側面設置型力覚提示インターフェイス
【課題】
操作空間が広く、人間の指へそれぞれ３次元の力覚及び仮想物体の重量感を提示でき、さらに、圧迫感や装置の重量感を与えることがなく、安全で、小さな仮想物体を扱うことが可能な側面設置型力覚提示インターフェイスを提供する。
【解決手段】
力覚提示インターフェイスは操作者Ｈの手の指の運動に追従可能な複数の触覚指２１〜２５を有する触覚指ベース１６と、触覚指ベースの空間運動を可能とするアーム機構１１０と、操作者Ｈの手の位置及び姿勢に連動させてアーム機構１１０を駆動制御するとともに、指の動きに連動させて触覚指を駆動制御するコントローラを有する。力覚提示インターフェイスは触覚指ベース１６を操作者Ｈの手の甲側において甲から離間した状態で、触覚指に対して前記操作者の指に取付けするための指フォルダ２６が設けられている。
操作空間が広く、人間の指へそれぞれ３次元の力覚及び仮想物体の重量感を提示でき、さらに、圧迫感や装置の重量感を与えることがなく、安全で、小さな仮想物体を扱うことが可能な側面設置型力覚提示インターフェイスを提供する。
【解決手段】
力覚提示インターフェイスは操作者Ｈの手の指の運動に追従可能な複数の触覚指２１〜２５を有する触覚指ベース１６と、触覚指ベースの空間運動を可能とするアーム機構１１０と、操作者Ｈの手の位置及び姿勢に連動させてアーム機構１１０を駆動制御するとともに、指の動きに連動させて触覚指を駆動制御するコントローラを有する。力覚提示インターフェイスは触覚指ベース１６を操作者Ｈの手の甲側において甲から離間した状態で、触覚指に対して前記操作者の指に取付けするための指フォルダ２６が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、側面設置型力覚提示インターフェイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、力覚提示デバイスとして、仮想空間において、仮想物体に触れた時の抵抗感覚や重量感覚を手若しくは指先１点に提示するシリアルリンク型の力覚提示デバイス（特許文献１）や、パラレルリンク型の力覚提示デバイス（特許文献２）が提案されている。これらの力覚提示デバイスは、一箇所への力覚提示は可能であるが、人間の複数の指先への力覚提示は困難である。
【０００３】
これに対し、人間の複数の指先に力覚を提示する力覚提示デバイスとして、特許文献３、非特許文献１〜４が提案されている。
非特許文献１では、２台のシリアルリンク型の力覚提示デバイスが設置されて、２本の指先に力覚を提示するように構成されている。又、非特許文献２では、３台のシリアルリンク型力覚提示デバイスが設置されることで、３本の指先に力覚の提示を可能にしている。
【０００４】
しかし、これらの複数の力覚提示デバイスを設置する、複数設置型デバイスでは、作業空間が極端に狭くなる問題がある。又、装置間の干渉により３台以上の設置は難しく、５本の指先への力覚提示は困難である。このような複数設置型デバイスでは、操作空間が広く、かつ人間の５本の指先へ力覚を提示するデバイスは研究開発されていない。
【０００５】
非特許文献３の力覚提示デバイスは、指先にワイヤを接続し、そのワイヤを引っ張ることで５本の指先に力覚を提示するようにしている。しかしながら、非特許文献３の力覚提示デバイスでは、提示できる力覚は、ワイヤが引っ張る１軸方向のみである。又、非特許文献４では、人間の腕にシリアルリンク型の力覚提示デバイスを２台装着し、それらを人間の２本の指先に接触することで、３次元の力覚を２本の指先へ提示可能である。
【０００６】
非特許文献３及び４は、人間の手や腕に装置を装着して使用する、装着型力覚提示デバイスである。この場合、力覚を提示する装置が人間の手や腕に装着されているため、仮想物体の重量感覚を人に提示することが困難であり、さらに、圧迫感や装置の重量感を人間に与える。又、装置を手や腕に装着するため、装置の機構が何らかの原因で暴走したとき、操作者は極めて危険である。
【０００７】
それに対して、特許文献３の多指力覚提示デバイスは、ロボットアームとロボットハンドを用いることで、人間の５本の指先へ３次元の力覚が提示可能となっている。この多指力覚提示デバイスは、ロボットハンドが人間と対向して設置されており、前記装着型力覚提示デバイスとは異なり、安全である。又、特許文献３の多指力覚提示デバイスは、前記ロボットアームの運動により広い操作空間を確保できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５５８７９３７号明細書
【特許文献２】特開２０１０−１４６３０７号公報
【特許文献３】特開２００３−３００１８８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】M. Kawai and T. Yoshikawa, "Stable Haptic Display of 1-DOF Grasping with Coupling Impedance for Internal and External Forces," Proc. 2000 IEEE/RSJ Int. Conf. Intell. Robots Syst., pp.1316-1321, 2000.
【非特許文献２】S. Wall and W. Harwin, "Design of a Multiple Contact Point Haptic Interface," Proc. EuroHaptics2001, 2001.
【非特許文献３】CyberGlove Systems社製 CyberGrasp http://www.cyberglovesystems.com/products/cybergrasp/overview
【非特許文献４】A. Frisoli, F. Simoncini, M. Bergamasco, and F. Salsedo, "Kinematic design of a Two Contact Points Haptic Interface for the Thumb and Index Fingers of the Hand," ASME J. Mech. Des., vol.129, pp.520-529, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献３の多指力覚提示デバイスは、小さな仮想物体の把持、或いは操りを行おうとした場合、多指力覚提示デバイスを構成している機構の干渉が起こるため、小さな仮想物体を扱うことが困難な問題がある。
【００１１】
この発明は、操作空間が広く、人間の指へそれぞれ３次元の力覚及び仮想物体の重量感を提示でき、さらに、圧迫感や装置の重量感を与えることがなく、安全で、小さな仮想物体を扱うことが可能な側面設置型力覚提示インターフェイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、操作者の指の運動に追従可能な５本以下の触覚指を有する触覚指ベースと、前記触覚指ベースの空間運動を可能とするアーム機構と、前記操作者の手の位置及び姿勢に連動させて前記アーム機構を駆動制御するとともに、前記操作者の指の動きに連動させて前記触覚指を駆動制御する制御手段を有する側面設置型力覚提示インターフェイスにおいて、前記触覚指と触覚指ベースを前記操作者の手の甲側において前記甲から離間した状態で、前記触覚指に対して前記操作者の指に取付けするための指取付手段が設けられていることを特徴とする側面設置型力覚提示インターフェイスを要旨としている。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１において、前記操作者の手首の位置姿勢を検出するための第１検出手段と、前記アーム機構の手首の位置姿勢を検出するための第２検出手段とを備え、前記制御手段は、前記第１検出手段の検出結果と、前記第２検出手段の検出結果に基づいて、前記指取付手段を除いて、前記アーム機構の手首と、前記操作者の手首の干渉回避のための評価関数を演算し、前記評価関数の演算結果に基づいて、前記アーム機構の制御を行うことを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項２において、前記制御手段は、前記評価関数が最大となる前記アーム機構の制御を行うことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項において、前記指取付手段には、前記操作者の指の腹の部分が接触する部位を備え、前記指の腹の部分が接触する部位には、前記指の腹の部分に集中して力が作用するように凸部が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項において、前記指取付手段には、前記触覚指の先端側に転動自在に設けた関節球と、同関節球に連結されるとともに操作者の指先を連結する指フォルダを含むことを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項５において、前記触覚指には前記関節球を吸着保持する吸着手段が設けられていることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項６において、前記吸着手段が、前記関節球を磁力により吸着保持する磁力発生手段であることを特徴とする。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項の側面設置型力覚提示インターフェイスが、操作者の左手に取付られる触覚指を有する側面設置型力覚提示インターフェイスと、前記操作者の右手に取り付けられる触覚指を有する側面設置型力覚提示インターフェイスとを含み、両側面設置型力覚提示インターフェイスが組み合わせてなることを特徴とすることを要旨としている。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１の発明によれば、触覚指と触覚指ベースが操作者の手の甲から離間した状態で、触覚指に縦操作者の指に取付けできるとともに、アームの運動により操作空間が広くできる。又、人間の多指へそれぞれ３次元の力覚及び仮想物体の重量感を提示でき、さらに、圧迫感や装置の重量感を与えることがなく、安全で、小さな仮想物体を扱うことが可能となる。又、操作者と力覚提示インターフェイスとの接続は、指先のみで行われるため、操作者に拘束感或いはインターフェイスの重量感を感じることはない。
【００１９】
請求項２の発明によれば、制御手段が、第１検出手段の検出結果と、第２検出手段の検出結果に基づいて、指取付手段を除いて、アーム機構と、操作者の手の干渉回避のための評価関数を演算することにより、算出された評価関数の結果に基づいて、アーム機構と操作者の手の干渉を回避できる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、評価関数が最大となるアーム機構の制御を行うことにより、アーム機構と操作者の手の干渉を回避できる。
請求項４の発明によれば、操作者の指の腹の部分に、指取付手段に設けられた凸部が当接して、指の腹の部分に集中して力が作用することにより、操作者の指の腹の部分に対して明確な３次元の力覚提示を行うことができる。
【００２１】
請求項５の発明によれば、関節球により、同じ指先位置でその姿勢を変えることができ、各触覚指と操作者Ｈの連結が円滑となる。
請求項６の発明によれば、触覚指には前記関節球を吸着保持する吸着手段が設けられている。この結果、吸着手段により、関節球が吸着されて保持され、操作者の指に過度の引っ張り力が作用すると、自動的に関節球は触覚指から離脱し、操作者の指に引っ張り力が生じない。このため、触覚指と指取付手段との接続が解除できるため安全であり、操作者は安心して力覚提示インターフェイスを扱うことができる。
