JP2009289179A - 力触覚提示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オペレータの指先に対して力覚を提示するとともに、複数の指駆動により物体を把持した感覚や把持した物体の形状提示を行うこと。
【解決手段】オペレータの指先に対して力覚を提示する力触覚提示装置であって、オペレータの指先を保持する指先保持機構１１と、指先保持機構１１に保持された指先に対して位置を提示する基本３自由度駆動系１２と、指先保持機構１１に保持された指先に対して指先接触点を提示する小アーム１４と、基本３自由度駆動系１２の先端部分において、不要なモーメントが発生しないように指先接触点提示機構１１を支持するジンバル１６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、物理環境を精緻に演算したシミュレーション空間、物理環境を擬似的又は簡易的に演算したシミュレーション空間、あるいはマスタとスレーブの関係にある実物理空間において、オペレータに対して力覚若しくは触覚の提示を行なうための力触覚提示装置に係り、特に、オペレータの指先に対して把持感覚の提示を行なう力触覚提示装置に関する。

さらに詳しくは、本発明は、オペレータの指先に対して力覚を提示するとともに、複数の指駆動により形状提示も行なう力触覚提示装置に係り、特に、固定された接触点に対する力覚若しくは触覚の提示を行なうだけでなく、接触状態を反映した、接触点の位置をも提示する力触覚提示装置に関する。

仮想現実（バーチャルリアリティ）や遠隔現実（テレリアリティ）といった技術分野では、視覚情報や聴覚情報に加えて操作者に力覚や触覚を提示するための力覚ディスプレイすなわち「ハプティクス・デバイス」が必須である。

近年の計算機速度の向上とシミュレーション技術の進展により、複数の物体が共存し、それらの間で衝突や接触といった物理的相互作用が生じるという仮想環境を、実時間でシミュレートすることが可能となってきた。このように、物体間の衝突やそのときの接触力を、力学を考慮して精密且つ実時間で算出できるようになると、算出された力を実際にモータで発生することで、ハプティクス・デバイスを介して仮想環境の物体に触れたり把持したりした際の感覚をリアルにユーザに提示することが可能となる。

ハプティクス・デバイスのアプリケーションは幅広く、物理環境を精緻に演算したシミュレーション空間、物理環境を擬似的又は簡易的に演算したシミュレーション空間、あるいはマスタとスレーブの関係にある実物理空間において、オペレータに対して力覚若しくは触覚の提示を行なうために利用される。具体的には、医療やその他の特殊技能の習得、小宇宙や海洋などの仮想環境や、原子炉などの特殊若しくは危険な環境での遠隔作業などにおいて、実際に触手できない環境の物体への３次元の力覚若しくは触覚を提示することができる。実時間処理可能な仮想空間の規模や精度に伴い、将来的には力覚ディスプレイの需要拡大が見込まれる。

例えば、図１８に示すようなシリアル・リンクを用いたペン型のハプティクス・デバイスが一般的である。ユーザはペン型の先端部を把持し、ここに３軸力乃至６軸力のモーメントの提示が行なわれる（例えば、非特許文献１を参照のこと）。図示のハプティクス・デバイスは、オペレータがちょうどペン（若しくはプローブ）を持ったような操作系を有し、ペン先などの特定の部位に対して任意の空間位置とモーメントを提示するように３自由度アームと３自由度ジンバルが接続されている構造となっている。この種の装置によれば、原理的には、任意の場所に並進力とモーメントを発生させることが可能であるが、プロービングによる操作系が基調であるため、得られる感覚がペンで突付いたようなものであり、物を把持する感覚を与えることはできない。

あるいは、シリアル・リンクの剛性不足を解消する構造として、図１９に示すように、パラレル・リンク構造を用いて３軸力乃至６軸力モーメントの提示を行なうハプティクス・デバイスも提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献２、非特許文献３を参照のこと）。

これらのリンク機構を用いたハプティクス・デバイスはいずれも、把持位置の１点のみに対して力覚提示を行なうもので、言い換えれば、操作者の各指への独立な力覚提示を行なうものではない。このため、指で仮想物体を把持した感覚を提示することができない、という問題がある。

ハプティクス・デバイスの機能として、力そのものを提示する力覚、接触状態を提示する接触覚が挙げられる。勿論、人間が通常行なう動触覚も含まれる。これらを実現するには、ハプティクスで必要な力制御能力のみならず、対象物体の形状を反映する位置提示性能の他、動触覚の実現には優れた応答性、つまり速度及び加速度制御性能が求められる。ペン（プローブ）型で力覚を鋭くしたりする方法もあるが、対象物の形状を知るには複数の接触点がある方がより自然であると思料される。

例えば、多指型のハプティクス・デバイスは、複数指の駆動によって、対象物の形状を提示できるという利点がある。ロボット・ハンドなどのスレーブ・ハンドを遠隔操作するマスタ・ハンドに適用することにより、マスタハンド（操作手段）の動きがスレーブハンド（作業手段）に伝えられ、且つ、スレーブ・ハンドの力覚がマスタ・ハンドに呈示される機能を有する。すなわち、マスタ側の操作者は、作業対象に対して直接的に作業をしているような感覚を得ることができる。すなわち、多指型のハプティクス・デバイスによれば、オペレータの指先に対して力覚を提示するとともに、複数の指駆動により形状提示も行なうことができる。

多指への力提示を行なうべく、図２０に示すように、指と遠隔のモータ間をワイヤで接続し、ワイヤを介して力を印加するハプティクス・デバイスが提案されている（例えば、非特許文献４を参照のこと）。しかしながら、このような装置構成では、常時ワイヤが弛まないよう制御する必要があり、制御が煩雑になる傾向がある。また、ワイヤ間の干渉が発生し易く、特に回転に関する可動範囲はあまり広くない。

