JP3843319B2 - 触覚インターフェイス及びその制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触覚インターフェイス及びその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、触覚インターフェイスとして、仮想空間における物体にぶつかるときの抵抗感覚や重量感覚を手若しくは指先１点に表現するものとしては、非特許文献１（従来技術１）のシリアルリンク型のPHANToMがある。又、他に、日商エレクトロニクス社のパラレルリンク型のHa ptic Masterがある（従来技術２）。
【０００３】
又、シリアルリンク型の触覚インターフェイスを２台設置して、２本の指先に力提示する研究（非特許文献２）もある（従来技術３）。
他の触覚インターフェイスとして、多点の力の提示を可能とするために、人間の手の甲や腕にフォースフィードバック機構を装着するものがある。代表例としては、非特許文献３（従来技術４）や、非特許文献４がある（従来技術５）。
【０００４】
さらに、仮想物体の重量感覚を提示するために、こうしたフォースフィードバック機構とアーム機構を装着し、アーム機構を手に固定するシステムとして、米国Virtual Technology社の３D Interraction（従来技術６）及び非特許文献５（従来技術７）がある。
【０００５】
【非特許文献１】
米国 SensAble Technology社［平成１５年２月６日検索］（インターネット＜ＵＲＬ：http://www.Sensable.com/＞）
【非特許文献２】
吉川恒夫、名倉彰宏：３次元空間用無負荷時非接触型力感覚提示装置，日本バーチャルリアリティ学会論文誌，Vol.3,No.3,pp.75-82,1998
【非特許文献３】
Force Feedback Glove（H.Kawasaki,and T.Hayashi:"Force Feedback Glove for Manipulation of Virtual Objects,Journal of Robotics and Mechatronics",Vol.5,No.1,pp.79-84 1993
【非特許文献４】
米国Virtual Technology社、［平成１５年２月６日検索］（インターネット＜ＵＲＬ：http://www.virtex.com/＞）のCyberGrasp
【非特許文献５】
Force Feedback装置（鈴木直樹、服部麻木 他５名：触覚を伴った手術作業が可能なバーチャル手術システムの開発，日本バーチャルリアリティ学会論文誌Vol.3,No.4,pp.237-24,1998
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術１及び従来技術２は、これらは、一箇所での触覚の提示はできるが、人間に対し、多点（複数）の指先への直角の提示は困難である。
【０００７】
従来技術３は、その可動範囲は極めて狭い問題がある。又、従来技術１〜３のようなこうした設置型は、操作者が受ける違和感や負担感は少ないが、操作空間が広く、多点の力感覚を提示する触覚インターフェイスは研究開発されていない。
【０００８】
又、従来技術４や従来技術５では、人間の複数の指先に力を提示できるが、アームと連動していないため、仮想物体の重量感覚を提示することは困難である。又、人間の手や腕に触覚インターフェイスを装着するため、圧迫感や触覚インターフェイスの重量感を人間に与えている。
【０００９】
又、従来技術６及び従来技術７は、アーム機構や指先のフォースフィードバック機構を人間に装着するため、圧迫感、違和感或いは負担感を人間に与えている。
【００１０】
本発明の目的は、人間の複数の指先に力感覚を提示する触覚インターフェイスにおいて、操作空間が広く、仮想物体の重量感覚を提示でき、操作者に圧迫感や装置の重量感を感じさせることのない触覚インターフェイスを提供することにある。
【００１１】
又、他の目的は、上記触覚インターフェイスに好適な制御方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、操作者の指先の運動に追従可能な複数の触覚指を触覚指ベースに配置し、前記触覚指ベースをアーム機構で空間運動を可能とする触覚インターフェイスにおいて、前記触覚指ベースを操作者の手に対向させ、手の位置及び姿勢に連動させて前記触覚指ベースを駆動制御し、操作者の指先の動きに連動させて前記触覚指を駆動制御する制御手段を備え、前記制御手段は、各触覚指に作用している力（Ｆ i ）と、指先での目標力（Ｆ di ）との力誤差を用いて、前記触覚指ベースを駆動するアーム機構と前記触覚指を制御することを特徴とする触覚インターフェイスを要旨とするものである。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１において、前記アーム機構に設けられた能動関節のアーム関節角度を検出するアーム関節角度検出手段と、前記触覚指に設けられた能動関節の触覚指関節角度を検出する触覚指関節角度検出手段と、前記触覚指の動きを検出する動き検出手段とを備え、前記制御手段は、前記各触覚指の先端から前記アーム機構のベースまでの運動学的ヤコビ行列を、前記アーム関節角度、前記触覚指関節角度に基づいて、演算する第１演算手段と、前記動き検出手段の検出に基づいて得られた各触覚指の先端に作用している力（Ｆi）と指先での目標力（Ｆｄｉ）との力誤差の力フィードバック制御のために、前記アーム関節角度、前記触覚指関節角度、前記運動学的ヤコビ行列、及び前記力誤差に基づいて、前記触覚指の能動関節及び前記アーム機構の能動関節への制御入力を演算する第２演算手段と、を備え、前記制御入力に基づいて前記触覚指の能動関節及び前記アーム機構の能動関節を制御することを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２において、前記触覚指及び前記アーム機構は、それぞれ能動関節を備え、前記能動関節が可動範囲限界内の所定の閾値から限界方向に位置している場合、前記制御手段は、前記能動関節を現在位置に保持する位置制御を行うことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２において、前記触覚指及び前記アーム機構に設けられた能動関節が可動範囲限界内の所定の閾値から限界方向に位置している場合、前記制御手段は、前記能動関節を現在位置に保持する位置制御を行い、前記能動関節が可動範囲限界内の所定の閾値の範囲内に位置している場合、前記制御手段は、各触覚指に作用している力（Ｆi）と、指先での目標力（Ｆdi）との力誤差を用いて制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１又は請求項２において、前記触覚指に設けられた全ての能動関節が可動範囲にあるときは、前記制御手段は、前記触覚指を前記触覚指に作用する力（Ｆi）と指先での目標力（Ｆdi）との力誤差を用いて制御するとともに、前記アーム機構を現在位置に保持する位置制御することを特徴とする。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項１又は請求項２において、前記制御手段は、前記触覚指を、前記触覚指に作用する力（Ｆi）と指先での目標力（Ｆdi）との力誤差を用いて制御し、前記触覚指ベースを位置制御し、前記触覚指ベースと前記触覚指とを含むハンドの可操作性を最大とするように前記触覚指ベースの目標位置姿勢を設定することを特徴とする。
【００１８】
請求項７の発明は、アーム用能動関節を備えたアーム機構と、前記アーム機構に設けられた触覚指ベースと、前記触覚指ベースに設けられ、操作者の指先を連結する指先連結部を備えるとともに、指用能動関節を備えた複数の触覚指と、前記操作者の手の位置及びその姿勢を検出する第１検出手段と、前記第１検出手段の手の位置及びその姿勢の検出に基づいて前記アーム用能動関節を制御して触覚指ベースを操作者の手に対向させる第１制御手段と、操作者の指先の動きを検出する第２検出手段と、第２検出手段の指先の動き検出に基づいて、同指先の動きに連動して指用能動関節を制御する第２制御手段を備えた触覚インターフェイスを要旨とするものである。
【００１９】
請求項８の発明は、請求項７において、前記第２検出手段は、触覚指に設けた多軸の力センサであり、第２制御手段は、力フィードバック制御により、操作者の指先に与える力を制御することを特徴とする。
【００２０】
請求項９の発明は、請求項８において、前記第２制御手段は、操作者の指先に与える力がゼロとなるように力フィードバック制御することを特徴とする。
請求項１０の発明は、請求項７乃至請求項９のうちいずれか１項において、前記アーム機構は、アーム用能動関節により、６自由度以上の運動の自由度を有していることを特徴とする。
【００２１】
請求項１１の発明は、請求項７乃至請求項１０のうちいずれか１項において、前記触覚指は指用能動関節により３自由度以上の運動の自由度を有することを特徴とする。
【００２２】
請求項１２の発明は、請求項７乃至請求項１１のうちいずれか１項において、前記指先連結部は、触覚指の先端側に設けたことを特徴とする。
請求項１３の発明は、請求項１２において、前記指先連結部には、触覚指の先端側に転動自在に設けた受動球関節と、同受動球関節に設けた操作者の指先を連結する指取付部を備えることを特徴とする。
【００２３】
請求項１４の発明は、請求項１３において、前記指先連結部には、前記受動球関節を吸着保持する吸着手段を備えたことを特徴とする。
請求項１５の発明は、請求項１４において、前記吸着手段は、受動球関節を磁力により吸着保持する磁力発生手段であることを特徴とする。
【００２４】
請求項１６の発明は、請求項１５において、前記磁力発生手段は、永久磁石であることを特徴とする。
請求項１７の発明は、請求項１５において、前記磁力発生手段は、電磁石であり、さらに、外部信号により、前記電磁石の磁力を可変する磁力制御手段を備えたことを特徴とする。
【００２５】
請求項１８の発明は、請求項７乃至請求項１５のうちいずれか１項において、第１検出手段には、前記触覚指ベースに設けられた操作者の手の位置を計測するセンサを含むことを特徴とする。
【００２６】
請求項１９の発明は、アーム用能動関節を備えたアーム機構と、前記アーム機構に設けられた触覚指ベースと、前記触覚指ベースに設けられ、操作者の指先を連結する指先連結部を備えるとともに、指用能動関節を備えた複数の触覚指とを備えた触覚インターフェイスの制御方法において、操作者の手の位置及びその姿勢の検出結果に基づき、操作者の指先が構成する仮想平面に対して操作者の手の位置と面対称となる位置に触覚指ベースを位置させるように前記アーム用能動関節を制御して、同触覚指ベースを操作者の手に対向させることを特徴とする触覚インターフェイスの制御方法を要旨とするものである。
【００２７】
請求項２０の発明は、請求項１９において、触覚インターフェイスは、さらに操作者の手の位置及びその姿勢を検出する第１検出手段を備え、第１検出手段による手の位置及びその姿勢の検出結果を用いて触覚指ベースの位置を制御することを特徴とする。
【００２８】
請求項２１の発明は、請求項２０において、触覚インターフェイスは、さらに操作者の指先の動きを検出する第２検出手段を備え、第２検出手段の指先の動き検出に基づいて、同指先の動きに連動して指用能動関節を制御することを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を多指触覚インターフェイスに具体化した第１実施形態を図１及び図２を参照して説明する。
【００３０】
図１は多指触覚インターフェイスの概略を示す斜視図、図２は本実施形態の触覚指の斜視図である。
多指触覚インターフェイス１０は、ベース１１、アーム部１２、ハンド１３を備えている。アーム部１２は、第１アーム１４及び第２アーム１５からなる。第１アーム１４は、ベース１１に対して、３自由度を有する第１腕関節１６を介して連結されている。本実施形態では、第１腕関節１６は図１に示すように第１腕関節１６の中心において互いに直交する軸ｘ０, y０,z０の周りでそれぞれ第１アーム１４を回転する。この軸ｘ０,y０,z０は基準座標系の軸となる。
【００３１】
又、第２アーム１５は第１アーム１４に対して１自由度を有する第２腕関節１７（肘部）を介して連結されている。本実施形態では、第２腕関節１７は、第２アーム１５を図１に示すように第２腕関節１７の中心線である軸ｍの周りで能動回転する。
【００３２】
ハンド１３は触覚指ベース２０と、触覚指ベース２０に設けられた５本の触覚指２１〜２５を備えている。５本の触覚指２１〜２５は、人間の拇指〜小指の５本の指と相対可能に、列状に配置されている。すなわち、第１触覚指２１が人間の拇指、第２触覚指２２が人差し指、第３触覚指２３が中指、第４触覚指２４が薬指、第５触覚指２５が小指と向かい合うように触覚指ベース２０に配置されている。触覚指ベース２０の基端側に設けられた取付部は、第２アーム１５の先端部に対して手首関節１８（図３参照）を介して取付けされている。本実施形態では、手首関節１８は図１に示すように手首関節１８の中心において互いに直交する軸ｘｍ,yｍ,ｚｍの周りでそれぞれ触覚指ベース２０を回転する。
【００３３】
この軸ｘｍ,yｍ,ｚｍは触覚指ベース座標系の軸となる。
第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８は、駆動源としての駆動モータをその自由度の数に一致する個数分備えており、各駆動モータを制御することにより、前述した軸の周りで回転する。
【００３４】
又、第１腕関節１６、及び第２腕関節１７及び手首関節１８において、前述した各軸の周りで回転駆動する駆動モータには回転角度を検出する回転角度検出手段としてのロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７が設けられている(図３参照)。これらのロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７により、前記各軸の周りの回転角度が検出される。なお、図３では、説明の便宜上、ロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７をまとめて図示している。
【００３５】
前記ロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７にて検出された回転角度は、本実施形態及び他の実施形態において、以下、それぞれアーム関節角度ｑｉ（ｉ＝１，…７）という。アーム関節角度ｑｉのｉは、アーム機構の自由度の数に対応している。
【００３６】
なお、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８はアーム機構に設けられた能動関節、すなわち、アーム用能動関節及びアーム関節に相当する。又、アーム部１２、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８はアーム機構を構成している。従って、アーム機構は、７自由度を備えている。前記アーム機構により、前記触覚指ベース２０は空間運動が可能にされている。
【００３７】
図２には、第２触覚指２２の詳細が示されている。
第１触覚指〜第５触覚指２１〜２５は基本的に同じ機能を有する部材にて構成されているため、以下では、第２触覚指２２の構成について説明し、他の触覚指については説明を省略する。
【００３８】
第２触覚指２２は第１リンク３５、第２リンク３６、第１指関節２７、第２指関節２８、受動球関節２９、及び指固定部材３０を備えている。第１リンク３５は第１指関節２７を介して触覚指ベース２０に取付けされている。
【００３９】
第１指関節２７は２軸の関節であって、図２に示すように第１指関節２７の中心において互いに直交する第１軸２７ａ及び第２軸２７ｂの周りでそれぞれ第１リンク３５を能動回転する。
【００４０】
すなわち、第１軸２７ａの周りで第１指関節２７にて第１リンク３５が回転する場合は、隣接する他の触覚指に対し近接又は離間する方向（内外転方向）に向かう回転（内外転）となる。第２軸２７ｂの周りで第１指関節２７にて第１リンク３５が回転する場合は、前後屈回転となる。なお、ここで、前とは、触覚指２２が握り方向に屈曲する方向であり、後は、その１８０度反対方向である。
【００４１】
又、第２リンク３６は第１リンク３５に対して前後屈への１自由度を有する第２指関節２８を介して連結されている。すなわち、第２指関節２８は、第２リンク３６を図２に示すように第２指関節２８の中心線である第３軸２８ａの周りで能動回転する。
【００４２】
第１指関節２７及び第２指関節２８は、駆動源としての駆動モータ（図示しない）をその自由度の数に一致する個数分備えており、各駆動モータを制御することにより、前述した第１軸２７ａ〜第３軸２８ａの周りでそれぞれ回転する。
【００４３】
又、第１指関節２７及び第２指関節２８において、前述した第１軸２７ａ〜第３軸２８ａを駆動する駆動モータには回転角度を検出する回転角度検出手段としてのロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３がそれぞれ設けられている。これらのロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３により、前記各軸の周りの回転角度が検出される。
【００４４】
前記ロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３にて検出された回転角度は、本実施形態及び他の実施形態において、以下、それぞれ触覚指関節角度ｐｉｊ（ｉ＝１，…５，ｊ＝１，…３）という。なお、ｐｉｊのｉは、触覚指の数に対応する。ｐｉｊのｊは、触覚指の自由度の数に対応し、すなわち、第１軸２７ａ〜第３軸２８ａという軸の数（軸数）に対応する。
【００４５】
第１指関節２７，第２指関節２８は触覚指に設けられた能動関節、すなわち、指用能動関節及び触覚指関節に相当する。
受動球関節２９は、円球状をなし、第２リンク３６の先端に半球状に凹設された取付凹部２６ａに対して着脱自在に、かつ３６０度のいずれの範囲においても回転自在に嵌合されている。受動球関節２９は鉄等の強磁性体からなる。永久磁石３１は、第２リンク３６の取付凹部２６ａに近接した部位において第２リンク３６に内装されている。永久磁石３１の磁力（吸着力）により、受動球関節２９は常には取付凹部２６ａ内に嵌合保持されている。しかし、受動球関節２９に、前記磁力を超える引っ張り力が加わった際には、受動球関節２９は、取付凹部２６ａから離脱可能である。
【００４６】
永久磁石３１は、吸着手段及び磁力発生手段に相当する。
指固定部材３０は受動球関節２９の露出した頂部に一体に固定されており、先端の周面は指取付部３２が凹設されている。指取付部３２は、長さ方向の先端側半分は断面半円状に凹設され、基端側半分は、指の先端（指先）が、受動球関節２９の頂部に近接する位置まで挿入可能に断面円形状に形成されている。
【００４７】
又、指取付部３２に対応して、指固定部材３０の先端の周面には、リング状に形成された有弾性の締付バンド３３が固定されている。本実施形態では、締付バンド３３は合成ゴム等からなるバンドにて形成されている。締付バンド３３と指取付部３２との間には人の人差し指が差し込み可能な空間が形成され、人差し指を差し込みした際、締付バンド３３が同指を安定して指取付部３２に対して添わせる。
【００４８】
指固定部材３０は、指先連結部に相当する。
なお、第２触覚指２２と同様に第１触覚指２１、第３触覚指２３〜第５触覚指２５の指取付部３２及び締付バンド３３は、それぞれ人間の拇指、中指、薬指、小指を接続可能である。
【００４９】
第２リンク３６の先端周部には３軸力センサＫ２が設けられている。３軸力センサＫ２は、第２触覚指２２に働く、互いに直交する３軸方向の並進力を検出可能である。３軸力センサＫ２は、第２検出手段及び多軸の力センサに相当する。
【００５０】
なお、他の触覚指の３軸力センサについては、第１触覚指〜第５触覚指２１〜２５の数え順の番号に一致した符号を図３に示すようにＫに付すものとする。
なお、他の触覚指におけるロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３は、図３では、説明の便宜上、それぞれ触覚指毎にまとめて図示している。
【００５１】
次に多指触覚インターフェイス１０に関する装置の電気的構成について説明する。
