JP2019136437A - Excavation feeling imparting device, joint structure, excavation feeling imparting method and excavation feeling imparting program, as well as skill evaluation device, skill evaluation method and skill evaluation program - Google Patents

Excavation feeling imparting device, joint structure, excavation feeling imparting method and excavation feeling imparting program, as well as skill evaluation device, skill evaluation method and skill evaluation program Download PDF

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Abstract

To provide an excavation feeling imparting device that imparts artificial reality with a sense of reality having both of high rigidity and high response performance to a rigid object, and provide a joint structure, an excavation feeling imparting method and an excavation feeling imparting program, etc.SOLUTION: An excavation feeling imparting device has: excavation operation means having an excavated operation unit where the simulated excavation operation to an assumed excavation object is performed by an operator; and excavation feeling imparting means for imparting an artificial excavation feeling to the operator according to the excavation force applied to the excavated operation unit through the excavation operation means.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、掘削感付与装置、ジョイント構造物、掘削感付与方法、及び掘削感付与プログラム、並びに技能評価装置、技能評価方法、及び技能評価プログラムに関する。   The present invention relates to an excavation feeling imparting apparatus, a joint structure, an excavation feeling imparting method, an excavation feeling imparting program, a skill evaluation apparatus, a skill evaluation method, and a skill evaluation program.

近年、医療技術の向上や医療機器の発展に伴い、手術者等の技能向上や特殊技能の獲得を目的として、力覚提示装置等を用いたトレーニングシミュレータの開発が進められている。   In recent years, with the improvement of medical technology and the development of medical devices, development of training simulators using force sense presentation devices and the like has been promoted for the purpose of improving the skills of surgeons and the like and acquiring special skills.

このような力覚提示装置としては、例えば、皮膚や臓器等の軟性物体への繊細な接触動作に対して臨場感のある人工現実感を実現するものが提案されており、操作者へ力覚を提示する操作端や該操作端に運動を伝える駆動機構を軽量化することにより応答性の向上を図っている。しかし、操作端や駆動機構を軽量化して応答性を高めると、力覚提示装置の剛性が低下するおそれがあるが、皮膚や臓器等の軟性物体への繊細な接触動作では、操作力が小さいため、力覚提示装置の剛性低下の影響は少ないと考えられる。   As such a force sense presentation device, for example, a device that realizes an artificial reality with a sense of presence with respect to a delicate contact operation with a soft object such as a skin or an organ has been proposed. The responsiveness is improved by reducing the weight of the operating end that presents the movement and the drive mechanism that transmits the motion to the operating end. However, when the responsiveness is improved by reducing the weight of the operation end or the drive mechanism, the rigidity of the force sense presentation device may be reduced, but the operation force is small in a delicate contact operation to a soft object such as skin or organ. Therefore, it is considered that the influence of the rigidity reduction of the force sense presentation device is small.

一方、骨や歯等の硬性物体に対するトレーニングシミュレータとしての力覚提示装置も提案されている。例えば、操作者が握って動かすことができるメスやドリル等の模擬手術道具を備え、複数のモダリティの画像から手術対象部分の各組織を含む画像を合成する画像合成手段と、合成した画像を3次元表示する3次元画像表示手段と、模擬手術道具をその動きを含めて画像に重畳表示する重畳表示手段と、重畳表示手段において模擬手術道具が組織に接したとき、両者の硬度に対応する音を発生し、模擬手術道具に反発力を与える人工現実感創出手段を有する手術シミュレーションシステムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、手術を実施する際に外科医を支援するための外科用ナビゲーションシステムに関し、骨の切除シミュレーションについて記載されている(例えば、特許文献2参照)。
On the other hand, a force sense presentation device as a training simulator for hard objects such as bones and teeth has also been proposed. For example, an image synthesizing unit that synthesizes an image including each tissue of a surgical target portion from images of a plurality of modalities, and a synthesized image that includes a simulated surgical tool such as a scalpel or a drill that can be grasped and moved by an operator, Three-dimensional image display means for displaying in three dimensions, superimposed display means for superimposing and displaying the simulated surgical tool on the image including its movement, and when the simulated surgical tool contacts the tissue in the superimposed display means, a sound corresponding to the hardness of the two A surgical simulation system having an artificial reality creation means for generating a repulsive force on a simulated surgical tool has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
Further, a bone resection simulation is described with respect to a surgical navigation system for assisting a surgeon in performing a surgery (see, for example, Patent Document 2).

特開平5−123327号公報JP-A-5-123327 特表2004−530485号公報Japanese translation of PCT publication No. 2004-530485

しかしながら、上述した先行技術文献には、骨や歯等の硬性物体に対する臨場感のある人工現実感を与える力覚提示技術については開示されていない。また、骨や歯等の硬性物体への骨切削術及び骨切除術は、強い衝撃力を与える操作であり、その操作に対して臨場感のある人工現実感を与える力覚提示装置には、高い剛性と共に、操作端の運動の高い応答性も求められるが、高い剛性と高い応答性とを兼ね備えた、硬性物体に対する臨場感のある人工現実感を与える力覚提示装置は未だ提供されていない。
更に、骨や歯等の硬性物体に対する骨切削術及び骨切除術を行う操作者は、骨や歯への過剰な負荷により骨や歯の亀裂や骨折、穿孔を生じさせない適切な掘削力と、神経や血管、臓器が近くに存在することが多いため、これらを傷付けることなく安全に手術を行うことができる高度な熟練技能の習得が求められている。
However, the above-described prior art documents do not disclose a force sense presentation technique that gives a realistic presence to a hard object such as a bone or a tooth. In addition, bone cutting and bone resection to hard objects such as bones and teeth are operations that give a strong impact force, and the force sense presentation device that gives a realistic sense of reality to the operation includes: Along with high rigidity, high responsiveness of the movement of the operation end is also required, but a force sense presentation device that has a high rigidity and high responsiveness to give a realistic sense of reality to hard objects has not been provided yet. .
Furthermore, the operator who performs bone cutting and bone resection for hard objects such as bones and teeth has an appropriate excavation force that does not cause cracks, fractures, and perforations of the bones and teeth due to excessive loads on the bones and teeth. Since nerves, blood vessels, and organs often exist in the vicinity, there is a need to acquire highly skilled skills that enable safe operation without damaging them.

本発明は、従来における前述の諸問題のうち少なくともいずれかを解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、高い剛性及び高い応答性能を兼ね備えた、硬性物体に対する臨場感のある人工現実感を与える掘削感付与装置、ジョイント構造物、掘削感付与方法、及び掘削感付与プログラムを提供することを目的とする。
また、本発明は、操作者の技能を適正に評価でき、安全かつ確実に熟練技能を習得することができる技能評価装置、技能評価方法、及び技能評価プログラムを提供することを目的とする。
An object of the present invention is to solve at least one of the above-described problems and achieve the following object. That is, the present invention provides an excavation feeling imparting apparatus, a joint structure, an excavation feeling imparting method, and an excavation feeling imparting program that provide artificial reality with a sense of presence with respect to a hard object, which has high rigidity and high response performance. For the purpose.
It is another object of the present invention to provide a skill evaluation apparatus, a skill evaluation method, and a skill evaluation program that can appropriately evaluate the skill of an operator and can acquire a skilled skill safely and reliably.

本発明の掘削感付与装置は、想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作が操作者により行われる被掘削操作部を有する掘削操作手段と、前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作手段を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与する掘削感付与手段と、を有する。
本発明の掘削感付与装置によると、掘削操作手段と掘削感付与手段を有することにより、硬性物体に対する臨場感のある人工現実感を与えることができ、口腔外科手術や整形外科手術などにおける骨や歯等の硬性物体の切削や切除のトレーニングシミュレータとして好適である。
The excavation feeling imparting apparatus according to the present invention includes an excavation operation unit having an excavation operation unit in which a simulated excavation operation on an assumed excavation target is performed by an operator, and an excavation force applied to the excavation operation unit. And excavation feeling imparting means for imparting an artificial excavation feeling to the operator via the excavation operation means.
According to the excavation feeling imparting device of the present invention, by having the excavation operation means and the excavation feeling imparting means, it is possible to give a realistic feeling to the hard object, such as bones in oral surgery and orthopedic surgery, It is suitable as a training simulator for cutting or cutting hard objects such as teeth.

本発明の掘削感付与方法は、想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作が被掘削操作部に対して操作者により行われる掘削操作工程と、前記掘削操作工程で前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作工程を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与する掘削感付与工程と、を含む。
本発明の掘削感付与方法によると、掘削操作工程と掘削感付与工程を含むことにより、硬性物体に対する臨場感のある人工現実感を与えることができ、口腔外科手術や整形外科手術などにおける骨や歯等の硬性物体の切削や切除のトレーニングを好適に行うことができる。
The excavation feeling imparting method of the present invention is applied to the excavated operation part in the excavation operation process in which a simulated excavation operation on an assumed excavation target is performed by an operator on the excavated operation part, and the excavation operation process. An excavation feeling imparting step of imparting an artificial excavation feeling to the operator via the excavation operation step according to the excavation force.
According to the excavation feeling imparting method of the present invention, by including the excavation operation process and the excavation feeling imparting process, it is possible to give an artificial reality with a sense of reality to a hard object, such as a bone in oral surgery or orthopedic surgery, Training of cutting and excision of hard objects such as teeth can be suitably performed.

本発明の掘削感付与プログラムは、操作者により行われる想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作を、被掘削操作部を有する掘削操作手段を介して受け付け、前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作手段を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与する、処理をコンピュータに実行させる。
本発明の掘削感付与プログラムによると、硬性物体に対する臨場感のある人工現実感を与えることができ、口腔外科手術や整形外科手術などにおける骨や歯等の硬性物体の切削や切除のトレーニングを好適に行うことができる。
The excavation feeling imparting program of the present invention accepts a simulated excavation operation for an assumed excavation target performed by an operator via excavation operation means having an excavated operation unit, and excavation applied to the excavated operation unit In response to the force, the computer is caused to execute a process of giving an artificial feeling of excavation to the operator via the excavation operation means.
According to the excavation feeling imparting program of the present invention, it is possible to give a realistic sense of reality to a hard object, and it is suitable for training of cutting and excision of hard objects such as bones and teeth in oral surgery and orthopedic surgery. Can be done.

本発明のジョイント構造物は、ボールリテーナと、前記ボールリテーナを押圧しつつ前記ボールリテーナの回動を案内する回動案内部材と、前記ボールリテーナに接続される接続部と、前記回動案内部材により案内された前記ボールリテーナの回動方向と直交する方向に前記ボールリテーナを回動可能にするようにして軸支された軸支部とを有する棒状部材と、を有する。
本発明のジョイント構造物は、ボールリテーナと、回動案内部材と、棒状部材とを有する。ボールリテーナは、回動可能な複数のボールを表面に配置した構造を有しており、ボールリテーナはその表面の複数のボールと回動案内部材との点接触によって支持されている。これにより、ボールリテーナと回動案内部材とが密着し、バックラッシを低減させることによって、滑らかな3軸の回転操作を行うことができ、ガタツキを確実に防止できる。
The joint structure of the present invention includes a ball retainer, a rotation guide member that guides the rotation of the ball retainer while pressing the ball retainer, a connection portion connected to the ball retainer, and the rotation guide member. A rod-like member having a shaft support portion pivotally supported so that the ball retainer can be rotated in a direction orthogonal to the rotation direction of the ball retainer guided by.
The joint structure of the present invention includes a ball retainer, a rotation guide member, and a rod-shaped member. The ball retainer has a structure in which a plurality of rotatable balls are arranged on the surface, and the ball retainer is supported by point contact between the plurality of balls on the surface and the rotation guide member. As a result, the ball retainer and the rotation guide member come into close contact with each other, and by reducing backlash, a smooth three-axis rotation operation can be performed, and rattling can be reliably prevented.

本発明の技能評価装置は、想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作が操作者により行われる被掘削操作部を有する掘削操作手段と、前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作手段を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与する掘削感付与手段と、想定操作者における掘削力の大きさ及び印加方向の少なくともいずれかを予め記憶している基準データと比較して前記操作者の技能を評価する評価部と、を有する。
本発明の技能評価装置によると、掘削操作手段と掘削感付与手段と評価手段とを有することにより、操作者の技能を適正に評価でき、安全かつ確実に技能を習得することができるので、高度な熟練技能を伝承することができる。
The skill evaluation apparatus according to the present invention includes a drilling operation unit having a drilled operation unit in which a simulated drilling operation on an assumed drilling target is performed by an operator, and a drilling force applied to the drilled operation unit, The excavation feeling imparting means for imparting an artificial excavation feeling to the operator via the excavation operation means, and a reference that stores in advance at least one of the magnitude of the excavation force and the application direction of the assumed operator And an evaluation unit that evaluates the skill of the operator in comparison with data.
According to the skill evaluation apparatus of the present invention, by having the excavation operation means, the excavation feeling imparting means, and the evaluation means, it is possible to appropriately evaluate the skill of the operator and learn the skill safely and reliably. You can pass on the most skilled skills.

本発明の技能評価方法は、想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作が被掘削操作部に対して操作者により行われる掘削操作工程と、前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作手段を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与する掘削感付与工程と、想定操作者における掘削力の大きさ及び印加方向の少なくともいずれかを予め記憶している基準データと比較して前記操作者の技能を評価する評価工程と、を含む。
本発明の技能評価方法によると、掘削操作工程と掘削感付与工程と評価工程とを含むことにより、操作者の技能を適正に評価でき、安全かつ確実に技能を習得することができるので、高度な熟練技能を伝承することができる。
According to the skill evaluation method of the present invention, a simulated excavation operation on an assumed excavation target is performed by an operator on the excavated operation unit, and the excavation force applied to the excavated operation unit is determined. , The excavation feeling imparting step for imparting an artificial excavation feeling to the operator via the excavation operation means, and at least one of the magnitude and the application direction of the excavation force of the assumed operator is stored in advance. And an evaluation step for evaluating the skill of the operator in comparison with reference data.
According to the skill evaluation method of the present invention, by including the excavation operation process, the excavation feeling imparting process and the evaluation process, the operator's skill can be appropriately evaluated, and the skill can be learned safely and reliably. You can pass on the most skilled skills.

本発明の技能評価プログラムは、操作者により行われる想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作を、被掘削操作部を有する掘削操作手段を介して受け付け、前記掘削操作手段により前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作手段を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与し、想定操作者における掘削力の大きさ及び印加方向の少なくともいずれかを予め記憶している基準データと比較して前記操作者の技能を評価する処理をコンピュータに実行させる。
本発明の技能評価プログラムによると、操作者の技能を適正に評価でき、安全かつ確実に技能を習得することができるので、高度な熟練技能を伝承することができる。
The skill evaluation program of the present invention receives a simulated excavation operation for an assumed excavation target performed by an operator via an excavation operation unit having an excavated operation unit, and the excavation operation unit applies the excavation operation unit to the excavated operation unit. According to the applied excavation force, an artificial excavation feeling is given to the operator via the excavation operation means, and at least one of the magnitude of the excavation force and the application direction of the assumed operator is stored in advance. The computer is caused to execute processing for evaluating the skill of the operator in comparison with the reference data being processed.
According to the skill evaluation program of the present invention, the skill of the operator can be properly evaluated, and the skill can be learned safely and reliably, so that highly skilled skill can be passed down.

本発明によると、硬性物体に対する臨場感のある人工現実感を与えることができる掘削感付与装置、ジョイント構造物、掘削感付与方法、及び掘削感付与プログラムを提供することができる。
また、本発明によると、操作者の技能を適正に評価でき、安全かつ確実に技能を習得することができる技能評価装置、技能評価方法、及び技能評価プログラムを提供することができる。
According to the present invention, it is possible to provide an excavation feeling imparting apparatus, a joint structure, an excavation feeling imparting method, and an excavation feeling imparting program capable of giving a realistic sense of reality to a hard object.
Further, according to the present invention, it is possible to provide a skill evaluation device, a skill evaluation method, and a skill evaluation program that can appropriately evaluate the skill of an operator and can learn the skill safely and reliably.

