩ１−６、１９９８
【非特許文献３】  Ｄａｖｉｓ，Ｈ．ａｎｄ  Ｂｏｏｋ，Ｗ．：“Ｔｏｒｑｕｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ａ  Ｒｅｄｕｎｄａｎｔｌｙ  Ａｃｔｕａｔｅｄ  Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ”、Ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、９５９−９６３、１９９７
【非特許文献４】  古荘純次、小澤拓也、小林弘，原口真：“冗長個数のＥＲ流体ブレーキを用いた上肢リハビリ支援システムＲｅｄｕｎｄａｎｔ−ＰＬＥＭＯの研究開発”、第１０回システムインテグレーション部門講演会（ＳＩ２００９）論文集、１１１９−１１２２、２００９
【非特許文献５】  古荘純次，小柳健一，片岡次郎，笠潮，井上昭夫，竹中重和：三次元上肢リハビリ訓練システムの開発（第１報：ＥＲアクチュエータを用いた機構およびシステム全体の開発），日本ロボット学会誌，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．５，ｐｐ．１２３−１３０、２００５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】  触力覚提示システムは、実世界において体験する触覚、力感覚の頻度の高いものに対して、優れた触力覚提示性能を持つことが要求される．【００１４】  最も基本的なものとして、運動方向の逆方向の力覚を提示する場合がある。例えば、粘性場における運動を実現する際には、常に運動方向の逆方向の力覚を提示する必要がある。【００１５】  直動スライド機構によるパッシブ型触力覚提示システムでは、各スライド機構を直交させることで、運動方向の逆方向の力覚を提示することは容易に実現できる。しかし、直動スライド機構はシステムの複雑化、肥大化を招き、また、機械インピーダンスが大きく，動きにくい。【００１６】  そこで、一般的に触力覚提示システムには回転関節型リンク機構が用いられる。しかし、回転関節型リンク機構による冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）を有しないパッシブ型触力覚提示システムでは、運動方向の逆方向の力を提示できないリンク姿勢がしばしば発生する（非特許文献４）。【００１６】  特許文献２および非特許文献３、４に示すように、冗長個数のパッシブ型力発生部を用いることで、この課題は解決可能である。【００１７】  しかし、このようなシステムは多くのブレーキ（クラッチを含む）を必要とするため、装置やシステムが複雑化するという課題があり、システムの複雑化を避けるためには、ブレーキの数を減らすことが要求される。【００１８】  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、その目的は、回転関節型リンク機構において操作部の自由度に等しい数のブレーキを用いて、すなわち冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）は用いないで、システムの姿勢によらず、運動方向の逆方向の力覚を提示可能な触力覚提示システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】  上記課題を解決するため、本発明は、全ての姿勢において、操作部の自由度に等しい数のブレーキ（クラッチを含む）を用いた力発生部を用いて、各ブレーキ（クラッチを含む）の動作によって操作部に発生する力の方向が，ブレーキ力伝達部にリニアガイド，傘歯車等を用いることにより図１に示すように直交するような触力覚提示システムを、回転関節型リンク機構を用いた触力覚提示システムにより提供する。これにより、少ない数のブレーキ（クラッチを含む）で，全ての姿勢において操作部の運動方向と逆向きの力が発生可能となる。【００２０】図１は，操作部の自由度が平面２自由度の場合について，２つのブレーキ，ブレーキ１とブレーキ２を用いた際に，ブレーキ１とブレーキ２の動作方向が直交している状態を示している。直線（１）はブレーキ１の動作方向を示す直線であり，直線（２）はブレーキ２の動作方向を示す直線である．このとき速度ベクトルＶ（３）の方向に操作部が運動すると、ハッチングでその力提示可能範囲（４）を示す範囲の方向の抵抗力が提示可能である．図からわかるように、ブレーキの動作方向が直交しているとき、操作部の自由度に等しい数のブレーキを用いて、操作部の運動方向によらず、運動方向の逆方向の力が常に発生できる。【００２１】図２は，操作部の自由度が平面２自由度の場合について，ブレーキ１とブレーキ２の動作方向が直交していない状態を示している。このとき速度ベクトルＶ（３）の方向に操作部が運動すると、操作部の自由度に等しい数のブレーキを用いても，斜線で示す範囲の方向の力しか提示できない。