JP6176602B2 - Skill training system - Google Patents

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Description

本発明は、力を伴う技能を対象として、発生力の訓練を可能とする技能訓練システムに関する。   The present invention relates to a skill training system that enables training of generated force for a skill involving force.

従来、技能を訓練するための様々なシステムが考案されている。 技能の中には、位置や速度などの運動情報、運動パターン、力情報など、様々な技能が存在する。
技能を訓練するときには、目標とする技能、つまり位置や速度、運動パターンや力の目標値が存在する。訓練者の位置や速度、運動パターンや力を目標値と一致させることが、技能訓練の一つの目的である。
この技能訓練の目的を達成させる方法として、訓練者の技能を計測し、目標値と合わせて提示する方法や、目標値との差を提示する方法、目標値との差をなくす方向に支援する方法などが考えられる。
例えば、手本となる教師の手や教師の書いた手本となる文字のコンピュータグラフィックスによる映像をハーフミラーを使って重畳して提示するシステムが開発されている(非特許文献1参照)。
1台のハプティックデバイスを用いて、習字において教師が手本の文字を書くときの位置と力の情報を計測し、その後ハプティックデバイスと映像を用いて生徒に提示するバーチャルレッスンシステムが開発されている(非特許文献2参照)。
また、筋電位等により訓練者の運動パターンを計測し、目標の運動パターンと比較し、その差を振動や電気刺激を用いて提示する運動技能訓練装置が発明されている(特許文献1参照)。
教師の動作と操作力を計測し、生徒の手に運動を提示すると共に生徒が把持する道具に力を提示する技能体験システムが発明されている(特許文献2参照)。
Conventionally, various systems for training skills have been devised. Among skills, there are various skills such as motion information such as position and speed, motion pattern, and force information.
When training skills, there are target skills, that is, target values for position, speed, movement pattern, and force. One of the purposes of skill training is to match the position, speed, movement pattern, and force of the trainee with the target value.
As a method to achieve the purpose of this skill training, the skill of the trainer is measured and presented together with the target value, the method of presenting the difference from the target value, and assisting in the direction of eliminating the difference from the target value Possible methods.
For example, a system has been developed that superimposes and presents a computer graphic image of a teacher's hand as a model or a character as a model written by the teacher using a half mirror (see Non-Patent Document 1).
A virtual lesson system has been developed that uses a single haptic device to measure position and force information when a teacher writes model characters in calligraphy, and then presents it to students using a haptic device and video. (Refer nonpatent literature 2).
In addition, an exercise skill training apparatus has been invented that measures an exercise pattern of a trainee using a myoelectric potential, compares it with a target exercise pattern, and presents the difference using vibration or electrical stimulation (see Patent Document 1). .
A skill experience system has been invented that measures the teacher's movement and operation force, presents the movement to the student's hand, and presents the force to the tool held by the student (see Patent Document 2).

吉田知史、中村徳明、今西茂:バーチャル・リアリティを用いた書道習得のための教育的応用システムの構築、電気学会論文誌C、117−C巻、11号、pp.1629−1634、1997年。Satoshi Yoshida, Noriaki Nakamura, Shigeru Imanishi: Construction of educational application system for calligraphy acquisition using virtual reality, IEEJ Transactions C, 117-C, 11, pp. 1629-1634, 1997. 逸見和之、吉川恒夫:バーチャルレッスンの概念とそのバーチャル習字システムへの応用、日本バーチャルリアリティ学会論文誌、3巻、1号、pp.13−19、1998年。Kazuyuki Iemi, Tsuneo Yoshikawa: The concept of virtual lesson and its application to the virtual calligraphy system, Transactions of the Virtual Reality Society of Japan, Vol. 13-19, 1998.

特許第2562786号公報Japanese Patent No. 2562786 特開2011−59219号公報JP 2011-59219 A

以上に述べた技能訓練において、位置情報は直接目で見えるのに対し、力情報は直接目で見えない。このため、位置の目標値や位置の偏差は映像等を用いて直接提示できるのに対し、力情報は、力センサ等を用いて計測して数値化し、映像や音声等の手段を用いて間接的に提示しなければならない。   In the skill training described above, position information is directly visible, whereas force information is not directly visible. For this reason, target position values and position deviations can be presented directly using video, etc., whereas force information is measured and digitized using force sensors, etc., and indirectly using means such as video and audio. Must be presented.

目標の力を発生させたいとき、訓練者の発生力を力センサを用いて計測し、計測した値をメータやモニタに提示し、視覚的にフィードバックすることで、目標の力を発生させる訓練を行うことができる。   When you want to generate a target force, measure the trainer's generated force using a force sensor, present the measured value to a meter or monitor, and visually feedback to perform training to generate the target force. It can be carried out.

