JPWO2017155051A1 - Position / force control device - Google Patents

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Abstract

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。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、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、これらの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と共に、これらの制御量を統合し、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）に戻すべく逆変換する。An object of the present invention is to realize more appropriate position / force control in the interaction with an object. In the force / tactile sensation transmitting device (1), the body sensation supply device (D1) includes an operation device that is operated by a body part and has a function of generating an operation reaction force. The body sensory receiving device (D2) includes an execution device having a function of a body part or a function of an apparatus operated by the body part. The body sensation associating unit (10) includes information on speed (position) and force corresponding to information on the operation position of the body sensation supply side device (D1) and information on the output position of the body sensation receiving side device (D2). Based on the corresponding speed (position) and force information, calculate the speed or position control amount and force control amount in the output of these devices, integrate these control amounts, Reverse conversion is performed to return to the sensory supply device (D1) and the somatosensory device (D2).

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。  The present invention relates to a position / force control apparatus that executes control based on a physical quantity based on position and a physical quantity based on force.

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。Conventionally, various artificial limbs including prosthetic hands have been used for the purpose of supplementing the work of body parts lost due to occupational accidents, accidents, illness, war damage, and the like.
With such a technique, it is possible to support a disabled person who has a disability in the function of the limbs.
As an example of such a technique, for example, Patent Document 1 describes a technique related to a myoelectric prosthetic hand that determines an open state and a closed state based on the strength of myoelectricity.

特開２０１４−０５０５９０号公報JP 2014-050590 A

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。However, conventional prosthetic limbs, for example, are those that simply reproduce the appearance of a human hand if it is a prosthetic hand, or that convey the movements of other body parts with wires. Since these artificial limbs do not feel a force sense of touch, there is a possibility of destroying or releasing the object to be grasped. Further, in the case of the myoelectric prosthetic hand as described above, it is difficult to adjust the gripping force, and noise during myoelectric measurement is also a problem, and many problems remain. Such a problem is also common in the case of realizing a device (such as a robot arm) that substitutes the sensation and action of a body part in a healthy person.
As described above, the conventional technology for assisting disabled persons cannot realize appropriate position / force control (physical quantity based on position and physical quantity based on force) in the interaction with the object. .

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。  An object of the present invention is to realize more appropriate position / force control in the interaction with an object.

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。In order to solve the above-described problem, a position / force control device according to one aspect of the present invention includes:
A body sensation supply device including an operation device that is operated by a body part and has a function of generating an operation reaction force;
A body sensory receiving device comprising an execution device having the function of a body part or the function of a device operated by a body part;
Based on speed (position) and force information corresponding to information on the operation position of the body sensation supply device, and speed (position) and force information corresponding to information on the output position of the body sensation receiving device. A control unit for calculating a control amount of speed or position and a control amount of force in the outputs of the body sensation supply device and the body sensation reception device;
The control amount of the speed or position and the control amount of the force in the outputs of the body sensation supply device and the body sensation reception device are integrated, and the output is integrated into the body sensation supply device and the body sensation reception device. An integration means for inversely transforming the control amount of the speed or position and the control amount of the force to return to the above, and determining an input to the somatosensory device and the somatosensory device;
It is characterized by providing.

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。  According to the present invention, it is possible to realize more appropriate position / force control in interaction with an object.

本発明の基本的概念を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the basic concept of this invention. 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。1 is a block diagram illustrating a configuration of a force / tactile sensation transmission device 1 to which the present invention is applied. 力触覚伝達装置１の具体的構成を示す図である。1 is a diagram illustrating a specific configuration of a force / tactile sensation transmitting device 1. FIG. 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。4A is an external view showing an example of a physical function realized by the force-tactile sensation transmitting device 1, and FIG. 4B is a schematic diagram showing a finger driving mechanism in the prosthetic hand shown in FIG. 4A. It is. 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。It is a schematic diagram which shows an example of the effect of this invention, FIG. 5 (A) is a figure which shows the tracking result of the position at the time of transferring a wooden disk by the force-tactile-sense transmission apparatus 1 which concerns on this embodiment, FIG.5 (B). These are figures which show the follow-up result of the force at the time of transferring a wooden disk with the conventional myoelectric hand. 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。FIG. 6A is a schematic diagram illustrating another example of the effect of the present invention, and FIG. 6A is a diagram illustrating a result of tracking a position when a rectangular parallelepiped is transferred by the force-tactile transmission device 1 according to the present embodiment. (A) is a figure which shows the follow-up result of the force at the time of transferring a rectangular parallelepiped by the conventional myoelectric hand. 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。It is a figure which shows an example of the physical function implement | achieved by the force-tactile-sense transmission apparatus. 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。It is a figure which shows an example of the physical function implement | achieved by the force-tactile-sense transmission apparatus. 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。It is a figure which shows an example of the physical function implement | achieved by the force-tactile-sense transmission apparatus. 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。It is a figure which shows an example of the apparatus directly act | operated on the operation target by a physical function implement | achieved by the force-tactile-sense transmission apparatus. 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。It is a figure which shows the example of a specific structure of the body sensation supply side device D1, FIG. 11 (A) is the perspective view which looked at the body sensation supply side device D1 from the left back, making the fingertip side the front, and FIG. It is the perspective view which looked at the body sensation supply side device D1 from the front left side with the fingertip side as the front. 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。It is a figure which shows the other specific example of a structure of the body sensation supply side device D1. 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。It is a figure which shows the specific structural example of the body sensation receiving device D2. 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。1 is an external view of a force / tactile sensation transmission device 1 configured as a device for supporting meals of persons with disabilities and the like.

