JPH07244558A

JPH07244558A - 触覚提示装置

Info

Publication number: JPH07244558A
Application number: JP6035575A
Authority: JP
Inventors: Kengo Tanaka; 健吾田中
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1994-03-07
Filing date: 1994-03-07
Publication date: 1995-09-19

Abstract

(57)【要約】【目的】コンピュータの周辺機器として触覚を与える
ことにより、３次元形状のデータを現実感を持って容易
に扱うことを可能にする。【構成】ステッピングモータ１で回転角度を調節する
と、カム２の回転角が変えられ、該カム２に接触してい
るスティック３の上下動を制御することができる。前記
カム２とスティック３とはバネ５によって接触を保って
いる。棒状可動部３に直線的な運動を生ぜしめ、さらに
その動作を電気的に制御可能なものであればよい。さら
に、スティック３の先端には圧力センサ６を取りつけ、
手からの圧力を検知する機構を持たせ、ステッピングモ
ータ１の制御にフィードバックする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、触覚提示装置に関し、
より詳細には、コンピュータの周辺機器として触覚を与
えることにより、３次元形状のデータを現実感を持って
容易に扱うことを可能にする触覚提示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】人工現実感を導入したアプリケーション
（３次元ＣＡＤ(Computer Aided Design)・シミュレー
タ）においては、データグローブ等を用いて仮想３次元
物体を操作することが要求される。その際、現実の世界
で物体に触れたような接触圧や抵抗感が手にフィードバ
ックされなければ操作がしづらくなり、現実感の体験と
呼ぶにはほど遠いものになってしまう。バーチャルリア
リティー研究において、フォースディスプレイ装置の開
発が進められており、反力を手に与える方法としてロボ
ットマニピュレータを応用したものや、モータと糸を組
みあわせ、手の動作を拘束するシステムを用いている例
が多い。

【０００３】一方、より現実に近い感覚を人間に伝達す
るには、仮想物体の形状などの繊細な触覚情報も提示す
る必要があり、この目的に叶う従来技術としては、盲人
用触覚ディスプレイが考えられる。例えば、「Tactile
display terminal for visually handicapped」（YUTAK
A SHIMIZU, DISPLAYS, JULY 1986：Butterworth & Co(P
ublishers) Ltd, pp.116〜120）。

【０００４】また、特開平４−１８６２６号公報のもの
は、３次元空間内の位置を直接指示することにより、そ
の位置がコンピュータに入力可能であると同時に、コン
ピュータに記載された仮想物体と接触した場合には、抗
力をフィードバックすることによって、仮想物体の操作
を可能とする３次元入力装置である。また、特開昭５９
−１９８４８３号公報のものは、多数の触針を高密度に
配設可能な触覚ディスプレイを得るために、マトリック
ス状に配設された触針を備え、それらの各触針をそれぞ
れ形状記憶合金からなる支持体によって支持させ、伝達
しようとする文字や図形の情報に基づいて、所期の触針
を突出または復帰させるために上記支持体を加熱する加
熱手段を設けたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】バーチャルリアリティ
ー研究において、３次元ＣＧ（コンピュータグラフィッ
クス：Computer Graphics）による仮想物体をインタラ
クティブに操作する際、入力装置を通して手に触覚を伝
えることの重要性が指摘されている。例えば、コンピュ
ータディスプレイ上の仮想空間に文字を書く作業におい
て、手に実際の机上の紙に触れたような反力を伝えた場
合は、きれいな文字を書けるが、この反力を失うと、汚
い文字しか書けなくなるという報告がなされており、人
工現実感を用いたアプリケーションにおいて、３次元デ
ータを扱う際には、触覚情報を手に伝える装置が必要と
なる。

