機能性粒子を用いた触力覚提示システム
【課題】
機能性粒子を使用したブレーキを用いたパッシブ型触力覚提示システムにおける粒子の沈降の問題、および／または、的確な力覚を提示できる必要最小個数数のパッシブな力発生部を用いた力覚提示装置の提供
【解決手段】人間に対し、力感覚を提示する回転関節型リンク機構のパッシブ型力覚提示システムであって、人間が操作する操作部と、前記操作部の位置を検出する位置検出部と、前記位置検出部の出力を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御装置とを備えることを特徴とする装置であり，的確な力覚を提示することができる．機能性粒子の沈降の問題は、ブレーキ力伝達部の機構およびブレーキ回転軸の取り付け方向で解決し、的確な力覚を提示できる必要最小個数数のパッシブな力発生部を用いた力覚提示装置の提供のためには図９のような機構により解決する。
機能性粒子を使用したブレーキを用いたパッシブ型触力覚提示システムにおける粒子の沈降の問題、および／または、的確な力覚を提示できる必要最小個数数のパッシブな力発生部を用いた力覚提示装置の提供
【解決手段】人間に対し、力感覚を提示する回転関節型リンク機構のパッシブ型力覚提示システムであって、人間が操作する操作部と、前記操作部の位置を検出する位置検出部と、前記位置検出部の出力を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御装置とを備えることを特徴とする装置であり，的確な力覚を提示することができる．機能性粒子の沈降の問題は、ブレーキ力伝達部の機構およびブレーキ回転軸の取り付け方向で解決し、的確な力覚を提示できる必要最小個数数のパッシブな力発生部を用いた力覚提示装置の提供のためには図９のような機構により解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーチャルリアリティシステムをはじめ、遠隔操作システムやロボット教示などの工学的分野、またリハビリテーションや運動機能回復訓練など医療、運動生理学、福祉分野において使用され、人間に対して触覚および力感覚を提示するヒューマンインターフェースとしての触力覚提示システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、サーボモータなどアクティブなアクチュエータを力発生部に用いた触力覚提示システムは、提示できる自由度の数およびアクチュエータの数にかかわらず多数開発されている。例えば、米国センサブル、テクノロジー社（ＳｅｎｓＡｂｌｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．）製のファントム（ＰＨＡＮＴｏＭ）（特許文献１）は、回転関節型リンク機構を用いた力覚提示装置で、３台のサーボモータを用いて３次元の力覚提示を実現している。
【０００３】
また、ＦＣＳコントロールシステムズ社製のハプティックマスター（ＨａｐｔｉｃＭａｓｔｅｒ）（非特許文献１）は、３台のサーボモータを用いており，回転関節および直動関節を用いた３次元の力覚提示システムである。また，本発明者らは，ＥＲ流体アクチュエータを用いた３次元触力覚提示システムである三次元上肢リハビリ訓練システムＥＭＵＬ（非特許文献２）の研究開発を行っている．この他、商用および研究用を含め、アクティブなアクチュエータを用いた触力覚提示システムは数多く開発されている。
【０００４】
しかし、触力覚提示システムの力発生部にアクティブなアクチュエータを用いた場合、故障や暴走など不慮の事故により操作する人間に危険が及ぶ可能性がある。また、特別に機構的、電気的、あるいはソフトウェア的に対策を施すことで安全性を高めることは可能であるが、装置やシステムが高価かつ複雑化する上、完全に危険性を排除することは難しい。
【０００５】
これに対し、パッシブ型力発生部を用いた触力覚提示システムは、操作者の加えた力に対する抗力のみを提示するため、誤って装置が操作者に危害を加える可能性は全くない。
【０００６】
このような、パッシブ型力発生部を用いた触力覚提示については、斉藤らのパウダクラッチを用いた触力覚提示システム（非特許文献３）が開示されている。このシステムは、１台のパウダクラッチを用いて１自由度の力覚を提示している。また、発明者らは粒子系ＥＲ流体ブレーキを用いたパッシブ型力覚提示システム（非特許文献４）を研究開発している。
【０００７】
しかし、パッシブ型力発生部の発生できる力には制限があるため、ある自由度の力覚を実現するために必要最小限の数の力発生部しか用いていない場合、提示できる触覚、力感覚に制限が生じる。
【０００８】
これに対し、ある自由度の力覚を提示するために最小限必要の数よりも多い冗長な数のパッシブ型力発生部を用いることで、最小限必要な数しか用いていない場合には提示できない精密な触覚、力感覚を提示することができる。
【０００９】
このような冗長個数のパッシブ型力発生部を用いた触力覚提示システムとして、冗長個数の電磁ブレーキを用いたＤａｖｉｓおよびＢｏｏｋらのＰＴＥＲがある（非特許文献５）。
【００１０】
また、本発明者らは、先にＥＲ流体ブレーキ（クラッチを含む）（図１参照）、ＭＲ流体ブレーキ（クラッチを含む）（図１参照）を冗長個数用いた力覚提示システムを提案した（特許文献２、非特許文献６）．
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】 米国特許第５，５８７，９３７号請求書
【特許文献２】 特開２０００−３２２１３１号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】 Ｖａｎ ｄｅｒ Ｌｉｎｄｅ Ｒ．Ｑ．，Ｌａｍｍｅｒｔｓｅ Ｐ．，Ｆｒｅｄｅｒｉｋｓｅｎ Ｅ．，ａｎｄ Ｒｕｉｔｅｒ Ｂ．：“Ｔｈｅ ＨａｐｔｉｃＭａｓｔｅｒ，ａ Ｎｅｗ Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｈａｐｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ”、Ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ Ｅｕｒｏｈａｐｔｉｃｓ２００２、１−５、２００２
【非特許文献２】 古荘純次，小柳健一，片岡次郎，笠潮，井上昭夫，竹中重和：三次元上肢リハビリ訓練システムの開発（第１報：ＥＲアクチュエータを用いた機構およびシステム全体の開発），日本ロボット学会誌，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．５，ｐｐ．１２３−１３０、２００５
【非特許文献３】 斉藤理、小森谷清、村田良司：“パッシブな力覚提示手法−パウダークラッチを用いた力覚提示装置−”、日本機械学会ロボティクス、メカトロニクス講演会’９８講演論文集ＣＤ−ＲＯＭ、２ＡＩＩ１−６、１９９８
【非特許文献４】 Ｆｕｒｕｓｈｏ，Ｊ．，Ｓａｋａｇｕｃｈｉ，Ｍ．，Ｔａｋｅｓｕｅ，Ｎ．ａｎｄ Ｋｏｙａｎａｇｉ，Ｋ．：Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＥＲ ｂｒａｋｅ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｐａｓｓｉｖｅ ｔｙｐｅ ｆｏｒｃｅ ｄｉｓｐｌａｙ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．７／８，ｐｐ．４２５−４２９，２００２
【非特許文献５】 Ｄａｖｉｓ，Ｈ．ａｎｄ Ｂｏｏｋ，Ｗ．：“Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ Ｒｅｄｕｎｄａｎｔｌｙ Ａｃｔｕａｔｅｄ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ”、Ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、９５９−９６３、１９９７
【非特許文献６】 古荘純次，小柳健一，董立誠：機能性流体ブレーキを冗長個数用いた力覚提示システム，日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会２００３講演論文集ＣＤ−ＲＯＭ、１Ｐ１−２Ｆ−Ｅ４、２００３
