CN107924639B - 操作感觉再现装置 - Google Patents

Abstract

提供操作感觉再现装置，该操作感觉再现装置能够准确地传递触觉驱动力，并能够培养出微妙且细微的触觉感觉。即，该操作感觉再现装置具有：操作部，其供使用者进行操作；致动器部，其根据操作部的操作而产生触觉驱动力；以及驱动轴部，其将操作部和致动器部连结，该操作感觉再现装置将根据操作部的操作而由致动器部产生的触觉驱动力通过驱动轴部传递给操作部，从而使用者能够体验到实际的操作感，其中，致动器部具有定子和动子，在一方贯穿插入于另一方的状态下相对地进行变位从而产生触觉驱动力，动子和操作部由驱动轴部连结，定子、动子和驱动轴部各自的中心轴被设置在同一轴上。

Description

操作感觉再现装置

技术领域

本发明涉及操作感觉再现装置，该操作感觉再现装置是用于体验实际的操作感觉的模拟装置，无需使用实物便能够模拟地再现出操作感觉，从而进行实验、训练等。

背景技术

为了将人所感受到的触觉感觉和操作感觉传递给以前从未体验过的人，或者为了通过获得这些感觉来培养实践感觉，而使用模拟装置(操作感觉再现装置)。例如，在外科医疗中，使用医疗用的导管将血管内扩张用的支架/气囊或封闭用的卷线送入从而进行血管内的治疗，为了培养该导管的操作感觉而使用操作感觉再现装置。

如图5所示，该操作感觉再现装置具有：操作部100，其供使用者进行操作；致动器部101，其产生触觉驱动力；驱动轴部102，其将操作部100和致动器部101连结；以及控制部103，其对上述各部进行统一控制，该操作感觉再现装置中，将导管实际上插入到人体内的状态的图像及操作状况等从控制部103显示到监视器104上。并且，使用者对通过操作操作部100而输入的变位量进行控制以使致动器部101产生熟练医生所体验到的触觉驱动力(触觉感觉)，与操作部100的操作对应的触觉驱动力通过驱动轴部102被传递到操作部100。

具体来说，在致动器部101中例如使用伺服电动机105，使用者一边观察监视器104一边对操作部100进行操作，从而由编码器106检测出驱动轴部102的变位量。然后，从伺服电动机105输出与该变位量对应的驱动力。即，由控制部103控制的伺服电动机105的驱动力经由中间部件107传递到驱动轴部102，使用者能够通过驱动轴部102来获得与操作部100的操作对应的触觉感觉。由此，即使是没有实践经验的医生，无需对真正的人体进行实践便能够培养出导管碰到血管壁的感觉、在血管内形成气囊的感觉等微妙且细微的触觉感觉(例如参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000-42118号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在上述操作感觉再现装置中，存在很难准确地获得实际的触觉感觉的问题。即，在以往的操作感觉再现装置中，由于致动器部101的产生触觉驱动力的驱动源(伺服电动机105)的中心轴la位于与连结于操作部100的驱动轴部102(中心轴lb)偏置(offset)的位置，所以可能会影响由致动器部101产生的触觉驱动力的准确性。具体来说，即使在由致动器部101产生的触觉驱动力被调整为对操作部100的操作熟练的医生所感到的微妙且细微的触觉驱动力的情况下，由于驱动源的中心轴la与驱动轴部102的中心轴lb是偏置的，所以存在如下的问题：无用力矩的产生、存在于驱动源的中心轴la与驱动轴部102的中心轴lb之间的中间部件107的组装精度、配合等机械性损耗会对触觉驱动力造成影响，传递给操作部100的触觉驱动力会微妙地产生偏差、无法准确地传递给对操作部100进行操作的使用者。

