JP2010102560A - 把持感覚提示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体を把持した感覚を人の手に提示するための把持感覚デバイスを提供する。
【解決手段】把持感覚デバイスの把持感覚提示部２は、サーボモータ１０と、差動機構２０と、２つの力覚提示部３０，４０とを備える。力覚提示部３０は、台座３１と、ボールネジ３２と、スライダ３３と、スライドレール３４ａ，３４ｂと、指置き台３５と、圧力センサ３６と、固定側ユニット３７と、支持側ユニット３８とを備える。ボールネジ３２は、固定側ユニット３７および支持側ユニット３８により、保持されており、Ｘ方向を軸として回転可能である。ボールネジ３２には、マイタギア２１ａが取り付けられている。サーボモータ１０のモータ軸１１が回転すると、ボールネジ３２は、Ｘ方向を軸として回転する。スライダ３３は、ボールネジ３２およびスライドレール３４ａ，３４ｂに取り付けられており、ボールナット３３ａと、ボールナット３３ａを取り付けるナット支持板３３ｂとを含む。スライダ３３は、ボールネジ３２が回転すると、Ｘ方向に直線運動する。
【選択図】図４

Description

本発明は、人に力覚を提示する力覚提示デバイスに関し、特に、仮想物体を把持した感覚を人の手に提示するための把持感覚デバイスに関する。

近年、仮想現実感を人に提示する技術の研究が盛んに行なわれている。このような技術の代表的なものに、バーチャルリアリティ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）やミクストリアリティ（Ｍｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）がある。バーチャルリアリティとは、コンピュータグラフィックスや音響効果を組み合わせて、 人工的に現実感を作り出す技術である。ミクストリアリティとは、インタラクティブな３次元コンピュータグラフィックスと実空間を融合させる技術である。

仮想現実感の提示にあたっては、実際に物体があるかのように人の五感に刺激を与える必要がある。特に、力覚の提示は、仮想現実感の生成に重要である。力覚提示の研究は、これまでからなされており、力覚を提示するデバイスは、すでにいくつか開発されている。

力覚提示デバイスの代表的なものに、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）がある（例えば、非特許文献１を参照）。ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）の外観を図１に示す。図１を参照して、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）は、ペン形のスタイラス１０００を備える。また、ＰＨＡＮＴＯＭは、スタイラス１０００に力を与えるモータを備える。モータがスタイラス１０００に与える力は、スタイラス１０００の位置に応じて定められている。したがって、ＰＨＡＮＴＯＭのユーザは、スタイラス１０００をつかんで動かすと、スタイラスの位置に応じて、硬い、柔らかいなどの力覚を感じる。

これまでに、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）を用いた仮想現実感の提示について様々な研究がなされている。例えば、非特許文献２には、力覚提示装置ＰＨＡＮＴＯＭで提示する力覚情報と、物に触れたときに発生する音声情報とをユーザに同時に提示し触ったときの臨場感を高める研究についての開示がある。非特許文献２には、様々なものに触れたときの触れ方をＰＨＡＮＴＯＭが検知し、それに適合する音を自動生成するプログラムが開示されている。

ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）と同様によく知られている力覚提示デバイスに、ＳＰＩＤＡＲがある（例えば、非特許文献３、非特許文献４を参照）。ＳＰＩＤＡＲの外観を図２に示す。ＳＰＩＤＡＲは、力覚ポインタ２１００と、力覚ポインタ２１００に接続された複数のワイヤ２２００とを備える。ＳＰＩＤＡＲは、各ワイヤ２２００の長さから力覚ポインタ２１００の位置および姿勢を計算し、位置および姿勢に応じた力覚をワイヤ２２００の張力により提示する。

また、非特許文献５には、空間型作業での選択・移動操作を容易にするピンセット型デバイスが提案されている。
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｅｎｓａｂｌｅ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ−ｈａｐｔｉｃ−ｄｅｖｉｃｅｓ．ｈｔｍ Ｊｕａｎ Ｌｉｕ，Ｈｉｒｏｓｈｉ Ａｎｄｏ "Ｈｅａｒｉｎｇ Ｈｏｗ Ｙｏｕ Ｔｏｕｃｈ： Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｔａｃｔ Ｓｏｕｎｄｓ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒｙ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ"、ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｈｕｍａｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ （ＨＳＩ ２００８）、２００８年５月 赤羽ら"１０ｋＨｚの更新周波数による高解像度ハプティックレンダリング"、日本バーチャルリアリティ学会論文誌、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．３、ｐｐ．２１７−２２６（２００４） 長谷川晶一、井上雅晴、金時学、佐藤誠、"張力型力覚提示装置のための張力計算法"、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．６、ｐｐ．１〜６（２００４） 上坂ら"空間型作業での選択・移動操作を容易にする道具型デバイス"、インタラクション２００８、Ｎｏ．１０１、情報処理学会、２００８年３月

上記のＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）やＳＰＩＤＡＲは、物体を複数の指で把持したときの感覚を提示するのには、向いていない。

まず、これらの装置を用いて、力覚を複数の箇所に提示することは難しい。これらの装置は、各々、力覚を提示する箇所が１ヶ所であり、力覚を複数の箇所に提示することはできない。力覚を複数の箇所に提示するために、これらの装置を複数組み合わせることも考えられるが、この方法では、装置構成が複雑になる。

