JP2020009006A - 擬似力覚呈示装置 - Google Patents
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Abstract
Description
[第1実施形態]
まず第1実施形態を説明する。
<構成>
図1に例示するように、本実施形態の擬似力覚呈示装置1は、距離計測部11、位置・姿勢計測部12、演算部13、制御部14、力覚呈示機構15、およびケース16を有する。
図3Aおよび図3Bに例示するように、非対称運動部152−i(振動子、アクチュエータ)は、例えば、支持部1521−i、ばね1522−i,1523−i、コイル1524−i、永久磁石1525−i、およびケース1526−iを有している。ケース1526−iおよび支持部1521−iは、ともに円筒の両方の開放端を閉じた形状からなる中空の部材である。ただし、支持部1521−iは、ケース1526−iよりも小さく、ケース1526−iの内部に収容可能な大きさである。ケース1526−iおよび支持部1521−iは、例えば、ABS樹脂等の合成樹脂から構成される。ばね1522−i,1523−iは、例えば、金属等から構成されるつるまきばねや板ばね等である。ばね1522−i,1523−iのばね定数は同一であることが望ましいが、互いに相違していてもよい。永久磁石1525−iは、例えば、円柱形状の永久磁石であり、長手方向の一方の端部1525a−i側がN極であり、他方の端部1525b−i側がS極である。コイル1524−iは、例えば、一つながりのエナメル線であり、第1巻き部1524a−iと第2巻き部1524b−iとを有する。
次に、第1実施形態の擬似力覚呈示装置1の動作を説明する。
図4Aおよび図4Bに例示するように、利用者100は擬似力覚呈示装置1のケース16の外側を把持する。距離計測部11は、擬似力覚呈示装置1から外界対象物101(例えば、壁、床、設置物、障害物、人間など)までのy軸方向の距離を計測し、その計測結果を表す物理量P1(例えば、計測距離)(第1物理量)を得て出力する。位置・姿勢計測部12は、擬似力覚呈示装置1自体の動きおよび姿勢の少なくとも一方を計測し、当該動きを表す物理量P2(例えば、位置、速度、加速度)(第2物理量)および当該姿勢を表す物理量P3(例えば、向き、角速度、角加速度)(第3物理量)の少なくとも一方を得て出力する。
具体例1−1は、力覚呈示機構15が物理量P1(外界対象物101から当該擬似力覚呈示装置1までのy方向の距離を計測して得られた物理量P1)に応じた非対称運動を行い、当該非対称運動に基づいた擬似的な力覚(物理量P1に応じた擬似的な力覚)を呈示する例である。この例の場合、距離計測部11が擬似力覚呈示装置1から外界対象物101までのy軸方向の距離Lを計測し(図5Aおよび図5B)、その計測結果を表す物理量P1=Lが演算部13に入力される。演算部13は、以下のような擬似的な力覚Fypを認知させるための制御信号CSを生成して出力する。
Fyp=kyp(L−Le) for 0≦L<Lmax (1)
Fyp=Fyp max for L≧Lmax (2)
ただし、kypは正のゲイン定数である。Leは予め定められた正の基準距離である。擬似的な力覚Fypの向きはy軸方向である。擬似力覚呈示装置1から外界対象物101に向かう方向の擬似的な力覚Fypを正値で表し、逆に外界対象物101から擬似力覚呈示装置1に向かう方向の擬似的な力覚Fypを負値で表す。Fyp maxはFypの最大値を表す。前述のように、擬似的な力覚の向きおよび大きさは、駆動信号DSの駆動周波数、反転比、ピーク値などによって制御できるため(例えば、特許文献2,3等参照)、所望の擬似的な力覚Fypに対応する駆動信号DSを特定でき、その駆動信号DSに対応する制御信号CSも計算できる。例えば、所望の擬似的な力覚Fypを目標値としたシミュレーションを行い、この擬似的な力覚Fypを提示するための制御信号CSを設定すればよい。このような制御信号CSに対応する駆動信号DSが力覚呈示機構15に供給されると、利用者100は次のような擬似的な力覚を認知する。すなわち、外界対象物101から擬似力覚呈示装置1までの距離Lが基準距離Le以下になった場合、利用者100は、擬似力覚呈示装置1と外界対象物101との間の距離Lが小さくなるほど大きな力で外界対象物101側から押し返されるような擬似的な力覚を認知する。一方、外界対象物101から擬似力覚呈示装置1までの距離Lが基準距離Leを超えると、利用者100は、擬似力覚呈示装置1が最大の力Fyp maxで外界対象物101側へ引き戻されるような擬似的な力覚を認知する。これにより、擬似力覚呈示装置1が外界対象物101から基準距離Leだけ離れた位置に配置されるように、利用者100が誘導される。
