JP5872280B2 - 力ベクトル伝達装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は力ベクトルを人に伝達するための装置および方法に関し、より詳しくは、複数の方向から装置内に挿入されたオブジェクトに力を伝達するためのアクチュエータを備えた装置および方法に関する。

遠距離でロボットを操作したり、または仮想空間内で物体を直観的に操作するために人の手や腕に物体を実際に操作するとき感じられる感覚を人為的に生成して人に伝達する必要がある。

本発明の目的は、ロボットの指の先端に作用する様々な方向の力を人の指の先端にそのまま伝達することにある。

本発明の目的は、手術ロボットのように敏感な組織や物体を取り扱うロボットの先端が組織と接触する力を操作者に伝達することによって、ロボットを用いる作業の効率性および安全性を向上させることにある。

本発明の目的は、突起に形成された内壁を介して指に力を伝達することによって、触覚の敏感度を向上させることにある。

本発明の目的は、一定の圧力で流体をアクチュエータに供給し、供給された流体の圧力によってアクチュエータが伸縮されることで、指に力の大きさを直接に伝達することにある。

一実施形態に係る力ベクトル伝達装置は、挿入されたオブジェクトによって伸縮される内壁と、前記内壁を取り囲む外形と、前記内壁と前記外形との間に位置し、前記内壁を介して前記オブジェクトに力を伝達するアクチュエータと、を備える。

他の一実施形態に係る力ベクトル伝達装置は、オブジェクトが挿入される内部空間を含む外形と、前記外形内部に形成されて前記オブジェクトに複数方向の力を伝達する複数のアクチュエータとを備える。

他の一実施形態に係る力ベクトル伝達装置は、指の先端が挿入されるオープニングを含む外形と、前記外形内部に形成されて前記指の先端に力を伝達するアクチュエータとを備える。

一側面によると、ロボットの指の先端に作用する様々な方向の力を人の指の先端にそのまま伝達することができる。

一側面によると、手術ロボットのように敏感な組織や物体を取り扱うロボットの先端が組織と接触する力を操作者に伝達することによって、ロボットを用いる作業の効率性および安全性を向上させることができる。

一側面によると、突起に形成された内壁を介して指に力を伝達することによって、触覚の敏感度を向上させることができる。

一側面によると、一定の圧力で流体をアクチュエータに供給し、供給された流体の圧力によってアクチュエータが伸縮されることで、指に力の大きさを直接に伝達することができる。

ロボットの指に作用する複数の力の一例を示す図である。 力ベクトル伝達装置の一例を示す図である。 力ベクトル伝達装置に含まれたアクチュエータの一例を示す図である。 力ベクトル伝達装置の横断面を示す側面図である。 力ベクトル伝達装置の縦断面を示す側面図である。 力ベクトル伝達方法の一例を示すフローチャートである。

以下、添付の図面および添付の図面に記載された内容を参照して実施形態を詳説するが、実施形態によって制限されたり限定されることはない。

遠距離でロボットを操作したり、または仮想空間内で物体を直観的に操作するためには、人の手や腕に実際に物体を操作するとき感じられる感覚を人に伝達する必要がある。

図１は、ロボットの指１００に作用する複数の力の一例を示す図である。図１を参考すると、ロボットが物体を操作するとき、ロボットの指１００の先端には様々な方向の力が作用する。例えば、正面１５０、上面１１０、下面１３０、左面１４０、または右面１２０の方向等である。

図２は、力ベクトル伝達装置の一例を示す図である。図２を参考すると、力ベクトル伝達装置２００はオブジェクト２１０を挿入し、挿入されたオブジェクト２１０によって伸縮される内壁、該内壁を指ぬき状に取り囲む硬化材質の外形、および内壁と外形との間に位置し、内壁を介してオブジェクト２１０に力を伝達するアクチュエータ（ａｃｔｕａｔｏｒ）で構成しもよい。ここで、オブジェクト２１０は人の指であってもよい。

力ベクトル伝達装置２００は、人の指の先端２１０に取付けて用いてもよい。また、力ベクトル伝達装置２００は、図１に示す様々な方向の力を伝達する指ぬき状であってもよい。

図３は、力ベクトル伝達装置２００に含まれたアクチュエータの一例を示す図である。図３を参照すると、アクチュエータ３１０は、図１に示す各方向の力をオブジェクトに伝達する。アクチュエータ３１０は膨張および収縮可能な構造で形成し、一例として、柔軟なゴム材質から構成された流体を入れるバルーンのような袋の構造であってもよい。バルーンの膨張および収縮はバルーンに供給される流体の量に応じて制御モジュールによって調整され、流体を供給するための導管３２０を形成することができる。例えば、導管３２０に空気のような流体を一定の圧力で注入すると、バルーンが圧力によって膨張されて空気を抜けば収縮される。

このような、アクチュエータ３１０は力ベクトル伝達装置２００に正面１５０、上面１１０、下面１３０、左面１４０、または右面１２０の少なくとも１つの方向にそれぞれ対応するよう複数構成してもよい。例えば、アクチュエータ３１０は、図１に示す正面１５０、上面１１０、下面１３０、左面１４０、または右面１２０の方向にそれぞれ対応するよう、「５個」に構成してもよい。

