JP4982877B2 - Tactile display device, multi-degree-of-freedom actuator, and handling device - Google Patents

Tactile display device, multi-degree-of-freedom actuator, and handling device Download PDF

Info

Publication number
JP4982877B2
JP4982877B2 JP2008510893A JP2008510893A JP4982877B2 JP 4982877 B2 JP4982877 B2 JP 4982877B2 JP 2008510893 A JP2008510893 A JP 2008510893A JP 2008510893 A JP2008510893 A JP 2008510893A JP 4982877 B2 JP4982877 B2 JP 4982877B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
tactile
actuator
base
end side
degree
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2008510893A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPWO2007119603A1 (en
Inventor
昌博 大岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nagoya University NUC
Tokai National Higher Education and Research System NUC
Original Assignee
Nagoya University NUC
Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nagoya University NUC, Tokai National Higher Education and Research System NUC filed Critical Nagoya University NUC
Priority to JP2008510893A priority Critical patent/JP4982877B2/en
Publication of JPWO2007119603A1 publication Critical patent/JPWO2007119603A1/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4982877B2 publication Critical patent/JP4982877B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/02—Hand grip control means
    • B25J13/025—Hand grip control means comprising haptic means
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2203/00—Indexing scheme relating to G06F3/00 - G06F3/048
    • G06F2203/01—Indexing scheme relating to G06F3/01
    • G06F2203/014—Force feedback applied to GUI

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • User Interface Of Digital Computer (AREA)
  • Position Input By Displaying (AREA)

Description

本発明は、触覚ディスプレイ装置、多自由度アクチュエータ、及び、ハンドリング装置に関するものである。   The present invention relates to a tactile display device, a multi-degree-of-freedom actuator, and a handling device.

近年、遠隔地の環境やコンピュータ内部に構成された仮想の世界に、実際に自分が存在しているかのような感覚を呈示するバーチャルリアリティーの技術が高い注目を集めている。例えば、ロボットなどの産業機器、医療機器、ゲーム機器などに適用が検討されている。
そして、このバーチャルリアリティー技術の一つに、触覚ディスプレイ装置がある。この触覚ディスプレイ装置としては、例えば、特許文献１に開示された技術がある。この触覚ディスプレイ装置は、触覚呈示プレートから突出量が異なるように動作する触知ピンが、アレイ状に集約的に配列されている。つまり、ヒトの指を触覚呈示プレートの表面に配置した場合に、指表面に対して垂直方向に触知ピンを動作させる。これにより、触覚呈示プレートの表面に配置した指に対して、擬似的に凹凸感に相当する触覚を呈示することができる。
しかし、指表面に対して垂直方向に触知ピンを動作させるのみでは、ザラザラ感・ツルツル感などの物体の表面性状感に相当する触覚を擬似的に呈示することは困難であった。
このような物体の表面性状感に相当する触覚を擬似的に呈示する触覚ディスプレイ装置としては、例えば特許文献２に開示されたものがある。特許文献２には、触覚呈示面に静電吸引力を発生させることで、触覚呈示面に物体の表面性状感に相当する触覚を呈示することが記載されている。
特開平１０−１８７０２５号公報 特開２００３−２４８５４０号公報 In recent years, virtual reality technology that presents a feeling as if you are actually present in a remote environment or a virtual world configured inside a computer has attracted a great deal of attention. For example, application to an industrial device such as a robot, a medical device, and a game device is being studied.
One of the virtual reality technologies is a tactile display device. As this tactile display device, for example, there is a technique disclosed in Patent Document 1. In this tactile display device, tactile pins that operate so as to have different protrusion amounts from the tactile presentation plate are collectively arranged in an array. That is, when a human finger is placed on the surface of the tactile sensation presentation plate, the tactile pin is operated in a direction perpendicular to the finger surface. Thereby, it is possible to present a tactile sensation corresponding to a sense of unevenness to a finger arranged on the surface of the tactile sensation presentation plate.
However, it is difficult to simulate a tactile sensation corresponding to the surface texture of an object such as a rough feeling or a smooth feeling only by moving the tactile pin in a direction perpendicular to the finger surface.
As a tactile display device that pseudo-presents a tactile sensation corresponding to the surface texture of such an object, for example, there is one disclosed in Patent Document 2. Patent Document 2 describes that a tactile sense corresponding to the surface texture of an object is presented on the tactile sense presenting surface by generating an electrostatic attractive force on the tactile sense presenting surface.
JP-A-10-187025 JP 2003-248540 A