具体例1−2も、力覚呈示機構15が物理量P1=Lに応じた非対称運動を行い、当該非対称運動に基づいた擬似的な力覚を呈示する例である。この例の場合も物理量P1=Lが演算部13に入力される。演算部13は、以下のような擬似的な力覚Fypを認知させるための制御信号CSを生成して出力する。
Fyp=kyp(L−Le) for 0≦L<Le (3)
Fyp=0 for L≧Le (4)
このような制御信号CSに対応する駆動信号DSが力覚呈示機構15に供給されると、利用者100は次のような擬似的な力覚を認知する。すなわち、外界対象物101から擬似力覚呈示装置1までの距離Lが基準距離Le以下になった場合、利用者100は、擬似力覚呈示装置1から外界対象物101までの距離Lが小さいほど大きな力で外界対象物101側から押し返されるような擬似的な力覚を認知する。一方、外界対象物101から擬似力覚呈示装置1までの距離Lが基準距離Leを超えると、利用者100は擬似的な力覚を認知しない。これにより、外界対象物101から擬似力覚呈示装置1までの距離Lが基準距離Le以下となったことを、利用者100に認知させることができる。
具体例2−1は、力覚呈示機構15が物理量P1=Lの時間変化dL/dtに応じた非対称運動を行い、当該非対称運動に基づいた擬似的な力覚(物理量P1=Lの時間変化dL/dtに応じた擬似的な力覚)を呈示する例である。この例の場合も物理量P1=Lが演算部13に入力される。演算部13は、以下のような擬似的な力覚Fyvを認知させるための制御信号CSを生成して出力する。
Fyv=kyv(dL/dt) (5)
ただし、kyvは正のゲイン定数である。擬似的な力覚Fyvの向きはy軸方向である。擬似力覚呈示装置1から外界対象物101に向かう方向の擬似的な力覚Fyvを正値で表し、逆に外界対象物101から擬似力覚呈示装置1に向かう方向の擬似的な力覚Fyvを負値で表す。tは時間を表す。dL/dtはLのtについての時間微分値(すなわち、距離Lの時間変化)である。なお、時間微分値は例えば差分法を用いて計算できる。このような制御信号CSに対応する駆動信号DSが力覚呈示機構15に供給されると、利用者100は次のような擬似的な力覚を認知する。すなわち、外界対象物101から擬似力覚呈示装置1までの距離Lが小さくなる方向に変化する場合、利用者100は、その距離Lの時間変化dL/dtの絶対値が大きいほど大きな力で外界対象物101側から押し返されるような擬似的な力覚を認知する。一方、外界対象物101から擬似力覚呈示装置1までの距離Lが大きくなる方向に変化する場合、利用者100は、その距離Lの時間変化dL/dtの絶対値が大きいほど大きな力で外界対象物101側へ引き戻されるような擬似的な力覚を認知する。
具体例2−2も、力覚呈示機構15が物理量P1=Lの時間変化に応じた非対称運動を行い、当該非対称運動に基づいた擬似的な力覚(物理量P1=Lの時間変化に応じた擬似的な力覚)を呈示する例である。ただし、擬似力覚呈示装置1のy軸方向の動きが小さい場合にのみ擬似的な力覚を呈示する。この例の場合、距離計測部11が擬似力覚呈示装置1から外界対象物101までのy軸方向の距離Lを計測し、位置・姿勢計測部12が擬似力覚呈示装置1のy軸上の速度を特定するための物理量P2(例えば、擬似力覚呈示装置1のy軸上の位置、速度、または、加速度)を計測し、物理量P1=Lおよび物理量P2が演算部13に入力される。演算部13は、以下のような擬似的な力覚Fyvを認知させるための制御信号CSを生成して出力する。
Fyv=kyv(dL/dt) for abs(dy/dt)≦y’s (6)
Fyv=0 for abs(dy/dt)>y’s (7)
ただし、dy/dtは擬似力覚呈示装置1のy軸の位置yのtついての時間微分値(すなわち、擬似力覚呈示装置1のy軸方向の移動速度)である。abs(α)はαの絶対値を表す。y’sは予め定められた正の閾値を表す。擬似的な力覚Fyvの向きはy軸方向である。擬似力覚呈示装置1から外界対象物101に向かう方向の擬似的な力覚Fyvを正値で表し、逆に外界対象物101から擬似力覚呈示装置1に向かう方向の擬似的な力覚Fyvを負値で表す。このような制御信号CSに対応する駆動信号DSが力覚呈示機構15に供給されると、利用者100は次のような擬似的な力覚を認知する。すなわち、擬似力覚呈示装置1のy軸方向の移動速度dy/dtの絶対値がy’s以下である場合、利用者100は具体例2−1と同じ疑似的な力覚を認知する。一方、擬似力覚呈示装置1のy軸方向の移動速度dy/dtの絶対値がy’sを越えた場合、利用者100は擬似的な力覚を認知しない。
