JP2003308141A - 力覚提示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】仮想空間画像に応じて、指に対して力覚を提示
することができる力覚提示装置を提供する。 【解決手段】リアルグローブは、仮想空間に現れている
物体に接触した指の感覚（例えば、質感、形状、強さ等
の接触強度の分布）を発生させるための触覚発生部と、
仮想空間に現れている物体に接触したときに手や指にか
かる力の強さの感覚を発生させるための力覚発生部２２
と、位置姿勢検出部と、制御部と、信号処理部と、信号
送受信部とを有している。力覚発生部２２は、回動可能
に連結された複数のフレーム２２１を備えたリンク機構
と、各フレーム２２１を回動させる複数のリンクモータ
２２２と、手袋２ａに設けられ、フレーム２２１を回動
可能に支持する複数のフレームホルダ２ｂとを有してい
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、力覚提示装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】特開平６−２８２３７１号には、本等の
仮想空間画像が表示され、ユーザ（使用者）が、表示さ
れた仮想の本のページをめくる動作をすると、その動作
に応じて、前記本のページがめくれるように構成された
仮想空間デスクトップ装置が開示されている。

【０００３】しかしながら、前記従来の装置では、ユー
ザは、手や指で本を握ったときの反力などを感じること
ができないため、違和感を感じる。

【０００４】また、本に対して手や指による感触が得ら
れないので、本のページをめくる動作の度に、本の用紙
のエッジに注目して、そのエッジに指を移動させる動作
が必要となり、前記本のページめくりに手間と時間がか
かる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、仮想
空間画像に応じて、指に対して力覚を提示することがで
きる力覚提示装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（１７）の本発明により達成される。

【０００７】（１） 指に装着する装着手段と、指に与
える力覚を発生する力覚発生手段とを有し、仮想空間画
像に応じて、指に対して力覚を提示するよう構成されて
いることを特徴とする力覚提示装置。

【０００８】（２） 仮想空間画像に応じて前記力覚発
生手段の駆動を制御する制御手段を有する上記（１）に
記載の力覚提示装置。

【０００９】（３） 前記力覚発生手段は、指の関節に
対して力覚を与えるよう構成されている上記（１）また
は（２）に記載の力覚提示装置。

【００１０】（４） 前記装着手段は、指の複数の部位
に装着する複数の装着部を有しており、該装着部間の間
隔を調節する調節手段を有する上記（１）ないし（３）
のいずれかに記載の力覚提示装置。

【００１１】（５） 前記力覚発生手段は、前記調節手
段を兼ねる上記（４）に記載の力覚提示装置。

【００１２】（６） 前記力覚発生手段は、リンク機構
を有する上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の力
覚提示装置。

【００１３】（７） 前記力覚発生手段は、回動可能に
連結された複数のフレームを備えたリンク機構と、前記
各フレームを回動させる駆動源とを有し、前記フレーム
の回動により、指の関節に対して力覚を与えるよう構成
されている上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の
力覚提示装置。

【００１４】（８） 前記力覚は、仮想空間画像におけ
る対象物からの反力に対応したものである上記（１）な
いし（７）のいずれかに記載の力覚提示装置。

【００１５】（９） 指の位置を検出する位置検出手段
を有し、該位置検出手段からの情報に基づいて、指に対
して力覚を提示するよう構成されている上記（１）ない
し（８）のいずれかに記載の力覚提示装置。

【００１６】（１０） 信号の送信または受信を行う通
信手段を有する上記（１）ないし（９）のいずれかに記
載の力覚提示装置。

【００１７】（１１） 前記通信手段から送信される信
号に基づいて、前記力覚発生手段が駆動するよう構成さ
れている上記（１０）に記載の力覚提示装置。

【００１８】（１２） 仮想空間画像を作成する画像作
成手段を有する上記（１）ないし（１１）のいずれかに
記載の力覚提示装置。

【００１９】（１３） 前記画像作成手段は、指の動き
に応じて仮想空間画像を更新するよう構成されている上
記（１２）に記載の力覚提示装置。

【００２０】（１４） 前記画像作成手段に対して信号
の送信または受信を行う通信手段を有する上記（１２）
または（１３）に記載の力覚提示装置。

【００２１】（１５） 仮想空間画像を表示する表示手
段を有する上記（１）ないし（１４）のいずれかに記載
の力覚提示装置。

【００２２】（１６） 前記表示手段は、顔面に装着し
て使用するものである上記（１５）に記載の力覚提示装
置。

【００２３】（１７） 前記表示手段に対して信号の送
信または受信を行う通信手段を有する上記（１５）また
は（１６）に記載の力覚提示装置。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の力覚提示装置を添
付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。

【００２５】図１は、本発明の力覚提示装置の実施形態
およびその力覚提示装置を有する触覚・力覚提示システ
ムの構成例を示す概念図、図２は、図１に示すリアルグ
ローブの回路構成例を示すブロック図である。図３は、
図１に示すリアルグローブの外観構成例を示す外観図
（一部図示を省略）である。

【００２６】図１に示すように、触覚・力覚提示システ
ム１は、ユーザ（使用者）の手（指）に装着され、装着
された手や各指に対して触覚（触った感覚、例えば、質
感、形状、強さ等の接触強度の分布）や力覚（触ったと
きに加わる力の感覚）を与える一対のリアルグローブ
（データグローブ）２０、２０と、仮想空間画像（仮想
空間映像）を表示する仮想空間表示装置（表示手段）５
と、情報処理装置８と、仮想空間画像を作成し、仮想空
間画像を用いた各種のサービスを提供する基地局９とを
備えている。

【００２７】各リアルグローブ２０、仮想空間表示装置
５、情報処理装置８および基地局９は、それぞれ、無線
で信号の送信および受信（無線通信）を行うことができ
る無線通信機能（無線通信手段）を有しており、情報処
理装置８と、各リアルグローブ２０、仮想空間表示装置
５および基地局９との間で、それぞれ、通信を行うこと
ができるようになっている。