【非特許文献７】 古荘純次、小澤拓也、小林弘，原口真：“冗長個数のＥＲ流体ブレーキを用いた上肢リハビリ支援システムＲｅｄｕｎｄａｎｔ−ＰＬＥＭＯの研究開発”、第１０回システムインテグレーション部門講演会（ＳＩ２００９）論文集、１１１９−１１２２、２００９
【非特許文献８】 古荘純次，原口真：（解説）ロボット・ＶＲおよび理学療法の技術を取り入れた上肢リハビリ支援システムによる訓練とその脳活動を含む評価，バイオメカニズム学会誌，Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．２，１０９−１１６，２００９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
機能性粒子を用いたブレーキ（あるいはクラッチ）であるパウダーブレーキ（あるいはクラッチ）、ＭＲ流体ブレーキ（あるいはクラッチ）、ＥＲ流体ブレーキ（あるいはクラッチ）等は、優れたトルク制御特性を持つが、機能性粒子の沈降という問題を持がある。そこで、重力場にたいするブレーキ（あるいはクラッチ）の回転軸の取りつけ方向に制限がある。
【００１４】
パウダーブレーキ（ありはクラッチ）においては、磁性体からなる機能性粒子と空気の比重差が非常に大きい等のため回転軸を水平にして使用するよう規定されている。水平回転軸周りの回転運動は、重力場に沿った上下方向の粒子拡散効果を持ち、粒子の沈降を防ぐ効果を持つ。
【００１５】
ＭＲ流体とは磁場でそのレオロジー特性が制御できる流体である。ＭＲ流体は磁性体からなる機能性粒子とシリコンオイル、鉱物油等からなる溶媒の混合物であり、粒子と溶媒の比重差が大きい。そこで、沈降の問題を完全に解決することはできない。その結果、ＭＲ流体を用いたブレーキ（あるいはクラッチ）においては、図１に示すように，回転軸を水平にして使用することにより、重力場において回転運動による上下方向の拡散効果を持たせて使用することが望ましい。
【００１６】
触力覚提示システムは、実世界において体験する触覚、力感覚の頻度の高いものに対して、優れた触力覚提示性能を持つことが要求される．
【００１７】
最も基本的なものとして、運動方向の逆方向の力覚を提示する場合がある。例えば、粘性場における運動を実現する際には、常に運動方向の逆方向の力覚を提示する必要がある。
【００１８】
直動スライド機構によるパッシブ型触力覚提示システムでは、各スライド機構を直交させることで、運動方向の逆方向の力覚を提示することは容易に実現できる。しかし、直動スライド機構はシステムの複雑化、肥大化を招き、また、機械インピーダンスが大きく，動きにくい。
【００１９】
そこで、一般的に触力覚提示システムには回転関節型リンク機構が用いられる。しかし、回転関節型リンク機構による冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）を有しないパッシブ型触力覚提示システムでは、運動方向の逆方向の力を提示できないリンク姿勢がしばしば発生する（非特許文献７）。
【００２０】
非特許文献７に示すように、冗長個数のパッシブ型力発生部を用いることで、この課題は解決可能である。
【００２１】
しかし、このようなシステムは多くのブレーキ（クラッチを含む）を必要とするため、装置やシステムが複雑化するという課題があり、システムの複雑化を避けるためには、ブレーキの数を減らすことが要求される。すなわち、冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）を用いることなく操作部の運動方向の逆方向の抵抗力をシステムの姿勢によらず提示可能とすることが望まれる。
【００２２】
本発明は、機能性粒子を用いたブレーキ（クラッチを含む）を使用したパッシブ型の触力覚提示システムにおける以上のような課題の解決、すなわち、機能性粒子の沈降問題の解決、および／または、冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）を用いることなく操作部の運動方向の逆方向の抵抗力をシステムの姿勢によらず提示可能とする、ことにより、長期安定性のある、および／または、少ない数のブレーキで自然な力触感が提示できる、パッシブ型触力覚提示システムの実現のためになされた発明である。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題の一つである機能性粒子の沈降の問題を解決するため、ブレーキ（クラッチを含む）の回転軸はほぼ水平となるように設置し、ブレーキトルクを触力覚提示部である操作部へ伝達する機構にワイヤー・プーリーシステム、傘歯車機構等を用いて、必要とする触力覚提示のために必要とする回転方向に変換する。ただし、バックラッシュ、ガタ等は触力覚を大きく損なうため、例えば、傘歯車機構においては回転軸の軸方向に与圧をかける等の方法、ワイヤー・プーリーシステムにおいてはテンショナーを設ける方法等の導入を行う。
【００２４】
上記課題のもう一つである少ない数のブレーキ（クラッチを含む）で自然な力触感を提示する課題を解決するため、本発明は、全ての姿勢において、操作部の自由度に等しい数のブレーキ（クラッチを含む）を用いた力発生部を用いて、各ブレーキ（クラッチを含む）の動作によって操作部に発生する力の方向が，ブレーキ力伝達部にリニアガイド，傘歯車等を用いることにより図２に示すように直交するような触力覚提示システムを、回転関節型リンク機構を用いた触力覚提示システムにより提供する。これにより、少ない数のブレーキ（クラッチを含む）で，全ての姿勢において操作部の運動方向と逆向きの力が発生可能となる。
【００２５】
図２は，操作部の自由度が平面２自由度の場合について，２つのブレーキ，ブレーキＡとブレーキＢを用いた際に，ブレーキＡとブレーキＢの動作方向が直交している状態を示している。直線６はブレーキＡの動作方向を示す直線であり，直線７はブレーキＢの動作方向を示す直線である．このとき速度ベクトルＶ８の方向に操作部が運動すると、ハッチングでその力提示可能範囲１０を示す範囲の方向の抵抗力が提示可能である．図からわかるように、ブレーキの動作方向が直交しているとき、操作部の自由度に等しい数のブレーキを用いて、操作部の運動方向によらず、運動方向の逆方向の力が常に発生できる。
【００２６】
図３は，操作部の自由度が平面２自由度の場合について，ブレーキＡとブレーキＢの動作方向が直交していない状態を示している。このとき速度ベクトルＶ８の方向に操作部が運動すると、操作部の自由度に等しい数のブレーキを用いても，斜線で示す範囲１０の方向の力しか提示できない。すなわち、運動方向の逆方向の力が提示できない。
【００２７】
本発明は具体的には、人間に対し力感覚を提示する回転関節型リンク機構のパッシブ型触力覚提示システムであって、人間が操作する操作部と、前記操作部の位置を検出する位置検出部と、操作部の自由度の数と同じ数よりなるブレーキ（クラッチを含む）を用いたパッシブ型力発生部を用いて各パッシブ型力発生部の動作によって前記操作部に対する力としてそれぞれ直交する抗力をかけることができるブレーキ力伝達部と、前記位置検出部の出力を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御装置とを備えることを特徴とする、および／または，機能性粒子の沈降を防ぐため回転軸の方向を変換するためのバックラッシュやガタ等の無い駆動伝達系を備えることを特徴とする。パッシブ型力発生部には、ＥＲ流体やＭＲ流体等の機能性流体ブレーキ（クラッチを含む）、パウダブレーキ（クラッチを含む）等を用いることができる。
【００２８】
本発明で使用できるパッシブ型力発生部としては，例えば，流体を用いた機構がある．図１は，ＥＲ流体またはＭＲ流体など，外的な場（電場，磁場）によってレオロジー特性の変化する機能性流体を用いたパッシブ型力発生部の例を示す．図１はその機能性流体を用いたパッシブ型力発生部の断面図を示している．図１（ａ）には円盤タイプ，図１（ｂ）には円筒タイプを示す．本体３と出力部４の間隙に機能性流体５が充填される．機能性流体５の外的な場を変化させることで，出力軸１に抵抗力が発生する．出力部４は，多重円筒，または多重円盤とすることで，発生力を増大させることができる．
【発明の効果】
【００２９】