具体例3−1は、力覚呈示機構15が物理量P1=Lの時間変化dL/dt、および、擬似力覚呈示装置1のx軸方向の位置の時間変化dx/dtに応じた非対称運動を行い、当該非対称運動に基づいた擬似的な力覚(物理量P1=Lの時間変化dL/dtおよび擬似力覚呈示装置1のx軸方向の位置の時間変化dx/dtに応じた擬似的な力覚)を呈示する例である。この例の場合、距離計測部11が擬似力覚呈示装置1から外界対象物101までのy軸方向の距離Lを計測し、位置・姿勢計測部12が擬似力覚呈示装置1のx軸上の移動速度を特定するための物理量P2(例えば、擬似力覚呈示装置1のx軸上の位置、速度、または、加速度)を計測し、物理量P1=Lおよび物理量P2が演算部13に入力される。演算部13は、以下のような擬似的な力覚Fxvを認知させるための制御信号CSを生成して出力する。
ただし、kxvは正のゲイン定数である。擬似的な力覚Fxvの向きはx軸方向である。dx/dtは擬似力覚呈示装置1のx軸の位置xのtついての時間微分値(すなわち、擬似力覚呈示装置1のx軸方向の移動速度)である。擬似的な力覚Fxvの向きはx軸方向である。図5Aおよび図5Bにおける右方向の擬似的な力覚Fxvを正値で表し、左方向の擬似的な力覚Fxvを負値で表す。このような制御信号CSに対応する駆動信号DSが力覚呈示機構15に供給されると、利用者100は次のような擬似的な力覚を認知する。dL/dtおよびdx/dtが共に正であるか負である場合、利用者100はx軸の値が大きくなる方向(右方向)に擬似的な力覚を知覚する。dL/dtおよびdx/dtの何れかが負である場合、利用者100はx軸の値が小さくなる方向(左方向)に擬似的な力覚を知覚する。なお、いずれの方向の擬似的な力覚もdL/dtの絶対値が大きいほど大きく、dx/dtの絶対値が大きいほど大きい。これにより、擬似力覚呈示装置1をx軸方向に速く移動させるほど擬似的な力覚の大きさも大きくなり、Lの時間変化が大きいほど擬似的な力覚の大きさも大きくなる。
具体例3−2は、具体例3−1で説明した擬似力覚呈示装置1のx軸方向の位置の時間変化dx/dtを、擬似力覚呈示装置1のz軸周りの角速度Θzの時間変化dΘz/dtで近似するものである。すなわち、具体例3−2は、力覚呈示機構15が物理量P1=Lの時間変化dL/dt、および、擬似力覚呈示装置1のz軸周りの角速度Θzの時間変化dΘz/dtに応じた非対称運動を行い、当該非対称運動に基づいた擬似的な力覚(物理量P1=Lの時間変化dL/dtおよび擬似力覚呈示装置1のz軸周りの角速度の時間変化dΘz/dtに応じた擬似的な力覚)を呈示する例である。軸方向の位置の時間変化dx/dtを得るためにはカルマンフィルタ等を用いた複雑な計算が必要となるが、角速度の時間変化dΘz/dtはジャイロセンサ等の簡易なセンサを位置・姿勢計測部12として用いることで容易に計算できる。よって、具体例3−2は具体例3−1に比べ、擬似力覚呈示装置1の構成を簡易にできる。この例の場合、距離計測部11が擬似力覚呈示装置1から外界対象物101までのy軸方向の距離Lを計測し、位置・姿勢計測部12が擬似力覚呈示装置1のz軸周りの角速度の時間変化dΘz/dtを特定するための物理量P2(例えば、擬似力覚呈示装置1のx軸上の位置、速度、または、加速度)を計測し、物理量P1=Lおよび物理量P2が演算部13に入力される。演算部13は、以下のような擬似的な力覚Fxvを認知させるための制御信号CSを生成して出力する。
ただし、図5Aおよび図5Bに例示するように、z軸周りの角速度Θzはz軸方向(図5Aおよび図5Bの奥から手前に向かう方向)で見たときの時計回り(図5Aおよび図5Bにおける反時計回り)の方向を正方向とする。
具体例3−3は、力覚呈示機構15が物理量P1=Lの時間変化dL/dtの絶対値、および、擬似力覚呈示装置1のx軸方向の位置の時間変化dx/dtに応じた非対称運動を行い、当該非対称運動に基づいた擬似的な力覚(物理量P1=Lの時間変化dL/dtの絶対値および擬似力覚呈示装置1のx軸方向の位置の時間変化dx/dtに応じた擬似的な力覚)を呈示する例である。この例の場合、距離計測部11が擬似力覚呈示装置1から外界対象物101までのy軸方向の距離Lを計測し、位置・姿勢計測部12が擬似力覚呈示装置1のx軸上の移動速度を特定するための物理量P2(例えば、擬似力覚呈示装置1のx軸上の位置、速度、または、加速度)を計測し、物理量P1=Lおよび物理量P2が演算部13に入力される。演算部13は、以下のような擬似的な力覚Fxvを認知させるための制御信号CSを生成して出力する。