【００２２】
請求項７の発明によれば、吸着手段として、関節球を磁力により吸着保持する磁力発生手段とした。この結果、関節球を磁力により、請求項６の作用効果を実現できる。
請求項８の発明によれば、操作者の両側面から、側面設置型力覚提示インターフェイスを２台設置することで、両手指に３次元の力覚提示ができる。又、これにより、遠隔操作や仮想環境において、両手指を使った繊細・精巧・巧みな作業を行える力覚提示デバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】力覚提示インターフェイスの概略図。
【図２】アーム機構の概略の原理図。
【図３】力覚提示システムの説明図。
【図４】インターフェイスハンドの概略説明図。
【図５】触覚指の原理図。
【図６】指フォルダの断面図。
【図７】指フォルダを指に取付けした状態の説明図。
【図８】力覚提示システムの電気ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明を具体化した側面設置型力覚提示インターフェイス（以下、単に力覚提示インターフェイスという）を用いた力覚提示システムの一実施形態を、図１〜８に従って説明する。
【００２５】
図１、図３に示すように、力覚提示システムは操作者Ｈの両手の５本の指の腹部分に３次元の力覚を提示する一対のインターフェイス１００Ａ，１００Ｂと、各インターフェイス１００Ａ，１００Ｂの駆動モータ（図示しない）をそれぞれ制御するコントローラ２００Ａ，２００Ｂから構成されている。前記システムは、各コントローラ２００Ａ，２００Ｂと電気的に接続された仮想環境システムまたはスレーブロボット等からなる操作対象部３００と通信が可能に電気的に接続されている。コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、制御手段に相当する。
【００２６】
力覚提示システムは、前記操作対象部３００が仮想環境システムの場合、仮想環境システム内にある仮想物体に触れた時の抵抗感覚や重量感覚を、各インターフェイス１００Ａ，１００Ｂが操作者に対して提示するものである。又、操作対象部３００がスレーブロボットを含む場合、前記インターフェイス１００Ａ，１００Ｂによって操作者がスレーブロボットを遠隔操作でき、かつスレーブロボットが物体等に触れた場合の力覚をインターフェイス１００Ａ，１００Ｂによって操作者に提示するものである。
【００２７】
本実施形態では、操作対象部３００を、図示しないスレーブロボットと前記スレーブロボットを制御する図示しないスレーブロボットコントローラで構成されているものとする。
【００２８】
＜インターフェイス１００Ａ，１００Ｂ＞
図１に示すように、インターフェイス１００Ａ，１００Ｂは、インターフェイスハンド１２０の構成が、若干異なるだけであるため、以下では、右手用のインターフェイス１００Ａを図１〜７を参照して具体的に説明する。左手用のインターフェイス１００Ｂの構成については、インターフェイス１００Ａの構成と同一構成又は相当する構成に同一符号を付する。
【００２９】
図１及び図３に示すように、インターフェイス１００Ａは、ベース１０上に設けられたアーム機構１１０と、アーム機構１１０の先端に設けられたインターフェイスハンド１２０から構成されている。
【００３０】
図２に示すように、アーム機構１１０は、複数のアーム１１〜１５が関節にて連結されることにより構成されている。
本実施形態ではアーム機構１１０は、ベース１０に接続された第１アーム１１に対し、第１関節１７を介して第２アーム１２が接続されている。第１関節１７は、第１アーム１１と同軸の軸ａ１の周りで能動回転する。なお、図１は概略図であるため、アーム機構１１０はいくつかのアームが省略されて、簡略化されて図示されている。
【００３１】
第２アーム１２には、第３アーム１３が第２関節１８を介して接続されている。第２関節１８は、第２アーム１２と同軸の軸ａ２の周りで能動回転する。第３アーム１３には第４アーム１４が、第３関節１９を介して接続されている。第３関節１９は、第３アーム１３の軸心と直交する軸ａ３の周りで能動回転する。第４アーム１４は、前記軸ａ３と直交するように配置されている。
【００３２】
第４アーム１４には、第５アーム１５が関節部２０を介して接続されている。関節部２０は第４関節２０Ａ、第５関節２０Ｂ及び第６関節２０Ｃからなっている。関節部２０はアーム機構１１０、すなわち、インターフェイス（インターフェイスハンド１２０）の手首に相当する。第４〜第６関節は、それぞれ互いに直交する軸ａ４、ａ５、ａ６の周りで能動回転する。なお、軸ａ４は、第４アーム１４と同軸に配置されている。第５アーム１５の先端には、図４に示すインターフェイスハンド１２０の触覚指ベース１６が接続されている。
【００３３】
第１関節１７〜第６関節２０Ｃは、個々に図示しない駆動モータとギヤ減速機により駆動される。そして、第１関節１７〜第６関節２０Ｃは、各駆動モータが制御されることにより、前述した軸ａ１〜ａ６の周りで回転する。
【００３４】
このように本実施形態のアーム機構１１０は、第１関節〜第６関節を有することにより６自由度を有する。
また、第１関節１７〜第６関節２０Ｃの駆動モータ（図示しない）には、回転角度を検出する第２検出手段としての後述するロータリエンコーダＡＲＥ１〜ロータリエンコーダＡＲＥ６が設けられている。これらのロータリエンコーダＡＲＥ１〜ロータリエンコーダＡＲＥ６により、前記各軸ａ１〜ａ６の周りの回転角度が検出される。
【００３５】
＜インターフェイスハンド１２０＞
次に、右手用のインターフェイスハンド１２０について説明する。
図４に示すように、インターフェイスハンド１２０の触覚指ベース１６は、人の右手の甲を覆う大きさに形成されている。触覚指ベース１６には、触覚指ベース１６を人の右手に対して甲側から配置したとき、前記右手の第１指（親指）に対応する側部からは、延出部１６ａが形成されている。延出部１６ａの先端には、第１触覚指２１が連結されている。又、触覚指ベース１６の先端には、４本の第２触覚指２２〜第５触覚指２５が連結されている。前記第１触覚指２１〜第５触覚指２５は、それぞれ人の右手の第１指〜第５指に対して甲側から取付け可能に、触覚指ベース１６に対して配置されている。
【００３６】
なお、左手用のインターフェイスハンド１２０は、触覚指ベース１６を人の左手に対して甲側から配置したとき、左手の第１指（親指）に対応する側部からは、延出部１６ａが形成されていること、及び第１触覚指〜第５触覚指の配置順序が逆方向となっていることが右手用のインターフェイスハンド１２０とは異なっている。
【００３７】
従って、インターフェイス１００Ａ，１００Ｂは、操作者の各手の甲側にインターフェイスハンド１２０が配置される。
第１触覚指２１〜第５触覚指２５は全て同一構成であるため、第１触覚指２１について説明する。
【００３８】
図５に示すように、第１触覚指２１は、複数のリンク３１〜３３が複数の関節部を介して互いに連結されることにより構成されている。具体的には、第１リンク３１は触覚指ベース１６に対して関節部３４を介して接続されている。関節部３４は軸ａ７を有する第１の関節３４Ａと、軸ａ８を有する第２の関節３４Ｂを有する。第１リンク３１は、それぞれ互いに直交する軸ａ７、ａ８の周りで能動回転する。第２リンク３２は、第３の関節３５を介して第１リンク３１に接続されている。第３の関節３５は、軸ａ９の周りで能動回転する。すなわち、第１〜第３の関節は、それぞれ駆動モータによりギヤ減速機を介して駆動される。そして、第１〜第３の関節の各駆動モータが制御されることにより、第１リンク３１及び第２リンク３２は、前述した軸ａ７〜ａ９の周りで回転する。
【００３９】
第３リンク３３は、第４の関節３６を介して第２リンク３２に接続されている。第４の関節３６は、軸ａ１０の周りで受動回転する。すなわち、第４の関節３６は第３の関節３５に対し、連動して動くように連係されている。又、この連係により、第４の関節３６の回転角度は、第３の関節３５の回転角度と等しくなるようにされている。
【００４０】
又、第１の関節３４Ａ，第２の関節３４Ｂ及び第３の関節３５の各駆動モータには回転角度、すなわち、関節角度を検出する回転角度検出手段としてのロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３が設けられている。これらのロータリエンコーダにより、前記各軸の周りの回転角度、すなわち、関節角度が検出される。
【００４１】
図５に示すように第３リンク３３には、３軸力覚センサ２８が装着されており、この３軸力覚センサ２８によって触覚指の先端にかかる互いに直交する３軸方向の並進力を検出可能である。又、第３リンク３３の先端部２９には、半球状に凹設された凹部３０が形成されている。図７に示すように凹部３０の内には吸着手段及び磁力発生手段としての永久磁石２９ａが配置されている。
【００４２】
図７に示すように各触覚指の第３リンク３３には、指フォルダ２６が取付け可能となっている。図６に示すように指フォルダ２６は、操作者Ｈの指Ｙａが挿入され、その保持を行う有蓋筒状のフォルダ部２６ａを備えている。フォルダ部２６ａは、開口側から、複数の切り込み２６ｂが形成されることにより、複数の弾性片２６ｃを有する。指フォルダ２６の材質は限定されるものではなく合成樹脂、或いはステンレス等の金属であってもよい。
【００４３】
図７に示すように指フォルダ２６は、操作者Ｈの手の指Ｙａに対して、指フォルダ２６を差し込みした状態で、弾性片２６ｃの外面から締付けバンド２７により締め付けすることにより、指Ｙａに固定される。
【００４４】
フォルダ部２６ａの先端部の上部には、鉄等の強磁性体からなる関節球２６ｄが固定されている。関節球２６ｄは、第３リンク３３の凹部３０内に転動自在に嵌合され、その関節球２６ｄを介して回動自在に触覚指２１〜２５の先端に連結されるようになっている。関節球２６ｄと凹部３０との嵌合により受動関節を構成する。本実施形態では、指フォルダ２６及び関節球２６ｄにより、触覚指を指に取付するための指取付手段が構成されている。
【００４５】
又、関節球２６ｄは強磁性体であるため、凹部３０内の永久磁石２９ａの磁力の範囲で第３リンク３３との連結が可能である。しかし、関節球２６ｄに、前記磁力を超える引っ張り力が加わった際には、関節球２６ｄは、凹部３０から離脱可能である。このように関節球２６ｄは、凹部３０に対して着脱自在に、かつ３６０度のいずれの範囲においても回転自在に嵌合される。
【００４６】
このようにして、操作者の両手の指Ｙに付けられ各指フォルダ２６は、インターフェイス１００Ａ，１００Ｂにおけるインターフェイスハンド１２０に５本の触覚指２１〜２５のそれぞれに連結される。
【００４７】
又、図６に示すように、各指フォルダ２６の内頂部において、指Ｙａの腹の部分Ｙｂとの接触部位には凸部２６ｅが形成されている。凸部２６ｅにより、指フォルダ２６に力が作用した際に、操作者Ｈの指Ｙａの腹の部分Ｙｂに集中して力が作用するようにしている。
【００４８】
本実施形態では、図１に示すように、操作者Ｈがインターフェイス１００Ａ，１００Ｂに接続される。この場合、操作者Ｈの指と、インターフェイスハンド１２０の触覚指の配置関係は、図７に示すようになる。ここで、仮に、触覚指が３関節３自由度の機構の場合、操作者Ｈが指を曲げた時、触覚指と指との干渉が生じやすい虞がある。このため、本実施形態の触覚指は、前述したように関節数を増やして、図５、図７に示すように軸ａ８〜ａ１０を有する４関節にすることにより、触覚指が屈曲する時の、手の指に対する干渉を大幅に低減させている。又、本実施形態では、冗長な自由度をもつ機構にする必要がない４関節３自由度の機構としている。
【００４９】
＜電気的構成の説明＞
次にインターフェイス１００Ａに関する装置の電気的構成を、図８を参照して説明する。
