JP2013114323A - ３次元空間座標入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】皮膚感覚のフィードバックを可能とすることのできる３次元空間座標入力装置を得る。
【解決手段】３次元情報データベース２１０は、仮想物体表面の摩擦係数値を示す皮膚感覚生成用データ２１３と、摩擦係数値と帯電フィルム１０３の帯電量との関係を示す摩擦力・帯電量変換用データ２１４を備える。帯電量演算部２２１は、３次元入力に基づき、皮膚感覚生成用データ２１３と摩擦力・帯電量変換用データ２１４とを用いて、仮想物体表面の摩擦係数値に対応した帯電量を演算する。３次元情報入出力デバイス１００における帯電フィルム１０３は、帯電量演算部２２１で演算された帯電量に基づいて帯電され、操作者に対して皮膚感覚のフィードバックを行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、３次元空間座標を入力すると共に、触覚または力覚を操作者に瞬時的に知覚させる機能としてフォースフィードバック及び感覚フィードバックを有する３次元空間座標入力装置に関するものである。

従来の座標入力においては、マウスに代表される２次元座標入力装置が主であり、３次元座標の入力の際には、これらの装置を使用して疑似的に座標入力を行うことが多かったが、コンピュータ技術の発達により、ＣＡＤ、バーチャルリアリティ、またはゲーム等の分野において、３次元座標のデータを取り扱う機会が増してきた。これに伴い、このような３次元データを取り扱う際に３次元座標を入力する必要が増加してきている。

バーチャルリアリティの分野等においては、触覚または力覚を操作者に瞬時的に知覚させる機能としてフォースフィードバックを有する座標入力装置が所望されるが、その際には、リンクを使用した方式が有利となる。ここで、用語「フォースフィードバック」は触覚または力覚を操作者に瞬時的に知覚させる機能を意味する。このようなフォースフィードバック付き座標入力装置としては、センサ及びアクチュエータを３本のアームの各関節部に配置した、例えば特許文献１に記載されたような３次元空間座標入力装置があった。この３次元空間座標入力装置は、本体の各アーム関節部のセンサにより、３次元座標と、操作者の掛ける力の検出値とを得て、アクチュエータによりフォースフィードバックを実現する。また、操作者は摘みを握って操作する。摘みには押しボタンが実装されており、座標入力に用いる。

特開２０００―１１２６４９号公報

しかしながら、フォースフィードバック付きの座標入力装置としての上記従来の３次元空間座標入力装置については、フォースフィードバックを用いて、操作者に力学的な反力を与えることはできるが、仮想物体の表面の質感等の、皮膚感覚のフィードバックを与えるといったことはできなかった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、皮膚感覚のフィードバックを可能とすることのできる３次元空間座標入力装置を得ることを目的とする。

この発明に係る３次元空間座標入力装置は、３次元入力と力覚呈示と触覚呈示とを行う３次元情報入出力デバイスと、仮想空間生成用データと、仮想空間における仮想物体表面の摩擦係数値を示す皮膚感覚生成用データと、反力生成用データとを有する３次元情報格納部と、３次元情報入出力デバイスによる３次元入力に基づき、皮膚感覚生成用データを用いて、３次元情報入出力デバイスへの触覚呈示の制御量を演算する触覚情報演算部と、３次元情報入出力デバイスからの信号を触覚情報演算部に送出すると共に、触覚情報演算部の演算結果に基づいて３次元情報入出力デバイスの制御を行う触覚情報制御部とを備え、３次元情報入出力デバイスは、触覚呈示を帯電量の制御で行うようにしたものである。

この発明の３次元空間座標入力装置は、仮想物体表面の摩擦係数値を示す皮膚感覚生成用データを用いて、３次元情報入出力デバイスへの触覚呈示の制御量を演算し、３次元情報入出力デバイスは、触覚呈示を帯電量の制御で行うようにしたので、皮膚感覚のフィードバックを可能とすることができる。

この発明の実施の形態１による３次元空間座標入力装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１の３次元空間座標入力装置における３次元情報入出力デバイスを示す斜視図である。 この発明の実施の形態１の３次元空間座標入力装置における帯電フィルムの帯電による触覚呈示の説明図である。 この発明の実施の形態１の３次元空間座標入力装置において、力を仮想物体表面に水平な成分と垂直な成分に分解した様子を示す説明図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による３次元空間座標入力装置を示す構成図である。
図１に示す３次元空間座標入力装置は、３次元情報入出力デバイス１００と制御装置２００とからなる。３次元情報入出力デバイス１００は、３次元入力と力覚呈示と触覚呈示とが可能なデバイスであり、図２にその構成を示す。

