JP2001054891A - 伸縮性膜とその制御方法、伸縮性膜を用いた触覚呈示装置、人工皮膚装置、マニピュレータ並びにこれらの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 面に凹凸を形成したり、所望の表面圧を発生
させるための伸縮性膜と、伸縮性膜を用いた触覚呈示装
置、人工皮膚装置、マニピュレータを提供する。 【解決手段】 伸縮性膜１において、内部に流体が封入
された多数の袋体２、２、・・・と、各袋体の間に介在
されて隣り合う袋体の間隔を電磁的な引力又は斥力によ
って変化させる多数の電磁石３、３、・・・を設ける。
隣り合う電磁石間に働く引力によって袋体２の間隔を狭
くすることで袋体２が圧縮され、また、隣り合う電磁石
間に働く斥力によって袋体２の間隔を拡げることで袋体
２が伸張される。伸縮性膜１の伸縮状態を制御すること
で形状や表面圧を変化させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面に凹凸を形成
したり、あるいは所望の表面圧を発生させるための伸縮
性膜とこれを用いた触覚呈示装置、人工皮膚装置、マニ
ピュレータ並びにこれらの制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】触覚情報を伝達するための装置として、
触覚ディスプレイと称するものが知られており、例え
ば、上下方向の移動が可能な状態で支持された多数のピ
ン（可動ピン）を２次元的に配列し、各ピンの突出量を
制御することによってピン先端の触知で情報を読み取る
ことができる構成を有している。

【０００３】また、ロボットハンドやマニピュレータ等
では、圧力検出によって把持力を調整することができる
ようにしたものが知られている。

【０００４】そして、バーチャルリアリティ（仮想現
実）やテレリアリティ（遠隔現実）等の分野では、視覚
認識によって表示されるオブジェクト（対象物）を実際
に触っているかの如き感触を、対象者に力覚や触覚を与
えることで呈示する力触覚呈示装置が知られており、例
えば、平面や曲面、凹凸形状を予め形成した触覚呈示用
ツールを、対象者の手や指に触れさせて遭遇させるタイ
プの装置（特開平８−２５７９４７号公報等）がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た装置にあっては、下記に示す問題がある。

【０００６】（１）可動ピンを使った従来の触覚ディス
プレイ装置では、上下動する複数のピンがまとまって動
作するため、滑らかな曲面を表現する際に触覚を伝えに
くい。また、仮に触覚ディスプレイ装置の呈示面（可動
ピンが設けられた面）の表面にラバー膜等を貼り付けた
としても可動ピンの移動方向（高さ方向）における位置
変動によって厚みが変化するため、手触りが変化してし
まうといった不都合が残る。

【０００７】（２）圧力検出信号によるフィードバック
制御で把持力を調整することのできるロボットハンド等
では、モータやアクチュエータ等の駆動力を制御するだ
けであり、対象物を把持している面の弾性を変化させる
ことで把持力を調整することができない。

【０００８】（３）平面や曲面、凹凸形状を予め形成し
た触覚呈示用ツールでは、呈示部分の形状が固定してい
る、つまり、形状が変化しないので少数の形状の組み合
せによって呈示できる感触しか対象者に伝えられず、表
現の幅に制約がある。

【０００９】そこで、本発明は、面に凹凸を形成した
り、所望の表面圧を発生させるための伸縮性膜と、伸縮
性膜を用いた触覚呈示装置、人工皮膚装置、マニピュレ
ータを提供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る伸縮性膜は
上記した課題を解決するために、内部に流体が封入され
た多数の袋体と、袋体の間に介在されて隣り合う袋体の
間隔を電磁的な引力又は斥力によって変化させる多数の
電磁石とを備えており、隣り合う電磁石の間に働く引力
によって袋体の間隔が狭くなることで袋体が圧縮され、
また、隣り合う電磁石の間に働く斥力によって袋体の間
隔が拡がることで袋体が伸張されるように構成したもの
である。

【００１１】従って、本発明によれば、電磁石間の相互
作用によって袋体の伸縮状態を制御することで膜の状態
を変化させることができ、これによって表面に凹凸を形
成したり表面圧を自在に操ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る伸縮性膜（あ
るいは伸縮性皮膜）の原理的な構成を示す断面図であ
る。

【００１３】伸縮性膜１は、表面に凹凸を形成したり、
所望の表面圧を発生させるものであり、後述するように
触覚呈示装置、ロボットハンドやマニピュレータ、義手
等における人工皮膚としての適用が可能である。

【００１４】伸縮性膜１は、内部に流体（気体又は液
体）が封入された多数の袋体（あるいはバルーン）２、
２、・・・（図にはその１つだけを示す。）を有してい
る。尚、袋体２を形成する材料には、ゴム材料、シリコ
ーンやポリマー等、弾性に富む材料が使用される。

【００１５】これらの袋体２はその周囲に配置された複
数の電磁石（あるいは微小電磁石）３、３、・・・によ
って伸縮される。つまり、隣り合う袋体の間には複数の
電磁石が設けられており、袋体の間隔がこれらの電磁石
間に作用する引力又は斥力によって変化する構成となっ
ている。尚、電磁石の構成としては、コア材に巻線コイ
ルを付設したものや、後述するように磁性流体とコイル
を組み合わせたもの等が挙げられるが、要は電磁的な引
力又は斥力を発生させるための構成であれば良い。

【００１６】図１（Ａ）では、袋体２の両脇に電磁石
３、３が設けられており、この隣り合う電磁石の間に
は、矢印「α」で示すように、引力が働くように各電磁
石の磁極が規定されているため、袋体２が圧縮された状
態を示している。また、図１（Ｂ）では、隣り合う電磁
石３、３の間には、矢印「β」で示すように、斥力が働
くように各電磁石の磁極が規定されているため、袋体２
が横方向に引き伸ばされた状態を示している。

【００１７】このように、電磁石の制御によって各袋体
の伸縮状態を変化させることにより、伸縮性膜１のう
ち、ある場所では袋体が圧縮される結果、袋体同士の間
隔が狭まり、また、別の場所では袋体が表面にほぼ沿う
方向に伸張される結果、袋体同士の間隔が拡がった状態
となるという具合に伸縮性膜の状態を制御することがで
きる。

【００１８】上記の袋体を平面あるいは曲面内に多数配
置させるには、図２に示すように、平面形状が正三角形
状をした袋体２、２、・・・を６つ１組にして六角形状
領域をなす配置を採用する。尚、六角形の頂点位置を示
す「○」印の部分には電磁石３がそれぞれ配置されてい
る。

【００１９】図３は、ある１つの六角形状領域４を構成
する６つの袋体２、２、・・・を取り出して平面で示し
たものであり（同図の（Ａ）を参照。）、隣り合う袋体
には間隙が形成されるとともに、六角形状領域４の中心
位置には電磁石３を配置するための配置用孔５が形成さ
れている。尚、（Ｂ）に示す図は断面構造を示し、
（Ｃ）に示す図は電磁石の作用によって収縮状態を概念
的に示した図である。

【００２０】図４は袋体２の成形方法について説明する
ための図であり、（Ａ）に示す加硫前の状態では、ゴム
材料等で形成された２枚の平板６、６′を貼り合わせる
とともに、両者の間に発泡剤７を部分的に封じ込めるこ
とで作成した基礎材が、２つの凹型（成形型）８ａと８
ｂの間に位置されている。尚、加硫前に基礎材に入れる
発泡剤７としては、例えば、分解ガスとして窒素を発生
する有機発泡剤（ジニトロソペンタメチレンテトラミン
等）や、発泡剤７の分解温度を低下させる発泡助剤（ク
エン酸等）、水等を混在したさせたものが使用される。

【００２１】（Ｂ）の図は、加硫後に型取りをしてでき
た袋体２を示しており、基礎材のうち発泡剤７を事前に
封入した部分が、加硫時に発生した気体の圧力によって
膨張して凹型８ａ、８ｂの凹部に密着されることで成形
され、冷却後の脱型により袋体２ができ上がる。尚、電
磁石の配置用孔５については、袋体の型成形後に形成す
る。

