JP7345804B1 - グリップおよびこれを用いた力覚提示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザーの手や腕とワイヤの干渉を解消できるグリップおよびこれを用いた力覚提示装置を提供する。【解決手段】握り部と、モータで張力が制御されるワイヤと接続するワイヤ接続部と、を備え、長手方向に長い筒状のグリップで、ワイヤ接続部として、長手方向の一方の端部側で長手方向と直交する第１の方向におけるプラス方向およびマイナス方向に設けられる第１、第２のアームと、長手方向の他方の端部側で長手方向および前記第１の方向と直交する第２の方向におけるプラス方向およびマイナス方向に設けられる第３、第４のアームと、を有し、握り部が、第１、第２のアームの接続位置を含む第１の平面と、第３、第４のアームの接続位置を含む第２の平面と、の間に設けられる。そして、ワイヤとの各アームの接続位置を結ぶ立体は四面体を構成し、握り部の長手方向における中心が四面体の中心にある。【選択図】図１

Description

本発明は、グリップおよびこれを用いた力覚提示装置に関する。

モータがワイヤの張力を制御することで、ワイヤが接続されるグリップとしてのエンドエフェクタを握るユーザーの手に力覚が提示される力覚提示装置として、球状のエンドエフェクタを備えるものが特許文献１に示される。これについて、図６乃至図８を用いて説明する。

図６は、卓上型の力覚提示ユニット１を用いた映像表示システムとしてゲームシステムの全体構成を示す。机などテーブル４の上に、卓上型の力覚提示ユニット１と、椅子５に座ったユーザー（操作者）１０によって映像変化が可能であるように全体映像が表示される表示手段としてのモニタ３が設置されている。モニタ３には、例えばゲーム用の映像として、固定ブロック部３ａと、可動ブロック部３ｂや３ｃが表示されている。

そして、ユーザー１０は、可動ブロック部３ｂや３ｃを掴んだ状態として、固定部３ａに衝突させる、あるいはモニタ内の床面に衝突させるというモニタ３における映像変化を生じさせることができる。そして衝突したときに、力覚提示ユニット１により、ユーザー１０の手に力覚が提示される。これにより、ユーザーはより現実的な感覚でゲームを楽しむことができる。

図７および図８に示す力覚提示ユニット１は、ユーザーの手に力覚（触覚）を伝えるデバイスであるハプティックデバイスとして、ロータリーエンコーダ付きのモータＭ１乃至Ｍ８と、該モータの駆動力をユーザーの手に伝えるワイヤＦ１乃至Ｆ８と、を備える。そして、ワイヤを介してモータと接続されるグリップとして球状のエンドエフェクタを備える。エンドエフェクタ２には、ワイヤの結合部としての結合突起部（第１結合突起部としてＰ３、Ｐ４、第２結合突起部としてＰ１、Ｐ２）が設けられている。

ユーザー１０は、エンドエフェクタ２を把持し、エンドエフェクタ２を左右方向、前後方向、上下方向（鉛直方向）に移動させることができる。

特開２０２１－０８２１６８号公報

このような球状のグリップとしてのエンドエフェクタに対し、ユーザーの手や腕とワイヤの干渉が生ずる場合が考えられ、更なる改良が望まれていた。

本発明者は、ユーザーが握るグリップに関し、それぞれのワイヤとの接続位置を結ぶ立体が四面体を構成する条件の下、この四面体との関係においてユーザーが握るグリップの中心位置および軽量で剛性の高い形状や素材に関し鋭意検討を重ねた。

本発明の目的は、ユーザーの手や腕とワイヤの干渉を抑えることができるグリップおよびこれを用いた力覚提示装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るグリップは、ユーザーが手で握る握り部と、ユーザーに力覚が提示されるように、モータで張力が制御されるワイヤと接続するワイヤ接続部と、を備え、長手方向に長い筒状のグリップであって、前記ワイヤ接続部として、前記長手方向の一方の端部側にあって前記長手方向と直交する第１の方向におけるプラス方向およびマイナス方向に設けられる第１、第２のアームと、前記長手方向の他方の端部側にあって前記長手方向および前記第１の方向と直交する第２の方向におけるプラス方向およびマイナス方向に設けられる第３、第４のアームと、を有し、それぞれの前記ワイヤと接続する前記第１乃至第４のアームの接続位置を結ぶ立体は四面体を構成し、前記握り部が、前記長手方向において、前記長手方向に直交する平面であって前記ワイヤと接続する前記第１、第２のアームの接続位置を含む第１の平面と、前記長手方向に直交する平面であって前記ワイヤと接続する前記第３、第４のアームの接続位置を含む第２の平面と、の間に設けられ、かつ、前記握り部は、前記長手方向に長い筒状であって、軽量化のために前記一方の端部側と前記他方の端部側を前記長手方向に接続するロッドが周方向に離散的に設けられ、前記握り部の前記長手方向における中心が前記四面体の中心にあることを特徴とする。

