JP2000066575A - 触感装置及びその使用方法 - Google Patents

触感装置及びその使用方法

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JP2000066575A
JP2000066575A JP11104933A JP10493399A JP2000066575A JP 2000066575 A JP2000066575 A JP 2000066575A JP 11104933 A JP11104933 A JP 11104933A JP 10493399 A JP10493399 A JP 10493399A JP 2000066575 A JP2000066575 A JP 2000066575A
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tactile
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Andrew B Mor
アンドリュー・ビー・モー
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Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
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Mitsubishi Electric Information Technology Corp
Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
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    • G06F2203/01—Indexing scheme relating to G06F3/01
    • G06F2203/015—Force feedback applied to a joystick

Abstract

(57)【要約】 【課題】 障害物上に片持ちされ、かつ摩擦抗力を受け
る器具の感触を使用者に与える。 【解決手段】 スクリーン上の対象物及びスクリーン上
の障害物に対して、剛性のある器具のスクリーン上の器
具を操作する、器具の使用者に現実的なフィードバック
を与える触感装置であって、前記スクリーン上の前記器
具の先端６２の前記対象物との接触ばかりでなく、前記
スクリーン上の前記障害物との接触の結果として先端６
２から離れた前記スクリーン上の前記器具の部分にも加
えられた力に対しても応答するフィードバック力を前記
器具へ与える触感起動器６４を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、一般には、人間
とコンピュータとの対話の分野に関し、詳細には、触感
装置及びその使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】仮想リアリティ（ＶＲ）技術は、過去数
年間に多くの異なる適用分野に普及した。この拡がり
は、仮想環境との対話を容易にする装置の利用可能性に
より加速された。これらの新しい装置は、ステレオ視覚
ディスプレイおよび受動的追跡装置から、力のフィード
バックを必要とする能動的機構に及んでいる。使用者の
接触感覚、すなわち、触感と対話するフィードバック装
置は、仕事を行う際に、高い現実性及び性能が可能にす
る。二つの物体の間の接触を感じることが出来ると、視
覚フィードバックにより発生するよりも遥かに強い合図
を使用者へ与える。触感的インタフェースは、使用者の
手への力をモーター即ちアクチュエータを使用すること
により示し、これにより、物理的対象物の感じを疑似体
験する。これらの装置は、従来の視覚表示装置と結合し
て、外科シミュレーションの多くの多様なシミュレータ
を造り上げることが出来る。これらの装置は、疎遠な環
境の触感的モデルを調べることにより、ビデオゲームの
