JP2000089895A - 触力覚呈示装置 - Google Patents

触力覚呈示装置

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JP2000089895A
JP2000089895A JP27659598A JP27659598A JP2000089895A JP 2000089895 A JP2000089895 A JP 2000089895A JP 27659598 A JP27659598 A JP 27659598A JP 27659598 A JP27659598 A JP 27659598A JP 2000089895 A JP2000089895 A JP 2000089895A
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presenting
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coil
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JP27659598A
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English (en)
Inventor
Katsumi Sakamaki
克己 坂巻
Kazuyuki Tsukamoto
一之 塚本
Yukari Kokatsu
ゆかり 小勝
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Fujifilm Business Innovation Corp
Original Assignee
Fuji Xerox Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 人が対象物に手指を触れたときに感じる対象
物の凹凸や軟硬等の触覚および力覚を、あらかじめ取得
され記憶されている電子情報に基づいて呈示する。 【解決手段】 磁性材料からなる函体10の上面に沿っ
た位置に多数の呈示素子11を配列し、磁性材料からな
るガイド部材12によって上記函体の上面に対して進退
可能に支持する。函体の底部に磁石13を設けることに
よって、該函体及びガイド部材がヨークとして機能し、
各呈示素子の周囲にある上面板10dと呈示素子内のガ
イド部材との間に磁界が形成される。一方、各呈示素子
の側部にはコイルが設けられており、記憶されている情
報に基づいて制御された電流を電源からコイルに通電す
ることにより推力が生じ、制御された位置に呈示素子が
移動する。また、ガイド部材には変位センサが設けられ
ており、外力によって呈示素子が変位すると、検知され
た変位に対応する推力すなわち反力が付与される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、人が対象物を手指
に触れたときに感じる対象物の凹凸や軟硬などの触覚及
び力覚を呈示する触力覚呈示装置に係り、具体的には、
遠隔的に或いはデータベースとして記憶されている触力
覚情報、または、計算機からの計算出力に基づく形状情
報もしくは力学情報などを人に伝達するための触力覚呈
示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】人が対象物に手指で触れたときに感じる
凹凸や軟硬などの感覚は、主に触覚、力覚として認識さ
れる。本出願では、触覚と力覚との使い分けとして、触
覚とは、皮膚感覚であるざらつき感や平滑さ、細かい凹
凸、摩擦感などの粗滑感を意味し、力覚とは、手首や指
の曲げ動作や筋肉の緊張・弛緩を伴う比較的大きな反力
と変形との関係が主体で、慣性感や弾性感、粘性感など
が主であると位置づける。本願に係る発明では、双方の
機能が含まれるため、触力と力覚とを合わせて触力覚と
表現する。
【0003】このような触力覚の果たす役割は、対象物
を認知、判断する場合に、その対象物に直接手や指で触
れることによって、対象物表面の粗滑感や凹凸感の他、
視覚では把えられない重さなどを感じ取り、その体感を
他の情報等と合わせて複雑な判断・決定を可能とするこ
とである。
【0004】それに対して、直接、手指で触れることの
できない博物館の所蔵品や遠方の物体、また、パソコン
画面上に表示されるインターネット中の素材情報、電子
辞書・辞典などのさまざまなアプリケーションソフトに
よって画面上に表示される情報は、視覚的に対象物を認
識できても、その雰囲気や体感を直接に感じ取ることは
できず、人は頭の中でこれらの情報の欠落部分を憶測し
て補完している。このような視覚だけの単一様式の情報
による認知の深さは、触力覚を伴う場合よりも軽薄なも
のとなり、その結果、記憶としてのあいまいさや、判断
の過ちをおかすなどの問題がある。
【0005】このため、コンピュータを中心としたデジ
タル化した情報のやりとりでは、複数様式(マルチモー
ダル)の情報を用いることでより高い理解が得られると
考えられ、視覚のみではなく触覚・力覚を含む情報の伝
達・蓄積が望まれる。
【0006】また、視覚障害の人にとって、触覚の果た
す役割は、視覚機能を代用する重要な感覚器であること
は言うまでもない。触覚により情報を伝達する装置とし
て、点字用ディスプレイが比較的古くから提案されてお
り、例えば特開昭59−198483号公報、特開平2