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。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Basic concept]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the basic concept of the present invention.
Since the present invention supports a disabled person who has lost the function of the body part due to an accident or disease, the loss is caused by a part that can be exercised by the disabled person's own intention (such as a healthy part or a part that is relatively lightly disabled). It realizes a device that replaces the sense and movement of the body part.
For example, as shown in FIG. 1, the grasping action of the hand of the handicapped person who has lost the right hand is controlled by the action of the ankle which is a healthy part, and the action input to the hand is transmitted to the ankle. One can artificially implant the right hand motor function and body sensation into the ankle.
At this time, the body's sensation is obtained by converting and distributing the speed (position) and force control energy of the finger in the prosthetic hand and the speed (position) and force control energy of the ankle according to the control law described later. Communicate faithfully.
As a result, a position / force control device capable of more appropriate position / force control in the interaction with the object can be realized.
However, the present invention is not limited to a handicapped person, and can also be realized as a device that substitutes the sense and action of a body part in a healthy person. Furthermore, the present invention provides more appropriate position / force control in the interaction with the object, such as when the body sense (force / tactile sensation) is faithfully transmitted, or when the speed (position) or force is processed and transmitted. It can be realized as a device that performs (control by physical quantity based on position and physical quantity based on force).
Hereinafter, the configuration of a force / tactile sensation transmission device which is an embodiment of the position / force control device of the present invention will be described.

［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。[Constitution]
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the force / tactile sensation transmission device 1 to which the present invention is applied.
The block diagram shown in FIG. 2 shows the basic configuration of the force-tactile sensation transmission device 1 to which the present invention is applied. When implemented as a specific device, each block is appropriately unitized in a form that matches the device configuration. It is possible to do.
As shown in FIG. 2, the force / tactile sensation transmitting device 1 includes a control target system S, a force / speed allocation conversion block FT, and at least one of an ideal force source block FC or an ideal speed (position) source block PC, and inverse conversion. Block IFT. In the present embodiment, the control target system S includes a body sensation supply side device D1 and a body sensation reception side device D2.

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。The control target system S is configured by a manipulator (execution device) operated by an actuator or an operation device capable of generating an operation reaction force by the actuator, and controls the actuator based on acceleration or the like.
Specifically, the control target system S includes a body sensation supply device D1 (operation device) operated by a part where the body sensation is healthy in the handicapped person and a part where the body function is lost in the handicapped person. It comprises a somatosensory device D2 (execution device) that substitutes for the function.
The body sensation supply side device D1 is an operation device including an operation interface that can be operated by a part with a healthy body sensation in a handicapped person or the like, and has a structure corresponding to the part of the body that performs the operation. For example, when an operation is performed with a foot, a structure that can be pressed with a foot, such as a pedal or a button, can be employed.
The body sensation receiving device D2 is configured by a manipulator having a structure that substitutes for the function of the site where the body function is lost in a disabled person or the like. For example, in the case of replacing the lost hand function, a gripping device having a hand shape composed of two arms or three or five fingers can be used.

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。  The force / speed allocation conversion block FT is a block that defines conversion of control energy into a speed (position) and force area set in accordance with the control target system S. Specifically, in the force / speed allocation conversion block FT, coordinate conversion is defined in which a reference value (reference value) of the function of the control target system S and the current position of the actuator are input. In this coordinate conversion, generally, an input vector whose elements are a reference value and a current speed (position) is converted into an output vector composed of a speed (position) for calculating a control target value of the speed (position), and a reference value In addition, an input vector having the current force as an element is converted into an output vector composed of a force for calculating a force control target value. In the present embodiment, the coordinate transformation in the force / speed allocation transformation block FT is expressed as the following equations (1) and (2).

Figure 2017155051
Figure 2017155051

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、ｆｐは速度（位置）の状態値に関する力、ｆｆは力の状態値を導出するための力である。また、ｆｍは基準値（身体感覚供給側デバイスＤ１からの入力）の力、ｆｓは身体感覚受容側デバイスＤ２の現在の力である。In Equation (1), x ′ p is a speed for deriving a state value of speed (position), and x ′ f is a speed related to a force state value. X ′ m is the speed of the reference value (input from the body sensation supply device D1) (differential value of the current position of the body sensation supply device D1), and x ′ s is the current speed of the body sensation reception device D2. (Differential value of the current position). Further, in the equation (2), f p is the force on the status value of the speed (position), the f f is the force for deriving the state value of the force. Further, f m is a reference value (input from the body sensation supply device D1), and f s is a current force of the body sensation receiving device D2.

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。  The ideal force source block FC is a block that performs calculations in the force region in accordance with the coordinate transformation defined by the force / speed allocation transformation block FT. In the ideal force source block FC, a target value related to a force when performing an operation based on the coordinate transformation defined by the force / speed allocation transformation block FT is set. This target value is set as a fixed value or a variable value depending on the function to be realized. For example, when realizing a function similar to the function indicated by the reference value, zero is set as the target value, and when scaling is performed, a value obtained by enlarging or reducing the information indicating the function to be reproduced is set. it can.

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。  The ideal speed (position) source block PC is a block that performs calculations in the speed (position) area in accordance with the coordinate transformation defined by the force / speed assignment transformation block FT. In the ideal speed (position) source block PC, a target value related to the speed (position) when performing calculation based on the coordinate transformation defined by the force / speed allocation transformation block FT is set. This target value is set as a fixed value or a variable value depending on the function to be realized. For example, when realizing a function similar to the function indicated by the reference value, zero is set as the target value, and when scaling is performed, a value obtained by enlarging or reducing the information indicating the function to be reproduced is set. it can.

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。The inverse conversion block IFT is a block that converts the value of the velocity (position) and force region into the value (for example, voltage value or current value) of the input region to the control target system S.
With such a basic configuration, when position information in the actuator of the control target system S is input to the force / speed allocation conversion block FT, the speed (position) and force information corresponding to the position information is used. In the force / velocity allocation conversion block FT, control laws for the position and force regions are applied. Then, the force is calculated in the ideal force source block FC, and the speed (position) is calculated in the ideal speed (position) source block PC, and the control energy is distributed to the force and the speed (position). . In the present embodiment, the case where the position of an actuator or the like is detected and the force information is acquired from the detected position will be described as an example. However, the force information is detected by a sensor that detects force, such as a torque meter. It is good also as acquiring.