【００５０】
図８に示す３次元位置姿勢計測装置４１は、インターフェイス１００Ａを扱う操作者Ｈの左右の手首Ｒにそれぞれ装着された３次元位置姿勢センサ４２と無線で通信可能にされている。なお、本実施形態では、３次元位置姿勢センサ４２を手首Ｒに取付けしたが、操作者Ｈのインターフェイスハンド１２０の掌に対して、操作者の手の位置・姿勢を計測する３次元位置姿勢センサ４２を取り付けしてもよい。３次元位置姿勢センサ４２は第１検出手段に相当する。
【００５１】
図１では、１つの３次元位置姿勢センサ４２のみが図示されている。３次元位置姿勢センサ４２は、操作者Ｈの手Ｈａの位置（３次元的な空間位置）、及びその姿勢を検出し、その検出信号を３次元位置姿勢計測装置４１に無線で通信する。
【００５２】
３次元位置姿勢計測装置４１は、各３次元位置姿勢センサ４２から送信された検出信号を受信すると、その信号をそれぞれの手Ｈａの位置及びその姿勢に関する位置データ及び姿勢データとして信号処理し、コントローラ２００Ａに出力する。
【００５３】
次に、コントローラ２００Ａについて説明する。
コントローラ２００Ａは、コンピュータにより構成され、ＣＰＵ４０ａ（中央処理装置）、ＲＯＭ４０ｂ、ＲＡＭ４０ｃを備えている。ＲＯＭ４０ｂには、インターフェイス１００Ａを制御するための制御プログラムを始め各種制御プログラムが格納されている。ＲＡＭ４０ｃは、ＣＰＵ４０ａが演算処理する際の作業用メモリとなり、各種制御プログラムを実行したときの、各種演算結果や、検出値を格納する。
【００５４】
第１触覚指モータドライバ４５は、コントローラ２００Ａと通信が可能に電気的に接続され、コントローラ２００Ａからの第１触覚指のモータ動作指令値に基づいて、各関節の駆動モータ、すなわち、第１触覚指２１の関節３４Ａ、関節３４Ｂを備えた関節部３４、及び軸ａ１０を備えた関節３５を駆動する。
【００５５】
第２触覚指２２〜第５触覚指２５においても、第１触覚指２１と同様に駆動装置を備えており、コントローラ２００Ａからの第２〜第５触覚指制御信号に基づいてそれぞれの関節部３４、関節３５を同様に駆動する。なお、図８では、説明の便宜上、第１触覚指２１の第１触覚指モータドライバ４５等についてのみ図示し、他の触覚指に関する、駆動装置、関節部３４，関節３５については省略している。
【００５６】
図８に示すように、アームモータドライバ４６はコントローラ２００Ａと通信が可能に電気的に接続され、コントローラ２００Ａからのアーム用のモータ動作指令値に基づいて、アーム機構１１０の各関節の駆動モータ、すなわち、第１関節１７〜第６関節２０Ｃを駆動する。
【００５７】
上記のようにして、本実施形態のインターフェイス１００Ａは、アーム機構１１０に６個の駆動モータ及びロータリエンコーダ、各触覚指に３個の駆動モータ及びロータリエンコーダ、インターフェイスハンド１２０全体では１５個の駆動モータ及びロータリエンコーダを備える。又、本実施形態のインターフェイス１００Ａは、各触覚指先端に１個の３軸力覚センサ２８、インターフェイスハンド１２０全体では５個の３軸力覚センサ２８が搭載されている。なお、図８では、第１触覚指２１〜第５触覚指２５の３軸力覚センサ２８に対してそれぞれＫ１〜Ｋ５の符号を付している。
【００５８】
前記ロータリエンコーダからの検出信号、及び３軸力覚センサ２８の検出信号は図示しない信号増幅器を介して、各コントローラ２００Ａに取りこまれる。これにより、コントローラ２００Ａではアーム機構１１０の各関節、及び各触覚指の各関節の角度及び各触覚指先端での力を取得する。
【００５９】
又、コントローラ２００Ａは、前記各種のモータ動作指令値を第１触覚指等のモータドライバ４５、並びにアームモータドライバ４６へ出力することにより、各駆動モータが駆動制御される。これにより、各コントローラ２００Ａにて力覚提示インターフェイスの運動を制御することができる。
【００６０】
＜インターフェイス１００Ｂ＞
インターフェイス１００Ｂに関するコントローラ２００Ｂは、コントローラ２００Ａと同一構成であるため説明を省略する。従って、コントローラ２００Ｂは、コントローラ２００Ａと同様に、インターフェイス１００Ａと同一の構成を有するインターフェイス１００Ｂを制御可能である。
【００６１】
＜操作対象部３００＞
次に、操作対象部３００について説明する。操作対象部３００は、人間型ハンドをもつスレーブロボットおよびそのスレーブロボットコントローラ（以後、ロボット制御器と呼ぶ）からなる。このスレーブロボットには駆動モータ等の駆動源、ロータリエンコーダ等の関節角度センサ、フィンガー先端には３軸力覚センサが取り付けられている。
【００６２】
前記各種センサは図示しない信号増幅器を介して、前記ロボット制御器に接続されている。またモータドライバを介して前記駆動源と前記ロボット制御器も接続されている。このロボット制御器とコントローラ２００Ａ，２００ＢはＬＡＮまたは無線ＬＡＮにより接続されており、コントローラ２００Ａ，２００Ｂからロボット制御器へは、目標指令値が送られ、この目標指令値に従って、人間型ハンドをもつスレーブロボットは運動制御される。他方、前記ロボット制御器からコントローラ２００Ａ，２００Ｂへは、前記人間型ハンドをもつスレーブロボットの位置情報や力情報が送られる。
【００６３】
（作用）
次に、本実施形態の力覚提示インターフェイスの作用を説明する。
なお、下記の説明中、数式において、太文字で表した変数はベクトルあるいは行列であり、説明の中では通常の文字（太文字ででない文字）で引用して説明する。また、上付や下付の添え字については、適宜（）で引用して記載する。さらに、式の表記において、変数上の１ドットは、１階の時間微分を表す。
【００６４】
図１、図７に示すように、インターフェイス１００Ａ，１００Ｂのインターフェイスハンド１２０を、操作者Ｈの左右の手に対して、前記手の甲側に位置するように装着する。
両手に各インターフェイスハンド１２０を装着後、操作者Ｈが自由に両手を動かすと、操作対象部３００はその手Ｈａの位置・姿勢に対応した動作を行うよう、コントローラ２００Ａ，２００Ｂで制御される。
【００６５】
このとき、力覚提示インターフェイスは、操作者Ｈが自由に手を動かせるように、コントローラ２００Ａ，２００Ｂにより運動制御される。
以下、具体的に説明する。
【００６６】
＜コントローラ２００Ａ，２００Ｂの制御＞
コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、触覚指の制御とアーム機構１１０の制御を所定制御周期で行う。すなわち、コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、各ロータリエンコーダと、３軸力覚センサ２８の検出信号等に基づいて、触覚指に搭載されている駆動モータのモータ動作指令値と、アーム機構１１０に搭載されている駆動モータのモータ動作指令値を計算し、算出したモータ動作指令値を各モータドライバ４５，４６に出力し、モータドライバ４５，４６は、この指令値に従って対応する駆動モータを駆動する。ここで、触覚指は、前記モータ動作指令値により、インターフェイスにより指の腹の部分に印加される指先力が目標力となるように制御されるとともに、アーム機構１１０の各アームは、前記モータ動作指令値により評価関数ＰＩが最大となるように制御される。評価関数ＰＩに関しては、後述する。
【００６７】
＜触覚指の制御＞
コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、下記の触覚指の制御則に従って、触覚指を、所定制御周期で制御する。
【００６８】
【数１】
式（１）において、右辺第１項と第２項は力の比例積分制御項である。第３項は安定性を与えるための粘性項である。第４項が重力の影響を打ち消す補償項である。第５項は目標力のフィードフォワード項である。コントローラ２００Ａ，２００Ｂがこの制御則に従うことにより、触覚指はＦ→Ｆｄとなるように運動する。ここでＦｄ＝０とすれば、３軸力覚センサ２８の値をゼロとするために必要な触覚指の駆動モータの動作指令値が演算される。
【００６９】
＜アーム機構の制御＞
又、コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、下記のアーム機構の制御則に従って、前記触覚指の制御とともに所定制御周期でアーム機構１１０を制御する。
【００７０】
【数２】
式（２）において、右辺第１項と第２項はアームの関節角度のＰ（比例）Ｄ（微分）制御項である。第３項は重力の影響を打ち消す補償項である。第４項は触覚指の指先で受ける外力の補償項である。
【００７１】
コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、この制御則に従うことにより、アーム機構１１０の各アームは、アームの関節角度が、ｑＡ→ｑＡｄとなるように運動する。ここで、ｑＡｄは評価関数ＰＩが最大となるように選択される。
【００７２】
これによりアームの位置姿勢は、各触覚指の関節が可動範囲内でハンドの可操作性を高め、アームの関節角度の変化が少なく、かつインターフェイス間の干渉が回避されるように運動する。
【００７３】
＜評価関数ＰＩ＞
次に、評価関数ＰＩについて説明する。
インターフェイス１００Ａ，１００Ｂと操作者Ｈの干渉（または衝突）を避けるため、コントローラ２００Ａ，２００Ｂは干渉回避制御法により、インターフェイス１００Ａ，１００Ｂを制御する。ここで干渉回避制御法として、アームを位置制御し、位置・姿勢の目標値をインターフェイスハンドの可操作性と干渉のペナルティ関数の総和である評価関数ＰＩを最大とするように逐次設定する。
【００７４】
なお、干渉の評価関数ＰＩは、操作者Ｈの手首位置、及びインターフェイス１００Ａ，１００Ｂの手首位置（すなわち、インターフェイスハンド１２０の手首位置）の差から構成する。例えば、評価関数ＰＩとして、以下のものが挙げられる。
【００７５】
【数３】
ここで、 αｉ及びβｉは第ｉ指の重み係数であり、Ｗｉは第ｉ指の可操作性を表し、その運動学ヤコビ行列をＪｉとすると、
【００７６】
【数４】
で与えられる。このＷｉが大きければ、触覚指の操作性（動きやすさ）が良くなる。Ｐｉは、指関節が可動範囲に収まるようにするために与える第ｉ指のペナルティ関数で、
【００７７】
【数５】
で与えられる。この式中、ａｉｊとｂｉｊは第ｉ指の第ｊの関節の左右回転の可動限界である。又、ｋｉは第ｉ指の重み係数、ｌは指数関数の形状を調整する係数である。
【００７８】
【数６】
で与える。この式では、計算初期のアーム関節角度ベクトルである。Γは、重み行列である。アームをハンド可操作性が最大となるように位置制御すると、操作者の少しの指の動きに対し、アームが大きく動くことがあり操作者に不安感をあたえることがある。この問題を解決することを目的とするため、上記式（３）の第２項を導入している。
【００７９】
ＤＡはインターフェイスと操作者Ｈの干渉（または衝突）を回避するためのペナルティ関数で、
【００８０】
【数７】
で与えられる。ここでσ、γ 、ηは重み係数である。ｘは操作者Ｈの手首位置およびインターフェイスハンド１２０の手首位置、すなわち、アーム機構の手首位置の間の距離である。上記のようにして、干渉のペナルティ関数ＤＡは、操作者Ｈの手首位置及びインターフェイスハンド１２０の手首位置の差から構成する。
【００８１】
以上の式（３）中の各評価項目により、アームの位置姿勢は、各指の関節が可動範囲内でインターフェイスハンド１２０の可操作性を高め、アームの関節角度の変化が少なく、かつインターフェイス間の干渉が回避されるような目標が求められる。これにより、操作者Ｈの少しの指の動きでアームの位置・姿勢が大きく変化することがなく、安心感を与え、かつ干渉回避をしながらハンドの操作性能がよい状態になるので、高精度な力覚提示が実現できる。