３次元位置姿勢計測装置４１は、多指触覚インターフェイス１０を扱う人（以下、操作者Ｈという）の手首Ｒに装着された３次元位置姿勢センサ４２と無線で通信可能にされている。３次元位置姿勢センサ４２は、操作者Ｈの手Ｈａの位置（３次元的な空間位置）、及びその姿勢を検出し、その検出信号を３次元位置姿勢計測装置４１に無線で通信する。
【００５２】
なお、前記手Ｈａの位置とは、操作者Ｈの３次元位置姿勢センサ４２を装着した手Ｈａの座標系（以下、ハンド座標系（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）という）の原点位置Ｏｈを示す３つのパラメータである。又、手Ｈａの姿勢は、軸ｘｈ，ｙｈ，ｚｈが軸ｘ０，ｙ０，ｚ０へそれぞれのなす角度からなる３つのオイラーパラメータで示され、ハンド座標系の姿勢と一致する。
【００５３】
３次元位置姿勢センサ４２は、第１検出手段に相当する。
３次元位置姿勢計測装置４１は、３次元位置姿勢センサ４２から送信された検出信号を受信すると、その信号を手Ｈａの位置及びその姿勢に関するハンド座標系の位置データ及び姿勢データとして信号処理し、制御装置４０に出力する。
【００５４】
制御装置４０は、ＣＰＵ４０ａ（中央処理装置）、ＲＯＭ４０ｂ、ＲＡＭ４０ｃを備えている。ＲＯＭ４０ｂには、多指触覚インターフェイス１０を制御するための制御プログラムを始め各種制御プログラムが格納されている。ＲＡＭ４０ｃは、ＣＰＵ４０ａが演算処理する際の作業用メモリとなり、後述する制御プログラムを実行したときの、各種演算結果や、検出値を格納する。
【００５５】
ＣＰＵ４０ａは、制御手段、第１制御手段及び第２制御手段に相当する。
第２触覚指駆動装置４５は、制御装置４０に電気的に接続され、制御装置４０からの第２触覚指制御信号に基づいて、第２触覚指２２の第１軸２７ａ，第２軸２７ｂを備えた第１指関節２７、及び第３軸２８ａを備えた第２指関節２８を駆動する。
【００５６】
第１触覚指２１、第３触覚指２３〜第５触覚指２５においても、第２触覚指２２と同様に駆動装置を備えており、制御装置４０からの第１、第３〜第５触覚指制御信号に基づいてそれぞれの第１指関節２７及び第２指関節２８を同様に駆動する。なお、図３では、説明の便宜上、第２触覚指２２の第２触覚指駆動装置４５等についてのみ図示し、他の触覚指に関する、駆動装置、第１指関節２７及び第２指関節２８については省略している。
【００５７】
アーム駆動装置４６は制御装置４０に電気的に接続され、制御装置４０からのアーム制御信号に基づいて、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８を駆動する。
【００５８】
ロボット制御装置１００は、人間型ハンド（以下、ロボットハンドという）を有するロボットを多指触覚インターフェイス１０にて遠隔制御するために設けられており、制御装置４０とは、無線又は、通信線を介して、交信が行われる。前記ロボットハンドは、人間の手と同様に５本の指及び腕を備えている。ロボット制御装置１００は、多指触覚インターフェイス１０にて入力された教示データに基づいてこのロボットハンドを駆動制御する。
【００５９】
（制御フローチャートの説明）
さて、上記のように構成された多指触覚インターフェイス１０の作用について、図４に示す制御フローチャートを参照して説明する。同フローチャートは教示制御プログラムであり、制御装置４０のＣＰＵ４０ａが周期的に実行する。
【００６０】
この制御プログラムは、仮想空間でのロボットの作業の制御プログラムである。この制御プログラムは仮想空間にあるロボットハンドをもつロボットに、操作者Ｈのデモンストレーションに基づいて、ロボットハンドの指先の位置と力を教示する。この制御プログラム実行中、操作者Ｈの５本の指は、第１触覚指２１〜第５触覚指２５の各指固定部材３０の指取付部３２に締付バンド３３にて保持されており、操作者Ｈが手Ｈａを動かすと、各触覚指に力が作用し、その力は、各３軸力センサＫ１〜Ｋ５にて検出される。
【００６１】
又、操作者Ｈの手Ｈａの位置及びその姿勢は、３次元位置姿勢センサ４２が検出し、３次元位置姿勢計測装置４１に検出信号を送信する。そして、３次元位置姿勢計測装置４１では、その信号をハンド座標系の位置データ及び姿勢データとして信号処理し、制御装置４０に出力する。
【００６２】
又、アーム機構のロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７は、アーム機構の各関節における各軸の周りの回転角度を検出する。すなわち、ロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７はアーム関節角度ｑiを検出し、制御装置４０に出力する。
【００６３】
なお、ｑi中、ｉ＝１，…，７は、アーム機構の第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８（アーム用能動関節）において、７自由度を付与する各軸に対応させたものである。又、各触覚指２１〜２５のロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３は、各関節の各軸の周りの触覚指関節角度ｐijを検出し、制御装置４０に出力する。
【００６４】
なお、ｐij中、ｉは、ｉ＝１，…，５で、それぞれ第１触覚指２１〜第５触覚指２５に対応する。又、ｊは、ｊ＝１，…，３で、第１軸２７ａ，第２軸２７ｂ，第３軸２８ａにそれぞれ対応する。
【００６５】
（ステップ１０（以下、ステップをＳという））
さて、教示制御プログラムが開始されると、Ｓ１０では操作者Ｈの手Ｈａを自由に動かせるように、制御装置４０のＣＰＵ４０ａ（以下、単にＣＰＵ４０ａという）はアーム部１２及び各触覚指を駆動制御する。
【００６６】
まず、ＣＰＵ４０ａは、触覚指ベース２０の位置及びその姿勢を、操作者Ｈの手Ｈａの位置、及びその姿勢と対向するように制御する。又、同時に、ＣＰＵ４０ａは操作者Ｈの指先で作られる仮想平面αに対して面対称となるように、アーム駆動装置４６にアーム制御信号を出力してアーム部１２を駆動制御する。
【００６７】
すなわち、ＣＰＵ４０ａは、３次元位置姿勢計測装置４１から、操作者Ｈの手Ｈａの位置及びその姿勢に関するハンド座標系の位置データ及び姿勢データを入力すると、これらのデータを基準座標系を介して触覚指ベース座標系に変換する。
【００６８】
そして、この触覚指ベース座標系において、触覚指ベース２０の位置及びその姿勢を手Ｈａの位置及びその姿勢と対向するように、操作者Ｈの指先で作られる仮想平面αに対して面対称となるように、アーム駆動装置４６にアーム制御信号を出力してアーム部１２を駆動制御する。この後、Ｓ３０に移行する。
【００６９】
前記アーム部１２、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８からなるアーム機構は７自由度を有するため、この対向はアーム機構の動作可能範囲であれば常に実現できる。
【００７０】
ここで、仮想平面αについて説明する。
本実施形態では、仮想平面αは、操作者Ｈの拇指、人差し指、中指の３本の指先で作られる平面を基本としている。なお、これら３本の指がほぼ直線状に並ぶときは、他の指を含め、最小２乗法で指先を乗せる平面を決定している。
【００７１】
又、本実施形態では、手Ｈａの指先の位置は、第１触覚指２１〜第５触覚指２５の各指固定部材３０の指取付部３２に保持されていることから、各触覚指の先端位置（指取付部３２の位置）と同じである。このため、ＣＰＵ４０ａは仮想平面αを決定するために必要な各触覚指の先端位置（３次元位置）を、触覚指の触覚指関節角度ｐij、触覚指の長さ、アーム機構のアーム関節角度ｑi、アーム機構の長さに基づいて演算する。
【００７２】
なお、各触覚指の触覚指関節角度ｐij及びアーム機構のアーム関節角度ｑiは、各触覚指のロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３の検出値及びアーム機構のロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７の検出値に基づいてそれぞれ演算する。又、各触覚指の長さ及びアーム機構の長さは、触覚指及びアーム機構を構成している各部材の長さであり、これらの値は予めＲＯＭ４０ｂに格納されている。
【００７３】
（Ｓ２０）
次のＳ２０では、仮想空間でのロボットハンドと仮想物体との干渉があるか、否かを判定する。
【００７４】
なお、ロボット制御装置１００は、仮想空間でロボットハンドと仮想物体との接触があるときは、干渉信号（ロボットハンドにおける各指についての干渉力の大きさと、各指における干渉方向を示す信号）を制御装置４０に出力し、接触していない場合には、干渉信号を出力しないようにされている。
【００７５】
このため、仮想空間でのロボットハンドと仮想物体との干渉がない場合、前記干渉信号を入力しないため、ＣＰＵ４０ａはＳ２０の判定を「ＮＯ」と判定し、Ｓ３０に移行する。反対に、仮想空間でのロボットハンドと仮想物体との干渉がある場合、前記干渉信号を入力するため、ＣＰＵ４０ａはＳ２０の判定を「ＹＥＳ」と判定し、Ｓ４０に移行する。
【００７６】
（Ｓ３０）
Ｓ３０では、ＣＰＵ４０ａは、各触覚指による指先での３軸方向（各３軸力センサＫ１〜Ｋ５が検出可能な方向）の力がゼロになるように各触覚指を力フィードバック制御する。すなわち、各３軸力センサＫ１〜Ｋ５の検出値が０となるように各触覚指の第１指関節２７の第１軸２７ａ及び第２軸２７ｂ、第３軸２８ａの駆動モータをフィードバック制御する。
【００７７】
この力フィードバック制御時においても、ＣＰＵ４０ａは、各触覚指の先端位置（３次元位置）を触覚指の触覚指関節角度ｐij、触覚指の長さ、アーム機構のアーム関節角度ｑi、アーム機構の長さに基づいて演算する。
【００７８】
そして、このとき得られた、各触覚指の先端位置（指取付部３２の位置：３次元位置）が仮想空間におけるロボットハンドに教示すべき目標空間位置となる。なお、ＣＰＵ４０ａは、仮想空間でのロボットハンドと仮想物体との干渉がないため、仮想空間における力の教示データはゼロとする。
【００７９】
このＳ３０の処理後、Ｓ５０に移行する。
（Ｓ４０）
Ｓ４０は、ロボットハンドと仮想物体の間に干渉力を生じさせる処理である。ＣＰＵ４０ａは入力した干渉信号に基づいて、干渉方向に操作者Ｈに力感覚、すなわち、干渉力を提示するため、各触覚指２１〜２５をそれぞれ干渉方向に力フィードバック制御する。
【００８０】
又、干渉方向と直交する平面に沿う運動は、自由に触覚指が運動できるように、その方向における操作者Ｈの指先の力がゼロとなるように各触覚指を力フィードバック制御する。この後、Ｓ５０に移行する。
【００８１】
なお、この力フィードバック制御時においても、ＣＰＵ４０ａは、各触覚指の先端位置（３次元位置）を触覚指の触覚指関節角度ｐij、触覚指の長さ、アーム機構のアーム関節角度ｑi、アーム機構の長さに基づいて演算する。
【００８２】
そして、このとき得られた、各触覚指の先端位置（指取付部３２の位置：３次元位置）が仮想空間におけるロボットハンドに教示すべき目標空間位置となる。又、前記力フィードバック制御時に、各触覚指の各３軸力センサＫ１〜Ｋ５にて検出される干渉方向の力がロボットハンドに教示すべき力の教示データとなる。
【００８３】
（Ｓ５０）
Ｓ５０では、ＣＰＵ４０ａは前のＳ３０又はＳ４０で演算したロボットのロボットハンドの目標空間位置や、ロボットハンドに教示すべき力の教示データをロボット制御装置１００に出力し、このフローチャートを一旦終了する。
【００８４】
従って、本実施形態において、仮想物体とロボットハンドとの干渉がない場合には、操作者Ｈの手Ｈａを自由に動かせるようにＣＰＵ４０ａにてアーム部１２及び、触覚指２２が制御されることになる。
【００８５】
又、仮想物体とロボットハンドとの干渉がある場合には、Ｓ４０において、アーム部１２の可動範囲において、操作者Ｈの複数の指に干渉力を提示できる。
次に、受動球関節２９の作用について説明する。
【００８６】
操作者Ｈの指先は各触覚指において指固定部材３０の指取付部３２に保持されているが、受動球関節２９により、同じ指先位置でその姿勢を変えることが可能である。このことにより、各触覚指と操作者Ｈの連結が円滑となっており、各触覚指インターフェイスのサイズと操作者Ｈの腕や手Ｈａのサイズの差異が機構的に吸収される。
【００８７】
又、受動球関節２９は、永久磁石３１により、吸引されて各触覚指の取付凹部２６ａに保持されている。このため、操作者Ｈの指先に過度の引っ張り力が作用すると、自動的に受動球関節２９は触覚指から離脱し、操作者Ｈの指先に引っ張り力が生じない。
【００８８】
本実施形態によると、次のような作用効果を奏する。
（１） 本実施形態の多指触覚インターフェイス１０では、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８（アーム用能動関節）を備えたアーム部１２、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８（アーム機構）を設けた。又、触覚指ベース２０と、触覚指ベース２０に設けられ、操作者の指先を連結する指固定部材３０（指先連結部）を備えるとともに、指先の運動に連動可能な第１指関節２７，第２指関節２８（指用能動関節）を備えた複数の触覚指を設けた。
【００８９】
そして、操作者Ｈの手Ｈａの位置及びその姿勢を検出する３次元位置姿勢センサ４２（第１検出手段）を備えた。さらに、３次元位置姿勢センサ４２の手Ｈａの位置及びその姿勢の検出に基づき第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８を制御して触覚指ベース２０を操作者Ｈの手Ｈａに対向させるＣＰＵ４０ａ（第１制御手段）を備えた。
【００９０】
さらに、操作者Ｈの指先の動きを検出する３軸力センサＫ１〜Ｋ５（第２検出手段）と、３軸力センサＫ１〜Ｋ５の指先の動き検出に基づいて、同指先の動きに連動して第１指関節２７，第２指関節２８を制御するＣＰＵ４０ａ（第２制御手段）を設けた。
【００９１】
この結果、本実施形態での多指触覚インターフェイス１０は、人間の複数の指先に力感覚を提示でき、その作業領域はほぼアーム機構の作業領域となり、広い領域（操作空間）が確保できる。
【００９２】
又、操作者Ｈは多指触覚インターフェイス１０の重量感や、手Ｈａが多指触覚インターフェイス１０と接続されて負担感を感ずることもない。
又、操作者Ｈの指先への力の提示が人間の手自体に装着するものではないため、違和感も感じさせない効果がある。
【００９３】
（２） 本実施形態では、ＣＰＵ４０ａは、各触覚指に設けた各３軸力センサＫ１〜Ｋ５（多軸の力センサ）とし、ＣＰＵ４０ａは、力フィードバック制御により、操作者の指先に与える力を制御するようにした（Ｓ３０，Ｓ４０）。
【００９４】
この結果、好適に操作者Ｈの指先に干渉力を付与しなかったり、或いは、干渉力を付与することかできる。
（３） 本実施形態では、ＣＰＵ４０ａは、操作者Ｈの指先に与える力がゼロとなるように力フィードバック制御するようにした。
【００９５】
この結果、ロボットハンドと仮想物体との干渉がない場合には、操作者Ｈに対して操作者Ｈの手Ｈａの自由を束縛することがなくなる。
（４） 本実施形態では、アーム部１２、触覚指ベース２０（すなわち、アーム機構）は、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８（アーム用能動関節）により、７自由度の運動の自由度を有するようにした。
【００９６】
この結果、触覚指ベース２０の位置及びその姿勢を手Ｈａの位置及びその姿勢と対向するように、操作者Ｈの指先で作られる仮想平面αに対して面対称となるように、アーム部１２を駆動制御する際、この対向はアーム機構の動作可能範囲であれば常に実現できる。
【００９７】
（５） 本実施形態では、各触覚指は第１指関節２７，第２指関節２８（指用能動関節）により３自由度の運動の自由度を有するようにした。
この結果、各触覚指に３自由を有する多指触覚インターフェイス１０においても、上記（１）乃至（４）の作用効果を実現できる。
【００９８】
（６） 本実施形態では、指固定部材３０（指先連結部）を、触覚指の先端側に設けた。
例えば、指固定部材３０を触覚指の基端側に設けた場合には、操作者Ｈの指が触覚指の先端部と干渉する虞があるが、この場合に比して、操作者Ｈの指の動きに干渉するものがなく、容易に指先を指固定部材に連結することができる。
【００９９】
（７） 本実施形態では、指固定部材３０には、触覚指の先端側に転動自在に設けた受動球関節２９と、受動球関節２９に設けた操作者Ｈの指先を連結する指取付部３２を備える。
【０１００】
この結果、受動球関節２９により、同じ指先位置でその姿勢を変えることができ、各触覚指と操作者Ｈの連結が円滑となり、触覚指インターフェイスのサイズと操作者Ｈの腕や手Ｈａのサイズの差異が機構的に吸収できる。
【０１０１】
（８） 本実施形態では、指固定部材３０には、受動球関節２９を吸着保持する永久磁石３１（吸着手段）を備えた。
この結果、永久磁石３１により、指固定部材３０に受動球関節２９が吸着（吸引）されて保持され、操作者Ｈの指先に過度の引っ張り力が作用すると、自動的に受動球関節２９は触覚指から離脱し、操作者Ｈの指先に引っ張り力が生じない。
【０１０２】
（９） 本実施形態では、永久磁石３１は、吸着手段として、受動球関節２９を磁力により吸着保持する磁力発生手段とした。
この結果、受動球関節２９を磁力により、上記（８）の作用効果を実現できる。
【０１０３】
（１０） 本実施形態の制御方法では、操作者Ｈの手Ｈａの位置及びその姿勢の検出結果に基づき操作者Ｈの指先が構成する仮想平面αに対して操作者Ｈの手Ｈａの位置と面対称となる位置に触覚指ベース２０を位置させるように第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８（アーム用能動関節）を制御した。そして、触覚指ベース２０を操作者Ｈの手Ｈａに対向させるようにした。
【０１０４】
この結果、操作者Ｈの指先が形成する仮想平面αに対して、手Ｈａの位置と面対称となる位置に触覚指ベース２０を好適に対向させることができる。
（１１） 本実施形態での制御方法では、多指触覚インターフェイス１０は、操作者Ｈの手Ｈａの位置及びその姿勢を検出する３次元位置姿勢センサ４２（第１検出手段）を備え、３次元位置姿勢センサ４２による手Ｈａの位置及びその姿勢の検出結果を用いて触覚指ベース２０の位置を制御するようにした。
【０１０５】
この結果、３次元位置姿勢センサ４２の検出結果を使用することにより、上記（１０）の作用効果を実現できる。
（１２） 本実施形態での制御方法では、多指触覚インターフェイス１０は、操作者Ｈの指先の動きを検出する３軸力センサＫ１〜Ｋ５（第２検出手段）を備えた。又、３軸力センサＫ１〜Ｋ５の指先の動き検出に基づいて、同指先の動きに連動して第１指関節２７，第２指関節２８（指用能動関節）を制御するようにした。
【０１０６】
この結果、３軸力センサＫ１〜Ｋ５の検出結果を使用することにより、上記（１０）の作用効果を実現できる。
（第２実施形態）
次に図５を参照して、第２実施形態を説明する。なお、本実施形態を始めとして、以下に記載の実施形態では、第１実施形態と同一構成については、同一符号を付して、説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【０１０７】
第２実施形態では、永久磁石３１の代わりに、電磁石５０が設けられているところが異なっている。電磁石５０は、吸着手段及び磁力発生手段に相当する。
さらに、本実施形態では、ＣＰＵ４０ａは電磁石５０のコイルの励磁電流を供給する駆動回路を制御可能になっている。すなわち、外部の入力装置（図示しない）の操作により入力する信号(外部信号)に基づいて、ＣＰＵ４０ａは、前記駆動回路を制御して電磁石５０の磁力調整を行い、受動球関節２９の指固定部材３０への吸着保持力を可変できるようにした。
【０１０８】
前記外部の入力装置からの入力信号は外部信号に相当し、ＣＰＵ４０ａは、磁力制御手段に相当する。
本実施形態では、第１実施形態の（１）〜（１２）の効果の他に、操作者Ｈが男性又は女性、或いは、操作者Ｈの年齢等に応じて、操作者Ｈの指先で生じる引っ張り力の限界を調整できる。このため、より安全な多指触覚インターフェイス１０とすることができる。
【０１０９】
（第３実施形態）
次に第３実施形態を図６を参照して説明する。
本実施形態では、第１実施形態の構成中、３次元位置姿勢計測装置４１及び３次元位置姿勢センサ４２が省略されている。この代わりに、操作者Ｈの手Ｈａにおいて、３つの超音波距離センサの発信部５５ａ〜５５ｃがそれぞれ異なる位置である所定部位にターゲットとして装着されている。なお、前記発信部５５ａ〜５５ｃのハンド座標系の座標位置は予めＲＯＭ４０ｂに格納されている。
