JP5263619B2 - 把持感覚提示装置 - Google Patents

Description

本発明は、人に力覚を提示する力覚提示デバイスに関し、特に、仮想物体を把持した感覚を人の手に提示するための把持感覚提示装置に関する。

近年、仮想現実感を人に提示する技術の研究が盛んに行なわれている。このような技術の代表的なものに、バーチャルリアリティ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）やミクストリアリティ（Ｍｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）がある。バーチャルリアリティとは、コンピュータグラフィックスや音響効果を組み合わせて、 人工的に現実感を作り出す技術で
ある。ミクストリアリティとは、インタラクティブな３次元コンピュータグラフィックスと実空間を融合させる技術である。

これらの仮想現実感を提示する技術は、たとえば、業務用や家庭用のゲーム機などでの利用の他、たとえば、医学教育の分野でも力覚提示デバイスを応用して、触診により病巣を発見するための練習機器としての利用のなどのために研究が進められている。

仮想現実感の提示にあたっては、実際に物体があるかのように人の五感に刺激を与える必要がある。特に、力覚の提示は、仮想現実感の生成に重要である。力覚提示の研究は、これまでからなされており、力覚を提示するデバイスは、すでにいくつか開発されている。

図１は、力覚提示デバイスの代表的なものである、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）（例えば、非特許文献１を参照）の外観を示す図である。図１を参照して、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）は、ペン形のスタイラス２０００を備える。また、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）は、スタイラス２０００に力を与えるモータを備える。モータがスタイラス２０００に与える力は、スタイラス２０００の位置に応じて定められている。したがって、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）のユーザは、スタイラス２０００をつかんで動かすと、スタイラスの位置に応じて、硬い、柔らかいなどの力覚を感じる。

これまでに、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）を用いた仮想現実感の提示について様々な研究がなされている。例えば、非特許文献２には、力覚提示装置ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）で提示する力覚情報と、物に触れたときに発生する音声情報とをユーザに同時に提示し触ったときの臨場感を高める研究についての開示がある。非特許文献２には、様々なものに触れたときの触れ方をＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）が検知し、それに適合する音を自動生成するプログラムが開示されている。

ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）と同様によく知られている力覚提示デバイスに、ＳＰＩＤＡＲがある（例えば、非特許文献３、非特許文献４を参照）。ＳＰＩＤＡＲの外観を図２に示す。ＳＰＩＤＡＲは、力覚ポインタ３１００と、力覚ポインタ３１００に接続された複数のワイヤ３２００とを備える。ＳＰＩＤＡＲは、各ワイヤ３２００の長さから力覚ポインタ３１００の位置および姿勢を計算し、位置および姿勢に応じた力覚をワイヤ３２００の張力により提示する。

ここで、非特許文献５では、ＳＰＩＤＡＲのようなワイヤ駆動型力覚ディスプレイにおいて、安定な力覚提示を実現するために、提示力の正確性とともに、ワイヤ張力の連続性を考慮して、張力を計算するアルゴリズムについて開示されている。

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｅｎｓａｂｌｅ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ−ｈａｐｔｉｃ−ｄｅｖｉｃｅｓ．ｈｔｍ Ｊｕａｎ Ｌｉｕ，Ｈｉｒｏｓｈｉ Ａｎｄｏ "Ｈｅａｒｉｎｇ Ｈｏｗ Ｙｏｕ Ｔｏｕｃｈ： Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｔａｃｔ Ｓｏｕｎｄｓ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒｙ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ"、ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｈｕｍａｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ （ＨＳＩ ２００８）、２００８年５月 赤羽ら"１０ｋＨｚの更新周波数による高解像度ハプティックレンダリング"、日本バーチャルリアリティ学会論文誌、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．３、ｐｐ．２１７−２２６（２００４） 長谷川晶一、井上雅晴、金時学、佐藤誠、"張力型力覚提示装置のための張力計算法"、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．６、ｐｐ．１〜６（２００４） 井上雅晴、長谷川晶一、金時学、佐藤誠、"２次計画法を用いたワイヤ駆動型力覚ディスプレイのための張力計算アルゴリズム"、日本バーチャルリアリティ学会第６回大会論文集（２００１年９月）、ｐｐ．９１−９４

上記のＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）やＳＰＩＤＡＲは、物体を複数の指で把持したときの感覚を提示するのには、向いていない。

まず、これらの装置を用いて、力覚を複数の箇所に提示することは難しい。これらの装置は、各々、力覚を提示する箇所が１ヶ所であり、力覚を複数の箇所に提示することはできない。力覚を複数の箇所に提示するために、これらの装置を複数組み合わせることも考えられるが、この方法では、装置構成が複雑になる。

また、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）やＳＰＩＤＡＲは、ワイヤをモーターで引っ張ることで指先に力を伝えるデバイスであるが、提示できる力の範囲がモーターの制御の範囲に制限されてしまう。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、物体を把持した感覚を人の手に提示するための把持感覚提示装置を提供することを課題とする。

本発明の他の目的は、提示できる力覚の範囲を所望の範囲に設定することが可能な把持感覚提示装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、携帯型の把持感覚提示装置を提供することである。

