JP7401992B2

JP7401992B2 - 力覚提示装置

Info

Publication number: JP7401992B2
Application number: JP2019147667A
Authority: JP
Inventors: 宏貴齊藤; 淳榮; 修一赤岩; 優矢上嶋; 仁志辻
Original assignee: Kurimoto Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2023-12-20
Anticipated expiration: 2039-08-09
Also published as: JP2021028772A

Description

特許法第３０条第２項適用展示会名：ｄｅ：ｃｏｄｅ２０１９、開催日：２０１９年５月２９日～同年同月３０日

本発明は、操作者が指を動かす際に、操作者の指に力覚を提示する力覚提示装置に関する。

例えば、特許文献１に開示された力覚提示装置では、操作者が指で装置の変位部を押し込む際に、操作者の指に所望の力覚を提示する。この力覚提示装置は、所望の力覚を提示するため、変位部に抗力を与える回転抵抗発生部を備えている。この回転抵抗発生部は、電磁石によって内部に封入された磁気粘性流体に磁場を付与するものであり、電磁石に給電する電流値を制御することで、回転抵抗発生部が生じる回転抵抗を制御する。この力覚提示装置では、変位部が押し込まれると、その動作がリンク機構を介して回転動作に変換されて回転抵抗発生部に伝達される。このとき、回転抵抗発生部が回転抵抗を生じることで、その回転抵抗が、リンク機構を介して変位部に伝達され、変位部を押し込む操作者に力覚として提示される。

特開２０１７－１３８６５１号公報

特許文献１に開示された力覚提示装置は、手のひらの内側に装置を配置して使用することを前提としている。このため、操作者は、つまむ動作、握る動作などを行うことができない。

そこで、本発明は、操作者がつまむ動作、握る動作などを行うことができ、しかも、その動作を行う際に、操作者の指に所望の力覚を提示することができる力覚提示装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る力覚提示装置は、回転抵抗発生装置と、手の甲に装着され、前記回転抵抗発生装置を手の甲の所定位置に保持する手装着具と、指に装着される指装着具と、第１リンク部材および第２リンク部材と、を備える。前記回転抵抗発生装置は、内部に封入された磁気粘性流体と、前記磁気粘性流体に磁場を印加する電磁石と、前記電磁石が前記磁気粘性流体に印加する磁場の強さに応じた回転抵抗を発生する回転部と、を有する。前記第１リンク部材は、一端側が前記回転部に対して回転一体に連結され、他端側が前記第２リンク部材の一端側に対して回転自在に連結されている。前記第２リンク部材は、他端側が前記指装着具に対して回転自在に連結されている。

かかる構成を備える力覚提示装置によれば、操作者がつまむ動作、握る動作などを行うことができ、しかも、その動作を行う際に、操作者の指に所望の力覚を提示することができる。

上記構成を備える力覚提示装置において、バッテリーと、前記バッテリーの電力を用いて前記コイルに電流を供給する給電制御装置と、を更に備え、前記バッテリーおよび前記給電制御装置が前記手装着具上に設置されていてもよい。

上記構成を備える力覚提示装置において、前記複数の回転抵抗発生装置は、前記手装着具上に固定されたケーシング内にそれぞれ保持されていることにより、手の甲の所定位置に保持されていてもよい。

上記構成を備える力覚提示装置において、前記第１リンク部材は、手を開いた状態から握った状態へ変化する際に第１の方向へ回転し、手を握った状態から開いた状態へ変化する際に第２の方向へ回転するように設けられており、前記第１リンク部材が前記第１の方向へ回転する場合にのみ、前記回転抵抗発生装置の回転抵抗が前記第１リンク部材に伝達されるように、ワンウェイクラッチが設けられているものであってもよい。

上記構成を備える力覚提示装置において、前記回転抵抗発生装置、前記指装着具、前記第１リンク部材および前記第２リンク部材は、複数個設けられていてもよい。この場合、前記複数の回転抵抗発生装置は、前記手装着具によって、手の甲のそれぞれ異なる位置に保持され、前記複数の指装着具は、それぞれ何れかの指に装着可能な位置に配される。

上記構成を備える力覚提示装置において、前記回転部の所定位置からの回転量を検出する回転量検出部と、前記回転量検出器が検出する回転量に基づいて前記回転抵抗発生装置に供給する電流値を制御する給電制御装置と、を備えるものであってもよい。

