JP2017173988A - 三次元形状提示システム及び触力覚提示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元モデルで表現可能な仮想物体の三次元形状をより高解像度に触力覚で提示する三次元形状提示システム及び触力覚提示装置を提供する。【解決手段】本発明の三次元形状提示システム１は、三次元モデルで表現可能な仮想物体の三次元形状を触力覚で提示するよう構成され、１以上の触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子５）と、各高分解能触力覚提示素子５を制御する制御手段（制御ユニット３及び駆動ユニット６）を備える。高分解能触力覚提示素子５は、利用者の指先に装着され伸縮可能な複数の刺激ピン５１を有する。制御ユニット３は、触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子５）が所定の被接触対象物（触力覚提示ユニット２）と接触した際に、当該接触した位置で、その触力覚提示ユニット２が提示する形状の輪郭と、仮想物体の三次元形状の輪郭との差分に相当する長さとなるよう当該接触した刺激ピン５１の長さと反力を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元モデルで表現可能な仮想物体の三次元形状を触力覚で提示する三次元形状提示システム及び触力覚提示装置に関する。

バーチャルリアリティなどでは、物体の形状を触力覚で提示するための三次元形状提示システムが知られている（例えば、特許文献１，２、及び非特許文献１参照）。このような三次元形状提示システムは、例えば、物体を触った感覚（触感覚）を仮想的に再現するため、触覚を利用して物体の大きさと形状を提示し、力覚を利用して物体の硬度を提示することができる。

より具体的に、従来の三次元形状提示システムは、モータもしくはソレノイドのような駆動デバイスによって指先の押す力に対して反力を与えることで物体に触れている感覚をバーチャルに提示している。反力の強さは物体の硬度を知覚させ、反力の無い状態から指先を押したときに初めて反力を感じるまでの移動距離によって物体の大きさと形状を認知できる。しかし、指の押す力に対して常に反力を返す必要があり、大きな反力を返すためにはこれら駆動デバイスも大型化することになる。

従って、従来の三次元形状提示システムは大がかりとなり、非常に高価なものとなる。そして、この駆動デバイスの大型化に伴い、手のひら内に収めて把持可能な小物体の触力覚を提示するのが困難となり、例えばハンドボール大程度の大きな物体形状を手でさする動作でしか触力覚を提示できない。

特開２０１４−９２９０６号公報 特開２０１２−３７４２０号公報

"３次元力覚入出力デバイス Geomagic Phantom"、［online］、株式会社スリーディー、［平成28年3月1日検索］、インターネット〈URL：http://www.ddd.co.jp/phantom/〉

前述したように、従来の三次元形状提示システムは、モータもしくはソレノイドのような駆動デバイスによって指先の押す力に対して反力を与えることで物体に触れている感覚をバーチャルに提示している。このような駆動デバイスは大型化することになり、手のひら内に収めて把持可能な小物体の触力覚を提示するのが困難となる。

そして、従来の三次元形状提示システムでは小型化を実現することや低廉化するのも困難となり、その用途も限られてくる。

また、三次元モデルで表現可能な仮想物体の三次元形状を触力覚で提示するには、より高解像度な三次元形状を提示することが望まれる。

本発明の目的は、上述の問題に鑑みて、三次元モデルで表現可能な仮想物体の三次元形状をより高解像度に触力覚で提示する三次元形状提示システム及び触力覚提示装置を提供することにある。

本発明の三次元形状提示システムは、三次元モデルで表現可能な仮想物体の三次元形状を触力覚で提示する三次元形状提示システムであって、利用者の指先に装着され伸縮可能な複数の刺激ピンを有する触力覚提示装置と、前記触力覚提示装置が所定の被接触対象物と接触した際に、当該接触した位置で、前記所定の被接触対象物の形状の輪郭と、提示する仮想物体の三次元形状の輪郭との差分に相当する長さとなるよう当該接触した刺激ピンの長さを制御し、且つ該刺激ピンの長さとなる位置で前記仮想物体の三次元形状の硬度データに応じた反力を該刺激ピンに発生させるよう制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の三次元形状提示システムにおいて、前記仮想物体の三次元形状の輪郭が、前記所定の被接触対象物の形状の輪郭より高い解像度を持つ領域を有し、前記複数の刺激ピンの各々の間隔が、該領域に対応する前記所定の被接触対象物の形状の輪郭より狭くなるよう配置されていることを特徴とする。

また、本発明の三次元形状提示システムにおいて、前記所定の被接触対象物は入れ子構造により伸縮可能で伸縮方向への復元力が付勢された構造を有する触力覚提示素子が基台部に複数配設された触力覚提示ユニットからなり、前記制御手段は、前記基台部によって定められた三次元座標を基に、前記触力覚提示ユニットにおける触力覚提示素子と前記触力覚提示装置における刺激ピンの伸縮量を制御することにより、前記仮想物体の三次元形状を触力覚で提示するよう制御することを特徴とする。

また、本発明の三次元形状提示システムにおいて、三次元位置を検出する所定のセンサが前記触力覚提示装置に併設され、前記所定の被接触対象物は固定形状の実物体からなり、且つ該実物体の形状が前記所定のセンサにより三次元座標が規定され、前記制御手段は、該三次元座標を基に、前記触力覚提示装置における刺激ピンの伸縮量を制御することにより、前記仮想物体の三次元形状を触力覚で提示するよう制御することを特徴とする。

また、本発明の三次元形状提示システムにおいて、前記触力覚提示装置は複数からなり、前記制御手段は、該複数の触力覚提示装置における各刺激ピンについて個別に、当該接触した刺激ピンの長さを制御し、且つ該刺激ピンの長さとなる位置で前記仮想物体の三次元形状の硬度データに応じた反力を該刺激ピンに発生させるよう制御することを特徴とする。

また、本発明の三次元形状提示システムにおいて、前記制御手段は、前記刺激ピンの長さ及び反力を制御する制御ユニットと、前記刺激ピンの長さ及び反力を生じさせるよう駆動する駆動ユニットと、を備え、前記制御ユニットは、前記刺激ピンの長さを常時監視する刺激ピン長監視手段と、前記刺激ピン長監視手段から得られる刺激ピンの長さの情報を基に、前記触力覚提示装置が所定の被接触対象物と接触した際に、当該接触した位置で、前記所定の被接触対象物の形状の輪郭と、提示する仮想物体の三次元形状の輪郭との差分に相当する長さとなるよう当該接触した刺激ピンの長さを決定する刺激ピン長決定手段と、前記刺激ピン長決定手段により決定した刺激ピンの長さを制御し、且つ該刺激ピンの長さとなる位置で前記仮想物体の三次元形状の硬度データに応じた反力を該刺激ピンに発生させるよう前記駆動ユニットを制御する刺激ピン長・反力制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の三次元形状提示システムにおいて、前記制御ユニットは、前記所定の被接触対象物の種別に応じて定義される三次元座標を基に、提示する当該仮想物体の三次元形状を選択設定する三次元モデル設定手段を更に備えることを特徴とする。

また、本発明の三次元形状提示システムにおいて、本発明の三次元形状提示システムにおける触力覚提示装置であって、利用者の指先に装着され伸縮可能な複数の刺激ピンを有し、前記複数の刺激ピンの各々は、前記触力覚提示装置の本体に対し出入することで伸縮する棒状体か、又は前記触力覚提示装置の本体上で伸縮する入れ子構造体で構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、手のひら内に収めて把持可能な小物体の触力覚をより高解像度に提示することができ、その用途を拡大させることができる。また、三次元形状提示システムの小型化の実現や低廉化も容易となる。

本発明による第１実施形態の三次元形状提示システムの概略構成を示す図である。 本発明による第１実施形態の三次元形状提示システムにおける触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子）及び駆動ユニットの概略構成を示す図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、本発明による第１実施形態の三次元形状提示システムにおける触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子）の刺激ピンに関する構成例を示す図である。 （ａ）, （ｂ）は、それぞれ本発明による第１実施形態の三次元形状提示システムにおける触力覚提示ユニット及びその触力覚提示素子の概略構成を示す斜視図及び平面図である。 （ａ）, （ｂ）は、それぞれ本発明による第１実施形態の三次元形状提示システムにおける触力覚提示ユニットの作用を示す斜視図である。 （ａ）, （ｂ）, （ｃ）は、それぞれ本発明による第１実施形態の三次元形状提示システムにおける触力覚提示ユニットの触力覚提示素子に関する構成例を示す平面透視図であり、（ｄ）は触力覚提示素子の先端部に設けられる可撓性生地を例示する断面図である。 本発明による第１実施形態の三次元形状提示システムにおける触力覚提示ユニットの触力覚提示素子に関する制御ユニットの制御を示すフローチャートである。 （ａ）, （ｂ）は、それぞれ本発明による第１実施形態の三次元形状提示システムにおける制御ユニットの制御に関する触力覚提示素子の動作説明図、及びその触力覚提示素子に反力を発生させるための三次元モデルのモデルデータを示すテーブル例である。 本発明による第１実施形態の三次元形状提示システムにおける触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子）に関する制御ユニットの制御を示すフローチャートである。 本発明による第１実施形態の三次元形状提示システムにおける触力覚提示ユニットに対する触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子）の動作説明図である。 本発明による第２実施形態の三次元形状提示システムの概略構成を示す図である。 本発明による第２実施形態の三次元形状提示システムにおける触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子）に関する制御ユニットの制御を示すフローチャートである。 本発明による第１実施形態の三次元形状提示システムにおける制御ユニットの制御に関し触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子）に反力を発生させるための三次元モデルのモデルデータを示すテーブル例である。 本発明による第２実施形態の三次元形状提示システムにおける被接触対象の実物体に対する触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子）の動作説明図である。 本発明による第３実施形態の三次元形状提示システムに関する触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子）の説明図である。 本発明による第４実施形態の三次元形状提示システムに関する触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子）の説明図である。

