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JP2014197343A - Kinesthetic sense presentation device and method - Google Patents

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JP2014197343A
JP2014197343A JP2013073156A JP2013073156A JP2014197343A JP 2014197343 A JP2014197343 A JP 2014197343A JP 2013073156 A JP2013073156 A JP 2013073156A JP 2013073156 A JP2013073156 A JP 2013073156A JP 2014197343 A JP2014197343 A JP 2014197343A
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JP
Japan
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force
hardness
unit
displacement
displacement member
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Pending
Application number
JP2013073156A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
小池 康晴
Yasuharu Koike
康晴 小池
健嗣 川嶋
Kenji Kawashima
健嗣 川嶋
耕太郎 只野
Kotaro Tadano
耕太郎 只野
恭裕 山本
Yasuhiro Yamamoto
恭裕 山本
久美代 中小路
Kumiyo Nakakoji
久美代 中小路
伸人 松原
Nobuto Matsubara
伸人 松原
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SRA KK
Tokyo Institute of Technology NUC
Original Assignee
SRA KK
Tokyo Institute of Technology NUC
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a kinesthetic sense presentation device and kinesthetic sense presentation method capable of appropriately presenting a kinesthetic sense without any need of a sensor for presenting the kinesthetic sense.SOLUTION: The kinesthetic sense presentation device includes: a mechanism that includes a displacement member capable of displacing and can observe a displacement part from the outside; and a hardness control unit that controls the displacement member to that with prescribed hardness. In the kinesthetic sense presentation device, when external force is applied to the displacement member that is controlled to the prescribed hardness, the displacement member is displaced. A displacement magnitude thereof corresponds to a magnitude of the external force, so that the kinesthetic sense presentation device can further appropriately present the kinesthetic sense. Consequently, the kinesthetic sense presentation device can appropriately present the kinesthetic sense without any need of a sensor for presenting the kinesthetic sense.

Description

本発明は、変位可能な変位部材に作用した外力の大きさを提示する力覚提示装置および力覚提示方法に関する。   The present invention relates to a force sense presentation device and a force sense presentation method for presenting the magnitude of an external force applied to a displaceable displacement member.

人間が行う作業を置き換えたい場合、特に前記作業が人間の入れない場所である場合、近年、ロボットの活用が進展してきている。このロボットの1つに、例えば鉗子マニピュレータを備えた鉗子ロボット等の医療用ロボットが知られている。この医療用ロボットには、生体組織を不必要に傷つけない安全性が要求されており、医療用ロボットの操作者(オペレータ、ユーザ)に力覚の提示が有効である。前記操作者への力覚のフィードバックは、例えば臓器等の生体組織にかかる負荷力を低減し、生体組織の損傷を防止または低減できる。   In recent years, the use of robots has progressed when it is desired to replace work performed by humans, particularly when the work is a place where humans cannot enter. For example, a medical robot such as a forceps robot including a forceps manipulator is known as one of the robots. This medical robot is required to have safety that does not unnecessarily damage a living tissue, and it is effective to present a sense of force to an operator (operator or user) of the medical robot. The feedback of the sense of force to the operator can reduce a load force applied to a living tissue such as an organ, and can prevent or reduce damage to the living tissue.

このような力覚の提示を可能にした技術は、例えば、非特許文献1に開示されている。この非特許文献1に開示の技術は、鉗子先端部に2つの歪みゲージを取り付け、鉗子駆動部に3軸の力センサおよび把持力計測用の力センサをそれぞれ取り付けることによって並進成分3自由度と把持1自由度との力覚の提示を可能にしている。   For example, Non-Patent Document 1 discloses a technique that enables presentation of such a force sense. In the technique disclosed in Non-Patent Document 1, two strain gauges are attached to the tip of the forceps, and a triaxial force sensor and a force sensor for gripping force measurement are attached to the forceps driving unit, respectively, and the translational component has three degrees of freedom. A force sense with one degree of freedom of gripping can be presented.

Phongsaen Pitakwatchara,Shinichi Warisawa, and Mamoru Mitsuishi.Force feedback augmentation modes in the laparoscopic minimal invasive telesurgical system.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.12,No.4,pp.447−454,2007Phongsaen Pitakwatchara, Shinichi Warisawa, and Mamoru Mitsubishi. Force fedback augmentation models in the laparoscopic minimal invasive therapeutic system. IEEE / ASME Transactions on Mechanicals, Vol. 12, no. 4, pp. 447-454, 2007

ところで、前記非特許文献1に開示の技術では、力覚を提示するために、歪みゲージや力センサ等のセンサが必要である。このため、センサを取り付けるスペースをロボットに確保する必要がある。特に、医療用ロボットの中でも手術用ロボットのように、もともとサイズの小さい装置では、取り付けスペースの確保が難しい。   By the way, the technique disclosed in Non-Patent Document 1 requires a sensor such as a strain gauge or a force sensor in order to present a force sense. For this reason, it is necessary to secure a space for mounting the sensor in the robot. In particular, it is difficult to secure a mounting space with a small-sized apparatus such as a surgical robot among medical robots.

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、力覚を提示するためのセンサを不要とし、力覚を適切に提示することができる力覚提示装置および力覚提示方法を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to eliminate the need for a sensor for presenting a force sense, and to provide a force sense presentation device and force sense that can appropriately present the force sense. It is to provide a presentation method.

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる力覚提示装置は、変位可能な変位部材を含み変位部分を外部から観察可能な機構と、前記変位部材を所定の硬さに制御する硬さ制御部とを備えることを特徴とする。   As a result of various studies, the present inventor has found that the above object is achieved by the present invention described below. That is, the force sense presentation device according to one aspect of the present invention includes a mechanism that includes a displaceable displacement member and that can observe a displacement portion from the outside, and a hardness control unit that controls the displacement member to a predetermined hardness. It is characterized by providing.

このような力覚提示装置は、変位部材に外力が作用すると前記外力に応じて前記変位部材が変位する。このため、ユーザは、前記変位部材の変位量を観察することで、擬似力覚により、前記変位部材に作用した前記外力の大きさを認識することができる。したがって、このような力覚提示装置は、力覚を提示するためのセンサを必要としない。擬似力覚とは、例えば視覚や振動刺激等の力覚とは異なる知覚で生じる力覚の錯覚である。ここで、或る所定の第1硬さの変位部材に或る所定の第1外力が作用した場合における前記変位部材の第1変位量と、前記第1硬さと異なる第2硬さの変位部材に同じ大きさの前記第1外力が作用した場合における前記変位部材の第2変位量とは、異なる。このように変位部材の変位量は、位置に比例する項と速度に比例する項とから求められる前記変位部材のインピーダンス(粘弾性)に依存する。ここで、前記速度に比例する項を一定とすると、前記変位部材の変位は、前記変位部材の硬さに依存することになる。そして、上記力覚提示装置では、変位部材の硬さは、硬さ制御部によって制御されている。したがった、上記力覚提示装置では、変位部材が所定の硬さに制御された制御下で、外力が作用することによって変位部材が変位するので、その変位量は、外力の大きさに対応することになり、上記力覚提示装置は、より適切に力覚を提示することができる。したがって、このような力覚提示装置は、力覚を提示するためのセンサを必要とすることなく、力覚を適切に提示することができる。   In such a force sense presentation device, when an external force acts on the displacement member, the displacement member is displaced according to the external force. For this reason, the user can recognize the magnitude of the external force acting on the displacement member by observing the displacement amount of the displacement member based on the pseudo force sense. Therefore, such a force sense presentation device does not require a sensor for presenting a force sense. The pseudo force sense is an illusion of force sense generated by perception different from force sense such as vision and vibration stimulus. Here, a first displacement amount of the displacement member when a certain first external force is applied to a displacement member having a certain first hardness, and a displacement member having a second hardness different from the first hardness. This is different from the second displacement amount of the displacement member when the first external force having the same magnitude is applied to the displacement member. Thus, the displacement amount of the displacement member depends on the impedance (viscoelasticity) of the displacement member obtained from the term proportional to the position and the term proportional to the speed. Here, if the term proportional to the speed is constant, the displacement of the displacement member depends on the hardness of the displacement member. And in the said force sense presentation apparatus, the hardness of a displacement member is controlled by the hardness control part. Therefore, in the force sense presentation device, the displacement member is displaced by the application of an external force under the control of the displacement member being controlled to a predetermined hardness. Therefore, the amount of displacement corresponds to the magnitude of the external force. Therefore, the force sense presentation device can present a force sense more appropriately. Therefore, such a force sense presentation device can appropriately present a force sense without requiring a sensor for presenting the force sense.

また、他の一態様では、上述の力覚提示装置において、前記変位部材に既知の外力を作用させる外力作用部をさらに備えることを特徴とする。   In another aspect, the above-described force sense presentation device further includes an external force application unit that applies a known external force to the displacement member.

このような力覚提示装置は、前記外力作用部によって前記変位部材に既知の外力を作用させ、ユーザに前記変位部材の変位量を観察させることができる。これによってユーザは、外力の大きさと変位量との関係を学習することができる。このため、このような力覚提示装置は、ユーザにより正確な力覚を提示することができる。   In such a force sense presentation device, a known external force is applied to the displacement member by the external force application unit, and the user can observe the amount of displacement of the displacement member. Thereby, the user can learn the relationship between the magnitude of the external force and the amount of displacement. For this reason, such a force sense presentation device can present an accurate force sense to the user.

また、他の一態様では、上述の力覚提示装置において、生体における所定の部位の力みを測定する力み測定部と、前記力みと前記変位部材の硬さとの対応関係を示す力み硬さ特性を記憶する力み硬さ特性記憶部とをさらに備え、前記硬さ制御部は、前記力み硬さ特性から求められる、前記力み測定部で測定された力みに対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御することを特徴とする。そして、好ましくは、前記力み測定部は、前記所定の部位に関与する筋肉の活動電位による筋電信号を測定する筋電信号測定部であり、前記力み硬さ特性記憶部は、前記筋電信号と前記変位部材の硬さとの対応関係を示す筋電信号硬さ特性を記憶する筋電信号硬さ特性記憶部であり、前記硬さ制御部は、前記筋電信号硬さ特性から求められる、前記筋電信号測定部で測定された筋電信号に対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御するものである。また、好ましくは、前記力み測定部は、前記所定の部位に関与する筋肉の活動電位による筋電信号を測定し、前記測定した筋電信号に基づく擬似張力を測定する擬似張力測定部であり、前記力み硬さ特性記憶部は、前記擬似張力と前記変位部材の硬さとの対応関係を示す擬似張力硬さ特性を記憶する擬似張力硬さ特性記憶部であり、前記硬さ制御部は、前記擬似張力硬さ特性から求められる、前記擬似張力測定部で測定された擬似張力に対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御するものである。   In another aspect, in the above-described force sense presentation device, a force measurement unit that measures the force of a predetermined part in the living body, and a force that indicates a correspondence relationship between the force and the hardness of the displacement member A hardness hardness characteristic storage unit for storing hardness characteristics, and the hardness control unit is obtained from the force hardness characteristic, and corresponds to the force measured by the force measurement unit The displacement member is controlled according to the hardness of the displacement member. Preferably, the force measurement unit is a myoelectric signal measurement unit that measures a myoelectric signal based on an action potential of a muscle involved in the predetermined site, and the force hardness characteristic storage unit is the muscle strength measurement storage unit. A myoelectric signal hardness characteristic storage unit for storing a myoelectric signal hardness characteristic indicating a correspondence relationship between the electric signal and the hardness of the displacement member, wherein the hardness control unit is obtained from the myoelectric signal hardness characteristic The displacement member is controlled according to the hardness of the displacement member corresponding to the myoelectric signal measured by the myoelectric signal measurement unit. Preferably, the force measurement unit is a pseudo-tension measurement unit that measures a myoelectric signal based on an action potential of a muscle involved in the predetermined site and measures a pseudo tension based on the measured myoelectric signal. The force hardness characteristic storage unit is a pseudo tension hardness characteristic storage unit that stores a pseudo tension hardness characteristic indicating a correspondence relationship between the pseudo tension and the hardness of the displacement member, and the hardness control unit is The displacement member is controlled to the hardness of the displacement member corresponding to the pseudo tension measured by the pseudo tension measuring unit, which is obtained from the pseudo tension hardness characteristic.

人間の力覚感度は、周囲の環境だけでなく、その人自身の状態によっても影響される。その一つに、生体の部位に入れられる力の入れ具合である力みによって力覚感度が低下し、例えば手を力んで強く握り込んだ状態では、力覚感度が低下する。このような生体部位の力みは、例えば筋電信号によって測定できる。また例えば、力センサによって測定できる。上記力覚提示装置では、ユーザの前記力みに対応した前記変位部材の硬さで前記変位部材が制御される。すなわち、上記力覚提示装置では、生体における所定の部位の力みに対応した生体部位の硬さに前記変位部材の硬さが制御される。したがって、上記力覚提示装置は、ユーザにおける所定部位の力み具合に合わせて力覚を提示できるので、ユーザにより正確な力覚を提示することができる。   Human force sensitivity is influenced not only by the surrounding environment but also by the person's own condition. For example, the haptic sensitivity is reduced by the force that is the force applied to the part of the living body. For example, the haptic sensitivity is lowered in a state where the hand is strongly gripped. Such force of the living body part can be measured by, for example, a myoelectric signal. For example, it can measure with a force sensor. In the force sense presentation device, the displacement member is controlled by the hardness of the displacement member corresponding to the force of the user. That is, in the force sense presentation device, the hardness of the displacement member is controlled to the hardness of the living body part corresponding to the force of the predetermined part in the living body. Therefore, the force sense presentation device can present a force sense according to the degree of force applied to a predetermined part of the user, so that a more accurate force sense can be presented to the user.