図２に示すように、本体１の各アームの関節部のセンサにより、３次元座標と、操作者の掛ける力の検出値とを得て、アクチュエータによりフォースフィードバックを実現するのは従来と同様である。なお、図２では、センサとアクチュエータの図示は省略している。すなわち、図２の構成はフォースフィードバックに関する図示を省略したものである。操作者は、パッド２に手を置いて操作する。パッド２は、手のひら状に凹んだ板の指先部分に図示しないタッチパッドが実装されており、座標入力に用いることができる。また、手のひら状の板全体に、帯電フィルム（図示省略）が貼付されており、帯電量を変化させることで手のひらと指先に皮膚感覚のフィードバックを与えることができるよう構成されている。

図１に戻り、３次元情報入出力デバイス１００は、センサ１０１、アクチュエータ１０２、帯電フィルム１０３を備えている。センサ１０１は、上述したように図２では図示されていないが、各アームの関節部に設けられ、パッド２で操作される位置や力を検出するものである。また、アクチュエータ１０２は、各アームを駆動しフォースフィードバックを実現するためのアクチュエータである。さらに、帯電フィルム１０３は、帯電量を制御することによって、手のひらと指先に皮膚感覚のフィードバックを与えるための手段である。

図３に帯電フィルム１０３による皮膚感覚のフィードバックの様子を示す。帯電フィルム１０３を帯電させることで、指３にも電荷が生じ、皮膚感覚が生じる。帯電フィルム１０３の帯電量を制御することで、皮膚感覚を変化させることができる。

再び、図１に戻り、制御装置２００はコンピュータを用いて構成されており、３次元情報データベース（３次元情報格納部）２１０、帯電量演算及び仮想空間生成部２２０、触力覚情報制御部（触覚情報制御部）２３０を備えている。３次元情報データベース２１０は、３次元空間座標入力装置として用いる各種のデータが登録されたデータベースであり、仮想空間生成用データ２１１、反力生成用データ２１２、皮膚感覚生成用データ２１３、摩擦力・帯電量変換用データ２１４を備えている。仮想空間生成用データ２１１は、３次元仮想空間を生成するための仮想物体の形状や位置といった各種のデータである。反力生成用データ２１２は、仮想空間における仮想物体の弾性値や重さといった設定値である。皮膚感覚生成用データ２１３は、仮想物体の表面の摩擦係数値を示しており、仮想物体表面上の各点における摩擦係数値をデータベース化したものである。摩擦力・帯電量変換用データ２１４は、摩擦係数値と帯電フィルム１０３における帯電量との関係を示すデータであり、予め計測によりデータベース化されているものとする。

帯電量演算及び仮想空間生成部２２０は、仮想空間生成用データ２１１を用いて仮想空間のデータを生成したり、触力覚情報制御部２３０を介して入力した３次元情報入出力デバイス１００からの操作入力に応じて反力を生成するといった従来と同様の機能を有すると共に、触力覚情報制御部２３０を介して入力した３次元情報入出力デバイス１００からの操作入力に応じて触覚情報を生成するための帯電量演算部（触覚情報演算部）２２１を備えている。なお、帯電量演算及び仮想空間生成部２２０における仮想空間の生成や反力の生成に関しては従来と同様であるため、その構成の図示や詳細な説明は省略する。また、帯電量演算部２２１は、コンピュータがソフトウェアを実行することにより実現されているものである。

触力覚情報制御部２３０は、３次元情報入出力デバイス１００からの操作入力情報を受け取って帯電量演算及び仮想空間生成部２２０に送出すると共に、帯電量演算及び仮想空間生成部２２０で生成した反力や触覚情報に基づいて、３次元情報入出力デバイス１００を制御する制御部であり、位置・力検出部２３１、反力出力部２３２、皮膚感覚出力部２３３を備えている。位置・力検出部２３１は、３次元情報入出力デバイス１００におけるセンサ１０１からの信号に基づいて、３次元座標や操作者が掛ける力の量を検出する。反力出力部２３２は、帯電量演算及び仮想空間生成部２２０から出力された反力を示す信号に基づいて３次元情報入出力デバイス１００におけるアクチュエータ１０２を制御する。皮膚感覚出力部２３３は、帯電量演算部２２１で演算された帯電量を示す信号に基づいて帯電フィルム１０３における帯電量を制御する。

