JP2000334687A - パラレルリンク型力覚入出力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 人が加える程度の力でもピストンを動かすこ
とができ、また、その力に応じたピストン移動により、
可動体を直接的かつ感覚的に操作して作動させることの
できる、パラレルリンク型力覚入出力装置等の入出力装
置を提供する。 【解決手段】 入出力装置２２は遠隔操作体１６の作動
に際し遠隔操作されるものであり、台座２３及びハンド
ル２５間に並列状態で配置された複数のアクチュエータ
５と、力センサ１３と、制御弁１４と、制御装置１５と
を備える。各アクチュエータ５は、油８が出入りするシ
リンダ３と、受圧部４ａにおいてシリンダ３内に往復動
可能に収容されたピストン４とを備える。力センサ１３
はハンドル２５の操作にともない各ピストン４に加わる
力を検出し、制御装置１５は、少なくとも力センサ１３
の検出結果と、遠隔操作体１６が作業対象物１９から受
ける反力とに基づき制御弁１４を制御し、受圧部４ａに
加わる油圧を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可動体の作動に際
し操作される、パラレルリンク型力覚入出力装置等の入
出力装置に関し、より詳しくは、油圧シリンダ、空気圧
シリンダ等のアクチュエータを利用した入出力装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】油、空気等の流体を運動伝達に使うこと
は従来より広く知られており、その具体例として、油圧
シリンダ、空気圧シリンダ等がある。多くの場合、これ
らは、建設機械をはじめとする多くの産業用機械等にお
いて、力を出力するアクチュエータとして使用されてい
る。このタイプのアクチュエータは、いずれも油圧回
路、空気圧回路等の流体圧回路の途中に設けられたシリ
ンダと、そのシリンダ内部の油、空気等の流体の圧力に
応じて往復動（直線運動）するピストンとを備えてい
る。流体圧回路にはシリンダ以外に、流体のタンク、ポ
ンプ、制御弁等が配置されている。また、アクチュエー
タから離れた箇所に、制御盤のスイッチ、ジョイスティ
ック等からなる入出力装置が配置されている。そして、
アクチュエータの駆動の際には、人手により入出力装置
が操作される。この操作にともない制御弁が作動し、ピ
ストンに作用する流体の圧力が調整されて、そのピスト
ンが移動する。このように、アクチュエータが人手によ
り直接操作されることはなく、離れた箇所で操作される
のが通例である。

【０００３】ところで、前記アクチュエータの用途とし
ては、前述したもののほかに種々考えられる。その１つ
に、通常の使い方では、手で力を加えて移動（直線運
動）させるもの、例えば工具、台車等の可動体をピスト
ンに取付けるというものがある。この場合、流体圧回
路、タンク、ポンプ、制御弁等に関しては前述したもの
と同様に設ける。この用途は、可動体が、ピストンと同
様に直線運動をすることに着目してなされたものであ
る。この用途によれば、手のみで操作する場合に可動体
に加えられる力の一部をアクチュエータに負担させるこ
とにより、アクチュエータを用いない場合よりも、可動
体の操作に必要な力が小さくてすむ。また、可動体から
離れた位置で操作するのではなく、直接的、感覚的に操
作することが可能になるものと期待できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、可動体を単に
ピストンに取付けた場合、制御弁の構造からくる限界
や、シリンダとピストンとの摩擦が大きいこと等によ
り、人の手で加えた程度の力ではピストンを動かすこと
が困難である。例えば、ブロックセンタ型の制御弁を用
い、可動体を動かす際にこの制御弁を中立状態に保持す
ることが考えられる。しかし、中立状態では油の出入口
が全て閉じた状態となり、油の流動が不能となるため、
ピストンを動かすことは難しい。これに対し、中立状態
では油の出入口が開く、いわゆるオープンセンタ型の制
御弁を用いたとしても、シリンダ及びピストン間の摩擦
が大きく、すなわち、ピストンに作用する静止摩擦力も
動摩擦力も高く、人の手ではピストンを動かすことが難
しい。このため、前記の用途はアイデアの段階でとどま
り、実現されていないのが実情である。

