JP6594731B2 - 触覚出力装置 - Google Patents

Description

本願は、触覚出力装置に関する。

近年、ウェアラブルデバイスの開発が盛んである。ウェアラブルデバイスには、操作性向上を目的とした触感フィードバック機能を備えたものがある。触感フィードバック機能を実現する手段としては、各種のものが提案されている（例えば、特許文献１−４を参照）。

特開２００５−４３３８５号公報 特開２００４−２９９９９号公報 特開２００９−１９３４７６号公報 特開２０１４−８１７１６号公報

指先に圧覚を与える手段の一例として、例えば、指先に触れる面に複数の吸引孔を設け、吸引孔に負圧を与えて指先に疑似的な圧覚を与えるものがある。しかし、吸引孔に負圧を与えるには、使用者に対し、吸引孔を設けた面に指を密着させるという動作を要求することになる。また、吸引孔に負圧を与えるための機構が複雑なので、指先の圧覚に適用すると、指先を自由自在に動かすことが困難である。

指先に圧覚を与える手段のその他の例として、例えば、手の甲の側に設けたアクチュエータで指サックを牽引して圧覚を与えるものや、皮膚に接触している弾性部材を盛り上がらせて圧覚を与えるものがある。しかし、手の甲の側に設けたアクチュエータによって指先に与えられる圧覚は、皮膚表面を垂直方向に押し込む刺激ではないため、リアルな圧覚を提示することが困難である。また、皮膚に接触している弾性部材を盛り上がらせることによって与えられる圧覚は、皮膚表面を垂直方向に押し込む刺激の他に、皮膚表面を水平方向に動かす刺激も伴うため、圧覚に違和感がある。

そこで、本願は、指先の動きを妨げずにリアルな圧覚を提示可能な触覚出力装置を開示する。

本願は、以下のような触覚出力装置を開示する。すなわち、本願で開示する触覚出力装置は、手の指に装着される筐体と、筐体に配置され、指と接触する接触面を形成する可動部材と、可動部材に筐体側から指側へ向かう力を与える第１の機構と、可動部材を筐体側へ引き寄せる人工筋肉アクチュエータを有する第２の機構と、を備える。

上記の触覚出力装置であれば、指先の動きを妨げずにリアルな圧覚を提示可能である。

図１は、触覚出力装置を斜め上から見た斜視図である。 図２は、分解された触覚出力装置を示した図である。 図３は、触覚出力装置の内部構造を示した図である。 図４は、接触材の動きを示した図である。 図５は、触覚出力装置を制御する制御回路の一例である。 図６は、分解された第１変形例の触覚出力装置を示した図である。 図７は、第１変形例に係る触覚出力装置の内部構造を示した図である。 図８は、第１変形例における接触材の動きを示した図である。 図９は、触覚出力装置を制御する制御回路の一例である。 図１０は、分解された第２変形例の触覚出力装置を示した図である。 図１１は、第２変形例に係る触覚出力装置の内部構造を示した図である。 図１２は、第２変形例における接触材の動きを示した図である。 図１３は、触覚出力装置をフォースフィードバック（ＦＦＢ）に用いたロボットの制御装置の一例である。 図１４は、ロボットの一例である。 図１５は、タッチパネルの一例である。

以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、単なる例示であり、本開示の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

図１は、触覚出力装置を斜め上から見た斜視図である。触覚出力装置１は、図１に示すように、ケース２（本願でいう「筐体」の一例である）とバンド３とを備える。触覚出力装置１は、手の指先を形成する末節骨と同程度の長さを有する装置であり、ケース２に設けられたバンド３によって指先に固定される。触覚出力装置１は、両手にある計１０本の指先に各々固定されてもよいし、何れか１本以上の指先に固定されてもよい。バンド３は、ケース２を指先に固定できるあらゆる素材を適用可能であり、例えば、ゴム状のエラストマ等で形成できる。

ケース２には、指が接する部分に開口部４が設けられている。そして、開口部４には、指と接触する接触面５を形成する接触材６（本願でいう「可動部材」の一例である）が配置されている。

