JP6088208B2 - 触力覚提示装置 - Google Patents
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Description
また、請求項1に記載の発明によれば、触力覚提示装置は、全体の演算処理をスムーズに行うことができる。
請求項2に記載の発明によれば、触力覚提示装置は、少なくとも3台の力覚提示装置の力覚提示部を、利用者の触力覚受容領域に配置し易くなる。
請求項3に記載の発明によれば、触力覚提示装置は、計算時間を短縮し、処理をスムーズに行うことができる。
請求項4に記載の発明によれば、触力覚提示装置は、表面の硬さが一様ではない仮想物体の情報を触察により分かり易く伝達することができる。
[触力覚提示装置の概要]
本発明の第1実施形態に係る触力覚提示装置について図1および図2を参照して説明する。触力覚提示装置1は、3自由度のアクチュエータを用いた力覚提示装置10を少なくとも3台備えている。本実施形態では、一例として、触力覚提示装置1が3台の力覚提示装置10を備えているものとして説明する。ここで、3自由度のアクチュエータを3台としたのは、2台では平面の点と点とを繋ぐ線にしかならないが、3台あればその3点で面を形成できることから仮想物体の表面形状としての平面やエッジを表現でき、利用者は仮想物体の表面形状を認識し易くなるからである。ちなみに1自由度のアクチュエータでは、3台以上あったとしても、利用者にとっては、指先は常に平面と接していることから、指の皮膚での物体形状の知覚や、物体の輪郭に沿った触察を実現することはできない。なお、図1では、力覚提示装置10a,10b,10cと表記して区別し、また、その構成要素の符号に記号a,b,cを付加したが、特に区別しない場合、記号a,b,cを省略して説明する。
図1に示す触力覚提示装置1は、3台の力覚提示装置10と、それらを制御する制御装置とを備えている。制御装置は、例えばCPU(Central Processing Unit)等の演算装置と、メモリ、ハードディスク等の記憶手段と、外部との各種情報の送受信を行う入出力インタフェースとを備えている。この制御装置は、インストールされたプログラムと前記ハードウェア装置とが協働し、図1に示すように、3次元位置データ入力部20と、力ベクトルデータ出力部25と、座標系変換部30と、反力ベクトル算出部40と、記憶部50とを備えている。
力覚提示装置10は、アクチュエータによりユーザの指などにおける任意の面積の皮膚に力覚刺激を与える機能と、実空間における当該皮膚の3次元位置を取得するセンサとしての機能を有していれば、従来公知のものや市販されているものを利用することができる。例えば、背景技術にて説明した前記第1の手法を前提とする装置を利用してもよいし、図8に示す感覚伝達装置101等を用いてもよい。また、3台の力覚提示装置10として、異なるタイプの力覚提示装置や異なるタイプのアクチュエータを併用してもよい。
力覚提示装置10は、図1に示すように、力覚提示部11と、アーム12と、位置センサ13と、アクチュエータ14とを備えている。
力覚提示部11には、利用者の皮膚が直接接触してアーム12の先端であることが分かるような構造を採用することができる。触力覚提示装置1に用いる力覚提示装置10の台数に応じて、力覚提示部11の形状、大きさ、硬度、材質を適宜選択することができる。本実施形態のように力覚提示装置10が3台の場合、図2(b)に示すように、一例として数mmの大きさの鉄球を用いることができる。なお、反力ベクトル算出部40は、図2(b)に示す3つの力覚提示部11の実空間位置に対応させて、図2(a)に示す仮想空間内に3つのポインタPを定義して生成する。図2(a)に示す仮想空間内のオブジェクト(仮想物体)OBを、図2(b)に示す実空間内に破線で表している。
アーム12は、1つ以上のリンクで構成される。例えばリンクが1つの場合、手首関節を動かすアームに対応し、2つの場合、肘関節も動かすアームに対応し、3つの場合、肩関節も動かすアームに対応する。図2(b)には、一例として1つのリンクで構成されたアームを備える力覚提示装置10を模式的に示した。なお、アーム12を、例えば図8に示す感覚伝達装置101のアーム104のように2つのリンクで構成してもよい。
