JP6594990B2 - 触覚再現装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力装置に設けられた操作体を指で掴んだときに、仮想の被保持物体を指で保持したのを模した反力を感じることができる触覚再現装置に関する。

特許文献１に仮想空間表示装置に関する発明が記載されている。
この仮想空間表示装置は、端末通信部とサーバーとで通信可能とされており、端末通信部に液晶ディスプレイと入力部とを含むタッチパネルが装備されている。

サーバーからの通信により、タッチパネルの液晶ディスプレイにショッピングモールの画像が表示される。ユーザがタッチパネルをドラッグすると、表示されているショッピングモール内の情景を移動させることができ、ショッピングモールの画面内の商品サムネイルをユーザがタップすると、商品の詳細情報が画面に表示される。ユーザは、購入する予定の商品をストックエリアに一時的に集めておくことができ、ストック商品について決済処理を行うことで、商品を購入できるようになっている。

特開２０１２−２３４３５５号公報

特許文献１に記載された仮想空間表示装置では、ショッピングモールのストアに表示されている商品の価格や色を確かめ、さらに商品の詳細情報を参酌して購入しようとする商品を探すことができる。

しかし、実際に商品に触れることができないので、その商品の大きさや質感などを手で感じることはできない。また、商品が動作するものや変形するものである場合に、その動作や変形にどの程度の力を要するのかを手で感じることも不可能である。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、所定の物体に手で触れたときの操作感触や押しつぶし触覚などを模した反力を機械的に生成することができる触覚再現装置を提供することを目的としている。

本発明の触覚再現装置は、入力装置と制御部とを有し、
前記入力装置に、親指で押圧操作される親指操作体と、前記親指操作体と対向する位置に設けられて人差し指と中指とで押圧操作される２つの対向操作体と、前記親指操作体と前記対向操作体のそれぞれの移動位置を検知する位置検知装置と、前記親指操作体と前記対向操作体のそれぞれに力を与えるモータとが設けられ、
前記制御部では、前記位置検知装置からの検知信号に基づいて前記親指操作体と前記対向操作体が指で押されたことが検知されると、前記モータが駆動されて指に反力が与えられ、このとき、前記親指操作体に与えられる反力が、それぞれの前記対向操作体に与えられる反力よりも大きくなるようにそれぞれの前記モータが制御されることを特徴とするものである。

本発明の触覚再現装置は、２つの前記対向操作体に同等の反力が与えられるものである。

または、本発明の触覚再現装置は、中指で押される前記対向操作体に与えられる反力が、人差し指で押される前記対向操作体に与えられる反力よりも大きいものである。

本発明の触覚再現装置は、前記制御部に、仮想の被保持物体を指で押したときに指に与えるべき反力のデータが保持されており、
前記データに基づいて前記モータが制御されて、前記親指操作体と前記対向操作体に与えられる反力が設定される。

また本発明の触覚再現装置は、表示装置に、前記被保持物体とこれを掴む手の画像が表示され、前記親指操作体と前記対向操作体が指で押されると、前記画像上で手の形状が変化して前記被保持物体が変形するものとして構成できる。

例えば、本発明の触覚再現装置は、前記被保持物体が、人差し指および中指と親指とで挟んで動作させる切断工具である。

この場合の触覚再現装置では、前記制御部によって、前記親指操作体と前記対向操作体が押されるにしたがって反力が徐々に大きくなり、その後反力が急激に低下するようにそれぞれの前記モータが制御され、このとき前記切断工具で切断動作を行った触覚を手で感じることができるものとして構成できる。

例えば、本発明の触覚再現装置は、前記被保持物体が、人差し指と中指の少なくとも一方と親指とで掴まれたときに変形する軟質物である。

この場合の触覚再現装置では、前記制御部によって、前記親指操作体と前記対向操作体が押される方向へ移動しているときの反力が一定となるようにそれぞれの前記モータが制御される。
さらに、本発明の触覚再現装置は、
入力装置と制御部とを有し、
前記入力装置に、親指で押圧操作される親指操作体と、前記親指操作体と対向する位置に設けられて人差し指と中指とで押圧操作される２つの対向操作体と、前記親指操作体と前記対向操作体のそれぞれの移動位置を検知する位置検知装置と、前記親指操作体と前記対向操作体のそれぞれに力を与えるモータとが設けられ、
前記制御部では、前記位置検知装置からの検知信号に基づいて前記親指操作体と前記対向操作体が指で押されたことが検知されると、前記モータが駆動されて指に反力が与えられ、このとき、前記親指操作体に与えられる反力が、押し始めから極大値に至るまで、前記対向操作体に与えられる反力よりも大きく、
中指で押される前記対向操作体に与えられる反力の初期値が、人差し指で押される前記対向操作体に与えられる反力の初期値よりも大きく、中指で押される前記対向操作体に与えられる反力の極大値が、人差し指で押される前記対向操作体に与えられる反力の極大値とほぼ同じ値となるようにそれぞれの前記モータが制御されることを特徴とするものである。

本発明の触覚再現装置は、操作体を指で掴むことで、仮想の被保持物体を掴んだのを模した反力を指で感じることができる。この反力はモータからそれぞれの操作体に与えられるが、親指操作体に与えられる反力が対向操作体よりも大きく設定される。人の手で物品を掴むときは、人差し指や中指による押圧力よりも親指の力の方が大きくなる。そこで、親指に対する反力を人差し指や中指に与えられる反力よりも大きくすることで、人の手で被保持物体を実際に掴んでいるのと同等の保持触覚を得ることができるようになる。