【０００６】ジョイスティックやロボットマニピュレー
タを応用し、動きに制限を加えることにより、触覚を提
示する手法が多く見られるが、これらは大がかりな装置
であったり、手の動きの自由度が制限されているものが
多い。実際、細かな物体形状の認識には、疑似的に物体
形状を形成し、手で直接ふれさせる方式が有効であり、
それを実現するには、リアルタイムに形状を変化させる
ことができ、なおかつその変形をコンピュータ制御可能
な装置が望まれる。

【０００７】盲人用触覚ディスプレイにおいては、棒状
突起物の出し入れによって凹凸の２値状態の制御を行っ
ているが、ＣＧなどの３次元物体を表示させようとする
場合には、より豊かな表現力が要求されるため、棒状突
起物の集積度を増し、出し入れの量も多段階に細かく制
御することが望まれる。さらには、手からの圧力と仮想
物体の硬さの程度に応じて棒状突起の動きを規制する制
御も必要となる。

【０００８】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たもので、コンピュータの周辺機器として触覚機構を有
し、仮想的な３次元形状の物体を現実感をもって操作す
ることを可能とした触覚提示装置を提供することを目的
としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、（１）可動ユニットを複数個平面的に配
列した物体形状ディスプレイとを有するコンピュータ周
辺機器であって、人工現実感で、仮想３次元物体にポイ
ンタが接触した際、あたかも実際の物体に触れたのと同
様な感覚を伝えると同時に、該物体を変形させること、
更には、（２）前記可動ユニットは、圧力センサにより
圧力データを取り込む棒状可動部と、該棒状可動部に接
触して上下動させるカムと、該カムの回転角度を調整し
て前記棒状可動部の動きを制御するモータとを有するこ
と、更には、（３）前記物体形状ディスプレイは、モニ
タ上の表示画面に対応して同様の形状が立体的な凹凸で
表示され、位置と指の曲げをセンシングするデータグロ
ーブにより操作されることを特徴としたものである。

【００１０】

【作用】本発明の特徴は、１軸に沿って直線的に運動す
る棒状物体（スティック）からなるユニットを平面状に
集積した構造を有する触覚提示装置にある。ユニットの
構造としては、スティックを支持板の穴に差し込み、１
軸に沿った動きのみを許したものとする。この棒の動作
を起こす装置としては、カムを用いた機構や円筒状のリ
ニアモータを用いたものが考えられる。カム機構を利用
した場合は、ステッピングモータでカムの回転を制御
し、支持板に対して鉛直方向の直線的な動きを発生させ
る。結果的にステッピングモータの回転角の制御がステ
ィックの動きの制御につながる。この方式によると、角
度の制御を多段階的に行うことによって、スティックの
凹凸を二値のみならずアナログ的に設定でき、より細か
な仮想物体の起伏状態が表現可能となる。

【００１１】前記ユニットを平面状に集積し、１つのス
ティックの先端部がコンピュータディスプレイ装置のド
ット集合に対応するような構成をとる。該ディスプレイ
装置をコンピュータに接続し、モニタに表示されている
ＣＧ等の３次元モデル形状に関する情報を入力とする。
すると、その情報に応じて各ユニットが動き、スティッ
クの先端が凹凸を持った面を作り上げる。このようにし
て、コンピュータ上の仮想物体の変化に富んだ形状をリ
アルタイムに形成することができ、この装置に触れた人
間の手に仮想物体に触れた感触を伝えることを可能にす
るものである。

【００１２】さらに、スティックに圧力センサを持た
せ、その圧力情報を基にスティックの動きを制御するこ
とにより、仮想物体の変形動作をひきおこすことができ
る。マニピュレータやジョイスティック等のように、手
の動きを制限する触覚提示装置が、動作の拘束を必要と
する場合の触覚情報提示に有効であるのに対し、物体へ
の接触感を得るという微弱な圧力を手に伝える場合に
は、この触覚提示装置のように実際の形状を形成する方
式がより有効な提示方式となり得る。