娯楽及び科学的探究に使用することが出来る。また、こ
れらの装置は、原子スケールの分子モデルから惑星スケ
ールの仮想マップの範囲にまで及ぶ。触感的インタフェ
ースは、また、通信操作の総括的主制御装置としても使
用される。この場合、使用者は、遠隔機械が受信するも
のをベースにしたインタフェースにより発生した感覚に
より、遠隔地にある機械を制御する。
【０００３】一般に、触感的インタフェース装置は、訓
練者が、スクリーン上の対象物を接触して移動し、時に
は、他のスクリーン上の対象物へ移動する結果を感じる
ことが出来るように、位置を物理的に感知し、かつ力を
使用者へ加える装置、および演算ハードウェアから成っ
ており、使用者の位置を決定し、シミュレーション作業
を行い、使用者へフィードバックする力を決定する。
【０００４】演算ハードウェアは、触感とグラフィック
のサブシステムとの間の同期化を維持するように、視覚
表示装置のシミュレーションも含んでいる。
【０００５】設計が非常に多様化している、市場で入手
出来る数少ない各種の触感機構装置がある。これらの各
種機構は、簡単な２自由度（ＤＯＦ（degree of freedo
m））のコンピュータマウスタイプの設計から７ＤＯＦ
のケーブル駆動機構までの非常に多岐にわたっている。
どちらの装置も、低摩擦、低慣性機構を採用している。
他の装置は、慣性の補償を行って、装置の感じた質量を
軽減するように、動きを検出するセンサーと共に、標準
的ロボット機構の回りに組み付けられている。ある機構
は、使用者により感じられた力を感知する、器具の柄内
の力センサーを有するが、他方で、他の機構は、設計を
単純化し、コストを低減するため、この様なセンサーの
使用を見合わせている。
【０００６】３ＤＯＦの装置は、使用者を平面に限定す
ることなく、作業スペースにおいて高い一般性を備えて
いるが、普通、装置または器具の先端の位置のフィード
バックだけを行うように制約されており、これは多くの
シミュレーションにとって不適切である。その理由は、
器具の軸部が、障害物または器具が挿入される人体の他
の部分と接触し、これにより、トルクが器具へ加えられ
るからである。従来のＤＯＦ３の装置は、このトルクを
決してシミュレーションしないので、使用者はこの作用
を感じることが出来ない。
【０００７】この様な背景の事情により、器具が人体へ
挿入されるときに訓練者が器具への作用をすべて感じる
ことが出来るように、器具が切痕から人体へ挿入され、
処置がビデオモニターにより観測される微小侵注外科シ
ミュレーションが、３ＤＯＦ装置よりも強く必要とされ
る。例えば、この作用には、外科メスの位置が意図した
位置へ向かって進むときの、腱への探針軸部の片持ち梁
の動きがある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従って、人体内へ挿入
された医療器具の先端と軸部の両方により感じられる力
をシミュレーションすることが出来る触感装置が必要と
される。
【０００９】具体的には、外科シミュレーションの分野
において、訓練者がシミュレーションされた環境におい
て器具を使用するとき、訓練者に器具の感じを伝えるこ
とが必要である。この場合、訓練シナリオは、スクリー
ン上のシミュレーションされたメスを操作することが必
要であり、例えば、スクリーンには、患者の膝が表示さ
れる。いわゆる膝の音声表示により、膝の各部分は、実
際の膝に似せた密度と貫入特性が提示される。
【００１０】これまでに、この様な仮想リアリティ表示
が使用されて、訓練者に解剖学の与えられた部分を実際
に貫入する感覚を与えるように、仮想リアリティ器具を
駆動して、使用された器具の先端に力を発生した。しか
し、ファントムと呼ばれたこれらの３次元（Ｄ）触感装
置は、探針の先端が解剖学の与えられた部分に接触して
いる時だけでなく、器具が操作されるとき、器具の軸部
が解剖学の部分に接している時に、何が起こっているか
を訓練者に感じさせることが出来ない。
【００１１】手短に言えば、欠けているものは、探針の
先端がある所への経路上にある靱帯を通過している器具