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。The calculation results in the ideal force source block FC and the ideal speed (position) source block PC are information indicating the control target of the control target system S, and these calculation results are used as the input values of the actuator in the inverse conversion block IFT, and control is performed. Input to the target system S.
As a result, the actuator of the control target system S performs an operation according to the function defined by the force / speed allocation conversion block FT, and the target operation of the force / tactile sensation transmission device 1 is realized.
That is, in the present invention, it is possible to realize the force / tactile sensation transmission device 1 capable of more appropriate position / force control in the interaction with the object.

［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。[Specific configuration]
Next, a specific configuration of the force / tactile sensation transmission device 1 will be described.
FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration of the force / tactile sensation transmission device 1.
In addition, in FIG. 3, one form of the control system in the case of mounting as a specific apparatus is shown.
4A is an external view showing an example of a physical function realized by the force-tactile sensation transmitting device 1, and FIG. 4B is a schematic diagram showing a finger driving mechanism in the prosthetic hand shown in FIG. 4A. It is.
As shown in FIG. 4 (A), the force / tactile sensation transmission device 1 is realized as a control target system S in the form of shoes, and a button installed inside is operated by a healthy foot of the user. The device D1 is realized in the form of a prosthetic hand including three fingers, and includes a somatosensory device D2 that replaces the function of the user's lost hand. In FIG. 4A, each of the body sensation supply device D1 and the body sensation reception device D2 includes a battery for supplying current and an inverse conversion block IFT. The processing result of the inverse conversion block IFT is shown in FIG. Corresponding current is supplied. Also, the force / speed allocation conversion block FT and at least one of the ideal force source block FC or the ideal speed (position) source block PC are installed integrally with the body sensation supply device D1 or the body sensation reception device D2. It can be configured as a separate unit (not shown). Furthermore, each part of the force-tactile sensation transmission device 1 including the body sensation supply device D1 and the body sensation reception device D2 can communicate information regarding control with each other by wireless communication such as Bluetooth (registered trademark) or Wi-Fi. It can be configured.

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。Hereinafter, the force-tactile sensation transmission device 1 having the external form shown in FIG. 4A will be described as being controlled by one form of the control system shown in FIG.
As shown in FIG. 3, the force / tactile sensation transmission device 1 includes a control target system S (a body sensation supply device D1 and a body sensation reception device D2), a body sensation association unit 10, and response value acquisition units 20a and 20b. It is comprised including.
Among these, the control target system S is as described in FIG. However, the prosthetic hand shown in FIG. 4A is provided with an actuator on each of three fingers, and a force is applied between the plurality of actuators and one actuator provided on a button installed inside the shoe. Tactile transmission is performed. Further, as shown in FIG. 4B, each finger is provided with a mechanism in which the rotation of the actuator is converted into an opening / closing operation via a bevel gear.

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。  At this time, in accordance with the movement mode of the finger of the prosthetic hand, integrated control (bilateral control of velocity (position) and force) via the force / velocity allocation conversion block FT and the conventional actuator independent More appropriate operation can be realized by using the control together with the control (speed (position) or force impedance control). Impedance control is a technique for controlling speed (position) and force so that mechanical impedance (rigidity, viscosity, and inertia) is in a state according to the purpose. Specifically, the movement of the three fingers of the thumb, index finger, and middle finger in the prosthetic hand includes (1) a grip mode in which the index finger, the middle finger, and the thumb approach each other to hold an object; The rotation mode in which the index finger and the middle finger move in the opposite directions and (3) the operation mode in which the thumb, the index finger, and the middle finger move in the same direction are included as components. And while using the above-mentioned bilateral control for the grip mode and using the impedance control for the rotation mode and the maneuvering mode, an operation of appropriately gripping the object according to various environments is realized.

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。  When bilateral control is executed with one actuator provided on a button installed in a shoe and actuators provided on a thumb, an index finger, and a middle finger, the force control is performed by the shoe actuator. The condition is that an action and reaction is established between the force and the force of the finger actuator (that is, the sum is zero). The speed (position) is controlled under the condition that the speed (position) of the shoe actuator matches the speed (position) of the finger actuator (that is, the difference is zero). However, it is also possible to perform processing such as applying a coefficient to force or position (speed). In this case, force or position scaling can be performed between the control of the shoe actuator and the control of the finger actuator. Therefore, for example, a more flexible force / tactile sensation can be transmitted between parts having different powers, such as a foot and a hand (finger). It is also possible to associate the force or position (speed) of the shoe actuator with the converted space such as the grip mode, the rotation mode, and the manipulation mode. In this case, it is possible to select a component (mode) of an operation in which each finger grips the object and transmit it to the user's foot. Therefore, the state of the gripping operation can be more appropriately transmitted to the user according to the device configuration, the purpose of transmitting the force / tactile sense, and the like. By executing the control according to such conditions, it is possible to execute bilateral control between the body sensation supply device D1 and the body sensation reception device D2 having different degrees of freedom.

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（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）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。The body sensation association unit 10 includes a force / speed allocation conversion block FT, an ideal force source block FC or an ideal speed (position) source block PC, and an inverse conversion block IFT in FIG. It is comprised by control apparatuses, such as a microcomputer and IC (Integrated Circuit) which mounted the software which implement | achieves the function.
The response value acquisition unit 20a is a sensor that detects the position (or speed or acceleration) of the actuator (or the control target of the actuator) of the body sensation supply side device D1, and stores information indicating the detected position on the body sensation association unit 10 Output to.
The response value acquisition unit 20b is a sensor that detects the position (or speed or acceleration) of the actuator (or the control target of the actuator) of the body sensation receiving device D2, and stores information indicating the detected position as the body sensation association unit 10. Output to.