しかし、特許文献２に開示された触覚ディスプレイ装置のような静電吸引力によるものでは、より正確な物体の表面性状感に相当する触覚を呈示することは困難である。さらには、物体のトルク感に相当する触覚を呈示することも困難である。ここで、物体のトルク感とは、例えば、ヒトの指で物体を把持している場合に、物体が接触している指表面に垂直な軸回りに物体が指表面に対して相対的に回転する際の感覚である。
従って、複数の触知ピンを用いる構成において、物体の表面性状感及び物体のトルク感に相当する触覚を呈示することが望まれる。そして、特許文献２に開示された触覚ディスプレイ装置は、複数の触知ピンを用いる構成とは異なる構成からなるため、複数の触知ピンを用いる構成からなる触覚ディスプレイ装置に、特許文献２に開示された技術を適用することはできない。
また、触知ピンを用いる構成からなる触覚ディスプレイ装置では、触知ピンがアレイ状に集約的に配列されている。従って、触知ピンを動作させるアクチュエータには、小型化、及び、配列のし易さなどが要求される。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、触知ピンを用いる構成であって、物体の表面性状感及び物体のトルク感に相当する触覚を呈示することができる触覚ディスプレイ装置を提供することを目的とする。さらに、当該触覚ディスプレイ装置に用いることが可能な新規な構成からなる多自由度アクチュエータ、及び、当該多自由度アクチュエータを用いたハンドリング装置を提供することを目的とする。
（１）第１発明
（１．１）触覚ディスプレイ装置の全体構成
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、触知ピンをヒトの皮膚に対してせん断方向に移動させるようにする構成にすることを思いつき、本発明を完成するに至った。
すなわち、第１発明の触覚ディスプレイ装置は、触覚呈示部材と、複数の多自由度アクチュエータと、複数の触知ピンとを備えることを特徴とする。ここで、触覚呈示部材は、ヒトの皮膚に対し、接触可能な第１面に複数の孔を備える。多自由度アクチュエータは、それぞれが複数のアクチュエータ部材と複数の連結部材とを備えてなり、基台に対して少なくとも直交２軸方向に移動可能な作用部材を有する。触知ピンは、複数の孔からそれぞれ突出し、それぞれの作用部材に連結され、作用部材の基台に対する動作に伴い少なくとも触覚呈示部材の第１面に平行な方向に移動可能で、突出端をヒトの皮膚に当接させ、ヒトの皮膚に物体の表面性状感及び物体のトルク感に相当する触覚を呈示する。
ここで、触覚呈示部材の第１面に平行な方向とは、ヒトの指を触覚呈示部材の第１面上に配置した場合に、指表面に対してせん断方向（水平方向）となる。このように、指表面に対してせん断方向に触知ピンを移動させることができるので、物体の表面性状感に相当する触覚を呈示することができる。例えば、複数の触知ピンを指表面に対して同一せん断方向に同一量移動させることにより、物体の表面性状感に相当する触覚を呈示できる。
さらに、触知ピンは、複数配列されている。従って、これら複数の触知ピンを指表面に対してせん断方向に移動することにより、物体のトルク感に相当する触覚（回転触覚）を呈示することもできる。物体のトルク感とは、上述したように、例えば、指で物体を把持している場合に、物体に接触している指表面に垂直な軸回りに、物体が指表面に対して相対的に回転する場合の触覚である。この物体のトルク感に相当する触覚を呈示するためには、例えば、指元側に配置される触知ピンのせん断方向の移動量と指先側に配置される触知ピンのせん断方向の移動量とを異なるようにすればよい。これは、物体が回転する際に、回転中心は全く移動せず、回転中心から遠ざかるほど移動量が大きくなる。そこで、このことを触知ピンにて呈示することにより、物体のトルク感に相当する触覚を呈示することができる。
ここで、例えば、触覚呈示部材の第１面に平行な１軸方向のみに触知ピンが移動可能である場合には、ヒトの皮膚と仮想物体とが相対的に一方向に移動する場合における物体の表面性状感に相当する触覚を呈示できる。さらには、触覚呈示部材の第１面に平行な１軸方向のみに触知ピンが移動可能である場合には、ヒトの皮膚と仮想物体との回転角度が微小である場合における物体のトルク感に相当する触覚を呈示できる。
しかし、より複雑にヒトの皮膚と仮想物体とが相対移動する場合、及び、ヒトの皮膚と仮想物体との回転角度が大きくなる場合には、触覚呈示部材の第１面に平行な１軸方向のみに触知ピンが移動するのでは、十分に上記触覚を呈示できない場合がある。
そこで、触知ピンは、触覚呈示部材の第１面に平行な直交２軸方向に移動可能な第１触知ピンを備えるようにするとよい。これにより、上記の場合であっても、十分に物体の表面性状感及びトルク感に相当する触覚を呈示することができる。
ここで、物体の表面性状感に相当する触覚をより正確に呈示するには、ヒトの皮膚に対して触知ピンがせん断方向及び垂直方向への移動の組み合わせが必要となる。具体的には、直値ピンのせん断方向の移動量と垂直方向の移動量との比を変化させることで、種々の物体の表面性状感に相当する触覚を呈示できると考えられる。例えば、物体の表面性状感のうちザラザラ感に相当する触覚は、触知ピンのせん断方向の移動量に対する垂直方向の移動量の割合が大きい場合であると考えられる。また、物体の表面性状感のうちツルツル感に相当する触覚は、触知ピンのせん断方向の移動量に対する垂直方向の移動量の割合が小さい場合であると考えられる。
そこで、触知ピンは、触覚呈示部材の第１面に平行な直交２軸方向に移動可能な第１触知ピンと、触覚呈示部材の第１面に垂直方向に移動可能な第２触知ピンとを備えるようにするとよい。このように第１触知ピンと第２触知ピンとにより、全体として直交３軸方向へ移動することができるので、より正確に物体の表面性状感に相当する触覚を呈示できる。
この場合、第１触知ピン及び第２触知ピンは、それぞれ複数からなり、複数の第１触知ピン及び複数の第２触知ピンは、それぞれ市松模様状に配列されるようにするとよい。市松模様状とは、第１触知ピンと第２触知ピンが交互に配列された状態である。これにより、触知ピンのせん断方向の移動と垂直方向の移動とをバランス良く行うことができる。
また、表面性状感のうち、ヒトの皮膚と仮想物体とが相対的に一方向に移動する場合における物体の表面性状感のみに相当する触覚をすればよいケースがある。このような場合に、触知ピンは、触覚呈示部材の第１面に平行な第１の軸方向及び第１面に垂直方向に移動可能な第３触知ピンを備えるようにすればよい。すなわち、第３触知ピンは、触覚呈示部材の第１面に平行な第１の軸方向及び触覚呈示部材の第１面に垂直方向に移動するので、ヒトの皮膚と仮想物体とが相対的に一方向に移動する場合には、より正確に物体の表面性状に相当する触覚を呈示できる。
この場合、触知ピンは、触覚呈示部材の第１面に平行な第１の軸方向に移動可能な第３触知ピンと、第１面に平行であって前記第１の軸方向に垂直な第２の軸方向及び前記第１面に垂直方向に移動可能な第４触知ピンと、を備えるようにするとよい。つまり、第３触知ピンと第４触知ピンとにより、ヒトの皮膚に対して全体として直交３軸方向へ移動することができる。従って、より複雑にヒトの皮膚と仮想物体とが相対移動する場合における物体の表面性状感、及び、ヒトの皮膚と仮想物体との回転角度が大きくなる場合の物体のトルク感に相当する触覚を呈示できる。
この場合、第３触知ピン及び第４触知ピンは、それぞれ複数からなり、複数の第３触知ピン及び複数の第４触知ピンは、それぞれ市松模様状に配列されるようにするとよい。これにより、触知ピンのせん断方向のうちの直交２軸方向への移動をバランス良く行うことができる。
また、上述において、ヒトの皮膚に対して全体として触知ピンを直交３軸方向へ移動する構成としては、移動方向が異なる複数種類の触知ピンを組み合わせることとした。この他に、触知ピンは、第１面に平行な直交２軸方向及び第１面に垂直方向に移動可能な第５触知ピンを備えるようにしてもよい。つまり、第５触知ピン自身が、直交３軸方向へ移動することができるようにしている。これにより、より正確な物体の表面性状感及びトルク感に相当する触覚を呈示することができる。
上記多自由度アクチュエータは、以下のように構成される。それぞれの前記アクチュエータ部材は、たわみ変形可能であって該一端側を前記基台に固定された基部と、前記基部の少なくとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより前記基部の一端側に対して他端側を揺動自在に駆動する圧電素子と、を備える。それぞれの前記連結部材は、一端側をそれぞれの前記基部の前記他端側に回転可能に連結し、他端側を回転可能に相互に連結し合う。前記作用部材は、一の前記連結部材の前記他端側に固定され、且つ、他の前記連結部材の前記他端側に回転可能に連結される。
ここで、アクチュエータ部材の動作は、次のようになる。圧電素子に電圧を印加することで、圧電素子の長手方向が収縮する。また、圧電素子の長手方向とは、基部の延在方向、すなわち基部の一端側から他端側への方向である。そして、圧電素子の長手方向が収縮することに伴って、基部のうち圧電素子が配置されている面が収縮する。従って、基部は、圧電素子が配置されている面の方にたわむ。そして、圧電素子の収縮量は、印加電圧に応じて異なる。つまり、圧電素子への印加電圧に応じて、圧電素子の収縮量が変化し、その結果、基部のたわみ量が異なる。従って、圧電素子への印加電圧に応じて、基部の一端側から他端側を見た場合には、揺動していることになる。
なお、圧電素子を基部の両面に配置するようにしてもよい。この場合には、一方の圧電素子に電圧を印加する場合に、当該一方の圧電素子側に基部が揺動し、他方の圧電素子に電圧を印加する場合に、当該他方の圧電素子側に基部が揺動する。つまり、圧電素子を基部の両面に配置した場合には、圧電素子を基部の片面に配置した場合に比べて、基部の一端側に対する他端側のたわみ量が２倍に増大する。
このように、圧電素子への電圧印加により、一つのアクチュエータ部材は、基部の一端側に対して他端側が、揺動軸回りに揺動する。そして、多自由度アクチュエータは、このアクチュエータ部材を複数備えるので、複数の自由度、特に直交２軸方向に移動可能とすることができる。なお、アクチュエータ部材の揺動軸とは、アクチュエータ部材の基部の他端側が一端側に対して揺動する回転軸を意味する。
そして、このアクチュエータ部材は、全体として、非常に薄いプレート状とするとよい。具体的には、アクチュエータ部材を構成する基部及び圧電素子が、何れも肉厚の薄いシート状からなるようにする。従って、近年の半導体製造に用いられているナノ構造形成技術を適用すれば、このような薄型のアクチュエータ部材により多自由度アクチュエータを構成することで、多自由度アクチュエータの小型化を図ることができ、且つ、配列の自由度が増す。
さらに、アクチュエータ部材は、微少な動作を制御することができる。つまり、触知ピンの微少な動作を制御することができる。つまり、当該多自由度アクチュエータは、複数の触知ピンを駆動するための多自由度アクチュエータに適用することができる。
（１．２）多自由度アクチュエータの態様
ここで、本発明の多自由度アクチュエータの詳細な構成としては、パラレル型である。具体的に、２自由度（ここでは直交２軸方向の自由度）の場合のパラレル型の多自由度アクチュエータは次のようにするとよい。すなわち、アクチュエータ部材及び連結部材は、それぞれ２個であり、それぞれのアクチュエータ部材の揺動軸は、平行であり、それぞれの連結部材の一端側は、アクチュエータ部材の揺動軸に平行な軸回りに回転可能に連結され、それぞれの連結部材の他端側は、アクチュエータ部材の揺動軸に平行な軸回りに回転可能に相互に連結し合うようにする。
つまり、２個のアクチュエータ部材の揺動軸、アクチュエータ部材と連結部材との回転軸、２個の連結部材の回転軸が、全て平行となるようにされている。従って、作用部材は、これらの揺動軸又は回転軸に垂直な平面に平行な方向に移動する。すなわち、作用部材は、基台に対して、当該平面上の直交２軸方向に移動することができる。さらに、基台に対する作用部材の位置制御が容易できる。つまり、触知ピンの指表面に対する位置を容易に制御することができる。
また、３自由度（ここでは直交３軸方向の自由度）の場合のパラレル型の多自由度アクチュエータは、次のようにするとよい。すなわち、アクチュエータ部材及び連結部材は、それぞれ３個であり、それぞれの連結部材の一端側は、それぞれの基部の他端側にボールジョイント又はユニバーサルジョイントを介して連結され、それぞれの連結部材の他端側は、ボールジョイント又はユニバーサルジョイントを介して相互に連結し合うようにする。これにより、作用部材は、基台に対して、直交３軸方向に移動することができる。さらに、基台に対する作用部材の位置制御は容易である。つまり、触知ピンの指表面に対するせん断方向の位置及び垂直方向の位置を容易に制御することができる。
ここで、上述したようなパラレル型の多自由度アクチュエータにおいて、以下のようにすることで、基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量を大きく確保することができる。すなわち、アクチュエータ部材の揺動軸回りにおいて、基台面上のうち基部の一端側と基台との固定位置から他の基部に近接する方向を零度と規定し、基部が基台面上に垂直となる状態を９０度と規定した場合に、アクチュエータ部材の揺動軸回りにおける基部と基台面とのなす角度は、３０〜６０度の範囲とするとよい。このように、基部と基台面とのなす角度が３０〜６０度の範囲とすることで、基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位を大きくすることができる。
なお、基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量が最大となる当該なす角度は、圧電素子に電圧を印加していない状態における連結部材の長さに対するそれぞれの連結部材の一端側の離間距離の割合に応じて異なる。例えば、当該割合が１．４付近であれば、当該なす角度が４０〜５０度の範囲となる場合が、基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量が最大となる。また、当該割合が１．１付近であれば、当該なす角度が３０〜４０度の範囲となる場合が、基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量が最大となる。また、当該割合が１．７付近であれば、当該なす角度が５０〜６０度の範囲となる場合が、基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量が最大となる。
また、上述したパラレル型の多自由度アクチュエータにおいて、圧電素子に電圧を印加していない状態（以下、「初期状態」という）において、一の連結部材と他の連結部材とは、屈曲した状態となるようにするとよい。つまり、初期状態において、それぞれの連結部材が直線状に位置していないことになる。仮に、初期状態において複数の連結部材が直線状に位置している場合に、圧電素子に電圧を印加すると、作用部材が基台に近接する方向に移動するか、基台から遠ざかる方向に移動するか不明となる。つまり、初期状態において複数の連結部材が直線状に位置していると、作用部材の位置制御が正確にできないおそれがある。そこで、初期状態において、連結部材が直線状に位置しないようにすることで、圧電素子に電圧を印加した際に、作用部材が移動する方向が決定される。その結果、作用部材の位置制御が正確にできる。
また、圧電素子に電圧を印加していない状態、すなわち初期状態において、連結部材の長さに対するそれぞれの連結部材の一端側の離間距離の割合は、１．０〜２．０の範囲とするとよい。例えば、２個の連結部材を取り上げた場合には、これらの連結部材の一端側と連結部材の他端側とにより、三角形が形成される。そして、これらの連結部材の一端側の離間距離を底辺とした場合に、底辺に対する他の辺の長さの割合が、１．０〜２．０の範囲となる。好ましくは、当該割合は１．３〜１．５であり、最適には、当該割合が１．４である。
圧電素子に最大の電圧を印加した場合において、当該割合が１．４に近づくほど、基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量が近接することになる。例えば、２自由度の多自由度アクチュエータにおいて、当該割合が１．４に近づくほど、圧電素子に最大の電圧を印加した場合、すなわちアクチュエータ部材のたわみ量が最大の場合における所定の１軸方向への変位量と他の所定の１軸方向への変位量の差が小さくなる。つまり、直交２軸方向のそれぞれの方向の剛性差が小さいということになる。
このように、当該割合を上記範囲にすることで、直交移動軸方向のそれぞれの方向の剛性差を小さくすることができる。つまり、例えば、触知ピンを触覚呈示部材の第１面に平行な直交２軸方向に移動させる場合に、移動方向に応じて剛性が異ならないようにすることができる。つまり、触知ピンが指表面に接触している場合であっても、適切に触知ピンを移動させることができる。換言すると、物体の表面性状感及びトルク感に相当する触覚を確実に呈示することができる。
また、シリアル型の多自由度アクチュエータでは、直交移動軸方向のそれぞれの方向の剛性差を小さくすることが困難である。しかし、パラレル型の多自由度アクチュエータを採用し、且つ、当該割合を上記範囲にすることで、直交移動軸方向のそれぞれの方向の剛性差を小さくすることができる。
（１．３）多自由度アクチュエータの制御部
次に、多自由度アクチュエータの制御部について説明する。ここでは、ニューラルネットワークを用いる方法を説明する。すなわち、多自由度アクチュエータを制御する制御部は、作用部材の目標移動量及び圧電素子に印加している現在電圧値に基づいて、ニューラルネットワークを用いて電圧変化量を算出する電圧変化量算出部と、電圧変化量を積分して圧電素子に印加すべき電圧値を算出し、圧電素子に印加する電圧印加部と、を備える。
このように、ニューラルネットワークを用いることで、高い応答性を確保しつつ高精度に作用部材を駆動することができる。特に、電圧変化量を積分することを、ニューラルネットワークによる演算から除外することで、演算の高速性とニューラルネットワークの小規模化を図ることができる。つまり、高度な処理能力を有する演算器を必要とすることなく、処理を行うことができる。
（２）第２発明
上述した第１発明は、触覚ディスプレイ装置とした場合について説明した。ここで、触覚ディスプレイ装置を構成する多自由度アクチュエータは、それ自身においても特徴的である。そこで、第２発明として、多自由度アクチュエータを取り上げた場合について説明する。
第２発明である多自由度アクチュエータは、基台に対して少なくとも２自由度を有する作用部材を備える多自由度アクチュエータであって、アクチュエータ部材を複数備えることを特徴とする。このアクチュエータ部材は、たわみ変形可能な基部と、基部の少なくとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより基部の一端側に対して他端側を揺動自在に駆動する圧電素子とを備える。
この多自由度アクチュエータは、上述した第１発明の触覚ディスプレイ装置を構成する多自由度アクチュエータと同一である。従って、作用部材は、基台に対して、少なくとも直交２軸方向に移動できる。そして、アクチュエータ部材は、全体として、非常に薄いプレート状とするとよい。このような薄型のアクチュエータ部材により多自由度アクチュエータを構成することで、多自由度アクチュエータの小型化を図ることができ、且つ、配列の自由度が増す。さらに、アクチュエータ部材は、基台に対する作用部材の微少な動作を制御できる。
また、第２発明の多自由度アクチュエータの詳細な構成としては、パラレル型である。つまり、アクチュエータ部材は何れも基台に固定され、それぞれのアクチュエータ部材は連結部材を介して連結される。この第２発明のパラレル型の多自由度アクチュエータには、上述した第１発明の触覚ディスプレイ装置を構成するパラレル型の多自由度アクチュエータにて説明した事項を適用することができる。この場合、上述した同一の効果を奏する。
（３）第３発明
また、多自由度アクチュエータを用いて、ハンドリング装置を構成することもできる。ハンドリング装置とは、物体を把持し、搬送することができる装置である。すなわち、第３発明であるハンドリング装置は、基台に対して少なくとも直交２軸方向に移動可能な第１作用部材を有する第１の多自由度アクチュエータと、基台に対して少なくとも直交２軸方向に移動可能な第２作用部材を有する第２の多自由度アクチュエータと、第１作用部材に連結される第１把持部材と、第２作用部材に連結される第２把持部材とを備える。そして、第１の多自由度アクチュエータ及び第２の多自由度アクチュエータの少なくとも何れか一方は、複数のアクチュエータ部材と複数の連結部材とを備えることを特徴とする。それぞれのアクチュエータ部材は、たわみ変形可能であって該一端側を基台に固定された基部と、基部の少なくとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより基部の一端側に対して他端側を揺動自在に駆動する圧電素子とを備える。それぞれの連結部材は、一端側をそれぞれの基部の他端側に回転可能に連結し、他端側を回転可能に相互に連結し合う。作用部材は、一の連結部材の他端側に固定され、且つ、他の連結部材の他端側に回転可能に連結される。
このハンドリング装置は、上述した第２発明の多自由度アクチュエータを２個備える。そして、第１、第２の多自由度アクチュエータが２自由度を有するので、第１把持部材と第２把持部材とにより、確実に物体を把持することができ、且つ、搬送することができる。そして、アクチュエータ部材は、全体として、非常に薄いプレート状とするとよい。従って、このような薄型のアクチュエータ部材により多自由度アクチュエータを構成することで、多自由度アクチュエータの小型化を図ることができる。さらに、アクチュエータ部材は、基台に対する作用部材の微少な動作を制御できる。つまり、第３発明であるハンドリング装置により、非常に微少な物体を把持し、搬送することができる。
この第３発明のハンドリング装置を構成する多自由度アクチュエータの詳細な構成としては、パラレル型である。つまり、アクチュエータ部材は何れも基台に固定され、それぞれのアクチュエータ部材は連結部材を介して連結される。
この第３発明のハンドリング装置を構成するパラレル型の多自由度アクチュエータには、上述した第１発明の触覚ディスプレイ装置を構成するパラレル型の多自由度アクチュエータにて説明した事項を適用することができる。この場合、上述した同一の効果を奏する。
第１発明の触覚ディスプレイ装置によれば、物体の表面性状感及び物体のトルク感に相当する触覚を呈示することができる。さらに、近年の半導体製造に用いられているナノ構造形成技術を適用すれば、触覚ディスプレイ装置を構成する多自由度アクチュエータ部材は小型化を図ることができ、配列の自由度が増す。さらに、アクチュエータ部材は、微少な動作を制御することができる。つまり、触知ピンの微少な動作を制御することができる。つまり、当該多自由度アクチュエータは、複数の触知ピンを駆動するための多自由度アクチュエータに適用することができる。
第３発明のハンドリング装置によれば、第１発明の触覚ディスプレイ装置を構成する多自由度アクチュエータによる効果と同一の効果を奏する。また、第３のハンドリング装置によれば、非常に微小な物体を把持し、搬送することができる。 However, it is difficult to present a tactile sensation corresponding to a more accurate surface texture of an object with an electrostatic attraction like the tactile display device disclosed in Patent Document 2. Furthermore, it is difficult to present a tactile sensation corresponding to the torque feeling of the object. Here, the sense of torque of an object is, for example, when an object is gripped by a human finger, the object rotates relative to the finger surface around an axis perpendicular to the finger surface that the object is in contact with It is a feeling when doing.
Therefore, it is desired to present a tactile sensation corresponding to the surface texture of the object and the torque of the object in a configuration using a plurality of tactile pins. Since the tactile display device disclosed in Patent Document 2 has a configuration different from the configuration using a plurality of tactile pins, the tactile display device configured using a plurality of tactile pins is disclosed in Patent Document 2. Applied technology cannot be applied.
Moreover, in the tactile display device having a configuration using tactile pins, tactile pins are collectively arranged in an array. Therefore, the actuator that operates the tactile pins is required to be small and easy to arrange.
The present invention has been made in view of such circumstances, and includes a tactile pin, and is a tactile display device capable of presenting a tactile sensation corresponding to the surface texture of the object and the torque of the object. The purpose is to provide. Furthermore, it aims at providing the multi-degree-of-freedom actuator which consists of a novel structure which can be used for the said tactile display apparatus, and the handling apparatus using the said multi-degree-of-freedom actuator.
(1) First invention (1.1) Overall configuration of tactile display device Accordingly, the inventor has intensively studied to solve this problem, and as a result of repeated trial and error, the tactile pin is applied to human skin. The present inventors have come up with an arrangement for moving in the shear direction and have completed the present invention.
That is, the tactile display device of the first invention is characterized by including a tactile presentation member, a plurality of multi-degree-of-freedom actuators, and a plurality of tactile pins. Here, the tactile sensation providing member includes a plurality of holes on the first surface that can contact the human skin. Each of the multi-degree-of-freedom actuators includes a plurality of actuator members and a plurality of connecting members, and has action members that are movable in at least two orthogonal axes with respect to the base. The tactile pin protrudes from each of the plurality of holes , is connected to each action member, and can move in at least a direction parallel to the first surface of the tactile sensation presentation member in accordance with the operation of the action member with respect to the base. The skin is brought into contact with the human skin, and a tactile sensation corresponding to the surface texture of the object and the torque of the object is presented to the human skin.
Here, the direction parallel to the first surface of the tactile presentation member is a shear direction (horizontal direction) with respect to the finger surface when a human finger is placed on the first surface of the tactile presentation member. In this way, the tactile pin can be moved in the shear direction with respect to the finger surface, so that a tactile sensation corresponding to the surface texture of the object can be presented. For example, by moving the plurality of tactile pins by the same amount in the same shear direction with respect to the finger surface, a tactile sensation corresponding to the surface texture of the object can be presented.
Further, a plurality of tactile pins are arranged. Therefore, by moving the plurality of tactile pins in the shearing direction with respect to the finger surface, a tactile sensation (rotation tactile sense) corresponding to the sense of torque of the object can be presented. As described above, the sense of torque of an object is, for example, when the object is gripped by a finger, the object is relatively relative to the finger surface around an axis perpendicular to the finger surface in contact with the object. This is the tactile sensation when rotating. In order to present a tactile sensation corresponding to the sense of torque of the object, for example, the amount of movement of the tactile pin arranged in the fingertip side in the shear direction and the amount of movement of the tactile pin arranged in the fingertip side in the shear direction And should be different. This is because the center of rotation does not move at all when the object rotates, and the amount of movement increases as the distance from the center of rotation increases. Therefore, by presenting this with a tactile pin, it is possible to present a tactile sensation corresponding to the sense of torque of the object.
Here, for example, when the tactile pin can move only in one axial direction parallel to the first surface of the tactile presentation member, the human skin and the virtual object move relatively in one direction. A tactile sense corresponding to the surface texture of the object can be presented. Further, when the tactile pin can be moved only in one axial direction parallel to the first surface of the tactile presentation member, the torque feeling of the object when the rotation angle between the human skin and the virtual object is very small. A tactile sensation equivalent to can be presented.
However, when the human skin and the virtual object relatively move relative to each other and when the rotation angle between the human skin and the virtual object becomes large, the uniaxial direction parallel to the first surface of the tactile presentation member If the tactile pin is moved only in this way, the tactile sensation may not be sufficiently exhibited.
Therefore, the tactile pin may be provided with a first tactile pin that is movable in two orthogonal axes parallel to the first surface of the tactile sense presentation member. Thereby, even in the above case, a tactile sensation corresponding to the surface texture and torque of the object can be sufficiently presented.
Here, in order to more accurately present a tactile sensation corresponding to the surface texture of an object, a combination of movement of the tactile pin in the shear direction and the vertical direction with respect to the human skin is required. Specifically, it is considered that tactile sensation corresponding to the surface texture of various objects can be presented by changing the ratio of the amount of movement of the direct pin in the shear direction to the amount of movement in the vertical direction. For example, the tactile sensation corresponding to the rough feeling in the surface texture of the object is considered to be a case where the ratio of the vertical movement amount to the shearing movement amount of the tactile pin is large. Further, it is considered that the tactile sensation corresponding to the smooth feeling of the surface texture of the object is a case where the ratio of the movement amount in the vertical direction to the movement amount in the shear direction of the tactile pin is small.
Therefore, the tactile pin includes a first tactile pin that is movable in two orthogonal axes parallel to the first surface of the tactile presentation member, and a second tactile pin that is movable in the vertical direction to the first surface of the tactile presentation member. It is recommended to have As described above, since the first tactile pin and the second tactile pin can move in the three orthogonal directions as a whole, a tactile sense corresponding to the surface texture of the object can be presented more accurately.
In this case, the first tactile pin and the second tactile pin are each composed of a plurality, and the plurality of first tactile pins and the plurality of second tactile pins may be arranged in a checkered pattern. . The checkered pattern is a state in which the first tactile pins and the second tactile pins are alternately arranged. Thereby, the movement of the tactile pin in the shearing direction and the movement in the vertical direction can be performed with a good balance.
In addition, among surface textures, there is a case where a tactile sensation corresponding to only the surface texture of an object when the human skin and a virtual object move in one direction relatively may be provided. In such a case, the tactile pin may be provided with a first tactile pin that is movable in the first axial direction parallel to the first surface of the tactile sensation presentation member and in the direction perpendicular to the first surface. That is, the third tactile pin moves in the first axial direction parallel to the first surface of the tactile presentation member and in the direction perpendicular to the first surface of the tactile presentation member, so that the human skin and the virtual object are relative to each other. When moving in one direction, a tactile sensation corresponding to the surface property of the object can be presented more accurately.
In this case, the tactile pin includes a third tactile pin that is movable in a first axial direction parallel to the first surface of the tactile presentation member, and a parallel to the first surface and perpendicular to the first axial direction. A fourth tactile pin that is movable in a second axis direction and a direction perpendicular to the first surface may be provided. That is, the third tactile pin and the fourth tactile pin can move in the three orthogonal directions as a whole with respect to the human skin. Therefore, the tactile sensation corresponding to the surface texture of the object when the human skin and the virtual object relatively move relative to each other and the torque feeling of the object when the rotation angle between the human skin and the virtual object becomes large is obtained. Can be presented.
In this case, the third tactile pin and the fourth tactile pin are each composed of a plurality, and the plurality of third tactile pins and the plurality of fourth tactile pins may be arranged in a checkered pattern. . Thereby, the movement to the orthogonal biaxial direction of the shearing direction of a tactile pin can be performed with sufficient balance.
Further, in the above description, as a configuration in which the tactile pins are moved in the three orthogonal directions relative to the human skin, a plurality of types of tactile pins having different movement directions are combined. In addition to this, the tactile pin may include a fifth tactile pin that is movable in two orthogonal axes parallel to the first surface and perpendicular to the first surface. That is, the fifth tactile pin itself can move in the three orthogonal axes. As a result, it is possible to present a tactile sensation corresponding to a more accurate surface texture and torque feeling of the object.
The multi-degree-of-freedom actuator is configured as follows. Each of the actuator members can be flexibly deformed, and has a base portion whose one end is fixed to the base, and is disposed on at least one surface of the base and is applied with a voltage to one end side of the base. And a piezoelectric element for driving the other end side in a swingable manner. Each of the connecting members has one end side rotatably connected to the other end side of the base and the other end side rotatably connected to each other. The action member is fixed to the other end side of one of the connecting members and is rotatably connected to the other end side of the other connecting member.
Here, the operation of the actuator member is as follows. By applying a voltage to the piezoelectric element, the longitudinal direction of the piezoelectric element contracts. The longitudinal direction of the piezoelectric element is the extending direction of the base, that is, the direction from one end side to the other end side of the base portion. As the longitudinal direction of the piezoelectric element contracts, the surface of the base on which the piezoelectric element is disposed contracts. Accordingly, the base portion bends toward the surface on which the piezoelectric element is disposed. The contraction amount of the piezoelectric element varies depending on the applied voltage. That is, the amount of contraction of the piezoelectric element changes according to the voltage applied to the piezoelectric element, and as a result, the amount of deflection of the base portion differs. Therefore, when the other end side is viewed from one end side of the base portion according to the voltage applied to the piezoelectric element, it is oscillated.
In addition, you may make it arrange | position a piezoelectric element on both surfaces of a base. In this case, when a voltage is applied to one piezoelectric element, the base swings on the one piezoelectric element side, and when a voltage is applied to the other piezoelectric element, the base part is on the other piezoelectric element side. Swings. That is, when the piezoelectric elements are arranged on both sides of the base, the amount of deflection on the other end side with respect to the one end side of the base part is doubled compared to the case where the piezoelectric elements are arranged on one side of the base part.
Thus, by applying a voltage to the piezoelectric element, one actuator member swings around the swing axis on the other end side with respect to the one end side of the base portion. Since the multi-degree-of-freedom actuator includes a plurality of the actuator members, the multi-degree-of-freedom actuator can be moved in a plurality of degrees of freedom, particularly in two orthogonal axes. Note that the swing shaft of the actuator member means a rotation shaft on which the other end side of the base portion of the actuator member swings with respect to the one end side.
The actuator member may be a very thin plate as a whole. Specifically, the base portion and the piezoelectric element constituting the actuator member are both made of a thin sheet. Therefore, if the nanostructure forming technology used in recent semiconductor manufacturing is applied, the multi-degree-of-freedom actuator can be downsized by configuring the multi-degree-of-freedom actuator with such a thin actuator member. And the degree of freedom of arrangement increases.
Further, the actuator member can control a minute operation. That is, the minute operation of the tactile pin can be controlled. That is, the multi-degree-of-freedom actuator can be applied to a multi-degree-of-freedom actuator for driving a plurality of tactile pins.
(1.2) Aspects of the multi-degree- of -freedom actuator Here, the detailed configuration of the multi-degree- of -freedom actuator of the present invention is a parallel type . Specifically, the parallel multi-degree-of-freedom actuator in the case of two degrees of freedom (here, the degrees of freedom in the orthogonal two-axis directions) is preferably as follows. That is, there are two actuator members and two connecting members, and the swing shafts of the respective actuator members are parallel, and one end side of each of the connecting members is around an axis parallel to the swing shaft of the actuator member. The other end sides of the respective connecting members are connected to each other so as to be rotatable around an axis parallel to the swing axis of the actuator member.
That is, the swing shafts of the two actuator members, the rotation shafts of the actuator member and the connecting member, and the rotation shafts of the two connecting members are all parallel to each other. Therefore, the action member moves in a direction parallel to a plane perpendicular to the swing axis or the rotation axis. That is, the action member can move in the two orthogonal axes on the plane with respect to the base. Furthermore, the position control of the action member with respect to the base can be facilitated. That is, the position of the tactile pin with respect to the finger surface can be easily controlled.
Further, the parallel type multi-degree-of-freedom actuator in the case of three degrees of freedom (here, the degrees of freedom in the orthogonal three-axis directions) is preferably as follows. That is, there are three actuator members and three connecting members, and one end side of each connecting member is connected to the other end side of each base via a ball joint or universal joint, and the other end of each connecting member. The sides are connected to each other via ball joints or universal joints. Thereby, the action member can move in the orthogonal three-axis direction with respect to the base. Furthermore, the position control of the action member with respect to the base is easy. That is, the position in the shearing direction and the position in the vertical direction with respect to the finger surface of the tactile pin can be easily controlled.
Here, in the parallel-type multi-degree-of-freedom actuator as described above, a large amount of axial displacement of each action member with respect to the base can be ensured as follows. That is, around the swing axis of the actuator member, a direction in which the one end side of the base and the base are close to each other on the base surface is defined as zero degrees, and the base is perpendicular to the base surface. When the state is defined as 90 degrees, the angle between the base portion and the base surface around the swing axis of the actuator member is preferably in the range of 30 to 60 degrees. As described above, by setting the angle formed by the base and the base surface to be in the range of 30 to 60 degrees, it is possible to increase the axial displacement of each action member with respect to the base.
Note that the angle formed by the maximum amount of axial displacement of each action member with respect to the base is the distance between one end side of each connection member with respect to the length of the connection member when no voltage is applied to the piezoelectric element. It depends on the proportion of distance. For example, if the ratio is in the vicinity of 1.4, the amount of displacement in the axial direction of each action member with respect to the base is maximized when the angle formed is in the range of 40 to 50 degrees. If the ratio is near 1.1, the axial displacement amount of the action member with respect to the base is maximized when the angle formed is in the range of 30 to 40 degrees. If the ratio is near 1.7, the amount of displacement in the axial direction of each action member relative to the base is maximized when the angle formed is in the range of 50 to 60 degrees.
In the parallel multi-degree-of-freedom actuator described above, in a state where no voltage is applied to the piezoelectric element (hereinafter referred to as “initial state”), one connecting member and the other connecting member are in a bent state. It is good to be. That is, in the initial state, each connecting member is not positioned linearly. If a plurality of connecting members are linearly positioned in the initial state, when a voltage is applied to the piezoelectric element, the action member moves in a direction closer to the base or in a direction away from the base. It becomes unknown. That is, if the plurality of connecting members are linearly positioned in the initial state, the position control of the action member may not be performed accurately. Therefore, in the initial state, the direction in which the action member moves when the voltage is applied to the piezoelectric element is determined by preventing the connecting member from being positioned linearly. As a result, the position of the action member can be accurately controlled.
Further, in a state where no voltage is applied to the piezoelectric element, that is, in an initial state, the ratio of the separation distance on one end side of each connecting member to the length of the connecting member is preferably in the range of 1.0 to 2.0. . For example, when two connecting members are taken up, a triangle is formed by one end side of these connecting members and the other end side of the connecting members. And when the separation distance of the one end side of these connection members is made into the base, the ratio of the length of the other side with respect to a base becomes the range of 1.0-2.0. Preferably, the ratio is 1.3 to 1.5, and optimally the ratio is 1.4.
When the maximum voltage is applied to the piezoelectric element, the closer the ratio is to 1.4, the closer the respective axial displacement amounts of the action member to the base. For example, in a two-degree-of-freedom multi-degree-of-freedom actuator, when the maximum voltage is applied to the piezoelectric element as the ratio approaches 1.4, that is, in the predetermined one-axis direction when the actuator member has the maximum deflection amount The difference between the amount of displacement and the amount of displacement in another predetermined one-axis direction becomes small. That is, the difference in rigidity between the two orthogonal axes is small.
Thus, the rigidity difference of each direction of an orthogonal movement axis direction can be made small by making the said ratio into the said range. That is, for example, when the tactile pin is moved in two orthogonal axes parallel to the first surface of the tactile sense presentation member, the rigidity can be prevented from changing according to the moving direction. That is, even when the tactile pin is in contact with the finger surface, the tactile pin can be appropriately moved. In other words, it is possible to reliably present a tactile sensation corresponding to the surface texture and torque feeling of the object.
Further, in the serial type multi-degree-of-freedom actuator, it is difficult to reduce the difference in rigidity in each direction of the orthogonal movement axis direction. However, by adopting a parallel type multi-degree-of-freedom actuator and setting the ratio within the above range, the rigidity difference in each direction of the orthogonal movement axis direction can be reduced.
( 1.3 ) Control Unit of Multi-DOF Actuator Next, the control unit of the multi-DOF actuator will be described. Here, a method using a neural network will be described. That is, the control unit that controls the multi-degree-of-freedom actuator is a voltage change amount calculation unit that calculates a voltage change amount using a neural network based on a target movement amount of the acting member and a current voltage value applied to the piezoelectric element. And a voltage application unit that integrates the voltage change amount to calculate a voltage value to be applied to the piezoelectric element and applies the voltage value to the piezoelectric element.
Thus, by using the neural network, the action member can be driven with high accuracy while ensuring high responsiveness. In particular, by integrating the voltage change amount from the calculation by the neural network, the calculation speed can be reduced and the neural network can be made smaller. That is, processing can be performed without requiring an arithmetic unit having a high processing capability.
(2) Second Invention The first invention described above has been described with respect to a tactile display device. Here, the multi-degree-of-freedom actuator constituting the tactile display device is also characteristic in itself. Therefore, a case where a multi-degree-of-freedom actuator is taken up as a second invention will be described.
A multi-degree-of-freedom actuator according to a second aspect of the invention is a multi-degree-of-freedom actuator including an action member having at least two degrees of freedom with respect to a base, and includes a plurality of actuator members. The actuator member includes a base portion that can be flexibly deformed, and a piezoelectric element that is disposed on at least one surface of the base portion and that is driven to swing the other end side relative to the one end side of the base portion when a voltage is applied. .
This multi-degree-of-freedom actuator is the same as the multi-degree-of-freedom actuator constituting the tactile display device of the first invention described above. Accordingly, the action member can move in at least two orthogonal directions with respect to the base. The actuator member may be a very thin plate as a whole. By constructing a multi-degree-of-freedom actuator with such a thin actuator member, the multi-degree-of-freedom actuator can be reduced in size, and the degree of freedom in arrangement increases. Further, the actuator member can control a slight operation of the action member with respect to the base.
In addition, as a detailed construction of the multi-degree-of-freedom actuator of the second invention, it is the parallel type. That is, all the actuator members are fixed to the base, and each actuator member is connected via the connecting member. The matters described in the parallel multi-degree-of-freedom actuator constituting the tactile display device of the first invention can be applied to the parallel-type multi-degree-of-freedom actuator of the second invention. In this case, the same effect as described above is obtained.
(3) 3rd invention Moreover, a handling apparatus can also be comprised using a multi-degree-of-freedom actuator. A handling device is a device that can grip and transport an object. That is, the handling device according to the third aspect of the invention includes a first multi-degree-of-freedom actuator having a first action member that can move in at least two orthogonal axes with respect to the base, and at least two orthogonal directions with respect to the base. A second multi-degree-of-freedom actuator having a second action member movable to the first action member, a first holding member connected to the first action member, and a second holding member connected to the second action member. At least one of the first multi-degree-of-freedom actuator and the second multi-degree-of-freedom actuator includes a plurality of actuator members and a plurality of connecting members . Each actuator member can be flexibly deformed , and has a base portion whose one end is fixed to the base, and is disposed on at least one surface of the base and is applied with a voltage to the other end with respect to one end of the base. And a piezoelectric element that drives the side in a swingable manner. Each connecting member has one end side rotatably connected to the other end side of each base portion, and the other end side is rotatably connected to each other. The action member is fixed to the other end of one connecting member and is rotatably connected to the other end of the other connecting member.
This handling apparatus includes two multi-degree-of-freedom actuators of the second invention described above. Since the first and second multi-degree-of-freedom actuators have two degrees of freedom, the object can be reliably gripped and transported by the first gripping member and the second gripping member. The actuator member may be a very thin plate as a whole. Therefore, the multi-degree-of-freedom actuator can be downsized by configuring the multi-degree-of-freedom actuator with such a thin actuator member. Further, the actuator member can control a slight operation of the action member with respect to the base. That is, the handling device according to the third aspect of the invention can grip and transport a very small object.
The third is a detailed structure of the multi-degree-of-freedom actuator constituting the handling device of the present invention is the parallel type. That is, all the actuator members are fixed to the base, and each actuator member is connected via the connecting member.
For the parallel type multi-degree-of-freedom actuator constituting the handling device of the third invention, the matters described in the parallel-type multi-degree-of-freedom actuator constituting the tactile display device of the first invention can be applied. . In this case, the same effect as described above is obtained.
According to the tactile display device of the first invention, a tactile sensation corresponding to the surface texture of the object and the torque of the object can be presented. Furthermore, if a nanostructure forming technique used in recent semiconductor manufacturing is applied, the multi-degree-of-freedom actuator member constituting the tactile display device can be reduced in size, and the degree of freedom in arrangement increases. Further, the actuator member can control a minute operation. That is, the minute operation of the tactile pin can be controlled. That is, the multi-degree-of-freedom actuator can be applied to a multi-degree-of-freedom actuator for driving a plurality of tactile pins.
According to the handling device of the third invention, the same effect as that obtained by the multi-degree-of-freedom actuator constituting the tactile display device of the first invention is obtained. Further, according to the third handling device, it is possible to grip and transport a very small object.