【００２２】図５は袋体２、２、・・・及び配置用孔
５、５、・・・を部分的に示す要部の斜視図である。各
袋体２は三角柱状をしており、その内部には加硫時の分
解ガスが封入されている。そして、これらの袋体２を、
伸縮性膜の表面に直交する方向から見た場合には、隣り
合う６つの袋体が１つの六角形状領域を構成する配列が
実現される。そして、袋体の間であってこれらの六角形
状領域の頂点位置に形成された配置用孔５に電磁石３が
それぞれ位置されることになる。

【００２３】ところで、電磁石として磁性流体及びコイ
ルを用いると、膜の変形に対して柔軟性に富む構成を得
ることができる。そのためには、袋体の間に配置された
収容部内に磁性流体を封入する技術が必要になる。尚、
「磁性流体」とは、流体中に強磁性微粒子を安定に分散
させたものであり、例えば、媒体である液体（水、炭化
水素系オイル、フッ素系オイル等。）と、磁性微粒子
（マグネタイト、複合フェライト等が用いられ、粒径は
１００オングストローム程度とされる。）と、界面活性
剤とから成る材料が知られている。

【００２４】図６は磁性流体を基材に封入する工程につ
いて説明するためのものであり、（Ａ）に示すように、
可撓性を有する基材（高分子膜等の膜材料）９を、凹型
１０ａと凸型１０ｂを使って成形することにより、磁性
流体を収容するための凹部１１を形成する。

【００２５】そして、（Ｂ）に示すように凹部１１内に
磁性流体１２を入れた後で、基材９と同じ材料を使って
型１０ｃ（平型又は微小な凹部が形成された凹型）で凹
部１１に蓋をし（基材９′を参照）、磁性流体１２を封
じ込める。

【００２６】図７及び図８は、伸縮性膜の断面構造例を
示したものである。

【００２７】図７では、伸縮性膜１を形成する可撓性の
基材１３（上記基材９、９′参照）において、その一部
分が突出されて形成された収容部（あるいは突出部）１
３ａ、１３ａ、・・・内に磁性流体１２、１２、・・・
を封じ込めた構成を示しており、該収容部１３ａが配置
用孔５に挿通された状態で伸縮性膜に取り付けられてい
る。

【００２８】尚、図中に示す四角枠の内部に「×」印で
示す部分は、収容部１３ａの周囲に配置されたコイル部
１４を示している。つまり、収容部１３ａと袋体２との
間に形成される空間にコイル部１４が配置されており、
各収容部１３ａを周囲を取り囲むようにしてコイル部１
４が取り付けられる（図では、収容部１３ａのうち配置
用孔５に挿通された後に当該孔から出た部分と、配置用
孔５に挿通されていない部分に対してそれぞれコイル部
１４が設けられている。）。そして、このコイル部１４
については、図９（Ａ）に示すように、収容部１３ａの
側面に線材１５を巻き付けて形成される巻き線型や、図
９（Ｂ）に示すように、１枚の基板（絶縁性シリコン
等。）１６上に導電層のパターン１７を渦巻状に印刷形
成したものを積層した積層型等が挙げられる。

【００２９】図７に示した例では、収容部１３ａを伸縮
性膜１の配置用孔５に挿通した構造を示したが、これに
限らず伸縮性膜に配置用孔５を形成することなく磁性流
体１２やコイル部１４を配置しても良く、例えば、図８
に示す構成が挙げられる。

【００３０】この例では、袋体２、２、・・・を上下か
ら挟持した状態で２つの膜１３Ａ、１３Ｂが設けられて
おり、これらの膜の一部として形成された収容部１３Ａ
ａや１３Ｂａの内部に磁性流体１２がそれぞれ封じ込め
られている。そして、一方の膜１３Ａに形成された収容
部１３Ａａと、他方の膜１３Ｂに形成された収容部１３
Ｂａとは、伸縮性膜において袋体２が形成されていない
部分１８を挟んで当該部分に当接した状態で互いに対向
した位置関係となっており、これらの収容部の周囲を取
り巻くようにしてコイル部１４がそれぞれ配置されてい
る。

【００３１】コイル部１４の配線処理については、例え
ば、磁性流体１２の収容部内への封入後にコイルとの接
触面に対して導電性シリコーン等の材料を用いてシルク
スクリーン印刷で行われる。その際、各コイル部をシリ
ーズに配線接続する方法と、マトリックス配線を用いる
方法とが挙げられるが、コイル位置の指定を自在に行う
には後者の方法が好ましい。つまり、図１０に示すよう
に、配線パターンを、多数の行電極LL、LL、・・・から
なる行電極群と、多数の列電極RL、RL、・・・からなる
列電極群とによってマトリックス状に配置するととも
に、各電磁石３を構成するコイル部の端子を行電極と列
電極にそれぞれ各別に接続する。これによって、整数変
数「ｉ」、「ｊ」を導入したときに、第ｉ番目の行電極
と第ｊ番目の列電極に接続されたコイルを指定してその
励磁状態（励磁の有無及び磁界の強さ）を独立に制御す
ることができる。

【００３２】尚、コイルや、コイルに接続される行電極
及び列電極については金属材料を使用しても良いが、こ
れらを導電性ポリマーで形成すると、膜の形状変形に伴
うストレスが少なく、変形に対する柔軟性を増すことが
できる。

【００３３】また、伸縮性膜の支持については、例え
ば、図２に示すように、多数の袋体２、２、・・・のう
ち最も周縁に位置されたものを枠体１９に固定するとと
もに、該枠体１９を平面板２０に固定する（図１１参
照）ようにした構成が挙げられる。その際、平面板２０
と伸縮性膜との間には両者間の摩擦低減のために液体状
シリコーン等の潤滑材２１を設けることが好ましい。

【００３４】しかして、上記した伸縮性膜１の制御方法
については、内部に流体が封入された多数の袋体の間に
介在された電磁石同士の電磁的な引力又は斥力によって
袋体の間隔を変化させることで行うことになるが、その
際、隣り合う電磁石間に斥力を発生させることで伸縮性
膜に凹部を形成したり、又は隣り合う電磁石間に引力を
発生させることで伸縮性膜に凸部を形成することができ
る。これによって、例えば、膜の凹凸や波面の移動等を
実現できる。

【００３５】そして、各電磁石に係る励磁制御について
は、励磁又は非励磁をオン／オフ制御として行う方法
と、各電磁石の励磁状態を段階的又は連続的に制御する
方法とがある。つまり、前者の方法によれば、膜の伸縮
状態を瞬間的に変化させることができ、また、後者の方
法によれば、膜の伸縮状態を段階的又は連続的に変化さ
せることで膜形状を自在に操ることができる。勿論、両
者を組み合せた方法も可能であるし、また、オン／オフ
制御を所望の周波数で行うことにより膜を振動させるこ
ともできる。

【００３６】尚、伸縮性膜との接触点（例えば、伸縮性
膜の一部を指等で押圧した時の接触点）に対してこれを
平面内で移動させる際には、その進行方向の側に位置す
る袋体については電磁石同士の吸引により圧縮状態と
し、さらには進行方向の線上にある袋体ほど圧縮度を高
めることで分布を密にする。そして、当該進行方向とは
反対側に位置する袋体については電磁石同士の反発によ
り伸張状態とすることが好ましい。これは接触点の高さ
（面の法線方向における位置）をほぼ一定に保つためで
ある。但し、接触点ではなく一定の拡がりを有する面を
対象とする場合にはこのような制御は行わない。

【００３７】図１２は伸縮性膜の一部分を概略的に示す
もので、（Ａ）が概略平面図、（Ｂ）が要部の概略断面
図である。

【００３８】図１２（Ａ）において、「○」印で示す箇
所が接触点「Ｐ」を表しており、矢印「Ｆ」がその進行
方向を示している。尚、同図における三次元座標系につ
いては、Ｘ軸が接触点の進行方向に沿う軸に設定され、
これに直交する平面内の軸がＹ軸に設定されており、Ｘ
軸及びＹ軸に直交して面の法線方向に延びる軸（紙面に
垂直な方向に延びる軸）がＺ軸とされている。