【００２８】この触覚・力覚提示システム１は、基地局
９、仮想空間表示装置５および各リアルグローブ２０か
ら供給された情報にもとづいて情報処理装置８によって
作成（生成）された仮想空間画像を仮想空間表示装置５
に表示し、リアルグローブ２０を装着した手や指を動作
させることによってその手や指が仮想空間に表示された
物体に仮想的に接触した場合等に、その様子を仮想空間
表示装置５に表示するとともに、接触したときの触覚や
力覚をリアルグローブ２０を装着した手や各指に与える
ための各処理を行う。

【００２９】情報処理装置８は、例えば、携帯電話端
末、無線通信機能を有するパーソナルコンピュータ、Ｐ
ＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓ
ｔａｎｔｓ）と呼ばれる携帯型情報機器などの、無線通
信機能および制御機能（制御手段）を備えた各種の装置
により構成される。

【００３０】また、基地局９は、例えば、インターネッ
ト上に設けられているインターネットサーバなどの、仮
想空間画像に関する情報を提供する各種の装置により構
成される。

【００３１】なお、本実施形態では、各リアルグローブ
２０、仮想空間表示装置５、情報処理装置８および基地
局９が無線通信機能を有する構成としているが、例え
ば、その一部またはすべてが有線通信を行う構成とされ
ていてもよい。

【００３２】また、情報処理装置８が、基地局９の機能
の一部またはすべてを有していてもよい。

【００３３】また、リアルグローブ２０が、仮想空間表
示装置５、情報処理装置８および基地局９の機能の一部
またはすべてを有していてもよい。

【００３４】ここで、力覚提示装置（触覚・力覚提示装
置）２は、本実施形態では、一対のリアルグローブ２
０、２０、すなわち、ユーザの左手に装着される左手用
のリアルグローブ２０と、ユーザの右手に装着される右
手用のリアルグローブ２０とで構成されている。以下の
説明では、代表的に一方のリアルグローブ２０を説明す
る。

【００３５】なお、本発明では、力覚提示装置２は、一
方のリアルグローブ２０で構成されていてもよい。

【００３６】また、本発明では、力覚提示装置２は、リ
アルグローブ２０の他に、仮想空間表示装置５、情報処
理装置８および基地局９のうちの、いずれか１つ、また
は、２つ、または、すべてを有していてもよい。この場
合、力覚提示装置２は、それらの有する機能の一部を有
していてもよく、また、すべてを有していてもよい。

【００３７】図２に示すように、リアルグローブ２０
は、仮想空間に現れている（仮想空間画像上の）物体
（対象物）に接触した指の感覚（例えば、質感、形状、
強さ等の接触強度の分布）を発生させるための触覚発生
部（触覚発生手段）２１と、仮想空間に現れている物体
に接触したときに手や指にかかる力の強さの感覚を発生
させるための力覚発生部（力覚発生手段）２２と、リア
ルグローブ２０の各部の位置（リアルグローブ２０を装
着した手、手首、腕、指等の各部の位置）を検出する位
置姿勢検出部２３と、リアルグローブ２０の各部を制御
する制御部２４と、情報処理装置８に送信するための信
号の増幅等の信号処理を行う信号処理部２５と、情報処
理装置８との間で無線通信を行うための信号送受信部２
６とを有している。

【００３８】また、図３に示すように、リアルグローブ
２０の全体形状は、略長手袋状（手袋状）をなしてい
る。すなわち、リアルグローブ２０は、その装着者（ユ
ーザ）の指から腕の肘近傍まで装着する（比較的長い）
手袋（装着手段）２ａを有している。

【００３９】手袋２ａには、手や腕に装着されたその手
袋２ａを肘方向（基端側）に引っ張った状態で保持する
ことで指先に遊びができてしまうのを防止するストッパ
２７と、手首部分を固定するためのストッパ２８と、腕
でのねじれを吸収するねじれ吸収部２９とが、それぞれ
形成されている。

【００４０】ストッパ２７、２８は、それぞれ、例え
ば、各種ゴム等の弾性体で形成される。

【００４１】また、ねじれ吸収部２９は、例えば、伸縮
性のある材料で構成された布等の伸縮性のある部材で形
成される。このねじれ吸収部２９は、本実施形態では、
３本の伸縮性のある帯状の部材で構成されている。

【００４２】また、手袋２ａの各指の背側の関節に対応
する部分には、それぞれ、開口２１ａが形成されてい
る。

【００４３】なお、リアルグローブ２０には、ねじれ吸
収部２９よりも肘方向に位置する部分に、制御部２４、
電力供給部３０、動力発生部２１１などが設けられてい
る。

【００４４】触覚発生部２１の主要部は、ユーザがリア
ルグローブ２０を装着したときに、ユーザの各指の第１
関節（末節骨と中節骨との間の関節）から先の指先部分
を覆う位置にそれぞれ設けられている。なお、各触覚発
生部２１の構成および作用は、ほぼ同様であるので、以
下、代表的に、そのうちの１つについて説明する。

【００４５】図４は、触覚発生部２１の構成例を示す縦
断面図である。なお、図が煩雑になるのを避けるため、
図中、一部、部材の厚みを省略して図示する。

【００４６】触覚発生部２１は、図４（Ａ）に示すよう
に、動力発生部２１１と、アクチュエータワイヤ２１２
と、アクチュエータワイヤ２１２の一端を保持するワイ
ヤ保持部２１３と、触覚を発生させるために指腹を押圧
する触覚提示ピン２１４と、触覚提示ピン２１４を支持
する触覚提示ピン支持部２１５とで構成される複数の単
位触覚発生部２１０を有している。

【００４７】動力発生部２１１は、例えば、制御部２４
からの制御信号に応じて内部に備えるモータ（駆動源）
を回転駆動し、そのモータの回転駆動によってアクチュ
エータワイヤ２１２を巻き取る処理を行う。制御部２４
は、情報処理装置８からの指示に従って、モータの回転
駆動が所定のトルクで所定時間なされるように動力発生
部２１１を制御する。動力発生部２１１は、情報処理装
置８からの指示に従ってモータに回転動力を与えること
で、アクチュエータワイヤ２１２を所定の長さ巻き取る
処理を行う。

【００４８】ワイヤ保持部２１３は、図４（Ａ）に示す
ように、この実施形態では指の第１間接の近傍でアクチ
ュエータワイヤ２１２の一端（終端）を保持する。この
ワイヤ保持部２１３は、例えばゴムやバネなどの弾性を
有する部材（弾性体）により構成される。

