JP4366185B2 - ケーブル駆動による力フィードバックを有するインタフェース装置及び４個の接地されたアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、広くは人間とコンピュータとの間のインタフェース装置に関し、より詳しくは、ユーザに力フィードバックを与えるインタフェース装置に関する。

バーチャルリアリティ（仮想現実）コンピュータ・システムは、ユーザに「仮想」環境の一部であるという幻想を抱かせるものである。一のバーチャルリアリティシステムは、一般に、コンピュータプロセッサ、バーチャルリアリティソフトウェア、及び、頭部装着型表示装置、センサ手袋、三次元(「３Ｄ」)のポインタ等のバーチャルリアリティ入出力装置を備えている。

バーチャルリアリティコンピュータ・システムは、訓練に使用され得るものである。航空や、自動車や、システム・オペレーション等の多くの分野では、バーチャルリアリティシステムを用いることによって、ユーザが現実的な「仮想」の環境から会得し、該環境を体験することに成果を収めている。訓練にバーチャルリアリティコンピュータ・システムを活用することの利点は、かかるシステムが、高度に現実化された環境において被訓練者に確信をもって操作させ、且つ、その結果、「現実世界」において誤らせない性能を有していることに一部関係している。例えば、バーチャルリアリティコンピュータ・システムにより、研修医、又は、その他のオペレータ、又は、ユーザが、外科用メスを「巧みに操作する」か、又は、コンピュータによりシミュレートされた「身体」の内部を検診し、その結果、現実の患者に医療処置を施すことが挙げられる。この例においては、一般に、３次元ポインタ、スタイラス、又は同様のものである入出力装置は、外科用メスや探り針等の手術器具に代えて使用される。「外科用メス」又は「探り針」が与えられた空間又は構造物の内部で移動するとき、そのような移動の結果は、コンピュータシステムのスクリーンに表示される身体画像内で更新され表示される。その結果、オペレータは、実際の人又は死体で訓練することなく、かかる操作を実行している体験を得るのである。その他のアプリケーションでは、バーチャルリアリティコンピュータ・システムによって、ユーザは、娯楽目的及び／又は訓練のために複雑且つ高価な自動車や機械の制御機器の操作部を手繰り、操作することができる。

現実的な（それ故、効果的な）体験をユーザに与えるバーチャルリアリティシステムにとって、感覚的なフィードバックと手動的インタラクションは、可能な限り、自然であることが必要となる。ユーザの手動的動作を検知し、追跡すること、及び、その情報を３次元に視覚化してユーザに与えるべく制御中のコンピュータに供給することに加え、ヒューマンインタフェースメカニズムは、力又は（「触覚」）フィードバックをユーザに与えるべきである。ユーザが現実の触覚情報を得ることは、多数の種類のシミュレーション（模擬実験）やその他の応用において、広範囲に必要とされている。例えば、医療／外科手術のシミュレーションにおいて、シミュレート（模擬）された身体の内部で探り針又はメスシミュレータを動かすときの「感覚」は重要である。研修医にとっては、身体の内部でどのように器具が動くか、手術を行うために如何程の力が必要となるか、器具を巧く操作するために身体に確保されているスペース等を学びとることは計り知れない程重要である。その他の応用アプリケーションでは、触覚フィードバックによって与えられる現実感の恩恵が同様に得られることとなる。「高帯域」インタフェース・システム、即ち、速い変化と広範囲な周波数を有する信号に正確に応答すると共にそのような信号を制御システムに正確に送信するインタフェースは、それ故に、それら及びその他の応用において望ましいものとなるのである。

いくつかの既存の装置には、器具又は操作可能な物体の運動に複数の自由度の動きを与え、触覚フィードバックを備えているものがある。これらの装置の多くが、しかしながら、力が与えられる自由度の数において制限があり、更に、特定のアプリケーションに望まれている正確さと現実感に欠けている。医療及びその他のバーチャルシミュレーション応用においては、リーズナブルな価格でありながら、より大きな現実感を有する装置が望まれている。

本発明は、抵抗感を与えることで現実的な感覚をユーザに与えるためのシステムを提供する。

本システムは、ユーザが連係する連係可能な訓練器具を備えている。機械的シミュレーション装置が前記訓練器具に連結され、インタフェース装置が前記シミュレーション装置に連結している。ホストコンピュータが、アプリケーション（応用）プログラムを実行するべく前記インタフェース装置に連結している。前記アプリケーションプログラムは、前記訓練器具の検知された位置に基づいて前記訓練器具に抵抗感を与えるべく、機械的シミュレーション装置に信号を送信する。

