JP4413105B2 - Acceleration generating device and pseudo force sense generating device - Google Patents
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Description
本発明は、手応えのような力覚を利用者に知覚させる技術に関し、特に、その反作用力を支持する支点や力点を必要とせず、物理的な作用力としての平均は0のままでありながら力覚を知覚させる技術に関する。 The present invention relates to a technique for allowing a user to perceive a sense of force such as a response, and in particular, does not require a fulcrum or a power point that supports the reaction force, while the average physical action force remains zero. The present invention relates to a technology for perceiving force sense.
現代は情報が輻輳する時代である。ところが、人間の情報処理能力には限界があるにもかかわらず、従来の情報提供手法は視覚や聴覚を用いたものが中心であった。そのため、視聴覚に対する情報提供では、提供された情報が視聴覚に集中し、ユーザの注意を遷移させてしまうという点が問題であった。また、視聴覚の刺激を運動に反映させるには意識上の解釈を必要とするため、情報を受けてから動作を開始するまでの遅延時間が比較的長いという問題点もあった。
このような問題点を解決するため、視聴覚チャンネル以外の情報提供チャンネルとして手応え等の力覚チャンネルの開発が進められている。
The present age is a time when information is congested. However, despite the limited information processing ability of human beings, conventional information provision methods have mainly focused on visual and auditory methods. Therefore, in providing information for audiovisual, the provided information is concentrated on the audiovisual and the user's attention is shifted. In addition, in order to reflect the audio-visual stimulus in the exercise, a conscious interpretation is required, so that there is a problem that the delay time from receiving the information to starting the operation is relatively long.
In order to solve such a problem, development of a haptic channel such as a response as an information providing channel other than the audiovisual channel has been underway.
従来の力覚研究は接地型、非接地型の2つに分類することができる。接地型は、発生させる力覚の反作用力を支持する支点や力点を外部或いは人体に固定する形態であり、非接地型は、このような支点・力点を用いない形態である(例えば、非特許文献1、特許文献1参照)。
しかし、従来の力覚発生手法では、モバイル機器やウェアブルコンピューティングなどの可搬型機器分野への応用が困難であったという問題点がある。
例えば、外部に支点・力点を固定する接地型の場合、自由な移動を伴うモバイル機器やウェアラブルコンビューティングなどの分野ヘの応用は困難である。
また、支点・力点を作用点以外の身体部位に設ける接地型の場合、提示した力覚情報の反作用力も人体に加わるため、この力覚情報によって正確な方向情報を提示することは困難である。
However, the conventional force generation method has a problem in that it is difficult to apply it to the field of portable devices such as mobile devices and wearable computing.
For example, in the case of a grounding type in which a fulcrum / power point is fixed to the outside, it is difficult to apply it to fields such as mobile devices that involve free movement and wearable contributors.
In the case of a ground contact type in which a fulcrum / power point is provided at a body part other than the action point, the reaction force of the presented haptic information is also applied to the human body, and it is difficult to present accurate direction information using this haptic information.
また、古賀、狩野による特許文献1「撃力発生装置及びその制御装置、制御方法並びにプログラム」は急激なモーメント力の反作用によって上記の問題点を解決するために発明されたものであるが、提示可能な力覚が撃力に限定されており、時間的に安定した力覚を提示することは困難であった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、反作用力を支持する支点や力点を設けることなく、時間的に安定した力覚を知覚させる技術を提供することを目的とする。
Further,
The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a technique for perceiving a force sense that is stable in time without providing a fulcrum or a force point that supports a reaction force.
本発明では、上記の課題を解決するために、回転動力が伝えられる回転入力軸と、回転入力軸に伝えられた回転動力を、一周期の中で正及び負の加速度をもつ周期的な加速度運動に変換する動力伝達部と、を有する加速度発生装置が提供される。ここで、この加速度運動は、正方向における加速度の絶対値の最大値と、負方向における加速度の絶対値の最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の加速度をもつ時間よりも短い運動である。
通常、物理的に完全な作用力を生じさせるためには、その反作用力を支持する支点や力点が必要となる。これに対し、本発明では、そのような支点や力点がなく物理的な作用力としての平均は0のままである。しかし、本発明の加速度発生装置は、正方向の加速度の大きさの最大値と負方向の加速度の大きさの最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の加速度をもつ運動継続時間が、当該最大値が小さい方向の加速度をもつ運動継続時間よりも短い運動を行う。そして、その加速度の正負の絶対値の差、作用時間の差及び人間の力覚知覚の非線形性により、狙った方向ヘの擬似的な力覚を表示する(詳細は後述)。
In the present invention, in order to solve the above-described problems, a rotational input shaft to which rotational power is transmitted and a rotational power transmitted to the rotational input shaft are converted into periodic accelerations having positive and negative accelerations in one cycle. There is provided an acceleration generation device including a power transmission unit that converts motion. Here, this acceleration motion is different from the maximum absolute value of acceleration in the positive direction and the maximum absolute value of acceleration in the negative direction. Is a movement that is shorter than the time with acceleration in a small direction.
Usually, in order to generate a physically perfect acting force, a fulcrum or a force point that supports the reaction force is required. On the other hand, in the present invention, there is no such fulcrum or force point, and the average as the physical acting force remains zero. However, the acceleration generating device of the present invention is different from the maximum value of the magnitude of the positive acceleration and the maximum value of the negative acceleration, and the duration of the exercise having the acceleration in the direction in which the maximum value is large, The movement is shorter than the movement duration with acceleration in the direction in which the maximum value is small. Then, a pseudo force sense in the target direction is displayed based on the difference between the absolute values of positive and negative acceleration, the difference in action time, and the non-linearity of human force sense (details will be described later).
