CN102549526B - 触觉显示器以及cad系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供针对物体表面的平缓的起伏能够使人比直接抚摸的情况更加清楚地感知该起伏的技术。触觉显示器(1)的触觉设备(2)在物体(W1)的上方沿着其长度方向滑动。触觉设备(2)具有自由地上下运动的三根杆(4)。杆(4)的下端与物体(W1)的表面接触。当使触觉设备(2)滑动时，杆(4)的各上端与物体(W1)的表面起伏对应地上下运动。将试验者的手(H)以与人的食指或中指或无名指的三个关节(J1、J2、J3)的位置相当的手掌侧皮肤分别与杆的上端相抵的方式放置在触觉设备(2)的上表面上，并使触觉设备(2)移动。与触觉设备(2)的移动对应地，三根杆(4)以与起伏高度相等的行程按压手掌侧皮肤的指关节位置。

Description

触觉显示器以及CAD系统

技术领域

本发明涉及通过触觉向人提示信息的触觉显示器和利用了触觉显示器的CAD系统。

背景技术

作为计算机的人机接口中的一个，触觉显示器正在被研究。以往的触觉显示器多数具有配置为格子形状的多个销，能够将各个销的突出高度改变为各种各样(例如，专利文献1)。人接触由多个销的顶端构成的起伏。触觉显示器能够通过改变该表面的起伏形状来将各种各样的信息作为触觉提示给人。为了实现各种各样的表面形状，触觉显示器优选的是将更多的销稠密地配置。

触觉显示器不是只有通过改变表面的起伏形状来给人触觉刺激的类型。例如，在专利文献2中，叙述了采用振动刺激或电刺激的触觉显示器。根据专利文献2，说明了通过将振动刺激或电刺激施加到人的指尖而能够向人传递表面粗糙度的差异。

还有将触觉显示器应用于CAD系统的研究(例如，非专利文献1)。该CAD系统采用了具有通过臂支撑切削工件表面的刮刀的构造的触觉显示器。刮刀的移动经由臂的移动而被导入计算机中。另外，该CAD系统将存储在计算机中的工件的表面形状数据作为虚拟物体模型(CAD模型)显示在监视器上。该CAD系统的计算机将刮刀的移动配置在计算机内的虚拟空间，并计算虚拟物体模型和刮刀之间的干扰。该CAD系统能够将刮刀在计算机的虚拟空间内通过与虚拟物体模型的接触而受到的反作用力经由臂传递给操作员。当操作员看着监视器如切削虚拟物体模型那样使刮刀移动时，CAD系统响应于刮刀的移动而修正虚拟物体模型、即表面形状数据。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利文献特开2005-4058号公报；

专利文献2：日本专利文献特开2003-248540号公报。

非专利文献

非专利文献1：Monica Bordegoni，Umberto Cugini，“DESIGNPRODUCTS WITH YOUR HANDS”，Proceedings of Virtual Concept 2005，Biarritz，France，Nov.8th-Nov.10th，2005。

发明内容

配置有多个销的以往的触觉显示器能够正确地再现物体的表面形状。另外，如专利文献2所公开的那样，施加振动刺激或电刺激的触觉显示器也有可能能够将表面粗糙度传递给人。然而，至少在本申请的发明人所知的情况下，对于将物体表面的平缓的起伏比直接触摸物体的情况更加容易分辨地传递给人的触觉显示器，除了本申请的发明人之外到目前为止还没有人研究。非专利文献1的技术也仅是再现在CAD模型上使其滑动时的刮刀的移动的技术，并不是将物体表面的平缓的起伏容易理解地提示的技术。

本说明书提供针对物体表面的平缓的起伏能够使人比直接抚摸的情况相比更加清楚地感知该起伏的技术。

如从作为一个例子而上述的CAD系统可看出的那样，该技术有助于具有平缓的起伏的工件的开发或制造。工件是例如汽车的车体、或者用于对车体进行成形的模具。例如，以往，汽车车体用的模具的形状是通过操作员用手掌抚摸来感知器表面形状并修正。如上所述的操作的质量依赖于操作员的熟练度。若通过应用本说明书所公开的技术能够容易地感知模具表面的平缓的起伏，则能够有望提高如上所述的操作的效率。

