CN105555486B - 位置/力控制装置、位置/力控制方法 - Google Patents

位置/力控制装置、位置/力控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于通过机器人更适当地实现人类的身体的行为的技术。位置/力控制装置具备：位置检测机构，检测与基于促动器的作用的位置相关的信息；分功能力/速度分配转换机构，基于对应于与位置相关的信息的速度或位置及力的信息、以及成为控制的基准的信息，并根据实现的功能进行将控制能量分配成速度或者位置的能量与力的能量的转换；位置控制量计算机构，基于速度或者位置的能量来计算速度或者位置的控制量；力控制量计算机构，基于力的能量来计算力的控制量；以及合并机构，将速度或者位置的控制量与力的控制量合并，为了使合并机构的输出返回促动器而对速度或者位置的控制量与力的控制量进行逆转换，从而确定向促动器的输入。

Description

位置/力控制装置、位置/力控制方法
技术领域
本发明涉及对控制对象中的位置以及力进行控制的位置/力控制装置、位置/力控制方法以及程序。
背景技术
以往，以少子老龄化等为背景，强烈需求由机器人来代替人工和费事的作业。
然而，以往的机器人的动作欠缺环境适应性、灵活性，尚未适当地实现人类的身体的行为。
这里，也进行了使用通过主·从系统取得的时间序列的位置信息以及力信息来人工再现促动器的运动的对策，但再现时的机械阻抗始终恒定，环境的位置·大小·机械阻抗这些针对环境变动的适应性依然欠缺。
此外，例如在专利文献1以及专利文献2中记载有涉及通过主·从系统进行远程控制的机器人技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开2005/109139号公报
专利文献2：日本特开2009－279699号公报
发明内容
发明所要解决的课题
为了由机器人代替实现人工和费事的作业，极其重要的是基于高精度的力控制的高度的环境适应性、以及基于多自由度系统的人类坐标系上的行为提取，在现有的技术中，尚未实现这一点。
即，在现有的技术中，在由机器人适当地实现人类的身体的行为的方面存在改善的余地。
本发明的课题在于提供一种用于通过机器人来更适当地实现人类的身体的行为的技术。
用于解决课题的方法
为了解决上述课题，本发明的一方式的位置/力控制装置具备：
位置检测机构，检测与基于促动器的作用的位置相关的信息；
分功能力/速度分配转换机构，基于对应于与所述位置相关的信息的速度(位置)及力的信息、以及成为控制的基准的信息，并根据实现的功能进行将控制能量分配成速度或者位置的能量与力的能量的转换；
位置控制量计算机构，基于通过所述分功能力/速度分配转换机构分配的速度或者位置的能量来计算速度或者位置的控制量；
力控制量计算机构，基于通过所述分功能力/速度分配转换机构分配的力的能量来计算力的控制量；
合并机构，将所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量合并，为了使合并机构的输出返回促动器而对所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量进行逆转换，从而确定向所述促动器的输入；
由此，能够分别独立地控制速度或者位置的能量、力的能量。
发明效果
根据本发明，能够提供一种用于通过机器人更适当地实现人类的身体的行为的技术。
附图说明
图1是表示本发明的基本的原理的概念的示意图。
图2是表示在分功能力/速度分配转换块FT中定义了力·触觉传递功能的情况下的控制的概念的示意图。
图3是表示包含适用力·触觉传递功能的主装置以及从装置的主·从系统的概念的示意图。
图4是表示在分功能力/速度分配转换块FT中定义了拾取和放置功能的情况下的控制的概念的示意图。
图5是表示包含适用拾取和放置功能的第1臂以及第2臂的机器人臂系统的概念的示意图。
图6是表示在分功能力/速度分配转换块FT中定义了转动螺丝的学习以及再现的功能的情况下的控制的概念的示意图。
图7是表示适用转动螺丝的学习以及再现功能的机器人的示意图。
图8是表示本发明的位置/力控制装置1的基本的构成的示意图。
图9是表示实现力·触觉传递功能的位置/力控制装置1的构成的示意图。
图10是表示实现拾取和放置功能的位置/力控制装置1的构成的示意图。
图11是表示实现转动螺丝的学习以及再现功能的位置/力控制装置1的构成的示意图。
图12是表示作为行为的提取结果而存储的信息例的示意图。
图13是表示适应的功能实现的概念的说明图。
图14是表示能够切换功能的位置/力控制装置1的构成的示意图。
图15是表示使用了频率区域中的缩放的力·触觉传递功能的控制的概念的示意图。
图16是表示在与虚拟空间中的物体之间实现力·触觉传递功能的状态的示意图。
图17是表示在与虚拟空间中的物体之间实现力·触觉传递功能的情况下的控制的概念的示意图。
图18是表示在医疗用的钳子中应用本发明的状态的示意图。
图19是表示通过无线连接的主装置与从装置的示意图。
图20是表示与主装置无线连接的从装置400的构成的框图。
图21是表示用于在主装置与从装置中进行高速的通信的数据构造的图。
图22是表示无线连接的主装置以及从装置之间的传送顺序的时序图。
图23是表示将人类的动作数据库化的概念的示意图。
图24是表示相对于分功能力/速度分配转换的偏移的概念的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
首先，对适用于本发明的位置/力控制装置、位置/力控制方法以及程序的基本的原理进行说明。
此外，人类的身体的行为通过使一个关节等的单个“功能”单独或组合而构成。
因此，以下，在本实施方式，“行为”表示以人类的身体中的部位的单个“功能”作为构成要素而实现的合并的功能。例如，伴随着中指的弯曲伸直的行为(转动螺丝的行为等)是以中指的各关节的功能作为构成要素的合并的功能。
(基本的原理)
本发明中的基本的原理为，由于哪种行为都能够由表示力源、速度(位置)源以及行为的转换的三要素数理上的表现，因此对于通过转换以及逆转换定义的变量组，利用处于对偶关系的理想力源以及理想速度(位置)源向控制对象的系统供给控制能量，从而使提取的身体的行为构造化、再构建或扩展放大，可逆地自动实现(再现)身体的行为。
图1是表示本发明的基本的原理的概念的示意图。
图1所示的基本的原理表示为了实现人类的身体的行为而能够利用的促动器的控制规则，输入促动器的当前位置，进行位置(或者速度)或力的至少一方的区域中的运算，从而确定促动器的动作。
即，本发明的基本的原理被表示为包含控制对象系统S、分功能力/速度分配转换块FT、理想力源块FC或理想速度(位置)源块PC中的至少一个、以及逆转换块IFT的控制规则。
控制对象系统S是通过促动器工作的机器人，并基于加速度等进行促动器的控制。这里，控制对象系统S实现人类的身体中的一个或者多个部位的功能，但其只要应用用于实现其功能的控制规则即可，具体的构成并非必须采用模拟人类的身体的方式。例如，控制对象系统S也能够采用通过促动器使连杆进行一维的滑动动作的机器人。
分功能力/速度分配转换块FT是对根据控制对象系统S的功能而设定的向速度(位置)以及力的区域的控制能量的转换进行定义的块。具体而言，在分功能力/速度分配转换块FT中，定义有将成为控制对象系统S的功能的基准的值(基准值)、以及促动器的当前位置作为输入的坐标转换。一般来说，该坐标转换将以基准值以及当前速度(位置)为要素的输入矢量转换成由用于计算速度(位置)的控制目标值的速度(位置)构成的输出矢量，并且将以基准值以及当前的力为要素的输入矢量转换成由用于计算力的控制目标值的力构成的输出矢量。具体而言，分功能力/速度分配转换块FT中的坐标转换如接下来的式(1)以及(2)那样概括而表示。
[数式1]