また、本発明の他の一態様は、前記第１乃至第４のアームおよび前記ロッドの少なくとも一方が、カーボン製である。これにより、更なり軽量化が図られる。

また、本発明の他の一態様は、前記第１乃至第４のアームのそれぞれに２本もしくは１本の前記ワイヤが接続する。これにより、それぞれに２本のワイヤが接続する場合は、６自由度（３方向並進、３方向回転）を与えることができる。また、それぞれに１本のワイヤが接続する場合は、３自由度（３方向並進）を与えることができる。

また、本発明に係る力覚提示装置は、長手方向が鉛直方向となるように配置される上記グリップと、前記グリップに接続される複数本のワイヤと、前記複数本のワイヤのそれぞれが接続する複数のモータと、を有し、前記モータが前記ワイヤの張力を制御することで、前記グリップを握るユーザーに力覚を提示することを特徴とする。

また、本発明の他の一態様は、前記モータと同軸にロータリーエンコーダが設けられる。

本発明によれば、ユーザーの手や腕とワイヤの干渉を抑えることができるグリップおよびこれを用いた力覚提示装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るグリップを用いた力覚提示装置の全体構成を示す図 本発明の実施形態に係るグリップを示す斜視図 （ａ）は本発明の実施形態に係るグリップの上端部側から見た図、（ｂ）は本発明の実施形態に係るグリップの下端部側から見た図 ワイヤと接続するアームの接続位置を結ぶ立体が四面体を構成し、握り部の長手方向における中心が四面体の中心にあることを示す図 アームＲ１、Ｒ２を左右方向、アームＲ３、Ｒ４を前後方向（奥行方向）として商品デザイン化した場合の一例としての外観図で、（ａ）はワイヤを除いた図でワイヤを破線で示した図、（ｂ）はワイヤを備えた図 従来のグリップとしてのエンドエフェクタを用いた卓上型の力覚提示ユニットを基にした映像表示システムの全体構成を示す図 力覚提示ユニットにおける従来のグリップとしてのエンドエフェクタを用いた操作状況を示す外観図 従来のグリップとしてのエンドエフェクタを用いた力覚提示ユニットをユーザー側から見た外観図

以下、本発明の実施形態に係わるグリップおよびこれを用いた力覚提示装置を図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
（グリップおよびこれを用いた力覚提示装置）
本実施形態における力覚提示装置は、図１に示すようにグリップの形状や可動範囲（可動範囲を大きくしている）を除いて基本的には図７および図８で説明したものと同様である。なお、符号Ｈは図７、図８に示すものと同様のフレーム構造を示している。

ユーザーに力覚（触覚）を伝えるデバイスであるハプティックデバイスとして、モータＭ１乃至Ｍ８と、該モータの駆動力をグリップの握り部を握るユーザーの手に伝えるように張力が制御されるワイヤＦ１乃至Ｆ８と、を備える。そして、ワイヤの長さからグリップの位置を検出できるように、それぞれのモータと同軸にロータリーエンコーダが設けられる。

グリップに関し、Ｘ方向（左右方向）、Ｙ方向（前後方向）、Ｚ方向（重力方向である上下方向）における対応する２本のワイヤの長さが検出されると、グリップの並進に関するＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向における方向判別（プラス方向かマイナス方向か）と共に絶対的な位置検出が可能となる。このために４本のワイヤが用いられる。

