JP2005190465A - 触力覚情報提示システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 触力覚提示機112は、制御装置111により、触力覚提示機112中の1個以上からなる回転子の回転速度が制御され、その物理特性である振動、力、トルクが制御されることによって、ユーザ110にその振動、力、トルクなどの様々な触力覚情報を知覚させる。この触力覚情報提示システムは、人間の感覚特性、もしくは錯覚を利用して適切に物理量を制御することにより、物理的には存在し得ない力、もしくは触力覚的感覚物理特性を人に体感させる。
【選択図】 図1
Description
に提示することが可能になる。
図1は、本発明の一実施形態における触力覚情報提示システムの概略構成を示す図である。
)、動作点B735で逆方向の負のトルクを発生した場合を考えると、トルク感覚744は図10−4のように表わされる。トルク743は回転子の回転速度742の時間微分に比例する。動作点A734、および動作点B735で動作させると、トルク感覚744が知覚される。トルク743は、物理的に1サイクルで初期状態748に戻り、その積分値はゼロとなっている。しかし、感覚量であるトルク感覚744の感覚的積分値はゼロになるとは限らない。動作点A734および動作点B735を適切に選択して、動作点A継続時間745および動作点B継続時間746を適切に設定することで、任意の方向に自在にトルク感覚を提示し続けることができる。
図14は、(図10−1)の偏心回転子711、(図11−1)のツイン偏心回転子811、図13の3次元空間配置されたツイン偏心回転子のいずれかをシート状に2次元平面的に配置したシート状偏心回転子アレイ880を示す図である。ツイン偏心回転子の駆動部分の実施方法は、分子モータや圧電素子などでもよく、目的の物理量を提示できるものならばどんなものでも構わない。
図23は、任意方向に振動感覚・力感覚・トルク感覚のいずれか1つ以上の触力覚情報を、連続的、断続的に提示する制御方法の1例として、力覚に関するマスキング効果によって感覚特性を変化させる方法を用いて、任意の方向に振動触力覚情報提示方法を示す図である。
L0 = I ω0
τ = ω ×L 、ここでω=d θ/d t
で表わされる。
2を説明する。x軸、y軸、z軸に固定された3つの回転子の回転数ωx、ωy、ωzを独立に制御して、それぞれの回転子の角運動量を合成することで任意のに角運動量ベクトルを作り出すことができる。これを適切に制御すれば任意の方向にトルクを作り出すことができる。角運動量ベクトルLを変化させた時のトルクベクトルは以下のように表される。
Li = Ii ωi、i= x, y, z
L=Lxi+Lyj+Lzk
と表わされる。この合成角運動量ベクトルの時間微分がトルクベクトルτである。
τ=d L/d t
したがって、x、y、z軸方向の角速度の比ωx:ωy:ωzを変えることで任意の方向に角運動量ベクトルの発生方向を制御することができる。本手法は制御が容易であり、変化に富んだ3次元力覚感覚を提示できる利点がある。なお、人が感じるトルクは、作用・反作用の法則により、このトルクベクトルτと同じ大きさで反対方向である。
τ=d L/d t
=ω×L
となり、ジャイロ型と一致する。このことは、ジャイロ型で提示可能なトルクは本提案方
式によって提示できるが、その逆は非であることを示している。
変化を生じ、意図しないトルクが提示される可能性がある。そこで、慣性座標系Oに対して角速度ベクトルΩで回転する回転座標系OΩ上で回転する合成角運動量ベクトルLによって発生するトルクについて考察する。
慣性座標系O1330および回転座標系OΩ1331における運動方程式は、
τ = [d L/d t] O
= [d L/d t] OΩ + Ω×L
と表わされる。図25に示すように、回転する人の掌上の合成角運動量ベクトル1332
の時間変化によって人が感じられるトルクは、回転座標系OΩ1331において合成角運動量ベクトル1332の時間変化によるトルク[dL/dt] OΩ 、および、プリセッション・トルクΩ×Lが加算されたものとなる。このプリセッションとは、ジャイロに外部からトルクが加えられると加えられたトルクと直交する方向にジャイロのスピン軸が回転することであり、ここでのプリセッション・トルクの発生の原因は座標軸の回転にある。
すなわち、ユーザの掌の上でユーザから見て角運動量Lの時間的な変化がない場合でも、ユーザが図25のように角速度Ωで回転しようとした時にはプリセッション・トルクΩ×Lを感じることになる。
