JP6787338B2 - 力覚提示装置、力覚提示方法及びプログラム - Google Patents

Description

本技術は、触覚を含む力覚をユーザに提示する力覚提示装置の技術に関する。

特許文献１には、ゲームや仮想現実体験において、仮想物体からの反力をユーザに伝えることで、物体の実在感を提供するデバイスが開示されている。例えばこのデバイスは、圧力センサと筋電センサを用いて、ユーザがデバイスを把持する強さや、指への締め付け方を検知する。このデバイスは、錯触力覚誘起関数とユーザごとの錯触力覚の特性との比較から生成される、個人差を示す補正データを用いることにより、触力覚を再現性を改善している（例えば、特許文献１の明細書段落［００４３］、［００７１］参照。）。

特許文献２には、携帯電話機で再生される楽曲のリズムに合わせて、ユーザが携帯電話機をマラカスのように振るというゲーム機能が付加された携帯電話機の技術が開示されている。この技術では、携帯電話機が持つバイブレーションモータが電源オフとされている状態で、ユーザが携帯電話機に振動を与えると、バイブレーションモータに逆起電力が発生する。携帯電話機のＣＰＵは、その逆起電力を検出することで、ユーザに与えられた振動を検出する（例えば、特許文献２の明細書段落［００１５］、［００１９］参照。）。

特開2013-145589号公報 特開2001-211239号公報

力覚提示装置では、例えば力覚情報をユーザに確実に伝達するために、ユーザによる機器への接触状態を正確に検出することが求められる場面がある。

本開示の目的は、ユーザによる機器への接触状態を正確に検出することができる力覚提示装置等の技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る力覚提示装置は、アクチュエータ機構と、伝達機構と、検出部と、認識部とを具備する。
前記伝達機構は、前記アクチュエータ機構による駆動力を利用して力覚情報をユーザに伝達するように構成される。
前記検出部は、前記アクチュエータ機構にかかる負荷量を検出するように構成される。
前記認識部は、前記検出部で検出された負荷量に基づき、前記伝達機構への前記ユーザの接触状態を認識するように構成される。

この技術に係る力覚提示装置は、力覚をユーザに提示するための駆動力を発生するアクチュエータ機構の負荷量に基づき、伝達機構へのユーザの接触状態を認識するので、接触状態を正確に認識することができる。

前記力覚提示装置は、前記認識部で認識された前記接触状態に基づき、前記アクチュエータ機構の駆動を制御するように構成された制御部をさらに具備してもよい。
これにより、力覚提示装置は、ユーザの接触状態に応じて、異なる力覚情報をユーザに提示することができる。

前記アクチュエータ機構は、複数のアクチュエータを含み、前記制御部は、前記接触状態に応じて、前記複数のアクチュエータによる駆動を選択的に切り替えるように構成されていてもよい。あるいは、前記伝達機構は、前記複数のアクチュエータのそれぞれの一部を構成する可動部として機能する複数の伝達部を有していてもよい。
これらの技術により、複数の異なる力覚情報、つまり多彩な力覚情報をユーザに提示できる。

前記複数のアクチュエータのうち少なくとも１つが、50Hz以上400Hz以下の周波数を持つ振動を出力してもよい。
このように、振動に対する人の知覚感度が高い範囲に振動周波数が設定されることにより、高効率な力覚情報の提示が可能となり、また、複数のアクチュエータを使い分ける効果を高めることができる。

前記アクチュエータ機構は、１つのアクチュエータを含み、前記制御部は、前記接触状態に応じて、前記アクチュエータの異なる駆動状態を生成するように構成されていてもよい。あるいは、前記伝達機構は、前記異なる駆動状態に対応する力覚情報をそれぞれ伝達するように構成された複数の伝達部を有していてもよい。
これらの技術により、複数の異なる駆動状態による多彩な力覚情報をユーザに提示できる。

前記制御部は、前記異なる駆動状態のうち少なくとも１つを、50Hz以上400Hz以下の周波数を持つ振動として、前記アクチュエータの駆動を制御するように構成されていてもよい。

前記認識部は、前記負荷量として、前記アクチュエータ機構の逆起電圧、駆動電流、回転数、または温度を測定するように構成されていてもよい。
これにより、正確に接触状態が認識可能となる。

前記力覚提示装置は、前記アクチュエータ機構を収容する筐体をさらに具備し、前記伝達機構は、前記筐体の少なくとも一部を構成してもよい。

前記アクチュエータ機構は、偏心モータ、リニア共振アクチュエータ、圧電アクチュエータ、および磁歪アクチュエータのうち少なくとも１つを含んでいてもよい。

本技術に係る認識装置は、アクチュエータ機構を備える力覚提示装置の認識装置である。前記認識装置は、前記アクチュエータ機構にかかる負荷量を検出し、前記アクチュエータ機構による駆動力を利用して力覚情報をユーザに伝達するように構成された伝達機構への前記ユーザの接触状態を、前記負荷量に基づいて認識するように構成された認識部を具備する。

本技術の一形態に係る、上記力覚提示装置による力覚提示方法は、前記伝達機構により、前記アクチュエータ機構による駆動力を利用して力覚情報をユーザに伝達することを含む。
前記検出部により、前記アクチュエータ機構にかかる負荷量が検出される。
前記認識部により、前記検出部で検出された負荷量に基づき、前記伝達機構への前記ユーザの接触状態が認識される。

本技術の他の形態に係る力覚提示装置は、複数のアクチュエータと、制御部とを具備する。
前記複数のアクチュエータは、異なる駆動状態に対応する駆動力をそれぞれ発生するように構成される。
前記制御部は、力覚提示装置へのユーザの接触状態を認識し、前記認識された接触状態に応じて、前記複数のアクチュエータの駆動を選択的に切り替えるように構成される。