本発明の一態様においては、前記訓練器具は、実際の医療器具として構成されている。

本発明の別の態様においては、前記インタフェース装置は、ホストコンピュータ内に設けられている。

本発明の更に別の態様においては、前記インタフェース装置は、ホストコンピュータと別体化されている。

本発明の更にまた別の態様においては、前記インタフェース装置は、前記機械的シミュレーション装置に対してローカルなマイクロプロセッサを備えている。

本発明の更に別の態様においては、前記システムは、前記機械的シミュレーション装置と前記ユーザとを遮断する障壁を備えている。

本発明の別の態様においては、前記訓練器具は、腹腔鏡下手術器具として構成され、套管針（trocar）を備えている。

本発明の更に別の態様においては、前記訓練器具は、カテーテル、皮下注射器、ワイヤ、光ファイバ束、スタイラス、ジョイスティック、スクリュードライバー、プールキュー（pool queue）、及び握りグリップからなる群の１つとして構成されている。

本発明の更にまた別の態様においては、前記システムは、複数の訓練器具を備えている。

本発明の一態様においては、前記機械的シミュレーション装置は、接地部材、該接地部材に連結した連結機構、前記訓練器具及び連結機構に連結した直線状軸部材、前記接地部材に連結した少なくとも１個のアクチュエータ、及び前記少なくとも1個のアクチュエータに連係していると共に前記連結機構に連結したケーブルを備えている。

本発明の別の態様によれば、前記システムは、少なくとも４個のアクチュエータを備えている。

本発明の更に別の態様によれば、前記アクチュエータは、直流モータを備えている。

本発明の更にまた別の態様によれば、前記システムは、前記４個のアクチュエータと多様に連係している少なくとも３本のケーブルを備えている。

本発明の更なる態様においては、前記アクチュエータ及び／又は連結機構の動きを検知する少なくとも１個のセンサを備えている。

本発明は、抵抗感を与えることによって現実的な感覚をユーザに与える方法をも提供するものである。該方法は、連結機構、少なくとも1個のアクチュエータ、前記少なくとも１個のアクチュエータに連係していると共に前記連結機構と連結された少なくとも1本のケーブル、及びセンサを備える機械的シミュレーション装置に連結された連係可能な訓練器具を用意する過程を備えている。前記方法は、前記器具を前記ユーザに連係させ、前記ユーザが前記訓練器具に力を加える過程を更に備えている。前記器具の位置は前記センサにより検知される。前記検知された位置は、アプリケーション（応用）プログラムを有するホストコンピュータに送信され、そして、前記少なくとも１本のケーブルを動かし、それにより、前記連結機構を動かすべく、前記ホストコンピュータコンピュータから前記少なくとも１個のアクチュエータに向けて信号が送信される。前記信号は、前記検知された位置及びアプリケーションプログラムに基づいている。

本発明のその他の特徴及び利点は、同じ部材に同じ数字を付している図面を参酌しつつ、以下に見出される、好ましく、優れた実施形態を読み、把握することにより理解されるであろう。

図１に、医療シミュレーション（模擬訓練）用途に本発明が用いられている一例を図示する。バーチャルリアリティ（仮想現実）システム１０が、ヒューマン（人間）／コンピュータ・インタフェース装置１２、電子インタフェース１４、及びホストコンピュータ１６を備える医療処置をシミュレート（模擬）するべく使用されている。図示されたバーチャルリアリティシステム１０は、腹腔鏡下手術のバーチャルリアリティ・シミュレーションを目的とするものである。

本発明に係る腹腔鏡下手術器具１８のハンドル２６が、オペレータにより操作されており、仮想現実画像が、かかる操作に応答するデジタル処理システムにおける画面装置２０上に表示されている。例えば、前記器具１８がユーザによって動かされるとき、例えば、前記器具又はその一部の表示画像が、装置２０上に表示されているグラフィック（画像）環境の内部でそれに対応して動かされ得る。前記画面装置２０は、標準の画面スクリーン若しくはＣＲＴ、３次元ゴーグル、又はいかなる他の視覚インタフェースであっても良い。前記デジタル処理システムは、一般に、ホストコンピュータ１６である。前記ホストコンピュータは、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、又はその他のコンピュータ装置、或いは、プロセッサ、具体的には、一般にテレビに接続される家庭用ゲーム機システム等等であっても良く、具体的には、任天堂、セガ、又はソニー製のシステム、例えば、対話型のテレビを提供するべく用いられる「セットトップボックス」、アーケードゲーム、
携帯用コンピュータ装置等であっても良い。複数の器具１８は、それぞれがユーザにより操作可能であるが、下記する好ましい形態のように設けられていても良い。

ホストコンピュータ１６は、ユーザが周辺機器及びインタフェース装置１４を介してインタラクト（相互作用）しているホストアプリケーションプログラムを実行する。例えば、前記ホストアプリケーションプログラムは、フォースフィードバックを利用するテレビゲーム、医療シミュレーション、科学的分析プログラム、更にはオペレーティングシステム又は他のアプリケーションプログラムであり得る。一般に、前記アプリケーションは、後述するように、画面出力装置上に表示するイメージを創り出すか、及び／又は、可聴信号等のその他のフィードバックを出力する。図１の医療シミュレーションの実例では、ホスト医療シミュレーション・アプリケーションプログラムが含まれている。そのようなアプリケーションに使用できるソフトウェアは、カリフォルニア州サンノゼのイマージョン社から購入できる。その代わりに、画面スクリーン２０は、ゲームアプリケーションプログラムからの又はその他のプログラムからの画像を表示することもできる。