図1は、本発明の掘削感付与装置の一例を示す概略斜視図である。FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of the excavation feeling imparting apparatus of the present invention. 図2は、本発明の掘削感付与装置のジョイント構造部の一例を示す部分拡大斜視図である。FIG. 2 is a partially enlarged perspective view showing an example of a joint structure portion of the excavation feeling imparting apparatus according to the present invention. 図3は、本発明の掘削感付与装置のジョイント構造部の一例を示す部分拡大分解斜視図である。FIG. 3 is a partially enlarged exploded perspective view showing an example of the joint structure portion of the excavation feeling imparting apparatus of the present invention. 図4は、本発明の掘削感付与装置のジョイント構造部に用いるボールリテーナの一例を示す概略図である。FIG. 4 is a schematic view showing an example of a ball retainer used in the joint structure portion of the excavation feeling imparting apparatus of the present invention. 図5は、掘削感付与装置におけるコンピュータのハードウェア構成の一例を含むブロック図である。FIG. 5 is a block diagram including an example of a hardware configuration of a computer in the excavation feeling imparting apparatus. 図6は、掘削感付与装置におけるコンピュータの機能構成の一例を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram illustrating an example of a functional configuration of a computer in the excavation feeling imparting apparatus. 図7は、アドミタンス制御の一例を示すブロック線図である。FIG. 7 is a block diagram illustrating an example of admittance control. 図8は、掘削感付与装置における制御部が行うアドミタンス制御の詳細な一例を示すブロック線図である。FIG. 8 is a block diagram showing a detailed example of admittance control performed by the control unit in the excavation feeling imparting apparatus. 図9は、金槌で被掘削操作部に掘削力を加えたときの実験結果を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the experimental results when a digging force is applied to the excavated operation part with a hammer. 図10は、フィードバック(FB)制御のみで金槌で被掘削操作部に掘削力を加えたときの実験結果を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing experimental results when a drilling force is applied to the excavated operation portion with a hammer only by feedback (FB) control. 図11は、本発明の技能評価装置の一例を示す概略斜視図である。FIG. 11 is a schematic perspective view showing an example of the skill evaluation apparatus of the present invention.

(掘削感付与装置、掘削感付与方法、及び掘削感付与プログラム)
本発明の掘削感付与装置は、掘削操作手段と、掘削感付与手段とを有し、仮想空間表示手段及び支持手段を有することが好ましく、更に必要に応じてその他の手段を有する。
本発明の掘削感付与方法は、掘削操作工程と、掘削感付与工程とを含み、仮想空間表示工程及び支持工程を含むことが好ましく、更に必要に応じてその他の工程を含む。
本発明の掘削感付与プログラムは、操作者により行われる想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作を、被掘削操作部を有する掘削操作手段を介して受け付け、前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、掘削操作手段を介して操作者に対して人工的な掘削感を付与する、処理をコンピュータに実行させる。
(Drilling feeling imparting device, excavation feeling imparting method, and excavation feeling imparting program)
The excavation feeling imparting apparatus of the present invention includes excavation operation means and excavation feeling imparting means, preferably includes virtual space display means and support means, and further includes other means as necessary.
The excavation feeling imparting method of the present invention includes an excavation operation process and an excavation feeling imparting process, preferably includes a virtual space display process and a support process, and further includes other processes as necessary.
The excavation feeling imparting program of the present invention accepts a simulated excavation operation for an assumed excavation target performed by an operator via excavation operation means having an excavated operation unit, and excavation applied to the excavated operation unit In response to the force, the computer is caused to execute a process of giving an artificial feeling of excavation to the operator via the excavation operation means.

本発明の「掘削感付与装置」における掘削操作手段や掘削感付与手段等が行う制御は、本発明の「掘削感付与方法」を実施することと同義であるので、本発明の「掘削感付与装置」の説明を通じて本発明の「掘削感付与方法」の詳細についても明らかにする。また、本発明の「掘削感付与プログラム」は、ハードウェア資源としてのコンピュータ等を用いることにより、本発明の「掘削感付与装置」として実現させることから、本発明の「掘削感付与装置」の説明を通じて本発明の「掘削感付与プログラム」の詳細についても明らかにする。
本発明の掘削感付与方法は、本発明の掘削感付与装置により好適に実施することができ、掘削操作工程は掘削操作手段により行うことができ、掘削感付与工程は掘削感付与手段により行うことができ、仮想空間表示工程は仮想空間表示手段により行うことができ、支持工程は支持手段により行うことができ、その他の工程はその他の手段により行うことができる。
The control performed by the excavation operation means, the excavation feeling imparting means, etc. in the “excavation feeling imparting device” of the present invention is synonymous with the implementation of the “excavation feeling imparting method” of the present invention. Details of the “excavation feeling imparting method” of the present invention will be clarified through the description of the “apparatus”. Moreover, since the “digging feeling imparting program” of the present invention is realized as the “digging feeling imparting apparatus” of the present invention by using a computer or the like as a hardware resource, the “excavation feeling imparting apparatus” of the present invention The details of the “digging feeling imparting program” of the present invention will be clarified through the explanation.
The excavation feeling imparting method of the present invention can be suitably implemented by the excavation feeling imparting apparatus of the present invention, the excavation operation process can be performed by excavation operation means, and the excavation feeling imparting process is performed by excavation feeling imparting means. The virtual space display process can be performed by the virtual space display means, the support process can be performed by the support means, and the other processes can be performed by other means.

<掘削操作工程及び掘削操作手段>
掘削操作工程は、想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作が被掘削操作部に対して操作者により行われる工程であり、掘削操作手段により行われる。
<Excavation operation process and excavation operation means>
The excavation operation process is a process in which a simulated excavation operation on an assumed excavation target is performed by an operator on the excavated operation unit, and is performed by excavation operation means.

<<掘削対象>>
以下、本発明における模擬の掘削操作の対象物として想定される対象物のことを「掘削対象」と称する。すなわち、以下の記載において「掘削対象に対し掘削力を印加する」ということは、想定された掘削対象に対し模擬の掘削力を印加する操作を意味する。
掘削対象としては、掘削可能な対象物であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
掘削とは、掘削対象に対して強い力を与えて掘削対象を掘ったり、削ったりすることを意味し、打撃や回転体の押し込みなどにより掘削対象を所望の形状に調整することも含む。
掘削対象としては、例えば、骨、歯、石、金属、木材、プラスチック、セラミックス、宝石などが挙げられる。
骨としては、例えば、頭蓋骨、顔面骨、脊椎骨、胸骨、肋骨、肩甲骨、鎖骨、上腕骨、前腕骨、手根骨、中手骨、指骨、骨盤、大腿骨、膝蓋骨、下腿骨、足根骨、中足骨、趾骨などが挙げられる。
歯としては、例えば、乳歯(乳中切歯、乳側切歯、乳犬歯、第一乳臼歯、第二乳臼歯)、永久歯(切歯、犬歯、小臼歯、大臼歯)などが挙げられる。
石としては、例えば、大理石、御影石、花崗岩、砂岩、石灰岩、安山岩、凝灰岩、粘板岩などが挙げられる。
金属としては、例えば、鉄、アルミニウム、銅、金、銀、マグネシウム、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、亜鉛などが挙げられる。
木材としては、例えば、ヒノキ、ベイヒ、ヒバ、ベイヒバ、スギ、ベイスギ、カラマツ、アカマツ、エゾマツ、クリ、ケヤキ、サワラ、マキ、カシ、サクラ、モミ、ツガ、ベイツガなどが挙げられる。
プラスチックとしては、例えば、塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、スチレン・アクリロニトリル共重合体、スチレン・ブタジエン・アクリロニトリル共重合体、ポリエチレン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、ポリプロピレン、ポリアセタール、アクリル、ポリメチルメタクリレート、変性アクリル、ポリカーボネートポリアミド、ポリウレタン、ポリブチレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミドなどが挙げられる。
セラミックスとしては、例えば、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、窒化アルミ、炭化珪素、チタン酸バリウム、ハイドロキシアパタイト、フェライト、酸化アルミニウム、酸化亜鉛などが挙げられる。
宝石としては、例えば、エメラルド、オパール、水晶、ダイヤモンド、トルコ石、真珠などが挙げられる。
<< Drilling target >>
Hereinafter, an object assumed as an object of a simulated excavation operation in the present invention is referred to as an “excavation object”. That is, in the following description, “applying excavation force to an excavation target” means an operation of applying a simulated excavation force to an assumed excavation target.
The object to be excavated is not particularly limited as long as it is an object that can be excavated, and can be appropriately selected according to the purpose.
Excavation means that a strong force is applied to the excavation target to excavate or cut the excavation target, and includes adjusting the excavation target to a desired shape by striking or pushing a rotating body.
Examples of the excavation target include bones, teeth, stones, metals, wood, plastics, ceramics, and jewels.
Examples of bones include skulls, facial bones, vertebrae, sternum, ribs, scapula, clavicle, humerus, forearm bone, carpal bone, metacarpal bone, phalange, pelvis, femur, patella, crus bone, tarsal bone Examples include bones, metatarsals, and ribs.
Examples of teeth include milk teeth (mid-milk incisors, milk side incisors, canine teeth, first deciduous teeth, second deciduous teeth), permanent teeth (incisors, canine teeth, premolars, molars) and the like.
Examples of the stone include marble, granite, granite, sandstone, limestone, andesite, tuff, and slate.
Examples of the metal include iron, aluminum, copper, gold, silver, magnesium, nickel, stainless steel, titanium, and zinc.
Examples of the wood include cypress, beihi, hiba, beihiba, cedar, cedar, larch, red pine, spruce, chestnut, zelkova, sawara, maki, oak, cherry, fir, tsuga, and baitsuga.
Examples of the plastic include vinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinyl alcohol, polystyrene, styrene / acrylonitrile copolymer, styrene / butadiene / acrylonitrile copolymer, polyethylene, ethylene / vinyl acetate copolymer, polypropylene, polyacetal, acrylic, Examples include polymethyl methacrylate, modified acrylic, polycarbonate polyamide, polyurethane, polybutylene terephthalate, polysulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyimide, and polyether imide.
Examples of the ceramic include alumina, zirconia, silicon nitride, aluminum nitride, silicon carbide, barium titanate, hydroxyapatite, ferrite, aluminum oxide, and zinc oxide.
Examples of the jewel include emerald, opal, crystal, diamond, turquoise, and pearl.

<<操作者>>
操作者は、掘削対象に対する模擬の掘削操作を被掘削操作部に対して行う者であり、例えば、医学部や歯学部の学生、医者、歯医者、歯科技工士、大工、木材加工職人、石工、彫刻家、金属加工職人、旋盤工、金型職人、宝石加工職人などが挙げられる。
<< Operator >>
An operator is a person who performs a simulated excavation operation on an excavation target on an excavated operation unit, for example, a student in a medical department or a dentistry department, a doctor, a dentist, a dental technician, a carpenter, a woodworker, a mason, or a sculptor , Metalworking craftsman, lathe, mold craftsman, jewelry processing craftsman.

<<被掘削操作部>>
被掘削操作部は、掘削対象に対する模擬の掘削操作が操作者により行われる箇所であり、例えば、被打撃部や被回動乃至回転部などである。また、掘削対象に応じて大きさ、形状、構造などを適宜選択・交換することができる。
<< Excavated operation section >>
The excavated operation part is a place where a simulated excavation operation on an excavation target is performed by an operator, and is, for example, a hit part or a rotated or rotating part. In addition, the size, shape, structure, etc. can be appropriately selected and exchanged according to the excavation target.

−被打撃部−
被打撃部は、打撃手段により打撃されることにより、掘削力が印加される部分であり、打撃面などが該当する。
打撃とは、掘削対象を強く打つこと、即ち、掘削対象の打撃される面と打撃手段とが強く当たることを意味し、人が実行する場合にかぎられず、機械やロボットが実行する場合も含まれる。
打撃力とは、掘削対象を打撃する力を意味する。
-Struck part-
A hit | damage part is a part to which excavation force is applied by hit | damaging by a hit | damage means, and a striking surface etc. correspond.
The hitting means that the object to be excavated is hit hard, that is, the hitting surface of the object to be excavated and the hitting means are strongly hit, and includes not only the case where the person performs but also the case where the machine or robot executes. It is.
The striking force means a force that strikes the object to be excavated.

被打撃部の大きさ、形状、及び構造としては、特に制限はなく、掘削対象の大きさ、形状、及び構造に応じて適宜選択することができる。
被打撃部の材質としては、掘削対象を掘削することができれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、樹脂などが挙げられる。
金属としては、例えば、アルミニウム、鉄、銅、ステンレススチール、クロム−ニッケル合金、チタン合金、などが挙げられる。
樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリカーボネート、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)共重合体、繊維強化プラスチック(FRP)、テフロン(登録商標)などが挙げられる。
There is no restriction | limiting in particular as a magnitude | size, a shape, and a structure of a hit | damage part, According to the magnitude | size, shape, and structure of excavation object, it can select suitably.
The material of the hit portion is not particularly limited as long as the object to be excavated can be excavated, and can be appropriately selected according to the purpose. Examples thereof include metals and resins.
Examples of the metal include aluminum, iron, copper, stainless steel, chromium-nickel alloy, titanium alloy, and the like.
Examples of the resin include polyethylene, polycarbonate, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) copolymer, fiber reinforced plastic (FRP), and Teflon (registered trademark).

被打撃部としては、具体的には、ノミ、骨ノミ、メス、カッター、釘、針等の打撃面が挙げられる。
打撃手段としては、例えば、金槌、骨マレット、ハンマー、斧、人の拳などが挙げられる。
Specific examples of the hit portion include hitting surfaces such as fleas, bone fleas, scalpels, cutters, nails, and needles.
Examples of the hitting means include a hammer, a bone mallet, a hammer, an ax, and a human fist.

−被回動乃至回転部−
被回動乃至回転部は、押圧されながら回動乃至回転されることにより、押圧力、及び回動力乃至回転力が掘削力として印加される部分である。
押圧されながら回動乃至回転するとは、掘削対象に対して回転体を回動乃至回転しながら押し込むことを意味する。
-Rotated or rotating part-
The rotated or rotating part is a part to which pressing force and rotating force or rotating force are applied as excavation force by rotating or rotating while being pressed.
Turning or rotating while being pressed means that the rotating body is pushed into the excavation object while rotating or rotating.

被回動乃至回転部の大きさ、形状、構造、及び材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
被回動乃至回転部の大きさ、形状、及び構造としては、特に制限はなく、掘削対象の大きさ、形状、及び構造に応じて適宜選択することができる。
被回動乃至回転部の材質としては、掘削対象を掘削することができれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、樹脂などが挙げられる。
金属としては、例えば、アルミニウム、鉄、銅、ステンレススチール、クロム−ニッケル合金、チタン合金、などが挙げられる。
樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリカーボネート、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)共重合体、繊維強化プラスチック(FRP)、テフロン(登録商標)などが挙げられる。
There is no restriction | limiting in particular as a magnitude | size, a shape, a structure, and a material of a to-be-rotated thru | or rotation part, According to the objective, it can select suitably.
There is no restriction | limiting in particular as a magnitude | size, a shape, and a structure of a to-be-rotated thru | or rotating part, According to the magnitude | size, shape, and structure of excavation object, it can select suitably.
The material of the pivoted or rotating part is not particularly limited as long as the object to be excavated can be excavated, and can be appropriately selected according to the purpose. Examples thereof include metals and resins.
Examples of the metal include aluminum, iron, copper, stainless steel, chromium-nickel alloy, titanium alloy, and the like.
Examples of the resin include polyethylene, polycarbonate, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) copolymer, fiber reinforced plastic (FRP), and Teflon (registered trademark).

被回動乃至回転部としては、具体的には、手動又は電動によるドリル、キリ、ネジ、ボルト、フライス、バイト、ヤスリなどが挙げられる。   Specific examples of the rotated or rotating part include a manual or electric drill, a drill, a screw, a bolt, a milling cutter, a cutting tool, and a file.