このような制御信号CSに対応する駆動信号DSが力覚呈示機構15に供給されると、利用者100は次のような擬似的な力覚を認知する。dx/dtが正であるか負である場合、利用者100はx軸の値が大きくなる方向(右方向)に擬似的な力覚を知覚する。dx/dtが負である場合、利用者100はx軸の値が小さくなる方向(左方向)に擬似的な力覚を知覚する。なお、いずれの方向の擬似的な力覚もdL/dtの絶対値が大きいほど大きく、dx/dtの絶対値が大きいほど大きい。これにより、擬似力覚呈示装置1をx軸方向に速く移動させるほど擬似的な力覚の大きさも大きくなり、Lの時間変化が大きいほど擬似的な力覚の大きさも大きくなる。
具体例3−4は、具体例3−3で説明した擬似力覚呈示装置1のx軸方向の位置の時間変化dx/dtを、擬似力覚呈示装置1のz軸周りの角速度Θzの時間変化dΘz/dtで近似するものである。この例の場合、距離計測部11が擬似力覚呈示装置1から外界対象物101までのy軸方向の距離Lを計測し、位置・姿勢計測部12が擬似力覚呈示装置1のz軸周りの角速度の時間変化dΘz/dtを特定するための物理量P2を計測し、物理量P1=Lおよび物理量P2が演算部13に入力される。演算部13は、以下のような擬似的な力覚Fxvを認知させるための制御信号CSを生成して出力する。
上述した擬似的な力覚Fyp,Fyvの成分を合成したものをy軸方向に呈示し、擬似的な力覚Fxvをx軸方向に呈示してもよい。例えば、演算部13が、以下のような擬似的な力覚FyおよびFxを認知させるための制御信号CSを生成して出力してもよい。
Fy=Fyp+Fyv (12)
Fx=Fxv (13)
ただし、擬似的な力覚Fyの向きはy軸方向である。擬似力覚呈示装置1から外界対象物101に向かう方向の擬似的な力覚Fyを正値で表し、逆に外界対象物101から擬似力覚呈示装置1に向かう方向の擬似的な力覚Fyを負値で表す。擬似的な力覚Fxの向きはx軸方向である。図5Aおよび図5Bにおける右方向の擬似的な力覚Fxを正値で表し、左方向の擬似的な力覚Fxを負値で表す。
具体例4−1においてFy=Fypとしてもよいし、Fy=Fyvとしてもよい。
飽和特性等を考慮し、演算部13が、具体例4の擬似的な力覚FyおよびFxを非線形変換した擬似的な力覚をF’yおよびF’xを認知させるための制御信号CSを生成して出力してもよい。例えば、演算部13が、以下のようなFyおよびFxのシグモイド関数値である擬似的な力覚F’yおよびF’xを認知させるための制御信号CSを生成して出力してもよい。
ただし、kgy1,kgy2,kgx1,kgx2は正のゲイン定数である。exp(α)はαの指数関数値である。擬似的な力覚Fyの向きはy軸方向である。擬似力覚呈示装置1から外界対象物101に向かう方向の擬似的な力覚F’yを正値で表し、逆に外界対象物101から擬似力覚呈示装置1に向かう方向の擬似的な力覚F’yを負値で表す。擬似的な力覚F’xの向きはx軸方向である。図5Aおよび図5Bにおける右方向の擬似的な力覚F’xを正値で表し、左方向の擬似的な力覚F’xを負値で表す。これにより、呈示される疑似的な力覚を知覚のダイナミックレンジと整合させることができる。
演算部13が、以下のようなFyの区分線形関数値で表される疑似的な力覚F’yを認知させるための制御信号CSを生成して出力してもよい。
F'y=Fy for −Fy max<Fy<Fy max (14)
F'y=Fy max for Fy max≦Fy (15)
F'y=−Fy max for −Fy max≧Fy (16)
ただし、Fy maxは疑似的な力覚Fyの最大値である。
具体例5−1,5−2においてFy=Fypとしてもよいし、Fy=Fyvとしてもよい。