また、本発明において好ましくは、動力伝達部は、回転入力軸に固定された回転部材と、回転入力軸以外の回転部材上の部分に、当該回転入力軸と平行な第1回転軸によって回転可能に接合された第1リンク機構と、第1回転軸以外の第1リンク機構上の部分に、当該第1回転軸と平行な第2回転軸によって回転可能に接合された第2リンク機構と、第2回転軸以外の第2リンク機構上の部分が、当該第2回転軸と平行な第3回転軸によって回転可能に接合され、移動範囲が一方向のスライド運動に限定されたスライド機構と、回転入力軸に対する相対位置が固定されたスライド支点ベース部と、回転入力軸と平行なスライド支点回転軸によってスライド支点ベース部に回転可能に接合され、第1リンク機構を長手方向へスライド可能に保持するスライド支点機構とを有する。ここで、スライド機構の加速度運動は、正方向における加速度の絶対値の最大値と、負方向における加速度の絶対値の最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の加速度をもつ時間よりも短い運動となる。 In the present invention, it is preferable that the power transmission unit can be rotated by a rotating member fixed to the rotating input shaft and a portion on the rotating member other than the rotating input shaft by a first rotating shaft parallel to the rotating input shaft. A second link mechanism joined to a portion on the first link mechanism other than the first rotation axis by a second rotation axis parallel to the first rotation axis, A slide mechanism in which a portion on the second link mechanism other than the second rotation axis is rotatably joined by a third rotation axis parallel to the second rotation axis, and the movement range is limited to a one-way slide movement; A slide fulcrum base portion whose relative position with respect to the rotation input shaft is fixed and a slide fulcrum rotation shaft parallel to the rotation input shaft are rotatably joined to the slide fulcrum base portion, and the first link mechanism is slidably held in the longitudinal direction. That and a slide fulcrum mechanism. Here, the acceleration motion of the slide mechanism is different from the maximum absolute value of the acceleration in the positive direction and the maximum absolute value of the acceleration in the negative direction. The movement is shorter than the time having the acceleration in the direction where the maximum value is small.
また、本発明において好ましくは、動力伝達部は、ピッチ面の位置によってピッチ円半径が異なり、回転入力軸の回転動力が伝達される第1非円形歯車と、ピッチ面の位置によってピッチ円半径が異なり、第1非円形歯車が噛み合い運動可能に噛み合わされた第2非円形歯車とを有する。ここで、第2非円形歯車の角加速度運動は、正方向における角加速度の絶対値の最大値と、負方向における角加速度の絶対値の最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の角加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の角加速度をもつ時間よりも短い運動となる。 Preferably, in the present invention, the power transmission section has a pitch circle radius that varies depending on the position of the pitch surface, and the pitch circle radius varies depending on the position of the pitch surface and the first non-circular gear to which the rotational power of the rotary input shaft is transmitted. In contrast, the first non-circular gear has a second non-circular gear meshed so as to be capable of meshing movement. Here, the angular acceleration motion of the second non-circular gear is different from a maximum absolute value of the angular acceleration in the positive direction and a maximum absolute value of the angular acceleration in the negative direction. The time with acceleration is shorter than the time with angular acceleration in the direction in which the maximum value is small.
以上のように本発明では、反作用力を支持する支点や力点を用いることなく、時間的に安定した力覚を知覚させることができる。 As described above, in the present invention, a time-stable force sense can be perceived without using a fulcrum or a force point that supports the reaction force.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
〔第1の実施の形態〕
まず、本発明における第1の実施の形態について説明する。
<原理>
本形態は、本発明を並進型で実現した例である。まず、本形態の原理について説明する。
ある質量をもった物体の並進運動を考える。そしてこの並進運動は、提示したい方向へは大きな加速度で短時間移動し、逆の方向へは小さな加速度で長時間移動するという偏加速度をもった周期運動であるものとする。この場合、この物体を含む系を把持しているユーザは、この提示方向への擬似力覚を知覚する。
これは、人間の知覚特性を利用したものであり、把持動作に関わる固有感覚と触覚によって発生する現象である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
First, a first embodiment of the present invention will be described.
<Principle>
This embodiment is an example in which the present invention is realized in a translational form. First, the principle of this embodiment will be described.
Consider the translational motion of an object with a certain mass. This translational motion is a periodic motion with a partial acceleration that moves in a desired direction for a short time with a large acceleration and moves in the opposite direction for a long time with a small acceleration. In this case, the user holding the system including the object perceives a pseudo force sense in the presenting direction.
This utilizes human perceptual characteristics, and is a phenomenon that occurs due to a peculiar sensation and a tactile sensation related to a gripping action.