其中，在式(1)中，x’1～x’n(n是1以上的整数)是用于导出速度的状态值的速度矢量，x’a～x’m(m是1以上的整数)是以基于基准值以及促动器的作用的速度(促动器的移动件的速度或者促动器使对象物移动的速度)为要素的矢量，h1a～hnm是表示功能的转换矩阵的要素。另外，在式(2)中，f”1～f”n(n是1以上的整数)是用于导出力的状态值的力矢量，f”a～f”m(m是1以上的整数)是以基于基准值以及促动器的作用的力(促动器的移动件的力或者促动器使对象物移动的力)为要素的矢量。
通过根据实现的功能来设定分功能力/速度分配转换块FT中的坐标转换，从而能够实现各种行为、进行伴随着缩放的行为的再现。
即，在本发明的基本的原理中，在分功能力/速度分配转换块FT中，将促动器单体的变量(实空间上的变量)“转换”成对所实现的功能进行表现的系统整体的变量组(虚拟空间上的变量)，并对速度(位置)的控制能量与力的控制能量分配控制能量。因此，与照原样控制促动器单体的变量(实空间上的变量)的情况相比，能够独立地赋予速度(位置)的控制能量与力的控制能量。
理想力源块FC是根据由分功能力/速度分配转换块FT定义的坐标转换来进行力的区域中的运算的块。在理想力源块FC中，设定有与进行基于由分功能力/速度分配转换块FT定义的坐标转换的运算时的力相关的目标值。根据实现的功能将该目标值设定为固定值或者可变值。例如，在实现与基准值所表示的功能相同的功能的情况下，能够设定目标值为零，在进行缩放的情况下，能够将表示再现的功能的信息设定为放大·缩小了的值。
理想速度(位置)源块PC是根据由分功能力/速度分配转换块FT定义的坐标转换来进行速度(位置)的区域中的运算的块。在理想速度(位置)源块PC中，设定有与进行基于由分功能力/速度分配转换块FT定义的坐标转换的运算时的速度(位置)相关的目标值。根据实现的功能将该目标值设定为固定值或者可变值。例如，在实现与基准值所表示的功能相同的功能的情况下，能够设定目标值为零，在进行缩放的情况下，能够将表示再现的功能的信息设定为放大·缩小了的值。
逆转换块IFT是将速度(位置)以及力的区域的值转换为向控制对象系统S的输入的区域的值(例如电压值或者电流值等)的块。
根据这种基本的原理，若将控制对象系统S的促动器中的位置的信息输入到分功能力/速度分配转换块FT，则使用基于位置的信息获得的速度(位置)以及力的信息，在分功能力/速度分配转换块FT中应用与功能相应的位置以及力的区域的各自的控制规则。然后，在理想力源块FC中进行与功能相应的力的运算，在理想速度(位置)源块PC中进行与功能相应的速度(位置)的运算，并分别对力以及速度(位置)分配控制能量。
理想力源块FC以及理想速度(位置)源块PC中的运算结果成为表示控制对象系统S的控制目标的信息，这些运算结果在逆转换块IFT中作为促动器的输入值，输入到控制对象系统S。
结果，控制对象系统S的促动器执行遵循由分功能力/速度分配转换块FT定义的功能的动作，实现作为目的的机器人的动作。
即，在本发明中，能够通过机器人更适当地实现人类的身体的行为。
(定义的功能例)
接下来，对由分功能力/速度分配转换块FT定义的功能的具体例进行说明。
在分功能力/速度分配转换块FT中，定义有以基于输入的促动器的当前位置获得的速度(位置)以及力为对象的坐标转换(从与实现的功能对应的实空间向虚拟空间的转换)。
在分功能力/速度分配转换块FT中，从这种当前位置将速度(位置)以及力、还有作为功能的基准值的速度(位置)以及力作为输入，在加速度维中应用速度(位置)以及力的各自的控制规则。
即，促动器中的力由质量与加速度的积表示，促动器中的速度(位置)由加速度的积分表示。因此，通过经由加速度的区域控制速度(位置)以及力，能够取得促动器的当前位置，实现作为目的的功能。
以下，说明各种功能的具体的例子。
(力·触觉传递功能)
图2是表示在分功能力/速度分配转换块FT中定义了力·触觉传递功能的情况下的控制的概念的示意图。另外，图3是表示包含适用力·触觉传递功能的主装置以及从装置的主·从系统的概念的示意图。
如图2所示，作为由分功能力/速度分配转换块FT定义的功能，能够实现将主装置的动作传递到从装置、并且将针对从装置的来自物体的反作用力的输入反馈到主装置的功能(双向控制功能)。
在该情况下，分功能力/速度分配转换块FT中的坐标转换由接下来的式(3)以及(4)表示。
[数式2]
其中，在式(3)中，x’p是用于导出速度(位置)的状态值的速度，x’f是与力的状态值相关的速度。另外，x’m是基准值(来自主装置的输入)的速度(主装置的当前位置的微分值)，x’s是从装置的当前的速度(当前位置的微分值)。另外，在式(4)中，fp是与速度(位置)的状态值相关的力，ff是用于导出力的状态值的力。另外，fm是基准值(来自主装置的输入)的力，fs是从装置的当前的力。
(拾取和放置功能)
图4是表示在分功能力/速度分配转换块FT中定义了拾取和放置功能的情况下的控制的概念的示意图。另外，图5是表示包含适用拾取和放置功能的第1臂以及第2臂的机器人臂系统的概念的示意图。
如图4所示，作为由分功能力/速度分配转换块FT定义的功能，能够实现抓住(拾取)工件等的物体并送离(放置)至目的位置的功能(拾取和放置功能)。
在该情况下，分功能力/速度分配转换块FT中的坐标转换由接下来的式(5)以及(6)表示。
[数式3]
其中，在式(5)中，x’mani是用于导出速度(位置)的状态值的速度，x’grasp是与力的状态值相关的速度。另外，x’1是第1臂的速度(当前位置的微分)，x’2是第2臂的速度(当前位置的微分)。另外，在式(6)中，fmani是与速度(位置)的状态值相关的力，fgrasp是用于导出力的状态值的力。另外，f1是第1臂从物体承受的反作用力，f2是第2臂从物体承受的反作用力。
(转动螺丝的学习以及再现功能)
图6是表示在分功能力/速度分配转换块FT中定义了转动螺丝的学习以及再现功能的情况下的控制的概念的示意图。另外，图7是表示适用转动螺丝的学习以及再现功能的机器人的示意图，图7中(a)是表示包含适用转动螺丝的学习以及再现功能的主指型机器人与从指型机器人的主·从系统的概念的示意图，图7中(b)是表示指型机器人的手指机构的示意图。
如图6所示，作为由分功能力/速度分配转换块FT定义的功能，能够实现通过手指的弯曲伸直进行螺丝的紧固、松弛的转动螺丝的学习以及再现功能。
在该情况下，分功能力/速度分配转换块FT中的坐标转换由接下来的式(7)以及(8)表示。
[数式4]
在式(7)中，x’a1是与MP关节的角度相关的速度响应值，x’a2是与PIP关节的角度相关的速度响应值，x’a3是与DIP关节的角度相关的速度响应值。另外，x’τ1是与MP关节的转矩相关的速度响应值，x’τ2是与PIP关节的转矩相关的速度响应值，x’τ3是与DIP关节的转矩相关的速度响应值，x’t1是与主指型机器人中的线W1～W4的张力相关的速度响应值，x’t2是与从指型机器人中的线W5～W8的张力相关的速度响应值，x’1～x’4是连结于主指型机器人的线W1～W4各自的速度响应值，x’5～x’8是连结于从指型机器人的线W5～W8各自的速度响应值。此外，MP关节的角度、PIP关节的角度以及DIP关节的角度如图7中(b)中的θ1～θ3所示那样定义。另外，在式(8)中，fa1是与MP关节的角度相关的力响应值，fa2是与PIP关节的角度相关的力响应值，fa3是与DIP关节的角度相关的力响应值。另外，fτ1是与MP关节的转矩相关的力响应值，fτ2是与PIP关节的转矩相关的力响应值，fτ3是与DIP关节的转矩相关的力响应值，ft1是与主指型机器人中的线W1～W4的张力相关的力响应值，ft2是与从指型机器人中的线W5～W8的张力相关的力响应值，f1～f4是连结于主指型机器人的线W1～W4各自的力响应值，f5～f8是连结于从指型机器人的线W5～W8各自的力响应值。
(位置/力控制装置的基本的构成)
接下来，对应用本发明的基本的原理的位置/力控制装置1的基本的构成进行说明。
图8是表示本发明的位置/力控制装置1的基本的构成的示意图。
在图8中，位置/力控制装置1包含基准值输入部10、控制部20、驱动器30、促动器40、以及位置传感器50而构成。
位置/力控制装置1作为与未图示的主装置的动作对应的从装置而动作，将设置于主装置的促动器的位置传感器的检测结果作为输入，进行与功能相应的动作。