目標の力を発生させたいとき、訓練者の発生力を力センサを用いて計測し、計測した値と目標の力の値を比較し、計測値と目標値が一致する、あるいはその偏差が一定の基準より小さくなったときに、映像や光などの視覚情報を提示したり、音や音声などの聴覚情報を提示したり、振動刺激や電気刺激などの触覚情報を提示したりすることで、目標の力を発生させる訓練を行うことができる。   When you want to generate the target force, measure the trainee's generated force using a force sensor, compare the measured value with the target force value, and the measured value matches the target value, or the deviation is constant By presenting visual information such as video and light, presenting auditory information such as sound and voice, and presenting tactile information such as vibration stimulation and electrical stimulation, Training to generate the target force can be performed.

また、力提示部にばねなどを用いて、ばねを変形させたときに発生する反力が目標の力と同等となる位置を明示し、視覚的にフィードバックすることで、目標の力を発生させる訓練を行うことができる。   In addition, using a spring or the like for the force presentation unit, the target force is generated by clearly indicating the position where the reaction force generated when the spring is deformed is equivalent to the target force and visually feeding back the position. Training can be done.

以上の手段を用いることで、発生力の訓練を実施することは可能であるが、訓練者の発生力が目標値と一致したことをフィードバックする手段を備えていたとしても、従来の手法では訓練者の発生力を目標値に追従させることが困難であった。   Although it is possible to carry out the training of the generated force by using the above means, even if a means for feeding back that the trainee's generated force coincides with the target value is provided, the conventional method does not perform the training. It was difficult to make the generated force of the person follow the target value.

本発明は、上記問題に鑑みたもので、力を発生させる技能を訓練するシステムにおいて、動作停止機構を備えることによって、訓練者が自分の発生力が目標値と一致していることを容易に知覚すると共に、容易に目標値に追従させる手段を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and in a system for training skills to generate force, by providing an operation stop mechanism, a trainee can easily confirm that his / her generated force matches the target value. An object is to provide means for perceiving and easily following a target value.

請求項1に記載の発明は、訓練者が操作すると動作可能な操作部と,前記操作部に力を及ぼす力発生部を備えると共に,前記操作部の動作を一時的に停止させる動作停止機構を備える操作力訓練システムであって,前記動作停止機構により,前記操作部の動作が一時的に停止させられることで、前記訓練者が目標とする発生力を発生できていることを知らせ、前記操作部に、前記訓練者の発生力を計測する力センサと、前記操作部の位置を計測する位置センサを備え、前記動作停止機構は、前記操作部の動作を一時的に停止させるためにブレーキ機構を備え、前記訓練者の前記発生力と前記目標とする発生力の比較の結果に基づきブレーキ機構を動作させることを特徴とした技能訓練システムであるThe invention according to claim 1 includes an operation unit operable when operated by a trainer, and a force generation unit that applies force to the operation unit, and an operation stop mechanism that temporarily stops the operation of the operation unit. and an operation force training system comprising, by the operation stop mechanism, the operation of the operation unit that is caused to temporarily stop, inform that the training person is able to generate a generated force to the target, the operation A force sensor for measuring the generated force of the trainee and a position sensor for measuring the position of the operation unit, and the operation stop mechanism is a brake mechanism for temporarily stopping the operation of the operation unit. The skill training system is characterized by operating a brake mechanism based on a result of comparison between the generated force of the trainee and the target generated force .

請求項2に記載の発明は、動作停止機構において、操作部の動作を一時的に停止させるために、機械的ストッパを用いることを特徴とした、技能訓練システムである。訓練者は、操作部がストッパとの接触によりその動作が停止させられることにより、目標とする発生力が発生できていることを容易に知ることができる。   The invention according to claim 2 is a skill training system characterized in that in the operation stop mechanism, a mechanical stopper is used to temporarily stop the operation of the operation unit. The trainee can easily know that the target generated force can be generated by stopping the operation of the operation unit by contact with the stopper.

請求項3に記載の発明は、動作停止機構において、操作部の動作を一時的に停止させるために、機械的ラッチ機構を用いることを特徴とした、技能訓練システムである。訓練者は、操作部の動作がラッチ機構により一時的に停止させられることにより、目標とする発生力が発生できていることを容易に知ることができる。   The invention according to claim 3 is a skill training system characterized in that a mechanical latch mechanism is used to temporarily stop the operation of the operation unit in the operation stop mechanism. The trainee can easily know that the target generated force can be generated by temporarily stopping the operation of the operation unit by the latch mechanism.

