JPH06102980A

JPH06102980A - 触覚呈示装置

Info

Publication number: JPH06102980A
Application number: JP4254807A
Authority: JP
Inventors: Hideo Nakajima; 英雄中島
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-09-24
Filing date: 1992-09-24
Publication date: 1994-04-15

Abstract

(57)【要約】【目的】仮想作業空間における仮想物体を把持した際の
触覚を呈示できる触覚呈示装置を提供する。【構成】仮想鉄球２０は立体映像表示装置により立体視
可能に表示されている。仮想鉄球２０に対応した輪郭を
有する接触部材１４ａは、形状記憶合金２２と歪み検出
センサー２４とで、ペルチェ素子２６を挟んで貼り合わ
せてなる。オペレータの手１８が接触部材１４ａを把持
すると、形状記憶合金２２が歪みを生じ、その歪みはセ
ンサー２４により検出される。ペルチェ素子２６はセン
サー２４による歪み量が初期歪み量に復帰するように、
形状記憶合金２２を温度制御する。その結果、接触部材
１４ａは、仮想鉄球２０に対応した輪郭及び剛性を維持
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は触覚情報を呈示するた
めの装置に関し、更に詳しくは、仮想作業空間における
仮想物体に対する触覚情報を実空間における人間の手に
呈示する触覚呈示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータ・グラフィックスによる画
像は、立体映像表示装置により立体視可能な仮想物体と
して表示することができる。この仮想物体に対する触覚
情報を人間の手に呈示することにより、仮想物体が実際
に存在しているかのような仮想作業空間を構築すること
ができる。

【０００３】触覚情報を呈示する装置の一つとして、糸
の張力により触覚を呈示する装置が公知である。これは
例えば「仮想作業空間のためのインターフェースデバイ
ス−ＳＰＩＤＥＲ−（電子情報通信学会技術報告ＰＲＵ
８９−８９）」、「フォースディスプレイ（計測と制
御、１９９１年６月、ｐｐ４７２−４７７）」、及び
「人工現実感とフォースディスプレイ（精密工学会誌、
１９９１年８月、ｐｐ１３２６−１３２９）」に示され
ている。

【０００４】この糸の張力による触覚呈示装置において
は、４本の糸で支持されたキャップがオペレータの指先
に装着される。４本の糸は、リレーのコイルと可動鉄片
との間に挿通されている。キャップが仮想物体に触れた
際には、リレーを励磁することにより、糸がコイルと鉄
片との間に挟まれて、糸の動きが拘束される。その結
果、糸の張力が仮想物体の硬さ、触覚としてオペレータ
の指先に呈示される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、糸の張
力による触覚呈示装置では、仮想物体と指先との点接触
のみの触覚情報が表現され、手の掌、甲、指関節等と仮
想物体との面接触の触覚情報は表現できないという制約
がある。

【０００６】また、糸の張力を発生させるリレーと、張
力により触覚を呈示する糸と、指（手）との仮想空間に
おける幾何学的な位置関係から、触覚情報を表現できな
い空間が存在し、仮想空間の構築にも制約を受ける。

【０００７】従って本発明の目的は、幾何学的配置に起
因する触覚情報を表現不能な空間を除去すると共に、面
接触の触覚表現を実現できる触覚呈示装置を提供するこ
とである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、仮想作業空間における仮想物体に
対する触覚情報を呈示する装置であって、仮想物体の形
状、弾性率を含む予め設定された仮想物体の情報を記憶
させるべき記憶手段と、人体の部位に接触すべき接触面
を有し、且つ仮想物体の設定情報に対応した初期形状を
有する形状記憶合金と、形状記憶合金における歪み量を
検出する検出手段と、

【０００９】検出手段による検出歪み量と記憶手段に記
憶された仮想物体の設定情報とに基づいて、形状記憶合
金が仮想物体の設定情報に対応する形状、弾性率を有す
るための温度の制御量を演算する演算手段と、演算され
た制御量に基づいて、形状記憶合金の温度を制御する制
御手段と、を備える触覚呈示装置が提供される。

【００１０】

【作用】形状記憶合金は、仮想物体の形状、弾性率を含
む予め与えられた仮想物体の情報と、形状記憶合金にお
ける歪み量とに基づいて温度制御される。

【００１１】形状記憶合金に外力が負加されていない状
態では、予め与えられた仮想物体の情報に基づいて、仮
想物体に対応した形状及び弾性率が形状記憶合金に与え
られる。