［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。[Operation example]
Next, an operation example of the force / tactile sensation transmission device 1 shown in FIGS. 3 and 4 will be described.
When the force / tactile sensation transmitting device 1 is operated, the body sensation supply device D1 realized in the form of shoes is attached to a healthy foot of the user, and the body sensation reception side device D2 realized in the form of the hand has a function. Wear on the lost user's hand.
Then, the user steps on the button of the body sensation supply side device D1 in a state where the body sensation receiving side device D2 is disposed at a position where the object to be gripped can be gripped.
Then, the depression position (depression stroke) of the button is detected by the response value acquisition unit 20a, and information on the detected position is output to the body sense association unit 10. At this time, the position of the actuator of the body sensation receiving device D2 is also detected by the response value acquisition unit 20b, and information on the detected position is output to the body sensation association unit 10.

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ｆｐ、力の状態値を導出するための力ｆｆ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ｆｆ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ｆｐ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。The body sensation associating unit 10 uses the function of the force / speed allocation conversion block FT to detect the position of the body sensation supply device D1 input from the response value acquisition unit 20a and the body sensation input from the response value acquisition unit 20b. Based on the information on the position of the receiving device D2, the calculation according to the equations (1) and (2) is performed, and the velocity x ′ p for deriving the velocity (position) state value, and the velocity x related to the force state value ' f , force f p related to the state value of velocity (position), and force f f for deriving the force state value are calculated.
Further, physical sensations correspondence unit 10, by the function of the ideal power source block FC, based on the force f f for deriving the state of the velocity x 'f and force on the status value of the force, physical sensations source device The target value of the reaction force generated by D1 and the target value of the force generated by the body sensory receiving device D2 are calculated. Similarly, the body sensation associating unit 10 uses the function of the ideal speed (position) source block PC to calculate the speed x ′ p for deriving the speed (position) state value and the force f related to the speed (position) state value. Based on p , the target value of the position of the body sensation supply side device D1 and the target value of the position of the body sensation reception side device D2 are calculated.

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。Then, the body sensation association unit 10 uses the function of the inverse conversion block IFT for the body sensation supply side device D1, and the reaction force target value generated by the body sensation supply side device D1 and the position of the body sensation supply side device D1. The input (current value) to the body sensation supply side device D1 is calculated from the target value of, and a current is supplied to the body sensation supply side device D1. Similarly, the body sensation association unit 10 uses the function of the inverse conversion block IFT for the body sensation receiving device D2 to generate a target force value generated by the body sensation receiving device D2 and the position of the body sensation receiving device D2. The input (current value) to the body sensation receiving device D2 is calculated from the target value, and a current is supplied to the body sensation receiving device D2.
By repeating such a process continuously, the tactile sensation according to the operation of the body sensation supply side device D1 by the user and the action from the object on the body sensation reception side device D2 is transmitted to each other by bilateral control. The
As a result, the user can receive the same sensation as in the case of grasping the object by hand by an operation with his / her foot, and can grasp the object with a contact force corresponding to the sense.
Therefore, it is possible to realize the force / tactile sensation transmission device 1 capable of more appropriate position / force control in the interaction with the object.

［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。[Effect of the embodiment]
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of the effect of the present invention, and FIG. 5A shows the position tracking when the wood disk (about several centimeters in diameter) is transferred by the force-tactile transmission device 1 according to the present embodiment. The figure which shows a result and FIG. 5 (B) are figures which show the follow-up result of the force at the time of transferring a wooden disk by the conventional myoelectric hand.
As shown in FIGS. 5A and 5B, in the force / tactile sensation transmission device 1 according to the present embodiment, the position and force input / output to / from the body sensation receiving device D2 are applied to the body sensation supply device D1. It can be seen that the input / output position and force are followed. In FIG. 5B, for convenience of coordinate setting, the direction of force is shown reversed in the body sensation supply side device D1 and the body sensation reception side device D2 (see FIG. 6 (shown below)). The same applies to B).
In other words, in the force / tactile sensation transmission device 1, it is possible to appropriately hold the wooden disk.
In addition, when the same operation was performed with a myoelectric prosthetic hand, the wooden disk could not be properly gripped, such as being damaged or dropped on the way. Further, in the case of using the myoelectric prosthetic hand, it took about 2.8 times as much work time as in the case of using the force-tactile transmission device 1. In the force-tactile sensation transmission device 1, each finger can flexibly perform a gripping operation in accordance with the shape of the object, whereas in a myoelectric prosthetic hand, a gripping operation in accordance with the shape of the object. Due to the fact that the muscle movement for operating the myoelectric prosthetic hand is difficult to understand intuitively, the force output by the myoelectric prosthetic hand cannot be adjusted (or adjustment is difficult), etc. It is believed that there is.

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。FIG. 6 is a schematic diagram showing another example of the effect of the present invention. FIG. 6 (A) shows a case where a rectangular parallelepiped (about several centimeters per side) is transferred by the force-tactile transmission device 1 according to the present embodiment. FIG. 6B is a diagram showing the result of tracking the position, and FIG. 6B is a diagram showing the result of tracking the force when the rectangular parallelepiped is transferred by a conventional myoelectric hand.
6A and 6B, as in the case of FIGS. 5A and 5B, in the force-tactile sensation transmitting device 1 according to the present embodiment, the input / output is performed to the body sensation receiving device D2. It can be seen that the position and force following the position and force input / output to / from the body sensation supply device D1.
That is, in the force / tactile sensation transmission device 1, it is possible to appropriately hold the rectangular parallelepiped.
When the same operation was performed with the myoelectric prosthetic hand, although the rate of success in grasping the rectangular parallelepiped was high, the operation time was about 1.7 times that in the case of using the force-tactile transmission device 1. In other words, even when the object is relatively easy to grip with a myoelectric hand, the work using the force-tactile sensation transmission device 1 according to this embodiment can be performed more efficiently.

