JP2007087274A

JP2007087274A - 触覚装置及び触覚情報伝達システム

Info

Publication number: JP2007087274A
Application number: JP2005277717A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Kobayashi; 三昭小林
Original assignee: JR East Consultants Co
Current assignee: JR East Consultants Co
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】対象物表面の感触を正確に検出してその感触を遠隔地へ伝達し再現することができると共に、操作方向及び操作量といった操作情報までも検出できるようにすること。
【解決手段】この触覚装置は、磁界を発生させる永久磁石１１と、永久磁石１１の磁界中に配置されるコイル１２とを備える。操作棒１５の下端部にコイル１２が固定され、当該操作棒１５を支持板１４で上下及び傾倒方向に変位可能に支持すると共に変位状態から弾性的に復帰可能に支持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物の表面形状及び表面性状といった触覚情報やオペレータの操作内容である操作方向などの操作情報を電気信号に変換して取り込むための触覚装置及び触覚情報を離れた場所へ伝送して復元するための触覚情報伝達システムに関する。

従来、物体の表面形状等を検知する触覚センサとしては、電気抵抗が変化するゴム製の導電性シート（感圧導電性ゴム）を用いたり、半導体マイクロマシンによって形成した微小な圧力センサまたは力センサを並べて接触時の圧力分布を検知したりするものがある。例えば、薄型シリコンダイヤフラムの下部に半導体歪検出素子アレイを配置し、この半導体歪検出素子アレイに可動ギャップを対面配置し、この可動ギャップを支持基板で支持したものがある（例えば、特許文献１参照）。かかる触覚センサでは、薄型シリコンダイヤフラムは接触した測定対象物の形状に合わせて変形し、この薄型シリコンダイヤフラムの形状の変形を信号処理によって電気的に検知する。

また、触覚情報を復元して操作者に触覚を与える触覚インタフェース装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。かかる触覚インタフェース装置は、図６、図７に示すように、操作部１１０と駆動部１２０と制御部１４０とから構成されている。操作部１１０は、操作者によって操作される操作部位１１２を基台１１４にて支持する。駆動部１２０は、ケース１２１の底面を基台として配設した、極性が交互になるように配設された磁石１２２〜１２５を有している。磁石１２２〜１２５は、装置厚さ方向に分極されており、隣接した磁石間で磁界が発生するようにしている。磁石１２１〜１２５の上方の空間には、各磁石１２１〜１２５の間にそれぞれが配設されるようにコイル１２６〜１２９と、各コイル１２６〜１２９を取り付けるフレーム１３０とが設けられている。磁界中をＸ軸方向に並設したコイル１２６，１２８に対して電流を所定方向に流すことによって可動状態にあるフレーム１３０をＹ軸方向に沿って駆動する。同様にＹ軸方向に並設したコイル１２７，１２９に対して電流を所定方向に流すことによってフレーム１３０をＸ軸方向に沿って駆動する。従って、上記コイルの組のいずれか一方のみに電流を流せば一次元方向に、双方に電流を流せば各一次元方向のベクトル和により表される二次元方向に、フレーム１３０を駆動することができる。このように、駆動部１２０は、ケース１２１の中においてフレーム１３０を可動可能な部材として設けた構造を有している。制御部１４０は、信号線１３１を介してコイル１２６〜１２９へ電流を流すことによってフレーム１３０を変位させる。フレーム１３０に取り付けられている操作部位１１２は、フレーム１３０の変位に連動して変位することになる。

なお、触覚情報ではなくオペレータの操作内容となる操作情報を入力するデバイスとして多方向入力スイッチが知られている(例えば、特許文献３参照)。かかる多方向入力スイッチは、操作部材を支持台に傾倒動作及び押込み動作可能に支持しており、操作部材の傾倒動作及び押込み動作に応じて各方向の接点が導通することにより操作方向を検知して電気的な操作情報を出力するものである。

