JP2016049504A - 体感装置およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】物体間における滑り速度および滑り量を含む滑り情報を、ステータの進行波としてユーザに提示する。これにより、より現実的に滑りを体感することができ、より多くの人にとって容易に滑りを体感することができる装置を提供する。
【解決手段】物体間の滑りをユーザに体感させる体感装置であって、予め定められた面上に配置された複数の振動子と、ユーザに体感させるべき滑りに応じて複数の振動子を制御して滑りに応じた進行波を生成する制御部とを備える体感装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、体感装置およびシステムに関する。

従来、ユーザの手に電気刺激を与えることにより、滑りを擬似的に提示していた（例えば、非特許文献１参照）。
［先行技術文献］
［非特許文献］
［非特許文献１］電気刺激を用いた滑り感提示における方向性，第１７回日本バーチャルリアリティ学大会論文集，第１７回日本バーチャルリアリティ学会大会，９月 ２０１２年。
［特許文献］
［特許文献１］特開２０１０−２７１２４２号公報

しかしながら、人体の皮膚の導電性は個々人により異なる。それゆえ、電気刺激による滑りの感じ方には個人差が生じてしまう。

本発明の第１の態様においては、物体間の滑りをユーザに体感させる体感装置であって、予め定められた面上に配置された複数の振動子と、ユーザに体感させるべき滑りに応じて複数の振動子を制御して滑りに応じた進行波を生成する制御部とを備える体感装置を提供する。

本発明の第２の態様においては、物体間の滑りを検出する滑り検出器と、検出器が検出した滑りをユーザに体感させる第１の態様に記載の体感装置とを備えるシステムを提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

物体を把持するシステム１００を示す図である。 把持装置２０の部分拡大図である。 操作装置５０をユーザ６０の左手６２に装着した様子を示す図である。 体感装置４０をユーザ６０の右手６４に装着した様子を示す図である。 体感装置４０の滑り提示部４２の部分拡大図を示す図である。 滑り提示部４２、および、滑り提示部４２を制御する制御部１０の例を示す図である。 他の例における体感装置４０の滑り提示部４２の部分拡大図を示す図である。 滑り提示部４２を制御する制御部１０の他の例を示す図である。 圧電素子４４をマトリクス状に配置した例を示す図である。 圧電素子４４の周波数に対する振幅を示す図である。 システム１００を用いて、滑り速度に応じて圧電素子４４の振動周波数を制御した様子を示す図である。 把持装置２０における手首部２１および指部２２の関節角度と滑り速度との関係を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、物体を把持するシステム１００を示す図である。システム１００は、把持装置２０、体感装置４０および操作装置５０を備える。

体感装置４０は、制御部１０および滑り提示部４２を有する。体感装置４０は、滑り検出器２３が検出した滑りを、滑り提示部４２を通じてユーザ６０に体感させる。滑り提示部４２は、例えば超音波振動子を有する。ユーザ６０は、例えば超音波振動子のステータに直に手を触れることにより、物体間に生じた滑りをステータに生成された進行波として体感することができる。

滑り提示部４２は、物体間の滑りだけではなく、物体に触れたときの触感をユーザ６０に提示することができる。ユーザ６０は、例えば超音波振動子のステータに直に手を触れることにより、物体に触れたときの触感をステータに生成される振動として体感することができる。なお、ユーザ６０が滑り提示部４２を通じて体感する滑りは、ユーザ６０の手の指に限定されず、ユーザ６０の手の甲または手の平であってもよく、または、ユーザ６０の手以外における他の部位の皮膚であってもよい。

ある利用形態において、ユーザ６０は、例えばバーチャルリアリティ空間内においてバーチャルな手が物体に触れた場合の滑りおよび触感を、滑り提示部４２を通じて体感することができる。なお、本明細書における物体は、現実空間の物体だけでなくバーチャルリアリティ空間における物体も含むとしてよい。また、他の利用形態においては、ユーザ６０は、把持装置２０が物体を把持する場合において、把持装置２０と当該物体との間の滑りおよび触感を滑り提示部４２を通じて体感することができる。

本例の把持装置２０は、手首部２１および複数の指部２２を有する。把持装置２０は、手首部２１および複数の指部２２を用いて物体としての蓋３５の二以上の点を把持する。なお、蓋３５はいわゆるスクリューキャップであり、円筒状の容器３０に対して回転して装着されている。本例では、把持装置２０が蓋３５を回転させるときの、把持装置２０と蓋３５との間の滑りを、ユーザ６０に提示する場合を説明する。ただし、体感装置４０がユーザ６０に提示する滑りの態様は本例に限定されない。体感装置４０は、物体間の多様な滑りをユーザ６０に提示することができる。

把持装置２０の複数の指部２２は、蓋３５と接する面において物体間の滑りを検出する滑り検出器２３を有する。本例の把持装置２０は２つの指部２２を有し、２つの指部２２の各々が、滑り検出器２３を有する。

複数の指部２２が蓋３５を把持した状態で手首部２１が回転することで、蓋３５を回転させる。滑り検出器２３は、把持装置２０が蓋３５を把持した状態における、蓋３５と複数の指部２２との間における滑りを検出する。滑り検出器２３は、任意の方向における蓋３５と指部２２との間の滑りを検出することができる。

