JP2016207005A - 力覚提示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザの両手に力覚を与えるウェアラブルな力覚提示装置を提供する。
【解決手段】右手用のエンドエフェクタ１Ｒの４つのワイヤ接地点ＰＡＲ、ＰＢＲ、ＰＣＲ、ＰＤＲとフレームＦ１Ｒ、Ｆ２Ｒに設けられたロータリエンコーダ付ＤＣモータＭ１Ｒ、Ｍ２Ｒ、…、Ｍ８Ｒとの間にワイヤＷ１Ｒ、Ｗ２Ｒ、…、Ｗ８Ｒが設けられている。左手用のエンドエフェクタ１Ｌの４つのワイヤ接地点ＰＡＬ、ＰＢＬ、ＰＣＬ、ＰＤＬとフレームＦ１Ｌ、Ｆ２Ｌに設けられたロータリエンコーダ付ＤＣモータＭ１Ｌ、Ｍ２Ｌ、…、Ｍ８Ｌとの間にワイヤＷ１Ｌ、Ｗ２Ｌ、…、Ｗ８Ｌが設けられている。ユーザ１の頭部にはＨＭＤ２が装着される。エンドエフェクタ１Ｒ、１Ｌのロータリエンコーダ付ＤＣモータＭ１Ｒ、Ｍ２Ｒ、…、Ｍ８Ｒ；Ｍ１Ｌ、Ｍ２Ｌ、…、Ｍ８Ｌ及びＨＭＤ２はユーザ１の背に設けられた背負子３の中に設けられたＤＣモータコントローラ４に接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は手首に対するウェアラブルな力覚提示装置に関する。

近年、頭部搭載型ディスプレイ（ＨＭＤ）の発達によりバーチャルリアリティ（ＶＲ）空間の映像を目の前に映し出すことによりあたかもＶＲ空間の中にいるかのような感覚をもたらすことができるようになった。つまり、ＨＭＤは人間の頭に装着して使用するウェアラブルな視覚機器であり、外界の情報を遮断してＶＲ空間の映像のみを映し出し、外の情報をみることなくＶＲ空間に没入することができる。

ＶＲ空間を実世界のように感じる体験を実現するためには、ＶＲ空間内の仮想物体に触る、仮想物体の重さを感じるといった力覚を提示する力覚提示装置（ハプティックインタフェイス）が必要である。これにより、視覚、力覚の２つの感覚を利用してＶＲ空間に入り込み、ＶＲ空間に存在する仮想物体を直感的に操作しかつ感じ取ることができる。

図２５は第１の従来の力覚提示装置を示す（参照：特許文献１）。図２５においては、グリップ１０１を中心とした立方格子状にロータリエンコーダ付ＤＣモータ１０２−１、１０２−２、…、１０２−８及びこれらに直結したプーリ（図示せず）を設け、ロータリエンコーダ付ＤＣモータ１０２−１、１０２−２、…、１０２−８を結合するようにフレーム１０３−１、１０３−２、…、１０３−１２を設ける。グリップ１０１の４つのワイヤ接地点ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ（ＰＡ、ＰＣ、ＰＤのみ図示）とロータリエンコーダ付ＤＣモータ１０２−１、１０２−２、…、１０２−８に直結したプーリとの間にワイヤ１０４−１、１０４−２、…、１０４−８を設ける。ロータリエンコーダ付ＤＣモータ１０２−１、１０２−２、…、１０２−８は各ワイヤ１０４−１、１０４−２、…、１０４−８のワイヤ長を計測すると共に各ワイヤ１０４−１、１０４−２、…、１０４−８の張力を調整する。これにより、グリップ１０１を把持した手首にＶＲ空間内の仮想物体の並進３軸、回転３軸の６自由度の力を与えることができる。

図２６は第２の従来の力覚提示装置を示し、（Ａ）は模式図、（Ｂ）は操作状態の概観斜視図である（参照：特許文献２）。図２６の（Ａ）においては、リング状グリップ２０１の上方側にガイドプーリ２０２−１、２０２−２、２０２−３、２０２−４を設け、リング状グリップ２０１の下方側にロータリエンコーダ付モータに直結したプーリ２０３−１、２０３−２、…、２０３−８を設けている。リング状グリップ２０１の内側の４つのワイヤ接地点ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤから、ワイヤ２０４−１、２０４−２、…、２０４−８が直接またはガイドプーリ２０２−１、２０２−２、２０２−３、２０２−４を介してプーリ２０３−１、２０３−２、…、２０３−８に接続されている。たとえば、ワイヤ接地点ＰＡからのワイヤ２０４−１、２０４−２はプーリ２０３−１、２０３−５に直接巻回され、ワイヤ接地点ＰＢからのワイヤ２０４−３、２０４−４はガイドプーリ２０２−１、２０２−２を介してプーリ２０３−８、２０３−３に巻回される。これにより、リング状グリップ２０１を把持した手首にＶＲ空間内の仮想物体の並進３軸、回転３軸の６自由度の力を与える。また、ワイヤ２０４−１、２０４−２、２０４−３、２０４−４がリング状グリップ２０１の内側を通過するので、図２６の（Ｂ）に示すごとく、図２５の従来の力覚提示装置に比較して装置全体を約３０％小型化できる。