これは、ユーザの体が水平方向に回転した場合、角速度Ωと直交する角運動量Lxi、およびLy jに対してジャイロコンパスでよく知られているプリセッション・トルクが働きユーザの体の回転Ωを抑制しようと働くためである。このプリセッション・トルクはユーザの自由な動きを妨げる反面、ユーザの歩行に伴うトルク提示デバイスのふらつきを抑える効果もある。また、ユーザの腕が上下方向に動いた場合、角運動量Lxi、およびLzkに対して同様なプリセッション・トルクが働く。つまり、ユーザが体を動かすとトルクが働いてジャイロコンパスのように常に同じ方向を示そうとする。
これとは反対に、もしユーザの動きに伴ってトルク提示機が揺れて困る場合は、適度な大きさの合成角運動量ベクトルL1332の近傍でLを時間変化させることによってトルク提示機の揺れを抑えながらもトルクを提示することが可能となる。
一方、ジャイロ型1311を用いた場合、
τ= [dL/dt] OΩ+ Ω×L
=ω×L + Ω×L
となり、大きなトルクを提示するためには、大きな角運動量ベクトルLが必要であり、その結果、大きなプリセッション・トルクを必ず発生させてしまう。
以下では、図13に示した触力覚提示機1301をさらに改良した触力覚提示機を説明する。
図31は、図15の手袋状偏心回転子アレイ890の他の応用例を示す、シート状偏心回転子アレイ3111を手袋状に加工した手袋状偏心回転子アレイ3110を示す図である。図31においては、回転子は格子状に整列されており、そのうちの偏心回転子3170a〜3173a、3170b〜3177bだけが回転している。これにより、手袋状偏心回転子アレイ3110の各偏心回転子3170a〜3173a、3170b〜3177bの回転を適切に制御することで、掌上に空間的広がりとしての仮想的なねじれの触力覚情報を提示することができる。より詳細には、偏心回転子3170a〜3173aによって同一方向に大きなトルクを提示することで、掌中心部を反時計回りにひねる大きな合成トルク315aを提示し、偏心回転子3170b〜3177bによって同一方向に小さなトルクを提示することで、掌外延部を時計回りにひねる合成トルク315bを提示する。これにより、掌中心部を反時計回りに強くひねり掌外延部を時計回りに弱くひねる仮想的なねじれの触力覚が体感される。
以下では、動作原理1〜3の変形形態を説明する。
図38(b)は、図38(a)において振動子3801をその重心を通る水平な断面3820で切って見た場合の断面図を示す図で、振動子3801は、磁石3810a、3810b、3810c、3810dの各々と組み合わされたスピーカのコーン3840a、3850a、3840b、3850b、3840c、3850c、3840d、3850dを各面に有する。
図40は、本実施形態で上述してきた触力覚提示機を内蔵した机上デバイス4001の説明図で、机上デバイス4001の概略構成を示す図である。机上デバイス4001は、触力覚提示機4010、制御回路4020、姿勢センサ4030(加速度又は角加速度若しくは位置センサでもよい)から構成される。制御回路4020は図41における制御装置4120に相当し、姿勢センサ4030は図41における入力装置4130に相当する。
111 制御装置
110 ユーザ
211 感覚特性
212 物理量
213 感覚量
214 動作点A
215 動作点B
222 回転速度
223 トルク
224 トルク感覚
228 初期状態
225 動作点A継続時間
226 動作点B継続時間
231 感覚特性
234 動作点A
235 動作点B
244 トルク感覚
243 トルク
248 初期状態
246 動作点B継続時間
312 変位
311 ヒステリシス的感覚特性
314 動作経路A
315 動作経路B
334 トルク感覚
333 トルク
332 回転速度
338 初期状態
464 トルク感覚
424 マスキング
425 前方マスキング
426 後方マスキング
413 トルク
434 トルク感覚
412 回転速度
415 初期化時間
445 マスキング継続時間
485 前方マスキング
486 後方マスキング
484 トルク感覚
513 触力覚提示機
514 提示トルク
515 筋肉起因トルク
516 提示トルク
517 トルク感覚
812 偏心回転子A
813 偏心回転子B
912 偏心回転子A
913 偏心回転子B
931 感覚特性
932 物理量
933 感覚量
934 動作点A
935 動作点B
944 トルク感覚
942 回転速度
943 トルク
948 初期状態
945 動作点A継続時間
946 動作点B継続時間
1012 偏心回転子A
1013 偏心回転子B
1031 感覚特性
1032 物理量
1033 感覚量
1034 動作点A
1035 動作点B
1044 力感覚