滑り検出器２３は、滑り検出器２３が検出した滑りを示す滑り信号を、体感装置４０の制御部１０に出力する。滑り信号は、滑りの方向、滑り速度および滑り時間の情報を含む。なお、複数の指部２２は、力センサおよび近接センサ等の他のセンサも有してよい。

力センサは、検出した力を触感信号として、制御部１０に出力する。触感信号は、検出した力の情報に加えて、物体の表面がつるつるした状態であるかまたはざらざらした状態であるか等の表面の状態を示す情報を含む。

制御部１０は、滑り提示部４２を制御してユーザ６０に対して提示したい触感を提示することができる。ある利用形態においては、体感装置４０は、バーチャルリアリティ空間内においてバーチャルな手が物体に触れた場合の触感を、ユーザ６０に提示してよい。また、他の利用形態においては、把持装置２０が物体の画像を撮影してパターンマッチングを行うことにより、把持装置２０は制御部１０に触感信号を出力する。これにより体感装置４０は、撮影した物体の材料を特定してよい。体感装置４０が特定された材料の触感に対応する振動周波数で滑り提示部４２を振動させることにより、ユーザ６０は、物体を触った場合の触感を体感することができる。なお、把持装置２０が十分に早い応答性（例えば、ヒトの触覚の高周波感覚器パチニ小体の最大周波数である３００Ｈｚ程度）を有する力覚センサを備える場合には、当該力覚センサが十分に早いサンプリング周期（例えば、３００Ｈｚの振動を再現が可能な６００Ｈｚ以上）で物体の振動を取得してよい。また、把持装置２０は、取得した物体の振動を触感信号として体感装置４０に出力してよい。体感装置４０は、当該触感信号を解析することにより物体の振動周波数を算出してよい。体感装置４０は、当該振動周波数で滑り提示部４２を振動させることにより、ユーザ６０に物体の触感を体感させてよい。

一例であるが、制御部１０は、つるつるとした触感をユーザ６０に体感させる場合には、触感の平滑度が高くなるにつれて、より高い周波数で滑り提示部４２を振動させる制御信号を出力してよい。このとき、振動の振幅は、平滑度が高くなるにつれて小さくしてよい。振動の振幅は、振動子を制御する信号の電圧等で制御することができる。つまり、より平滑な面を提示したい場合には、微細で高周波の振動をユーザ６０に与えることで、触感を体感させることができる。これに対して、制御部１０は、ざらざらとした触感をユーザ６０に体感させる場合には、触感の平滑度が低くなるにつれて、より低い周波数で滑り提示部４２を振動させる制御信号を出力してよい。このとき、振動子の振幅は、平滑度が低くなるにつれて大きくしてよい。

制御部１０は、滑り信号または触感信号に対応する制御信号を滑り提示部４２に出力する。滑り提示部４２は、滑り信号に応じた進行波を生成してユーザ６０に提示する。当該進行波が進行する方向、進行速度および進行波をユーザ６０に提示する時間は、滑り信号で示される滑りの方向、滑り速度および滑り時間に応じて制御する。

例えば直線状に配置した振動子を用いた場合、振動子が生成する２つの定在波の位相を９０度異ならせるか、−９０度異ならせるかを制御することにより、進行波の進行方向を制御することができる。また、滑り提示部４２が２次元に配置された複数の振動子を有する場合、任意の方向の進行波を生成することができる。

また、振動子を振動させる振動周波数を制御することで、進行波の進行速度を制御することができる。制御部１０は、滑り速度が相対的に大きい場合には、共振周波数との差が相対的に大きい振動周波数で、滑り提示部４２の振動子を振動させる制御信号を出力してよい。これに対して、制御部１０は、滑り速度が相対的に小さい場合には、共振周波数との差が相対的に小さい振動周波数で滑り提示部４２の振動子を振動させる制御信号を出力してよい。なお、進行波の進行速度は、滑り検出器２３が検出した滑り速度と同一でなくともよい。また、振動子を振動させる期間を制御することで、進行波をユーザ６０に提示する期間を制御することができる。

ユーザ６０は、滑りおよび触感を体感した後、自身に身に着けた操作装置５０を通じて把持装置２０の動作を修正する。例えばユーザ６０は、蓋３５を開けようとしている場合に滑りを感じた場合には、蓋３５を適切な力で把持できるように、把持装置２０を操作することができる。操作装置５０は、ユーザ６０からの操作を受け付けて、制御部１０を通じ、ユーザ６０からの操作に応じて把持装置２０を制御する。操作装置５０は、例えば、ユーザ６０の指および手首につけた操作装置５０の位置を把持装置２０の手首部２１および指部２２に反映させる。また、操作装置５０は、操作装置５０が検出したユーザ６０の各指および手首が各方向に印加している押力、引っ張り力、回転力等を、把持装置２０の手首部２１および指部２２に反映させる。指等が印加している力は、例えばユーザ６０の指に一端が固定されたワイヤ等が引っ張られる力から検出することができる。