制御部は、力覚提示装置へのユーザの接触状態に応じて、駆動すべきアクチュエータを選択的に切り替えることにより、複数の異なる駆動状態よる多彩な力覚情報をユーザに提示できる。

本技術に係る制御装置は、力覚提示装置へのユーザの接触状態を認識し、前記認識された接触状態に応じて、異なる駆動状態に対応する駆動力をそれぞれ発生する複数のアクチュエータの駆動を選択的に切り替えるように構成された制御部を具備する。

本技術の他の形態に係る、力覚提示装置による力覚提示方法は、制御部により、前記力覚提示装置へのユーザの接触状態を認識することを含む。
前記力覚提示装置は、異なる駆動状態に対応する駆動力をそれぞれ発生する複数のアクチュエータと、前記制御部とを備える。
前記制御部により、前記認識された接触状態に応じて、前記複数のアクチュエータの駆動が選択的に切り替えられる。

以上、本技術によれば、ユーザによる機器への接触状態を正確に検出することができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

図１は、本技術の構成例１に係る力覚提示装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本技術の構成例２に係る力覚提示装置の構成を示すブロック図である。 図３は、本技術の構成例３に係る力覚提示装置の構成を示すブロック図である。 図４は、本技術の構成例４に係る力覚提示装置の構成を示すブロック図である。 図５は、本技術の構成例５に係る力覚提示装置の構成を示すブロック図である。 図６は、応用例１として、上記構成例３、４、または５に係る力覚提示装置による基本的な動作を示すフローチャートである。 図７は、応用例２として、上記構成例４に係る力覚提示装置の具体的な応用例を示す斜視図である。 図８は、応用例２に係る力覚提示装置による処理を示すフローチャートである。 図９は、応用例３に係る力覚提示装置による処理を示すフローチャートである。

以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。

１．力覚提示装置の構成

本明細書では、まず、力覚提示装置のいくつかの構成をブロック図を用いて説明し、その後、その力覚提示装置の応用例について説明する。

１．１）構成例１

図１は、本技術の構成例１に係る力覚提示装置の構成を示すブロック図である。力覚提示装置１００Ａは、主に、例えばスマートフォン、タブレット端末、電子書籍、電子手帳など、携帯型電子機器に適用可能である。しかし、必ずしも携帯型に限られない。あるいは、力覚提示装置１００Ａは、力覚情報を提示する専用の装置としても利用可能である。

力覚提示装置１００Ａは、力覚情報出力部１０と、検出部２０とを備える。力覚情報出力部１０は、主に、中央処理部１２、記憶部１４、アクチュエータ機構３０、および伝達機構４０を備える。

中央処理部１２のハードウェアは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、または、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）等により構成される。中央処理部１２のハードウェアは、これらの要素に加え、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等を含むこともできる。

記憶部１４には、本技術を実現するために必要なプログラムが記憶される。中央処理部１２は、典型的には、記憶部１４に記憶されたプログラムと協働して処理を実行するように構成される。記憶部１４は、揮発性および／または不揮発性のデバイスなど、公知の記憶デバイスにより構成される。中央処理部１２と記憶部１４とが物理的に一体化されて構成されていてもよい。

アクチュエータ機構３０は、例えば１つのアクチュエータ３１を有する。アクチュエータ３１は、中央処理部１２によって、その駆動状態が制御される。

駆動状態とは、主に、駆動力およびその発生方向を意味し、中央処理部１２で生成され、アクチュエータ機構３０から出力される力覚情報に対応する。駆動状態とは、上記の要素の他、駆動時間または駆動周期等も含んでいてもよい。アクチュエータ３１が振動（音声も含む）を発生するアクチュエータである場合、駆動状態とは、上記駆動力およびその発生方向を実現するために、振幅、周期、位相、およびこれらの組合せパターンの状態を意味する。

「力覚」とは、主に人が、対象物（ここでは力覚提示装置１００Ａ）に触れることで、その対象物から受ける力である。「力覚」は、「触覚」の概念も含み、また、仮想力覚、錯力覚などのように錯覚的に力を知覚する概念も含む。錯覚的に力を知覚することを実現する手段として、例えば後述する偏加速度振動が挙げられる。

アクチュエータ機構３０（アクチュエータ３１）としては、電磁アクチュエータ、または非電磁アクチュエータが挙げられる。

電磁アクチュエータは、電磁力を駆動力として利用するアクチュエータである。電磁アクチュエータとしては、例えば、回転モータ、リニアモータが挙げられる。回転モータには、例えば偏心モータ（ＥＲＭ：Eccentric Rotating Motor）が含まれる。リニアモータには、例えば、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ：Voice Coil Motor）、リニア共振アクチュエータ（ＬＲＡ：Linear Resonant Actuator）、磁歪アクチュエータが含まれる。

非電磁アクチュエータは、上記電磁アクチュエータ以外のアクチュエータである。非電磁アクチュエータとしては、圧電アクチュエータ、形状記憶合金を利用したアクチュエータ、ポリマアクチュエータが挙げられる。

伝達機構４０は、例えば１つの伝達部４１を有する。伝達部４１は、アクチュエータ３１が発生する駆動力を利用して、その駆動力（駆動状態）に対応する力覚情報をユーザに伝達するように構成されている。伝達部４１は、典型的には、アクチュエータ３１の一部を構成する可動部（可動子）として構成される。一例として、アクチュエータ３１がＥＲＭである場合、可動部は錘である。伝達部４１は、力覚提示装置１００Ａの筐体の少なくとも一部で構成される場合もある。この場合、アクチュエータ３１の可動部以外の要素が、重心移動や慣性力等により、当該筐体の少なくとも一部である伝達部を駆動するように構成される。

