JPWO2017155051A1 - Position / force control device - Google Patents
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Abstract
本発明の課題は、物体との相互作用におけるより適切な位置・力の制御を実現することである。力触覚伝達装置(1)において、身体感覚供給側デバイス(D1)は、身体の部位によって操作され、操作反力を生成する機能を有する操作装置を備える。身体感覚受容側デバイス(D2)は、身体の部位の機能または身体の部位によって操作される装置の機能を有する実行装置を備える。身体感覚対応付けユニット(10)は、身体感覚供給側デバイス(D1)の操作位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報と、身体感覚受容側デバイス(D2)の出力位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報とに基づいて、これらのデバイスの出力における速度または位置の制御量と力の制御量とを算出すると共に、これらの制御量を統合し、その出力を身体感覚供給側デバイス(D1)及び身体感覚受容側デバイス(D2)に戻すべく逆変換する。An object of the present invention is to realize more appropriate position / force control in the interaction with an object. In the force / tactile sensation transmitting device (1), the body sensation supply device (D1) includes an operation device that is operated by a body part and has a function of generating an operation reaction force. The body sensory receiving device (D2) includes an execution device having a function of a body part or a function of an apparatus operated by the body part. The body sensation associating unit (10) includes information on speed (position) and force corresponding to information on the operation position of the body sensation supply side device (D1) and information on the output position of the body sensation receiving side device (D2). Based on the corresponding speed (position) and force information, calculate the speed or position control amount and force control amount in the output of these devices, integrate these control amounts, Reverse conversion is performed to return to the sensory supply device (D1) and the somatosensory device (D2).
Description
本発明は、位置に基づく物理量及び力に基づく物理量による制御を実行する位置・力制御装置に関する。 The present invention relates to a position / force control apparatus that executes control based on a physical quantity based on position and a physical quantity based on force.
従来、労働災害や事故、病気、戦争被害等によって失われた身体部位の働きを補う目的で、義手をはじめ、様々な義肢が用いられている。
このような技術により、四肢等の機能に障害を有する障害者を支援することができる。
なお、このような技術の一例として、例えば特許文献1には筋電の強さにより開状態と閉状態を判断する筋電義手に関する技術が記載されている。Conventionally, various artificial limbs including prosthetic hands have been used for the purpose of supplementing the work of body parts lost due to occupational accidents, accidents, illness, war damage, and the like.
With such a technique, it is possible to support a disabled person who has a disability in the function of the limbs.
As an example of such a technique, for example,
しかしながら、従来の義肢は、例えば義手であれば単に人間の手の外観を再現したものや他の身体部位の動きをワイヤで伝えるものであった。これらの義肢は、力触覚が感じられないため、把持対象物を破壊したり手放したりする可能性がある。また、上述のような筋電義手の場合、把持力の調整が困難であると共に、筋電測定時の雑音も問題とされており、多くの課題が残る。なお、このような課題は、健常者における身体の部位の感覚及び動作を代替する装置(ロボットアーム等)を実現する場合にも共通するものである。
このように、障害者等を支援するための従来の技術は、物体との相互作用における適切な位置・力の制御(位置に基づく物理量及び力に基づく物理量による制御)を実現できるものではなかった。However, conventional prosthetic limbs, for example, are those that simply reproduce the appearance of a human hand if it is a prosthetic hand, or that convey the movements of other body parts with wires. Since these artificial limbs do not feel a force sense of touch, there is a possibility of destroying or releasing the object to be grasped. Further, in the case of the myoelectric prosthetic hand as described above, it is difficult to adjust the gripping force, and noise during myoelectric measurement is also a problem, and many problems remain. Such a problem is also common in the case of realizing a device (such as a robot arm) that substitutes the sensation and action of a body part in a healthy person.
As described above, the conventional technology for assisting disabled persons cannot realize appropriate position / force control (physical quantity based on position and physical quantity based on force) in the interaction with the object. .
本発明の課題は、物体との相互作用におけるより適切な位置・力の制御を実現することである。 An object of the present invention is to realize more appropriate position / force control in the interaction with an object.
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る位置・力制御装置は、
身体の部位によって操作され、操作反力を生成する機能を有する操作装置を備えた身体感覚供給側デバイスと、
身体の部位の機能または身体の部位によって操作される装置の機能を有する実行装置を備えた身体感覚受容側デバイスと、
前記身体感覚供給側デバイスの操作位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報と、前記身体感覚受容側デバイスの出力位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報とに基づいて、前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスの出力における速度または位置の制御量と力の制御量とを算出する制御部と、
前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスの出力における前記速度または位置の制御量と前記力の制御量とを統合し、その出力を前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスに戻すべく前記速度または位置の制御量と前記力の制御量とを逆変換して、前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスへの入力を決定する統合手段と、
を備えることを特徴とする。In order to solve the above-described problem, a position / force control device according to one aspect of the present invention includes:
A body sensation supply device including an operation device that is operated by a body part and has a function of generating an operation reaction force;
A body sensory receiving device comprising an execution device having the function of a body part or the function of a device operated by a body part;
Based on speed (position) and force information corresponding to information on the operation position of the body sensation supply device, and speed (position) and force information corresponding to information on the output position of the body sensation receiving device. A control unit for calculating a control amount of speed or position and a control amount of force in the outputs of the body sensation supply device and the body sensation reception device;
The control amount of the speed or position and the control amount of the force in the outputs of the body sensation supply device and the body sensation reception device are integrated, and the output is integrated into the body sensation supply device and the body sensation reception device. An integration means for inversely transforming the control amount of the speed or position and the control amount of the force to return to the above, and determining an input to the somatosensory device and the somatosensory device;
It is characterized by providing.
本発明によれば、物体との相互作用におけるより適切な位置・力の制御を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize more appropriate position / force control in interaction with an object.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
[基本的概念]
図1は、本発明の基本的概念を示す模式図である。
本発明は、事故や疾患等により身体の部位の機能を喪失した障害者を支援するため、障害者自身の意思で運動可能な部位(健全な部位や比較的障害が軽い部位等)によって、喪失した身体の部位の感覚及び動作を代替する装置を実現するものである。
例えば、図1に示すように、右手を失った障害者の義手の把持動作を、健全な部位である足首の動作によって制御すると共に、義手に入力される作用を足首に伝達することで、障害者は右手の運動機能及び身体感覚を足首に人工的に移植することができる。
このとき、義手における指の速度(位置)及び力の制御エネルギーと、足首の速度(位置)及び力の制御エネルギーとを、後述する制御則によって相互に変換して分配することで、身体感覚が忠実に伝達される。
これにより、物体との相互作用におけるより適切な位置・力の制御が可能な位置・力制御装置を実現することができる。
ただし、本発明は障害者に限らず、健常者における身体の部位の感覚及び動作を代替する装置として実現することも可能である。さらに、本発明は、身体感覚(力触覚)を忠実に伝達する場合の他、速度(位置)あるいは力を加工して伝達する場合等、物体との相互作用におけるより適切な位置・力の制御(位置に基づく物理量及び力に基づく物理量による制御)を行う装置として実現することが可能である。
以下、本発明の位置・力制御装置の一実施形態である力触覚伝達装置の構成について説明する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Basic concept]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the basic concept of the present invention.
Since the present invention supports a disabled person who has lost the function of the body part due to an accident or disease, the loss is caused by a part that can be exercised by the disabled person's own intention (such as a healthy part or a part that is relatively lightly disabled). It realizes a device that replaces the sense and movement of the body part.
For example, as shown in FIG. 1, the grasping action of the hand of the handicapped person who has lost the right hand is controlled by the action of the ankle which is a healthy part, and the action input to the hand is transmitted to the ankle. One can artificially implant the right hand motor function and body sensation into the ankle.
At this time, the body's sensation is obtained by converting and distributing the speed (position) and force control energy of the finger in the prosthetic hand and the speed (position) and force control energy of the ankle according to the control law described later. Communicate faithfully.
As a result, a position / force control device capable of more appropriate position / force control in the interaction with the object can be realized.
However, the present invention is not limited to a handicapped person, and can also be realized as a device that substitutes the sense and action of a body part in a healthy person. Furthermore, the present invention provides more appropriate position / force control in the interaction with the object, such as when the body sense (force / tactile sensation) is faithfully transmitted, or when the speed (position) or force is processed and transmitted. It can be realized as a device that performs (control by physical quantity based on position and physical quantity based on force).
Hereinafter, the configuration of a force / tactile sensation transmission device which is an embodiment of the position / force control device of the present invention will be described.