−5081号公報に記載される装置がある。特開昭59
−198483号公報に記載の装置は、マトリックス状
に配列された点字用の複数のピンを備え、各ピンをそれ
ぞれ形状記憶合金からなる支持体によって支持し、伝達
しようとする文字情報等に基づいてピンを突出又は後退
させるように支持体を加熱するものである。
【0007】特開平2−5081号公報に記載の装置
は、多数の貫通穴がマトリックス状に配列されたフレー
ムに該貫通穴を出入り可能なピンが挿通され、各ピンを
フレームから突出し、あるいは引き込むように個別に移
動させる駆動部を備えている。そして、コンピュータ等
からの信号を点字パターンに変換し、該パターンに各ピ
ンが対応するように駆動部を制御するものである。
【0008】これらの装置は、共に複数のピンが上下方
向にオン、オフ動作をして点字コードを出力するもので
あり、オン、オフの2値の情報である点字を表現するも
のに留まっている。
【0009】また、触覚や力覚を利用して情報の表示や
交信を行う装置として、特開平3−14674号公報に
は、取付板に摺動可能に貫通した多数のピンと、ピンの
それぞれを取付板内に没する方向に付勢する付勢手段と
を備える装置が提案されている。この装置は、取付板と
平行な昇降板を移動して全てのピンを同時に最高位置ま
で突出させた後、昇降板を降下してこれらのピンを後退
させ、ブレーキ機構により各ピンを上下方向の任意の位
置で係止させるようにしたものである。
【0010】また、実開平5−96863号公報には、
三次元のピンディスプレイとして、複数配置されたピン
が各々駆動源によって駆動され、高さ方向の任意の位置
に係止される構成の装置が提案されている。
【0011】さらに、指先に空間内の一点の触力覚を伝
達する装置として、米国特許第一号公報USP5625
576、USP5587939に記載される技術があ
る。指先に触覚情報を呈示する構成は、リンク機構を用
いたロボットマニピュレータを小型化し、マニピュレー
タの先端部分に指が挿入できるサックを設けたものであ
る。そして、指をその中に入れ、コンピュータの画面上
に現れるポインタ(指先の三次元空間座標内における位
置に相当)を参照しながら指を動作し、画面上の物体の
凹凸感や、軟硬感を感じ取るものである。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の技術では、以下に示すような問題点があ
る。特開昭59−198483号公報、特開平2−50
81号公報に記載の装置は、複数のピンのそれぞれが突
出した状態か後退した状態かの2値的な表現能力しか持
っていないため、点字というコード情報を表現する機能
しか有していない。そのため、アナログ的な凹凸を有す
る形態の認知や、対象物の硬軟感などを認知することは
不可能である。
【0013】また、特開平3−14674号公報や実開
平5−96863号公報に記載の装置は、多数のピンを
三点以上の高さで停止することができるため、2値的な
点字コードよりも複雑な情報を呈示できるという利点が
ある。しかし、複数のピンはそれぞれ静止した状態を維
持することしかできず、硬軟感等の対象物の力覚は表現
されない。一般に、人が対象物の触力覚情報を知りたい
場合、正確な情報を得るために対象物に直接触るととも
に、触る対象によって適切な動作を行っている。つま
り、表面の粗さや細かい凹凸ならば、なぞったり、こす
ったりする動作を行い、表面の固さや柔らかさを確かめ
るときは、押したり引っ張ったりといった動作で判断す
る。したがって、上記特開平3−14674号、実開平
5−96863号公報に記載の装置では、触力覚情報を
充分に伝達することができず、様々な物体情報を正確に
伝達するには充分なものではない。
【0014】一方、USP5625576、USP55
87939に開示される技術は、ひとつの指先に触力覚
情報を呈示するもので、この方式の場合、形状や硬軟感
の認知が可能となる。しかし、指先の一点にこれらの情
報が作用するため、目を閉じると認知度が極端に低下し
てしまう。通常、人は温度を検知するときは指先だけで
用心深く触る行為をするが、それ以外では複数の指を使
い感触をみたり、掌全体を使って形状情報を瞬時に認知
することが自然に行われる。つまり、一本の指では、空
間の一点の情報を時系列的に人の脳に入力することにな
るため、頭の中で改めて指の触れた軌跡を積分する行為
が必要になる。これは非常に非効率であるため、実際に
は、人は掌や複数の指によって瞬時にある面積に渡った
物体の情報を獲得しようとする。ところが、上記のよう
に指先の一点にしか情報が伝達されない装置では、対象
物が何を意味するものかを理解するのに、多くのなぞり
動作や、コンピュータ画面による対象物の画像情報の補
完が必要となり、人の自然な認知動作からはかけ離れた
ものとなる。
【0015】上記のように触力覚呈示手段としての理想
は、指先の一点ではなく、一貫性の高い面状の呈示手段
であると考えられるが、そのためには、呈示部材が高い
集積度で面を形成していることが望ましい。上記実開平
5−96863号公報に記載の装置では、呈示部材であ
るピンの一つ一つを独立に駆動させるモータが設けられ
ており、この方式では呈示部材を小型化するには限界が
ある。また、仮に小型化して集積度を向上させても、個
々のモータの出力が小さくなり、反力を制御するという
機能を果たせない状態となってしまう。