以下、図面を参照して、本発明による第１及び第２実施形態の三次元形状提示システム１を例示して順に説明する。図１は、第１実施形態の三次元形状提示システム１の概略構成を示す図である。

〔第１実施形態〕
（システム構成）
本実施形態の三次元形状提示システム１は、三次元モデルで表現可能な仮想物体（即ち、仮想空間における視認性の有無を問わない物体）の触力覚を提示する装置であり、触力覚提示ユニット２、制御ユニット３、触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子）５、及び駆動ユニット６を備えるよう構成される。提示する三次元モデルのモデルデータは、制御ユニット３内に格納されており、必要に応じて外部の表示装置４（例えば、パーソナルコンピュータ）に表示させることができる。

触力覚提示ユニット２は、その詳細は図４及び図５を参照して後述するが、モータもしくはソレノイドのような駆動デバイスを用いることなく手のひらサイズで構成され、テレスコピックパイプ状の入れ子構造により伸縮可能とした棒状（より正確には長細の多段筒状）の触力覚提示素子２２を基台部２０に複数配設して構成される。尚、触力覚提示ユニット２は、可撓性生地２８で各触力覚提示素子２２の先端部を覆うよう構成されている。そして、それぞれの触力覚提示素子２２には、利用者の指先に対する接触点（即ち、触力覚提示素子２２の先端部）に圧力センサ２３が設けられている。圧カセンサ２３は、触感覚の違和感を低減させるため厚みの無いものが好ましく従来から既知のシート状のものを用いるのが好適である。触力覚提示ユニット２は、制御ユニット３によって制御される。

高分解能触力覚提示素子５は、利用者の指先に装着可能な箱状体の「触力覚提示装置」として構成され、被接触対象物（本例では、触力覚提示ユニット２）を用いて三次元モデルで表現可能な仮想物体を触覚させるよう長さ調整で伸縮可能とした複数の刺激ピン５１を備えている。触力覚提示素子２２を利用者の指先に固定する方法は、非伸縮性バンド５ｂに指先を入れるようなもので構成すればよく、これに限定されない。

駆動ユニット６は、高分解能触力覚提示素子５における複数の刺激ピン５１の各々について、ケーブル５ａを介して長さ調整で伸縮させるよう駆動する装置であり、駆動対象の高分解能触力覚提示素子５毎に設けられる。高分解能触力覚提示素子５は、駆動ユニット６を介して制御ユニット３によって制御される。

尚、図１に例示する形態では、高分解能触力覚提示素子５及び駆動ユニット６を２組設け、それぞれの高分解能触力覚提示素子５を利用者の人差し指及び親指に装着する例を示しているが、利用者の装着対象とする指先は５本の指先のいずれでもよく、更に、高分解能触力覚提示素子５及び駆動ユニット６を１組としてもよいし、５本の指先の全てに装着する形態でもよい。利用者の両手の全ての指先に、高分解能触力覚提示素子５を装着した形態とすることも可能である。

制御ユニット３は、変位量検知部１１、反力算出部１２、反力発生部１３、三次元モデル設定部１４、三次元モデルデータベース１５、三次元モデル表示制御部１６、接触検知部３１、刺激ピン長監視部３２、刺激ピン長決定部３３、及び刺激ピン長・反力制御部３４を備える。

変位量検知部１１は、各触力覚提示素子２２における圧力センサ２３のセンサ出力から各触力覚提示素子２２の変位量（即ち、利用者の指による押し込み量に相当）を監視する機能部である。触力覚提示素子２２が三次元モデルで表現可能な仮想物体の形状に相当する変位量に達すると、後述する反力算出部１２は、当該三次元モデルの硬度に相当する反力である該変位量における縮長方向への押し込み力に対するブレーキ力（即ち、反力）を算出する。

三次元モデルのモデルデータは、三次元モデルデータベース１５に１つ以上格納されており、提示する仮想物体の形状とその硬度を、触力覚提示ユニット２におけるそれぞれの触力覚提示素子２２に対応付けた座標で制御できるよう構成されている（図８（ｂ）を参照して後述する）。そして、外部操作可能なマン−マシンインターフェースとして構成される三次元モデル設定部１４により、三次元モデルデータベース１５に１つ以上格納されている三次元モデルのモデルデータのうち１つを選択して設定することで、「提示する仮想物体」を決定できるようになっている。

また、三次元モデル設定部１４により決定した「提示する仮想物体」の三次元モデルは、三次元モデル表示制御部１６により外部の表示装置４に表示させる。尚、三次元モデル設定部１４は、タッチパネルなど操作画面を提示し、その三次元モデルを表示するよう構成する。尚、種々の三次元モデルを単に番号管理して選択可能としてもよい。そして、三次元モデルデータベース１５への三次元モデルのモデルデータの追加や削除は、図示しない専用のインターフェースを介して可能とするように構成してもよいし、外部の表示装置４として構成する、例えばパーソナルコンピュータから制御可能に三次元モデル表示制御部１６を備えた構成としてもよい。

反力算出部１２は、変位量検知部１１からの指示を受け付けると、該変位量における縮長方向への押し込み力に対するブレーキ力を当該三次元モデルの硬度に相当する反力として算出し、反力発生部１３に出力する。

反力発生部１３は、当該ブレーキ力を該触力覚提示素子２２に生じさせるよう制御する。図６（ａ）乃至（ｃ）を参照して詳細に後述する構成例のように、このブレーキ力は、コンプレッサによるダンパー作用や圧電素子による弾性変形作用によって実現することができる。

尚、変位量検知部１１は、各触力覚提示素子２２における圧力センサ２３のセンサ出力から各触力覚提示素子２２の変位量を監視している。変位量検知部１１は、当該仮想物体の形状に相当する変位量に未到達、又は到達後に未到達となる触力覚提示素子２２に対して、反力算出部１２を介してその未到達である旨を反力発生部１３に指示する機能を有する。そして、未到達である旨を受け付けた反力発生部１３は、当該三次元モデルの硬度に相当するブレーキ力を反力として該触力覚提示素子２２に発生させるのを中止する。

また、伸縮可能な触力覚提示素子２２に対して、縮長方向への利用者の指先による押し込み力が弱まると、触力覚提示素子２２は、伸長方向への復元力が付勢される構造を有する。図６（ａ）乃至（ｃ）により後述する構成例では、当該反力に対して十分に小さい力で付勢する圧縮バネ（即ち、反力として非動力源である圧縮バネ）により当該復元力を実現するか、当該反力を発生させるためのコンプレッサによるダンパー作用を利用して、当該反力に対して十分に小さい力で付勢することで当該復元力を実現することができる。従って、伸縮可能な触力覚提示素子２２に対して、縮長方向への利用者の指先による押し込み力が無くなると、触力覚提示素子２２は伸長し、初期長さに復元する。

接触検知部３１は、前述した変位量検知部１１による各触力覚提示素子２２の変位量の監視機能を利用し、各触力覚提示素子２２における圧力センサ２３のセンサ出力から利用者の指先が触れたか否かを検知する機能部である。接触検知部３１は特に、利用者の指先に装着された高分解能触力覚提示素子５の刺激ピン５１が触力覚提示ユニット２の触力覚提示素子２２における圧力センサ２３に接触した状態を検知して刺激ピン長決定部３３に通知する。

或いは、接触検知部３１は、当該圧力センサ２３のセンサ出力を基に指先が触力覚提示素子２２に触れたか否かを検知する以外にも、刺激ピン長監視部３２から得られる刺激ピン長の情報を取得して初期位置から変化したか否かを基に、指先が触力覚提示素子２２に触れたか否かを検知する。接触検知部３１は、或いはその双方の情報を基に指先が触力覚提示素子２２に触れたか否かを検知するよう構成してもよい。

刺激ピン長監視部３２は、駆動ユニット６から得られるエンコーダ出力（図２を参照して後述する）を利用して、高分解能触力覚提示素子５の本体から突出する刺激ピン５１の長さを監視する。そして、刺激ピン長監視部３２は、常時、その刺激ピン５１の長さを示す情報を刺激ピン長決定部３３に出力（通知）する。尚、刺激ピン長監視部３２は、当該エンコーダ出力を利用して、被接触対象（触力覚提示ユニット２の触力覚提示素子２２）が反力発生状態にあるか否かを推定し、反力発生状態にある場合、反力発生状態の信号（その状態を示す旨）を刺激ピン長決定部３３に出力（通知）する。

