JP2019106102A - Hardness sense presentation device - Google Patents

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耕太郎 只野
Kotaro Tadano
耕太郎 只野
靖之 齋藤
Yasuyuki Saito
靖之 齋藤
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Abstract

To provide a hardness sense presentation device that expresses the hardness sense of a virtual object at the time of a collision with small energy.SOLUTION: A hardness sense presentation device S according to the present invention includes an intervening body 2 gripped by or attached to a hand 1, and an actuator 5 that gives the hand 1 a sense of hardness of an object 9 by dividing the collision sensation considered to be received from the object 9 in an actual environment when the intervening body 2 contacts the object 9 in a virtual environment into reaction force in collision direction α1 and vibration in a direction α2 perpendicular or substantially perpendicular to the collision direction α1.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、硬さ感覚提示装置に関する。   The present invention relates to a hardness sense presentation device.

現実の環境において、手に把持したスタイラスで物体に接触すると、スタイラスを介して手に力覚と触覚が誘発される。例えば、把持したスタイラスを持ち上げてテーブルを叩いた場合、人は筋肉の運動による力覚と皮膚の変形による触覚によってテーブルを検知する。   In a real environment, when an object held in contact with an object is held by a hand-held stylus, haptic and tactile sensations are induced to the hand via the stylus. For example, when a user lifts a grasped stylus and strikes a table, a person detects the table by a sense of force due to movement of muscles and a sense of touch due to deformation of the skin.

これに対して、遠隔操縦システムや仮想環境(以下、VRと称す)に用いられる商用のハプティックデバイスは、力覚を人に与えることに重点が置かれ、触覚を活用していないものが多い。また、ハプティックデバイスの出力はハードウェアに依存し、操作者に提示可能な力覚には限界がある。そのため、剛性の高い、つまり硬度が高い材料の硬さ表現は困難とされる。   On the other hand, commercial haptic devices used for remote control systems and virtual environments (hereinafter referred to as VRs) are mainly focused on giving a sense of force to people, and many of them do not utilize the sense of touch. Also, the output of the haptic device is hardware dependent, and there is a limit to the haptics that can be presented to the operator. Therefore, it is considered difficult to express the hardness of a material having high rigidity, that is, high hardness.

しかし、アルミニウムや硬質プラスチックなどの比較的剛性の高い材料は日常生活においても数多く存在するため、剛性の高い材料の硬さを表現する機能は必要といえる。また、硬さを感じる機能は手先の感覚としてなくてはならないものであることから、剛性が高い材料の硬さ表現は遠隔操縦システムやVRに臨場感を与える基本的な機能の一つといえる。   However, since many relatively rigid materials such as aluminum and hard plastic exist in daily life, it is necessary to have a function to express the hardness of the highly rigid material. In addition, since the function to feel the hardness is indispensable as the sense of the hand, the hardness expression of the material with high rigidity can be said to be one of the basic functions to give a sense of realism to the remote control system and VR.

物体の硬さを表現する方法は、従来研究においても数多くの提案(非特許文献1〜3)がなされている。その1つに振動刺激を用いて操作者が感じる硬さを大きくする方法(非特許文献4、5)がある。非特許文献4、5は衝突時の反力に振動刺激を重畳すると硬さ感覚が向上するというものである。   Many proposals (nonpatent literature 1-3) are made also in the conventional research as a method of expressing hardness of an object. One of them is a method (Non-Patent Documents 4 and 5) of increasing the hardness felt by the operator using vibration stimulation. Non-patent documents 4 and 5 are such that when a vibrational stimulus is superimposed on the reaction force at the time of collision, the hardness feeling is improved.

硬さ感覚の向上に用いられる振動は、従来研究(非特許文献4、5)では物体が衝突した結果生じる加速度振動として反力方向の減衰正弦波で表されることが多い。
また、硬さと振動の関係は、物体の表面硬さ計測にも利用されている(特許文献1)。この計測は、物体の形状と超音波による変位計測により行われる。また、筆記の感覚呈示にも活用されており、手書きの筆記感覚に相当する振動を操作者に提示することによってなされる(特許文献2)。
In the conventional researches (Non-Patent Documents 4 and 5), the vibration used to improve the hardness feeling is often represented by a damped sine wave in the reaction force direction as an acceleration vibration generated as a result of an object collision.
The relationship between hardness and vibration is also used to measure the surface hardness of an object (Patent Document 1). This measurement is performed by measuring the shape of the object and displacement using ultrasonic waves. In addition, it is also used for sense presentation of writing, and is performed by presenting to the operator a vibration corresponding to handwriting feeling of handwriting (Patent Document 2).

特開2012-37420号公報(段落0037、段落0054〜0057、図1、図2等)JP, 2012-37420, A (paragraph 0037, paragraphs 0054-0057, FIG. 1, FIG. 2 etc.) 特願2008-551015号公報(段落0042〜0068、図2〜図4等)Japanese Patent Application No. 2008-551015 (Paragraphs 0042 to 0068, FIGS. 2 to 4 and the like)

赤羽克仁, 長谷川晶一, 小池康晴, 佐藤誠: 10kHzの更新周波数による高解像度ハプティックレンダリング, 日本バーチャルリアリティ学会論文誌, 9(3), 217-226 (2004)Akabane Katsuhito, Hasegawa Shoichi, Koike Yasuharu, Sato Makoto: High Resolution Haptic Rendering with 10 kHz Update Frequency, Transactions of the Virtual Reality Society of Japan, 9 (3), 217-226 (2004) E. Vander Poorten and Y. Yokokohji: Rendering a Rigid Virtual World through an Impulsive Haptic Interface, Proc. IEEE/RSJ Int'l Conf. Intelligent Robots and Systems, 1547-1552 (2006)E. Vander Poorten and Y. Yokokohji: Rendering a Rigid Virtual World through an Impulsive Haptic Interface, Proc. IEEE / RSJ Int'l Conf. Intelligent Robots and Systems, 1547-1552 (2006) Z. Quek, S. Schorr, I. Nisky, A. Okamura and W. Provancher: Augmentation of stiffness perception with a 1-degree-of-freedom skin stretch device, IEEE Trans. Human-Machine Syst., 44(6), 731-742 (2014)Z. Quek, S. Schorr, I. Nisky, A. Okamura and W. Provancher: Augmentation of stiffness perception with a 1-degree-of-freedom skin stretch device, IEEE Trans. Human-Machine Syst., 44 (6) , 731-742 (2014) A. M. Okamura, M. R. Cutkosky, and J. T. Dennerlein: Reality-based models for vibration feedback in virtual environments, IEEE/ASME Trans. Mechatronics, 6(3), 245-252 (2001)A. M. Okamura, M. R. Cutkosky, and J. T. Dennerlein: Reality-based models for vibration feedback in virtual environments, IEEE / ASME Trans. Mechatronics, 6 (3), 245-252 (2001) K. Kuchenbecker, J. Fiene, and G. Niemeyer: Improving contact realism through event-based haptic feedback, IEEE Trans. Vis. Comput. Graphics, 12(2), 219-230, (2006)K. Kuchenbecker, J. Fiene, and G. Niemeyer: Improving contact realism through event-based haptic feedback, IEEE Trans. Vis. Comput. Graphics, 12 (2), 219-230, (2006) Kotaro Tadano, Kenji Kawashima: Development of a Master Slave System with Force-Sensing Abilities Using Pneumatic Actuators for Laparoscopic Surgery, Advanced Robotics, 24(12), 1763-1783 (2010)Kotaro Tadano, Kenji Kawashima: Development of a Master Slave System with Force-Sensing Abilities Using Pneumatic Actuators for Therapeutic Surgery, Advanced Robotics, 24 (12), 1763-1783 (2010) 齋藤靖之, 只野耕太郎: 周波数変化を伴う振動刺激による疑似衝撃感覚の提示, ロボティクス・メカトロニクス講演会, 1A1-M01 (2017)Tomoyuki Saito, Kotaro Ogino: Presentation of simulated shock sensation by vibrational stimulation with frequency change, Robotics and Mechatronics Conference, 1A1-M01 (2017)