すなわち、運動方向の逆方向の力が提示できない。【００２２】  本発明は具体的には、図３に示すように，人間に対し、力感覚を提示する回転関節型リンク機構（５）のパッシブ型触力覚提示システムであって、人間が操作する操作部（６）と、前記操作部の位置を検出する位置検出部（７）と、操作部の自由度の数と同じ数よりなるブレーキ（クラッチを含む）を用いたパッシブ型力発生部（８）を用いて各パッシブ型力発生部の動作によって前記操作部に対する力としてそれぞれ直交する抗力をかけることができるブレーキ力伝達部（９）と、前記位置検出部の出力を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御装置（１０）とを備えることを特徴とする。また，人間が前記操作部（６）に加えた力を検出する力検出部（１１）も備え，力検出部および／または前記位置検出部の出力を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御装置（１０）を備えることを特徴とする場合もある．パッシブ型力発生部には、ＥＲ流体やＭＲ流体等の機能性流体、パウダブレーキまたはパウダクラッチ、電磁ブレーキまたは電磁クラッチ等を用いることができる。【００２３】本発明で使用できるパッシブ型力発生部としては，例えば，流体を用いた機構がある．図４は，ＥＲ流体またはＭＲ流体など，外的な場（電場，磁場）によってレオロジー特性の変化する機能性流体を用いたパッシブ型力発生部の例を示す．図４はその機能性流体を用いたパッシブ型力発生部の断面図を示している．図４（ａ）には円筒タイプ，図４（ｂ）には円盤タイプを示す．本体（１２）と出力部（１３）または（１４）の間隙に機能性流��（１５）が充填される．機能性流体（１５）の外的な場を変化させることで，出力部（１３）または（１４）に取り付けられた出力接続部（１６）に力が発生する．出力部（１３）または（１４）は，多重円筒，または多重円盤とすることで，発生力を増大させることができる．
【発明の効果】
【００２４】  上記のように本発明は、回転関節型リンク機構において自由度の数に等しい数のブレーキを用いて、すなわち冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）は用いないで、システムの姿勢によらず、運動方向の逆方向の力覚を提示可能な触力覚提示システムである。【００２５】  本発明は、回転関節型リンク機構を用いることで、システムのコンパクト化に加え、操作部から見た等価慣性が低い、操作部からのバックドライブ性がよい、機械損失が少ない、機構が操作の邪魔にならないなど操作性と制御性に優れている、という利点がある．【００２６】  また、本発明は、自由度の数に等しい数のブレーキしか用いないため、触力覚提示システムを簡単な機構によって構成することが可能であり、システムを低コスト化、コンパクト化することができる。【００２７】  さらに、上記触力覚提示システムに用いるパッシブ型力発生部は、操作者が操作部に加える操作力に抗する反力のみを発生するため、故障や暴走など不慮の事故により触力覚提示システムが操作者に危害をおよぼす可能性はなく、安全な触力覚提示システムが提供される。【００２８】  このように、本発明は優れた力覚提示性能、簡単な機構とそれによるシステムの低コスト化およびコンパクト化、安全性を同時に実現させることができる．
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】平面２自由度の場合のブレーキ力の発生方向が直交している場合の図である．
【図２】平面２自由度の場合のブレーキ力の発生方向が直交していない場合の図である．
【図３】本発明の構成図である．
【図４】機能性流体ブレーキの概念図である．
【図５】本発明に係る触力覚提示システムの実施形態を示す上面図である。
【図６】回転関節型平行リンク機構を用いた触力覚提示システムにおいて，各リンクに直接ブレーキを取り付けた場合の上面図である。
【図７】本発明に係る触力覚提示システムの第２実施形態を示す上面図である。
【符号の説明】  １  ブレーキ１の動作方向を示す直線
２  ブレーキ２の動作方向を示す直線
３  操作部の運動方向ベクトル
４  力提示可能範囲
５  回転関節型リンク機構
６  操作部
７  位置検出部
８  パッシブ型力発生部
９  ブレーキ力伝達部
１０  制御部
１１  力検出部
１２  本体
１３  円筒型出力部
１４  円盤型出力部
１５  機能性流体
１６  出力接続部
１７  固定部
１８，１９，２０，２１  リンク
２２  リニアガイドを取り付けたリンク
２３  リニアガイドのスライド部
２４  スライド部に沿って運動するためにリンク１９に取り付けられた部品
２５，２６  パッシブ力発生部
２７，２８，２９，３０  リンク
