JP2019530092A - 触覚感覚を改善した少なくとも２自由度を有する触覚インタフェース - Google Patents

Abstract

少なくとも２自由度を有する触覚インタフェースであって、この触覚インタフェースは、−ユーザと相互作用するための少なくとも１つの素子（４）と、−それぞれが軸（Ｘ、Ｙ）に沿って延在する少なくとも２つの受動ブレーキ（６、８）であって、ブレーキ（６、８）それぞれが、ブレーキの軸（Ｘ、Ｙ）回り各別に力をかけることができ、力が制御可能である、少なくとも２つの受動ブレーキと、−ユーザと相互作用するための素子（４）の位置を測定するための測定手段（１４、１６）と、−ユーザと相互作用するための素子（４）にかけた力を検出するための検出手段（１１、１３）と、−ユーザと相互作用するための素子の位置の及びユーザと相互作用するための素子（４）にかけた力の情報に応じてブレーキに命令を送信でき、それにより、受動ブレーキ（６、８）が少なくとも１つの所与の触覚パターンに従って抵抗力を発生させる、制御ユニット（ＵＣ）と、を備える。

Description

本発明は、触覚感覚を改善した少なくとも２自由度を有する触覚インタフェースに関する。

触覚インタフェースは、空調システム及び地理位置情報システムなどの自動車内の様々なデバイスのようなシステムを制御するために使用され得る。触覚インタフェースは、特に、例えば運転中にユーザが注意を、特に視覚的な注意を回りに払わなければならない場合に、興味深い。

触覚インタフェースは、２自由度を有するジョイスティックとも称されるエフェクタを備える。抵抗力は、例えばエフェクタの位置に応じてエフェクタの変位に抗する。エフェクタの位置に応じて抵抗力を調節することによって、ユーザがエフェクタを変位させたときにユーザが感じる触覚パターンを規定することができる。

ユーザと相互作用するエフェクタまたは素子が少なくとも２自由度を提供する触覚インタフェースを創造することが特に求められている。ユーザの触覚感覚を改善するために、求められていることは、例えばエフェクタの面において径方向に従ったまたは円に従ったなど複雑な軌道に従って、良好な案内を提供できること、である。

このように案内することは、１以上の電気モータを備える能動的な触覚インタフェースの場合において実行され得る。実際に、モータは、エフェクタを案内するために力及び／または変位を発生させるために容易に制御され得る。モータを制御することは、１以上の位置センサによって提供された情報を用いてなされる。

しかしながら、このタイプのインタフェースは、全体として、電気モータに起因して一般的に煩雑であり、比較的多くのコストがかかり、ユーザを負傷させ得る力または変位を時機を失して発生させ得るために時々ユーザにとって危険であり得る。さらに、制御を複雑にする安定性の観点から問題を有し得る。

受動的触覚インタフェースは、ブレーキを用いてユーザがかけた力に抗する抵抗力のみを発生させ得る。受動的触覚インタフェースは、例えば、１以上の磁気ブレーキを備え、ブレーキそれぞれは、所定の触覚パターンを規定するために磁界をかけることによって見掛け粘度を調整した磁気粘性流体を備える。

２自由度を有する触覚インタフェースの一例は、例えば、特許文献１に記載されている。この触覚インタフェースは、２つの電磁ブレーキを備え、これら電磁ブレーキそれぞれは、互いに対して垂直に配設されたシャフトを備える。ジョイスティックは、２つのブレーキを平行に組み立てるような方法で、カルダン接続を用いて２つのシャフトに機械的に接続されている。電磁ブレーキは、予め記録された触覚パターンの位置に従って制御される。

受動的触覚インタフェースは、安全でありかつコストを低減したという利点を提供するが、ブレーキの軸に沿ってはいない複雑な軌道であって良好な触覚感覚を提供する複雑な軌道に沿ってエフェクタを案内することを保証できるようにはしない。ブレーキは、測定した位置が案内領域から外れている場合に、ブレーキによって制御される方向のうちの一方及び／または他方に従ってジョイスティックの変位を阻害するように、制御されているが、ユーザは、ユーザ自身をこの位置から係合解除するためにブレーキによって提供される大きさと同じ大きさの力をかけなければならない。さらに、インタフェースによって提供された案内が遅く、エフェクタは、すでに軌道から外れている。

