JP6039562B2 - ３次元触覚伝達装置、方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、３次元の力ベクトルを人の感覚器官に伝達するための装置及び方法に関する。より詳細には、力ベクトルを物理的な動きで表現して人の触覚器官に伝達するための装置及び方法に関する。

最近、産業装備や医療装備のうち遠距離でロボットを操作し、いずれの作業や手術を実行させる装備が普遍化されている。このような分野を遠隔調整（ｔｅｌｅ−ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）分野と言う。

ところが、このようなロボット操作を人が行う場合、一方向（ｕｎｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）の力伝達によって現在のロボットに加えられている張力（ｔｅｎｓｉｏｎ）や負荷量（ｌｏａｄ）、その他の力を代表する物理量が前記操作者である人の触覚形態にフィードバックされない。しかし、フィードバック力は１または２次元以上での力ベクトル（ｖｅｃｔｏｒ）を表さない。

従来には、ロボット関節の折り畳み程度や進行方向の負荷量に対する力のフィードバックに関する研究が行われていたが、人の皮膚に触覚を伝達して直観的な物理量をフィードバックするという分野の関連研究は相対的に少ない。

このような触覚フィードバックもロボット操作分野だけではなく、教育やエンターテイメントを目的とするコンピュータシミュレーションにおいても仮想の物理的な力が人の手や皮膚に伝えられ、人が触覚を感じられるようになれば、より現実感のあるシミュレーションが実現できるのである。

このように力や触覚を伝達する技術をハプティック（ｈａｐｔｉｃ）フィードバックと言う。

人の指や皮膚に３次元の力ベクトルを表現して触覚刺激を伝達する装置及び方法を提供する。

このような力ベクトルの伝達によって触覚フィードバックを実現し、ロボットや機械の操作の巧みを高めることのできる装置及び方法を提供する。また、触覚フィードバックによってシミュレーションの現実感を高めることのできる３次元力ベクトル伝達装置及び方法を提供する。

本発明の一実施形態によると、固定部と、前記固定部のエンクロジャ（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）内に収容され、身体の表面と接触するとき、身体の表面と比較して少なくとも１つの非直交的な軸に沿って移動し、触覚のように多次元力ベクトルの水平的な要素を身体の表面に送信するよう構成された可動部と、前記固定部で構成されて動作されるとき、前記非直交的な軸に沿って前記駆動部に動き力（ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｆｏｒｃｅ）を提供する駆動部とを備える３次元触覚伝達装置が提供される。

前記駆動部は、前記可動部が少なくとも動作していないとき前記固定部の内部と比較して平衡レベルに向かって前記可動部に力を加えるための復元力を提供する弾性体をさらに含んでもよい。前記駆動部は、前記駆動部内の空気圧の変化に応じて前記非直交的な軸に沿って動き力を適用させてもよい。前記駆動部は前記非直交的な軸に沿って前記可動部に動き力を適用するために、前記駆動部と前記可動部との間に相互作用を介して電磁気的な力を発生させるソレノイドであってもよい。さらに、前記駆動部は、形状の変化が前記非直交的な軸に沿って前記可動部に動き力の適用を調整する圧電素子層を含むバイモルフであってもよい。

ここで、前記装置は、触覚のように遠隔調整時に身体の表面に３次元力ベクトルを送信するために、前記可動部にそれぞれの動き力を適用するために構成された複数の駆動部の動作を調整するための遠隔調整コントローラーと、遠隔調整時に身体の調整部により前記３次元力ベクトルとは異なる筋感覚力を適用するために構成された筋感覚力駆動部とをさらに含んでもよい。

前記駆動部は、それぞれの動作下で身体の表面と比較して水平であるＸ軸方向に前記可動部に第１動き力を適用するように構成される第１駆動部と、それぞれの動作下で身体の表面と比較して水平であるＹ軸方向に前記可動部に第２動き力を適用するように構成される第２駆動部と、それぞれの動作下で前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸に直交であるＺ軸方向に前記可動部に第３動き力を適用するように構成される第３駆動部とを備えてもよい。

