JP2019530102A - 仮想現実システムまたは拡張現実システムと相互作用する触覚装置 - Google Patents
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Abstract
仮想現実システムまたは拡張現実システムとの相互作用を行う触覚装置は、手の指に装着されるように構成された固定本体(2)と、固定本体(2)と関連付けられ、モータ手段(7)によって作動される可動本体(3)とを含む。装置は、可動本体(3)と関連付けられた凸状の接触面(5)を有するフラップを含む。可動本体(3)は、接触面(5)が、指先から離れた位置から、指先に接触する位置まで移動するように、固定本体(2)に対して可動である。【選択図】図2
Description
本発明は、仮想現実システムまたは拡張現実システムとの相互作用(interaction、対話)のための触覚装置に関する。
現在、仮想現実システムのユーザは、ジョイスティックおよびそれに類するもののような制御装置、または、ボタンの補助を伴って基本的な手の機能を提供する周辺装置を利用して、仮想環境との相互作用を行っている(対話している)。
触覚のフィードバックがないため、ユーザの体験は、頭部装着式ディスプレイによって提供される視覚フィードバックに限定される。
この場合、ユーザは自身の手/指の仮想表現を見ることができるが、物体の外観におけるグラフィックの変動または変化を介してのみ、仮想環境との相互作用を認識する。
このシステムの主な不利な点は、ユーザが視覚のフィードバックにのみ依存することであり、これはほとんど現実的ではない体験を提供するにすぎない。
周辺装置が触覚のフィードバックを提供できれば、ユーザは、自身の手/指の仮想表現を見ることができるとともに、仮想物体に接触するとき、機械/触覚のフィードバックを得ることができる。この解決方法はユーザ体験を顕著に向上する。
近年、触覚のフィードバックを提供することのできる様々なウエアラブル装置が知られてきた。
米国特許出願第2016/0246370号公報は、一般的な手袋の形状をしたタイプの装置を開示しており、ユーザの指先先端に振動を与えることによって、触覚のフィードバックを提供している。
別のタイプの触覚装置は、指ぬきまたは指輪のような、ユーザの手指を包囲するような形状のウエアラブル装置で構成されている。
仮想現実で使用されるこのようなタイプの触覚装置は、現在、商業的には知られていない。
英国特許出願公開第2499019A号公報は仮想現実システムで使用する触覚装置を開示しており、この装置は指の下部に作用する押さえ部(presser)を有する。
従来技術の装置は、仮想現実システムでの使用においてある制限および問題を有している。
既に知られている装置は、手/指の空間位置の追跡、およびジェスチャー認識の能力に関する性能が限られている。
また、従来の触覚装置は、その装置が適用される仮想現実装置の手の動きを追跡するシステムに、特に適合されていなければならない。
従来技術の装置の別の欠点はその機構、特に、限定された触感および不十分な接触の現実感を提供する振動触覚(vibrotactile、振動検知)型の装置に関して、原因がある。
国際公開WO2006/054163号は、携帯型インターフェース触覚装置を開示している。ここでは、指先に接触する可動で、かつ方向付け可能な表面を介して、触感が指先に伝達される。触覚装置は、実際の表面から得られた仮想表面の形状に従って、ユーザの手指上に触感を伝達する。可動でかつ方向付け可能な表面は平坦であり、仮想表面に対して接線方向を保たねばならない。
本発明の目的は、特に、引用される従来技術の欠点を克服した仮想現実システムまたは拡張現実システムと相互作用(対話)を行うための触覚装置を提供することである。
この目的の範囲において、本発明の意図は、空間追跡およびジェスチャー認識システムに有益なデータを供給することができる装置を提供することである。
この目的の範囲において、本発明の意図は、空間追跡およびジェスチャー認識システムに有益なデータを供給することができる装置を提供することである。
本発明の別の目的は、単純な機構を有すると同時に、従来技術の装置よりも効果的な装置を提供することである。
本発明の重要な目的は、従来技術の触覚装置よりも現実的な触感を確証する装置を提供することである。
本発明の重要な目的は、従来技術の触覚装置よりも現実的な触感を確証する装置を提供することである。
本発明のさらなる目的は、従来技術の触覚装置には必要な、システムに対して装置の存在に適応させるための修正を行うことなく、任意の手の空間追跡システムに使用可能な小型の装置を提供することである。
後により明確になる本願の目的、ならびに、これらおよび他の目的は、仮想現実システムまたは拡張現実システムと相互作用する触覚装置によって実現される。本触覚装置は、手の指に装着されるように構成された固定本体(fixed body)と、固定本体と関連付けられ、モータ手段によって作動される可動本体(movable body)と、前記可動本体と関連付けられ、接触面を有するフラップ(flap、垂れ蓋状部分)を備えている。可動本体は、接触面が、指先から離れた位置から、指先に接触する位置まで移動するように、固定本体に対して可動である。この装置は、前記フラップの前記接触面が凸状であることで特徴づけられる。