米国特許第７０６１４６６号明細書

その結果、本発明の目的は、少なくとも２自由度を有する触覚インタフェースであって、特に複雑な軌道に沿ってエフェクタを案内するときに、改善した触覚感覚を提供する触覚インタフェースを提供することである。

上述した目的は、少なくとも２自由度を有する触覚インタフェースによって達成され、この触覚インタフェースは、少なくとも２つの受動ブレーキに機械的に接続されたエフェクタと、エフェクタの位置を検出するための手段と、ユーザからの作動意図を検出するための手段であってユーザがエフェクタにかけた力の少なくとも方向を検出する、手段と、を備える。エフェクタの位置及びユーザがかけた力の方向の知識を用いて、制御ユニットは、命令をブレーキに非常に早期に送信し得、それにより、ブレーキは、迅速にまたは別の方法で、抵抗力を発生させ、そのため、この抵抗力は、が所与の軌道に沿ってエフェクタを案内する。

力の方向を検出することにより、変位を検出する前であってユーザの意図を非常に早期に判断することができ、そして、ブレーキをできるだけ早く制御できるようになる。さらに、力の方向を知ることにより、エフェクタが追従する方向を非常に精細に知ることが可能となり、したがって、ブレーキを非常に精細に制御することが可能となる。

本願において、用語「受動ブレーキ」は、ユーザがかけた力に対する抵抗力のみを発生させることができるブレーキを意味する。この力は、外部力なく力または変位を発生させることができない。例えば、磁気粘性、電気粘性、電磁ブレーキなどは、受動ブレーキである。振動を介した能動潤の減少を使用する装置を同様に使用し得、例えば圧電システムを実施する。

非常に有利には、ユーザがエフェクタにかけた力の大きさは、ブレーキによって発生した抵抗力を最もよく調節することができ、より柔軟な案内を提供する。

有利には、ユーザがかけた力を検出するための手段は、エフェクタにまたはエフェクタ内に配設されており、力の正確な測定を提供する。これは、例えば容量センサであり得る。

本発明の主題は、少なくとも２つの自由度を有する触覚インタフェースであり、この触覚インタフェースは、
−ユーザと相互作用するための少なくとも１つの素子と、
−それぞれが軸に沿って延在する少なくとも２つの受動ブレーキであって、ブレーキそれぞれが、ブレーキの軸回りに各別に力をかけることができ、上記力が制御可能である、少なくとも２つの受動ブレーキと、
−ユーザと相互作用するための素子の位置を測定するための測定手段と、
−ユーザと相互作用するための素子にかけた力を検出するための検出手段と、
−ユーザと相互作用するための素子の位置の及びユーザからの作動意図の情報に応じて上記ブレーキに命令を送信でき、それにより、上記受動ブレーキが少なくとも１つの所与の触覚パターンに従って抵抗力を発生させる、制御ユニットと、
を備える。

好ましくは、ユーザと相互作用するための素子へのユーザからの作動意図を検出するための手段は、ユーザとの相互作用のための素子にかけた力を検出する。ユーザと相互作用するための素子へのユーザの作動意図を検出するための手段は、力の強度を測定し得る。

一形態によれば、ユーザからの作動意図を検出するための手段は、ユーザと相互作用するための素子に連結された１以上の力センサを備える。力センサは、ユーザと相互作用するための素子と接触する容量センサであり得、複数の可変容量を備え、可変容量のキャパシタンスは、ユーザと相互作用するための素子にかけた力の少なくとも方向に従って変化する

本発明の別の態様によれば、ユーザと相互作用するための素子へのユーザからの作動意図を検出するための手段は、ブレーキそれぞれにあるセンサを備え、上記センサは、軸それぞれにかけたトルクを検出できる。

例えば、受動ブレーキは、例えば磁性粘性流体など、見掛け粘性が外部刺激に応じて変化する流体と、制御することによって上記外部刺激を発生させるためのシステムと、流体内に配設されかつ流体と相互作用するための素子に機械的に接続された、流体と相互作用するための素子と、を備え得る。

さらなる特徴によれば、ユーザと相互作用するための素子と受動ブレーキとは、カルダン連結体によって機械的に接続されている。

触覚インタフェースは、ユーザと相互作用するための素子を待機位置にする磁気復帰手段を備える。

別の主題は、本発明にかかる触覚インタフェースを制御するための方法であり、制御ユニットがユーザと相互作用するための素子を所与の面の少なくとも一側に沿って案内するための触覚パターンをかけるとき、制御ユニットが、
−ユーザと相互作用するための素子の位置を決定し、
−ユーザと相互作用するための素子にかけた力の少なくとも方向を決定し、
−受動ブレーキに命令を送信し、それにより、発生した抵抗力が、ユーザを面に近付くように促す。

