力覚提示装置およびそれを備えたパワーアシストシステム
【課題】流体圧シリンダを用いる力覚提示装置において、シリンダを交換しなくても伝達の増幅率の変化を可能とする。
【解決手段】力覚提示装置１は、第１圧力室２１および第２圧力室２２を有する第１シリンダ１１と、第３圧力室２３および第４圧力室２４を有する第２シリンダ１２と、第２圧力室２２と第３圧力室２３とを連通させる第１連通路３１と、第１圧力室２１と第４圧力室２４とを連通させる第２連通路３２と、第１容器４１および第２容器４２と、第１容器４１と第１連通路３１とを連通させる第３連通路３３と、第２容器４２と第２連通路３２とを連通させる第４連通路３４と、第３連通路３３に設けられた第１電磁弁５１と、第４連通路３４に設けられた第２電磁弁５２と、第１容器４１の内部圧力を制御する第１圧縮機６１と、第２容器４２の内部圧力を制御する第２圧縮機６２と、を備える。
【解決手段】力覚提示装置１は、第１圧力室２１および第２圧力室２２を有する第１シリンダ１１と、第３圧力室２３および第４圧力室２４を有する第２シリンダ１２と、第２圧力室２２と第３圧力室２３とを連通させる第１連通路３１と、第１圧力室２１と第４圧力室２４とを連通させる第２連通路３２と、第１容器４１および第２容器４２と、第１容器４１と第１連通路３１とを連通させる第３連通路３３と、第２容器４２と第２連通路３２とを連通させる第４連通路３４と、第３連通路３３に設けられた第１電磁弁５１と、第４連通路３４に設けられた第２電磁弁５２と、第１容器４１の内部圧力を制御する第１圧縮機６１と、第２容器４２の内部圧力を制御する第２圧縮機６２と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚提示装置およびそれを備えたパワーアシストシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特許文献１に記載されたバイラテラル位置・力伝達装置のように、アクチュエータとしてマスタ側シリンダおよびスレーブ側シリンダを備え、いずれか一方のシリンダから他方のシリンダに力または位置変化（変位）を伝達するようにした装置が知られている。
【０００３】
また、特許文献２に記載されたマスタ・スレーブ型遠隔操作システムのように、アクチュエータとしてマスタ側のＡＣサーボモータおよびスレーブ側のＡＣサーボモータを備え、いずれか一方のサーボモータから他方のサーボモータに力または変位を伝達するようにした装置も知られている。
【特許文献１】特開２００１−１４０８０２号公報
【特許文献２】特開２００６−１６７８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載された装置では、マスタ側とスレーブ側との間における変位の伝達の増幅率、例えば、マスタ側シリンダのピストンロッドを所定長さ動かしたときにスレーブ側シリンダのピストンロッドがどの程度動くかは、マスタ側およびスレーブ側のシリンダの内径によって一義的に決定される。そのため、伝達の増幅率を変化させようとすると、マスタ側およびスレーブ側の少なくとも一方のシリンダを、内径の異なる他のシリンダに交換する必要がある。ところが、シリンダの交換には時間と手間がかかる。したがって、上記装置は、例えばレスキュー現場等のように、短時間の間に増幅率の変化が必要となる場面では、利用することが困難であった。
【０００５】
一方、特許文献２に記載された装置は、アクチュエータとしてＡＣサーボモータを用いるものであるため、機械的な要素により構成された力覚提示装置に比べ、円滑性に欠ける。また、マスタ側およびスレーブ側のアクチュエータとして流体圧シリンダを用いる装置に対して適用することはできない。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、流体圧シリンダを用いる力覚提示装置において、シリンダを交換しなくても伝達の増幅率の変化を可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る力覚提示装置は、往復移動可能な第１ピストンロッドを有し、前記第１ピストンロッドによって第１圧力室と第２圧力室とが区画形成された第１シリンダと、往復移動可能な第２ピストンロッドを有し、前記第２ピストンロッドによって第３圧力室と第４圧力室とが区画形成された第２シリンダと、前記第２圧力室と前記第３圧力室とを連通させる第１連通路と、前記第１圧力室と前記第４圧力室とを連通させる第２連通路と、第１容器および第２容器と、前記第１容器と前記第１連通路、前記第２圧力室、または前記第３圧力室とを連通させる第３連通路と、前記第２容器と前記第２連通路、前記第１圧力室、または前記第４圧力室とを連通させる第４連通路と、前記第３連通路に設けられた第１流路開閉手段と、前記第４連通路に設けられた第２流路開閉手段と、前記第１容器の内部圧力および前記第２容器の内部圧力を制御する圧力制御手段と、を備えたものである。
【０００８】
上記力覚提示装置によれば、シリンダを交換しなくても変位の伝達の増幅率を変化させることが可能となる。
【０００９】
前記圧力制御手段は、前記第１容器に連通した第１圧縮機と、前記第２容器に連通した第２圧縮機と、を有していてもよい。
【００１０】
このことにより、第１圧縮機、第２圧縮機によって、第１容器、第２容器の内部圧力をそれぞれ制御することができる。
【００１１】
あるいは、前記圧力制御手段は、圧縮機と、前記圧縮機と前記第１容器とを連通させる第５連通路と、前記圧縮機と前記第２容器とを連通させる第６連通路と、前記第５連通路に設けられた第１圧力調整弁と、前記第６連通路に設けられた第２圧力調整弁と、を有していてもよい。
【００１２】
このことにより、第１圧力調整弁、第２圧力調整弁によって、第１容器、第２容器の内部圧力をそれぞれ制御することができる。
【００１３】
少なくとも前記第１圧力室、前記第２圧力室、前記第３圧力室、および前記第４圧力室の内部圧力は、常に大気圧以上に保たれることが好ましい。
【００１４】
このことにより、第１容器および第２容器の内部圧力を大気圧よりも低くする必要がなくなり、第１容器および第２容器の圧力制御が比較的簡単となる。
【００１５】
前記力覚提示装置は、前記第３圧力室、前記第４圧力室の内部圧力をそれぞれ直接または間接的に検出する第３圧力センサ、第４圧力センサをさらに備え、前記圧力制御手段は、前記第１流路開閉手段および前記第２流路開閉手段を開いた状態で前記第１ピストンロッドが前記第１圧力室側から前記第２圧力室側に、あるいは、前記第２圧力室側から前記第１圧力室側に移動したときに、前記第１容器の内部圧力を前記第３圧力室の内部圧力と等しくなるように制御し、前記第２容器の内部圧力を前記第４圧力室の内部圧力と等しくなるように制御してもよい。
【００１６】
これにより、第１ピストンロッドが第１圧力室側から第２圧力室側に移動すると、第２圧力室内の流体は、第３圧力室だけでなく、第１容器にも流入する。また、第１圧力室には、第４圧力室からだけでなく、第２容器からも流体が流入する。その結果、第２ピストンロッドのストローク量は第１ピストンロッドのストローク量よりも小さくなり、第１シリンダから第２シリンダに伝達される変位は減少する。
【００１７】
第１ピストンロッドが第２圧力室側から第１圧力室側に移動すると、第１圧力室内の流体は、第４圧力室だけでなく、第２容器にも流入する。また、第２圧力室には、第３圧力室からだけでなく、第１容器からも流体が流入する。その結果、第２ピストンロッドのストローク量は第１ピストンロッドのストローク量よりも小さくなり、第１シリンダから第２シリンダに伝達される変位は減少する。
【００１８】
前記力覚提示装置は、前記第１圧力室、前記第２圧力室の内部圧力をそれぞれ直接または間接的に検出する第１圧力センサ、第２圧力センサをさらに備え、前記圧力制御手段は、前記第１流路開閉手段および前記第２流路開閉手段を開いた状態で前記第１ピストンロッドが前記第１圧力室側から前記第２圧力室側に、あるいは、前記第２圧力室側から前記第１圧力室側に移動したときに、前記第１容器の内部圧力を前記第２圧力室の内部圧力と等しくなるように制御し、前記第２容器の内部圧力を前記第１圧力室の内部圧力と等しくなるように制御してもよい。
【００１９】
これにより、第１ピストンロッドが第１圧力室側から第２圧力室側に移動すると、第３圧力室には、第２圧力室からだけでなく、第１容器からも流体が流入する。また、第４圧力室内の流体は、第１圧力室だけでなく、第２容器にも流入する。その結果、第２ピストンロッドのストローク量は第１ピストンロッドのストローク量よりも大きくなり、第１シリンダから第２シリンダに伝達される変位は増幅される。
【００２０】