【００３９】伸縮性膜上の接触点ＰをＸ−Ｙ平面内で移
動させる場合には、その進行方向ベクトル（矢印Ｆ参
照）の向きについて引張力、その逆向きについては押し
出し力がそれぞれ生じるように膜の伸縮制御を行う。つ
まり、接触点Ｐを含み、かつ進行方向ベクトルに直交す
る平面（Ｙ−Ｚ平面）によって伸縮性膜を２分したと
き、当該平面の前方（進行方向）に位置する領域２２
（図１２（Ａ）において記号「＋」のハッチパターンで
示す領域）では袋体が電磁石の吸引によって圧縮された
状態とされ、他方、当該平面の後方に位置する領域２３
（図１２（Ａ）において記号「−」のハッチパターンで
示す領域）では袋体は電磁石の反発によって伸張した状
態とされる。尚、図１２（Ｂ）に示す「Ｓ」は膜の表面
を示している。

【００４０】図１３はそのときの様子を模式的に示すも
のであり、接触点Ｐの進行方向側に位置する袋体が圧縮
状態であることを記号「＞−＜」（向かい合せの矢印）
で示し、また、接触点Ｐの進行方向とは反対側に位置す
る袋体が伸張状態であることを記号「＜−＞」（両矢
印）で示している。

【００４１】次に伸縮性膜を使って触覚情報を呈示する
触覚呈示装置について説明する。

【００４２】この触覚呈示装置は、基本的には触覚ディ
スプレイ装置の表面に上記伸縮性膜を設けた構成を有し
ており、所謂「ダイナミック型」と「スタティック型」
のものが知られている。前者は情報伝達に際して皮膚の
部位に固定して使用するものであり、掌を装置上におい
て多数の振動子の状態から受動的触知により認識するこ
とができ、また、後者は、複数の突起部やピン等によっ
て提示された情報内容を指先や掌を自由に動かして認識
すること（能動的触知）ができようにしたものである。
尚、用語「ダイナミック」は、触覚伝達の情報が時間的
要因を含むこと（その結果、情報内容は時間的に流れて
しまう。）に由来し、用語「スタティック」は伝達情報
を認知し得るまで提示情報の形態（触知ピンの配列等）
が保持されることに由来している。また、触知ピンの変
位レベルを２段階（突出状態と非突出状態）に規定する
２値表示の方法と、当該変位レベルを多段階又は連続的
に制御する方法とがあり、後者の方法によれば、２次元
表示（対象物の輪郭線だけの呈示）や３次元表示（表示
基準面に対してその法線方向における高さ値を段階的又
は連続的に変化させることによる浮き彫りの呈示）での
レリーフ表示が可能である。

【００４３】図１４に示すように、触覚呈示装置２４
は、触覚呈示にあたって設定される基準平面内に多数配
列された可動部材２５、２５、・・・を有している。こ
れらの可動部材２５は、基準平面に対する法線方向に沿
って各可動部材をそれぞれ突出させかつその状態を保持
する機構を備えた基台部２６に取り付けられている。可
動部材２５を移動させる（例えば、上下動等。）には各
種の形態が挙げられ、例えば、下記に示す構造が知られ
ているが、本発明に関する限りその構成の如何は問わな
い。

【００４４】・ピン等の可動部材を駆動するアクチュエ
ータとしてソレノイドを使用し、可動部材の先端にかか
る押圧力を導電性ゴム等を用いたセンサーで検出できる
ようにした構造 ・ステッピングモータ等の駆動手段により回転されるシ
ャフトと、該シャフトに形成したネジ部とこれに螺合す
るナット部を有する送りネジ機構とを設けることによっ
て、シャフトの回転に伴って当該シャフトが直線的に移
動してピンを動かすようにした構造 ・電気粘性流体を収容する複数のチャンバーを用意し、
電気粘性流体に電界を加えることでダイヤフラム膜等を
変形させてピンを上下動させる構造 ・マトリックス状に配置された個々のアクチュエータを
駆動することによって、各アクチュエータにそれぞれ対
応するピンを上下動させる構造。

【００４５】本発明に係る触覚呈示装置２４がこのよう
な既知の装置と相違する点は、基台部２６のうち各可動
部材２５が突出される方の表面が伸縮性膜１によって覆
われていることである。つまり、伸縮性膜には、その内
部に流体が封入された多数の袋体と、当該袋体の間に介
在されて隣り合う袋体の間隔を電磁的な引力又は斥力に
よって変化させる多数の電磁石が設けられているので、
ラバー膜のようなもので装置表面を単に覆ったのとは全
く異なった機能を発揮する。即ち、この伸縮性膜には下
記に示す使用形態が挙げられる。

【００４６】（ｉ）電磁石の励磁により膜を能動的、自
発的に伸縮させる形態 （ｉｉ）電磁石を非励磁として、外部磁界に対して受動
的に応答する磁気抵抗要素として使用する形態。

【００４７】先ず、（ｉ）については、電磁石同士の吸
引や反発によって膜の伸縮状態を積極的に規定するもの
で、隣り合う電磁石の間に働く引力によって袋体の間隔
が狭くなった場合には、表面のほぼ法線方向に袋体が引
き伸ばされ、また、隣り合う電磁石の間に働く斥力によ
って袋体の間隔が拡がった場合には、表面にほぼ沿う方
向に袋体が引き伸ばされる。

【００４８】また、（ｉｉ）では電磁石を構成するコイ
ルには電流を流すことはなく、これらが外部磁界に対し
て受動的抵抗としてのみ機能する。そのためには、触覚
呈示装置の基台部２６や可動部材２５に電磁石を付設す
る。例えば、図１４に例示した構成では、大円内に拡大
して示すように、ピン等の可動部材２５のうち、伸縮性
膜１に接触される部分に電磁石２５ａが付設されてい
る。つまり、各可動部材２５の先端部に電磁石２５ａの
コア２５ｂを取り付け、これにコイル２５ｃを巻回した
構成において、該コイル２５ｃに電流を流すと、当該可
動部材２５の移動方向に沿って磁極が配置した状態にな
る。

【００４９】図１５乃至図１７は、基台部上の伸縮性膜
の状態を模式的に示した平面図であり、図中の正３角形
が袋体２をそれぞれ示しており、「○」、「●」や、
「○」の中に「×」を付した記号で示す位置に電磁石３
が配置されている。尚、「○」印は表面側の磁極がＳ極
であることを意味し、「●」印は表面側の磁極がＮ極で
あることを意味しており、「○」の中に「×」を付した
記号は非励磁状態を意味している。尚、本例では説明の
便宜上、これらの電磁石に対して可動部材の電磁石が１
対１にそれぞれ対応するように配置されているとする
が、これに限らず、電磁石間の対応関係において多対１
の設定を採用できることは勿論である。

【００５０】図１５では膜が部分的に収縮した状態にな
っており、複数の六角形状領域から構成される領域のう
ち、最外周縁の辺上に位置する電磁石についてはＮ極又
はＳ極とが交互に繰り返した配置とされ、また、当該領
域の内部に位置する電磁石についてはＮ極又は非励磁状
態となっている。

【００５１】図１６では膜が部分的に伸張した状態にな
っており、複数の六角形状領域から構成される領域内の
電磁石については全てＮ極とされている。

【００５２】図１７では、破線の六角形枠で囲んで示す
領域内が収縮状態とされ、その周囲の部分が伸張状態と
なっている例を示したものであり、当該領域が表面の法
線方向（紙面に垂直な方向）において厚みを増す部分で
ある。例えば、この収縮状態の領域を所定の方向に沿っ
て当該領域の一部が部分的に重複するようにして移動さ
せると、厚み方向に突出した点状部の移動が可能にな
る。

【００５３】尚、図１５乃至図１７では作図の便宜上、
電磁石間の間隔（頂点間距離）を一定としたが、現実に
は当該間隔が収縮部分において短くなり、伸張部分にお
いて長くなることは勿論である。また、これらの配置は
上記（ｉ）の形態についても可能であるが、表面形状を
一定の形状に保つ必要がある場合には伸縮性膜の電磁石
と可動部材の電磁石との電磁相互作用がないことが条件
となる。