特開２００４−１６３１６６号公報特開２００４−１８２００７号公報特開２００１−３５１４７６号公報

しかしながら、上記した従来の触覚センサの如く、感圧導電性ゴム、圧力センサ、力センサ又は半導体歪検出素子アレイを用いて対象物の表面形状を感知したのでは、対象物表面の感触（ざらざら、ごつごつ、すべすべ等の感じ）を正確に検出してその感触を遠隔地へ伝達し再現することができなかった。

また、従来の触覚センサでは操作方向及び操作量といったオペレータの入力した操作情報を検出することはできず、一方で従来の多方向入力スイッチでは触覚情報までは検出できなかった。すなわち、触覚情報と操作情報といった２種類の情報を入力するためには、触覚情報を入力する触覚入力装置と操作情報を入力する多方向入力スイッチとを別々に備える必要があった。

本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、対象物表面の感触（ざらざら、ごつごつ、すべすべ等の感じ）を正確に検出してその感触を遠隔地へ伝達し再現することができると共に、操作方向及び操作量といった操作情報までも検出することができる触覚装置及び触覚情報伝達システムを提供することを目的とする。

本発明の触覚装置は、磁界を発生させる磁界発生手段と、前記磁界発生手段の磁界中に配置されるコイルと、操作端部と対向する下端部に前記コイルが固定された触覚操作部材と、前記触覚操作部材を上下及び傾倒方向に変位可能に支持すると共に変位状態から弾性的に復帰可能に支持する支持部材と、を具備したこと特徴とする。

このように構成された触覚装置によれば、触覚操作部材の操作端部を対象物の表面に対して所定の力で当接させて当該表面上をなぞるように移動させた場合、対象物表面の凹凸に応じた小刻みな振動が触覚操作部材に伝えられる。触覚操作部材に伝わる振動はコイルにそのまま伝達し、コイルが磁界発生手段により形成された磁界内で振動する結果、触覚に相当する振動がコイル電流の形で現れる。また、触覚操作部材は傾倒動作、押し込み動作又傾けた状態での回転動作といった各種の操作が可能であり、その操作方向及び操作量に正確に対応して触覚操作部材の下端部に固定されたコイル変位し、操作内容に応じたコイル電流が流れる。

また本発明の触覚情報伝達システムは、上記触覚装置で構成された第１及び第２の触覚装置と、前記第１の触覚装置を対象物表面の触覚情報を入力する入力側とし当該第１の触覚装置のコイルに流れる電流を取り出して触覚操作情報信号として出力する信号出力手段と、前記第２の触覚装置を対象物表面の触覚情報を復元する出力側とし当該第２の触覚装置のコイルに前記触覚操作情報信号を入力する信号入力手段と、前記信号出力手段と前記信号入力手段とを接続する信号ケーブルと、を具備したことを特徴とする。

このように第１及び第２の触覚装置の双方のコイルを信号ケーブル経由で接続する簡単な構成で、触覚情報及び操作情報を離れた場所で簡単に再現できる。

また本発明の触覚情報伝達システムは、上記触覚装置で構成された第１及び第２の触覚装置と、前記第１の触覚装置を対象物表面の触覚情報を入力する入力側とし当該第１の触覚装置のコイルに流れる電流を取り出して触覚操作情報信号として出力する信号出力手段と、前記信号出力手段から出力される触覚操作情報信号を通信ネットワーク上に送出する送信手段と、前記第２の触覚装置を対象物表面の触覚情報が復元される出力側とし当該第２の触覚装置の設置された場所に設けられ前記通信ネットワークから前記触覚操作情報信号を受信する受信手段と、前記受信手段で受信された触覚操作情報信号を前記第２の触覚装置のコイル入力する信号入力手段と、を具備したことを特徴とする。

このように第１及び第２の触覚装置の双方のコイルを信号ケーブルで直接結べない遠隔地であっても通信ネットワーク経由で接続することができ、触覚情報及び操作情報を遠隔地で簡単に再現できる。

本発明によれば、対象物表面の感触（ざらざら、ごつごつ、すべすべ等の感じ）を正確に検出してその感触を遠隔地へ伝達し再現することができると共に、操作方向及び操作量といった操作情報までも検出することができる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して具体的に説明する。
図１は本実施の形態に係る触覚装置の概略的な側断面構造を示す構成説明図であり、図２は上記触覚装置の上面図であり側壁及び上面を覆う支持板を取り除いた状態を示している。