第１ピストンロッドが第２圧力室側から第１圧力室側に移動すると、第４圧力室には、第１圧力室からだけでなく、第２容器からも流体が流入する。また、第３圧力室内の流体は、第２圧力室だけでなく、第１容器にも流入する。その結果、第２ピストンロッドのストローク量は第１ピストンロッドのストローク量よりも大きくなり、第１シリンダから第２シリンダに伝達される変位は増幅される。
【００２１】
本発明に係るパワーアシストシステムは、人によって操作される操作装置と、前記操作装置に入力される操作力を増幅させて出力する出力装置と、前記力覚提示装置と、を備え、前記第１ピストンロッドが前記出力装置に連結され、前記第２ピストンロッドが前記操作装置に連結されているものである。
【００２２】
上記パワーアシストシステムによれば、シリンダを交換しなくても、出力装置から操作装置に対する変位の増幅率を変化させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、流体圧シリンダを用いる力覚提示装置において、シリンダを交換しなくても伝達の増幅率を変化させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
＜実施形態１＞
（力覚提示装置の構成）
図１に示すように、本実施形態に係る力覚提示装置１は、流体圧シリンダからなる第１シリンダ１１および第２シリンダ１２を備えている。ここで、流体圧シリンダとは、流体の圧力差を駆動力として作動するアクチュエータであり、例えば、油圧シリンダ、水圧シリンダ、エアシリンダ等である。第１シリンダ１１は第１ピストンロッド１３を備え、第２シリンダ１２は第２ピストンロッド１４を備えている。第１ピストンロッド１３には力覚を発生させるものが接続され、第２ピストンロッド１４には力覚の提示を受けるものが接続されている。例えば、人間がロボットハンドを操作する際に、ロボットハンドから人間の手に力覚が提示される場合、第１ピストンロッド１３にはロボットハンドが連結され、第２ピストンロッド１４には、人間の手によって握られるハンドル等が連結される。
【００２５】
第１シリンダ１１の内部は、第１ピストンロッド１３によって、第１圧力室２１と第２圧力室２２とに区画されている。同様に、第２シリンダ１２の内部は、第２ピストンロッド１４によって、第３圧力室２３と第４圧力室２４とに区画されている。
【００２６】
第２圧力室２２と第３圧力室２３とは、第１連通路３１を介して連通している。第１圧力室２１と第４圧力室２４とは、第２連通路３２を介して連通している。なお、第１連通路３１および第２連通路３２の具体的構成は特に限定されず、例えば、管やチューブ等を好適に用いることができる。
【００２７】
第１連通路３１の中途部には、第３連通路３３の一端側が接続されている。第３連通路３３の他端側には、第１容器４１が接続されている。第３連通路３３には、第１電磁弁５１が設けられている。第１容器４１には、第５連通路３５を介して第１圧縮機６１が接続されている。第１圧縮機６１には、インバータ等の容量可変装置（図示せず）が設けられており、第１圧縮機６１は容量制御が可能に構成されている。これにより、第１容器４１は、第１圧縮機６１によって圧力調整が可能となっている。
【００２８】
同様に、第２連通路３２の中途部には、第４連通路３４の一端側が接続されている。第４連通路３４の他端側には第２容器４２が接続され、第４連通路３４には第２電磁弁５２が設けられている。第２容器４２には、第６連通路３６を介して第２圧縮機６２が接続されている。第２圧縮機６２にもインバータ等の容量可変装置（図示せず）が設けられており、第２圧縮機６２は容量制御が可能に構成されている。これにより、第２容器４２は、第２圧縮機６２によって圧力調整が可能となっている。
【００２９】
本実施形態では、第１シリンダ１１、第２シリンダ１２、第１連通路３１、第２連通路３２、第３連通路３３、第４連通路３４、第１容器４１、および第２容器４２は、閉ループの流体圧回路を構成している。この流体圧回路には、所定の流体が充填されている。なお、流体の種類は特に限定されないが、例えば、油、水、空気等を好適に用いることができる。本実施形態では、上記流体圧回路の内部圧力は、常に大気圧以上に保たれている。言い換えると、流体圧回路の内部圧力は、いわゆる正圧となっている。
【００３０】
第２連通路３２における第１圧力室２１の近傍部分には、第１圧力室２１の内部圧力を検出する第１圧力センサ７１が接続されている。第１連通路３１における第２圧力室２２の近傍部分には、第２圧力室２２の内部圧力を検出する第２圧力センサ７２が接続されている。第１連通路３１における第３圧力室２３の近傍部分には、第３圧力室２３の内部圧力を検出する第３圧力センサ７３が接続されている。第２連通路３２における第４圧力室２４の近傍部分には、第４圧力室２４の内部圧力を検出する第４圧力センサ７４が接続されている。なお、本実施形態では、シリンダ１１，１２自体に圧力センサ７１，７２，７３，７４を取り付けることは困難であることから、その取付を避けるため、圧力センサ７１，７２，７３，７４を連通路３１，３２に取り付け、第１圧力室２１〜第４圧力室２４の内部圧力を間接的に検出することとした。このような構成であっても、実質的に第１圧力室２１〜第４圧力室２４の内部圧力を検出することが可能である。ただし、シリンダ１１，１２に圧力センサ７１，７２，７３，７４を適宜取り付け、第１圧力室２１〜第４圧力室２４の内部圧力を直接検出してもよいことは勿論である。
【００３１】
力覚提示装置１は、コントローラ５を備えている。第１圧縮機６１、第２圧縮機６２、第１電磁弁５１、および第２電磁弁５２は、コントローラ５に接続されており、コントローラ５によって制御される。また、コントローラ５は、第１圧力センサ７１、第２圧力センサ７２、第３圧力センサ７３、および第４圧力センサ７４に接続されている。これらの圧力センサ７１〜７４によって、第１圧力室２１〜第４圧力室２４の内部圧力の値がコントローラ５に送信される。
【００３２】
なお、第１電磁弁５１および第２電磁弁５２は、開閉自在な弁であれば足り、必ずしも電磁弁である必要はない。すなわち、第１流路開閉手段および第２流路開閉手段には、公知の各種の弁を用いることができる。
【００３３】
（力覚提示装置の動作）
次に、力覚提示装置１の動作について説明する。力覚提示装置１は、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３に加えられる力および変位を、第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４に伝達する。本実施形態に係る力覚提示装置１によれば、第１ピストンロッド１３から第２ピストンロッド１４に伝わる変位を増減させることができる。以下では、第１ピストンロッド１３から第２ピストンロッド１４に伝わる変位の増幅率が１の場合の運転、増幅率が１未満の運転、増幅率が１より大きな運転を順に説明する。
【００３４】
−増幅率が１の場合の運転−
始めに、増幅率が１の場合の運転、すなわち、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３の変位を増幅させることなく第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４に伝える場合の運転を説明する。この運転の際には、第１電磁弁５１および第２電磁弁５２は閉鎖され、第１圧縮機６１および第２圧縮機６２の運転は停止される。この状態で、第１ピストンロッド１３が第１圧力室２１側から第２圧力室２２側へ移動すると（言い換えると、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３が収縮すると）、第２圧力室２２内の流体は第２圧力室２２から押し出され、第１連通路３１を通じて第３圧力室２３に流入する。その結果、第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４が第３圧力室２３側から第４圧力室２４側へ押され、第２ピストンロッド１４が伸張する。それに伴い、第４圧力室２４内の流体が第２ピストンロッド１４によって押し出され、第２連通路３２を通じて第１圧力室２１内に流れ込む。
【００３５】
一方、第１ピストンロッド１３が第２圧力室２２側から第１圧力室２１側へ移動すると（言い換えると、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３が伸長すると）、第１圧力室２１内の流体は第１圧力室２１から押し出され、第２連通路３２を通じて第４圧力室２４に流入する。その結果、第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４が第４圧力室側から第３圧力室２３側へ押され、第２ピストンロッド１４が収縮する。それに伴い、第３圧力室２３内の流体が第２ピストンロッド１４によって押し出され、第１連通路３１を通じて第２圧力室２２内に流れ込む。