ここで、前記装置は、遠隔調整時に前記第１、第２、及び第３駆動部のうち、複数を含む遠隔調整部によって身体の他の表面のそれぞれに触覚である３次元力ベクトルを送信するために、それぞれの可動部にそれぞれの動き力を適用するよう構成される前記第１、第２、及び第３駆動部のうち複数の動作を調整するための遠隔調整コントローラと、遠隔調整時に身体に調整部によってそれぞれの３次元力ベクトルと異なる筋感覚力を適用するために構成された筋感覚力駆動部とをさらに含んでもよい。

他の実施形態によると、３次元触覚伝達装置を用いて３次元触覚伝達方法が提供される。前記装置は、固定部と、前記固定部のエンクロジャ（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）内に収容され、身体の表面と接触されたとき身体の表面と比較して少なくとも１つの非直交的な軸に沿って移動し、触覚のような多次元力ベクトルの水平的な要素を身体の表面に送信するよう構成された可動部と、前記固定部で構成されて動作されるとき、前記非直交的な軸に沿って前記駆動部に動き力（ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｆｏｒｃｅ）を提供する駆動部とを備える。そして、前記方法は、前記駆動部を作動させるステップと、前記駆動部の動作下で、前記非直交的な軸の方向で前記可動部に前記駆動部によって適用された動き力に基づいた可動部を動かすステップとを含む。

前記方法は、前記駆動部が少なくとも動作しないとき、前記固定部の内部と比較して平衡レベルに向かって前記可動部に力を加えるために、前記駆動部に含まれる弾性体を用いて前記可動部に復元力を提供するステップをさらに含んでもよい。

前記可動部を動かすステップは、前記駆動部内で空気圧の変化に応じて、前記の非直交的な軸に沿って前記可動部に動き力を適用することを含むものとして前記可動部を動かしてもよい。前記可動部を動かすステップは、前記駆動部と前記可動部との間の相互作用によって発生させるソレノイド電磁気力を用いて前記非直交的な軸に沿って前記可動部に動き力を適用することを含むものとして前記可動部を動かしてもよい。前記可動部を動かすステップは、形状の変化が前記非直交的な軸に沿って前記可動部に前記動き力の適用を調整する圧電素子層を含むバイモルフを用いて前記可動部を動かしてもよい。

前記固定部のエンクロジャ（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）内での前記可動部の動きは、遠隔調整時に前記固定部、前記可動部、及び前記駆動部を含む遠隔調整部によって身体に適用される負荷を表すフィードバック信号の３次元力ベクトルを代表するものであってもよい。

前記方法は、遠隔調整時に身体の表面に触覚である３次元力ベクトルを送信するために、前記可動部にそれぞれの動き力を適用するために構成された複数の駆動部の動作を調整するステップと、遠隔調整時に身体の調整部により前記３次元力ベクトルとは異なる筋感覚力を適用するステップとを含んでもよい。

前記方法は、前記身体の表面と比較して、水平であるＸ軸方向に前記駆動部に第１動き力の適用を調整するステップと、前記身体の表面と比較して、水平であるＹ軸方向に前記可動部に第２動き力の適用を調整するステップと、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸に直交であるＺ軸方向に前記可動部に第３動き力の適用を調整するステップとをさらに含んでもよい。

前記方法は、遠隔調整時に第１、第２、及び第３駆動部のうち複数を含む遠隔調整部によって身体の他の表面それぞれに触覚である３次元力ベクトルを送信するために、それぞれの可動部にそれぞれの動き力を適用するように構成される前記第１、第２、及び第３駆動部の複数の動作を調整するステップと、遠隔調整時に身体に調整部によってそれぞれの３次元力ベクトルと異なる筋感覚力を適用するステップとをさらに含んでもよい。