本発明の第１の実施の形態の触覚再現装置を使用している例を示す説明図、 本発明の第２の実施の形態の触覚再現装置を使用している例を示す説明図、 図１に示す触覚再現装置に設けられた入力装置を示すものであり、（Ａ）は上方から見た斜視図、（Ｂ）は下方から見た斜視図、 図２に示す入力装置の分解斜視図、 図２に示す入力装置に設けられた触覚発生ユニットを示す斜視図、 本発明の実施の形態の触覚再現装置の構成を示すブロック図、 実施の形態の触覚再現装置の使用例を示しており、仮想の被保持物体として切断工具を操作するときの表示画像を示す説明図、 実施の形態の触覚再現装置の使用例を示しており、仮想の被保持物体としてスクイーズボトルを掴むときの触覚を再現している表示画像を示す説明図、 仮想の被保持物体として切断工具やスクイーズボトルを掴むときの各操作体の動作を示す説明図、 仮想の被保持物体として切断工具を操作するときに親指操作体に作用する反力の説明図、 仮想の被保持物体として切断工具を操作するときに第１の対向操作体に作用する反力の説明図、 仮想の被保持物体として切断工具を操作するときに第２の対向操作体に作用する反力の説明図、 仮想の被保持物体としてスクイーズボトルを掴むときに親指操作体に作用する反力の説明図、 仮想の被保持物体としてスクイーズボトルを掴むときに第１の対向操作体に作用する反力の説明図、 仮想の被保持物体としてスクイーズボトルを掴むときに第２の対向操作体に作用する反力の説明図、

＜全体の構造＞
図１Ａと図１Ｂに、本発明の触覚再現装置１Ａ，１Ｂを使用している状態が示されている。

図１Ａに示す第１の実施の形態の触覚再現装置１Ａは、装置本体１０Ａと入力装置２０とから構成されている。図１Ａでは、入力装置２０が１個使用され、この入力装置２０が右手で操作されている。

入力装置２０はコード５２によって装置本体１０Ａに接続されている。装置本体１０Ａには表示装置１３が設けられている。表示装置１３はカラー液晶表示パネルやエレクトロルミネッセンス表示パネルなどである。装置本体１０Ａはパーソナルコンピュータや、比較的大きな表示画面を有するデモンストレーション用の表示装置などである。

図５に示すように、装置本体１０Ａには、表示装置１３を駆動するための表示ドライバー１４と、表示ドライバー１４の表示形態を制御する制御部１５とが設けられている。制御部１５はＣＰＵとメモリを主体として構成されている。また、制御部１５とそれぞれの入力装置２０との間で信号を授受するためのインターフェース１６が設けられている。

図１Ｂに示す第２の実施の形態の触覚再現装置１Ｂは、装置本体１０Ｂと入力装置２０とから構成されている。図１Ｂでは、同じ入力装置２０が２個使用され、入力装置２０が右手と左手で操作されている。

装置本体１０Ｂは、目の前方に装着するマスク型本体１１と、このマスク型本体１１を頭部に装着するためのストラップ１２を有している。

装置本体１０Ｂのマスク型本体１１に、表示装置１３が設けられている。この表示装置１３は、操作者の目の前方に設置されて目視可能となっている。図５に示す表示ドライバー１４と制御部１５およびインターフェース１６などは、マスク型本体１１に搭載されている。

図２（Ａ）には入力装置２０を上方から外観が斜視図で示され、図２（Ｂ）には入力装置２０を下方から見た外観が斜視図で示されている。図３は、入力装置２０の分解斜視図である。図４には、入力装置２０に内蔵されている３組の触覚発生ユニットのうちの第１の触覚発生ユニット３０Ａの構造が示されている。図２（Ａ）と図３および図４には、入力装置２０を基準としたＸ−Ｙ−Ｚ座標が示されている。入力装置２０はＺ方向が各操作体の押圧方向である。

図１Ａと図１Ｂに示す使用例では、入力装置２０は、Ｙ方向が上下に向けられた姿勢で人の手に保持されている。

図２に示すように、入力装置２０は合成樹脂製のケース２１を有している。ケース２１は片手で保持可能な大きさである。ケース２１は上部ケース２２と下部ケース２３とが組み合わされて構成されている。図３に示すように、上部ケース２２と下部ケース２３は、Ｚ方向に分割可能である。上部ケース２２と下部ケース２３は、ねじ止め手段などで互いに固定されており、２つのケース２２，２３の内部に機構収納空間が形成されている。

上部ケース２２はＺ方向に向く表面が第１の面２２ａであり、下部ケース２３はＺ方向に向く表面が第２の面２３ａである。図３に示すように、上部ケース２２には、第１の面２２ａでＺ方向に貫通する操作穴２４，２４が開口している。下部ケース２３には、第２の面２３ａをＺ方向に貫通する操作穴２５が開口している。操作穴２４，２４はＹ方向に並んで形成されており、Ｙ方向での開口寸法は、操作穴２５が個々の操作穴２４よりも大きくなっている。

上部ケース２２のＹ方向に向く端面には、コネクタ装着穴２６が開口しており、下部ケース２３のＹ方向に向く端面には、電源プラグ装着穴２７が開口している。

図３に示すように、ケース２１の内部の機構収納空間に、機構シャーシ２８が収納されている。機構シャーシ２８は、金属板から折り曲げられて、Ｘ−Ｙ平面と平行な取付け板部２８ａと、Ｙ−Ｚ平面と平行な区分板部２８ｂとが形成されている。

