JP6957036B2

JP6957036B2 - 位置・力制御装置

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Publication number: JP6957036B2
Application number: JP2018504594A
Authority: JP
Inventors: 貴裕野崎; 大西　公平; 福島　聡
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2037-03-09
Also published as: WO2017155051A1; JPWO2017155051A1

Description

本発明は、位置に基づく物理量及び力に基づく物理量による制御を実行する位置・力制御装置に関する。

従来、労働災害や事故、病気、戦争被害等によって失われた身体部位の働きを補う目的で、義手をはじめ、様々な義肢が用いられている。
このような技術により、四肢等の機能に障害を有する障害者を支援することができる。
なお、このような技術の一例として、例えば特許文献１には筋電の強さにより開状態と閉状態を判断する筋電義手に関する技術が記載されている。

特開２０１４−０５０５９０号公報

しかしながら、従来の義肢は、例えば義手であれば単に人間の手の外観を再現したものや他の身体部位の動きをワイヤで伝えるものであった。これらの義肢は、力触覚が感じられないため、把持対象物を破壊したり手放したりする可能性がある。また、上述のような筋電義手の場合、把持力の調整が困難であると共に、筋電測定時の雑音も問題とされており、多くの課題が残る。なお、このような課題は、健常者における身体の部位の感覚及び動作を代替する装置（ロボットアーム等）を実現する場合にも共通するものである。
このように、障害者等を支援するための従来の技術は、物体との相互作用における適切な位置・力の制御（位置に基づく物理量及び力に基づく物理量による制御）を実現できるものではなかった。

本発明の課題は、物体との相互作用におけるより適切な位置・力の制御を実現することである。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る位置・力制御装置は、
身体の部位によって操作され、操作反力を生成する機能を有する操作装置を備えた身体感覚供給側デバイスと、
身体の部位の機能または身体の部位によって操作される装置の機能を有する実行装置を備えた身体感覚受容側デバイスと、
前記身体感覚供給側デバイスの操作位置に関する情報に対応する速度（位置）及び力の情報と、前記身体感覚受容側デバイスの出力位置に関する情報に対応する速度（位置）及び力の情報とに基づいて、前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスの出力における速度または位置の制御量と力の制御量とを算出する制御部と、
前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスの出力における前記速度または位置の制御量と前記力の制御量とを統合し、その出力を前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスに戻すべく前記速度または位置の制御量と前記力の制御量とを逆変換して、前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスへの入力を決定する統合手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、物体との相互作用におけるより適切な位置・力の制御を実現することができる。

本発明の基本的概念を示す模式図である。本発明を適用した力触覚伝達装置１の構成を示すブロック図である。力触覚伝達装置１の具体的構成を示す図である。図４（Ａ）は、力触覚伝達装置１が実現する身体機能の一例を示す外観図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す義手における指の駆動機構を示す模式図である。本発明の効果の一例を示す模式図であり、図５（Ａ）は本実施形態に係る力触覚伝達装置１によって木円盤を移送した場合の位置の追従結果を示す図、図５（Ｂ）は従来の筋電義手によって木円盤を移送した場合の力の追従結果を示す図である。本発明の効果の他の例を示す模式図であり、図６（Ａ）は本実施形態に係る力触覚伝達装置１によって直方体を移送した場合の位置の追従結果を示す図、図６（Ｂ）は従来の筋電義手によって直方体を移送した場合の力の追従結果を示す図である。力触覚伝達装置１によって実現される身体機能の一例を示す図である。力触覚伝達装置１によって実現される身体機能の一例を示す図である。力触覚伝達装置１によって実現される身体機能の一例を示す図である。力触覚伝達装置１によって実現される、身体機能による操作対象物に直接作用する装置の一例を示す図である。身体感覚供給側デバイスＤ１の具体的な構成例を示す図であり、図１１（Ａ）は指先側を前方として身体感覚供給側デバイスＤ１を左後方から見た斜視図、図１１（Ｂ）は指先側を前方として身体感覚供給側デバイスＤ１を左前方から見た斜視図である。身体感覚供給側デバイスＤ１の具体的な他の構成例を示す図である。身体感覚受容側デバイスＤ２の具体的な構成例を示す図である。障害者等の食事を支援する装置として構成した力触覚伝達装置１の外観図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
［基本的概念］
図１は、本発明の基本的概念を示す模式図である。
本発明は、事故や疾患等により身体の部位の機能を喪失した障害者を支援するため、障害者自身の意思で運動可能な部位（健全な部位や比較的障害が軽い部位等）によって、喪失した身体の部位の感覚及び動作を代替する装置を実現するものである。
例えば、図１に示すように、右手を失った障害者の義手の把持動作を、健全な部位である足首の動作によって制御すると共に、義手に入力される作用を足首に伝達することで、障害者は右手の運動機能及び身体感覚を足首に人工的に移植することができる。
このとき、義手における指の速度（位置）及び力の制御エネルギーと、足首の速度（位置）及び力の制御エネルギーとを、後述する制御則によって相互に変換して分配することで、身体感覚が忠実に伝達される。
これにより、物体との相互作用におけるより適切な位置・力の制御が可能な位置・力制御装置を実現することができる。
ただし、本発明は障害者に限らず、健常者における身体の部位の感覚及び動作を代替する装置として実現することも可能である。さらに、本発明は、身体感覚（力触覚）を忠実に伝達する場合の他、速度（位置）あるいは力を加工して伝達する場合等、物体との相互作用におけるより適切な位置・力の制御（位置に基づく物理量及び力に基づく物理量による制御）を行う装置として実現することが可能である。
以下、本発明の位置・力制御装置の一実施形態である力触覚伝達装置の構成について説明する。

［構成］
図２は、本発明を適用した力触覚伝達装置１の構成を示すブロック図である。
図２に示すブロック図は、本発明を適用した力触覚伝達装置１の基本的構成を示しており、具体的装置として実装する場合、各ブロックを装置構成に合わせた形態で、適宜、ユニット化すること等が可能である。
図２に示すように、力触覚伝達装置１は、制御対象システムＳと、力・速度割当変換ブロックＦＴと、理想力源ブロックＦＣあるいは理想速度（位置）源ブロックＰＣの少なくとも一つと、逆変換ブロックＩＦＴとを含んで構成される。なお、本実施形態においては、制御対象システムＳとして、身体感覚供給側デバイスＤ１と、身体感覚受容側デバイスＤ２とが含まれる。