【００８２】
＜操作対象部３００から干渉力が入力される場合＞
操作対象部３００を遠隔操作して何らかの対象物を操作するときは、操作対象部３００にある図示しない３軸力覚センサにより、コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、操作対象部３００から対象物の間に生じる干渉力（すなわち、力情報）を取得できる。
【００８３】
この干渉力は力覚提示インターフェイスの操作者Ｈに提示される。すなわち、両手に装着した各インターフェイスハンド１２０の各触覚指が干渉力方向に力感覚を提示するためモータ動作指令値が、コントローラ２００Ａ，２００Ｂで計算される。そして、算出されたモータ動作指令値が、コントローラ２００Ａ，２００Ｂから、各モータドライバ４５、アームモータドライバ４６を介して、それぞれのインターフェイス１００Ａ，１００Ｂの各駆動モータへ出力される。
【００８４】
このときにおいても、コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、インターフェイス１００Ａ，１００Ｂと操作者Ｈとの干渉を避けるため、前記の干渉回避制御法が行われる。
以上により、操作者Ｈは、力覚提示インターフェイスを用いて操作対象部３００の遠隔操作を実現する。
【００８５】
本実施形態によると、次のような作用効果を奏する。
（１） 本実施形態の力覚提示インターフェイスは、操作者Ｈの手の指の運動に追従可能な複数の触覚指２１〜２５を有する触覚指ベース１６と、触覚指ベース１６の空間運動を可能とするアーム機構１１０と、操作者Ｈの手の位置及び姿勢に連動させてアーム機構１１０を駆動制御するとともに、前記指先の動きに連動させて第１触覚指２１〜２５を駆動制御するコントローラ（制御手段）２００Ａ，２００Ｂを有する。
【００８６】
そして、力覚提示インターフェイスは、触覚指２１〜２５と触覚指ベース１６を操作者Ｈの手の甲側において前記甲から離間した状態で、触覚指２１〜２５に対して前記操作者の指に取付けするための指フォルダ２６と関節球２６ｄが設けられている。
【００８７】
この結果、本実施形態によれば、触覚指２１〜２５と触覚指ベースが操作者Ｈの手の甲から離間した状態で、触覚指２１〜２５に縦操作者の指に取り付けでき、アームの運動により操作空間を広くできる。又、本実施形態によれば、人間の多指へそれぞれ３次元の力覚及び仮想物体の重量感を提示でき、さらに、圧迫感や装置の重量感を与えることがなく、安全で、小さな仮想物体を扱うことが可能となる。例えば、本実施形態によれば、触覚指を、指フォルダ２６を介して取り付けした状態で、小物の摘み動作を行うことができる。
【００８８】
又、本実施形態は、装着型デバイスとは異なり、地面にインターフェイスを設置するため、仮想物体の重量感を提示可能である。
（２） 本実施形態の力覚提示インターフェイスのコントローラ２００Ａ，２００Ｂ（制御手段）は、３次元位置姿勢センサ４２（第１検出手段）の検出結果と、アーム機構１１０の各アームの関節角度に基づいて、指フォルダ２６（指取付手段）を除いて、アーム機構１１０の手首と、操作者Ｈの手首の干渉回避のための評価関数ＰＩを演算し、評価関数ＰＩの演算結果に基づいて、アーム機構１１０の制御を行う。この結果、算出された評価関数ＰＩの結果に基づいて、アーム機構１１０と操作者Ｈの手Ｈａの干渉を回避できる。すなわち、アーム機構１１０の手首と、操作者Ｈの手首の干渉回避のための評価関数ＰＩを演算することにより、アーム機構１１０の手首と、操作者Ｈの手首の干渉が回避され、この結果、アーム機構と操作者の腕の干渉回避ばかりか、インターフェイス（アーム機構とハンドを含む）と操作者（手と腕を含む）の干渉回避を実現できる。
【００８９】
（３） 本実施形態の力覚提示インターフェイスによれば、評価関数が最大となるアーム機構の制御を行うことにより、アーム機構と操作者の手の干渉を回避できる。
（４） 本実施形態の力覚提示インターフェイスによれば、操作者Ｈの指Ｙａの腹の部分Ｙｂに、指フォルダ２６に設けられた凸部２６ｅが当接して、指Ｙａの腹の部分Ｙｂに集中して力が作用する。このことにより、操作者Ｈの指Ｙａの腹の部分Ｙｂに対して明確な３次元の力覚提示を行うことができ、指Ｙａの腹の部分Ｙｂへの力覚がよりリアリティのあるものとなる。
【００９０】
（５） 本実施形態では、指取付手段として、触覚指の先端側に転動自在に設けた関節球２６ｄと、関節球２６ｄに連結されるとともに操作者Ｈの指先を連結するフォルダ部２６ａを含むように構成されている。この結果、関節球２６ｄにより、同じ指先位置でその姿勢を変えることができ、各触覚指と操作者Ｈの連結が円滑となる。
【００９１】
（６） 本実施形態では、触覚指に関節球２６ｄを吸着保持する永久磁石２９ａ（吸着手段）を備える。この結果、永久磁石２９ａにより、関節球２６ｄが吸着（吸引）されて保持され、操作者Ｈの指先に過度の引っ張り力が作用すると、自動的に関節球２６ｄが触覚指から離脱し、操作者Ｈの指先に引っ張り力が生じない。このため、触覚指と指フォルダ２６との接続が解除できるため安全であり、操作者は安心して力覚提示インターフェイスを扱うことができる。
【００９２】
（７） 本実施形態では、永久磁石２９ａは、吸着手段として、関節球２６ｄを磁力により吸着保持する磁力発生手段とした。この結果、関節球２６ｄを磁力により、上記（６）の作用効果を実現できる。
【００９３】
（８） 本実施形態では、操作者の両側面から、側面設置型多指力覚提示インターフェイスを２台設置することで、両手指に３次元の力覚提示ができる。又、これにより、遠隔操作や仮想環境において、両手指を使った繊細・精巧・巧みな作業を行える力覚提示デバイスを提供できる。
【００９４】
なお、この実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ 前記実施形態では、力覚提示システムを、一対のインターフェイス１００Ａ，１００Ｂ及び一対のコントローラ２００Ａ，２００Ｂを含むようにしたが、いずれか一方のインターフェイスとコントローラにより力覚提示システムを構成してもよい。この場合は、人の右手用、又は左手用の力覚提示システムとなるが、これでもよい。
【００９５】
・ 前記実施形態では、触覚指ベースには、５本の触覚指を設けたが、本数は限定されるものではなく、１本〜４本のいずれかの本数であってもよい。
・ 前記実施形態では、触覚指は４関節３自由度としたが、限定されるものではなく、４自由度以上となるように構成してもよい。
【００９６】
・ 前記実施形態では、吸着手段として永久磁石２９ａとしたが、電磁石としてもよい。又、凹部３０に単数又は複数の吸引孔を設け、同吸引孔を介して空気を吸引して、関節球２６ｄを吸着するようにしてもよい。この場合、吸着手段は、凹部３０に設けた吸引孔、及び空気を吸引するための装置、例えば、真空引き装置等が相当する。
【００９７】
・ 前記実施形態では、アーム機構１１０は６自由度としたが、６自由度に限定するものではなく、７自由度以上であってもよい。
【符号の説明】
【００９８】
１０…ベース、１１…第１リンク、１２…第２リンク、１３…第３リンク、
１４…第４アーム、１５…第５アーム、１６…触覚指ベース、１６ａ…延出部、
１７…第１関節、１８…第２関節１８、１９…第３関節、
２０…関節部、２０Ａ…第４関節、２０Ｂ…第５関節、２０Ｃ…第６関節、
２１…第１触覚指、２２…第２触覚指、２３…第３触覚指、２４…第４触覚指、
２５…第５触覚指、２６…指フォルダ（指取付手段）、
２６ａ…フォルダ部、２６ｄ…関節球、２６ｅ…凸部、
２７…締付けバンド、２８…３軸力覚センサ、
２９…第３リンクの先端部、
３０…凹部、３１…第１リンク、３２…第２リンク、
３３…第３リンク、３４…関節部、インターフェイス
３４Ａ…第１の関節、３４Ｂ…第２の関節、
３５…第３の関節、３６…第４の関節、
４０ａ…ＣＰＵ、４２…３次元位置姿勢センサ（第１検出手段）、
４５…第１触覚指駆動装置
１００Ａ，１００Ｂ…インターフェイス、
１２０…インターフェイスハンド、
２００ａ，２００Ｂ…コントローラ（制御手段）、
３００…操作対象部
ＡＲＥ１〜６…ロータリエンコーダ（第２検出手段）、
ＵＲＥ１〜３…ロータリエンコーダ（検出手段）。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、側面設置型力覚提示インターフェイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、力覚提示デバイスとして、仮想空間において、仮想物体に触れた時の抵抗感覚や重量感覚を手若しくは指先１点に提示するシリアルリンク型の力覚提示デバイス（特許文献１）や、パラレルリンク型の力覚提示デバイス（特許文献２）が提案されている。これらの力覚提示デバイスは、一箇所への力覚提示は可能であるが、人間の複数の指先への力覚提示は困難である。
【０００３】
これに対し、人間の複数の指先に力覚を提示する力覚提示デバイスとして、特許文献３、非特許文献１〜４が提案されている。
非特許文献１では、２台のシリアルリンク型の力覚提示デバイスが設置されて、２本の指先に力覚を提示するように構成されている。又、非特許文献２では、３台のシリアルリンク型力覚提示デバイスが設置されることで、３本の指先に力覚の提示を可能にしている。
【０００４】
しかし、これらの複数の力覚提示デバイスを設置する、複数設置型デバイスでは、作業空間が極端に狭くなる問題がある。又、装置間の干渉により３台以上の設置は難しく、５本の指先への力覚提示は困難である。このような複数設置型デバイスでは、操作空間が広く、かつ人間の５本の指先へ力覚を提示するデバイスは研究開発されていない。
【０００５】
非特許文献３の力覚提示デバイスは、指先にワイヤを接続し、そのワイヤを引っ張ることで５本の指先に力覚を提示するようにしている。しかしながら、非特許文献３の力覚提示デバイスでは、提示できる力覚は、ワイヤが引っ張る１軸方向のみである。又、非特許文献４では、人間の腕にシリアルリンク型の力覚提示デバイスを２台装着し、それらを人間の２本の指先に接触することで、３次元の力覚を２本の指先へ提示可能である。
【０００６】
非特許文献３及び４は、人間の手や腕に装置を装着して使用する、装着型力覚提示デバイスである。この場合、力覚を提示する装置が人間の手や腕に装着されているため、仮想物体の重量感覚を人に提示することが困難であり、さらに、圧迫感や装置の重量感を人間に与える。又、装置を手や腕に装着するため、装置の機構が何らかの原因で暴走したとき、操作者は極めて危険である。
【０００７】
それに対して、特許文献３の多指力覚提示デバイスは、ロボットアームとロボットハンドを用いることで、人間の５本の指先へ３次元の力覚が提示可能となっている。この多指力覚提示デバイスは、ロボットハンドが人間と対向して設置されており、前記装着型力覚提示デバイスとは異なり、安全である。又、特許文献３の多指力覚提示デバイスは、前記ロボットアームの運動により広い操作空間を確保できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５５８７９３７号明細書
【特許文献２】特開２０１０−１４６３０７号公報
【特許文献３】特開２００３−３００１８８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】M. Kawai and T. Yoshikawa, "Stable Haptic Display of 1-DOF Grasping with Coupling Impedance for Internal and External Forces," Proc. 2000 IEEE/RSJ Int. Conf. Intell. Robots Syst., pp.1316-1321, 2000.
