(57)【要約】【目的】人間に対し，体の一部に力を加えることで，受動的な力覚フィードバックを実現する装置，およびその応用システムを提供することを目的とする．【構成】本発明による受動的力覚フィードバック装置は，上腕や前腕など人間の体に装着され，本体にアクチュエータやセンサを装備し，体の一部に対し受動的な力覚の提示を実現する．また，受動的力覚フィードバック装置を用いて，遠隔操作システムや力覚訓練システムを実現する．【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間の体において，前腕部，上腕部，頭部，頸部，腹部，大腿部，下腿部，手のひら，手の甲，指などの，いずれか一箇所または複数箇所に装着し，装置にはアクチュエータを装備し，前記に示す人間の体の一部分を，装置を用いて押しつける，挟み込む，握る，つまむ，締め付けるなど，いずれか一つの方法，または複数の方法を用いることで，人間に対し受動的な力覚をフィードバックすることを特徴とする，受動的力覚フィードバック装置． 
【請求項２】
マスタ・スレーブ型遠隔操作システムにおいて，請求項１の受動的力覚フィードバック装置をマスタシステムに用い，スレーブにおける力覚情報を操作者にフィードバックすることを特徴とする，力覚フィードバックシステム．
【請求項３】
動力義手システムにおいて，請求項１の受動的力覚フィードバック装置を用い，義手の把持力を操作者にフィードバックすることを特徴とする，動力義手システム．
【請求項４】
力の掛け具合を訓練するトレーニングシステムにおいて，訓練者が請求項1の受動的力覚フィードバック装置を装着し，訓練したい力の大きさやタイミング，パターンなどを訓練することを特徴とし，訓練者が一名，または複数名同時に訓練することが可能な，トレーニングシステム．
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人間に対し力覚をフィードバックするための装置，およびそれを用いた力覚フィードバックシステムに関するものである． 
【背景技術】
【０００２】
人間が物体を把持したり道具や機械を操作したりする場合など，外部環境と接触しながら作業を行う時，力覚はとても重要である．人間は経験から，物体の見た目の変形量やその他の様々な情報から対象物に及ぼされている力をある程度推定できるものの，力覚がない状態で力加減の調節が必要な作業を行うことはとても難しい．そこで，遠隔操作システムやバーチャルリアリティシステムに関連し，多くの力覚提示装置が開発されている． 
【特許文献１】特開2000-097205号公報「力覚提示装置」
【特許文献２】特開2000-200140号公報「力覚提示方法及び力覚ペンタブレット」
【特許文献３】特開2000-322131号公報「パッシブ型力覚提示装置」  これらの研究の多くでは，遠隔あるいはバーチャルな対象物をあたかも直接操作しているような感覚が重要とされている．この感覚を実現するために，物体を指で把持した時の反力は指先に，ツールやロボットを介して対象物と接触した時の反力はそれらの把持部にフィードバックすることが一般的である．  例えば，SensAble Technologies社のPHANToMに代表されるような，外部環境との接点が1箇所で，ツールを把持して操作を行い，操作範囲が比較的狭い力覚提示システムの場合，外力はツールに掛かる6軸力となり，デバイスは比較的簡単に構築できる．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら，2指あるいは多指で物体を把持する場合，把持する手が外部環境と接触する場合，そして比較的広い作業空間で作業を行う場合など，複雑な作業，複雑な環境において厳密に力覚提示を実現しようとすると，例えばImmersion社のCyberForce Systemの様に，デバイスは大型かつ複雑となってしまうことが実用上の課題となっている．
このため，研究開発の事例は多いものの，力覚フィードバック装置や，力覚フィードバック機能を有するシステムが実用化されている例は少ない．
【課題を解決するための手段】
【０００４】
力の調節が必要な作業を行う場合，それぞれの作業において重要な力覚情報の数は決して多くない．例えば物体を把持する場合，把持力が直接的にフィードバックされなくても，把持力を計測して画面に表示したり，力の掛かり具合を音や振動でフィードバックしたりするだけで作業がし易くなる．
そこで，請求項１の受動的力覚フィードバック装置では，人間の体において，前腕部，上腕部，頭部，頸部，腹部，大腿部，下腿部，手のひら，手の甲，指などの，いずれか一箇所または複数箇所に装着し，装置にはアクチュエータを装備し，前記に示す人間の体の一部分を，押しつける，挟み込む，握る，つまむ，締め付けるなど，いずれか一つの方法，または複数の方法を用いることで，人間に対し受動的な力覚をフィードバックする． 
一般的な力覚提示システムでは，操作者の扱うマスタデバイスにおいて操作入力部と力覚フィードバック部が一体となっている．例えば，指先や手首部分に力覚をフィードバックした場合，力覚をフィードバックされる指先や手首部分において，人間もまた力を発生させることができるため，フィードバックされた力覚と，自分で出力している力が干渉してしまう．
これに対し，本発明における力覚フィードバック装置は操作者の体の一部に装着されるが，人間が動作や力を出力する箇所と，受動的力覚フィードバック装置が装着される場所が異なるため，フィードバックしたい力覚情報を，自らの出力とは分離して，受動的にフィードバックすることができる．
本発明における受動的力覚フィードバック装置を装着する場所は，指先や手首部分など，装置の出力に対し操作者が反力を加えることができる場所は含まれない．指に装着する場合は，指の周囲を挟み込んだり締め付けたりするなど，あくまで受動的な力覚を提示できる場合に限られる．
