JP6906275B2 - Force presentation device - Google Patents
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Description
本発明は、映像に映し出された仮想物体の力覚を操作者に提示する力覚提示装置に関し、特に、操作者の操作と映像とをリンクさせた力覚提示装置に関する。 The present invention relates to a force sense presentation device that presents the force sense of a virtual object projected on an image to an operator, and more particularly to a force sense presentation device that links the operation of the operator and the image.
この種の技術は、例えば特許文献1、2に開示されている。これらの文献に開示された力覚提示装置は、操作部においてセンサにより検出される指先の位置情報と、予め設定された仮想物体の位置情報、仮想物体の形状情報などに基づいて、映像に映し出される仮想物体の力覚を電動モータ等により操作者の指先に提示する。
This type of technique is disclosed in, for example,
特許文献1、2に開示された力覚提示装置においては、電動モータにより力覚が提示されるが、電動モータを利用して力覚を提示する場合、モータの制御が複雑になるという問題がある。モータの制御が複雑になる理由はいくつかあるが、例えば、電動モータの回転速度が0rpmの状態で緻密な力覚を提示しなければならないことが挙げられる。つまり、電動モータは、回転速度を0rpmの状態で力を出すときに、ハンチングを起こし易くなるため、ハンチングの発生を防止するために複雑な制御が必要となる。また、電動モータは慣性が大きいため、リヤリティに優れた力覚を提示するためには、慣性を打ち消すための制御も必要となり、更に制御が複雑となる。
In the force sense presenting device disclosed in
特に、仮想物体の映像と操作部とリンクさせて仮想物体の力覚を操作部において提示する場合は、映像の動きと操作部において提示される力覚とを高い精度でリンクさせることが求められるため、電動モータを用いて力覚を提示する場合は、電動モータの制御を複雑にせざるを得ない。 In particular, when the image of a virtual object is linked to the operation unit to present the force sense of the virtual object in the operation unit, it is required to link the movement of the image and the force sense presented in the operation unit with high accuracy. Therefore, when the force sense is presented by using the electric motor, the control of the electric motor has to be complicated.
本発明は、かかる課題に鑑みて創案されたものであり、映像に映し出された物体の力覚を操作者に提示する力覚提示装置に関し、複雑な制御を必要とすることなく、映像の動きと操作部において提示される力覚とを高い精度でリンクさせることが可能な力覚提示装置を提供することを目的とする。 The present invention has been devised in view of such a problem, and the movement of an image does not require complicated control with respect to a force sense presenting device that presents the force sense of an object projected on an image to an operator. It is an object of the present invention to provide a force sense presenting device capable of linking the force sense presented in the operation unit with the force sense presented in the operation unit with high accuracy.
本発明に係る力覚提示装置は、操作者の操作によって変位する変位部を有する操作部と、前記変位部の変位量を検出するための変位量検出部と、前記変位部の変位動作に連動して回転する回転部を有し、供給される電流の大きさに応じた強さの磁場を内部に封入された磁気粘性流体に付与して、当該電流の大きさに応じた回転抵抗を前記回転部に付与するように構成された回転抵抗発生部と、予め設定された変位量と電流値の対応情報と、前記変位量検出部が検出する変位量とに基づいて定まる値の電流を前記回転抵抗発生部に供給する制御装置と、前記変位量検出部が検出する変位量に応じて変形する仮想物体を仮想空間に表示する表示装置と、を備えることを特徴としている。 The force sense presenting device according to the present invention is interlocked with an operation unit having a displacement portion displaced by an operator's operation, a displacement amount detection unit for detecting the displacement amount of the displacement portion, and a displacement operation of the displacement portion. It has a rotating part that rotates, and applies a magnetic field with a strength corresponding to the magnitude of the supplied current to the magnetically viscous fluid enclosed inside, and applies a rotational resistance according to the magnitude of the current. The current of a value determined based on the rotation resistance generating unit configured to be applied to the rotating unit, the correspondence information between the preset displacement amount and the current value, and the displacement amount detected by the displacement amount detecting unit is described. It is characterized by including a control device for supplying to a rotation resistance generating unit and a display device for displaying a virtual object deformed according to the displacement amount detected by the displacement amount detecting unit in a virtual space.