図１は、触覚ディスプレイ装置１を用いたゲーム機について説明するための図である。
図２は、図１に示す棒８と指とが棒８の軸方向に相対移動した場合などに生じる触覚について説明する図である。
図３は、ヒトの触覚システムにおいて、横軸を触知ピン３３の振動周波数とし、縦軸を触知ピン３３の振動振幅とした場合に、ヒトが触知ピン３３による刺激を認識できる限界値を示す。
図４は、図１に示す棒８が指に対して、指表面に垂直な軸回りに相対回転する場合などに生じる触覚について説明する図である。
図５は、触覚ディスプレイ装置１を用いた腹腔内手術装置について説明するための図である。
図６は、触覚ディスプレイ装置１を用いた惑星探査機について説明するための図である。
図７は、触知ピン３３の配列を示す図である。
図８は、触覚ディスプレイ装置１の概要について説明するための図である。
図９は、触覚ディスプレイ装置１の斜視図である。
図１０は、２自由度アクチュエータ３２の斜視図である。
図１１は、２自由度アクチュエータ３２の模式図である。
図１２は、第１、第２アクチュエータプレート４２、４３の上面図である。
図１３は、２自由度アクチュエータ３２の動作について説明する図である。
図１４は、図１１の第１連結部材１４及び第２連結部材４５を含む部分の拡大図である。
図１５は、第１アクチュエータプレート４２の圧電素子４２ｂ、４２ｃに印加する電圧を無次元化した値と、第１アクチュエータプレート４２のたわみ量を無次元化した値との関係を示す。
図１６は、第２アクチュエータプレート４３の圧電素子４３ｂ、４３ｃに印加する電圧を無次元化した値と、第２アクチュエータプレート４３のたわみ量を無次元化した値との関係を示す。
図１７は、制御部１００のブロック図を示す。
図１８は、なす角度θを６０度とした場合において、横軸を割合ｂ／ａとし、縦軸を変位量Ｕｘ、Ｕｙのそれぞれとした図である。
図１９は、割合ｂ／ａを１．１、１．４、１．７とした場合において、横軸をθとし、縦軸を変位量Ｕｘ、Ｕｙのそれぞれとした図である。
図２０は、３自由度アクチュエータ５０を示す模式図である。
図２１は、シリアル型２自由度アクチュエータ６０を示す図である。
図２２は、シリアル型２自由度アクチュエータ７０を示す図である。
図２３は、シリアル型３自由度アクチュエータ８０を示す図である。
図２４は、ハンドリング装置９０を示す図である。FIG. 1 is a diagram for explaining a game machine using the tactile display device 1.
FIG. 2 is a diagram for explaining tactile sensation that occurs when the rod 8 and the finger shown in FIG. 1 are relatively moved in the axial direction of the rod 8.
FIG. 3 shows a limit value with which a human can recognize a stimulus by the tactile pin 33 when the horizontal axis is the vibration frequency of the tactile pin 33 and the vertical axis is the vibration amplitude of the tactile pin 33 in the human tactile system. Indicates.
FIG. 4 is a diagram for explaining tactile sensations that occur when the bar 8 shown in FIG. 1 rotates relative to the finger around an axis perpendicular to the finger surface.
FIG. 5 is a diagram for explaining an intra-abdominal surgery device using the tactile display device 1.
FIG. 6 is a diagram for explaining a planetary probe using the tactile display device 1.
FIG. 7 is a diagram showing the arrangement of the tactile pins 33.
FIG. 8 is a diagram for explaining an overview of the tactile display device 1.
FIG. 9 is a perspective view of the tactile display device 1.
FIG. 10 is a perspective view of the two-degree-of-freedom actuator 32.
FIG. 11 is a schematic diagram of the two-degree-of-freedom actuator 32.
FIG. 12 is a top view of the first and second actuator plates 42 and 43.
FIG. 13 is a diagram for explaining the operation of the two-degree-of-freedom actuator 32.
FIG. 14 is an enlarged view of a portion including the first connecting member 14 and the second connecting member 45 of FIG.
FIG. 15 shows a relationship between a value obtained by making the voltage applied to the piezoelectric elements 42b and 42c of the first actuator plate 42 dimensionless and a value obtained by making the deflection amount of the first actuator plate 42 dimensionless.
FIG. 16 shows a relationship between a value obtained by making the voltage applied to the piezoelectric elements 43 b and 43 c of the second actuator plate 43 dimensionless and a value obtained by making the deflection amount of the second actuator plate 43 dimensionless.
FIG. 17 shows a block diagram of the control unit 100.
FIG. 18 is a diagram in which the horizontal axis is the ratio b / a and the vertical axis is the displacement amounts Ux and Uy when the angle θ formed is 60 degrees.
FIG. 19 is a diagram in which when the ratio b / a is 1.1, 1.4, and 1.7, the horizontal axis is θ, and the vertical axis is the displacement amounts Ux and Uy.
FIG. 20 is a schematic diagram showing the three-degree-of-freedom actuator 50.
FIG. 21 is a diagram showing a serial type two-degree-of-freedom actuator 60.
FIG. 22 is a diagram showing the serial type two-degree-of-freedom actuator 70. As shown in FIG.
FIG. 23 is a diagram showing a serial type three-degree-of-freedom actuator 80.
FIG. 24 is a diagram showing the handling device 90.

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
（１）触覚ディスプレイ装置１の適用例
まず、触覚ディスプレイ装置１の適用例について説明する。
（１．１）触覚ディスプレイ装置１を用いたゲーム機の説明
まず、第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１を用いたゲーム機について図１を参照して説明する。図１は、触覚ディスプレイ装置１を用いたゲーム機について説明するための図である。ここでは、当該ゲーム機は、ヒトの指により仮想の棒を持ち、ヒトの手や指を動かすことにより、画面上の棒を穴に挿入する例を挙げる。
このゲーム機は、一対の触覚ディスプレイ装置１、１と、触覚ディスプレイコントローラ２と、データグローブ３と、指関節角度検出装置４と、手位置姿勢検出器５と、コンピュータ６とから構成される。
一対の触覚ディスプレイ装置１、１は、実際のヒトの手７の親指及び人差し指をそれぞれ挿入配置され、親指及び人差し指に当接可能であって、アレイ状に配列された複数の触知ピン３３（後述する）を備える。これらの触知ピン３３は、触覚呈示プレート３１（図２に示す）に対してそれぞれ直交３軸方向に移動可能な構成とする。これらの触知ピン３３は、例えば、ピン直径を０．３ｍｍ〜０．８ｍｍとし、縦８列、横８列の配列で合計６４個用いる。また、これらの触知ピン３３のピン間隔は、２ｍｍ以内としている。これは、ヒトの手７の指の二点弁別閾が２ｍｍ以内であるためである。さらに、ヒトの指先のうち接触すべき面積は、例えば、少なくとも１００ｍｍ２程度とするとよい。触知ピン３３を縦８列、横８列とした場合には、ピン間隔を例えば１．５ｍｍ程度とすればよい。
そして、これらの触知ピン３３は、コンピュータ６の画面上に映された仮想の棒８と仮想の手９の指との相対位置や相対移動に応じて、実際の手７の指表面に対してせん断方向及び垂直方向に移動する。つまり、触知ピン３３が実際の手７の指表面に対して移動することで、仮想の棒８の表面性状感及びトルク感に相当する触覚を呈示する。
触覚ディスプレイコントローラ２は、コンピュータ６から出力される指令値に基づいて、一対の触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３を制御する。データグローブ３は、手袋状をなしており、嵌められた実際の手７の指の曲げ角度を検出するためのセンサが埋め込まれている。そして、指関節角度検出装置４は、データグローブ３から出力される信号をデジタルデータに変換する。手位置姿勢検出器５は、ＣＣＤカメラ又は磁気センサを用いて、データグローブ３に設置したマーカの位置に基づいて、実際の手７の位置・姿勢を検出する。そして、検出した実際の手７の位置・姿勢の情報をデジタルデータに変換する。
コンピュータ６は、指関節角度検出装置４により検出された実際の手７の指の関節角度、並びに、手位置姿勢検出器５により検出された実際の手７の位置・姿勢を入力する。そして、画面上に映された仮想の手９の位置・姿勢及びそれぞれの手９の指の間接角度を移動させる。さらに、コンピュータ６は、例えば、画面上の棒８が穴１０に挿入されることなどによって、仮想の手９と棒８とが相対移動する場合には、その情報に応じた信号を触覚ディスプレイコントローラ２へ出力する。そして、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３が駆動することにより、実際のヒト７の手が仮想の棒８を把持しているような触覚を得ることができる。
ここで、図２を用いて、物体の表面性状感について説明する。図２は、図１に示す棒８と指とが棒８の軸方向に相対移動した場合などに生じる触覚について説明する図である。ここで、図２（ａ）は、指が実際に棒８に触れている場合を示し、図２（ｂ）は、指が触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３に触れている場合を示す。ここで、図２（ｂ）は、説明及び図示の容易化のため、触知ピン３３の個数を少なくしたものを図示している。図２（ｂ）においては、触知ピン３３を縦４列、横４列に配列しているが、実際には上述したように例えば縦８列、横８列などとする。
そして、多くの物体の表面は、微細な凹凸状をなしている。この場合、ヒトの手の指がその物体表面上を移動すると、手の指にはザラザラ感に相当する触覚を得る。また、物体の表面が非常に滑らかな場合には、ヒトの手の指がその物体表面上を移動すると、手の指にはツルツル感に相当する触覚を得る。このザラザラ感及びツルツル感を総称して物体の表面性状感という。
そして、棒８の表面性状が図２（ａ）に示すような凹凸状であると仮定する。このとき、手の指と棒８とが棒８の軸方向に相対移動した場合には、棒８の凸部により手の指表面には、指表面に対して垂直方向の力及び指表面に対してせん断方向の力が作用することが分かった。
そこで、図２（ｂ）に示すように、棒８の凸部により指表面に作用する力と同等の力を、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３により表現するようにしている。すなわち、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３は、手の指表面に対して垂直方向及びせん断方向に移動させる。これにより、より正確な物体の表面性状感に相当する触覚を呈示できる。
ここで、手の指表面に対して触知ピン３３を垂直方向及びせん断方向に移動させることの有効性について、図３を参照して、より詳細に説明する。図３は、ヒトの触覚システムにおいて、横軸を触知ピン３３の振動周波数とし、縦軸を触知ピン３３の振動振幅とした場合に、ヒトが触知ピン３３による刺激を認識できる限界値を示す。
ここで、ヒトの触覚システムの感覚受容器には、次の４つあることが知られている。マイスナー小体、パチニ小体、メルケル細胞、及び、ルフィニ終末である。マイスナー小体を感覚受容器とする触覚システム（ＦＡＩ）は、主として垂直方向の刺激の速度に反応する。パチニ小体を感覚受容器とする触覚システム（ＦＡＩＩ）は、主として垂直方向の刺激の加速度に反応する。メルケル細胞を感覚受容器とする触覚システム（ＳＡＩ）は、主として垂直方向の刺激の速度と一定荷重に反応する。ルフィニ終末を感覚受容器とする触覚システム（ＳＡＩＩ）は、せん断方向の刺激に応答すると考えられている。
そして、図３には、４つの触覚システムに対して、垂直振動刺激（Ｎ）を与えた場合と、せん断振動刺激（Ｔ）を与えた場合とについて示している。図３に示すように、メルケル細胞を感覚受容器とする触覚システムのせん断振動刺激の場合（ＳＡＩ−Ｔ）の感度特性は、垂直振動刺激の場合（ＳＡＩ−Ｎ）の感度特性に比べて大きく低下する。また、マイスナー小体を感覚受容器とする触覚システムのせん断振動刺激の場合（ＦＡＩ−Ｔ）の感度特性も、垂直振動刺激の場合（ＦＡＩ−Ｎ）の感度特性に比べて大きく低下する。また、パチニ小体を感覚受容器とする触覚システムのせん断振動刺激の場合（ＦＡＩＩ−Ｔ）の感度特性は、垂直振動刺激の場合（ＦＡＩＩ−Ｎ）の感度に比べて僅かに低下する。
これに対して、ルフィニ終末を感覚受容器とする触覚システムのせん断振動刺激の場合（ＳＡＩＩ−Ｔ）の感度特性は、垂直振動刺激の場合（ＳＡＩＩ−Ｎ）の感度特性に比べて顕著に向上する。
ここで、指を物体表面上で滑らせた場合に、指表面と物体との間で発生するスティック・スリップ現象について説明する。この現象は、指紋のうねりの固有振動数付近の周波数の振動が影響を及ぼしていると考えられる。そして、指紋のうねりの固有振動数は、約２５０Ｈｚである。つまり、スティック・スリップ現象では、周波数ｆ２（＝約２５０Ｈｚ）付近の垂直方向の振動とせん断方向の振動が生じると考えられる。ただし、指を滑らせる物体表面の表面性状などによって、垂直振動刺激とせん断振動刺激の割合が異なる。
そこで、スティック・スリップ現象に相当する触覚を表現するには、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３を、垂直方向及びせん断方向に周波数ｆ２付近で振動させる必要がある。ここで、周波数ｆ２における垂直振動刺激に対しては、特にパチニ小体を感覚受容器とする触覚システムが、最も感度が高い（図３のＢ点）。例えば、被験者によっては、周波数が２５０Ｈｚ付近において、刺激を認識できる限界の振動振幅が０．０２μｍ程度に達することもあると言われている。また、周波数ｆ２におけるせん断振動刺激に対しては、主として、ルフィニ終末を感覚受容器とする触覚システムが、影響を受ける（図３のＡ点）。例えば、被験者によっては、周波数２５０Ｈｚ付近において、刺激を認識できる限界の振動振幅が０．１μｍ程度に達することもあると言われている。
そこで、触知ピン３３にせん断方向に図３のＡ点の振動をさせ、且つ、垂直方向に図３のＢ点の振動をさせることで、スティック・スリップ現象を表現できる。さらに、指を滑らせる物体表面の表面性状などによる垂直振動刺激とせん断振動刺激との割合に応じて、垂直方向の振動振幅とせん断方向の振動振幅との割合を適宜変更する。
また、指を凹凸面上で滑らせるときには、上述したスティック・スリップ現象とは別に、指表面と物体表面との相対速度に応じた周波数帯の振動が、指に伝えられる。具体的には、当該周波数帯の垂直方向の振動及びせん断方向の振動が指に伝えられると考えられる。そして、例えば、物体表面に対する指の移動速度を次第に増加する場合には、周波数が低い位置から周波数が高い位置へ変化する。さらに、この場合も、上述したスティック・スリップ現象と同様に、指を滑らせる物体表面の表面性状などによって、垂直振動刺激とせん断振動刺激の割合が異なる。
そこで、当該刺激に相当する触覚を表現するには、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３を、垂直方向及びせん断方向に物体表面に対する指の移動速度に応じた周波数帯で振動させる必要がある。例えば、当該移動速度に応じた周波数がｆ１から次第に増加する場合には、まず、触知ピン３３にせん断方向に図３のＣ点の振動をさせ、且つ、垂直方向に図３のＤ点の振動をさせる。そして、周波数が大きくなると、せん断方向の振動は、ＳＡＩＩ−Ｔ上に沿った振幅以上とする。また、垂直方向の振動は、ＦＡＩ−Ｎ、ＦＡＩＩ−Ｎ、及び、ＳＡＩ−Ｎのうち最も感度の高いものの感度特性に沿った振幅以上とする。さらに、指を滑らせる物体表面の表面性状などによる垂直振動刺激とせん断振動刺激との割合に応じて、垂直方向の振動振幅とせん断方向の振動振幅との割合を適宜変更する。
つまり、物体表面上で指を滑らせる場合には、スティック・スリップ現象に重畳させて、上述の指の移動速度に対応して変化する振動を発生させる必要があるため、例えば、Ａ点及びＣ点に相当するせん断方向の振動と、Ｂ点及びＤ点に相当する垂直方向の振動との両方を重ね合わせた振動を触知ピン３３にさせることで、より正確に表面性状感に相当する触覚を呈示できる。
次に、図４を用いて、物体のトルク感について説明する。図４は、図１に示す棒８が指に対して、指表面に垂直な軸回りに相対回転する場合などに生じる触覚について説明する図である。なお、図４（ａ）は、手７の上方から見た図を示し、図４（ｂ）は、手７の左側方から見た図を示す。
ここで、物体のトルク感とは、図４（ａ）（ｂ）に示すように、例えば、手７の指で棒８を把持している場合に、棒８に接触している指表面に垂直な軸回り（図４（ｂ）の上下軸回り）に、棒８が指表面に対して相対的に回転する場合の触覚である。図４においては、手７に対して回転中心Ｏを中心として図４（ａ）の時計回りに棒８が回転した場合を示す。
そして、手７に対して棒８が上記のように回転し始める瞬間及び回転している間においては、回転中心Ｏにおける手７に対する棒８の相対位置は変化せず、回転中心Ｏの周囲における手７に対する棒８の相対位置は図４（ａ）の時計回り方向に変化する。さらに、回転中心Ｏから遠ざかるほど、手７に対する棒８の相対位置の変化量は大きくなる。
そこで、図４（ａ）（ｂ）に示すように、手７の指表面に対する棒８の相対位置に相当する変化量と同等の変化を、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３により表現するようにしている。すなわち、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３は、手７に対して棒８が上記のように回転し始める瞬間及び回転している間において、回転中心Ｏに位置する触知ピン３３の位置は移動せず、回転中心Ｏの周囲に位置する触知ピン３３は図４（ａ）の時計回り方向に移動する。特に、回転中心Ｏから遠ざかる位置の触知ピン３３ほど、移動量が大きくする。これにより、より正確に物体のトルク感に相当する触覚を呈示できる。
（１．２）触覚ディスプレイ装置１を用いた腹腔内手術装置の説明
次に、第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１を用いた腹腔内手術装置について図５を参照して説明する。図５は、触覚ディスプレイ装置１を用いた腹腔内手術装置について説明するための図である。ここで、腹腔内手術とは、近年、低侵襲手術として注目を集めている手術の一つである。すなわち、腹腔内手術は、腹腔内顕微鏡の画像を見ながら、患者の腹部の微***から挿入したマイクロハンドを操作して行う手術である。ここでは、患者がいる手術現場と、マイクロハンドを操作する医師のいる医療センタとが離れた、いわゆる遠隔手術の場合を例に挙げて説明する。
この遠隔による腹腔内手術装置は、２個の一対の触覚ディスプレイ装置１、１、１、１と、モニタ１２と、マイクロハンド１３と、腹腔内顕微鏡（図示しない）と、各種センサ（図示せず）を備える。
手術現場にいる患者の腹部に、マイクロハンド１３及び腹腔内顕微鏡が挿入されている。図５の左側には、腹腔内顕微鏡の画像を示す。このマイクロハンド１３は、医療センタにいる医師の手の操作に従って、遠隔的に駆動する。
一方、医療センタにあるモニタ１２には、手術現場にある腹腔内顕微鏡に接続されており、腹腔内顕微鏡画像と同一の画像が映し出されている。そして、医療センタにいる医師は、モニタ１２に映し出される画像を見ながら、マイクロハンド１３を遠隔操作する。
さらに、医師の両手の親指及び人差し指は、２個の一対の触覚ディスプレイ装置１、１、・・・にそれぞれ挿入されている。この一対の触覚ディスプレイ装置１、１は、上述したゲーム機における触覚ディスプレイ装置１、１と同様である。そして、この触覚ディスプレイ装置１、１、・・・は、手術現場にあるマイクロハンド１３に接続されており、マイクロハンド１３が受ける触覚に相当する触覚が、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン（図示せず）により医師の手の指に呈示される。
つまり、医師がマイクロハンド１３を遠隔操作した場合に、医師は、マイクロハンド１３が受ける触覚を触覚ディスプレイ装置１から受けることができる。従って、医師は、あたかも開腹手術を行っているかのような触覚を感じながら、手術を行うことができる。なお、医療センタと手術現場との電気通信の速度を高めることで、手術現場が医療センタから遠隔地に存在する場合にも適用することができる。
（１．３）触覚ディスプレイ装置１を用いたリモート装置の説明
次に、第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１を用いたリモート装置について図６を参照して説明する。図６は、触覚ディスプレイ装置１を用いたリモート装置について説明するための図である。リモート装置は、ヒトが近づくことが困難な空間（ここでは、遠隔地）に、ヒトに代わって送り込まれたロボットに探査させる装置である。
このリモート装置は、一対の触覚ディスプレイ装置１、１と、モニタ２２と、多自由度アクチュエータ２３を備える探査車とを備える。そして、ヒトが、モニタ２２に映し出される画像を見ながら、手を操作することにより、遠隔地にある探査車の多自由度アクチュエータ２３を遠隔的に駆動する。
そして、手を挿入した触覚ディスプレイ装置１は、多自由度アクチュエータ２３に接続されており、多自由度アクチュエータ２３が受ける触覚に相当する触覚が、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン（図示せず）によりヒトの手の指に呈示される。
つまり、ロボットが送り込まれた場所に実在しないヒトが、あたかも実際に遠隔地で見たり触ったりしているかのような触覚を感じることができる。従って、調査効率が、従来に比べて飛躍的に高まる。
（１．４）触覚ディスプレイ装置１のその他の用途
上記の他に、例えば、博物館に展示されている観賞用の展示物などを、触覚ディスプレイ装置１を用いて、あたかも観賞用の展示物を触っているような感覚を得ることができる。この場合、例えば、ヒトの手の五指に対応する触覚ディスプレイ装置１を備えるようにするとよい。さらには、手の指以外にも手の平などに対応する触覚ディスプレイ装置１を備えるようにしてもよい。
また、例えば、視覚障害者に対して、景色などを表示した二次元画像や絵画などを、触覚ディスプレイ装置１を用いて、呈示することもできる。この場合、色や形などに応じて触知ピン３３を移動させることで、二次元画像や絵画などを実際に鑑賞している感覚を得ることができる。
（１．５）触知ピン３３の種類
なお、上述においては、全ての触知ピン３３は、触覚呈示プレート３１に対して直交３軸方向に移動可能な構成であるとして説明した。この他に、第１の触知ピン３３ａは、触覚呈示プレート３１に平行な直交２軸方向（Ｘ、Ｙ方向）に移動可能であって、第２の触知ピン３３ｂは、触覚呈示プレート３１に垂直な方向（Ｚ方向）に移動可能としてもよい。また、第３の触知ピン３３ｃは、触覚呈示プレート３１に平行な軸方向（Ｘ方向）及び触覚呈示プレート３１に垂直な方向（Ｚ方向）に移動可能とする。そして、第４の触知ピン３３ｄは、触覚呈示プレート３１に平行で第３の触知ピン３３ｃの移動可能な方向に垂直な軸方向（Ｙ方向）及び触覚呈示プレート３１に垂直な方向（Ｚ方向）に移動可能としてもよい。
そして、このように、移動方向が異なる２種類の触知ピン３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄを備える場合には、図７に示すように、市松模様状に配列するとよい。すなわち、第１の触知ピン３３ａ（図７の白丸）と第２の触知ピン３３ｂ（図７の黒丸）とが交互に配列される。若しくは、第３の触知ピン３３ｃ（図７の白丸）と第４の触知ピン３３ｄ（図７の黒丸）が交互に配列される。
これにより、全体として、直交３軸方向に触知ピン３３が触覚呈示プレート３１に対して移動するような状態を、バランス良く形成することができる。
（２）第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１
次に、第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１について説明する。
（２．１）第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１の概要説明
第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１は、触知ピン３３を直交２軸方向に移動可能な構成としている。この第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１の概要について図８を参照して説明する。図８は、触覚ディスプレイ装置１の概要について説明するための図である。図８に示すように、触覚ディスプレイ装置１は、複数の孔３１ａが形成された触覚呈示プレート（本発明における触覚呈示部材）３１と、それぞれの孔３１ａから突出する触知ピン３３とを備えている。そして、それぞれの触知ピン３３は、それぞれの孔３１ａ内をＸ方向及びＹ方向に移動可能とされている。
そして、ヒトの指を触覚呈示プレート３１の触覚呈示面に配置した場合に、それぞれの触知ピン３３がＸＹ方向へ移動する。つまり、触知ピン３３は、指表面に接触した状態で、指表面に対してせん断方向へ移動する。このように、触知ピン３３を指表面に対してせん断方向（ＸＹ方向）へ移動することにより、ザラザラ感・ツルツル感に相当する触覚を呈示することができる。
さらに、トルク感に相当する触覚を呈示することができる。トルク感とは、例えば、指で物体を把持している場合に、物体に接触している指表面に対して垂直な軸回りに、物体が指表面に対して相対的に回転する場合の触覚である。このトルク感を呈示するための触知ピン３３の動作について、例えば、物体が指表面に対して時計回りに回転している場合を例に挙げる。この場合、指元側（図８の下方側）に配置される触知ピン３３のＸ正方向（図８の右方向）の移動量と指先側（図８の上方側）に配置される触知ピン３３のＸ正方向の移動量とを異なるようにすればよい。これは、物体が回転する際に、回転中心は全く移動せず、回転中心から遠ざかるほど回転方向への移動量が大きくなるからである。つまり、触知ピン３３のＸＹ方向の移動量を異ならせることにより呈示することで、トルク感を呈示することができる。
（２．２）触覚ディスプレイ装置１の詳細構成
次に、触覚ディスプレイ装置１の詳細構成について、図９を参照して説明する。図９は、触覚ディスプレイ装置１の斜視図を示す。図９に示すように、触覚ディスプレイ装置１は、触覚呈示プレート３１と、１０個の２自由度アクチュエータ３２、３２、・・・と、１０個の触知ピン３３、３３、・・・とから構成される。
触覚呈示プレート３１は、１０個の孔３１ａ、３１ａ、・・・がアレイ状に形成されている。具体的には、図８の奥側から手前側に向かって左右方向の孔数が２、４、４、２列となるように形成されている。これらの孔３１ａは、円形状に形成されている。そして、この触覚呈示プレート３１の図８の上面側が、触覚呈示面である。すなわち、触覚呈示プレート３１の上面側にヒトの指を配置した場合に、当該指に対して種々の触覚を呈示する面となる。なお、孔３１ａ及び後述する触知ピン３３の数は、実際には縦８列、横８列などとすることが望ましいが、説明及び図示の容易化のため、上述したような配列数としている。
それぞれの２自由度アクチュエータ３２、３２、・・・（本発明における多自由度アクチュエータ）は、全体としての概略形状は、ハの字状からなる。そして、これらの２自由度アクチュエータ３２は、ハの字状がＸＹ平面上に延在するように、触覚ディスプレイ装置１の図８の下方側に配置されている。なお、全ての２自由度アクチュエータ３２が同一のＸＹ平面上に延在するように配置してもよいし、それぞれの２自由度アクチュエータ３２が異なるＸＹ平面上に延在するように配置してもよい。また、これらの２自由度アクチュエータ３２は、それぞれの基台４１（図１０に示す）に対してそれぞれの作用部材４６が直交２軸方向に移動可能とされている。ここで、直交２軸方向とは、触覚呈示プレート３１に平行な軸方向、すなわちＸ方向及びＹ方向である。
さらに、これらの２自由度アクチュエータ３２は、それぞれ２個、２個、３個、３個からなる４グループに分けられている。そして、それぞれのグループの２自由度アクチュエータ３２がほぼ同一方向を向くように配置されている。つまり、同一グループの２自由度アクチュエータ３２のハの字状が、ほぼ同一方向に向くようにされている。そして、それぞれのグループの２自由度アクチュエータ３２のハの字の狭くなる側が、触覚呈示プレート３１の中央付近の直下に向くように配置されている。例えば、それぞれのグループの２自由度アクチュエータ３２の向きが、ＸＹ平面において９０度回転した状態とする。このように、１０個の２自由度アクチュエータ３２は、非常にコンパクトに整列した状態で配列されている。なお、２自由度アクチュエータ３２の詳細構成については、後述する。
それぞれの触知ピン３３、３３、・・・は、棒状からなる。これらの触知ピン３３は、相互に接触しないように、クランク状に屈曲形成されている。そして、これらの触知ピン３３の一端側は、それぞれの２自由度アクチュエータ３２の作用部材４６に連結固定されている。つまり、触知ピン３３は、２自由度アクチュエータ３２の作用部材４６が基台４１に対して移動した場合に、この作用部材４６の動作と同様に動作する。また、それぞれの触知ピン３３の他端側は、触覚呈示プレート３１のそれぞれの孔３１ａから図８の上側へ突出するように配置されている。つまり、触知ピン３３の他端側は、Ｚ方向に伸びるように配置されている。ここで、触知ピン３３の外径は、触覚呈示プレート３１の孔３１ａの内径よりも小さく形成されている。従って、触知ピン３３の他端側は、触覚呈示プレート３１の孔３１ａ内をＸ方向及びＹ方向に移動可能である。つまり、触知ピン３３は、２自由度アクチュエータ３２の作用部材４６の基台４１に対する移動により、触覚呈示プレート３１の孔３１ａ内をＸ方向及びＹ方向へ移動する。なお、触知ピン３３は、それぞれ移動した場合であっても、相互に接触しないようにしていることはもちろんである。
（２．３）２自由度アクチュエータ３２の詳細構成
次に、２自由度アクチュエータ３２の詳細構成について図１０〜図１２を参照して説明する。図１０は、触覚ディスプレイ装置１を構成する２自由度アクチュエータ３２の斜視図を示す。図１１は、２自由度アクチュエータ３２の模式図を示す。図１２は、第１、第２アクチュエータプレート４２、４３の上面図を示す。
図１０〜図１２に示すように、２自由度アクチュエータ３２は、基台４１と、第１アクチュエータプレート４２と、第２アクチュエータプレート４３と、第１連結部材４４と、第２連結部材４５と、作用部材４６とから構成される。
基台４１は、Ｌ字型側面形状をなしている。そして、基台４１のうち第１、第２アクチュエータプレート４２、４３を固定する面４１ａ（以下、「固定面」という）は、ＸＹ平面に垂直な面とされている。また、この基台４１は、上述した触覚呈示プレート３１に固定的に配置されている。
第１アクチュエータプレート４２は、基プレート４２ａと、圧電素子４２ｂ、４２ｃとから構成される。基プレート４２ａは、細長板状の鋼板からなる。この基プレート４２ａがＸＹ平面上に延在するように、基プレート４２ａの一端側（図１２の右端側）が、基台４１の固定面４１ａ（本発明における基台面）に固定されている。さらに、基プレート４２ａは、ＸＹ平面上において、一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるように、基台４１に固定されている。つまり、基プレート４２ａの他端側が、一端側に対してＺ軸回りに揺動可能となる。
ここで、基プレート４２ａと基台４１の固定面４１ａとのなす角度をθとする。なす角度θは、基プレート４２ａの一端側と基台４１との固定位置から基プレート４３ａ（後述する）の一端側と基台４１との固定位置に近接する方向に基プレート４２ａが位置している状態を零度と規定する。つまり、基台４１の固定面４１ａと基プレート４２ａとが平行な状態が、なす角度θが零度となる。また、基プレート４２ａが基台４１の固定面４１ａ上に垂直となる状態を９０度と規定する。
圧電素子（ＰＺＴ）４２ｂ、４２ｃは、基プレート４２ａの両面に接着されている。これらの圧電素子４２ｂ、４２ｃは、細長板状からなる。具体的には、圧電素子４２ｂ、４２ｃの長手方向長さは、基プレート４２ａの長手方向長さより僅かに短く、圧電素子４２ｂ、４２ｃの短手方向幅は、基プレート４２ａの短手方向幅とほぼ同等である。さらに詳細には、圧電素子４２ｂ、４２ｃの長手方向長さは、３０ｍｍ〜５０ｍｍであり、その短手方向幅は、１ｍｍ〜２ｍｍであり、その厚みは、０．５〜１．０ｍｍである。なお、動作電圧の最大値は、２００Ｖである。
そして、これらの圧電素子４２ｂ、４２ｃは、電圧が印加されると、長手方向長さが収縮するように動作する。つまり、図１２の上方の圧電素子４２ｂに電圧が印加されると、当該圧電素子４２ｂの図１２の左右方向長さが収縮する。そうすると、この圧電素子４２ｂの収縮動作に伴って、基プレート４２ａの図１２の上面側が下面側に対して収縮する。従って、この場合の基プレート４２ａの他端側（図１２の左側）が図１２の上側へ移動するように、基プレート４２ａがたわみ変形する。そして、圧電素子４２ｂへの印加電圧に応じて、基プレート４２ａの図１２の上側へのたわみ量は異なる。
また、図１２の下方の圧電素子４２ｃに電圧が印加されると、当該圧電素子４２ｃの図１２の左右方向長さが収縮する。そうすると、この圧電素子４２ｃの収縮動作に伴って、基プレート４２ａの図１２の下面側が上面側に対して収縮する。従って、この場合の基プレート４２ａの他端側（図１２の左側）が図１２の下側へ移動するように、基プレート４２ａがたわみ変形する。そして、圧電素子４２ｃへの印加電圧に応じて、基プレート４２ａの図１２の下側へのたわみ量は異なる。
つまり、圧電素子４２ｂ、４２ｃは、電圧が印加されることにより、基プレート４２ａ他端側を一端側に対してＺ軸回りに揺動自在に駆動することができる。
第２アクチュエータプレート４３は、上述した第１アクチュエータプレート４２とほぼ同一構成からなる。すなわち、第２アクチュエータプレート４３は、基プレート４３ａと、圧電素子４３ｂ、４３ｃとから構成される。基プレート４３ａは、第１アクチュエータプレート４２の基プレート４２ａと同一形状からなる。そして、基プレート４３ａがＸＹ平面上に延在するように、基プレート４３ａの一端側が、基台４１の固定面４１ａに固定されている。さらに、基プレート４３ａは、基プレート４２ａと同一ＸＹ平面上であって、基プレート４２ａに対向するように配置されている。そして、この基プレート４３ａは、ＸＹ平面上において、一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるように、基台４１に固定されている。つまり、基プレート４３ａの他端側が、一端側に対してＺ軸回りに揺動可能となる。
ここで、基プレート４３ａと基台４１の固定面４１ａとのなす角度をθとする。なす角度θとは、基プレート４３ａの一端側と基台４１との固定位置から基プレート４２ａの一端側と基台４１との固定位置に近接する方向を零度と規定する。つまり、基台４１の固定面４１ａと基プレート４３ａとが平行な状態が、なす角度θが零度となる。また、基プレート４３ａが基台４１の固定面４１ａ上に垂直となる状態を９０度と規定する。なお、本実施形態においては、第２アクチュエータプレート４３の基プレート４３ａと基台４１の固定面４１ａとのなす角度θと、第１アクチュエータプレート４２の基プレート４２ａと基台４１の固定面４１ａとのなす角度θとは、同一としている。
圧電素子（ＰＺＴ）４３ｂ、４３ｃは、基プレート４３ａの両面に接着されている。これらの圧電素子４３ｂ、４３ｃは、上述した圧電素子４２ｂ、４２ｃと同一形状からなり、作用も実質的に同一であるので、説明を省略する。つまり、圧電素子４３ｂ、４３ｃは、電圧が印加されることにより、基プレート４３ａの他端側を一端側に対してＺ軸回りに揺動自在に駆動することができる。
第１連結部材４４は、鋼材からなり、直方体状をなしている。この第１連結部材４４の一端側は、第１アクチュエータプレート４２の基プレート４２ａの他端側に回転可能に連結されている。ここで、当該回転軸は、Ｚ軸に平行とされている。そして、この第１連結部材４４の部材長さをａとする。
第２連結部材４５は、第１連結部材４４と同様の、鋼材からなり、直方体状をなしている。この第２連結部材４５の一端側は、第２アクチュエータプレート４３の基プレート４３ａの他端側に回転可能に連結されている。ここで、当該回転軸は、Ｚ軸に平行とされている。そして、この第２連結部材４５の部材長さは、第１連結部材４４の部材長さと同様にａとする。そして、この第２連結部材４５の他端側は、第１連結部材４４の他端側に回転可能に連結されている。つまり、第１連結部材４４の他端側と第２連結部材４５の他端側とは、相互に回転可能に連結されている。そして、当該回転軸は、Ｚ軸に平行とされている。
ここで、図１１に示すように、圧電素子４２ｂ、４２ｃ、４３ｂ、４３ｃに電圧を印加していない状態において、第１連結部材４４の一端側と第２連結部材４５の一端側との離間距離をｂとする。そして、図１１に示すように、圧電素子４２ｂ等に電圧を印加していない状態において、当該離間距離ｂは第１連結部材４４の部材長さａと第２連結部材４５の部材長さａとの合計値（＝２ａ）よりも小さくされている。つまり、圧電素子４２ｂ等に電圧を印加していない状態において、第１連結部材４４と第２連結部材４５とが一直線上に位置せず、屈曲した状態とされている。換言すると、第１連結部材４４及び第２連結部材４５により、辺の長さがａ、ａ、ｂの二等辺三角形をなすようにされている。さらに、圧電素子４２ｂ等に電圧を印加していない状態において、第１連結部材４４の他端側及び第２連結部材４５の他端側との連結位置は、第１連結部材４４の一端側及び第２連結部材４５の一端側よりも基台４１の固定面４１ａに近接する側に位置するようにされている。
作用部材４６は、第１連結部材４４の他端側に固定されている。そして、作用部材４６は、第２連結部材４５の他端側に対してＺ軸回りに回転可能に連結されている。また、この作用部材４６は、触知ピン３３の一端側に連結固定されている。
（２．４）２自由度アクチュエータ３２の動作
次に、２自由度アクチュエータ３２の動作について、図１３を参照して説明する。図１３（ａ）（ｂ）は、２自由度アクチュエータ３２の動作について説明する図である。
まず、図１３（ａ）を用いて説明する。図１３（ａ）は、圧電素子４２ｂ、４２ｃに電圧を印加することにより、第１アクチュエータプレート４２の他端側が一端側に対して、図１３（ａ）の右側に移動するようにしている。また、圧電素子４３ｂ、４３ｃに電圧を印加することにより、第２アクチュエータプレート４３の他端側が一端側に対して図１３（ａ）の左側に移動するようにしている。
この場合、第１連結部材４４及び第２連結部材４５は、第１、第２アクチュエータプレート４２、４３の基プレート４２、４３の他端側に対してＺ軸回りに回転し、且つ、相互にＺ軸回りに回転する。従って、作用部材４６の位置は、圧電素子４２ｂ等に電圧を印加する前の状態から、Ｙ負方向（図１３（ａ）の下方側）へ移動する。
次に、図１３（ｂ）を用いて説明する。図１３（ｂ）は、圧電素子４２ｂ、４２ｃに電圧を印加することにより、第１アクチュエータプレート４２の他端側が一端側に対して、図１３（ｂ）の左側に移動するようにしている。また、圧電素子４３ｂ、４３ｃに電圧を印加することにより、第２アクチュエータプレート４３の他端側が一端側に対して図１３（ａ）の左側に移動するようにしている。
この場合、第１連結部材４４及び第２連結部材４５は、第１、第２アクチュエータプレート４２、４３の基プレート４２、４３の他端側に対してＺ軸回りに回転し、且つ、相互にＺ軸回りに回転する。従って、作用部材４６の位置は、圧電素子４２ｂ等に電圧を印加する前の状態から、Ｘ負方向（図１３（ａ）の左側）へ移動する。
このように、圧電素子４２ｂ等への印加電圧により、基台４１に対する作用部材４６のＸＹ平面上の位置を変更することができる。そして、作用部材４６のＸＹ平面上の移動に伴って、触知ピン３３が触覚呈示プレート３１の孔３１ａ内のＸＹ平面上にて移動する。
（２．５）２自由度アクチュエータ３２の制御
（２．５．１）第１の制御
ここで、上述したように圧電素子４２ｂ等に電圧を印加することにより、基台４１に対して作用部材４６をＸＹ平面上にて移動させ、位置制御できることについて、数式を用いて詳細に説明する。ここで、図１１における第１連結部材４４及び第２連結部材４５を含む部分の拡大図である図１４を参照しながら説明する。図１４において、圧電素子４２ｂ等に電圧を印加していない状態における第１連結部材４４の一端側（第１アクチュエータプレート４２の他端側）の位置をＡ１と示し、第２連結部材４５の一端側（第２アクチュエータプレート４３の他端側）の位置をＢ１と示し、第１連結部材４４及び第２連結部材４５の他端側の位置をＣ１と示す。また、圧電素子４２ｂ等に電圧を印加した状態における第１連結部材４４の一端側の位置をＡ２と示し、第２連結部材４５の一端側の位置をＢ２と示し、第１連結部材４４及び第２連結部材４５の他端側の位置をＣ２と示す。
まず、数１に、各種記号の意味を記す。

