JP2006224691A - Cutaneous sensation operation support system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、皮膚感覚操縦支援装置、特に航空機の操縦者の視覚的負荷が異常に増加するような状況下において計器として利用することができる皮膚感覚操縦支援装置に関するものである。 The present invention relates to a skin sensation operation support device, and more particularly to a skin sensation operation support device that can be used as an instrument in a situation where the visual load of an aircraft operator abnormally increases.
航空機を操縦する際、高度や速度など飛行に必要な情報も、周辺空域の監視など安全に関わる情報も全て視覚により取得されているため、操縦者における視覚的な負荷は高くなっている。そのため、航空機が通常と異なる状態に陥るなどした場合、例えばホバリングなど特定のタスクを行う場合、悪天候や機体の故障に遭遇した場合、あるいはそれらの条件が重ね合わさるような状況においては、それらの情報を視覚により取得することが難しくなり、安全な飛行を遂行することが困難となる場合が考えられる。
従来、そのような問題に対し、音声や振動感覚などにより必要な情報を操縦者に伝える手段が考えられてきた。しかし、音声を介した情報呈示に関し、現在も管制塔等の無線交信は音声で行われており、それらの交信を円滑に行うためには、音声を通じた情報呈示は最小限にとどめる事が望ましいと考えられる。
また、振動を介した情報呈示に関し、衣服の中に配置した多数のバイブレータを利用して、振動のパターンという形で伝達する手法も考案され開示されているが(例えば、非特許文献1を参照。)、多数のバイブレータを身体に密着させることに起因する拘束感や圧迫感が、却って航空機の操縦を妨げる虞がある。
ところで、振動感覚のような人間の皮膚感覚に対する情報呈示手段は、従来から情報呈示手段として利用されてきた視覚あるいは聴覚といった感覚とは全く異なる感覚であることから、視覚的な負荷を高めることが無く、前述の問題に対する有効な解決策となりうると考えられる。
近年の感覚呈示技術の発展に伴い、人に対する人工感覚の呈示手法は飛躍的に進歩している。特に、最近は、物体に接触したときに得られる感覚である触覚への呈示技術の進歩がめざましい。触覚は一般に、物体の概形や重さなどに関する力覚と、物体表面の凸凹や振動などに関する皮膚感覚に分けて考えることができる。皮膚感覚への呈示装置としては、上述したように振動感覚に特化し、多数のバイブレータを利用して情報を提示するものや、特に指先に着目し、指先の感覚受容器を電気刺激により直接刺激するもの、多数のピンの凸凹を制御することで任意の形状を作り出し呈示する手法、指先皮膚表面に特定の物理振動を生成させることで、物体表面の素材感(つるつるしている,ざらざらしている)を呈示する手法などが研究されている。
When maneuvering an aircraft, all information necessary for flight, such as altitude and speed, and safety-related information, such as monitoring of the surrounding airspace, are obtained visually, so the visual burden on the operator is high. Therefore, when the aircraft falls into an unusual state, for example, when performing a specific task such as hovering, when encountering bad weather or aircraft failure, or when the conditions overlap, such information It may be difficult to obtain the sight by vision, and it may be difficult to perform a safe flight.
Conventionally, there has been considered a means for conveying necessary information to the operator by voice or vibration sensation for such a problem. However, with regard to information presentation via voice, wireless communications such as control towers are still carried out by voice, and it is desirable to minimize the information presentation via voice in order to facilitate such communications. it is conceivable that.
In addition, regarding information presentation via vibration, a method of transmitting in the form of a vibration pattern using a large number of vibrators arranged in clothes has been devised and disclosed (for example, see Non-Patent Document 1). ), There is a risk that restraint feeling and pressure feeling caused by bringing a large number of vibrators into close contact with the body may hinder the operation of the aircraft.
By the way, information presenting means for human skin sensations such as vibration sensations are completely different from the senses such as sight and hearing that have been used as information presenting means in the past. Therefore, it can be an effective solution to the above problem.
With the recent development of sensory presentation technology, the method of presenting artificial sensations to humans has made dramatic progress. In particular, recently, the progress of the presentation technique to the tactile sense, which is a sensation obtained when touching an object, is remarkable. In general, tactile sensation can be divided into force sense relating to the outline and weight of an object and skin sensation relating to unevenness and vibration of the object surface. As a device for presenting skin sensation, as described above, specializing in vibration sensation and presenting information using a number of vibrators, especially focusing on fingertips, directly stimulating sensory receptors on fingertips by electrical stimulation What to do, a method of creating and presenting an arbitrary shape by controlling the unevenness of a large number of pins, generating a specific physical vibration on the fingertip skin surface, and the texture of the object surface (smooth, rough The method of presenting is being studied.