外界対象物101と擬似力覚呈示装置1との位置関係と擬似力覚呈示装置1が呈示する擬似的な力覚との関係を例示する。図6Aから図9Bは、擬似力覚呈示装置1がy軸方向に式(5)の擬似的な力覚Fy=Fyvを呈示し、x軸方向に式(8)の擬似的な力覚Fx=Fxvを呈示する場合の例である。図6A,図7A,図8A,図9Aにおける1から8の数字はx−y平面における方向を表す。図6B,図7B,図8B,図9Bは、それぞれ、擬似力覚呈示装置1および壁である外界対象物101が図6B,図7B,図8B,図9Bの位置関係にあるときに、上述の1から8の数字で示されたx−y平面における方向に擬似力覚呈示装置1が単位速度で平行移動する場合に、擬似力覚呈示装置1が呈示する擬似的な力覚FyおよびFxの合成をベクトル表示したものである。外界対象物101は静止している。各ベクトルには対応する擬似力覚呈示装置1の移動方向を表す数字を付している。これらの図に示すように、外界対象物101までの距離Lが長くなる方向へ擬似力覚呈示装置1が移動する場合(図6Aの5,6,7の方向、図7Aの6,7,8の方向、図8Aの1,6,7,8の方向、図9Aの1,7,8の方向)、擬似力覚呈示装置1は移動方向のy軸成分の反対向きの成分および移動方向のx軸方向成分(図6Bの5,6,7の方向成分、図7Bの6,7,8の方向成分、図8Bの1,6,7,8の方向成分、図9Bの1,7,8の方向成分)を持つ擬似的な力覚を呈示する。一方、外界対象物101までの距離Lが短くなる方向へ擬似力覚呈示装置1が移動する場合(図6Aの1,2,3の方向、図7Aの2,3,4の方向、図8Aの2,3,4,5の方向、図9Aの3,4,5の方向)、擬似力覚呈示装置1は移動方向のy軸成分の反対向きの成分および移動方向のx軸方向成分の反対向きの成分(図6Bの1,2,3の方向成分、図7Bの2,3,4の方向成分、図8Bの2,3,4,5の方向成分、図9Bの3,4,5の方向成分)を持つ擬似的な力覚を呈示する。図6Aの4,8で示された方向、図7Aの1,5で示された方向、図9Aの2,6で示された方向に擬似力覚呈示装置1が移動する場合には、擬似的な力覚は呈示されない。
図10Aから図13Bは、擬似力覚呈示装置1がy軸方向に式(5)の擬似的な力覚Fy=Fyvを呈示し、x軸方向に式(10)の擬似的な力覚Fx=Fxvを呈示する場合の例である。図10A,図11A,図12A,図13Aにおける1から8の数字はx−y平面における方向を表す。図10B,図11B,図12B,図13Bは、それぞれ、擬似力覚呈示装置1および壁である外界対象物101が図10B,図11B,図12B,図13Bの位置関係にあるときに、上述の1から8の数字で示されたx−y平面における方向に擬似力覚呈示装置1が単位速度で平行移動する場合に、擬似力覚呈示装置1が呈示する擬似的な力覚FyおよびFxの合成をベクトル表示したものである。外界対象物101は静止している。各ベクトルには対応する擬似力覚呈示装置1の移動方向を表す数字を付している。これらの例では、擬似力覚呈示装置1の移動方向にかかわらず、擬似力覚呈示装置1は移動方向のy軸成分の反対向きの成分および移動方向のx軸方向成分を持つ擬似的な力覚を呈示する。図10Aの4,8で示された方向、図11Aの1,5で示された方向、図13Aの2,6で示された方向に擬似力覚呈示装置1が移動する場合には、擬似的な力覚は呈示されない。
外界対象物101の形状と擬似力覚呈示装置1が呈示する擬似的な力覚との関係を例示する。図14Aから図16Dは、擬似力覚呈示装置1がy軸方向に式(5)の擬似的な力覚Fy=Fyvを呈示し、x軸方向に式(8)の擬似的な力覚Fx=Fxvを呈示する場合の例である。図14Bから図14Dは、図14Aのように断面形状が矩形型のくぼみ(y軸方向のくぼみ)を持つ外界対象物101に対し、擬似力覚呈示装置1をx軸方向に秒速0.25m/sで移動させた場合における、時間[s]と、擬似力覚呈示装置1から外界対象物101までの距離L[m]、擬似的な力覚Fx、および擬似的な力覚Fyとの関係をそれぞれ例示している。断面形状が矩形型のくぼみを持つ外界対象物101の場合、擬似力覚呈示装置1がくぼみに差し掛かったところで、擬似力覚呈示装置1が外界対象物101に引き寄せられるような擬似的な力覚Fx,Fyが呈示される(FxおよびFyが共に正)。これにより、利用者100は、擬似力覚呈示装置1が外界対象物101のくぼみにy軸方向に落ち込み、さらにx軸方向に加速するような感覚が得られる。これは手で外界対象物101をなぞる際の感覚に似ている。擬似力覚呈示装置1がくぼみに対向している時点では擬似的な力覚Fx,Fyは0である。その後、擬似力覚呈示装置1がくぼみの終わりに差し掛かったところで、擬似力覚呈示装置1が外界対象物101から押し出され、かつ、擬似力覚呈示装置1の進行方向の逆向きに押されるような擬似的な力覚が呈示される(FxおよびFyが共に負)。これにより、利用者100は、擬似力覚呈示装置1が外界対象物101のくぼみの終端でx軸方向に減速し、y軸方向に押し戻されるような感覚が得られる。これも手で外界対象物101をなぞる際の感覚に似ている。