[構成]
図2は、本発明を適用した力触覚伝達装置1の構成を示すブロック図である。
図2に示すブロック図は、本発明を適用した力触覚伝達装置1の基本的構成を示しており、具体的装置として実装する場合、各ブロックを装置構成に合わせた形態で、適宜、ユニット化すること等が可能である。
図2に示すように、力触覚伝達装置1は、制御対象システムSと、力・速度割当変換ブロックFTと、理想力源ブロックFCあるいは理想速度(位置)源ブロックPCの少なくとも一つと、逆変換ブロックIFTとを含んで構成される。なお、本実施形態においては、制御対象システムSとして、身体感覚供給側デバイスD1と、身体感覚受容側デバイスD2とが含まれる。[Constitution]
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the force / tactile
The block diagram shown in FIG. 2 shows the basic configuration of the force-tactile
As shown in FIG. 2, the force / tactile sensation transmitting
制御対象システムSは、アクチュエータによって作動するマニピュレータ(実行装置)あるいはアクチュエータによって操作反力を生成可能な操作装置によって構成され、加速度等に基づいてアクチュエータの制御を行う。
具体的には、制御対象システムSは、障害者等において身体感覚が健全な部位によって操作される身体感覚供給側デバイスD1(操作装置)と、障害者等において身体の機能が失われた部位の機能を代替する身体感覚受容側デバイスD2(実行装置)とを含んで構成される。
身体感覚供給側デバイスD1は、障害者等において身体感覚が健全な部位によって操作可能な操作インターフェースを備える操作装置であり、操作を行う身体の部位に応じた構造で構成される。例えば、足で操作を行う場合、ペダルやボタン等、足で押下可能な構造とすることができる。
身体感覚受容側デバイスD2は、障害者等において身体の機能が失われた部位の機能を代替する構造を有するマニピュレータによって構成される。例えば、失われた手の機能を代替する場合、2本のアームあるいは3本または5本の指等で構成された手の形態を備える把持装置とすることができる。The control target system S is configured by a manipulator (execution device) operated by an actuator or an operation device capable of generating an operation reaction force by the actuator, and controls the actuator based on acceleration or the like.
Specifically, the control target system S includes a body sensation supply device D1 (operation device) operated by a part where the body sensation is healthy in the handicapped person and a part where the body function is lost in the handicapped person. It comprises a somatosensory device D2 (execution device) that substitutes for the function.
The body sensation supply side device D1 is an operation device including an operation interface that can be operated by a part with a healthy body sensation in a handicapped person or the like, and has a structure corresponding to the part of the body that performs the operation. For example, when an operation is performed with a foot, a structure that can be pressed with a foot, such as a pedal or a button, can be employed.
The body sensation receiving device D2 is configured by a manipulator having a structure that substitutes for the function of the site where the body function is lost in a disabled person or the like. For example, in the case of replacing the lost hand function, a gripping device having a hand shape composed of two arms or three or five fingers can be used.
力・速度割当変換ブロックFTは、制御対象システムSに応じて設定される速度(位置)及び力の領域への制御エネルギーの変換を定義するブロックである。具体的には、力・速度割当変換ブロックFTでは、制御対象システムSの機能の基準となる値(基準値)と、アクチュエータの現在位置とを入力とする座標変換が定義されている。この座標変換は、一般に、基準値及び現在速度(位置)を要素とする入力ベクトルを速度(位置)の制御目標値を算出するための速度(位置)からなる出力ベクトルに変換すると共に、基準値及び現在の力を要素とする入力ベクトルを力の制御目標値を算出するための力からなる出力ベクトルに変換するものである。本実施形態において、力・速度割当変換ブロックFTにおける座標変換は、次式(1)及び(2)として表される。 The force / speed allocation conversion block FT is a block that defines conversion of control energy into a speed (position) and force area set in accordance with the control target system S. Specifically, in the force / speed allocation conversion block FT, coordinate conversion is defined in which a reference value (reference value) of the function of the control target system S and the current position of the actuator are input. In this coordinate conversion, generally, an input vector whose elements are a reference value and a current speed (position) is converted into an output vector composed of a speed (position) for calculating a control target value of the speed (position), and a reference value In addition, an input vector having the current force as an element is converted into an output vector composed of a force for calculating a force control target value. In the present embodiment, the coordinate transformation in the force / speed allocation transformation block FT is expressed as the following equations (1) and (2).
ただし、式(1)において、x’pは速度(位置)の状態値を導出するための速度、x’fは力の状態値に関する速度である。また、x’mは基準値(身体感覚供給側デバイスD1からの入力)の速度(身体感覚供給側デバイスD1の現在位置の微分値)、x’sは身体感覚受容側デバイスD2の現在の速度(現在位置の微分値)である。また、式(2)において、fpは速度(位置)の状態値に関する力、ffは力の状態値を導出するための力である。また、fmは基準値(身体感覚供給側デバイスD1からの入力)の力、fsは身体感覚受容側デバイスD2の現在の力である。In Equation (1), x ′ p is a speed for deriving a state value of speed (position), and x ′ f is a speed related to a force state value. X ′ m is the speed of the reference value (input from the body sensation supply device D1) (differential value of the current position of the body sensation supply device D1), and x ′ s is the current speed of the body sensation reception device D2. (Differential value of the current position). Further, in the equation (2), f p is the force on the status value of the speed (position), the f f is the force for deriving the state value of the force. Further, f m is a reference value (input from the body sensation supply device D1), and f s is a current force of the body sensation receiving device D2.
理想力源ブロックFCは、力・速度割当変換ブロックFTによって定義された座標変換に従って、力の領域における演算を行うブロックである。理想力源ブロックFCにおいては、力・速度割当変換ブロックFTによって定義された座標変換に基づく演算を行う際の力に関する目標値が設定されている。この目標値は、実現される機能に応じて固定値または可変値として設定される。例えば、基準値が示す機能と同様の機能を実現する場合には、目標値としてゼロを設定したり、スケーリングを行う場合には、再現する機能を示す情報を拡大・縮小した値を設定したりできる。 The ideal force source block FC is a block that performs calculations in the force region in accordance with the coordinate transformation defined by the force / speed allocation transformation block FT. In the ideal force source block FC, a target value related to a force when performing an operation based on the coordinate transformation defined by the force / speed allocation transformation block FT is set. This target value is set as a fixed value or a variable value depending on the function to be realized. For example, when realizing a function similar to the function indicated by the reference value, zero is set as the target value, and when scaling is performed, a value obtained by enlarging or reducing the information indicating the function to be reproduced is set. it can.
理想速度(位置)源ブロックPCは、力・速度割当変換ブロックFTによって定義された座標変換に従って、速度(位置)の領域における演算を行うブロックである。理想速度(位置)源ブロックPCにおいては、力・速度割当変換ブロックFTによって定義された座標変換に基づく演算を行う際の速度(位置)に関する目標値が設定されている。この目標値は、実現される機能に応じて固定値または可変値として設定される。例えば、基準値が示す機能と同様の機能を実現する場合には、目標値としてゼロを設定したり、スケーリングを行う場合には、再現する機能を示す情報を拡大・縮小した値を設定したりできる。 The ideal speed (position) source block PC is a block that performs calculations in the speed (position) area in accordance with the coordinate transformation defined by the force / speed assignment transformation block FT. In the ideal speed (position) source block PC, a target value related to the speed (position) when performing calculation based on the coordinate transformation defined by the force / speed allocation transformation block FT is set. This target value is set as a fixed value or a variable value depending on the function to be realized. For example, when realizing a function similar to the function indicated by the reference value, zero is set as the target value, and when scaling is performed, a value obtained by enlarging or reducing the information indicating the function to be reproduced is set. it can.
逆変換ブロックIFTは、速度(位置)及び力の領域の値を制御対象システムSへの入力の領域の値(例えば電圧値または電流値等)に変換するブロックである。
このような基本的構成により、制御対象システムSのアクチュエータにおける位置の情報が力・速度割当変換ブロックFTに入力されると、位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報を用いて、力・速度割当変換ブロックFTにおいて、位置及び力の領域それぞれの制御則が適用される。そして、理想力源ブロックFCにおいて、力の演算が行われ、理想速度(位置)源ブロックPCにおいて、速度(位置)の演算が行われ、力及び速度(位置)それぞれに制御エネルギーが分配される。なお、本実施形態においては、アクチュエータ等の位置を検出し、検出した位置から力の情報を取得する場合を例に挙げて説明するが、トルクメータ等、力を検出するセンサによって力の情報を取得することとしてもよい。The inverse conversion block IFT is a block that converts the value of the velocity (position) and force region into the value (for example, voltage value or current value) of the input region to the control target system S.
With such a basic configuration, when position information in the actuator of the control target system S is input to the force / speed allocation conversion block FT, the speed (position) and force information corresponding to the position information is used. In the force / velocity allocation conversion block FT, control laws for the position and force regions are applied. Then, the force is calculated in the ideal force source block FC, and the speed (position) is calculated in the ideal speed (position) source block PC, and the control energy is distributed to the force and the speed (position). . In the present embodiment, the case where the position of an actuator or the like is detected and the force information is acquired from the detected position will be described as an example. However, the force information is detected by a sensor that detects force, such as a torque meter. It is good also as acquiring.
理想力源ブロックFC及び理想速度(位置)源ブロックPCにおける演算結果は、制御対象システムSの制御目標を示す情報となり、これらの演算結果が逆変換ブロックIFTにおいてアクチュエータの入力値とされて、制御対象システムSに入力される。
その結果、制御対象システムSのアクチュエータは、力・速度割当変換ブロックFTによって定義された機能に従う動作を実行し、目的とする力触覚伝達装置1の動作が実現される。
即ち、本発明においては、物体との相互作用におけるより適切な位置・力の制御が可能な力触覚伝達装置1を実現することが可能となる。The calculation results in the ideal force source block FC and the ideal speed (position) source block PC are information indicating the control target of the control target system S, and these calculation results are used as the input values of the actuator in the inverse conversion block IFT, and control is performed. Input to the target system S.