検出部２０は、中央処理部１２が、ユーザの力覚提示装置１００Ａ（例えば、筐体）への接触状態を認識するための情報を検出するように構成される。

検出部２０による被検出量として、例えば、電圧、電流、回転数、圧力、せん断応力、加速度、角速度、位置、接触（接触位置、接触力、または接触面積）、磁場、電場、湿度、温度、光吸収量、光反射量、画像、音圧レベル（環境音など）が挙げられる。検出部２０は、これらのパラメータを検出することが可能なセンサを有していればよい。

検出部２０による被検出量として、例えばユーザの生体情報が挙げられる。ユーザの生体情報としては、例えば、脳磁図、脳波、筋電電圧（または電流）、心電電圧（または電流）、心拍数などが挙げられる。これらの他、ユーザの生体情報として、ユーザの脈派、体温なども挙げられる。

図示しない筐体は、中央処理部１２、記憶部１４、およびアクチュエータ機構３０を収容する。検出部２０は、筐体内に収容されていてもよいし、筐体外に設けられていてもよいし、その両方であってもよい。筐体は、アクチュエータ機構３０の一部として構成されていてもよい。

このように構成された力覚提示装置１００Ａでは、中央処理部１２が、検出部２０で検出された情報に基づき、力覚提示装置１００Ａ（例えば筐体）へのユーザの接触状態を認識する。この場合、中央処理部１２、記憶部１４、および検出部２０は、認識部５０（認識装置）として機能する。

そして、中央処理部１２は、認識したユーザの接触状態に基づき、アクチュエータ機構３０の駆動を制御するように構成される。この場合、主に中央処理部１２は、制御部（制御装置）として機能する。後述する構成例２〜５に係る力覚提示装置１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅも、基本的には上記の動作を実行する。

例えば、検出部２０による被検出量として、加速度および／または角速度が用いられる場合において、検出された加速度および／または角速度が、閾値以上（または閾値以下）、所定範囲内、または所定の周期的なパターンである場合、中央処理部１２は、ユーザが力覚提示装置１００Ａに接触していると判定することができる。

例えば、検出部２０による被検出量として、ユーザの生体情報が用いられる場合、中央処理部１２は次のように処理を実行する。中央処理部１２は、脳磁図、脳波、筋電電圧（または電流）、心電電圧（または電流）、心拍数、脈波、および／または、体温が、閾値以上（または閾値以下）、所定範囲内、または所定の周期的なパターンである場合、ユーザが力覚提示装置１００Ａに接触していると判定することができる。

力覚提示装置１００Ａのより具体的な動作（応用例）ついては後述する。

１．２）構成例２

図２は、本技術の構成例２に係る力覚提示装置の構成を示すブロック図である。以降では、上記構成例１に係る力覚提示装置１００Ａが含む部材や機能等について実質的に同様の要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。

この力覚提示装置１００Ｂでは、検出部２０は、アクチュエータ機構３０にかかる負荷量を検出するように構成される。例えば、アクチュエータ３１が電磁アクチュエータである場合、その負荷量を検出するために、検出部２０は、電圧として、逆起電圧、または、電流として駆動電流（定電圧駆動の場合）を検出する。電磁アクチュエータが回転モータである場合には、検出部２０は、例えばホール素子やロータリエンコーダを用いて、回転モータの回転数を検出可能である。あるいは、検出部２０は、アクチュエータ３１の温度を検出してもよい。中央処理部１２は、これらの逆起電圧、駆動電流、回転数、または温度を、アクチュエータ機構３０にかかる負荷量として算出（換算）することができる。

アクチュエータ３１が駆動しているときに、ユーザが、アクチュエータ３１の駆動力が伝達される伝達部４１に接触すると、アクチュエータ３１に負荷がかかる状態となる。この構成例２では、検出部２０がこのときのアクチュエータ３１にかかる負荷量を検出し、中央処理部１２は、検出部２０で検出された負荷量に基づき、伝達部４１へのユーザの接触状態を認識する。負荷量が、閾値以上（または閾値以下）、または所定範囲内にある場合、あるいは、負荷量が規則的に変動する場合など、中央処理部１２は、ユーザが力覚提示装置１００Ｂに接触していると判定することができる。

例えば、アクチュエータ３１として、偏心モータ（ＥＲＭ：Eccentric Rotating Motor）が用いられ、偏心モータが伝達部４１を振動させることにより力覚を提示（伝達）する場合を想定する。この場合、ユーザが伝達部４１に接触すると、アクチュエータ３１の可動部に接続された物体の質量が増加するため、その物体の重心の変位量が抑制され、その振動が抑制されため負荷が減少し、電流値が減少する。

あるいは、アクチュエータ３１として、回転モータが用いられ、回転モータが回転体としての伝達部４１を回転させて力覚を提示（伝達）する場合を想定する。この場合、ユーザが伝達部４１に接触する負荷が増加し、電流値が増加する。

ここで、負荷量は、ユーザ以外の物体が接触することでも増減するが、その場合は、伝達部４１がその物体を押し退けるため、負荷が時間的に不規則に変動する。これに対し、ユーザが意識して伝達部４１に接触する場合、手や指が伝達部４１に追従するため、負荷量が規則的なパターンを示す。したがって、適切なアルゴリズムや機械学習などを用いることにより、接触状態を認識することができる。

より好適には、力覚提示装置１００Ｂは、ユーザの接触状態の認識のために、接触状態の認識に適した、アクチュエータ３１の駆動方法を採ることができる。つまり、これは、ユーザの接触状態の認識のための専用のアクチュエータの駆動方法である。例えば、振動の１周期ごとに駆動と、駆動電流（または逆起電圧）の測定とを繰り返すなどの方法を用いることで、短時間で精度よく認識することが可能になる。

伝達部４１へのユーザの接触状態の認識精度をさらに改善するためには、前述の圧力を検出するセンサや、生体情報を検出するセンサを併用することもできる。あるいは、「情報処理学会論文誌 Vol.52 No.2 571-584 (2011)」に記載されているように、アクチュエータ３１による振動波形を加速度センサで測定し、その振動波形やパワースペクトラムから接触状態を認識する方法を採用または併用してもよい。