の場合のように、器具から離れた構造即ち障害物に片持
ちされた器具の感じを与える点である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】この発明の触感装置で
は、器具の先端だけでなく、器具の軸部に沿った力に対
する感覚を与えるために、縦揺れ及び横揺れの力を器具
の軸部へ発生するように構成されており、器具の軸部が
その先端から離れた障害物に触れるとき受けた反力をシ
ミュレーションする。一実施の態様では、これは、器具
が容易に軸部を移動、回転する、カラー、例えばジンバ
ルドリングスリーブにより得られる。
【００１３】また、縦揺れと横揺れの力は、起動器によ
りカラーへ送られて、カラーを器具の軸線に対して傾斜
した平面上で直角方向へ動かすことにより与えられる。
【００１４】また、起動器は、器具がスクリーン上のグ
ラフィックの対象物への内方移動または貫入中に構造体
を通過するとき、器具の先端へ加えられた力とカラーに
より加えられた力の合計が、器具の柄に抵抗感を与える
ように、器具の先端に発生しているものだけでなく、そ
の軸部に沿って発生しているものをシミュレーションす
る。
【００１５】この様に、この発明は、自由度３の触感装
置に、回転でなくすべての空間的自由度をさらに付加す
る装置である。この発明は、特に、微小侵注外科手法の
シミュレーションに有用であり、外科器具は小さい入口
を通り人体に挿入される。
【００１６】この触感装置は、外科器具の軸部が通り抜
ける接地された平らな機構を有している。この装置の質
量の大部分をベースに置くことにより、慣性と摩擦の力
は、減少し、これにより、従来の連続した装置と比較し
て、使用者への現実的感覚が増大する。この場合、モー
ターなどの質量はベースへ置かれない。この機構は、典
型的５バー機構であり、端部に４ＤＯＦのジンバルを備
えた、二つの強化された自由度を有する。ジンバルは、
２ＤＯＦユニバーサルジョイントから成り、さらに２自
由度を有するユニバーサルジョイントの外側リンクに直
線／回転スリーブ受けを有する。使用者が握る軸部は、
直線／回転スリーブを通り、自由度３のジンバルに接続
しており、それ自身は、器具の先端を駆動する３ＤＯＦ
触感装置に接続している。
【００１７】他の実施の態様において、直線／回転スリ
ーブは、キー溝付き軸部を通過する直線軸受けに置き換
えられており、この回転指向はサーボモーターにより制
御される。この実施の態様は、強化された３自由度を有
し、器具の先端を駆動する３ＤＯＦ装置と組み合わされ
ると、完全な６ＤＯＦ触感装置を造り上げる。
【００１８】この様に、この発明は、人間と、微小侵注
外科の物理的な実施の態様及び他の同様な状態を疑似す
るコンピュータとの間のインタフェースを形成している
装置を意図している。この発明は、器具の柄の軸部の通
過を、器具の作業空間である平坦な領域内にあるように
拘束すると考えられる。類推は、使用者が対話している
局部的容積は想像的立方体内にあると見なしていること
である。外部の３ＤＯＦインタフェースは、この立方体
内の器具の先端の位置を制御し、一方で、器具の軸部は
立方体の前面の中心を通過しなければならない。従っ
て、器具の軸部が通過しなければならない点がこの装置
により制御されるように、この装置は、立方体の前面に
置かれる。
【００１９】要約すると、装置は、触感的インタフェー
スの能動的自由度の数を拡張するように形成されてお
り、障害物に片持ちされるか、またはその軸部に沿った
摩擦の抗力を受ける器具の感じを使用者に与える。これ
は、さらに二つの能動的自由度を有することにより達成
されるが、使用者が握っている柄の回転または移動を制
約しない。装置は、４自由度のジンバルにより、器具の
柄の軸部を拘束し、その先端は、他の３空間自由度の触
感装置により制御される。器具の軸部は、２自由度のジ
ンバルに取り付けられたスリーブ軸受け即ちカラー内で
滑り、回転する。ジンバルは、２自由度の平行で平坦な
操作器に確実に接続されており、平坦な操作器の両方の
自由度は、所望の触感力を発生するように使用された駆