［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。[Examples of physical functions to be realized]
With the above-described configuration, the force / tactile sensation transmission device 1 can realize various body functions, and the device form of the force / tactile sensation transmission device 1 is a physical function required by a disabled person, and the disabled person operates the apparatus. It is possible to design flexibly in relation to the healthy part to be performed.
Hereinafter, examples of physical functions that can be realized by the force-tactile transmission device 1 will be described.

［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。[Physical sensory supply device sandwiched between the sides and physical sensory device that realizes hand functions]
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a bodily function realized by the force / tactile sensation transmitting device 1, and a bodily sensation supply device D1 that is operated by being sandwiched by the side and a bodily sensation receiving device that realizes a hand function. It is an external view which shows D2.
As shown in FIG. 7, the body sensation supply device D1 includes a first member P1 and a second member P2 that are rotatably connected by a hinge, and includes a first member P1 and a second member P2. The relative rotation angle is detected by a sensor such as a rotary encoder. The body sensation supply device D1 includes an actuator that generates a reaction force with respect to the relative rotation between the first member P1 and the second member P2. The first member P1 is fixed to the user's body side, and the second member P2 is fixed to the user's arm side.
On the other hand, the body sensation receiving device D2 includes one finger corresponding to the thumb and two fingers capable of gripping an object facing the thumb, and an actuator that controls the movement of the joint on these fingers. It has more. Also, the angle of each finger joint is detected by a sensor such as a rotary encoder.
Under such a configuration, when the user sandwiches and operates the body sensation supply side device D1, the relative rotation angle between the first member P1 and the second member P2 is detected, and the body sensation reception side device is detected. Along with the angle of each finger D <b> 2, it is input to the body sense association unit 10.
Then, the force / tactile sensation according to the operation of the body sensation supply device D1 by the user and the action from the object on the body sensation reception side device D2 is transmitted to each other by bilateral control.
That is, the user can handle the object in the same manner as when using the hand while feeling a force haptic in the interaction with the object by the side.
Thereby, for example, in a user who has lost the hand function, it is possible to substitute the hand function close to the feeling of his / her hand by using the side force tactile sense.

［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。[Physical sensory supply device sandwiched between necks and physical sensory device that realizes hand functions]
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a bodily function realized by the force / tactile sensation transmitting device 1, and a bodily sensation supply device D1 operated by being pinched by a neck and a bodily sensation receiving device that realizes a hand function. It is an external view which shows D2.
As shown in FIG. 8, the body sensation supply device D1 includes a first member P3 and a second member P4 that are rotatably connected by a hinge, and includes a first member P3 and a second member P4. The relative rotation angle is detected by a sensor such as a rotary encoder. The body sensation supply device D1 includes an actuator that generates a reaction force with respect to relative rotation between the first member P3 and the second member P4. The first member P3 is fixed to the user's shoulder, and the second member P4 is in contact with the user's chin.
The body sensation receiving device D2 has the same configuration as that shown in FIG.
Under such a configuration, when the user manipulates the body sensation supply side device D1 while sandwiching it in the neck, the relative rotation angle between the first member P3 and the second member P4 is detected, and the body sensation reception side device is detected. Along with the angle of each finger D <b> 2, it is input to the body sense association unit 10.
Then, the force / tactile sensation according to the operation of the body sensation supply device D1 by the user and the action from the object on the body sensation reception side device D2 is transmitted to each other by bilateral control.
That is, the user can handle the object in the same manner as when using the hand while feeling the force and touch in the interaction with the object with the neck.
Thereby, for example, in a user who has lost the hand function, the hand function close to the feeling of his / her hand can be substituted using the force sense of the neck.

［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。[Physical sensory supply device to be worn on fingers and physical sensory device to realize knee function]
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a bodily function realized by the force / tactile sensation transmitting device 1, and a bodily sensation supply device D1 that is operated by being worn on a finger, and a bodily sensation receiving side that realizes a knee function. It is an external view which shows the device D2.
As shown in FIG. 9, the body sensation supply device D1 includes finger-type operating elements P5 to P7 attached to the thumb, index finger, and middle finger, and an actuator that generates a reaction force in these operating elements P5 to P7. It has more. In addition, the joint angles of the operators P5 to P7 are detected by a sensor such as a rotary encoder.
On the other hand, the body sensation receiving device D2 includes a first member P8 and a second member P9 that are rotatably connected by a hinge, and a relative rotation angle between the first member P8 and the second member P9. Is detected by a sensor such as a rotary encoder. The body sensation receiving device D2 further includes an actuator that controls relative rotation between the first member P8 and the second member P9. The first member P8 is fixed to the user's thigh side, and the second member P9 is fixed to the user's thigh side.
Under such a configuration, when the user operates the body sensation supply side device D1 by an operation of bending a finger, the joint angles of the finger-shaped operators P5 to P7 are detected, and the first body sensation reception side device D2 is detected. Together with the relative rotation angle between the member P8 and the second member P9.
Then, the force / tactile sensation according to the operation of the body sensation supply side device D1 by the user and the action from the object (such as the ground) on the body sensation reception side device D2 is transmitted to each other by bilateral control.
That is, the user can perform the same operation as the case of using the leg with respect to the object while feeling the force and touch in the interaction with the object with the finger.
As a result, for example, in a user whose knee function has deteriorated, it is possible to substitute the knee function close to the sense of his / her leg by using the force sense of touch of the finger.
In the case of such a configuration, any one of the plurality of joints of the plurality of finger-type operators P5 to P7 is associated with the movement of the body sense receiving device D2, or the plurality of finger-type operators It is possible to associate the movement of the whole of the operators P5 to P7 with the operation of the body sensation receiving device D2.