【００４９】従って、動力発生部２１１のモータ駆動に
よりアクチュエータワイヤ２１２が巻き取られ、そのア
クチュエータワイヤ２１２が図４（Ａ）中の時計回りに
移動すると、それに伴ってワイヤ保持部２１３が伸張す
る。そして、動力発生部２１１のモータ駆動が停止する
と、ワイヤ保持部２１３が復元力（弾性力）によって収
縮し、これにより、巻き取られていたアクチュエータワ
イヤ２１２が引き出され、図４（Ａ）中の反時計回りに
移動する。

【００５０】触覚提示ピン２１４は、ユーザの指腹に接
触感覚（接触の有無や強さ等）を与えるために用いら
れ、指腹に接触する部分である微少な接触板２１４ａ
と、接触板２１４ａを支持する支持部２１４ｂとで構成
される。支持部２１４ｂは、その一端がアクチュエータ
ワイヤ２１２に固定され、その他端に接触板２１４ａが
設けられている。

【００５１】この実施形態では、図４（Ａ）に示すよう
に、リアルグローブ２０の手袋２ａは、指先を装着する
（覆う）装着部が２重構造（例えば布などの部材を２枚
重ね合わせて、重ね合わせた２枚の部材の間に何らかの
部材が収納し得るような構造）になっており、指先を覆
っている部分の内部（２重構造の内部）に、前記アクチ
ュエータワイヤ２１２の一部、ワイヤ保持部２１３およ
び支持部２１４ｂと、触覚提示ピン２１４のアクチュエ
ータワイヤ２１２の移動方向への移動を規制する触覚提
示ピン支持部２１５とが設けられている。そして、指が
収納される手袋２ａ内に、支持部２１４ｂの一端側が突
出し、接触板２１４ａが位置している。

【００５２】この実施形態では、その接触板２１４ａ
は、リアルグローブ２０を装着した手の指先に常に接触
した状態となっている。

【００５３】図４（Ａ）では、説明を簡単にするため、
１つの単位触覚発生部２１０（１つの触覚提示ピン２１
４）が代表して示されているが、実際には、触覚発生部
２１には、複数の触覚提示ピン２１４が、例えば行列状
（マトリックス状）に配置されている。そして、各触覚
提示ピン２１４の前後には、それぞれ、その触覚提示ピ
ン２１４の支持部２１４ｂのアクチュエータワイヤ２１
２の移動方向への移動を規制する触覚提示ピン支持部２
１５が設けられている。

【００５４】次に、触覚発生部２１による触覚発生動作
について説明する。ユーザがリアルグローブ２０を装着
し、手や指を動かすことによって仮想空間に現れている
物体（仮想物体）、すなわち対象物に、その指先が仮想
的に接触すると、情報処理装置８は、実際に接触があっ
たとした場合の押圧力を計算し、その計算結果にもとづ
いて動力発生部２１１のＰＷＭデータ（例えば、モータ
を回転させるための励磁パターンを示すデータ）に変換
する。

【００５５】この場合、前記仮想空間（３次元空間）に
おいて、予め、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸、
すなわちＸ−Ｙ−Ｚ座標（３次元座標）が想定されてお
り、前記物体の座標と、前記ユーザの指先の座標との一
致を検出し、その一致が検出されると、物体の前記座標
に相当する部位とユーザの指先の前記座標に相当する部
位とが接触したと判別する。ユーザの指先の座標は、後
述する位置姿勢検出部２３から信号送受信部２６を介し
て情報処理装置８に送信される信号（情報）に基づいて
導出される。

【００５６】次いで、情報処理装置８は、導出したＰＷ
Ｍデータと、実際に接触があったとした場合の接触位置
に押圧力を与える接触板２１４ａを動作させる動力発生
部２１１を特定（指定）するためのデータとを、リアル
グローブ２０に送信する。リアルグローブ２０は、受信
したＰＷＭデータに応じて、指定された動力発生部２１
１を駆動し、アクチュエータワイヤ２１２を巻き取る。

【００５７】アクチュエータワイヤ２１２が巻き取られ
ると、指腹に配されているアクチュエータワイヤ２１２
が指の先端方向に向けて移動し、図４（Ｂ）に示すよう
に、アクチュエータワイヤ２１２に取付固定されている
触覚提示ピン２１４も、指の先端方向に向けて移動す
る。

【００５８】この際、図４（Ｃ）に示すように、触覚提
示ピン２１４は、触覚提示ピン支持部２１５によって指
の先端方向への移動が制限されるとともに、触覚提示ピ
ン支持部２１５にガイドされて、図４（Ｃ）中上側へ移
動する。すなわち、触覚提示ピン２１４の接触板２１４
ａが指の表面に対しほぼ垂直上方に移動する。触覚提示
ピン２１４の支持部２１４ｂは、待機時には、図４
（Ｂ）に示すように、垂直方向から指の先端方向に傾斜
しており、前記接触板２１４ａがほぼ垂直上方に移動し
ようとする力が働くことで、その接触板２１４ａが指腹
をほぼ垂直方向へ押圧し、これにより、ユーザの手の指
腹に押圧力を与える。

【００５９】この動作が、複数の単位触覚発生部２１０
のうちの指定された単位触覚発生部２１０でなされ、こ
れにより、ユーザの手の指腹に触覚が提示される（与え
られる）。

【００６０】このような触覚発生部２１によれば、指腹
に対してほぼ平行にアクチュエータワイヤ２１２を配置
し、そのアクチュエータワイヤ２１２を巻き取ることに
よって指腹に対してほぼ垂直な力を与えるようになって
いるので、触覚を与えるための機構を薄くすることがで
き、これにより、リアルグローブ２０の指腹側の厚みを
極力抑えることができる。

【００６１】図５および図６は、それぞれ、力覚発生部
２２の構成例を示す外観図である。なお、図５は、フレ
ームカバーが取り外された状態を示す。

【００６２】図５に示すように、力覚発生部２２は、リ
アルグローブ２０を装着したときのユーザの各指の背側
に設けられている。なお、力覚発生部２２の構成および
作用は、ほぼ同様であるので、以下、代表的に、そのう
ちの１つについて説明する。