以下、図４は、図２に示す力ベクトル伝達装置を「Ｂ」の中心に沿って切った横断面を示す側面図である。図４を参照すると、力ベクトル伝達装置２００は、外形２３０、オブジェクト２１０を取り囲む内壁２２０、複数のアクチュエータ４１０，４２０，４３０，４４０，４５０を備える。

外形２３０は指ぬき状を有して堅固な硬化材質から形成してもよい。外形２３０にはオブジェクト２１０の人の指の先端が挿入され得る大きさのオープニング２４０を有している。オープニング２４０と連結された内部空間は指の先端を受容することのできる大きさで形成し、前述したように、内壁２２０で取り囲まれた空間であってもよい。外形２３０を指ぬき状に形成することはオブジェクト２１０である人の指に取付けることを容易にするためである。

内壁２２０は挿入されるオブジェクト２１０によって伸縮される。内壁２２０はオブジェクト２１０と直接に接触する部分であり、力ベクトル伝達装置２００がオブジェクト２１０との密着を容易にするために伸縮性のある材質に形成してもよい。

アクチュエータ４１０〜４５０は外形２３０と内壁２２０との間に位置し、内壁２２０を介してオブジェクト２１０に力を伝達する。前述したように、アクチュエータ４１０〜４５０は、正面１５０、上面１１０、下面１３０、左面１４０、または右面１２０の方向にそれぞれ対応するよう、「５個」に構成してもよい。

一例として、ロボットの指１００の下面１３０方向の力に対応するアクチュエータ４３０は人の指の下方に位置してもよい。アクチュエータ４３０に流体を供給する導管４３１は、外形２３０と内壁２２０との間の空いた空間を介して力ベクトル伝達装置２００の下方に連結される。または、ロボットの指１００の正面１５０方向の力に対応するアクチュエータ４５０は人の指の前面に位置してもよい。また、アクチュエータ４５０に流体を供給する導管（図５の４５１）は外形２３０と内壁２２０との間の空いた空間を介して力ベクトル伝達装置２００の下方に連結される。

以下、図５は図２に示す力ベクトル伝達装置を「Ａ」の中心に沿って切った縦断面を示す側面図である。図５を参照すると、基本的な構成は図４に示す横断面の通りである。

アクチュエータ４１０〜４５０のそれぞれに対応する導管４１１〜４５１は、力ベクトル伝達装置２００の底面を介して流体を制御する制御モジュール５００に連結される。

オブジェクト２１０を力ベクトル伝達装置２００の内壁２２０に挿入すると、内壁２２０はオブジェクト２１０と密着され、制御モジュール５００は各方向を担当するアクチュエータ４１０〜４５０に導管４１１〜４５１を介して流体を供給する。流体がアクチュエータ４１０〜４５０に供給されると、アクチュエータ４１０〜４５０に圧力が加えられ、アクチュエータ４１０〜４５０はオブジェクト２１０の該当部分に各方向の力を伝達することになる。

実施形態において、力ベクトル伝達装置２００は、内壁２２０とアクチュエータ４１０〜４５０の伸縮性に応じて多様な大きさおよび形を有する指に対応することが可能である。

または、力ベクトル伝達装置２００の内壁２２０にオブジェクト２１０と直接に接触する部分に突起を形成すると、オブジェクト２１０、すなわち、指の触覚に対する敏感度を向上させることができる。

アクチュエータ４１０〜４５０は流体を用いたバルーン型のアクチュエータ以外に他の実施形態を用いたが、活性高分子（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ；ＥＡＰ）または圧電素子（Ｐｉｅｚｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｌｅｍｅｎｔ）を用いたアクチュエータを用いてもよい。

図６は、力ベクトル伝達方法の一例を示すフローチャートである。ステップＳ６１０において、力ベクトル伝達装置２００は挿入されるオブジェクトによって伸縮される内壁を提供する。内壁２２０はオブジェクト２１０と直接に接触する部分であり、力ベクトル伝達装置２００がオブジェクト２１０との密着を容易にするために伸縮性のある材質に形成してもよい。

ステップＳ６２０において、力ベクトル伝達装置２００は硬化材質の外形２３０’で内壁２２０を取り囲む。

ステップＳ６３０において、力ベクトル伝達装置２００は、内壁２２０と外形２３０との間に位置したアクチュエータ４１０〜４５０を用いてオブジェクト２１０に力を伝達する。上記で説明したように、アクチュエータ４１０〜４５０は正面１５０、上面１１０、下面１３０、左面１４０、または右面１２０のいずれか１つの方向にそれぞれ対応するよう複数に構成してもよい。

例えば、オブジェクト２１０が人の指である場合、指を力ベクトル伝達装置２００の内壁２２０に挿入すると、内壁２２０は指に密着されて、制御モジュール５００は各方向を担当するアクチュエータ４１０〜４５０に流体を供給する。流体がアクチュエータ４１０〜４５０に供給されると、アクチュエータ４１０〜４５０に圧力が加えられ、アクチュエータ４１０〜４５０は指の該当部分に各方向の力を伝達することができる。

