JP2000200140A - 力覚提示方法及び力覚ペンタブレット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 操作者に対して力（触感）のフィードバック
を返す。 【解決手段】 ペン１は、操作者に対して力を伝達する
ための可動手段を把持部に有している。この可動手段
は、ペン軸Ａと垂直な２軸方向に変位動作する可動手段
４，５と、ペン軸Ａ方向に沿った１軸方向に変位動作す
る可動手段６とからなる。ペン１に対してタブレット部
から制御信号を与えることにより、可動手段４〜６を変
位させ、操作者に対して力を伝達する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポインティングデ
バイスとして用いられているペンタブレットに係り、特
にペンタブレットの操作者に対して触感のフィードバッ
クを返すための力覚提示方法と、この力覚提示方法に基
づいた力覚ペンタブレットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物体の遠隔操作や仮想空間での操作、ま
た計算機上でのカーソルの操作には、時として操作者に
対し、力のフィードバックが必要となる。さらに、視覚
障害者がポインティングデバイス等を操作するために
は、視覚以外の感覚代行器として力覚手段を入力装置に
付加することが非常に有効である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】現在、計算機のポイン
ティングデバイスの多くには、マウスやペンタブレット
が用いられている。これらは、コストパフォーマンスと
携帯性に優れた入力装置ではあるが、操作者へのフィー
ドバックは、原則としてディスプレイなどを介した視覚
からしか得ることができないという問題点があった。ま
た、これらの入力装置に振動手段を付加し、視覚以外の
フィードバックを実現した装置などもいくつか存在する
（例えば、振動子を指先で感知させるボタンのついたマ
ウス）。しかし、これらの装置は、実際の力覚の再現を
目的としたものでなく、操作者が得ることができる情報
量も限られているという問題点があった。

【０００４】一方、アームロボットの手先にペンを装備
し、このペンの自由度を操作することによって目標対象
物を操作し、さらにアームロボットのアクチュエータに
よって目標対象物にかかる力を操作者に伝えることが可
能な入出力装置もある。しかしながら、このような装置
では、力の伝達にアームロボットが必要であることか
ら、高価で携帯性が悪いという問題点があった。

【０００５】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、操作者に対して力（触感）のフィードバッ
クを返すことができ、かつ低コストで省スペース性と携
帯性に優れたポインティングデバイスを実現できる力覚
提示方法及び力覚ペンタブレットを提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の力覚提示方法
は、ペンの把持部に設けられた、変位動作する可動手段
により、ペンタブレットを操作する操作者に対して力を
伝達することを特徴とするものである。これにより、ペ
ンタブレットの操作者に１次元、２次元又は３次元方向
の力を伝達することが可能となる。

【０００７】本発明の力覚ペンタブレットは、請求項５
に記載のように、座標を指示するためのペン（１ａ，１
ｂ，１ｃ）と、このペンの操作によって指示された座標
を検出すると共に、ペンの把持部に力を発生させるタブ
レット部（２ａ，２ｂ，２ｃ）と、上記力のパターンを
算出し、その力パターン情報をタブレット部に出力する
力パターン処理部（３ａ，３ｂ，３ｃ）とを有し、上記
タブレット部は、上記ペンの操作によって指示された座
標を検出するパネル（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）と、力
パターン処理部からの力パターン情報に応じた力をペン
に発生させる制御部（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）とを備
えるものである。また、請求項６に記載のように、上記
タブレット部は、上記ペンの筆圧を検出する基本機能処
理部（２３ｃ）を備えるものである。

【０００８】請求項７に記載のように、上記ペンは、上
記制御部からの制御信号に応じて変位動作する可動手段
を把持部に備えるものである。また、請求項８に記載の
ように、上記可動手段は、ペン軸と垂直な方向に変位動
作するものである。また、請求項９に記載のように、上
記可動手段は、ペン軸方向に沿って変位動作するもので
ある。また、請求項１０に記載のように、上記可動手段
は、ペン軸と垂直な方向に変位動作する第１の可動手段
と、ペン軸方向に沿って変位動作する第２の可動手段と
からなるものである。

【０００９】請求項１１に記載のように、上記制御部
（２２ａ，２２ｂ）は、上記ペンが上記パネル上の任意
の座標位置にあるとき発生させる力の目標値とこれに対
応する上記座標とからなる力パターン情報と、ペンによ
って指示される現在の座標に基づいて、制御信号を出力
し上記可動手段を制御するものである。また、請求項１
２に記載のように、上記力パターン処理部（３ａ，３
ｂ）は、上記力のパターンを算出し、その力パターン情
報を出力する中央処理部（３２ａ，３２ｂ）と、この力
パターン情報をタブレット部に出力する入出力部（３１
ａ，３１ｂ）とを備えるものである。また、請求項１３
に記載のように、上記力パターン処理部（３ｃ）は、上
記タブレット部（２ｃ）の基本機能処理部（２３ｃ）か
ら送出されたペン（１ｃ）の座標及び筆圧の情報を受け
る入出力部（３１ｃ）と、入出力部を介して入力された
ペンの座標及び筆圧の情報に応じた処理を行う中央処理
部（３２ｃ）とを備えるものである。