本発明によると、人の指や皮膚に３次元の力ベクトルを伝達し、触覚フィードバックが実現されるためロボットや機械の操作の巧みを高めることができる。

また、触覚フィードバックによってシミュレーションの現実感を高めることができる。

本発明の一実施形態に係るそれぞれの３次元触覚伝達装置及びシステムを示す。 本発明の一実施形態に係るそれぞれの３次元触覚伝達装置及びシステムを示す。 本発明の一実施形態に係る３次元触覚伝達装置の分離斜視図である。 本発明の一実施形態に係る３次元触覚伝達装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る空気圧を用いる３次元触覚伝達装置の駆動部を示す。 本発明の一実施形態に係る図４に示す駆動部によって３次元触覚伝達装置の可動部が動く過程を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る図４に示す駆動部によって３次元触覚伝達装置の可動部が動く過程を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る図４に示す駆動部によって３次元触覚伝達装置の可動部が動く過程を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係るソレノイドで実現される３次元触覚伝達装置の駆動部を示す。 本発明の一実施形態に係る図６に示す駆動部によって３次元触覚伝達装置の可動部が動く過程を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る図６に示す駆動部によって３次元触覚伝達装置の可動部が動く過程を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る図６に示す駆動部によって３次元触覚伝達装置の可動部が動く過程を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る圧電素子バイモルフにより実現される３次元触覚伝達装置の駆動部を示す。 本発明の一実施形態に係る図８に示す駆動部によって３次元触覚伝達装置の可動部が動く過程を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る図８に示す駆動部によって３次元触覚伝達装置の可動部が動く過程を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る図８に示す駆動部によって３次元触覚伝達装置の可動部が動く過程を示す概念図である。

以下、本発明の一部実施形態を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、本発明が実施形態によって制限されたり限定されることはない。各図面に提示された同一の参照符号は同一の部材を示す。

図１は、本発明の一実施形態に係る３次元触覚伝達装置１００を示す。３次元触覚伝達装置１００は、人の皮膚に触覚を伝達するために３次元的な動きを有する可動部１１０及び１２０と固定部１３０を備える。

可動部の接触面１１０は、人の皮膚、例えば、指の内側面に接して触覚を伝達する。前記可動部の接触面１１０はそれ自体の変形によって触覚を伝達してもよい。例えば、上下に動いて上下方向（Ｚ軸方向）の触覚を伝達してもよい。そして、可動部のフレーム１２０は、前後方向（Ｘ軸方向）または左右方向（Ｙ軸方向）に動いて接触面１１０に接する人の皮膚に触覚を伝達する。

可動部の接触面１１０は、摩擦係数が高い素材、例えば、ラテックス素材で構成されてもよい。そして、可動部の接触面１１０は可動部のフレーム１２０に固定されているため、可動部のフレーム１２０の動きも可動部の接触面１１０に接する人の皮膚に触覚刺激として伝えられる。

一方、可動部のフレーム１２０は固定部１３０に収容される。固定部１３０は一定の隙間をおいて前記可動部のフレーム１２０を支持し、可動部のフレーム１２０の動き範囲を制限する。

図１Ｂに示すように、３次元触覚伝達装置１００は、遠隔調整システム（ｔｅｌｅ−ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）の調整部１７０に付着されるか、または内蔵されてもよく、後者の場合は固定部１３がもし存在すれば、調整部１７０の１つまたはそれ以上の筋感覚力アプリケーター（ｋｉｎａｅｓｔｈｅｓｉａ ｆｏｒｃｅ ａｐｐｌｉｃａｔｏｒ）１５０に含まれる。さらに、図１Ｂに示すように、一実施形態は、親指と人差し指の間に物が取られている触覚のために親指と人差し指を含む１つ以上の指のために３次元触覚伝達装置を１つ以上備え、調整部１７０と共に１つまたはそれ以上の３次元触覚伝達装置を備える。３次元触覚伝達装置１００は、例えば、ユーザ身体の表面のための潜在的なまたは利用可能な触覚があるたびに、調整部１７０に含まれる。調整部コントローラ（ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）１６０は、それに応じて、ある筋感覚力アプリケーター１５０によって提供される筋感覚力アプリケーション（ｋｉｎａｅｓｔｈｅｓｉａ ｆｏｒｃｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）の調整と共に、それぞれの３次元触覚伝達装置１００を使用して触覚の生成を調整することができる。一実施形態では、調整部コントローラ１６０は、またユーザからの筋感覚力アプリケーションを検出することができる。例えば、ユーザが、対応する身体部分や握っているツールが偏ったり（ｙａｗ）、転んだり（ｒｏｌｌ）、上下左右に揺れる（ｐｉｔｃｈ）ことを変更しようとしたり、同様に適切な触覚フィードバックを３次元触覚伝達装置１００と対応する筋感覚力アプリケーター１０５で調整するとき、偏ったり（ｙａｗ）、転んだり（ｒｏｌｌ）、上下左右に揺れる（ｐｉｔｃｈ）ことのユーザが希望する変更にいずれの反対圧力も示すことができる。