本说明书所公开的新的触觉显示器与人用手掌直接抚摸物体的情况相比更加明显地使人感知物体的平缓的表面起伏。例如，即便用手掌直接抚摸具有长度为100mm且高低差为0.1mm左右的起伏的物体表面，人也无法明确地感知该起伏。如果使用新的触觉显示器，能够使人清楚地感知这样的起伏。另外，在本说明书中被称作“起伏”的用语除了突起之外还包含凹坑。因此，本说明书所公开的新的技术对于平缓地突起的起伏和平缓地凹陷的起伏中的任一个都能够给人可感知起伏的清楚的触觉刺激。

对发明了本说明书所公开的新的技术的发明人的见解以及本发明的技术构思进行说明。人在想要感知物体表面的平缓的起伏时，不仅接触物体表面还抚摸物体表面。并且，人不仅使用指尖而是用整个手掌来抚摸物体表面。即，人用整个手掌抚摸物体表面比只用指尖抚摸能够更加明确地感知细微的起伏。虽然大脑中的触觉感知机制还没有完全被弄清楚，然而，根据发明人的见解，可以推断出：这是由于物体表面的起伏作为整个手掌的弯曲变化而被感知。

根据发明人的研究，推断出：当用手掌抚摸物体表面时的感知是主要通过手指的关节角度的变化而获得。因此，发明人认为：只要能够使人感知到指关节角度发生了变化，则能够使人清楚地感知物体表面的平缓的起伏。发明人进行了各种各样的实验的结果发现：一旦对手掌侧皮肤的指关节位置局部地施加刺激，则无论实际上手指是否弯曲，人都明显地感知到手指已弯曲。具体来说，对皮肤施加的刺激最为优选的是物理上按压皮肤的力。然而，施加到皮肤的刺激推断为可以是振动刺激或电刺激。由于人的大脑所感知的刺激和人体的物理上的移动之间的关系并不清楚，因此下述的仅是推断，然而认为：对与手掌侧皮肤的指关节位置相当的位置局部地施加振动刺激或电刺激，无论实际上是否弯曲人都感知到指关节的角度已变化。

在物理上用手掌抚摸物体表面的情况下，手指的手掌侧皮肤整体与物体表面接触，人从手指的皮肤整体接受刺激。因此，在对手掌侧皮肤的指关节位置局部地施加刺激的情况比物理上用手掌抚摸物体表面的情况所感知到的刺激相对更强。因此，在以与物体表面的起伏高度相等的行程局部地按压指关节位置的情况下，人比直接抚摸物体表面的情况更加明显地感知起伏。发明人通过实验确认了该事实。接下来，说明该实验。另外，“局部地按压指关节位置的情况”也可以称作“使指关节位置局部地微小移位的情况”。

图1示出实验装置1的示意性的侧视图。物体W1在其表面的大致中央形成有长度为100mm且最大高度为0.2mm的起伏。另外，在图1中，强调描绘出了表面的起伏。物体W1被置于桌上。触觉设备2在物体W1的两侧通过辊3来被桌支撑，并且在物体W1的上方沿着其长度方向滑动。在触觉设备2上安装有可上下自由运动的三根杆4a、4b、4c。杆的长度为约70mm。另外，将三根杆统称为杆4。在杆4的下端安装有辊。杆4的下端经由辊与物体W1的表面接触。一旦使触觉设备2滑动，则各杆4的下端通过辊流畅地在表面起伏上移动。一旦使触觉设备2滑动，则杆4的各上端响应物体W1的表面起伏而上下运动。此时，杆4的上下方向的行程严格等于起伏高度。将试验者的手H以与人的食指或中指或无名指的三个关节J1、J2、J3的位置相当的手掌侧皮肤分别与杆的上端相抵的方式放置在触觉设备2的上表面上，并移动触觉设备2。响应触觉设备2的移动，三根杆4以与起伏高度相等的行程局部地按压手掌侧皮肤的三个指关节位置。作为比较实验，试验者直接抚摸物体W1的表面。为几十人左右的试验者，所有的试验者均表示经由触觉设备2抚摸的情况比直接抚摸物体W1的表面情况更加明确地感知到了起伏。通过该实验，确认到：局部地刺激手掌侧皮肤的指关节位置的情况比直接抚摸的情况能够更加清楚地感知物体表面的起伏。另外，触觉设备2实际上与后述的图4的触觉设备22相同地具有9个刺激构件，然而，在这里为了简化说明而只说明了三个杆(刺激构件)。触觉设备2的杆4相当于后述的刺激构件。