図15Bから図15Dは、図15Aのように断面形状が楔形のくぼみ(y軸方向のくぼみ)を持つ外界対象物101に対し、擬似力覚呈示装置1をx軸方向に秒速0.25m/sで移動させた場合における、時間[s]と、擬似力覚呈示装置1から外界対象物101までの距離L[m]、擬似的な力覚Fx、および擬似的な力覚Fyとの関係をそれぞれ例示している。断面形状が楔形のくぼみを持つ外界対象物101の場合、擬似力覚呈示装置1がくぼみに差し掛かってからくぼみの最も深い部分に対向する位置に達するまで、正の擬似的な力覚Fx,Fyが継続的に呈示される。その後、擬似力覚呈示装置1がくぼみの終わりに達するまで、負の擬似的な力覚Fx,Fyが継続的に呈示される。図16Bから図16Dは、図16Aのように断面形状が半円型のくぼみ(y軸方向のくぼみ)を持つ外界対象物101に対し、擬似力覚呈示装置1をx軸方向に秒速0.25m/sで移動させた場合における、時間[s]と、擬似力覚呈示装置1から外界対象物101までの距離L[m]、擬似的な力覚Fx、および擬似的な力覚Fyとの関係をそれぞれ例示している。断面形状が半円型のくぼみを持つ外界対象物101の場合、擬似力覚呈示装置1がくぼみに差し掛かってからくぼみの最も深い部分に対向する位置に達するまで、正の擬似的な力覚Fx,Fyが継続的に呈示される。その後、擬似力覚呈示装置1がくぼみの終わりに達するまで、負の擬似的な力覚Fx,Fyが継続的に呈示される。ただし、断面形状が半円型のくぼみの場合には距離Lが連続的に変化するため、擬似的な力覚Fx,Fyの大きさは連続的に変化する。以上のように、擬似的な力覚Fx,Fyにより、利用者100に外界対象物101の形状をクリアに認知させることができる。
他の例を示す。図17Aから図19Dは、擬似力覚呈示装置1がy軸方向に式(1)(2)および式(5)の擬似的な力覚を合成した擬似的な力覚Fy=Fyp+Fyvを呈示し、x軸方向に式(8)の擬似的な力覚Fx=Fxvを呈示する場合の例である。図17Bから図17Dは、図17Aのように断面形状が矩形型のくぼみ(y軸方向のくぼみ)を持つ外界対象物101に対し、擬似力覚呈示装置1をx軸方向に秒速0.25m/sで移動させた場合における、時間[s]と、擬似力覚呈示装置1から外界対象物101までの距離L[m]、擬似的な力覚Fx、および擬似的な力覚Fyとの関係をそれぞれ例示している。断面形状が矩形型のくぼみを持つ外界対象物101の場合、擬似力覚呈示装置1がくぼみに差し掛かったところで、擬似力覚呈示装置1が外界対象物101に引き寄せられるような擬似的な力覚Fx,Fyが呈示される(FxおよびFyが共に正)。擬似力覚呈示装置1がくぼみに対向している時点では擬似的な力覚Fx,Fyは0である。その後、擬似力覚呈示装置1がくぼみの終わりに差し掛かったところで、擬似力覚呈示装置1が外界対象物101から押し出され、かつ、擬似力覚呈示装置1の進行方向の逆向きに押されるような擬似的な力覚が呈示される(FxおよびFyが共に負)。図18Bから図18Dは、図18Aのように断面形状が楔形のくぼみ(y軸方向のくぼみ)を持つ外界対象物101に対し、擬似力覚呈示装置1をx軸方向に秒速0.25m/sで移動させた場合における、時間[s]と、擬似力覚呈示装置1から外界対象物101までの距離L[m]、擬似的な力覚Fx、および擬似的な力覚Fyとの関係をそれぞれ例示している。断面形状が楔形のくぼみを持つ外界対象物101の場合、擬似力覚呈示装置1がくぼみに差し掛かってからくぼみの最も深い部分に対向する位置に達するまで、正の擬似的な力覚Fx,Fyが継続的に呈示される。その後、擬似力覚呈示装置1がくぼみの終わりに達するまで、負の擬似的な力覚Fx,Fyが継続的に呈示される。ただし、距離Lに依存するFypの成分もFyに含まれるため、y軸方向の擬似的な力覚Fyは時間変化する。図19Bから図19Dは、図19Aのように断面形状が半円型のくぼみ(y軸方向のくぼみ)を持つ外界対象物101に対し、擬似力覚呈示装置1をx軸方向に秒速0.25m/sで移動させた場合における、時間[s]と、擬似力覚呈示装置1から外界対象物101までの距離L[m]、擬似的な力覚Fx、および擬似的な力覚Fyとの関係をそれぞれ例示している。断面形状が半円型のくぼみを持つ外界対象物101の場合、擬似力覚呈示装置1がくぼみに差し掛かってからくぼみの最も深い部分に対向する位置に達するまで、正の擬似的な力覚Fx,Fyが継続的に呈示される。その後、擬似力覚呈示装置1がくぼみの終わりに達するまで、負の擬似的な力覚Fx,Fyが継続的に呈示される。ただし、半円型のくぼみの場合には距離Lが連続的に変化するため、擬似的な力覚Fx,Fyの大きさは連続的に変化する。さらに、距離Lに依存するFypの成分もFyに含まれるため、y軸方向の擬似的な力覚Fyの時間変化はさらに顕著になる。以上の例の場合、Fyが距離Lに依存するFypの成分を含むため、利用者100に外界対象物101の形状をより明確に認知させることができる。
