CN114341775A - 力觉提示装置及力觉提示方法 - Google Patents

Abstract

通过在人的皮肤形成力学分布来提示力觉的力觉提示装置具备多个刺激元件和控制部。多个刺激元件分别对人的皮肤赋予刺激。控制部以在皮肤形成使目标的力觉产生的力学分布的方式控制多个刺激元件。相邻的刺激元件间的间隔是能够提示空间性地连续的力觉的间隔。力觉用于产生人的自我运动感觉。

Description

力觉提示装置及力觉提示方法

技术领域

本发明涉及通过对人的皮肤赋予刺激来提示力觉的力觉提示装置及力觉提示方法。

背景技术

在虚拟现实、远程呈现等中，需要对使用者赋予高临场感，因此希望能够提示力的感觉。例如在娱乐设施、飞行模拟器中使用的运动平台通过让使用者移动或倾斜而对使用者赋予仿佛自己正在运动或者自己正在空间性地位移那样的感觉(例如，参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2016-533534

发明内容

发明的概要

发明要解决的课题

这样，运动平台通过使实际的运动再现来实现前庭感觉及从支承面、背面波及到的力觉，对使用者赋予自己正在运动那样的感觉。然而，由于需要使与目标的运动同样的运动再现，因此存在能够再现的运动较大地依赖于框体的机械特性而使得能够表现的运动受限这样的问题。再有，运动平台大型且造价高，也存在无法安装于现有的椅子上等课题。

如果不是像运动平台那样实际使人移动或倾斜，而是通过例如对使用者的皮肤赋予刺激而能提示与三维的运动相伴的运动感觉等力觉，则可期待能够对上述的课题的解决作出较大贡献。

本发明鉴于以上那样的课题而作出，其目的在于通过对人的皮肤赋予刺激来提示使人产生自己正在运动那样的感觉的力觉。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本发明的一方案的装置是通过在人的皮肤形成力学分布来提示力觉的力觉提示装置。该装置具备多个刺激元件和控制部。多个刺激元件分别对人的皮肤赋予刺激。控制部控制多个刺激元件，以在皮肤形成使目标的力觉产生的力学分布。相邻的刺激元件间的间隔是能够提示空间性地连续的力觉的间隔。力觉用于产生人的自我运动感觉。

力觉提示装置可以还具备力觉指示部和存储目标的力觉与使该力觉产生的力学分布之间的关系的存储部。控制部可以在从力觉指示部指示了目标的力觉时，控制刺激元件，以在皮肤形成存储部所存储的用于使该力觉产生的力学分布。

控制部可以计算使目标的力觉产生的力学分布，控制多个刺激元件，以对皮肤赋予形成该力学分布的刺激。

力觉提示装置可以还具备学习提示的力觉与使该力觉产生的力学分布之间的关系的学习部。

刺激元件可以对包含背部或臀部的身体部位提示力觉。

刺激元件可以对包含手或脚的身体部位提示力觉。此时，控制部可以控制刺激元件，以在皮肤形成与移动身体部位时产生的皮肤的伸长对应的力学分布。

力学分布可以是应变能量密度分布。

控制部可以是以目标的力觉越大则应变能量密度越大的方式控制所述刺激元件。

刺激元件可以通过旋转运动对皮肤赋予刺激。以下，有时将这样的刺激元件也称为“旋转刺激元件”。此时，控制部可以控制刺激元件的旋转角度及旋转方向。

控制部可以是以目标的力觉越大则刺激元件的旋转角度越大的方式控制刺激元件。

刺激元件中的多个刺激元件构成的组可以被汇总成刺激元件单元。

刺激元件单元可以具备双轴的万向架。

控制部可以使用于赋予刺激的刺激赋予点在人的皮肤上移动。并且，控制部可以以距该刺激赋予点的距离越小则刺激元件的旋转角度越大的方式控制刺激元件。

力学分布可以为应变的分布。此时，应变可以为主应变或等效应变。

力学分布可以为力的分布。此时，力可以为剪切力或垂直阻力。

力学分布可以为应力的分布。此时，应力可以为压力、主应力和范式等效应力中的任一个。

相邻的刺激元件间的间隔可以是由该相邻的刺激元件提示的力觉的范围具有重叠那样的间隔。

力觉提示装置可以具备力学变化检测部和力学分布计算部。力学变化检测部检测基于人的运动产生的人的皮肤的力学变化。力学分布计算部根据力学变化检测部检测到的人的皮肤的力学分布的变化，计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布。控制部控制多个刺激元件，以在皮肤形成力学分布计算部计算出的力学分布。

多个刺激元件可以分别具备力学变化检测部。

力学变化检测部可以是与刺激元件独立地设置的传感器。

力觉提示装置可以具备拍摄从人观察到的主观影像的相机和算出人的皮肤的力学变化与主观影像的变化之间的关系的影像同步部。力学分布计算部可以基于影像同步部算出的人的皮肤的力学变化与主观影像的变化之间的关系，根据主观影像变化时的人的皮肤的力学变化来计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布。

本发明的另一方案是通过在人的皮肤形成力学分布来提示力觉的力觉提示方法。该方法包括：决定力觉与使该力觉产生的力学分布之间的关系的步骤；以及对皮肤的多个部位赋予刺激，以在皮肤形成使该力觉产生的力学分布的步骤。被赋予刺激的皮肤的相邻的部位间的间隔是能够生成空间性地连续的力觉的间隔。力觉用于产生人的自我运动感觉。

力觉提示方法中的力学分布可以是应变能量密度分布。

力觉提示方法可以包括：检测基于人的运动产生的人的皮肤的力学变化的步骤；根据检测到的人的皮肤的力学变化来计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布的步骤；以及对皮肤的多个部位赋予刺激，以在人的皮肤形成计算出的力学分布的步骤。