本アプリケーションの実施形態は、力フィードバック（ｆｏｒｃｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ）または検出された感覚に関しては、「触覚の（ｔａｃｔｉｌｅ）」という用語の定義に基づく。つまり、図１Ｂに示す筋感覚力アプリケーター１０５によって提供される筋感覚が適用された力と区別される身体の表面について、少なくとも非垂直な力、非直交的な力を含んでいる。ハプティック（ｈａｐｔｉｃ）または接触フィードバックはほぼ２種類の感覚を含んでいる。第１に、人の骨／組織／関節に適用された力に関するフィードバックであり、第２は、ここに記述されたユーザ身体の皮膚のような、身体の表面に適用された力に関するフィードバックである。骨／組織／関節に適用された力に関するフィードバック力は、例えば、３次元空間で対応する仮想の付属物の方向、または３次元空間で仮想の付属物に囲まれた環境条件を示すフィードバックを提供するために、偏ったり（ｙａｗ）、転んだり（ｒｏｌｌ）、上下左右に揺れる（ｐｉｔｃｈ）ことに応じて、力が適用され得る力フィードバックシステムである図１Ｂに示す筋感覚力アプリケーター１０５と共に筋感覚が適用された力でここに記述される。ここで定義された触覚、そして触覚のフィードバックは身体の表面に適用された力を示し、少なくとも水平、すなわち、それぞれ体の表面や非直交の力、そして、いずれの垂直または直交の力が適用されたユーザ身体の表面に同じ平面に力が作用する。これに加えて、そのような筋感覚力アプリケーター１０５は、図１Ａに示す３次元触覚伝達装置１００のような３次元触覚伝達装置を使用し、水平そして垂直の要素の力ベクトルを介して触覚のフィードバックを提供する１つ以上の実施形態と比較して３次元ベクトルによれば力が適用されない。

従って、図１Ａ及び図１Ｂの観点から、１つ以上の実施形態では、３次元触覚伝達装置１００は、例えば、遠隔調整システム１８０の使用または遠隔調整システム１８０の調整を通じる使用のような遠隔調整するための使用を含んでいる。１つ以上の実施形態では、この遠隔調整はロボットまたはロボットの付属品の操作距離、外科手術（ｓｕｒｇｉｃａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）の距離、仮想シミュレーションによって現実感を与えることのできる装置や、ゲーミング（ｇａｍｉｎｇ）インタフェースを示す。１つ以上の遠隔調整システム１８０の要素は、処理装置、特別に構成された処理装置、プロセッサ（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、または遠隔調整システム１８０の１つ以上の動作を調整することのできるコンピュータを含む。

例えば、図１Ａ及び図１Ｂに示す３次元触覚伝達装置１００の詳細な構成及び本発明の様々な実施形態について図２を参照してより詳細に後述する。

図２は、本発明の一実施形態に係る３次元触覚伝達装置１００の分解斜視図である。固定部１３０は、可動部のフレーム１２０を受け入れるために内部に支持空間を含み、このような空間によって可動部のフレーム１２０の前後方向（Ｘ軸方向）及び左右方向（Ｙ軸方向）の動き範囲が制限される。

そして、可動部のフレーム１２０は、固定部１３０内に収容されて外側に離脱しないように挟まれるが、このような構造によって可動部フレーム１２０の上下方向（Ｚ軸方向）の動く範囲が制限される。このような構造は、図３に示す断面図を参照して理解することができる。

図３は、本発明の一実施形態に係る３次元触覚伝達装置１００の断面図である。可動部が固定部１３０に収容される組立状態では、可動部フレームの突出部１２１が固定部１３０の上段の突出部１３１にかかって、固定部フレーム１２０が 固定部１３０と可動部のフレーム１２０の連動により触覚が準備（ｐｒｏｖｉｓｉｏｎ）される間に固定部から分離されることを防ぐ。

