JP2015222542A

JP2015222542A - 力覚提示装置

Info

Publication number: JP2015222542A
Application number: JP2014107221A
Authority: JP
Inventors: 中村　太郎; Taro Nakamura; 太郎中村; 拓巳渡辺; Takumi Watanabe; 正和江川; Masakazu Egawa
Original assignee: Chuo University
Current assignee: Chuo University
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2015-12-10
Anticipated expiration: 2034-05-23
Also published as: JP6415110B2

Abstract

【課題】人に対してより実際の感覚に近い力覚を提示可能な力覚提示装置を提供する。【解決手段】一方の節に装着された第１装具と、一方の節に対して関節を介して回転する他方の節に装着され、第１装具に対して相対運動可能に連結された第２装具とを備え、一方又は他方の節の相対運動に応じた力覚を提示する力覚提示装置であって、第１装具及び第２装具間の相互の運動状態を検出する運動状態検出手段と、第１装具に対する第２装具の相互運動に力を付与する力付与手段と、力付与手段から第２装具への力の伝達を制御する力伝達手段と、第１装具に対する第２装具の相対運動に制動力を付与する制動力付与手段と、運動状態検出手段により検出された運動状態の変化に基づいて、力伝達手段及び制動力付与手段を制御し、力付与手段から第２装具に伝達される力、又は第２装具の相対運動に対する制動力を制御する制御手段とを備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、力覚提示装置に関し、特に、人間に対してより実際の感覚に近い力感覚を提示する力覚提示装置に関する。

近年、医療系のトレーニングシステムやリハビリテーション、バーチャルリアリティ（Ｖ．Ｒ．）システム等の分野において力覚や触覚等を人に対して提示するハプティックデバイス（以下、力覚提示装置という）が開示されている（非特許文献１乃至非特許文献３）。一般に力覚提示装置は、無負荷時の双方向の伝達能力を確保するため、力覚を提示するためのアクチュエータとしてＤＤモータが適用されている。しかしながら、ＤＤモータにより剛性や粘性等の多様な力覚情報を提示するには、フィードバック制御が必要となるため、人の感覚に対して応答が遅くなる傾向があり、剛性や粘性などの多様な力覚を正確に提示できないという問題がある。

荒田純平，パラレルメカニズムのハプティクスへの応用，日本ロボット学会誌３０巻２号（2012） Yamamoto,Higuchi et al."Non-contact Handling of Hard-Disk Media byHuman Operator Using Electrostatic Levitation and Haptic Device" Proc. of IEEE/RSJ IROS(2007) 菊池，古荘他，準３次元リハビリテーション訓練支援システム PLEMOの開発に関する基礎研究，VR 医学５巻１号（2007）

そこで本発明では、人に対してより実際の感覚に近い力覚を提示可能な力覚提示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための力覚提示装置の構成として、一方の節に装着された第１装具と、前記一方の節に対して関節を介して回転する他方の節に装着され、前記第１装具に対して相対運動可能に連結された第２装具とを備え、前記一方又は他方の節の相対運動に応じた力覚を提示する力覚提示装置であって、前記第１装具及び第２装具間の相互の運動状態を検出する運動状態検出手段と、前記第１装具に対する前記第２装具の相互運動に力を付与する力付与手段と、前記力付与手段から前記第２装具への力の伝達を制御する力伝達手段と、前記第１装具に対する前記第２装具の相対運動に制動力を付与する制動力付与手段と、前記運動状態検出手段により検出された運動状態の変化に基づいて、前記力伝達手段及び前記制動力付与手段を制御し、前記力付与手段から前記第２装具に伝達される力、又は前記第２装具の相対運動に対する制動力を制御する制御手段とを備えたので、人に対して剛性力、弾性力、摩擦力及び粘性力、又はこれらを組み合わせた様々な力を提示することができる。
また、上記課題を解決するための力覚提示装置の他の構成として、前記力付与手段は、可変弾性体からなるので、剛性力及び弾性力を提示できる。
また、上記課題を解決するための力覚提示装置の他の構成として、前記可変弾性体は、内部に供給される空気の圧力により径方向に膨張し、軸線方向に収縮するアクチュエータからなるので、力覚提示装置を軽量化できる。
また、上記課題を解決するための力覚提示装置の他の構成として、前記力伝達手段は、前記制御手段から出力される電圧の高低により前記力付与手段から第２装具に伝達する力を変化させるので、第２装具に対して力付与手段により発生した力を遅滞なく伝達したり、遮断したり、変化させたりして、剛性力や弾性力や無負荷状態を提示できる。
また、上記課題を解決するための力覚提示装置の他の構成として、前記制動力付与手段は、前記制御手段から出力される電圧の高低により前記第２装具への制動力を変化させるので、前記第２装具の相対運動に対する制動力を遅滞なく制御して、摩擦力や粘性力を提示できる。
また、上記課題を解決するための力覚提示装置の他の構成として、前記制御手段は、前記運動状態検出手段により検出された運動状態の変化速度に応じて前記制動力付与手段に出力する電圧を変化させるので、前記第２装具の相対運動に対する制動力を遅滞なく変化させて、異なる摩擦力や粘性力を提示できる。
また、上記課題を解決するための力覚提示装置の他の構成として、前記制御手段は、前記制動力付与手段に一定の電圧を出力するので、人に摩擦力を提示できる。