上記のように本発明は、機能性粒子を用いたパッシブ型触力覚提示システムにおいて機能性粒子の沈降問題の回避、および／または、回転関節型リンク機構において自由度の数に等しい数のブレーキを用いて、すなわち冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）は用いないで、システムの姿勢によらず、運動方向の逆方向の力覚を提示可能な触力覚提示システムに関するものであり、システムの長期安定性、低コスト化、触力覚提示性能の向上などを図るものである。
【００３０】
本発明は、回転関節型リンク機構を用いることで、システムのコンパクト化に加え、操作部から見た等価慣性が低い、操作部からのバックドライブ性がよい、機械損失が少ない、機構が操作の邪魔にならないなど操作性と制御性に優れている、という利点がある．
【００３１】
また、本発明は、自由度の数に等しい数のブレーキしか用いないため、触力覚提示システムを簡単な機構によって構成することが可能であり、システムを低コスト化、コンパクト化することができる。
【００３２】
さらに、上記触力覚提示システムに用いるパッシブ型力発生部は、操作者が操作部に加える操作力に抗する反力のみを発生するため、故障や暴走など不慮の事故により触力覚提示システムが操作者に危害をおよぼす可能性はなく、安全な触力覚提示システムが提供される。
【００３３】
このように、本発明は優れた力覚提示性能、簡単な機構とそれによるシステムの低コスト化およびコンパクト化、安全性、長期安定性等を実現させることができる．
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】機能性流体ブレーキの概念図である．このシステムの本体を回転可能とすると、機能性流体クラッチとなる。
【図２】平面２自由度の場合のブレーキ力の発生方向が直交している場合の図である。
【図３】平面２自由度の場合のブレーキ力の発生方向が直交していない場合の図である。
【図４】２次元の触力覚提示システムの上面図。２個のパウダーブレーキを用いており、ワイヤー・プーリーによりブレーキトルクが伝達される。
【図５】駆動伝達部に傘歯車等を用いた２次元の触力覚提示システム
【図６】駆動伝達部にリニアガイド等を用いた２次元の触力覚提示システムの上面図
【図７】各ブレーキの作用方向が直交している場合の図
【図８】駆動伝達部にリニアガイド等を用いた２次元の触力覚提示システムの図面
【図９】駆動伝達部にワイヤー・プーリー等を用いた２次元の触力覚提示システムの上面図
【図１０】駆動伝達部に傘歯車等を用いた２次元の触力覚提示システム
【符号の説明】
１ 出力軸
２ 出力接続部
３ 本体
４ 出力円筒（あるいは円盤）
５ 機能性流体
６ ブレーキ１の動作方向を示す直線
７ ブレーキ２の動作方向を示す直線
８ 操作部の運動方向ベクトル
９ 操作部
１０ 力提示可能範囲
１１，１２，１３，１４，３０，３１，３２，３３，４１，４２，４５，４５，４６，５９，６０，７７，７８，８７，８８，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０９，１１０ リンク
１５ 固定回転軸
１６、１７、２０、２１、２２、２８、２６，２７、８４，８５、９２、９５、９８、１０１ プーリー
１８ 把持部を含むアーム部
１９、２５、９１、９７ ワイヤー
２４、３０、３５、３７、４０、４９、６３，６５、７５、８３、９４、１００、１１２、１１５ ブレーキ（クラッチを含む）
３４、３９、１１１ 傘歯車機構
４４、６２、７３ リニアガイド
５１、５２、５４，５５、５７，５８、１１７，１１８，１１９ 傘歯車
７４ カウンターウエイト
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明に関する触力覚提示システムの第１実施形態について，図４を用いて説明する。
【００３６】
２次元の触力覚提示システムの上面図である。２個のパウダーブレーキ等を用いており、ワイヤー・プーリーによりブレーキトルクが伝達される。リンク１２とプーリー１６、リンク１４とリンク１７は多重回転軸により結合されている。ブレーキ３０、ブレーキ２４は、機能性粒子の沈降の影響を減らすため、その回転軸が水平となるように取り付けられている。プーリー２０、２１、２６、２７は、自由回転するプーリーである。プーリー２０、２６はテンショナーとしての役割も持っている。プーリー２８、２２は回転軸の方向を９０度変換するためのプーリーである。
【００３７】
本発明の上記の第１実施形態から下記の第６実施形態までは、上肢リハビリに使用される際には、訓練あるいは評価目的に応じて操作面（操作部が動く平面）を傾けて使われることもある。
【００３８】
本発明に関する触力覚提示システムの第２実施形態について，図５を用いて説明する。２次元の触力覚提示システムの上面図である。４個のパウダーブレーキ等（内１個はクラッチ）を用いており、冗長個数のブレーキを用いたシステム（特許文献２および非特許文献５〜非特許文献８）である。ブレーキ（内１個はクラッチ）の回転軸は、全て機能性粒子の沈降の影響を減らすため、水平となるように取り付けられている。リンク１２の回転は、平行リンク機構および回転軸５３により傘歯車機構３９に伝えられる。リンク１４の回転は、平行リンク機構および回転軸５０により傘歯車３４に伝えられる。回転軸３６の回転に対してブレーキ３５がブレーキトルクを発生する。回転軸３８の回転に対してブレーキ４０がブレーキトルクを発生する。回転軸３６と回転軸３８の回転の差に対してブレーキ（クラッチ）３７がブレーキトルクを発生する。リニアガイドのスライド部を符号４４、リニアガイドの移動部を符号４３で示す。図から分かるように、リンク１２およびリンク１４が回転するとき、スライド部４４は回転し、移動部はスライド部上を移動する。スライド部４４の回転は平行リンク機構を通じて回転軸５６に伝えられ、傘歯車減速機構４７を回転させる。傘歯車の回転軸４８はブレーキ４９に接続されており、ブレーキトルクが伝達される。傘歯車機構は、一つの傘歯車を軸方向に移動可能としバネ等で与圧をかける方法等により、バックラッシュやガタなどを減らしている。このシステムは、冗長個数のブレーキを用いているため広い範囲の抵抗力が提示可能であり、脳卒中等のリハビリ訓練における抵抗誘導の手法（非特許文献８）をこのシステムで実現することができる。
【００３９】
次に、操作部の運動方向の逆方向の力が、運動方向や操作部の姿勢にかかわらず常に提示可能な最小数のブレーキを用いた触力覚提示システムについて考える。本発明に関する触力覚提示システムの第３実施形態について，図６を用いて説明する。
【００４１】
図６は，本発明に関する第３実施形態の回転関節型リンク機構の平行リンク型２次元触力覚提示システムの上面図である．操作部９を人間が操作する．固定回転軸（多重軸構造）１５にリンク１１，１２，１３，１４よりなる平行リンク型触力覚提示システムが取り付けられている．また、リンク５９、リンク６０、リンク１２の左上部、リンク１４の右上部は、平行四辺形を形成している。ただし，図中に示す寸法Ａ，Ｂ，ａ，ｂの比は、Ａ：Ｂ＝ａ：ｂを満たすものとする． 固定回転軸（多重軸構造）にはリニアガイド６２が取り付けられ、左右に回転可能となっている。リニアガイド上を移動する移動部６１には、リンク５９およびリンク６０が回転軸を介して取り付けられている。リニアガイド６２と固定部（システムのベース）の間には、回転型のブレーキ６３が取り付けられている。ブレーキ６５は，リンク１２とリンク１４の相対回転角度に対して作用する。図中の一点鎖線は、ブレーキ６５が動作時の操作部の運動方向を示す。図から分かるように、ブレーキ６３のみが動作した際には、把持部は一点鎖線と直交する方向に運動する。
【００４２】
図７は，２種類のリンク姿勢（実線および破線で示す）におけるブレーキ６３およびブレーキ６５による力の作用方向ベクトルを矢印で示している．図から分かるように，図６の機構を用いることにより，各ブレーキの作用方向６６および作用方向６７は直交している。また、破線の姿勢においても、各ブレーキの作用方向６８および作用方向６９は直交している。すなわち，図６の機構を用いることにより，操作部の運動方向の逆向きの力が常に提示可能である．
【００４３】
本発明に関する触力覚提示システムの第４実施形態を図８に示す。図８は、図６でその概念図を示したシステムとほぼ同じであるが、次の点で異なる。すなわち、図６のブレーキ６４（図８ではブレーキ８３）は、リニアガイドスライド部６２に直接取り付けられてはおらず、図８に示すようにリンク７７およびリンク７８を介して取り付けられている。図８（ａ）は上面図であり、図８（ｂ）は見取り図である。操作部９の下部にはテフロン等の摩擦係数が小さいものが用いられており、滑らかなテーブル上を動く。脳卒中の片麻痺患者等では、操作部を強く下に押しつけながら把持部を動かすことが多いため、このようなテーブル等の導入が必要となる。本発明の第１実施形態から下記の第６実施形態までにおいては、上肢リハビリに使用される際には、訓練あるいは評価目的に応じて上記テーブルおよびシステム全体を傾けて使うこともある。