另外，在使用了触觉设备2的实验中，试验者叙述尽管在离物体W1的表面位于约70mm的上方受到了刺激可是感知到了从杆4提供的刺激宛如为物体W1的表面的起伏。即，实验装置1给试验者产生抚摸物体W1的表面错觉，并且能够比用手掌直接抚摸物体表面的情况更加清楚地感知表面起伏。实验装置1正是相当于本说明书公开的新的触觉显示器的一个实施方式。该触觉显示器(实验装置1)响应人的手的移动而对人的手掌侧皮肤的至少一个指关节位置局部地施加刺激。

以下，将实验装置1改称为触觉显示器1。若进一步具体说明该触觉显示器1的构造则如下所述。触觉显示器1具有触觉设备2。触觉设备2能够安装在人的手上。在这里，“安装”包括将手放在触觉设备2之上的含义。即，在本说明书中“安装”意味着人的手和触觉设备2能够一起移动。触觉设备2具有对人的手掌侧皮肤中的至少一个指关节位置施加刺激的杆4。当人使触觉设备2在物体表面上移动时，该触觉显示器1响应触觉设备2的移动(人的手的移动)而对人的手掌侧皮肤的指关节位置施加刺激。

触觉显示器1通过由触觉设备2和杆4构成的机械机构来响应于实际存在的物体的表面起伏来施加刺激。也可以通过执行机构(电机)和控制器(软件)来代替该机械机构也能构成同样的触觉显示器。即，触觉显示器也可以由检测触觉设备的移动的传感器、存储物体的表面形状数据的存储单元、以及控制刺激构件的控制器来构成。如前所述，触觉设备装备有刺激构件，并且所述刺激构件以能够对人的手掌侧皮肤的指关节位置局部地施加刺激的方式配置。存储单元可以被包含在控制器中。控制器也可以改称为计算机。控制器将通过表面形状数据规定的虚拟物体模型配置在虚拟空间内，并基于传感器的输出来决定虚拟物体模型表面上的触觉设备的位置。然后，控制器施加大小与对应于指关节位置的虚拟物体模型的表面位置上的起伏高度相对应的刺激。虚拟物体模型的表面的起伏高度由表面形状数据规定。

如前所述，触觉显示器1的杆4对应于刺激构件。另外，刺激构件不限于机械的杆4，如前所述的那样也可以是通过执行机构按压皮肤的设备。刺激构件最为优选的是按压皮肤的设备，然而，也可以是对皮肤施加电刺激的设备、对皮肤施加振动的设备中的任一个。物体的表面形状数据典型的是CAD数据即可。另外，物体的表面形状数据不一定是正确地表示实际存在的物体的表面形状的数据也可以。表面形状数据也可以是例如设计过程中的工件的形状数据等。“大小与虚拟物体模型的表面的起伏高度对应的刺激”是以与起伏高度相等的长度的行程、或者与起伏高度成比例的长度的行程按压皮肤的刺激即可。或者，“大小与虚拟物体模型的表面的起伏高度对应的刺激”既可以是振幅与起伏高度成比例的振动，也可以是电压与起伏高度成比例的电刺激。不需要严格成比例，只要是为了提供更加清楚地感知起伏的触觉刺激而对虚拟物体模型的表面的起伏高度进行非线性转换后的大小的刺激即可。

本发明也可以作为响应人的手的移动而对人的手掌侧皮肤的指关节位置局部地施加刺激的触觉提示方法来实现。

本说明书也提供利用了上述的触觉显示器的新的CAD系统。该CAD系统具有带上述的控制器的触觉显示器以及与该控制器连接的输入设备。控制器响应输入设备检测的人的操作量而修正与触觉设备的刺激构件的位置对应的表面形状数据(即，虚拟物体模型)上的起伏高度。并且，同时，控制器对手掌皮肤的指关节位置施加大小与修正后的起伏高度对应的刺激。通过将触觉设备移动到各种各样的位置并修正各位置的起伏高度，从而来修正表面形状数据上的起伏的形状。输入设备优选的是能够将人的操作量的大小作为连续量来检测的标度盘式、或杆式。然而，输入设备也可以用控制杆等来代替。