本発明によれば、操作者がつまむ動作、握る動作などを行うことができ、しかも、その動作を行う際に、操作者の指に所望の力覚を提示することができる。

本実施形態に係る力覚提示装置を手に装着した状態を示す斜視図である。手は握った状態である。回転抵抗発生装置の一つの構成例を示す断面図である。ケーシングの内部に収容された回転抵抗発生装置を示す図である。手装着具を手の挿入方向から視た図である。力覚提示装置の側面図であって、回転抵抗発生装置、リンク部材および指装着具を１組のみにして表した図である。但し、手は握った状態である。力覚提示装置の側面図であって、回転抵抗発生装置、リンク部材および指装着具を１組のみにして表した図である。但し、手は開いた状態である。指装着具および第２リンク部材を指の挿入方向から視た図である。回転抵抗発生装置、リンク部材、指装着具等を３組有する力覚提示装置を示す概略図である。回転抵抗発生装置、リンク部材、指装着具等を５組有する力覚提示装置を示す概略図である。他の実施形態に係る力覚提示装置のケーシングの内部に収容された回転抵抗発生装置を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る力覚提示装置について、図面を参照しつつ説明する。図１に示すように、力覚提示装置１は、回転抵抗発生装置２、ケーシング３、手装着具４、指装着具５、第１リンク部材６、第２リンク部材７、給電ユニット８、カバー９等を備えている。

回転抵抗発生装置２は、本実施形態では複数個（３個）設けられている。回転抵抗発生装置２は、例えば図２に示すように、磁気粘性流体１０、電磁石１１、回転部１２等を備えている。電磁石１１には、給電ユニット８から電流が供給される。電磁石１１は、供給される電流の大きさに応じた強さの磁場を磁気粘性流体１０に印加する。そして、磁気粘性流体１０に印加された磁場の強さに応じた回転抵抗が回転部１２において発生する。本実施形態では、回転抵抗発生装置２の本体部１３の外形は、略円柱状に形成されており、その円柱の一方の面から回転部１２が突出している。本実施形態では、回転部１２は、図３に例示するように、同軸上に配置された第１回転軸１４と第２回転軸１５とで構成されている。さらに、図３に示す第１回転軸１４は、本体部１３から突出した第１回転軸本体１４ａと、その周囲に外嵌固定された筒状部材１４ｂとで構成されている。

第２回転軸１５は、基部側に中空部１５ａが形成されている。中空部１５ａには、第１回転軸１４がワンウェイクラッチ１７を介して挿入されている。このため、第１回転軸１４から第２回転軸１５へは一方向への回転力（回転抵抗）のみが伝達される。第１回転軸本体１４ａの先端部は、ベアリング１９を介して第２回転軸１５内に回転自在に支持されている。第２回転軸１５はベアリング２０を介してケーシング３内に回転自在に支持されており、第２回転軸１５の先端側は、ケーシング３に形成された開口部３ａを貫通してケーシング３の外に露出している。なお、図２に示す回転抵抗発生装置２の内部構造については後に詳述する。

手装着具４は、操作者の手に装着される。手装着具４は、図１に示すように、各回転抵抗発生装置２を手の甲２１の所定位置に保持するためのものである。回転抵抗発生装置２は、ケーシング３内に固定されており、このケーシング３は手装着具４に対してビス等の固定具を用いて固定されている。図１および図４に示すように、手装着具４は、手の甲２１を覆う本体部４Ａと、本体部４Ａが手の甲２１を覆った状態を保持するための装着ベルト４Ｂとを備えている。装着ベルト４Ｂは、本体部４Ａに形成されたスリット４ａに挿通されて、操作者の手の内側又は手首に巻き付けられる。装着ベルト４Ｂは、両端部が面ファスナ４ｂを用いて接合される。また、装着ベルト４Ｂは、長さ調整金具１６を備えている。長さ調整金具１６の位置を調整することで操作者の手の大きさに合わせた装着が可能となっている。なお、上記した装着ベルト４Ｂは、手装着具４を操作者の手に装着するための一手段であり、本体部４Ａを手の甲２１に固定できる限り、装着ベルト４Ｂを他の形状のベルトに置き換えてもよいし、ベルト以外のものに置き換えてもよい。

手装着具４の本体部４Ａは、本実施形態では、多層構造からなり、軟質層と、表面層と、硬質層とを含んで構成されている。軟質層は、操作者の手の甲２１に直接当たる層である。軟質層には、例えば、ゴムシートを用いることができる。表面層は、手装着具４の表面を形成する層である。表面層には、例えば、フェイクレザーを用いることができる。硬質層は、軟質層と表面層に挟まれている。硬質層は、軟質層および表面層よりも硬質の材料からなり、回転抵抗発生装置２を手の甲２１の所定位置にしっかりと固定できる材質が用いられる。硬質層には、例えば、手の甲２１の形状に沿って湾曲形成された金属板や樹脂板が用いられる。また、金属板として比較的軽量なパンチングメタル（多数の孔が形成された金属板）を挙げることができる。