Figure 0004982877
Figure 0004982877
そして、第１連結部材４４及び第２連結部材４５の幾何学的関係より、Ａ２、Ｂ２の位置座標は、数２のようになる。
Figure 0004982877
 ここで，ａ＞ｂ／２とする。
次に、Ｃ１からＣ２へのベクトルｕを数３とすると、第１連結部材４４及び第２連結部材４５の部材長さが変化しないという条件から数４の関係式が得られる。
Figure 0004982877
Figure 0004982877
 一方、第１アクチュエータプレート４２の他端側の位置Ａ１及び第２アクチュエータプレート４３の他端側の位置Ｂ１の変位は、数５のように表すことができる。
Figure 0004982877
 従って、数４に数５を代入することにより、数６が得られる。
Figure 0004982877
 次に、数６の関係式の時間微分は、数７に示すようになる。
Figure 0004982877
 ここで，Ａ１１，Ａ１２，Ａ２１，Ａ２２，ｈ１１，ｈ１２，ｈ２１及びｈ２２は次式で表される。
Figure 0004982877
ここで、数７の第４番目の行列で表された式を直接表記で表すと、数８に示すようになる。
Figure 0004982877
 つまり、Ｃ１からＣ２へのベクトルｕと、このベクトルｕの時間微分値ｄｕ／ｄｔとが与えられた場合には、数８に基づいて数値積分を実行することにより、次のステップにて出力すべき電圧を算出することができる。このようにして算出した電圧Ｖに基づいて、第１アクチュエータプレート４２の圧電素子４２ｂ、４２ｃ及び第２アクチュエータプレート４３の圧電素子４３ｂ、４３ｃに電圧を印加することにより、作用部材４６の位置を制御することができる。
（２．５．２）第２の制御
上記第１の制御においては、数５に示したように、アクチュエータプレート４２、４３のたわみ量ＵＲ、ＵＬと圧電素子４２ｂ、４２ｃ、４３ｂ、４３ｃへの印加電圧ＶＲ、ＶＬとの関係は、圧電定数ｄ３１に比例するものとして示した。しかし、一般に、圧電素子は、ヒステリシス現象があることに加えて、個体差がある。ここで、ヒステリシス現象について、図１５及び図１６に示す。図１５は、第１アクチュエータプレート４２の圧電素子４２ｂ、４２ｃに印加する電圧を無次元化した値と、第１アクチュエータプレート４２のたわみ量ＵＲを無次元化した値との関係を示す。図１６は、第２アクチュエータプレート４３の圧電素子４３ｂ、４３ｃに印加する電圧を無次元化した値と、第２アクチュエータプレート４３のたわみ量ＵＬを無次元化した値との関係を示す。
ここで、図１５及び図１６において、三角点及び丸点が、圧電素子に所定の電圧を印加する実験を行った結果における第１、第２アクチュエータプレート４２、４３のたわみ量を示す。三角点は、圧電素子への印加電圧の変動範囲を大きくしたものを示し、丸点は、圧電素子への印加電圧の変動範囲を小さくしたものを示す。また、実線が、後述するニューラルネットワークを用いて圧電素子に電圧を連続的に変化させながら印加した場合における、第１、第２アクチュエータプレート４２、４３のたわみ量を示す。
図１５及び図１６の三角点及び丸点に示すように、印加電圧が大きいほど、第１、第２アクチュエータプレート４２、４３のたわみ量が大きくなっている。ただし、印加電圧を大きくしていく場合に比べて、印加電圧を小さくしていく場合の方が、第１、第２アクチュエータプレート４２、４３のたわみ量が大きくなっている。これがヒステリシス現象である。
そして、図１５と図１６とを比較すると、印加電圧を大きくしていく場合と印加電圧を小さくしていく場合とにおけるたわみ量の差が、第１アクチュエータプレート４２の方が、第２アクチュエータプレート４３に比べて大きくなっている。
そこで、このようなヒステリシス現象及び個体差の影響を補正できるように制御することが望まれる。当該補正をできる制御部について、図１７を参照して説明する。図１７は、制御部１００のブロック図を示す。
図１７に示すように、制御部１００は、入力情報変換部１１０と、第１制御部１２０と、第２制御部１３０とから構成される。第１制御部１２０は、極性判定部１２１と、変位量積分器１２２と、ニューラルネットワーク演算部１２３と、電圧積分器１２４とから構成される。第２制御部１３０は、極性判定部１３１と、変位量積分器１３２と、ニューラルネットワーク演算部１３３と、電圧積分器１３４とから構成される。
入力情報変換部１１０は、作用部材４６のＸＹ座標系における位置の目標移動量（ｄＵｘ／ｄｔ、ｄＵｙ／ｄｔ）を入力し、これらを第１、第２アクチュエータプレート４２、４３のたわみ量の変化量（ｄＵＲ／ｄｔ、ｄＵＬ／ｄｔ）に変換する。この変換は、上記数２〜数４より求めることができる。
第１制御部１２０の極性判定部１２１は、第１アクチュエータプレート４２のたわみ量の変化量ｄＵＲ／ｄｔが、０（ゼロ）より大きいか否かを判定する。そして、当該変化量ｄＵＲ／ｄｔが０より大きい場合には、［１、０］を出力する。一方、当該変化量ｄＵＲ／ｄｔが０より小さい場合には、［０、１］を出力する。つまり、ここで、図１５及び図１６における、縦軸の無次元化変化が増大している場合と、減少している場合とで、場合分けしている。第１制御部１２０の変位量積分器１２２は、第１アクチュエータプレート４２のたわみ量の変化量ｄＵＲ／ｄｔを積分する。
第１制御部１２０のニューラルネットワーク演算部１２３は、バックプロバゲーションモデルを用いたニューラルネットワークである。このバックプロバゲーションモデルは、多段パーセプトロンとも言われる。このバックプロバゲーションモデルとは、入力層と出力層との間に、中間層を有する点が特徴的である。
そして、具体的には、ニューラルネットワーク演算部１２３は、極性判定部１２１から出力される情報［１、０］または［０、１］と、変位量積分器１２２により算出される変位積分結果情報と、後述する電圧積分器１２４により算出される電圧積分結果情報とを入力している。そして、これらの入力情報に基づいて、出力情報である圧電素子４２ｂ、４２ｃへの印加電圧の時間微分ｄＶＲ／ｄｔを算出する。
ここで、ニューラルネットワーク演算部１２３は、以下のような手順で予め学習させておく。まず、作用部材４６の軌道計画が決定し、この軌道計画において第１アクチュエータ４２のたわみ量の変化量ｄＵＲ／ｄｔが時間経過毎に算出できる。そして、この軌道計画において、上記入力情報に対する出力情報を学習する。このように学習した入力情報と出力情報との関係は、ニューラルネットワーク演算部１２３に記憶されるため、実際に制御する際には、マップ制御のようにして出力情報を出力できる。つまり、非常に高速に処理できる。
そして、第１制御部１２０の電圧積分器１２４は、ニューラルネットワーク演算部１２３により算出された印加電圧の時間微分ｄＶＲ／ｄｔを積分して、印加電圧ＶＲを算出する。この印加電圧ＶＲを圧電素子４２ｂ、４２ｃに印加する。
第２制御部１３０の極性判定部１３１、変位量積分器１３２、ニューラルネットワーク演算部１３３、電圧積分器１３４は、第１制御部１２０の極性判定部１２１、変位量積分器１２２、ニューラルネットワーク演算部１２３、電圧積分器１２４に対して、第２アクチュエータプレート４３が対象となることが相違するが、実質的に同一の処理を行う。つまり、第２制御部１３０は、入力情報変換部１１０から入力される第２アクチュエータプレート４３のたわみ量の変化量ｄＵＬ／ｄｔに基づいて、圧電素子４３ｂ、４３ｃへの印加電圧ＶＬを算出し、圧電素子４３ｂ、４３ｃに印加する。
このように、ニューラルネットワークを用いることで、圧電素子のヒステリシス現象及び圧電素子の個体差を考慮した上で、圧電素子を駆動することができる。従って、高精度に位置決めができる。さらに、ニューラルネットワークを用いることで、一度学習した後であれば高速処理ができるため、非常に高い応答性を発揮できる。
（２．５）θ、ｂ／ａと、Ｕｘ，Ｕｙとの関係
次に、なす角度θと、第１連結部材４４の部材長さａに対する第１連結部材４４の他端側と第２連結部材４５の他端側との離間距離ｂの割合ｂ／ａと、作用部材４６のＸ方向の変位量Ｕｘと、作用部材４６のＹ方向の変位量Ｕｙとの関係について図１８及び図１９を参照して説明する。図１８は、なす角度θを６０度とした場合において、横軸を割合ｂ／ａとし、縦軸を変位量Ｕｘ、Ｕｙのそれぞれとした図である。図１９（ａ）〜図１９（ｃ）は、それぞれ、割合ｂ／ａを１．１、１．４、１．７とした場合において、横軸をθとし、縦軸を変位量Ｕｘ、Ｕｙのそれぞれとした図である。まずは、図１８及び図１９における条件を数９に示す。
Figure 0004982877
 なお、電圧ＶＬ、ＶＲの正負の定義は、図１４において、図に示す方向（図１４の下方側）にたわみ量ＵＲ、ＵＬのたわみを生じさせる電圧を正（＋）とし、逆方向（図１４の上方側）にたわみ量ＵＲ、ＵＬのたわみを生じさせる電圧を負（−）とする。
図１８に示すように、なす角度θが６０度の場合には、割合ａ／ｂが増加するにつれて、Ｘ方向の変位量Ｕｘは減少している。一方、割合ａ／ｂが増加するにつれて、Ｙ方向の変位量Ｕｙは増加している。そして、割合ａ／ｂが１．４付近にて、Ｘ方向の変位量ＵｘとＹ方向の変位量Ｕｙとが一致している。つまり、割合ａ／ｂを１．４付近とすることで、Ｘ方向の変位量ＵｘとＹ方向の変位量Ｕｙとの差を小さくすることができる。従って、Ｘ方向の剛性とＹ方向の剛性との差が小さくなる。その結果、Ｘ方向への変位とＹ方向への変位をより安定的に且つ高精度に位置制御することができ、特に、割合ａ／ｂを１．４とした場合が最適であるが、割合ａ／ｂを１．３〜１．５の範囲内とすることで、十分な効果がある。
次に、図１９（ａ）に示すように、割合ａ／ｂを１．１とした場合には、なす角度θが３０〜４０度の範囲において、Ｘ方向の変位量Ｕｘ及びＹ方向の変位量Ｕｙの何れもが最大値を示す。そして、なす角度θが３０度付近より小さくなるに従って、さらには４０度付近より大きくなるに従って、変位量Ｕｘ、Ｕｙは小さくなる。さらに、割合ａ／ｂを１．１とした場合には、なす角度θに関わらず、Ｘ方向の変位量ＵｘがＹ方向の変位量Ｕｙよりも大きい。
また、図１９（ｂ）に示すように、割合ａ／ｂを１．４とした場合には、なす角度θが４０〜５０度の範囲において、Ｘ方向の変位量Ｕｘ及びＹ方向の変位量Ｕｙの何れもが最大値を示す。そして、なす角度θが４０度付近より小さくなるに従って、さらには５０度付近より大きくなるに従って、変位量Ｕｘ、Ｕｙは小さくなる。さらに、割合ａ／ｂを１．４とした場合には、なす角度θが０〜９０度の全範囲において、ほぼ一致している。
また、図１９（ｃ）に示すように、割合ａ／ｂを１．７とした場合には、なす角度θが５０〜６０度の範囲において、Ｘ方向の変位量Ｕｘ及びＹ方向の変位量Ｕｙの何れもが最大値を示す。そして、なす角度θが５０度付近より小さくなるに従って、さらには６０度付近より大きくなるに従って、変位量Ｕｘ、Ｕｙは小さくなる。さらに、割合ａ／ｂを１．７とした場合には、なす角度θに関わらず、Ｘ方向の変位量ＵｘがＹ方向の変位量Ｕｙよりも小さい。
このように、割合ａ／ｂによって詳細には異なるが、なす角度θを３０〜６０度の範囲にすることで、変位量Ｕｘ、Ｕｙを大きく確保することができる。
（３）第２実施形態
第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１においては、２自由度アクチュエータ３２を採用した。そして、この２自由度アクチュエータ３２を作用することにより、触知ピン３３をＸ方向及びＹ方向への移動を可能とした。これに加えて、Ｚ方向への移動をも可能とする触覚ディスプレイ装置１の場合には、以下に説明する３自由度アクチュエータ５０を第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１を構成する２自由度アクチュエータ３２に置き換えるとよい。そうすると、触知ピン３３をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向へ移動させることができるので、指表面に対してせん断方向及び垂直方向へ移動させることができる。これにより、さらに多くの触覚を呈示することができる。
以下に、第２実施形態の３自由度アクチュエータ５０について図２０を参照して説明する。図２０は、第２実施形態の３自由度アクチュエータ５０を示す模式図である。図２０に示すように、３自由度アクチュエータ５０は、基台５１と、第１アクチュエータプレート５２と、第２アクチュエータプレート５３と、第３アクチュエータプレート５４と、第１連結部材５５と、第２連結部材５６と、第３連結部材５７と、作用部材５８とから構成される。そして、この３自由度アクチュエータ５０は、基台５１に対して作用部材５８をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向へ移動可能とする構成とされている。
ここで、基台５１は、第１実施形態における２自由度アクチュエータ３２の基台４１と実質的に同一である。第１アクチュエータプレート５２、第２アクチュエータプレート５３、及び、第３アクチュエータプレート５４は、それぞれ基台５１に固定されている。そして、これら第１〜第３アクチュエータプレート５２〜５４の詳細構成は、第１実施形態における２自由度アクチュエータ３２の第１アクチュエータプレート４２と実質的に同一の構成からなる。
第１連結部材５５は、鋼材からなり、直方体状をなしている。この第１連結部材５５の一端側は、第１アクチュエータプレート５２の他端側にボールジョイントを介して連結されている。すなわち、第１連結部材５５は、第１アクチュエータプレート５２に対して、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りに回転可能とされている。
第２連結部材５６は、鋼材からなり、直方体状をなしている。この第２連結部材５６の一端側は、第２アクチュエータプレート５３の他端側にボールジョイントを介して連結されている。すなわち、第２連結部材５６は、第２アクチュエータプレート５３に対して、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りに回転可能とされている。
第３連結部材５７は、鋼材からなり、直方体状をなしている。この第３連結部材５７の一端側は、第３アクチュエータプレート５４の他端側にボールジョイントを介して連結されている。すなわち、第３連結部材５７は、第３アクチュエータプレート５４に対して、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りに回転可能とされている。
作用部材５８は、第１連結部材５５の他端側及び第２連結部材５６の他端側に、ボールジョイントを介して連結されている。つまり、作用部材５８は、第１連結部材５５及び第２連結部材５６に対して、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、及びＺ軸回りに回転可能とされている。さらに、この作用部材５８は、第３連結部材５７の他端側に固定されている。また、この作用部材５８は、触知ピン３３の一端側に連結固定されている。
（４）第３実施形態
また、上記第１実施形態における２自由度アクチュエータ３２及び第２実施形態における３自由度アクチュエータ５０は、何れもいわゆるパラレル型である。つまり、２自由度アクチュエータ３２及び３自由度アクチュエータ５０を構成する複数のアクチュエータプレート４２、４３、５２〜５４が、基台４１、５１に固定される構成からなる。
これに対して、いわゆるシリアル型のアクチュエータが考えられる。つまり、第１実施形態における２自由度アクチュエータ３２をシリアル型２自由度アクチュエータ６０、７０に置き換えることができる。そこで、シリアル型２自由度アクチュエータ６０、７０について、図２１及び図２２を参照して説明する。図２１は、シリアル型２自由度アクチュエータ６０について示す。図２２は、シリアル型２自由度アクチュエータ７０について示す。
図２１に示すように、シリアル型２自由度アクチュエータ６０は、基台６１と、第１アクチュエータプレート６２と、第２アクチュエータプレート６３と、作用部材６４とから構成される。第１、第２アクチュエータプレート６２、６３は、上述した第１実施形態における２自由度アクチュエータ３２の第１アクチュエータプレート４２と実質的に同一の構成からなる。そして、第１アクチュエータプレート６２の一端側が基台６１に固定されている。ここで、第１アクチュエータプレート６２は、Ｚ軸方向に延在するように、且つ、ＹＺ平面上において一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるように、基台６１に固定されている。つまり、第１アクチュエータプレート６２の他端側が、一端側に対してＸ軸回りに揺動可能である。
第２アクチュエータプレート６３の一端側が、第１アクチュエータプレート６２の他端側に、第１アクチュエータプレート６２に直交するように固定されている。具体的には、第２アクチュエータプレート６３は、Ｙ軸方向に延在するように、第１アクチュエータプレート６２に固定されている。さらに、第２アクチュエータプレート６３は、ＸＹ平面上において一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるようにされている。つまり、第２アクチュエータプレート６３の他端側が、一端側に対してＺ軸回りに揺動可能である。
そして、作用部材６４は、第２アクチュエータプレート６３の他端側に固定されている。また、作用部材６４は、触知ピン３３の一端側に連結固定されている。
つまり、第１アクチュエータプレート６２の圧電素子に電圧を印加することにより、作用部材６４が基台６１に対してＹ方向に移動する。また、第２アクチュエータプレート６３の圧電素子に電圧を印加することにより、作用部材６４が基台６１に対してＸ方向に移動する。
次に、図２２に示すように、シリアル型２自由度アクチュエータ７０は、基台７１と、第１アクチュエータプレート７２と、第２アクチュエータプレート７３と、第３アクチュエータプレート７４と、作用部材７５とから構成される。
第１、第２、第３アクチュエータプレート７２、７３、７４は、上述した第１実施形態における２自由度アクチュエータ３２の第１アクチュエータプレート４２と実質的に同一の構成からなる。そして、第１アクチュエータプレート７２の一端側が基台７１に固定されている。ここで、第１アクチュエータプレート７２は、Ｚ軸方向に延在するように、且つ、ＹＺ平面上において一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるように、基台７１に固定されている。つまり、第１アクチュエータプレート７２の他端側が、一端側に対してＸ軸回りに揺動可能である。
第２アクチュエータプレート７３は、第１アクチュエータプレート７２と平行に配置されている。つまり、第２アクチュエータプレート７３の一端側が基台７１に固定されている。そして、第２アクチュエータプレート７３は、Ｚ軸方向に延在するように、且つ、ＹＺ平面上において一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるように、基台７１に固定されている。つまり、第２アクチュエータプレート７３の他端側が、一端側に対してＸ軸回りに揺動可能である。
第３アクチュエータプレート７４の一端側が、第１アクチュエータプレート７２及び第２アクチュエータプレート７３の他端側に、第１アクチュエータプレート７２及び第２アクチュエータプレート７３に直交するように固定されている。具体的には、第３アクチュエータプレート７４は、Ｙ軸方向に延在するように、第１アクチュエータプレート７２及び第２アクチュエータプレート７３に固定されている。さらに、第３アクチュエータプレート７４は、ＸＹ平面上において一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるようにされている。つまり、第３アクチュエータプレート７４の他端側が、一端側に対してＺ軸回りに揺動可能である。
そして、作用部材７５は、第３アクチュエータプレート７４の他端側に固定されている。また、作用部材７５は、触知ピン３３の一端側に連結固定されている。
つまり、第１アクチュエータプレート７２及び第２アクチュエータプレート７３の圧電素子に電圧を印加することにより、作用部材７５が基台７１に対してＹ方向に移動する。また、第３アクチュエータプレート７４の圧電素子に電圧を印加することにより、作用部材７５が基台７１に対してＸ方向に移動する。そして、第１アクチュエータプレート７２と第２アクチュエータプレート７３とを平行に配置することで、剛性を高めることができる。
また、第２実施形態における３自由度アクチュエータ５０をシリアル型３自由度アクチュエータ８０に置き換えることができる。そこで、シリアル型３自由度アクチュエータ８０について、図２３を参照して説明する。図２３は、シリアル型３自由度アクチュエータ８０について示す。なお、シリアル型３自由度アクチュエータ８０において、図２１に示すシリアル型２自由度アクチュエータ６０と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
シリアル型３自由度アクチュエータ８０は、基台６１と、第１アクチュエータプレート６２と、第２アクチュエータプレート６３と、第３アクチュエータプレート８１と、作用部材８２とから構成される。第１、第２、第３アクチュエータプレート６２、６３、８１は、上述した第１実施形態における２自由度アクチュエータ３２の第１アクチュエータプレート４２と実質的に同一の構成からなる。
第３アクチュエータプレート８１の一端側が、第２アクチュエータプレート６３の他端側に、第１、第２アクチュエータプレート６２、６３に直交するように固定されている。具体的には、第３アクチュエータプレート８１は、Ｘ軸方向に延在するように、第２アクチュエータプレート６３に固定されている。さらに、第３アクチュエータプレート８１は、ＸＺ平面上において一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるようにされている。つまり、第３アクチュエータプレート８１の他端側が、一端側に対してＹ軸回りに揺動可能である。
そして、作用部材８２は、第３アクチュエータプレート８１の他端側に固定されている。また、作用部材８２は、触知ピン３３の一端側に連結固定されている。
つまり、第１アクチュエータプレート６２の圧電素子に電圧を印加することにより、作用部材８２が基台６１に対してＹ方向に移動する。また、第２アクチュエータプレート６３の圧電素子に電圧を印加することにより、作用部材８２が基台６１に対してＸ方向に移動する。また、第３アクチュエータプレート８１の圧電素子に電圧を印加することにより、作用部材８２が基台６１に対してＺ方向に移動する。
なお、当該圧電素子を上記第１実施形態の圧電素子と同一の大きさとすることで、確実に、触知ピン３３のピン間隔を２ｍｍ以内とできる。具体的には、圧電素子の短手方向幅および厚みが起因する。
（５）第４実施形態
次に、上記第１〜第３実施形態においては、触覚ディスプレイ装置１について説明した。ここで、触覚ディスプレイ装置１を構成する２自由度アクチュエータ３２、６０、７０、及び、３自由度アクチュエータ５０、８０は、以下に説明するハンドリング装置９０に適用することもできる。ハンドリング装置９０は、物体を把持し、搬送することができる装置である。例えば、ハンドリング装置９０が、物体を把持する部分として第１把持部材と第２把持部材とを備える場合には、第１把持部材と第２把持部材との駆動に上述した２自由度アクチュエータ３２、６０、７０又は３自由度アクチュエータ５０、８０を用いる。
例えば、第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１を構成する２自由度アクチュエータ３２をハンドリング装置９０に適用した場合について、図２４を参照して説明する。図２４は、ハンドリング装置９０を示す図である。
図２４に示すように、ハンドリング装置９０は、第１の２自由度アクチュエータ９１と、第２の２自由度アクチュエータ９２と、第１把持部材９３と、第２把持部材９４とから構成される。
第１の２自由度アクチュエータ９１及び第２の２自由度アクチュエータ９２は、上述した第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１を構成する２自由度アクチュエータ３２である。すなわち、第１の２自由度アクチュエータ９１は、基台に対して作用部材を直交２軸方向に移動可能とする。また、第２の２自由度アクチュエータ９２は、基台に対して作用部材を直交２軸方向に移動可能とする。
第１把持部材９３は、第１の２自由度アクチュエータ９１の作用部材に連結されている。また、第２把持部材９４は、第２の２自由度アクチュエータ９２の作用部材に連結されている。つまり、第１把持部材９３は、第１の２自由度アクチュエータ９１を駆動することにより、直交２軸方向に移動する。また、第２把持部材９４は、第２の２自由度アクチュエータ９２を駆動することにより、直交２軸方向に移動する。
そして、第１把持部材９３と第２把持部材９４とを移動することにより、第１把持部材９３及び第２把持部材９４との間に物体を挟むように把持することができる。さらに、物体を把持した状態で、第１把持部材９３と第２把持部材９４とを移動することにより、物体を搬送することができる。Next, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments.
(1) Application example of the tactile display device 1
First, an application example of the tactile display device 1 will be described.
(1.1) Description of game machine using tactile display device 1
First, a game machine using the tactile display device 1 of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram for explaining a game machine using the tactile display device 1. Here, the game machine has an example in which a virtual stick is held by a human finger and the stick on the screen is inserted into the hole by moving the human hand or finger.
This game machine includes a pair of tactile display devices 1, 1, a tactile display controller 2, a data glove 3, a finger joint angle detection device 4, a hand position / posture detector 5, and a computer 6.
The pair of tactile display devices 1 and 1 has a plurality of tactile pins 33 (arranged in an array, in which the thumb and forefinger of an actual human hand 7 are inserted and arranged, respectively, can contact the thumb and forefinger. (To be described later). These tactile pins 33 are configured to be movable in three orthogonal directions relative to the tactile presentation plate 31 (shown in FIG. 2). These tactile pins 33 have a pin diameter of 0.3 mm to 0.8 mm, for example, and a total of 64 are used in an array of 8 rows and 8 rows. The pin spacing of these tactile pins 33 is set to 2 mm or less. This is because the two-point discrimination threshold of the finger of the human hand 7 is within 2 mm. Further, the area of the human fingertip to be contacted is, for example, at least 100 mm. 2 It is good to have a degree. When the tactile pins 33 are arranged in 8 rows and 8 rows, the pin interval may be set to about 1.5 mm, for example.
These tactile pins 33 are applied to the finger surface of the actual hand 7 in accordance with the relative position and relative movement between the virtual stick 8 projected on the screen of the computer 6 and the finger of the virtual hand 9. Move in the shear direction and the vertical direction. That is, when the tactile pin 33 moves with respect to the finger surface of the actual hand 7, a tactile sensation corresponding to the surface texture and torque feeling of the virtual rod 8 is presented.
The tactile display controller 2 controls the tactile pins 33 of the pair of tactile display devices 1 based on the command value output from the computer 6. The data glove 3 has a glove shape, and a sensor for detecting the bending angle of the finger of the actual hand 7 fitted therein is embedded. Then, the finger joint angle detection device 4 converts the signal output from the data glove 3 into digital data. The hand position / posture detector 5 detects the actual position / posture of the hand 7 based on the position of the marker placed on the data glove 3 using a CCD camera or a magnetic sensor. The detected position / posture information of the actual hand 7 is converted into digital data.
The computer 6 inputs the finger joint angle of the actual hand 7 detected by the finger joint angle detection device 4 and the actual position / posture of the hand 7 detected by the hand position / posture detector 5. Then, the position / posture of the virtual hand 9 displayed on the screen and the indirect angle of the finger of each hand 9 are moved. Further, when the virtual hand 9 and the bar 8 move relative to each other, for example, when the bar 8 on the screen is inserted into the hole 10, the computer 6 sends a signal corresponding to the information to the tactile display controller. Output to 2. Then, by driving the tactile pin 33 of the tactile display device 1, it is possible to obtain a tactile sensation as if the actual human hand 7 is holding the virtual stick 8.
Here, the surface texture of the object will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining tactile sensation that occurs when the rod 8 and the finger shown in FIG. 1 are relatively moved in the axial direction of the rod 8. Here, FIG. 2A shows a case where the finger is actually touching the stick 8, and FIG. 2B shows a case where the finger is touching the tactile pin 33 of the tactile display device 1. Here, FIG. 2B illustrates a reduced number of tactile pins 33 for ease of explanation and illustration. In FIG. 2B, the tactile pins 33 are arranged in four rows and four rows, but actually, for example, as described above, the tactile pins 33 have eight rows and eight rows.
The surfaces of many objects have fine irregularities. In this case, when a finger of a human hand moves on the surface of the object, a tactile sensation corresponding to a rough feeling is obtained on the finger of the hand. Further, when the surface of the object is very smooth, when the finger of a human hand moves on the surface of the object, the finger of the hand gets a tactile sensation corresponding to a smooth feeling. The rough feeling and the smooth feeling are collectively referred to as the surface texture of the object.
Then, it is assumed that the surface property of the rod 8 is an uneven shape as shown in FIG. At this time, when the finger of the hand and the stick 8 move relative to each other in the axial direction of the stick 8, a force perpendicular to the finger surface and the finger surface are applied to the finger surface by the convex portion of the stick 8. On the other hand, it was found that a force in the shear direction acts.
Therefore, as shown in FIG. 2B, a force equivalent to the force acting on the finger surface by the convex portion of the bar 8 is expressed by the tactile pin 33 of the tactile display device 1. That is, the tactile pin 33 of the tactile display device 1 is moved in the vertical direction and the shearing direction with respect to the finger surface of the hand. Thereby, a tactile sensation corresponding to a more accurate surface texture of the object can be presented.
Here, the effectiveness of moving the tactile pin 33 in the vertical direction and the shearing direction with respect to the finger surface of the hand will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 3 shows a limit value with which a human can recognize a stimulus by the tactile pin 33 when the horizontal axis is the vibration frequency of the tactile pin 33 and the vertical axis is the vibration amplitude of the tactile pin 33 in the human tactile system. Indicates.
Here, it is known that there are the following four sensory receptors in the human tactile system. Meissner body, Patinini body, Merkel cell, and Rufini terminal. The tactile system (FAI) with the Meissner body as a sensory receptor is primarily responsive to the rate of vertical stimulation. The haptic system (FAII), which uses the patina body as a sensory receptor, mainly responds to acceleration of the stimulus in the vertical direction. The tactile system (SAI) with Merkel cells as sensory receptors responds primarily to the rate of vertical stimulation and a constant load. The haptic system (SAII) with the Ruffini terminal as a sensory receptor is thought to respond to stimuli in the shear direction.
FIG. 3 shows a case where a vertical vibration stimulus (N) is applied to four tactile systems and a case where a shear vibration stimulus (T) is applied. As shown in FIG. 3, the sensitivity characteristic of the shear vibration stimulation (SAI-T) of the tactile system using Merkel cells as sensory receptors is larger than the sensitivity characteristic of the vertical vibration stimulation (SAI-N). descend. In addition, the sensitivity characteristic in the case of shear vibration stimulation (FAI-T) of the tactile system using the Meissner body as a sensory receptor is greatly reduced compared to the sensitivity characteristic in the case of vertical vibration stimulation (FAI-N). In addition, the sensitivity characteristic in the case of shear vibration stimulation (FAII-T) of a tactile system using a pachinni body as a sensory receptor is slightly lower than that in the case of vertical vibration stimulation (FAII-N).
On the other hand, the sensitivity characteristics in the case of shear vibration stimulation (SAII-T) of the tactile system using the Ruffini terminal as a sensory receptor are significantly improved compared to the sensitivity characteristics in the case of vertical vibration stimulation (SAII-N). To do.
Here, a stick-slip phenomenon that occurs between the finger surface and the object when the finger is slid on the object surface will be described. This phenomenon is considered to be influenced by vibrations having a frequency near the natural frequency of the waviness of the fingerprint. The natural frequency of fingerprint undulation is about 250 Hz. That is, in the stick-slip phenomenon, it is considered that vertical vibration and shear vibration occur near the frequency f2 (= about 250 Hz). However, the ratio between the vertical vibration stimulus and the shear vibration stimulus differs depending on the surface properties of the object surface on which the finger slides.
Therefore, in order to express a tactile sense corresponding to the stick-slip phenomenon, it is necessary to vibrate the tactile pin 33 of the tactile display device 1 in the vicinity of the frequency f2 in the vertical direction and the shear direction. Here, for the vertical vibration stimulation at the frequency f2, a tactile system using a pachinko body as a sensory receptor is particularly sensitive (point B in FIG. 3). For example, it is said that depending on the subject, the limit vibration amplitude at which the stimulus can be recognized may reach about 0.02 μm when the frequency is around 250 Hz. In addition, the tactile sensation system using the Ruffini terminal as a sensory receptor is mainly affected by the shear vibration stimulation at the frequency f2 (point A in FIG. 3). For example, it is said that, depending on the subject, the limit vibration amplitude capable of recognizing a stimulus may reach about 0.1 μm around a frequency of 250 Hz.
Therefore, the stick-slip phenomenon can be expressed by causing the tactile pin 33 to vibrate at point A in FIG. 3 in the shear direction and to vibrate at point B in FIG. 3 in the vertical direction. Further, the ratio between the vertical vibration amplitude and the shear vibration amplitude is appropriately changed according to the ratio between the vertical vibration stimulus and the shear vibration stimulus depending on the surface property of the object surface on which the finger slides.
Further, when the finger is slid on the uneven surface, vibrations in a frequency band corresponding to the relative speed between the finger surface and the object surface are transmitted to the finger separately from the above-described stick-slip phenomenon. Specifically, it is considered that the vibration in the vertical direction and the vibration in the shear direction of the frequency band are transmitted to the finger. For example, when the moving speed of the finger with respect to the object surface is gradually increased, the position changes from a low frequency position to a high frequency position. Further, in this case, as in the above-described stick-slip phenomenon, the ratio between the vertical vibration stimulus and the shear vibration stimulus varies depending on the surface property of the object surface on which the finger slides.
Therefore, in order to express a tactile sensation corresponding to the stimulus, it is necessary to vibrate the tactile pin 33 of the tactile display device 1 in a frequency band corresponding to the moving speed of the finger relative to the object surface in the vertical direction and the shearing direction. For example, when the frequency corresponding to the moving speed gradually increases from f1, first, the tactile pin 33 is caused to vibrate at the point C in FIG. 3 in the shearing direction, and at the point D in FIG. 3 in the vertical direction. Vibrate. And if a frequency becomes large, the vibration of a shear direction shall be more than the amplitude along SAII-T. Further, the vibration in the vertical direction is not less than the amplitude along the sensitivity characteristic of the highest sensitivity among FAI-N, FAII-N, and SAI-N. Further, the ratio between the vertical vibration amplitude and the shear vibration amplitude is appropriately changed according to the ratio between the vertical vibration stimulus and the shear vibration stimulus depending on the surface property of the object surface on which the finger slides.
That is, when a finger is slid on the object surface, it is necessary to generate a vibration that changes in accordance with the above-mentioned finger movement speed by superimposing it on the stick-slip phenomenon. By causing the tactile pin 33 to vibrate a vibration obtained by superimposing both the vibration in the shear direction corresponding to the point and the vibration in the vertical direction corresponding to the point B and the point D, the tactile sense corresponding to the surface texture more accurately. Can be presented.
Next, the feeling of torque of the object will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram for explaining tactile sensations that occur when the bar 8 shown in FIG. 1 rotates relative to the finger around an axis perpendicular to the finger surface. 4A shows a view seen from above the hand 7, and FIG. 4B shows a view seen from the left side of the hand 7.
Here, as shown in FIGS. 4A and 4B, the sense of torque of the object is, for example, when the finger 8 is gripped by the finger of the hand 7 on the finger surface in contact with the rod 8. This is a tactile sense when the bar 8 rotates relative to the finger surface around a vertical axis (around the vertical axis in FIG. 4B). FIG. 4 shows a case where the rod 8 is rotated clockwise with respect to the hand 7 about the rotation center O in FIG.
Then, at the moment when the rod 8 starts to rotate with respect to the hand 7 and during the rotation, the relative position of the rod 8 with respect to the hand 7 at the rotation center O does not change, and around the rotation center O. The relative position of the bar 8 with respect to the hand 7 changes in the clockwise direction in FIG. Furthermore, the further away from the center of rotation O, the greater the amount of change in the relative position of the bar 8 with respect to the hand 7.
Therefore, as shown in FIGS. 4A and 4B, a change equivalent to the change amount corresponding to the relative position of the bar 8 with respect to the finger surface of the hand 7 is expressed by the tactile pin 33 of the tactile display device 1. I have to. That is, the tactile pin 33 of the tactile display device 1 is located at the rotation center O at the moment when the rod 8 starts to rotate with respect to the hand 7 and during the rotation. The tactile pin 33 positioned around the rotation center O does not move, but moves in the clockwise direction in FIG. In particular, the amount of movement increases as the tactile pin 33 moves away from the rotation center O. Thereby, a tactile sense corresponding to the torque feeling of the object can be presented more accurately.
(1.2) Description of intra-abdominal surgery device using tactile display device 1
Next, an intra-abdominal surgery device using the tactile display device 1 of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram for explaining an intra-abdominal surgery device using the tactile display device 1. Here, the intra-abdominal surgery is one of the surgery that has attracted attention as a minimally invasive surgery in recent years. That is, the intraperitoneal operation is an operation performed by operating a microhand inserted from a minute hole in the patient's abdomen while viewing an image of an intraperitoneal microscope. Here, a case of so-called remote surgery in which an operation site where a patient is located and a medical center where a doctor who operates a micro hand is located will be described as an example.
