JPH09503603A - フォース感応触覚インターフェース - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、ユーザにとってローカルである環境内のユーザとフォースを物理的に交換するための装置である。接続要素（２０２）はユーザの身体部（２００２）と、接続要素（２０２）とグランド（１１８）との間のリンケージ（２０４、２１２、１０２、１０４、１０６、１１４）とに接続されている。リンケージ（２０４、２１２、１０２、１０４、１０６、１１４）は、グランド（１１８）に対して接続要素（２０４、２１２、１０２、１０４、１０６）の少なくとも３つの独立フリーダムにパワー供給するための手段（１２０、１３０、１４０）と、グランド（１１８）に対して接続要素（２０４、２１２、１０２、１０４、１０６、１１４）の少なくとも１の独立フリーダムをパワーフリーの状態に維持する手段とを含む。接続要素（２０４、２１２、１０２、１０４、１０６、１１４）の３までの独立フリーダムは、パワーフリーの状態に維持が可能であり、５までの独立フリーダムはパワー供給が可能である。本発明の他のアスペクトにはリンク（８０４、８１０）上でポイントをコントロールするための２つのアクチュエータ（８１２、８１６）カウンターバランスが含まれる。本発明はさらに、ユーザに対してスプリングスイッチのフォースと移動との関係を提供するバーチャルスイッチを確立するための装置（２３６）を含む。別実施例はバーチャル剛毛ブラシであり、これもユーザに対してそのようなブラシ（１３１８）のフォースと移動との関係を提供し、同時的にバーチャル環境を変化させ、ユーザの位置（１３２０）変化を反映させる。

Description

【発明の詳細な説明】 フォース感応触覚インターフェース 背景 本発明は一般的にオペレータと機械との間のインターフェースに関する。特定 すれば、このインターフェースと接触状態にある人間オペレータに信号を提供す るインターフェースの分野に関する。さらに特定すれば、本発明は一般的には人 であるオペレータに対してフォース（force：物理力）信号を提供または提示す る、あるいは、オペレータからフォース信号を受信するインターフェースに関す る。フォース信号は本来両方向性であるため、インターフェースとユーザはフォ ース信号を”交換”あるいは互いに”共有”すると言うこともできる。 機械は現代生活には不可欠であり、あらゆる機械は人間のオペレータによって 直接的、あるいは間接的にコントロールされなければならない。機械をコントロ ールしたり、機械から情報を受け取るためのインターフェースは、機械が提供す る機能に鑑みて可能な限りその利用が容易であることが望ましい。このような機 械の例には、オペレータが存在する環境（environment）とは異なる環境で作動 するスレーブ（slave）ロボット機械がある。他には、材料成形機、乗り物、パ ワー機械等がある。コンピュータも機械の部類に入る。コンピュータは、例えば 、テキスト（ワープロ）、数字（スプレッドシート）、記録（データベース）、 図形構成（作図と着色プログラム）等を表すデータを処理する。 ユーザは、レバー、ジョイスティック、マウス（ボタンとトラッキング機構付 き）、エクソスケルトン（exoskeleton）、キーボード、タッチスクリーン、デ ジタルパッドまたはタブレット、ヘッドマウス等の多様な装置を介してこのよう な機械をコントロールし、インターアクト（interact）する。典型的には、ユー ザは自身の環境にて”マスター”インプット装置を操作し、典型的には異なる環 境 にある”スレーブ”ロボットはユーザの指令に従って作動する。マスター装置の 形態はスレーブ装置の形態に合致することもあれば、幾分かは合致しないことも ある。 機械のロッド状従属物のような剛体に対しては、基準フレーム（reference fr ame）に対するその関係を明瞭に特定するのに必要なフリーダム（freedom：自由 度）の数は典型的には６であると考えられている。理論上は、３つのフリーダム で基準フレームに関する剛体上のポイントの位置特定で可能であり、３つの追加 的フリーダムでその基準フレームまたは等価基準フレームに関する剛体のオリエ ンテーション（orientation：方位性）が特定できる。 マスター装置のコンポーネントには典型的には多数のデグリー（degree：程度 ）のモーションフリーダムが与えられており、ユーザによる多様なモーションを 可能にしている。そのようなデグリー数は１から６、またはそれ以上ともなる。 これら多数のフリーダムは多数のジョントやアクチュエータによって提供される 。従って、マスターアーム（腕）は何本かのフィンガー（指）を備えたハンドボ ーション（手）を有することも可能であり、各フィンガーはいくつかのジョイン ト（関節）を有することができる。このハンドはリストジョイント（手首関節） を介してフォアアームセクション（前腕部）に接続され、エルボージョイント（ 肘関節）を介してアッパーアームセクション（上腕部）に接続され、ショルダー ジョイント（肩関節）を介してトランク（本体）に接続可能である。トランクか ら最も離れているフィンガーのジョイントの場合には、基準フレームに対するそ の状態は６のフリーダムで特定可能であり、そのうち３はそのポジション（posi tion）に関するものであり、３はそのオリエンテーションに関するものである。 しかし、多数のジョイントと、それらの多様なフレキシビリティのためにアー ムアセンブリ全体ではこれら６フリーダムをはるかに越えたフリーダムを有する かも知れない。末端指を同一状態に置くような他のアーム要素のいくつかの配置 は可能である。