特開２００１−２８２４４８号公報 特開２０１２−２５６２０１号公報

しかしながら、上述の第１、第２の従来の力覚提示装置のいずれにおいても、ＶＲ空間内の仮想物体を指先でつまむという指先のみによる動作しか実現できない。従って、ユーザの両手に力覚を与えるウェアラブルな力覚提示装置を実現できないという課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る力覚提示装置は、後側結合フレームによって対称的に結合された右手用力覚提示ユニット及び左手用力覚提示ユニットを具備し、各力覚提示ユニットは、第１、第２、第３、第４のワイヤ接地点を有するエンドエフェクタと、エンドエフェクタの上方、下方に位置する上方フレーム及び下方フレームと、上方フレームの一方側及び他方側に設けられた第１、第２のモータと、上方フレームの一方側及び他方側に設けられた第３、第４のモータと、下方フレームの一方側及び他方側に設けられた第５、第６のモータと、下方フレームの一方側及び他方側に設けられた第７、第８のモータと、各第１、第２のモータのワイヤ出口と第１のワイヤ接地点との間に接続された第１、第２のワイヤと、各第３、第４のモータのワイヤ出口と第２のワイヤ接地点との間に接続された第３、第４のワイヤと、各第５、第６のモータのワイヤ出口と第３のワイヤ接地点との間に接続された第５、第６のワイヤと、各第７、第８のモータのワイヤ出口と第４のワイヤ接地点との間に接続された第７、第８のワイヤとを具備し、右手用力覚提示ユニットのエンドエフェクタと左手用力覚提示ユニットのエンドエフェクタとを協調して操作できるようにしたものである。

本発明によれば、右手用力覚提示ユニットのエンドエフェクタと左手用力覚提示ユニットのエンドエフェクタとの協調操作によりユーザの両手に力覚を与えることができ、従って、ウェアラブルな力覚提示装置を実現できる。

本発明に係る力覚提示装置の実施の形態を示す全体斜視図である。 図１の力覚提示装置の概略を示し、（Ａ）は正面図及びその写真、（Ｂ）は側面図及びその写真である。 図１の右側エンドエフェクタに装着される右手及び背負子を示す写真である。 図１のエンドエフェクタの並進、回転を説明する図である。 図１の力覚提示装置の操作状態を示す図である。 図１のエンドエフェクタのワイヤ接地点の設計手順を説明する図である。 図１のエンドエフェクタの詳細を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は側面図である。 図７のエンドエフェクタを手に装着した状態を示す写真である。 図１のフレーム上のＤＣモータ間の距離を計算するための図である。 図１の力覚提示装置のフレームを示す斜視図である。 図１０のフレーム上のＤＣモータ間の距離を説明するための図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。 図１１のフレーム上のＤＣモータ間の距離の場合の全方位から力覚を表現できる力覚表現領域を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。 図１１のフレーム上のＤＣモータ間の距離の場合の力覚を提示できる力覚提示領域を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。 図１のＤＣモータの位置を説明するための図である。 図１４におけるＤＣモータの位置を示し、（Ａ）は右側ＤＣモータの位置を表す表、（Ｂ）は左側ＤＣモータの位置を表す表である。 図１のワイヤ結合を説明するための図である。 図１６におけるワイヤ結合を示し、（Ａ）は右側エンドエフェクタとのワイヤ結合を表す表、（Ｂ）は左側エンドエフェクタとのワイヤ結合を表す表である。 図１の力覚提示装置の実機を示し、（Ａ）は装着前を示し、（Ｂ）は装着後を示す。 評価対象のＤＣモータ配置を示す表である。 図１９の評価対象の位置精度の平均誤差を示す表である。 図１９の評価対象の姿勢精度の平均誤差を示す表である。 図１９の評価対象の提出力を示し、（Ａ）は並進力を示すグラフ、（Ｂ）は最大トルクを示すグラフである。 図１９の評価対象の応答性を示すタイミング図である。 図１のエンドエフェクタの変更例を示す斜視図である。 第１の従来の力覚提示装置を示す模式図である。 第２の従来の力覚提示装置を示し、（Ａ）は模式図、（Ｂ）は操作状態を示す斜視図である。