【００１２】一方、接触部材に対する把持等により、形
状記憶合金に外力が負加されると、形状記憶合金に歪み
が生じ、その形状が変化する。この歪み量を検出し、そ
の歪み量が形状記憶合金に外力が負加されていない状態
の歪み量に復帰するように形状記憶合金を温度制御する
ことにより、仮想物体に対応した形状及び弾性率を維持
することができる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の第１実施例を示す。立体映像
表示装置（図示せず）に組み合わせて仮想作業空間を構
築すべき触覚呈示装置１２ａは、オペレータの手で把持
されるべき接触部材１４ａと、接触部材１４ａを制御す
るコントローラ１６とを備える。

【００１４】図２（Ａ）に点線で示すように、立体映像
表示装置により立体視可能に表示された仮想物体として
は、オペレータの手１８で把持できる球体２０が想定さ
れている。この仮想的な球体２０は、手１８で把持して
も握り潰すことが不可能で、且つ変形しない剛性を有す
る鉄球とする。また、本実施例における手１８の内面１
８ａとは、手の掌と各指の内面とを意味するものとす
る。

【００１５】図２（Ｂ）に示すように、接触部材１４ａ
は、板状の形状記憶合金２２と板状の歪み検出センサー
２４とで、板状の温度制御部材２６を挟んで貼り合わせ
てなる。

【００１６】形状記憶合金２２は、オペレータの手１８
の内面１８ａに対して、仮想鉄球２０の輪郭を知覚させ
るように、円弧状に屈曲された初期形状を有する。形状
記憶合金２２の凹面側に位置する歪み検出センサー２４
及び温度制御部材２６も形状記憶合金２２と一体的に屈
曲されている。温度制御部材２６は、通電制御により形
状記憶合金板２２の温度を制御するためのペルチェ素子
を形成している。

【００１７】形状記憶合金２２の凸面２２ａ側は、手の
内面１８ａで接触または把持されるべき面である。オペ
レータの手の内面１８ａが接触面２２ａに沿って接触部
材１４ａを把持すると、接触部材１４ａは、その形状記
憶合金板２２の弾性率により矢印Ｆで示されるような反
力を発生する。

【００１８】歪み検出センサー２４は、反力Ｆと反対側
の方向へ発生する形状記憶合金２２の歪みを検出する。
この歪みには、手１８が接触部材１４ａを把持した際の
把持力によるものと、温度制御部材２６により制御され
た形状記憶合金２２の形状及び弾性率によるものとがあ
る。この検出された歪み量はコントローラ１６へ与えら
れる。再度図１を参照すると、コントローラ１６は、記
憶部１６ａと演算部１６ｂ及び制御部１６ｃを内臓して
いる。コントローラ１６の記憶部１６ａには、仮想鉄球
２０の形状（半径等）、弾性率（剛性率、体積弾性率
等）のデータとが予め設定されて記憶されている。以下
の説明では、これらのデータとを総称して設定データと
称する。

【００１９】コントローラ１６の演算部１６ｂは、形状
記憶合金２２が仮想鉄球２０の設定データに対応した形
状及び弾性率を有するように、記憶部１６ａに記憶され
た設定データと、歪み検出センサー２４により検出され
た歪み量とから、温度制御部材２６による制御量を演算
する。コントローラ１６の制御部１６ｃは、演算部１６
ｂの演算結果に基づいて温度制御部材２６を通電制御す
る。上述の触覚呈示装置１２ａの操作について説明す
る。

【００２０】オペレータの手１８が接触部材１４ａを把
持していない状態では、歪み検出センサー２４により検
出される歪み量は、形状記憶合金２２の初期形状におけ
る形状及び弾性率に起因する初期値を示す。この状態で
は、形状記憶合金２２は仮想鉄球２０の設定データに対
応した形状及び弾性率を有している。

【００２１】いま、オペレータの手１８が把持面２２ａ
に沿って接触部材１４ａを把持したとする。ここで手１
８による把持力が形状記憶合金２２による反力よりも大
きい場合、形状記憶合金２２は、手の内面１８ａにより
握られる方向へ変形し、手１８による把持力に応じた歪
みを発生する。従って、歪み検出センサー２４により検
出されてコントローラ１６の演算部１６ｃへ与えられる
歪み量は、その初期値を越える。