特許文献1の振動は、ポインターの接触点の変位を計測したものであり、振動を支配しているのは材料の剪断弾性率、剪断減衰率であるとされる。
特許文献2は、手書き入力システムにおいて、振動により筆記感覚を手に与えることが記載されている。しかし、特許文献1には、振動波形は記載されているものの、それ以外の詳細は記載されていない。なお、特許文献2では、把持される情報筆記入力部(120)の長手方向に長い振動発生手段を設けていることから、情報筆記入力部(120)が受ける反力方向に振動を発生すると推察される。
The vibration in Patent Document 1 measures the displacement of the contact point of the pointer, and it is assumed that the material that controls the vibration is the shear modulus of the material and the shear damping rate.
Patent Document 2 describes that in a handwriting input system, a hand gives a feeling of writing by vibration. However, although the vibration waveform is described in Patent Document 1, the other details are not described. In Patent Document 2, since vibration generating means long in the longitudinal direction of the information writing input unit (120) to be held is provided, it is presumed that the vibration is generated in the direction of the reaction force received by the information writing input unit (120). Be done.

また、特許文献1の段落0099には、ユーザの指や手掌部に対して仮想物体の表面の位置より内部への移動を拘束するような所定量の触力覚的負荷、例えば圧力又は振動、電気信号、熱等の何らかの感覚による負荷を与えることが記載されている。ここの振動は記載ぶりから、仮想物体の表面の反力方向の振動と推測される。   In addition, paragraph 0099 of Patent Document 1 includes a predetermined amount of haptic load such as pressure or vibration that restricts the movement of the surface of the virtual object from the position of the surface to the user's finger or palm portion. It is described that the load is given by some sense such as an electrical signal, heat and the like. The vibration here is presumed to be the vibration in the reaction force direction of the surface of the virtual object from the description.

図7は、従来の手101で把持するスタイラス102に反力方向の振動を伝える状態を示す図である。
上述の反力方向の振動(図7の矢印α102)で、スタイラス102に接触する物体103の硬さを手101に与える場合、スタイラス102による反力方向の振動はスタイラス102と仮想物体103に挟まれることとなる。
FIG. 7 is a view showing a state in which vibration in the reaction force direction is transmitted to the stylus 102 gripped by the conventional hand 101.
When the hardness of the object 103 in contact with the stylus 102 is given to the hand 101 by the above-described vibration in the reaction force direction (arrow α 102 in FIG. 7), the vibration in the reaction force direction by the stylus 102 is caught between the stylus 102 and the virtual object 103 Will be

このとき、必要とされる振動は皮膚を変形させる振動であり、スタイラス102にその振動を発生させるには、振動を作り出す力が挟まれる力を超える必要がある。これの実現には、反力を振動させることが最も容易であることから、物体103の硬さに関する力覚と触覚を反力のみで示すことになる。
剛性が高い材料の硬さを表現するには、大きな反力を発生させる必要がある一方で、皮膚を変形させる振動を実現するには、反力を逆方向にする必要がある。そのため、瞬間的に大きな出力変動を作り出すことが要求される。
At this time, the required vibration is a vibration that deforms the skin, and in order to cause the stylus 102 to generate the vibration, it is necessary for the force that generates the vibration to exceed the pinching force. In order to realize this, since it is the easiest to vibrate the reaction force, the force sense and the touch feeling related to the hardness of the object 103 are shown only by the reaction force.
To express the hardness of a material with high rigidity, it is necessary to generate a large reaction force, and to realize the vibration that deforms the skin, it is necessary to make the reaction force in the opposite direction. Therefore, it is required to create a large output fluctuation instantaneously.

従って、手101が感じる振動を発生させるには大きなエネルギが必要となる。
本発明は上記実状に鑑み創案されたものであり、仮想物体との衝突時の仮想物体の硬さを小さいエネルギで触力覚により表現する硬さ感覚提示装置の提供を目的とする。
Therefore, a large amount of energy is required to generate the vibration felt by the hand 101.
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a hardness sense presentation device that expresses the hardness of a virtual object at the time of a collision with a virtual object with a small amount of energy by haptic sense.

前記課題を解決するため、本発明の硬さ感覚提示装置は、手に把持または装着される介在体が設けられ、前記介在体が仮想環境の物体と接触した際に、実環境で前記物体から受けると考えられる衝突感覚を、衝突方向の反力と、衝突方向と垂直または略垂直方向の振動とに分けて発生させることで、前記手に前記物体の硬さ感覚を与えるアクチュエータとを備えている。   In order to solve the above-mentioned subject, the hardness sense presentation device of the present invention is provided with an intervening body to be gripped or attached to a hand, and when the intervening body comes in contact with an object in a virtual environment, from the object in a real environment An actuator which gives the hardness sense of the object to the hand by generating a collision sense considered to be received as a reaction force in the collision direction and a vibration in a direction perpendicular to or substantially perpendicular to the collision direction. There is.

本発明によれば、物体との衝突時の硬さ感覚を小さいエネルギで表現する硬さ感覚提示装置を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a hardness sensation presentation device that expresses the hardness sensation at the time of collision with an object with small energy.

本発明に係る実施形態1の硬さ感覚提示装置を示す斜視図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The perspective view which shows the hardness feeling presentation apparatus of Embodiment 1 which concerns on this invention. 本発明を適用した実施形態2の硬さ感覚提示装置を示す斜視図。The perspective view which shows the hardness sensation presentation apparatus of Embodiment 2 to which this invention is applied. 把持部を示す拡大図。The enlarged view which shows a holding part. 実験に用いた硬さ感覚提示装置の外観および仮想壁の配置を示す図。The figure which shows the external appearance of the hardness feeling presentation apparatus used for experiment, and arrangement | positioning of a virtual wall. 硬さ感覚提示装置の制御のブロック線図。The block diagram of control of a hardness feeling presentation apparatus. 硬さ感覚提示装置の制御のフローチャート。The flowchart of control of a hardness feeling presentation apparatus. 従来の手で把持するスタイラスに反力方向の振動を伝える状態を示す図。The figure which shows the state which transmits the vibration of a reaction force direction to the stylus currently gripped by the conventional hand.

以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明は、人が把持または装着した介在体の仮想物体への衝突時に、仮想物体の硬さ感覚を触力覚により表現する構成に係るものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The present invention relates to a configuration in which a sense of hardness of a virtual object is represented by a haptic sense when an intervening body worn or worn by a person collides with the virtual object.

<<実施形態1の構成>>
図1は、本発明に係る実施形態1の硬さ感覚提示装置Sを示す斜視図である。
実施形態の硬さ感覚提示装置Sは、仮想環境(VR)で衝突した仮想物体9の硬さ感覚と衝突感を提示する装置である。
<< Configuration of First Embodiment >>
FIG. 1 is a perspective view showing a hardness sense presentation device S of Embodiment 1 according to the present invention.
The hardness sense presentation device S according to the embodiment is a device that presents the hardness sense and the collision sense of the virtual object 9 that has collided in the virtual environment (VR).