This remote intraperitoneal surgical apparatus includes two pairs of tactile display devices 1, 1, 1, 1, a monitor 12, a micro hand 13, an intra-abdominal microscope (not shown), and various sensors (not shown). ).
A microhand 13 and an abdominal cavity microscope are inserted in the abdomen of a patient at the operation site. The left side of FIG. 5 shows an image of an intraperitoneal microscope. The microhand 13 is driven remotely according to the operation of a doctor's hand in the medical center.
On the other hand, the monitor 12 in the medical center is connected to an intra-abdominal microscope at the surgical site, and the same image as the intra-abdominal microscope image is displayed. Then, the doctor in the medical center remotely operates the microhand 13 while viewing the image displayed on the monitor 12.
Further, the thumbs and index fingers of both hands of the doctor are inserted into two pairs of tactile display devices 1, 1,. The pair of tactile display devices 1 and 1 are the same as the tactile display devices 1 and 1 in the game machine described above. The tactile display devices 1, 1,... Are connected to the microhand 13 at the operation site, and the tactile sense corresponding to the tactile sense received by the microhand 13 is a tactile pin (see FIG. It is presented on the finger of the doctor's hand.
That is, when the doctor remotely operates the micro hand 13, the doctor can receive the tactile sensation received by the micro hand 13 from the tactile display device 1. Therefore, the doctor can perform the operation while feeling a tactile sensation as if performing a laparotomy. It should be noted that by increasing the speed of electrical communication between the medical center and the surgical site, the present invention can also be applied when the surgical site is located at a remote location from the medical center.
(1.3) Description of remote device using tactile display device 1
Next, a remote device using the tactile display device 1 of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram for explaining a remote device using the tactile display device 1. The remote device is a device that allows a robot sent on behalf of a human to search in a space that is difficult for humans to approach (here, a remote place).
The remote device includes a pair of tactile display devices 1, 1, a monitor 22, and an exploration vehicle including a multi-degree-of-freedom actuator 23. Then, the human operates the hand while looking at the image displayed on the monitor 22 to remotely drive the multi-degree-of-freedom actuator 23 of the exploration vehicle at a remote place.
The tactile display device 1 into which the hand is inserted is connected to the multi-degree-of-freedom actuator 23, and a tactile sense corresponding to the tactile sense received by the multi-degree-of-freedom actuator 23 is a tactile pin (not shown) of the tactile display device 1. Is presented on the finger of a human hand.
In other words, a human who does not actually exist at the place where the robot is sent can feel a tactile sensation as if he / she actually sees and touches it in a remote place. Therefore, the investigation efficiency is dramatically increased as compared with the conventional case.
(1.4) Other uses of the tactile display device 1
In addition to the above, for example, an ornamental display exhibited in a museum can be obtained using the tactile display device 1 as if the ornamental display is touched. In this case, for example, a tactile display device 1 corresponding to five fingers of a human hand may be provided. Furthermore, you may make it provide the tactile display apparatus 1 corresponding to a palm etc. besides the finger | toe of a hand.
In addition, for example, a two-dimensional image or a picture displaying a scenery or the like can be presented to the visually impaired using the tactile display device 1. In this case, by moving the tactile pin 33 according to the color, shape, etc., it is possible to obtain a feeling of actually appreciating a two-dimensional image, a picture, or the like.
(1.5) Types of tactile pins 33
In the above description, all the tactile pins 33 are described as being configured to be movable in three orthogonal directions with respect to the tactile sense presentation plate 31. In addition to this, the first tactile pin 33 a can move in two orthogonal axes (X and Y directions) parallel to the tactile presentation plate 31, and the second tactile pin 33 b can move to the tactile presentation plate 31. It may be possible to move in a direction perpendicular to (Z direction). Further, the third tactile pin 33 c is movable in an axial direction (X direction) parallel to the tactile presentation plate 31 and a direction perpendicular to the tactile presentation plate 31 (Z direction). The fourth tactile pin 33d is parallel to the tactile presentation plate 31 and has an axial direction (Y direction) perpendicular to the movable direction of the third tactile pin 33c and a direction perpendicular to the tactile presentation plate 31 (Z It may be movable in the direction).
Then, when two types of tactile pins 33a, 33b, 33c, and 33d having different movement directions are provided as described above, they may be arranged in a checkered pattern as shown in FIG. That is, the first tactile pins 33a (white circles in FIG. 7) and the second tactile pins 33b (black circles in FIG. 7) are alternately arranged. Alternatively, the third tactile pins 33c (white circles in FIG. 7) and the fourth tactile pins 33d (black circles in FIG. 7) are alternately arranged.
Thereby, as a whole, a state where the tactile pins 33 move relative to the tactile sensation presentation plate 31 in the three orthogonal directions can be formed with good balance.
(2) Tactile display device 1 of the first embodiment
Next, the tactile display device 1 of the first embodiment will be described.
(2.1) Outline of tactile display device 1 of the first embodiment
The tactile display device 1 of the first embodiment is configured such that the tactile pin 33 can be moved in two orthogonal axes. An overview of the tactile display device 1 of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram for explaining an overview of the tactile display device 1. As shown in FIG. 8, the tactile display device 1 includes a tactile display plate (a tactile display member in the present invention) 31 in which a plurality of holes 31 a are formed, and tactile pins 33 protruding from the respective holes 31 a. Yes. Each tactile pin 33 is movable in the X and Y directions in each hole 31a.
When a human finger is placed on the tactile presentation surface of the tactile presentation plate 31, each tactile pin 33 moves in the XY direction. That is, the tactile pin 33 moves in a shearing direction with respect to the finger surface while in contact with the finger surface. In this way, by moving the tactile pin 33 in the shearing direction (XY direction) with respect to the finger surface, it is possible to present a tactile sensation corresponding to a rough feeling or a smooth feeling.
Furthermore, a tactile sensation corresponding to a feeling of torque can be presented. A sense of torque is, for example, a tactile sensation when an object rotates relative to the finger surface around an axis perpendicular to the finger surface that is in contact with the object when the object is held with a finger. It is. As an example of the operation of the tactile pin 33 for presenting the torque feeling, a case where the object is rotating clockwise with respect to the finger surface will be described as an example. In this case, the amount of movement of the tactile pin 33 arranged on the finger side (lower side in FIG. 8) in the X positive direction (right direction in FIG. 8) and the touch arranged on the fingertip side (upper side in FIG. 8). The amount of movement of the knowledge pin 33 in the positive X direction may be made different. This is because when the object rotates, the center of rotation does not move at all, and the amount of movement in the rotation direction increases as the distance from the center of rotation increases. That is, a torque feeling can be presented by presenting the tactile pin 33 by varying the amount of movement in the XY direction.
(2.2) Detailed configuration of the tactile display device 1
Next, a detailed configuration of the tactile display device 1 will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows a perspective view of the tactile display device 1. As shown in FIG. 9, the tactile display device 1 includes a tactile presentation plate 31, ten 2-degree-of-freedom actuators 32, 32,..., And ten tactile pins 33, 33,. Composed.
The tactile sensation presentation plate 31 has ten holes 31a, 31a, ... formed in an array. Specifically, the number of holes in the left-right direction is 2, 4, 4, and 2 rows from the back side to the front side in FIG. These holes 31a are formed in a circular shape. And the upper surface side of this tactile sense presentation plate 31 of FIG. 8 is a tactile sense presentation surface. That is, when a human finger is placed on the upper surface side of the tactile sensation presentation plate 31, it becomes a surface that presents various tactile sensations to the finger. It should be noted that the number of holes 31a and tactile pins 33 to be described later is actually preferably 8 rows, 8 rows, etc., but for ease of explanation and illustration, the number of arrays is as described above. .
Each of the two-degree-of-freedom actuators 32, 32,... (Multi-degree-of-freedom actuator in the present invention) has a generally square shape as a whole. These two-degree-of-freedom actuators 32 are arranged on the lower side of FIG. 8 of the tactile display device 1 so that the letter C shape extends on the XY plane. All the two-degree-of-freedom actuators 32 may be arranged so as to extend on the same XY plane, or each two-degree-of-freedom actuator 32 may be arranged so as to extend on different XY planes. Good. Further, in these two-degree-of-freedom actuators 32, the respective action members 46 can move in the orthogonal two-axis directions with respect to the respective bases 41 (shown in FIG. 10). Here, the orthogonal biaxial directions are axial directions parallel to the tactile sensation presentation plate 31, that is, the X direction and the Y direction.
Further, these two-degree-of-freedom actuators 32 are divided into four groups of two, two, three, and three, respectively. The two-degree-of-freedom actuators 32 of each group are arranged so as to face substantially the same direction. That is, the C-shapes of the two-degree-of-freedom actuators 32 in the same group are oriented in substantially the same direction. The two-degree-of-freedom actuators 32 of the respective groups are arranged so that the narrower side of the letter C faces directly below the center of the tactile presentation plate 31. For example, it is assumed that the direction of the two-degree-of-freedom actuator 32 of each group is rotated 90 degrees on the XY plane. As described above, the ten two-degree-of-freedom actuators 32 are arranged in a very compact arrangement. The detailed configuration of the two-degree-of-freedom actuator 32 will be described later.
Each tactile pin 33, 33,... Has a rod shape. These tactile pins 33 are bent in a crank shape so as not to contact each other. And one end side of these tactile pins 33 is connected and fixed to the action member 46 of each two-degree-of-freedom actuator 32. That is, the tactile pin 33 operates in the same manner as the operation of the action member 46 when the action member 46 of the two-degree-of-freedom actuator 32 moves relative to the base 41. Moreover, the other end side of each tactile pin 33 is arrange | positioned so that it may protrude from the each hole 31a of the tactile sense presentation plate 31 to the upper side of FIG. That is, the other end side of the tactile pin 33 is arranged to extend in the Z direction. Here, the outer diameter of the tactile pin 33 is formed to be smaller than the inner diameter of the hole 31 a of the tactile sense presentation plate 31. Therefore, the other end side of the tactile pin 33 is movable in the X direction and the Y direction in the hole 31a of the tactile presentation plate 31. That is, the tactile pin 33 moves in the X and Y directions in the hole 31a of the tactile presentation plate 31 by the movement of the action member 46 of the two-degree-of-freedom actuator 32 with respect to the base 41. Needless to say, even if the tactile pins 33 are moved, they do not contact each other.
(2.3) Detailed configuration of the two-degree-of-freedom actuator 32
Next, a detailed configuration of the two-degree-of-freedom actuator 32 will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a perspective view of the two-degree-of-freedom actuator 32 that constitutes the tactile display device 1. FIG. 11 is a schematic diagram of the two-degree-of-freedom actuator 32. FIG. 12 shows a top view of the first and second actuator plates 42 and 43.
As shown in FIGS. 10 to 12, the two-degree-of-freedom actuator 32 includes a base 41, a first actuator plate 42, a second actuator plate 43, a first connecting member 44, a second connecting member 45, And an action member 46.
The base 41 has an L-shaped side surface shape. A surface 41a (hereinafter referred to as “fixed surface”) for fixing the first and second actuator plates 42 and 43 of the base 41 is a surface perpendicular to the XY plane. The base 41 is fixedly disposed on the tactile sense presentation plate 31 described above.
The first actuator plate 42 includes a base plate 42a and piezoelectric elements 42b and 42c. The base plate 42a is made of an elongated plate-shaped steel plate. One end side (the right end side in FIG. 12) of the base plate 42a is fixed to the fixing surface 41a (the base surface in the present invention) of the base 41 so that the base plate 42a extends on the XY plane. Further, the base plate 42a is fixed to the base 41 so that the other end side can be flexibly deformed with respect to the one end side on the XY plane. That is, the other end side of the base plate 42a can swing around the Z axis with respect to the one end side.
Here, an angle formed between the base plate 42a and the fixed surface 41a of the base 41 is θ. The angle θ formed is such that the base plate 42a is positioned in a direction close to the fixing position between the one end side of the base plate 43a (described later) and the base 41 from the fixing position between the one end side of the base plate 42a and the base 41. Is defined as zero degrees. That is, the angle θ formed when the fixed surface 41a of the base 41 and the base plate 42a are parallel is zero degrees. The state in which the base plate 42a is perpendicular to the fixed surface 41a of the base 41 is defined as 90 degrees.
The piezoelectric elements (PZT) 42b and 42c are bonded to both surfaces of the base plate 42a. These piezoelectric elements 42b and 42c are formed in an elongated plate shape. Specifically, the longitudinal lengths of the piezoelectric elements 42b and 42c are slightly shorter than the longitudinal length of the base plate 42a, and the lateral widths of the piezoelectric elements 42b and 42c are equal to the lateral width of the base plate 42a. It is almost equivalent. More specifically, the longitudinal lengths of the piezoelectric elements 42b and 42c are 30 mm to 50 mm, the lateral width is 1 mm to 2 mm, and the thickness is 0.5 to 1.0 mm. Note that the maximum value of the operating voltage is 200V.
And these piezoelectric elements 42b and 42c operate | move so that the length of a longitudinal direction may contract, when a voltage is applied. That is, when a voltage is applied to the upper piezoelectric element 42b in FIG. 12, the length of the piezoelectric element 42b in the left-right direction in FIG. 12 contracts. Then, in accordance with the contraction operation of the piezoelectric element 42b, the upper surface side of the base plate 42a in FIG. 12 contracts with respect to the lower surface side. Accordingly, the base plate 42a is bent and deformed so that the other end side (the left side in FIG. 12) of the base plate 42a in this case moves upward in FIG. Then, the amount of deflection of the base plate 42a to the upper side in FIG. 12 varies depending on the voltage applied to the piezoelectric element 42b.
When a voltage is applied to the piezoelectric element 42c in the lower part of FIG. 12, the length of the piezoelectric element 42c in the left-right direction in FIG. 12 contracts. Then, in accordance with the contraction operation of the piezoelectric element 42c, the lower surface side of the base plate 42a in FIG. 12 contracts with respect to the upper surface side. Accordingly, the base plate 42a is bent and deformed so that the other end side (the left side in FIG. 12) of the base plate 42a in this case moves downward in FIG. The amount of deflection of the base plate 42a toward the lower side in FIG. 12 varies depending on the voltage applied to the piezoelectric element 42c.
That is, the piezoelectric elements 42b and 42c can be driven to swing around the Z axis with respect to the one end side of the base plate 42a by applying a voltage.
The second actuator plate 43 has substantially the same configuration as the first actuator plate 42 described above. That is, the second actuator plate 43 includes a base plate 43a and piezoelectric elements 43b and 43c. The base plate 43 a has the same shape as the base plate 42 a of the first actuator plate 42. Then, one end side of the base plate 43a is fixed to the fixing surface 41a of the base 41 so that the base plate 43a extends on the XY plane. Further, the base plate 43a is disposed on the same XY plane as the base plate 42a so as to face the base plate 42a. The base plate 43a is fixed to the base 41 so that the other end can be flexibly deformed with respect to the one end on the XY plane. That is, the other end side of the base plate 43a can swing around the Z axis with respect to the one end side.
Here, the angle formed by the base plate 43a and the fixed surface 41a of the base 41 is θ. The angle θ to be defined defines a direction from the fixed position between the one end side of the base plate 43a and the base 41 to the fixed position between the one end side of the base plate 42a and the base 41 as zero degrees. That is, the angle θ formed when the fixed surface 41a of the base 41 and the base plate 43a are parallel is zero degrees. Further, the state in which the base plate 43a is perpendicular to the fixed surface 41a of the base 41 is defined as 90 degrees. In the present embodiment, the angle θ formed between the base plate 43a of the second actuator plate 43 and the fixed surface 41a of the base 41, the base plate 42a of the first actuator plate 42, and the fixed surface 41a of the base 41 Is the same as the angle θ.
The piezoelectric elements (PZT) 43b and 43c are bonded to both surfaces of the base plate 43a. These piezoelectric elements 43b and 43c have the same shape as the above-described piezoelectric elements 42b and 42c, and the operation is substantially the same, so that the description thereof is omitted. In other words, the piezoelectric elements 43b and 43c can be driven to swing around the Z axis with respect to the one end side of the base plate 43a by applying a voltage.
The 1st connection member 44 consists of steel materials, and has comprised the rectangular parallelepiped shape. One end side of the first connecting member 44 is rotatably connected to the other end side of the base plate 42 a of the first actuator plate 42. Here, the rotation axis is parallel to the Z axis. The member length of the first connecting member 44 is a.
The 2nd connection member 45 consists of steel materials similar to the 1st connection member 44, and has comprised the rectangular parallelepiped shape. One end side of the second connecting member 45 is rotatably connected to the other end side of the base plate 43 a of the second actuator plate 43. Here, the rotation axis is parallel to the Z axis. The member length of the second connecting member 45 is a, as is the member length of the first connecting member 44. The other end side of the second connecting member 45 is rotatably connected to the other end side of the first connecting member 44. That is, the other end side of the first connecting member 44 and the other end side of the second connecting member 45 are rotatably connected to each other. The rotation axis is parallel to the Z axis.
Here, as shown in FIG. 11, the distance between one end side of the first connecting member 44 and one end side of the second connecting member 45 in a state where no voltage is applied to the piezoelectric elements 42 b, 42 c, 43 b, 43 c. Is b. As shown in FIG. 11, in the state where no voltage is applied to the piezoelectric element 42b or the like, the separation distance b is equal to the member length a of the first connecting member 44 and the member length a of the second connecting member 45. Is smaller than the total value (= 2a). That is, in a state where no voltage is applied to the piezoelectric element 42b or the like, the first connecting member 44 and the second connecting member 45 are not positioned on a straight line but are bent. In other words, the first connecting member 44 and the second connecting member 45 are configured to form an isosceles triangle having sides a, a, and b. Furthermore, in a state where no voltage is applied to the piezoelectric element 42b and the like, the connection position between the other end side of the first connection member 44 and the other end side of the second connection member 45 is the one end side of the first connection member 44 and The second connecting member 45 is positioned closer to the fixed surface 41 a of the base 41 than the one end side of the second connecting member 45.
The action member 46 is fixed to the other end side of the first connecting member 44. The action member 46 is connected to the other end side of the second connecting member 45 so as to be rotatable about the Z axis. The action member 46 is connected and fixed to one end side of the tactile pin 33.
(2.4) Operation of 2-degree-of-freedom actuator 32
Next, the operation of the two-degree-of-freedom actuator 32 will be described with reference to FIG. FIGS. 13A and 13B are diagrams for explaining the operation of the two-degree-of-freedom actuator 32. FIG.
First, a description will be given with reference to FIG. In FIG. 13A, by applying a voltage to the piezoelectric elements 42b and 42c, the other end side of the first actuator plate 42 is moved to the right side in FIG. 13A with respect to the one end side. Further, by applying a voltage to the piezoelectric elements 43b and 43c, the other end side of the second actuator plate 43 is moved to the left side in FIG. 13A with respect to the one end side.
In this case, the first connecting member 44 and the second connecting member 45 rotate around the Z axis with respect to the other end sides of the base plates 42 and 43 of the first and second actuator plates 42 and 43, and mutually Rotates around the Z axis. Therefore, the position of the action member 46 moves from the state before applying a voltage to the piezoelectric element 42b and the like in the Y negative direction (downward in FIG. 13A).
Next, a description will be given with reference to FIG. 13B, by applying a voltage to the piezoelectric elements 42b and 42c, the other end side of the first actuator plate 42 is moved to the left side in FIG. 13B with respect to the one end side. Further, by applying a voltage to the piezoelectric elements 43b and 43c, the other end side of the second actuator plate 43 is moved to the left side in FIG. 13A with respect to the one end side.
In this case, the first connecting member 44 and the second connecting member 45 rotate around the Z axis with respect to the other end sides of the base plates 42 and 43 of the first and second actuator plates 42 and 43, and mutually Rotates around the Z axis. Accordingly, the position of the action member 46 moves in the X negative direction (left side in FIG. 13A) from the state before the voltage is applied to the piezoelectric element 42b and the like.
Thus, the position on the XY plane of the action member 46 with respect to the base 41 can be changed by the voltage applied to the piezoelectric element 42b and the like. Then, as the action member 46 moves on the XY plane, the tactile pin 33 moves on the XY plane in the hole 31a of the tactile sense presentation plate 31.
(2.5) Control of the two-degree-of-freedom actuator 32
(2.5.1) First control
Here, the fact that the position can be controlled by moving the action member 46 on the XY plane with respect to the base 41 by applying a voltage to the piezoelectric element 42b and the like as described above will be described in detail using mathematical expressions. . Here, it demonstrates, referring FIG. 14 which is an enlarged view of the part containing the 1st connection member 44 and the 2nd connection member 45 in FIG. In FIG. 14, the position of one end side of the first connecting member 44 (the other end side of the first actuator plate 42) in a state in which no voltage is applied to the piezoelectric element 42 b or the like is indicated as A <b> 1 and one end of the second connecting member 45. The position on the side (the other end side of the second actuator plate 43) is indicated as B1, and the position on the other end side of the first connecting member 44 and the second connecting member 45 is indicated as C1. In addition, a position on one end side of the first connecting member 44 in a state where a voltage is applied to the piezoelectric element 42b or the like is indicated as A2, a position on the one end side of the second connecting member 45 is indicated as B2, and the first connecting member 44 and the first connecting member 44 The position on the other end side of the two connecting members 45 is indicated as C2.
First, the meaning of various symbols is described in Equation 1.
Figure 0004982877
Figure 0004982877
From the geometric relationship between the first connecting member 44 and the second connecting member 45, the position coordinates of A2 and B2 are as shown in Equation 2.
Figure 0004982877
 Here, a> b / 2.