【００２２】しかし、仮想鉄球２０の弾性率は、手１８
による把持力では変形しない大きさに設定されているた
め、形状記憶合金２２の歪み量を初期値へ復帰する必要
がある。そこで、コントローラ１６の演算部１６ｃは、
形状記憶合金２２を初期形状に復帰させるように、記憶
部１６ａによる設定データと、歪み検出センサー２４に
よる検出歪み量とから、温度制御部材２６による制御量
を演算する。

【００２３】コントローラ１６の制御部１６ｃは、演算
部１６ｂの演算結果に基づいて、歪み検出センサー２４
による検出歪み量が初期値に復帰するように、温度制御
部材２６を通電制御する。その結果、形状記憶合金２２
は仮想鉄球２０に対応した形状及び弾性率を示す。

【００２４】以上により、オペレータの手１８には、仮
想鉄球２０を実際に把持しているような触覚を呈示でき
る。また、重力の作用方向に位置する形状記憶合金板２
２に対し、手１８の把持する力以上に反力を加えること
により、仮想鉄球２０の重量感を併せてオペレータの手
１８に呈示することも可能である。

【００２５】接触部材１４ａは、外部から機械的に負荷
される張力等の力を必要とせず、オペレータの手１８に
よる把持力に対して直接に反応する。従って、触覚を呈
示できない空間上の特異点を除去できる。同様な理由に
より、外部から接触部材１４ａへ機械的に力を負荷させ
るための装置を必要としないので、触覚呈示装置１２ａ
全体を小型化できる。

【００２６】また、触覚は指の内面と掌との両方に対し
て与えられるので、手１８の広範囲に亘る情報の呈示が
可能であり、手の内面１８ａと仮想鉄球２０との面接触
の感覚、掌で仮想鉄球２０を押す感覚の呈示ができる。

【００２７】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は本発明の第２
実施例を示す。この実施例における仮想物体としては、
オペレータの手１８を挿通可能な仮想的な中空管３０が
想定されている。この仮想中空管３０も第１実施例の仮
想鉄球２０と同様な高い剛性を有するものとする。ま
た、本実施例における手１８の外面１８ｂとは、手１８
の伸展方向側の面、即ち手１８の甲及び指の外面を意味
するものとする。

【００２８】図３（Ｂ）に示される触覚呈示装置１２ｂ
は、第１と第２の接触部材１４ａ，１４ｂを採用してい
る。第１の接触部材１４ａは第１実施例の接触部材１４
ａと同様であり、手の内面１８ａに把持される。第２の
接触部材１４ｂは、手の外面１２ｂへ装着可能であり、
その形状記憶合金２２は仮想中空管２６の内面形状に対
応した初期形状を有する。この初期形状を除く第２の接
触部材１４ｂの構造は第１の接触部材１４ａと同様であ
る。

【００２９】この実施例では、手１８を拡げる場合と曲
げる場合とに対応するために、手１８を外内面から挟む
ように第１と第２の接触部材１４ａ，１４ｂを有してい
る。これら第１と第２の接触部材１４ａ，１４ｂを手１
８に装着するに際しては、一本の指に対して曲げと伸展
とが同時に起こり得ないようにする。これら接触部材１
４ａ，１４ｂの手１８への具体的な装着方法は、手袋状
の装着具（図示せず）に接触部材１４ａ，１４ｂを取り
付け、この手袋状の装着具を手１８にはめることであ
る。接触部材１４ａ，１４ｂに接続されるべきコントロ
ーラは、図１に示したコントローラ１６と同様である。

【００３０】第２の接触部材１４ｂのためのコントロー
ラ１６（図１）の記憶部１６ａには、仮想中空管３０の
形状（内径等）データと、弾性率のデータとが予め設定
されて記憶されている。

【００３１】この実施例の触覚呈示装置１２ｂは、複数
の第２の接触部材１４ｂを備えてもよい。また、１台の
コントローラ１６により全ての接触部材１４ａ，１４ｂ
を制御する構成としてもよい。上述の触覚呈示装置１２
ｂの操作について説明する。