図１は本発明に係る力覚提示装置の実施の形態を示す全体斜視図、図２は図１の概略的な図を示し、（Ａ）は正面図及びその写真、（Ｂ）は側面図及びその写真である。図１、図２において、エンドエフェクタ１Ｒ及びフレームＦ１Ｒ、Ｆ２Ｒよりなる右手用力覚提示ユニットとエンドエフェクタ１Ｌ及びフレームＦ１Ｌ、Ｆ２Ｌよりなる左手用力覚提示ユニットとが後側結合フレームＦＲによって対称的に結合されている。

図１、図２において、図３に示すユーザ１の右手に装着される右手用のエンドエフェクタ１Ｒの４つのワイヤ接地点（固定点）ＰＡＲ、ＰＢＲ、ＰＣＲ、ＰＤＲとフレームＦ１Ｒ、Ｆ２Ｒに設けられたロータリエンコーダ付ＤＣモータＭ１Ｒ、Ｍ２Ｒ、…、Ｍ８Ｒ（正確にはこれらに直結したワイヤ出口としてのプーリ）との間にワイヤＷ１Ｒ、Ｗ２Ｒ、…、Ｗ８Ｒが設けられている。具体的には、エンドエフェクタ１Ｒのワイヤ接地点ＰＡＲとロータリエンコーダ付ＤＣモータＭ１Ｒ、Ｍ２Ｒ（正確には直結したワイヤ出口としてのプーリ）との間にワイヤＷ１Ｒ、Ｗ２Ｒが設けられ、エンドエフェクタ１Ｒのワイヤ接地点ＰＢＲとロータリエンコーダ付ＤＣモータＭ３Ｒ、Ｍ４Ｒ（正確には直結したワイヤ出口としてのプーリ）との間にワイヤＷ３Ｒ、Ｗ４Ｒが設けられ、エンドエフェクタ１Ｒのワイヤ接地点ＰＣＲとロータリエンコーダ付ＤＣモータＭ５Ｒ、Ｍ６Ｒ（正確には直結したワイヤ出口としてのプーリ）との間にワイヤＷ５Ｒ、Ｗ６Ｒが設けられ、エンドエフェクタ１Ｒのワイヤ接地点ＰＤＲとロータリエンコーダ付ＤＣモータＭ７Ｒ、Ｍ８Ｒ（正確には直結したワイヤ出口としてのプーリ）との間にワイヤＷ７Ｒ、Ｗ８Ｒが設けられている。この場合、フレームＦ１Ｒ、Ｆ２Ｒが上方から見て直交している。

同様に、ユーザ１の左手に装着される左手用のエンドエフェクタ１Ｌの４つのワイヤ接地点ＰＡＬ、ＰＢＬ、ＰＣＬ、ＰＤＬとフレームＦ１Ｌ、Ｆ２Ｌに設けられたロータリエンコーダ付ＤＣモータＭ１Ｌ、Ｍ２Ｌ、…、Ｍ８Ｌ（正確にはこれらに直結したワイヤ出口としてのプーリ）との間にワイヤＷ１Ｌ、Ｗ２Ｌ、…、Ｗ８Ｌが設けられている。具体的には、エンドエフェクタ１Ｌのワイヤ接地点ＰＡＬとロータリエンコーダ付ＤＣモータＭ１Ｌ、Ｍ２Ｌ（正確には直結したワイヤ出口としてのプーリ）との間にワイヤＷ１Ｌ、Ｗ２Ｌが設けられ、エンドエフェクタ１Ｌのワイヤ接地点ＰＢＬとロータリエンコーダ付ＤＣモータＭ３Ｌ、Ｍ４Ｌ（正確には直結したワイヤ出口としてのプーリ）との間にワイヤＷ３Ｌ、Ｗ４Ｌが設けられ、エンドエフェクタ１Ｌのワイヤ接地点ＰＣＬとロータリエンコーダ付ＤＣモータＭ５Ｌ、Ｍ６Ｌ（正確には直結したワイヤ出口としてのプーリ）との間にワイヤＷ５Ｌ、Ｗ６Ｌが設けられ、エンドエフェクタ１Ｌのワイヤ接地点ＰＤＬとロータリエンコーダ付ＤＣモータＭ７Ｌ、Ｍ８Ｌ（正確には直結したワイヤ出口としてのプーリ）との間にワイヤＷ７Ｌ、Ｗ８Ｌが設けられている。この場合、フレームＦ１Ｌ、Ｆ２Ｌが上方から見て直交している。