Next, when the vector u from C1 to C2 is expressed by Equation 3, the relational expression of Equation 4 is obtained from the condition that the member lengths of the first connecting member 44 and the second connecting member 45 do not change.
Figure 0004982877
Figure 0004982877
 On the other hand, the displacement of the position A1 on the other end side of the first actuator plate 42 and the position B1 on the other end side of the second actuator plate 43 can be expressed as Equation 5.
Figure 0004982877
 Accordingly, by substituting equation 5 into equation 4, equation 6 is obtained.
Figure 0004982877
 Next, the time differentiation of the relational expression of Equation 6 is as shown in Equation 7.
Figure 0004982877
 Where A 11 , A 12 , A 21 , A 22 , H 11 , H 12 , H 21 And h 22 Is expressed by the following equation.
Figure 0004982877
Here, when the expression represented by the fourth matrix of Equation 7 is expressed in direct notation, Equation 8 is obtained.
Figure 0004982877
 That is, when a vector u from C1 to C2 and a time differential value du / dt of this vector u are given, numerical integration is performed based on Equation 8 to output in the next step. The power voltage can be calculated. Based on the voltage V calculated in this way, the position of the action member 46 is controlled by applying a voltage to the piezoelectric elements 42 b and 42 c of the first actuator plate 42 and the piezoelectric elements 43 b and 43 c of the second actuator plate 43. can do.
(2.5.2) Second control
In the first control, as shown in Expression 5, the deflection amounts U of the actuator plates 42 and 43 are obtained. R , U L And applied voltage V to the piezoelectric elements 42b, 42c, 43b, 43c. R , V L With the piezoelectric constant d 31 It was shown as being proportional to However, in general, piezoelectric elements have individual differences in addition to the hysteresis phenomenon. Here, the hysteresis phenomenon is shown in FIGS. FIG. 15 shows a value obtained by making the voltage applied to the piezoelectric elements 42 b and 42 c of the first actuator plate 42 dimensionless, and the deflection amount U of the first actuator plate 42. R Shows the relationship with the dimensionless value of. FIG. 16 shows a value obtained by making the voltage applied to the piezoelectric elements 43 b and 43 c of the second actuator plate 43 dimensionless, and a deflection amount U of the second actuator plate 43. L Shows the relationship with the dimensionless value of.
Here, in FIG. 15 and FIG. 16, the triangular points and the round points indicate the deflection amounts of the first and second actuator plates 42 and 43 as a result of conducting an experiment in which a predetermined voltage is applied to the piezoelectric element. A triangular point indicates that the fluctuation range of the applied voltage to the piezoelectric element is increased, and a round dot indicates that the fluctuation range of the applied voltage to the piezoelectric element is reduced. Also, the solid lines indicate the deflection amounts of the first and second actuator plates 42 and 43 when a voltage is applied to the piezoelectric element using a neural network described later while the voltage is continuously changed.
As shown by the triangular points and the round points in FIGS. 15 and 16, the deflection amount of the first and second actuator plates 42 and 43 increases as the applied voltage increases. However, the amount of deflection of the first and second actuator plates 42 and 43 is larger when the applied voltage is reduced than when the applied voltage is increased. This is a hysteresis phenomenon.
15 is compared with FIG. 16, the difference in the amount of deflection between the case where the applied voltage is increased and the case where the applied voltage is reduced is that the first actuator plate 42 is more susceptible to the second actuator plate. It is larger than 43.
Therefore, it is desired to perform control so that the effects of such a hysteresis phenomenon and individual differences can be corrected. A control unit capable of performing the correction will be described with reference to FIG. FIG. 17 shows a block diagram of the control unit 100.
As illustrated in FIG. 17, the control unit 100 includes an input information conversion unit 110, a first control unit 120, and a second control unit 130. The first control unit 120 includes a polarity determination unit 121, a displacement amount integrator 122, a neural network calculation unit 123, and a voltage integrator 124. The second control unit 130 includes a polarity determination unit 131, a displacement amount integrator 132, a neural network calculation unit 133, and a voltage integrator 134.
The input information conversion unit 110 uses the target movement amount (dU) of the position of the action member 46 in the XY coordinate system. x / Dt, dU y / Dt), and the change amount (dU) of the deflection amount of the first and second actuator plates 42 and 43 is input. R / Dt, dU L / Dt). This conversion can be obtained from the above equations 2 to 4.
The polarity determination unit 121 of the first control unit 120 includes a change amount dU of the deflection amount of the first actuator plate 42. R It is determined whether / dt is larger than 0 (zero). And the amount of change dU R If / dt is greater than 0, [1, 0] is output. On the other hand, the amount of change dU R When / dt is smaller than 0, [0, 1] is output. That is, here, the case is divided into the case where the dimensionless change of the vertical axis in FIGS. 15 and 16 is increasing and the case where it is decreasing. The displacement amount integrator 122 of the first control unit 120 is a change amount dU of the deflection amount of the first actuator plate 42. R Integrate / dt.
The neural network calculation unit 123 of the first control unit 120 is a neural network using a back-propagation model. This back-propagation model is also called a multistage perceptron. This back-propagation model is characterized by having an intermediate layer between the input layer and the output layer.
Specifically, the neural network calculation unit 123 includes information [1, 0] or [0, 1] output from the polarity determination unit 121, and displacement integration result information calculated by the displacement integrator 122. The voltage integration result information calculated by the voltage integrator 124 described later is input. And based on these input information, the time differential dV of the voltage applied to the piezoelectric elements 42b and 42c, which is output information R / Dt is calculated.
Here, the neural network calculation unit 123 learns in advance according to the following procedure. First, the trajectory plan of the action member 46 is determined, and the deflection amount dU of the deflection amount of the first actuator 42 is determined in this trajectory plan. R / Dt can be calculated every time. In this trajectory plan, the output information for the input information is learned. Since the relationship between the learned input information and the output information is stored in the neural network calculation unit 123, the output information can be output like map control when actually controlling. That is, processing can be performed at a very high speed.
Then, the voltage integrator 124 of the first control unit 120 generates a time derivative dV of the applied voltage calculated by the neural network calculation unit 123. R / Dt is integrated and applied voltage V R Is calculated. This applied voltage V R Is applied to the piezoelectric elements 42b and 42c.
The polarity determination unit 131, the displacement amount integrator 132, the neural network calculation unit 133, and the voltage integrator 134 of the second control unit 130 are the polarity determination unit 121, the displacement amount integrator 122, and the neural network calculation unit of the first control unit 120. 123, the second integrator plate 43 is different from the voltage integrator 124, but substantially the same processing is performed. That is, the second control unit 130 changes the deflection amount dU of the deflection amount of the second actuator plate 43 input from the input information conversion unit 110. L / Dt, the applied voltage V to the piezoelectric elements 43b and 43c L Is calculated and applied to the piezoelectric elements 43b and 43c.
As described above, by using the neural network, the piezoelectric element can be driven in consideration of the hysteresis phenomenon of the piezoelectric element and the individual difference of the piezoelectric element. Therefore, positioning can be performed with high accuracy. Furthermore, by using a neural network, it is possible to perform high-speed processing once it has been learned, so that extremely high responsiveness can be exhibited.
(2.5) Relationship between θ, b / a and Ux, Uy
Next, the angle b formed, and the ratio b / a of the separation distance b between the other end side of the first connecting member 44 and the other end side of the second connecting member 45 with respect to the member length a of the first connecting member 44, The relationship between the displacement amount Ux in the X direction of the action member 46 and the displacement amount Uy in the Y direction of the action member 46 will be described with reference to FIGS. 18 and 19. FIG. 18 is a diagram in which the horizontal axis is the ratio b / a and the vertical axis is the displacement amounts Ux and Uy when the angle θ formed is 60 degrees. 19 (a) to 19 (c), when the ratio b / a is 1.1, 1.4, and 1.7, respectively, the horizontal axis is θ, and the vertical axis is the displacement amounts Ux and Uy. FIG. First, the condition in FIG. 18 and FIG.
Figure 0004982877
 Voltage V L , V R In FIG. 14, the definition of positive / negative is defined by the deflection amount U in the direction shown in the figure (the lower side in FIG. 14). R , U L The voltage causing the deflection is positive (+), and the deflection amount U in the reverse direction (upper side in FIG. 14) R , U L The voltage that causes the deflection is negative (−).
As shown in FIG. 18, when the formed angle θ is 60 degrees, the displacement amount Ux in the X direction decreases as the ratio a / b increases. On the other hand, as the ratio a / b increases, the displacement amount Uy in the Y direction increases. When the ratio a / b is around 1.4, the displacement amount Ux in the X direction and the displacement amount Uy in the Y direction coincide. That is, by setting the ratio a / b to around 1.4, the difference between the displacement amount Ux in the X direction and the displacement amount Uy in the Y direction can be reduced. Therefore, the difference between the rigidity in the X direction and the rigidity in the Y direction is reduced. As a result, the displacement in the X direction and the displacement in the Y direction can be controlled more stably and with high accuracy. In particular, the ratio a / b is set to 1.4. By setting a / b within the range of 1.3 to 1.5, there is a sufficient effect.
Next, as shown in FIG. 19A, when the ratio a / b is 1.1, the displacement amount Ux in the X direction and the displacement in the Y direction are within the range of the angle θ formed between 30 and 40 degrees. Any of the quantities Uy shows the maximum value. The displacement amounts Ux and Uy become smaller as the formed angle θ becomes smaller than around 30 degrees and further becomes larger than around 40 degrees. Furthermore, when the ratio a / b is 1.1, the displacement amount Ux in the X direction is larger than the displacement amount Uy in the Y direction regardless of the angle θ formed.
Further, as shown in FIG. 19B, when the ratio a / b is 1.4, the displacement amount Ux in the X direction and the displacement amount in the Y direction are within the range of the angle θ formed by 40 to 50 degrees. Any of Uy shows the maximum value. The displacement amounts Ux and Uy become smaller as the angle θ formed becomes smaller than around 40 degrees and further becomes larger than around 50 degrees. Further, when the ratio a / b is 1.4, the angle θ formed is almost the same in the entire range of 0 to 90 degrees.
Further, as shown in FIG. 19 (c), when the ratio a / b is 1.7, the displacement amount Ux in the X direction and the displacement amount in the Y direction when the angle θ formed is in the range of 50 to 60 degrees. Any of Uy shows the maximum value. The displacement amounts Ux and Uy become smaller as the formed angle θ becomes smaller than around 50 degrees and further becomes larger than around 60 degrees. Furthermore, when the ratio a / b is 1.7, the displacement amount Ux in the X direction is smaller than the displacement amount Uy in the Y direction regardless of the angle θ formed.
As described above, although the details vary depending on the ratio a / b, the displacement amounts Ux and Uy can be largely secured by setting the angle θ to be in the range of 30 to 60 degrees.
(3) Second embodiment
In the tactile display device 1 of the first embodiment, the two-degree-of-freedom actuator 32 is employed. The tactile pin 33 can be moved in the X direction and the Y direction by operating the two-degree-of-freedom actuator 32. In addition to this, in the case of the haptic display device 1 that can also move in the Z direction, the three-degree-of-freedom actuator 50 described below is replaced with a two-degree-of-freedom actuator constituting the haptic display device 1 of the first embodiment. Replace with 32. Then, since the tactile pin 33 can be moved in the X direction, the Y direction, and the Z direction, it can be moved in the shearing direction and the vertical direction with respect to the finger surface. Thereby, more tactile sensations can be presented.
Hereinafter, the three-degree-of-freedom actuator 50 according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 20 is a schematic diagram illustrating a three-degree-of-freedom actuator 50 according to the second embodiment. As shown in FIG. 20, the three-degree-of-freedom actuator 50 includes a base 51, a first actuator plate 52, a second actuator plate 53, a third actuator plate 54, a first connecting member 55, and a second connection. The member 56, the third connecting member 57, and the action member 58 are configured. The three-degree-of-freedom actuator 50 is configured to be able to move the action member 58 in the X direction, the Y direction, and the Z direction with respect to the base 51.
Here, the base 51 is substantially the same as the base 41 of the two-degree-of-freedom actuator 32 in the first embodiment. The first actuator plate 52, the second actuator plate 53, and the third actuator plate 54 are each fixed to the base 51. The detailed configurations of the first to third actuator plates 52 to 54 are substantially the same as the first actuator plate 42 of the two-degree-of-freedom actuator 32 in the first embodiment.
The 1st connection member 55 consists of steel materials, and has comprised the rectangular parallelepiped shape. One end side of the first connecting member 55 is connected to the other end side of the first actuator plate 52 via a ball joint. That is, the first connecting member 55 is rotatable about the X axis, the Y axis, and the Z axis with respect to the first actuator plate 52.
The 2nd connection member 56 consists of steel materials, and has comprised the rectangular parallelepiped shape. One end side of the second connecting member 56 is connected to the other end side of the second actuator plate 53 via a ball joint. That is, the second connecting member 56 is rotatable about the X axis, the Y axis, and the Z axis with respect to the second actuator plate 53.
The 3rd connection member 57 consists of steel materials, and has comprised the rectangular parallelepiped shape. One end side of the third connecting member 57 is connected to the other end side of the third actuator plate 54 via a ball joint. That is, the third connecting member 57 is rotatable about the X axis, the Y axis, and the Z axis with respect to the third actuator plate 54.
The action member 58 is connected to the other end side of the first connecting member 55 and the other end side of the second connecting member 56 via a ball joint. That is, the action member 58 is rotatable about the X axis, the Y axis, and the Z axis with respect to the first connecting member 55 and the second connecting member 56. Further, the action member 58 is fixed to the other end side of the third connecting member 57. The action member 58 is connected and fixed to one end side of the tactile pin 33.
(4) Third embodiment
The two-degree-of-freedom actuator 32 in the first embodiment and the three-degree-of-freedom actuator 50 in the second embodiment are both so-called parallel types. That is, the plurality of actuator plates 42, 43, 52 to 54 constituting the two-degree-of-freedom actuator 32 and the three-degree-of-freedom actuator 50 are fixed to the bases 41, 51.
On the other hand, a so-called serial type actuator can be considered. That is, the two-degree-of-freedom actuator 32 in the first embodiment can be replaced with the serial type two-degree-of-freedom actuators 60 and 70. The serial type two-degree-of-freedom actuators 60 and 70 will be described with reference to FIGS. 21 and 22. FIG. 21 shows the serial type two-degree-of-freedom actuator 60. FIG. 22 shows the serial type two-degree-of-freedom actuator 70.
As shown in FIG. 21, the serial type two-degree-of-freedom actuator 60 includes a base 61, a first actuator plate 62, a second actuator plate 63, and an action member 64. The first and second actuator plates 62 and 63 have substantially the same configuration as the first actuator plate 42 of the two-degree-of-freedom actuator 32 in the first embodiment described above. One end side of the first actuator plate 62 is fixed to the base 61. Here, the first actuator plate 62 is fixed to the base 61 so as to extend in the Z-axis direction and so that the other end can be flexibly deformed with respect to the one end on the YZ plane. . That is, the other end side of the first actuator plate 62 can swing around the X axis with respect to the one end side.
One end side of the second actuator plate 63 is fixed to the other end side of the first actuator plate 62 so as to be orthogonal to the first actuator plate 62. Specifically, the second actuator plate 63 is fixed to the first actuator plate 62 so as to extend in the Y-axis direction. Further, the second actuator plate 63 is configured such that the other end side can be flexibly deformed with respect to the one end side on the XY plane. That is, the other end side of the second actuator plate 63 can swing around the Z axis with respect to the one end side.
The action member 64 is fixed to the other end side of the second actuator plate 63. The action member 64 is connected and fixed to one end side of the tactile pin 33.
That is, by applying a voltage to the piezoelectric element of the first actuator plate 62, the action member 64 moves in the Y direction with respect to the base 61. Further, by applying a voltage to the piezoelectric element of the second actuator plate 63, the action member 64 moves in the X direction with respect to the base 61.
Next, as shown in FIG. 22, the serial type two-degree-of-freedom actuator 70 includes a base 71, a first actuator plate 72, a second actuator plate 73, a third actuator plate 74, and an action member 75. Composed.
The first, second, and third actuator plates 72, 73, and 74 have substantially the same configuration as the first actuator plate 42 of the two-degree-of-freedom actuator 32 in the first embodiment described above. One end side of the first actuator plate 72 is fixed to the base 71. Here, the first actuator plate 72 is fixed to the base 71 so as to extend in the Z-axis direction and to be deformable at the other end side with respect to the one end side on the YZ plane. . That is, the other end side of the first actuator plate 72 can swing around the X axis with respect to the one end side.
The second actuator plate 73 is disposed in parallel with the first actuator plate 72. That is, one end side of the second actuator plate 73 is fixed to the base 71. The second actuator plate 73 is fixed to the base 71 so as to extend in the Z-axis direction and to be able to bend and deform at the other end side with respect to the one end side on the YZ plane. That is, the other end side of the second actuator plate 73 can swing around the X axis with respect to the one end side.
One end side of the third actuator plate 74 is fixed to the other end side of the first actuator plate 72 and the second actuator plate 73 so as to be orthogonal to the first actuator plate 72 and the second actuator plate 73. Specifically, the third actuator plate 74 is fixed to the first actuator plate 72 and the second actuator plate 73 so as to extend in the Y-axis direction. Further, the third actuator plate 74 is configured such that the other end can be flexibly deformed with respect to the one end on the XY plane. That is, the other end side of the third actuator plate 74 can swing around the Z axis with respect to the one end side.
The action member 75 is fixed to the other end side of the third actuator plate 74. The action member 75 is connected and fixed to one end of the tactile pin 33.
That is, by applying a voltage to the piezoelectric elements of the first actuator plate 72 and the second actuator plate 73, the action member 75 moves in the Y direction with respect to the base 71. Further, by applying a voltage to the piezoelectric element of the third actuator plate 74, the action member 75 moves in the X direction with respect to the base 71. And rigidity can be improved by arrange | positioning the 1st actuator plate 72 and the 2nd actuator plate 73 in parallel.
Further, the three-degree-of-freedom actuator 50 in the second embodiment can be replaced with a serial type three-degree-of-freedom actuator 80. Therefore, the serial type three-degree-of-freedom actuator 80 will be described with reference to FIG. FIG. 23 shows the serial type three-degree-of-freedom actuator 80. In the serial type three-degree-of-freedom actuator 80, the same components as those in the serial type two-degree-of-freedom actuator 60 shown in FIG.
The serial three-degree-of-freedom actuator 80 includes a base 61, a first actuator plate 62, a second actuator plate 63, a third actuator plate 81, and an action member 82. The first, second, and third actuator plates 62, 63, and 81 have substantially the same configuration as the first actuator plate 42 of the two-degree-of-freedom actuator 32 in the first embodiment described above.
One end side of the third actuator plate 81 is fixed to the other end side of the second actuator plate 63 so as to be orthogonal to the first and second actuator plates 62 and 63. Specifically, the third actuator plate 81 is fixed to the second actuator plate 63 so as to extend in the X-axis direction. Further, the third actuator plate 81 is configured such that the other end side can be flexibly deformed with respect to the one end side on the XZ plane. That is, the other end side of the third actuator plate 81 can swing around the Y axis with respect to the one end side.
The action member 82 is fixed to the other end side of the third actuator plate 81. The action member 82 is connected and fixed to one end side of the tactile pin 33.
That is, by applying a voltage to the piezoelectric element of the first actuator plate 62, the action member 82 moves in the Y direction with respect to the base 61. Further, by applying a voltage to the piezoelectric element of the second actuator plate 63, the action member 82 moves in the X direction with respect to the base 61. Further, by applying a voltage to the piezoelectric element of the third actuator plate 81, the action member 82 moves in the Z direction with respect to the base 61.
In addition, by making the said piezoelectric element the same magnitude | size as the piezoelectric element of the said 1st Embodiment, the pin space | interval of the tactile pin 33 can be reliably made into 2 mm or less. Specifically, the lateral width and thickness of the piezoelectric element are caused.
(5) Fourth embodiment
Next, in the first to third embodiments, the tactile display device 1 has been described. Here, the two-degree-of-freedom actuators 32, 60, 70 and the three-degree-of-freedom actuators 50, 80 constituting the tactile display device 1 can also be applied to a handling device 90 described below. The handling device 90 is a device that can grip and transport an object. For example, when the handling device 90 includes a first gripping member and a second gripping member as a part for gripping an object, the two-degree-of-freedom actuator 32 described above for driving the first gripping member and the second gripping member, 60, 70 or three degree of freedom actuators 50, 80 are used.
For example, a case where the two-degree-of-freedom actuator 32 constituting the tactile display device 1 of the first embodiment is applied to the handling device 90 will be described with reference to FIG. FIG. 24 is a diagram showing the handling device 90.
As shown in FIG. 24, the handling device 90 includes a first two-degree-of-freedom actuator 91, a second two-degree-of-freedom actuator 92, a first gripping member 93, and a second gripping member 94.
The first two-degree-of-freedom actuator 91 and the second two-degree-of-freedom actuator 92 are the two-degree-of-freedom actuator 32 constituting the tactile display device 1 of the first embodiment described above. That is, the first two-degree-of-freedom actuator 91 enables the action member to move in the two orthogonal axes with respect to the base. In addition, the second two-degree-of-freedom actuator 92 enables the action member to move in two orthogonal axes with respect to the base.
The first gripping member 93 is connected to the action member of the first two-degree-of-freedom actuator 91. The second gripping member 94 is connected to the action member of the second two-degree-of-freedom actuator 92. That is, the first gripping member 93 moves in the orthogonal biaxial direction by driving the first two-degree-of-freedom actuator 91. The second gripping member 94 moves in the orthogonal biaxial direction by driving the second two-degree-of-freedom actuator 92.
Then, by moving the first gripping member 93 and the second gripping member 94, it is possible to grip the object so as to sandwich the object between the first gripping member 93 and the second gripping member 94. Furthermore, an object can be conveyed by moving the 1st holding member 93 and the 2nd holding member 94 in the state which hold | gripped the object.