刺激ピン長決定部３３は、接触検知部３１から刺激ピン５１が触力覚提示ユニット２の触力覚提示素子２２における圧力センサ２３に接触した旨の通知を受け、刺激ピン長監視部３２から被接触対象（触力覚提示ユニット２の触力覚提示素子２２）が反力発生状態にある旨の通知を受けると、三次元モデルデータベース１５に１つ以上格納されている三次元モデルのモデルデータのうち三次元モデル設定部１４により選択されている１つの三次元モデル（仮想物体）の形状データを参照して、刺激ピン長監視部３２から得られる刺激ピン５１の長さを示す情報を基に当該三次元モデル（仮想物体）の形状データに対応する刺激ピン５１の長さを決定する。さらに、刺激ピン長決定部３３は、当該三次元モデルの形状データに含まれる硬度データに対応する反力を算出し、その刺激ピン５１の長さ情報及び反力情報を刺激ピン長・反力制御部３４に出力（通知）する。

刺激ピン長・反力制御部３４は、刺激ピン長決定部３３から当該刺激ピン５１の長さ情報及び反力情報を取得すると、実際の高分解能触力覚提示素子５の対応する刺激ピン５１が当該通知された刺激ピン５１の長さ情報及び反力情報に対応させて、駆動ユニット６を介して当該高分解能触力覚提示素子５の対応する刺激ピン５１の長さ及びその反力を制御する。

尚、接触検知部３１、刺激ピン長監視部３２、刺激ピン長決定部３３、及び刺激ピン長・反力制御部３４は、各高分解能触力覚提示素子５が備える複数の刺激ピン５１毎に個別に制御動作する。

（触力覚提示装置）
図２は、本発明による第１実施形態の三次元形状提示システム１における高分解能触力覚提示素子５及び駆動ユニット６の概略構成を示す図である。

高分解能触力覚提示素子５は、利用者の指先に装着可能な箱状体の「触力覚提示装置」として構成されており、その内部構造は、図２に示すように、複数の刺激ピン５１をそれぞれの案内溝５２により相対移動可能に支持しており、各刺激ピン５１を所定のストロークで伸縮可能としている。各刺激ピン５１の基端側は、ワイヤ５３の一端が刺激ピン５１に接続される。また、ワイヤ５３の他端は、駆動ユニット６内のスライダ６２の取着部６２ａに接続される。高分解能触力覚提示素子５と駆動ユニット６とを接続するケーブル５ａは、各刺激ピン５１用のワイヤ５３を収容する構造となっている。

駆動ユニット６は、エンコーダ６４を内蔵する電動モータ６３、電動モータ６３の回転駆動軸に連結されるスパイラルシャフト６１、及び、スパイラルシャフト６１の長手方向に移動可能に支持されるスライダ６２から構成される。電動モータ６３の回転駆動軸の回転はスパイラルシャフト６１の回転を伴い、スパイラルシャフト６１の回転はスライダ６２の直線移動へと変換されるようになっている。従って、対応関係にある刺激ピン５１の長さとスライダ６２の位置は一体的に移動する。そして、エンコーダ６４は、電動モータ６３の回転駆動軸の回転量を示すエンコーダ出力を発生させ、制御ユニット３の刺激ピン長監視部３２へ出力するよう構成されている。

また、電動モータ６３は、トルク制御可能なモータであれば任意であり、例えば誘導モータであってもよく、トルク制御対応のステッピングモータであってもよい。電動モータ６３は、制御ユニット３の刺激ピン長・反力制御部３４からのモータ制御信号によってトルクが制御される。尚、エンコーダ６４は電動モータ６３に対し外部に設けられる構成でもよいし、電動モータ６３を駆動するための駆動回路は、駆動ユニット６内か、又は制御ユニット３の刺激ピン長・反力制御部３４内に設けられる（図示せず）。

各刺激ピン５１の突出する長さの初期状態（利用者による被接触対象物に対する押し込み力が無い状態）は、当該所定のストロークの最長位置に設定されている。そして、制御ユニット３の制御により、利用者による被接触対象物（本例では、触力覚提示ユニット２）に対する接触が検知されると、電動モータ６３を駆動制御することで高分解能触力覚提示素子５の本体から突出する各刺激ピン５１の長さを制御する。

ただし、電動モータ６３のトルクに応じたスライダ６２ａの推力は、刺激ピン５１の長さ及びその反力を制御するまでは、利用者による被接触対象物（本例では、触力覚提示ユニット２）に対する押し込み力より弱い状態であり、尚且つ触力覚提示ユニット２の触力覚提示素子２２の伸縮に要する当該復元力より強い保持力を有するよう設定する。従って、当該利用者による刺激ピン５１の押し込み力に応じてワイヤ５３を経てスライダ６２ａが移動し、この移動に応じてスパイラルシャフト６１が回転する。さらに、スパイラルシャフト６１の回転がエンコーダ６４のエンコーダ出力を発生させて制御ユニット３へと出力される。これにより、刺激ピン長監視部３２は、駆動ユニット６を経て高分解能触力覚提示素子５の本体から突出する刺激ピン５１の長さを監視することができる。

一方、制御ユニット３の刺激ピン長・反力制御部３４によって三次元モデル（仮想物体）の形状データに対応する刺激ピン５１の長さ及び反力を発生させるときは、電動モータ３のトルクを制御しスライダ６２ａの移動を付勢する推力を、モータ制御信号によって当該押し込み力より強い状態にする。利用者によって当該押し込み力が異なる場合でも、エンコーダ６４のエンコーダ出力によって刺激ピン５１の長さを監視しているため、制御ユニット３はその推力を発生させるための電動モータ３のトルクを適応制御することができる。

高分解能触力覚提示素子５における刺激ピン５１の数及び配置は、１本の刺激ピン５１で構成してもよく、高分解能を提示する場合には、刺激ピン５１を２本以上とし、３〜５本程度としてもよい。また、図３（ａ）に示すように、例えば３本の刺激ピン５１を直線状に配置することも可能であるが、面を提示できるようにするため、３本の刺激ピン５１であれば三角形に配置することや（図３（ｂ）参照）、４本の刺激ピン５１であれば四角形に配置してもよく（図３（ｃ）参照）、５本の刺激ピン５１であれば四角形に４本及びその中央に１本配置する構成としてもよい（図３（ｄ）参照）。そして、仮想物体の三次元形状の輪郭が、被接触対象の形状（触力覚提示ユニット２が提示する形状）の輪郭より高い解像度を持つ領域を有している場合には、複数の刺激ピン５１の各々の間隔は、該領域に対応する当該被接触対象物の形状の輪郭より狭くなるよう配置されている。

このように、本実施形態における三次元形状提示システム１では、触力覚提示ユニット２における触力覚提示素子２２と、１以上の高分解能触力覚提示素子５とにより、提示する仮想物体に相当する三次元モデルの形状や硬度を提示するよう構成している。

これは、触力覚提示ユニット２における触力覚提示素子２２では提示できない微細な形状を、１以上の高分解能触力覚提示素子５により提示可能とするためである。以下、より具体的に、触力覚提示ユニット２における触力覚提示素子２２の詳細構造と動作、並びに高分解能触力覚提示素子５の動作について順に説明する。

（触力覚提示ユニットにおける触力覚提示素子の詳細構造例）
図４（ａ）, （ｂ）は、それぞれ本発明による第１実施形態の三次元形状提示システム１における触力覚提示ユニット２及びその触力覚提示素子２２の概略構成を示す斜視図及び平面図である。

本実施形態の触力覚提示ユニット２は、図４（ａ）に示すように、球状の基台部２０に、入れ子構造により伸縮可能とした棒状（より正確には長細の多段筒状）の触力覚提示素子２２が複数配設されて、全体として手のひらサイズに構成されている。尚、本例の基台部２０は、入れ子構造により伸縮可能とする機構が内蔵できるよう中空としている。各触力覚提示素子２２は、基台部２０における予め区画された基台座標上に１つずつ配置され、その基端部が固定されており、三次元空間の全方向に基台部２０から突起して伸在されている。そして、それぞれの触力覚提示素子２２には、利用者の指先との接触点（即ち、触力覚提示素子２２の先端部）に圧力センサ２３が設けられている。

尚、基台部２０は、その内部に、各触力覚提示素子２２に設けられた圧力センサ２３からの配線を制御ユニット３へと中継接続する回路基板（図示せず）を内蔵する。本実施形態では、基台部２０を球状とした例を説明する。なお、基台部２０は必ずしも球状である必要はなく、直方体でも多面体でもよいし、鉄アレイ状など、より複雑な形状とすることもできる。

各触力覚提示素子２２は、例えば図４（ｂ）に示すように、入れ子構造により伸縮可能とした伸縮機構２４により構成される。各触力覚提示素子２２は、５段の伸縮機構２４‐１〜２４‐５で構成すると、図示する最大伸長時の状態から、概ね最下段の伸縮機構２４‐５の高さまで縮長できる。尚、各触力覚提示素子２２は、楕円柱状や多角注状に構成してもよいが、この伸縮動作の摺動性を高めるために図示するように略円柱状とするのが好ましい。また、本実施形態では、各触力覚提示素子２２の最大伸長時の高さ（即ち、初期長さ）を略同一とする例を示しているが、別個の高さで組み合わせたものとしてもよく、このため伸縮機構の段数も別個に定めることができる。