【００６３】力覚発生部２２は、回動可能に連結された
複数（本実施形態では６つ）のフレーム２２１を備えた
リンク機構と、各フレーム２２１を回動させる複数（本
実施形態では７つ）のリンクモータ（駆動源）２２２
と、手袋２ａに設けられた複数（本実施形態では４つ）
のフレームホルダ２ｂとを有している。

【００６４】前記フレームホルダ２ｂは、ユーザがリア
ルグローブ２０を装着したとき、ユーザの指の第１関節
より先端側に位置する装着部と、第１関節と第２関節
（中節骨と基節骨との間の関節）との間に位置する装着
部と、第２関節と第３関節との間に位置する装着部と、
第３関節（基節骨と中手骨との間の関節）より基端側に
位置する装着部とに、それぞれ、設けられている。

【００６５】リンク機構は、前記フレームホルダ２ｂに
よって、手袋２ａの、リアルグローブ２０を装着したと
きのユーザの指の背側に取り付けられている。

【００６６】すなわち、リンク機構の先端側（図５中右
側）の端部のフレーム２２１は、ユーザがリアルグロー
ブ２０を装着したときに、ユーザの指の第１関節より先
端側の部位にその端部が位置するように配置され、この
フレーム２２１の先端部は、フレームホルダ２ｂに対
し、回動可能に設置されている。

【００６７】また、リンク機構の基端側（図５中左側）
の端部のフレーム２２１は、ユーザがリアルグローブ２
０を装着したときに、ユーザの指の第３関節より基端側
の部位にその端部が位置するように配置され、このフレ
ーム２２１の基端部は、フレームホルダ２ｂに対し、回
動可能に設置されている。

【００６８】また、リンク機構の残りの各フレーム２２
１は、ユーザがリアルグローブ２０を装着したときに、
ユーザの指の第１関節と第２関節との間の部位と、第２
関節と第３関節との間の部位とに、フレーム連結部が１
つおきに位置するように配置され、この１つおきのフレ
ーム連結部において、フレームホルダ２ｂに対し、回動
可能に設置されている。

【００６９】各リンクモータ２２２の駆動力（回転力）
は、それぞれ、図示しない動力伝達部を介して、対応す
るフレーム２２１に伝達される。すなわち、リンクモー
タ２２２が所定方向に回転駆動すると、対応するフレー
ム２２１は、所定方向に回動し、これにより、フレーム
２２１の角度が変更（調整）される。

【００７０】なお、図５には、前述したアクチュエータ
ワイヤ２１２の束２１２ａが示されている。

【００７１】力覚発生部２２の各フレーム２２１や各リ
ンクモータ２２２は、それぞれ、図６に示すように、例
えば布製のフレームカバー２ｃの中に収納されている。

【００７２】また、図６に示すように、フレームカバー
２ｃの内側には、手や指の所定の部位の位置および姿勢
を検出する複数（本実施形態では４つ）の位置姿勢検出
部（位置検出手段）２３が設置されている。各位置姿勢
検出部２３は、それぞれ、位置および姿勢を検出する部
位（検出位置）に対して一定の位置関係を保持し得るよ
うに設けられている。

【００７３】すなわち、各位置姿勢検出部２３は、それ
ぞれ、この実施形態では、フレームホルダ２ｂが設けら
れている位置に固定されている各リンクモータ２２２に
取付固定されている。従って、各位置姿勢検出部２３が
設けられている部位と、ユーザの手のひら側の所定の部
位との位置関係は、一定に保たれる。よって、位置姿勢
検出部２３が自己の位置や姿勢を検出することによっ
て、ユーザの手の平側の所定の部位の位置や姿勢を容易
かつ正確に導出することができる。

【００７４】また、各位置姿勢検出部２３は、それぞ
れ、手の甲側に配置されているので、リアルグローブ２
０の指腹側の厚みを極力抑えることができる。

【００７５】また、図３に示すように、位置姿勢検出部
２３は、ユーザがリアルグローブ２０を装着したとき、
リアルグローブ２０の腕の基端側の部位に相当する位置
にも設置されている。

【００７６】これら位置姿勢検出部２３により、リアル
グローブ２０を装着した各指、手、手首、腕などの各部
の位置および姿勢を確実に把握することができる。

【００７７】次に、力覚発生部２２による力覚発生動作
について説明する。ユーザがリアルグローブ２０を装着
し、手や指を動かすことによって仮想空間に現されてい
る物体（仮想物体）、すなわち対象物に、その手や指が
仮想的に接触すると、情報処理装置８は、実際に接触が
あった場合の前記物体から指（指の各関節）への反力を
計算し、その計算結果にもとづいて各リンクモータ２２
２のＰＷＭデータ（例えば、リンクモータ２２２を回転
させるための励磁パターンを示すデータ）に変換する。

【００７８】前記物体とユーザの手や指との接触の判別
は、前記触覚発生部２１の場合と同様である。

【００７９】情報処理装置８は、導出した各ＰＷＭデー
タと、駆動させる各リンクモータ２２２を示すデータと
をリアルグローブ２０に送信する。リアルグローブ２０
は、受信したデータに応じて、指定された各リンクモー
タ２２２を所定方向に回転駆動し、対応する各フレーム
２２１を所定方向に回動させ、各フレーム２２１の角度
を調整、すなわち、リンク機構の両端部のフレーム２２
１の角度および各フレーム連結部の角度をそれぞれ調整
する。

【００８０】このフレーム２２１の角度調整により、所
定のフレームホルダ２ｂにそれぞれ所定の大きさの力が
加わり、これにより、前記仮想空間に現されている物体
からの反力に対応する力がユーザの指の各関節に与えら
れる。すなわち、指の各関節に対して力覚が提示される
（与えられる）。

【００８１】ここで、この力覚発生部２２は、指の複数
の部位に装着する複数の装着部間の間隔を調節する機能
を有している（調節手段を兼ねている）。

【００８２】例えば、図５に示すように、所定のフレー
ム２２１を回動させ、フレーム２２１の角度を調整する
ことにより、各フレームホルダ２ｂ間の間隔を長くした
り、または、短くしたりすることができる。