【００５４】しかして、上記したように、伸縮性膜を構
成する各袋体が三角柱状をなし、かつ伸縮性膜の表面に
直交する方向から見た場合に、隣り合う６つの袋体が１
つの六角形状領域を構成するように各袋体を配列させた
場合には、各袋体の間であって六角形状領域の頂点位置
に設けられた電磁石同士が能動的又は受動的に吸引し又
は反発することによって伸縮性膜の伸縮状態を規定する
ことができる。

【００５５】尚、触覚情報の呈示に加えて温（度）覚の
呈示を行う場合には、各可動部材のうち伸縮性膜に接触
される部分（例えば、上記コア２５ｂの端部等）に、ペ
ルチェ素子等の温熱冷却素子をそれぞれ付設した構成を
用いることが好ましい。つまり、同じ触覚情報の呈示面
を触ったときでも、その感触は熱や温度の相違によって
違ってくる場合があるので、触覚情報の伝達を安定化さ
せたり、あるいは温度の違いを積極的に利用することで
各種の違った感触を伝達することができる。

【００５６】上記触覚呈示装置２４の制御方法について
は各可動部材に付設した電磁石のコイル電流をどのよう
に規定するかが問題となるが、隣り合う可動部材につい
て両者の突出量の差が大きい程、その場所での磁界強度
が大きくなるように可動部材に付設の電磁石に流れるコ
イル電流値を制御することが好ましい。これは電磁石に
よる発生磁界の強度は電磁石のコイル電流によって規定
されること及び隣り合う可動部材の突出量の差が大きい
程、両者を覆う伸縮性膜のセル数（六角形領域の数）が
多く必要になるので電流値は大きくする必要（基本的に
は、基準電流を「Ｉ０」とするとき、これにセル数を掛
けた電流値が必要）があることに依る。

【００５７】図１８において、（Ａ）は側面から見た非
励磁状態の触覚呈示装置（この状態では伸縮性膜１が伸
張した状態でその周縁部が枠体１９と基台部２６との間
に挟まれて固定されている。）を概略的に示した図を示
し、その下の（Ｂ）は励磁によって伸縮性膜１が可動部
材２５の外表面に密着した状態とされた触覚呈示装置を
概略的に示している。そして、（Ｃ）は横軸に位置座標
「Ｘ」をとり、縦軸に磁界強度「Ｈ」をとってこれを場
所の関数として概略的に示したものであり、位置座標
「Ｘ」における可動部材の突出量（図のＺ軸方向におけ
る高さ）の差が大きい場所ほど強度が大きい。また、
（Ｄ）は横軸に位置座標「Ｘ」をとり、縦軸にセル数
「Ｎ」をとって、これを場所の関数として概略的に示し
たものであり、このセル数は突出した可動部材の外表面
に沿ってこれを覆っていることから分かるように、隣り
合う可動部材の突出量の差が大きいところ程多くなる。

【００５８】尚、伸縮性膜の一部を急激に突出させるに
は、伸縮性膜の伸縮状態を事前に規定しておいてから、
可動部材に付設された電磁石の励磁制御を行うことが好
ましい。

【００５９】例えば、図１９に示すように、伸縮性膜１
の一部が平面で見て円環状をなし、その断面形状がほぼ
三角形状をした状態で隆起した形状を実現するために
は、下記に示す手順を踏む。

【００６０】（１）形状入力 （２）伸縮性膜の伸縮状態を設定 （３）触覚呈示装置及び伸縮性膜に係る磁極配置及び触
覚呈示装置の可動部材の制御。

【００６１】先ず、（１）ではこれから伸縮性膜上に現
出させたい形状についてのデータ入力を行う。

【００６２】そして、（２）では、図２０に示すよう
に、伸縮性膜を平面で見たときに突出させたい部分２７
（斜線を付して示す。）だけを収縮状態（Ｎ極、Ｓ極、
非励磁状態が入り混じった状態であり、図１５を参
照。）とし、それ以外の部分については伸張状態（表面
がＮ極のみの状態であり、図１６を参照。）とする。但
し、部分２７における高低差（図のＺ軸座標値の差）を
考慮して高い場所から低い場所へと順番に袋体の収縮を
行う。また、触覚呈示装置の可動部材２５、２５、・・
・のうち、部分２７に対向した場所２８に位置するもの
についてはこれらの可動部材２５に付設された電磁石を
全て非励磁状態とし、それ以外の場所にある可動部材に
ついては、これらに付設された電磁石を励磁して表面側
がＮ極となるように規定する（図には基台部２６の表面
側の磁極「Ｎ」だけを示しており、このとき伸縮性膜に
おいて当該磁極に対向する部分がＳ極となる。）。これ
によって、触覚呈示装置における隣り合う可動部材につ
いて両者の突出量の差が大きいと予定される場所につい
て、当該場所に対応するセル（六角形状領域）の数が多
くなるように伸縮性膜を予め伸縮させた状態にすること
ができる。

【００６３】（３）では触覚呈示装置や伸縮性膜の磁極
を規定することで、触覚呈示装置と伸縮性膜との電磁的
な関係を規定するとともに、各可動部材の突出量を
（１）での入力データに応じて算定した上で可動部材を
駆動させる。つまり、図２１に示すように、触覚呈示装
置についてはそれまで表面側がＮ極であった場所をＳ極
に反転させ、非励磁状態とされていた部分（２８）につ
いては表面側がＳ極となるように各可動部材の電磁石を
規定する。そして、伸縮性膜の電磁石については部分２
７（の触覚呈示装置側表面）をＳ極とし、それ以外の部
分（の触覚呈示装置側表面）をＮ極とする。つまり、部
分２７については触覚呈示装置の基台部（部分２８）か
ら反発力を受け、その他の部分については触覚呈示装置
の基台部から吸着力を受けるようにし、この状態で部分
２７に対応する可動部材をＺ軸方向にそれぞれの突出量
（断面形状に応じた量）をもって移動させると、図２２
に示すように伸縮性膜１の一部分だけが隆起した状態と
なり、所期の形状（図１９参照）が得られる。このよう
に、可動部材に付設された電磁石に電流を供給してその
電流値を制御することにより、当該電磁石と伸縮性膜の
電磁石との間に吸引力又は反発力を発生させて伸縮性膜
の一部を突出させることができる。尚、その際、伸縮性
膜についての摩擦抵抗を変化させるには、伸縮性膜や触
覚呈示装置における電磁石の磁極設定や強度設定により
行えば良い。

【００６４】但し、各可動部材により伸縮性膜を通して
形成される凹凸状態を急激に変化させたいような場合に
は、これを電磁的相互作用で行ったのでタイムラグや形
状の確定に要する時間が問題となるので、可動部材に付
設された電磁石への電流供給を遮断することが好まし
い。例えば、図１８（Ｂ）に示す状態において電磁石を
非励磁状態とすると、伸縮性膜を図１８（Ａ）に示す状
態へと瞬時に変化させることができる。

【００６５】次に、上記した伸縮性膜を用いて表面形状
を変化させる人工皮膚装置について説明する。尚、人工
皮膚装置の適用範囲としては、ロボットハンドやアー
ム、マニピュレータ、義手、人形等の皮膚が挙げられ
る。

【００６６】図２３は人間の手腕部を模倣した自由度を
有するマニピュレータ（ハンド部を部分的に切り欠いて
示す。）２９を概略的に示したものであり、円で示す部
分３０、３０、・・・が関節部をそれぞれ示している。
つまり、各関節部は、モータ等の駆動源を含む駆動部３
１によって対偶の駆動制御を行うことで屈曲角度がそれ
ぞれ変更できるように構成されており、また、図示しな
いセンサーやエンコーダ等によって検出される関節の姿
勢状態信号が状態検出部（あるいは力覚検出部）３２に
よって収集されて、これが制御部３３（ロボットコント
ローラ等。）に送出される。尚、制御部３３（後述する
位置・姿勢制御部等を参照。）は、状態検出部３２から
の検出信号をフィードバック信号として受け取り、これ
と関節駆動の指令値との差（エラー）がゼロになるよう
に制御を行う。

【００６７】伸縮性膜を用いた人工皮膚３４は、マニピ
ュレータ２９（アーム部やハンド部）のうち、関節部を
含む骨格部の外表面を被覆しており、外皮としての保護
機能と、把持力や表面弾性の調整機能とを備えている。