制御対象システムＳは、アクチュエータによって作動するマニピュレータ（実行装置）あるいはアクチュエータによって操作反力を生成可能な操作装置によって構成され、加速度等に基づいてアクチュエータの制御を行う。
具体的には、制御対象システムＳは、障害者等において身体感覚が健全な部位によって操作される身体感覚供給側デバイスＤ１（操作装置）と、障害者等において身体の機能が失われた部位の機能を代替する身体感覚受容側デバイスＤ２（実行装置）とを含んで構成される。
身体感覚供給側デバイスＤ１は、障害者等において身体感覚が健全な部位によって操作可能な操作インターフェースを備える操作装置であり、操作を行う身体の部位に応じた構造で構成される。例えば、足で操作を行う場合、ペダルやボタン等、足で押下可能な構造とすることができる。
身体感覚受容側デバイスＤ２は、障害者等において身体の機能が失われた部位の機能を代替する構造を有するマニピュレータによって構成される。例えば、失われた手の機能を代替する場合、２本のアームあるいは３本または５本の指等で構成された手の形態を備える把持装置とすることができる。

力・速度割当変換ブロックＦＴは、制御対象システムＳに応じて設定される速度（位置）及び力の領域への制御エネルギーの変換を定義するブロックである。具体的には、力・速度割当変換ブロックＦＴでは、制御対象システムＳの機能の基準となる値（基準値）と、アクチュエータの現在位置とを入力とする座標変換が定義されている。この座標変換は、一般に、基準値及び現在速度（位置）を要素とする入力ベクトルを速度（位置）の制御目標値を算出するための速度（位置）からなる出力ベクトルに変換すると共に、基準値及び現在の力を要素とする入力ベクトルを力の制御目標値を算出するための力からなる出力ベクトルに変換するものである。本実施形態において、力・速度割当変換ブロックＦＴにおける座標変換は、次式（１）及び（２）として表される。

ただし、式（１）において、ｘ’_ｐは速度（位置）の状態値を導出するための速度、ｘ’_ｆは力の状態値に関する速度である。また、ｘ’_ｍは基準値（身体感覚供給側デバイスＤ１からの入力）の速度（身体感覚供給側デバイスＤ１の現在位置の微分値）、ｘ’_ｓは身体感覚受容側デバイスＤ２の現在の速度（現在位置の微分値）である。また、式（２）において、ｆ_ｐは速度（位置）の状態値に関する力、ｆ_ｆは力の状態値を導出するための力である。また、ｆ_ｍは基準値（身体感覚供給側デバイスＤ１からの入力）の力、ｆ_ｓは身体感覚受容側デバイスＤ２の現在の力である。

理想力源ブロックＦＣは、力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された座標変換に従って、力の領域における演算を行うブロックである。理想力源ブロックＦＣにおいては、力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された座標変換に基づく演算を行う際の力に関する目標値が設定されている。この目標値は、実現される機能に応じて固定値または可変値として設定される。例えば、基準値が示す機能と同様の機能を実現する場合には、目標値としてゼロを設定したり、スケーリングを行う場合には、再現する機能を示す情報を拡大・縮小した値を設定したりできる。

理想速度（位置）源ブロックＰＣは、力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された座標変換に従って、速度（位置）の領域における演算を行うブロックである。理想速度（位置）源ブロックＰＣにおいては、力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された座標変換に基づく演算を行う際の速度（位置）に関する目標値が設定されている。この目標値は、実現される機能に応じて固定値または可変値として設定される。例えば、基準値が示す機能と同様の機能を実現する場合には、目標値としてゼロを設定したり、スケーリングを行う場合には、再現する機能を示す情報を拡大・縮小した値を設定したりできる。

逆変換ブロックＩＦＴは、速度（位置）及び力の領域の値を制御対象システムＳへの入力の領域の値（例えば電圧値または電流値等）に変換するブロックである。
このような基本的構成により、制御対象システムＳのアクチュエータにおける位置の情報が力・速度割当変換ブロックＦＴに入力されると、位置に関する情報に対応する速度（位置）及び力の情報を用いて、力・速度割当変換ブロックＦＴにおいて、位置及び力の領域それぞれの制御則が適用される。そして、理想力源ブロックＦＣにおいて、力の演算が行われ、理想速度（位置）源ブロックＰＣにおいて、速度（位置）の演算が行われ、力及び速度（位置）それぞれに制御エネルギーが分配される。なお、本実施形態においては、アクチュエータ等の位置を検出し、検出した位置から力の情報を取得する場合を例に挙げて説明するが、トルクメータ等、力を検出するセンサによって力の情報を取得することとしてもよい。

理想力源ブロックＦＣ及び理想速度（位置）源ブロックＰＣにおける演算結果は、制御対象システムＳの制御目標を示す情報となり、これらの演算結果が逆変換ブロックＩＦＴにおいてアクチュエータの入力値とされて、制御対象システムＳに入力される。
その結果、制御対象システムＳのアクチュエータは、力・速度割当変換ブロックＦＴによって定義された機能に従う動作を実行し、目的とする力触覚伝達装置１の動作が実現される。
即ち、本発明においては、物体との相互作用におけるより適切な位置・力の制御が可能な力触覚伝達装置１を実現することが可能となる。

［具体的構成］
次に、力触覚伝達装置１の具体的構成について説明する。
図３は、力触覚伝達装置１の具体的構成を示す図である。
なお、図３においては、具体的な装置として実装される場合の制御系統の一形態を示している。
図４（Ａ）は、力触覚伝達装置１が実現する身体機能の一例を示す外観図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す義手における指の駆動機構を示す模式図である。
図４（Ａ）に示すように、力触覚伝達装置１は、制御対象システムＳとして、靴の形態で実現され、内部に設置されたボタンがユーザの健全な足によって操作される身体感覚供給側デバイスＤ１と、３本の指を備える義手の形態で実現され、ユーザの失われた手の機能を代替する身体感覚受容側デバイスＤ２とを備えている。なお、図４（Ａ）において、身体感覚供給側デバイスＤ１及び身体感覚受容側デバイスＤ２それぞれには、電流を供給するバッテリと、逆変換ブロックＩＦＴとが備えられ、逆変換ブロックＩＦＴの処理結果に対応する電流が供給される。また、力・速度割当変換ブロックＦＴと、理想力源ブロックＦＣあるいは理想速度（位置）源ブロックＰＣの少なくとも一つとは、身体感覚供給側デバイスＤ１または身体感覚受容側デバイスＤ２と一体に設置したり、不図示の別ユニットとして構成したりすることができる。さらに、身体感覚供給側デバイスＤ１及び身体感覚受容側デバイスＤ２を含む力触覚伝達装置１の各部は、例えばブルートゥース（登録商標）やＷｉ−Ｆｉ等の無線通信によって、制御に関する情報を互いに通信可能な構成とすることができる。