また、上記皮膚感覚等の触覚の形成に関与する人間の受容器は皮膚(上皮、真皮)および皮下組織に分布し、皮膚面に物体が触れ、例えば機械的な刺激が加わると、皮膚および皮下組織が歪み、あるいは変形し、これに対して数種類の受容器が刺激される。そして、これらの受容器により機械的刺激の強さ及び動きの速さが検出され符号化された感覚情報が中枢に送られる。人間は、それらの複合した感覚情報に基づいて物体の大きさ、形状、テキスチャーや動きを認識することができる。ところで、人間の受容器としては主としてマイスナー小体、メルケル細胞、パチニ小体及びルフィニー終末が知られている。これらの受容器を、刺激と応答の対応関係の観点から分類すると、触受容は主としてマイスナー小体、圧受容と低周波域の振動受容はメルケル細胞、振動受容はパチニ小体、温冷受容はルフィニー終末に分類される。更に、これらの受容器を、速順応(Rapidly Adapting;RA型)または遅順応型(Slowly Adapting;SA型)並びに狭い受容野(I型)または広い受容野(II型)の観点から分類すると、順応が速く且つ受容野の狭いもの(RAI)、順応が速く且つ受容野の広いもの(RAII)、順応が遅く且つ受容野の狭いもの(SAI)および順応が遅く且つ受容野の広いもの(SAII)に分類され、マイスナー小体はRAIに、パチニ小体はRAIIに、メルケル細胞はSAIに、ルフィニー終末はSAIIに属する。また、これらの受容器の分布密度は指先が、腹部や背中に比べ高いことが知られている。従って、指先の皮膚感覚が腹部や背中の皮膚感覚に比べ情報の解像度が高くなる。このような皮膚感覚の特性を利用して、ピンを突出させて指先で点字列を任意の速度でなぞりながら点字を読み取る場合と同様な触覚で点字を呈示可能な点字表示装置が知られている(例えば、特許文献1を参照。)
In addition, human receptors involved in the formation of tactile sensations such as skin sensations are distributed in the skin (epithelium, dermis) and subcutaneous tissue. When an object touches the skin surface, for example, when mechanical stimulation is applied, the skin and subcutaneous The tissue is distorted or deformed, against which several types of receptors are stimulated. These receptors detect the intensity of mechanical stimulation and the speed of movement, and send encoded sensory information to the center. Humans can recognize the size, shape, texture and movement of objects based on their combined sensory information. By the way, the Meissner body, Merkel cell, Patini body and Ruffiny end are mainly known as human receptors. These receptors are categorized from the viewpoint of the correspondence between stimulus and response. The tactile receptors are mainly Meissner bodies, the baroreceptors and the low-frequency vibration receptors are Merkel cells, the vibration receptors are Patini bodies, and the cold and cold receptors are Classified as Ruffiny's end. Furthermore, these receptors are classified in terms of rapid adaptation (Rapid Adapting; RA) or slow adapting (Slowly Adapting; SA) and narrow (I) or wide (II) receptive fields. Fast adaptation and narrow receptive field (RAI), fast adaptation and wide receptive field (RAII), slow adaptation and narrow receptive field (SAI) and slow adaptation and wide receptive field (SAII) Meissner body belongs to RAI, Patini body belongs to RAII, Merkel cell belongs to SAI, and Ruffiny terminal belongs to SAII. Further, it is known that the distribution density of these receptors is higher at the fingertips than at the abdomen and back. Therefore, the resolution of information is higher in the skin sensation of the fingertip than in the skin sensation of the abdomen and back. A braille display device capable of presenting braille with the same tactile sensation as when reading braille while projecting a pin and tracing a braille string with an arbitrary speed using a characteristic of skin sensation is known. (For example, see
上述した衣服の中に配置された多数のバイブレータを利用して、振動のパターンという形で情報を伝達する手法では、背中や腹部と言った上半身の皮膚に振動負荷を与えることにより操縦者に情報を提示している。
しかし、背中や腹部の受容器の分布密度は低く、情報の解像度が悪い上に、多数のバイブレータを身体に密着させることから起因する拘束感や圧迫感が、却って航空機の操縦環境を阻害する問題点がある。
他方、上述した点字表示装置では、ピンをなぞった時の指先の触覚によって利用者に対し情報が呈示される。すなわち、なぞった瞬間にピンの動きに対し指先の受容器が反応し触覚情報が利用者に呈示される。すなわち、ピンと指先が短時間接触している間に触覚情報が伝達されて利用者の側でその触覚情報に基づいて対象とする情報が解像される。
しかし、上記点字表示装置は、ピンの突出量、振動振幅あるいは振動強度等を変化させて皮膚感覚として情報が伝達され、ピンの作用時間あるいは作用周波数等は考慮されていない。そのため、上記点字表示装置は、ピンと指先が短時間接触している場合には有効であるが、操縦桿を握っていてピンと指先が長時間固定される状況が考えられる航空機の操縦環境においては計器として利用され、操縦者の視覚的負荷を軽減するまでには至っていないのが現実である。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、航空機の操縦者の視覚的負荷が異常に増加するような状況下において計器として利用することができる皮膚感覚操縦支援装置を提供することにある。
In the method of transmitting information in the form of vibration patterns using the many vibrators arranged in the clothes described above, information is given to the operator by applying a vibration load to the upper body skin such as the back and abdomen. Presents.