なお、図１には、直方体のケース２が図示されているが、ケース２の形状は直方体に限定されない。ケース２は、立方体であってもよいし、円柱状、丸みを帯びた直方体、その他の多種多様な形状を有するものであってもよい。

図２は、分解された触覚出力装置１を示した図である。接触材６は、ケース２に内蔵されるアクチュエータ７（本願でいう「第２の機構」の一例である）の中心部に固定されている。アクチュエータ７は、誘電エラストマ７Ｂ（本願でいう「人工筋肉アクチュエータ」の一例である）を用いたアクチュエータであり、全体的に膜状の形態を有している。なお、本願でいう「人工筋肉アクチュエータ」とは、電気的な信号を受けて伸縮する素材を駆動源として用いたアクチュエータであり、生体の筋肉を人工的に模した形態や、人型ロボットのような生体を模した機器にアクチュエータとして適用されるものに限定されない。人工筋肉アクチュエータとしては、誘電エラストマを用いたものの他に、電気的な信号を受けて伸縮するあらゆる素材を適用可能である。

また、触覚出力装置１には、図２に示すように、ケース２の内部に圧縮バネ９（本願でいう「第１の機構」の一例である）が内蔵されている。アクチュエータ７は、ケース２内に嵌る矩形の枠体７Ａと、枠体７Ａの内側に張られる誘電エラストマ７Ｂと、誘電エラストマ７Ｂの中央部に装着される円形の板体７Ｃとを有する。接触材６は、誘電エラストマ７Ｂの中心部に装着された板体７Ｃに固定される。枠体７Ａ内の配線が接続される図示し
ない導線に繋がっている。圧縮バネ９は、ケース２の底面と接触材６との間にやや圧縮された状態で挟まれる。よって、圧縮バネ９は、板体７Ｃをケース２の外側へ押圧し、板体７Ｃに装着されている接触材６にケース２側から指側へ向かう力を加える。誘電エラストマ７Ｂの素材としては、例えば、シリコン系やアクリル系の比誘電率が高いポリマーが挙げられる。また、板体７Ｃを押圧する部材としては、圧縮バネ９の代わりに、例えば、ゴムやスポンジ等の弾性体、板バネ、その他各種の弾性変形可能な部材を適用可能である。

図３は、触覚出力装置１の内部構造を示した図である。接触材６は、板体７Ｃを押圧する圧縮バネ９によってケース２の外側へ押圧される。しかし、接触材６が固定されている板体７Ｃは、誘電エラストマ７Ｂに装着されている。そして、誘電エラストマ７Ｂは、電圧が印加されていない状態において緊張状態を保つため、圧縮バネ９による押圧力に抗して張った状態になっている。このため、圧縮バネ９によってケース２の外側へ押圧されている板体７Ｃは、誘電エラストマ７Ｂにより、ケース２外側への移動が制限された状態になる。誘電エラストマ７Ｂが板体７Ｃの移動を制限するため、板体７Ｃに装着されている接触材６は、ケース２の開口部４に収まった状態になる。

図４は、接触材６の動きを示した図である。誘電エラストマ７Ｂは、自身に印加された電位差によって弛緩する。誘電エラストマ７Ｂが弛緩すると、誘電エラストマ７Ｂによって移動が制限されていた接触材６が圧縮バネ９に押されてケース２外側へ移動する（図４（Ｂ））。ケース２外側へ移動した接触材６は、触覚出力装置１が装着されている指１０を押圧する。接触材６に指１０を押圧された利用者は、当該指１０に圧覚を感じる。また、誘電エラストマ７Ｂは、自身に印加されていた電位差が無くなって収縮する。誘電エラストマ７Ｂが収縮すると、圧縮バネ９に押されてケース２外側へ移動していた接触材６はケース２側へ移動する（図４（Ａ））。接触材６がケース２側へ移動すると、利用者が指１０に感じていた圧覚が無くなる。