なお、制御部１０は、体感装置４０と一体に設けられていなくともよい。例えば制御部１０は、把持装置２０に設けられていてよく、体感装置４０および把持装置２０とは独立したコンピュータであってもよい。また、制御部１０の機能の一部が、把持装置２０または独立したコンピュータに設けられてもよい。

図２は把持装置２０の部分拡大図である。指部２２は、その内側面に滑り検出器２３としての光学センサ２４、力センサ２６および近接センサ２８を有する。本明細書において、指部２２の内側面とは、蓋３５を把持した状態において指部２２と蓋３５とが接する部分における指部２２の面である。

光学センサ２４は、蓋３５の位置を検出する。また、光学センサ２４は、蓋３５と、指部２２との相対位置の変化により蓋３５の滑りを検出する。光学センサ２４は、コンピュータ等に仕様される光学マウスと同様に、蓋３５の表面の模様等の相対位置変化に基づいて、蓋３５の相対位置の変化を検出してよい。光学センサ２４の焦点は、指部２２の内側面の表面近傍に合わせられている。したがって、指部２２が蓋３５を把持している場合には、光学センサ２４の焦点は蓋３５に合う。これに対して、指部２２が蓋３５を把持していない場合には、光学センサ２４の焦点は蓋３５に合わない。よって、光学センサ２４の焦点が蓋３５に合っていない場合は、光学センサ２４は蓋３５の位置変化を検出しない。この場合、把持装置２０は、滑り信号を生成しない。

本例の光学センサ２４は、Ａｖａｇｏ社製オプティカルセンサＡＤＮＳ−９５００である。指部２２と蓋３５との間の滑り量は、解像度１６３０ｃｐｉ（分解能１５．６８μｍ）で測定することができ、滑り速度は１５０ｉｐｓ（３．８１ｍ／ｓ）まで測定することができる。

力センサ２６は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸方向の力を検出する。力センサ２６を用いることにより、指部２２が三軸方向において蓋３５から受ける力を測定することができる。近接センサ２８は、非接触で蓋３５等の検出対象を検出する。近接センサ２８を用いることにより、指部２２が蓋３５に接触する前において蓋３５の位置を検出することができる。

図３は、操作装置５０をユーザ６０の左手６２に装着した様子を示す図である。操作装置５０は、複数の指操作部５２および一つの手首操作部５４を有する。操作装置５０は、ユーザ６０が複数の指操作部５２および一つの手首操作部５４の関節角度を調節することにより、操作信号を制御部１０に出力する。

例えば、ユーザ６０の各指に装着された複数の指操作部５２は、操作前の左手６２の指の予め定められた関節角度と、操作後の左手６２における指の関節角度とのずれを表す信号を操作信号として制御部１０に出力する。また例えば、ユーザ６０の手首に装着された手首操作部５４は、操作前の左手６２における手首の予め定められた関節角度と、操作後の左手６２の手首の関節角度とのずれを表す信号を操作信号として制御部１０に出力する。

制御部１０は、操作信号を受けて、把持装置２０の手首部２１の関節角度および指部２２の関節角度を調整する。なお、関節角度のずれを検出する方法は上記に限定するものではなく、他の検出方法を適用してよい。

さらに、操作装置５０は、ユーザ６０が指操作部５２に接続されたワイヤの引っ張り力に抗して指操作部５２を動かすことにより、力の情報を有する操作信号を制御部１０に出力してよい。制御部１０は、操作信号を受けて、指部２２が蓋３５に対して与える力を調整してよい。

図４は、体感装置４０をユーザ６０の右手６４に装着した様子を示す図である。体感装置４０は、複数の滑り提示部４２を有する。滑り提示部４２は、光学センサ２４が検出した滑りをユーザ６０に提示する。本例では、滑り提示部４２は、光学センサ２４が検出した滑りを、超音波振動子のステータにおける進行波としてユーザ６０に提示する。

図４では、把持装置２０の指部２２が２つ存在することに対応して、滑り提示部４２を親指および人差し指に装着する例を示す。しかしながら、滑り提示部４２をいくつ設けるか、および、滑り提示部４２をどの指に装着するかは、把持装置２０の指部２２に対応させて適宜定めてよい。なお、左手６２に体感装置４０を装着し、右手６４に操作装置５０を装着してもよい。また、体感装置４０および操作装置５０を一体化して、同一の手に装着してもよい。

図５は、体感装置４０の滑り提示部４２の部分拡大図を示す図である。図中の第１方向と第２方向とは、同一平面において互いに垂直である方向を示す。第３方向は、第１方向及び第２方向の両方に垂直な方向である。滑り提示部４２は、予め定められた面上に配置された複数の振動子としての複数の圧電素子４４を有する。予め定められた面とは、滑り提示部４２とユーザ６０の指とが接する面である。なお、圧電素子４４とユーザ６０の指との間には、進行波が生成されるステータが配置されてよい。

滑り提示部４２は、予め定められた面上において２次元配置された複数の圧電素子４４を有する。２次元配置とは、例えば、２つの圧電素子４４を結ぶ直線上には存在しない圧電素子４４が存在することを指す。つまり、少なくとも３つの圧電素子４４の全てが同一直線状には無いことを意味する。