【0016】以上のように、空間位置座標に反力情報を
含んだ触力覚情報を、指や手などの受容器官によって一
貫性の高い方法で認識するという、本来の自然な体感情
報の獲得機能に対して、従来の複数のピンによる面型の
呈示手段、又はマニピュレータ型の指先に情報を呈示す
る装置のいずれにおいても、充分な目的を達成すること
ができない。
【0017】本発明は、上記のような問題点に鑑みてな
されたものであり、その目的は、あらかじめ取得・蓄積
された情報に基づいて触力覚を再現し、呈示することが
できる触力覚呈示装置を提供することである。
【0018】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本願発明に係る触力覚呈示装置は、所定の平面又
は曲面に沿った位置に配列され、該平面又は曲面に対し
て進退が可能に支持された複数の呈示素子と、 前記呈
示素子を支持する基部と、 前記呈示素子のそれぞれを
独立して進退方向に駆動するとともに、該呈示素子に外
力が作用するときには反力を付与する駆動装置を有する
ものとする。
【0019】このような構成を有する触力覚呈示装置で
は、複数の呈示素子が所定の平面又は曲面に対して進退
方向に駆動され、それぞれの呈示素子の突出量を制御す
ることによって形状に関する感覚が再現される。そし
て、この呈示素子に外力が作用したとき、すなわち手で
触れたとき、押し付けて呈示素子を変化させようとした
ときの反力を制御することができるので、硬軟感、弾力
感等の力覚を再現することができる。つまり、人が手を
押し付けたときの変化の量とその時に感じる反力の大き
さから、硬い、軟らかいといった感覚を感知することが
できる。
【0020】上記呈示素子は、駆動装置によって進退方
向に駆動されるものであるが、請求項2に記載の触力覚
呈示装置のように、3点以上の位置を任意に選択し、そ
の位置に呈示素子を保持できるようになっているので、
複数の呈示素子のそれぞれについて選択する位置を適切
に設定することによって、形状情報を再現することがで
きる。そして、呈示素子が維持される位置は、3点以上
で多い方か望ましく、多くの位置が選択できることによ
って、なめらかで正確な形状を呈示することが可能とな
る。
【0021】上記呈示素子のそれぞれに付与される反力
は、請求項3に記載の触力覚呈示装置のように、各呈示
素子について変位検出装置を設け、その出力に基づいて
設定するのが望ましい。変位と反力との関係をあらかじ
め設定しておき、検出された変位に対応して反力を付与
することにより、弾性感、粘性感を適切に再現すること
ができる。また、硬い基材上に軟らかい層が形成されて
いるような力と変形とが非線形の対象物の力覚も適切に
再現することが可能となる。
【0022】また、請求項4に記載の触力覚呈示装置の
ように、呈示素子の各々に接合された膜状の表皮部材を
設けることができる。このような表皮部材を設けること
により、変位量や触力覚等を連続した状態で呈示するこ
とができ、対象物の状態をより正確に再現することがで
きる。
【0023】上記のように、各呈示素子を駆動し、反力
を付与する機構としては、請求項5に記載のように、呈
示素子のそれぞれにコイルを取り付けるとともに、この
コイルの巻き線の周辺に磁界を形成し、コイルにそれぞ
れ制御された電流を供給することによって呈示素子に駆
動力及び反力を付与するものを採用することができる。
【0024】このような機構では、コイルに電流を供給
すると、フレミングの左手の法則に従った推力が作用
し、コイル及びこれが取り付けられた呈示素子が駆動さ
れる。そして、電流量をあらかじめ取得されている情報
に基づいて制御することにより、呈示素子には適切な駆
動力及び反力が付与される。
【0025】また、各呈示素子の駆動及び反力の付与を
行う他の手段として、請求項7又は請求項8に記載のよ
うに、装置の流体圧を利用するものを採用することがで
きる。
【0026】このような手段を採用したものでは、進退
が可能に支持された各呈示素子の後部に流体圧を作用さ
せ、この圧力によって呈示素子を駆動する。そして、例
えば流体として電気粘性流体を用いると、各呈示素子の
後部の適切な位置に電界を発生させることによって、こ
の電界内で流体の粘性が高くなり、流体の流れを制御す
ることができる。これにより、呈示素子の後部に作用す
る流体圧が調整され、呈示素子の駆動及び反力の付与が
行われる。したがって、各呈示素子ごとに設けられた電
極にあらかじめ取得されている情報に基づく制御電圧を
印加することによって、各呈示素子を独立して駆動する
とともに、外力の作用に対して適切な反力を付与するこ
とができる。
【0027】さらに、各呈示素子の駆動及び反力の付与
を行う他の手段として、請求項9に記載のように、pH
値の変化によって体積が変化する高分子ゲルを用いたも
のを採用することもできる。
【0028】これは、各呈示素子の後部に高分子ゲルを
収容したゲル室を設け、この中のゲルの膨張又は収縮に
よって呈示素子の駆動及び反力の付与を行うものであ
る。上記高分子ゲルの膨張又は収縮は、呈示素子の各々
について設けられたゲル室に細管を通じてpH調整用の
水溶液を供給することによって行うことができる。この
pH調整用の水溶液は、例えばpH値の異なる水溶液の
混合比を変えることによってpH値を調整することがで
きる。そして、上記pH値の異なる水溶液の混合は、例
えば、電気的信号に基づいて制御される弁又はその他の
