JP7133785B2

JP7133785B2 - 触覚提示装置

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Publication number: JP7133785B2
Application number: JP2018094326A
Authority: JP
Inventors: 友佑水品; ラサンタフェルナンドチャリス
Original assignee: Telexistence Inc
Current assignee: Telexistence Inc
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2022-09-09
Anticipated expiration: 2038-05-16
Also published as: JP2019198923A

Description

本発明は、ロボットの操作者に対して触覚を提示する触覚提示装置に関する。

従来、操作者の動作に追従してロボットを遠隔操作するシステムが開発されている。特許文献１には、操作者の動作に応じてロボットを操作するロボット教示装置と、ロボットが検知した情報に基づいて視覚、聴覚及び触覚を含む感覚情報を操作者に与える感覚情報付与装置とを備える情報システムが記載されている。このようなシステムにより、操作者は、ロボットを遠隔操作するとともに、ロボットの周辺環境に対応した感覚情報を得ることができる。

特開２０１３－９１１１４号公報

振動、圧力、温度等の様々な情報の提示部を備える装置は、ある程度の重量を有する。そのため、操作者の指の先だけに装置を固定すると、重量によって装置の装着状態が不安定になり得る。一方、操作者の指の全体に装置を固定すると、操作者は指を自由に曲げることができず、ロボットの指の操作を行うことができなくなる。

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、操作者の指の動きを妨げずに操作者の指に装着可能な触覚提示装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る触覚提示装置は、ロボットが検出した温度、振動及び圧力を含む触覚を前記ロボットの操作者に提示するための触覚提示装置であって、前記操作者の指の第１関節よりも先端側の領域の少なくとも一部に接触する温度提示部、振動提示部及び圧力提示部を含む触覚提示部と、前記操作者の前記指の前記第１関節と第２関節との間に装着され、回動可能に前記触覚提示部に結合した装着部と、を有する。

前記装着部は、内径を変化させることが可能な円筒状部材によって、前記指に装着されてもよい。

前記装着部は、突起を有し、前記触覚提示部は、前記触覚提示装置の長手方向においてそれぞれ異なる複数の位置に前記突起を保持可能な穴を有し、前記突起が前記穴のいずれかの位置に保持されることによって、前記装着部は前記触覚提示部に回動可能に結合してもよい。

前記触覚提示部は、前記操作者の爪の先端を挿入可能な開口部を有してもよい。

前記触覚提示部は、回動可能に前記触覚提示部に結合しており、かつ前記指に近付く向きに付勢されている固定補助部をさらに有し、前記固定補助部は、前記振動提示部を有してもよい。

前記触覚提示部は、前記固定補助部に対して前記指に近い側に前記圧力提示部を有してもよい。

前記触覚提示部は、前記ロボットが検出した前記触覚が所定のレベル以下である場合に、前記触覚に対して所定の関係により規定される強度で前記触覚を提示し、前記ロボットが検出した前記触覚が前記所定のレベルよりも大きい場合に、前記触覚に対して前記所定の関係で規定される強度よりも小さい強度で前記触覚を提示してもよい。

前記温度提示部は、前記操作者の爪側における第１関節と爪との間の領域に接触可能な位置に設けられてもよい。

前記温度提示部は、前記操作者の指の腹と先端との間の領域に接触可能な位置に設けられてもよい。

本発明によれば、触覚提示装置を操作者の指の動きを妨げずに操作者の指に装着できるという効果を奏する。

本実施形態に係るロボット制御システムの模式図である。本実施形態に係るロボット制御システムのブロック図である。触覚提示装置の外観図である。操作者の指に装着された状態の触覚提示装置の外観図である。触覚提示装置の断面図である。

［ロボット制御システムＳの構成］
図１は、本実施形態に係るロボット制御システムＳの模式図である。ロボット制御システムＳは、ロボット制御装置１と、ロボット２と、触覚提示装置３とを含む。ロボット制御システムＳは、その他のサーバ、端末等の機器を含んでもよい。

ロボット制御装置１は、ロボット２を制御するとともに、ロボット２が感知した情報に基づいて触覚提示装置３を制御するコンピュータである。ロボット制御装置１は、ロボット２に一体化されて構成されてもよい。すなわち、ロボット２は、ロボット制御装置１の機能を有してもよい。

ロボット２は、ロボット制御装置１から受信した信号に従って動作する装置である。図１の例では、ロボット２は人間と同様の頭部、腕部等を有しており、ロボット２を操作する操作者（ユーザ）の体の動きに追従して各部が動作するように制御される。また、ロボット２は、センサによって感知した情報をロボット制御装置１へ送信する。ロボット２は、有線又は無線でロボット制御装置１に接続され、ロボット制御装置１との間で信号を授受する。