ユーザ１の頭部にはＨＭＤ２が装着される。尚、ＨＭＤ２の代りに仮想映像発生手段としての大型スクリーンを用いてもよい。

エンドエフェクタ１Ｒ、１Ｌのロータリエンコーダ付ＤＣモータＭ１Ｒ、Ｍ２Ｒ、…、Ｍ８Ｒ；Ｍ１Ｌ、Ｍ２Ｌ、…、Ｍ８Ｌ及びＨＭＤ２はユーザ１の背に設けられた背負子３（参照：図２の（Ｂ）；図３の（Ｂ））の中に設けられたＤＣモータコントローラ４に接続されている。さらに、ＨＭＤ２及びＤＣモータコントローラ４はパソコン５に接続されている。尚、パソコン５も背負子３の中に設けられる。

図１の力覚提示装置の各エンドエフェクタ１Ｒ（１Ｌ）は、図４に示すごとく、ワイヤＷ１Ｒ〜Ｗ８Ｒ（Ｗ１Ｌ〜Ｗ８Ｌ）によって並進３軸３自由度、回転３軸３自由度の合計６自由度の運動を行う。従って、エンドエフェクタ１Ｒとエンドエフェクタ１Ｌとを協調して操作することにより、ＶＲ空間内での図５の仮想物体５に対して両手を用いた６自由度の並進、回転操作を実現できる。

次に、エンドエフェクタ１Ｌ（１Ｒ）のワイヤ接地点ＰＡＬ、ＰＢＬ、ＰＣＬ、ＰＤＬ（ＰＡＲ、ＰＢＲ、ＰＣＲ、ＰＤＲ）について設計手順を説明する。

図６に示すごとく、エンドエフェクタ１Ｌ（１Ｒ）が半径Ｒの球をなしそのホームポジションに位置し、ワイヤ接地点ＰＡＬ、ＰＢＬ、ＰＣＬ、ＰＤＬ（ＰＡＲ、ＰＢＲ、ＰＣＲ、ＰＤＲ）は球の球面に存在すると仮定する。この場合、球の中心から球の表面上のワイヤ接地点ＰＡＬ、ＰＢＬ、ＰＣＬ、ＰＤＬ（ＰＡＲ、ＰＢＲ、ＰＣＲ、ＰＤＲ）の位置ベクトルｄｉ（ｉ＝１〜４）は次式で与えられる。
ここで、θ_ｉはワイヤ接地点の位置ベクトルｄｉのＸ−Ｚ平面からの角度を表す。θ_ｉ＝４２．０１３°のときに、最小提示力の極値をとることが分った。

θ_ｉ＝４２．０１３°の基で設計した左用エンドエフェクタ１Ｌのワイヤ接地点ＰＡＬ、ＰＢＬ、ＰＣＬ、ＰＤＬを図７に示す。エンドエフェクタ１Ｌの半径Ｒが大き過ぎるとエンドエフェクタ１Ｌ（１Ｒ）の回転力が大きく並進力が小さくなり、半径Ｒが小さ過ぎるとエンドエフェクタ１Ｌ（１Ｒ）の並進力が大きく回転力が小さくなる。半径Ｒは後述のごとくＤＣモータ間の距離に応じて設定される。たとえば、Ｒ＝１０ｃｍとする。図７においては、ワイヤ接地点ＰＡＬ、ＰＢＬを設けた部材Ｕ１を上側に屈曲させ、ワイヤ接地点ＰＣＬ、ＰＤＬを設けた部材Ｕ２を下側に屈曲させ、部材Ｕ１、Ｕ２を結合して直交した十字形とする。これにより、ワイヤ接地点ＰＡＬ、ＰＢＬに固定されたワイヤとワイヤ接地点ＰＣＬ、ＰＤＬに固定されたワイヤとがからまないようにする。また、部材Ｕ２側に爪部Ｕ３を結合する。爪部Ｕ３は、図８に示すごとく、ユーザの手のひらに掛ける形になっており、爪部Ｕ３の反対側からベルトＵ４を回り込ませて固定して手に拘束感を出している。

フレームＦ１Ｒ、Ｆ２Ｒ（Ｆ１Ｌ、Ｆ２Ｌ）等のフレームとしては、力覚提示装置全体をユーザの背中に背負うので、比較的軽量なアルミニウムパイプを用いる。

次に、フレームＦ１Ｒ、Ｆ２Ｒ（Ｆ１Ｌ、Ｆ２Ｌ）の設計手順について説明する。

図９は図１のフレームＦ１Ｌ、Ｆ２Ｌ上のＤＣモータＭ２Ｌ（Ｍ４Ｌ）とＤＣモータＭ１Ｌ（Ｍ３Ｌ）との距離及びＤＣモータＭ５Ｌ（Ｍ７Ｌ）とＤＣモータＭ６Ｌ（Ｍ８Ｌ）との距離を計算するための図である。