前述的力觉提示方法可以包括：拍摄从人观察到的主观影像的步骤；以及算出人的皮肤的力学变化与主观影像的变化之间的关系的步骤。此时，计算使力学变化产生的皮肤的力学分布的步骤可以是如下的步骤：基于算出的人的皮肤的力学变化与主观影像的变化之间的关系，根据主观影像变化时的人的皮肤的力学变化来计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布。

需要说明的是，以上的构成要素的任意的组合、将本发明的表现在装置、方法、系统、记录介质、计算机程序等之间进行了转换的方案作为本发明的方案也是有效的。

发明效果

根据本发明，通过对人的皮肤赋予刺激，能够提示使人产生自己正在运动那样的感觉的力觉。

附图说明

图1是第一实施方式的力觉提示装置的功能框图。

图2是第二实施方式的力觉提示装置的功能框图。

图3是第四实施方式的力觉提示装置的功能框图。

图4是第五实施方式的力觉提示装置的示意图。

图5是第七实施方式的力觉提示装置的照片。

图6是刺激元件单元的照片。

图7是第十实施方式的力觉提示方法的流程图。

图8是第十一实施方式的力觉提示装置的功能框图。

图9是第十二实施方式的力觉提示装置的功能框图。

图10是第十三实施方式的力觉提示装置的功能框图。

图11是第十四实施方式的力觉提示装置的功能框图。

图12是第十五实施方式的力觉提示方法的流程图。

图13是第十六实施方式的力觉提示方法的流程图。

具体实施方式

以下，以优选的实施方式为基础，参照各附图来说明本发明。在实施方式及变形例中，对于同一或同等的构成要素、步骤、构件标注同一符号，适当省略重复的说明。而且，各附图中的构件的尺寸为了便于理解而适当放大、缩小地表示。而且，在各附图中，在说明实施方式方面不重要的构件的一部分省略显示。而且，包含第一、第二等序数的用语为了说明多样的构成要素而使用，但是这样的用语仅在将一个构成要素与其他的构成要素区分的目的下使用，并未通过该用语来限定构成要素。

在说明具体的实施方式之前，说明基础的见解。本发明人进行研究的结果是发现：通过向人的臀部的皮肤施加剪切变形(沿着皮肤的方向的变形)，能够使乘坐交通工具时诱发的加速感觉、越过起伏时的上下方向的运动感觉再现。

例如在就座于机动车的座椅的状态下，如果加速或减速或者进行转向，则驾驶者的臀部的一部分沿前后、左右的方向发生剪切变形。本发明人着眼于该现象，发现：仅通过在座椅设置向前后及左右运动的接触件并对被实验者的臀部赋予剪切变形，就能够诱发并再现被实验者的前后及左右方向的加速感觉。

另外，当乘坐机动车而越过台阶或起伏时，身体沿上下方向运动而发生位移。可知这样的上下运动的感觉也能够通过皮肤的剪切变形来再现。例如当臀部从座椅的支承面沿铅垂方向运动时，在坐骨附近分布的压力分布的峰值向尾骨的方向位移。本发明人着眼于该现象，发现：仅通过利用臀部的皮肤的剪切变形来提示压力分布的峰值位置的位移，就能够诱发与来自支承面的推顶相伴的感觉。而且，本发明人也发现了仅通过向臀部提示在越过起伏时会产生的向行进方向的剪切力就能够诱发并再现越过起伏这样的感觉。

发明人认为这样的感觉被诱发的理由如下。首先，当对皮肤赋予这样的剪切力时，在皮肤形成每单位体积的力学的量的分布，例如应变能量的分布(以下，称为“应变能量密度分布”)。即，当人以与座椅等接触的状态运动时，在皮肤的各部位产生应变。可认为该应变的能量密度的时间性及空间性的分布反映了该运动的种类、大小、方向等特性。掌管力觉的皮肤内部的机械受体根据该应变能量密度分布来决定神经元放电的频率。因此，可想到如果通过对人的皮肤赋予刺激而在皮肤形成与各种运动对应的应变能量密度分布，则即使实际上此人不移动，也能够对此人诱发自己正在进行那样的运动的感觉。

赋予刺激的皮肤的部位并不局限于臀部，背部、腹部、头部、臂部、手腕或脚等，只要是用于形成与目标的运动对应的应变能量密度分布的部位即可，可以为任意部位。而且，与目标的运动对应的力学的量的分布(以下，称为“力学分布”)并不局限于应变能量密度分布，也包括应变(例如，主应变、等效应变等)的分布、力(例如，剪切力、垂直阻力等)的分布、应力(即，每单位面积的力。例如，压力、主应力、范式等效应力等)的分布等。

以下，在本说明书中，将人仿佛自己正在运动或者自己空间性地位移那样感到的感觉称为“自我运动感觉”。该自我运动感觉并不局限于例如乘坐于交通工具时那样的实际自己正在运动时感到的运动感觉。例如在与皮肤接触的物体正在运动时，自己感觉到相对于该物体正在进行相对运动。这样的感觉，即实际自己未运动时感到的运动感觉也包含在自我运动感觉中。

在本说明书中，“提示力觉”是指对于人感到的力的感觉，提示该力的大小和方向。

[第一实施方式]

图1示出第一实施方式的力觉提示装置1的功能块。力觉提示装置1通过在人的皮肤S形成力学分布来提示力觉。力觉提示装置1具备n个刺激元件11、12、…、1n、控制部20(n为2以上的整数)。

刺激元件11、12、…、1n分别对人的皮肤S赋予刺激。刺激元件11、12、…、1n对皮肤S赋予刺激的方法可以是旋转运动、向剪切方向的拉拽、压迫、吸引等力学的方法。刺激元件11、12、…、1n可以是分别能够以单体提示力觉的结构。或者，也可以是通过多个刺激协同地形成规定的力学分布之后才能够提示力觉的结构。

