JPH10177387A - 力覚駆動装置、力覚付与方法および記録媒体 - Google Patents
力覚駆動装置、力覚付与方法および記録媒体Info
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- JPH10177387A JPH10177387A JP9149749A JP14974997A JPH10177387A JP H10177387 A JPH10177387 A JP H10177387A JP 9149749 A JP9149749 A JP 9149749A JP 14974997 A JP14974997 A JP 14974997A JP H10177387 A JPH10177387 A JP H10177387A
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Abstract
供する。 【解決手段】 2次元アクチュエータ101のセンサに
よって位置情報x,yが検出され、これが合成ベクトル
演算回路7に供給されると、位置情報x,yの座標変換
が行われる。この後、位置情報X,Yが順次微分され速
度情報X’,Y’と加速度情報X”,Y”が生成され
る。これらの情報がタッチデータテーブル群8に供給さ
れると、運動方程式に係わるパラメータの組が読み出さ
れ、合成ベクトル演算回路7で合成される。これによ
り、力点Wにおいて外部に力Fを作用させる力FX,FY
が算出される。
Description
を付与するのに好適な力覚駆動装置、力覚付与方法、お
よび力覚駆動装置を制御するプログラムを記録した記録
媒体に関するものである。
ってハンマを駆動し、弦を叩いて楽音を発生させる。一
方、電子楽器の鍵盤はハンマ等の機械的要素を駆動する
必要がないので、簡易な構成で作られるのが一般であ
る。ところで、自動演奏機能を有する電子楽器にあって
は、その鍵盤動作が楽曲の進行に合わせて自動制御され
る。鍵盤の駆動機構は、鍵盤を押し下げる方向に力を与
えるアクチュエータ、押し下げられた鍵盤を元の状態
(レスト位置)に戻す方向に力を与えるバネ、および鍵
盤の位置を検出するセンサによって構成される。そし
て、鍵盤の位置情報に基づいて、アクチュエータを駆動
する電流が調整され、これにより鍵盤の状態が制御され
る。また、人が演奏する際には、指で鍵盤を押し下げる
と、鍵盤の位置情報に基づいて鍵盤を押し上げるように
アクチュエータを駆動して、指に反力を付与することが
行われる。
技術分野では、コンピュータによって作り出された仮想
環境において、疑似体験を提供するシステムが研究され
ている。例えば、人が指で物を把持する際に指は物から
反力を受けるが、仮想現実の技術分野ではこの反力を力
覚と称し、これを人工的に作り出すことが行われる。上
述した電子楽器の鍵盤は、アクチュエータを駆動する電
流を制御することにより、鍵盤を押し上げる方向に力覚
を作用させるものであるから、一方向の力覚駆動装置で
あるといえる。また、直線上に力覚を作用させるもので
あるから、一次元の力覚駆動装置であるといえる。しか
し、この力覚駆動装置では、力覚を一方向にしか付与す
ることができないため、人の指に複雑な力覚を付与する
ことはできない。また、2次元の力覚駆動装置や3次元
の力覚駆動装置については開発途上である。さらに、複
数の力覚駆動装置を組み合わせて総合的に制御する技術
は開発されていない。
のであり、複数方向に力覚を付与できる力覚駆動装置、
力覚付与方法、および力覚駆動装置を制御するプログラ
ムを記録した記録媒体を提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明にあっては、操作子の位置に応じ
て、前記操作子に力を付与する力覚駆動装置において、
前記操作子と連結され、前記操作子を複数方向に可動さ
せるアクチュエータと、前記操作子の位置情報を検出す
る検出手段と、前記位置情報に基づいて前記アクチュエ
ータが前記操作子に付与すべき力を指示する制御信号を
生成する制御手段と、前記制御信号に基づいて、前記ア
クチュエータを駆動する駆動手段とを備えたことを特徴
とする。
操作子が操作されると、前記操作子に力を付与する力覚
駆動装置において、前記操作子と連結され、前記操作子
を複数方向に可動させるアクチュエータと、前記操作子
の位置情報を検出する検出手段と、前記操作子の操作方
向を検出する操作方向検出手段と、前記位置情報および
前記操作方向に基づいて前記操作子に付与する前記力の
大きさおよび方向を求め、求められた前記力の大きさお
よび方向に応じた制御信号を生成する制御手段と、前記
制御信号に基づいて前記力が前記操作子に付与されるよ
うに前記アクチュエータを駆動する駆動手段とを備えた
ことを特徴とする。
操作子と連結され、前記操作子を複数方向に可動させる
アクチュエータと、前記操作子の位置、速度、もしくは
加速度、または、これらの組み合わせに基づいて、前記
アクチュエータが前記操作子に付与すべき力を指示する
制御信号を生成する制御手段と、前記制御信号に基づい
て、前記アクチュエータを駆動する駆動手段とを備えた
ことを特徴とする。
操作子と連結され、前記操作子を複数方向に可動させる
アクチュエータと、前記操作子の位置情報、速度情報お
よび加速度情報を検出する検出手段と、運動方程式の位
置、速度、加速度または外部入力情報に対応する操作力
に係わる各項の値を指示する各データが格納されたテー
ブルと、前記位置情報、前記速度度情報、前記加速度情
報および前記外部入力情報に基づいて前記テーブルを参
照し、これにより得られた前記各データから制御信号を
生成する制御信号生成手段と、前記制御信号に基づい
て、前記アクチュエータを駆動する駆動手段とを備えた
ことを特徴とする。
前記操作子に付与する前記力の方向を、前記操作子が操
作された方向と同一方向に設定することを特徴とする。
は、操作子に連結されたアクチュエータを用いて、前記
操作子に複数方向の力を付与する力覚付与方法であっ
て、前記操作子の状態を示す状態情報を検出し、前記操
作子の前記状態情報に基づいて前記操作子に付与すべき
力を算出して、力覚情報を生成し、前記力覚情報に基づ
いて前記アクチュエータを駆動することを特徴とする。
は、前記力覚情報を生成する処理は、運動方程式の各項
の値を示すデータと前記状態情報を対応付けて記憶した
テーブルを参照することによって、行うことを特徴とす
る。
は、前記テーブルに、記録媒体から読み出した前記デー
タ、または通信により取得した前記データを記憶するこ
とを特徴とする。
は、操作子に連結されたアクチュエータを用いて、前記
操作子に複数方向の力を付与する力覚駆動装置を制御す
るプログラムを記録した記録媒体であって、前記プログ
ラムは、前記操作子の状態を示す状態情報を検出する処
理と、前記操作子の前記状態情報に基づいて、前記操作
子に付与すべき力を算出して、力覚情報を生成する力覚
情報生成処理と、前記力覚情報に基づいて前記アクチュ
エータを駆動する処理とを前記力覚駆動装置に行わせる
ことを特徴とする。
は、操作子に連結されたアクチュエータを用いて、前記
操作子に複数方向の力を付与する力覚駆動装置であっ
て、通信回線を介してプログラムを受信する受信手段
と、前記プログラムを記憶する記憶手段を備え、前記プ
ログラムは、前記操作子の状態を示す状態情報を検出す
る処理と、前記操作子の前記状態情報に基づいて、前記
操作子に付与すべき力を算出して、力覚情報を生成する
力覚情報生成処理と、前記力覚情報に基づいて前記アク
チュエータを駆動する処理とを前記力覚駆動装置に行わ
せることを特徴とする。
て説明する。図1はこの発明の第1実施形態に係わる力
覚駆動装置のブロック図である。図1において、11,
12…1Nは、同一構成の1次元アクチュエータである。
1次元アクチュエータ11の構成を図2(A)に示す。
1次元アクチュエータ11はコイル11a,11bと中
心棒10を主要部として構成される。また、中心棒10
の位置は、センサ12によって検出され、位置情報X
(状態情報)として出力される。中心棒10の材質は鉄
であり、磁化され易い性質を有する。このため、コイル
11aに駆動電流Iaが供給されると、中心棒10の中
央部10cはコイル11aに引きつけられて中心棒10
が突出する。一方、コイル11bに駆動電流Ibが供給
されると、中心棒10の中央部10cはコイル11bに
引きつけられて中心棒10が引き込まれる。ここで、中
心棒10が突出する方向を正方向とすれば、1次元アク
チュエータ11は正負方向の力±Fを作用させることが
