JP2006513500A - マニュアルシミュレーションインターフェース - Google Patents

Abstract

本発明はマニュアルシミュレーションインターフェースに関する。本発明のインターフェースは、ユーザの前腕の周りに取り付けられるスリーブ（１）と、グリップ素子（３）とから成り、このグリップ素子は、指の先端を押圧するタッチ認識アクチュエータ（１２）と、親指によって作動する制御ボタン（１３）とを備える。また、他のアクチュエータ（６，７，１１）がグリップ素子（３）をスリーブ（１）に接続しており、環境からもたらされる衝撃に応答して顕著に分かる形でグリップを動かすことができる。さらに、スリーブは無線変位センサを有する。このように、本発明の最良の実施形態では、ユーザは２つの非常に異なる手段（ボタン１３及びセンサ１４）の両方を利用して命令を出し、仮想環境（アクチュエータ６，７及び１１、及びタッチ認識アクチュエータ１２）からの応答を受け取る。このインターフェースの使用は軽く且つ簡単で、このインターフェースを使用して仮想環境を利用し、ロケーションにアクセスする、楽しむ、学習する等を行なうことができる。

Description

本発明の主題は、とりわけ仮想環境との接続手段として期待されるマニュアルシミュレーションインターフェースであり、ユーザはこのインターフェースを前腕の周りに装着し、このインターフェースによって特定の命令を出すとともに、シミュレートされた環境に従ってこれらの命令に応答する様々なタッチ感覚を得ることができる。

ユーザが掴むハンドル又はグリップ素子の形で設けられるこのようなインターフェースについて明らかにした先行技術に関する文献には、米国特許第４７９５２９６号及び同第５５７７４１７号がある。このようなインターフェースに関する出願は非常に多く、これらの出願は仮想訪問、シミュレーションゲーム、学習などに関するものである。仮想環境に入り込んだユーザは、或る操作を行なうことによって行動し、その行動によってもたらされる効果を感じ取れなければならず、これには、便利であるがかなり操作がやっかいなインターフェースを使用して環境と様々なやり取りを行なうことができることが必要である。最も良く知られているインターフェースは簡単すぎて基本的なやり取り以上のものを行なうことができず、仮想環境に対する興味を削ぎ、仮想環境の開発の妨げとなる。

本発明によるインターフェースの主要な利点は、インターフェースが、異なるタイプの操作を完了したことを表わす反応を表現する完全に異なる２つの方法を含むことである。オペレータの操作に応答して、一方の手に対する力のフィードバック、すなわち握ることによるフィードバックと、タッチ認識に関連する更に繊細な操作に対する反応とを区別することが可能になる。シミュレーションインターフェースは、ユーザの一方の手首に取り付けられるスリーブと、ユーザの一方の手の前面に位置するグリップ素子とを備え、グリップ素子は変位アクチュエータによってスリーブに取り付けられ、グリップ素子は手の指の表側にタッチ認識アクチュエータを有し、変位アクチュエータ及びタッチ認識アクチュエータはシミュレーション応答の衝撃に敏感なモータによって制御されることを特徴とする。ロッドをスリーブに代えて用いることができるので、それによりユーザの他方の手でインターフェースを掴むことができる。ロッドをスリーブに取り付けてグリップ素子を掴むこともできる。

インターフェースによって変化する操作を実行することができることもかなり大きな利点であり、これは本発明の特殊且つ固有の形態において得られる。従って、グリップ素子は、スリーブに近接し、且つ親指で作動させる少なくとも一つの制御ボタンが埋め込まれた部分を備えることができるか、又はスリーブ（又はロッド）に隣接環境内で動作する無線変位センサを装着することができる。

ユーザが装着するこのインターフェース、特にインターフェースの可動部分の軽さを維持するとさらに適切である。従って、変位アクチュエータ制御モータが、モータが動かす可動グリップ素子の上ではなく、スリーブ（又はロッド）の上に配置すると有利である。

反応感覚の多様さは、更に、グリップ素子に加えることができる可能な動きの数に依存する。有利には、変位アクチュエータは、基本的に直交する異なる方向の変位を制御し、変位アクチュエータの内の２つは、グリップ素子の向かい合うエッジと、スリーブに接続される支持体部分との間に位置する。従って、グリップ素子の可動性は非常に大きく、グリップ素子が前記２つのアクチュエータの上に取り付けられる交差ロッドを備え、これらのアクチュエータが、互いに直交し且つロッドに対して傾斜する方向の変位を制御し、第３の変位アクチュエータが交差ロッドとグリップ素子の主要部分との間で、主要部分をロッドの上を滑動させることにより配置されるならば、グリップ素子は全ての方向に移動することができる。