【非特許文献２】S. Wall and W. Harwin, "Design of a Multiple Contact Point Haptic Interface," Proc. EuroHaptics2001, 2001.
【非特許文献３】CyberGlove Systems社製 CyberGrasp http://www.cyberglovesystems.com/products/cybergrasp/overview
【非特許文献４】A. Frisoli, F. Simoncini, M. Bergamasco, and F. Salsedo, "Kinematic design of a Two Contact Points Haptic Interface for the Thumb and Index Fingers of the Hand," ASME J. Mech. Des., vol.129, pp.520-529, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献３の多指力覚提示デバイスは、小さな仮想物体の把持、或いは操りを行おうとした場合、多指力覚提示デバイスを構成している機構の干渉が起こるため、小さな仮想物体を扱うことが困難な問題がある。
【００１１】
この発明は、操作空間が広く、人間の指へそれぞれ３次元の力覚及び仮想物体の重量感を提示でき、さらに、圧迫感や装置の重量感を与えることがなく、安全で、小さな仮想物体を扱うことが可能な側面設置型力覚提示インターフェイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、操作者の指の運動に追従可能な５本以下の触覚指を有する触覚指ベースと、前記触覚指ベースの空間運動を可能とするアーム機構と、前記操作者の手の位置及び姿勢に連動させて前記アーム機構を駆動制御するとともに、前記操作者の指の動きに連動させて前記触覚指を駆動制御する制御手段を有する側面設置型力覚提示インターフェイスにおいて、前記触覚指と触覚指ベースを前記操作者の手の甲側において前記甲から離間した状態で、前記触覚指に対して前記操作者の指に取付けするための指取付手段が設けられていることを特徴とする側面設置型力覚提示インターフェイスを要旨としている。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１において、前記操作者の手首の位置姿勢を検出するための第１検出手段と、前記アーム機構の手首の位置姿勢を検出するための第２検出手段とを備え、前記制御手段は、前記第１検出手段の検出結果と、前記第２検出手段の検出結果に基づいて、前記指取付手段を除いて、前記アーム機構の手首と、前記操作者の手首の干渉回避のための評価関数を演算し、前記評価関数の演算結果に基づいて、前記アーム機構の制御を行うことを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項２において、前記制御手段は、前記評価関数が最大となる前記アーム機構の制御を行うことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項において、前記指取付手段には、前記操作者の指の腹の部分が接触する部位を備え、前記指の腹の部分が接触する部位には、前記指の腹の部分に集中して力が作用するように凸部が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項において、前記指取付手段には、前記触覚指の先端側に転動自在に設けた関節球と、同関節球に連結されるとともに操作者の指先を連結する指フォルダを含むことを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項５において、前記触覚指には前記関節球を吸着保持する吸着手段が設けられていることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項６において、前記吸着手段が、前記関節球を磁力により吸着保持する磁力発生手段であることを特徴とする。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項の側面設置型力覚提示インターフェイスが、操作者の左手に取付られる触覚指を有する側面設置型力覚提示インターフェイスと、前記操作者の右手に取り付けられる触覚指を有する側面設置型力覚提示インターフェイスとを含み、両側面設置型力覚提示インターフェイスが組み合わせてなることを特徴とすることを要旨としている。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１の発明によれば、触覚指と触覚指ベースが操作者の手の甲から離間した状態で、触覚指に縦操作者の指に取付けできるとともに、アームの運動により操作空間が広くできる。又、人間の多指へそれぞれ３次元の力覚及び仮想物体の重量感を提示でき、さらに、圧迫感や装置の重量感を与えることがなく、安全で、小さな仮想物体を扱うことが可能となる。又、操作者と力覚提示インターフェイスとの接続は、指先のみで行われるため、操作者に拘束感或いはインターフェイスの重量感を感じることはない。
【００１９】
請求項２の発明によれば、制御手段が、第１検出手段の検出結果と、第２検出手段の検出結果に基づいて、指取付手段を除いて、アーム機構と、操作者の手の干渉回避のための評価関数を演算することにより、算出された評価関数の結果に基づいて、アーム機構と操作者の手の干渉を回避できる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、評価関数が最大となるアーム機構の制御を行うことにより、アーム機構と操作者の手の干渉を回避できる。
請求項４の発明によれば、操作者の指の腹の部分に、指取付手段に設けられた凸部が当接して、指の腹の部分に集中して力が作用することにより、操作者の指の腹の部分に対して明確な３次元の力覚提示を行うことができる。
【００２１】
請求項５の発明によれば、関節球により、同じ指先位置でその姿勢を変えることができ、各触覚指と操作者Ｈの連結が円滑となる。
請求項６の発明によれば、触覚指には前記関節球を吸着保持する吸着手段が設けられている。この結果、吸着手段により、関節球が吸着されて保持され、操作者の指に過度の引っ張り力が作用すると、自動的に関節球は触覚指から離脱し、操作者の指に引っ張り力が生じない。このため、触覚指と指取付手段との接続が解除できるため安全であり、操作者は安心して力覚提示インターフェイスを扱うことができる。
【００２２】
請求項７の発明によれば、吸着手段として、関節球を磁力により吸着保持する磁力発生手段とした。この結果、関節球を磁力により、請求項６の作用効果を実現できる。
請求項８の発明によれば、操作者の両側面から、側面設置型力覚提示インターフェイスを２台設置することで、両手指に３次元の力覚提示ができる。又、これにより、遠隔操作や仮想環境において、両手指を使った繊細・精巧・巧みな作業を行える力覚提示デバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】力覚提示インターフェイスの概略図。
【図２】アーム機構の概略の原理図。
【図３】力覚提示システムの説明図。
【図４】インターフェイスハンドの概略説明図。
【図５】触覚指の原理図。
【図６】指フォルダの断面図。
【図７】指フォルダを指に取付けした状態の説明図。
【図８】力覚提示システムの電気ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明を具体化した側面設置型力覚提示インターフェイス（以下、単に力覚提示インターフェイスという）を用いた力覚提示システムの一実施形態を、図１〜８に従って説明する。
【００２５】
図１、図３に示すように、力覚提示システムは操作者Ｈの両手の５本の指の腹部分に３次元の力覚を提示する一対のインターフェイス１００Ａ，１００Ｂと、各インターフェイス１００Ａ，１００Ｂの駆動モータ（図示しない）をそれぞれ制御するコントローラ２００Ａ，２００Ｂから構成されている。前記システムは、各コントローラ２００Ａ，２００Ｂと電気的に接続された仮想環境システムまたはスレーブロボット等からなる操作対象部３００と通信が可能に電気的に接続されている。コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、制御手段に相当する。
【００２６】
力覚提示システムは、前記操作対象部３００が仮想環境システムの場合、仮想環境システム内にある仮想物体に触れた時の抵抗感覚や重量感覚を、各インターフェイス１００Ａ，１００Ｂが操作者に対して提示するものである。又、操作対象部３００がスレーブロボットを含む場合、前記インターフェイス１００Ａ，１００Ｂによって操作者がスレーブロボットを遠隔操作でき、かつスレーブロボットが物体等に触れた場合の力覚をインターフェイス１００Ａ，１００Ｂによって操作者に提示するものである。
【００２７】
本実施形態では、操作対象部３００を、図示しないスレーブロボットと前記スレーブロボットを制御する図示しないスレーブロボットコントローラで構成されているものとする。
【００２８】
＜インターフェイス１００Ａ，１００Ｂ＞
図１に示すように、インターフェイス１００Ａ，１００Ｂは、インターフェイスハンド１２０の構成が、若干異なるだけであるため、以下では、右手用のインターフェイス１００Ａを図１〜７を参照して具体的に説明する。左手用のインターフェイス１００Ｂの構成については、インターフェイス１００Ａの構成と同一構成又は相当する構成に同一符号を付する。
【００２９】
図１及び図３に示すように、インターフェイス１００Ａは、ベース１０上に設けられたアーム機構１１０と、アーム機構１１０の先端に設けられたインターフェイスハンド１２０から構成されている。
【００３０】
図２に示すように、アーム機構１１０は、複数のアーム１１〜１５が関節にて連結されることにより構成されている。
本実施形態ではアーム機構１１０は、ベース１０に接続された第１アーム１１に対し、第１関節１７を介して第２アーム１２が接続されている。第１関節１７は、第１アーム１１と同軸の軸ａ１の周りで能動回転する。なお、図１は概略図であるため、アーム機構１１０はいくつかのアームが省略されて、簡略化されて図示されている。
【００３１】
第２アーム１２には、第３アーム１３が第２関節１８を介して接続されている。第２関節１８は、第２アーム１２と同軸の軸ａ２の周りで能動回転する。第３アーム１３には第４アーム１４が、第３関節１９を介して接続されている。第３関節１９は、第３アーム１３の軸心と直交する軸ａ３の周りで能動回転する。第４アーム１４は、前記軸ａ３と直交するように配置されている。
【００３２】
第４アーム１４には、第５アーム１５が関節部２０を介して接続されている。関節部２０は第４関節２０Ａ、第５関節２０Ｂ及び第６関節２０Ｃからなっている。関節部２０はアーム機構１１０、すなわち、インターフェイス（インターフェイスハンド１２０）の手首に相当する。第４〜第６関節は、それぞれ互いに直交する軸ａ４、ａ５、ａ６の周りで能動回転する。なお、軸ａ４は、第４アーム１４と同軸に配置されている。第５アーム１５の先端には、図４に示すインターフェイスハンド１２０の触覚指ベース１６が接続されている。