可動部の接触面１１０は人の指１５０の皮膚に接して摩擦力による触感を伝達し、図３では可動部の接触面１１０が上方に突出して人の指１５０の皮膚に上下方向（Ｚ軸方向）の動きを伝達する形状を示す。

一方、本発明の一実施形態によれば、３次元触覚伝達装置１００は、可動部を少なくとも１つの方向に動く駆動部１４０を備える。

図３に示す駆動部１４０は、可動部のフレーム１２０を前後方向（Ｘ軸方向）に動くように両側に位置する。一方、このような駆動部１４０と同じ構造（図示せず）が左右方向（Ｙ軸方向）の動きのために別途に備えられてもよい。

また、固定部１３０の下段に配置され、下段可動部のフレーム１２０を上下方向（Ｚ軸方向）に押すことができる更なる駆動部（図示せず）が別途に備えられてもよい。

このような駆動部１４０は様々な実施形態によって実現され、このような実施形態については図４〜図９Ａ乃至図９Ｃを参照して後述する。

図４は、本発明の一実施形態に係る空気圧を用いる３次元触覚伝達装置の駆動部を示す。本発明の一実施形態によれば、駆動部１４０ａは、空気圧（ａｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を用いて可動部のフレーム１２０を一定方向に押す。

空気圧を用いる駆動部の実施形態において、駆動部１４０ａのフレーム内には空気注入管１４２ａを含み、空気注入管１４２ａの一面は弾性部１４１ａによって封じている。

可動部のフレーム１２０のように３次元触覚が伝達されるように可動部を動かす３次元力のベクトルが図１Ｂに示す調整部コントローラ１６０によって生成されるような調整器（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）によって提供される。調整器は調整器によって調整された空気注入装置（ａｉｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）を介して、例えば、弾性部１４１ａに適用される空気圧を増加または減少させる入力信号調整器によって空気注入管１４２ａに空気を押込みし始める。

これによって駆動部１４０ａのフレームに一部分が固定し、一部は空気に露出される固定された弾性部１４１ａは図４（ａ）の状態から図４（ｂ）の状態のように膨らんで、可動部のフレーム１２０に力を伝達する。これによって力が伝えられた方向に可動部のフレーム１２０が動くようになる。

図５Ａ乃至図５Ｃは、本発明の一実施形態に係る図４に示す駆動部１４０ａによって３次元触覚伝達装置の可動部のフレーム１２０が動く過程を示す概念図である。

図５Ａでは、図４に示された駆動部１４０ａが固定部１３０内で可動部のフレーム１２０を前後方向（Ｘ軸方向）に動くことのできる状態である。

一方、駆動部１４０ａには、図５Ａに示すように、可動部のフレーム１２０が中心位置にあるよう復元力を提供する弾性体１４３ａを含む。駆動部１４０ａは、可動部のフレーム１２０の両側で対称構造に配置されてもよい。

可動部のフレーム１２０をＸ軸方向に動く入力信号が受信される場合、図５Ｂに示すように、前記入力信号に対応して空気圧（ａｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）が発生し、この空気圧は可動部のフレーム１２０をＸ軸方向に動き、このような動きが指１５０と接している可動部の接触面１１０ａを介して触覚刺激を発生させる。

また、前記Ｘ軸方向だけではなく、Ｚ軸方向に動く入力信号が受信される場合、図５Ｃに示すように、Ｘ軸方向の駆動部１４０ａは空気圧を用いてＸ軸方向の触覚刺激を生成し、Ｚ軸方向の駆動部（図示せず）は可動部の接触面１１０ａに直接空気圧を発生してＺ軸方向の触覚刺激を生成する。

この場合、Ｚ軸方向の駆動部は固定部１３０の構造を用いてもよく、固定部１３０の下段に空気注入管１３１ａ及びこれと連結される可動部フレーム１２０内部の空気注入管１１１ａを介して空気圧が可動部の接触面１１０ａをＺ軸方向に膨らむようにしてもよい。