スリーブとグリップ素子との更に複雑な連結が可能である。

次に本発明について次の図に従って記載する。

図１のインターフェースは、例えば付着性材料で覆われるエッジ２を覆い被せることにより、又は他の同じような手段を使用することにより、ユーザが手首の周りに装着するストラップから成るスリーブ１と、ユーザの手の前面に延びるグリップ素子３とを備える。

グリップ素子３はユーザの動きを支持し、この実施形態ではユーザの動きを知らせるという２つの役割を果たす。スリーブ１はフレーム４によってグリップ素子３を支持し、このフレームは、基本的に、グリップ素子３に隣接して延びるロッド５から成る。図２〜４に示す実施形態では、ロッド５の両端には、２つの線形アクチュエータ６及び７のそれぞれが、例えばネジ及びナットで固定されており、これらのアクチュエータは互いに直交する方向に向いている。これらの２つの方向はロッド８に対して大きく傾いており、このロッド８に沿ってグリップ素子３がスライドすることができ、且つロッド８の両端はＸ−Ｙテーブル４１及び４２に接続され、よってモータ５１により前記ロッドは２つの方向に並進移動することができる。

ロッド８はグリップ素子３の主要部１０の穴を貫通して延び、３つ目のアクチュエータ１１がこの穴に収納される。このアクチュエータは主要部１０と一体的に形成され、これもまたネジ及びナット機構によってロッド８に沿ってスライドする。ロッド８は、主要部１０の回転を保持し続けるための非回転部を有し、この非回転部にロッドがスライドして挿入される。

変位アクチュエータ６，７及び１１が移動することにより、ユーザが掴むグリップ素子の主要部１０が、アクチュエータの並進移動と同様な動きに従って、又はユーザによって生じる動きに従って空間のほぼ直交する方向に移動する。従って、仮想環境の種々の反応をこれらの並進移動を組み合わせることにより複雑な方法でシミュレートすることができる。環境の反応をユーザに伝達することができる別の手段は複数のタッチ認識アクチュエータ１２に設けられ、これらのアクチュエータの数は１〜４の間であることが好ましく、これらのアクチュエータは主要部１０の冠部上のユーザが指の腹を当てる領域に配置される。タッチ認識アクチュエータは市販されている小型バイブレータから成る。幾つかの製品モデルは振動の強度又は方向さえも調整することができ、これによって一層微細な感覚を与えることができる。更にラウドスピーカー駆動用モータを使用することができる。図では固定された形で模式的に示す、アクチュエータ１２を支持する冠部とグリップ素子３の本体との間の距離は、感覚が最も敏感になる箇所にタッチ認識アクチュエータ１２を位置させるように調整可能である。

公知のようにモータ、コーダー、又は別の測定手段を備える変位アクチュエータ６、７及び１１によってシミュレートされる反応は通常、ユーザによるプッシュ動作又は同じタイプの仮想操作に対する抗力とすることができ、タッチ認識アクチュエータによってシミュレートされる反応は、仮想物体との接触又はユーザが加える力以外のその他操作とするか、或いは仮想物体の状態の変化とすることもできる。仮想環境は中央制御システムによってサポートされ、このシステムには、非常に異なるタイプのセンサによってデータが供給され、これらのセンサにはインターフェースに配置されるものと、ほかの場所に配置されるものがある。中央制御システムは、モータによって変位アクチュエータを調整し、システムにプログラムされた方法に従ってタッチ認識アクチュエータ１２の反応を決定することによりタッチ認識アクチュエータ１２を調整する。仮想環境自体は大きく変化するものであり、本発明の主題ではない。

仮想環境はオペレータからの命令によって更に調査される。幾つかの仮想環境は、本明細書において参照するインターフェースによって設けることができる。主要部１０は、ロッド８を含む直線部の、タッチ認識アクチュエータ１２とは反対の側に少なくとも一つのボタン１３を含む。グリップ素子のこの直線部には、ボタン１３を必要な限り迅速に押すオペレータの親指が載る。前記ボタンの制御操作は、治具又は別の物体を握る操作のような、環境内における所定の操作に関連付けることができる。