すなわち、筋紡錘(筋肉の収縮を感知して感覚を起こす骨格筋中の感覚器)の反射特性には、筋の長さが変化するときに強く興奮する動的反応と、伸ばされた筋が一定の長さに保たれるときにインパルス発射を続ける静的反応とがある。また動的反応は、筋の長さの変化が比較的小さくなる急であるときに強い(例えば「大山正,今井省吾,和気典二編:新編 感覚・知覚心理学ハンドブック,誠信書房,1994.」参照)。このような知覚反応は一般に図6に示すようなS字型曲線(sigmoid curve)で近似できることが知られている。なおこの図の横軸は物理的な加速度を示し、縦軸は知覚的な加速度を示している。物理的な周期運動では加速度を一周期分積分すると零になるが、このS字型曲線によって変換された感覚値は同様に積分しても零になるとは限らない。例えば、図6のf1(x)のような範囲では、加速度の変化すなわち端点での微分値の差(f1’(a+k)-f1’(a))が、感覚値の差よりも大きくなる。逆にf2(x)のような範囲では、加速度の変化(f1’(b+k)-f1’(b))が、感覚値の差よりも小さくなる。これは、物理的な加速度の変化を感覚的に過小評価する箇所と、感覚的に過大評価する箇所とが存在することを意味している。そして、この感覚強度の違いを利用することにより、擬似的な力覚を発生させることができることを意味している。 In other words, the reflex characteristics of muscle spindles (sensory organs in skeletal muscles that sense muscle contraction and cause sensation) include a dynamic reaction that excites strongly when the length of the muscle changes, and a stretched muscle. There is a static reaction that continues impulse firing when kept at a certain length. The dynamic response is strong when the change in muscle length is relatively small (for example, “Oyama Tadashi, Imai Shogo, Wake Nenji: New edition Handbook of Sensory and Perceptual Psychology, Seishin Shobo, 1994) ."reference). It is known that such a perceptual reaction can be approximated by a sigmoid curve as shown in FIG. In this figure, the horizontal axis represents physical acceleration, and the vertical axis represents perceptual acceleration. In a physical periodic motion, the acceleration is integrated to zero when integrated for one period, but the sensory value converted by the S-shaped curve is not necessarily zero even if integrated. For example, in a range such as f 1 (x) in FIG. 6, the change in acceleration, that is, the difference between the differential values at the end points (f 1 ′ (a + k) −f 1 ′ (a)) Bigger than. Conversely, in a range such as f 2 (x), the change in acceleration (f 1 ′ (b + k) −f 1 ′ (b)) is smaller than the difference in sensory values. This means that there are places where the physical acceleration change is underestimated sensuously and places where the sensory overestimation is overestimated. This means that a pseudo force sense can be generated by utilizing the difference in the sensory intensity.
また、皮膚表面と運動物体との接触面では、静止摩擦係数と動摩擦係数との関係により、ある加速度において並進運動の並進力が静止摩擦力を超え、すべりが生じることがある。そのため、提示したい方向へ大きな加速度を加えることにより、このすべりを発生させ、力覚を表示することもできる。 Also, on the contact surface between the skin surface and the moving object, the translational force of the translational motion exceeds the static frictional force at a certain acceleration due to the relationship between the static friction coefficient and the dynamic friction coefficient, and slipping may occur. Therefore, by applying a large acceleration in the direction to be presented, this slip can be generated and a force sense can be displayed.
<機械的な構成>
図1は、本形態における並進型の加速度発生装置1の構成を例示した平面図であり、図2(a)は、図1のG方向からみた正面図であり、図2(b)は図1におけるH−H部分断面図である。なお、図2(b)のベース部10は断面図ではなく側面図である。
<Mechanical configuration>
FIG. 1 is a plan view illustrating the configuration of a
以下、これらの図を用いて本形態の加速度発生装置1の構成を説明する。
図1,2に例示するように、本形態の加速度発生装置1は、ベース部10と、ベース部10に内蔵されたモータ20と、モータ20の回転動力が伝えられる回転入力軸21と、回転入力軸21に固定された回転部材30(クランク)と、回転入力軸21以外の回転部材30上の部分に、当該回転入力軸21と平行な第1回転軸33によって回転可能に接合された第1リンク機構50と、第1回転軸33以外の第1リンク機構50上の部分に、当該第1回転軸33と平行な第2回転軸51によって回転可能に接合された第2リンク機構70と、第2回転軸51以外の第2リンク機構70上の部分が、当該第2回転軸51と平行な第3回転軸83aによって回転可能に接合され、移動範囲が一方向(F方向)のスライド運動に限定されたスライド機構82と、回転入力軸21に対する相対位置が固定されたスライド支点ベース部41と、回転入力軸21と平行なスライド支点回転軸43によってスライド支点ベース部41に回転可能に接合され、第1リンク機構50を長手方向(I方向)へスライド可能に保持するスライド支点機構42と、を主な構成部品とする。