開閉装置によって各水溶液の供給量を調整することによ
って行われる。
【0029】
【発明の実施の形態】以下、本願発明の実施の形態を図
に基づいて説明する。 < 第1の実施形態 >図1は、請求項1、請求項2、請求
項3、請求項5又は請求項6に記載の発明の一実施形態
である触力覚呈示装置を示す概略構成図である。この触
力覚呈示装置は制御装置としてコンピュータ(以下、P
Cという。)2を用いるものであり、このPC2から出
力される信号に基づいて、呈示部1に設けられた多数の
呈示素子11の駆動及び外力作用時の反力の付与を行う
ものである。上記呈示素子11はそれぞれが独立して電
気的に駆動及び反力の付与が行われるようになってお
り、PC2からの制御信号に基づいて駆動電流を供給す
る駆動電源3が備えられている。
【0030】図2は、上記呈示部1を示す概略断面図及
び平面図であり、この呈示部1は、上部が平坦となった
函体10と、この函体の上面部に多数が設けられた開口
10a内において進退可能に配置された呈示素子11
と、この呈示素子の進退をガイドするガイド部材12
と、前記函体内の底部に設けられた磁石13とを有して
いる。
【0031】前記磁石13は、板状となっており、下面
がN極に、上面がS極となるように分極され、この磁石
13の上部に磁性板14が接着されている。上記ガイド
部材12はこの磁性板14から立ち上げられた円形断面
の柱状体であり、上記磁性板14と同じ材料で一体に形
成されている。
【0032】一方、上記函体10も、磁性材料からなる
ものであり、座板10bが磁石13の下面と接着され、
側部10cおよび上面板10dが同じ磁性材料で連続し
た構造となっている。そして、この上面板には多数の開
口10aが設けられ、それぞれの開口内に上記ガイド部
材12の頭部が位置し、空隙をおいて対向するようにな
っている。したがって、磁性材料からなる磁性板14、
ガイド部材12及び函体10は、磁石13の磁束を誘導
するヨークとして機能するようになっており、上面部の
開口10aの周縁部とガイド部材頭部とその間に磁界が
形成される。
【0033】ここで、磁石13は、保磁力と残留磁束密
度が大きい方が良く、材質として、ハードディスクの駆
動用などに使用されている希土類のネオジ磁石が適当で
あるが、他の磁石でも可能である。また、上記磁性板1
4、ガイド部材12及び函体10は、鉄、ニッケル、又
はこれらを主材料とする合金等によって形成されるもの
である。
【0034】上記呈示素子11は、円筒形側面を有する
キャップ状の部材であり、ガイド部材12にかぶせるよ
うに配置されて、上面板10dと垂直な方向に進退が可
能となっている。この呈示素子11の側部には、図3に
示すようにコイル15が設けられており、コイル15の
下部からは給電のための導線16が、コイル15の変位
ストローク分の余裕を持たせて給電線17に接続されて
いる。
【0035】上記コイル15は、銅線を通常用いるが、
自重を小さくするために、銅クラッドアルミ線を用いる
方が良い。この場合、銅単体の線に比較して4割以下に
軽量化することができる。また、この呈示素子11の側
部の内側及び外側にはガイド部材12又は上面板10d
との間の摺動摩擦を小さくするため、潤滑性を兼ねた絶
縁層を設けている。
【0036】上記ガイド部材12には呈示素子11の下
側の停止位置を決めるための段差18が設けられてい
る。そして、このガイド部材12の内部には、呈示素子
11の位置情報を検出するための変位センサ19が配置
されている。この変位センサ19は光学的に呈示素子1
1の上部裏の位置と変位センサ19との距離を検出し、
呈示素子11の位置を特定できるようになっている。な
お、上記変位センサ19は、静電容量方式、差動トラン
ス方式、あるいはリニアエンコーダ方式などを用いるこ
とも可能である。
【0037】上記呈示部1では、コイル15に電流が供
給されると、函体10の上面板10dとガイド部材12
とに間に形成されている磁界内に電流が生じることにな
り、フレミングの左手の法則によって上方又は下方への
推力が生じることになる。したがって、呈示素子11は
上面板10dに対して進退方向に駆動されることにな
る。また、呈示素子11は駆動され変位が生じると、変
位センサ19によって検知され、制御情報として利用さ
れる。この動作については後述する。
【0038】上記呈示素子11の駆動力及び呈示素子1
1に外力が作用したときの反力は、コイル15に導通さ
れる電流の制御によって調整され、各呈示素子11の推
力F(N)は、次のように示される。 F=B×I×L [N] ここで、 B:磁束密度[T] I:コイル電流[A] L:磁界中の銅線長[m] である。磁束密度Bは、函
体10の形態や磁石13の種類によって変化するが、ネ
オジ磁石を用いた場合には、0.3〜0.6[T(テス
ラ)](3000〜6000ガウス)程度となる。
【0039】銅線長[m]は、次式で算出できる。 L=D×π×T×n [N] ここで、 D:コイルの平均径 T:磁束中のコイル高さ n:コイルの巻き数 である。
【0040】上式により計算される推力は、図5に示す
とおりとなる。 ここで、磁束密度B=0.5[T] コイル径D=2.0[mm] コイル高さH=15[mm] コイル巻き数n=3回 としている。なお、呈示素子1
1の重力は、推力とは反対方向に作用するとして差し引
いている。
【0041】図5に示されるように、一つの呈示素子当