圧電素子４４は、圧電素子と当該圧電素子の厚み方向の両端に設けられた電極とを有する。ただし、図５において当該電極は図示していない。圧電素子４４は、厚み方向の両端に設けられた電極間に電圧が生じると、厚み方向に伸びたり縮んだりする。なお、厚み方向とは第３方向と読み替えてよい。

複数の圧電素子４４のそれぞれは、表面が正六角形である。なお、圧電素子４４の表面とは、圧電素子４４の第３方向における両端のうちのいずれかの端部における面を指す。複数の圧電素子４４のそれぞれの表面は、ハニカム状に配置される。これにより、２次元の全ての方向において、単位面積あたりに設ける圧電素子４４の数を均一にすることができる。なお、圧電素子４４をハニカム状に配置する例は一例に過ぎない。他の形態においては、圧電素子４４を一つの方向に直線状に並べて配置したり、マトリクス状に配置したり、または、円環状に配置してもよい。

制御部１０は、把持装置２０における指部２２の滑りの方向に対応する方向に進む進行波を滑り提示部４２に生成する。例えば制御部１０は、ユーザ６０の指に対して滑り提示部４２が提示する進行波の速度が、指部２２に対する蓋３５の滑り速度と同一となるよう、進行波を生成する。さらに、制御部１０は、ユーザ６０の指に対して滑り提示部４２が提示する滑り量（進行波の速度および時間の積）が、指部２２に対する容器３０の滑り量と同一となるよう、進行波の生成時間を調節する。

滑り提示部４２は、第１方向において最近接である複数の圧電素子４４を振動させることにより、第１方向と平行である第１進行波を生成することができる。また、滑り提示部４２は、第２方向において次近接である複数の圧電素子４４を振動させることにより、第２方向と平行である第２進行波を生成することができる。

図６は、滑り提示部４２、および、滑り提示部４２を制御する制御部１０の例を示す図である。なお、滑り提示部４２におけるＩ−Ｉは、図５のＩ−Ｉにおける断面であることを示す。ただし、制御部１０の部分は断面図ではなく、平面的な模式図に過ぎない。滑り提示部４２は、複数の圧電素子４４と、複数の圧電素子４４に接して設けられたステータ４９とを有する。制御部１０は、電源部１３、電源部１３からの出力を選択する選択部１５、ならびに、電源部１３および選択部１５を制御するＣＰＵ１８を有する。

圧電素子４４の各々は、第３方向の両端において、第１電極４６および第２電極４８に接続する。複数の第１電極４６は互いに電気的に独立である。複数の第１電極４６は、制御部１０の選択部１５を通じて、電源部１３と接続する。第２電極４８は複数の圧電素子４４に共通して設けられる。当該第２電極は、接地電位を有する。

ステータ４９は、圧電素子４４と皮膚の間の媒体である。つまり、ステータ４９は、ユーザ６０の肌が直に接する、滑り提示部４２の一部分である。ステータ４９は、各圧電素子４４が第３方向において伸縮する変位を反映して、第３方向において伸縮する。通常の超音波振動子では、ステータ４９に接触してロータが設置されるが、本発明において、ロータは用いない。これにより、ボールまたはロータを用いてユーザに滑りを提示する場合と比較して、物体間の実際の滑りにより近い滑りをユーザに提示することができ、かつ、装置を小型化することができる。

ステータ４９の材料は、本例ではアルミニウム等の金属である。しかし、材料は金属に限定されず、ゴムまたは他の弾性変形が可能な材料を用いてもよい。ゴムを用いることにより、ユーザ６０がステータ４９に触れた感触を柔らかくすることができ、金属を用いる場合とは異なった滑りおよび触感をユーザ６０に提示することができる。

電源部１３は、各位相が（ｓｉｎωｔ）の電源１４−１、（ｃｏｓωｔ）の電源１４−２、（−ｓｉｎωｔ）の電源１４−３、および、（−ｃｏｓωｔ）の電源１４−４からなる４つの電源１４を有する。電源１４の周波数ωは、ＣＰＵ１８の周波数制御信号により制御される。４つの電源は、それぞれ選択部１５に接続する。

選択部１５は、ＣＰＵ１８の選択信号に従って、電源１４−１から電源１４−４のいずれかを圧電素子４４の第１電極４６に電気的に接続する。なお、選択部１５が電源１４と第１電極とを電気的に接続しない場合には、勿論、圧電素子４４は振動しない。図６の例では、選択部１５は、電源１４−１と圧電素子４４−１の第１電極４６とを接続する。

選択部１５は、電源１４−１から電源１４−４を周期的に圧電素子４４の複数の第１電極４６に接続させる。具体的には、選択部１５−１から選択部１５−４は、電源１４−１から電源１４−４と圧電素子４４−１から圧電素子４４−４の第１電極４６とをこの順で接続する。ただし、選択部１５−１は、電源１４−１と圧電素子４４−５の第１電極４６とを接続する。したがって、圧電素子４４−１から圧電素子４４−５の第１電極４６は、（ｓｉｎωｔ）、（ｃｏｓωｔ）、（−ｓｉｎωｔ）、（−ｃｏｓωｔ）および（ｓｉｎωｔ）の順で電源１４と接続する。