ここに図示しているヒューマン／インタフェース装置１２の一例は、腹腔鏡下の医療処置をシミュレートしているものである。標準的な腹腔鏡下手術器具１８のハンドルに加えて、ヒューマン／インタフェース装置１２は、障壁２２及び標準的な腹腔鏡下手術用の套管針２４（又は、套管針の模倣物）を備えていても良い。前記障壁２２は、患者の身体を被う皮膚の一部を表現するために使用される。套管針２４が仮想患者の身体に挿入されることにより、仮想患者の身体の挿入点及び仮想患者の身体からの摘出点を腹腔鏡下手術器具１８に提供しており、それにより腹腔鏡下手術器具の操作が容易化されている。他の形態においては、障壁２２及び套管針２４は、装置１２から必要に応じて省略することができる。好ましくは、腹腔鏡下手術器具１８は、変更可能である。即ち、一の形態においては、後述するように、シャフトの代わりに直線状軸部材を用いても良い。他の形態では、前記器具のシャフトの端部（例えば、先鋭端部）は、取り外しても良い。腹腔鏡下手術器具１８の末端部は、バーチャルリアリティ・シミュレーションに必ずしも必要とされない。

前記腹腔鏡下手術器具１８は、ハンドル又は「グリップ」部分２６及びシャフト部分２８を備えている。前記シャフト部分は、後に詳述するように、長尺の機構物である。一の形態では、本発明は、例えば、３次元空間、例えば、４つの自由度におけるシャフト部２８の動きの追跡に関する。前記シャフト２８は、その長手方向に沿った数箇所で束縛され、それにより、シミュレートされた患者の身体の内部で、４つの自由度で移動することができる。

機械的入出力をインタフェースするための機械装置２５が、患者の「身体」内に破線で示されている。インタラクション（相互作用）がコンピュータ上でシミュレートされるとき、該コンピュータはフィードバック信号を前記器具１８及び機械装置２５に送信する。それは、コンピュータ画面装置上に表示される表面又は機能に関連付けられた仮想の腹腔鏡下手術器具の位置に反応して力を発生するアクチュエータを有している。機械装置２５については、以下にさらに詳細に説明する。複数の信号が、後述するインタフェース７２と類似するインタフェース３０を介して器具２５との間で送受信されても良い。

本発明の一の形態は、前記腹腔鏡下手術器具１８を参照しながら説明されるが、本発明の方法及び器具は、その他のより多くの種類の物体にも好適に用いられ得るものである。実際のところ、本発明は１乃至６つの自由度のヒューマン／コンピュータ・インタフェースを提供することが望まれる如何なる機械的物体にも用いられ得るものである。そのような物体には、医療処置に用いられる内部透視又はその他の同様な外科手術用の器具、カテーテル、皮下注射器、ワイヤ、光ファイバ束、スタイラス、ジョイスティック、スクリュードライバー、プールキュー、握りグリップ等が含まれ得る。

前記電子インタフェース１４は、前記ヒューマン／コンピュータ・インタフェース装置１２の構成部品であり、前記装置１２を前記ホストコンピュータ１６に接続させ得るものである。電子インタフェース１４は、ホストコンピュータ１６内に設けられていても、機械装置２５のハウジング内に設けられていても、又は、別体の構成ユニットとして設けられていても良い。より詳細には、インタフェース１４は、好ましい形態において、器具２５（詳細に後述する。）の多様なアクチュエータ及びセンサをコンピュータ１６に接続させるために用いられる。ある形態では、前記インタフェースは、センサのデータ及びアクチュエータ制御機器を操作するべく前記器具２５に対してローカルなマイクロプロセッサを備え得るものである。適当な電子配置については、例えば、米国特許第５，６２３，５８２号、５，８２１，９２０号、５，７３１，８０４号、５，７３４，３７３号、５，８２８，１９７号、及び、６，０２４，５７６号明細書に記載されており、これらの全ては、本引用をもって本明細書に記載されているものとする。

複数の信号が、インタフェース１４及びコンピュータ１６との間で、標準インタフェース３２（ＲＳ―２３２、ＵＳＢ、ファイヤワイヤ（商標）、シリアル、パラレル等）によって、又は無線送受信装置によって送受信され得る。本発明の多様な形態においては、インタフェース１４は、コンピュータ１６のための入力装置のみとして、コンピュータ１６用の出力装置のみとして、又は、コンピュータ１６のための入／出力（Ｉ／Ｏ）装置として機能させることができる。前記インタフェース１４は、装置１２に関連付けられているその他の入力装置又は操作具から入力を受け、該入力をコンピュータ１６に中継しても良い。例えば、装置１２上のボタンを押圧することでユーザにより送信された指令は、指令の一つを実行するべくコンピュータ１６に中継されるか、又は、前記コンピュータ１６により指令の一つを装置１２に出力させることができる。