また、物をつかんだときに硬さを判断する重要な要素は、つかみ終わって最も反力が大きくなる時の力（終端力）であると言われている。ところが、これらの装置は、硬い物を把持するときの終端力を提示するには、装置が出せる力（提示力）が小さすぎる。例えば、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）の提示力は、現在のところ、３．３〜３７．５Ｎである。また、非特許文献４におけるＳＰＩＤＡＲの提示力は、各軸に対しそれぞれ５Ｎである。

ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）やＳＰＩＤＡＲが大きな力を提示できないのは、これらの装置が、モータの力を、ワイヤによって、力を提示するポイントまで伝えているためである。ワイヤの弾性により、これらの装置は、急激に大きな力を提示することができない。さらに、ＰＨＡＮＴＯＭでは、細長い棒状のアームに対し、垂直方向に力を加えることになるため、アームが弾性によりゆがみやすい、という問題もある。

さらに、これらは、据え置き型の装置であり、力覚を提示できる範囲が、装置の設置場所の周辺に限られるという問題もある。

非特許文献５に記載のピンセット型デバイスは、任意の力覚を提示できない。非特許文献５では、ピンセット型デバイスの反力提示機構として、ラチェット方式やドラムブレーキ方式のものを用いることが開示されているものの、ピンセットを固定した状態あるいは固定しない状態の２種類の力覚しか出力できない。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、物体を把持した感覚を人の手に提示するための把持感覚デバイスを提供することを課題とする。さらには、携帯型の把持感覚デバイスを提供することを課題とする。

１つの局面に係る本願発明は、仮想物体の把持感覚をユーザに提示する把持感覚提示装置であって、回転力を発生する駆動部と、複数の力提示部とを備える。各力提示部は、駆動部に接続され、回転力に応じて回転する棒状のネジと、ネジに接続され、ネジの回転に応じて、ネジの軸方向に移動するスライダ部とを含む。把持感覚提示装置は、外部物体が各スライダ部に加える作用に関する情報を検知する検知手段と、検知手段の検知結果に基づいて駆動部の動作を制御する制御手段とをさらに備える。制御手段は、仮想物体が外部に与える応力の特性を表わす把持物体情報を格納する記憶手段と、検知結果および把持物体情報に基づいて、スライダ部が特性に応じた応力を発生するように駆動部を制御する駆動信号を生成する信号生成手段とを含む。

好ましくは、複数の力提示部は、互いに対向する第１の力提示部および第２の力提示部を含む。

さらに好ましくは、駆動部は、モータと、モータの回転を、第１の力提示部のネジおよび第２の力提示部のネジの回転に変換する力伝達部とを含む。

さらに好ましくは、力伝達部は、差動機構を有する。
好ましくは、第１の力提示部のスライダ部と、第２の力提示部のスライダ部とは、駆動信号に対して、異なる距離だけ移動する。

好ましくは、検知手段は、各スライダ部に設置された圧力センサを含む。
好ましくは、検知手段は、駆動部の回転量を検知するエンコーダを含む。

好ましくは、各ネジは、ボールネジである。

本発明に係るデバイスは、複数のネジ機構を備え、各ネジ機構によりユーザに力を提示する。その結果、硬い物体を把持したときの感覚（力覚）を提示できる把持感覚デバイスを提供することができる。あるいは、本発明によれば、携帯型の把持感覚デバイスを提供することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部分には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰り返さない。

（１．全体構成）
本発明に係る把持感覚提示デバイス１の概要を図３を参照して説明する。図３は、把持感覚提示デバイス１の外観を示す図である。図３を参照して、把持感覚提示デバイス１は、把持感覚提示部２と、制御装置３と、ケーブル４とを備える。

把持感覚提示部２は、ユーザが仮想物体をつかんだときに仮想物体から受ける力を提示する。ここで、仮想物体がユーザに与える力（応力）の特性は、予め定められており、制御装置３に格納されている。把持感覚提示部２の詳細については後述する。

制御装置３は、把持感覚提示部２の動作を制御する。すなわち、制御装置３は、把持感覚提示部２に外部物体が与える作用に関する情報の検知結果に基づいて、外部に提示すべき応力を求め、把持感覚提示部２に反力を提示させる。制御装置３の詳細については後述する。

ケーブル４は、把持感覚提示部２と制御装置３とを接続し、把持感覚提示部２と制御装置３との間で信号を伝達する。また、ケーブル４は、把持感覚提示部２に電力を供給する。ただし、把持感覚提示部２が、内蔵のバッテリーで駆動される場合は、電力の供給は不要である。さらに、把持感覚提示部２と制御装置３とに無線通信機能を設ければ、ケーブル４は不要である。

（２．把持感覚提示部）
把持感覚提示部２の構成について、図４および図５を参照して説明する。図４は、把持感覚提示部２の上面図である。図５は、把持感覚提示部２の側面図である。図５に示すように、把持感覚提示部２は、サーボモータ１０と、力伝達部２０と、２つの力覚提示部３０，４０とを備える。

サーボモータ１０は、制御装置３から電力の供給を受けて、モータ軸１１を回転する。ここでは、モータ軸１１の方向をＺ方向とする。サーボモータ１０の動作は、制御装置３からの信号により制御される。制御装置３によるサーボモータ１０の動作制御の詳細については後述する。