触覚提示装置３は、操作者の指に装着可能な装置であり、ロボット制御装置１から受信した信号に従って、操作者に振動、圧力及び温度を含む触覚を提示する。触覚提示装置３は、操作者の少なくとも一方の手において、少なくとも一部の指に装着される。また、触覚提示装置３は、足の指に設けられてもよい。触覚提示装置３は、有線又は無線でロボット制御装置１に接続され、ロボット制御装置１との間で信号を授受する。

ロボット２及び触覚提示装置３は、それぞれロボット制御装置１に直接接続されてもよく、インターネット等のネットワークを介して接続されてもよい。

［ロボット制御システムＳの構成］
図２は、本実施形態に係るロボット制御システムＳのブロック図である。図２において、矢印は主なデータの流れを示しており、図２に示したもの以外のデータの流れがあってよい。図２において、各ブロックはハードウェア（装置）単位の構成ではなく、機能単位の構成を示している。そのため、図２に示すブロックは単一の装置内に実装されてよく、あるいは複数の装置内に別れて実装されてよい。ブロック間のデータの授受は、データバス、ネットワーク、可搬記憶媒体等、任意の手段を介して行われてよい。

ロボット２は、インタフェース２１と、駆動部２２と、感知部２３とを有する。インタフェース２１は、ロボット制御装置１との間で信号の授受をするための接続部である。インタフェース２１は、ロボット制御装置１から受信した信号に所定の処理を行ってデータを取得し、取得したデータを駆動部２２に入力する。また、インタフェース２１は、感知部２３から入力されたデータに所定の処理を行って信号を生成し、生成した信号をロボット制御装置１に送信する。

駆動部２２は、ロボット２の各部位に動力を供給するモータ、アクチュエータ等の駆動装置を含む。駆動部２２は例えばロボット２の腕に設けられており、ロボット２はロボット制御装置１によって、物に触れたり、物を掴んだりするように制御される。駆動部２２は、ロボット制御装置１から受信した駆動情報に従って、ロボット２の各部位を駆動させる。

感知部２３は、振動、圧力及び温度を感知するセンサを含む。感知部２３のセンサは、少なくともロボットの指先に設けられており、ロボットが物を指で触れた際の振動、圧力及び温度を感知することによって触覚を検出し、それらを示す値を出力する。感知部２３はセンサによって感知した値を、感知情報としてロボット制御装置１に送信する。

触覚提示装置３は、触覚提示部３１と、インタフェース３２とを有する。インタフェース３２は、ロボット制御装置１との間で信号の授受をするための接続部である。インタフェース３２は、ロボット制御装置１から受信した信号に所定の処理を行ってデータを取得し、取得したデータを触覚提示部３１に入力する。触覚提示部３１の構成については、図３～図５を用いて後述する。

ロボット制御装置１は、制御部１１と、インタフェース１２と、記憶部１３と、を有する。制御部１１は、駆動制御部１１１と、感知情報取得部１１２と、触覚提示制御部１１３とを有する。

インタフェース１２は、ロボット２及び触覚提示装置３との間で信号の授受をするための接続部である。インタフェース１２は、ロボット２から受信した信号に所定の処理を行ってデータを取得し、取得したデータを制御部１１に入力する。また、インタフェース１２は、制御部１１から入力されたデータに所定の処理を行って信号を生成し、生成した信号をロボット２及び触覚提示装置３に送信する。

記憶部１３は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ハードディスクドライブ等を含む記憶媒体である。記憶部１３は、制御部１１が実行するプログラムを予め記憶している。記憶部１３は、ロボット制御装置１の外部に設けられてもよく、その場合にインタフェース１２を介して制御部１１との間でデータの授受を行ってもよい。

制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサであり、記憶部１３に記憶されたプログラムを実行することにより、駆動制御部１１１、感知情報取得部１１２及び触覚提示制御部１１３として機能する。制御部１１の機能の少なくとも一部は、電気回路によって実行されてもよい。また、制御部１１の機能の少なくとも一部は、ネットワーク経由で実行されるプログラムによって実行されてもよい。

駆動制御部１１１は、操作者の動作に基づいて、ロボット２を駆動させる。具体的には、駆動制御部１１１は、操作者の動作を検出する不図示の動作検出装置から、操作者の動作を示す動作情報を取得する。例えば動作検出装置は、操作者に向けて赤外線等の光を照射し、操作者の体の各部位に装着された受光部が光を受けたタイミングに基づいて、操作者の動作を検出する。駆動制御部１１１は、ここに示した方法に限られず、その他の方法で操作者の動作を検出してもよい。