ユーザと相互作用するための素子にかけた力の強度は、有利には、測定され、受動ブレーキがかける抵抗力の強度は、有利には、力の強度に依存する。

ユーザと相互作用するための素子は、面の一側でのみ案内され得、受動ブレーキがかけた抵抗力の強度は、面に関して、ユーザと相互作用するための素子の位置に依存し、それにより、面を横断したときにユーザに触覚感覚を提供し得る。

本発明は、以下の説明及び添付の図面に基づいてより理解される。

本発明にかかる一例の触覚インタフェースを示す概略図である。 本発明によって得られ得る一例のエフェクタの案内を示す図である。 本発明にかかる一実施形態の触覚インタフェースを示す斜視図である。 カルダン接続についての図３Ａの詳細図である。 本発明において実施され得る力検出器が設けられたエフェクタを示す概略図である。 本発明にかかる触覚インタフェースによって得られる案内をグラフを用いて示す図である。 本発明にかかる他の実施形態の２自由度を有する触覚インタフェースを示す概略図である。 本発明にかかる他の実施形態の２自由度を有する触覚インタフェースを示す概略図である。

図１は、本発明にかかる一例の触覚インタフェースを概略的に示す。

触覚インタフェースは、ユーザと相互作用するための素子４、すなわち、フレーム及び少なくとも２つのブレーキ６、８に関節接続されたエフェクタを備える。エフェクタは、少なくとも２自由度を有するようにブレーキ６、８に機械的に接続されている。ブレーキは、軸Ｘ及びＹそれぞれ回りにブレーキトルクをかけることができる。

触覚インタフェースは、同様に、エフェクタの少なくとも１つの位置センサ１４、１６と、ユーザからの作動意図の少なくとも１つのセンサ１１、１３であってユーザがエフェクタにかけた力を検出する少なくとも１つのセンサと、触覚パターンのデータベースＢＤを備えかつブレーキに命令を送信してエフェクタの位置、エフェクタ４にかけた力及び任意で外部情報に基づいて触覚パターンを再生することができる制御ユニットＵＣ、すなわちコントローラと、を備える。ユーザからの作動意図のセンサは、少なくとも力の方向を検出する。

エフェクタの位置及び力の方向を知ることによって、制御ユニットは、エフェクタの有効な案内及びユーザへの良好な触覚感覚を提供し得る。

図２は、エフェクタによって取られ得る様々な方向を示す上面図であり、変位の許容領域は、ＯＫで示されており、変位の禁止領域は、Ｎによって示されている。ユーザがエフェクタにかけた力の方向を知ることにより、制御ユニットは、ブレーキのための命令を生じさせ得、それにより、命令を非常に迅速に送信しかつブレーキからの応答が非常に速い状態で、命令は、所与の方向を阻害し、ユーザは、軸Ｘ及びＹそれぞれでのブレーキの作動／非作動に気づかない。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明にかかる実際の例の２自由度を有する触覚インタフェースを示す。理解することは、この例が本説明の残りで説明されるようには少しも限定されないこと、である。

エフェクタ４は、図示の例において、待機位置においてフレーム２にほぼ垂直な長手方向軸Ｚに沿って延在するジョイスティックの形状を有し、操作者の手で把持することを意図しかつ例えばノブ５が設けられた第１長手方向端部と、ブレーキに機械的に接続された第２長手方向端部と、を備える。ノブは、第２長手方向端部４．２を備えるロッド７に取り付けられている。

図示の例において、ブレーキ６は、軸Ｘに沿って方向付けられており、ブレーキ８は、Ｘ軸に垂直な軸Ｙに沿って方向付けられており、両軸は、軸Ｚに垂直である。軸Ｘ及びＹは、フレームの面に平行な面を画成する。ブレーキ６は、Ｘ軸に沿って延在するシャフト１０（図３Ｂ）を備え、ブレーキ８は、Ｙ軸に沿って延在するシャフト（図示略）を備える。

図示の例において、２つのブレーキ６及び８は、同様の構造を有しており、ブレーキ６のみを詳細に説明する。理解することは、様々な構造を有するブレーキを備える触覚インタフェースが本発明の範囲から逸脱しないこと、である。磁気ブレーキは、コストが比較的低くサイズが小さい一方で、ブレーキトルクが依然として力強く応答時間が早いという利点を有する。

