JP3170875B2 - 入力装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入力装置に関し、特に
触覚を表示する入力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、仮想的な世界（仮想空間）をコン
ピュータによって作り出して利用しようとする研究が進
められている。仮想空間は三次元世界をモデルによって
作り、表示装置や音響装置を駆使して利用者の周囲にそ
の世界があるが如く再現したものである。

【０００３】この仮想空間には、様々な利用形態が考え
られており、車の運転や飛行機の操縦を模擬体験で訓練
できるシミュレータ，高速通信網と組合わせて遠隔地の
人々が一堂に会したかのような感覚で会議や作業ができ
る臨場感通信会議システム，ロボットの遠隔操作と組合
わせたテレイグジスタンス等がその代表例である。

【０００４】ところで、このようにコンピュータによっ
て仮想空間を作り出す技術としては、現実感の高い表示
技術とともに効率的な入力技術が重要である。

【０００５】ここで、このような仮想空間を生成するの
に使用可能と考えられる既存の入力装置には、マウス，
ジョイスティック等がある。マウスは、それ自体の移動
量を検出するセンサー部を有しており、たとえば平面上
を移動させて移動量をコンピュータに入力し、これに対
応して画面上のポインタを移動させるものである。ジョ
イスティックは、ハンドル状の操作で画面上のポインタ
を上下左右に移動させるものである。

【０００６】しかし、これらはディスプレイ上のポイン
タの２次元移動情報のみを入力するものである。仮想空
間の生成に使用する入力装置としては、手の動作が検出
でき、その３次元情報を用いて画像を直接操作し得るも
のが望ましい。

【０００７】そこで、このような要求に応える入力装置
として、データグローブがＶＰＬ社および工業技術院機
械技術研究所において開発されている。ＶＰＬ社のデー
タグローブは、手袋状の操作部の各指に沿って光ファイ
バーが配線されてなるものである。このデータグローブ
では、指を曲げることによって変化する光の減衰量から
各指の曲げ角度が求られ、手の動作，形状が検出され
る。

【０００８】また工業技術院機械技術研究所のデータグ
ローブは、電流変位センサーを手袋の関節部分に取付け
たものであり、手袋の指が曲がると電流変位センサーの
抵抗値が変化し、これにより手の動作が検出される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、実際の空間
で作業する場合を考えると、能動的な体の動きに対して
力覚，触覚等様々なインタラクションが発生する。この
ようなことから、仮想空間の利用の中でも、人体や手に
力学的なフィードバックを与えることによって触覚を実
現することが良好な操作性を得る上で好ましい。

【００１０】そこで、接触感を表示するようにした入力
装置として反力データグローブが提案されている。この
反力データグローブは、操作者の手の動きに追従するパ
ラレルマニピュレータと指の動きに追従するアクチュエ
ータを有してなるものであり、画面上の手が他の物体像
に接触すると、コンピュータによって発生すべき反力が
計算され、手に反力が与えられる。

【００１１】ところが、上記反力データグローブは、上
述の如くアクチュエータとマニュピレータよりなるた
め、大型で重量が重く、支持体なしで使用することがで
きない。また、作製工程が多く複雑であり部品も高価で
ある。さらには、接触から実際に反力が生成されるまで
の応答時間も長い。

【００１２】そこで、本発明はこのような従来の実情に
鑑みて提案されたものであり、接触感を表示することが
可能な入力装置を提供することを目的とする。さらに
は、軽量であり、応答が速く、かつ製造工程が簡易で、
部品が安価な入力装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明の入力装置は、相転移により体積変化を起
こす高分子ゲルによりコンピュータからの情報に基づい
て反発力が付与されることを特徴とするものである。ま
た、移動操作される操作部と、該操作部の位置を検出す
るセンサー部を有し、上記操作部に相転移により体積変
化を起こす高分子ゲルが配されていることを特徴とする
ものである。

【００１４】さらに、手袋状の操作部と、操作部の動作
状態を検出するセンサー部を有し、上記操作部に相転移
により体積変化を起こす高分子ゲルが配されていること
を特徴とするものである。

【００１５】本発明のコンピュータ入力装置は、手の移
動あるいは動作情報をコンピュータに入力し画面上の画
像を操作するマウス，ジョイスティック，データグロー
ブ等として使用されるものであり、それ自体の位置，動
作を検出するセンサー部と操作する際の作用点となる操
作部を有し、この操作部に相転移によって体積変化を起
こす高分子ゲルが配されている。