本実施の形態に係る触覚装置は、円筒状をなし一方が開放した永久磁石１１と、当該永久磁石１１の開口部側に配置され一端が開口部内に挿入された円筒状をなすコイル１２とを備える。永久磁石１１の外周面に対して基端部が固定され上方に向けて扇状に開口した外壁１３が設けられている。外壁１３の開口端部に、永久磁石１１の開口側上面を覆うように、円板状の支持板１４が取り付けられている。支持板１４は、板中央部にコイル１２の径と略同一径の開口部が形成されており、該開口部にコイル１２の上面部外周が固定されている。コイル１２は支持板１４の中央部にて上下及び傾倒方向へ変位可能に支持される。コイル１２の上面中央位置に触覚操作部材としての操作棒１５の基端部が固定されている。操作棒１５に加わる力（振動、傾倒動作及び押し込み動作を含む）がコイル１２へ減衰されずに正確に伝達するために操作棒は適度な剛性を有し、かつコイル１２と操作棒１５とが一体化されていることが望ましい。また、支持板１４は操作棒１５を上下及び傾倒方向へ変位可能に支持すると共に変位状態から弾性的に復帰可能に支持可能な可撓性材料から構成されている。支持板１４は操作棒１５に加えられる傾倒動作、押し込み動作及び各種振動をコイル１２へ伝えるのに好適な機械的強度を有することが望ましい。なお、コイル１２の開口部内には鉄心１６が配置されている。また、コイル１２からは正極及び負極のリード線１７が引き出されている。

次に以上のように構成された触覚装置の動作について説明する。
図３は触覚装置の動作状態を示す概念図である。先ず、触覚情報の入力動作から説明する。操作棒１５の先端を対象物の表面に対して所定の力で当接させて当該表面上をなぞるように移動させる。操作棒１５は可撓性を有する支持板１４に支持されて中空に浮いた状態であるので、操作棒１５の先端部と対象物表面とが互いに擦れると、対象物表面の凹凸に応じた小刻みな振動が操作棒１５に伝えられる。操作棒１５に伝わる振動は、対象物の材質、凹凸のピッチ及び大きさによって決まるものであり、人間が指先等で対象物を触った際に感じる「ざらざら」「ごつごつ」「すべすべ」等の感覚に近い情報、すなわち触覚情報を含むことになる。

操作棒１５に一体化されたコイル１２に「ざらざら」「ごつごつ」「すべすべ」等の触覚情報に相当する振動が伝わり、コイル１２が永久磁石１１により形成された磁界内で振動する。操作棒１５に伝わった「ざらざら」「ごつごつ」「すべすべ」等の触覚情報に相当する振動は極めて小さな揺れ幅であるが、振動周波数（速度）が高いために比較的大きな起電力が誘起されて検出可能な大きさの電流がコイル１２に流れる。コイル１２に流れた電流はリード線１７から触覚情報として取り出される。対象物の表面形状及び表面性状により操作棒１５に伝わる振動が異なるので、「ざらざら」「ごつごつ」「すべすべ」等の感触を正確に検出して電気信号（以下、「触覚情報信号」という）に変換できることになる。

次に、オペレータが操作棒１５を操作することにより入力される操作情報の入力動作について説明する。オペレータが指で操作棒１５を操作するものとする。図３に示すように、可撓性を有する支持板１４に操作棒１５の基端部が固定されているため、操作棒１５は傾倒動作、押し込み動作又傾けた状態での回転動作といった各種の操作が可能である。操作棒１５の先端部を操作すると、その操作方向及び操作量に正確に対応して操作棒１５の下端部に固定されたコイル１２が図３中に点線で示すように変位する。コイル１３が永久磁石１１による磁界中を移動することにより、起電力が誘起されてコイル１３に電流が流れる。永久磁石１１による磁束密度、操作棒１５（コイル１２）の移動速度、操作方向及び操作量に応じてコイル１２に誘起される電流は変化する。したがって、リード線１７から取り出される電気信号は操作棒１５の移動速度、操作方向及び操作量といった操作情報を含んでいることになる。操作棒１５の操作に対応してリード線１７から取り出される電気信号を操作情報信号というものする。