図５は、触覚出力装置１を制御する制御回路の一例である。触覚出力装置１は、例えば、図５に示すように、マイコン（マイクロコンピュータ）１１Ａと昇圧回路１１Ｂとを有する制御回路１１で制御することができる。マイコン１１Ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、入出力インターフェース等を備えた電子機器である。マイコン１
１Ａは、メモリに展開されたコンピュータプログラムをＣＰＵで実行し、昇圧回路１１Ｂを制御する。昇圧回路１１Ｂは、昇圧回路１１Ｂに供給される電圧を昇圧し、誘電エラストマ７Ｂへ供給される電圧がマイコン１１Ａから指示された電圧になるように調整する。誘電エラストマ７Ｂは、昇圧回路１１Ｂから供給される電圧に応じて伸縮する。

本実施形態に係る触覚出力装置１は、接触材６を誘電エラストマ７Ｂで電気的に動かして圧覚を発生させる。よって、触覚出力装置１は、例えば、指先に触れる面に複数の吸引孔を設け、吸引孔に負圧を与えて指先に疑似的な圧覚を与えるような装置よりも機構を簡単にすることができ、指先を自由自在に動かすことができる。そして、誘電エラストマ７Ｂによって動かされる接触材６は、皮膚表面を垂直方向に押し込む刺激を発生させるため、リアルな圧覚を提示することが可能である。

＜第１変形例＞
以下、上記実施形態に係る触覚出力装置１を変形した第１変形例について説明する。第１変形例は、触覚出力装置１で用いられていた圧縮バネ９を誘電エラストマに置き換えたものである。図６は、分解された第１変形例の触覚出力装置を示した図である。本第１変形例に係る触覚出力装置１Ａは、図６に示すように、圧縮バネ９の代わりに第２アクチュエータ８（本願でいう「第１の機構」の一例である）が内蔵されている。その他の構成要素については実施形態の触覚出力装置１と同様なので同一の符号を付し、その説明を省略する。

第２アクチュエータ８は、ケース２の底面の縁沿いに嵌る矩形の枠体８Ａと、枠体８Ａの内側に張られる誘電エラストマ８Ｂとを有する。誘電エラストマ８Ｂの中央部には、アクチュエータ７の板体７Ｃが装着されている。そして、誘電エラストマ７Ｂが枠体７Ａを介してケース２の内壁面に固定され、誘電エラストマ８Ｂが枠体８Ａを介してケース２内の底面の縁沿いに固定されるため、板体７Ｃは、誘電エラストマ７Ｂの張力と誘電エラストマ８Ｂの張力とが均衡するケース２内の適当な位置で保持される。

図７は、第１変形例に係る触覚出力装置１Ａの内部構造を示した図である。誘電エラストマ７Ｂ，８Ｂは、電圧が印加されていない状態において緊張状態を保つ。よって、接触材６が固定されている板体７Ｃは、誘電エラストマ７Ｂの張力と誘電エラストマ８Ｂの張力とが均衡するケース２内の適当な位置で保持される。

図８は、第１変形例における接触材６の動きを示した図である。誘電エラストマ８Ｂは、誘電エラストマ７Ｂと同様、自身に印加された電位差によって弛緩する。誘電エラストマ７Ｂが収縮している状態において誘電エラストマ８Ｂが弛緩すると、誘電エラストマ８Ｂによって移動が制限されていた接触材６が誘電エラストマ７Ｂの張力に引き寄せられてケース２外側へ移動する（図８（Ａ））。ケース２外側へ移動した接触材６は、触覚出力装置１Ａが装着されている指１０を押圧する。接触材６に指１０を押圧された利用者は、当該指１０に圧覚を感じる。また、誘電エラストマ８Ｂが収縮している状態において誘電エラストマ７Ｂが弛緩すると、誘電エラストマ７Ｂによって移動が制限されていた接触材６が誘電エラストマ８Ｂの張力に引き寄せられてケース２内側へ移動する（図８（Ｂ））。接触材６が誘電エラストマ８Ｂの張力に引き寄せられてケース２内側へ移動すると、利用者が指１０に感じていた圧覚が無くなる。