中央処理部１２は、以上のようにアクチュエータ３１の負荷量を検出することにより、伝達部４１へのユーザの押し加減を検出できるので、ユーザの接触状態を正確に認識することができる。また、これに加えて、圧力分布情報や、ユーザの生体情報が検出されることにより、さらに認識精度が向上する。

１．３）構成例３

図３は、本技術の構成例３に係る力覚提示装置の構成を示すブロック図である。この力覚提示装置１００Ｃのアクチュエータ機構３０は、複数のアクチュエータを有する。ここでは、アクチュエータ機構３０は、２つのアクチュエータ３１、３２を有し、これらが、１つの伝達部４１に接続されている。アクチュエータは３つ以上あってもよい。

中央処理部１２（制御部）は、認識された、力覚提示装置１００Ｃ（例えば筐体）へのユーザの接触状態に応じて、複数のアクチュエータ３１、３２による駆動を選択的に切り替える。すなわち、中央処理部１２は、アクチュエータ３１、３２のうち、認識した接触状態に応じて駆動すべきアクチュエータを選択して、その選択したアクチュエータの駆動状態を制御する。これにより、複数の異なる駆動状態よる多彩な力覚情報をユーザに提示できる。

なお、中央処理部１２は、複数のアクチュエータ３１、３２の駆動状態を、同時または非同時に、同じ駆動状態に制御することも可能である。

本構成例３において、構成例２で説明したように、検出部２０が、アクチュエータ機構３０（複数のアクチュエータ３１、３２のうち少なくとも一方のアクチュエータ）にかかる負荷量を検出するようにしてもよい。図では、アクチュエータ機構３０から検出部２０へフィードバックされる情報の流れを、破線の矢印で示している。これについては、以下の構成例４以降の形態でも同様である。

検出部２０による検出値と、アクチュエータ機構３０に係る負荷量との関係を、例えばルックアップテーブルとして記憶部１４が記憶していればよい。あるいは、当該検出値と負荷量との関係を示す演算式を、記憶部１４が記憶していればよい。

１．４）構成例４

図４は、本技術の構成例４に係る力覚提示装置の構成を示すブロック図である。この力覚提示装置１００Ｄの伝達機構４０は、複数の伝達部４１、４２を有しており、アクチュエータ（３１、３２）ごとに伝達部（４１、４２）が設けられる。伝達部４１はアクチュエータ３１に接続され、伝達部４２はアクチュエータ３２に接続されている。アクチュエータ３１は伝達部４１に駆動力を伝達し、アクチュエータ３２は伝達部４２に駆動力を伝達するように構成される。アクチュエータおよび伝達部は、それぞれ３つ以上あってもよい。

中央処理部１２（制御部）は、力覚提示装置１００Ｄ（伝達部４１または筐体）へのユーザの接触状態に応じて、複数のアクチュエータ３１、３２による駆動を選択的に切り替える。すなわち、中央処理部１２は、複数のアクチュエータ３１、３２のうち、認識した接触状態に応じて駆動すべきアクチュエータを選択して、その選択したアクチュエータの駆動状態を制御する。これにより、伝達部４１、４２のうち、選択されたアクチュエータに接続された伝達部から、その駆動状態に対応する力覚情報が提示される。構成例４では、構成例３と同様に、複数の異なる駆動状態による多彩な力覚情報をユーザに提示できる。

１．５）構成例５

図５は、本技術の構成例５に係る力覚提示装置の構成を示すブロック図である。この力覚提示装置１００Ｅのアクチュエータ機構３０は、１つのアクチュエータ３１を有し、それらが複数（例えば２つ）の伝達部４１、４２に接続されている。

中央処理部１２（制御部）は、１つのアクチュエータ３１が、別々のタイミングで、異なる力覚情報を、各伝達部４１、４２にそれぞれ伝達するように、アクチュエータ３１の駆動を制御する。すなわち、中央処理部１２は、力覚提示装置１００Ｅ（伝達部４１または筐体）へのユーザの接触状態に応じて、１つのアクチュエータ３１が異なる駆動状態を生成するように、アクチュエータ３１の駆動を制御する。構成例５では、構成例３、４と同様に、数の異なる駆動状態による多彩な力覚情報をユーザに提示できる。

２．力覚提示装置の応用例

２．１）応用例１

図６は、応用例１として、上記構成例１〜５のうち、構成例３、４、または５に係る力覚提示装置１００Ｃ、１００Ｄ、または１００Ｅによる基本的な動作を示すフローチャートである。

中央処理部１２は、検出部２０により、力覚提示装置（伝達部４１または筐体）へのユーザの接触状態を検出する（ステップ１０１）。中央処理部１２は、第１の接触状態にあるか、第２の接触状態にあるかを判定し、その判定結果に応じて、第１の力覚情報を出力するか（ステップ１０２）、または、それとは異なる第２の力覚情報を出力する（ステップ１０３）。すなわち、中央処理部１２は、接触状態に応じて、１以上のアクチュエータ３１を用いて、異なる駆動状態のうち１つの駆動状態に対応する力覚情報を提示する。

第１の接触状態と第２の接触状態の区別としては、例えば、正常接触状態（好ましい接触状態）か異常接触状態（好ましくない接触状態）かである。異常接触状態には、非接触状態の概念も含まれる。例えば第１の接触状態のときに第１の力覚情報が出力され、第２の接触状態のときに第２の力覚情報が出力される。

あるいは、第１の接触状態と第２の接触状態の区別としては、ユーザによる力覚提示装置の把持の仕方が、予め決められた把持の仕方であるか、そうでないか、でもよい。

中央処理部１２は、３つ以上の接触状態を予め定め、それら３つ以上に接触状態に応じて、３つ以上の駆動状態に対応する力覚情報を出力するようにしてもよい。中央処理部１２は、例えば検出部２０による検出値が、３つ以上の範囲またはパターンに分けられる場合に、当該３つの接触状態を判定可能である。