在上述的CAD系统中，人对输入设备的标度盘或杠杆进行操作。CAD系统响应输入设备所检测到的操作量而修正表面形状数据并且改变刺激的大小。即，当利用该CAD系统时，人能够通过操作输入设备来修正表面形状数据，并且能够通过触觉显示器来感知将该修正量。该CAD系统能够对人的手掌提供能够感知表面形状起伏的细微变化的触觉，并且能够修正表面形状数据。

本说明书所公开的新的CAD系统和非专利文献1所公开的CAD系统的主要的区别之一是：前者通过与触觉显示器独立的输入设备对系统提供表面形状数据修正的指示，与此相对，后者将触觉显示器用作输入设备。本说明书所公开的新的CAD系统将通过输入设备输入的人的操作量通过能够清楚地感知平缓的起伏的触觉显示器来进行提示。通过如上所述的构成，实现容易精细地修正表面形状数据的CAD系统。然而，这并不意味着本说明书所公开的新的触觉显示器仅限于提示触觉的设备。本说明书所公开的新的触觉显示器的技术也可以应用在用于对计算机输入信息的输入设备中。

根据本说明书所公开的一个技术，能够比直接抚摸物体表面的平缓的起伏的情况更加清楚地感知该起伏。另外，本说明书所公开的另一个技术提供了容易精细地修正表面形状数据的CAD系统。

附图说明

图1是示出用于说明触觉显示器的原理的示意图；

图2是示出第一实施例的触觉显示器的示意性的立体图；

图3是示出第一实施例的触觉设备的示意性的侧视图；

图4是示出第二实施例的触觉显示器的触觉设备的示意性的立体图；

图5是示出第二实施例的触觉设备的刺激构件的放大正面图；

图6是示出第3实施例的触觉显示器的示意性的立体图；

图7是示出第3实施例的触觉显示器的刺激构件的放大正面图；

图8是示出实施例的CAD系统的示意性的立体图。

具体实施方式

列举实施例的触觉显示器所具有的技术特征中的几个。实施例的触觉显示器所具有的主要的技术特征如前所述。另外，希望留意上述的实验装置1也是本说明书公开的新的触觉显示器的一个实施例。

(特征1)触觉设备具有多个刺激构件。相邻的各个刺激构件在人安装了触觉设备时分别在手掌皮肤侧与相邻的指关节相对置。根据发明人的研究，对相邻的指关节位置施加刺激比对手掌侧皮肤的一个指关节位置施加刺激能够更加清楚地感知刺激。“对手掌侧皮肤的多个指关节位置局部地施加刺激”是指不对相邻的2个指关节位置之间的多个点稠密地施加刺激。

(特征2)人的手指所接触的刺激构件的表面以与手指的周向的曲率大致相等的曲率弯曲。根据发明人的研究，沿着手指的周向线状地施加刺激比对手掌侧皮肤的指关节位置施加点状的刺激能够提供更加清楚地感知物体表面的起伏的触觉刺激。这是由于：当沿着手指的周向线状地施加刺激的情况时，与点状地施加刺激的情况相比能够使人敏感地感知指关节弯曲。

(特征3)触觉设备具有在人安装了触觉设备时支撑人的指尖的第一部位和支撑人的手掌的一部分的第二部位。第一部位和第二部位静态地支撑指尖和手掌的一部分。手掌的一部分可以是指根附近。根据发明人的研究，支撑指尖和手掌的一部分在对指关节位置局部地施加刺激时能够提供更加清楚地感知起伏的触觉刺激。根据发明人的推测，通过将施加刺激的部位的两侧指尖和手掌静态地支撑并对指关节位置施加动态的刺激，使人更加清楚地感知手指弯曲。根据发明人的推测，当整个手掌接触物体表面并手指弯曲时，人感觉到物体表面有起伏。

实施例1

图2示出第一实施例的触觉显示器10的示意性的立体图。图3示出触觉设备12的示意性的侧视图。触觉显示器10具有触觉设备12、控制器16、图像处理设备18。触觉设备12能够安装在人的手掌上。更加具体来说，触觉设备12能够在其上放置人的手并在物体W2的表面移动。在图2和图3中，符号H表示人的手。图像处理设备18通过相机检测触觉设备12的移动。更加具体来说，图像处理设备18根据所拍摄的图像检测出触觉设备12相对于物体W2的相对移动。同时，图像处理设备18也测量物体W2的位置。图像处理设备18相当于检测触觉设备的移动的传感器。对于检测对象的移动的图像处理算法，由于已知有各种各样的方法，因此省略说明。