付随する図面の非限定的例示として図示された、さらなる特徴および有利点が、本発明の好適な、ただし唯一ではない実施形態の説明からより明らかとなろう。
可動本体3は、固定本体2と関連付けられており、且つ接触面5が提供されているフラップ4を有している。
可動本体3は、フラップ4の接触面5は、図2に示した指先6から離れた位置から、図3に示した指先に接触した位置まで移動するように、固定本体2に対して可動である。
可動本体3の動作は、固定本体2に搭載されたモータ7により実施される。
モータ7は、電気モータまたは圧電性モータである。
固定本体2は、好適にはBluetooth(登録商標)モジュールである無線データ伝送モジュール、加速度計、および装置に電力を供給する電池9を含む制御回路8を備えている。
固定本体2には、固定本体2を指にロックするための手段が提供されており、この手段は特定の事例において、指の周囲を包み込むように構成された一対の湾曲したブラケット10により構成されている。
可動本体3は一対の長手方向バー11(longitudinal bar 11)によって、固定本体2に対して摺動する(slide、スライドする)ことが可能である。この長手方向バー11は、可動本体3に形成され、可動本体2に形成された対応する横方向ガイド12(lateral guide 12)と係合するように構成されている。
可動本体3にはまた、可動本体3を移動するリニアモータ7(linear motor 7)の突起部15を収容する台座14を有する、交差部材13が提供されている。
リニアモータ7の突起部15の動作が、可動本体3を固定本体2に対して長手方向に摺動させる。
フラップ4の接触面5は、湾曲しており、すなわち指先6に対して凸状になっている。
図5から図7は、本発明による装置のさらなる実施形態の図であり、全体に符号101が付されており、中節骨および末節骨で手指に装着するように構成された固定本体102を含んでいる。
可動本体103は、固定本体102と関連付けられており、接触面105が提供されたフラップ104を含む。
可動本体103は、フラップ104の接触面105が、図6に示した指先6から離れた位置から、図7に示した指先に接触する位置まで移動するように、固定本体102に対して移動可能である。
可動本体103の動作は、固定本体102に取り付けられたモータ107によって実施される。
可動本体103はヒンジ117によって固定本体102に可動な状態で連結され、その端部が可動本体103と回転モータ107のシャフトに接続されたクランク119とにそれぞれ接続されたリンク機構118(linkage 118、結合部品)によって作動する。
固定本体102には固定本体102を指にロックする手段が提供されており、この手段は、特定の事例において、指の周囲を包み込むように構成された環状部分110によって構成されている。
フラップ104の接触面105は、湾曲しており、すなわち指先6に対して凸状になっている。
固定本体2、102は指輪または指ぬきのような装置を装着することを可能にし、固定本体2、102は指の上部に接触する。
固定本体2、102は硬質(剛体)であり、ロック手段10、110(locking means)はユーザが一般的な指輪または指ぬきのように装置を指に装着できるようにする。
フラップ4、104は、固定本体2に対して摺動可能な可動本体3によって、または固定本体102に対して軸回転可能な(pivot)可動本体103によって、固定本体2、102に対して移動することができる。
図11から図13は、本発明による装置のさらなる実施形態の図面であり、全体に符号201が付され、中節骨および末節骨で手指に装着するように構成された固定本体202を含んでいる。
可動本体203は、固定本体202に関連付けられており、接触面205が提供されたフラップ204を含む。
可動本体203は、フラップ204の接触面205が、図12に示した指先6から離れた位置から、図13に示した指先に接触する位置まで移動するように、固定本体202に対して移動可能である。
可動本体203の移動は、固定本体202に取り付けられたモータ207によって実施される。
可動本体203はヒンジ217によって固定本体202に可動な状態で連結され、その端部が可動本体203と回転モータ207のシャフトに接続されたクランク219とにそれぞれ接続されたリンク機構218によって作動される。
固定本体202には、固定本体202を指にロックする手段が提供されている。
フラップ204の接触面205は湾曲しており、すなわち指先6に対して凸状となっている。
固定本体2、102、202は指輪または指ぬきのように装置を装着することを可能にし、指の上部に接触する。