例えば、中央処理部１２は、異常接触状態の場合、ユーザに正常接触を促すような力覚情報を出力する。中央処理部１２は、ユーザの接触状態が正常となるまで、繰り返し接触状態を認識することで、ユーザに正常な接触状態で力覚提示装置に接触させることができ、その後に出力する力覚情報を正確にユーザに提示することができる。

例えば、異常接触状態として、ユーザが力覚提示装置を服のポケットや鞄に収納している場合が挙げられる。この場合、伝達部４１に駆動力が発生してもユーザはそれを知覚できないこともあるので、それに応じて第２の力覚情報を出力するというのが、図６に示した処理の典型的な趣旨である。一般的には、50Hz以上400Hz以下の振動に対して人の知覚感度が高いことが知られている。したがって、アクチュエータ３１が、振動モータ（例えば偏心モータや圧電アクチュエータなど）である場合、第２の力覚情報として、50Hz〜400Hzの振動を発生するような、アクチュエータ３１による駆動状態を挙げることができる。

中央処理部１２は、ユーザの接触状態を認識する前段階で、第１または第２の力覚情報とは異なる第３の力覚情報を出力してもよい。つまり、この第３の力覚情報は、ステップ１０１においてユーザの接触状態を認識する処理を実行するための力覚情報である。

２．２）応用例２

図７は、応用例２として、図４に示した構成例４に係る力覚提示装置１００Ｄの具体的な応用例を示す斜視図である。力覚提示装置１００Ｄは、筐体６１と回転体６３とを備える。筐体６１および回転体６３は、伝達機構４０、つまり伝達部４１としてそれぞれ機能する。アクチュエータ機構３０は、回転体６３を回転させるアクチュエータ３１と、把持部を振動させるアクチュエータ３２とを含む。アクチュエータ３１として、例えば回転モータが用いられる。アクチュエータ３２として、例えばＥＲＭが用いられる。

ユーザは、把持部を手で把持し、指（例えば親指）で回転体６３に接触することができる。ユーザが回転体６３に指を押し当てると、回転体６３の右回転とともに指が右方向に動き、左回転とともに指が左方向へ動く。これにより、ユーザは、回転方向を誘導方向に対応させて直感的に方向を知覚することができる。

図８は、応用例２に係る力覚提示装置１００Ｄによる処理を示すフローチャートである。このフローチャートは、この力覚提示装置１００Ｄを利用するユーザの歩行ナビゲーションの処理を示す。この例では、力覚提示装置１００Ｄ、または、この力覚提示装置１００Ｄに有線または無線で接続可能な図示しない携帯型の機器が、グローバル位置センサを搭載している。グローバル位置の計測システムとしては、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）、ＧＬＯＮＡＳＳ（Global Navigation Satellite System）、または、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）等が挙げられる。

中央処理部１２は、力覚提示装置１００Ｄの現在地点と次の案内地点との距離を計測する（ステップ２０１）。ユーザが目的地に到着した場合、中央処理部１２は、到着したことを示す情報を提示する（ステップ２０２）。到着したことを示す情報は、力覚情報でもよいし、画像や音声による情報でもよい。

ステップ２０１で、現在地点と次の案内地点との距離が設定値未満である場合、中央処理部１２は、アクチュエータ３１により回転体６３を回転させ、力覚により方向情報を提示する（ステップ２０３）。

ステップ２０３において、中央処理部１２は、回転体６３による回転動作の過程で、アクチュエータ３１の駆動電流を検出部２０により測定し（負荷量を検出し）、ユーザと回転体６３との接触状態を認識する（ステップ２０４）。被測定量（被検出量）として、駆動電流に代えて、逆起電圧、回転体６３の回転数、またはアクチュエータ３１の温度であってもよい。

接触状態が正常である場合、中央処理部１２は、所定時間経過後、アクチュエータ３１の出力を停止し（ステップ２０７）、ステップ２０１の処理に戻る。例えば測定された電流が、閾値以上で、かつ、回転体６３による回転角とともに増加する、あるいは、この状態が周期的に所定時間継続する場合、中央処理部１２は、ユーザの接触状態を正常と判定する。この正常接触状態では、ユーザの親指の腹が回転体６３に接触している状態である。

例えば測定された電流が上記の値を示さない場合、中央処理部１２は、ユーザの接触状態が異常であると判定し、ステップ２０５の処理へ進む。ステップ２０５では、中央処理部１２は、アクチュエータ３１の出力を停止し、アクチュエータ３２を駆動することにより、筐体６１を介して振動を一定時間出力する。このように、中央処理部１２は、ユーザの接触状態に応じて、アクチュエータ３１、３２による駆動を選択的に切り替える。

ステップ２０６では、例えばアクチュエータ３２により、上述したように50Hz以上400Hz以下の振動が出力され、例えば約200Hzの振動が出力される。その後、中央処理部１２は、接触状態の認識動作を、ユーザによる正常接触状態を得るまで、ステップ２０３〜２０６の処理を繰り返す。このように、ユーザが常に回転体６３と接触していなくても、場合によっては力覚提示装置１００Ｄをポケットや鞄に収納していても、ユーザに力覚提示装置１００Ｄへの正常接触を促すことで、確実に目的地まで誘導することができる。

２．３）応用例３

図９は、応用例３に係る力覚提示装置による処理を示すフローチャートである。この処理は、主に図５に示した構成例５に係る力覚提示装置１００Ｅを利用するユーザの歩行ナビゲーションの処理を示す。ここでは、ユーザが手に把持できる、または指でつまむことができる小型の装置が用いられる。

