(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間に対し、力感覚を提示する力覚提示装置であって、
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を検出する検出部と、
操作部の自由度の力覚を実現するために必須な数より多く設けられ、前記操作部に対する力に対して抗力をかけることができる機能性流体を用いたパッシブ型力発生部と、
前記検出部からの前記力および／または前記位置の情報を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御部と
を備えることを特徴とするパッシブ型力覚提示装置。
【請求項２】
前記機能性流体として、ＥＲ流体やＭＲ流体を用いていることを特徴とする請求項１に記載の力覚提示装置。
【請求項３】
前記操作部は、パンタグラフ機構を用いて取り付けられ、前記パッシブ型力発生部はパンタグラフ機構に取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の力覚提示装置。
【請求項４】
前記操作部は、スライダ機構を用いて取り付けられ、前記パッシブ型力発生部は前記スライダ機構に取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の力覚提示装置。
【請求項５】
前記操作部は、リンク機構を用いて取り付けられ、前記パッシブ型力発生部はリンク機構に取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の力覚提示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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力覚提示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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）（米国特許US5、587、937）は、パンタグラフ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自由度の力覚提示を実現している。
【０００３】
また、日商エレクトロニクス社製のハプティック・マスター(Haptic Master)は、パンタグラフ機構を３つ組み合わせており、９台のＤＣモータを用いて６自由度の力覚を提示する冗長駆動システムである。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力覚提示装置は数多く開発されている。
【０００４】
次に、パッシブ型力発生部を用いた力覚提示については、斉藤らのパウダクラッチを用いた力覚提示装置（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）が開示されている。この装置は、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。
【０００５】
また、佐藤らの開発した空間インターフェース装置スパイダー（SPIDAR）（空間インターフェース装置SPIDARの提案、電子情報通信学会論文誌、Vol.  J74-D-II， No．7， pp.887-894）は、４本の糸と４台のリレー・コイルを用いて３自由度の力覚を提示する装置で、３自由度の力感覚を提示するために４つの力発生部を用いている。しかし、これはワイヤー張力を利用した装置特有のもので、この場合、３次元の力覚提示を実現するために最小限必要な力発生部の数が４台であり、力発生部の数は冗長とはなっていない。
【０００６】
この他、池井らの触覚ディスプレイ（形状計測データに基づく触覚テクスチャの提示手法に関する研究、日本バーチャルリアリティ学会第３回大会論文集、pp.255-228）や、触覚入出力装置（特開平05-216568）などが開示されているが、これらの装置は指先など皮膚の面に対し触覚を提示する装置であり、本発明の力覚提示装置のように、操作部を介して力感覚を提示するものとは異なる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
力覚提示装置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。
【０００８】
これに対し、パッシブ型力発生部を用いた力覚提示装置は、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。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、提示できる力感覚に制限が生じる。
【０００９】
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、安全で、構造が複雑にならず、ある自由度の力覚の提示を実現するために必要最小限の数の力発生部を用いた場合では提示できない力感覚を提示可能な力覚提示装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の力覚提示装置においては、力発生部にパッシブ型力発生部を用い、用いるパッシブ型力発生部の数は、ある自由度の力覚を提示するために最小限必要な数より多く、冗長な数を用いることを特徴とするものである。
具体的には、人間に対し、力感覚を提示する力覚提示装置であって、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を検出する検出部と、操作部の自由度の力覚を実現するために必須な数より多く設けられ、前記操作部に対する力に対して抗力をかけることができる機能性流体を用いたパッシブ型力発生部と、前記検出部からの前記力および／または前記位置の情報を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
前記機能性流体として、ＥＲ流体やＭＲ流体等を用いることができる。