一例のブレーキは、例えば国際公開第２０１６０５０７１７号パンフレットに示される。ブレーキ６は、Ｘ軸回りに回転移動可能でありかつケース内に取り付けられたシャフト１０を備える。シャフト１０は、ジョイスティック４の第２端部４．２に機械的に接続された一端部と、磁界と相互作用する第２端部（図示略）と、を備える。シャフトの第２端部は、例えば、磁気粘性流体が充填されたチャンバ内に配設されたスカートと回転方向で一体化されている。
ブレーキは、同様に、チャンバ内に磁気を発生させるための手段を備えており、それにより、磁気粘性流体の見掛け粘度の調整を引き起こす。粘度が増えると、抵抗トルクは、スカートに及びシャフト１０に、実際にはシャフト１０とジョイスティック４との間の機械接続を介してジョイスティックにかけられる。

図示の例において、インタフェースは、ブレーキ６、８のシャフトの角度位置を測定するための角度位置センサ１４及び１６を備える。これらセンサは、例えば、インクリメンタル光学エンコーダまたは磁気エンコーダなどであり得る。

ユーザからの作動意図のセンサは、ユーザがジョイスティックにかけた力の少なくとも方向を判断し、それにより、ジョイスティックの位置変化を有効に検出する前に、ユーザの意図を特定する。

残りの説明において、簡素化のために意図のセンサを力センサまたはトルクセンサとして示す。

ジョイスティックにかけた力を判断するために、ブレーキ６及び８への軸Ｘ及びＹ回りのトルクを検出できる。

図示の例において、ブレーキ６、８それぞれは、ブレーキ６、８に各別にあるトルクセンサ１１、１３を備える。このようなセンサの例は、国際公開第２０１６０５０７１７で説明されている。このセンサは、検査体(proof body)を備えており、ユーザがかけたトルクによって引き起こされたこの検査体の変形を力センサによって検出する。検査体は、一端部において、インタフェースのフレームによって、他端部において、磁気ブレーキ、例えばケース８に固定され得る。力センサは、力センサのうちブレーキのケースに一体化されている端部において検査体と接触している。

検査体は、円形断面を有する筒状体を備え得る。検査体は、例えば、ＡＢＳのようなプラスティック材料で形成されている。

トルクをブレーキ６のシャフトにかけると、ブレーキは、流体との相互作用において、ブレーキ自体のケースを介して、検査体の捻れによって変形を引き起こし、この流体自体は、シャフトに連結されたスカートと相互作用する。この変形は、力センサによって検出される。

検査体の材料および検査体の幾何形状は、かけた最小トルク及び最大トルクに従って、力センサの感度及び所望の検出閾値に従って、決定され得る。さらに、検査体の変形は、ユーザが感知し得ないようになっている。例えば、数マイクロメートルの検査体の変形は、ユーザが感知できないと考えられる。

あるいは、力をケースでまたは回転シャフトで直接測定でき、このため見、トルクセンサを実装している。

力センサは、例えば、ホイートストーンブリッジの形態で組み込まれたピエゾ抵抗素子を用いて実施されており、これらピエゾ抵抗素子は、約数十ｍＶ／Ｎの感度を可能とし、変形を全負荷で数十マイクロメートルまでに制限するのに十分に高い剛性を有する。あるいは、１以上の力センサは、例えば検査体の変形を検出するために検査体に直接付加した歪ゲージによって形成された１以上の変形センサで置換され得る。

方向Ｘ及びＹ回りでのトルクを知ることによって、ジョイスティックにかけた力を判断できる。

あるいはかつ好ましくは、ジョイスティックへの力を直接検出でき、これにより、ユーザがかけた力より正確な測定値を得ることができる。

エフェクタに直接連結された１以上のセンサ及びブレーキに配設された１以上のトルクセンサは、例えば、ピエゾ抵抗性、圧電性、容量性、磁気性、または光学性であり得る。

好ましくは、センサは、高感度及び高剛性を有しており、そのため、ユーザの感覚を妨げないまたはあまり妨げない。

図４は、エフェクタに機械的に連結された一例の容量センサ３６を示す。Ｆは、エフェクタ４にかけた力を示す。

力センサは、ユーザがエフェクタにかけた力によって変形することを意図したポリマーマトリクスを備える。このために、センサは、エフェクタ４のうちユーザによって操作される上側部分とエフェクタのうち軸７に連結された下側部分との間に位置し得、例えば挟まれ得、それにより、エフェクタとブレーキとの間の相互作用の力を受ける。センサは、例えば四分円形の４つのキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を備える。エフェクタに力をかけると、マトリックスの変形、したがって、キャパシタのうち１以上のキャパシタの変化を引き起こす。容量が変化したキャパシタ及び割合を解析することによって、ユーザがエフェクタにかけた力の方向及び大きさを決定できる。