動器により駆動される。この装置を使用することによ
り、使用者は５自由度の装置を使用することになり、こ
れにより、使用者は、３自由度の装置により発生した点
の力だけの代わりに、力とモーメントを感じることが出
来る。これは、先端から離れた器具の一部が先端の代わ
りに障害物に接触する場合のシミュレーションを行うと
きに有用である。
【００２０】この発明の特徴及び他の特徴は、図面につ
いて述べられた詳細な説明で理解されるであろう。
【００２１】
【発明の実施の形態】図１では、シミュレーションされ
た典型的な膝の手術において、中間コンディアル２０の
軟骨の状態を感知するために使用される、先端１２と末
端１４とを有する探針である器具１０が、大腿骨１８の
切痕１６により示された領域へ押し込まれいる。実際
に、手術中に、探針の先端１２が組織と接触する時、器
具１０の軸部２２に沿って戻される反力がある。
【００２２】一般に、触感環境において、訓練または他
の目的のために、仮想された膝が訓練者に用意される。
器具１０は、いわゆる触感装置により駆動される。この
装置は、先端１２のスクリーン上の画像がスクリーン上
の組織の画像と接触したときに、器具１０に反力が作用
する。この様な触感装置は、ファントムとして知られて
おり、マサチューセッツ州、ケンブリッジのセンサブル
テクノロジー社（Sensable Technologies,Inc）から
入手できる。
【００２３】ファントムなどの３Ｄ起動器装置に伴う問
題は、半月２４などの領域を器具の一部が通過し、これ
が、器具の先端と端部との中間にある器具の箇所２８に
力２６を加えるシミュレーションをすることができない
ことである。この発明では、本質的に、器具の先端を密
集した組織領域へ進ませたときだけではなく、器具の軸
部が探針過程において障害物に当たったときでも訓練者
に示す片持力を提供するものである。
【００２４】従来技術を示す図２（Ａ），（Ｂ）では、
対象物３０は、対象物を探針するために矢印３８の方向
へ移動する器具３６の先端部３４に対して、後方即ち反
力を及ぼす。
【００２５】触感環境において何が起こっているかを訓
練者に感じさせるために、この反力が中央処理装置（Ｃ
ＰＵ）３８に送られる。このＣＰＵ３８は、器具４４に
対する反力４２を生じる、上述したような３Ｄ起動器４
０を駆動する。この３Ｄ起動器４０は、反力の成分を三
方向で与えることを可能にする。その結果、これらのタ
イプの起動器は、自由度３の装置と呼ばれる。前述した
ように、この様な装置は、シミュレーションされた障害
物上を移動する器具の感覚を具体的に伝えることができ
ないことは明白である。
【００２６】この状態は図３に示されており、図におい
て、器具３６は軸部の点４６で障害物４８に当たってい
る。この障害物４８では、器具が対象物（ここでは符号
５２で示されている）内に矢印５０の方向に押し込まれ
ると、器具の長さ方向に沿って反力を生じる。この反力
は、器具が探針または切断器として使用されたとき、器
具の移動方向に対して垂直方向の器具の変位、及び摩擦
によって、器具の表面に作用する。言うまでもないが、
これらの反力は、器具の一部が対象物５４と接触するこ
とにより生じる。
【００２７】図４では、器具に作用する反力は、器具の
先端の対象物ばかりではなく、器具の障害物に対する接
触でも生じる。この実施の形態では、器具の先端６２に
かかる３次元の力を制御する起動器６０だけでなく、器
具が貫通した、スリーブ即ちカラー６６に機械的に連結
され、またジンバルされている起動器６４も有してい
る。自明のように、起動器６４は、カラー６６、従って
器具へ加えられる縦揺れと横揺れを制御する。
【００２８】スリーブ即ちカラー６６へ加えられた力
は、ベクトルＦDとして表示され、先端へ加えられた力
は、ベクトルＦPと表示されている。訓練者が感じる力
は、ベクトルＦTであり、これは力ベクトルＦPとベクト
ルＦDとの合計である。力を縦揺れと横揺れの方向へ力
を加える起動器６４を使用することにより、訓練者は、
器具の先端と基端との中間に加えられる力を感じること
が出来る。当然、この力は、先端からの距離|ベクトル