前記操作部およびパッシブ型力発生部は、パンタグラフ機構、スライダ機構、リンク機構等を用いて可動することができる。
【００１１】
上記のように構成された力覚提示装置を用いると、ある自由度の力覚を提示するために最小限必要な数よりも多く冗長な数のパッシブ型力発生部を具備するため、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力感覚を提示できる。
また、上記力覚提示装置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力覚提示装置が操作者に危害をおよぼす可能性はなく、安全な力覚提示装置が提供される。
【００１２】
さらに、上記力覚提示装置は安全なため、特別に機構的、電気的、またはソフトウェア的に安全対策を施す必要がなく、力覚提示装置の構造が複雑になることはない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、実施例に基づき図面を参照して説明する。
図１は、本発明の構成を示したブロック図である。力覚提示装置１に取り付けられた操作部２を操作することで、操作者に対し力感覚が提示される。力覚提示装置１が操作部２で提示可能な力覚の自由度の数をｍとすると、ある機構を用いてｍ自由度の力覚を実現するために必要な最小限の力発生部の数はｎ台（ｎ≧ｍ）であるが、本発明の力覚提示装置１は、ｎより多くの数であるパッシブ型力発生部４を有する。
力発生部４は、制御装置３により制御される。この時、制御装置３は必要に応じて位置検出器５、または力検出器６により得られる情報を利用する。
【００１４】
〔実施例１〕
図２は、直動スライダ機構を用いた直交３自由度型力覚提示装置の実施例を示す。操作部１１は力検出器（図示せず）を含み、スライダ１３に取り付けられる。スライダ１３は、スライダ１４と連動してｘ軸方向に、スライダ１５と連動してｙ軸方向に、スライダ１６と連動してｚ軸方向の３方向に移動できる。
【００１５】
図３は、図２に示した力覚提示装置における力発生部の配置を示す。３自由度の力覚を提示するために、パッシブ型力発生部を９台用いる。図３（ａ）に３台分の配置を、図３（ｂ）に６台分の配置を分けて示している。
図３（ａ）中の力発生部２１および２３はスライダ１５に、力発生部２２は本体１７に取り付けられる。力発生部２１，２２および２３は、ワイヤーおよびプーリを用いてそれぞれスライダ１４，１５および１６と連結される。力発生部２１、２２または２３のいずれかが力を発生すると、それぞれ連結されたスライダの運動が拘束され、操作部１１はｘｙ平面、ｙｚ平面、またはｚｘ平面のいずれかに拘束される。つまり、力発生部２１、２２または２３に力を発生させることで、ｘ軸、ｙ軸またはｚ軸方向の力感覚が操作部１１に提示される。力発生部２１、２２および２３には、位置検出器（図示せず）が含まれ、操作部１１の位置を計測する。
【００１６】
図３（ｂ）中の力発生部２４および２５はスライダ１４に、力発生部２６および２７はスライダ１６に、力発生部２８および２９はスライダ１３に取り付けられる。また、力発生部２４，２５，２６，２７，２８，および２９は、それぞれ両端を本体１７に固定されたワイヤーとプーリを介して接続される。力発生部２４または２５が力を発生すると、スライダ１４の運動が拘束され、操作部１１の運動はｘｙ平面に垂直な、ｘ軸またはｙ軸から４５度をなす平面内に拘束される。力発生部２６または２７が力を発生すると、スライダ１６の運動が拘束され、操作部１１の運動はｙｚ平面に垂直な、ｙ軸またはｚ軸から４５度をなす平面内に拘束される。また、力発生部２８または２９が力を発生すると、スライダ１３の運動が拘束され、操作部１１の運動はｚｘ平面に垂直な、ｚ軸まはたｘ軸から４５度をなす平面内に拘束される。つまり、力発生部２４，２５，２６，２７，２８，または２９のいずれかに力を発生させることで、６方向の力覚が操作部１１に提示される。
【００１７】
このように、位置検出器（図示せず）や力検出器（図示せず）の情報を利用し、制御装置（図示せず）により力発生部２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８および２９を適切に制御することで、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向以外の抗力を簡単に発生することができ、操作部１１を介して操作者に適切な力覚を提示することができる。これは、３自由度の力覚を実現できる最小限である３個以上の６個のパッシブ型力発生器を用いているからである。
【００１８】
〔実施例２〕
上述の例は、３自由度の例であるが、同様のスライダ機構を用いた２自由度の例を図４に示す。図４（ａ）において、平面を構成している本体３４に操作部３１をスライダ３２および３３を用いて取り付けている。操作部３１は、スライダ３２および３３により、本体３４が構成するｘｙ平面上を動かすことができる。また、操作部３１には力検出器、パッシブ力発生部３５，３６には、位置検出器が取り付けられている。
さて、パッシブ型力発生部３５は、対応するプーリとの間のワイヤで操作部３１のｘ方向の抗力を制御し、パッシブ型力発生部３６は対応するプーリとの間のワイヤでｙ方向の抗力を制御する。また、パッシブ型力発生部３８および３７は同様に、それぞれ本体３４で止められたワイヤでそれぞれ斜め方向の抗力を制御する。
したがって、４個のパッシブ型力発生部を用いることにより、図４（ｂ）に示すような４方向の抗力を簡単に得ることができる。これらの４方向の抗力を制御することにより、適切な力覚を操作者に与えることができる。これは、２自由度の力覚を実現するに最小限必要な２個以上である４個のパッシブ型力発生部を用いているからである。
【００１９】
〔実施例３〕
図５は、２自由度を有するパンダグラフ型機構において、３台のパッシブ型力発生部を用いた力覚提示装置を示している。図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）正面図、図５（ｃ）はパッシブ型力発生器から受ける抗力を示している。