触力覚提示ユニット２は、基台部２０に複数の触力覚提示素子２２を配置する際に、触力覚を提示する解像度を高めるべく、なるべく密集するように配置するのが好ましい。即ち、図５（ａ）に示すように基台部２０から略球状に全方向に放射して伸長した初期長さの状態にある各触力覚提示素子２２に対して、図５（ｂ）に示すように、利用者の指先へ本発明に係る高分解能触力覚提示素子５の装着が無い状態でも、手のひらで触力覚提示ユニット２を包み持ったときに（即ち、把持したときに）、その触力覚提示素子２２が縮長し、提示する仮想物体に対応する三次元モデルの予め決められた変位量でその縮長を停止するよう制御ユニット３により制御する。これにより、触力覚提示ユニット２は、手のひらで触力覚提示ユニット２を把持したときに反力が生じ、提示する仮想物体に対応する三次元モデルの形状及び硬度を知覚させることができる。

そして、触力覚提示ユニット２は、伸縮可能な触力覚提示素子２２に対して、縮長方向への指等による押し込み力が弱まるか、又はその押し込み力が無くなると、図５（ａ）に示すように触力覚提示素子２２は伸長し、初期長さに復元するようになっている。後述するように、触力覚提示素子２２は、当該反力に対して十分に小さい力で付勢する圧縮バネや、当該反力を発生させるためのコンプレッサによるダンパー作用を利用して当該反力に対して十分に小さい力で付勢することでその復元力を実現することができる。このように触力覚提示素子２２を伸縮可能に入れ子構造とすることで、単にソレノイドを用いて伸縮可能とする構成よりも伸縮範囲を大きくとることができ、三次元モデルの形状及び硬度の提示範囲を拡大させることができる。

次に、図６を参照して、触力覚提示素子２２の構成例として幾つかの例を説明する。図６（ａ）, （ｂ）, （ｃ）は、それぞれ本発明による第１実施形態の三次元形状提示システム１における触力覚提示ユニット２の触力覚提示素子２２に関する構成例を示す平面透視図であり、図６（ｄ）は触力覚提示素子２２の先端部に設けられる可撓性生地２８を例示する断面図である。尚、同様な構成要素には同一の参照番号を付している。

図６（ａ）に例示する触力覚提示素子２２は、伸縮機構２４（図示する例では、５段の伸縮機構２４‐１〜２４‐５）により伸縮可能に入れ子構造を有し、その筒状の内部に空気又はオイル等の加圧材２５がほぼ充満されている。そして、反力発生部１３をコンプレッサにより構成する。手のひらサイズの触力覚提示ユニット２に複数配設する触力覚提示素子２２の大きさ程度の圧力制御であれば、コンプレッサのサイズも携帯可能な大きさで実現することができる。制御ユニット３は、変位量検知部１１により、各触力覚提示素子２２における圧力センサ２３に接続される信号線２３ａを経て圧力センサ２３のセンサ出力を得ることができ、このセンサ出力から各触力覚提示素子２２の変位量（即ち、指等による押し込み量に相当）を監視する。

そして、制御ユニット３は、反力算出部１２により、三次元モデルの形状に相当する変位量に達する触力覚提示素子２２に対して、当該三次元モデルの硬度に相当する反力として該変位量における縮長方向への押し込み力に対するブレーキ力を算出する。そして、制御ユニット３は、反力発生部１３として構成するコンプレッサにより、チューブ２５ａを経て触力覚提示素子２２内にほぼ充満されている空気又はオイル等の加圧材２５の圧力を変化させ、当該ブレーキ力を該触力覚提示素子２２に生じさせるよう制御する。一方、制御ユニット３は、変位量検知部１１により、当該仮想物体の形状に相当する変位量に未到達、又は到達後に未到達となる触力覚提示素子２２に対しては反力算出部１２を介してその未到達である旨を反力発生部１３に指示する。制御ユニット３から未到達である指示を受けた反力発生部１３は、当該三次元モデルの硬度に相当するブレーキ力を反力として該触力覚提示素子２２に発生させるのを解除して、触力覚提示素子２２の初期長さへ向かわせる復元力を該触力覚提示素子２２に発生させる。

このように、図６（ａ）に例示する触力覚提示素子２２では、触力覚提示素子２２内にほぼ充満されている空気又はオイル等の加圧材２５の圧力をコンプレッサにより変化させるダンパー作用により、触力覚提示素子２２の初期長さへ向かわせる復元力の発生と、三次元モデルにおける当該三次元モデルの硬度に相当する反力として縮長方向への押し込み力に対するブレーキ力の発生が制御されるよう構成されている。

図６（ｂ）に例示する触力覚提示素子２２は、図６（ａ）に例示する構成に加えて、その復元力を助力するために、当該反力に対して十分に小さい力で付勢する圧縮バネ２６（即ち、反力として非動力源である圧縮バネ）が、触力覚提示素子２２の筒状の内部にて基端部から先端部まで延在するよう設けられている。また、触力覚提示素子２２は、図６（ａ）に例示する構成と同様に、その筒状の内部に空気又はオイル等の加圧材２５がほぼ充満されている。この場合も、図６（ｂ）に例示する触力覚提示素子２２は、制御ユニット３により図６（ａ）に例示する構成と同様に制御することで、復元力の発生と、反力（即ち、ブレーキ力）の発生を制御する。ただし、圧縮バネ２６の利用により、復元力の発生のための油圧制御は大まかでもよくなり、図６（ａ）に例示する構成の場合よりも簡単になる。

一方、図６（ｃ）に例示する触力覚提示素子２２は、伸縮機構２４（図示する例では、５段の伸縮機構２４‐１〜２４‐５）により伸縮可能に入れ子構造を有し、その先端部に圧力センサ２３が設けられている点で上述の図６（ａ），（ｂ）に例示する構成と同様であるが、その筒状の内部に加圧材２５を用いていない点で相違する。代わりに、触力覚提示素子２２の筒状の内部には、図６（ｂ）に例示する構成で説明したような圧縮バネ２６が当該復元力の発生のために基端部から先端部まで延在するよう設けられている。更に、触力覚提示素子２２の筒状の内部には、当該反力の発生のために本例では上位４段の伸縮機構２４‐１〜２４‐４の内壁（又は外壁）に、それぞれ一対の圧電素子２７‐１〜２７‐４が貼付されている（総括して「圧電素子２７」と称する。）。そして、触力覚提示素子２２は、反力発生部１３を、圧電素子２７を駆動する圧電素子駆動回路により構成する。

制御ユニット３は、変位量検知部１１により、各触力覚提示素子２２における圧力センサ２３に接続される信号線２３ａを経て圧力センサ２３のセンサ出力を得ることができ、このセンサ出力から各触力覚提示素子２２の変位量（即ち、指等による押し込み量に相当）を監視する。

この場合の制御ユニット３は、反力算出部１２により、三次元モデルの形状に相当する変位量に達する触力覚提示素子２２に対して、当該三次元モデルの硬度に相当する反力として該変位量における縮長方向への押し込み力に対するブレーキ力を算出する。そして、制御ユニット３は、反力発生部１３として構成する圧電素子駆動回路により、信号線２７ａを経て圧電素子２７を制御して当該ブレーキ力を該触力覚提示素子２２に生じさせるよう制御する。一方、制御ユニット３は、変位量検知部１１により、当該仮想物体の形状に相当する変位量に未到達、又は到達後に未到達となる触力覚提示素子２２に対しては、反力算出部１２を介してその未到達である旨を反力発生部１３に指示する。そして、未到達である旨を受け付けた反力発生部１３は、当該三次元モデルの硬度に相当するブレーキ力の発生を解除し、圧縮バネ２６による復元力により触力覚提示素子２２の初期長さへ向かわせる。

圧電素子２７は、その筒状の円周上に設置する必要はなく、対面の二箇所もしくは四箇所程度に貼付すれば十分である。例えば、各段の圧電素子２７に触力覚提示素子２２の伸縮方向に向かって波状の振動を表面弾性波現象によって発生させると、各段の伸縮機構２４‐１〜２４‐４におけるその伸縮方向への移動を妨げる摩擦力を生じさせることができる。更に、圧電素子２７は、圧電素子２７による振動振幅は圧カセンサ２３のセンサ出力に応じて変化させることで、その摩擦力の大きさを制御することができる。これを利用して、圧電素子２７は、三次元モデルにおける当該三次元モデルの硬度に相当する反力として縮長方向への押し込み力に対するブレーキ力を発生させることができる。