かかる構成を備える力覚提示装置によれば、力覚を提示するための回転抵抗発生部が、電動モータとは異なり、回転速度が0近傍であっても安定した反力(力覚)を提示でき、慣性が小さいため、複雑な制御を必要とすることなく、映像の動きと操作部において提示される力覚とを高い精度でリンクさせることが可能となる。 According to the force sense presenting device having such a configuration, the rotation resistance generating part for presenting the force sense presents a stable reaction force (force sense) even when the rotation speed is near 0, unlike the electric motor. Since it can be made and the inertia is small, it is possible to link the movement of the image and the force sense presented by the operation unit with high accuracy without requiring complicated control.
好ましくは、上記構成を備える力覚提示装置において、前記操作部は、前記変位部を複数有しており、前記変位量検出部は、各変位部毎に設けられており、前記回転抵抗発生部は、各変位部毎に設けられており、前記制御装置は、予め設定された変位部毎の変位量と電流値の対応情報と、前記各変位量検出部が検出する変位量とに基づいて定まる値の電流を前記各回転抵抗発生部にそれぞれ供給するものであり、前記表示装置は、前記各変位量検出部が検出する変位量に応じて、前記各変位部に対応する部位を変形する仮想物体を仮想空間に表示するもの、とする。 Preferably, in the force sense presenting device having the above configuration, the operation unit has a plurality of displacement units, the displacement amount detection unit is provided for each displacement unit, and the rotation resistance generating unit is provided. Is provided for each displacement unit, and the control device is based on preset correspondence information between the displacement amount and the current value for each displacement unit and the displacement amount detected by each displacement amount detection unit. A fixed value of current is supplied to each of the rotational resistance generating portions, and the display device deforms a portion corresponding to each of the displacement portions according to the displacement amount detected by each of the displacement amount detecting portions. It is assumed that the virtual object is displayed in the virtual space.
好ましくは、前記表示装置は、前記各変位量検出部が検出する変位量に応じて、前記各変位部に対応する部位を変形する仮想手を前記仮想物体とともに前記仮想空間に表示するもの、とする。 Preferably, the display device displays a virtual hand that deforms a portion corresponding to each displacement portion in the virtual space together with the virtual object according to the displacement amount detected by each displacement amount detection unit. do.
本発明によれば、複雑な制御を必要とすることなく、映像の動きと操作部において提示される力覚とを高い精度でリンクさせることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to link the movement of an image with the force sense presented by the operation unit with high accuracy without requiring complicated control.