ワイヤ接地点ＰＡＬ（ＰＢＬ、ＰＣＬ、ＰＤＬ）からＤＣモータＭｉＬ（ｉ＝１〜８）に向う方向の単位ベクトルφｉ（ｉ＝１〜８）は次式で表される。

エンドエフェクタ１Ｌの中心ＯからＤＣモータＭｉＬのワイヤ出口（プーリ）への位置ベクトルｍｏｔｏｒ_ｉは次式で表される。
ただし、ＬｉはＤＣモータＭｉＬのワイヤ出口（プーリ）に接続されるワイヤＷｉＬの長さである。

ワイヤ長Ｌｉがそれぞれ等しいと仮定すると、ワイヤ出口が同一位置のワイヤＷ１ＬのベクトルとワイヤＷ３Ｌのベクトルとが交わるとき、
となる。従って、
この結果、ＤＣモータＭｉＬのワイヤ出口（プーリ）の位置ベクトルは次式で表される。

フレームＦ１Ｌ、Ｆ２Ｌ上のＤＣモータＭ２Ｌ、Ｍ４ＬとＤＣモータＭ１Ｌ、Ｍ３Ｌとの間及びＤＣモータＭ５Ｌ、Ｍ７ＬとＤＣモータＭ６Ｌ、Ｍ８Ｌとの間の距離を２Ａ’Ｒとし、Ｙ軸方向のＤＣモータ間距離を２Ｂ’Ｒとすれば、
と表すことができ、
φ＝４５°、θ＝４２．０１３°
より、 Ａ’：Ｂ’＝０．７４３：１ （１２）
となる。

また、ＤＣモータ間距離を２Ａ’Ｒ、２Ｂ’Ｒから、エンドエフェクタ１Ｌ（１Ｒ）のワイヤ接地点ＰＡＬ、ＰＢＬ、ＰＣＬ、ＰＤＬ（ＰＡＲ、ＰＢＲ、ＰＣＲ、ＰＤＲ）の理想の半径Ｒを求めることができる。すなわち、ＤＣモータ間距離２Ａ’ＲをＤ_Ａとすれば、
Ｒ＝Ｄ_Ａ／２Ａ’ （１３）
となり、Ａ’は既知であるので、
Ｒ≒０．４５Ｄ_Ａ （１４）
となる。

このように、フレームＦ１Ｌ、Ｆ２Ｌ（Ｆ１Ｒ、Ｆ２Ｒ）上のＤＣモータ間の距離は式（１２）及び（１４）に基づいて設計することができる。

図１０は図１の力覚提示装置のフレームＦ１Ｒ、Ｆ２Ｒ、Ｆ１Ｌ、Ｆ２Ｌを示す斜視図、図１１は図１０のフレームＦ１Ｒ、Ｆ２Ｒ、Ｆ１Ｌ、Ｆ２Ｌ上のＤＣモータ間の距離を説明するための図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。図１１においては、フレームＦ１Ｒ、Ｆ２Ｒ、Ｆ１Ｌ、Ｆ２Ｌを真上方向に１０°だけ傾けてある。これにより、ユーザが力覚提示装置を装着し易くする。図１１において、フレームＦ１Ｒ、Ｆ２Ｒ、Ｆ１Ｌ、Ｆ２Ｌ上のＤＣモータ間の距離は５４ｃｍである。尚、図１０、図１１においては、全体の剛性を維持するために、「エ」字状の前側結合フレームＦＦが図１のフレームＦ１Ｒ、Ｆ２Ｒ、Ｆ１Ｌ、Ｆ２Ｌに対して付加されている。

図１２は図１１のフレームＦ１Ｒ、Ｆ２Ｒ、Ｆ１Ｌ、Ｆ２Ｌ上のＤＣモータ間の距離の場合の全方位から力覚を表現できる力覚表現領域を示す。図１２に示すように、フレームＦ１Ｒ、Ｆ２Ｒ、Ｆ１Ｌ、Ｆ２Ｌが１０°上方向に傾いているので、力覚表現領域は３８．１８ｃｍ×３８．１８ｃｍ×７２．６８ｃｍの立方体が１０°傾いた領域となる。

