JP6709006B2 - ロボットシステム及び感覚提示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザーへの感覚提示に関する。

ユーザーへ感覚提示をする装置としては、例えば、力覚を提示するものがある（特許文献１参照）。

特開２０１６−０６２４２８号公報

人が実際に物体に接触したときに知覚する感覚は、力覚に限られるわけではなく、温覚などの他の感覚も含まれる。したがって、力覚だけの提示は、ユーザーへの感覚提示としては必ずしも十分ではない。より適切なユーザーへの感覚提示が望まれる。

本発明の一の態様は、ロボットシステムである。実施形態において、ロボットシステムは、ロボットと、前記ロボットによる物体への接触に基づく力覚を、ユーザーに提示する第１提示機構と、前記ロボットによる検出結果に基づく感覚であって、前記第１提示機構によって提示される前記力覚とは異なる皮膚感覚を、前記ユーザーに提示する第２提示機構と、を備える。本発明の他の態様は、感覚提示装置である。実施形態において、感覚提示装置は、力覚をユーザーに提示する第１提示機構と、前記第１提示機構によって提示される前記力覚とは異なる皮膚感覚を、前記ユーザーに提示する第２提示機構と、を備える。

ロボットシステムのブロック図である。 ロボットハンドの斜視図である。 ロボットハンドの側面図である。 感覚提示装置の側面図である。 感覚提示装置の正面図である。 感覚提示装置の平面図である。 感覚提示装置の拡大側面図である。 感覚提示装置の側面図である。 感覚提示装置の駆動制御系のブロック図である。 感覚チューニングの説明図である。 異種感覚提示の説明図である。

［１．実施形態の概要］

［第１項］
ロボットと、
前記ロボットによる物体への接触に基づく力覚を、ユーザーに提示する第１提示機構と、
前記ロボットによる検出結果に基づく感覚であって、前記第１提示機構によって提示される前記力覚とは異なる皮膚感覚を、前記ユーザーに提示する第２提示機構と、
を備えるロボットシステム。

第１項によれば、第１提示機構及び第２提示機構によって複数の感覚をユーザーに提示でき、ユーザーへより適切な感覚を提示することができる。

［第２項］
前記第２提示機構は、前記第１提示機構が力覚提示のために出力した力を受けて、前記ユーザーへの接触圧が高まるように設けられている
第１項記載のロボットシステム。

第２項によれば、ユーザーに対して複合的な感覚提示を行うことができる。

［第３項］
前記ユーザーの指に装着される第１装着部を更に備え、
前記第１提示機構は、前記ユーザーに提示すべき前記力覚の大きさに応じた力を、前記第１装着部に与えるよう設けられ、
前記第２提示機構は、前記第１装着部に取り付けられている
第１項又は第２項のいずれか１項に記載のロボットシステム。

第３項によれば、装着部が装着された指に対して、複数の感覚が提示される。

［第４項］
前記ユーザーの前腕に装着される第２装着部を更に備え、
前記第１提示機構は、前記第１装着部と前記第２装着部との間に設けられている
第３項記載のロボットシステム。

第４項によれば、第１提示機構は、ユーザーの指に装着された第１装着部とユーザーの前腕の間に装着された第２装着部とによって保持される。

［第５項］
前記第２提示機構によって提示される前記感覚は、温覚を含む
第１項〜第４項のいずれか１項に記載のロボットシステム。

第５項によれば、力覚と温覚がユーザーに提示される。

［第６項］
前記ロボットが検出した物理的特性値又は化学的特性値をユーザーが直接知覚したときの感覚とは異なる大きさの皮膚感覚が、前記第２提示機構によって提示されるように、前記第２提示機構を制御するコントローラをさらに備える
第１項〜第５項のいずれか１項に記載のロボットシステム。

第６項によれば、第２提示機構は、ユーザーが知覚し易い感覚を提示することができる。

［第７項］
前記第２提示機構は、前記ロボットが検出した物理特性値又は化学特性値をユーザーが直接知覚したときの皮膚感覚とは異なる種類の皮膚感覚を提示するよう構成されている
請求項１〜６のいずれか１項に記載のロボットシステム。

［第８項］
力覚をユーザーに提示する第１提示機構と、
前記第１提示機構によって提示される前記力覚とは異なる皮膚感覚を、前記ユーザーに提示する第２提示機構と、
を備える感覚提示装置。