指装着具５は、操作者の指２２に装着可能な位置に配される。本実施形態では、指装着具５は複数個（３個）設けられており、操作者の指２２にそれぞれ装着される。指装着具５には、例えば、面ファスナー付バンドを用いることができる。

第１リンク部材６は、図５に示すように、一端部６ａが回転部１２に対して回転一体に連結され、他端部６ｂが第２リンク部材７の一端部７ａに対して回転自在に連結されている。第１リンク部材６は、手装着具４等との干渉を回避するために、一端部６ａと他端部６ｂとの間の２カ所に屈曲部６ｃ，６ｄを有している。但し、第１リンク部材６が手装着具４等と干渉しないのであれば、第１リンク部材６はストレート形状であってもよいし、その他の形状であってもよい。

第２リンク部材７は、図５に示すように、一端部７ａが、第１リンク部材６の他端部６ｂに対して回転自在に連結され、他端部７ｂが指装着具５に対して回転自在に連結されている。本実施形態では、第２リンク部材７は、指装着具５に対して連結部材２５を介して回転自在に連結されている。連結部材２５は、図７に示すように、板材が略Ｌ字に折り曲げられてなる２つのＬ字部材２６と、各Ｌ字部材２６を指装着具５に対して固定する固定具２７とで構成されている。Ｌ字部材２６は、一側部２６ａが固定具２７を用いて指装着具５に固定され、他側部２６ｂが第２リンク部材７の他端部７ｂに軸着されている。固定具２７としては、例えばビスおよびナットが用いられる。

また、第２リンク部材７は、図５に示すように、手を握った状態のときに、手に干渉しないよう、手を避けるようにへの字に折れ曲がった形状になっている。

給電ユニット８は、図２に示すように、回転抵抗発生装置２の電磁石１１のコイル４１に電流を供給する。また、給電ユニット８は、図１に示すように、手装着具４上に設けられている。本実施形態では、給電ユニット８は、図２に示すように、バッテリー３１、給電制御装置３２および通信装置３３を備えている。給電制御装置３２は、通信装置３３を介して外部から無線通信又は有線通信を介して受信した情報に基づいて、バッテリー３１から回転抵抗発生装置２の電磁石１１のコイル４１に供給する電流値を制御する。

給電制御装置３２は、例えば、外部から受信した情報に基づいて、コイル４１に供給する電流のＯＮ／ＯＦＦ制御、コイル４１に供給する電流値の可変制御などを行う。電流値の可変制御の例として、電流値を周期的若しくは非周期的に変動させることが挙げられる。さらに、電流値を周期的に変動させる制御の例として、時間変化が矩形波となるように電流値を変動させることが挙げられる。

カバー９は、図１に示すように、給電ユニット８、および、給電ユニット８と回転抵抗発生装置２との間の給電用配線２９等を覆い保護するために設けられている。カバー９は、手装着具４に固定されていてもよいし、給電ユニット８に固定されていてもよい。カバー９が給電ユニット８に固定される場合は、給電ユニット８は、手装着具４に固定されることが望ましい。

次に、回転抵抗発生装置２の構成例を図２に基づいて説明する。図２に例示する回転抵抗発生装置２は、円板３８、ヨーク３９，４０、コイル４１、磁気粘性流体１０、ケース４３等で構成されている。

円板３８は、回転抵抗発生装置２の内部で回転する。円板３８は好ましくは磁性体を用いて構成される。円板３８の裏面３８ｂの中心部には、第１回転軸１４が垂直に接続されている。したがって、円板３８と第１回転軸１４は一体に回転する。第１回転軸１４は、ベアリング４５を介してヨーク４０に設けられた軸穴４６に支持されている。なお、第１回転軸１４には非磁性体が用いられることが望ましい。

ヨークは、第１ヨーク３９および第２ヨーク４０で構成されている。第１ヨーク３９は、円板３８の表面３８ａに対して微小隙間を介して対向しており、円板状の部材で構成されている。この第１ヨーク３９は、円筒状のケース４３に嵌め込まれて固定されている。

第２ヨーク４０は、円板３８の裏面３８ｂに対して微小隙間を介して対向する対向面４０ａを有する。この第２ヨーク４０は、円筒状のケース４３の内側に嵌め込まれて固定されている。なお、回転抵抗発生装置２の外周部であるケース４３は、ケーシング３（図３参照）に対して挿入され、固定されている。