また、他の一態様では、上述の力覚提示装置において、前記機構は、医療に用いられる医療用機器を含む医療用機器部と、一方端を前記医療用機器部に連結し所定の自由度を持つ関節部と、前記関節部の他方端に連結し前記関節部を支持する支持部とを備える医療用マニピュレータであることを特徴とする。   According to another aspect, in the above-described force sense presentation device, the mechanism includes a medical device unit including a medical device used for medical treatment, and one end connected to the medical device unit with a predetermined degree of freedom. It is a medical manipulator provided with a joint part having the above and a support part connected to the other end of the joint part and supporting the joint part.

これによれば、医療用マニピュレータで力覚提示装置を実現できる。   According to this, a force sense presentation device can be realized with a medical manipulator.

また、一態様にかかる力覚提示装置は、表示画面に表示を行う表示部と、錘を模した錘絵図と、変位部分を含み前記錘を支持する支持部材を模した支持絵図とを前記表示部に表示させる表示制御部と、前記表示画面上に配設されたタッチパネルと、前記タッチパネルから入力された押圧力と前記変位部分の硬さとの対応関係を示す押圧力硬さ特性を記憶する押圧力硬さ特性記憶部とを備え、前記表示制御部は、前記押圧力硬さ特性から求められる、前記タッチパネルから入力された押圧力に対応した前記変位部分の硬さで、前記変位部分を変位させて前記支持絵図を前記表示部に表示させることを特徴とする。   Further, the force sense presentation device according to one aspect includes a display unit that displays on a display screen, a weight picture that simulates a weight, and a support picture that simulates a support member that includes a displacement portion and supports the weight. A display control unit to be displayed on the display unit, a touch panel provided on the display screen, and a pressing force hardness characteristic indicating a correspondence relationship between the pressing force input from the touch panel and the hardness of the displacement portion. A pressure hardness characteristic storage unit, and the display control unit displaces the displacement part with the hardness of the displacement part corresponding to the pressing force input from the touch panel, which is obtained from the pressing force hardness characteristic. The supporting picture is displayed on the display unit.

このような力覚提示装置では、ユーザは、前記変位部材の変位量を観察することで、前記変位部材に作用した外力の大きさを認識することができる。   In such a force sense presentation device, the user can recognize the magnitude of the external force applied to the displacement member by observing the displacement amount of the displacement member.

また、一態様にかかる力覚提示方法は、生体の所定の運動に関与する筋肉の活動電位による筋電信号を測定する筋電信号測定工程と、変位可能な変位部材を含み変位部分を外部から観察可能な機構における前記変位部材を所定の硬さに制御する硬さ制御工程と、前記筋電信号と前記変位部材の硬さとの対応関係を示す筋電信号硬さ特性を筋電信号硬さ特性記憶部に記憶する筋電信号硬さ特性記憶工程とを備え、前記硬さ制御工程は、前記筋電信号硬さ特性から求められる、前記筋電信号測定工程で測定された筋電信号に対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御することを特徴とする。   A force sense presentation method according to one aspect includes a myoelectric signal measurement step of measuring a myoelectric signal based on an action potential of a muscle involved in a predetermined movement of a living body, a displaceable displacement member, and a displacement portion from the outside A hardness control step of controlling the displacement member in the observable mechanism to a predetermined hardness, and a myoelectric signal hardness characteristic indicating a correspondence relationship between the myoelectric signal and the hardness of the displacement member A myoelectric signal hardness characteristic storage step stored in a characteristic storage unit, wherein the hardness control step is performed on the myoelectric signal measured in the myoelectric signal measurement step obtained from the myoelectric signal hardness characteristic. The displacement member is controlled according to the hardness of the corresponding displacement member.

このような力覚提示方法では、前記変位部材が所定の硬さに制御された制御下で、前記変位部材に外力が作用すると、前記外力に応じて前記変位部材が変位する。このため、ユーザは、前記変位部材の変位量を観察することで、擬似力覚により、前記変位部材に作用した外力の大きさを認識することができる。したがって、このような力覚提示方法は、力覚を提示するためのセンサを必要とすることなく、力覚を適切に提示することができる。   In such a force sense presentation method, when an external force is applied to the displacement member under the control of the displacement member being controlled to a predetermined hardness, the displacement member is displaced according to the external force. For this reason, the user can recognize the magnitude of the external force applied to the displacement member by observing the amount of displacement of the displacement member by the pseudo force sense. Therefore, such a force sense presentation method can appropriately present a force sense without requiring a sensor for presenting the force sense.

本発明にかかる力覚提示装置および力覚提示方法は、力覚を提示するためのセンサを必要とすることなく、力覚を適切に提示することができる。   The force sense presentation device and the force sense presentation method according to the present invention can appropriately present a force sense without requiring a sensor for presenting the force sense.

実施形態における医療用マニピュレータを用いた力覚提示装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the force sense presentation apparatus using the medical manipulator in embodiment. 第1実施形態の力覚提示装置における前記医療用マニピュレータの各部を拡大した部分拡大図である。It is the elements on larger scale which expanded each part of the said medical manipulator in the force sense presentation apparatus of 1st Embodiment. 第1実施形態の力覚提示装置に外力を与える様子を図である。It is a figure which shows a mode that external force is given to the force sense presentation apparatus of 1st Embodiment. 第1実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚の様子およびその力覚の学習の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the force sense presented by the force sense presentation apparatus of 1st Embodiment, and the state of learning of the force sense. 第1実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚を参照しながら、前記力覚提示装置に目標外力を与える実験の実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result of the experiment which gives a target external force to the said force sense presentation apparatus, referring the force sense presented by the force sense presentation apparatus of 1st Embodiment. 不感帯を考慮した場合における、第1実施形態の力覚提示装置に与える外力と変形量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the external force given to the force sense presentation apparatus of 1st Embodiment, and the deformation | transformation amount in the case of considering a dead zone. 不感帯を考慮した場合における、第1実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚を参照しながら、前記力覚提示装置に目標外力を与える実験の実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result of the experiment which gives a target external force to the said force sense presentation apparatus, referring the force sense presented by the force sense presentation apparatus of 1st Embodiment when a dead zone is considered. 第2実施形態の力覚提示装置における筋電信号測定部の外観を示す図である。It is a figure which shows the external appearance of the myoelectric signal measurement part in the force sense presentation apparatus of 2nd Embodiment. 第2実施形態の力覚提示装置における前記医療用マニピュレータの様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the said medical manipulator in the force sense presentation apparatus of 2nd Embodiment. 第2実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚を参照しながら、前記力覚提示装置に目標外力を与える実験の実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result of the experiment which gives a target external force to the said force sense presentation apparatus, referring the force sense presented by the force sense presentation apparatus of 2nd Embodiment. 第3実施形態における力覚提示装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the force sense presentation apparatus in 3rd Embodiment.

以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。   Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the structure which attached | subjected the same code | symbol in each figure shows that it is the same structure, The description is abbreviate | omitted suitably. Further, in this specification, when referring generically, it is indicated by a reference symbol without a suffix, and when referring to an individual configuration, it is indicated by a reference symbol with a suffix.

(第1実施形態)
図1は、実施形態における医療用マニピュレータを用いた力覚提示装置の構成を示す図である。図2は、第1実施形態の力覚提示装置における前記医療用マニピュレータの各部を拡大した部分拡大図である。図2(A)は、医療用マニピュレータの先端部分の拡大図であり、図2(B)は、関節部分の拡大図であり、そして、図2(C)は、支持部材の拡大図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a force sense presentation device using a medical manipulator according to an embodiment. FIG. 2 is an enlarged partial view of each part of the medical manipulator in the haptic device according to the first embodiment. 2A is an enlarged view of the distal end portion of the medical manipulator, FIG. 2B is an enlarged view of the joint portion, and FIG. 2C is an enlarged view of the support member. .

本実施形態における力覚提示装置Sは、変位可能な変位部材を含み変位部分を外部から観察可能な機構と、前記変位部材を所定の硬さに制御する硬さ制御部とを備える。このような力覚提示装置Sは、前記変位部材が前記硬さ制御部によって所定の硬さに制御された制御下で、前記変位部材に外力が作用する(与えられる)と、前記外力に応じて前記変位部材が変位する。このため、ユーザは、前記変位部材の変位量を観察することで、擬似力覚により、前記変位部材に作用した外力の大きさを認識することができる。したがって、このような力覚提示装置およびこれに実装された力覚提示方法は、力覚を提示するためのセンサを必要とすることなく、力覚を適切に提示することができる。   The force sense presentation device S according to the present embodiment includes a mechanism that includes a displaceable displacement member and that can observe a displacement portion from the outside, and a hardness control unit that controls the displacement member to a predetermined hardness. Such a force sense presentation device S responds to the external force when an external force is applied (applied) to the displacement member under a control in which the displacement member is controlled to a predetermined hardness by the hardness control unit. The displacement member is displaced. For this reason, the user can recognize the magnitude of the external force applied to the displacement member by observing the amount of displacement of the displacement member by the pseudo force sense. Therefore, such a force sense presentation device and a force sense presentation method implemented therein can appropriately present a force sense without requiring a sensor for presenting the force sense.

このような力覚提示装置Sは、変位部材の硬さを制御することができる機器に適用することができるが、ここでは、一例として、医療用マニピュレータに用いた力覚提示装置Saについて説明する。   Such a force sense presentation device S can be applied to a device capable of controlling the hardness of the displacement member. Here, as an example, the force sense presentation device Sa used in a medical manipulator will be described. .

このような実施形態における医療用マニピュレータを用いた力覚提示装置Saは、例えば、図1に示すように、医療用マニピュレータ10と、硬さ制御部20aとを備え、本実施形態では、さらに、後述するように、外力作用部31を備えている。   The force sense presentation device Sa using the medical manipulator in such an embodiment includes, for example, a medical manipulator 10 and a hardness control unit 20a as shown in FIG. As will be described later, an external force acting portion 31 is provided.

医療用マニピュレータ10は、疾病の診断、治療および予防等の医療に用いられるマニピュレータである。医療用マニピュレータ10は、変位可能な変位部材を含み変位部分を外部から観察可能な機構の一例に相当する。医療用マニピュレータ10は、例えば、本実施形態では、図1に示すように、医療用機器部11と、関節部12と、支持部13とを備え、本実施形態では、さらに、連結部14と、駆動部15とを備える。   The medical manipulator 10 is a manipulator used for medical treatment such as diagnosis, treatment and prevention of diseases. The medical manipulator 10 corresponds to an example of a mechanism that includes a displaceable displacement member and that allows the displacement portion to be observed from the outside. As shown in FIG. 1, for example, the medical manipulator 10 includes a medical device unit 11, a joint unit 12, and a support unit 13. In the present embodiment, the medical manipulator 10 further includes a connecting unit 14. The drive unit 15 is provided.

医療用機器部11は、医療に用いられる医療用機器を備える。医療用機器は、疾病の診断、治療および予防等の医療に用いられる機器であり、例えば、鉗子、レーザメス、超音波探触子および内視鏡カメラ等である。鉗子は、主に、対象物を掴んだり牽引したりするために使用される医療器具であり、例えばケリー鉗子やコッヘル鉗子等の様々な種類がある。レーザメスは、レーザ光の熱エネルギーを利用することによって対象物を切断し、医療用のメスと同様の役割を果たす。レーザメスは、血液を凝固させ、止血効果も持つ。超音波探触子は、超音波を対象物内(被検体内)に送信しこの送信した超音波に起因する超音波を受信する機器である。超音波探触子に接続された超音波診断装置本体によって、超音波探触子で受信した超音波に基づいて被検体内の画像が生成される。内視鏡カメラは、対象物の光像を所定の面(焦点位置)に結像する撮像光学系と、前記所定の面の位置に受光面を配置し前記撮像光学系によって結像された対象物の光像を撮像する撮像素子を備える。内視鏡カメラに接続された内視鏡カメラ装置本体によって、内視鏡カメラで撮像した対象物の光像の信号に基づいて対象物内の画像(静止画および/または動画)が生成される。図1に示す例では、医療用機器部11の医療用機器は、鉗子である。前記鉗子は、例えば空気圧式グリッパの開閉機構を備え、関節部12および支持部13内に配設されたエア供給用管133(図2(B)、(C)参照)を介して供給される作動空気によって駆動される。前記作動空気は、例えばコンプレッサ等の図略の空気圧供給源から供給される。前記空気圧式グリッパの開閉機構は、公知の常套手段によって構成され、例えば、文献「Tadano,K.,Kawashima,K.,Kojima,K.,Tanaka,N.,”Development of a Pneumatic Surgical Manipulator IBIS IV”,Journal of Robotics and Mechatronics,Vol.22,No.2,p179−188(2010)」に開示されている。   The medical device unit 11 includes a medical device used for medical treatment. The medical device is a device used for medical treatment such as diagnosis, treatment, and prevention of diseases, such as forceps, a laser knife, an ultrasonic probe, and an endoscope camera. The forceps is a medical instrument mainly used for grasping and pulling an object, and there are various types such as Kelly forceps and Kochel forceps. A laser knife cuts an object by utilizing the thermal energy of laser light, and plays the same role as a medical knife. The laser knife coagulates blood and has a hemostatic effect. An ultrasonic probe is a device that transmits ultrasonic waves into an object (within a subject) and receives ultrasonic waves resulting from the transmitted ultrasonic waves. The ultrasonic diagnostic apparatus main body connected to the ultrasonic probe generates an image in the subject based on the ultrasonic wave received by the ultrasonic probe. The endoscope camera has an imaging optical system that forms an optical image of an object on a predetermined surface (focal position), and an object that is imaged by the imaging optical system with a light receiving surface disposed at the position of the predetermined surface. An image sensor that captures an optical image of an object is provided. An endoscopic camera device body connected to the endoscopic camera generates an image (still image and / or moving image) in the object based on a signal of an optical image of the object imaged by the endoscopic camera. . In the example illustrated in FIG. 1, the medical device of the medical device unit 11 is a forceps. The forceps includes, for example, a pneumatic gripper opening / closing mechanism, and is supplied via an air supply tube 133 (see FIGS. 2B and 2C) disposed in the joint portion 12 and the support portion 13. Driven by working air. The working air is supplied from a pneumatic supply source (not shown) such as a compressor. The opening and closing mechanism of the pneumatic gripper is constituted by known conventional means. For example, the document “Tadano, K., Kawashima, K., Kojima, K., Tanaka, N.,“ Development of a Pneumatic Manipulator IV ”. "Journal of Robotics and Mechatronics, Vol. 22, No. 2, p 179-188 (2010)".

