JP2015118323A - Training device, training method, and program - Google Patents

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Hiroaki Kiso
宏顕 木曽
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a training device capable of improving portability and implementing skill training using an instrument without requiring large-scaled configuration, a training method, and a program.SOLUTION: A training device 10 includes: a display part 20 for displaying on a screen a training target object resembling a training target and an instrument object resembling the instrument to be used by a user; a position detection part 30 for detecting a position of the instrument; a state detection part 31 for detecting a state of the instrument; an information processing part 40 for changing the instrument object correspondingly to the detected position and state and calculating an external force that the instrument object receives from the training target object; a connection member 13 attached to the instrument; a transfer member 12 for transferring a tensile force to the instrument via the connection member 13; a driving part 11 that generates the tensile force; and a control part 14. The control part 14 makes the driving part 11 generate an initial force beforehand and increases or decreases the initial force in such a manner that the calculated external force is transferred to the user as tactile force sense.

Description

本発明は、外科手術等の器具を用いた技能の訓練を仮想空間内で実現するための、訓練装置及び訓練方法に関し、更にはこれらを実現するためのプログラムに関する。   The present invention relates to a training apparatus and training method for realizing skill training in a virtual space using a surgical instrument or the like, and further relates to a program for realizing them.

医療現場で行われる外科手術は、一種の技能であり、医師が一定のレベルの能力を身に付けるためには訓練が必要となる。このため、従来から、人体ではなく、代わりとなる動物を利用した訓練が行われているが、このような訓練の場合、動物の用意、及び訓練後の処理が難しいという問題が生じてしまう。   Surgery performed in the medical field is a kind of skill, and training is necessary for a doctor to acquire a certain level of ability. For this reason, conventionally, training using an animal instead of a human body is performed. However, in such training, there is a problem that it is difficult to prepare an animal and to perform processing after training.

このため、例えば、特許文献1は、血管、皮膚といった人体の構成要素を模した部材を用いた外科手術訓練装置を開示している。具体的には、特許文献1に開示された外科手術訓練装置は、箱形の訓練ユニットと、制御ユニットとで構成されている。また、訓練ユニットは、内部空間が胸腔に相当する箱形のケースと、皮膚に相当するシートと、手術対象となる患部を模した被処置体とで構成されている。   For this reason, for example, Patent Document 1 discloses a surgical training apparatus using a member simulating a human body component such as a blood vessel or skin. Specifically, the surgical training apparatus disclosed in Patent Document 1 includes a box-shaped training unit and a control unit. The training unit includes a box-shaped case whose internal space corresponds to a chest cavity, a sheet corresponding to skin, and a body to be treated that simulates an affected area to be operated.

そして、訓練ユニットにおいて、被処置体はケースの内部に配置され、シートはケースの開口を塞ぐように取り付けられている。また、被処置体は、シリコンゴムで形成された模擬血管と模擬心筋等で構成されている。更に、制御ユニットは、被処置体に取り付けられているワイヤの引張力を制御し、被処置体を本物のように動作させている。   In the training unit, the body to be treated is disposed inside the case, and the seat is attached so as to close the opening of the case. Further, the body to be treated includes a simulated blood vessel and a simulated myocardium formed of silicon rubber. Furthermore, the control unit controls the pulling force of the wire attached to the object to be treated, and operates the object to be treated like a real object.

従って、特許文献1に開示された外科手術訓練装置を用いれば、訓練者は、代わりの動物を用いなくても、実際の手術に近い環境で訓練を受けることができるので、訓練者のレベルの向上が期待される。   Therefore, by using the surgical training apparatus disclosed in Patent Document 1, a trainer can receive training in an environment close to actual surgery without using a substitute animal. Improvement is expected.

特開2009−133878号公報JP 2009-133878 A 特開2008−100060号公報JP 2008-100060 A

しかしながら、上記特許文献1に開示された外科手術訓練装置においては、可動部分が必要となるため、装置自体が大がかりとなる。このため、移動が難しく、設置できる場所が限られてしまうという問題点がある。   However, the surgical training apparatus disclosed in Patent Document 1 requires a movable part, so that the apparatus itself becomes large. For this reason, there are problems that it is difficult to move and the places where it can be installed are limited.

[発明の目的]
本発明の目的の一例は、上記問題を解消し、可搬性を向上でき、且つ、大掛かりな構成を必要とせずに、器具を用いた技能の訓練を実現し得る、訓練装置、訓練方法、及びプログラムを提供することにある。
[Object of invention]
An example of an object of the present invention is to provide a training apparatus, a training method, and a training apparatus that can solve the above-described problems, improve portability, and can realize skill training using an instrument without requiring a large-scale configuration. To provide a program.

上記目的を達成するため、本発明の一側面における訓練装置は、ユーザにおける器具を用いた技能の取得を支援するための訓練装置であって、
仮想空間内に配置された、訓練対象を模した訓練対象オブジェクトと、前記器具を模した器具オブジェクトとを、画面上に表示させる、表示部と、
ユーザが保持する前記器具の位置を検出する、位置検出部と、
ユーザが保持する前記器具の状態を検出する、状態検出部と、
検出された前記位置及び前記状態に対応して前記器具オブジェクトの位置及び状態を変化させ、この変化によって前記器具オブジェクトが前記訓練対象オブジェクトから受ける外力を算出する情報処理部と、
前記器具に取り付けられる接続部材と、
当該訓練装置から、前記接続部材へと伸びて、前記接続部材を介して、前記器具に引っ張り方向の力を伝達する伝達部材と、
前記引っ張り方向の力を発生させ、それを前記伝達部材に与える駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、予め、前記駆動部に、設定された大きさの前記引っ張り方向の力を初期力として発生させておき、前記情報処理部によって算出された前記外力が、触力覚として、前記接続部材及び前記器具を介して前記ユーザに伝達されるように、前記初期力を増加又は減少させる、
ことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a training device according to one aspect of the present invention is a training device for assisting a user in acquiring skills using an instrument,
A display unit configured to display on a screen a training target object imitating a training target and an instrument object imitating the instrument, arranged in a virtual space;
A position detector for detecting the position of the instrument held by the user;
A state detection unit that detects a state of the instrument held by the user;
An information processing unit that changes the position and state of the instrument object corresponding to the detected position and state, and calculates an external force that the instrument object receives from the training target object due to the change,
A connecting member attached to the instrument;
A transmission member that extends from the training device to the connection member and transmits a force in the pulling direction to the instrument through the connection member;
A drive unit that generates a force in the pulling direction and applies the force to the transmission member;
A control unit for controlling the drive unit,
The control unit causes the driving unit to generate a force in the pulling direction having a set size as an initial force in advance, and the external force calculated by the information processing unit is used as the tactile force sense. Increasing or decreasing the initial force to be transmitted to the user via a connecting member and the instrument;
It is characterized by that.

また、上記目的を達成するため、本発明の一側面における訓練方法は、ユーザにおける器具を用いた技能の取得を支援するための方法であって、
仮想空間内に配置された、訓練対象を模した訓練対象オブジェクトと、前記器具を模した器具オブジェクトとを、画面上に表示させる、表示部と、ユーザが保持する前記器具の位置を検出する、位置検出部と、ユーザが保持する前記器具の状態を検出する、状態検出部と、前記器具に取り付けられる接続部材と、前記接続部材へと伸びて、前記接続部材を介して、前記器具に引っ張り方向の力を伝達する伝達部材と、前記引っ張り方向の力を発生させ、それを前記伝達部材に与える駆動部と、を備える、訓練装置を用い、
(a)検出された前記位置及び前記状態に対応して前記器具オブジェクトの位置及び状態を変化させ、この変化によって前記器具オブジェクトが前記訓練対象オブジェクトから受ける外力を算出する、ステップと、
(b)予め、前記駆動部に、設定された大きさの前記引っ張り方向の力を初期力として発生させる、ステップと、
(c)前記(a)のステップによって算出された前記外力が、触力覚として、前記接続部材及び前記器具を介して前記ユーザに伝達されるように、前記初期力を増加又は減少させる、ステップと、
を有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a training method according to one aspect of the present invention is a method for assisting a user in acquiring skills using an instrument,
A training unit object that simulates a training target and an instrument object that simulates the instrument, which are arranged in a virtual space, are displayed on a screen, and a position of the instrument held by the user is detected. A position detection unit, a state detection unit for detecting a state of the instrument held by a user, a connection member attached to the instrument, and extending to the connection member and being pulled by the instrument through the connection member Using a training device comprising: a transmission member that transmits a force in a direction; and a drive unit that generates a force in the pulling direction and applies the force to the transmission member;
(A) changing the position and state of the instrument object corresponding to the detected position and state, and calculating the external force that the instrument object receives from the training target object due to the change;
(B) causing the drive unit to generate a force in the pulling direction having a set size as an initial force in advance;
(C) increasing or decreasing the initial force so that the external force calculated in the step (a) is transmitted to the user via the connection member and the instrument as a tactile force sense. When,
It is characterized by having.

更に、上記目的を達成するため、本発明の一側面におけるプログラムは、ユーザにおける器具を用いた技能の取得を支援するため、
仮想空間内に配置された、訓練対象を模した訓練対象オブジェクトと、前記器具を模した器具オブジェクトとを、画面上に表示させる、表示部と、ユーザが保持する前記器具の位置を検出する、位置検出部と、ユーザが保持する前記器具の状態を検出する、状態検出部と、前記器具に取り付けられる接続部材と、前記接続部材へと伸びて、前記接続部材を介して、前記器具に引っ張り方向の力を伝達する伝達部材と、前記引っ張り方向の力を発生させ、それを前記伝達部材に与える駆動部と、コンピュータとを備える、訓練装置において、
前記コンピュータに、
(a)検出された前記位置及び前記状態に対応して前記器具オブジェクトの位置及び状態を変化させ、この変化によって前記器具オブジェクトが前記訓練対象オブジェクトから受ける外力を算出する、ステップと、
(b)予め、前記駆動部に、設定された大きさの前記引っ張り方向の力を初期力として発生させる、ステップと、
(c)前記(a)のステップによって算出された前記外力が、触力覚として、前記接続部材及び前記器具を介して前記ユーザに伝達されるように、前記初期力を増加又は減少させる、ステップと、
を実行させることを特徴とする。
Furthermore, in order to achieve the above object, a program according to one aspect of the present invention supports acquisition of skills using a device by a user,
A training unit object that simulates a training target and an instrument object that simulates the instrument, which are arranged in a virtual space, are displayed on a screen, and a position of the instrument held by the user is detected. A position detection unit, a state detection unit for detecting a state of the instrument held by a user, a connection member attached to the instrument, and extending to the connection member and being pulled by the instrument through the connection member A training apparatus comprising: a transmission member that transmits a force in a direction; a drive unit that generates a force in the pulling direction and applies the force to the transmission member; and a computer.
In the computer,
(A) changing the position and state of the instrument object corresponding to the detected position and state, and calculating the external force that the instrument object receives from the training target object due to the change;
(B) causing the drive unit to generate a force in the pulling direction having a set size as an initial force in advance;
(C) increasing or decreasing the initial force so that the external force calculated in the step (a) is transmitted to the user via the connection member and the instrument as a tactile force sense. When,
Is executed.