Ｓ|に加えられる。
【００２９】器具の長さの中間点に縦揺れと横揺れの力
が加えられるならば、ベクトルＭと表示されたモーメン
トが発生する。この場合、ベクトルＭは、ベクトルＳと
ベクトルＦDの積であると定義される。それは、訓練者
が器具の柄を握るか、または触れる時、訓練者が感じる
モーメントであり、このモーメントは、器具が仮想空間
で操作される時、先端の力だけでなく、器具への中間の
力の感覚を訓練者へ与える。
【００３０】仮想界における対象物のモデルに対して、
この様な力を発生させるために、このモデルは、器具が
対象物へ押し込まれる時発生する反力と、実際の生体状
態に倣ってモデル化された障害物の反力とを特性化して
おり、この場合には、この器具は、障害物である、前述
の半月を通り過ぎる。仮想界の反力は、符号７０で図示
して説明されているように、定められ、ＣＰＵ７２へ送
られる。このＣＰＵ７２は、仮想界の手順の変数に従っ
て、訓練者へ触感的フィードバックを送るように、起動
器６０、６４を駆動する。
【００３１】図５では、この発明の装置は、器具の先端
に力が加わるだけでなく、強靱な器具の前記先端と基端
との中間部にも力が加わる、自由度５の触感的フィード
バック装置を形成している。この図では、中間部に加わ
る力は符号８０と８２で示され、器具３６の運動を描い
ており、訓練者は、本発明の装置により発生した、点線
の外線３６’及び３６”で示されている縦揺れ及び横揺
れの運動を感じる。
【００３２】要約すると、この発明の装置は、力のフィ
ードバック運動を器具に伝達する。これらの運動は、器
具の先端と、器具の中間点とで発生させられ、器具に
は、先端のＸ，Ｙ，Ｚ，位置での運動とともに先端に及
ぶ縦揺れと横揺れの運動が加えられる。
【００３３】図６では、先端と、先端と基端との間の点
での力が生じる方法について、以降に説明する関係が示
されている。
【００３４】使用者により感じられるベクトルＭ及びベ
クトルＦTの値と、器具の先端位置と５バー機構の直線
状軸受けとの間のベクトルＳを設定すると、先端とカラ
ーにより発生する力が決定される。ｗはこの系の座標を
表す。ここで、すべての位置と力が測定され、ｄは、５
バー機構の座標であり、ベクトルＺdは装置が動く平面
に直角である。次に、ベクトルWＰpは器具の先端の位置
にあり、ベクトルWＰdは５バー機構の位置にある。ベク
トルＳは５バー機構の位置から器具の先端の位置へのベ
クトルであり、ＳＶはベクトルＳの垂直方向である。同
様に、ＭＶはベクトルＭの垂直方向である。
【００３５】最初に、５バー機構でモーメントベクトル
Ｍを発生させる力ベクトルＦｄ’が計算される。
【００３６】
【数２】
【００３７】ベクトルＦd’は、５バー機構により形成
された平面に垂直ではなく、モーメント式、ベクトルＭ
＝ベクトルＳ×ベクトルＦd’を満足する。それはま
た、ベクトルＳに常に直角である。
【００３８】次に、力ベクトルＦd’は、５バー機構の
平面に投影され、従って、装置により加えられた力ベク
トルＦd’は、式ベクトルＭ＝ベクトルＳ×ベクトル
Ｆd’も満足する。力ベクトルＦd’に直角であるこの投
影力は次式により発生される。
【００３９】
【数３】
【００４０】５バー機構により発生された力は、ベクト
ルＦd’とベクトルＦγとの合計である。
【００４１】
【数４】
【００４２】器具の先端へ加えられた力は、ベクトルＦ
p＝ベクトルＦT−ベクトルＦd’であり、使用者へ加え
られるすべての力を維持する。
【００４３】５バー機構が、一般的な３ＤＯＦ装置に置
き換えられるならば、装置は、平面上の力でない、すべ
ての力を加えることが出来るので、上記ベクトルＦd’
の式はベクトルＦd’の計算に使用することが出来るこ
とを留意すべきである。器具の先端へ加えられた力は、
ベクトルＦp＝ベクトルＦT−ベクトルＦd’のままであ
る。
【００４４】図７に示されているように、ここで説明し
たものは、前述の縦揺れと横揺れの力を伝達する起動器
であり、これらの力は、図４の起動器６４により示され
た起動に対応する二つの起動器８２、８６により、一つ