区分板部２８ｂを挟んでＸ方向の一方の側に、第１の触覚発生ユニット３０Ａと第２の触覚発生ユニット３０Ｂが固定されている。第１の触覚発生ユニット３０Ａと第２の触覚発生ユニット３０Ｂは、Ｙ方向に並んで配置されている。区分板部２８ｂを挟んでＸ方向の他方の側に、第３の触覚発生ユニット４０が１組設けられている。

＜触覚発生ユニットの構造＞
図４には、第１の触覚発生ユニット３０Ａの構造が示されている。

第１の触覚発生ユニット３０Ａは、金属板３０を折り曲げたフレーム３１を有している。このフレーム３１が区分板部２８ｂに固定されることで、機構シャーシ２８に第１の触覚発生ユニット３０Ａが搭載されている。

フレーム３１に移動部材３２Ａが設けられている。移動部材３２Ａは合成樹脂材料で形成されており、その先部に第１の対向操作体３３Ａが固定されている。第１の対向操作体３３Ａは合成樹脂材料で形成されている。図２に示すように、第１の対向操作体３３Ａは、上部ケース２２に形成された操作穴２４から外部に突出している。

図１Ａと図１Ｂに示すように、入力装置２０が右手で保持されているときは、第１の対向操作体３３Ａは人差し指で押されることになり、図１（Ｂ）に示すように、入力装置２０が左手で保持されているときは、第１の対向操作体３３Ａが中指で操作される。

図４に示すように、フレーム３１の一方の側板部３１ａにＺ方向に延びる案内長穴３１ｃが形成されている。移動部材３２Ａの側部には摺動突部３２ａが一体に形成されており、摺動突部３２ａが案内長穴３１ｃの内部を摺動することで、移動部材３２Ａがフレーム３１上でＺ方向へ移動自在に支持されている。移動部材３２Ａは凹部３２ｂを有している。この凹部３２ｂの内部では、移動部材３２Ａとフレーム３１の下端部との間の圧縮コイルばね３４が介在している。この圧縮コイルばね３４の弾性力によって、移動部材３２Ａは第１の対向操作体３３Ａが上部ケース２２から突出する方向であるＺ方向の図示上方に向けて付勢されている。

フレーム３１の一方の側壁部３１ａにモータ３５Ａが固定されている。モータ３５Ａの出力軸には出力歯車３６ａが固定されている。側壁部３１ａの外面に減速歯車３６ｂが回転自在に支持されており、出力歯車３６ａと減速歯車３６ｂとが噛み合っている。フレーム３１の側壁部３１ａにギヤボックス３７が固定されており、ギヤボックス３７の内部に減速機構が収納されている。前記減速歯車３６ｂの回転力は、ギヤボックス３７内の減速機構で減速される。ギヤボックス３７内の減速機構は、太陽歯車と遊星歯車などから構成されている。

ギヤボックス３７の減速出力軸にピニオン歯車３７ａが固定されている。移動部材３２Ａには厚肉部の表面にラック部３２ｃが形成されており、ピニオン歯車３７ａとラック部３２ｃとが噛み合っている。ピニオン歯車３８ａの歯部とラック部３２ｃの歯部は、移動部材３２Ａの移動方向と直交するＹ方向に対して傾けられたはす歯である。

前記圧縮コイルばね３４を設けることで、ピニオン歯車３８ａとラック部３２ｃとのバックラッシュを解消することができる。ただし、それぞれの触覚発生ユニットに圧縮コイルばね３４が設けられていなくてもよい。

フレーム３１の他方の側壁部３１ｂに位置検知装置３８Ａが固定されている。位置検知装置３８Ａは、側壁部３１ｂに固定されたステータ部と、ステータ部に対向して回転するロータ部とを有している。ロータ部に設けられたロータ軸がピニオン歯車３７ａと一緒に回転する。位置検知装置３８Ａは抵抗変化式であり、ステータ部に円弧状の抵抗体パターンが設けられ、ロータ部に前記抵抗体パターンを摺動する摺動子が設けられている。なお、位置検知装置３８Ａは磁気検知型であって、ロータ部に回転マグネットが固定され、ステータ部にＧＭＲ素子などの磁気検知素子が設けられて、ロータ部の回転角度が磁気検知素子によって検知されるものであってもよい。または、位置検知装置３８Ａが、光学式の位置検知装置であってもよい。

図３に示すように、区分板部２８ｂを挟んでＸ方向の一方の側に、第１の触覚発生ユニット３０Ａと並んで第２の触覚発生ユニット３０Ｂが固定されている。第２の触覚発生ユニット３０Ｂの構造は、第１の触覚発生ユニット３０Ａの構造と同じであるため、詳しい構造の説明は省略する。

第２の触覚発生ユニット３０Ｂでは移動部材３２ＢのＺ側の上部に第２の対向操作体３３Ｂが固定されている。第２の対向操作体３３Ｂは形状と寸法が第１の対向操作体３３Ａと同じである。

また、第２の触覚発生ユニット３０Ｂでは、モータを３５Ｂで示し、位置検知装置を３８Ｂで示しているが、これらは、第１の触覚発生ユニット３０Ａに設けられたモータ３５Ａおよび位置検知装置３８Ａと同じである。

図１Ａと図１Ｂに示すように、入力装置２０が右手で保持されているときは、第２の対向操作体３３Ｂは中指で押されることになり、図１（Ｂ）に示すように、入力装置２０が左手で保持されているときは、第２の対向操作体３３Ｂが人差し指で操作される。