アームをドライブする多くの、または全部のアクチュエータは、 １軸に沿った位置のごとき１フリーダムの状態の確立に貢献することができる。 従って、アーム全体は６を越える多くのフリーダムを有する。しかし、アームの どの剛体ポーションの状態の特定にも６のモーションフリーダムが必要となるだ けである。 フォース感応システム（force reflecting system）として知られるこのよう なマスター／スレーブ機械システムのいくらかは、多様なフリーダムデグリーを 介したマスターコンポーネントのモーションが幾分かは影響を受けるか制限され るようにアクチュエータを提供している。典型的には、これらのモーションは、 スレーブが遭遇するフォースのごときスレーブロボット機械の環境の条件に基づ いて影響を受ける。従って、ユーザはマスター機械を掴んだりして機械と接触し 、スレーブ環境に何等かの関係を有するモーションフリーダムに対するコンスト レイント（constraint）を体験し、フォースフィードドバック信号を受信する。 テレオペレータとはこのような装置のことである。 場合によっては、妨害ステージを含むマスターからスレーブへの接続を通じて 遠隔的ではなく、あたかもスレーブ環境と直接的に接触しているかのようにユー ザがそのフォースを感じることが望ましい。これを達成するシステムは”フォー ス感応”システムと呼ばれることもある。接触という人間の触覚システムに関係 するため、このようなフォース感応インターフェースはまた”触覚（haptic）” インターフェースとも呼ばれる。このようなインターフェースを設計するにおい て考察すべき典型的な事項は、ポジション及びフォースあるいはトルクフィード バックの忠実度、構造の単純さ、バックラッシュ（反動）の低減、モーションフ リーダムの独立、ワークスペース形態、信頼度、反応度、感度、装置容積の減少 、並びに反応のバンド幅（bandwidth）等である。ここでのバンド幅とは、反応 速度と、適用フォースとの組合せレンジを意味する。 伝統的な物理機械のコントロールに加えて、人間のオペレータは物理的ではな く、コンピュータモデルにおいて”具現化された”あるいは存在するような”バ ーチャル”機械及びバーチャル環境をコントロールすることが知られている。 単純な例は通常コンピュータの利用に関して無数に存在する。例えば、コンピ ュータ作図及び着色プログラムを使用し、ユーザは互に移動、創作、破壊、変更 、引延等が可能なバーチャル図形体の群をコントロールする。他の例は、コンピ ュータファイルのディレクトリを示し、これらファイルの操作（コピー、削除、 オープン、変更等）に関してユーザに命令を提供させるための、現在普及してい る”デスクトップ”メタフォール（metaphor）である。ワープロプログラムの範 囲においては、ユーザはバーチャルコントロールを操作してドキュメントテキス トの異なる部分をスクロールし、一部を削除（”カット”）し、他の部分に追加 （”ペースト”）する。他にも多数の例が存在する。基本的には、そのような例 は、コンピュータインターフェースによって表されるようなデータ要素の表現に ユーザが影響を及ぼすものをすべて含む。 さらに複雑な例には、対象物のさらに複雑な可視化やセッティングを利用する 等でさらに現実的な環境を創造するものや、ヘルメット、特殊眼鏡等の投影装置 が含まれる。 ユーザは前記のごとき多様な物理的インプット装置の手段によってバーチャル 環境とインターアクトすることができる。音響効果もまたインターフェースの一 部となる。 バーチャルあるいは人工環境は現実環境を再現またはシミュレーションするこ ともでき、外科手術、地質調査、危険貨物操作等の技術の実習等にも利用が可能 である。 多様なインターアクションシステムは、物理的強度を増加し、手の器用さを改 善し、知覚力を増大させ、さらに、人間のユーザを現実または人工の遠隔環境ま たは抽象環境に投影させることで人間の能力を拡張させることができる。そのよ うな遠隔環境は典型的な人間界のスケールよりもずっと大きくも、あるいは小さ くもできる。 フォースフィードバックの提供により、フォース感応システムは、飛行シミュ レータのごとき周知タイプの模擬装置、リモコン装置とは異なるシステムとする ことができる。ユーザのスレーブ環境との物理的インターアクション感知力を向 上させるためには、単に可視で可聴であるだけでは不足である。接触は、環境と の双方向インターフェースを提供する人間の５感の唯一のものである。接触を利 用して人間は環境に影響を及ぼし、同時に環境からの影響を感じることができる 。そのような直接的なフィードバックは、スレーブ環境での存在感または影響力 をユーザに感じさせる。事実、接触によってフォース信号は、手を握り合ってい る２人の人間によって共有される等価で反対方向のフォース同様にユーザと機械 との間で交換されて共有される。 フォース感応マスターの目的は、実際にはローカル環境（local environment ：ユーザ環境）に存在しない物体と接触している感触をユーザに与えるというも のである。以下において”非ローカル環境（non-local environment：非ユーザ 環境）”物体と呼称される物体は、物理力スレーブ機械によって操作されている 現実物体であっても、コンピュータデータモデルとしてのみ存在する環境内での 物体表現であってもよい。 理想的な触覚インターフェースとは、操作対象の環境とは別物であるインター フェースと接触していることをユーザに気付かせないものである。実物にタッチ しているのか、装置を使用してバーチャル物体にタッチしているのかをユーザに 区別させないものである。