【０００５】そこで、本発明の課題は、人が加える程度
の力でもピストンを動かすことができ、また、その力に
応じたピストン移動により、可動体を直接的かつ感覚的
に操作して作動させることのできる、パラレルリンク型
力覚入出力装置等の入出力装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の第１の
発明は、可動体の作動に際し操作される入出力装置であ
って、流体が出入りするシリンダと、内端部において前
記シリンダ内に往復動可能に収容されたピストンとを有
するアクチュエータと、前記シリンダの外部において前
記ピストンに設けられた入力操作部と、前記入力操作部
の操作にともない前記ピストンに加わる力を検出する操
作力検出手段と、少なくとも前記操作力検出手段の検出
結果に応じて、前記ピストンの内端部に加わる流体の圧
力を調整する圧力調整手段とを備えている。

【０００７】上記第１の発明において、可動体の作動に
際し、操作者が入力操作部を操作すると、その操作にと
もないピストンに力が加わる。この力は操作力検出手段
によって検出される。圧力調整手段では、少なくとも操
作力検出手段による検出結果に応じて、ピストンの内端
部に加わる流体の圧力が調整される。この調整によりピ
ストンが移動する。このときピストンに加わる流体の圧
力が高くなるに従い、入力操作部に加える操作力は小さ
くてすむ。そして、ピストンが上記のように動くと、可
動体を直接操作していないにもかかわらず、そのピスト
ンの動きに応じて可動体も作動する。

【０００８】請求項２に記載の第２の発明は、上記第１
の発明の構成に加え、前記可動体は作動に際し直線運動
するものであり、その運動方向を前記ピストンの往復動
方向に合致させた状態で、前記シリンダの外部において
前記ピストン又は入力操作部に取付けられている。

【０００９】上記第２の発明において、操作者が入力操
作部を操作するとピストンに力が加わり、その力に基づ
き流体の圧力調整が行われる。この圧力調整により、可
動体がピストンと一体となって、操作者が力を加えた方
向と同一の方向へ移動する。このときの移動方向は、可
動体の本来の作動時の運動方向と同じである。

【００１０】請求項３に記載の第３の発明は、上記第１
又は第２の発明の構成に加え、前記可動体は、前記アク
チュエータから離れた箇所に配置され、かつ前記入力操
作部により遠隔操作されて、作業対象物に対し作業を行
うものであり、前記圧力調整手段は、前記流体の圧力調
整に際し、前記可動体の作動にともない生ずる前記作業
対象物からの反力を加味するものである。

【００１１】上記第３の発明において、可動体の遠隔操
作に際し、操作者が入力操作部を操作しようとすると、
その操作にともなう力（操作力）が操作力検出手段によ
って検出される。一方、可動体が作動して作業対象物に
対し何らかの作業を行うと、その作業対象物から反力を
受ける。この反力は、圧力調整手段による圧力調整に際
し加味される。すなわち、圧力調整手段では、少なくと
も操作力検出手段による操作力と、作業対象物からの反
力とに基づき（例えば操作力から反力を差引いた値に基
づき）、流体の圧力調整が行われる。ピストンが、操作
者が力を加えた方向に移動し、そのピストンと一緒に入
力操作部が移動する。また、入力操作部の操作に応じて
可動体が作動する。この際、反力を考慮した流体圧がピ
ストンに作用し、入力操作部を動かそうとする力に対す
る抵抗が変化する。この抵抗を、反力が大きくなるに従
い増大させれば、操作者は、可動体が反力を受けている
ことや、その反力がどの程度のものなのかを、前記抵抗
の大きさによって知覚する。このように、可動体が受け
ている反力が、その可動体から離れた箇所にいる操作者
にフィードバックされ、反力感覚（力覚）として提示さ
れる。

【００１２】請求項４に記載の第４の発明は、可動体の
作動に際し遠隔操作されるパラレルリンク型力覚入出力
装置であって、並列状態で配置され、かつ各々流体が出
入りする複数のシリンダと、内端部において前記各シリ
ンダ内に往復動可能に収容された複数のピストンとを有
する複数のアクチュエータと、前記全アクチュエータに
おけるシリンダ及びピストンのいずれか一方に取付けら
れた共通の台座と、前記全アクチュエータにおけるシリ
ンダ及びピストンのうち、前記台座とは異なる側の部材
に取付けられた共通の入力操作部と、前記入力操作部の
操作に際し前記各アクチュエータのピストンに加わる力
を検出する操作力検出手段と、少なくとも前記操作力検
出手段の検出結果と、前記可動体の作動にともない生ず
る作業対象物からの反力とに応じて、前記各ピストンの
内端部に加わる流体の圧力を調整する圧力調整手段とを
備えている。