第８項によれば、第１提示機構及び第２提示機構によって複数の感覚をユーザーに提示でき、ユーザーへより適切な感覚を提示することができる。

［２．実施形態の詳細］

［２．１ ロボットシステム］
図１は、ロボットシステム１００の全体構成を示している。ロボットシステム１００は、マスタ装置２００及びスレーブ装置３００を有する。マスタ装置２００は、感覚が提示されるユーザー側の装置であり、スレーブ装置３００は、マスタ装置２００からの操作によって動作する。マスタ装置２００及びスレーブ装置３００は、コントローラ４００に対して有線又は無線にて接続されている。マスタ装置２００は、スレーブ装置３００の操作器２１０を有する。操作器２１０は、操作者であるユーザーによって操作される。

スレーブ装置３００は、操作器２１０によって操作されるロボット３１０を有する。実施形態に係るロボット３１０は、例えば、ロボットハンド（スレーブハンド）である。ロボットハンド３１０は、人の手の指のように屈曲可能なフィンガー部を有し、人の手を模した動作が可能である。なお、ロボットの形態は、人の手の形態である必要はなく、他の形態であってもよい。

ロボットハンド３１０は、例えば、特開２００６−２０４６１２号公報に記載のバルーンアクチュエータを備えたフィンガーアクチュエータにより構成される。バルーンアクチュエータは、空気の吸入による膨張により、屈曲動作する。図２に示すように、バルーンアクチュエータを備えたフィンガーアクチュエータ３１０は、人の手の親指、人差し指、中指、薬指、小指に相当する５本のフィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅを備えている。各フィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅは、バルーンアクチュエータ５を備える。バルーンアクチュエータ５の膨張により、フィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅが屈曲する。バルーンアクチュエータ５は、収縮すると屈曲状態から復帰する。

フィンガーアクチュエータ３１０は、各フィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅが取り付けられた取付部４を有している。この取付部４は、空気注入用のチューブを取り付けるための空気注入部６を有している。空気注入部６から各バルーンアクチュエータ５へは空気供給路７が形成されている。空気注入部６に供給された空気によってバルーンアクチュエータが膨張し、空気注入部６から空気が排出されるとバルーンアクチュエータ５が収縮する。

ロボットハンド３１０におけるフィンガー部の具体的な駆動機構は、特に限定されず、様々なものを採用可能である。例えば、フィンガー部はモータ駆動により屈曲するものであってもよい。

ロボットハンド３１０を操作するための操作器２１０としては、例えば、センサグローブが好適である。センサグローブは、データグローブとも呼ばれる。センサグローブ２１０は、グローブの形態を有し、ユーザーの手に装着される。センサグローブ２１０は、ユーザーの指の曲げを検出する曲げセンサ２１１を備える。曲げセンサ２１１は、例えば、指の曲げに応じて曲がって電気抵抗が変化する。曲げセンサ２１１によって検出された指の曲げ量（屈曲角）は、コントローラ４００に与えられる。

ロボットハンド３１０の各フィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅは、フィンガー部の曲げを検出する曲げセンサ３２０を備えている。曲げセンサ３２０は、例えば、フィンガー部の曲げに応じて曲がって電気抵抗が変化する。曲げセンサ３２０によって検出されたフィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅの曲げ量（屈曲角）は、コントローラ４００に与えられる。

コントローラ４００は、曲げセンサ２１１及び曲げセンサ３２０の検出結果に基づき、ロボットハンド３１０がユーザーの指の動き（曲げ具合）を再現するように、ロボットハンド３１０を制御する。より具体的には、コントローラ４００は、ユーザーの指の曲げ度合と、ユーザーが曲げた指に対応するフィンガー部の曲げ度合とが一致するように、各バルーンアクチュエータ５に供給される空気の量又は空気圧を調整する。

ロボットハンド３１０の各フィンガー部２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅは、温度センサ３３０を備えている。温度センサ３３０によって検出された温度は、コントローラ４００に与えられる。温度センサ３３０は、フィンガー部２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅに設けられているため、フィンガー部２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅが接触した物体の温度を検出することができる。温度センサ３３０は、複数のフィンガー部２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅそれぞれに設けられているため、各フィンガー部２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅで個別に温度を検出することができる。温度センサ３３０の検出結果は、後述の温覚提示に用いられる。

図３に示すように、フィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅは、第１面５ａと、第１面５ａの反対側の面である第２面と、を有する。第１面５ａは、フィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅが屈曲する向きＡ側の面である。第１面５ａは、人の指における手のひら側の面（指の腹）に相当する。温度センサ３３０は、第１面５ａに設けられている。第１面５ａに設けられた温度センサ３３０は、屈曲したフィンガー部２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅが接触した物体の温度を好適に検出することができる。温度のより好適な検出のため、温度センサ３３０は、フィンガー部２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅの先端付近に配置されているのが好ましい。なお、実施形態においては、人の親指に相当するフィンガー部２ａには、温度センサ３３０が設けられていないが、フィンガー部２ａに温度センサ３３０を設けてもよい。