さらに、ユーザの厄介物とならないようなものである 。理想的なインターフェースとは、ユーザが空間を自由に移動しているときにユ ーザに対して外力を一切作用させないものである。 壁面等の剛質面は、高速で接触した場合においてさえも実際と同様に剛質と感 じられなければならない。固形物の角部はシャープに感じられなければならない 。弾性面は弾性感触を提供すべきである。 フォース感応インターフェースを構築するいくつかの周知な試みでは”エクソ スケルトン（exoskeleton）”を使用している。エクソスケルトンはユーザに着 用され、しばしば、アームやフィンガーに沿ったいくつかのポイントでフォース を発生させる。Ｂ．Ａ．マーカス、Ｂ．アン、及びＢ．エバーマンの「ロボット 装置用マスターコントローラのＥＸＯＳリサーチ」（”第５回年次ワークショッ プ ：宇宙作業における適用及びその研究”誌：ＳＯＡＲ１９９１年、ページ２３８ −２４５、１９９１年７月）参照。エクソスケルトン装置の設計には多くの条件 が付随している。その構造は複数の身体部分に取り付けられなければならず、エ クソスケルトンの関節は人体の関節と効果的にマッチしなければならない。この ような構造体に重量カウンタバランスさせ、それらに剛体であってカップリング されていない伝動装置を提供することは困難である。そのような構造体は、ユー ザにフィードバックシステムの人工的構造物として感じさせないように重量がカ ウンタバランスされていなければならない。伝動装置は剛体であって、非ローカ ル環境との直接接触を感じさせるものでなければならない。 別タイプのフォース感応インターフェースは外的にグランド（ground）された ジョイスティックを利用している。これら装置の典型的なものは、伝統的な”ホ ットセル（hot-cell）”操作システムと、フォース感応ハンドコントローラであ る。 従って、本発明のいくつかの目的には、それが物理的物体であろうとコンピュ ータ表現物体であろうと、高度な現実感での非ローカル環境との人によるインタ ーアクションを可能にすることが含まれている。本発明の１目的は、高度に忠実 なポジションとトルクあるいはフォースフィードバックを提供し、ユーザに非ロ ーカル環境の条件を高感度で提供することである。ユーザインターフェースはユ ーザに対して明快で、可能な限りで邪魔にならないことが重要である。この目的 には当然ながら、システムのバックラッシュ（backlash）の低減化が含まれてい る。本発明の別目的は、巨大過ぎたり、複雑過ぎる装置を使用せず、物理的に適 したサイズのワークスペース（作業空間）でユーザの作業を可能にしたインター フェースの提供である。さらに別目的は、現実感豊かなシミュレーションのため に、非ローカル環境条件に充分に素早く反応し、適当なスティッフネス（stiffn ess）と感度とを表現し、さらに、比較的に大きな反応バンド幅を有し、比較的 素早いモーションがユーザに感知されて伝達されるような装置の提供である。さ らに別目的は、衝撃等の非連続的出来事を表現することである。 概要 １好適実施例においては、本発明はユーザにローカルなユーザ環境におけるユ ーザとのフォース物理的交換のための装置である。この装置はユーザの身体部分 との物理的接続のための接続要素と、その接続要素とグランドとの間のリンケー ジとを含む。このリンケージはグランドに対するその接続要素の少なくとも３つ の独立フリーダムにてパワー供給（power）するためのパワー手段と、グランド に対するその接続要素の少なくとも１の独立フリーダムをパワーフリー（free） に維持するための維持手段とを含む。その接続要素の３までの独立フリーダムを パワーフリーに維持し、５までの独立フリーダムにパワー供給することが可能で ある。しかし、その接続要素のみのパワー供給されたフリーダムと、パワーフリ ーフリーダムの数は６を越えない。リンケージもまた３つのリンクされたベアリ ングを含むことができ、それらのうち２ペアはジンバルアセンブリ（ginbal ass embly）のごとくに直交している。このベアリングの軸は基準ポイント（referen ce point）で交差している。例えば、接続要素はユーザの指を挿入させるシンブ ル（thimble）であってもよく、その交差ポイントはシンブルに接続されたユー ザの指の中であってもよい。 このリンケージはグランド、相互、及び接続要素とに対して可動な少なくとも ２の質量体を含むこともでき、これらアイテム間の中央部は接続要素のモーショ ンに拘らずグランドに対して実質的に静止状態とされる。これら質量体は複数の アクチュエータであってもよく、これらを１本のケーブルを介してローカルなグ ランドされた要素に接続することもできる。他のユーザ接続要素は、頭、尻、足 、手、腕、脚、舌、爪先等の他の身体部分を収容できるサイズのロッドあるいは スタイラス（stylus）またはシンブルを含む。 パワー供給されていない（パワーフリー）フリーダムのモーションをトラック （track：追尾）することは時に有益である。グランドは接続要素が接続される 対象物以外のユーザ身体部分であってもよい。 別実施例では、パワードフリーダム（powered freedoms）がトラックされ、そ のフリーダムのトラッキングに基づいて信号が発生される。この信号は非ローカ ル環境に伝達される。この非ローカル環境は物理的環境であっても、バーチャル なコンピュータ在中の環境であってもよい。 さらに別実施例では、本発明はユーザ環境である第１環境でフォースをユーザ と物理的に交換するための装置である。この装置はユーザ接続要素と、その要素 をグランドに接続するためのリンケージとを含む。