JP6176602B2 - 技能訓練システム - Google Patents
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Description
本発明は、力を伴う技能を対象として、発生力の訓練を可能とする技能訓練システムに関する。
従来、技能を訓練するための様々なシステムが考案されている。 技能の中には、位置や速度などの運動情報、運動パターン、力情報など、様々な技能が存在する。
技能を訓練するときには、目標とする技能、つまり位置や速度、運動パターンや力の目標値が存在する。訓練者の位置や速度、運動パターンや力を目標値と一致させることが、技能訓練の一つの目的である。
この技能訓練の目的を達成させる方法として、訓練者の技能を計測し、目標値と合わせて提示する方法や、目標値との差を提示する方法、目標値との差をなくす方向に支援する方法などが考えられる。
例えば、手本となる教師の手や教師の書いた手本となる文字のコンピュータグラフィックスによる映像をハーフミラーを使って重畳して提示するシステムが開発されている（非特許文献１参照）。
１台のハプティックデバイスを用いて、習字において教師が手本の文字を書くときの位置と力の情報を計測し、その後ハプティックデバイスと映像を用いて生徒に提示するバーチャルレッスンシステムが開発されている（非特許文献２参照）。
また、筋電位等により訓練者の運動パターンを計測し、目標の運動パターンと比較し、その差を振動や電気刺激を用いて提示する運動技能訓練装置が発明されている（特許文献１参照）。
教師の動作と操作力を計測し、生徒の手に運動を提示すると共に生徒が把持する道具に力を提示する技能体験システムが発明されている（特許文献２参照）。
技能を訓練するときには、目標とする技能、つまり位置や速度、運動パターンや力の目標値が存在する。訓練者の位置や速度、運動パターンや力を目標値と一致させることが、技能訓練の一つの目的である。
この技能訓練の目的を達成させる方法として、訓練者の技能を計測し、目標値と合わせて提示する方法や、目標値との差を提示する方法、目標値との差をなくす方向に支援する方法などが考えられる。
例えば、手本となる教師の手や教師の書いた手本となる文字のコンピュータグラフィックスによる映像をハーフミラーを使って重畳して提示するシステムが開発されている（非特許文献１参照）。
１台のハプティックデバイスを用いて、習字において教師が手本の文字を書くときの位置と力の情報を計測し、その後ハプティックデバイスと映像を用いて生徒に提示するバーチャルレッスンシステムが開発されている（非特許文献２参照）。
また、筋電位等により訓練者の運動パターンを計測し、目標の運動パターンと比較し、その差を振動や電気刺激を用いて提示する運動技能訓練装置が発明されている（特許文献１参照）。
教師の動作と操作力を計測し、生徒の手に運動を提示すると共に生徒が把持する道具に力を提示する技能体験システムが発明されている（特許文献２参照）。
吉田知史、中村徳明、今西茂：バーチャル・リアリティを用いた書道習得のための教育的応用システムの構築、電気学会論文誌C、１１７−C巻、１１号、ｐｐ．１６２９−１６３４、１９９７年。
逸見和之、吉川恒夫：バーチャルレッスンの概念とそのバーチャル習字システムへの応用、日本バーチャルリアリティ学会論文誌、３巻、１号、ｐｐ．１３−１９、１９９８年。
以上に述べた技能訓練において、位置情報は直接目で見えるのに対し、力情報は直接目で見えない。このため、位置の目標値や位置の偏差は映像等を用いて直接提示できるのに対し、力情報は、力センサ等を用いて計測して数値化し、映像や音声等の手段を用いて間接的に提示しなければならない。
目標の力を発生させたいとき、訓練者の発生力を力センサを用いて計測し、計測した値をメータやモニタに提示し、視覚的にフィードバックすることで、目標の力を発生させる訓練を行うことができる。
目標の力を発生させたいとき、訓練者の発生力を力センサを用いて計測し、計測した値と目標の力の値を比較し、計測値と目標値が一致する、あるいはその偏差が一定の基準より小さくなったときに、映像や光などの視覚情報を提示したり、音や音声などの聴覚情報を提示したり、振動刺激や電気刺激などの触覚情報を提示したりすることで、目標の力を発生させる訓練を行うことができる。
また、力提示部にばねなどを用いて、ばねを変形させたときに発生する反力が目標の力と同等となる位置を明示し、視覚的にフィードバックすることで、目標の力を発生させる訓練を行うことができる。