できる。すなわち、1次元アクチュエータ11は双方向
駆動型であって、複数方向に力を作用させることができ
る。
(B)に示すように構成してもよい。この場合には、第
1のアクチュエータ1Aと第2のアクチュエータ1Bの
中心棒10を連結し、中心棒10上に操作子Sを設け
る。ここで、図示するように左方向を正方向とし、第1
のアクチュエータ1Aに駆動電流Iaを供給すると、操
作子Sには正方向の力+Fが付与され、一方、第2のア
クチュエータ1Bに駆動電流Ibを供給すると、操作子
Sには負方向の力−Fが付与される。
元アクチュエータ11,12…1Nと接続される各PWM
ドライバであり、駆動電流Iaと駆動電流Ibを生成す
る。また、3はマルチプレクサであり、そこでは、一次
元アクチュエータ11,12…1Nの各センサ12によっ
て検出される各位置情報Xが時分割多重される。4はマ
ルチプレクサ3と接続されるタッチデータテーブル群で
あり、ROM等で構成される。その記憶領域には、運動
方程式の各項の値を示すパラメータの組が一次元アクチ
ュエータ11,12…1N毎に格納されている。運動方程
式は、例えば、F=MX”+ρX’+kXで与えられ
る。ここで、Xは位置情報、X’は速度情報、X”は加
速度情報、Mは質量、ρは粘性係数、kはバネ係数であ
り、また、MX”,ρX’,kXは、パラメータの組で
ある。5は演算回路であり、位置情報Xを順次微分して
速度情報X’と加速度情報X”を算出する。また、演算
回路5は、タッチデータテーブル群4からのパラメータ
の組を加算して、一次元アクチュエータ11,12…1N
が外部に作用すべき力Fを算出し(力覚情報)、制御信
号CTLXとして出力する。そして、デマルチプレクサ
6は、制御信号CTLXを時分割分離して、各PWMド
ライバ21,22…2Nに供給する。
チに適用した場合を、1次元力覚駆動装置の動作の一例
として説明する。この場合、スライドスイッチは、図3
に示すように、図2(B)に示す一次元アクチュエータ
を用いて構成され、操作子Sとしてボタン部B1が設け
られている。ここで、図3(A)に示す状態におけるボ
タン部B1の位置情報Xを0とし、また、左方向を正方
向にとるものとする。ボタン部B1の位置情報Xがセン
サ12によって検出されると、これが演算回路5に供給
され、そこで運動方程式の演算が行われる。ここで、運
動方程式のMX”およびρX’各項は常に0として、力
FはkXの項のみに依存するものとし、kXとXとの間
には図4に示す関係があり、これがタッチデータテーブ
ル群4として格納されているものとする。この場合、人
が指で正方向の力Aを加えボタンB1をX=x1の位置
まで左側にスライドさせると、Xの値は正となるからk
Xの値は負となり、ボタンB1には、負方向の反力bが
生じる(図3(B)参照)。また、この時点で人が指を
ボタンB1から離したとすると、反力の値は位置情報に
のみ依存するので、ボタンB1は反力bを受け中点位置
まで移動する。一方、人が指で負方向の力Bを加えボタ
ンB1をX=−x1の位置まで右側にスライドさせる
と、Xの値は負となるからkXの値は正となり、ボタン
B1には、正方向の反力aが生じる(図3(C)参
照)。また、この時点で人が指をボタンB1から離した
とすると、上述の場合と同様に、ボタンB1は反力aを
受け中点位置まで移動する。これにより、ボタンB1を
中点(X=0)に戻す方向に反力を付与することがで
き、また、ボタンB1の位置が中点(X=0)を離れる
につれ、反力の大きさを大きくすることができる。すな
わち、この例にあっては、位置情報Xに基づいて、正負
両方向の力覚を付与することにより、中点復帰型のスイ
ッチを実現できる。
殊なキーボードに適用した場合を、1次元力覚駆動装置
の動作の他の例として説明する。この場合、キーボード
は複数のボタン部からなり、そのうちの一のボタン部
は、図5に示すように指サックCと一体に形成されたボ
タンB2と1次元アクチュエータ1から構成される。な
お、この例の1次元アクチュエータ1は、図2(A)に
示したものである。図において、端末操作者が指を指サ
ックCに差し入れてボタンB2を押し下げると、その位
置がセンサ12によって検出され、位置情報Xとして出
力される。また、他のボタンについても、同様に位置が
検出され位置情報Xとして出力される。この際、1次元
アクチュエータ1は、力Fを指に対して作用するので、
力Fを適宜可変することにより、所望のタッチ感を出す
ことができる。
に示すマルチプレクサ3で時分割多重され、演算回路5
に供給されると、演算回路5は、運動方程式を演算す
る。ここで、中心棒10が伸びきった状態で位置情報X
=0とし、ボタンB2を押し下げる方向を正方向にとる
ものとする。また、運動方程式のMX”およびρX’の
各項は常に0として、反力FはkXの項に依存するもの
とする。ただし、ボタンB2の操作方向、すなわち指が
ボタンB2に作用する力の向きによって、kXとXの関
係を規定するタッチデータテーブル群4を切り換えるも
のとする。なお、この指が与える力の向きとタッチデー
タテーブル群4との関係は、固定的であってもよく、ま
た演奏者が任意に選択可能としてもよい。具体的には、
ボタンB2の操作方向が押し下げる方向Aである場合、
図6(A)に図示する内容のタッチデータテーブル群4
が選択され、一方、操作方向が押し上げる方向Bである
場合、図6(B)に図示する内容のタッチデータテーブ
ル群4が選択され、さらに、ボタンB2が動いていない
ときには、反力を0にするものとする。この場合、ボタ
ンB2の操作方向は速度情報X’に基づいて判別され、
速度情報X’の値が正であれば、ボタンB2は方向Aの
向きに操作されたと判別し、一方、この値が負であれ
ば、ボタンB2は方向Bの向きに操作されたと判別す
る。また、速度情報X’の値が0であれば、反力F=0
にするため1次元アクチュエータへの電流の供給を停止
する。
し下げられたとすると、速度情報X’の値は正となるか
ら、ボタンB2は操作方向Aの向きに操作された判別さ
れ、運動方程式の演算には図6(A)に示すタッチデー
タテーブル群4が適用される。したがって、この場合の
反力は、負方向すなわちボタンB2を押し上げる方向b
に作用する。また、その値は、X=0の位置からの距離
が増加するにつれ、次第に大きくなり、X=x1を越え
るとその値は一定値−f1となる。
押し上げる方向に操作すると、速度情報X’の値は負と
なるから、ボタンB2は操作方向Bの向きに操作された
判別され、運動方程式の演算には図6(B)に示すタッ
チデータテーブル群4が適用される。したがって、この
場合の反力は、正方向すなわちボタンB2を押し下げる
方向bに作用する。また、その値は、X=x1の位置か
らの距離が減少するにつれ、次第に小さくなり、X=0
で0となる。このようにしてボタンB2の操作方向が方
向Aである場合、方向bの反力を付与することができ、
一方、操作方向が方向Bである場合、方向aの反力を付
与することができる。
テーブル群4の内容を変更した場合を説明する。ここで
は、ボタンB2の操作方向が押し下げる方向Aである場
合、図6(C)に図示する内容のタッチデータテーブル
群4が選択され、一方、操作方向が押し上げる方向Bで
ある場合、図6(D)に図示する内容のタッチデータテ
ーブル群4が選択され、さらに、ボタンB2が動いてい
ないときには、反力を0にするものとする。この場合
も、上述した例と同様に速度情報X’の値によってボタ
ンB2の操作方向が判別され、また、速度情報X’の値
が0であれば、反力F=0にするため1次元アクチュエ
ータへの電流の供給を停止する。ここで、ボタンB2が
X=0の位置から押し下げられたとすると、速度情報
X’の値は正となるから、ボタンB2は操作方向Aの向
きに操作された判別され、運動方程式の演算には図6
(C)に示す内容のタッチデータテーブル群4が適用さ
れる。したがって、X=0の位置からボタンB2を押し
下げると、反力がボタンB2を押し下げる方向aに作用
する。また、その値は、X=0の位置からの距離が増加
するにつれ、次第に大きくなり、X=x1を越えるとそ
の値は一定値+f2となる。この場合には、人の指がボ
タンB2を押し下げる方向と同じ方向に力が作用するの
で、指はサックCから下向きの力を受ける。
押し上げる方向に操作すると、速度情報X’の値は負と
なるから、ボタンB2は操作方向Bの向きに操作された
判別され、運動方程式の演算には図6(D)に示す内容
のタッチデータテーブル群4が適用される。この場合、
ボタンB2には負方向すなわち押し上げる方向bに力が
作用する。したがって、人の指はボタンB2を操作した