以上のように、本発明によれば、可搬性を向上でき、且つ、大掛かりな構成を必要とせずに、器具を用いた技能の訓練を実現することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to improve portability and realize skill training using an instrument without requiring a large-scale configuration.

図1は、本発明の実施の形態における訓練装置の外観を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a training apparatus according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態における訓練装置の各構成部品を示す分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view showing each component of the training apparatus according to the embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施の形態で用いられる器具とそれに接続される接続部材の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an instrument used in the embodiment of the present invention and a connection member connected thereto. 図4は、本発明の実施の形態における訓練装置の構成を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of the training apparatus according to the embodiment of the present invention. 図5は、本発明の実施の形態における訓練装置10の動作を示すフロー図である。FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the training apparatus 10 according to the embodiment of the present invention. 図6は、図5に示したステップS101を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining step S101 shown in FIG. 図7は、図5に示したステップS103を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining step S103 shown in FIG. 図8(a)は、引張力の算出処理を説明するための図であり、図8(b)は、引張力の算出処理に用いられる座標軸を示す図である。FIG. 8A is a diagram for explaining a tensile force calculation process, and FIG. 8B is a diagram illustrating coordinate axes used for the tensile force calculation process. 図9は、提示力の再設定処理を説明するための図である。FIG. 9 is a diagram for explaining the presentation power resetting process. 図10は、本発明の実施の形態における情報端末の他の例を示す斜視図である。FIG. 10 is a perspective view showing another example of the information terminal according to the embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施の形態における、訓練装置、訓練方法、及びプログラムについて、図1〜図10を参照しながら説明する。   Hereinafter, a training apparatus, a training method, and a program according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

[装置構成]
最初に、図1〜図3を用いて、本実施の形態における訓練装置の構成を説明する。図1は、本発明の実施の形態における訓練装置の外観を示す斜視図である。図2は、本発明の実施の形態における訓練装置の各構成部品を示す分解斜視図である。図3は、本発明の実施の形態で用いられる器具とそれに接続される接続部材の一例を示す図である。
[Device configuration]
Initially, the structure of the training apparatus in this Embodiment is demonstrated using FIGS. 1-3. FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a training apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an exploded perspective view showing each component of the training apparatus according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an instrument used in the embodiment of the present invention and a connection member connected thereto.

まず、図1を用いて、本実施の形態における訓練装置の外観構成について説明する。図1に示すように、訓練装置10は、ユーザ200における器具を用いた技能の取得を支援するための装置である。   First, the external structure of the training apparatus in this Embodiment is demonstrated using FIG. As shown in FIG. 1, the training device 10 is a device for assisting a user 200 in acquiring skills using an instrument.

訓練装置10は、画面101を備えており、画面上に、仮想空間内に配置された、訓練対象を模した訓練対象オブジェクト102と、ユーザ200が使用する器具104を模した器具オブジェクト103とを表示する。また、訓練装置10は、器具104に取り付けられる接続部材13を備えている。   The training apparatus 10 includes a screen 101. On the screen, a training target object 102 simulating a training target and an instrument object 103 simulating the instrument 104 used by the user 200 are arranged in a virtual space. indicate. Moreover, the training apparatus 10 includes a connection member 13 that is attached to the instrument 104.

また、訓練装置10は、ユーザが保持する器具104の位置及び状態を検出する。更に、訓練装置10は、検出した位置及び状態に対応して、仮想空間内において、器具オブジェクト103の位置及び状態を変化させ、この変化によって器具オブジェクト103が訓練対象オブジェクト102から受ける外力を算出する。   Moreover, the training apparatus 10 detects the position and state of the instrument 104 held by the user. Furthermore, the training apparatus 10 changes the position and state of the instrument object 103 in the virtual space in accordance with the detected position and state, and calculates the external force that the instrument object 103 receives from the training target object 102 due to this change. .

そして、訓練装置10は、後述する構成により、仮想空間内で、器具オブジェクト103が、訓練対象オブジェクト102から受ける外力を、接続部材13を介して、ユーザに触力覚として提示することができる。このため、訓練装置10によれば、大掛かりな構成を必要とせずに技能の訓練を実現することができる。また、訓練装置10は可搬性にも優れている。   And the training apparatus 10 can show the external force which the instrument object 103 receives from the training object 102 in virtual space to a user as a tactile force sense via the connection member 13 by the structure mentioned later. For this reason, according to the training apparatus 10, skill training can be realized without requiring a large-scale configuration. Moreover, the training apparatus 10 is excellent in portability.

また、本実施の形態では、訓練装置10は、外科手術の技能の取得において支援を行っている。よって、器具としては、外科手術に用いられる器具が挙げられ、訓練対象としては、人体の全部又は一部が挙げられる。   Moreover, in this Embodiment, the training apparatus 10 is providing assistance in acquisition of the skill of surgery. Thus, examples of the instrument include instruments used in surgical operations, and examples of training targets include all or part of the human body.

具体的には、図1の例では、器具104は鉗子であり(図3参照)、訓練対象は心臓であるので、画面101には、鉗子を模した器具オブジェクト103と、心臓を模した訓練対象オブジェクト102とが表示されている。よって、訓練装置10を用いることで、ユーザは、心臓の外科手術での鉗子の使い方の訓練を受けることができる。   Specifically, in the example of FIG. 1, the instrument 104 is a forceps (see FIG. 3), and the training target is a heart. Therefore, an instrument object 103 imitating forceps and a training imitating the heart are displayed on the screen 101. A target object 102 is displayed. Therefore, by using the training device 10, the user can receive training on how to use forceps in cardiac surgery.

続いて、図2及び図3を用いて、訓練装置10の内部構成について説明する。図2に示すように、訓練装置10は、画面上に仮想空間を表示させる表示部20と、位置検出部30と、状態検出部31と、情報処理部40とを備えている。   Then, the internal structure of the training apparatus 10 is demonstrated using FIG.2 and FIG.3. As illustrated in FIG. 2, the training apparatus 10 includes a display unit 20 that displays a virtual space on a screen, a position detection unit 30, a state detection unit 31, and an information processing unit 40.

このうち、位置検出部30は、ユーザ200が保持する器具104の位置を検出する。状態検出部31は、ユーザが保持する器具104の状態を検出する。また、情報処理部40は、検出された位置及び状態に対応して器具オブジェクト103(図1参照)の位置及び状態を変化させ、この変化によって器具オブジェクト103が訓練対象オブジェクト102(図1参照)から受ける外力を算出する。   Among these, the position detection unit 30 detects the position of the instrument 104 held by the user 200. The state detection unit 31 detects the state of the instrument 104 held by the user. In addition, the information processing unit 40 changes the position and state of the instrument object 103 (see FIG. 1) corresponding to the detected position and state, and the instrument object 103 is changed to the training object 102 (see FIG. 1) by this change. The external force received from is calculated.

また、図2に示すように、訓練装置10は、ユーザ200(図1参照)に触力覚を提示するため、駆動部11と、伝達部材12と、接続部材13と、制御部14も備えている。このうち、接続部材13は、器具104に取り付けられる(図1及び図3参照)。   As shown in FIG. 2, the training apparatus 10 also includes a drive unit 11, a transmission member 12, a connection member 13, and a control unit 14 in order to present a tactile sensation to the user 200 (see FIG. 1). ing. Among these, the connection member 13 is attached to the instrument 104 (refer FIG.1 and FIG.3).

伝達部材12は、訓練装置100から接続部材13へと伸びて、接続部材13を介して、器具104に引っ張り方向の力(以下、「引張力」と表記する。)を伝達する部材である。また、駆動部11は、引張力を発生させ、それを伝達部材12に与えている。   The transmission member 12 is a member that extends from the training apparatus 100 to the connection member 13 and transmits a force in the pulling direction (hereinafter referred to as “tensile force”) to the instrument 104 via the connection member 13. The drive unit 11 generates a tensile force and applies it to the transmission member 12.

また、制御部14は、まず、駆動部11に、予め、設定された大きさの引張力を初期力として発生させる。そして、駆動部11は、情報処理部40によって算出された外力が、触力覚として、接続部材13及び器具104を介してユーザ200(図2参照)に伝達されるように、初期力を増加又は減少させる。   Further, the control unit 14 first causes the drive unit 11 to generate a tensile force having a preset size as an initial force. Then, the drive unit 11 increases the initial force so that the external force calculated by the information processing unit 40 is transmitted to the user 200 (see FIG. 2) via the connection member 13 and the instrument 104 as a tactile force sense. Or reduce.

このように、訓練装置100は、器具104を保持しているユーザ200の手に、接続部材13及び伝達部材12を介して、引っ張り方向の力を伝達することによって触力覚を提示することができる。なお、本発明でいう「触力覚」とは、ユーザが感じる、反発力、抵抗力、外力、感触、等を意味する。   Thus, the training apparatus 100 can present a tactile force sense to the hand of the user 200 holding the instrument 104 by transmitting a force in the pulling direction via the connection member 13 and the transmission member 12. it can. The “tactile sensation” as used in the present invention means a repulsive force, a resistance force, an external force, a touch, and the like that the user feels.

ここで、本実施の形態における訓練装置10の構成について更に具体的に説明する。まず、図2に示すように、本実施の形態では、訓練装置10は、ユーザ側から順に、枠状に形成されたカバー50と、表示部20と、箱状の筐体51とを備えている。カバー50は、表示部20の画面101が露出するように、筐体51の開口部分に取り付けられる。また、本実施の形態では、表示部20は、液晶表示装置、有機EL表示装置といった薄型の表示装置である。   Here, the configuration of the training apparatus 10 in the present embodiment will be described more specifically. First, as shown in FIG. 2, in the present embodiment, the training apparatus 10 includes a cover 50 formed in a frame shape, a display unit 20, and a box-shaped housing 51 in order from the user side. Yes. The cover 50 is attached to the opening portion of the housing 51 so that the screen 101 of the display unit 20 is exposed. In the present embodiment, the display unit 20 is a thin display device such as a liquid crystal display device or an organic EL display device.

上述した、駆動部11、制御部14、位置検出部30、及び情報処理部40は、筐体51の内部に配置されている。また、図2に示すように、本実施の形態では、3本の伝達部材12が用いられており、これに対応して3つの駆動部11が配置されている。   The drive unit 11, the control unit 14, the position detection unit 30, and the information processing unit 40 described above are disposed inside the housing 51. Further, as shown in FIG. 2, in the present embodiment, three transmission members 12 are used, and three drive units 11 are arranged correspondingly.

本実施の形態では、伝達部材12それぞれは、訓練装置10の背面側(画面101が設けられている側の反対側)の異なる位置から、ユーザ200が保持する器具104に取り付けられる接続部材13へと伸びる紐状の部材、例えば、ワイヤーである。各伝達部材12の先端は、接続部材13に固定されている。   In the present embodiment, each transmission member 12 is connected to the connection member 13 attached to the instrument 104 held by the user 200 from a different position on the back side of the training apparatus 10 (the side opposite to the side on which the screen 101 is provided). It is a string-like member extending, for example, a wire. The tip of each transmission member 12 is fixed to the connection member 13.