以下、本発明の実施形態に係る力覚提示装置について図面を参照しつつ説明する。本実施形態に係る力覚提示装置は、図1に示すように、操作部10、回転抵抗発生部20、変位量検出部30、制御装置40、表示装置50等で構成されている。この力覚提示装置では、操作者が操作部10の変位部13を操作することで、表示装置50に表示された仮想物体を疑似的に掴むことができ、仮想物体を掴んだときの力覚(反力等の感触)を体感することができる。以下、各部について詳細に説明する。
Hereinafter, the force sense presenting device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the force sense presenting device according to the present embodiment includes an
操作部10は、図2に示すように、ヘッド部11、脚部12、変位部13等を備えている。
As shown in FIG. 2, the
ヘッド部11は、脚部12上に設けられた略球状の筐体からなり、矩形の第1開口11aおよび第2開口11bを有している。第1開口11aは、操作者の手の人差指から小指に対応する位置に形成されており、第2開口11bは、操作者の親指に対応する位置に1つ形成されている。
The
変位部13は、操作者の指の操作によって変位するものであり、操作者の全指に対応して5つ設けられている。操作者の人差指から小指に対応する4つの変位部13は、ヘッド部11の第1開口11aに配設されており、操作者の親指に対応する変位部13は、ヘッド部11の第2開口11bに配設されている。本実施形態では、各変位部13として、図3および図4に示すように、基部が支軸14に回動自在に支持された湾曲板で構成されており、これがリンク機構15を介して、回転抵抗発生部20の回転軸21に連結されている。各変位部13は、所定範囲内(例えば30度以内)で回動できるようになっている。なお、本実施形態では、変位部13には、リターンスプリング等は設けられておらず、押し込まれた後は、操作者の指先により元の位置に復帰される。そのため、使用に当たっては、例えば図7に示すように、操作者の各指先と変位部13とが面ファスナー付結束具73等により結束される。
The
リンク機構15は、変位部13と回転軸21とを連動させるために設けられており、第1リンク部材17および第2リンク部材18により構成されている。第1リンク部材17は、一端部が変位部13の裏面にピン接合され、他端部が第2リンク部材18の先端部にピン接合されている。第2リンク部材18は、基端部が回転抵抗発生部20の回転軸21に回転一体に連結されている。回転軸21の先端部は、変位量検出部30に接続されており、変位部13が操作者の操作によって変位すると、回転軸16が連動して回動し、回転軸16の変位量(回動量)が変位量検出部30により検出される。
The
変位量検出部30は、変位部13の基準位置からの変位量(回動量)を示す信号を制御部41に送出する。制御部41は変位量検出部30から入力される信号に基づいて変位部13の基準位置からの変位量(回動量)を検出し、検出した変位量(回動量)を表示装置50に提供する。なお、本実施形態では、変位部13が最も外側にあるときの位置(図3において実線で示す変位部13がある位置)を基準位置とする。
The displacement
次に、回転抵抗発生部20の具体的な構成例を図5に基づいて説明する。同図に示す回転抵抗発生部20は、回転軸21、円板22、ヨーク24,25、コイル27、磁気粘性流体28、ケーシング26等で構成されている。
Next, a specific configuration example of the rotation
回転軸21は、その端部が円板22の裏面22bの中心部に垂直に接続されている。回転軸21はベアリング29を介してヨーク25に設けられた軸穴60に回転自在に支持されている。なお、回転軸21には非磁性体が用いられることが望ましい。
The end of the rotating
円板22は、磁性体からなり、回転軸21と一体に軸線回りに回転可能となっている。これに対し、ケーシング26、ヨーク24,25等はヘッド部11内の所定の位置に固定され回転しないようになっている。
The
ヨークは、第1ヨーク24および第2ヨーク25で構成されており、第1ヨーク24は、円板22の表面22aに対して微小隙間を介して対向する対向面24aを有する円板状のもので構成されている。この第1ヨーク24は、円筒状のケーシング26に嵌め込まれて固定されている。
The yoke is composed of a
第2ヨーク25は、円板22の裏面22bに対して微小隙間を介して対向する対向面25aを有する。この第2ヨーク25は、回転軸21を通すための軸穴60を有し、コイル27を配設するための環状の溝25bも有している。この第2ヨーク25は、円筒状のケーシング26の内側に嵌め込まれて固定されている。
The
符号61は、非磁性体からなる球体であり、第1ヨーク24の中心部に形成された凹部と、円板22の中心に形成された貫通穴と、回転軸21の端面の中心に形成された凹部とで形成されるスペースに収容されている。この球体61は、第1ヨーク24と円板22との隙間の設定を容易にするためのものであり、球体61の直径によって、当該隙間が定まる。