【０１１０】
又、触覚指ベース２０には、超音波距離センサの受信部５６が設けられている。なお、受信部５６の触覚指ベース座標系の座標位置は予めＲＯＭ４０ｂに格納されている。受信部５６は、各発信部５５ａ〜５５ｃから発信された超音波を受信し、触覚指ベース２０と各ターゲット（手Ｈａの所定部位）間の距離を計測するためのものである。
【０１１１】
制御装置４０のＣＰＵ４０ａは、受信部５６から各ターゲット間の３つの距離計測値、前記発信部５５ａ〜５５ｃ、及び受信部５６の座標位置に基づいて操作者Ｈの手Ｈａの位置及びその姿勢を演算する。
【０１１２】
そして、以下、演算した手Ｈａの位置及び姿勢データに基づいて、第１実施形態と同様にＣＰＵ４０ａはアーム部１２や、各触覚指を駆動制御するようにされている。
【０１１３】
本実施形態では、超音波距離センサの受信部５６及びＣＰＵ４０ａが、第１検出手段に相当する。すなわち、受信部５６により、手Ｈａ側の発信部５５ａ〜５５ｃの距離計測値（手の位置を計測した値）が得られる。
【０１１４】
本実施形態で使用した超音波距離センサは、３次元位置姿勢計測装置４１及び３次元位置姿勢センサ４２よりも低コストである。このため、第１実施形態に比較して、多指触覚インターフェイス１０単独でシステムが構成できるとともに、簡便なシステムとすることができ、コストがかからない効果を奏する。
【０１１５】
（第４実施形態）
次に第４実施形態を、図７〜図９を参照して説明する。
第４実施形態は、図７及び図８に示すように、第１実施形態のハード構成中、３次元位置姿勢計測装置４１及び３次元位置姿勢センサ４２が省略されているところが異なっている。このため、第１実施形態と同一構成又は相当する構成については同一符号を付す。
【０１１６】
又、第４実施形態では、ＣＰＵ４０ａが図９に示す制御プログラムを所定制御周期毎に実行するところが異なっている。ＣＰＵ４０ａは、制御手段、第１演算手段及び第２演算手段に相当する。
【０１１７】
以下、この制御プログラムを図９を参照して説明する。
なお、第４実施形態においても、第１実施形態と同様に、仮想空間でのロボットハンドと仮想物体との接触があるときは、ロボット制御装置１００から干渉信号（ロボットハンドにおける各指についての干渉力の大きさと、各指における干渉方向を示す信号）が入力される。又、仮想空間でロボットハンドと仮想物体とが接触していない場合には、ロボット制御装置１００から干渉信号が入力されないようにされている。
【０１１８】
（Ｓ１１０）
この制御プログラムが開始されると、Ｓ１１０では、ロボット制御装置１００から入力した干渉信号に基づいて、仮想空間で生成された干渉力を操作者Ｈの指先での目標力Ｆdi（ｉ＝１，…，５）として演算する。ロボット制御装置１００では干渉がないときは、前記目標力Ｆdi（ｉ＝１，…，５）を０と演算する。なお、ｉ＝１，…，５は、それぞれ第１触覚指２１〜第５触覚指２５に対応させたものである。
【０１１９】
（Ｓ１２０）
Ｓ１２０では、ＣＰＵ４０ａは操作者Ｈの指先により各触覚指に作用している力Ｆi（ｉ＝１，…，５）を、各３軸力センサＫ１〜Ｋ５からの検出値（検出信号）に基づいて検出を行う。なお、ｉ＝１，…，５は、それぞれ第１触覚指２１〜第５触覚指２５に対応させたものである。
【０１２０】
（Ｓ１３０）
Ｓ１３０では、各触覚指２１〜２５のロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３の検出値（検出信号）に基づいて、ＣＰＵ４０ａは各触覚指２１〜２５の第１指関節２７及び第２指関節２８における、第１軸２７ａ〜第３軸２８ａの各軸の周りの触覚指関節角度ｐij（ｉ＝１，…，５，ｊ＝１，…，３）を検出する。
【０１２１】
前記ロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３は触覚指関節角度検出手段に相当する。
（Ｓ１４０）
Ｓ１４０では、アーム機構のロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７の検出値（検出信号）に基づいて、ＣＰＵ４０ａは各関節における各軸の周りの回転角度、すなわち、アーム関節角度ｑi（ｉ＝１，…，７）を検出する。
【０１２２】
前記ロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７はアーム関節角度検出手段に相当する。
（Ｓ１５０）
Ｓ１５０では、ＣＰＵ４０ａは、前記触覚指関節角度ｐij及びアーム関節角度ｑiに基づいて、ヤコビ行列Ｊi（ｉ＝１，…，５）の演算をする。ヤコビ行列は、いわゆる運動学的ヤコビ行列である。
【０１２３】
ヤコビ行列Ｊi（ｉ＝１，…，５）は、第ｉ触覚指の先端からアーム機構のベース１１までの運動学の関係から導き出すヤコビ行列である。本実施形態では、ヤコビ行列Ｊiは、６×１０の大きさの行列である。前記「６」は触覚指の位置（３）と姿勢（３）のパラメータ数の和であり、前記「１０」は、アームの自由度（７）と触覚指の自由度（３）の和である。なお、アームの自由度とは、アーム機構における各関節の軸の数（軸数）に一致し、触覚指の自由度は、触覚指における指関節の軸の数（軸数）に一致する。
【０１２４】
又、前記触覚指の位置は、触覚指の触覚指ベース座標系の位置を示す３つのパラメータで示される。又、触覚指の姿勢は、軸ｘｍ，ｙｍ，ｚｍが軸ｘ０，ｙ０，ｚ０へそれぞれなす角度からなる３つのオイラーパラメータで示される。
【０１２５】
（Ｓ１６０）
Ｓ１６０では、ＣＰＵ４０ａは、重力補償項ｇi（ｉ＝１，…，５）の演算を行う。前記重力補償項ｇiは、アーム機構及び触覚指全体の重力分を、１つの触覚指に関して割り振ったものである。なお、ｉ＝１，…，５は、それぞれ第１触覚指２１〜第５触覚指２５に対応するものである。
【０１２６】
（Ｓ１７０）
Ｓ１７０では、前記Ｓ１１０乃至Ｓ１５０にて、検出又は演算した値に基づいて力制御（力フィードバック制御）による触覚指の制御入力ｃiの演算を式（２）にて行う。
【０１２７】
第ｉ番（ｉ＝１，…，５）の触覚指に作用している力Ｆiと目標力Ｆdiに対して、第ｉ番の触覚指（第１指関節２７の第１軸２７ａ及び第２軸２７ｂの駆動モータ、及び第２指関節２８の第３軸２８ａに係る駆動モータ）の制御入力をａiとする。又、第ｉ番の触覚指の指先（触覚指の先端）に力を生ずるアーム関節（すなわち、第１腕関節１６，第２腕関節１７，手首関節１８に係る駆動モータ）の制御入力をｂiとする。なお、ａi及びｂiはベクトルである。
【０１２８】
ｃiは、第ｉ番の触覚指に着目したときに、この触覚指の指先（触覚指の先端）での力誤差による触覚指関節とアーム関節への比例積分制御入力となる。すなわち，
ｃi＝（ａi T，ｂi T）Tとすると、
【０１２９】
【数１】
である。
【０１３０】
なお、Ｔは転置行列を表している。又、Ｋ１，Ｋ２はそれぞれ力誤差の比例と積分のフィードバックゲイン行列であり、予めＲＯＭ４０ｂに記憶されている。
（Ｓ１８０）
Ｓ１８０では、力制御（力フィードバック制御）によるアーム機構の制御入力ｂの演算を式（２）にて行う。
【０１３１】
【数２】
すなわち、式（２）に示すように、アームの制御入力ｂは、各触覚指の指先（触覚指の先端）での力誤差の比例積分制御の入力を加算することにより得られるのである。
【０１３２】
（Ｓ１９０）
Ｓ１９０では、ＣＰＵ４０ａは、各触覚指の先端位置（３次元位置）を触覚指の触覚指関節角度ｐij、触覚指の長さ、アーム機構のアーム関節角度ｑi、アーム機構の長さに基づいて演算する。
【０１３３】
そして、このとき得られた、各触覚指の先端位置（指取付部３２の位置：３次元位置）が仮想空間におけるロボットハンドに教示すべき目標空間位置となる。又、制御時に、各触覚指の各３軸力センサＫ１〜Ｋ５にて検出される干渉方向の力がロボットハンドに教示すべき力の教示データとなる。
【０１３４】
（Ｓ２００）
Ｓ２００では、ＣＰＵ４０ａは、Ｓ１７０及びＳ１８０で演算した制御入力ａi及び制御入力ｂを、各触覚指における駆動装置（例えば、第２触覚指２２では第２触覚指駆動装置４５）及びアーム駆動装置４６に出力する。又、ＣＰＵ４０ａは仮想空間におけるロボットハンドの前記目標空間位置や、ロボットハンドに教示すべき力の教示データをロボット制御装置１００に出力し、この制御プログラムのフローチャートを一旦終了する。
【０１３５】
各触覚指における駆動装置及びアーム駆動装置４６は、制御入力ａi及び制御入力ｂに基づいて、各触覚指の各駆動モータ及びアーム機構の関節の駆動モータを駆動する。
【０１３６】
この結果、仮想空間での図示しないロボットハンドと仮想物体との干渉がない場合、操作者Ｈは自由に手を動かせるように、各触覚指と触覚指ベース２０が制御装置４０によって運動制御される。このとき、触覚指ベース２０の位置姿勢と触覚指は、指先で生ずる力Ｆｉ（ｉ＝１，…，５）が零となるように、すなわち、目標力Ｆdi（ｉ＝１，…，５）を０として、運動学的ヤコビ行列Ｊｉ（ｉ＝１，…，５）を用いて力誤差の比例積分制御される。
【０１３７】
一方、仮想空間での図示しないロボットハンドと仮想物体との干渉がある場合には、仮想空間で生成される干渉力を操作者Ｈの指先での目標力Ｆdiとして、運動学的ヤコビ行列Ｊｉ（ｉ＝１，…，５）を用いて、各触覚指と触覚指ベース２０が制御装置４０によって力誤差の比例積分制御がなされる。
【０１３８】
このようにして、この制御入力により、目標とする力が操作者の指先に提示される。
第４実施形態によると、次のような作用効果を奏する。
【０１３９】
（１） 第４実施形態の多指触覚インターフェイス１０は、３次元位置姿勢計測装置４１及び３次元位置姿勢センサ４２が省略したという第１実施形態と異なる構成であるが、第１実施形態の（１）〜（３）、（５）、（６）〜（９）と同様の効果を奏する。
【０１４０】
（２） さらに、３次元位置姿勢計測装置４１及び３次元位置姿勢センサ４２が省略されているので、触覚インターフェイスの制御システムとして低価格に構成できる。
【０１４１】
（第５実施形態）
次に、第５実施形態を図１０を参照して説明する。
第５実施形態では、第４実施形態のハード構成と同一であるが、ＣＰＵ４０ａが実行する制御プログラムが異なっているだけであるため、第４実施形態と同一構成又は相当する構成については同一符号を付す。
【０１４２】
図１０は、第５実施形態の多指触覚インターフェイス１０のＣＰＵ４０ａが所定の制御周期で実行する制御プログラムのフローチャートである。
なお、図１０中、Ｓ１１０〜Ｓ１８０は第４実施形態と同じ処理であるため、説明を省略する。
【０１４３】
この制御プログラムが開始されると、Ｓ１１０〜Ｓ１８０の処理後、Ｓ３００に移行する。Ｓ３００〜Ｓ３４０はループ処理である。詳説すると、Ｓ３００〜Ｓ３４０には、第１ループと第２ループとがある。ループ名が第１ループのループ始端はＳ３００であり、ループ終端はＳ３４０である。又、ループ名が第２ループのループ始端は、Ｓ３１０であり、ループ終端はＳ３３０である。
【０１４４】
第１ループでは、触覚指関節角度ｐijに関して、ｉ＝１，…，５となるまで、Ｓ３００〜Ｓ３４０の処理を反復繰り返す。すなわち、第１触覚指２１〜第５触覚指２５について、それぞれＳ３２０の判定を繰り返す。又、第２ループでは、触覚指関節角度ｐijに関して、ｊ＝１，…，３となるまで、Ｓ３１０〜Ｓ３３０の処理を反復繰り返す。
【０１４５】
この結果、ＣＰＵ４０ａは下記のＳ３２０の処理を繰り返す。
Ｓ３２０では、触覚指の触覚指関節角度ｐijが、
（Ｌij）cw＜ｐij＜（Ｌij）ccw …（第１判定条件）
か否かを判定する。なお、ｉはｉ＝１，…，５の数値をとり、それぞれ、第１触覚指２１〜第５触覚指２５に対応している。又、ｊはｊ＝１，…，３の数値をとり、それぞれ触覚指の指関節の第１軸２７ａ，第２軸２７ｂ，第３軸２８ａに対応したものである。
【０１４６】
ここで、（Ｌij）cwは、各触覚指の第１軸２７ａ、第２軸２７ｂ、第３軸２８ａの周りで、時計回り方向への回動が許容されている回転角度の閾値である。この閾値は、時計回り方向への回動が許容されている各指関節における各軸の周りの最大回転角度（Ｌij）cwmaxに対して、（Ｌij）cwmax＜（Ｌij）cwとされている。閾値（Ｌij）cwと最大回転角度（Ｌij）cwmaxの差は数度の範囲が好ましい。
【０１４７】
又、（Ｌij）ccwは、各触覚指の第１軸２７ａ、第２軸２７ｂ、第３軸２８ａの周りで、反時計回り方向への回動が許容されている回転角度の閾値である。この閾値は、反時計回り方向への回動が許容されている各指関節における各軸の周りの最大回転角度（Ｌi j）ccwmaxに対して、（Ｌij）cw＜（Ｌij）ccwmaxとされている。閾値（Ｌij）ccwと最大回転角度（Ｌij）ccwmaxとの差は数度の範囲が好ましい。
【０１４８】
又、前記第１ループ処理及び第２ループ処理中に、Ｓ３２０の判定処理において、第１判定条件を、全ての触覚指関節角度ｐijが満たすときは、Ｓ３５０に移行することなく、Ｓ４００に移行する。
【０１４９】
前記第１ループ処理及び第２ループ処理中に、Ｓ３２０の第１判定条件を満足しない触覚指関節角度ｐijがある場合には、第１判定条件を満たさない触覚指関節角度ｐijに関する当該の触覚指における指関節の軸（第１軸２７ａ、第２軸２７ｂ、第３軸２８ａ）に関して、Ｓ３５０の処理を行う。
【０１５０】
Ｓ３５０では、ＣＰＵ４０ａは第１判定条件を満たさない指関節の軸（第１軸２７ａ、第２軸２７ｂ、第３軸２８ａ）周りの回転を停止保持、すなわち、当該触覚指の触覚指関節角度ｐijに基づいて現在位置を保持するように「位置の比例微分積分制御」の制御入力ａｉｊの演算を行う。このとき演算した制御入力ａｉｊ（位置制御用入力）は、ＲＡＭ４０ｃに格納する。ここで、制御入力ａｉｊは第ｉ触覚指の制御入力の第ｊ要素であり、ａｉ＝（ａｉ１、ａｉ２、ａｉ３）Ｔの関係がある。
【０１５１】
これは、現在位置からそれ以上、当該指関節の可動範囲の限界方向に向かうように当該指関節を駆動することは好ましくないからである。
この結果、第１判定条件を満たさない当該指関節の軸周りにおける可動範囲の限界を超える制御入力が出力されることがなくなる。
【０１５２】
第１ループ及び第２ループ処理が行われた後、Ｓ４００〜Ｓ４３０の第３のループ処理を行う。第３ループのループ始端はＳ４００であり、ループ終端はＳ４２０である。
【０１５３】
第３ループでは、アーム機構の各関節の各軸におけるアーム関節角度ｑiについて、ｉ＝１，…，７となるまで、Ｓ４００〜Ｓ４２０の処理を反復繰り返す。この結果、ＣＰＵ４０ａは、Ｓ４１０の処理を繰り返す。ここで、ｉ＝１，…，７は、アーム機構の第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８（アーム用能動関節）において、７自由度を付与する各軸に対応させたものである。
【０１５４】
Ｓ４１０では、アーム機構のアーム関節角度ｑiが、
（Ｍi）cw＜ｑi＜（Ｍi）ccw …（第２判定条件）
か否かを判定する。
【０１５５】
ここで、（Ｍi）cwは、アーム機構の各関節における各軸の周りで、時計回り方向への回動が許容されている回転角度の閾値である。この閾値は、時計回り方向への回動が許容されているアーム機構の各関節における各軸の周りの最大回転角度（Ｍi）cwmaxに対して、（Ｍi）cwmax＜（Ｍi）cwとされている。閾値（Ｍi）cwと最大回転角度（Ｍi）cwmaxとの差は数度の範囲が好ましい。
【０１５６】
又、（Ｍi）ccwは、アーム機構の各関節における各軸の周りで、反時計回り方向への回動が許容されている回転角度の閾値である。この閾値は、反時計回り方向への回動が許容されている各関節における各軸の周りの最大回転角度（Ｍi）ccwmaxに対して、（Ｍi）cw＜（Ｍi）ccwmaxとされている。閾値（Ｍi）ccwと最大回転角度（Ｍi）ccwmaxとの差は数度の範囲が好ましい。
【０１５７】
又、第３ループ処理を行っている中で、Ｓ４１０の判定処理において、第２判定条件を、全てのアーム関節角度ｑiが満たすときは、Ｓ４３０に移行することなく、Ｓ１９０に移行する。
【０１５８】
前記第３ループ処理を行っている中で、Ｓ４１０の第２判定条件を満足しないアーム関節角度ｑiがある場合には、第２判定条件を満たさないアーム関節角度ｑiに関する当該のアーム機構における関節の軸に関して、Ｓ４３０の処理を行う。アーム機構における関節の軸とは、第１腕関節１６の軸ｘ０,y０,z０、第２腕関節１７の軸ｍ、手首関節１８の軸ｘｍ,yｍ,ｚｍである。
【０１５９】
そして、Ｓ４３０では、ＣＰＵ４０ａは第２判定条件を満たさない前記軸周りの回転を停止保持、すなわち、当該アーム機構の各関節におけるアーム関節角度ｑiに基づいて現在位置を保持するように「位置の比例微分積分制御」の制御入力ｄｉの演算を行う。ここで、ｄiはアームの第ｉ関節の制御入力であり、
ｂ＝（ｄ１、ｄ２、…、ｄ７）Ｔの関係がある。ｄｉの演算により、制御入力ｂが演算されることになる。
【０１６０】
このとき演算した制御入力ｄｉ，ｂは、ＲＡＭ４０ｃに格納する。
これは、現在位置からそれ以上、当該関節の可動範囲の限界方向に向かうように当該関節を駆動することは好ましくないからである。
【０１６１】
この結果、第２判定条件を満たさないアーム機構の当該関節の軸周りにおける可動範囲の限界を超える制御入力が出力されることがなくなる。
このループ処理が終了すると、Ｓ１９０に移行する。
【０１６２】
Ｓ１９０では、ＣＰＵ４０ａは第４実施形態と同様の処理を行う。
又、Ｓ２００では、ＣＰＵ４０ａは、Ｓ１７０，Ｓ１８０，Ｓ３５０，Ｓ４３０で演算した制御入力ａi及び制御入力ｂを、各触覚指における駆動装置（例えば、第２触覚指２２では第２触覚指駆動装置４５）及びアーム駆動装置４６に出力する。
【０１６３】
すなわち、各触覚指の触覚指関節角度ｐijの全てがＳ３２０の第１判定条件を満足し、かつ、アーム機構のアーム関節角度ｑiの全てがＳ４１０の第２判定条件を満足する場合、ＣＰＵ４０ａはＳ１７０，Ｓ１８０で演算した制御入力ａi及び制御入力ｂを各触覚指の駆動装置及びアーム駆動装置４６に出力する。
【０１６４】
一方、Ｓ３２０の第１判定条件を満足しない触覚指関節角度ｐijがある場合、ＣＰＵ４０ａは当該触覚指関節角度ｐijの指関節の軸に関してはＳ３５０で演算した制御入力ａｉを出力し、第１判定条件を満足した指関節の軸に関しては、Ｓ１７０で演算した制御入力ａｉｊを出力する。
【０１６５】
加えて、Ｓ４１０の第２判定条件を満たさないアーム機構のアーム関節角度ｑiがある場合、ＣＰＵ４０ａはＳ４３０で演算した制御入力ｄiを出力する。
併せて、Ｓ２００では、ＣＰＵ４０ａは仮想空間におけるロボットハンドの前記目標空間位置や、ロボットハンドに教示すべき力の教示データをロボット制御装置１００に出力し、この制御プログラムのフローチャートを一旦終了する。
【０１６６】
第５実施形態によると、第４実施形態の作用効果に加え次のような作用効果を奏する。
（１） 第５実施形態の多指触覚インターフェイス１０は、触覚指に関して触覚指関節角度ｐijが、（Ｌij）cw＜ｐij＜（Ｌij）ccwを満足しない場合、すなわち、触覚指におけるいずれかの指関節（能動関節）が可動範囲の限界近傍である場合、限界方向にその関節を駆動しない構成にした。すなわち、触覚指におけるいずれかの指関節（能動関節）が可動範囲の限界内である閾値よりも限界方向に位置している場合、限界方向にその関節を駆動しない構成にした。
【０１６７】
このように、触覚指における指関節の可動範囲の限界を超えた制御入力が出力されることがない。仮に可動範囲の限界を超えた制御入力があると、触覚指の指関節の駆動モータに過負荷が加わり、同駆動モータの損傷等の虞があるが、本実施形態では、指関節の図示しない駆動モータに過負荷が加わることがない。
【０１６８】
（２） 第５実施形態の多指触覚インターフェイス１０は、アーム機構のアーム関節角度ｑiが、（Ｍi）cw＜ｑi＜（Ｍi）ccwを満足しない場合、すなわち、アーム機構におけるいずれかの関節が可動範囲の限界近傍である場合、限界方向にその関節を駆動しない構成にした。すなわち、アーム機構におけるいずれかの関節（能動関節）が可動範囲の限界内である閾値よりも限界方向に位置している場合、限界方向にその関節を駆動しない構成にした。
【０１６９】
このように、アーム機構の関節の可動範囲の限界を超えた制御入力が出力されることがない。仮に可動範囲の限界を超えた制御入力があると、アーム機構の各関節の駆動モータに過負荷が加わり、同駆動モータの損傷等の虞があるが、本実施形態では、アーム機構の関節の図示しない駆動モータに過負荷が加わることがない。
【０１７０】
（第６実施形態）
次に、第６実施形態を図１１を参照して説明する。