曲げセンサ３２０は、第２面５ｂに設けられている。第２面５ｂに設けられた曲げセンサ３２０は、温度センサ３３０との接触を回避して、フィンガー部の曲がり具合を検出することができる。

［２．２ 感覚提示装置］
マスタ装置２００は、図４〜８に示す感覚提示装置２２０を有する。実施形態の感覚提示装置２２０は、ユーザーに複数の感覚を提示するため、複数の感覚提示機構２３０，２４０を備える。複数の感覚には、例えば、力覚及び力覚以外の感覚が含まれる。力覚は、物体との接触による受ける反力感覚である。力覚提示は、力覚提示機構２３０によって行われる。力覚提示機構２３０は、ユーザーが物体に接触したような反力感覚を、ユーザーに提示する力覚フィードバックを行う。実施形態のロボットシステム１００では、フィンガー部２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅが物体に接触したときに、フィンガー部２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅがその物体から受ける反力が、力覚提示機構２３０によって反力感覚としてユーザーへ提示される。

ユーザーに提示される力覚以外の感覚は、一種類の感覚でもよいし、複数の感覚でもよい。力覚以外の感覚は、物体に接触したときに知覚される感覚を力覚とともに提示するという観点からは、力覚以外の皮膚感覚であるのが好ましい。皮膚感覚とは、感覚器としての皮膚によって知覚される感覚である。力覚以外の皮膚感覚は、例えば、温覚、触覚、痛覚を含む。温覚は、温度の感覚である。温覚は、皮膚の温度よりも高い温度又は低い温度によって知覚される。触覚は、物体表面の質感又は手触り感である。触覚は、テクスチャ（ｔｅｘｔｕｒｅ）とも呼ばれる。触覚は、力覚を含む意味で用いられることもあるが、ここでは、力覚と触覚は区別される。触覚によって得られる情報としては、例えば、物体表面の粗さ（滑らかさ）、物体の粘性又は弾性がある。痛覚は、痛みの感覚である。

温覚は、例えば、提示されるべき温度を発生できる装置（例えば、加熱装置又は冷却装置）を有する温覚提示機構によって提示される。触覚は、例えば、物体表面形状、物体粘性、及び物体弾性の少なくともいずれか一つを再現する触覚提示機構によって提示される。痛覚は、例えば、痛みとして知覚される電気刺激又は機械的刺激を発生する痛覚提示機構によって提示される。感覚提示装置２２０は、力覚以外の感覚を提示する機構２４０を１又は複数備えることができる。図示の感覚提示装置２２０は、温覚をユーザーへ提示する温覚提示機構２４０を備える。温覚提示機構２４０は、ユーザーが物体的に接触したような温覚を、ユーザーに提示する温覚フィードバックを行う。実施形態の温覚提示機構２４０は、フィンガー部２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅが検出した温度を、温覚としてユーザーに提示する。

図４〜図８は、力覚提示機構２３０及び温覚提示機構２４０を備える感覚提示装置２２０を示している。感覚提示装置２２０は、第１装着部５１０を備える。第１装着部５１０は、感覚提示装置２２０をユーザーに装着させるために用いられる。第１装着部５１０は、例えば、ユーザーの手に装着される手装着部である。第１装着部５１０が装着される部位は、手の指を含むのが好ましい。実施形態の第１装着部５１０は、指に挿通される筒状の本体５１１を有する。本体５１１は、指の屈曲を許容するように、弾性変形可能な材料によって形成されている。本体５１１は、例えば、弾性変形可能なプラスチックによって形成される。

図示の第１装着部５１０は、手の指だけに装着される。ただし、第１装着部５１０は、指及び手のひらを含む手のほぼ全体に装着されてもよい。手のほぼ全体に装着される第１装着部の形態としては、例えば、グローブ形状を採用できる。図４において２点鎖線で示すように、センサグローブ２１０を、グローブ形状の第１装着部として利用することで、マスタ装置２００の構成が簡素化される。また、指だけに装着される第１装着部５１０に、指の曲げを検出する曲げセンサ２１１を具備させることで、第１装着部５１０を操作器２１０として機能させることもできる。