尚、触力覚提示素子２２に押し込み力がほとんど無く触れている状態では、強い抵抗を感じさせないようにするのが好ましい。例えば、図６（ａ），（ｂ）に例示する触力覚提示素子２２において、初期長さにある状態で完全に圧縮空気やオイル等の加圧材２５を高い圧力で充満させておくと、その加圧材２５の高い圧力で押し込み力がほとんど無く触れている状態でも触力覚提示素子２２の反発力を僅かに感じてしまうため、その初期長さにある状態では低圧力となるよう加圧材２５を充満させるのが有効である。このため、図６（ｂ）に例示する触力覚提示素子２２のように、当該復元力のために圧縮バネ２６を併用する場合には、三次元モデルの形状を提示する範囲内で少なめに加圧材２５を充満させるよう構成することもできる。尚、圧縮空気やオイル等の加圧材２５の圧力調整は加圧材２５の送り込み量で制御することができる。このため、反力の発生については、圧カセンサ２３によって検知される押し込み力（即ち、変位量）に応じて、三次元モデルの形状及び硬度を提示可能に自動的に調整することができる。

また、圧縮空気やオイル等の加圧材２５を触力覚提示素子２２内に充満させるにあたり、触力覚提示素子２２内に高柔軟性の袋状容器を収容させ、この袋状容器とチューブ２５ａを流通可能に接続することで、触力覚提示素子２２の外部への漏れを防止することができる。

また、図６（ｂ），（ｃ）に例示する触力覚提示素子２２のように、当該復元力のために圧縮バネ２６を用いる場合でも、断面径の小さい態様でより長尺に伸縮するよう形成するのが容易であり、その制御構成も単純化することができる。圧縮バネ２６の一例として、スプリングコイルとすることができる。尚、圧縮バネ２６を用いる場合、触力覚提示ユニット２を把持するときに、押し込み力がほとんど無く触れている状態でも触力覚提示素子２２の反発力を僅かに感じてしまうが、この反発力は、当該提示する反力（ブレーキ力）に比べて十分に小さい力で付勢するものとすることで、三次元モデルの形状及び硬度の知覚に影響しなくなる。

以上のような入れ子構造の触力覚提示素子２２を多数配設して、触力覚提示ユニット２を構成することで、例えばソレノイドを用いて基台部２０内に複数の固定棒を出し入れするような構成とするよりも、基台部２０自体をより小型化することができる。このため、提示する三次元モデルの大きさの変化幅を拡大することができる。特に、触力覚提示素子２２の伸縮機構２４の１段の長さも小さくすることや、伸縮機構２４の段数を増加させることで、提示する三次元モデルの大きさの変化幅を拡大することができる。

また、図６（ｄ）に示すように、可撓性生地２８で各触力覚提示素子２２の先端部を覆うよう構成しているため、触力覚の提示解像度を補間的に高めることができる。

（触力覚提示ユニットにおける触力覚提示素子の制御動作）
次に、図７及び図８を参照して、本実施形態の三次元形状提示システム１における触力覚提示ユニット２に関する制御ユニット３の制御を説明する。図７は、本実施形態の三次元形状提示システム１における触力覚提示ユニット２の触力覚提示素子２２に関する制御ユニット３の制御を示すフローチャートである。図８（ａ）は、それぞれ本実施形態の三次元形状提示システム１における制御ユニット３の制御に関する触力覚提示素子２２の動作説明図であり、図８（ｂ）は、その触力覚提示素子２２に反力を発生させるための三次元モデルのモデルデータを示すテーブル例である。

制御ユニット３は、変位量検知部１１により、触力覚提示ユニット２の基台部２０における予め定めた基台座標２１ごとに設けられた各触力覚提示素子２２における圧力センサ２３のセンサ出力から、各触力覚提示素子２２の変位量（即ち、指等による押し込み量に相当）を監視しており、まず押し込みの有無を判別する（ステップＳ１）。

変位量検知部１１は、「押し込み無し」と判別するときは（ステップＳ１：Ｎｏ）、「押し込み有り」となるまで監視を継続し、「押し込み有り」と判別すると（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、初期位置（初期長さ）からの変位量が、提示する三次元モデルの形状の位置に到達したか否かを判別する（ステップＳ２）。

続いて、制御ユニット３は、変位量検知部１１により、当該変位量が、提示する三次元モデルの形状の位置に到達していないと判別すると（ステップＳ２：Ｎｏ）、到達するまで監視を継続する。制御ユニット３は、当該変位量が、提示する三次元モデルの形状の位置に到達したと判別すると（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、反力算出部１２により、当該三次元モデルで表現可能な仮想物体の硬度に相当する反力として該変位量における縮長方向への押し込み力に対する反力（ブレーキ力）を算出する（ステップＳ３）。

例えば、図８（ａ）に示す初期位置（初期長さ）からの変位量が、提示する三次元モデルの形状の位置となる変位量Ｌであるか否かは、三次元モデルデータベース１５に格納される三次元モデルのモデルデータのテーブルである図８（ｂ）を参照することで判別する。三次元モデルのモデルデータには、予め定めた基台座標２１（ｘ，ｙ，ｚ）上に固有に設けられた各触力覚提示素子２２について、三次元モデルの座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と対応付けられており、その提示する三次元モデルの形状の位置に対応する変位量Ｌがそれぞれ割り当てられている。尚、これらの座標定義は一例を示したにすぎず、慣性系や回転座標系など任意である。

そして、三次元モデルのモデルデータとして、提示する三次元モデルの形状を示す変位量Ｌに反力係数Ｋを対応付けて定めておくことで、三次元モデルの硬度に相当する反力として押し込み力に対するブレーキ力を算出することができる。例えば、圧力センサ２３のセンサ出力Ｓｖは初期位置（初期長さ）からの変位量に比例した値として得られ、提示する三次元モデルの形状を示す変位量Ｌが更に縮長したときに比例したときの長さに相当して得られる圧力センサ２３のセンサ出力ΔＳｖと、三次元モデルのモデルデータの反力係数Ｋを用いて、三次元モデルの硬度に相当する反力Ｆ（ブレーキ力）は、
Ｆ＝Ｋ・ΔＳｖ
として得ることができる。従って、この反力係数Ｋは、その三次元モデルの硬さ（或いは柔らかさ）を定義付けることができる。

続いて、制御ユニット３は、反力発生部１３により、当該ブレーキ力を該触力覚提示素子２２に生じさせるよう制御する（ステップＳ４）。

また、制御ユニット３は、継続して、変位量検知部１１により、各触力覚提示素子２２における圧力センサ２３のセンサ出力から、各触力覚提示素子２２の変位量を監視して、提示する三次元モデルの形状の位置を維持しているか否かを判別する（ステップＳ５）。

このとき、変位量検知部１１は、当該変位量が、提示する三次元モデルの形状及び硬度の位置を維持していないと判別するときは（ステップＳ５：Ｎｏ）、ステップＳ１に移行し、当該変位量が、提示する三次元モデルの形状の位置を維持していると判別するときは（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、その変位量に応じたブレーキ力を該触力覚提示素子２２に生じさせるようステップＳ３に移行する。

このように、制御ユニット３によって、各触力覚提示素子２２の変位量に関して、この変位量に応じて提示する三次元モデルの形状及び硬度を提示するよう各触力覚提示素子２２の反力を発生可能に制御することで、多様性の有る三次元モデルの形状及び硬度を１つの触力覚提示ユニット２で提示することができる。

ただし、テレスコピックパイプ状の入れ子構造による触力覚提示素子２２を多数配置して構成される触力覚提示ユニット２は、触力覚提示素子２２の先端部を可撓性生地２８で覆うように構成して触力覚の提示解像度を補間的に高めるようにしているが、利用者の指先への刺激として三次元形状を提示するにはその提示解像度に限界がある。

即ち、提示する三次元形状のサイズが大きくなると触力覚提示素子２２が伸びることで触力覚提示素子２２の先端部同士の間隔が広くなる。そのため、触力覚提示素子２２の先端部を可撓性生地２８で覆われた面が平面となり、滑らかな形状を提示するにはその提示解像が不足しうる。従って、触力覚提示ユニット２の触力覚提示素子２２のみでは、多角形を触っているようで滑らかな形状を提示することができないことがある。これは、三次元形状の解像度（ポリゴン数に相当）の低下を意味する。

このため、本実施形態の三次元形状提示システム１では、図１及び図２に示すように、本発明に係る高分解能触力覚提示素子５を利用者の指先に嵌めて使用可能としている。以下、高分解能触力覚提示素子の動作について詳細に説明する。

（高分解能触力覚提示素子の動作）
図９は、本発明による第１実施形態の三次元形状提示システム１における高分解能触力覚提示素子５に関する制御ユニット３の制御を示すフローチャートである。

まず、制御ユニット３は、接触検知部３１により、刺激ピン５１の押し込み有無を検知する（ステップＳ１１）。

制御ユニット３は、接触検知部３１により、刺激ピン５１の押し込みが検知されるまで待機し（ステップＳ１１：Ｎｏ）、刺激ピン５１の押し込みが検知されると（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、ステップＳ１２に移行する。