【００１３】上記第４の発明において、可動体の遠隔操
作に際し、操作者が入力操作部を操作しようとすると、
その力は各アクチュエータのピストンに加わる。これら
の力は操作力検出手段によって検出される。一方、可動
体が作動して作業対象物に対し何らかの作業を行うと、
その作業対象物から反力を受ける。圧力調整手段では、
少なくとも操作力検出手段による操作力と、可動体が作
業対象物から受ける反力とに基づき、例えば操作力から
反力を差引いた値に基づき、各ピストンの内端部に加わ
る流体の圧力が調整される。

【００１４】これらの圧力調整により各ピストンが移動
する、すなわち、各アクチュエータが伸縮する。この
際、圧力調整による各ピストンの移動方向が、操作者が
力を加えた方向と同一又は略同一であることから、操作
者にはあたかも自分の力で各ピストンを直接動かしてい
るように感じられる。また、各ピストンを前記方向へ動
かそうとする流体圧が高くなるに従い、入力操作部に加
える操作力は小さくてすむ。そして、前記の伸縮により
各アクチュエータの長さや傾きが変化し、入力操作部の
位置、傾き（姿勢）等は、操作者が意図したものと同じ
になる。

【００１５】また、入力操作部の操作に応じて可動体が
作動する。この際、反力を考慮した流体圧がピストンに
作用し、入力操作部を動かそうとする力に対する抵抗が
変化する。この抵抗を、反力が大きくなるに従い増大さ
せれば、操作者は、可動体が反力を受けていることや、
その反力がどの程度のものなのかを、前記抵抗の大きさ
によって知覚する。このように、可動体が受けている反
力が、その可動体から離れた箇所にいる操作者にフィー
ドバックされ、反力感覚（力覚）として提示される。

【００１６】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明を
具体化した第１実施形態を、図１に従って説明する。こ
こでの入出力装置１は、可動体としての工具２を油圧に
より直線運動させてワーク（被加工物）Ｗに対し加工を
施す際に操作されるものである。工具２としては、例え
ば穴あけ用切削工具が挙げられる。この工具２は、ドリ
ル、リーマ等の長尺状の回転切削刃２ａを回転させなが
ら、回転切削刃２ａの長さ方向（図１の左右方向）へ直
線運動させることにより、ワークＷの一部を切削して穴
をあけようとするものである。

【００１７】入出力装置１は、シリンダ３及びピストン
４からなるアクチュエータ５を備えている。ピストン４
の内端部（図１の右端部）は他の箇所よりも大径状をな
し（以下、この部分を「受圧部４ａ」という）、この受
圧部４ａがシリンダ３内に左右方向への往復動可能に収
容されている。この受圧部４ａにより、シリンダ３の内
部が第１圧力室６及び第２圧力室７に仕切られている。
各圧力室６，７には、流体としての油８の出入口６ａ，
７ａが設けられている。ポンプ９によりタンク１１から
汲み上げられた油８は、これらの出入口６ａ，７ａを通
じて各圧力室６，７に供給される。また、各圧力室６，
７内の油８はこれらの出入口６ａ，７ａを通じてタンク
１１に戻される。

【００１８】ピストン４においてシリンダ３から露出す
る部分には、入力操作部としての操作ハンドル１２が取
付けられている。ピストン４に対する操作ハンドル１２
の取付け位置は特に限定されないが、ここではピストン
４の外端部（図１の左端部）が取付け位置とされてい
る。アクチュエータ５には、操作力検出手段としての力
センサ１３が取付けられている。力センサ１３は、操作
ハンドル１２の操作にともないピストン４に加わる力を
検出するためのものであり、例えば、金属等の材質の伸
縮量を、電気抵抗等の変化としてとらえるようにした、
いわゆる歪みゲージが用いられる。また、ここでは、力
センサ１３はピストン４の外端部と操作ハンドル１２と
の間に配置されている。そして、工具２は、その移動方
向をピストン４の往復動方向に合致させた状態で、操作
ハンドル１２に取付けられている。この工具２は、操作
ハンドル１２に代えてピストン４に取付けられてもよ
い。