図５及び図６に示すように、感覚提示装置２２０は、複数（４個）の第１装着部５１０を備えている。複数の第１装着部５１０は、親指を除く指それぞれに装着される。指を筒状の第１装着部５１０内に挿通させることで、第１装着部５１０が指に装着される。親指に第１装着部５１０を装着させてもよい。感覚提示装置２２０は、第１装着部５１０が装着された指に対して、力覚及び温覚を提示する。

感覚提示装置２２０は、第２装着部５２０を備える。第２装着部５２０は、第１装着部５１０とは異なる身体部位へ、感覚提示装置２２０を装着させるために用いられる。第２装着部５２０は、例えば、ユーザーの前腕に装着される前腕装着部である。前腕とは、肘から手首の間の部位である。

第１装着部５１０及び第２装着部５２０が装着される部位は特に限定されない。第１装着部５１０が装着される部位と第２装着部５２０が装着される部位との間には、少なくとも一つの関節が介在していればよい。例えば、第１装着部５１０が手の指に装着される場合、第２装着部５２０は、手のひら、又は、第１装着部５１０が装着された指とは別の指（例えば、親指）に装着されていてもよい。

図４に戻り、第２装着部５２０は、ベース５２１を備える。ベース５２１は、例えば、前腕の長手方向に沿った長尺部材である。ベース５２１は、ユーザーへの装着時において前腕の手のひら側の面に当接する。ベース５２１は、ユーザーに巻かれる複数本のベルト５２２，５２３を備える。ベルト５２２，５２３は、例えば、ユーザーの前腕に巻き付けにより、第２装着部５２０が前腕に装着される。複数本のベルト５２２，５２３によって長尺状のベース５２１が前腕の長手方向に沿って装着されることで、第２装着部５２０の装着状態が安定する。

第２装着部５２０は、ベース５２１から、ユーザーの指の方へ延びる延長部５２５を備えている。第２装着部５２０は、複数の延長部５２５を備えている。延長部５２５の数は、例えば、第１装着部５１０の数に対応し、４個である。複数の延長部５２５は、前腕に装着されたベース５２１から、親指を除く各指の方へ延びている。各延長部５２５の先端５２６は、第１装着部５１０が装着された指の手のひら側の面から間隔をおいて、各指の手のひら側の面に対向して位置する。このように、第２装着部５２０の延長部５２５の先端５２６は、第１装着部５１０に対して対向配置となっている。第１装着部５１０が装着された指が屈曲すると、第１装着部５１０は、延長部先端５２６に近づく。第１装着部５１０が装着された指を延ばすと、第１装着部５１０は、延長部先端５２６から離れる。

［２．３ 力覚提示機構］
力覚提示機構２３０は、例えば、シリンダを有して構成される。力覚提示機構２３０は、シリンダから出力する推力によって、力覚を提示する。感覚提示装置２２０は、第１装着部５１０が装着された各指に力覚を個別に提示するため、第１装着部５１０の数に対応した数（４個）のシリンダ２３０を有している。

シリンダ２３０は、シリンダチューブ２３１及びシリンダロッド２３２を備える。シリンダロッド２３２は、シリンダチューブ２３１に対して進退移動可能に設けられている。シリンダチューブ２３１には、シリンダ２３０の動作のための流体圧が印加される。シリンダロッド２３２は、シリンダチューブ２３１に印加された流体圧によって、シリンダチューブ２３１に対して進退移動する。

シリンダ２３０は、駆動流体が空気であるエアシリンダが好ましい。エアシリンダ２３０は、シンプルな構造を有しており、軽量であるため、ユーザーに装着される力覚提示機構として好適である。

シリンダ２３０には、単動型と複動型とがあり、いずれを採用してもよいが、好適な力覚提示のためには、単動型であるのが好ましい。単動型とは、流体圧印加によるシリンダロッド２３２の移動方向が単方向であるものをいい、流体圧印加による移動方向とは逆方向への移動は、バネ、ロッド２３２自重、又は外力によって行われる。複動型は、流体圧印加によるロッド２３２の移動方向が双方向であるものをいう。指先への力覚提示では、一方向の力を提示することが求められることが多いため、単動型が好ましい。

以下では、力覚提示機構２３０を構成するシリンダとして、空気圧印加により指先をシリンダロッド２３２により押圧する単動型エアシリンダを用いた例について説明する。

力覚提示機構を構成するシリンダ２３０は、第１装着部５１０と第２装着部５２０との間に設けられている。実施形態の力覚提示機構２３０は、装着部５１０，５２０によってユーザーに装着される。力覚提示機構２３０がユーザーに装着されていることで、ユーザーの移動性が向上する。シリンダ２３０は、第１装着部５１０と、第２装着部５２０の延長部先端５２６と、の間の間隔を広げる方向に力を発生することで、第１装着部５１０が装着された部位に対して力覚を提示する。