関節部12は、一方端を医療用機器部11に連結し、所定の自由度を持つ部材である。医療用機器部11は、関節部12に回転可能に連結されてよく、また例えばネジ締結や嵌合等によって固定的に連結されてよい。本実施形態では、関節部12は、軸方向を基準に径方向に曲がる柔軟構造体、例えば、図2(A)、(B)に示すように、切削スプリングである。この切削スプリングは、例えば、円筒状の金属部材が例えばレーザ加工等による切削加工によって螺旋状に形成されることによって、作製される。この関節部12は、駆動部15の駆動力によって所定の硬さに制御でき、また、外力によって2自由度で屈曲する。   The joint portion 12 is a member having one end connected to the medical device portion 11 and having a predetermined degree of freedom. The medical device unit 11 may be rotatably connected to the joint unit 12 and may be fixedly connected by, for example, screw fastening or fitting. In the present embodiment, the joint portion 12 is a flexible structure that bends in the radial direction with respect to the axial direction, for example, a cutting spring as shown in FIGS. The cutting spring is produced, for example, by forming a cylindrical metal member in a spiral shape by cutting using, for example, laser processing. The joint portion 12 can be controlled to a predetermined hardness by the driving force of the driving portion 15 and bends with two degrees of freedom by an external force.

より具体的には、例えば、図2(B)に示すように、切削スプリングの芯部内を軸方向に4本のワイヤ134が挿通される。これら4本のワイヤ134は、湾曲し難い超弾性合金でそれぞれ形成され、周方向に等間隔(90度間隔)に配設される。これら4本のワイヤ134の各一方端は、切削スプリングにおける、医療用機器部11が連結されている側の端部にそれぞれ接着固定され、各他方端は、支持部13内を介して連結部14で駆動部15にそれぞれ固定的に連結されている。これによって駆動部15の駆動力が各ワイヤ134を介して切削スプリングに伝達され、これら4本のワイヤ134によって所定の硬さに制御される。   More specifically, for example, as shown in FIG. 2B, four wires 134 are inserted in the core portion of the cutting spring in the axial direction. These four wires 134 are each formed of a super-elastic alloy that is difficult to bend, and are arranged at equal intervals (90-degree intervals) in the circumferential direction. One end of each of the four wires 134 is bonded and fixed to the end of the cutting spring on the side to which the medical device unit 11 is connected, and the other end is connected to the connecting portion via the inside of the support portion 13. 14 are fixedly connected to the drive unit 15. As a result, the driving force of the driving unit 15 is transmitted to the cutting spring via the wires 134 and is controlled to a predetermined hardness by the four wires 134.

また例えば、切削スプリングを軸方向に貫通する4個の貫通孔が周方向に等間隔(90度間隔)で切削スプリングの螺旋状の部分に形成される。これら4個の貫通孔内には、それぞれ、湾曲し難い超弾性合金で形成されたワイヤ134が挿通される。これら4本のワイヤ134の各一方端は、前記各貫通孔における、医療用機器部11が連結されている側の各一方端内でそれぞれ接着固定され、各他方端は、支持部13内を介して連結部14で駆動部15にそれぞれ固定的に連結されている。   Further, for example, four through holes penetrating the cutting spring in the axial direction are formed in the spiral portion of the cutting spring at equal intervals (90 degree intervals) in the circumferential direction. In these four through holes, wires 134 formed of a superelastic alloy that is difficult to bend are inserted. Each one end of these four wires 134 is bonded and fixed in each one end of each of the through-holes on the side where the medical device part 11 is connected, and each other end is in the support part 13. Via the connecting portion 14, the driving portion 15 is fixedly connected.

これら4本のワイヤ134は、周方向に180度の位置で互いに対向する一対でいわゆる伸筋と屈筋として機能する。上記構成によって駆動部15の駆動力が各ワイヤ134を介して切削スプリングに伝達され、これら4本のワイヤ134によって所定の硬さに制御される。   These four wires 134 function as so-called extensors and flexors in a pair facing each other at a position of 180 degrees in the circumferential direction. With the above-described configuration, the driving force of the driving unit 15 is transmitted to the cutting spring via each wire 134 and is controlled to have a predetermined hardness by these four wires 134.

支持部13は、関節部12の他方端に例えばネジ締結や嵌合等によって固定的に連結し、関節部12を支持する部材である。医療用機器部11は、関節部12を介して支持部13によって支持される。支持部13は、例えば、図2(A)、(C)に示すように、中空の円柱状(円筒状)のロッド部材131と、ワイヤ134を支持する支持環状部材132とを備える。支持環状部材132は、円筒状の部材であり、軸方向に貫通する4個の貫通孔が周方向に等間隔(90度間隔)で円筒状の周壁部分に形成され、軸方向に所定の間隔を空けて各貫通孔の各位置を揃えてロッド部材131内に配設される。支持部13内には、上述のエア供給用管133が中心に軸方向に沿って支持環状部材132を挿通するように配置され、上述の4本のワイヤ134が軸方向に沿って支持環状部材132の各貫通孔をそれぞれ挿通させて配置される。なお、支持部13は、軸方向に沿って支持環状部材132の各貫通孔をそれぞれ挿通する4本のガイド管をさらに備え、各ワイヤ134は、これら各ガイド管内を挿通するように配置されてもよい。ワイヤ134の素材だけでなく、このようなガイド管によってワイヤ134の湾曲がさらに防止されてもよい。   The support portion 13 is a member that supports the joint portion 12 by being fixedly connected to the other end of the joint portion 12 by, for example, screw fastening or fitting. The medical device unit 11 is supported by the support unit 13 via the joint unit 12. For example, as shown in FIGS. 2A and 2C, the support unit 13 includes a hollow columnar (cylindrical) rod member 131 and a support annular member 132 that supports the wire 134. The support annular member 132 is a cylindrical member, and four through holes penetrating in the axial direction are formed in the cylindrical peripheral wall portion at equal intervals (intervals of 90 degrees) in the circumferential direction. And the positions of the through holes are aligned and disposed in the rod member 131. In the support portion 13, the above-described air supply pipe 133 is disposed so as to pass through the support annular member 132 along the axial direction around the center, and the four wires 134 described above are supported along the axial direction. Each of the through holes 132 is inserted and arranged. The support portion 13 further includes four guide tubes that are inserted through the through holes of the support annular member 132 along the axial direction, and the wires 134 are disposed so as to be inserted through the guide tubes. Also good. In addition to the material of the wire 134, the bending of the wire 134 may be further prevented by such a guide tube.

連結部14は、支持部13と駆動部15とを互いに連結する部材である。また、連結部14内で、駆動部15とワイヤ134とが連結されている。連結部14は、例えば、円板状の一対の支持プレート141、142と、一対の支持プレート141、142とを互いに連結する複数本の連結シャフト143とを備える。連結シャフト143は、例えば、周方向に等間隔に4本であり、これら4本の連結シャフトの各一方端は、例えばネジ締結等によって支持プレート141に固定的に連結され、各他方端は、例えばネジ締結等によって支持プレート142に固定的に連結される。これによって一対の支持プレート141、142は、所定の間隔を空けて配置される。   The connecting portion 14 is a member that connects the support portion 13 and the drive portion 15 to each other. In addition, the drive unit 15 and the wire 134 are coupled within the coupling unit 14. The connecting portion 14 includes, for example, a pair of disk-shaped support plates 141 and 142 and a plurality of connecting shafts 143 that connect the pair of support plates 141 and 142 to each other. For example, there are four connecting shafts 143 at equal intervals in the circumferential direction, and one end of each of these four connecting shafts is fixedly connected to the support plate 141 by, for example, screw fastening, and the other end is For example, the support plate 142 is fixedly connected by screw fastening or the like. Thus, the pair of support plates 141 and 142 are arranged with a predetermined interval.

駆動部15は、関節部12に所定の硬さを与えるための装置であり、例えば、本実施形態では、エアシリンダである。エアシリンダは、圧縮空気のエネルギーを直線運動に変換する機械素子であり、例えば、シリンダ、シリンダ内に収納されシリンダの軸方向に摺動可能なピストン、一方端がピストンに連結され他方端がシリンダの外部に臨むように配設されたピストンロッドとを備え、シリンダには、ピストンをシリンダの軸方向に摺動させるためにシリンダ内に空気を出し入れするための空気口が形成される。駆動部15は、関節部12に所定の硬さを与える上述のワイヤ134の個数に合わせて、エアシリンダを関節部12用に4個備えている。駆動部15の各エアシリンダにおける各ピストンロッドの各他方端には、各ワイヤ134の他方端が固定的に連結される。これによってピストンロッドが進退するとワイヤ134に駆動力が伝達される。   The drive unit 15 is a device for giving a predetermined hardness to the joint unit 12, and is, for example, an air cylinder in the present embodiment. An air cylinder is a mechanical element that converts compressed air energy into linear motion. For example, a cylinder, a piston that is housed in the cylinder and is slidable in the axial direction of the cylinder, one end is connected to the piston, and the other end is a cylinder. And a piston rod disposed so as to face the outside of the cylinder, and an air port is formed in the cylinder so that air can be taken in and out of the cylinder in order to slide the piston in the axial direction of the cylinder. The drive unit 15 includes four air cylinders for the joint unit 12 in accordance with the number of the wires 134 that give the joint unit 12 a predetermined hardness. The other end of each wire 134 is fixedly connected to each other end of each piston rod in each air cylinder of the drive unit 15. As a result, when the piston rod advances and retreats, the driving force is transmitted to the wire 134.

なお、本実施形態では、駆動部15には、エアシリンダが用いられたが、これに限定されるものではなく、駆動部15は、例えば、電気モータ、水圧シリンダ、油圧シリンダ等であってもよい。   In the present embodiment, an air cylinder is used as the drive unit 15. However, the present invention is not limited to this, and the drive unit 15 may be, for example, an electric motor, a hydraulic cylinder, a hydraulic cylinder, or the like. Good.

そして、硬さ制御部20aは、医療用マニピュレータ10の関節部12を所定の硬さに制御する装置である。硬さ制御部20aは、前記変位部材を所定の硬さに制御する硬さ制御部の一例に相当する。硬さ制御部20aは、本実施形態では、エアシリンダによってワイヤ134を介して関節部12に所定の硬さを与えているので、例えば、本実施形態では、図1に示すように、エアシリンダ駆動部21と、エアシリンダ制御部22aとを備える。   And the hardness control part 20a is an apparatus which controls the joint part 12 of the medical manipulator 10 to predetermined | prescribed hardness. The hardness control unit 20a corresponds to an example of a hardness control unit that controls the displacement member to a predetermined hardness. In the present embodiment, the hardness control unit 20a imparts a predetermined hardness to the joint portion 12 via the wire 134 by the air cylinder. For example, in the present embodiment, as shown in FIG. The drive part 21 and the air cylinder control part 22a are provided.

エアシリンダ駆動部21は、駆動部15のエアシリンダに駆動力を生じさせるために、エアシリンダ制御部22aの制御に従って圧縮空気をエアシリンダに供給する装置である。エアシリンダ駆動部21は、例えば、コンプレッサ等の空気圧供給源と、空気圧供給源から供給される空気圧を調整する圧力調整弁と、圧力調整弁から空気口を介してエアシリンダに供給される圧縮空気の流量をエアシリンダ制御部22aの制御に従って調整するサーボ弁とを備えている。   The air cylinder driving unit 21 is a device that supplies compressed air to the air cylinder according to the control of the air cylinder control unit 22a in order to generate a driving force in the air cylinder of the driving unit 15. The air cylinder drive unit 21 includes, for example, an air pressure supply source such as a compressor, a pressure adjustment valve that adjusts the air pressure supplied from the air pressure supply source, and compressed air that is supplied from the pressure adjustment valve to the air cylinder through an air port. And a servo valve that adjusts the flow rate according to the control of the air cylinder control unit 22a.