また、図２１に示すような、対向型マニピュレータにハンド型力提示機構を付加するハプティクス・デバイスも提案されている（例えば、非特許文献５を参照のこと）。あるいは、これに類似した方法として、エグゾスケルトン先端にハンド型力提示機構を付加する方法も提案されている（例えば、非特許文献６を参照のこと）。

また、上記シリアル・リンク先端に指サックを取り付け、指への３軸力提示を行なう方式も提案されている。

例えば、人間の指を挿入する指サック、物体に触れる指カバー、及び上記指サックと上記指カバーの間にある歪みゲージの貼られた弾性構造体からなる６軸力覚センサを、小型マニピュレータを介してベースに連結して構成される力覚呈示装置について提案がなされており（例えば、特許文献２を参照のこと）、同装置によれば、人間の指先に力覚を呈示するとともに、人間が実際に物に触れたときの力覚データを記録・再生することができる。

また、ユーザ（使用者）の手（指）に装着され、装着された手や各指に対して触覚（触った感覚、例えば、質感、形状、強さ等の接触強度の分布）や力覚（触ったときに加わる力の感覚）を与える一対のリアルグローブを備えた触覚・力覚提示システムについて提案がなされており（例えば、特許文献３を参照のこと）、ユーザの各指の第１関節（末節骨と中節骨との間の関節）から先の指先部分を覆う位置に触覚発生部がそれぞれ設けられている。

また、複数の骨材を連結部で可動自在に連結するとともに、連結部をまたがり複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、骨材に連結されるとともに、少なくとも指又は手のひら又は手の甲を含む手の一部に係合される指サック又はグローブをさらに備え、弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより手の一部に疑似的な力を与える力覚ディスプレイ・ハンドについて提案がなされている（例えば、特許文献４を参照のこと）。

特許第３３２９４４３号公報 特開２００２−１８２８１７号公報 特開２００３−３２３２４７号公報 特開２００４−２９９９９号公報 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｅｎｓａｂｌｅ．ｃｏｍ／ｈａｐｔｉｃ−ｐｈａｎｔｏｍ−ｄｅｓｋｔｏｐ．ｈｔｍ（平成１９年１０月９日現在） ｈｔｔｐ：／／ｆｏｒｃｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎ．ｃｏｍ／ｆｄ／ａｖｓ／ｈｏｍｅ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／（平成１９年１０月９日現在） ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｑｕａｎｓｅｒ.ｃｏｍ／ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ／ｈｔｍｌ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｆｓ＿５ｄｏｆ．ａｓｐ（平成１９年１０月９日現在） ｈｔｔｐ：／／ｓｋｌａｂ−ｗｗｗ．ｐｉ．ｔｉｔｅｃｈ．ａｃ．ｊｐ／ｆｒａｍｅ＿ｉｎｄｅｘ−ｊ．ｈｔｍｌ（平成１９年１０月９日現在） 川崎晴久、堀匠、毛利哲也共著「対向型多指ハプティックインターフェース」（日本ロボット学会誌 Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．４，ｐｐ４４９−４５６，２００５） ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ．ｃｏｍ／３ｄ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｃｙｂｅｒ＿ｇｒａｓｐ．ｐｈｐ（平成１９年１０月９日現在） ｈｔｔｐ：／／ｔｅｌｅｒｏｂｏｔｉｃｓ．ｓｔａｎｆｏｒｄ．ｅｄｕ／ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ／Ｐｒｏｖａｎｃｈｅｒ０３−ＩＳＲＲ−Ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ．ｐｄｆ（平成１９年１０月９日現在） ｈｔｔｐ：／／ｂｄｍｌ．ｓｔａｎｆｏｒｄ．ｅｄｕ／ｔｗｉｋｉ／ｂｉｎ／ｖｉｅｗ／Ｈａｐｔｉｃｓ／ＣｏｎｔａｃｔＬｏｃａｔｉｏｎＤｉｓｐｌａｙ（平成１９年１０月９日現在）

しかしながら、上述した多指型のハプティクス・デバイスに関する従来技術はいずれも、指先に並進力しか提示できず、各指先のどこで接触しているのか、すなわち作用点を提示することはできない。このため、複数の指先に把持感覚を良好に提示するものとは言い難い。

人間の指において物体を直接接触していることが、より接触覚を得る上で重要である。このような観点から、指先に球状の突起を当てて、その位置を変化させることにより操作者が接触点情報を獲得できる力触覚提示装置について提案がなされている（例えば、非特許文献７、非特許文献８を参照のこと）。この装置は、オペレータの指先に直接接触するローラを転がして接触点の位置を明確に提示するように構成されており、オペレータはより敏感に接触覚をえることができる。しかしながら、接触点提示ローラは常に指に接触しているため、提示力がゼロの状態であってもこのローラが動くことによって、不必要な接触情報がオペレータに伝わってしまう。しかも、直接触れていることによりさらに敏感に知覚してしまうため、違和感は一層大きく感じられると思料される。

最も精緻な力覚と接触覚を提示するには、３つの併進自由度と、３つの回転自由度とも提示する必要があるが、すべての軸にアクチュエータを配置すると、設計上、力触覚提示装置は機構的に大掛かりになりがちであり、その結果、指先付近の自由度が懸念される。

このとき、重力補償の他、慣性力の補償にもアクチュエータのトルクを使ってしまうと、実質的に提示できる力が小さくなり、あるいは過渡特性が悪くなる可能性も多大にある。

また、多指型のハプティクス・デバイスにおいて、回転中心（接触点）が常に固定されている機構を用いると、把持対象物に対して各指の姿勢が変わる、すなわち接触点が変化したであろう状態においてもその変化を反映できないので、フィードバックされる力触覚はオペレータにとって違和感に変わる。