請求項4に記載の発明は、操作部において、訓練者の発生力を計測する力センサと、操作部の位置を計測する位置センサを備え、力発生部には、出力を制御可能なアクチュエータを備えると共に、訓練者の発生力と目標とする発生力の比較を行うと共に、アクチュエータの出力を制御するための計算機を備えることを特徴とした、技能訓練システムである。   According to a fourth aspect of the present invention, the operation unit includes a force sensor that measures the trainee's generated force and a position sensor that measures the position of the operation unit, and the force generation unit includes an actuator capable of controlling output. A skill training system comprising: a computer for comparing the generated force of a trainee with a target generated force and a computer for controlling the output of an actuator.

請求項5に記載の発明は、動作停止機構において、操作部の動作を一時的に停止させるためにブレーキ機構を備え、訓練者の発生力と目標値の比較の結果に基づきブレーキ機構を動作させることを特徴とした、技能訓練システムである。   According to a fifth aspect of the present invention, in the operation stop mechanism, a brake mechanism is provided to temporarily stop the operation of the operation unit, and the brake mechanism is operated based on a result of comparison between the trainee's generated force and the target value. It is a skill training system characterized by this.

請求項6に記載の発明は、動作停止機構の動作停止機能を、
力発生部に備えたアクチュエータの制御により、ソフトウェア的に実現することを特徴とした、技能訓練システムである。
The invention according to claim 6 provides an operation stop function of the operation stop mechanism.
A skill training system characterized by being realized by software by controlling an actuator provided in a force generation unit.

訓練者は、発生力を訓練するために、操作部に力を加えながら作業を行う。この時、自分が発生している力は、直接目で見ることはできないし、感覚としても分かりにくい。また、訓練者の発生力を計測して、グラフや数値で可視化したり、目標値との差を示したりすることで、発生力と目標値との関係を知ることができるが、それでも訓練者が正確に力を出力することは難しい。
これに対し、上記の課題解決手段では、技能訓練システムの操作部の動作を動作停止機構により一時的に停止させることにより、訓練者に対し、目標とする力が発生できていることを知らせる。人間は、操作している対象物が他の物体と接触したり、動作が急に止められたりした感覚は、触覚を介して容易に知覚できる。また、発生力をコントロールして対象物との接触を保つことも容易である。
このことから、上記の課題解決手段を用いることで、訓練者は自分の発生力を直接意識することなく、操作部の動作が動作停止機構により停止させられている状態を保つことで、容易に目標とする発生力を発生させることができる。
The trainer performs work while applying force to the operation unit in order to train the generated force. At this time, the power you are generating cannot be seen directly with your eyes, and it is difficult to understand as a sense. In addition, by measuring the generated force of the trainer and visualizing it with a graph or numerical value, or showing the difference from the target value, you can know the relationship between the generated force and the target value. It is difficult to output force accurately.
On the other hand, in the above problem solving means, the operation of the operation unit of the skill training system is temporarily stopped by the operation stop mechanism, thereby informing the trainee that the target force can be generated. Humans can easily perceive a sense that the object being operated has come into contact with another object or the movement has been stopped suddenly. It is also easy to maintain the contact with the object by controlling the generated force.
From this, by using the above problem solving means, the trainer can easily maintain the state where the operation of the operation unit is stopped by the operation stop mechanism without directly being aware of his / her power. The target generated force can be generated.

