JP6474115B2 - 触覚再現装置 - Google Patents
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Description
本発明は、入力装置に設けられた操作体を指で掴んだときに、仮想の被保持物体を指で保持したのを模した反力を感じることができる触覚再現装置に関する。
特許文献1に仮想空間表示装置に関する発明が記載されている。
この仮想空間表示装置は、端末通信部とサーバーとで通信可能とされており、端末通信部に液晶ディスプレイと入力部とを含むタッチパネルが装備されている。
この仮想空間表示装置は、端末通信部とサーバーとで通信可能とされており、端末通信部に液晶ディスプレイと入力部とを含むタッチパネルが装備されている。
サーバーからの通信により、タッチパネルの液晶ディスプレイにショッピングモールの画像が表示される。ユーザがタッチパネルをドラッグすると、表示されているショッピングモール内の情景を移動させることができ、ショッピングモールの画面内の商品サムネイルをユーザがタップすると、商品の詳細情報が画面に表示される。ユーザは、購入する予定の商品をストックエリアに一時的に集めておくことができ、ストック商品について決済処理を行うことで、商品を購入できるようになっている。
特許文献1に記載された仮想空間表示装置では、ショッピングモールのストアに表示されている商品の価格や色を確かめ、さらに商品の詳細情報を参酌して購入しようとする商品を探すことができる。
しかし、実際に商品に手を触れることができないので、その商品の大きさや質感などを手で感じることはできない。また、商品が手の操作でワークを切断し、あるいはワークを曲げる工具などである場合に、その操作がどのような感触で行われるのかを手で感じることも不可能である。
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、工具などのように機械的に動作する被保持物体を手で操作しているときの操作感触を現実に近い状態で再現できる触覚再現装置を提供することを目的としている。
本発明の触覚再現装置は、入力装置と制御部とを有し、
前記入力装置に、ケースから互いに逆方向へ突出する複数の操作体と、それぞれの前記操作体の前記ケースからの突出位置を検知する位置検知装置と、前記操作体のそれぞれに力を与えるモータとが設けられ、
前記制御部では、前記位置検知装置からの検知信号に基づいて前記操作体が前記ケース方向へ押されて移動したことが検知されると、前記モータを駆動して移動している前記操作体に反力を与え、
前記位置検知装置からの検知信号に基づいていずれかの前記操作体が先行して前記ケース方向へ移動したことが検知されたときには、他の操作体も前記ケース方向へ移動させるように前記モータを制御することを特徴とするものである。
前記入力装置に、ケースから互いに逆方向へ突出する複数の操作体と、それぞれの前記操作体の前記ケースからの突出位置を検知する位置検知装置と、前記操作体のそれぞれに力を与えるモータとが設けられ、
前記制御部では、前記位置検知装置からの検知信号に基づいて前記操作体が前記ケース方向へ押されて移動したことが検知されると、前記モータを駆動して移動している前記操作体に反力を与え、
前記位置検知装置からの検知信号に基づいていずれかの前記操作体が先行して前記ケース方向へ移動したことが検知されたときには、他の操作体も前記ケース方向へ移動させるように前記モータを制御することを特徴とするものである。
本発明の触覚再現装置は、いずれかの前記操作体が、他の操作体よりも所定距離以上先行してケースに向けて移動していると判定されたときに、他の操作体を先行する前記操作体に追従させて前記ケース方向へ移動させる制御を行うものである。
本発明の触覚再現装置は、前記ケースに向けて移動した操作体のいずれかが前記ケースから突出する方向へ移動させられるときに、これに伴って他の操作体も前記モータの力で前記ケースから突出する位置に復帰させられるものとすることが可能である。
本発明の触覚再現装置は、前記入力装置には、親指で押圧操作される親指操作体と、人差し指と中指で個別に押圧操作される第1の対向操作体ならびに第2の対向操作体が設けられており、
前記親指操作体の突出方向に対して、第1の対向操作体と第2の対向操作体が逆向きに突出しているものとして構成できる。
前記親指操作体の突出方向に対して、第1の対向操作体と第2の対向操作体が逆向きに突出しているものとして構成できる。
本発明の触覚再現装置は、表示装置が設けられており、
前記制御部によって、前記表示装置の表示画面に仮想の被保持物体の画像と手の画像が表示され、
前記入力装置の前記操作体が指で保持されているときに、前記手の画像で前記被保持物体の画像が掴まれている表示が行われるものが好ましい。
前記制御部によって、前記表示装置の表示画面に仮想の被保持物体の画像と手の画像が表示され、
前記入力装置の前記操作体が指で保持されているときに、前記手の画像で前記被保持物体の画像が掴まれている表示が行われるものが好ましい。
本発明の触覚再現装置は、前記仮想の被保持物体が、共通の支点を有して回動する対を成す把持部を有するものであり、一方の把持部が親指で保持され他方の把持部が人差し指と中指で保持される画像が表示され、
親指で前記親指操作体を押すか、人差し指または中指で前記第1の対向操作体あるいは第2の対向操作体を押すと、表示画像内で一対の把持部が互いに接近するように画像が変化するものである。