図示のシリンダ２３０は、シリンダチューブ２３１が第２装着部５２０側に支持され、シリンダロッド２３２が第１装着部５１０側に支持される。ただし、シリンダチューブ２３１が第１装着部５１０側に支持され、シリンダロッド２３２が第２装着部５２０側に支持されていてもよい。

図７に示すように、第１装着部５１０は、筒状の本体５１１に設けられた第１支持部５５１を備えている。第１支持部５５１は、例えば、本体５１１と一体形成されている。第１支持部５５１は、シリンダ２３０の長手方向一端側を支持する。シリンダ２３０の長手方向一端は、例えば、例えば、シリンダロッド２３２の先端２３２ａである。第１支持部５５１は、指に接触する接触面５５１ａを有する。接触面５５１ａは、シリンダ２３０から出力された推力によって指を押圧し、力覚を指に与えるための力覚提示面である。接触面５５１ａは、例えば、指先、より具体的には指の第１関節Ｊ１よりも先の部位、に接触する。接触面５５１ａは、例えば、指の手のひら側の位置（指の腹）に接触する。実施形態の接触面５５１ａは、ユーザーが指の腹で物体を触ったときのような力覚を、ユーザの指の腹に提示することができる。

実施形態において、第１支持部５５１は、第１ジョイント５６０を介して、ロッド先端２３２ａを支持する。第１ジョイント５６０は、第１装着部５１０に対するシリンダ２３０の角度が可変となるように、第１支持部５５１とロッド先端２３２ａとを接続する。図８に示すように、第１ジョイント５６０によって、直線的な運動をするシリンダ２３０を指に装着しても、ユーザーの指の比較的自由な動きが確保される。

第１ジョイント５６０は、例えば、ボールジョイントである。ボールジョイント５６０は任意の方向に角度を変えることができるため、指の動きの自由度がより高まる。ボールジョイント５６０は、球体５６３と、球体５６３に取り付けられた棒体５６５と、球体５６３と球面接触し球体５６３を保持するソケット５６７と、を備える。棒体５６５は、第１支持部５５１内に形成された孔に挿入され、ボールジョイント５６０を第１支持部５５１に取り付ける部材として機能する。ソケット５６７は、その内部に形成された孔にシリンダロッド先端２３２ａが挿入され、ボールジョイント５６０をシリンダ２３０に取り付ける部材として機能する。

図４に戻り、第２装着部５２０は、第２ジョイント５８０を介して延長部５２５に設けられた第２支持部５７１を備えている。第２支持部５７１は、シリンダチューブ２３１を支持する。第２支持部５７１は、シリンダチューブ２３１のシリンダロッド側端部２３１ａ付近において、シリンダチューブ２３１を支持する。第２支持部５７１がシリンダロッド側端部２３１ａ付近を支持することで、第１装着部５１０と第２装着部５２０との間の間隔を小さくでき、装置２２０をコンパクトにできる。第２支持部５７１は、筒状であり、内部に挿通されたシリンダチューブ２３１を保持する。

第２ジョイント５８０は、左右方向の軸５８１を回動中心として回動する。左右方向とは、ユーザーからみた左右方向である。第２ジョイント５８０は、第２装着部５２０に対するシリンダ２３０の角度が可変となるように、延長部５２５と第２支持部５７１とを接続する。図８に示すように、第２ジョイントによって、ユーザーの指の屈曲に応じて、第２装着部５２０に対するシリンダ２３０の角度を変えることができる。これにより、ユーザーの指の比較的自由な動きが確保される。

［２．４ 温覚提示機構］
温覚提示機構２４０は、各第１装着部５１０に設けられている。感覚提示装置２２０は、第１装着部５１０が装着された各指に温覚を個別に提示するため、第１装着部５１０の数に対応した数（４個）の温覚提示機構２４０を有している。

図７に示すように、第１装着部５１０は、温覚提示機構２４０の保持のため、筒状の本体５１１に設けられた保持部５９０を有する。実施形態の保持部５９０は、本体５１１と一体形成されている。保持部５９０は、温覚提示機構２４０を内部に収納できる中空箱形状に形成されている。保持部５９０は、温覚提示機構２４０から発生した熱の効率的な放熱のため、放熱用開口５９０ａを有する。保持部５９０は、第１支持部５５１と隣接して配置されている。保持部５９０は、第１支持部５５１とも一体形成されている。保持部５９０は、第１支持部５５１よりも指の根元側（手のひら側）に配置されている。

