(57)【要約】【課題】遠隔地やコンピューター上に構成された物体を把持した時の反力提示を容易にできる力覚提示装置を提供する。【解決手段】遠隔地やコンピュータ上に構成された物体を把持したときの力感覚を得るための駆動手段と、伝達手段と、測定手段を有する力覚提示装置１０であって、駆動手段がヨーク１２、永久磁石１３、ボビン１４、及びコイル１５等で構成されるボイスコイルモータ１１を有し、伝達手段が指を挿入してボイスコイルモータ１１の発生力を指に伝えるための２つの指サックの１つをボイスコイルモータ１１のボビン１４に直結し、もう１つをボイスコイルモータ１１の支持台１９に固定する第１と第２の指サック１７、１８を有し、測定手段が反力２０を測定するためのボビン１４と支持台１９との間に設ける力センサ２１と、指間距離を測定するための位置センサ２２を有する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作者が遠隔地やコンピュータ上で構成された物体を把持したときの力感覚を得るための駆動手段と、伝達手段と、測定手段を有する力覚提示装置であって、
前記駆動手段がヨーク、永久磁石、ボビン、及びコイル等で構成されるボイスコイルモータを有し、該ボイスコイルモータの前記コイルに流す電流を変えることで変化できる発生力を前記伝達手段に伝えるために、前記伝達手段が前記操作者の指を挿入して前記ボイスコイルモータの前記発生力を指に伝えるための２つの指サックの１つを前記ボイスコイルモータの直進駆動アームである前記ボビンに直結し、もう１つを前記ボイスコイルモータを支持する支持台に固定する第１の指サックと第２の指サックを有し、該第１の指サックと該第２の指サックの間に発生する発生力である反力と、前記第１の指サックと前記第２の指サックの間の指間距離を前記測定手段で測定するために、前記測定手段が前記反力を測定するための前記ボビンと前記支持台との間に設ける力センサと、前記指間距離を測定するための位置センサを有することを特徴とする力覚提示装置。
【請求項２】
請求項１記載の力覚提示装置において、前記力センサは歪ゲージを用いたものからなることを特徴とする力覚提示装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の力覚提示装置において、前記位置センサはポテンショメータ、超音波センサ、磁気式センサ、又は光学式センサからなることを特徴とする力覚提示装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の力覚提示装置において、前記ボイスコイルモータの最大提示力は２５Ｎで、前記第１の指サックの移動可能距離は０を超え１００ｍｍ以下であることを特徴とする力覚提示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、遠隔地やコンピューター上に構成された物体を把持したときの力感覚を得るための力覚提示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、操作者が物体を把持したときの力感覚を提示する装置は、例えば、遠隔操作で把持動作を行う場合や、コンピューター上で構築された仮想世界を対象にあたかも現実の対象として実際に把持しているような感覚で操作することができる等のために広く用いられるようになっている。
【０００３】
力覚提示装置には、遠隔操作で物体を把持する場合や、コンピューター上で構築された仮想世界を対象にあたかも現実の対象として操作することができるようにするために、ワイヤーとモータを組み合わせ、更にワイヤーの移動を規制するブレーキ手段を備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。あるいは、力覚提示装置には、指に装着できる力覚センサで手指の３次元運動を計測すると共に、力覚センサで指先の接触力を計測し、出力値の差に基づき制御され、直流又は交流電動モータからなるアクチュエータで作動させて指先に力覚を提示するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−９９２４０号公報（第１−６頁、第１図）
【特許文献２】
特開２００２−１８２８１７号公報（第１−７頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の力覚提示装置は、未だ解決すべき次のような問題がある。