他の制御手段はスリーブ１上の移動センサ１４から成る。このセンサは光センサ、磁気センサ、又は他のタイプのセンサであり、このセンサにより、固定基準を形成する照射源１７を使用して照射源１７に対するインターフェースの位置又は傾きの変位を測定することができる。このタイプのセンサは公知である。インターフェースの動きは、仮想環境内での動きのような異なる動作に変換することができる。

最後に、スリーブ１が変位アクチュエータ６及び７を有するという利点がある。これらのアクチュエータは公知の方法に従って、モータ、エンコーダ、及びネジ／ナット系により構成される。アクチュエータ１１は、有利には、ロッド８の上の、グリップ素子３の穴に位置する。

図５に示す実施形態は本発明の別の形態であり、スリーブ１とグリップ素子３（変更無し）との接合部分が異なる。この実施形態では６つのアクチュエータを使用してできる限り多くの変位自由度を実現している。６つのモータ１８を使用してこれらのアクチュエータを制御し、これらのモータの内の５つは見ることができ、６つ目のモータはグリップ素子３に含まれており、機能及び位置の点でアクチュエータ１１に類似するアクチュエータを制御している。

前術のように、グリップ素子３の上部及び下部には、２つの直交するスライドガイド２１及び２２から成る平面移動テーブル（Ｘ−Ｙ）１９及び２０があり、これらのガイドはグリップ素子３の２つの端部の移動を可能にしている。２つのアクチュエータ２３及び２４、又は２５及び２６は、各テーブル１９又は２０によって支持されており、スライドガイド上の移動を制御する。これらの変位が同じであり、且つ同じ方向である場合、グリップ素子の純粋な並進移動が得られる。これらの方向が反対である場合、純粋な回転が得られる。グリップ素子３は、テーブル１９及び２０とロッド８の両端との間に在る２つのカルダンジョイント２７と、ロッド８の下端とテーブル２０との間のスライドガイド２９によって支持され、テーブル１８及び２０と一体形成される２つのカルダンジョイント２７の間の空間が調整される。ロッド８と同軸の５番目のアクチュエータ２８はロッド８をその軸を中心に回転させる。

スリーブ１は取り外すことができるので、ユーザはグリップ素子３に隣接するロッド５を他方の手を使用して直接掴むことになる。この例では、シミュレーションによる命令は、前記他方の手によって実行することになり、これによってインターフェースが移動し、前述のように反応を一方の手によって感知することになる。

本発明の更に別の例示としての実施形態について、最後の図を使用して記載する。まず前記実施形態の概略図を示す図７を参照する。この実施形態も同じように、スリーブ３１、グリップ素子３３、フレーム３４、及び２つの変位アクチュエータ３６及び３７を備え、これらの構成要素の概略の特徴は、既に説明した該当する部品１、３、４、６及び７の特徴と同じである。しかしながら、変位アクチュエータ３６及び３７は、図６に示すように異なる態様で構成される。ネジ式アクチュエータは特殊タイプのケーブルアクチュエータに置き換えられている。これらのアクチュエータの各々は、図６Ａに示すモータ３８、モータの出力シャフト４０の端部に位置する駆動プーリ３９、一対のガイドプーリ４１及び４２、ケーブル４３、及びここでは一つの扇形として限定した形で示される被駆動プーリ４４を備える。この被駆動プーリ４４は両方ともフレーム３４に連結され、変位アクチュエータ３６及び３７のモータ３８はスリーブ３１及びグリップ素子３３それぞれに属するベースプレート４５及び４６にそれぞれ固定される。

ケーブル４３の両端は被駆動プーリ４４に固定され、その両端の間でガイドプーリ４１、駆動プーリ３９及び他方の被駆動プーリ４２の周りに連続して巻き取られる。変位アクチュエータ３６及び３７の特筆すべき特徴は、通例の構成とは異なり、駆動プーリ３９がガイドプーリ４１及び４２の回転軸及び被駆動プーリ４４の回転軸に直交する回転軸を有することである。ケーブル４３の可撓性によって可能になるこの構成によって、モータ３８をユーザの前腕及び手の傍に、マニュアルインターフェースが移動する際に邪魔にならず、且つ苦痛又は真の制約を伴わない位置に位置させることができる。実際、これらのモータ３８が邪魔になることがあるとすれば、モータが出力シャフト４０の長さ方向に細長いが、これに直交する方向に薄いからである。モータ３８の延長線がユーザの前腕及び手の方向と大体一致する方向に向いていると有利である。