具体的には、硬さ感覚提示装置Sは、仮想環境において操作者の手1が把持する介在体(スタイラス2)が仮想物体9に衝突した際に、スタイラス2を介して仮想物体9の硬さ感覚を手1に提示する。   Specifically, when the intervening body (stylus 2) grasped by the operator's hand 1 collides with the virtual object 9 in the virtual environment, the hardness sense presentation device S can set the hardness of the virtual object 9 through the stylus 2 Present the sense of touch to hand 1.

硬さ感覚提示装置Sは、スタイラス2と、ベース3と、制御装置4とを具備している。
スタイラス2とベース3は第1・第2アームa1、a2により接続される。スタイラス2と第1アームa1との間には第1関節k1が設けられ、第1アームa1と第2アームa2との間には第2関節k2が設けられ、第2アームa2とベース3との間には第3関節k3が設けられている。
この構成により、スタイラス2はベース3に接続されている。
The hardness sense presentation device S includes a stylus 2, a base 3, and a control device 4.
The stylus 2 and the base 3 are connected by first and second arms a1 and a2. A first joint k1 is provided between the stylus 2 and the first arm a1, a second joint k2 is provided between the first arm a1 and the second arm a2, and a second arm a2 and the base 3 A third joint k3 is provided between them.
By this configuration, the stylus 2 is connected to the base 3.

第1・第2・第3関節k1、k2、k3と第1・第2アームa1、a2、ベース3には、スタイラス2、第1・第2アームa1、a2の姿勢を形成するワイヤなどの線材(図示せず)が設けられている。
なお、スタイラス2、第1・第2アームa1、a2の姿勢を計測するために、第1・第2・第3関節k1、k2、k3にエンコーダやポテンショメータなどの角度センサs1、s2、s3(図1参照)が用いられている。
The first, second and third joints k1, k2 and k3 and the first and second arms a1 and a2 and the base 3 are wires such as the stylus 2 and the first and second arms a1 and a2. Wires (not shown) are provided.
In addition, in order to measure the postures of the stylus 2 and the first and second arms a1 and a2, angle sensors s1, s2 and s3 such as encoders and potentiometers are mounted on the first, second and third joints k1, k2 and k3. 1) is used.

スタイラス2の内部には、スタイラス2の短手方向に振動する(図1の白抜き矢印α2)ように、VCM(ボイスコイルモータ)5が配置されている。スタイラス2は、操作者の手1で把持され、操作されることで仮想物体9に当接する。
制御装置4は、硬さ感覚提示装置S全体を制御する。制御装置4は、スタイラス2の内部のVCM5、ベース3に設けられるモータの制御を行い、角度センサs1、s2、s3の検出信号などが入力される。
A VCM (voice coil motor) 5 is disposed in the inside of the stylus 2 so as to vibrate in the lateral direction of the stylus 2 (white arrow α2 in FIG. 1). The stylus 2 is held by the operator's hand 1 and abuts on the virtual object 9 by being operated.
The control device 4 controls the entire hardness sense presentation device S. The control device 4 controls the VCM 5 inside the stylus 2 and a motor provided on the base 3 and receives detection signals of the angle sensors s1, s2, and s3.

硬さ感覚提示装置Sは、操作者が手1で把持するスタイラス2が仮想物体9に衝突した場合に、反力(図1の白抜き矢印α1方向)と反力に垂直な方向の振動(図1の白抜き矢印α2)をスタイラス2に与える。   When the stylus 2 held by the operator with the hand 1 collides with the virtual object 9, the hardness sense presentation device S vibrates in a direction perpendicular to the reaction force (in the direction of the white arrow α1 in FIG. 1) and the reaction force ( The white arrow α2) in FIG.

スタイラス2の振動により、手1に仮想物体9の硬さ感覚が表現される。
詳細には、反力に垂直な方向の振動を用いて仮想物体9との衝突時にスタイラス2に発生する衝撃感覚を操作者の手1に提示することで、操作者に仮想物体9の硬さ感覚を与えている。反力に垂直な方向の振動はスタイラス2に内蔵したVCM5で行っている。
The hardness of the virtual object 9 is expressed on the hand 1 by the vibration of the stylus 2.
In detail, the hardness of the virtual object 9 is given to the operator by presenting the sense of impact generated on the stylus 2 upon collision with the virtual object 9 using vibration in a direction perpendicular to the reaction force. It gives a sense. The vibration in the direction perpendicular to the reaction force is performed by the VCM 5 built in the stylus 2.

上述したように、仮想物体9の硬さ感覚に影響を及ぼす振動(図1の白抜き矢印α2)を反力に垂直な方向に加えてることで、硬さ感覚提示装置Sにより、衝突時に発生する硬さ感覚を付与する。   As described above, by applying the vibration (white arrow α2 in FIG. 1) affecting the hardness sensation of the virtual object 9 in the direction perpendicular to the reaction force, the hardness sensation presentation device S generates a collision Give a sense of hardness.

例えば、図1に示すスタイラス2の仮想物体9との衝突時に、反力とともに、スタイラス2に対して反力に垂直な方向に振動を加えて、仮想物体9の硬さ感覚を手1に認知させる。
これにより、実際に硬い材料に衝突したときのスタイラス2の挙動による衝撃感覚の再現を試み、仮想物体9の硬さ感覚の向上を図っている。
For example, when the stylus 2 shown in FIG. 1 collides with the virtual object 9, vibration is added to the stylus 2 in a direction perpendicular to the reaction force together with the reaction force, and the hardness sense of the virtual object 9 is recognized by the hand 1 Let
In this way, it is attempted to reproduce the sensation of impact by the behavior of the stylus 2 when actually colliding with a hard material, and to improve the sensation of hardness of the virtual object 9.

衝突時の仮想物体9の硬さを力覚により表現するには、反力と振動を発生させる必要がある。   In order to express the hardness of the virtual object 9 at the time of a collision by force sense, it is necessary to generate a reaction force and a vibration.

<硬さ感覚の提示方法 >
硬さ感覚の向上に用いられる振動は、従来、前記したように、仮想物体9に衝突した結果生じる振動として、図7に示すように、反力方向(図7の矢印α101)の減衰正弦波(非特許文献4、5)(矢印α102)で表されることが多い。
<How to present a sense of hardness>
The vibration used to improve the hardness feeling has conventionally been, as described above, the vibration resulting from collision with the virtual object 9, as shown in FIG. 7, a damped sine wave in the reaction force direction (arrow .alpha. 101 in FIG. 7). (Non-Patent Documents 4 and 5) (Arrow α 102) in many cases.

これに対して、本実施形態(本発明)では反力(図1の矢印α1)に垂直な方向の矩形波(図1の矢印α2)で表す。なお、矩形波は、手1に触覚刺激を与えるためにパルス数は2以上であることが好ましい。   On the other hand, in the present embodiment (the present invention), a rectangular wave (arrow α2 in FIG. 1) in a direction perpendicular to the reaction force (arrow α1 in FIG. 1) is used. The square wave preferably has a pulse number of 2 or more in order to provide tactile stimulation to the hand 1.

この矩形波は、スタイラス2が運動エネルギをもって衝突した際に発生する衝撃波形が2山以上のピークを示す2度打ち現象に伴う衝撃感覚を表現している。   The rectangular wave expresses the feeling of shock accompanying the double striking phenomenon in which the shock waveform generated when the stylus 2 collides with kinetic energy shows two or more peaks.