続いて、制御ユニット３は、刺激ピン長監視部３２により、駆動ユニット６から得られるエンコーダ出力を利用して、高分解能触力覚提示素子５の本体から突出する刺激ピン５１の長さを監視し、被接触対象物（本例では、触力覚提示ユニット２）が反力発生状態にあるか否かを推定する。即ち、電動モータ６３のトルクに応じたスライダ６２ａの推力は、刺激ピン５１の長さ及びその反力を制御するまでは、利用者による被接触対象物（本例では、触力覚提示ユニット２）に対する押し込み力より弱い状態であり、尚且つ触力覚提示ユニット２の触力覚提示素子２２の伸縮に要する当該復元力より強い保持力を有するよう設定されているため、刺激ピン５１の長さの変化が停止した状態を検知することで、触力覚提示ユニット２の触力覚提示素子２２が反力発生状態にあることを検知することができる。

制御ユニット３は、刺激ピン長監視部３２により、被接触対象物（触力覚提示ユニット２の触力覚提示素子２２）が反力発生状態にあることを検知するまで待機し（ステップＳ１２：Ｎｏ）、当該反力発生状態を検知すると（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、ステップＳ１３に移行する。尚、刺激ピン長監視部３２は、高分解能触力覚提示素子５の本体から突出する刺激ピン５１の長さを監視しており、常時、その刺激ピン５１の長さを示す情報を刺激ピン長決定部３３に通知している。

続いて、制御ユニット３は、刺激ピン長決定部３３により、当該刺激ピン５１の長さを示す情報を基に当該三次元モデル（仮想物体）の形状データに対応する刺激ピン５１の長さを決定するとともに、当該三次元モデルの形状データに含まれる硬度データに対応する反力を算出する（ステップＳ１３）。図１０を参照して後述するが、刺激ピン長決定部３３は、被接触対象の三次元形状（触力覚提示ユニット２が提示する形状）の輪郭データと、提示する三次元モデル（仮想物体）の形状の輪郭データとの差分により刺激ピン５１の長さを決定する。

続いて、制御ユニット３は、刺激ピン長・反力制御部３４により、当該三次元モデルの形状データに対応するよう刺激ピン５１の長さ制御を実行し（ステップＳ１４）、続いて当該三次元モデルの形状データに含まれる硬度データに対応するよう反力制御を実行する（ステップＳ１５）。

ここで、図１０を参照して、当該三次元モデル（仮想物体）の形状データに対応する刺激ピン５１の長さの決定方法について説明する。図１０は、本発明による第１実施形態の三次元形状提示システム１における触力覚提示ユニット２に対する高分解能触力覚提示素子５の動作説明図である。

図１０には、触力覚提示ユニット２が提示する形状（低解像度の三次元形状）の輪郭（図示する可撓性生地２８の実線部分）と、実際に提示する当該三次元モデル（仮想物体）の滑らかな形状（高解像度の三次元形状）の輪郭（図示する破線）との関係を部分的に示しており、高分解能触力覚提示素子５の刺激ピン５１が当該可撓性生地２８の表面に触れて押圧している状態を図示している。

指先に装着する高分解能触力覚提示素子５の刺激ピン５１の位置は、触力覚提示ユニット２における圧力センサ２３により検知した隣接する触力覚提示素子２２を基準に定める。当該隣接する触力覚提示素子２２の伸縮方向の交点を中心点Ｏとし、中心点Ｏから各触力覚提示素子２２の圧力センサ２３が配置される先端部までの長さをそれぞれＰ_ｎ，Ｐ_ｎ＋１として定める。Ｐ_ｎ，Ｐ_ｎ＋１は、触力覚提示ユニット２が形状提示する時点で定まる値である。このとき刺激ピン５１に隣接する触力覚提示素子２２を２本とすると、その角度θも定まる。尚、触力覚提示ユニット２が図４（ａ）に示すように球状であればθは一定である。そして、２本の触力覚提示素子２２の間に位置する刺激ピン５１の位置は、一方の触力覚提示素子２２からの傾斜角として角度α_ｎとしたとき、α_ｎの関数で表すと中心点Ｏから刺激ピン５１の位置までの長さＬ_ｎ（α_ｎ）は、式（１）で表される。

中心点Ｏから刺激ピン５１の位置までの長さＬ_ｎ（α_ｎ）の伸長方向の線分と実際に提示する当該三次元モデル（仮想物体）の滑らかな形状の輪郭との交点を定め、該交点と刺激ピン５１の位置までの長さを、高分解能触力覚提示素子５の本体から突出させる刺激ピン５１の長さＸ_ｎ（α_ｎ）として近似決定する。

これにより、高分解能触力覚提示素子５を装着した指先で低解像度の三次元形状を提示する触力覚提示ユニット２を触ることで、当該三次元モデル（仮想物体）の滑らかな形状の輪郭を提示することができる。

そして、この長さＸ_ｎ（α_ｎ）とする刺激ピン５１の長さで、実際に提示したい当該三次元モデル（仮想物体）の硬度データを基に、制御ユニット３により電動モータ６３のトルクに応じたスライダ６２ａの推力をより強く、或いはより弱く制御することで、その硬さや柔らかさも提示することができる。

尚、図１０に示す例では、二次元的に２本の触力覚提示素子２２を対象にした例を説明したが、より多くの触力覚提示素子２２を対象にしてその重心位置から刺激ピン５１の位置を検出することができ、三次元的に演算して長さＸ_ｎ（α_ｎ）を定めることができる。

また、図１０に係る説明では、刺激ピン５１の長さＸ_ｎ（α_ｎ）を定めるにあたり、当該三次元モデル（仮想物体）の形状データからその都度、刺激ピンの長さＸ_ｎ（α_ｎ）を演算する例とした。このような演算を不要とするために、触力覚提示ユニット２と当該三次元モデル（仮想物体）が予め特定されていることから、触力覚提示ユニット２における外表面上の座標点を高解像度座標に設定し基台部２０の基台座標２１と対応付けておき、基台座標２１を基にした高解像度座標の触力覚提示ユニット２が提示する輪郭と、三次元モデル（仮想物体）の輪郭との差分データを予め三次元モデルデータベース１５内に保持しておくこともできる。これにより、制御ユニット３における刺激ピン長決定部３３は当該差分データに対応する刺激ピン５１の長さＸ_ｎ（α_ｎ）を迅速に決定することが可能となる。

このように低解像度の三次元形状と実際に提示したい三次元形状との差分の長さに比例させて刺激ピン５１の長さを制御することで、低解像度の提示形状物体に刺激ピン５１が触れたときに、その指先が当該三次元モデル（仮想物体）の表面より内側には入り込まず、実際に提示したい三次元モデル（仮想物体）の形状を提示することができる。

尚、本実施形態の三次元形状提示システム１は、触力覚提示ユニット２が提示する形状（低解像度の三次元形状）を基に制御するよう構成しているが、このような触力覚提示ユニット２以外の他の原理により三次元形状を提示する方式で被接触対象を構成するものでもよい。ただし、レリーフ造形のように高分解能触力覚提示素子５によって触れることができる方式に限定される。

そして、第１実施形態の三次元形状提示システム１では、より高解像化させた仮想物体の形状を提示するにあたり、触力覚提示ユニット２における基台部２０によって定まる基台座標２１を基準に三次元座標を規定しているため、触力覚提示ユニット２を自由に持ち移動させることもできる。

以上のように、本実施形態によれば、手のひら内に収めて把持可能な小物体の触力覚を提示することができ、その用途を拡大させることができる。また、三次元形状提示システム１の小型化の実現や低廉化も容易となる。更に、より高解像度に三次元形状を提示することができる。

〔第２実施形態〕
（システム構成）
図１１は、本発明による第２実施形態の三次元形状提示システム１の概略構成を示す図である。本実施形態の三次元形状提示システム１は、触力覚提示ユニット２を被接触対象とせずに、実物体Ｏｂｊを被接触対象とする例であり、この実物体の形状を基に異なる形状となる三次元モデルで表現可能な仮想物体（即ち、仮想空間における視認性の有無を問わない物体）の触力覚を提示する装置として構成される。尚、第１実施形態と同様な構成要素には、同一の参照番号を付している。

本実施形態の三次元形状提示システム１は、制御ユニット３、触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子）５、駆動ユニット６、及び三次元磁気センサ位置計測装置７を備えるよう構成される。提示する三次元モデルのモデルデータは、制御ユニット３内に格納されており、必要に応じて外部の表示装置４（例えば、パーソナルコンピュータ）に表示させることができる。

本実施形態における触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子）５及び駆動ユニット６の構成は、第１実施形態と同様に構成される。

三次元磁気センサ位置計測装置７は、磁界発生ユニット７１によって発生する磁界を基に、計測ユニット７２‐１，７２‐２により、触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子）５とともに指先に装着されるそれぞれの磁気センサ７３‐１，７３‐２の三次元位置をそれぞれ計測し、その三次元磁気センサ位置情報を出力する既存の装置である（例えば、http://www.ddd.co.jp/polhemus/参照）。

即ち、本実施形態では、第１実施形態と異なり、三次元磁気センサ位置計測装置７が計測した三次元座標で被接触対象の実物体Ｏｂｊの外形形状、及び利用者の指先位置を定義付けるため、被接触対象の実物体Ｏｂｊは固定位置に載置される。