親指で前記親指操作体を押すか、人差し指または中指で前記第1の対向操作体あるいは第2の対向操作体を押すと、表示画像内で一対の把持部が互いに接近するように画像が変化するものである。
例えば、前記被保持物体は、親指と人差し指ならびに中指で挟んで動作させる切断工具である。
または、前記被保持物体は、親指と人差し指ならびに中指で挟んで動作させるペンチである。
あるいは、前記被保持物体は、親指と人差し指ならびに中指で挟んで動作させるステイプラーである。
本発明の触覚再現装置は、入力装置から突出する複数の操作体のいずれかを先行して押すと、他の操作体がこれに追従してケースに向けて退行する。この構造を採用することで、把持部が対称的に関連して動作する工具などの各種製品を手で操作しているのと同じ保持感触を再現することが可能になる。
<全体の構造>
図1Aと図1Bに、本発明の触覚再現装置1A,1Bを使用している状態が示されている。
図1Aと図1Bに、本発明の触覚再現装置1A,1Bを使用している状態が示されている。
図1Aに示す第1の実施の形態の触覚再現装置1Aは、装置本体10Aと入力装置20とから構成されている。図1Aでは、入力装置20が1個使用され、この入力装置20が右手で操作されている。
入力装置20はコード52によって装置本体10Aに接続されている。装置本体10Aには表示装置13が設けられている。表示装置13はカラー液晶表示パネルやエレクトロルミネッセンス表示パネルなどである。装置本体10Aはパーソナルコンピュータや、比較的大きな表示画面を有するデモンストレーション用の表示装置などである。
図5に示すように、装置本体10Aには、表示装置13を駆動するための表示ドライバー14と、表示ドライバー14の表示形態を制御する制御部15とが設けられている。制御部15はCPUとメモリを主体として構成されている。また、制御部15とそれぞれの入力装置20との間で信号を授受するためのインターフェース16が設けられている。
図1Bに示す第2の実施の形態の触覚再現装置1Bは、装置本体10Bと入力装置20とから構成されている。図1Bでは、同じ入力装置20が2個使用され、入力装置20が右手と左手で操作されている。
装置本体10Bは、目の前方に装着するマスク型本体11と、このマスク型本体11を頭部に装着するためのストラップ12を有している。
装置本体10Bのマスク型本体11に、表示装置13が設けられている。この表示装置13は、操作者の目の前方に設置されて目視可能となっている。図5に示す表示ドライバー14と制御部15およびインターフェース16などは、マスク型本体11に搭載されている。
図2(A)には入力装置20を上方から外観が斜視図で示され、図2(B)には入力装置20を下方から見た外観が斜視図で示されている。図3は、入力装置20の分解斜視図である。図4には、入力装置20に内蔵されている3組の触覚発生ユニットのうちの第1の触覚発生ユニット30Aの構造が示されている。図2(A)と図3および図4には、入力装置20を基準としたX−Y−Z座標が示されている。入力装置20はZ方向が各操作体の押圧方向である。
図1Aと図1Bに示す使用例では、入力装置20は、Y方向が上下に向けられた姿勢で人の手に保持されている。
図2に示すように、入力装置20は合成樹脂製のケース21を有している。ケース21は片手で保持可能な大きさである。ケース21は上部ケース22と下部ケース23とが組み合わされて構成されている。図3に示すように、上部ケース22と下部ケース23は、Z方向に分割可能である。上部ケース22と下部ケース23は、ねじ止め手段などで互いに固定されており、2つのケース22,23の内部に機構収納空間が形成されている。
上部ケース22はZ方向に向く表面が第1の面22aであり、下部ケース23はZ方向に向く表面が第2の面23aである。図3に示すように、上部ケース22には、第1の面22aでZ方向に貫通する操作穴24,24が開口している。下部ケース23には、第2の面23aをZ方向に貫通する操作穴25が開口している。操作穴24,24はY方向に並んで形成されており、Y方向での開口寸法は、操作穴25が個々の操作穴24よりも大きくなっている。
上部ケース22のY方向に向く端面には、コネクタ装着穴26が開口しており、下部ケース23のY方向に向く端面には、電源プラグ装着穴27が開口している。
図3に示すように、ケース21の内部の機構収納空間に、機構シャーシ28が収納されている。機構シャーシ28は、金属板から折り曲げられて、X−Y平面と平行な取付け板部28aと、Y−Z平面と平行な区分板部28bとが形成されている。
区分板部28bを挟んでX方向の一方の側に、第1の触覚発生ユニット30Aと第2の触覚発生ユニット30Bが固定されている。第1の触覚発生ユニット30Aと第2の触覚発生ユニット30Bは、Y方向に並んで配置されている。区分板部28bを挟んでX方向の他方の側に、第3の触覚発生ユニット40が1組設けられている。
<触覚発生ユニットの構造>
図4には、第1の触覚発生ユニット30Aの構造が示されている。
図4には、第1の触覚発生ユニット30Aの構造が示されている。
第1の触覚発生ユニット30Aは、金属板30を折り曲げたフレーム31を有している。このフレーム31が区分板部28bに固定されることで、機構シャーシ28に第1の触覚発生ユニット30Aが搭載されている。