図３に示すように、機構シャーシ２８の区分板部２８ｂの他方の側に第３の触覚発生ユニット４０が設けられている。

第３の触覚発生ユニット４０は、第１の触覚発生ユニット３０Ａおよび第２の触覚発生ユニット３０Ｂと基本的な構造が同じであるが、第３の触覚発生ユニット４０の方がやや大きく構成されている。第３の触覚発生ユニット４０は、フレーム４１に移動部材４２がＺ方向へ移動自在に支持されており、移動部材４２の先部に親指操作体４３が固定されている。親指操作体４３は、下部ケース２３の操作穴２５から図示下方へ突出している。移動部材４２は圧縮コイルばね４４によって、親指操作体４３が操作穴２５から突出する方向へ付勢されている。なお前述のようにこの圧縮コイルばね４４は省略することが可能である。

親指操作体４３は、Ｙ方向の幅寸法が、第１の対向操作体３３Ａと第２の対向操作体３３Ｂよりも大きく形成されており、第１の対向操作体３３Ａと第２の対向操作体３３Ｂの双方が、親指操作体４３とＺ方向で対向している。図１Ａと図１Ｂに示すように、入力装置２０は右手で保持されるときと左手で保持されるときの双方において、親指操作体４３が親指で操作される。

第３の触覚発生ユニット４０においても、フレーム４１にモータ４５が固定されており、モータ４５の出力軸に固定された出力歯車４６ａが減速歯車４６ｂと噛み合っている。前記減速歯車４６ｂの回転力は、ギヤボックス４７内の減速機構で減速され、その減速出力がピニオン歯車から、移動部材４２に形成されたラック部に伝達される。そしてピニオン歯車の回転が位置検知装置４８で検知される。

図３に示すように、ケース２１の内部には、信号コネクタ１７と電源プラグ２９が内蔵されている。信号コネクタ１７は、上部ケース２２に形成されたコネクタ装着穴２６の内部に露出しており、電源プラグ２９は、下部ケース２３に形成された電源プラグ装着穴２７の内部に露出している。

図５のブロック図に示すように、第１の触覚発生ユニット３０Ａと第２の触覚発生ユニット３０Ｂおよび第３の触覚発生ユニット４０のそれぞれにモータドライバ５１が設けられている。第１の触覚発生ユニット３０Ａに設けられたモータ３５Ａと第２の触覚発生ユニット３０Ｂに設けられたモータ３５Ｂおよび第３の触覚発生ユニット４０に設けられたモータ４５は、それぞれのモータドライバ５１によって回転駆動される。

それぞれのモータドライバ５１はインターフェース１７ａを介して前記信号コネクタ１７に接続されている。

図５に示すように、入力装置２０のケース２１の内部に姿勢検知部５３が設けられている。姿勢検知部５３は、例えば地磁気センサを検知する磁気センサであり、あるいは振動型ジャイロ装置であり、入力装置２０の操作空間内での姿勢や操作空間上での位置を検知することができる。姿勢検知部５３はインターフェース１７ａを介して前記信号コネクタ１７に接続されている。

図５に示すように、装置本体１０Ａ，１０Ｂにインターフェース１６が設けられ、個々のインターフェース１６が接続されている信号コネクタと、個々のインターフェース１７ａが接続されている前記信号コネクタ１７とがコード５２で接続されている。前記コード５２には電源ラインが含まれており、電源ラインが電源プラグ２９に接続されている。この電源ラインを通じて装置本体１０Ａ，１０Ｂから入力装置２０に電力が供給される。

なお、装置本体１０Ａ，１０Ｂとそれぞれの入力装置２０とがＲＦ信号によって通信可能とされており、入力装置２０に電池が内蔵されていてもよい。この場合には、装置本体１０Ａ，１０Ｂと入力装置２０とを繋ぐコード５２が不要である。

また、装置本体１０Ａ，１０Ｂは、さらにサーバーとの通信機能を有しているものであってもよい。

また、図１Ａに示す装置本体１０Ａと図１Ｂに示す装置本体１０Ｂには、いずれも発音装置が設けられている。発音装置は空間中に音を発するスピーカ、またが操作者の耳に音を与えるレシーバなどである。

次に、前記触覚再現装置１の操作方法と動作について説明する。
＜入力装置２０の操作と反力の設定＞
図２に示すように、入力装置２０は、ケース２１の第１の面２２ａに第１の対向操作体３３Ａと第２の対向操作体３３Ｂが突出し、第２の面２２ｂに１個の親指操作体４３が突出しており、２つの対向操作体３３Ａ，３３Ｂと親指操作体４３が、Ｚ方向において互いに逆向きに突出している。図１Ａと図１Ｂに示すように、入力装置２０は片手で保持されて、親指で親指操作体４３が押圧操作され、人差し指と中指で第１の対向操作体３３Ａと第２の対向操作体３３Ｂが押圧操作される。

入力装置２０では、制御部１５からそれぞれのモータドライバ５１に制御指令が与えられ、第１の触覚発生ユニット３０Ａのモータ３５Ａと第２の触覚発生ユニット３０Ｂのモータ３５Ｂおよび第３の触覚発生ユニット４０のモータ４５が前記制御指令に基づいて動作させられる。