以下、図４（Ａ）に示す外観形態の力触覚伝達装置１が、図３に示す制御系統の一形態によって制御されるものとして説明する。
図３に示すように、力触覚伝達装置１は、制御対象システムＳ（身体感覚供給側デバイスＤ１及び身体感覚受容側デバイスＤ２）と、身体感覚対応付けユニット１０と、応答値取得部２０ａ，２０ｂとを含んで構成される。
これらのうち、制御対象システムＳについては、図２において説明した通りである。ただし、図４（Ａ）に示す義手は、３本の指それぞれにアクチュエータが備えられ、これら複数のアクチュエータと、靴の内部に設置されたボタンに備えられた１つのアクチュエータとの間で、力触覚の伝達が行われる。また、図４（Ｂ）に示すように、各指は、アクチュエータの回転が傘歯車を介して開閉動作に変換される機構を備えている。

このとき、義手の指の動きのモードに応じて、力・速度割当変換ブロックＦＴを介した統合的な制御（速度（位置）及び力のバイラテラル制御）と、従来のようなアクチュエータの独立的な制御（速度（位置）または力のインピーダンス制御）とを併せて用いることで、より適切な動作が実現される。なお、インピーダンス制御とは、機械的インピーダンス（剛性、粘性及び慣性）が目的に応じた状態となるように速度（位置）及び力を制御する手法である。具体的には、義手における親指、人差し指及び中指の３本の指の動きには、（１）人差し指及び中指と親指とが互いに近づいて対象物を保持する把持モードと、（２）親指に対して人差し指と中指とが相対的に逆方向に移動する回転モードと、（３）親指、人差し指及び中指が同方向に移動する操りモードと、が成分として含まれている。そして、把持モードには上述のバイラテラル制御を用いると共に、回転モード及び操りモードにはインピーダンス制御を用いることで、種々の環境に応じて適切に対象物を把持する動作が実現される。

なお、靴の内部に設置されたボタンに備えられた１つのアクチュエータと、親指、人差し指及び中指それぞれに備えられたアクチュエータとでバイラテラル制御を実行する場合、力の制御に関しては、靴のアクチュエータの力と、指のアクチュエータの力とにおいて作用反作用が成り立つ（即ち、和が０となる）ことが条件である。また、速度（位置）の制御に関しては、靴のアクチュエータの速度（位置）と、指のアクチュエータの速度（位置）とが一致する（即ち、差が０となる）ことが条件である。ただし、力もしくは位置（速度）に対し係数をかける等の加工を施すことも可能である。この場合、靴のアクチュエータの制御と指のアクチュエータの制御との間で、力もしくは位置のスケーリングを行うことができる。そのため、例えば足と手（指）のように、発揮できる力が異なる部位の間で、より柔軟な力触覚の伝達を行うこと等が可能となる。また、靴のアクチュエータの力もしくは位置（速度）を把持モードや回転モード、操りモードといった変換後の空間に対応付けることも可能である。この場合、各指が対象物を把持する動作の成分（モード）を選択してユーザの足に伝達することができる。そのため、装置構成や力触覚の伝達目的等に応じて、把持動作の状況をより適切にユーザに伝達することができる。このような条件に従って制御を実行することで、自由度の異なる身体感覚供給側デバイスＤ１と身体感覚受容側デバイスＤ２とでバイラテラル制御を実行することが可能となる。

身体感覚対応付けユニット１０は、図２における力・速度割当変換ブロックＦＴと、理想力源ブロックＦＣあるいは理想速度（位置）源ブロックＰＣと、逆変換ブロックＩＦＴとを含むものであり、例えば、これらの機能を実現するソフトウェアを実装したマイクロコンピュータやＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）等の制御装置によって構成される。
応答値取得部２０ａは、身体感覚供給側デバイスＤ１のアクチュエータ（またはアクチュエータの制御対象）の位置（または速度あるいは加速度）を検出するセンサであり、検出した位置を示す情報を身体感覚対応付けユニット１０に出力する。
応答値取得部２０ｂは、身体感覚受容側デバイスＤ２のアクチュエータ（またはアクチュエータの制御対象）の位置（または速度あるいは加速度）を検出するセンサであり、検出した位置を示す情報を身体感覚対応付けユニット１０に出力する。

［動作例］
次に、図３及び図４に示す力触覚伝達装置１の動作例を説明する。
力触覚伝達装置１を動作させる場合、靴の形態で実現された身体感覚供給側デバイスＤ１をユーザの健全な足に装着し、手の形態で実現された身体感覚受容側デバイスＤ２を、機能を失ったユーザの手に装着する。
そして、身体感覚受容側デバイスＤ２を、把持対象とする対象物を把持可能な位置に配置させた状態で、ユーザが身体感覚供給側デバイスＤ１のボタンを踏み込む。
すると、ボタンの踏み込み位置（踏み込みストローク）が応答値取得部２０ａによって検出され、検出された位置の情報が身体感覚対応付けユニット１０に出力される。このとき、身体感覚受容側デバイスＤ２のアクチュエータの位置も応答値取得部２０ｂによって検出され、検出された位置の情報が身体感覚対応付けユニット１０に出力される。

身体感覚対応付けユニット１０は、力・速度割当変換ブロックＦＴの機能によって、応答値取得部２０ａから入力された身体感覚供給側デバイスＤ１の位置の情報及び応答値取得部２０ｂから入力された身体感覚受容側デバイスＤ２の位置の情報を基に、（１）式及び（２）式に従う演算を行い、速度（位置）の状態値を導出するための速度ｘ’_ｐ、力の状態値に関する速度ｘ’_ｆ、速度（位置）の状態値に関する力ｆ_ｐ、力の状態値を導出するための力ｆ_ｆを算出する。
また、身体感覚対応付けユニット１０は、理想力源ブロックＦＣの機能によって、力の状態値に関する速度ｘ’_ｆ及び力の状態値を導出するための力ｆ_ｆを基に、身体感覚供給側デバイスＤ１が発生する反力の目標値及び身体感覚受容側デバイスＤ２が発生する力の目標値を算出する。同様に、身体感覚対応付けユニット１０は、理想速度（位置）源ブロックＰＣの機能によって、速度（位置）の状態値を導出するための速度ｘ’_ｐ及び速度（位置）の状態値に関する力ｆ_ｐを基に、身体感覚供給側デバイスＤ１の位置の目標値及び身体感覚受容側デバイスＤ２の位置の目標値を算出する。