<掘削感付与工程及び掘削感付与手段>
掘削感付与工程は、掘削操作工程により被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、掘削操作工程を介して操作者に対して人工的な掘削感を付与する工程であり、掘削感付与手段により実施される。
「人工的な掘削感」とは、力学的なバーチャルリアリティ(VR)を意味し、実際に掘削対象を掘削するのではないが、掘削する動作に近い臨場感を与えることを意味する。
<Drilling feeling imparting step and excavation feeling imparting means>
The excavation feeling imparting step is a step of imparting an excavation feeling to the operator through the excavation operation step according to the excavation force applied to the excavated operation part by the excavation operation step. Implemented by means.
“Artificial excavation feeling” means dynamic virtual reality (VR), and means to give a sense of reality close to the excavation operation, although the excavation target is not actually excavated.

掘削感付与手段は、ボールリテーナと、回動案内部材と、棒状部材とを有し、検出部及び制御部を有することが好ましく、更に必要に応じてその他の部材を有する。
以下、ボールリテーナと、回動案内部材と、棒状部材と、その他の部材とを合わせてジョイント構造部という。
掘削感付与手段は、ジョイント構造部を有することにより、バックラッシを低減させることができ、滑らかな3軸の回転操作を可能とすると共に、衝撃力に耐えうる高い剛性を備えることができる。ガタツキがないので、硬性物体に対する臨場感のある人工現実感を与えることができる。
The excavation feeling imparting means includes a ball retainer, a rotation guide member, and a rod-like member, preferably includes a detection unit and a control unit, and further includes other members as necessary.
Hereinafter, the ball retainer, the rotation guide member, the rod-like member, and other members are collectively referred to as a joint structure portion.
The excavation sensation imparting means can reduce backlash by having the joint structure, and can provide a smooth three-axis rotation operation and can have a high rigidity capable of withstanding an impact force. Since there is no backlash, it is possible to give an artificial reality with a sense of presence to a hard object.

−ボールリテーナ−
ボールリテーナは、掘削操作手段における被掘削操作部と接続される。
ボールリテーナと被掘削操作部との接続方法としては、特に制限はなく、被掘削操作部に応じて適宜選択することができる。
ボールリテーナは、回動可能な複数のボールを表面に配置した構造を有しており、ボールリテーナはその表面の複数のボールと回動案内部材との点接触によって支持されている。これにより、ボールリテーナと回動案内部材とが密着し、バックラッシを低減させることによって、ガタツキのない滑らかな3軸の回転操作を可能とすると共に、衝撃力に耐えうる高い剛性を有している。
また、ボールリテーナを採用したことにより、例えば、ボールリテーナを一対の半円形支持板で挟んでいるにもかかわらず、Z軸回転方向の回転抵抗を小さくすることができる。
ボールリテーナとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、市販品を用いることができる。市販品としては、例えば、株式会社ミスミ製のボールリテーナ(型番:EMBS8−25)などが挙げられる。
-Ball retainer-
The ball retainer is connected to the excavation operation unit in the excavation operation means.
There is no restriction | limiting in particular as a connection method of a ball retainer and a to-be-excavated operation part, According to a to-be-excavated operation part, it can select suitably.
The ball retainer has a structure in which a plurality of rotatable balls are arranged on the surface, and the ball retainer is supported by point contact between the plurality of balls on the surface and the rotation guide member. As a result, the ball retainer and the rotation guide member are in close contact with each other to reduce backlash, thereby enabling a smooth three-axis rotation operation without backlash and having a high rigidity capable of withstanding an impact force. .
In addition, by employing the ball retainer, for example, the rotational resistance in the Z-axis rotation direction can be reduced despite the ball retainer being sandwiched between a pair of semicircular support plates.
There is no restriction | limiting in particular as a ball retainer, According to the objective, it can select suitably, A commercial item can be used. Examples of commercially available products include a ball retainer (model number: EMBS8-25) manufactured by MISUMI Corporation.

−回動案内部材−
回動案内部材は、ボールリテーナを押圧しつつボールリテーナに点乃至線接触しかつボールリテーナの回動を案内する。
回動案内部材は、ボールリテーナを押圧する面を有する一対の部材と、一対の部材がボールリテーナを押圧するように一対の部材を付勢する付勢部材と、を有し、例えば、一対の半円形支持板などが挙げられる。
回動案内部材の大きさ、形状、構造、材質としては、掘削対象の大きさ、形状、及び構造に応じて適宜選択することができる。
回動案内部材の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、樹脂などが挙げられる。
金属としては、例えば、アルミニウム、鉄、銅、ステンレススチール、クロム−ニッケル合金、チタン合金、などが挙げられる。
樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリカーボネート、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)共重合体、繊維強化プラスチック(FRP)、テフロン(登録商標)などが挙げられる。
-Rotation guide member-
The rotation guide member makes point or line contact with the ball retainer while guiding the ball retainer and guides the rotation of the ball retainer.
The rotation guide member includes a pair of members having a surface that presses the ball retainer, and a biasing member that biases the pair of members so that the pair of members press the ball retainer. A semicircular support plate may be used.
As a magnitude | size, a shape, a structure, and a material of a rotation guide member, it can select suitably according to the magnitude | size, shape, and structure of excavation object.
There is no restriction | limiting in particular as a material of a rotation guide member, According to the objective, it can select suitably, For example, a metal, resin, etc. are mentioned.
Examples of the metal include aluminum, iron, copper, stainless steel, chromium-nickel alloy, titanium alloy, and the like.
Examples of the resin include polyethylene, polycarbonate, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) copolymer, fiber reinforced plastic (FRP), and Teflon (registered trademark).

−付勢部材−
付勢部材としては、例えば、バネ、ゴム、エラストマー等の弾性体などが挙げられる。
付勢部材としては、具体的には、ボルトと平ワッシャとバネとの組み合わせなどが挙げられる。なお、回動案内部材が弾性材料の場合、回動案内部材が撓むことにより付勢部材を兼ねることもできる。
−Biasing member−
Examples of the urging member include an elastic body such as a spring, rubber, or elastomer.
Specific examples of the urging member include a combination of a bolt, a flat washer, and a spring. In addition, when a rotation guide member is an elastic material, it can also serve as an urging member when the rotation guide member bends.

−棒状部材−
棒状部材は、一端がボールリテーナに接続される接続部であり、他端が、回動案内部材により案内されたボールリテーナの回動方向と直交する方向に棒状部材を回動可能に軸支する軸支部を有する。軸支部としては、例えば、Z方向支持軸などが挙げられる。また、接続部と軸支部は棒状部材の端でなくてもよく、中間部分に存在していてもかまわない。
棒状部材の大きさ、構造、及び材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
棒状部材の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、樹脂などが挙げられる。
金属としては、例えば、アルミニウム、鉄、銅、ステンレススチール、クロム−ニッケル合金、チタン合金、などが挙げられる。
樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリカーボネート、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)共重合体、繊維強化プラスチック(FRP)、テフロン(登録商標)などが挙げられる。
-Bar-shaped member-
The rod-shaped member is a connecting portion having one end connected to the ball retainer, and the other end pivotally supports the rod-shaped member in a direction orthogonal to the rotation direction of the ball retainer guided by the rotation guide member. Has a shaft support. Examples of the shaft support include a Z-direction support shaft. Further, the connection portion and the shaft support portion do not have to be at the end of the rod-shaped member, and may exist at the intermediate portion.
There is no restriction | limiting in particular as a magnitude | size, a structure, and a material of a rod-shaped member, According to the objective, it can select suitably.
There is no restriction | limiting in particular as a material of a rod-shaped member, According to the objective, it can select suitably, For example, a metal, resin, etc. are mentioned.
Examples of the metal include aluminum, iron, copper, stainless steel, chromium-nickel alloy, titanium alloy, and the like.
Examples of the resin include polyethylene, polycarbonate, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) copolymer, fiber reinforced plastic (FRP), and Teflon (registered trademark).

ジョイント構造部は駆動機構を備えており、X軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向の3回転方向への回動乃至回転が可能である。
X方向支持軸は、連結されている駆動機構の作動によりジョイント構造部のX軸方向への回動乃至回転移動を行う。
Y方向支持軸は、連結されている駆動機構の作動によりジョイント構造部のY軸方向への回動乃至回転移動を行う。
Z方向支持軸は、連結されている駆動機構の作動によりジョイント構造部のZ軸方向への回動乃至回転移動を行う。
駆動機構としては、例えば、サーボモータ、ステッピングモータなどが挙げられる。また、駆動機構と減速器やブレーキを組み合わせて回動乃至回転移動を調整することができる。
ジョイント構造部における各サーボモータ内にはロータリーエンコーダが設けられており、ロータリーエンコーダによりジョイント構造部の回転角度、角速度を計測することができる。
計測されたジョイント構造部の回転角度、角速度は、制御部へ送信される。
The joint structure part is provided with a drive mechanism, and can rotate or rotate in three rotation directions of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.
The X-direction support shaft rotates or rotates in the X-axis direction of the joint structure portion by the operation of the connected drive mechanism.
The Y-direction support shaft rotates or rotates in the Y-axis direction of the joint structure by the operation of the connected drive mechanism.
The Z-direction support shaft rotates or rotates in the Z-axis direction of the joint structure portion by the operation of the connected drive mechanism.
Examples of the drive mechanism include a servo motor and a stepping motor. Further, the rotation or rotational movement can be adjusted by combining the drive mechanism, the speed reducer, and the brake.
A rotary encoder is provided in each servo motor in the joint structure, and the rotation angle and angular velocity of the joint structure can be measured by the rotary encoder.
The measured rotation angle and angular velocity of the joint structure part are transmitted to the control part.

<<支持手段>>
前述したジョイント構造部により、掘削操作手段を、X軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向の3回転方向への回動乃至回転可能とした。それに加え、支持手段は、掘削感付与装置の設置面内における、X方向、及びX方向と直交するY方向、並びに、設置面と直交するZ方向の各方向に掘削操作手段を移動可能に支持する。
支持手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、掘削操作手段の直線運動をガイドし、互いに交差するX軸、Y軸、及びZ軸の3軸に沿って配置される、X軸リニアガイド、Y軸リニアガイド、Z軸リニアガイドが好適である。
X軸リニアガイドは、端部に設けられた駆動機構の作動により掘削操作手段におけるジョイント構造部の左右移動を行う。
Y軸リニアガイドは、端部に設けられた駆動機構の作動により掘削操作手段におけるジョイント構造部の前後移動を行う。
Z軸リニアガイドは、端部に設けられた駆動機構の作動により掘削操作手段におけるジョイント構造部の上下移動を行う。
リニアガイドの大きさ、形状、構造、材質などについては、硬性物体に対する臨場感のある人工現実感を与えるのに必要な高い剛性を備えておれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
X軸、Y軸、及びZ軸のリニアガイドとしては、市販品を用いることができ、市販品としては、例えば、LMガイドアクチュエータ(THK株式会社製、型番:SKR46)などが挙げられる。
駆動機構としては、例えば、サーボモータ、ステッピングモータなどが挙げられる。また、駆動機構と減速器やブレーキを組み合わせて回動乃至回転移動を調整することができる。
支持手段における各サーボモータ内にはロータリーエンコーダが設けられており、ロータリーエンコーダによりリニアガイドの各軸の移動位置、移動距離を計測することができる。
計測されたリニアガイドの各軸の移動位置や移動距離は、制御部へ送信される。
<< support means >>
With the joint structure described above, the excavation operation means can be rotated or rotated in three rotation directions of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction. In addition, the support means supports the excavation operation means so as to be movable in the X direction, the Y direction orthogonal to the X direction, and the Z direction orthogonal to the installation surface within the installation surface of the excavation feeling imparting device. To do.
The support means is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. However, the support means guides the linear motion of the excavation operation means, and is along the three axes of the X axis, the Y axis, and the Z axis that intersect each other. An X-axis linear guide, a Y-axis linear guide, and a Z-axis linear guide that are arranged are suitable.
The X-axis linear guide moves the joint structure portion in the excavation operation means left and right by the operation of a drive mechanism provided at the end portion.
The Y-axis linear guide moves the joint structure part back and forth in the excavation operation means by the operation of the drive mechanism provided at the end part.
The Z-axis linear guide moves the joint structure portion up and down in the excavation operation means by the operation of the drive mechanism provided at the end portion.
The size, shape, structure, material, etc. of the linear guide are not particularly limited as long as they have the high rigidity necessary to give a realistic sense of reality to hard objects, and are appropriately selected according to the purpose. can do.
As the X-axis, Y-axis, and Z-axis linear guides, commercially available products can be used, and examples of the commercially available products include LM guide actuators (manufactured by THK Corporation, model number: SKR46).
Examples of the drive mechanism include a servo motor and a stepping motor. Further, the rotation or rotational movement can be adjusted by combining the drive mechanism, the speed reducer, and the brake.
A rotary encoder is provided in each servo motor in the support means, and the rotary encoder can measure the movement position and movement distance of each axis of the linear guide.
The measured movement position and movement distance of each axis of the linear guide are transmitted to the control unit.

−検出部−
検出部は、被掘削操作部に印加された掘削力の大きさと印加方向とを検出する。
被掘削操作部に印加された掘削力の大きさの検出には、6軸力覚センサを用いることが好ましい。
6軸力覚センサは、例えば、Z軸リニアガイドに支持アームを介して上下移動可能に搭載されているジョイント構造部の土台と支持アームとの間に設けられており、被掘削操作部に印加された掘削力の大きさを検出する。
6軸力覚センサは、力とトルク(モーメント)の大きさと方向を3次元空間ベクトルで示すセンサである。各軸方向の力成分をFx、Fy、Fzで示し、各軸回りに作用するトルク成分をTx、Ty、Tzで示すセンサである。
6軸力覚センサとしては、市販品を用いることができ、例えば、株式会社レプトリノ製の6軸力覚センサ(型番:080YA501)などが挙げられる。
-Detector-
The detection unit detects the magnitude of the excavation force applied to the excavated operation unit and the application direction.
It is preferable to use a six-axis force sensor for detecting the magnitude of the excavation force applied to the excavated operation unit.
The 6-axis force sensor is provided, for example, between the base of the joint structure portion mounted on the Z-axis linear guide so as to be vertically movable via the support arm and the support arm, and is applied to the excavated operation portion. The magnitude of the excavated force is detected.
The 6-axis force sensor is a sensor that indicates the magnitude and direction of force and torque (moment) by a three-dimensional space vector. It is a sensor which shows the force component of each axial direction by Fx, Fy, Fz, and shows the torque component which acts around each axis by Tx, Ty, Tz.
A commercially available product can be used as the 6-axis force sensor, and examples thereof include a 6-axis force sensor (model number: 080YA501) manufactured by Leptorino Co., Ltd.

なお、検出部において、被掘削操作部に印加された掘削力の印加方向は、ジョイント構造部のX方向、Y方向、及びZ方向支持軸に連結されているサーボモータ内のロータリーエンコーダで計測した回転角度や角速度と、支持手段であるX軸、Y軸、及びZ軸リニアガイドに設けられているサーボモータ内のロータリーエンコーダで計測したリニアガイドの各軸の移動位置と、から求めてもかまわない。   In the detection unit, the direction in which the excavation force applied to the excavated operation unit was measured by a rotary encoder in a servo motor connected to the X direction, Y direction, and Z direction support shafts of the joint structure unit. It may be obtained from the rotation angle and angular velocity, and the movement position of each axis of the linear guide measured by the rotary encoder in the servo motor provided in the X-axis, Y-axis, and Z-axis linear guides as the support means. Absent.