本发明是鉴于上述的问题点而完成的，其目的在于，提供操作感觉再现装置，能够准确地传递触觉驱动力，并能够培养出微妙且细微的触觉感觉。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明的操作感觉再现装置，其具有：操作部，其供使用者进行操作；致动器部，其根据所述操作部的操作而产生触觉驱动力；以及驱动轴部，其将所述操作部与所述致动器部连结，该操作感觉再现装置将根据所述操作部的操作而由所述致动器部产生的触觉驱动力通过所述驱动轴部传递给所述操作部，从而使用者能够体验到实际的操作感，其特征在于，所述致动器部具有定子和动子，在一方贯穿插入于另一方的状态下相对地进行变位从而产生触觉驱动力，所述动子和所述操作部由所述驱动轴部连结，所述定子、所述动子和所述驱动轴部各自的中心轴被设置在同一轴上。

根据上述操作感觉再现装置，致动器部的定子和动子是通过将一方贯穿插入于另一方而形成的，这些定子、动子和驱动轴部各自的中心轴被设置在同一轴上，从而真实地再现并准确地传递触觉驱动力。即，定子、动子和驱动轴部各自的中心轴被设置在同一轴上，从而能够使驱动轴部在尽量减少了滑动阻力的低阻力下进行驱动，因此能够准确地再现如下的触觉驱动力：该触觉驱动力被调整为熟练者所感受到的微妙且细微的触觉驱动力。并且，由于不存在介于以往的驱动源与驱动轴部之间的中间部件，所以能够抑制偏置构造对力矩等造成的影响或组装精度、配合等机械的损耗，并能够尽量抑制传递给操作部的触觉驱动力会微妙地产生偏差的问题。因此，与使驱动源的中心轴和驱动轴部的中心轴偏置的以往的操作感觉再现装置相比，能够准确地传递由致动器部设定的触觉驱动力，因此能够对使用者培养出微妙且细微的触觉感觉。

并且，也可以构成为，所述致动器部设置有多个，与各个所述致动器部的所述动子连结的所述驱动轴部分别与所述操作部连结，各个驱动轴部被设置成以其中心轴为共同的轴而将一个驱动轴部贯穿插入到其他驱动轴部中，各个所述致动器部的所述定子、所述动子和所述驱动轴部各自的中心轴被设置在同一轴上。

根据该结构，即使产生触觉驱动力的致动器部是多个，也能够将各个定子、动子和驱动轴部各自的中心轴配置在同一轴上，因此与使作为驱动源的致动器部的中心轴与驱动轴部的中心轴偏置的以往的操作感觉再现装置相比，能够使驱动轴部在尽量减少了滑动阻力的低阻力下进行驱动，并且无需与中心轴垂直的方向的空间，能够使整体紧凑化。

并且，优选所述致动器部是使所述动子和所述定子以非接触的方式相对地进行变位的非接触驱动马达。

根据该结构，与在致动器部中使用滚珠丝杠、伺服电动机等机械驱动源的情况相比，消除了滑动阻力、脉动等机械驱动源所特有的损耗、振动等的影响，因此能够准确地再现并传递更接近实物的触觉驱动力。

并且，也可以构成为，在所述定子中形成有供所述动子贯穿插入的贯穿插入孔，在该贯穿插入孔中设置有以非接触的方式对所述动子进行支承的空气轴承。

根据该结构，由于动子相对于定子以非接触的方式被支承，所以能够消除动子与定子相对地移动时的滑动阻力的影响，能够准确地再现并传递更接近实物的触觉驱动力。

并且，也可以构成为，由所述致动器部产生的触觉驱动力是根据使所述驱动轴部在中心轴方向上移动的动作和绕中心轴旋转的动作而产生的。

根据该结构，能够对使用者培养出由使操作部在中心轴方向上进行移动的动作和绕中心轴进行旋转的动作组合而成的触觉感觉。即，定子、动子和驱动轴部各自的中心轴被设置在同一轴上，从而抑制了力矩或机械的损耗等的影响，在中心轴方向和绕中心轴的任意方向上都能够以低阻力进行驱动，因此准确地再现了如下的触觉驱动力：该触觉驱动力被调整为熟练者所感受到的微妙且细微的触觉驱动力。