以上の手段を用いることで、発生力の訓練を実施することは可能であるが、訓練者の発生力が目標値と一致したことをフィードバックする手段を備えていたとしても、従来の手法では訓練者の発生力を目標値に追従させることが困難であった。
本発明は、上記問題に鑑みたもので、力を発生させる技能を訓練するシステムにおいて、動作停止機構を備えることによって、訓練者が自分の発生力が目標値と一致していることを容易に知覚すると共に、容易に目標値に追従させる手段を提供することを目的とする。
請求項１に記載の発明は、訓練者が操作すると動作可能な操作部と，前記操作部に力を及ぼす力発生部を備えると共に，前記操作部の動作を一時的に停止させる動作停止機構を備える操作力訓練システムであって，前記動作停止機構により，前記操作部の動作が一時的に停止させられることで、前記訓練者が目標とする発生力を発生できていることを知らせ、前記操作部に、前記訓練者の発生力を計測する力センサと、前記操作部の位置を計測する位置センサを備え、前記動作停止機構は、前記操作部の動作を一時的に停止させるためにブレーキ機構を備え、前記訓練者の前記発生力と前記目標とする発生力の比較の結果に基づきブレーキ機構を動作させることを特徴とした技能訓練システムである．
請求項２に記載の発明は、動作停止機構において、操作部の動作を一時的に停止させるために、機械的ストッパを用いることを特徴とした、技能訓練システムである。訓練者は、操作部がストッパとの接触によりその動作が停止させられることにより、目標とする発生力が発生できていることを容易に知ることができる。
請求項３に記載の発明は、動作停止機構において、操作部の動作を一時的に停止させるために、機械的ラッチ機構を用いることを特徴とした、技能訓練システムである。訓練者は、操作部の動作がラッチ機構により一時的に停止させられることにより、目標とする発生力が発生できていることを容易に知ることができる。
請求項４に記載の発明は、操作部において、訓練者の発生力を計測する力センサと、操作部の位置を計測する位置センサを備え、力発生部には、出力を制御可能なアクチュエータを備えると共に、訓練者の発生力と目標とする発生力の比較を行うと共に、アクチュエータの出力を制御するための計算機を備えることを特徴とした、技能訓練システムである。
請求項５に記載の発明は、動作停止機構において、操作部の動作を一時的に停止させるためにブレーキ機構を備え、訓練者の発生力と目標値の比較の結果に基づきブレーキ機構を動作させることを特徴とした、技能訓練システムである。
請求項６に記載の発明は、動作停止機構の動作停止機能を、
力発生部に備えたアクチュエータの制御により、ソフトウェア的に実現することを特徴とした、技能訓練システムである。
力発生部に備えたアクチュエータの制御により、ソフトウェア的に実現することを特徴とした、技能訓練システムである。
訓練者は、発生力を訓練するために、操作部に力を加えながら作業を行う。この時、自分が発生している力は、直接目で見ることはできないし、感覚としても分かりにくい。また、訓練者の発生力を計測して、グラフや数値で可視化したり、目標値との差を示したりすることで、発生力と目標値との関係を知ることができるが、それでも訓練者が正確に力を出力することは難しい。
これに対し、上記の課題解決手段では、技能訓練システムの操作部の動作を動作停止機構により一時的に停止させることにより、訓練者に対し、目標とする力が発生できていることを知らせる。人間は、操作している対象物が他の物体と接触したり、動作が急に止められたりした感覚は、触覚を介して容易に知覚できる。また、発生力をコントロールして対象物との接触を保つことも容易である。
このことから、上記の課題解決手段を用いることで、訓練者は自分の発生力を直接意識することなく、操作部の動作が動作停止機構により停止させられている状態を保つことで、容易に目標とする発生力を発生させることができる。
これに対し、上記の課題解決手段では、技能訓練システムの操作部の動作を動作停止機構により一時的に停止させることにより、訓練者に対し、目標とする力が発生できていることを知らせる。人間は、操作している対象物が他の物体と接触したり、動作が急に止められたりした感覚は、触覚を介して容易に知覚できる。また、発生力をコントロールして対象物との接触を保つことも容易である。
このことから、上記の課題解決手段を用いることで、訓練者は自分の発生力を直接意識することなく、操作部の動作が動作停止機構により停止させられている状態を保つことで、容易に目標とする発生力を発生させることができる。
以下、本発明の実施の形態を図１〜図９に基づいて説明する。