第１ヨーク３９の中心部に形成された凹部と、第１回転軸１４の端面の中心に形成された凹部とで形成されるスペースに非磁性体からなる球体４７が収容されている。

コイル４１は、第２ヨーク４０に形成された環状の溝に沿って配設されている。このコイル４１には、給電制御装置３２から電流が供給される。

磁気粘性流体１０は、円板３８と、第１ヨーク３９および第２ヨーク４０との隙間に介在している。この磁気粘性流体１０は、磁性粒子を分散媒に分散させてなる液体である。磁性粒子として、例えばナノサイズの金属粒子（金属ナノ粒子）からなるものを使用することができる。磁性粒子は磁化可能な金属材料からなり、金属材料に特に制限はないが軟磁性材料が好ましい。軟磁性材料としては、例えば鉄、コバルト、ニッケル及びパーマロイ等の合金が挙げられる。分散媒は、特に限定されるものではないが、一例として疎水性のシリコーンオイルを挙げることができる。磁気粘性流体における磁性粒子の配合量は、例えば３～４０ｖｏｌ％とすることができる。磁気粘性流体にはまた、所望の各種特性を得るために、各種の添加剤を添加することも可能である。

上記構成を備える回転抵抗発生装置２において、コイル４１に電流が印加されると、例えば図２に示す矢印Ｐが示す方向に沿って円板３８、第１ヨーク３９、第２ヨーク４０内に磁路が形成される。この磁路は、円板３８の表面３８ａと第１ヨーク３９との隙間に介設する磁気粘性流体１０、および、円板３８の裏面３８ｂと第２ヨーク４０との隙間に介在する磁気粘性流体１０を貫通する。これにより、磁気粘性流体１０には、磁場の強さに応じた粘度（ずり応力）が発現し、円板３８とヨーク３９，４０との間で伝達されるトルクが磁場の強さに応じて大きくなる。すなわち、回転抵抗発生装置２は、コイル４１に印加される電流値に応じた大きさの回転抵抗を回転部１２（第１回転軸１４）において発生する。

以上に説明した力覚提示装置１を使用する場合、図１に示すように、手装着具４を操作者の手の甲２１に装着し、３つの指装着具５を操作者の指２２に装着する。そして、操作者が手を開いた状態（図６参照）から握る動作や、つまむ動作をすると、指装着具５が回転抵抗発生装置２から離れる方向に移動する。そうすると、第１リンク部材６の両端部６ａ，６ｂを結ぶ線分と、第２リンク部材７の両端部７ａ，７ｂを結ぶ線分とのなす角が大きくなり、図５に示すように、第１リンク部材６の他端部６ｂ（先端部）が操作者の手のに近づくように、第１リンク部材６が第１の方向Ｄ１に回転する。第１リンク部材６が第１の方向Ｄ１に回転する場合、ワンウェイクラッチ１７が回転力を伝達し、操作者は握る動作やつまむ動作を行う際に、コイル４１に印加される電流値に応じた抵抗（負荷）を感じることとなる。逆に、操作者が手を開く動作をする際は、第１リンク部材６が第１の方向Ｄ１とは逆方向（第２の方向Ｄ２）に回転する。この場合、ワンウェイクラッチ１７が回転力を伝達しないため、操作者は、軽い力で手を開くことができる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る力覚提示装置１によれば、手装着具４および指装着具５を装着した操作者がつまむ動作、握る動作などを行う際に、操作者の指に所望の力覚を提示することができる。

＜他の実施形態＞
既述した力覚提示装置１において、例えば図１０に示すように、回転部１２の所定位置からの回転量を検出する回転量検出器４８を設け、給電制御装置３２が当該回転量に基づいて、あるいは、外部から受信した情報と、回転量検出器４８が検出する回転量とに基づいて、コイル４１に給電する電流値を制御するようにしてもよい。このようにすることで、操作者の指の動きに応じて変化する力覚を提示すること等が可能となる。なお、図１０に例示するケーシング３Ａは、既述した実施形態のケーシング３において、回転量検出器４８を支持する支持部３Ａａを追加形成したものである。また、回転量検出器４８の回転入力軸４８ａは、回転部１２に対して同軸上に回転一体に接続されている。