【００４４】
図４のシステムにおいては，ブレーキ２４およびブレーキ３０の作用方向は，大部分の姿勢に対して直交しない．すなわち，図４の機構を用いた際には，図３に示すように、操作部の運動方向の逆向きの力が提示可能でない状況がしばしば発生する。一方、図６、図８に示すシステムにおいては、使用しているブレーキの個数は２個であるにもかかわらず、各ブレーキの作用方向が常に直交しているため、操作部の運動方向の逆向きの力が常に提示可能である。
【００４５】
本発明に関する触力覚提示システムの第５実施形態について，図９を用いて説明する。
【００４６】
図９は，本発明に関する第５実施形態の回転関節型リンク機構の平行リンク型２次元触力覚提示システムの上面図である．操作部９を人間が操作する．固定回転軸（多重軸）１５にリンク１１、１２、１３，１４よりなる平行リンク型触力覚提示システムが取り付けられている。さらに、リンク１１、１４、８７，８８も平行リンクを形成している。本実施形態と図６の第３実施形態の差は、本実施形態ではブレーキの回転軸を水平とするためにワイヤー・プーリー機構が導入されている点にあり、他はほぼ同様である。
【００４７】
図９のリンク１４とプーリー８５は回転軸で結合されている。リニアガイド９０とプーリー８４は部材８６を介して結合されている。リニアガイド９０の上をその移動部８９が運動する。リンク８７、リンク８８の一端は、回転軸を介してリニアガイド上の移動部８９に取り付けられている。その結果、リニアガイド９０の回転を止めてリンク１１とリンク１４を相対的に回転させるとき、操作部は図中に１点鎖線で示す直線上を運動する。また、リンク１１とリンク１４の相対回転を止めてリニアガイド９０を固定回転軸１５の回りに回転させるとき、操作部は円周方向（１点鎖線と直交する方向）に運動する。リニアガイド９０の回転（すなわちプーリー８４の回転）は、ワイヤー９１を介してブレーキ９４に伝えられる。プーリー９２の回転軸９３は水平となっており、ブレーキ９４に取り付けられる。プーリー９５は軸９６の回りを自由回転するアイドラーであり、テンショナーとしての役割も果たす。リンク１１とリンク１４の相対回転は、ワイヤー９７を介してブレーキ１００に伝えられる。このワイヤー・プーリー機構は、ブレーキ９４のワイヤー・プーリー機構と同様である。ブレーキ１００の回転軸は水平となっている。以上により、操作部の運動方向の逆方向の抵抗力が必ず提示可能となり、機能性粒子の沈降問題にも対応可能となる。
【００４８】
本発明に関する触力覚提示システムの第６実施形態について，図１０を用いて説明する。
【００４９】
図１０（ａ）は，本発明に関する第６実施形態の回転関節型リンク機構の平行リンク型２次元触力覚提示システムの上面図である．操作部９を人間が操作する．固定回転軸（多重軸）１５にリンク１１、１２、１３，１４よりなる平行リンク型触力覚提示システムが取り付けられている。また、回転軸間の距離ＡおよびＢは、Ａ＝Ｂを満たすものとする。リンク１２が固定回転軸１５の回りを回転するとき、平行リンク機構によりリンク１０５およびリンク１０６が回転する。また、リンク１４が固定回転軸１５の回りを回転するとき、平行リンク機構によりリンク１０９およびリンク１１０が回転する。図中の１１１は傘歯車機構を示す。また、図中の１１２および１１５はブレーキを示す。
【００５０】
図１０（ｂ）および図１０（ｃ）は、ブレーキ関連の伝達機構の正面図を示す。傘歯車機構１１１内の傘歯車１１７と傘歯車１１９の歯数は等しいものとする。このとき、リンク１０５の回転角速度と回転軸１２０の回転角速度は、符号が逆になり絶対値は等しくなる。その結果、図１０（ａ）の１点鎖線の方向に操作部を動かす時、ブレーキ１１５のみが動作し、１点鎖線の方向と直交する方向に操作部を動かす時、ブレーキ１１２のみが動作する。すなわち、操作部の運動方向の逆方向の力が常に提示可能である。
【００５１】
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において種々の様態を採用することが可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーチャルリアリティシステムをはじめ、遠隔操作システムやロボット教示などの工学的分野、またリハビリテーションや運動機能回復訓練など医療、運動生理学、福祉分野において使用され、人間に対して触覚および力感覚を提示するヒューマンインターフェースとしての触力覚提示システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、サーボモータなどアクティブなアクチュエータを力発生部に用いた触力覚提示システムは、提示できる自由度の数およびアクチュエータの数にかかわらず多数開発されている。例えば、米国センサブル、テクノロジー社（ＳｅｎｓＡｂｌｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．）製のファントム（ＰＨＡＮＴｏＭ）（特許文献１）は、回転関節型リンク機構を用いた力覚提示装置で、３台のサーボモータを用いて３次元の力覚提示を実現している。
【０００３】
また、ＦＣＳコントロールシステムズ社製のハプティックマスター（ＨａｐｔｉｃＭａｓｔｅｒ）（非特許文献１）は、３台のサーボモータを用いており，回転関節および直動関節を用いた３次元の力覚提示システムである。また，本発明者らは，ＥＲ流体アクチュエータを用いた３次元触力覚提示システムである三次元上肢リハビリ訓練システムＥＭＵＬ（非特許文献２）の研究開発を行っている．この他、商用および研究用を含め、アクティブなアクチュエータを用いた触力覚提示システムは数多く開発されている。
【０００４】
しかし、触力覚提示システムの力発生部にアクティブなアクチュエータを用いた場合、故障や暴走など不慮の事故により操作する人間に危険が及ぶ可能性がある。また、特別に機構的、電気的、あるいはソフトウェア的に対策を施すことで安全性を高めることは可能であるが、装置やシステムが高価かつ複雑化する上、完全に危険性を排除することは難しい。
【０００５】
これに対し、パッシブ型力発生部を用いた触力覚提示システムは、操作者の加えた力に対する抗力のみを提示するため、誤って装置が操作者に危害を加える可能性は全くない。
【０００６】
このような、パッシブ型力発生部を用いた触力覚提示については、斉藤らのパウダクラッチを用いた触力覚提示システム（非特許文献３）が開示されている。このシステムは、１台のパウダクラッチを用いて１自由度の力覚を提示している。また、発明者らは粒子系ＥＲ流体ブレーキを用いたパッシブ型力覚提示システム（非特許文献４）を研究開発している。
【０００７】
しかし、パッシブ型力発生部の発生できる力には制限があるため、ある自由度の力覚を実現するために必要最小限の数の力発生部しか用いていない場合、提示できる触覚、力感覚に制限が生じる。
【０００８】
これに対し、ある自由度の力覚を提示するために最小限必要の数よりも多い冗長な数のパッシブ型力発生部を用いることで、最小限必要な数しか用いていない場合には提示できない精密な触覚、力感覚を提示することができる。
【０００９】
このような冗長個数のパッシブ型力発生部を用いた触力覚提示システムとして、冗長個数の電磁ブレーキを用いたＤａｖｉｓおよびＢｏｏｋらのＰＴＥＲがある（非特許文献５）。
【００１０】
また、本発明者らは、先にＥＲ流体ブレーキ（クラッチを含む）（図１参照）、ＭＲ流体ブレーキ（クラッチを含む）（図１参照）を冗長個数用いた力覚提示システムを提案した（特許文献２、非特許文献６）．
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】 米国特許第５，５８７，９３７号請求書