However, the distribution density of the receptors on the back and abdomen is low, the resolution of information is poor, and the sense of restraint and pressure resulting from the fact that many vibrators are in close contact with the body disturbs the aircraft's operating environment. There is a point.
On the other hand, in the braille display device described above, information is presented to the user by the sense of touch of the fingertip when the pin is traced. That is, at the moment of tracing, the receptor at the fingertip reacts to the movement of the pin and tactile information is presented to the user. That is, tactile information is transmitted while the pin and the fingertip are in contact with each other for a short time, and target information is resolved on the user side based on the tactile information.
However, in the braille display device, information is transmitted as a skin sensation by changing the protrusion amount, vibration amplitude, vibration intensity, or the like of the pin, and the action time or action frequency of the pin is not considered. Therefore, the braille display device is effective when the pin and the fingertip are in contact with each other for a short time, but in an aircraft operating environment where the pin and the fingertip may be fixed for a long time while holding the control stick. The reality is that it has not yet been used to reduce the visual load on the pilot.
Therefore, the problem to be solved by the present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and is used as a meter in a situation where the visual load of an aircraft operator is abnormally increased. An object is to provide a skin sensory maneuvering support apparatus capable of performing the above.
前記目的を達成するため第1の発明では、皮膚に対し機械的作用または電磁的作用を与える作用媒体と、該作用媒体の動作を制御する作用媒体制御手段とを具備し、前記作用媒体は突起物の集合体から成り且つ操縦桿近傍に配設され、情報が操縦者の手の全体または一部の皮膚感覚として操縦者に呈示されることを特徴とする。
上記第1の発明の皮膚感覚操縦支援装置では、作用媒体は突起物の集合体から成り作用媒体制御手段によって制御されるため、操縦者が皮膚感覚として認識しやすい様々な作用媒体の動きを形成することが可能になる。さらに、突起物の集合体は操縦桿近傍に配設されているので、操縦者は操縦環境を乱されることなく皮膚感覚を介して飛行情報を好適に得ることができる。特に、手を操縦桿から分離することが難しく且つ視覚的負荷が極端に上昇する状況下においても操縦者に飛行情報を正確に伝えることが可能となると共に操縦桿の操作方向、操作量または飛行情報を作用媒体の動きに対応させることが容易となり、操縦者は操縦に即反映することができる。また、人間の身体において触覚の受容器の分布密度が高い手の全部または一部、例えば指先の皮膚感覚を介して情報は操縦者に伝えられるため、情報の解像度は腹部や背中に比べ高くなる。その結果、操縦者は視覚的負荷を軽減されると共にバイブレータ等のアクチュエータを身につける必要がないため拘束感や圧迫感から解放される。また、本装置は小型且つ軽量とすることができ、利用に対しても簡便となる。
In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a working medium that imparts a mechanical action or an electromagnetic action to the skin, and a working medium control means that controls the operation of the working medium. It consists of a collection of objects and is arranged in the vicinity of the control stick, and information is presented to the pilot as a skin sensation of the whole or part of the pilot's hand.
In the skin sensation steering support device according to the first aspect of the invention, since the working medium is composed of a collection of protrusions and is controlled by the working medium control means, various movements of the working medium that are easily recognized by the operator as skin sensations are formed. It becomes possible to do. Furthermore, since the aggregate of protrusions is disposed in the vicinity of the control stick, the operator can preferably obtain flight information via the skin sensation without disturbing the control environment. In particular, it is possible to accurately convey flight information to the pilot even under the situation where it is difficult to separate the hand from the control stick and the visual load is extremely increased, and the operation direction, the operation amount, or the flight of the control stick. It becomes easy to make the information correspond to the movement of the working medium, and the operator can immediately reflect it in the operation. In addition, the resolution of information is higher than that of the abdomen and back because information is transmitted to the operator through all or part of the hand with a high distribution density of tactile receptors in the human body, such as the skin sensation of the fingertips. . As a result, the driver is relieved from the sense of restraint and pressure because the visual load is reduced and the operator does not need to wear an actuator such as a vibrator. In addition, the apparatus can be small and light, and is easy to use.
第2の発明では、前記作用媒体制御手段は前記作用媒体の作用領域、作用周波数および作用時間を制御することとした。
上記第2の発明の皮膚感覚操縦支援装置では、作用媒体の作用領域、作用周波数および作用時間を制御することによって、触覚の受容器の感度特性に適合した作用媒体の動きを実現することができる。これにより、操縦者に対し皮膚感覚を介して情報が好適に伝達され操縦者の視覚的負荷を軽減することができる。
In the second invention, the working medium control means controls the working area, working frequency and working time of the working medium.
In the skin sensation steering assistance device of the second aspect of the invention, by controlling the action area, action frequency and action time of the action medium, it is possible to realize the action of the action medium adapted to the sensitivity characteristics of the tactile receptor. . Thereby, information is suitably transmitted to the operator via the skin sensation, and the visual load on the operator can be reduced.