実施形態の保持部５９０は、指先、より具体的には指の第１関節Ｊ１よりも先の部位、に温覚提示機構２４０を接触させるように、温覚提示機構２４０を保持する。温覚提示機構２４０は、例えば、指の手のひら側の位置（指の腹）に接触する。実施形態の温覚提示機構２４０は、ユーザーが指の腹で物体を触ったときのような温覚を、ユーザーの指の腹に提示することができる。力覚及び温覚のような複数の感覚を、ユーザーの同一の部位又は互いに近傍の位置において提示することで、ユーザーが物体を触ったときの感覚を複合的に提示することができる。

実施形態の温覚提示機構２４０は、熱電素子２４１を有する。熱電素子２４１は、例えば、ペルチェ素子である。ペルチェ素子は、熱移動により、冷却と発熱とを生じさせる。実施形態においては、ペルチェ素子を指の冷却用に用いる。ペルチェ素子を発熱用に用いてもよい。実施形態では、ペルチェ素子２４１の冷却面が、ユーザーの指に接触する接触面２４１ａとされている。接触面２４１ａは、温覚を指に与えるための温覚提示面である。

実施形態において、温覚提示面である接触面２４１ａは、力覚を指に与える力覚提示面でもある。温覚提示機構２４０を保持する保持部５９０は、支持部５５１と一体形成されているので、シリンダ２３０から出力された推力は、支持部５５１及び保持部５９０を介して、温覚提示機構２４０に与えられる。この結果、接触面２４１ａは、力覚を指に与える力覚提示面としても機能する。

単一の接触面２４１ａが複数の感覚（ここでは、温覚及び力覚）の提示面として機能することで、複合的な感覚提示をより適切に行える。例えば、人が物体へ接触することによって感じる物体の体感温度は、物体に対する接触圧によって異なることがある。同じ温度の物体に対して、強く接している場合には物体の温度はより強く感じられ、軽く接触している場合には物体の温度はより弱く感じられる。また、例えば、人が物体へ接触することによって感じる物体表面の質感は、物体に対する接触圧によって異なることがある。同じ質感の物体に対して、強く接している場合には物体の質感はより強く感じされ、軽く接触している場合には物体の質感はより弱く感じられる。温覚等の提示面２４１ａが力覚提示面としても機能していることで、ユーザーに対する提示面２４１ａの接触圧を、変化させることができる。ユーザーに対する提示面２４１ａの接触圧は、力覚提示のために出力された力が大きくなれば高まり、力覚提示のために出力された力が小さくなれば低くなる。

実施形態の温覚提示機構２４０は、ペルチェ素子の熱移動により発生した熱を、放出するヒートシンク２４３を備える。ヒートシンク２４３の放熱効率を高めるため、実施形態の温覚提示機構２４０は、放熱ファン２４５を備える。熱電素子２４１、ヒートシンク２４３及び放熱ファン２４５は、保持部５９０によって保持されている。

［２．５ 感覚提示の駆動制御系］
図９は、感覚提示のための駆動制御系を示している。駆動制御系は、力覚提示機構（エアシリンダ）２３０の駆動のため、電空レギュレータ２３５及びコンプレッサ２３７を備える。電空レギュレータは、コントローラ４００からの指令電気信号の値に応じた空圧を、エアシリンダ２３０に出力する。コンプレッサ２３７は、圧縮空気を電空レギュレータに供給する。駆動制御系は、ペルチェ素子２４１の駆動のため、ペルチェ素子駆動回路２４７を備える。ペルチェ回路駆動素子は、コントローラ４００からの指令電気信号に応じた電流を、ペルチェ素子２４１に出力する。

コントローラ４００は、曲げセンサ２２１，３２０の検出結果に基づいて力覚提示処理を行う。力覚提示処理として、コントローラ４００は、センサグローブ２１０の曲げセンサ２１１によって検出された第１屈曲角と、ロボットハンド３１０の曲げセンサ３２０によって検出された第２屈曲角と、を比較する。ロボットハンド３１０のフィンガー部２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅが物体に接触すると、フィンガー部２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅは、ユーザーの指の曲げ度合よりも小さい曲げ度合となり、第２屈曲角が第１屈曲角よりも小さくなる。第２屈曲角が第１屈曲角よりも小さくなると、コントローラ４００は、第１屈曲角と第２屈曲角との差に応じた空圧がエアシリンダ２３０に与えられるよう電空レギュレータ２３５を制御する。コントローラ４００は、第１屈曲角と第２屈曲角との差が大きくなるほど、エアシリンダ２３０に与えられる空圧を大きくする。例えば、屈曲角の差が１０°のときは空圧を１０ｋＰａ、屈曲角の差が２０°のときは空圧を２０ｋＰａ、屈曲角の差が３０°のときは空圧を４０ｋＰａとすることができる。