本発明の実施形態に係る技能訓練システムの構成および動作を示す図である。It is a figure showing composition and operation of a skill training system concerning an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る技能訓練システムのばねを用いた場合の構成および動作を示す図である。It is a figure which shows a structure and operation | movement at the time of using the spring of the skill training system which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る技能訓練システムのばねとストッパを用いた場合の他の構成および動作を示す図である。It is a figure which shows the other structure and operation | movement at the time of using the spring and stopper of the skill training system which concern on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る技能訓練システムのラッチ機構を用いた場合の構成および動作を示す図である。It is a figure which shows a structure and operation | movement at the time of using the latch mechanism of the skill training system which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る技能訓練システムのラッチ機構を用いた場合の他の構成および動作を示す図である。It is a figure which shows the other structure and operation | movement at the time of using the latch mechanism of the skill training system which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る技能訓練システムのアクチュエータとストッパを用いた場合の構成および動作を示す図である。It is a figure showing composition and operation at the time of using an actuator and a stopper of a skill training system concerning an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る技能訓練システムのアクチュエータとラッチ機構を用いた場合の構成および動作を示す図である。It is a figure which shows a structure and operation | movement at the time of using the actuator and latch mechanism of the skill training system which concern on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る技能訓練システムのアクチュエータとラッチ機構を用いた場合の他の構成および動作を示す図である。It is a figure which shows the other structure and operation | movement at the time of using the actuator and latch mechanism of the skill training system which concern on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る技能訓練システムのアクチュエータとブレーキ機構を用いた場合の構成および動作を示す図である。It is a figure which shows a structure and operation | movement at the time of using the actuator and brake mechanism of the skill training system which concern on embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態を図1〜図9に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1に、本発明の実施形態に係る技能訓練システムの構成および動作の一例を示す。訓練者の手1は、訓練において操作部2に力を加えて押し下げる。このとき、力発生部3は操作部2に対し反力を提示する。図1の実施例では、操作部2は上下方向に動作可能であるが、本システムには動作停止機構4が装備されていて、操作部2が動作停止機構4に接触すると、操作部2はそれより下に動作することができずに、操作部2の動作が制限される。訓練者は、操作部2が動作停止機構4に接触したことは、力覚や触覚といった手の感覚から、直感的に容易に知覚することができる。図1の右側に、操作部2と動作停止機構4が接触した様子を示す。操作部2が動作停止機構4にちょうど接触するときに、力発生部3が提示する力を訓練の目標の力に設定すると、訓練者が操作部2を動作停止機構4にぎりぎり接触するよう保つことで、目標とする発生力の訓練が可能となる。   FIG. 1 shows an example of the configuration and operation of a skill training system according to an embodiment of the present invention. The trainer's hand 1 applies a force to the operation unit 2 and pushes it down during training. At this time, the force generation unit 3 presents a reaction force to the operation unit 2. In the embodiment of FIG. 1, the operation unit 2 can move in the vertical direction, but the system is equipped with an operation stop mechanism 4, and when the operation unit 2 comes into contact with the operation stop mechanism 4, the operation unit 2 is The operation of the operation unit 2 is restricted without being able to operate below that. The trainee can easily and intuitively perceive that the operation unit 2 has come into contact with the operation stop mechanism 4 from a hand sense such as a force sense or a tactile sense. The state where the operation unit 2 and the operation stop mechanism 4 are in contact with each other is shown on the right side of FIG. When the operation unit 2 is just in contact with the operation stop mechanism 4 and the force presented by the force generation unit 3 is set as a target force for training, the trainer keeps the operation unit 2 in contact with the operation stop mechanism 4. This makes it possible to train the target generation force.

なお、図1に示す技能訓練システムの実施形態は、鉛直方向に直動で1自由度に動作するシステムの一例であり、本発明の技能訓練システムは直動動作や1自由度の動作には限定されない。操作部2の動作を回転運動にすることで、回転方向の発生トルクを訓練するシステムも同様に構築できる。また、1自由度のシステムを複数組み合わせることで、直動2自由度あるいは直動3自由度の発生力訓練システム、あるいは回転運動も含む4〜6自由度の発生力・発生トルク訓練システムも開発できる。   The embodiment of the skill training system shown in FIG. 1 is an example of a system that operates in one degree of freedom by linear motion in the vertical direction, and the skill training system of the present invention is in direct motion or one degree of freedom operation. It is not limited. A system for training the torque generated in the rotational direction can be similarly constructed by making the operation of the operation unit 2 a rotational motion. In addition, by combining multiple systems with one degree of freedom, we developed a force generation training system with 2 to 3 degrees of linear motion or 3 degrees of freedom for linear motion, or a 4 to 6 degree of freedom force / generated torque training system including rotational motion. it can.

図2には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのばねを用いた場合の構成および動作を示す。図1の場合と比較すると、力発生部3がばね23に置き換わっている。ばね23のばね定数をk[N/m]、自然長からの変位をx[m]とすると、変位xを発生させるためにはF=kx[N]の力を必要とする。図2において、ばね23をx[m]圧縮した場所に動作停止機構24を設置する。訓練者の手21が、操作部22を押し下げ、動作停止機構24と接触すると、操作部22と動作停止機構24が接触したことはすぐに知覚可能であり、この時の訓練者の発生力がF[N]となっている。訓練者は、操作部22と動作停止機構24の接触を保つことにより、力F[N]を発生させる訓練が可能となる。図2の右側には、訓練者の手21が操作部22を介してばね23を押し込み、操作部22が動作提示機構24と接触している状態を示す。   In FIG. 2, the structure and operation | movement at the time of using the spring of the skill training system which concerns on embodiment of this invention are shown. Compared with the case of FIG. 1, the force generation unit 3 is replaced by a spring 23. If the spring constant of the spring 23 is k [N / m] and the displacement from the natural length is x [m], a force of F = kx [N] is required to generate the displacement x. In FIG. 2, an operation stop mechanism 24 is installed at a place where the spring 23 is compressed by x [m]. When the trainee's hand 21 pushes down the operation unit 22 and comes into contact with the operation stop mechanism 24, it can be immediately perceived that the operation unit 22 and the operation stop mechanism 24 come into contact with each other. F [N]. The trainee can train to generate the force F [N] by keeping the operation unit 22 and the operation stop mechanism 24 in contact with each other. On the right side of FIG. 2, the trainer's hand 21 pushes the spring 23 via the operation unit 22, and the operation unit 22 is in contact with the motion presentation mechanism 24.