ペン型若しくはグリップ型のような把持から程遠い操作状態では、接触点の変化が適切に反映されないことに伴う違和感はさほど問題にはなりにくいと思われる。しかしながら、多指を用いてより精緻に力覚と接触覚提示しようとすると、むしろこの問題は大きくなる傾向とも言える。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、物理環境を精緻に演算したシミュレーション空間、物理環境を擬似的又は簡易的に演算したシミュレーション空間、あるいはマスタとスレーブの関係にある実物理空間において、オペレータに対して力覚若しくは触覚の提示を好適に行なうことが可能な、新規かつ改良された力触覚提示装置を提供することにある。

また、本発明のさらなる目的は、オペレータの指先に対して力覚を提示するとともに、複数の指駆動により物体を把持した感覚や把持した物体の形状提示も行なうことができる、優れた力触覚提示装置を提供することにある。

また、本発明のさらなる目的は、固定された接触点に対する力覚若しくは触覚の提示を行なうだけでなく、接触状態を反映した、接触点の位置をも提示することができる、優れた力触覚提示装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、オペレータの指先に対して力覚を提示する力触覚提示装置であって、オペレータの指先を保持する指先保持機構と、前記指先保持機構に保持された指先に対して位置を提示する位置提示機構と、前記指先保持機構に保持された指先に対して指先接触点を提示する指先接触点提示機構と、前記位置提示機構の先端部分において、不要なモーメントが発生しないように前記指先接触点提示機構を支持する不要モーメント除去機構と、を備える、力触覚提示装置が提供される。

また、前記指先接触点提示機構は、前記指先保持機構上に配設された指先接触点駆動軸と、前記指先接触点駆動軸にて一端が回動可能に支持されている小アームと、前記指先保持機構上に配設され、指先の腹の表面に沿った形状の指先接触点提示溝と、前記小アームの回動に伴って前記指先接触点提示溝に沿って駆動される指先接触点と、を備え、前記不要モーメント除去機構は、前記位置提示機構の先端部分において、前記指先接触点回りに回動可能となる指先接触点提示軸にて前記小アームを支持するものであってもよい。

また、前記指先接触点駆動軸は、アクチュエータによって駆動される能動的な指先接触点提示自由度を持ち、前記指先接触点駆動軸の駆動に伴う指先接触点駆動軸回りの前記小アームの回転動作によって、指先接触点は前記指先接触点提示溝に沿って移動するものであってもよい。

また、前記不要モーメント除去機構は、３軸が１点で交わるとともに該交点が前記指先接触点と一致するように配設された３自由度ジンバルで構成され、前記の３軸のうちいずれか１軸が前記指先接触点提示軸と同軸状とされ、前記の３軸の他に少なくとも１つの冗長自由度を備えるものであってもよい。

また、前記不要モーメント除去機構は、前記の３軸であるヨー、ロール、及びピッチの３軸が互いに直交して１点で交わるように配設されたものであってもよい。

また、前記位置提示機構は、基本３自由度駆動系のシリアル・リンク型のアームからなり、前記不要モーメント除去機構は、前記位置提示機構を構成する前記アームの先端部分において、前記指先接触点回りに回動可能となる指先接触点提示軸にて前記小アームを支持するものであってもよい。

また、前記位置提示機構、前記指先接触点提示機構、前記不要モーメント除去機構の１組からなる構造体を１指向けの１ユニットとし、各指用のユニットを組み合わせることで、多指型の力触覚提示装置を構成するものであってもよい。

また、前記アームの姿勢に拘らず、前記指先接触点提示軸と前記ジンバルのグローバル座標系に対する姿勢を変化させない姿勢保持自由度をさらに備えるものであってもよい。

本発明によれば、オペレータの指先に対して力覚を提示するとともに、複数の指駆動により物体を把持した感覚や把持した物体の形状提示も行なうことができる、優れた力触覚提示装置を提供することができる。

また、本発明によれば、固定された接触点に対する力覚若しくは触覚の提示を行なうだけでなく、接触状態を反映した、接触点の位置をも提示することができる、優れた力触覚提示装置を提供することができる。

また、本発明によれば、力触覚の提示を行なう対象が仮想的な物理・力学シミュレーション空間又は実空間のいずれであれ、オペレータに対して適切な力覚並びに接触覚を提示することによって、オペレータにとって操作感を高め、対象物に対する危険な接触状態（若しくは把持状態）を避けるとともに、操作上の違和感によるオペレータの疲労を低減することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本実施形態は、オペレータに対して力覚若しくは触覚の提示を行なう力触覚提示装置に関する。力触覚の提示を行なう対象が仮想的な物理・力学シミュレーション空間又は実空間のいずれであれ、オペレータに対して適切な力覚、接触覚を提示することによって、オペレータにとって操作感を高め、対象物に対する危険な接触状態（若しくは把持状態）を避けるとともに、操作上の違和感によるオペレータの疲労を低減することができる、と本発明者らは考えている。

力触覚提示装置の機能として、力そのものを提示する力覚の他に、接触状態を提示する接触覚が挙げられる。勿論、人間が通常行なう動触覚も含まれる。これらを実現するには、ハプティクスで必要な力制御能力のみならず、対象物体の形状を反映する位置提示性能の他、動触覚の実現には優れた応答性、つまり速度及び加速度制御性能が求められる。ペン（プローブ）型で力覚を鋭くしたりする方法もあるが、対象物の形状を知るには複数の接触点がある方がより自然であると思料される。例えば、多指型のハプティクス・デバイスは、複数指の駆動によって、対象物の形状を提示できるという利点がある。