りの推力として数グラム重程度の力は得ることができ、
図1又は図2に示すように多くの呈示素子11を集積し
て設けると、人が触力覚を得ようとするときに、数十か
ら数百程度の呈示素子に同時に接触することになり、推
力の合計は数100gfとなる。これは呈示装置として
充分な値と考えることができる。
【0042】次に、上記呈示部1の動作を制御するため
の構成及び方法について説明する。図4は、図1に示す
触力覚呈示装置の概略の構成を示すブロック図である。
制御装置として機能するように設定されたPC2は、記
憶装置21に呈示対象物の触力覚情報が記憶されてお
り、CPU22は、ソフトウェアによって制御信号発生
部23、反力演算部24、面全体調整部25として機能
するように設定されている。
【0043】上記制御信号発生部23は、記憶装置21
に記憶されている情報に基づいて、呈示素子11の進退
方向の位置に対応する制御信号又は呈示素子11に付与
する反力の強さに対応した制御信号を出力するものであ
る。上記反力演算部24は、人が呈示素子11に触れて
変位が生じたときに、この呈示素子11に付与する反力
を演算するものであり、記憶装置21に記憶されている
反力についての情報および変位センサ19で検知された
変位に基づいて反力を演算する。上記面全体調整部25
は、各呈示素子11が有する性能のバラツキや感度の違
いを補正する補正係数を記憶しており、これにより、各
呈示素子11の動作を調整するものである。
【0044】また、上記PC2は呈示対象物を視覚的に
把握することができるように、該呈示対象物の外観等を
表示する視覚表示装置26を備えている。この視覚表示
装置26は、例えばCRTディスプレイや液晶ディスプ
レイを用いることができる。
【0045】PC2から出力された制御信号は、駆動電
源27に入力される。この駆動電源27は制御信号変換
装置として機能するものであり、制御信号に基づき制御
電流発生部28により、呈示素子11の各々に独立して
供給する制御電流を発生する。この制御電流はフィルタ
回路29を経るとともに、電流増幅器30によって増幅
され、各呈示素子11に導かれる。この電流により各呈
示素子11が適切に変位するとともに、反力が付与され
る。
【0046】各呈示素子11の変位は、変位センサ19
によって検知され、この出力はPC2に入力される。P
C2では、この情報に基づいて、各呈示素子11の進退
方向の位置を照査し、必要に応じて補正を加えることが
できる。また、反力演算部24では、上記変位センサ1
9の出力によって、人が触れたときの変位に対応した反
力を演算し、この反力に応じた制御信号を出力するよう
になっている。そして、この変位と反力との対応関係を
適切に選択することによって様々な力覚を呈示すること
が可能となる。つまり、弾性的な硬軟感を調整する場合
は、位置偏差分に対する制御ゲインを増減することで、
硬い材料や軟らかい材料を再現することができる。ま
た、ねっとりとした粘性感を再現する場合は、例えば、
位置情報の微分項に対してのゲインを高めることで粘性
感を得ることができる。慣性感に対しても同様に制御則
を適切に定めることにより、再現することが可能とな
る。
【0047】上記のような構成により、記憶装置21に
記憶されている情報に基づいて、視覚表示装置26に視
覚的な情報が表示されるとともに、呈示部1の各呈示素
子11が駆動され、触力覚が呈示される。したがって、
視覚表示装置26から視覚を通じて得られる情報と呈示
部1の呈示素子群に触れることによって得られる触力覚
情報によって対象物を把握することが可能となり、対象
物を正確に理解することができる。また、上記記憶装置
21に記憶されている情報が時系列のデータとなってい
る場合には、呈示される形状を時間とともに変化させる
こともでき、形状の変化を呈示することも可能となる。
さらに、人が触れることによって呈示素子11が変位し
た場合には、直ちに変位センサ19によって検知され、
変位量に対応した反力が付与されるので弾性感・粘性感
・慣性感等も的確に呈示される。
【0048】次に、記録装置21に記憶される呈示対象
物に関する情報の作成又は取得について説明する。対象
物31から触力覚情報を生成する方法に関してはさまざ
まな方法があるが、例えば図4に示すように幾何学的な
情報は位置センサー32で求める。これは、例えば、レ
ーザー変位計や、CCDカメラの応用が考えられる。ま
た、対象物31の硬軟感に関する情報をバネばかりや歪
みゲージを用いた荷重センサーなどの力変位センサー3
3(押し込み量とそのときの反力が得られる方法であれ
ば可)、もしくは圧縮試験機などの材料特性試験機によ
って把握する。これは必ずしも実測しなくとも、既知で
あればその数値を入力してもよい。
【0049】これらのセンサによって取得されたデータ
をPC2に入力するために、AD変換装置34でデジタ
ル信号に変換し、これらの信号を各呈示素子11に対応
したマトリックスのテーブルとしてPC2の記憶装置2
1に保管する。触力覚情報は、上記のように対象物から
直接に取得するだけではなく、通信装置35、信号入力
装置36等の他の手段によって入手することも考えられ
る。例えば、インターネット上に公開されているホーム
ページ上のカタログデータに写真や図形情報と共に階層
構造のデータとして含まれるものを取得することが考え
られる。また、電子メールによって情報の提供者から取