図９は、触覚出力装置１Ａを制御する制御回路の一例である。触覚出力装置１Ａは、例えば、図９に示すように、マイコン１１Ａと昇圧回路１１Ｂ１，１１Ｂ２とを有する制御回路１１１で制御することができる。マイコン１１Ａは、昇圧回路１１Ｂ１の出力電圧と昇圧回路１１Ｂ２の出力電圧とが互い違いになるように昇圧回路１１Ｂ１，１１Ｂ２を制御する。すなわち、マイコン１１Ａは、昇圧回路１１Ｂ１に電圧の昇圧を指示する場合、昇圧回路１１Ｂ２に電圧の遮断または降圧を指示する。また、マイコン１１Ａは、昇圧回路１１Ｂ２に電圧の昇圧を指示する場合、昇圧回路１１Ｂ１に電力の遮断または降圧を指示する。昇圧回路１１Ｂ１の出力電圧と昇圧回路１１Ｂ２の出力電圧とが互い違いになるように制御されると、誘電エラストマ７Ｂと誘電エラストマ８Ｂが互い違いに伸縮する。誘電エラストマ７Ｂと誘電エラストマ８Ｂが互い違いに伸縮すると、接触材６は、ケース２の外側へ向かって移動したり、ケース２の内側へ向かって移動したりする。

本第１変形例に係る触覚出力装置１Ａは、実施形態の触覚出力装置１と同様、接触材６を誘電エラストマ７Ｂ，８Ｂで電気的に動かして圧覚を発生させる。よって、触覚出力装置１Ａは、例えば、指先に触れる面に複数の吸引孔を設け、吸引孔に負圧を与えて指先に疑似的な圧覚を与えるような装置よりも機構を簡単にすることができ、指先を自由自在に動かすことができる。そして、誘電エラストマ８Ｂによって動かされる接触材６は、皮膚表面を垂直方向に押し込む刺激を発生させるため、リアルな圧覚を提示することが可能である。また、本第１変形例に係る触覚出力装置１Ａであれば、各誘電エラストマ７Ｂ，８Ｂの印加電圧のバランスを適宜調整することにより、指先に加わる圧覚の強弱を微調整したり、接触材６の変位量を増大させたり、接触材６の動く速度を調整したりすることで、より複雑な圧覚を表現できる。

なお、本第１変形例に係る触覚出力装置１Ａは、実施形態の触覚出力装置１に備わっていた圧縮バネ９を更に備えていてもよい。圧縮バネ９が触覚出力装置１Ａに備わっている
場合、誘電エラストマ８Ｂの力を圧縮バネ９で補うことができる。

＜第２変形例＞
以下、上記実施形態に係る触覚出力装置１を変形した第２変形例について説明する。図１０は、分解された第２変形例の触覚出力装置を示した図である。本第２変形例に係る触覚出力装置１Ｂは、図１０に示すように、アクチュエータ７の代わりに膜状の弾性体１２（本願でいう「第１の機構」の一例である）を備える。また、触覚出力装置１Ｂは、図１０に示すように、圧縮バネ９の代わりにアクチュエータ１０７（本願でいう「第２の機構」の一例である）を備える。その他の構成要素については実施形態の触覚出力装置１と同様なので同一の符号を付し、その説明を省略する。

アクチュエータ１０７は、ケース２の底面の縁沿いに嵌る矩形の枠体１０７Ａと、枠体１０７Ａの内側に張られる誘電エラストマ１０７Ｂとを有する。誘電エラストマ１０７Ｂの中央部には、弾性体１２の中央部に装着されている板体１０７Ｃが装着されている。すなわち、板体１０７Ｃには、弾性体１２と誘電エラストマ１０７Ｂが装着されている。そして、弾性体１２がケース２の内壁面に固定され、誘電エラストマ１０７Ｂが枠体１０７Ａを介してケース２の底面の縁沿いに固定されるため、板体１０７Ｃは、弾性体１２の張力と誘電エラストマ１０７Ｂの張力とが均衡する適当な位置で保持される。