エアシリンダ制御部22aは、関節部12が所定の硬さになるように、エアシリンダ駆動部21を制御する装置である。より具体的には、エアシリンダ制御部22aは、例えばマイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路を備えたマイクロコンピュータによって構成され、関節部12を所定の硬さに調整する制御信号をエアシリンダ駆動部21へ出力する。エアシリンダ駆動部21は、制御信号に対応する所定の流量の圧縮空気がエアシリンダのシリンダへ流入するようにサーボ弁を駆動する。これによって所定の流量の圧縮空気がエアシリンダのシリンダへ流入し、この流入した圧縮空気によってピストンがシリンダの軸方向に摺動し、これに伴ってピストンロッドが所定のストローク量で移動する。これによってワイヤ134が移動し、関節部12が所定の硬さに調整される。例えば、4本のワイヤ134が0.25Nで引っ張られることによって第1の硬さで関節部12が硬くなり、また例えば、4本のワイヤ134が0.5Nで引っ張られることによって第2の硬さで関節部12が硬くなり、そして、第2の硬さの方が第1の硬さより硬い。あるいは、互いに対向する一対のワイヤ134、134それぞれが0.1Nおよび0.3Nでそれぞれ引っ張られることによって第3の硬さで関節部12が曲がって硬くなり、また例えば、これら互いに対向する一対のワイヤ134、134それぞれが0.4Nおよび0.6Nでそれぞれ引っ張られることによって第4の硬さで関節部12が同様の曲がり具合に曲がって硬くなり、そして、第4の硬さの方が第3の硬さより硬い。   The air cylinder control unit 22a is a device that controls the air cylinder driving unit 21 so that the joint unit 12 has a predetermined hardness. More specifically, the air cylinder control unit 22a is constituted by, for example, a microcomputer including a microprocessor, a storage element, and its peripheral circuits, and sends a control signal for adjusting the joint 12 to a predetermined hardness. To 21. The air cylinder driving unit 21 drives the servo valve so that compressed air having a predetermined flow rate corresponding to the control signal flows into the cylinder of the air cylinder. As a result, compressed air having a predetermined flow rate flows into the cylinder of the air cylinder, the piston slides in the axial direction of the cylinder by the inflowing compressed air, and accordingly, the piston rod moves by a predetermined stroke amount. As a result, the wire 134 moves and the joint portion 12 is adjusted to a predetermined hardness. For example, when the four wires 134 are pulled at 0.25 N, the joint portion 12 is hardened at the first hardness, and, for example, when the four wires 134 are pulled at 0.5 N, the second hardness is set. The joint portion 12 is hardened, and the second hardness is harder than the first hardness. Alternatively, the pair of wires 134 and 134 facing each other are pulled by 0.1 N and 0.3 N, respectively, so that the joint portion 12 bends and hardens with the third hardness. By pulling the wires 134 and 134 respectively at 0.4 N and 0.6 N, the joint portion 12 bends and hardens in a similar manner with the fourth hardness, and the fourth hardness is the first. Harder than 3 hardness.

このような第1実施形態における力覚提示装置Saは、医療用機器部11および/または関節部12に外力が作用すると、後述の図4に示すように、この外力に応じて医療用機器部11および関節部12が変位する。このため、ユーザは、医療用機器部11および関節部12の変位量を観察することで、擬似力覚により、医療用機器部11および関節部12に作用した前記外力の大きさを認識することができる。したがって、このような力覚提示装置Saは、力覚を提示するためのセンサを必要としない。なお、Aおよび/またはBは、AおよびBのうちの少なくとも一方を意味する。   In the force sense presentation device Sa according to the first embodiment, when an external force is applied to the medical device unit 11 and / or the joint unit 12, as shown in FIG. 4 to be described later, the medical device unit according to the external force. 11 and the joint part 12 are displaced. For this reason, the user recognizes the magnitude of the external force acting on the medical device part 11 and the joint part 12 by using a pseudo force sense by observing the displacement amount of the medical device part 11 and the joint part 12. Can do. Therefore, such a force sense presentation device Sa does not require a sensor for presenting a force sense. A and / or B means at least one of A and B.

ここで、或る所定の第1硬さの関節部12に或る所定の第1外力が直接的にあるいは医療用機器部11を介して作用した場合における医療用機器部11および/または関節部12の第1変位量と、前記第1硬さと異なる第2硬さの関節部12に同じ大きさの前記第1外力が直接的にあるいは医療用機器部11を介して作用した場合における医療用機器部11および/または関節部12の第2変位量とは、異なる。このような事象を、我々は、経験的に知っている。例えば、同じ重さの魚を釣り上げる場合、太い硬い釣り竿は、撓らずにその先端部があまり変位しないが、細い柔らかい釣り竿は、撓りその先端部が大きく変位する。このように医療用機器部11および/または関節部12の変位量は、位置に比例する項と速度に比例する項とから求められる関節部12のインピーダンス(粘弾性)に依存する。ここで、前記速度に関する項を一定とすると、医療用機器部11および/または関節部12の変位量は、関節部12の硬さに依存することになる。本実施形態における力覚提示装置Saでは、関節部12の硬さは、硬さ制御部20aによって制御されている。したがった、本実施形態における力覚提示装置Saでは、関節部12が所定の硬さに制御された制御下で、外力が作用することによって医療用機器部11および関節部12が変位するので、その変位量は、外力の大きさに対応することになり、本実施形態における力覚提示装置Saは、より適切に力覚を提示することができる。したがって、本実施形態における力覚提示装置Saは、力覚を提示するためのセンサを必要とすることなく、力覚を適切に提示することができる。   Here, the medical device unit 11 and / or the joint unit when a predetermined first external force acts on the joint unit 12 having a predetermined first hardness directly or via the medical device unit 11. The first external force having the same magnitude acts on the joint portion 12 having a first displacement amount of 12 and a second hardness different from the first hardness, directly or via the medical device portion 11. The second displacement amount of the device unit 11 and / or the joint unit 12 is different. We know this empirically. For example, when fishing a fish of the same weight, a thick hard fishing rod does not flex and its tip does not displace very much, while a thin soft fishing rod flexes and its tip greatly displaces. Thus, the amount of displacement of the medical device section 11 and / or the joint section 12 depends on the impedance (viscoelasticity) of the joint section 12 obtained from the term proportional to the position and the term proportional to the speed. Here, assuming that the term relating to the speed is constant, the amount of displacement of the medical device section 11 and / or the joint section 12 depends on the hardness of the joint section 12. In the force sense presentation device Sa in the present embodiment, the hardness of the joint portion 12 is controlled by the hardness control unit 20a. Therefore, in the force sense presentation device Sa in the present embodiment, the medical device unit 11 and the joint unit 12 are displaced by the external force acting under the control in which the joint unit 12 is controlled to a predetermined hardness. The amount of displacement corresponds to the magnitude of the external force, and the force sense presentation device Sa in the present embodiment can present the force sense more appropriately. Therefore, the force sense presentation device Sa in the present embodiment can appropriately present a force sense without requiring a sensor for presenting the force sense.

また、医療用マニピュレータ10では、特に医療用機器部11を滅菌する必要がある。この滅菌のために、医療用機器部11が高温に加熱されたり、あるいは、ディスポーザブル(使い捨て)にされたりすることから、比較的な高価なセンサを取り付けることが難しい。しかしながら、本実施形態における力覚提示装置Saは、センサレスで、力覚を適切に提示することができるので、特に医療用に効果的である。   Further, in the medical manipulator 10, it is particularly necessary to sterilize the medical device unit 11. Because of this sterilization, the medical device unit 11 is heated to a high temperature or is made disposable, so it is difficult to attach a comparatively expensive sensor. However, the force sense presentation device Sa according to the present embodiment can present a force sense appropriately without using a sensor, and is particularly effective for medical use.

図3は、第1実施形態の力覚提示装置に外力を与える様子を図である。図4は、第1実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚の様子およびその力覚の学習の様子を示す図である。図4(A)および(C)は、第1実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚の様子を示し、図4(B)は、第1実施形態の力覚提示装置による力覚の学習の様子を示す。そして、図4(D)は、学習によって獲得される変位量と外力との関係を示すグラフであり、その横軸は、変位量(Displacement)であり、その縦軸は、外力(Force)である。   FIG. 3 is a diagram illustrating an external force applied to the force sense presentation device according to the first embodiment. FIG. 4 is a diagram illustrating a state of force sense presented by the force sense presentation device of the first embodiment and a state of learning of the force sense. FIGS. 4A and 4C show a state of force sense presented by the force sense presentation device of the first embodiment, and FIG. 4B shows force sense by the force sense presentation device of the first embodiment. The state of learning is shown. FIG. 4D is a graph showing the relationship between the amount of displacement acquired by learning and the external force, the horizontal axis is the displacement amount (Displacement), and the vertical axis is the external force (Force). is there.

本実施形態における力覚提示装置Saでは、上述したように、関節部12が硬さ制御部20aによって所定の硬さに制御されているため、ユーザは、医療用機器部11および関節部12の変位量を観察することで、擬似力覚により、医療用機器部11および関節部12に作用した前記外力の大きさを認識することができる。より具体的には、ユーザは、医療用機器部11および関節部12の曲がり具合を観察することによって、過去のユーザの経験(体験)に基づき、外力が大きいか小さいか定性的に外力の大きさを認識することができる。そこで、本実施形態における力覚提示装置Saによって提示される力覚を定量的に判断するために、学習することが有効である。このため、本実施形態における力覚提示装置Saは、上述したように、医療用マニピュレータ10と、硬さ制御部20aとを備え、さらに、外力作用部31を備えている。   In the force sense presentation device Sa according to the present embodiment, as described above, since the joint portion 12 is controlled to have a predetermined hardness by the hardness control unit 20a, the user can connect the medical device unit 11 and the joint unit 12 to each other. By observing the amount of displacement, it is possible to recognize the magnitude of the external force acting on the medical device unit 11 and the joint unit 12 based on a pseudo force sense. More specifically, the user observes the bending state of the medical device unit 11 and the joint unit 12 to qualitatively determine whether the external force is large or small based on the past user experience (experience). Can be recognized. Therefore, learning is effective to quantitatively determine the force sense presented by the force sense presenting device Sa in the present embodiment. Therefore, the force sense presentation device Sa according to the present embodiment includes the medical manipulator 10 and the hardness control unit 20a as described above, and further includes the external force acting unit 31.

この外力作用部31は、前記変位部材に既知の外力を作用させる装置である。本実施形態では、例えば、図3に示すように、外力作用部31は、医療用マニピュレータ10の医療用機器部11に連結された糸32、より具体的には、鉗子先端に括り付けた糸32を介して医療用機器部11(鉗子11)に外力を与える力センサである。力センサを用いることによって医療用機器部11に与えられた外力も測定できる。   The external force application unit 31 is a device that applies a known external force to the displacement member. In the present embodiment, for example, as shown in FIG. 3, the external force acting part 31 is a thread 32 connected to the medical device part 11 of the medical manipulator 10, more specifically, a thread tied to the distal end of the forceps. This is a force sensor that applies an external force to the medical device unit 11 (forceps 11) via 32. The external force applied to the medical device unit 11 can also be measured by using the force sensor.

このような力覚提示装置Saでは、外力作用部31によって糸32を介して医療用機器部11に既知の大きさを持つ外力を与え、医療用機器部11および関節部12を変位させる。ユーザは、外力の大きさを知る(理解する)とともに、この医療用機器部11および関節部12の変位量を観察する。これによってユーザは、医療用機器部11に作用する外力の大きさと、医療用機器部11および関節部12の変位量との関係を学習することができる。   In such a force sense presentation device Sa, an external force having a known magnitude is applied to the medical device unit 11 via the thread 32 by the external force acting unit 31 to displace the medical device unit 11 and the joint unit 12. The user knows (understands) the magnitude of the external force and observes the amount of displacement of the medical device unit 11 and the joint unit 12. Thus, the user can learn the relationship between the magnitude of the external force acting on the medical device unit 11 and the displacement amounts of the medical device unit 11 and the joint unit 12.

この結果、前記既知な大きさを持つ外力と異なる他の大きさの外力が医療用機器部11に作用した場合に、ユーザは、その医療用機器部11および関節部12の変位量を、ユーザに記憶された、前記既知な大きさを持つ外力が医療用機器部11に作用した場合における医療用機器部11および関節部12の変位量と対比することで、提示された力覚(医療用機器部11および関節部12の変位量)から、医療用機器部11に作用した他の大きさの外力を推定することができる。   As a result, when an external force having a different magnitude from the external force having the known magnitude acts on the medical device unit 11, the user can change the displacement amount of the medical device unit 11 and the joint unit 12 by the user. Is compared with the amount of displacement of the medical device part 11 and the joint part 12 when the external force having the known magnitude is applied to the medical device part 11, and the displayed force sense (medical use) From the displacement amount of the device unit 11 and the joint unit 12, it is possible to estimate an external force of another magnitude that has acted on the medical device unit 11.

例えば、図4(B)に示すように、外力作用部31によって糸32を介して医療用機器部11に既知の大きさとして例えば1.0Nの外力を与え、医療用機器部11および関節部12を変位させる。ユーザは、医療用機器部11に与えられている外力の大きさが1.0Nであると知る(理解する)とともに、この医療用機器部11および関節部12の変位量を観察する。これによってユーザは、医療用機器部11に作用する外力の大きさと、医療用機器部11および関節部12の変位量との関係、例えば、図4(D)に示す原点を通る比例関係を学習する。なお、関節部12は、比較的大きな外力が与えられると、円弧状に変形する。この結果、医療用機器部11に作用する外力の大きさと、医療用機器部11および関節部12の変位量との関係は、非線形となる。このため、医療用機器部11および関節部12の変位量は、関節部12の屈曲角度が微小角に近似可能な範囲である30度以下であることが好ましい。このような範囲では、前記関係は、上述のように、比例関係(線形)であると見なすことができる。   For example, as shown in FIG. 4B, an external force of, for example, 1.0 N is applied to the medical device unit 11 as a known size via the thread 32 by the external force acting unit 31, and the medical device unit 11 and the joint unit 12 is displaced. The user knows (understands) that the magnitude of the external force applied to the medical device unit 11 is 1.0 N, and observes the amount of displacement of the medical device unit 11 and the joint unit 12. Thereby, the user learns the relationship between the magnitude of the external force acting on the medical device unit 11 and the displacement amount of the medical device unit 11 and the joint unit 12, for example, the proportional relationship passing through the origin shown in FIG. To do. The joint portion 12 is deformed into an arc shape when a relatively large external force is applied. As a result, the relationship between the magnitude of the external force acting on the medical device unit 11 and the amount of displacement of the medical device unit 11 and the joint unit 12 becomes nonlinear. For this reason, it is preferable that the displacement amount of the medical equipment part 11 and the joint part 12 is 30 degrees or less which is a range in which the bending angle of the joint part 12 can approximate a minute angle. In such a range, the relationship can be regarded as a proportional relationship (linear) as described above.