位置センサ13は、回転量や回転角度等の回転情報を計測するロータリエンコーダや、平行移動の移動情報を計測するリニアエンコーダ等で構成され、アーム12の関節等に配置されている。
≪アクチュエータ14≫
アクチュエータ14は、例えば、アーム12の関節の屈曲や伸縮の駆動力を発生するサーボモータ等で構成される。なお、アクチュエータ14が位置センサ13を備えるようにしてもよい。
記憶部50は、演算処理を行う前に予め格納された制御プログラムや各種情報、また、演算結果等を記憶するものであって、一般的なハードディスクや、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)等のメモリから構成される。記憶部50には、図1に示すように、オブジェクトデータ51やポインタパラメータテーブル52等のための記憶領域が確保される。なお、記憶内容は同じ記憶手段に記憶されていてもよいし、それぞれ他の記憶手段に分散記憶されていてもよい。
オブジェクトデータ51は、利用者に対して提示するオブジェクトの3次元形状(オブジェクト形状データ)や、その形状から定義されるベース(基準値)となる硬さの情報を表す。つまり、オブジェクトデータ51は、オブジェクト形状データと、オブジェクトの表面の硬さのパラメータ(表面物理パラメータ)の基準値(硬さの基準値)とを含んでいる。
ポインタパラメータテーブル52は、計算機上に構築した仮想空間において定義されたポインタ(図2(a)参照)の空間位置に対応した、ポインタの硬さのパラメータを、設定した情報である。
通常、ポインタの硬さのパラメータは、オブジェクトの硬さのパラメータと同様に一定であるものとして取り扱われている。一方、本実施形態では、オブジェクトの表面の硬さ分布が一様ではない場合も想定している。そこで、硬さ等の表面物理データを規定する各パラメータが、ポインタとオブジェクトとの相対的なパラメータであることに着目し、空間位置に応じてポインタ側のパラメータを適宜変更することで、オブジェクト形状データ(オブジェクトデータ51)とは独立なオブジェクトの表面物理データ53(図1参照)の再現を実現するために、ポインタパラメータテーブル52を用いることとした。このポインタパラメータテーブル52は、オブジェクトの表面の硬さ分布が一様ではない場合にも対応するために用いられる。なお、具体例については後記する。
ポインタパラメータテーブル52の形式として、一例として、図3(a)に示すような3次元表形式のデータを採用することができる。ここでは、所定の立体形状のボクセルを、ワールド座標系の原点から3軸の正の方向に順番に並べたときに、原点から数えて何番目のボクセルであるかによって識別する数値(順番)を、各軸方向の最大値をX,Y,Z(いずれも自然数)として表したものである。なお、ボクセルを識別する数値は0にはならない。
図3(a−1)に示すように、Z軸方向に1番目の位置において2次元配列されたボクセルの硬さのパラメータの数値は、XY平面内において原点から遠ざかるほど大きくなるように、つまり、仮想空間の原点から離れるほど硬くなってくるように設定されている。
ここで、仮想空間の原点から離れるほど硬くなってくるとは、実空間上では、実空間の原点から離れるほど力覚提示部11を指先で押したときに指先に対する反力が大きくなってくることを意味する。なお、オブジェクトの存在しない領域では指先に対する反力が0なので、そのような領域では力覚提示部11を指先で押すと自由に動く。
図3(a−2)に示すように、Z軸方向に2番目の位置において2次元配列されたボクセルの硬さのパラメータの数値は、XY平面内において原点から遠ざかるほど大きくなるように、つまり、仮想空間の原点から離れるほど硬くなってくるように設定されている。
図3(a−1)と図3(a−2)とを比べると、ボクセルの硬さのパラメータの数値は、原点からZ軸方向に遠ざかるほど大きくなるように、つまり、仮想空間の原点から離れるほど硬くなってくるように設定されていることが分かる。なお、図3(a−3)において、硬さのパラメータの具体的な数値を省略した。
図3(b−1)には、所定の立体形状のボクセルを、ワールド座標系の原点から3軸方向に並べたときの軸ごとのボクセルの順序(原点からの距離)を示す変数の定義域X,Y,Zと、軸ごとのボクセルの順序(原点からの距離)に所定の重み付けをすることで定義された硬さのパラメータCPの関数(式(1))と、を示す。