図１１は、第２変形例に係る触覚出力装置１Ｂの内部構造を示した図である。誘電エラストマ１０７Ｂは、電圧が印加されていない状態において緊張状態を保つ。よって、接触材６が固定されている板体１０７Ｃは、弾性体１２の張力と誘電エラストマ１０７Ｂの張力とが均衡する適当な位置で保持される。

図１２は、第２変形例における接触材６の動きを示した図である。誘電エラストマ１０７Ｂは、誘電エラストマ７Ｂと同様、自身に印加された電位差によって弛緩する。弾性体１２の張力によってケース２外側へ向かう力が板体１０７Ｃに加わっている状態において誘電エラストマ１０７Ｂが弛緩すると、誘電エラストマ１０７Ｂによって移動が制限されていた接触材６が弾性体１２の張力に引き寄せられてケース２外側へ移動する（図１２（Ａ））。ケース２外側へ移動した接触材６は、触覚出力装置１Ｂが装着されている指１０を押圧する。接触材６に指１０を押圧された利用者は、当該指１０に圧覚を感じる。また、誘電エラストマ１０７Ｂに電圧が印加されない状態になって収縮すると、接触材６が弾性体１２の張力に引き寄せられてケース２内側へ移動する（図１２（Ｂ））。接触材６が弾性体１２の張力に引き寄せられてケース２内側へ移動すると、利用者が指１０に感じていた圧覚が無くなる。

なお、触覚出力装置１Ｂは、例えば、図５に示したような制御回路１１で制御することができる。

本第２変形例に係る触覚出力装置１Ｂは、実施形態の触覚出力装置１と同様、接触材６を誘電エラストマ１０７Ｂで電気的に動かして圧覚を発生させる。よって、触覚出力装置１Ｂは、例えば、指先に触れる面に複数の吸引孔を設け、吸引孔に負圧を与えて指先に疑似的な圧覚を与えるような装置よりも機構を簡単にすることができ、指先を自由自在に動かすことができる。そして、誘電エラストマ１０７Ｂによって動かされる接触材６は、皮膚表面を垂直方向に押し込む刺激を発生させるため、リアルな圧覚を提示することが可能である。

＜適用例＞
上述した触覚出力装置１，１Ａ，１Ｂは、何れも様々な箇所へ適用可能である。図１３は、触覚出力装置１をフォースフィードバックに用いたロボットの制御装置の一例である
。ロボットの制御装置１３は、触覚出力装置１、制御回路１１、ＰＣ（Personal Computer）１４を備える。ＰＣ１４は、上述したマイコン１１Ａと同様、ＣＰＵやメモリ、入出
力インターフェース等を備えた電子機器である。ＰＣ１４は、メモリに展開されたコンピュータプログラムをＣＰＵで実行し、利用者の操作内容をロボットへ出力したり、ロボットから得られた情報に基づいて触覚出力装置１を制御したりする。なお、図１３では、触覚出力装置１および利用者の指１０が一つしか図示されていないが、ロボットに設けられた触覚センサの個数に対応する数の触覚出力装置１が制御装置１３に接続される。

図１４は、ロボットの一例である。触覚出力装置１を備えた制御装置１３は、例えば、図１４に示されるように、触覚センサ１５Ａをロボットハンド１５Ｂの先端に設けたロボット１５の制御に用いることができる。ロボット１５は、触覚センサ１５Ａが物体に接触して感圧した際に発生するアナログ信号を制御回路１１１でデジタル信号へ変換し、ＰＣ１４で処理する。触覚センサ１５Ａの信号を得た制御装置１３は、触覚センサ１５Ａの信号に応じて触覚出力装置１を動かし、利用者の指１０に適当な圧覚を与える。