第６実施形態は、第５実施形態とはハード構成と同一であるが、ＣＰＵ４０ａが所定周期毎に実行する制御プログラムが異なっている。このため、第５実施形態と同一構成又は相当する構成については同一符号を付す。
【０１７１】
図１１は、第６実施形態の多指触覚インターフェイス１０のＣＰＵ４０ａが所定の制御周期で実行する制御プログラムのフローチャートである。
なお、図１１に示す制御プログラムのフローチャート中、Ｓ１１０〜Ｓ１８０は第５実施形態のフローチャートと同じ処理であるため、説明を省略し、フローチャートの異なるところを中心に説明する。
【０１７２】
この制御プログラムが開始されると、Ｓ１１０〜Ｓ１８０の処理後、Ｓ３００に移行する。
第６実施形態において、Ｓ３００〜Ｓ３４０は、第５実施形態と同様の第１ループ処理及び第２ループ処理である。Ｓ３２０で、第１判定条件を満足しない触覚指関節角度ｐijがあると、Ｓ３５０で、ＣＰＵ４０ａは第１判定条件を満たさない指関節の軸周りの回転を停止保持すべく、当該触覚指の触覚指関節角度ｐijに基づいて現在位置を保持するように「位置の比例微分積分制御」の制御入力ａｉの演算を行う。このとき演算した制御入力ａｉｊ（位置制御用入力）は、ＲＡＭ４０ｃに格納する。
【０１７３】
そして、前記第１ループ処理及び第２ループ処理を抜けて、Ｓ１９０に移行する。
又、前記第１ループ処理及び第２ループ処理中に、Ｓ３２０の判定処理において、第１判定条件を、全ての触覚指関節角度ｐijが満たすときは、Ｓ３５０に移行することなく、Ｓ５００に移行する。
【０１７４】
（Ｓ５００）
Ｓ５００では、位置制御により、アーム機構の制御入力ｂを演算する。すなわち、ＣＰＵ４０ａは、アーム機構の各関節の現在位置を保持するための「位置の比例微分積分制御」によりアーム機構の制御入力ｂを演算する。この後、Ｓ１９０に移行する。
【０１７５】
このように、Ｓ３００〜Ｓ３４０のループ処理の中で、全触覚指の全ての触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たすとき、すなわち、全ての指関節が可動範囲にあるときは、ＣＰＵ４０ａはＳ５００で演算したアーム機構の各関節の現在位置を保持するための制御入力ｂをＳ２００で出力する。又、同時に、ＣＰＵ４０ａは、Ｓ２００において、Ｓ１７０で演算した制御入力ａｉを各触覚指の駆動装置に出力する。
【０１７６】
この結果、アーム機構は現在位置を保持する「位置の比例微分積分制御」により、現在位置を保持する。又、このとき、触覚指の各関節は、Ｓ１７０で演算した制御入力ａｉｊにて力制御される。
【０１７７】
又、上記制御プログラムによれば、Ｓ３００〜Ｓ３４０のループ処理において、触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たさないもの（軸）があるときは、ＣＰＵ４０ａはＳ１８０で演算した力制御によるアーム機構の制御入力ｂをＳ２００で出力する。又、同時に、ＣＰＵ４０ａは、Ｓ２００においては、触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たさない指関節の軸に関しては、Ｓ３５０で演算した制御入力ａｉを出力する。又、触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たす指関節の軸に関しては、Ｓ１７０で演算した制御入力ａｉｊを各触覚指の駆動装置に出力する。
【０１７８】
この結果、アーム機構の各関節は力制御により駆動される。
又、触覚指の指関節のうち、触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たさないもの（軸）に関しては、現在位置を保持する「位置の比例微分積分制御」により、現在位置を保持する。触覚指の指関節のうち、触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たす（軸）に関しては、力制御により、駆動モータが駆動される。
【０１７９】
従って、第６実施形態では、下記の作用効果を奏する。
（１） 第６実施形態では、アーム機構の各関節は、全ての触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たす場合と、少なくとも１つの触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たさない場合に応じて、力誤差の比例積分制御と、現在位置を保持する「位置の比例微分積分制御」の切替がされる。
【０１８０】
このことにより、触覚指の微小な指先の位置変化の場合、ほとんどアーム機構の関節は動かず、触覚指の指関節のみが動き、操作者Ｈに対して安心感を与え、多指触覚インターフェイス１０のシステム全体の消費電力も低減する。
【０１８１】
（２） 第６実施形態によれば、下記の作用効果がある。すなわち、前記第４実施形態の力誤差の比例積分制御では、操作者Ｈの微小な指先の力の変化であっても、触覚指とアーム機構の両者が同時に動く。触覚指は３自由度あるため、空間的に任意の点に触覚指の指先（触覚指の先端）を位置づけられる。
【０１８２】
それに対して、第６実施形態の制御プログラムでは、触覚指の指関節の可動範囲であるならば、指関節の動きのみにより、触覚指の指先（触覚指の先端）のみで目標力Ｆdiが生成できる。
【０１８３】
（第７実施形態）
次に、第７実施形態を図１２及び図１３を参照して説明する。
第７実施形態は、第４実施形態とはハード構成と同一であるが、ＣＰＵ４０ａが所定周期毎に実行する制御プログラムが異なっている。このため、第４実施形態と同一構成又は相当する構成については同一符号を付す。
【０１８４】
図１２は、第７実施形態の多指触覚インターフェイス１０のＣＰＵ４０ａが所定の制御周期で実行する制御プログラムのフローチャートである。図１２に示す制御プログラムのフローチャート中、Ｓ１１０〜Ｓ１４０は第５実施形態のフローチャートと同じ処理であるため、説明を省略し、フローチャートの異なるところを中心に説明する。
【０１８５】
この制御プログラムが開始されると、Ｓ１１０〜Ｓ１４０の処理後、Ｓ６００に移行する。
（Ｓ６００）
Ｓ６００では、ハンド１３の可操作性を最大とする目標アーム関節角度の演算を行う。図１３は、Ｓ６００の処理の詳細を示すフローチャートである。
【０１８６】
（Ｓ６１０）
Ｓ６１０では、触覚指のヤコビ行列Ｊhi（ｉ＝１，…，５）の演算と、ハンド１３の可操作性を評価するために、可操作性評価関数ＰＩ（以下、単に評価関数ＰＩという）の演算を行う。
【０１８７】
なお、ヤコビ行列Ｊhi（ｉ＝１，…，５）は、第ｉ触覚指の先端から触覚指ベース２０までの運動学の関係から導き出すヤコビ行列である。本実施形態では、ヤコビ行列Ｊhiは、３×３の大きさの行列である。前者の「３」は触覚指の位置のパラメータ数であり、後者の「３」は、触覚指の関節数である。
【０１８８】
この場合、ヤコビ行列Ｊhiは、アーム関節角度の関数として求める。従って、その行列式｜Ｊhi｜は、アーム関節角度の関数となる。
又、前記触覚指の位置は、触覚指の触覚指ベース座標系の位置を示す３つのパラメータで示される。又、触覚指の姿勢は、軸ｘｍ，ｙｍ，ｚｍの軸が軸ｘ０，ｙ０，ｚ０へそれぞれのなす角度からなる３つのオイラーパラメータで示される。
【０１８９】
又、評価関数ＰＩは、
【０１９０】
【数３】
である。ここで、前記ｗｉは、重み係数である。
【０１９１】
（Ｓ６２０）
Ｓ６１０の処理後、Ｓ６２０〜Ｓ６５０の第４ループ処理を行う。
第４ループのループ始端はＳ６２０であり、ループ終端はＳ６５０である。第４ループでは、式（４）について、ｉ＝１，…，Ｎとなるまで、Ｓ６２０〜Ｓ６５０の処理を反復繰り返す。なお、Ｎは、予め定められた所定回数である。
【０１９２】
この結果、ＣＰＵ４０ａはＳ６３０及びＳ６４０の処理をＮ回繰り返す。
（Ｓ６３０）
Ｓ６３０では、評価関数ＰＩを最大とする目標アーム関節角度を公知の最急降下法を使用して探索する。なお、評価関数ＰＩが最大となることは、可操作性が最大となることを意味する。
【０１９３】
本実施形態での最急降下法は、最初は、目標アーム関節角度としてある適当な初期値（初期パラメータ）から始め、その値（パラメータ）を変化させて更新を繰り返し、最適なパラメータ（目標アーム関節角度）を求める方法である。
【０１９４】
（Ｓ６４０）
Ｓ６４０では、Ｓ６３０で更新前の値（パラメータ）を評価関数ＰＩに代入して得たときの評価関数ＰＩの値（ＰＩk）と、更新した後の値（パラメータ）を評価関数ＰＩに代入して得たときの評価関数ＰＩの値（ＰＩk+1）との差（評価関数ＰＩの変化量）が、予め定めた閾値ｅ以下か否かを判定する。なお、閾値ｅは、ＲＯＭ４０ｂに予め格納されている。なお、ｋは任意の回数を示す。
【０１９５】
Ｓ６４０で、評価関数ＰＩの変化量が閾値ｅ以下のものを目標アーム関節角度の候補としてＲＡＭ４０ｃに格納する。
（Ｓ７００）
前記ループ処理を終了すると、Ｓ７００では、Ｓ６４０で得られた目標アーム角度の候補をローパスフィルタ処理する。
【０１９６】
この処理が必要な理由は下記の通りである。
ハンド１３の可操作性を最大とするように、触覚指ベース２０の位置、姿勢（アーム機構のアーム関節角度）を求めた場合、触覚指の動きに応じてアーム機構が大きく動くことがある。この場合、アーム機構を制御する制御系のエネルギー消費が大きくなり、さらには、操作者Ｈに不安を与える可能性がある。そこで、ローパスフィルタ処理を施すことにより、アーム機構が大きく動かないようにすることを目的に、アーム関節角度の急激な変化を抑制するために行うのである。
【０１９７】
（Ｓ７１０）
Ｓ７１０では、ＣＰＵ４０ａは、重力補償項ｇhi（ｉ＝１，…，５）の演算を行う。前記重力補償項ｇhiは、触覚指全体の重力分を、１つの触覚指に関して割り振ったものである。なお、ｉ＝１，…，５は、それぞれ第１触覚指２１〜第５触覚指２５に対応する。
【０１９８】
（Ｓ７２０）
Ｓ７２０では、Ｓ７００でローパスフィルタ処理された目標アーム関節角度に対して、この目標アーム関節角度になるように、位置制御により、アーム機構の制御入力ｂを演算する。この後、Ｓ７３０に移行する。
【０１９９】
（Ｓ７３０）
Ｓ７３０では、触覚指のヤコビ行列Ｊhi（ｉ＝１，…，５）の演算を行う（ヤコビ行列Ｊhi（ｉ＝１，…，５）については、前記Ｓ６１０を参照）。
【０２００】
（Ｓ７４０）
Ｓ７４０では、力制御による触覚指の制御入力ａiを下記の式（４）に基づいて演算する。
【０２０１】
【数４】
ここで、Ｔは転置行列を表している。又、Ｋ３，Ｋ４はそれぞれ力誤差の比例と積分のフィードバックゲイン行列であり、予めＲＯＭ４０ｂに記憶されている。ｇhiは重力補償項であり、当該触覚指の重力分を補償するためのものである。ＣＰＵ４０ａは、重力補償項ｇhi（ｉ＝１，…，５）の演算も行う。前記重力補償項ｇhiは、触覚指全体の重力分を、１つの触覚指に関して割り振ったものである。なお、ここでのｉ＝１，…，５は、それぞれ第１触覚指２１〜第５触覚指２５に対応する。
【０２０２】
（Ｓ１９０及びＳ２００）
Ｓ１９０では、ＣＰＵ４０ａは第４実施形態と同様の処理を行う。又、Ｓ２００では、ＣＰＵ４０ａは、Ｓ７４０及びＳ７２０で演算した制御入力ａi及び制御入力ｂを、各触覚指における駆動装置（例えば、第２触覚指２２では第２触覚指駆動装置４５）及びアーム駆動装置４６に出力する。
【０２０３】
この結果、アーム機構の各関節が位置制御されて、触覚指ベース２０の目標位置姿勢ｒｄは、現在の触覚指の先端位置を保持した状態で、ハンド１３の可操作性を最大となるように制御される。
【０２０４】
仮操作性が最大となることは、操作者の指先の動きや操作力に対して、触覚指が最も追従しやすいあるいは大きな操作力を出力できることを意味する。
第７実施形態によれば、下記の作用効果を奏する。
【０２０５】
（１） 第７実施形態では、Ｓ７２０で位置制御によるアーム機構の制御入力ｂが演算されるため、触覚指ベース２０の位置姿勢は、位置制御される。この位置制御では、ハンド１３の可操作性を最大とする目標アーム関節角度の演算（Ｓ６００）が行われ、触覚指ベース２０は、この目標アーム関節角度に基づいて位置制御される。
【０２０６】
又、触覚指は、Ｓ７４０において、触覚指の指先（触覚指の先端）に作用している力Ｆi（ｉ＝１，…，５）が目標力Ｆdiとなるように触覚指の運動学的ヤコビ行列Ｊhi（ｉ＝１，…，５）を用いて力誤差の比例積分制御される。
【０２０７】
この結果、アーム機構の各関節が位置制御されて、触覚指ベース２０の目標位置姿勢ｒｄは、現在の触覚指の先端位置を保持した状態で、ハンド１３の可操作性を最大となるように制御される。
【０２０８】
本発明の実施形態は、上記実施形態以外に次のように変更することも可能である。
（１） 前記各実施形態では、アーム部１２、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８からなるアーム機構は７自由度を備えるようにしたが、いずれか一つの自由度を省略して６自由度としてもよい。すなわち、座標系においては、直交する３軸の原点位置を示す３つのパラメータと、各軸の周りの回転角度を示す３つのパラメータがあるため、各パラメータに対応した６自由度があればよい。
【０２０９】
（２） 又、前記各実施形態のアーム機構は、８自由度以上の自由度を備えるようにしても勿論よい。
（３） 前記第３実施形態では、ターゲットとして３つの各発信部５５ａ〜５５ｃを備えたが、発信部を１つとし、受信部５６を３つとしてもよい。
【０２１０】
各受信部５６は距離センサに相当する。
又、前記第３実施形態では、各発信部５５ａ〜５５ｃを手Ｈａ側に設け、受信部５６を触覚指ベース２０に設けたが、互いに反対に設けてもよい。
【０２１１】
この場合も受信部５６が距離センサに相当する。
（４） 前記各実施形態では、第１触覚指２１〜第５触覚指２５は第１指関節２７，第２指関節２８（指用能動関節）により３自由度の運動の自由度を有するようにした。しかし、これに限定するものではなく、４自由度等の３自由度を超える構成にしてもよい。
【０２１２】
（５） 前記各実施形態では、吸着手段として永久磁石３１又は電磁石５０を設けたが、取付凹部２６ａに単数又は複数の吸引孔を設け、同吸引孔を介して空気を吸引して、受動球関節２９を吸着するようにしてもよい。この場合、吸着手段は、取付凹部２６ａに設けた吸引孔、及び空気を吸引するための装置、例えば、真空引き装置等が相当する。
【０２１３】
（６） 第２実施形態では、外部の入力装置（図示しない）の操作により入力する信号に基づいて、ＣＰＵ４０ａは、駆動回路を制御して電磁石５０の磁力調整を行い、受動球関節２９の指固定部材３０への吸着保持力を可変できるようにしたが、この構成を省略してもよい。すなわち、単に電磁石５０に一定の励磁電流を供給するようにしてもよい。
【０２１４】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１乃至請求項１８の発明によれば、人間の複数の指先に力感覚を提示でき、その作業領域はほぼアーム機構の作業領域となり、広い領域（操作空間）が確保できる。
【０２１５】
又、操作者は触覚インターフェイスの重量感や、手が触覚インターフェイスと接続されて負担感を感ずることもない効果がある。
又、操作者の指先への力の提示が人間の手自体に装着するものではないため、違和感も感じさせない効果がある。
【０２１６】
又、請求項１９乃至請求項２１は、請求項７乃至請求項１８の触覚インターフェイスが触覚指ベースを操作者の手に対して対向するように制御する際に、好適に行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施形態の多指触覚インターフェイスの概略図。
【図２】 第１実施形態の第２触覚指２２の斜視図。
【図３】 多指触覚インターフェイスの電気ブロック図。
【図４】 同じくＣＰＵ４０ａが実行する制御フローチャート。
【図５】 第２実施形態の第２触覚指２２の斜視図。
【図６】 第３実施形態の多指触覚インターフェイスの概略図。
【図７】 第４実施形態の多指触覚インターフェイスの概略図。
【図８】 第４実施形態の多指触覚インターフェイスの電気ブロック図。
【図９】 同じくＣＰＵ４０ａが実行する制御フローチャート。
【図１０】第５実施形態のＣＰＵ４０ａが実行する制御フローチャート。
【図１１】第６実施形態のＣＰＵ４０ａが実行する制御フローチャート。
【図１２】第７実施形態のＣＰＵ４０ａが実行する制御フローチャート。
【図１３】同じくＣＰＵ４０ａが実行する制御フローチャート。
【符号の説明】
１０…多指触覚インターフェイス
１２…アーム部
１３…ハンド
１４…第１アーム（アーム機構の一部を構成する）
１５…第２アーム（アーム機構の一部を構成する）
１６…第１腕関節（アーム用能動関節）
１７…第２腕関節（アーム用能動関節）
１８…手首関節（アーム用能動関節）
２０…触覚指ベース
２１〜２５…第１触覚指〜第５触覚指
２７…第１指関節（指用能動関節）
２８…第２指関節（指用能動関節）
２９…受動球関節
３０…指固定部材（指先連結部）
３１…永久磁石（吸着手段、磁力発生手段）
３２…指取付部
４２…３次元位置姿勢センサ（第１検出手段）
４０…制御装置
４０ａ…ＣＰＵ（制御手段、第１制御手段、第２制御手段、磁力制御手段、第１演算手段、第２演算手段）
５０…電磁石（吸着手段、磁力発生手段）
Ｋ１〜Ｋ５…３軸力センサ（第２検出手段）
５６…超音波距離センサの受信部５６（ＣＰＵ４０ａとともに、第１検出手段を構成する）
α…仮想平面
Ｈ…操作者
Ｈａ…手
ＡＲＥ１〜ＡＲＥ７…ロータリエンコーダ（アーム関節角度検出手段）
ＵＲＥ１〜ＵＲＥ３…ロータリエンコーダ（触覚指関節角度検出手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、触覚インターフェイス及びその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、触覚インターフェイスとして、仮想空間における物体にぶつかるときの抵抗感覚や重量感覚を手若しくは指先１点に表現するものとしては、非特許文献１（従来技術１）のシリアルリンク型のPHANToMがある。又、他に、日商エレクトロニクス社のパラレルリンク型のHa ptic Masterがある（従来技術２）。
【０００３】
又、シリアルリンク型の触覚インターフェイスを２台設置して、２本の指先に力提示する研究（非特許文献２）もある（従来技術３）。
他の触覚インターフェイスとして、多点の力の提示を可能とするために、人間の手の甲や腕にフォースフィードバック機構を装着するものがある。代表例としては、非特許文献３（従来技術４）や、非特許文献４がある（従来技術５）。
【０００４】
さらに、仮想物体の重量感覚を提示するために、こうしたフォースフィードバック機構とアーム機構を装着し、アーム機構を手に固定するシステムとして、米国Virtual Technology社の３D Interraction（従来技術６）及び非特許文献５（従来技術７）がある。
【０００５】
【非特許文献１】
米国 SensAble Technology社［平成１５年２月６日検索］（インターネット＜ＵＲＬ：http://www.Sensable.com/＞）
【非特許文献２】
吉川恒夫、名倉彰宏：３次元空間用無負荷時非接触型力感覚提示装置，日本バーチャルリアリティ学会論文誌，Vol.3,No.3,pp.75-82,1998
【非特許文献３】
Force Feedback Glove（H.Kawasaki,and T.Hayashi:"Force Feedback Glove for Manipulation of Virtual Objects,Journal of Robotics and Mechatronics",Vol.5,No.1,pp.79-84 1993
【非特許文献４】
米国Virtual Technology社、［平成１５年２月６日検索］（インターネット＜ＵＲＬ：http://www.virtex.com/＞）のCyberGrasp
【非特許文献５】
Force Feedback装置（鈴木直樹、服部麻木 他５名：触覚を伴った手術作業が可能なバーチャル手術システムの開発，日本バーチャルリアリティ学会論文誌Vol.3,No.4,pp.237-24,1998
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術１及び従来技術２は、これらは、一箇所での触覚の提示はできるが、人間に対し、多点（複数）の指先への直角の提示は困難である。
【０００７】
従来技術３は、その可動範囲は極めて狭い問題がある。又、従来技術１〜３のようなこうした設置型は、操作者が受ける違和感や負担感は少ないが、操作空間が広く、多点の力感覚を提示する触覚インターフェイスは研究開発されていない。