第3の発明では、前記作用媒体制御手段は、前記作用媒体の作用周波数を30Hz近傍に制御することとした。
上述した皮膚感覚の受容器であるパチニ小体およびマイスナー小体は、何かに接触した瞬間に素早く反応するが、すぐに感覚情報を生成しなくなる、すなわち持続的に刺激を受けていると閾値が上昇する特性を有し、特にパチニ小体は、200[Hz]程度の振動に最も敏感に反応する一方、マイスナー小体は、30[Hz]程度の振動に最も敏感に反応する。感覚の閾値自体はパチニ小体の方が低く敏感に反応する。しかし、これらを航空機の計器として利用する場合、指先が操縦桿に接触したままの状態が長時間維持される場合であっても、接触しているあいだ閾値の上昇がゆるやかな受容器の特性も考慮する必要がある。ところで、上述したメルケル細胞は、閾値の上昇がゆるやかで持続的に反応を起こす特性を有し、特に高周波の振動よりは低周波(10−30[Hz]程度)の振動に敏感に反応する特性を有する。
そこで、上記第3の発明の皮膚感覚操縦支援装置では、作用媒体が指先に短時間作用する又は長時間作用する、いずれの場合であっても皮膚感覚を操縦者が明確に識別できるように、作用媒体の作用周波数が作用媒体制御手段によってマイスナー小体が敏感に反応する周波数である30[Hz]近傍の周波数に制御されている。同時に、この周波数帯域は、メルケル細胞が敏感に反応する周波数であることから、作用媒体が指先の皮膚に接触する瞬間だけでなく、接触している間の皮膚感覚も比較的長時間生成され続けることとなり、その結果、作用媒体が皮膚に長時間接触し続けていても操縦者の皮膚感覚は鈍くならずに操縦者は情報を読み取ることが可能になると考えられる。これにより、本発明の皮膚感覚操縦支援装置は航空機の操縦環境において計器として利用されて操縦者の視覚的負荷を軽減することが可能となる。
In the third invention, the working medium control means controls the working frequency of the working medium to be around 30 Hz.
The above-mentioned receptors for skin sensation, the Pacini body and the Meissner body, react quickly at the moment of contact with something, but do not immediately generate sensory information, that is, when they are continuously stimulated. In particular, the Patini body reacts most sensitively to vibration of about 200 [Hz], while the Meissner body reacts most sensitive to vibration of about 30 [Hz]. The threshold of sensation itself is lower in the Pachiny body and reacts sensitively. However, when these are used as aircraft instruments, even if the fingertip is kept in contact with the control stick for a long time, the characteristics of the receptor with a gradual increase in threshold while touching are also present. It is necessary to consider. By the way, the Merkel cell described above has a characteristic that the threshold value rises slowly and causes a continuous reaction, and in particular, a characteristic that reacts more sensitively to a low-frequency vibration (about 10-30 [Hz]) than a high-frequency vibration. Have
Therefore, in the skin sensation steering support device according to the third aspect of the invention, so that the operator can clearly identify the skin sensation in any case where the working medium acts on the fingertip for a short time or acts for a long time. The working frequency of the working medium is controlled by the working medium control means to a frequency in the vicinity of 30 [Hz], which is the frequency at which the Meissner body reacts sensitively. At the same time, since this frequency band is a frequency at which Merkel cells respond sensitively, not only the moment when the working medium touches the skin of the fingertip, but also the skin sensation during the contact continues to be generated for a relatively long time. As a result, even if the working medium is kept in contact with the skin for a long time, it is considered that the operator can read information without dulling the skin sensation of the operator. As a result, the skin sensation operation support device according to the present invention can be used as an instrument in an aircraft operation environment to reduce the visual load on the operator.
第4の発明では、前記作用媒体による作用領域の流れの動作又は淀みの動作を航空機の飛行情報および操縦者の操作情報に対応させ皮膚感覚として操縦者に呈示する手段を備えていることとした。
上記第4の発明の皮膚感覚操縦支援装置では、例えば現在の飛行経路が目標とする経路よりも上方であり操縦桿を前に倒して機首を下げる必要がある場合には、操縦者に対して作用媒体による作用領域の流れが手前から奥に流れる方向の皮膚感覚を呈示する。これにより、操縦者は操縦桿を前に倒して航空機の飛行経路を修正することができる。他方、現在の飛行経路が目標とする経路より下方であり操縦桿を後に倒して機首を上げる必要がある場合には、操縦者に対して作用媒体による作用領域が手前の方で淀む皮膚感覚を呈示する。これにより、操縦者は操縦桿を後に倒して航空機の飛行経路を修正することができる。このように、作用媒体による作用領域の流れ又は淀みの動作を航空機の飛行情報および操縦者の操作情報に対応させることによって、操縦者に対し安全な飛行をする上で重要な飛行情報とその誤差を解消するための操作の方向を好適に指示することが可能となる。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided means for presenting to the operator a skin sensation corresponding to the flight information of the working area or the motion of the stagnation by the working medium with the flight information of the aircraft and the operation information of the pilot. .