コイル27は、第2ヨーク25に形成された溝25bに沿って配設されている。このコイル27には、制御装置40が備える5つの電流供給部42の何れかより任意値の電流が供給されるようになっている。
The
磁気粘性流体28は、円板22と、第1ヨーク24および第2ヨーク25との隙間に封入されている。この磁気粘性流体28は、磁性粒子を分散媒に分散させてなる液体であり、特にその磁性粒子がナノサイズの金属粒子(金属ナノ粒子)からなるものが使用できる。磁性粒子は磁化可能な金属材料からなり、金属材料に特に制限はないが軟磁性材料が好ましい。軟磁性材料としては、例えば鉄、コバルト、ニッケル及びパーマロイ等の合金が挙げられる。分散媒は、特に限定されるものではないが、一例として疎水性のシリコーンオイルを挙げることができる。磁気粘性流体における磁性粒子の配合量は、例えば3〜40vol%とすればよい。磁気粘性流体にはまた、所望の各種特性を得るために、各種の
添加剤を添加することも可能である。
The
上記構成を備える回転抵抗発生部20において、コイル27に電流が印加されると、矢印Pに示す方向に沿って円板22、第1ヨーク24、第2ヨーク25内に磁路が形成される。この磁路は、円板22の表面22aと第1ヨーク24の対向面24aとの隙間や、円板22の裏面22bと第2ヨーク25の対向面25aとの隙間に介在する磁気粘性流体28を貫通する。これにより、磁気粘性流体28には、磁場の強さに応じた粘度(ずり応力)が発現し、円板22とヨーク24,25との間での伝達トルクが磁場の強さに応じて大きくなり、その結果、回転軸21の回転抵抗もコイル27に印加される電流値に応じて大きくなる。
When a current is applied to the
次に、制御装置40および表示装置50について説明する。図1に示すように、制御装置40は、マイクロコンピュータ等により構成される制御部41と、電源回路等で構成される5つの電流供給部42とを備えている。制御部41は、仮想物体の種類毎に、変位部13の変位量と回転抵抗発生部20に供給すべき電流値との対応情報を記憶しており、変位量検出部30を介して検出される変位量に対応付けられた値の電流を電流供給部42を介して各回転抵抗発生部20のコイル27に供給する。
Next, the control device 40 and the
本実施形態では、制御部41は、変位量と電流値との対応情報として、「テニスボール」の力覚情報43a、「水風船」の力覚情報43b、「電気ボール」の力覚情報43cを記憶している。「テニスボール」の力覚情報43aとして、例えば図6(a)に示すように、変位量[θ]の増加に伴って電流値[A]も増加するような対応関係が各変位部13毎に記憶されている。また、「水風船」の力覚情報43bとして、例えば図6(b)に示すように、変位量[θ]の増加に伴ってある値θ1まで電流値[A]も増加し、変位量がθ1以上で電流値[A]がゼロとなるような対応関係が各変位部13毎に記憶されている。また、「電気ボール」の力覚情報43cとして、例えば図6(c)に示すように、変位量[θ]の増加に伴ってある値θ2まで電流値[A]も増加し、変位量がθ2以上で電流値[A]が変位量[θ]の増加に伴ってON・OFFの矩形波を形成するような対応関係が各変位部13毎に記憶されている。
In the present embodiment, the
なお、本実施形態では、変位部13の変位量が減少すると、制御部41は、これを検知して、上記対応関係にかかわらず、回転抵抗発生部20への電流供給を停止する。これにより、操作者が手を開く際に変位部13が元の位置に容易に復帰できるようになっている。
In the present embodiment, when the displacement amount of the
表示装置50は、変位量検出部30により検出される変位部13の変位量に応じて変形する仮想物体71および仮想手72を画面51上に表示する(図7参照)。本実施形態では、表示装置50は、所定のCG画像アプリケーションプログラムがインストールされたノートPCによって構築されている。
The
表示装置50は、制御装置40と接続されており、表示装置50においてユーザに選択された仮想物体の種別情報、CG画像アプリケーションプログラムの開始/終了を示す情報等を送信する。一方、表示装置50は、制御装置40の制御部41から、各変位部13の変位量に関する情報を取得し、各変位部13の変位量に応じてあらかじめ設定された仮想物体71および仮想手72のCG画像を画面51の仮想空間上に表示する。
The
表示装置50において、CG画像アプリケーションプログラムが起動され、操作者が所定操作を行うことにより、仮想物体の種類が選択されると、図7に示すように、表示装置50の画面51に仮想物体71および仮想手72が表示される。また、選択された仮想物体の種別情報が制御部41に送信され、制御部41は、選択された仮想物体に関する変位量と電流値との対応情報を自身が記憶している多数の対応情報の中から選出する。
When the CG image application program is started on the