この矩形波により、操作者の手1で感じる硬さ感覚を大きくできる。本表現方法では、仮想物体9からの反力(図1の白抜き矢印α1方向)と振動(図1の白抜き矢印α2)の方向が異なるため、反力と干渉することなく振動を作り出せる。そのため、反力と振動の運動を独立に制御できる。   The rectangular wave makes it possible to increase the hardness felt by the hand 1 of the operator. In this representation method, since the directions of the reaction force (the direction of the white arrow α1 in FIG. 1) and the vibration (white arrow α2 in FIG. 1) from the virtual object 9 are different, the vibration can be generated without interference with the reaction force. Therefore, the motion of the reaction force and the vibration can be controlled independently.

<<実施形態2>>
図2は、本発明を適用した実施形態2の硬さ感覚提示装置2Sを示す斜視図である。
実施形態2の硬さ感覚提示装置2Sは、並進部11、姿勢部12、把持部13の3つの構成から形成される6自由度のマニピュレータである(非特許文献6参照)。6自由度とは、後記のX軸、Y軸、Z軸の3次元の並進運動とα軸、β軸、γ軸周りの回転運動である。
<< Embodiment 2 >>
FIG. 2 is a perspective view showing a hardness sense presentation device 2S of Embodiment 2 to which the present invention is applied.
The hardness sense presentation device 2S of the second embodiment is a manipulator with six degrees of freedom formed from three configurations of a translatory unit 11, a posture unit 12, and a grip unit 13 (see Non-Patent Document 6). Six degrees of freedom are three-dimensional translational motion of the X axis, Y axis, and Z axis, and rotational motion around the α axis, β axis, and γ axis, which will be described later.

硬さ感覚提示装置2Sは、制御を担う制御装置24を備えている。制御装置24は、後記するアドミタンス制御を用いて硬さ感覚提示装置2Sを制御する。
硬さ感覚提示装置2Sの並進部11、姿勢部12は、実施形態1の硬さ感覚提示装置Sにおけるる第1関節k1からベース3に相当する。すなわち、実施形態1の第1関節k1からベース3は、実施形態2の硬さ感覚提示装置2Sの並進部11、姿勢部12と同様な構成である。
The hardness sensation presentation device 2S includes a control device 24 responsible for control. The control device 24 controls the hardness sensation presentation device 2S using admittance control described later.
The translating unit 11 and the posture unit 12 of the hardness sensation presentation device 2S correspond to the first joints k1 to base 3 in the hardness sensation presentation device S of the first embodiment. That is, the first joints k1 to base 3 of the first embodiment have the same configuration as the translation unit 11 and the posture unit 12 of the hardness sense presentation device 2S of the second embodiment.

実施形態2の把持部13は、実施形態1の硬さ感覚提示装置Sにおけるスタイラス2に相当する。
硬さ感覚提示装置2Sの並進部11と姿勢部12にはそれぞれデルタ機構とジンバル機構が用いられている。
The gripping portion 13 of the second embodiment corresponds to the stylus 2 in the hardness sense presentation device S of the first embodiment.
A delta mechanism and a gimbal mechanism are used for the translation unit 11 and the posture unit 12 of the hardness sense presentation device 2S, respectively.

並進部11のデルタ機構は、X軸、Y軸、Z軸の3次元の並進運動を担っている。姿勢部12のジンバル機構は、α軸、β軸、γ軸周りの回転運動を担っている。
並進部11には、並進運動のためのモータ15、16、17が設置されている。モータ15、16、17は、それぞれ減速機構15g、16g、17gを介して、並進部11のリンク11a、11b、11cに接続されている。
The delta mechanism of the translating unit 11 is responsible for three-dimensional translational motion of the X axis, the Y axis, and the Z axis. The gimbal mechanism of the posture unit 12 is responsible for rotational motion around the α axis, the β axis, and the γ axis.
In the translation unit 11, motors 15, 16, 17 for translational movement are installed. The motors 15, 16, 17 are connected to the links 11a, 11b, 11c of the translation unit 11 via the reduction mechanisms 15g, 16g, 17g, respectively.

姿勢部12には、回転運動のためのモータ18、19、20が設置されている。モータ18、19、20は、それぞれ減速機構18g、19g、20gを介して、姿勢部12のリンク12a、12b、12cに接続されている。   The posture unit 12 is provided with motors 18, 19 and 20 for rotational movement. The motors 18, 19 and 20 are connected to the links 12a, 12b and 12c of the posture portion 12 via the reduction mechanisms 18g, 19g and 20g, respectively.

図3は、把持部13を示す拡大図(カバー抜き)である。
把持部13は、U字形状スタイラス13sとVCM(ボイスコイルモータ)14とを有している。
VCM14は、U字形状スタイラス13sの内部に設置されている。つまり、把持部13の内部に、VCM14が取り付けられている。この構成により、VCM14による振動を、U字形状スタイラス13sを介して、U字形状スタイラス13sを把持する操作者の手1に伝える。
FIG. 3 is an enlarged view (cover removal) showing the grip 13.
The gripping portion 13 has a U-shaped stylus 13 s and a VCM (voice coil motor) 14.
The VCM 14 is installed inside the U-shaped stylus 13 s. That is, the VCM 14 is attached to the inside of the gripping portion 13. With this configuration, the vibration by the VCM 14 is transmitted to the operator's hand 1 gripping the U-shaped stylus 13s via the U-shaped stylus 13s.

把持部13のVCM14は、硬さ感覚提示装置Sにおけるスタイラス2のVCM5に相当する。
把持部13の下方には、操作者が手1で加える力を検出する力覚センサ22が設置されている。
The VCM 14 of the gripping portion 13 corresponds to the VCM 5 of the stylus 2 in the hardness sense presentation device S.
A force sensor 22 for detecting a force applied by the operator with the hand 1 is provided below the grip 13.

把持部13の並進部11、姿勢部12に依る運動とVCM14の運動は独立に制御できる。換言すれば、並進部11、姿勢部12に依る把持部13の6自由度運動と、VCM14の振動は独立に制御できる。   The movement by the translation part 11 and the posture part 12 of the grip part 13 and the movement of the VCM 14 can be controlled independently. In other words, the six degrees of freedom movement of the gripping unit 13 by the translating unit 11 and the posture unit 12 and the vibration of the VCM 14 can be controlled independently.

本例では、図2に示す硬さ感覚提示装置2Sの可動域に設置した仮想壁21に把持部13(図1のスタイラス2に相当)を衝突させることで硬さ感覚を操作者の手1に提示する(図4参照)。
仮想壁21は、把持部13との衝突を模した仮想壁21に垂直な反力と、反力に垂直な方向(水平な方向)の振動で表現する.
仮想壁21に垂直な反力は、ばねダンパモデルを用いて式(1)で表す。
仮想壁21に水平な方向の振動は式(2)で表す.
In this example, the operator senses hardness by causing the grip 13 (corresponding to the stylus 2 in FIG. 1) to collide with the virtual wall 21 installed in the movable range of the hardness sensation presentation device 2S shown in FIG. (See Figure 4).
The virtual wall 21 is represented by a reaction force perpendicular to the virtual wall 21 simulating a collision with the grip portion 13 and a vibration in a direction (horizontal direction) perpendicular to the reaction force.
The reaction force perpendicular to the virtual wall 21 is expressed by equation (1) using a spring damper model.
The vibration in the direction horizontal to the virtual wall 21 is expressed by equation (2).