図3には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのばねを用いた場合の他の構成および動作を示す。訓練者の手31が操作部32を押し下げるが、操作部32はリニアガイド33で保持されている。この状態で、ばね34を圧縮しながら操作部32がストッパ35に接触するまで操作することで、図2の場合と同様に、発生力の訓練が実施できる。図3の右側には、訓練者の手31がリニアガイド34に取り付けられた操作部32を介してばね34を押し込み、操作部32がストッパ35と接触している状態を示す。   FIG. 3 shows another configuration and operation when the spring of the skill training system according to the embodiment of the present invention is used. The trainer's hand 31 pushes down the operation unit 32, but the operation unit 32 is held by a linear guide 33. In this state, by operating until the operating portion 32 comes into contact with the stopper 35 while compressing the spring 34, training of the generated force can be performed as in the case of FIG. On the right side of FIG. 3, the trainer's hand 31 pushes the spring 34 through the operation unit 32 attached to the linear guide 34, and the operation unit 32 is in contact with the stopper 35.

図4には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのラッチ機構を用いた場合の構成および動作を示す。図4の実施形態では、訓練者の手41、操作部42、リニアガイド43、力を発生するばね44の他に、ラッチガイド45、接触子46、ばね47を備えている。訓練者は、力を加えてリニアガイド43に支持された操作部42を押し下げる。そして、ばね44が圧縮されることにより訓練者の発生力がちょうど目標値となる位置に、ラッチガイド45に凹みが設置されている。ラッチ機構は、ラッチガイド45に接触子46がばね47により押しつけられているため、接触子46がラッチガイド45の凹みの位置に来ると、操作部42の動作が停止させられる。図4の右側に、ラッチ機構の接触子46がラッチガイド45の凹みの位置に来て、操作部42が停止している様子を示す。訓練者は、操作部42がラッチ機構により停止させられたことを容易に知覚できるため、発生力の訓練が可能となる。なお、ラッチ機構は、目標値よりも一定上大きな力が加わると操作部42の停止が解除される。ラッチが解除されて操作部42が再び動作を始めた場合は、訓練者の発生力が目標値から逸脱しているため、訓練者は再び操作部42の動作がラッチで停止する位置を探して操作する。これにより、発生力の訓練が可能となる。   FIG. 4 shows a configuration and an operation when the latch mechanism of the skill training system according to the embodiment of the present invention is used. In the embodiment of FIG. 4, a latch guide 45, a contact 46, and a spring 47 are provided in addition to a trainee's hand 41, an operation unit 42, a linear guide 43, and a spring 44 that generates force. The trainee applies a force to push down the operation unit 42 supported by the linear guide 43. A recess is provided in the latch guide 45 at a position where the generated force of the trainee is exactly the target value as the spring 44 is compressed. In the latch mechanism, since the contact 46 is pressed against the latch guide 45 by the spring 47, when the contact 46 comes to the recessed position of the latch guide 45, the operation of the operation unit 42 is stopped. The right side of FIG. 4 shows a state where the contact 46 of the latch mechanism has come to the position of the recess of the latch guide 45 and the operation unit 42 is stopped. Since the trainee can easily perceive that the operation unit 42 has been stopped by the latch mechanism, the trainee can train the generated force. The latch mechanism releases the stop of the operation unit 42 when a force larger than the target value is applied. When the operation unit 42 starts operating again after the latch is released, the trainee's generated force deviates from the target value, so the trainer again searches for a position where the operation of the operation unit 42 stops at the latch. Manipulate. Thereby, training of generated force becomes possible.