方向と同じ方向の力を受ける。このようにしてボタンB
2の操作方向が方向Aである場合、方向aの力を付与す
ることができ、一方、操作方向が方向Bである場合、方
向bの力を付与することができる。すなわち、操作方向
と同一方向の力覚を付与することができる。なお、上述
した例において、ボタンB2の操作方向が方向Aである
場合に方向bの力を付与し、操作方向が方向Bである場
合に方向bの力を付与したり、あるいは、操作方向が方
向Aである場合に方向aの力を付与し、操作方向が方向
Bである場合に方向aの力を付与するようにしたりする
ことができるのは当然である。
に対し、第2実施形態は2次元の力覚を付与するもので
ある。 1.第2実施形態の構成 第2実施形態の構成について、図面を参照しつつ説明す
る。図7は第2実施形態に係わる力覚駆動装置のブロッ
ク図である。なお、図7において、図1と同一構成は同
一の符号を付し、その説明を省略する。
ュエータであり、2つの1次元アクチュエータを組み合
わせて構成される。2次元アクチュエータ101の構成
を図8に示す。図において、1次元アクチュエータ
11,12は、支点P,Qを中心として、点P,Q,Wを
含む平面上で回動できるように設けられており、また、
1次元アクチュエータ11,12の一端は、点Wで相互に
連結されており、そこには操作子S(図示せず)が設け
られている。そして、操作子Sを操作すると、力点Wに
は紙面と平行方向の力Fが付与されるようになってい
る。この例では、1次元アクチュエータ11が最も伸長
した状態で回転すると、その先端の軌跡は曲線C11と
なり、最も縮小した状態で回転すると、その先端の軌跡
は曲線C12となる。また、1次元アクチュエータ12
が最も伸長した状態で回転すると、その先端の軌跡は曲
線C21となり、最も縮小した状態で回転すると、その
先端の軌跡は曲線C22となる。したがって、力点W
は、曲線C11,C12,C21,C22で囲まれた範
囲内で可動することができる。また、1次元アクチュエ
ータ11のセンサは、支点Pから力点Wまでの距離を示
す位置情報xを出力し、一方、1次元アクチュエータ1
2のセンサは、支点Qから力点Wまでの距離を示す位置
情報yを出力する。これにより、操作子の状態が検出さ
れる。
路であり、位置情報x,yに基づいて、2次元アクチュ
エータを構成する各1次元アクチュエータに付与する力
FX,FYを算出する(力覚情報の算出)。なお、力
FX,FYは、各2次元アクチュエータ101,102…1
0N毎に算出される。また、PU1,PU2は、PWM
ユニットであり、PWMドライバ21,22…2Nとデマ
ルチプレクサ6から構成される。
る。第2実施形態の力覚駆動装置は、各2次元アクチュ
エータ101,102…10Nを制御するため、時分割で
動作するが、ここでは、2次元アクチュエータ101の
制御を一例として説明する。
サによって位置情報x,yが検出される。ところで、一
次元アクチュエータ11,12が点Wに作用すべき力
FX,FYは、直交する座標軸上の座標値を用いて算出さ
れる。このため、位置情報x,yが合成ベクトル演算回
路7に供給されると、位置情報x,yの座標変換が行わ
れる。この処理を図9を参照して説明する。図におい
て、X軸とY軸は変換後の座標軸である。X軸は点P,
Qを含むように設定され、また、Y軸は点Pにおいて、
X軸と直交するように設定される。なお、点Pは原点
(0,0)とされる。この場合、力点Wの座標(X,
Y)は、位置情報x,yおよび点Pと点Qとの間の距離
Lから算出される。
報X,Yを順次微分して速度情報X’,Y’と加速度情
報X”,Y”を生成する。これらの情報がタッチデータ
テーブル群8に供給されると、タッチデータテーブル群
8は、位置情報X、速度情報X’および加速度情報X”
に基づいて、X軸方向の運動方程式に係わるパラメータ
の組を読み出し、また、位置情報Y、速度情報Y’およ
び加速度情報Y”に基づいて、Y軸方向の運動方程式に
係わるパラメータの組を読み出す。この後、合成ベクト
ル演算回路7は、読み出されたパラメータの組に基づい
て、力FX,FYを算出する。そして、2次元アクチュエ
ータ101が力FXを外部に作用するように制御信号CT
LXが生成され、また、力FYを外部に作用するように制
御信号CTLYが生成される。
るため、上述した合成ベクトル演算回路7は、各2次元
アクチュエータ101,102…10Nによって付与され
る力FX,FYを時分割で算出する。したがって、制御信
号CTLX,CTLYは、各2次元アクチュエータ1
01,102…10Nが力FX,FYを外部に作用できるよ
うに時分割多重されたものとなっている。こうして生成
された制御信号CTLX,CTLYがPWMユニットPU
1,PU2に供給されると、各2次元アクチュエータ1
01,102…10Nを駆動する駆動電流が生成される。
これにより、各2次元アクチュエータ101,102…1
0Nは駆動され、それらの各力点Wにおいて力FX,FY
が合成され、外部に力Fを作用させる。
クチュエータ101,102…10Nが外部に作用する力
Fを位置情報X,Y、速度情報X’,Y’および加速度
情報X”,Y”によって可変できるから、時刻とともに
変化する力点Wの状態に応じて面方向の複雑な力Fを生
成することができる。また、力覚駆動装置を時分割で動
作させたので、各2次元アクチュエータ101,102…
10N毎に合成ベクトル演算回路7やタッチデータテー
ブル群8を設ける必要がなく、簡易な構成で複数の2次
元アクチュエータを制御することが可能となる。
が、より簡易に2次元の力覚を付与することも可能であ
る。このような実施態様について、以下説明する。第1
の実施態様は、力点Wの位置に応じて反力Fを作用させ
るものであり、上述した第1実施形態で説明した中点復
帰型のスイッチに対応するものである。この場合には、
反力Fは、力点Wの中点位置を基準として、人の手で操
作子Sを操作して中点位置から力点Wを移動させた際
に、移動後の力点Wの位置と中点位置との差に応じて付
与される。したがって、反力Fは位置情報にのみ依存す
るから、運動方程式の速度および加速度に係わる項は常
に0とすることができる。また、力点Wから支点P,Q
までの距離x,yを知ることができれば、力点Wの位置
を特定することができるので、上述した一般的な2次元
力覚駆動装置のように位置情報x,yをX軸,Y軸上の
座標に変換する必要もない。このため、第1の実施態様
にあっては、図8に示す1次元アクチュエータ11,12
が作用する力FX,FYと位置情報x,yの関係をテーブ
ルに格納しておき、1次元アクチュエータ11,12で検
出される位置情報x,yに基づいてテーブルを参照し、
力FX,FYを求める。そして、力FX,FYに対応する駆
動電流をPWMドライバで発生させ、これを1次元アク
チュエータ11,12に供給する。このように第1の実施
態様によれば、簡易な構成によって、力点Wの位置と中
点位置との距離の差に応じて2次元の力覚を付与するこ
とができる。
説明した特殊なボタン部に対応するものであり、操作子
Sの操作方向と力点Wの位置に応じて反力Fを付与する
ものである。この場合には、まず、力点Wの位置情報
x,yを図9に示すX軸,Y軸上の座標に変換して位置
情報X,Yを求める。次に、位置情報X,Yの変化から
操作子Sの操作方向を求める。具体的には、速度情報
X’,Y’の合成ベクトルが操作方向を示すため、位置
情報X,Yを微分して速度情報X’,Y’を求める。ま
た、位置および操作方向と力FX,FYの関係を規定する
テーブルを用意しておき、位置情報X,Yと速度情報
X’,Y’に基づいて、テーブルを参照し、力FX,FY
を求める。そして、力FX,FYに対応する駆動電流をP
WMドライバで発生させ、これを1次元アクチュエータ
11,12に供給する。このように第2の実施態様によれ
ば、簡易な構成によって、操作子Sの操作方向と力点W
の位置に応じて力覚を付与することができる。
に対し、第3実施形態では、さらに次元を増やして3次
元の力覚を付与する力覚駆動装置に関する。 1.第3実施形態の構成 第3実施形態の構成について、図面を参照しつつ説明す
る。図10は第3実施形態に係わる力覚駆動装置のブロ
ック図である。
アクチュエータであり、3つの1次元アクチュエータを
組み合わせて構成される。3次元アクチュエータ100
1の構成を図11に示す。図において、1次元アクチュ
エータ11,12,13の各一端は、ボールジョイントJ
1,J2,J3を介して固定部K1,K2,K3と接続
されている。なお、ボールジョイントJ1,J2,J3
は、点P,Q,Rを各々中心として回転できるようにな