【００３３】
第１関節１７〜第６関節２０Ｃは、個々に図示しない駆動モータとギヤ減速機により駆動される。そして、第１関節１７〜第６関節２０Ｃは、各駆動モータが制御されることにより、前述した軸ａ１〜ａ６の周りで回転する。
【００３４】
このように本実施形態のアーム機構１１０は、第１関節〜第６関節を有することにより６自由度を有する。
また、第１関節１７〜第６関節２０Ｃの駆動モータ（図示しない）には、回転角度を検出する第２検出手段としての後述するロータリエンコーダＡＲＥ１〜ロータリエンコーダＡＲＥ６が設けられている。これらのロータリエンコーダＡＲＥ１〜ロータリエンコーダＡＲＥ６により、前記各軸ａ１〜ａ６の周りの回転角度が検出される。
【００３５】
＜インターフェイスハンド１２０＞
次に、右手用のインターフェイスハンド１２０について説明する。
図４に示すように、インターフェイスハンド１２０の触覚指ベース１６は、人の右手の甲を覆う大きさに形成されている。触覚指ベース１６には、触覚指ベース１６を人の右手に対して甲側から配置したとき、前記右手の第１指（親指）に対応する側部からは、延出部１６ａが形成されている。延出部１６ａの先端には、第１触覚指２１が連結されている。又、触覚指ベース１６の先端には、４本の第２触覚指２２〜第５触覚指２５が連結されている。前記第１触覚指２１〜第５触覚指２５は、それぞれ人の右手の第１指〜第５指に対して甲側から取付け可能に、触覚指ベース１６に対して配置されている。
【００３６】
なお、左手用のインターフェイスハンド１２０は、触覚指ベース１６を人の左手に対して甲側から配置したとき、左手の第１指（親指）に対応する側部からは、延出部１６ａが形成されていること、及び第１触覚指〜第５触覚指の配置順序が逆方向となっていることが右手用のインターフェイスハンド１２０とは異なっている。
【００３７】
従って、インターフェイス１００Ａ，１００Ｂは、操作者の各手の甲側にインターフェイスハンド１２０が配置される。
第１触覚指２１〜第５触覚指２５は全て同一構成であるため、第１触覚指２１について説明する。
【００３８】
図５に示すように、第１触覚指２１は、複数のリンク３１〜３３が複数の関節部を介して互いに連結されることにより構成されている。具体的には、第１リンク３１は触覚指ベース１６に対して関節部３４を介して接続されている。関節部３４は軸ａ７を有する第１の関節３４Ａと、軸ａ８を有する第２の関節３４Ｂを有する。第１リンク３１は、それぞれ互いに直交する軸ａ７、ａ８の周りで能動回転する。第２リンク３２は、第３の関節３５を介して第１リンク３１に接続されている。第３の関節３５は、軸ａ９の周りで能動回転する。すなわち、第１〜第３の関節は、それぞれ駆動モータによりギヤ減速機を介して駆動される。そして、第１〜第３の関節の各駆動モータが制御されることにより、第１リンク３１及び第２リンク３２は、前述した軸ａ７〜ａ９の周りで回転する。
【００３９】
第３リンク３３は、第４の関節３６を介して第２リンク３２に接続されている。第４の関節３６は、軸ａ１０の周りで受動回転する。すなわち、第４の関節３６は第３の関節３５に対し、連動して動くように連係されている。又、この連係により、第４の関節３６の回転角度は、第３の関節３５の回転角度と等しくなるようにされている。
【００４０】
又、第１の関節３４Ａ，第２の関節３４Ｂ及び第３の関節３５の各駆動モータには回転角度、すなわち、関節角度を検出する回転角度検出手段としてのロータリエンコーダＵＲＥ１〜ＵＲＥ３が設けられている。これらのロータリエンコーダにより、前記各軸の周りの回転角度、すなわち、関節角度が検出される。
【００４１】
図５に示すように第３リンク３３には、３軸力覚センサ２８が装着されており、この３軸力覚センサ２８によって触覚指の先端にかかる互いに直交する３軸方向の並進力を検出可能である。又、第３リンク３３の先端部２９には、半球状に凹設された凹部３０が形成されている。図７に示すように凹部３０の内には吸着手段及び磁力発生手段としての永久磁石２９ａが配置されている。
【００４２】
図７に示すように各触覚指の第３リンク３３には、指フォルダ２６が取付け可能となっている。図６に示すように指フォルダ２６は、操作者Ｈの指Ｙａが挿入され、その保持を行う有蓋筒状のフォルダ部２６ａを備えている。フォルダ部２６ａは、開口側から、複数の切り込み２６ｂが形成されることにより、複数の弾性片２６ｃを有する。指フォルダ２６の材質は限定されるものではなく合成樹脂、或いはステンレス等の金属であってもよい。
【００４３】
図７に示すように指フォルダ２６は、操作者Ｈの手の指Ｙａに対して、指フォルダ２６を差し込みした状態で、弾性片２６ｃの外面から締付けバンド２７により締め付けすることにより、指Ｙａに固定される。
【００４４】
フォルダ部２６ａの先端部の上部には、鉄等の強磁性体からなる関節球２６ｄが固定されている。関節球２６ｄは、第３リンク３３の凹部３０内に転動自在に嵌合され、その関節球２６ｄを介して回動自在に触覚指２１〜２５の先端に連結されるようになっている。関節球２６ｄと凹部３０との嵌合により受動関節を構成する。本実施形態では、指フォルダ２６及び関節球２６ｄにより、触覚指を指に取付するための指取付手段が構成されている。
【００４５】
又、関節球２６ｄは強磁性体であるため、凹部３０内の永久磁石２９ａの磁力の範囲で第３リンク３３との連結が可能である。しかし、関節球２６ｄに、前記磁力を超える引っ張り力が加わった際には、関節球２６ｄは、凹部３０から離脱可能である。このように関節球２６ｄは、凹部３０に対して着脱自在に、かつ３６０度のいずれの範囲においても回転自在に嵌合される。
【００４６】
このようにして、操作者の両手の指Ｙに付けられ各指フォルダ２６は、インターフェイス１００Ａ，１００Ｂにおけるインターフェイスハンド１２０に５本の触覚指２１〜２５のそれぞれに連結される。
【００４７】
又、図６に示すように、各指フォルダ２６の内頂部において、指Ｙａの腹の部分Ｙｂとの接触部位には凸部２６ｅが形成されている。凸部２６ｅにより、指フォルダ２６に力が作用した際に、操作者Ｈの指Ｙａの腹の部分Ｙｂに集中して力が作用するようにしている。
【００４８】
本実施形態では、図１に示すように、操作者Ｈがインターフェイス１００Ａ，１００Ｂに接続される。この場合、操作者Ｈの指と、インターフェイスハンド１２０の触覚指の配置関係は、図７に示すようになる。ここで、仮に、触覚指が３関節３自由度の機構の場合、操作者Ｈが指を曲げた時、触覚指と指との干渉が生じやすい虞がある。このため、本実施形態の触覚指は、前述したように関節数を増やして、図５、図７に示すように軸ａ８〜ａ１０を有する４関節にすることにより、触覚指が屈曲する時の、手の指に対する干渉を大幅に低減させている。又、本実施形態では、冗長な自由度をもつ機構にする必要がない４関節３自由度の機構としている。
【００４９】
＜電気的構成の説明＞
次にインターフェイス１００Ａに関する装置の電気的構成を、図８を参照して説明する。
【００５０】
図８に示す３次元位置姿勢計測装置４１は、インターフェイス１００Ａを扱う操作者Ｈの左右の手首Ｒにそれぞれ装着された３次元位置姿勢センサ４２と無線で通信可能にされている。なお、本実施形態では、３次元位置姿勢センサ４２を手首Ｒに取付けしたが、操作者Ｈのインターフェイスハンド１２０の掌に対して、操作者の手の位置・姿勢を計測する３次元位置姿勢センサ４２を取り付けしてもよい。３次元位置姿勢センサ４２は第１検出手段に相当する。
【００５１】
図１では、１つの３次元位置姿勢センサ４２のみが図示されている。３次元位置姿勢センサ４２は、操作者Ｈの手Ｈａの位置（３次元的な空間位置）、及びその姿勢を検出し、その検出信号を３次元位置姿勢計測装置４１に無線で通信する。
【００５２】
３次元位置姿勢計測装置４１は、各３次元位置姿勢センサ４２から送信された検出信号を受信すると、その信号をそれぞれの手Ｈａの位置及びその姿勢に関する位置データ及び姿勢データとして信号処理し、コントローラ２００Ａに出力する。
【００５３】
次に、コントローラ２００Ａについて説明する。
コントローラ２００Ａは、コンピュータにより構成され、ＣＰＵ４０ａ（中央処理装置）、ＲＯＭ４０ｂ、ＲＡＭ４０ｃを備えている。ＲＯＭ４０ｂには、インターフェイス１００Ａを制御するための制御プログラムを始め各種制御プログラムが格納されている。ＲＡＭ４０ｃは、ＣＰＵ４０ａが演算処理する際の作業用メモリとなり、各種制御プログラムを実行したときの、各種演算結果や、検出値を格納する。
【００５４】
第１触覚指モータドライバ４５は、コントローラ２００Ａと通信が可能に電気的に接続され、コントローラ２００Ａからの第１触覚指のモータ動作指令値に基づいて、各関節の駆動モータ、すなわち、第１触覚指２１の関節３４Ａ、関節３４Ｂを備えた関節部３４、及び軸ａ１０を備えた関節３５を駆動する。
【００５５】
第２触覚指２２〜第５触覚指２５においても、第１触覚指２１と同様に駆動装置を備えており、コントローラ２００Ａからの第２〜第５触覚指制御信号に基づいてそれぞれの関節部３４、関節３５を同様に駆動する。なお、図８では、説明の便宜上、第１触覚指２１の第１触覚指モータドライバ４５等についてのみ図示し、他の触覚指に関する、駆動装置、関節部３４，関節３５については省略している。
【００５６】
図８に示すように、アームモータドライバ４６はコントローラ２００Ａと通信が可能に電気的に接続され、コントローラ２００Ａからのアーム用のモータ動作指令値に基づいて、アーム機構１１０の各関節の駆動モータ、すなわち、第１関節１７〜第６関節２０Ｃを駆動する。
【００５７】
上記のようにして、本実施形態のインターフェイス１００Ａは、アーム機構１１０に６個の駆動モータ及びロータリエンコーダ、各触覚指に３個の駆動モータ及びロータリエンコーダ、インターフェイスハンド１２０全体では１５個の駆動モータ及びロータリエンコーダを備える。又、本実施形態のインターフェイス１００Ａは、各触覚指先端に１個の３軸力覚センサ２８、インターフェイスハンド１２０全体では５個の３軸力覚センサ２８が搭載されている。なお、図８では、第１触覚指２１〜第５触覚指２５の３軸力覚センサ２８に対してそれぞれＫ１〜Ｋ５の符号を付している。
【００５８】
前記ロータリエンコーダからの検出信号、及び３軸力覚センサ２８の検出信号は図示しない信号増幅器を介して、各コントローラ２００Ａに取りこまれる。これにより、コントローラ２００Ａではアーム機構１１０の各関節、及び各触覚指の各関節の角度及び各触覚指先端での力を取得する。
【００５９】
又、コントローラ２００Ａは、前記各種のモータ動作指令値を第１触覚指等のモータドライバ４５、並びにアームモータドライバ４６へ出力することにより、各駆動モータが駆動制御される。これにより、各コントローラ２００Ａにて力覚提示インターフェイスの運動を制御することができる。
【００６０】
＜インターフェイス１００Ｂ＞
インターフェイス１００Ｂに関するコントローラ２００Ｂは、コントローラ２００Ａと同一構成であるため説明を省略する。従って、コントローラ２００Ｂは、コントローラ２００Ａと同様に、インターフェイス１００Ａと同一の構成を有するインターフェイス１００Ｂを制御可能である。
【００６１】
＜操作対象部３００＞