【００８３】図７は、位置姿勢検出部２３の構成例を示
すブロック図である。位置姿勢検出部２３には、本実施
形態では、直交コイル式（直交コイル型）の位置センサ
が用いられる。すなわち、位置姿勢検出部２３は、図７
に示すように、Ｘ方向検出コイル２３１と、Ｙ方向検出
コイル２３２と、Ｚ方向検出コイル２３３とで構成され
る。なお、Ｘ方向と、Ｙ方向と、Ｚ方向とは、互いに直
交している。

【００８４】一方、情報処理装置８には、磁界を発生す
る図示しない磁界発生部が設けられている。この磁界発
生部には、例えば、前記位置姿勢検出部２３とほぼ同じ
構成のもの、すなわち、直交コイル式（直交コイル型）
の磁界発生器（Ｘ方向コイル、Ｙ方向コイル、Ｚ方向コ
イル）が用いられる。

【００８５】磁界発生部で発生した磁界は、位置姿勢検
出部２３で検出される。この場合、磁界発生部のＸ方向
コイル、Ｙ方向コイルおよびＺ方向コイルから、順次、
磁界を発生し、それぞれを、位置姿勢検出部２３のＸ方
向検出コイル２３１、Ｙ方向検出コイル２３２およびＺ
方向検出コイル２３３の３つのコイルで検出する。

【００８６】位置姿勢検出部２３によってＸＹＺ各方向
について検出された各信号（検出データ）は、それぞ
れ、信号処理部２５の増幅部２５１にて増幅され、Ａ／
Ｄ変換部２５２にてデジタル信号に変換された後、図２
に示す信号送受信部２６に出力され、この信号送受信部
２６により情報処理装置８に送信される。

【００８７】情報処理装置８では、前記信号を受信し、
その信号（情報）に基づいて、リアルグローブ２０を装
着した各指、手、手首、腕などの各部の位置および姿勢
を導出し、その情報を所定の各処理において利用する。

【００８８】仮想空間表示装置５には、この実施形態で
は、顔面に装着して使用する形態のもの、すなわち、Ｈ
ＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）と呼ばれる眼鏡状
の装置が用いられる。

【００８９】図８は、仮想空間表示装置５の外観構成例
を示す斜視図、図９は、仮想空間表示装置５の回路構成
例を示すブロック図である。

【００９０】仮想空間表示装置５は、装着者（ユーザ）
に対して仮想空間画像を表示する画像表示部５１ａ、５
１ｂと、装着者の視線を検出する視線検出部５２ａ、５
２ｂと、周囲の画像（映像）を取り込む凹凸入力部５３
ａ、５３ｂと、装置全体の制御を行う制御部５４と、信
号送受信部５５と、位置姿勢検出部（位置検出手段）５
６と、装着部５７と、信号処理部５８とを備えている。

【００９１】図１０は、仮想空間表示装置５の凹凸入力
部５３ａの構成例を示す図（ブロック図、模式図）であ
る。

【００９２】凹凸入力部５３ａは、レンズ５３１と、Ｃ
ＣＤ（撮像素子）５３２と、ＣＣＤ制御部５３３と、Ｃ
ＣＤ出力増幅部５３４とを有している。

【００９３】レンズ５３１に入射した光（光束）は、そ
のレンズ５３１により、ＣＣＤ５３２の受光面（撮像
面）上に導かれて結像し、その被写体像（周囲の像）
は、ＣＣＤ５３２により撮像される。このＣＣＤ５３２
の駆動は、ＣＣＤ制御部５３３により制御される。

【００９４】ＣＣＤ５３２から出力された信号は、ＣＣ
Ｄ出力増幅部５３４で増幅され、その後、凹凸入力部５
３ａから出力され、図９に示す信号処理部５８に入力さ
れ、所定の信号処理がなされ、信号送受信部５５により
情報処理装置８に送信される。

【００９５】なお、凹凸入力部５３ｂの構成および作用
は、前記凹凸入力部５３ａと同様であるので、その説明
は、省略する。

【００９６】図１１は、仮想空間表示装置５の画像表示
部５１ａの構成例を示す図（ブロック図、模式図）であ
る。

【００９７】画像表示部５１ａは、レンズ５１１と、レ
ンズ５１１を移動させるレンズ移動機構５１２と、ステ
ッピングモータ５１３と、モータ制御部５１４と、図示
しないカラーフィルタを備えた液晶表示パネル５１５
と、液晶駆動部５１６と、バックライト５１７と、バッ
クライト制御部５１８と、トランジスタ５１９とを有し
ている。

【００９８】画像表示部５１ａにおいて仮想空間画像を
表示する際は、バックライト制御部５１８の制御によ
り、トランジスタ５１９がオンし、バックライト５１７
が駆動し、バックライト５１７から液晶表示パネル５１
５へ光が照射される。

【００９９】そして、液晶駆動部５１６は、表示信号
（画像データ）に基づいて、液晶表示パネル５１５の駆
動を制御し、これにより、液晶表示パネル５１５に仮想
空間画像が表示される。

【０１００】装着者は、レンズ５１１および後述する視
線検出部５２ａのハーフミラー５２１を介し、この液晶
表示パネル５１５に表示された仮想空間画像を視認する
ことができる。

【０１０１】ステッピングモータ５１３の駆動は、モー
タ制御部５１４により制御され、そのステッピングモー
タ５１３が所定方向に回転すると、レンズ移動機構５１
２により、レンズ５１１は、液晶表示パネル５１５に接
近する方向、すなわち、装着者の目から離間する方向へ
移動する。

【０１０２】また、ステッピングモータ５１３が前記と
逆方向に回転すると、レンズ移動機構５１２により、レ
ンズ５１１は、液晶表示パネル５１５から離間する方
向、すなわち、装着者の目に接近する方向へ移動する。

【０１０３】このレンズ５１１の位置の変更により、前
記仮想空間画像の遠近を変更することができる。

【０１０４】このレンズ５１１の位置の調整、すなわ
ち、前記仮想空間画像の遠近の調整は、後述する視線検
出部５２ａ、５２ｂで検出される装着者の視線の情報に
基づいてなされる。