っている。また、1次元アクチュエータ11,12,13
の各他端は、ボールジョイントからなる継手JJで連結
され、この継手JJには操作子Sが図示するように設け
られている。これにより、操作子Sは3次元空間を自由
に移動することができる。ここで、継手JJの中心点W
は、各1次元アクチュエータ11,12,13からの力
FX,FY,FZが合成される力点となる。この力点Wか
ら点P,Q,Rまでの各距離は各1次元アクチュエータ
11,12,13のセンサによって各々検出され、これら
を指示する位置情報x,y,z(状態情報)が各センサ
から出力される。これにより操作子Sの状態が検出され
る。
7は、位置情報x,y,zに基づいて、3次元アクチュ
エータを構成する各1次元アクチュエータが付与する力
FX,FY,FZを算出する(力覚情報の算出)。なお、
力FX,FY,FZは、各3次元アクチュエータ1001,
1002…100N毎に算出される。また、PU1,PU
2,PU3は、PWMユニットであり、PWMドライバ
21,22…2Nとデマルチプレクサ6から構成される。
る。第3実施形態の力覚駆動装置は、各3次元アクチュ
エータ1001,1002…100Nを制御するため、時
分割で動作するが、ここでは、3次元アクチュエータ1
001の制御を一例として説明する。
ンサによって位置情報x,y,zが検出される。これら
の位置情報x,y,zが合成ベクトル演算回路7に供給
されると、位置情報x,y,zの座標変換が行われ、位
置情報X,Y,Zが生成される。なお、変換後のX軸、
Y軸,Z軸によって、運動方程式における座標値が表さ
れる。
報X,Y,Zを順次微分して速度情報X’,Y’,Z’
と加速度情報X”,Y”,Z”を生成する。これらの情
報がタッチデータテーブル群8に供給されると、タッチ
データテーブル群8は、第2実施形態と同様にX,Y軸
方向の運動方程式に係わるパラメータの組を読み出す
他、位置情報Z、速度情報Z’および加速度情報Z”に
基づいて、Z軸方向の運動方程式に係わるパラメータの
組を読み出す。
出されたパラメータの組に基づいて、力FX,FY,FZ
を算出する。そして、3次元アクチュエータ1001が
力FX,FY,FZ,FXを外部に作用するように制御信号
CTLX,CTLY,CTLZが生成される。なお、本実
施形態も第1,2実施形態と同様に時分割で動作するた
め、制御信号CTLX,CTLY,CTLZは、各3次元
アクチュエータ1001,1002…100Nが力FX,F
Y,FZを外部に作用できるように時分割多重されたもの
となっている。こうして生成された制御信号CTLX,
CTLY,CTLZがPWMユニットPU1,PU2,P
U3に供給されると、各3次元アクチュエータ10
01,1002…100Nを駆動する駆動電流が生成さ
れ、これにより、各3次元アクチュエータ1001,1
002…100Nは駆動される。
クチュエータ1001,1002…100Nに付与すべき
力Fを位置情報X,Y,Z、速度情報X’,Y’,Z’
および加速度情報X”,Y”,Z”によって可変できる
から、時刻とともに変化する力点Wの状態に応じて力F
を発生させることができ、しかも立体方向に力Fを作用
させることができる。また、時分割で動作させたので、
各3次元アクチュエータ1001,1002…100N毎
に合成ベクトル演算回路7やタッチデータテーブル群8
を設ける必要がなく、簡易な構成で複数の3次元アクチ
ュエータを制御することが可能となる。
が、2次元力覚駆動装置の場合と同様に、より簡易に3
次元の力覚を付与することも可能である。このような実
施態様について、以下説明する。第1の実施態様は、力
点Wの位置に応じて反力Fを作用させるものである。こ
の場合には、反力Fは、力点Wの中点位置を基準とし
て、人の手で操作子Sを操作して中点位置から力点Wを
移動させた際に、移動後の力点Wの位置と中点位置との
差に応じて付与される。したがって、反力Fは位置情報
にのみ依存するから、運動方程式の速度および加速度に
係わる項は常に0とすることができる。また、上述した
一般的な3次元力覚駆動装置ように位置情報x,y,z
をX軸,Y軸,Z軸上の座標に変換する必要もない。こ
のため、第1の実施態様にあっては、図11に示す1次
元アクチュエータ11,12,13が作用する力FX,
FY,Fzと位置情報x,y,zの関係をテーブルに格納
しておき、1次元アクチュエータ11,12,13で検出
される位置情報x,y,zに基づいてテーブルを参照
し、力FX,FY,Fzを求める。そして、力FX,FY,
Fzに対応する駆動電流をPWMドライバで発生させ、
これを1次元アクチュエータ11,12,13に供給す
る。このように第1の実施態様によれば、簡易な構成に
よって、力点Wの位置と中点位置との距離の差に応じて
3次元の力覚を付与することができる。
方向と力点Wの位置に応じて反力Fを付与するものであ
る。この場合には、まず、力点Wの位置情報x,y,z
を図9に示すX軸,Y軸,Z軸上の座標に変換して位置
情報X,Y,Zを求める。次に、位置情報X,Y,Zの
変化から操作子Sの操作方向を求める。具体的には、速
度情報X’,Y’,Z’の合成ベクトルが操作方向を示
すため、位置情報X,Y,Zを微分して速度情報X’,
Y’,Z’を求める。また、位置および操作方向と力F
X,FY,Fzとの関係を規定するテーブルを用意してお
き、位置情報X,Y,Zと速度情報X’,Y’,Z’に
基づいて、テーブルを参照し、力FX,FY,Fzを求め
る。そして、力FX,FY,Fzに対応する駆動電流をP
WMドライバで発生させ、これを1次元アクチュエータ
11,12,13に供給する。このように第2の実施態様
によれば、簡易な構成によって、操作子Sの操作方向と
力点Wの位置に応じて力覚を付与することができる。
次元アクチュエータを混在して用いる多次元の力覚駆動
装置に関する。 1.第4実施形態の構成 第4実施形態の構成を、図面を参照しつつ説明する。図
12は第4実施形態に係わる多次元力覚駆動装置のブロ
ック図である。
1,…、2次元アクチュエータ10,…、3次元アクチ
ュエータ100,…を制御する制御ICチップであり、
上述したタッチデータテーブル群6、合成ベクトル演算
回路7、PWMドライバ2等を内蔵している。なお、制
御ICチップAは、X軸、Y軸およびZ軸に関する制御
部より構成されるが、いずれも同一の構成であるため、
図11においては、X軸に関する制御部のみを図示し、
他の制御部については省略してある。制御ICチップA
は、以下の部分から構成される。
であり、21,31,41,61はA/D変換器であ
る。また、22,32,42は座標軸の変換を行う座標
変換テーブルである。また、27,28は微分回路群で
あり、アクチュエータの個数だけの一次微分回路からな
る。23は選択回路であり、速度情報X’に基づいて出
力の選択を行う。また、24,25,34,44はタッ
チデータテーブル群に相当する2次元テーブル群であ
り、複数の2次元テーブルから構成される。また、64
は1枚の2次元テーブルである。26,36,46,5
6,66は加算器、50はCPU、71はデマルチプレ
クサ、72はPWMドライバである。また、70は推力
特性補正テーブル群であり、複数の推力特性補正テーブ
ルから構成される。推力特性補正テーブルの入力は力F
であり、その出力は駆動電流指令である。ところで、力
Fと駆動電流指令との関係はアクチュエータの状態によ
って異なる。例えば、図2(A)において、中心棒10
がアクチュエータから突出している場合と、引き込まれ
ている場合とで同一の力Fを発生させるとすると、駆動
電流の値が異なる。これは、アクチュエータの推力特性
が非線形だからである。このような推力特性を補正すべ
く、推力特性補正テーブル群70は、複数の推力特性補
正テーブルから構成される。この例では、位置情報Xに
基づいて複数の推力特性補正テーブルのうち一つが選択
される。そして、力Fを示すデータが選択された推力特
性補正テーブルに供給されると、力Fに対応する駆動電
流指令が生成される。また、73は電流フィードバック
回路であり、これにより、アクチュエータを駆動する駆
動電流がフィードバックされ、実際の駆動電流が目標電
流と一致するように調整される。したがって、アクチュ
エータを構成するコイルの抵抗値が発熱によって変化し
ても、目標とする電流を供給することができる。
る。1次元アクチュエータ1,…、2次元アクチュエー
タ10,…、および3次元アクチュエータ100,…か
らの各位置情報xは、微分回路群27,28で順次微分
され、速度情報x’と加速度情報x”が各アクチュエー