Hereinafter, the configuration of the
As illustrated in FIGS. 1 and 2, the
この例のベース部10は、1つの段差によって低段部11と高段部12とが構成された階段状の中空体であり、その底面にはねじ孔が設けられた板状のタブ13,14が構成されている。このベース部10の高段部12の端部には、モータ20の回転動力を伝える回転入力軸21を通すための貫通孔12aが設けられる。モータ20は、その回転動力を伝える回転入力軸21がこの貫通孔12aを通じ外部に突き出した状態でベース部10の高段部12内部に固定配置される。なお、モータ20の電気的な接続については後述する。
貫通孔12aからベース部10の外部に突き出した回転入力軸21には、円盤状の回転部材30の中心部が固着される。これにより、回転部材30は、回転入力軸21の回転動力によりA方向に回転運動する。
The
The central portion of the disk-shaped rotating
この回転部材30上の辺縁部32には、柱状の第1リンク機構50の端部が第1回転軸33(ビス等)によってB方向に回転可能に取り付けられる。これにより、第1リンク機構50は、回転入力軸21以外の回転部材30上の部分に、当該回転入力軸21と平行な第1回転軸33によって回転可能に接合されることになる。なお、この第1リンク機構50の長手方向の両側面には直線上の溝52が構成されている。
また、ベース部10の高段部12表面には、断面がコの字型となる部材の両端を外側に直角に折り返した形状の(この折り返し部分をタブと呼ぶ)スライド支点ベース部41が、回転入力軸21に対する相対位置が固定されて配置されている。この例の場合、スライド支点ベース部41は、回転入力軸21からベース部10の中央部側(すなわち低段部11方向)へずれた位置(より具体的には、図1の静止状態において第1リンク機構50の回転入力軸21側先端付近が配置される位置)にタブを通じてねじ止めされる。このスライド支点ベース部41の内側中央部には、第1リンク機構50の溝52を両側からスライド可能に抱え込むスライド支点機構42が配置される。このスライド支点機構42は、スライド支点回転軸43(ビス等)によってスライド支点ベース部41に対しC方向に回転可能に取り付けられる。なお、このスライド支点回転軸43の位置は第1回転軸33よりもベース部10中央寄り(低段部11寄り)である。以上により、スライド支点機構42は、回転入力軸21と平行なスライド支点回転軸43(ビス等)によってスライド支点ベース部41にC方向に回転可能に接合され、第1リンク機構50を長手方向(I方向)へスライド可能に保持することになる。
An end portion of the columnar
Further, on the surface of the
第1リンク機構50の他端部のベース部10側には、補強部材60がねじ61,62によってねじ止めされ、この補強部材60を介し、柱状の第2リンク機構70の端部が第2回転軸51によってD方向に回転可能に取り付けられる。
また、図1における回転入力軸21とスライド支点回転軸43とを結ぶ直線上に位置するベース部10低段部11表面には柱上のレール81が、ねじ81a〜81fによってねじ止めされる。このレール81の長手方向(F方向)の両側面には直線上の溝82aが設けられ、このレール81上には、これらの溝82aを両側から挟みこみ、このレール81に沿ってF方向にスライド移動するスライド機構82が配置される。このスライド機構82におけるレール81と反対側の面には、錘保持板83が固着される。そして、この錘保持板83のベース部10と反対側面の両端には錘84,85(慣性質量)が、ねじ84a,84b,85a,85bによってそれぞれねじ止めされる。また、この錘保持板83の中央部には、第3回転軸83a(ビス等)によって第2リンク機構70の他端部がE方向に回転可能に取り付けられる。この構成により、スライド機構82には、第2回転軸51以外の第2リンク機構70上の部分が、当該第2回転軸51と平行な第3回転軸83aによって回転可能に接合され、このスライド機構82の移動範囲は、レール81によって一方向(F方向)のスライド運動に限定されることとなる。
The reinforcing
Also, a
<材料>
ベース部10、回転部材30、第1リンク機構50、第2リンク機構70、スライド支点ベース部41、スライド支点機構42、錘保持板83、ビス、ねじの材料としては、例えばステンレス、アルミニウム、ジュラルミン、プラスチック、セラミックス等を使用できるが、一定の機械的強度を有する剛体であれば特に限定はない。また、錘84、85としては鉛等どのようなものでもよいが比重が大きい材料のほうが望ましい。また、モータとしては、例えばブラッシュレスモータ(例えばMaxson Motor製 EC45 Flat motor等)を使用することができるが、特にこれには限定されない。
<Material>
Examples of the material of the
<電気的な構成>
図3は、上述の加速度発生装置1を有する擬似力覚発生装置100の電気的構成を示すブロック図の例示である。
この図に例示するように、この例の擬似力覚発生装置100は、CPU(Central processing Unit:例えばPentium(登録商標)4,1.5HGz等)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等によって構成される公知のコンピュータ110、コンピュータ110からの指令をアナログ信号に変換するD/Aボード111(例えばInterface製 PCI-3521等)、電源120、電源から供給された電力をD/Aボード111からの出力信号をもとに制御して出力するモータアンプ130(例えばMaxson Moter製DEC50/5等)及びモータ20を具備する前述の加速度発生装置1を有している。
<Electrical configuration>
FIG. 3 is an example of a block diagram showing an electrical configuration of the pseudo
As illustrated in this figure, the pseudo
ここで、D/Aボード111は、コンピュータ110からのデジタル信号の受信が可能なように、このコンピュータ110と電気的に接続され、D/Aボード111は、モータアンプ130へのアナログ信号の供給が可能なように、このモータアンプ130に電気的に接続される。また、モータアンプ130には、電源120が電気的に接続され、この電源120からの電力供給が可能な構成となっている。さらに、モータアンプ130はモータ20に電力供給が可能なようにモータ20と電気的に接続される。
Here, the D /
<動作>
まず、コンピュータ110が、D/Aボード111に加速度発生装置1のモータ20の回転を制御するためのデジタル信号をD/Aボード111に送る。D/Aボード111は、これをアナログ信号に変換してモータアンプ130に送る。モータアンプ130は、このアナログ信号の制御に従い、電源120から供給された電力を所定の直流電力に変換し、モータ20に供給する。これによりモータ20は定速回転し、その回転動力が回転入力軸21に伝達され、加速度発生装置1が駆動する。
<Operation>
First, the
図4(a)(b)は、モータ20によって回転入力軸21がA方向回転した際の各機構の動きを例示した図である。これらの図に示すように、回転入力軸21がA方向回転するとそれに保持されている第1回転軸33もA方向に回転移動する。これに伴い、第1リンク機構50の第1回転軸33に保持された部分も当該第1回転軸33を中心としたB方向の回転運動を伴いながらスライド移動する。この移動に伴い、第1リンク機構50の第2回転軸51部分に保持された第2リンク機構70も、第2回転軸51を中心とした回転運動を伴いながらスライド移動する。そして、この移動に伴い、第2リンク機構70の第3回転軸83a部分に回転保持された錘保持板83及びスライド機構82がF方向に移動する。