【００１６】この高分子ゲルは入力装置に連動する画像
と他の物体像との接触状態によって反力を生成し、接触
感を表示するものである。反力生成源としてこのような
高分子ゲルを使用することにより、たとえば反力生成源
としてアクチュエータを使用する場合に得られなかった
軽量性，製造工程の簡易性，高速応答性が獲得される。
また、高分子ゲルは、安価であるため低コスト化にも有
利となる。

【００１７】上記相転移によって体積変化を起こす高分
子ゲルとしては、温度変化，溶液組成変化，ｐＨ変化，
イオン組成変化，電場変化，光変化等の刺激によって相
転移を起こし体積変化するものであればいずれでもよ
い。

【００１８】上記高分子ゲルの回りに該高分子ゲルの相
転移を起こさせる刺激を生じさせるようにしておき、画
面上の入力装置に連動する画像と他の物体像の接触状況
に合わせて上記刺激を生じさせる。これにより、高分子
ゲルが体積変化を起こして手に対して反力を与え、画面
の状況に対応した接触感が得られることとなる。

【００１９】なお、相転移により体積変化を起こす材料
としては、たとえばデンプン−アクリロニトリルグラフ
ト重合体，デンプン−アクリル酸グラフト重合体，デン
プン−スチレンスルホン酸グラフト重合体，デンプン−
ビニルスルホン酸グラフト重合体等のデンプン系高吸水
性合成樹脂や、セルロース−アクリロニトリルグラフト
重合体，セルロース−スチレンスルホン酸グラフト重合
体，カルボキシメチルセルロースの架橋重合体等のセル
ロース系高吸水性合成樹脂、ポリビニルアルコール架橋
重合体，アクリル−酢酸ビニルケン化物等のポリビニル
アルコール系高吸水性合成樹脂、ポリアクリル酸塩架橋
体，ポリアクリロニトリル系重合体ケン化物等のアクリ
ル系高吸水性合成樹脂、ポリエチレングリコールジアク
リレート架橋重合体等のポリエチレンオキシド系高吸水
性合成樹脂、更にはその他の高吸水性合成樹脂として、
カルボキシル基，カルボン酸塩，水酸基，スルホン酸基
等を含む重合体、ポリビニルピロリドン系架橋重合体等
が挙げられる。いずれにしても、高分子重合体にイオン
に解離する官能基を導入することが原則となっており、
例えば共重合体では、モノマーを選ぶことによって官能
基を導入することができ、種々の機能特性を有する高分
子ゲルを目的に応じて分子設計することができる。ここ
で、官能基を導入するためのモノマーとしては、アクリ
ル酸，メタクリル酸，イタコン酸，ソルビン酸，マレイ
ン酸，ビニル酢酸等のカルボキシル基を官能基とするモ
ノマー、スチレンスルホン酸，ビニルスルホン酸，アク
リルアミドメチルプロパンスルホン酸等のスルホン基を
官能基とするモノマー、トリメチル−Ｎ−アクロイル−
３−アミノプロピルアンモニウムクロライド，メタクリ
ロイロキシエチルトリメチルアンモニウムクロライド，
メタクリロイロキシエチルベンジルジメチルアンモニウ
ムクロライド等の四級アミノ基を官能基とするモノマー
等が挙げられる。

【００２０】

【作用】本発明のコンピュータ入力装置では、操作部に
相転移により体積変化を起こす高分子ゲルが配されてい
る。この高分子ゲルに相転移を起こす刺激を与えると、
該高分子ゲルの体積が膨張して、反力が生成され、コン
ピュータ画面上の画像に対応した接触感が実現される。

【００２１】ここで、このコンピュータ入力装置は、こ
のように反力生成源が高分子ゲルであるので、軽量であ
るとともに製造工程が簡易で、材料も安価である。さら
には画面上において接触が生じてから反力が生成される
までの応答も速い。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について図面
を参照しながら詳述する。

【００２３】まず、本発明をマウスに適用し、仮想空間
生成システムに組み込んでその操作性を検討した。な
お、ここでは、高分子ゲルとして感温性ゲルのＮ−イソ
プロピルアクリルアミドとアクリル酸ナトリウム塩の共
重合体（相転移温度：３５℃）を用いた。

【００２４】上記仮想空間生成システムは、図１に示す
ように、パーソナルコンピュータ１，コンピュータディ
スプレイ２，マウス３よりなるものである。

【００２５】上記マウス３は、図２に示すように、移動
操作する際に手指等により把持するマウス本体４と、こ
のマウス本体４の底面に僅かに突出するように回動自在
に収納される球状体５とからなるものであり、前記球状
体５がこのマウス３の位置を検出するセンサーとしての
役割を果たす。