As a result, the actuator of the control target system S performs an operation according to the function defined by the force / speed allocation conversion block FT, and the target operation of the force / tactile
That is, in the present invention, it is possible to realize the force / tactile
[具体的構成]
次に、力触覚伝達装置1の具体的構成について説明する。
図3は、力触覚伝達装置1の具体的構成を示す図である。
なお、図3においては、具体的な装置として実装される場合の制御系統の一形態を示している。
図4(A)は、力触覚伝達装置1が実現する身体機能の一例を示す外観図であり、図4(B)は、図4(A)に示す義手における指の駆動機構を示す模式図である。
図4(A)に示すように、力触覚伝達装置1は、制御対象システムSとして、靴の形態で実現され、内部に設置されたボタンがユーザの健全な足によって操作される身体感覚供給側デバイスD1と、3本の指を備える義手の形態で実現され、ユーザの失われた手の機能を代替する身体感覚受容側デバイスD2とを備えている。なお、図4(A)において、身体感覚供給側デバイスD1及び身体感覚受容側デバイスD2それぞれには、電流を供給するバッテリと、逆変換ブロックIFTとが備えられ、逆変換ブロックIFTの処理結果に対応する電流が供給される。また、力・速度割当変換ブロックFTと、理想力源ブロックFCあるいは理想速度(位置)源ブロックPCの少なくとも一つとは、身体感覚供給側デバイスD1または身体感覚受容側デバイスD2と一体に設置したり、不図示の別ユニットとして構成したりすることができる。さらに、身体感覚供給側デバイスD1及び身体感覚受容側デバイスD2を含む力触覚伝達装置1の各部は、例えばブルートゥース(登録商標)やWi−Fi等の無線通信によって、制御に関する情報を互いに通信可能な構成とすることができる。[Specific configuration]
Next, a specific configuration of the force / tactile
FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration of the force / tactile
In addition, in FIG. 3, one form of the control system in the case of mounting as a specific apparatus is shown.
4A is an external view showing an example of a physical function realized by the force-tactile
As shown in FIG. 4 (A), the force / tactile
以下、図4(A)に示す外観形態の力触覚伝達装置1が、図3に示す制御系統の一形態によって制御されるものとして説明する。
図3に示すように、力触覚伝達装置1は、制御対象システムS(身体感覚供給側デバイスD1及び身体感覚受容側デバイスD2)と、身体感覚対応付けユニット10と、応答値取得部20a,20bとを含んで構成される。
これらのうち、制御対象システムSについては、図2において説明した通りである。ただし、図4(A)に示す義手は、3本の指それぞれにアクチュエータが備えられ、これら複数のアクチュエータと、靴の内部に設置されたボタンに備えられた1つのアクチュエータとの間で、力触覚の伝達が行われる。また、図4(B)に示すように、各指は、アクチュエータの回転が傘歯車を介して開閉動作に変換される機構を備えている。Hereinafter, the force-tactile
As shown in FIG. 3, the force / tactile
Among these, the control target system S is as described in FIG. However, the prosthetic hand shown in FIG. 4A is provided with an actuator on each of three fingers, and a force is applied between the plurality of actuators and one actuator provided on a button installed inside the shoe. Tactile transmission is performed. Further, as shown in FIG. 4B, each finger is provided with a mechanism in which the rotation of the actuator is converted into an opening / closing operation via a bevel gear.
このとき、義手の指の動きのモードに応じて、力・速度割当変換ブロックFTを介した統合的な制御(速度(位置)及び力のバイラテラル制御)と、従来のようなアクチュエータの独立的な制御(速度(位置)または力のインピーダンス制御)とを併せて用いることで、より適切な動作が実現される。なお、インピーダンス制御とは、機械的インピーダンス(剛性、粘性及び慣性)が目的に応じた状態となるように速度(位置)及び力を制御する手法である。具体的には、義手における親指、人差し指及び中指の3本の指の動きには、(1)人差し指及び中指と親指とが互いに近づいて対象物を保持する把持モードと、(2)親指に対して人差し指と中指とが相対的に逆方向に移動する回転モードと、(3)親指、人差し指及び中指が同方向に移動する操りモードと、が成分として含まれている。そして、把持モードには上述のバイラテラル制御を用いると共に、回転モード及び操りモードにはインピーダンス制御を用いることで、種々の環境に応じて適切に対象物を把持する動作が実現される。 At this time, in accordance with the movement mode of the finger of the prosthetic hand, integrated control (bilateral control of velocity (position) and force) via the force / velocity allocation conversion block FT and the conventional actuator independent More appropriate operation can be realized by using the control together with the control (speed (position) or force impedance control). Impedance control is a technique for controlling speed (position) and force so that mechanical impedance (rigidity, viscosity, and inertia) is in a state according to the purpose. Specifically, the movement of the three fingers of the thumb, index finger, and middle finger in the prosthetic hand includes (1) a grip mode in which the index finger, the middle finger, and the thumb approach each other to hold an object; The rotation mode in which the index finger and the middle finger move in the opposite directions and (3) the operation mode in which the thumb, the index finger, and the middle finger move in the same direction are included as components. And while using the above-mentioned bilateral control for the grip mode and using the impedance control for the rotation mode and the maneuvering mode, an operation of appropriately gripping the object according to various environments is realized.
なお、靴の内部に設置されたボタンに備えられた1つのアクチュエータと、親指、人差し指及び中指それぞれに備えられたアクチュエータとでバイラテラル制御を実行する場合、力の制御に関しては、靴のアクチュエータの力と、指のアクチュエータの力とにおいて作用反作用が成り立つ(即ち、和が0となる)ことが条件である。また、速度(位置)の制御に関しては、靴のアクチュエータの速度(位置)と、指のアクチュエータの速度(位置)とが一致する(即ち、差が0となる)ことが条件である。ただし、力もしくは位置(速度)に対し係数をかける等の加工を施すことも可能である。この場合、靴のアクチュエータの制御と指のアクチュエータの制御との間で、力もしくは位置のスケーリングを行うことができる。そのため、例えば足と手(指)のように、発揮できる力が異なる部位の間で、より柔軟な力触覚の伝達を行うこと等が可能となる。また、靴のアクチュエータの力もしくは位置(速度)を把持モードや回転モード、操りモードといった変換後の空間に対応付けることも可能である。この場合、各指が対象物を把持する動作の成分(モード)を選択してユーザの足に伝達することができる。そのため、装置構成や力触覚の伝達目的等に応じて、把持動作の状況をより適切にユーザに伝達することができる。このような条件に従って制御を実行することで、自由度の異なる身体感覚供給側デバイスD1と身体感覚受容側デバイスD2とでバイラテラル制御を実行することが可能となる。 When bilateral control is executed with one actuator provided on a button installed in a shoe and actuators provided on a thumb, an index finger, and a middle finger, the force control is performed by the shoe actuator. The condition is that an action and reaction is established between the force and the force of the finger actuator (that is, the sum is zero). The speed (position) is controlled under the condition that the speed (position) of the shoe actuator matches the speed (position) of the finger actuator (that is, the difference is zero). However, it is also possible to perform processing such as applying a coefficient to force or position (speed). In this case, force or position scaling can be performed between the control of the shoe actuator and the control of the finger actuator. Therefore, for example, a more flexible force / tactile sensation can be transmitted between parts having different powers, such as a foot and a hand (finger). It is also possible to associate the force or position (speed) of the shoe actuator with the converted space such as the grip mode, the rotation mode, and the manipulation mode. In this case, it is possible to select a component (mode) of an operation in which each finger grips the object and transmit it to the user's foot. Therefore, the state of the gripping operation can be more appropriately transmitted to the user according to the device configuration, the purpose of transmitting the force / tactile sense, and the like. By executing the control according to such conditions, it is possible to execute bilateral control between the body sensation supply device D1 and the body sensation reception device D2 having different degrees of freedom.
身体感覚対応付けユニット10は、図2における力・速度割当変換ブロックFTと、理想力源ブロックFCあるいは理想速度(位置)源ブロックPCと、逆変換ブロックIFTとを含むものであり、例えば、これらの機能を実現するソフトウェアを実装したマイクロコンピュータやIC(Integrated Circuit)等の制御装置によって構成される。
応答値取得部20aは、身体感覚供給側デバイスD1のアクチュエータ(またはアクチュエータの制御対象)の位置(または速度あるいは加速度)を検出するセンサであり、検出した位置を示す情報を身体感覚対応付けユニット10に出力する。
応答値取得部20bは、身体感覚受容側デバイスD2のアクチュエータ(またはアクチュエータの制御対象)の位置(または速度あるいは加速度)を検出するセンサであり、検出した位置を示す情報を身体感覚対応付けユニット10に出力する。The body
The response
The response
[動作例]
次に、図3及び図4に示す力触覚伝達装置1の動作例を説明する。
力触覚伝達装置1を動作させる場合、靴の形態で実現された身体感覚供給側デバイスD1をユーザの健全な足に装着し、手の形態で実現された身体感覚受容側デバイスD2を、機能を失ったユーザの手に装着する。
そして、身体感覚受容側デバイスD2を、把持対象とする対象物を把持可能な位置に配置させた状態で、ユーザが身体感覚供給側デバイスD1のボタンを踏み込む。
すると、ボタンの踏み込み位置(踏み込みストローク)が応答値取得部20aによって検出され、検出された位置の情報が身体感覚対応付けユニット10に出力される。このとき、身体感覚受容側デバイスD2のアクチュエータの位置も応答値取得部20bによって検出され、検出された位置の情報が身体感覚対応付けユニット10に出力される。[Operation example]
Next, an operation example of the force / tactile
When the force / tactile
Then, the user steps on the button of the body sensation supply side device D1 in a state where the body sensation receiving side device D2 is disposed at a position where the object to be gripped can be gripped.