次に、本実施の形態の触覚装置において触覚情報及び操作情報を復元する動作について説明する。復元動作は、上記入力動作とは逆の動作になる。すなわち、上記したように触覚装置で取り込んだ触覚情報信号を、同様の構成を有する他の触覚装置のリード線１７に入力してコイル１２に触覚情報信号を流す。永久磁石１１の磁界中でコイル１２に触覚情報信号が流されると、触覚情報信号と磁束とにより当該触覚情報信号に応じた力がコイル１２に作用する。コイル１２に流れる電流とコイル１２を貫く磁束数（磁束密度）とにより、コイル１２に作用する力が決まるので、出力側の触覚装置において入力側と動方向に磁界を印加してコイルに同じ触覚情報信号を流すことにより触覚情報入力時と同様に、コイル１２が振動してその振動が操作棒１５へ伝えられる。オペレータは操作棒１５に触れることにより「ざらざら」「ごつごつ」「すべすべ」等の感触を得ることができる。

また、上記したようにある触覚装置で取り込んだ操作情報信号を、同様の構成を有する他の触覚装置のリード線１７から入力する。永久磁石１１の磁界中でコイル１２に操作情報信号が流されると、操作情報信号と磁束とにより当該操作情報信号に応じた力がコイル１２に作用する。すなわち、操作情報入力時と同様にコイル１２が上下左右又は回転動作し、その運動が操作棒１５へ伝えられる。オペレータは操作棒１５に触れることにより操作内容を体感することができる。

図４は２つの触覚装置からなる触覚情報伝送システムの構成図である。触覚装置１０Ａ、１０Ｂは、図１に示す触覚装置と同一構成を有する。本例では、左側の触覚装置１０Ａから触覚情報及び操作情報を入力し、右側の触覚装置１０Ｂで復元するものとして説明する。入力側となる触覚装置１０Ａのリード線１７端部が電力増幅回路２１の入力端に接続され、出力側となる触覚装置１０Ｂのリード線１７端部に電力増幅回路２２の出力端子が接続されている。触覚装置１０Ａのリード線１７及び電力増幅回路２１で信号出力手段を構成している。また触覚装置１０Ｂのリード線１７及び電力増幅回路２２で信号入力手段を構成している。入力側となる触覚装置１０Ａに設けられた電力増幅回路２１の出力端と、出力側となる触覚装置１０Ｂに設けられた電力増幅回路２２の入力端とが信号ケーブルで構成される伝達手段２３で接続されている。

以上のように構成された触覚情報伝送システムにおいて、入力側の触覚装置１０Ａで取り込まれた触覚情報信号又は操作情報信号はリード線１７を介して電力増幅回路２１へ入力され伝送可能なレベルまで増幅される。所定レベルまで増幅された触覚情報信号又は操作情報信号は伝達手段２３を経由して出力側の触覚装置１０Ｂに設けられた電力増幅回路２２に入力される。伝達手段２３で減衰した触覚情報信号又は操作情報信号が電力増幅回路２２において増幅される。電力増幅回路２２から出力された触覚情報信号又は操作情報信号が触覚装置１０Ｂのコイル１２に流れる。この結果、触覚装置１０Ｂのコイル１２を流れる触覚情報信号又は操作情報信号に応じて操作棒１５が振動し又は上下左右に三次元運動する。

このように、２つの触覚装置１０Ａ、１０Ｂを伝達手段２３にて接続するといった簡単なシステム構成で、入力側の触覚装置１０Ａで検出された対象物の表面形状及び表面性状をリアルタイムで忠実に出力側の触覚装置１０Ｂで復元でき、オペレータは操作棒１５を触ることにより対象物表面の「ざらざら」「ごつごつ」「すべすべ」等の感触を体感することができる。また、入力側の触覚装置１０Ａにおいて操作棒１５を操作した場合には、出力側の触覚装置１０Ｂで操作棒１５に同一の動きをさせることができる。