［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。[Physical sensory supply device sandwiched between the sides and physical sensory receiving device that realizes the function of the operation target]
The force / tactile sensation transmission device 1 according to the present embodiment may be a device that directly acts on an operation target according to the realized physical function in addition to the case where the physical function is realized.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a device that directly acts on an operation target based on a physical function, realized by the force / tactile sensation transmitting device 1, and a body sensation supply device D 1 that is operated by being pinched by the side, It is an external view which shows the body sensation receiving side device D2 which acts directly on the electric steering device which is the operation target by the function.
10, the body sensation supply device D1 has the same configuration as that shown in FIG.
On the other hand, the body sensation receiving device D2 is configured as an electric steering device (specifically, an actuator that controls a steering operation).
Under such a configuration, when the user sandwiches and operates the body sensation supply side device D1, the relative rotation angle between the first member P1 and the second member P2 is detected, and the body sensation reception side device is detected. Along with information on the position of the actuator of D2, it is input to the body sense association unit 10. In the configuration shown in FIG. 10, for example, an operation of turning left when the side is opened from the reference position and an operation of turning right when the side is closed from the reference position can be set.
Then, the force / tactile sensation according to the operation of the body sensation supply side device D1 by the user and the action from the object (steering wheel) on the body sensation reception side device D2 is transmitted to each other by bilateral control.
That is, the user can handle the object in the same manner as when using the hand while feeling a force haptic in the interaction with the object by the side.
As a result, for example, a user who has lost the hand function can perform the steering operation of the automobile with the same feeling as when operating the steering wheel with his / her hand using the force sense of the side.

［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。[Device configuration example]
Next, a configuration example of a specific device that realizes the body sensation supply side device D1 and the body sensation reception side device D2 of the present invention will be described.
[Configuration example of the body sensation supply device]
FIG. 11 is a diagram illustrating a specific configuration example of the body sensation supply side device D1, and FIG. 11A is a perspective view of the body sensation supply side device D1 as viewed from the left rear side with the fingertip side as the front. (B) is the perspective view which looked at the body sensation supply side device D1 from the left front, with the fingertip side as the front.
The body sensation supply device D1 shown in FIG. 11 can be used as, for example, the body sensation supply device D1 for realizing the body function shown in FIG.
In FIG. 11, the body sensation supply device D <b> 1 includes operation elements P <b> 5 to P <b> 7, and these operation elements P <b> 5 to P <b> 7 have fingertip-shaped covers that are attached to the thumb, index finger, and middle finger, respectively. The body sensation supply device D1 further includes actuators M1 to M3 that generate reaction forces in the operators P5 to P7. Then, the actuators M1 to M3 and the operators P5 to P7 (cover) are connected via gear mechanisms G1 to G3 using bevel gears, etc., so that the user's thumb, index finger and middle finger and the operators P5 to P7 are connected. However, on the link structure, the joint (movable shaft) is arranged coaxially. The joint angles of the operators P5 to P7 are detected by a sensor such as a rotary encoder.
With this configuration, the user puts his finger into the three covers having the fingertip shape and wears the operators P5 to P7, so that the human body's original movement is not hindered and the body sensation supply side device D1. It is possible to transmit movement between the two.
By the way, when the actuators M1 to M3 are attached without making the joints coaxial as shown in FIG. 11, the positions of the finger joints and the joints of the body sensation supply side device D1 that is an exoskeleton robot are shifted, resulting in a sense of incongruity. End up.
On the other hand, in the configuration example of the device shown in FIG. 11, the joint of the finger and the joint of the body sensation supply side device D1 are coaxially arranged through the gear mechanisms G1 to G3 using bevel gears or the like. Therefore, the user can transmit an operation | movement without a sense of incongruity between the body sensation supply side devices D1.

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。FIG. 12 is a diagram illustrating another specific configuration example of the body sensation supply device D1.
In addition, in FIG. 12, the perspective view which looked at the body sensation supply side device D1 from the front left side with the fingertip side as the front is shown.
In the configuration example shown in FIG. 12, in contrast to the configuration example shown in FIG. 11, the operating elements P5 to P7 have ring members instead of fingertip-shaped cover members, and actuators M1 to M1 via a link mechanism. By connecting M3 and the operating elements P5 to P7 (ring members), the thumb, index finger and middle finger of the user and the operating elements P5 to P7 have joints (movable shafts) substantially coaxially on the link structure. It has been arranged.
Also in the configuration example shown in FIG. 12, as in the configuration example shown in FIG. 11, the user is obstructed by the original human movement by putting three fingers on the ring member and wearing the controls P5 to P7. It is possible to transmit motion to and from the body sensation supply device D1.
In the configuration example shown in FIG. 12, the gear mechanism can be reduced, so that space can be saved.