この発明の１つの局面に従うと、仮想物体の接触感覚をユーザに提示するための把持感覚提示装置であって、ユーザの指からの押圧力を受ける押圧部と、押圧力による押圧部の変位に応じた反力を押圧部に対して与える力覚付与部とを備え、力覚付与部は、反力の源となる駆動力を発生するための駆動部と、駆動力を、力覚付与部から出力される反力に変換するための駆動力変換部とを含み、駆動力変換部は、駆動部からの駆動力を反力として押圧部に伝達するためのワイヤと、第１の回転軸のまわりに回転することで、ワイヤを巻き取り、あるいは、ワイヤの巻き取りを開放することで、駆動力を伝達するための部材とを含み、部材は、ワイヤの巻き取り量に応じて、第１の回転軸からワイヤの力点までの軸半径または第１の回転軸からワイヤの作用点までの軸半径が変化する形状を有している。

好ましくは、部材は、らせん形状の滑車である。
好ましくは、部材は、回転自在に第１の回転軸において支持され、力点に駆動力を受け、ワイヤが巻き取り可能に巻きつけられており、部材は、ワイヤの巻き取り量に応じて、ワイヤが部材に巻き取られ始める箇所である力点から第１の回転軸までの距離が変化し、ワイヤは、部材の作用点から反力を押圧部に伝達する。

好ましくは、部材は、第１の回転軸において支持され、第１の回転軸のまわりの回転を駆動する駆動力を駆動部から受け、ワイヤが巻き取り可能に巻きつけられており、部材は、ワイヤの巻き取り量に応じて、ワイヤが部材に巻き取られ始める箇所である力点から第１の回転軸までの距離が変化し、駆動力変換部は、第２の回転軸において支持され、部材からのワイヤが掛けられた定滑車をさらに備え、ワイヤは、定滑車の作用点から反力を押圧部に伝達する。

好ましくは、らせん形状は、アルキメデスらせんの形状であり、駆動部の駆動力は、変位に比例して増加する。

好ましくは、らせん形状は、滑車の半径に対する部材の力点から支点までの距離の比が、変位に反比例する形状である。

好ましくは、部材は、把持感覚提示装置に対して着脱可能であり、他の形状の部材と置換可能である。

好ましくは、部材は、機械的にらせんの形状を変更可能である。

本発明の把持感覚提示装置では、把持に伴う反力の変化は、駆動力変換部の機械的な構成により制御されるため、センシングにより電気・電子的に制御して反力を生成する場合に比べて、時間遅れを小さくできる。

また、本発明の把持感覚提示装置では、空間内での移動範囲の制限が少ないため、腕を動かせる場所のどこでも仮想物体の硬さを提示できる。

ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）の外観を示す図である。 ＳＰＩＤＡＲの外観を示す図である。 本発明の実施の形態の把持感覚提示システム１０００の構成を示す機能ブロック図である。 把持感覚提示装置１００をユーザが把持した状態を示す外観図である。 コンピュータ２００の構成を示すブロック図である。 反力の特性を再現する機構の原理を説明するための概念図である。 把持感覚提示装置１００の構成を示す図である。 駆動部１４０がコイル状のばねにより駆動力を生成する場合の駆動力変換部の構成の一例を説明するための概念図である。 ばねを駆動力源として、図８に示したような構成の場合の変位Ｘと反力Ｆの大きさとの関係を示す図である。 ばねを駆動力源として、異なるらせん形状の場合の変位Ｘと反力Ｆとの関係を示す図である。 駆動力源であるモータの回転力を円柱部材１５６によりワイヤ１６２ｂに伝達する構成を示す図である。 モータを駆動力源として、駆動力変換部１５０ｂにおいてらせん形状のワイヤ巻き取り機構を採用した場合の変位Ｘと反力Ｆとの関係を示す図である。 駆動力変換部１５０ｂにおいて異なる形状のワイヤ巻き取り機構を採用した場合の駆動力変換部の構成の一例を説明するための概念図である。 図１３に示した異なる形状のワイヤ巻き取り機構を採用した場合の変位Ｘと反力Ｆとの関係を示す図である。 把持感覚提示システム１０００の動作を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部分には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰り返さない。

（１．全体構成）
図３は、本発明の実施の形態の把持感覚提示システム１０００の構成を示す機能ブロック図である。

把持感覚提示システム１０００は、把持感覚提示装置１００と、システムの制御を行なうためのコンピュータ２００と、把持感覚提示装置１００の空間内の位置を検出するための位置検出センサ２０２と、把持感覚提示装置１００からの信号を受けて、コンピュータ２００に対応する信号に変換して出力するための把持感覚提示装置制御部３００と、コンピュータ２００からの画像信号出力に応じて、対応する画像を表示するディスプレイ４００とを含む。つまり、この限りでは、把持感覚提示装置制御部３００は、コンピュータ２００と把持感覚提示装置１００とのインタフェース装置として機能する。

後に詳しく説明するように、把持感覚提示装置１００は、ユーザが仮想物体をつかんだときに仮想物体から受ける力を提示する。ここで、仮想物体がユーザに与える力（反力）の特性は、把持感覚提示装置１００内で、駆動力を応力に変換する機構により、決定される。