そして駆動制御部１１１は、取得した動作情報に基づいて、操作者の動作に追従するようにロボット２を駆動させる指示を示す駆動情報を生成し、ロボット２に送信する。ロボット２は、受信した駆動情報に基づいて動作する。

駆動制御部１１１によるロボット２の駆動制御と並行して、感知情報取得部１１２は、ロボット２が検出した触覚（すなわち感知部２３が感知した振動、圧力及び温度）を示す感知情報を、ロボット２から受信して取得する。

触覚提示制御部１１３は、感知情報取得部１１２が取得した感知情報に基づいて、触覚提示装置３を制御する。具体的には、触覚提示制御部１１３は、感知情報取得部１１２が取得した感知情報に対応する触覚を操作者に提示するための触覚情報を生成する。触覚情報は、圧力情報と、振動情報と、温度情報とを含む。触覚情報は、触覚に関するその他の情報を含んでもよい。感知情報を触覚情報に変換する規則は、ロボット制御装置１に予め設定されている。

そして触覚提示制御部１１３は、生成した触覚情報を、触覚提示装置３に送信する。触覚提示装置３は、受信した触覚情報に基づいて、操作者に触覚を提示する。

本実施形態に係るロボット制御システムＳは、図２に示す具体的な構成に限定されない。例えばロボット制御装置１、ロボット２及び触覚提示装置３は、それぞれ１つの装置に限られず、２つ以上の物理的に分離した装置が有線又は無線で接続されることにより構成されてもよい。

［触覚提示装置３の構成］
図３（ａ）、図３（ｂ）は、本実施形態に係る触覚提示装置３の外観図である。図３（ａ）は触覚提示装置３の長手方向（すなわち指を挿入する方向）の法線方向から見た図であり、図３（ｂ）は触覚提示装置３を図３（ａ）のＡ－Ａ方向から見た図である。

触覚提示装置３は、触覚提示部３１と、装着部３３とを有する。触覚提示部３１は、筐体３１ａと、固定補助部３１ｂと、結合部３１ｃと、圧力提示部３１ｄとを有する。また、触覚提示部３１は、図５を用いて後述する不図示の振動提示部３１ｅと、温度提示部３１ｆ、３１ｇとを有する。筐体３１ａは、指の上面（爪側の面）に接触する所定形状の部材である。筐体３１ａは、上述のインタフェース３２や電気配線等を内部に有する。

固定補助部３１ｂは、指の下面（指の腹側の面）に接触する所定形状の部材である。結合部３１ｃは、筐体３１ａと固定補助部３１ｂとを互いに回動可能に結合する部材である。すなわち固定補助部３１ｂは、結合部３１ｃを介して、上下方向Ｂ（すなわち固定補助部３１ｂが指に近付く向き及び指から離れる向き）に回動可能に、筐体３１ａに結合されている。さらに固定補助部３１ｂは、不図示の付勢手段（例えばバネ）によって、上方向Ｃ（すなわち固定補助部３１ｂが指に近付く向き）に付勢されている。

図３（ｂ）に示すように、筐体３１ａと固定補助部３１ｂとの間には、指挿入空間Ｆが形成されている。固定補助部３１ｂは、上下方向Ｂに回動することによって、指挿入空間Ｆの大きさを変化させる。また固定補助部３１ｂは、上方向Ｃに付勢されることによって、操作者が指挿入空間Ｆに指を挿入した際に操作者の指に自然に接触する。このような構成により、触覚提示部３１は、様々な大きさの指に接触して触覚を提示することができる。

圧力提示部３１ｄは、操作者の指の第１関節よりも先端側の少なくとも一部の領域に対して圧力（すなわち押す力）を発生させる部材であり、例えば操作者の指の側面（爪の側方の面）及び下面に接触するベルト状部材を有する。圧力提示部３１ｄは、固定補助部３１ｂよりも指に近い側に設けられている。圧力提示部３１ｄは、ロボット制御装置１から受信した圧力情報に基づいて、不図示の巻き取り手段によってベルト状部材を締め付けたり、緩めたりすることによって、圧力情報に対応する圧力を操作者に提示する。

装着部３３は、指固定部３３ａと、支持部３３ｂと、結合部３３ｃとを有する。指固定部３３ａは、内径を変化させることが可能な円筒状部材である。指固定部３３ａは、操作者の指の第１関節と第２関節との間（すなわち中節）に装着される。指固定部３３ａは、例えば指に巻きつけることによって指を固定できる面ファスナーを有するテープや、指の大きさに応じて伸縮するゴム等の環状の弾性部材である。支持部３３ｂは、指の上面において指固定部３３ａを支持する所定形状の部材である。