図3に示すように、本実施の形態では、器具104として鉗子が用いられるため、接続部材13は、鉗子に装着可能な形状に形成されている。また、接続部材13は、器具104の状態に合せて信号を出力するセンサを備えた状態検出部31を備えている。   As shown in FIG. 3, in the present embodiment, since forceps are used as the instrument 104, the connection member 13 is formed in a shape that can be attached to the forceps. The connection member 13 includes a state detection unit 31 including a sensor that outputs a signal in accordance with the state of the instrument 104.

具体的には、図3の例では、状態検出部31は、鉗子の開閉の程度を特定するための信号を出力するセンサ31aと、鉗子の向きを特定するための信号を出力するセンサ31bとを備えている。センサ31aの具体例としては、回転角度を検出可能なエンコーダが挙げられ、センサ31bの具体例としては、鉛直方向に対する傾きを検出する3軸加速度センサが挙げられる。また、センサ31aが出力した信号(以下、「開閉状態検出信号」と表記する。)bと、センサ31bが出力した信号(以下、「向き検出信号」と表記する。)cは、情報処理部40へと送られる。   Specifically, in the example of FIG. 3, the state detection unit 31 includes a sensor 31a that outputs a signal for specifying the degree of opening and closing of the forceps, and a sensor 31b that outputs a signal for specifying the direction of the forceps. It has. A specific example of the sensor 31a is an encoder capable of detecting a rotation angle, and a specific example of the sensor 31b is a triaxial acceleration sensor that detects an inclination with respect to the vertical direction. Further, a signal output from the sensor 31a (hereinafter referred to as “open / closed state detection signal”) b and a signal output from the sensor 31b (hereinafter referred to as “direction detection signal”) c are information processing units. 40.

また、本実施の形態では、図3に示すように、接続部材13は、センサ31aとセンサ31bとを一体化した構造を有している。更に、接続部材13は、鉗子を構成する部材104aにおける部材104bとの連結部分に取り付けられており、センサ31aは、部材104aと部材104bとがなす角度を検出している。また、この場合、センサ31bは、接続部材13が取り付けられている部材104aの先端の向きを、鉗子の向きとして検出している。   Moreover, in this Embodiment, as shown in FIG. 3, the connection member 13 has the structure which integrated the sensor 31a and the sensor 31b. Further, the connecting member 13 is attached to a connecting portion of the member 104a constituting the forceps with the member 104b, and the sensor 31a detects an angle formed by the member 104a and the member 104b. In this case, the sensor 31b detects the direction of the tip of the member 104a to which the connection member 13 is attached as the direction of the forceps.

また、図2に示すように、本実施の形態では、各駆動部11は、プーリ15が軸に取り付けられたモータであり、対応する伝達部材12をプーリ15で巻き取ることによって、対応する伝達部材12に、引っ張り方向の力を与えている。伝達部材12の一端はプーリに固定されている。   Further, as shown in FIG. 2, in the present embodiment, each drive unit 11 is a motor having a pulley 15 attached to a shaft, and the corresponding transmission member 12 is wound around the pulley 15, whereby the corresponding transmission is performed. A force in the pulling direction is applied to the member 12. One end of the transmission member 12 is fixed to a pulley.

更に、筐体50の底面には、伝達部材12毎に、通し穴16が設けられており、各伝達部材12は、通し穴16を経由して、訓練装置10の背面側へと伸びる。なお、各通し穴16の位置は、特に限定されないが、後述するように、触力覚の提示範囲は各通し穴16の位置によって決定される(図8の領域X参照)。よって、各通し穴16の位置は、求められる提示範囲を考慮した上で決定される。   Furthermore, a through hole 16 is provided on the bottom surface of the housing 50 for each transmission member 12, and each transmission member 12 extends to the back side of the training apparatus 10 via the through hole 16. Although the position of each through hole 16 is not particularly limited, as described later, the tactile sense presentation range is determined by the position of each through hole 16 (see region X in FIG. 8). Therefore, the position of each through hole 16 is determined in consideration of the required presentation range.

このように、本実施の形態においては、3本の伝達部材12によって、接続部材13が引っ張られることによって、ユーザ200の指に提示力が提示される(図1参照)。つまり、各駆動部11が伝達部材13に与える引張力の合力によって、触力覚が提示される。   Thus, in this Embodiment, presentation force is shown to the user's 200 finger | toe by pulling the connection member 13 by the three transmission members 12 (refer FIG. 1). That is, the sense of tactile force is presented by the resultant force of the tensile force that each driving unit 11 applies to the transmission member 13.

また、3本の伝達部材12は、センサ31a及び31bと情報処理部40とを接続する配線として用いることもできる。この場合、配線として機能させるため、伝達部材12の内部には、一端がセンサ31a又は31bに接続された導電性の線材が組み込まれる。また、図2においては図示していないが、この導電性の線材の他端は、伝達部材12のプーリ15との固定部分を超えて情報処理部40へと延びている。   Further, the three transmission members 12 can also be used as wirings that connect the sensors 31 a and 31 b and the information processing unit 40. In this case, a conductive wire whose one end is connected to the sensor 31a or 31b is incorporated in the transmission member 12 in order to function as a wiring. Although not shown in FIG. 2, the other end of the conductive wire extends to the information processing unit 40 beyond the portion where the transmission member 12 is fixed to the pulley 15.

また、本実施の形態では、位置検出部30は、駆動部11毎に設けられており、接続部材13の位置を特定するための信号(以下、「位置検出信号」と表記する。)aを、情報処理部40に出力する。具体的には、位置検出部30としては、モータの軸の回転数を検出するエンコーダが挙げられる。この場合、各位置検出部30からは、位置検出信a号として、モータの軸の回転数を特定する信号が出力される。   Further, in the present embodiment, the position detection unit 30 is provided for each drive unit 11, and a signal (hereinafter referred to as “position detection signal”) a for specifying the position of the connection member 13. And output to the information processing unit 40. Specifically, the position detection unit 30 includes an encoder that detects the number of rotations of the shaft of the motor. In this case, each position detection unit 30 outputs a signal specifying the rotational speed of the motor shaft as the position detection signal a.

そして、情報処理部40は、各位置検出部30から出力された位置検出信号aを受け取ると、予め登録されている、伝達部材12の全長、プーリ15の直径、プーリ15から通し穴16までの距離等に基づいて、各伝達部材12の通し穴16から接続部材13までの長さを算出する。また、情報処理部40は、後述するように、算出された各伝達部材12の長さに基づいて、接続部材13の位置、即ち、器具(鉗子)104の位置を特定する。   When the information processing unit 40 receives the position detection signal a output from each position detection unit 30, the pre-registered total length of the transmission member 12, the diameter of the pulley 15, the pulley 15 to the through hole 16 are registered. Based on the distance or the like, the length from the through hole 16 of each transmission member 12 to the connection member 13 is calculated. Further, as will be described later, the information processing unit 40 specifies the position of the connection member 13, that is, the position of the instrument (forceps) 104 based on the calculated length of each transmission member 12.

また、情報処理部40は、状態検出部31として機能するセンサ31a及び31bから、開閉状態検出信号bと、向き検出信号cとを受け取ると、これらの信号に基づいて、器具104の状態として、鉗子の開閉の程度と向きとを特定する。   When the information processing unit 40 receives the open / closed state detection signal b and the orientation detection signal c from the sensors 31a and 31b functioning as the state detection unit 31, the information processing unit 40 sets the state of the instrument 104 based on these signals. Identify the degree and direction of forceps opening and closing.

そして、情報処理部40は、特定した鉗子の位置、開閉の程度、及び向きに対応して、仮想空間内の器具オブジェクト103の位置、開閉の程度、及び向きを変化させる。更に、情報処理部40は、後述するように、この変化の結果、器具オブジェクト103が訓練対象オブジェクト102に接触する等して、これから受ける外力を算出する。   Then, the information processing unit 40 changes the position, the degree of opening / closing, and the direction of the instrument object 103 in the virtual space in accordance with the specified position, degree of opening / closing, and direction of the forceps. Furthermore, as will be described later, the information processing unit 40 calculates an external force to be received from the instrument object 103 as a result of this change, for example, when the instrument object 103 contacts the training target object 102.

また、本実施の形態では、制御部14及び情報処理部40は、それぞれ、マイコン等のコンピュータによって実現されている。また、両者は、それぞれ別々のコンピュータによって実現されていても良いし、同一のコンピュータによって実現されていても良い。   Moreover, in this Embodiment, the control part 14 and the information processing part 40 are each implement | achieved by computers, such as a microcomputer. Moreover, both may be implement | achieved by the respectively separate computer, and may be implement | achieved by the same computer.

このように、本実施の形態では、駆動部11として機能するモータによる力の伝達機構として、紐状の部材(伝達部材12)が用いられる。従って、構成部材の軽量化と、触力覚を提示するための機構の単純化とが図られるので、訓練装置10の小型軽量化及び可搬性の向上が達成される。   Thus, in the present embodiment, a string-like member (transmission member 12) is used as a force transmission mechanism by a motor that functions as the drive unit 11. Therefore, since the weight of the constituent members can be reduced and the mechanism for presenting the tactile force sense can be simplified, the training device 10 can be reduced in size and weight and improved in portability.

また、本実施の形態では、駆動部材12による引張力の伝達方向は、プーリ15及び通し穴16の位置によって、自由に設定できる。更に、伝達部材12の通し穴から接続部材13までの距離は、プーリ15での巻き取り量によって、自由に設定できる。従って、ユーザが器具104を動かすことのできる範囲を大きくできるので、広い範囲での3次元的な触力覚の提示が可能となる。また、伝達部材12として、軽量な紐状の部材が用いられているので、ユーザは、器具104を動かす際に、機械的な抵抗などを感じ難いといえる。   In the present embodiment, the transmission direction of the tensile force by the drive member 12 can be freely set by the positions of the pulley 15 and the through hole 16. Furthermore, the distance from the through hole of the transmission member 12 to the connection member 13 can be freely set by the winding amount of the pulley 15. Therefore, since the range in which the user can move the instrument 104 can be increased, it is possible to present a three-dimensional haptic sense in a wide range. Further, since a light string-like member is used as the transmission member 12, it can be said that the user hardly feels mechanical resistance or the like when moving the instrument 104.

続いて、図4を用いて、訓練装置10でやり取りされるデータについて説明する。図4は、本発明の実施の形態における訓練装置の構成を示すブロック図である。   Next, data exchanged by the training apparatus 10 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of the training apparatus according to the embodiment of the present invention.

図4に示すように、訓練装置10において、情報処理部40は、表示装置20、位置検出部30、状態検出部31(センサ31a、31b)及び制御部14に接続されている。また、制御部14は、駆動部(モータ)11に接続されている。   As shown in FIG. 4, in the training apparatus 10, the information processing unit 40 is connected to the display device 20, the position detection unit 30, the state detection unit 31 (sensors 31 a and 31 b), and the control unit 14. The control unit 14 is connected to a drive unit (motor) 11.