フレーム31に移動部材32Aが設けられている。移動部材32Aは合成樹脂材料で形成されており、その先部に第1の対向操作体33Aが固定されている。第1の対向操作体33Aは合成樹脂材料で形成されている。図2に示すように、第1の対向操作体33Aは、上部ケース22に形成された操作穴24から外部に突出している。
図1Aと図1Bに示すように、入力装置20が右手で保持されているときは、第1の対向操作体33Aは人差し指で押されることになり、図1(B)に示すように、入力装置20が左手で保持されているときは、第1の対向操作体33Aが中指で操作される。
図4に示すように、フレーム31の一方の側板部31aにZ方向に延びる案内長穴31cが形成されている。移動部材32Aの側部には摺動突部32aが一体に形成されており、摺動突部32aが案内長穴31cの内部を摺動することで、移動部材32Aがフレーム31上でZ方向へ移動自在に支持されている。移動部材32Aは凹部32bを有している。この凹部32bの内部では、移動部材32Aとフレーム31の下端部との間の圧縮コイルばね34が介在している。この圧縮コイルばね34の弾性力によって、移動部材32Aは第1の対向操作体33Aが上部ケース22から突出する方向であるZ方向の図示上方に向けて付勢されている。
フレーム31の一方の側壁部31aにモータ35Aが固定されている。モータ35Aの出力軸には出力歯車36aが固定されている。側壁部31aの外面に減速歯車36bが回転自在に支持されており、出力歯車36aと減速歯車36bとが噛み合っている。フレーム31の側壁部31aにギヤボックス37が固定されており、ギヤボックス37の内部に減速機構が収納されている。前記減速歯車36bの回転力は、ギヤボックス37内の減速機構で減速される。ギヤボックス37内の減速機構は、太陽歯車と遊星歯車などから構成されている。
ギヤボックス37の減速出力軸にピニオン歯車37aが固定されている。移動部材32Aには厚肉部の表面にラック部32cが形成されており、ピニオン歯車37aとラック部32cとが噛み合っている。ピニオン歯車38aの歯部とラック部32cの歯部は、移動部材32Aの移動方向と直交するY方向に対して傾けられたはす歯である。
前記圧縮コイルばね34を設けることで、ピニオン歯車38aとラック部32cとのバックラッシュを解消することができる。ただし、それぞれの触覚発生ユニットに圧縮コイルばね34が設けられていなくてもよい。
フレーム31の他方の側壁部31bに位置検知装置38Aが固定されている。位置検知装置38Aは、側壁部31bに固定されたステータ部と、ステータ部に対向して回転するロータ部とを有している。ロータ部に設けられたロータ軸がピニオン歯車37aと一緒に回転する。位置検知装置38Aは抵抗変化式であり、ステータ部に円弧状の抵抗体パターンが設けられ、ロータ部に前記抵抗体パターンを摺動する摺動子が設けられている。なお、位置検知装置38Aは磁気検知型であって、ロータ部に回転マグネットが固定され、ステータ部にGMR素子などの磁気検知素子が設けられて、ロータ部の回転角度が磁気検知素子によって検知されるものであってもよい。または、位置検知装置38Aが、光学式の位置検知装置であってもよい。
図3に示すように、区分板部28bを挟んでX方向の一方の側に、第1の触覚発生ユニット30Aと並んで第2の触覚発生ユニット30Bが固定されている。第2の触覚発生ユニット30Bの構造は、第1の触覚発生ユニット30Aの構造と同じであるため、詳しい構造の説明は省略する。
第2の触覚発生ユニット30Bでは移動部材32BのZ側の上部に第2の対向操作体33Bが固定されている。第2の対向操作体33Bは形状と寸法が第1の対向操作体33Aと同じである。
また、第2の触覚発生ユニット30Bでは、モータを35Bで示し、位置検知装置を38Bで示しているが、これらは、第1の触覚発生ユニット30Aに設けられたモータ35Aおよび位置検知装置38Aと同じである。
図1Aと図1Bに示すように、入力装置20が右手で保持されているときは、第2の対向操作体33Bは中指で押されることになり、図1(B)に示すように、入力装置20が左手で保持されているときは、第2の対向操作体33Bが人差し指で操作される。
図3に示すように、機構シャーシ28の区分板部28bの他方の側に第3の触覚発生ユニット40が設けられている。
第3の触覚発生ユニット40は、第1の触覚発生ユニット30Aおよび第2の触覚発生ユニット30Bと基本的な構造が同じであるが、第3の触覚発生ユニット40の方がやや大きく構成されている。第3の触覚発生ユニット40は、フレーム41に移動部材42がZ方向へ移動自在に支持されており、移動部材42の先部に親指操作体43が固定されている。親指操作体43は、下部ケース23の操作穴25から図示下方へ突出している。移動部材42は圧縮コイルばね44によって、親指操作体43が操作穴25から突出する方向へ付勢されている。なお前述のようにこの圧縮コイルばね44は省略することが可能である。
親指操作体43は、Y方向の幅寸法が、第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bよりも大きく形成されており、第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bの双方が、親指操作体43とZ方向で対向している。図1Aと図1Bに示すように、入力装置20は右手で保持されるときと左手で保持されるときの双方において、親指操作体43が親指で操作される。