変位アクチュエータ３６及び３７の変速機は共にユーザの手首の高さに位置し、フレーム３４は、被駆動プーリ４４の回転軸Ｙ及びＺが互いに直交し、且つ手首を通過して延びる角度に曲がるので、インターフェースは、ユーザの移動領域に正確に一致する移動領域を有することになり、よってユーザの自然な動きの邪魔にならない。

繰り返すが、グリップ素子には、図６に模式的に示すタッチ認識アクチュエータ４７が装着されるが、これらのタッチ認識アクチュエータ４７はグリップ素子３３のハウジングの上に取り付けられることを理解されたい。前記ハウジングは、プッシュボタン又は親指ホイールの形態の、図示しない他のボタンも備えることができ、よって作動又は巻き戻しをトリガーすることができる。空間においてインターフェースの位置決めを行い、且つ光を反射する３面体構成の球体を備え、更にスリーブ３１に固定される機器はどの箇所にも示していない。カメラは３面体の形状及び位置をその画像上に継続的に追跡してその位置及び傾きを推定する。このようなシステムはそれ自体が既に公知であり、本発明には含まれない。

インターフェースの一実施形態の概略図である。 一実施形態の詳細図である。 一実施形態の詳細図である。 一実施形態の詳細図である。 一実施形態の詳細図である。 別の実施形態の図である。 別の実施形態の図である。

Claims (8)

1. シミュレーションインターフェースであって、ユーザの一方の手の前面に位置するグリップ素子（３）、ユーザの前腕に取り付けられるスリーブ（１）及び／又はユーザの他方の手によって保持されるロッド（４）を備え、グリップ素子は変位アクチュエータ（６、７、１１、３６、３７）によってスリーブ又はロッドに連結され、グリップ素子は手の指の前面にタッチ認識アクチュエータ（１２）を有し、変位アクチュエータ及びタッチ認識アクチュエータはシミュレーション操作応答によって制御されることを特徴とする、シミュレーションインターフェース。
2. グリップ素子（３）がスリーブ（１）又はロッド（４）の近くに、親指で作動させる少なくとも一つの制御ボタン（１３）を備える部分（１０）有することを特徴とする、請求項１記載のシミュレーションインターフェース。
3. スリーブ又はロッド（４）に、固定基準を有する無線変位センサ又は位置センサ（１４）が装着されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のシミュレーションインターフェース。
4. 変位アクチュエータ制御モータ（１６）がスリーブの上に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のシミュレーションインターフェース。
5. 変位アクチュエータは基本的に直交する方向の異なる変位を制御し、変位アクチュエータの内の２つ（６、７）はスリーブの反対側エッジと、スリーブに接続される支持体部分との間に配置されることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のシミュレーションインターフェース。
6. グリップ素子は前記２つのアクチュエータの上に取り付けられる交差ロッド（８）を備え、前記２つのアクチュエータは互いに直交し、且つロッドに対して傾斜する方向の変位を制御し、第３の変位アクチュエータはロッドとグリップ素子（３）の主要部分（１０）との間に、主要部分をロッド（８）の上を滑動させることにより配置されることを特徴とする、請求項５記載のシミュレーションインターフェース。
7. 変位アクチュエータの内の４つは、グリップ素子の両端にそれぞれ隣接する変位Ｘ−Ｙテーブルとスリーブに接続する支持体部分との間にそれぞれ２つ一組で配置されることを特徴とする、請求項５又は６記載のシミュレーションインターフェース。
8. 変位アクチュエータ（３６，３７）は、モータ（３８）、駆動プーリ（３９）、被駆動プーリ（４４）、及び駆動プーリと被駆動プーリとの間の伝送ケーブル（４３）を備え、駆動プーリ及び被駆動プーリは直交する軸を有し、モータはユーザの前腕及び手の傍に位置し、被駆動プーリはスリーブ（１）とグリップ素子（３）との間のフレーム（４）に固定され、モータ（３８）はスリーブ及びグリップ素子にそれぞれ固定され、被駆動プーリの回転軸はユーザの手首を通過することを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか一項に記載のシミュレーションインターフェース。

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