【００１０】本発明の力覚ペンタブレットは、請求項１
４に記載のように、センサ（９４）を備えたアームロボ
ット（９１）を有し、上記力パターン処理部（３ｃ）
は、上記タブレット部（２ｃ）の基本機能処理部（２３
ｃ）から送出されたペン（１ｃ）の座標及び筆圧の情報
を受けると共に、アームロボットから送出されたセンサ
の情報を受ける入出力部（３１ｃ）と、入出力部を介し
て入力されたペンの座標及び筆圧の情報に応じてアーム
ロボットを制御すると共に、入出力部を介して入力され
たセンサの情報に基づいて力のパターンを算出し、その
力パターン情報を入出力部を介してタブレット部に出力
する中央処理部（３２ｃ）とを備えるものである。

【００１１】請求項１５に記載のように、上記可動手段
（４ａ，５ａ，６ａ）は、コイル（４２ａ，５２ａ，６
２ａ）を内部に有し、コイルに発生する電磁力によって
変位動作するものである。また、請求項１６に記載のよ
うに上記可動手段（４ｃ，５ｃ，６ｃ）は、圧電素子
（４６ｃ，５６ｃ，６６ｃ）を内部に有し、圧電素子の
形状変化によって変位動作するものである。また、請求
項１７に記載のように、上記可動手段（４ｂ，５ｂ，６
ｂ）は、形状記憶合金（４５ｂ，５５ｂ，６５ｂ）を内
部に有し、形状記憶合金の形状変化によって変位動作す
るものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】［実施の形態の１］次に、本発明
の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態を示す力覚ペンタブレ
ットの外観図である。本実施の形態の力覚ペンダブレッ
トは、座標を指示するためのペン１と、このペン１の操
作によって指示された座標を検出すると共に、ペン１の
把持部に力を発生させる平板状のタブレット部２とから
構成されている。

【００１３】ペン１とタブレット部２との間は、ケーブ
ル等の有線通信手段によって接続されている。この力覚
ペンタブレットにおいては、図１に示すように、タブレ
ット部２の平面と水平な方向をＸ，Ｙ方向とし、タブレ
ット部２の平面と垂直な方向をＺ方向とする。

【００１４】図２（ａ）はペン１の正面図、図２（ｂ）
はペン１の側面図である。ペン１は、操作者に対して力
を伝達するための可動手段を把持部に有している。この
可動手段は、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、ペ
ン軸Ａと垂直な２軸方向に変位動作する第１の可動手段
４，５と、ペン軸Ａ方向に沿った１軸方向に変位動作す
る第２の可動手段６とからなる。

【００１５】ペン１は、操作者の手と各可動手段４〜６
との接触部位が定まるよう、たとえば図２（ａ）、図２
（ｂ）に示すような形状をとる。このようなペン１に対
してタブレット部２から制御信号を与えることにより、
可動手段４〜６を変位させ、操作者に対して力を伝達す
ることができる。

【００１６】次に、このような力覚ペンタブレットの動
作を説明する。図３は、ペン１の把持部に設けられた第
１の可動手段４，５の変位動作を示す図、図４は、第２
の可動手段６の変位動作を示す図である。なお、可動手
段５の変位動作は、その動作方向が可動手段４と直角で
あることを除いて、可動手段４と同様であるので、不図
示とする。

【００１７】まず、ペン軸Ａと垂直な方向の力を操作者
に与える場合、タブレット部２は、第１の可動手段４，
５を図３（ａ）あるいは図３（ｂ）のように変位させ
る。また、ペン軸Ａ方向に沿った力を操作者に与える場
合、タブレット部２は、第２の可動手段６を図４（ａ）
あるいは図４（ｂ）のように変位させる。

【００１８】タブレット部２は、意図する力の方向、大
きさに応じて、これら３つの可動手段４〜６の動作を組
み合わせる。また、操作者に対して別の情報を伝達する
場合、タブレット部２は、各可動手段４〜６の変位を任
意の周期で変化させることにより、各可動手段４〜６を
振動させる。

【００１９】以上のような動作により、力覚ペンタブレ
ットを介して、ペン軸Ａと垂直な方向の力及びペン軸Ａ
方向に沿った力、あるいは振動を操作者に伝えることが
可能となる。

【００２０】［実施の形態の２］図５は本発明の第２の
実施の形態を示す力覚ペンタブレットのブロック図であ
る。本実施の形態の力覚ペンタブレットは、座標を指示
するためのペン１ａと、このペン１ａの操作によって指
示された座標を検出すると共に、ペン１ａの把持部に力
を発生させるタブレット部２ａと、力のパターンを算出
して、その力パターン情報をタブレット部２ａに出力す
る力パターン処理部３ａとから構成されている。

【００２１】力パターン処理部３ａが別途必要なことを
除くと、本実施の形態の力覚ペンタブレットの外観は図
１と同様である。図６（ａ）はペン１ａの第１の可動手
段４ａの構造を示す図、図６（ｂ）は第１の可動手段５
ａの構造を示す図、図６（ｃ）は第２の可動手段６ａの
構造を示す図である。

【００２２】ペン１ａは、実施の形態の１と同様に、ペ
ン軸Ａと垂直な２軸方向に変位動作する第１の可動手段
４ａ，５ａと、ペン軸Ａ方向に沿った１軸方向に変位動
作する第２の可動手段６ａとを備えている。本実施の形
態において、可動手段４ａ〜６ａは、電磁石によって変
位動作する。