把持感覚提示装置制御部３００は、必ずしも限定されないが、把持感覚提示装置１００の構成によっては、コンピュータ２００からのコマンドに応じて、把持感覚提示装置１００における反力の特性を変更するための信号を把持感覚提示装置１００に対して出力する。ここで、「反力の特性」とは、ユーザが仮想物体を指で押圧したきの変位の大きさに応じた、仮想物体がユーザに与える力（反力）の変化のことをいう。なお、反力の特性の変更は、このようなコンピュータ２００からのコマンドによるばかりではなく、把持感覚提示装置１００において、反力を提示する機構の一部の部品を他の部品に変更することや、機械的に手動で機構の駆動力の変更の比率を変更することによっても実現できる。

位置検出センサ２０２は、たとえば、把持感覚提示装置１００に付けられたＬＥＤ（light Emitting Diode）タグにより、把持感覚提示装置１００の空間内での位置と向きとを検出するためのセンサ群を示す。なお、位置検出センサ２０２は、把持感覚提示装置１００の空間内での位置と向きとを検出できる機構であれば、必ずしも、このような構成に限定されるものではない。

ディスプレイ４００に表示される画像は、少なくとも、仮想空間内に存在する物体の画像を含む。このとき、これを把持しようとするユーザの手を表す仮想的な画像が表示されても良い。この場合は、ユーザはディスプレイ４００上に表示される物体の画像とユーザの手の画像により、仮想的に物体を把持する状態を視覚的に確認することができる。

あるいは、物体の画像を周知の方法で立体画像として表示してもよい。このときは、ユーザは、このような物体の立体画像と自分自身の現実の手を視認しながら把持する構成となる。

なお、ディスプレイ４００は、図３においては、フラットパネルディスプレイとして図示されているが、必ずしもこのような構成に限定されるものではなく、たとえば、プロジェクタにより画像を映し出す構成であっても良いし、あるいは、ヘッドマウントディスプレイのようなものであってもよい。

コンピュータ２００の動作については、後に、さらに説明する。
図４は、把持感覚提示装置１００をユーザが把持した状態を示す外観図である。

図４に示すように、把持感覚提示装置１００は、ガイド部１０２と保持用取手部１０４とがＴ字型に組み合わされている。押圧部１１０ａと１１０ｂとは、それぞれ、スライダ１１２ａと１１２ｂとによりガイド部１０２に沿って移動可能なようにガイド部１０２に取り付けられている。したがって、押圧部１１０ａと１１０ｂとは、ユーザの指（図４では、人差し指と親指）による把持によって、ガイド部１０２をガイドとしてスライドする。

押圧部１１０ａと１１０ｂとが、ユーザの把持に応じて、力覚付与部１２０に接すると、以後は、力覚付与部１２０は、後に説明する機構により、押圧部１１０ａと１１０ｂとに対して、仮想物体からの反力に相当する力を加える。

なお、図４においては、説明の簡単のために、力覚付与部１２０を簡単化された外観で示している。押圧部１１０ａと１１０ｂが力覚付与部１２０に与える圧力に関する情報は、把持感覚提示装置制御部３００を介して、コンピュータ２００に送信される。すなわち、後に説明するように、力覚付与部１２０の側面と押圧部１１０ａと１１０ｂが、それぞれ接する面には、圧力を検知するための圧力センサ（図示せず）が設けられている。

また、保持用取手部１０４の内部には、上記反力の源となる駆動力を発生するための駆動部（図示せず）が設けられており、この駆動力が、仮想物体からの反力に相当する力となるように変換されて、力覚付与部１２０から押圧部１１０ａと１１０ｂに加えられる。

再び、図３にもどって、コンピュータ２００において、位置検出部２１０は、位置検出センサ２０２からの信号に応じて、把持感覚提示装置１００の向きおよび空間内の位置を検出するとともに、把持感覚提示装置１００からの信号に基づいて、押圧部１１０ａと１１０ｂの位置をそれぞれ検出する。把持物体情報記憶部２２０には、仮想物体の形状、位置、固さ等の仮想物体の属性に関する情報が格納されている。

仮想画像生成部２４０は、把持物体情報記憶部２２０に格納された情報に基づいて、ディスプレイ４００に仮想物体の画像を表示する。さらに、仮想画像生成部２４０は、位置検出部２１０からの把持感覚提示装置１００の位置と向きならびに押圧部１１０ａと１１０ｂの位置に基づいて、対応する仮想的なユーザの手の画像を生成し、ディスプレイ４００に当該画像を表示する。

なお、把持感覚提示装置１００の位置に応じて、把持物体情報記憶部２２０に格納された情報に基づき、仮想画像生成部２４０は、ディスプレイ４００に表示する仮想物体の画像を更新してもよい。たとえば、仮想画像生成部２４０は、当初は、第１の仮想物体の画像を表示させ、把持感覚提示装置１００の位置の変化に応じて、別の第２の仮想物体の画像を表示させる、といった制御を行なってもよい。

また、上述したように、反力制御部２３０は、把持感覚提示装置１００の構成によっては、コンピュータ２００からのコマンドに応じて、把持感覚提示装置１００における反力の特性を変更するための信号を把持感覚提示装置１００に対して出力する。