【特許文献２】 特開２０００−３２２１３１号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】 Ｖａｎ ｄｅｒ Ｌｉｎｄｅ Ｒ．Ｑ．，Ｌａｍｍｅｒｔｓｅ Ｐ．，Ｆｒｅｄｅｒｉｋｓｅｎ Ｅ．，ａｎｄ Ｒｕｉｔｅｒ Ｂ．：“Ｔｈｅ ＨａｐｔｉｃＭａｓｔｅｒ，ａ Ｎｅｗ Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｈａｐｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ”、Ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ Ｅｕｒｏｈａｐｔｉｃｓ２００２、１−５、２００２
【非特許文献２】 古荘純次，小柳健一，片岡次郎，笠潮，井上昭夫，竹中重和：三次元上肢リハビリ訓練システムの開発（第１報：ＥＲアクチュエータを用いた機構およびシステム全体の開発），日本ロボット学会誌，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．５，ｐｐ．１２３−１３０、２００５
【非特許文献３】 斉藤理、小森谷清、村田良司：“パッシブな力覚提示手法−パウダークラッチを用いた力覚提示装置−”、日本機械学会ロボティクス、メカトロニクス講演会’９８講演論文集ＣＤ−ＲＯＭ、２ＡＩＩ１−６、１９９８
【非特許文献４】 Ｆｕｒｕｓｈｏ，Ｊ．，Ｓａｋａｇｕｃｈｉ，Ｍ．，Ｔａｋｅｓｕｅ，Ｎ．ａｎｄ Ｋｏｙａｎａｇｉ，Ｋ．：Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＥＲ ｂｒａｋｅ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｐａｓｓｉｖｅ ｔｙｐｅ ｆｏｒｃｅ ｄｉｓｐｌａｙ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．７／８，ｐｐ．４２５−４２９，２００２
【非特許文献５】 Ｄａｖｉｓ，Ｈ．ａｎｄ Ｂｏｏｋ，Ｗ．：“Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ Ｒｅｄｕｎｄａｎｔｌｙ Ａｃｔｕａｔｅｄ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ”、Ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、９５９−９６３、１９９７
【非特許文献６】 古荘純次，小柳健一，董立誠：機能性流体ブレーキを冗長個数用いた力覚提示システム，日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会２００３講演論文集ＣＤ−ＲＯＭ、１Ｐ１−２Ｆ−Ｅ４、２００３
【非特許文献７】 古荘純次、小澤拓也、小林弘，原口真：“冗長個数のＥＲ流体ブレーキを用いた上肢リハビリ支援システムＲｅｄｕｎｄａｎｔ−ＰＬＥＭＯの研究開発”、第１０回システムインテグレーション部門講演会（ＳＩ２００９）論文集、１１１９−１１２２、２００９
【非特許文献８】 古荘純次，原口真：（解説）ロボット・ＶＲおよび理学療法の技術を取り入れた上肢リハビリ支援システムによる訓練とその脳活動を含む評価，バイオメカニズム学会誌，Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．２，１０９−１１６，２００９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
機能性粒子を用いたブレーキ（あるいはクラッチ）であるパウダーブレーキ（あるいはクラッチ）、ＭＲ流体ブレーキ（あるいはクラッチ）、ＥＲ流体ブレーキ（あるいはクラッチ）等は、優れたトルク制御特性を持つが、機能性粒子の沈降という問題を持がある。そこで、重力場にたいするブレーキ（あるいはクラッチ）の回転軸の取りつけ方向に制限がある。
【００１４】
パウダーブレーキ（ありはクラッチ）においては、磁性体からなる機能性粒子と空気の比重差が非常に大きい等のため回転軸を水平にして使用するよう規定されている。水平回転軸周りの回転運動は、重力場に沿った上下方向の粒子拡散効果を持ち、粒子の沈降を防ぐ効果を持つ。
【００１５】
ＭＲ流体とは磁場でそのレオロジー特性が制御できる流体である。ＭＲ流体は磁性体からなる機能性粒子とシリコンオイル、鉱物油等からなる溶媒の混合物であり、粒子と溶媒の比重差が大きい。そこで、沈降の問題を完全に解決することはできない。その結果、ＭＲ流体を用いたブレーキ（あるいはクラッチ）においては、図１に示すように，回転軸を水平にして使用することにより、重力場において回転運動による上下方向の拡散効果を持たせて使用することが望ましい。
【００１６】
触力覚提示システムは、実世界において体験する触覚、力感覚の頻度の高いものに対して、優れた触力覚提示性能を持つことが要求される．
【００１７】
最も基本的なものとして、運動方向の逆方向の力覚を提示する場合がある。例えば、粘性場における運動を実現する際には、常に運動方向の逆方向の力覚を提示する必要がある。
【００１８】
直動スライド機構によるパッシブ型触力覚提示システムでは、各スライド機構を直交させることで、運動方向の逆方向の力覚を提示することは容易に実現できる。しかし、直動スライド機構はシステムの複雑化、肥大化を招き、また、機械インピーダンスが大きく，動きにくい。
【００１９】
そこで、一般的に触力覚提示システムには回転関節型リンク機構が用いられる。しかし、回転関節型リンク機構による冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）を有しないパッシブ型触力覚提示システムでは、運動方向の逆方向の力を提示できないリンク姿勢がしばしば発生する（非特許文献７）。
【００２０】
非特許文献７に示すように、冗長個数のパッシブ型力発生部を用いることで、この課題は解決可能である。
【００２１】
しかし、このようなシステムは多くのブレーキ（クラッチを含む）を必要とするため、装置やシステムが複雑化するという課題があり、システムの複雑化を避けるためには、ブレーキの数を減らすことが要求される。すなわち、冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）を用いることなく操作部の運動方向の逆方向の抵抗力をシステムの姿勢によらず提示可能とすることが望まれる。
【００２２】
本発明は、機能性粒子を用いたブレーキ（クラッチを含む）を使用したパッシブ型の触力覚提示システムにおける以上のような課題の解決、すなわち、機能性粒子の沈降問題の解決、および／または、冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）を用いることなく操作部の運動方向の逆方向の抵抗力をシステムの姿勢によらず提示可能とする、ことにより、長期安定性のある、および／または、少ない数のブレーキで自然な力触感が提示できる、パッシブ型触力覚提示システムの実現のためになされた発明である。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題の一つである機能性粒子の沈降の問題を解決するため、ブレーキ（クラッチを含む）の回転軸はほぼ水平となるように設置し、ブレーキトルクを触力覚提示部である操作部へ伝達する機構にワイヤー・プーリーシステム、傘歯車機構等を用いて、必要とする触力覚提示のために必要とする回転方向に変換する。ただし、バックラッシュ、ガタ等は触力覚を大きく損なうため、例えば、傘歯車機構においては回転軸の軸方向に与圧をかける等の方法、ワイヤー・プーリーシステムにおいてはテンショナーを設ける方法等の導入を行う。
【００２４】
上記課題のもう一つである少ない数のブレーキ（クラッチを含む）で自然な力触感を提示する課題を解決するため、本発明は、全ての姿勢において、操作部の自由度に等しい数のブレーキ（クラッチを含む）を用いた力発生部を用いて、各ブレーキ（クラッチを含む）の動作によって操作部に発生する力の方向が，ブレーキ力伝達部にリニアガイド，傘歯車等を用いることにより図２に示すように直交するような触力覚提示システムを、回転関節型リンク機構を用いた触力覚提示システムにより提供する。これにより、少ない数のブレーキ（クラッチを含む）で，全ての姿勢において操作部の運動方向と逆向きの力が発生可能となる。
【００２５】