【００１９】さらに、入出力装置１は、ピストン４の受
圧部４ａに加わる流体の圧力（ここでは油圧）を調整す
るための圧力調整手段を備えている。この圧力調整手段
は、シリンダ３及びポンプ９間に設けられた制御弁１４
と、その制御弁１４を駆動制御する制御装置１５とから
なる。ここでは、制御弁１４として、入力電流に応じて
スプール（図示略）を変位させることにより、弁開度を
変化させ、ポンプ９からの油８の流量及び圧力を高い応
答速度でもって制御する比例電磁弁、いわゆるサーボ弁
を用いているが、これに限られない。前記力センサ１３
及び制御弁１４は制御装置１５に接続されている。制御
装置１５は、力センサ１３の検出結果に応じて制御弁１
４の通電状態を制御する。この制御により各圧力室６，
７の油圧が調整される。

【００２０】上記入出力装置１によれば、ワークＷの穴
あけの際に、操作者が操作ハンドル１２を握り、ワーク
Ｗ側（図１の左側）へ移動させようとすると、その操作
にともなう力（操作力）が力センサ１３によって検出さ
れる。制御装置１５は、力センサ１３の検出結果（力の
大きさ）に基づき制御弁１４の通電状態を制御する。制
御弁１４では、入力電流に応じてスプールが移動して弁
開度が変化する。これにともないアクチュエータ５で
は、受圧部４ａに加わる油圧が変化し、ピストン４が、
操作者が力を加えた方向に移動する。操作ハンドル１２
及び工具２もピストン４と一緒になって移動する。この
際、油圧調整によるピストン４の移動方向が、操作者が
力を加えた方向と同一であり、また操作ハンドル１２が
工具２と同じ距離だけ変位することから、油圧調整によ
りピストン４が動かされているにもかかわらず、操作者
にはあたかも自分の力で直接ピストン４を動かしている
ように感じられる。そして、ピストン４が上記のように
移動すると、その動きに応じて工具２も移動し、回転切
削刃２ａによりワークＷに穴があけられる。

【００２１】操作者はアクチュエータ５の力を借りて工
具２を動かすことになるが、その際のアクチュエータ５
の力を大きく設定することにより、工具２を動かすのに
必要な操作者の力を小さくすることができる。すなわ
ち、ピストン４に加わる油圧のうち、操作者が加えた力
の方向と同じ方向の油圧が高くなるように制御弁１４を
駆動制御することにより、わずかな操作力を操作ハンド
ル１２に加えるだけでも、工具２を動かすこともでき、
操作感が軽くなる。このように、本実施形態の入出力装
置１によれば、力センサ１３によって操作者の操作力を
検出し、その検出結果に基づきピストン４を能動的に動
かすようにしている。このため、非常に簡単な構成であ
りながら、人が加える程度の力でもピストン４を動かす
ことができる。また、操作力に応じたピストン４の移動
により、工具２を直接的かつ感覚的に操作して移動させ
ることができる。

【００２２】（第２実施形態）次に、本発明の第２実施
形態を図２に従って説明する。第２実施形態は、可動体
が、アクチュエータ５から離れた箇所に位置し、かつ操
作ハンドル１２の操作により遠隔操作されて、作業対象
物１９に対し作業を行うもの（以下「遠隔操作体１６」
という）である点と、その作業に際し、遠隔操作体１６
が作業対象物１９から受ける反力を制御弁１４の制御に
反映させている点とにおいて、第１実施形態と大きく異
なっている。反力は、遠隔操作体１６及び作業対象物１
９間の物理的干渉にともなうものである。以下に、この
相違点を中心に説明するが、第１実施形態と同様の部材
については同一の符号を付して説明を省略する。

【００２３】ここでの遠隔操作体１６は、１軸に沿って
往復運動するものに限られる。これは、１つのアクチュ
エータ５を用いているのみであり、操作ハンドル１２に
加えることのできる方向が１軸に沿う方向に制限される
からである。この遠隔操作体１６は、制御装置１５から
制御弁１４へ送出される駆動信号等に基づき作動する。
また、遠隔操作体１６は、シリンダ３に対するピストン
４の変位量、あるいは遠隔操作体１６の変位量、もしく
はその両方の変位量に基づき作動してもよい。ただし、
この場合には、ピストン４や遠隔操作体１６の変位量を
検出するセンサが必要となる。さらに、遠隔操作体１６
が作業対象物１９から受ける反力を検出するために、力
センサ２１が設けられている。この力センサ２１の検出
結果は、遠隔操作体１６に関する情報として制御装置１
５に入力される。なお、図示はしないが、遠隔操作体１
６による作業対象物１９に対する作業状態はカメラによ
って撮影され、ヘッドマウントディスプレイ、ＣＲＴ等
のディスプレイに映し出されることにより、操作者に視
覚情報として提示されるようになっている。

