JP4413105B2 - 加速度発生装置及び擬似力覚発生装置 - Google Patents
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Description
このような問題点を解決するため、視聴覚チャンネル以外の情報提供チャンネルとして手応え等の力覚チャンネルの開発が進められている。
筧直之,矢野博昭,斉藤充,小木哲郎,廣瀬通考:投入型仮想空間における力覚提示デバイスHapticGERAの開発とその評価,日本バーチャルリアリティ学会論文誌,VOL. 5, No.4, pp. 1113-1120, 2000.
例えば、外部に支点・力点を固定する接地型の場合、自由な移動を伴うモバイル機器やウェアラブルコンビューティングなどの分野ヘの応用は困難である。
また、支点・力点を作用点以外の身体部位に設ける接地型の場合、提示した力覚情報の反作用力も人体に加わるため、この力覚情報によって正確な方向情報を提示することは困難である。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、反作用力を支持する支点や力点を設けることなく、時間的に安定した力覚を知覚させる技術を提供することを目的とする。
通常、物理的に完全な作用力を生じさせるためには、その反作用力を支持する支点や力点が必要となる。これに対し、本発明では、そのような支点や力点がなく物理的な作用力としての平均は0のままである。しかし、本発明の加速度発生装置は、正方向の加速度の大きさの最大値と負方向の加速度の大きさの最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の加速度をもつ運動継続時間が、当該最大値が小さい方向の加速度をもつ運動継続時間よりも短い運動を行う。そして、その加速度の正負の絶対値の差、作用時間の差及び人間の力覚知覚の非線形性により、狙った方向ヘの擬似的な力覚を表示する(詳細は後述)。
〔第1の実施の形態〕
まず、本発明における第1の実施の形態について説明する。
<原理>
本形態は、本発明を並進型で実現した例である。まず、本形態の原理について説明する。
ある質量をもった物体の並進運動を考える。そしてこの並進運動は、提示したい方向へは大きな加速度で短時間移動し、逆の方向へは小さな加速度で長時間移動するという偏加速度をもった周期運動であるものとする。この場合、この物体を含む系を把持しているユーザは、この提示方向への擬似力覚を知覚する。
これは、人間の知覚特性を利用したものであり、把持動作に関わる固有感覚と触覚によって発生する現象である。
図1は、本形態における並進型の加速度発生装置1の構成を例示した平面図であり、図2(a)は、図1のG方向からみた正面図であり、図2(b)は図1におけるH−H部分断面図である。なお、図2(b)のベース部10は断面図ではなく側面図である。
図1,2に例示するように、本形態の加速度発生装置1は、ベース部10と、ベース部10に内蔵されたモータ20と、モータ20の回転動力が伝えられる回転入力軸21と、回転入力軸21に固定された回転部材30(クランク)と、回転入力軸21以外の回転部材30上の部分に、当該回転入力軸21と平行な第1回転軸33によって回転可能に接合された第1リンク機構50と、第1回転軸33以外の第1リンク機構50上の部分に、当該第1回転軸33と平行な第2回転軸51によって回転可能に接合された第2リンク機構70と、第2回転軸51以外の第2リンク機構70上の部分が、当該第2回転軸51と平行な第3回転軸83aによって回転可能に接合され、移動範囲が一方向(F方向)のスライド運動に限定されたスライド機構82と、回転入力軸21に対する相対位置が固定されたスライド支点ベース部41と、回転入力軸21と平行なスライド支点回転軸43によってスライド支点ベース部41に回転可能に接合され、第1リンク機構50を長手方向(I方向)へスライド可能に保持するスライド支点機構42と、を主な構成部品とする。
貫通孔12aからベース部10の外部に突き出した回転入力軸21には、円盤状の回転部材30の中心部が固着される。これにより、回転部材30は、回転入力軸21の回転動力によりA方向に回転運動する。
また、ベース部10の高段部12表面には、断面がコの字型となる部材の両端を外側に直角に折り返した形状の(この折り返し部分をタブと呼ぶ)スライド支点ベース部41が、回転入力軸21に対する相対位置が固定されて配置されている。この例の場合、スライド支点ベース部41は、回転入力軸21からベース部10の中央部側(すなわち低段部11方向)へずれた位置(より具体的には、図1の静止状態において第1リンク機構50の回転入力軸21側先端付近が配置される位置)にタブを通じてねじ止めされる。このスライド支点ベース部41の内側中央部には、第1リンク機構50の溝52を両側からスライド可能に抱え込むスライド支点機構42が配置される。このスライド支点機構42は、スライド支点回転軸43(ビス等)によってスライド支点ベース部41に対しC方向に回転可能に取り付けられる。なお、このスライド支点回転軸43の位置は第1回転軸33よりもベース部10中央寄り(低段部11寄り)である。以上により、スライド支点機構42は、回転入力軸21と平行なスライド支点回転軸43(ビス等)によってスライド支点ベース部41にC方向に回転可能に接合され、第1リンク機構50を長手方向(I方向)へスライド可能に保持することになる。