【００２３】可動手段４ａは、ペン１ａの外装１０から
独立して動くことが可能な接触部４１ａと、接触部４１
ａに取り付けられたコイル４２ａと、外装１０側に取り
付けられた永久磁石４３ａと、ばね４４ａとから構成さ
れている。可動手段５ａは、外装１０から独立して動く
ことが可能な接触部５１ａと、接触部５１ａに取り付け
られたコイル５２ａと、外装１０側に取り付けられた永
久磁石５３ａと、ばね５４ａとから構成されている。

【００２４】可動手段４ａを動作させるには、コイル４
２ａに電流を流すことによって電磁力を発生させる。例
えば、接触部４１ａが図３（ａ）の方向に移動するとき
に、ばね４４ａが縮むように構成されている場合、コイ
ル４２ａと永久磁石４３ａとの間に働く引力により、接
触部４１ａは、図３（ａ）の矢印の方向に移動する。こ
の引力が低下すると、接触部４１ａは、ばね４４ａの弾
性によって図３（ｂ）の矢印の方向に押される。

【００２５】こうして、可動手段４ａの変位動作が行わ
れ、接触部４１ａに触れている操作者の手にペン軸Ａと
垂直な方向の力を伝えることができる。なお、コイル４
２ａと永久磁石４３ａとの間に働く斥力によって接触部
４１ａが図３（ｂ）の矢印の方向に移動し、この斥力が
低下したとき、接触部４１ａがばね４４ａの弾性によっ
て図３（ａ）の矢印の方向に引っ張られるようにしても
よい。また、コイル４２ａと永久磁石４３ａの取付位置
は、逆にしてもよい。

【００２６】以上の可動手段４ａに関する説明は、電流
がコイル５２ａに与えられることと、動作方向が可動手
段４ａと直角であることを除いて、可動手段５ａに関し
ても同様である。可動手段６ａは、外装１０から独立し
て動くことが可能な可動部６１ａと、可動部６１ａに取
り付けられたコイル６２ａと、外装１０側に取り付けら
れた永久磁石６３ａと、ばね６４ａとから構成されてい
る。

【００２７】可動手段６ａを動作させるには、コイル６
２ａに電流を流すことによって電磁力を発生させる。例
えば、可動部６１ａが図４（ａ）の方向に移動するとき
に、ばね６４ａが縮むように構成されている場合、コイ
ル６２ａと永久磁石６３ａとの間に働く引力により、可
動部６１ａは、図４（ａ）の矢印の方向に移動する。こ
の引力が低下すると、可動部６１ａは、ばね６４ａの弾
性によって図４（ｂ）の矢印の方向に押される。

【００２８】こうして、可動手段６ａの変位動作が行わ
れ、外装１０を握っている操作者の手にペン軸Ａ方向に
沿った力を伝えることができる。なお、コイル６２ａと
永久磁石６３ａとの間に働く斥力によって可動部６１ａ
が図４（ｂ）の矢印の方向に移動し、この斥力が低下し
たとき、可動部６１ａがばね６４ａの弾性によって図４
（ａ）の矢印の方向に引っ張られるようにしてもよい。
また、コイル６２ａと永久磁石６３ａの取付位置は、逆
にしてもよい。

【００２９】次に、タブレット部２ａは、図５に示すよ
うに、ペン１ａの操作によって指示された座標Ｘ１，Ｙ
１を検出する平板状のパネル２１ａと、力パターン処理
部３ａからの力パターン情報に応じた力をペン１ａに発
生させる制御部２２ａとから構成されている。

【００３０】図７は力パターン処理部３ａのブロック図
である。計算機によって構成される力パターン処理部３
ａは、タブレット部２ａとインタフェースをとるための
入出力部３１ａと、算出した力パターン情報を入出力部
３１ａを介してタブレット部２ａに出力する中央処理部
３２ａと、画像表示のためのディスプレイ装置３３ａと
を有している。

【００３１】入出力部３１ａは、ＲＳ−２３２Ｃあるい
はＵＳＢ（Universal Serial Bus）等のインタフェース
規格に従うインタフェース装置であり、所定のインタフ
ェース規格に従ってタブレット部２ａとの間で通信を行
うためのインタフェース変換を行う。アプリケーション
プログラムに従って処理を行う中央処理部３２ａは、対
象画像の各ピクセルの明度に比例した大きさを有する、
ペン軸Ａ方向に沿った力をペン１ａに発生させる処理を
行う。

【００３２】次に、本実施の形態の力覚ペンタブレット
の動作を説明する。ここで、ディスプレイ装置３３ａの
画面に表示される対象画像の各ピクセルの座標とパネル
２１ａの座標は、予め対応付けがなされているものとす
る。最初に、力パターン処理部３ａ内の中央処理部３２
ａは、対象画像の明度をピクセル毎に算出する。

【００３３】続いて、中央処理部３２ａは、大きさが対
象画像の明度に対応した力の目標値をピクセル毎に算出
する（つまり、力パターンを算出する）。対象画像の明
度と力の大きさの関係は、図８に示すような比例関係に
ある。そして、中央処理部３２ａは、ピクセル毎の力の
目標値Ｆとこれに対応するピクセル座標Ｘ２，Ｙ２とか
らなる力パターン情報を入出力部３１ａに出力する。力
パターン情報は、入出力部３１ａを介してタブレット部
２ａに送出される。