の実施態様のスリーブであるカラー６６へ加えられる。
一実施の形態では、これは、５バーリンク機構と呼ばれ
る、五線星形リンク装置により行われる。
【００４５】図８に示されているように、起動器はモー
ター９０、９２を有している。起動器は、ピボット点９
８の回りを軸回転する扇形回転体９６と接触しているキ
ャプスタン９４を有する。モーター９０は、扇形回転体
１０２をピボット点１０４の回りを駆動するように扇形
回転体１０２と連接しているキャプスタン１００を駆動
する。二つのピボット点９８，１０４は、接地された構
造物内において、モーター、扇形回転体及びピボット点
を支持するフレーム１０８により定められた平面内にお
いて距離１０６だけ離れていることを付記しておく。こ
の実施の形態では、フレームは装置の取付バーを構成し
ている。
【００４６】扇形回転体９６、１０２は、伸長部２０
０，１１０をそれぞれ有しており、それらの伸長部は、
端部にあるピボット１１２，１１４を介してピボット１
２０で端部が連結されたアーム１１６、１１８を駆動す
るようになっている。ここでは符号１２２で示された、
アーム１１８に対する延長部は、器具１２８が貫通した
カラー１２６を支持しているジンバル部１２４に連結さ
れている。
【００４７】器具１２８の先端１３０は、３Ｄ触感起動
器１３２が器具の先端に対して３ＤＯＦ触感起動を行う
ような標準的方式で、３Ｄ触感起動器１３２により駆動
される。他方、カラー１２６と５バーリンク機構は、カ
ラー１２６を駆動して、器具の長さに沿って必要な力を
発生させ、仮想モデル化に従って器具へ加えられた力を
シミュレーションする。
【００４８】一つの触感的フィードバックシナリオにお
いて、モニター１４０は、ＣＰＵ１４２がモーター９
０、９２を制御しながら、器具及び器具により探針され
た対象物を視覚表示する。
【００４９】図９では、どのようにして、モーター９
０、９２が駆動され、調整されて、ピボット１２０の適
切な縦揺れ及び横揺れの移動が行われるかを説明する。
【００５０】図１０において、ｂは、二つの内側リンク
のそれぞれの近い端部と動作空間Ｏの原点との間の水平
距離である。ｌiはリンクの長さである。θiはｉ番目の
リンクの角度である。θd3とθd4は、二つの外側のリン
クと内側のリンクの端部を結合する線とにより形成され
た三角形の内角の二つである。ａは垂直距離であり、ｄ
は内側のリンクの端部の間の水平距離であり、ｃはそれ
らの間の最短距離であり、θaはｃと水平線との間の角
度であり、図１０では負の値である。
【００５１】従って、ｄ，ａ，およびｃは、簡単な幾何
学により決定され、θaは、ａ／ｃの逆正接である。θ
d3とθd4は、余弦法則により計算され、従って、θ3と
θ4は、もう一度簡単な幾何学により決定される。従っ
て、５バー機構の終点の位置（ｘ，ｙ）は、幾何学によ
り決定される。ここで、ｌ5は、外側リンクの端部とリ
ンク４の軸線に沿ったジンバルの中心との間の距離であ
る。ｌ6は、外側のリンクの端部とリンク４の軸線に対
して垂直なジンバルの中心との間の距離である。ヤコビ
アンＪは、通常の方法で計算され、その結果所望の力ベ
クトルＦdを得るために起動器に加えるモータートルク
τが簡単に決定される。上述の式は、次の通りである。
【００５２】
【数５】
【００５３】今、図１１について要約すると、示されて
いるものは、器具の先端１３０を駆動する３Ｄ触感駆動
器を有する触感的力フィードバック装置である。一方、
ジンバル付きのカラー１２６へ接続された斬新な５バー
リンク装置が、モデル化シナリオにおいて、器具の先端
と基端との間の中間に発生した力の触感的フィードバッ
クを行う。器具が器具自身に力を加える障害物を通過す
るが、先端１３０に加えられ力とカラーにより加えられ
た力とを組み合わせることにより、対象物を探針するた
めに使用される器具に何が生じているかを、現実的な力
フィードバックで訓練者は知る。
【００５４】本発明の数例の実施態様、およびその修正
と変形を幾つか説明したが、前述の内容は単に例証して
おり、限定するものでなく、実施例により提示されてい