このような学習の結果、例えば、図4(A)に示すように、医療用機器部11および関節部12の変位量が、図4(B)に示す学習の場合における医療用機器部11および関節部12の変位量より小さく、図4(B)に示す学習の場合に対し半分の変位量であるとユーザが視覚によって判断すると、ユーザは、図4(A)に示す場合に医療用機器部11に与えられている外力の大きさは、1.0Nの半分である0.5Nであると推定することができる。また例えば、図4(C)に示すように、医療用機器部11および関節部12の変位量が、図4(B)に示す学習の場合における医療用機器部11および関節部12の変位量より大きく、図4(B)に示す学習の場合に対し2倍の変位量であるとユーザが視覚によって判断すると、ユーザは、図4(C)に示す場合に医療用機器部11に与えられている外力の大きさは、1.0Nの2倍である2.0Nであると推定することができる。   As a result of such learning, for example, as shown in FIG. 4A, the amount of displacement of the medical device unit 11 and the joint unit 12 is the medical device unit 11 in the case of learning shown in FIG. When the user visually determines that the amount of displacement is smaller than the amount of displacement of the joint portion 12 and half of the amount of learning shown in FIG. 4B, the user can use the medical device shown in FIG. The magnitude of the external force applied to the part 11 can be estimated to be 0.5N, which is half of 1.0N. Further, for example, as shown in FIG. 4C, the displacement amounts of the medical device portion 11 and the joint portion 12 are the displacement amounts of the medical device portion 11 and the joint portion 12 in the case of learning shown in FIG. If the user visually determines that the displacement amount is twice as large as the learning shown in FIG. 4B, the user is given to the medical device unit 11 in the case shown in FIG. It can be estimated that the magnitude of the external force is 2.0N which is twice 1.0N.

このような学習による力覚提示実験結果の一例について説明する。図5は、第1実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚を参照しながら、前記力覚提示装置に目標外力を与える実験の実験結果を示す図である。図5(A)ないし(C)は、被験者A、B、Cの各結果を示す。図6は、不感帯を考慮した場合における、第1実施形態の力覚提示装置に与える外力と変形量との関係を示す図である。図6の横軸は、外力(Force)であり、その縦軸は、変位量(Displacement)である。図7は、不感帯を考慮した場合における、第1実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚を参照しながら、前記力覚提示装置に目標外力を与える実験の実験結果を示す図である。   An example of the haptic presentation experiment result by such learning will be described. FIG. 5 is a diagram illustrating an experimental result of an experiment in which a target external force is applied to the force sense presentation device while referring to the force sense presented by the force sense presentation device according to the first embodiment. 5A to 5C show the results of subjects A, B, and C, respectively. FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the external force applied to the haptic device according to the first embodiment and the amount of deformation when the dead zone is considered. The horizontal axis in FIG. 6 is an external force (Force), and the vertical axis is a displacement amount (Displacement). FIG. 7 is a diagram illustrating an experimental result of an experiment in which a target external force is applied to the force sense presentation device while referring to the force sense presented by the force sense presentation device according to the first embodiment when the dead zone is considered. .

実験では、外力作用部31の力センサには、ビー・エル・オートテック社製のNANOセンサが用いられ、医療用機器部11の鉗子先端の変位は、新興光器製作所社製の立体内視鏡11mmφ直視LS−101Dによって直上から撮影され、そのモニタによってユーザに提示された。被験者は、20代男性の3名であり、実験の意図は、被験者に説明されていない。このような各被験者に対し、医療用機器部11の鉗子先端に糸32を介して1.0Nの外力が外力作用部31の力センサによって与えられ、医療用機器部11の鉗子および関節部12の変位がユーザによって観察され、学習された。学習後、ユーザは、モニタによって提示された医療用機器部11の鉗子および関節部12の変位(力覚提示装置Saによって提示された力覚)を参照しながら(頼りに)、第1に、目標外力1.0Nとなるように、医療用機器部11の鉗子に外力を与える。この場合の実際に医療用機器部11の鉗子に与えられた外力が力センサによって測定された。これが10回繰り返された。次に、目標外力が変えられ、第2に、ユーザは、モニタによって提示された医療用機器部11の鉗子および関節部12の変位を参照しながら(頼りに)、目標外力0.5Nとなるように、医療用機器部11の鉗子に外力を与える。この場合の実際に医療用機器部11の鉗子に与えられた外力が力センサによって測定された。これが10回繰り返された。次に、目標外力が変えられ、第3に、ユーザは、モニタによって提示された医療用機器部11の鉗子および関節部12の変位を参照しながら(頼りに)、目標外力0.25Nとなるように、医療用機器部11の鉗子に外力を与える。この場合の実際に医療用機器部11の鉗子に与えられた外力が力センサによって測定された。これが10回繰り返された。   In the experiment, a NANO sensor manufactured by BL Autotech was used as the force sensor of the external force application unit 31, and the displacement of the tip of the forceps of the medical device unit 11 was detected by a stereoscopic endoscope manufactured by Shinko Kogaku Seisakusho. The image was taken from directly above by 11 mmφ direct view LS-101D and presented to the user by the monitor. The test subjects were three men in their twenties, and the intention of the experiment was not explained to the test subjects. For each subject, an external force of 1.0 N is applied to the distal end of the forceps of the medical device unit 11 via the thread 32 by the force sensor of the external force acting unit 31, and the forceps and joint portion 12 of the medical device unit 11 are applied. The displacement of was observed and learned by the user. After learning, the user refers to (depends on) the forceps of the medical device unit 11 and the displacement of the joint unit 12 (force sense presented by the force sense presentation device Sa) presented by the monitor. An external force is applied to the forceps of the medical device unit 11 so that the target external force is 1.0 N. In this case, the external force actually applied to the forceps of the medical device unit 11 was measured by the force sensor. This was repeated 10 times. Next, the target external force is changed, and second, the user becomes the target external force 0.5 N while referring to (relatively) the displacement of the forceps and the joint portion 12 of the medical device unit 11 presented by the monitor. As described above, an external force is applied to the forceps of the medical device unit 11. In this case, the external force actually applied to the forceps of the medical device unit 11 was measured by the force sensor. This was repeated 10 times. Next, the target external force is changed, and thirdly, the user becomes the target external force 0.25 N while referring to (relatively) the displacement of the forceps and the joint portion 12 of the medical device unit 11 presented by the monitor. As described above, an external force is applied to the forceps of the medical device unit 11. In this case, the external force actually applied to the forceps of the medical device unit 11 was measured by the force sensor. This was repeated 10 times.

この各被験者に対する実験の各結果が図5(A)ないし(C)にそれぞれ示されている。図5(A)ないし(C)には、各目標外力Frefに対し、実際に医療用機器部11の鉗子に与えられた外力の平均値および標準偏差が示されている。図5に示すように、外力1.0Nで医療用機器部11の鉗子および関節部12の変位量を学習することで、被験者は、医療用機器部11の鉗子および関節部12の変位(力覚提示装置Saによって提示された力覚)を参照することで、この学習した外力1.0Nと同じ目標外力1.0Nの場合(Fref=1.0N)、目標外力1.0Nと略等しい大きさで外力を医療用機器部11の鉗子に与えることができている。また、目標外力0.5Nの場合(Fref=0.5N)、目標外力1.0Nの場合に与えた外力よりも小さい大きさで外力を医療用機器部11の鉗子に与えることができ、そして、目標外力0.25Nの場合(Fref=0.25N)、目標外力0.5Nの場合に与えた外力よりも小さい大きさで外力を医療用機器部11の鉗子に与えることができている。   Each result of the experiment for each subject is shown in FIGS. 5 (A) to 5 (C). 5A to 5C show the average value and standard deviation of the external force actually applied to the forceps of the medical device section 11 for each target external force Fref. As shown in FIG. 5, by learning the displacement amounts of the forceps and joints 12 of the medical device unit 11 with an external force of 1.0 N, the subject can move the forceps and joints 12 of the medical device unit 11 (force) By referring to the sense of force presented by the sense presentation device Sa), when the target external force is 1.0 N which is the same as the learned external force of 1.0 N (Fref = 1.0 N), the magnitude is approximately equal to the target external force of 1.0 N. Now, an external force can be applied to the forceps of the medical device unit 11. When the target external force is 0.5 N (Fref = 0.5 N), the external force can be applied to the forceps of the medical device unit 11 with a magnitude smaller than the external force applied when the target external force is 1.0 N. When the target external force is 0.25N (Fref = 0.25N), the external force can be applied to the forceps of the medical device unit 11 with a magnitude smaller than the external force applied when the target external force is 0.5N.

したがって、学習することで、本実施形態における力覚提示装置Saでは、ユーザは、医療用機器部11および関節部12の変位量を観察することで、擬似力覚により、医療用機器部11および関節部12に作用した前記外力の大きさを定量的に推定できる。このため、このような本実施形態における力覚提示装置Saは、ユーザにより正確な力覚を提示することができる。   Therefore, by learning, in the force sense presentation device Sa in the present embodiment, the user observes the displacement amount of the medical device unit 11 and the joint unit 12, and thereby, by using the pseudo force sense, the medical device unit 11 and The magnitude of the external force acting on the joint portion 12 can be estimated quantitatively. For this reason, the force sense presentation device Sa according to this embodiment can present an accurate force sense by the user.

ここで、図5(A)ないし(C)に示すように、目標外力0.5Nの場合や目標外力0.25Nの場合では、目標外力と実際に医療用機器部11の鉗子に与えられた外力との差、すなわち、誤差が同程度含まれている。上述の力覚提示装置Saでは、エアシリンダ15の駆動によって関節部12に所定の硬さが付与されている。このため、関節部12には、駆動力の伝達経路とエアシリンダ15の摩擦力が影響しているものと推察でき、エアシリンダ15に駆動力が生じても関節部12に作用しない不感帯が存在するものと推察できる。   Here, as shown in FIGS. 5A to 5C, when the target external force is 0.5 N or the target external force is 0.25 N, the target external force is actually applied to the forceps of the medical device unit 11. The difference from the external force, that is, the error is included to the same extent. In the above-described force sense presentation device Sa, the joint portion 12 is given a predetermined hardness by driving the air cylinder 15. For this reason, it can be inferred that the driving force transmission path and the frictional force of the air cylinder 15 affect the joint portion 12, and there is a dead zone that does not act on the joint portion 12 even if the driving force is generated in the air cylinder 15. It can be inferred that

上述では、学習箇所が1個であるため、ユーザは、上述したように、医療用機器部11に作用する外力の大きさと、医療用機器部11および関節部12の変位量との関係が図4(D)に示すように原点を通る比例関係であると学習する。この結果、ユーザは、不感帯を学習しない。そこで、互いに異なる複数の外力でユーザに学習させることで、不感帯を持つ医療用機器部11および関節部12の変位量との関係が学習できる。すなわち、外力作用部31によって糸32を介して医療用機器部11に、既知の互いに異なる複数の大きさを持つ複数の外力が与えられ、医療用機器部11および関節部12が複数の変位量で変位される。   In the above description, since there is only one learning location, the user can obtain the relationship between the magnitude of the external force acting on the medical device unit 11 and the displacement amounts of the medical device unit 11 and the joint unit 12 as described above. It learns that it is a proportional relation which passes along the origin as shown to 4 (D). As a result, the user does not learn the dead zone. Therefore, by letting the user learn with a plurality of different external forces, the relationship between the amount of displacement of the medical device part 11 and the joint part 12 having the dead zone can be learned. That is, a plurality of known external forces having a plurality of different sizes are applied to the medical device unit 11 via the thread 32 by the external force acting unit 31, and the medical device unit 11 and the joint unit 12 have a plurality of displacement amounts. Is displaced by.