−制御部−
制御部は、検出部が検出した掘削力の大きさと印加方向とに応じて、掘削力が印加される前の被掘削操作部の位置から、掘削力が印加されたときに所定位置に所定速度で被掘削操作部が移動、回動及び回転の少なくともいずれかをするように制御する。
ここで、所定位置とは、印加された掘削力に応じた被掘削操作部の位置を意味する。所定位置としては、例えば、仮想モデルにおいて、掘削力に応じて算出される仮想状態における位置が好ましい。
仮想モデルとは、例えば、質量、バネ定数、粘性係数、あるいは固有角振動数などの機械的性質を示すパラメータにより掘削対象を表す数理モデルである。機械的性質を示すパラメータの設定により、掘削対象として、例えば、金属、木材、骨、歯、石、プラスチック、セラミックスなどを想定することが可能となる。仮想モデルとしてあらかじめ設定した機械的性質を示すパラメータ、並びに、検出した掘削力の大きさ及び印加方向から、掘削力を印加された後の仮想モデルにおける位置、速度、角度、角速度などの仮想状態を算出することができる。
所定速度とは、印加された掘削力に応じた被掘削操作部の移動速度、回動速度及び回転速度の少なくともいずれかの速度を意味する。所定速度としては、例えば、仮想モデルにおいて、検出した掘削力の大きさ及び印加方向に応じて算出される仮想状態における速度が好ましい。
-Control unit-
According to the magnitude of the excavation force detected by the detection unit and the application direction, the control unit moves from the position of the excavated operation unit before the excavation force is applied to a predetermined speed when the excavation force is applied. Then, the excavated operation unit is controlled to move, rotate, or rotate.
Here, the predetermined position means the position of the excavated operation unit according to the applied excavation force. As the predetermined position, for example, a position in a virtual state calculated according to excavation force in a virtual model is preferable.
The virtual model is a mathematical model that represents an object to be excavated by parameters indicating mechanical properties such as mass, spring constant, viscosity coefficient, or natural angular frequency. By setting parameters indicating mechanical properties, it is possible to assume, for example, metal, wood, bone, teeth, stones, plastics, ceramics, and the like as objects to be excavated. Based on the parameters indicating the mechanical properties set in advance as the virtual model, and the virtual state such as position, velocity, angle, angular velocity, etc. in the virtual model after the excavation force is applied from the magnitude and direction of the detected excavation force Can be calculated.
The predetermined speed means at least one of a moving speed, a rotating speed, and a rotating speed of the excavated operation unit according to the applied excavating force. As the predetermined speed, for example, a speed in a virtual state calculated in accordance with the magnitude of the detected excavation force and the application direction in the virtual model is preferable.

制御部による制御は、フィードバック制御とフィードフォワード制御との組合せにより行われることが好ましい。これにより、制御部は、フィードフォワード制御により、掘削力に応じた掘削感を素早く被掘削操作部に付与するように駆動させ、高い応答性を実現できるとともに、フィードバック制御により、掘削力に応じた掘削感を正確に被掘削操作部に付与するように駆動できる。   The control by the control unit is preferably performed by a combination of feedback control and feedforward control. As a result, the control unit can be driven so as to quickly give the excavation feeling according to the excavation force to the excavated operation unit by feedforward control, and can realize high responsiveness, and according to the excavation force by feedback control. It is possible to drive so as to accurately give a feeling of excavation to the operation part to be excavated.

制御部は、掘削操作手段により掘削対象に単回乃至複数回印加された掘削力の大きさの累積が設定値を超えると、超えるまでの所定速度よりも大きな速度で被掘削操作部を移動、回動、回転させることが好ましい。なお、掘削力の大きさとは、検出した掘削力の力積を意味する。制御部は、掘削力の大きさの累積が設定値を超えるまでは掘削力を印加した直後の掘削対象の所定速度を低くする(所定速度ゼロも含む)ことにより、掘削対象が硬いという感覚を操作者に得させることができる。また、制御部は、掘削力の大きさの累積が設定値を超えた場合には、所定速度よりも大きな速度で被掘削操作部を移動させることにより、掘削対象が削れたり貫通したりしてノミ等が抜けるという感覚を操作者に得させることができる。所定速度よりも大きな速度で被掘削操作部を移動させるために、制御部は、仮想モデルに設定する機械的性質を示すパラメータを切り替えることが好ましい。制御部は、掘削力の大きさの累積が設定値を超えていないと判定した場合には、機械的性質を示すパラメータをあらかじめ設定されたままにしておく。そして、掘削力の大きさの累積が設定値を超えたと判定した場合には、制御部は、機械的性質を示すパラメータのうち、質量及び固有角振動数がほぼ0であるパラメータに切り替えることにより、操作者が被掘削操作部をほぼ自在に動かせることができるため、掘削対象が削れたり貫通したりしてノミ等が抜けるという感覚を操作者に得させることができる。   When the cumulative amount of excavation force applied to the excavation object once or multiple times by the excavation operation means exceeds the set value, the control unit moves the excavated operation unit at a speed greater than a predetermined speed until it exceeds, It is preferable to rotate and rotate. In addition, the magnitude | size of excavation force means the impulse of the detected excavation force. The control unit lowers the predetermined speed of the excavation object immediately after the excavation force is applied until the accumulated excavation force exceeds the set value (including the predetermined speed of zero), thereby causing a sense that the excavation object is hard. It can be obtained by the operator. In addition, when the accumulated amount of excavation force exceeds a set value, the control unit moves the excavated operation unit at a speed larger than a predetermined speed, so that the excavation target is shaved or penetrated. It is possible to make the operator feel that fleas are removed. In order to move the excavated operation unit at a speed larger than the predetermined speed, the control unit preferably switches a parameter indicating the mechanical property set in the virtual model. When it is determined that the accumulated excavation force does not exceed the set value, the control unit leaves the parameter indicating the mechanical property set in advance. And when it determines with the accumulation of the magnitude | size of excavation force having exceeded the setting value, a control part is by switching to the parameter whose mass and natural angular frequency are substantially 0 among the parameters which show a mechanical property. Since the operator can move the excavated operation part almost freely, the operator can get a feeling that the object to be excavated is cut or penetrated and fleas are removed.

制御部が行う各種処理は、制御部を有するコンピュータにより実行される。
コンピュータとしては、記憶、演算、制御などの装置を備えた機器であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、パーソナルコンピュータなどが挙げられる。
Various processes performed by the control unit are executed by a computer having the control unit.
The computer is not particularly limited as long as it is a device equipped with devices such as storage, calculation, and control, and can be appropriately selected according to the purpose. Examples thereof include a personal computer.

<<仮想空間表示手段>>
仮想空間表示手段は、少なくとも掘削対象を仮想空間上に表示する。また、仮想空間表示手段は、掘削対象の手前に被掘削操作部を表示するようにしてもよい。仮想空間表示手段を備えることにより、視覚的なバーチャルリアリティ(VR)を実現でき、掘削感付与装置により付与される掘削感の臨場感を更に高めることができる。
仮想空間表示手段としては、例えば、モニター、プロジェクター、VRゴーグル、ヘッドマウントディスプレイなどが挙げられる。
<< Virtual space display means >>
The virtual space display means displays at least the excavation target on the virtual space. The virtual space display means may display the excavated operation unit in front of the excavation target. By providing the virtual space display means, visual virtual reality (VR) can be realized, and the realistic feeling of excavation feeling provided by the excavation feeling imparting device can be further enhanced.
Examples of the virtual space display means include a monitor, a projector, VR goggles, a head mounted display, and the like.

<その他の工程及びその他の手段>
その他の工程としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、記録工程、表示工程などが挙げられる。
その他の手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、記録手段、表示手段などが挙げられる。
<Other processes and other means>
Other processes are not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include a recording process and a display process.
The other means is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include a recording means and a display means.

(ジョイント構造物)
本発明のジョイント構造物は、ボールリテーナと、回動案内部材と、棒状部材と、を有し、更に必要に応じてその他の部材を有する。
回動案内部材は、ボールリテーナを押圧する面を有する一対の部材と、一対の部材が前記ボールリテーナを押圧するように一対の部材を付勢する付勢部材と、を有する。
ジョイント構造物におけるボールリテーナ、回動案内部材、棒状部材、及び付勢部材は、いずれも、本発明の掘削感付与装置のジョイント構造部と同様である。
(Joint structure)
The joint structure of the present invention includes a ball retainer, a rotation guide member, and a rod-shaped member, and further includes other members as necessary.
The rotation guide member includes a pair of members having a surface that presses the ball retainer, and an urging member that urges the pair of members so that the pair of members press the ball retainer.
The ball retainer, the rotation guide member, the rod-like member, and the urging member in the joint structure are all the same as the joint structure portion of the excavation feeling imparting device of the present invention.

本発明のジョイント構造物は、通常、スライドレール等の軸の摺動などに用いられるボールリテーナを回動乃至回転動作に用いている。
ジョイント構造物においてボールリテーナは、このボールリテーナの表面の複数のボールと回動案内部材としての一対の半円形支持板との点接触によって支持されている。
一対の半円形支持板の間に配置する凸型部材の突出幅はボールリテーナの外径よりも小さく構成されている。一対の半円形支持板の外側から付勢部材によりボールリテーナを挟んだ状態で固定する。付勢部材の押圧力により一対の半円形支持板でボールリテーナを外側から押さえ付けても、一対の半円形支持板の間に配置した凸型部材によりボールリテーナが摺動する隙間は確保できる。そして、ボールリテーナはその表面の複数のボールにより半円形支持板と点接触しているので、ボールリテーナに接続している操作端を滑らかに動かすことができ、ガタツキを確実に防止できる。
In the joint structure of the present invention, a ball retainer used for sliding a shaft such as a slide rail is usually used for rotating or rotating operation.
In the joint structure, the ball retainer is supported by point contact between a plurality of balls on the surface of the ball retainer and a pair of semicircular support plates serving as rotation guide members.
The protruding width of the convex member disposed between the pair of semicircular support plates is configured to be smaller than the outer diameter of the ball retainer. The ball retainer is fixed by the biasing member from the outside of the pair of semicircular support plates. Even when the ball retainer is pressed from the outside by the pair of semicircular support plates by the pressing force of the urging member, a clearance in which the ball retainer slides can be secured by the convex member disposed between the pair of semicircular support plates. Since the ball retainer is in point contact with the semicircular support plate by a plurality of balls on the surface thereof, the operation end connected to the ball retainer can be smoothly moved, and rattling can be reliably prevented.

ジョイント構造物は、上記特徴を備えており、本発明の掘削感付与装置のジョイント構造部として好適に用いられが、これ以外にも円滑な回動乃至回転動作が必要な各種装置に幅広く用いることができ、例えば、操縦杆、各種操作レバー、コンピュータの入力装置、ゲームのコントローラとしてのジョイスティックなどが挙げられる。   The joint structure has the above-mentioned features, and is suitably used as a joint structure part of the excavation feeling imparting device of the present invention. However, the joint structure can be widely used for various devices that require smooth rotation or rotation. For example, a control stick, various operation levers, a computer input device, a joystick as a game controller, and the like can be given.

(技能評価装置、技能評価方法、及び技能評価プログラム)
本発明の技能評価装置は、掘削操作手段と、掘削感付与手段と、評価手段とを有し、更に必要に応じてその他の手段を有する。
本発明の掘削感付与方法は、掘削操作工程と、掘削感付与工程と、評価工程とを含み、更に必要に応じてその他の工程を含む。
本発明の技能評価プログラムは、操作者により行われる想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作を、被掘削操作部を有する掘削操作手段を介して受け付け、被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、掘削操作手段を介して操作者に対して人工的な掘削感を付与し、
想定操作者における掘削力の大きさ及び印加方向の少なくともいずれかを予め記憶している基準データと比較して操作者の技能を評価する、処理をコンピュータに実行させる。
(Skill evaluation device, skill evaluation method, and skill evaluation program)
The skill evaluation apparatus of the present invention includes excavation operation means, excavation feeling imparting means, and evaluation means, and further includes other means as necessary.
The excavation feeling imparting method of the present invention includes an excavation operation process, an excavation feeling imparting process, and an evaluation process, and further includes other processes as necessary.
The skill evaluation program of the present invention accepts a simulated excavation operation for an assumed excavation object performed by an operator via an excavation operation means having an excavated operation part, and applies the excavation force applied to the excavated operation part. Accordingly, an artificial feeling of excavation is given to the operator via the excavation operation means,
The computer is caused to execute a process of evaluating the skill of the operator by comparing at least one of the magnitude of the excavating force and the application direction of the assumed operator with reference data stored in advance.

本発明の「技能評価装置」における掘削操作手段、掘削感付与手段や評価手段等が行う制御は、本発明の「技能評価方法」を実施することと同義であるので、本発明の「技能評価装置」の説明を通じて本発明の「技能評価方法」の詳細についても明らかにする。また、本発明の「技能評価プログラム」は、ハードウェア資源としてのコンピュータ等を用いることにより、本発明の「技能評価装置」として実現させることから、本発明の「技能評価装置」の説明を通じて本発明の「技能評価プログラム」の詳細についても明らかにする。
本発明の技能評価方法は、本発明の技能評価装置により好適に実施することができ、掘削操作工程は掘削操作手段により行うことができ、掘削感付与工程は掘削感付与手段により行うことができ、評価工程は評価手段により行うことができ、その他の工程はその他の手段により行うことができる。
Since the control performed by the excavation operation means, excavation feeling imparting means, evaluation means, etc. in the “skill evaluation apparatus” of the present invention is synonymous with the implementation of the “skill evaluation method” of the present invention, Details of the “skill evaluation method” of the present invention will be clarified through the description of the “apparatus”. In addition, since the “skill evaluation program” of the present invention is realized as the “skill evaluation apparatus” of the present invention by using a computer or the like as a hardware resource, the “skill evaluation apparatus” of the present invention is used to explain the present invention. The details of the “skill evaluation program” of the invention will also be clarified.
The skill evaluation method of the present invention can be suitably implemented by the skill evaluation apparatus of the present invention, the excavation operation process can be performed by excavation operation means, and the excavation feeling imparting process can be performed by excavation feeling imparting means. The evaluation process can be performed by evaluation means, and the other processes can be performed by other means.

ところで、熟練技能とは、「繰り返しの訓練を通して体で覚える」とか、「先人のやり方を見て覚える」とか、「失敗の繰り返しの中から微妙な感覚を体得する」とかいう中で伝承されてきたものであり、いわゆる「解説しにくい勘所」、「変化に適切に対応する技量」というような、熟練技能者自身でも教示すべき内容を正確に把握しきれていない難しい微妙な項目である場合が多い。
また、「達人」や「職人」などと称される熟練技能者の価値は、予め決められている定型作業においてではなく、新しい事態、あるいは予期せぬ事態への対応において真価が発揮されるものであり、予め決められている定型作業に対しての動作パターンを単に作業仕様に関連付けて抽出するだけでは本当の意味での熟練技能の所在を評価することはできない。
そこで、本発明の技能評価装置及び技能評価方法は、掘削操作手段と掘削感付与手段と評価手段とを有することにより、いわゆる熟練技能といわれる高度かつ微妙な技能の勘所の習得を図るために、操作者の技能を的確に評価することができる。
By the way, skilled skills have been handed down such as “learning with the body through repeated training”, “learning by seeing the way of the predecessor”, or “obtaining a subtle sense from repeated repetition of failure”. If it is a difficult and subtle item that is not fully understood by the skilled technician itself, such as the so-called “difficulty to explain” and “skills to respond appropriately to changes” There are many.
In addition, the value of skilled technicians, such as "Guru" and "Artisan", will be demonstrated in response to new or unforeseen situations, not in predetermined routine work. Therefore, it is not possible to evaluate the location of the skilled skill in the true sense simply by extracting the operation pattern for a predetermined routine work in association with the work specification.
Therefore, the skill evaluation device and the skill evaluation method of the present invention have a drilling operation means, a feeling of excavation giving means, and an evaluation means, in order to acquire a high-level and delicate skill point, which is called so-called skilled skill, The skill of the operator can be accurately evaluated.