この仮想壁21に水平な方向の振動を用いて硬さ感覚を表現する方法においては、振動の刺激を向上させることで、硬さ感覚を向上させることができる。その手段としては、振動の振幅の拡大、周波数の増加や追加、提示時間の延伸の3つがある。   In the method of expressing a sense of hardness using vibration in a direction horizontal to the virtual wall 21, the sense of hardness can be improved by improving the stimulation of the vibration. There are three means, that is, expansion of vibration amplitude, increase and addition of frequency, and extension of presentation time.

従来方法では、反力と同じ方向に振動を発生させるため、振動の変更は反力にも影響を及ぼしていた。ところが、本発明では、反力と振動を独立させているため、振動を変更しても反力に影響を及ぼすことがない。つまり、硬さ感覚に対する振動の影響のみを確認することができる。   In the conventional method, since the vibration is generated in the same direction as the reaction force, the change of the vibration also affects the reaction force. However, in the present invention, since the reaction force and the vibration are made independent, changing the vibration does not affect the reaction force. That is, only the influence of the vibration on the hardness can be confirmed.

<硬さ感覚に対する振動の影響>
式(2)の各係数を変更したときの硬さ感覚を知覚試験により評価した結果、これら3つの手段により硬さ感覚を向上することが確認された。評価試験は、東京工業大学人を対象とする研究倫理審査委員会の承認(承認番号第2017015号)を得て行われた。
<The influence of vibration on the feeling of hardness>
As a result of evaluating hardness feeling when changing each coefficient of Formula (2) by a perceptual test, it was confirmed that hardness feeling is improved by these three means. The evaluation test was conducted with the approval (approval number No. 2017015) of the Research Ethics Review Board for Tokyo Institute of Technology.

式(2)のbは振動の振幅を表し、bを変更することで振動の振幅の影響を調べることができる。試験の結果、bを大きくすることで硬さ感覚の向上を図ることができた。そのため、硬さ感覚の向上には、振動の振幅は大きい方が望ましい。   In equation (2), b represents the amplitude of vibration, and the influence of the amplitude of vibration can be examined by changing b. As a result of the test, the hardness feeling could be improved by increasing b. Therefore, in order to improve the feeling of hardness, it is desirable that the amplitude of the vibration be large.

また、fvは振動の周波数を表し、fvを変更することで振動の周波数の影響を確認できる。周波数50Hz刻みで試験を実施した結果、350Hzが一番硬く感じ、300Hz、400Hzの硬さは同じくらいであり、次いで、250Hz、450Hzの順で次第に硬さを感じなくなった。そのため、周波数による硬さ感覚の向上効果は、350Hz付近で大きくなる性質がある。よって、振動周波数fvは、250Hzより高く450Hzより低いことが望ましい。 In addition, f v represents the frequency of vibration, can see the impact of the frequency of the vibration by changing the f v. As a result of conducting a test by frequency 50 Hz step, it felt that 350 Hz was the hardest, the hardness of 300 Hz and 400 Hz was about the same, and then it became gradually less felt in order of 250 Hz and 450 Hz. Therefore, there is a property that the improvement effect of the hardness feeling by the frequency becomes large around 350 Hz. Therefore, it is desirable that the vibration frequency f v be higher than 250 Hz and lower than 450 Hz.

さらに、式(1)、式(2)は把持部13と仮想壁21の衝突を表現したものであり、制御装置24により表現する時間を変更することができる。式(2)を適用する時間の影響を調べる試験の結果、振動の提示時間を延伸することで硬さ感覚の向上はできるが、40ms以上の振動は硬さ感覚とは異なる感覚として受け取られ、硬さ感覚の向上効果も低下することがわかった。以上より、式 (2)の振動が硬さ感覚と表現されるためには、振動の提示時間として20ms以下が有効であり、望ましい。   Furthermore, Formula (1) and Formula (2) express the collision of the holding part 13 and the virtual wall 21, and can change the time to express with the control apparatus 24. FIG. As a result of the test examining the effect of the time to apply equation (2), the hardness sense can be improved by extending the vibration presentation time, but the vibration of 40 ms or more is received as a sense different from the hardness sense, It turned out that the improvement effect of a feeling of hardness also falls. As mentioned above, in order that vibration of Formula (2) may be expressed as a hardness feeling, 20 ms or less is effective and desirable as presentation time of a vibration.

ここで、先行研究の衝突実験(非特許文献7)から、物体に衝突した結果スタイラスに生じる衝撃の継続時間は10ms程度であり、上記試験の結果から人の手1が衝突を認識する時間は20ms以下である可能性が高い。ところが、提示波形が1パルスだけでは振動刺激になりえず、2パルス以上なければ2度打ち現象の触覚刺激を表していないことから、振動の提示時間は少なくとも2パルス分の時間が必要とされる。従って、硬さ感覚を付与する振動の提示時間は、4msより長く20ms以下が望ましい。     Here, from the collision experiment (non-patent document 7) of the previous research, the duration of the impact generated on the stylus as a result of the collision with the object is about 10 ms, and the time for human hand 1 to recognize the collision from the result of the above test is It is likely to be less than 20 ms. However, since the presented waveform can not be a vibrational stimulus by only one pulse, and does not represent the tactile stimulation of the double striking phenomenon unless it is two or more pulses, the time for the vibration presentation is required for at least two pulses. Ru. Therefore, it is desirable that the presentation time of the vibration giving the hardness feeling is more than 4 ms and not more than 20 ms.

実施形態1、2の同様な振動刺激には、仮想壁21に垂直方向の反力と反力に垂直な方向の振動の運動を独立に制御できるとして、反力に垂直方向の矩形波(式(2))を用いた。なお、振動は式(2)に示す矩形波以外にも正弦波、減衰正弦波などでもよい。ここで、操作者の手1に振動刺激がより硬さ感覚と認識できるのは、減衰正弦波、正弦波、矩形波の順に認識度が上がることが試験で確認されている。   In the same vibrational stimulation of the first and second embodiments, it is possible to independently control the reaction force in the direction perpendicular to the virtual wall 21 and the vibration movement in the direction perpendicular to the reaction force. (2) was used. The vibration may be a sine wave, a damped sine wave or the like in addition to the rectangular wave shown in equation (2). Here, it has been confirmed in tests that the degree of recognition of the vibration stimulation in the operator's hand 1 can be recognized as a hardness feeling in the order of the damped sine wave, the sine wave and the rectangular wave.

<硬さ感覚提示装置2Sの制御>
図5に、硬さ感覚提示装置2Sの制御のブロック線図を示す。
<Control of hardness feeling presentation device 2S>
FIG. 5 shows a block diagram of control of the hardness sense presentation device 2S.

図5中、VVCmは、VCM14への出力電圧(反力に垂直な方向の振動に相当)、fwallは、仮想壁21として操作者の手1に提示する力(反力)、fextは、操作者の手1に加えられる力(力覚センサ22(図2)の検出情報)である。frefは、操作者の手1に提示する力であり、frefにより操作者の手1に抵抗を感じることなく把持部13を動かすことができる。
Msは、並進部11、姿勢部12の慣性行列、Bは、並進部11、姿勢部12の粘性行列、J-1は、ヤコビアンの逆行列である。
In FIG. 5, V VCm is an output voltage to the VCM 14 (corresponding to vibration in a direction perpendicular to the reaction force), and f wall is a force (reaction force) to be presented to the operator's hand 1 as a virtual wall 21, f ext Is a force applied to the hand 1 of the operator (detection information of the force sensor 22 (FIG. 2)). f ref is a force to be presented to the hand 1 of the operator, and f ref can move the grip 13 without feeling resistance to the hand 1 of the operator.
Ms is an inertia matrix of the translation unit 11 and the attitude unit 12, B is a viscosity matrix of the translation unit 11 and the attitude unit 12, and J −1 is a Jacobian inverse matrix.