发明效果

根据本发明的操作感觉再现装置，能够准确地传递触觉驱动力，并能够培养出微妙且细微的触觉感觉。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式的操作感觉再现装置的图。

图2是示出上述实施方式的主要部分(装置主体)的图。

图3是示出上述实施方式的定子的图，其中(a)是从与中心轴L0垂直的方向观察到的剖视图，(b)是从中心轴L0观察到的剖视图。

图4是示出上述实施方式的动子的图。

图5是示出以往的操作感觉再现装置的图。

具体实施方式

使用附图对本发明的操作感觉再现装置的实施方式进行说明。

图1是示出操作感觉再现装置的一个实施方式的整体图，图2是示出操作感觉再现装置的主要部分(装置主体)的图。另外，在以下的实施方式中，对将操作感觉再现装置应用于医疗用导管的训练装置(训练机)的例子进行说明，但本发明的操作感觉再现装置能够应用于需要远程操作的手术用机器人或虚拟现实系统等用于获得微妙且细微的触觉感觉的所有的模拟装置中。

在图1和图2中，操作感觉再现装置具有：装置主体10，其产生触觉驱动力；控制部50，其对装置主体10进行统一控制；以及监视器部60，其接受来自控制部50的信号并对装置主体10的使用状态进行监测。并且，通过由使用者对装置主体10(在本实施方式中为导管)进行操作，在监视器部60上显示出导管实际上插入到人体内的影像和与使用者的操作对应的状态的影像，与实际的操作对应的触觉驱动力通过装置主体10传递给使用者，使用者能够体验到实际的操作感。

装置主体10具有：操作部11，其供使用者进行操作；致动器单元20，其产生触觉驱动力；以及驱动轴部30，其将操作部11与致动器单元20连结。

操作部11是用于供使用者用手握住并进行操作的部分，使用者一边确认监视器部60一边进行操作。该操作部11是大致圆筒形状，形成为与实际的导管的操作部分大致相同的形状。如后述那样，在本实施方式的致动器单元20中设置有两个致动器部21，因此分别针对两个致动器部21独立地设置操作部11。

驱动轴部30由沿一个方向延伸的棒状部件形成，其一端与致动器单元20连结，另一端与操作部11连结。该操作部11和驱动轴部30共用一轴(中心轴L0)而连结。具体来说，操作部11和驱动轴部30按照操作部11的中心轴lh和驱动轴部30的中心轴ls位于同一轴上(中心轴L0上)的方式连结，通过使操作部11沿着中心轴lh进行变位而使驱动轴部30相对于致动器单元20在中心轴L0方向上进行变位，通过使操作部11绕中心轴lh进行变位而使驱动轴部30相对于致动器单元20绕中心轴L0进行变位(旋转)。

在本实施方式中，由于在驱动轴部30上设置有两个致动器部21，所以分别针对致动器部21a、21b独立地设置两个驱动轴部30。即，设置有驱动轴部30a(参照图2)和驱动轴部30b(参照图2)，其中，该驱动轴部30a与位于距操作部11较远的一侧的致动器部21a连结，该驱动轴部30b与位于距操作部11较近的一侧的致动器部21b连结。这些驱动轴部30a、30b构成为各自的中心轴ls位于同一轴上(中心轴L0上)。具体来说，驱动轴部30a被设置成贯穿插入到驱动轴部30b中，驱动轴部30a的中心轴ls和驱动轴部30b的中心轴ls配置在同一轴上，驱动轴部30a构成为能够相对于驱动轴部30b在中心轴L0方向上和绕中心轴L0的方向上旋转。即，通过对操作部11进行操作，驱动轴部30a和驱动轴部30b在共用中心轴L0的状态下分别独立地在中心轴L0方向上进行变位，并绕中心轴L0进行旋转。即，与使其他中间部件介于驱动轴部30a和驱动轴部30b之间的情况相比，驱动轴部30a和驱动轴部30b能够以低阻力在中心轴L0方向上和绕中心轴L0的方向上旋转。