図２は，操作部の自由度が平面２自由度の場合について，２つのブレーキ，ブレーキＡとブレーキＢを用いた際に，ブレーキＡとブレーキＢの動作方向が直交している状態を示している。直線６はブレーキＡの動作方向を示す直線であり，直線７はブレーキＢの動作方向を示す直線である．このとき速度ベクトルＶ８の方向に操作部が運動すると、ハッチングでその力提示可能範囲１０を示す範囲の方向の抵抗力が提示可能である．図からわかるように、ブレーキの動作方向が直交しているとき、操作部の自由度に等しい数のブレーキを用いて、操作部の運動方向によらず、運動方向の逆方向の力が常に発生できる。
【００２６】
図３は，操作部の自由度が平面２自由度の場合について，ブレーキＡとブレーキＢの動作方向が直交していない状態を示している。このとき速度ベクトルＶ８の方向に操作部が運動すると、操作部の自由度に等しい数のブレーキを用いても，斜線で示す範囲１０の方向の力しか提示できない。すなわち、運動方向の逆方向の力が提示できない。
【００２７】
本発明は具体的には、人間に対し力感覚を提示する回転関節型リンク機構のパッシブ型触力覚提示システムであって、人間が操作する操作部と、前記操作部の位置を検出する位置検出部と、操作部の自由度の数と同じ数よりなるブレーキ（クラッチを含む）を用いたパッシブ型力発生部を用いて各パッシブ型力発生部の動作によって前記操作部に対する力としてそれぞれ直交する抗力をかけることができるブレーキ力伝達部と、前記位置検出部の出力を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御装置とを備えることを特徴とする、および／または，機能性粒子の沈降を防ぐため回転軸の方向を変換するためのバックラッシュやガタ等の無い駆動伝達系を備えることを特徴とする。パッシブ型力発生部には、ＥＲ流体やＭＲ流体等の機能性流体ブレーキ（クラッチを含む）、パウダブレーキ（クラッチを含む）等を用いることができる。
【００２８】
本発明で使用できるパッシブ型力発生部としては，例えば，流体を用いた機構がある．図１は，ＥＲ流体またはＭＲ流体など，外的な場（電場，磁場）によってレオロジー特性の変化する機能性流体を用いたパッシブ型力発生部の例を示す．図１はその機能性流体を用いたパッシブ型力発生部の断面図を示している．図１（ａ）には円盤タイプ，図１（ｂ）には円筒タイプを示す．本体３と出力部４の間隙に機能性流体５が充填される．機能性流体５の外的な場を変化させることで，出力軸１に抵抗力が発生する．出力部４は，多重円筒，または多重円盤とすることで，発生力を増大させることができる．
【発明の効果】
【００２９】
上記のように本発明は、機能性粒子を用いたパッシブ型触力覚提示システムにおいて機能性粒子の沈降問題の回避、および／または、回転関節型リンク機構において自由度の数に等しい数のブレーキを用いて、すなわち冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）は用いないで、システムの姿勢によらず、運動方向の逆方向の力覚を提示可能な触力覚提示システムに関するものであり、システムの長期安定性、低コスト化、触力覚提示性能の向上などを図るものである。
【００３０】
本発明は、回転関節型リンク機構を用いることで、システムのコンパクト化に加え、操作部から見た等価慣性が低い、操作部からのバックドライブ性がよい、機械損失が少ない、機構が操作の邪魔にならないなど操作性と制御性に優れている、という利点がある．
【００３１】
また、本発明は、自由度の数に等しい数のブレーキしか用いないため、触力覚提示システムを簡単な機構によって構成することが可能であり、システムを低コスト化、コンパクト化することができる。
【００３２】
さらに、上記触力覚提示システムに用いるパッシブ型力発生部は、操作者が操作部に加える操作力に抗する反力のみを発生するため、故障や暴走など不慮の事故により触力覚提示システムが操作者に危害をおよぼす可能性はなく、安全な触力覚提示システムが提供される。
【００３３】
このように、本発明は優れた力覚提示性能、簡単な機構とそれによるシステムの低コスト化およびコンパクト化、安全性、長期安定性等を実現させることができる．
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】機能性流体ブレーキの概念図である．このシステムの本体を回転可能とすると、機能性流体クラッチとなる。
【図２】平面２自由度の場合のブレーキ力の発生方向が直交している場合の図である。
【図３】平面２自由度の場合のブレーキ力の発生方向が直交していない場合の図である。
【図４】２次元の触力覚提示システムの上面図。２個のパウダーブレーキを用いており、ワイヤー・プーリーによりブレーキトルクが伝達される。
【図５】駆動伝達部に傘歯車等を用いた２次元の触力覚提示システム
【図６】駆動伝達部にリニアガイド等を用いた２次元の触力覚提示システムの上面図
【図７】各ブレーキの作用方向が直交している場合の図
【図８】駆動伝達部にリニアガイド等を用いた２次元の触力覚提示システムの図面
【図９】駆動伝達部にワイヤー・プーリー等を用いた２次元の触力覚提示システムの上面図
【図１０】駆動伝達部に傘歯車等を用いた２次元の触力覚提示システム
【符号の説明】
１ 出力軸
２ 出力接続部
３ 本体
４ 出力円筒（あるいは円盤）
５ 機能性流体
６ ブレーキ１の動作方向を示す直線
７ ブレーキ２の動作方向を示す直線
８ 操作部の運動方向ベクトル
９ 操作部
１０ 力提示可能範囲
１１，１２，１３，１４，３０，３１，３２，３３，４１，４２，４５，４５，４６，５９，６０，７７，７８，８７，８８，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０９，１１０ リンク
１５ 固定回転軸
１６、１７、２０、２１、２２、２８、２６，２７、８４，８５、９２、９５、９８、１０１ プーリー
１８ 把持部を含むアーム部
１９、２５、９１、９７ ワイヤー
２４、３０、３５、３７、４０、４９、６３，６５、７５、８３、９４、１００、１１２、１１５ ブレーキ（クラッチを含む）
３４、３９、１１１ 傘歯車機構
４４、６２、７３ リニアガイド
５１、５２、５４，５５、５７，５８、１１７，１１８，１１９ 傘歯車
７４ カウンターウエイト
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明に関する触力覚提示システムの第１実施形態について，図４を用いて説明する。
【００３６】
２次元の触力覚提示システムの上面図である。２個のパウダーブレーキ等を用いており、ワイヤー・プーリーによりブレーキトルクが伝達される。リンク１２とプーリー１６、リンク１４とリンク１７は多重回転軸により結合されている。ブレーキ３０、ブレーキ２４は、機能性粒子の沈降の影響を減らすため、その回転軸が水平となるように取り付けられている。プーリー２０、２１、２６、２７は、自由回転するプーリーである。プーリー２０、２６はテンショナーとしての役割も持っている。プーリー２８、２２は回転軸の方向を９０度変換するためのプーリーである。
【００３７】
本発明の上記の第１実施形態から下記の第６実施形態までは、上肢リハビリに使用される際には、訓練あるいは評価目的に応じて操作面（操作部が動く平面）を傾けて使われることもある。
【００３８】
本発明に関する触力覚提示システムの第２実施形態について，図５を用いて説明する。２次元の触力覚提示システムの上面図である。４個のパウダーブレーキ等（内１個はクラッチ）を用いており、冗長個数のブレーキを用いたシステム（特許文献２および非特許文献５〜非特許文献８）である。ブレーキ（内１個はクラッチ）の回転軸は、全て機能性粒子の沈降の影響を減らすため、水平となるように取り付けられている。リンク１２の回転は、平行リンク機構および回転軸５３により傘歯車機構３９に伝えられる。リンク１４の回転は、平行リンク機構および回転軸５０により傘歯車３４に伝えられる。回転軸３６の回転に対してブレーキ３５がブレーキトルクを発生する。回転軸３８の回転に対してブレーキ４０がブレーキトルクを発生する。回転軸３６と回転軸３８の回転の差に対してブレーキ（クラッチ）３７がブレーキトルクを発生する。リニアガイドのスライド部を符号４４、リニアガイドの移動部を符号４３で示す。図から分かるように、リンク１２およびリンク１４が回転するとき、スライド部４４は回転し、移動部はスライド部上を移動する。スライド部４４の回転は平行リンク機構を通じて回転軸５６に伝えられ、傘歯車減速機構４７を回転させる。傘歯車の回転軸４８はブレーキ４９に接続されており、ブレーキトルクが伝達される。傘歯車機構は、一つの傘歯車を軸方向に移動可能としバネ等で与圧をかける方法等により、バックラッシュやガタなどを減らしている。このシステムは、冗長個数のブレーキを用いているため広い範囲の抵抗力が提示可能であり、脳卒中等のリハビリ訓練における抵抗誘導の手法（非特許文献８）をこのシステムで実現することができる。