図５（ａ）、（ｂ）において、操作部４１はリンク４２〜４５で結合されている。各リンク４２〜４５は互いにピンで結合され、回転できる構成である。パッシブ型力発生器４６は、外界とリンク４２との間の結合に対して抗力を発生することができる。パッシブ型力発生器４７は同様に、外界とリンク４３との間の結合に対して抗力を発生することができる。パッシブ型力発生器４８は、リンク４２とリンク４３の間の結合に対して抗力を発生することができる。これらのパッシブ型力発生器４６〜４８の操作部に対する抗力をまとめると、図５（ｃ）のようになる。
この抗力を、位置検出器や力検出器からの情報を用いて制御部により制御することで、操作部４１に対する力覚を適切に操作者に与えることができる。これは、２自由度の力覚を実現するために必要最小限である２個のパッシブ形発生器より多い３個のパッシブ型力発生器を用いていることから実現できたことである。
【００２０】
〔実施例４〕
図６は、リンク機構を用いた３自由度力覚提示装置の実施例を示す。
９個の関節部６１〜６９は、それぞれパッシブ型力発生部を含む。９個の関節部６１〜６９は、それぞれ同じもので、回転運動ができるものである。したがって、各関節部６１〜６９で、操作部５１を９つの異なる球面上に拘束している。関節部６１〜６９に含まれる９個のパッシブ型力発生部は、その動きに対して抗力を発生することができる。リンク５３，５５および５７の一端は、それぞれ操作部５１に接続されている。操作部５１は力検出部を含む。各パッシブ型力発生部には、角度を測る位置検出器が内蔵されている。関節部に含まれる各パッシブ型力発生器からは拘束面に沿った方向の力が提示することができる。
【００２１】
このように、位置検出器（図示せず）や力検出器（図示せず）の情報を利用し、制御装置（図示せず）により各関節部６１〜６９に含まれる力発生部を制御することで、操作部５１に適切な力覚を提示することができる。これは、３自由度を実現することができる最小限の３個以上である、９個のパッシブ型力発生器を用いていることから可能になった。
力覚提示装置の機構としては、上述の例以外にも、いろいろな機構（例えばワイヤ張力を利用した機構等）を用いることができる。
【００２２】
〔パッシブ型力発生部〕
本発明で使用できるパッシブ型力発生部としては、機能性流体を用いる。
図７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７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７（ａ）には円筒タイプ、図７（ｂ）には円盤タイプを示す。本体７１と出力部７２または７３の隙間に機能性流体７４が充填される。機能性流体７４の外的な場を変化させることで、出力部７２まはた７３に取り付けられたプーリ７５に力が発生する。出力部７２および７３は、多重円筒、または多重円盤とすることで、発生する力を増大させることができる。
【００２３】
このように、本発明は、操作部を例えばリンク機構に組み込んで、その実現しようとする自由度の力覚に最小限必要なパッシブ型力発生器の数より多く設けられたパッシブ型力発生器を用いて、操作部から加えられる力に抗する力を返すことにより、的確に力覚を提示することができる。
提示される力覚としては、例えば、摩擦のない仮想壁を提示することができる。摩擦のない壁なので、操作部が壁と接触したことを位置検出器が検出すると、壁に押し込む力（力検出器により検出）に比例した法線力が発生するように制御部により制御する。このように壁等を提示することにより、ＣＡＤ等で設計したものを現実のものとして実感させることができる。また、ゲーム等の入力装置にも応用して、ゲーム内容に応じた力覚を操作者に対して返すことができる。
【００２４】
なお、上述の位置検出器および力検出器は、例えば従来のロータリ・エンコーダや６自由度の力センサ等を用いることができる。位置検出器としてのロータリ・エンコーダは、パッシブ型力発生部に取り付けるとよい。
また、これらの位置検出器や力検出器の出力を入力して、操作部からの力に対する力を返すための制御部は、マイクロコンピュータを用いて構成することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明における力覚提示装置は、ある自由度の数の力覚を実現するために最小限必要な数よりも多く、冗長な数のパッシブ型力発生部を備えることで、安全で、構造が複雑にならず、力発生部の数が冗長ではない場合には提示することのできない力感覚を提示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本概念を示すブロック線図である。
【図２】実施例１を示す模式的斜視図である。
【図３】実施例１における力発生部の配置を説明するための模式的斜視図である。
【図４】実施例２における力発生部の配置を説明するための模式的斜視図である。
【図５】実施例３における力発生部の配置を説明するための模式的斜視図である。
【図６】実施例４を示す模式的斜視図である。
【図７】機能性流体を用いたパッシブ型力発生部を示す断面図である。
【符号の説明】
１      力覚提示装置
２，１１    操作部
３    制御装置
４，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９    パッシブ型力発生部
５      位置検出器
６      力検出器
１３，１４，１５，１６    スライダ
１７    本体
３１    操作部
３２，３３    スライダ
３４    本体
３５，３６，３７，３８    パッシブ型力発生部
４１    操作部
４２，４３，４４，４５    リンク
４６，４７，４８    パッシブ型力発生部
５１    操作部
５３，５４，５５，５６，５７，５８    リンク
６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８，６９    関節部
７１    本体
７２    円筒型出力部
７３    円盤形出力部
７４    機能性流体
７５    プーリ
【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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