ステップ３０１、３０２は、図８に示したステップ２０１、２０２と同じ処理である。ステップ３０３では、現在地点と次の案内地点との距離が設定値未満である場合、中央処理部１２は、アクチュエータ３１から力覚情報として偏加速度振動を出力する。

振動の加速度に空間的非対称性が存在する場合、偏加速度振動が発生する。例えば、慣性負荷（m）の並進運動の中で、往路の最大加速度（a1）と復路の最大加速度（a2）に差分（a1-a2）を設ける。この場合、人の感覚の非線形性により、弱い力（例えばm・a1）は知覚しにくく、強い力（例えばm・a2）は知覚しやすいため、人は一方向に押されているように錯覚する、と考えられている。

このような偏加速度振動は、１つまたは複数の圧電アクチュエータ、１つまたは複数のＬＲＡ、または、複数のＥＲＭによって実現される。複数のアクチュエータが用いられる場合、力覚提示装置としては図３に示した構成例３が用いられる。あるいは、WO07/086426に開示され擬似力覚発生装置のように、専用の特殊なアクチュエータが用いられてもよい。力覚提示装置の小型化のため、エネルギー使用の高効率化のため、および、目的とする振動周波数を得るためには、圧電アクチュエータまたはＬＲＡが好適である。

なお、図９の処理の説明では、構成例５に係る力覚提示装置１００Ｅによる処理を説明する。

以上のようなアクチュエータ３１の偏加速度振動の出力により、力覚提示装置１００Ｅの図示しない筐体全体が偏加速度振動を発生する。力覚提示装置１００Ｅは、偏加速度振動の出力により、特定の方向の力覚情報を、ナビゲーション情報として、ユーザに提示することができる（ステップ３０３）。

ステップ３０４では、検出部２０が、アクチュエータ３１の駆動電流（逆起電圧等であってもよい）を測定する。中央処理部１２が、測定された駆動電流に基づき、ユーザの接触状態を認識する。

ステップ３０４で、中央処理部１２は、ユーザの接触状態が正常と判定した場合、検出部２０により、ユーザからの所定の入力が検出されたか否かを判定する（ステップ３０９）。中央処理部１２は、ユーザからの所定の入力が検出されたと判定した場合、その偏加速度振動の出力を停止する（ステップ３１０）。ステップ３０９、３１０の処理は、例えばユーザが、ステップ３０３における偏加速度振動による力覚の出力に気付いた場合は、力覚提示装置の消費エネルギーを節約したり、ユーザに不快感を与えないようにする趣旨である。

検出部２０により検出されるユーザからの所定の入力としては、ボタン等のハードキーの入力、タッチパネルへの接触、力覚提示装置１００Ｅをユーザが握ることによる圧力分布変化、力覚提示装置１００Ｅを振ることによるアクチュエータの負荷変動または加速度等の変動、あるいは、音声入力等が用いられればよい。ユーザからの所定の入力が、偏加速度振動を停止する条件（ステップ３１０）となる。

当該偏加速度振動を停止する条件として、さらに、次の条件も追加してもよい。例えば、ステップ３０４で正常接触と判定されてから（または、ステップ３０９でユーザの所定の入力が検出されてから）一定時間が経過すること、現在正しい経路を進行していることが検出されたこと、または、案内地点を通過したことが検出されたこと、などの条件が挙げられる。

ステップ３０４で、中央処理部１２は、ユーザの接触状態が異常と判定した場合、アクチュエータ３１による偏加速度振動の出力を停止する（ステップ３０５）。そして、中央処理部１２は、アクチュエータ３１による振動を出力する（ステップ３０６）。ここでの振動は、図８のステップ２０６と同様に、人が知覚しやすい50Hz以上400Hz以下の振動が出力される。より望ましくは、200Hzの振動である。

アクチュエータ３１による振動が出力された後、中央処理部１２は、ステップ３０４と同様な処理を再度実行する（ステップ３０７）。ステップ３０７で、正常接触状態が認識されると、中央処理部１２は、アクチュエータ３１による振動の出力を停止し（ステップ３０８）、ステップ３０３の処理に戻る。

このように、本応用例２では、中央処理部１２は、ユーザの接触状態に応じてアクチュエータ３１の異なる駆動状態を生成する。

なお、本応用例２では、構成例５に係る力覚提示装置１００Ｅによる処理を説明したが、これに代えて、伝達機構４０として、複数の伝達部４１ではなく、構成例３のように１つの伝達部４１を備える力覚提示装置１００Ｃが用いられてもよい。また、構成例４のように、複数のアクチュエータ３１、３２を備える力覚提示装置１００Ｄが用いられてもよい。

３．まとめ

以上のように、力覚提示装置は、ユーザの接触状態を正確に認識できるため、その接触状態に基づく正しい力覚情報をユーザに提示することができる。

また、接触状態を正確に認識できるため、非接触状態（異常接触状態）では、振動や音声でユーザに正しい接触を促すことで、確実に情報を伝達することができる。また、接触状態を正確に認識できるため、力覚提示装置が情報を伝達したと認識していながらユーザが情報を受け取っていない、というような情報伝達ミスを減らすことができる。

接触状態を正確に認識できるため、消費エネルギーが大きい力覚提示の時間を必要最小限にできる。異常接触状態において、知覚しやすい50Hz以上400Hz以下の振動を出力することで高効率な力覚情報の伝達が可能となる。50Hz以上400Hz以下の振動を発生する場合、エネルギー効率に優れるＬＲＡ等のアクチュエータ３１に切り替えることで、さらに消費電力を抑制できる。

アクチュエータの負荷量を検出することにより、接触状態を検出するための、加速度センサ、圧力センサ等のその他のセンサが不要になる。これにより、力覚提示装置の小型化、軽量化を実現でき、低コスト化を図ることができる。