また、図1における回転入力軸21とスライド支点回転軸43とを結ぶ直線上に位置するベース部10低段部11表面には柱上のレール81が、ねじ81a〜81fによってねじ止めされる。このレール81の長手方向(F方向)の両側面には直線上の溝82aが設けられ、このレール81上には、これらの溝82aを両側から挟みこみ、このレール81に沿ってF方向にスライド移動するスライド機構82が配置される。このスライド機構82におけるレール81と反対側の面には、錘保持板83が固着される。そして、この錘保持板83のベース部10と反対側面の両端には錘84,85(慣性質量)が、ねじ84a,84b,85a,85bによってそれぞれねじ止めされる。また、この錘保持板83の中央部には、第3回転軸83a(ビス等)によって第2リンク機構70の他端部がE方向に回転可能に取り付けられる。この構成により、スライド機構82には、第2回転軸51以外の第2リンク機構70上の部分が、当該第2回転軸51と平行な第3回転軸83aによって回転可能に接合され、このスライド機構82の移動範囲は、レール81によって一方向(F方向)のスライド運動に限定されることとなる。
ベース部10、回転部材30、第1リンク機構50、第2リンク機構70、スライド支点ベース部41、スライド支点機構42、錘保持板83、ビス、ねじの材料としては、例えばステンレス、アルミニウム、ジュラルミン、プラスチック、セラミックス等を使用できるが、一定の機械的強度を有する剛体であれば特に限定はない。また、錘84、85としては鉛等どのようなものでもよいが比重が大きい材料のほうが望ましい。また、モータとしては、例えばブラッシュレスモータ(例えばMaxson Motor製 EC45 Flat motor等)を使用することができるが、特にこれには限定されない。
図3は、上述の加速度発生装置1を有する擬似力覚発生装置100の電気的構成を示すブロック図の例示である。
この図に例示するように、この例の擬似力覚発生装置100は、CPU(Central processing Unit:例えばPentium(登録商標)4,1.5HGz等)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等によって構成される公知のコンピュータ110、コンピュータ110からの指令をアナログ信号に変換するD/Aボード111(例えばInterface製 PCI-3521等)、電源120、電源から供給された電力をD/Aボード111からの出力信号をもとに制御して出力するモータアンプ130(例えばMaxson Moter製DEC50/5等)及びモータ20を具備する前述の加速度発生装置1を有している。
まず、コンピュータ110が、D/Aボード111に加速度発生装置1のモータ20の回転を制御するためのデジタル信号をD/Aボード111に送る。D/Aボード111は、これをアナログ信号に変換してモータアンプ130に送る。モータアンプ130は、このアナログ信号の制御に従い、電源120から供給された電力を所定の直流電力に変換し、モータ20に供給する。これによりモータ20は定速回転し、その回転動力が回転入力軸21に伝達され、加速度発生装置1が駆動する。
この第3回転軸83aの移動に伴い、スライド機構82、錘保持板83及び錘84,85もF方向に並進移動するが、モータ20が定速回転であった場合、これらの並進運動は、一周期の中で正及び負の加速度をもつ周期的な加速度運動となる。
次に、本形態の擬似力覚発生装置の知覚特性評価結果を示す。
[実験方法]
任意の方向のみに出力を出すため、リニアレール(日本トムソン社製LWFF,レール長400mm)を用い、錘の並進方向を一軸のみに限定した。また錘の重量は20gとした。本実験では、肘から手掌の方向を正とした軸について調べた。本形態の擬似力覚発生装置にABS樹脂の箱を装着させ、被験者はその部分を利き手で握持した。被験者は24歳から31歳までの男性5名であり、アイマスクにより視覚からの情報を遮断させた。そして、擬似力覚発生装置を駆動させ、被験者は「前方(肘から掌の方向)」又は「後方(掌から肘の方向)」のいずれに力覚を感じたかを答えることとした。なお、力覚を提示する秒数は2秒であり、振動成分の順応を防ぐため20試行おきに1分程度の休息を入れた。また加速度の出力の極性(前方・後方)及び周波数の値は、ランダムに変化させ、被験者間で統一させた順序とした。周波数の値は5Hzから11Hzまで1Hzずつの7段階とし、被験者ごとに10試行ずつ(正逆5試行ずつ)測定を行った。