Then, the depression position (depression stroke) of the button is detected by the response
身体感覚対応付けユニット10は、力・速度割当変換ブロックFTの機能によって、応答値取得部20aから入力された身体感覚供給側デバイスD1の位置の情報及び応答値取得部20bから入力された身体感覚受容側デバイスD2の位置の情報を基に、(1)式及び(2)式に従う演算を行い、速度(位置)の状態値を導出するための速度x’p、力の状態値に関する速度x’f、速度(位置)の状態値に関する力fp、力の状態値を導出するための力ffを算出する。
また、身体感覚対応付けユニット10は、理想力源ブロックFCの機能によって、力の状態値に関する速度x’f及び力の状態値を導出するための力ffを基に、身体感覚供給側デバイスD1が発生する反力の目標値及び身体感覚受容側デバイスD2が発生する力の目標値を算出する。同様に、身体感覚対応付けユニット10は、理想速度(位置)源ブロックPCの機能によって、速度(位置)の状態値を導出するための速度x’p及び速度(位置)の状態値に関する力fpを基に、身体感覚供給側デバイスD1の位置の目標値及び身体感覚受容側デバイスD2の位置の目標値を算出する。The body
Further, physical
そして、身体感覚対応付けユニット10は、身体感覚供給側デバイスD1のための逆変換ブロックIFTの機能により、身体感覚供給側デバイスD1が発生する反力の目標値及び身体感覚供給側デバイスD1の位置の目標値から身体感覚供給側デバイスD1への入力(電流値)を算出し、身体感覚供給側デバイスD1に電流を供給する。同様に、身体感覚対応付けユニット10は、身体感覚受容側デバイスD2のための逆変換ブロックIFTの機能により、身体感覚受容側デバイスD2が発生する力の目標値及び身体感覚受容側デバイスD2の位置の目標値から身体感覚受容側デバイスD2への入力(電流値)を算出し、身体感覚受容側デバイスD2に電流を供給する。
このような処理が連続的に繰り返されることで、ユーザによる身体感覚供給側デバイスD1の操作及び身体感覚受容側デバイスD2に対する対象物からの作用に応じた力触覚が、バイラテラル制御によって互いに伝達される。
これにより、ユーザは、自らの足による操作によって、対象物を手で把持する場合と同様の感覚を受けることができると共に、その感覚に応じた接触力で対象物を把持することができる。
したがって、物体との相互作用におけるより適切な位置・力の制御が可能な力触覚伝達装置1を実現することができる。Then, the body
By repeating such a process continuously, the tactile sensation according to the operation of the body sensation supply side device D1 by the user and the action from the object on the body sensation reception side device D2 is transmitted to each other by bilateral control. The
As a result, the user can receive the same sensation as in the case of grasping the object by hand by an operation with his / her foot, and can grasp the object with a contact force corresponding to the sense.
Therefore, it is possible to realize the force / tactile
[実施形態の効果]
図5は、本発明の効果の一例を示す模式図であり、図5(A)は本実施形態に係る力触覚伝達装置1によって木円盤(直径数センチ程度)を移送した場合の位置の追従結果を示す図、図5(B)は従来の筋電義手によって木円盤を移送した場合の力の追従結果を示す図である。
図5(A)、(B)に示すように、本実施形態に係る力触覚伝達装置1においては、身体感覚受容側デバイスD2に入出力される位置及び力が、身体感覚供給側デバイスD1に入出力される位置及び力に追従していることがわかる。なお、図5(B)においては、座標設定の都合上、身体感覚供給側デバイスD1と身体感覚受容側デバイスD2とで、力の向きが反転して示されている(以下に示す図6(B)においても同様である)。
即ち、力触覚伝達装置1においては、木円盤を適切に把持することが可能である。
なお、筋電義手によって同様の作業を行った場合、木円盤を破損したり、途中で落としてしまったりする等、適切に把持することができなかった。また、筋電義手による場合、力触覚伝達装置1による場合に比べて、約2.8倍の作業時間を要した。これは、力触覚伝達装置1においては、対象物の形状に合わせて、各指が柔軟に把持動作を行うことができるのに対し、筋電義手においては、対象物の形状に合わせた把持動作が行えないこと、及び、筋電義手を操作するための筋肉の動作が直感的にわかり難いこと、筋電義手が出力する力の調整ができない(あるいは調整が困難である)こと等が原因であると考えられる。[Effect of the embodiment]
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of the effect of the present invention, and FIG. 5A shows the position tracking when the wood disk (about several centimeters in diameter) is transferred by the force-
As shown in FIGS. 5A and 5B, in the force / tactile
In other words, in the force / tactile
In addition, when the same operation was performed with a myoelectric prosthetic hand, the wooden disk could not be properly gripped, such as being damaged or dropped on the way. Further, in the case of using the myoelectric prosthetic hand, it took about 2.8 times as much work time as in the case of using the force-
また、図6は、本発明の効果の他の例を示す模式図であり、図6(A)は本実施形態に係る力触覚伝達装置1によって直方体(一辺数センチ程度)を移送した場合の位置の追従結果を示す図、図6(B)は従来の筋電義手によって直方体を移送した場合の力の追従結果を示す図である。
図6(A)、(B)においても、図5(A)、(B)の場合と同様に、本実施形態に係る力触覚伝達装置1においては、身体感覚受容側デバイスD2に入出力される位置及び力が、身体感覚供給側デバイスD1に入出力される位置及び力に追従していることがわかる。
即ち、力触覚伝達装置1においては、直方体を適切に把持することが可能である。
なお、筋電義手によって同様の作業を行った場合、直方体を把持する動作を成功する割合は高いものの、力触覚伝達装置1による場合に比べて、約1.7倍の作業時間を要した。即ち、筋電義手によって比較的把持し易い形状の対象物であっても、本実施形態に係る力触覚伝達装置1を用いる場合の方が、より効率的に作業を行うことができる。FIG. 6 is a schematic diagram showing another example of the effect of the present invention. FIG. 6 (A) shows a case where a rectangular parallelepiped (about several centimeters per side) is transferred by the force-
6A and 6B, as in the case of FIGS. 5A and 5B, in the force-tactile
That is, in the force / tactile
When the same operation was performed with the myoelectric prosthetic hand, although the rate of success in grasping the rectangular parallelepiped was high, the operation time was about 1.7 times that in the case of using the force-
[実現される身体機能の例]
上述の構成により、力触覚伝達装置1は、種々の身体機能を実現可能であり、力触覚伝達装置1の装置形態は、障害者が必要とする身体機能と、その障害者が装置の操作を行う健全な部位との関係で柔軟に設計することが可能である。
以下、力触覚伝達装置1によって実現可能な身体機能の例を説明する。[Examples of physical functions to be realized]
With the above-described configuration, the force / tactile
Hereinafter, examples of physical functions that can be realized by the force-
[脇で挟み込む身体感覚供給側デバイスと手の機能を実現する身体感覚受容側デバイス]
図7は、力触覚伝達装置1によって実現される身体機能の一例を示す図であり、脇で挟み込むことにより操作される身体感覚供給側デバイスD1と、手の機能を実現する身体感覚受容側デバイスD2とを示す外観図である。
図7に示すように、身体感覚供給側デバイスD1は、ヒンジによって回転可能に連結された第1の部材P1及び第2の部材P2を備え、第1の部材P1と第2の部材P2との相対的な回転角度は、ロータリーエンコーダ等のセンサによって検出される。また、身体感覚供給側デバイスD1は、第1の部材P1と第2の部材P2との相対的な回転に対して反力を発生するアクチュエータを備えている。なお、第1の部材P1はユーザの胴体側に固定され、第2の部材P2はユーザの腕側に固定される。
一方、身体感覚受容側デバイスD2は、親指に相当する1本の指と、これに対向して物体を把持可能な2本の指とを備え、これらの指における関節の動作を制御するアクチュエータをさらに備えている。また、各指の関節の角度は、ロータリーエンコーダ等のセンサによって検出される。
このような構成の下、ユーザが身体感覚供給側デバイスD1を脇に挟み込んで操作すると、第1の部材P1と第2の部材P2との相対的な回転角度が検出され、身体感覚受容側デバイスD2の各指の角度と共に、身体感覚対応付けユニット10に入力される。
すると、バイラテラル制御によって、ユーザによる身体感覚供給側デバイスD1の操作及び身体感覚受容側デバイスD2に対する対象物からの作用に応じた力触覚が互いに伝達される。
即ち、ユーザは、物体との相互作用における力触覚を脇で感じながら、対象物を手による場合と同様に取り扱うことができる。
これにより、例えば手の機能を失ったユーザにおいて、脇の力触覚を利用して自らの手の感覚に近い手の機能を代替することが可能となる。[Physical sensory supply device sandwiched between the sides and physical sensory device that realizes hand functions]
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a bodily function realized by the force / tactile
As shown in FIG. 7, the body sensation supply device D1 includes a first member P1 and a second member P2 that are rotatably connected by a hinge, and includes a first member P1 and a second member P2. The relative rotation angle is detected by a sensor such as a rotary encoder. The body sensation supply device D1 includes an actuator that generates a reaction force with respect to the relative rotation between the first member P1 and the second member P2. The first member P1 is fixed to the user's body side, and the second member P2 is fixed to the user's arm side.