るだけであることは、本技術に精通した当事者には明ら
かであろう。多くの修正および他の実施態様は、本技術
の通常の技術の範囲内にあり、添付された請求の範囲と
それに同等ものによってのみ限定された、本発明の範囲
内にあると考えられるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 探針が大腿骨の切痕へ挿入されている膝の説
明図であり、探針が膝の半月に片持ちの状態を示しお
り、探針の先端だけでなく、先端と基端との間の中間点
に力が発生していることを示している図である。
【図２】 （Ａ）は探針が対象物へ挿入されるとき、図
１の探針の先端に後方に向けた力が対象物に生じる説明
図である。（Ｂ）は３Ｄ触感装置の使用により探針の先
端の力をシミュレーションする３Ｄ起動器を有する装置
の説明図であり、後方に向けて力が作用する器具を訓練
者が取り扱っている様子を示す図である。
【図３】 器具の先端だけでなく、器具の先端と基端と
の間の中間点に発生した、剛性な器具に対する力を説明
する説明図であり、この例では、器具が剛性な器具の表
面に摩擦接触している障害物上を通っている。
【図４】 本発明の装置の説明図であり、器具が図３に
示された障害物上を進むとき、剛性な器具の先端と基端
との間の中間部に加えられた力が加えられて、器具への
触感をシミュレーションし、器具の中間部に加えられた
力が、器具の先端へ加えられた力へさらに付加され、こ
れにより、触感装置は、力が器具の先端だけでなく、そ
の軸部へも加えられている状態をシミュレーションする
ことが出来ることを示している図である。
【図５】 本発明の５自由度の触感装置の説明図であ
り、３自由度が器具の先端に関連しており、残りの２自
由度を形成する縦揺れ及び横揺れの力が、器具の中間部
に加えられている。これにより、器具が縦揺れと横揺れ
の方向に動く様子を示している。
【図６】 力が器具の先端だけでなく、器具の先端と基
端との中間点にも加えられた本願発明の説明図であり、
また前述した点に加えられている力の数学的関係を示す
図である。
【図７】 縦揺れと横揺れの起動器を使用する状態の説
明図であり、起動器は、器具が滑るとともに、ジンバル
されたスリーブであるカラーに力を与え、これにより、
先端の力だけでなく、先端と基端との中間部に加えられ
た力も組み入れた器具の感触を与えるものである。
【図８】 器具の中間点に加えられる縦揺れと横揺れの
力を発生させるために使用される、接地された装置の斜
視図である。装置は図７のスリーブ即ちカラー用の５バ
ー機構駆動を有しており、５バー機構のアームの二つ
が、二つのアームを示された方向へ動かすように働くカ
ムに当接して回転起動器により駆動され、従って、器具
が挿入されたジンバルされたスリーブであるカラーに取
り付けられた装置の中心ピボット点に、縦揺れと横揺れ
の運動が生じるものである。
【図９】 図８の前述したアームを駆動するモーター駆
動器の座標を示す構成図であり、駆動器は五線星形の移
動、従って縦揺れと横揺れの運動を行うものである。
【図１０】 図８の五線星形の縦揺れと横揺れの起動器
の詳細な平面図であり、五線星形の終止点の位置を決定
するために用いられる限界寸法を示している。
【図１１】 図８の五線星形縦揺れ及び横揺れの起動器
の詳細な斜視図であり、最初の二つの五線星形アームの
ピボット点の間の距離と、器具が貫通するスリーブであ
るカラーの動きとの間の関係を示している。
【符号の説明】
３０ 対象物、３２ 反力、３４ 器具の先端、３６
器具、３８ 矢印、４０ ３Ｄ起動器、４２ 反力、４
４ 器具、４６ 軸部上の点、４８ 障害物、５０ 矢
印、５２ 対象物、５４ 障害物、６０ 起動器、６２
器具の先端、６４ 起動器、６６ カラー、６８ 平
面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 597067574 201 ＢＲＯＡＤＷＡＹ， ＣＡＭＢＲＩ ＤＧＥ， ＭＡＳＳＡＣＨＵＳＥＴＴＳ 02139， Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 アンドリュー・ビー・モー アメリカ合衆国、ペンシルバニア州、ピッ ツバーグ、ワイトマン・ストリート 2200