モータ３５Ａ，３５Ｂとモータ４５の回転を制御することにより、移動部材３２Ａ，３２Ｂと移動部材４２を任意の位置へ移動させて、その位置で停止させることができる。例えば、第１の対向操作体３３Ａと第２の対向操作体３３Ｂおよび親指操作体４３をケース２１から最大限まで突出させた位置で停止させることができ、または各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３をケース２１の内部に最大限に後退させた位置で停止させることができる。また、各操作体３３Ａ，３３Ｂと操作体４３を最大突出位置と最大後退位置の中間の任意の位置で停止させることもできる。

また、モータ３５Ａ，３５Ｂとモータ４５に与えられる電力を制御することにより、ケース２１から突出している各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４０を指で押しても動かないように、モータ３５Ａ，３５Ｂ，４５のロータを強い力で保持させることができる。

各移動部材３２Ａ，３２Ｂ，４２が移動できる状態のときに、第１の対向操作体３３Ａと第２の対向操作体３３Ｂおよび親指操作体４３のいずれかが押されて、移動部材３２Ａ，３２Ｂ，４２が押し込み方向へ移動すると、その移動位置が位置検知装置３８Ａ，３８Ｂまたは位置検知装置４８で検知されて、その検知出力が制御部１５に与えられる。制御部１５には、移動距離と反力との関係を示す反力作用線（反力作用係数）に関するデータが保持されており、操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３の押し込み位置に応じて、モータ３５Ａ，３５Ｂまたはモータ４５が前記反力作用線に応じたトルクを発生するように制御される。これによって、対向操作体３３Ａ，３３Ｂを押圧している人差し指と中指、および親指操作体４３を押圧している親指に反力が与えられる。

図９Ａないし図１０Ｃに、制御部１５内のメモリに格納されている反力作用線（反力作用係数）のデータの例が示されている。いずれも横軸が操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３の押し込み量（押し込み位置）であり、図示右方向に向かうにしたがって押し込み量が多くなっている。

縦軸は、モータ３５Ａ，３５Ｂ，４５から各移動部材３２Ａ，３２Ｂ，４２に与えられる移動力であり、この移動力が対向操作体３３Ａ，３３Ｂおよび親指操作体４３から各指に与えられる反力となる。縦軸の正の数字が大きくなるほど、対向操作体３３Ａ，３３Ｂおよび親指操作体４３をケース２１から突出させようとする力が大きくなり、指に感じる反力が大きくなる。なお、図９Ａないし図１０Ｃに示す線図の縦軸の数字は、モータの駆動トルクを設定するための制御用の数値であり、物理学上の力の単位を意味しているものではない。

図９Ａないし図１０Ｃに示すグラフ内の実線は、各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３が押し込まれてケース２１に向けて移動するときに各移動部材３２Ａ，３２Ｂ，４２に与えられる力の変化を示している。グラフ内の破線は、各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３がケース２１から突出する方向へ復帰移動するときに各移動部材３２Ａ，３２Ｂ，４２に与えられる力の変化を示している。

例えば、図１０Ａないし図１０Ｃは、実線の線図が水平な直線となっている。これは、各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３をケース２１に向けて押し込んだときにどの位置まで押し込んでも指に感じる反力が一定であることを意味している。

図９Ａないし図９Ｃでは、グラフ内の実線が右方向に向けてほぼ一次関数で上昇している領域がある。これは各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３をケース２１に向けて押し込んだときに、その押し込み量に比例して指に感じる反力が増大することを意味しており、この場合の実線の傾きは、仮想の被保持物体を押したときの弾性係数に相当している。

＜仮想の切断工具を操作するときの触覚反力＞
触覚再現装置１Ａ，１Ｂでは、複数種の仮想の被保持物体を手で保持するのを模した反力を操作者の手に感じさせることができる。複数種の仮想の被保持物体の反力作用線（反力作用係数）のデータは、制御部１５に設けられたメモリに格納されている。また、制御部１５で表示ドライバー１４が制御され、図１Ａまたは図１Ｂに示す表示装置１３に複数種の仮想の被保持物体の画像が選択できるように表示され、また手の画像も表示される。これら表示はコンピュータグラフィックによるものである。

図６には、表示装置１３の表示画面１３ａに、仮想の被保持物体として切断工具６０が表示されている状態が示されている。切断工具６０はニッパーであり、一対のハンドル６１，６１と、ハンドル６１，６１の操作で切断を行う切断部６２が設けられている。表示画面１３ａには切断工具６０で切断されるワーク６３が表示されている。ワーク６３は金属線材の画像である。

表示画面１３ａには手Ｈの画像が表示されており、所定の操作で、表示画面１３ａに現れている手Ｈの画像が移動し、手Ｈの画像で切断工具６０の画像のハンドル６１，６１が保持されるように表示が変化する。例えば、入力装置２０を手で保持して移動させると、その移動姿勢が姿勢検知部５３で検知されて制御部１５に姿勢に関する情報が与えられる。この情報により表示ドライバー１４が制御されて、表示画面１３ａに現れている手Ｈの画像が移動して、ハンドル６１，６１を掴みに行く。あるいは、キーボードなどの他の操作部材で、被保持物体として切断工具６０を選択すると、表示画面１３ａに現れている手Ｈが切断工具６０の画像を保持するように表示が変化する。

仮想の被保持物体として切断工具６０が選択されると、各モータ３５Ａ，３５Ｂ，４５が制御されて、対向操作体３３Ａ，３３Ｂおよび親指操作体４３の初期位置が設定される。仮想の被保持物体が切断工具６０の場合には、対向操作体３３Ａ，３３Ｂおよび親指操作体４３が、図８に示すようにケース２１から最大限突出した初期位置に設定される。

