JP2013508806A - 制御された摩擦力を有するハプティックデバイス - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2
Description
この発明は、全米科学財団に認定された認可第IIS−0413204号に基づいて政府の支援によりなされたものである。当該政府は、本発明の特定の権利を有している。
1自由度の平面ハプティックデバイス
図3を参照すると、本発明の例示的な実施形態に従う例示的な平面ハプティックデバイスSHDが示されており、これは、TPaDと以下で称する図1A、図1Bおよび図2のディスク状のハプティックデバイスTPaDを包含する。ディスク状のハプティックデバイスTPaDは、摩擦低減の間接的なハプティック効果を達成するために必要な超音波周波数および振幅を生じさせるために、圧電曲げ素子(単一タイプ)の単一の円形ディスクおよびガラス基板の単一の円形ディスクを使用して構成された。圧電曲げ素子ディスクは、1ミリメートルの厚さ、25ミリメートル(mm)の直径を有するPIC151圧電セラミック材料(PI Ceramic有限会社により製造される)から構成された。ガラス基板ディスクは、1.57mmの厚さ、25mmの直径を有していた。圧電セラミックディスクは、Loctite E−30CL Hysolエポキシ接着剤のような非常に粘性の低いエポキシ系接着剤を使用して、ガラス基板ディスクに接着された。ディスク状のハプティックデバイスは、アルミニウムから形成されるマウント内に配置されるとともに、圧電ディスクの直径の2/3の直径を有する薄い輪状または環状面150aに沿って圧電ディスクに取り付けられた。マウント150の固着には、圧電ディスクおよびガラス基板ディスクを固着するのと同じ非常に粘性の低いエポキシ系接着剤が使用された。
1自由度の実施形態では、ハプティックデバイスTPaDが平面内で横方向に振動される周波数と同じ周波数で、低摩擦状態と高摩擦状態とを交互に生じさせることにより、力が生成される。左向きの合力を生成するために、ハプティックデバイスTPaDは、その速度が左向きである間に、高摩擦に設定され、その速度が右向きのときに、低摩擦に設定される。ハプティックデバイスTPaDは、利用者の指を左に押すことと、指の下で右に戻すように滑らせることを交互に行う。この“押して滑らせる(pushslip)”サイクルはそれ自体繰り返し、一連の強い左向きのインパルスの後に弱い右向きのインパルスが続くことにより、右への合力がもたらされる。これらのインパルスは、図8のフィルタリングされなかった力信号において見ることができ、図3Aに示すように指先の代替物(proxy fingertip)に動作可能に連結された1自由度の引張/圧縮ロードセルを使用して、SHDの表面104aと指先との間の横力または剪断力が測定される。ロードセルは、リニアスライダ上で垂直に移動することができる。ロードセルおよび指先の重量は、低剛性のバネにより懸架される。指先の垂直位置は、つまみナットによって調整可能である。指先がTPaDの近接位置(0.5mm未満)以内に下げられた後、図示のようにL字形の指に重りを加えることにより、垂直抗力が制御される。この実施例では、392mN(40g)の常用負荷が使用された。この配置は、横振動の作用を含む、指の代替物の上に作用する力を高い精度で測定することを可能にする。この実施例に使用された指先の代替物は、指先パッドの代替物として、紙ヤスリで磨かれた絶縁用テープに覆われたブドウにより構成された。指先の代替物は、絶縁用テープにより、図3Aに示されるL字形のアルミニウムの“指”に固定され、アルミニウムの指は、ロードセルに装着された。指先と指の接続にコンプライアンスが存在するが、人間の指にも同様のコンプライアンスが存在するため、これは適当である。
横速度とハプティックデバイスTPaDのオン/オフ信号との間の位相角を変えることにより、合力の方向および大きさを変えることができる。説明のために、用語Φonを、ハプティックデバイスTPaDをオン(低摩擦状態をオン)にしたときの横速度の位相角として定義する。この概念は、図7にグラフで示されている。示されるデータのすべてにおいて、TPaDは、横振動の全サイクルの半分(180°)について、オン状態とされている。
横方向の変位の振幅が増加するに連れて、平均合力が初めは比例的に増加し、その後飽和状態となることが、実験的に見出された。図10は、様々な横振動周波数についてのこの傾向を示している。各データ点は、最適Φonにおける具体的な振動の振幅により生じる合力を表している。
Fmax=〔(μglass−μon)FN〕/2 方程式(1)
力が20Hzと1000Hzの間の周波数においてインパルスで加えられるため、利用者は、一方の方向における力全体だけでなく、TPaDの望ましくない基礎振動にも気付くことに留意することが重要である。精神物理学の分野では、人間の指先が20Hzから約500Hzの範囲における振動に感受性を有し、約250Hzに感度のピークを有することが良く知られている。我々は、横方向の振動が極めて顕著ではない高周波(例えば、850Hz)、または振動を感じることができるが不快ではない約40Hzの何れかで、SHDの性能が最高となることを見出した。
振動の振幅が力をFmaxの近くに至らせるのに十分な大きさであるときは、振幅の増加が、静止中の指に作用する力に無視できる増加をさらに与える。他方、利用者が積極的に表面を探っている場合には、利用者の指の速度が、指と板との間の相対速度を小さくして、その結果、合力を減少させることがある。このため、探査速度が速くなるほど、目標とする力を維持するのに必要な振動の振幅も大きくなる。
SHDは事実上力の源であるため、任意の力場を生成または表示することが可能である。バネ、ダンパまたはその他の基本的なものを表示することを選択できるが、例示の目的で、ラインシンク(line sinks)およびラインソース(line sources)の表示を説明することとする。任意の所与の時点において、デバイスは、その表面に亘って一定の力場を有し、このため、空間的に変化する力場の知覚を生じさせるためには、指の位置の関数として力を変化させる必要がある。実際に、指が表面を横切って移動するときに、望ましい方向および大きさの力を生じさせるためにΦonが調整される。図12においては、ラインソース力場がどのように見えるのかと、そのような場を生成するために使用されるΦonコマンドを示す平面図が与えられている。