固定本体2、102、202は硬質であり、ロック手段10、110は、ユーザが一般的な指輪または指ぬきのように装置を指に装着できるようにする。
フラップ4、104、204は、固定本体2に対して摺動可能な可動本体3によって、または固定本体102、202に対して軸回転する可動本体103、203によって、固定本体2、102、202に対して移動することができる。
固定本体2、102、202に取り付けられた制御回路は、リニアモータ7または回転モータ107、207を制御する。
固定本体2、102、202に取り付けられた制御回路は、リニアモータ7または回転モータ107、207を制御する。
Bluetooth(登録商標)モジュールと電池は、装置の無線動作を可能にする。
リニアモータ7は、可動本体3を摺動させて可動フラップ4を直接作動させる。回転モータ107、207は、リンク機構118、218によって可動本体103、203を回転させて、可動フラップ104、204を作動させる。いずれの場合も、モータは、可動フラップに対してけん引力と押圧力の両方を伝達することが可能である。
装置の追跡は、例えば「LEAP Motion」装置、または赤外反射(HTC)に基づく光学的追跡、または制御回路に一体化された加速度計、または固定本体に取り付けられたLEDの光学追跡のような、手の形状を認識する外部の手追跡システムによって実施可能である。
装置の制御は、固定本体に取り付けられた制御回路によって実施され、当該制御は装置が供給しなければならない触覚信号を合成する。換言すると、装置の制御は、指先6に対するフラップ4、104、204の動作を調整する。
本発明による装置は、触覚のフィードバックを伴うウエアラブルタイプの遠隔制御装置であり、特に、仮想現実環境または拡張現実環境との相互作用を可能にする触覚のフィードバックを提供するように、パーソナルコンピュータ(PC)との相互作用のために研究されている。
本発明による装置は、完全に無線対応であり、仮想現実環境または拡張現実環境との相互作用、および、デスクトップPCの標準的な二次元(2D)の標準的な環境の両方で使用可能である。
具体的には、本発明による装置は、ユーザに対して、ソフトウェアによって再現されるあらゆる仮想的なグラフィック物体上で、指し示す、触る、押す、握る、あるいは滑らせることを可能にする。
装置は、ユーザが指ぬきや指輪のように、一または複数の指に装着可能であり、複数の装置を同時に使用することが可能である。
本装置は完全に無線対応であり、通常のBluetooth(登録商標)接続によりPCに接続可能である。複数の装置を接続すること、すなわち、ユーザの手のそれぞれの指に対して1つの装置、あるいは、複数のユーザの対話のために、複数の装置が同時に接続可能である。
Bluetooth(登録商標)による接続は、装置とPCの間のすべてのデータのやり取りを可能にし、固定本体に搭載された電池によって電源が確保される。
固定本体に取り付けられた加速度計は、例えばジェスチャー認識や手/指の空間追跡のために必要な計算を実施する制御回路にデータを提供する。
加速度計によって収集されたデータは、PC側の更なる処理のために、Bluetooth(登録商標)接続によりPCのソフトウェアとやりとりをすることが可能である。
本発明による装置は、サードパーティによって製造された内部または外部の手追跡システムとの組合せのなかで動作可能である。
PCで使用される本装置は、ユーザが、通常のマウスと同じ機能に触覚による相互作用の追加的な特徴を伴って使用することができる。
仮想現実システムまたは拡張現実システムを装備されたPCとの組み合わせで使用される本装置により、ユーザは、仮想の指または実際の指が仮想物体に触れたとき、実際の三次元物体、または他の仮想要素に触れたという錯覚を体験することができる。この錯覚は凸状の接触面5、105によって、触感を直接指先に提供することによりもたらされる。
使用中、凸状表面5、105は、ユーザの指先に常に触れているわけではなく、仮想物体との接触を再現するために必要なときにのみ、接触が発生する。
触覚のフィードバックは主に機械で動作するタイプであり、凸状接触面5、105、205を指先に押し当てるモータによって提供される。
凸状接触面5、105、205は、指6の接触領域を修正することができ、その接触力は、フィードバック力(feedback force、押し応えの力)として、ゼロから1.5Nの間の区間(interval)でユーザによって知覚されるため、物体に触れるという触覚の錯覚は臨場感がある。
モータの運搬力(movement force、移動力)は、実時間処理(real time)で、PCおよび装置の制御回路によって制御される。
ユーザ体験を特定の仮想場面に適合させるために、触覚のフィードバックの程度および特徴はソフトウェアによって完全にカスタマイズすることができる。
実際の使用において、本発明は意図された目的および目標を実現すること、および、仮想現実システムまたは拡張現実システムと相互作用するために研究された触覚装置が提供され、当該装置は従来技術による装置に対して大幅な機能的有利性をもたらすことが認められた。