4A and 4B are diagrams illustrating the movement of each mechanism when the
図5(a)〜(d)は、この機構のモデルを示した概念図である。これらの図に示すように、第1回転軸33の円周回転運動に伴い、第1リンク機構50がスライド支点回転軸43にスライド回転保持されつつ回転シフト運動を行い、これに伴って、第2回転軸51が略楕円状の軌道を描いて移動し、第3回転軸83aがF1或いはF2方向(F方向)に移動する。この図の例の場合、図5(a)(b)の時点では、第3回転軸83aがF1方向に移動しており、図5(c)(d)の時点では、F2方向に移動している。
この第3回転軸83aの移動に伴い、スライド機構82、錘保持板83及び錘84,85もF方向に並進移動するが、モータ20が定速回転であった場合、これらの並進運動は、一周期の中で正及び負の加速度をもつ周期的な加速度運動となる。
FIGS. 5A to 5D are conceptual diagrams showing models of this mechanism. As shown in these drawings, along with the circumferential rotation of the
Along with the movement of the
そして、この加速度運動は、正方向における加速度の絶対値の最大値と、負方向における加速度の絶対値の最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の加速度をもつ時間よりも短い運動となる。具体的には、図7のグラフに示したような運動となる。ここで図7(a)は、回転部材30が定速回転したときのスライド機構82の位置の変動を、図7(b)は速度の変動を、図7(c)は加速度の変動を、それぞれ示している。なお、いずれのグラフも横軸が時間を示し、縦軸がそれぞれの値(位置、速度或いは加速度)を示す。なお、いずれも図5のF2方向を正としている。
This acceleration motion is different from the maximum absolute value of acceleration in the positive direction and the maximum absolute value of acceleration in the negative direction. The motion is shorter than the time with a small acceleration. Specifically, the movement is as shown in the graph of FIG. 7A shows the change in the position of the
この運動は周期運動であるため、原理的に位置・速度・加速度ともに一周期分を積分すればその平均値は0となる。しかし、本形態の構成の場合、図7(c)に示すように、スライド機構82の加速度は、回転部材30の回転周期の大部分において正(図5におけるF2方向)であり、負(図5におけるF1方向)である期間は短い。しかし、負の加速度の絶対値の最大値は、正の加速度の絶対値の最大値に比べ極端に大きい(この例では7〜8倍程度である)。すなわち、スライド機構82は、回転部材30の回転周期の大半の時間をかけて、小さな正の加速度で左向きから右向き(図5のF1方向からF2方向)の動きに移行し、残りの短時間に大きな負の加速度で右向きから左向き(図5のF2方向からF1方向)の動きに移行することになる。このとき、この加速度発生装置1全体を把持している利用者は、その力覚知覚の非線形性から、短時間ながら大きな値となる負の加速度の反作用をより強く感じることになる。その結果、この利用者は、右方向(図5のF2方向)への手応えを擬似的に感じることになる。本形態では、錘84,85も同じ並進加速度運動を行うため、この効果はより大きなものとなる。
Since this motion is a periodic motion, in principle, if the position, velocity, and acceleration are integrated for one cycle, the average value becomes zero. However, in the case of the configuration of the present embodiment, as shown in FIG. 7C, the acceleration of the
<知覚特性評価結果>
次に、本形態の擬似力覚発生装置の知覚特性評価結果を示す。
[実験方法]
任意の方向のみに出力を出すため、リニアレール(日本トムソン社製LWFF,レール長400mm)を用い、錘の並進方向を一軸のみに限定した。また錘の重量は20gとした。本実験では、肘から手掌の方向を正とした軸について調べた。本形態の擬似力覚発生装置にABS樹脂の箱を装着させ、被験者はその部分を利き手で握持した。被験者は24歳から31歳までの男性5名であり、アイマスクにより視覚からの情報を遮断させた。そして、擬似力覚発生装置を駆動させ、被験者は「前方(肘から掌の方向)」又は「後方(掌から肘の方向)」のいずれに力覚を感じたかを答えることとした。なお、力覚を提示する秒数は2秒であり、振動成分の順応を防ぐため20試行おきに1分程度の休息を入れた。また加速度の出力の極性(前方・後方)及び周波数の値は、ランダムに変化させ、被験者間で統一させた順序とした。周波数の値は5Hzから11Hzまで1Hzずつの7段階とし、被験者ごとに10試行ずつ(正逆5試行ずつ)測定を行った。
<Perceptual characteristic evaluation results>
Next, the perceptual characteristic evaluation result of the pseudo force sense generator according to the present embodiment is shown.
[experimental method]
In order to output in only an arbitrary direction, a linear rail (LWFF manufactured by Nippon Thomson Co., Ltd.,
[実験結果]
実験結果を図8に示す。ここで(a)は各被験者の極性の正答率を示す表であり、(b)は各被験者の正答率の平均を極性ごと(前方"forward"・後方"backward"・両方"total")に表示したグラフである。
これらに示すように、正答率は周波数の増加とともに上がっていく傾向が見られる。これは周波数の増加とともに加速度成分の絶対値が大きくなることによるものである。そして、周波数が10Hz以上の場合において全員の正答率が80%を超えることとなった。なお、正答とは、擬似力覚発生装置が発生させた力覚と被験者が回答した力覚との極性が一致することを意味する。
[Experimental result]
The experimental results are shown in FIG. Here, (a) is a table showing the correct answer rate of each subject's polarity, and (b) is the average of the correct answer rate of each subject for each polarity (forward “forward”, backward “backward”, both “total”). It is the displayed graph.