通过如后述那样切换控制部20中的由分功能力/速度分配转换块FT定义的坐标转换，能够对安装于位置/力控制装置1的功能进行各种变更。
基准值输入部10将成为位置/力控制装置1所具备的每个功能的基准的值(基准值)输入到控制部20。该基准值例如是从设置于主装置的促动器的位置传感器输出的时间序列的检测值。在实时地从主装置将时间序列的检测值作为基准值输入到控制部20的情况下，基准值输入部10能够由通信接口(通信I/F)构成。另外，在事先存储主装置的时间序列的检测值、且作为基准值依次读出并输入到控制部20的情况下，基准值输入部10能够由存储器或硬盘等的存储装置构成。
控制部20控制位置/力控制装置1整体，由CPU(Central Processing Unit：中央处理器)等的信息处理装置构成。
另外，控制部20具备图1中的分功能力/速度分配转换块FT、理想力源块FC、理想速度(位置)源块PC、以及逆转换块IFT的功能。
即，经由基准值输入部10对控制部20输入由主装置的位置传感器检测出的时间序列的检测值。该时间序列的检测值表示主装置的动作，控制部20对从输入的检测值(位置)导出的速度(位置)以及力的信息应用根据功能设定的坐标转换。
而且，控制部20对用于导出通过坐标转换获得的速度(位置)的状态值的速度(位置)进行速度(位置)的区域中的运算。同样，控制部20对用于导出通过坐标转换获得的力的状态值的力进行力的区域中的运算。而且，控制部20对计算出的速度(位置)的区域中的运算结果以及力的区域中的运算结果实施向加速度等的维统一的处理，而且应用根据功能设定的坐标转换的逆转换。由此，控制部20将计算出的速度(位置)的区域中的运算结果以及力的区域中的运算结果转换成向促动器的输入的区域的值。
驱动器30将由控制部20逆转换的向促动器的输入的区域的值转换成针对促动器40的具体的控制指令值(电压值或者电流值等)，并将该控制指令值输出到促动器40。
促动器40遵循从驱动器30输入的控制指令值而被驱动，并对控制对象物的位置进行控制。
位置传感器50检测出由促动器40控制的控制对象物的位置，并将检测值输出到控制部20。
通过这种构成，位置/力控制装置1通过与功能相应的坐标转换将由位置传感器50检测出的从控制对象物的位置获得的速度(位置)以及力转换成速度(位置)的区域以及力的区域的状态值。由此，根据功能分别对速度(位置)以及力分配控制能量。并且，使各个状态值逆转换而成为控制指令值，根据该控制指令值，利用驱动器30驱动促动器40。
因此，位置/力控制装置1能够通过检测控制对象物的位置来计算为了实现作为目的的功能所需的速度(位置)以及力的状态值，并能够通过基于这些状态值驱动促动器40来将控制对象物的位置以及力控制成作为目的的状态。
另外，位置/力控制装置1通过切换控制部20中的与功能相应的坐标转换，能够实现不同的功能。例如，在位置/力控制装置1所具备的存储装置中，对应于多个功能地存储与各功能相应的坐标转换，并根据目的选择与某一个功能相应的坐标转换，从而能够实现位置/力控制装置1中的各种功能。
另外，位置/力控制装置1能够使对控制部20输入的基准值成为实时地从主装置输入的位置以及力的取得值。在该情况下，能够实时地与主装置的动作连动而控制位置/力控制装置1。
另外，位置/力控制装置1能够使对控制部20输入的基准值成为预先取得并存储的主装置或者从装置的时间序列的位置以及力的取得值。在该情况下，能够以预先准备的主装置的动作为基准，实现位置/力控制装置1的功能。即，能够以不存在主装置的状态在位置/力控制装置1中再现作为目的的功能。
(位置/力控制装置1的具体例)
接下来，对位置/力控制装置1的具体的构成例进行说明。
如上述那样，通过切换控制部20中的与定义的功能相应的坐标转换，位置/力控制装置1能够实现各种功能。
以下，对实现图2的力·触觉传递功能、图4的拾取和放置功能以及图6的转动螺丝的学习以及再现功能的情况下的位置/力控制装置1的构成例进行说明。
(实现力·触觉传递功能的位置/力控制装置1的构成例)
图9是表示实现力·触觉传递功能的位置/力控制装置1的构成的示意图。
在图9中，位置/力控制装置1包含主装置100A、从装置100B、以及PC(Pers接通alComputer：个人电脑)100C而构成。
主装置100A由内置有驱动器30以及位置传感器50的促动器40构成。
主装置100A具备能够向一方向滑动的可动轴41A，可动轴41A由操作者移动。可动轴41A的位置被位置传感器50检测出，该检测值被输出到PC100C。
另外，主装置100A的促动器40被PC100C控制。图9中的位置/力控制装置1具备双向控制功能，根据从装置100B与物体接触的力，通过PC100C控制促动器40的动作。
与主装置100A相同，从装置100B由内置有驱动器30以及位置传感器50的促动器40构成。
从装置100B具备能够向一方向滑动的可动轴41B，可动轴41B在促动器40的作用下移动。可动轴41B的位置被位置传感器50检测出，该检测值被输出到PC100C。
PC100C具备有着基准值输入部10的功能的通信接口110和控制部20。
通信接口110接受从主装置100A以及从装置100B输入的位置传感器50的检测值并输出到控制部20。另外，通信接口110将从控制部20输入的用于控制主装置100A以及从装置100B的促动器40的加速度的值输出到主装置100A以及从装置100B。
在实现力·触觉传递功能的位置/力控制装置1的情况下，由于在控制部20中定义有作为式(2)而表示的坐标转换，因此控制成主装置100A的促动器40的位置与从装置100B的促动器40的位置之差成为零的状态。另外，控制成操作者对主装置100A的促动器40施加的力与作用于从装置100B的促动器40的来自物体的反作用力成为作用·反作用的关系(彼此相等且朝向相反)的状态。
由此，在从装置100B中准确地再现对主装置100A进行的操作，并且能够将输入到从装置100B的来自物体的反作用力准确地传递到主装置100A。
(实现拾取和放置功能的位置/力控制装置1的构成例)
图10是表示实现拾取和放置功能的位置/力控制装置1的构成的示意图。
在图10中，位置/力控制装置1包含构成第1臂的臂单元200A、构成第2臂的臂单元200B、以及PC200C而构成。
臂单元200A由内置有臂部201A、驱动器30以及位置传感器50的促动器40构成。
臂单元200A具备能够向一方向滑动的可动轴(未图示)，并在可动轴的前端部固定有臂部201A。臂部201A的位置(即，可动轴的位置)被位置传感器50检测出，该检测值被输出到PC200C。
另外，臂单元200A的促动器40被PC200C控制。具体而言，臂部201A被PC200C控制为，以设定的力抵接于对象物，并与臂部201B一起保持该状态地移动对象物。
臂单元200B与臂部201A和臂单元200A相同地由内置有驱动器30以及位置传感器50的促动器40构成。
PC200C具备有着基准值输入部10的功能的通信接口210和控制部20。
通信接口210接受从臂单元200A以及臂单元200B输入的位置传感器50的检测值并输出到控制部20。另外，通信接口210将从控制部20输入的用于控制臂单元200A以及臂单元200B的促动器40的加速度的值输出到臂单元200A以及臂单元200B。
在实现拾取和放置功能的位置/力控制装置1的情况下，由于在控制部20中定义有作为式(3)而表示的坐标转换，因此控制成作用于臂单元200A的促动器40的来自物体的反作用力矢量与作用于臂单元200B的促动器40的来自物体的反作用力矢量之差、即把持力成为设定的目标值的状态。另外，控制成臂单元200A的臂部201A的位置(从基准位置起的位移)与臂单元200B的臂部201B的位置(从基准位置起的位移)之和、即两个臂的中心成为设定的目标值的状态。
由此，臂单元200A的臂部201A与臂单元200B的臂部201B被控制成进行相互靠近或远离的动作、并且以相同的力与对象物抵接的状态。在这种状态下使臂部201A与臂部201B向相同方向移动，从而能够抓住对象物并输送到目的位置。