［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。[Configuration example of the body sensation supply device]
FIG. 13 is a diagram illustrating a specific configuration example of the body sensation receiving device D2.
The body sensation receiving device D2 shown in FIG. 13 can be used as, for example, the body sensation receiving device D2 for realizing the body function shown in FIG.
As shown in FIG. 13, the body sensation receiving device D2 can be configured to be installed in an arm-type manipulator that imitates the structure of a human arm.
In the configuration example shown in FIG. 13, two arm-type manipulators MP1 and MP2 corresponding to the right arm and the left arm are made into one set, and each arm-type manipulator MP1 and MP2 includes a support member 31, a bracket 32, and a first arm member. 33, the 2nd arm member 34, and the hand member 35 (body sense receiving side device D2).
The bracket 32 is attached to the support member 31 via a vertical rotation axis, and is rotatable about the vertical rotation axis with respect to the support member 31 by an actuator M4. The first arm member 33 is attached to the bracket 32 via a horizontal rotation axis, and can be rotated around the horizontal rotation axis with respect to the bracket 32 by an actuator M5. The second arm member 34 is attached to the first arm member 33 via a horizontal rotation shaft, and is connected to the second arm member 34 via a belt or the like with respect to the first arm member 33. It can be rotated around the horizontal rotation axis by M6. The hand member 35 (the body sensation receiving device D2) is attached to the second arm member 34 via the rotation axis in the longitudinal direction of the second arm member 34, and the second arm member 34 is attached to the second arm member 34. The actuator M7 incorporated in the shaft 34 can be rotated around the rotation axis in the longitudinal direction. The hand member 35 has fingertip-shaped finger members 35a to 35c corresponding to the thumb, index finger, and middle finger. And hand member 35 is further provided with actuators M8-M10 which control operation of these finger members 35a-35c.
Such arm type manipulators MP1 and MP2 have joint structures (shoulder joints, elbow joints, wrist joints, and finger joints) close to humans, and have seven degrees of freedom in one arm. In the arm-type manipulators MP1 and MP2, when the object is gripped by the hand member 35 (the body sensation receiving device D2), a gripping operation in a more natural posture can be performed.
That is, it becomes possible for a user who has lost the function of the arm to substitute the function of the arm that is close to the sense of the arm.

［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。[Application example]
As the configuration of the force-tactile sensation transmission device 1, a device that supports meals for persons with disabilities and the like can be configured.
FIG. 14 is an external view of the force-tactile sensation transmission device 1 configured as a device that supports meals for persons with disabilities and the like.
In the force / tactile sensation transmission device 1 shown in FIG. 14, the body sensation supply device D1 has the same configuration as that shown in FIG.
On the other hand, the body sensation receiving device D2 includes a stand 100, an operation unit 200, an expansion / contraction unit 300, a turning unit 400, and a pickup unit 500.
Among these, the operation unit 200 is connected to the stand 100 and is supported so as to be rotatable with respect to the stand 100 in the vertical direction and the horizontal direction. The upper end of the operation unit 200 constitutes an interface for the user to determine the direction of the pickup unit 500 by abutting the chin. Further, the operation unit 200 includes a pinion gear and an actuator that move the rack gear of the extendable unit 300.

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。The telescopic unit 300 includes a rack gear configured to be able to advance and retreat from the operation unit 200 by an actuator built in the operation unit 200.
The turning unit 400 connects the expansion / contraction unit 300 and the pickup unit 500, and rotates the pickup unit 500 180 degrees relative to the expansion / contraction unit 300 to the operation unit 200 side and the opposite side to the operation unit 200. Further, the turning unit 400 incorporates an actuator for controlling such a turning operation.
The pickup unit 500 includes a hook member 502 that can stab and hold food at the tip of a support member 501 connected to the turning unit 400.

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。In the force / tactile sensation transmission device 1 shown in FIG. 14, for example, in the body sensation supply device D <b> 1, the movement of the index finger corresponds to the forward / backward movement of the expansion / contraction unit 300 and the movement of the thumb pierces food by the pickup unit 500 (predetermined It is possible to adopt a configuration in which the movement of the middle finger corresponds to the turning operation of the turning unit 400 until the reaction force or the operation of transmitting the force / tactile sensation to the user's thumb and extending the expansion / contraction part 300.
Under such a configuration, the user determines the direction of the pickup unit 500 with his chin while visually recognizing food, and operates the finger-shaped operating elements P5 to P7 with his / her finger, thereby performing an operation of inserting food with the pickup unit 500 Make it.
For example, first, the user turns the folded pickup unit 500 in the food direction by the movement of the middle finger.

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。Further, the user determines the direction of the pickup unit 500 with the chin while visually confirming the food, and extends the expansion / contraction unit 300 by the movement of the index finger to place the pickup unit 500 near the target food.
And a user stabs the food which aims at the pick-up part 500 by movement of thumb.
Thereby, the force / tactile sensation transmitting device 1 is in a state of holding food.
Thereafter, the user contracts the stretchable part 300 by the movement of the index finger.
Further, the user turns the pickup unit 500 in the folding direction (operation unit 200 side) by the movement of the middle finger.

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。Thereby, the food held in the pickup unit 500 is moved to the vicinity of the user's mouth.
Then, the user can eat the target food.
By repeating such actions, users who cannot eat food by hand can eat food by themselves and eat while getting a sense of accomplishment that they are eating by their own power Is possible.

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。The force / tactile sensation transmission device 1 configured as described above includes a body sensation supply side device D1, a body sensation reception side device D2, and a body sensation association unit 10.
The body sensation supply side device D1 includes an operation device that is operated by a body part and has a function of generating an operation reaction force.
The body sensation receiving device D2 includes an execution device having a function of a body part or a function of an apparatus operated by the body part.
The body sensation association unit 10 includes speed (position) and force information corresponding to information related to the operation position of the body sensation supply device D1, and speed (position) corresponding to information related to the output position of the body sensation receiving device D2. And the control amount of the speed or position and the control amount of the force in the outputs of the body sensation supply device D1 and the body sensation reception device D2 are calculated based on the force information.
The body sensation associating unit 10 integrates the speed or position control amount and the force control amount in the outputs of the body sensation supply device D1 and the body sensation reception device D2, and outputs the outputs to the body sensation supply device. The input to the body sensory supply device D1 and the body sensory receiving device D2 is determined by inversely transforming the control amount of speed or position and the control amount of force to return to D1 and the body sensory receiving device D2.
Thereby, the tactile sensation according to the operation of the body sensation supply side device D1 by the user and the action from the object on the body sensation reception side device D2 is transmitted to each other.
Thereby, when the user handles an object with the function of the body part by an operation with a healthy part or the like of his / her body, or when the device operated by the body part is operated with his / her body And can handle objects according to the sense.
Therefore, it is possible to realize the force / tactile sensation transmission device 1 capable of more appropriate position / force control in the interaction with the object.