あるいは、例えばＡＴＩという企業によって開発された、歪ゲージを有する複軸センサを使用し得る。これらセンサは、複数の方向で力を測定するように構成された電子部品に関連付けられたピエゾ抵抗歪ゲージを使用する。Optoforceという企業によって提案されている光学検出に基づいた複軸センサ及びKistlerという企業によって提案された圧電式複軸センサを同様に使用し得る。

２つのブレーキは、ジョイスティック４とシャフトとの間にある機械的接続部１８を介して平行に組み立てられている。これは、当業者に周知のカルダンシステムであり、このシステムの非限定的な例を図３Ａ及び図３Ｂに示す。

図示の例において、ジョイスティック４の端部４．２は、スライド式回動軸２２を用いて部品２０に取り付けられている。シャフト１０は、Ｌ字状の部品２４によって部品２０に接続されており、Ｌ字状のうちの一方の枝部２４．１は、シャフト１０に一体化されており、Ｌ字状のうちの他方の枝部２４．２は、スライド式回動軸２６によって部品２０に関節接続されている。

ブレーキ８のシャフト１０は、２つのＬ字状部品２８、３０を介して部品２０に接続されている。２つのＬ字状部品２８、３０は、スライド式回動接続体３２によってＬの間に関節接続されており、Ｌ字状部品２８は、回転方向でブレーキ８に関節接続されており、Ｌ字状部品３０は、回転方向で部品２０に一体化されている。

インタフェースは、ジョイスティックの面Ｘ及びＹにおける変位を制限するために当接体を備え、図示の例において、当接体は、カルダン連結体の上方においてジョイスティックの周りに配設されたフレーム３３によって形成されている。

有利には、インタフェースは、待機位置、すなわちジョイスティックが軸Ｚと同軸にある位置に復帰させるための復帰手段３４を備える。これら手段は、例えば、フレーム２とカルダン連結体との間に配設された磁石タイプからなる。これは、例えば、軸Ｚと位置合わせされた２つの永久磁石であり、一方は、フレームによって支持され、他方は、カルダンシステムによって支持されており、磁気復帰力をかける。あるいは、バネ復帰システムを使用し得るが、このシステムは、摩擦を生じ得る。

ジョイスティックは、２つの軸Ｘ及びＹ回りに変位され得、ブレーキ６、８は、ジョイスティックの及び／またはユーザからの作動意図の位置に従ってブレーキの軸回りに抵抗トルクをかけることができる。

一方で、ジョイスティックとブレーキとの間の他の関節接続であって少なくとも２自由度を有するインタフェースを創出できる他の関節接続は、本発明の範囲にあり、例えば、Bin Liuによる２００６年の"Development of 2d haptic devices working with magnetorheological fluids. Master's thesis"、または、A. Milecki, P. Bachman及びM. Chciukによる２０１１年の"Control of a small robot by haptic joystick with magnetorheological fluid. Mechatron"で説明されている。

他方で、ブレーキ構造体は、異なり得る。スカートに替えて、例えば、ディスクは、磁気粘性流体と相互作用し得る。さらに、ブレーキは、電気粘性流体成または電磁性であり得る。同様に、超音波潤の原理を使用した超音波アクチュエータを使用することを考慮し得る。このようなアクチュエータは、例えば、振動する圧電セラミックスを使用する。磁気粘性ブレーキや電気粘性ブレーキとは異なり、超音波アクチュエータは、アクチュエータに電流を供給していないときに最大抵抗力を有する。触覚デバイスで使用し得る超音波ブレーキは、例えば、小山辰也、竹村研治郎及び前野隆司による２００７年の"Development of an Ultrasonic Brake"で説明されている。

また、ブレーキの軸は、垂直でなくてもよい。さらに、インタフェースは、２を超えるブレーキを備え得、例えば、インタフェースは、１２０°で３つの軸を備え得、それぞれにブレーキが設けられている。