控制部20控制刺激元件11、12、…、1n，以在皮肤S形成使目标的力觉产生的力学分布。控制部20可以使用已知的计算机的硬件及软件构成。控制部20对刺激元件11、12、…、1n进行控制的方法可以是基于在控制部20的内部存储的数据库等的方法，也可以是基于来自外部的输入的方法，或者还可以是基于机械学习等学习的方法。

相邻的刺激元件间的间隔是能够提示空间性地连续的力觉的间隔。如果刺激元件间的间隔过于分离，则力觉空间性地变得不连续。在该情况下，无法在皮肤上形成使目标的力觉产生的力学分布。相邻的刺激元件间的间隔例如可以是由该相邻的刺激元件提示的力觉的范围具有重叠那样的间隔。或者，相邻的刺激元件间的间隔可以是该皮肤的区域中的处于两点识别阈的范围内的间隔。

力觉使人产生自我运动感觉。即，通过由力觉提示装置1提示的力觉，人感到仿佛自己正在运动或者自己正在空间性地位移那样的感觉。如前所述，该感觉可以是实际自己正在运动时感到的运动感觉，也可以是实际自己未运动时感到的运动感觉。

根据本实施方式，能够实现通过对人的皮肤赋予刺激来提示使人产生自己正在运动那样的感觉的力觉的装置。

[第二实施方式]

图2示出第二实施方式的力觉提示装置2的功能块。力觉提示装置2也通过在人的皮肤S形成力学分布来提示力觉。力觉提示装置2具备n个刺激元件11、12、…、1n、控制部20、存储部30、力觉指示部40(n为2以上的整数)。即，力觉提示装置2除了图1的力觉提示装置1的结构之外，还具备存储部30、力觉指示部40。

刺激元件11、12、…、1n的结构和动作与力觉提示装置1的结构和动作相同，因此省略说明。存储部30存储用于产生目标的力觉的力学分布及用于形成该力学分布的各刺激元件的控制方法。例如存储部30将为了产生目标的力觉而什么样的力学的量时间性及空间性地如何分布于皮肤S为好这样的内容存储为数据库。需要说明的是，例如在是应变能量密度分布那样的力学分布的情况下，对其直接测定的装置还未知，但是可以如以下那样使用模拟进行计算。模拟中，例如基于人体的有限元素模型的有限元素分析是有效的。在模拟中，将引起想要提示的力觉的物理的状况设为输入。例如在想要诱发正在驾驶机动车的自我运动感觉的情况下，将该机动车的加速度设为输入。此时，作为预先确定的参数，通过预先定义人的体重、皮肤的弹性，能够求出与机动车的加速度对应的皮肤的变形。由此，能够得到用于计算应变能量密度分布的模型。得到的模型的妥当性例如可以如下那样进行验证。即，试验者一边驾驶例如搭载有市售的加速度传感器和面压分布测定座椅的机动车，一边测定自身的臀部、背部的面压。如果将该测定结果与根据模型计算的面压进行比较，则能够验证模型的妥当性为何种程度。在比较的结果是实测值与根据模型的计算值之差大的情况下，重新进行模拟，也可以对模型进行改良。

力觉指示部40对控制部20指示产生目标的力觉。控制部20在从力觉指示部40被指示了目标的力觉时，控制刺激元件11、12、…、1n，以在皮肤S形成使存储部30存储的该力觉产生的力学分布。

根据本实施方式，通过将目标的力觉与使该力觉产生的力学分布的关系预先存储于存储部30，由此能够在所希望的时机提示所希望的力觉。

[第三实施方式]

在图1中，控制部20可以计算使目标的力觉产生的力学分布，控制刺激元件11、12、…、1n，以对皮肤S赋予形成该力学分布的刺激。在如对人的后背提示滚轮滚动的力觉的情况那样通过比较简单的模型能够计算力学分布的情况下，不需要特意如第二实施方式那样预先通过基于人体的有限元素模型的有限元素分析来计算并存储力学分布，能节约硬件资源。

根据本实施方式，通过计算使目标的力觉产生的力学分布，能够提示所希望的力觉。

[第四实施方式]

图3示出第四实施方式的力觉提示装置3的功能块。力觉提示装置3还通过在人的皮肤S形成力学分布来提示力觉。力觉提示装置3具备n个刺激元件11、12、…、1n、控制部20、存储部30、力觉指示部40、学习部50(n为2以上的整数)。即，力觉提示装置2除了图2的力觉提示装置2的结构之外，还具备学习部50。刺激元件11、12、…、1n、控制部20及力觉指示部40的结构和动作由于与力觉提示装置2的结构和动作相同，因此省略说明。

学习部50学习向人提示了的力觉与使该力觉产生的力学分布的关系。提示了的力觉是对人赋予了的力的大小和方向，力学分布如实施方式2记载那样通过有限元素分析等模拟进行推定。学习可以通过已知的AI进行。AI的具体的方法没有特别限定，可以使用例如卷积神经网络(Convolutional Neural Network：CNN)、递归神经网络(Recurrent NeuralNetwork：RNN)、LSTM网络(Long Short Term Memory：LSTM)等神经网络，在该情况下也可以在将输入层设为通用的基础上混杂有按计算模型而不同的神经网络。在本实施方式中，大量地准备提示了的力觉与使该力觉产生的力学分布的组，将它们作为学习数据使AI学习。由此AI在输入了所希望的力觉时，能够计算并输出使该力觉产生的力学分布。

存储部30存储学习部50的学习结果。控制部20在从力觉指示部40被指示了目标的力觉时，基于存储部30存储的学习结果，控制刺激元件11、12、…、1n，以在皮肤S形成产生该力觉的力学分布。

[第五实施方式]