図5には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのラッチ機構を用いた場合の他の構成および動作を示す。訓練者の手51、操作部52、リニアガイド53、ばね54、接触子56、ばね57は図4に示す実施形態と同様であるが、ラッチガイド55の形状が異なる。図4の実施形態では、訓練者の発生力がちょうど目標値となる位置に、ラッチガイド45に凹みが設置されていたのに対し、図5の実施形態では、訓練者の発生力がちょうど目標値となる位置に、ラッチガイド55に凸が設置されている。図5の右側に示すように、接触子56がラッチガイド55の凸の位置に来ると、操作部52の動作が停止させられる。訓練者は、操作部52がラッチ機構により停止させられたことを容易に知覚できるため、発生力の訓練が可能となる。   FIG. 5 shows another configuration and operation when the latch mechanism of the skill training system according to the embodiment of the present invention is used. The trainer's hand 51, the operation unit 52, the linear guide 53, the spring 54, the contact 56, and the spring 57 are the same as in the embodiment shown in FIG. 4, but the shape of the latch guide 55 is different. In the embodiment of FIG. 4, the latch guide 45 is provided with a recess at a position where the trainee's generated force is exactly the target value, whereas in the embodiment of FIG. 5, the trainer's generated force is exactly the target value. A protrusion is provided on the latch guide 55 at a position where the value is obtained. As shown on the right side of FIG. 5, when the contact 56 comes to the convex position of the latch guide 55, the operation of the operation unit 52 is stopped. Since the trainee can easily perceive that the operation unit 52 is stopped by the latch mechanism, the trainer can train the generated force.

図6には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのアクチュエータとストッパを用いた場合の構成および動作を示す。図6に示す実施形態では、操作部62に力センサ61を装備し、訓練者の手61が発生する力を計測する。また、操作部62はリニアガイド64に接続されているが、同じくリニアガイド64にはモータ65とエンコーダ66が取り付けられていて、操作部62から訓練者に提示する力を、ばねなどの機械要素を用いるのではなく、ロボット制御により発生させることができる。例えば、ロボット制御により実現する仮想のばね定数をk[N/m]、操作部62から訓練者に提示したい発生力をF[N]とすると、リニアガイド64に取り付けられた操作部62の変位の目標値をx=F/k[m]として位置制御することで、ばね定数k[N/m]のばねを押し込んでいるときと同じ力を発生させることができる。   FIG. 6 shows the configuration and operation when the actuator and stopper of the skill training system according to the embodiment of the present invention are used. In the embodiment shown in FIG. 6, the operation unit 62 is equipped with a force sensor 61 to measure the force generated by the trainee's hand 61. The operation unit 62 is connected to a linear guide 64. Similarly, a motor 65 and an encoder 66 are attached to the linear guide 64, and the force to be presented to the trainee from the operation unit 62 is a mechanical element such as a spring. Can be generated by robot control. For example, if the virtual spring constant realized by robot control is k [N / m] and the generated force to be presented to the trainee from the operation unit 62 is F [N], the displacement of the operation unit 62 attached to the linear guide 64 By controlling the position with the target value of x = F / k [m], it is possible to generate the same force as when a spring having a spring constant k [N / m] is pushed.

この図6に示す実施例において、訓練者の手61が力センサ63を介して操作部62を押し込み、ストッパ67と接触することで、操作部62の動作が停止させられ、訓練者はその感覚を知覚し、目標とする力を発生させたり、目標とする発生力を訓練したりすることができる。図6の右側には、訓練者の手61がリニアガイド64に取り付けられた操作部62を介して仮想のばねを押し込み、操作部62がストッパ67と接触している状態を示す。   In the embodiment shown in FIG. 6, when the trainee's hand 61 pushes the operation unit 62 through the force sensor 63 and comes into contact with the stopper 67, the operation of the operation unit 62 is stopped. To generate a target force or train a target generation force. On the right side of FIG. 6, the trainer's hand 61 pushes the virtual spring through the operation unit 62 attached to the linear guide 64, and the operation unit 62 is in contact with the stopper 67.

図7には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのアクチュエータとラッチ機構を用いた場合の構成および動作を示す。図7に示す実施例では、リニアガイドに72に取り付けられた操作部72は、力センサ73により計測される訓練者の手71が発生する力に基づき、モータ75およびエンコーダ76を用いて制御される。訓練者の手71は、仮想ばねを押し込むように力を発生するが、図7右側に示すように、ラッチ機構の接触子78がばね79により押され、ラッチガイド77の凹みの位置に来たときに、操作部72の動作が停止させられる。訓練者は、操作部72がラッチ機構により停止させられたことを容易に知覚できるため、発生力の訓練が可能となる。   FIG. 7 shows the configuration and operation when the actuator and the latch mechanism of the skill training system according to the embodiment of the present invention are used. In the embodiment shown in FIG. 7, the operation unit 72 attached to the linear guide 72 is controlled using the motor 75 and the encoder 76 based on the force generated by the trainee's hand 71 measured by the force sensor 73. The The trainer's hand 71 generates a force to push in the virtual spring. However, as shown on the right side of FIG. 7, the contact 78 of the latch mechanism is pushed by the spring 79 and comes to the position of the recess of the latch guide 77. Sometimes, the operation of the operation unit 72 is stopped. Since the trainee can easily perceive that the operation unit 72 has been stopped by the latch mechanism, the trainee can train the generated force.