【００３４】タブレット部２ａ内の制御部２２ａは、力
パターン処理部３ａから送出された力の目標値Ｆおよび
ピクセル座標Ｘ２，Ｙ２と、ペン１ａによって指示され
る現在の座標Ｘ１，Ｙ１とに基づいて、ペン１ａにペン
軸Ａ方向に沿った力を発生させる。

【００３５】つまり、制御部２２ａは、ペン１ａの現在
の座標Ｘ１，Ｙ１に対応するピクセル座標Ｘ２，Ｙ２を
力パターン情報中から選択して、これに対応する力の目
標値Ｆを力パターン情報から取得する。そして、制御部
２２ａは、この力の目標値Ｆを基に可動手段６ａの変位
を算出し、算出した変位に応じた制御信号（電力）Ｃを
ペン１ａの可動手段６ａに供給する。

【００３６】タブレット部２ａからの電力は、ペン１ａ
の可動手段６ａのコイル６２ａに印加される。これによ
り、コイル６２ａと永久磁石６３ａとの間に働く引力あ
るいは斥力により、可動手段６ａが変位動作すること
で、操作者に対してペン軸Ａ方向に沿った力が伝達され
る。

【００３７】例えば、ディスプレイ装置３３ａの画面に
図９（ａ）のような対象画像が表示されている場合、パ
ネル２１ａ上の任意の位置をペン１ａで指すと、このペ
ン１ａの座標Ｘ１，Ｙ１に対応したピクセル座標Ｘ２，
Ｙ２の明度に応じた力が可動手段６ａに発生する。図９
（ｂ）は、図９（ａ）の対象画像の力パターンを立体的
に表したものである。図９（ｂ）から分かるように、図
９（ａ）の対象画像において明度が高い位置ほど、ペン
軸Ａ方向の力も強く働くようになっている。

【００３８】このようにして、操作者は、ペン軸Ａ方向
に沿った力を受けるので、計算機上の画像情報をディス
プレイ装置３３ａからの視覚だけではなく、触覚（力
覚）によっても知覚することが可能となる。例えば、計
算機にスキャナを接続して、絵や写真や画像を力パター
ン処理部３ａに取り込めば、視覚の感覚代行器とするこ
とが可能である。また、アーム等の力を伝達する装置を
必要としない、優れたコストパフォーマンスと省スペー
ス性及び携帯性が実現可能となる。

【００３９】［実施の形態の３］図１０は本発明の第３
の実施の形態を示す力覚ペンタブレットのブロック図で
ある。本実施の形態の力覚ペンタブレットは、ペン１ｂ
と、タブレット部２ｂと、力パターン処理部３ｂとから
構成されている。図１１（ａ）はペン１ｂの第１の可動
手段４ｂの構造を示す図、図１０（ｂ）は第１の可動手
段５ｂの構造を示す図、図１０（ｃ）は第２の可動手段
６ｂの構造を示す図である。

【００４０】ペン１ｂは、実施の形態の２と同様に、ペ
ン軸Ａと垂直な２軸方向に変位動作する第１の可動手段
４ｂ，５ｂと、ペン軸Ａ方向に沿った１軸方向に変位動
作する第２の可動手段６ｂとを備えている。本実施の形
態において、可動手段４ｂ〜６ｂは、形状記憶合金によ
って変位動作する。

【００４１】可動手段４ｂは、ペン１ｂの外装１０から
独立して動くことが可能な接触部４１ｂと、形状記憶合
金４５ｂとから構成されている。同様に、可動手段５ｂ
は、ペン１ｂの外装１０から独立して動くことが可能な
接触部５１ｂと、形状記憶合金５５ｂとから構成されて
いる。

【００４２】可動手段４ｂを動作させるには、形状記憶
合金４５ｂに電力を印加することによって、形状記憶合
金４５ｂを伸縮させる。例えば、形状記憶合金４５ｂが
縮むことによって、接触部４１ｂは、図３（ａ）の矢印
の方向に移動する。また、形状記憶合金４５ｂが伸びる
ことによって、接触部４１ｂは、図３（ｂ）の矢印の方
向に移動する。

【００４３】こうして、可動手段４ｂの変位動作が行わ
れ、接触部４１ｂに触れている操作者の手にペン軸Ａと
垂直な方向の力を伝えることができる。以上の可動手段
４ｂに関する説明は、電力が形状記憶合金５５ｂに印加
されることと、動作方向が可動手段４ｂと直角であるこ
とを除いて、可動手段５ｂに関しても同様である。

【００４４】可動手段６ｂは、外装１０から独立して動
くことが可能な可動部６１ｂと、形状記憶合金６５ｂと
から構成されている。可動手段６ｂを動作させるには、
形状記憶合金６５ｂに電力を印加することによって、形
状記憶合金６５ｂを伸縮させる。例えば、形状記憶合金
６５ｂが縮むことによって、接触部６１ｂは、図４
（ａ）の矢印の方向に移動する。また、形状記憶合金６
５ｂが伸びることによって、接触部６１ｂは、図４
（ｂ）の矢印の方向に移動する。こうして、可動手段６
ｂの変位動作が行われ、外装１０を握っている操作者の
手にペン軸Ａ方向に沿った力を伝えることができる。

【００４５】次に、タブレット部２ｂは、図１０に示す
ように、ペン１ｂの操作によって指示された座標Ｘ１，
Ｙ１を検出する平板状のパネル２１ｂと、力パターン処
理部３ｂからの力パターン情報に応じた力をペン１ｂに
発生させる制御部２２ｂとから構成されている。