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 スクリーン上の対象物及びスクリーン上
    の障害物に対して、剛性のある器具のスクリーン上の器
    具を操作する、器具の使用者に現実的なフィードバック
    を与える触感装置であって、 前記スクリーン上の前記器具の先端の前記対象物との接
    触ばかりでなく、前記スクリーン上の前記障害物との接
    触の結果として前記先端から離れた前記スクリーン上の
    前記器具の部分にも加えられた力に対しても応答するフ
    ィードバック力を前記器具へ与える触感起動器を備えた
    触感装置。
  2. 【請求項２】 一組の触感起動器は、器具の先端から離
    れた前記器具の柄の部分に、前記器具の柄の長軸に対し
    て傾斜した平面において力を加えるリンク機構を有する
    請求項１に記載の触感装置。
  3. 【請求項３】 リンク機構は、５バーリンク系と、この
    ５バーリンク系に接続されかつ器具の柄が貫通するジン
    バルドリングとを有する請求項２に記載の触感装置。
  4. 【請求項４】 ５バーリンク系は、ベースと、このベー
    スに回転可能に取り付けられ、かつそれぞれが５バーリ
    ンク系のバーに相当する伸長部を有する一組の扇形回転
    体と、それぞれの一端が前記伸長部の末端に回転可能に
    取り付けられ、かつ他端が互いに回転可能な共軸である
    とともに、ジンバルドリングに接続された一組のバー
    と、前記ベースに取り付けられ、かつ前記各扇形回転体
    に前記扇形回転体をその対応するピボットの回りに駆動
    させて、前記ジンバルドリングを動かして、力を前記柄
    に与える二つの扇形回転体アクチュエータを有する請求
    項３に記載の触感装置。
  5. 【請求項５】 起動器により生じる力は、対象物及び障
    害物の物理的特性に対応している請求項１に記載の触感
    装置。
  6. 【請求項６】 仮想環境を生じさせるコンピュータ及び
    表示装置を有し、器具、対象物、及び障害物のスクリー
    ン上の表示が、物理的特性を有する仮想環境内にある請
    求項５に記載の触感装置。
  7. 【請求項７】 物理的特性は、対象物及び障害物に対し
    てそれぞれ貫通抵抗及び接触抵抗を有するグループから
    選択される請求項５に記載の触感装置。
  8. 【請求項８】 フィードバックの力が次式で示される請
    求項１に記載の触感装置。 【数１】 ここで、ベクトルＦdはモーメントベクトルＭを発生す
    る、一般化された力のベクトル、ベクトルＭは、器具の
    先端付近の器具の柄に加えられ、スクリーン上の器具の
    先端のスクリーン上の対象物の動きに対応する力のフィ
    ードバックのモーメント、ベクトルＳは、前記器具の先
    端と、前記力ベクトルＦdが加えられた前記柄上の前記
    位置との間の距離である。
  9. 【請求項９】 仮想環境にある器具、対象物、および障
    害物の仮想表示から、対象物を貫入する途中にある障害
    物を通り過ぎる実際の器具の感触を使用者に与える触感
    装置の使用方法であって、 前記仮想環境内の前記器具の位置を決定する工程と、 前記器具の前記対象物との接触に関して、前記仮想環境
    内での前記対象物の挙動を決定する工程と、 前記仮想環境内にある前記器具の先端と前記対象物との
    相互作用に応じて、器具の先端に力及びモーメントが生
    じる工程と、 前記仮想環境内にある前記器具の対応部分と前記対象物
    との接触に応じて、器具の先端から離れた前記器具の柄
    に加えられる力を生じる工程とを含んでいる触感装置の
    使用方法。
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