または、内壁２２０にオブジェクト２１０と直接に接触する部分に突起を形成することで、指触覚の敏感度を向上させることができる。

上述したように、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような実施形態から多様な修正及び変形が可能である。したがって、本発明の範囲は、開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲だけではなく特許請求の範囲と均等なものなどによって定められるものである。

２００ 力ベクトル伝達装置
２１０ オブジェクト
２２０ 内壁
２３０ 外形
４１０〜４５０ アクチュエータ

Claims (22)

1. 挿入されたオブジェクトによって伸縮されて前記オブジェクトに密着するように構成される内壁と、
   前記内壁で前記オブジェクトに直接接触する部分に形成される突起と、
   前記内壁を取り囲む外形と、
   前記内壁と前記外形との間に位置し、前記内壁を介して前記オブジェクトに力を伝達するアクチュエータと、
   を備える、力ベクトル伝達装置。
2. 前記アクチュエータは膨張および収縮可能な構造である、請求項１に記載の力ベクトル伝達装置。
3. 前記アクチュエータはゴム材質から形成されたバルーンである、請求項２に記載の力ベクトル伝達装置。
4. 前記アクチュエータは、前記バルーンに流体を供給する導管をさらに備える、請求項３に記載の力ベクトル伝達装置。
5. 前記アクチュエータは前記力ベクトル伝達装置の底面に配置し、前記導管に供給される流体を制御する制御モジュールをさらに備える、請求項４に記載の力ベクトル伝達装置。
6. 前記アクチュエータは複数に構成され、複数の方向に加えられる力を前記オブジェクトに伝達する、請求項１に記載の力ベクトル伝達装置。
7. 前記アクチュエータは、活性高分子または圧電素子から構成される、請求項１に記載の力ベクトル伝達装置。
8. 前記内壁は突起を含む、請求項１に記載の力ベクトル伝達装置。
9. オブジェクトが挿入される内部空間を含む外形と、
   前記内部空間に設けられ、挿入された前記オブジェクトにより拡張されて前記オブジェクトに密着するように構成される内壁と、
   前記内壁で前記オブジェクトに直接接触する部分に形成される突起と、
   前記外形内部に形成されて前記オブジェクトに複数方向の力を伝達する複数のアクチュエータと、
   を備える、力ベクトル伝達装置。
10. 前記アクチュエータは、活性高分子または圧電素子から構成される、請求項９に記載の力ベクトル伝達装置。
11. 前記アクチュエータは、相異なる方向にそれぞれ伝達される力の大きさに応じて伸縮する、請求項９に記載の力ベクトル伝達装置。
12. 前記アクチュエータは、導管を介して一定の圧力に流体が供給され、前記供給された流体の圧力を用いて前記力を伝達する、請求項９に記載の力ベクトル伝達装置。
13. 前記複数のアクチュエータは、導管に供給された流体を制御する力ベクトル伝達装置の底面に位置する制御モジュールをさらに備える、請求項１２に記載の力ベクトル伝達装置。
14. 挿入される指の先端により伸縮され、前記指の先端に密着するように構成される内壁と、
    前記内壁で前記指の先端に直接接触する部分に形成される突起と、
    前記内壁を取り囲み、前記指の先端が挿入されるオープニングを含む外形と、
    前記外形内部に形成されて前記指の先端に力を伝達するアクチュエータと、
    を備える、力ベクトル伝達装置。
15. 前記アクチュエータを複数備える、請求項１４に記載の力ベクトル伝達装置。
16. 少なくとも５個の前記アクチュエータを備える、請求項１５に記載の力ベクトル伝達装置。
17. 前記複数のアクチュエータはそれぞれ異なる方向の力を伝達する、請求項１５に記載の力ベクトル伝達装置。
18. 前記異なる方向は前記指の先端の上、下、左、右、前方向である、請求項１７に記載の力ベクトル伝達装置。
19. 前記アクチュエータは、前記アクチュエータに供給された流体を制御する力ベクトル伝達装置の底面に位置する制御モジュールをさらに備える、請求項１７に記載の力ベクトル伝達装置。
20. 挿入されたオブジェクトによって伸縮されて前記オブジェクトに密着するように構成される内壁を提供するステップと、
    前記内壁で前記オブジェクトに直接接触する部分に突起を形成するステップと、
    外形を用いて前記内壁を取り囲むステップと、
    複数のアクチュエータを用いて前記内壁を介して前記挿入されたオブジェクトに力を伝達するステップと、
    を含む、力ベクトル伝達方法。
21. 前記力を伝達するステップは、前記アクチュエータを膨張又は収縮させるステップをさらに含む、請求項２０に記載の力ベクトル伝達方法。
22. 前記力を伝達するステップは、制御モジュールを用いて前記アクチュエータに供給された流体を制御するステップをさらに含む、請求項２１に記載の力ベクトル伝達方法。

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