４．他の種々の実施形態

本技術は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

例えば、図８に示した各ステップと、図９に示した各ステップを適宜、入れ換え、または、組み合せてもよい。

力覚情報として、上述した周期的な振動や偏加速度振動に限られない。例えば、非周期的な衝撃、回転体の角運動量変化、回転運動、並進運動、膨張圧縮、屈曲変形運動等が挙げられる。

力覚情報の対象（力覚情報が何を意味するか）として、上述した歩行ナビゲーションの方向に限られない。例えば、警報、時間、速度、位置、店舗、観光、標識、言語、感情、ステータス、ゲーム上の情報、視覚、聴覚等が挙げられる。

力覚提示装置として、上述したナビゲーション装置の他、ゲーム機、バーチャルリアリティ環境生成装置等が挙げられる。

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。

なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）
アクチュエータ機構と、
前記アクチュエータ機構による駆動力を利用して力覚情報をユーザに伝達するように構成された伝達機構と、
前記アクチュエータ機構にかかる負荷量を検出するように構成された検出部と、
前記検出部で検出された負荷量に基づき、前記伝達機構への前記ユーザの接触状態を認識するように構成された認識部と
を具備する力覚提示装置。
（２）
前記（１）に記載の力覚提示装置であって、
前記認識部で認識された前記接触状態に基づき、前記アクチュエータ機構の駆動を制御するように構成された制御部
をさらに具備する力覚提示装置。
（３）
前記（２）に記載の力覚提示装置であって、
前記アクチュエータ機構は、複数のアクチュエータを含み、
前記制御部は、前記接触状態に応じて、前記複数のアクチュエータによる駆動を選択的に切り替えるように構成される
力覚提示装置。
（４）
前記（３）に記載の力覚提示装置であって、
前記伝達機構は、前記複数のアクチュエータのそれぞれの一部を構成する可動部として機能する複数の伝達部を有する
力覚提示装置。
（５）
前記（３）または（４）に記載の力覚提示装置であって、
前記複数のアクチュエータのうち少なくとも１つが、50Hz以上400Hz以下の周波数を持つ振動を出力する
力覚提示装置。
（６）
前記（２）に記載の力覚提示装置であって、
前記アクチュエータ機構は、１つのアクチュエータを含み、
前記制御部は、前記接触状態に応じて、前記アクチュエータの異なる駆動状態を生成するように構成される
力覚提示装置。
（７）
前記（６）に記載の力覚提示装置であって、
前記伝達機構は、前記異なる駆動状態に対応する力覚情報をそれぞれ伝達するように構成された複数の伝達部を有する
力覚提示装置。
（８）
前記（６）または（７）に記載の力覚提示装置であって、
前記制御部は、前記異なる駆動状態のうち少なくとも１つを、50Hz以上400Hz以下の周波数を持つ振動として、前記アクチュエータの駆動を制御するように構成される
力覚提示装置。
（９）
前記（１）から（８）のうちいずれか１項に記載の力覚提示装置であって、
前記認識部は、前記負荷量として、前記アクチュエータ機構の逆起電圧、駆動電流、回転数、または温度を測定するように構成される
力覚提示装置。
（１０）
前記（１）から（９）のうちいずれか１項に記載の力覚提示装置であって、
前記アクチュエータ機構を収容する筐体をさらに具備し、
前記伝達機構は、前記筐体の少なくとも一部を構成する
力覚提示装置。
（１１）
前記（１）から（１０）のいうちいずれか１項に記載の力覚提示装置であって、
前記アクチュエータ機構は、偏心モータ、リニア共振アクチュエータ、圧電アクチュエータ、および磁歪アクチュエータのうち少なくとも１つを含む
力覚提示装置。
（１２）
アクチュエータ機構を備える力覚提示装置の認識装置であって、
前記アクチュエータ機構にかかる負荷量を検出し、前記アクチュエータ機構による駆動力を利用して力覚情報をユーザに伝達するように構成された伝達機構への前記ユーザの接触状態を、前記負荷量に基づいて認識するように構成された認識部
を具備する認識装置。
（１３）
力覚提示装置による力覚提示方法であって、
前記力覚提示装置は、アクチュエータ機構と、伝達機構と、検出部と、認識部とを備え、
前記伝達機構により、前記アクチュエータ機構による駆動力を利用して力覚情報をユーザに伝達し、
前記検出部により、前記アクチュエータ機構にかかる負荷量を検出し、
前記認識部により、前記検出部で検出された負荷量に基づき、前記伝達機構への前記ユーザの接触状態を認識する
力覚提示方法。
（１４）
異なる駆動状態に対応する駆動力をそれぞれ発生するように構成される複数のアクチュエータと、
力覚提示装置へのユーザの接触状態を認識し、前記認識された接触状態に応じて、前記複数のアクチュエータの駆動を選択的に切り替えるように構成された制御部と
を具備する力覚提示装置。
（１５）
力覚提示装置へのユーザの接触状態を認識し、前記認識された接触状態に応じて、異なる駆動状態に対応する駆動力をそれぞれ発生する複数のアクチュエータの駆動を選択的に切り替えるように構成された制御部
を具備する制御装置。
（１６）
力覚提示装置による力覚提示方法であって、
前記力覚提示装置は、異なる駆動状態に対応する駆動力をそれぞれ発生する複数のアクチュエータと、制御部とを備え、
前記制御部により、前記力覚提示装置へのユーザの接触状態を認識し、
前記制御部により、前記認識された接触状態に応じて、前記複数のアクチュエータの駆動を選択的に切り替える
力覚提示方法。

１２…中央処理部
１４…記憶部
２０…検出部
３０…アクチュエータ機構
３１、３２…アクチュエータ
４０…伝達機構
４１、４２…伝達部
５０…認識部
６１…筐体
６３…回転体
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ…力覚提示装置

Claims (16)