【００２４】上記入出力装置１７によれば、遠隔操作体
１６の遠隔操作に際し、操作者がディスプレイを見なが
ら、操作ハンドル１２を操作してピストン４を伸縮させ
ようとすると、その操作にともなう力（操作力）が力セ
ンサ１３によって検出される。一方、遠隔操作体１６が
作業対象物１９との物理的干渉にともなう反力を受ける
と、その反力が力センサ２１によって検出される。制御
装置１５は、力センサ１３による操作力と力センサ２１
による反力とに基づき、例えば、操作力から反力を差引
いた値に基づき、制御弁１４に対する通電を制御する。
反力が検出されない場合は、第１実施形態と同様にし
て、力センサ１３の検出結果のみに基づいて制御弁１４
を通電制御する。

【００２５】そして、これらの制御に応答して制御弁１
４が作動し、各圧力室６，７において受圧部４ａに加わ
る油圧が変化する。ピストン４が、操作者が力を加えた
方向に移動し、そのピストン４と一緒に操作ハンドル１
２が移動する。また、操作ハンドル１２の操作に応じて
遠隔操作体１６が作動する。この際、反力を考慮した油
圧が受圧部４ａに作用し、操作ハンドル１２を動かそう
とする力に対する抵抗が変化する。この抵抗は、反力が
大きくなるに従い増大する。操作者は、遠隔操作体１６
が反力を受けていることや、その反力がどの程度のもの
なのかを、前記抵抗の大きさによって知覚することがで
きる。

【００２６】従って、第２実施形態によっても、第１実
施形態と同様の作用及び効果を奏する。そのほかにも、
視覚情報だけでなく、遠隔操作体１６が受けている反力
を、その遠隔操作体１６から離れた箇所にいる操作者に
フィードバックし、反力感覚（力覚）として提示するこ
とができる。操作者は、遠隔操作を行っているにもかか
わらず、現実に近い高い臨場感をもって、直感的に入力
操作を行うことができる。

【００２７】（第３実施形態）次に、本発明をパラレル
リンク型力覚入出力装置に具体化した第３実施形態を、
図３，４に従って説明する。第３実施形態のパラレルリ
ンク型力覚入出力装置（以下単に「入出力装置」とい
う）２２は、三次元情報を入力する際に用いられるもの
であり、複数本のアクチュエータ５を用い、これらを並
列に配置している点、アクチュエータ５毎に力センサ１
３及び制御弁１４を設けている点等において前記第２実
施形態と異なっている。以下に、この相違点を中心に説
明するが、第２実施形態と同様の部材については同一の
符号を付して説明を省略する。

【００２８】入出力装置２２は共通の台座２３と、共通
の入力操作部と、それらの台座２３及び入力操作部を接
続する複数本（例えば６本）のアクチュエータ５とを備
えている。入力操作部は支持台２４と、その上に取付け
られたハンドル２５とからなる。各アクチュエータ５は
第１実施形態で説明したものと同様の構造をなしてお
り、シリンダ３が下側に位置し、ピストン４が上側に位
置するように配置されている。そして、各シリンダ３の
下端部が自在継手２６により台座２３に揺動可能に取付
けられ、各ピストン４の上端部が自在継手２７により支
持台２４に揺動可能に取付けられている。なお、シリン
ダ３とピストン４の上下位置を逆にして、すなわちシリ
ンダ３を上側にし、ピストン４を下側にした状態で、各
アクチュエータ５を配置してもよい。この入出力装置２
２では、各アクチュエータ５を伸縮させることにより、
ハンドル２５を三次元空間における複数自由度（６自由
度）の全てに関して自在に動かすことができる。

【００２９】各力センサ１３は、各アクチュエータ５に
おけるピストン４と自在継手２７との間に介在されてい
る。これに代えて、各力センサ１３がシリンダ３と自在
継手２６との間に介在されてもよい。さらに、各アクチ
ュエータ５には、前記力センサ１３に加え、シリンダ３
に対するピストン４の変位量を検出するための変位セン
サ２８と、各圧力室６，７内の流体圧（ここでは油圧）
を検出するための一対の圧力センサ２９とが設けられて
いる。変位センサ２８としては、例えばポテンショメー
タを用い、ピストン４の変位量を直接検出することがで
きるが、それ以外にも流量計を用い、その検出値（流
量）からピストン４の変位量を間接的に求めてもよい。
これらのアクチュエータ５毎の力センサ１３、変位セン
サ２８及び両圧力センサ２９は制御装置１５に接続され
ている。なお、ここで説明したセンサは一例にすぎず、
適宜の変更が可能である。例えば、遠隔操作体１６の変
位量を検出するセンサを追加したり、圧力センサ２９を
省略したりしてもよい。