In the skin sensation maneuvering assistance device of the fourth invention, for example, when the current flight path is above the target path and it is necessary to lower the nose by tilting the control stick forward, Thus, it presents a skin sensation in the direction in which the flow of the action area due to the action medium flows from the front to the back. Thus, the pilot can correct the flight path of the aircraft by pushing the control stick forward. On the other hand, when the current flight route is below the target route and it is necessary to raise the nose by tilting the control stick later, the skin sensation in which the action area due to the action medium crawls towards the pilot. Present. As a result, the operator can correct the flight path of the aircraft by defeating the control stick later. In this way, by making the flow of the action area or the stagnation movement by the action medium correspond to the flight information of the aircraft and the operation information of the pilot, flight information and its error important for safe flight to the pilot. It is possible to suitably instruct the direction of the operation for eliminating the problem.
本発明の皮膚感覚操縦支援装置によれば、作用媒体は突起物の集合体から成り作用媒体制御手段によって制御されるため、操縦者が皮膚感覚として認識しやすい様々な作用媒体の動きを形成することが可能になる。さらに、突起物の集合体は操縦桿近傍に配設されているので、操縦者は操縦環境を乱されることなく皮膚感覚を介して飛行情報を好適に得ることができる。特に、操縦桿の操作方向、操作量あるいは飛行情報を作用媒体の動きに対応させることが容易となり、操縦者は操縦に即反映することができ、航空機の安全な航行に寄与することができる。また、人間の身体において触覚の受容器の分布密度が高い手の全部または一部、例えば指先の皮膚感覚を介して情報は操縦者に伝えられるため、情報の解像度は腹部や背中に比べ高くなり操縦者は視覚的負荷から軽減される。また、作用媒体の動きは、作用媒体制御手段によって触覚の受容器の感度特性に適合するように制御されるために操縦者は皮膚感覚を介して情報を好適に認識することができる。特に、作用媒体の作用周波数は皮膚の受容器の中で順応性が高いマイスナー小体および反応持続性の高いメルケル細胞が敏感に反応する30Hz近傍に維持設定されている。その結果、作用媒体が皮膚に長時間接触し続けていても操縦者の皮膚感覚は鈍くならずに操縦者は情報を読み取ることが可能になる。さらに、本発明の皮膚感覚操縦支援装置は小型且つ軽量であり、操縦桿への取り付けに対して容易であると共に利用に対しても簡便となる。 According to the skin sensation maneuvering support apparatus of the present invention, the action medium is composed of a collection of protrusions and is controlled by the action medium control means. It becomes possible. Furthermore, since the aggregate of protrusions is disposed in the vicinity of the control stick, the operator can preferably obtain flight information via the skin sensation without disturbing the control environment. In particular, the operation direction, operation amount, or flight information of the control stick can be easily made to correspond to the movement of the working medium, and the pilot can be immediately reflected in the control, contributing to safe navigation of the aircraft. In addition, information is transmitted to the operator through all or part of the hand with a high density of tactile receptors in the human body, such as the skin sensation of the fingertips, so the resolution of information is higher than that of the abdomen and back. The pilot is relieved from the visual load. Further, since the movement of the working medium is controlled by the working medium control means so as to conform to the sensitivity characteristic of the tactile receptor, the operator can preferably recognize the information through the skin sensation. In particular, the working frequency of the working medium is maintained at around 30 Hz where sensitively Meissner bodies and Merkel cells with high persistence in the skin receptor react sensitively. As a result, even if the working medium is kept in contact with the skin for a long time, the operator can read information without dulling the skin sensation of the operator. Furthermore, the skin sensation operation support apparatus of the present invention is small and lightweight, and is easy to attach to the control stick and simple to use.
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments shown in the drawings.
図1は、本発明の皮膚感覚操縦支援装置の航空機に対する適用例である皮膚感覚ディスプレイ装置100を示す構成説明図である。
この皮膚感覚ディスプレイ装置100は、親指Tの皮膚に機械的刺激、例えば凹凸および振動等を与える作用媒体としての作用ピン1と、作用ピン1がピンアレイに配設され且つ各作用ピン1が面外に突出または面内に突入するといった振動を行って皮膚感覚を操縦者にディスプレイする情報呈示面2と、作用ピン1の作用領域、作用周波数および作用時間を制御する作用媒体制御手段としての作用ピン制御装置3と、現在の航空機の速度ベクトルと航空機の現在位置と未来における航空機の予定位置とを結んで形成される基準ベクトルとのなす角である誤差角またはその誤差角の時間変化率を算出する飛行経路誤差計算装置4とを具備して構成されている。なお、説明の都合上、作用ピン制御装置3または飛行経路誤差計算装置4は、皮膚感覚ディスプレイ装置100に対して分離されて描かれているが、装置内部に組み込まれていても良い。
FIG. 1 is a configuration explanatory view showing a skin sensation display device 100 which is an application example of the skin sensation steering support device of the present invention to an aircraft.