図２Ａ及び２Ｂに、本発明に係る、機械的入出力を与える機械装置２５の斜視図を示す。装置２５は、２個以上の器具１８（１個のみ図示されている）を備えていても良く、これにより、ユーザが腹腔鏡下手術器具を用いて実際の外科手術を現実の如くシミュレートすることが可能となる。本発明においては、ユーザが各器具１８を個別に巧みに操作することができ、そこでは、各器具は個別に検知され、動作させられる。

各器具１８は、後に詳述する連結機構３８に連結された直線状軸部材４０に連結している。例えばハンドル等であるユーザ物体４４は、直線状軸部材４０に連結していることが好ましい。前記連結機構は、底部構造体４６を介して接地されている。例えば直流モータ等である複数の前記アクチュエータは、各直線状軸部材４０及び器具１８に力を出力するものであり、本実施形態においては、底部構造体４６内に配置されているため、全てが接地されている。かかる構成によって、高忠実且つ効率的な触覚フィードバックが装置２５で作成されるようになる。複数のアクチュエータは、各アクチュエータの回転を検知するセンサを備えることもでき、そして、その結果、４つの自由度の前記器具の動きを検出する。他の形態では、各センサは、前記器具の動きをより直接的に検知するべく前記連結機構３８の部品に連結させても良い。

本実施形態においては、各直線状軸部材４０／器具１８は、図示する、挿入の自由度５０、捩れ自由度５２、第１の回転（左右揺動）５４、及び第２の回転（上下揺動）５６の４つの自由度で動かすことができる。他の形態では、自由度はより少ない数に制限しても良く、或いは、付加することもできる。

図２Ｃ及び２Ｄは、底部構造体４６、及び、回転可能に底部構造体に連結した連結機構３８の一部を更に図示するものである。

図２Ｅは、本実施形態におけるアクチュエータの多く及びセンサのいくつかを見せている装置２５の背面図である。例えば、直流モータ等であるロータリーアクチュエータ６２は、挿入の自由度５０に駆動し、ロータリーアクチュエータ６４は、左右揺動の自由度５４に駆動し、及び、アクチュエータ６４の背後に置かれたロータリーアクチュエータ６６（図２Ｅ参照）は、捩れの自由度５２に駆動する。アクチュエータとセンサとのペア７０は、上下揺動の自由度５６に駆動する。

図２Ｆは、前記装置２５の頂面を図示するものであり、図２Ｇは、前記装置の頂面の拡大図である。プーリー７２が、アクチュエータ６２に連結されており、その周りに巻き掛けられたケーブル１６０を有している。プーリー７４が、アクチュエータ６４に連結されており、その周りに巻き掛けられたケーブル１０６を有している。プーリー７６が、アクチュエータ６６に連結されており、その周りに巻き掛けられたケーブル１３０を有している。これらケーブルについては、以下により詳細に説明する。各ケーブルの全ては、底部構造体の側部の隙間７７を通って連結機構３８に至っている。本実施形態では、各ケーブルは、それぞれの中心軸７８の周りに巻き掛けられた後、対応するプーリー７２、７４、又は、７６に至っている。本実施形態では、センサ６５がアクチュエータ６４のシャフトの動きを検知し、センサ６７がアクチュエータ６２のシャフトに接続された軸７８の動きを検知し、そして、センサ６９がアクチュエータ６６のシャフトの動きを検知する。各センサは、図示するように、エミッタ及びディテクタを有し、プーリー又はスピンドルに連結されたエンコーダホイール上のマークを検知する光学エンコーダである。本実施形態では、前記上下揺動５６を検知するセンサは、アクチュエータシャフトの回転を直接測定するべくアクチュエータ／センサ７０のハウジング上に設けられている。

前記システムのための変換器（トランスデューサ）として実質的に機能するセンサ及びアクチュエータの他の種類のものとしては、アナログ電位差計（アナログ ポテンシオメータ）、ポヒマス（Polhemus）（磁気）センサ、横方向効果（lateral effect）フォトダイオード等が挙げられ、他の形態で用いることができる。その代わりに、各センサは、機械装置２５の相対運動部又は連結部におけるその他の位置に配置することができる。本発明に絶対及び相対センサの両者を使用し得ることは特筆すべきことである。各アクチュエータには、また、能動的アクチュエータ、及び／又は、受動的アクチュエータ等の多様な種類のものが使用できる。能動的アクチュエータには、直流制御モータ、ステッピングモータ、空気圧／流体圧の能動的アクチュエータ、ステッピングモータ、ブラシレス直流モータ、空気圧／流体圧のアクチュエータ、トルカ（torquer）（限られた角度範囲で回転するモータ）、ボイスコイル、及び、その他の種類の、物体を動かすべく力を伝達するアクチュエータが含まれ得る。また、受動的アクチュエータを使用することもできる。磁性粒子ブレーキ、摩擦ブレーキ、又は、空気圧／流体圧の受動的アクチュエータを、モータに追加して、又は、モータに代えて１つの度合の動きにおけるダンピング抵抗又は摩擦を発生するべく使用することができる。加えて、ある形態においては、受動的（又は「粘性の」）制動部材を、前記システムからエネルギーを除去し、機械的システムの動的安定性を意図的に高めるべく、装置２５のベアリングに設けることができる。他の形態では、前記システムからエネルギーを取り除くべくアクチュエータの逆起電力（EMF）を使用することによって、この受動的制動部材が導入され得る。加えて、ボイスコイルの実施形態においては、複数のワイヤコイルが設けられ、それらのコイルのいくつかは逆起電力（EMF）と強制的な減衰作用を得るべく使用され得る。