On the other hand, the body sensation receiving device D2 includes one finger corresponding to the thumb and two fingers capable of gripping an object facing the thumb, and an actuator that controls the movement of the joint on these fingers. It has more. Also, the angle of each finger joint is detected by a sensor such as a rotary encoder.
Under such a configuration, when the user sandwiches and operates the body sensation supply side device D1, the relative rotation angle between the first member P1 and the second member P2 is detected, and the body sensation reception side device is detected. Along with the angle of each finger D <b> 2, it is input to the body
Then, the force / tactile sensation according to the operation of the body sensation supply device D1 by the user and the action from the object on the body sensation reception side device D2 is transmitted to each other by bilateral control.
That is, the user can handle the object in the same manner as when using the hand while feeling a force haptic in the interaction with the object by the side.
Thereby, for example, in a user who has lost the hand function, it is possible to substitute the hand function close to the feeling of his / her hand by using the side force tactile sense.
[首で挟み込む身体感覚供給側デバイスと手の機能を実現する身体感覚受容側デバイス]
図8は、力触覚伝達装置1によって実現される身体機能の一例を示す図であり、首で挟み込むことにより操作される身体感覚供給側デバイスD1と、手の機能を実現する身体感覚受容側デバイスD2とを示す外観図である。
図8に示すように、身体感覚供給側デバイスD1は、ヒンジによって回転可能に連結された第1の部材P3及び第2の部材P4を備え、第1の部材P3と第2の部材P4との相対的な回転角度は、ロータリーエンコーダ等のセンサによって検出される。また、身体感覚供給側デバイスD1は、第1の部材P3と第2の部材P4との相対的な回転に対して反力を発生するアクチュエータを備えている。なお、第1の部材P3はユーザの肩に固定され、第2の部材P4はユーザの顎に当接される。
身体感覚受容側デバイスD2は、図7に示す構成と同様である。
このような構成の下、ユーザが身体感覚供給側デバイスD1を首に挟み込んで操作すると、第1の部材P3と第2の部材P4との相対的な回転角度が検出され、身体感覚受容側デバイスD2の各指の角度と共に、身体感覚対応付けユニット10に入力される。
すると、バイラテラル制御によって、ユーザによる身体感覚供給側デバイスD1の操作及び身体感覚受容側デバイスD2に対する対象物からの作用に応じた力触覚が互いに伝達される。
即ち、ユーザは、物体との相互作用における力触覚を首で感じながら、対象物を手による場合と同様に取り扱うことができる。
これにより、例えば手の機能を失ったユーザにおいて、首の力触覚を利用して自らの手の感覚に近い手の機能を代替することが可能となる。[Physical sensory supply device sandwiched between necks and physical sensory device that realizes hand functions]
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a bodily function realized by the force / tactile
As shown in FIG. 8, the body sensation supply device D1 includes a first member P3 and a second member P4 that are rotatably connected by a hinge, and includes a first member P3 and a second member P4. The relative rotation angle is detected by a sensor such as a rotary encoder. The body sensation supply device D1 includes an actuator that generates a reaction force with respect to relative rotation between the first member P3 and the second member P4. The first member P3 is fixed to the user's shoulder, and the second member P4 is in contact with the user's chin.
The body sensation receiving device D2 has the same configuration as that shown in FIG.
Under such a configuration, when the user manipulates the body sensation supply side device D1 while sandwiching it in the neck, the relative rotation angle between the first member P3 and the second member P4 is detected, and the body sensation reception side device is detected. Along with the angle of each finger D <b> 2, it is input to the body
Then, the force / tactile sensation according to the operation of the body sensation supply device D1 by the user and the action from the object on the body sensation reception side device D2 is transmitted to each other by bilateral control.
That is, the user can handle the object in the same manner as when using the hand while feeling the force and touch in the interaction with the object with the neck.
Thereby, for example, in a user who has lost the hand function, the hand function close to the feeling of his / her hand can be substituted using the force sense of the neck.
[指に装着される身体感覚供給側デバイスと膝の機能を実現する身体感覚受容側デバイス]
図9は、力触覚伝達装置1によって実現される身体機能の一例を示す図であり、指に装着することにより操作される身体感覚供給側デバイスD1と、膝の機能を実現する身体感覚受容側デバイスD2とを示す外観図である。
図9に示すように、身体感覚供給側デバイスD1は、親指、人差し指及び中指に装着される指型の操作子P5〜P7を備え、これらの操作子P5〜P7における反力を発生するアクチュエータをさらに備えている。また、各操作子P5〜P7の関節の角度は、ロータリーエンコーダ等のセンサによって検出される。
一方、身体感覚受容側デバイスD2は、ヒンジによって回転可能に連結された第1の部材P8及び第2の部材P9を備え、第1の部材P8と第2の部材P9との相対的な回転角度は、ロータリーエンコーダ等のセンサによって検出される。また、身体感覚受容側デバイスD2は、第1の部材P8と第2の部材P9との相対的な回転を制御するアクチュエータをさらに備えている。なお、第1の部材P8はユーザの大腿部側に固定され、第2の部材P9はユーザの下腿部側に固定される。
このような構成の下、ユーザが身体感覚供給側デバイスD1を、指を折り曲げる動作によって操作すると、指型の操作子P5〜P7の関節の角度が検出され、身体感覚受容側デバイスD2の第1の部材P8と第2の部材P9との相対的な回転角度と共に、身体感覚対応付けユニット10に入力される。
すると、バイラテラル制御によって、ユーザによる身体感覚供給側デバイスD1の操作及び身体感覚受容側デバイスD2に対する対象物(地面等)からの作用に応じた力触覚が互いに伝達される。
即ち、ユーザは、物体との相互作用における力触覚を指で感じながら、対象物に対して脚による場合と同様の動作を行うことができる。
これにより、例えば膝の機能が低下したユーザにおいて、指の力触覚を利用して自らの脚の感覚に近い膝の機能を代替することが可能となる。
なお、このような構成の場合、複数の指型の操作子P5〜P7の複数の関節のうち、いずれか一つの動きを身体感覚受容側デバイスD2の動作と対応付けたり、複数の指型の操作子P5〜P7全体の動きを身体感覚受容側デバイスD2の動作と対応付けたりすることが可能である。[Physical sensory supply device to be worn on fingers and physical sensory device to realize knee function]
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a bodily function realized by the force / tactile
As shown in FIG. 9, the body sensation supply device D1 includes finger-type operating elements P5 to P7 attached to the thumb, index finger, and middle finger, and an actuator that generates a reaction force in these operating elements P5 to P7. It has more. In addition, the joint angles of the operators P5 to P7 are detected by a sensor such as a rotary encoder.
On the other hand, the body sensation receiving device D2 includes a first member P8 and a second member P9 that are rotatably connected by a hinge, and a relative rotation angle between the first member P8 and the second member P9. Is detected by a sensor such as a rotary encoder. The body sensation receiving device D2 further includes an actuator that controls relative rotation between the first member P8 and the second member P9. The first member P8 is fixed to the user's thigh side, and the second member P9 is fixed to the user's thigh side.
Under such a configuration, when the user operates the body sensation supply side device D1 by an operation of bending a finger, the joint angles of the finger-shaped operators P5 to P7 are detected, and the first body sensation reception side device D2 is detected. Together with the relative rotation angle between the member P8 and the second member P9.
Then, the force / tactile sensation according to the operation of the body sensation supply side device D1 by the user and the action from the object (such as the ground) on the body sensation reception side device D2 is transmitted to each other by bilateral control.
That is, the user can perform the same operation as the case of using the leg with respect to the object while feeling the force and touch in the interaction with the object with the finger.
As a result, for example, in a user whose knee function has deteriorated, it is possible to substitute the knee function close to the sense of his / her leg by using the force sense of touch of the finger.
In the case of such a configuration, any one of the plurality of joints of the plurality of finger-type operators P5 to P7 is associated with the movement of the body sense receiving device D2, or the plurality of finger-type operators It is possible to associate the movement of the whole of the operators P5 to P7 with the operation of the body sensation receiving device D2.