【００３６】
このようにして、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３の変位は、第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４の変位となって伝達される。本運転では、第１ピストンロッド１３のストローク量（変位量）ＳＡは、第２ピストンロッド１４のストローク量（変位量）ＳＢと等しくなる。
【００３７】
−増幅率が１未満の運転−
増幅率が１未満の運転とは、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３の変位を減少させて第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４に伝える運転であり、具体的には、第１ピストンロッド１３のストローク量ＳＡに対する第２ピストンロッド１４のストローク量ＳＢの比（＝ＳＢ／ＳＡ）が１未満となる運転である。すなわち、ＳＡ＞ＳＢとなる運転である。
【００３８】
本運転では、コントローラ５により、第１電磁弁５１および第２電磁弁５２が開放される。また、コントローラ５は、第１容器４１の内部圧力が第３圧力室２３の内部圧力と等しくなるように第１圧縮機６１を制御し、第２容器４２の内部圧力が第４圧力室２４の内部圧力と等しくなるように第２圧縮機６２を制御する。
【００３９】
図２に示すように、第１ピストンロッド１３が第１圧力室２１側から第２圧力室２２側へ移動すると、第１容器４１と第３圧力室２３との内部圧力が等しいことから、第２圧力室２２内の流体は、第３圧力室２３だけでなく第１容器４１にも流入する。そのため、第３圧力室２３に流入する流体は、第２圧力室２２から流出する流体の一部となる。また、第２容器４２と第４圧力室２４との内部圧力が等しいことから、第４圧力室２４から流出する流体に加えて、第２容器４２内の流体も第１圧力室２１に流入する。これにより、第２ピストンロッド１４のストローク量ＳＢは、第１ピストンロッド１３のストローク量ＳＡよりも小さくなる。すなわち、変位の増幅率は１未満となる。
【００４０】
図３に示すように、第１ピストンロッド１３が第２圧力室２２側から第１圧力室２１側へ移動すると、第１容器４１と第３圧力室２３との内部圧力が等しいことから、第３圧力室２３内の流体だけでなく、第１容器４１内の流体も第２圧力室２２に流入する。また、第２容器４２と第４圧力室２４との内部圧力が等しいことから、第１圧力室２１から流出する流体は、第４圧力室２４だけでなく第２容器４２にも流入する。すなわち、第４圧力室２４に流入する流体は、第１圧力室２１から流出する流体の一部となる。これにより、この場合も第２ピストンロッド１４のストローク量は第１ピストンロッド１３のストローク量よりも小さくなり、変位の増幅率は１未満となる。
【００４１】
−増幅率が１よりも大きな運転−
増幅率が１よりも大きな運転とは、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３の変位を増幅させて第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４に伝える運転であり、具体的には、第１ピストンロッド１３のストローク量ＳＡに対する第２ピストンロッド１４のストローク量ＳＢの比が１よりも大きくなる運転である。すなわち、ＳＡ＜ＳＢとなる運転である。
【００４２】
本運転においても、コントローラ５により、第１電磁弁５１および第２電磁弁５２が開放される。本運転では、コントローラ５は、第１容器４１の内部圧力が第２圧力室２２の内部圧力と等しくなるように第１圧縮機６１を制御し、第２容器４２の内部圧力が第１圧力室２１の内部圧力と等しくなるように第２圧縮機６２を制御する。
【００４３】
図４に示すように、第１ピストンロッド１３が第２圧力室２２側から第１圧力室２１側へ移動すると、第１容器４１と第２圧力室２２との内部圧力が等しいことから、第３圧力室２３内の流体は、第２圧力室２２だけでなく第１容器４１にも流入する。そのため、第２圧力室２２に流入する流体は、第３圧力室２３から流出する流体の一部となる。また、第２容器４２と第１圧力室２１との内部圧力が等しいことから、第１圧力室２１から流出する流体に加えて、第２容器４２内の流体も第４圧力室２４に流入する。これにより、第２ピストンロッド１４のストローク量ＳＢは、第１ピストンロッド１３のストローク量ＳＡよりも大きくなる。すなわち、変位の増幅率は１よりも大きくなる。
【００４４】
図５に示すように、第１ピストンロッド１３が第１圧力室２１側から第２圧力室２２側へ移動すると、第１容器４１と第２圧力室２２との内部圧力が等しいことから、第２圧力室２２内の流体だけでなく、第１容器４１内の流体も第３圧力室２３に流入する。また、第２容器４２と第１圧力室２１との内部圧力が等しいことから、第４圧力室２４から流出する流体は、第１圧力室２１だけでなく第２容器４２にも流入する。すなわち、第１圧力室２１に流入する流体は、第４圧力室２４から流出する流体の一部となる。これにより、第２ピストンロッド１４のストローク量は、第１ピストンロッド１３のストローク量よりも大きくなり、変位の増幅率は１よりも大きくなる。
【００４５】
（実施形態の効果）
以上のように、本実施形態に係る力覚提示装置１によれば、第１シリンダ１１および第２シリンダ１２を交換することなく、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３の変位を増幅または減少させて第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４に伝達することが可能となる。したがって、例えばレスキュー現場等のように、短時間の間に増幅率の変化が必要となる用途に対しても、好適に利用することが可能となる。
【００４６】
また、本実施形態では、流体圧回路に与圧が加えられ、少なくとも第１圧力室２１、第２圧力室２２、第３圧力室２３、および第４圧力室２４の内部圧力は、常に大気圧以上に保たれる。そのため、第１容器４１および第２容器４２の内部圧力を大気圧未満にする必要がなく、いわゆる負圧にする必要がない。したがって、第１圧縮機６１および第２圧縮機６２によって第１容器４１および第２容器４２の圧力を比較的容易に制御することができ、構成および制御の簡単化を図ることができる。なお、流体として油等の液体を用いる場合、第１シリンダ１１内または第２シリンダ１２内に空気が混入する場合がある。しかし、本実施形態のように、第１圧力室２１、第２圧力室２２、第３圧力室２３、および第４圧力室２４の内部圧力を高く維持することにより、空気溜まりの体積を小さく抑えることができ、空気溜まりによる悪影響を抑制することができる。
【００４７】
＜変形例＞
上記実施形態では、第１容器４１および第２容器４２の内部圧力を制御する圧力制御手段は、第１圧縮機６１および第２圧縮機６２の２つの圧縮機を備えていた。すなわち、上記実施形態では、第１容器４１および第２容器４２の各々に対して圧縮機が配置されていた。しかし、圧力制御手段の構成は上記実施形態の構成に限定されるわけではない。例えば、図６に示すように、第１容器４１および第２容器４２に対して、共通の圧縮機６３を配置するようにしてもよい。本変形例では、第１容器４１は第５連通路３５を介して圧縮機６３に接続され、第２容器４２は第６連通路３６を介して圧縮機６３に接続されている。第５連通路３５には第１圧力調整弁８１が設けられ、第６連通路３６には第２圧力調整弁８２が設けられている。第１圧力調整弁８１および第２圧力調整弁８２は、コントローラ５に接続されている。その他の構成は上記実施形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００４８】
この変形例では、第１容器４１の内部圧力は、圧縮機６３および第１圧力調整弁８１によって調整される。一方、第２容器４２の内部圧力は、圧縮機６３および第２圧力調整弁８２によって調整される。
【００４９】
本変形例においても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本変形例によれば、圧縮機の台数が１台で済み、上記実施形態と比べて圧縮機の台数を削減することができる。
【００５０】
＜その他の変形例＞
前記実施形態および変形例では、第３連通路３３は、第１容器４１と第１連通路３１とを連通させていた。しかし、第３連通路３３は、第１容器４１と第２圧力室２２とを連通させる流路であってもよく、第１容器４１と第３圧力室２３とを連通させる流路であってもよい。また、前記実施形態および変形例では、第４連通路３４は、第２容器４２と第２連通路３２とを連通させていた。しかし、第４連通路３４は、第２容器４２と第１圧力室２１とを連通させる流路であってもよく、第２容器４２と第４圧力室２４とを連通させる流路であってもよい。