As shown in these figures, the correct answer rate tends to increase as the frequency increases. This is because the absolute value of the acceleration component increases as the frequency increases. And when the frequency was 10 Hz or more, the correct answer rate of all members exceeded 80%. The correct answer means that the polarities of the force sense generated by the pseudo force sense generating device and the force sense answered by the subject coincide.
〔第2の実施の形態〕
本形態は、本発明を回転型で実現した例である。
<機械的な構成>
図9(a)は、本形態における加速度発生装置200の内部構造を示した平面図であり、図9(b)は、図9(a)のJ−J断面図である。なお、図9(a)では、モータ220及び蓋211の記載を省略してあり、図9(b)のモータ220部分は断面図ではなく側面図である。
[Second Embodiment]
The present embodiment is an example in which the present invention is realized by a rotary type.
<Mechanical configuration>
FIG. 9A is a plan view showing the internal structure of the
図9(a)(b)に示すように、本形態の加速度発生装置200は、モータ220と、モータ220の回転動力が伝達される回転入力軸221と、回転入力軸221に固着された円形歯車222と、回転軸230に固着された円形歯車231及び非円形歯車232と、回転軸240に固着された非円形歯車241及びはずみ車250と、ベアリング213〜216と、ギアボックス210とを、主な構成部品とする。
この例のギアボックス210は、中空の箱形状となっており、その1つの面が蓋211として取り外し可能となっている。蓋211の中央部分には貫通孔211aが設けられており、蓋211の外部に配置されたモータ220の回転動力が伝達される回転入力軸221の先端が、この貫通孔211aを通じギアボックス210の内部に挿入されている。ギアボックス210の内部に挿入された回転入力軸221は円形歯車222の回転中心部に固着され、回転入力軸221の回転動力が円形歯車222に伝達される構成となっている。また、ギアボックス210内部には、蓋211と底面212を垂直に渡る2本の回転軸230,240が装着されている。ここで、回転軸230は、蓋211のベアリング213と底面212のベアリング214とに同軸回転可能に保持されている。また、回転軸240の一端は、底面212に設けられた貫通孔212aからギアボックス210内部に挿入され、蓋211のベアリング215と底面212のベアリング216とに回転可能に保持されている。なお、回転軸240の他端は貫通孔212aからギアボックス210の外部に配置されている。
As shown in FIGS. 9A and 9B, the
The
回転軸230の蓋211寄りの位置には、円形歯車222と噛み合い運動可能に円形歯車231が固着される。また、この回転軸230の底面212寄りの位置には、非円形歯車232が固着される。これにより、回転入力軸221の回転動力(この例ではK方向)が、円形歯車222から円形歯車231に伝わり、そこから回転軸230の回転(この例ではL方向)として非円形歯車232に伝達される。また、回転軸240のギアボックス210内部底面212寄りの位置には、非円形歯車241が、非円形歯車232との噛み合い運動可能に固着される。そして、ギアボックス210外部の回転軸240には、円盤状のはずみ車が固着される。これにより、非円形歯車232に伝達された回転動力(この例ではL方向)が、そのピッチ面を通じて非円形歯車241の回転(この例ではM方向)として伝達され、それが回転軸240の回転として伝達され、この回転軸240に固着されたはずみ車250を回転(この例ではM方向)させる。
ここで、非円形歯車232,241は、図9に示すようなピッチ面の位置によってピッチ円半径が異なる非円形の歯車であり、非円形歯車232と非円形歯車241との形状は同一である。
A
Here, the
<材料>
ギアボックス210、回転入力軸221、円形歯車222、231、回転軸230、240、非円形歯車232、241の材料としては、例えばステンレス、アルミニウム、ジュラルミン、プラスチック、セラミックス等を用いることができるが、一定の機械的強度を有する剛体であれば特に限定はない。また、はずみ車としては鉛等どのようなものでもよいが比重が大きい材料のほうが望ましい。
<Material>
As materials for the
<電気的構成>
モータ20がモータ220となる点、加速度発生装置1が加速度発生装置200となる点以外、第1の実施の形態と同様である。
<動作>
モータ220の回転動力が回転入力軸221に伝達されると、上述のように、その回転動力が、円形歯車222、231、回転軸230、非円形歯車232と伝えられる。非円形歯車232は、図9(c)のような噛み合い運動によってその回転動力を非円形歯車241に伝え、その回転動力は回転軸240、はずみ車250と伝達され、最後にはずみ車250を回転させる。ここで、モータ220の回転運動が定速回転運動であった場合、このはずみ車250の回転運動は、一周期の中で正及び負の角加速度をもつ周期的な角加速度運動となる。図9に示すような形状の非円形歯車232,241を用いた場合、この角加速度運動は、正方向における角加速度の絶対値の最大値と、負方向における角加速度の絶対値の最大値とが大きく異なり、当該最大値が大きい方向の角加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の角加速度をもつ時間よりも大変短い運動となる。そのため、この加速度発生装置200全体を把持している利用者は、その力覚知覚の非線形性から、短時間ながら大きな値をとる角加速度方向の反作用をより強く感じることになる。その結果、回転方向の疑似モーメント手応えを提示することが可能となる。
<Electrical configuration>
The second embodiment is the same as the first embodiment except that the
<Operation>
When the rotational power of the motor 220 is transmitted to the
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではない。例えば、第1の実施の形態と第2の実施の形態とを合成した加速度発生装置を構成してもよい。この場合、回転方向及びスライド方向双方に係る剛体6自由度の全運動方向に関する擬似的な手応えを作りだすことができる。
また、第2の実施の形態の変形として、非円形歯車を3つ以上用いて回転動力を伝達する構成としてもよい。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。
The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, you may comprise the acceleration generator which synthesize | combined 1st Embodiment and 2nd Embodiment. In this case, it is possible to create a pseudo response regarding the total motion direction of the
Further, as a modification of the second embodiment, a configuration may be adopted in which rotational power is transmitted using three or more non-circular gears.