力伝達部２０は、Ｚ方向を軸とするモータ軸の回転運動を、Ｘ方向を軸とする回転運動に変換する。力伝達部２０は、モータ軸に取り付けられたモータ側ギアと、モータ側ギアとかみ合う２つの変換ギアとを含む。２つの変換ギアは、それぞれ、力覚提示部３０，４０に接続される。なお、ここでは、変換ギアとして、マイタギア２１ａ、マイタギア２１ｂを用いる。

図４および図５を参照して、力覚提示部３０は、台座３１と、ボールネジ３２と、スライダ３３と、スライドレール３４ａ，３４ｂと、指置き台３５と、圧力センサ３６と、固定側ユニット３７と、支持側ユニット３８とを備える。

台座３１は、長方形の板であり、長手方向がＸ方向に、短軸方向がＹ方向になるように配置される。台座３１は、サーボモータ１０に固定されている。また、台座３１の面上には、スライドレール３４ａ，３４ｂが、Ｘ方向に沿って所定の間隔を保って配置されている。

台座３１の長手方向の一方の（サーボモータ１０に接続されていない）端には、固定側ユニット３７が配置されている。台座３１の長手方向の他方の端には、支持側ユニット３８が配置されている。

ボールネジ３２は、固定側ユニット３７および支持側ユニット３８により、保持されており、図４および図５のＸ方向を軸として回転可能である。ボールネジ３２には、マイタギア２１ａが取り付けられている。サーボモータ１０のモータ軸１１が回転すると、ボールネジ３２は、Ｘ方向を軸として回転する。

スライダ３３は、ボールネジ３２およびスライドレール３４ａ，３４ｂに取り付けられており、ボールナット３３ａと、ボールナット３３ａを取り付けるナット支持板３３ｂとを含む。スライダ３３は、ボールネジ３２が回転すると、Ｘ方向に直線運動する。可動範囲は、固定側ユニット３７および支持側ユニット３８の間である。

指置き台３５は、スライダ３３に取り付けられている。指置き台３５は、スライダ３３の移動にともない、移動する。図４には、最も閉じた状態の指置き台３５と、最も開いたの状態の指置き台３５＃を示す。

ここでは、指置き台３５は、Ｌ字型であるとしているが、その形状は、これに限られない。指置き台３５は、ユーザが指を置けるように、ＸＹ平面内において台座３１からはみ出ていればよい。

スライダ３３と指置き台３５とは、ともに、ボールネジ３２の回転に応じて、直線運動する。これらを総称して、「スライダ部」とよぶ。なお、上の説明では、スライダ３３と指置き台３５とを別のものとして説明しているが、これらは一体のものであってもよい。ただし、市販のボールネジ機構（ボールネジ３２とスライダ３３とを組み合わせたもの）を把持感覚提示部２に用いる場合は、図４に示したような構成になる。

圧力センサ３６は、指置き台３５の表面上に配置されている。圧力センサ３６は、指置き台３５に外部からかかる圧力を検知する。

力覚提示部４０の構造は、力覚提示部３０の構造とほぼ同様である。力覚提示部４０は、台座４１と、ボールネジ４２と、スライダ４３と、スライドレール４４ａ，４４ｂと、指置き台４５と、圧力センサ４６と、固定側ユニット４７と、支持側ユニット４８とを備える。各部品の構造、機能は、力覚提示部４０の各部品と同様であるので、その説明は繰り返さない。

力覚提示部３０と力覚提示部４０とは、互いに対向する。すなわち、ボールネジ３２およびボールネジ４２の軸は、一致する。また、ボールネジ３２およびボールネジ４２のネジ溝は、モータ軸の回転に対しスライダ３３とスライダ４３とが逆方向に移動するように切られている。

力覚提示部３０，４０は、ネジおよびスライダ（これらをあわせてネジ機構とよぶ）を用いて、サーボモータ１０の回転運動を直線運動に変換している、このため、力覚提示部３０，４０は、従来のワイヤーで力を提示するデバイスに比べ、大きな力をユーザに提示することができる。なお、本実施の形態では、ネジ機構にボールネジを用いているが、ボールネジ以外のネジ、たとえば、滑りネジを用いてもよい。ただし、エネルギー効率の観点からは、ボールネジを利用することが好ましい。

把持感覚提示部２の構成は、図４および図５に示したものに限られるわけではない。上で説明した把持感覚提示部２とは異なる構成の把持感覚提示部２＃について、図６を参照して説明する。図６は、把持感覚提示部２＃の側面図である。ただし、把持感覚提示部２と共通する構成の説明は、繰り返さない。

把持感覚提示部２＃は、サーボモータ１０と、エンコーダ１２と、力伝達部２０＃と、２つの力覚提示部３０，４０とを備える。

エンコーダ１２は、サーボモータ１０に装着され、モータ軸の回転数を検出する。エンコーダ１２は、検出された回転数を、制御装置３に出力する。

力伝達部２０＃は、差動装置を含む。差動装置は、モータ側ギア２２と、ボールネジ３２に接続されたギア２４と、ボールネジ４２に接続されたギア２６とを含む。力伝達部２０＃は、Ｚ方向を軸とするモータ軸の回転運動を、Ｘ方向を軸とする回転運動に変換する点では、力伝達部２０と同様に機能する。ただし、力伝達部２０＃は、差動装置を含んでいることにより、ボールネジ３２およびボールネジ４２を異なる回転数で回転させることができる。