【００４６】図１２は力パターン処理部３ｂのブロック
図である。計算機によって構成される力パターン処理部
３ｂは、タブレット部２ｂとインタフェースをとるため
の入出力部３１ｂと、算出した力パターン情報を入出力
部３１ｂを介してタブレット部２ｂに出力する中央処理
部３２ｂと、画像表示のためのディスプレイ装置３３ｂ
とを有している。

【００４７】アプリケーションプログラムに従って処理
を行う中央処理部３２ｂは、図１３のような対象画像に
おける操作対象物（カーソル）８０の背景明度に比例し
た大きさを有する、ペン軸Ａ方向に沿った力をペン１ｂ
に発生させる処理を行う。次に、本実施の形態の力覚ペ
ンタブレットの動作を説明する。最初に、力パターン処
理部３ｂ内の中央処理部３２ｂは、対象画像の明度をピ
クセル毎に算出する。

【００４８】続いて、中央処理部３２ｂは、実施の形態
の２と同様に力パターンを算出し、ピクセル毎の力の目
標値Ｆとこれに対応するピクセル座標Ｘ２，Ｙ２とから
なる力パターン情報を入出力部３１ｂに出力する。力パ
ターン情報は、入出力部３１ｂを介してタブレット部２
ｂに送出される。

【００４９】一方、操作者は、ディスプレイ装置３３ｂ
に表示された図１３のような対象画像を見ながら、従来
のポインティングデバイスのように力覚ペンタブレット
のペン１ｂを操作する。パネル２１ｂによって検出され
たペン１ｂの現在の座標Ｘ１，Ｙ１は、入出力部３１ｂ
を介して中央処理部３２ｂに入力される。

【００５０】中央処理部３２ｂは、入出力部３２ｂを介
して入力されたペン１ｂの座標Ｘ１，Ｙ１を処理して、
操作対象物８０に反映させる。つまり、ペン１ｂがパネ
ル２１ｂ上で移動すれば、これに応じて操作対象物８０
を画面上で移動させる。タブレット部２ｂ内の制御部２
２ｂは、力パターン処理部３ｂから送出された力の目標
値Ｆおよびピクセル座標Ｘ２，Ｙ２と、ペン１ｂによっ
て指示される現在の座標Ｘ１，Ｙ１とに基づいて、ペン
１ｂにペン軸Ａ方向に沿った力を発生させる。

【００５１】つまり、制御部２２ｂは、ペン１ｂの現在
の座標Ｘ１，Ｙ１に対応するピクセル座標Ｘ２，Ｙ２を
力パターン情報中から選択して、これに対応する力の目
標値Ｆを力パターン情報から取得する。そして、制御部
２２ｂは、この力の目標値Ｆを基に可動手段６ｂの変位
を算出し、算出した変位に応じた制御信号（電力）Ｃを
ペン１ｂの可動手段６ｂに供給する。

【００５２】タブレット部２ｂからの電力は、ペン１ｂ
の可動手段６ｂの形状記憶合金６５ｂに印加される。こ
の形状記憶合金６５ｂの伸縮により、可動手段６ｂが変
位動作する。こうして、操作対象物８０の現在位置の背
景明度に比例した大きさを有する、ペン軸Ａ方向に沿っ
た力が操作者に伝達される。

【００５３】本実施の形態では、ディスプレイ装置３３
ｂに表示された操作対象物（カーソル）８０の位置の背
景色の変化を、ペン軸Ａ方向に沿った力のフィードバッ
クによって感知することが可能となる。例えば、カーソ
ルが単色の背景から、任意のフォルダやウィンドウフレ
ームに移動したことを感知できる。また、任意の画像上
でカーソルを操作すれば、その絵や写真の色の変化を感
知することが可能となる。また、アーム等の力を伝達す
る装置を必要としない、優れたコストパフォーマンスと
省スペース性及び携帯性が実現可能となる。

【００５４】［実施の形態の４］図１４は本発明の第４
の実施の形態を示す力覚ペンタブレットのブロック図、
図１５はこの力覚ペンタブレットを使用するアームロボ
ットシステムの外観図である。本実施の形態の力覚ペン
タブレットは、ペン１ｃと、タブレット部２ｃと、力パ
ターン処理部３ｃとから構成されている。

【００５５】図１６（ａ）はペン１ｃの第１の可動手段
４ｃの構造を示す図、図１６（ｂ）は第１の可動手段５
ｃの構造を示す図、図１６（ｃ）は第２の可動手段６ｃ
の構造を示す図である。ペン１ｃは、ペン軸Ａと垂直な
２軸方向に変位動作する第１の可動手段４ｃ，５ｃと、
ペン軸Ａ方向に沿った１軸方向に変位動作する第２の可
動手段６ｃとを備えている。本実施の形態において、可
動手段４ｃ〜６ｃは、圧電素子によって変位動作する。

【００５６】可動手段４ｃは、ペン１ｃの外装１０から
独立して動くことが可能な接触部４１ｃと、圧電素子４
６ｃとから構成されている。同様に、可動手段５ｃは、
外装１０から独立して動くことが可能な接触部５１ｃ
と、圧電素子５６ｃとから構成されている。