このリンケージは１対のクォ ータジンバル（quarter gimbal）を含んでおり、接続要素はこれらクォータジン バルの一方の１端に固定された回転ベアリングに固定されている。他方のクォー タジンバルの自由端は５本のバーリンケージの１本のバーの延長部に接続されて いる。これら５本のバーリンケージは２つのアクチュエータで作動されるもので あり、それぞれ、リンケージのバーの異なる１本と、アクチュエータよりもグラ ンドに近い支持体との間で接続されている。この支持体は第３アクチュエータで グランドに対して作動される。これら３つのアクチュエータは結合され、接続要 素の３つのフリーダムにパワー供給する。これらジンバルは結合され、接続要素 をパワーフリーの状態で維持する。 本発明のさらに別実施例は特定のポイントで信号を発生させるための装置であ る。この装置は両方とも同じケーブルでグランドに接続された１対のアクチュエ ータを含む。両アクチュエータを特定のポイントに動的に接続するためにリンケ ージが提供されている。これらアクチュエータは５本のバーリンケージを介して 両方ともグランドとこの特定ポイントとの間に接続可能である。 本発明のさらに別実施例はフォースを表す信号を発生させるための装置であり 、これは実際にはバーチャルスイッチである。この装置は、ユーザ基準フレーム に対するユーザ基準ポイントの位置を表す信号を受信する受信機と、非ローカル 基準フレーム、この非ローカル基準フレームに対するユーザ基準フレーム、及び 、この非ローカル基準フレームに対するスイッチタイプでスプリングタイプの要 素を含む非ローカル環境のアレンジの表現体を保存するためのモデルとを含む。 こ の非ローカル環境に対するユーザ基準ポイントの位置を比較するためにコンパレ ータが提供されている。フォースを表す信号を発生させるためにはフォース発生 機が提供されている。フォース信号は非ローカル環境に対するユーザ基準ポイン トの位置と、一連のフォースルール（rule）とに基づいている。フォースルール は、スプリングタイプ要素の歪められた形態を表示するユーザ基準ポイントの位 置信号に対応して、スイッチのアウトプットフォースを特定するスプリングフォ ースルールを含む。このスイッチアウトプットフォース信号は非リニア関数で特 定される。従って、現実的なバーチャルスイッチが提供される。本発明はフォー スを表す信号とフォースルールのセットとに基づいて非ローカル環境の表現体を 変更させるオペレータをも含む。例えば、スイッチの表現体は非ローカル環境で の位置を変化させる。 本発明の別好適実施例はフォースを表す信号を発生させるための類似装置であ り、非ローカル環境は、その領域面に垂直方向であるフォースに対応してその断 面積を変化させるタイプの要素を含む。このような要素は”ダイアゴナル（diag onal）”タイプの要素と定義される。このような要素はブリストル（bristle） なブラシ（筆）あるいはスポンジを含む。前記のバーチャルスイッチ実施例と類 似したこのような実施例で、このフォースルールは、ダイアゴナルタイプ要素の 歪んだ形状を表示するユーザ基準ポイントの位置信号に対応して、ダイアゴナル 要素アウトプットフォース信号を特定するスプリングフォースルールを含む。こ れは、歪みつつあるブラシの剛質部分をプッシュする際にユーザが得る感覚をシ ミュレートできる。フォース信号に基づいて非ローカル環境への変化を計算する オペレータは、前記のダイアゴナルタイプ要素の選択領域の断面積の表示変化を 特定する。非ローカル環境は、作画用基板に押し付けられたときに絵の具が付着 したブラシが提供するマークに類似した、ダイアゴナルタイプ要素の選択領域の 断面積の表示をも含むことができる。この装置はこの表示を長期に保存するため の保存手段をも含むことができ、ユーザが加えた力に基づいて変化する太さを有 した着色線を保存することができる。この非ローカル環境はまたブラシの異なる サ イズ、剛性、及び形状に類似した複数のそのようなフォースルールをも含むこと ができる。 本発明の別好適実施例において、フォース発生機は非ローカル環境に対するユ ーザ基準ポイントの位置の時間記録に基づいてフォースを発生させることができ る。このフォースルールは、ユーザ基準ポイントの時間ポジション変化を示すユ ーザ基準ポイントの位置信号の時間記録に対応したフリクション（friction）ア ウトプットフォース信号を特定するフリクションタイプのルールを含む。 本発明の別好適実施例は前記実施例に類似している。非ローカル環境は基準ポ イントがその上を移動する作図用基板の表現体を含む。フォースルールは、移動 する基準ポイントのためのルールを特定するのではなく、基板のためのフォース 発生ルールを特定する。フォース発生機は、非ローカル環境に対するユーザ基準 ポイントの位置と、一連のフォースルールに基づいてフォースを表す信号を発生 させるために提供されている。これらルールは作図用基板−フォースルールを含 んでおり、作図用基板タイプ要素の歪んだ形状を示すユーザ基準ポイントの位置 信号に対応して、作図基板アウトプットフォース信号を特定する。この装置はさ らに、フォースを表す信号と一連のフォースルールに基づき、非ローカル環境の 形態の表現体に変化を与える非ローカル環境反応計算機を含むこともできる。作 図用基板タイプ要素ルールは作図用基板タイプ要素の選択領域の表面形状の表示 体での変化を特定する。基板の表面の肌合を非ローカル環境に含ませたり、波打 ち壁としてモデル化が可能である。 