力覚提示装置の構成図である。装着具の分解斜視図である。力覚提示装置の動作概念図である。力覚提示装置の適用例を示す構成図である。

図１は、力覚提示装置１の一実施形態を示す構成図である。図１に示す力覚提示装置は、人体の上腕及び前腕に装着され、人の肘の動きに対して力覚を提示する。
力覚提示装置１は、概略、装着具２と、制御手段３とを備える。装着具２は、ユーザの腕に装着可能に構成され、ユーザの肘関節にトルクを付与することによって、ユーザの腕の動作に力覚を提示する。以下、装着具２の各部について説明する。

図２は、装着具の分解斜視図である。
装着具２は、第１装具としての上腕装具１０と、連結部２０と、前腕装具４０と、力付与手段５０とを備える。上腕装具１０は、肘関節により連結される一方の節のユーザの上腕に固定される装具であって、基板１１と、一対のリンクフレーム１２，１２と、連結フレーム１４とを備える。基板１１は、例えば、樹脂製の平板部材で構成され、腕に力覚を提示するための支点としてユーザの肩側に設けられる。基板１１の一側面側には、一対のリンクフレーム１２，１２と連結フレーム１４とが設けられる。

リンクフレーム１２，１２は、同一形状に形成され、ユーザの上腕に沿うように所定長さで基板１１から延長する。リンクフレーム１２は、例えば、樹脂製の長手方向を有する平板部材で構成され、先端側に板厚方向に貫通する貫通孔１５を備える。一対のリンクフレーム１２，１２は、貫通孔１５；１５が同軸上に位置するように基板１１から平行に延長する。連結フレーム１４は、リンクフレーム１２，１２と平行に基板１１から延長し、先端側に環状の環状枠１６を備える。連結フレーム１４は、環状枠１６の中心がリンクフレーム１２の貫通孔１５と同軸となるように基板１１に設けられる。

連結部２０は、ジョイントフレーム２１と、ポテンショメータ２２と、ユーザの肘の外側に位置する力伝達手段２３と、ユーザの肘の内側に位置する制動力付与手段２４とを備える。なお、肘の内側とはユーザの体側を意味し、肘の外側とはユーザの体側とは逆側を意味する。
ジョイントフレーム２１は、コ字状に形成され、上腕の肘側の後ろ側を支持する支持板２６と、上腕の内側及び外側を挟むように支持板２６から延長する一対の側板２７，２８とを備える。内側の側板２７には、ポテンショメータ２２を収容する収容部２９を備える。収容部２９は、側板２７から円筒状に膨出するように設けられ、底部中央に貫通孔２９Ａを備える。
側板２７，２８には、ジョイントフレーム２１を上腕に固定するためのバンドＢ１（図１参照）を通すバンド通し２７Ａ，２８Ｂがそれぞれ設けられている。
ポテンショメータ２２は、上腕装具１０と前腕装具４０との相互の運動である上腕装具１０に対する前腕装具４０の相対的な回転角度を検出するためのセンサであって、軸２２Ａを収容部２９の貫通孔２９Ａから突き出すように収容部２９に固定される。