【００５１】
第１シリンダ１１の内径と第２シリンダ１２の内径とは、互いに等しくてもよく、異なっていてもよい。また、第１シリンダ１１の長さと第２シリンダ１２の長さとは、互いに等しくてもよく、異なっていてもよい。
【００５２】
＜パワーアシストシステム＞
本発明に係る力覚提示装置は、種々の装置および種々の用途に利用することができる。以下に説明する実施の形態は、前記力覚提示装置１をパワーアシストシステム１００に利用したものである。
【００５３】
図７に示すように、パワーアシストシステム１００は、操作者の力を増幅させて作業を行うシステムであり、本実施形態では所謂パワーアシストアームを構成している。パワーアシストシステム１００は、台１０１と、台１０１に固定された支柱１０２と、支柱１０２に支持された旋回アーム１０３と、旋回アーム１０３の先端側に配置された伸縮アーム１０４とを備えている。また、パワーアシストシステム１００は、伸縮アーム１０４の先端側に配置された回転機構１１３と、回転機構１１３に取り付けられたアーム１０５と、アーム１０５の先端側に取り付けられたハンド１０６とを備えている。なお、回転機構１１３には、回転駆動モータ１１２が配置されている。また、図示は省略するが、ハンド１０６には、当該ハンド１０６を開閉させるモータが設けられている。
【００５４】
旋回アーム１０３には、前後方向（図７の左右方向）に延びるガイドレール１０７が固定され、ガイドレール１０７には操作基部１０８がスライド自在に取り付けられている。操作基部１０８には６軸力覚センサ１１０が固定され、６軸力覚センサ１１０には操作ハンドル１０９が取り付けられている。
【００５５】
伸縮アーム１０４には、当該伸縮アーム１０４を伸縮させる駆動モータ１１１が配置されている。操作者が操作ハンドル１０９を前方（図７の左方）に押し出すと、力覚センサ１１０が操作ハンドル１０９に加えられた力を検出し、駆動モータ１１１が上記力を増幅させて伸縮アーム１０４を伸張する。一方、操作者が操作ハンドル１０９を後方（図７の右方）に引っ張ると、力覚センサ１１０が操作ハンドル１０９に加えられた力を検出し、駆動モータ１１１が上記力を増幅させて伸縮アーム１０４を収縮させる。
【００５６】
操作基部１０８および操作ハンドル１０９は、人によって操作される操作装置を構成している。伸縮アーム１０４および駆動モータ１１１は、上記操作装置に入力される操作力を増幅させて出力する出力装置を構成している。
【００５７】
力覚提示装置１の第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３は、伸縮アーム１０４に連結されている。そのため、第１ピストンロッド１３は、伸縮アーム１０４の伸縮に従って伸縮する。第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４は、操作基部１０８に連結されている。そのため、操作基部１０８上の操作ハンドル１０９は、第２ピストンロッド１４の伸縮に従って前後にスライド移動する。これにより、伸縮アーム１０４の力覚は、力覚提示装置１を介して操作者に伝達される。
【００５８】
本パワーアシストシステム１００によれば、前述の力覚提示装置１を備えているので、伸縮アーム１０４の変位を増幅または減少させて操作ハンドル１０９に伝えることができる。したがって、本パワーアシストシステム１００は、例えばレスキュー現場等のように、短時間の間に大出力が必要な大きな動作や繊細な作業等により力覚提示の増幅率の変化が必要となる用途に対して、特に有用である。
【００５９】
本実施形態によれば、作業環境や作業内容に応じて操作感覚を変更することができるため、操作性を向上させることができる。本実施形態によれば、操作者の好みによって操作感覚を変更することができる。また、位置の伝達の増幅または縮小を変更する際にかかる時間を短縮することができる。
【００６０】
また、本実施形態によれば、操作ハンドル１０９の可動範囲を狭くすることができるので、例えば人間１人が動くほどの余裕がないくらいの狭い操縦席においても、操作者の動きに追従するようにアーム１０４を動かすことができる。
【００６１】
また、本実施形態によれば、位置の伝達の増幅または縮小を熟知していれば、操作者は小さな動きでアーム１０４を操作することができるので、操作に伴う体力の消耗を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上のように、本発明は、力覚提示装置およびそれを備えたパワーアシストシステムについて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】力覚提示装置の構成図である。
【図２】変位の増幅率が１未満の運転を説明するための図である。
【図３】変位の増幅率が１未満の運転を説明するための図である。
【図４】変位の増幅率が１よりも大きな運転を説明するための図である。
【図５】変位の増幅率が１よりも大きな運転を説明するための図である。
【図６】変形例に係る力覚提示装置の構成図である。
【図７】力覚提示装置を備えたパワーアシストシステムの構成図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 力覚提示装置
５ コントローラ
１１ 第１シリンダ
１２ 第２シリンダ
１３ 第１ピストンロッド
１４ 第２ピストンロッド
２１ 第１圧力室
２２ 第２圧力室
２３ 第３圧力室
２４ 第４圧力室
３１ 第１連通路
３２ 第２連通路
３３ 第３連通路
３４ 第４連通路
３５ 第５連通路
３６ 第６連通路
４１ 第１容器
４２ 第２容器
５１ 第１電磁弁（第１流路開閉手段）
５２ 第２電磁弁（第２流路開閉手段）
６１ 第１圧縮機
６２ 第２圧縮機
７１ 第１圧力センサ
７２ 第２圧力センサ
７３ 第３圧力センサ
７４ 第４圧力センサ
１００ パワーアシストシステム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚提示装置およびそれを備えたパワーアシストシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特許文献１に記載されたバイラテラル位置・力伝達装置のように、アクチュエータとしてマスタ側シリンダおよびスレーブ側シリンダを備え、いずれか一方のシリンダから他方のシリンダに力または位置変化（変位）を伝達するようにした装置が知られている。
【０００３】
また、特許文献２に記載されたマスタ・スレーブ型遠隔操作システムのように、アクチュエータとしてマスタ側のＡＣサーボモータおよびスレーブ側のＡＣサーボモータを備え、いずれか一方のサーボモータから他方のサーボモータに力または変位を伝達するようにした装置も知られている。
【特許文献１】特開２００１−１４０８０２号公報
【特許文献２】特開２００６−１６７８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載された装置では、マスタ側とスレーブ側との間における変位の伝達の増幅率、例えば、マスタ側シリンダのピストンロッドを所定長さ動かしたときにスレーブ側シリンダのピストンロッドがどの程度動くかは、マスタ側およびスレーブ側のシリンダの内径によって一義的に決定される。そのため、伝達の増幅率を変化させようとすると、マスタ側およびスレーブ側の少なくとも一方のシリンダを、内径の異なる他のシリンダに交換する必要がある。ところが、シリンダの交換には時間と手間がかかる。したがって、上記装置は、例えばレスキュー現場等のように、短時間の間に増幅率の変化が必要となる場面では、利用することが困難であった。
【０００５】
一方、特許文献２に記載された装置は、アクチュエータとしてＡＣサーボモータを用いるものであるため、機械的な要素により構成された力覚提示装置に比べ、円滑性に欠ける。また、マスタ側およびスレーブ側のアクチュエータとして流体圧シリンダを用いる装置に対して適用することはできない。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、流体圧シリンダを用いる力覚提示装置において、シリンダを交換しなくても伝達の増幅率の変化を可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る力覚提示装置は、往復移動可能な第１ピストンロッドを有し、前記第１ピストンロッドによって第１圧力室と第２圧力室とが区画形成された第１シリンダと、往復移動可能な第２ピストンロッドを有し、前記第２ピストンロッドによって第３圧力室と第４圧力室とが区画形成された第２シリンダと、前記第２圧力室と前記第３圧力室とを連通させる第１連通路と、前記第１圧力室と前記第４圧力室とを連通させる第２連通路と、第１容器および第２容器と、前記第１容器と前記第１連通路、前記第２圧力室、または前記第３圧力室とを連通させる第３連通路と、前記第２容器と前記第２連通路、前記第１圧力室、または前記第４圧力室とを連通させる第４連通路と、前記第３連通路に設けられた第１流路開閉手段と、前記第４連通路に設けられた第２流路開閉手段と、前記第１容器の内部圧力および前記第２容器の内部圧力を制御する圧力制御手段と、を備えたものである。