本発明の別好適実施例は第１ユーザローカル環境における装置とユーザとの間 でのフォースの物理的交換のための方法であり、ユーザの身体部分への物理的接 続のための接続要素と、この接続要素とグランドとの間のリンケージとを有した 前述装置の提供ステップを含む。このリンケージはグランドに対して接続要素の 少なくとも３つの独立フリーダムにパワー供給するパワー手段と、接続要素の少 なくとも１の独立フリーダムをパワーフリーで維持する維持手段とを含む。この 方法はまた、ユーザの身体部分にその接続要素を接続し、接続要素のその少なく とも３つの独立フリーダムにパワー供給するステップを含む。 本発明の別好適実施例は、例えばバーチャルペイントブラシ等のフォースを表 す信号を発生させるための方法である。この方法は、ユーザ基準フレームに対す るユーザ基準ポイントの位置を表す信号を受信するステップを含む。別ステップ は、非ローカル基準フレーム、その非ローカル基準フレームに対するユーザ基準 フレーム、並びに、その非ローカル基準フレームに対するダイアゴナルタイプで スプリングタイプの要素を含む非ローカル環境の形態の表現体を保存する保存ス テップである。ユーザ基準ポイントの位置は非ローカル環境に対して採用される 。非ローカル環境に対するユーザ基準ポイントの位置と一連のフォースルールと に基づいて、フォースを表す信号が発生される。フォースルールは、ダイアゴナ ルタイプ要素の歪んだ形状を示すユーザ基準ポイントの位置信号に対応してダイ アゴナル要素アウトプットフォース信号を特定するスプリングフォースルールを 含む。非ローカル環境の形態の表現体は、フォースを表す信号と一連のフォース ルールとに基づいて変化される。ダイアゴナル要素スプリングタイプルールはダ イアゴナルタイプ要素の選択領域の断面積の表現体変化を特定する。 図面の簡単な説明 本発明のこれら及び他の特徴、アスペクト、並びに利点に関しては、以下の詳 細な説明、請求の範囲、及び添付の図面からさらに理解が進むであろう。 図１は本発明の１好適実施例の一部を表す斜視図であり、３つのパワード及び トラックトモーションフリーダム（three powered and tracked freedoms of mo tion）を有した装置を提供する３つのアクチュエータと１つのリンケージとを示 している。この装置はさらに、３つのモーションフリーダムを有するユーザ接触 アセンブリをも含む。 図２Ａは本発明の１好適実施例の一部を表す斜視図であり、ユーザの指が接触 している３つのフリーデグリーフリーダムのジンバルとシンブルとを示している 。 図２Ｂは本発明の１好適実施例の一部を表す斜視図であり、ユーザ接続要素の 回転アスペクトを測定可能とさせる軸を示している。 図３は図１に示す本発明の実施例の逆方向斜視図であり、１つのアクチュエー タが取り外されている。 図４はキャプスタンとケーブルとを介してディスクに接続されたアクチュエー タの斜視図である。 図５は略式ブロック図であり、インターフェースと非ローカル環境に対する人 間オペレータとコンピュータコントロールシステムとの間の信号交換を示してい る。 図６はユーザに３つのフリーデグリーフリーダムで掴ませるためのスタイラス アレンジを有した本発明の１実施例の一部を斜視図で示している。 図７はユーザに２つのフリーデグリーフリーダムと、１パワーデグリーフリー ダムで掴ませてトルクを発生させるためのハンドルインターフェースを有した本 発明の１実施例の一部を斜視図で示している。 図８はユーザに１フリーデグリーフリーダムと、２パワーデグリーフリーダム で、ワンド（wand）に沿った多様なポイントにおけるバーチャル物体との接触を ユーザに感じさせるワンドインターフェースを有した本発明の１実施例の一部を 斜視図で示している。 図９Ａと図９Ｂは図１に示す本発明の１実施例のワークスペースの略図である 。 図１０Ａは図１と図３とに示す本発明の実施例の側面図であり、ユーザ接続ア センブリと、ホームポジションにあるアクチュエータとを示している。 図１０Ｂは図１と図３とに示す本発明の実施例の側面図であり、１つのアクチ ュエータがホームポジションにあり、他方はそこから移動している様子を示して いる。 図１０Ｃは図１と図３とに示す本発明の実施例の側面図であり、他方のアクチ ュエータがホームポジションにあり、図１０Ｂでホームポジションにあった一方 は移動している様子を示している。 図１１は３つのジンバルアセンブリに接続されたユーザの指の斜視図であり、 各装置の残部は図示されていない。 図１２はブロック図であり、バーチャル環境をコントロールする本発明装置の １実施例の要素を略式に示している。 図１３はバーチャル環境のコントロールのための本発明の方法実施例のフロー チャートである。 詳細な説明 本発明は、現実あるいはバーチャルである”非ローカル”環境とのインターア クトに使用可能な装置を含む。このバーチャル環境とは典型的なコンピュータデ ータ処理タイプでも、一般的とは言えないような特殊タイプのものであってもよ い。 １実施例においては、ユーザの指と係合するシンブルが提供されている。この シンブルはリンケージを介して支持されており、３つのモーションフリーダムが 全く”非パワード（unpowered）”状態のユーザの指に提供されている。非パワ ードまたは”パワーフリー（free of power）”とはそれらがパワー供給されて いないこと、あるいはこれらフリーダムを介してモーション（motion）に対して いかなる抵抗（例えば、フリクションまたはダンピング）がないことを意味して いる。（これら非パワードフリーダムを介したモーションのステータスまたはポ ジションはトラックされても、あるいはされなくともよい。トラックされなけれ ば、本文中では”フリー”であるという。）