実験結果を図8に示す。ここで(a)は各被験者の極性の正答率を示す表であり、(b)は各被験者の正答率の平均を極性ごと(前方"forward"・後方"backward"・両方"total")に表示したグラフである。
これらに示すように、正答率は周波数の増加とともに上がっていく傾向が見られる。これは周波数の増加とともに加速度成分の絶対値が大きくなることによるものである。そして、周波数が10Hz以上の場合において全員の正答率が80%を超えることとなった。なお、正答とは、擬似力覚発生装置が発生させた力覚と被験者が回答した力覚との極性が一致することを意味する。
本形態は、本発明を回転型で実現した例である。
<機械的な構成>
図9(a)は、本形態における加速度発生装置200の内部構造を示した平面図であり、図9(b)は、図9(a)のJ−J断面図である。なお、図9(a)では、モータ220及び蓋211の記載を省略してあり、図9(b)のモータ220部分は断面図ではなく側面図である。
この例のギアボックス210は、中空の箱形状となっており、その1つの面が蓋211として取り外し可能となっている。蓋211の中央部分には貫通孔211aが設けられており、蓋211の外部に配置されたモータ220の回転動力が伝達される回転入力軸221の先端が、この貫通孔211aを通じギアボックス210の内部に挿入されている。ギアボックス210の内部に挿入された回転入力軸221は円形歯車222の回転中心部に固着され、回転入力軸221の回転動力が円形歯車222に伝達される構成となっている。また、ギアボックス210内部には、蓋211と底面212を垂直に渡る2本の回転軸230,240が装着されている。ここで、回転軸230は、蓋211のベアリング213と底面212のベアリング214とに同軸回転可能に保持されている。また、回転軸240の一端は、底面212に設けられた貫通孔212aからギアボックス210内部に挿入され、蓋211のベアリング215と底面212のベアリング216とに回転可能に保持されている。なお、回転軸240の他端は貫通孔212aからギアボックス210の外部に配置されている。
ここで、非円形歯車232,241は、図9に示すようなピッチ面の位置によってピッチ円半径が異なる非円形の歯車であり、非円形歯車232と非円形歯車241との形状は同一である。
ギアボックス210、回転入力軸221、円形歯車222、231、回転軸230、240、非円形歯車232、241の材料としては、例えばステンレス、アルミニウム、ジュラルミン、プラスチック、セラミックス等を用いることができるが、一定の機械的強度を有する剛体であれば特に限定はない。また、はずみ車としては鉛等どのようなものでもよいが比重が大きい材料のほうが望ましい。
モータ20がモータ220となる点、加速度発生装置1が加速度発生装置200となる点以外、第1の実施の形態と同様である。
<動作>
モータ220の回転動力が回転入力軸221に伝達されると、上述のように、その回転動力が、円形歯車222、231、回転軸230、非円形歯車232と伝えられる。非円形歯車232は、図9(c)のような噛み合い運動によってその回転動力を非円形歯車241に伝え、その回転動力は回転軸240、はずみ車250と伝達され、最後にはずみ車250を回転させる。ここで、モータ220の回転運動が定速回転運動であった場合、このはずみ車250の回転運動は、一周期の中で正及び負の角加速度をもつ周期的な角加速度運動となる。図9に示すような形状の非円形歯車232,241を用いた場合、この角加速度運動は、正方向における角加速度の絶対値の最大値と、負方向における角加速度の絶対値の最大値とが大きく異なり、当該最大値が大きい方向の角加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の角加速度をもつ時間よりも大変短い運動となる。そのため、この加速度発生装置200全体を把持している利用者は、その力覚知覚の非線形性から、短時間ながら大きな値をとる角加速度方向の反作用をより強く感じることになる。その結果、回転方向の疑似モーメント手応えを提示することが可能となる。
また、第2の実施の形態の変形として、非円形歯車を3つ以上用いて回転動力を伝達する構成としてもよい。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。
10 ベース部
11 低段部
12 高段部
12a 貫通孔
13,14 タブ
20 モータ
21 回転入力軸
30 回転部材
32 辺縁部
33 回転軸
41 スライド支点ベース部
41a,41b タブ
42 スライド支点機構
43 スライド支点回転軸
50 第1リンク機構
51 第2回転軸
52 溝
60 補強部材
61,62 ねじ
70 第2リンク機構
81 レール
81a〜81f,84a,84b,85a,85b ねじ
82a 溝
82 スライド機構
83 錘保持板
83a 第3回転軸
84,85 錘
100 擬似力覚発生装置