第3の触覚発生ユニット40においても、フレーム41にモータ45が固定されており、モータ45の出力軸に固定された出力歯車46aが減速歯車46bと噛み合っている。前記減速歯車46bの回転力は、ギヤボックス47内の減速機構で減速され、その減速出力がピニオン歯車から、移動部材42に形成されたラック部に伝達される。そしてピニオン歯車の回転が位置検知装置48で検知される。
図3に示すように、ケース21の内部には、信号コネクタ17と電源プラグ29が内蔵されている。信号コネクタ17は、上部ケース22に形成されたコネクタ装着穴26の内部に露出しており、電源プラグ29は、下部ケース23に形成された電源プラグ装着穴27の内部に露出している。
図5のブロック図に示すように、第1の触覚発生ユニット30Aと第2の触覚発生ユニット30Bおよび第3の触覚発生ユニット40のそれぞれにモータドライバ51が設けられている。第1の触覚発生ユニット30Aに設けられたモータ35Aと第2の触覚発生ユニット30Bに設けられたモータ35Bおよび第3の触覚発生ユニット40に設けられたモータ45は、それぞれのモータドライバ51によって回転駆動される。
それぞれのモータドライバ51はインターフェース17aを介して前記信号コネクタ17に接続されている。
図5に示すように、入力装置20のケース21の内部に姿勢検知部53が設けられている。姿勢検知部53は、例えば地磁気センサを検知する磁気センサであり、あるいは振動型ジャイロ装置であり、入力装置20の操作空間内での姿勢や操作空間上での位置を検知することができる。姿勢検知部53はインターフェース17aを介して前記信号コネクタ17に接続されている。
図5に示すように、装置本体10A,10Bにインターフェース16が設けられ、個々のインターフェース16が接続されている信号コネクタと、個々のインターフェース17aが接続されている前記信号コネクタ17とがコード52で接続されている。前記コード52には電源ラインが含まれており、電源ラインが電源プラグ29に接続されている。この電源ラインを通じて装置本体10A,10Bから入力装置20に電力が供給される。
なお、装置本体10A,10Bとそれぞれの入力装置20とがRF信号によって通信可能とされており、入力装置20に電池が内蔵されていてもよい。この場合には、装置本体10A,10Bと入力装置20とを繋ぐコード52が不要である。
また、装置本体10A,10Bは、さらにサーバーとの通信機能を有しているものであってもよい。
また、図1Aに示す装置本体10Aと図1Bに示す装置本体10Bには、いずれも発音装置が設けられている。発音装置は空間中に音を発するスピーカ、またが操作者の耳に音を与えるレシーバなどである。
次に、前記触覚再現装置1の操作方法と動作について説明する。
<入力装置20の操作と反力の設定>
図2に示すように、入力装置20は、ケース21の第1の面22aに第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bが突出し、第2の面22bに1個の親指操作体43が突出しており、2つの対向操作体33A,33Bと親指操作体43が、Z方向において互いに逆向きに突出している。図1Aと図1Bに示すように、入力装置20は片手で保持されて、親指で親指操作体43が押圧操作され、人差し指と中指で第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bが押圧操作される。
<入力装置20の操作と反力の設定>
図2に示すように、入力装置20は、ケース21の第1の面22aに第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bが突出し、第2の面22bに1個の親指操作体43が突出しており、2つの対向操作体33A,33Bと親指操作体43が、Z方向において互いに逆向きに突出している。図1Aと図1Bに示すように、入力装置20は片手で保持されて、親指で親指操作体43が押圧操作され、人差し指と中指で第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bが押圧操作される。
入力装置20では、制御部15からそれぞれのモータドライバ51に制御指令が与えられ、第1の触覚発生ユニット30Aのモータ35Aと第2の触覚発生ユニット30Bのモータ35Bおよび第3の触覚発生ユニット40のモータ45が前記制御指令に基づいて動作させられる。
モータ35A,35Bとモータ45の回転を制御することにより、移動部材32A,32Bと移動部材42を任意の位置へ移動させて、その位置で停止させることができる。例えば、第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bおよび親指操作体43をケース21から最大限まで突出させた位置で停止させることができ、または各操作体33A,33B,43をケース21の内部に最大限に後退させた位置で停止させることができる。また、各操作体33A,33Bと操作体43を最大突出位置と最大後退位置の中間の任意の位置で停止させることもできる。
また、モータ35A,35Bとモータ45に与えられる電力を制御することにより、ケース21から突出している各操作体33A,33B,40を指で押しても動かないように、モータ35A,35B,45のロータを強い力で保持させることができる。