把持感覚提示部２の利用形態を、図７を参照して説明する。図７（Ａ）は、ユーザが把持感覚提示部２を持っている状態を図４あるいは図５の−Ｙ側から見た図である。図７（Ｂ）は、ユーザが把持感覚提示部２を持っている状態を図４あるいは図５の＋Ｙ側から見た図である。ユーザは、サーボモータ１０をつかんで、一方の指置き台に親指をのせ、他方の指置き台に人差し指をのせる。

（３．制御装置）
制御装置３の機能的構成について、図８を参照して説明する。図８は、制御装置３の機能的構成を示すブロック図である。図８には、制御装置３の他に、制御装置３の周辺装置も示している。ここでは、周辺装置として、把持感覚提示部２＃と、パソコン５と、モニタ６とを示している。

制御装置３は、センサアンプ１０２と、デジタル変換回路（ＡＤＣＮＶ）１０４と、圧力演算部１０６と、シリアル変換器１１２と、サーボモータ用のアンプ（ＡＭＰ）１１４と、位置演算部１１６と、速度演算部１１８と、把持物体情報保持部１２０と、位置制御部１２２と、速度制御部１２４と、推力制御部１２６と、アナログ変換回路（ＤＡＣＮＶ）１２８とを備える。

センサアンプ１０２は、把持感覚提示部２の圧力センサ３６，４６からのアナログ信号（以下、圧力信号とよぶ）を増幅する。デジタル変換回路１０４は、センサアンプ１０２により増幅された圧力信号を、デジタル信号に変換する。圧力演算部１０６は、デジタル信号に変換された圧力信号に基づいて、スライダ３３，４３に加えられた圧力を計算する。

シリアル変換器１１２は、エンコーダ１２が一定時間間隔で出力するモータ軸１１の回転量についての信号（回転量信号と呼ぶ）を、シリアルなデータ列に変換する。アンプ１１４は、シリアル変換器１１２で変換された回転量信号を増幅する。

位置演算部１１６は、増幅された回転量信号および把持感覚提示部２の設計情報に基づいて、スライダ３３，４３の位置を計算する。ここで、把持感覚提示部２の設計情報には、力伝達部２０の各ギア（ギア２２、ギア２４、ギア２６）の歯車数、ボールネジ３２，４２のピッチが含まれる。

速度演算部１１８は、位置演算部１１６が複数の時刻において算出したスライダ３３，４３の位置および位置の測定時刻に基づいて、スライダ３３，４３の速度を計算する。

把持物体情報保持部１２０は、把持物体情報を格納する。把持物体情報保持部１２０としては、読み書き可能な記憶装置、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やフラッシュメモリなどを用いることができる。

把持物体情報は、把持感覚提示デバイス１で再現すべき仮想物体の特性を表わす。つまり、把持物体情報保持部１２０は、実物体と接触したとみなされる仮想物体が、実物体に与えるべき応力の特性を表わす。具体的には、把持物体情報は、仮想物体をどれだけ押し込むにはどれだけの力が必要か（あるいは仮想物体をどれだけ押し込むとどれだけの応力が返ってくるか）を表わす値の組を複数含む。仮想物体の変形時の応力の値を様々に設定することにより、様々な硬さの物体の把持感覚を表わすことができる。

把持物体情報としては、例えば、現実の物体を測定して得られるサンプルデータを用いることができる。また、把持感覚提示デバイス１のユーザが、パラメータ、すなわち、外力値と応力値とを入力して、作成することも可能である。

本実施の形態においては、制御装置３は、パソコン５から把持物体情報を受け取って、受け取った把持物体情報を把持物体情報保持部１２０に格納する。例えば、ユーザは、力センサをパソコン５に接続し、力センサの測定結果を用いて、パソコン５で把持物体情報を作成することができる。

位置制御部１２２は、把持物体情報保持部１２０に格納された把持物体情報および位置演算部１１６が算出した時刻ｔのスライダ３３，４３の位置に基づいて、次時刻ｔ＋ｄｔのスライダ３３，４３の位置を指定する位置制御信号を生成する。具体的には、まず、位置制御部１２２は、把持物体情報および時刻ｔのスライダ３３，４３の位置に基づいて応力値を求める。そして、位置制御部１２２は、応力値を、スライダと指の合計質量で割った値、すなわち、スライダの加速度を求める。最後に、位置制御部１２２は、時刻ｔのスライダ３３，４３の位置とスライダの加速度に基づいて、位置制御信号を求める。

また、位置制御部１２２は、パソコン５にスライダ３３，４３の位置情報を送信する。パソコン５は、位置情報に基づいて、モニタ６に仮想空間の画像を表示する。例えば、パソコン５は、スライダ３３，４３の位置に応じた画面内の位置に指の画像をモニタ６に表示する。また、パソコン５は、把持対象の仮想物体の画像をモニタ６に表示する。このように、把持感覚提示デバイス１にパソコン５、モニタ６を組み合わせれば、力覚提示に加え、仮想空間の画像を表示できるため、よりリアルに仮想物体を再現することができる。