【０００８】
上記力覚提示装置によれば、シリンダを交換しなくても変位の伝達の増幅率を変化させることが可能となる。
【０００９】
前記圧力制御手段は、前記第１容器に連通した第１圧縮機と、前記第２容器に連通した第２圧縮機と、を有していてもよい。
【００１０】
このことにより、第１圧縮機、第２圧縮機によって、第１容器、第２容器の内部圧力をそれぞれ制御することができる。
【００１１】
あるいは、前記圧力制御手段は、圧縮機と、前記圧縮機と前記第１容器とを連通させる第５連通路と、前記圧縮機と前記第２容器とを連通させる第６連通路と、前記第５連通路に設けられた第１圧力調整弁と、前記第６連通路に設けられた第２圧力調整弁と、を有していてもよい。
【００１２】
このことにより、第１圧力調整弁、第２圧力調整弁によって、第１容器、第２容器の内部圧力をそれぞれ制御することができる。
【００１３】
少なくとも前記第１圧力室、前記第２圧力室、前記第３圧力室、および前記第４圧力室の内部圧力は、常に大気圧以上に保たれることが好ましい。
【００１４】
このことにより、第１容器および第２容器の内部圧力を大気圧よりも低くする必要がなくなり、第１容器および第２容器の圧力制御が比較的簡単となる。
【００１５】
前記力覚提示装置は、前記第３圧力室、前記第４圧力室の内部圧力をそれぞれ直接または間接的に検出する第３圧力センサ、第４圧力センサをさらに備え、前記圧力制御手段は、前記第１流路開閉手段および前記第２流路開閉手段を開いた状態で前記第１ピストンロッドが前記第１圧力室側から前記第２圧力室側に、あるいは、前記第２圧力室側から前記第１圧力室側に移動したときに、前記第１容器の内部圧力を前記第３圧力室の内部圧力と等しくなるように制御し、前記第２容器の内部圧力を前記第４圧力室の内部圧力と等しくなるように制御してもよい。
【００１６】
これにより、第１ピストンロッドが第１圧力室側から第２圧力室側に移動すると、第２圧力室内の流体は、第３圧力室だけでなく、第１容器にも流入する。また、第１圧力室には、第４圧力室からだけでなく、第２容器からも流体が流入する。その結果、第２ピストンロッドのストローク量は第１ピストンロッドのストローク量よりも小さくなり、第１シリンダから第２シリンダに伝達される変位は減少する。
【００１７】
第１ピストンロッドが第２圧力室側から第１圧力室側に移動すると、第１圧力室内の流体は、第４圧力室だけでなく、第２容器にも流入する。また、第２圧力室には、第３圧力室からだけでなく、第１容器からも流体が流入する。その結果、第２ピストンロッドのストローク量は第１ピストンロッドのストローク量よりも小さくなり、第１シリンダから第２シリンダに伝達される変位は減少する。
【００１８】
前記力覚提示装置は、前記第１圧力室、前記第２圧力室の内部圧力をそれぞれ直接または間接的に検出する第１圧力センサ、第２圧力センサをさらに備え、前記圧力制御手段は、前記第１流路開閉手段および前記第２流路開閉手段を開いた状態で前記第１ピストンロッドが前記第１圧力室側から前記第２圧力室側に、あるいは、前記第２圧力室側から前記第１圧力室側に移動したときに、前記第１容器の内部圧力を前記第２圧力室の内部圧力と等しくなるように制御し、前記第２容器の内部圧力を前記第１圧力室の内部圧力と等しくなるように制御してもよい。
【００１９】
これにより、第１ピストンロッドが第１圧力室側から第２圧力室側に移動すると、第３圧力室には、第２圧力室からだけでなく、第１容器からも流体が流入する。また、第４圧力室内の流体は、第１圧力室だけでなく、第２容器にも流入する。その結果、第２ピストンロッドのストローク量は第１ピストンロッドのストローク量よりも大きくなり、第１シリンダから第２シリンダに伝達される変位は増幅される。
【００２０】
第１ピストンロッドが第２圧力室側から第１圧力室側に移動すると、第４圧力室には、第１圧力室からだけでなく、第２容器からも流体が流入する。また、第３圧力室内の流体は、第２圧力室だけでなく、第１容器にも流入する。その結果、第２ピストンロッドのストローク量は第１ピストンロッドのストローク量よりも大きくなり、第１シリンダから第２シリンダに伝達される変位は増幅される。
【００２１】
本発明に係るパワーアシストシステムは、人によって操作される操作装置と、前記操作装置に入力される操作力を増幅させて出力する出力装置と、前記力覚提示装置と、を備え、前記第１ピストンロッドが前記出力装置に連結され、前記第２ピストンロッドが前記操作装置に連結されているものである。
【００２２】
上記パワーアシストシステムによれば、シリンダを交換しなくても、出力装置から操作装置に対する変位の増幅率を変化させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、流体圧シリンダを用いる力覚提示装置において、シリンダを交換しなくても伝達の増幅率を変化させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
＜実施形態１＞
（力覚提示装置の構成）
図１に示すように、本実施形態に係る力覚提示装置１は、流体圧シリンダからなる第１シリンダ１１および第２シリンダ１２を備えている。ここで、流体圧シリンダとは、流体の圧力差を駆動力として作動するアクチュエータであり、例えば、油圧シリンダ、水圧シリンダ、エアシリンダ等である。第１シリンダ１１は第１ピストンロッド１３を備え、第２シリンダ１２は第２ピストンロッド１４を備えている。第１ピストンロッド１３には力覚を発生させるものが接続され、第２ピストンロッド１４には力覚の提示を受けるものが接続されている。例えば、人間がロボットハンドを操作する際に、ロボットハンドから人間の手に力覚が提示される場合、第１ピストンロッド１３にはロボットハンドが連結され、第２ピストンロッド１４には、人間の手によって握られるハンドル等が連結される。
【００２５】
第１シリンダ１１の内部は、第１ピストンロッド１３によって、第１圧力室２１と第２圧力室２２とに区画されている。同様に、第２シリンダ１２の内部は、第２ピストンロッド１４によって、第３圧力室２３と第４圧力室２４とに区画されている。
【００２６】
第２圧力室２２と第３圧力室２３とは、第１連通路３１を介して連通している。第１圧力室２１と第４圧力室２４とは、第２連通路３２を介して連通している。なお、第１連通路３１および第２連通路３２の具体的構成は特に限定されず、例えば、管やチューブ等を好適に用いることができる。
【００２７】
第１連通路３１の中途部には、第３連通路３３の一端側が接続されている。第３連通路３３の他端側には、第１容器４１が接続されている。第３連通路３３には、第１電磁弁５１が設けられている。第１容器４１には、第５連通路３５を介して第１圧縮機６１が接続されている。第１圧縮機６１には、インバータ等の容量可変装置（図示せず）が設けられており、第１圧縮機６１は容量制御が可能に構成されている。これにより、第１容器４１は、第１圧縮機６１によって圧力調整が可能となっている。
【００２８】
同様に、第２連通路３２の中途部には、第４連通路３４の一端側が接続されている。第４連通路３４の他端側には第２容器４２が接続され、第４連通路３４には第２電磁弁５２が設けられている。第２容器４２には、第６連通路３６を介して第２圧縮機６２が接続されている。第２圧縮機６２にもインバータ等の容量可変装置（図示せず）が設けられており、第２圧縮機６２は容量制御が可能に構成されている。これにより、第２容器４２は、第２圧縮機６２によって圧力調整が可能となっている。
【００２９】
本実施形態では、第１シリンダ１１、第２シリンダ１２、第１連通路３１、第２連通路３２、第３連通路３３、第４連通路３４、第１容器４１、および第２容器４２は、閉ループの流体圧回路を構成している。この流体圧回路には、所定の流体が充填されている。なお、流体の種類は特に限定されないが、例えば、油、水、空気等を好適に用いることができる。本実施形態では、上記流体圧回路の内部圧力は、常に大気圧以上に保たれている。言い換えると、流体圧回路の内部圧力は、いわゆる正圧となっている。
【００３０】