【００６８】図２４はマニピュレータ２９のハンド部３
５を示したものであり、円で示す部分３０、３０、・・
・が関節部（ＭＰ関節やＣＭ関節等に相当する関節部
等。）をそれぞれ示している。

【００６９】骨格部のうち関節部を除いた部分には、上
記した触覚呈示装置２４の基台部２６に相当するアクチ
ュエータ３６、３６、・・・（図に斜線を付して示
す。）が取り付けられており、それらの可動部が突出さ
れて人工皮膚３４の伸縮性膜（の内面）に当接されるよ
うになっている。つまり、アクチュエータ３６と、その
可動部に接触した伸縮性膜の部分が前記触覚呈示装置と
同等の機能を発揮する。尚、アクチュエータ３６の可動
部とは、伸縮性膜を押圧する方向及びその逆方向に移動
できるように配列された多数の可動部材（２５）のこと
であり、前記したように、各可動部材をそれぞれ突出さ
せかつその状態を保持する機構が基台部２６に設けられ
ている。

【００７０】各可動部材の端部には図示しない圧力検出
手段（圧力センサー）が設けられており、これによって
取得される圧力検出信号が圧力検出部３９（あるいは触
覚検出部）に送出されることによりハンド部３５で対象
物を掴んだ時の圧力変化を把握することができるように
なっている。尚、圧力検出手段には、例えば、対をなす
電極と、両電極間に介在された感圧層（圧力に反応して
電気抵抗値や静電容量値等が変化する材料で形成した
層）を積層形成した構成が挙げられるが、可動部材の先
端部で受ける圧力を検出できれば如何なる構造のセンサ
ーでも構わない。また、圧力の他、温度の検出手段を付
設するとハンド部３５が掴んだ対象物の温度あるいは周
囲温度の情報を取得できる。

【００７１】図２５はマニピュレータ２９の制御例を示
すブロック図であり、骨格部分を構成するアーム部やハ
ンド部の関節部３０については、位置・姿勢制御部３７
から駆動部３１に制御信号が送出されることで、駆動部
３１のサーボ制御により関節の状態（屈曲角度等）が規
定される。その際、状態検出部３２から位置・姿勢制御
部３７に送出される検出信号によって関節部３０に係る
現在の位置や姿勢が認識される。

【００７２】皮膚部分については、下記の２つの制御が
行われる。

【００７３】（ｉ）触覚呈示装置における可動部材の駆
動制御 （ｉｉ）伸縮性膜の伸縮制御。

【００７４】先ず、（ｉ）の触覚呈示装置については、
微小位置制御部３８から送出されて来る制御信号によっ
て各アクチュエータ３６における可動部材の突出量がそ
れぞれ制御される。尚、各可動部材の突出量を各別に検
出するための検出手段（エンコーダ等）が当該可動部材
に付設されており、検出信号がフィードバック信号とし
て微小位置制御部３８に送出され、突出量に対する指令
値と検出値との差がゼロとなるように各可動部材が制御
される。尚、圧力検出部３９によって検出される情報は
微小位置制御部３８に送られて、ここで位置情報ととも
に圧力分布を構成するマトリックスデータとして処理さ
れた後、位置・姿勢制御部３７に送出されるようになっ
ている。尚、各可動部材にペルチェ素子が付設されてい
る場合には、当該素子の温度制御も必要である。

【００７５】（ｉｉ）については、伸縮性膜において、
内部に流体が封入された多数の袋体の間には、隣り合う
袋体の間隔を電磁的な引力又は斥力によって変化させる
多数の電磁石が介在されているので、隣り合う電磁石の
間に働く引力又は斥力によって袋体の間隔を制御する。
つまり、当該間隔を狭めた場合には、表面のほぼ法線方
向に袋体が引き伸ばされ、また、袋体の間隔を拡げた場
合には、表面にほぼ沿う方向に袋体が引き伸ばされる。

【００７６】この制御を司っているのが伸縮状態制御部
４０であり、位置・姿勢制御部３７からの制御信号を受
けて伸縮性膜の伸縮状態を規定する。尚、皮膚部分の制
御は微小位置制御部３８によるアクチュエータ（触覚呈
示装置）の制御と、伸縮状態制御部４０による伸縮性膜
の制御とを組み合わせて行われるが、関節部３０の駆動
状態を把握しているのは位置・姿勢制御部３７である。
従って、例えば、ハンド部３５の把持力を伸縮性膜の伸
縮制御によって調整するためには、関節部の屈曲角度が
大きくなるほど伸縮性膜を収縮させていけば良い。但
し、関節部の屈曲によって伸縮性膜の一部が巻き込まれ
る部分（関節部の表面を覆っている部分）が生じると膜
の制御に支障を来す虞があるので当該部分については各
袋体が伸張状態となるように規定する。つまり、関節構
造を有する骨格部の外表面を伸縮性膜で覆った場合に
は、膜の伸縮状態を下記のように制御することが好まし
い（図２４参照）。

【００７７】・伸縮性膜のうち関節部に周囲を被覆する
部分については、隣り合う電磁石の間に斥力を発生させ
て袋体の間隔を拡げることで袋体が引き伸ばされた状態
にする（図２４に「＜−＞」の記号で示す。） ・関節部を被覆する部分以外の部分については、隣り合
う電磁石の間に引力を発生させて袋体の間隔を狭めるこ
とで袋体が圧縮された状態にする（図２４に「＞−＜」
の記号で示す。）。

【００７８】尚、図２５に示す構成では、各関節部３０
を駆動部３１によって駆動させるようになっているが、
関節部を覆う伸縮性膜の伸縮制御によって当該関節部を
屈曲させるに足るだけの駆動力を得ることができる場合
には、駆動部は不要である。つまり、伸縮性膜を関節駆
動用のアクチュエータとして利用できる場合には、これ
をモータ等の駆動源の代替として使用することができる
（但し、発生する駆動力に見合うだけの膜強度が必要で
ある。）。

【００７９】また、伸縮性膜についてはこれを１層とし
て表面膜に使用する方法の他、伸縮性膜の上にさらに表
面皮膜を形成することで複合膜を構成して使用する方法
が挙げられる。

【００８０】図２６はそのような膜の断面構造の一例に
ついて説明するための図であり、（Ａ）に示す非励磁状
態において、多数の袋体２、２、・・・が横並びに配置
され、それらの間には電磁石３、３、・・・がそれぞれ
設けられている。そして、各袋体２の表面には接着等で
固定された表面皮膜４１が設けられており、該表面皮膜
内には空隙４２、４２、・・・が形成されている。尚、
表面皮膜自体は袋体の構成材料と同じか又は同様の弾性
を有する材料で形成されており、空隙４２内には空気や
ヒアルロン酸、あるいは非圧縮性流体が充填されてい
て、外部からの圧力を受けたときに容易に潰れない程度
の弾性が付与されている。

【００８１】この膜において、例えば、（Ｂ）に模式的
に示すように隣り合う電磁石同士が電磁的な引力によっ
て吸引された状態になると、袋体が横方向に圧縮されて
縦方向（表面の法線方向）に引き伸ばされる。そして、
これに伴って表面皮膜４１の膜厚が増して横方向には縮
んだ状態になる。また、隣り合う電磁石同士が電磁的な
斥力によって反発した状態になった場合には、袋体が横
方向に伸張されるので、これに伴って表面皮膜４１の膜
厚が薄くなって横方向に伸びた状態になる。

【００８２】このように、電磁石同士の吸引又は反発に
よって互いの間隔が制御される袋体に対して、その表層
に別の袋体（液胞又は気胞）を設けることで表面皮膜４
１を形成した構造を採用すると、皮膚としての強度を増
すことができ、表皮に微小な凹凸が生じることなく面圧
力を制御することができる。

【００８３】図２５の位置・姿勢制御部３７、微小位置
制御部３８、伸縮状態制御部４０については、コンピュ
ータ等の計算機を用いて構成することができ、その場合
の制御例を図２７、図２８のフローチャート図に示す。