本発明における受動的力覚フィードバック装置は，操作入力部とは分離して設置できるため，低自由度で実現可能であり，人間の体の一部が提示部であるため，大きな出力も必要としない．このため，デバイス開発の観点から非常に有利であるほか，従来力覚フィードバックが困難であった遠隔操作システムへの力覚フィードバック機能の追加や，電動義手の感覚フィードバックなど本来力覚を提示すべき場所がない場合への適用が考えられる．
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下に図面を参照して，この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する．
【実施例１】
【０００６】
図１は，本発明の受動的力覚フィードバック装置の概要図である．この装置は，上腕部に装着し，上腕部を挟み込む形で力覚をフィードバックするものである．
本発明は，本体1にアクチュエータ2やセンサ3が設置され，ワイヤを介すことで第一軸4および第二軸5に回転力が伝達される．この時，第一軸4と第二軸5は同じ角度で逆方向に回転する．すると，第一軸4に取り付けられた第一リンク6，第二軸5に取り付けられた第二リンク7がそれぞれ逆方向に運動し，腕8を挟み込むことで，人間に対し力覚をフィードバックする．
図２に，受動的力覚フィードバック装置の写真を，図３に受動的力覚フィードバック装置を上腕部に装着している時の様子を示す．
【実施例２】
【０００７】
図４に，指握り込み型受動的力覚フィードバック装置の概略図を示す．本体11にアクチュエータ12やセンサ13が設置され，ワイヤを介して第一軸14，第二軸15が駆動される．本体1には第一指根本部16，第二指根本部17が固定されており，その先にそれぞれ受動関節18を介して第一指中間部19，第二指中間部20，第一指先端部21，第二指先端部22が接続される．
第一軸14および第二軸15は，ワイヤを介して第一指先端部21，第二指先端部22にそれぞれ接続されており，これらのワイヤを巻き取ることで指の開閉を行い，指により腕23を握り込み，人間に力覚を提示する．第一指および第二指はそれぞれ受動関節を有しているため，腕23の形状に合わせて腕を握り込むことができる． 
【実施例３】
【０００８】
図５に，ベルト締め付け型受動的力覚フィードバック装置の概略図を示す．本体31に，アクチュエータ32やセンサ33が設置され，アクチュエータの出力軸に接続されたプーリ34を駆動する．プーリ34にはベルト35が接続されており，腕36の周囲に配置されている．アクチュエータ32によりプーリ34を駆動し，ベルト35を巻き取ることで腕36が締め付けられ，人間に力覚が提示される． 
【実施例４】
【０００９】
図６は，受動的力覚フィードバック装置を用いた，反力提示が可能な動力義手システムの概略図を示す．操作者41は手先に動力義手42を装着している．動力義手42は，筋電などを用いて操作される．この時，義手先端で義手による物体の把持力を計測し，この把持力を受動的力覚フィードバック装置43を用いて操作者にフィードバックする．
【実施例５】
【００１０】
図７は，受動的力覚フィードバック装置を用いた，力の掛け具合を訓練するトレーニングシステムの概略図を示す．この例では，複数の訓練者51が受動的力覚フィードバック装置52を装着している．これらの装置に，訓練したい力の大きさやタイミング，パターンなどを含む力覚データ53を入力し，装置により訓練者に提示することで，力の大きさやタイミング，パターンなどを体の一部に受動的に体験し訓練することが可能となる．
なお，上記の実施形態は，本発明の具体例をいくつか例示したものにすぎない．本発明の範囲は，上記形態に限られるものではなく，装着場所，力覚提示方法など，その技術思想の範囲内で種々の変形が可能である．
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による，実施例１の挟み込み型受動的力覚フィードバック装置の概略図である．
【図２】本発明による，実施例１の挟み込み型受動的力覚フィードバック装置の写真である．
【図３】本発明による，実施例１の挟み込み型受動的力覚フィードバック装置を上腕部に装着した時の写真である．
【図４】本発明による，実施例２の握り込み型受動的力覚フィードバック装置の概略図である．
【図５】本発明による，実施例３の締め付け型受動的力覚フィードバック装置の概略図である．
【図６】本発明による，実施例４の受動的力覚フィードバック装置を用いた把持力フィードバックが可能な動力義手システムの概略図である．
【図７】本発明による，実施例５の受動的力覚フィードバック装置を用いた力覚データ訓練システムの概略図である．
【符号の説明】
【００１２】
１：   本体
２：   アクチュエータ
３：   センサ
４：   第一軸
５：   第二軸
６：   第一リンク
７：   第二リンク
８：   腕
１１： 本体
１２： アクチュエータ
１３： センサ
１４： 第一軸
１５： 第二軸
１６： 第一指根本部
１７： 第二指根本部
１８： 受動関節
１９： 第一指中間部
２０： 第二指中間部
２１： 第一指先端部
２２： 第二指先端部
２３： 腕
３１： 本体
３２： アクチュエータ
３３： センサ
３４： プーリ
３５： ベルト
３６： 腕
４１： 操作者
４２： 動力義手
４３： 受動的力覚フィードバック装置
５１： 訓練者
５２： 受動的力覚フィードバック装置
５３： 力覚データ
【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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