力伝達手段２３は、例えば、ＭＲクラッチで構成される。ＭＲクラッチは、円筒状のケース２３Ａと、ケース２３Ａに回転可能に支持され、ケース２３Ａの一方側に突出する軸２３Ｂと、ケース２３Ａとの間に封入された磁性流体と、磁性流体に磁場を付与する磁場発生装置とを備える。ＭＲクラッチは、磁場発生装置に電圧を印加するで磁性流体に対して磁場を発生させ、磁場によって磁性流体の粘性を変化させて、ケース２３Ａから軸２３Ｂに伝達される回転力を制御する。力伝達手段２３は、ケース２３Ａを有底筒状の収容ケース３０に収容した上で、収容ケース３０の外周を上述の連結フレーム１４の環状枠１６の内周に嵌装されたベアリング１７を介して取り付けられる。つまり、力伝達手段２３は、全体が連結フレーム１４に対して回転可能に取り付けられている。

制動力付与手段２４は、例えば、ＭＲブレーキで構成される。ＭＲブレーキは、ＭＲクラッチと同様に、円筒状のケース２４Ａと、ケース２４Ａに回転可能に支持され、ケース２４Ａの一方側に突出する軸２４Ｂと、ケース２４Ａとの間に封入された磁性流体と、磁性流体に磁場を付与する磁場発生装置とを備える。ＭＲブレーキは、磁場発生装置に電圧を印加することで磁性流体に対して磁場を発生させ、磁場によって磁性流体の粘性を変化させて、ケース２４Ａに対する軸２４Ｂの回転力に制動力を付与する。制動力付与手段２４は、軸２４Ｂがジョイントフレーム２１の側板２８の外側に固定され、ケース２４Ａが後述の前腕装具４０に固定される。制動力付与手段２４は、軸２４Ｂの軸心がポテンショメータ２２の軸２２Ａの軸心と同軸となるように側板２８に取り付けられる。

なお、力伝達手段２３及び制動力付与手段２４は、上記ＭＲクラッチ及びＭＲブレーキに限定されず、電圧の印加により電場を生じさせて内部に封入された電気粘性流体の粘性を変化させるＥＲクラッチやＥＲブレーキを用いても良い。

前腕装具４０は、肘関節により連結される他方の節のユーザの前腕に固定される装具であって、内側リンクアーム４１，外側リンクアーム４２と、前腕フレーム４３とを備える。内側リンクアーム４１は、概略Ｌ字状の枠体であって、長軸側の端部に軸固定部４１Ａ、短軸側にフレーム固定部４１Ｂを備える。軸固定部４１Ａは、扇状に形成され、力伝達手段２３の軸２３Ｂに固定される。軸固定部４１Ａには、ジョイントフレーム２１を支持するための支持軸４４が設けられる。支持軸４４は、上腕装具１０のリンクフレーム１２；１２の貫通孔１５；１５を貫通する円筒状の連結ジョイント４６を介して、上述のジョイントフレーム２１に取り付けられたポテンショメータ２２の軸２２Ａと連結される。連結ジョイント４６は、軸線方向に沿って延長する切欠４６Ａに、支持軸４４に設けられた切欠き及びポテンショメータ２２の軸２２Ａに設けられた切欠きを一致させることにより、支持軸４４と軸２２Ａとを位置決めした状態で連結する。連結ジョイント４６は、リンクフレーム１２；１２の貫通孔１５；１５に外周が回転可能に支持される。なお、支持軸４４の扇中心は、軸固定部４２Ａの軸線と一致している。

外側リンクアーム４２は、概略Ｌ字状の枠体であって、長軸側の端部に軸固定部４２Ａ、短軸側にフレーム固定部４２Ｂを備える。軸固定部４２Ａは、円環状に形成され、制動力付与手段２４のケース２４Ａの円形底面に同心となるように固定される。フレーム固定部４２Ｂは、短軸に沿って先端側が開口する中空の中空箱状に形成される。