Y=1,2,…,5
Z=1,2,…,5
CP=0.1X+0.1Y+0.1Z
… 式(1)
また、図3(b−2)には、式(1)に対応して、ワールド座標系において、例えば立方体で表したボクセル(不図示)を、125(=5×5×5)個積み重ねたときに、ボクセル(不図示)において8つある頂点のうちの1つの頂点(左下の奥側の頂点)をすべて繋げたときの軌跡を立方体の各辺で示している。
<3次元位置データ入力部20>
3次元位置データ入力部20は、力覚提示装置10から取得する情報を制御装置に入力するための所定の入力インタフェースであり、力覚提示装置10の力覚提示部11の実空間位置のデータを入力する。3次元位置データ入力部20は、力覚提示装置10の実空間での3次元位置を単位時間(例えば1ミリ秒)ごとに取得して、座標系変換部30を介して反力ベクトル算出部40に提供する。なお、本実施形態では、図1に示すように、力覚提示装置10a,10b,10cに対応して、3次元位置データ入力部20a,20b,20cを備えることとした。
座標系変換部30は、各力覚提示装置10の個別座標系(ローカル座標系)にて記述される空間位置に対して、平行移動と回転移動とを組み合わせた演算処理を施すことで、全ての力覚提示装置10に共通である共通座標系(ワールド座標系)にて記述される空間位置に変換する演算処理を行うものである。この座標系変換部30は、CPU等の演算装置が、ROM(Read Only Memory)等に記憶された所定の座標系変換ソフトウェアをRAM(Random Access Memory)に展開して演算処理することにより実現される。なお、図2等では、直交座標系を左手系として示したが、本発明はこれに限らず右手系としてもよい。
同様に、座標系変換部30は、力覚提示部11bの実空間位置をワールド座標系に変換すると共に、反力ベクトル算出部40で算出された反力の3次元ベクトルをワールド座標系から力覚提示装置10bのローカル座標系に逆変換する。
同様に、座標系変換部30は、力覚提示部11cの実空間位置をワールド座標系に変換すると共に、反力ベクトル算出部40で算出された反力の3次元ベクトルをワールド座標系から力覚提示装置10cのローカル座標系に逆変換する。
力ベクトルデータ出力部25は、制御装置からの制御信号を力覚提示装置10に出力するための所定の出力インタフェースであり、反力ベクトル算出部40で算出された反力の3次元ベクトルを示す信号を、力覚提示装置10のアクチュエータ14に出力する。
本実施形態では、図1に示すように、力覚提示装置10a,10b,10cに対応して、力ベクトルデータ出力部25a,25b,25cを備えている。
力ベクトルデータ出力部25bは、ワールド座標系から力覚提示装置10bのローカル座標系に変換された反力の3次元ベクトルを示す信号を、力覚提示装置10bのアクチュエータ14bに出力する。
力ベクトルデータ出力部25cは、ワールド座標系から力覚提示装置10cのローカル座標系に変換された反力の3次元ベクトルを示す信号を、力覚提示装置10cのアクチュエータ14cに出力する。
反力ベクトル算出部40は、力覚提示部11の実空間位置に対応させて仮想空間内に定義して生成するポインタとオブジェクトとが干渉するか否かを判定し、干渉する場合、ポインタがオブジェクトから受ける反力の3次元ベクトルを算出するものである。この反力ベクトル算出部40は、CPU等の演算装置が、ROM等に記憶された所定の反力ベクトル算出ソフトウェアをRAMに展開して演算処理することにより実現される。
反力ベクトル算出部40は、力覚提示部11の実空間位置を、計算機上に構築した仮想空間に対応付けるために、予め定められた変換式を用いる。なお、変換式の代わりに変換テーブルを用いてもよい。これにより、反力ベクトル算出部40は、例えば、図2(b)に示す力覚提示部11の実空間位置に対応させて、図2(a)に示す仮想空間内にポインタPを生成することができる。
図4(a)に示すポインタパラメータテーブルにおけるY=1は、図4(b)に示す仮想空間のワールド座標系におけるZX平面(Y=0の平面)とY=1の平面とで挟まれる区間に対応している。同様に、ポインタパラメータテーブルにおけるY=2は、図4(b)に示すY=1の平面とY=2の平面とで挟まれる区間に対応している。