そして、グリップの回転情報を検出するためには、グリップの異なる２点の位置情報を検出する必要があることから、更に４本のワイヤ（計８本のワイヤ）の長さ検出を行う。

本実施形態におけるグリップの握り部Ｇは、図１乃至図３に示すように、鉛直方向である長手方向に長い筒状として円筒状である。そして、グリップはユーザーが手で握る握り部Ｇと、ユーザーに力覚が提示されるように、モータで張力が制御されるワイヤと接続するワイヤ接続部Ｑ１乃至Ｑ４を備えるアームＲ１乃至Ｒ４と、を有する。なお、一般的な握り部Ｇの握り方としては、握り部Ｇの上方側および下方側に隙間を設けた状態で中央部をユーザーが片手で握るようにする。そして、ワイヤ接続部Ｑ１、Ｑ２が形成されるように、長手方向の一方の端部側（上端部側）においては、長手方向と直交する第１の方向におけるプラス方向に設けられる第１のアームＲ１、およびマイナス方向に設けられる第２のアームＲ２を備える。この場合、上端部側の肉厚に係る円環状部（図１乃至図３では簡略化のため円として図示）と、第１のアームＲ１および第２のアームＲ２が同一平面を構成する。

また、ワイヤ接続部Ｑ３、Ｑ４Ｑ２が形成されるように、長手方向の他方の端部側（下端部側）にあって長手方向および第１の方向と直交する第２の方向におけるプラス方向に第３のアームＲ３、マイナス方向に第４のアームＲ４を備える。この場合、下端部側の肉厚に係る円環状部（図１乃至図３では簡略化のため円として図示）と、第３のアームＲ３および第４のアームＲ４が同一平面を構成する。

また、軽量で剛性の高い円筒形状である握り部Ｇは、図２に示すように一方の端部側（上端部側）と他方の端部側（下端部側）を長手方向に接続するロッドＧａ、Ｇｂなどが周方向に離散的に設けられている。すなわち、上端部側の第１の円環状部と、下端部側の第２の円環状部と、両者と長手方向に結合する円周方向に複数のロッドで握り部Ｇが構成され、また第１、第２の円環状部において剛性確保の補強のため互いに異なるロッド部同士を直線状（例えば互いに平行）に補強ロッドで結合させ、更にプラス方向のアームとマイナス方向のアームがそれぞれ上端部側の円環状部と下端部側の円環状部とに結合されて、グリップが構成される。ここで、上記の補強ロッドとプラス方向のアームとマイナス方向のアームとを、一体化したロッドとして形成することもできる。なお、円周方向のロッドＧａ、Ｇｂなどに関しては、例えば、円周方向で６０度毎に６本設けられる。

更なる軽量化のために、第１乃至第４のアームＲ１乃至Ｒ４およびロッドＧ１，Ｇ２の少なくとも一方が、カーボンロッドのような軽量で剛性の高い素材で構成されることが好ましい。

ここで、図４に示すように、それぞれのワイヤと接続する第１乃至第４のアームの接続位置を結ぶ立体は四面体（例えば）を構成する。そして、以下の構成により、握り部Ｇの長手方向における中心が四面体の中心Ｇ０にあるように、ロッドＧ１，Ｇ２などの高さに対するアームＲ１乃至Ｒ４の長さが設定されている。

そして、この条件が確保されるように、握り部Ｇが、長手方向において、長手方向に直交する平面であってワイヤと接続する第１のアームＲ１、第２のアームＲ２の接続位置Ｑ１，Ｑ２を含む第１の平面と、長手方向に直交する平面であってワイヤと接続する第３のアームＲ３、第４のアームＲ４の接続位置Ｑ３，Ｑ４を含む第２の平面と、の間に設けられる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、力覚提示ユニットとして、８個のモータを設け、各モータに対応するワイヤを２本づつ計８本設ける構成としたが、本実施形態では、４個のモータを設け、各モータに対応するワイヤを１本づつ計４本設ける構成とする。他の構成は、第１の実施形態と同様である。

このような本実施形態では、グリップの握り部Ｇに並進３自由度を含む４自由度を与えることができる。

（変形例）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

上述した実施形態では、グリップの握り部を円筒状として説明したが、本発明はこれに限定されず、長手方向に直交する断面形状が円環状（外形形状は円形）の替わりに肉厚部が角形に設けられる形状（外形形状が三角形、四角形などｎ角形（ｎは３以上の整数）でその中心側が空白部）とすることができる。

そして、長手方向において、各断面が同じ断面積の場合に限らず、両端部側に比べ中央部側で断面積が変わる（例えば、中央部で断面積が小さくなる鼓状）ようにしても良い。

また、上述した実施形態では、グリップに関し、上端部側の円環状部と、第１のアームＲ１および第２のアームＲ２が同一平面を構成するとしたが、上端部側の円環状部に対し、第１のアームＲ１および第２のアームＲ２が上方に跳ね上がっている構成としても良い。同様に、下端部側の円環状部と、第３のアームＲ３および第４のアームＲ４が同一平面を構成するとしたが、下端部側の円環状部に対し、第３のアームＲ３および第４のアームＲ４が下方に跳ね上がっている構成としても良い。