前腕フレーム４３は、中央部が弓なりに形成された長手状の平板部材であって、内側リンクアーム４１及び外側リンクアーム４２を接続するように、フレーム固定部４１Ｂ及びフレーム固定部４２Ｂの下側に架け渡すように固定される。内側リンクアーム４１のフレーム固定部４１Ｂの中空部４１Ｃ及び外側リンクアーム４２のフレーム固定部４２Ｂの中空部４２Ｃには、前腕フレーム４３に前腕をバンドＢ２（図１参照）で固定するためのバンドホルダ４１Ｄ；４２Ｄがそれぞれ取り付けられる。バンドホルダ４１Ｄ及びバンドホルダ４２Ｄには、バンドＢ２を通すバンド通し４１ｄ，４２ｄが形成される。

力付与手段５０は、力を発生するアクチュエータ５１と、力を伝達するプーリ５２とを備える。アクチュエータ５１は、内部に供給される空気の圧力により径方向に膨張し、軸線方向に収縮する複数の人工筋肉装置５３で構成される。具体的には、人工筋肉装置５３は、例えば、軸線方向に沿って円筒状に配置された炭素繊維をラテックスゴムで被覆した筒状体からなり、この筒状体に空気を出し入れすることで、軸線方向に伸縮するように構成される。アクチュエータ５１は、例えば、２つの人工筋肉装置５３を例えば２つ直列に接続した人工筋肉ユニット５４及び人工筋肉ユニット５５の２組で構成される。人工筋肉ユニット５４及び人工筋肉ユニット５５は、後述のプーリ５２の回転軸に対して力が拮抗するように配置される。
人工筋肉ユニット５４及び人工筋肉ユニット５５の一端側には、筒状体の内部に空気を出し入れするための空気入出パイプ５４Ａ及び空気入出パイプ５５Ａが取り付けられている。
この空気入出パイプ５４Ａから人工筋肉ユニット５４に、空気入出パイプ５５Ａから人工筋肉ユニット５５に供給する空気圧を調整することにより、人工筋肉装置５３によって得られる弾性力が可変となる。つまり、人工筋肉ユニット５４，５５は、内部に供給される空気圧によって弾性力が変化する可変弾性体である。例えば、各人工筋肉装置５３が許容する最大の内圧を付与することで、人工筋肉ユニット５４，５５の弾性力が最少となり、最大の剛性力を得ることができる。また、最大内圧よりも低い空気圧に設定することで、所望の弾性力が得られる。
人工筋肉ユニット５４及び人工筋肉ユニット５５は、空気入出パイプ５４Ａ及び空気入出パイプ５５Ａを基板１１に設けられた孔１１Ａ；１１Ａにそれぞれ貫通させて固定することにより、連結フレーム１４に沿うように固定される。人工筋肉ユニット５４及び人工筋肉ユニット５５の他端側は、例えば、非伸縮性のロープ５６により連結される。なお、人工筋肉ユニット５４及び人工筋肉ユニット５５を構成する各筒状体の図示しない空気室には、例えば同じ圧力となるように、あらかじめ所定の内圧が空気供給装置によって付与される。このように、炭素繊維が軸線方向に沿って円筒状に配置され、この炭素繊維をラテックスゴムで被覆した筒状体に空気を出し入れすることで軸線方向に伸縮可能に構成された人工筋肉装置５３を用いることにより、アクチュエータ５１を軽量化することができる。
上述のアクチュエータ５１は、上記軸方向繊維強化型の人工筋肉装置５３に限定されず、弾性力が可変となるマッキベン型人工筋肉装置によって構成しても良い。また、圧縮型や伸長型のばねにより構成しても良い。