(实现转动螺丝的学习以及再现功能的位置/力控制装置1的构成例)
图11是表示实现转动螺丝的学习以及再现功能的位置/力控制装置1的构成的示意图。
在图11中，位置/力控制装置1包含作为主装置的指型机器人300A、作为从装置的指型机器人300B、以及PC300C而构成。
指型机器人300A由指机构部310A、连结于指机构部310A的各部位的线W1～W4、以及进行引入线W1～W4的控制的促动器40a～40d构成。
指机构部310A具备相当于人类的掌骨的基部311A、相当于近节指骨的近节指骨部312A、相当于中节指骨的中节指骨部313A、相当于远节指骨的远节指骨部314A、相当于MP关节的MP关节部315A、相当于PIP关节的PIP关节部316A、以及相当于DIP关节的DIP关节部317A。
线W1的一端连结于远节指骨部314A的手背侧，并穿过指机构部310A中的手背侧使另一端连结于促动器40a的输出轴。因此，若通过促动器40a引入线W1，则可实现指机构部310A中的伸直手指的动作。
线W2的一端连结于远节指骨部314A的手心侧，并在中节指骨部313A中向手背侧引出之后，使另一端连结于促动器40b的输出轴。因此，若通过促动器40b引入线W2，则在DIP关节部中向弯曲手指的方向施加力，在PIP关节以及MP关节中向伸直手指的方向施加力。
线W3的一端连结于中节指骨部313A的手心侧，并在近节指骨部312A中向手背侧引出后，使另一端连结于促动器40c的输出轴。因此，若通过促动器40c引入线W3，则在PIP关节中向弯曲手指的方向施加力，在MP关节中向伸直手指的方向施加力。
线W4的一端连结于近节指骨部312A的手心侧，并穿过指机构部310A中的手心侧使另一端连结于促动器40d的输出轴。因此，若通过促动器40d引入线W4，则可实现近节指骨部312A中的以MP关节部315A为支点而弯曲手指的动作。
促动器40a～40d由PC300C控制。具体而言，从PC300C向促动器40a～40d输入用于实现指型机器人300A的各部位的位置·角度以及姿势、旋转转矩、线W1～W4的张力的值，并根据这些输入值执行引入线W1～W4的控制。
另外，各促动器40a～40d内置有驱动器30以及位置传感器50。线W1～W4的位置被各促动器40a～40d的位置传感器50检测出，该检测值被输出到PC300C。
这里，指型机器人300A跟随人类的手指的动作(行为)而移动，并提取该动作(行为)作为促动器40a～40d中的位置传感器50的时间序列的检测值。
具体而言，指型机器人300A的指机构部310A的各部位固定于与人类的手指对应的位置(即，远节指骨与远节指骨部314A、中节指骨与中节指骨部313A、近节指骨与近节指骨部312A)，从而成为跟随于人类的手指的动作的状态。
此外，除了远节指骨与远节指骨部314A、中节指骨与中节指骨部313A、近节指骨与近节指骨部312A中的远节指骨与远节指骨部314A的固定之外，如果固定其他一个位置，则能够省略另一其他位置的固定。
指型机器人300B由指机构部310B、连结于指机构部310B的各部位的线W5～W8、进行引入线W5～W8的控制的促动器40e～40h构成。
指机构部310B具备相当于人类的掌骨的基部311B、相当于近节指骨的近节指骨部312B、相当于中节指骨的中节指骨部313B、相当于远节指骨的远节指骨部314B、相当于MP关节的MP关节部315B、相当于PIP关节的PIP关节部316B、以及相当于DIP关节的DIP关节部317B。
线W5的一端连结于近节指骨部312B的手背侧，并穿过指机构部310A中的手背侧使另一端连结于促动器40e的输出轴。因此，若通过促动器40e引入线W5，则可实现近节指骨部312B中的以MP关节部315B为支点而伸直手指的动作。
线W6的一端连结于中节指骨部313B的手背侧，并在近节指骨部312B中向手心侧引出之后，使另一端连结于促动器40f的输出轴。因此，若通过促动器40f引入线W6，则可实现中节指骨部313B中的以PIP关节部316B为支点而伸直手指的动作。
线W7的一端连结于远节指骨部314B的手背侧，并在中节指骨部313B中向手心侧引出之后，使另一端连结于促动器40g的输出轴。因此，若通过促动器40g引入线W7，则可实现远节指骨部314B中的以DIP关节部317B为支点而伸直手指的动作。
线W8的一端连结于远节指骨部314B的手心侧，并穿过指机构部310B中的手心侧使另一端连结于促动器40h的输出轴。因此，若通过促动器40h引入线W8，则可实现指机构部310B中的弯曲手指的动作。
促动器40e～40h由PC300C控制。具体而言，从PC300C向促动器40e～40h输入作为指型机器人300A的动作而提取的、用于实现各部位的位置·角度以及姿势、旋转转矩、线W5～W8的张力的值，并根据这些输入值执行引入线W5～W8的控制。
另外，各促动器40e～40h内置有驱动器30以及位置传感器50。线W5～W8的位置被各促动器40e～40h的位置传感器50检测出，该检测值被输出到PC300C。
PC300C具备有着基准值输入部10的功能的通信接口310和控制部20。
通信接口310接受从指型机器人300A以及指型机器人300B输入的各位置传感器50的检测值并输出到控制部20。另外，通信接口310将从控制部20输入的用于控制指型机器人300A以及指型机器人300B的促动器40a～40h的加速度的值输出到指型机器人300A以及指型机器人300B。
在实现转动螺丝的学习以及再现功能的位置/力控制装置1的情况下，在控制部20中定义有作为式(4)而表示的坐标转换。因此，在指型机器人300B中执行与在指型机器人300A中提取的手指的各部位的动作相应的控制。
由此，若人类在作为主装置的指型机器人300A中进行转动螺丝的动作，则能够在作为从装置的指型机器人300B中实现该动作，能够转动螺丝。此时，从螺丝作用于指型机器人300B的力通过双向控制功能而在指型机器人300A中再现。即，相对于进行转动螺丝的动作的人类的手指，可通过促动器40a～40d再现与实际转动螺丝的情况相同的反作用力。
(行为的提取功能)
接下来，详细地说明通过本发明实现的人类的行为的提取功能。
如在图11的“实现转动螺丝的学习以及再现功能的位置/力控制装置1的构成例”中说明的那样，通过构成与人类的身体的功能对应的机构的机器人，使该机器人跟随于人类的身体的功能，并检测出此时的时间序列的动作，由此能够提取人类的行为。
例如，在图11所示的指型机器人300A的情况下，跟随于人类活动手指而转动螺丝的动作，由各位置传感器50按照时间序列检测出指机构部310A移动时的线W1～W4或者线W5～W8的位置，并将这些位置存储于存储装置。
另外，也可以取代线W1～W4或者线W5～W8的位置的检测结果，而是将控制部20中的用于导出作为坐标转换结果而获得的状态值的各个值(即，按照时间序列计算出的式(4)的左边的各个值)存储于存储装置。
图12是表示作为行为的提取结果而存储的信息例的示意图，图12中(a)表示存储有线W1～W4的时间序列的位置的情况，图12中(b)表示存储有式(4)的坐标转换结果的情况。
若参照图12中(a)，例如关于线W1，在时刻t1存储有位置p1，在时刻t2存储有位置p2，在时刻t3存储有位置p3···这样时间序列的位置。
另外，若参照图12中(b)，例如关于坐标转换结果x”a1，在时刻t1存储有坐标转换结果q1，在时刻t2存储有坐标转换结果q2，在时刻t3存储有坐标转换结果q3···这样时间序列的值。
由此，如果人类实际上仅进行一次手指的动作(行为)，则即使之后不进行手指的动作(行为)，也能够通过机器人再现转动螺丝的学习以及再现功能等的动作(行为)。
(适应的功能实现)
接下来，对能够通过本发明实现的适应的功能进行说明。
适应的功能实现指的是，在如上述那样通过行为的提取功能提取人类的行为的情况下，即使是与行为的提取时不同的对象物，也可适应性地实现提取的功能。