这里，本发明所说的同一轴上并不仅限于轴彼此完全一致的情况，也包含轴彼此稍微错开的情况。即，包含如下的结构：除了双方的部件(在该情况下，是操作部11和驱动轴部30)使用其他部件(例如辊或块等中间部件)而在构造上偏置连结的结构之外，包含可以视为双方的部件直接连结并一体地以共同的轴(在该情况下为中心轴L0)为基准轴进行直线变位或旋转，来自驱动轴部30的驱动力不经由其他部件而是直接传递给操作部11。

并且，致动器单元20在大致长方体的外壳22内设置有：致动器部21，其产生触觉驱动力；以及变位传感器部23，其对驱动轴部30的变位量进行测量。该致动器部21和变位传感器部23与控制部50连接，由控制部50进行驱动控制从而能够产生与使用者对操作部11的操作对应的触觉驱动力。即，控制部50构成为对致动器部21进行控制以便对驱动轴部30的变位量产生触觉驱动力，并构成为能够根据驱动轴部30的中心轴L0方向上和旋转方向上的变位量而产生与导管碰到血管壁的感觉或在血管内形成气囊的感觉等微妙且细微的触觉感觉等熟练医生所体会到的触觉感觉对应的驱动力(触觉驱动力)。并且，控制部50与监视器连接，当驱动轴部30的变位量输入该监视器时，与变位量对应地输出导管在人体内进退的情形或气囊在血管内膨胀的情形等通过由使用者对操作部11进行操作而与实际上对人体使用了导管的情况同样的影像。

致动器部21产生导管操作的触觉驱动力。致动器部21具有动子(mover)24和定子(stator)25，它们在互相贯穿插入的状态下设置。在本实施方式中，致动器部21由线性马达构成，能够通过使动子24和定子25相对地进行变位而产生触觉驱动力。

在本实施方式中，致动器部21具有：轴向驱动部41，其使驱动轴部30在中心轴L0方向上进行驱动；以及旋转方向驱动部42，其使驱动轴部30绕中心轴L0进行旋转驱动。通过分别对该轴向驱动部41和旋转方向驱动部42进行控制，能够产生中心轴L0方向上的驱动力和绕中心轴L0旋转的方向上的驱动力。即，通过控制部50对驱动力的方向性和驱动力的强弱进行组合而实现控制，从而能够产生微妙且细微的触觉驱动力。

定子25具有圆筒形状，其固定在外壳22内。具体来说，如图3所示，在定子25的中心部分形成有贯穿插入孔26，该定子25按照定子25的中心轴lf与驱动轴部30和操作部11的中心轴ls、lh位于同一轴上(中心轴L0上)的方式配置固定。在本实施方式中，该定子25由电线圈形成，在轴向驱动部41中配置有绕中心轴卷绕而形成的线圈C1。并且，在旋转方向驱动部42中，以沿着中心轴延伸的形状绕着中心轴配置形成有多个通过卷绕而形成的电线圈C2。

并且，动子24是棒状部件，其贯穿插入于定子25的贯穿插入孔26中。具体来说，动子24借助空气轴承27而贯穿插入于定子25的贯穿插入孔26中，在已贯穿插入的状态下，按照与定子25非接触并且各自的中心轴lm、lf一致的状态进行保持。并且，动子24与驱动轴部30连结，能够根据操作部11的操作相对于定子25在中心轴lm方向上和绕中心轴lm的旋转方向上进行变位。

具体来说，动子24按照其中心轴lm与驱动轴部30的中心轴ls(＝L0)一致的方式连结，当利用操作部11使驱动轴部30在中心轴L0方向上进行变位时，动子24相对于定子25在中心轴L0方向上进行变位，当利用操作部11使驱动轴部30绕中心轴L0旋转时，动子24相对于定子25绕中心轴L0旋转。即，定子25、动子24和驱动轴部30按照各自的中心轴lf、lm、ls位于同一轴上(中心轴L0上)的方式配置，动子24和驱动轴部30能够以该中心轴L0为基准在轴向上进行变位，并能够绕轴进行旋转。