制御部１０のＣＰＵ１８は、滑り信号に応じて複数の圧電素子４４を制御して滑りに応じた進行波を生成する。具体的には、ＣＰＵ１８は、指部２２が検出した滑り速度および滑り量を滑り信号として受け取り、進行波の速度および生成時間によってステータ４９を通じて滑り速度および滑り量を再現する。

ＣＰＵ１８は、滑り信号に基づいて進行波の進行速度を制御する。ステータ４９に生成される進行波の速さは圧電素子４４の第１電極４６に与える電源１４の周波数ωに比例する。よって、ＣＰＵ１８は滑り検出器２３が検出した滑り速度に比例するように、電源１４の周波数ωを制御する。

ＣＰＵ１８は、選択信号を通じて、複数の圧電素子４４の動作を制御する制御信号を生成する。制御信号は、少なくとも（ｓｉｎωｔ）および（ｃｏｓωｔ）の２相の制御信号を有する。ＣＰＵ１８は、当該２相の制御信号の相間の位相差を９０度にするか、または、−９０度にするかによって進行波の方向を反転させるか否かを制御する。

例えば、圧電素子４４−１から圧電素子４４−４がこの順で（ｓｉｎωｔ）、（ｃｏｓωｔ）、（−ｓｉｎωｔ）および（−ｃｏｓωｔ）の各電源１４と接続している場合、＋９０度ずつ位相差があるので、滑り提示部４２は図面左向きの進行波を生成する。これに対して、圧電素子４４−１から圧電素子４４−４がこの順で（−ｃｏｓωｔ）、（−ｓｉｎωｔ）、（ｃｏｓωｔ）および（ｓｉｎωｔ）の各電源１４と接続している場合、−９０度ずつ位相差があるので、滑り提示部４２は図面右向きの進行波を生成する。これにより、滑り提示部４２は、第１方向と平行な方向において進行波を生成する。

ユーザ６０は、進行波に触れることにより、電気刺激によって滑りを提示する場合と比較して、より現実的に、より直感的に、かつ、より容易に滑りを体感することができる。また、電気刺激による滑り提示の場合と比較して、滑りの感じ方における個人差を小さくすることができる。さらに、ユーザ６０は、把持装置２０において物体の滑りを制御するべく、操作装置５０を通じて把持装置２０を制御することができる。例えば、ユーザ６０は、体感装置４０によって滑りを感じた場合に、操作装置５０を通じて把持装置２０を制御して、指部２２と蓋３５との滑りを止めるべく指部２２をさらに強く蓋３５に押し付けることができる。

体感装置４０が物体間の滑りをよりリアルにユーザ６０に提示することは、物体間の滑りを止めることができるというメリットに加えて、物体間の滑りを積極的に利用して物体を移動させることができるというメリットも有する。それゆえ、ある利用形態においては、ある物体が把持装置２０の指部２２に対して重力方向にゆっくりと滑る場合に、当該物体が完全に指部２２から離れて落下する前に、当該物体をある場所から他の場所へ移動させることもできる。

なお、ＣＰＵ１８は、周波数制御信号により各電源１４の周波数を調整する。また、ＣＰＵ１８は、触感検出器としての力センサ２６が検出した蓋３５の触感を示す触感信号を受信し、当該触感信号に基づいて複数の圧電素子４４を制御する。例えば、ＣＰＵ１８は、触感信号に基づいて複数の圧電素子４４を振動させる振動周波数を制御する。

図７は、他の例における体感装置４０の滑り提示部４２の部分拡大図を示す図である。本例の体感装置４０の制御部１０は、図６の例とは異なる。本例の制御部１０は滑り提示部４２を制御して、滑り提示部４２が第１進行波と第２進行波とを重ねあわせてベクトル合成することにより、２次元平面における任意の方向の進行波を生成することができるようにする。本例の制御部１０は、第１方向または第１方向に対して±６０度、±１２０度もしくは１８０度の方向において進行波を生成するよう、滑り提示部４２を制御してよい。図７では、第１方向に対して＋６０度をなす斜め方向の進行波の例を示す。

ユーザ６０は任意の方向の進行波に触れた感覚により、把持装置２０の指部２２と容器３０との間に発生する滑りを体感することができる。なお、図７において示した進行波が進む方向は例示に過ぎず、この他の方向において滑りを提示することも可能である。

図８は、滑り提示部４２を制御する制御部１０の他の例を示す図である。本例においては、選択部１５を設けず、かつ、各圧電素子４４の第１電極４６には各々独立した電源１６が設けられる点で、図６の例とは異なる。

ＣＰＵ１８は、周波数制御信号、位相制御信号および振幅制御信号を各電源１６に入力する。これによりＣＰＵ１８は、各電源１６の周波数、位相および振幅を調整する。また、ＣＰＵ１８は、各電源１６と複数の圧電素子４４の第１電極４６との間に設けられたスイッチのオン・オフを制御する。これによりＣＰＵ１８は、各電源１６と各第１電極４６との電気的導通を制御する。