在本实施方式中的适应的功能实现中，应用式(7)以及式(8)所示的坐标转换中的、获得用于导出力的区域中的状态值的力的矢量的运算。即，在适应的功能实现中，在式(7)以及式(8)所示的坐标转换中，使用与适应的功能实现的目的相应的输入，另一方面，使其他部分的输入实际为零，通过坐标转换中的一部分要素导出状态值。通过这种方法，对速度或者位置的能量与力的能量中的至少一方分配控制能量，可实现与行为的提取时不完全相同的适应的功能。
具体而言，本实施方式中的用于适应的功能实现的坐标转换由接下来的式(9)表示。
[数式5]
以下，列举图11的“实现转动螺丝的学习以及再现功能的位置/力控制装置1的构成例”中说明的装置为例，对适应的功能实现进行说明。
图13是表示适应的功能实现的概念的说明图。
如图13中(a)～(c)所示，首先，在图11所示的位置/力控制装置1中，提取人类转动螺丝的动作(行为)，存储例如图12中(a)所示的线W1～W4或者线W5～W8的时间序列的位置或者力的至少一方。
接下来，位置/力控制装置1从存储装置依次读出线W1～W4或者线W5～W8的时间序列的位置或者力的至少一方。然后，以其为基准值，在成为从装置的指型机器人300B中，依次应用式(8)的坐标转换且控制促动器40e～40f。此时，在指型机器人300B安置有与提取人类转动螺丝的动作(行为)时相同的螺丝X。
于是，如图13中(d)～(f)所示，可再现存储的线W1～W4或者线W5～W8所示的主装置中的动作，能够与提取人类转动螺丝的动作(行为)时相同地转动螺丝X并卸下。
这里，在指型机器人300B安置有与提取人类转动螺丝的动作(行为)时相比直径或者形状等不同的螺丝Y。
此时，位置/力控制装置1不使用存储于存储装置的线W1～W4或者线W5～W8的时间序列的位置，而是仅使用指型机器人300B的各位置传感器50检测出的线W5～W8的位置，并依次执行式(9)的坐标转换。
然后，使用通过式(9)的坐标转换获得的fτ1、fτ2、fτ3、ft2，导出状态值，并执行与计算出的状态值对应的促动器40e～40h的控制。
于是，如图13中(g)～(i)所示，即使是与螺丝X的直径或者形状等不同的螺丝Y，也能够通过依次导出力的区域中的状态值来适应性地实现功能。
这样，通过应用本发明的基本的原理，即使对于对象物不同等的环境变动，也能够达到适应性较高的功能的实现。
(功能的切换的具体例)
在图8所示的位置/力控制装置1的基本的构成中，存储有多个由分功能力/速度分配转换块FT定义的坐标转换，通过切换它们并设定于分功能力/速度分配转换块FT，能够切换在位置/力控制装置1中实现的功能。
图14是表示能够切换功能的位置/力控制装置1的构成的示意图。
相比于图8所示的位置/力控制装置1，图14所示的位置/力控制装置1在具备存储多个表示功能的坐标转换的存储部60这一点不同。
即，控制部20根据应实现的功能，读出存储于存储部60的坐标转换T1～Tk(k是1以上的整数)中的某一个，并设定于分功能力/速度分配转换块FT。
由此，能够成为可适当地实现准备的多个功能中的、作为目的功能的位置/力控制装置1。
这样的位置/力控制装置1在例如通过一个控制部20实现多个功能的情况下、或控制多个机器人的情况下等尤其有用。
(缩放功能)
在上述的位置/力控制装置1中，能够实现位置，力以及时间的缩放功能。
缩放功能指的是相对于成为基准的控制将输出的位置、力或时间的比例(scale)放大或缩小的功能。通过缩放功能，例如能够将主装置的移动的大小缩小并在从装置中再现，或将主装置的移动的强度(力)加强并在从装置中再现，或使主装置的移动的速度降低并在从装置中再现。另外，通过对存储于存储装置的位置或者力的至少一方的信息使用缩放功能，例如能够将存储的移动的大小缩小并在从装置中再现，或将存储的移动的强度(力)加强并在从装置中再现。
以下，对用于实现缩放功能的构成例进行说明。
(伴随着缩放的力·触觉传递功能)
在实现伴随着缩放的力·触觉传递功能的情况下，图2中的分功能力/速度分配转换块FT中的坐标转换作为接下来的式(10)以及(11)来表示。
[数式6]
在采用式(10)以及式(11)所示的坐标转换的情况下，使从装置的位置为α倍(α为正数)、使从装置的力为β倍(β为正数)并传递到主装置。
通过这种缩放功能，例如在进行手术、微型组件等的精细的作业、或土木作业、船外活动等的大规模的作业的情况下较为有效。
(伴随着基于缩放的位置的限制的力·触觉传递功能)
在实现伴随着基于缩放的位置的限制的力·触觉传递功能的情况下，图2中的分功能力/速度分配转换块FT中的坐标转换例如作为接下来的式(12)～(15)来表示。
此外，在实现这种功能的情况下，考虑以下这样的条件较为适当。
·连续至速度维(雅可比矩阵的存在条件)
·限制后的位置为原始位置的单调递增函数(稳定性的条件)
·在xs＜a时，xs＝xshat或xs≒xshat(xshat是式(14)以及式(15)中的分功能力/速度分配转换块FT所包含的参数)
(保证安全区域的控制性能的条件)
·饱和函数(实现位置范围的条件)
作为满足这些条件的其他函数，也能够采用atan函数。
[数式7]
在xs＜a时
在xs≥a时
在采用式(12)～式(15)所示的坐标转换的情况下，在从装置的位置小于a的情况下，通过应用式(12)、(13)的坐标转换，将从装置与主装置控制成相同的位置。另一方面，在从装置的位置为a以上的情况下，通过应用式(14)、(15)的坐标转换，使得缩放功能发挥作用，将从装置控制成不超过(1/b+a)的位置。
通过这样的缩放功能，例如在手术中保护器官、或避免物体的破损情况下较为有效。
(使用了频率区域中的缩放的力·触觉传递功能)
图15是表示使用了频率区域中的缩放的力·触觉传递功能的控制的概念的示意图。
在图15中，主装置以及从装置的输出在分别通过高通滤波器(HPF)以及低通滤波器(LPF)之后被输入到分功能力/速度分配转换块FT。
在分功能力/速度分配转换块FT中，对通过了高通滤波器的主装置以及从装置的输出应用高频域用的坐标转换，对通过了低通滤波器的主装置以及从装置的输出应用低频域用的坐标转换。
即，分功能力/速度分配转换块FT将来自主装置以及从装置的输入分离成高频域以及低频域的信号，并应用与各自的频率域对应的坐标转换。
如图15所示，在实现使用了频率区域中的缩放的力·触觉传递功能的情况下，分功能力/速度分配转换块FT中的坐标转换作为接下来的式(16)～(19)而表示。
[式8]
在低频域的情况下，
在高频域的情况下，
在采用式(16)～式(19)所示的坐标转换的情况下，在低频域中，通过应用式(16)、(17)的坐标转换，从而将从装置与主装置控制成相同的位置，在高频域中，通过应用式(18)、(19)的坐标转换，从而使从装置的位置为α倍(α为正数)、使从装置的力为β倍(β为正数)并传递到主装置。
通过这种缩放功能，例如能够强调从装置贯通或破损物体时的感觉并传递到主装置。
(使用了时间的缩放功能的再现)
在基于位置/力控制装置1的功能的再现中，对表示学习并存储的功能的信息(例如，表示图12所示的行为的提取结果的时间序列的数据)进行间隔剔除或插值等，使其成为目标值，从而能够实现时间的缩放。
具体而言，在对表示学习并存储的功能的信息进行了间隔剔除之后，作为理想力源块FC或理想速度(位置)源块PC中的运算的目标值而使用，从而能够高速地再现存储的功能(动作)。同样，在对表示学习并存储的功能的信息进行了插值之后，作为目标值而使用，从而能够低速地再现存储的功能(动作)。
这样，在高速地再现存储的功能(动作)的情况下，只要能够在提取行为时进行低速并且准确的动作，就能够在再现时成为高速并且准确的动作。
另外，在低速地再现存储的功能(动作)的情况下，能够缓慢地再现以通常的速度进行的动作，因此能够在例如患有后遗症的患者的康复训练等中再现与该患者相应的训练动作。
(具体的应用例)
通过单独或者组合地使用在上述实施方式中说明的功能，能够实现各种应用例。
(面向游戏的应用)
图16是表示在与虚拟空间中的物体之间实现力·触觉传递功能的状态的示意图。
在图16中，示出了在操作者在与虚拟空间内的对象物之间传递力以及触觉的游戏(例如掰手腕等)中应用本发明的例子。