【００３９】
次に、操作部の運動方向の逆方向の力が、運動方向や操作部の姿勢にかかわらず常に提示可能な最小数のブレーキを用いた触力覚提示システムについて考える。本発明に関する触力覚提示システムの第３実施形態について，図６を用いて説明する。
【００４１】
図６は，本発明に関する第３実施形態の回転関節型リンク機構の平行リンク型２次元触力覚提示システムの上面図である．操作部９を人間が操作する．固定回転軸（多重軸構造）１５にリンク１１，１２，１３，１４よりなる平行リンク型触力覚提示システムが取り付けられている．また、リンク５９、リンク６０、リンク１２の左上部、リンク１４の右上部は、平行四辺形を形成している。ただし，図中に示す寸法Ａ，Ｂ，ａ，ｂの比は、Ａ：Ｂ＝ａ：ｂを満たすものとする． 固定回転軸（多重軸構造）にはリニアガイド６２が取り付けられ、左右に回転可能となっている。リニアガイド上を移動する移動部６１には、リンク５９およびリンク６０が回転軸を介して取り付けられている。リニアガイド６２と固定部（システムのベース）の間には、回転型のブレーキ６３が取り付けられている。ブレーキ６５は，リンク１２とリンク１４の相対回転角度に対して作用する。図中の一点鎖線は、ブレーキ６５が動作時の操作部の運動方向を示す。図から分かるように、ブレーキ６３のみが動作した際には、把持部は一点鎖線と直交する方向に運動する。
【００４２】
図７は，２種類のリンク姿勢（実線および破線で示す）におけるブレーキ６３およびブレーキ６５による力の作用方向ベクトルを矢印で示している．図から分かるように，図６の機構を用いることにより，各ブレーキの作用方向６６および作用方向６７は直交している。また、破線の姿勢においても、各ブレーキの作用方向６８および作用方向６９は直交している。すなわち，図６の機構を用いることにより，操作部の運動方向の逆向きの力が常に提示可能である．
【００４３】
本発明に関する触力覚提示システムの第４実施形態を図８に示す。図８は、図６でその概念図を示したシステムとほぼ同じであるが、次の点で異なる。すなわち、図６のブレーキ６４（図８ではブレーキ８３）は、リニアガイドスライド部６２に直接取り付けられてはおらず、図８に示すようにリンク７７およびリンク７８を介して取り付けられている。図８（ａ）は上面図であり、図８（ｂ）は見取り図である。操作部９の下部にはテフロン等の摩擦係数が小さいものが用いられており、滑らかなテーブル上を動く。脳卒中の片麻痺患者等では、操作部を強く下に押しつけながら把持部を動かすことが多いため、このようなテーブル等の導入が必要となる。本発明の第１実施形態から下記の第６実施形態までにおいては、上肢リハビリに使用される際には、訓練あるいは評価目的に応じて上記テーブルおよびシステム全体を傾けて使うこともある。
【００４４】
図４のシステムにおいては，ブレーキ２４およびブレーキ３０の作用方向は，大部分の姿勢に対して直交しない．すなわち，図４の機構を用いた際には，図３に示すように、操作部の運動方向の逆向きの力が提示可能でない状況がしばしば発生する。一方、図６、図８に示すシステムにおいては、使用しているブレーキの個数は２個であるにもかかわらず、各ブレーキの作用方向が常に直交しているため、操作部の運動方向の逆向きの力が常に提示可能である。
【００４５】
本発明に関する触力覚提示システムの第５実施形態について，図９を用いて説明する。
【００４６】
図９は，本発明に関する第５実施形態の回転関節型リンク機構の平行リンク型２次元触力覚提示システムの上面図である．操作部９を人間が操作する．固定回転軸（多重軸）１５にリンク１１、１２、１３，１４よりなる平行リンク型触力覚提示システムが取り付けられている。さらに、リンク１１、１４、８７，８８も平行リンクを形成している。本実施形態と図６の第３実施形態の差は、本実施形態ではブレーキの回転軸を水平とするためにワイヤー・プーリー機構が導入されている点にあり、他はほぼ同様である。
【００４７】
図９のリンク１４とプーリー８５は回転軸で結合されている。リニアガイド９０とプーリー８４は部材８６を介して結合されている。リニアガイド９０の上をその移動部８９が運動する。リンク８７、リンク８８の一端は、回転軸を介してリニアガイド上の移動部８９に取り付けられている。その結果、リニアガイド９０の回転を止めてリンク１１とリンク１４を相対的に回転させるとき、操作部は図中に１点鎖線で示す直線上を運動する。また、リンク１１とリンク１４の相対回転を止めてリニアガイド９０を固定回転軸１５の回りに回転させるとき、操作部は円周方向（１点鎖線と直交する方向）に運動する。リニアガイド９０の回転（すなわちプーリー８４の回転）は、ワイヤー９１を介してブレーキ９４に伝えられる。プーリー９２の回転軸９３は水平となっており、ブレーキ９４に取り付けられる。プーリー９５は軸９６の回りを自由回転するアイドラーであり、テンショナーとしての役割も果たす。リンク１１とリンク１４の相対回転は、ワイヤー９７を介してブレーキ１００に伝えられる。このワイヤー・プーリー機構は、ブレーキ９４のワイヤー・プーリー機構と同様である。ブレーキ１００の回転軸は水平となっている。以上により、操作部の運動方向の逆方向の抵抗力が必ず提示可能となり、機能性粒子の沈降問題にも対応可能となる。
【００４８】
本発明に関する触力覚提示システムの第６実施形態について，図１０を用いて説明する。
【００４９】
図１０（ａ）は，本発明に関する第６実施形態の回転関節型リンク機構の平行リンク型２次元触力覚提示システムの上面図である．操作部９を人間が操作する．固定回転軸（多重軸）１５にリンク１１、１２、１３，１４よりなる平行リンク型触力覚提示システムが取り付けられている。また、回転軸間の距離ＡおよびＢは、Ａ＝Ｂを満たすものとする。リンク１２が固定回転軸１５の回りを回転するとき、平行リンク機構によりリンク１０５およびリンク１０６が回転する。また、リンク１４が固定回転軸１５の回りを回転するとき、平行リンク機構によりリンク１０９およびリンク１１０が回転する。図中の１１１は傘歯車機構を示す。また、図中の１１２および１１５はブレーキを示す。
【００５０】
図１０（ｂ）および図１０（ｃ）は、ブレーキ関連の伝達機構の正面図を示す。傘歯車機構１１１内の傘歯車１１７と傘歯車１１９の歯数は等しいものとする。このとき、リンク１０５の回転角速度と回転軸１２０の回転角速度は、符号が逆になり絶対値は等しくなる。その結果、図１０（ａ）の１点鎖線の方向に操作部を動かす時、ブレーキ１１５のみが動作し、１点鎖線の方向と直交する方向に操作部を動かす時、ブレーキ１１２のみが動作する。すなわち、操作部の運動方向の逆方向の力が常に提示可能である。
【００５１】
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において種々の様態を採用することが可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間に対し、力感覚を提示する触力覚提示システムであって、人間が操作する操作部と、前記操作部の位置および／または姿勢を検出する検出部と、回転軸が水平あるいは水平より±３０度以内の傾きを持つ回転型ブレーキ（あるいはクラッチ）よりなるパッシブ型力発生部と、前記パッシブ型力発生部から前記操作部に力を伝達するバックラッシュやガタ等の無いブレーキ力伝達部と、前記検出部からの前記位置および／または前記姿勢の情報を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御部とを備えることを特徴とするパッシブ型触力覚提示システム。
【請求項２】
人間に対し、力感覚を提示する触力覚提示システムであって、人間が操作する操作部と、前記操作部の位置および／または姿勢を検出する検出部と、操作部の自由度の数と同じ数よりなる、前記操作部に対する力に対してそれぞれ直交する抗力をかけることができるパッシブ型力発生部と、前記パッシブ型力発生部から前記操作部に力を伝達するブレーキ力伝達部と、前記検出部からの位置および／または前記姿勢の情報を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御部とを備え、触力覚提示システムの基台から操作部に至る機構を回転関節型リンク機構とすることを特徴とするパッシブ型触力覚提示システム。