前述した複数のモードA〜Dから特定のモードが選択可能であってもよいし、各モードで呈示される疑似的な力覚が選択可能(例えば、前述した具体例の式に示される擬似的な力覚からの選択)であってもよい。このように選択される疑似的な力覚の種別を「力覚種別」と呼ぶことにする。この場合、擬似力覚呈示装置1は、演算部13に代え、力覚種別を選択する機能を持つ演算部13’を有する。演算部13’には複数の力覚種別から選択された特定の力覚種別を示す選択情報μが入力される。演算部13’は当該選択情報μが示す力覚種別を設定し、力覚呈示機構15が当該設定された力覚種別での擬似的な力覚を呈示するための制御信号CSを第1実施形態で説明したように得て出力する。すなわち、複数の力覚種別のそれぞれは、物理量P1、物理量P1の関数値、物理量P2、物理量P2の関数値、物理量P3、および物理量P3の関数値、の少なくとも何れかを含む物理情報に対応し、力覚呈示機構15は、選択された特定の力覚種別に対応する物理情報に応じた非対称運動を行い、当該特定の力覚種別に対応する物理情報に応じた擬似的な力覚を呈示する。これにより、様々な状況に応じて適切な擬似的な力覚を呈示できる。例えば、外界対象物101の形状に応じて疑似的な力覚を切り替え、外界対象物101の形状に関する情報をより明確に利用者100に知覚させることができる。
第2実施形態は、第1実施形態の変形例であり、演算部13の機能が擬似力覚呈示装置の外部に設けられる。以下、既に説明した事項については同じ参照番号を用いて説明を簡略化する。
図20に例示するように、本実施形態の擬似力覚呈示装置2は、距離計測部11、位置・姿勢計測部12、制御部14、力覚呈示機構15、ケース16、出力部26、および入力部27を有する。また、擬似力覚呈示装置2の外部には、擬似力覚呈示装置2と無線通信または有線通信が可能な演算装置23が設けられている。演算装置23は、例えば、汎用または専用のコンピュータが所定のプログラムを実行することで構成される。このコンピュータは1個のプロセッサやメモリを備えていてもよいし、複数個のプロセッサやメモリを備えていてもよい。このプログラムはコンピュータにインストールされてもよいし、予めROM等に記録されていてもよい。また、CPUのようにプログラムが読み込まれることで機能構成を実現する電子回路(circuitry)ではなく、プログラムを用いることなく処理機能を実現する電子回路を用いて一部またはすべての処理部が構成されてもよい。1個の装置を構成する電子回路が複数のCPUを含んでいてもよい。
次に、第2実施形態の擬似力覚呈示装置2の動作を説明する。第1実施形態との相違点は以下の通りである。第1実施形態では、距離計測部11で得られた物理量P1、ならびに位置・姿勢計測部12で得られた物理量P2および物理量P3の少なくとも一方が演算部13に入力された。これに代え、第2実施形態では、これらの物理量P1ならびに物理量P2および物理量P3の少なくとも一方を表す情報(計測部で得られた計測値を表す情報)が出力部26から出力され、演算装置23に送られる。演算装置23は、物理量P1ならびに物理量P2および物理量P3の少なくとも一方を表す情報を用い、第1実施形態の演算部13の処理を行って制御信号CS(計測値に応じた入力情報)を得て出力する。制御信号CSは、擬似力覚呈示装置2の入力部27に入力され、制御部14に送られる。制御部14は、この制御信号CSに対応する駆動信号DSを生成し、非対称運動部152−iのコイル1524−iに供給する。これにより、力覚呈示機構15は、制御信号CSに応じた非対称運動を行い、当該非対称運動に基づいた擬似的な力覚を呈示する。これにより、擬似力覚呈示装置2を小型化できる。
その他、演算部13の機能だけではなく制御部14の機能も、擬似力覚呈示装置2の外部の演算装置23に設けられてもよい。この場合には、物理量P1ならびに物理量P2および物理量P3の少なくとも一方を表す情報(計測部で得られた計測値を表す情報)が出力部26から出力され、演算装置23に送られる。演算装置23は、物理量P1ならびに物理量P2および物理量P3の少なくとも一方を表す情報を用い、第1実施形態の演算部13および制御部14の処理を行って制御信号CSおよび駆動信号DS(計測値に応じた入力情報)を得て出力する。駆動信号DSは、擬似力覚呈示装置2の入力部27に入力され、非対称運動部152−iのコイル1524−iに供給される。これにより、力覚呈示機構15は、制御信号CSに応じた非対称運動を行い、当該非対称運動に基づいた擬似的な力覚を呈示する。これにより、擬似力覚呈示装置2をより小型化できる。