例えば、外力作用部31によって糸32を介して医療用機器部11に既知の第1大きさとして例えば1.0Nの第1外力を与え、医療用機器部11および関節部12を第1変位量で変位させる。ユーザは、医療用機器部11に与えられている第1外力の第1大きさが1.0Nであると知る(理解する)とともに、この医療用機器部11および関節部12の第1変位量を観察する。さらに、外力作用部31によって糸32を介して医療用機器部11に既知の第2大きさとして例えば0.25Nの第2外力を与え、医療用機器部11および関節部12を第2変位量で変位させる。ユーザは、医療用機器部11に与えられている第2外力の第2大きさが0.25Nであると知る(理解する)とともに、この医療用機器部11および関節部12の第2変位量を観察する。これによってユーザは、医療用機器部11に作用する外力の大きさと、医療用機器部11および関節部12の変位量との関係、例えば、図6に示す不感帯を持つ比例関係を学習することができる。   For example, a first external force of, for example, 1.0 N is applied to the medical device unit 11 through the thread 32 by the external force acting unit 31 as a known first magnitude, and the medical device unit 11 and the joint unit 12 are moved to the first displacement amount. Displace with. The user knows (understands) that the first magnitude of the first external force applied to the medical device unit 11 is 1.0 N, and the first displacement amount of the medical device unit 11 and the joint unit 12. Observe. Further, a second external force of, for example, 0.25 N is applied to the medical device unit 11 through the thread 32 by the external force acting unit 31 as a known second magnitude, and the medical device unit 11 and the joint unit 12 are moved to the second displacement amount. Displace with. The user knows (understands) that the second magnitude of the second external force applied to the medical device unit 11 is 0.25 N, and the second displacement amount of the medical device unit 11 and the joint unit 12. Observe. Thus, the user can learn the relationship between the magnitude of the external force acting on the medical device unit 11 and the displacement amount of the medical device unit 11 and the joint unit 12, for example, the proportional relationship having the dead zone shown in FIG. it can.

このような互いに大きさの異なる2個の外力(1.0Nおよび0.25N)で学習した場合における被験者に対する実験の各結果が図7に示されている。この実験は、不感帯の存在が被験者に認識させられ、学習が外力1.0Nおよび0.25Nの2箇所で実施され、目標外力が1.0Nの場合、0.75Nの場合および0.5Nの場合であることを除き、上述と同様である。図7には、各目標外力に対し、実際に医療用機器部11の鉗子に与えられた外力の平均値および標準偏差が示されている。図7に示すように、外力1.0Nおよび0.25Nの2箇所で医療用機器部11の鉗子および関節部12の各変位量をそれぞれ学習することで、被験者は、医療用機器部11の鉗子および関節部12の変位(力覚提示装置Saによって提示された力覚)を参照することで、目標外力1.0Nの場合、目標外力0.75の場合および目標外力0.5Nの場合の各場合ともに、目標外力と略等しい大きさで外力を医療用機器部11の鉗子に与えることができている。   FIG. 7 shows the results of experiments on the subject when learning was performed with two external forces (1.0 N and 0.25 N) having different sizes. In this experiment, the subject was made aware of the presence of the dead zone, learning was performed at two locations of external force 1.0N and 0.25N, and the target external force was 1.0N, 0.75N, and 0.5N. Except for the case, it is the same as described above. FIG. 7 shows the average value and standard deviation of the external force actually applied to the forceps of the medical device unit 11 for each target external force. As shown in FIG. 7, the subject can learn the displacement amounts of the forceps and the joint portion 12 of the medical device section 11 at two locations of external forces of 1.0 N and 0.25 N, respectively. By referring to the displacement of the forceps and the joint portion 12 (force sense presented by the force sense presentation device Sa), the target external force is 1.0 N, the target external force is 0.75, and the target external force is 0.5 N. In each case, the external force can be applied to the forceps of the medical device unit 11 with a magnitude substantially equal to the target external force.

したがって、互いに異なる大きさの複数の外力で学習することで、本実施形態における力覚提示装置Saでは、ユーザは、医療用機器部11および関節部12の変位量を観察することで、擬似力覚により、医療用機器部11および関節部12に作用した前記外力の大きさを定量的により正確に推定できる。このため、このような本実施形態における力覚提示装置Saは、ユーザにさらにより正確な力覚を提示することができる。   Therefore, by learning with a plurality of external forces having different sizes, in the force sense presentation device Sa according to the present embodiment, the user observes the displacement amounts of the medical device unit 11 and the joint unit 12 to thereby simulate the pseudo force. By the sense, the magnitude of the external force acting on the medical device part 11 and the joint part 12 can be estimated quantitatively and accurately. For this reason, the force sense presentation device Sa according to the present embodiment can present a more accurate force sense to the user.

次に、別の実施形態について説明する。   Next, another embodiment will be described.

(第2実施形態)
図8は、第2実施形態の力覚提示装置における筋電信号測定部の外観を示す図である。人間の力覚感度は、周囲の環境だけでなく、その人自身の状態によっても影響される。その一つに、力みによって力覚感度が低下し、例えば手を力んで強く握り込んだ状態では、力覚感度が低下する。第2実施形態における力覚提示装置は、力み具合(力みの程度)に応じて力覚の提示を調整するものである。このような第2実施形態における力覚提示装置Sbは、例えば、図1に示すように、医療用マニピュレータ10と、硬さ制御部20bと、外力作用部31と、筋電信号測定部41と、筋電信号硬さ特性記憶部42とを備えている。これら第2実施形態における医療用マニピュレータ10および外力作用部31は、それぞれ、第1実施形態における医療用マニピュレータ10および外力作用部31と同様であるので、その説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a diagram illustrating an appearance of a myoelectric signal measurement unit in the force sense presentation device according to the second embodiment. Human force sensitivity is influenced not only by the surrounding environment but also by the person's own condition. For example, the haptic sensitivity is reduced by force, and the haptic sensitivity is reduced, for example, in a state where the hand is gripped strongly. The force sense presentation device according to the second embodiment adjusts the presentation of force sense according to the degree of force (degree of force). For example, as shown in FIG. 1, the force sense presentation device Sb in the second embodiment includes a medical manipulator 10, a hardness control unit 20 b, an external force application unit 31, and an electromyogram signal measurement unit 41. And a myoelectric signal hardness characteristic storage unit 42. Since the medical manipulator 10 and the external force application unit 31 in the second embodiment are the same as the medical manipulator 10 and the external force application unit 31 in the first embodiment, respectively, the description thereof is omitted.

筋電信号測定部41は、生体における所定の部位に関与する筋肉の活動電位による筋電信号を測定する装置である。筋電信号測定部41は、硬さ制御部20bに、より具体的には本実施形態では後述のエアシリンダ制御部22bに接続され、測定結果をエアシリンダ制御部22bへ出力する。   The myoelectric signal measuring unit 41 is a device that measures a myoelectric signal based on an action potential of a muscle involved in a predetermined part in a living body. The myoelectric signal measurement unit 41 is connected to the hardness control unit 20b, more specifically to an air cylinder control unit 22b described later in the present embodiment, and outputs a measurement result to the air cylinder control unit 22b.

筋電信号測定部41は、本実施形態では、筋電信号を測定するとともに、さらに、この測定した筋電信号を、生体の筋肉が発揮する張力の大きさと対応付けられた擬似張力に変換する。このような筋電信号測定部41は、例えば、表面電極と、差動増幅器と、割り算回路と、全波整流器と、低域通過フィルタ(LPF)とを備える。前記表面電極は、前記所定の運動を行う生体部位に装着され、前記所定の運動に関与する筋肉の活動電位を検出するものである。本実施形態では、筋電信号は、図8に示すように、皮膚の表面に電極を張り付けることによって活動電位を記録する表面誘導法によって測定される。各筋電信号は、例えば、前記各表面電極でサンプリング周期1kHzおよび12ビット(bit)でサンプリングされ、前記差動増幅器で所定のレベルまでそれぞれ増幅される。これら増幅された各筋電信号は、それぞれ前記割り算回路に入力され、所定値で割り算される。この所定値については、後述する。これら割り算された各筋電信号は、前記全波整流器にそれぞれ入力され、全波整流(絶対値化)される。各筋電信号ごとに、この全波整流した信号は、10点ごとに平均され(EMGave )、さらに、次式1に基づき5点ごとの移動平均が計算される(EMGma)。このようにして求めた値EMGmaは、平滑筋電信号と呼ばれる。なお、前記割り算回路の前記所定値の算出では、予め被験者における筋電信号の最大値(EMGmax)および最小値(EMGmin)が測定され、次式2によって求められ、このNEMGが前記割り算回路の前記所定値とされる。
EMGma(t)=(1/5)×[ΣEMGave(t−i)](ただしΣはi=−2〜+2までの和) ・・・(1)
NEMG=[(EMG−EMGmin)/(EMGmax−EMGmin)] ・・・(2)
In the present embodiment, the myoelectric signal measurement unit 41 measures the myoelectric signal, and further converts the measured myoelectric signal into a pseudo tension associated with the magnitude of the tension exerted by the muscle of the living body. . Such a myoelectric signal measurement unit 41 includes, for example, a surface electrode, a differential amplifier, a division circuit, a full-wave rectifier, and a low-pass filter (LPF). The surface electrode is attached to a living body part that performs the predetermined exercise, and detects an action potential of a muscle involved in the predetermined exercise. In the present embodiment, the myoelectric signal is measured by a surface induction method in which an action potential is recorded by attaching an electrode to the surface of the skin, as shown in FIG. Each myoelectric signal is sampled, for example, at a sampling period of 1 kHz and 12 bits (bits) by each surface electrode, and is amplified to a predetermined level by the differential amplifier. Each amplified myoelectric signal is input to the dividing circuit and divided by a predetermined value. This predetermined value will be described later. Each of the divided myoelectric signals is input to the full-wave rectifier and full-wave rectified (absolute value). For each myoelectric signal, this full-wave rectified signal is averaged every 10 points (EMGave), and a moving average is calculated every 5 points based on the following equation (EMGma). The value EMGma obtained in this way is called a smooth myoelectric signal. In the calculation of the predetermined value of the division circuit, the maximum value (EMGmax) and the minimum value (EMGmin) of the myoelectric signal in the subject are measured in advance and obtained by the following equation 2, and this NEMG is calculated by the division circuit. It is set to a predetermined value.
EMGma (t) = (1/5) × [ΣEMGave (t−i)] (where Σ is the sum of i = −2 to +2) (1)
NEMG = [(EMG−EMGmin) / (EMGmax−EMGmin)] (2)

これら各平滑筋電信号は、それぞれ、前記低域通過フィルタに入力される。この低域通過フィルタは平滑筋電信号を擬似張力に変換して出力する。前記低域通過フィルタの出力信号(擬似張力)は、硬さ制御部20bのエアシリンダ制御部22bに出力される。擬似張力は、筋肉が発生する張力に対応する値である。LPF15は、神経インパルスに対する筋収縮の遅れを補正するための2次系のフィルタであり、その遮断周波数は、擬似張力と筋肉が実際に発生している張力との対応を正確にする観点から、数Hz、より好ましくは2Hz〜3Hzに設定される。本実施形態では、カットオフ周波数2.2rad/sに設定された。   Each of these smooth myoelectric signals is input to the low-pass filter. This low-pass filter converts a smooth myoelectric signal into pseudo tension and outputs it. The output signal (pseudo tension) of the low-pass filter is output to the air cylinder control unit 22b of the hardness control unit 20b. The pseudo tension is a value corresponding to the tension generated by the muscle. The LPF 15 is a second-order filter for correcting a delay in muscle contraction with respect to a nerve impulse, and its cutoff frequency is determined from the viewpoint of accurately matching the pseudo tension and the tension actually generated by the muscle. It is set to several Hz, more preferably 2 Hz to 3 Hz. In this embodiment, the cutoff frequency is set to 2.2 rad / s.

なお、上述では、表面電極によって筋電信号が測定されたが、筋内に刺入する針電極によって筋電信号が測定されてもよい。   In the above description, the myoelectric signal is measured by the surface electrode. However, the myoelectric signal may be measured by the needle electrode inserted into the muscle.

このような筋電信号測定部41は、生体における所定の部位の力みを測定する力み測定部の一例に相当する。   Such a myoelectric signal measurement unit 41 corresponds to an example of a force measurement unit that measures force of a predetermined part in a living body.

筋電信号硬さ特性記憶部42は、硬さ制御部20bのエアシリンダ制御部22bと接続され、前記筋電信号と前記変位部材の硬さとの対応関係を示す筋電信号硬さ特性を記憶する記憶素子(記憶装置)であり、例えば、書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)である。本実施形態では、筋電信号測定部41は、筋電信号だけでなく、筋電信号に基づく擬似張力を求めるので、筋電信号硬さ特性記憶部42は、前記筋電信号に基づく擬似張力と前記変位部材の硬さとの対応関係を示す擬似張力硬さ特性を記憶する。このような筋電信号硬さ特性記憶部42は、前記力みと前記変位部材の硬さとの対応関係を示す力み硬さ特性を記憶する力み硬さ特性記憶部の一例に相当する。前記擬似張力硬さ特性は、擬似張力が大きいほど、関節部12の硬さが硬くなる特性である。すなわち、前記力み硬さ特性は、力みが大きいほど、関節部12の硬さが硬くなる特性である。   The myoelectric signal hardness characteristic storage unit 42 is connected to the air cylinder control unit 22b of the hardness control unit 20b, and stores the myoelectric signal hardness characteristic indicating the correspondence between the myoelectric signal and the hardness of the displacement member. For example, an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) which is a rewritable nonvolatile storage element. In the present embodiment, the myoelectric signal measurement unit 41 obtains not only the myoelectric signal but also the pseudo tension based on the myoelectric signal. Therefore, the myoelectric signal hardness characteristic storage unit 42 includes the pseudo tension based on the myoelectric signal. And a pseudo-tension hardness characteristic indicating the correspondence between the displacement member and the hardness of the displacement member. Such a myoelectric signal hardness characteristic storage unit 42 corresponds to an example of a force hardness characteristic storage unit that stores a force hardness characteristic indicating a correspondence relationship between the force and the hardness of the displacement member. The pseudo-tension hardness characteristic is a characteristic that the hardness of the joint portion 12 becomes harder as the pseudo-tension is larger. In other words, the force hardness characteristic is a characteristic that the hardness of the joint portion 12 increases as the force increases.

