JP2010102560A - 把持感覚提示装置 - Google Patents
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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
【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
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、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、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。
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。
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。
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/s2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。
(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/s2)},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/s2、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/s2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/s2=(400mm/s)/(10ms)、すなわち、両側のスライダで80m/s2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。
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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