なお、図４に示す触覚情報伝送システムでは、入力側の触覚装置１０Ａと出力側の触覚装置１０Ｂとを信号ケーブルからなる伝達手段２３で接続しているが、本発明はそのような構成に限定されない。

例えば、図５に示すように、入力側の触覚装置１０Ａと出力側の触覚装置１０Ｂとを遠隔地に配置して通信ネットワークを介して接続するシステム構成としてもよい。電力増幅回路２１から出力される電気信号（触覚情報信号又は操作情報信号）をＡＤ変換回路３１でデジタル信号に変換して通信装置３２に取り込む。通信装置３２は所定のプロトコルに従って通信ネットワーク３３を経由して遠隔地の触覚装置１０Ｂへ送信する。

遠隔地の触覚装置１０Ｂには通信装置３４が接続されている。通信装置３４は、通信ネットワーク３３から触覚情報信号又は操作情報信号のデジタルデータを受信する。受信データをＤＡ変換回路３５で電気信号（触覚情報信号又は操作情報信号）に変換して電力増幅回路２２に入力する。

このように入力側の触覚装置１０Ａと出力側の触覚装置１０Ｂとを通信ネットワーク３３を介して接続することにより、遠隔地に感触を伝達することができる。例えば、遠隔地の医療診断ではこれまで画像伝送による視診を行う程度であったが、間接的な指診が可能になる。

なお、以上の説明ではコイル１２の外側に永久磁石１１を配置しているが、コイル１２の内側に永久磁石を配置するようにしても良い。また、コイル１２を上下動及び傾倒動作自在に支持するために支持板１４を用いているが、可撓性を有する板材に限定されない。例えば、可撓性を有する部材をメッシュ状に配列したものでも良いし、渦巻きばねのようなばね材を用いることもできる。

本発明は、対象物の表面形状及び表面性状の感触や二次元又は三次元の動きを遠隔地へ伝達するシステムに適用可能である。

一実施の形態に係る触覚装置の側断面図図１の触覚装置から支持板を取り除いて上から見た上面図上記一実施の形態に係る触覚装置の動作説明図上記一実施の形態に係る触覚装置を用いたシステム構成図上記一実施の形態に係る触覚装置を用いた他のシステム構成図従来の触覚センサの側断面図図６に示す触覚センサの上面図

符号の説明

１１永久磁石
１２コイル
１３外壁
１４支持板
１５操作棒
１６鉄心
１７リード線

Claims

磁界を発生させる磁界発生手段と、前記磁界発生手段の磁界中に配置されるコイルと、操作端部と対向する下端部に前記コイルが固定された触覚操作部材と、前記触覚操作部材を上下及び傾倒方向に変位可能に支持すると共に変位状態から弾性的に復帰可能に支持する支持部材と、を具備したこと特徴とする触覚装置。
請求項１記載の触覚装置で構成された第１及び第２の触覚装置と、前記第１の触覚装置を対象物表面の触覚情報を入力する入力側とし当該第１の触覚装置のコイルに流れる電流を取り出して触覚操作情報信号として出力する信号出力手段と、前記第２の触覚装置を対象物表面の触覚情報を復元する出力側とし当該第２の触覚装置のコイルに前記触覚操作情報信号を入力する信号入力手段と、前記信号出力手段と前記信号入力手段とを接続する信号ケーブルと、を具備したことを特徴とする触覚情報伝達システム。
請求項１記載の触覚装置で構成された第１及び第２の触覚装置と、前記第１の触覚装置を対象物表面の触覚情報を入力する入力側とし当該第１の触覚装置のコイルに流れる電流を取り出して触覚操作情報信号として出力する信号出力手段と、前記信号出力手段から出力される触覚操作情報信号を通信ネットワーク上に送出する送信手段と、前記第２の触覚装置を対象物表面の触覚情報を復元する出力側とし当該第２の触覚装置の設置された場所に設けられ前記通信ネットワークから前記触覚操作情報信号を受信する受信手段と、前記受信手段で受信された触覚操作情報信号を前記第２の触覚装置のコイル入力する信号入力手段と、を具備したことを特徴とする触覚情報伝達システム。