制御部１５は、メモリから図９Ａないし図９Ｃに示す反力作用線（反力作用係数）のデータを読み出し、制御部１５は前記反力作用線のデータに基づいて各モータ３５Ａ，３５Ｂ，４５を制御する。図９Ａは、第３の触覚発生ユニット４０において、モータ４５から移動部材４２および親指操作体４３に与えられる反力作用線を示しており、図９Ｂは、第１の触覚発生ユニット３０Ａにおいて、モータ３５Ａから移動部材３２Ａおよび第１の対向操作体３３Ａに与えられる反力作用線を示しており、図９Ｃは、第２の触覚発生ユニット３０Ｂにおいて、モータ３５Ｂから移動部材３２Ｂおよび第２の対向操作体３３Ｂに与えられる反力作用線を示している。

図６に示すように、表示画面１３ａで手Ｈが切断工具６０のハンドル６１，６１を保持している画像が表示されているときに、図１Ａに示すように、右手で保持した入力装置２０の親指操作体４３を親指で押し、第１の対向操作体３３Ａを人差し指で押し、第２の対向操作体３３Ｂを中指で押すと、表示画面１３ａ内では、手Ｈの画像の親指Ｆ１と人差し指Ｆ２ならびに中指Ｆ３で掴んでいるハンドル６１，６１を互いに接近させるように表示が変化する。そして、ハンドル６１，６１がある程度接近すると、切断部６２で線状のワーク６３が切断されるように画像が変化する。

この一連の動作において、親指操作体４３に与えられる反力Ｆａ（図８参照）の変化は図９Ａに実線で示す通りであり、押し始めにほぼ「１９０」の数値で示す反力Ｆａが親指に感じる。親指操作体４３を押していくと、親指に感じる反力Ｆａがほぼ一次関数で増加していき、図６に示す表示画面１３ａ内でハンドル６１，６１が有る程度の距離まで接近し、切断部６２でワーク６３が切断されると、親指操作体４３に作用する反力Ｆａが極大値から急激に低下して反力数値が「０」になる。その後は、ハンドル６１，６１を握っている親指Ｆ１に作用する抵抗力を再現するために、親指操作体４３に作用する反力Ｆａが回復する。

第１の対向操作体３３Ａに与えられる反力Ｆｂの変化は図９Ｂに実線で示す通りであり、基本的な反力の変化は、図９Ａと同じである。ただし、人差し指で第１の対向操作体３３Ａを押し始める初期の反力Ｆｂは「０」である。また、人差し指による押し始めから切断動作の直前での反力の極大値に至るまで、第１の対向操作体３３Ａに与えられる反力Ｆｂは、親指操作体４３に与えられる反力Ｆａよりも小さくなるように設定されている。

第２の対向操作体３３Ｂに与えられる反力Ｆｃの変化は図９Ｃに実線で示す通りであり、基本的な反力の変化は、図９Ａおよび図９Ｂと同じである。中指で第２の対向操作体３３Ｂを押し始める初期の反力Ｆｃの数値は「ほぼ１１０」であり、人差し指に対する反力Ｆｂの初期値よりも大きく、親指に対する反力Ｆａの初期値より小さい。また、切断動作の直前での反力Ｆｃの極大値は、図９Ｂに示す人差し指に作用する反力Ｆｂの極大値とほぼ同じ値である。

前記の反力の制御では、親指で親指操作体４３を押し、人差し指で第１の対向操作体３３Ａを押し、中指で第２の対向操作体３３Ｂを押していくと、あたかも図６の表示画面１３ａに示されている切断工具６０のハンドル６１，６１を握っていくときの反力が大きくなって、ワーク６３を切断した後に反力が急激に低下する触覚を得ることができる。

ここで、現実の切断工具６０のハンドルを現実の手で握ってワークの切断動作を行うときには、一方のハンドル６１が親指のみで押され、他方のハンドル６１が人差し指と中指の複数本の指で押されて、親指と他の複数の指で互いに反力を与え合うことになるため、現実の操作では親指に対しては人差し指や中指に対するよりも大きな反力が作用することになる。また、同じハンドル６１を押している中指と人差し指とでは、中指でハンドル６１が強く押されるため、中指に対して人差し指よりも大きな反力が作用する傾向となる。

また、人の手の構造では、親指が短く、人差し指と中指が長いため、同じ力で各指を動作させている認識していても、実際には親指から被保持物体に作用する力は、人差し指または中指から被保持物体に作用する力よりも大きくなる。

そこで、図９Ａないし図９Ｃに示すように、親指操作体４３に作用する反力Ｆａを、押し始めから極大値に至るまで、第１の対向操作体３３Ａに作用する反力Ｆｂおよび第２の対向操作体３３Ｂに作用する反力Ｆｃよりも大きくしている。すなわち、親指操作体４３から親指に与えられる反力を、２つの対向操作体３３Ａ，３３Ｂから人差し指と中指に与えられる反力よりも大きくしている。このように反力に差を与えると、人の手には実際にハンドル６１，６１を握っているのと同等の反力の感触を得ることができる。

さらに図９Ｂと図９Ｃに示すように、第２の対向操作体３３Ｂに作用する反力Ｆｃの初期値を、第１の対向操作体３３Ａに作用する反力Ｆｂの初期値よりも大きくしている。これにより第２の対向操作体３３Ｂから中指に与えられる反力の初期値が、第１の対向操作体３３Ａから人差し指に与えられる反力の初期値よりもやや大きくなる。これによっても、入力装置２０を操作している親指と人差し指と中指で、実際に切断工具６０を操作しているのと同じような操作感触を感じることができるようになる。