この構成では、ユーザ200(図1参照)が、接続部材13が取り付けられた器具104の位置を変えると、各位置検出部30は、位置検出信号aを情報処理部40に出力する。また、ユーザが、器具104の開閉の程度を変えると、センサ31aは、開閉状態変出信号bを情報処理部40に出力する。更に、ユーザが、器具104の向きを変えると、センサ31bは、向き検出信号cを情報処理部40に出力する。そして、情報処理部40は、各信号を受け取ると、これらの信号に基づいて、器具104の位置、開閉状態、及び向きを特定する。   In this configuration, when the user 200 (see FIG. 1) changes the position of the instrument 104 to which the connection member 13 is attached, each position detection unit 30 outputs a position detection signal a to the information processing unit 40. When the user changes the degree of opening / closing of the instrument 104, the sensor 31 a outputs an open / close state change signal b to the information processing unit 40. Further, when the user changes the orientation of the instrument 104, the sensor 31 b outputs the orientation detection signal c to the information processing unit 40. And the information processing part 40 will specify the position of the instrument 104, an open / closed state, and direction based on these signals, if each signal is received.

また、情報処理部40は、器具104の位置、開閉状態、及び向きを特定すると、特定した内容に応じて、器具オブジェクト103(図1参照)の位置、開閉状態、及び向きを変更する。そして、情報処理部40は、コンテンツデータ41を参照し、器具オブジェクト103と仮想空間内の訓練対象オブジェクト102とを連動させる処理を行ない、その処理内容が反映された表示を行うためのデータ(以下「表示データ」と表記する。)eを表示部20に出力する。表示データeは、画像データを含んでおり、この画像データは、仮想空間の内部を、設定された投影面に投影して得られている。   When the information processing unit 40 specifies the position, open / closed state, and orientation of the instrument 104, the information processing unit 40 changes the position, open / closed state, and orientation of the instrument object 103 (see FIG. 1) according to the specified content. Then, the information processing unit 40 refers to the content data 41, performs a process of linking the instrument object 103 and the training target object 102 in the virtual space, and displays data reflecting the processing content (hereinafter referred to as the data). Indicated as “display data.”) E is output to the display unit 20. The display data e includes image data, and the image data is obtained by projecting the inside of the virtual space onto a set projection plane.

コンテンツデータ41の具体例としては、訓練オブジェクト102及び器具オブジェクトを構築するためのモデリングデータ、各オブジェクトの設定データ、仮想空間を提供するアプリケーションプログラムのデータ等が挙げられる。また、コンテンツデータ41は、訓練装置10に備えられた記憶装置に格納されていても良いし、インターネットで接続された別の機器(コンピュータ)に格納されていても良い。   Specific examples of the content data 41 include modeling data for constructing the training object 102 and the instrument object, setting data for each object, data of an application program that provides a virtual space, and the like. Further, the content data 41 may be stored in a storage device provided in the training apparatus 10 or may be stored in another device (computer) connected via the Internet.

また、情報処理部40は、上述の連動させる処理において、器具オブジェクト103に仮想空間内で発生した力を算出し、算出した力を特定するデータd(以下「提示力特定データd」と表記する。)を、制御部14に出力する。この算出された力は、ユーザオブジェクト102に発生した反発力等であり、ユーザに提示すべき力、即ち、触力覚に相当する。   Further, the information processing unit 40 calculates the force generated in the virtual space on the instrument object 103 in the above-described interlocking process and specifies the calculated force d (hereinafter referred to as “presentation force specifying data d”). Is output to the control unit 14. The calculated force is a repulsive force or the like generated in the user object 102 and corresponds to a force to be presented to the user, that is, a tactile force sense.

制御部14は、提示力特定データdを受け取ると、提示力特定データdによって特定される触力覚がユーザ200に伝達されるように、各駆動部11が出力すべき引張力を算出する。そして、制御部14は、各駆動部11に目的の引張力を発揮させるための制御データgを生成し、これを各駆動部11に出力する。   When the control unit 14 receives the presentation force specifying data d, the control unit 14 calculates the tensile force that each driving unit 11 should output so that the haptic sense specified by the presentation force specifying data d is transmitted to the user 200. And the control part 14 produces | generates the control data g for making each drive part 11 exhibit the target tensile force, and outputs this to each drive part 11. FIG.

具体的には、制御部14は、電源回路(図示せず)を用いて、駆動部11として機能するモータを駆動するためのパルス信号を生成し、これを制御データgとして出力する。これにより、各駆動部(モータ)11は、計算された引張力で伝達部材12を引っ張り、ユーザ200の手には、接続部材13を介して、提示力特定データdによって特定される触力覚が提示される。   Specifically, the control unit 14 generates a pulse signal for driving a motor that functions as the driving unit 11 using a power supply circuit (not shown), and outputs this as control data g. Thereby, each drive part (motor) 11 pulls the transmission member 12 with the calculated tensile force, and the tactile force sensation specified by the presentation force specification data d via the connection member 13 is placed on the hand of the user 200. Is presented.

[装置動作]
次に、本発明の実施の形態における訓練装置10の動作について図5を用いて説明する。図5は、本発明の実施の形態における訓練装置10の動作を示すフロー図である。なお、以下の説明においては、適宜図1〜図4を参酌する。また、本実施の形態では、訓練装置10を動作させることによって、訓練方法が実施される。よって、本実施の形態における訓練方法の説明は、以下の訓練装置10の動作説明に代える。
[Device operation]
Next, operation | movement of the training apparatus 10 in embodiment of this invention is demonstrated using FIG. FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the training apparatus 10 according to the embodiment of the present invention. In the following description, FIGS. 1 to 4 are referred to as appropriate. Moreover, in this Embodiment, the training method is implemented by operating the training apparatus 10. Therefore, the description of the training method in the present embodiment is replaced with the following description of the operation of the training apparatus 10.

最初に、ユーザ200が、訓練装置10の背面側の空間において、表示部20の画面上に表示される訓練対象オブジェクト(人の心臓を模したオブジェクト)102に、外科的処置を行うために、器具104を操作する。具体的には、ユーザ200は、鉗子を用いて、心臓の血管部分を挟んだり、針を掴んで切開箇所を縫ったりといった処置を行う。これにより、図4に示したように、各位置検出部30が位置検出信号aを出力し、センサ31aが開閉状態検出信号bを出力し、センサ31bが向き検出信号cを出力する。そして、情報処理部40は、これらの信号を受け取る。   First, in order for the user 200 to perform a surgical procedure on a training target object (an object simulating a human heart) 102 displayed on the screen of the display unit 20 in the space on the back side of the training apparatus 10, The instrument 104 is operated. Specifically, the user 200 uses a forceps to perform a treatment such as pinching a blood vessel portion of the heart or seizing an incision site by grasping a needle. Thereby, as shown in FIG. 4, each position detection unit 30 outputs a position detection signal a, the sensor 31a outputs an open / closed state detection signal b, and the sensor 31b outputs a direction detection signal c. The information processing unit 40 receives these signals.

次に、図5に示すように、情報処理部40は、出力されてきた各信号に基づいて、器具の位置、開閉状態、及び向きを特定する(ステップS101)。具体的には、情報処理部40は、位置検出信号aに基づいて、各伝達部材12の通し穴16から接続部材13までの長さを算出し、更に、算出された各伝達部材12の長さに基づいて、器具104(接続部材13)の位置を算出する。   Next, as illustrated in FIG. 5, the information processing unit 40 identifies the position, open / closed state, and orientation of the appliance based on the output signals (step S <b> 101). Specifically, the information processing unit 40 calculates the length from the through hole 16 of each transmission member 12 to the connection member 13 based on the position detection signal a, and further calculates the calculated length of each transmission member 12. Based on this, the position of the instrument 104 (connecting member 13) is calculated.

また、情報処理部40は、センサ31aからの開閉状態検出信号bを受け取ると、鉗子を構成する部材104aと部材104bとがなす角度を算出する。更に、情報処理部40は、センサ31bからの向き検出信号cを受け取ると、鉛直方向を基準とした部材104aの傾きを算出する。   Further, when the information processing unit 40 receives the open / closed state detection signal b from the sensor 31a, the information processing unit 40 calculates an angle formed by the members 104a and 104b constituting the forceps. Further, upon receiving the direction detection signal c from the sensor 31b, the information processing section 40 calculates the inclination of the member 104a with respect to the vertical direction.

次に、情報処理部40は、コンテンツデータ41を参照し、訓練対象オブジェクト102に器具オブジェクト103とを連動させる処理(コンテンツ連動処理)を実行する(ステップS102)。また、ステップS102では、情報処理部40は、コンテンツ連動処理の処理内容が反映された表示データeを表示部20出力する。更に、ステップS102では、情報処理部40は、器具オブジェクト103に仮想空間内で発生した力を算出し、算出した力を特定する提示力特定データdを、制御部14に出力する。   Next, the information processing section 40 refers to the content data 41 and executes a process (content interlocking process) for interlocking the training object 102 with the instrument object 103 (step S102). In step S102, the information processing unit 40 outputs display data e reflecting the processing content of the content interlocking process to the display unit 20. Furthermore, in step S <b> 102, the information processing unit 40 calculates the force generated in the virtual space for the appliance object 103 and outputs the presentation force specifying data d for specifying the calculated force to the control unit 14.

次に、制御部14は、情報処理部40から提示力特定データdを受け取ると、提示力特定データdで特定される提示力を提示する上で各駆動部11が出力すべき引張力を算出する(ステップS103)。また、ステップS103では、制御部14は、更に、各駆動部11によって、算出された引張力が発生するように制御データgを生成し、これを各駆動部11に出力する。   Next, when receiving the presentation force specifying data d from the information processing unit 40, the control unit 14 calculates the tensile force that each driving unit 11 should output when presenting the presentation force specified by the presentation force specifying data d. (Step S103). In step S <b> 103, the control unit 14 further generates control data g so that the calculated tensile force is generated by each drive unit 11, and outputs the control data g to each drive unit 11.

ステップS103が実行されると、訓練装置10において、各駆動部11を構成するモータは、出力されてきた制御データgに応じて回転して伝達部材12を引っ張り、接続部材13及び器具104を介して、ユーザ200の手に触力覚を提示する(ステップS104)。   When step S <b> 103 is executed, in the training apparatus 10, the motors constituting each driving unit 11 rotate according to the output control data g to pull the transmission member 12, and the connection member 13 and the instrument 104 are interposed. Then, a tactile force sense is presented to the hand of the user 200 (step S104).

また、表示部20の画面101には、ステップS102で情報処理部40が出力した表示データeに基づいて、コンテンツ連動処理後の仮想空間が表示される(ステップS105)。なお、ステップS104とステップS105とは、同時に実行されても良い。   Further, the virtual space after the content linkage processing is displayed on the screen 101 of the display unit 20 based on the display data e output by the information processing unit 40 in step S102 (step S105). Note that step S104 and step S105 may be executed simultaneously.

また、本実施の形態においては、ステップS101〜S105は、繰り返し実行される。よって、ユーザ200が、例えば、ある位置から別の位置まで器具104を動かした場合は、開始から終了までの間に、ステップS101〜S105は繰り返し実行されるので、その間、ユーザ200は、連続して、触力覚の提示を受けることができる。   In the present embodiment, steps S101 to S105 are repeatedly executed. Therefore, when the user 200 moves the instrument 104 from one position to another position, for example, the steps S101 to S105 are repeatedly executed from the start to the end. Can be presented with tactile sensation.