本例では説明のために、第１方向をｘ方向とし、第２方向をｙ方向とする。そして、ｘ方向においてｘ＝ｘ_ｎの位置における圧電素子４４の第１電極４６の電位ｕ（ｘ_ｎ）をｕ（ｘ_ｎ）＝Ａ_ｘｓｉｎ（ω_ｘｔ＋φ_ｎ）とする。また、ｙ方向においてｙ＝ｙ_ｍの位置における圧電素子４４の第１電極４６の電位ｕ（ｙ_ｍ）をｕ（ｙ_ｍ）＝Ａ_ｙｓｉｎ（ω_ｙｔ＋φ_ｍ）とする。なお、φ_ｎおよびφ_ｍは、ｕ（ｘ_ｎ）およびｕ（ｙ_ｍ）がそれぞれｘ方向およびｙ方向の進行波を示すように、圧電素子４４の位置に応じて適宜定められる位相である。なお、圧電素子４４の位置は、圧電素子４４の中心の位置を指してよい。そして、それぞれの圧電素子４４について、座標（ｘ_ｎ，ｙ_ｍ）における圧電素子４４の第１電極４６の電位ｕ（ｘ_ｎ，ｙ_ｍ）をｕ（ｘ_ｎ，ｙ_ｍ）＝ｕ（ｘ_ｎ）＋ｕ（ｙ_ｍ）に制御する。これにより、ｘ方向の進行波とｙ方向の進行波とは合成される。また、ω_ｘおよびω_ｙを制御することで、ｘ方向の進行波およびｙ方向の進行波のそれぞれの進行速度を制御することができる。また、Ａ_ｘおよびＡ_ｙを制御することで、ｘ方向の進行波およびｙ方向の進行波のそれぞれの振幅を制御することができる。ｘ方向の進行波およびｙ方向の進行波の振幅または進行速度の比率を制御することで、合成される進行波の進行方向を制御することができる。

各電源１６は、斜め方向の進行波をステータ４９に生成するべく、各々の圧電素子４４の第１電極４６に印加する電位ｕ（ｘ_ｎ，ｙ_ｍ）を調整する。これにより、制御部１０は、滑り提示部４２における２次元平面の任意の方向において、進行波を生成することができる。

図９は、圧電素子４４をマトリクス状に配置した例を示す図である。各圧電素子４４の第１電極は、図８の例と同様に、個別の電源１６に接続する。本例においても、第１方向をｘ方向とし、第２方向をｙ方向とする。そして、ｘ方向においてｎ番目の位置における圧電素子４４の第１電極４６の電位ｕ（ｘ_ｎ）を、ｕ（ｘ_ｎ）＝Ａ_ｘｓｉｎ（ω_ｘｔ＋φ_ｎ）とする。また、ｙ方向においてｍ番目の位置における圧電素子４４の第１電極４６の電位ｕ（ｙ_ｍ）を、ｕ（ｙ_ｍ）＝Ａ_ｙｓｉｎ（ω_ｙｔ＋φ_ｍ）とする。なお、φ_ｎ、φ_ｍおよび圧電素子４４の位置は、図８の例と同様である。進行波の合成、進行速度の制御、進行波の振幅および進行波の進行方向の制御についても、図８の例と同様である。制御部１０は、滑り提示部４２における２次元平面の任意の方向において、進行波を生成することができる。

図１０は、圧電素子４４の周波数に対する振幅を示す図である。横軸は、圧電素子４４に与えられる電力の周波数ωを示す。当該周波数ωは、圧電素子４４の振動周波数に対応する。縦軸は、圧電素子４４の振幅を示す。圧電素子４４は共振周波数において、最大の振幅を有する。共振周波数から離れるに従い、圧電素子４４の振幅は小さくなる。

制御部１０は、共振周波数からの周波数差に応じた振動振幅ゲインの低下がより小さい周波数帯で、圧電素子４４の振動周波数を制御してよい。つまり制御部１０は、共振周波数より大きい周波数帯および小さい周波数帯のうち、共振周波数より大きい周波数帯を使用して、圧電素子４４の周波数ωを制御してよい。これにより、滑り提示部４２は、より効率的にユーザ６０に対して進行波を提示することができる。

図１１は、システム１００を用いて、滑り速度に応じて圧電素子４４の振動周波数を制御した様子を示す図である。横軸は時間［ｓ］であり、縦軸の左側は滑り速度［μｍ／ｓ］であり、縦軸の右側は圧電素子４４の振動周波数［ｋＨｚ］である。なお、図１０において、滑り方向は常に正である。つまり、図１０は一方向にだけ回転させた結果を示す図である。

体感装置４０の制御部１０は、滑り信号に示される滑りの速度に応じて、複数の圧電素子４４を振動させる振動周波数を制御する。本例では、ユーザ６０に提示するすべり速さを９段階に設定する。そして、当該９段階に対応させて、複数の圧電素子４４の共振周波数である４７［ｋＨｚ］からのずれ量を、２．０［ｋＨｚ］、２．４［ｋＨｚ］、２．８［ｋＨｚ］‥５．２［ｋＨｚ］と９段階で設定する。つまり、圧電素子４４の振動周波数と共振周波数との差分が、滑り信号に示される滑りの速度に応じた値となるように、振動周波数を制御する。これにより、制御部１０は、滑り提示部４２における進行波の進行速度を制御する。