【０００８】
又、従来技術４や従来技術５では、人間の複数の指先に力を提示できるが、アームと連動していないため、仮想物体の重量感覚を提示することは困難である。又、人間の手や腕に触覚インターフェイスを装着するため、圧迫感や触覚インターフェイスの重量感を人間に与えている。
【０００９】
又、従来技術６及び従来技術７は、アーム機構や指先のフォースフィードバック機構を人間に装着するため、圧迫感、違和感或いは負担感を人間に与えている。
【００１０】
本発明の目的は、人間の複数の指先に力感覚を提示する触覚インターフェイスにおいて、操作空間が広く、仮想物体の重量感覚を提示でき、操作者に圧迫感や装置の重量感を感じさせることのない触覚インターフェイスを提供することにある。
【００１１】
又、他の目的は、上記触覚インターフェイスに好適な制御方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、操作者の指先の運動に追従可能な複数の触覚指を触覚指ベースに配置し、前記触覚指ベースをアーム機構で空間運動を可能とする触覚インターフェイスにおいて、前記触覚指ベースを操作者の手に対向させ、手の位置及び姿勢に連動させて前記触覚指ベースを駆動制御し、操作者の指先の動きに連動させて前記触覚指を駆動制御する制御手段を備え、前記制御手段は、各触覚指に作用している力（Ｆ i ）と、指先での目標力（Ｆ di ）との力誤差を用いて、前記触覚指ベースを駆動するアーム機構と前記触覚指を制御することを特徴とする触覚インターフェイスを要旨とするものである。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１において、前記アーム機構に設けられた能動関節のアーム関節角度を検出するアーム関節角度検出手段と、前記触覚指に設けられた能動関節の触覚指関節角度を検出する触覚指関節角度検出手段と、前記触覚指の動きを検出する動き検出手段とを備え、前記制御手段は、前記各触覚指の先端から前記アーム機構のベースまでの運動学的ヤコビ行列を、前記アーム関節角度、前記触覚指関節角度に基づいて、演算する第１演算手段と、前記動き検出手段の検出に基づいて得られた各触覚指の先端に作用している力（Ｆi）と指先での目標力（Ｆｄｉ）との力誤差の力フィードバック制御のために、前記アーム関節角度、前記触覚指関節角度、前記運動学的ヤコビ行列、及び前記力誤差に基づいて、前記触覚指の能動関節及び前記アーム機構の能動関節への制御入力を演算する第２演算手段と、を備え、前記制御入力に基づいて前記触覚指の能動関節及び前記アーム機構の能動関節を制御することを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２において、前記触覚指及び前記アーム機構は、それぞれ能動関節を備え、前記能動関節が可動範囲限界内の所定の閾値から限界方向に位置している場合、前記制御手段は、前記能動関節を現在位置に保持する位置制御を行うことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２において、前記触覚指及び前記アーム機構に設けられた能動関節が可動範囲限界内の所定の閾値から限界方向に位置している場合、前記制御手段は、前記能動関節を現在位置に保持する位置制御を行い、前記能動関節が可動範囲限界内の所定の閾値の範囲内に位置している場合、前記制御手段は、各触覚指に作用している力（Ｆi）と、指先での目標力（Ｆdi）との力誤差を用いて制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１又は請求項２において、前記触覚指に設けられた全ての能動関節が可動範囲にあるときは、前記制御手段は、前記触覚指を前記触覚指に作用する力（Ｆi）と指先での目標力（Ｆdi）との力誤差を用いて制御するとともに、前記アーム機構を現在位置に保持する位置制御することを特徴とする。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項１又は請求項２において、前記制御手段は、前記触覚指を、前記触覚指に作用する力（Ｆi）と指先での目標力（Ｆdi）との力誤差を用いて制御し、前記触覚指ベースを位置制御し、前記触覚指ベースと前記触覚指とを含むハンドの可操作性を最大とするように前記触覚指ベースの目標位置姿勢を設定することを特徴とする。
【００１８】
請求項７の発明は、アーム用能動関節を備えたアーム機構と、前記アーム機構に設けられた触覚指ベースと、前記触覚指ベースに設けられ、操作者の指先を連結する指先連結部を備えるとともに、指用能動関節を備えた複数の触覚指と、前記操作者の手の位置及びその姿勢を検出する第１検出手段と、前記第１検出手段の手の位置及びその姿勢の検出に基づいて前記アーム用能動関節を制御して触覚指ベースを操作者の手に対向させる第１制御手段と、操作者の指先の動きを検出する第２検出手段と、第２検出手段の指先の動き検出に基づいて、同指先の動きに連動して指用能動関節を制御する第２制御手段を備えた触覚インターフェイスを要旨とするものである。
【００１９】
請求項８の発明は、請求項７において、前記第２検出手段は、触覚指に設けた多軸の力センサであり、第２制御手段は、力フィードバック制御により、操作者の指先に与える力を制御することを特徴とする。
【００２０】
請求項９の発明は、請求項８において、前記第２制御手段は、操作者の指先に与える力がゼロとなるように力フィードバック制御することを特徴とする。
請求項１０の発明は、請求項７乃至請求項９のうちいずれか１項において、前記アーム機構は、アーム用能動関節により、６自由度以上の運動の自由度を有していることを特徴とする。
【００２１】
請求項１１の発明は、請求項７乃至請求項１０のうちいずれか１項において、前記触覚指は指用能動関節により３自由度以上の運動の自由度を有することを特徴とする。
【００２２】
請求項１２の発明は、請求項７乃至請求項１１のうちいずれか１項において、前記指先連結部は、触覚指の先端側に設けたことを特徴とする。
請求項１３の発明は、請求項１２において、前記指先連結部には、触覚指の先端側に転動自在に設けた受動球関節と、同受動球関節に設けた操作者の指先を連結する指取付部を備えることを特徴とする。
【００２３】
請求項１４の発明は、請求項１３において、前記指先連結部には、前記受動球関節を吸着保持する吸着手段を備えたことを特徴とする。
請求項１５の発明は、請求項１４において、前記吸着手段は、受動球関節を磁力により吸着保持する磁力発生手段であることを特徴とする。
【００２４】
請求項１６の発明は、請求項１５において、前記磁力発生手段は、永久磁石であることを特徴とする。
請求項１７の発明は、請求項１５において、前記磁力発生手段は、電磁石であり、さらに、外部信号により、前記電磁石の磁力を可変する磁力制御手段を備えたことを特徴とする。
【００２５】
請求項１８の発明は、請求項７乃至請求項１５のうちいずれか１項において、第１検出手段には、前記触覚指ベースに設けられた操作者の手の位置を計測するセンサを含むことを特徴とする。
【００２６】
請求項１９の発明は、アーム用能動関節を備えたアーム機構と、前記アーム機構に設けられた触覚指ベースと、前記触覚指ベースに設けられ、操作者の指先を連結する指先連結部を備えるとともに、指用能動関節を備えた複数の触覚指とを備えた触覚インターフェイスの制御方法において、操作者の手の位置及びその姿勢の検出結果に基づき、操作者の指先が構成する仮想平面に対して操作者の手の位置と面対称となる位置に触覚指ベースを位置させるように前記アーム用能動関節を制御して、同触覚指ベースを操作者の手に対向させることを特徴とする触覚インターフェイスの制御方法を要旨とするものである。
【００２７】
請求項２０の発明は、請求項１９において、触覚インターフェイスは、さらに操作者の手の位置及びその姿勢を検出する第１検出手段を備え、第１検出手段による手の位置及びその姿勢の検出結果を用いて触覚指ベースの位置を制御することを特徴とする。
【００２８】
請求項２１の発明は、請求項２０において、触覚インターフェイスは、さらに操作者の指先の動きを検出する第２検出手段を備え、第２検出手段の指先の動き検出に基づいて、同指先の動きに連動して指用能動関節を制御することを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を多指触覚インターフェイスに具体化した第１実施形態を図１及び図２を参照して説明する。
【００３０】
図１は多指触覚インターフェイスの概略を示す斜視図、図２は本実施形態の触覚指の斜視図である。
多指触覚インターフェイス１０は、ベース１１、アーム部１２、ハンド１３を備えている。アーム部１２は、第１アーム１４及び第２アーム１５からなる。第１アーム１４は、ベース１１に対して、３自由度を有する第１腕関節１６を介して連結されている。本実施形態では、第１腕関節１６は図１に示すように第１腕関節１６の中心において互いに直交する軸ｘ０, y０,z０の周りでそれぞれ第１アーム１４を回転する。この軸ｘ０,y０,z０は基準座標系の軸となる。
【００３１】
又、第２アーム１５は第１アーム１４に対して１自由度を有する第２腕関節１７（肘部）を介して連結されている。本実施形態では、第２腕関節１７は、第２アーム１５を図１に示すように第２腕関節１７の中心線である軸ｍの周りで能動回転する。
【００３２】
ハンド１３は触覚指ベース２０と、触覚指ベース２０に設けられた５本の触覚指２１〜２５を備えている。５本の触覚指２１〜２５は、人間の拇指〜小指の５本の指と相対可能に、列状に配置されている。すなわち、第１触覚指２１が人間の拇指、第２触覚指２２が人差し指、第３触覚指２３が中指、第４触覚指２４が薬指、第５触覚指２５が小指と向かい合うように触覚指ベース２０に配置されている。触覚指ベース２０の基端側に設けられた取付部は、第２アーム１５の先端部に対して手首関節１８（図３参照）を介して取付けされている。本実施形態では、手首関節１８は図１に示すように手首関節１８の中心において互いに直交する軸ｘｍ,yｍ,ｚｍの周りでそれぞれ触覚指ベース２０を回転する。
【００３３】
この軸ｘｍ,yｍ,ｚｍは触覚指ベース座標系の軸となる。
第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８は、駆動源としての駆動モータをその自由度の数に一致する個数分備えており、各駆動モータを制御することにより、前述した軸の周りで回転する。
【００３４】
又、第１腕関節１６、及び第２腕関節１７及び手首関節１８において、前述した各軸の周りで回転駆動する駆動モータには回転角度を検出する回転角度検出手段としてのロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７が設けられている(図３参照)。これらのロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７により、前記各軸の周りの回転角度が検出される。なお、図３では、説明の便宜上、ロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７をまとめて図示している。
【００３５】
前記ロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７にて検出された回転角度は、本実施形態及び他の実施形態において、以下、それぞれアーム関節角度ｑｉ（ｉ＝１，…７）という。アーム関節角度ｑｉのｉは、アーム機構の自由度の数に対応している。
【００３６】
なお、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８はアーム機構に設けられた能動関節、すなわち、アーム用能動関節及びアーム関節に相当する。又、アーム部１２、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８はアーム機構を構成している。従って、アーム機構は、７自由度を備えている。前記アーム機構により、前記触覚指ベース２０は空間運動が可能にされている。
【００３７】
図２には、第２触覚指２２の詳細が示されている。
第１触覚指〜第５触覚指２１〜２５は基本的に同じ機能を有する部材にて構成されているため、以下では、第２触覚指２２の構成について説明し、他の触覚指については説明を省略する。
【００３８】
第２触覚指２２は第１リンク３５、第２リンク３６、第１指関節２７、第２指関節２８、受動球関節２９、及び指固定部材３０を備えている。第１リンク３５は第１指関節２７を介して触覚指ベース２０に取付けされている。
【００３９】
第１指関節２７は２軸の関節であって、図２に示すように第１指関節２７の中心において互いに直交する第１軸２７ａ及び第２軸２７ｂの周りでそれぞれ第１リンク３５を能動回転する。
【００４０】
すなわち、第１軸２７ａの周りで第１指関節２７にて第１リンク３５が回転する場合は、隣接する他の触覚指に対し近接又は離間する方向（内外転方向）に向かう回転（内外転）となる。第２軸２７ｂの周りで第１指関節２７にて第１リンク３５が回転する場合は、前後屈回転となる。なお、ここで、前とは、触覚指２２が握り方向に屈曲する方向であり、後は、その１８０度反対方向である。
【００４１】
又、第２リンク３６は第１リンク３５に対して前後屈への１自由度を有する第２指関節２８を介して連結されている。すなわち、第２指関節２８は、第２リンク３６を図２に示すように第２指関節２８の中心線である第３軸２８ａの周りで能動回転する。
【００４２】
第１指関節２７及び第２指関節２８は、駆動源としての駆動モータ（図示しない）をその自由度の数に一致する個数分備えており、各駆動モータを制御することにより、前述した第１軸２７ａ〜第３軸２８ａの周りでそれぞれ回転する。
【００４３】
又、第１指関節２７及び第２指関節２８において、前述した第１軸２７ａ〜第３軸２８ａを駆動する駆動モータには回転角度を検出する回転角度検出手段としてのロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３がそれぞれ設けられている。これらのロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３により、前記各軸の周りの回転角度が検出される。
【００４４】
前記ロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３にて検出された回転角度は、本実施形態及び他の実施形態において、以下、それぞれ触覚指関節角度ｐｉｊ（ｉ＝１，…５，ｊ＝１，…３）という。なお、ｐｉｊのｉは、触覚指の数に対応する。ｐｉｊのｊは、触覚指の自由度の数に対応し、すなわち、第１軸２７ａ〜第３軸２８ａという軸の数（軸数）に対応する。
【００４５】
第１指関節２７，第２指関節２８は触覚指に設けられた能動関節、すなわち、指用能動関節及び触覚指関節に相当する。
受動球関節２９は、円球状をなし、第２リンク３６の先端に半球状に凹設された取付凹部２６ａに対して着脱自在に、かつ３６０度のいずれの範囲においても回転自在に嵌合されている。受動球関節２９は鉄等の強磁性体からなる。永久磁石３１は、第２リンク３６の取付凹部２６ａに近接した部位において第２リンク３６に内装されている。永久磁石３１の磁力（吸着力）により、受動球関節２９は常には取付凹部２６ａ内に嵌合保持されている。しかし、受動球関節２９に、前記磁力を超える引っ張り力が加わった際には、受動球関節２９は、取付凹部２６ａから離脱可能である。
【００４６】
永久磁石３１は、吸着手段及び磁力発生手段に相当する。
指固定部材３０は受動球関節２９の露出した頂部に一体に固定されており、先端の周面は指取付部３２が凹設されている。指取付部３２は、長さ方向の先端側半分は断面半円状に凹設され、基端側半分は、指の先端（指先）が、受動球関節２９の頂部に近接する位置まで挿入可能に断面円形状に形成されている。
【００４７】
又、指取付部３２に対応して、指固定部材３０の先端の周面には、リング状に形成された有弾性の締付バンド３３が固定されている。本実施形態では、締付バンド３３は合成ゴム等からなるバンドにて形成されている。締付バンド３３と指取付部３２との間には人の人差し指が差し込み可能な空間が形成され、人差し指を差し込みした際、締付バンド３３が同指を安定して指取付部３２に対して添わせる。
【００４８】
指固定部材３０は、指先連結部に相当する。
なお、第２触覚指２２と同様に第１触覚指２１、第３触覚指２３〜第５触覚指２５の指取付部３２及び締付バンド３３は、それぞれ人間の拇指、中指、薬指、小指を接続可能である。
【００４９】
第２リンク３６の先端周部には３軸力センサＫ２が設けられている。３軸力センサＫ２は、第２触覚指２２に働く、互いに直交する３軸方向の並進力を検出可能である。３軸力センサＫ２は、第２検出手段及び多軸の力センサに相当する。
【００５０】
なお、他の触覚指の３軸力センサについては、第１触覚指〜第５触覚指２１〜２５の数え順の番号に一致した符号を図３に示すようにＫに付すものとする。
なお、他の触覚指におけるロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３は、図３では、説明の便宜上、それぞれ触覚指毎にまとめて図示している。
【００５１】
次に多指触覚インターフェイス１０に関する装置の電気的構成について説明する。
３次元位置姿勢計測装置４１は、多指触覚インターフェイス１０を扱う人（以下、操作者Ｈという）の手首Ｒに装着された３次元位置姿勢センサ４２と無線で通信可能にされている。３次元位置姿勢センサ４２は、操作者Ｈの手Ｈａの位置（３次元的な空間位置）、及びその姿勢を検出し、その検出信号を３次元位置姿勢計測装置４１に無線で通信する。
【００５２】
なお、前記手Ｈａの位置とは、操作者Ｈの３次元位置姿勢センサ４２を装着した手Ｈａの座標系（以下、ハンド座標系（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）という）の原点位置Ｏｈを示す３つのパラメータである。又、手Ｈａの姿勢は、軸ｘｈ，ｙｈ，ｚｈが軸ｘ０，ｙ０，ｚ０へそれぞれのなす角度からなる３つのオイラーパラメータで示され、ハンド座標系の姿勢と一致する。
【００５３】
３次元位置姿勢センサ４２は、第１検出手段に相当する。
３次元位置姿勢計測装置４１は、３次元位置姿勢センサ４２から送信された検出信号を受信すると、その信号を手Ｈａの位置及びその姿勢に関するハンド座標系の位置データ及び姿勢データとして信号処理し、制御装置４０に出力する。
【００５４】
制御装置４０は、ＣＰＵ４０ａ（中央処理装置）、ＲＯＭ４０ｂ、ＲＡＭ４０ｃを備えている。ＲＯＭ４０ｂには、多指触覚インターフェイス１０を制御するための制御プログラムを始め各種制御プログラムが格納されている。ＲＡＭ４０ｃは、ＣＰＵ４０ａが演算処理する際の作業用メモリとなり、後述する制御プログラムを実行したときの、各種演算結果や、検出値を格納する。
【００５５】
ＣＰＵ４０ａは、制御手段、第１制御手段及び第２制御手段に相当する。
第２触覚指駆動装置４５は、制御装置４０に電気的に接続され、制御装置４０からの第２触覚指制御信号に基づいて、第２触覚指２２の第１軸２７ａ，第２軸２７ｂを備えた第１指関節２７、及び第３軸２８ａを備えた第２指関節２８を駆動する。
【００５６】
第１触覚指２１、第３触覚指２３〜第５触覚指２５においても、第２触覚指２２と同様に駆動装置を備えており、制御装置４０からの第１、第３〜第５触覚指制御信号に基づいてそれぞれの第１指関節２７及び第２指関節２８を同様に駆動する。なお、図３では、説明の便宜上、第２触覚指２２の第２触覚指駆動装置４５等についてのみ図示し、他の触覚指に関する、駆動装置、第１指関節２７及び第２指関節２８については省略している。
【００５７】
アーム駆動装置４６は制御装置４０に電気的に接続され、制御装置４０からのアーム制御信号に基づいて、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８を駆動する。
【００５８】
ロボット制御装置１００は、人間型ハンド（以下、ロボットハンドという）を有するロボットを多指触覚インターフェイス１０にて遠隔制御するために設けられており、制御装置４０とは、無線又は、通信線を介して、交信が行われる。前記ロボットハンドは、人間の手と同様に５本の指及び腕を備えている。ロボット制御装置１００は、多指触覚インターフェイス１０にて入力された教示データに基づいてこのロボットハンドを駆動制御する。
【００５９】
（制御フローチャートの説明）
さて、上記のように構成された多指触覚インターフェイス１０の作用について、図４に示す制御フローチャートを参照して説明する。同フローチャートは教示制御プログラムであり、制御装置４０のＣＰＵ４０ａが周期的に実行する。