【００３０】上記入出力装置２２によれば、遠隔操作体
１６の遠隔操作に際し、操作者がディスプレイを見なが
らハンドル２５を動かそうとすると、その力は支持台２
４及び自在継手２７を介してアクチュエータ５毎の力セ
ンサ１３に伝わり、それらの力センサ１３によって検出
される。一方、遠隔操作体１６が作業対象物１９との物
理的干渉にともなう反力をその作業対象物１９から受け
ると、その反力が力センサ２１によって検出される。さ
らに、各シリンダ３に対する各ピストン４の変位量が変
位センサ２８によって検出され、各圧力室６，７の油圧
が圧力センサ２９によって検出される。制御装置１５
は、前述した種々のセンサ１３，２１，２８，２９によ
る、操作力、反力、変位量、油圧に基づき各制御弁１４
に対する通電を制御する。そして、これらの制御に応答
して各制御弁１４が作動し、各圧力室６，７において受
圧部４ａに加わる油圧が変化し、各アクチュエータ５が
伸縮する。

【００３１】従って、第３実施形態によると、第１及び
第２実施形態と同様の作用及び効果を奏するほか、前記
の伸縮により各アクチュエータ５の長さや傾きが変化
し、ハンドル２５の位置、傾き（姿勢）等は、操作者が
意図したものと同じになる。ハンドル２５を自然な操作
感で操作し、しかも三次元位置及び姿勢を高精度で入力
することが可能である。加えて、反力感覚（力覚）がハ
ンドル２５を通じて操作者に提示される。

【００３２】そのため、この入出力装置２２は、ロボッ
トの遠隔操作やバーチャルリアリティ（ＶＲ）空間での
オブジェクトの操作等、三次元の位置情報と反力感覚
が、操作を行ううえで重要な手掛りとなるような、すな
わち、操作者の微妙な力感覚を必要とするような、より
複雑で難易度の高い操作が要求される場合に特に有用で
ある。ロボットによる遠隔操作の作業としては、例え
ば、研磨、組立て、ねじの取付け・取外し、バルブの操
作、各種検査、清掃、医療手術、医療検査等が挙げられ
る。ＶＲ空間でのオブジェクトの操作としては、例え
ば、プラント制御、災害対策等の各種シミレーションが
挙げられる。また、この入出力装置２２を三次元ＣＡ
Ｄ、ＣＧ（コンピュータグラフィックス）の入力装置と
して用いれば、オブジェクト等との干渉をフィードバッ
クすることにより、三次元的な位置関係を把握でき、複
雑な三次元の位置入力作業が容易になるものと期待でき
る。さらに、入出力装置２２は、災害復旧時における各
種機械の遠隔操作、例えば瓦礫撤去、負傷者救助、物資
運搬等の入力装置としても使用できる。

【００３３】本実施形態は前述した事項以外にも次の特
徴を有する。

【００３４】（ａ）反力感覚（力覚）を提示する別のタ
イプの入出力装置として、例えば、パンタグラフ型の可
動部を有するものが考えられる。これは、台座と、ハン
ドルとを、パンタグラフ型の可動部によって接続すると
ともに、その可動部を電動モータ等によって駆動しよう
とするものである。しかし、構造が複雑で、可動部の強
度が十分に高くなく、電動モータの回転運動を直線運動
に変換するための機構が別途必要となる等の不具合を有
する。

【００３５】これに対し、第３実施形態での入出力装置
２２は、台座２３及び支持台２４間に、油圧シリンダか
らなる複数本（６本）のアクチュエータ５を並列に配置
している。アクチュエータ５の作動に際しては各ピスト
ン４が直線運動するのみである。このため、パンタグラ
フ型の可動部を有するものに比べ、入出力装置２２は十
分に高い強度・剛性を有し、ハンドル２５に大きな力が
加えられても十分に耐え、故障しにくい。また、並列に
配置された複数本のアクチュエータ５をそれぞれ台座２
３及び支持台２４に取付けるだけでよく、運動の方向を
変換するための機構が不要であり、構造が簡単である。
また、油圧式の並列機構を用いていることから、電動式
（パンタグラフ式又は並列式）に比べ、格段に高精度の
位置決め、高速駆動が可能となる。