【００５７】可動手段４ｃを動作させるには、圧電素子
４６ｃに電力を印加することによって、圧電素子４６ｃ
を伸縮させる。例えば、圧電素子４６ｃが縮むことによ
って、接触部４１ｃは、図３（ａ）の矢印の方向に移動
する。また、圧電素子４６ｃが伸びることによって、接
触部４１ｃは、図３（ｂ）の矢印の方向に移動する。以
上の可動手段４ｃに関する説明は、電力が圧電素子５６
ｃに印加されることと、動作方向が可動手段４ｃと直角
であることを除いて、可動手段５ｃに関しても同様であ
る。

【００５８】可動手段６ｃは、外装１０から独立して動
くことが可能な可動部６１ｃと、圧電素子６６ｃとから
構成されている。可動手段６ｃを動作させるには、圧電
素子６６ｃに電力を印加することによって、圧電素子６
６ｃを伸縮させる。例えば、圧電素子６６ｃが縮むこと
によって、接触部６１ｃは、図４（ａ）の矢印の方向に
移動する。また、圧電素子６６ｃが伸びることによっ
て、接触部６１ｃは、図４（ｂ）の矢印の方向に移動す
る。

【００５９】次に、タブレット部２ｃは、図１４に示す
ように、平板状のパネル２１ｃと、制御部２２ｃと、ペ
ン１ｃの筆圧を検出する基本機能処理部２３ｂとから構
成されている。ペン１ｃとパネル２１ｃは、筆圧を検出
するための手段（不図示）を有している。

【００６０】アームロボットシステムは、図１５に示す
ように、アームロボット９１と、アームロボット９１を
制御するロボットコントローラ９２と、計算機からなる
ロボット教示装置９３とから構成されている。そして、
アームロボット９１には、その手先の力を検出する力セ
ンサ９４が設けられている。

【００６１】図１７は力パターン処理部３ｃのブロック
図である。力パターン処理部３ｃは、入出力部３１ｃ
と、中央処理部３２ｃと、ディスプレイ装置３３ｃとを
有している。なお、本実施の形態の力パターン処理部３
ｃは、ロボット教示装置９３内に組み込まれている。

【００６２】入出力部３１ｃは、ロボット教示装置９３
のポートへタブレット部２ｃを接続するための変換装置
となる。中央処理部３２ｃは、アームロボット９１の手
先に備えられた力センサ９４の値を処理する。

【００６３】次に、本実施の形態の力覚ペンタブレット
の動作を説明する。操作者は、ディスプレイ装置３３ｃ
に表示された画像あるいはアームロボット９１を見なが
ら、従来のポインティングデバイスのように力覚ペンタ
ブレットのペン１ｃを操作する。基本機能処理部２３ｃ
は、ペン１ｃからの情報と、パネル２１ｃからの情報に
基づいて、ペン１ｃの筆圧Ｐを検出する。

【００６４】基本機能処理部２３ｃは、パネル２１ｃに
よって検出されたペン１ｃの現在の座標Ｘ１，Ｙ１とペ
ン１ｃの筆圧Ｐとを力パターン処理部３ｃへ送出する。
力パターン処理部３ｃ内の中央処理部３２ｃは、入出力
部３１ｃを介して入力されたペン１ｃの現在の座標Ｘ
１，Ｙ１とペン１ｃの筆圧Ｐとを処理して、アームロボ
ット９１の手先の動作に反映させる。

【００６５】本実施の形態では、ペン１ｃの座標Ｘ１，
Ｙ１をロボット９１の手先の目標位置を示すＸ，Ｙ座標
に反映させ、ペン１ｃの筆圧を同目標位置を示すＺ座標
に反映させる。そして、中央処理部３２ｃは、この目標
位置の座標Ｘ，Ｙ，Ｚを入出力部３１ｃを介してロボッ
トコントローラ９２に出力し、ロボットコントローラ９
２は、これに応じてアームロボット９１の手先を制御す
る。

【００６６】こうして、ペン１ｃをパネル２１ｃ上で操
作することによって、アームロボット９１の手先を動か
すことができる。また、中央処理部３２ｃは、入出力部
３１ｃを介して入力された力センサ９４の情報を基に、
力の目標値Ｆとその力の方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向成分）を
示す情報Ｄとからなる力パターンを算出する。算出され
た力パターン情報は、入出力部３１ｃを介してタブレッ
ト部２ｃに送出される。

【００６７】タブレット部２ｃ内の制御部２２ｃは、力
パターン処理部３ｃから送出された力の目標値Ｆ及びそ
の力の方向を示す情報Ｄと、ペン１ｃの現在の座標Ｘ
１，Ｙ１を基に、各可動手段４ａ，５ａ，６ａの変位を
算出し、算出した変位に応じた制御信号（電力）Ｃをペ
ン１ｃの各可動手段４ａ〜６ａに供給する。

【００６８】タブレット部２ｃからの電力に応じて可動
手段４ａ〜６ａの圧電素子４６ａ，５６ａ，６６ａが変
形し、可動手段４ａ〜６ａが変位動作する。こうして、
操作者に対してペン軸Ａと垂直な２軸方向の力と、ペン
軸Ａ方向に沿った１軸方向の力が伝達される。