【請求項３】
人間に対し、力感覚を提示する触力覚提示システムであって、人間が操作する操作部と、前記操作部の位置および／または姿勢を検出する検出部と、操作部の自由度の数と同じ数よりなる、前記操作部に対する力に対してそれぞれ直交する抗力をかけることができる回転軸が水平あるいは水平より±３０度以内の傾きを持つ回転型ブレーキ（あるいはクラッチ）よりなるパッシブ型力発生部と、前記パッシブ型力発生部から前記操作部に力を伝達するバックラッシュやガタ等の無いブレーキ力伝達部と、前記検出部からの前記位置および／または前記姿勢の情報を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御部とを備え、触力覚提示システムの基台から操作部に至る機構を回転関節型リンク機構とすることを特徴とするパッシブ型触力覚提示システム。
【請求項４】
パッシブ型力発生部に、ＭＲ流体等の機能性粒子を含む機能性流体を使用したブレーキ（あるいはクラッチ）を用いた請求項１に記載の触力覚提示システム。
【請求項５】
パッシブ型力発生部に、パウダブレーキまたはパウダクラッチを用いた請求項１に記載の触力覚提示システム。
【請求項６】
パッシブ型力発生部に、ＭＲ流体、ＥＲ流体等の機能性粒子を含む機能性流体を使用したブレーキ（あるいはクラッチ）を用いた請求項２に記載の触力覚提示システム。
【請求項７】
パッシブ型力発生部に、パウダブレーキまたはパウダクラッチを用いた請求項２に記載の触力覚提示システム。
【請求項８】
パッシブ型力発生部に、ＭＲ流体、ＥＲ流体等の機能性粒子を含む機能性流体を使用したブレーキ（あるいはクラッチ）を用いた請求項３に記載の触力覚提示システム。
【請求項９】
パッシブ型力発生部に、パウダブレーキまたはパウダクラッチを用いた請求項３に記載の触力覚提示システム。
【請求項１０】
パッシブ型力発生部に、ＭＲ流体、ＥＲ流体等の機能性流体を使用したブレーキ（あるいはクラッチ）を用いた請求項３に記載の触力覚提示システム。
【請求項１１】
パッシブ型力発生部に、パウダブレーキおよび／またはパウダクラッチを用いた請求項３に記載の触力覚提示システム。
【請求項１２】
駆動伝達部に、リニアガイドおよび／または傘歯車および／またはワイヤー・プーリーシステムを用いた請求項１〜１１に記載の触力覚提示システム。
【請求項１３】
駆動伝達部に、リニアガイドおよび／または傘歯車を用いた請求項１〜１１に記載の触力覚提示システム。
【請求項１４】
駆動伝達部に、傘歯車および／またはワイヤー・プーリーシステムを用いた請求項１〜１１に記載の触力覚提示システム。
【請求項１５】
駆動伝達部に、歯車および／またはリニアガイドおよび／または傘歯車および／またはワイヤー・プーリーシステムおよび／またはワイヤー・ベルトシステムを用いた請求項１〜１１に記載の触力覚提示システム。
【請求項１６】
請求項１〜１５に記載の触力覚提示システムを、上肢リハビリを目的として、システム全体を傾斜可能とした触力覚提示システム。
【請求項１】
人間に対し、力感覚を提示する触力覚提示システムであって、人間が操作する操作部と、前記操作部の位置および／または姿勢を検出する検出部と、回転軸が水平あるいは水平より±３０度以内の傾きを持つ回転型ブレーキ（あるいはクラッチ）よりなるパッシブ型力発生部と、前記パッシブ型力発生部から前記操作部に力を伝達するバックラッシュやガタ等の無いブレーキ力伝達部と、前記検出部からの前記位置および／または前記姿勢の情報を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御部とを備えることを特徴とするパッシブ型触力覚提示システム。
【請求項２】
人間に対し、力感覚を提示する触力覚提示システムであって、人間が操作する操作部と、前記操作部の位置および／または姿勢を検出する検出部と、操作部の自由度の数と同じ数よりなる、前記操作部に対する力に対してそれぞれ直交する抗力をかけることができるパッシブ型力発生部と、前記パッシブ型力発生部から前記操作部に力を伝達するブレーキ力伝達部と、前記検出部からの位置および／または前記姿勢の情報を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御部とを備え、触力覚提示システムの基台から操作部に至る機構を回転関節型リンク機構とすることを特徴とするパッシブ型触力覚提示システム。
【請求項３】
人間に対し、力感覚を提示する触力覚提示システムであって、人間が操作する操作部と、前記操作部の位置および／または姿勢を検出する検出部と、操作部の自由度の数と同じ数よりなる、前記操作部に対する力に対してそれぞれ直交する抗力をかけることができる回転軸が水平あるいは水平より±３０度以内の傾きを持つ回転型ブレーキ（あるいはクラッチ）よりなるパッシブ型力発生部と、前記パッシブ型力発生部から前記操作部に力を伝達するバックラッシュやガタ等の無いブレーキ力伝達部と、前記検出部からの前記位置および／または前記姿勢の情報を入力して、前記パッシブ型力発生部を制御する制御部とを備え、触力覚提示システムの基台から操作部に至る機構を回転関節型リンク機構とすることを特徴とするパッシブ型触力覚提示システム。
【請求項４】
パッシブ型力発生部に、ＭＲ流体等の機能性粒子を含む機能性流体を使用したブレーキ（あるいはクラッチ）を用いた請求項１に記載の触力覚提示システム。
【請求項５】
パッシブ型力発生部に、パウダブレーキまたはパウダクラッチを用いた請求項１に記載の触力覚提示システム。
【請求項６】
パッシブ型力発生部に、ＭＲ流体、ＥＲ流体等の機能性粒子を含む機能性流体を使用したブレーキ（あるいはクラッチ）を用いた請求項２に記載の触力覚提示システム。
【請求項７】
パッシブ型力発生部に、パウダブレーキまたはパウダクラッチを用いた請求項２に記載の触力覚提示システム。
【請求項８】
パッシブ型力発生部に、ＭＲ流体、ＥＲ流体等の機能性粒子を含む機能性流体を使用したブレーキ（あるいはクラッチ）を用いた請求項３に記載の触力覚提示システム。
【請求項９】
パッシブ型力発生部に、パウダブレーキまたはパウダクラッチを用いた請求項３に記載の触力覚提示システム。
【請求項１０】
パッシブ型力発生部に、ＭＲ流体、ＥＲ流体等の機能性流体を使用したブレーキ（あるいはクラッチ）を用いた請求項３に記載の触力覚提示システム。
【請求項１１】
パッシブ型力発生部に、パウダブレーキおよび／またはパウダクラッチを用いた請求項３に記載の触力覚提示システム。
【請求項１２】
駆動伝達部に、リニアガイドおよび／または傘歯車および／またはワイヤー・プーリーシステムを用いた請求項１〜１１に記載の触力覚提示システム。
【請求項１３】
駆動伝達部に、リニアガイドおよび／または傘歯車を用いた請求項１〜１１に記載の触力覚提示システム。
【請求項１４】
駆動伝達部に、傘歯車および／またはワイヤー・プーリーシステムを用いた請求項１〜１１に記載の触力覚提示システム。
【請求項１５】
駆動伝達部に、歯車および／またはリニアガイドおよび／または傘歯車および／またはワイヤー・プーリーシステムおよび／またはワイヤー・ベルトシステムを用いた請求項１〜１１に記載の触力覚提示システム。
【請求項１６】
請求項１〜１５に記載の触力覚提示システムを、上肢リハビリを目的として、システム全体を傾斜可能とした触力覚提示システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１７０８２８（Ｐ２０１１−１７０８２８Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５１０６１（Ｐ２０１０−５１０６１）
【出願日】平成２２年２月１７日（２０１０．２．１７）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
【出願人】（５０４０１９７１１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１７日（２０１０．２．１７）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
【出願人】（５０４０１９７１１）
【Ｆターム（参考）】
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