次に、操作対象部３００について説明する。操作対象部３００は、人間型ハンドをもつスレーブロボットおよびそのスレーブロボットコントローラ（以後、ロボット制御器と呼ぶ）からなる。このスレーブロボットには駆動モータ等の駆動源、ロータリエンコーダ等の関節角度センサ、フィンガー先端には３軸力覚センサが取り付けられている。
【００６２】
前記各種センサは図示しない信号増幅器を介して、前記ロボット制御器に接続されている。またモータドライバを介して前記駆動源と前記ロボット制御器も接続されている。このロボット制御器とコントローラ２００Ａ，２００ＢはＬＡＮまたは無線ＬＡＮにより接続されており、コントローラ２００Ａ，２００Ｂからロボット制御器へは、目標指令値が送られ、この目標指令値に従って、人間型ハンドをもつスレーブロボットは運動制御される。他方、前記ロボット制御器からコントローラ２００Ａ，２００Ｂへは、前記人間型ハンドをもつスレーブロボットの位置情報や力情報が送られる。
【００６３】
（作用）
次に、本実施形態の力覚提示インターフェイスの作用を説明する。
なお、下記の説明中、数式において、太文字で表した変数はベクトルあるいは行列であり、説明の中では通常の文字（太文字ででない文字）で引用して説明する。また、上付や下付の添え字については、適宜（）で引用して記載する。さらに、式の表記において、変数上の１ドットは、１階の時間微分を表す。
【００６４】
図１、図７に示すように、インターフェイス１００Ａ，１００Ｂのインターフェイスハンド１２０を、操作者Ｈの左右の手に対して、前記手の甲側に位置するように装着する。
両手に各インターフェイスハンド１２０を装着後、操作者Ｈが自由に両手を動かすと、操作対象部３００はその手Ｈａの位置・姿勢に対応した動作を行うよう、コントローラ２００Ａ，２００Ｂで制御される。
【００６５】
このとき、力覚提示インターフェイスは、操作者Ｈが自由に手を動かせるように、コントローラ２００Ａ，２００Ｂにより運動制御される。
以下、具体的に説明する。
【００６６】
＜コントローラ２００Ａ，２００Ｂの制御＞
コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、触覚指の制御とアーム機構１１０の制御を所定制御周期で行う。すなわち、コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、各ロータリエンコーダと、３軸力覚センサ２８の検出信号等に基づいて、触覚指に搭載されている駆動モータのモータ動作指令値と、アーム機構１１０に搭載されている駆動モータのモータ動作指令値を計算し、算出したモータ動作指令値を各モータドライバ４５，４６に出力し、モータドライバ４５，４６は、この指令値に従って対応する駆動モータを駆動する。ここで、触覚指は、前記モータ動作指令値により、インターフェイスにより指の腹の部分に印加される指先力が目標力となるように制御されるとともに、アーム機構１１０の各アームは、前記モータ動作指令値により評価関数ＰＩが最大となるように制御される。評価関数ＰＩに関しては、後述する。
【００６７】
＜触覚指の制御＞
コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、下記の触覚指の制御則に従って、触覚指を、所定制御周期で制御する。
【００６８】
【数１】
式（１）において、右辺第１項と第２項は力の比例積分制御項である。第３項は安定性を与えるための粘性項である。第４項が重力の影響を打ち消す補償項である。第５項は目標力のフィードフォワード項である。コントローラ２００Ａ，２００Ｂがこの制御則に従うことにより、触覚指はＦ→Ｆｄとなるように運動する。ここでＦｄ＝０とすれば、３軸力覚センサ２８の値をゼロとするために必要な触覚指の駆動モータの動作指令値が演算される。
【００６９】
＜アーム機構の制御＞
又、コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、下記のアーム機構の制御則に従って、前記触覚指の制御とともに所定制御周期でアーム機構１１０を制御する。
【００７０】
【数２】
式（２）において、右辺第１項と第２項はアームの関節角度のＰ（比例）Ｄ（微分）制御項である。第３項は重力の影響を打ち消す補償項である。第４項は触覚指の指先で受ける外力の補償項である。
【００７１】
コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、この制御則に従うことにより、アーム機構１１０の各アームは、アームの関節角度が、ｑＡ→ｑＡｄとなるように運動する。ここで、ｑＡｄは評価関数ＰＩが最大となるように選択される。
【００７２】
これによりアームの位置姿勢は、各触覚指の関節が可動範囲内でハンドの可操作性を高め、アームの関節角度の変化が少なく、かつインターフェイス間の干渉が回避されるように運動する。
【００７３】
＜評価関数ＰＩ＞
次に、評価関数ＰＩについて説明する。
インターフェイス１００Ａ，１００Ｂと操作者Ｈの干渉（または衝突）を避けるため、コントローラ２００Ａ，２００Ｂは干渉回避制御法により、インターフェイス１００Ａ，１００Ｂを制御する。ここで干渉回避制御法として、アームを位置制御し、位置・姿勢の目標値をインターフェイスハンドの可操作性と干渉のペナルティ関数の総和である評価関数ＰＩを最大とするように逐次設定する。
【００７４】
なお、干渉の評価関数ＰＩは、操作者Ｈの手首位置、及びインターフェイス１００Ａ，１００Ｂの手首位置（すなわち、インターフェイスハンド１２０の手首位置）の差から構成する。例えば、評価関数ＰＩとして、以下のものが挙げられる。
【００７５】
【数３】
ここで、 αｉ及びβｉは第ｉ指の重み係数であり、Ｗｉは第ｉ指の可操作性を表し、その運動学ヤコビ行列をＪｉとすると、
【００７６】
【数４】
で与えられる。このＷｉが大きければ、触覚指の操作性（動きやすさ）が良くなる。Ｐｉは、指関節が可動範囲に収まるようにするために与える第ｉ指のペナルティ関数で、
【００７７】
【数５】
で与えられる。この式中、ａｉｊとｂｉｊは第ｉ指の第ｊの関節の左右回転の可動限界である。又、ｋｉは第ｉ指の重み係数、ｌは指数関数の形状を調整する係数である。
【００７８】
【数６】
で与える。この式では、計算初期のアーム関節角度ベクトルである。Γは、重み行列である。アームをハンド可操作性が最大となるように位置制御すると、操作者の少しの指の動きに対し、アームが大きく動くことがあり操作者に不安感をあたえることがある。この問題を解決することを目的とするため、上記式（３）の第２項を導入している。
【００７９】
ＤＡはインターフェイスと操作者Ｈの干渉（または衝突）を回避するためのペナルティ関数で、
【００８０】
【数７】
で与えられる。ここでσ、γ 、ηは重み係数である。ｘは操作者Ｈの手首位置およびインターフェイスハンド１２０の手首位置、すなわち、アーム機構の手首位置の間の距離である。上記のようにして、干渉のペナルティ関数ＤＡは、操作者Ｈの手首位置及びインターフェイスハンド１２０の手首位置の差から構成する。
【００８１】
以上の式（３）中の各評価項目により、アームの位置姿勢は、各指の関節が可動範囲内でインターフェイスハンド１２０の可操作性を高め、アームの関節角度の変化が少なく、かつインターフェイス間の干渉が回避されるような目標が求められる。これにより、操作者Ｈの少しの指の動きでアームの位置・姿勢が大きく変化することがなく、安心感を与え、かつ干渉回避をしながらハンドの操作性能がよい状態になるので、高精度な力覚提示が実現できる。
【００８２】
＜操作対象部３００から干渉力が入力される場合＞
操作対象部３００を遠隔操作して何らかの対象物を操作するときは、操作対象部３００にある図示しない３軸力覚センサにより、コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、操作対象部３００から対象物の間に生じる干渉力（すなわち、力情報）を取得できる。
【００８３】
この干渉力は力覚提示インターフェイスの操作者Ｈに提示される。すなわち、両手に装着した各インターフェイスハンド１２０の各触覚指が干渉力方向に力感覚を提示するためモータ動作指令値が、コントローラ２００Ａ，２００Ｂで計算される。そして、算出されたモータ動作指令値が、コントローラ２００Ａ，２００Ｂから、各モータドライバ４５、アームモータドライバ４６を介して、それぞれのインターフェイス１００Ａ，１００Ｂの各駆動モータへ出力される。
【００８４】
このときにおいても、コントローラ２００Ａ，２００Ｂは、インターフェイス１００Ａ，１００Ｂと操作者Ｈとの干渉を避けるため、前記の干渉回避制御法が行われる。
以上により、操作者Ｈは、力覚提示インターフェイスを用いて操作対象部３００の遠隔操作を実現する。
【００８５】
本実施形態によると、次のような作用効果を奏する。
（１） 本実施形態の力覚提示インターフェイスは、操作者Ｈの手の指の運動に追従可能な複数の触覚指２１〜２５を有する触覚指ベース１６と、触覚指ベース１６の空間運動を可能とするアーム機構１１０と、操作者Ｈの手の位置及び姿勢に連動させてアーム機構１１０を駆動制御するとともに、前記指先の動きに連動させて第１触覚指２１〜２５を駆動制御するコントローラ（制御手段）２００Ａ，２００Ｂを有する。
【００８６】
そして、力覚提示インターフェイスは、触覚指２１〜２５と触覚指ベース１６を操作者Ｈの手の甲側において前記甲から離間した状態で、触覚指２１〜２５に対して前記操作者の指に取付けするための指フォルダ２６と関節球２６ｄが設けられている。
【００８７】
この結果、本実施形態によれば、触覚指２１〜２５と触覚指ベースが操作者Ｈの手の甲から離間した状態で、触覚指２１〜２５に縦操作者の指に取り付けでき、アームの運動により操作空間を広くできる。又、本実施形態によれば、人間の多指へそれぞれ３次元の力覚及び仮想物体の重量感を提示でき、さらに、圧迫感や装置の重量感を与えることがなく、安全で、小さな仮想物体を扱うことが可能となる。例えば、本実施形態によれば、触覚指を、指フォルダ２６を介して取り付けした状態で、小物の摘み動作を行うことができる。
【００８８】
又、本実施形態は、装着型デバイスとは異なり、地面にインターフェイスを設置するため、仮想物体の重量感を提示可能である。
（２） 本実施形態の力覚提示インターフェイスのコントローラ２００Ａ，２００Ｂ（制御手段）は、３次元位置姿勢センサ４２（第１検出手段）の検出結果と、アーム機構１１０の各アームの関節角度に基づいて、指フォルダ２６（指取付手段）を除いて、アーム機構１１０の手首と、操作者Ｈの手首の干渉回避のための評価関数ＰＩを演算し、評価関数ＰＩの演算結果に基づいて、アーム機構１１０の制御を行う。この結果、算出された評価関数ＰＩの結果に基づいて、アーム機構１１０と操作者Ｈの手Ｈａの干渉を回避できる。すなわち、アーム機構１１０の手首と、操作者Ｈの手首の干渉回避のための評価関数ＰＩを演算することにより、アーム機構１１０の手首と、操作者Ｈの手首の干渉が回避され、この結果、アーム機構と操作者の腕の干渉回避ばかりか、インターフェイス（アーム機構とハンドを含む）と操作者（手と腕を含む）の干渉回避を実現できる。
【００８９】
（３） 本実施形態の力覚提示インターフェイスによれば、評価関数が最大となるアーム機構の制御を行うことにより、アーム機構と操作者の手の干渉を回避できる。