ここで、図5に示したステップS101〜ステップS103までの各ステップについて、図6〜図9を用いて更に詳細に説明する。   Here, each step from step S101 to step S103 shown in FIG. 5 will be described in more detail with reference to FIGS.

[ステップS101]
まず、図6を用いて、図5に示したステップS101(器具の位置及び状態の検出処理)について説明する。図6は、図5に示したステップS101を説明するための図である。ステップS101の検出処理では、訓練装置10の背面側において、伝達部材12の先端が接続されている接続部材13の位置が、伝達部材12の長さによって特定される。伝達部材12の長さは、位置検出部30によって特定される。
[Step S101]
First, step S101 (processing for detecting the position and state of the instrument) shown in FIG. 5 will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram for explaining step S101 shown in FIG. In the detection process of step S <b> 101, the position of the connection member 13 to which the distal end of the transmission member 12 is connected is specified by the length of the transmission member 12 on the back side of the training apparatus 10. The length of the transmission member 12 is specified by the position detection unit 30.

具体的には、図6に示すように、各伝達部材12の通し穴16から接続部材13までの長さを、それぞれ、l、l、lとし、画面の水平方向において隣り合う通し穴間の間隔をwとし、画面の垂直方向において隣り合う通し穴間の間隔をhとする。この場合、情報処理部40は、l、l、l、w、及びhを用いて、接続部材12の座標(x、y、z)を幾何的に算出する。 Specifically, as shown in FIG. 6, the lengths from the through holes 16 to the connection members 13 of the transmission members 12 are l 1 , l 2 , and l 3 , respectively. The interval between the holes is w, and the interval between the through holes adjacent in the vertical direction of the screen is h. In this case, the information processing unit 40 geometrically calculates the coordinates (x, y, z) of the connecting member 12 using l 1 , l 2 , l 3 , w, and h.

また、上述したように、情報処理部40は、開閉状態検出信号bに基づいて、鉗子を構成する部材104aと部材104bとがなす角度を算出し、更に、向き検出信号cに基づいて、鉛直方向を基準とした部材104aの傾きを算出する。   Further, as described above, the information processing unit 40 calculates the angle formed by the members 104a and 104b constituting the forceps based on the open / closed state detection signal b, and further, based on the direction detection signal c, The inclination of the member 104a with respect to the direction is calculated.

[ステップS102]
次に、図1を参照しながら、図5に示したステップS102(コンテンツ連動処理)について説明する。ステップS102のコンテンツ連動処理では、上述したように、ユーザ200による器具104の操作に応じて、仮想空間内で器具オブジェクト103が動き、更に、仮想空間内の訓練対象オブジェクト102は、器具オブジェクト103に連動する。
[Step S102]
Next, step S102 (content interlocking process) shown in FIG. 5 will be described with reference to FIG. In the content linkage processing in step S102, as described above, the instrument object 103 moves in the virtual space in accordance with the operation of the instrument 104 by the user 200, and the training target object 102 in the virtual space is changed to the instrument object 103. Interlocked.

具体的には、情報処理部40は、器具オブジェクト103の動きに合せて、訓練対象オブジェクト102に変化を与えると共に、仮想空間内の訓練対象オブジェクト102と実空間の器具104とのインタラクション(相互作用)を取る。このとき、情報処理部40は、仮想空間内の物理シミュレータを用いて、器具オブジェクト103と訓練対象オブジェクト102とが接触した際の変化及び接触力をシミュレートする。   Specifically, the information processing unit 40 changes the training target object 102 in accordance with the movement of the instrument object 103, and the interaction (interaction between the training target object 102 in the virtual space and the instrument 104 in the real space. )I take the. At this time, the information processing unit 40 simulates a change and a contact force when the instrument object 103 and the training target object 102 come into contact using a physical simulator in the virtual space.

そして、情報処理部40は、器具オブジェクト103と訓練対象オブジェクト102との仮想空間での物理係数に応じて、両者に生じた反力を計算する。なお、物理係数としては、器具オブジェクト103及び訓練対象オブジェクト102それぞれの、質量、速度、加速度、接触方向、反発係数等が挙げられる。   Then, the information processing unit 40 calculates a reaction force generated in both of the instrument object 103 and the training target object 102 in accordance with physical coefficients in the virtual space. In addition, as a physical coefficient, the mass, speed, acceleration, a contact direction, a restitution coefficient, etc. of the instrument object 103 and each training object 102 are mentioned.

また、この計算された反力のうち、器具オブジェクト103が訓練対象オブジェクト102から受けた反力が、ユーザ200に提示すべき触力覚に相当する(後述の図7及び図8参照)。よって、具オブジェクト103が訓練対象オブジェクト102から受けた反力を「提示力F」とすると、情報処理部40は、提示力Fが提示されるようにするため、提示力Fを特定する提示力特定データdを制御部14に出力する。また、情報処理部40は、器具オブジェクト103及び訓練対象オブジェクト102を表示するための表示データeを、表示装置20に出力する。   Of the calculated reaction forces, the reaction force received by the instrument object 103 from the training target object 102 corresponds to a tactile force sense to be presented to the user 200 (see FIGS. 7 and 8 described later). Accordingly, when the reaction force received by the tool object 103 from the training target object 102 is “presentation force F”, the information processing unit 40 presents the presentation force F to identify the presentation force F so that the presentation force F is presented. The specific data d is output to the control unit 14. Further, the information processing unit 40 outputs display data e for displaying the instrument object 103 and the training target object 102 to the display device 20.

[ステップS103]
次に、図7及び図8を用いて、図5に示したステップS103(引張力の算出処理及び制御データの生成処理)について説明する。
[Step S103]
Next, step S103 (a tensile force calculation process and a control data generation process) illustrated in FIG. 5 will be described with reference to FIGS.

図7は、図5に示したステップS103を説明するための図である。図7に示すように、目的の提示力Fを提示するために必要となる各伝達部材12の引張力を、それぞれ、τ、τ、τとすると、提示力Fは、基本的には、引張力τ、τ、及びτの合力に相当する。 FIG. 7 is a diagram for explaining step S103 shown in FIG. As shown in FIG. 7, when the tensile force of each transmission member 12 required to present the desired presentation force F is τ 1 , τ 2 , and τ 3 , respectively, the presentation force F is basically Corresponds to the resultant force of the tensile forces τ 1 , τ 2 , and τ 3 .

そして、提示力Fが、外部から訓練装置10に向かう方向の力である場合には、提示力Fの方向は、引張力τ〜τの合力の方向と一致する。しかし、図7に示すように、提示力Fが訓練装置10から離れる方向の力である場合には、伝達部材12は、紐状の部材であり、訓練装置10側へと引っ張る方向の力しか伝達できないため、触力覚の提示ができなくなる可能性がある。 When the presentation force F is a force in a direction from the outside toward the training device 10, the direction of the presentation force F matches the direction of the resultant force of the tensile forces τ 1 to τ 3 . However, as shown in FIG. 7, when the presentation force F is a force in a direction away from the training device 10, the transmission member 12 is a string-like member, and only a force in a direction of pulling toward the training device 10 side is available. Since it cannot be transmitted, there is a possibility that the haptic sense cannot be presented.

そのため、本実施の形態では、制御部14は、上述したように、触力覚を提示しない場合において、予め、接続部材13に一定の力を常に初期力Fとして提示する。そして、制御部14は、提示力Fが、訓練装置10から離れる方向の力である場合は、初期力Fを緩めることにより、訓練装置10から離れる方向への触力覚を提示している。 Therefore, in the present embodiment, as described above, the control unit 14 always presents a constant force as the initial force F 0 in advance to the connection member 13 when the tactile force sense is not presented. Then, when the presentation force F is a force in a direction away from the training device 10, the control unit 14 presents a tactile force sense in a direction away from the training device 10 by loosening the initial force F 0 . .

一般に、ヒトの触感覚には、その時間特性として、順応と呼ばれる現象がある。順応は、ヒトに一定の刺激を提示し続けると、刺激に対する感度が低下する現象である。つまり、ヒトの皮膚は、圧力に対してきわめて順応しやすく、指輪及び腕時計を装着した場合、その装着感は失われやすい。   In general, human tactile sensation has a phenomenon called adaptation as its time characteristic. Adaptation is a phenomenon in which sensitivity to a stimulus decreases when a constant stimulus continues to be presented to a human. That is, human skin is very adaptable to pressure, and when a ring and a wristwatch are worn, the feeling of wearing is easily lost.

また、重力に対しても同様であり、ヒトは、普段、その力を意識することはない。例えば、電車に乗っている際の加速時又は減速時において、ヒトには、その慣性力と重力との合力が力として加わっているが、電車に乗っているヒトは、合力を感じず、移動方向への慣性力のみを感じる。   The same is true for gravity, and humans are not usually aware of their power. For example, when accelerating or decelerating while riding a train, the human being is applied with the resultant force of inertia and gravity as a force, but the human being on the train does not feel the resultant force and moves Feel only the inertial force in the direction.

このように、本実施の形態では、ヒトの順応性が利用され、初期力Fを増加又は減少させることによって、訓練装置10に向かう方向の触力覚と離れる方向の触力覚との提示が可能となっている。 As described above, in this embodiment, human adaptability is used, and by increasing or decreasing the initial force F 0 , presentation of a tactile force sense in the direction toward the training device 10 and a tactile force sense in a direction away from the training apparatus 10 is performed. Is possible.

続いて、図8を用いて、伝達部材12に与える引張力τ〜τの算出処理について具体的に説明する。図8(a)は、引張力の算出処理を説明するための図であり、図8(b)は、引張力の算出処理に用いられる座標軸を示す図である。 Subsequently, the calculation process of the tensile forces τ 1 to τ 3 applied to the transmission member 12 will be specifically described with reference to FIG. FIG. 8A is a diagram for explaining a tensile force calculation process, and FIG. 8B is a diagram illustrating coordinate axes used for the tensile force calculation process.

図8(a)及び(b)において、引張力τ〜τは、初期力Fを発生させるために必要となる引張力を除いた引張力であり、初期力Fに対して加算又は減算させる引張力である。また、図8(a)及び(b)において、座標軸の原点は、各伝達部材12の先端の位置とする。更に、x軸は画面の水平方向に平行な軸、y軸は画面の垂直方向に平行な軸、z軸は画面の法線に平行な軸とする。図8(b)において、単位ベクトルrの座標を、(r,ψ,θ)とする。この場合、引張力τ〜τは、目的の提示力を発揮するためには、下記の数1の関係を満たす必要がある。 In FIG. 8 (a) and (b), tensile force τ 13 is a tensile force, except a tensile force required to generate the initial force F 0, added to the initial force F 0 Or the pulling force to be subtracted. 8A and 8B, the origin of the coordinate axes is the position of the tip of each transmission member 12. Furthermore, the x axis is an axis parallel to the horizontal direction of the screen, the y axis is an axis parallel to the vertical direction of the screen, and the z axis is an axis parallel to the normal line of the screen. In FIG. 8B, the coordinates of the unit vector r are (r, ψ i , θ i ). In this case, the tensile forces τ 1 to τ 3 need to satisfy the relationship of the following formula 1 in order to exhibit the desired presentation force.