得することもできる。さらに、CD−ROMなどのメデ
ィア形態で提供される電子情報、データベース、ソフト
ウェアから取得することも考えられる。
【0050】以上に説明した触力覚呈示装置は、独立し
て駆動される多数の呈示素子が基部に対して進退するこ
とによって触力覚を呈示するものであるが、図6に示す
ようにこれらの呈示素子51を連続した表面層55によ
って被覆し、各呈示素子51の先端を該表面層に接着す
ることもできる。このような表面層55を設けることに
よって、視認性の向上や触感を滑らかなものとすること
ができる。なお、この触力覚呈示装置は請求項4に記載
の発明の一実施形態である。
【0051】< 第2の実施形態 >図7は、請求項1、請
求項2、請求項3、請求項7又は請求項8に記載の発明
の一実施形態である触力覚呈示装置を示す概略構成図で
ある。この装置は、縦横に配列された呈示素子71を備
えた呈示部61と、すべての呈示素子71の背後にほぼ
均等な流体圧が作用するように電気粘性流体を圧送し循
環させる流体還流装置63と、上記呈示素子71のそれ
ぞれの駆動を制御するPC62と、PCから供給される
制御信号に基づいて各呈示素子71の駆動を制御する電
圧を印加する電源装置64とを備えている。
【0052】上記流体還流装置63によって圧送される
電気粘性流体は、電界が作用しない場合には低粘性の流
体であり、高い流動性を有するが、電界中では高粘性と
なるものである。この電気粘性流体は、図9に示すよう
に流体中に誘電体の微粒子82を分散させたものであ
り、電界中では流体中に分散している微粒子が誘導分極
して鎖状に連結する。このため、電界内で流れが滞るこ
とになり、流体の粘性が高くなったように挙動するもの
である。
【0053】上記呈示部61は、上面が平坦な函体70
を有し、その函体は仕切り板72によって上室73と下
室74とに別けられている。呈示素子71はキャップ状
となっており、上板から内側に突出した筒状体75に、
進退可能となるように蛇腹部材76を介して取り付けら
れている。そして、上記函体70の下室74から電気粘
性流体が呈示素子71の内側に流入し、その流体圧によ
って呈示素子の突出量および呈示素子に外力が作用した
ときの反力が付与されるようになっている。この呈示素
子71が設けられた位置の周囲には、図8(a)および
図8(b)に示すように環状の間隙77が設けられ、下
室74と上室73とが連通しており、上記流体還流装置
63によって圧送される電気粘性流体は函体70の下室
74に供給され、上記間隙77を通過して上室73へ流
れる。そして、導管78を通じて流体還流装置63へ戻
される。呈示素子71を支持する筒状体75と、仕切り
板72とには、図8(a)および図8(b)に示すよう
に、上記環状の間隙77を介して対向するように電極7
9、80が設けられており、これらの電極間に電源装置
64から駆動制御電圧が印加されるようになっている。
【0054】また、函体70の底板からは、変位センサ
81が立ち上げられ、各呈示素子71の内側に突き入れ
られている。この変位センサ81は渦電流式計測法を用
いたものであり、呈示素子71の変位に対応した電圧が
出力として信号コードを介して取り出される。この変位
センサ81による測定対象は導電性であることが要件と
なる。このためキャップ状の呈示素子71を金属製とす
るか、又は呈示素子の内側に金属層を設けたものとす
る。このような変位センサ81において変位と出力電圧
との関係は必ずしも線形関係とはならないが、呈示素子
71の複数の位置間での出力電圧の感度傾向をあらかじ
め把握しておくことによって、変位量を電気信号として
正確に検出することができる。
【0055】一方、上記PC62は図1から図4に示す
実施形態で用いられるものと同様の構成を有するもので
あり、記憶されている触力覚情報に基づき各呈示素子7
1についての制御信号を出力するものである。また、電
源装置64はPC62からの制御信号に基づいて各呈示
素子71の駆動及び反力を付与するための電圧印加を行
うものであり、各呈示素子71を支持する筒状体75に
設けられた電極80とこれと対向するように仕切り板7
2に固定された電極79との間に、制御信号に対応した
電圧を印加するようになっている。
【0056】このような触力覚呈示装置では、流体還流
装置63によって電気粘性流体が函体70の下室74に
供給され、図9(a)に示すように、各呈示素子71の
周囲に設けられた環状の間隙77から上室73に移動
し、流体還流装置63に戻るように循環している。そし
て、各呈示素子71の後部に所定の流体圧が作用してい
る。呈示素子71の駆動又は反力の付与が行われてると
きには、二つの電極79、80間に制御信号に基づく電
圧が印加され、電界が生じて電気粘性流体内の誘電体微
粒子82が、図9(b)に示すように該電界内で連鎖を
形成する。
【0057】このため、電圧が印加された電極間の間隙
77において流体の粘性が上昇したように挙動し、円滑
な流れが妨げられる。これにともない、環状となった該
電極付近において下室74内の流体圧が上昇し、キャッ
プ状の呈示素子71内に流体が流入し、呈示素子を駆動
する。また、外力が生じ変位が生じたときも上記流体圧
によって反力が付与される。この流体圧は電極79、8
0間に印加される電圧の大きさによって流体の流れ易さ
が調整され、電圧が大きい程流体は流れにくく、呈示素
子71に作用する流体圧が大きくなる。したがって、P