＜その他の適用例＞
図１５は、タッチパネルの一例である。上述した触覚出力装置１，１Ａ，１Ｂは、例えば、タッチパネルを操作した際のフォースフィードバックに用いることも可能である。例えば、タッチパネル１６Ａに２つの操作領域Ａ，Ｂを表示する表示装置１６は、操作領域Ａがタッチされた場合には触覚出力装置で利用者に圧覚を１回与え、操作領域Ｂがタッチされた場合には触覚出力装置で利用者に圧覚を２回与える。上述した触覚出力装置１，１Ａ，１Ｂは、例えば、本適用例に係る表示装置１６のように、圧覚によるタッチ箇所の識別に用いることもできる。タッチ箇所が圧覚で識別できれば、例えば、圧覚のパターンを多数用意しておくことにより、触感のみで文字入力を行うデバイスを実現することができる。

また、上述した触覚出力装置１，１Ａ，１Ｂは、上述したロボット１５や表示装置１６の他、例えば、遠隔地から無線接続で操作される危険地帯に置かれたロボットアームの操縦装置、遠隔操作のロボットを使って行われる手術用のロボットの操縦装置、娯楽用のゲーム機、運転訓練や操縦訓練に用いるシミュレータ装置、患者の指先に刺激を与えて神経系の障害等を治療する医療機器、睡眠中の利用者を圧覚で目覚めさせる目覚まし時計、自動車を運転中の利用者に対して圧覚で警告を与える警告装置、視覚障害者用のデバイスや操作パネル、電子案内板、フラットキーボード、ジョイスティックやタッチスイッチ等の操作デバイス、その他各種の装置に適用可能である。例えば、シミュレータ装置に適用される場合、触覚出力装置１，１Ａ，１Ｂは、シミュレータ装置が実現する仮想空間内で物体をつまんだ時に、実空間においてあたかも本物の物体をつまんだかのような触感を使用者に与えることができる。

１，１Ａ，１Ｂ・・触覚出力装置
２・・ケース
３・・バンド
４・・開口部
５・・接触面
６・・接触材
７，１０７・・アクチュエータ
７Ａ，８Ａ，１０７Ａ・・枠体
７Ｂ，８Ｂ，１０７Ｂ・・誘電エラストマ
７Ｃ，１０７Ｃ・・板体
８・・第２アクチュエータ
９・・圧縮バネ
１０・・指
１１，１１１・・制御回路
１１Ａ・・マイコン
１１Ｂ１，１１Ｂ２・・昇圧回路
１２・・弾性体
１３・・制御装置
１４・・ＰＣ
１５・・ロボット
１５Ａ・・触覚センサ
１５Ｂ・・ロボットハンド
１６・・表示装置
１６Ａ・・タッチパネル

Claims (4)

1. 手の指に装着される筐体と、
   前記筐体に配置され、前記指と接触する接触面を形成する可動部材と、
   前記可動部材に前記筐体側から前記指側へ向かう力を与える第１の機構と、
   前記可動部材を前記筐体側へ引き寄せる、誘電エラストマを用いた人工筋肉アクチュエータを有する第２の機構と、を備え、
   前記第１の機構は、前記可動部材と前記筐体との間に挟まれる弾性体を有し、
   前記第２の機構は、前記誘電エラストマの中央部に装着された板体を有し、
   前記可動部材は、前記板体に固定されている、触覚出力装置。
2. 手の指に装着される筐体と、
   前記筐体に配置され、前記指と接触する接触面を形成する可動部材と、
   前記可動部材に前記筐体側から前記指側へ向かう力を与える第１の機構と、
   前記可動部材を前記筐体側へ引き寄せる、誘電エラストマを用いた人工筋肉アクチュエータを有する第２の機構と、を備え、
   前記第１の機構は、前記可動部材を前記筐体側から前記指側へ引き寄せる人工筋肉アクチュエータを有し、
   前記第２の機構は、前記誘電エラストマの中央部に装着された板体を有し、
   前記可動部材は、前記板体に固定されている、触覚出力装置。
3. 前記人工筋肉アクチュエータは、伸縮方向における一端が前記可動部材側に接続され、他端が前記筐体の内面側に接続される、
   請求項１または２に記載の触覚出力装置。
4. 前記可動部材の前記接触面のうち前記指と接触する部位と、前記板体と、前記弾性体とは、前記弾性体の伸縮方向から見て互いに重なるように配置されている、請求項１に記載の触覚出力装置。

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