The skin sensation display device 100 includes a working
なお、作用ピン1の作用領域とは、図2に示すように、振動を行って操縦者の皮膚に刺激を与えるピンアレイの全部または一部分の矩形領域のことである。また、作用ピン1の作用周波数とは単位時間当たりの作用ピン1が操縦者の皮膚に作用する回数のことである。また、作用時間とは、作用ピン1の駆動装置(図示せず)の作動時間のことであり、上述した通り作用ピン1は振動を行っているので、作用ピン1は作用時間のあいだ間欠的に操縦者の皮膚に作用している。また、作用方向とは、作用領域を移動させることによって生じる流れの方向である。図2では親指の根元側から指先側への流れの方向を示している。
As shown in FIG. 2, the action area of the
作用ピン1は、例えば先端が半球形であり且つ胴部が円筒形のピンであり、情報呈示面2から突出して操縦者の親指Tの皮膚面を押し、その押すことによって生じた皮膚の変形または弾性振動によって生じた応力が皮膚面の下部にある受容器を刺激して、これらの受容器により作用ピン1の作用領域および作用ピン1の周波数等に特徴づけられた感覚情報が中枢に送られ、操縦者は、予め感覚情報と飛行情報を対応させておくことによってそれらの感覚情報に基づいて様々な飛行情報を認識することができる。また、作用ピン1の駆動装置は、図示されてはいないが、例えばピエゾアクチュエータ等である。なお、作用ピン1は、操縦者の皮膚に作用しない時は情報呈示面2の内部に下降されている。
The
作用ピン1の作用周波数は、作用ピン制御装置3によって30[Hz]近傍に制御されている。この周波数帯域は、皮膚の受容器の中で順応性が高く且つ反応持続性が低い感度特性を有する、いわゆるRAIのマイスナー小体、ならびに順応性が低く且つ反応持続性が高い感度特性を有する、いわゆるSAIのメルケル細胞が敏感に反応する周波数である。その結果、作用ピン1が操縦者の皮膚に短時間作用する場合あるいは作用ピン1が皮膚に長時間作用する場合においても、操縦者の皮膚感覚は鈍くならずに操縦者は皮膚感覚を介して情報を好適に認識することが可能になる。これにより、離着陸やホバリングなど特定のタスクを行う場合、悪天候や機体の故障などの飛行条件あるいはそれらの条件が重ね合わさるような操縦者が操縦に集中して計器や周辺状況から飛行情報を得ることが困難な場合であっても操縦者は飛行情報を好適に得ることができるようになる。
The working frequency of the working
情報呈示面2には、図2に示すように、2(縦)×4(横)=8個のセルが縦方向に3個結合されることによって6(縦)×4(横)=24個の作用ピン1のピンアレイが形成されている。寸法例を挙げると、作用ピン1の外径は1.3mmであり、セル内の作用ピン間のピッチは2.4mmであり、セル間のピッチは4.0mmである。従って、このピンアレイは縦17mm(=1.7cm)×横8mm(=0.8cm)の矩形面積によって包絡され、この矩形面積は大人の親指の先端部より小さい面積である。これにより、操縦者は操縦桿Sを握りながら情報呈示面2に触れることができ、操縦環境を乱されることがなくなる。また、本実施例では操縦桿Sの胴部に取り付けられているが、操縦桿Sの頭部であっても良い。このように、情報呈示面2は小型かつ軽量のため操縦桿Sに取り付ける際の自由度が増す利点を有している。また、小型かつ軽量のため拘束感や利用の手間も存在しない。
As shown in FIG. 2, 2 (vertical) × 4 (horizontal) = 8 cells are combined in the vertical direction on the
図2は、作用領域の流れと飛行情報との対応例を示す示す説明図である。なお、黒丸となっている作用ピン1は突出して操縦者に作用している状態を示し、白丸となっている作用ピン1は情報呈示面2の内部に下降して操縦者に作用していない状態を示している。また、作用ピン1の作用周波数は30[Hz]とする。
先ず、下右2×2の作用領域11を200[ms]の間突出させる。因みに、この間、作用ピン1は、操縦者の皮膚に対し6(=作用時間200[ms]×作用周波数30[1/s]÷1000)回にわたり作用したことになる。その後、作用領域11を260[ms]の間休止させる。
その後、再度同じ作用領域11を160[ms]の間突出させる。因みに、この間、作用ピン1は、操縦者に対し5(≒作用時間160[ms]×作用周波数30[1/s]÷1000)回にわたり作用したことになる。その後、130[ms]の間休止させる。
次いで、中右1×2の作用領域12を150[ms]の間突出させる。因みに、この間、作用ピン1は、操縦者に対し5(≒作用時間150[ms]×作用周波数30[1/s]÷1000)回にわたり作用したことになる。その後、130[ms]の間休止させる。このように、作用領域12を縦方向に1つ移動させた作用領域13を150[ms]の間突出させた後130[ms]の間休止させるといった操作を情報呈示面2の上端に達するまで繰り返す。上端に達した後は上右1×2の作用領域15を150[ms]の間突出させる。そして、200[ms]の間休止させた後、初期状態に戻り、再び作用ピン1に対する上記操作を繰り返す。このような操作を行うことにより、情報呈示面2に仮想運動と呼ばれる作用領域の流れを表現することがで可能となる。この場合は、親指の根元側から親指の指先側に作用領域の流れを表現しているが、逆の動作を行うことにより、親指の指先側から根元側に作用領域の流れを表現することができる。そして、現在の飛行経路が目標とする経路よりも上方であり操縦桿を前に倒して機首を下げる必要がある場合には、操縦者に対して、上述した手前から奥に流れる方向の皮膚感覚が呈示され、操縦者はその皮膚感覚を基に操縦桿を前に倒して航空機の飛行経路を修正する。このように、作用領域の流れ方向と飛行情報および操作情報を対応付けることによって飛行経路の修正が容易となるため、操縦者は計器等を見ることなく皮膚感覚を介して飛行情報および操作情報を得て飛行経路を修正することが可能になる。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a correspondence example between the flow of the action area and the flight information. In addition, the
First, the lower right 2 × 2 action region 11 is projected for 200 [ms]. Incidentally, during this time, the
Thereafter, the same action area 11 is projected again for 160 [ms]. Incidentally, during this time, the
Next, the middle right 1 × 2 working region 12 is projected for 150 [ms]. Incidentally, during this time, the