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。The body sensation association unit 10 includes a force / speed allocation conversion block FT, an ideal speed (position) source block PC, and an ideal force source block FC.
The force / speed allocation conversion block FT uses the speed (position) and force information corresponding to the information related to the operation position of the body sensation supply side device D1 as a reference, and the speed corresponding to the information related to the operation position of the body sensation supply side device D1. Based on (position) and force information and speed (position) and force information corresponding to information on the output position of the body sensation receiving device D2, the operation in the body sensation supply device D1 and the body sensation receiving device D2 The control energy is converted into velocity or position energy and force energy so as to bilaterally control the output of.
The ideal speed (position) source block PC calculates a speed or position control amount based on the speed or position energy assigned by the force / speed assignment conversion block FT.
The ideal force source block FC calculates a force control amount based on the force energy assigned by the force / speed assignment conversion block FT.
Thereby, the operation in the body sensation supply side device D1 and the output from the body sensation reception side device D2 are bilaterally based on the speed (position) and force information corresponding to the information regarding the operation position of the body sensation supply side device D1. Since it becomes possible to control, the object can be handled with a sense similar to that of the user's body via the body sense receiving device D2.

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。The body sensation supply device D1 includes a first member P1 and a second member P2 that are rotatably connected by a hinge, and is operated by changing a rotational position of the second member P2 with respect to the first member P1. Is done.
Thereby, since the body sensation receiving device D2 can be operated by a simple operation, the body sensation receiving device D2 can be easily operated even by a user having a physical disability.

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。The body sensation receiving device D2 includes a plurality of fingers and is configured as a manipulator having a hand shape capable of gripping an object.
Thereby, in the user who lost the hand function, it becomes possible to substitute the hand function close to the feeling of his / her hand.

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。The body sensation supply device D2 includes an operation element attached to the finger, and at least one of the movable axis of the finger and the movable axis of the operation element corresponding to the movable axis of the finger is arranged coaxially. Yes.
Thereby, the user can transmit the movement to and from the body sensation supply side device without hindering the human original movement.

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。The body sensation receiving device D2 is configured as an electric steering device for performing a steering operation of an automobile.
As a result, a user who has lost the hand function can perform the steering operation of the vehicle with the same feeling as when the steering wheel is operated with his / her hand.

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1 Force / tactile transmission device, S controlled system, FT force / speed allocation conversion block, FC ideal force source block, PC ideal speed (position) source block, IFT inverse conversion block, D1
Body sensation supply side device, D2 Body sensation reception side device, 10 Body sensation association unit, 20a, 20b Response value acquisition unit, P1, P3, P8 first member, P2, P4, P9 second member, P5 P7 finger type operation element, M1 to M10 actuator, G1 to G3 gear mechanism, MP1, MP2 arm type manipulator, 31,501 support member, 32
Bracket, 33 First arm member, 34 Second arm member, 35 Hand member, 35a to 35c Finger member, 100 stand, 200 operation unit, 300 telescopic unit, 400 turning unit, 500 pickup unit, 502 collar member

Claims (6)

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位置・力制御装置。A body sensation supply device including an operation device that is operated by a body part and has a function of generating an operation reaction force;
A body sensory receiving device comprising an execution device having the function of a body part or the function of a device operated by a body part;
Based on speed (position) and force information corresponding to information on the operation position of the body sensation supply device, and speed (position) and force information corresponding to information on the output position of the body sensation receiving device. A control unit for calculating a control amount of speed or position and a control amount of force in the outputs of the body sensation supply device and the body sensation reception device;
The control amount of the speed or position and the control amount of the force in the outputs of the body sensation supply device and the body sensation reception device are integrated, and the output is integrated into the body sensation supply device and the body sensation reception device. An integration means for inversely transforming the control amount of the speed or position and the control amount of the force to return to the above, and determining an input to the somatosensory device and the somatosensory device;
A position / force control device comprising: 前記制御部は、
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（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。The controller is
The speed (position) and force information corresponding to the information on the operation position of the body sensation supply device, and the information on the speed (position) and force corresponding to the information on the operation position of the body sensation supply device, and the information Bilateral control of the operation on the body sensory supply device and the output of the body sensory receiving device based on the speed (position) and force information corresponding to the information on the output position of the body sensory receiving device In addition, force / speed allocation conversion means for converting the control energy into speed or position energy and force energy,
Position control amount calculation means for calculating a control amount of speed or position based on the energy of speed or position assigned by the force / speed assignment conversion means;
Force control amount calculation means for calculating a force control amount based on the energy of the force assigned by the force / speed assignment conversion means;
The position / force control device according to claim 1, comprising: 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、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ことによって操作が行われることを特徴とする請求項１または２に記載の位置・力制御装置。  The body sensation supply side device includes a first member and a second member rotatably connected by a hinge, and an operation is performed by changing a rotation position of the second member with respect to the first member. The position / force control device according to claim 1 or 2, wherein 前記身体感覚受容側デバイスは、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とを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の位置・力制御装置。  The position / force according to any one of claims 1 to 3, wherein the body sensory receiving device is configured as a manipulator having a plurality of fingers and having a hand shape capable of gripping an object. Control device. 前記身体感覚供給側デバイスは、指に装着される操作子を備え、前記指の可動軸と、当該指の可動軸に対応する前記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とを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の位置・力制御装置。  The body sensation supply side device includes an operation element attached to a finger, and at least one of the movable axis of the finger and the movable axis of the operation element corresponding to the movable axis of the finger is arranged coaxially The position / force control apparatus according to claim 1, wherein the position / force control apparatus is provided. 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請求項１から４のいずれか１項に記載の位置・力制御装置。  5. The position / force control device according to claim 1, wherein the body sensation receiving device is configured as an electric steering device for performing a steering operation of an automobile.
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