図１に、本発明の実施形態に係る技能訓練システムの構成および動作の一例を示す。訓練者の手１は、訓練において操作部２に力を加えて押し下げる。このとき、力発生部３は操作部２に対し反力を提示する。図１の実施例では、操作部２は上下方向に動作可能であるが、本システムには動作停止機構４が装備されていて、操作部２が動作停止機構４に接触すると、操作部２はそれより下に動作することができずに、操作部２の動作が制限される。訓練者は、操作部２が動作停止機構４に接触したことは、力覚や触覚といった手の感覚から、直感的に容易に知覚することができる。図１の右側に、操作部２と動作停止機構４が接触した様子を示す。操作部２が動作停止機構４にちょうど接触するときに、力発生部３が提示する力を訓練の目標の力に設定すると、訓練者が操作部２を動作停止機構４にぎりぎり接触するよう保つことで、目標とする発生力の訓練が可能となる。
なお、図１に示す技能訓練システムの実施形態は、鉛直方向に直動で１自由度に動作するシステムの一例であり、本発明の技能訓練システムは直動動作や１自由度の動作には限定されない。操作部２の動作を回転運動にすることで、回転方向の発生トルクを訓練するシステムも同様に構築できる。また、１自由度のシステムを複数組み合わせることで、直動２自由度あるいは直動３自由度の発生力訓練システム、あるいは回転運動も含む４〜６自由度の発生力・発生トルク訓練システムも開発できる。
図２には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのばねを用いた場合の構成および動作を示す。図１の場合と比較すると、力発生部３がばね２３に置き換わっている。ばね２３のばね定数をｋ［Ｎ／ｍ］、自然長からの変位をｘ［ｍ］とすると、変位ｘを発生させるためにはＦ＝ｋｘ［Ｎ］の力を必要とする。図２において、ばね２３をｘ［ｍ］圧縮した場所に動作停止機構２４を設置する。訓練者の手２１が、操作部２２を押し下げ、動作停止機構２４と接触すると、操作部２２と動作停止機構２４が接触したことはすぐに知覚可能であり、この時の訓練者の発生力がＦ［Ｎ］となっている。訓練者は、操作部２２と動作停止機構２４の接触を保つことにより、力Ｆ［Ｎ］を発生させる訓練が可能となる。図２の右側には、訓練者の手２１が操作部２２を介してばね２３を押し込み、操作部２２が動作提示機構２４と接触している状態を示す。
図３には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのばねを用いた場合の他の構成および動作を示す。訓練者の手３１が操作部３２を押し下げるが、操作部３２はリニアガイド３３で保持されている。この状態で、ばね３４を圧縮しながら操作部３２がストッパ３５に接触するまで操作することで、図２の場合と同様に、発生力の訓練が実施できる。図３の右側には、訓練者の手３１がリニアガイド３４に取り付けられた操作部３２を介してばね３４を押し込み、操作部３２がストッパ３５と接触している状態を示す。
図４には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのラッチ機構を用いた場合の構成および動作を示す。図４の実施形態では、訓練者の手４１、操作部４２、リニアガイド４３、力を発生するばね４４の他に、ラッチガイド４５、接触子４６、ばね４７を備えている。訓練者は、力を加えてリニアガイド４３に支持された操作部４２を押し下げる。そして、ばね４４が圧縮されることにより訓練者の発生力がちょうど目標値となる位置に、ラッチガイド４５に凹みが設置されている。ラッチ機構は、ラッチガイド４５に接触子４６がばね４７により押しつけられているため、接触子４６がラッチガイド４５の凹みの位置に来ると、操作部４２の動作が停止させられる。図４の右側に、ラッチ機構の接触子４６がラッチガイド４５の凹みの位置に来て、操作部４２が停止している様子を示す。訓練者は、操作部４２がラッチ機構により停止させられたことを容易に知覚できるため、発生力の訓練が可能となる。なお、ラッチ機構は、目標値よりも一定上大きな力が加わると操作部４２の停止が解除される。ラッチが解除されて操作部４２が再び動作を始めた場合は、訓練者の発生力が目標値から逸脱しているため、訓練者は再び操作部４２の動作がラッチで停止する位置を探して操作する。これにより、発生力の訓練が可能となる。