【００６９】このように、本実施の形態では、ペンタブ
レットを用いて、３次元方向の力のフィードバックを得
ながらアームロボット９１を操作することが可能とな
る。これにより、例えば遠隔地の表面形状を感知するこ
とが可能となり、手先にグリッパーを装着したロボット
の遠隔ハンドリングに用いれば、干渉物や目標対象物を
感知することが可能となる。また、アーム等の力を伝達
する装置を必要としない、優れたコストパフォーマンス
と省スペース性及び携帯性が実現可能となる。

【００７０】なお、実施の形態の２では、電磁石によっ
て変位動作する可動手段４ａ〜６ａを備えたペン１ａを
用いたが、これに限るものではなく、実施の形態の３，
４のペン１ｂあるいはペン１ｃを用いてもよい。また、
実施の形態の３では、形状記憶合金によって変位動作す
る可動手段４ｂ〜６ｂを備えたペン１ｂを用いたが、実
施の形態の２，４のペン１ａあるいはペン１ｃを用いて
もよい。同様に、実施の形態の４において、実施の形態
の２，３のペン１ａあるいはペン１ｂを用いてもよい。

【００７１】

【発明の効果】本発明によれば、ペンの把持部に設けら
れた変位動作する可動手段によってペンタブレットを操
作する操作者に対して力を伝達することにより、力覚ペ
ンタブレットを介して、その操作者に力（触感）のフィ
ードバックを伝えることができる。また、省スペース性
と携帯性とコストパフォーマンスに優れたポインティン
グデバイスを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態を示す力覚ペンタ
ブレットの外観図である。

【図２】 図１のペンの正面図及び側面図である。

【図３】 ペンの把持部に設けられた第１の可動手段の
変位動作を示す図である。

【図４】 ペンの把持部に設けられた第２の可動手段の
変位動作を示す図である。

【図５】 本発明の第２の実施の形態を示す力覚ペンタ
ブレットのブロック図である。

【図６】 図５のペンの把持部に設けられた第１、第２
の可動手段の構造を示す図である。

【図７】 図５の力パターン処理部のブロック図であ
る。

【図８】 対象画像の明度と操作者に伝える力の大きさ
の関係を示す図である。

【図９】 本発明の第２の実施の形態における対象画像
と力パターンの関係を示す図である。

【図１０】 本発明の第３の実施の形態を示す力覚ペン
タブレットのブロック図である。

【図１１】 図１０のペンの把持部に設けられた第１、
第２の可動手段の構造を示す図である。

【図１２】 図１０の力パターン処理部のブロック図で
ある。

【図１３】 本発明の第３の実施の形態における対象画
像を示す図である。

【図１４】 本発明の第４の実施の形態を示す力覚ペン
タブレットのブロック図である。

【図１５】 図１４の力覚ペンタブレットを使用するア
ームロボットシステムの外観図である。

【図１６】 図１４のペンの把持部に設けられた第１、
第２の可動手段の構造を示す図である。

【図１７】 図１４の力パターン処理部のブロック図で
ある。

【符号の説明】

１、１ａ、１ｂ、１ｃ…ペン、２、２ａ、２ｂ、２ｃ…
タブレット部、３ａ、３ｂ、３ｃ…力パターン処理部、
４、５、６、４ａ、５ａ、６ａ、４ｂ、５ｂ、６ｂ、４
ｃ、５ｃ、６ｃ…可動手段、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…
パネル、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…制御部、２３ｃ…基
本機能処理部、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ…入出力部、３
２ａ、３２ｂ、３２ｃ…中央処理部、３３ａ、３３ｂ、
３３ｃ…ディスプレイ装置、４１ａ、５１ａ、４１ｂ、
５１ｂ…接触部、４２ａ、５２ａ、６２ａ…コイル、４
３ａ、５３ａ、６３ａ…永久磁石、４４ａ、５４ａ、６
４ａ…ばね、４５ｂ、５５ｂ、６５ｂ…形状記憶合金、
４６ｃ、５６ｃ、６６ｃ…圧電素子、６１ａ、６１ｂ…
可動部、９１…アームロボット、９２…ロボットコント
ローラ、９３…ロボット教示装置、９４…力センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小方 博之 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 三田村 章雄 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 3F059 BC01 BC06 EA07 5B068 AA22 AA25 AA36 BB01 BC02 BD02 BD12 BD21 CC11 EE06 5B087 AA05 AA07 AB09 BC03 BC12 BC17 BC31 CC05 CC43 CC47