構造体は、３つの角度方向自由度を有し得る。

さらに、例えばキャプスタンまたはギアを用いた、機械的増幅システムを使用して当たった感覚を補強したりサイズを低減したりし得る。

同様に考慮されることは、エフェクタ４がＺ軸に沿って移動可能であり、３自由度を提供し得ること、である。エフェクタ４は、同様に、軸Ｚ回りに回転制御され得る。

図６Ａ及び図６Ｂは、本発明にかかる他の実施形態の２自由度を有するインタフェースを示す。図３Ａ及び図３Ｂに関して使用した参照符号と同じ参照符号は、図６Ａ及び図６Ｂに関して使用される。

図６Ａにおいて、カルダン接続体の構造体は、図３Ａ及び図３Ｂのインタフェースの構造と同様であるが、ユーザからの作動意図のセンサは、エフェクタ４に連結されており、エフェクタ４にかけた力を直接測定する力センサ３６を備える。

図６Ｂにおいて、２つのブレーキは、カルダン接続体１８’によって直列に組み立てられており、作動意図は、図３Ａ及び図３Ｂのインタフェースのように、ブレーキへのトルクを測定することで得られる。

ここで、インタフェースの動作例を説明する。

ユーザは、ジョイスティックを把持して動かす。１以上の位置センサは、軸Ｘ及びＹ回りのジョイスティックの位置を測定し、１以上の意図センサは、ユーザがジョイスティックにかけた力の少なくとも方向を検出する。情報は、制御ユニットによって処理され、この情報ユニットは、ブレーキに命令を送信してジョイスティックの位置に従って再生される所定の触覚パターンに従って軸Ｘ及びＹ回りの所与の抵抗を生成させる。ジョイスティックの変位速度ベクトル（方向及び大きさ）及び／または加速度ベクトル（方向及び大きさ）を同様に考慮し得、加速度ベクトルは、位置センサによってされた測定から導出することによって得られ得る。

電磁界は、ブレーキに発生し、これにより、磁気粘性流体の粘度を増加させる。

磁気粘性ブレーキ及び電気粘性流体ブレーキは、約数ミリ秒の非常に短い反応時間、及び、十分な抵抗力力学を有する。したがって、これらブレーキは、多様な触覚パターンを生成し得る。

ブレーキは、当たったことを模擬し得、例えば、ユーザが超える権利を有していない限度構造にユーザが達したことをユーザに示し、この限度構造は、例えば矩形状、正弦曲線状、三角形状、可変抵抗器など、様々な頻度及び様々な形状を有する再プログラム可能な段階(notch)を有しており、触覚パターンは、触覚パターンがジョイスティックを所与の方向に案内することを提供するようになり得る。

上述のように、ブレーキを制御することは、ジョイスティックの作動状態に基づいて、すなわちジョイスティックの位置及びユーザがジョイスティックにかけた力の少なくとも方向に基づいて、行われる。制御ユニットは、同様に、速度ベクトルの方向及び大きさ並びに／またはジョイスティックの加速度ベクトルの変位の方向及び大きさ並びに／またはジョイスティックにかけた力の大きさを考慮し得る。

ジョイスティックにかけた力の方向について供給された情報により、ジョイスティックを複雑な軌道に沿って案内することができる。

一例の案内の図解表示を図５に示す。

望ましいことは、例えば、図５において灰色で示す斜めの面Ｐに沿ってジョイスティックが仮想的に当たっていることを実行すること、である。面Ｐの下方に位置する領域ＺＬは、自由である、すなわち、ブレーキの作動がジョイスティックの変位を制限しておらず、面Ｐの上方に位置する領域ＺＣは、制御されている、すなわち、制御ユニットは、ブレーキがジョイスティックに抵抗力をかけるようにブレーキを制御する。

位置センサによって提供された情報により、ジョイスティックの位置を決定することが可能になる。ジョイスティックが自由領域ＺＬにあると、ブレーキを作動させる命令が与えられず、ジョイスティックは、自由に変位され得る。

ジョイスティックが点Ｊにおいて案内面Ｐに位置していると、ユーザがかけた力の方向は、１以上の力センサまたはトルクセンサを用いて判断される。

検出した力が制御領域ＺＣ（図５における灰色領域）の内側での点Ａへの方向における移動を引き起こそうとする方向を有する場合、制御ユニットは、ブレーキ８に命令を送信してＹ軸回りの移動を阻害し、ブレーキ６に命令を送信してＸ軸回りの力を解放する。そして、ユーザは、面Ｐに位置する点Ａ’に合わせるように促される。