【０１０５】なお、画像表示部５１ｂの構成および作用
は、前記画像表示部５１ａと同様であるので、その説明
は、省略する。

【０１０６】視線検出部５２ａ、５２ｂは、装着者の視
線がどの方向にあるか（仮想空間画像のどこに焦点を合
せようとしているか）を検出する機能と、セキュリティ
情報として利用するための装着者の眼の虹彩パターンを
読み取る機能とを有している。

【０１０７】図１２は、仮想空間表示装置５の視線検出
部５２ａの構成例を示す図（ブロック図、模式図）であ
る。

【０１０８】視線検出部５２ａは、ハーフミラー５２１
と、可視光を除去し、赤外光を透過させるフィルタ５２
２と、レンズ５２３と、ＣＣＤ（撮像素子）５２４と、
ＣＣＤ制御部５２５と、ＣＣＤ出力増幅部５２６と、赤
外光を発するＬＥＤ（発光ダイオード）５２７と、ＬＥ
Ｄ制御部５２８と、トランジスタ５２９とを有してい
る。

【０１０９】ＬＥＤ５２７の駆動は、ＬＥＤ制御部５２
８により制御され、そのＬＥＤ制御部５２８の制御によ
りトランジスタ５１９がオンすると、ＬＥＤ５２７が駆
動し、ＬＥＤ５２７から赤外光が発せられる。

【０１１０】ＬＥＤ５２７から発せられた赤外光は、フ
ィルタ５２２を透過し、ハーフミラー５２１でその一部
が反射して、装着者の目に照射される。

【０１１１】そして、装着者の目からの反射光（光束）
は、ハーフミラー５２１でその一部が反射して、フィル
タ５２２を透過し、レンズ５２３により、ＣＣＤ５２４
の受光面（撮像面）上に導かれて結像し、その被写体像
（装着者の目の像）は、ＣＣＤ５２４により撮像され
る。このＣＣＤ５２４の駆動は、ＣＣＤ制御部５２５に
より制御される。

【０１１２】ＣＣＤ５２４から出力された信号は、ＣＣ
Ｄ出力増幅部５２６で増幅され、その後、視線検出部５
２ａから出力され、図９に示す信号処理部５８に入力さ
れ、所定の信号処理がなされ、信号送受信部５５により
情報処理装置８に送信される。

【０１１３】情報処理装置８では、前記信号を受信し、
その信号（情報）に基づいて、装着者の視線がどの方向
にあるか（仮想空間画像のどこに焦点を合せようとして
いるか）を検出するとともに、装着者の眼の虹彩パター
ンを読み取り、解析し、セキュリティ情報として利用す
る。

【０１１４】一方、レンズ５２３側からフィルタ５２２
へ入射する可視光は、フィルタ５２２で除去され、その
可視光が装着者の目に照射されてしまうのを阻止するこ
とができる。これにより、液晶表示パネル５１５に表示
された仮想空間画像の視認性の低下を防止することがで
きる。

【０１１５】なお、視線検出部５２ｂの構成および作用
は、前記視線検出部５２ａと同様であるので、その説明
は、省略する。

【０１１６】この仮想空間表示装置５は、２台の画像取
込装置（撮像手段）、すなわち、前記凹凸入力部５３
ａ、５３ｂによって周囲の画像を撮像して取り込み、情
報処理装置８に対して撮像した画像データ（映像デー
タ）を送信する。

【０１１７】情報処理装置８は、凹凸入力部５３ａ、５
３ｂにて撮像された画像、すなわち撮像された画像デー
タから視角差を導出し、その視角差等から得られる周囲
の凹凸にもとづいて、仮想空間画像、すなわち仮想空間
の画像データを作成する。そして、情報処理装置８は、
作成した仮想空間の画像（映像）と、例えば、仮想壁紙
や仮想パーソナルコンピュータや仮想本などの所定の仮
想物体を周囲の凹凸に合わせて仮想空間に配置するため
の画像とを合成した合成画像（合成映像）を示す画像デ
ータ（映像データ）を仮想空間表示装置５に送信する。

【０１１８】仮想空間表示装置５は、情報処理装置８か
らの画像データにもとづいて、その画像を画像表示部５
１ａ、５１ｂを用いて表示する。

【０１１９】また、仮想空間表示装置５は、装着されて
いるリアルグローブ２０、すなわち、ユーザの手や腕が
画像表示部５１ａ、５１ｂにより表示されている画像の
領域内に入っている場合には、その手や腕に対応する画
像も、画像表示部５１ａ、５１ｂに表示する。

【０１２０】この場合、前述したように、リアルグロー
ブ２０に設けられている複数の位置姿勢検出部２３の検
出データが情報処理装置８に送信されることで、リアル
グローブ２０の位置および姿勢、すなわち、ユーザの各
指、手、手首、腕等は情報処理装置８にて認識される。
すなわち、情報処理装置８は、逐一、リアルグローブ２
０からの前記検出データにもとづいて、ユーザの各指、
手、手首、腕等の位置および姿勢を特定し、それらが画
像表示部５１ａ、５１ｂにより表示されている画像の領
域内に入っている場合には、それらを示す仮想空間画像
を作成し、その画像を基礎の画像に合成して、合成画像
（合成画像の画像データ）を得、その画像データを仮想
空間表示装置５に送信する。

【０１２１】従って、ユーザの手や腕が画像表示部５１
ａ、５１ｂにより表示されている画像の領域内に入って
いる場合には、その手や腕に対応する画像が、画像表示
部５１ａ、５１ｂに表示される。

【０１２２】そして、リアルグローブ２０を装着した手
や指の実際の動作に連動し、画像表示部５１ａ、５１ｂ
に表示されている仮想空間画像においてその手や指が動
く。

【０１２３】位置姿勢検出部５６は、仮想空間表示装置
５の位置および姿勢、すなわち、装着者の顔面（頭部）
の位置および姿勢を検出するためのセンサである。この
位置姿勢検出部５６には、本実施形態では、直交コイル
式の位置センサ、すなわち、前記位置姿勢検出部２３と
同様のものが用いられる。

【０１２４】位置姿勢検出部５６からの信号（検出デー
タ）は、信号処理部５８に入力され、所定の信号処理が
なされ、信号送受信部５５により逐一情報処理装置８に
送信される。情報処理装置８は、この検出データに基づ
いて、逐一仮想空間画像を更新する。