Needless to say, other modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
物理的に完全な作用力を生じさせるためには通常、その反作用力を支持する支点や力点が必要となるが、本発明では、物理的な作用力としての平均は0のままでありながら、人間の力覚知覚の非線形性と作用力の正負の絶対値の差によって擬似的に狙った方向ヘの力覚表示を可能にする。このように外部に支点を必要としないため感覚提示デバイスとしてモバイル機器やウェアラブルコンビューティングなどの分野にも応用できる。 In order to generate a physically complete acting force, a fulcrum or a force point that supports the reaction force is usually required. In the present invention, while the average as the physical acting force remains zero, It enables force display in a pseudo target direction based on the difference between the non-linearity of human force perception and the absolute value of positive and negative acting force. Thus, since no external fulcrum is required, it can be applied as a sensory presentation device to the field of mobile devices and wearable contributors.
1 加速度発生装置
10 ベース部
11 低段部
12 高段部
12a 貫通孔
13,14 タブ
20 モータ
21 回転入力軸
30 回転部材
32 辺縁部
33 回転軸
41 スライド支点ベース部
41a,41b タブ
42 スライド支点機構
43 スライド支点回転軸
50 第1リンク機構
51 第2回転軸
52 溝
60 補強部材
61,62 ねじ
70 第2リンク機構
81 レール
81a〜81f,84a,84b,85a,85b ねじ
82a 溝
82 スライド機構
83 錘保持板
83a 第3回転軸
84,85 錘
100 擬似力覚発生装置
110 コンピュータ
111 D/Aボード
120 電源
130 モータアンプ
200 加速度発生装置
210 ギアボックス
211 蓋
211a 貫通孔
212 内部底面
212 底面
212a 貫通孔
213〜216 ベアリング
220 モータ
221 回転入力軸
222 円形歯車
230,240 回転軸
230 回転軸
231 円形歯車
232 第1非円形歯車
240 回転軸
241 第2非円形歯車
250 はずみ車
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記回転入力軸に伝えられた回転動力を、一周期の中で正及び負の加速度をもつ周期的な加速度運動に変換する動力伝達部と、を有し、
前記加速度運動は、
正方向における加速度の絶対値の最大値と、負方向における加速度の絶対値の最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の加速度をもつ時間よりも短い運動であり、
前記動力伝達部は、
前記回転入力軸に固定された回転部材と、
前記回転入力軸以外の前記回転部材上の部分に、当該回転入力軸と平行な第1回転軸によって回転可能に接合された第1リンク機構と、
前記第1回転軸以外の前記第1リンク機構上の部分に、当該第1回転軸と平行な第2回転軸によって回転可能に接合された第2リンク機構と、
前記第2回転軸以外の前記第2リンク機構上の部分が、当該第2回転軸と平行な第3回転軸によって回転可能に接合され、移動範囲が一方向のスライド運動に限定されたスライド機構と、
前記回転入力軸に対する相対位置が固定されたスライド支点ベース部と、
前記回転入力軸と平行なスライド支点回転軸によって前記スライド支点ベース部に回転可能に接合され、前記第1リンク機構を長手方向へスライド可能に保持するスライド支点機構と、を有し、
前記加速度運動は、前記スライド機構の加速度運動であり、
前記加速度は、直線運動の加速度である、
ことを特徴とする加速度発生装置。 A rotational input shaft to which rotational power is transmitted;
A power transmission unit that converts rotational power transmitted to the rotational input shaft into periodic acceleration motion having positive and negative accelerations in one cycle;
The acceleration motion is
The maximum absolute value of acceleration in the positive direction is different from the maximum absolute value of acceleration in the negative direction. Is a shorter exercise,
The power transmission unit is
A rotating member fixed to the rotating input shaft;
A first link mechanism rotatably joined to a portion on the rotating member other than the rotating input shaft by a first rotating shaft parallel to the rotating input shaft;
A second link mechanism joined to a portion on the first link mechanism other than the first rotation axis so as to be rotatable by a second rotation axis parallel to the first rotation axis;
A slide mechanism in which a portion on the second link mechanism other than the second rotation axis is rotatably joined by a third rotation axis parallel to the second rotation axis, and the movement range is limited to a sliding motion in one direction. When,
A slide fulcrum base portion having a fixed relative position to the rotation input shaft;
A slide fulcrum mechanism rotatably connected to the slide fulcrum base by a slide fulcrum rotation axis parallel to the rotation input shaft, and holding the first link mechanism slidable in the longitudinal direction;
The acceleration motion is an acceleration motion of the slide mechanism,
The acceleration is a linear motion acceleration,
An acceleration generator characterized by that.