【００８４】図２７のステップＳ１では、先ず、温度や
弾性抵抗、皮膚表面の形状等について初期設定を行う。
尚、このときの設定状態は時間に依らない静的な状態と
しても良いし、また時間軸に沿って変化する動的な状態
であっても良い。

【００８５】次ステップＳ２では各アクチュエータ３６
（触覚呈示装置）においてそれぞれの可動部材が一定の
弾性係数（あるいはバネ定数）でもって動作できるよう
にセットする。尚、この場合の「弾性係数」とは人工皮
膚の表面における法線方向の弾性を表す係数を意味す
る。

【００８６】そして、ステップＳ３ではマニピュレータ
２９を操作して対象物を人工皮膚に接触させた状態（例
えば、ハンド部３５の掌で対象物を撫でた状態等。）と
した後、次ステップＳ４では、接触時の圧力検出位置及
び触覚呈示装置の可動部材の位置についてデータを取得
する。つまり、接触点に２次元直交座標系ｘ−ｙと、可
動部材の移動方向にｚ軸を設定した場合に、ｘ、ｙの座
標値として圧力検出位置及びその場所での圧力値を検出
するとともに、ｚ座標値から可動部材の突出量がどの程
度変化したかを検出することができる。

【００８７】そして、微小な有限時間（これを「Δｔ」
と記す。）の経過後に次ステップＳ５に進むが、接触点
が別の検出ポイントに移動しているので、前ステップＳ
４と同様に、その圧力検出位置及び圧力値並びにそのと
きの可動部材の突出量を検出する。尚、時間「Δｔ」は
サンプリング時間間隔を示しており、時間の経過につれ
て変化することのない一定時間に規定されている（その
後のデータ処理が複雑化しないようにするためであ
る。）。

【００８８】次ステップＳ６に示す条件分岐処理は、図
２８に示すサブルーチン処理（後述する）に進むか否か
を判断するものであるが、ここではステップＳ７に進ん
だとして説明を続行する。

【００８９】ステップＳ７では前ステップＳ４やＳ５で
取得した圧力検出位置（ｘ、ｙ）や可動部材の突出量の
変化（ｚ）をベクトルの成分として変位量を算出する。
表面圧はこの変位量と弾性係数の積によって求められ
る。尚、ｘ軸やｙ軸方向に位置について考慮する理由
は、人体の皮膚を模倣した人工皮膚を作成するためであ
る（例えば、義手等）。つまり、人体の皮膚では、表層
の下に軟部組織が存在するため、これがｚ方向における
弾力とｘ方向、ｙ方向における位置との間にずれを生じ
させる。

【００９０】次ステップＳ８では、前ステップＳ７で算
出したベクトルの成分に基づいて弾性の度合を変位量に
よって表現する（つまり、変位量と弾性係数によって反
力を計算する。）。尚、アクチュエータ３６の可動部材
に係る突出量については許容範囲が決められているた
め、ある限界値を越えて可動部材を押してもそれ以上は
弾性を感じない状態となる（つまり、このときｚ値が一
定値となり、弾性係数は無限大であり、押圧力に対する
反力がそのまま返される。）。

【００９１】図２８は触覚に基づく感情表現処理に関す
るサブルーチン処理の一例を示すものである。

【００９２】図２７のステップＳ６での条件分岐によっ
てステップＳ２７に到達した場合には、接触点での圧力
検出位置（ｘ，ｙ）や方向（Δｘ，Δｙ）、検出圧力
値、ｚ値や部位、速度（Δｘ／Δｔ，Δｙ／Δｔ，Δｚ
／Δｔ）等を含む触覚データを取得する。

【００９３】そして、次ステップＳ１０では、感情の判
断処理に必要な基準データを読み込む。つまり、予め記
憶手段に記憶・学習させておいたパラメータ値あるいは
その範囲を示すデータ（これらは快・不快等の感情表現
用データに関連付けられて記憶されている。）を読み出
して、次ステップＳ１１でこれらを前ステップＳ９で得
たデータと比較する。

【００９４】そして、上記触覚データが、例えば、ロボ
ットの好きな感触に符合する場合には、ステップＳ１２
に進んで喜びの感情表現を行う（顔の表情や身体の動作
に依る。）が、当該データがロボットの嫌いな感触に符
合する場合には、ステップＳ１３に進んで嫌悪や怒り等
の感情表現を行う。

【００９５】尚、皮膚表面に体毛を付設する場合（例え
ば、ペット型ロボット等。）には、図２９（Ａ）に示す
ように、光ファイバー線材や、ナイロン、絹糸、人工毛
髪の材料等で作成した体毛４３を袋体の側面部に差して
接着固定する（その際、袋体に孔が空かないように注意
する。）。

【００９６】そして、図２９（Ｂ）に示すように、電磁
石３、３の吸引力によって袋体２を圧縮すると、これに
よって体毛４３が逆立った状態になる。

【００９７】また、上記した伸縮性膜及び触覚呈示装置
を、遭遇型の力触覚呈示装置において使用する触覚呈示
用ツールに適用すると、多種多様な形状を操作者に呈示
できるので有用である。

【００９８】尚、ここにいう「力触覚呈示装置」には、
対象者に力覚や触覚を付与することが可能な一切の装置
が含まれる。例えば、仮想環境あるいは仮想現実空間に
存在すると仮定される（架空の）対象、又は遠隔世界若
しくは微小世界に実際に存在する対象からの力学的影響
を、操作者に力覚や触覚として呈示するための装置が挙
げられ、これは、操作者が現実にはあり得ない世界や、
距離や大きさの問題あるいは危険な環境であるがために
操作者が実際にその場所に行くことのできない世界等に
ついて間接的な体感を経験できるようにしたものであ
る。

【００９９】また、「遭遇型」とは、被験者の手や指先
に、各種形状の物体あるいはツール（触覚による形状呈
示用の道具）を遭遇させてその感触を伝えることによ
り、被験者の脳裏には、あたかも特定の物体を実際に触
っているかの如き猫像を抱かせるようにした触覚情報の
呈示形態をいう。

【０１００】例えば、対象物の触覚を呈示する場合に
は、当該対象物の形状において凹凸やエッジ、平面の曲
面を触ったかの如き感触が得られるように予め決まった
形状を付与したツールを用意し、当該ツールの位置や姿
勢をロボットアームやマニピュレータ等で制御すること
で操作者の指や手に各種の触覚を呈示することができ
る。つまり、幾つかの平面からなる多面体状のブロック
体と、凸曲面や凹曲面をもつ曲面体とを結合し又は両者
を組み合わせたツールを使用して、操作者にあたかも円
柱の表面を指でなぞっているかのような感触を呈示する
例を想定した場合において、円柱の側面部を指で触って
いるという感触を与えるには、ツールの位置及び姿勢制
御によって曲面体の凸曲面を選んでこの面に操作者の指
を接触させてツールを所定の軸回りに回転させれば良
く、また、円柱の両端面を指で触っているという感触を
与えるには、ツールの位置及び姿勢制御によってブロッ
ク体上の平面を選んで当該面に操作者の指を接触させな
がらツールを直線的に移動させれば良い。

【０１０１】尚、このような３次元的な形状に関する触
覚を呈示するディスプレイ装置としては、特開平８−２
５７９４７号公報に開示されたものが挙げられるが、本
発明を遭遇用ツールに適用するにあたっては、当該ツー
ルの位置や姿勢の制御手段に関してその構成の如何は問
わない。

【０１０２】本発明に係る伸縮性膜及び触覚呈示装置を
触覚呈示用ツール（遭遇用ツール）に用いると、呈示可
能な形状の種類が飛躍的に多くなるので、平面や曲面、
凹凸形状等の少数の組み合せでは表現できない形状を作
り出してこれを操作者に呈示できるようになる。

【０１０３】

【発明の効果】以上に記載したところから明らかなよう
に、請求項１に係る発明によれば、電磁石間の相互作用
によって袋体の伸縮状態を制御することで膜の状態を変
化させることができ、これによって面に凹凸を形成した
り表面圧を自在に操ることができる。よって、膜の伸縮
によって滑らかな曲面を表現することができ、また、膜
厚の変化によって手触りが変わってしまうことがないよ
うに制御できる。そして、把持力を調整できるロボット
ハンドやアクチュエータ等への適用において伸縮性膜の
伸縮により把持面の弾性を変化させることができる。ま
た、触覚呈示用ツールへの適用において、伸縮性膜の伸
縮により多種多様な形状を作り出すことができる。