検出した力が制御領域ＺＣの内側での点Ｂへの方向における移動を引き起こそうとする方向を有する場合、制御ユニットは、ブレーキ６及び８に命令を送信して軸Ｘ及びＹ回りの移動を阻害する。

検出した力が制御領域ＺＣの内側での点Ｃへの方向における移動を引き起こそうとする方向を有する場合、制御ユニットは、ブレーキ６に命令を送信して軸Ｘ回りの移動を阻害するとともに、ブレーキ８に命令を送信してＹ軸回りの抵抗力を解放し、それにより、ユーザは、点Ｃ’に合わせるように促される。

検出した力が制御領域ＺＣの外側での点Ｄへの方向における移動を引き起こそうとする方向を有する場合、ブレーキ６及び８は、解放される。

非常に有利には、複数の方向のうちの１つまたは他の方向回りの抵抗力の強度は、案内面に対するジョイスティックの位置に依存するように設けられ得る。例えば、ジョイスティックが制御領域により進入すると、より大きな力をブレーキにかけるように設けられ得る。検知した効果は、ユーザが面Ｐを横断してユーザが制御領域に入ったことを伝えるために、自由領域と制御領域との間の「柔軟領域」となり得る。

非常に有利には、１以上の力センサは、ユーザがかけた力の強度を測定する。１以上のブレーキがかけた抵抗は、力の強度に従って調整され、これにより、案内を補助しない当たった感覚や壁に替えて、より柔軟な案内を提供することが可能となる。そして、触覚感覚を著しく改善する。

理解することは、面は、湾曲し得る、例えば、制御領域は、円の内側または外側に位置し得る、ことである。さらに、理解されるべきことは、領域ＺＬが同様に制御領域であり得、エフェクタが面Ｐに沿ってまたは曲線例えば円に沿って案内されること、である。例えば、ジョイスティック４は、所要の触覚パターンに従って、円を形成する閉曲線に沿って軸Ｚ回りに回動するのみ許容されている。他の軌道を考慮し得、方向が様々である直線部分、曲率が様々である曲線、直線部分及び曲線部分など、を組み合わせ得る。

本発明によれば、方向の知識を可能な限り早く使用可能であり、ユーザは、ジョイスティックを変位させる意図を有し、結果として、ブレーキを制御することを可能とする。磁気粘性ブレーキ及び電気粘性ブレーキの迅速な反応時間は、ブレーキの作動に気づいていないユーザに関して、ユーザに気づかれない使用を可能とし、このようなブレーキは、「粘性のある」作用を抑制し、機械的デバイスの感覚であって電気機械ブレーキの感覚ではない間隔を与えることに寄与する。

力を測定することによって、特に、当たったことの触覚パターンまたはフリーホイールをより容易に行うことが可能となり、移動は、ユーザが正確な方向に向けて力をかけると、阻害される。これにより、エフェクタが移動することなくコントローラが作動の決定をすることが可能となり、このため、図２に示すような特定の角度範囲に従って変位を阻害することができる。

さらに、反応性が高いブレーキを使用することによって、エフェクタを非常に細かく案内することを得る。

磁気粘性システムの反応時間は、１０ｍｓ未満、より好ましくは２ｍｓから５ｍｓの間の約数ミリ秒である。

音響潤滑技術を使用するブレーキを用いる場合において、反応時間は、１ｍｓ未満であり得る。例えば、全ループ時間（測定＋作動）は、１０ｍｓ未満であり得る。測定のみを考慮することにより、１ｋＨｚの周波数を選択し得、この周波数は、２つの測定間が１ｍｓであることに対応する。

本発明によれば、エフェクタの効率的な案内を提供し、電気モータを実装した触覚インタフェースとは異なり受動ブレーキを実装することにより、良好な触覚感覚を有し、かつユーザの安全性を保証する触覚インタフェースを提供する。

本発明にかかる触覚インタフェースは、ユーザの視覚的な注意を必要とすることなく計器盤機能及び様々な制御機能を備え付けるために自動車分野で、航空機分野で、遠隔制御分野で、ビデオゲーム分野で、使用され得る。

４ ジョイスティック，エフェクタ，素子、６ 受動ブレーキ、８ 受動ブレーキ，ケース、１１，１３ トルクセンサ，検出手段、１４，１６ 角度位置センサ，測定手段、１８，１８’ 機械的接続部，カルダン連結体，カルダン接続体、２６ スライド式回動軸，手段、３４ 磁気復帰手段、３６ 容量センサ，力センサ、ＵＣ 制御ユニット