タ毎に生成される。そして、各位置情報x、各速度情報
x’および各加速度情報x”が、マルチプレクサ20,
30,40によって時分割多重され、A/D変換器2
1,31,41を介して座標変換テーブル22,32,
42に供給されると、第1〜第3実施形態と同様に座標
軸の変換が行われ、各位置情報X、各速度情報X’およ
び各加速度情報X”が生成される。
…からの位置情報xの座標軸を変換するには、他の位置
情報y,zも必要である。この場合、位置情報y,z
は、Y軸とZ軸の制御部から供給される。また、位置情
報xが2次元アクチュエータ10,…からのものである
場合には、位置情報zを0として、位置情報x,yに基
づいて座標軸の変換が行われる。さらに、位置情報xが
1次元アクチュエータ1,…からのものである場合に
は、位置情報y,zを0として、座標軸の変換が行われ
る。なお、速度情報x’および加速度情報x”について
も、位置情報xの場合と同様に座標軸の変換が行われ
る。また、複数の外部入力EXT,…は、マルチプレク
サ60によって時分割多重された後、A/D変換器61
を介してデジタル信号に変換される。なお、複数の外部
入力EXT,…は、例えば、鍵盤演奏者への警告情報
や、演奏トリガー等の情報を力覚により外部から与える
ために用いられる。
例では、X軸方向の運動方程式として、以下に示す式1
を用いる。 F=MX”+ρX’+kX+f1+f2……式1 ここで、kXの値は、選択回路23、2次元テーブル群
24,25および加算器26によって生成される。ま
ず、位置情報Xが選択回路23に供給されると、選択回
路23は、速度情報X’に基づいて、位置情報Xを2次
元テーブル群24に出力するか、2次元テーブル群25
に出力するかを選択する。速度情報X’が正の値を示す
ならば、位置情報Xは2次元テーブル群24に出力さ
れ、速度情報X’が負の値を示すならば、位置情報Xは
2次元テーブル群25に出力される。この2次元テーブ
ル群24は、制御の対象となるアクチュエータが正方向
に動いている場合のkXの値を格納しており、また、2
次元テーブル群25は、アクチュエータが負方向に動い
ている場合のkXの値を格納している。これにより、ア
クチェータの動作方向によって、参照するテーブルを選
択することができる。
述したように複数の2次元テーブルによって構成される
が、速度情報X’が2次元テーブル群24,25に供給
されると、その値に応じて複数の2次元テーブルうちの
1つが選択される。そして、選択された2次元テーブル
から、位置情報Xに応じて、kXの値を指示するデータ
が読み出される。したがって、位置情報Xのみならず速
度情報X’も考慮され、kXの値が定まる。こうして、
kXの値を指示するデータが2次元テーブル群24,2
5から読み出され、読み出されたデータが加算器26で
加算される。ただし、位置情報Xが各2次元テーブル群
24,25に供給されない場合には、0を指示するデー
タが読み出されるようになっている。したがって、加算
器26から、kXの値を指示するデータが出力される。
ーブル群34によって生成される。この場合、位置情報
Xと速度情報X’が2次元テーブル群34に供給される
と、位置情報Xに基づいて複数の2次元テーブルのうち
の1つが選択され、選択された2次元テーブルから速度
情報X’に対応するρX’の値を指示するデータが読み
出される。したがって、速度情報X’のみならず位置情
報Xも考慮され、ρX’の値が定まる。例えば、本装置
を用いて図3に示すボタン部のアクチュエータを駆動し
ている場合に、ボタンBを一定速度で押し下げたとして
も、中心棒10が伸びきった状態から押し下げられた状
態に変化するにつれ、粘性係数に係るパラメータρX’
を除々に大きくすることができる。
ーブル群44によって生成される。この場合、位置情報
Xと加速度情報X”が2次元テーブル群44に供給され
ると、位置情報Xに基づいて複数の2次元テーブルのう
ちの1つが選択され、選択された2次元テーブルから加
速度情報X”に対応するMX”の値を指示するデータが
読み出される。したがって、加速度情報X”のみならず
位置情報Xも考慮され、MX”の値の値が定まる。
X、速度情報X’および加速度情報X”に基づいて、C
PU50で生成される。この場合、CPU50は、内部
のタイマを参照することによって検出した時間経過量お
よび上記各情報X,X’,X”に基づいて、f1の値を
生成する。これにより、アクチュエータが外部に作用す
る力Fを時間経過を加味したものにすることができる。
は、外部入力EXTに基づいて、2次元テーブル64を
参照することによって生成される。例えば、ボリューム
を操作するとその操作量に応じて外部入力EXTの値が
変化するように構成し、2次元テーブル64に所定の変
数値を格納しておけば、操作量に応じて式1の力f2を
可変することができる。このため、キーボードにこれを
応用すれば、ユーザーの好みに応じたタッチ感を創出で
きる。また、動作状況に応じリアルタイムにタッチを付
加したり減ずることも可能となり、鍵盤演奏者へ警告情
報や演奏トリガー等の情報をタッチそのもので伝えるこ
とが可能となる。
X,f1,f2の各値を示すデータは、加算器36,4
6,56,66によって加算され、これにより、力Fを
指示するデータDFが加算器66から出力される。そし
て、位置情報XとデータDFが補正テーブル群70に供
給されると、位置情報Xに基づいて複数の補正テーブル
のうちの1つが選択され、選択された補正テーブルから
データDFに対応する補正値を指示するデータDF’が
読み出される。これにより、アクチュエータの推力特性
を補正することができる。次にデータDF’がデマルチ
プレクサ71によって時分割分離され、分離された各デ
ータが各PWMドライバ72,…を介して各電流フィー
ドバック回路73,…に供給されると、各電流フィード
バック回路73,…は、アクチュエータの発熱による推
力変動を抑制するように、1次元アクチュエータ1,
…、2次元アクチュエータ10,…、および3次元アク
チュエータ100,…を制御する。これにより、各アク
チュエータは所定の外力Fを外部に作用することができ
る。
クチュエータを一つの制御ICチップAによって総合的
に制御することができるから、汎用性に富んだ制御IC
チップAを提供することができる。また、運動方程式の
kXの値を位置情報Xのみならず速度情報X’の値も考
慮して定めるといったように、他の要素を考慮して運動
方程式の各パラメータを定めたので、複雑な力Fを発生
させることができる。この結果、本実施形態の力覚駆動
装置を各種の機器に適用すれば、人の感性を反映させた
操作性を実現することができる。
動装置に関するものである。第4実施形態では、各セン
サからの位置情報x,y,zを座標変換テーブル22,
32,42を用いて座標変換を行い、所定の座標軸X,
Y,Z上で合成ベクトルを算出した。ところで、位置情
報x,y,zは、各アクチュエータの固定端から操作子
Sまでの距離を各々指示するものであるから、これらに
よって3次元空間内の位置を特定することができる。そ
こで、第5実施形態では、位置情報x,y,zを用いて
直接テーブルを参照し、これにより運動方程式の各項に
対応する値を生成している。
13は第5実施形態に係わる多次元力覚駆動装置のブロ
ック図である。なお、第5実施形態における3次元アク
チュエータは、図11に示す3次元アクチュエータと同
様に構成される。
軸、y軸およびz軸に関する制御部より構成されるが、
いずれも同一の構成であるため、x軸に関する制御部の
みを図示し、他の制御部については省略してある。な
お、第5実施形態におけるx,y,z軸は、第3および
第4実施形態のX,Y,Z軸と異なり、各1次元アクチ
ュエータ11,12,13の中心軸を意味する。制御IC
チップAは、以下の主要部分から構成される。26,2
8,37,47は、3次元テーブルであって、複数の2
次元テーブルから構成される。また、27,29はパラ
メータ補正テーブルであって、これにより他のパラメー
タによる補正が行われる。また、38,48は乗算テー
ブルである。
る。 2−1:入力 1次元アクチュエータ1,…、2次元アクチュエータ1
0,…、および3次元アクチュエータ100,…からの
各位置情報xは、微分回路群27,28で順次微分さ
れ、速度情報x’と加速度情報x”が各アクチュエータ
毎に生成される。そして、各位置情報x、各速度情報
x’および各加速度情報x”が、マルチプレクサ20,
30,40によって時分割多重され、A/D変換器2
1,31,41によってデジタル信号に変換される。ま
た、複数の外部入力EXT,…は、マルチプレクサ60