従来の力覚提示装置には、アクチュエータとして直流や、交流からなる回転モータが使用されているが、この回転モータでは、操作者に物体の把持感覚を提示する場合に、指間距離の変化に応じた反力を発生させることが難しいので、物体を把持したときの力感覚にあたかも実際に把持しているような感覚を得ることができない。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、遠隔地やコンピュータ上に構成された物体を把持したときの反力提示を操作者に容易に行うことができ、円滑な操作を行うことができる力覚提示装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る力覚提示装置は、操作者が遠隔地やコンピュータ上で構成された物体を把持したときの力感覚を得るための駆動手段と、伝達手段と、測定手段を有する力覚提示装置であって、駆動手段がヨーク、永久磁石、ボビン、及びコイル等で構成されるボイスコイルモータを有し、ボイスコイルモータのコイルに流す電流を変えることで変化できる発生力を伝達手段に伝えるために、伝達手段が操作者の指を挿入してボイスコイルモータの発生力を指に伝えるための２つの指サックの１つをボイスコイルモータの直進駆動アームであるボビンに直結し、もう１つをボイスコイルモータを支持する支持台に固定する第１の指サックと第２の指サックを有し、第１の指サックと第２の指サックの間に発生する発生力である反力と、第１の指サックと第２の指サックの間の指間距離を測定手段で測定するために、測定手段が反力を測定するためのボビンと支持台との間に設ける力センサと、指間距離を測定するための位置センサを有する。アクチュエータにボイスコイルモータを用いているので指間距離の変化に対応する反力が得られ、操作者の指にはあたかも実際に物体を把持しているような力感覚を提示することができる。
【０００７】
ここで、力センサは歪ゲージを用いたものからなるのがよい。これにより、第１と第２の指サックに挿入した指間に発生している反力を、例えば、歪ゲージそのもの、ロードセル、又は歪ゲージ方式の圧力センサ等の歪ゲージを用いたものに発生するひずみによって正確に、且つ容易に測定することができる。
【０００８】
また、位置センサはポテンショメータ、超音波センサ、磁気式センサ、又は光学式センサからなるのがよい。これにより、第１の指サックを移動させることで、移動開始から移動停止までの指間距離を可変抵抗器、超音波センサ、磁気センサ、光センサ等で正確に、且つ容易に測定することができる。
【０００９】
更に、ボイスコイルモータの最大提示力は２５Ｎで、第１の指サックの移動可能距離は０を超え１００ｍｍ以下であるのがよい。これにより、ボイスコイルモータの最大提示力が２５Ｎであると、把持物体としてあらゆる物体の反力提示が可能である。また、第１の指サックの移動距離が０を超え１００ｍｍ以下であると、操作者が第１と第２の指サックに指を挿入して操作するときに自然な指間距離を提供でき、繊細な作業を行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る力覚提示装置の説明図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同力覚提示装置のボイスコイルモータのＢ−Ｂ’線矢視図、Ａ−Ａ’線断面図、図３（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ同力覚提示装置の力センサの取付位置の説明図である。
【００１１】
図１（Ａ）、（Ｂ）、図２を参照しながら、遠隔地やコンピュータ上に構成した物体を把持したときの力感覚を得るための本発明の一実施の形態に係る力覚提示装置１０を説明する。なお、図１（Ａ）は力覚提示装置を駆動させる前、図１（Ｂ）は駆動している状態を示している。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、力覚提示装置１０は、操作者が自分の指で物体を把持している感覚を提示するために、装置を駆動する駆動手段と、反力を伝達する伝達手段と、反力と指間距離を測定する測定手段を有している。
【００１２】
この力覚提示装置１０の駆動手段には、ボイスコイルモータ１１が用いられている。図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、このボイスコイルモータ１１は、鉄等の磁性体からなる断面視ロ字形状の筒体の一方の端面を開放し、他方の端面を閉塞する形状のヨーク１２に、ヨーク１２の断面視中央部に材料がヨーク１２と同じの棒体からなるセンターヨーク１３を有している。このヨーク１２の対向する内面には、永久磁石１４が取り付けられている。そして、アルミニウム等の非磁性体からなり断面視してロ字形状の筒体からなるボビン１５は、外周の一部分にコイル１６を巻きつけ、中心部をセンターヨーク１３に挿入してセンターヨーク１３をレールとし、しかも、永久磁石１４とコイル１６の外周面を近接させて可動できるようにしている。更に、ボイスコイルモータ１１は、ヨーク１２の一方の端面の開放部からボビン１５が導出できるようにしている。ボイスコイルモータ１１は、一定磁界中でコイル１６に流す電流を変えることで、フレミング左手の法則によりボビン１５の駆動力を自由に変えることができる。
【００１３】