各アクチュエータ及び各センサは、これら変換器が地表面４７に接している接地部材４６に直接連結すると、即ち、例えば、前記地表面が、ユーザが操作する器具１８ではなく、前記変換器の荷重を受けるようになると、減結合される。その結果、前記変換器の重量及び慣性は、前記器具を取り扱い、動かすユーザにとって、実質的に無視し得るものとなる。このことにより、バーチャルリアリティシステムに対してより現実的なインタフェースが与えられることとなる。その理由は、前記コンピュータが、これら度合の動きにおいてユーザに感知された実質的に全ての力を与えるべく前記変換器を制御するためである。対照的に、多自由度インタフェースの一般的な従来技術における配列では、一のアクチュエータが、連続するリンク及びアクチュエータの連鎖において別のアクチュエータ上に「跨る」こととなる。この低い帯域幅の配列によって、ユーザは、物体を操作する際に、連結したアクチュエータの慣性を感じることになる。

任意に、器具１８のための自由度を付加するべく補助変換器を装置２５に追加することができる。具体的には、一の変換器を、例えば、前記器具の鋭利な刃の延長動作をシミュレートするべく、器具１８の２つの部分を互いに関連付けて動かすユーザによって与えられる自由度の力を検知するか及び／又は該力を出力するために、腹腔鏡下手術器具１８のグリップに追加することができる。

図３A（斜視図）、３Ｂ（頂面図）、３C（側面図）、３Ｄ（正面図）、及び３Ｅ（底面図）は、前記装置２５の連結機構３８を図示するものである。前記連結機構３８は、第２の回転５６を可能とするべく、前記底部構造体４６に回転可能に連結されており、そこでは、連結機構３８の多様な可動部からのケーブルが底部構造体のアクチュエータに延びて入っている。直線状軸部材４０は、２つの自由度５０及び５２を与えるべく連結機構３８に関連付けられて動かされても良く、別の２つの自由度５４及び５６を与えるべく連結機構の各部分と共に動いても良い。

図４Ａ及び４Ｂは連結機構３８の斜視図を示す。前記第２の回転（上下揺動）５６が、連結機構３８と底部構造体４６との間に位置している機械的ベアリングによって与えられている。接地されたアクチュエータ７０から前記第２の回転方向に力を与えるためには、キャプスタン駆動部８０が前記アクチュエータから連結機構３８に力を伝達する機械的トランスミッションであることが必要となる。キャプスタンプーリー８２が、前記アクチュエータ７０の回転シャフト７１に固設されていても良い。そこでは、前記プーリーは、前記連結機構３８の前記自由度５６の回転軸Ａに平行な回転軸を有している。そして、前記プーリーは、図示するように連結機構３８に固設されているドラム８４に近接して配置されている。ケーブル８６が、前記ドラム８４の一端に接続され、該ドラムの縁に沿って配線され、前記プーリー８２の周りに１又はそれ以上の回数巻き付けられ、更に、前記ドラムの残りの縁に沿って他の側に向けて配線されている。前記ケーブルは、例えば、テンションナット８８を用いて緊張状態とされても良い。他の形態では、他の種類のトランスミッション、例えば、ギヤ、摩擦車、ベルトドライブ等を使用し得る。

連結機構３８の前記第１の回転（左右揺動）５４が異なるケーブル駆動部１００により与えられる。ケーブル駆動部１００は、ドラム１０２を備えており、該ドラムは、連結部材１１２に連動して軸Bの周りを自由度５４で回転する連結部材１１０に固設されている。２個のアイドラープーリー１０４ａ及び１０４ｂが回転可能に連結部材１１２に連結しており、軸Ｂに平行な各軸の周りで回転している。破線で示すケーブル１０６は、ドラム１０２の一端から発し、アイドラープーリー１０４ａの周りに巻かれ、連結機構３８を通って外に出て底部構造体に送られてアクチュエータ６４のプーリー７４に複数回巻回されている。前記ケーブルは、そこで引き返し、前記連結機構３８を通って、アイドラープーリー１０４ｂの周りを通り、ドラム１０２の縁に沿って延びてテンショナー１１４に至っている。この構成により、ケーブル１０６によってドラム１０２の所定の側部を引き取ることにより、前記アクチュエータが連結部材１１０を回転させ得るのである。