そして、身体感覚対応付けユニット１０は、身体感覚供給側デバイスＤ１のための逆変換ブロックＩＦＴの機能により、身体感覚供給側デバイスＤ１が発生する反力の目標値及び身体感覚供給側デバイスＤ１の位置の目標値から身体感覚供給側デバイスＤ１への入力（電流値）を算出し、身体感覚供給側デバイスＤ１に電流を供給する。同様に、身体感覚対応付けユニット１０は、身体感覚受容側デバイスＤ２のための逆変換ブロックＩＦＴの機能により、身体感覚受容側デバイスＤ２が発生する力の目標値及び身体感覚受容側デバイスＤ２の位置の目標値から身体感覚受容側デバイスＤ２への入力（電流値）を算出し、身体感覚受容側デバイスＤ２に電流を供給する。
このような処理が連続的に繰り返されることで、ユーザによる身体感覚供給側デバイスＤ１の操作及び身体感覚受容側デバイスＤ２に対する対象物からの作用に応じた力触覚が、バイラテラル制御によって互いに伝達される。
これにより、ユーザは、自らの足による操作によって、対象物を手で把持する場合と同様の感覚を受けることができると共に、その感覚に応じた接触力で対象物を把持することができる。
したがって、物体との相互作用におけるより適切な位置・力の制御が可能な力触覚伝達装置１を実現することができる。

［実施形態の効果］
図５は、本発明の効果の一例を示す模式図であり、図５（Ａ）は本実施形態に係る力触覚伝達装置１によって木円盤（直径数センチ程度）を移送した場合の位置の追従結果を示す図、図５（Ｂ）は従来の筋電義手によって木円盤を移送した場合の力の追従結果を示す図である。
図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る力触覚伝達装置１においては、身体感覚受容側デバイスＤ２に入出力される位置及び力が、身体感覚供給側デバイスＤ１に入出力される位置及び力に追従していることがわかる。なお、図５（Ｂ）においては、座標設定の都合上、身体感覚供給側デバイスＤ１と身体感覚受容側デバイスＤ２とで、力の向きが反転して示されている（以下に示す図６（Ｂ）においても同様である）。
即ち、力触覚伝達装置１においては、木円盤を適切に把持することが可能である。
なお、筋電義手によって同様の作業を行った場合、木円盤を破損したり、途中で落としてしまったりする等、適切に把持することができなかった。また、筋電義手による場合、力触覚伝達装置１による場合に比べて、約２．８倍の作業時間を要した。これは、力触覚伝達装置１においては、対象物の形状に合わせて、各指が柔軟に把持動作を行うことができるのに対し、筋電義手においては、対象物の形状に合わせた把持動作が行えないこと、及び、筋電義手を操作するための筋肉の動作が直感的にわかり難いこと、筋電義手が出力する力の調整ができない（あるいは調整が困難である）こと等が原因であると考えられる。

また、図６は、本発明の効果の他の例を示す模式図であり、図６（Ａ）は本実施形態に係る力触覚伝達装置１によって直方体（一辺数センチ程度）を移送した場合の位置の追従結果を示す図、図６（Ｂ）は従来の筋電義手によって直方体を移送した場合の力の追従結果を示す図である。
図６（Ａ）、（Ｂ）においても、図５（Ａ）、（Ｂ）の場合と同様に、本実施形態に係る力触覚伝達装置１においては、身体感覚受容側デバイスＤ２に入出力される位置及び力が、身体感覚供給側デバイスＤ１に入出力される位置及び力に追従していることがわかる。
即ち、力触覚伝達装置１においては、直方体を適切に把持することが可能である。
なお、筋電義手によって同様の作業を行った場合、直方体を把持する動作を成功する割合は高いものの、力触覚伝達装置１による場合に比べて、約１．７倍の作業時間を要した。即ち、筋電義手によって比較的把持し易い形状の対象物であっても、本実施形態に係る力触覚伝達装置１を用いる場合の方が、より効率的に作業を行うことができる。

［実現される身体機能の例］
上述の構成により、力触覚伝達装置１は、種々の身体機能を実現可能であり、力触覚伝達装置１の装置形態は、障害者が必要とする身体機能と、その障害者が装置の操作を行う健全な部位との関係で柔軟に設計することが可能である。
以下、力触覚伝達装置１によって実現可能な身体機能の例を説明する。

［脇で挟み込む身体感覚供給側デバイスと手の機能を実現する身体感覚受容側デバイス］
図７は、力触覚伝達装置１によって実現される身体機能の一例を示す図であり、脇で挟み込むことにより操作される身体感覚供給側デバイスＤ１と、手の機能を実現する身体感覚受容側デバイスＤ２とを示す外観図である。
図７に示すように、身体感覚供給側デバイスＤ１は、ヒンジによって回転可能に連結された第１の部材Ｐ１及び第２の部材Ｐ２を備え、第１の部材Ｐ１と第２の部材Ｐ２との相対的な回転角度は、ロータリーエンコーダ等のセンサによって検出される。また、身体感覚供給側デバイスＤ１は、第１の部材Ｐ１と第２の部材Ｐ２との相対的な回転に対して反力を発生するアクチュエータを備えている。なお、第１の部材Ｐ１はユーザの胴体側に固定され、第２の部材Ｐ２はユーザの腕側に固定される。
一方、身体感覚受容側デバイスＤ２は、親指に相当する１本の指と、これに対向して物体を把持可能な２本の指とを備え、これらの指における関節の動作を制御するアクチュエータをさらに備えている。また、各指の関節の角度は、ロータリーエンコーダ等のセンサによって検出される。
このような構成の下、ユーザが身体感覚供給側デバイスＤ１を脇に挟み込んで操作すると、第１の部材Ｐ１と第２の部材Ｐ２との相対的な回転角度が検出され、身体感覚受容側デバイスＤ２の各指の角度と共に、身体感覚対応付けユニット１０に入力される。
すると、バイラテラル制御によって、ユーザによる身体感覚供給側デバイスＤ１の操作及び身体感覚受容側デバイスＤ２に対する対象物からの作用に応じた力触覚が互いに伝達される。
即ち、ユーザは、物体との相互作用における力触覚を脇で感じながら、対象物を手による場合と同様に取り扱うことができる。
これにより、例えば手の機能を失ったユーザにおいて、脇の力触覚を利用して自らの手の感覚に近い手の機能を代替することが可能となる。