また、操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３に対する指の動作と図６に示す表示画面１３ａ内での手Ｈの画像の変化とが連動しており、さらに切断部６２でワーク６３を切断したときに、発音部から「ポキッ」「カチッ」などの切断音を発生させることにより、操作者は実際に切断工具６０を操作しているような感触を認識しやすくなる。

なお、切断部６２による切断動作が完了し、指から各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３に与えられている押圧力が除去されると、図９Ａ，図９Ｂ，図９Ｃにおいて破線で示すように、モータ３５Ａ，３５Ｂ，４５から各移動部材３２Ａ，３２Ｂ，４２に復帰移動力が与えられ、各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３が、ケース２１から突出した初期位置に復帰する。図９Ａ，図９Ｂ，図９Ｃに破線で示すように、このときにモータ３５Ａ，３５Ｂ，４５から各移動部材３２Ａ，３２Ｂ，４２に与えられる復帰力は、全て同じ数値「８０」で制御される。

＜被保持物体として柔軟に変形する軟質物を掴むときの触覚反力＞
図７には、仮想の柔軟に変形する被保持物体である軟質物としてスクイーズボトル７０を選択したときの表示例が示されている。

表示画面１３ａに表示されているスクイーズボトル７０は、マヨネーズやケチャップなどの食品の内容物を収納していることを想定したボトル本体７１と、ボトル本体７１の開口端部に固定されたノズルキャップ７２と、ノズルキャップ７２に形成された吐出ノズル７３を有している。

切断工具６０を選択したときと同じように、右手で保持した入力装置２０を移動させて、表示画面１３ａ内に表示されている手Ｈの画像をスクイーズボトル７０の画像の位置まで移動させると、表示画面１３ａは手Ｈでスクイーズボトル７０が掴まれた画像に変化する。

仮想の被保持物体としてスクイーズボトル７０が選択された表示画面１３ａに表示されているとき、入力装置２０の第１の対向操作体３３Ａと第２の対向操作体３３Ｂおよび親指操作体４３の初期位置は、図８に示すように、ケース２１から突出している状態に設定される。

親指で親指操作体４３を保持し、人差し指で第１の対向操作体３３Ａを保持し、中指で第２の対向操作体３３Ｂを保持して、手を目から見た方向で反時計方向へ回転させて入力装置２０の姿勢を回転させると、その動作が図５に示す姿勢検知部５３で検知されて制御部１５にその情報が与えられる。この姿勢情報に基づいて制御部１５で表示ドライバー１４が制御され、図７に示すように、画面１３ａに表示されている手Ｈの画像とスクイーズボトル７０の画像が反時計方向へ回動するように表示が変化する。

その状態で、親指で親指操作体４３を押し、人差し指で第１の対向操作体３３Ａを押し、中指で第２の対向操作体３３Ｂを押すと、図７に示す表示画面１３ａに表示されている手Ｈの親指Ｆ１と人差し指Ｆ２および中指Ｆ３とが互いに接近し、ボトル本体７１が絞られ細くなるように画像が変化する。そして吐出ノズル７３からマヨネーズなどの食品の内容物７４が絞り出されるように画像が表示される。

このとき、モータ４５から親指操作体４３に与えられる反力の変化は、図１０Ａのグラフ内の実線で示す通りであり、モータ３５Ａから第１の対向操作体３３Ａに与えられる反力の変化は図１０Ｂのグラフ内の実線で通りであり、モータ３５Ｂから第２の対向操作体３３Ｂに与えられる反力の変化は図１０Ｃのグラフ内の実線で示す通りである。いずれの操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３も、押し込みストロークの変化に対して、図８に示す反力Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃが常に一定である。

ただし、図１０Ａに示すように、親指に与えられる反力Ｆａが、図１０Ｂと図１０Ｃに示す人差し指と中指に与えられる反力Ｆｂ，Ｆｃよりも大きく設定されている。また中指に与えられる反力Ｆｃは人差し指に与えられる反力Ｆｂよりも大きく設定されている。

図７に表示されているのと同じ現実のスクイーズボトル７０を現実の手で掴んで絞るときに、親指の１本に対して人差し指と中指の複数本の指が対向するため、現実の操作では親指に対して大きな反力が作用することになる。また同じハンドル６１を押している中指には人差し指よりも大きな反力が作用しやすい。さらに、人の手の構造では、親指が短く、人差し指と中指が長いため、同じ力で各指を動作させていると認識していても、実際には親指から被保持物体に作用する力は、人差し指または中指から被保持物体に作用する力よりも大きくなる。

そこで、図１０Ａに示すように、親指の反力を大きくすることで、入力装置２０を操作している各指に、現実のスクイーズボトル７０を絞っているのと同等の操作感触を与えることができる。また、それぞれの指で操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３に作用する反力は、押圧方向へのストロークが変化しても一定の力であるため、現実にマヨネーズなどの内容物７４を絞り出しているのと同等の反力の感触を得ることができる。

また、図７に示す画像を見ながら入力装置２０を操作し、さらにはスクイーズボトル７０から内容物７４が絞り出されるのを模した音を発生させることで、操作者は実際にスクイーズボトル７０を扱っているかのような操作感触を得ることができる。