速度制御部１２４は、把持物体情報保持部１２０に格納された把持物体情報と、速度演算部１１８が算出した時刻ｔのスライダ３３，４３の速度と、位置制御部１２２が生成した位置制御信号とに基づいて、スライダ３３，４３の次時刻ｔ＋ｄｔでの速度を指定する速度制御信号を生成する。速度制御部１２４は、具体的には、例えば、次のように速度制御信号を求める。まず、速度制御部１２４は、位置制御信号とスライダ３３，４３の位置から、スライダの位置変化を求める。そして、速度制御部１２４は、位置変化から速度変化を求め、求めた速度変化と、時刻ｔのスライダ３３，４３の速度とから、速度制御信号を算出する。

推力制御部１２６は、速度制御部１２４が生成した速度制御信号に基づいて、スライダ３３，４３の推力を指定する推力制御信号を生成する。推力制御部１２６は、具体的には、まず、速度演算部１１８が算出したスライダ３３，４３の速度および速度制御信号からスライダ３３，４３の加速度を計算する。そして、推力制御部１２６は、計算した加速度および把持感覚提示部２の設計情報に基づいて、サーボモータ１０の回転速度およびサーボモータ１０に与えるべき推力制御信号を計算する。なお、推力制御部１２６は、位置演算部１１６の計算したスライダ３３，４３の位置および把持物体情報に基づいて、スライダ３３，４３が発生すべき推力を計算してもよい。

アナログ変換回路１２８は、推力制御信号をアナログ信号に変換する。アンプ１１４は、アナログ変換回路１２８により変換された推力制御信号を増幅し、サーボモータ１０を駆動する駆動信号をサーボモータ１０に出力する。アンプ１１４は、把持感覚提示部２の設計情報、アナログ変換回路１２８の特性などに基づいて、予め定められている増幅率で信号を増幅する。なお、ここでは、駆動信号は、サーボモータ１０を駆動する電流であるとする。

また、制御装置３は、圧力センサ３６，４６からの情報に基づいて、サーボモータ１０を制御することもできる。

この場合、速度制御部１２４は、圧力演算部１０６が計算した圧力センサ３６，４６に加えられた圧力および把持物体情報保持部１２０に格納された把持物体情報に基づいて、速度制御信号を算出する。推力制御部１２６は、このように算出された速度制御信号および圧力演算部１０６が計算した圧力値に基づいて、推力制御信号を算出する。

このように、圧力センサからの情報によりサーボモータ１０を制御するほうが、エンコーダ１２からの情報に基づくよりも、正確に応力を制御できる。ただし、圧力センサを設けられない等の事情がある場合は、制御装置３は、エンコーダ１２からの情報に基づいてサーボモータ１０を制御すればよい。

図９は、エンコーダ１２からの情報を用いてサーボモータ１０を制御する際に制御装置３が行なう処理を示したフローチャートである。以下、図９を参照して、制御装置３が行なう処理について、まとめて説明しておく。

ステップＳ１０１において、制御装置３内の位置演算部１１６は、エンコーダ１２が検知したサーボモータ１０の回転量信号を取得する。詳しくは、ここで、位置演算部１１６が取得する回転量信号は、エンコーダ１２が出力する回転量信号が、シリアル変換器１１２で変換され、アンプ１１４で増幅されたものである。

ステップＳ１０３において、位置演算部１１６は、ステップＳ１０１にて取得した回転量信号および把持感覚提示部２の設計情報に基づいて、スライダ３３，４３の位置情報を計算する。この処理にあたり、位置演算部１１６は、回転量信号と位置情報とを対応付けたテーブルを予め格納しておき、そのテーブルと取得した回転量信号に基づいて、位置情報を求めてもよい。

ステップＳ１０５において、制御装置３内の速度演算部１１８は、ステップＳ１０３にて位置演算部１１６が求めた位置情報に基づいて、スライダ３３，４３の速度を計算する。

ステップＳ１０７において、位置演算部１１６は、ステップＳ１１６にて求めた位置情報をパソコン５に出力する。位置情報を受け取ったパソコン５は、モニタ６に、位置情報に応じた仮想空間の画面を表示する。

ステップＳ１０９において、位置制御部１２２は、把持物体情報保持部１２０に格納された把持物体情報、および、ステップＳ１０３にて位置演算部１１６が算出した時刻ｔのスライダ３３，４３の位置に基づいて、次時刻ｔ＋ｄｔのスライダ３３，４３の位置を指定する位置制御信号を生成する。

ステップＳ１１１において、速度制御部１２４は、把持物体情報保持部１２０に格納された把持物体情報と、ステップＳ１０５にて速度演算部１１８が算出した時刻ｔのスライダ３３，４３の速度と、位置制御部１２２が生成した位置制御信号とに基づいて、スライダ３３，４３の次時刻ｔ＋ｄｔでの速度を指定する速度制御信号を生成する。

ステップＳ１１３において、推力制御部１２６は、ステップＳ１１１にて速度制御部１２４が生成した速度制御信号に基づいて、スライダ３３，４３の推力を指定する推力制御信号を生成する。あるいは、推力制御部１２６は、ステップＳ１０３において位置演算部１１６が計算した位置情報および把持物体情報に基づいて、推力制御信号を生成する。

ステップＳ１１５において、アナログ変換回路１２８は、推力制御信号をアナログ信号に変換する。また、アンプ１１４は、アナログ変換回路１２８により変換された推力制御信号を増幅し、サーボモータ１０を駆動する駆動信号を作成する。さらに、アンプ１１４は、駆動信号をサーボモータ１０に出力する。