【００３６】（ｂ）反力感覚（力覚）を提示する別のタ
イプの入力装置として、油圧を駆動源としたものが従来
より提案されている（例えば、特開平５−２１６５８３
号公報参照）。これは、台座及びハンドル間に６本の油
圧シリンダが並列に配置されたもので、通常の状態では
電磁弁が開かれ、全ての油圧シリンダが伸縮自在とな
る。一方、力覚を提示する場合には、油圧に基づき電磁
弁が制御され、油圧シリンダの長さが固定される。この
入出力装置では、受動的なピストンを有していることか
ら、使用できる油圧シリンダが、シリンダ及びピストン
間の摩擦の低いものに制限される。また、操作感も一定
である。これに対し、第３実施形態では、既に第１実施
形態で説明したように、力センサ１３による操作者の操
作力に基づきアクチュエータ５を能動的に動かしてい
る。このため、特別な機構を有するアクチュエータ、例
えば低摩擦シリンダ等を使用しなくてもすむ。また、制
御弁を制御してピストン４に加わる油圧を調整すること
により、操作感の軽重を種々変更することができる。

【００３７】なお、本発明は次に示す別の実施形態に具
体化することができる。

【００３８】（１）第１実施形態における可動体として
は、作動に際し１軸に沿って直線運動するものであれば
よい。このようなものとしては、工具２以外にも、例え
ば、図５に示すような台車３１が挙げられる。この場合
には、台車３１の移動方向（図５では左右方向）をピス
トン４の往復動方向に合致させた状態で、その台車３１
をピストン４に取付ける。このようにしても第１実施形
態と同様に、人の力で台車３１を直接的かつ感覚的に動
かすことができる。なお、この場合、台車３１が剛体で
あれば、力センサ１３は操作ハンドル１２及び台車３１
間に配置されてもよいし、台車３１及びピストン４間に
配置されてもよい。

【００３９】（２）ピストン４を作動させるためのシリ
ンダ３内の流体として、油以外のものを用いてもよい。
その代表的なものとしては空気が挙げられるが、他の液
体、気体を用いてもよい。

【００４０】（３）第３実施形態において、アクチュエ
ータ５の数を適宜変更してもよい。図６は３本のアクチ
ュエータ５を用いた場合を示している。ただし、アクチ
ュエータ５の数が少なくなるに従い、ハンドル２５の動
きの自由度が制限を受けやすくなる。

【００４１】（４）第３実施形態において、アクチュエ
ータ５毎に力センサ１３を設ける代りに、図７に示すよ
うに、ハンドル２５と支持台２４との間に多軸型（アク
チュエータが６本の場合は６軸型、３本の場合は３軸
型）の力センサ１３を１つ取付けてもよい。

【００４２】（５）制御装置１５による制御弁１４の制
御に際し、力センサ１３の検出値にかけるゲインを調整
することにより、操作力の大きさに対するピストン４の
駆動速度の比率を変え、操作感を重くしたり軽くしたり
できる。また、前記の操作感を、作業の作業対象物１９
に合せて操作者が作業しやすいものに調整・設定するこ
とができる。

【００４３】（６）第３実施形態において、第１実施形
態と同様に、制御弁１４の制御に際し力センサ２１によ
る反力の反映を省略してもよい。

【００４４】（７）前記各実施形態において、シリンダ
３の各圧力室６，７内の流体圧を検出するための一対の
圧力センサ（図３では圧力センサ２９が相当）を設け、
これらの圧力センサを操作力検出手段としてもよい。こ
の場合には、両圧力センサによる流体圧の差圧を、入力
操作にともないピストン４に加わる力とする。

【００４５】

【発明の効果】以上のように、第１の発明によれば、人
が加える程度の力でもピストンを動かすことができ、ま
た、その力に応じたピストン移動により、可動体を直接
的かつ感覚的に操作して作動させることができる。

【００４６】第２の発明によれば、第１の発明の効果に
加え、操作者に、あたかも自分の力でピストン及び可動
体を直接作動させているように感じさせることができ
る。

【００４７】第３の発明によれば、第１又は第２の発明
の効果に加え、操作者に、遠隔操作を行っているにもか
かわらず、現実に近い高い臨場感をもって、直感的に入
力操作を行わせることができる。