各移動部材32A,32B,42が移動できる状態のときに、第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bおよび親指操作体43のいずれかが押されて、移動部材32A,32B,42が押し込み方向へ移動すると、その移動位置が位置検知装置38A,38Bまたは位置検知装置48で検知されて、その検知出力が制御部15に与えられる。制御部15には、移動距離と反力との関係を示す反力作用線(反力作用係数)に関するデータが保持されており、操作体33A,33B,43の押し込み位置に応じて、モータ35A,35Bまたはモータ45が前記反力作用線に応じたトルクを発生するように制御される。これによって、対向操作体33A,33Bを押圧している人差し指と中指、および親指操作体43を押圧している親指に反力が与えられる。
図8Aないし図8Cに、制御部15内のメモリに格納されている反力作用線(反力作用係数)のデータの例が示されている。いずれも横軸が操作体33A,33B,43の押し込み量(押し込み位置)であり、図示右方向に向かうにしたがって押し込み量が多くなっている。
縦軸は、モータ35A,35B,45から各移動部材32A,32B,42に与えられる移動力であり、この移動力が対向操作体33A,33Bおよび親指操作体43から各指に与えられる反力となる。縦軸の正の数字が大きくなるほど、対向操作体33A,33Bおよび親指操作体43をケース21から突出させようとする力が大きくなり、指に感じる反力が大きくなる。なお、図8Aないし図8Cに示す線図の縦軸の数字は、モータの駆動トルクを設定するための制御用の数値であり、物理学上の力の単位を意味しているものではない。
図8Aないし図8Cに示すグラフ内の実線は、各操作体33A,33B,43が押し込まれてケース21に向けて移動するときに各移動部材32A,32B,42に与えられる力の変化を示している。グラフ内の破線は、各操作体33A,33B,43がケース21から突出する方向へ復帰移動するときに各移動部材32A,32B,42に与えられる力の変化を示している。
例えば、図11Aないし図11Cは、実線の線図が水平な直線となっている。これは、各操作体33A,33B,43をケース21に向けて押し込んだときにどの位置まで押し込んでも指に感じる反力が一定であることを意味している。
図8Aないし図8Cでは、グラフ内の実線が右方向に向けてほぼ一次関数で上昇している領域がある。これは各操作体33A,33B,43をケース21に向けて押し込んだときに、その押し込み量に比例して指に感じる反力が増大することを意味しており、この場合の実線の傾きは、仮想の被保持物体を押したときの弾性係数に相当している。
<仮想の切断工具を操作するときの触覚反力>
触覚再現装置1A,1Bでは、複数種の仮想の被保持物体を手で保持するのを模した反力を操作者の手に感じさせることができる。複数種の仮想の被保持物体の反力作用線(反力作用係数)のデータは、制御部15に設けられたメモリに格納されている。また、制御部15に保持されている画像データが表示ドライバー14に与えられ、図1Aまたは図1Bに示す表示装置13では、複数種の仮想の被保持物体の画像を選択して表示でき、また手の画像も表示される。これら表示はコンピュータグラフィックによるものである。
触覚再現装置1A,1Bでは、複数種の仮想の被保持物体を手で保持するのを模した反力を操作者の手に感じさせることができる。複数種の仮想の被保持物体の反力作用線(反力作用係数)のデータは、制御部15に設けられたメモリに格納されている。また、制御部15に保持されている画像データが表示ドライバー14に与えられ、図1Aまたは図1Bに示す表示装置13では、複数種の仮想の被保持物体の画像を選択して表示でき、また手の画像も表示される。これら表示はコンピュータグラフィックによるものである。
図6には、表示装置13の表示画面13aに、仮想の被保持物体として切断工具60が表示されている状態が示されている。切断工具60はニッパーであり、一対のハンドル61,61と、ハンドル61,61の操作で切断を行う切断部62が設けられている。表示画面13aには切断工具60で切断されるワーク63が表示されている。ワーク63は金属線材の画像である。
表示画面13aには手Hの画像が表示されており、所定の操作で、表示画面13aに現れている手Hの画像が移動し、手Hの画像で切断工具60の画像のハンドル61,61が保持されるように表示が変化する。例えば、入力装置20を手で保持して移動させると、その移動姿勢が姿勢検知部53で検知されて制御部15に姿勢に関する情報が与えられる。この情報により表示ドライバー14が制御されて、表示画面13aに現れている手Hの画像が移動して、ハンドル61,61を掴みに行く。あるいは、キーボードなどの他の操作部材で、被保持物体として切断工具60を選択すると、表示画面13aに現れている手Hが切断工具60の画像を保持するように表示が変化する。
仮想の被保持物体として切断工具60が選択されると、各モータ35A,35B,45が制御されて、対向操作体33A,33Bおよび親指操作体43の初期位置が設定される。仮想の被保持物体が切断工具60の場合には、対向操作体33A,33Bおよび親指操作体43が、図7(A)に示すようにケース21から最大限突出した初期位置に設定される。