以上では空気圧を用いる駆動部の実施形態について説明したが、本発明は、一部実施形態によって制限的に解釈されることはない。例えば、駆動部１４０は空気圧の他にも電磁気力などを用いてもよい。図６及び図７Ａ乃至図７Ｃでは電磁気力を用いる実施形態について説明される。

図６は、本発明の一実施形態に係るソレノイドで実現される３次元触覚伝達装置の駆動部１４０ｂを示す。駆動部１４０ｂは、ソレノイド１４２ｂ、永久磁石（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ）１４１ｂ、及びソレノイドに電流を与える電源１４３ｂを含む。

可動部のフレーム１２０を動く入力信号が受信されれば、このような入力信号に対応して電源１４３ｂはソレノイド１４２ｂに電流を印加し、このような電流によってソレノイド１４２ｂと永久磁石１４１ｂとの間に引力または斥力形態の電磁気力が発生する。

そして、このような引力または斥力が可動部のフレーム１２０を押したり、または引くという動きを発生する。

図７Ａ乃至図７Ｃは、本発明の一実施形態に係る図６に示す駆動部によって３次元触覚伝達装置の可動部が動く過程を示す概念図である。本発明の一実施形態によれば、待機状態の図７Ａに示すような状態を保持するように駆動部１４０ｂには復元力を提供する弾性体１４４ｂも含んでいる。弾性体１４４ｂの動作は、図５Ａの弾性体１４４ａと類似し、したがって、その詳細な説明は省略することにする。

このような待機状態で入力信号が受信されれば、駆動部１４０ｂは動作していると考慮され、例えば、図１Ｂの調整部コントローラ１６０によって調整される電源１４３ｂがソレノイド１４２ｂに電流を印加し、このような電流によってソレノイド１４２ｂと永久磁石１４１ｂとの間に発生する引力または斥力の電磁気力が可動部のフレーム１２０を動く。

このような方式によってＸ軸方向の動きが生成して可動部のフレーム１２０がＸ軸方向に動き、このような動きが可動部の接触面１１０ｂを介して指１５０に触覚刺激として伝えられる形状が図７Ｂに示された。

また、Ｘ軸方向だけではなく、Ｚ軸方向の動きが発生して指に触覚刺激に伝えられる形状が図７Ｃに示された。もちろん、Ｙ軸方向の動きは図示していないが、Ｘ軸方向の動き生成と同じ原理と構造が適用されて配置され、力を発生する方向のみが相異するだけである。

以上は、ソレノイドを用いて実現される可動部１４０の実施形態を示したが、本発明はこのような一部実施形態に限定されることはない。

例えば、本発明の可動部１４０は圧電素子（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ）を用いたバイモルフ（ｂｉｍｏｒｐｈ）によって実現されてもよい。図８及び図９Ａ乃至図９Ｃはこのような実施形態を示す。

図８は、本発明の一実施形態に係る圧電素子バイモルフにより実現される３次元触覚伝達装置の駆動部１４０ｃを示す。バイモルフはパネル形状（ｐａｎｅｌ）の圧電素子（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ）層１４１ｃと圧電素子ではない弾性パネル層１４２ｃが接した形態に構成されてもよい。

このような状態で、例えば、図１Ｂに示す調整部コントローラ１６０の調整下で電圧源１４３ｃが圧電素子層１４１ｃに電圧を印加すると、圧電素子の変形に応じてバイモルフ全体が曲がる。

したがって、このような曲がりによって一定方向の引張力を発生させ得る。

図９Ａ乃至図９Ｃは、本発明の一実施形態に係る図８に示す駆動部１４０ｃによって３次元触覚伝達装置の可動部が動く過程を示す概念図である。図９Ａは待機状態で可動部のフレーム１２０が固定部１３０中心に固定され、これをＸ軸方向及びＹ軸方向の４個のバイモルフが支持する形状を示す平面図である。