Figure 2015118323
Figure 2015118323

また、上記数1において、伝達部材12の引張力τ〜τはスカラー量であり、引張力τ〜τの方向ベクトルΦは、数2によって表わされる。 In the above formula 1, the tensile forces τ 1 to τ 3 of the transmission member 12 are scalar quantities, and the direction vector Φ i of the tensile forces τ 1 to τ 3 is expressed by the formula 2.

Figure 2015118323
Figure 2015118323

制御部14は、上記数1及び数2を用いることで、引張力τ〜τを算出することができる。また、上記数1に示すように、目的の提示力Fは、各伝達部材12の引張力から初期力Fを減算することによって得られている。このため、提示力Fが、訓練装置10から離れる方向(−z方向)の、初期力Fを超える力でない限りは、訓練装置10から離れる方向(−z方向)においても触力覚の提示が可能となる。 The control unit 14 can calculate the tensile forces τ 1 to τ 3 by using the above formulas 1 and 2. Further, as shown in Equation 1, the target presentation force F is obtained by subtracting the initial force F 0 from the tensile force of each transmission member 12. For this reason, unless the presentation force F is a force exceeding the initial force F 0 in the direction away from the training device 10 (−z direction), the tactile force sense is presented even in the direction away from the training device 10 (−z direction). Is possible.

なお、各伝達部材12の引張力の条件として、引張力τ、τ、τは、引っ張る方向にしか力を提示できないため、これらは必ず正の値をとる。また、各引張力の最低値をτminとした場合は、下記の数3が成立する。 Note that the tensile forces τ 1 , τ 2 , and τ 3 as the conditions of the tensile force of each transmission member 12 can only present a force in the pulling direction, and therefore always take positive values. Further, when the minimum value of each tensile force is τ min , the following formula 3 is established.

Figure 2015118323
Figure 2015118323

ところで、伝達部材12は、引っ張り方向の力しか伝達できないため、引張力τ、τ、τの合力によって、提示すべき触力覚を提示できない状況が発生することがある(図9参照)。具体的には、接続部材13が、画面の法線に平行な方向(z軸方向)において、隣接する通し穴16を直線で結んで得られる領域(図9の領域X参照)と重ならない位置にある場合は、上記数1では、目的の提示力Fを算出できなくなる可能性がある。このような場合、本実施の形態では、制御部14は、提示すべき触力覚(提示力F)を設定し直し、設定し直した提示力Frが提示されるように、初期力Fを増加又は減少させる。以下に、上記再設定処理について具体的に説明する。 By the way, since the transmission member 12 can transmit only the force in the pulling direction, there may occur a situation where the tactile force sense to be presented cannot be presented due to the resultant force of the tensile forces τ 1 , τ 2 , τ 3 (see FIG. 9). ). Specifically, the position where the connecting member 13 does not overlap with a region (see region X in FIG. 9) obtained by connecting adjacent through holes 16 with a straight line in a direction parallel to the normal line of the screen (z-axis direction). In the case of the above, there is a possibility that the target presentation force F cannot be calculated in the above formula 1. In such a case, in the present embodiment, the control unit 14 resets the haptic force (presentation force F) to be presented, and the initial force F 0 is presented so that the reset presentation force Fr is presented. Increase or decrease. The resetting process will be specifically described below.

図9は、提示力の再設定処理を説明するための図である。図9に示すように、例えば、接続部材13の位置(x、y、z)が、隣接する通し穴16を直線で結んで得られる領域Xとz軸方向において重ならない位置にある場合を想定する。   FIG. 9 is a diagram for explaining the presentation power resetting process. As shown in FIG. 9, for example, it is assumed that the position (x, y, z) of the connecting member 13 is in a position that does not overlap in the z-axis direction with a region X obtained by connecting adjacent through holes 16 with a straight line. To do.

図9に示す場合において、提示力FのX軸方向の成分が正でない限り、各伝達部材12の張力をどのように設定しても、上記数1及び数2によって提示力Fを算出することは不可能である。一方、このような状況であっても、ユーザは、器具104を領域Xとz軸方向において重なる位置に移動させることはできる。従って、制御部14は、このような場合において、上記数1及び数2によって、引張力τ、τ、τを算出できるように、提示力Frを再設定する。 In the case shown in FIG. 9, as long as the tension of each transmission member 12 is set as long as the component of the presentation force F in the X-axis direction is not positive, the presentation force F is calculated by the above formulas 1 and 2. Is impossible. On the other hand, even in such a situation, the user can move the instrument 104 to a position overlapping the region X in the z-axis direction. Therefore, in such a case, the control unit 14 resets the presentation force Fr so that the tensile forces τ 1 , τ 2 , and τ 3 can be calculated by the above formulas 1 and 2.

図9の例では、実際に、引張力τ、τ、及びτによって引っ張りたい方向は、提示力Fと初期力Fとの合力の方向である。しかし、この方向は、各伝達部材12の合力によって引っ張ることができる方向ではない。このため、制御部14は、提示力Fと初期力Fとの合力に最も近い力を、新たな提示力Frとして再設定する。 In the example of FIG. 9, the direction in which the tensile forces τ 1 , τ 2 , and τ 3 are actually desired to be pulled is the resultant force direction of the presentation force F and the initial force F 0 . However, this direction is not a direction that can be pulled by the resultant force of each transmission member 12. Therefore, the control unit 14, the closest force resultant force of the presentation force F and the initial force F 0, is re-set as the new presentation force Fr.

図9の例では、引張力τと引張力τとで発生させる提示力Frが、元の提示力Fと初期力Fとの合力に近くなる。そこで、制御部14は、引張力τと引張力τとを発生させる2本の伝達部材12によって作られる面に、元の提示力Fと初期力Fとの合力を回転射影することで、新しい提示力Frを再設定する。 In the example of FIG. 9, the presentation force Fr generated by the tensile force τ 1 and the tensile force τ 2 is close to the resultant force of the original presentation force F and the initial force F 0 . Therefore, the control unit 14 rotationally projects the resultant force of the original presentation force F and the initial force F 0 on the surface created by the two transmission members 12 that generate the tensile force τ 1 and the tensile force τ 2. Then, the new presentation force Fr is reset.

具体的には、引張力τと引張力τとを発生させる2本の伝達部材12によって作られる面への射影ベクトルVは、下記の数4によって表すことができる。下記の数4において変数「a」は、図9に示すように、回転射影を行なった場合の回転角度ωを最も小さくする位置、即ち、領域Xの画面の垂直方向における辺上の位置を割合で表わしている(0<a<1)。また、Φは通し穴16を基準にしたτの方向ベクトルである。Φは通し穴16を基準にしたτの方向ベクトルである。Φ及びΦは、上述の数2から求められる。 Specifically, the projection vector V onto the surface created by the two transmission members 12 that generate the tensile force τ 1 and the tensile force τ 2 can be expressed by the following equation (4). As shown in FIG. 9, the variable “a” in the following equation 4 represents the position at which the rotation angle ω is minimized when the rotation projection is performed, that is, the position on the side in the vertical direction of the screen of the region X. (0 <a <1). Φ 1 is a direction vector of τ 1 with reference to the through hole 16. Φ 2 is a direction vector of τ 2 with respect to the through hole 16. Φ 1 and Φ 2 are obtained from the above-mentioned formula 2.

Figure 2015118323
Figure 2015118323

従って、制御部14は、下記数5を用いて、射影ベクトルVと元の提示力F及び初期力Fの合力との内積を、最も小さくする射影ベクトルを算出する。そして、制御部15は、算出した射影ベクトルを、下記の数6に適用して、新たな提示力Frを算出する。その後、制御部15は、新たな提示力Frを用いて、各伝達部材12の引張力τ、τ、τを算出し、これらが発生するように制御データgを生成し、各駆動部11に出力する。 Accordingly, the control unit 14 uses the following equation 5, the inner product of the resultant force of the projection vector V and the original presentation force F and the initial force F 0, calculates a projection vector be minimized. Then, the control unit 15 calculates a new presentation force Fr by applying the calculated projection vector to the following Expression 6. Thereafter, the control unit 15 calculates the tensile forces τ 1 , τ 2 , τ 3 of each transmission member 12 using the new presentation force Fr, generates control data g so that these are generated, and drives each drive To the unit 11.

Figure 2015118323
Figure 2015118323

Figure 2015118323
Figure 2015118323

[実施の形態における変形例]
上述した例では、伝達部材12は三本であるが、本実施の形態では、伝達部材12の数は特に限定されるものではない。伝達部材12の数は、訓練装置10を大型化させない範囲で設定されていれば良い。
[Modifications in Embodiment]
In the example described above, the number of transmission members 12 is three, but in the present embodiment, the number of transmission members 12 is not particularly limited. The number of the transmission members 12 should just be set in the range which does not enlarge the training apparatus 10. FIG.

上述した例では、駆動部11としてモータが用いられているが、本実施の形態では、駆動部はモータに限定されない。駆動部11は、駆動部材を引っ張ることが可能なアクチュエータであれば良く、駆動部11としては、他に、伸張動作を行なう人工筋肉アクチュエータ、繊維状の形状記憶合金アクチュエータ、などが挙げられる。   In the example described above, a motor is used as the drive unit 11. However, in the present embodiment, the drive unit is not limited to a motor. The drive unit 11 may be an actuator that can pull the drive member. Examples of the drive unit 11 include an artificial muscle actuator that performs an extension operation, and a fibrous shape memory alloy actuator.

また、上述した例では、位置検出部30として、伝達部材の長さを特定するエンコーダが用いられているが、本実施の形態では、位置検出部30は、エンコーダ以外であっても良い。例えば、位置検出部30としては、訓練装置10の背面に設置されたカメラを用いることができる。この場合は、接続部材13の位置が光学的に検出される。また、位置検出部30として、訓練装置10の背面に設置された磁気センサを用いることもできる。この場合は、磁気を発する材料で接続部材13を形成することによって、接続部材13の位置検出が可能となる。   Moreover, in the example mentioned above, the encoder which specifies the length of a transmission member is used as the position detection part 30, However, In this Embodiment, the position detection part 30 may be other than an encoder. For example, as the position detection unit 30, a camera installed on the back surface of the training apparatus 10 can be used. In this case, the position of the connection member 13 is optically detected. Further, a magnetic sensor installed on the back surface of the training apparatus 10 can be used as the position detection unit 30. In this case, the position of the connection member 13 can be detected by forming the connection member 13 from a material that generates magnetism.

また、上述した例では、図5に示したように、伝達部材12を引張し始める位置である通し穴16の位置は、縦方向をh、横方向をwとした直角三角形の頂点位置に設定されているが、本実施の形態において、通し穴16の位置は特に限定されるものではない。また、全ての通し穴は、同一平面内に配置されていなくても良い。通し穴16の位置は、訓練装置10の厚みが許す範囲で適宜設定される。   Further, in the above-described example, as shown in FIG. 5, the position of the through hole 16, which is the position where the transmission member 12 starts to be pulled, is set at the apex position of a right triangle with the vertical direction being h and the horizontal direction being w. However, in the present embodiment, the position of the through hole 16 is not particularly limited. Further, all the through holes may not be arranged in the same plane. The position of the through hole 16 is appropriately set within the range allowed by the thickness of the training device 10.