制御部15は、メモリから図8Aないし図8Cに示す反力作用線(反力作用係数)のデータを読み出し、制御部15は前記反力作用線のデータに基づいて各モータ35A,35B,45を制御する。図8Aは、第3の触覚発生ユニット40において、モータ45から移動部材42および親指操作体43に与えられる反力作用線を示しており、図8Bは、第1の触覚発生ユニット30Aにおいて、モータ35Aから移動部材32Aおよび第1の対向操作体33Aに与えられる反力作用線を示しており、図8Cは、第2の触覚発生ユニット30Bにおいて、モータ35Bから移動部材32Bおよび第2の対向操作体33Bに与えられる反力作用線を示している。
図6に示すように、表示画面13aで手Hが切断工具60のハンドル61,61を保持している画像が表示されているときに、図1Aに示すように、右手で保持した入力装置20の親指操作体43を親指で押し、第1の対向操作体33Aを人差し指で押し、第2の対向操作体33Bを中指で押すと、表示画面13a内では、手Hの画像の親指F1と人差し指F2ならびに中指F3で掴んでいるハンドル61,61を互いに接近させるように表示が変化する。そして、ハンドル61,61がある程度接近すると、切断部62で線状のワーク63が切断されるように画像が変化する。
この一連の動作において、親指操作体43に与えられる反力Fa(図7(A)参照)の変化は図8Aに実線で示す通りであり、押し始めにほぼ「190」の数値で示す反力Faが親指に感じる。親指操作体43を押していくと、親指に感じる反力Faがほぼ一次関数で増加していき、図6に示す表示画面13a内でハンドル61,61が有る程度の距離まで接近し、切断部62でワーク63が切断されると、親指操作体43に作用する反力Faが極大値から急激に低下して反力数値が「0」になる。その後は、ハンドル61,61を握っている親指F1に作用する抵抗力を再現するために、親指操作体43に作用する反力Faが回復する。
第1の対向操作体33Aに与えられる反力Fbの変化は図8Bに実線で示す通りであり、基本的な反力の変化は、図8Aと同じである。ただし、人差し指で第1の対向操作体33Aを押し始める初期の反力Fbは「0」である。また、人差し指による押し始めから切断動作の直前での反力の極大値に至るまで、第1の対向操作体33Aに与えられる反力Fbは、親指操作体43に与えられる反力Faよりも小さくなるように設定されている。
第2の対向操作体33Bに与えられる反力Fcの変化は図8Cに実線で示す通りであり、基本的な反力の変化は、図8Aおよび図8Bと同じである。中指で第2の対向操作体33Bを押し始める初期の反力Fcの数値は「ほぼ110」であり、人差し指に対する反力Fbの初期値よりも大きく、親指に対する反力Faの初期値より小さい。また、切断動作の直前での反力Fcの極大値は、図8Bに示す人差し指に作用する反力Fbの極大値とほぼ同じ値である。
前記の反力の制御では、親指で親指操作体43を押し、人差し指で第1の対向操作体33Aを押し、中指で第2の対向操作体33Bを押していくと、あたかも図6の表示画面13aに示されている切断工具60のハンドル61,61を握っていくときの反力が大きくなって、ワーク63を切断した後に反力が急激に低下する触覚を得ることができる。
ここで、現実の切断工具60のハンドルを現実の手で握ってワークの切断動作を行うときには、一方のハンドル61が親指のみで押され、他方のハンドル61が人差し指と中指の複数本の指で押されて、親指と他の複数の指で互いに反力を与え合うことになるため、現実の操作では親指に対しては人差し指や中指に対するよりも大きな反力が作用することになる。また、同じハンドル61を押している中指と人差し指とでは、中指でハンドル61が強く押されるため、中指に対して人差し指よりも大きな反力が作用する傾向となる。
また、人の手の構造では、親指が短く、人差し指と中指が長いため、同じ力で各指を動作させている認識していても、実際には親指から被保持物体に作用する力は、人差し指または中指から被保持物体に作用する力よりも大きくなる。
そこで、図8Aないし図8Cに示すように、親指操作体43に作用する反力Faを、押し始めから極大値に至るまで、第1の対向操作体33Aに作用する反力Fbおよび第2の対向操作体33Bに作用する反力Fcよりも大きくしている。すなわち、親指操作体43から親指に与えられる反力を、2つの対向操作体33A,33Bから人差し指と中指に与えられる反力よりも大きくしている。このように反力に差を与えると、人の手には実際にハンドル61,61を握っているのと同等の反力の感触を得ることができる。
さらに図8Bと図8Bに示すように、第2の対向操作体33Bに作用する反力Fcの初期値を、第1の対向操作体33Aに作用する反力Fbの初期値よりも大きくしている。これにより第2の対向操作体33Bから中指に与えられる反力の初期値が、第1の対向操作体33Aから人差し指に与えられる反力の初期値よりもやや大きくなる。これによっても、入力装置20を操作している親指と人差し指と中指で、実際に切断工具60を操作しているのと同じような操作感触を感じることができるようになる。
また、操作体33A,33B,43に対する指の動作と図6に示す表示画面13a内での手Hの画像の変化とが連動しており、さらに切断部62でワーク63を切断したときに、発音部から「ポキッ」「カチッ」などの切断音を発生させることにより、操作者は実際に切断工具60を操作しているような感触を認識しやすくなる。