【００２６】前記マウス本体４は、直径１０ｃｍ程度の
半球状であり、その操作に際して手指が添えられるが、
本例では人指し指ａに対応して（したがってマウス本体
４の上面に）直径２ｃｍ程度の窓部４ａが設けられてお
り、この窓部４ａに臨んで感温性の高分子ゲル６が充填
されている。

【００２７】一方、前記マウス本体の窓部４ａの周囲内
壁には、前記高分子ゲル６の温度をコントロールするこ
とができるようにヒータ７が取付けられており、このヒ
ータ７には定電圧電源が接続されている。そして、この
定電圧電源にはさらにパーソナルコンピュータ１に搭載
されているＤＡボードの出力が結線されており、前記パ
ーソナルコンピュータ１によりヒータ７の温度がコント
ロール可能とされている。

【００２８】したがって、上記システムにおいては、パ
ーソナルコンピュータ１によって定電圧電源をコントロ
ールし、高分子ゲル６の膨潤、収縮を調整することが可
能である。

【００２９】そこで、図３に示すようなディスプレイ２
上に表示される円８をゴム製のボールに見立て、これを
人指し指に対応するポインタ９で押圧する場合を例にし
て、前記システムにおける動作を説明する。

【００３０】ポインタ９はマウス３の移動操作に伴って
ディスプレイ２上を移動するが、先ずマウス３を操作す
ることによってポインタ９を円８に近づけ、さらに図４
に示すように円８の一部を押し込む位置まで移動する。
このようにポインタ９が円８に接触したとき、パーソナ
ルコンピュータ１により定電圧電源を駆動してヒータ７
をオンし、高分子ゲル６を膨潤せしめる。すると、人指
し指にはあたかもボールを押圧したときのような反発力
が感じられる。例えば、前記ポインタ９の押し込み位置
に応じてヒータ７による加熱の強弱を調整すれば、円８
を僅かに押し込んだときには僅かな反発力を、大きく押
し込んだときには大きな反発力を得るようにすることも
可能である。

【００３１】次に、ポインタ９を操作して円８から離す
と、円８は元の形状に戻る。このようにポインタ９を円
８から離したときには、パーソナルコンピュータ１によ
りヒータ７をオフにし、高分子ゲル６を収縮せしめる。
すると、人指し指に加わっていた反発力が消失し、ボー
ルから指を離したことが知覚される。

【００３２】実際、作成したマウスに右手を載せ、人指
し指の指先を高分子ゲルに当てた状態でマウスを動かし
てディスプレイに表示される円にポインタが触れたり離
れたりするようにし、指先の触覚を調べた。その結果、
ポインタ９が円８に触れたときには、指にボールが当た
ったときに感じるような感触を得た。また、ポインタ９
が円８から離れたときには、指からボールが離れたとき
に感じるような感触を得た。

【００３３】なお、上記マウス３は、人指し指のみに触
覚が生じるようにしたものであるが、他の指、あるいは
手の平全体に触覚が生じるようにしてもよい。たとえ
ば、図５に示すようにマウス本体４に親指，人指し指，
中指に対応して３つの窓部４ｂ，４ｃ，４ｄを設け、同
様に高分子ゲル６ｂ，６ｃ，６ｄ、ヒータ７ｂ，７ｃ，
７ｄを配し、ヒータ７ｂ，７ｃ，７ｄによってそれぞれ
の高分子ゲル６ｂ，６ｃ，６ｄの膨潤，収縮を調整す
る。

【００３４】このようなマウス３を使用するシステムで
は、マウス３の移動操作に伴って親指，人指し指，中指
に対応するポインタがディスプレイ２上を移動する。各
ポインタと円の接触状態に対応してパーソナルコンピュ
ータ１によって各ヒータをオンとし、各高分子ゲルを膨
潤せしめると、各指にはそれぞれボールを押圧したとき
のような反発力が感じられ、人指し指のみの場合よりも
リアルな感触が得られる。

【００３５】さらに、上記マウスはいずれもマウス本体
４に高分子ゲルを配したものであるが、マウス本体と高
分子ゲルを分離し、高分子ゲルを直接指に取り付けるよ
うにしてもよい。すなわち、高分子ゲルを棒状に成型
し、コンピュータによってコントロール可能とされたヒ
ータによって包接する。ポインタを操作するに際して
は、この高分子ゲルを指の腹側に直接取付けてマウス本
体を把持し、移動操作する。

【００３６】ポインタが円に接触したときに、パーソナ
ルコンピュータ１によってヒータをオンとし、高分子ゲ
ルを膨潤せしめると、指にはボールをつついたときに感
じるような反発力が感じられる。