【００１３】

【実施例】実施例について、図面を参照して以下に説明
する。図１（ａ）,（ｂ）は、本発明による触覚提示装
置の一実施例を説明するための構成図で、図（ａ）と図
（ｂ）の関係は、同一のものを水平面内で９０度視線方
向を変えて表示したものである。図中、１はステッピン
グモータ、２はカム、３はスティック（棒状可動部）、
４は支持板、５はバネ、６は圧力センサである。

【００１４】ステッピングモータ１で回転角度を調節す
ると、カム２の回転角が変えられ、該カム２に接触して
いるスティック３の上下動を制御することができる。前
記カム２とスティック３とは、バネ５によって接触を保
っている。すなわち、棒状可動部３に直線的な運動を生
ぜしめ、さらにその動作を電気的に制御可能なものであ
ればよい。さらに、スティック３の先端には圧力センサ
６を取りつけ、手からの圧力を検知する機構を持たせ、
ステッピングモータ１の制御にフィードバックする。

【００１５】図２（ａ）,（ｂ）は、本発明における物
体形状ディスプレイの構成図で、図（ａ）は全体図、図
（ｂ）は図（ａ）の可動ユニット拡大図である。図中、
１１は可動ユニット、１２は物体形状ディスプレイ、１
３はスティック、１４は支持板、１５はカム、１６はス
テッピングモータである。各可動ユニット１１を２次元
平面状に並べた構成を取っていることが、本発明の触覚
提示装置の最も特徴的なところである。図２では、６×
５個の可動ユニット１１を連結した構造になっている
が、この例は概念を示したものであり、実際に細かな形
状表現を行うには、さらに多くの可動ユニット１１を連
結する必要がある。

【００１６】図３（ａ）,（ｂ）は、本発明による触覚
提示装置の動作を説明するための図で、図（ａ）が全体
図、図（ｂ）は２次元配列の１行を取り出した断面図で
ある。図中、２１は物体形状ディスプレイ、２２は凹ス
ティック、２３は凸スティック、２４は表面である。各
々のスティック２２，２３を前記制御機構で動かし、物
体形状ディスプレイ２１から完全に突き出た状態２３と
物体形状ディスプレイ２１からあまり突きでない状態２
２を作ることで、その先端の集合からなる表面２４に凹
凸の形状が形成される。ここで、スティックの取り得る
状態としては、２値に限定された凹凸状態のみならず、
カムの微妙な角度調節によりアナログ的に変化させるこ
とが可能であり、圧力センサ６からの値と連携すること
によって手からの圧力に応じた変形動作をも行える。

【００１７】図４は、本発明による触覚提示装置の具体
的な使用例を示す図で、図中、３１はワークステーショ
ン（モニタ）、３２はＣＧによる３次元形状、３３はＣ
Ｇによる仮想の手、３４は物体形状ディスプレイ、３５
は凹スティック、３６は凸スティック、３７はデータグ
ローブである。

【００１８】物体形状ディスプレイ３４をワークステー
ション３１やパーソナルコンピュータに接続し、そのモ
ニタ上ではリアルタイムＣＧによって３次元形状３２や
仮想の人間の手３３が表示され、３次元の仮想空間が展
開されている。その表示画面に対応して物体形状ディス
プレイ３４にも同様の形状が立体的な凹凸３５，３６を
持って表示される。

【００１９】ここで、位置と指の曲げをセンシングでき
るデータグローブ３７のセンシング位置を物体形状ディ
スプレイ３４の位置に調整しておけば、モニタ３１に映
し出されたＣＧ物体３２とＣＧによる仮想の手３３との
接触及びデータグローブ３７をはめた手と、物体形状デ
ィスプレイ３４の凸スティック３６との接触の対応がと
れる。そこで、手からの圧力を与えると、物体形状ディ
スプレイ３４とＣＧ物体３２が連動して変形する。以上
の手順を持って人間の手に細やかな接触情報を伝え、か
つその仮想物体の操作を行うことが可能となる。