図５に、コンピュータ２００の構成をブロック図形式で示す。図５に示されるようにこのコンピュータ２００は、光学ディスクドライブ５０およびＦＤドライブ５２に加えて、それぞれバス６６に接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit ）５６と、ＲＯＭ（Read Only Memory) ５８と、RAM （Random Access Memory）６０と、ハードディスク５４と、通信インタフェース６８とを含んでいる。光学ディスクドライブ５０にはＣＤ−ＲＯＭ（またはＤＶＤ−ＲＯＭ）６２が装着される。ＦＤドライブ５２にはＦＤ６４が装着される。

把持感覚提示システム１０００が提供する仮想現実感は、コンピュータハードウェアと、ＣＰＵ５６により実行されるソフトウェアとにより実現される。一般的にこうしたソフトウェアはＣＤ−ＲＯＭ（またはＤＶＤ−ＲＯＭ）６２、ＦＤ６４等の記憶媒体に格納されて流通し、光学ドライブ５０またはＦＤドライブ５２等により記憶媒体から読取られてハードディスク５４に一旦格納される。または、当該装置がネットワークに接続されている場合には、ネットワーク上のサーバから一旦ハードディスク５４にコピーされる。そうしてさらにハードディスク５４からＲＡＭ６０に読出されてＣＰＵ５６により実行される。なお、ネットワーク接続されている場合には、ハードディスク５４に格納することなくＲＡＭ６０に直接ロードして実行するようにしてもよい。

このようにして、ＣＰＵ５６が実行する機能が、図３における位置検出部２１０、仮想画像生成部２４０、反力制御部２３０の機能に対応し、把持物体情報記憶部２２０は、たとえば、ハードディスク５４またはＲＡＭ６０などの記憶装置に対応する。

図５に示したコンピュータのハードウェア自体およびその動作原理は一般的なものである。したがって、本発明においてユーザに把持感覚を仮想的に提示する処理の一部を担うのは、ＣＤ−ＲＯＭ（またはＤＶＤ−ＲＯＭ）６２、ＦＤ６４、ハードディスク５４等の記憶媒体に記憶されたソフトウェアである。

（２．把持感覚提示部）
まず、把持感覚提示装置１００が、特定の仮想物体の反力の特性を再現する機構の原理について説明する。

図６は、このような反力の特性を再現する機構の原理を説明するための概念図である。
図６を参照して、ここでは、一例として、駆動機構として「コイル状のバネ（図では引っ張りバネ）」を用い、力の伝達機構として「てこ」を用いて原理的な説明を行なっている。

図６（ａ）に示すように、てこの位置ＰＡにバネが配置され、てこに力を加えているものとする。ここでは、駆動機構であるばねがてこに力を作用させる点を「力点」と呼ぶ。ばねの支点をはさんで、逆側に指からの押圧力が作用しているものとする。ここでは、指の押圧力がてこに作用する点を「作用点」と呼ぶ。

ばねが生み出す駆動力Ｗは、一般には、ばねの変位ｙに対して、比例する（Ｗ＝Ｋｙ，Ｋ：ばね定数）。

作用点の変位Ｘに対して、（支点から力点までの距離）／（支点から作用点までの距離）の比をＲとすると、ｙ＝ＲＸが成り立つので、押圧力Ｆに対する反力Ｆは、Ｆ＝ＲＫＸとなる。

ところで、図６（ｂ）に示すように、ばねの位置を位置ＰＡから、位置ＰＢ、位置ＰＣへ移動させると、比Ｒが変化するために、これに応じて、変位Ｘに対する反力Ｆの変化（反力の特性）も変化する。

言い換えると、力点のてこに対する位置が一定である限り、ばねを駆動力とするのであれば、変位Ｘについて反力Ｆは、単純に比例する関係であるものの、変位Ｘに応じて、力点の位置も変化するのであれば、変位Ｘと反力Ｆとの関数関係を、異なったものとすることができることになる。

図７は、把持感覚提示装置１００の具体的な詳細構成を示す図である。図７（ａ）は上面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＶＩＩａ−ＶＩＩａ’断面の正面側の断面図であり、図７（ｃ）は、図７（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ’断面の側面側の断面図である。

上述のとおり、押圧部（指置き台）１１０ａと１１０ｂとは、それぞれ、スライダ１１２ａと１１２ｂとによりガイド部１０２に沿って移動可能なようにガイド部１０２に取り付けられている。

把持感覚提示装置１００は、さらに、コイル状ばね１３０によりワイヤ１６１ａおよび１６１ｂを介して、それぞれ内側の滑車に力を受けるプーリー１３２ａおよび１３２ｂを含む。プーリー１３２ａおよび１３２ｂの外側の滑車によりワイヤ１６１ａおよび１６１ｂを介して、それぞれスライダ１１２ａと１１２ｂとが引張り力を受けるので、自由状態では、押圧部１１０ａと１１０ｂとは、このコイル状ばね１３０の自然長で決まる所定の間隔で隔てられることになり、ユーザが指で、押圧部１１０ａと１１０ｂとを把持することで、押圧部１１０ａと１１０ｂとは、力覚付与部１２０に接触するまで移動する。

一方、押圧部１１０ａと１１０ｂに力覚を提示するための力覚提示機構は、力覚付与部１２０と、保持用取手部１０４内に設けられている駆動部１４０と、駆動部１４０で発生した力を変位に対するその大きさを変換して力覚付与部１２０に伝達するための駆動力変換部１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃと、駆動部１４０で発生した力を力覚付与部１２０に伝達するためのワイヤ１６２ａと１６２ｂとを含む。