本発明の「技能評価装置」は、評価手段を有する以外は、本発明の「掘削感付与装置」と同様の手段を有している。本発明の「技能評価方法」は、評価工程を含む以外は、本発明の「掘削感付与方法」と同様の工程を含んでいる。   The “skill evaluation apparatus” of the present invention has the same means as the “excavation feeling imparting apparatus” of the present invention, except that it has an evaluation means. The “skill evaluation method” of the present invention includes the same steps as the “excavation feeling imparting method” of the present invention except that it includes an evaluation step.

<評価工程及び評価手段>
評価工程は、想定操作者における掘削力の大きさ及び印加方向の少なくともいずれかを予め記憶している基準データと比較して操作者の技能を評価する工程であり、評価手段により実施される。
<Evaluation process and evaluation means>
The evaluation step is a step of evaluating the skill of the operator by comparing at least one of the magnitude of the excavating force and the application direction of the assumed operator with reference data stored in advance, and is performed by the evaluation means.

−想定操作者−
想定操作者とは、技能の評価を行う際の基準となる技術分野における熟練者を意味し、分野に応じて適宜選定することができる。
熟練者としては、例えば、高度な熟練技能を有する整形外科医者、高度な熟練技能を有する口腔外科医者、高度な熟練技能を有する職人などが挙げられる。
-Assumed operator-
The assumed operator means a person skilled in the technical field, which is a reference for skill evaluation, and can be appropriately selected according to the field.
Examples of the skilled person include an orthopedic surgeon having a high level of skill, an oral surgeon having a high level of skill, and a craftsman having a high level of skill.

−基準データ−
基準データは、技能の評価を行う際の基準となるデータである。基準データとしては、例えば、熟練者の掘削動作における掘削力の大きさ及び印加方向の時系列データなどが挙げられる。
なお、熟練技能者から得られた基準データからデータベースを構築し、このデータベースのデータを作業仕様に合わせてロボットに教示することもできる。
-Reference data-
The reference data is data that serves as a reference for skill evaluation. Examples of the reference data include the magnitude of excavation force in the excavation operation of a skilled person and time-series data of the application direction.
It is also possible to construct a database from reference data obtained from skilled technicians and teach the robot the data in this database according to work specifications.

−評価方法−
評価方法としては、例えば、基準データと操作者の掘削力の大きさ及び印加方向のデータとの差の平均値、標準偏差を求める方法、時系列の基準データと操作者の掘削力の大きさ及び印加方向のデータとの相関を求める方法、時系列の基準データから外れた操作者のエラーの数の累積値を求める方法、などが挙げられる。
-Evaluation method-
Evaluation methods include, for example, the average value of the difference between the reference data and the magnitude of the operator's excavation force and the data in the direction of application, the standard deviation, the time series reference data and the magnitude of the operator's excavation force And a method for obtaining a correlation with the data in the application direction, a method for obtaining a cumulative value of the number of errors of the operator deviating from the time-series reference data, and the like.

<第1の実施形態>
ここで、本発明の掘削感付与装置の第1の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明の第1の実施形態の掘削感付与装置は、ジョイント構造物として本発明のジョイント構造物を用いており、本発明のジョイント構造物は本発明の掘削感付与装置に含まれるため、以下の本発明の掘削感付与装置の実施形態の説明を通じて、本発明のジョイント構造物の実施形態についても説明する。
なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。また、下記構成部材の数、位置、形状等は本実施形態に限定されず、本発明を実施する上で好ましい数、位置、形状等にすることができる。
<First Embodiment>
Here, the first embodiment of the excavation feeling imparting apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The excavation feeling imparting apparatus of the first embodiment of the present invention uses the joint structure of the present invention as a joint structure, and the joint structure of the present invention is included in the excavation feeling imparting apparatus of the present invention. Through the description of the embodiment of the excavation feeling imparting apparatus of the present invention, the embodiment of the joint structure of the present invention will also be described.
In addition, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected to the same component and the overlapping description may be abbreviate | omitted. In addition, the number, position, shape, and the like of the following constituent members are not limited to the present embodiment, and can be set to a preferable number, position, shape, and the like for carrying out the present invention.

図1は、本発明の掘削感付与装置の一例を示す概略斜視図である。図2は、掘削感付与装置のジョイント構造部の部分拡大斜視図である。この図1の掘削感付与装置100は、被掘削操作部としての骨ノミに見立てた操作端1と、支持手段としてのX軸リニアガイド2、Y軸リニアガイド3、Z軸リニアガイド4と、検出部としての6軸力覚センサ6と、X軸、Y軸、及びZ軸リニアガイドの駆動機構としてのX軸サーボモータ7、Y軸サーボモータ8、Z軸サーボモータ9と、ジョイント構造部50の駆動機構としてのX軸回転方向サーボモータ15、Y軸回転方向サーボモータ16、及びZ軸回転方向サーボモータ17と、制御部11とを有する。なお、図1中10はX軸補助ガイド、12は基台である。   FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of the excavation feeling imparting apparatus of the present invention. FIG. 2 is a partially enlarged perspective view of a joint structure portion of the excavation feeling imparting apparatus. The excavation feeling imparting apparatus 100 in FIG. 1 includes an operation end 1 that is like a bone flea as an excavated operation unit, an X-axis linear guide 2, a Y-axis linear guide 3, and a Z-axis linear guide 4 as support means, 6-axis force sensor 6 as a detection unit, X-axis servo motor 7, Y-axis servo motor 8, Z-axis servo motor 9 as a drive mechanism for X-axis, Y-axis, and Z-axis linear guides, and joint structure The control unit 11 includes an X-axis rotation direction servomotor 15, a Y-axis rotation direction servomotor 16, and a Z-axis rotation direction servomotor 17 as 50 drive mechanisms. In FIG. 1, 10 is an X-axis auxiliary guide, and 12 is a base.

操作端1には、操作者の打撃による打撃力が与えられる。1aは被打撃部としての打撃面である。打撃は金槌を用いて行われる。
操作端1へ操作者の金槌による打撃操作により大きな衝撃力が加わることを考慮して、掘削感付与装置100は、高い剛性及び強度を有する構造を備えている。また、操作端1を自在に操作できるように前後方向、上下方向、及び左右方向への移動を可能とすることが求められる。そこで、掘削感付与装置100は、図1に示すように、支持手段としてX軸方向の直線移動をガイドするX軸リニアガイド2と、Y軸方向の直線移動をガイドするY軸リニアガイド3と、Z軸方向の直線移動をガイドするZ軸リニアガイド4とを有することにより、X軸、Y軸、及びZ軸の3方向への並進移動が可能となる。このようなリニアガイドを用いた構造は高い強度、剛性を有しているため、並進移動に対する大きな荷重負荷や衝撃に十分に耐えることができる。したがって、掘削感付与装置100は、硬性物体に対する臨場感のある人工現実感を与えることができる。
The operation end 1 is given a striking force by the operator's striking. Reference numeral 1a denotes a striking surface as a hit portion. The batting is done using a hammer.
Considering that a large impact force is applied to the operation end 1 by the hammering operation by the operator's hammer, the excavation feeling imparting apparatus 100 has a structure having high rigidity and strength. In addition, it is required to be able to move in the front-rear direction, the up-down direction, and the left-right direction so that the operation end 1 can be freely operated. Therefore, as shown in FIG. 1, the excavation feeling imparting apparatus 100 includes an X-axis linear guide 2 that guides linear movement in the X-axis direction as a support means, and a Y-axis linear guide 3 that guides linear movement in the Y-axis direction. By having the Z-axis linear guide 4 for guiding the linear movement in the Z-axis direction, translational movement in three directions of the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis becomes possible. Since the structure using such a linear guide has high strength and rigidity, it can sufficiently withstand a large load load and impact against translational movement. Therefore, the excavation feeling imparting apparatus 100 can provide an artificial reality with a sense of presence to a hard object.

支持手段としてのX軸、Y軸、及びZ軸リニアガイド2、3、4は、駆動機構としてのX軸サーボモータ7、Y軸サーボモータ8、及びZ軸サーボモータ9の作動により所望の方向に移動可能である。本実施形態では、X軸、Y軸、及びZ軸リニアガイドとして、LMガイドアクチュエータ(THK株式会社製、型番:SKR46)を用いている。
X軸、Y軸、及びZ軸のサーボモータ7、8、9にはロータリーエンコーダが設けられており、ロータリーエンコーダにより各リニアガイドの各軸の移動位置や移動距離を計測する。
計測されたリニアガイドの各軸の移動位置や移動距離は、制御部11へ送信される。
The X-axis, Y-axis, and Z-axis linear guides 2, 3, 4 as supporting means are in a desired direction by the operation of the X-axis servomotor 7, Y-axis servomotor 8, and Z-axis servomotor 9 as drive mechanisms. Can be moved to. In this embodiment, LM guide actuators (model number: SKR46, manufactured by THK Corporation) are used as the X-axis, Y-axis, and Z-axis linear guides.
The X-axis, Y-axis, and Z-axis servomotors 7, 8, and 9 are provided with a rotary encoder, and the rotary encoder measures the movement position and movement distance of each axis of each linear guide.
The measured movement position and movement distance of each axis of the linear guide are transmitted to the control unit 11.

ジョイント構造部10は、ボールリテーナ14と、回動案内部材としての一対の半円形支持板13、13と、棒状部材としてのZ方向支持軸20とを有する。
ジョイント構造部50は、Z軸リニアガイド4に支持アーム33を介して上下移動可能に搭載されており、ジョイント構造部50の基盤22と支持アーム33との間に6軸力覚センサ6が設置されている。本実施形態では、6軸力覚センサ6として、株式会社レプトリノ製の6軸力覚センサ(型番:080YA501)を用いている。
6軸力覚センサ6により掘削力や掘削力の印加方向を検出することができ、定格荷重500(N)、定格モーメント20(Nm)までの計測が可能である。
The joint structure portion 10 includes a ball retainer 14, a pair of semicircular support plates 13 and 13 as rotation guide members, and a Z-direction support shaft 20 as a rod-shaped member.
The joint structure portion 50 is mounted on the Z-axis linear guide 4 so as to be vertically movable via a support arm 33, and a 6-axis force sensor 6 is installed between the base 22 of the joint structure portion 50 and the support arm 33. Has been. In this embodiment, as the 6-axis force sensor 6, a 6-axis force sensor (model number: 080YA501) manufactured by Leptorino Co., Ltd. is used.
The 6-axis force sensor 6 can detect the excavation force and the direction in which the excavation force is applied, and can measure up to a rated load of 500 (N) and a rated moment of 20 (Nm).

図2に示すように、X方向支持軸18は、一対の半円形支持板13、13と、棒状部材としてのZ方向支持軸20を介して連結されているサーボモータ15の作動によりジョイント構造部50のX軸方向への回動乃至回転移動を行う。なお、図2中31はモータカバー、32はベアリングホルダーである。
Y方向支持軸19は、連結されているサーボモータ16の作動によりジョイント構造部50のY軸方向への回動乃至回転移動を行う。
Z方向支持軸20は、連結されているサーボモータ17の作動によりジョイント構造部50のZ軸方向への回動乃至回転移動を行う。
各サーボモータ15、16、17内にはロータリーエンコーダが設けられており、ロータリーエンコーダによりジョイント構造部50の回転角度や角速度を計測することができる。
計測されたジョイント構造部50の回転角度や角速度は、制御部11へ送信され、検出部における被掘削操作部に印加された掘削力の回転方向及び回動方向の角度や角速度を検出するのに用いられる。
As shown in FIG. 2, the X-direction support shaft 18 is a joint structure portion by the operation of a pair of semicircular support plates 13, 13 and a Z-direction support shaft 20 as a rod-like member. 50 is rotated or moved in the X-axis direction. In FIG. 2, 31 is a motor cover, and 32 is a bearing holder.
The Y-direction support shaft 19 rotates or rotates the joint structure portion 50 in the Y-axis direction by the operation of the connected servo motor 16.
The Z-direction support shaft 20 rotates or rotates the joint structure portion 50 in the Z-axis direction by the operation of the servo motor 17 connected thereto.
A rotary encoder is provided in each servo motor 15, 16, 17, and the rotation angle and angular velocity of the joint structure 50 can be measured by the rotary encoder.
The measured rotation angle and angular velocity of the joint structure unit 50 are transmitted to the control unit 11 to detect the rotation direction and rotation direction angle and angular velocity of the excavating force applied to the excavated operation unit in the detection unit. Used.

ジョイント構造部50は、図3に示すように、ボールリテーナ14を一対の半円形支持板13、13の間で支持する構造を備えている。
ボールリテーナ14は、図4に示すような、回動可能な複数のボール34を表面に配置した構造を有している。本実施形態では、株式会社ミスミ製のボールリテーナ(型番:EMBS8−25)を用いている。
ボールリテーナ14は、ボールリテーナの表面の複数のボール34と一対の半円形支持板13、13との点接触によって支持されている。
一対の半円形支持板13、13の間に配置する凸型部材24、24の突出幅はボールリテーナ14の外径よりも小さく構成されている。一対の半円形支持板13、13の外側からバネ25を介してボルト26でボールリテーナ14を挟んだ状態で固定する。バネ25の押圧力により一対の半円形支持板13、13でボールリテーナ14を外側から押さえ付けても、一対の半円形支持板13、13の間に配置した凸型部材24によりボールリテーナ14が摺動する隙間は確保できる。そして、ボールリテーナ14はその表面の複数のボール34により半円形支持板13、13と点接触しているので、ボールリテーナ14に接続している操作端1を滑らかに動かすことができ、ガタツキを確実に防止できる。
As shown in FIG. 3, the joint structure 50 includes a structure that supports the ball retainer 14 between a pair of semicircular support plates 13 and 13.
The ball retainer 14 has a structure in which a plurality of rotatable balls 34 are arranged on the surface as shown in FIG. In this embodiment, a ball retainer (model number: EMBS8-25) manufactured by MISUMI Corporation is used.
The ball retainer 14 is supported by point contact between a plurality of balls 34 on the surface of the ball retainer and the pair of semicircular support plates 13 and 13.
The protruding widths of the convex members 24, 24 arranged between the pair of semicircular support plates 13, 13 are configured to be smaller than the outer diameter of the ball retainer 14. The ball retainer 14 is fixed with bolts 26 from outside the pair of semicircular support plates 13 and 13 via springs 25. Even if the ball retainer 14 is pressed from the outside by the pair of semicircular support plates 13, 13 by the pressing force of the spring 25, the ball retainer 14 is held by the convex member 24 arranged between the pair of semicircular support plates 13, 13. A sliding gap can be secured. Since the ball retainer 14 is in point contact with the semicircular support plates 13 and 13 by a plurality of balls 34 on the surface thereof, the operation end 1 connected to the ball retainer 14 can be smoothly moved, and rattling is reduced. It can be surely prevented.

支持手段としてのX軸リニアガイド2、Y軸リニアガイド3、及びZ軸リニアガイド4の各リニアガイドに設けられているサーボモータ内のロータリーエンコーダ、ジョイント構造部50のX方向支持軸19、Y方向支持軸20、及びZ方向支持軸21に連結されているサーボモータ内のロータリーエンコーダ、並びに6軸力覚センサ6により得られた各種信号は、制御部11により処理される。
以下では、本実施形態で用いるコンピュータについて説明する。
A rotary encoder in a servo motor provided in each of the linear guides of the X-axis linear guide 2, the Y-axis linear guide 3, and the Z-axis linear guide 4 as support means, the X-direction support shaft 19 of the joint structure 50, Y Various signals obtained by the rotary encoder in the servo motor connected to the direction support shaft 20 and the Z direction support shaft 21 and the 6-axis force sensor 6 are processed by the control unit 11.
Hereinafter, a computer used in the present embodiment will be described.

図5は、掘削感付与装置におけるコンピュータのハードウェア構成を含むブロック図である。図5に示すように、コンピュータ70は、駆動機構60と、ヘッドマウントディスプレイ90とに通信可能に接続されている。また、コンピュータ70は以下の各部を有する。各部は、バス77を介してそれぞれ接続されている。   FIG. 5 is a block diagram including a hardware configuration of a computer in the excavation feeling imparting apparatus. As shown in FIG. 5, the computer 70 is communicably connected to the drive mechanism 60 and the head mounted display 90. The computer 70 has the following units. Each part is connected via a bus 77.