[脇で挟み込む身体感覚供給側デバイスと操作対象の機能を実現する身体感覚受容側デバイス]
本実施形態における力触覚伝達装置1によって、身体機能を実現する場合の他、実現された身体機能による操作対象物に直接作用する装置とすることも可能である。
図10は、力触覚伝達装置1によって実現される、身体機能による操作対象物に直接作用する装置の一例を示す図であり、脇で挟み込むことにより操作される身体感覚供給側デバイスD1と、手の機能による操作対象物である電動ステアリング装置に直接作用する身体感覚受容側デバイスD2とを示す外観図である。
図10において、身体感覚供給側デバイスD1は、図7に示す構成と同様である。
一方、身体感覚受容側デバイスD2は、電動ステアリング装置(具体的には、ステアリング操作を制御するアクチュエータ)として構成される。
このような構成の下、ユーザが身体感覚供給側デバイスD1を脇に挟み込んで操作すると、第1の部材P1と第2の部材P2との相対的な回転角度が検出され、身体感覚受容側デバイスD2のアクチュエータの位置の情報と共に、身体感覚対応付けユニット10に入力される。図10に示す構成では、例えば、脇を基準位置から開くと左に転舵する操作、脇を基準位置から閉じると右に転舵する操作に設定することができる。
すると、バイラテラル制御によって、ユーザによる身体感覚供給側デバイスD1の操作及び身体感覚受容側デバイスD2に対する対象物(操向輪)からの作用に応じた力触覚が互いに伝達される。
即ち、ユーザは、物体との相互作用における力触覚を脇で感じながら、対象物を手による場合と同様に取り扱うことができる。
これにより、例えば手の機能を失ったユーザにおいて、脇の力触覚を利用して自らの手でハンドルを操作する場合と同様の感覚で、自動車の操舵操作を行うことが可能となる。[Physical sensory supply device sandwiched between the sides and physical sensory receiving device that realizes the function of the operation target]
The force / tactile
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a device that directly acts on an operation target based on a physical function, realized by the force / tactile
10, the body sensation supply device D1 has the same configuration as that shown in FIG.
On the other hand, the body sensation receiving device D2 is configured as an electric steering device (specifically, an actuator that controls a steering operation).
Under such a configuration, when the user sandwiches and operates the body sensation supply side device D1, the relative rotation angle between the first member P1 and the second member P2 is detected, and the body sensation reception side device is detected. Along with information on the position of the actuator of D2, it is input to the body
Then, the force / tactile sensation according to the operation of the body sensation supply side device D1 by the user and the action from the object (steering wheel) on the body sensation reception side device D2 is transmitted to each other by bilateral control.
That is, the user can handle the object in the same manner as when using the hand while feeling a force haptic in the interaction with the object by the side.
As a result, for example, a user who has lost the hand function can perform the steering operation of the automobile with the same feeling as when operating the steering wheel with his / her hand using the force sense of the side.
[デバイスの構成例]
次に、本発明の身体感覚供給側デバイスD1及び身体感覚受容側デバイスD2を実現する具体的なデバイスの構成例について説明する。
[身体感覚供給側デバイスの構成例]
図11は、身体感覚供給側デバイスD1の具体的な構成例を示す図であり、図11(A)は指先側を前方として身体感覚供給側デバイスD1を左後方から見た斜視図、図11(B)は指先側を前方として身体感覚供給側デバイスD1を左前方から見た斜視図である。
図11に示す身体感覚供給側デバイスD1は、例えば、図9に示す身体機能を実現するための身体感覚供給側デバイスD1として用いることができる。
図11において、身体感覚供給側デバイスD1は、操作子P5〜P7を備え、これら操作子P5〜P7は、それぞれ親指、人差し指及び中指に装着される指先形状のカバーを有している。また、身体感覚供給側デバイスD1は、これらの操作子P5〜P7それぞれにおける反力を発生するアクチュエータM1〜M3をさらに備えている。そして、傘歯車等を用いたギア機構G1〜G3を介してアクチュエータM1〜M3と操作子P5〜P7(カバー)とが連結されることで、ユーザの親指、人差し指及び中指と操作子P5〜P7とが、リンク構造上、同軸に関節(可動軸)を配置された構造となっている。なお、各操作子P5〜P7の関節の角度は、ロータリーエンコーダ等のセンサによって検出される。
このような構成により、ユーザは、指先形状を有する3本のカバーに指を入れて操作子P5〜P7を装着することにより、人間本来の動きを阻害されることなく、身体感覚供給側デバイスD1との間で動きを伝達することが可能となる。
ちなみに、アクチュエータM1〜M3を、図11のように関節を同軸とすることなく取り付けると、指の関節と外骨格ロボットである身体感覚供給側デバイスD1の関節との位置がずれ、違和感が生じてしまう。
これに対し、図11に示すデバイスの構成例では、傘歯車等を用いたギア機構G1〜G3を介することで、指の関節と身体感覚供給側デバイスD1の関節とが同軸上に配置されるため、ユーザは、身体感覚供給側デバイスD1との間で違和感なく動作の伝達を行うことができる。[Device configuration example]
Next, a configuration example of a specific device that realizes the body sensation supply side device D1 and the body sensation reception side device D2 of the present invention will be described.
[Configuration example of the body sensation supply device]
FIG. 11 is a diagram illustrating a specific configuration example of the body sensation supply side device D1, and FIG. 11A is a perspective view of the body sensation supply side device D1 as viewed from the left rear side with the fingertip side as the front. (B) is the perspective view which looked at the body sensation supply side device D1 from the left front, with the fingertip side as the front.
The body sensation supply device D1 shown in FIG. 11 can be used as, for example, the body sensation supply device D1 for realizing the body function shown in FIG.
In FIG. 11, the body sensation supply device D <b> 1 includes operation elements P <b> 5 to P <b> 7, and these operation elements P <b> 5 to P <b> 7 have fingertip-shaped covers that are attached to the thumb, index finger, and middle finger, respectively. The body sensation supply device D1 further includes actuators M1 to M3 that generate reaction forces in the operators P5 to P7. Then, the actuators M1 to M3 and the operators P5 to P7 (cover) are connected via gear mechanisms G1 to G3 using bevel gears, etc., so that the user's thumb, index finger and middle finger and the operators P5 to P7 are connected. However, on the link structure, the joint (movable shaft) is arranged coaxially. The joint angles of the operators P5 to P7 are detected by a sensor such as a rotary encoder.
With this configuration, the user puts his finger into the three covers having the fingertip shape and wears the operators P5 to P7, so that the human body's original movement is not hindered and the body sensation supply side device D1. It is possible to transmit movement between the two.
By the way, when the actuators M1 to M3 are attached without making the joints coaxial as shown in FIG. 11, the positions of the finger joints and the joints of the body sensation supply side device D1 that is an exoskeleton robot are shifted, resulting in a sense of incongruity. End up.
On the other hand, in the configuration example of the device shown in FIG. 11, the joint of the finger and the joint of the body sensation supply side device D1 are coaxially arranged through the gear mechanisms G1 to G3 using bevel gears or the like. Therefore, the user can transmit an operation | movement without a sense of incongruity between the body sensation supply side devices D1.
また、図12は、身体感覚供給側デバイスD1の具体的な他の構成例を示す図である。
なお、図12においては、指先側を前方として身体感覚供給側デバイスD1を左前方から見た斜視図を示している。
図12に示す構成例では、図11に示す構成例に対し、操作子P5〜P7が、指先形状のカバー部材に代えて、リング部材を有していると共に、リンク機構を介してアクチュエータM1〜M3と操作子P5〜P7(リング部材)とが連結されることで、ユーザの親指、人差し指及び中指と操作子P5〜P7とが、リンク構造上、実質的に同軸に関節(可動軸)を配置されたものとなっている。
図12に示す構成例においても、図11に示す構成例と同様に、ユーザは、リング部材に3本の指を入れて操作子P5〜P7を装着することにより、人間本来の動きを阻害されることなく、身体感覚供給側デバイスD1との間で動きを伝達することが可能となる。
また、図12に示す構成例では、ギア機構を削減できるため、省スペース化を図ることができる。FIG. 12 is a diagram illustrating another specific configuration example of the body sensation supply device D1.
In addition, in FIG. 12, the perspective view which looked at the body sensation supply side device D1 from the front left side with the fingertip side as the front is shown.
In the configuration example shown in FIG. 12, in contrast to the configuration example shown in FIG. 11, the operating elements P5 to P7 have ring members instead of fingertip-shaped cover members, and actuators M1 to M1 via a link mechanism. By connecting M3 and the operating elements P5 to P7 (ring members), the thumb, index finger and middle finger of the user and the operating elements P5 to P7 have joints (movable shafts) substantially coaxially on the link structure. It has been arranged.
Also in the configuration example shown in FIG. 12, as in the configuration example shown in FIG. 11, the user is obstructed by the original human movement by putting three fingers on the ring member and wearing the controls P5 to P7. It is possible to transmit motion to and from the body sensation supply device D1.
In the configuration example shown in FIG. 12, the gear mechanism can be reduced, so that space can be saved.