従来の多指型の力触覚提示装置の多くは、指先に並進力しか提示できず、各指先のどこで接触しているのか、すなわち作用点を提示することはできない構造となっており、複数の指先に把持感覚を良好に提示するものとは言い難い。最も精緻な力覚と接触覚を提示するには３つの並進自由度と３つの回転自由度とも提示する必要があるが、アクティブ自由度の増加に伴い装置の機構が肥大化し、隣接する指間の干渉など指先付近の自由度が懸念される。また、指先の接触点を常に固定した機構を用いると、把持対象物に対して各指の姿勢の変化をフィードバックできないので、オペレータに違和感や操作に伴う疲労感を与える。

これに対し、本実施形態に係る力触覚提示装置は、１指向けの１ユニット当たりのアクティブ自由度を削減するとともに、接触点における力覚若しくは触覚を提示する際に指先の接触状態に応じた接触点の位置を提示するものである。

本実施形態に係る力触覚提示装置は、基本的に、３自由度の位置提示用アームと、３自由度のジンバル機構と、１自由度の接触点提示用アームと、１自由度以上の指先部機構部指示保持から構成される、４つの能動自由度と３つの受動自由度を備えた構造体を１指向けの１ユニットとしている。そして、各指用のユニットを組み合わせることで、多指型の力触覚提示装置を構成し、且つ、適切なオペレータに対して適切な力覚、接触覚の提示を通じて操作感を高め、操作上の違和感によるオペレータの疲労を低減することができる。

図１には、本発明の一実施形態に係る力触覚提示装置の自由度構成を概念的に示している。但し、同図は、１指向けの１ユニットであり、各指用のユニットを組み合わせることで、多指型の力触覚提示装置を構成することができる。以下の説明では、オペレータの片手当たり、親指と人差し指、中指の３指に対して力覚を提示する例を挙げて説明する。

図示のユニット１０は、オペレータの指先を挿入して保持する指先保持機構（指サック）１１と、指先保持機構１１に保持された指先に対して空間における接触点位置及び力を提示する位置提示手段（位置提示機構）と、位置提示手段の先端部に取り付けられて、指先保持機構１１に保持された指先に対して指先接触点を提示する指先接触点提示手段（指先接触点提示機構）と、位置提示手段を構成する前記アームの先端部分で、不要なモーメントが発生しないように指先接触点提示手段を支持する不要モーメント除去手段（不要モーメント除去機構）を備えている。

位置提示手段は、図示の例では、基本３自由度駆動系１２によって動作するシリアル・リンク型のアームからなり、アームの各関節自由度はアクチュエータによって駆動される能動自由度を持つ。但し、本発明の要旨は、シリアル・リンク型の基本３自由度駆動系に限定されるものではなく、等価の自由度を備えた他のリンクなどの機構で代替可能であることを理解されたい。

また、指先接触点提示手段は、指先保持機構１１上に指先接触点駆動軸１３にて一端が回動可能に支持されている小アーム１４と、小アーム１４の他端に設けられた指先接触点を備えている。指先接触点駆動軸１３は指先保持機構１１が保持する指先の背に相当する部位に配設されるとともに、指先接触点は同指先の腹に相当する部位に配設され、指先接触点提示軸１５は、指先接触点回りの回転自由度を備えている。そして、指先接触点駆動軸１３はアクチュエータによって駆動される能動的な指先接触点提示自由度を持ち、指先接触点駆動軸１３の駆動に伴う指先接触点駆動軸回りの小アーム１４の回転動作によって、指先接触点は指の腹に当接したままその表面に沿って移動する。よって、能動的な指先接触点駆動軸１３による指先接触点提示自由度を制御することによって、指先保持機構１１内の指先の腹の接触点位置を決定することができる。これによって、あたかも指先において接触点が変化したような力覚をオペレータに与えることができる。

図２には、指先接触点駆動軸１３の駆動に伴う指先接触点駆動軸回りの小アーム１４の回転動作によって、指先接触点が指の腹表面に沿って移動する様子を示している。但し、同図では、最も簡潔な円弧近似した駆動系を示している。

また、不要モーメント除去手段は、位置提示手段を構成するアームの先端部分において、指先接触点回りに回動可能となるように、指先接触点提示軸１５にて小アーム１４を支持している。図１に示す例では、不要モーメント除去手段は、３自由度を持つジンバル１６からなるが、ヨー、ロール、及びピッチの３軸が互いに直交して１点で交わる構成の機構であり、この交点が指先接触点と一致するように配設されている。そして、ジンバル１６の機構先端のロール軸が指先接触点提示軸１５と同軸状に組み立てられる。したがって、指先接触点を中心に指先の姿勢を変化させることができるので、指先の接触点が固定されている場合とは異なり、指先保持機構１１を介して力覚を与えたときの接触点と作用点とのオフセットはなく、不要なモーメントは発生しない。したがって、オペレータに対し操作上の違和感を与えることはないので、オペレータの疲労感を軽減することができる。

シリアル・リンク型のアームを駆動する基本３自由度駆動系１２と、指先接触点駆動軸１３の４自由度が能動自由度であり、ヨー、ロール（指先接触点提示軸１５と同軸）、及びピッチからなるジンバルの３自由度は受動自由度である。すなわち、３自由度並進及び３自由度回転ともに力覚提示するために全軸にアクチュエータを搭載する場合（前述）に比べると、１指向けの１ユニット当たりの能動自由度が省自由度化されるので、機構が簡素化されて装置設計が容易になるとともに、指先付近の重量が軽減される。また、各指用のユニットを組み合わせて多指型の力触覚提示装置を構成した場合には、オペレータ操作の際に隣接する指先間で干渉を起こし難くなり、可動域が拡大する。

ユニット１０は、追加機能として、基本３自由度駆動系１２からなるアームの姿勢に拘らず、指先接触点提示軸１５とジンバル１６のグローバル座標系に対する姿勢を変化させない機構、すなわち姿勢保持自由度を適宜備える必要がある。