CPU(Central Processing Unit)71は、プロセッサの一種であり、種々の制御や演算を行う処理装置である。
CPU71は、補助記憶装置73などが記憶するOS(Operating System)やプログラムを実行することにより、種々の機能を実現する。すなわち、CPU71は、本実施態様では、掘削感付与プログラムを実行することにより、後述する制御部82として機能する。
A CPU (Central Processing Unit) 71 is a type of processor and is a processing device that performs various controls and operations.
The CPU 71 implements various functions by executing an OS (Operating System) and programs stored in the auxiliary storage device 73 and the like. That is, in this embodiment, the CPU 71 functions as a control unit 82 described later by executing the excavation feeling imparting program.

掘削感付与プログラムは、必ずしも最初から補助記憶装置73などに記憶されていなくともよい。掘削感付与プログラムは、例えば、インターネットなどを介して掘削感付与装置100に通信可能に接続されている他の情報処理装置などに掘削感付与プログラムを格納させ、掘削感付与装置100がこれらから掘削感付与プログラムを取得して実行してもよい。また、掘削感付与プログラムは、例えば、コンピュータ読取り可能な記録媒体に格納され、掘削感付与装置100がこの記録媒体から掘削感付与プログラムを取得して実行してもよい。記録媒体としては、例えば、可搬型記録媒体、半導体メモリ、ハードディスクなどが挙げられる。可搬型記録媒体としては、例えば、CD(Compact Disc)−ROM(Read Only Memory)、USB(Universal Serial Bus)メモリなどが挙げられる。半導体メモリとしては、例えば、フラッシュメモリなどが挙げられる。   The excavation feeling imparting program is not necessarily stored in the auxiliary storage device 73 or the like from the beginning. The excavation feeling imparting program stores, for example, the excavation feeling imparting program in another information processing apparatus or the like that is communicably connected to the excavation feeling imparting apparatus 100 via the Internet or the like. A feeling imparting program may be acquired and executed. The excavation feeling imparting program may be stored in a computer-readable recording medium, for example, and the excavation feeling imparting apparatus 100 may acquire and execute the excavation feeling imparting program from this recording medium. Examples of the recording medium include a portable recording medium, a semiconductor memory, and a hard disk. Examples of the portable recording medium include a CD (Compact Disc) -ROM (Read Only Memory), a USB (Universal Serial Bus) memory, and the like. An example of the semiconductor memory is a flash memory.

また、CPU71は、掘削感付与装置100全体の動作を制御するために用いられる。なお、本実施態様では、掘削感付与装置100全体の動作を制御する装置をCPU71としたが、これに限ることなく、例えば、FPGA(Field Programmable Gate Array)などとしてもよい。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。   The CPU 71 is used to control the operation of the excavation feeling imparting apparatus 100 as a whole. In the present embodiment, the device that controls the operation of the excavation feeling imparting device 100 as a whole is the CPU 71, but is not limited thereto, and may be, for example, an FPGA (Field Programmable Gate Array). These may be used alone or in combination of two or more.

主記憶装置72は、各種プログラムを記憶し、また各種プログラムを実行するために必要なデータなどを記憶する。
主記憶装置72は、図示しない、ROMと、RAM(Random Access Memory)と、を有する。
ROMは、BIOS(Basic Input/Output System)等の各種プログラムなどを記憶している。
RAMは、各種プログラムがCPU71により実行される際に展開される作業範囲などとして機能する。RAMとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。RAMとしては、例えば、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、SRAM(Static Random Access Memory)などが挙げられる。
The main storage device 72 stores various programs, and stores data necessary for executing the various programs.
The main storage device 72 has a ROM and a RAM (Random Access Memory) not shown.
The ROM stores various programs such as BIOS (Basic Input / Output System).
The RAM functions as a work range that is developed when various programs are executed by the CPU 71. There is no restriction | limiting in particular as RAM, According to the objective, it can select suitably. Examples of the RAM include DRAM (Dynamic Random Access Memory) and SRAM (Static Random Access Memory).

補助記憶装置73は、本実施態様では、ハードディスクドライブ(「HDD」と称することもある)である。
なお、補助記憶装置73としては、各種情報を記憶できれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ソリッドステートドライブ、磁気テープなどが挙げられる。また、他の補助記憶装置73としては、例えば、CDドライブ、DVD(Digital Versatile Disc)ドライブなどの可搬記憶装置などが挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
In this embodiment, the auxiliary storage device 73 is a hard disk drive (sometimes referred to as “HDD”).
The auxiliary storage device 73 is not particularly limited as long as various types of information can be stored, and can be appropriately selected according to the purpose. Examples thereof include a solid state drive and a magnetic tape. Examples of the other auxiliary storage device 73 include a portable storage device such as a CD drive and a DVD (Digital Versatile Disc) drive. These may be used alone or in combination of two or more.

通信インターフェイス74は、本実施態様では、CAN(Controller Area Network)ボードである。
なお、通信インターフェイス74としては、特に制限はなく、適宜公知のものを用いることができ、例えば、LAN(Local Area Network)ポート等の有線を用いた通信デバイス、無線を用いた通信デバイスなどが挙げられる。また、通信インターフェイス74は、インターネットなどに接続されていてもよい。
In this embodiment, the communication interface 74 is a CAN (Controller Area Network) board.
The communication interface 74 is not particularly limited, and a known one can be used as appropriate. For example, a communication device using a wire such as a LAN (Local Area Network) port, a communication device using radio, and the like can be given. It is done. The communication interface 74 may be connected to the Internet or the like.

入力装置75は、本実施態様では、キーボード及びマウスである。
なお、入力装置75としては、掘削感付与装置100に対する各種要求を受け付けることができれば特に制限はなく、適宜公知のものを用いることができ、例えば、タッチパネルなどが挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
In this embodiment, the input device 75 is a keyboard and a mouse.
The input device 75 is not particularly limited as long as it can accept various requests to the excavation feeling imparting device 100, and a known device can be used as appropriate, and examples thereof include a touch panel. These may be used alone or in combination of two or more.

出力装置76は、本実施態様では、液晶ディスプレイである。
なお、出力装置76としては、特に制限はなく、適宜公知のものを用いることができ、例えば、他のディスプレイ、スピーカーなどが挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
In this embodiment, the output device 76 is a liquid crystal display.
In addition, there is no restriction | limiting in particular as the output device 76, A well-known thing can be used suitably, For example, another display, a speaker, etc. are mentioned. These may be used alone or in combination of two or more.

仮想空間表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ90は、操作端1と掘削対象としての骨を仮想空間上に表示する。   The head-mounted display 90 as a virtual space display device displays the operation end 1 and the bone to be excavated on the virtual space.

図6は、掘削感付与装置におけるコンピュータ70の機能構成を示すブロック図である。図6に示すように、掘削感付与装置100は、通信部81と、制御部82と、記憶部83と、入力部84と、出力部85と、を有する。   FIG. 6 is a block diagram illustrating a functional configuration of the computer 70 in the excavation feeling imparting apparatus. As shown in FIG. 6, the excavation feeling imparting apparatus 100 includes a communication unit 81, a control unit 82, a storage unit 83, an input unit 84, and an output unit 85.

通信部81には、通信インターフェイス74により、6軸力覚センサ6からセンサ出力信号が入力されるとともに、各ロータリーエンコーダから検出信号が入力される。通信部81は、センサ出力信号及び検出信号に基づいた指令信号としての電流指令値を各サーボモータにそれぞれ出力する。   The communication unit 81 receives a sensor output signal from the six-axis force sensor 6 and a detection signal from each rotary encoder via the communication interface 74. The communication unit 81 outputs a current command value as a command signal based on the sensor output signal and the detection signal to each servo motor.

制御部82は、センサ出力信号及び検出信号により算出した掘削力を入力とし、図7に示すアドミタンス制御のブロック線図のように、フィードフォワード制御及びフィードバック制御により得た電流指令Iを駆動機構60に出力する。これにより、制御部82は、電流指令Iに基づいて各サーボモータを駆動させて力覚としての駆動力を操作端1に伝達できるため、掘削力に応じた力覚を操作者に提示することができる。 Control unit 82, the digging force calculated by the sensor output signal and the detection signal as input, such as a block diagram of the admittance control shown in FIG. 7, the drive current command I d obtained by the feed-forward control and feedback control mechanism 60. Thus, the control unit 82, it is possible to transmit by driving each servo motor based on the current command I d a driving force as a force sense to the operation end 1, presents a force sense in accordance with the digging force by the operator be able to.

図7は、制御部82が行うアドミタンス制御のブロック線図を示す。図7に示すように、制御部82は、フィードバック制御器と、フィードフォワード制御器と、仮想モデルと、駆動機構60と、を備える。
制御部82は、掘削力が印加された後の仮想モデルの位置と当該掘削力が印加される前の駆動機構60の位置との差分をフィードバック制御器に入力する。これにより、掘削対象を駆動させる駆動機構60は、掘削力が印加された後の仮想モデルの位置に応じて精度よく制御することができる。
さらに、制御部82は、フィードフォワード制御器とフィードバック制御器との組合せとすることにより、フィードバック制御器のみを備えている場合よりも駆動機構60の初期の駆動速度を速くすることができる。このため、掘削感付与装置100は、印加された掘削力に対し高い応答性を得ることができる。
なお、本実施形態では掘削対象を骨と想定し、仮想モデルの質量、粘性抵抗、及びバネ定数のパラメータを比較的大きく設定すると、制御部82は、操作端1に大きな掘削力を与えても仮想モデルの質量が大きい設定であるため仮想モデルの移動が微小となり、仮想モデルの仮想状態に応じて制御される操作端1の移動も微小となる。なお、例えば、掘削対象を臓器などと想定し、仮想モデルの質量、粘性抵抗、及びバネ定数のパラメータを比較的小さく設定すると、制御部82は、操作端1に僅かな掘削力を印加されても仮想モデルが移動し、操作端1も移動する。このように、掘削感付与装置は、仮想モデルのパラメータの設定により、掘削対象が所望の材質に近いような力覚を操作者に提示することができる。
FIG. 7 shows a block diagram of admittance control performed by the control unit 82. As illustrated in FIG. 7, the control unit 82 includes a feedback controller, a feedforward controller, a virtual model, and a drive mechanism 60.
The controller 82 inputs the difference between the position of the virtual model after the excavation force is applied and the position of the drive mechanism 60 before the excavation force is applied to the feedback controller. Thereby, the drive mechanism 60 that drives the excavation target can be accurately controlled according to the position of the virtual model after the excavation force is applied.
Furthermore, the control unit 82 can increase the initial drive speed of the drive mechanism 60 by using a combination of a feedforward controller and a feedback controller as compared with a case where only the feedback controller is provided. For this reason, the excavation feeling imparting apparatus 100 can obtain high responsiveness to the applied excavation force.
In this embodiment, assuming that the object to be excavated is a bone, and the parameters of the mass, viscous resistance, and spring constant of the virtual model are set to be relatively large, the control unit 82 may apply a large excavating force to the operation end 1. Since the virtual model has a large mass setting, the movement of the virtual model is minute, and the movement of the operation end 1 controlled in accordance with the virtual state of the virtual model is also minute. For example, assuming that the object to be excavated is an organ or the like, and the parameters of the virtual model mass, viscous resistance, and spring constant are set to be relatively small, the control unit 82 applies a slight excavation force to the operation end 1. The virtual model moves, and the operation end 1 also moves. Thus, the excavation feeling imparting apparatus can present an operator with a force sense that the excavation target is close to a desired material by setting the parameters of the virtual model.

図8は、制御部82が行うアドミタンス制御の詳細なブロック線図を示す。なお、本実施形態では、駆動機構60の各サーボモータは電流制御系である。このときの駆動機構60の運動は、次式のように表現される。   FIG. 8 shows a detailed block diagram of the admittance control performed by the control unit 82. In the present embodiment, each servo motor of the drive mechanism 60 is a current control system. The motion of the drive mechanism 60 at this time is expressed as follows.

ここで、mは駆動機構60の質量(kg)、cは等価粘性係数(Ns/m)、Kは電流・力変換係数(N/A)、xは駆動機構60の搬送距離(m)、Iは電流指令値(A)を示す。
また、式(1)を標準化すると次式となる。
Here, m d is the drive mechanism 60 mass (kg), c d is the equivalent viscosity (Ns / m), K T is a current-force conversion factor (N / A), x d is the transport distance of the drive mechanism 60 (m), I d denotes a current command value (a).
Moreover, when Formula (1) is standardized, it becomes the following formula.

ここで、ωは折点角周波数(rad/s)、Kはゲイン定数(m/s/A)を示す。ωとKは同定実験により得られ、ω=10rad/s、K=0.05m/s/Aが得られた。
そして、仮想モデルでは、6軸力覚センサ6により計測される掘削トルクT(Nm)から、回転機構のハンドル長さL(m)を除することで掘削力F(N)が算出される。掘削力F(N)から操作端の仮想位置x(m)の関係を次式に示す。
Here, ω d represents a corner angular frequency (rad / s), and K represents a gain constant (m / s / A). ω d and K were obtained by an identification experiment, and ω d = 10 rad / s and K = 0.05 m / s / A were obtained.
In the virtual model, the excavation force F (N) is calculated by dividing the handle length L 0 (m) of the rotation mechanism from the excavation torque T n (Nm) measured by the 6-axis force sensor 6. The The relationship between the excavation force F (N) and the virtual position x v (m) of the operating end is shown in the following equation.

ここで、仮想的な質量をm(kg)、粘性係数をc(Ns/m)、バネ定数をk(N/m)とする。 Here, the virtual mass is m v (kg), the viscosity coefficient is c v (Ns / m), and the spring constant is k v (N / m).

また、式(3)を標準化すると式(4)となる。
Further, when Expression (3) is standardized, Expression (4) is obtained.

ここで、固有角振動数をω(rad/s)、減衰比をζとする。式(4)におけるパラメータm、ω、ζを設定することにより、掘削対象の様々な感覚の創出を可能とする。本実施形態では、振動させず高い応答性を得る目的でζ=1とする。掘削力を印加したときに硬いと感じる感覚の創出では、パラメータのm、ωを大きく与え、抵抗の大きい弾性体を作り出すことで、掘削力F(N)が入力された際に、変位を生じさせず硬いと感じさせることができる。その値は、表1上段に示すとおりであり、パラメータを徐々に増加させていき、十分硬いと感じ、それ以上大きくしても変化が見込まれないと判断した値である。
制御部82は、掘削対象が削れた際にノミが抜ける様な感覚を創出するために、以下のように制御する。まず、制御部82は、掘削力F(N)を蓄積し、式(5)のように、掘削対象の現在の状態r(k)を一つ前の状態r(k−1)と力積を加算していく。次に、加算した力積の値が設定値を超えた際に、表1上段に示したパラメータから、表1下段に示すような、人間が手を自然に動かした状態に近いと感じたときの各パラメータに瞬間的に切り替えるようにする。これにより、掘削感付与装置100は、掘削対象が削れた際にノミが抜ける様な感覚を創出することができる。なお、表1下段に示したパラメータは、切り替えた後に台車に過剰な挙動がないよう、バネ定数kは0としていない。
Here, the natural angular frequency is ω v (rad / s) and the damping ratio is ζ. By setting the parameters m v , ω v , and ζ in the equation (4), it is possible to create various sensations of the excavation target. In the present embodiment, ζ = 1 is set for the purpose of obtaining high responsiveness without vibration. In creating a feeling of being hard when applying excavation force, the parameters m v and ω v are given a large value to create an elastic body with high resistance, so that when excavation force F (N) is input, displacement It can be made to feel hard without producing. The value is as shown in the upper part of Table 1, and is a value determined by gradually increasing the parameter, feeling that it is sufficiently hard, and expecting no change even if it is further increased.
The control unit 82 performs the following control in order to create a feeling that fleas come off when the excavation target is cut. First, the control unit 82 accumulates the excavation force F (N), and sets the current state r (k) of the excavation target to the previous state r (k−1) as shown in Expression (5). Will be added. Next, when the added impulse value exceeds the set value, the parameter shown in the upper part of Table 1 feels that the person is close to the state of moving the hand naturally as shown in the lower part of Table 1 Switch to each parameter of. Thereby, the excavation feeling imparting apparatus 100 can create a feeling that fleas come off when the excavation target is shaved. Incidentally, the parameters shown in Table 1 the lower part, so that there is no excessive behavior carriage after switching, the spring constant k v is not 0.