図4(a)に示すポインタパラメータテーブルにおけるZ=1は、図4(b)に示す仮想空間のワールド座標系におけるXY平面(Z=0の平面)とZ=1の平面とで挟まれる区間に対応している。同様に、ポインタパラメータテーブルにおけるZ=2は、図4(b)に示すZ=1の平面とZ=2の平面とで挟まれる区間に対応している。
つまり、ポインタパラメータテーブルの(X,Y,Z)と、図4(b)に示す8個のボクセルの位置との対応関係は次の通りである。
(1,1,1) = 左奥下
(1,2,1) = 左手前下
(2,1,1) = 右奥下
(2,2,1) = 右手前下
(1,1,2) = 左奥上
(1,2,2) = 左手前上
(2,1,2) = 右奥上
(2,2,2) = 右手前上
ポインタパラメータテーブルでは、図4(a)に示すように、(1,2,1)のボクセル、つまり、左手前下のボクセルにおいて、ポインタの硬さのパラメータとして0.7を予め設定してある。
また、(2,2,1)のボクセル、つまり、右手前下のボクセルにおいて、ポインタの硬さのパラメータとして0.8を予め設定してある。
さらに、(2,2,2)のボクセル、つまり、右手前上のボクセルにおいて、ポインタの硬さのパラメータとして1.0を予め設定してある。
同様に、(2,1,2)のボクセル、つまり、右奥上のボクセルにおいて、ポインタの硬さのパラメータとして0.8を予め設定してある。
さらに、追跡中のポインタが右手前上のボクセルから右奥上のボクセルに移動した場合、反力ベクトル算出部40は、同様に、ポインタの硬さのパラメータが0.8であるものとした上で、干渉判定を行う。
触力覚提示装置1の動作として、主として反力ベクトル算出部40の処理の流れの一例について図5を参照(適宜図1参照)して説明する。図5は、反力ベクトル算出部40における各ポインタPの追跡、各ポインタPとオブジェクトOBとの干渉の判定および反力の算出を時系列的に順次行う場合のフローチャートを示す。
なお、前記ステップS6において、ポインタとオブジェクトが干渉しない場合(ステップS6:No)、反力ベクトル算出部40は、ステップS10に進む。
本発明の第2実施形態に係る触力覚提示装置について図6および図7を参照(適宜図1および図2参照)して説明する。なお、第2実施形態に係る触力覚提示装置において、図1に示す触力覚提示装置1と同様な構成には同様の符号を付し、該当の説明を適宜省略し、全体構成図を省略する。
ガイド部71は、利用者の指90を指し込むときに指を本体部72に案内するものである。ガイド部71は、指90が差し込まれた状態で利用者の操作に追随できるような強度を有していれば、その形状、大きさ、硬度、材質を適宜選択することができる。例えば、材質について挙げると、軽量で、強度の強いプラスチック、特に加工性等を考慮すると、ポリカーボネートやアクリルなどの樹脂材料にて形成されていることが好ましい。
本体部72は、図6(c)に示すように、指の一部が接触する所定領域に力覚提示装置10の台数と同数の孔73a,73b,73cが設けられている。なお、本体部72は非常に薄く透明なので実際には孔73b,73cの輪郭が見える。
図6に示す例では、本体部72の先端は、ガイド部71の先端部に固着されている。本体部72は、ガイド部71の先端部に固着された状態で、指の腹側(下側)に孔73a,73b,73cが設けられている。図6(b)に示すように、力覚提示装置10の力覚提示部11a,11b,11cが、本体部72の孔73a,73b,73cを介して本体部72の内側にそれぞれ設けられている。力覚提示部11が本体部72の内側から孔73を介して抜けないように、孔73の大きさは、力覚提示部11の直径よりも小さくなっている。孔73a,73b,73cの位置は所定の大きさの三角形の各頂点に対応している。本体部72には、孔73a,73b,73c以外に、これらよりも大きな開口(貫通孔)が穿設されている。この開口の大きさは、例えば直径数〜十数mm程度である。この開口を通じて、図6(a)に示すように手の人差指の第1関節の腹側の直径数〜十数mm程度の領域を、力覚提示部11a,11b,11cに直接的に接触させることができる。