共振周波数である４７［ｋＨｚ］に最も近い４９［ｋＨｚ］のとき、滑り提示部４２は最大の滑り速度をユーザ６０に提示する。また、共振周波数である４７［ｋＨｚ］から最も遠い５２．２［ｋＨｚ］のとき、滑り提示部４２は最小の滑り速度をユーザ６０に提示する。但し、同じ振動周波数であっても、ユーザ６０がステータ４９を押す力の大小に依存して、進行波の速度は変化し得る。それゆえ、操作中において、ユーザ６０はステータ４９を一定の力で押し続けるとよい。

なお、触感をユーザ６０に提示する場合、制御部１０は、共振周波数から一桁程度低い周波数から、一桁程度高い周波数にわたる範囲で、振動周波数を制御してよい。このように、触感を提示する場合の振動周波数の変動範囲は、滑りを提示する場合の振動周波数の変動範囲よりも広い。制御部１０は、滑りと触感を同時に提示する場合、まず触感に応じた振動周波数を決定してよい。そして、当該振動周波数の近傍で、滑り速度の変化に応じて振動周波数を微小に変動させる。これにより、滑り速度の変動と、触感とをユーザ６０に同時に提示することができる。なお、触感に対応する振動周波数では、圧電素子４４の振動振幅が小さくなりすぎ、ユーザ６０に滑りを体感させることが困難な場合、制御部１０は、振動振幅の減衰を補償すべく圧電素子４４を制御する信号の電力を大きくしてよい。制御部１０には、図８に示したような圧電素子４４の周波数に対する振幅の関係を示すデータが予め与えられてよい。制御部１０は、当該データに基づいて制御信号の電力を制御してよい。

また、制御部１０は、滑り速度に応じて進行波の進行速度を制御すべく、ステータ４９を圧電素子４４に押圧する圧力を制御してもよい。ステータ４９を圧電素子４４に押しつける力を大きくするほど、進行波の進行速度を早くすることができる。滑りと触感を同時に提示する場合、制御部１０は、振動周波数を触感に基づいて決定してよい。そして、当該振動周波数における進行波の速度が、ユーザ６０に提示すべき進行速度になるように、ステータ４９を圧電素子４４に押圧する圧力を制御してもよい。なお制御部１０は、ユーザ６０に提示すべき同一の滑り速度に対して、触感を同時に提示する場合と、触感を同時に提示しない場合とで、圧電素子４４の振動周波数を異ならせてよい。

図１２は、把持装置２０における手首部２１および指部２２の関節角度と滑り速度との関係を示す図である。横軸は時間［ｓ］であり、縦軸の左側は滑り速度［μｍ／ｓ］であり、縦軸の右側は手首部２１および指部２２の関節角度［ｄｅｇ］である。

本例のシステム１００においては、ユーザ６０と把持装置２０とは１６［ｍｓ］ごとに信号のやり取りをする。そして、滑り提示部４２が滑りをユーザ６０に提示する最小時間は、８０［ｍｓ］とする。それゆえ、滑り提示部４２が滑りをユーザ６０に提示し続ける滑り持続時間は、８０＋１６×Ｎ（Ｎ：自然数）［ｍｓ］となる。但し、滑り持続時間内においては、滑りをユーザ６０に提示する進行波の速度は変化する。

本例は、把持装置２０における手首部２１および指部２２の関節角度を変えながら、容器３０に対して蓋３５を回転させた結果である。２０［ｓ］から３５［ｓ］の時間においては、滑り速度は正および負に大きく振れている。比較的に大きな滑り速度であれば、ユーザ６０は滑り提示部４２を通じて滑り速度および滑り長さを体感することが容易である。

しかし、３５［ｓ］から５０［ｓ］の時間に存在するような微小時間の滑りは、たとえ、滑り提示部４２が滑りを提示していたとしても、微小時間であるが故に、ユーザ６０が当該滑りを体感することが困難である場合がある。そこで、本例においては、制御部１０は、滑り信号により示される滑りの持続時間が予め定められた閾値より小さい場合に、滑りの持続時間を閾値以上の値に変換して進行波を生成する。当該予め定められた閾値は、例えば８０［ｍｓ］である。

制御部１０が滑り速度はそのままにして、滑り時間を引き延ばす処理を行ってよい。これにより、体感が困難な微小時間であっても、把持装置２０の指部２２が蓋３５に対する滑りを体感することができる。

なお、滑り持続時間の閾値は、８０［ｍｓ］に限定されず、人間が感知することが困難な時間として適宜定めてよい。また、変換後の滑り持続時間は、人間が検知できる程度の長さとして適宜定めてよい。なお、上述の持続時間の閾値判定および持続時間の引き伸ばし処理は、制御部１０が行ってもよいし、滑り検出器２３または別個のコンピュータが行ってもよい。