图4示出第五实施方式的力觉提示装置4的示意图。在本实施方式中，刺激元件11、12、…、1n向包含背部或臀部的身体部位提示力觉。本发明人发现了通过在人的特别是背部、臀部形成力学分布，由此能够在身体的大面积实现自由度更高的分辨率优异的力觉。因此，可认为如果向包含背部或臀部的身体部位提示力觉则能够诱发与更复杂的运动对应的自我运动感觉。此外，本实施方式可以通过将刺激元件11、12、…、1n安装于现有的椅子等实现。这在尺寸、成本方面成为大的优点。

根据本实施方式，能够以低成本提示与复杂的运动对应的自我运动感觉。

[第六实施方式]

力学分布可以是应变能量密度分布。本发明人发现了在各种力学分布之中，特别是通过形成应变能量密度分布能够诱发自我运动感觉。根据近年来的研究，确认到在人的皮肤内存在的机械受体的神经元放电的频率与应变能量密度成比例。例如，人感觉到“受到强力”相当于机械受体的神经元放电以高频率产生时。因此，认为为了控制感觉，重要的是控制神经元放电的频率。这样考虑的话，可知在要诱发自我运动感觉的情况下，形成应变能量密度分布也是特别重要的。

此外，控制部20可以是以目标的力觉越大则应变能量密度越大的方式控制刺激元件11、12、…、1n。本发明人发现了目标的力觉的大小与应变能量密度多具有正相关。因此，可想到通过以目标的力觉越大则应变能量密度越大的方式控制刺激元件11、12、…、1n，由此能够诱发自我运动感觉。

[第七实施方式]

刺激元件11、12、…、1n可以通过旋转运动对皮肤赋予刺激。此时，控制部20可以控制刺激元件11、12、…、1n的旋转角度及旋转方向。

特别是如图4那样遍及背部、臀部的大范围来提示力觉的装置的情况下，对皮肤赋予的刺激优选不是吸引、电刺激、温度刺激、压迫或沿皮肤的剪切方向的平移运动等引起的刺激，而是旋转运动引起的刺激。其理由如以下所述。第一个理由是在图4那样的方案中，刺激经由衣服对皮肤赋予的情况成为前提。在该情况下，例如吸引、电刺激或温度刺激等引起的刺激无法直接适用。第二个理由是压迫引起的刺激成为使就座于椅子的使用者的姿势挪动的原因，因此会妨碍在皮肤形成适当的力学分布。而且第三个理由是在想要赋予沿皮肤的剪切方向的平移运动引起的刺激的情况下，需要将成为动力源的电动机的旋转运动转换成平移运动。因此，机构变得复杂，产生难以适用于图4那样的将刺激元件紧密排列的方案这样的问题。在这一点上，基于旋转运动进行的刺激赋予不伴有上述那样的问题，能够适用于实施方式。

本发明人实验性地确认到通过适当地控制刺激元件11、12、…、1n的旋转角度及旋转方向，能够在皮肤形成使自我运动感觉产生的力学分布。在该情况下，不仅是旋转角度，而且可以将到达该旋转角度为止的时间也包含在控制的参数中。

需要说明的是，在本实施方式中，应注意的是基于旋转运动的刺激的目的不是将扭转其本身的方向作为力觉来提示，而是激发刺激点附近的应变能量密度。当实际进行实验时，刺激元件单体的旋转方向未被感觉，通过多个刺激元件协同地形成规定的应变能量密度分布之后才能够提示力觉。

根据本实施方式，既能够产生例如乘坐交通工具时那样的实际自己正在进行运动时感到的运动感觉，另一方面，也能够产生例如相对于紧贴于后背的物体而自己正在进行相对运动那样感到的感觉、即实际自己未运动时感到的运动感觉。

控制部20可以是以目标的力觉越大则刺激元件11、12、…、1n的旋转角度越大的方式控制刺激元件11、12、…、1n。本发明人发现了目标的力觉的大小与应变能量密度多具有正相关。此外，可知应变能量密度与刺激元件11、12、…、1n的旋转角度也具有正相关。因此，通过以目标的力觉越大则刺激元件11、12、…、1n的旋转角度越大的方式控制刺激元件11、12、…、1n，能够诱发自我运动感觉。

图5以照片示出第七实施方式的力觉提示装置5。刺激元件11、12、…、1n由总计24个刺激元件构成。即n＝24。上述的刺激元件中的4个刺激元件构成的组被汇总成1个刺激元件单元。刺激元件单元为正方形，在刺激元件单元的四角分别配置刺激元件。图5示出将刺激元件11、12、13及14汇总成刺激元件单元60的状态。6个刺激元件单元在椅子70的靠背80以横向2个、纵向3个配置成阵列状。即刺激元件11、12、…、124在椅子70的靠背80以横向4个、纵向6个配置成阵列状。相邻的刺激元件间的间隔为55mm。这是因为，实验性地验证了如下情况：人的背部中的两点识别阈为约40mm，相对于此，能够生成空间性地连续的力觉的间隔为约55mm。椅子70的靠背80不为平面而描绘平缓的曲面，因此以靠背80的左右的刺激元件朝向中央倾斜的方式调整安装。

刺激元件11、12、…、124分别为直径20mm、厚度5mm的圆盘状。刺激元件11、12、…、124如果过硬则不贴合于身体，容易产生因刺激元件11、12、…、124的边缘接触而引起的疼痛、刺激元件11、12、…、124与衣服之间的滑动。反之，如果刺激元件11、12、…、124过软，则难以传递旋转力。考虑这些特征，作为刺激元件11、12、…、124的原料，可使用适当的氯丁二烯橡胶海绵。

用于使刺激元件11、12、…、124旋转的促动器使用小型的伺服电动机。该伺服电动机的可输出的最大的扭矩为0.2N·m，但是这足以使背部的皮肤变形。刺激元件11、12、…、124被控制成以旋转角度30度、旋转速度60度/秒进行旋转。

在一实施方式中，前述的刺激元件单元可以具备双轴的万向架(gimbal)。图6以照片示出具备相互正交的x轴及y轴这两轴的万向架的刺激元件单元61。如图所示，刺激元件单元61能够绕x轴及y轴独立地自由旋转。