図５には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのラッチ機構を用いた場合の他の構成および動作を示す。訓練者の手５１、操作部５２、リニアガイド５３、ばね５４、接触子５６、ばね５７は図４に示す実施形態と同様であるが、ラッチガイド５５の形状が異なる。図４の実施形態では、訓練者の発生力がちょうど目標値となる位置に、ラッチガイド４５に凹みが設置されていたのに対し、図５の実施形態では、訓練者の発生力がちょうど目標値となる位置に、ラッチガイド５５に凸が設置されている。図５の右側に示すように、接触子５６がラッチガイド５５の凸の位置に来ると、操作部５２の動作が停止させられる。訓練者は、操作部５２がラッチ機構により停止させられたことを容易に知覚できるため、発生力の訓練が可能となる。
図６には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのアクチュエータとストッパを用いた場合の構成および動作を示す。図６に示す実施形態では、操作部６２に力センサ６１を装備し、訓練者の手６１が発生する力を計測する。また、操作部６２はリニアガイド６４に接続されているが、同じくリニアガイド６４にはモータ６５とエンコーダ６６が取り付けられていて、操作部６２から訓練者に提示する力を、ばねなどの機械要素を用いるのではなく、ロボット制御により発生させることができる。例えば、ロボット制御により実現する仮想のばね定数をｋ［Ｎ／ｍ］、操作部６２から訓練者に提示したい発生力をＦ［Ｎ］とすると、リニアガイド６４に取り付けられた操作部６２の変位の目標値をｘ＝Ｆ／ｋ［ｍ］として位置制御することで、ばね定数ｋ［Ｎ／ｍ］のばねを押し込んでいるときと同じ力を発生させることができる。
この図６に示す実施例において、訓練者の手６１が力センサ６３を介して操作部６２を押し込み、ストッパ６７と接触することで、操作部６２の動作が停止させられ、訓練者はその感覚を知覚し、目標とする力を発生させたり、目標とする発生力を訓練したりすることができる。図６の右側には、訓練者の手６１がリニアガイド６４に取り付けられた操作部６２を介して仮想のばねを押し込み、操作部６２がストッパ６７と接触している状態を示す。
図７には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのアクチュエータとラッチ機構を用いた場合の構成および動作を示す。図７に示す実施例では、リニアガイドに７２に取り付けられた操作部７２は、力センサ７３により計測される訓練者の手７１が発生する力に基づき、モータ７５およびエンコーダ７６を用いて制御される。訓練者の手７１は、仮想ばねを押し込むように力を発生するが、図７右側に示すように、ラッチ機構の接触子７８がばね７９により押され、ラッチガイド７７の凹みの位置に来たときに、操作部７２の動作が停止させられる。訓練者は、操作部７２がラッチ機構により停止させられたことを容易に知覚できるため、発生力の訓練が可能となる。
図８には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのアクチュエータとラッチ機構を用いた場合の構成および動作を示す。訓練者の手８１、操作部８２、力センサ８３、リニアガイド８４、モータ８５、エンコーダ８６、接触子８８、ばね８９は図７に示す実施形態と同様であるが、ラッチガイド８７の形状が異なる。図７の実施形態では、訓練者の発生力がちょうど目標値となる位置に、ラッチガイド７７に凹みが設置されていたのに対し、図８の実施形態では、訓練者の発生力がちょうど目標値となる位置に、ラッチガイド８７に凸が設置されている。図８の右側に示すように、接触子８８がラッチガイド８７の凸の位置に来ると、操作部８２の動作が停止させられる。訓練者は、操作部８２がラッチ機構により停止させられたことを容易に知覚できるため、発生力の訓練が可能となる。
図９には、本発明の実施形態に係る技能訓練システムのアクチュエータとブレーキ機構を用いた場合の構成および動作を示す。図９に示す実施例では、リニアガイド９４に取り付けられた操作部９２は、力センサ９３により計測される訓練者の手９１が発生する力に基づき、モータ９５およびエンコーダ９６を用いて制御される。訓練者の手９１は、仮想ばねを押し込むように力を発生する。訓練者の発生力が目標とする力に達していないときは、操作部９２に装備されたブレーキのブレーキパッド９８が、ブレーキガイド９７には接触していないが、訓練者の発生力が目標とする力と一致すると、力センサ９３で計測した訓練者の発生力に基づき、図９の右側に示すように、ブレーキパッド９８がブレーキガイド９７に接触するように操作され、操作部９２の動作が停止させられる。訓練者は、操作部９２がブレーキ機構により停止させられたことを容易に知覚できるため、発生力の訓練が可能となる。