本実施形態の制御ユニット３は、三次元モデル設定部１４、三次元モデルデータベース１５、三次元モデル表示制御部１６、接触検知部３１、刺激ピン長監視部３２、刺激ピン長決定部３３、刺激ピン長・反力制御部３４、及び被接触対象計測設定部３５を備える。

ここで、三次元モデル設定部１４、三次元モデルデータベース１５、三次元モデル表示制御部１６、接触検知部３１、刺激ピン長監視部３２、刺激ピン長決定部３３、及び刺激ピン長・反力制御部３４の処理機能は、第１実施形態と同様である。ただし、本実施形態の制御ユニット３は、被接触対象計測設定部３５を備えている点と、接触検知部３１及び刺激ピン長決定部３３の機能が一部異なる点で、第１実施形態とは相違している。

被接触対象計測設定部３５は、固定位置に載置される被接触対象の実物体Ｏｂｊの外形形状を磁気センサ７３‐１，７３‐２を装着した指先で触れ、三次元磁気センサ位置計測装置７による計測ユニット７２‐１，７２‐２から三次元磁気センサ位置情報を取得することで、例えば図１３に示すような実物体Ｏｂｊの外形形状を予め計測し、提示する三次元モデル（仮想物体）の形状及び硬度データと対応付けて三次元モデルデータベース１５に設定するキャリブレーションを行う機能部である。

尚、実物体Ｏｂｊの外形形状が予め詳細に把握されている場合には、実物体Ｏｂｊを固定位置に載置した状態で、実物体Ｏｂｊの外形形状の数箇所を磁気センサ７３‐１，７３‐２を装着した指先で触れる（なぞる）のみで、当該実物体Ｏｂｊの詳細な外形形状を、三次元磁気センサ位置計測装置７が定義する三次元座標に整合させて三次元モデルデータベース１５に設定することができる。

また、本実施形態では、当該実物体Ｏｂｊの輪郭に対応する三次元座標を基に、当該実物体Ｏｂｊの輪郭と提示する三次元モデル（仮想物体）の輪郭との差分データを三次元モデルデータベース１５内に予め保持しておく。

また、本実施形態の接触検知部３１は、磁気センサ７３‐１，７３‐２を装着した指先の三次元磁気センサ位置情報を基に指先が実物体Ｏｂｊの輪郭に触れたか否かを検知するか、又は刺激ピン長監視部３２から得られる刺激ピン長の情報を取得して初期位置から変化したか否かを基に指先が実物体Ｏｂｊの輪郭に触れたか否かを検知するか、或いはその双方の情報を基に指先が実物体Ｏｂｊの輪郭に触れたか否かを検知する。

また、本実施形態の刺激ピン長決定部３３は、磁気センサ７３‐１，７３‐２を装着した指先の三次元磁気センサ位置情報を基に、三次元モデルデータベース１５内に予め保持している当該差分データに対応する刺激ピン５１の長さＸ_ｎを決定する（図１４参照）。

（高分解能触力覚提示素子の動作）
図１２は、本発明による第２実施形態の三次元形状提示システム１における高分解能触力覚提示素子５に関する制御ユニット３の制御を示すフローチャートである。

まず、制御ユニット３は、接触検知部３１により、刺激ピン５１の押し込み有無を検知する（ステップＳ１１ａ）。

制御ユニット３は、接触検知部３１により、刺激ピン５１の押し込みが検知されるまで待機し（ステップＳ１１ａ：Ｎｏ）、刺激ピン５１の押し込みが検知されると（ステップＳ１１ａ：Ｙｅｓ）、ステップＳ１３ａに移行する。

続いて、制御ユニット３は、刺激ピン長決定部３３により、当該三次元モデル（仮想物体）の形状データに対応する刺激ピン５１の長さＸ_ｎを決定するとともに、当該三次元モデルの形状データに含まれる硬度データに対応する反力を算出する（ステップＳ１３ａ）。

続いて、制御ユニット３は、刺激ピン長・反力制御部３４により当該三次元モデルの形状データに対応するよう刺激ピン５１の長さ制御を実行し（ステップＳ１４ａ）、続いて当該三次元モデルの形状データに含まれる硬度データに対応するよう反力制御を実行する（ステップＳ１５ａ）。

本実施形態によれば、図１４に例示するように、三次元プリンタで作成したものや日常存在するような実物体を被接触対象としても、当該三次元モデル（仮想物体）を提示することができる。例えば本物のみかんを高分解能触力覚提示素子５によって触れると桃の形状となる等、実際の形状とは異なる変形した三次元形状を提示することも可能となる。ただし、この被接触対象は第１実施形態とは異なり、磁気センサ７３‐１，７３‐２によって三次元座標を定めておく必要があるため、自由に持ち運ぶことができず固定位置に載置されているものに限定される。

尚、本実施形態においても、利用者の装着対象とする指先は５本の指先のいずれでもよく、高分解能触力覚提示素子５を１つの指に装着するとしてもよいし、５本の指先の全てに装着する形態でもよい。ただし、２以上の高分解能触力覚提示素子５を異なる指先に設けることで、仮想物体の知覚化が高まる。このため、本実施形態では、２以上の高分解能触力覚提示素子５における複数の刺激ピン５１について個別に長さ及び反力を生業できるようにしている。そして、利用者の両手の全ての指先に、高分解能触力覚提示素子５を装着した形態とすることも可能である。

〔第３実施形態〕
上述した第１実施形態及び第２実施形態の三次元形状提示システム１を組み合わせて、第３実施形態の三次元形状提示システム１を構成することができる。

従って、第３実施形態では、非伸縮性バンド５ｂを利用して触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子５）を装着するとともに、第２実施形態で説明した磁気センサ７３‐１（７３‐２）を指先に装着した例である。この第３実施形態の三次元形状提示システム１では、図１に示す三次元形状提示システム１と図１１に示す三次元形状提示システム１における各構成要素（制御ユニット３や、三次元磁気センサ計測装置７等）をすべて備えるよう構成される。

このため、第３実施形態の三次元形状提示システム１では、被接触対象が第１実施形態で説明した触力覚提示ユニット２であるか、又は被接触対象が第２実施形態で説明した実物体であるかに応じて、制御ユニット３が高分解能触力覚提示素子５における刺激ピン５１の長さ及び反力を制御するよう構成される。より具体的には、制御ユニット３は、被接触対象の輪郭データと、提示する三次元モデル（仮想物体）の形状の輪郭データとの差分により高分解能触力覚提示素子５における刺激ピン５１の長さ及び反力を制御する。このため、制御ユニット３内の三次元モデル設定部１３は、被接触対象の種別に応じて、三次元モデルデータベース１５に１つ以上格納されている三次元モデルのモデルデータのうち１つを選択して設定できるように構成される。

図１５は、被接触対象が第１実施形態で説明した触力覚提示ユニット２であるときの、本発明による第３実施形態の三次元形状提示システム１に関する触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子５）の説明図である。尚、図１５は、第１実施形態に係る図１０と対比して、磁気センサ７３‐１（７３‐２）を指先（本例では、非伸縮性バンド５ｂ）に装着している点で相違しており、その他は同様である。

第３実施形態では、磁気センサ７３‐１（７３‐２）が指先に装着されるため、制御ユニット３は、被接触対象が第１実施形態で説明した触力覚提示ユニット２であるとき、その基台座標（図８（ｂ）参照）を基に高分解能触力覚提示素子５）における刺激ピン５１の長さ及び反力を制御することや、三次元磁気センサ位置情報（図１３参照）を基に高分解能触力覚提示素子５）における刺激ピン５１の長さを制御することを選択的に行うことができる。

そして、本実施形態であれば、被接触対象が第２実施形態で説明した実物体である場合にも、三次元モデル設定部１３により被接触対象の種別に応じた三次元モデルを選択設定するのみで、高分解能触力覚提示素子５における刺激ピン５１の長さ及び反力を制御することができる。

〔第４実施形態〕
図１６は、本発明による第４実施形態の三次元形状提示システム１に関する触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子）５の説明図である。

第４実施形態では、第１乃至第３実施形態の更なる変形例として、刺激ピン５１が指先側に触れるよう高分解能触力覚提示素子５を逆向き配置とし、非伸縮性バンド５ｂを利用する代わりに、伸縮性バンド５ｃを利用して触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子５）を装着する例である。尚、図１６では、第３実施形態に係る図１５と対比可能に図示している。

図１６に示すように、高分解能触力覚提示素子５の本体（刺激ピン５１とは逆面）を触力覚提示ユニット２等の被接触対象に接触させ、伸縮性バンド５ｃの伸縮性を利用して、制御ユニット３により指先側に触れる刺激ピン５１の長さ及び反力を制御する。

ここで、制御ユニット３による刺激ピン５１の長さの制御は、第１乃至第３実施形態と同様である。ただし、制御ユニット３による刺激ピン５１の反力の制御は、その伸縮性バンド５ｃの伸縮力を加味した反力を提示するよう制御する。伸縮性バンド５ｃの伸縮力は、ゴム材で構成されその伸び量に応じた伸縮力が発生するため、刺激ピン５１の長さの決定により一意にその伸縮力を決定することができ、このため刺激ピン５１の提示する反力も三次元モデルに応じて決定することができる。