４個のバイモルフそれぞれで圧電素子層１４１ｃと弾性パネル層１４２ｃが接している形状が観察される。Ｘ軸方向に可動部のフレーム１２０を動く入力信号に対応して、電圧源１４３ｃがＸ軸方向のバイモルフに電圧を印加すると、図９Ｂに示すように一方向のバイモルフが待機状態よりもさらに曲がって、このような曲がりによって可動部のフレーム１２０がＸ軸方向に動くようになる。このような実施形態では、バイモルフそれぞれが復元力を提供するため復元力提供のための別途の弾性体構造は含んでいない。

一方、図９Ｃに示すように、Ｚ軸方向の動きのためには可動部の接触面１１０ｃの真下に別途のバイモルフ１１２ｃが配置され、直接Ｚ軸方向の動きを生成して指１５０に触覚刺激を伝達してもよい。

以上、駆動部１４０の数個の実施形態を提示したが、本発明の思想を変更しない範囲で他の応用が排除されて解釈されることはない。

本発明の一実施形態に係る方法は、多様なコンピュータ手段を介して様々な処理を実行することができるプログラム命令の形態で実現され、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読取可能な媒体は、プログラム命令、データファイル、データ構造などのうちの１つまたはその組合せを含んでもよい。媒体に記録されるプログラム命令は、本発明の目的のために特別に設計されて構成されたものでもよく、コンピュータソフトウェア分野の技術を有する当業者にとって公知のものであり、使用可能なものであってもよい。

上述したように、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような実施形態から多様な修正及び変形が可能である。

したがって、本発明の範囲は、開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲だけではなく特許請求の範囲と均等なものなどによって定められるものである。

１００ ３次元触覚伝達装置
１１０ 可動部の接触面
１２０ 可動部フレーム
１３０ 固定部
１４０ 駆動部
１５０ 指

Claims (15)