【００６０】
この制御プログラムは、仮想空間でのロボットの作業の制御プログラムである。この制御プログラムは仮想空間にあるロボットハンドをもつロボットに、操作者Ｈのデモンストレーションに基づいて、ロボットハンドの指先の位置と力を教示する。この制御プログラム実行中、操作者Ｈの５本の指は、第１触覚指２１〜第５触覚指２５の各指固定部材３０の指取付部３２に締付バンド３３にて保持されており、操作者Ｈが手Ｈａを動かすと、各触覚指に力が作用し、その力は、各３軸力センサＫ１〜Ｋ５にて検出される。
【００６１】
又、操作者Ｈの手Ｈａの位置及びその姿勢は、３次元位置姿勢センサ４２が検出し、３次元位置姿勢計測装置４１に検出信号を送信する。そして、３次元位置姿勢計測装置４１では、その信号をハンド座標系の位置データ及び姿勢データとして信号処理し、制御装置４０に出力する。
【００６２】
又、アーム機構のロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７は、アーム機構の各関節における各軸の周りの回転角度を検出する。すなわち、ロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７はアーム関節角度ｑiを検出し、制御装置４０に出力する。
【００６３】
なお、ｑi中、ｉ＝１，…，７は、アーム機構の第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８（アーム用能動関節）において、７自由度を付与する各軸に対応させたものである。又、各触覚指２１〜２５のロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３は、各関節の各軸の周りの触覚指関節角度ｐijを検出し、制御装置４０に出力する。
【００６４】
なお、ｐij中、ｉは、ｉ＝１，…，５で、それぞれ第１触覚指２１〜第５触覚指２５に対応する。又、ｊは、ｊ＝１，…，３で、第１軸２７ａ，第２軸２７ｂ，第３軸２８ａにそれぞれ対応する。
【００６５】
（ステップ１０（以下、ステップをＳという））
さて、教示制御プログラムが開始されると、Ｓ１０では操作者Ｈの手Ｈａを自由に動かせるように、制御装置４０のＣＰＵ４０ａ（以下、単にＣＰＵ４０ａという）はアーム部１２及び各触覚指を駆動制御する。
【００６６】
まず、ＣＰＵ４０ａは、触覚指ベース２０の位置及びその姿勢を、操作者Ｈの手Ｈａの位置、及びその姿勢と対向するように制御する。又、同時に、ＣＰＵ４０ａは操作者Ｈの指先で作られる仮想平面αに対して面対称となるように、アーム駆動装置４６にアーム制御信号を出力してアーム部１２を駆動制御する。
【００６７】
すなわち、ＣＰＵ４０ａは、３次元位置姿勢計測装置４１から、操作者Ｈの手Ｈａの位置及びその姿勢に関するハンド座標系の位置データ及び姿勢データを入力すると、これらのデータを基準座標系を介して触覚指ベース座標系に変換する。
【００６８】
そして、この触覚指ベース座標系において、触覚指ベース２０の位置及びその姿勢を手Ｈａの位置及びその姿勢と対向するように、操作者Ｈの指先で作られる仮想平面αに対して面対称となるように、アーム駆動装置４６にアーム制御信号を出力してアーム部１２を駆動制御する。この後、Ｓ３０に移行する。
【００６９】
前記アーム部１２、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８からなるアーム機構は７自由度を有するため、この対向はアーム機構の動作可能範囲であれば常に実現できる。
【００７０】
ここで、仮想平面αについて説明する。
本実施形態では、仮想平面αは、操作者Ｈの拇指、人差し指、中指の３本の指先で作られる平面を基本としている。なお、これら３本の指がほぼ直線状に並ぶときは、他の指を含め、最小２乗法で指先を乗せる平面を決定している。
【００７１】
又、本実施形態では、手Ｈａの指先の位置は、第１触覚指２１〜第５触覚指２５の各指固定部材３０の指取付部３２に保持されていることから、各触覚指の先端位置（指取付部３２の位置）と同じである。このため、ＣＰＵ４０ａは仮想平面αを決定するために必要な各触覚指の先端位置（３次元位置）を、触覚指の触覚指関節角度ｐij、触覚指の長さ、アーム機構のアーム関節角度ｑi、アーム機構の長さに基づいて演算する。
【００７２】
なお、各触覚指の触覚指関節角度ｐij及びアーム機構のアーム関節角度ｑiは、各触覚指のロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３の検出値及びアーム機構のロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７の検出値に基づいてそれぞれ演算する。又、各触覚指の長さ及びアーム機構の長さは、触覚指及びアーム機構を構成している各部材の長さであり、これらの値は予めＲＯＭ４０ｂに格納されている。
【００７３】
（Ｓ２０）
次のＳ２０では、仮想空間でのロボットハンドと仮想物体との干渉があるか、否かを判定する。
【００７４】
なお、ロボット制御装置１００は、仮想空間でロボットハンドと仮想物体との接触があるときは、干渉信号（ロボットハンドにおける各指についての干渉力の大きさと、各指における干渉方向を示す信号）を制御装置４０に出力し、接触していない場合には、干渉信号を出力しないようにされている。
【００７５】
このため、仮想空間でのロボットハンドと仮想物体との干渉がない場合、前記干渉信号を入力しないため、ＣＰＵ４０ａはＳ２０の判定を「ＮＯ」と判定し、Ｓ３０に移行する。反対に、仮想空間でのロボットハンドと仮想物体との干渉がある場合、前記干渉信号を入力するため、ＣＰＵ４０ａはＳ２０の判定を「ＹＥＳ」と判定し、Ｓ４０に移行する。
【００７６】
（Ｓ３０）
Ｓ３０では、ＣＰＵ４０ａは、各触覚指による指先での３軸方向（各３軸力センサＫ１〜Ｋ５が検出可能な方向）の力がゼロになるように各触覚指を力フィードバック制御する。すなわち、各３軸力センサＫ１〜Ｋ５の検出値が０となるように各触覚指の第１指関節２７の第１軸２７ａ及び第２軸２７ｂ、第３軸２８ａの駆動モータをフィードバック制御する。
【００７７】
この力フィードバック制御時においても、ＣＰＵ４０ａは、各触覚指の先端位置（３次元位置）を触覚指の触覚指関節角度ｐij、触覚指の長さ、アーム機構のアーム関節角度ｑi、アーム機構の長さに基づいて演算する。
【００７８】
そして、このとき得られた、各触覚指の先端位置（指取付部３２の位置：３次元位置）が仮想空間におけるロボットハンドに教示すべき目標空間位置となる。なお、ＣＰＵ４０ａは、仮想空間でのロボットハンドと仮想物体との干渉がないため、仮想空間における力の教示データはゼロとする。
【００７９】
このＳ３０の処理後、Ｓ５０に移行する。
（Ｓ４０）
Ｓ４０は、ロボットハンドと仮想物体の間に干渉力を生じさせる処理である。ＣＰＵ４０ａは入力した干渉信号に基づいて、干渉方向に操作者Ｈに力感覚、すなわち、干渉力を提示するため、各触覚指２１〜２５をそれぞれ干渉方向に力フィードバック制御する。
【００８０】
又、干渉方向と直交する平面に沿う運動は、自由に触覚指が運動できるように、その方向における操作者Ｈの指先の力がゼロとなるように各触覚指を力フィードバック制御する。この後、Ｓ５０に移行する。
【００８１】
なお、この力フィードバック制御時においても、ＣＰＵ４０ａは、各触覚指の先端位置（３次元位置）を触覚指の触覚指関節角度ｐij、触覚指の長さ、アーム機構のアーム関節角度ｑi、アーム機構の長さに基づいて演算する。
【００８２】
そして、このとき得られた、各触覚指の先端位置（指取付部３２の位置：３次元位置）が仮想空間におけるロボットハンドに教示すべき目標空間位置となる。又、前記力フィードバック制御時に、各触覚指の各３軸力センサＫ１〜Ｋ５にて検出される干渉方向の力がロボットハンドに教示すべき力の教示データとなる。
【００８３】
（Ｓ５０）
Ｓ５０では、ＣＰＵ４０ａは前のＳ３０又はＳ４０で演算したロボットのロボットハンドの目標空間位置や、ロボットハンドに教示すべき力の教示データをロボット制御装置１００に出力し、このフローチャートを一旦終了する。
【００８４】
従って、本実施形態において、仮想物体とロボットハンドとの干渉がない場合には、操作者Ｈの手Ｈａを自由に動かせるようにＣＰＵ４０ａにてアーム部１２及び、触覚指２２が制御されることになる。
【００８５】
又、仮想物体とロボットハンドとの干渉がある場合には、Ｓ４０において、アーム部１２の可動範囲において、操作者Ｈの複数の指に干渉力を提示できる。
次に、受動球関節２９の作用について説明する。
【００８６】
操作者Ｈの指先は各触覚指において指固定部材３０の指取付部３２に保持されているが、受動球関節２９により、同じ指先位置でその姿勢を変えることが可能である。このことにより、各触覚指と操作者Ｈの連結が円滑となっており、各触覚指インターフェイスのサイズと操作者Ｈの腕や手Ｈａのサイズの差異が機構的に吸収される。
【００８７】
又、受動球関節２９は、永久磁石３１により、吸引されて各触覚指の取付凹部２６ａに保持されている。このため、操作者Ｈの指先に過度の引っ張り力が作用すると、自動的に受動球関節２９は触覚指から離脱し、操作者Ｈの指先に引っ張り力が生じない。
【００８８】
本実施形態によると、次のような作用効果を奏する。
（１） 本実施形態の多指触覚インターフェイス１０では、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８（アーム用能動関節）を備えたアーム部１２、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８（アーム機構）を設けた。又、触覚指ベース２０と、触覚指ベース２０に設けられ、操作者の指先を連結する指固定部材３０（指先連結部）を備えるとともに、指先の運動に連動可能な第１指関節２７，第２指関節２８（指用能動関節）を備えた複数の触覚指を設けた。
【００８９】
そして、操作者Ｈの手Ｈａの位置及びその姿勢を検出する３次元位置姿勢センサ４２（第１検出手段）を備えた。さらに、３次元位置姿勢センサ４２の手Ｈａの位置及びその姿勢の検出に基づき第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８を制御して触覚指ベース２０を操作者Ｈの手Ｈａに対向させるＣＰＵ４０ａ（第１制御手段）を備えた。
【００９０】
さらに、操作者Ｈの指先の動きを検出する３軸力センサＫ１〜Ｋ５（第２検出手段）と、３軸力センサＫ１〜Ｋ５の指先の動き検出に基づいて、同指先の動きに連動して第１指関節２７，第２指関節２８を制御するＣＰＵ４０ａ（第２制御手段）を設けた。
【００９１】
この結果、本実施形態での多指触覚インターフェイス１０は、人間の複数の指先に力感覚を提示でき、その作業領域はほぼアーム機構の作業領域となり、広い領域（操作空間）が確保できる。
【００９２】
又、操作者Ｈは多指触覚インターフェイス１０の重量感や、手Ｈａが多指触覚インターフェイス１０と接続されて負担感を感ずることもない。
又、操作者Ｈの指先への力の提示が人間の手自体に装着するものではないため、違和感も感じさせない効果がある。
【００９３】
（２） 本実施形態では、ＣＰＵ４０ａは、各触覚指に設けた各３軸力センサＫ１〜Ｋ５（多軸の力センサ）とし、ＣＰＵ４０ａは、力フィードバック制御により、操作者の指先に与える力を制御するようにした（Ｓ３０，Ｓ４０）。
【００９４】
この結果、好適に操作者Ｈの指先に干渉力を付与しなかったり、或いは、干渉力を付与することかできる。
（３） 本実施形態では、ＣＰＵ４０ａは、操作者Ｈの指先に与える力がゼロとなるように力フィードバック制御するようにした。
【００９５】
この結果、ロボットハンドと仮想物体との干渉がない場合には、操作者Ｈに対して操作者Ｈの手Ｈａの自由を束縛することがなくなる。
（４） 本実施形態では、アーム部１２、触覚指ベース２０（すなわち、アーム機構）は、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８（アーム用能動関節）により、７自由度の運動の自由度を有するようにした。
【００９６】
この結果、触覚指ベース２０の位置及びその姿勢を手Ｈａの位置及びその姿勢と対向するように、操作者Ｈの指先で作られる仮想平面αに対して面対称となるように、アーム部１２を駆動制御する際、この対向はアーム機構の動作可能範囲であれば常に実現できる。
【００９７】
（５） 本実施形態では、各触覚指は第１指関節２７，第２指関節２８（指用能動関節）により３自由度の運動の自由度を有するようにした。
この結果、各触覚指に３自由を有する多指触覚インターフェイス１０においても、上記（１）乃至（４）の作用効果を実現できる。
【００９８】
（６） 本実施形態では、指固定部材３０（指先連結部）を、触覚指の先端側に設けた。
例えば、指固定部材３０を触覚指の基端側に設けた場合には、操作者Ｈの指が触覚指の先端部と干渉する虞があるが、この場合に比して、操作者Ｈの指の動きに干渉するものがなく、容易に指先を指固定部材に連結することができる。
【００９９】
（７） 本実施形態では、指固定部材３０には、触覚指の先端側に転動自在に設けた受動球関節２９と、受動球関節２９に設けた操作者Ｈの指先を連結する指取付部３２を備える。
【０１００】
この結果、受動球関節２９により、同じ指先位置でその姿勢を変えることができ、各触覚指と操作者Ｈの連結が円滑となり、触覚指インターフェイスのサイズと操作者Ｈの腕や手Ｈａのサイズの差異が機構的に吸収できる。
【０１０１】
（８） 本実施形態では、指固定部材３０には、受動球関節２９を吸着保持する永久磁石３１（吸着手段）を備えた。
この結果、永久磁石３１により、指固定部材３０に受動球関節２９が吸着（吸引）されて保持され、操作者Ｈの指先に過度の引っ張り力が作用すると、自動的に受動球関節２９は触覚指から離脱し、操作者Ｈの指先に引っ張り力が生じない。
【０１０２】
（９） 本実施形態では、永久磁石３１は、吸着手段として、受動球関節２９を磁力により吸着保持する磁力発生手段とした。
この結果、受動球関節２９を磁力により、上記（８）の作用効果を実現できる。
【０１０３】
（１０） 本実施形態の制御方法では、操作者Ｈの手Ｈａの位置及びその姿勢の検出結果に基づき操作者Ｈの指先が構成する仮想平面αに対して操作者Ｈの手Ｈａの位置と面対称となる位置に触覚指ベース２０を位置させるように第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８（アーム用能動関節）を制御した。そして、触覚指ベース２０を操作者Ｈの手Ｈａに対向させるようにした。
【０１０４】
この結果、操作者Ｈの指先が形成する仮想平面αに対して、手Ｈａの位置と面対称となる位置に触覚指ベース２０を好適に対向させることができる。
（１１） 本実施形態での制御方法では、多指触覚インターフェイス１０は、操作者Ｈの手Ｈａの位置及びその姿勢を検出する３次元位置姿勢センサ４２（第１検出手段）を備え、３次元位置姿勢センサ４２による手Ｈａの位置及びその姿勢の検出結果を用いて触覚指ベース２０の位置を制御するようにした。
【０１０５】
この結果、３次元位置姿勢センサ４２の検出結果を使用することにより、上記（１０）の作用効果を実現できる。
（１２） 本実施形態での制御方法では、多指触覚インターフェイス１０は、操作者Ｈの指先の動きを検出する３軸力センサＫ１〜Ｋ５（第２検出手段）を備えた。又、３軸力センサＫ１〜Ｋ５の指先の動き検出に基づいて、同指先の動きに連動して第１指関節２７，第２指関節２８（指用能動関節）を制御するようにした。
【０１０６】
この結果、３軸力センサＫ１〜Ｋ５の検出結果を使用することにより、上記（１０）の作用効果を実現できる。
（第２実施形態）
次に図５を参照して、第２実施形態を説明する。なお、本実施形態を始めとして、以下に記載の実施形態では、第１実施形態と同一構成については、同一符号を付して、説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【０１０７】
第２実施形態では、永久磁石３１の代わりに、電磁石５０が設けられているところが異なっている。電磁石５０は、吸着手段及び磁力発生手段に相当する。
さらに、本実施形態では、ＣＰＵ４０ａは電磁石５０のコイルの励磁電流を供給する駆動回路を制御可能になっている。すなわち、外部の入力装置（図示しない）の操作により入力する信号(外部信号)に基づいて、ＣＰＵ４０ａは、前記駆動回路を制御して電磁石５０の磁力調整を行い、受動球関節２９の指固定部材３０への吸着保持力を可変できるようにした。
【０１０８】
前記外部の入力装置からの入力信号は外部信号に相当し、ＣＰＵ４０ａは、磁力制御手段に相当する。
本実施形態では、第１実施形態の（１）〜（１２）の効果の他に、操作者Ｈが男性又は女性、或いは、操作者Ｈの年齢等に応じて、操作者Ｈの指先で生じる引っ張り力の限界を調整できる。このため、より安全な多指触覚インターフェイス１０とすることができる。
【０１０９】
（第３実施形態）
次に第３実施形態を図６を参照して説明する。
本実施形態では、第１実施形態の構成中、３次元位置姿勢計測装置４１及び３次元位置姿勢センサ４２が省略されている。この代わりに、操作者Ｈの手Ｈａにおいて、３つの超音波距離センサの発信部５５ａ〜５５ｃがそれぞれ異なる位置である所定部位にターゲットとして装着されている。なお、前記発信部５５ａ〜５５ｃのハンド座標系の座標位置は予めＲＯＭ４０ｂに格納されている。
【０１１０】
又、触覚指ベース２０には、超音波距離センサの受信部５６が設けられている。なお、受信部５６の触覚指ベース座標系の座標位置は予めＲＯＭ４０ｂに格納されている。受信部５６は、各発信部５５ａ〜５５ｃから発信された超音波を受信し、触覚指ベース２０と各ターゲット（手Ｈａの所定部位）間の距離を計測するためのものである。
【０１１１】
制御装置４０のＣＰＵ４０ａは、受信部５６から各ターゲット間の３つの距離計測値、前記発信部５５ａ〜５５ｃ、及び受信部５６の座標位置に基づいて操作者Ｈの手Ｈａの位置及びその姿勢を演算する。
【０１１２】
そして、以下、演算した手Ｈａの位置及び姿勢データに基づいて、第１実施形態と同様にＣＰＵ４０ａはアーム部１２や、各触覚指を駆動制御するようにされている。
【０１１３】
本実施形態では、超音波距離センサの受信部５６及びＣＰＵ４０ａが、第１検出手段に相当する。すなわち、受信部５６により、手Ｈａ側の発信部５５ａ〜５５ｃの距離計測値（手の位置を計測した値）が得られる。
【０１１４】
本実施形態で使用した超音波距離センサは、３次元位置姿勢計測装置４１及び３次元位置姿勢センサ４２よりも低コストである。このため、第１実施形態に比較して、多指触覚インターフェイス１０単独でシステムが構成できるとともに、簡便なシステムとすることができ、コストがかからない効果を奏する。
【０１１５】
（第４実施形態）
次に第４実施形態を、図７〜図９を参照して説明する。
第４実施形態は、図７及び図８に示すように、第１実施形態のハード構成中、３次元位置姿勢計測装置４１及び３次元位置姿勢センサ４２が省略されているところが異なっている。このため、第１実施形態と同一構成又は相当する構成については同一符号を付す。
【０１１６】
又、第４実施形態では、ＣＰＵ４０ａが図９に示す制御プログラムを所定制御周期毎に実行するところが異なっている。ＣＰＵ４０ａは、制御手段、第１演算手段及び第２演算手段に相当する。
【０１１７】
以下、この制御プログラムを図９を参照して説明する。
なお、第４実施形態においても、第１実施形態と同様に、仮想空間でのロボットハンドと仮想物体との接触があるときは、ロボット制御装置１００から干渉信号（ロボットハンドにおける各指についての干渉力の大きさと、各指における干渉方向を示す信号）が入力される。又、仮想空間でロボットハンドと仮想物体とが接触していない場合には、ロボット制御装置１００から干渉信号が入力されないようにされている。
【０１１８】
（Ｓ１１０）
この制御プログラムが開始されると、Ｓ１１０では、ロボット制御装置１００から入力した干渉信号に基づいて、仮想空間で生成された干渉力を操作者Ｈの指先での目標力Ｆdi（ｉ＝１，…，５）として演算する。ロボット制御装置１００では干渉がないときは、前記目標力Ｆdi（ｉ＝１，…，５）を０と演算する。なお、ｉ＝１，…，５は、それぞれ第１触覚指２１〜第５触覚指２５に対応させたものである。
【０１１９】
（Ｓ１２０）
Ｓ１２０では、ＣＰＵ４０ａは操作者Ｈの指先により各触覚指に作用している力Ｆi（ｉ＝１，…，５）を、各３軸力センサＫ１〜Ｋ５からの検出値（検出信号）に基づいて検出を行う。なお、ｉ＝１，…，５は、それぞれ第１触覚指２１〜第５触覚指２５に対応させたものである。