如图3所示，触觉设备12具有三根刺激构件14a、14b、14c。各刺激构件由从触觉设备12的上表面突出的杆104、以及使杆104上下运动的执行机构102构成。三根刺激构件14a、14b、14c配置在当人将手放置在触觉设备12之上时分别与手指的关节J1、J2、J3对置的位置。换言之，相邻的刺激构件仅相隔相当于相邻的指关节之间的距离的长度配置。另外，如图3所示，触觉设备12具有在安装到人的手时静态地支撑人的指尖的第一部位12a和静态地支撑人的手掌的一部分的第二部位12b。三个刺激构件14a、14b、14c在第一部位12a和第二部位12b之间配置到触觉设备12。

控制器16响应图像处理设备18所测量的触觉设备12的移动而控制刺激构件14a、14b、14c，并使各杆上下运动。换言之，该触觉显示器10能够通过第一部位12a和第二部位12b支撑人的指尖和手掌的一部分，并且响应人的手的移动而对人的手掌侧皮肤的至少一个指关节位置局部地施加刺激。

另外，控制器16存储有描述了物体表面形状的表面形状数据。以下，为了简单，有时将表面形状数据称作CAD数据。控制器16在虚拟空间内配置通过CAD数据规定的虚拟物体模型。图3的符号CAD 1表示配置在虚拟空间内的虚拟物体模型的表面形状。另外，虽然CAD数据大体上与载放有触觉设备12的实际存在的物体W1的形状相等，然而虚拟物体模型的表面形状并没有正确地表示实际存在的物体W2的表面形状。具体来说，虽然实际存在的物体W2的表面是平坦的，然而CAD数据上的虚拟物体模型的表面如图3所示的那样具有起伏。

控制器16基于图像处理设备18的输出，使实际存在的物体W2的位置和虚拟物体模型的位置在虚拟空间内重叠。换言之，控制器16基于图像处理设备18的输出，将触觉设备的移动在虚拟空间内对应到虚拟物体模型的位置上。即，在虚拟空间内，触觉设备12位于虚拟物体模型的表面上。在构成如上所述的虚拟空间之后，控制器16基于图像处理设备18的输出决定虚拟物体模型的表面上的触觉设备12的位置。更加具体来说，控制器16决定虚拟物体模型的表面上的刺激构件的位置。例如，控制器16如图3所示的那样决定对应于与指关节J1对置的刺激构件14c的位置的虚拟物体模型的表面位置P1。同样地，控制器16决定对应于与指关节J2、J3对置的刺激构件14b、14a的位置的虚拟物体表面的位置P2、P3。然后，控制器16对执行机构102进行控制，以使得各杆104从触觉设备表面突出与所决定的表面位置的起伏高度相同的长度。例如，如图3的箭头所示，在触觉设备12实际移动相当于刺激构件14a从表面位置P1到P3的距离的期间，控制器16使刺激构件14a的杆104突出相当于起伏高度Z1的长度。

说明触觉显示器10的效果。当人使触觉设备12在实际存在的物体W2上移动时，控制器16将触觉设备12的移动对应到配置在虚拟空间内的虚拟物体模型，使刺激构件14上下运动与虚拟物体模型的起伏高度相当的长度。刺激构件14将人的手掌侧皮肤的指关节位置按压与起伏高度相当的长度。随着触觉设备前进，刺激构件14的突出高度响应虚拟物体模型的起伏而变化。即，刺激构件14在触觉设备12移动的期间，对人施加响应虚拟物体模型的起伏而动态变化的刺激。此时，人感知虚拟物体模型上的(CAD数据上的)表面起伏。人能够比直接抚摸实际存在的物体表面的情况更加敏感地感知起伏。

尤其是，触觉设备12在支撑指尖的第一部位12a和手掌的一部分(例如指根)的第二部位12b之间配置刺激构件。通过静态地支撑指尖和手掌的一部分并在它们之间对指关节位置施加动态的刺激，触觉显示器10能够清楚地感知虚拟物体模型的表面起伏的变化。其理由如上所述。