C62から電源装置64を介して各呈示素子周囲の二つ
の電極79、80間に印加される電圧を調整することに
より、各呈示素子71の駆動又は反力の付与が行われ
る。
【0058】次に、上記触力覚呈示装置において、駆動
条件を変えたときの呈示素子の突出高さを調べる実験に
ついて説明する。図10は、複数の呈示素子の一つにつ
いて、電気粘性流体の流速及び印加電圧を変えてその高
さ位置を変位計で計測し、呈示素子の高さと駆動時間と
の関係を示したものである。まず、電圧を印加した場合
と印加しない場合について比較する。電圧を印加しない
場合は呈示素子は動かないが、電圧を印加すると呈示素
子の後部に作用する流体圧が高くなり、呈示素子が時間
とともに上昇する。また、流体還流装置の流速を大きく
すると、呈示素子の移動速度も増加する。
【0059】次に、呈示素子が呈示する推力について
も、変位計を設置した呈示素子とは別の呈示素子の一つ
にロードセルを対向させ、上昇してくる呈示素子の押圧
力、すなわち推力を計測した。その結果、推力として最
大100gf近い値を呈示することが確認された。した
がって、掌全体で接触できる呈示素子の数を仮に10個
としても、推力の合計として1kgを達成でき、触力覚
呈示装置としては十分な値となる。また、このときの呈
示素子のバネ定数は、推力と変位との関係から7〜8g
f/mmであり、呈示素子の高さの変化に対してほぼ一
定で、線形の関係といえる。
【0060】また、上記実験では呈示素子の寸法として
Φ10mm径のものを用いている。したがって、呈示素
子を小型化していくと、推力も小さくなると考えられる
が、逆に、手に触れる呈示素子の個数が増加するため、
全体としては、ほぼ一定の推力を獲得することができ
る。
【0061】< 第3の実施形態 >図11は、請求項1、
請求項2、請求項3又は請求項9に記載の発明の一実施
形態である触力覚呈示装置を示す概略構成図である。こ
の触力覚呈示装置は、触力覚呈示部91の函体100の
内部が縦横に多数の小室102に分割されており、それ
ぞれの小室について呈示素子101が上面板100aか
ら進退が可能となるように取り付けられている。各呈示
素子101はキャップ状となっており、その内側および
後方部に高分子ゲル103が充填され、各小室102内
の空間とは、水溶液は浸透するが、上記高分子ゲルは通
過しない隔壁104によって仕切られ、高分子ゲルがこ
の内側に保持されている。上記高分子ゲル103は、ポ
リアクリル酸系で、pH値の変化によって体積が変わる
ものである。
【0062】一方、上記函体100の各小室102に
は、細管105を通じてpH濃度が調整された水溶液が
供給されるようになっている。この水溶液の供給は、圧
送装置106から二本の供給管107によってpH値の
異なる水溶液を供給できるようになっており、各小室1
02へは、これらの供給管107からの水溶液を調整弁
108によって混合率を調整して供給するようになって
いる。そして、上記調整弁108は、図1〜図4に示す
実施形態で用いられるPCと同様の機能を有するものに
よって出力される制御信号に基づいて駆動電源109が
制御され、各呈示素子毎に小室102にpH濃度が調整
された水溶液を供給するものとなっている。また、各呈
示素子101には、変位センサ(図示しない)が設けら
れており、キャップ状の呈示素子の進退方向の変位を検
知し、制御信号を出力する装置(図示しない)にフィー
ドバックするようになっている。上記変位センサは、図
7に示す実施形態で用いられている渦電流式のものでも
よいし、高分子ゲルが透明であるので、図1〜図4に示
す実施形態で用いられている光学的な変位センサを用い
ることもできる。
【0063】上記のような触力覚呈示装置では、記憶さ
れている触力覚情報に基づいて、上記調整弁108が制
御されることによって、函体100の各小室102に供
給される水溶液のpH濃度が調整される。そして、この
水溶液のpH濃度に対応して高分子ゲルの体積が変化
し、呈示素子101を駆動、又は反力を付与することに
なる。
【0064】
【発明の効果】以上説明したように、本願発明に係る触
力覚呈示装置では、 複数の呈示素子が所定の平面又は曲
面に対して進退方向に駆動されるので、それぞれの呈示
素子の突出量を制御することによって形状に関する感覚
を再現することができる。さらに、各呈示素子に外力が
作用したときに反力を制御することができるので、硬軟
感、弾力感等の力覚を再現することができる。これら複
数の呈示素子はある程度の呈示面積を有しているため、
対象物を掌で触知した感覚と同等の効果があり、表現力
の高い触力覚を呈示することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態である触力覚呈示装置
を示す概略構成図である。
【図2】上記触力覚呈示装置で用いられる呈示部を示す
概略構成図である。
【図3】上記呈示部を示す部分拡大図である。
【図4】上記触力覚呈示装置を制御するための構成を示
すブロック図である。
【図5】上記触力覚呈示装置で用いられる呈示素子の推
力を示すグラフである。
【図6】本発明の第2の実施形態である触力覚呈示装置
で用いられる呈示部を示す概略構成図である。
【図7】本発明の第3の実施形態である触力覚呈示装置
を示す概略構成図である。
【図8】図7に示す触力覚呈示装置で用いられる呈示部
を示す部分拡大図である。