によって時分割多重された後、A/D変換器61を介し
てデジタル信号に変換される。なお、複数の外部入力E
XT,…は、例えば、鍵盤演奏者への警告情報や、演奏
トリガー等の情報を力覚により外部から与えるために用
いられる。
態と同様に以下に示す式1’を用いるものとする。 F=Mx”+ρx’+kx+f1+f2……式1’ ここで、kxは3次元テーブル26,28およびパラメ
ータ補正テーブル27,29によって算出され、ρx’
は3次元テーブル37および乗算テーブル38によって
算出され、Mx”は3次元テーブル47および乗算テー
ブル48によって算出される。
位置情報x,y,zに基づいてkx1を算出し、kx1に
対して加速度情報x”による補正を施し、最終的にkx
を算出している。
と、選択回路23は、速度情報x’に基づいて、位置情
報xを3次元テーブル26に出力するか、3次元テーブ
ル28に出力するかを選択する。速度情報x’が正の値
を示すならば、位置情報xは3次元テーブル26に出力
され、速度情報x’が負の値を示すならば、位置情報x
は3次元テーブル28に出力される。この3次元テーブ
ル26は、制御の対象となるアクチュエータが正方向に
動いている場合のkx1の値を格納しており、また、3
次元テーブル28は、アクチュエータが負方向に動いて
いる場合のkx1の値を格納している。これにより、ア
クチェータの動作方向によって、参照するテーブルを選
択することができる。
度情報x”が供給されると、加速度情報x”に対応する
補正テーブルが選択される。この補正テーブルには、k
x1に対応するkxが格納されている。したがって、加
速度情報x”に基づいてkx1に補正を施すことができ
る。これにより、模倣しようとする機構の加速度による
「しなり」あるいは「たわみ」を再現することができ
る。
ラメータ補正テーブル27,29から読み出され、読み
出されたデータが加算器26で加算される。ただし、位
置情報xが各3次元テーブル26,28に供給されない
場合には、0を指示するデータが読み出されるようにな
っている。したがって、加算器26から、kxの値を指
示するデータが出力される。この場合、kxは、位置情
報x,y,zのみならず、速度情報x’および加速度情
報x”を考慮したものとなる。
3次元テーブル37に供給される。すると、位置情報
y,zに対応する2次元テーブルが選択される。この2
次元テーブルは、ρと位置情報xとの関係を規定してい
る。このため、位置情報xが3次元テーブル37に供給
されると、選択された2次元テーブルを参照してρの値
を示すデータが読み出される。この後、ρの値を示すデ
ータが乗算テーブル38に供給されると、ρの値に対応
する2次元テーブルが選択される。この2次元テーブル
は、速度情報x’とρx’の関係を規定している。この
ため、速度情報x’が乗算テーブル38に供給される
と、選択された2次元テーブルを参照してρx’の値を
示すデータが読み出される。この場合、ρx’は、3次
元の位置情報x,y,zに対応したものになる。ただ
し、ρの値によって、2次元テーブルを選択しているの
で、乗算テーブル38に非線形特性を持たせることがで
きる。
る。まず、位置情報y,zに基づいて、3次元テーブル
47を構成する1枚の2次元テーブルが選択される。こ
の2次元テーブルは、Mと位置情報xとの関係を規定し
ている。そこに位置情報xが供給されると、Mの値を示
すデータが読み出される。この後、Mの値を示すデータ
が乗算テーブル48に供給されると、Mの値に対応する
2次元テーブルが選択される。この2次元テーブルは、
加速度情報x”とMx”の関係を規定しており、そこに
加速度情報x”が供給されると、Mx”の値を示すデー
タが読み出される。この場合、Mx”は、3次元の位置
情報x,y,zに対応したものになる。ただし、Mの値
によって、2次元テーブルを選択しているので、乗算テ
ーブル48に非線形特性を持たせることができる。
様に行われる。すなわち、位置情報x、速度情報x’お
よび加速度情報x”に基づいてCPU50によってf1
が算出される。また、2次元テーブル64によって外部
入力EXTに対応するf2が算出される。こうして、運
動方程式の各項に対応する各データが各々算出され、こ
れらの各データが、加算器36,46,56,66によ
って順次加算され、力Fを示すデータが生成される。こ
の例によれば、運動方程式の演算を、テーブルを用いて
実行することができるので、座標変換を行う第3,第4
実施形態と比較して演算負荷が軽くなり、高速処理が可
能となる。
る。すなわち、位置情報xとデータDFが補正テーブル
群70に供給されると、位置情報xに基づいて複数の補
正テーブルのうちの1つが選択され、選択された補正テ
ーブルからデータDFに対応する補正値を指示するデー
タDF’が読み出される。これにより、アクチュエータ
の推力特性を補正することができる。次にデータDF’
がデマルチプレクサ71によって時分割分離され、分離
された各データが各PWMドライバ72,…を介して各
電流フィードバック回路73,…に供給されると、各電
流フィードバック回路73,…は、アクチュエータの発
熱による推力変動を抑制するように、1次元アクチュエ
ータ1,…、2次元アクチュエータ10,…、および3
次元アクチュエータ100,…を制御する。これによ
り、各アクチュエータは所定の外力Fを外部に作用する
ことができる。
ータ補正テーブル27,29、および乗算テーブル3
8,48の生成について説明する。この例にあっては、
1個の3次元アクチュエータ100が制御ICチップに
接続されているものとする。ここでは、人の顔から得ら
れる触覚を3次元アクチュエータ100で模倣する場合
を図14を参照しつつ説明する。
てると、操作子Sは人の顔から反力Fを受ける。この反
力Fは、各1次元アクチュエータ11,12,13 によ
って発生される力Fx,力Fy,力Fzの合成力と釣り
合う。一方、1次元アクチュエータ11,12,13から
得られる位置情報x,y,zは、操作子Sの座標を表し
ている。この座標P(x,y,z)において力Fx,F
y,Fzは、位置、速度、加速度によって一意に定ま
る。したがって、この例では実際のアクチュエータ(も
しくはこれに相当する疑似測定器)を使用して、対象物
の各位置での力Fx,Fy,Fzを実測して、各テーブ
ルを生成している。まず、操作子Sの速度と加速度を0
とし、すなわち、操作子Sが停止しているとすると、力
Fxを得るために1次元アクチュエータ11を駆動して
いる駆動電流は、上述した運動方程式のkxの項に対応
する値となる。このため、人の顔の各位置において駆動
電流と位置情報x,y,zを実測し、これらを対応づけ
て3次元テーブル26,28を生成する。
生成については、操作子Sを人の顔に押し当て、複数の
速度,加速度で駆動電流を実測することによって行われ
る。この実測を顔の各位置について行い、そこで得られ
る駆動電流と位置情報x,y,zと対応づけ、これに基
づいて3次元テーブル37,47、パラメータ補正テー
ブル27,29、および乗算テーブル38,48を生成
する。実際の計測にあっては、Fy,Fzの方向が一定
となるようにして、まずFxについて上記計測を行い。
この後、Fy,Fzについて同様に計測を行えばよい。
また、人の顔や破損し易い物体を等を計測する場合にあ
っては、駆動電流に制限を設けて、一定の力以上の負荷
が対象物に加わらないようにしている。
って、人の顔から得られる触覚を模倣することができ
る。すなわち、本実施形態によれば、模倣の対象となる
物体を用意し、この物体から得られる触覚を記憶しこれ
を再現することができる。この結果、物体の柔らかさ、
硬さといった弾性を表現することが可能となる。なお、
各テーブルを自動学習で生成してもよい。この場合に
は、対象物体を所定の位置に置き自動学習を開始する
と、操作子Sが予め定められた軌跡を移動し、この際に
必要とされる駆動電流と位置情報x,y,zを対応づけ
て、各テーブルが自動的に作成される。
を行うことなく、位置情報x,y,zを用いて各テーブ
ルを直接参照したので、演算量を削減することができ
る。また、3次元アクチュエータは自由継手で連結する
こととしたので、操作子Sを広い範囲で可動させること
ができる。また、対象物の弾性を模倣することができ、
複雑な力覚を発生させることができる。さらに、立体物
の質感等を再現できるツールに応用することができ、当
該立体物が空間を仕切る輪郭といった境界条件の測定や
輪郭の再現を行うことが可能になる。
を制御する制御プログラムは通信網を介して配信しても