力覚付与部１２０は、より詳しくは、駆動部１４０から発生される駆動力により、それぞれ、押圧部１１０ａが接触した際に、押圧部１１０ａに向かう方向に平行な力を押圧部１１０ａに対して及ぼすための力覚提示部１２２ａと、押圧部１１０ｂが接触した際に、押圧部１１０ｂに向かう方向に平行な力を押圧部１１０ｂに対して及ぼすための力覚提示部１２２ｂとを含む。

力覚提示部１２２ａおよび１２２ｂは、それぞれ、スライダ１２６ａおよび１２６ｂにより、ガイド部１０２に沿って移動可能なようにガイド部１０２に取り付けられている。スライダ１２６ａおよび１２６ｂは、ワイヤ１６２ａと１６２ｂにより、それぞれ、駆動部１４０からの駆動力を受ける構成となっている。

力覚提示部１１２ａと１１２ｂの表面には、それぞれ、圧力センサ１２４ａおよび１２４ｂが設けられている。圧力センサ１２４ａおよび１２４ｂの検出結果は、把持感覚提示装置制御部３００を介してコンピュータ２００に伝達される。

以下に説明するように、反力を提示する機構の一部の部品である駆動力変換部１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ、あるいは、駆動力発生部１４０を他の部品に変更することによって、「反力の特性」を変更することが可能である。

図８は、駆動部１４０がコイル状のばねにより駆動力を生成する場合の駆動力変換部の構成の一例を説明するための概念図である。

図８（ａ）を参照して、図において、駆動部１４０コイル状ばね（図示せず）に接続されたワイヤ１５２により、柱状部材１５４が点ＯＰにおいて、図において紙面の上から下に向かう力を受ける。柱状部材は１５４は、紙面と並行な回転軸により回転自在に保持されているものとする。これに応じて、柱状部材１５４に巻かれたワイヤ１６２ｂにより駆動力変換部１５０ｂに駆動力が伝達される。ここで、例えば、駆動力変換部１５０ｂは、円錐表面にらせんが切られた形状をした「らせん形状の滑車」であるものとする。特に限定されないが、たとえば、駆動力変換部１５０ｂのらせんは、図８（ｂ）に示すような、いわゆる「アルキメデスらせん」の形状を有している。

ここで、「アルキメデスらせん」とは、半径ｒと回転角θとによる極座標では、その上面からみた形状は、ｒ＝ａθ（ａ：定数）となるような「らせん」である。

したがって、スライダ１２６ｂが力覚提示部１２２ｂが押圧部１１０ｂからユーザの指による押圧力を受けるのに対して、反力が駆動力変換部１５０ｂを介してワイヤ１６２ｂによりスライダ１２６ｂに与えられる。

ここで、駆動力変換部１５０ａの側にも、同様の構成が設けられているものとし、説明は省略する。

なお、ここで、通常の滑車やらせん形状の滑車においても、「てこ」の場合に準じて、駆動力がワイヤを介してこれらの滑車に働く点を力点ＯＰ１と呼び、この駆動力により滑車から負荷に力を伝達するワイヤに力が働く点を作用点ＯＰ２と呼ぶことにする。

したがって、ワイヤ１６２ｂは、柱状部材１５４にワイヤ１６２ｂが巻き取られると、ワイヤ１６２ｂがらせんから巻き取りが開放されることにより、駆動力変換部１５０ｂのらせんの回転軸（支点）から力点ＯＰ１までの距離が、巻き取りの開放量に応じて、大きくなる。逆にいうと、押圧部１１０ｂがユーザの指からの力により、スライダ１２６ｂが変位Ｘだけ移動すると、つまり、変位Ｘが大きくなるほど、ワイヤ１６２ｂがらせんに巻き取られるので、巻き取り量に応じて回転軸（支点）から力点ＯＰ１までの距離が小さくなる。一方、回転軸（支点）から作用点ＯＰ２までの距離は、らせんの最下段の一定半径部分にワイヤ１６２ｂがまかれているために、巻き取り量が変化しても、変化しないものとする。

図９は、ばねを駆動力源として、図８に示したような構成の場合の変位Ｘと反力Ｆの大きさとの関係を示す図である。

図９に示すとおり、駆動機構としてコイル状ばねを用いているにも関わらず、反力Ｆは、変位Ｘに対して、ある範囲では、実質的に一定となる。

このような関係が成り立つことをさらに詳しく説明すると、以下のとおりである。
ここでは、ばね側の軸半径ｒ１（駆動力変換部１５０ｂにおいて回転軸から力点ＯＰ１までの半径）に対する駆動力変換部１５０ｂのらせんの支点（回転軸）から作用点ＯＰ２までの半径（軸半径）ｒ２の比をＲ（＝ｒ２／ｒ１）とする。軸半径ｒ２は一定であるのに対して、軸半径ｒ１は変位とともに変化する。