【０１０４】請求項２や請求項１６に係る発明によれ
ば、隣り合う６つの袋体が１つの六角形状領域をなすよ
うに構成して各袋体を効率的に配列させることができ
る。

【０１０５】請求項３や請求項４に係る発明によれば、
磁性流体とコイル部からなる電磁石を用いることで、膜
の変形に対して柔軟性に富む構成を得ることができる。

【０１０６】請求項５に係る発明によれば、行電極群や
列電極群を構成する配線パターンをマトリックス状に配
置し、各電磁石を構成するコイルの端子を行電極と列電
極にそれぞれ各別に接続することによって、各コイルの
位置指定でその励磁を独立に制御できるので、制御が容
易になる。

【０１０７】請求項６に係る発明によれば、コイルや行
電極、電極を導電性ポリマーで形成することで変形し易
い膜を得ることができる。

【０１０８】請求項７に係る発明によれば、平面板と伸
縮性膜との間に潤滑材を設けることで膜の伸縮時におけ
る摩擦抵抗を低減することができる。

【０１０９】請求項８に係る発明によれば、隣り合う電
磁石間に斥力又は引力を発生させるだけで、伸縮性膜に
凹部や凸部を容易に形成することができる。

【０１１０】請求項９に係る発明によれば、電磁石の励
磁又は非励磁をオン／オフ制御で行うことによって伸縮
性膜の状態を迅速に変化させることができる。

【０１１１】請求項１０に係る発明によれば、電磁石の
励磁状態を段階的又は連続的に制御することによって伸
縮性膜の状態を滑らかに変化させることができる。

【０１１２】請求項１１に係る発明によれば、接触点の
高さを大幅に変化させることなく当該接触点を移動させ
ることができる。

【０１１３】請求項１２に係る発明によれば、基台部に
設けられた多数の可動部材の突出量を変化させるととも
に、これらを伸縮性膜で覆った構成を用いることによっ
て、可動部材から伸縮性膜を通して触覚情報を呈示する
ことができる。

【０１１４】請求項１３に係る発明によれば、各可動部
材に電磁石をそれぞれ付設することによって伸縮性膜の
状態を局所的に制御することができる。

【０１１５】請求項１４に係る発明によれば、各可動部
材に温熱冷却素子をそれぞれ付設することによって伸縮
性膜や呈示面の温度を制御することができる。

【０１１６】請求項１５に係る発明によれば、可動部材
の突出量に応じてこれを覆う伸縮性膜の伸縮状態を可動
部材に付設した電磁石への電流値によって過不足なく制
御することができる。

【０１１７】請求項１７に係る発明によれば、伸縮性膜
が部分的に大きく変化した形状を得ることができる。

【０１１８】請求項１８に係る発明によれば、伸縮性膜
に形成される凹凸状態を急激に変化させることができ
る。

【０１１９】請求項１９に係る発明によれば、電磁石間
に生じる引力又は斥力によって膜の伸縮状態を制御する
ことで皮膚表面の弾性を自在に変化させることができ
る。

【０１２０】請求項２０に係る発明によれば、関節部の
駆動によってその周囲の人工皮膚部分が巻き込まれない
ように防止することができる。

【０１２１】請求項２１や請求項２２に係る発明によれ
ば、伸縮性膜の伸縮によって表面の弾性やハンド部の把
持力を制御することのできるマニピュレータを実現でき
る。

【０１２２】請求項２３に係る発明によれば、可動部を
有するアクチュエータと、伸縮性膜の伸縮制御によって
人工皮膚の表面を詳細に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る伸縮性膜の原理説明のための概略
図である。

【図２】伸縮性膜における袋体の配置について説明する
ための図である。

【図３】六角形状領域を構成する袋体とその断面構造を
示す図である。

【図４】袋体の形成方法に関する説明図である。

【図５】袋体及び電磁石の配置用孔を示すために一部を
切り欠いて示す要部の斜視図である。

【図６】磁性流体の封入方法に関する説明図である。

【図７】図８とともに伸縮性膜の断面構造例を概略的に
示す図である。

【図８】図７とは異なる断面構造例を概略的に示す図で
ある。

【図９】図７のＩＸ−ＩＸ線で切断したコイル部の構成
例を示す概略図であり、（Ａ）は巻線型コイルを示し、
（Ｂ）は積層型コイルを示す。

【図１０】電磁石のコイル配線について説明するための
図である。

【図１１】伸縮性膜の支持について説明するための図で
ある。

【図１２】接触点の移動と伸縮性膜の伸縮状態との関係
についての説明図である。

【図１３】接触点の移動方向及びその逆方向における伸
縮性膜の伸縮状態を模式的に示す図である。

【図１４】触覚呈示装置とその可動部材の先端部を拡大
して示す図である。

【図１５】伸縮性膜の収縮状態における磁極配置を示す
概略図である。

【図１６】伸縮性膜の伸張状態における磁極配置を示す
概略図である。

【図１７】伸縮性膜の一部分が圧縮状態とされ、その周
囲が伸張状態とされた磁極配置を示す概略図である。

【図１８】触覚呈示装置における伸縮性膜の状態及び磁
界強度やセル数の分布について説明するための図であ
る。

【図１９】図２０乃至図２２とともに伸縮性膜及び触覚
呈示装置の制御方法について説明するための図であり、
本図は制御目標となる伸縮性膜の突出状態を示す図であ
る。

【図２０】伸縮性膜の一部分を収縮した状態を示す図で
ある。

【図２１】伸縮性膜とこれに対する触覚呈示装置側の磁
極設定についての説明図である。

【図２２】触覚呈示装置の可動部材を突出させた状態を
概略的に示す図である。

【図２３】マニピュレータとその制御系を示す図であ
る。

【図２４】ハンド部とその制御系を示す図である。

【図２５】制御系の構成例を示す図である。

【図２６】表皮を含む伸縮性膜の構成例を示す図であ
る。

【図２７】制御例を示すフローチャート図である。

【図２８】感情表現処理例を示すフローチャート図であ
る。

【図２９】伸縮性膜に付設した体毛の状態変化について
の説明図である。

【符号の説明】

１…伸縮性膜、２…袋体、３…電磁石、４…六角形状領
域、１２…磁性流体、１３ａ、１３Ａａ、１３Ｂａ…収
容部、１４…コイル部、１９…枠体、２０…平面板、２
１…潤滑材、２４…触覚呈示装置、２５…可動部材、２
５ａ…電磁石、２６…基台部、２９…マニピュレータ、
３０…関節部、３４…人工皮膚装置、３６…アクチュエ
ータ、LL…行電極、RL…列電極