第2実施形態または第2実施形態の変形例1において、演算装置23が演算部13の機能に代えて、第1実施形態の変形例1で説明した演算部13’の機能を備えてもよい。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、非対称運動部152−iとして、特許第4551448号公報(参考文献3)、国際公開第WO2007/086426号(参考文献4)、特開2015−226388公報(参考文献5)等のその他の非対称運動に基づいて擬似的な力覚を呈示する装置が用いられてもよい。また、力覚呈示機構15が3個以上の非対称運動部152−iを備え、それらの駆動を制御することで並進方向の疑似的な力覚だけではなく、回転方向の疑似的な力覚も呈示できてもよい(例えば、参考文献1等参照)。また参考文献5に記載された構成の非対称運動部152−1を用い、1個の非対称運動部152−1のみで並進方向および回転方向が呈示できてもよい。距離計測部11および位置・姿勢計測部12での計測結果に応じ、非対称運動部152−iが非対称運動を行い、当該計測結果に応じた2自由度以上の擬似的な力覚が呈示できるのであれば、非対称運動部152−iの構成および個数に制限はない。
Claims (7)
- 擬似的な力覚を呈示する擬似力覚呈示装置であって、
外界対象物から当該擬似力覚呈示装置までの距離を計測して得られた第1物理量または前記第1物理量の関数値に応じた非対称運動を行い、前記非対称運動に基づいた擬似的な力覚を呈示する力覚呈示機構を有する擬似力覚呈示装置。 - 請求項1の擬似力覚呈示装置であって、
前記力覚呈示機構は、当該擬似力覚呈示装置の動きを計測して得られた第2物理量、前記第2物理量の関数値、当該擬似力覚呈示装置の姿勢を計測して得られた第3物理量、および前記第3物理量の関数値、の少なくとも何れかに応じた前記非対称運動を行う、擬似力覚呈示装置。 - 請求項1または2の擬似力覚呈示装置であって、
前記力覚呈示機構は、前記第1物理量に応じた前記非対称運動を行い、前記第1物理量に応じた前記擬似的な力覚を呈示する、擬似力覚呈示装置。 - 請求項1から3のいずれかの擬似力覚呈示装置であって、
前記力覚呈示機構は、前記第1物理量の時間変化に応じた前記非対称運動を行い、前記第1物理量の時間変化に応じた前記擬似的な力覚を呈示する、擬似力覚呈示装置。 - 請求項1から4のいずれかの擬似力覚呈示装置であって、
前記力覚呈示機構は、当該擬似力覚呈示装置の動きを計測して得られた第2物理量、前記第2物理量の関数値、当該擬似力覚呈示装置の姿勢を計測して得られた第3物理量、および前記第3物理量の関数値、の少なくとも何れか、ならびに、前記第1物理量の時間変化、に応じた前記非対称運動を行い、前記第2物理量、前記第2物理量の関数値、前記第3物理量、前記第3物理量の関数値、の少なくとも何れか、ならびに、前記第1物理量の時間変化に応じた前記擬似的な力覚を呈示する、擬似力覚呈示装置。 - 請求項1から5のいずれかの擬似力覚呈示装置であって、
複数の力覚種別から選択された特定の力覚種別を設定する演算部さらに有し、
前記複数の力覚種別のそれぞれは、前記第1物理量、前記第1物理量の関数値、当該擬似力覚呈示装置の動きを計測して得られた第2物理量、前記第2物理量の関数値、当該擬似力覚呈示装置の姿勢を計測して得られた第3物理量、および前記第3物理量の関数値、の少なくとも何れかを含む物理情報に対応し、
前記力覚呈示機構は、前記特定の力覚種別に対応する物理情報に応じた前記非対称運動を行い、前記特定の力覚種別に対応する擬似的な力覚を呈示する、擬似力覚呈示装置。 - 請求項1から6のいずれかの擬似力覚呈示装置であって、
前記第1物理量、前記第1物理量の関数値、当該擬似力覚呈示装置の動きを表す第2物理量、前記第2物理量の関数値、当該擬似力覚呈示装置の姿勢を表す第3物理量、および前記第3物理量の関数値の少なくとも何れかを計測する計測部と、
前記計測部で得られた計測値を表す情報を出力する出力部と、
前記計測値に応じた入力情報を受け付ける入力部と、をさらに有し、
前記力覚呈示機構は、前記入力情報に応じた前記非対称運動を行う、擬似力覚呈示装置。
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