コントローラ４００は、温度センサ３３０の検出結果に基づいて温覚提示処理を行う。温覚提示処理としては、コントローラ４００は、温度センサ３３０によって検出された温度に基づいて、ユーザーに提示される温度（提示温度）を決定する。コントローラ４００は、温覚提示機構２４０（ペルチェ素子２４１）が提示温度を提示するようにペルチェ素子駆動回路２４７を制御する。例えば、温度センサ３３０が２０°Ｃ以上３０°Ｃ未満の温度を検出したときは提示温度を２０°とし、温度センサ３３０が３０°Ｃ以上４０°Ｃ未満の温度を検出したときは３０°を提示温度とし、温度センサ３３０が４０°Ｃ以上５０°Ｃ未満の温度を検出したときは４０°Ｃを提示温度とすることができる。

［２．６ 感覚チューニング］
ロボット３１０に備わった温度センサ３３０の温度検出性能は、知覚性能とは異なる。多くの場合、温度センサ３３０の方が人よりも、温度検出可能範囲が広い。また、−１００°Ｃや１００°Ｃの温度は、ユーザーにとっては強すぎる刺激である。そこで、図１０（ａ）に示すように、コントローラ４００は、温度センサ３３０によって検出される温度範囲よりも狭い温度範囲で温覚がユーザーに提示されるように、提示温度を決定する。例えば、温度センサ３３０の温度検出範囲が−１００°Ｃ〜１００°Ｃである場合、コントローラ４００は、検出された温度を、線形又は非線形の変換処理によって、より狭い提示温度範囲の温度に変換し、変換された温度を提示温度とする。提示温度範囲は、例えば、５°Ｃから４０°Ｃである。このような変換処理により、ユーザーは、直接知覚することが容易ではない温度であっても、温覚として知覚するのが容易となる。

多くの場合、温度センサ３３０の方が人よりも、温度検出分解能が高い。温度センサ３３０は、人が感じることが困難な僅かな温度差（例えば、０．１°Ｃの温度差）を検出することができる。そこで、図１０（ｂ）に示すように、コントローラ４００は、温度センサ３３０によって検出される温度範囲よりも広い温度範囲で温覚がユーザーに提示されるように、提示温度を決定する。例えば、温度センサ３３０の温度検出範囲が３５°Ｃ〜４０°Ｃである場合、コントローラ４００は、検出された温度を、線形又は非線形の変換処理によって、より広い提示温度範囲の温度に変換し、変換された温度を提示温度とする。提示温度範囲は、例えば、０°から５０°Ｃである。この場合、検出温度は、５°Ｃ分の範囲内で変動するのに対して、提示温度は、５０°Ｃ分の範囲で変動する。したがって、例えば、検出温度における０．１°Ｃの温度差が、提示温度では１°Ｃの温度差となり、僅かな検出温度差をユーザーが知覚し易くなる。

コントローラ４００は、図１０（ｃ）に示すように、温度範囲の大きさ及び検出分解能を変化させずに、温度を変換してもよい。例えば、温度センサ３３０の温度検出範囲が−５０°Ｃ〜−１０°Ｃである場合、コントローラ４００は、検出された温度にバイアス温度を加算して、０°〜４０°の提示温度範囲の温度に変換してもよい。バイアス温度は、例えば、５０°Ｃである。バイアス温度は、負の値であってもよい。このような変換処理により、ユーザーは、直接知覚することが容易ではない温度であっても、温覚として知覚するのが容易となる。

図１０に示すような変化処理は、提示される感覚が温覚である場合に適用される他、力覚、その他の感覚が提示される場合に行っても良い。これにより、ロボット３１０に備わったセンサによって検出された物理的特性又は化学的特性をユーザーが直接知覚したときの感覚とは異なる大きさの皮膚感覚を、ユーザーに提示できる。