プーリ５２は、外周にＵ字状又はＶ字状の凹溝５２Ａを有する円板からなり、回転中心が力伝達手段２３の軸２３Ｂの軸心と同軸となるように、力伝達手段２３の収容される収容ケース３０とともに力伝達手段２３のケース２３Ａに固定される。この凹溝５２Ａには、人工筋肉ユニット５４；５５同士を連結するロープ５６が掛けられる。人工筋肉装置５３への空気の付与により、プーリ５２にかけられたロープ５６には所定の張力が負荷される。
なお、説明の便宜上、プーリ５２とロープ５６との間には滑りが生じないものとして説明するが、例えば、ロープ５６に作用する張力を測定するセンサ、もしくは、ロープ５６の移動量を測定するセンサとプーリ５２の回転を測定するセンサとを設けて、ロープ５６とプーリ５２との間に滑りを生じさせるように、人工筋肉ユニット５４，５５に供給する空気圧を制御するようにしても良い。
このようにプーリ５２の回転軸に対して人工筋肉ユニット５４及び人工筋肉ユニット５５の力を拮抗させることで、プーリ５２の回転する軸周り、すなわち肘の関節に剛性を与えることができる。

上記構成によれば、装着具２は、上腕装具１０の連結フレーム１４に取り付けられた力伝達手段２３の軸２３Ｂに前腕装具４０の内側リンクアーム４１を固定することで、上腕装具１０に対して内側リンクアーム４１が回転可能に取り付けられる。この内側リンクアーム４１に設けられた支持軸４４を、連結ジョイント４６を介してポテンショメータ２２の軸２２Ａと連結することで、ポテンショメータ２２のケース２２Ｂが固定されたジョイントフレーム２１が支持軸４４によって回転可能に支持される。さらに、ジョイントフレーム２１の側板２８に軸２４Ｂが固定された制動力付与手段２４のケース２４Ａに取り付けられた外側リンクアーム４２と、内側リンクアーム４１とを前腕フレーム４３により接続することにより、前腕装具４０が上腕装具１０に対して回転可能に構成される。つまり、上腕装具１０に取り付けられた力伝達手段２３の軸２３Ｂの軸線と、ポテンショメータ２２の軸２２Ａの軸線と、制動力付与手段２４の軸２４Ｂとが同軸上に設けられている。この軸は、ユーザの上腕と前腕とが回転する肘の回転軸と一致し、この軸まわりに上腕装具１０と前腕装具４０とが相対的に回転する。

制御手段３は、演算手段としてのＣＰＵ、提示する力の種類に応じて力伝達手段及び制動力付与手段を制御するプログラム等を記憶するＲＯＭ、及び各種センサからの入力値や演算結果を一時的に記憶するＲＡＭ等の記憶手段を含むマイクロコンピュータを備える。
制御手段３は、ポテンショメータ２２等の運動状態検出手段を構成するセンサから出力される出力値に応じて力伝達手段２３及び制動力付与手段２４に出力する電圧値を制御する。
また、制御手段３は、上腕装具１０に対して前腕装具４０が回転動作したときにポテンショメータ２２から出力される上腕装具１０に対する前腕装具４０の相対的な角度の変化速度、いわゆる角速度を算出する。

以下、力覚提示装置１の動作について説明する。図３（ａ）乃至（ｄ）は、力覚毎の動作を示す装着具２の構成を簡略化した動作概念図である。なお、同図に示す２１及び１１（１０）は、力伝達手段２３を介して力付与手段５０による力及び制動力付与手段２４による力を、前腕装具４０を介してユーザに作用させるときの反力を支持する支点であり、それぞれジョイントフレーム、前腕装具である。
［無負荷の提示］
図３（ａ）に示すように、ユーザに対して無負荷を提示する場合、制御手段３から力伝達手段２３及び制動力付与手段２４に電圧を出力しないことで、上腕装具１０に対して前腕装具４０が無負荷で回転することにより、ユーザの腕の動作に抵抗のない無負荷状態を提示できる。すなわち、力伝達手段２３の軸２３Ｂ及び制動力付与手段２４の軸２４Ｂのケース２３Ａ及びケース２４Ａに対する回転を自由にしておくことで、ユーザが腕を屈伸してもユーザには力付与手段５０による力や制動力付与手段２４による制動力が上腕装具１０や前腕装具４０に作用しないため、ユーザによる腕の動作に抵抗のない無負荷状態を提示できる。このような無負荷の提示は、従来のようにＤＤモータにより力覚を提示するように構成された装置では、ユーザに対して違和感なく提示することができない。すなわち、無負荷を提示するようにＤＤモータに電圧を出力しないようにしても、基本構造がモータであるためバックトルクが発生し、ユーザに対して抵抗力を感じさせてしまうことになる。一方、本発明の力覚提示装置では、ＤＤモータ等のようなモータ構造を有するアクチュエータを使用していないため、バックトルクが発生せず、ユーザに対して自然な無負荷を提示することができる。