根据本实施方式，刺激元件单元61能够沿着身体的凹凸旋转，因此能改善向身体表面的贴合，能够提高旋转刺激的传递效率。

[第八实施方式]

力学分布除了应变能量密度分布之外，也可以是以下那样的分布。例如，力学分布为应变的分布，该应变为主应变或等效应变。或者，力学分布也可以为力的分布，该力为剪切力或垂直阻力。此外，力学分布还可以为应力的分布，该应力为压力、主应力或范式等效应力中的任一者。

[第九实施方式]

在图1～3中，相邻的刺激元件间的间隔可以是使由该相邻的刺激元件提示的力觉的范围具有重叠的间隔。本发明人发现了通过这样设置相邻的刺激元件间的间隔，能够更可靠地提示空间性地连续的力觉。

[第十实施方式]

图7示出第十实施方式的力觉提示方法的流程。该力觉提示方法包括：决定要提示的力觉与力学分布的关系的步骤S1；对皮肤的多个部位赋予刺激的步骤S2。被赋予刺激的皮肤的相邻的部位间的间隔是能够生成空间性地连续的力觉的间隔。力觉使人的自我运动感觉产生。

在步骤S1中，本力觉提示方法决定要提示的力觉与使该力觉产生的力学分布的关系。要提示的力觉与使该力觉产生的力学分布的关系的决定可以基于存储机构等中存储的数据库等进行，也可以基于来自外部的输入进行，或者还可以基于机械学习等学习进行。

在步骤S2中，本力觉提示方法对皮肤的多个部位赋予刺激，以在皮肤形成使该力觉产生的力学分布。赋予刺激的方法可以是旋转运动、向剪切方向的拉拽、压迫、吸引等运动学的方法。刺激可以通过分别能够以单体提示力觉的机构来赋予。或者，可以通过多个协同地形成规定的力学分布之后才能够提示力觉的机构来赋予。

被赋予刺激的皮肤的相邻的部位间的间隔可以是例如向该相邻的部位提示的力觉的范围具有重叠那样的间隔。或者，被赋予刺激的皮肤的相邻的部位间的间隔可以是该皮肤的区域中的处于两点识别阈的范围内的间隔。

产生力觉的自我运动感觉可以是在实际自己运动时感到的运动感觉，也可以是在实际自己未运动时感到的运动感觉。

力学分布可以是应变能量密度分布。

根据本实施方式，通过对人的皮肤赋予刺激，能够提示使人产生自己正在运动那样的感觉的力觉。

[第十一实施方式]

图8示出第十一实施方式的力觉提示装置6的功能块。力觉提示装置6通过计测基于人的运动产生的皮肤S的力学分布并在人的皮肤S形成力学分布来提示力觉。力觉提示装置6具备n个刺激元件11、12、…、1n、n个力学变化检测部11s、12s、…、1ns、控制部20、力学分布计算部90(n为2以上的整数)。即，力觉提示装置6除了图1的力觉提示装置1的结构之外，还具备n个力学变化检测部11s、12s、…、1ns。关于力学变化检测部11s、12s、…、1ns以外的结构，省略对与力觉提示装置1相同的结构的详细的说明。

力学变化检测部11s、12s、…、1ns分别检测基于人的运动产生的该人的皮肤S的力学变化，并将检测结果向力学分布计算部90发送。

力学分布计算部90根据力学变化检测部11s、12s、…、1ns检测到的前述人的皮肤的力学变化，来计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布，并将计算结果向控制部发送。该力学分布可以是应变能量密度分布、应变的分布、力的分布或应力的分布等。

控制部20使从力学分布计算部90接收到的皮肤的力学分布按刺激元件来再现。或者，控制部20控制刺激元件11、12、…、1n，以在皮肤形成力学分布计算部90计算出的力学分布。相邻的刺激元件间的间隔是能够提示空间性地连续的力觉的间隔。力觉用于产生人的自我运动感觉。

力觉提示装置6的具体的使用例例如以下所述。力觉提示装置6以将刺激元件设置于靠背、坐垫上的形态构成。使用者将力觉提示装置6带去兜风、游乐园等。使用者将力觉提示装置6安置于机动车或游乐设施的座位，一边拍摄影像，一边计算自身的后背、臀部的力学分布。使用者在回家后，通过与影像一起从力觉提示装置6提示力觉，能够以高临场感回想体验。

刺激元件在通过旋转运动对皮肤赋予刺激的情况下，通过计测旋转时的旋转角和此时的电流值而能得到皮肤的力学变化与力的关系，因此也能够计测例如皮肤的硬度等。此外，通过将这些刺激元件排列，由此还能够计测例如皮肤的弹性的分布。或者，如果刺激元件接触件是对皮肤的面垂直地波及压力的结构，则通过计测此时的电流值，能够得到压力、皮肤的弹性的分布。

根据本实施方式，在通过力学变化检测部检测到基于实际的人的运动产生的皮肤的力学变化之后，计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布。由此，能够赋予用于再现该实际的运动的感觉的力觉。

[第十二实施方式]

图9示出第十二实施方式的力觉提示装置6的功能块。力觉提示装置7通过计测基于人的运动产生的皮肤S的力学分布并在人的皮肤S形成力学分布来提示力觉。力觉提示装置7具备n个刺激元件11、12、…、1n、控制部20、力学分布计算部90(n为2以上的整数)。力觉提示装置7的刺激元件11、12、…、1n具备前述的力学变化检测部。如以下所示那样，本实施方式的刺激元件作为针对皮肤S的刺激赋予机构来发挥功能，并且也作为检测与人的实际的运动相伴的皮肤S的力学变化的检测机构(传感器)来发挥功能。