Claims (21)

ヒトの皮膚に対し、接触可能な第１面に複数の孔を備えた触覚呈示部材と、
それぞれが複数のアクチュエータ部材と複数の連結部材とを備えてなり、基台に対して少なくとも直交２軸方向に移動可能な作用部材を有する複数の多自由度アクチュエータと、
前記複数の孔からそれぞれ突出し、それぞれの前記作用部材に連結され、前記作用部材の前記基台に対する動作に伴い少なくとも前記触覚呈示部材の前記第１面に平行な方向に移動可能で、突出端を前記ヒトの皮膚に当接させ、前記ヒトの皮膚に物体の表面性状感及び物体のトルク感に相当する触覚を呈示する複数の触知ピンと、
を備え、
それぞれの前記アクチュエータ部材は、たわみ変形可能であって該一端側を前記基台に固定された基部と、前記基部の少なくとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより前記基部の一端側に対して他端側を揺動自在に駆動する圧電素子と、を備え、
それぞれの前記連結部材は、一端側をそれぞれの前記基部の前記他端側に回転可能に連結し、他端側を回転可能に相互に連結し合い、
前記作用部材は、一の前記連結部材の前記他端側に固定され、且つ、他の前記連結部材の前記他端側に回転可能に連結されることを特徴とする触覚ディスプレイ装置。A tactile sensation-presenting member having a plurality of holes on the first surface that can contact human skin;
A plurality of multi-degree-of-freedom actuators each having a plurality of actuator members and a plurality of connecting members, each having a working member movable in at least two orthogonal axes with respect to the base;
Each of the plurality of holes protrudes, is connected to each of the action members, and is movable at least in a direction parallel to the first surface of the tactile sense presentation member in accordance with the operation of the action member with respect to the base. A plurality of tactile pins which are brought into contact with the human skin and present a tactile sensation corresponding to the surface texture of the object and the torque of the object on the human skin;
Equipped with a,
Each of the actuator members can be flexibly deformed, and has a base portion whose one end is fixed to the base, and is disposed on at least one surface of the base and is applied with a voltage to one end side of the base. And a piezoelectric element for driving the other end side in a swingable manner,
Each of the connecting members, one end side is rotatably connected to the other end side of the base, and the other end side is rotatably connected to each other.
It said working member, one fixed to said the other end of the connecting member, and, tactile display device according to claim Rukoto rotatably connected to the other end of the other of said coupling member. 前記触知ピンは、前記第１面に平行な直交２軸方向に移動可能な第１触知ピンを備える請求項１記載の触覚ディスプレイ装置。  The tactile display device according to claim 1, wherein the tactile pin includes a first tactile pin that is movable in two orthogonal axes parallel to the first surface. 前記触知ピンは、
前記第１触知ピンと、
前記第１面に垂直方向に移動可能な第２触知ピンと、
を備える請求項２記載の触覚ディスプレイ装置。The tactile pin is
The first tactile pin;
A second tactile pin movable in a direction perpendicular to the first surface;
A tactile display device according to claim 2. 前記第１触知ピン及び前記第２触知ピンは、それぞれ複数からなり、
複数の前記第１触知ピン及び複数の前記第２触知ピンは、それぞれ市松模様状に配列される請求項３記載の触覚ディスプレイ装置。Each of the first tactile pin and the second tactile pin comprises a plurality of
The tactile display device according to claim 3, wherein the plurality of first tactile pins and the plurality of second tactile pins are each arranged in a checkered pattern. 前記触知ピンは、前記第１面に平行な第１の軸方向及び前記第１面に垂直方向に移動可能な第３触知ピンを備える請求項１記載の触覚ディスプレイ装置。  The tactile display device according to claim 1, wherein the tactile pin includes a third tactile pin movable in a first axial direction parallel to the first surface and in a direction perpendicular to the first surface. 前記触知ピンは、
前記第３触知ピンと、
前記第１面に平行であって前記第１の軸方向に垂直な第２の軸方向及び前記第１面に垂直方向に移動可能な第４触知ピンと、
を備える請求項５記載の触覚ディスプレイ装置。The tactile pin is
The third tactile pin;
A fourth tactile pin movable in a second axial direction parallel to the first surface and perpendicular to the first axial direction and in a direction perpendicular to the first surface;
The tactile display device according to claim 5. 前記第３触知ピン及び前記第４触知ピンは、それぞれ複数からなり、
複数の前記第３触知ピン及び複数の前記第４触知ピンは、それぞれ市松模様状に配列される請求項６記載の触覚ディスプレイ装置。Each of the third tactile pin and the fourth tactile pin comprises a plurality of
The tactile display device according to claim 6, wherein the plurality of third tactile pins and the plurality of fourth tactile pins are each arranged in a checkered pattern. 前記触知ピンは、前記第１面に平行な直交２軸方向及び前記第１面に垂直方向に移動可能な第５触知ピンを備える請求項１記載の触覚ディスプレイ装置。  The tactile display device according to claim 1, wherein the tactile pin includes a fifth tactile pin that is movable in two perpendicular directions parallel to the first surface and in a direction perpendicular to the first surface. 前記アクチュエータ部材及び前記連結部材は、それぞれ２個であり、
それぞれの前記アクチュエータ部材の揺動軸は、平行であり、
それぞれの前記連結部材の前記一端側は、前記アクチュエータ部材の揺動軸に平行な軸回りに回転可能に連結され、
それぞれの前記連結部材の前記他端側は、前記アクチュエータ部材の揺動軸に平行な軸回りに回転可能に相互に連結し合う請求項１に記載の触覚ディスプレイ装置。The actuator member and the connecting member are each two pieces,
The swing axis of each actuator member is parallel,
The one end side of each of the connecting members is connected to be rotatable around an axis parallel to the swing axis of the actuator member,
2. The tactile display device according to claim 1, wherein the other end side of each of the connecting members is connected to each other so as to be rotatable around an axis parallel to a swing axis of the actuator member. 前記アクチュエータ部材及び前記連結部材は、それぞれ３個であり、
それぞれの前記連結部材の前記一端側は、それぞれの前記基部の前記他端側にボールジョイント又はユニバーサルジョイントを介して連結され、
それぞれの前記連結部材の前記他端側は、ボールジョイント又はユニバーサルジョイントを介して相互に連結し合う請求項１に記載の触覚ディスプレイ装置。The actuator member and the connecting member are each three.
The one end side of each of the connecting members is connected to the other end side of each of the base portions via a ball joint or a universal joint,
The tactile display device according to claim 1, wherein the other end side of each of the connecting members is connected to each other via a ball joint or a universal joint. 前記アクチュエータ部材の揺動軸回りにおいて、前記基台面上のうち前記基部の前記一端側と前記基台との固定位置から他の前記基部に近接する方向を零度と規定し、前記基部が前記基台面上に垂直となる状態を９０度と規定した場合に、
前記アクチュエータ部材の揺動軸回りにおける前記基部と前記基台面とのなす角度は、３０〜６０度の範囲である請求項１，９，１０の何れか一項に記載の触覚ディスプレイ装置。Around the swing axis of the actuator member, a direction in which the one end side of the base and the base are close to each other on the base surface is defined as zero degrees, and the base is the base. When the vertical state on the surface is defined as 90 degrees,
11. The tactile display device according to claim 1, wherein an angle formed by the base portion and the base surface around the swing axis of the actuator member is in a range of 30 to 60 degrees. 前記圧電素子に電圧を印加していない状態において、一の前記連結部材と他の前記連結部材とは、屈曲した状態となる請求項１，９〜１１の何れか一項に記載の触覚ディスプレイ装置。12. The tactile display device according to claim 1, wherein one connecting member and the other connecting member are bent in a state where no voltage is applied to the piezoelectric element. . 前記圧電素子に電圧を印加していない状態において、前記連結部材の長さに対するそれぞれの前記連結部材の前記一端側の離間距離の割合は、１．０〜２．０の範囲である請求項１，９〜１２の何れか一項に記載の触覚ディスプレイ装置。In a state where no voltage is applied to the piezoelectric element, proportion of the one end of the distance of each said connecting member to the length of the connecting member, according to claim 1 in the range of 1.0 to 2.0 , 9 to 12. The tactile display device according to any one of claims 9 to 12 . 基台に対して少なくとも２自由度を有する作用部材を備える多自由度アクチュエータであって、
複数のアクチュエータ部材と複数の連結部材とを備え、
それぞれの前記アクチュエータ部材は、たわみ変形可能であって該一端側を前記基台に固定された基部と、前記基部の少なくとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより前記基部の一端側に対して他端側を揺動自在に駆動する圧電素子と、を備え、
それぞれの前記連結部材は、一端側をそれぞれの前記基部の前記他端側に回転可能に連結し、他端側を回転可能に相互に連結し合い、
前記作用部材は、一の前記連結部材の前記他端側に固定され、且つ、他の前記連結部材の前記他端側に回転可能に連結されることを特徴とする多自由度アクチュエータ。A multi-degree-of-freedom actuator comprising an action member having at least two degrees of freedom with respect to a base,
A plurality of actuator members and a plurality of connecting members ;
Each of the actuator members can be flexibly deformed , and has a base portion whose one end is fixed to the base, and is disposed on at least one surface of the base and is applied with a voltage to one end side of the base. And a piezoelectric element for driving the other end side in a swingable manner ,
Each of the connecting members, one end side is rotatably connected to the other end side of the base, and the other end side is rotatably connected to each other.
Said working member is secured to the other end of one of the connecting member, and, multi-degree-of-freedom actuator, wherein Rukoto rotatably connected to the other end of the other of said coupling member. 前記アクチュエータ部材及び前記連結部材は、それぞれ２個であり、
それぞれの前記アクチュエータ部材の揺動軸は、平行であり、
それぞれの前記連結部材の前記一端側は、前記アクチュエータ部材の揺動軸に平行な軸回りに回転可能に連結され、
それぞれの前記連結部材の前記他端側は、前記アクチュエータ部材の揺動軸に平行な軸回りに回転可能に相互に連結し合う請求項１４記載の多自由度アクチュエータ。The actuator member and the connecting member are each two pieces,
The swing axis of each actuator member is parallel,
The one end side of each of the connecting members is connected to be rotatable around an axis parallel to the swing axis of the actuator member,
The multi-degree-of-freedom actuator according to claim 14 , wherein the other end side of each of the connecting members is connected to each other so as to be rotatable around an axis parallel to the swing axis of the actuator member. 前記アクチュエータ部材及び前記連結部材は、それぞれ３個であり、
それぞれの前記連結部材の前記一端側は、それぞれの前記基部の前記他端側にボールジョイント又はユニバーサルジョイントを介して連結され、
それぞれの前記連結部材の前記他端側は、ボールジョイント又はユニバーサルジョイントを介して相互に連結し合う請求項１４記載の多自由度アクチュエータ。The actuator member and the connecting member are each three.
The one end side of each of the connecting members is connected to the other end side of each of the base portions via a ball joint or a universal joint,
The multi-degree-of-freedom actuator according to claim 14 , wherein the other end side of each of the connecting members is connected to each other via a ball joint or a universal joint. 前記アクチュエータ部材の揺動軸回りにおいて、前記基台面上のうち前記基部の前記一端側と前記基台との固定位置から他の前記基部に近接する方向を零度と規定し、前記基部が前記基台面上に垂直となる状態を９０度と規定した場合に、
前記アクチュエータ部材の揺動軸回りにおける前記基部と前記基台面とのなす角度は、３０〜６０度の範囲である請求項１４〜１６の何れか一項に記載の多自由度アクチュエータ。Around the swing axis of the actuator member, a direction in which the one end side of the base and the base are close to each other on the base surface is defined as zero degrees, and the base is the base. When the vertical state on the surface is defined as 90 degrees,
The multi-degree-of-freedom actuator according to any one of claims 14 to 16 , wherein an angle formed between the base portion and the base surface around a swing axis of the actuator member is in a range of 30 to 60 degrees. 前記圧電素子に電圧を印加していない状態において、一の前記連結部材と他の前記連結部材とは、屈曲した状態となる請求項１４〜１７の何れか一項に記載の多自由度アクチュエータ。The multi-degree-of-freedom actuator according to any one of claims 14 to 17 , wherein one of the connecting members and the other connecting member are bent in a state where no voltage is applied to the piezoelectric element. 前記圧電素子に電圧を印加していない状態において、前記連結部材の長さに対するそれぞれの前記連結部材の前記一端側の離間距離の割合は、１．０〜２．０の範囲である請求項１４〜１８の何れか一項に記載の多自由度アクチュエータ。Wherein in a state where no voltage is applied to the piezoelectric element, the one end side ratio of the distance of each of the connecting member to the length of the connecting member, claim a range of 1.0 to 2.0 14 The multi-degree-of-freedom actuator according to any one of -18 . 前記作用部材の目標移動量及び前記圧電素子に印加している現在電圧値に基づいて、ニューラルネットワークを用いて電圧変化量を算出する電圧変化量算出部と、
前記電圧変化量を積分して前記圧電素子に印加すべき電圧値を算出し、前記圧電素子に印加する電圧印加部と、
を備える請求項１４〜１９の何れか一項に記載の多自由度アクチュエータ。A voltage change amount calculation unit that calculates a voltage change amount using a neural network based on a target movement amount of the action member and a current voltage value applied to the piezoelectric element;
A voltage value to be applied to the piezoelectric element by integrating the voltage change amount, and a voltage application unit to be applied to the piezoelectric element;
The multi-degree-of-freedom actuator according to any one of claims 14 to 19 . 基台に対して少なくとも直交２軸方向に移動可能な第１作用部材を有する第１の多自由度アクチュエータと、
前記基台に対して少なくとも前記直交２軸方向に移動可能な第２作用部材を有する第２の多自由度アクチュエータと、
前記第１作用部材に連結される第１把持部材と、
前記第２作用部材に連結される第２把持部材と、
を備え、
前記第１の多自由度アクチュエータ及び前記第２の多自由度アクチュエータの少なくとも何れか一方は、
複数のアクチュエータ部材と複数の連結部材とを備え、
それぞれの前記アクチュエータ部材は、たわみ変形可能であって該一端側を前記基台に固定された基部と、前記基部の少なくとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより前記基部の一端側に対して他端側を揺動自在に駆動する圧電素子と、を備え、
それぞれの前記連結部材は、一端側をそれぞれの前記基部の前記他端側に回転可能に連結し、他端側を回転可能に相互に連結し合い、
前記作用部材は、一の前記連結部材の前記他端側に固定され、且つ、他の前記連結部材の前記他端側に回転可能に連結されることを特徴とするハンドリング装置。A first multi-degree-of-freedom actuator having a first action member movable in at least two orthogonal axes with respect to the base;
A second multi-degree-of-freedom actuator having a second action member that is movable in at least the two orthogonal axes with respect to the base;
A first gripping member coupled to the first action member;
A second gripping member connected to the second action member;
With
At least one of the first multi-degree-of-freedom actuator and the second multi-degree-of-freedom actuator is:
A plurality of actuator members and a plurality of connecting members ;
Each of the actuator members can be flexibly deformed , and has a base portion whose one end is fixed to the base, and is disposed on at least one surface of the base and is applied with a voltage to one end side of the base. And a piezoelectric element for driving the other end side in a swingable manner ,
Each of the connecting members, one end side is rotatably connected to the other end side of the base, and the other end side is rotatably connected to each other.
It said working member is secured to the other end of one of the connecting member, and handling apparatus according to claim Rukoto rotatably connected to the other end of the other of said coupling member.
JP2008510893A 2006-03-23 2007-03-23 Tactile display device, multi-degree-of-freedom actuator, and handling device Active JP4982877B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008510893A JP4982877B2 (en) 2006-03-23 2007-03-23 Tactile display device, multi-degree-of-freedom actuator, and handling device