［２．７ 異種感覚提示］
ロボット３１０は、温度センサ３３０に代えて、又は加えて、光センサ、生化学センサ、匂いセンサ、ガスセンサ、味センサ、ｐＨセンサを備えても良い。コントローラ４００は、これらのセンサによって検出された物理的特性値又は化学的特性値を、力覚以外の感覚を提示する機構２４０によって皮膚感覚として提示することができる。光センサ、生化学センサ、匂いセンサ、ガスセンサ、味センサ、ｐＨセンサ等によって検出される物理的特性値又は化学的特性値は、人が皮膚感覚として知覚するのは不可能又は困難であるが、そのような物理的特性値又は化学的特性値であっても、感覚提示機構２４０が、皮膚感覚として提示することで、ユーザーは皮膚感覚として知覚できる。これにより、ユーザーは、ロボットを介して接触した物体の情報を、皮膚感覚によって、より多く得ることができる。

例えば、ロボット３１０は、フィンガー部に備わったｐＨセンサ３３０によって、フィンガー部が接触した物体のｐＨを検出することができる。コントローラ４００は、図１１に示すように、検出されたｐＨ（検出結果）に基づいて、提示温度を決定し、温覚提示機構２４０によって、ｐＨの値に応じた温覚を提示させる。これにより、ユーザーは、ｐＨを温覚として知覚することができる。

ロボット３１０が有する複数のフィンガー部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅは、それぞれ異なる種類のセンサを有してもよい。複数の第１装着部５１０が有する感覚提示機構２４０は、それぞれ異なる種類の皮膚感覚を提示するものであってもよい。例えば、人差し指に感覚を提示する機構２４０は温覚を提示し、中指に感覚を提示する機構は触覚を提示ししてもよい。

［３．付記］
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。実施形態に係る感覚提示装置２２０は、物理的に実在するロボット３１０によって検出された感覚のフィードバックのために用いられるだけでなく、仮想空間からの感覚フィードバックに用いられても良い。

１００ ロボットシステム
２００ マスタ装置
２１０ センサグローブ
２２０ 感覚提示装置
２２１ 曲げセンサ
２３０ 力覚提示機構
２４０ 温覚提示機構
３００ スレーブ装置
３１０ ロボットハンド
３２０ 曲げセンサ
３３０ 温度センサ

Claims (8)

1. ロボットと、
   ユーザーの指に装着される第１装着部と、
   前記ロボットによる物体への接触に基づく力覚を、前記ユーザーの指に提示する第１提示機構と、
   前記ロボットによる検出結果に基づく感覚であって、前記第１提示機構によって提示される前記力覚とは異なる皮膚感覚を、前記ユーザーに提示するよう前記第１装着部に取り付けられた第２提示機構と、
   を備え、
   前記第１提示機構は、前記ユーザーの前記指に提示すべき前記力覚の大きさに応じた推力を前記第１装着部に与えるシリンダを有し、
   前記シリンダは、前記第１装着部に対する前記シリンダの角度を可変にするジョイントを介して、前記第１装着部に接続されている
   ロボットシステム。
2. 前記第２提示機構は、前記第１提示機構が力覚提示のために出力した力を受けて、前記ユーザーへの接触圧が高まるように設けられている
   請求項１記載のロボットシステム。
3. 前記ジョイントは、ボールジョイントである
   請求項１又は２のいずれか１項に記載のロボットシステム。
4. 前記ユーザーの前腕に装着される第２装着部を更に備え、
   前記第１提示機構は、前記第１装着部と前記第２装着部との間に設けられている
   請求項３記載のロボットシステム。
5. 前記第２提示機構によって提示される前記感覚は、温覚を含む
   請求項１〜４のいずれか１項に記載のロボットシステム。
6. 前記ロボットが検出した物理的特性値又は化学的特性値をユーザーが直接知覚したときの感覚とは異なる大きさの皮膚感覚が、前記第２提示機構によって提示されるように、前記第２提示機構を制御するコントローラをさらに備える
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のロボットシステム。
7. 前記第２提示機構は、前記ロボットが検出した物理特性値又は化学特性値をユーザーが直接知覚したときの皮膚感覚とは異なる種類の皮膚感覚を提示するよう構成されている
   請求項１〜６のいずれか１項に記載のロボットシステム。
8. ユーザーの指に装着される第１装着部と、
   力覚を前記ユーザーの前記指に提示する第１提示機構と、
   前記第１提示機構によって提示される前記力覚とは異なる皮膚感覚を、前記ユーザーに提示するよう前記第１装着部に取り付けられた第２提示機構と、
   を備え、
   前記第１提示機構は、前記ユーザーの前記指に提示すべき前記力覚の大きさに応じた推力を前記第１装着部に与えるシリンダを有し、
   前記シリンダは、前記第１装着部に対する前記シリンダの角度を可変にするジョイントを介して、前記第１装着部に接続されている
   感覚提示装置。
   
   

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