既述した力覚提示装置１は、図８に示すように、回転抵抗発生装置２、指装着具５、リンク部材６，７等を３組備えるものであったが、力覚提示装置１は、更に多くの組数、あるいは、更に少ない組数を備えるものであってもよい。例えば図９に示すように、回転抵抗発生装置２、指装着具５、リンク部材６，７等を５組備えるものであってもよい。この場合、全ての指に対して個別に触覚を提示することができる。

本発明は、例えば、操作者が指を動かす際に、操作者の指に力覚を提示する力覚提示装置に適用することができる。

１力覚提示装置
２回転抵抗発生装置
３ケーシング
４手装着具
５指装着具
６第１リンク部材
６ａ一端部
６ｂ他端部
７第２リンク部材
７ａ一端部
７ｂ他端部
８給電ユニット
１０磁気粘性流体
１１電磁石
１２回転部
１７ワンウェイクラッチ
２１手の甲
２２指
３１バッテリー
３２給電制御装置

Claims

回転抵抗発生装置と、
手の甲に装着され、前記回転抵抗発生装置を手の甲の所定位置に保持する手装着具と、
指に装着される指装着具と、
第１リンク部材および第２リンク部材と、
を備え、
前記回転抵抗発生装置は、内部に封入された磁気粘性流体と、前記磁気粘性流体に磁場を印加する電磁石と、前記電磁石が前記磁気粘性流体に印加する磁場の強さに応じた回転抵抗を発生する回転部と、を有し、
前記第１リンク部材は、一端側が前記回転部に対して回転一体に連結され、他端側が前記第２リンク部材の一端側に対して回転自在に連結され、
前記第２リンク部材は、他端側が前記指装着具に対して回転自在に連結されており、
前記回転抵抗発生装置は、前記手装着具上に固定されたケーシング内に保持されていることにより、手の甲の所定位置に保持されており、
前記ケーシングは、回り対偶を介することなく、前記手装着具上に固定され、
前記手装着具は、手の甲を覆う本体部と、前記本体部が手の甲を覆った状態を保持するための手段とを有し、
前記本体部は、手の甲の形状に沿うように湾曲形成された硬質層を含む多層構造からなる、
ことを特徴とする力覚提示装置。
回転抵抗発生装置と、
手の甲に装着され、前記回転抵抗発生装置を手の甲の所定位置に保持する手装着具と、
指に装着される指装着具と、
第１リンク部材および第２リンク部材と、
を備え、
前記回転抵抗発生装置は、内部に封入された磁気粘性流体と、前記磁気粘性流体に磁場を印加する電磁石と、前記電磁石が前記磁気粘性流体に印加する磁場の強さに応じた回転抵抗を発生する回転部と、を有し、
前記第１リンク部材は、一端側が前記回転部に対して回転一体に連結され、他端側が前記第２リンク部材の一端側に対して回転自在に連結され、
前記第２リンク部材は、他端側が前記指装着具に対して回転自在に連結されており、
前記第１リンク部材は、手を開いた状態から握った状態へ変化する際に第１の方向へ回転するように設けられており、
前記第１リンク部材が前記第１の方向へ回転する場合にのみ、前記回転抵抗発生装置の回転抵抗が前記第１リンク部材に伝達されるように、ワンウェイクラッチが設けられており、
前記回転抵抗発生装置の前記回転部は、同軸上に配置された第１回転軸と第２回転軸とで構成され、
前記第２回転軸は、先端側に前記第１リンク部材の一端側が回転一体に連結され、基部側に中空部が形成され、
前記中空部には、前記第１回転軸が前記ワンウェイクラッチを介して挿入されている、
ことを特徴とする力覚提示装置。
請求項１又は２に記載の力覚提示装置において、
バッテリーと、
前記バッテリーの電力を用いて前記電磁石のコイルに電流を供給する給電制御装置と、
を更に備え、
前記バッテリーおよび前記給電制御装置が前記手装着具上に設置されている、
ことを特徴とする力覚提示装置。
請求項１～３の何れか１項に記載の力覚提示装置において、
前記回転抵抗発生装置、前記指装着具、前記第１リンク部材および前記第２リンク部材は、複数個設けられており、
前記複数の回転抵抗発生装置は、前記手装着具によって、手の甲のそれぞれ異なる位置に保持され、
前記複数の指装着具は、それぞれ何れかの指に装着可能な位置に配される、
ことを特徴とする力覚提示装置。
請求項１～４の何れか１項に記載の力覚提示装置において、
前記回転部の所定位置からの回転量を検出する回転量検出器と、
前記回転量検出器が検出する回転量に基づいて前記回転抵抗発生装置に供給する電流値を制御する給電制御装置と、
を備えることを特徴とする力覚提示装置。