スクイーズボトル７０で内容物７４を絞り出すのを模した操作が完了した後に、各指による押圧力を弱めると、図１０Ａ，図１０Ｂ，図１０Ｃのグラフ内の破線で示す反力によって、操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３がケース２１から突出する姿勢に戻される。

１Ａ，１Ｂ 触覚再現装置
１０Ａ，１０Ｂ 装置本体
１１ マスク型本体
１３ 表示装置
１５ 制御部
２０ 入力装置
２１ ケース
２８ 機構シャーシ
３０Ａ 第１の触覚発生ユニット
３０Ｂ 第２の触覚発生ユニット
３２Ａ，３２Ｂ 移動部材
３３Ａ 第１の対向操作体
３３Ｂ 第２の対向操作体
３５Ａ，３５Ｂ モータ
３８Ａ，３８Ｂ 位置検知装置
４０ 第３の触覚発生ユニット
４２ 移動部材
４３ 親指操作体
４５ モータ
４８ 位置検知装置

Claims (14)

1. 入力装置と制御部とを有し、
   前記入力装置に、親指で押圧操作される親指操作体と、前記親指操作体と対向する位置に設けられて人差し指と中指とで押圧操作される２つの対向操作体と、前記親指操作体と前記対向操作体のそれぞれの移動位置を検知する位置検知装置と、前記親指操作体と前記対向操作体のそれぞれに力を与えるモータとが設けられ、
   前記制御部では、前記位置検知装置からの検知信号に基づいて前記親指操作体と前記対向操作体が指で押されたことが検知されると、前記モータが駆動されて指に反力が与えられ、このとき、前記親指操作体に与えられる反力が、それぞれの前記対向操作体に与えられる反力よりも大きくなるようにそれぞれの前記モータが制御されることを特徴とする触覚再現装置。
2. ２つの前記対向操作体に同等の反力が与えられる請求項１記載の触覚再現装置。
3. 中指で押される前記対向操作体に与えられる反力が、人差し指で押される前記対向操作体に与えられる反力よりも大きい請求項１記載の触覚再現装置。
4. 前記制御部には、仮想の被保持物体を指で押したときに指に与えるべき反力のデータが保持されており、
   前記データに基づいて前記モータが制御されて、前記親指操作体と前記対向操作体に与えられる反力が設定される請求項１ないし３のいずれかに記載の触覚再現装置。
5. 表示装置に、前記被保持物体とこれを掴む手の画像が表示され、前記親指操作体と前記対向操作体が指で押されると、前記画像上で手の形状が変化して前記被保持物体が変形する請求項４記載の触覚再現装置。
6. 前記被保持物体は、人差し指および中指と親指とで挟んで動作させる切断工具である請求項４または５記載の触覚再現装置。
7. 前記制御部によって、前記親指操作体と前記対向操作体が押されるにしたがって反力が徐々に大きくなり、その後反力が急激に低下するようにそれぞれの前記モータが制御され、このとき前記切断工具で切断動作を行った触覚を手で感じることができる請求項６記載の触覚再現装置。
8. 前記被保持物体は、人差し指および中指と親指とで掴まれたときに変形する軟質物である請求項４または５記載の触覚再現装置。
9. 前記制御部によって、前記親指操作体と前記対向操作体が押される方向へ移動しているときの反力が一定となるようにそれぞれの前記モータが制御される請求項８記載の触覚再現装置。
10. 入力装置と制御部とを有し、
    前記入力装置に、親指で押圧操作される親指操作体と、前記親指操作体と対向する位置に設けられて人差し指と中指とで押圧操作される２つの対向操作体と、前記親指操作体と前記対向操作体のそれぞれの移動位置を検知する位置検知装置と、前記親指操作体と前記対向操作体のそれぞれに力を与えるモータとが設けられ、
    前記制御部では、前記位置検知装置からの検知信号に基づいて前記親指操作体と前記対向操作体が指で押されたことが検知されると、前記モータが駆動されて指に反力が与えられ、このとき、前記親指操作体に与えられる反力が、押し始めから極大値に至るまで、前記対向操作体に与えられる反力よりも大きく、
    中指で押される前記対向操作体に与えられる反力の初期値が、人差し指で押される前記対向操作体に与えられる反力の初期値よりも大きく、中指で押される前記対向操作体に与えられる反力の極大値が、人差し指で押される前記対向操作体に与えられる反力の極大値とほぼ同じ値となるようにそれぞれの前記モータが制御されることを特徴とする触覚再現装置。
11. 前記親指操作体に与えられる反力、中指で押される前記対向操作体に与えられる反力、および人差し指で押される前記対向操作体に与えられる反力は、押されるにしたがって徐々に大きくなり、極大値に至ったところで急激に減少する請求項１０記載の触覚再現装置。
12. 前記制御部には、仮想の被保持物体を指で押したときに指に与えるべき反力のデータが保持されており、
    前記データに基づいて前記モータが制御されて、前記親指操作体と前記対向操作体に与えられる反力が設定される請求項１０または１１記載の触覚再現装置。
13. 表示装置に、前記被保持物体とこれを掴む手の画像が表示され、前記親指操作体と前記対向操作体が指で押されると、前記画像上で手の形状が変化して前記被保持物体が変形する請求項１２記載の触覚再現装置。
14. 前記被保持物体は、先端に切断部を備えた２つのハンドルが互いに軸支されて回動する切断工具で、人差し指と中指の少なくとも一方と親指とで前記ハンドルが互いに接近する方向へ押されるものである請求項１３記載の触覚再現装置。

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