良いし、あるいは記録媒体に記録されていても良い。第
6実施形態では、この場合の一例として、第4実施形態
の制御ICチップAを用いたドライブシュミレータにつ
いて説明する。
シュミレータのブロック図である。図において、201
はパーソナルコンピュータであって、ネットワークNE
Tに接続されており、ドライブシュミレータ全体の動作
を制御する。また、200はネットワークNETに接続
されるサーバであって、そこからパーソナルコンピュー
タ201に制御プログラムが配信されるようになってい
る。この制御プログラムは、ドライブシュミレータの動
作を制御するものであって、そこには、ハンドルHD、
クラッチペタルKP、アクセルペタルAP、およびシフ
トレバーSL等の操作子に反力を付与するためのタッチ
データ(上述した運動方程式のパラメータ)が含まれて
いる。したがって、制御プログラムを変更すれば、操作
子の操作感を変更することができる。
構成を図16に示す。図に示すように、パーソナルコン
ピュータ201は、CPU300、ROM301、RA
M302、ハードディスク303、通信インターフェー
ス304、CD−ROMドライバ305、および内部イ
ンターフェース306等から構成されている。
接続されており、サーバ200から制御プログラムが送
信されると、これを通信インターフェース304を介し
て受信し、受信した制御プログラムをハードディスク3
03に格納するようになっている。また、制御プログラ
ムがCD−ROMによって供給される場合には、CD−
ROMに格納されている制御プログラムをCD−ROM
ドライバ305によって読み出し、これをハードディス
クに格納するようにCPU300は制御する。なお、こ
のような格納動作は、ROM301に格納されている基
本プログラムに基づいて実行される。なお、この制御プ
ログラムを実行する際には、RAM302がCPU30
0の作業領域として用いられる。また、制御プログラム
中のタッチデータは、プログラムの進行に応じて制御I
CチップAに転送されるようになっている。
ルコンピュータ201は、当該プログラムに従ってビデ
オ信号VSとオーディオ信号ASを生成する。このビデ
オ信号VSはディスプレイDPに出力され、一方、オー
ディオ信号ASはアンプAMPを介してスピーカSPに
出力される。
P、アクセルペタルAPには各々1次元アクチュエータ
202,203,204が接続されており、シフトレバ
ーSLには2次元アクチュエータ205が接続されてい
る。これらのアクチュエータは、制御ICチップAによ
って制御される。この制御ICチップAは、パーソナル
コンピュータ201と相互にデータの通信を行えるよう
に接続されている。
タの位置情報X(図12参照)等がパーソナルコンピュ
ータ201に送信される。これにより、パーソナルコン
ピュータ201は、ハンドルHDの角度やアクセルペダ
ルAPおよびクラッチペダルKPの踏み込み具合を検知
し、検知結果に基づいてビデオ信号VSおよびオーディ
オ信号AS等を生成する。
は、2次元テーブル群24,25,34,44および2
次元テーブル64のタッチデータ(運動方程式のパラメ
ータ)が、制御ICチップAに転送される。これによ
り、制御プログラムが新たに更新された場合に、操作子
の操作感覚を変更することが可能となる。また、プログ
ラムの進行に応じてタッチデータの内容を変更するよう
にすれば、各シーン毎にハンドルHDやシフトレバーS
L等に力覚を付与することができる。例えば、砂利道を
走行するシーンではハンドルHDの操作を重くしたり、
雨のシーンでスリップしたような場合にはハンドルHD
の操作を軽くすることができる。
ュエータ206〜208で構成される3次元アクチュエ
ータが設けられており、ソフトの進行に応じて座席SS
の位置を立体的に可変できるようになっている。この場
合、パーソナルコンピュータから、力Fを指示するデー
タがベクトル分離回路209に出力されると、そこで、
ベクトル分離が行われ、3次元アクチュエータを駆動す
る駆動信号が生成される。そして、各駆動信号によっ
て、各1次元アクチュエータ206〜208が駆動され
る。これにより、ソフトの進行に応じて座席SSに加速
度を与えることができ、例えば、ユーザーがハンドルH
Dの操作を誤って車体がガードレールに接触したような
場合には、座席SSを上下左右に揺らすことができる。
CチップAによって、ドライブシュミレータ等のアミュ
ーズメント機器を総合的に制御することができ、これに
より臨場感にあふれる動作を実現できる。また、制御プ
ログラムをCD−ROMやネットワークを介して配信す
ることができるので、同一の操作子を用いて、そこで付
与する力覚を適宜変更することが可能になる。
えば以下のように種々の応用が可能である。 上記各実施形態は、ユーザーがアクチュエータを操作
することによって検出された位置情報X等に基づいて力
覚を付与するものであったが、この替わりに位置情報
X,速度情報X’および加速度情報X”等をパーソナル
コンピュータで生成し、これを用いて各アクチュエータ
を駆動してもよい。例えば、この力覚駆動装置をフライ
トシュミレータに適用すれば、離着陸時における正しい
操作を再現することができ、パイロットの訓練に役立て
ることができる。また、位置情報X,速度情報X’およ
び加速度情報X”等を通信ネットワークを介して伝送
し、これを用いて各アクチュエータを駆動してもよい。
例えば、2台の力覚駆動装置を通信ネットワークを介し
て接続し、一方の力覚駆動装置を操作して得られた位置
情報X,速度情報X’および加速度情報X”等を通信ネ
ットワークを介して伝送し、これらに基づいて他方の力
覚駆動装置を動作させれば、離れた場所で力覚を再現す
ることができる。
タは、回転型のマンマシンインターフェースに適用して
もよく、例えば、図17に示す回転ボリュームに応用し
ても良い。この場合、1次元アクチュエータとして、ロ
ータリーソレノイドやモータ等を用いればよく、そのセ
ンサは回転角度を上述した位置情報として出力する。こ
の例によれば、大きな質量のつまみ部を用いなくとも、
重量感のあるボリュームとすることができ、高級感を演
出することができる。
タを、図18(A)に示すジョイスティック、同図
(B)に示すドライブシュミレータのシフトレバー等に
応用してもよい。例えば、シフトレバーに適用した場合
にあっては、アイドリングの状態でシフトレバーを小刻
みに振るわせることができ、臨場感を演出するこができ
る。 また、第2実施形態の2次元アクチュエータを、
同図(C)に示す形状認識システムに応用してもよい。
この場合には、形状の輪郭に沿って操作子Sを操作すれ
ば反力が付与されないかあるいは微小な反力が付与さ
れ、その輪郭からずれて操作子Sを操作すると、大きな
反力が付与されるようになっている。このため、操作子
Sをなにげなく操作すれば、操作子Sは動きやすい所を
たどるので、操作子Sの軌跡は形状の輪郭に沿ったもの
となり、人が形状を認識することができる。また、図1
7に示すロータリーソレノイドやモータ等を1次元アク
チュエータとして用い、図19(A)に示す立体形状の
認識に応用してもよい。この場合には、人の指に装着す
るキャップC1,C2に各4本の糸を張り、各4本の糸
の張力を各々1次元アクチュエータで制御すればよい。
この際、指が仮想物体に触れない状態では反力をほとん
ど受けることなく動作できるようにし、仮想物体に触れ
ると反力を受けるように各1次元アクチュエータを制御
する。また、仮想環境をコンピュータで作り出し、物理
的に離れた遠隔地の人どうしが、一つ仮想環境内をイン
タラクションすることにより、協同作業をすることはリ
モートコラボレーションと呼ばれいるが、この技術分野
に、図19(B)に示す3次元力覚駆動装置を適用して
もよい。また、図8に示す2次元アクチュエータを構成
する2つの1次元アクチュエータ11,12を力点Wで直
交するように連結してもよい。この場合には、力FX,
力FYをより簡単に算出することができる。
の各パラメータMX”,ρX’,kXを指示するデータ
を2次元テーブル群24,25,34,44から読み出
し算出するにあたり、位置情報X,速度情報X’,加速
度情報X”を適宜組み合わせたアドレスを用いて読み出
してもよい。また、2次元アクチュエータ10に関する
運動方程式の各パラメータMX”,ρX’,kXを算出
する場合には、位置情報X,Y、速度情報X’,Y’、
加速度情報X”,Y”を適宜組み合わせたアドレスを用
いてもよい。さらに、3次元アクチュエータ100に関
する運動方程式の各パラメータMX”,ρX’,kXを
算出する場合には、位置情報X,Y,Z、速度情報