この実施例においては、リンケージ は３つの追加的モーションフリーダムが”パワー供給される（powered）”よう にアレンジされる。”パワー供給される”とは、非ローカル環境での条件により この装置がこれらフリーダムを介してモーションに抵抗するか、またはモーショ ンをアシストする能力を有している（力が加わっている状態）ことであり、典型 的には、これら３つのフリーダムに関するユーザのモーションをトラックする。 普通では望ましくはないが、パワー供給されてはいるがトラックされていない（ 非トラックト：untracked）フリーダムを有することは可能なことである。従っ て、その実施例は説明しない。 本明細書と請求の範囲とを通じて、”非ローカル環境”とはユーザが存在する 環境ではない環境のことである。非ローカル環境とはバーチャル環境でも、コン ピュータ発生環境またはコンピュータ在住環境でも、あるいはスレーブ機械の環 境でもよい。例えば、医師と同じ部屋にいる患者体内のスレーブ機構を操作する ことは、通常の意味においては実質的に”ローカル”と判断されよう。しかし、 医師はマスター機械とスレーブ機械との間の接続を介して作動するスレーブ機械 ではなくてマスター機械を操作する。従って、患者体内の環境は、医師との物理 的近距離にもかかわらず”非ローカル環境”である。 本発明は２人（または３以上）の人間オペレータでも使用が可能であり、各々 は異なる物理的インターフェースに係わる。各オペレータのインターフェースは 本発明によってコントロールされ、別オペレータの環境において、そのオペレー タによって実施されたフォースとモーションとに対応したフォースとモーション とを発生させ、さらに、そのインターフェースに対して”ローカル”である環境 においてそのオペレータによって実施されたモーションとフォースとをトラッキ ング（tracking）する。従って、それら２人のオペレータは互いに”バーチャル ”接触が可能であり、各インターフェースは通常の”スレーブ”及び”マスター ”として機能する。 ”非ローカル環境”相の別意味は、データを表現するコンピュータ発生環境で ある。必要条件ではないが、そのデータは自身で物理的状況を表すことができる 。例えば、毎日の平均気温等の上下する数字のインデックスを反映するデータは 、線グラフとして表すことができる。この非ローカル環境はデータの上昇／下降 グラフである。この上昇下降グラフはユーザにより”感知”及び”審査”可能で あり、このことはコンピュータメモリに表されている他のバーチャル物体が感知 されるのと同じことである。 図１に示すように、ユーザ接続要素２００はリンク１０２の端部に搭載されて いる。ユーザ接続要素２００はジンバルアセンブリであり、リンク１０２の延長 として定義される軸Ｇ₁周囲で自由回転し、フリクション（摩擦）のないベアリ ン グ１０３を介在させて搭載されている。ジンバル（ユーザ接続要素）２００は図 ２Ａでさらに詳細に示されている。 シンブル２０２は４半形ジンバル２０４で支持されており、エンド（４半形） ジンバル２０４のに接続するバレル部２０６を通過する軸Ｇ₃周囲でスピン可能 である。それを介してシンブル２０２が搭載されているベアリング２０３は実質 的にフリクションを発生させない。４半ジンバル２０４自体もフリクションがな いベアリング２０５を介して別４半ジンバル２１０のバレル部２１２に接続され ている。エンドジンバル２０４はバレル部２１２を通過し、シンブル２０２内で 軸Ｇ₃と交差する軸Ｇ₂周囲を自由回転可能である。ジンバル２１０、エンドジン バル２０４、及びシンブル２０２で構成されているジンバルアセンブリ２００全 体は、ジンバル２１０のバレル部２１４を通過する軸Ｇ₁周囲を自由回転可能で ある。実質的に、軸Ｇ₁は他の２軸Ｇ₂とＧ₃とユーザ基準ポイントで交差する。 従って、ユーザがシンブル２０２に指を挿入すると、ユーザはその縦方向、す なわち軸Ｇ₃周囲に指を回転させることができる。さらにユーザは軸Ｇ₁周囲に指 の根元をスイングすることができ、手の平を下側に向けた状態で外側に広げた手 の親指と小指との間に広がる平面を移動させることができる。同様に、ユーザは 手の平と甲との間の平面にて軸Ｇ₂周囲にその指の根元をスイングできる。これ らのモーションフリーダムはユーザの指２００２のオリエンテーションを１独立 基準フレーム（reference frame）あるいは”グランド（ground）”に対して説 明するものであると考えられる。 本発明の１アスペクトは、ユーザの指先と現実との多数のインターアクション を実現することであり、その環境は前記定義の指のオリエンテーションに関する フリーダムを介してモーションに抵抗しない。さらに、これらのフリーダムに対 するユーザの指のポジションはその環境のユーザによる感知に関係がなく、ユー ザの指の活動に対するその環境の反応にも関係がない。本質的には、その指は外 世界と１点でインターアクトする。従って、これらフリーダムを積極的にパワー することは必要がなく、場合により、これらフリーダムを介したユーザのモーシ ョンをトラックしたり、これらフリーダムと協調させたりすることは不要である 。典型的な１実施例におけるパワー供給されたモーションフリーダムと、非パワ ードフリーダムとによって特徴付られる装置の簡単な説明の後に、本発明のこの アスペクトを以下においてさらに詳細に解説する。 説明は、足、腕、舌、頭、尻等を含むユーザ身体部分の他の全ての部分と、３ つのパワードフリーダムで３つの非パワードフリーダムとの組合せ以外のパワー ドフリーダムと非パワードフリーダムとの組合せにとの間のインターアクション にまで及ぶ。