なお、切断部62による切断動作が完了し、指から各操作体33A,33B,43に与えられている押圧力が除去されると、図8A,図8B,図8Cにおいて破線で示すように、モータ35A,35B,45から各移動部材32A,32B,42に復帰移動力が与えられ、各操作体33A,33B,43が、ケース21から突出した初期位置に復帰する。図8A,図8B,図8Cに破線で示すように、このときにモータ35A,35B,45から各移動部材32A,32B,42に与えられる復帰力は、全て同じ数値「80」で制御される。
<互いに接近する一対の把持部を有する被保持物体を操作するときの触覚反力>
図6に示すニッパーは対向するハンドル61,61を手で掴むものであるが、同じように手で掴んで操作する仮想の被保持物体としては、同じ切断工具に分類される金切り用のはさみ、紙切り用のはさみ、植物切り用のはさみなどがある。またワークを挟む操作感触を与えるものとして、ワークを挟んで曲げる動作を行うペンチがある。さらには親指と人差し指と中指で挟んで動作させるものとしてステイプラーなどがある。
図6に示すニッパーは対向するハンドル61,61を手で掴むものであるが、同じように手で掴んで操作する仮想の被保持物体としては、同じ切断工具に分類される金切り用のはさみ、紙切り用のはさみ、植物切り用のはさみなどがある。またワークを挟む操作感触を与えるものとして、ワークを挟んで曲げる動作を行うペンチがある。さらには親指と人差し指と中指で挟んで動作させるものとしてステイプラーなどがある。
これらは、図6に示すハンドル61,61のように共通の支点を中心として対称に動く把持部(ハンドルまたは操作部)を有している。これらは、一方の把持部を親指で押し、または他方の把持部を人差し指と中指で押すと、2つの把持部が互いに接近するように動作する。すなわち、一方の把持部が他方の把持部に向けて押されれば当然に把持部どうしの間隔が接近する。
そこで、このような被保持物体を模した操作感触を得やすくするために、操作体33A,33B,43のいずれかが押されたことが位置検知装置38A,38B,48のいずれかで検知されたときは、他の操作体も同じだけケース21に向けて移動させる制御を行うことが可能である。
例えば、図6に示すように、表示画面13aに切断工具60が表示されている状態で、親指を親指操作体43に当て、人差し指を第1の対向操作体33Aに当て、中指を第2の対向操作体33Bに当てて、親指で親指操作体43を図7(B)に示す押し込み位置Saまで他の指に先行させて押し込む。これが位置検知装置48で検知されたときに、制御部15でモータ35A,35Bを制御して、第1の対向操作体33Aをケース21に接近する位置Sbまで自動的に移動させ、第2の対向操作体33Bをケース21に接近する位置Scまで自動的に移動させる。このときの各操作体の位置Sa,Sb,Scのケース21からの突出位置を同じにする。
同様に、第1の対向操作体33Aが先行して位置Sbまでに押し込まれたときも、これに追従して第2の対向操作体33Bを位置Scまで退行させ、親指操作体43を位置Saまで退行させる。また、第2の対向操作体33Bが先行して位置Scに押し込まれたときも、これに追従して第1の対向操作体33Aを位置Saまで退行させ、親指操作体43を位置Saまで退行させる。
すなわち、制御部15では、3個の位置検知装置38A,38B,48からの位置検知出力を監視し、操作体33A,33B,43のいずれかが、他の操作体に対して一定の距離以上先行して押されているかを判定する。いずれかの操作体が所定距離だけ先行して押されていると判定されたときに、他の操作体を追従させてケース21に向けて退行させる。
なお、このときに操作体33A,33B,43のうちの指で押されて先行しているものに対する反力は、図8A,図8B,図8Cに示す反力作用線(反力作用係数)に基づいて反力が与えられる。
次に、全ての操作体が退行した後に、いずれかの指による押圧力が解除されると、図8A,図8B,図8Cに示す反力作用線(反力作用係数)に基づいて反力が発生し、押圧力が解除された操作体が先行してケース21から突出する方向へ戻される。このとき、他の操作体もこれに追従してケース21から突出する方向へ復帰させられる。
例えば、全ての操作体33A,33B,43がケース21に接近する方向へモータにより退行させられた後に、一定時間が経過すると、その後にいずれかの操作体が押されたときに、図8A,図8B,図8Cに示す反力作用線(反力作用係数)に基づいて操作体に反力が与えられる。よって、その後はいずれかの指の力を弱めると、その指が当たっている操作体が戻される。この戻りの動きが位置検知装置で検知され、他の操作体を駆動するモータが始動し、モータの動力によって他の操作体が自動的にケース21から離れる方向へ移動させられて、全ての操作体が図7(A)に示す初期位置に復帰させられる。
例えば、図6に示す切断工具60が表示されている状態を例として説明すると、親指で親指操作体43を先行して押すと、2つの対向操作体33A,33Bがこれに追従してケース21に向かって退行する。これにともなって、図6に示す表示画面13aに表示されている画像では、一対の把持部であるハンドル61,16が接近して、切断動作が行われる。ここで、親指で親指操作体43を押す力を解除すると、親指操作体43がケース21から離れる方向へ復帰し、これに連動して2つの対向操作体33A,33Bもケース21から離れる方向へ復帰する。そして図6に示す表示画面13aでは、切断動作が完了し、ハンドル61,61の画像が互いに離れる方向へ移動する。