在该实施方式中，刺激元件11、12、…、1n分别具备力学变化检测部。即，刺激元件11、12、…、1n检测基于人的运动产生的该人的皮肤S的力学变化，并对该人的皮肤赋予刺激。换言之，刺激元件兼作为力学变化检测部。因此，刺激元件11、12、…、1n如前述的实施方式那样作为针对皮肤S的刺激赋予机构来发挥功能，并且还作为检测与人的实际的运动相伴的皮肤S的力学变化的检测机构(传感器)来发挥功能。刺激元件11、12、…、1n检测的皮肤S的力学变化依赖于刺激元件11、12、…、1n对皮肤S赋予刺激的方法。例如，在刺激元件11、12、…、1n通过旋转运动对皮肤S赋予刺激的情况下，刺激元件11、12、…、1n检测皮肤S的旋转作为与人的运动相伴的皮肤S的力学变化。或者，在刺激元件11、12、…、1n通过向剪切方向的拉拽对皮肤S赋予刺激的情况下，刺激元件11、12、…、1n检测皮肤S向剪切方向的伸长或收缩作为与人的运动相伴的皮肤S的力学变化。或者，在刺激元件11、12、…、1n通过压迫或吸引对皮肤S赋予刺激的情况下，刺激元件11、12、…、1n检测以皮肤S被压迫或吸引的情况为起因的皮肤S的歪斜作为与人的运动相伴的皮肤S的力学变化，控制部20对其进行存储。

刺激元件11、12、…、1n检测基于人的运动产生的皮肤S的力学变化的原理如以下所述。前述的实施方式的力觉提示装置的刺激元件11、12、…、1n对皮肤S赋予用于形成诱发某自我运动感觉的力学分布的刺激。此时，在将该力觉提示装置穿戴于身上的使用者实际进行了该运动的情况下，可认为刺激元件11、12、…、1n分别受到与对皮肤S应赋予的刺激反向的作用或者产生因该反向的作用而引起的反电动势。通过测定这样的反向的作用、反电动势，刺激元件11、12、…、1n能够进行基于人的实际的运动产生的皮肤S的力学变化。

根据本实施方式，刺激元件兼作为力学变化检测部，因此能够以少的部件数紧凑且廉价地实现力觉提示装置。

[第十三实施方式]

图10示出第十三实施方式的力觉提示装置8的功能块。力觉提示装置8也通过计测基于人的运动产生的皮肤S的力学分布并在人的皮肤S形成力学分布来提示力觉。力觉提示装置7具备n个刺激元件11、12、…、1n、n个传感器11ss、12ss、…、1nss、控制部20、力学分布计算部90(n为2以上的整数)。

传感器11ss、12ss、…、1nss分别检测基于人的运动产生的该人的皮肤S的力学变化，并将检测结果向力学分布计算部90发送。

传感器11ss、12ss、…、1nss可以是例如速度传感器、加速度传感器或压力传感器等能够检测基于人的运动产生的皮肤的力学变化的任意的优选的传感器。在图9的力觉提示装置7中，刺激元件兼作为力学变化检测部。相对于此，力觉提示装置8的力学变化检测部通过与刺激元件单元独立设置的传感器来实现。

根据本实施方式，能够使用任意的优选的传感器来检测皮肤的力学变化，因此能够实现更高精度的高性能的力觉提示装置。

[第十四实施方式]

图11示出第十四实施方式的力觉提示装置9的功能块。力觉提示装置9也通过计测基于人的运动产生的皮肤S的力学分布并在人的皮肤S形成力学分布来提示力觉。力觉提示装置8具备n个刺激元件11、12、…、1n、n个力学变化检测部11s、12s、…、1ns、控制部20、力学分布计算部90、相机100、影像同步部110(n为2以上的整数)。即，力觉提示装置9在图8的力觉提示装置6的结构中追加地具备相机100和影像同步部110。关于相机100及影像同步部110以外的结构，省略对与力觉提示装置6相同的结构的详细的说明。

力学变化检测部11s、12s、…、1ns检测与人的运动相伴的皮肤S的力学变化，并将检测结果向影像同步部110发送。相机100拍摄从操作相机的人观察到的主观影像，即在该人的视点下拍摄到的影像，并将该影像向影像同步部110发送。影像同步部110算出人的皮肤的力学变化与主观影像的变化的关系。即，通过影像同步部110，算出在主观影像进行了某变化时与此相伴人的皮肤进行什么样的力学变化。例如，相对于主观影像内的周边的景色而自己进行了加速度运动时皮肤进行什么样的力学变化或者相对于主观影像内的周边的景色而自己倾斜时皮肤进行什么样的力学变化这样的情形。影像同步部110将算出的人的皮肤的力学变化与主观影像的变化的关系向力学分布计算部90发送。

力学分布计算部90基于影像同步部110算出的人的皮肤的力学变化与主观影像的变化的关系，根据主观影像变化时的人的皮肤的力学变化，计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布。由此，力觉提示装置7在从操作相机的人的视点观察到的影像变化时，提示使该人感到的自我运动感觉产生的力觉。

根据本实施方式，能够提示与影像同步的更真实的自我运动感觉。

[第十五实施方式]

图12示出第十五实施方式的力觉提示方法的流程。该力觉提示方法包括：检测基于人的运动产生的皮肤的力学变化的步骤S3；计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布的步骤S4；对皮肤的多个部位赋予刺激的步骤S5。被赋予刺激的皮肤的相邻的部位间的间隔是能够生成空间性地连续的力觉的间隔。力觉用于产生人的自我运动感觉。

在步骤S3中，本力觉提示方法使用传感器等来检测基于人的运动产生的前述人的皮肤的力学变化。基于运动产生的皮肤的力学变化可以是皮肤的旋转、皮肤的向剪切方向的伸长或收缩、被压迫或吸引导致的皮肤的歪斜等。

在步骤S4中，本力觉提示方法根据在步骤S3中检测到的人的皮肤的力学变化，计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布。