［首で挟み込む身体感覚供給側デバイスと手の機能を実現する身体感覚受容側デバイス］
図８は、力触覚伝達装置１によって実現される身体機能の一例を示す図であり、首で挟み込むことにより操作される身体感覚供給側デバイスＤ１と、手の機能を実現する身体感覚受容側デバイスＤ２とを示す外観図である。
図８に示すように、身体感覚供給側デバイスＤ１は、ヒンジによって回転可能に連結された第１の部材Ｐ３及び第２の部材Ｐ４を備え、第１の部材Ｐ３と第２の部材Ｐ４との相対的な回転角度は、ロータリーエンコーダ等のセンサによって検出される。また、身体感覚供給側デバイスＤ１は、第１の部材Ｐ３と第２の部材Ｐ４との相対的な回転に対して反力を発生するアクチュエータを備えている。なお、第１の部材Ｐ３はユーザの肩に固定され、第２の部材Ｐ４はユーザの顎に当接される。
身体感覚受容側デバイスＤ２は、図７に示す構成と同様である。
このような構成の下、ユーザが身体感覚供給側デバイスＤ１を首に挟み込んで操作すると、第１の部材Ｐ３と第２の部材Ｐ４との相対的な回転角度が検出され、身体感覚受容側デバイスＤ２の各指の角度と共に、身体感覚対応付けユニット１０に入力される。
すると、バイラテラル制御によって、ユーザによる身体感覚供給側デバイスＤ１の操作及び身体感覚受容側デバイスＤ２に対する対象物からの作用に応じた力触覚が互いに伝達される。
即ち、ユーザは、物体との相互作用における力触覚を首で感じながら、対象物を手による場合と同様に取り扱うことができる。
これにより、例えば手の機能を失ったユーザにおいて、首の力触覚を利用して自らの手の感覚に近い手の機能を代替することが可能となる。

［指に装着される身体感覚供給側デバイスと膝の機能を実現する身体感覚受容側デバイス］
図９は、力触覚伝達装置１によって実現される身体機能の一例を示す図であり、指に装着することにより操作される身体感覚供給側デバイスＤ１と、膝の機能を実現する身体感覚受容側デバイスＤ２とを示す外観図である。
図９に示すように、身体感覚供給側デバイスＤ１は、親指、人差し指及び中指に装着される指型の操作子Ｐ５〜Ｐ７を備え、これらの操作子Ｐ５〜Ｐ７における反力を発生するアクチュエータをさらに備えている。また、各操作子Ｐ５〜Ｐ７の関節の角度は、ロータリーエンコーダ等のセンサによって検出される。
一方、身体感覚受容側デバイスＤ２は、ヒンジによって回転可能に連結された第１の部材Ｐ８及び第２の部材Ｐ９を備え、第１の部材Ｐ８と第２の部材Ｐ９との相対的な回転角度は、ロータリーエンコーダ等のセンサによって検出される。また、身体感覚受容側デバイスＤ２は、第１の部材Ｐ８と第２の部材Ｐ９との相対的な回転を制御するアクチュエータをさらに備えている。なお、第１の部材Ｐ８はユーザの大腿部側に固定され、第２の部材Ｐ９はユーザの下腿部側に固定される。
このような構成の下、ユーザが身体感覚供給側デバイスＤ１を、指を折り曲げる動作によって操作すると、指型の操作子Ｐ５〜Ｐ７の関節の角度が検出され、身体感覚受容側デバイスＤ２の第１の部材Ｐ８と第２の部材Ｐ９との相対的な回転角度と共に、身体感覚対応付けユニット１０に入力される。
すると、バイラテラル制御によって、ユーザによる身体感覚供給側デバイスＤ１の操作及び身体感覚受容側デバイスＤ２に対する対象物（地面等）からの作用に応じた力触覚が互いに伝達される。
即ち、ユーザは、物体との相互作用における力触覚を指で感じながら、対象物に対して脚による場合と同様の動作を行うことができる。
これにより、例えば膝の機能が低下したユーザにおいて、指の力触覚を利用して自らの脚の感覚に近い膝の機能を代替することが可能となる。
なお、このような構成の場合、複数の指型の操作子Ｐ５〜Ｐ７の複数の関節のうち、いずれか一つの動きを身体感覚受容側デバイスＤ２の動作と対応付けたり、複数の指型の操作子Ｐ５〜Ｐ７全体の動きを身体感覚受容側デバイスＤ２の動作と対応付けたりすることが可能である。

［脇で挟み込む身体感覚供給側デバイスと操作対象の機能を実現する身体感覚受容側デバイス］
本実施形態における力触覚伝達装置１によって、身体機能を実現する場合の他、実現された身体機能による操作対象物に直接作用する装置とすることも可能である。
図１０は、力触覚伝達装置１によって実現される、身体機能による操作対象物に直接作用する装置の一例を示す図であり、脇で挟み込むことにより操作される身体感覚供給側デバイスＤ１と、手の機能による操作対象物である電動ステアリング装置に直接作用する身体感覚受容側デバイスＤ２とを示す外観図である。
図１０において、身体感覚供給側デバイスＤ１は、図７に示す構成と同様である。
一方、身体感覚受容側デバイスＤ２は、電動ステアリング装置（具体的には、ステアリング操作を制御するアクチュエータ）として構成される。
このような構成の下、ユーザが身体感覚供給側デバイスＤ１を脇に挟み込んで操作すると、第１の部材Ｐ１と第２の部材Ｐ２との相対的な回転角度が検出され、身体感覚受容側デバイスＤ２のアクチュエータの位置の情報と共に、身体感覚対応付けユニット１０に入力される。図１０に示す構成では、例えば、脇を基準位置から開くと左に転舵する操作、脇を基準位置から閉じると右に転舵する操作に設定することができる。
すると、バイラテラル制御によって、ユーザによる身体感覚供給側デバイスＤ１の操作及び身体感覚受容側デバイスＤ２に対する対象物（操向輪）からの作用に応じた力触覚が互いに伝達される。
即ち、ユーザは、物体との相互作用における力触覚を脇で感じながら、対象物を手による場合と同様に取り扱うことができる。
これにより、例えば手の機能を失ったユーザにおいて、脇の力触覚を利用して自らの手でハンドルを操作する場合と同様の感覚で、自動車の操舵操作を行うことが可能となる。