図３Ａ並びに図３Ｂには、指先接触点提示軸１５とジンバル１６の姿勢保持自由度を持たない場合のユニット１０の動作例を示している。すなわち、アームが図３Ａに示した初期姿勢から他の姿勢に移行したとき、指先接触点提示軸１５とジンバル１６のグローバル座標系に対する姿勢が変化する。ここで、各指用のユニットを組み合わせることで多指型の力触覚提示装置を構成した場合、各指の間を保ったまま操作しようとすると、図３Ｂに示すように、ジンバル１６が相互干渉を起こしてしまう危険がある。把持対象物体（提示対象物体）が小さい場合、往々にしてこのような問題を起こす可能性があると言える。

他方、図４Ａ並びに図４Ｂには、指先接触点提示軸１５とジンバル１６の姿勢保持自由度を持つ場合のユニット１０の動作例を示している。図４Ａに示すような図３Ａとほぼ同一となるアームの初期姿勢から他の姿勢に移行したとき、同様に各指の間を保ったまま操作したとしても、姿勢保持自由度によってジンバルの根元の姿勢が維持されることから、図４Ｂに示すように隣接するユニット間で相互干渉を起こし難くなり、結果として指毎に配設される各ユニットの可操作空間を拡大することができる。

このような姿勢保持自由度は、例えば、基本３自由度駆動系としてのアームを平行リンクと等価的な機構を用いて構成することができる。平行リンクは、当直径のプーリとワイヤを用いて製作することができる。勿論、機構設計の制約などにより、アクチュエータによるサーバによって姿勢保持自由度を実現する方法も考えられる。

図５及び図６には、指先保持機構周辺（図１中の、基本３自由度駆動系１２の先端に取り付けられる部分に相当）の設計モデルを示している。但し、図５は分解図であり、図６はその組立図である。

ジンバル機構は、３つのジンバル・アーム部材で構成され、ヨー、ロール、及びピッチの３軸が互いに直交して１点で交わるように組み立てられる。

指サックは図示を省略しているが、指先保持機構１１に取り付けられる。そして、指先接触点駆動軸１３の駆動に伴う指先接触点駆動軸回りの小アーム１４の回転動作によって、指先接触点は指の腹に当接したままその表面に沿って移動するようになっている。なお、各ジンバル・アームには、軸毎の角度を計測する角度センサが配設されており、指先接触点の姿勢を計測することができるようになっている。

ジンバル１６の機構先端のロール軸は指先接触点提示軸１５と同軸状であるから、指先接触点を中心に指先の姿勢を変化させる際に、指先接触点と力覚を与える作用点とのオフセットはなく、不要なモーメントは発生しない。したがって、オペレータに対し操作上の違和感を与えることはないので、オペレータの疲労感を軽減することができる。

参考のため、図５及び図６に示した指先保持機構周辺が動作する様子を図７〜図１２に示しておく。

図１３には、１指向けの１ユニット全体の設計モデルを示している。図示の例では、基本３自由度駆動系はシリアル・アーム型で構成される。

各リンクのイナーシャを極力低減するために、能動自由度を実現する各アクチュエータ・モータなどはベース側に配設している。また、バックラッシュを僅少にするためのワイヤ駆動機構を適用している。

参考のため、図１３に示したユニットが動作する様子を図１４〜図１７に示しておく。図１３に示したユニットは、基本３自由度駆動系としてのアームを平行リンクと等価的な機構を用いて構成することによって姿勢保持自由度を備えている。したがって、図１３に示したアームの初期姿勢から、図１４〜図１７に示したさまざまな姿勢に移行したときに、姿勢保持自由度によってジンバルの根元の姿勢が維持されることを理解されたい。

以下に、本実施形態に係る力触覚提示装置の主な特徴について説明する。

接触点位置の変化を提示可能
本実施形態に係る力触覚提示装置は各指における接触点の変化をオペレータに提示することができる。例えば、数ｍｍ〜２０ｍｍ程度の物体を把持する場合は「摘む」動作であるため、概して指の先の方で把持する。他方、対象物体の大きさがそれ以上になってくると「掴む」動作になってくるため、指先における接触点は先端部から徐々に指の腹（第一関節寄り）に移動する。

従来の力触覚提示装置の多くは指先接触点の位置が固定であるから、対象物体の把持状態の如何に拘らず変化しない指先接触点に対して力覚が提示されてしまうため、オペレータは違和感を覚えることがある。これに対し、本実施形態に係る力触覚提示装置は、対象物体の接触状態に応じてオペレータが想像でき得る位置に指先接触点を提示することができるので、違和感が少なくなり、且つ、対象物体の特性をより直感的に知覚し易いという効果がある。

簡潔な機構による制御性の向上
従来の力触覚提示装置において最も精緻な力覚と接触覚を提示するには、３つの併進自由度と、３つの回転自由度とも提示する必要がある。したがって、一指あたり６軸のアクチュエータを用いる必要があり、設計上の工夫をしても装置は大掛かりになってしまい、重量（慣性モーメント）が増大せざるを得ないという問題がある。

これに対し、本実施形態に係る力触覚提示装置は、能動自由度を省自由度化した簡潔な機構で実現することができる。よって、要求されるアクチュエータの出力を抑えることができるとともに、過渡特性も向上による制御性の改善が期待することができる。

広範な可動範囲（作業領域）確保による多彩の把持対象
本実施形態に係る力触覚提示装置は、簡潔な機構が可能であり、且つ、指先の姿勢の保持を行なうことによって、さらに広大な作業空間を実現することが可能となる。これにより、隣接する要素との干渉を抑えることができ、各指の姿勢の選択性が向上し、さまざま物体を把持対象とすることができる。この結果、本実施形態に係る力触覚提示装置は、さまざまな産業分野や技術分野において幅広く適用することができる。