更に、上述した例では、訓練装置10は、駆動部11及び伝達部材12等で構成された機構部分を、既存の情報端末に後付けすることによって構成されていても良い。この場合、訓練装置10の製造コストの低減を図ることが容易となる。   Furthermore, in the above-described example, the training apparatus 10 may be configured by retrofitting an existing information terminal with a mechanism portion configured by the drive unit 11, the transmission member 12, and the like. In this case, it becomes easy to reduce the manufacturing cost of the training apparatus 10.

また、上述した例では、訓練装置10の背面側を操作空間にして、触力覚が提示されているが、本実施の形態では、訓練装置10の画面側の空間が操作空間となっていても良い。但し、この場合は、初期力Fの方向は、z軸において負の方向となる(図7参照)。 In the example described above, the tactile sensation is presented with the back side of the training device 10 as the operation space. However, in this embodiment, the space on the screen side of the training device 10 is the operation space. Also good. However, in this case, the direction of the initial force F 0 is a negative direction in the z-axis (see FIG. 7).

上述した例では、触力覚提示装置は、タブレット状の情報端末に適用されているが、本実施の形態は、これに限定されるものではない。例えば、触力覚提示装置は、ユーザの顔面に装着されるヘッドマウントディスプレイに組み込まれていても良い。この場合、ユーザは、ヘッドマウントディスプレイ内側の表示パネルに映し出されているコンテンツを見ながら、ヘッドマウントディスプレイの前方で、接続部材を装着した指を動かすことで、触った感覚を感じることができる。   In the example described above, the haptic sense presentation device is applied to a tablet information terminal, but the present embodiment is not limited to this. For example, the tactile sensation presentation device may be incorporated in a head-mounted display attached to the user's face. In this case, the user can feel the touch feeling by moving the finger wearing the connection member in front of the head mounted display while viewing the content displayed on the display panel inside the head mounted display.

また、図10は、本発明の実施の形態における情報端末の他の例を示す斜視図である。図10に示すように、本実施の形態では、訓練装置10を構成している筐体には、接続部材13を収容するための凹部18と、伝達部材12を収容するための溝19とが形成されているのが好ましい。図10に示す態様とした場合は、ユーザにおいて、訓練装置10の持ち運びが容易なものとなる。   FIG. 10 is a perspective view showing another example of the information terminal in the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10, in the present embodiment, the housing constituting the training apparatus 10 includes a recess 18 for housing the connection member 13 and a groove 19 for housing the transmission member 12. Preferably it is formed. In the case shown in FIG. 10, the user can easily carry the training apparatus 10.

上述の例では、器具104として鉗子が用いられる場合について説明したが、本実施の形態において器具104は特に限定されることはない。例えば、器具104として、同じく外科手術に用いられる、メス、ピンセット、ハサミ等が利用されても良い。但し、器具104として、メスが利用される場合は、メスの向きのみを特定できれば良いため、状態検出部31は、3軸加速度センサ等のセンサ31bのみを備えていれば良い。   In the above example, the case where forceps are used as the instrument 104 has been described, but the instrument 104 is not particularly limited in the present embodiment. For example, as the instrument 104, a scalpel, tweezers, scissors, etc., which are also used in a surgical operation, may be used. However, when a scalpel is used as the instrument 104, it is sufficient that only the direction of the scalpel can be specified. Therefore, the state detection unit 31 only needs to include the sensor 31b such as a triaxial acceleration sensor.

また、本実施の形態では、訓練装置10は、複数の接続部材13を備えていても良い。この場合、各接続部材13は、別々の器具104に取り付けられ、更に、互いに異なる伝達部材12に接続されることになる。また、接続部材13の数が増加すると、これに伴い、駆動部11、位置検出部30、及び状態検出部31も増設される。そして、制御部14は、接続部材13毎に、それが接続された伝達部材12を介して、それに対応する駆動部11によって、引張方向の力を与え、それによって、ユーザに触力覚を伝達する。   In the present embodiment, the training device 10 may include a plurality of connection members 13. In this case, each connection member 13 is attached to a separate instrument 104 and further connected to different transmission members 12. Further, when the number of connection members 13 increases, the drive unit 11, the position detection unit 30, and the state detection unit 31 are additionally provided. And the control part 14 gives the force of a tension | pulling direction by the drive part 11 corresponding to it for every connection member 13 via the transmission member 12 to which it is connected, and thereby transmits a tactile force sense to a user. To do.

具体的には、2つの接続部材12が備えられ、各接続部材12が別々の鉗子に接続されている例が挙げられる。この場合、ユーザは、右手及び左手それぞれで2つの鉗子を操作しながら、両方の手に触力覚を感じることができる。また、この場合、接続部材13毎に3本の伝達部材12が必要となるので、訓練装置10には、6つの駆動部11と、6つの位置検出部30とが搭載される。また、接続部材13毎に、状態検出部31として機能するセンサ31a及び31bも搭載される。   Specifically, an example in which two connection members 12 are provided and each connection member 12 is connected to a separate forceps can be given. In this case, the user can feel tactile sensation in both hands while operating the two forceps with each of the right hand and the left hand. In this case, since three transmission members 12 are required for each connection member 13, six driving units 11 and six position detection units 30 are mounted on the training device 10. In addition, sensors 31 a and 31 b that function as the state detection unit 31 are also mounted for each connection member 13.

[他の適用例]
また、本実施の形態において、訓練装置10は、外科手術の分野以外の分野においても適用可能である。訓練装置10は、器具を用いた技能を訓練によって取得する必要がある分野であれば、特に限定なく、適用可能である。
[Other application examples]
Moreover, in this Embodiment, the training apparatus 10 is applicable also in fields other than the field of surgery. The training device 10 can be applied without particular limitation as long as it is a field where it is necessary to acquire a skill using an instrument by training.

例えば、訓練装置10は、歯の治療における技能の取得に利用することができる。この場合、例えば、ユーザは、実際の歯を削っている際の感覚を体験することができる。また、訓練装置10は、機械のメンテナンス及び組み立てにおける技能の取得にも利用することができる。この場合、例えば、ユーザは、ねじ又はボルトを適切なトルクで締め付ける感覚を体験することができる。   For example, the training device 10 can be used to acquire skills in dental treatment. In this case, for example, the user can experience the sensation when the actual tooth is being shaved. The training device 10 can also be used to acquire skills in machine maintenance and assembly. In this case, for example, the user can experience a feeling of tightening a screw or a bolt with an appropriate torque.

[プログラム]
本実施の形態におけるプログラムは、コンピュータに、図5に示すステップS101〜S105を実行させるプログラムであれば良い。このプログラムをコンピュータにインストールし、実行することによって、本実施の形態における訓練装置10と訓練方法とを実現することができる。この場合、コンピュータのCPU(Central Processing Unit)は、制御部14及び制御部40として機能し、処理を行なう。
[program]
The program in the present embodiment may be a program that causes a computer to execute steps S101 to S105 shown in FIG. By installing and executing this program on a computer, the training apparatus 10 and the training method in the present embodiment can be realized. In this case, a CPU (Central Processing Unit) of the computer functions as the control unit 14 and the control unit 40 and performs processing.

また、訓練装置10を実現可能なコンピュータは、特に限定されず、上述したマイコンであっても良いし、汎用のパーソナルコンピュータであっても良い。更に、訓練装置10を実現可能なコンピュータは、携帯電話、スマートフォン、又はタブレット型の情報端末に備えられているコンピュータであっても良い。   Moreover, the computer which can implement | achieve the training apparatus 10 is not specifically limited, The microcomputer mentioned above may be sufficient and a general purpose personal computer may be sufficient. Furthermore, the computer which can implement | achieve the training apparatus 10 may be a computer with which the mobile phone, the smart phone, or the tablet-type information terminal is equipped.

また、本実施の形態におけるプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録された状態で提供されても良いし、インターネット介して送信されても良い。なお、記録媒体の具体例としては、CF(Compact Flash)及びSD(Secure Digital)等の汎用的な半導体記憶デバイス、フレキシブルディスク(Flexible Disk)等の磁気記憶媒体、又はCD−ROM(Compact Disk Read Only Memory)などの光学記憶媒体が挙げられる。   In addition, the program in the present embodiment may be provided in a state of being recorded on a computer-readable recording medium, or may be transmitted via the Internet. Specific examples of the recording medium include general-purpose semiconductor storage devices such as CF (Compact Flash) and SD (Secure Digital), magnetic storage media such as a flexible disk, or CD-ROM (Compact Disk Read). An optical storage medium such as “Only Memory”.

[実施の形態における効果]
以上のように、本実施の形態では、ユーザは、画面上で訓練対象を模した訓練対象オブジェクトを見ながら、背面側の空間で、器具を動かすと、器具オブジェクトが訓練対象オブジェクトに与える変化に応じた触力覚を感じることができる(図1参照)。このため、本実施の形態によれば、大掛かりな構成を必要とせずに技能の訓練を実現することができる。
[Effects of the embodiment]
As described above, in this embodiment, when the user moves the instrument in the space on the back side while looking at the training target object imitating the training target on the screen, the change that the instrument object gives to the training target object A sense of touch can be felt (see FIG. 1). For this reason, according to the present embodiment, skill training can be realized without requiring a large-scale configuration.

また、本実施の形態では、触力覚の発生は、ヒトの知覚特性を考慮して行なわれているため、発生した触力覚は、ユーザにとって違和感のないものとなる。更に、伝達部材の長さを確保することで、ユーザは器具を大きく動かすことができ、この点からも、触力覚は、ユーザにとって違和感のないものとなる。   Further, in the present embodiment, the generation of the haptic sensation is performed in consideration of human perceptual characteristics, so that the generated haptic sensation is not uncomfortable for the user. Furthermore, by ensuring the length of the transmission member, the user can move the instrument greatly, and from this point of view, the sense of touch is not uncomfortable for the user.

また、伝達部材として紐状の部材を用いた場合は、訓練装置の複雑化を抑制できるので、特に、装置の小型化及び軽量化を促進できる。更に、モータ等を空間的に配置する必要がないので、携帯型の情報端末によって訓練装置を実現することも可能となる。   Further, when a string-like member is used as the transmission member, it is possible to suppress complication of the training apparatus, and in particular, it is possible to promote downsizing and weight reduction of the apparatus. Furthermore, since it is not necessary to arrange a motor etc. spatially, it becomes possible to implement | achieve a training apparatus with a portable information terminal.

以上のように、本発明によれば、可搬性を向上でき、且つ、大掛かりな構成を必要とせずに、器具を用いた技能の訓練を実現することができる。本発明は、器具を用いた技能の取得が必要な各種分野に有用である。   As described above, according to the present invention, it is possible to improve portability and realize skill training using an instrument without requiring a large-scale configuration. The present invention is useful in various fields that require skill acquisition using an instrument.