［デバイスの構成例］
次に、本発明の身体感覚供給側デバイスＤ１及び身体感覚受容側デバイスＤ２を実現する具体的なデバイスの構成例について説明する。
［身体感覚供給側デバイスの構成例］
図１１は、身体感覚供給側デバイスＤ１の具体的な構成例を示す図であり、図１１（Ａ）は指先側を前方として身体感覚供給側デバイスＤ１を左後方から見た斜視図、図１１（Ｂ）は指先側を前方として身体感覚供給側デバイスＤ１を左前方から見た斜視図である。
図１１に示す身体感覚供給側デバイスＤ１は、例えば、図９に示す身体機能を実現するための身体感覚供給側デバイスＤ１として用いることができる。
図１１において、身体感覚供給側デバイスＤ１は、操作子Ｐ５〜Ｐ７を備え、これら操作子Ｐ５〜Ｐ７は、それぞれ親指、人差し指及び中指に装着される指先形状のカバーを有している。また、身体感覚供給側デバイスＤ１は、これらの操作子Ｐ５〜Ｐ７それぞれにおける反力を発生するアクチュエータＭ１〜Ｍ３をさらに備えている。そして、傘歯車等を用いたギア機構Ｇ１〜Ｇ３を介してアクチュエータＭ１〜Ｍ３と操作子Ｐ５〜Ｐ７（カバー）とが連結されることで、ユーザの親指、人差し指及び中指と操作子Ｐ５〜Ｐ７とが、リンク構造上、同軸に関節（可動軸）を配置された構造となっている。なお、各操作子Ｐ５〜Ｐ７の関節の角度は、ロータリーエンコーダ等のセンサによって検出される。
このような構成により、ユーザは、指先形状を有する３本のカバーに指を入れて操作子Ｐ５〜Ｐ７を装着することにより、人間本来の動きを阻害されることなく、身体感覚供給側デバイスＤ１との間で動きを伝達することが可能となる。
ちなみに、アクチュエータＭ１〜Ｍ３を、図１１のように関節を同軸とすることなく取り付けると、指の関節と外骨格ロボットである身体感覚供給側デバイスＤ１の関節との位置がずれ、違和感が生じてしまう。
これに対し、図１１に示すデバイスの構成例では、傘歯車等を用いたギア機構Ｇ１〜Ｇ３を介することで、指の関節と身体感覚供給側デバイスＤ１の関節とが同軸上に配置されるため、ユーザは、身体感覚供給側デバイスＤ１との間で違和感なく動作の伝達を行うことができる。

また、図１２は、身体感覚供給側デバイスＤ１の具体的な他の構成例を示す図である。
なお、図１２においては、指先側を前方として身体感覚供給側デバイスＤ１を左前方から見た斜視図を示している。
図１２に示す構成例では、図１１に示す構成例に対し、操作子Ｐ５〜Ｐ７が、指先形状のカバー部材に代えて、リング部材を有していると共に、リンク機構を介してアクチュエータＭ１〜Ｍ３と操作子Ｐ５〜Ｐ７（リング部材）とが連結されることで、ユーザの親指、人差し指及び中指と操作子Ｐ５〜Ｐ７とが、リンク構造上、実質的に同軸に関節（可動軸）を配置されたものとなっている。
図１２に示す構成例においても、図１１に示す構成例と同様に、ユーザは、リング部材に３本の指を入れて操作子Ｐ５〜Ｐ７を装着することにより、人間本来の動きを阻害されることなく、身体感覚供給側デバイスＤ１との間で動きを伝達することが可能となる。
また、図１２に示す構成例では、ギア機構を削減できるため、省スペース化を図ることができる。

［身体感覚供給側デバイスの構成例］
図１３は、身体感覚受容側デバイスＤ２の具体的な構成例を示す図である。
図１３に示す身体感覚受容側デバイスＤ２は、例えば、図７に示す身体機能を実現するための身体感覚受容側デバイスＤ２として用いることができる。
図１３に示すように、身体感覚受容側デバイスＤ２は、人間の腕の構造を模した腕型マニピュレータに設置された構成とすることができる。
図１３に示す構成例では、右腕及び左腕に相当する２つの腕型マニピュレータＭＰ１，ＭＰ２が一組とされ、各腕型マニピュレータＭＰ１，ＭＰ２は、支持部材３１と、ブラケット３２と、第１腕部材３３と、第２腕部材３４と、ハンド部材３５（身体感覚受容側デバイスＤ２）とを有している。
ブラケット３２は、支持部材３１に鉛直方向の回転軸を介して取り付けられ、支持部材３１に対し、アクチュエータＭ４によって鉛直方向の回転軸周りに回転可能となっている。また、第１腕部材３３は、ブラケット３２に水平方向の回転軸を介して取り付けられ、ブラケット３２に対し、アクチュエータＭ５によって水平方向の回転軸周りに回転可能となっている。また、第２腕部材３４は、第１腕部材３３に水平方向の回転軸を介して取り付けられ、第１腕部材３３に対し、ベルト等を介して第２腕部材３４と連結されているアクチュエータＭ６によって水平方向の回転軸周りに回転可能となっている。ハンド部材３５（身体感覚受容側デバイスＤ２）は、第２腕部材３４に対し、第２腕部材３４の長手方向の回転軸を介して取り付けられ、第２腕部材３４に対し、第２腕部材３４に内蔵されたアクチュエータＭ７によって長手方向の回転軸周りに回転可能となっている。また、ハンド部材３５は、親指、人差し指及び中指に相当する指先形状の指部材３５ａ〜３５ｃを有している。そして、ハンド部材３５は、これらの指部材３５ａ〜３５ｃの動作を制御するアクチュエータＭ８〜Ｍ１０をさらに備えている。
このような腕型マニピュレータＭＰ１，ＭＰ２は、人間に近い関節構造（肩関節、肘関節、手首関節及び指関節）を持ち、片腕に７自由度を有するものとなる。そして、腕型マニピュレータＭＰ１，ＭＰ２においては、ハンド部材３５（身体感覚受容側デバイスＤ２）によって対象物を把持する場合に、より自然な姿勢での把持動作を行うことができる。
即ち、腕の機能を失ったユーザにおいて、自らの腕の感覚に近い腕の機能を代替することが可能になる。

［応用例］
力触覚伝達装置１の構成として、障害者等の食事を支援する装置を構成することができる。
図１４は、障害者等の食事を支援する装置として構成した力触覚伝達装置１の外観図である。
図１４に示す力触覚伝達装置１において、身体感覚供給側デバイスＤ１は、図９に示す構成と同様である。
一方、身体感覚受容側デバイスＤ２は、スタンド１００と、操作部２００と、伸縮部３００と、転回部４００と、ピックアップ部５００とを含んで構成される。
これらのうち、操作部２００は、スタンド１００に連結され、スタンド１００に対して鉛直方向及び水平方向に回転可能に支持されている。操作部２００の上端部は、ユーザが顎を当接させてピックアップ部５００の方向を定めるためのインターフェースを構成している。また、操作部２００には、伸縮部３００のラックギアを移動させるピニオンギア及びアクチュエータが内蔵されている。