第２連通路３２における第１圧力室２１の近傍部分には、第１圧力室２１の内部圧力を検出する第１圧力センサ７１が接続されている。第１連通路３１における第２圧力室２２の近傍部分には、第２圧力室２２の内部圧力を検出する第２圧力センサ７２が接続されている。第１連通路３１における第３圧力室２３の近傍部分には、第３圧力室２３の内部圧力を検出する第３圧力センサ７３が接続されている。第２連通路３２における第４圧力室２４の近傍部分には、第４圧力室２４の内部圧力を検出する第４圧力センサ７４が接続されている。なお、本実施形態では、シリンダ１１，１２自体に圧力センサ７１，７２，７３，７４を取り付けることは困難であることから、その取付を避けるため、圧力センサ７１，７２，７３，７４を連通路３１，３２に取り付け、第１圧力室２１〜第４圧力室２４の内部圧力を間接的に検出することとした。このような構成であっても、実質的に第１圧力室２１〜第４圧力室２４の内部圧力を検出することが可能である。ただし、シリンダ１１，１２に圧力センサ７１，７２，７３，７４を適宜取り付け、第１圧力室２１〜第４圧力室２４の内部圧力を直接検出してもよいことは勿論である。
【００３１】
力覚提示装置１は、コントローラ５を備えている。第１圧縮機６１、第２圧縮機６２、第１電磁弁５１、および第２電磁弁５２は、コントローラ５に接続されており、コントローラ５によって制御される。また、コントローラ５は、第１圧力センサ７１、第２圧力センサ７２、第３圧力センサ７３、および第４圧力センサ７４に接続されている。これらの圧力センサ７１〜７４によって、第１圧力室２１〜第４圧力室２４の内部圧力の値がコントローラ５に送信される。
【００３２】
なお、第１電磁弁５１および第２電磁弁５２は、開閉自在な弁であれば足り、必ずしも電磁弁である必要はない。すなわち、第１流路開閉手段および第２流路開閉手段には、公知の各種の弁を用いることができる。
【００３３】
（力覚提示装置の動作）
次に、力覚提示装置１の動作について説明する。力覚提示装置１は、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３に加えられる力および変位を、第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４に伝達する。本実施形態に係る力覚提示装置１によれば、第１ピストンロッド１３から第２ピストンロッド１４に伝わる変位を増減させることができる。以下では、第１ピストンロッド１３から第２ピストンロッド１４に伝わる変位の増幅率が１の場合の運転、増幅率が１未満の運転、増幅率が１より大きな運転を順に説明する。
【００３４】
−増幅率が１の場合の運転−
始めに、増幅率が１の場合の運転、すなわち、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３の変位を増幅させることなく第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４に伝える場合の運転を説明する。この運転の際には、第１電磁弁５１および第２電磁弁５２は閉鎖され、第１圧縮機６１および第２圧縮機６２の運転は停止される。この状態で、第１ピストンロッド１３が第１圧力室２１側から第２圧力室２２側へ移動すると（言い換えると、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３が収縮すると）、第２圧力室２２内の流体は第２圧力室２２から押し出され、第１連通路３１を通じて第３圧力室２３に流入する。その結果、第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４が第３圧力室２３側から第４圧力室２４側へ押され、第２ピストンロッド１４が伸張する。それに伴い、第４圧力室２４内の流体が第２ピストンロッド１４によって押し出され、第２連通路３２を通じて第１圧力室２１内に流れ込む。
【００３５】
一方、第１ピストンロッド１３が第２圧力室２２側から第１圧力室２１側へ移動すると（言い換えると、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３が伸長すると）、第１圧力室２１内の流体は第１圧力室２１から押し出され、第２連通路３２を通じて第４圧力室２４に流入する。その結果、第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４が第４圧力室側から第３圧力室２３側へ押され、第２ピストンロッド１４が収縮する。それに伴い、第３圧力室２３内の流体が第２ピストンロッド１４によって押し出され、第１連通路３１を通じて第２圧力室２２内に流れ込む。
【００３６】
このようにして、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３の変位は、第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４の変位となって伝達される。本運転では、第１ピストンロッド１３のストローク量（変位量）ＳＡは、第２ピストンロッド１４のストローク量（変位量）ＳＢと等しくなる。
【００３７】
−増幅率が１未満の運転−
増幅率が１未満の運転とは、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３の変位を減少させて第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４に伝える運転であり、具体的には、第１ピストンロッド１３のストローク量ＳＡに対する第２ピストンロッド１４のストローク量ＳＢの比（＝ＳＢ／ＳＡ）が１未満となる運転である。すなわち、ＳＡ＞ＳＢとなる運転である。
【００３８】
本運転では、コントローラ５により、第１電磁弁５１および第２電磁弁５２が開放される。また、コントローラ５は、第１容器４１の内部圧力が第３圧力室２３の内部圧力と等しくなるように第１圧縮機６１を制御し、第２容器４２の内部圧力が第４圧力室２４の内部圧力と等しくなるように第２圧縮機６２を制御する。
【００３９】
図２に示すように、第１ピストンロッド１３が第１圧力室２１側から第２圧力室２２側へ移動すると、第１容器４１と第３圧力室２３との内部圧力が等しいことから、第２圧力室２２内の流体は、第３圧力室２３だけでなく第１容器４１にも流入する。そのため、第３圧力室２３に流入する流体は、第２圧力室２２から流出する流体の一部となる。また、第２容器４２と第４圧力室２４との内部圧力が等しいことから、第４圧力室２４から流出する流体に加えて、第２容器４２内の流体も第１圧力室２１に流入する。これにより、第２ピストンロッド１４のストローク量ＳＢは、第１ピストンロッド１３のストローク量ＳＡよりも小さくなる。すなわち、変位の増幅率は１未満となる。
【００４０】
図３に示すように、第１ピストンロッド１３が第２圧力室２２側から第１圧力室２１側へ移動すると、第１容器４１と第３圧力室２３との内部圧力が等しいことから、第３圧力室２３内の流体だけでなく、第１容器４１内の流体も第２圧力室２２に流入する。また、第２容器４２と第４圧力室２４との内部圧力が等しいことから、第１圧力室２１から流出する流体は、第４圧力室２４だけでなく第２容器４２にも流入する。すなわち、第４圧力室２４に流入する流体は、第１圧力室２１から流出する流体の一部となる。これにより、この場合も第２ピストンロッド１４のストローク量は第１ピストンロッド１３のストローク量よりも小さくなり、変位の増幅率は１未満となる。
【００４１】
−増幅率が１よりも大きな運転−
増幅率が１よりも大きな運転とは、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３の変位を増幅させて第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４に伝える運転であり、具体的には、第１ピストンロッド１３のストローク量ＳＡに対する第２ピストンロッド１４のストローク量ＳＢの比が１よりも大きくなる運転である。すなわち、ＳＡ＜ＳＢとなる運転である。
【００４２】
本運転においても、コントローラ５により、第１電磁弁５１および第２電磁弁５２が開放される。本運転では、コントローラ５は、第１容器４１の内部圧力が第２圧力室２２の内部圧力と等しくなるように第１圧縮機６１を制御し、第２容器４２の内部圧力が第１圧力室２１の内部圧力と等しくなるように第２圧縮機６２を制御する。
【００４３】
図４に示すように、第１ピストンロッド１３が第２圧力室２２側から第１圧力室２１側へ移動すると、第１容器４１と第２圧力室２２との内部圧力が等しいことから、第３圧力室２３内の流体は、第２圧力室２２だけでなく第１容器４１にも流入する。そのため、第２圧力室２２に流入する流体は、第３圧力室２３から流出する流体の一部となる。また、第２容器４２と第１圧力室２１との内部圧力が等しいことから、第１圧力室２１から流出する流体に加えて、第２容器４２内の流体も第４圧力室２４に流入する。これにより、第２ピストンロッド１４のストローク量ＳＢは、第１ピストンロッド１３のストローク量ＳＡよりも大きくなる。すなわち、変位の増幅率は１よりも大きくなる。