【００４８】第４の発明によれば、三次元位置及び姿勢
を高精度で入力する際、人が加える程度の力でもピスト
ンを動かすことができ、また、その力に応じたピストン
移動により、可動体を直接的かつ感覚的に操作して作動
させることができる。さらに、操作者に、遠隔操作を行
っているにもかかわらず、現実に近い高い臨場感をもっ
て、直感的に入力操作を行わせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の入出力装置を示す概念
構成図である。

【図２】本発明の第２実施形態の入出力装置を示す概念
構成図である。

【図３】本発明の第３実施形態のパラレルリンク型力覚
入出力装置を示す概念構成図である。

【図４】第３実施形態のパラレルリンク型力覚入出力装
置を示す斜視図である。

【図５】入出力装置の別の実施形態を示す概念構成図で
ある。

【図６】パラレルリンク型力覚入出力装置の別の実施形
態を示す斜視図である。

【図７】パラレルリンク型力覚入出力装置の別の実施形
態を示す斜視図である。

【符号の説明】

１，１７ 入出力装置 ２ 可動体としての工具 ３ シリンダ ４ ピストン ４ａ ピストンの内端部を構成する受圧部 ５ アクチュエータ ８ 流体としての油 １２ 入力操作部としての操作ハンドル １３ 操作力検出手段としての力センサ １４ 圧力調整手段の一部を構成する制御弁 １５ 圧力調整手段の一部を構成する制御装置 １６ 可動体としての遠隔操作体 １９ 作業対象物 ２２ パラレルリンク型力覚入出力装置 ２３ 台座 ２４ 入力操作部の一部を構成する支持台 ２５ 入力操作部の一部を構成するハンドル ３１ 可動体としての台車

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹羽 義典 岐阜県関市小瀬1010番地の７ (72)発明者 久冨 茂樹 岐阜県岐阜市萱場東町９丁目２ Ｆターム(参考） 3F059 BA05 DA07 DC04 DE01 DE08 FB13 FB29 FC12 3H081 AA03 BB02 BB03 FF17 FF26 HH10 5B087 AA00 AB09 AB12 AE00 BC12 BC13 BC19 BC31 DD03

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可動体の作動に際し操作される入出力装
   置であって、 流体が出入りするシリンダと、内端部において前記シリ
   ンダ内に往復動可能に収容されたピストンとを有するア
   クチュエータと、 前記シリンダの外部において前記ピストンに設けられた
   入力操作部と、 前記入力操作部の操作にともない前記ピストンに加わる
   力を検出する操作力検出手段と、 少なくとも前記操作力検出手段の検出結果に応じて、前
   記ピストンの内端部に加わる流体の圧力を調整する圧力
   調整手段とを備えることを特徴とする入出力装置。
2. 【請求項２】 前記可動体は作動に際し直線運動するも
   のであり、その運動方向を前記ピストンの往復動方向に
   合致させた状態で、前記シリンダの外部において前記ピ
   ストン又は入力操作部に取付けられていることを特徴と
   する請求項１に記載の入出力装置。
3. 【請求項３】 前記可動体は、前記アクチュエータから
   離れた箇所に配置され、かつ前記入力操作部により遠隔
   操作されて、作業対象物に対し作業を行うものであり、 前記圧力調整手段は、前記流体の圧力調整に際し、前記
   可動体の作動にともない生ずる前記作業対象物からの反
   力を加味するものであることを特徴とする請求項１又は
   ２に記載の入出力装置。
4. 【請求項４】 可動体の作動に際し遠隔操作される入出
   力装置であって、 並列状態で配置され、かつ各々流体が出入りする複数の
   シリンダと、内端部において前記各シリンダ内に往復動
   可能に収容された複数のピストンとを有する複数のアク
   チュエータと、 前記全アクチュエータにおけるシリンダ及びピストンの
   いずれか一方に取付けられた共通の台座と、 前記全アクチュエータにおけるシリンダ及びピストンの
   うち、前記台座とは異なる側の部材に取付けられた共通
   の入力操作部と、 前記入力操作部の操作に際し前記各アクチュエータのピ
   ストンに加わる力を検出する操作力検出手段と、 少なくとも前記操作力検出手段の検出結果と、前記可動
   体の作動にともない生ずる作業対象物からの反力とに応
   じて、前記各ピストンの内端部に加わる流体の圧力を調
   整する圧力調整手段とを備えることを特徴とするパラレ
   ルリンク型力覚入出力装置。