在步骤S5中，本力觉提示方法再现在步骤3中检测到的力学变化。或者，在步骤S5中，本力觉提示方法对皮肤的多个部位赋予刺激，以在皮肤形成在步骤S4中计算出的力学分布。

根据本实施方式，能够检测基于实际的人的运动产生的皮肤的力学变化，并计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布。由此，能够赋予使该实际的运动的感觉再现的力觉。

[第十六实施方式]

图13示出第十六实施方式的力觉提示方法的流程。该力觉提示方法包括：检测基于人的运动产生的皮肤的力学变化的步骤S3；拍摄主观影像的步骤S6；算出皮肤的力学变化与主观影像的变化的关系的步骤S7；计算使力学变化产生的皮肤的力学分布的步骤S4；对皮肤的多个部位赋予刺激的步骤S5。即该方法在图12的方法中追加地包括步骤S6、步骤S7。关于步骤S6及步骤S7以外的处理，省略与图12的方法相同的处理的详细的说明。

在步骤S3中，本力觉提示方法使用传感器等来检测基于人的运动产生的前述人的皮肤的力学变化。

在步骤S6中，本力觉提示方法使用相机等来拍摄从操作该相机的人观察到的主观影像，即，在该人的视点下拍摄到的影像。

在步骤S7中，本力觉提示方法算出该相机拍摄到的人的皮肤的力学变化与主观影像的变化的关系。即，通过步骤S7的处理，算出在主观影像发生了某变化时与此相伴人的皮肤进行什么样的力学变化。例如，相对于主观影像内的周边的景色而自己进行了加速度运动时皮肤进行什么样的力学变化或者相对于主观影像内的周边的景色而自己倾斜时皮肤进行什么样的力学变化这样的情形。

在步骤S4中，本力觉提示方法基于算出的前述人的皮肤的力学变化与前述主观影像的变化的关系，根据前述主观影像发生了变化时的前述人的皮肤的力学变化，计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布。

在步骤S5中，本力觉提示方法对皮肤的多个部位赋予刺激，以在前述人的皮肤形成通过步骤S4计算出的力学分布。

根据本实施方式，能够提示与影像同步的更真实的自我运动感觉。

[第十七实施方式]

在前述的实施方式中，示出了刺激元件对后背或臀部等移动比较少的身体部位赋予刺激的例子。然而，并不局限于此，刺激元件也可以对手或脚等移动大的身体部位赋予刺激。此时，控制部可以控制刺激元件，以在皮肤形成与移动该身体部位之际产生的皮肤的伸长对应的力学分布。

根据本实施方式，例如对于就座于椅子而静止的使用者，能够赋予仿佛移动自己的手脚那样的自我运动感觉。

[第十八实施方式]

刺激元件也可以对穿戴该刺激元件的人赋予伴有例如接触、描痕、抓捏、小动物在身体上到处爬这样的动作或者伴有空间的流动的感觉。此时，刺激元件单元内的旋转刺激元件如以下那样被控制。即，首先提供用于对穿戴刺激元件的人赋予刺激的刺激赋予点，使该刺激赋予点在该人的皮肤上移动。并且，各刺激元件以越接近刺激赋予点则旋转角度越大且越远离刺激赋予点则旋转角度越小的方式被控制。具体而言，控制部使用于赋予刺激的刺激赋予点在人的皮肤上移动，以距该刺激赋予点的距离越小则刺激元件的旋转角度越大的方式控制刺激元件。通过进行这样的控制，能够对使用者赋予仿佛刺激赋予点平滑地移动或者流动那样的运动感觉。通过适当地定义刺激赋予点与刺激元件的距离和该刺激元件的旋转角度之间的关系，能够对人赋予伴有接触、描痕、抓捏、小动物在身体上到处爬这样所希望的空间的流动的感觉。

以上，详细地说明了本发明的实施方式。这些实施方式为例示，本领域技术人员可知能够在本发明的范围内进行各种变形及变更，而且这样的变形例及变更也包含于本发明的范围内。因此，本说明书中的记述及附图不受限定而应被看待为例证。

[变形例]

以下，说明变形例。在变形例的附图及说明中，对于与实施方式相同或同等的构成要素、构件，标注同一符号。适当省略与实施方式重复的说明，重点说明与第一实施方式不同的构成。

在实施方式中，就刺激元件单元而言，例示了横向设置2个刺激元件且纵向设置2个刺激元件的正方形形状的结构。然而并不局限于此，例如，刺激元件单元也可以是横向设置3个刺激元件且纵向设置3个刺激元件的结构、横向设置4个刺激元件且纵向设置4个刺激元件的结构。或者，刺激元件单元还可以是横向设置2个刺激元件且纵向设置3个刺激元件的长方形形状的结构。根据本变形，能够提高结构的自由度。

在实施方式中，示出以单体的形式使用力觉提示装置的例子。然而并不局限于此，可以将多个力觉提示装置组合于身体的不同的部位来使用。而且，可以将显示图像的HMD(头戴式显示器)等与力觉提示装置组合使用。由此，能够赋予更高临场感的自我运动感觉。

上述的各变形例发挥与实施方式同样的作用、效果。

上述的各实施方式与变形例的任意的组合也作为本发明的实施方式是有用的。通过组合而产生的新的实施方式也同时具有组合的各实施方式及变形例各自的效果。

工业实用性

本发明能够利用于通过对人的皮肤赋予刺激来提示力觉的力觉提示装置及力觉提示方法。

符号说明

1··力觉提示装置

2··力觉提示装置

3··力觉提示装置

4··力觉提示装置

5··力觉提示装置

6··力觉提示装置

7··力觉提示装置

8··力觉提示装置

9··力觉提示装置

11··刺激元件

12··刺激元件

13··刺激元件

14··刺激元件

1n··刺激元件

20··控制部

30··存储部

40··力觉指示部

50··学习部

60··刺激元件单元

61··刺激元件单元

70··椅子

80··靠背

90··力学分布计算部

100··相机

110··影像同步部

S··皮肤

S1··决定力觉与力学分布的关系的步骤

S2··对皮肤的多个部位赋予刺激的步骤

S3··检测基于人的运动产生的皮肤的力学变化的步骤

S4··计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布的步骤

S5··对皮肤的多个部位赋予刺激的步骤

S6··拍摄主观影像的步骤

S7··算出皮肤的力学变化与主观影像的变化的关系的步骤

Claims (25)