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に凹凸を形成し又は所望の表面圧を
   発生させるための伸縮性膜であって、 内部に流体が封入された多数の袋体と、 上記袋体の間に介在されて隣り合う袋体の間隔を電磁的
   な引力又は斥力によって変化させる多数の電磁石とを備
   え、 隣り合う電磁石の間に働く引力によって上記袋体の間隔
   が狭くなることで、袋体が圧縮され、また、隣り合う電
   磁石の間に働く斥力によって上記袋体の間隔が拡がるこ
   とで袋体が伸張されることを特徴とする伸縮性膜。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の伸縮性膜において、 （イ）袋体が三角柱状をなしており、伸縮性膜の表面に
   直交する方向から見た場合に、隣り合う６つの袋体が１
   つの六角形状領域を構成するように各袋体が配列されて
   いること、 （ロ）上記袋体の間であって上記六角形状領域の頂点位
   置に電磁石が配置されていること、 を特徴とする伸縮性膜。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の伸縮性膜において、 袋体の間に配置された収容部内に封入された磁性流体
   と、該収容部の周囲に配置されたコイル部とによって電
   磁石が構成されていることを特徴とする伸縮性膜。
4. 【請求項４】 請求項２に記載の伸縮性膜において、 袋体の間に配置された収容部内に封入された磁性流体
   と、該収容部の周囲に配置されたコイル部とによって電
   磁石が構成されていることを特徴とする伸縮性膜。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の伸縮性膜において、 多数の行電極からなる行電極群と、多数の列電極からな
   る列電極群とによって配線パターンをマトリックス状に
   配置し、各電磁石を構成するコイルの端子を行電極と列
   電極にそれぞれ各別に接続することによって、各コイル
   の励磁を独立に制御することを特徴とする伸縮性膜。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の伸縮性膜において、 コイル及び該コイルに接続される行電極及び列電極を導
   電性ポリマーで形成したことを特徴とする伸縮性膜。
7. 【請求項７】 請求項１に記載の伸縮性膜において、 多数の袋体のうち最も周縁に位置されたものを枠体に固
   定するとともに、該枠体を平面板に固定し、当該平面板
   と伸縮性膜との間に潤滑材を設けたことを特徴とする伸
   縮性膜。
8. 【請求項８】 内部に流体が封入された多数の袋体と、
   該袋体の間に介在されて隣り合う袋体の間隔を電磁的な
   引力又は斥力によって変化させる多数の電磁石とを備え
   た伸縮性膜の制御方法であって、 隣り合う電磁石間に斥力を発生させることで伸縮性膜に
   凹部を形成し、又は隣り合う電磁石間に引力を発生させ
   ることで伸縮性膜に凸部を形成することを特徴とする伸
   縮性膜の制御方法。
9. 【請求項９】 請求項８に記載した伸縮性膜の制御方法
   であって、 各電磁石の励磁又は非励磁をオン／オフ制御することを
   特徴とする伸縮性膜の制御方法。
10. 【請求項１０】 請求項８に記載した伸縮性膜の制御方
    法であって、 各電磁石の励磁状態を段階的又は連続的に制御すること
    を特徴とする伸縮性膜の制御方法。
11. 【請求項１１】 請求項８に記載した伸縮性膜の制御方
    法であって、 伸縮性膜との接触点に対してこれを平面内で移動させる
    際には、その進行方向の側に位置する袋体については電
    磁石同士の吸引により圧縮状態とし、進行方向とは反対
    側に位置する袋体については電磁石同士の反発により伸
    張状態とすることを特徴とする伸縮性膜の制御方法。
12. 【請求項１２】 表面に凹凸を形成することで触覚情報
    を呈示するために伸縮性膜を用いた触覚呈示装置におい
    て、 （イ）触覚呈示にあたって設定される基準平面内に多数
    配列された可動部材と、当該基準平面に対する法線方向
    に沿って各可動部材をそれぞれ突出させかつその状態を
    保持する機構を備えた基台部が設けられ、該基台部のう
    ち可動部材が突出される方の表面が伸縮性膜によって覆
    われていること、 （ロ）上記伸縮性膜が、その内部に流体が封入された多
    数の袋体と、当該袋体の間に介在されて隣り合う袋体の
    間隔を電磁的な引力又は斥力によって変化させる多数の
    電磁石とを備えており、隣り合う電磁石の間に働く引力
    によって袋体の間隔が狭くなった場合に、表面のほぼ法
    線方向に袋体が引き伸ばされ、また、隣り合う電磁石の
    間に働く斥力によって袋体の間隔が拡がった場合に、表
    面にほぼ沿う方向に袋体が引き伸ばされること、 を特徴とする伸縮性膜を用いた触覚呈示装置。
13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の伸縮性膜を用いた
    触覚呈示装置において、 各可動部材には伸縮性膜に接触される部分に電磁石がそ
    れぞれ付設されていることを特徴とする伸縮性膜を用い
    た触覚呈示装置。
14. 【請求項１４】 請求項１２に記載の伸縮性膜を用いた
    触覚呈示装置において、 各可動部材には伸縮性膜に接触される部分に温熱冷却素
    子がそれぞれ付設されていることを特徴とする伸縮性膜
    を用いた触覚呈示装置。
15. 【請求項１５】 請求項１３に記載の伸縮性膜を用いた
    触覚呈示装置の制御方法であって、 隣り合う可動部材について両者の突出量の差が大きい
    程、その場所での磁界強度が大きくなるように可動部材
    に付設された電磁石の電流値を制御することを特徴とす
    る伸縮性膜を用いた触覚呈示装置の制御方法。
16. 【請求項１６】 請求項１５に記載した触覚呈示装置の
    制御方法において、 伸縮性膜を構成する各袋体が三角柱状をなし、かつ伸縮
    性膜の表面に直交する方向から見た場合に、隣り合う６
    つの袋体が１つの六角形状領域を構成するように各袋体
    を配列させた後、 各袋体の間であって上記六角形状領域の頂点位置に設け
    られた電磁石同士の吸引又は反発によって伸縮性膜の伸
    縮状態を規定することを特徴とする伸縮性膜を用いた触
    覚呈示装置の制御方法。
17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の伸縮性膜を用いた
    触覚呈示装置の制御方法において、 隣り合う可動部材について両者の突出量の差が大きい
    程、その場所に対応する六角形状領域の数が多くなるよ
    うに伸縮性膜を予め伸縮させた状態とし、その後、可動
    部材に付設された電磁石に電流を供給してその電流値を
    制御することにより、当該電磁石と伸縮性膜の電磁石と
    の間に吸引力又は反発力を発生させることを特徴とする
    伸縮性膜を用いた触覚呈示装置の制御方法。
18. 【請求項１８】 請求項１５に記載の伸縮性膜を用いた
    触覚呈示装置の制御方法において、 各可動部材により伸縮性膜を通して形成される凹凸状態
    を急激に変化させる場合には可動部材に付設された電磁
    石への電流供給を遮断することを特徴とする伸縮性膜を
    用いた触覚呈示装置の制御方法。
19. 【請求項１９】 伸縮性膜を用いて表面形状を変化させ
    る人工皮膚装置において、 上記伸縮性膜が、その内部に流体が封入された多数の袋
    体と、当該袋体の間に介在されて隣り合う袋体の間隔を
    電磁的な引力又は斥力によって変化させる多数の電磁石
    とを備えており、隣り合う電磁石の間に働く引力によっ
    て袋体の間隔が狭くなった場合に、表面のほぼ法線方向
    に袋体が引き伸ばされ、また、隣り合う電磁石の間に働
    く斥力によって袋体の間隔が拡がった場合に、表面にほ
    ぼ沿う方向に袋体が引き伸ばされることを特徴とする人
    工皮膚装置。
20. 【請求項２０】 請求項１９に記載した人工皮膚装置の
    制御方法において、 関節構造を有する骨格部の外表面を伸縮性膜で覆った場
    合に、当該伸縮性膜のうち関節部に周囲を被覆する部分
    については、隣り合う電磁石の間に働く斥力によって袋
    体の間隔が拡がることによって袋体が膜の表面に沿う方
    向に伸張された状態とし、かつ、それ以外の部分につい
    ては、隣り合う電磁石の間に働く引力によって袋体の間
    隔が狭くなることで袋体が圧縮された状態となるように
    制御することを特徴とする人工皮膚装置の制御方法。
21. 【請求項２１】 請求項１９に記載した人工皮膚装置に
    よって骨格部の外表面が被覆された ことを特徴とする伸縮性膜を用いたマニピュレータ。
22. 【請求項２２】 請求項２１に記載の伸縮性膜を用いた
    マニピュレータの制御方法であって、 伸縮性膜の伸縮状態を電磁石間に働く引力又は斥力によ
    って変化させて関節部の駆動角度を制御し、関節部の屈
    曲角度が大きいとき程、各袋体がより圧縮した状態とな
    ることを特徴とする伸縮性膜を用いたマニピュレータの
    制御方法。
23. 【請求項２３】 請求項２１に記載の伸縮性膜を用いた
    マニピュレータにおいて、 （イ）可動部が伸縮性膜に接触した状態で設けられたア
    クチュエータが骨格部に取り付けられていること、 （ロ）上記アクチュエータの可動部は、伸縮性膜を押圧
    する方向及びその逆方向に移動できるように配列された
    多数の可動部材から構成されており、各可動部材をそれ
    ぞれ突出させかつその状態を保持する機構を備えた基台
    部が設けられていること、 を特徴とする伸縮性膜を用いたマニピュレータ。