本発明による装置で採用された技術的解決策により、本装置は、すべての既知の従来技術装置と明らかに識別される。
本発明の重要で有利な点は、一体化された加速度計の存在と、制御回路の計算能力によるものである。これらは、空間追跡およびジェスチャー認識の両方を実施するために、実時間処理(同時進行)で加速度計によって収集されたデータを処理することを可能にする。
他の有利な点は機械的システムによるものであり、本質的に振動触覚システムに基づく既知のタイプの多くのシステムとは異なり、モータによって直接接触フラップを動かすことを可能にする。
フラップの接触面が凸状の場合、この凸状表面は、フラップが網羅する距離に応じて、点状の領域から指先の全体領域まで、指先の接触領域を調節することができる。この凸状接触面は、平面と比較して、より大きな変位(displacement)/領域比を常に有する。
また、湾曲した凸状表面は触覚の錯覚を増大させ、以下の段落で説明されるように、触感をより現実的にする。
凸状接触面は、接触を発生させている間に、再現する仮想表面に対して平行な接触を位置決めする必要を排除する。この効果は垂直抗力(normal force)の方向に基づいた、表面の向きに関する人間の知覚に基づいている。凸状表面は、ユーザに、定義された形状(geometry)なしに、垂直抗力の場を提供する。これは、脳に仮想的な入力を体験させるとともに、指先の下の垂直抗力の一般的な領域によって条件を満たされる、ある方向の接触を期待させる。(「フィンガーパッド下の接触領域の軌道が与える触覚形状の錯覚、Trajectory of contact region on the fingerpad gives the illusion of haptic shape」−Dostmohamed H1, Hayward V. -DOI: 10.1007/s00221−005−2262−5)
図8は、従来技術による平面の指パッド断面における接触圧の分布を示している。また、図9は、本発明による凸状の接触面の接触圧分布を示している。
凸状表面は、タイプ1の機械的受容器RA1(Meisner)およびSA1(Merkel)が最大限に集中している表皮、すなわち表面薄層に、近接した応力/ひずみ集中を与える。これは、端部(edge)および表面形状の触覚において重要な役割を果たす。この態様は、与えられた力に対する知覚可能な触覚を提供するシステムの性能を強化する。(「低速および高速に適応する機械受容体群によるサルの指紋に刻み込まれた物体の形状と方向の符号化(Encoding of Shape and Orientation of Objects Indented Into the Monkey Fingerpad by Populations of Slowly and Rapidly Adapting Mechanoreceptors)」 - Partap S. Khalsa, Robert M. Friedman, Mandayam A. Srinivasan, Robert H. Lamotte, Journal of Neurophysiology, 3238−3251 http://jn.physiology.org/content/79/6/3238)(The roles and functions of cutaneous mechanoreceptors - Kenneth O. Johnson, DOI: 10.1016/S0959−4388(00)00234−8)
平面と比較した凸状表面の、もう一つの有利な点は、相対的な指の接触領域/接触面の変位に関する。人にとって、0Nから1.5Nの間で指によって適用された力の知覚は、指パッドの接触領域の修正によって行われる(drive)。図10に示されているように、凸状表面は、指の接触領域/接触面の変位の関係について、平面よりも、より小さい接触面の比率を提供する。
図10は、平面、および凸状の触覚インタフェース(R=10mm)の、正規化された指の接触領域/接触面の変位の関係を示している。
これにより、接触領域に関して、接触面の変位を通じた、より精密な制御の実施が可能となる。(「材料特性の知覚(Tactual perception of material properties)」 - Wouter M. Bergmann Tiest - doi: 10.1016/j.visres. 2010.10.005)(「遠隔操作における柔らかさの触覚弁別、接触面積拡大率の役割(Haptic discrimination of softness in teleoperation: the role of the contact area spread rate)」 - A. Bicchi; E.P. Scilingo; D.De Rossi - DOI: 10.1109/70.880800)
本発明による装置は、従来技術の装置と比較して、効果的に、より単純である。なぜなら、接触する前に、接触面に再度方向を設定するための複雑かつかさばるシステムを必要としないからである。