另外，图17是表示在与虚拟空间中的物体之间实现力·触觉传递功能的情况下的控制的概念的示意图。
如图16所示，操作者Rm操作作为主装置的控制器(促动器)Ct。
于是，虚拟物体Xa(这里是虚拟人物Va的手臂)配合于控制器Ct的移动而移动。
若虚拟物体Xa接触于虚拟物体Xb(这里是虚拟人物Vb的臂)，则如图17所示，将虚拟物体Xa与虚拟物体Xb的接触作为从装置中的作用，对虚拟空间中的变量与实空间中的变量进行位置以及力的能量的分配转换。
此时，在控制器Ct中，在与虚拟物体Xa之间进行力·触觉传递，传递与虚拟人物Vb进行掰手腕的虚拟人物Va所受到的力·触觉。
这样，本发明能够应用于与虚拟空间中的对象物相互作用力那样的游戏。
此外，虚拟空间中的对象物能够作为虚拟地生成的对象物、或从虚拟空间中提取实体的对象物而成的对象物来构成。
通过这种应用例，能够以较高的真实感实现与虚拟空间内的敌对角色战斗的状况、以虚拟的车辆行驶于虚拟空间内的由各种路面所构成的跑道的状况、移动虚拟空间内的物体的状况等。
另外，控制器Ct通过接收向促动器的控制信号，能够作为主装置发挥功能，因此无需在控制器Ct中安装程序、多个传感器，就能够以简单的构成廉价地实现控制器Ct。
此外，在图16中，示出了将作为主装置的控制器Ct设为杆型的装置，但控制器Ct的具体形态能够根据游戏的种类等进行各种变更。例如，也能够采用具备同轴配置的内筒以及外筒、并可通过促动器使外筒绕内筒旋转的控制器。在该情况下，操作者Rm根据游戏的内容进行使外筒旋转的动作，促动器通过力·触觉传递功能控制外筒的旋转力以及旋转量。
(面向医疗用的钳子的应用)
图18是表示在医疗用的钳子中应用了本发明的状态的示意图。
如图18中(a)所示，操作者Rm能够操作主装置，从而在与成为从装置的钳子的促动器之间实现力·触觉传递功能。
此时，在单纯地进行力·触觉传递的情况下，若将主装置相对于支点向上方操作，则如图18中(b)所示，从装置的钳子也向上方位移，因此存在成为与人类的直观相反的移动的可能性。
即，在处理实物的钳子时，由于钳子为刚体，因此在操作者使钳子的前端朝向下方的情况下，将钳子的操作部向上方操作。因此，图18中(b)的移动成为与处理作为刚体的实物的钳子的情况相反的移动。
因此，如图18中(c)所示，对分功能力/速度分配转换块FT中的坐标转换实施镜像转换，从而如图18中(d)所示，在将主装置相对于支点向上方操作的情况下，能够控制成从装置的钳子向下方位移的状态。即，成为与处理作为刚体的实物的钳子的情况相同的移动。
由此，能够进行对操作者来说直观的操作。
另外，通过实施这种镜像转换，能够灵活地设定操作者相对于对象物的视点，并调整成操作者容易操作的状态。
而且，能够对实施了镜像转换的分功能力/速度分配转换块FT中的坐标转换实施缩放。
例如，在实施将主装置的操作缩小的缩放的情况下，通过转换成钳子中的精细的移动，能够帮助心脏、脑等的需要高度注意的困难的手术。
此时，除了使缩放的比例成为固定的比例之外，也能够根据状况使比例变化等。
例如，如果是心脏的手术，则在开胸的阶段使主装置与从装置的动作的比例为1：1等，在对心脏进行切开的阶段，能够以使从装置的动作相对于主装置的动作缩小的方式减小缩放的比例。
(作为无线连接的主装置以及从装置的应用)
图19是表示通过无线连接的主装置与从装置的示意图。
通过无线连接主装置与从装置，并进行高速的通信，从而能够实现具有较高的实时性且携带性能优异的主·从系统。
即，在与主装置无线连接的从装置中，能够实现力·触觉传递功能等的各种功能。
图20是表示与主装置无线连接的从装置400的构成的框图。
如图20所示，从装置400具备开关组401、LED组402、主微机单元403、无线单元404、马达单元405、减速机构406、指尖效应器407、计测单元408、记录·显示单元409、以及电源单元410。
开关组401具备多个旋转型开关以及接通/断开(ON/OFF)开关，并接受从装置400的各种设定。具体而言，旋转型开关用于从装置400中的缩放比的调整。在本实施方式中，通过旋转型开关，能够分别独立地设定位置的缩放以及力的缩放。另外，接通/断开开关用于从装置400的状态设定。例如，第1接通/断开开关作为电源用开关发挥功能，通过使第1接通/断开开关为接通，使得电源电路410b成为导通状态，信号用电池410a的电力被供给到从装置400的控制系统。另外，第2接通/断开开关作为伺服马达用开关发挥功能，通过使第2接通/断开开关为接通，使得马达驱动器405b的电源为接通，成为向伺服马达405d供给电力的待机状态。另外，第3接通/断开开关作为控制用开关发挥功能，通过使第3接通/断开开关接通，从而执行控制用程序，开始从装置400的控制以及向伺服马达405d的电力供给(驱动)。通过使第1接通/断开开关至第3接通/断开开关依次成为接通，从而开始主·从系统中的从装置400的控制。
LED组402通过点亮状态表示从装置400的各种状态(电源的接通/断开状态等)。
主微机单元403具备程序写入电路403a和微型控制器403b。
程序写入电路403a向微型控制器403b写入程序。
微型控制器403b根据通过程序写入电路403a写入的程序来控制从装置400。具体而言，微型控制器403b进行与主装置之间的无线通信，且执行向对象物的位置以及力的控制或执行来自对象物的作用的计测。
无线单元404具备天线404a和无线电路404b。
天线404a接收来自主装置的无线信号，并且从从装置400向主装置发送无线信号。
无线电路404b对从天线404a输入的无线信号进行解调，并将解调后的控制信号输出到主微机单元403。另外，无线电路404b对从主微机单元403输入的控制信号进行调制，并输出到天线404a。
马达单元405具备D/A转换器405a、马达驱动器405b、驱动用电池405c、以及伺服马达405d。
D/A转换器405a将从主微机单元403输入的数字信号(控制信号)转换成模拟信号。
马达驱动器405b根据从D/A转换器405a输入的模拟信号驱动伺服马达405d。
驱动用电池405c供给用于驱动伺服马达405d的电力。
伺服马达405d根据马达驱动器405b的驱动信号，经由减速机构406控制指尖效应器407的位置以及力。
减速机构406使伺服马达405d的动作减速，转换转矩并传递到指尖效应器407。
指尖效应器407构成直接作用于对象物的接口。在本实施方式中，作为指尖效应器407，具备叉状的器具。
计测单元408具备编码器408a和线路接收机408b。
编码器408a对伺服马达405d的动作(旋转角度)进行计测，并转换成电信号。
线路接收机408b将从编码器408a输出的计测结果的电信号作为差动信号输出到主微机单元403。此外，在获得从装置400的响应时，也能够通过速度传感器、加速度传感器、或者其他推断法来代替。
记录·显示单元409具备记录·显示用电路409a、存储介质409b、以及显示器409c。
记录·显示用电路409a根据主微机单元403的指示，将与伺服马达405d的位置以及力的控制信息、缩放比、无线连接中的电波状况、时间等的装置以及接触的物体有关的信息存储于存储介质409b，或显示于显示器409c。另外，记录·显示用电路409a读出存储于存储介质409b的信息，并输出到主微机单元403。
存储介质409b根据记录·显示用电路409a的控制，将与从装置400的动作中的伺服马达405d的位置以及力的控制信息、缩放比、无线连接中的电波状况、时间等的装置以及接触的物体有关的信息进行存储。为了进行数据处理，能够读出存储于存储介质409b的信息。另外，在存储介质409b中存储有用于再现从装置400中的动作的信息，微型控制器403b能够通过读出并执行该信息从而再现动作。
电源单元410具备信号用电池410a和电源电路410b。
信号用电池410a向从装置400的控制系统供给电力。
电源电路410b控制从信号用电池410a供给到从装置400的控制系统的电力。
此外，主装置与从装置除了能够通过无线通信连接之外，也能够经由有线通信用端口(参照图19)通过有线通信而连接。