【０１２５】従って、例えば仮想空間表示装置５を装着
したユーザが首を動かした場合には、画像表示部５１
ａ、５１ｂに表示される仮想空間画像は、ユーザが向い
ている方向に合致した画像となるように変化する。

【０１２６】次に、触覚・力覚提示システム１の動作
（作用）について説明する。ここでは、ユーザが、触覚
・力覚提示システム１を利用して、仮想空間に現れてい
る仮想パーソナルコンピュータの操作を行う場合を例に
説明する。

【０１２７】ユーザは、各部の電源を入れ、リアルグロ
ーブ２０を両手にそれぞれ装着し、眼鏡状の仮想空間表
示装置５をかける（顔面に装着する）。すると、仮想空
間表示装置５の画像表示部５１ａ、５１ｂに、仮想パー
ソナルコンピュータを含む仮想空間画像が表示される。

【０１２８】また、ユーザの腕が画像表示部５１ａ、５
１ｂで表示されている仮想空間画像内に入るようにすれ
ば、情報処理装置８にて作成されたその手や腕の画像が
仮想空間画像に仮想物体として表示される。そして、ユ
ーザが手や指を動かした場合には、その実際の手や指の
動きに連動して、仮想空間画像において、表示されてい
る手や指が動く。

【０１２９】情報処理装置８は、仮想空間画像における
対象物、すなわち本実施形態では、例えば、仮想パーソ
ナルコンピュータの一部（例えばキーボード）と、ユー
ザの指の一部が同一座標となったことを検出すると、リ
アルグローブ２０に対して、触覚および力覚を発生させ
るための指示を行う。具体的には、リアルグローブ２０
に対して、駆動させる動力発生部２１１およびその駆動
に用いるＰＷＭデータや、駆動させるリンクモータ２２
２およびその駆動に用いるＰＷＭデータなどを送信す
る。

【０１３０】リアルグローブ２０は、情報処理装置８か
らの指示に従って、指定された各動作発生部２１１を、
それぞれ、指定されたトルクで指定された時間だけＰＷ
Ｍ制御により駆動する。これにより、仮想パーソナルコ
ンピュータの一部と同一座標となった部分に配置されて
いる各触覚提示ピン２１４の接触板２１４ａが突出し、
仮想パーソナルコンピュータの一部と同一座標となった
ユーザの各指先に対して触覚が与えられる。すなわち、
各指先に、接触感覚、質感、形状、強さ等の感覚が与え
られる。

【０１３１】同時に、リアルグローブ２０は、情報処理
装置８からの指示に従って、指定された各リンクモータ
２２２を、それぞれ、指定されたトルクで指定された時
間だけＰＷＭ制御により駆動する。これにより、実在す
るパーソナルコンピュータの例えばキーボードに触れて
いるときに各指の各関節に与えられる力覚、すなわち、
前記各指の各関節に与えられる押圧力（反力）に相当す
る力がユーザの各指の各関節に対して与えられる。

【０１３２】また、ユーザが、さらに仮想パーソナルコ
ンピュータのキーを押し込む方向に指を動かすと、指の
座標変化に合わせて、画像表示部５１ａ、５１ｂに、キ
ーを押し込む様子を示す仮想空間画像が表示される。

【０１３３】この場合、情報処理装置８は、押下された
キーにもとづく表示状態の変化を仮想空間画像で再現す
るための仮想空間画像の画像データを生成して仮想空間
表示装置５に送信する処理を行い、仮想空間表示装置５
は、前記情報処理装置８からの仮想空間画像の画像デー
タにもとづいて、仮想パーソナルコンピュータのディス
プレイにキーの押下が反映された表示がなされる画像を
表示する。

【０１３４】以上説明したように、この力覚提示装置２
によれば、仮想空間画像に応じて、各指に対して力覚お
よび触覚をそれぞれ正確かつ確実に提示することができ
る。

【０１３５】これにより、ユーザは、仮想空間における
動作（操作）を、快適に、容易かつ確実に、行うことが
できる。

【０１３６】また、力覚発生部２２はリンク機構を有し
ているので、指を伸ばしている状態、指を曲げている状
態のいずれにおいても対応することができ、これによ
り、確実に、各指に対して力覚を与えることができる。

【０１３７】なお、上述した実施形態では、使用例とし
て仮想空間画像にて表示されているパーソナルコンピュ
ータを仮想的に操作する場合について説明したが、本発
明では、これに限らず、例えば、仮想本などの他の物品
を取扱うために使用することもできる。仮想本を取扱う
場合には、例えば、仮想本の縁をさわったりページをめ
くったりするときに、実際の本の縁をさわったりページ
をめくったりするときに指に加わる触感や力感を感じる
ことができる。

【０１３８】また、本発明では、仮想空間画像が表示さ
れなくてもよい。すなわち、仮想空間画像に対応した所
定のデータがあり、そのデータに基づいて、指に対して
触覚や力覚を提示するよう構成されていてもよい。

【０１３９】以上、本発明の力覚提示装置を、図示の実
施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定され
るものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任
意の構成のものに置換することができる。

【０１４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
仮想空間画像（仮想空間映像）に応じて、指に対して力
覚を正確かつ確実に提示することができる。

【０１４１】これにより、ユーザ（使用者）は、仮想空
間における動作（操作）を、快適に、容易かつ確実に、
行うことができる。

【０１４２】また、力覚発生手段がリンク機構を有する
場合には、指を伸ばしている状態、指を曲げている状態
のいずれにおいても対応することができ、これにより、
確実に、指に対して力覚を与えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の力覚提示装置の実施形態およびその
力覚提示装置を有する触覚・力覚提示システムの構成例
を示す概念図である。