10 訓練装置
11 駆動部
12 伝達部材
13 接続部材
14 制御部
15 プーリ
16 通し穴
18 スイッチ収納用の凹部
19 伝達部材収納用の凹部
20 表示部
30 位置検出部
31 状態検出部
40 情報処理部
50 カバー
51 筐体
101 画面
102 訓練対象オブジェクト
103 器具オブジェクト
200 ユーザ
a 位置検出信号
b 開閉状態検出信号
c 向き検出信号
d 提示力特定データ
g 制御データ
e 表示データ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Training apparatus 11 Drive part 12 Transmission member 13 Connection member 14 Control part 15 Pulley 16 Through hole 18 Concave part for switch accommodation 19 Concave part for transmission member accommodation 20 Display part 30 Position detection part 31 State detection part 40 Information processing part 50 Cover 51 Housing 101 Screen 102 Training object 103 Instrument object 200 User a Position detection signal b Open / close state detection signal c Direction detection signal d Presenting force specification data g Control data e Display data

Claims (8)

ユーザにおける器具を用いた技能の取得を支援するための訓練装置であって、
仮想空間内に配置された、訓練対象を模した訓練対象オブジェクトと、前記器具を模した器具オブジェクトとを、画面上に表示させる、表示部と、
ユーザが保持する前記器具の位置を検出する、位置検出部と、
ユーザが保持する前記器具の状態を検出する、状態検出部と、
検出された前記位置及び前記状態に対応して前記器具オブジェクトの位置及び状態を変化させ、この変化によって前記器具オブジェクトが前記訓練対象オブジェクトから受ける外力を算出する情報処理部と、
前記器具に取り付けられる接続部材と、
当該訓練装置から、前記接続部材へと伸びて、前記接続部材を介して、前記器具に引っ張り方向の力を伝達する伝達部材と、
前記引っ張り方向の力を発生させ、それを前記伝達部材に与える駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、予め、前記駆動部に、設定された大きさの前記引っ張り方向の力を初期力として発生させておき、前記情報処理部によって算出された前記外力が、触力覚として、前記接続部材及び前記器具を介して前記ユーザに伝達されるように、前記初期力を増加又は減少させる、
ことを特徴とする訓練装置。
A training device for assisting a user in acquiring skills using an instrument,
A display unit configured to display on a screen a training target object imitating a training target and an instrument object imitating the instrument, arranged in a virtual space;
A position detector for detecting the position of the instrument held by the user;
A state detection unit that detects a state of the instrument held by the user;
An information processing unit that changes the position and state of the instrument object corresponding to the detected position and state, and calculates an external force that the instrument object receives from the training target object due to the change,
A connecting member attached to the instrument;
A transmission member that extends from the training device to the connection member and transmits a force in the pulling direction to the instrument through the connection member;
A drive unit that generates a force in the pulling direction and applies the force to the transmission member;
A control unit for controlling the drive unit,
The control unit causes the driving unit to generate a force in the pulling direction having a set size as an initial force in advance, and the external force calculated by the information processing unit is used as the tactile force sense. Increasing or decreasing the initial force to be transmitted to the user via a connecting member and the instrument;
A training device characterized by that.
筐体と、複数の前記伝達部材と、複数の前記伝達部材それぞれに対応した複数の前記駆動部と、を更に備え、
複数の前記伝達部材それぞれは、前記筐体の背面側における異なる位置から前記接続部材へと伸びる紐状の部材であり、
複数の前記駆動部は、ぞれぞれ、前記筐体の内部に配置され、対応する前記伝達部材を巻き取ることによって、対応する前記伝達部材に、前記引っ張り方向の力を与え、
前記制御部は、複数の駆動部それぞれが前記伝達部材に与える前記引っ張り方向の力の合力を、前記触力覚として、前記ユーザに伝達する、
請求項1に記載の訓練装置。
A housing, a plurality of the transmission members, and a plurality of the drive units corresponding to the plurality of the transmission members, respectively.
Each of the plurality of transmission members is a string-like member extending from a different position on the back side of the housing to the connection member,
Each of the plurality of driving units is disposed inside the housing and winds up the corresponding transmission member to apply a force in the pulling direction to the corresponding transmission member.
The control unit transmits a resultant force of the force in the pulling direction that each of a plurality of driving units gives to the transmission member as the tactile force sense to the user.
The training device according to claim 1.
前記状態検出部が、前記接続部材に設けられ、且つ、前記器具の状態に合せて信号を出力するセンサを有し、
前記情報処理部が、前記センサが出力した前記信号に基づいて、前記器具の状態を特定し、特定した状態を用いて、前記外力を算出する、
請求項1または2に記載の訓練装置。
The state detection unit includes a sensor that is provided on the connection member and outputs a signal in accordance with the state of the instrument,
The information processing unit specifies the state of the appliance based on the signal output from the sensor, and calculates the external force using the specified state.
The training device according to claim 1 or 2.
前記器具が、外科手術に用いられる器具であり、前記訓練対象が、人体の全部又は一部である、請求項1〜3のいずれかに記載の訓練装置。   The training apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the instrument is an instrument used in a surgical operation, and the training target is all or a part of a human body. 前記器具が、外科手術に用いられる鉗子であり、
前記訓練対象が、人体の全部又は一部であり、
前記状態検出部が、前記センサとして、前記鉗子の開閉の程度を特定するための信号を出力する第1のセンサと、前記鉗子の向きを特定するための信号を出力する第2のセンサとを有し、
前記情報処理部が、前記第1のセンサが出力した信号と、前記第2のセンサが出力した信号とに基づいて、前記器具の状態として、前記鉗子の開閉の程度と向きとを特定する、
請求項3に記載の訓練装置。
The instrument is a forceps used in surgery;
The training object is all or part of the human body,
The state detection unit, as the sensor, includes a first sensor that outputs a signal for specifying the degree of opening and closing of the forceps, and a second sensor that outputs a signal for specifying the direction of the forceps. Have
The information processing unit specifies the opening and closing degree and direction of the forceps as the state of the instrument based on the signal output by the first sensor and the signal output by the second sensor.
The training device according to claim 3.
複数の前記接続部材を更に備え、
複数の前記接続部材は、それぞれ、別々の前記器具に取り付けられ、且つ、互いに異なる前記伝達部材に接続され、
前記制御部は、複数の前記接続部材それぞれ毎に、当該接続部材が接続された前記伝達部材を介して、それに対応する前記駆動部によって、前記引張方向の力を与え、それによって、前記ユーザに前記触力覚を伝達する、
請求項1〜5のいずれかに記載の訓練装置。
A plurality of connecting members;
The plurality of connection members are each attached to a separate instrument and connected to the transmission members different from each other,
The control unit applies a force in the tension direction by the driving unit corresponding to each of the plurality of connection members via the transmission member to which the connection member is connected, thereby providing the user with the force. Transmitting the haptic sense,
The training device according to any one of claims 1 to 5.
ユーザにおける器具を用いた技能の取得を支援するための方法であって、
仮想空間内に配置された、訓練対象を模した訓練対象オブジェクトと、前記器具を模した器具オブジェクトとを、画面上に表示させる、表示部と、ユーザが保持する前記器具の位置を検出する、位置検出部と、ユーザが保持する前記器具の状態を検出する、状態検出部と、前記器具に取り付けられる接続部材と、前記接続部材へと伸びて、前記接続部材を介して、前記器具に引っ張り方向の力を伝達する伝達部材と、前記引っ張り方向の力を発生させ、それを前記伝達部材に与える駆動部と、を備える、訓練装置を用い、
(a)検出された前記位置及び前記状態に対応して前記器具オブジェクトの位置及び状態を変化させ、この変化によって前記器具オブジェクトが前記訓練対象オブジェクトから受ける外力を算出する、ステップと、
(b)予め、前記駆動部に、設定された大きさの前記引っ張り方向の力を初期力として発生させる、ステップと、
(c)前記(a)のステップによって算出された前記外力が、触力覚として、前記接続部材及び前記器具を介して前記ユーザに伝達されるように、前記初期力を増加又は減少させる、ステップと、
を有することを特徴とする訓練方法。
A method for assisting a user in acquiring skills using an instrument,
A training unit object that simulates a training target and an instrument object that simulates the instrument, which are arranged in a virtual space, are displayed on a screen, and a position of the instrument held by the user is detected. A position detection unit, a state detection unit for detecting a state of the instrument held by a user, a connection member attached to the instrument, and extending to the connection member and being pulled by the instrument through the connection member Using a training device comprising: a transmission member that transmits a force in a direction; and a drive unit that generates a force in the pulling direction and applies the force to the transmission member;
(A) changing the position and state of the instrument object corresponding to the detected position and state, and calculating the external force that the instrument object receives from the training target object due to the change;
(B) causing the drive unit to generate a force in the pulling direction having a set size as an initial force in advance;
(C) increasing or decreasing the initial force so that the external force calculated in the step (a) is transmitted to the user via the connection member and the instrument as a tactile force sense. When,
A training method characterized by comprising:
ユーザにおける器具を用いた技能の取得を支援するため、
仮想空間内に配置された、訓練対象を模した訓練対象オブジェクトと、前記器具を模した器具オブジェクトとを、画面上に表示させる、表示部と、ユーザが保持する前記器具の位置を検出する、位置検出部と、ユーザが保持する前記器具の状態を検出する、状態検出部と、前記器具に取り付けられる接続部材と、前記接続部材へと伸びて、前記接続部材を介して、前記器具に引っ張り方向の力を伝達する伝達部材と、前記引っ張り方向の力を発生させ、それを前記伝達部材に与える駆動部と、コンピュータとを備える、訓練装置において、
前記コンピュータに、
(a)検出された前記位置及び前記状態に対応して前記器具オブジェクトの位置及び状態を変化させ、この変化によって前記器具オブジェクトが前記訓練対象オブジェクトから受ける外力を算出する、ステップと、
(b)予め、前記駆動部に、設定された大きさの前記引っ張り方向の力を初期力として発生させる、ステップと、
(c)前記(a)のステップによって算出された前記外力が、触力覚として、前記接続部材及び前記器具を介して前記ユーザに伝達されるように、前記初期力を増加又は減少させる、ステップと、
を実行させるプログラム。
To assist users in acquiring skills using instruments,
A training unit object that simulates a training target and an instrument object that simulates the instrument, which are arranged in a virtual space, are displayed on a screen, and a position of the instrument held by the user is detected. A position detection unit, a state detection unit for detecting a state of the instrument held by a user, a connection member attached to the instrument, and extending to the connection member and being pulled by the instrument through the connection member A training apparatus comprising: a transmission member that transmits a force in a direction; a drive unit that generates a force in the pulling direction and applies the force to the transmission member; and a computer.
In the computer,
(A) changing the position and state of the instrument object corresponding to the detected position and state, and calculating the external force that the instrument object receives from the training target object due to the change;
(B) causing the drive unit to generate a force in the pulling direction having a set size as an initial force in advance;
(C) increasing or decreasing the initial force so that the external force calculated in the step (a) is transmitted to the user via the connection member and the instrument as a tactile force sense. When,
A program that executes
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