また、この場合の作用領域の移動速度、すなわち流速を求めると、作用ピン1の移動した距離は、2.4×3+4.0×2=15.2mmであり、作用領域が上端までに達するのに要した時間は、200+260+160+150×3+130×4=1590msであるから、流れの速さは15.2mm÷1590ms=9.6[mm/s]となる。このように、この流れの速さと飛行情報および操作情報を対応させることによって、操縦者は皮膚感覚を介して飛行情報および操作情報を認識することも可能となる。
Further, when the moving speed of the action area in this case, that is, the flow velocity is obtained, the distance moved by the
図3は、皮膚感覚ディスプレイ装置100を利用して飛行経路の修正方法を説明する構成説明図である。 FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a flight path correction method using the skin sensation display device 100.
先ず、図4に示すように、飛行経路誤差計算装置4は、機上電子システムKの現在位置Pに関する情報および目標位置PTに関する情報から、現在位置と目標位置を結ぶ目標経路RTを作成する。
次に、飛行経路誤差計算装置4は、機上電子システムKのエアデータセンサの速度情報から現在の飛行経路Rを取得する。
次に、目標経路RTおよび現在の飛行経路Rのなす角度を誤差角Δθとして算出する。
First, as shown in FIG. 4, the flight path
Next, the flight path
Next, an angle formed by the target route RT and the current flight route R is calculated as an error angle Δθ.
そして、この誤差角情報が作用ピン制御装置3に転送され、作用ピン制御装置3は誤差角Δθが一定角度の範囲内、例えば±1.3°内であれば、作用ピン1を情報呈示面2の内部に下降させたままで操縦者に作用することはないが、逆に誤差角Δθが±1.3°を越えた場合は、作用ピン制御装置3は上述したように情報呈示面2に作用領域の流れを皮膚感覚として操縦者の親指Tに呈示する。この場合、流れの方向が親指Tの根元側から指先側の場合は、飛行経路が目標とする経路、例えば目標高度hより上方であること呈示していると共に操縦桿Sを前に倒して機首を下げる必要があることを呈示している。他方、流れの方向が親指の指先側から根元側の場合は、飛行経路が目標とする経路、例えば目標高度hより下方であること呈示していると共に操縦桿Sを後に倒して機首を上げる必要があることを呈示している。これにより、操縦者は計器を見ることなく飛行経路の誤差を解消するための操作をすることができるようになる。
Then, this error angle information is transferred to the action
また、作用ピン制御装置3は、作用領域の流れの速さを変化させることによって、例えば±1.3°,±2.6°,±6.5°の各誤差角に対する流れの速さを情報呈示面2に皮膚感覚として操縦者の親指Tに呈示することもできる。このように、操縦者に対して目標経路に対する上か下かの2値化情報および操縦桿Sの操作の方向に関する情報以外に誤差角Δθの大きさに関する情報を皮膚感覚として呈示することが可能となる。
Further, the action
他方、作用ピン制御装置3は、作用領域の流れの皮膚感覚に代えて、作用領域の淀み位置を皮膚感覚として操縦者の親指Tに呈示し、操縦者は飛行経路の誤差角を修正することも可能である。この場合、淀みの方向が親指の根元側の場合は、飛行経路が目標とする経路より下方であること呈示していると共に操縦桿Sを後に倒して機首を上げる必要があることを呈示している。他方、淀みの方向が親指の指先側の場合は、飛行経路が目標とする経路より上方であること呈示していると共に操縦桿Sを前に倒して機首を下げる必要があることを呈示している。
On the other hand, the action
また、作用領域の淀みの周波数を変化させることによって、一定時間内で誤差角Δθを修正すべく誤差角Δθの時間変化率の差を呈示することも可能である。例えば、飛行経路誤差計算装置4は、経路角誤差から基準となる誤差の基準時間変化率を算出する。次に、飛行経路誤差計算装置4は、この基準時間変化率に対する現在の誤差角の時間変化率の差分を算出する。そして、この基準時間変化率に対する現在の誤差角の時間変化率の差分が作用ピン制御装置3に転送されて、作用ピン制御装置3はその誤差角の時間変化率の差分を作用領域の淀みの周波数に対応させることによって、操縦者にその誤差角の時間変化率の差分を皮膚感覚として呈示することができる。なお、この場合、作用ピン1の周波数は30[Hz]近傍に限定せずに、例えば10〜30[Hz]または200[Hz]近傍の周波数帯域が使用される。また、基準となる誤差角の時間変化率に対する現在の誤差角の時間変化率の差が存在しない場合は、作用ピン制御装置3は、作用領域の淀みを全く振動させないが、差が発生する場合は、作用ピン制御装置3は、差の増加に対応させて作用領域の淀みの振動周波数を徐々に増加させる。
It is also possible to present the difference in the time change rate of the error angle Δθ in order to correct the error angle Δθ within a certain time by changing the stagnation frequency of the action region. For example, the flight path
以上のように、作用領域の淀みの位置および周波数を変化させることによって、操縦者に対し経路角の他に誤差角の時間変化率の差を皮膚感覚として呈示することができる。操縦者はこの皮膚感覚を基にして計器を見ることなく一定時間内で飛行経路の誤差を解消するための操作をすることができる。 As described above, by changing the stagnation position and frequency of the action region, it is possible to present to the operator the difference in the time change rate of the error angle in addition to the path angle as a skin sensation. Based on this skin sensation, the operator can perform an operation to eliminate the flight path error within a certain time without looking at the instrument.