伸縮部３００は、操作部２００に内蔵されたアクチュエータによって操作部２００から進退可能に構成されたラックギアを備えている。
転回部４００は、伸縮部３００とピックアップ部５００とを連結し、伸縮部３００に対してピックアップ部５００を、操作部２００側及び操作部２００と反対側に１８０度回転させる。また、転回部４００には、このような転回動作を制御するアクチュエータが内蔵されている。
ピックアップ部５００は、転回部４００と連結された支持部材５０１の先端に、食物を突き刺して保持可能な銛部材５０２を備えている。

図１４に示す力触覚伝達装置１では、例えば、身体感覚供給側デバイスＤ１において、人差し指の動きが伸縮部３００の進退動作に対応し、親指の動きがピックアップ部５００により食物を突き刺す動作（所定の反力まで、あるいは、ユーザの親指に力触覚を伝達して伸縮部３００を伸長させる動作）に対応し、中指の動きが転回部４００の転回動作に対応する構成とできる。
このような構成の下、ユーザが食物を視認しながら顎でピックアップ部５００の方向を定め、指型の操作子Ｐ５〜Ｐ７を指で操作することで、ピックアップ部５００によって食物を刺す動作を行わせる。
例えば、初めに、ユーザは、中指の動きにより、折り畳まれたピックアップ部５００を食物方向に転回させる。

さらに、ユーザは、食物を視認しながら顎でピックアップ部５００の方向を定め、人差し指の動きにより、伸縮部３００を伸長させて、ピックアップ部５００を目的とする食物付近に配置させる。
そして、ユーザは、親指の動きにより、ピックアップ部５００を目的とする食物に突き刺す。
これにより、力触覚伝達装置１が食物を保持した状態となる。
この後、ユーザは、人差し指の動きにより、伸縮部３００を収縮させる。
さらに、ユーザは、中指の動きにより、ピックアップ部５００を折り畳む方向（操作部２００側）に転回させる。

これにより、ピックアップ部５００に保持された食物が、ユーザの口元付近に移動される。
すると、ユーザは目的とする食物を食べることができる。
このような動作を繰り返すことで、食物を手で食べることができないユーザが、自力で食物を食べることが可能になり、自らの力で食事をしているという達成感を得ながら食事を行うことが可能となる。

以上のように構成される力触覚伝達装置１は、身体感覚供給側デバイスＤ１と、身体感覚受容側デバイスＤ２と、身体感覚対応付けユニット１０とを備える。
身体感覚供給側デバイスＤ１は、身体の部位によって操作され、操作反力を生成する機能を有する操作装置を備えている。
身体感覚受容側デバイスＤ２は、身体の部位の機能または身体の部位によって操作される装置の機能を有する実行装置を備えている。
身体感覚対応付けユニット１０は、身体感覚供給側デバイスＤ１の操作位置に関する情報に対応する速度（位置）及び力の情報と、身体感覚受容側デバイスＤ２の出力位置に関する情報に対応する速度（位置）及び力の情報とに基づいて、身体感覚供給側デバイスＤ１及び身体感覚受容側デバイスＤ２の出力における速度または位置の制御量と力の制御量とを算出する。
また、身体感覚対応付けユニット１０は、身体感覚供給側デバイスＤ１及び身体感覚受容側デバイスＤ２の出力における速度または位置の制御量と力の制御量とを統合し、その出力を身体感覚供給側デバイスＤ１及び身体感覚受容側デバイスＤ２に戻すべく速度または位置の制御量と力の制御量とを逆変換して、身体感覚供給側デバイスＤ１及び身体感覚受容側デバイスＤ２への入力を決定する。
これにより、ユーザによる身体感覚供給側デバイスＤ１の操作及び身体感覚受容側デバイスＤ２に対する対象物からの作用に応じた力触覚が互いに伝達される。
これにより、ユーザは、自らの身体の健全な部位等による操作によって、身体の部位の機能で対象物を取り扱う場合、または、身体の部位によって操作される装置を自らの身体で操作する場合と同様の感覚を受けることができると共に、その感覚に応じて対象物を取り扱うことができる。
したがって、物体との相互作用におけるより適切な位置・力の制御が可能な力触覚伝達装置１を実現することができる。

また、身体感覚対応付けユニット１０は、力・速度割当変換ブロックＦＴと、理想速度（位置）源ブロックＰＣと、理想力源ブロックＦＣとを備える。
力・速度割当変換ブロックＦＴは、身体感覚供給側デバイスＤ１の操作位置に関する情報に対応する速度（位置）及び力の情報を基準として、身体感覚供給側デバイスＤ１の操作位置に関する情報に対応する速度（位置）及び力の情報と身体感覚受容側デバイスＤ２の出力位置に関する情報に対応する速度（位置）及び力の情報とに基づいて、身体感覚供給側デバイスＤ１における操作と身体感覚受容側デバイスＤ２の出力とをバイラテラル制御するように、制御エネルギーを速度または位置のエネルギーと力のエネルギーとに割り当てる変換を行う。
理想速度（位置）源ブロックＰＣは、力・速度割当変換ブロックＦＴによって割り当てられた速度または位置のエネルギーに基づいて、速度または位置の制御量を算出する。
理想力源ブロックＦＣは、力・速度割当変換ブロックＦＴによって割り当てられた力のエネルギーに基づいて、力の制御量を算出する。
これにより、身体感覚供給側デバイスＤ１の操作位置に関する情報に対応する速度（位置）及び力の情報を基準として、身体感覚供給側デバイスＤ１における操作と身体感覚受容側デバイスＤ２の出力とをバイラテラル制御することが可能となるため、身体感覚受容側デバイスＤ２を介してユーザの身体と同様の感覚で対象物を取り扱うことができる。

身体感覚供給側デバイスＤ１は、ヒンジによって回転可能に連結された第１の部材Ｐ１及び第２の部材Ｐ２を備え、第１の部材Ｐ１に対する第２の部材Ｐ２の回転位置を変化させることによって操作が行われる。
これにより、単純な動作によって身体感覚受容側デバイスＤ２を操作することができるため、身体に障害を有するユーザ等においても、容易に身体感覚受容側デバイスＤ２を操作することができる。

身体感覚受容側デバイスＤ２は、複数の指を備え、物体を把持可能な手の形状を有するマニピュレータとして構成される。
これにより、手の機能を失ったユーザにおいて、自らの手の感覚に近い手の機能を代替することが可能となる。