以上の各実施形態において、制御ユニット３は、１つの筐体内に全ての構成要素を備えるよう構成する必要はなく、その携帯性を高めるよう複数の筐体に分けて構成することができる。

また、制御ユニット３における変位量検知部１１、反力算出部１２、三次元モデル設定部１４、三次元モデルデータベース１５、三次元モデル表示制御部１６、接触検知部３１、刺激ピン長監視部３２、刺激ピン長決定部３３、及び刺激ピン長・反力制御部３４は、１つのコンピュータとして機能させることができ、当該コンピュータに、これらの構成要素を実現させるためのプログラムは、当該コンピュータの内部又は外部に備えられるメモリ（図示せず）に記憶される。コンピュータに備えられる中央演算処理装置（ＣＰＵ）などの制御で、各構成要素の機能を実現するための処理内容が記述されたプログラムを、適宜、メモリから読み込んで、これら各構成要素の機能をコンピュータに実現させることができる。ここで、各構成要素の一部の機能をハードウェアで実現してもよい。

以上、特定の実施形態の例を挙げて本発明を説明したが、本発明は前述の実施形態の例に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、刺激ピン５１は、触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子５）の本体に対し出入することで伸縮する棒状体とする代わりに、図６（ａ）に示すような触力覚提示素子２２と同様に、触力覚提示装置（高分解能触力覚提示素子５）の本体上で油圧や空気圧、バネ制御によって伸縮する入れ子構造体（テレスコピックパイプ）で構成してもよい。

また、第１実施形態における説明では、触力覚提示ユニット２を手のひらサイズで構成する例を説明したが、これは本発明によって実現される一例であり、手のひらサイズ以上の大きさで触力覚提示ユニット２を構成してもよい。

また、第２実施形態における説明では、被接触対象部が固定形状の実物体からなり、且つ該実物体の形状が磁気センサ７３‐１（又は７３‐２）により三次元座標が規定される例を説明したが、指先の位置を特定可能なセンサであれば任意のセンサとすることができる。

また、表示装置４はパーソナルコンピュータでなくとも携帯端末や表示パネルでもよく、１つの表示装置４に複数の三次元形状提示システム１を提示して共用表示・共用制御するよう構成することもできる。具体的な適用例として、或る三次元形状提示システム１が提示する三次元モデルを１つの表示装置４に表示させ、他の三次元形状提示システム１が当該或る三次元形状提示システム１が提示する三次元モデルのモデルデータを利用して触力覚を提示するよう共用接続する。これにより、１つの三次元モデルを同時共用して多数の利用者が個々に触力覚を感知することができるため、例えば美術館に展示される彫刻やレリーフなどを多数の利用者に対して個々に触力覚を感知させたい用途に適用できる。

また、表示装置４を必要せず、三次元形状提示システム１を利用する用途も想定される。例えば、１つの三次元形状提示システム１で視覚障害者向けに様々な物体形状を感知させたいときに有用となる。

また、肉眼で視認困難な分子構造を体感的に知得したいときなど、三次元モデルで表現可能な仮想物体は、仮想空間における視認性の有無を問わない物体を対象とすることができ、これに伴い、第１実施形態における基台部２０の形状は、球状、楕円体、直方体、多面体、鉄アレイ状など、より複雑な形状とすることができる。

本発明によれば、手のひら内に収めて把持可能な小物体の触力覚をより高解像度に提示することができ、その用途を拡大させることができるので、三次元モデルで表現可能な仮想物体を触力覚で提示する三次元形状提示システムの用途に有用である。

１ 三次元形状提示システム
２ 触力覚提示ユニット
３ 制御ユニット
４ 表示装置
５ 高分解能触力覚提示素子（触力覚提示装置）
５ａ ケーブル
６ 駆動ユニット
７ 三次元磁気センサ位置計測装置
１１ 変位量検知部
１２ 反力算出部
１３ 反力発生部
１４ 三次元モデル設定部
１５ 三次元モデルデータベース
１６ 三次元モデル表示制御部
２０ 基台部
２１ 基台座標
２２ 触力覚提示素子
２３ 圧力センサ
２３ａ 信号線
２４，２４‐１，２４‐２，２４‐３，２４‐４ 伸縮機構
２５ 加圧材
２５ａ チューブ
２６ 圧縮バネ
２７，２７‐１，２７‐２，２７‐３，２７‐４ 圧電素子
２８ 可撓性生地
３１ 接触検知部
３２ 刺激ピン長監視部
３３ 刺激ピン長決定部
３４ 刺激ピン長・反力制御部
３５ 被接触対象計測設定部
５１ 刺激ピン
５２ 案内溝
５３ ワイヤ
６１ スパイラルシャフト
６２ スライダ
６２ａ ワイヤの取着部
６３ 電動モータ
６４ エンコーダ
７１ 磁界発生ユニット
７２‐１，７２‐２ 計測ユニット
７３‐１，７３‐２ 磁気センサ
Ｏｂｊ 実物体

Claims (8)

1. 三次元モデルで表現可能な仮想物体の三次元形状を触力覚で提示する三次元形状提示システムであって、
   利用者の指先に装着され伸縮可能な複数の刺激ピンを有する触力覚提示装置と、
   前記触力覚提示装置が所定の被接触対象物と接触した際に、当該接触した位置で、前記所定の被接触対象物の形状の輪郭と、提示する仮想物体の三次元形状の輪郭との差分に相当する長さとなるよう当該接触した刺激ピンの長さを制御し、且つ該刺激ピンの長さとなる位置で前記仮想物体の三次元形状の硬度データに応じた反力を該刺激ピンに発生させるよう制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする三次元形状提示システム。
2. 前記仮想物体の三次元形状の輪郭が、前記所定の被接触対象物の形状の輪郭より高い解像度を持つ領域を有し、
   前記複数の刺激ピンの各々の間隔が、該領域に対応する前記所定の被接触対象物の形状の輪郭より狭くなるよう配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状提示システム。
3. 前記所定の被接触対象物は入れ子構造により伸縮可能で伸縮方向への復元力が付勢された構造を有する触力覚提示素子が基台部に複数配設された触力覚提示ユニットからなり、
   前記制御手段は、前記基台部によって定められた三次元座標を基に、前記触力覚提示ユニットにおける触力覚提示素子と前記触力覚提示装置における刺激ピンの伸縮量を制御することにより、前記仮想物体の三次元形状を触力覚で提示するよう制御することを特徴とする、請求項１又は２に記載の三次元形状提示システム。
4. 三次元位置を検出する所定のセンサが前記触力覚提示装置に併設され、
   前記所定の被接触対象物は固定形状の実物体からなり、且つ該実物体の形状が前記所定のセンサにより三次元座標が規定され、
   前記制御手段は、該三次元座標を基に、前記触力覚提示装置における刺激ピンの伸縮量を制御することにより、前記仮想物体の三次元形状を触力覚で提示するよう制御することを特徴とする、請求項１又は２に記載の三次元形状提示システム。
5. 前記触力覚提示装置は複数からなり、
   前記制御手段は、該複数の触力覚提示装置における各刺激ピンについて個別に、当該接触した刺激ピンの長さを制御し、且つ該刺激ピンの長さとなる位置で前記仮想物体の三次元形状の硬度データに応じた反力を該刺激ピンに発生させるよう制御することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元形状提示システム。
6. 前記制御手段は、
   前記刺激ピンの長さ及び反力を制御する制御ユニットと、
   前記刺激ピンの長さ及び反力を生じさせるよう駆動する駆動ユニットと、を備え、
   前記制御ユニットは、
   前記刺激ピンの長さを常時監視する刺激ピン長監視手段と、
   前記刺激ピン長監視手段から得られる刺激ピンの長さの情報を基に、前記触力覚提示装置が所定の被接触対象物と接触した際に、当該接触した位置で、前記所定の被接触対象物の形状の輪郭と、提示する仮想物体の三次元形状の輪郭との差分に相当する長さとなるよう当該接触した刺激ピンの長さを決定する刺激ピン長決定手段と、
   前記刺激ピン長決定手段により決定した刺激ピンの長さを制御し、且つ該刺激ピンの長さとなる位置で前記仮想物体の三次元形状の硬度データに応じた反力を該刺激ピンに発生させるよう前記駆動ユニットを制御する刺激ピン長・反力制御手段と、
   を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の三次元形状提示システム。
7. 前記制御ユニットは、
   前記所定の被接触対象物の種別に応じて定義される三次元座標を基に、提示する当該仮想物体の三次元形状を選択設定する三次元モデル設定手段を更に備えることを特徴とする、請求項６に記載の三次元形状提示システム。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の三次元形状提示システムにおける触力覚提示装置であって、
   利用者の指先に装着され伸縮可能な複数の刺激ピンを有し、
   前記複数の刺激ピンの各々は、前記触力覚提示装置の本体に対し出入することで伸縮する棒状体か、又は前記触力覚提示装置の本体上で伸縮する入れ子構造体で構成されていることを特徴とする触力覚提示装置。