通过这种构成，若根据主装置的移动使指尖效应器407接触于对象物(球等)，则伺服马达405d的位置以及反作用力作为位置以及力的信息从从装置400发送到主装置。于是，在主装置中，能够实现传递从装置400中的力·触觉的功能等。
接下来，对主装置与从装置的数据传送方法进行说明。
图21是表示用于通过主装置与从装置进行高速的通信的数据构造的图。
如图21所示，在本应用例中，将位置与力的信息作为合计64比特的数据(各32比特的float型变量)来表示，并高速地对其进行传送。
为此，首先将位置以及力的数据分割成16个数据块。于是，各数据块分别成为4比特的信息量。为了识别该4比特×16个的顺序，对各数据块的前端附加4比特的数据编号。由此，生成16个由4比特的数据编号以及4比特的实际数据构成的1字节的数据块，成为合计16字节的数据。
通过以下的顺序，在主装置与从装置之间对其进行传送。
图22是表示无线连接的主装置以及从装置之间的传送顺序的时序图。
此外，在本应用例中的主·从系统中，为了实现处理的高速化，在主装置以及从装置的内置MCU(Memory Control Unit：存储器控制单元)中直接安装控制程序。
在图22中，发送侧主机(发送侧的处理器等)将图21所示的16个数据块一块一块地传送到发送侧模块(发送侧的通信接口等)。此时，为了传送一块，采用100[μs]足矣，作为发送侧主机与发送侧模块之间的传送速度，能够确保约1[Mbps]。
接下来，在发送侧模块与接收侧模块(接收侧的通信接口等)之间进行无线通信。此时，作为无线通信路的传送速度，能够确保约1[Mbps]，为了传送16个数据块，采用约1.2[ms]足矣。
而且，在接收侧模块与接收侧主机(接收侧的处理器等)之间，作为传送速度，能够确保约1[Mbps]，为了传送1字节的一个数据块，采用100[μs]足矣。
于是，从发送侧主机开始输出数据直至将16字节的数据传送到接收侧主机为止，成为约4.5[ms]。
这样，在本应用例中，在内置MCU中直接安装控制程序，将位置与力的信息分别分割成4比特×8个并传送到通信模块，将无线通信路中的包尺寸缩小为16字节。
此外，在以往的协议、例如UCP/IP(universal computer protocol：通用计算机协议)等中，为了各种头信息等，使包尺寸成为24字节，相对于此，在本应用例的情况下，使所需的包尺寸成为16字节。
由此，能够使无线连接的主·从系统作为具有较高的实时性、且携带性能优异的系统而实现。
(面向动作的数据库化的应用)
图23是表示将人类的动作数据库化的概念的示意图。
如上述那样，促动器中的速度(位置)通过加速度的积分而表示，促动器中的力由质量与加速度的积表示。
因此，在本发明中，能够从促动器的位置的信息或者基于促动器的位置的信息而获得的力的信息的至少一方中使人类的动作数值化并提取。
因此，如图23所示，通过本发明的力·触觉传递功能测量操作者所进行的动作。
即，在操作者操作主装置的情况下，能够将操作者所进行的动作分解成分功能力/速度分配转换块FT、理想力源块FC、理想速度(位置)源块PC中的运算，并对动作进行表现。
而且，通过将多个人类的动作分解成分功能力/速度分配转换块FT、理想力源块FC、理想速度(位置)源块PC中的运算并取得，能够将在该各块中的被处理的信息储存于数据库DB。
通过如此对数据库化的多个人类的动作信息实施统计处理，能够将各个人的动作的特征(个人的做法、与其他人相比的个性等)提取并进行数值化。
由此，通过对熟练者、外行等的动作信息实施统计处理，能够提取隐性知识、技能、经验等并设为客观的数值数据。
(使用相对于分功能力/速度分配转换的偏移的应用)
图24是表示相对于分功能力/速度分配转换的偏移的概念的示意图。
在相对于分功能力/速度分配转换的偏移中，针对在分功能力/速度分配转换块FT中转换而得的结果的位置以及力的能量，加减规定的常量，从而能够跟随对象物的变化。
即，如图24所示，在分功能力/速度分配转换中，能够将通过外部传感器D测量的对象物的位置等作为偏移而施加。
例如，在心脏的手术的情况下，由于作为对象物的心脏始终跳动，因此通过外部传感器D测量心脏表面的位置，加入作为分功能力/速度分配转换中的偏移而测量的位置的变化，从而能够实现从装置(例如钳子等)向心脏表面的自动跟随。
此时，通过在力·触觉传递功能中加入偏移，能够兼备力·触觉传递与向心脏表面的位置的自动跟随。
由此，对于进行手术的医生来说，能够减少心脏的跳动所导致的位移的影响，从而能够进行更准确的作业。
(效果)
如以上那样，根据本发明的第1方式的位置/力控制装置，分功能力/速度分配转换机构基于对应于与位置相关的信息的速度(位置)及力的信息、以及成为控制的基准的信息，根据实现的功能进行将控制能量分配成速度或者位置的能量与力的能量的转换。然后，位置控制量计算机构基于通过分功能力/速度分配转换机构分配的速度或者位置的能量计算速度或者位置的控制量。另外，力控制量计算机构基于通过分功能力/速度分配转换机构分配的力的能量来计算力的控制量。进而，合并机构将速度或者位置的控制量与力的控制量合并，为了使其输出返回促动器而对速度或者位置的控制量与力的控制量进行逆转换，确定向促动器的输入。由此，能够分别独立地控制速度或者位置的能量、力的能量。
因此，在分功能力/速度分配转换机构中，能够根据功能对控制能量的向速度或者位置的能量与力的能量的分配进行各种变更。
因此，能够提供如下用途的技术：根据作为目的的功能来变更分功能力/速度分配转换机构的设定，从而由机器人更适当地实现人类的身体的行为。
另外，根据本发明的第2方式的位置/力控制装置，分功能力/速度分配转换机构基于对应于与位置相关的信息的速度(位置)和力的信息、以及预先取得的成为控制的基准的信息，根据实现的功能进行将控制能量分配成速度或者位置的能量与力的能量中的至少一方的转换。然后，控制量计算机构基于通过分功能力/速度分配转换机构分配的速度或者位置的能量与力的能量中的至少一方，计算速度或者位置的控制量与力的控制量中的至少一方。进而，合并机构将速度或者位置的控制量与力的控制量合并，为了使其输出返回促动器而对速度或者位置的控制量以及力的控制量进行逆转换，确定向促动器的输入。
因此，由于基于预先取得的、成为控制的基准的信息来计算速度(位置)或力的控制量，所以能够再现预先取得的功能。
另外，根据本发明的第3方式的位置/力控制装置，分功能力/速度分配转换机构基于对应于与位置相关的信息的速度(位置)和力的信息、以及成为控制的基准的信息，并通过配合于实现的功能而设定的转换，进行将控制能量分配成速度或者位置的能量与力的能量的转换。然后，位置控制量计算机构基于通过分功能力/速度分配转换机构分配的速度或者位置的能量，来计算速度或者位置的控制量。另外，力控制量计算机构基于通过分功能力/速度分配转换机构分配的力的能量来计算力的控制量。进而，合并机构将速度或者位置的控制量与力的控制量合并，为了使其输出返回促动器而对速度或者位置的控制量与力的控制量进行逆转换，确定向促动器的输入。然后，缩放机构使促动器的输出中产生位置、力以及时间的至少某一方的缩放。
因此，通过配合于实现的功能而设定的转换，将控制能量分配成速度或者位置的能量与力的能量，因此能够实现与特定的目的相应的功能。另外，通过在控制路径的某个位置夹设缩放机构，能够使促动器的输出中产生位置、力以及时间的缩放，因此能够缩小促动器的移动的大小、加强移动的强度(力)、或使移动的速度降低。
附图标记说明
S控制对象系统，FT分功能力/速度分配转换块(分功能力/速度分配转换机构)，FC理想力源块(力控制量计算机构)，PC理想速度(位置)源块(位置控制量计算机构)，IFT逆转换块(合并机构)，1位置/力控制装置，10基准值输入部，20控制部，30驱动器，40促动器，50位置传感器(位置检测机构)，60存储部。

Claims (17)

1.一种位置/力控制装置，其特征在于，该位置/力控制装置具备：
位置检测机构，检测与基于促动器的作用的位置相关的信息；