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 操作者に対して触感のフィードバックを
   返すための力覚提示方法であって、 ペンの把持部に設けられた、変位動作する可動手段によ
   り、ペンタブレットを操作する操作者に対して力を伝達
   することを特徴とする力覚提示方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の力覚提示方法において、 前記可動手段は、ペン軸と垂直な方向に変位動作するこ
   とを特徴とする力覚提示方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の力覚提示方法において、 前記可動手段は、ペン軸方向に沿って変位動作すること
   を特徴とする力覚提示方法。
4. 【請求項４】 請求項１記載の力覚提示方法において、 前記可動手段は、ペン軸と垂直な方向に変位動作すると
   共に、ペン軸方向に沿って変位動作することを特徴とす
   る力覚提示方法。
5. 【請求項５】 ポインティングデバイスであるペンタブ
   レットにおいて、 座標を指示するためのペンと、 このペンの操作によって指示された座標を検出すると共
   に、ペンの把持部に力を発生させるタブレット部と、 前記力のパターンを算出し、その力パターン情報をタブ
   レット部に出力する力パターン処理部とを有し、 前記タブレット部は、前記ペンの操作によって指示され
   た座標を検出するパネルと、力パターン処理部からの力
   パターン情報に応じた力をペンに発生させる制御部とを
   備え、前記ペンに発生させる力により操作者に対して触
   感のフィードバックを返すことを特徴とする力覚ペンタ
   ブレット。
6. 【請求項６】 請求項５記載の力覚ペンタブレットにお
   いて、 前記タブレット部は、前記ペンの筆圧を検出する基本機
   能処理部を備えることを特徴とする力覚ペンタブレッ
   ト。
7. 【請求項７】 請求項５記載の力覚ペンタブレットにお
   いて、 前記ペンは、前記制御部からの制御信号に応じて変位動
   作する可動手段を把持部に備えることを特徴とする力覚
   ペンタブレット。
8. 【請求項８】 請求項７記載の力覚ペンタブレットにお
   いて、 前記可動手段は、ペン軸と垂直な方向に変位動作するこ
   とを特徴とする力覚ペンタブレット。
9. 【請求項９】 請求項７記載の力覚ペンタブレットにお
   いて、 前記可動手段は、ペン軸方向に沿って変位動作すること
   を特徴とする力覚ペンタブレット。
10. 【請求項１０】 請求項７記載の力覚ペンタブレットに
    おいて、 前記可動手段は、ペン軸と垂直な方向に変位動作する第
    １の可動手段と、ペン軸方向に沿って変位動作する第２
    の可動手段とからなることを特徴とする力覚ペンタブレ
    ット。
11. 【請求項１１】 請求項７記載の力覚ペンタブレットに
    おいて、 前記制御部は、前記ペンが前記パネル上の任意の座標位
    置にあるとき発生させる力の目標値とこれに対応する前
    記座標とからなる力パターン情報と、ペンによって指示
    される現在の座標に基づいて、制御信号を出力し前記可
    動手段を制御することを特徴とする力覚ペンタブレッ
    ト。
12. 【請求項１２】 請求項５記載の力覚ペンタブレットに
    おいて、 前記力パターン処理部は、前記力のパターンを算出し、
    その力パターン情報を出力する中央処理部と、 この力パターン情報をタブレット部に出力する入出力部
    とを備えることを特徴とする力覚ペンタブレット。
13. 【請求項１３】 請求項６記載の力覚ペンタブレットに
    おいて、 前記力パターン処理部は、前記タブレット部の基本機能
    処理部から送出されたペンの座標及び筆圧の情報を受け
    る入出力部と、 入出力部を介して入力されたペンの座標及び筆圧の情報
    に応じた処理を行う中央処理部とを備えることを特徴と
    する力覚ペンタブレット。
14. 【請求項１４】 請求項６記載の力覚ペンタブレットに
    おいて、 センサを備えたアームロボットを有し、 前記力パターン処理部は、前記タブレット部の基本機能
    処理部から送出されたペンの座標及び筆圧の情報を受け
    ると共に、アームロボットから送出されたセンサの情報
    を受ける入出力部と、 入出力部を介して入力されたペンの座標及び筆圧の情報
    に応じてアームロボットを制御すると共に、入出力部を
    介して入力されたセンサの情報に基づいて力のパターン
    を算出し、その力パターン情報を入出力部を介してタブ
    レット部に出力する中央処理部とを備えることを特徴と
    する力覚ペンタブレット。
15. 【請求項１５】 請求項７記載の力覚ペンタブレットに
    おいて、 前記可動手段は、コイルを内部に有し、コイルに発生す
    る電磁力によって変位動作することを特徴とする力覚ペ
    ンタブレット。
16. 【請求項１６】 請求項７記載の力覚ペンタブレットに
    おいて、 前記可動手段は、圧電素子を内部に有し、圧電素子の形
    状変化によって変位動作することを特徴とする力覚ペン
    タブレット。
17. 【請求項１７】 請求項７記載の力覚ペンタブレットに
    おいて、 前記可動手段は、形状記憶合金を内部に有し、形状記憶
    合金の形状変化によって変位動作することを特徴とする
    力覚ペンタブレット。
18. 【請求項１８】 請求項７記載の力覚ペンタブレットに
    おいて、 前記可動手段は、圧電素子と形状記憶合金を内部に有
    し、圧電素子の形状変化によって変位動作すると共に、
    形状記憶合金の形状変化によって変位動作することを特
    徴とする力覚ペンタブレット。
19. 【請求項１９】 請求項７記載の力覚ペンタブレットに
    おいて、 前記可動手段は、コイルと圧電素子を内部に有し、コイ
    ルに発生する電磁力によって変位動作すると共に、圧電
    素子の形状変化によって変位動作することを特徴とする
    力覚ペンタブレット。
20. 【請求項２０】 請求項７記載の力覚ペンタブレットに
    おいて、 前記可動手段は、コイルと形状記憶合金を内部に有し、
    コイルに発生する電磁力によって変位動作すると共に、
    形状記憶合金の形状変化によって変位動作することを特
    徴とする力覚ペンタブレット。
21. 【請求項２１】 請求項７記載の力覚ペンタブレットに
    おいて、 前記可動手段は、コイルと圧電素子と形状記憶合金を内
    部に有し、コイルに発生する電磁力によって変位動作
    し、圧電素子の形状変化によって変位動作し、形状記憶
    合金の形状変化によって変位動作することを特徴とする
    力覚ペンタブレット。