1. アクチュエータ機構と、
   前記アクチュエータ機構による駆動力を利用して力覚情報をユーザに伝達するように構成された伝達機構と、
   前記アクチュエータ機構にかかる負荷量を検出するように構成された検出部と、
   前記検出部で検出された負荷量に基づき、前記伝達機構への前記ユーザの接触状態が、正常接触状態又は異常接触状態のうちいずれであるかを認識するように構成された認識部と、
   前記接触状態が前記正常接触状態であるとき、第１の力覚情報を出力するように前記アクチュエータ機構の駆動を制御し、前記接触状態が前記異常接触状態であるとき、前記異常接触状態を前記正常接触状態とするように前記ユーザに促すための情報である第２の力覚情報を出力するように前記アクチュエータ機構の駆動を制御するように構成された制御部と
   具備する力覚提示装置。
2. 請求項１に記載の力覚提示装置であって、
   前記第１の力覚情報は、前記ユーザが進むべき方向を前記ユーザに提示するための情報である
   力覚提示装置。
3. 請求項１に記載の力覚提示装置であって、
   前記制御部は、前記接触状態が前記異常接触状態であるとき、前記接触状態が前記正常接触状態となるまで、前記第２の力覚情報を出力し続けるように前記アクチュエータ機構の駆動を制御する
   力覚提示装置。
4. 請求項１に記載の力覚提示装置であって、
   前記制御部は、前記認識部における前記接触状態の認識のために、予め、前記第１の力覚情報を出力するように前記アクチュエータ機構の駆動を制御し、
   前記認識部は、前記第１の力覚情報が出力されているときの前記アクチュエータ機構の前記負荷量に基づき、前記接触状態が正常接触状態又は異常接触状態のうちいずれであるかを認識する
   力覚提示装置。
5. 請求項１に記載の力覚提示装置であって、
   前記アクチュエータ機構は、前記第２の力覚情報として、50Hz以上400Hz以下の周波数を持つ振動を出力する
   力覚提示装置。
6. 請求項１に記載の力覚提示装置であって、
   前記アクチュエータ機構は、複数のアクチュエータを含み、
   前記制御部は、前記接触状態に応じて、前記複数のアクチュエータによる駆動を選択的に切り替えるように構成される
   力覚提示装置。
7. 請求項６に記載の力覚提示装置であって、
   前記伝達機構は、前記複数のアクチュエータのそれぞれの一部を構成する可動部として機能する複数の伝達部を有する
   力覚提示装置。
8. 請求項６に記載の力覚提示装置であって、
   前記複数のアクチュエータのうち少なくとも１つが、50Hz以上400Hz以下の周波数を持つ振動を出力する
   力覚提示装置。
9. 請求項１に記載の力覚提示装置であって、
   前記アクチュエータ機構は、１つのアクチュエータを含み、
   前記制御部は、前記接触状態に応じて、前記アクチュエータの異なる駆動状態を生成するように構成される
   力覚提示装置。
10. 請求項９に記載の力覚提示装置であって、
    前記伝達機構は、前記異なる駆動状態に対応する力覚情報をそれぞれ伝達するように構成された複数の伝達部を有する
    力覚提示装置。
11. 請求項９に記載の力覚提示装置であって、
    前記制御部は、前記異なる駆動状態のうち少なくとも１つを、50Hz以上400Hz以下の周波数を持つ振動として、前記アクチュエータの駆動を制御するように構成される
    力覚提示装置。
12. 請求項１に記載の力覚提示装置であって、
    前記認識部は、前記負荷量として、前記アクチュエータ機構の逆起電圧、駆動電流、回転数、または温度を測定するように構成される
    力覚提示装置。
13. 請求項１に記載の力覚提示装置であって、
    前記アクチュエータ機構を収容する筐体をさらに具備し、
    前記伝達機構は、前記筐体の少なくとも一部を構成する
    力覚提示装置。
14. 請求項１に記載の力覚提示装置であって、
    前記アクチュエータ機構は、偏心モータ、リニア共振アクチュエータ、圧電アクチュエータ、および磁歪アクチュエータのうち少なくとも１つを含む
    力覚提示装置。
15. 力覚提示装置による力覚提示方法であって、
    前記力覚提示装置は、アクチュエータ機構と、伝達機構と、検出部と、認識部と、制御部とを備え、
    前記伝達機構により、前記アクチュエータ機構による駆動力を利用して力覚情報をユーザに伝達し、
    前記検出部により、前記アクチュエータ機構にかかる負荷量を検出し、
    前記認識部により、前記検出部で検出された負荷量に基づき、前記伝達機構への前記ユーザの接触状態が、正常接触状態又は異常接触状態のうちいずれであるかを認識し、
    前記制御部により、前記接触状態が前記正常接触状態であるとき、第１の力覚情報を出力するように前記アクチュエータ機構の駆動を制御し、前記接触状態が前記異常接触状態であるとき、前記異常接触状態を前記正常接触状態とするように前記ユーザに促すための情報である第２の力覚情報を出力するように前記アクチュエータ機構の駆動を制御する
    力覚提示方法。
16. アクチュエータ機構と、伝達機構と、検出部と、認識部と、制御部とを具備する力覚提示装置に、
    前記伝達機構により、前記アクチュエータ機構による駆動力を利用して力覚情報をユーザに伝達し、
    前記検出部により、前記アクチュエータ機構にかかる負荷量を検出し、
    前記認識部により、前記検出部で検出された負荷量に基づき、前記伝達機構への前記ユーザの接触状態が、正常接触状態又は異常接触状態のうちいずれであるかを認識し、
    前記制御部により、前記接触状態が前記正常接触状態であるとき、第１の力覚情報を出力するように前記アクチュエータ機構の駆動を制御し、前記接触状態が前記異常接触状態であるとき、前記異常接触状態を前記正常接触状態とするように前記ユーザに促すための情報である第２の力覚情報を出力するように前記アクチュエータ機構の駆動を制御する
    処理を実行させるプログラム。

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