また、触力覚提示装置1には、1つの座標系変換部30を設けて変換および逆変換を行うこととしたが、これに限らず、代わりに、例えば、各3次元位置データ入力部20に座標系の変換機能を持たせ、かつ、各力ベクトルデータ出力部25に座標系の逆変換機能を持たせるようにしてもよい。
10 力覚提示装置
11 力覚提示部
12 アーム
13 位置センサ
14 アクチュエータ
20 3次元位置データ入力部
25 力ベクトルデータ出力部
30 座標系変換部
40 反力ベクトル算出部
50 記憶部
51 オブジェクトデータ
52 ポインタパラメータテーブル
53 表面物理データ
60 ボクセル
70 指サック
71 ガイド部
72 本体部
73 孔
90 指
Claims (4)
- 予め形状および表面の物理特性が定義された仮想物体を押したときの反力による力覚を提示するために3自由度のアクチュエータで駆動されるアーム先端に接触している利用者の皮膚の位置を検出して検出位置に応じた力覚情報を提示する力覚提示装置を少なくとも3台備える触力覚提示装置であって、
前記少なくとも3台の力覚提示装置は、前記アーム先端に力覚提示部を有し、
前記触力覚提示装置は、
前記力覚提示装置の前記力覚提示部の実空間位置のデータを入力する3次元位置データ入力部と、
前記力覚提示部の実空間位置に対応させて仮想空間内に定義して生成するポインタと前記仮想物体とが干渉するか否かを判定し、干渉する場合、前記ポインタが前記仮想物体から受ける反力の3次元ベクトルを算出する反力ベクトル算出部と、
前記算出された反力の3次元ベクトルを示す信号を、前記力覚提示装置のアクチュエータに出力する力ベクトルデータ出力部と、
前記各力覚提示装置の個別座標系にて記述される空間位置に対して、平行移動と回転移動とを組み合わせた演算処理を施すことで、前記少なくとも3台の力覚提示装置の共通座標系にて記述される空間位置に変換する座標系変換部と、を備え、
前記反力ベクトル算出部は、前記各個別座標系から前記共通座標系に変換された前記力覚提示部のそれぞれの実空間位置に応じて、前記仮想空間内において少なくとも3つのポインタの仮想空間位置を算出し、前記各ポインタと前記仮想物体とが干渉するか否かを個別に判定し、干渉するポインタが前記仮想物体から受ける反力の3次元ベクトルを個別に算出し、
前記力ベクトルデータ出力部は、前記共通座標系から前記各個別座標系に変換された前記反力の3次元ベクトルを示す信号を、当該個別座標系の前記力覚提示装置のアクチュエータに出力し、
利用者が触力覚を感じようとする身体部位の皮膚上の1つの触力覚受容領域に、前記少なくとも3台の力覚提示装置の前記力覚提示部を配置して、前記少なくとも3つのアクチュエータをそれぞれ同時に駆動させ、
外装のガイド部に案内された指が差し込まれる袋状の本体部において指の一部が接触する所定領域に前記力覚提示装置の台数と同数の孔が設けられた指サックを備え、
前記少なくとも3台の力覚提示装置の前記力覚提示部が、前記指サックの本体部の孔を介して前記本体部の内側にそれぞれ設けられていることを特徴とする触力覚提示装置。 - 親指用と、人差指または中指用との2組の前記指サックを備え、
前記各指サックに対応して、前記少なくとも3台の力覚提示装置の前記力覚提示部を、2組備えることを特徴とする請求項1に記載の触力覚提示装置。 - 記憶部に、
前記仮想物体の形状から定義される表面物理パラメータの基準値を記憶すると共に、
前記仮想物体の表面物理パラメータの予め決定された相対的な表面分布に基づいて、前記仮想物体に干渉する前記ポインタの表面物理パラメータを、前記仮想空間内の所定の3次元区分ごとに設定したポインタパラメータテーブルを記憶し、
前記反力ベクトル算出部は、前記各ポインタの前記仮想空間位置が前記仮想空間内の空間領域のいずれに含まれているかを追跡し、前記追跡中のポインタが含まれている空間領域に対して前記ポインタパラメータテーブルにて設定されている表面物理パラメータを、当該ポインタに対して設定した上で、当該ポインタと前記仮想物体とが干渉するか否かを判定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の触力覚提示装置。 - 前記表面物理パラメータは、前記仮想物体の表面の硬さのパラメータであることを特徴とする請求項3に記載の触力覚提示装置。
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