図5中の細破線は、並進部11のモータ15、16、17および姿勢部12のモータ18、19、20用のドライバを表しており、速度変化に応じた電流が流される。   Thin broken lines in FIG. 5 represent drivers for the motors 15, 16, 17 of the translation part 11 and the motors 18, 19, 20 of the posture part 12, and a current corresponding to the speed change is supplied.

図5中の太破線は、把持部13が仮想壁21に当接した際に把持部13に発生させる仮想壁21に垂直な方向の反力(Interaction Force)と、反力に垂直な方向の振動(Vibration)を表す。   The thick broken line in FIG. 5 indicates a reaction force (Interaction Force) in a direction perpendicular to the virtual wall 21 which is generated in the holding portion 13 when the holding portion 13 abuts on the virtual wall 21 and a direction perpendicular to the reaction force. It represents vibration (Vibration).

図5のブロック線図の下方の左から右へのラインは、把持部13を手1の動きに合わせて、並進部11と姿勢部12によって駆動するための制御であり、手1の力に応じて速度を出力するアドミタンス制御を用いて駆動させる。より正確には力覚センサ22の値fextとその目標値frefの差が解消されるようにモータの運動を制御する。
ブロック線図の上方の右から左へのラインは、把持部13が仮想壁21がある所定の位置に来た(把持部13が仮想壁21に衝突した)ときに、仮想壁21の感覚を作り出すためのブロックであり、反力と反力に垂直な方向の振動を作り出す。
The lower left-to-right line in the block diagram of FIG. 5 is control for driving the gripping unit 13 by the translating unit 11 and the posture unit 12 in accordance with the movement of the hand 1. It drives using the admittance control which outputs speed according to it. More precisely, the movement of the motor is controlled so that the difference between the value f ext of the force sensor 22 and the target value f ref is eliminated.
The line from the upper right of the block diagram to the left shows the feeling of the virtual wall 21 when the gripping portion 13 comes to a predetermined position with the virtual wall 21 (the gripping portion 13 collides with the virtual wall 21). It is a block to create and generate vibration in the direction perpendicular to reaction force and reaction force.

<仮想壁21による硬さ感覚の生成>
図4に、実験に用いた硬さ感覚提示装置2Sの外観および仮想壁21の配置を示す。
次に、図4に示すようにして、操作者の手1で把持される把持部13が仮想壁21に衝突した際に、手1に仮想壁21の硬さ感覚を生じさせる流れについて説明する。
<Generation of hardness feeling by virtual wall 21>
FIG. 4 shows the appearance of the hardness sense presentation device 2S used in the experiment and the arrangement of the virtual wall 21. As shown in FIG.
Next, as shown in FIG. 4, when the gripping portion 13 gripped by the hand 1 of the operator collides with the virtual wall 21, a flow for causing the hand 1 to feel the hardness of the virtual wall 21 will be described. .

本制御は、硬さ感覚提示装置2Sの制御装置24(図2参照)によって行われる。   This control is performed by the control device 24 (see FIG. 2) of the hardness sensation presentation device 2S.

図6に、硬さ感覚提示装置2Sの制御のフローチャートを示す。   FIG. 6 shows a flowchart of control of the hardness sense presentation device 2S.

図6の左側のステップS111〜S114が、把持部13が仮想壁21に衝突した際の仮想壁21からの反力生成の流れである。また、図6の右側のステップS121〜S124が、把持部13が仮想壁21に衝突した際の仮想壁21の振動生成の流れである。
当然ながら、ステップS111〜S114の反力の生成とステップS121〜S124の振動の生成とは、把持部13が仮想壁21に衝突したことを起点として行われる。
Steps S111 to S114 on the left side of FIG. 6 are a flow of reaction force generation from the virtual wall 21 when the grip 13 collides with the virtual wall 21. Further, steps S121 to S124 on the right side of FIG. 6 are a flow of generation of vibration of the virtual wall 21 when the grip 13 collides with the virtual wall 21.
As a matter of course, the generation of the reaction force in steps S111 to S114 and the generation of the vibrations in steps S121 to S124 are performed with the gripping portion 13 colliding with the virtual wall 21 as a starting point.

次に、仮想壁21の反力を並進部11と姿勢部12(図1のベース3に相当)のモータ15〜20(図2参照)で作り出すための出力配分を計算する。図5に示す操作者の手1に提示する力frefから各関節の速度目標値qrefまでのフローである(ステップS112)。 Next, the power distribution for producing the reaction force of the virtual wall 21 by the motors 15 to 20 (see FIG. 2) of the translating unit 11 and the posture unit 12 (corresponding to the base 3 in FIG. 1) is calculated. It is a flow from the force f ref presented to the hand 1 of the operator shown in FIG. 5 to the speed target value q ref of each joint (step S112).

次に、図5の細破線部に示すように、並進部11のモータ15、16、17と姿勢部12のモータ18、19、20にモータドライバから電流指令が出力される(ステップS113)。
これにより、並進部11と姿勢部12が稼働し、把持部13から手1に反力fwallが提示される(ステップS113)。こうして、操作者の手1に、把持部13を介して、仮想壁21の反力が付与される(ステップS130)。
Next, as shown by the thin broken line in FIG. 5, a current command is output from the motor driver to the motors 15, 16, 17 of the translating unit 11 and the motors 18, 19, 20 of the posture unit 12 (step S113).
Thereby, the translation part 11 and the posture part 12 operate, and the reaction force f wall is presented to the hand 1 from the grip part 13 (step S113). Thus, the reaction force of the virtual wall 21 is applied to the hand 1 of the operator via the grip 13 (step S130).

そして、式(2)を用いて、衝突速度に比例した振幅Vvcmの矩形波振動を計算する(ステップS121)。ここで、例えば、振幅係数b = 7.0 [Vs/m]、振動周波数fv = 300 [Hz]が用いられる。
続いて、振動の持続時間(提示時間t)が設定され、例えば持続時間(提示時間t)≦10msが設定される(ステップS122)。t≦10 msというのは、仮想壁21の接触後10ms以下であればVCM14を振動させるという意味である。
Then, the square wave vibration of the amplitude V vcm proportional to the collision velocity is calculated using the equation (2) (step S121). Here, for example, an amplitude coefficient b = 7.0 [Vs / m] and an oscillation frequency f v = 300 [Hz] are used.
Subsequently, the duration time of the vibration (presentation time t) is set, and for example, the duration (presentation time t) ≦ 10 ms is set (step S122). The term t ≦ 10 ms means that the VCM 14 is vibrated if it is 10 ms or less after the contact of the virtual wall 21.

続いて、VCM14に電圧指令が出力される(ステップS123)。
これにより、VCM14が駆動され、仮想壁21からの反力に垂直な方向の振動(=Vvcm)が生成される(ステップS123)。こうして、把持部13を把持した手1に仮想壁21の振動が衝突感とともに付与され、両方合わせて仮想壁21の硬さ感覚として表される(ステップS130)。
Subsequently, a voltage command is output to the VCM 14 (step S123).
Thereby, the VCM 14 is driven, and vibration (= V vcm ) in a direction perpendicular to the reaction force from the virtual wall 21 is generated (step S123). Thus, the vibration of the virtual wall 21 is applied to the hand 1 holding the grip 13 together with the collision feeling, and both are combined and expressed as the hardness feeling of the virtual wall 21 (step S130).