図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、及び５Ｄは、前記連結機構３８の他の側面断面図である。そこでは、前記連結部材１１２に関連付けられて連結部材１１０が極端に回転している例が示されている。その動きは、前記ドラム１０２の移動経路に設けられた各停止部により制限を受け得る。例えば、図５Ａに示すように、開口部１１８がドラム１０２内に設けられている。円柱部等の停止部材１２０が、前記連結部材１１２に連結され、開口部１１８内に配置されることで、前記停止部材１２０が開口部１１８の両端部に係合し、前記ドラムの動きが制限される。

図６Ａ及び６Ｂは、それぞれ連結機構３８の底部と底部の斜視図である。捩りの自由度５２の方向に力を出力するため、（破線で示す）ケーブル１３０の第１の端部が底部構造体４６のアクチュエータ６６において直接駆動されるプーリー７６から発し、連結機構３８を通っている。前記ケーブル１３０は、アイドラープーリー１３２の周りを通り、別のアイドラープーリー１３４の周りを通り、別のアイドラープーリー１３６の周りを通っている。前記ケーブル１３０は、（図６ａに示すように、）次に、回転可能なドラム１３８の周りで反時計回りに巻き掛けられており、地点１４０で前記ドラムに接続されている（地点１４０は他の形態では他の場所に配置されていても良い）。前記ケーブル１３０の他の第２の端部は、地点１４０でドラム１３８に接続されており、（図６ａに示すように、）反時計周りに前記ドラム１３８の残りの側部上に巻き掛けられ、前記プーリー１４２に至っている。ケーブル１３０は、次に、前記第２の端部から発し、アイドラープーリー１４２及びアイドラープーリー１４４の周りに巻き掛けられている。そこでは、アイドラープーリー１４４及びアイドラープーリー１３４は、互いに近接して配置されており、同一の回転軸を有している。ケーブル１３０は、次に、アイドラープーリー１４６の周りを通っている。該アイドラープーリーは、プーリー１３２に近接して配置され、同一の回転軸を有している。前記ケーブル１３０は、次に、前記連結機構３８を通り（その両端は、線１３０で示している。）、前記底部構造体内のアクチュエータ６６に至り、そこで該アクチュエータ６６により直接駆動されている前記プーリー７６の周りに複数回巻き付けられている。

動作時には、前記アクチュエータ６６は、ドラム１３８をいずれの方向にも回転させ得るものとなり、その結果、直線状軸部材４０及び器具１８が回転する。前記アクチュエータシャフトが一方向に回転するとき、プーリー１３６の周りのケーブル１３０の第１の端部は引き取られ、その結果、前記ドラムがそれと対応する方向に中央点１７０の周りで回転するようになる。前記アクチュエータシャフトがそれと逆方向に回転するとき、ケーブル１３０の第２の端部はプーリー１４２の周りで引き取られ、その結果、前記ドラムがその逆方向に中央点１７０の周りで回転するようになる。

前記直線状の挿入方向の自由度５０に力が出力されるようにするため、ケーブル１６０の第１の端部（図６ａに破線で示している。）が、底部構造体４６内のアクチュエータ６２において直接駆動されるプーリー７２から発し、連結機構３８を通っている。前記ケーブル１６０は、アイドラープーリー１６２の周り、アイドラープーリー１６４の周り、及び、アイドラープーリー１６６の周りを通っている。前記ケーブル１６０の第１の端部１６１は、次に、プーリー１６９の周りを通り（図７ａ参照）、直線状軸部材４０に連結している。前記ケーブル１６０の第２の端部１６２は、回転軸の中心点１７０の反対側にある直線状軸部材４０に連結している。前記ケーブル１６０は、第２の端部から発し、プーリー１６８の周り、プーリー１６４に近接し且つ同一の軸の周りに回転するプーリー１７２の周り、プーリー１６２に近接し且つ同一の軸の周りを回転するプーリー１７４の周りを通っている。前記ケーブルは、次に、前記連結機構３８を通って、前記アクチュエータ６２により駆動されている前記プーリー７２に至り、そこで複数回巻回されている。

動作時には、前記アクチュエータ６２は、その駆動するプーリーをいずれかの方向に回転させることによって、それに対応して前記ケーブル１６０の第１又は第２の端部を引き取ることができる。前記第１の端部が引き取られる場合には、（図３に方向付けされているように、）前記直線状軸部材４０に下向きの力が出力される一方、前記第２の端部が引き取られる場合には、前記直線状軸部材に上向きの力が出力される。