図１２においては、ユーザの中心付近である−２１．３２ｃｍ＜ｘ＜２１．３２ｃｍの領域は力覚表現領域から外れているが、この領域では、限定された方向の力を表現でき、この結果、外側方向の力を提示することができる。従って、ＶＲ空間内の仮想物体を両手で掴んだり回転させたりする動作を実現することができればよいので、−２１．３２ｃｍ＜ｘ＜２１．３２ｃｍの領域も力覚提示可能な領域として扱うことができ、従って、図１３に示す有効な力覚提示領域を得ることができる。

図１４に示すごとく、右側のフレームＦ１Ｒ、Ｆ２Ｒは、右モータの位置座標（ｘ、ｙ、ｚ）において上下で交差し、ｙ軸方向の幅の中点を原点とする。同様に、左側のフレームＦ１Ｌ、Ｆ２Ｌは、左モータの位置座標（ｘ、ｙ、ｚ）において上下で交差し、ｙ軸方向の幅の中点を原点とする。この場合、右側モータの位置の例は図１５の（Ａ）に示され、左側モータの位置の例は図１５の（Ｂ）に示されている。このとき、同一フレームＦ１Ｒ（Ｆ２Ｒ、Ｆ１Ｌ、Ｆ２Ｌ）上のモータ間距離は５４ｃｍであり、従って、式（１４）からエンドエフェクタ１Ｒ（１Ｌ）の理想のワイヤ接地点の半径Ｒは２４．３ｃｍとなる。

図１６は図１のエンドエフェクタ１Ｒ、１Ｌのワイヤ接地点とＤＣモータ４の間のワイヤ接続方法を説明する図である。右側のエンドエフェクタ１Ｒのワイヤ接地点ＰＡＲ、ＰＢＲ、ＰＣＲ、ＰＤＲとＤＣモータとの結合及びエンドエフェクタ１Ｌのワイヤ接地点ＰＡＬ、ＰＢＬ、ＰＣＬ、ＰＤＬとＤＣモータとの結合は図１７に示すごとくである。

図１８は図１の力覚提示装置の実機を示し、（Ａ）は装着前を示し、（Ｂ）は装着後を示す。ユーザは力覚提示装置をリュックのように背負い、両手にエンドエフェクタを装着する。ユーザの頭部にＨＭＤを装着することにより、ＶＲ空間内に没入し、仮想物体を両手で操作する。このときの力覚がエンドエフェクタを介してユーザにフィードバックされ、ユーザが仮想物体を掴んだり動かしたりする感覚を得ることができる。尚、図１８においては、前側結合フレームＦＦは省略されている。

次に、力覚提示装置の評価について説明する。図１の力覚提示装置が左右対称な右手用力覚提示ユニット及び左手用力覚提示ユニットよりなるので、評価対象は左側配置のみとした。このとき、エンドエフェクタ１Ｌのワイヤ接地点ＰＡＬ、ＰＢＬ、ＰＣＬ、ＰＤＬの半径Ｒが１０ｃｍ、θ＝４２．０１３°とし、モータ配置は図１５の（Ｂ）と異なる図１９に示すごとくした。

始めに、図１９の評価対象に対して位置精度の評価を行った。位置精度の計測には手動１軸ステージを用い、基本姿勢で装置の原点に左側エンドエフェクタ１Ｌを置き、姿勢を変化させることなく、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に２０、５０、１００ｍｍ並進させたときに、取得された位置情報と目標位置との平均誤差が図２０に示すごとく得られた。この場合の平均誤差とは５回ずづ同一実験を行って得られたものである。図２０において、変化量が大きい程、平均誤差が大きいのは、ＤＣモータのワイヤの巻取りによるプーリの巻太りが生じ、この結果、プーリの半径の増加が起こり、位置推定に最大約９％のずれが生じたものと考えられる。

次に、図１９の評価対象に対して姿勢精度の評価を行った。位置精度の計測には１軸回転ステージを用い、装置の原点に左側エンドエフェクタ１Ｌを置き、位置を変化させることなく、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各方向に１５°、３０°、４５°回転させたときに、取得された姿勢情報と目標値との平均誤差が図２１に示すごとく得られた。この場合の平均誤差とは５回ずづ同一実験を行って得られたものである。図２１において、変化量が大きい程、平均誤差が大きいのは、ＤＣモータのワイヤの巻取りによるプーリの巻太りが生じ、この結果、プーリの半径の増加が起こり、位置推定に最大約６％のずれが生じたものと考えられる。

次に、図１９の評価対象に対してエンドエフェクタ１Ｌの各軸方向に最大でどの程度の力を出すことができるかの最大提示力の評価を行った。最大提示力の計測には静電容量型６軸力覚センサを用い、装置の原点の位置に左側エンドエフェクタ１Ｌをｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各軸の傾きを０で固定した状態とし、指定値を提示力が変化しなくなるまで並進力を０．１Ｎずつ、トルクを０．０１Ｎｍずつ上げることにより、最大提示力を計測するために、図２２の（Ａ）に示す並進力が得られ、図２２の（Ｂ）に示すトルクが得られた。