ステップＳ１１７において、制御装置３は、ステップＳ１０１の実行から所定の時間が経過したかどうか判断する。制御装置３は、所定の時間が経過したと判断した場合（ステップＳ１１７においてＹＥＳ）、ステップＳ１０１からの一連の処理を繰り返す。ステップＳ１０１の実行から所定の時間経過するまでは、制御装置３は、ステップＳ１０１からの処理の再度の実行を開始せずに、待つ。

制御装置３は、ステップＳ１０１の実行から所定の時間が経過したかどうかの判断は、位置演算部１１６が、時間を計測することで実現できる。あるいは、位置演算部１１６の外部に設けられた時間を計測する時計部が、所定の時間ごとに位置演算部１１６に、回転量情報を取得する命令を送ってもよい。いずれにせよ、制御装置３は、ステップＳ１０１からステップＳ１１５までの処理が繰り返し実行できればよい。

図１０は、圧力センサ３６，４６からの情報を用いてサーボモータ１０を制御する際に制御装置３が行なう処理を示したフローチャートである。以下、図１０を参照して、制御装置３が行なう処理について、まとめて説明しておく。

ステップＳ２０１において、制御装置３内の圧力演算部１０６は、圧力センサ３６，４６からの圧力信号を取得する。詳しくは、ここで、圧力演算部１０６は、デジタル変換回路１０４から、デジタル変換回路１０４が、圧力センサ３６，４６が出力した圧力信号を変換した信号を取得する。

ステップＳ２０３において、圧力演算部１０６は、ステップＳ２０１にて取得した圧力信号に基づいて、圧力センサ３６，４６に加えられている圧力値を算出する。

ステップＳ２０５において、速度制御部１２４は、ステップＳ２０３にて圧力演算部１０６が計算した圧力値および把持物体情報保持部１２０に格納された把持物体情報に基づいて、速度制御信号を算出する。

ステップＳ２０７において、推力制御部１２６は、ステップＳ２０３において計算された圧力値と、ステップＳ２０５において算出された速度制御信号とに基づいて、推力制御信号を算出する。

ステップＳ２０９において、アナログ変換回路１２８は、推力制御信号をアナログ信号に変換する。また、アンプ１１４は、アナログ変換回路１２８により変換された推力制御信号を増幅し、サーボモータ１０を駆動する駆動信号を作成する。さらに、アンプ１１４は、駆動信号をサーボモータ１０に出力する。

ステップＳ２１１において、制御装置３は、ステップＳ２０１の実行から所定の時間が経過したかどうか判断する。制御装置３は、所定の時間が経過したと判断した場合（ステップＳ２１１においてＹＥＳ）、ステップＳ２０１からの一連の処理を繰り返す。ステップＳ２０１の実行から所定の時間経過するまでは、制御装置３は、ステップＳ２０１からの処理の再度の実行を開始せずに、待つ。制御装置３は、所定の時間が経過したかどうかを、図９のステップＳ１１７で説明した方法と同様の方法で判断できる。

以上では、サーボモータ１０の制御のための情報として、エンコーダ１２からの情報および圧力センサ３６，４６からの情報を挙げた。しかしながら、サーボモータ１０の制御のための情報は、これらに限られるわけではない。制御装置３は、スライダ３３，４３に加えられた圧力を計算できる情報を受信できればよい。

したがって、把持感覚提示デバイス１は、必ずしも圧力センサやエンコーダを備える必要はない。圧力センサやエンコーダは、指置き台に加えられる作用に関する情報（スライダ３３，４３の位置情報、スライダ３３，４３に加えられた圧力情報、あるいは、位置情報と圧力情報の両方）を検知する検知手段の一例である。これらのかわりに、他の検知手段を用いてもよい。例えば、把持感覚提示デバイス１は、サーボモータ１０に発生する逆起電力の測定器を備えていてもよい。制御装置３は、逆起電力から指置き台に加えられている圧力を算出する。

（４．デバイスの性能）
本実施の形態に係る把持感覚提示デバイス１は、利用者に把持感覚を提示するのに十分な性能を持つ。このことを以下に説明する。

まず、把持感覚の提示に必要な条件について説明する。この条件については、被験者実験により明らかにされている（中山弘一、井之上直己、「硬さ感覚提示デバイスの作成に向けた指先における硬さ弁別性能の検証実験」、第１２７回ヒューマンコンピュータインタラクション研究会、情報処理学会、２００８年１月）。この被験者実験では、指先が仮想物体と衝突する際の指先位置を１ｍｓかつ１μｍの精度で制御でき、２５０Ｎの力と２００ｍ／ｓ^２の加速度が提示できる実験装置を用いる。実験装置を用いて、指先が仮想物体に衝突した場合の指先の軌道を再現し、指先の感覚のみにおける硬さの弁別能力を検証している。

物体の硬さを表わすパラメータには、次の３つがある。
（ｉ）指先が物体に衝突し反発した場合の加速度
（ｉｉ）指先が物体に衝突し反発した場合の接触時間
（ｉｉｉ）指先が物体に衝突し静止した場合の沈み込み深さ
硬さが無限大となる完全剛体は存在しないため、衝突時において、指先が物体に接触してから離れるまでの有限の接触時間と、指先に加わる有限の加速度が存在する。一般的には、柔らかいものほど接触時間が長く、加速度が小さい。また、指先が物体に衝突して静止する場合、物体は有限の深さだけ沈み込む。柔らかい物体ほど、沈み込む深さが大きい。