身体感覚供給側デバイスＤ２は、指に装着される操作子を備え、指の可動軸と、当該指の可動軸に対応する操作子の可動軸とのうち、少なくともいずれかが同軸に配置されている。
これにより、ユーザは、人間本来の動きを阻害されることなく、身体感覚供給側デバイスとの間で動きを伝達することが可能となる。

身体感覚受容側デバイスＤ２は、自動車の操舵操作を行うための電動ステアリング装置として構成される。
これにより、手の機能を失ったユーザにおいて、自らの手でハンドルを操作する場合と同様の感覚で、自動車の操舵操作を行うことが可能となる。

１力触覚伝達装置、Ｓ制御対象システム、ＦＴ力・速度割当変換ブロック、ＦＣ理想力源ブロック、ＰＣ理想速度（位置）源ブロック、ＩＦＴ逆変換ブロック、Ｄ１
身体感覚供給側デバイス、Ｄ２身体感覚受容側デバイス、１０身体感覚対応付けユニット、２０ａ，２０ｂ応答値取得部、Ｐ１，Ｐ３，Ｐ８第１の部材、Ｐ２，Ｐ４，Ｐ９第２の部材、Ｐ５〜Ｐ７指型の操作子、Ｍ１〜Ｍ１０アクチュエータ、Ｇ１〜Ｇ３ギア機構、ＭＰ１，ＭＰ２腕型マニピュレータ、３１，５０１支持部材、３２
ブラケット、３３第１腕部材、３４第２腕部材、３５ハンド部材、３５ａ〜３５ｃ指部材、１００スタンド、２００操作部、３００伸縮部、４００転回部、５００ピックアップ部、５０２銛部材

Claims

身体の部位によって操作され、操作反力を生成する機能を有する操作装置を備えた身体感覚供給側デバイスと、
身体の部位の機能または身体の部位によって操作される装置の機能を有する実行装置を備えた身体感覚受容側デバイスと、
前記身体感覚供給側デバイスの操作位置に関する情報に対応する速度または位置、及び力の情報と、前記身体感覚受容側デバイスの出力位置に関する情報に対応する速度または位置、及び力の情報とに基づいて、前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスの出力における速度または位置の制御量と力の制御量とを算出する制御部と、
前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスの出力における前記速度または位置の制御量と前記力の制御量とを統合し、その出力を前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスに戻すべく前記速度または位置の制御量と前記力の制御量とを基に演算を行い、前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスへの入力を決定する統合手段と、
を備え、
前記身体感覚供給側デバイスは、ヒンジによって回転可能に連結された第１の部材及び第２の部材を備え、
身体における装着者自身の意思で運動可能な部位であって、関節を介して繋がる身体の第１の部位及び第２の部位に対し、前記第１の部材を前記第１の部位に当接させ、前記第２の部材を前記第２の部位に当接させ、
前記制御部は、前記装着者が前記関節を開閉動作させることにより前記第１の部材に対する前記第２の部材の回転位置を変化させる際の速度または位置、及び力の情報と、前記身体感覚受容側デバイスの出力位置に関する情報に対応する速度または位置、及び力の情報とに基づいて、前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスの出力における速度または位置の制御量と力の制御量とを算出し、
前記身体感覚受容側デバイスは、複数の指を備えるマニピュレータとして構成され、当該身体感覚受容側デバイスの前記複数の指における異なる動きを表す、（１）前記複数の指の少なくとも１つと前記複数の指の少なくとも他の１つとが互いに近づいて対象物を保持する把持モードと、（２）前記複数の指の少なくとも１つに対して前記複数の指の少なくとも他の１つが相対的に逆方向に移動する回転モードと、（３）前記複数の指が同方向に移動する操りモードと、を成分として含む動作を行い、前記把持モードを前記制御部のバイラテラル制御に従って制御し、前記回転モード及び前記操りモードを前記制御部のインピーダンス制御に従って制御することを特徴とする位置・力制御装置。
前記制御部は、前記把持モードの制御を実行するために、
前記身体感覚供給側デバイスの操作位置に関する情報に対応する速度または位置、及び力の情報を基準として、前記身体感覚供給側デバイスの操作位置に関する情報に対応する速度または位置、及び力の情報と前記身体感覚受容側デバイスの出力位置に関する情報に対応する速度または位置、及び力の情報とに基づいて、前記身体感覚供給側デバイスにおける操作と前記身体感覚受容側デバイスの出力とをバイラテラル制御するように、制御エネルギーを速度または位置のエネルギーと力のエネルギーとに割り当てる変換を行う力・速度割当変換手段と、
前記力・速度割当変換手段によって割り当てられた速度または位置のエネルギーに基づいて、速度または位置の制御量を算出する位置制御量算出手段と、
前記力・速度割当変換手段によって割り当てられた力のエネルギーに基づいて、力の制御量を算出する力制御量算出手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の位置・力制御装置。
身体の部位によって操作され、操作反力を生成する機能を有する操作装置を備えた身体感覚供給側デバイスと、
身体の部位の機能または身体の部位によって操作される装置の機能を有する実行装置を備えた身体感覚受容側デバイスと、
前記身体感覚供給側デバイスの操作位置に関する情報に対応する速度または位置、及び力の情報と、前記身体感覚受容側デバイスの出力位置に関する情報に対応する速度または位置、及び力の情報とに基づいて、前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスの出力における速度または位置の制御量と力の制御量とを算出する制御部と、
前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスの出力における前記速度または位置の制御量と前記力の制御量とを統合し、その出力を前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスに戻すべく前記速度または位置の制御量と前記力の制御量とを基に演算を行い、前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスへの入力を決定する統合手段と、
を備え、
前記身体感覚供給側デバイスは、ヒンジによって回転可能に連結された第１の部材及び第２の部材を備え、
身体における装着者自身の意思で運動可能な部位であって、関節を介して繋がる身体の第１の部位及び第２の部位に対し、前記第１の部材を前記第１の部位に当接させ、前記第２の部材を前記第２の部位に当接させ、
前記制御部は、前記装着者が前記関節を開閉動作させることにより前記第１の部材に対する前記第２の部材の回転位置を変化させる際の速度または位置、及び力の情報と、前記身体感覚受容側デバイスの出力位置に関する情報に対応する速度または位置、及び力の情報とに基づいて、前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスの出力における速度または位置の制御量と力の制御量とを算出し、
前記身体感覚受容側デバイスは、自動車の操舵操作を行うための電動ステアリング装置として構成されることを特徴とする位置・力制御装置。