［粘性力の提示］
図３（ｂ）に示すように、粘性力を提示する場合、力伝達手段２３には電圧を出力せず、制動力付与手段２４にのみ所定の電圧を出力する。具体的には、制御手段３は、ポテンショメータ２２から逐次出力される角度の変化量（前腕装具４０が回転するときの角速度）を求め、この変化量に対応する電圧を制動力付与手段２４に出力する。つまり、ユーザが肘を屈伸するときに上腕の肘側に固定されたジョイントフレーム２１に対して回転する前腕装具４０の回転状態に応じて、制動力付与手段２４に出力する電圧の電圧値を変化させ、上腕装具１０に対して回転する前腕装具４０に異なる大きさの制動力を付与することにより、ユーザに対して粘性力を提示することができる。制動力付与手段２４に出力する電圧値は、例えば、角速度の変化速度が一定となるような制動力を付与するように制御される。なお、制御手段３から制動力付与手段２４に出力される電圧値は、制御手段３にあらかじめ記憶させた演算式により算出される。
このように、制動力付与手段２４に出力する電圧値を上腕装具１０と前腕装具４０との間の相互の運動状態に基づいて変化させることで、制動力付与手段２４を構成するＭＲブレーキに発生する磁場の大きさを変化させ、磁性流体の粘性を変化させることにより、磁性流体の粘性の変化をユーザの力覚の粘性力として提示することができる。この粘性力は、ユーザの動作中に提示される力である。

［摩擦力の提示］
摩擦力を提示する場合、上述の粘性力の提示と同様に、力伝達手段２３には電圧を出力せず、制動力付与手段２４に所定の一定電圧を出力し、ＭＲブレーキの磁場の大きさを一定にすることで、ユーザの運動に対して一定の力、すなわち摩擦力を提示することができる。

［弾性力の提示］
図３（ｃ）に示すように、弾性力を提示する場合、制動力付与手段２４には電圧を出力せず、力伝達手段２３に所定の一定電圧を出力することで、ユーザに対して人工筋肉ユニット５４又は人工筋肉ユニット５５の弾性力が伝達されるため、ユーザに対して弾性力（剛性力）を提示することができる。
例えば、力伝達手段２３を構成するＭＲクラッチの許容する最大電圧を出力した場合には、ケース２３Ａに対して軸２３Ｂの回転がロックされる。この状態において、ユーザが肘関節を屈伸しようとした場合、ユーザの屈伸させる力によって力伝達手段２３の全体が連結フレーム１４の環状枠１６に対して回転する。さらに、力伝達手段２３の回転によりプーリ５２が回転し、プーリ５２に架け渡されたロープ５６がプーリ５２とともに回転することによってユーザには人工筋肉ユニット５４又は人工筋肉ユニット５５のいずれかを引っ張る張力が弾性力となって伝達されることになる。つまり、人工筋肉ユニット５４又は人工筋肉ユニット５５の剛性が、弾性力となってユーザに提示される。
また、力伝達手段２３に出力する電圧値を０Ｖより大きく最大電圧値よりも小さくした場合、電圧値に応じた力を軸２３Ｂに作用させることで軸２３Ｂとケース２３Ａとの間の回転を許容させることができる。例えば、ユーザの肘の屈伸により前腕装具４０を回転させた回転力は、力伝達手段２３の軸２３Ｂに入力される。この軸２３Ｂに入力された回転力は、人工筋肉ユニット５４又は人工筋肉ユニット５５に直接伝達されず、ケース２３Ａとの間に回転を生じつつ、人工筋肉ユニット５４又は人工筋肉ユニット５５に伝達されるため、最大の電圧値を出力したときに比べて、人工筋肉ユニット５４，５５の弾性力よりも小さい弾性力を提示することができる。この弾性力は、ユーザの運動、すなわちポテンショメータ２２で検出される角度の変化量に比例した力であり、ユーザの物体と接触したときの力覚の提示を可能にする。