図２２の（Ａ）に示すように、最大並進力は、ｘ軸、ｚ軸が４〜６Ｎ、ｙ軸が１０Ｎであり、他方、図２２の（Ｂ）に示すように、最大トルクはｘ、ｙ、ｚ軸で０．６〜０．８Ｎ程度出ることが分かった。ｙ軸とｘ軸、ｚ軸とで並進力に大きな差が出たが、これはエンドエフェクタ１Ｌのワイヤ接地点ＰＡＬ、ＰＢＬ、ＰＣＬ、ＰＤＬの半径Ｒが１０ｃｍであり、他方、理想のワイヤ接地点半径は式（１４）から計算すると、２５．８７５ｃｍであり、これらの差は１５ｃｍ以上であるので、提示力に偏りが生じ、ｙ軸の力が大きくなってしまったと考えられる。また、ｙ軸は鉛直方向であるので、評価対象で仮想物体を持ち上げるとき、最大で約１ｋｇの重さを感じることができるということが分かった。さらに、ｘ軸とｚ軸はモータ配置が対称であるのに提示力に差が出たが、これはエンドエフェクタ１Ｌのワイヤ取り付け用突起部分の形状が一定でないことからエンドエフェクタ１Ｌの部位による剛性の違いが出てしまい、エンドエフェクタ１Ｌの力による歪みによって提示力が分散してしまうことが原因として考えられる。

最後に、図１９の評価対象に対して力覚提示の応答性の評価を行った。応答性の計測には静電容量型６軸力覚センサを用い、装置の原点の位置に左側エンドエフェクタ１Ｌを基本姿勢で固定した状態とし、図２３に示すｘ軸方向に１Ｎの指令値を与えて力覚値の実測値が得られた。

図２３に示すように、１Ｎの指令値を与えてから実測値が指令値に達するまで約６ｍｓかかることが分かった。実測値が、指令値１Ｎのときのｘ軸並進力の実測値の平均に近づくまで約２６ｍｓかかった。人が触覚を感じる際に視覚と触覚との差が６０ｍｓほどの相違があっても違和感なく操作できると考えられ、従って、本発明の力覚提示装置はユーザに力を伝達する際に力の遅延を感じることなく使用できるものと考えられる。

尚、上述の実施の形態において、フレームＦ１Ｒ（Ｆ１Ｌ）とフレームＦ２Ｒ（Ｆ２Ｌ）とが上から見て直交しているが、必ずしも直交している必要はない。また、エンドエフェクタ１Ｌ（１Ｒ）はユーザの手のひらを掛ける形になっているが、図２４に示すごとく、ユーザの手によって握る形にしてもよい。図２４のエンドエフェクタ１Ｌにおいては、アルミニウムパイプにより構成される部材Ｕ１’、Ｕ２’も上方から見て直交した十字形となっており、グリップ部材Ｕ３’が中央部材Ｕ１’、Ｕ２’間に結合されている。従って、ユーザの左手で握る形になっている。この場合、部材Ｕ１’、Ｕ２’を屈曲させる必要はない。エンドエフェクタ１Ｒについても同様である。さらに、ワイヤは金属製である必要はなく、繊維製でもよい。

また、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更も適用し得る。

１：ユーザ
１Ｒ：右手用エンドエフェクタ
１Ｌ：左手用エンドエフェクタ
Ｆ１Ｒ、Ｆ２Ｒ、Ｆ１Ｌ、Ｆ２Ｌ：フレーム
ＦＲ：後側結合フレーム
ＦＦ：前側結合フレーム
Ｍ１Ｒ、Ｍ２Ｒ、…、Ｍ８Ｒ；Ｍ１Ｌ、Ｍ２Ｌ、…、Ｍ８Ｌ：ロータリエンコーダ付ＤＣモータ
Ｗ１Ｒ、Ｗ２Ｒ、…、Ｗ８Ｒ；Ｗ１Ｌ、Ｗ２Ｌ、…、Ｗ８Ｌ：ワイヤ
ＰＡＲ、ＰＢＲ、ＰＣＲ、ＰＤＲ、ＰＡＬ、ＰＢＬ、ＰＣＬ、ＰＤＬ：ワイヤ接地点
２：頭部搭載型ディスプレイ（ＨＭＤ）
３：背負子
４：ＤＣモータコントローラ
５：パソコン（ＰＣ）
６：仮想物体
１０１：グリップ
１０２−１、１０２−２、…、１０２−８：ロータリエンコーダ付ＤＣモータ
１０３−１、１０３−２、…、１０３−１２：フレーム
１０４−１、１０４−２、…、１０４−８：ワイヤ
２０１：リング状グリップ
２０２−１、２０２−２、２０２−３、２０２−４：ガイドプーリ
２０３−１、２０３−２、…、２０３−８：プーリ