この実験では、６種類の接触時間｛１０，２０，４０，８０，１６０，３２０（ｍｓ）｝、６種類の加速度｛５，１０，２０，４０，８０，１６０（ｍ／ｓ^２）｝，６種類の沈み込み深さ｛１，２，４，８，１６，３２（ｍｍ）｝の中から，それぞれ隣り合う２値を被験者に提示する。そして、その変化を弁別可能かを、被験者に返答してもらう。

図１１から図１３に、実験結果を示す。図１１から図１３は、それぞれ、加速度、接触時間、沈み込み深さについての実験結果を示す図である。これらの実験結果により、加速度の弁別閾値は２０ｍ／ｓ^２、接触時間の弁別閾値は４０ｍｓ、沈み込み深さの弁別閾値は４ｍｍであることが分かった。したがって、把持感覚提示デバイスは、物体と衝突し反発する場合の加速度が２０ｍ／ｓ^２以上、指先が物体に接触している時間が４０ｍｓ以下、物体と衝突し静止する場合の指先位置のオーバーシュートが２ｍｍ以下という条件を実現できる性能を持つ必要がある。

本実施の形態に係る把持感覚提示デバイス１は、上記の性能を持つ。このことを、以下、図１４から図１６を参照して説明する。

図１４は、把持感覚提示デバイス１の提示する指先速度および指先間隔を示す図である。図１４に示すグラフの横軸は、時間（単位はｓ）を表わす。上側のグラフは、指先速度の時間変化を示し、グラフの縦軸は、指先速度（単位は、ｍｍ／ｓ）を表わす。原点０から上の値は、指先の間が開いていく際の速さ、原点０より下の値は、指先の間が閉じていく際の速さを示す。下側のグラフは、指先間隔の時間変化を示し、グラフの縦軸は、指先間隔（単位は、ｍｍ）を表わす。

図１５は、指先間隔の時間変化の拡大図である。図１５には、図１４の枠１４１０で囲んだ部分を拡大して示している。図１５を参照して、力覚提示時に生じるオーバーシュートは、片側のスライダで約１ｍｍ、すなわち、両側のスライダで約２ｍｍであり、上記の条件を満たす。

図１６は、指先速度の時間変化の拡大図である。図１６には、図１５の枠１４２０で囲んだ部分を拡大して示している。図１６の横軸の１目盛りは、図１５と同様、１００ｍｓである。したがって、図１６を参照して、把持感覚提示デバイス１の接触時間、すなわち、剛体衝突から速度が０になるまでの時間は、１０ｍｓ以下であることが分かる。なお、剛体衝突後、正の速度が現れるのは、オーバーシュートによる。

また、図１６を参照して、片側のスライダで、４０ｍ／ｓ^２＝（４００ｍｍ／ｓ）／（１０ｍｓ）、すなわち、両側のスライダで８０ｍ／ｓ^２の加速度を実現できることが分かる。

以上のとおり、本実施の形態に係る把持感覚提示デバイス１は、把持感覚を提示するのに十分な性能を有する。

把持感覚提示デバイス１は、ボールネジのスライダに固定され、２本の指にそれぞれ力覚を提示する２つの台（指置き台）を備える。把持感覚提示デバイス１は、指置き台に提示する力をボールネジに接続されたモータで制御する。把持感覚提示デバイス１は、物体を把持するときの指先への提示力を、ワイヤを介さず、剛性の高いボールネジを用いて伝える。そのため、把持感覚提示デバイス１は、ゆがみが小さく、急激に大きな力を提示できる。把持感覚提示デバイス１は、硬いものをガッチリつかんだ時の感覚から、柔らかい物をグニャッとつかんだ時の感覚まで、様々な硬さの感覚を指先に感じさせることができる。

ボールネジは産業用機械として完成された技術であるため、瞬時に大きな力を提示可能であり、制御も比較的容易である。そのため、把持感覚提示デバイス１は、安い値段で、かつ、高い性能をもつ。

また、把持感覚提示デバイス１は、ＰＨＡＮＴＯＭやＳＰＩＤＡＲなどの従来機器より小さくて軽い。また、把持感覚提示デバイス１は、移動範囲の制限が従来機器よりはるかに少ない携帯型デバイスである。そのため、把持感覚提示デバイス１は、腕を動かせる場所のどこでも仮想物体の硬さを提示できる。

（５．その他）
２つのスライダ部の移動量は、異なっていてもよい。特に、人差し指用のスライダ部を親指用のスライダ部に比べて大きく動くようにすることが好ましい。このようにすることで、ユーザに、より自然な把持感覚を提示することができる。移動量を変えるには、例えば、力伝達部２０＃のように差動機構を備える力伝達部を用いればよい。あるいは、ボールネジに接続されるギアの歯車数を変えたり、ボールネジのピッチを変えたりすればよい。

また、上記の実施の形態では、１つのモータが、２つの力覚提示部に駆動力を提供していた。しかしながら、把持感覚提示デバイスは、２つのモータを備えていてもよい。この場合、把持感覚提示デバイスは、各モータにより、２つの力覚提示部を独立に駆動する。