【０１２０】
（Ｓ１３０）
Ｓ１３０では、各触覚指２１〜２５のロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３の検出値（検出信号）に基づいて、ＣＰＵ４０ａは各触覚指２１〜２５の第１指関節２７及び第２指関節２８における、第１軸２７ａ〜第３軸２８ａの各軸の周りの触覚指関節角度ｐij（ｉ＝１，…，５，ｊ＝１，…，３）を検出する。
【０１２１】
前記ロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３は触覚指関節角度検出手段に相当する。
（Ｓ１４０）
Ｓ１４０では、アーム機構のロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７の検出値（検出信号）に基づいて、ＣＰＵ４０ａは各関節における各軸の周りの回転角度、すなわち、アーム関節角度ｑi（ｉ＝１，…，７）を検出する。
【０１２２】
前記ロータリエンコーダＡＲＥ１〜ＡＲＥ７はアーム関節角度検出手段に相当する。
（Ｓ１５０）
Ｓ１５０では、ＣＰＵ４０ａは、前記触覚指関節角度ｐij及びアーム関節角度ｑiに基づいて、ヤコビ行列Ｊi（ｉ＝１，…，５）の演算をする。ヤコビ行列は、いわゆる運動学的ヤコビ行列である。
【０１２３】
ヤコビ行列Ｊi（ｉ＝１，…，５）は、第ｉ触覚指の先端からアーム機構のベース１１までの運動学の関係から導き出すヤコビ行列である。本実施形態では、ヤコビ行列Ｊiは、６×１０の大きさの行列である。前記「６」は触覚指の位置（３）と姿勢（３）のパラメータ数の和であり、前記「１０」は、アームの自由度（７）と触覚指の自由度（３）の和である。なお、アームの自由度とは、アーム機構における各関節の軸の数（軸数）に一致し、触覚指の自由度は、触覚指における指関節の軸の数（軸数）に一致する。
【０１２４】
又、前記触覚指の位置は、触覚指の触覚指ベース座標系の位置を示す３つのパラメータで示される。又、触覚指の姿勢は、軸ｘｍ，ｙｍ，ｚｍが軸ｘ０，ｙ０，ｚ０へそれぞれなす角度からなる３つのオイラーパラメータで示される。
【０１２５】
（Ｓ１６０）
Ｓ１６０では、ＣＰＵ４０ａは、重力補償項ｇi（ｉ＝１，…，５）の演算を行う。前記重力補償項ｇiは、アーム機構及び触覚指全体の重力分を、１つの触覚指に関して割り振ったものである。なお、ｉ＝１，…，５は、それぞれ第１触覚指２１〜第５触覚指２５に対応するものである。
【０１２６】
（Ｓ１７０）
Ｓ１７０では、前記Ｓ１１０乃至Ｓ１５０にて、検出又は演算した値に基づいて力制御（力フィードバック制御）による触覚指の制御入力ｃiの演算を式（２）にて行う。
【０１２７】
第ｉ番（ｉ＝１，…，５）の触覚指に作用している力Ｆiと目標力Ｆdiに対して、第ｉ番の触覚指（第１指関節２７の第１軸２７ａ及び第２軸２７ｂの駆動モータ、及び第２指関節２８の第３軸２８ａに係る駆動モータ）の制御入力をａiとする。又、第ｉ番の触覚指の指先（触覚指の先端）に力を生ずるアーム関節（すなわち、第１腕関節１６，第２腕関節１７，手首関節１８に係る駆動モータ）の制御入力をｂiとする。なお、ａi及びｂiはベクトルである。
【０１２８】
ｃiは、第ｉ番の触覚指に着目したときに、この触覚指の指先（触覚指の先端）での力誤差による触覚指関節とアーム関節への比例積分制御入力となる。すなわち，
ｃi＝（ａi T，ｂi T）Tとすると、
【０１２９】
【数１】
【０１３０】
なお、Ｔは転置行列を表している。又、Ｋ１，Ｋ２はそれぞれ力誤差の比例と積分のフィードバックゲイン行列であり、予めＲＯＭ４０ｂに記憶されている。
（Ｓ１８０）
Ｓ１８０では、力制御（力フィードバック制御）によるアーム機構の制御入力ｂの演算を式（２）にて行う。
【０１３１】
【数２】
【０１３２】
（Ｓ１９０）
Ｓ１９０では、ＣＰＵ４０ａは、各触覚指の先端位置（３次元位置）を触覚指の触覚指関節角度ｐij、触覚指の長さ、アーム機構のアーム関節角度ｑi、アーム機構の長さに基づいて演算する。
【０１３３】
そして、このとき得られた、各触覚指の先端位置（指取付部３２の位置：３次元位置）が仮想空間におけるロボットハンドに教示すべき目標空間位置となる。又、制御時に、各触覚指の各３軸力センサＫ１〜Ｋ５にて検出される干渉方向の力がロボットハンドに教示すべき力の教示データとなる。
【０１３４】
（Ｓ２００）
Ｓ２００では、ＣＰＵ４０ａは、Ｓ１７０及びＳ１８０で演算した制御入力ａi及び制御入力ｂを、各触覚指における駆動装置（例えば、第２触覚指２２では第２触覚指駆動装置４５）及びアーム駆動装置４６に出力する。又、ＣＰＵ４０ａは仮想空間におけるロボットハンドの前記目標空間位置や、ロボットハンドに教示すべき力の教示データをロボット制御装置１００に出力し、この制御プログラムのフローチャートを一旦終了する。
【０１３５】
各触覚指における駆動装置及びアーム駆動装置４６は、制御入力ａi及び制御入力ｂに基づいて、各触覚指の各駆動モータ及びアーム機構の関節の駆動モータを駆動する。
【０１３６】
この結果、仮想空間での図示しないロボットハンドと仮想物体との干渉がない場合、操作者Ｈは自由に手を動かせるように、各触覚指と触覚指ベース２０が制御装置４０によって運動制御される。このとき、触覚指ベース２０の位置姿勢と触覚指は、指先で生ずる力Ｆｉ（ｉ＝１，…，５）が零となるように、すなわち、目標力Ｆdi（ｉ＝１，…，５）を０として、運動学的ヤコビ行列Ｊｉ（ｉ＝１，…，５）を用いて力誤差の比例積分制御される。
【０１３７】
一方、仮想空間での図示しないロボットハンドと仮想物体との干渉がある場合には、仮想空間で生成される干渉力を操作者Ｈの指先での目標力Ｆdiとして、運動学的ヤコビ行列Ｊｉ（ｉ＝１，…，５）を用いて、各触覚指と触覚指ベース２０が制御装置４０によって力誤差の比例積分制御がなされる。
【０１３８】
このようにして、この制御入力により、目標とする力が操作者の指先に提示される。
第４実施形態によると、次のような作用効果を奏する。
【０１３９】
（１） 第４実施形態の多指触覚インターフェイス１０は、３次元位置姿勢計測装置４１及び３次元位置姿勢センサ４２が省略したという第１実施形態と異なる構成であるが、第１実施形態の（１）〜（３）、（５）、（６）〜（９）と同様の効果を奏する。
【０１４０】
（２） さらに、３次元位置姿勢計測装置４１及び３次元位置姿勢センサ４２が省略されているので、触覚インターフェイスの制御システムとして低価格に構成できる。
【０１４１】
（第５実施形態）
次に、第５実施形態を図１０を参照して説明する。
第５実施形態では、第４実施形態のハード構成と同一であるが、ＣＰＵ４０ａが実行する制御プログラムが異なっているだけであるため、第４実施形態と同一構成又は相当する構成については同一符号を付す。
【０１４２】
図１０は、第５実施形態の多指触覚インターフェイス１０のＣＰＵ４０ａが所定の制御周期で実行する制御プログラムのフローチャートである。
なお、図１０中、Ｓ１１０〜Ｓ１８０は第４実施形態と同じ処理であるため、説明を省略する。
【０１４３】
この制御プログラムが開始されると、Ｓ１１０〜Ｓ１８０の処理後、Ｓ３００に移行する。Ｓ３００〜Ｓ３４０はループ処理である。詳説すると、Ｓ３００〜Ｓ３４０には、第１ループと第２ループとがある。ループ名が第１ループのループ始端はＳ３００であり、ループ終端はＳ３４０である。又、ループ名が第２ループのループ始端は、Ｓ３１０であり、ループ終端はＳ３３０である。
【０１４４】
第１ループでは、触覚指関節角度ｐijに関して、ｉ＝１，…，５となるまで、Ｓ３００〜Ｓ３４０の処理を反復繰り返す。すなわち、第１触覚指２１〜第５触覚指２５について、それぞれＳ３２０の判定を繰り返す。又、第２ループでは、触覚指関節角度ｐijに関して、ｊ＝１，…，３となるまで、Ｓ３１０〜Ｓ３３０の処理を反復繰り返す。
【０１４５】
この結果、ＣＰＵ４０ａは下記のＳ３２０の処理を繰り返す。
Ｓ３２０では、触覚指の触覚指関節角度ｐijが、
（Ｌij）cw＜ｐij＜（Ｌij）ccw …（第１判定条件）
か否かを判定する。なお、ｉはｉ＝１，…，５の数値をとり、それぞれ、第１触覚指２１〜第５触覚指２５に対応している。又、ｊはｊ＝１，…，３の数値をとり、それぞれ触覚指の指関節の第１軸２７ａ，第２軸２７ｂ，第３軸２８ａに対応したものである。
【０１４６】
ここで、（Ｌij）cwは、各触覚指の第１軸２７ａ、第２軸２７ｂ、第３軸２８ａの周りで、時計回り方向への回動が許容されている回転角度の閾値である。この閾値は、時計回り方向への回動が許容されている各指関節における各軸の周りの最大回転角度（Ｌij）cwmaxに対して、（Ｌij）cwmax＜（Ｌij）cwとされている。閾値（Ｌij）cwと最大回転角度（Ｌij）cwmaxの差は数度の範囲が好ましい。
【０１４７】
又、（Ｌij）ccwは、各触覚指の第１軸２７ａ、第２軸２７ｂ、第３軸２８ａの周りで、反時計回り方向への回動が許容されている回転角度の閾値である。この閾値は、反時計回り方向への回動が許容されている各指関節における各軸の周りの最大回転角度（Ｌi j）ccwmaxに対して、（Ｌij）cw＜（Ｌij）ccwmaxとされている。閾値（Ｌij）ccwと最大回転角度（Ｌij）ccwmaxとの差は数度の範囲が好ましい。
【０１４８】
又、前記第１ループ処理及び第２ループ処理中に、Ｓ３２０の判定処理において、第１判定条件を、全ての触覚指関節角度ｐijが満たすときは、Ｓ３５０に移行することなく、Ｓ４００に移行する。
【０１４９】
前記第１ループ処理及び第２ループ処理中に、Ｓ３２０の第１判定条件を満足しない触覚指関節角度ｐijがある場合には、第１判定条件を満たさない触覚指関節角度ｐijに関する当該の触覚指における指関節の軸（第１軸２７ａ、第２軸２７ｂ、第３軸２８ａ）に関して、Ｓ３５０の処理を行う。
【０１５０】
Ｓ３５０では、ＣＰＵ４０ａは第１判定条件を満たさない指関節の軸（第１軸２７ａ、第２軸２７ｂ、第３軸２８ａ）周りの回転を停止保持、すなわち、当該触覚指の触覚指関節角度ｐijに基づいて現在位置を保持するように「位置の比例微分積分制御」の制御入力ａｉｊの演算を行う。このとき演算した制御入力ａｉｊ（位置制御用入力）は、ＲＡＭ４０ｃに格納する。ここで、制御入力ａｉｊは第ｉ触覚指の制御入力の第ｊ要素であり、ａｉ＝（ａｉ１、ａｉ２、ａｉ３）Ｔの関係がある。
【０１５１】
これは、現在位置からそれ以上、当該指関節の可動範囲の限界方向に向かうように当該指関節を駆動することは好ましくないからである。
この結果、第１判定条件を満たさない当該指関節の軸周りにおける可動範囲の限界を超える制御入力が出力されることがなくなる。
【０１５２】
第１ループ及び第２ループ処理が行われた後、Ｓ４００〜Ｓ４３０の第３のループ処理を行う。第３ループのループ始端はＳ４００であり、ループ終端はＳ４２０である。
【０１５３】
第３ループでは、アーム機構の各関節の各軸におけるアーム関節角度ｑiについて、ｉ＝１，…，７となるまで、Ｓ４００〜Ｓ４２０の処理を反復繰り返す。この結果、ＣＰＵ４０ａは、Ｓ４１０の処理を繰り返す。ここで、ｉ＝１，…，７は、アーム機構の第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８（アーム用能動関節）において、７自由度を付与する各軸に対応させたものである。
【０１５４】
Ｓ４１０では、アーム機構のアーム関節角度ｑiが、
（Ｍi）cw＜ｑi＜（Ｍi）ccw …（第２判定条件）
か否かを判定する。
【０１５５】
ここで、（Ｍi）cwは、アーム機構の各関節における各軸の周りで、時計回り方向への回動が許容されている回転角度の閾値である。この閾値は、時計回り方向への回動が許容されているアーム機構の各関節における各軸の周りの最大回転角度（Ｍi）cwmaxに対して、（Ｍi）cwmax＜（Ｍi）cwとされている。閾値（Ｍi）cwと最大回転角度（Ｍi）cwmaxとの差は数度の範囲が好ましい。
【０１５６】
又、（Ｍi）ccwは、アーム機構の各関節における各軸の周りで、反時計回り方向への回動が許容されている回転角度の閾値である。この閾値は、反時計回り方向への回動が許容されている各関節における各軸の周りの最大回転角度（Ｍi）ccwmaxに対して、（Ｍi）cw＜（Ｍi）ccwmaxとされている。閾値（Ｍi）ccwと最大回転角度（Ｍi）ccwmaxとの差は数度の範囲が好ましい。
【０１５７】
又、第３ループ処理を行っている中で、Ｓ４１０の判定処理において、第２判定条件を、全てのアーム関節角度ｑiが満たすときは、Ｓ４３０に移行することなく、Ｓ１９０に移行する。
【０１５８】
前記第３ループ処理を行っている中で、Ｓ４１０の第２判定条件を満足しないアーム関節角度ｑiがある場合には、第２判定条件を満たさないアーム関節角度ｑiに関する当該のアーム機構における関節の軸に関して、Ｓ４３０の処理を行う。アーム機構における関節の軸とは、第１腕関節１６の軸ｘ０,y０,z０、第２腕関節１７の軸ｍ、手首関節１８の軸ｘｍ,yｍ,ｚｍである。
【０１５９】
そして、Ｓ４３０では、ＣＰＵ４０ａは第２判定条件を満たさない前記軸周りの回転を停止保持、すなわち、当該アーム機構の各関節におけるアーム関節角度ｑiに基づいて現在位置を保持するように「位置の比例微分積分制御」の制御入力ｄｉの演算を行う。ここで、ｄiはアームの第ｉ関節の制御入力であり、
ｂ＝（ｄ１、ｄ２、…、ｄ７）Ｔの関係がある。ｄｉの演算により、制御入力ｂが演算されることになる。
【０１６０】
このとき演算した制御入力ｄｉ，ｂは、ＲＡＭ４０ｃに格納する。
これは、現在位置からそれ以上、当該関節の可動範囲の限界方向に向かうように当該関節を駆動することは好ましくないからである。
【０１６１】
この結果、第２判定条件を満たさないアーム機構の当該関節の軸周りにおける可動範囲の限界を超える制御入力が出力されることがなくなる。
このループ処理が終了すると、Ｓ１９０に移行する。
【０１６２】
Ｓ１９０では、ＣＰＵ４０ａは第４実施形態と同様の処理を行う。
又、Ｓ２００では、ＣＰＵ４０ａは、Ｓ１７０，Ｓ１８０，Ｓ３５０，Ｓ４３０で演算した制御入力ａi及び制御入力ｂを、各触覚指における駆動装置（例えば、第２触覚指２２では第２触覚指駆動装置４５）及びアーム駆動装置４６に出力する。
【０１６３】
すなわち、各触覚指の触覚指関節角度ｐijの全てがＳ３２０の第１判定条件を満足し、かつ、アーム機構のアーム関節角度ｑiの全てがＳ４１０の第２判定条件を満足する場合、ＣＰＵ４０ａはＳ１７０，Ｓ１８０で演算した制御入力ａi及び制御入力ｂを各触覚指の駆動装置及びアーム駆動装置４６に出力する。
【０１６４】
一方、Ｓ３２０の第１判定条件を満足しない触覚指関節角度ｐijがある場合、ＣＰＵ４０ａは当該触覚指関節角度ｐijの指関節の軸に関してはＳ３５０で演算した制御入力ａｉを出力し、第１判定条件を満足した指関節の軸に関しては、Ｓ１７０で演算した制御入力ａｉｊを出力する。
【０１６５】
加えて、Ｓ４１０の第２判定条件を満たさないアーム機構のアーム関節角度ｑiがある場合、ＣＰＵ４０ａはＳ４３０で演算した制御入力ｄiを出力する。
併せて、Ｓ２００では、ＣＰＵ４０ａは仮想空間におけるロボットハンドの前記目標空間位置や、ロボットハンドに教示すべき力の教示データをロボット制御装置１００に出力し、この制御プログラムのフローチャートを一旦終了する。
【０１６６】
第５実施形態によると、第４実施形態の作用効果に加え次のような作用効果を奏する。
（１） 第５実施形態の多指触覚インターフェイス１０は、触覚指に関して触覚指関節角度ｐijが、（Ｌij）cw＜ｐij＜（Ｌij）ccwを満足しない場合、すなわち、触覚指におけるいずれかの指関節（能動関節）が可動範囲の限界近傍である場合、限界方向にその関節を駆動しない構成にした。すなわち、触覚指におけるいずれかの指関節（能動関節）が可動範囲の限界内である閾値よりも限界方向に位置している場合、限界方向にその関節を駆動しない構成にした。
【０１６７】
このように、触覚指における指関節の可動範囲の限界を超えた制御入力が出力されることがない。仮に可動範囲の限界を超えた制御入力があると、触覚指の指関節の駆動モータに過負荷が加わり、同駆動モータの損傷等の虞があるが、本実施形態では、指関節の図示しない駆動モータに過負荷が加わることがない。
【０１６８】
（２） 第５実施形態の多指触覚インターフェイス１０は、アーム機構のアーム関節角度ｑiが、（Ｍi）cw＜ｑi＜（Ｍi）ccwを満足しない場合、すなわち、アーム機構におけるいずれかの関節が可動範囲の限界近傍である場合、限界方向にその関節を駆動しない構成にした。すなわち、アーム機構におけるいずれかの関節（能動関節）が可動範囲の限界内である閾値よりも限界方向に位置している場合、限界方向にその関節を駆動しない構成にした。
【０１６９】
このように、アーム機構の関節の可動範囲の限界を超えた制御入力が出力されることがない。仮に可動範囲の限界を超えた制御入力があると、アーム機構の各関節の駆動モータに過負荷が加わり、同駆動モータの損傷等の虞があるが、本実施形態では、アーム機構の関節の図示しない駆動モータに過負荷が加わることがない。
【０１７０】
（第６実施形態）
次に、第６実施形態を図１１を参照して説明する。
第６実施形態は、第５実施形態とはハード構成と同一であるが、ＣＰＵ４０ａが所定周期毎に実行する制御プログラムが異なっている。このため、第５実施形態と同一構成又は相当する構成については同一符号を付す。
【０１７１】
図１１は、第６実施形態の多指触覚インターフェイス１０のＣＰＵ４０ａが所定の制御周期で実行する制御プログラムのフローチャートである。
なお、図１１に示す制御プログラムのフローチャート中、Ｓ１１０〜Ｓ１８０は第５実施形態のフローチャートと同じ処理であるため、説明を省略し、フローチャートの異なるところを中心に説明する。
【０１７２】
この制御プログラムが開始されると、Ｓ１１０〜Ｓ１８０の処理後、Ｓ３００に移行する。
第６実施形態において、Ｓ３００〜Ｓ３４０は、第５実施形態と同様の第１ループ処理及び第２ループ処理である。Ｓ３２０で、第１判定条件を満足しない触覚指関節角度ｐijがあると、Ｓ３５０で、ＣＰＵ４０ａは第１判定条件を満たさない指関節の軸周りの回転を停止保持すべく、当該触覚指の触覚指関節角度ｐijに基づいて現在位置を保持するように「位置の比例微分積分制御」の制御入力ａｉの演算を行う。このとき演算した制御入力ａｉｊ（位置制御用入力）は、ＲＡＭ４０ｃに格納する。
【０１７３】
そして、前記第１ループ処理及び第２ループ処理を抜けて、Ｓ１９０に移行する。
又、前記第１ループ処理及び第２ループ処理中に、Ｓ３２０の判定処理において、第１判定条件を、全ての触覚指関節角度ｐijが満たすときは、Ｓ３５０に移行することなく、Ｓ５００に移行する。
【０１７４】
（Ｓ５００）
Ｓ５００では、位置制御により、アーム機構の制御入力ｂを演算する。すなわち、ＣＰＵ４０ａは、アーム機構の各関節の現在位置を保持するための「位置の比例微分積分制御」によりアーム機構の制御入力ｂを演算する。この後、Ｓ１９０に移行する。
【０１７５】
このように、Ｓ３００〜Ｓ３４０のループ処理の中で、全触覚指の全ての触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たすとき、すなわち、全ての指関節が可動範囲にあるときは、ＣＰＵ４０ａはＳ５００で演算したアーム機構の各関節の現在位置を保持するための制御入力ｂをＳ２００で出力する。又、同時に、ＣＰＵ４０ａは、Ｓ２００において、Ｓ１７０で演算した制御入力ａｉを各触覚指の駆動装置に出力する。
【０１７６】
この結果、アーム機構は現在位置を保持する「位置の比例微分積分制御」により、現在位置を保持する。又、このとき、触覚指の各関節は、Ｓ１７０で演算した制御入力ａｉｊにて力制御される。
【０１７７】
又、上記制御プログラムによれば、Ｓ３００〜Ｓ３４０のループ処理において、触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たさないもの（軸）があるときは、ＣＰＵ４０ａはＳ１８０で演算した力制御によるアーム機構の制御入力ｂをＳ２００で出力する。又、同時に、ＣＰＵ４０ａは、Ｓ２００においては、触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たさない指関節の軸に関しては、Ｓ３５０で演算した制御入力ａｉを出力する。又、触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たす指関節の軸に関しては、Ｓ１７０で演算した制御入力ａｉｊを各触覚指の駆動装置に出力する。
【０１７８】
この結果、アーム機構の各関節は力制御により駆動される。