擬似的に接触点回りのトルクを知覚可能
オペレータが接触点回りにおけるトルクを知覚する際、指毎に捻られたりする場合を除くと、指先の接触面における力分布に基づいてその回転中心を割り出していると推測される。そこで、本実施形態に係る力触覚提示装置は、指サック状の指先保持具を用いているので、実は回転中心だけを的確に提示できればよく、接触点位置を提示することによって、オペレータはそのトルクをあたかも知覚できていると感じ、且つ、違和感はない。

対象物体形状の理解
オペレータが対象物体に接触する際、制御側による初期接触点位置予測を行なうことによって接触した瞬間の感触が的確になる。例えば、対象物体が多面体あったときなど、物体の各々の構成面を知覚し易くなり、そのため、把持した際に対象物体の形状を直感的に把握し易くなる。

（変形例１）
次に、指先の力覚、接触覚をより正確にオペレータに伝える変形例１の構成について説明する。図２２には、変形例１に係る力触覚提示装置の自由度構成を概念的に示している。図２２に示す力触覚提示装置の基本的な構成は、図１に示したものと同様である。上述したように、図１に示す装置では、指先接触点駆動軸１３の駆動に伴う指先接触点駆動軸回りの小アーム１４の回転動作によって、指先接触点が移動する。この際、指先接触点は、小アーム１４を半径とする円の軌跡を移動する。

変形例１は、指先接触点を指先の曲面に忠実に沿って移動するようにしたものである。このため、変形例１に係る装置では、指先保持機構１１に、指先の長手方向の断面における指の腹の曲面に対応する形状のカム溝（指先接触点提示溝１１ａ）が設けられている。そして、指先接触点提示軸１５が指先接触点提示溝１１ａに沿って移動するように構成されている。

図２３は、指先保持機構１１、指先接触点駆動軸１３、及び指先接触点提示軸１５の周辺を拡大して示す模式図である。図２２及び図２３に示すように、変形例１の構成では、小アーム１４の先端に指先接触点提示スライダ２０が装着されており、スライダ２０にはカム溝２０ａが設けられている。また、指先保持機構１１には、上述のように、指先断面形状を模した形状の指先接触点提示溝１１ａが形成されている。そして、スライダ２０のカム溝２０ａと指先保持機構１１の指先接触点提示溝１１ａには、指先接触点提示軸１５としての指先接触点提示ピン２２が挿入されている。

不要モーメント除去手段は、図１の装置と同様に構成されている。不要モーメント除去手段は、位置提示手段を構成するアームの先端部分において、指先接触点回りに回動可能となるように、指先接触点提示ピン２２を保持している。

このような構成によれば、指先接触点駆動軸１３の駆動に伴う指先接触点駆動軸回りの小アーム１４の回転動作によって、指先接触点提示ピン２２（指先接触点）は指の腹の形状の指先接触点提示溝１１ａに沿って移動する。また、指先接触点提示ピン２２が指先接触点提示溝１１ａに沿って移動すると、指先接触点提示ピン２２と指先接触点駆動軸１３との距離が変化するため、指先接触点提示ピン２２はカム溝２０ａ内で移動する。そして、能動的な指先接触点駆動軸１３による指先接触点提示自由度を制御することによって、ピン２２が指先接触点提示溝１１ａに沿って移動し、指先の腹の形状に沿って指先の腹の接触点位置を決定することができる。従って、指先において接触点が変化したような力覚、接触覚を、より忠実にオペレータに与えることができる。

特に、指先接触点駆動軸１３を中心とする円弧上に指先接触点を移動させた場合、指先接触点が第一関節寄りに移動すると、オペレータに対して指先接触点が指の中に食い込むような違和感を与えてしまう場合がある。この場合、指先接触点を中心とした、本来は感じるはずのないモーメントをもペレータに感じさせてしまう場合がある。変形例１では、指先接触点が指先の表面に沿って移動するため、指先の表面に位置する指先接触点を中心とするモーメントが生じ、このような違和感を確実に抑えることができる。

図２４及び図２５には、指先保持機構周辺（図２２中の、基本３自由度駆動系１２の先端に取り付けられる部分に相当）の設計モデルを示している。但し、図２４は分解図であり、図２５はその組立図である。図２４及び図２５では、指先接触点提示スライダ２０は小アーム１４に一体化されており、カム溝２０ａは小アーム１４に設けられている。

参考のため、図２４及び図２５に示した指先保持機構周辺が動作する様子を図２６〜図３１に示しておく。

変形例１によれば、指先の腹の形状に沿って指先接触点を移動させることができるため、力触覚提示装置によりオペレータが感じる触感と、実際の触感をより近づけることが可能となる。

（変形例２）
次に、３自由度ジンバルに冗長自由度を持たせた変形例２の構成について説明する。図３２には、変形例２に係る力触覚提示装置の自由度構成を概念的に示している。図３２に示す力触覚提示装置の基本的な構成は、図１に示したものと同様である。図３２に示すように、変形例２にかかる力触覚提示装置は、３自由度ジンバル機構１６に加えて、１自由度のジンバル冗長自由度３０を備えている。３自由度ジンバル機構１６は、３つの自由度１６ａ，１６ｂ，１６ｃから構成されている。ジンバル冗長自由度３０は、３自由度ジンバルのうちの１つの自由度１６ａと同軸に構成されている。また、図１と同様に、指先接触点提示軸１５の中心軸は指先接触点を通るように構成されている。

なお、図３２では、１自由度のジンバル冗長自由度３０を備える場合を示しているが、２自由度以上のジンバル冗長自由度を備えても良い。また、図３２では、指先接触点駆動軸１３を設けていない構成を示しているが、上述した実施形態と同様に指先接触点駆動軸１３を設けることも可能である。