并且，本实施方式的动子24由永久磁铁形成。具体来说，如图4所示，该动子24具有：直动磁铁部24a，其使N极和S极在中心轴方向上交替排列；以及旋转磁铁部24b，其使N极和S极在以中心轴L0为中心的周向上交替排列，该直动磁铁部24a和该旋转磁铁部24b在中心轴L0方向上配置。并且，在动子24贯穿插入于定子25中的状态下，按照直动磁铁部24a位于轴向驱动部41、旋转磁铁部24b位于旋转方向驱动部42的方式配置。由此，能够通过对轴向驱动部41进行通电而使动子24在中心轴L0方向上进行变位，通过对旋转方向驱动部42进行通电而使动子24绕中心轴L0进行变位。即，当对轴向驱动部41进行通电时，在线圈C1中流过电流而形成绕中心轴L0流动的电流。然后，在由直动磁铁部24a形成的磁场的作用下，动子24受到中心轴L0方向的推力而在中心轴方向上进行变位。并且，当对旋转方向驱动部42进行通电时，在线圈C2中流过电流而形成沿着中心轴L0方向流过的电流。然后，在旋转磁铁部24b的作用下，动子24绕中心轴L0受到推力而绕中心轴进行变位。在控制部50中，通过对它们的驱动力的方向和驱动力的强弱进行组合而实现控制，从而在导管操作中产生微妙且细微的触觉驱动力。

并且，关于对驱动轴部30的变位量进行测量的变位传感器部23，使用线传感器。在本实施方式中，通过设置在外壳22内的传感器头23a来读取安装于动子24的刻度28，从而进行测量。具体来说，如图4所示，在动子24上安装有对中心轴L0方向上的变位进行测量的刻度28a和对绕中心轴L0的旋转方向上的变位进行测量的刻度28b，利用传感器头23a来分别进行读取从而对驱动轴部30的变位量进行测量。另外，在本实施方式中使用线传感器，但也可以使用线性编码器、磁传感器等。

以上，根据所说明的本实施方式的操作感觉再现装置，能够准确地传递由致动器部21设定的触觉驱动力，并能够获得微妙且细微的触觉感觉。即，定子25、动子24和驱动轴部30按照各自的中心轴lf、lm、ls位于同一轴上(中心轴L0上)的方式配置，动子24和驱动轴部30按照能够以该中心轴L0为基准在轴向上进行变位并能够绕中心轴L0旋转的方式构成，因此能够在尽量减少了滑动阻力的低阻力下进行驱动，并能够准确地再现如下的触觉驱动力：该触觉驱动力被调整为熟练医生所感受到的微妙且细微的触觉驱动力。即，与驱动源的中心轴相对于驱动轴部30的中心轴ls偏置的以往的操作感觉再现装置相比，能够尽量抑制如下的问题：偏置构造对力矩等造成影响、组装精度、配合等对触觉驱动力造成影响以及传递给操作部11的触觉驱动力微妙地产生偏差。

并且，在上述实施方式中，对动子24和定子25使用了基于磁力的驱动源即线性马达(非接触驱动马达)的例子进行了说明，但在可以允许某种程度的机械性振动的用途下，也可以代替线性马达而使用伺服电动机和滚珠丝杠等机械性驱动动力源。即使在该情况下，通过对动子24(滚珠丝杠的块)、定子25(滚珠丝杠的基座)和驱动轴部30按照各自的中心轴lf、lm位于同一轴上(中心轴L0上)的方式进行配置，从而与采用了驱动源的中心轴相对于驱动轴部30的中心轴ls偏置的结构的以往的操作感觉再现装置相比，能够实现如下的操作感觉再现装置：能够避免因偏置构造造成的力矩等的影响，并能够在尽量减少了滑动阻力的低阻力下进行驱动。