上記皮膚感覚ディスプレイ装置100によれば、情報呈示面2は作用ピン1のピンアレイから成っているため、操縦者は作用領域の動きを皮膚感覚として認識しやすくなると共に作用ピン制御装置3によって操縦者が認識しやすい様々な、作用周波数および作用時間等に特徴づけられた作用領域の動きが生成される。さらに、情報呈示面2は操縦桿近傍に配設されているので、操縦者は操縦環境を乱されることなく皮膚感覚を介して飛行情報を好適に得ることができる。特に、手を操縦桿から分離することが難しく且つ視覚的負荷が極端に上昇する状況下においても操縦者に飛行情報を正確に伝えることが可能となると共に操縦桿の操作方向または操作量を作用領域の動き、例えば作用領域の流れの方向および速さならびに作用領域の淀みの位置および振動周波数に対応させることが容易となり、操縦者は操縦に即反映することができ、航空機の安全な航行に寄与することができる。また、人間の身体において触覚の受容器の分布密度が高い指先の皮膚感覚を介して情報は操縦者に伝えられるため、情報の解像度は腹部や背中に比べ高くなり操縦者は視覚的負荷から好適に軽減される。また、作用ピン1の動きは、作用ピン制御装置3によって触覚の受容器の感度特性に適合するように制御されるために操縦者は皮膚感覚を介して情報を好適に認識することができる。特に、作用領域の作用周波数は皮膚の受容器の中で順応性が高いマイスナー小体および反応持続性の高いメルケル細胞が敏感に反応する30Hz近傍に維持設定されている。その結果、作用領域が皮膚に長時間接触し続けていても操縦者の皮膚感覚は鈍くならずに操縦者は情報を読み取ることが可能になる。さらに、本発明の皮膚感覚ディスプレイ装置100は小型且つ軽量であり、操縦桿への取り付けに対して容易であると共に利用に対しても簡便となる。
According to the skin sensation display device 100, since the
実施例1の皮膚感覚ディスプレイ装置100では、情報呈示面2は操縦桿の近傍に配設されている構成であるが、グローブの内側または外側ならびに全部または一部に情報呈示面が配設され且つ情報が指先だけでなく手全体の皮膚感覚を介して呈示される構成としても良い。
In the skin sensation display device 100 according to the first embodiment, the
また、実施例1の皮膚感覚ディスプレイ装置100では、作用ピン1は振動することにより操縦者の皮膚に機械的刺激を与える構成であるが、電気的刺激、例えばインパルス電圧が作用ピン1によって操縦者に印加される構成としても良い。
Further, in the skin sensation display device 100 of the first embodiment, the
本発明の皮膚感覚操縦支援装置は、航空機、船舶、鉄道車両および自動者等の乗り物の操縦者に対して情報を呈示する計器又はこれらの操縦者の操作を支援する装置として好適に適用することができる。 The skin sensation maneuvering support device of the present invention is preferably applied as an instrument for presenting information to a vehicle operator such as an aircraft, a ship, a railway vehicle, and an automobile, or a device for assisting the operation of these operators. Can do.
1 作用ピン
2 情報呈示面
3 作用ピン制御装置
4 経路角誤差計算装置
100 皮膚感覚ディスプレイ装置
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JP2006298166A (en) * | 2005-04-20 | 2006-11-02 | Honda Motor Co Ltd | Vehicular state transmission device |
JP2010163096A (en) * | 2009-01-16 | 2010-07-29 | Toyota Motor Corp | Maneuvering supporting device |
JP2011048566A (en) * | 2009-08-26 | 2011-03-10 | Denso Corp | Information presentation device, information presentation system, and program |
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- 2005-02-15 JP JP2005037082A patent/JP4124367B2/en not_active Expired - Fee Related
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