次に、図7に示すように、操作者が操作部10上に手75を置いて指先の掴み動作により各変位部13を変位させると、各変位部13の動作は、リンク機構15を介して回転抵抗発生部20の回転軸21に伝達される。このとき、変位量検出部30により変位部13の変位量(回動量)が検出され、上記対応情報において、検出された変位量に対応する値の電流が回転抵抗発生部20に供給される。このため、操作者の手には、掴み量に応じた力覚が提示される。
Next, as shown in FIG. 7, when the operator places the
例えば仮想物体71として「テニスボール」が選択されている場合には、図6(a)に示すように、変位量に応じて回転抵抗発生部20に供給される電流値が大きくなるため、掴み量に応じて反力が大きくなる力覚が操作者の手に提示される。同時に、表示装置50の画面51には、「テニスボール」が手で掴まれた状態を模擬した映像が映し出される(図7参照)。例えば、操作者がヘッド部11に手を載せるだけで、変位部13を殆ど押し込んでいない状態では、図8(a)に示すように、「テニスボール」を手で軽く掴んでいる様子が表示装置50の画面51に映し出される。ここから、操作者が指先で変位部13を押し込むにつれて、図8(a)に示す映像から図8(b)に示す映像へと、「テニスボール」を手で掴んだ状態の映像が連続的に変化する。
For example, when "tennis ball" is selected as the
また、例えば仮想物体71として「水風船」が選択されている場合には、図6(b)に示すように、変位量[θ]の増加に伴ってある値θ1まで電流値[A]も増加し、変位量がθ1以上で電流値[A]がゼロとなる。このため、ある程度のところまで、掴み量に応じて変位部13からの反力が大きくなり、ある程度以上の掴み量になると、突然反力がゼロになる感触、つまり、水風船が破裂する際の力覚、が操作者の手に提示される。一方、表示装置50の画面51では、例えば、操作者がヘッド部11に手を載せるだけで、変位部13を殆ど押し込んでいない状態では、図9(a)に示すように、「水風船」を手で軽く掴んでいる様子が映し出され、この状態から、操作者が指先で変位部13を押し込むにつれて、図9(a)に示す映像から図9(b)に示す映像へと、「水風船」を手で掴んだ状態の映像が連続的に変化する。更に、変位量[θ]がθ1になると、図9(b)に示す状態から突然図9(c)に示す状態、つまり、水風船が破裂した状態へと変化し、このとき、変位部13からの反力も突然ゼロとなる。その後は、「水風船」が変位部13の変位量とは無関係に小さく萎んで手から落下する様子が映し出される。なお、本実施形態では、5つの変位部13のうち、少なくとも1つの変位部13の変位量[θ]がθ1以上になれば、他の変位部13の変位量[θ]がθ1未満であっても、全ての回転抵抗発生部20への電流供給が停止されるようになっている。
Further, for example, when "water balloon" is selected as the
また、例えば仮想物体71として「電気ボール」が選択されている場合には、図6(c)に示すように、変位量[θ]の増加に伴ってある値θ2まで電流値[A]も増加し、変位量がθ2以上で、変位量[θ]の増加に伴って電流値[A]がON・OFFの矩形波を形成する。このため、ある程度のところまで、掴み量に応じて変位部13からの反力が大きくなり、ある程度以上の掴み量になると、突然パルス波振動からなる力覚が操作者の手に提示される。「電気ボール」の映像例は特に図示しないが、仮想物体であるため、様々なシチュエーションの設定が可能である。例えば、掴み量(変位部13の変位量)に比例して明るく光を放つような映像にすることや、パルス波振動が提示されているときに、パルスは振動が提示されていないときよりも、明るく光を放つような映像にすることなどが考えられる。
Further, for example, when the "electric ball" is selected as the
以上に説明した本発明の実施の形態に係る力覚提示装置によれば、力覚を提示するための回転抵抗発生部20が、電動モータとは異なり、回転速度が0近傍であっても安定した反力(力覚)を提示でき、電動モータと比較して慣性が小さいため、複雑な制御を必要とすることなく、映像の動きと操作部において提示される力覚とを高い精度でリンクさせることが可能となる。
According to the force sense presenting device according to the embodiment of the present invention described above, the rotation
<他の実施形態>
既述の実施形態において、変位部13をリターンスプリング等で復帰位置へ付勢することにより、操作者が操作部10から手を離したときに、押し込まれていた変位部13が自動的に元の位置に復帰するようにしてもよい。
<Other Embodiments>
In the above-described embodiment, the
本発明は、例えば、映像に映し出された仮想物体の力覚を操作者に提示する力覚提示装置に適用可能である。 The present invention is applicable to, for example, a force sense presenting device that presents the force sense of a virtual object projected on an image to an operator.