另外，各刺激构件的杆104的上端作为初始位置从触觉设备的表面稍微突出。因此，在CAD数据表示物体表面的凹坑的情况下，控制器16使刺激构件的杆的上端下降与凹坑的深度对应的长度。通过这样的动作，触觉显示器10对于虚拟物体模型的表面形状的平缓的凹坑也能够比直接抚摸起伏的情况更加清楚地感知。

根据发明人的研究，一旦触觉设备12能够在物体W2上流畅地移动，则明确了人能够容易地感知从触觉设备12受到的触觉。因此，可以将润滑剂涂抹在触觉设备12的下表面。或者，将摩擦系数低的薄膜等贴在触觉设备12的下表面。

实施例2

说明第二实施例的触觉显示器。第二实施例的触觉显示器具有如图4所示的触觉设备22来代替第一实施例的触觉设备12。触觉设备22具有9个刺激构件24。各刺激构件24与第一实施例的刺激构件14同样地具有执行机构(未图示)，并且其上端上下运动。9个刺激构件24中相邻的2个刺激构件以在人将手放置在触觉设备22上时与相邻的指关节位置对置的方式配置。当人将手掌放置在触觉设备22上时，9个刺激构件24分别与人的中指、食指、无名指的总计9个关节中的每一个对置。图4的3条虚线G分别示意性地示出将触觉设备22安装到手上时的中指、食指、无名指。相邻的2个刺激构件间隔与相邻的指关节间的距离相当的长度配置。在这里，“相邻的指关节”包括：一个手指的2个关节的情况、相邻的手指的第一(或者第二、或者第3)关节之间的情况这两者。换言之，9个刺激构件被配置成格子状，在前后左右相邻的任意2个刺激构件都间隔与相邻的指关节之间的距离相当的长度配置。

刺激构件24在上下运动的杆202的顶端具有配件203。图5示出刺激构件24的示意性的放大正面图。如图5所示，当人将手掌放置在触觉设备22上时，配件203的上表面与手指F接触。配件203的上表面的曲率半径R1(曲率1/R1)与手指F的周向的曲率半径R2(曲率1/R2)大致相等。如上所述，具有沿着指关节的曲面弯曲的刺激构件顶端的触觉显示器能够比对手掌侧皮肤的指关节位置施加点状的刺激的情况使人更加清楚地感知物体表面的起伏。其理由如上所述。

实施例3

参照图6和图7说明第3实施例。第3实施例的触觉显示器具有手套型的触觉设备32。第3实施例的触觉显示器虽然具有第一实施例的图像处理设备18和控制器16，然而对其省略说明。图6示出触觉设备32的示意性的立体图。触觉设备32具有环状的多个刺激构件34。如图6所示，刺激构件34在人安装了触觉设备32时配置在与手指的各关节位置对应的位置上。图7示出刺激构件34的示意性的正面图。如图7所示，刺激构件34具有电极134。电极134在人安装了触觉设备32时与手掌侧皮肤的指关节位置对置。另外，在图7中，虽然画出电极134和手指F不接触，然而电极134与手掌皮肤的指关节位置接触。另外，在电极134中，与人的手指F接触的表面以与手指的周向的曲率大致相等的曲率弯曲。

控制器与第一实施例的触觉显示器10同样地在触觉设备32通过人的操作而在物体表面上移动时与触觉设备的移动匹配地施加电刺激。控制器所施加的电刺激的大小与表面形状数据所描述的虚拟物体模型的表面起伏的高度对应。另外，虽然省略图示，但是触觉设备32具有检测与实际存在的物体表面之间的接触的接触传感器，控制器在接触传感器检测出与实际存在的物体之间的接触的期间允许施加刺激。控制器包括存储物体的表面形状数据的存储单元。控制器基于图像处理设备的输出来决定由表面形状数据规定的虚拟物体模型的表面上的触觉设备32的位置，并施加大小与对应于指关节位置的虚拟物体模型的表面位置上的起伏高度对应的电刺激。第3实施例的触觉显示器也发挥与第一实施例或第二实施例的触觉显示器同样的效果。