1. エンクロジャを含む固定部と、
   身体の表面と接触するとき、身体の表面に触覚のように多次元力ベクトルの水平的な要素を身体の表面に伝達するよう構成された可動部と、
   駆動されるとき、前記可動部に動き力を適用する駆動部と、
   を備え、
   前記可動部は、前記固定部のエンクロジャの外側に接触面を有し、かつ、前記エンクロジャの内側に収容されるように伸張しているフレーム部を含み、
   前記駆動部は、前記固定部のエンクロジャの中に構成されており、かつ、前記可動部の前記フレーム部に対して前記動き力を適用し、
   前記駆動部は、
   それぞれの動作下で身体の表面に関して水平であるＸ軸方向に前記可動部に第１動き力を適用するように構成される第１駆動部と、
   それぞれの動作下で身体の表面に関して水平であるＹ軸方向に前記可動部に第２動き力を適用するように構成される第２駆動部と、
   それぞれの動作下で前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸に直交であるＺ軸方向に前記可動部に第３動き力を適用するように構成される第３駆動部と、
   を備え、さらに、
   身体に調整部によってそれぞれの３次元力ベクトルと異なる筋感覚力を適用するために構成された筋感覚力駆動部と、を含み、
   前記筋感覚力は、人の骨、組織、または関節に適用された力に関するフィードバック力を含む、
   ことを特徴とする３次元触覚伝達装置。
2. 前記駆動部は、前記可動部が少なくとも動作していないときに、前記固定部の内部に関する平衡レベルに向かって前記可動部に力を加えるための復元力を提供する弾性体をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の３次元触覚伝達装置。
3. 前記駆動部は、前記駆動部内の空気圧の変化に応じて動き力が適用されるようにすることを特徴とする請求項１に記載の３次元触覚伝達装置。
4. 前記駆動部は前記可動部に動き力を適用するために、前記駆動部と前記可動部との間に相互作用を介して電磁気的な力を発生させるソレノイドであることを特徴とする請求項１に記載の３次元触覚伝達装置。
5. 前記駆動部は、形状の変化が前記可動部に動き力の適用を調整する圧電素子層を含むバイモルフであることを特徴とする請求項１に記載の３次元触覚伝達装置。
6. 前記固定部のエンクロジャでの前記可動部の動きは、遠隔調整時の前記固定部、前記可動部及び前記駆動部を備える遠隔調整部によって身体に適用される負荷を表すフィードバック信号の３次元力ベクトルを代表するものであることを特徴とする請求項１乃至５いずれか一項に記載の３次元触覚伝達装置。
7. 触覚のように遠隔調整時に身体の表面に３次元力ベクトルを伝達するために、前記可動部にそれぞれの動き力を適用するように構成された複数の駆動部の動作を調整するための遠隔調整コントローラーと、
   遠隔調整時に身体の調整部により前記３次元力ベクトルとは異なる筋感覚力を適用するために構成された筋感覚力駆動部と、
   をさらに含み、
   前記筋感覚力は、人の骨、組織、または関節に適用された力に関するフィードバック力を含む、
   ことを特徴とする請求項６に記載の３次元触覚伝達装置。
8. エンクロジャを含む固定部と、
   身体の表面と接触されたとき身体の表面に触覚のように多次元力ベクトルの水平的な要素を身体の表面に伝達するよう構成された可動部と、
   駆動されるとき、前記可動部に動き力を適用する駆動部と、
   を備え、
   前記可動部は、前記固定部のエンクロジャの外側に接触面を有し、かつ、前記エンクロジャの内側に収容されるように伸張しているフレーム部を含み、
   前記駆動部は、前記固定部のエンクロジャの中に構成されている、
   ３次元触覚伝達装置を用いて３次元触覚を伝達する方法において、
   前記駆動部を駆動するステップと、
   前記駆動部が駆動されると、前記可動部の前記フレーム部に前記駆動部によって適用された動き力に基づいて可動部を動かすステップと、
   を含み、
   前記駆動部を駆動するステップは、
   前記身体の表面に関して、水平であるＸ軸方向に前記駆動部に第１動き力の適用を調整するステップと、
   前記身体の表面に関して、水平であるＹ軸方向に前記可動部に第２動き力の適用を調整するステップと、
   前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸に直交であるＺ軸方向に前記可動部に第３動き力の適用を調整するステップと、
   を含み、さらに、
   身体に調整部によってそれぞれの３次元力ベクトルと異なる筋感覚力を適用するステップ、をさらに含み、
   前記筋感覚力は、人の骨、組織、または関節に適用された力に関するフィードバック力を含む、
   ことを特徴とする３次元触覚伝達方法。
9. 前記駆動部が少なくとも動作しないとき、前記固定部の内部に関する平衡レベルに向かって前記可動部に力を加えるために、前記駆動部に含まれる弾性体を用いて前記可動部に復元力を提供するステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の３次元触覚伝達方法。
10. 前記可動部を動かすステップは、前記駆動部内で空気圧の変化に応じて、前記可動部に動き力を適用することを含むものとして前記可動部を動かすことを特徴とする請求項８に記載の３次元触覚伝達方法。
11. 前記可動部を動かすステップは、前記駆動部と前記可動部との間の相互作用によって発生させるソレノイド電磁気力を用いて前記可動部に動き力を適用することを含むものとして前記可動部を動かすことを特徴とする請求項８に記載の３次元触覚伝達方法。
12. 前記可動部を動かすステップは、形状の変化が前記可動部に前記動き力の適用を調整する圧電素子層を含むバイモルフを用いて前記可動部を動かすことを特徴とする請求項８に記載の３次元触覚伝達方法。
13. 前記固定部のエンクロジャ内での前記可動部の動きは、遠隔調整時に前記固定部、前記可動部、及び前記駆動部を含む遠隔調整部によって身体に適用される負荷を表すフィードバック信号の３次元力ベクトルを代表するものであることを特徴とする請求項８乃至１２いずれか一項に記載の３次元触覚伝達方法。
14. 遠隔調整時に身体の表面に触覚である３次元力ベクトルを伝達するために、前記可動部にそれぞれの動き力を適用するように構成された複数の駆動部の動作を調整するステップと、
    遠隔調整時に身体の調整部により前記３次元力ベクトルとは異なる筋感覚力を適用するステップと、
    を含み、
    前記筋感覚力は、人の骨、組織、または関節に適用された力に関するフィードバック力を含む、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の３次元触覚伝達方法。
15. 請求項８に記載の方法を実行するように、少なくとも１つの処理装置を制御するコンピュータで読み出し可能なコードを含むコンピュータで読み出し可能な記録媒体。
    

Images