ここで、離散時間をk、サンプリング時間をΔt、参照係数をαとする。r(k)に所定の設定値を設け、設定値を超えた際にパラメータが切り替わる。
フィードフォワード制御器では、駆動機構60を仮想モデルの仮想状態に応じて制御するように、次式のようにする。
Here, it is assumed that the discrete time is k, the sampling time is Δt, and the reference coefficient is α. A predetermined set value is provided for r (k), and the parameter is switched when the set value is exceeded.
In the feedforward controller, the following equation is used to control the drive mechanism 60 according to the virtual state of the virtual model.

ここで、P −1は式(2)に示す駆動機構60の逆モデルを示し、Pは式(4)に示す仮想モデルであり、Lはローパスフィルタを表す。ローパスフィルタは高周波帯域でのノイズを増幅させないように設置されるもので、次式が得られる。 Here, P d −1 represents an inverse model of the drive mechanism 60 shown in Expression (2), P d is a virtual model shown in Expression (4), and L represents a low-pass filter. The low-pass filter is installed so as not to amplify noise in the high frequency band, and the following equation is obtained.

ここで、ω(rad/s)はローパスフィルタの折点角周波数である。本実施形態ではω=60rad/sであった。
そして、フィードバック制御器は、駆動機構60からの出力と仮想モデルからの出力の偏差を補償するために設置される。本実施形態ではフィードバック制御器をPD制御とする。PD制御器を次式に示す。
Here, ω f (rad / s) is the corner angular frequency of the low-pass filter. In this embodiment, ω f = 60 rad / s.
The feedback controller is installed to compensate for the deviation between the output from the drive mechanism 60 and the output from the virtual model. In this embodiment, the feedback controller is PD control. The PD controller is shown in the following equation.

ここで、Kは比例ゲインであり、Kは微分ゲインを示す。本発明では、K及びKの決定は、仮想モデルからの出力xから駆動機構60からの出力xまでの伝達特性を基づいて、極配置法により求める。本実施形態ではK=800、K=60が求められた。 Here, K P is a proportional gain, and K D is a differential gain. In the present invention, K P and K D are determined by the pole placement method based on the transfer characteristics from the output x v from the virtual model to the output x d from the drive mechanism 60. In this embodiment, K P = 800 and K D = 60 are obtained.

図9は、金槌で操作端1に掘削力を加えたときの実験結果を示す。掘削力Fを断続的に印加すると、パラメータ変化前では変位は非常に小さく、硬い感覚を創出していることが確認される。r(k)の値は徐々に増加し、設定値を超えた際に台車が瞬間的に移動することで、物体が削れた際のノミが抜けるような感覚が創出される。このパラメータ変化は、r(k)の設定値に依存しているため、この設定値を操作しパラメータ変化時期を調節することで、切削材料の板厚の想定も可能とする。また、ノミの抜ける際に発生する加速度は4.55m/sと、操作者に違和感を与えない高い加速度が生成されていることが確認される。即ち、これにより、掘削感付与装置は、掘削対象の質量が大きい場合にも、高い応答性を発揮できることが確認される。 FIG. 9 shows an experimental result when a digging force is applied to the operation end 1 with a hammer. When the excavation force F is applied intermittently, it is confirmed that the displacement is very small before the parameter change, creating a hard feeling. The value of r (k) gradually increases, and when the carriage exceeds the set value, the trolley moves instantaneously, creating a feeling that the flea when the object is shaved is removed. Since this parameter change depends on the set value of r (k), the thickness of the cutting material can be assumed by manipulating this set value and adjusting the parameter change time. In addition, the acceleration generated when the flea is removed is 4.55 m / s 2, and it is confirmed that a high acceleration that does not give the operator a sense of incongruity is generated. That is, this confirms that the excavation feeling imparting apparatus can exhibit high responsiveness even when the mass of the excavation target is large.

図10は、図9においてフィードフォワード制御を行わず、フィードバック制御だけにより金槌で操作端1に掘削力を加えたときの実験結果を示す。その結果、ノミの抜ける際に発生する加速度は1.5m/sであり、図9の加速度4.55m/sに比べて小さい加速度となった。この結果から、掘削感付与装置100がフィードフォワード制御器を備えていないと、備えている場合と比べて駆動機構60の初期の駆動速度が遅くなるため、印加された掘削力に対し高い応答性が得えられないことが確認された。換言すると、掘削感付与装置100ではフィードフォワード制御を行わないと、臨場感のあるノミが抜けるような感覚を操作者が十分に得られないことが確認された。 FIG. 10 shows the experimental results when excavating force is applied to the operating end 1 with a hammer using only the feedback control without performing the feedforward control in FIG. As a result, the acceleration generated when the exit of fleas is 1.5 m / s 2, became smaller acceleration than the acceleration 4.55m / s 2 in FIG. From this result, when the excavation feeling imparting apparatus 100 does not include a feedforward controller, the initial driving speed of the drive mechanism 60 is slower than when the excavation feeling imparting apparatus 100 includes the feedforward controller. It was confirmed that cannot be obtained. In other words, the excavation feeling imparting apparatus 100 has confirmed that the operator cannot sufficiently obtain a sense that realistic fleas can be removed unless feedforward control is performed.

<第2の実施形態>
ここで、第2の実施形態の技能評価装置について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明の第2の実施形態の技能評価装置は、ジョイント構造物として本発明のジョイント構造物を用いており、本発明のジョイント構造物は本発明の技能評価装置に含まれる。
<Second Embodiment>
Here, the skill evaluation apparatus according to the second embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
The skill evaluation apparatus according to the second embodiment of the present invention uses the joint structure of the present invention as a joint structure, and the joint structure of the present invention is included in the skill evaluation apparatus of the present invention.

図11は、本発明の第2の実施形態の技能評価装置300の一例を示す概略斜視図である。この図11の技能評価装置300は、評価手段310を有する以外は、図1の掘削感付与装置100と同じ構成を有するので、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。また、下記構成部材の数、位置、形状等は本実施形態に限定されず、本発明を実施する上で好ましい数、位置、形状等にすることができる。   FIG. 11 is a schematic perspective view showing an example of the skill evaluation apparatus 300 according to the second embodiment of the present invention. The skill evaluation apparatus 300 in FIG. 11 has the same configuration as the excavation feeling imparting apparatus 100 in FIG. 1 except that the skill evaluation apparatus 300 includes the evaluation unit 310. Therefore, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. There is a case. In addition, the number, position, shape, and the like of the following constituent members are not limited to the present embodiment, and can be set to a preferable number, position, shape, and the like for carrying out the present invention.

評価手段310は、想定操作者における掘削力の大きさ及び印加方向の少なくともいずれかを予め記憶している基準データと比較して操作者の技能を評価する手段である。
本実施形態では、想定操作者として熟練者の掘削力の大きさ及び印加方向の少なくともいずれかを予め記憶しておき基準データとし、この基準データに基づき、操作者の技能を評価する。
評価方法としては、例えば、基準データの操作者のデータとの差の平均値、標準偏差を求める方法、時系列の基準データとの相関を求める方法、時系列の基準データから外れたエラーの数の累積値を求める方法、などが挙げられる。
The evaluation means 310 is a means for evaluating the skill of the operator by comparing at least one of the magnitude of the excavation force and the application direction of the assumed operator with reference data stored in advance.
In the present embodiment, at least one of the magnitude and the application direction of the expert's excavation force as an assumed operator is stored in advance as reference data, and the operator's skill is evaluated based on this reference data.
Evaluation methods include, for example, the average value of the difference between the reference data and the operator's data, the method for obtaining the standard deviation, the method for obtaining the correlation with the time series reference data, and the number of errors out of the time series reference data. And a method for obtaining the cumulative value of.

なお、本発明の第1の実施形態及び第2の実施形態では、操作者が被掘削操作部として操作端1に金槌で掘削力を加えたが、これに限ることなく、操作者が被掘削操作部としての被回動乃至回転部に回動乃至回転時における押圧力を印加することにより、操作者に対しドリルなどによる掘削操作の人工現実感を与えることも可能である。   In the first embodiment and the second embodiment of the present invention, the operator applies a digging force to the operation end 1 with a hammer as an operation part to be excavated. By applying a pressing force at the time of rotation or rotation to the rotated or rotation unit as the operation unit, it is possible to give the operator an artificial reality of a drilling operation by a drill or the like.

本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
<1> 想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作が操作者により行われる被掘削操作部を有する掘削操作手段と、
前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作手段を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与する掘削感付与手段と、
を有することを特徴とする掘削感付与装置である。
<2> 前記被掘削操作部が、打撃手段により打撃されることにより、前記掘削力が印加される被打撃部である前記<1>に記載の掘削感付与装置である。
<3> 前記被掘削操作部が、押圧されながら回動乃至回転されることにより、押圧力、及び回動力乃至回転力が前記掘削力として印加される被回動乃至回転部である前記<1>に記載の掘削感付与装置である。
<4> 前記掘削感付与手段が、
前記被掘削操作部と接続されたボールリテーナと、
前記ボールリテーナを押圧しつつ前記ボールリテーナの回動を案内する回動案内部材と、
棒状部材であって、前記ボールリテーナに接続される接続部と、前記回動案内部材により案内された前記ボールリテーナの回動方向と直交する方向に前記棒状部材を回動可能に軸支する軸支部とを有する棒状部材と、
を有する前記<1>から<3>のいずれかに記載の掘削感付与装置である。
<5> 前記回動案内部材が、
前記ボールリテーナを押圧する面を有する一対の部材と、
前記一対の部材が前記ボールリテーナを押圧するように前記一対の部材を付勢する付勢部材と、
を有する前記<4>に記載の掘削感付与装置である。
<6> 前記掘削感付与手段が、前記被掘削操作部に印加された掘削力の大きさと印加方向とを検出する検出部を有する前記<1>から<5>のいずれかに記載の掘削感付与装置である。
<7> 前記検出部が、6軸力覚センサである前記<6>に記載の掘削感付与装置である。
<8> 前記検出部が検出した掘削力の大きさと印加方向とに応じて、
前記掘削力が印加される前の前記被掘削操作部の位置から、
前記掘削力が印加されたときに所定位置に所定速度で前記被掘削操作部が移動するように制御する制御部を有する前記<6>から<7>のいずれかに記載の掘削感付与装置である。
<9> 前記制御部による制御が、フィードバック制御とフィードフォワード制御との組合せにより行われる前記<8>に記載の掘削感付与装置である。
<10> 前記制御部が、
前記被掘削操作部に単回乃至複数回印加された前記掘削力の大きさの累積が設定値を超えると、
前記設定値を超えるまでの間における前記被掘削操作部を移動させる所定速度よりも速い速度で前記被掘削操作部を移動させる、前記<8>から<9>のいずれかに記載の掘削感付与装置である。
<11> 仮想空間表示手段を更に有し、
前記仮想空間表示手段が、少なくとも前記想定された掘削対象を仮想空間上に表示する前記<1>から<10>のいずれかに記載の掘削感付与装置である。
<12> 前記掘削感付与装置の設置面内における、X方向、及び前記X方向と直交するY方向、並びに、前記設置面と直交するZ方向の各方向に前記掘削操作手段を移動可能に支持する支持手段を更に有する前記<1>から<11>のいずれかに記載の掘削感付与装置である。
<13> 前記支持手段が、リニアガイドである前記<12>に記載の掘削感付与装置である。
<14> ボールリテーナと、
前記ボールリテーナを押圧しつつ前記ボールリテーナの回動を案内する回動案内部材と、
棒状部材であって、前記ボールリテーナに接続される接続部と、前記回動案内部材により案内された前記ボールリテーナの回動方向と直交する方向に前記棒状部材を回動可能に軸支する軸支部とを有する棒状部材と、
を有することを特徴とするジョイント構造物である。
<15> 前記回動案内部材が、
前記ボールリテーナを押圧する面を有する一対の部材と、
前記一対の部材が前記ボールリテーナを押圧するように前記一対の部材を付勢する付勢部材と、
を有する前記<14>に記載のジョイント構造物である。
<16> 想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作が被掘削操作部に対して操作者により行われる掘削操作工程と、
前記掘削操作工程で前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作工程を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与する掘削感付与工程と、
を含むことを特徴とする掘削感付与方法である。
<17> 想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作が操作者により行われる被掘削操作部を有する掘削操作手段と、
前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作手段を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与する掘削感付与手段と、
想定操作者における掘削力の大きさ及び印加方向の少なくともいずれかを予め記憶している基準データと比較して前記操作者の技能を評価する評価手段と、
を有することを特徴とする技能評価装置である。
<18> 想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作が被掘削操作部に対して操作者により行われる掘削操作工程と、
前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作手段を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与する掘削感付与工程と、
想定操作者における掘削力の大きさ及び印加方向の少なくともいずれかを予め記憶している基準データと比較して前記操作者の技能を評価する評価工程と、
を含むことを特徴とする技能評価方法である。
<19> 操作者により行われる想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作を、被掘削操作部を有する掘削操作手段を介して受け付け、
前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作手段を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与する、
処理をコンピュータに実行させることを特徴とする掘削感付与プログラムである。
<20> 操作者により行われる想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作を、被掘削操作部を有する掘削操作手段を介して受け付け、
前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作手段を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与し、
想定操作者における掘削力の大きさ及び印加方向の少なくともいずれかを予め記憶している基準データと比較して前記操作者の技能を評価する
処理をコンピュータに実行させることを特徴とする技能評価プログラムである。
Aspects of the present invention are as follows, for example.
<1> Excavation operation means having an excavated operation unit in which a simulated excavation operation on an assumed excavation target is performed by an operator;
Excavation feeling imparting means for imparting an artificial excavation feeling to the operator via the excavation operation means according to the excavation force applied to the excavated operation portion;
It is an excavation feeling imparting apparatus characterized by having.
<2> The excavation feeling imparting apparatus according to <1>, wherein the excavation operation unit is hit by the hitting unit and the hitting force is applied.
<3> The above-described <1> which is a rotated or rotating part to which a pressing force and a rotating force or a rotating force are applied as the excavating force by rotating or rotating the pressed operation unit while being pressed. > Is an excavation feeling imparting device.
<4> The excavation feeling imparting means is
A ball retainer connected to the excavated operation unit;
A rotation guide member for guiding the rotation of the ball retainer while pressing the ball retainer;
A rod-shaped member that is connected to the ball retainer, and a shaft that pivotally supports the rod-shaped member in a direction orthogonal to the rotation direction of the ball retainer guided by the rotation guide member. A rod-shaped member having a branch;
The excavation feeling imparting device according to any one of <1> to <3>.
<5> The rotation guide member is
A pair of members having a surface for pressing the ball retainer;
A biasing member that biases the pair of members such that the pair of members presses the ball retainer;
The excavation feeling imparting apparatus according to <4>, wherein the excavation feeling imparting apparatus is provided.
<6> The excavation feeling according to any one of <1> to <5>, wherein the excavation feeling imparting unit includes a detection unit that detects a magnitude and an application direction of an excavation force applied to the excavated operation unit. It is a grant device.
<7> The excavation feeling imparting device according to <6>, wherein the detection unit is a six-axis force sensor.
<8> According to the magnitude and application direction of the excavation force detected by the detection unit,
From the position of the excavated operation part before the excavation force is applied,
The excavation feeling imparting apparatus according to any one of <6> to <7>, further including a control unit that controls the excavated operation unit to move to a predetermined position at a predetermined speed when the excavation force is applied. is there.
<9> The excavation feeling imparting apparatus according to <8>, wherein the control by the control unit is performed by a combination of feedback control and feedforward control.
<10> The control unit is
When the cumulative amount of the excavation force applied once or multiple times to the excavated operation unit exceeds a set value,
Excavation feeling imparting according to any one of <8> to <9>, wherein the excavated operation unit is moved at a speed faster than a predetermined speed for moving the excavated operation unit until the set value is exceeded. Device.
<11> It further has a virtual space display means,
The excavation feeling imparting device according to any one of <1> to <10>, wherein the virtual space display unit displays at least the assumed excavation target in a virtual space.
<12> The excavation operation means is movably supported in the X direction, the Y direction orthogonal to the X direction, and the Z direction orthogonal to the installation surface in the installation surface of the excavation feeling imparting apparatus. The excavation feeling imparting apparatus according to any one of <1> to <11>, further including supporting means for performing the excavation.
<13> The excavation feeling imparting device according to <12>, wherein the support means is a linear guide.
<14> A ball retainer,
A rotation guide member for guiding the rotation of the ball retainer while pressing the ball retainer;
A rod-shaped member that is connected to the ball retainer, and a shaft that pivotally supports the rod-shaped member in a direction orthogonal to the rotation direction of the ball retainer guided by the rotation guide member. A rod-shaped member having a branch;
It is a joint structure characterized by having.
<15> The rotation guide member is
A pair of members having a surface for pressing the ball retainer;
A biasing member that biases the pair of members such that the pair of members presses the ball retainer;
It is a joint structure as described in said <14> which has.
<16> An excavation operation process in which a simulated excavation operation on an assumed excavation target is performed by an operator on the excavated operation unit;
Excavation feeling imparting step of imparting an artificial excavation feeling to the operator via the excavation operation step according to the excavation force applied to the excavated operation part in the excavation operation step;
It is the excavation feeling provision method characterized by including.
<17> Excavation operation means having an excavated operation unit in which a simulated excavation operation on an assumed excavation target is performed by an operator;
Excavation feeling imparting means for imparting an artificial excavation feeling to the operator via the excavation operation means according to the excavation force applied to the excavated operation portion;
An evaluation means for evaluating the operator's skill by comparing at least one of the magnitude of the excavation force and the application direction in the assumed operator with reference data stored in advance;
It is a skill evaluation apparatus characterized by having.
<18> Excavation operation process in which a simulated excavation operation on an assumed excavation target is performed by an operator on the excavated operation unit;
Excavation feeling imparting step of imparting an artificial excavation feeling to the operator via the excavation operation means according to the excavation force applied to the excavated operation part;
An evaluation step of evaluating the skill of the operator by comparing with reference data stored in advance at least one of the magnitude of the excavating force and the application direction in the assumed operator;
It is the skill evaluation method characterized by including.
<19> Accepting a simulated excavation operation for an assumed excavation target performed by an operator via excavation operation means having an excavated operation unit,
According to the excavation force applied to the excavated operation part, an artificial excavation feeling is given to the operator via the excavation operation means.
An excavation feeling imparting program that causes a computer to execute processing.
<20> Accepting a simulated excavation operation for an assumed excavation object performed by an operator via an excavation operation means having an excavated operation unit,
According to the excavation force applied to the excavated operation part, to give an artificial excavation feeling to the operator via the excavation operation means,
A skill evaluation program for causing a computer to execute a process of evaluating the skill of the operator by comparing at least one of the magnitude of the excavation force and the application direction of the assumed operator with reference data stored in advance. It is.