３１，３２  パッシブ型力発生部
３３，３４，３５，３６  リンク
３７  リニアガイドを取り付けたリンク
３８  リニアガイドのスライド部
３９  スライド部に沿って運動するためにリンク３５に取り付けられた部品
４０，４１  パッシブ型力発生部
４２  触力覚提示システム
【発明を実施するための形態】
【００３０】  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５を用いて説明する。
【００３１】  図５（ａ）は，本発明に関する第１実施形態の回転関節型リンク機構の平行リンク型２次元触力覚提示システムの上面図である．操作部（６）を人間が操作する．固定部（１７）にリンク（１８），（１９），（２０），（２１）よりなる平行リンク型触力覚提示システムが取り付けられている．ただし，リンク（１９）とリンク（２１）の長さは等しいものとする．  リンク（２２）はリニアガイドが取り付けられ（２４）はスライド部を移動するリンク（２０）に取り付けられた部品の一部を示す．ブレーキ（２５）は，リンク（１８）とリンク（１９）の相対回転角度に対して作用する．ブレーキ（２６）は，リニアガイドが取り付けられたリンク（２２）と固定部（１７）の相対回転角度に対して作用する．
【００３２】  図５（ｂ）および図５（ｃ）は，２種類のリンク姿勢におけるブレーキ（２５）および（２６）による力の作用方向ベクトルを矢印で示している．図から分かるように，図５（ａ）の機構を用いることにより，各ブレーキの作用方向は直交している．すなわち，図５（ａ）の機構を用いることにより，操作部の運動方向の逆向きの力が常に提示可能である．
【００３３】図６（ａ）は，関節回転部に直接ブレーキを取り付けた回転関節型平行リンク機構の２次元触力覚提示システムの上面図である．固定部（１７）にリンク（２７），（２８），（２９），（３０）よりなる平行リンク型触力覚提示システムが取り付けられている．ブレーキ（３１）は，リンク（２７）と固定部（１７）の相対回転角度に対して作用する．ブレーキ（３２）はリンク（２８）と固定部１７の相対回転角度に対して作用する．
【００３４】  図６（ｂ）および図６（ｃ）は，２種類のリンク姿勢におけるブレーキ（３１）および（３２）による力の作用方向ベクトルを矢印で示している．図６から分かるように，図６（ａ）の機構を用いた場合には，各ブレーキの作用方向は，大部分の姿勢に対して直交しない．すなわち，図６（ａ）の機構を用いた際には，操作部の運動方向の逆向きの力が提示可能でない状況がしばしば発生する．
【００３５】  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７を用いて説明する。
【００３６】  図７（ａ）は，本発明に関する第２実施形態の回転関節型リンク機構の平行リンク型２次元触力覚提示システムの上面図である．操作部（６）を人間が操作する．固定部（１７）にリンク（３３），（３４），（３５），（３６）よりなる平行リンク型触力覚提示システムが取り付けられている．  ただし，リンク（３４）とリンク（３６）の長さは等しいものとする．リンク（３７）はリニアガイドが取り付けられたリンクであり，水平回転が可能である．（３８）はリニアガイドのスライド部であり，（３９）はスライド部を移動するリンク（３４）に取り付けられた部品の一部を示す．ブレーキ（４０）は，リニアガイドが取り付けられたリンク（３７）と固定部（１７）の相対回転角度に対して作用する．ブレーキ（４１）は，リニアガイドが取り付けられたリンク（３７）とリンク（３４）の相対回転角度に対して作用する．
【００３７】  図７（ｂ）および図７（ｃ）は，２種類のリンク姿勢におけるブレーキ（４０）および（４１）による力の作用方向ベクトルを矢印で示している．図から分かるように，図７（ａ）の機構を用いることにより，各ブレーキの作用方向は直交している．すなわち，図７（ａ）の機構を用いることにより，操作部の運動方向の逆向きの力が常に提示可能である．
【００３８】本発明に関する第３実施形態は，パッシブ型３次元触力覚提示システムである．［非特許文献５］に示すＥＲアクチュエータを用いた３次元アクティブ型力覚提示システムＥＭＵＬの水平面内運動機構を本発明の図５（ａ）あるいは図７（ａ）の機構に置き換え，上下方向の運動をＥＭＵＬの第１リンク（垂直軸まわりの回転を行う）と上下方向の運動を行う第２リンクとの間にブレーキを取り付けることにより実現される．ただし，このシステムにおいては，操作部における各ブレーキ力の厳密な直交化は行われない．
【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。
【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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