<実施形態1の硬さ感覚提示装置Sにおける仮想物体9の反力と硬さ感覚の提示>
次に、図1に示す実施形態1の硬さ感覚提示装置Sにおいて、手1で把持されたスタイラス2が仮想物体9に衝突した際の反力と振動の提示について説明する。
<Representation of Reaction Force and Hardness Sense of Virtual Object 9 in Hardness Sense Display Device S of First Embodiment>
Next, in the hardness sense presentation device S of Embodiment 1 shown in FIG. 1, presentation of a reaction force and vibration when the stylus 2 gripped by the hand 1 collides with the virtual object 9 will be described.

実施形態1の硬さ感覚提示装置Sはインピーダンス制御が行われている。
インピーダンス制御は、スタイラス2、第1・第2アームa1、a2の慣性や各第1・第2・第3関節k1、k2、k3の摩擦が十分に小さいことを前提として、スタイラス2に発生すべき力から、それに対応する各第1・第2関節・第3関節k1、k2、k3のトルクを計算して、該トルクをアクチュエータのベース3に発生させることで反力を手1に提示する。
The hardness sense presentation device S of Embodiment 1 is subjected to impedance control.
The impedance control is generated in the stylus 2 on the premise that the inertia of the stylus 2 and the first and second arms a1 and a2 and the friction of the first, second and third joints k1, k2 and k3 are sufficiently small. The torque of each of the first, second and third joints k1, k2 and k3 corresponding thereto is calculated from the power and the reaction force is presented to the hand 1 by generating the torque on the base 3 of the actuator .

上記構成によれば、反力に垂直な方向に振動する機構を介在体(スタイラス2、把持部13)に追加する。 すなわち、アクティエータのVCM5、14を介在体に搭載する。
従来、介在体を介して仮想物体9や仮想壁21に衝突した際に硬さ感覚を提示するために反力方向に振動を加えるのに対し、本発明は反力に垂直な方向に振動を加える。
According to the above configuration, a mechanism that vibrates in the direction perpendicular to the reaction force is added to the intervening body (the stylus 2 and the gripping portion 13). That is, the VCMs 5 and 14 of the activator are mounted on the intervening body.
In the prior art, the present invention applies vibration in a direction perpendicular to the reaction force, while vibration is applied in the direction of the reaction force to present a sense of hardness when colliding with the virtual object 9 or the virtual wall 21 via an intervening body. Add.

これにより、反力に従属であった、硬さ感覚に影響を及ぼす振動を反力から独立させることができる。つまり、反力と硬さ感覚に影響を及ぼす振動との干渉を取り除くことができる。その結果、反力と硬さ感覚に影響を及ぼす振動の組み合わせを自由にすることができる。
また、硬さ感覚に影響を及ぼす振動が反力に垂直な方向であるため、必要とされる振動を小型のアクティエータ(ボイスコイルモータ、振動モータなど)で発生させることができるようになる。これに伴い、機構部(第一アームa1〜ベース3、並進部11、姿勢部12)で振動を発生させる必要がなくなるため、少なくとも高周波振動の発生が困難なハードウェアにおいては、従来方法よりも硬さ感覚の向上効果は高くなる。
さらに、反力方向の制御が自由になるので、ざらざら感や凹凸感などを追加で作り出せる可能性がある。
従って仮想物体9(仮想壁21)衝突時の硬さ感覚を小さいエネルギで表現できる硬さ感覚提示装置S、2Sを実現できる。
This makes it possible to make the vibration that is dependent on the reaction force and that affects the hardness feel independent of the reaction force. That is, the interference between the reaction force and the vibration that affects the hardness can be removed. As a result, it is possible to free the combination of the reaction force and the vibration that affects the hardness feeling.
Further, since the vibration affecting the hardness feeling is in the direction perpendicular to the reaction force, the required vibration can be generated by a small-sized activator (voice coil motor, vibration motor, etc.). Along with this, it is not necessary to generate vibrations in the mechanical units (the first arm a1 to the base 3, the translation unit 11 and the posture unit 12). The effect of improving hardness feel is high.
Furthermore, since the control of the reaction force direction is free, it may be possible to additionally create a grainy feeling, a rough feeling and the like.
Therefore, hardness sense presentation devices S and 2S can be realized which can express the hardness sense at the time of collision of the virtual object 9 (virtual wall 21) with small energy.

<<その他の実施形態>>
1.実施形態1では、仮想物体9の反力に垂直な方向に振動を発生させて硬さ感覚を提示する構成を説明し、実施形態2では、仮想壁21の反力に垂直な方向に振動を発生させて硬さ感覚を提示する構成を説明したが、反力の垂直な方向に近い方向に振動を発生させて硬さ感覚を提示する構成としてもよい。
或いは、反力に交差する方向に振動を発生させて硬さ感覚を提示してもよい。
この場合、反力方向の振動は反力に挟まれ、皮膚を変形させる、つまり、触覚刺激を発生させるようなる振動にはなりえない。そのため、振動刺激の強さは弱まると考えられるが、反力に垂直な方向の振動成分の刺激の強さの分だけ、硬さ感覚の向上効果が得られる。よって、皮膚の変形に供しうる振動が発生されるのであれば、反力に交差する方向に振動を発生させて硬さ感覚を提示してもよい。
しかしながら、振動は反力に垂直方向とすると反力に影響されず、独立した制御とできるため、振動は反力に垂直方向に近くなるほどより望ましい。
<< Other Embodiments >>
1. In the first embodiment, a configuration is described in which vibration is generated in a direction perpendicular to the reaction force of the virtual object 9 to present a sense of hardness. In the second embodiment, vibration is generated in the direction perpendicular to the reaction force of the virtual wall 21. Although the configuration for generating the hardness sensation is described, the vibration may be generated in the direction close to the vertical direction of the reaction force to present the hardness sensation.
Alternatively, vibration may be generated in a direction intersecting the reaction force to present a sense of hardness.
In this case, the vibration in the reaction force direction is sandwiched by the reaction force and can not be a vibration that deforms the skin, that is, generates a tactile stimulation. Therefore, although the strength of the vibration stimulation is considered to be weakened, an improvement effect of the hardness feeling can be obtained by the strength of the stimulation of the vibration component in the direction perpendicular to the reaction force. Therefore, if vibration that can be used for deformation of the skin is generated, vibration may be generated in the direction intersecting the reaction force to present a sense of hardness.
However, if the vibration is in the direction perpendicular to the reaction force, it is independent of the reaction force and independent control can be made, so it is more desirable that the vibration be closer to the reaction force in the vertical direction.

2.なお、反力をばねダンパモデルではなく、減衰正弦波振動モデルなどに変えても良い。
3.前記したように、振動は矩形波だけではなく、式(3)のような正弦波、式(4)のような三角波、式(5)のようなのこぎり波などでも良い。また、式(2)、式(3)、式(4)、式(5)に示す以外の振動でもよく、振動であれば限定されない。
2. The reaction force may be changed to a damped sine wave vibration model or the like instead of the spring and damper model.
3. As described above, the vibration may be not only a rectangular wave, but also a sine wave as in equation (3), a triangular wave as in equation (4), a sawtooth wave as in equation (5), or the like. The vibration may be any vibration other than that shown in Equation (2), Equation (3), Equation (4), and Equation (5), and is not limited as long as it is a vibration.