前述の<1>から<13>のいずれかに記載の掘削感付与装置、前述の<14>から<15>のいずれかに記載のジョイント構造物、前述の<16>に記載の掘削感付与方法、前述の<17>に記載の技能評価装置、前述の<18>に記載の技能評価方法、前述の<19>に記載の掘削感付与プログラム、及び前述の<20>に記載の技能評価プログラムによると、従来における前述の諸問題を解決し、前述の本発明の目的を達成することができる。   The excavation feeling imparting device according to any one of <1> to <13>, the joint structure according to any one of <14> to <15>, and the excavation feeling imparting according to <16> above. Method, skill evaluation device according to <17> above, skill evaluation method according to <18> above, excavation feeling imparting program according to <19> above, and skill evaluation according to <20> above According to the program, the above-mentioned problems in the prior art can be solved and the object of the present invention described above can be achieved.

1 操作端
1a 被打撃部(打撃面)
2 X軸リニアガイド
3 Y軸リニアガイド
4 Z軸リニアガイド
6 6軸力覚センサ
7 X軸サーボモータ
8 Y軸サーボモータ
9 Z軸サーボモータ
10 X軸補助ガイド
11 制御部
12 基台
14 ボールリテーナ
15 X軸回転方向サーボモータ
16 Y軸回転方向サーボモータ
17 Z軸回転方向サーボモータ
22 基盤
33 支持アーム
50 ジョイント構造部
60 駆動機構
70 コンピュータ
90 ヘッドマウントディスプレイ
100 掘削感付与装置
300 技能評価装置
310 評価手段
1 Operation end 1a Striking part (striking surface)
2 X-axis linear guide 3 Y-axis linear guide 4 Z-axis linear guide 6 6-axis force sensor 7 X-axis servo motor 8 Y-axis servo motor 9 Z-axis servo motor 10 X-axis auxiliary guide 11 Control unit 12 Base 14 Ball retainer 15 X-axis rotation direction servo motor 16 Y-axis rotation direction servo motor 17 Z-axis rotation direction servo motor 22 Base 33 Support arm 50 Joint structure 60 Drive mechanism 70 Computer 90 Head mount display 100 Excavation feeling imparting device 300 Skill evaluation device 310 Evaluation means

Claims (20)

想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作が操作者により行われる被掘削操作部を有する掘削操作手段と、
前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作手段を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与する掘削感付与手段と、
を有することを特徴とする掘削感付与装置。
An excavation operation means having an excavated operation unit in which a simulated excavation operation on an assumed excavation target is performed by an operator;
Excavation feeling imparting means for imparting an artificial excavation feeling to the operator via the excavation operation means according to the excavation force applied to the excavated operation portion;
An excavation feeling imparting apparatus characterized by comprising:
前記被掘削操作部が、打撃手段により打撃されることにより、前記掘削力が印加される被打撃部である請求項1に記載の掘削感付与装置。   The excavation feeling imparting apparatus according to claim 1, wherein the excavation operation unit is an hitting unit to which the excavation force is applied by being hit by a hitting unit. 前記被掘削操作部が、押圧されながら回動乃至回転されることにより、押圧力、及び回動力乃至回転力が前記掘削力として印加される被回動乃至回転部である請求項1に記載の掘削感付与装置。   2. The rotated or rotating part to which a pressing force and a rotational force or a rotational force are applied as the excavating force when the drilled operation unit is rotated or rotated while being pressed. Drilling feeling imparting device. 前記掘削感付与手段が、
前記被掘削操作部と接続されたボールリテーナと、
前記ボールリテーナを押圧しつつ前記ボールリテーナの回動を案内する回動案内部材と、
棒状部材であって、前記ボールリテーナに接続される接続部と、前記回動案内部材により案内された前記ボールリテーナの回動方向と直交する方向に前記棒状部材を回動可能に軸支する軸支部とを有する棒状部材と、
を有する請求項1から3のいずれかに記載の掘削感付与装置。
The excavation feeling imparting means is
A ball retainer connected to the excavated operation unit;
A rotation guide member for guiding the rotation of the ball retainer while pressing the ball retainer;
A rod-shaped member that is connected to the ball retainer, and a shaft that pivotally supports the rod-shaped member in a direction orthogonal to the rotation direction of the ball retainer guided by the rotation guide member. A rod-shaped member having a branch;
The excavation feeling imparting apparatus according to any one of claims 1 to 3.
前記回動案内部材が、
前記ボールリテーナを押圧する面を有する一対の部材と、
前記一対の部材が前記ボールリテーナを押圧するように前記一対の部材を付勢する付勢部材と、
を有する請求項4に記載の掘削感付与装置。
The rotation guide member is
A pair of members having a surface for pressing the ball retainer;
A biasing member that biases the pair of members such that the pair of members presses the ball retainer;
The excavation feeling imparting apparatus according to claim 4.
前記掘削感付与手段が、前記被掘削操作部に印加された掘削力の大きさと印加方向とを検出する検出部を有する請求項1から5のいずれかに記載の掘削感付与装置。   The excavation feeling imparting apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the excavation feeling imparting unit includes a detection unit that detects a magnitude and an application direction of an excavation force applied to the excavated operation unit. 前記検出部が、6軸力覚センサである請求項6に記載の掘削感付与装置。   The excavation feeling imparting apparatus according to claim 6, wherein the detection unit is a six-axis force sensor. 前記検出部が検出した掘削力の大きさと印加方向とに応じて、
前記掘削力が印加される前の前記被掘削操作部の位置から、
前記掘削力が印加されたときに所定位置に所定速度で前記被掘削操作部が移動するように制御する制御部を有する請求項6から7のいずれかに記載の掘削感付与装置。
According to the magnitude and application direction of the excavation force detected by the detection unit,
From the position of the excavated operation part before the excavation force is applied,
The excavation feeling imparting apparatus according to any one of claims 6 to 7, further comprising a control unit that controls the excavated operation unit to move to a predetermined position at a predetermined speed when the excavation force is applied.
前記制御部による制御が、フィードバック制御とフィードフォワード制御との組合せにより行われる請求項8に記載の掘削感付与装置。   The excavation feeling imparting apparatus according to claim 8, wherein the control by the control unit is performed by a combination of feedback control and feedforward control. 前記制御部が、
前記被掘削操作部に単回乃至複数回印加された前記掘削力の大きさの累積が設定値を超えると、
前記設定値を超えるまでの間における前記被掘削操作部を移動させる所定速度よりも速い速度で前記被掘削操作部を移動させる、請求項8から9のいずれかに記載の掘削感付与装置。
The control unit is
When the cumulative amount of the excavation force applied once or multiple times to the excavated operation unit exceeds a set value,
The excavation feeling imparting apparatus according to any one of claims 8 to 9, wherein the excavation operation unit is moved at a speed faster than a predetermined speed for moving the excavation operation unit until the set value is exceeded.
仮想空間表示手段を更に有し、
前記仮想空間表示手段が、少なくとも前記想定された掘削対象を仮想空間上に表示する請求項1から10のいずれかに記載の掘削感付与装置。
A virtual space display means;
The excavation feeling imparting apparatus according to any one of claims 1 to 10, wherein the virtual space display unit displays at least the assumed excavation object on a virtual space.
前記掘削感付与装置の設置面内における、X方向、及び前記X方向と直交するY方向、並びに、前記設置面と直交するZ方向の各方向に前記掘削操作手段を移動可能に支持する支持手段を更に有する請求項1から11のいずれかに記載の掘削感付与装置。   Support means for movably supporting the excavation operation means in each direction of the X direction, the Y direction orthogonal to the X direction, and the Z direction orthogonal to the installation surface in the installation surface of the excavation feeling imparting apparatus. The excavation feeling imparting apparatus according to any one of claims 1 to 11, further comprising: 前記支持手段が、リニアガイドである請求項12に記載の掘削感付与装置。   The excavation feeling imparting apparatus according to claim 12, wherein the support means is a linear guide. ボールリテーナと、
前記ボールリテーナを押圧しつつ前記ボールリテーナの回動を案内する回動案内部材と、
棒状部材であって、前記ボールリテーナに接続される接続部と、前記回動案内部材により案内された前記ボールリテーナの回動方向と直交する方向に前記棒状部材を回動可能に軸支する軸支部とを有する棒状部材と、
を有することを特徴とするジョイント構造物。
A ball retainer,
A rotation guide member for guiding the rotation of the ball retainer while pressing the ball retainer;
A rod-shaped member that is connected to the ball retainer, and a shaft that pivotally supports the rod-shaped member in a direction orthogonal to the rotation direction of the ball retainer guided by the rotation guide member. A rod-shaped member having a branch;
A joint structure characterized by comprising:
前記回動案内部材が、
前記ボールリテーナを押圧する面を有する一対の部材と、
前記一対の部材が前記ボールリテーナを押圧するように前記一対の部材を付勢する付勢部材と、
を有する請求項14に記載のジョイント構造物。
The rotation guide member is
A pair of members having a surface for pressing the ball retainer;
A biasing member that biases the pair of members such that the pair of members presses the ball retainer;
The joint structure according to claim 14, comprising:
想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作が被掘削操作部に対して操作者により行われる掘削操作工程と、
前記掘削操作工程で前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作工程を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与する掘削感付与工程と、
を含むことを特徴とする掘削感付与方法。
Excavation operation process in which a simulated excavation operation for an assumed excavation target is performed by an operator on the excavated operation unit;
Excavation feeling imparting step of imparting an artificial excavation feeling to the operator via the excavation operation step according to the excavation force applied to the excavated operation part in the excavation operation step;
The excavation feeling imparting method characterized by including.
想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作が操作者により行われる被掘削操作部を有する掘削操作手段と、
前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作手段を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与する掘削感付与手段と、
想定操作者における掘削力の大きさ及び印加方向の少なくともいずれかを予め記憶している基準データと比較して前記操作者の技能を評価する評価手段と、
を有することを特徴とする技能評価装置。
An excavation operation means having an excavated operation unit in which a simulated excavation operation on an assumed excavation target is performed by an operator;
Excavation feeling imparting means for imparting an artificial excavation feeling to the operator via the excavation operation means according to the excavation force applied to the excavated operation portion;
An evaluation means for evaluating the operator's skill by comparing at least one of the magnitude of the excavation force and the application direction in the assumed operator with reference data stored in advance;
A skill evaluation apparatus comprising:
想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作が被掘削操作部に対して操作者により行われる掘削操作工程と、
前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作手段を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与する掘削感付与工程と、
想定操作者における掘削力の大きさ及び印加方向の少なくともいずれかを予め記憶している基準データと比較して前記操作者の技能を評価する評価工程と、
を含むことを特徴とする技能評価方法。
Excavation operation process in which a simulated excavation operation for an assumed excavation target is performed by an operator on the excavated operation unit;
Excavation feeling imparting step of imparting an artificial excavation feeling to the operator via the excavation operation means according to the excavation force applied to the excavated operation part;
An evaluation step of evaluating the skill of the operator by comparing with reference data stored in advance at least one of the magnitude of the excavating force and the application direction in the assumed operator;
A skill evaluation method comprising:
操作者により行われる想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作を、被掘削操作部を有する掘削操作手段を介して受け付け、
前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作手段を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与する、
処理をコンピュータに実行させることを特徴とする掘削感付与プログラム。
Accepting a simulated excavation operation for an assumed excavation object performed by an operator via an excavation operation means having an excavated operation unit;
According to the excavation force applied to the excavated operation part, an artificial excavation feeling is given to the operator via the excavation operation means.
An excavation feeling imparting program that causes a computer to execute processing.
操作者により行われる想定された掘削対象に対する模擬の掘削操作を、被掘削操作部を有する掘削操作手段を介して受け付け、
前記被掘削操作部に印加された掘削力に応じて、前記掘削操作手段を介して前記操作者に対して人工的な掘削感を付与し、
想定操作者における掘削力の大きさ及び印加方向の少なくともいずれかを予め記憶している基準データと比較して前記操作者の技能を評価する
処理をコンピュータに実行させることを特徴とする技能評価プログラム。

Accepting a simulated excavation operation for an assumed excavation object performed by an operator via an excavation operation means having an excavated operation unit;
According to the excavation force applied to the excavated operation part, to give an artificial excavation feeling to the operator via the excavation operation means,
A skill evaluation program for causing a computer to execute a process of evaluating the skill of the operator by comparing at least one of the magnitude of the excavation force and the application direction of the assumed operator with reference data stored in advance. .

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