（４） 本実施形態の力覚提示インターフェイスによれば、操作者Ｈの指Ｙａの腹の部分Ｙｂに、指フォルダ２６に設けられた凸部２６ｅが当接して、指Ｙａの腹の部分Ｙｂに集中して力が作用する。このことにより、操作者Ｈの指Ｙａの腹の部分Ｙｂに対して明確な３次元の力覚提示を行うことができ、指Ｙａの腹の部分Ｙｂへの力覚がよりリアリティのあるものとなる。
【００９０】
（５） 本実施形態では、指取付手段として、触覚指の先端側に転動自在に設けた関節球２６ｄと、関節球２６ｄに連結されるとともに操作者Ｈの指先を連結するフォルダ部２６ａを含むように構成されている。この結果、関節球２６ｄにより、同じ指先位置でその姿勢を変えることができ、各触覚指と操作者Ｈの連結が円滑となる。
【００９１】
（６） 本実施形態では、触覚指に関節球２６ｄを吸着保持する永久磁石２９ａ（吸着手段）を備える。この結果、永久磁石２９ａにより、関節球２６ｄが吸着（吸引）されて保持され、操作者Ｈの指先に過度の引っ張り力が作用すると、自動的に関節球２６ｄが触覚指から離脱し、操作者Ｈの指先に引っ張り力が生じない。このため、触覚指と指フォルダ２６との接続が解除できるため安全であり、操作者は安心して力覚提示インターフェイスを扱うことができる。
【００９２】
（７） 本実施形態では、永久磁石２９ａは、吸着手段として、関節球２６ｄを磁力により吸着保持する磁力発生手段とした。この結果、関節球２６ｄを磁力により、上記（６）の作用効果を実現できる。
【００９３】
（８） 本実施形態では、操作者の両側面から、側面設置型多指力覚提示インターフェイスを２台設置することで、両手指に３次元の力覚提示ができる。又、これにより、遠隔操作や仮想環境において、両手指を使った繊細・精巧・巧みな作業を行える力覚提示デバイスを提供できる。
【００９４】
なお、この実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ 前記実施形態では、力覚提示システムを、一対のインターフェイス１００Ａ，１００Ｂ及び一対のコントローラ２００Ａ，２００Ｂを含むようにしたが、いずれか一方のインターフェイスとコントローラにより力覚提示システムを構成してもよい。この場合は、人の右手用、又は左手用の力覚提示システムとなるが、これでもよい。
【００９５】
・ 前記実施形態では、触覚指ベースには、５本の触覚指を設けたが、本数は限定されるものではなく、１本〜４本のいずれかの本数であってもよい。
・ 前記実施形態では、触覚指は４関節３自由度としたが、限定されるものではなく、４自由度以上となるように構成してもよい。
【００９６】
・ 前記実施形態では、吸着手段として永久磁石２９ａとしたが、電磁石としてもよい。又、凹部３０に単数又は複数の吸引孔を設け、同吸引孔を介して空気を吸引して、関節球２６ｄを吸着するようにしてもよい。この場合、吸着手段は、凹部３０に設けた吸引孔、及び空気を吸引するための装置、例えば、真空引き装置等が相当する。
【００９７】
・ 前記実施形態では、アーム機構１１０は６自由度としたが、６自由度に限定するものではなく、７自由度以上であってもよい。
【符号の説明】
【００９８】
１０…ベース、１１…第１リンク、１２…第２リンク、１３…第３リンク、
１４…第４アーム、１５…第５アーム、１６…触覚指ベース、１６ａ…延出部、
１７…第１関節、１８…第２関節１８、１９…第３関節、
２０…関節部、２０Ａ…第４関節、２０Ｂ…第５関節、２０Ｃ…第６関節、
２１…第１触覚指、２２…第２触覚指、２３…第３触覚指、２４…第４触覚指、
２５…第５触覚指、２６…指フォルダ（指取付手段）、
２６ａ…フォルダ部、２６ｄ…関節球、２６ｅ…凸部、
２７…締付けバンド、２８…３軸力覚センサ、
２９…第３リンクの先端部、
３０…凹部、３１…第１リンク、３２…第２リンク、
３３…第３リンク、３４…関節部、インターフェイス
３４Ａ…第１の関節、３４Ｂ…第２の関節、
３５…第３の関節、３６…第４の関節、
４０ａ…ＣＰＵ、４２…３次元位置姿勢センサ（第１検出手段）、
４５…第１触覚指駆動装置
１００Ａ，１００Ｂ…インターフェイス、
１２０…インターフェイスハンド、
２００ａ，２００Ｂ…コントローラ（制御手段）、
３００…操作対象部
ＡＲＥ１〜６…ロータリエンコーダ（第２検出手段）、
ＵＲＥ１〜３…ロータリエンコーダ（検出手段）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作者の指の運動に追従可能な５本以下の触覚指を有する触覚指ベースと、前記触覚指ベースの空間運動を可能とするアーム機構と、前記操作者の手の位置及び姿勢に連動させて前記アーム機構を駆動制御するとともに、前記操作者の指の動きに連動させて前記触覚指を駆動制御する制御手段を有する側面設置型力覚提示インターフェイスにおいて、
前記触覚指と触覚指ベースを前記操作者の手の甲側において前記甲から離間した状態で、前記触覚指に対して前記操作者の指に取付けするための指取付手段が設けられていることを特徴とする側面設置型力覚提示インターフェイス。
【請求項２】
前記操作者の手首の位置姿勢を検出するための第１検出手段と、
前記アーム機構の手首の位置姿勢を検出するための第２検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記第１検出手段の検出結果と、前記第２検出手段の検出結果に基づいて、前記指取付手段を除いて、前記アーム機構の手首と、前記操作者の手首の干渉回避のための評価関数を演算し、前記評価関数の演算結果に基づいて、前記アーム機構の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
【請求項３】
前記制御手段は、前記評価関数が最大となる前記アーム機構の制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
【請求項４】
前記指取付手段には、前記操作者の指の腹の部分が接触する部位を備え、前記指の腹の部分が接触する部位には、前記指の腹の部分に集中して力が作用するように凸部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
【請求項５】
前記指取付手段は、前記触覚指の先端側に転動自在に設けた関節球と、同関節球に連結されるとともに操作者の指先を連結する指フォルダを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
【請求項６】
前記触覚指には前記関節球を吸着保持する吸着手段が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
【請求項７】
前記吸着手段が、前記関節球を磁力により吸着保持する磁力発生手段であることを特徴とする請求項６に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項の側面設置型力覚提示インターフェイスが、操作者の左手に取り付けられる触覚指を有する側面設置型力覚提示インターフェイスと、前記操作者の右手に取り付けられる触覚指を有する側面設置型力覚提示インターフェイスとを含み、両側面設置型力覚提示インターフェイスが組み合わせてなることを特徴とする側面設置型力覚提示インターフェイス。
【請求項１】
操作者の指の運動に追従可能な５本以下の触覚指を有する触覚指ベースと、前記触覚指ベースの空間運動を可能とするアーム機構と、前記操作者の手の位置及び姿勢に連動させて前記アーム機構を駆動制御するとともに、前記操作者の指の動きに連動させて前記触覚指を駆動制御する制御手段を有する側面設置型力覚提示インターフェイスにおいて、
前記触覚指と触覚指ベースを前記操作者の手の甲側において前記甲から離間した状態で、前記触覚指に対して前記操作者の指に取付けするための指取付手段が設けられていることを特徴とする側面設置型力覚提示インターフェイス。
【請求項２】
前記操作者の手首の位置姿勢を検出するための第１検出手段と、
前記アーム機構の手首の位置姿勢を検出するための第２検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記第１検出手段の検出結果と、前記第２検出手段の検出結果に基づいて、前記指取付手段を除いて、前記アーム機構の手首と、前記操作者の手首の干渉回避のための評価関数を演算し、前記評価関数の演算結果に基づいて、前記アーム機構の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
【請求項３】
前記制御手段は、前記評価関数が最大となる前記アーム機構の制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
【請求項４】
前記指取付手段には、前記操作者の指の腹の部分が接触する部位を備え、前記指の腹の部分が接触する部位には、前記指の腹の部分に集中して力が作用するように凸部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
【請求項５】
前記指取付手段は、前記触覚指の先端側に転動自在に設けた関節球と、同関節球に連結されるとともに操作者の指先を連結する指フォルダを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
【請求項６】
前記触覚指には前記関節球を吸着保持する吸着手段が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
【請求項７】
前記吸着手段が、前記関節球を磁力により吸着保持する磁力発生手段であることを特徴とする請求項６に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項の側面設置型力覚提示インターフェイスが、操作者の左手に取り付けられる触覚指を有する側面設置型力覚提示インターフェイスと、前記操作者の右手に取り付けられる触覚指を有する側面設置型力覚提示インターフェイスとを含み、両側面設置型力覚提示インターフェイスが組み合わせてなることを特徴とする側面設置型力覚提示インターフェイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１２８７９５（Ｐ２０１２−１２８７９５Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８１８５６（Ｐ２０１０−２８１８５６）
【出願日】平成２２年１２月１７日（２０１０．１２．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、総務省、戦略的情報通信研究開発推進制度（ＳＣＯＰＥ）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０１９３９９）国立大学法人岐阜大学 (289)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１７日（２０１０．１２．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、総務省、戦略的情報通信研究開発推進制度（ＳＣＯＰＥ）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０１９３９９）国立大学法人岐阜大学 (289)
【Ｆターム（参考）】
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