4.前記実施形態では、仮想物体9や仮想壁21と衝突する介在体として、スタイラス2、把持部13を例示したが、仮想物体9や仮想壁21と衝突する介在体であれば、その他のものでもよい。手で把持したり、手に付けたり、手に装着するものであれば制限されず、任意である。
5.前記実施形態では、反力を、ばね係数KPとダンパ係数Kdを用いて反力を提示したが、ばね係数KPだけを用いて反力を提示する構成としてもよい。反力の提示法は任意である。
4. In the embodiment described above, the stylus 2 and the holding unit 13 are illustrated as the intervening body that collides with the virtual object 9 and the virtual wall 21, but any other medium that collides with the virtual object 9 and the virtual wall 21 may be used. Good. There is no limitation as long as it is hand-held, hand-mounted or hand-mounted, it is optional.
5. In the above embodiment, the reaction force has been presented a reaction force with the spring coefficient K P and the damper coefficient K d, may be configured to present a reaction force using only spring coefficient K P. The presentation method of reaction force is arbitrary.

6.硬さ感覚を提示する振動を反力とともに提示したが、硬さ感覚を提示する振動だけを提示する構成としてもよい。
7.前記実施形態の制御装置4、24に代えて、遠隔にあって硬さ感覚提示装置Sのスタイラス2や硬さ感覚提示装置2Sの把持部13を制御する構成としてもよい。
6. Although the vibration presenting the sense of hardness is presented together with the reaction force, it may be configured to present only the vibration presenting the sensation of hardness.
7. Instead of the control devices 4 and 24 of the above embodiment, the stylus 2 of the hardness sensation presentation device S and the grip portion 13 of the hardness sensation presentation device 2S may be remotely controlled.

8.前記実施形態1では、スタイラス2に第1・第2アームa1、a2を介してベース3に接続され、前記実施形態1では、把持部13に姿勢部12と並進部11とが連結される構成を示したが、スタイラス2や把持部13はその他の構成の機構部に連結される構成としてもよい。 8. In the first embodiment, the stylus 2 is connected to the base 3 via the first and second arms a1 and a2, and in the first embodiment, the posture unit 12 and the translation unit 11 are connected to the holding unit 13. However, the stylus 2 and the grip 13 may be connected to mechanisms having other configurations.

9.前記実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に記載したものであり、特許請求の範囲に記載の構成であれば、様々な具体的形態、変形形態が可能である。 9. The above embodiments are described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and various specific forms and modifications are possible as long as the configurations described in the claims are included.

本発明の活用例として、VR(バーチャルリアリティ)、遠隔操作システム、内視鏡手術、ゲームコントローラなどの本発明を適用できる分野、構成であれば、幅広く適用できる。   The present invention can be widely applied to any field and configuration to which the present invention can be applied, such as VR (Virtual Reality), remote control system, endoscopic surgery, game controller and the like.

1 手
2 スタイラス(介在体)
3 ベース(機構部)
4、24 制御装置
5 VCM(アクチュエータ)
9 仮想物体(仮想環境の物体)
11 並進部(機構部)
12 姿勢部(機構部
13 把持部(介在体)
21 仮想壁(仮想物体)
wall 反力
vcm 振動
14 VCM(アクチュエータ)
t 提示時間(振動をさせる時間)
S、2S 硬さ感覚提示装置
1 hand 2 stylus (intermediate)
3 Base (mechanical part)
4, 24 Controller 5 VCM (Actuator)
9 Virtual Object (Object in Virtual Environment)
11 Translation part (mechanism part)
12 posture part (mechanism part 13 grip part (intervening body)
21 Virtual Wall (Virtual Object)
f wall reaction force V vcm vibration 14 VCM (actuator)
t Presentation time (time to vibrate)
S, 2S hardness sense presentation device

Claims (10)

手に把持または装着される介在体と、
前記介在体が仮想環境の物体と接触した際に、実環境で前記物体から受けると考えられる衝突感覚を、衝突方向の反力と、前記衝突方向と垂直または略垂直な方向の振動に分けて発生させて前記手に前記物体の硬さ感覚を与えるアクチュエータとを
備えることを特徴とする硬さ感覚提示装置。
An intermediate that is gripped or attached to the hand,
When the intervening body comes in contact with an object in a virtual environment, the sense of collision considered to be received from the object in the real environment is divided into a reaction force in the collision direction and vibration in a direction perpendicular or substantially perpendicular to the collision direction. And an actuator that generates the hardness sensation of the object on the hand.
手に把持または装着される介在体と、
前記介在体が仮想環境の物体と接触した際に、実環境で前記物体から受けると考えられる衝突感覚を、衝突方向の反力と、前記衝突方向と交差する方向の振動とを発生させて前記手に前記物体の硬さ感覚を与えるアクチュエータとを
備えることを特徴とする硬さ感覚提示装置。
An intermediate that is gripped or attached to the hand,
When the intervening body comes into contact with an object in a virtual environment, a collision sense considered to be received from the object in a real environment is generated by generating a reaction force in a collision direction and a vibration in a direction intersecting the collision direction. And an actuator for giving a feeling of hardness of the object to the hand.
請求項1または請求項2に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記介在体が前記仮想物体と接触した際に、前記仮想物体から受けると考えられる反力を前記介在体に与える機構部を備える
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
In the hardness sense presentation device according to claim 1 or 2,
A hardness sense presentation device, comprising: a mechanical unit that applies a reaction force that is considered to be received from the virtual object when the intermediate body contacts the virtual object.
請求項3に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記機構部は、
前記介在体に連結され、前記介在体の姿勢を変化させるとともに、前記介在体に並進運動を行わせる
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
In the hardness sense presentation device according to claim 3,
The mechanism unit is
A hardness sense presentation device, which is connected to the intervening body, changes the posture of the intervening body, and causes the intervening body to perform a translational motion.
請求項1から請求項4のうちの何れか一項に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記介在体が前記仮想物体と接触した際に、前記アクチュエータを振動させて前記仮想物体の硬さ感覚を前記手に与えるように制御する制御装置を備える
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
The hardness sense presentation device according to any one of claims 1 to 4.
A hardness sense presentation device, comprising: a control device that controls the actuator to vibrate to give the hardness sense of the virtual object to the hand when the intervening body contacts the virtual object.
請求項1から請求項5のうちの何れか一項に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記振動をさせる時間は、4msより長く40msより短い
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
In the hardness sense presentation device according to any one of claims 1 to 5,
The hardness sense presentation device characterized in that a time for causing the vibration is longer than 4 ms and shorter than 40 ms.
請求項1から請求項6のうちの何れか一項に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記振動の周波数は、200Hzより高く500Hz未満の周波数である
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
In the hardness sense presentation device according to any one of claims 1 to 6,
The frequency of the vibration is a frequency higher than 200 Hz and lower than 500 Hz.
請求項1から請求項7のうちの何れか一項に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記振動は、2パルス以上である
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
In the hardness sense presentation device according to any one of claims 1 to 7,
The hardness sense presentation device characterized in that the vibration is two or more pulses.
請求項1から請求項8のうちの何れか一項に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記振動は、矩形波である
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
The hardness sense presentation device according to any one of claims 1 to 8.
The hardness sense presentation device characterized in that the vibration is a rectangular wave.
請求項1から請求項9のうちの何れか一項に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記振動は、正弦波または減衰正弦波である
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
In the hardness sense presentation device according to any one of claims 1 to 9,
The hardness sense presentation device, wherein the vibration is a sine wave or a damped sine wave.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023286191A1 (en) * 2021-07-14 2023-01-19 株式会社ソニー・インタラクティブエンタテインメント Information processing apparatus and driving data generation method

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