押圧部１１０ｂが力覚提示部１２２ｂに接した後、指による押圧部１１０ｂの変位Ｘに対して、ばねの変位をδとする。このとき、Ｘ＝δＲが成り立つ。

このとき、らせんが「アルキメデスらせん」であることにより、以下の関係も成り立つ。

Ｒ＝ｃδ（ｃ：定数）
ばね定数をＫとすると、反力Ｆは、以下の式で表される。

Ｆ＝Ｋδ／Ｒ
Ｒ＝ｃδであるから、Ｆ＝Ｋ／ｃ（一定）となる。

図１０は、ばねを駆動力源として、異なるらせん形状の場合の変位Ｘと反力Ｆとの関係を示す図である。

図１０においては、図８に示した駆動力変換部１５０ｂにおいて、らせんの形状が、変位Ｘに対して、以下の関係を有するものとする。

Ｒ＝Ｃ’／Ｘ
このとき、図１０に示すように、変位Ｘに対して、反力Ｆは、２次関数として変化する。

すなわち、図９と同様に、押圧部１１０ｂが力覚提示部１２２ｂに接した後、指による押圧部１１０ｂの変位Ｘに対して、ばねの変位をδとする。このとき、Ｘ＝δＲが成り立つ。

図９と同様に、ばね定数をＫとすると、反力Ｆは、以下の式で表される。
Ｆ＝Ｋδ／Ｒ
出力が２次関数（Ｆ＝ＣＸ²）となるようにすると、以下の関係がなりたつ。

Ｋδ／Ｒ＝ＣＸ²
したがって、以下のように変形できる。

Ｒ＝Ｋδ／ＣＸ
δ＝Ｘ／Ｒであるので、
Ｒ＝Ｋ（Ｘ／Ｒ）／ＣＸ²＝Ｋ／（ＣＲＸ）
ここで、Ｃ’＝Ｋ／ＣＲとすると、以下の関係が成り立つ。

Ｒ＝Ｃ’／Ｘ
逆にいえば、このような関係が成り立つようにらせんの形状を予め設定しておけば、駆動力として、コイル状ばねを用いた場合でも、変位Ｘに対して、反力Ｆを２次関数として変化させることができる。

（駆動力源がモータの場合）
以上の説明では、駆動力源をばねとして説明した。駆動力源がモータの場合には、ｉ）モータに巻き取られるワイヤの変位Ｘに対して、モータ自身の駆動力、すなわち、仮に駆動力変換部１５０ｂで変換することなく反力を供給した場合駆動力は一定と制御することも可能であるし、ｉｉ）モータに巻き取られるワイヤの変位Ｘに対して、モータ自身の駆動力、すなわち、仮に駆動力変換部１５０ｂで変換することなく反力を供給した場合駆動力は変位Ｘに比例すると制御することも可能である。

図１１は、駆動力源であるモータの回転力を円柱部材１５６によりワイヤ１６２ｂに伝達する構成となっている。したがって、図１１では、柱状部材１５６が点ＯＰにおいて、図において、反時計回りにワイヤ１６２ｂに対して力を及ぼしている。ここでは、力点側と作用点側でワイヤを別としている。

このときは、柱状部材１５６から駆動力変換部１５０ｂに力を伝達するワイヤが駆動力変換部１５０ｂに巻き取られるほど、駆動力変換部１５０ｂの回転軸から力点ＯＰ１までの距離が大きくなるようにワイヤが巻かれる一方、駆動力変換部１５０ｂからスライダ１２６ｂに力を伝達するワイヤについては、ワイヤの巻き取り量に関係なく、駆動力変換部１５０ｂの回転軸から作用点ＯＰ２までの距離が一定となるようにワイヤが巻かれているものとする。

したがって、変位Ｘが大きくなるようにワイヤが巻き取られると、駆動力変換部１５０ｂにおいて回転軸から力点ＯＰ１までの半径ｒ１が比例して大きくなるのに対して、駆動力変換部１５０ｂのらせんの回転軸から作用点ＯＰ２までの半径ｒ２は一定であるものとする。この結果、比Ｒ（＝ｒ２／ｒ１）＝Ｃ’／Ｘ（Ｃ’：定数）が成り立つ。

また、ここでも、駆動力変換部１５０ａの側にも、同様の構成が設けられているものとし、説明は省略する。

図１２は、モータを駆動力源として、駆動力変換部１５０ｂにおいてらせん形状のワイヤ巻き取り機構を採用した場合の変位Ｘと反力Ｆとの関係を示す図である。

図１２においては、図１１に示した駆動力変換部１５０ｂにおいて、らせんの形状が、変位Ｘに対して、上述のとおり、以下の関係を有するものとする。

Ｒ＝Ｃ’／Ｘ
このとき、図１２に示すとおり、モータの駆動力自身は、変位に対して、一定であるにも関わらず、駆動力変換部１５０ｂを介して、スライダ１２６ｂに及ぼされる反力は、変位Ｘに比例することになる。

すなわち、押圧部１１０ｂが力覚提示部１２２ｂに接した後、指による押圧部１１０ｂの変位Ｘに対して、モータ側から巻き取られるワイヤ１６２ｂの変位をδとする。このとき、Ｘ＝δＲが成り立つ。