又、触覚指の指関節のうち、触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たさないもの（軸）に関しては、現在位置を保持する「位置の比例微分積分制御」により、現在位置を保持する。触覚指の指関節のうち、触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たす（軸）に関しては、力制御により、駆動モータが駆動される。
【０１７９】
従って、第６実施形態では、下記の作用効果を奏する。
（１） 第６実施形態では、アーム機構の各関節は、全ての触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たす場合と、少なくとも１つの触覚指関節角度ｐijがＳ３２０の第１判定条件を満たさない場合に応じて、力誤差の比例積分制御と、現在位置を保持する「位置の比例微分積分制御」の切替がされる。
【０１８０】
このことにより、触覚指の微小な指先の位置変化の場合、ほとんどアーム機構の関節は動かず、触覚指の指関節のみが動き、操作者Ｈに対して安心感を与え、多指触覚インターフェイス１０のシステム全体の消費電力も低減する。
【０１８１】
（２） 第６実施形態によれば、下記の作用効果がある。すなわち、前記第４実施形態の力誤差の比例積分制御では、操作者Ｈの微小な指先の力の変化であっても、触覚指とアーム機構の両者が同時に動く。触覚指は３自由度あるため、空間的に任意の点に触覚指の指先（触覚指の先端）を位置づけられる。
【０１８２】
それに対して、第６実施形態の制御プログラムでは、触覚指の指関節の可動範囲であるならば、指関節の動きのみにより、触覚指の指先（触覚指の先端）のみで目標力Ｆdiが生成できる。
【０１８３】
（第７実施形態）
次に、第７実施形態を図１２及び図１３を参照して説明する。
第７実施形態は、第４実施形態とはハード構成と同一であるが、ＣＰＵ４０ａが所定周期毎に実行する制御プログラムが異なっている。このため、第４実施形態と同一構成又は相当する構成については同一符号を付す。
【０１８４】
図１２は、第７実施形態の多指触覚インターフェイス１０のＣＰＵ４０ａが所定の制御周期で実行する制御プログラムのフローチャートである。図１２に示す制御プログラムのフローチャート中、Ｓ１１０〜Ｓ１４０は第５実施形態のフローチャートと同じ処理であるため、説明を省略し、フローチャートの異なるところを中心に説明する。
【０１８５】
この制御プログラムが開始されると、Ｓ１１０〜Ｓ１４０の処理後、Ｓ６００に移行する。
（Ｓ６００）
Ｓ６００では、ハンド１３の可操作性を最大とする目標アーム関節角度の演算を行う。図１３は、Ｓ６００の処理の詳細を示すフローチャートである。
【０１８６】
（Ｓ６１０）
Ｓ６１０では、触覚指のヤコビ行列Ｊhi（ｉ＝１，…，５）の演算と、ハンド１３の可操作性を評価するために、可操作性評価関数ＰＩ（以下、単に評価関数ＰＩという）の演算を行う。
【０１８７】
なお、ヤコビ行列Ｊhi（ｉ＝１，…，５）は、第ｉ触覚指の先端から触覚指ベース２０までの運動学の関係から導き出すヤコビ行列である。本実施形態では、ヤコビ行列Ｊhiは、３×３の大きさの行列である。前者の「３」は触覚指の位置のパラメータ数であり、後者の「３」は、触覚指の関節数である。
【０１８８】
この場合、ヤコビ行列Ｊhiは、アーム関節角度の関数として求める。従って、その行列式｜Ｊhi｜は、アーム関節角度の関数となる。
又、前記触覚指の位置は、触覚指の触覚指ベース座標系の位置を示す３つのパラメータで示される。又、触覚指の姿勢は、軸ｘｍ，ｙｍ，ｚｍの軸が軸ｘ０，ｙ０，ｚ０へそれぞれのなす角度からなる３つのオイラーパラメータで示される。
【０１８９】
又、評価関数ＰＩは、
【０１９０】
【数３】
【０１９１】
（Ｓ６２０）
Ｓ６１０の処理後、Ｓ６２０〜Ｓ６５０の第４ループ処理を行う。
第４ループのループ始端はＳ６２０であり、ループ終端はＳ６５０である。第４ループでは、式（４）について、ｉ＝１，…，Ｎとなるまで、Ｓ６２０〜Ｓ６５０の処理を反復繰り返す。なお、Ｎは、予め定められた所定回数である。
【０１９２】
この結果、ＣＰＵ４０ａはＳ６３０及びＳ６４０の処理をＮ回繰り返す。
（Ｓ６３０）
Ｓ６３０では、評価関数ＰＩを最大とする目標アーム関節角度を公知の最急降下法を使用して探索する。なお、評価関数ＰＩが最大となることは、可操作性が最大となることを意味する。
【０１９３】
本実施形態での最急降下法は、最初は、目標アーム関節角度としてある適当な初期値（初期パラメータ）から始め、その値（パラメータ）を変化させて更新を繰り返し、最適なパラメータ（目標アーム関節角度）を求める方法である。
【０１９４】
（Ｓ６４０）
Ｓ６４０では、Ｓ６３０で更新前の値（パラメータ）を評価関数ＰＩに代入して得たときの評価関数ＰＩの値（ＰＩk）と、更新した後の値（パラメータ）を評価関数ＰＩに代入して得たときの評価関数ＰＩの値（ＰＩk+1）との差（評価関数ＰＩの変化量）が、予め定めた閾値ｅ以下か否かを判定する。なお、閾値ｅは、ＲＯＭ４０ｂに予め格納されている。なお、ｋは任意の回数を示す。
【０１９５】
Ｓ６４０で、評価関数ＰＩの変化量が閾値ｅ以下のものを目標アーム関節角度の候補としてＲＡＭ４０ｃに格納する。
（Ｓ７００）
前記ループ処理を終了すると、Ｓ７００では、Ｓ６４０で得られた目標アーム角度の候補をローパスフィルタ処理する。
【０１９６】
この処理が必要な理由は下記の通りである。
ハンド１３の可操作性を最大とするように、触覚指ベース２０の位置、姿勢（アーム機構のアーム関節角度）を求めた場合、触覚指の動きに応じてアーム機構が大きく動くことがある。この場合、アーム機構を制御する制御系のエネルギー消費が大きくなり、さらには、操作者Ｈに不安を与える可能性がある。そこで、ローパスフィルタ処理を施すことにより、アーム機構が大きく動かないようにすることを目的に、アーム関節角度の急激な変化を抑制するために行うのである。
【０１９７】
（Ｓ７１０）
Ｓ７１０では、ＣＰＵ４０ａは、重力補償項ｇhi（ｉ＝１，…，５）の演算を行う。前記重力補償項ｇhiは、触覚指全体の重力分を、１つの触覚指に関して割り振ったものである。なお、ｉ＝１，…，５は、それぞれ第１触覚指２１〜第５触覚指２５に対応する。
【０１９８】
（Ｓ７２０）
Ｓ７２０では、Ｓ７００でローパスフィルタ処理された目標アーム関節角度に対して、この目標アーム関節角度になるように、位置制御により、アーム機構の制御入力ｂを演算する。この後、Ｓ７３０に移行する。
【０１９９】
（Ｓ７３０）
Ｓ７３０では、触覚指のヤコビ行列Ｊhi（ｉ＝１，…，５）の演算を行う（ヤコビ行列Ｊhi（ｉ＝１，…，５）については、前記Ｓ６１０を参照）。
【０２００】
（Ｓ７４０）
Ｓ７４０では、力制御による触覚指の制御入力ａiを下記の式（４）に基づいて演算する。
【０２０１】
【数４】
【０２０２】
（Ｓ１９０及びＳ２００）
Ｓ１９０では、ＣＰＵ４０ａは第４実施形態と同様の処理を行う。又、Ｓ２００では、ＣＰＵ４０ａは、Ｓ７４０及びＳ７２０で演算した制御入力ａi及び制御入力ｂを、各触覚指における駆動装置（例えば、第２触覚指２２では第２触覚指駆動装置４５）及びアーム駆動装置４６に出力する。
【０２０３】
この結果、アーム機構の各関節が位置制御されて、触覚指ベース２０の目標位置姿勢ｒｄは、現在の触覚指の先端位置を保持した状態で、ハンド１３の可操作性を最大となるように制御される。
【０２０４】
仮操作性が最大となることは、操作者の指先の動きや操作力に対して、触覚指が最も追従しやすいあるいは大きな操作力を出力できることを意味する。
第７実施形態によれば、下記の作用効果を奏する。
【０２０５】
（１） 第７実施形態では、Ｓ７２０で位置制御によるアーム機構の制御入力ｂが演算されるため、触覚指ベース２０の位置姿勢は、位置制御される。この位置制御では、ハンド１３の可操作性を最大とする目標アーム関節角度の演算（Ｓ６００）が行われ、触覚指ベース２０は、この目標アーム関節角度に基づいて位置制御される。
【０２０６】
又、触覚指は、Ｓ７４０において、触覚指の指先（触覚指の先端）に作用している力Ｆi（ｉ＝１，…，５）が目標力Ｆdiとなるように触覚指の運動学的ヤコビ行列Ｊhi（ｉ＝１，…，５）を用いて力誤差の比例積分制御される。
【０２０７】
この結果、アーム機構の各関節が位置制御されて、触覚指ベース２０の目標位置姿勢ｒｄは、現在の触覚指の先端位置を保持した状態で、ハンド１３の可操作性を最大となるように制御される。
【０２０８】
本発明の実施形態は、上記実施形態以外に次のように変更することも可能である。
（１） 前記各実施形態では、アーム部１２、第１腕関節１６、第２腕関節１７及び手首関節１８からなるアーム機構は７自由度を備えるようにしたが、いずれか一つの自由度を省略して６自由度としてもよい。すなわち、座標系においては、直交する３軸の原点位置を示す３つのパラメータと、各軸の周りの回転角度を示す３つのパラメータがあるため、各パラメータに対応した６自由度があればよい。
【０２０９】
（２） 又、前記各実施形態のアーム機構は、８自由度以上の自由度を備えるようにしても勿論よい。
（３） 前記第３実施形態では、ターゲットとして３つの各発信部５５ａ〜５５ｃを備えたが、発信部を１つとし、受信部５６を３つとしてもよい。
【０２１０】
各受信部５６は距離センサに相当する。
又、前記第３実施形態では、各発信部５５ａ〜５５ｃを手Ｈａ側に設け、受信部５６を触覚指ベース２０に設けたが、互いに反対に設けてもよい。
【０２１１】
この場合も受信部５６が距離センサに相当する。
（４） 前記各実施形態では、第１触覚指２１〜第５触覚指２５は第１指関節２７，第２指関節２８（指用能動関節）により３自由度の運動の自由度を有するようにした。しかし、これに限定するものではなく、４自由度等の３自由度を超える構成にしてもよい。
【０２１２】
（５） 前記各実施形態では、吸着手段として永久磁石３１又は電磁石５０を設けたが、取付凹部２６ａに単数又は複数の吸引孔を設け、同吸引孔を介して空気を吸引して、受動球関節２９を吸着するようにしてもよい。この場合、吸着手段は、取付凹部２６ａに設けた吸引孔、及び空気を吸引するための装置、例えば、真空引き装置等が相当する。
【０２１３】
（６） 第２実施形態では、外部の入力装置（図示しない）の操作により入力する信号に基づいて、ＣＰＵ４０ａは、駆動回路を制御して電磁石５０の磁力調整を行い、受動球関節２９の指固定部材３０への吸着保持力を可変できるようにしたが、この構成を省略してもよい。すなわち、単に電磁石５０に一定の励磁電流を供給するようにしてもよい。
【０２１４】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１乃至請求項１８の発明によれば、人間の複数の指先に力感覚を提示でき、その作業領域はほぼアーム機構の作業領域となり、広い領域（操作空間）が確保できる。
【０２１５】
又、操作者は触覚インターフェイスの重量感や、手が触覚インターフェイスと接続されて負担感を感ずることもない効果がある。
又、操作者の指先への力の提示が人間の手自体に装着するものではないため、違和感も感じさせない効果がある。
【０２１６】
又、請求項１９乃至請求項２１は、請求項７乃至請求項１８の触覚インターフェイスが触覚指ベースを操作者の手に対して対向するように制御する際に、好適に行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施形態の多指触覚インターフェイスの概略図。
【図２】 第１実施形態の第２触覚指２２の斜視図。
【図３】 多指触覚インターフェイスの電気ブロック図。
【図４】 同じくＣＰＵ４０ａが実行する制御フローチャート。
【図５】 第２実施形態の第２触覚指２２の斜視図。
【図６】 第３実施形態の多指触覚インターフェイスの概略図。
【図７】 第４実施形態の多指触覚インターフェイスの概略図。
【図８】 第４実施形態の多指触覚インターフェイスの電気ブロック図。
【図９】 同じくＣＰＵ４０ａが実行する制御フローチャート。
【図１０】第５実施形態のＣＰＵ４０ａが実行する制御フローチャート。
【図１１】第６実施形態のＣＰＵ４０ａが実行する制御フローチャート。
【図１２】第７実施形態のＣＰＵ４０ａが実行する制御フローチャート。
【図１３】同じくＣＰＵ４０ａが実行する制御フローチャート。
【符号の説明】
１０…多指触覚インターフェイス
１２…アーム部
１３…ハンド
１４…第１アーム（アーム機構の一部を構成する）
１５…第２アーム（アーム機構の一部を構成する）
１６…第１腕関節（アーム用能動関節）
１７…第２腕関節（アーム用能動関節）
１８…手首関節（アーム用能動関節）
２０…触覚指ベース
２１〜２５…第１触覚指〜第５触覚指
２７…第１指関節（指用能動関節）
２８…第２指関節（指用能動関節）
２９…受動球関節
３０…指固定部材（指先連結部）
３１…永久磁石（吸着手段、磁力発生手段）
３２…指取付部
４２…３次元位置姿勢センサ（第１検出手段）
４０…制御装置
４０ａ…ＣＰＵ（制御手段、第１制御手段、第２制御手段、磁力制御手段、第１演算手段、第２演算手段）
５０…電磁石（吸着手段、磁力発生手段）
Ｋ１〜Ｋ５…３軸力センサ（第２検出手段）
５６…超音波距離センサの受信部５６（ＣＰＵ４０ａとともに、第１検出手段を構成する）
α…仮想平面
Ｈ…操作者
Ｈａ…手
ＡＲＥ１〜ＡＲＥ７…ロータリエンコーダ（アーム関節角度検出手段）
ＵＲＥ１〜ＵＲＥ３…ロータリエンコーダ（触覚指関節角度検出手段）
Claims (21)
- 操作者の指先の運動に追従可能な複数の触覚指を触覚指ベースに配置し、前記触覚指ベースをアーム機構で空間運動を可能とする触覚インターフェイスにおいて、
前記触覚指ベースを操作者の手に対向させ、手の位置及び姿勢に連動させて前記触覚指ベースを駆動制御し、操作者の指先の動きに連動させて前記触覚指を駆動制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、各触覚指に作用している力（Ｆ i ）と、指先での目標力（Ｆ di ）との力誤差を用いて、前記触覚指ベースを駆動するアーム機構と前記触覚指を制御すること
たことを特徴とする触覚インターフェイス。 - 前記アーム機構に設けられた能動関節のアーム関節角度を検出するアーム関節角度検出手段と、前記触覚指に設けられた能動関節の触覚指関節角度を検出する触覚指関節角度検出手段と、前記触覚指の動きを検出する動き検出手段とを備え、
前記制御手段は、
前記各触覚指の先端から前記アーム機構のベースまでの運動学的ヤコビ行列を、前記アーム関節角度、前記触覚指関節角度に基づいて、演算する第１演算手段と、前記動き検出手段の検出に基づいて得られた各触覚指の先端に作用している力（Ｆ i ）と指先での目標力（Ｆｄｉ）との力誤差の力フィードバック制御のために、前記アーム関節角度、前記触覚指関節角度、前記運動学的ヤコビ行列、及び前記力誤差に基づいて、前記触覚指の能動関節及び前記アーム機構の能動関節への制御入力を演算する第２演算手段と、を備え、前記制御入力に基づいて前記触覚指の能動関節及び前記アーム機構の能動関節を制御することを特徴とする請求項１に記載の触覚インターフェイス。 - 前記触覚指及び前記アーム機構に設けられた能動関節が可動範囲限界内の所定の閾値から限界方向に位置している場合、前記制御手段は、前記能動関節を現在位置に保持する位置制御を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の触覚インターフェイス。
- 前記触覚指及び前記アーム機構に設けられた能動関節が可動範囲限界内の所定の閾値から限界方向に位置している場合、前記制御手段は、前記能動関節を現在位置に保持する位置制御を行い、
前記能動関節が可動範囲限界内の所定の閾値の範囲内に位置している場合、前記制御手段は、各触覚指に作用している力（Ｆ i ）と、指先での目標力（Ｆ di ）との力誤差を用いて制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の触覚インターフェイス。 - 前記触覚指に設けられた全ての能動関節が可動範囲にあるときは、前記制御手段は、前記触覚指を前記触覚指に作用する力（Ｆ i ）と指先での目標力（Ｆ di ）との力誤差を用いて制御するとともに、前記アーム機構を現在位置に保持する位置制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の触覚インターフェイス。
- 前記制御手段は、前記触覚指を、前記触覚指に作用する力（Ｆ i ）と指先での目標力（Ｆ di ）との力誤差を用いて制御し、前記触覚指ベースを位置制御し、前記触覚指ベースと前記触覚指とを含むハンドの可操作性を最大とするように前記触覚指ベースの目標位置姿勢を設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の触覚インターフェイス。
- アーム用能動関節を備えたアーム機構と、
前記アーム機構に設けられた触覚指ベースと、
前記触覚指ベースに設けられ、操作者の指先を連結する指先連結部を備えるとともに、指用能動関節を備えた複数の触覚指と、
前記操作者の手の位置及びその姿勢を検出する第１検出手段と、
前記第１検出手段の手の位置及びその姿勢の検出に基づいて前記アーム用能動関節を制御して触覚指ベースを操作者の手に対向させる第１制御手段と、
操作者の指先の動きを検出する第２検出手段と、
第２検出手段の指先の動き検出に基づいて、同指先の動きに連動して指用能動関節を制 御する第２制御手段を備えた触覚インターフェイス。 - 前記第２検出手段は、触覚指に設けた多軸の力センサであり、第２制御手段は、力フィードバック制御により、操作者の指先に与える力を制御することを特徴とする請求項７に記載の触覚インターフェイス。
- 前記第２制御手段は、操作者の指先に与える力がゼロとなるように力フィードバック制御することを特徴とする請求項８に記載の触覚インターフェイス。
- 前記アーム機構は、アーム用能動関節により、６自由度以上の運動の自由度を有していることを特徴とする請求項７乃至請求項９のうちいずれか１項に記載の触覚インターフェイス。
- 前記触覚指は指用能動関節により３自由度以上の運動の自由度を有することを特徴とする請求項７乃至請求項１０のうちいずれか１項に記載の触覚インターフェイス。
- 前記指先連結部は、触覚指の先端側に設けたことを特徴とする請求項７乃至請求項１１のうちいずれか１項に記載の触覚インターフェイス。
- 前記指先連結部には、触覚指の先端側に転動自在に設けた受動球関節と、同受動球関節に設けた操作者の指先を連結する指取付部を備えることを特徴とする請求項１２に記載の触覚インターフェイス。
- 前記指先連結部には、前記受動球関節を吸着保持する吸着手段を備えたことを特徴とする請求項１３に記載の触覚インターフェイス。
- 前記吸着手段は、受動球関節を磁力により吸着保持する磁力発生手段であることを特徴とする請求項１４に記載の触覚インターフェイス。
- 前記磁力発生手段は、永久磁石であることを特徴とする請求項１５に記載の触覚インターフェイス。
- 前記磁力発生手段は、電磁石であり、さらに、外部信号により、前記電磁石の磁力を可変する磁力制御手段を備えたことを特徴とする請求項１５に記載の触覚インターフェイス。
- 第１検出手段には、前記触覚指ベースに設けられた操作者の手の位置を計測するセンサを含むことを特徴とする請求項７乃至請求項１５のうちいずれか１項に記載の触覚インターフェイス。
- アーム用能動関節を備えたアーム機構と、
前記アーム機構に設けられた触覚指ベースと、
前記触覚指ベースに設けられ、操作者の指先を連結する指先連結部を備えるとともに、指用能動関節を備えた複数の触覚指とを備えた触覚インターフェイスの制御方法において、
操作者の手の位置及びその姿勢の検出結果に基づき、操作者の指先が構成する仮想平面に対して操作者の手の位置と面対称となる位置に触覚指ベースを位置させるように前記アーム用能動関節を制御して、同触覚指ベースを操作者の手に対向させることを特徴とする触覚インターフェイスの制御方法。 - 触覚インターフェイスは、さらに操作者の手の位置及びその姿勢を検出する第１検出手段を備え、第１検出手段による手の位置及びその姿勢の検出結果を用いて触覚指ベースの位置を制御することを特徴とする請求項１９に記載の触覚インターフェイスの制御方法。
- 触覚インターフェイスは、さらに操作者の指先の動きを検出する第２検出手段を備え、第２検出手段の指先の動き検出に基づいて、同指先の動きに連動して指用能動関節を制御することを特徴とする請求項２０に記載の触覚インターフェイスの制御方法。
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