并且，第3实施例的触觉显示器具有手套型触觉设备32。人安装触觉设备32并抚摸实际存在的物体的表面。此时，触觉显示器对人施加响应虚拟物体模型上的(表面形状数据上的)起伏高度的刺激。人能够抚摸实际存在的物体来感知在该实际存在的物体的表面上虚拟物体模型上的起伏。

实施例4

接下来说明第4实施例。该实施例是应用了第一实施例的触觉显示器10的CAD系统30。该CAD系统30用于设计模具的腔室面。即，控制器16所存储的表面形状数据(CAD数据)表示模具的腔室面的表面形状。另外，控制器16可以是安装有CAD软件的计算机。该CAD系统30能够使操作员通过触觉感知与CAD数据的修正相伴随的腔室面的表面形状的变化。

图8示出CAD系统30的示意性的立体图。CAD系统30是对第一实施例的触觉显示器10附加了输入设备39的系统。对于触觉显示器10的构成，上面已经说明，因此省略说明。然而，CAD系统的控制器16除了第一实施例的触觉显示器10的功能之外还具有以下的功能。另外，在本实施例中，物体W2是试制的模具，触觉设备12被放置在模具的腔室面上。在图8中，为了简单，将模具W2以单纯的长方体示意性地表示。

在控制器16上连接有由操作员操作的输入设备39。输入设备39具有三个标度盘D1、D2、D3。当操作员操作标度盘D1时，控制器16根据其操作量来修正CAD数据上的起伏的高度。以下，进一步具体地说明该功能。

控制器16通过图像处理设备18检测实际存在的模具W2和相对于模具W2的触觉设备12的移动。控制器16在虚拟空间上构建基于CAD数据的模具模型。控制器16使实际存在的模具W2的位置和虚拟金属模型的位置在虚拟空间内重叠。并且，控制器16将通过图像处理设备18检测出的触觉设备12的移动作为虚拟空间内的移动而导入。这样，控制器16对在虚拟金属模型的腔室上移动的触觉设备在虚拟空间内进行仿真。

控制器16将标度盘D1、D2、D3与触觉设备12的三个刺激构件14a、14b、14c中的每一个对应起来。刺激构件14a、14b、4c可参照图3。控制器16决定各刺激构件的下端在配置在虚拟空间内的虚拟金属模型(CAD数据)的腔室上的位置。一旦操作员操作标度盘D1，则控制器16根据该操作量改变在虚拟空间内与刺激构件14a对应的CAD数据上的表面位置的起伏高度。控制器16不仅改变与刺激构件14a对应的位置，还改变其周围的CAD数据上的起伏高度。即，控制器16改变CAD数据上的起伏的形状。控制器16将与刺激构件14a对应的位置作为峰值，并根据操作量来修正其周围的CAD数据上的起伏高度。控制器16根据修正后的CAD数据的起伏高度来修正各刺激构件14所施加的刺激的强度。在这里，刺激的强度与刺激构件14的杆104的突出高度相当。同样地，控制器16根据标度盘D2或标度盘D3的操作量来修正CAD数据并且调整刺激构件14所施加的刺激的强度。另外，CAD系统30的用户能够通过一边改变触觉设备12的位置一边修正起伏高度，来修正CAD数据上的起伏的形状。

CAD系统30的技术特征可以如下表示。CAD系统30具有上述的任一个触觉显示器(具有控制器的触觉显示器)和与该触觉显示器的控制器16连接的输入设备39。输入设备39是人所操作的设备。触觉显示器具有：检测触觉设备12的移动的传感器(图像处理设备18)、存储有物体的表面形状数据的存储单元(控制器16)、控制刺激构件的控制器16。控制器16将由表面形状数据(CAD数据)规定的虚拟物体模型配置在虚拟空间内，基于传感器的输出来决定虚拟物体模型的表面上的触觉设备的位置。并且，控制器16施加大小与对应于指关节位置的虚拟物体模型的表面位置的起伏高度对应的刺激。并且，控制器16根据输入设备39检测的人的操作量来修正与触觉设备的刺激构件的位置对应的虚拟物体模型上的(表面形状数据上的)起伏高度，并且对手掌皮肤的指关节位置施加大小与修正后的起伏高度对应的刺激。