図７A〜７Cは、前記連結機構３８、前記ケーブル、及び上述した各ケーブル及びプーリーの別の斜視断面図であり、挿入の自由度５０の機構を図示するものである。

図８A及び８Bは、上述した特性を示している前記連結機構３８の斜視断面図及び正面図である。

このように、本発明の機構は、前記器具１８の、４つの自由度における力を発生する４個の接地されたアクチュエータを備えていることが好ましい。前記アクチュエータが接地されるために、各ケーブルは、各アクチュエータが遠隔した機械的な動きに対して出力し得るように用いられる。例えば、回転されるドラム又は移動される直線状軸部材は、標準的な巻き駆動とは異なり、駆動されるプーリーから離隔して配置されている。前記連結機構の内部を通り、外に出されて前記底部構造体に送られた３本のケーブル（６つの端部）は、多様な方法で各アイドラープーリーの周りに曲げられ、その縦軸に巻き付けられている。しかしながら、これは、各ケーブルの伸張による問題を引き起こさない。前記複数のケーブルの６つの端部は、前記ケーブルの伸張を最小限とするべく、上下揺動軸Ａに近接し、束ね整理されることが好ましい。例えば、６本のケーブルの長さが整理され、各断面が前記回転軸Ａの周りにほぼ円を形成している。

以上、本発明を、いくつかの好ましい形態によって説明してきたが、さまざまな変更や修正、均等形態との置換が可能なことは、詳細な説明の読み込み及び図面の観察によって考察すれば当業者には明白である。例えば、装置２５の前記連結部材は、開示された連結構造を維持しながら、現物の大きさ及び形態の相似形を採用することもできる。同様に、複数の自由度を与える他の種類のジンバル機構又は異なる機構は、慣性、摩擦、及びバックラッシュ（巻き返り）を低減させるべく本明細書に開示された駆動機構と共に用い得る。また、多様な装置を、与えられた自由度で物体の位置を検知し、それらの自由度の範囲で前記物体を駆動するべく用いることもできる。加えて、前記変換器内で用いられ、望ましい性能を発揮するセンサ及びアクチュエータは、多様な形態をとり得る。同様に、その他の種類の組み合わせが、前記物体とアクチュエータとの間で望ましい性能を発揮するべく使用され得る。更に、専門用語は、記載の明瞭性を担保するために使用したものであり、本発明を限定するものではない。

図１は、医療シミュレーション用途に使用されている本発明の図面である。 図２Ａは、本発明に係る機械的シミュレーション装置の斜視図である。 図２Ｂは、本発明に係る機械的シミュレーション装置の斜視図である。 図２Ｃは、機械的シミュレーション装置の底部構造体の図である。 図２Ｄは、機械的シミュレーション装置の連結機構の一部の斜視図である。 図２Ｅは、本発明に係る機械的シミュレーション装置の背面図である。 図２Ｆは、本発明に係る機械的シミュレーション装置の頂面図である。 図２Ｇは、本発明に係る機械的シミュレーション装置の頂部表面の拡大図である。 図３Ａは、本発明に係る機械的シミュレーション装置の連結機構の斜視図であり、図３Ｂは、前記連結機構の頂面図であり、図３Ｃは、前記連結機構の側面図であり、図３Ｄは、前記連結機構の正面図であり、図３Ｅは、前記連結機構の底面図である。 図４Ａは、前記連結機構の斜視図である。 図４Ｂは、前記連結機構の斜視図である。 図５Ａは、前記連結機構の側面断面図である。 図５Ｂは、前記連結機構の側面断面図である。 図５Ｃは、前記連結機構の側面断面図である。 図５Ｄは、前記連結機構の側面断面図である。 図６Ａは、前記連結機構の底面図である。 図６Ｂは、前記連結機構の斜視図である。 図７Ａは、前記連結機構の別の斜視断面図である。 図７Ｂは、前記連結機構の別の斜視断面図である。 図７Ｃは、前記連結機構の別の斜視断面図である。 図８Ａは、前記連結機構の斜視断面図である。 図８Ｂは、前記連結機構の正面図である。

符号の説明

１０…（バーチャルリアリティ）システム、１４…インタフェース装置、１６…ホストコンピュータ、１８…訓練器具、２５…機械的シミュレーション装置、６２，６４，６６，７０…アクチュエータ

Claims (25)