このような構成によれば、自由度１６ｂに接続されたアーム２２、アーム２４等の構成要素は、同軸に配置されたジンバル冗長自由度３０と自由度１６ａを回転軸として自由に回動することができる。従って、各指に対応する複数の指先保持機構１１を近接して設けた場合に、オペレータの指の動きに応じて各指の３自由度ジンバル１６が互いに干渉した場合であっても、アーム２２、アーム２４等の構成要素は自由に回動することができる。このため、各指に対応した３自由度ジンバル１６の相互干渉を回避することが可能となる。

このように、変形例２の構成によれば、機構の一部が他の部材と干渉して衝突した場合であっても、ジンバル冗長自由度３０により空転するため、干渉を回避することが可能となる。これにより、より広い操作空間を確保できるとともに、指先姿勢の選択の範囲をより拡大することが可能となる。

また、ジンバル機構の特異姿勢による自由度縮退（ジンバルの自由度軸が重なることによって、自由度が減ったように機構が振舞う状態）を防ぐことが可能となる。最小自由度である３自由度でジンバル機構を構成した場合，ある軸を回転していくと，他の二つの軸が直列になる姿勢（特異姿勢）になることがある。図３３は、特異姿勢を示す模式図である。図３３に示す特異姿勢の例では、自由度１６ａを回転させることにより、自由度１６ｂと自由度１６ｃが同軸になっている。この状態では，機構の自由度としては３自由度あるものの，自由度１６ｂと自由度１６ｃが同軸になることにより、図３３中の矢印Ａ方向の回動ができなくなる。従って、指の姿勢に関しては２自由度分しか機能せず，自由度縮退が起きてしまう。

変形例２では、ジンバル冗長自由度３０を自由度１６ｂと指先保持機構１１の間に設けているため、自由度縮退の状態を回避することができ、指の姿勢に関して３自由度を確実に確保することが可能となる。従って、良好な操作性と広い作業空間を実現することが可能となる。

また、最小自由度である３自由度のジンバル機構１６では、ジンバル機構に重量、イナーシャがあるため、特異姿勢に近付くと受動的に急激な運動が起こるため，不要な慣性力（トルク）が発生し、操作感が低下する場合がある。変形例２のように冗長自由度を設けることで，特異姿勢に近付く際に、ジンバル冗長自由度３０によって、各ジンバルリンクがゆっくりと動くため、このような違和感の発生を防止することが可能となる。

更に、最小自由度である３自由度でジンバル機構を構成した際、各自由度の交点を１つとして軸が互いに直交しないように設計すると、実現できる空間が狭くなり、事実上、３軸が直交する設計を選択することになる。これに対し、ジンバル冗長自由度３０を追加すると、各軸は必ずしも直交でなくても良いため、設計の自由度が広がるとともに、追加リンク（ジンバル冗長自由度３０、アーム２２、アーム２４等）を短く設計できるため、不要な重量増を抑えることが可能となる。

図３４は、指先保持機構周辺（図３２中の、基本３自由度駆動系１２の先端に取り付けられる部分に相当）の設計モデルの分解図を示している。図３４に示すように、ジンバル機構１６は、３つの直角リンクから構成されるアーム２２、アーム２４、アーム２６を介して図３２に示す姿勢保持自由度と指先保持機構１１を接続している。図３４において、軸３２ａは孔３２ｂに回動可能に挿入されてジンバル冗長自由度３０が構成される。また、軸３４ａは孔３４ｂに回動可能に挿入されて自由度１６ｂが構成され、軸３６ａは孔３６ｂに回動可能に挿入されて自由度１６ａが構成され、軸３８ａは孔３８ｂに回動可能に挿入されて自由度１６ｃが構成される。

また、参考のため、図３４に示した指先保持機構周辺が動作する様子を図３５〜図３７に示しておく。このように、いかなる状態においても自由度縮退の状態を回避することが可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本発明に係る力触覚提示装置は、医療やその他の特殊技能の習得、小宇宙や海洋などの仮想環境や、原子炉などの特殊若しくは危険な環境での遠隔作業などを始めとしたさまざまなアプリケーションにおいて、実際に触手できない環境の物体への３次元の力覚や触覚をユーザにフィードバックするために適用することができる。

また、本発明に係る力触覚提示装置は、複数の指に対し力覚を提示するが、操作内容若しくはアプリケーションに応じて提示する指の本数を適宜選択することができる。把持対象が小さい場合（摘むような動作）は、機構自体を小さくするほうが適しており、２乃至３指にて力覚を提示することができる。他方、把持対象がもう少し大きい場合（掴むような動作）は、３指以上のさらに多くの指を用いて力覚を提示する方が、物体の形状・大きさなどをより的確に提示することができる。