X’,Y’,Z’、加速度情報X”,Y”,Z”を適宜
組み合わせたアドレスを用いてもよい。
データテーブル群に運動方程式の各係数を指示するデー
タを格納してもよい。この場合には、位置情報X,速度
情報X’,加速度情報X”に応じてM,ρ,k,fとい
った係数の組が、タッチデータテーブル群から読み出さ
れ、各係数と位置情報X,速度情報X’,加速度情報
X”を乗算することによって、力Fが算出される。ま
た、各係数は一定の値であってもよく、さらに、階段状
に変化するものであってもよい。
方程式の速度に対応する項、すなわち、ρx’を算出す
る際に、他の軸の速度情報y’,z’を用いてこれを算
出するようにしてもよい。また、加速度に対応するM
x”を算出する際に、他の軸の加速度情報y”,z”を
用いてこれを算出するようにしてもよい。また、各テー
ブルに格納されているデータの中間値を、演算によって
補間し、滑らかに出力が変化するようにしてもよい。ま
た、上記第5実施形態において説明した各テーブルの生
成方法を、第4,第3実施形態に適用しても良い。
報と加速度情報は、位置情報を微分することにより算出
したが、速度センサ、加速度センサにより検出しても良
いことは勿論である。また、加速度センサから検出され
る加速度情報を順次積分して速度情報、位置情報を算出
してもよい。さらに、速度情報を速度センサで検出し、
これを積分して位置情報を、微分して加速度情報を算出
するようにしてもよい。要は、操作子Sの状態を運動方
程式で表すことができる状態情報を得ることができれば
よい。
覚駆動装置で実現される機能は、力覚付与方法として捉
えることも可能であり、この力覚付与方法を第6実施形
態出説明したように記録媒体に格納したり、ネットワー
クを介して配信することも可能である。また、この場
合、力覚駆動装置を全体を制御する制御プログラムだけ
でなく、運動方程式のパラメータと状態情報(位置情
報、速度情報、加速度情報)とを対応付けて格納したタ
ッチデータテーブル群、2次元テーブルのデータだけを
記録媒体に記録し、これを力覚駆動装置に設けられた読
み取り手段で読み取って、テーブルの内容を更新するし
たり、当該データをネットワークを介して取得し、更新
することも可能である。ここで、記録媒体とは、その読
取装置に対して、磁気、電気、光等のエネルギー変化を
引き起こして、それに対応する信号の形式で、読取装置
にプログラムの記述内容を伝達できるものであって、例
えば、磁気ディスク、光ディスク、CD−ROM、半導
体メモリ等が該当する。
明特定事項によれば、複数方向の力覚を付与することが
できる。また、操作子の位置あるいは操作方向に応じて
力覚を付与することができる。また、操作子の操作方向
と同一方向に力覚を付与することができる。
動装置のブロック図である。
構成を示す断面図である。
用したスライドスイッチの側面図である。
られるタッチデータテーブル群の内容を示す図である。
ーボードに適用した場合のボタン部の構成を示す側面図
である。
ッチデータテーブル群の内容を示す図である。
動装置のブロック図である。
構成を示す平面図である。
図である。
駆動装置のブロック図である。
の構成を示す斜視図である。
駆動装置のブロック図である。
駆動装置を説明するためのブロック図である。
するための説明図である。
駆動装置をドライブシュミレータに適用した場合の構成
を示すブロック図である。
成を示すブロック図である。
転ボリュームに応用した例を示す図である。
用例を示す図である。
用例を示す図である。
02,10N…2次元アクチュエータ、1001,10
02,100N…3次元アクチュエータ、21,22,2N…
PWMドライバ(駆動手段)、X,Y,Z……位置情
報、X’,Y’,Z’…速度情報、X”,Y”,Z”…
加速度情報、CTLX,CTLY,CTLZ…制御信号、
4,8…タッチデータテーブル群(制御手段、テーブ
ル)、5…演算回路(制御手段、演算手段)、7…合成
ベクトル演算回路(制御手段、演算手段、制御信号生成
手段)、12…センサ(検出手段)、27,28…微分
回路(検出手段)。
Claims (10)
- 【請求項1】 操作子の位置に応じて、前記操作子に力
を付与する力覚駆動装置において、 前記操作子と連結され、前記操作子を複数方向に可動さ
せるアクチュエータと、 前記操作子の少なくとも位置情報を検出する検出手段
と、 前記位置情報に基づいて、前記アクチュエータが前記操
作子に付与すべき力を指示する制御信号を生成する制御
手段と、 前記制御信号に基づいて前記アクチュエータを駆動する
駆動手段とを備えたことを特徴とする力覚駆動装置。 - 【請求項2】 操作子が操作されると、前記操作子に力
を付与する力覚駆動装置において、 前記操作子と連結され、前記操作子を複数方向に可動さ
せるアクチュエータと、 前記操作子の位置情報を検出する検出手段と、 前記操作子の操作方向を検出する操作方向検出手段と、 前記位置情報および前記操作方向に基づいて前記操作子
に付与する前記力の大きさおよび方向を求め、求められ
た前記力の大きさおよび方向に応じた制御信号を生成す
る制御手段と、 前記制御信号に基づいて前記力が前記操作子に付与され
るように前記アクチュエータを駆動する駆動手段とを備
えたことを特徴とする力覚駆動装置。 - 【請求項3】 操作子と連結され、前記操作子を複数方
向に可動させるアクチュエータと、 前記操作子の位置、速度、もしくは加速度、または、こ
れらの組み合わせに基づいて、前記アクチュエータが前
記操作子に付与すべき力を指示する制御信号を生成する
制御手段と、 前記制御信号に基づいて、前記アクチュエータを駆動す
る駆動手段とを備えたことを特徴とする力覚駆動装置。 - 【請求項4】 操作子と連結され、前記操作子を複数方
向に可動させるアクチュエータと、 前記操作子の位置情報、速度情報および加速度情報を検
出する検出手段と、 運動方程式の位置、速度、加速度または外部入力情報に
対応する操作力に係わる各項の値を指示する各データが
格納されたテーブルと、 前記位置情報、前記速度度情報、前記加速度情報および
前記外部入力情報に基づいて前記テーブルを参照し、こ
れにより得られた前記各データから制御信号を生成する
制御信号生成手段と、 前記制御信号に基づいて、前記アクチュエータを駆動す
る駆動手段とを備えたことを特徴とする力覚駆動装置。 - 【請求項5】 前記操作子に付与する前記力の方向を、
前記操作子が操作された方向と同一方向に設定すること
を特徴とする請求項1乃至4のうちいずれか1項に記載
した力覚駆動装置。 - 【請求項6】 操作子に連結されたアクチュエータを用
いて、前記操作子に複数方向の力を付与する力覚付与方
法であって、 前記操作子の状態を示す状態情報を検出し、 前記操作子の前記状態情報に基づいて前記操作子に付与
すべき力を算出して、力覚情報を生成し、 前記力覚情報に基づいて前記アクチュエータを駆動する
ことを特徴とする力覚付与方法。 - 【請求項7】 前記力覚情報を生成する処理は、運動方
程式の各項の値を示すデータと前記状態情報を対応付け
て記憶したテーブルを参照することによって、行うこと
を特徴とする請求項6に記載する力覚付与方法。 - 【請求項8】 前記テーブルに、記録媒体から読み出し
た前記データ、または通信により取得した前記データを
記憶することを特徴とする請求項7に記載の力覚付与方
法。 - 【請求項9】 操作子に連結されたアクチュエータを用
いて、前記操作子に複数方向の力を付与する力覚駆動装
置を制御するプログラムを記録した記録媒体であって、 前記プログラムは、 前記操作子の状態を示す状態情報を検出する処理と、 前記操作子の前記状態情報に基づいて、前記操作子に付
与すべき力を算出して、力覚情報を生成する力覚情報生
成処理と、 前記力覚情報に基づいて前記アクチュエータを駆動する
処理とを前記力覚駆動装置に行わせることを特徴とする
記録媒体。 - 【請求項10】 操作子に連結されたアクチュエータを
用いて、前記操作子に複数方向の力を付与する力覚駆動
装置であって、 通信回線を介してプログラムを受信する受信手段と、前
記プログラムを記憶する記憶手段を備え、 前記プログラムは、 前記操作子の状態を示す状態情報を検出する処理と、 前記操作子の前記状態情報に基づいて、前記操作子に付
与すべき力を算出して、力覚情報を生成する力覚情報生
成処理と、 前記力覚情報に基づいて前記アクチュエータを駆動する
処理とを前記力覚駆動装置に行わせることを特徴とする
力覚駆動装置。
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