図13は、4つの異なる力場からのデータを示している。2つのラインソースおよび2つのラインシンクがあり、その各々が“硬直(stiff)”および“柔軟(compliant)”バージョンを有する。原データは、力対位置の形式で提供されるが、触覚体験のより直感的なアイデアを提供するために、本出願人は、それらデータを統合して、“ポテンシャル関数”を構築した。ポテンシャル関数は、
として定義され、ここでF(x)は、位置xの関数として、指に作用する力である。Robles−De−La−TorreおよびHaywardの文献[6][5]から得られた結論は、ポテンシャル関数の形状が、仮想的な突起または穴の認識される形状に類似していることを示唆している。
2自由度の基板の振動を有する平面ハプティックデバイスは、図3の1自由度の例示的なハプティックデバイスSHDの上記説明を考慮して構築することができる。
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Claims (29)
- 基板と、
前記基板を横方向の動きに曝すための1またはそれ以上のアクチュエータと、
前記基板を摩擦低減超音波振動に曝すための1またはそれ以上のその他のアクチュエータとを備えることを特徴とするハプティックデバイス。 - 請求項1に記載のデバイスにおいて、
前記1またはそれ以上のアクチュエータが、前記基板を横振動に曝すことを特徴とするデバイス。 - 請求項1に記載のデバイスにおいて、
前記基板と接触する利用者の指または物体に作用する力を生成するように、摩擦低減振動の調節と同期させて、前記基板を横方向の動きに曝すために、前記1またはそれ以上のアクチュエータを制御する制御デバイスを含むことを特徴とするデバイス。 - 請求項1に記載のデバイスにおいて、
前記1またはそれ以上のアクチュエータが、前記基板を1軸上で横方向の動きに曝すことを特徴とするデバイス。 - 請求項1に記載のデバイスにおいて、
前記1またはそれ以上のアクチュエータが、前記基板を2軸上で横方向の動きに曝すことを特徴とするデバイス。 - 請求項1に記載のデバイスにおいて、
前記1またはそれ以上のアクチュエータが、前記基板を3軸上で横方向の動きに曝し、それら軸のうちの一つが回転軸であることを特徴とするデバイス。 - 請求項3に記載のデバイスにおいて、
前記基板の横速度と摩擦低減振動の調節との間の位相角が、力の方向を変えるために、変更されることを特徴とするデバイス。 - 請求項1に記載のデバイスにおいて、
前記1またはそれ以上のアクチュエータが、前記基板に非直線的な動きを与えることを特徴とするデバイス。 - 請求項8に記載のデバイスにおいて、
前記1またはそれ以上のアクチュエータが、横方向の円運動を前記基板に与えることを特徴とするデバイス。 - 請求項1に記載のデバイスにおいて、
前記1またはそれ以上のその他のアクチュエータが、摩擦低減効果を生じさせるために、その平面に対して垂直な方向に、前記基板に超音波振動を与えることを特徴とするデバイス。 - 請求項1に記載のデバイスにおいて、
前記基板が平板を含むことを特徴とするデバイス。 - ハプティックデバイスの基板の表面に接触する利用者の指または物体に作用する力を生成する方法であって、
前記基板を横方向の動きに曝すステップと、
前記基板を摩擦低減超音波振動に曝すステップと、
前記基板に接触する利用者の指または物体に作用する力を生成するために、前記横方向の動きおよび摩擦低減振動の調節を制御するステップとを備えることを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記摩擦低減振動の調節と同期させて、横方向の動きを制御するステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記基板が、横振動に曝されることを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記横方向の動きが、1回生じることを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記横方向の動きが、複数回生じることを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記横方向の動きが、継続的であることを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記基板が、1軸上で横方向に移動または振動されることを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記基板が、2軸上で横方向に移動または振動されることを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記基板が、3軸上で横方向に移動または振動され、それら軸のうちの一つが回転軸であることを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記基板が、正弦波的に横方向に振動されることを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記基板の横速度と摩擦低減振動のオンまたはオフ状態との間の位相角が、力の方向および大きさを変えるために、変更されることを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記基板が、その非線形的な動きを提供するために、2軸上で横方向に振動されることを特徴とする方法。 - 請求項23に記載の方法において、
前記非線形的な動きが、前記基板の円運動を含むことを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記基板が、その面に対して垂直な方向に超音波的に振動されて、摩擦低減効果を生じることを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記基板が、平板を含むことを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
利用者の指または物体の位置に応答して力を変化させて、前記基板の表面の平面に力場を提供するステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記基板が、相対的に高摩擦の状態と低摩擦の状態とに交互に曝されることを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記基板が相対的に高摩擦の状態にある時間の長さを調節するステップを含むことを特徴とする方法。
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