【００４４】
図５に示すように、第１ピストンロッド１３が第１圧力室２１側から第２圧力室２２側へ移動すると、第１容器４１と第２圧力室２２との内部圧力が等しいことから、第２圧力室２２内の流体だけでなく、第１容器４１内の流体も第３圧力室２３に流入する。また、第２容器４２と第１圧力室２１との内部圧力が等しいことから、第４圧力室２４から流出する流体は、第１圧力室２１だけでなく第２容器４２にも流入する。すなわち、第１圧力室２１に流入する流体は、第４圧力室２４から流出する流体の一部となる。これにより、第２ピストンロッド１４のストローク量は、第１ピストンロッド１３のストローク量よりも大きくなり、変位の増幅率は１よりも大きくなる。
【００４５】
（実施形態の効果）
以上のように、本実施形態に係る力覚提示装置１によれば、第１シリンダ１１および第２シリンダ１２を交換することなく、第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３の変位を増幅または減少させて第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４に伝達することが可能となる。したがって、例えばレスキュー現場等のように、短時間の間に増幅率の変化が必要となる用途に対しても、好適に利用することが可能となる。
【００４６】
また、本実施形態では、流体圧回路に与圧が加えられ、少なくとも第１圧力室２１、第２圧力室２２、第３圧力室２３、および第４圧力室２４の内部圧力は、常に大気圧以上に保たれる。そのため、第１容器４１および第２容器４２の内部圧力を大気圧未満にする必要がなく、いわゆる負圧にする必要がない。したがって、第１圧縮機６１および第２圧縮機６２によって第１容器４１および第２容器４２の圧力を比較的容易に制御することができ、構成および制御の簡単化を図ることができる。なお、流体として油等の液体を用いる場合、第１シリンダ１１内または第２シリンダ１２内に空気が混入する場合がある。しかし、本実施形態のように、第１圧力室２１、第２圧力室２２、第３圧力室２３、および第４圧力室２４の内部圧力を高く維持することにより、空気溜まりの体積を小さく抑えることができ、空気溜まりによる悪影響を抑制することができる。
【００４７】
＜変形例＞
上記実施形態では、第１容器４１および第２容器４２の内部圧力を制御する圧力制御手段は、第１圧縮機６１および第２圧縮機６２の２つの圧縮機を備えていた。すなわち、上記実施形態では、第１容器４１および第２容器４２の各々に対して圧縮機が配置されていた。しかし、圧力制御手段の構成は上記実施形態の構成に限定されるわけではない。例えば、図６に示すように、第１容器４１および第２容器４２に対して、共通の圧縮機６３を配置するようにしてもよい。本変形例では、第１容器４１は第５連通路３５を介して圧縮機６３に接続され、第２容器４２は第６連通路３６を介して圧縮機６３に接続されている。第５連通路３５には第１圧力調整弁８１が設けられ、第６連通路３６には第２圧力調整弁８２が設けられている。第１圧力調整弁８１および第２圧力調整弁８２は、コントローラ５に接続されている。その他の構成は上記実施形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００４８】
この変形例では、第１容器４１の内部圧力は、圧縮機６３および第１圧力調整弁８１によって調整される。一方、第２容器４２の内部圧力は、圧縮機６３および第２圧力調整弁８２によって調整される。
【００４９】
本変形例においても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本変形例によれば、圧縮機の台数が１台で済み、上記実施形態と比べて圧縮機の台数を削減することができる。
【００５０】
＜その他の変形例＞
前記実施形態および変形例では、第３連通路３３は、第１容器４１と第１連通路３１とを連通させていた。しかし、第３連通路３３は、第１容器４１と第２圧力室２２とを連通させる流路であってもよく、第１容器４１と第３圧力室２３とを連通させる流路であってもよい。また、前記実施形態および変形例では、第４連通路３４は、第２容器４２と第２連通路３２とを連通させていた。しかし、第４連通路３４は、第２容器４２と第１圧力室２１とを連通させる流路であってもよく、第２容器４２と第４圧力室２４とを連通させる流路であってもよい。
【００５１】
第１シリンダ１１の内径と第２シリンダ１２の内径とは、互いに等しくてもよく、異なっていてもよい。また、第１シリンダ１１の長さと第２シリンダ１２の長さとは、互いに等しくてもよく、異なっていてもよい。
【００５２】
＜パワーアシストシステム＞
本発明に係る力覚提示装置は、種々の装置および種々の用途に利用することができる。以下に説明する実施の形態は、前記力覚提示装置１をパワーアシストシステム１００に利用したものである。
【００５３】
図７に示すように、パワーアシストシステム１００は、操作者の力を増幅させて作業を行うシステムであり、本実施形態では所謂パワーアシストアームを構成している。パワーアシストシステム１００は、台１０１と、台１０１に固定された支柱１０２と、支柱１０２に支持された旋回アーム１０３と、旋回アーム１０３の先端側に配置された伸縮アーム１０４とを備えている。また、パワーアシストシステム１００は、伸縮アーム１０４の先端側に配置された回転機構１１３と、回転機構１１３に取り付けられたアーム１０５と、アーム１０５の先端側に取り付けられたハンド１０６とを備えている。なお、回転機構１１３には、回転駆動モータ１１２が配置されている。また、図示は省略するが、ハンド１０６には、当該ハンド１０６を開閉させるモータが設けられている。
【００５４】
旋回アーム１０３には、前後方向（図７の左右方向）に延びるガイドレール１０７が固定され、ガイドレール１０７には操作基部１０８がスライド自在に取り付けられている。操作基部１０８には６軸力覚センサ１１０が固定され、６軸力覚センサ１１０には操作ハンドル１０９が取り付けられている。
【００５５】
伸縮アーム１０４には、当該伸縮アーム１０４を伸縮させる駆動モータ１１１が配置されている。操作者が操作ハンドル１０９を前方（図７の左方）に押し出すと、力覚センサ１１０が操作ハンドル１０９に加えられた力を検出し、駆動モータ１１１が上記力を増幅させて伸縮アーム１０４を伸張する。一方、操作者が操作ハンドル１０９を後方（図７の右方）に引っ張ると、力覚センサ１１０が操作ハンドル１０９に加えられた力を検出し、駆動モータ１１１が上記力を増幅させて伸縮アーム１０４を収縮させる。
【００５６】
操作基部１０８および操作ハンドル１０９は、人によって操作される操作装置を構成している。伸縮アーム１０４および駆動モータ１１１は、上記操作装置に入力される操作力を増幅させて出力する出力装置を構成している。
【００５７】
力覚提示装置１の第１シリンダ１１の第１ピストンロッド１３は、伸縮アーム１０４に連結されている。そのため、第１ピストンロッド１３は、伸縮アーム１０４の伸縮に従って伸縮する。第２シリンダ１２の第２ピストンロッド１４は、操作基部１０８に連結されている。そのため、操作基部１０８上の操作ハンドル１０９は、第２ピストンロッド１４の伸縮に従って前後にスライド移動する。これにより、伸縮アーム１０４の力覚は、力覚提示装置１を介して操作者に伝達される。
【００５８】
本パワーアシストシステム１００によれば、前述の力覚提示装置１を備えているので、伸縮アーム１０４の変位を増幅または減少させて操作ハンドル１０９に伝えることができる。したがって、本パワーアシストシステム１００は、例えばレスキュー現場等のように、短時間の間に大出力が必要な大きな動作や繊細な作業等により力覚提示の増幅率の変化が必要となる用途に対して、特に有用である。
【００５９】
本実施形態によれば、作業環境や作業内容に応じて操作感覚を変更することができるため、操作性を向上させることができる。本実施形態によれば、操作者の好みによって操作感覚を変更することができる。また、位置の伝達の増幅または縮小を変更する際にかかる時間を短縮することができる。
【００６０】
また、本実施形態によれば、操作ハンドル１０９の可動範囲を狭くすることができるので、例えば人間１人が動くほどの余裕がないくらいの狭い操縦席においても、操作者の動きに追従するようにアーム１０４を動かすことができる。
【００６１】
また、本実施形態によれば、位置の伝達の増幅または縮小を熟知していれば、操作者は小さな動きでアーム１０４を操作することができるので、操作に伴う体力の消耗を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上のように、本発明は、力覚提示装置およびそれを備えたパワーアシストシステムについて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】力覚提示装置の構成図である。