２つのモータを備える把持感覚提示デバイスによれば、２つのスライダ部の移動量を自由に制御でき、より自然な把持感覚を提示することができる。一方、本実施の形態に係る把持感覚提示デバイス１は、モータの数が少ないため、小型にできる。

また、把持感覚提示デバイスは、３つ以上の力覚提示部を備えていてもよい。提示する力が１点で交わる構成であれば、把持感覚提示デバイスは、携帯型のものになる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、硬いものをガッチリつかんだ時の感覚から、柔らかい物をグニャッとつかんだ時の感覚まで表現する仮想現実感（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ：バーチャルリアリティやＭｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ：ミクストリアリティ）を提示する技術を利用する産業分野に好適である。このような産業分野には、例えば、業務用／家庭用ゲーム機などのエンターテイメント産業がある。また、近年、医学教育の分野でも、触診により病巣を発見する練習機器などとして力覚提示デバイスが応用されている。本発明は、このように利用されることも期待される。

ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）の外観を示す図である。 ＳＰＩＤＡＲの外観を示す図である。 把持感覚提示デバイス１の外観を示す図である。 把持感覚提示部２の上面図である。 把持感覚提示部２の側面図である。 把持感覚提示部２＃の側面図である。 把持感覚提示部２の利用形態を説明するための図である。 制御装置３の機能的構成を示すブロック図である。 エンコーダ１２からの情報を用いてサーボモータ１０を制御する際に制御装置３が行なう処理を示したフローチャートである。 圧力センサ３６，４６からの情報を用いてサーボモータ１０を制御する際に制御装置３が行なう処理を示したフローチャートである。 加速度についての実験結果を示す図である。 接触時間についての実験結果を示す図である。 沈み込み深さについての実験結果を示す図である。 把持感覚提示デバイス１の提示する指先速度および指先間隔を示す図である。 指先間隔の時間変化の拡大図である。 指先速度の時間変化の拡大図である。

符号の説明

１ 把持感覚提示デバイス、２ 把持感覚提示部、３ 制御装置、４ ケーブル、５ パソコン、６ モニタ、１０ サーボモータ、１１ モータ軸、１２ エンコーダ、２０，２０＃ 力伝達部、２１ａ，２１ｂ マイタギア、２２，２４，２６ ギア、３０ 力覚提示部、３１ 台座、３２ ボールネジ、３３ スライダ、３３ａ ボールナット、３３ｂ ナット支持板、３４ａ，３４ｂ スライドレール、３５ 指置き台、３６ 圧力センサ、３７ 固定側ユニット、３８ 支持側ユニット、４０ 力覚提示部、４１ 台座、４２ ボールネジ、４３ スライダ、４４ａ，４４ｂ スライドレール、４５ 指置き台、４６ 圧力センサ、４７ 固定側ユニット、４８ 支持側ユニット、１０２ センサアンプ、１０４ デジタル変換回路、１０６ 圧力演算部、１１２ シリアル変換器、１１４ アンプ、１１６ 位置演算部、１１８ 速度演算部、１２０ 把持物体情報保持部、１２２ 位置制御部、１２４ 速度制御部、１２６ 推力制御部、１２８ アナログ変換回路、１０００ スタイラス、２１００ 力覚ポインタ、２２００ ワイヤ。

Claims (8)

1. 仮想物体の把持感覚をユーザに提示する把持感覚提示装置であって、
   回転力を発生する駆動部と、
   複数の力提示部とを備え、
   各前記力提示部は、
   前記駆動部に接続され、前記回転力に応じて回転する棒状のネジと、
   前記ネジに接続され、前記ネジの回転に応じて、前記ネジの軸方向に移動するスライダ部とを含み、
   外部物体が各前記スライダ部に加える作用に関する情報を検知する検知手段と、
   前記検知手段の検知結果に基づいて前記駆動部の動作を制御する制御手段とをさらに備え、
   前記制御手段は、
   前記仮想物体が外部に与える応力の特性を表わす把持物体情報を格納する記憶手段と、
   前記検知結果および前記把持物体情報に基づいて、前記スライダ部が前記特性に応じた前記応力を発生するように前記駆動部を制御する駆動信号を生成する信号生成手段とを含む、把持感覚提示装置。
2. 前記複数の力提示部は、互いに対向する第１の力提示部および第２の力提示部を含む、請求項１に記載の把持感覚提示装置。
3. 前記駆動部は、
   モータと、
   前記モータの回転を、前記第１の力提示部の前記ネジおよび前記第２の力提示部の前記ネジの回転に変換する力伝達部とを含む、請求項２に記載の把持感覚提示装置。
4. 前記力伝達部は、差動装置を有する、請求項３に記載の把持感覚提示装置。
5. 前記第１の力提示部の前記スライダ部と、前記第２の力提示部の前記スライダ部とは、前記駆動信号に対して、異なる距離だけ移動する、請求項２から４のいずれか１項に記載の把持感覚提示装置。
6. 前記検知手段は、各前記スライダ部に設置された圧力センサを含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の把持感覚提示装置。
7. 前記検知手段は、前記駆動部の回転量を検知するエンコーダを含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の把持感覚提示装置。
8. 各前記ネジは、ボールネジである、請求項１から７のいずれか１項に記載の把持感覚提示装置。