以上説明した体感装置４０によれば、滑りを模擬した進行波をユーザに接触させるので、電気刺激による滑りの模擬に比べてより現実に近く、且つ、個人差の少ない滑りを体感させることができる。なお、ローラ等をユーザに接触させて滑りを模擬する場合、ローラまたはローラの制御モータの慣性によって、滑りの持続時間を精度よく表現することができない。これに対して体感装置４０によれば、進行波の持続時間は電気的に精度よく制御できるので、滑りの持続時間を精度よく制御することができる。

また、特許文献１等には、物体間の滑りを検出する技術が開示されており、滑り情報をユーザに提示することの必要性が記載されている。しかし、どのような技術でユーザに滑りを提示するかについては何ら開示されていない。このため、現実に近く、且つ、個人差の小さい滑りを提示することはできない。

ユーザ６０に提示する滑り感に個人差が大きいと、ユーザ６０は把持装置２０等の非操作装置を適切に操作することが難しくなる。例えば、把持装置２０に過大な力で物体を把持させてしまい、物体を破損する可能性が高まり、または、把持装置２０に過小な力で物体を把持させてしまい、物体を落としてしまう可能性が高まる。また、ユーザ６０が手術用の非操作装置を操作する場合には、装置をより精度よく操作しなければならず、上記の課題がより顕著になる。体感装置４０は、より高精度の操作が要求される用途にも用いることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 制御部、１３ 電源部、１４ 電源、１５ 選択部、１６ 電源、１８ ＣＰＵ
２０ 把持装置、２１ 手首部、２２ 指部、２３ 滑り検出器、２４ 光学センサ、２６ 力センサ、２８ 近接センサ
３０ 容器、３５ 蓋
４０ 体感装置、４２ 滑り提示部、４４ 圧電素子、４６ 第１電極、４８ 第２電極、４９ ステータ
５０ 操作装置、５２ 指操作部、５４ 手首操作部
６０ ユーザ、６２ 左手、６４ 右手
１００ システム

Claims (15)

1. 物体間の滑りをユーザに体感させる体感装置であって、
   予め定められた面上に配置された複数の振動子と、
   前記ユーザに体感させるべき前記滑りに応じて前記複数の振動子を制御して、前記滑りに応じた進行波を生成する制御部と
   を備える体感装置。
2. 前記複数の振動子は、前記面上において２次元配置され、
   前記制御部は、前記滑りの方向の情報を含む前記滑り信号を受信し、前記滑りの方向に対応する方向に進む前記進行波を生成する
   請求項１に記載の体感装置。
3. 前記制御部は、滑り検出器が検出した前記滑りを示す滑り信号を受信し、前記滑り信号に応じて前記複数の振動子を制御して前記滑りに応じた進行波を生成する
   請求項１または２に記載の体感装置。
4. 前記制御部は、前記滑り信号により示される滑りの持続時間が予め定められた閾値より小さい場合に、前記持続時間を前記閾値以上の値に変換して前記進行波を生成する
   請求項１から３のいずれか一項に記載の体感装置。
5. 前記制御部は、前記滑り信号に示される滑りの速度に応じて、前記複数の振動子を振動させる振動周波数を制御して、前記進行波の進行速度を制御する
   請求項１から４のいずれか一項に記載の体感装置。
6. 前記制御部は、前記振動周波数と前記複数の振動子の共振周波数との差分が、前記滑り信号に示される滑りの速度に応じた値となるように、前記振動周波数を制御する
   請求項５に記載の体感装置。
7. 前記制御部は、前記共振周波数より大きい周波数帯および小さい周波数帯のうち、前記共振周波数からの周波数差に応じた振動振幅ゲインの低下がより小さい周波数帯で、前記振動周波数を制御する
   請求項６に記載の体感装置。
8. 前記制御部は、触感検出器が検出した物体の触感を示す触感信号を更に受信し、前記触感信号に更に基づいて前記複数の振動子を制御する
   請求項１から４のいずれか一項に記載の体感装置。
9. 前記制御部は、前記触感信号に基づいて前記複数の振動子を振動させる振動周波数を制御し、前記滑り信号に基づいて前記進行波の進行速度を制御する
   請求項８に記載の体感装置。
10. それぞれの振動子は表面が正六角形であり、それぞれの表面がハニカム状に配置される
    請求項２に記載の体感装置。
11. 前記制御部は、前記複数の振動子を制御する２相の制御信号の相間の位相差を９０度にするか、または、−９０度にするかによって前記進行波の方向を反転させるか否かを制御する
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の体感装置。
12. 物体間の滑りを検出する滑り検出器と、
    前記滑り検出器が検出した滑りを前記ユーザに体感させる請求項１から１１のいずれか一項に記載の体感装置と
    を備えるシステム。
13. 物体を把持する把持装置を更に備え、
    前記滑り検出器は、前記把持装置が前記物体を把持した状態における、前記物体と前記把持装置との間の滑りを検出する
    請求項１２に記載のシステム。
14. 前記ユーザからの操作を受け付け、前記ユーザからの操作に応じて前記把持装置を制御する操作装置を更に備える
    請求項１３に記載のシステム。
15. 前記滑り検出器は、前記物体の位置を検出する光学センサを有し、前記物体の位置の変化により前記物体の滑りを検出する
    請求項１２から１４のいずれか一項に記載のシステム。

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