１身体部分を使用したコンピュータとのインターフェースに加えて 、例えば、下半身マヒの場合等ではユーザは口を含む身体開口部を使用する必要 が生じるかも知れない。さらに説明はポイントタイプ器具（鉛筆、スタイラス、 スカルペル等）とそれらの環境との間のインターアクション、並びに、ラインタ イプ器具（例えば、ラットテールファイル、剣、杖）とそれらの環境との間のイ ンターアクションにも及んでいる。 図１に示すように、ユーザ接続ジンバル２００はペアとなった平行リンク１０ ６と１０４とにヒンジ（蝶番接続）されているリンク１０２上で自由回転式に支 持されている。ヒンジ体１０８と１１０とはリンク１０２を可能な限り摩擦を発 生させないように平行リンク１０４と１０６とにそれそれヒンジ接続している。 リンク１０４と１０６とは、図１の破線で部分的に示されており、以下でさらに 詳述する機構を介してディスク体１１２に接続されている。 ディスク体１１２はフレーム体１１４を介してベース部１１６に支持されてお り、ベース部自身はグランドされたサポート体１１８に支持されている。ベース 部１１６とフレーム体１１４とは固定されており、軸Ｂ₁周囲を角度θ_1Bで共回 転する。図１には図示されていないが、それら両方を回転式に支持するようにベ アリングが提供されている。このベアリングもまた可能な限りフリクションがな いものである。 図示されていないが”グランド”は基準フレームとして作用するアイテムであ り、グランドに退位してユーザ接続要素の全モーションとポジションとが計測さ れる。図示の実施例において、接続要素はシンブル２０２である。多くの適用例 では、グランドは地上に対して、またはユーザのローカル環境に対して固定され ている。従って、グランドは床、壁または家具に対して固定が可能である。しか しこれは必須要件ではない。ユーザの別身体部分をグランドとすることも可能で ある。例えば、ユーザの頭、尻または胸をグランドとすることができる。グラン ド自体は、水中または液中のブイ、漂う風船、移動する自動車のような”漂流体 ”であってもよい。重要なことは、グランドとは基準フレームであり、それに対 する接続要素のモーションとポジションとが計測されることである。 フレーム体１１４とベース部１１６とを介したグランドサポート体１１８への 接続によって、軸Ｂ₁周囲のジンバルユーザ接続アセンブリ２００のモーション が可能となる。ジョイント部（ヒンジ体）１０８と１１０とはヒンジされており 、ジンバルアセンブリ２００をアーク状ではなく、直線的、例えば、図３のよう に軸ｙに沿って移動させることも可能である。 軸Ｂ₁周囲のベース部１１６のモーションに関しては、制約にも、コントロー ルにも、パワーアシストにも言及してこなかった。しかし、１好適実施例におい てはアクチュエータ１２０が提供されており、軸Ｂ₁周囲のモーションを積極的 にコントロールする。（本文中の”アクチュエータ”とはモータユニットか、ま たは他のフォース発生手段のことである。必須ではないが、しばしばアクチュエ ータにはエンコーダが装備される。）簡単に説明すれば、アクチュエータ１２０ は本体１２２と、キャプスタン１２４が搭載される回転軸（図示せず）とを有し ている。アクチュエータに電流が流されると（配線は図示せず）、キャプスタン １２４は本体１２２に対して軸上でスピンする。本体はサポート体１２５に回転 式に固定され、サポート体はグランドサポート体１１８に固定されている。よっ て、キャプスタン１２４はグランドに対して回転し、本体は固定されたままであ る。ケーブル１２６はキャプスタン周囲に巻き付けられており、いずれかの端部 でベース部１１６に係留される。ケーブルは、キャプスタン１２４が回転すると き、キャプスタンがケーブル１２６をその周囲で引っ張るように提供される。従 って、 フレーム体１１４と前述のアセンブリ全体も軸Ｂ₁周囲を回転する。よって、ト ルクがベース部１１６にかかることになる。 アクチュエータ１２０はポジションセンサー能力をも提供する。典型的には、 アクチュエータ１２０は、キャプスタン１２４と本体１２２との間の相対的回転 ポジションを継続的にトラックする通常のポジションエンコーダを含む。よって 、適切なジオメトリカル（geometrical）分析が提供されれば、軸Ｂ₁周囲のベー ス部１１６のポジションは決定可能となり、そのポジション信号はエンコーダに よって発生が可能となる。エンコーダの代用にポジショントランスジューサ（tr ansducer）を使用することができる。例えば、ポテンショメータ（potentiomete r）、リゾルバー（resolver）、ホール効果センサー（hall effect sensor）等 でよい。 以下においてさらに詳細に説明するように、アクチュエータ１４０は、ディス ク体１１２の中心を通過する軸Ｂ₂周囲でリンク１０６にトルクを発生させるよ うに追加提供される。追加アクチュエータ１４０はケーブル１３６を介してディ スク体１１２と接続され、軸Ｂ₂周囲のアクチュエータのポジションを継続的に トラックするためにエンコーダ（図示せず）を含むこともできる。 さらに、第３アクチュエータ１３０が同一ケーブル１３６を介してディスク体 １１２と接続され、軸Ｂ₂周囲でリンク３５６にトルクを発生するようにアレン ジされる。アクチュエータ１３０は軸Ｂ₂に対して別ヒンジジョイント体（３５ ２、図３、１０Ａ。図１には図示せず）の回転位置を継続的にトラックするため のエンコーダ１３１をも含む。リンク１０６、１０４、及び３５６と、ヒンジジ ョイント体１１０と１０８との間にあるリンク１０２の部分１０１とのジオメト リによって、軸Ｂ₂に対するヒンジジョイント体３５２のこのポジションを継続 トラックすることは、軸Ｂ₃に対するヒンジジョイント体１０８のポジションを 継続トラックすることと同じことである。