1043 力
1042 合成回転速度の大きさ
1048 初期状態
1045 動作点A継続時間
1046 動作点B継続時間
1111 ツイン偏心回転子
1112 ツイン偏心回転子
1113、1114 力
1216 マスキング振動
1224 トルク感覚
1224 力感覚
1212 合成回転速度の大きさ
1215 初期化時間
1244 力感覚
1301 触力覚提示機
Claims (23)
- 2つの偏心回転子を有する触力覚提示手段と、
前記2つの偏心回転子における回転方向と位相関係と回転速度とを制御することにより、振動および/または振動感覚の周波数と強度を独立して変化させる制御手段と
を備えたことを特徴とする触力覚情報提示システム。 - 2つの偏心回転子を有する触力覚提示手段と、
前記2つの偏心回転子における回転方向を反転させることにより、力および/または力感覚の周波数と強度を独立して変化させる制御手段と
を備えたことを特徴とする触力覚情報提示システム。 - 単一の偏心回転子、および/または2つの偏心回転子からなるツイン偏心回転子、および/または3次元空間上に配置されたツイン偏心回転子を、2次元的または3次元的に複数個配置した偏心回転子アレイを有する触力覚提示手段と、
前記触力覚提示手段に含まれている各偏心回転子の回転状態を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする触力覚情報提示システム。 - 請求項3に記載の触力覚情報提示システムにおいて、
前記偏心回転子アレイを加工してスキン状偏心回転子アレイを形成し、
前記制御手段の制御態様に応じて、空間的および時間的に変化する振動および/または振動感覚、トルクおよび/またはトルク感覚、力および/または力感覚を提示することを特徴とする触力覚情報提示システム。 - 請求項4に記載の触力覚情報提示システムにおいて、
前記スキン状偏心回転子アレイの制御態様を設定することにより、振動、力、せん断力、トルク、掌もしくは指もしくは他の提示対象物の全体をひねる合成トルク、3次元的抗力の提示に起因した3次元物体の形状感覚、弾力感覚、触覚感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物上を力が伝わって行く感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物上を物が転がっていく感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物中を力、振動、トルクが通過していく感覚、仮想物体表面のテクスチャー、のいずれかを提示させることを特徴とする触力覚情報提示システム。 - 3次元的に複数個配置した回転子を有する触力覚提示手段と、前記触力覚提示手段の合成角運動量ベクトルの時間変化を制御するための制御手段とを備えた触力覚情報提示システムであって、
前記制御手段は、前記合成角運動量ベクトルをゼロの近傍で急激に変化させることにより既定値のトルクを発生させると共に、プリセッショントルクを所定値以下に制御することを特徴とする触力覚情報提示システム。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載の触力覚情報提示システムにおいて、
前記触力覚提示手段は、携帯型の通信機器もしくは可搬型の電子機器に搭載可能な形状であることを特徴とする触力覚情報提示システム。 - 2つの偏心回転子を有する触力覚提示手段を制御するに際して、
前記2つの偏心回転子における回転方向と位相関係と回転速度とを制御することにより、振動および/または振動感覚の周波数と強度を独立して変化させることを特徴とする触力覚情報提示方法。 - 2つの偏心回転子を有する触力覚提示手段を制御するに際して、
前記2つの偏心回転子における回転方向を反転させることにより、力および/または力感覚の周波数と強度を独立して変化させることを特徴とする触力覚情報提示方法。 - 単一の偏心回転子、および/または同一の回転軸上に配設された2つの偏心回転子からなるツイン偏心回転子、および/または3次元空間上に配置されたツイン偏心回転子を、2次元的または3次元的に複数個配置した偏心回転子アレイを有する触力覚提示手段を制御するに際して、
前記触力覚提示手段に含まれている各偏心回転子の回転状態を個別に制御することを特徴とする触力覚情報提示方法。 - 請求項10に記載の触力覚情報提示方法において、
前記偏心回転子アレイを加工してスキン状偏心回転子アレイを形成し、空間的および時間的に変化する振動および/または振動感覚、トルクおよび/またはトルク感覚、力および/または力感覚を提示することを特徴とする触力覚情報提示方法。 - 請求項11に記載の触力覚情報提示方法において、