前記制御用コンピュータと電気的に接続され、当該制御用コンピュータの制御に従って電力供給を行うモータアンプと、
前記モータアンプと電気的に接続され、当該モータアンプから供給された電力によって駆動するモータと、
前記モータの回転動力が伝えられる回転入力軸と、
前記回転入力軸に伝えられた回転動力を、一周期の中で正及び負の加速度をもつ周期的な加速度運動に変換する動力伝達部と、を有し、
前記加速度運動は、
正方向における加速度の絶対値の最大値と、負方向における加速度の絶対値の最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の加速度をもつ時間よりも短い運動であり、
前記動力伝達部は、
前記回転入力軸に固定された回転部材と、
前記回転入力軸以外の前記回転部材上の部分に、当該回転入力軸と平行な第1回転軸によって回転可能に接合された第1リンク機構と、
前記第1回転軸以外の前記第1リンク機構上の部分に、当該第1回転軸と平行な第2回転軸によって回転可能に接合された第2リンク機構と、
前記第2回転軸以外の前記第2リンク機構上の部分が、当該第2回転軸と平行な第3回転軸によって回転可能に接合され、移動範囲が一方向のスライド運動に限定されたスライド機構と、
前記回転入力軸に対する相対位置が固定されたスライド支点ベース部と、
前記回転入力軸と平行なスライド支点回転軸によって前記スライド支点ベース部に回転可能に接合され、前記第1リンク機構を長手方向へスライド可能に保持するスライド支点機構と、を有し、
前記加速度運動は、前記スライド機構の加速度運動であり、
前記加速度は、直線運動の加速度である、
ことを特徴とする擬似力覚発生装置。 A control computer;
A motor amplifier that is electrically connected to the control computer and supplies power in accordance with the control of the control computer;
A motor electrically connected to the motor amplifier and driven by the power supplied from the motor amplifier;
A rotational input shaft to which the rotational power of the motor is transmitted;
A power transmission unit that converts rotational power transmitted to the rotational input shaft into periodic acceleration motion having positive and negative accelerations in one cycle;
The acceleration motion is
The time when the maximum absolute value of acceleration in the positive direction is different from the maximum absolute value of acceleration in the negative direction, and the time when the maximum value has a large acceleration is the time when the maximum value has a small acceleration. Is a shorter exercise,
The power transmission unit is
A rotating member fixed to the rotating input shaft;
A first link mechanism rotatably joined to a portion on the rotating member other than the rotating input shaft by a first rotating shaft parallel to the rotating input shaft;
A second link mechanism joined to a portion on the first link mechanism other than the first rotation axis so as to be rotatable by a second rotation axis parallel to the first rotation axis;
A slide mechanism in which a portion on the second link mechanism other than the second rotation axis is rotatably joined by a third rotation axis parallel to the second rotation axis, and the movement range is limited to a sliding motion in one direction. When,
A slide fulcrum base portion having a fixed relative position to the rotation input shaft;
A slide fulcrum mechanism rotatably connected to the slide fulcrum base by a slide fulcrum rotation axis parallel to the rotation input shaft, and holding the first link mechanism slidable in the longitudinal direction;
The acceleration motion is an acceleration motion of the slide mechanism,
The acceleration is a linear motion acceleration,
A pseudo force generation apparatus characterized by the above.
前記制御用コンピュータと電気的に接続され、当該制御用コンピュータの制御に従って電力供給を行うモータアンプと、
前記モータアンプと電気的に接続され、当該モータアンプから供給された電力によって駆動するモータと、
前記モータの回転動力が伝えられる回転入力軸と、
前記回転入力軸に伝えられた回転動力を、一周期の中で正及び負の加速度をもつ周期的な加速度運動に変換する動力伝達部と、を有し、
前記加速度運動は、
正方向における加速度の絶対値の最大値と、負方向における加速度の絶対値の最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の加速度をもつ時間よりも短い運動であり、
前記動力伝達部は、
ピッチ面の位置によってピッチ円半径が異なり、前記回転入力軸の回転動力が伝達される第1非円形歯車と、
ピッチ面の位置によってピッチ円半径が異なり、前記第1非円形歯車が噛み合い運動可能に噛み合わされた第2非円形歯車と、を有し、
前記加速度運動は、前記第2非円形歯車の角加速度運動であり、
前記加速度は、角加速度である、
ことを特徴とする擬似力覚発生装置。 A control computer;
A motor amplifier that is electrically connected to the control computer and supplies power in accordance with the control of the control computer;
A motor electrically connected to the motor amplifier and driven by the power supplied from the motor amplifier;
A rotational input shaft to which the rotational power of the motor is transmitted;
A power transmission unit that converts rotational power transmitted to the rotational input shaft into periodic acceleration motion having positive and negative accelerations in one cycle;
The acceleration motion is
The time when the maximum absolute value of acceleration in the positive direction is different from the maximum absolute value of acceleration in the negative direction, and the time when the maximum value has a large acceleration is the time when the maximum value has a small acceleration. Is a shorter exercise,
The power transmission unit is
A first non-circular gear having a pitch circle radius that varies depending on the position of the pitch surface, and to which the rotational power of the rotary input shaft is transmitted;
A second non-circular gear having a pitch circle radius that varies depending on a position of the pitch surface, and the first non-circular gear meshed so as to be capable of meshing movement;
The acceleration motion is an angular acceleration motion of the second non-circular gear;
The acceleration is angular acceleration.
A pseudo force generation apparatus characterized by the above.
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