1. アクチュエータを介して抵抗感を与えることによって現実的な感覚をユーザに与えるシステムであって、該システムは、
   ユーザが連係する連係可能な訓練器具と、
   前記訓練器具に連結した連結機構、及び複数の前記アクチュエータを備える機械的シミュレーション装置と、
   前記機械的シミュレーション装置に連結したインタフェース装置と、
   アプリケーションプログラムを実行するべく前記インタフェース装置に接続されたホストコンピュータと、を備え、
   複数の前記アクチュエータは、接地された複数の駆動源と、これら駆動源に連係していると共に前記連結機構に連結した複数のケーブルとを備え、前記駆動源が前記ケーブルを介して前記連結機構が有する自由度を駆動し、
   前記アプリケーションプログラムは、前記連結機構を動かすべく前記アクチュエータに信号を送信していることを特徴とするシステム。
2. 前記訓練器具は、現実の医療器具として構成されている請求項１に記載のシステム。
3. 前記インタフェース装置は、前記ホストコンピュータ及び機械的シミュレーション装置の内の１つに設けられている請求項１に記載のシステム。
4. 前記インタフェース装置は、前記ホストコンピュータ及び機械的シミュレーション装置と別体化されている請求項１に記載のシステム。
5. 前記インタフェース装置は、前記機械的シミュレーション装置に対してローカルなマイクロプロセッサを備えている請求項１に記載のシステム。
6. 前記機械的シミュレーション装置と前記ユーザとを遮断する障壁を更に備えている請求項１に記載のシステム。
7. 前記訓練器具が腹腔鏡下手術装置として構成され、套管針を備えている請求項１に記載のシステム。
8. 前記訓練器具が、カテーテル、皮下注射器、ワイヤ、光ファイバ束、スタイラス、ジョイスティック、スクリュードライバー、プールキュー、及び握りグリップからなる群の１つとして構成されている請求項１に記載のシステム。
9. 複数の訓練器具を備え、
   前記機械的シミュレーション装置は、前記複数の訓練器具の動きを個別に検知する請求項１に記載のシステム。
10. 前記機械的シミュレーション装置が、
    接地部材と、
    前記接地部材に連結した前記連結機構と、
    前記訓練器具及び前記連結機構に連結した直線状軸部材と、
    前記接地部材に連結した前記アクチュエータと、
    前記アクチュエータに連係していると共に前記連結機構と連結したケーブルと、を備えている請求項１に記載のシステム。
11. 少なくとも４個のアクチュエータを備えている請求項１０に記載のシステム。
12. 前記少なくとも４個のアクチュエータがＤＣ（直流）モータを備えている請求項１１に記載のシステム。
13. 前記少なくとも４個のアクチュエータと多様に連係している少なくとも３本のケーブルを備えている請求項１１に記載のシステム。
14. 前記アクチュエータまたは前記連結機構の動きを検知する少なくとも１個のセンサを更に備えている請求項１０に記載のシステム。
15. 前記少なくとも４個のアクチュエータ及び前記連結機構の少なくとも１個の動きを検知する少なくとも４個のセンサを更に備えている請求項１１に記載のシステム。
16. アクチュエータを介して抵抗感を与えることによって現実的な感覚をユーザに与えるシステムであって、該システムは、
    前記ユーザが連係する連係可能な訓練器具と、
    前記訓練器具に連結され、
    接地部材と、
    前記接地部材に対して前記訓練器具が３自由度で回転可能に連結した連結機構と、
    前記訓練器具及び前記連結機構に連結し、前記訓練器具を直線状の自由度で動作可能にした直線状軸部材と、
    前記接地部材に連結した少なくとも４個のアクチュエータと、
    前記アクチュエータの少なくとも１個及び連結機構の動きを検知する少なくとも１個のセンサと、
    前記少なくとも４個のアクチュエータが有する複数の駆動源に連係していると共に前記連結機構に連結された少なくとも３本のケーブルと、を備え、前記駆動源が前記ケーブルを介して前記連結機構が有する自由度を駆動する機械的シミュレーション装置と、
    前記機械的シミュレーション装置に連結したインタフェース装置と、
    アプリケーションプログラムを実行するべく前記インタフェース装置に連結したホストコンピュータと、を備え、
    前記アプリケーションプログラムは、前記ケーブルを動かし、それにより、前記連結機構を動かすべく前記アクチュエータに信号を送信することを特徴とするシステム。
17. 前記訓練器具は、現実の医療器具として構成されている請求項１６に記載のシステム。
18. 前記インタフェース装置は、前記ホストコンピュータ及び機械的シミュレーション装置の内の１つに設けられている請求項１６に記載のシステム。
19. 前記インタフェース装置は、前記ホストコンピュータ及び機械的シミュレーション装置と別体化されている請求項１６に記載のシステム。
20. 前記少なくとも４個のアクチュエータが直流モータを備えている請求項１６に記載のシステム。
21. 前記インタフェース装置は、前記機械的シミュレーション装置に対してローカルなマイクロプロセッサを備えている請求項１６に記載のシステム。
22. 前記機械的シミュレーション装置と前記ユーザとを遮断する障壁を更に備えている請求項１６に記載のシステム。
23. 前記訓練器具が腹腔鏡下手術器具として構成され、套管針を備えている請求項１６に記載のシステム。
24. 前記訓練器具が、カテーテル、皮下注射器、ワイヤ、光ファイバ束、スタイラス、ジョイスティック、スクリュードライバー、プールキュー、及び握りグリップからなる群の１つとして構成されている請求項１６に記載のシステム。
25. 複数の訓練器具を備え、
    前記機械的シミュレーション装置は、前記複数の訓練器具の動きを個別に検知する請求項１６に記載のシステム。