前記スキン状偏心回転子アレイの制御態様を設定することにより、振動、力、せん断力、トルク、掌もしくは指もしくは他の提示対象物の全体をひねる合成トルク、3次元的抗力の提示に起因した3次元物体の形状感覚、弾力感覚、触覚感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物上を力が伝わって行く感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物上を物が転がっていく感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物中を力、振動、トルクが通過していく感覚、仮想物体表面のテクスチャー、のいずれかを提示させることを特徴とする触力覚情報提示方法。 - 3次元的に複数個配置した回転子を有する触力覚提示手段を制御するに際して、前記触力覚提示手段の合成角運動量ベクトルの時間変化を制御する触力覚情報提示方法であって、
前記合成角運動量ベクトルをゼロの近傍で急激に変化させることにより既定値のトルクを発生させると共に、プリセッショントルクを所定値以下に制御することを特徴とする触力覚情報提示方法。 - 請求項1乃至7のいずれかに記載の触力覚情報提示システムにおいて、
前記触力覚提示手段は、偏心回転子を回転させる回転手段を含み、
前記制御手段は、前記触力覚提示手段に含まれている前記回転手段の回転状態を制御し、
前記回転手段は、回転させる偏心回転子と一体となって回転する
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。 - 請求項1乃至7、又は14のいずれかに記載の触力覚情報提示システムにおいて、
前記触力覚提示手段は、偏心回転子と一体となって回転するフィンと、該フィンを囲む流体とを含む
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。 - 請求項15に記載の触力覚情報提示システムにおいて、
前記流体は空気であり、
前記触力覚提示手段は、前記フィンと相対する外部への穴を有する
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。 - 請求項1乃至7、又は14、15のいずれかに記載の触力覚情報提示システムにおいて、
外部情報を前記制御手段に入力する入力手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記入力手段から入力された外部情報に従って、前記触力覚提示手段に含まれている各偏心回転子の回転状態を制御する
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。 - 請求項17に記載の触力覚情報提示システムにおいて、
前記触力覚提示手段は、前記入力手段と前記制御手段とを含み、
前記触力覚提示手段自身が前記触力覚情報提示システムである
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。 - 請求項1乃至7、又は14乃至18のいずれかに記載の触力覚情報提示システムにおいて、
偏心回転子に替えて圧電素子を使用し、
前記制御手段は、前記触力覚提示手段に含まれている各圧電素子の電圧を制御する
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。 - 請求項1乃至7、又は14乃至18のいずれかに記載の触力覚情報提示システムにおいて、
偏心回転子に替えて磁石を使用し、
前記制御手段は、前記触力覚提示手段に含まれている各磁石の電圧を制御する
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。 - 請求項1乃至7、又は14乃至18のいずれかに記載の触力覚情報提示システムにおいて、
2つの偏心回転子の質点が、同一回転軸の周りに同一面上で回転する
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。 - 請求項1乃至7、又は14乃至21のいずれかに記載の触力覚情報提示システムの触力覚提示手段の機能を有することを特徴とする触力覚情報提示システムの触力覚提示機。
- 請求項1乃至7、又は14乃至21のいずれかに記載の触力覚情報提示システムの制御手段の機能を有することを特徴とする触力覚情報提示システムの制御装置。
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