【図9】図7に示す触力覚呈示装置の動作を示す説明図
である。
【図10】図7に示す触力覚呈示装置で用いられる呈示
素子の駆動条件を変化させたときの突出高さを示すグラ
フである。
【図11】本発明の第4の実施形態である触力覚呈示装
置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
1 呈示部 2 コンピュー
タ(PC) 3 駆動電源 10 函体 11 呈示素子 12 ガイド部
材 13 磁石 14 磁性板 15 コイル 16 導線 17 給電線 18 段差 19 変位センサ 21 記憶装置 22 CPU 23 制御信号
発生部 24 反力演算部 25 面全体調
整部 26 視覚表示装置 27 駆動電源 28 制御電流発生部 29 フィルタ
回路 31 対象物 32 位置セン
ター 33 変位センサー 34 AD変換
装置 41 呈示部 50 函体 51 呈示素子 52 ガイド部
材 53 磁石 54 磁性板 55 表面層 61 呈示部 62 PC 63 流体還流
装置 70 函体 71 呈示素子 72 仕切り板 73 上室 74 下室 75 筒状体 76 蛇腹部材 77 間隙 78 導管 79、80 電
極 81 変位センサ 82 誘電体微
粒子 91 呈示部 100 函体 101 呈示素子 102 小室 103 高分子ゲル 104 隔壁 105 細管 106 圧送装
置 107 供給管 108 調整弁 109 駆動電源

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所定の平面又は曲面に沿った位置に配
    列され、該平面又は曲面に対して進退が可能に支持され
    た複数の呈示素子と、 前記呈示素子を支持する基部と、 前記呈示素子のそれぞれを独立して進退方向に駆動する
    とともに、該呈示素子に外力が作用するときには反力を
    付与する駆動装置を有することを特徴とする触力覚呈示
    装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の触力覚呈示装置にお
    いて、 前記駆動装置は、前記呈示素子を進退方向の3点以上の
    任意位置に設定し、保持するものであることを特徴とす
    る触力覚呈示装置。
  3. 【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載の触力覚
    呈示装置において、 前記呈示素子が、外力によって前記設定位置から変位し
    た量を測定する変位検出装置を有し、 前記駆動装置は、前記変位検出装置によって検出された
    変位量に応じて前記呈示素子のそれぞれに反力を付与す
    るものであることを特徴とする触力覚呈示装置。
  4. 【請求項4】 前記呈示素子の進退方向における先端
    部に、複数の呈示素子にわたって連続して接合された膜
    状の表皮部材を有することを特徴とする請求項1、請求
    項2又は請求項3に記載の触力覚呈示装置。
  5. 【請求項5】 前記駆動装置は、前記呈示素子のそれ
    ぞれに取り付けられ、駆動電流が供給されるコイルと、 前記基部に支持され、前記コイルの巻き線の周辺に磁界
    を形成する磁石とを有し、 前記コイルに、呈示素子ごとに独立して制御される駆動
    電流を供給することを特徴とする請求項1から請求項4
    までのいずれかに記載の触力覚呈示装置。
  6. 【請求項6】 前記呈示素子は、筒状体を有し、 前記コイルは、該筒状体の周面に沿って巻き回され、 前記基部は、前記筒状体の内側に挿入され、該筒状体の
    軸線方向の移動を案内するガイド部材と、該筒状体の外
    周面と近接した対向部材とを有し、 前記磁石は、前記対向部材と前記ガイド部材との間に磁
    界を形成するものであることを特徴とする請求項5に記
    載の触力覚呈示装置。
  7. 【請求項7】 前記呈示素子は、先端が閉塞され、後
    端が開放された筒状体を有し、 前記駆動装置は、前記呈示素子のそれぞれの後端部に流
    体圧を作用させるものであることを特徴とする請求項1
    から請求項4までのいずれかに記載の触力覚呈示装置。
  8. 【請求項8】 前記駆動装置は、電界中において粘性
    が増加する電気粘性流体を、前記呈示素子の後部で流動
    させる流体還流手段と、 それぞれの前記呈示素子について、その後端付近に電界
    を生じさせ、前記呈示素子の後部に作用する流体圧を制
    御する電極と、 この電極に、前記呈示素子ごとに制御された電圧を印加
    する電源装置とを有することを特徴とする請求項7に記
    載の触力覚呈示装置。
  9. 【請求項9】 前記駆動装置は、前記呈示素子のそれ
    ぞれの後部に設けられ、PH値の変化によって体積が膨
    張又は収縮する高分子ゲルを収容するゲル室と、 このゲル室にPH調整用の水溶液を供給する細管と、 この細管を通じてそれぞれの呈示素子のゲル室に供給す
    るPH調整用の水溶液の濃度又は量を制御するPH制御
    装置とを含み、 前記呈示素子のそれぞれは、前記高分子ゲルの膨張又は
    収縮によって進退方向に駆動されるものであることを特
    徴とする請求項1に記載の触力覚呈示装置。
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