Claims (12)

1. 少なくとも２自由度を有する触覚インタフェースであって、
   −ユーザと相互作用するための少なくとも１つの素子（４）と、
   −それぞれが軸（Ｘ、Ｙ）に沿って延在する少なくとも２つの受動ブレーキ（６、８）であって、当該ブレーキ（６、８）それぞれが、当該ブレーキの前記軸（Ｘ、Ｙ）回りに各別に力をかけることができ、前記力が制御可能である、少なくとも２つの受動ブレーキと、
   −ユーザと相互作用するための前記素子（４）の位置を測定するための測定手段（１４、１６）と、
   −ユーザと相互作用するための前記素子（４）へのユーザの作動意図を検出するための手段（１１、１３、２６）と、
   −ユーザと相互作用するための前記素子の位置の及びユーザからの作動意図の情報に応じて前記ブレーキに命令を送信でき、それにより、前記受動ブレーキ（６、８）が少なくとも１つの所与の触覚パターンに従って抵抗力を発生させる、制御ユニット（ＵＣ）と、
   を備えることを特徴とする触覚インタフェース。
2. ユーザとの相互作用のための前記素子（４）へのユーザの作動意図を検出するための前記手段（１１、１３、２６）が、ユーザとの相互作用のための前記素子（４）にかけた力を検出することを特徴とする請求項１に記載の触覚インタフェース。
3. ユーザとの相互作用のために前記素子（４）へのユーザの作動意図を検出するための前記手段（１１、１３、２６）が、力の強度を測定することを特徴とする請求項２に記載の触覚インタフェース。
4. ユーザとの相互作用のために前記素子（４）へのユーザの作動意図を検出するための前記手段（１１、１３、２６）が、ユーザとの相互作用のために前記素子（４）に連結された少なくとも１つの力センサを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の触覚インタフェース。
5. 前記力センサ（３６）が、ユーザとの相互作用のために前記素子（４）と接触する容量センサであり、複数の可変容量を備え、
   前記可変容量のキャパシタンスが、ユーザと相互作用するための前記素子にかけた力の少なくとも方向に従って変化することを特徴とする請求項４に記載の触覚インタフェース。
6. ユーザとの相互作用のために前記素子（４）へのユーザの作動意図を検出するための前記手段が、前記ブレーキそれぞれにあるセンサを備え、
   前記センサそれぞれが、前記軸それぞれ回りにかけたトルクを検出できることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の触覚インタフェース。
7. 前記受動ブレーキ（６、８）が、例えば磁気粘性流体などの見掛け粘性が外部刺激に従って変化する流体と、制御することによって前記流体に前記外部刺激を発生させるためのシステムと、前記流体に配設されかつユーザと相互作用するための前記素子（４）に機械的に接続された、前記流体と相互作用するための素子と、を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の触覚インタフェース。
8. ユーザと相互作用するための前記素子（４）及び前記受動ブレーキ（６、８）が、カルダン連結体（１８、１８’）によって機械的に接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の触覚インタフェース。
9. ユーザと相互作用するための前記素子（４）を待機位置にする磁気復帰手段（３４）を備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の触覚インタフェース。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の触覚インタフェースを制御するための方法であって、
    前記制御ユニット（ＵＣ）がユーザと相互作用するための前記素子（４）を所与の面の少なくとも一側に沿って案内するための触覚パターンをかけるとき、前記制御ユニットが、
    −ユーザと相互作用するための前記素子（４）の位置を決定し、
    −ユーザと相互作用するための前記素子（４）にかけた力の少なくとも方向を決定し、
    −前記受動ブレーキ（６、８）に命令を送信し、それにより、発生した抵抗力が、ユーザを前記面に近付くように促すことを特徴とする方法。
11. ユーザと相互作用するための前記素子（４）にかけた力の強度が、測定され、
    前記受動ブレーキ（６、８）がかける抵抗力の強度が、前記力の強度に依存することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. ユーザと相互作用するための前記素子（４）が、前記面の一側でのみ案内され、
    前記受動ブレーキ（６、８）がかけた前記抵抗力の強度が、前記面に関して、ユーザと相互作用するための前記素子（４）の位置に依存し、それにより、前記面を横断したときにユーザに触覚感覚を提供することを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。

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