Claims (12)

1. 後側結合フレームによって対称的に結合された右手用力覚提示ユニット及び左手用力覚提示ユニットを具備し、
   前記各力覚提示ユニットは、
   第１、第２、第３、第４のワイヤ接地点を有するエンドエフェクタと、
   前記エンドエフェクタの上方、下方に位置する上方フレーム及び下方フレームと、
   前記上方フレームの一方側及び他方側に設けられた第１、第２のモータと、
   前記上方フレームの前記一方側及び前記他方側に設けられた第３、第４のモータと、
   前記下方フレームの一方側及び他方側に設けられた第５、第６のモータと、
   前記下方フレームの前記一方側及び前記他方側に設けられた第７、第８のモータと、
   前記各第１、第２のモータのワイヤ出口と前記第１のワイヤ接地点との間に接続された第１、第２のワイヤと、
   前記各第３、第４のモータのワイヤ出口と前記第２のワイヤ接地点との間に接続された第３、第４のワイヤと、
   前記各第５、第６のモータのワイヤ出口と前記第３のワイヤ接地点との間に接続された第５、第６のワイヤと、
   前記各第７、第８のモータのワイヤ出口と前記第４のワイヤ接地点との間に接続された第７、第８のワイヤと
   を具備し、
   前記右手用力覚提示ユニットのエンドエフェクタと前記左手用力覚提示ユニットのエンドエフェクタとを協調して操作できるようにした力覚提示装置。
2. 前記上方フレーム及び前記下方フレームは上方から見て直交する請求項１に記載の力覚提示装置。
3. 前記第１、第２、第３、第４のワイヤ接地点は前記エンドエフェクタの中心から半径Ｒの球面に存在する請求項１に記載の力覚提示装置。
4. 前記エンドエフェクタは、
   前記第１、第２のワイヤ接地点が設けられ、上側に屈曲した第１の部材と、
   前記第３、第４のワイヤ接地点が設けられ、下側に屈曲した第２の部材と、
   爪部と
   を具備し、
   前記第１、第２の部材は結合されて上から見て直交した十字形をなし、前記爪部は前記第２の部材に結合されている請求項１〜３のいずれかに記載の力覚提示装置。
5. 前記エンドエフェクタは、
   前記第１、第２のワイヤ接地点が設けられた第１の部材と、
   前記第３、第４のワイヤ接地点が設けられた第２の部材と、
   と
   前記第１、第２の部材を結合するグリップ部材と
   を具備し、
   前記第１、第２の部材は結合されて上から見て直交した十字形をなしている請求項１〜３のいずれかに記載の力覚提示装置。
6. 前記第１のモータと前記第２のモータとの間の距離、前記第３のモータと前記第４のモータとの間の距離、前記第５のモータと前記第６のモータとの間の距離、前記第７のモータと前記第８のモータとの間の距離は等しい請求項１〜５のいずれかに記載の力覚提示装置。
7. 前記第１、第２、第３、第４のワイヤ接地点は前記エンドエフェクタの中心から半径Ｒの球面に存在し、
   前記第１のモータと前記第２のモータとの間の距離、前記第３のモータと前記第４のモータとの間の距離、前記第５のモータと前記第６のモータとの間の距離、前記第７のモータと前記第８のモータとの間の距離は等しい距離Ｄ_Ａであり、
   前記半径Ｒ及び前記距離Ｄ_Ａは、
   Ｒ≒０．４５Ｄ_Ａ
   である請求項１に記載の力覚提示装置。
8. 前記上方フレーム及び前記下方フレームは上方へ傾いている請求項１〜７のいずれかに記載の力覚提示装置。
9. 前記右手用力覚提示ユニット及び前記左手用力覚提示ユニットは「エ」字形状の前側結合ユニットによって結合された請求項１〜８のいずれかに記載の力覚提示装置。
10. さらに、力覚を提示するための仮想物体を表示するディスプレイを具備する請求項１〜８のいずれかに記載の力覚提示装置。
11. さらに、前記力覚を提示するために前記各第１〜第８のモータを制御するモータコントローラを具備する請求項１０に記載の力覚提示装置。
12. さらに、前記後側結合フレームに固定され、前記ディスプレイ及び前記モータコントローラを収容するための背負子を具備する請求項１１に記載の力覚提示装置。