说明该CAD系统30的优点。模具是基于CAD数据制作的，然而，通过该模具成形的工件不一定成为所期望的形状。以往，熟练操作员一边抚摸模具的表面一边重复地修正实际存在的腔室面，使得能够成形所期望的形状的工件。在应用了本实施例的CAD系统30的情况下，操作员可以通过触觉设备感知由CAD数据规定的虚拟的腔室面的表面起伏。当操作员操作输入设备39时，CAD系统30修正规定腔室面的CAD数据，并且通过触觉设备12来向操作员提示由修正后的CAD数据规定的表面形状。例如一旦操作员将标度盘向右转动，则操作员通过触觉设备12感知CAD数据上的腔室面的起伏变高的事实。相反地，一旦操作员将标度盘向左转动，则操作员通过触觉设备12感知CAD数据上的腔室面的起伏变低的事实。如上所述的那样，操作员可以通过触觉设备12用手掌感知修正结果，并在需要的情况下对输入设备进行操作来进一步修正CAD数据。能够利用最终修正后的CAD数据来制成的模具制作所期望的工件。

本实施例的CAD系统30，能够通过触觉设备使操作员感知通过CAD数据的修正而产生的腔室面的变化，并将该修正反映在CAD数据上。

本说明书所公开的新的触觉显示器能够使人比直接抚摸的情况更加明确地感知物体表面的平缓的起伏。在本说明书中所称的“平缓的起伏”包括所谓的被称作“面歪斜”的细微的起伏。人通常难以通过直接抚摸感知高低差为约1mm以下的面歪斜。本说明书所公开的新的触觉显示器能够使人比直接抚摸的情况更加明确地感知这样的细微的面歪斜。

以上，虽然详细地说明了本发明的具体示例，然而这些仅是例示，并不是限定权利要求范围的。权利要求书所记载的技术包括对以上所例示的具体示例进行各种变形、变更之后的技术。本说明书或者附图所说明的技术要素是单独或通过各种组合来发挥技术实用性的，而不限于申请时的权利要求所记载的组合。另外，本说明书或者附图所例示的技术可以同时达到多个目的，并在达到其中的一个目的自身上是具有技术上的实用性的。

符号说明

1：实验装置(触觉显示器)

2、12、22、32：触觉设备

4：杆(刺激构件)

10：触觉显示器

14、24、34：刺激构件

16：控制器

18：图像处理设备

30：CAD系统

39：输入设备

102：执行机构

104、202：杆

134：电极

203：配件

Claims (6)

1.一种触觉显示器，所述触觉显示器响应人的手的移动而对人的手掌侧皮肤的指关节位置局部地施加刺激，

所述触觉显示器的特征在于，包括：

触觉设备，所述触觉设备能够安装到人的手上，并且所述触觉设备具有至少一根杆，所述杆从触觉设备的表面伸缩自如地延伸并且其顶端位于与指关节相面对的位置；

传感器，其检测触觉设备的移动；

存储单元，其存储有物体的表面形状数据；以及

控制器，其控制从触觉设备的表面到各个杆的顶端的行程，

控制器将由表面形状数据规定的虚拟物体配置在虚拟空间内，并基于传感器的输出决定虚拟物体模型的表面上的触觉设备的位置，并且与对应于杆位置的虚拟物体的表面位置上的起伏高度对应地决定所述杆的行程。

2.如权利要求1所述的触觉显示器，其特征在于，

相邻的两根杆隔开与相邻的指关节之间的距离相当的长度而配置。

3.如权利要求1或2所述的触觉显示器，其特征在于，

具有多个杆，各个杆的顶端与食指、中指以及无名指的相同关节相抵接。

4.如权利要求1至3中任一项所述的触觉显示器，其特征在于，

与人的手指接触的杆顶端的表面以与手指的周向的曲率大致相等的曲率弯曲。

5.如权利要求1至4中任一项所述的触觉显示器，其特征在于，

所述触觉设备具有在触觉设备被安装到人上时支撑人的指尖的第一部位和支撑人的手掌的一部分的第二部位。

6.一种CAD系统，其特征在于，

所述CAD系统包括权利要求1至5中任一项所述的触觉显示器以及与触觉显示器的控制器连接的输入设备，

控制器根据输入设备检测的人的操作量来修正与触觉设备的杆的位置对应的表面形状数据上的起伏高度，并且对杆进行控制而使其成为大小与被修正后的起伏高度对应的行程。