図8には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのアクチュエータとラッチ機構を用いた場合の構成および動作を示す。訓練者の手81、操作部82、力センサ83、リニアガイド84、モータ85、エンコーダ86、接触子88、ばね89は図7に示す実施形態と同様であるが、ラッチガイド87の形状が異なる。図7の実施形態では、訓練者の発生力がちょうど目標値となる位置に、ラッチガイド77に凹みが設置されていたのに対し、図8の実施形態では、訓練者の発生力がちょうど目標値となる位置に、ラッチガイド87に凸が設置されている。図8の右側に示すように、接触子88がラッチガイド87の凸の位置に来ると、操作部82の動作が停止させられる。訓練者は、操作部82がラッチ機構により停止させられたことを容易に知覚できるため、発生力の訓練が可能となる。   FIG. 8 shows the configuration and operation when the actuator and the latch mechanism of the skill training system according to the embodiment of the present invention are used. The trainee's hand 81, operation unit 82, force sensor 83, linear guide 84, motor 85, encoder 86, contact 88, and spring 89 are the same as those in the embodiment shown in FIG. 7, but the shape of the latch guide 87 is different. . In the embodiment of FIG. 7, a recess is provided in the latch guide 77 at a position where the trainee's generated force is exactly the target value, whereas in the embodiment of FIG. 8, the trainer's generated force is exactly the target value. A protrusion is provided on the latch guide 87 at a position where the value is obtained. As shown on the right side of FIG. 8, when the contact 88 comes to the convex position of the latch guide 87, the operation of the operation unit 82 is stopped. Since the trainee can easily perceive that the operation unit 82 has been stopped by the latch mechanism, the trainee can train the generated force.

図9には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのアクチュエータとブレーキ機構を用いた場合の構成および動作を示す。図9に示す実施例では、リニアガイド94に取り付けられた操作部92は、力センサ93により計測される訓練者の手91が発生する力に基づき、モータ95およびエンコーダ96を用いて制御される。訓練者の手91は、仮想ばねを押し込むように力を発生する。訓練者の発生力が目標とする力に達していないときは、操作部92に装備されたブレーキのブレーキパッド98が、ブレーキガイド97には接触していないが、訓練者の発生力が目標とする力と一致すると、力センサ93で計測した訓練者の発生力に基づき、図9の右側に示すように、ブレーキパッド98がブレーキガイド97に接触するように操作され、操作部92の動作が停止させられる。訓練者は、操作部92がブレーキ機構により停止させられたことを容易に知覚できるため、発生力の訓練が可能となる。   FIG. 9 shows a configuration and an operation when the actuator and the brake mechanism of the skill training system according to the embodiment of the present invention are used. In the embodiment shown in FIG. 9, the operation unit 92 attached to the linear guide 94 is controlled using a motor 95 and an encoder 96 based on the force generated by the trainee's hand 91 measured by the force sensor 93. . The trainee's hand 91 generates a force to push the virtual spring. When the trainee's generated force does not reach the target force, the brake pad 98 of the brake equipped in the operation unit 92 is not in contact with the brake guide 97, but the trainer's generated force is the target. When the force is equal to the force to be applied, the brake pad 98 is operated so as to contact the brake guide 97 based on the trainee's generated force measured by the force sensor 93, as shown in the right side of FIG. Be stopped. Since the trainee can easily perceive that the operation unit 92 is stopped by the brake mechanism, the trainer can train the generated force.

なお、本発明は、以上に説明した実施形態によって限定されるものではないことはいうまでもない。   Needless to say, the present invention is not limited to the embodiment described above.

本発明は、力を伴う技能訓練において、訓練者が発生している力が目標値と一致していることを触覚を用いて容易に知覚できる技能訓練システムに関するものである。本発明は、ものづくり、伝統芸能、医療現場、楽器演奏、スポーツまで、幅広い分野における技能訓練に役立つと期待される。   The present invention relates to a skill training system that can easily perceive, using tactile sensation, that a force generated by a trainee matches a target value in skill training involving force. The present invention is expected to be useful for skill training in a wide range of fields from manufacturing, traditional performing arts, medical practice, musical instrument performance, and sports.