[身体感覚供給側デバイスの構成例]
図13は、身体感覚受容側デバイスD2の具体的な構成例を示す図である。
図13に示す身体感覚受容側デバイスD2は、例えば、図7に示す身体機能を実現するための身体感覚受容側デバイスD2として用いることができる。
図13に示すように、身体感覚受容側デバイスD2は、人間の腕の構造を模した腕型マニピュレータに設置された構成とすることができる。
図13に示す構成例では、右腕及び左腕に相当する2つの腕型マニピュレータMP1,MP2が一組とされ、各腕型マニピュレータMP1,MP2は、支持部材31と、ブラケット32と、第1腕部材33と、第2腕部材34と、ハンド部材35(身体感覚受容側デバイスD2)とを有している。
ブラケット32は、支持部材31に鉛直方向の回転軸を介して取り付けられ、支持部材31に対し、アクチュエータM4によって鉛直方向の回転軸周りに回転可能となっている。また、第1腕部材33は、ブラケット32に水平方向の回転軸を介して取り付けられ、ブラケット32に対し、アクチュエータM5によって水平方向の回転軸周りに回転可能となっている。また、第2腕部材34は、第1腕部材33に水平方向の回転軸を介して取り付けられ、第1腕部材33に対し、ベルト等を介して第2腕部材34と連結されているアクチュエータM6によって水平方向の回転軸周りに回転可能となっている。ハンド部材35(身体感覚受容側デバイスD2)は、第2腕部材34に対し、第2腕部材34の長手方向の回転軸を介して取り付けられ、第2腕部材34に対し、第2腕部材34に内蔵されたアクチュエータM7によって長手方向の回転軸周りに回転可能となっている。また、ハンド部材35は、親指、人差し指及び中指に相当する指先形状の指部材35a〜35cを有している。そして、ハンド部材35は、これらの指部材35a〜35cの動作を制御するアクチュエータM8〜M10をさらに備えている。
このような腕型マニピュレータMP1,MP2は、人間に近い関節構造(肩関節、肘関節、手首関節及び指関節)を持ち、片腕に7自由度を有するものとなる。そして、腕型マニピュレータMP1,MP2においては、ハンド部材35(身体感覚受容側デバイスD2)によって対象物を把持する場合に、より自然な姿勢での把持動作を行うことができる。
即ち、腕の機能を失ったユーザにおいて、自らの腕の感覚に近い腕の機能を代替することが可能になる。[Configuration example of the body sensation supply device]
FIG. 13 is a diagram illustrating a specific configuration example of the body sensation receiving device D2.
The body sensation receiving device D2 shown in FIG. 13 can be used as, for example, the body sensation receiving device D2 for realizing the body function shown in FIG.
As shown in FIG. 13, the body sensation receiving device D2 can be configured to be installed in an arm-type manipulator that imitates the structure of a human arm.
In the configuration example shown in FIG. 13, two arm-type manipulators MP1 and MP2 corresponding to the right arm and the left arm are made into one set, and each arm-type manipulator MP1 and MP2 includes a
The
Such arm type manipulators MP1 and MP2 have joint structures (shoulder joints, elbow joints, wrist joints, and finger joints) close to humans, and have seven degrees of freedom in one arm. In the arm-type manipulators MP1 and MP2, when the object is gripped by the hand member 35 (the body sensation receiving device D2), a gripping operation in a more natural posture can be performed.
That is, it becomes possible for a user who has lost the function of the arm to substitute the function of the arm that is close to the sense of the arm.
[応用例]
力触覚伝達装置1の構成として、障害者等の食事を支援する装置を構成することができる。
図14は、障害者等の食事を支援する装置として構成した力触覚伝達装置1の外観図である。
図14に示す力触覚伝達装置1において、身体感覚供給側デバイスD1は、図9に示す構成と同様である。
一方、身体感覚受容側デバイスD2は、スタンド100と、操作部200と、伸縮部300と、転回部400と、ピックアップ部500とを含んで構成される。
これらのうち、操作部200は、スタンド100に連結され、スタンド100に対して鉛直方向及び水平方向に回転可能に支持されている。操作部200の上端部は、ユーザが顎を当接させてピックアップ部500の方向を定めるためのインターフェースを構成している。また、操作部200には、伸縮部300のラックギアを移動させるピニオンギア及びアクチュエータが内蔵されている。[Application example]
As the configuration of the force-tactile
FIG. 14 is an external view of the force-tactile
In the force / tactile
On the other hand, the body sensation receiving device D2 includes a
Among these, the
伸縮部300は、操作部200に内蔵されたアクチュエータによって操作部200から進退可能に構成されたラックギアを備えている。
転回部400は、伸縮部300とピックアップ部500とを連結し、伸縮部300に対してピックアップ部500を、操作部200側及び操作部200と反対側に180度回転させる。また、転回部400には、このような転回動作を制御するアクチュエータが内蔵されている。
ピックアップ部500は、転回部400と連結された支持部材501の先端に、食物を突き刺して保持可能な銛部材502を備えている。The
The
The
図14に示す力触覚伝達装置1では、例えば、身体感覚供給側デバイスD1において、人差し指の動きが伸縮部300の進退動作に対応し、親指の動きがピックアップ部500により食物を突き刺す動作(所定の反力まで、あるいは、ユーザの親指に力触覚を伝達して伸縮部300を伸長させる動作)に対応し、中指の動きが転回部400の転回動作に対応する構成とできる。
このような構成の下、ユーザが食物を視認しながら顎でピックアップ部500の方向を定め、指型の操作子P5〜P7を指で操作することで、ピックアップ部500によって食物を刺す動作を行わせる。
例えば、初めに、ユーザは、中指の動きにより、折り畳まれたピックアップ部500を食物方向に転回させる。In the force / tactile
Under such a configuration, the user determines the direction of the
For example, first, the user turns the folded
さらに、ユーザは、食物を視認しながら顎でピックアップ部500の方向を定め、人差し指の動きにより、伸縮部300を伸長させて、ピックアップ部500を目的とする食物付近に配置させる。
そして、ユーザは、親指の動きにより、ピックアップ部500を目的とする食物に突き刺す。
これにより、力触覚伝達装置1が食物を保持した状態となる。
この後、ユーザは、人差し指の動きにより、伸縮部300を収縮させる。
さらに、ユーザは、中指の動きにより、ピックアップ部500を折り畳む方向(操作部200側)に転回させる。Further, the user determines the direction of the
And a user stabs the food which aims at the pick-up
Thereby, the force / tactile
Thereafter, the user contracts the
Further, the user turns the
これにより、ピックアップ部500に保持された食物が、ユーザの口元付近に移動される。
すると、ユーザは目的とする食物を食べることができる。
このような動作を繰り返すことで、食物を手で食べることができないユーザが、自力で食物を食べることが可能になり、自らの力で食事をしているという達成感を得ながら食事を行うことが可能となる。Thereby, the food held in the
Then, the user can eat the target food.
By repeating such actions, users who cannot eat food by hand can eat food by themselves and eat while getting a sense of accomplishment that they are eating by their own power Is possible.
以上のように構成される力触覚伝達装置1は、身体感覚供給側デバイスD1と、身体感覚受容側デバイスD2と、身体感覚対応付けユニット10とを備える。
身体感覚供給側デバイスD1は、身体の部位によって操作され、操作反力を生成する機能を有する操作装置を備えている。
身体感覚受容側デバイスD2は、身体の部位の機能または身体の部位によって操作される装置の機能を有する実行装置を備えている。
身体感覚対応付けユニット10は、身体感覚供給側デバイスD1の操作位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報と、身体感覚受容側デバイスD2の出力位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報とに基づいて、身体感覚供給側デバイスD1及び身体感覚受容側デバイスD2の出力における速度または位置の制御量と力の制御量とを算出する。
また、身体感覚対応付けユニット10は、身体感覚供給側デバイスD1及び身体感覚受容側デバイスD2の出力における速度または位置の制御量と力の制御量とを統合し、その出力を身体感覚供給側デバイスD1及び身体感覚受容側デバイスD2に戻すべく速度または位置の制御量と力の制御量とを逆変換して、身体感覚供給側デバイスD1及び身体感覚受容側デバイスD2への入力を決定する。
これにより、ユーザによる身体感覚供給側デバイスD1の操作及び身体感覚受容側デバイスD2に対する対象物からの作用に応じた力触覚が互いに伝達される。
これにより、ユーザは、自らの身体の健全な部位等による操作によって、身体の部位の機能で対象物を取り扱う場合、または、身体の部位によって操作される装置を自らの身体で操作する場合と同様の感覚を受けることができると共に、その感覚に応じて対象物を取り扱うことができる。
したがって、物体との相互作用におけるより適切な位置・力の制御が可能な力触覚伝達装置1を実現することができる。The force / tactile
The body sensation supply side device D1 includes an operation device that is operated by a body part and has a function of generating an operation reaction force.
The body sensation receiving device D2 includes an execution device having a function of a body part or a function of an apparatus operated by the body part.
The body
The body
Thereby, the tactile sensation according to the operation of the body sensation supply side device D1 by the user and the action from the object on the body sensation reception side device D2 is transmitted to each other.
Thereby, when the user handles an object with the function of the body part by an operation with a healthy part or the like of his / her body, or when the device operated by the body part is operated with his / her body And can handle objects according to the sense.