【００３２】図３（Ａ）に示されるように、仮想作業空
間において、手１２を仮想中空管２６内へ挿通し、仮想
中空管２６内で手１２を拡げるものとする。手の外面１
２ｂが仮想中空管３０の内面に接触しない場合には、接
触部材１４ａ，１４ｂの各形状記憶合金２２は、仮想中
空管３０の設定データに対応する形状、弾性率を示して
いる。

【００３３】一方、手の外面１８ｂが仮想中空管３０の
内面に接触し、その押圧力（手を開く力）が各形状記憶
合金２２の発生する反力より大きい場合には、押圧力に
応じた歪みが発生し、この歪み量は各歪み量検出器２２
により検出される。コントローラ２４は、第１実施例と
同様に、各歪み量検出器２２が検出した歪み量を抑制す
るように、各形状記憶合金２２の温度制御部材を通電制
御する。

【００３４】この実施例によれば、手１２を広げる方向
における接触の呈示が可能となる。本発明は上記各実施
例に限定されるものではなく、種々の変更が可能であ
る。例えば形状記憶合金２２の形状は、板状に限らず、
メッシュ状としてもよい。この場合のメッシュ状とは、
一枚の形状記憶合金板をメッシュ状に打ち抜くのではな
く、紐状の形状記憶合金板を組み合わせた形状とする。
このようなメッシュ状の形状記憶合金によれば、指を締
めつけるような力が発生するため、細径の穴に指を挿入
する場合などが仮想現実として表現できる。

【００３５】また、装着部材を装着すべき人体の部位
は、手に限らず、腕の関節（肩、肘）としてもよい。手
に加えて腕の関節（肩、肘）にも接触部材を装着した場
合には、更に大きな仮想物体に対する触覚の呈示が可能
である。

【００３６】更に、人体の各関節に接触部材を装着する
ことにより、仮想作業空間における仮想的な壁、柱、床
及びそれらにおける凹凸に対する触覚、仮想物体を持ち
上げる力感覚などを呈示できる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の触覚呈示
装置によれば、仮想物体の形状及び弾性率に基づく触覚
を形状記憶合金により直接に呈示できる。従って、仮想
作業空間において、触覚を呈示できない特異点が存在し
ない。

【００３８】また、大きな把持力等に起因する形状記憶
合金の変形は、形状記憶合金の歪み量の検出に基づく温
度制御により補償されるので、把持力等の大きさに拘ら
ず、仮想物体の形状及び弾性率を維持できる。更に、形
状記憶合金は接触面を有するため、面接触における触覚
も呈示できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る触覚呈示装置の構成を示すブロッ
ク図である。

【図２】本発明の第１実施例の触覚呈示装置の動作を示
す説明図であって、（Ａ）は仮想された鉄球を把持する
状態を示す図、（Ｂ）は仮想鉄球に対応する触覚呈示装
置の接触部材を把持する状態を示す図である。

【図３】図２に対応して本発明の第２実施例の動作を示
す説明図であって、（Ａ）は仮想された中空管を把持す
る状態を示す図、（Ｂ）は仮想中空管に対応する接触部
材を把持する状態を示す図である。

【符号の説明】

１２ａ，１２ｂ…触覚呈示装置、１６ａ…記憶部（記憶
手段）、１６ｂ…演算部（演算手段）、１６ｃ…制御部
（制御手段）、２０…仮想鉄球（仮想物体）、２２…形
状記憶合金、２２ａ…接触面、２４…歪み検出センサー
（検出手段）、２６…温度制御部材、３０…仮想中空管
（仮想物体）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】仮想作業空間における仮想物体に対する
触覚情報を呈示する装置であって、仮想物体の形状、弾性率を含む予め設定された仮想物体
の情報を記憶させるべき記憶手段と、人体の部位に接触すべき接触面を有し、且つ仮想物体の
設定情報に対応した初期形状を有する形状記憶合金と、形状記憶合金に発生した歪み量を検出する検出手段と、検出手段による検出歪み量と記憶手段に記憶された仮想
物体の設定情報とに基づいて、形状記憶合金が仮想物体
の設定情報に対応する形状、弾性率を有するための温度
の制御量を演算する演算手段と、演算された制御量に基づいて、形状記憶合金の温度を制
御する制御手段と、を備える触覚呈示装置。