［弾性力及び粘性力の提示］
弾性力及び粘性力を提示する場合、図３（ｄ）に示すように、力伝達手段２３には所定の一定電圧を出力し、制動力付与手段２４には第２装具の回転する角速度に応じた電圧を出力することで、上述したような弾性力及び粘性力を組み合わせた力覚をユーザに提示することができる。これにより、弾性力及び粘性力の両方を提示することができるので、ユーザに対してより臨場感のある力覚の提示が可能となる。

図４は、本発明に係る力覚提示装置１の適用例を示す構成図である。
上述の力覚提示装置１は、例えば、仮想空間を提供する仮想空間制御装置１００と接続され、この仮想空間制御装置１００により提供される仮想空間とリンクした力覚をユーザに提示する。仮想空間とは、人の視覚に対して実際の空間とは異なる空間を実際の空間内に表現された空間である。
仮想空間制御装置１００は、プロジェクター１０１と、動作検出装置１０２と、制御コンピュータ１０３とを備える。

プロジェクター１０１は、実際の室内に仮想空間を映し出す装置であって、室内にいるユーザの視覚を通じて、実際の室内とは異なる構造の仮想空間を認識させる。動作検出装置１０２は、実際の室内の天井や壁部に設けられた複数の位置センサ、例えばカメラにより構成され、空間内におけるユーザの体の各位置を検出する。制御コンピュータ１０３は、プロジェクター１０１、動作検出装置１０２、及び力覚提示装置１の制御手段３と例えば無線により接続される。制御コンピュータ１０３は、プロジェクター１０１に対して、実際の室内に映し出す映像を出力する。また、制御コンピュータ１０３は、動作検出装置１０２により検出された人の動きと、プロジェクター１０１に映写された映像との対応を比較判定することにより、ユーザの動作が仮想空間の構成に対応するように力覚提示装置１を制御する。

例えば、プロジェクター１０１により実際の室内に仮想空間における仮想扉が映し出され、上述の力覚提示装置１の装着具２を腕に装着したユーザが、仮想扉を開けようとしているものとする。この仮想扉は、例えば、ヒンジに設けられたスプリングの付勢力により自動的に元の位置に戻る押し開き戸であり、ドアダンパーが取り付けられている。ユーザが仮想扉を開けようする動作は、動作検出装置１０２により検出され、制御コンピュータ１０３に出力される。制御コンピュータ１０３は、動作検出装置１０２により検出された仮想室内における人の位置、具体的には人の腕の位置と仮想扉の位置とを比較する。この比較によりユーザの腕が仮想扉を開けようと動作しているものと判定した場合、ユーザの装着した力覚提示装置１の制御手段３に制御信号を出力して、仮想扉を開けるときの力覚を提示するように装着具２の力伝達手段２３及び制動力付与手段２４を制御する。ユーザの動作は、逐次動作検出装置１０２により検出される。

そして、力覚提示装置１の制御手段３は、動作検出装置１０２により検出された腕の動作に対応して、ユーザが腕を伸ばして仮想扉を押し開く動作に応じて、仮想扉のヒンジに設けられたスプリング及びドアダンパーによる抵抗がユーザに提示されるように、力伝達手段２３及び制動力付与手段２４に所定の電圧値を制御する。このときユーザに対して提示される力覚には、例えば、押し開き戸を押したときのドアの重さやドアダンパーの重さなどの複数の力が合成されるように制御される。つまり、ドアの重さを人工筋肉ユニット５４及び人工筋肉ユニット５５の弾性力によって提示するように、力伝達手段２３に所定の電圧を出力するとともに、ドアダンパーの重さを制動力付与手段２４に出力する電圧値の変化によって粘性力を提示することで、複数の力の合成を提示することができる。