なお、本発明は、以上に説明した実施形態によって限定されるものではないことはいうまでもない。
本発明は、力を伴う技能訓練において、訓練者が発生している力が目標値と一致していることを触覚を用いて容易に知覚できる技能訓練システムに関するものである。本発明は、ものづくり、伝統芸能、医療現場、楽器演奏、スポーツまで、幅広い分野における技能訓練に役立つと期待される。
１ 訓練者の手
２ 操作部
３ 力発生部
４ 動作停止機構
２１ 訓練者の手
２２ 操作部
２３ ばね
２４ 動作停止機構
３１ 訓練者の手
３２ 操作部
３３ リニアガイド
３４ ばね
３５ ストッパ
４１ 訓練者の手
４２ 操作部
４３ リニアガイド
４４ ばね
４５ ラッチガイド
４６ 接触子
４７ ばね
５１ 訓練者の手
５２ 操作部
５３ リニアガイド
５４ ばね
５５ ラッチガイド
５６ 接触子
５７ ばね
６１ 訓練者の手
６２ 操作部
６３ 力センサ
６４ リニアガイド
６５ モータ
６６ エンコーダ
６７ ストッパ
７１ 訓練者の手
７２ 操作部
７３ 力センサ
７４ リニアガイド
７５ モータ
７６ エンコーダ
７７ ラッチガイド
７８ 接触子
７９ ばね
８１ 訓練者の手
８２ 操作部
８３ 力センサ
８４ リニアガイド
８５ モータ
８６ エンコーダ
８７ ラッチ凸
８８ 接触子
８９ ばね
９１ 訓練者の手
９２ 操作部
９３ 力センサ
９４ リニアガイド
９５ モータ
９６ エンコーダ
９７ ブレーキガイド
９８ ブレーキパッド
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２４ 動作停止機構
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９８ ブレーキパッド
Claims (4)
- 訓練者が操作すると動作可能な操作部と，
前記操作部に力を及ぼす力発生部を備えると共に，
前記操作部の動作を一時的に停止させる動作停止機構を備える操作力訓練システムであって，
前記動作停止機構により，
前記操作部の動作が一時的に停止させられることで、
前記訓練者が目標とする発生力を発生できていることを知らせ、
前記操作部に、前記訓練者の発生力を計測する力センサと、
前記操作部の位置を計測する位置センサを備え、
前記動作停止機構は、前記操作部の動作を一時的に停止させるためにブレーキ機構を備え、
前記訓練者の前記発生力と前記目標とする発生力の比較の結果に基づきブレーキ機構を動作させることを特徴とした技能訓練システム． - 前記動作停止機構において、
前記操作部の動作を一時的に停止させるために、
機械的ストッパを用いることを特徴とした、請求項１に記載の技能訓練システム。 - 前記動作停止機構において、
前記操作部の動作を一時的に停止させるために、
機械的ラッチ機構を用いることを特徴とした、請求項１に記載の技能訓練システム。 - 前記力発生部には、出力を制御可能なアクチュエータを備えると共に、
前記訓練者の前記発生力と前記目標とする発生力の比較を行うと共に、
前記アクチュエータの出力を制御するための計算機を備えることを特徴とした、
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の技能訓練システム。
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|---|---|---|---|
| JP2012274390A JP6176602B2 (ja) | 2012-12-17 | 2012-12-17 | 技能訓練システム |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| JP2750060B2 (ja) * | 1992-11-25 | 1998-05-13 | 松下電工株式会社 | 最適操作感触の実現用開発システム |
| JP3275519B2 (ja) * | 1994-03-15 | 2002-04-15 | 松下電器産業株式会社 | 押しボタンスイッチの感触検査装置 |
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2012
- 2012-12-17 JP JP2012274390A patent/JP6176602B2/ja not_active Expired - Fee Related
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