結合部３３ｃは、装着部３３と触覚提示部３１（筐体３１ａ）とを互いに回動可能に結合する部材である。すなわち装着部３３は、結合部３３ｃを介して、上下方向Ｄ（すなわち指固定部３３ａが触覚提示部３１に近付く向き及び触覚提示部３１から離れる向き）に回動可能に、触覚提示部３１に結合されている。そのため、装着部３３が指に装着された状態であっても、操作者は指の関節を曲げることができる。

結合部３３ｃは、円柱状の突起を有している。結合穴３３ｄは、触覚提示部３１の筐体３１ａ上に設けられた、結合部３３ｃの突起に嵌合可能な円形の穴である。結合穴３３ｄは、触覚提示装置３の長手方向に沿ってそれぞれ異なる複数の位置に結合部３３ｃの突起を保持可能である。図３の例では、結合穴３３ｄは、長手方向に沿って設けられた２つの穴の一部が融合している形状を有する。結合部３３ｃの突起が結合穴３３ｄのいずれかの位置に嵌合することによって、装着部３３は触覚提示部３１に対して回動可能になる。このような構成により、結合部３３ｃは、装着部３３が触覚提示部３１に結合する位置を変更できるため、装着部３３を様々な大きさの指の中節に固定させることができる。

このように、装着部３３は、指固定部３３ａによって操作者の指の第１関節と第２関節との間（中節）に装着されるとともに、結合部３３ｃによって触覚提示部３１に回動可能に結合されている。このような構成により、触覚提示装置３は、操作者の指の動きを妨げずに、操作者の指に装着される。

図４は、操作者の指に装着された状態の触覚提示装置３の外観図である。図４に示すように、固定補助部３１ｂが結合部３１ｃによって指の大きさに合わせて回動することによって、触覚提示部３１は指に接触している。また、指固定部３３ａ及び支持部３３ｂが結合部３３ｃによって指の動きに合わせて回動することによって、装着部３３は操作者の指の動き（すなわち指の関節の曲げ動作）を妨げずに指に装着されている。

図５は、図３（ｂ）のＥ－Ｅ方向から見た触覚提示装置３の断面図である。図５に示す触覚提示装置３の断面は、視認性のために簡略化して表されている。触覚提示部３１は、固定補助部３１ｂ内において、操作者の指の下面（指の腹側の面）に接触する位置に、振動提示部３１ｅを有する。振動提示部３１ｅは、操作者の指の第１関節よりも先端側の少なくとも一部の領域に対して振動を発生させる部材であり、例えば振動アクチュエータを有する。振動提示部３１ｅは、ロボット制御装置１から受信した振動情報に基づいて、振動アクチュエータを作動させることによって、振動情報に対応する振動を操作者に提示する。

触覚提示部３１は、筐体３１ａ内において、操作者の指の上面（指の爪側の面）であって、爪の根元（すなわち第１関節と爪との間の領域）に接触可能な位置に、第１温度提示部３１ｆを有する。第１温度提示部３１ｆは、操作者の指の第１関節よりも先端側の少なくとも一部の領域の温度を変化させる部材であり、例えばペルチェ素子を有する。振動提示部３１ｅは、ロボット制御装置１から受信した温度情報に基づいて、ペルチェ素子を作動させることによって、温度情報に対応する温度を操作者に提示する。

爪の根元は、温度の変化を感じやすい。そのため、第１温度提示部３１ｆを爪の根元に接触する位置に設けることによって、第１温度提示部３１ｆの面積を小さくしても操作者に温度を提示することができ、触覚提示に要する電力を低減できる。

また、触覚提示部３１は、固定補助部３１ｂ内において、操作者の指の下面（指の腹側の面）に接触する位置に、第２温度提示部３１ｇを有する。第２温度提示部３１ｇの構成は、第１温度提示部３１ｆと同様である。第２温度提示部３１ｇは、指の下面において指の腹と指の先端との間の領域に延在するように設けられる。爪の根元の位置は人によって異なるため、第１温度提示部３１ｆが爪の根元に正しく接触しない場合がある。第２温度提示部３１ｇは、指の腹から指の先端への斜面の幅広い範囲に接触できるため、指の大きさによらず操作者に対してより確実に温度を提示できる。

触覚提示部３１は、第１温度提示部３１ｆ及び第２温度提示部３１ｇのどちらか一方のみを有してもよい。

触覚提示装置３は、筐体３１ａと固定補助部３１ｂとの間に、触覚提示装置３が操作者の指に装着された状態で操作者の爪の先端を挿入可能な開口部Ｇを有する。これにより、操作者の爪が長い場合であっても、爪が開口部Ｇ内に収まるため、第１温度提示部３１ｆを操作者の指の根元に接触しやすくなる。