また、本発明の装置が小型化されていることは、装置の擬人化された(anthropomorphic)形状を増強している。
これは、2つの異なる態様に大きく貢献している。
小型かつ擬人化された形状は、装置に、画像認識に基づいた手追跡システムで、存在を意識させない(transparent)。本装置は手追跡システム上で稼働の妨げとならず、また、手を追跡する性能を損なわない。
小型かつ擬人化された形状は、装置の寸法に逆依存(inversely dependent)して、仮想現実または拡張現実において、あたかも本物のような、仮想物体のより良好な感触が可能となる。
本発明の別の有利な点は、サードパーティが製造した手の空間的な追跡用の外部システムで作動する能力によって構成されている。この能力は、本装置が小型であるという事実によるものであり、手の空間的な位置追跡システムは、装置を装着した手をあたかも素手であるかのように認識する。
従って、既存の空間追跡システムを修正する必要がない。
さらに、上記は本装置の用途をさらに広げる。本装置はサードパーティが製造した空間追跡システムの改良から、常に利益を得ることができるからである。
当然のことながら、使用される材料および寸法は、必要条件と最新技術に準ずることができる。
本出願は2016年9月29日に出願されたイタリア国特許出願UA2016A006954(102016000097954に対応)の優先権を主張するものであり、その発明の主題が参照によりここに組み込まれる。
Claims (8)
- 触覚装置であって、特に仮想現実システムまたは拡張現実システムと相互作用を行う触覚装置において、手の指に装着されるように構成された固定本体(2、102、202)と、前記固定本体(2、102)と関連付けられておりモータ手段(7、107,207)によって作動する可動本体(3、103、203)と、前記可動本体(3、103、203)と関連付けられており接触面(5、105、205)を有するフラップ(4、104、204)と、を備えており、前記可動本体(3、103、203)は、前記接触面(5、105、205)が指先から離れた位置から前記指先に接触する位置まで移動するように前記固定本体(2、102、202)に対して可動であり、前記装置は、前記フラップ(4、104、204)の前記接触面(5、105、205)が凸状であることを特徴とする触覚装置。
- 前記固定本体(2、102、202)は、中節骨および末節骨で前記手の指に装着するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記モータ手段が前記固定本体(2、102、202)に取り付けられた電気モータまたは圧電性モータ(7、107,207)であり、前記固定本体(2、102、202)が、制御回路(8)、無線データ伝送モジュール、加速度計、および電池(9)を有していることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記可動本体(3)が、前記固定本体(2)に対して摺動することができ、
前記モータ手段が、前記固定本体(2)に取り付けられており且つ前記可動本体(3)に直接作用する電気リニアモータまたは圧電性リニアモータ(7)を備えていることを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記可動本体(3)が、前記可動本体(2)に形成された対応する横方向ガイド(12)を係合するように構成された一対の長手方向バー(11)を備えており、前記可動本体(3)が、前記リニアモータ(7)の可動部分と関連付けられた突起部(15)を収容するように構成された台座(14)を有する交差部材(13)を備えており、前記突起部(15)の動作が、前記可動本体(3)を前記固定本体(2)に対して長手方向に摺動させることを特徴とする請求項4に記載の装置。
- 前記可動本体(103、203)が、ヒンジ(117、217)によって前記固定本体(102、202)に可動な状態で連結されており、リンク機構(118、218)によって作動しており、前記リンク機構(118、218)が、前記可動本体(103、203)、および前記固定本体(102、202)に関連付けられた回転モータ(107、207)のシャフトに接続されたクランク(119、219)にそれぞれ接続された2つの端部を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記加速度計および前記制御回路(8)は前記指の空間追跡を実施することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記装置は、前記固定本体(2、102、202)に取り付けられており、前記指の光学追跡を可能にするLEDを備えることを特徴とする請求項1に記載の装置。
Applications Claiming Priority (3)
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