次に、人差し指または中指で対向操作体33A,33Bのいずれか一方を先行して押すと、遅れている側の対向操作体と親指操作体43がこれに追従してケース21に向かって退行し、図6に示す表示画面13aでは、ハンドル61,61の画像が接近して切断動作が行われる。
ただし、この場合には、人差し指と中指のいずれか一方を対向操作体33A,33Bから離しても、他方で対向操作体が押されているときには、全ての操作体はケース21から離れる方向へ突出することはない。人差し指と中指の双方が対向操作体33A,33Bから離れようとし、対向操作体33A,33Bが突出方向へ動いたことが位置検知部38A,38Bで検知されると、第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bからモータ35A,35Bによってケース21から離れる方向へ移動させられ、これに連動して、モータ45によって親指操作体43がケース21から離れる方向へ復帰させられる。
上記の制御を行うことで、図6に示すニッパーなどのように2つの把持部が共通の支点を有して回動動作する道具を手で保持して操作しているのと同等の操作感触を得ることができるようになる。また、この模擬動作は、仮想の被保持物体が、対称に動作する可動部を有するものであれば、どのような機械や装置あるいは工具に対しても、そのシミュレーションなどに利用することができる。
1A,1B 触覚再現装置
10A,10B 装置本体
11 マスク型本体
13 表示装置
15 制御部
20 入力装置
21 ケース
28 機構シャーシ
30A 第1の触覚発生ユニット
30B 第2の触覚発生ユニット
32A,32B 移動部材
33A 第1の対向操作体
33B 第2の対向操作体
35A,35B モータ
38A,38B 位置検知装置
40 第3の触覚発生ユニット
42 移動部材
43 親指操作体
45 モータ
48 位置検知装置
10A,10B 装置本体
11 マスク型本体
13 表示装置
15 制御部
20 入力装置
21 ケース
28 機構シャーシ
30A 第1の触覚発生ユニット
30B 第2の触覚発生ユニット
32A,32B 移動部材
33A 第1の対向操作体
33B 第2の対向操作体
35A,35B モータ
38A,38B 位置検知装置
40 第3の触覚発生ユニット
42 移動部材
43 親指操作体
45 モータ
48 位置検知装置
Claims (9)
- 入力装置と制御部とを有し、
前記入力装置に、ケースから互いに逆方向へ突出する複数の操作体と、それぞれの前記操作体の前記ケースからの突出位置を検知する位置検知装置と、前記操作体のそれぞれに力を与えるモータとが設けられ、
前記制御部では、前記位置検知装置からの検知信号に基づいて前記操作体が前記ケース方向へ押されて移動したことが検知されると、前記モータを駆動して移動している前記操作体に反力を与え、
前記位置検知装置からの検知信号に基づいていずれかの前記操作体が先行して前記ケース方向へ移動したことが検知されたときには、他の操作体も前記ケース方向へ移動させるように前記モータを制御することを特徴とする触覚再現装置。 - いずれかの前記操作体が、他の操作体よりも所定距離以上先行してケースに向けて移動していると判定されたときに、他の操作体を先行する前記操作体に追従させて前記ケース方向へ移動させる制御を行う請求項1記載の触覚再現装置。
- 前記ケースに向けて移動した操作体のいずれかが前記ケースから突出する方向へ移動させられるときに、これに伴って他の操作体も前記モータの力で前記ケースから突出する位置に復帰させられる請求項1または2記載の触覚再現装置。
- 前記入力装置には、親指で押圧操作される親指操作体と、人差し指と中指で個別に押圧操作される第1の対向操作体ならびに第2の対向操作体が設けられており、
前記親指操作体の突出方向に対して、第1の対向操作体と第2の対向操作体が逆向きに突出している請求項1ないし3のいずれかに記載の触覚再現装置。 - 表示装置が設けられており、
前記制御部によって、前記表示装置の表示画面に仮想の被保持物体の画像と手の画像が表示され、
前記入力装置の前記操作体が指で保持されているときに、前記手の画像で前記被保持物体の画像が掴まれている表示が行われる請求項1ないし4のいずれかに記載の触覚再現装置。 - 前記仮想の被保持物体は、共通の支点を有して回動する対を成す把持部を有するものであり、一方の把持部が親指で保持され他方の把持部が人差し指と中指で保持される画像が表示され、
親指で前記親指操作体を押すか、人差し指または中指で前記第1の対向操作体あるいは第2の対向操作体を押すと、表示画像内で一対の把持部が互いに接近するように画像が変化する請求項5記載の触覚再現装置。 - 前記被保持物体は、親指と人差し指ならびに中指で挟んで動作させる切断工具である請求項6記載の触覚再現装置。
- 前記被保持物体は、親指と人差し指ならびに中指で挟んで動作させるペンチである請求項6記載の触覚再現装置。
- 前記被保持物体は、親指と人差し指ならびに中指で挟んで動作させるステイプラーである請求項6記載の触覚再現装置。
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