1 訓練者の手
2 操作部
3 力発生部
4 動作停止機構
21 訓練者の手
22 操作部
23 ばね
24 動作停止機構
31 訓練者の手
32 操作部
33 リニアガイド
34 ばね
35 ストッパ
41 訓練者の手
42 操作部
43 リニアガイド
44 ばね
45 ラッチガイド
46 接触子
47 ばね
51 訓練者の手
52 操作部
53 リニアガイド
54 ばね
55 ラッチガイド
56 接触子
57 ばね
61 訓練者の手
62 操作部
63 力センサ
64 リニアガイド
65 モータ
66 エンコーダ
67 ストッパ
71 訓練者の手
72 操作部
73 力センサ
74 リニアガイド
75 モータ
76 エンコーダ
77 ラッチガイド
78 接触子
79 ばね
81 訓練者の手
82 操作部
83 力センサ
84 リニアガイド
85 モータ
86 エンコーダ
87 ラッチ凸
88 接触子
89 ばね
91 訓練者の手
92 操作部
93 力センサ
94 リニアガイド
95 モータ
96 エンコーダ
97 ブレーキガイド
98 ブレーキパッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Trainer's hand 2 Operation part 3 Force generation part 4 Operation stop mechanism 21 Trainer's hand 22 Operation part 23 Spring 24 Operation stop mechanism 31 Trainer's hand 32 Operation part 33 Linear guide 34 Spring 35 Stopper 41 Trainer's hand 42 Operation Unit 43 Linear Guide 44 Spring 45 Latch Guide 46 Contact 47 Spring 51 Trainee's Hand 52 Operation Unit 53 Linear Guide 54 Spring 55 Latch Guide 56 Contact 57 Spring 61 Trainer's Hand 62 Operation Unit 63 Force Sensor 64 Linear Guide 65 Motor 66 Encoder 67 Stopper 71 Trainer's hand 72 Operation unit 73 Force sensor 74 Linear guide 75 Motor 76 Encoder 77 Latch guide 78 Contact 79 Spring 81 Trainer's hand 82 Operation unit 83 Force sensor 84 Linear guide 85 Motor 86 Encoder 87 Latch convex 88 Contact 89 Spring 91 Trainer Hand 92 operation unit 93 force sensor 94 linear guide 95 Motor 96 Encoder 97 brake guide 98 brake pads

Claims (4)

訓練者が操作すると動作可能な操作部と,
前記操作部に力を及ぼす力発生部を備えると共に,
前記操作部の動作を一時的に停止させる動作停止機構を備える操作力訓練システムであって,
前記動作停止機構により,
前記操作部の動作が一時的に停止させられることで、
前記訓練者が目標とする発生力を発生できていることを知らせ、
前記操作部に、前記訓練者の発生力を計測する力センサと、
前記操作部の位置を計測する位置センサを備え、
前記動作停止機構は、前記操作部の動作を一時的に停止させるためにブレーキ機構を備え、
前記訓練者の前記発生力と前記目標とする発生力の比較の結果に基づきブレーキ機構を動作させることを特徴とした技能訓練システム.
An operation unit operable by a trainer,
A force generation unit that exerts a force on the operation unit;
An operation force training system comprising an operation stop mechanism for temporarily stopping the operation of the operation unit,
By the operation stop mechanism,
By temporarily stopping the operation of the operation unit,
Let the trainer know that he is generating the target power,
A force sensor for measuring the generated force of the trainee in the operation unit;
A position sensor for measuring the position of the operation unit;
The operation stop mechanism includes a brake mechanism for temporarily stopping the operation of the operation unit,
A skill training system , wherein a brake mechanism is operated based on a result of comparison between the generated force of the trainee and the target generated force .
前記動作停止機構において、
前記操作部の動作を一時的に停止させるために、
機械的ストッパを用いることを特徴とした、請求項1に記載の技能訓練システム。
In the operation stop mechanism,
In order to temporarily stop the operation of the operation unit,
The skill training system according to claim 1, wherein a mechanical stopper is used.
前記動作停止機構において、
前記操作部の動作を一時的に停止させるために、
機械的ラッチ機構を用いることを特徴とした、請求項1に記載の技能訓練システム。
In the operation stop mechanism,
In order to temporarily stop the operation of the operation unit,
The skill training system according to claim 1, wherein a mechanical latch mechanism is used.
前記力発生部には、出力を制御可能なアクチュエータを備えると共に、
前記訓練者の前記発生力と前記目標とする発生力の比較を行うと共に、
前記アクチュエータの出力を制御するための計算機を備えることを特徴とした、
請求項1から請求項3のいずれか1つに記載の技能訓練システム。
The force generation unit includes an actuator capable of controlling the output,
While comparing the generated force of the trainee and the target generated force,
A computer for controlling the output of the actuator is provided,
The skill training system according to any one of claims 1 to 3.
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