1.一种力觉提示装置，其通过在人的皮肤形成力学分布来提示力觉，其特征在于，

所述力觉提示装置具备控制部和多个刺激元件，

所述多个刺激元件分别对所述人的皮肤赋予刺激，

所述控制部控制所述多个刺激元件，以在皮肤形成使目标的力觉产生的力学分布，

相邻的所述刺激元件间的间隔是能够提示空间性地连续的力觉的间隔，

所述力觉用于产生所述人的自我运动感觉。

2.根据权利要求1所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述力觉提示装置还具备力觉指示部和存储部，所述存储部存储目标的力觉与使该力觉产生的力学分布之间的关系，

所述控制部在从所述力觉指示部指示了目标的力觉时，控制所述刺激元件，以在皮肤形成所述存储部所存储的用于使该力觉产生的力学分布。

3.根据权利要求1或2所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述控制部计算使目标的力觉产生的力学分布，控制所述多个刺激元件，以对皮肤赋予形成该力学分布的刺激。

4.根据权利要求2所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述力觉提示装置还具备学习提示的力觉与使该力觉产生的力学分布之间的关系的学习部。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述刺激元件对包含背部或臀部的身体部位提示力觉。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述刺激元件对包含手或脚的身体部位提示力觉，

所述控制部控制刺激元件，以在皮肤形成与移动所述身体部位时产生的皮肤的伸长对应的力学分布。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述力学分布是应变能量密度分布。

8.根据权利要求7所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述控制部以目标的力觉越大则应变能量密度越大的方式控制所述刺激元件。

9.根据权利要求7或8所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述刺激元件通过旋转运动对皮肤赋予刺激，

所述控制部控制所述刺激元件的旋转角度及旋转方向。

10.根据权利要求9所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述控制部以目标的力觉越大则所述刺激元件的旋转角度越大的方式控制所述刺激元件。

11.根据权利要求9所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述刺激元件中的多个刺激元件构成的组被汇总成刺激元件单元。

12.根据权利要求11所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述刺激元件单元具备双轴的万向架。

13.根据权利要求11或12所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述控制部使用于赋予刺激的刺激赋予点在所述人的皮肤上移动，且以距该刺激赋予点的距离越小则所述刺激元件的旋转角度越大的方式控制所述刺激元件。

14.根据权利要求1～5中任一项所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述力学分布为应变的分布，

所述应变为主应变或等效应变。

15.根据权利要求1～5中任一项所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述力学分布为力的分布，

所述力为剪切力或垂直阻力。

16.根据权利要求1～5中任一项所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述力学分布为应力的分布，

所述应力为压力、主应力和范式等效应力中的任一个。

17.根据权利要求1～16中任一项所述的力觉提示装置，其特征在于，

相邻的所述刺激元件间的间隔是由该相邻的刺激元件提示的力觉的范围具有重叠那样的间隔。

18.根据权利要求1所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述力觉提示装置具备力学变化检测部和力学分布计算部，

所述力学变化检测部检测基于所述人的运动产生的所述人的皮肤的力学变化，

所述力学分布计算部根据所述力学变化检测部检测到的所述人的皮肤的力学分布的变化，计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布，

所述控制部控制所述多个刺激元件，以在皮肤形成所述力学分布计算部计算出的力学分布。

19.根据权利要求18所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述多个刺激元件分别具备所述力学变化检测部。

20.根据权利要求18所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述力学变化检测部是与所述刺激元件独立地设置的传感器。

21.根据权利要求18所述的力觉提示装置，其特征在于，

所述力觉提示装置具备拍摄从所述人观察到的主观影像的相机和算出所述人的皮肤的力学变化与所述主观影像的变化之间的关系的影像同步部，

所述力学分布计算部基于所述影像同步部算出的所述人的皮肤的力学变化与所述主观影像的变化之间的关系，根据所述主观影像变化时的所述人的皮肤的力学变化来计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布。

22.一种力觉提示方法，其通过在人的皮肤形成力学分布来提示力觉，其特征在于，包括：

决定所述力觉与使该力觉产生的力学分布之间的关系的步骤；及

对皮肤的多个部位赋予刺激，以在皮肤形成使该力觉产生的力学分布的步骤，

被赋予刺激的皮肤的相邻的部位间的间隔是能够生成空间性地连续的力觉的间隔，

所述力觉用于产生所述人的自我运动感觉。

23.根据权利要求22所述的力觉提示方法，其特征在于，

所述力学分布是应变能量密度分布。

24.根据权利要求22所述的力觉提示方法，其特征在于，

所述力觉提示方法包括：

检测基于所述人的运动产生的所述人的皮肤的力学变化的步骤；

根据检测到的所述人的皮肤的力学变化来计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布的步骤；以及

对皮肤的多个部位赋予刺激，以在所述人的皮肤形成计算出的力学分布的步骤。

25.根据权利要求24所述的力觉提示方法，其特征在于，

所述力觉提示方法包括：拍摄从所述人观察到的主观影像的步骤；以及算出所述人的皮肤的力学变化与所述主观影像的变化之间的关系的步骤，

计算使所述力学变化产生的皮肤的力学分布的步骤是如下的步骤：基于算出的所述人的皮肤的力学变化与所述主观影像的变化之间的关系，根据所述主观影像变化时的所述人的皮肤的力学变化来计算使该力学变化产生的皮肤的力学分布。

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