Therefore, it is possible to realize the force / tactile
また、身体感覚対応付けユニット10は、力・速度割当変換ブロックFTと、理想速度(位置)源ブロックPCと、理想力源ブロックFCとを備える。
力・速度割当変換ブロックFTは、身体感覚供給側デバイスD1の操作位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報を基準として、身体感覚供給側デバイスD1の操作位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報と身体感覚受容側デバイスD2の出力位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報とに基づいて、身体感覚供給側デバイスD1における操作と身体感覚受容側デバイスD2の出力とをバイラテラル制御するように、制御エネルギーを速度または位置のエネルギーと力のエネルギーとに割り当てる変換を行う。
理想速度(位置)源ブロックPCは、力・速度割当変換ブロックFTによって割り当てられた速度または位置のエネルギーに基づいて、速度または位置の制御量を算出する。
理想力源ブロックFCは、力・速度割当変換ブロックFTによって割り当てられた力のエネルギーに基づいて、力の制御量を算出する。
これにより、身体感覚供給側デバイスD1の操作位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報を基準として、身体感覚供給側デバイスD1における操作と身体感覚受容側デバイスD2の出力とをバイラテラル制御することが可能となるため、身体感覚受容側デバイスD2を介してユーザの身体と同様の感覚で対象物を取り扱うことができる。The body
The force / speed allocation conversion block FT uses the speed (position) and force information corresponding to the information related to the operation position of the body sensation supply side device D1 as a reference, and the speed corresponding to the information related to the operation position of the body sensation supply side device D1. Based on (position) and force information and speed (position) and force information corresponding to information on the output position of the body sensation receiving device D2, the operation in the body sensation supply device D1 and the body sensation receiving device D2 The control energy is converted into velocity or position energy and force energy so as to bilaterally control the output of.
The ideal speed (position) source block PC calculates a speed or position control amount based on the speed or position energy assigned by the force / speed assignment conversion block FT.
The ideal force source block FC calculates a force control amount based on the force energy assigned by the force / speed assignment conversion block FT.
Thereby, the operation in the body sensation supply side device D1 and the output from the body sensation reception side device D2 are bilaterally based on the speed (position) and force information corresponding to the information regarding the operation position of the body sensation supply side device D1. Since it becomes possible to control, the object can be handled with a sense similar to that of the user's body via the body sense receiving device D2.
身体感覚供給側デバイスD1は、ヒンジによって回転可能に連結された第1の部材P1及び第2の部材P2を備え、第1の部材P1に対する第2の部材P2の回転位置を変化させることによって操作が行われる。
これにより、単純な動作によって身体感覚受容側デバイスD2を操作することができるため、身体に障害を有するユーザ等においても、容易に身体感覚受容側デバイスD2を操作することができる。The body sensation supply device D1 includes a first member P1 and a second member P2 that are rotatably connected by a hinge, and is operated by changing a rotational position of the second member P2 with respect to the first member P1. Is done.
Thereby, since the body sensation receiving device D2 can be operated by a simple operation, the body sensation receiving device D2 can be easily operated even by a user having a physical disability.
身体感覚受容側デバイスD2は、複数の指を備え、物体を把持可能な手の形状を有するマニピュレータとして構成される。
これにより、手の機能を失ったユーザにおいて、自らの手の感覚に近い手の機能を代替することが可能となる。The body sensation receiving device D2 includes a plurality of fingers and is configured as a manipulator having a hand shape capable of gripping an object.
Thereby, in the user who lost the hand function, it becomes possible to substitute the hand function close to the feeling of his / her hand.
身体感覚供給側デバイスD2は、指に装着される操作子を備え、指の可動軸と、当該指の可動軸に対応する操作子の可動軸とのうち、少なくともいずれかが同軸に配置されている。
これにより、ユーザは、人間本来の動きを阻害されることなく、身体感覚供給側デバイスとの間で動きを伝達することが可能となる。The body sensation supply device D2 includes an operation element attached to the finger, and at least one of the movable axis of the finger and the movable axis of the operation element corresponding to the movable axis of the finger is arranged coaxially. Yes.
Thereby, the user can transmit the movement to and from the body sensation supply side device without hindering the human original movement.
身体感覚受容側デバイスD2は、自動車の操舵操作を行うための電動ステアリング装置として構成される。
これにより、手の機能を失ったユーザにおいて、自らの手でハンドルを操作する場合と同様の感覚で、自動車の操舵操作を行うことが可能となる。The body sensation receiving device D2 is configured as an electric steering device for performing a steering operation of an automobile.
As a result, a user who has lost the hand function can perform the steering operation of the vehicle with the same feeling as when the steering wheel is operated with his / her hand.
1 力触覚伝達装置、S 制御対象システム、FT 力・速度割当変換ブロック、FC 理想力源ブロック、PC 理想速度(位置)源ブロック、IFT 逆変換ブロック、D1
身体感覚供給側デバイス、D2 身体感覚受容側デバイス、10 身体感覚対応付けユニット、20a,20b 応答値取得部、P1,P3,P8 第1の部材、P2,P4,P9 第2の部材、P5〜P7 指型の操作子、M1〜M10 アクチュエータ、G1〜G3 ギア機構、MP1,MP2 腕型マニピュレータ、31,501 支持部材、32
ブラケット、33 第1腕部材、34 第2腕部材、35 ハンド部材、35a〜35c 指部材、100 スタンド、200 操作部、300 伸縮部、400 転回部、500 ピックアップ部、502 銛部材1 Force / tactile transmission device, S controlled system, FT force / speed allocation conversion block, FC ideal force source block, PC ideal speed (position) source block, IFT inverse conversion block, D1
Body sensation supply side device, D2 Body sensation reception side device, 10 Body sensation association unit, 20a, 20b Response value acquisition unit, P1, P3, P8 first member, P2, P4, P9 second member, P5 P7 finger type operation element, M1 to M10 actuator, G1 to G3 gear mechanism, MP1, MP2 arm type manipulator, 31,501 support member, 32
Bracket, 33 First arm member, 34 Second arm member, 35 Hand member, 35a to 35c Finger member, 100 stand, 200 operation unit, 300 telescopic unit, 400 turning unit, 500 pickup unit, 502 collar member
Claims (6)
身体の部位の機能または身体の部位によって操作される装置の機能を有する実行装置を備えた身体感覚受容側デバイスと、
前記身体感覚供給側デバイスの操作位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報と、前記身体感覚受容側デバイスの出力位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報とに基づいて、前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスの出力における速度または位置の制御量と力の制御量とを算出する制御部と、
前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスの出力における前記速度または位置の制御量と前記力の制御量とを統合し、その出力を前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスに戻すべく前記速度または位置の制御量と前記力の制御量とを逆変換して、前記身体感覚供給側デバイス及び前記身体感覚受容側デバイスへの入力を決定する統合手段と、
を備えることを特徴とする位置・力制御装置。A body sensation supply device including an operation device that is operated by a body part and has a function of generating an operation reaction force;
A body sensory receiving device comprising an execution device having the function of a body part or the function of a device operated by a body part;
Based on speed (position) and force information corresponding to information on the operation position of the body sensation supply device, and speed (position) and force information corresponding to information on the output position of the body sensation receiving device. A control unit for calculating a control amount of speed or position and a control amount of force in the outputs of the body sensation supply device and the body sensation reception device;
The control amount of the speed or position and the control amount of the force in the outputs of the body sensation supply device and the body sensation reception device are integrated, and the output is integrated into the body sensation supply device and the body sensation reception device. An integration means for inversely transforming the control amount of the speed or position and the control amount of the force to return to the above, and determining an input to the somatosensory device and the somatosensory device;
A position / force control device comprising:
前記身体感覚供給側デバイスの操作位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報を基準として、前記身体感覚供給側デバイスの操作位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報と前記身体感覚受容側デバイスの出力位置に関する情報に対応する速度(位置)及び力の情報とに基づいて、前記身体感覚供給側デバイスにおける操作と前記身体感覚受容側デバイスの出力とをバイラテラル制御するように、制御エネルギーを速度または位置のエネルギーと力のエネルギーとに割り当てる変換を行う力・速度割当変換手段と、
前記力・速度割当変換手段によって割り当てられた速度または位置のエネルギーに基づいて、速度または位置の制御量を算出する位置制御量算出手段と、
前記力・速度割当変換手段によって割り当てられた力のエネルギーに基づいて、力の制御量を算出する力制御量算出手段と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の位置・力制御装置。The controller is
The speed (position) and force information corresponding to the information on the operation position of the body sensation supply device, and the information on the speed (position) and force corresponding to the information on the operation position of the body sensation supply device, and the information Bilateral control of the operation on the body sensory supply device and the output of the body sensory receiving device based on the speed (position) and force information corresponding to the information on the output position of the body sensory receiving device In addition, force / speed allocation conversion means for converting the control energy into speed or position energy and force energy,
Position control amount calculation means for calculating a control amount of speed or position based on the energy of speed or position assigned by the force / speed assignment conversion means;
Force control amount calculation means for calculating a force control amount based on the energy of the force assigned by the force / speed assignment conversion means;
The position / force control device according to claim 1, comprising:
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