モータの駆動力は変位Ｘに関わらず一定（Ｗ）であるとすると、反力Ｆは、以下の式で表される。

Ｆ＝Ｗ／Ｒ
出力が１次関数（Ｆ＝ＣＸ）となるようにすると、以下の関係がなりたつ。

Ｗ／Ｒ＝ＣＸ
したがって、以下のように変形できる。

Ｒ＝Ｗ／ＣＸ
ここで、Ｃ’＝Ｗ／Ｃとすると、以下の関係が成り立つ。

Ｒ＝Ｃ’／Ｘ
次に、図１３は、モータを駆動力源として、駆動力変換部１５０ｂにおいて異なる形状のワイヤ巻き取り機構を採用した場合の駆動力変換部の構成の一例を説明するための概念図である。

すなわち、図１３においては、図１１の駆動力変換部１５０ｂにおいて、ワイヤ１６２ｂの巻き取り機構の形状が以下の条件を満たすものとする。

Ｒ＝ｃδ （変位Ｘ≦７ｍｍ）
Ｒ＝ｃδ／５ （変位Ｘ＞７ｍｍ）
なお、このとき、モータの駆動力は、変位Ｘに比例して増加するように制御されるものとする。あるいは、駆動力は、ばねで与えられるとしてもよい。

図１３（ａ）に示すように、ワイヤの巻き取りが、変位Ｘ≦７ｍｍの範囲では、らせんの半径は、１．００〜２．７５まで巻き取り量に比例して大きくなり、変位Ｘ＝７ｍｍの付近で、らせんの半径が２．７５から０．５５まで小さくなった後に、巻き取りが進むと、０．５５〜１．００まで巻き取り量に比例して大きくなる。なお、らせんの１つのピッチは、１ｍｍであるものとして図示している。

ここで、図１３（ｂ）に示すように、変位Ｘ＝７ｍｍの付近で、らせんの半径が２．７５から０．５５まで変化するのは、直線的に急激に変化するように巻き取りのガイドを設けても良いし、図１３（ｃ）に示すように、たとえば、０．５ｍｍ程度の軸方向の変化の幅の中で、らせん状に滑らかに変化するものとしてもよい。

図１４は、図１３に示した異なる形状のワイヤ巻き取り機構を採用した場合の変位Ｘと反力Ｆとの関係を示す図である。

変位Ｘ≦７ｍｍでは、Ｒ＝ｃδであり、モータ出力が変位δに対して比例するので、反力Ｆは一定となる。変位Ｘ＞７ｍｍでは、Ｒ＝ｃδ／５となって、モータの駆動力Ｗがより大きく伝達されるので、反力（指先への提示力）は大きくなる。

なお、以上の説明では、駆動力変換部１５０ｂにおいて、変位Ｘに応じて、ワイヤを巻き取るらせん上で、半径ｒ１と半径ｒ２との比Ｒが変化する構成としたが、たとえば、モータを駆動力として、駆動力変換部ｃの側、すなわち、部材１５６をらせん形状とすることとし、駆動力変換部１５０ａ，１５０ｂの側は一定半径とすることで、変位Ｘに対する反力Ｆの大きさを制御する構成としてもよい。この場合は、駆動力変換部１５０ａ，１５０ｂの側は、ワイヤによる駆動力の伝達方向を変更する定滑車として機能する。

図１５は、以上のような構成において、把持感覚提示システム１０００の動作を説明するためのフローチャートである。

図１５を参照して、処理が開始されると、まず、システムの初期化処理が行われる（ステップＳ１００）。

続いて、仮想画像生成部２４０は、仮想物体および仮想的な手の画像をディスプレイ４００上へ表示する（ステップＳ１０２）。

位置検出部２１０は、位置検出センサ２０２からの信号に基づいて、把持感覚提示装置１００の空間内の位置および向きを検出し（ステップＳ１０４）、把持感覚定時装置制御部３００からの信号に基づいて、押圧部１１０ａおよび１１０ｂの位置を検出する（ステップＳ１０６）。

仮想画像生成部２４０は、位置検出部２１０からの情報に基づいて、仮想的な手の画像の表示を、現在の把持感覚提示装置１００の空間内の位置および向きならびに押圧部１１０ａおよび１１０ｂの位置に整合するように、更新する（ステップＳ１０８）。

所定時間が経過し（ステップＳ１１４）、処理が終了していないときは（Ｓ１２４）、処理はステップ１０４に復帰する。一方、ステップＳ１２４において、（たとえば、ユーザからの終了指示により）処理が終了していると判断されると、把持感覚提示システム１０００は、処理を停止する。

以上のように、仮想的に把持する感覚をユーザに提示するにあたり、把持に伴う反力の変化は、駆動力変換部１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ（図７参照）の機械的な構成により制御されるため、コンピュータ２００がセンシングにより電気・電子的に制御して反力を生成する場合に比べて、時間遅れを小さくできるという利点がある。
（変形例）
なお、以上の説明では、駆動力変換部１５０ａ，駆動力変換部１５０ｂにおいて、または、駆動力変換部１５０ｃにおいて、ワイヤの巻き取り機構の形状は、固定的なものであるとして説明を行なってきた。

しかし、まず、駆動力変換部１５０ａ，駆動力変換部１５０ｂまたは駆動力変換部１５０ｃにおいて、駆動力を伝達するらせん形状の滑車については、これを把持感覚提示装置１００から着脱可能として、他の形状を有するらせん形状の滑車に置換可能とすることで、異なる把持感覚を提供することが可能である。