分功能力/速度分配转换机构，基于对应于与所述位置相关的信息的速度或位置及力的信息、以及成为控制的基准的信息，并根据实现的功能，进行将控制能量分配成速度或者位置的能量与力的能量的转换；
位置控制量计算机构，基于通过所述分功能力/速度分配转换机构分配的速度或者位置的能量来计算速度或者位置的控制量；
力控制量计算机构，基于通过所述分功能力/速度分配转换机构分配的力的能量来计算力的控制量；以及
合并机构，将所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量合并，为了使合并机构的输出返回促动器而对所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量进行逆转换，从而确定向所述促动器的输入，
由此，能够分别独立地控制速度或者位置的能量以及力的能量。
2.根据权利要求1所述的位置/力控制装置，其特征在于，
所述分功能力/速度分配转换机构能够从多个功能中选择所述实现的功能。
3.根据权利要求1或2所述的位置/力控制装置，其特征在于，
所述分功能力/速度分配转换机构通过对所述实现的功能进行表示的坐标转换，将所述控制能量分配成所述速度或者位置的能量以及所述力的能量。
4.根据权利要求1或2所述的位置/力控制装置，其特征在于，
成为所述控制的基准的信息是与实时输入的、基于其他装置中的促动器的作用的位置相关的信息。
5.根据权利要求1或2所述的位置/力控制装置，其特征在于，
成为所述控制的基准的信息是与预先取得的、基于其他装置中的促动器的作用的位置相关的信息。
6.根据权利要求1或2所述的位置/力控制装置，其特征在于，
成为所述控制的基准的信息是与基于虚拟地生成的促动器的作用的位置相关的信息。
7.根据权利要求6所述的位置/力控制装置，其特征在于，
成为所述控制的基准的信息是与如下的位置相关的信息，该位置基于设想由游戏中的虚拟空间内的物体引起的作用而虚拟地生成的促动器的作用。
8.根据权利要求1或2所述的位置/力控制装置，其特征在于，
所述分功能力/速度分配转换机构进行包含镜像转换在内的转换。
9.根据权利要求8所述的位置/力控制装置，其特征在于，
所述分功能力/速度分配转换机构进行包含位置以及力的至少一方的缩放在内的转换。
10.根据权利要求1或2所述的位置/力控制装置，其特征在于，
该位置/力控制装置还具备与所述促动器不同的其他促动器，
所述促动器作为主装置以及从装置的一方而动作，所述其他促动器作为所述主装置以及所述从装置的另一方而动作，
所述主装置与所述从装置通过无线通信连接。
11.根据权利要求1或2所述的位置/力控制装置，其特征在于，
该位置/力控制装置还具备数据库，该数据库储存有一个或者多个对象者进行的动作的、所述分功能力/速度分配转换机构、所述位置控制量计算机构以及所述力控制量计算机构的运算内容。
12.根据权利要求1或2所述的位置/力控制装置，其特征在于，
所述分功能力/速度分配转换机构进行包含偏移在内的转换。
13.一种位置/力控制装置，其特征在于，该位置/力控制装置具备：
位置检测机构，检测与基于促动器的作用的位置相关的信息；
分功能力/速度分配转换机构，基于对应于与所述位置相关的信息的速度或位置及力的信息、以及预先取得的成为控制的基准的信息，并根据实现的功能进行将控制能量分配成速度或者位置的能量与力的能量中的至少一方的转换；
控制量计算机构，基于通过所述分功能力/速度分配转换机构分配的速度或者位置的能量与力的能量中的至少一方，计算速度或者位置的控制量与力的控制量中的至少一方；以及
合并机构，将所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量合并，为了使合并机构的输出返回促动器而对所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量进行逆转换，从而确定向所述促动器的输入。
14.一种位置/力控制装置，其特征在于，该位置/力控制装置具备：
位置检测机构，检测与基于促动器的作用的位置相关的信息；
分功能力/速度分配转换机构，基于对应于与所述位置相关的信息的速度或位置及力的信息、以及成为控制的基准的信息，并通过与实现的功能配合而设定的转换，进行将控制能量分配成速度或者位置的能量与力的能量的转换；
位置控制量计算机构，基于通过所述分功能力/速度分配转换机构分配的速度或者位置的能量来计算速度或者位置的控制量；
力控制量计算机构，基于通过所述分功能力/速度分配转换机构分配的力的能量来计算力的控制量；
合并机构，将所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量合并，为了使合并机构的输出返回促动器而对所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量进行逆转换，从而确定向所述促动器的输入；以及
缩放机构，使所述促动器的输出中产生位置、力以及时间的至少某一方的缩放。
15.一种位置/力控制方法，其特征在于，该位置/力控制方法包括：
位置检测步骤，检测与基于促动器的作用的位置相关的信息；
分功能力/速度分配转换步骤，基于对应于与所述位置相关的信息的速度或位置及力的信息、以及成为控制的基准的信息，并根据实现的功能进行将控制能量分配成速度或者位置的能量与力的能量的转换；
位置控制量计算步骤，基于在所述分功能力/速度分配转换步骤中分配的速度或者位置的能量来计算速度或者位置的控制量；
力控制量计算步骤，基于在所述分功能力/速度分配转换步骤中分配的力的能量来计算力的控制量；以及
合并步骤，将所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量合并，为了使合并步骤的输出返回促动器而对所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量进行逆转换，从而确定向所述促动器的输入。
16.一种位置/力控制方法，其特征在于，该位置/力控制方法包括：
位置检测步骤，检测与基于促动器的作用的位置相关的信息；
分功能力/速度分配转换步骤，基于对应于与所述位置相关的信息的速度或位置及力的信息、以及预先取得的成为控制的基准的信息，并根据实现的功能进行将控制能量分配成速度或者位置的能量与力的能量中的至少一方的转换；
控制量计算步骤，基于在所述分功能力/速度分配转换步骤中分配的速度或者位置的能量与力的能量中的至少一方，计算速度或者位置的控制量与力的控制量中的至少一方；以及
合并步骤，将所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量合并，为了使合并步骤的输出返回促动器而对所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量进行逆转换，从而确定向所述促动器的输入。
17.一种位置/力控制方法，其特征在于，该位置/力控制方法包括：
位置检测步骤，检测与基于促动器的作用的位置相关的信息；
分功能力/速度分配转换步骤，基于对应于与所述位置相关的信息的速度或位置及力的信息、以及成为控制的基准的信息，并通过与实现的功能配合而设定的转换，进行将控制能量分配成速度或者位置的能量与力的能量的转换；
位置控制量计算步骤，基于在所述分功能力/速度分配转换步骤中分配的速度或者位置的能量来计算速度或者位置的控制量；
力控制量计算步骤，基于在所述分功能力/速度分配转换步骤中分配的力的能量来计算力的控制量；
合并步骤，将所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量合并，为了使合并步骤的输出返回促动器而对所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量进行逆转换，从而确定向所述促动器的输入；以及
缩放步骤，使所述促动器的输出中产生位置、力以及时间的至少某一方的缩放。
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