【図２】変位の増幅率が１未満の運転を説明するための図である。
【図３】変位の増幅率が１未満の運転を説明するための図である。
【図４】変位の増幅率が１よりも大きな運転を説明するための図である。
【図５】変位の増幅率が１よりも大きな運転を説明するための図である。
【図６】変形例に係る力覚提示装置の構成図である。
【図７】力覚提示装置を備えたパワーアシストシステムの構成図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 力覚提示装置
５ コントローラ
１１ 第１シリンダ
１２ 第２シリンダ
１３ 第１ピストンロッド
１４ 第２ピストンロッド
２１ 第１圧力室
２２ 第２圧力室
２３ 第３圧力室
２４ 第４圧力室
３１ 第１連通路
３２ 第２連通路
３３ 第３連通路
３４ 第４連通路
３５ 第５連通路
３６ 第６連通路
４１ 第１容器
４２ 第２容器
５１ 第１電磁弁（第１流路開閉手段）
５２ 第２電磁弁（第２流路開閉手段）
６１ 第１圧縮機
６２ 第２圧縮機
７１ 第１圧力センサ
７２ 第２圧力センサ
７３ 第３圧力センサ
７４ 第４圧力センサ
１００ パワーアシストシステム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復移動可能な第１ピストンロッドを有し、前記第１ピストンロッドによって第１圧力室と第２圧力室とが区画形成された第１シリンダと、
往復移動可能な第２ピストンロッドを有し、前記第２ピストンロッドによって第３圧力室と第４圧力室とが区画形成された第２シリンダと、
前記第２圧力室と前記第３圧力室とを連通させる第１連通路と、
前記第１圧力室と前記第４圧力室とを連通させる第２連通路と、
第１容器および第２容器と、
前記第１容器と前記第１連通路、前記第２圧力室、または前記第３圧力室とを連通させる第３連通路と、
前記第２容器と前記第２連通路、前記第１圧力室、または前記第４圧力室とを連通させる第４連通路と、
前記第３連通路に設けられた第１流路開閉手段と、
前記第４連通路に設けられた第２流路開閉手段と、
前記第１容器の内部圧力および前記第２容器の内部圧力を制御する圧力制御手段と、
を備えた力覚提示装置。
【請求項２】
前記圧力制御手段は、前記第１容器に連通した第１圧縮機と、前記第２容器に連通した第２圧縮機と、を有している、
請求項１に記載の力覚提示装置。
【請求項３】
前記圧力制御手段は、圧縮機と、前記圧縮機と前記第１容器とを連通させる第５連通路と、前記圧縮機と前記第２容器とを連通させる第６連通路と、前記第５連通路に設けられた第１圧力調整弁と、前記第６連通路に設けられた第２圧力調整弁と、を有している、
請求項１に記載の力覚提示装置。
【請求項４】
少なくとも前記第１圧力室、前記第２圧力室、前記第３圧力室、および前記第４圧力室の内部圧力は、常に大気圧以上に保たれる、
請求項１〜３のいずれか一つに記載の力覚提示装置。
【請求項５】
前記第３圧力室、前記第４圧力室の内部圧力をそれぞれ直接または間接的に検出する第３圧力センサ、第４圧力センサをさらに備え、
前記圧力制御手段は、前記第１流路開閉手段および前記第２流路開閉手段を開いた状態で前記第１ピストンロッドが前記第１圧力室側から前記第２圧力室側に、あるいは、前記第２圧力室側から前記第１圧力室側に移動したときに、前記第１容器の内部圧力を前記第３圧力室の内部圧力と等しくなるように制御し、前記第２容器の内部圧力を前記第４圧力室の内部圧力と等しくなるように制御する、
請求項１〜４のいずれか一つに記載の力覚提示装置。
【請求項６】
前記第１圧力室、前記第２圧力室の内部圧力をそれぞれ直接または間接的に検出する第１圧力センサ、第２圧力センサをさらに備え、
前記圧力制御手段は、前記第１流路開閉手段および前記第２流路開閉手段を開いた状態で前記第１ピストンロッドが前記第１圧力室側から前記第２圧力室側に、あるいは、前記第２圧力室側から前記第１圧力室側に移動したときに、前記第１容器の内部圧力を前記第２圧力室の内部圧力と等しくなるように制御し、前記第２容器の内部圧力を前記第１圧力室の内部圧力と等しくなるように制御する、
請求項１〜５のいずれか一つに記載の力覚提示装置。
【請求項７】
人によって操作される操作装置と、
前記操作装置に入力される操作力を増幅させて出力する出力装置と、
請求項１〜６のいずれか一つに記載の力覚提示装置と、を備え、
前記第１ピストンロッドが前記出力装置に連結され、前記第２ピストンロッドが前記操作装置に連結されている、パワーアシストシステム。
【請求項１】
往復移動可能な第１ピストンロッドを有し、前記第１ピストンロッドによって第１圧力室と第２圧力室とが区画形成された第１シリンダと、
往復移動可能な第２ピストンロッドを有し、前記第２ピストンロッドによって第３圧力室と第４圧力室とが区画形成された第２シリンダと、
前記第２圧力室と前記第３圧力室とを連通させる第１連通路と、
前記第１圧力室と前記第４圧力室とを連通させる第２連通路と、
第１容器および第２容器と、
前記第１容器と前記第１連通路、前記第２圧力室、または前記第３圧力室とを連通させる第３連通路と、
前記第２容器と前記第２連通路、前記第１圧力室、または前記第４圧力室とを連通させる第４連通路と、
前記第３連通路に設けられた第１流路開閉手段と、
前記第４連通路に設けられた第２流路開閉手段と、
前記第１容器の内部圧力および前記第２容器の内部圧力を制御する圧力制御手段と、
を備えた力覚提示装置。
【請求項２】
前記圧力制御手段は、前記第１容器に連通した第１圧縮機と、前記第２容器に連通した第２圧縮機と、を有している、
請求項１に記載の力覚提示装置。
【請求項３】
前記圧力制御手段は、圧縮機と、前記圧縮機と前記第１容器とを連通させる第５連通路と、前記圧縮機と前記第２容器とを連通させる第６連通路と、前記第５連通路に設けられた第１圧力調整弁と、前記第６連通路に設けられた第２圧力調整弁と、を有している、
請求項１に記載の力覚提示装置。
【請求項４】
少なくとも前記第１圧力室、前記第２圧力室、前記第３圧力室、および前記第４圧力室の内部圧力は、常に大気圧以上に保たれる、
請求項１〜３のいずれか一つに記載の力覚提示装置。
【請求項５】
前記第３圧力室、前記第４圧力室の内部圧力をそれぞれ直接または間接的に検出する第３圧力センサ、第４圧力センサをさらに備え、
前記圧力制御手段は、前記第１流路開閉手段および前記第２流路開閉手段を開いた状態で前記第１ピストンロッドが前記第１圧力室側から前記第２圧力室側に、あるいは、前記第２圧力室側から前記第１圧力室側に移動したときに、前記第１容器の内部圧力を前記第３圧力室の内部圧力と等しくなるように制御し、前記第２容器の内部圧力を前記第４圧力室の内部圧力と等しくなるように制御する、
請求項１〜４のいずれか一つに記載の力覚提示装置。
【請求項６】
前記第１圧力室、前記第２圧力室の内部圧力をそれぞれ直接または間接的に検出する第１圧力センサ、第２圧力センサをさらに備え、
前記圧力制御手段は、前記第１流路開閉手段および前記第２流路開閉手段を開いた状態で前記第１ピストンロッドが前記第１圧力室側から前記第２圧力室側に、あるいは、前記第２圧力室側から前記第１圧力室側に移動したときに、前記第１容器の内部圧力を前記第２圧力室の内部圧力と等しくなるように制御し、前記第２容器の内部圧力を前記第１圧力室の内部圧力と等しくなるように制御する、
請求項１〜５のいずれか一つに記載の力覚提示装置。
【請求項７】
人によって操作される操作装置と、
前記操作装置に入力される操作力を増幅させて出力する出力装置と、
請求項１〜６のいずれか一つに記載の力覚提示装置と、を備え、
前記第１ピストンロッドが前記出力装置に連結され、前記第２ピストンロッドが前記操作装置に連結されている、パワーアシストシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２３６２１４（Ｐ２００９−２３６２１４Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８２９５６（Ｐ２００８−８２９５６）
【出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（０００００２３５８）新明和工業株式会社 (919)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（０００００２３５８）新明和工業株式会社 (919)
【Ｆターム（参考）】
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