上記実施形態では、ポテンショメータ２２によりユーザの運動状態を検出し、提示すべき力覚を制御するものとして説明したが、ユーザが肘を屈伸するときの運動状態を示す力を検出するセンサ、例えば、ひずみセンサ等を連結ジョイント４６の外周に取り付け、ユーザの動作による上腕装具１０に対する前腕装具４０の回転トルクを検出するようにしてもよい。このような構成でも、前腕装具４０が上腕装具１０に対して回転するときの角速度及び回転トルクに基づいて、無負荷、粘性力、摩擦力、弾性力、弾性力及び粘性力等のユーザに対して提示すべき力覚が、前腕装具４０を介して伝達されるように、制御手段３から力伝達手段２３及び制動力付与手段２４に出力する電圧値を制御することで、ユーザに対してより精度の良い力覚を提示することができる。

また、上記実施形態では、人工筋肉ユニット５４及び人工筋肉ユニット５５に所定の空気圧を印加するとして説明したが、提示すべき力覚に応じて人工筋肉ユニット５４及び人工筋肉ユニット５５に供給する空気圧を変化させるようにしても良い。このように構成することで、前腕装具４０が上腕装具１０に対して回転するときの角速度及び回転トルクに基づいて、力付与手段５０からユーザに付与される力が、例えば、ユーザの運動方向と一致するように力伝達手段２３及び制動力付与手段２４を制御して、ユーザの運動に対して補助力を作用させることもできる。

なお、上記実施形態では、ユーザに対して力覚を提示するための装着具２をユーザの腕に装着するように構成したが、腕に限定されず、肩や足、指等の人の関節により連結された節同士であればいずれに適用しても良い。
また、上記実施形態では、ユーザの肘の回転軸と同軸上に力伝達手段２３及び制動力付与手段２４を設けるように構成したが、例えば、回転運動を直線運動に変換するリンク機構を介して力伝達手段２３による力の伝達、及び制動力付与手段２４による制動力を付与するようにしても良い。

１力覚提示装置、２装着具、３制御手段、１０上腕装具、
２１ジョイントフレーム、２２ポテンショメータ、２３力伝達手段、
２４制動力付与手段、４０前腕装具、
５０力付与手段、５４；５５人工筋肉ユニット。

Claims

一方の節に装着された第１装具と、
前記一方の節に対して関節を介して回転する他方の節に装着され、前記第１装具に対して相対運動可能に連結された第２装具と、を備え、
前記一方又は他方の節の相対運動に応じた力覚を提示する力覚提示装置であって、
前記第１装具及び第２装具間の相互の運動状態を検出する運動状態検出手段と、
前記第１装具に対する前記第２装具の相互運動に力を付与する力付与手段と、
前記力付与手段から前記第２装具への力の伝達を制御する力伝達手段と、
前記第１装具に対する前記第２装具の相対運動に制動力を付与する制動力付与手段と、
前記運動状態検出手段により検出された運動状態の変化に基づいて、前記力伝達手段及び前記制動力付与手段を制御し、前記力付与手段から前記第２装具に伝達される力、又は前記第２装具の相対運動に対する制動力を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする力覚提示装置。
前記力付与手段は、可変弾性体からなることを特徴とする請求項１に記載の力覚提示装置。
前記可変弾性体は、内部に供給される空気の圧力により径方向に膨張し、軸線方向に収縮するアクチュエータからなることを特徴とする請求項２に記載の力覚提示装置。
前記力伝達手段は、前記制御手段から出力される電圧の高低により前記力付与手段から第２装具に伝達する力を変化させることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載の力覚提示装置。
前記制動力付与手段は、前記制御手段から出力される電圧の高低により前記第２装具への制動力を変化させることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載の力覚提示装置。
前記制御手段は、前記運動状態検出手段により検出された運動状態の変化速度に応じて前記制動力付与手段に出力する電圧を変化させることを特徴とする請求項５に記載の力覚提示装置。
前記制御手段は、前記制動力付与手段に一定の電圧を出力することを特徴とする請求項５に記載の力覚提示装置。