また、文献１：特許公開２００７−７１３８９（発明の名称 : 可変駆動装置及びシステム、出願人 : イートン コーポレーション 発明者 : ドミトリィ アリー シャーミス）に開示された機構を用いれば、らせん上の一つ一つの円の半径を、電気的制御で事前に可変的に固定することが可能である。すなわち、この文献１に開示された発明は、ワイヤを巻きつける軸径を変化させる機構なので、これを軸方向に複数個、らせん状に配置することで、らせんの個々の半径を変更できる。

これによって、たとえば、図１５の初期化処理（ステップＳ１０２）において、このようならせん形状の変更の設定を反力制御部２３０が行なう構成としてもよい。

あるいは、上述したようなワイヤの巻き取り機構の軸半径は、機械的にねじ等を回すことで可変とする構成として、必ずしも、コンピュータ側からのコマンドにより変更するのではなく、手動で変更することとしてもよい。

あるいは、ワイヤをベルトに変更し、ベルト式無段変速機に使われている可変径プーリ（可変プーリ，円錐プーリ）をらせん状に配置することによっても、らせん形状を初期設定処理において変更することが可能となる。

以上のとおり、本実施の形態に係る把持感覚提示装置１００は、把持感覚を提示するのに十分な性能を有する。

把持感覚提示装置１００は、２本の指で把持する２つの押圧部（指置き台）１１０ａおよび１１０ｂを備える。この押圧部１１０ａおよび１１０ｂに力覚を提示する力覚提示部１２２ａおよび１２２ｂは、駆動力発生源の駆動力を駆動力変換部１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃにより変換された駆動力で駆動されるので、仮想物体がユーザに与える力（反力）の特性を、駆動力発生源自体の特性に比べて、より自由度を広げて設定することが可能となる。

また、把持感覚提示装置１００は、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）やＳＰＩＤＡＲなどの従来機器より小さくて軽い。また、把持感覚提示装置１００は、空間内での移動範囲の制限が少ない携帯型デバイスである。そのため、把持感覚提示装置１００は、腕を動かせる場所のどこでも仮想物体の硬さを提示できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ 把持感覚提示装置、１１０ａ，１１０ｂ 押圧部、１１２ａ，１１２ｂ スライダ、１２０ 力覚付与部、１２４ａ，１２４ｂ 圧力センサ、１２２ａ，１２２ｂ 力覚提示部、１２６ａ，１２６ｂ スライダ、１３０ コイル状ばね、１３２ａ，１３２ｂ プーリー、１４０ 駆動部、１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ 駆動力変換部、１６０ａ，１６０ｂ，１６１ａ，１６１ｂ，１６２ａ，１６２ｂ ワイヤ、２００ コンピュータ、２０２ 位置検出センサ、２１０ 位置検出部、２２０ 把持物体情報記憶部、２３０ 反力制御部、２４０ 仮想画像生成部、３００ 把持感覚提示装置制御部、４００ ディスプレイ。

Claims (7)

1. 仮想物体の接触感覚をユーザに提示するための把持感覚提示装置であって、
   前記ユーザの指からの押圧力を受ける押圧部と、
   前記押圧力による前記押圧部の変位に応じた反力を前記押圧部に対して与える力覚付与部とを備え、
   前記力覚付与部は、
   前記反力の源となる駆動力を発生するための駆動部と、
   前記駆動力を、前記力覚付与部から出力される前記反力に変換するための駆動力変換部とを含み、
   前記駆動力変換部は、
   前記駆動部からの前記駆動力を前記反力として前記押圧部に伝達するためのワイヤと、
   第１の回転軸のまわりに回転することで、前記ワイヤを巻き取り、あるいは、前記ワイヤの巻き取りを開放することで、前記駆動力を伝達するための部材とを含み、
   前記部材は、前記ワイヤの巻き取り量に応じて、前記第１の回転軸から前記ワイヤの力点までの軸半径または前記第１の回転軸から前記ワイヤの作用点までの軸半径が変化する形状を有している、把持感覚提示装置。
2. 前記部材は、らせん形状の滑車である、請求項１記載の把持感覚提示装置。
3. 前記部材は、回転自在に前記第１の回転軸において支持され、力点に前記駆動力を受け、前記ワイヤが巻き取り可能に巻きつけられており、
   前記部材は、前記ワイヤの巻き取り量に応じて、前記ワイヤが前記部材に巻き取られ始める箇所である前記力点から前記第１の回転軸までの距離が変化し、
   前記ワイヤは、前記部材の作用点から前記反力を前記押圧部に伝達する、請求項２記載の把持感覚提示装置。
4. 前記らせん形状は、アルキメデスらせんの形状であり、
   前記駆動部の前記駆動力は、前記変位に比例して増加する、請求項２記載の把持感覚提示装置。
5. 前記らせん形状は、前記滑車の半径に対する前記部材の前記力点から前記支点までの距離の比が、前記変位に反比例する形状である、請求項２記載の把持感覚提示装置。
6. 前記部材は、前記把持感覚提示装置に対して着脱可能であり、他の形状の部材と置換可能である、請求項２記載の把持感覚提示装置。
7. 前記部材は、機械的にらせんの形状を変更可能である、請求項２記載の把持感覚提示装置。