110 コンピュータ
111 D/Aボード
120 電源
130 モータアンプ
200 加速度発生装置
210 ギアボックス
211 蓋
211a 貫通孔
212 内部底面
212 底面
212a 貫通孔
213〜216 ベアリング
220 モータ
221 回転入力軸
222 円形歯車
230,240 回転軸
230 回転軸
231 円形歯車
232 第1非円形歯車
240 回転軸
241 第2非円形歯車
250 はずみ車
Claims (3)
- 回転動力が伝えられる回転入力軸と、
前記回転入力軸に伝えられた回転動力を、一周期の中で正及び負の加速度をもつ周期的な加速度運動に変換する動力伝達部と、を有し、
前記加速度運動は、
正方向における加速度の絶対値の最大値と、負方向における加速度の絶対値の最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の加速度をもつ時間よりも短い運動であり、
前記動力伝達部は、
前記回転入力軸に固定された回転部材と、
前記回転入力軸以外の前記回転部材上の部分に、当該回転入力軸と平行な第1回転軸によって回転可能に接合された第1リンク機構と、
前記第1回転軸以外の前記第1リンク機構上の部分に、当該第1回転軸と平行な第2回転軸によって回転可能に接合された第2リンク機構と、
前記第2回転軸以外の前記第2リンク機構上の部分が、当該第2回転軸と平行な第3回転軸によって回転可能に接合され、移動範囲が一方向のスライド運動に限定されたスライド機構と、
前記回転入力軸に対する相対位置が固定されたスライド支点ベース部と、
前記回転入力軸と平行なスライド支点回転軸によって前記スライド支点ベース部に回転可能に接合され、前記第1リンク機構を長手方向へスライド可能に保持するスライド支点機構と、を有し、
前記加速度運動は、前記スライド機構の加速度運動であり、
前記加速度は、直線運動の加速度である、
ことを特徴とする加速度発生装置。 - 制御用コンピュータと、
前記制御用コンピュータと電気的に接続され、当該制御用コンピュータの制御に従って電力供給を行うモータアンプと、
前記モータアンプと電気的に接続され、当該モータアンプから供給された電力によって駆動するモータと、
前記モータの回転動力が伝えられる回転入力軸と、
前記回転入力軸に伝えられた回転動力を、一周期の中で正及び負の加速度をもつ周期的な加速度運動に変換する動力伝達部と、を有し、
前記加速度運動は、
正方向における加速度の絶対値の最大値と、負方向における加速度の絶対値の最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の加速度をもつ時間よりも短い運動であり、
前記動力伝達部は、
前記回転入力軸に固定された回転部材と、
前記回転入力軸以外の前記回転部材上の部分に、当該回転入力軸と平行な第1回転軸によって回転可能に接合された第1リンク機構と、
前記第1回転軸以外の前記第1リンク機構上の部分に、当該第1回転軸と平行な第2回転軸によって回転可能に接合された第2リンク機構と、
前記第2回転軸以外の前記第2リンク機構上の部分が、当該第2回転軸と平行な第3回転軸によって回転可能に接合され、移動範囲が一方向のスライド運動に限定されたスライド機構と、
前記回転入力軸に対する相対位置が固定されたスライド支点ベース部と、
前記回転入力軸と平行なスライド支点回転軸によって前記スライド支点ベース部に回転可能に接合され、前記第1リンク機構を長手方向へスライド可能に保持するスライド支点機構と、を有し、
前記加速度運動は、前記スライド機構の加速度運動であり、
前記加速度は、直線運動の加速度である、
ことを特徴とする擬似力覚発生装置。 - 制御用コンピュータと、
前記制御用コンピュータと電気的に接続され、当該制御用コンピュータの制御に従って電力供給を行うモータアンプと、
前記モータアンプと電気的に接続され、当該モータアンプから供給された電力によって駆動するモータと、
前記モータの回転動力が伝えられる回転入力軸と、
前記回転入力軸に伝えられた回転動力を、一周期の中で正及び負の加速度をもつ周期的な加速度運動に変換する動力伝達部と、を有し、
前記加速度運動は、
正方向における加速度の絶対値の最大値と、負方向における加速度の絶対値の最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の加速度をもつ時間よりも短い運動であり、
前記動力伝達部は、
ピッチ面の位置によってピッチ円半径が異なり、前記回転入力軸の回転動力が伝達される第1非円形歯車と、
ピッチ面の位置によってピッチ円半径が異なり、前記第1非円形歯車が噛み合い運動可能に噛み合わされた第2非円形歯車と、を有し、
前記加速度運動は、前記第2非円形歯車の角加速度運動であり、
前記加速度は、角加速度である、
ことを特徴とする擬似力覚発生装置。
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