并且，在上述实施方式中，对在外径侧配置作为定子25的电线圈、在内径侧配置作为动子24的永久磁铁的例子进行了说明，但也可以采用如下的结构：将电线圈和永久磁铁的配置颠倒而在内径侧固定电线圈、在其外径侧配置永久磁铁而与上述同样地将电线圈作为定子25、将外径侧的永久磁铁作为动子24，使定子25和动子24相对地在中心轴方向上进行变位。

并且，在上述实施方式中，对动子24是永久磁铁、定子25是电线圈的例子进行了说明，但也可以是动子24为电线圈，定子25为永久磁铁。即，即使在对动子24和定子25进行任意设定的情况下，只要动子24、定子25和驱动轴部30按照各自的中心轴lf、lm、ls位于同一轴上(中心轴L0上)的方式配置即可。

并且，在上述实施方式中，对通过将空气轴承27安装在动子24与定子25之间而对定子25和动子24以非接触的方式支承的例子进行了说明，但在无需将滑动阻力抑制到极小而允许某程度的滑动阻力的用途下，也可以代替空气轴承27而由低滑动阻力的轴环等构成。

并且，在上述实施方式中，对在致动器单元20中设置了两个致动器部21的例子进行了说明，但也可以根据用途而设置1个致动器部21，反之还可以设置3个以上的致动器部21。即，不管致动器部21的数量如何，只要动子24、定子25和驱动轴部30按照各自的中心轴lf、lm、ls位于同一轴上(中心轴L0上)的方式配置即可。

并且，在上述实施方式中，对在中心轴L0的轴向上和绕中心轴L0的旋转方向上产生触觉驱动力的例子进行了说明，但也可以根据用途而实现仅在中心轴L0的轴向上或仅在绕中心轴L0的旋转方向上进行驱动的操作感觉再现装置。

标号说明

10：装置主体；11：操作部；20：致动器单元；21：致动器部；21a：致动器部；21b：致动器部；24：动子；25：定子；30：驱动轴部；L0：中心轴。

Claims (5)

1.一种操作感觉再现装置，其具有：

操作部，其供使用者进行操作；

致动器部，其根据所述操作部的操作而产生触觉驱动力；以及

驱动轴部，其将所述操作部与所述致动器部连结，

该操作感觉再现装置将根据所述操作部的操作而由所述致动器部产生的触觉驱动力通过所述驱动轴部传递给所述操作部，从而使用者能够体验到实际的操作感，其特征在于，

所述致动器部具有定子和动子，在一方贯穿插入于另一方的状态下相对地进行变位从而产生触觉驱动力，

所述动子和所述操作部由所述驱动轴部连结，所述定子、所述动子和所述驱动轴部各自的中心轴被设置在同一轴上。

2.根据权利要求1所述的操作感觉再现装置，其特征在于，

所述致动器部设置有多个，与各个所述致动器部的所述动子连结的所述驱动轴部分别与所述操作部连结，

各个驱动轴部被设置成以其中心轴为共同的轴而将一个驱动轴部贯穿插入到其他驱动轴部中，

各个所述致动器部的所述定子、所述动子和所述驱动轴部各自的中心轴被设置在同一轴上。

3.根据权利要求1或2所述的操作感觉再现装置，其特征在于，

所述致动器部是使所述动子和所述定子以非接触的方式相对地进行变位的非接触驱动马达。

4.根据权利要求1或2所述的操作感觉再现装置，其特征在于，

在所述定子中形成有供所述动子贯穿插入的贯穿插入孔，在该贯穿插入孔中设置有以非接触的方式对所述动子进行支承的空气轴承。

5.根据权利要求1或2所述的操作感觉再现装置，其特征在于，

由所述致动器部产生的触觉驱动力是根据使所述驱动轴部在中心轴方向上移动的动作和绕中心轴旋转的动作而产生的。

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