また、握り部Ｇは、ユーザーの手の指が長手方向（鉛直方向）に直交する方向に挿入可能な空間部を備えるようにしても良い。この場合、ユーザーは手と共に指を用いて確実にグリップの握り部Ｇを把持できる。

また、上述した実施形態では、アームＲ１、Ｒ２を前後方向（奥行方向）、アームＲ３、Ｒ４を左右方向に示したが、アームＲ１、Ｒ２を左右方向、アームＲ３、Ｒ４を前後方向（奥行方向）とすることもできる。このような配置として商品デザイン化した場合の一例としての外観図を図５に示す。（ａ）はワイヤを除いた図でワイヤを破線で示した図、（ｂ）はワイヤを備えた図である。

図５に示すものは、ワイヤ駆動型６自由度力覚提示デバイスとして、駆動部がワイヤ、ＤＣモータおよびプーリで構成され、その軽量性により操作時の大幅な慣性低減が可能であり、他の力覚デバイスにはない極めて忠実性の高い力覚提示を実現できる。

標準仕様としては、ワークスペース（両手）が４００（左右方向）×５００（高さ方向）×５００（前後方向）ｍｍで最大提示力が１０Ｎ（各並進方向）である。

なお、フレームサイズおよびモータを自由にカスタマイズすることで、１：１スケールでの操作も可能にする広大な作業空間と、極めて品質の優れた力触覚インタラクションを実現するスケーラビリティの高い力覚提示デバイスとなる。

因みに、フレームの高さ５０ｃｍおよび幅４０ｃｍのタイプでは、マスタスレーブ構成のロボットアームのハプティック遠隔操作などに活用できる。

そして、本発明はゲーム用に限られず、手術などの教育用、訓練用、あるいは介護などの訓練用にも適用できる。

Ｇ・・グリップの握り部、Ｇ１、Ｇ２・・グリップのロッド、Ｒ１乃至Ｒ４・・グリップのアーム、Ｆ１乃至Ｆ８・・ワイヤ、Ｍ１乃至Ｍ８・・モータ

Claims (5)

1. ユーザーが手で握る握り部と、ユーザーに力覚が提示されるように、モータで張力が制御されるワイヤと接続するワイヤ接続部と、を備え、長手方向に長い筒状のグリップであって、
   前記ワイヤ接続部として、
   前記長手方向の一方の端部側にあって前記長手方向と直交する第１の方向におけるプラス方向およびマイナス方向に設けられる第１、第２のアームと、
   前記長手方向の他方の端部側にあって前記長手方向および前記第１の方向と直交する第２の方向におけるプラス方向およびマイナス方向に設けられる第３、第４のアームと、
   を有し、
   それぞれの前記ワイヤと接続する前記第１乃至第４のアームの接続位置を結ぶ立体は四面体を構成し、
   前記握り部が、前記長手方向において、
   前記長手方向に直交する平面であって前記ワイヤと接続する前記第１、第２のアームの接続位置を含む第１の平面と、
   前記長手方向に直交する平面であって前記ワイヤと接続する前記第３、第４のアームの接続位置を含む第２の平面と、
   の間に設けられ、かつ、
   前記握り部は、前記長手方向に長い筒状であって、軽量化のために前記一方の端部側と前記他方の端部側を前記長手方向に接続するロッドが周方向に離散的に設けられ、
   前記握り部の前記長手方向における中心が前記四面体の中心にあることを特徴とするグリップ。
2. 前記第１乃至第４のアームおよび前記ロッドの少なくとも一方が、カーボンロッドで形成されることを特徴とする請求項１に記載のグリップ。
3. 前記第１乃至第４のアームのそれぞれに２本もしくは１本の前記ワイヤが接続することを特徴とする請求項１または２に記載のグリップ。
4. 前記長手方向が鉛直方向となるように配置される請求項１乃至３のいずれか1項に記載のグリップと、
   前記グリップに接続される複数本のワイヤと、
   前記複数本のワイヤのそれぞれが接続する複数のモータと、
   を有し、
   前記モータが前記ワイヤの張力を制御することで、前記グリップを握るユーザーに力覚を提示することを特徴とする力覚提示装置。
5. 前記モータと同軸にロータリーエンコーダが設けられることを特徴とする請求項４に記載の力覚提示装置。

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