次に、実施の形態１の３次元空間座標入力装置の動作について説明する。
先ず、帯電量演算及び仮想空間生成部２２０によって仮想空間が生成され、この仮想空間が図示しない表示装置等に表示されるのは従来と同様である。次に、帯電量演算及び仮想空間生成部２２０の帯電量演算部２２１は、位置・力検出部２３１からの３次元位置入力を取得し（２２１ａ）、仮想空間中の仮想物体位置に触れているかどうかを判断する。触れていた場合、位置・力検出部２３１から操作者の掛ける力の検出値を、図４に示すように、仮想物体表面に水平な成分と、垂直な成分に力を分解する（２２１ｂ）。その後、皮膚感覚生成用データ（摩擦係数値）２１３を取得し（２２１ｃ）、この皮膚感覚生成用データ２１３と、仮想物体表面に水平な成分の力とから、摩擦力を算出する。そして、求めた摩擦力と、摩擦力・帯電量変換用データ２１４から、帯電フィルムの帯電量を計算する（２２１ｄ）。

触力覚情報制御部２３０の反力出力部２３２より、帯電量演算及び仮想空間生成部２２０で演算された反力に応じた信号をアクチュエータ１０２に出力し、さらに、皮膚感覚出力部２３３より、演算された帯電量に応じた信号を帯電フィルム１０３に出力することでフォースフィードバックと感覚フィードバックとを実現する。

このように、実施の形態１では、比較的小規模な変更により、操作者に力学的な反力と共に、仮想物体の表面の、皮膚感覚のフィードバックを与える３次元空間座標入力装置を実現できる。

以上説明したように、実施の形態１の３次元空間座標入力装置によれば、３次元入力と力覚呈示と触覚呈示とを行う３次元情報入出力デバイスと、仮想空間生成用データと、仮想空間における仮想物体表面の摩擦係数値を示す皮膚感覚生成用データと、反力生成用データとを有する３次元情報格納部と、３次元情報入出力デバイスによる３次元入力に基づき、皮膚感覚生成用データを用いて、３次元情報入出力デバイスへの触覚呈示の制御量を演算する触覚情報演算部と、３次元情報入出力デバイスからの信号を触覚情報演算部に送出すると共に、触覚情報演算部の演算結果に基づいて３次元情報入出力デバイスの制御を行う触覚情報制御部とを備え、３次元情報入出力デバイスは、触覚呈示を帯電量の制御で行うようにしたので、皮膚感覚のフィードバックを可能とすることができる。

また、実施の形態１の３次元空間座標入力装置によれば、３次元情報格納部は、摩擦係数と触覚呈示量の関係を定めた摩擦力・帯電量変換用データを備え、触覚情報演算部は、仮想空間内の仮想物体に掛かる力を、仮想物体表面に垂直な方向の力と水平な方向の力とに分解し、水平な方向の力と、皮膚感覚生成用データにおける摩擦係数値と、摩擦力・帯電量変換用データとに基づいて触覚呈示の帯電量を算出するようにしたので、操作者に対して確実に皮膚感覚のフィードバックを与えることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 本体、２ パッド、３ 指、１００ ３次元情報入出力デバイス、１０１ センサ、１０２ アクチュエータ、１０３ 帯電フィルム、２００ 制御装置、２１０ ３次元情報データベース（３次元情報格納部）、２１１ 仮想空間生成用データ、２１２ 反力生成用データ、２１３ 皮膚感覚生成用データ、２１４ 摩擦力・帯電量変換用データ、２２０ 帯電量演算及び仮想空間生成部、２２１ 帯電量演算部（触覚情報演算部）、２３０ 触力覚情報制御部（触覚情報制御部）、２３１ 位置・力検出部、２３２ 反力出力部、２３３ 皮膚感覚出力部。

Claims (2)

1. ３次元入力と力覚呈示と触覚呈示とを行う３次元情報入出力デバイスと、
   仮想空間生成用データと、当該仮想空間における仮想物体表面の摩擦係数値を示す皮膚感覚生成用データと、反力生成用データとを有する３次元情報格納部と、
   前記３次元情報入出力デバイスによる３次元入力に基づき、前記皮膚感覚生成用データを用いて、前記３次元情報入出力デバイスへの前記触覚呈示の制御量を演算する触覚情報演算部と、
   前記３次元情報入出力デバイスからの信号を前記触覚情報演算部に送出すると共に、当該触覚情報演算部の演算結果に基づいて前記３次元情報入出力デバイスの制御を行う触覚情報制御部とを備え、
   前記３次元情報入出力デバイスは、触覚呈示を帯電量の制御で行うことを特徴とする３次元空間座標入力装置。
2. ３次元情報格納部は、摩擦係数と触覚呈示量の関係を定めた摩擦力・帯電量変換用データを備え、
   触覚情報演算部は、仮想空間内の仮想物体に掛かる力を、当該仮想物体表面に垂直な方向の力と水平な方向の力とに分解し、当該水平な方向の力と、皮膚感覚生成用データにおける摩擦係数値と、前記摩擦力・帯電量変換用データとに基づいて触覚呈示の帯電量を算出することを特徴とする請求項１記載の３次元空間座標入力装置。

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