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006081528 2006-03-23
JP2006081528 2006-03-23
PCT/JP2007/057027 WO2007119603A1 (en) 2006-03-23 2007-03-23 Tactile display, multi-degree-of-freedom actuator, and handler
JP2008510893A JP4982877B2 (en) 2006-03-23 2007-03-23 Tactile display device, multi-degree-of-freedom actuator, and handling device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2007119603A1 JPWO2007119603A1 (en) 2009-08-27
JP4982877B2 true JP4982877B2 (en) 2012-07-25

Family

ID=38609372

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008510893A Active JP4982877B2 (en) 2006-03-23 2007-03-23 Tactile display device, multi-degree-of-freedom actuator, and handling device

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP4982877B2 (en)
WO (1) WO2007119603A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210096541A (en) * 2020-01-28 2021-08-05 한국과학기술원 Wearable tactile display device for presentation of continuous parameters using multiple skin stretch tactors and operating method thereof
US11538315B2 (en) 2018-08-29 2022-12-27 Sony Corporation Tactile sensation presenting device and tactile sensation presenting system

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8540571B2 (en) * 2010-03-31 2013-09-24 Immersion Corporation System and method for providing haptic stimulus based on position
US9368046B2 (en) 2010-07-14 2016-06-14 Macronix International Co., Ltd. Color tactile vision system
CN102335064B (en) * 2010-07-27 2013-08-14 旺宏电子股份有限公司 Colored touch and visual system, touch display writer, and touch display writing unit and method
JP5985870B2 (en) * 2012-04-19 2016-09-06 トヨタ自動車株式会社 Shape calibration method
JP6088208B2 (en) * 2012-11-02 2017-03-01 日本放送協会 Haptic display device
JP6015561B2 (en) * 2013-05-30 2016-10-26 株式会社デンソー In-vehicle operation device
JP6233961B2 (en) * 2013-11-01 2017-11-22 国立大学法人東京工業大学 Fingertip stimulation system
KR102237597B1 (en) * 2014-02-18 2021-04-07 삼성전자주식회사 Master device for surgical robot and control method thereof
JP6376834B2 (en) * 2014-05-16 2018-08-22 株式会社ミツトヨ Information transmission system
JP6386425B2 (en) * 2015-08-06 2018-09-05 日本電信電話株式会社 Force display device
JP6905384B2 (en) * 2017-04-20 2021-07-21 日本放送協会 Force presenter and virtual force presenter

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003111456A (en) * 2001-09-28 2003-04-11 Rikogaku Shinkokai Piezoelectric actuator, active braille unit and work support
JP2003209981A (en) * 2002-01-16 2003-07-25 Seiko Instruments Inc Piezoelectric actuator and electronic apparatus comprising it
JP2003534620A (en) * 2000-05-24 2003-11-18 イマージョン コーポレイション Haptic device and method using electroactive polymer
JP2005328270A (en) * 2004-05-13 2005-11-24 Hitachi Ltd Tactile stimulation communication device
WO2005122380A1 (en) * 2004-06-07 2005-12-22 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Actuator and micromotion mechanism having such actuator and camera module having such micromotion mechanism

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003534620A (en) * 2000-05-24 2003-11-18 イマージョン コーポレイション Haptic device and method using electroactive polymer
JP2003111456A (en) * 2001-09-28 2003-04-11 Rikogaku Shinkokai Piezoelectric actuator, active braille unit and work support
JP2003209981A (en) * 2002-01-16 2003-07-25 Seiko Instruments Inc Piezoelectric actuator and electronic apparatus comprising it
JP2005328270A (en) * 2004-05-13 2005-11-24 Hitachi Ltd Tactile stimulation communication device
WO2005122380A1 (en) * 2004-06-07 2005-12-22 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Actuator and micromotion mechanism having such actuator and camera module having such micromotion mechanism

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11538315B2 (en) 2018-08-29 2022-12-27 Sony Corporation Tactile sensation presenting device and tactile sensation presenting system
KR20210096541A (en) * 2020-01-28 2021-08-05 한국과학기술원 Wearable tactile display device for presentation of continuous parameters using multiple skin stretch tactors and operating method thereof
KR102339031B1 (en) 2020-01-28 2021-12-14 한국과학기술원 Wearable tactile display device for presentation of continuous parameters using multiple skin stretch tactors and operating method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2007119603A1 (en) 2009-08-27
WO2007119603A1 (en) 2007-10-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4982877B2 (en) Tactile display device, multi-degree-of-freedom actuator, and handling device
Hannaford et al. Haptics
Biggs et al. Haptic interfaces
US5709219A (en) Method and apparatus to create a complex tactile sensation
US7920124B2 (en) Force sense presentation device, mixed reality system, information processing method, and information processing apparatus
US8350843B2 (en) Virtual hand: a new 3-D haptic interface and system for virtual environments
US8610548B1 (en) Compact shear tactile feedback device and related methods
O’malley et al. Haptic interfaces
JP2019121397A (en) System and method for providing haptic effect related to contacting or grasping virtual object
JP3624374B2 (en) Force display device
US20190377412A1 (en) Force Rendering Haptic Glove
JP2004029999A (en) Tactile force display hand and its manufacturing method
Fishel et al. Tactile telerobots for dull, dirty, dangerous, and inaccessible tasks
Giraud et al. Haptigami: A fingertip haptic interface with vibrotactile and 3-DoF cutaneous force feedback
JP2012221074A (en) Operation device
Sieber et al. A novel haptic platform for real time bilateral biomanipulation with a MEMS sensor for triaxial force feedback
Nasab et al. Design and development of a multi-axis force sensor based on the hall effect with decouple structure
Pacchierotti et al. Cutaneous/tactile haptic feedback in robotic teleoperation: Motivation, survey, and perspectives
Falck et al. DE VITO: A dual-arm, high degree-of-freedom, lightweight, inexpensive, passive upper-limb exoskeleton for robot teleoperation
Evreinova et al. From kinesthetic sense to new interaction concepts: Feasibility and constraints
JP2000329511A (en) Data gloves and shape recognizing method using the same
Lim et al. Development of embedded sensor system for 5-dof finger-wearable tactile interface
Torabi et al. Kinematic design of linkage-based haptic interfaces for medical applications: a review
Sato et al. Micro-teleoperation with manual task execution posture
Sato et al. Micro teleoperation system concentrating visual and force information at operator's hand

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20100204

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20111227

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120224

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120329

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4982877

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350