触覚提示部３１が含む圧力提示部３１ｄ、振動提示部３１ｅ、温度提示部３１ｆ、３１ｇは、ロボット制御装置１から受信した触覚情報に対応する触覚を、所定の規則に従って制限してユーザに対して提示してもよい。具体的には、触覚提示部３１は、ロボット制御装置１から受信した触覚情報、すなわちロボット２が検出した触覚が所定のレベル（値又は割合）以下である場合に、所定の関係により規定される強度で触覚を提示する。

一方、触覚提示部３１は、ロボット２が検出した触覚が所定のレベルより大きい場合に、所定の関係により規定される強度よりも小さい強度で触覚を提示する。所定の関係は、触覚提示装置３に予め設定された、ロボット２が検出した触覚と触覚提示部３１が提示する触覚との関係である。

このような構成により、ロボット２が感知した圧力又は振動が大きすぎたり、温度が高すぎたりする場合に、それらに対応する圧力、振動又は温度をそのままユーザに提示してユーザに害を与えることを防ぎ、安全性を高めることができる。

［実施形態の効果］
本実施形態に係る触覚提示装置３では、装着部３３は、操作者の指の第１関節と第２関節との間（中節）に装着されるとともに、触覚提示部３１に回動可能に結合されている。このような構成により、触覚提示装置３は、操作者の指の動きを妨げずに、操作者の指に固定される。そのため、操作者は、触覚提示装置３を装着した状態であっても、指を動かしてロボットの操作を行うことができる。

さらに、操作者の指の先端に位置する固定補助部３１ｂは上下方向に回動可能であり、かつ上方向に付勢されている。そのため、操作者が触覚提示装置３に指を挿入した際に、触覚提示部３１は操作者の指に自然に接触する。このような構成により、触覚提示部３１は、様々な大きさの指に接触して触覚を提示することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を合わせ持つ。

Ｓロボット制御システム
２ロボット
３触覚提示装置
３１触覚提示部
３１ｂ固定補助部
３１ｄ圧力提示部
３１ｅ振動提示部
３１ｆ第１温度提示部
３１ｇ第２温度提示部
３３装着部
３３ｃ結合部
３３ｄ結合穴

Claims

ロボットが検出した温度、振動及び圧力を含む触覚を前記ロボットの操作者に提示するための触覚提示装置であって、
前記操作者の指の第１関節よりも先端側の領域の少なくとも一部に接触する温度提示部、振動提示部及び圧力提示部を含む触覚提示部と、
前記操作者の前記指の前記第１関節と第２関節との間に装着され、回動可能に前記触覚提示部に結合した装着部と、
を有し、
前記装着部は、突起を有し、
前記触覚提示部は、前記触覚提示装置の長手方向においてそれぞれ異なる複数の位置に前記突起を保持可能な穴を有し、
前記突起が前記穴のいずれかの位置に保持されることによって、前記装着部は前記触覚提示部に回動可能に結合する、触覚提示装置。
前記装着部は、内径を変化させることが可能な円筒状部材によって、前記指に装着される、請求項１に記載の触覚提示装置。
前記触覚提示部は、前記操作者の爪の先端を挿入可能な開口部を有する、請求項１又は２に記載の触覚提示装置。
前記触覚提示部は、筐体と、回動可能に前記筐体に結合しており、かつ前記指に近付く向きに付勢されている固定補助部とをさらに有し、
前記固定補助部は、前記振動提示部を有する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の触覚提示装置。
前記触覚提示部は、前記固定補助部に対して前記指に近い側に前記圧力提示部を有する、請求項４に記載の触覚提示装置。
前記触覚提示部は、前記ロボットが検出した前記触覚が所定のレベル以下である場合に、前記触覚に対して所定の関係により規定される強度で前記触覚を提示し、前記ロボットが検出した前記触覚が前記所定のレベルよりも大きい場合に、前記触覚に対して前記所定の関係で規定される強度よりも小さい強度で前記触覚を提示する、請求項１から５のいずれか一項に記載の触覚提示装置。
前記温度提示部は、前記操作者の爪側における第１関節と爪との間の領域に接触可能な位置に設けられている、請求項１から６のいずれか一項に記載の触覚提示装置。
前記温度提示部は、前記操作者の指の腹と先端との間の領域に接触可能な位置に設けられている、請求項１から７のいずれか一項に記載の触覚提示装置。