力覚提示装置１０の伝達手段は、操作者が自分の指、例えば、親指と人差し指を挿入できる２つの第１の指サック１７と第２の指サック１８からなっている。第１の指サック１７は、ボイスコイルモータ１１の直進駆動アームであるボビン１５と直結し、第２の指サック１８は、ボイスコイルモータ１１を支持する支持台１９に固定されている。操作者が第１の指サック１７に挿入した指を直動すると、第１の指サック１７と直結しているコイル１６の巻かれたボビン１５が動くことになるが、この時、コイル１６の電流を変化させることで、ボイスコイルモータ１１の発生力である反力２０を変化させて、操作者の指に伝えることができる。
【００１４】
力覚提示装置１０の測定手段は、第１の指サック１７と第２の指サック１８の間に発生する反力２０を測定するためのボビン１５と支持台１９との間に設ける力センサ２１と、第１の指サック１７と第２の指サック１８の間を指間距離を測定するための第１の指サック１７に連接させて設ける位置センサ２２からなっている。力センサ２１は、例えば、歪ゲージそのもの、ロードセル、又は圧力センサ等の歪ゲージ方式の力センサ２１がよい。この力センサ２１を設ける位置は、第２の指サック１８と支持台１８の間に設けるロードセルからなる力センサ２１以外に、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、ボビン１５と第１の指サック１７の間に設けるロードセルからなる力センサ２１ａ、第１の指サック１７及び／又は第２の指サック１８と指との間に設ける圧力センサからなる力センサ２１ｂ、又は、ボビン１５の表面に直接貼り付ける歪ゲージからなる力センサ２１ｃであってもよい。また、位置センサ２２は、例えば、第１の指サック１７に固定して移動距離を測定するポテンショメータや磁気式センサ、又は、発光部からの光を第１の指サック１７に当て、そのはね返り光を受光部で受けるまでの時間で距離を測定する光学式センサからなるのがよい。更に、ボイスコイルモータ１１の最大提示力は、２５Ｎであるのがよく、把持する物体としてあらゆる物体の反力提示が可能であり、最大提示力が２５Ｎを超える必要性がない。第１の指サック１７の移動可能距離は、０を超え１００ｍｍ以下であるのがよく、操作者が第１、第２の指サック１７、１８に指を挿入して操作する時に自然な指間距離を提供し、繊細な作業を行うことができる。なお、移動可能距離が１００ｍｍを超えると指間距離が大きくなり過ぎて、繊細な操作が難しくなる。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１及びこれに従属する請求項２〜４記載の力覚提示装置は、操作者が遠隔地やコンピュータ上で構成された物体を把持したときの力感覚を得るための駆動手段と、伝達手段と、測定手段を有する力覚提示装置であって、駆動手段がヨーク、永久磁石、ボビン、及びコイル等で構成されるボイスコイルモータを有し、ボイスコイルモータのコイルに流す電流を変えることで変化できる発生力を伝達手段に伝えるために、伝達手段が操作者の指を挿入してボイスコイルモータの発生力を指に伝えるための２つの指サックの１つをボイスコイルモータの直進駆動アームであるボビンに直結し、もう１つをボイスコイルモータを支持する支持台に固定する第１の指サックと第２の指サックを有し、第１の指サックと第２の指サックの間に発生する発生力である反力と、第１の指サックと第２の指サックの間の指間距離を測定手段で測定するために、測定手段が反力を測定するためのボビンと支持台との間に設ける力センサと、指間距離を測定するための位置センサを有するので、ボイスコイルモータで指間距離の変化に対応する反力が得られ、操作者の指には物体を把持した時の力感覚が提示され、臨場感を得ながらの操作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る力覚提示装置の説明図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同力覚提示装置のボイスコイルモータのＢ−Ｂ’線矢視図、Ａ−Ａ’線断面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ同力覚提示装置の力センサの取付位置の説明図である。
【符号の説明】
１０：力覚提示装置、１１：ボイスコイルモータ、１２：ヨーク、１３：センターヨーク、１４：永久磁石、１５：ボビン、１６：コイル、１７：第１の指サック、１８：第２の指サック、１９：支持台、２０：反力、２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ：力センサ、２２：位置センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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