【００２０】このように、本発明の触覚提示装置は、ワ
ークステーション上の画面表示の凹凸形状及び仮想３次
元物体に対応した形状を形成する物体形状提示装置（物
体形状ディスプレイ）である。その特徴は、棒状の上下
動可能なユニットを平面状に並べた構造を持っているこ
とである。この装置をコンピュータに接続し、モニタに
表示されているＣＧ等の３次元モデル形状に関する情報
をこの装置の入力とする。すると、その情報に応じて各
ユニットが上下に動き、スティックの先端が凹凸を持っ
た面を作り上げる。

【００２１】このようにして、コンピュータ上の仮想物
体の変化に富んだ形状をリアルタイムに形成することが
でき、この装置に触れた人間の手に仮想物体に触れた感
触を伝えることができる。この上下の動きをモータで制
御する方法を採ることで、カムの角度を多段階的に制御
し、出し入れの具合を細やかに表現することが可能とな
る。さらに、スティックを手によって押した場合に、そ
の圧力に対して物体の変形具合も同時に制御することが
実現できるという利点がある。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、人工現実感において仮想３次元物体にポイン
タが接触した際、あたかも実際の物体に触れたのと同様
な感覚を手に伝えると同時に、その物体を変形させるこ
とを可能にするためのコンピュータ周辺機器で、棒状の
可動ユニットを平面的に並べた構造を有し、しかも操作
者の指からの圧力データを取り込むことができるように
し、また、疑似的な形状を生成する装置として棒状可動
部に接触したカムをモータによって駆動し、さらに指か
らの圧力データを棒状可動部に配置した圧力センサで捉
え、棒状可動部の動きを制御するようにしたので、触覚
を提示することにより人工現実感を伴うアプリケーショ
ンにおいて、よりリアルな感覚を作業者の手に伝えるこ
とができ、コンピュータディスプレー上の仮想物体の操
作が容易に行えるようになる。また、その応用として、
特にＣＡＤ・ＣＧといった３次元データ処理を必要とす
る分野への効果が考えられ、本発明の触覚提示装置と３
次元グラフィックスを連動することにより、立体感のあ
るコンピュータ表示画面上でのコンピュータオペレーシ
ョンが可能になり、作業効率の向上を図ることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による触覚提示装置の一実施例を説明す
るための構成図である。

【図２】本発明における物体形状ディスプレイ本体の構
成図である。

【図３】本発明による触覚提示装置の動作を説明するた
めの図である。

【図４】本発明による触覚提示装置の具体的な使用例を
示す図である。

【符号の説明】

１…ステッピングモータ、２…カム、３…スティック、
４…支持板、５…バネ、６…圧力センサ、１１…可動ユ
ニット、１２…物体形状ディスプレイ、１３…スティッ
ク、１４…支持板、１５…カム、１６…ステッピングモ
ータ、２１…物体形状ディスプレイ、２２…凹スティッ
ク、２３…凸スティック、２４…表面、３１…ワークス
テーション（モニタ）、３２…ＣＧによる３次元形状、
３３…ＣＧによる仮想の手、３４…物体形状ディスプレ
イ、３５…凹スティック、３６…凸スティック、３７…
データグローブ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可動ユニットを複数個平面的に配列した
物体形状ディスプレイとを有するコンピュータ周辺機器
であって、人工現実感で仮想３次元物体にポインタが接
触した際、あたかも実際の物体に触れたのと同様な感覚
を伝えると同時に、該物体を変形させることを可能にす
ることを特徴とする触覚提示装置。
【請求項２】前記可動ユニットは、圧力センサにより
圧力データを取り込む棒状可動部と、該棒状可動部に接
触して上下動させるカムと、該カムの回転角度を調整し
て前記棒状可動部の動きを制御するモータとを有するこ
とを特徴とする請求項１記載の触覚提示装置。
【請求項３】前記物体形状ディスプレイは、モニタ上
の表示画面に対応して同様の形状が立体的な凹凸で表示
され、位置と指の曲げをセンシングするデータグローブ
により操作されることを特徴とする請求項１記載の触覚
提示装置。