硬さ制御部20bは、筋電信号硬さ記憶部42に記憶された前記筋電信号硬さ特性から求められる、筋電信号測定部41で測定された筋電信号に対応した硬さに、医療用マニピュレータ10の関節部12を制御するものである。硬さ制御部20bは、エアシリンダ駆動部21と、エアシリンダ制御部22bとを備える。硬さ制御部20bのエアシリンダ駆動部21は、硬さ制御部20aのエアシリンダ駆動部21と同様であるので、その説明を省略する。   The hardness control unit 20b is obtained from the myoelectric signal hardness characteristic stored in the myoelectric signal hardness storage unit 42, and has a hardness corresponding to the myoelectric signal measured by the myoelectric signal measuring unit 41. The joint portion 12 of the medical manipulator 10 is controlled. The hardness control unit 20b includes an air cylinder driving unit 21 and an air cylinder control unit 22b. Since the air cylinder drive part 21 of the hardness control part 20b is the same as the air cylinder drive part 21 of the hardness control part 20a, the description thereof is omitted.

硬さ制御部20aのエアシリンダ制御部22aに代わるエアシリンダ制御部22bは、関節部12が、筋電信号硬さ記憶部42に記憶された前記筋電信号硬さ特性から求められる、筋電信号測定部41で測定された筋電信号に対応した硬さになるように、エアシリンダ駆動部21を制御する。このような硬さ制御部20bは、前記力み硬さ特性から求められる、前記力み測定部で測定された力みに対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御する硬さ制御部の一例に相当する。より具体的には、エアシリンダ制御部22bは、例えばマイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路を備えたマイクロコンピュータによって構成される。エアシリンダ制御部22bは、筋電信号硬さ記憶部42に記憶された前記筋電信号硬さ特性から求められる、筋電信号測定部41で測定された筋電信号に対応した硬さに関節部12を調整する制御信号をエアシリンダ駆動部21へ出力する。エアシリンダ駆動部21は、制御信号に対応する所定の流量の圧縮空気がエアシリンダのシリンダへ流入するようにサーボ弁を駆動する。これによって所定の流量の圧縮空気がエアシリンダのシリンダへ流入し、この流入した圧縮空気によってピストンがシリンダの軸方向に摺動し、これに伴ってピストンロッドが所定のストローク量で移動する。これによってワイヤが移動し、筋電信号硬さ記憶部42に記憶された前記筋電信号硬さ特性から求められる、筋電信号測定部41で測定された筋電信号に対応した硬さに関節部12が調整される。   An air cylinder control unit 22b, which replaces the air cylinder control unit 22a of the hardness control unit 20a, has a joint unit 12 that is obtained from the myoelectric signal hardness characteristics stored in the myoelectric signal hardness storage unit 42. The air cylinder driving unit 21 is controlled so as to have a hardness corresponding to the myoelectric signal measured by the signal measuring unit 41. Such a hardness control unit 20b is a hardness that controls the displacement member to the hardness of the displacement member corresponding to the force measured by the force measurement unit, which is obtained from the force hardness characteristic. This corresponds to an example of a control unit. More specifically, the air cylinder control part 22b is comprised by the microcomputer provided with the microprocessor, the memory | storage element, and its peripheral circuit, for example. The air cylinder control unit 22b is jointed to the hardness corresponding to the myoelectric signal measured by the myoelectric signal measuring unit 41, which is obtained from the myoelectric signal hardness characteristic stored in the myoelectric signal hardness storage unit. A control signal for adjusting the unit 12 is output to the air cylinder driving unit 21. The air cylinder driving unit 21 drives the servo valve so that compressed air having a predetermined flow rate corresponding to the control signal flows into the cylinder of the air cylinder. As a result, compressed air having a predetermined flow rate flows into the cylinder of the air cylinder, the piston slides in the axial direction of the cylinder by the inflowing compressed air, and accordingly, the piston rod moves by a predetermined stroke amount. As a result, the wire moves and the joint has a hardness corresponding to the myoelectric signal measured by the myoelectric signal measuring unit 41, which is obtained from the myoelectric signal hardness characteristic stored in the myoelectric signal hardness storage unit 42. Part 12 is adjusted.

このような第2実施形態における力覚提示装置Sbは、生体部位の力みを筋電信号によって測定し、ユーザの前記筋電信号に対応した関節部12の硬さで、すなわち、ユーザの前記力みに対応した関節部12の硬さで関節部12が制御される。言い換えれば、第2実施形態における力覚提示装置Sbでは、生体における所定の部位の力みに対応した生体部位の硬さに関節部12の硬さが制御される。したがって、第2実施形態における力覚提示装置Sbは、ユーザにおける所定部位の力み具合に合わせて力覚を提示できるので、ユーザにより正確な力覚を提示することができる。   Such a force sense presentation device Sb according to the second embodiment measures the force of the living body part using a myoelectric signal, and the hardness of the joint portion 12 corresponding to the user's myoelectric signal, that is, the user's The joint portion 12 is controlled by the hardness of the joint portion 12 corresponding to the force. In other words, in the force sense presentation device Sb in the second embodiment, the hardness of the joint portion 12 is controlled to the hardness of the living body part corresponding to the force of the predetermined part in the living body. Therefore, the force sense presentation device Sb according to the second embodiment can present a force sense according to the degree of force of the predetermined part of the user, and thus can present a more accurate force sense to the user.

このような第2実施形態の力覚提示装置Sbに関する力覚提示実験結果の一例について説明する。図9は、第2実施形態の力覚提示装置における前記医療用マニピュレータの様子を示す図である。図10は、第2実施形態の力覚提示装置によって提示される力覚を参照しながら、前記力覚提示装置に目標外力を与える実験の実験結果を示す図である。   An example of the haptic presentation experiment result regarding the haptic presentation device Sb of the second embodiment will be described. FIG. 9 is a diagram illustrating a state of the medical manipulator in the haptic device according to the second embodiment. FIG. 10 is a diagram illustrating an experimental result of an experiment in which a target external force is applied to the force sense presentation device while referring to the force sense presented by the force sense presentation device of the second embodiment.

実験では、筋電信号測定部41には、DELSYS社製のBagnoli EMG Systemが用いられ、被験者の利き手の母指内転筋付近に装着され、筋電信号が測定された。被験者は、20代男性の5名であり、実験の意図は、被験者に説明されていない。このような各被験者に対し、1.0Nで、学習された。外力は、図9に示すように、医療用マニピュレータ10の先端を床に押し込むことで与えられ、医療用機器部11の鉗子に与えられた外力が力センサによって測定された。学習後、ユーザは、モニタによって提示された医療用機器部11の鉗子および関節部12の変位(力覚提示装置Sbによって提示された力覚)を参照しながら(頼りに)、目標外力1.0Nとなるように、医療用機器部11の鉗子に外力を与える。これが脱力状態(力みが相対的に小さい、relaxed)と緊張状態(力みが相対的に大きい、strained)を交互に10回繰り返された。この脱力状態および緊張状態のそれぞれに対応して関節部12の硬さがそれぞれ調整される。そして、再び、学習が行われ、同様に、ユーザは、モニタによって提示された医療用機器部11の鉗子および関節部12の変位を参照しながら目標外力1.0Nとなるように、医療用機器部11の鉗子に外力を与える。これが脱力状態と緊張状態を交互に10回繰り返された。実験結果は、後半の5回のみが記録された。   In the experiment, a Bagnoli EMG System manufactured by DELSYS was used for the myoelectric signal measurement unit 41, and was mounted near the thumb adductor muscle of the subject's dominant hand, and the myoelectric signal was measured. The test subjects were five men in their twenties, and the intention of the experiment was not explained to the test subjects. Each such subject was trained at 1.0 N. As shown in FIG. 9, the external force is applied by pushing the tip of the medical manipulator 10 into the floor, and the external force applied to the forceps of the medical device unit 11 is measured by a force sensor. After learning, the user refers to (reliance) the forceps of the medical device unit 11 and the displacement of the joint unit 12 (force sense presented by the force sense presentation device Sb) presented by the monitor while relying on the target external force 1. An external force is applied to the forceps of the medical device unit 11 so as to be 0N. This was repeated ten times alternately in a weak state (relaxed with relatively small force) and a tension state (strained with relatively large force). The hardness of the joint portion 12 is adjusted corresponding to each of the weak state and the tension state. Then, learning is performed again, and similarly, the user can obtain a target external force of 1.0 N while referring to the forceps of the medical device unit 11 and the displacement of the joint unit 12 presented by the monitor. An external force is applied to the forceps of the section 11. This was repeated ten times alternately in a weak state and a tension state. The experimental results were recorded only in the last 5 times.

ここでは、代表的に、この各被験者のうち2名に対する実験の各結果が図10(A)および(B)にそれぞれ示されている。図10(A)および(B)には、各目標外力に対し、実際に医療用機器部11の鉗子に与えられた外力の平均値および標準偏差が示されている。また、斜線のハッチングのない棒グラフは、脱力状態および緊張状態のそれぞれに対応して関節部12の硬さをそれぞれ調整しない場合の結果(第1実施形態の力覚提示装置Saを用いた結果)であり、斜線のハッチングのある棒グラフは、脱力状態および緊張状態のそれぞれに対応して関節部12の硬さをそれぞれ調整した場合の結果(第2実施形態の力覚提示装置Sbを用いた結果)である。図10に示すように、脱力状態および緊張状態のそれぞれに対応して関節部12の硬さをそれぞれ調整することで、脱力状態および緊張状態のそれぞれに対応して関節部12の硬さをそれぞれ調整しない場合に較べて、被験者は、医療用機器部11の鉗子および関節部12の変位(力覚提示装置Sbによって提示された力覚)を参照することによって、この学習した外力1.0Nにより近似した大きさで外力を医療用機器部11の鉗子に与えることができている。   Here, typically, each result of the experiment for two of these subjects is shown in FIGS. 10 (A) and 10 (B), respectively. 10A and 10B show the average value and standard deviation of the external force actually applied to the forceps of the medical device section 11 for each target external force. In addition, the bar graph without hatched hatching is a result when the hardness of the joint portion 12 is not adjusted corresponding to each of the weak state and the tension state (result using the force sense presentation device Sa of the first embodiment). The bar graph with hatched hatching is the result when the hardness of the joint 12 is adjusted corresponding to each of the weak state and the tension state (result using the force sense presentation device Sb of the second embodiment) ). As shown in FIG. 10, by adjusting the hardness of the joint portion 12 corresponding to each of the weak state and the tension state, the hardness of the joint portion 12 corresponding to each of the weak state and the tension state, respectively. Compared to the case where the adjustment is not performed, the subject can use the learned external force 1.0N by referring to the forceps of the medical device unit 11 and the displacement of the joint unit 12 (force sense presented by the force sense presentation device Sb). An external force can be applied to the forceps of the medical device unit 11 with an approximate size.

したがって、力みに応じて関節部12の硬さを調整することで、本実施形態における力覚提示装置Sbは、ユーザの擬似力覚により、ユーザにさらにより正確な力覚を提示することができる。   Therefore, by adjusting the hardness of the joint portion 12 according to the force, the force sense presentation device Sb in the present embodiment can present a more accurate force sense to the user by the user's pseudo force sense. it can.

なお、上述では、筋電信号測定部41によって筋電信号を測定することによって生体における所定の部位の力み具合を測定したが、筋電信号測定部41に代え、把持され握る力を測定する把持力センサが用いられてもよい。これに対応して、筋電信号硬さ特性記憶部42に代え、前記握り力と前記変位部材の硬さとの対応関係を示す握り力硬さ特性を記憶する握り力硬さ特性記憶部が用いられ、硬さ制御部20bに代え、前記握り力硬さ特性から求められる、前記力センサで測定された握り力に対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御する硬さ制御部が用いられる。前記力センサは、例えば、棒状の握部が基部に固定的に突設され、握部の底部に備えられた圧電素子によって握部に加えられた力を検出する装置である。   In the above description, the force condition of a predetermined part in the living body is measured by measuring the myoelectric signal by the myoelectric signal measuring unit 41. However, instead of the myoelectric signal measuring unit 41, the force grasped and gripped is measured. A gripping force sensor may be used. Correspondingly, instead of the myoelectric signal hardness characteristic storage unit 42, a gripping force hardness characteristic storage unit that stores a gripping force hardness characteristic indicating a correspondence relationship between the gripping force and the hardness of the displacement member is used. In place of the hardness control unit 20b, the hardness control unit that controls the displacement member to the hardness of the displacement member corresponding to the grip force measured by the force sensor, which is obtained from the grip force hardness characteristic. Is used. The force sensor is a device that detects, for example, a force applied to the grip portion by a piezoelectric element provided on a bottom portion of the grip portion, with a rod-like grip portion projectingly from the base portion.

また、上述では、関節部12の硬さの制御は、フォワード制御であるが、エアシリンダにおけるピストンロッドの位置を検出するポテンションメータ(位置センサ)をさらに設け、硬さ制御部20bは、このポテンションメータの検出結果に基づいてフィードバック制御してもよい。   In the above description, the hardness control of the joint 12 is forward control. However, a potentiometer (position sensor) for detecting the position of the piston rod in the air cylinder is further provided, and the hardness control unit 20b Feedback control may be performed based on the detection result of the potentiometer.

次に、別の実施形態について説明する。   Next, another embodiment will be described.