【００３７】また、さらに本発明の入力装置はデータグ
ローブに適用してもよい。以下、入力装置としてデータ
グローブを使用する仮想空間生成システムについて説明
する。なお、高分子ゲルとしては、上記システム同様に
感温性ゲルのＮ−イソプロピルアクリルアミドとアクリ
ル酸ナトリウム塩の共重合体を用いた。

【００３８】データグローブは、図６に示すように操作
者の手の大きさよりも一回り大きい袋体２１の中に高分
子ゲル２２が充填され、さらに高分子ゲル２２が充填さ
れた袋体２１の中に手が挿入される手袋状の操作部２３
が配されてなるものである。この手袋状の操作部２３に
は、操作部の動作を検出する光ファイバーが各指に沿っ
て配されており、また、各指の先端部に位置を検出する
位置検出センサー２４が取付けられており、光ファイバ
ーからの動作情報及び位置検出センサー２４からの位置
情報がケーブル２５を介してコンピュータ１に入力され
る。また上記高分子ゲル２２中には操作部の各指に対応
する位置にヒータ２６が組み込まれている。このヒータ
２６は上記システムと同様にコンピュータ１によってそ
の供給熱量がコントロールされ、これにより高分子ゲル
２２の膨潤・収縮が調整されるようになっている。

【００３９】図７に示すようなディスプレイ上に表示さ
れる円２７をゴム製のボールに見立て、これを手で掴む
場合を例にして、前記システムにおける動作を説明す
る。

【００４０】データグローブ２９を手にはめ、手を動か
したり、握ったりするとディスプレイ上のポインタ２８
が手の移動動作に伴って移動する。まず、手を移動する
ことによってポインタ２８を円２７に近づけ、さらに円
２７に接触する位置まで移動する。この状態で手を握る
と、図８に示すように画像上で円２７がポインタ２８に
よって押し込まれる。このとき、円２７の押し込み状態
に応じてコンピュータ１によってヒータ２６による加熱
を調整し、高分子ゲル２２を膨潤せしめる。すると、指
にはあたかもボールを掴んだときのような反発力が感じ
られる。

【００４１】次に、手を広げると、円２７は元の形状に
戻る。このように手を広げたときには、パーソナルコン
ピュータによりヒータ２６をオフし、高分子ゲル２２を
収縮せしめる。すると指に加わっていた反発力が消失
し、ボールを離したことが知覚される。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のコンピュータ入力装置は、操作部に相転移により体
積変化を起こす高分子ゲルが配されており、この高分子
ゲルが反力を生成するので、コンピュータ画面上の画像
に対応した接触感を得ることが可能である。

【００４３】また、上記コンピュータ入力装置は操作部
に高分子ゲルが配されているという簡易な構成であるた
め、軽量であり、製造工程も少なく、材料も安価で済
む。さらには画面上において画像同士の接触が生じてか
ら反力が生成されるまでの応答も速く、画面上において
現実感が得易い。したがって、本発明によれば、操作性
に優れ、しかも実用性に富み、仮想空間を生成するシス
テムに組み込むのに好適な入力装置を得ることが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の入力装置を適用した仮想空間生成シス
テムの一例を示す模式図である。

【図２】本発明の入力装置の一例を示す模式図である。

【図３】コンピュータディスプレイ画面上に表示された
画像の一例を示す模式図である。

【図４】入力装置操作後のコンピュータディスプレイ画
面上に表示された画像の一例を示す模式図である。

【図５】本発明のコンピュータ入力装置の他の例を示す
模式図である。

【図６】本発明のコンピュータ入力装置のさらに他の例
を示す模式図である。

【図７】コンピュータディスプレイ画面上に表示された
画像の他の例を示す模式図である。

【図８】入力装置作動後のコンピュータディスプレイ画
面上に表示された画像の他の例を示す模式図である。

【符号の説明】

３・・・・・・マウス ６，２２・・・高分子ゲル ７，２６・・・ヒータ ２４・・・・・位置検出センサー ２９・・・・・データグローブ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相転移により体積変化を起こす高分子ゲ
   ルによりコンピュータからの情報に基づいて反発力が付
   与されることを特徴とする入力装置。
2. 【請求項２】 移動操作される操作部と、該操作部の位
   置を検出するセンサー部を有し、 上記操作部に相転移により体積変化を起こす高分子ゲル
   が配されていることを特徴とする入力装置。
3. 【請求項３】 手袋状の操作部と、操作部の動作状態を
   検出するセンサー部を有し、 上記操作部に相転移により体積変化を起こす高分子ゲル
   が配されていることを特徴とする入力装置。