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

本発明の一実施形態に係る力触覚提示装置の自由度構成を概念的に示した図である。 指先接触点駆動軸の駆動に伴う指先接触点駆動軸回りの小アームの回転動作によって、指先接触点は指の腹表面に沿って移動する様子を示した図である。 指先接触点提示軸とジンバルの姿勢保持自由度を持たない場合のユニットの動作例を示した図である。 指先接触点提示軸とジンバルの姿勢保持自由度を持たない場合のユニットの動作例を示した図である。 指先接触点提示軸とジンバルの姿勢保持自由度を持つ場合のユニットの動作例を示した図である。 指先接触点提示軸とジンバルの姿勢保持自由度を持つ場合のユニットの動作例を示した図である。 指先保持機構周辺（図１中の、基本３自由度駆動系の先端に取り付けられる部分に相当）の設計モデルを示した図である。 指先保持機構周辺（図１中の、基本３自由度駆動系の先端に取り付けられる部分に相当）の設計モデルを示した図である。 図５及び図６に示した指先保持機構周辺が動作する様子を示した図である。 図５及び図６に示した指先保持機構周辺が動作する様子を示した図である。 図５及び図６に示した指先保持機構周辺が動作する様子を示した図である。 図５及び図６に示した指先保持機構周辺が動作する様子を示した図である。 図５及び図６に示した指先保持機構周辺が動作する様子を示した図である。 図５及び図６に示した指先保持機構周辺が動作する様子を示した図である。 １指向けの１ユニット全体の設計モデルを示した図である。 図１３に示したユニットが動作する様子を示した図である。 図１３に示したユニットが動作する様子を示した図である。 図１３に示したユニットが動作する様子を示した図である。 図１３に示したユニットが動作する様子を示した図である。 シリアル・リンクを用いたペン型のハプティクス・デバイスの構成例を示した図である。 パラレル・リンク構造を用いて３軸力乃至６軸力モーメントの提示を行なうハプティクス・デバイスの構成例を示した図である。 指と遠隔のモータ間をワイヤで接続し、ワイヤを介して力を印加するハプティクス・デバイスの構成例を示した図である。 対向型マニピュレータにハンド型力提示機構を付加するハプティクス・デバイスの構成例を示した図である。 変形例１に係る力触覚提示装置の自由度構成を概念的に示した図である。 変形例１に係る指先保持機構、指先接触点駆動軸、及び指先接触点提示軸の周辺を拡大して示す図である。 変形例１に係る指先保持機構周辺（図２２中の、基本３自由度駆動系の先端に取り付けられる部分に相当）の設計モデルを示した図である。 変形例１に係る指先保持機構周辺（図２２中の、基本３自由度駆動系の先端に取り付けられる部分に相当）の設計モデルを示した図である。 図２４及び図２５に示した指先保持機構周辺が動作する様子を示した図である。 図２４及び図２５に示した指先保持機構周辺が動作する様子を示した図である。 図２４及び図２５に示した指先保持機構周辺が動作する様子を示した図である。 図２４及び図２５に示した指先保持機構周辺が動作する様子を示した図である。 図２４及び図２５に示した指先保持機構周辺が動作する様子を示した図である。 図２４及び図２５に示した指先保持機構周辺が動作する様子を示した図である。 変形例２に係る力触覚提示装置の自由度構成を概念的に示した図である。 特異姿勢を示す模式図である。 変形例２に係る指先保持機構周辺（図３２中の、基本３自由度駆動系の先端に取り付けられる部分に相当）の設計モデルの分解図を示している。 図３４に示した指先保持機構周辺が動作する様子を示した図である。 図３４に示した指先保持機構周辺が動作する様子を示した図である。 図３４に示した指先保持機構周辺が動作する様子を示した図である。

符号の説明

１０ ユニット
１１ 指先保持機構
１１ａ 指先接触点提示溝
１２ 基本３自由度駆動系
１３ 指先接触点駆動軸
１４ 小アーム
１５ 指先接触点提示軸
１６ ジンバル
３０ ジンバル冗長自由度

Claims (8)

1. オペレータの指先に対して力覚を提示する力触覚提示装置であって、
   オペレータの指先を保持する指先保持機構と、
   前記指先保持機構に保持された指先に対して位置を提示する位置提示機構と、
   前記指先保持機構に保持された指先に対して指先接触点を提示する指先接触点提示機構と、
   前記位置提示機構の先端部分において、不要なモーメントが発生しないように前記指先接触点提示機構を支持する不要モーメント除去機構と、
   を備える、力触覚提示装置。
2. 前記指先接触点提示機構は、前記指先保持機構上に配設された指先接触点駆動軸と、前記指先接触点駆動軸にて一端が回動可能に支持されている小アームと、前記指先保持機構上に配設され、指先の腹の表面に沿った形状の指先接触点提示溝と、前記小アームの回動に伴って前記指先接触点提示溝に沿って駆動される指先接触点と、を備え、
   前記不要モーメント除去機構は、前記位置提示機構の先端部分において、前記指先接触点回りに回動可能となる指先接触点提示軸にて前記小アームを支持する、請求項１に記載の力触覚提示装置。
3. 前記指先接触点駆動軸は、アクチュエータによって駆動される能動的な指先接触点提示自由度を持ち、前記指先接触点駆動軸の駆動に伴う指先接触点駆動軸回りの前記小アームの回転動作によって、指先接触点は前記指先接触点提示溝に沿って移動する、請求項２に記載の力触覚提示装置。
4. 前記不要モーメント除去機構は、３軸が１点で交わるとともに該交点が前記指先接触点と一致するように配設された３自由度ジンバルで構成され、前記の３軸のうちいずれか１軸が前記指先接触点提示軸と同軸状とされ、前記の３軸の他に少なくとも１つの冗長自由度を備える、請求項１に記載の力触覚提示装置。
5. 前記不要モーメント除去機構は、前記の３軸であるヨー、ロール、及びピッチの３軸が互いに直交して１点で交わるように配設された、請求項４に記載の力触覚提示装置。
6. 前記位置提示機構は、基本３自由度駆動系のシリアル・リンク型のアームからなり、
   前記不要モーメント除去機構は、前記位置提示機構を構成する前記アームの先端部分において、前記指先接触点回りに回動可能となる指先接触点提示軸にて前記小アームを支持する、請求項１に記載の力触覚提示装置。
7. 前記位置提示機構、前記指先接触点提示機構、前記不要モーメント除去機構の１組からなる構造体を１指向けの１ユニットとし、各指用のユニットを組み合わせることで、多指型の力触覚提示装置を構成する、請求項１に記載の力触覚提示装置。
8. 前記アームの姿勢に拘らず、前記指先接触点提示軸と前記ジンバルのグローバル座標系に対する姿勢を変化させない姿勢保持自由度をさらに備える、請求項１に記載の力触覚提示装置。

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