【図２】 図１に示すリアルグローブの回路構成例を示
すブロック図である。

【図３】 図１に示すリアルグローブの外観構成例を示
す外観図（一部図示を省略）である。

【図４】 図１に示すリアルグローブの触覚発生部の構
成例を示す縦断面図である。

【図５】 図１に示すリアルグローブの力覚発生部の構
成例を示す外観図である。

【図６】 図１に示すリアルグローブの力覚発生部の構
成例を示す外観図である。

【図７】 図１に示すリアルグローブの位置姿勢検出部
の構成例を示すブロック図である。

【図８】 図１に示す仮想空間表示装置の外観構成例を
示す斜視図である。

【図９】 図１に示す仮想空間表示装置の回路構成例を
示すブロック図である。

【図１０】 図１に示す仮想空間表示装置の凹凸入力部
の構成例を示す図（ブロック図、模式図）である。

【図１１】 図１に示す仮想空間表示装置の画像表示部
の構成例を示す図（ブロック図、模式図）である。

【図１２】 図１に示す仮想空間表示装置の視線検出部
の構成例を示す図（ブロック図、模式図）である。

【符号の説明】

１・・・触覚・力覚提示システム、２・・・力覚提示装
置、２０・・・リアルグローブ、２ａ・・・手袋、２１
ａ・・・開口、２ｂ・・・フレームホルダ、２ｃ・・・
フレームカバー、２１・・・触覚発生部、２１０・・・
単位触覚発生部、２１１・・・動力発生部、２１２・・
・アクチュエータワイヤ、２１２ａ・・・束、２１３・
・・ワイヤ保持部、２１４・・・触覚提示ピン、２１４
ａ・・・接触板、２１４ｂ・・・支持部、２１５・・・
触覚提示ピン支持部、２２・・・力覚発生部、２２１・
・・フレーム、２２２・・・リンクモータ、２３・・・
位置姿勢検出部、２３１・・・Ｘ方向検出コイル、２３
２・・・Ｙ方向検出コイル、２３３・・・Ｚ方向検出コ
イル、２４・・・制御部、２５・・・信号処理部、２５
１・・・増幅部、２５２・・・Ａ／Ｄ変換部、２６・・
・信号送受信部、２７、２８・・・ストッパ、２９・・
・ねじれ吸収部、３０・・・電力供給部、５・・・仮想
空間表示装置、５１ａ、５１ｂ・・・画像表示部、５１
１・・・レンズ、５１２・・・レンズ移動機構、５１３
・・・ステッピングモータ、５１４・・・モータ制御
部、５１５・・・液晶表示パネル、５１６・・・液晶駆
動部、５１７・・・バックライト、５１８・・・バック
ライト制御部、５１９・・・トランジスタ、５２ａ、５
２ｂ・・・視線検出部、５２１・・・ハーフミラー、５
２２・・・フィルタ、５２３・・・レンズ、５２４・・
・ＣＣＤ、５２５・・・ＣＣＤ制御部、５２６・・・Ｃ
ＣＤ出力増幅部、５２７・・・ＬＥＤ、５２８・・・Ｌ
ＥＤ制御部、５２９・・・トランジスタ、５３ａ、５３
ｂ・・・凹凸入力部、５３１・・・レンズ、５３２・・
・ＣＣＤ、５３３・・・ＣＣＤ制御部、５３４・・・Ｃ
ＣＤ出力増幅部、５４・・・制御部、５５・・・信号送
受信部、５６・・・位置姿勢検出部、５７・・・装着
部、５８・・・信号処理部、８・・・情報処理装置、９
・・・基地局

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C007 JT05 5B050 AA08 BA08 CA07 CA08 DA09 EA24 EA27 FA02 FA06 FA08 5E501 AA30 AC01 BA20 CC09

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 指に装着する装着手段と、指に与える力
   覚を発生する力覚発生手段とを有し、 仮想空間画像に応じて、指に対して力覚を提示するよう
   構成されていることを特徴とする力覚提示装置。
2. 【請求項２】 仮想空間画像に応じて前記力覚発生手段
   の駆動を制御する制御手段を有する請求項１に記載の力
   覚提示装置。
3. 【請求項３】 前記力覚発生手段は、指の関節に対して
   力覚を与えるよう構成されている請求項１または２に記
   載の力覚提示装置。
4. 【請求項４】 前記装着手段は、指の複数の部位に装着
   する複数の装着部を有しており、該装着部間の間隔を調
   節する調節手段を有する請求項１ないし３のいずれかに
   記載の力覚提示装置。
5. 【請求項５】 前記力覚発生手段は、前記調節手段を兼
   ねる請求項４に記載の力覚提示装置。
6. 【請求項６】 前記力覚発生手段は、リンク機構を有す
   る請求項１ないし５のいずれかに記載の力覚提示装置。
7. 【請求項７】 前記力覚発生手段は、回動可能に連結さ
   れた複数のフレームを備えたリンク機構と、前記各フレ
   ームを回動させる駆動源とを有し、 前記フレームの回動により、指の関節に対して力覚を与
   えるよう構成されている請求項１ないし５のいずれかに
   記載の力覚提示装置。
8. 【請求項８】 前記力覚は、仮想空間画像における対象
   物からの反力に対応したものである請求項１ないし７の
   いずれかに記載の力覚提示装置。
9. 【請求項９】 指の位置を検出する位置検出手段を有
   し、該位置検出手段からの情報に基づいて、指に対して
   力覚を提示するよう構成されている請求項１ないし８の
   いずれかに記載の力覚提示装置。
10. 【請求項１０】 信号の送信または受信を行う通信手段
    を有する請求項１ないし９のいずれかに記載の力覚提示
    装置。
11. 【請求項１１】 前記通信手段から送信される信号に基
    づいて、前記力覚発生手段が駆動するよう構成されてい
    る請求項１０に記載の力覚提示装置。
12. 【請求項１２】 仮想空間画像を作成する画像作成手段
    を有する請求項１ないし１１のいずれかに記載の力覚提
    示装置。
13. 【請求項１３】 前記画像作成手段は、指の動きに応じ
    て仮想空間画像を更新するよう構成されている請求項１
    ２に記載の力覚提示装置。
14. 【請求項１４】 前記画像作成手段に対して信号の送信
    または受信を行う通信手段を有する請求項１２または１
    ３に記載の力覚提示装置。
15. 【請求項１５】 仮想空間画像を表示する表示手段を有
    する請求項１ないし１４のいずれかに記載の力覚提示装
    置。
16. 【請求項１６】 前記表示手段は、顔面に装着して使用
    するものである請求項１５に記載の力覚提示装置。
17. 【請求項１７】 前記表示手段に対して信号の送信また
    は受信を行う通信手段を有する請求項１５または１６に
    記載の力覚提示装置。