(第3実施形態)
図11は、第3実施形態における力覚提示装置の構成を示す図である。第1および第2実施形態における力覚提示装置Sa、Sbは、実際に外力が作用した結果の変位量で力覚を提示する装置であるが、第3実施形態における力覚提示装置Scは、仮想的に外力が作用した結果の変位量で力覚を提示する装置である。
(Third embodiment)
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of the force sense presentation device according to the third embodiment. The force sense presentation devices Sa and Sb in the first and second embodiments are devices that present a force sense with a displacement amount as a result of the actual application of external force, while the force sense presentation device Sc in the third embodiment is This is a device that presents a force sense with a displacement amount as a result of virtual external force acting.

この第3実施形態における力覚提示装置Scは、表示部と、表示制御部と、タッチパネルと、押圧力硬さ特性記憶部と、これらを収納する、例えば図11に示す比較的薄い直方体箱形のハウジングHSとを備える。   The force sense presentation device Sc according to the third embodiment includes a display unit, a display control unit, a touch panel, a pressure hardness characteristic storage unit, and a relatively thin rectangular box shape shown in FIG. Housing HS.

前記表示部は、ハウジングHSの一方主面に配置された表示画面DSに表示を行う装置である。前記表示制御部は、図11に示すように、錘を模した例えば矩形状の錘絵図51と、変位部分を含み錘51を支持する支持部材を模した例えば線状の支持絵図52と、押圧力を受け付けて入力するためのタッチパネルTP上の位置を表示する押圧釦絵図53とを前記表示部の表示画面DSに表示させる装置である。錘絵図51の重さは、その大きさで表される。支持絵図52による力覚は、前記変位部位である先端部分の曲がり具合で表される。前記タッチパネルTPは、前記表示部の表示画面DS上に配設され、例えば抵抗膜方式や静電容量方式等によって操作位置を検出して入力する。前記押圧力硬さ特性記憶部は、タッチパネルTPから入力された押圧力と前記変位部分(先端部分)の硬さとの対応関係を示す押圧力硬さ特性を記憶する装置である。そして、前記表示制御部は、さらに、前記押圧力硬さ特性から求められる、押圧釦絵図53の位置に対応するタッチパネルTPの位置から入力された押圧力に対応した前記変位部分(先端部分)の硬さで、前記変位部分を変位させて支持絵図52を前記表示部に表示させる。   The display unit is a device that performs display on a display screen DS arranged on one main surface of the housing HS. As shown in FIG. 11, the display control unit includes, for example, a rectangular pyramid diagram 51 simulating a weight, a linear support pictorial diagram 52 simulating a support member that includes a displacement portion and supports the weight 51, and a push button. This is a device that displays on the display screen DS of the display section a press button picture 53 that displays a position on the touch panel TP for receiving and inputting pressure. The weight of the diagram 51 is represented by its size. The force sensation according to the support picture 52 is represented by the degree of bending of the tip portion that is the displacement portion. The touch panel TP is disposed on the display screen DS of the display unit, and detects and inputs an operation position by, for example, a resistance film method or a capacitance method. The pressing force hardness characteristic storage unit is a device that stores a pressing force hardness characteristic indicating a correspondence relationship between the pressing force input from the touch panel TP and the hardness of the displacement portion (tip portion). Then, the display control unit further determines the displacement portion (tip portion) corresponding to the pressing force input from the position of the touch panel TP corresponding to the position of the pressing button picture 53, which is obtained from the pressing force hardness characteristic. The displacement part is displaced by the hardness, and the supporting picture 52 is displayed on the display unit.

このような第3実施形態における力覚提示装置Scは、例えば、入力を受け付ける入力装置、表示を行う表示装置、CPU、力覚を仮想的に提示する力覚提示プログラムや前記押圧力硬さ特性等を記憶した不揮発性の記憶素子やいわゆる前記CPUのワーキングメモリとなるRAM等の記憶素子、および、それらの周辺装置を備えた例えばiPad等のパーソナルコンピュータによって実現可能である。このようなパーソナルコンピュータは、予め前記記憶素子に記憶された力覚提示プログラムを前記CPUが実行することによってCPUに機能的に前記表示制御部が構成される。   Such a force sense presentation device Sc in the third embodiment includes, for example, an input device that accepts an input, a display device that performs display, a CPU, a force sense presentation program that virtually presents a force sense, and the pressing force hardness characteristic. This can be realized by a non-volatile storage element that stores information, a storage element such as a RAM that serves as a working memory of the CPU, and a personal computer such as an ipad provided with peripheral devices thereof. In such a personal computer, when the CPU executes a force sense presentation program stored in advance in the storage element, the display control unit is functionally configured in the CPU.

このような第3実施形態における力覚提示装置Scでは、支持絵図52の先端に錘絵図51が接触するように表示されると、錘絵図51の大きさに応じた外力が仮想的に支持絵図52の先端に作用し、図11に示すように、この外力に応じて支持絵図52の先端部分が曲がる(撓る)。したがって、第1実施形態の力覚提示装置Saと同様に、ユーザは、支持絵図52の曲がり具合(撓り具合)を観察することで、擬似力覚により、支持絵図52に仮想的に作用した前記外力の大きさを認識することができる。   In such a force sense presentation device Sc according to the third embodiment, when the spindle diagram 51 is displayed so as to contact the tip of the support picture 52, an external force corresponding to the size of the spindle picture 51 is virtually supported. Acting on the tip of 52, as shown in FIG. 11, the tip of the supporting picture 52 bends (bends) in response to this external force. Therefore, similarly to the force sense presentation device Sa of the first embodiment, the user virtually acts on the support picture 52 by the pseudo force sense by observing the bending condition (deflection condition) of the support picture 52. The magnitude of the external force can be recognized.

そして、第3実施形態における力覚提示装置Scでは、ユーザが手指によって押圧釦絵図53の位置に対応するタッチパネルTPが押圧されると、前記表示制御部は、前記押圧力硬さ記憶部に記憶されている前記押圧力硬さ特性から求められる、押圧釦絵図53上のタッチパネルTPから入力された押圧力に対応した硬さで、その先端部分を変位させて支持絵図52を前記表示部の表示画面DSに表示させる。押圧力が大きくなるに従って手指のタッチパネルとの接触面積が大きくなるので、ユーザの押圧力の程度は、手指のタッチパネルとの接触面積の広狭に応じて求められる。したがって、第2実施形態の力覚提示装置Sbと同様に、押圧力、すなわち手指の力みに応じて支持絵図52の先端部分の硬さを調整することで、第3実施形態における力覚提示装置Scは、ユーザの擬似力覚により、ユーザにさらにより正確な力覚を提示することができる。   In the force sense presentation device Sc according to the third embodiment, when the user presses the touch panel TP corresponding to the position of the push button diagram 53 with a finger, the display control unit stores the pressure in the pressing force hardness storage unit. The support picture 52 is displayed on the display unit by displacing the tip thereof with the hardness corresponding to the pressure inputted from the touch panel TP on the push button picture 53, which is obtained from the pressed pressure hardness characteristic. It is displayed on the screen DS. Since the contact area of the finger with the touch panel increases as the pressing force increases, the degree of the user's pressing force is determined according to the size of the contact area of the finger with the touch panel. Therefore, similarly to the force sense presentation device Sb of the second embodiment, the force sense presentation in the third embodiment is adjusted by adjusting the hardness of the distal end portion of the support picture 52 according to the pressing force, that is, the force of the fingers. The device Sc can present an even more accurate force sense to the user by the user's pseudo force sense.

また、第3実施形態における力覚提示装置Scは、仮想的に力覚を提示するので、第1および第2実施形態のように現実の医療用マニピュレータ10を用いることなく、あるいは、現実に医療用マニピュレータ10を使う前に(本番前に)、力覚の感覚を練習することもできる。   In addition, since the force sense presentation device Sc in the third embodiment virtually presents a force sense, it does not use the actual medical manipulator 10 as in the first and second embodiments, or is actually medical. Before using the manipulator 10 (before production), the sense of force can be practiced.

なお、上述の第1ないし第3実施形態の力覚提示装置S(Sa〜Sc)は、曲がり具合によって力覚を提示したが、ねじれ具合によって力覚が提示されてもよい。   In addition, although the force sense presentation apparatus S (Sa-Sc) of the above-mentioned 1st thru | or 3rd embodiment showed the force sense by the bending condition, a force sense may be shown by the twist condition.

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および/または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。   In order to express the present invention, the present invention has been properly and fully described through the embodiments with reference to the drawings. However, those skilled in the art can easily change and / or improve the above-described embodiments. It should be recognized that this is possible. Therefore, unless the modifications or improvements implemented by those skilled in the art are at a level that departs from the scope of the claims recited in the claims, the modifications or improvements are not covered by the claims. To be construed as inclusive.

Sa、Sb、Sc 力覚提示装置
10 医療用マニピュレータ
12 関節部
20a、20b 硬さ制御部
31 外力作用部
41 筋電信号測定部
42 筋電信号硬さ記憶部
Sa, Sb, Sc Force sense presentation device 10 Medical manipulator 12 Joint part 20a, 20b Hardness control part 31 External force action part 41 Myoelectric signal measurement part 42 Myoelectric signal hardness storage part

Claims (6)

変位可能な変位部材を含み変位部分を外部から観察可能な機構と、
前記変位部材を所定の硬さに制御する硬さ制御部とを備えること
を特徴とする力覚提示装置。
A mechanism that includes a displaceable displacement member and is capable of observing the displacement portion from the outside;
A force sense presentation device comprising: a hardness control unit configured to control the displacement member to a predetermined hardness.
前記変位部材に既知の外力を作用させる外力作用部をさらに備えること
を特徴とする請求項1に記載の力覚提示装置。
The force sense presentation device according to claim 1, further comprising an external force application unit that applies a known external force to the displacement member.
生体における所定の部位の力みを測定する力み測定部と、
前記力みと前記変位部材の硬さとの対応関係を示す力み硬さ特性を記憶する力み硬さ特性記憶部とをさらに備え、
前記硬さ制御部は、前記力み硬さ特性から求められる、前記力み測定部で測定された力みに対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御すること
を特徴とする請求項1または請求項2に記載の力覚提示装置。
A force measurement unit that measures the force of a predetermined part of the living body;
A force hardness characteristic storage unit that stores a force hardness characteristic indicating a correspondence relationship between the force and the hardness of the displacement member;
The hardness control unit controls the displacement member to a hardness of the displacement member corresponding to the force measured by the force measurement unit, which is obtained from the force hardness characteristic. The force sense presentation device according to claim 1 or 2.
前記機構は、医療に用いられる医療用機器を含む医療用機器部と、一方端を前記医療用機器部に連結し所定の自由度を持つ関節部と、前記関節部の他方端に連結し前記関節部を支持する支持部とを備える医療用マニピュレータであること
を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の力覚提示装置。
The mechanism includes a medical device unit including a medical device used for medical treatment, a joint portion having one end connected to the medical device portion and having a predetermined degree of freedom, and a joint portion connected to the other end of the joint portion. The force sense presentation device according to any one of claims 1 to 3, wherein the force sense presentation device is a medical manipulator including a support portion that supports the joint portion.
表示画面に表示を行う表示部と、
錘を模した錘絵図と、変位部分を含み前記錘を支持する支持部材を模した支持絵図とを前記表示部に表示させる表示制御部と、
前記表示画面上に配設されたタッチパネルと、
前記タッチパネルから入力された押圧力と前記変位部分の硬さとの対応関係を示す押圧力硬さ特性を記憶する押圧力硬さ特性記憶部とを備え、
前記表示制御部は、前記押圧力硬さ特性から求められる、前記タッチパネルから入力された押圧力に対応した前記変位部分の硬さで、前記変位部分を変位させて前記支持絵図を前記表示部に表示させること
を特徴とする力覚提示装置。
A display unit for displaying on the display screen;
A display controller that displays on the display unit a weight picture that simulates a weight, and a support picture that simulates a support member that includes a displacement portion and supports the weight;
A touch panel disposed on the display screen;
A pressing force hardness characteristic storage unit that stores a pressing force hardness characteristic indicating a correspondence relationship between the pressing force input from the touch panel and the hardness of the displacement portion;
The display control unit displaces the displacement portion with the hardness of the displacement portion corresponding to the pressing force input from the touch panel, which is obtained from the pressing force hardness characteristic, and displays the supporting picture on the display portion. A force sense presentation device characterized by displaying.
生体の所定の運動に関与する筋肉の活動電位による筋電信号を測定する筋電信号測定工程と、
変位可能な変位部材を含み変位部分を外部から観察可能な機構における前記変位部材を所定の硬さに制御する硬さ制御工程と、
前記筋電信号と前記変位部材の硬さとの対応関係を示す筋電信号硬さ特性を筋電信号硬さ特性記憶部に記憶する筋電信号硬さ特性記憶工程とを備え、
前記硬さ制御工程は、前記筋電信号硬さ特性から求められる、前記筋電信号測定工程で測定された筋電信号に対応した前記変位部材の硬さに、前記変位部材を制御すること
を特徴とする力覚提示方法。
A myoelectric signal measuring step for measuring an electromyographic signal due to an action potential of a muscle involved in a predetermined movement of a living body;
A hardness control step of controlling the displacement member to a predetermined hardness in a mechanism that includes a displaceable displacement member and is capable of observing the displacement portion from the outside;
A myoelectric signal hardness characteristic storage step of storing in the myoelectric signal hardness characteristic storage unit a myoelectric signal hardness characteristic indicating a correspondence relationship between the myoelectric signal and the hardness of the displacement member,
The hardness control step controls the displacement member to a hardness of the displacement member corresponding to the myoelectric signal measured in the myoelectric signal measurement step obtained from the myoelectric signal hardness characteristic. A haptic presentation method as a feature.
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