10 操作部
13 変位部
20 回転抵抗発生部
21 回転軸(回転部)
28 磁気粘性流体
30 変位量検出部
40 制御装置
41 制御部
42 電流供給部
50 表示装置
71 仮想物体
72 仮想手
10
28 Ferrofluid 30 Displacement amount detection unit 40
Claims (3)
前記変位部の変位量を検出するための変位量検出部と、
前記変位部の変位動作に連動して回転する回転部を有し、供給される電流の大きさに応じた強さの磁場を内部に封入された磁気粘性流体に付与して、当該電流の大きさに応じた回転抵抗を前記回転部に付与するように構成された回転抵抗発生部と、
予め設定された変位量と電流値の対応情報と、前記変位量検出部が検出する変位量とに基づいて定まる値の電流を前記回転抵抗発生部に供給する制御装置と、
前記変位量検出部が検出する変位量に応じて変形する仮想物体を仮想空間に表示する表示装置と、
を備えることを特徴とする力覚提示装置。 An operation unit having a displacement unit that is displaced by the operation of the operator,
A displacement amount detecting unit for detecting the displacement amount of the displacement unit, and
It has a rotating part that rotates in conjunction with the displacement operation of the displacement part, and applies a magnetic field of strength corresponding to the magnitude of the supplied current to the magnetically viscous fluid enclosed inside, so that the magnitude of the current is large. A rotation resistance generating part configured to impart a rotational resistance corresponding to the displacement to the rotating part, and a rotation resistance generating part.
A control device that supplies a current of a value determined based on a preset correspondence information of a displacement amount and a current value and a displacement amount detected by the displacement amount detection unit to the rotation resistance generating unit.
A display device that displays a virtual object that deforms according to the displacement amount detected by the displacement amount detection unit in the virtual space.
A force sense presentation device characterized by being provided with.
前記操作部は、前記変位部を複数有しており、
前記変位量検出部は、各変位部毎に設けられており、
前記回転抵抗発生部は、各変位部毎に設けられており、
前記制御装置は、予め設定された変位部毎の変位量と電流値の対応情報と、前記各変位量検出部が検出する変位量とに基づいて定まる値の電流を前記各回転抵抗発生部にそれぞれ供給するものであり、
前記表示装置は、前記各変位量検出部が検出する変位量に応じて、前記各変位部に対応する部位を変形する仮想物体を仮想空間に表示するものである、
ことを特徴とする力覚提示装置。 In the force sense presenting device according to claim 1,
The operation unit has a plurality of the displacement units.
The displacement amount detecting unit is provided for each displacement unit.
The rotation resistance generating portion is provided for each displacement portion.
The control device delivers a current having a value determined based on preset correspondence information between the displacement amount and the current value for each displacement unit and the displacement amount detected by each displacement amount detection unit to the rotation resistance generating unit. Each is supplied,
The display device displays in a virtual space a virtual object that deforms a portion corresponding to each displacement portion according to the displacement amount detected by each displacement amount detection unit.
A force sense presentation device characterized by this.
前記表示装置は、前記各変位量検出部が検出する変位量に応じて、前記各変位部に対応する部位を変形する仮想手を前記仮想物体とともに前記仮想空間に表示するものである、
ことを特徴とする力覚提示装置。
In the force sense presenting device according to claim 1 or 2.
The display device displays a virtual hand that deforms a portion corresponding to each displacement portion in the virtual space together with the virtual object according to the displacement amount detected by each displacement amount detection unit.
A force sense presentation device characterized by this.
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