これは、２つのヒンジジョイント体１ １０と１０８との間の距離が知られており、この場合にはヒンジジョイント体３ ５２と軸Ｂ₂との間の距離に等しく、さらに、リンク１０４と１０６のアレンジ が知られており、この場合には平行状態であり、リンク３５６とリンク１０２の 部分１０１ の場合と同様だからである。 前記の実施例ではリンク１０６と１０４とは平行であるが、その必要はない。 同様に、リンク１０１と３５６も平行である必要はなく、同一の長さである必要 もない。必要なことはそれらの相対的な長さが知られていることである。ヒンジ 体はリンク１０４と１０２、１０２と１０６、並びに１０６と３５６の間に提供 される。リンク１０６と３５６とは両方とも回転軸棒３５４周囲を回転し、回転 軸３５４はディスク体１１２とフレーム体１１４とに接続されていることでグラ ンドに接続されており、フレーム体１１４はグランドサポート体１１８に接続さ れている。どのリンクを移動させても他の４のリンクのモーションを規制する。 しかし、リンクのモーションはグランドに対しては規制されず、回転軸３５４に 対して規制される。従って、このリンケージは５棒タイプリンケージである。あ るいは、回転軸３５４はリンク１０６あるいは３５６の一方に固定が可能であり 、回転ベアリングを介してディスク体１１２に接続が可能である。 ヒンジ体の相対的ポジションを知り、装置のジオメトリを知れば、軸Ｇ₁、Ｇ₂ 、Ｇ₃が交差するシンブル２０２先端内のユーザ基準ポイント２２２のグランド に対する位置を正確に特定することが可能となる。従って、この装置はユーザの 指先の正確な位置を決定することができる。 図１、図３及び図１０Ａで図示されているように、アクチュエータ１３０と１ ４０とは両方とも１本のケーブル１３６を介してディスク体１１２に接続されて いる。ディスク体１１２はフレーム体１１４を介して搭載されており、軸Ｂ₂周 囲を回転することはできない。各アクチュエータ１３０と１４０とはそれぞれリ ンク３５６と１０６とに搭載されており、アクチュエータの本体はそのリンクに 対して回転できない。アクチュエータに電流が提供されれば（配線は図示せず） 、本体と、対応キャプスタンとの間、例えば、本体１３２とキャプスタン１３４ との間に相対的回転が発生する。ケーブル１３６はキャプスタン周囲に巻き付け られており、両端でディスク体１１２に係留され、キャプスタンは回転するとき アクチュエータをディスク体周囲にてケーブル端のいずれか側に引っ張る。この 作 用はアクチュエータと伝達要素の通常の使用態様とは異なる。通常はアクチュエ ータは静止状態であり、伝達要素はグランドに対して移動する。ケーブル１３６ の張力はアクチュエータがスリップもバインドもせずにどちらの方向にも移動で きるように提供される。図８のケーブルの巻き付け形状（キャプスタンとディス ク体１１２の周囲）によって、通常の単純ループ形状の場合よりも低い摩擦で高 い張力が得られる。 まずアクチュエータ１３０を考察してみる。アクチュエータ１３０は軸Ｂ₂に 沿ったディスク体１１２の中心を通過する軸３５４周囲をピボットする箱型フレ ーム３５５の一部である短アーム部３５６に接続されている。短リンク（アーム 部）３５６は中心を越えてヒンジジョイント体３５２まで延びており、そこで短 リンク３５６は長リンク１０４にヒンジ接続される。短リンク３５６は部分３０ １を含み、部分３０１は回転軸３５４からヒンジジョイント体３５２に延びてい る。リンク１０４はリンク１０２に接続されており、リンク１０２からはジンバ ルユーザ接続アセンブリ２００が懸垂式に提供されている。 ４つのリンク３０１、１０１、１０６、及び１０４が名目上の”ホーム”ポジ ションにアレンジされて”方形”を形成しているとき（図１０Ａ）、もしユーザ がリンク１０２の長軸と一般的に垂直にユーザ接続アセンブリ２００を移動させ 、ヒンジ体１０８をヒンジ体１１０周囲にアーク状で移動させ、ヒンジ体３５２ を回転軸３５４周囲にアーク状で移動させ、アセンブリ２００を図１０Ｂに示す 形状にさせるなら、短アーム体３５６は回転軸３５４周囲をピボットし、アクチ ュエータ１３０を他方のアクチュエータ方向に向けてケーブルに沿って移動させ る。アクチュエータ１３０のモーションによって、キャプスタン１３４とハウジ ング１３２との間の相対的回転が発生し、軸Ｂ₂に対するアクチュエータ１３０ のポジションが決定可能となる。アクチュエタ１３０のポジションから、ユーザ 基準ポイント２２２のポジションのアスペクトが決定可能となる。 アクチュエータ１３０に電流が流され、ユーザに適用されたトルクがそれに対 抗するに不充分であれば、そのアクチュエータは動くことになる。アクチュエー タ１３０のディスク体１１２周囲のモーションは短アーム体３５６のモーション と、短リンク３５６にヒンジ体３５２でヒンジされたリンク１０４の端部のモー ションとが発生し、結果としてリンク１０２にヒンジされた他端部のモーション が発生する。同様に、このようなモーションはユーザ接続ジンバルアセンブリ２ ００に対応モーションを引き起こす。 アクチュエータ１４０も同様に作動する。アクチュエータ１４０もアクチュエ ータ１３０を接続している同一ケーブル１３６を介してディスク体１１２に接続 されている。アクチュエータ１４０はリンク１０６の１端に搭載されており、リ ンク１０６はディスク体１１２の中心にて回転軸３５４（軸Ｂ₂）周囲をピボッ トする。（リンク１０６は”Ｌ”状リンク延長部３０６により、回転軸３５４を 越えてアクチュエータ１４０に延びている。）リンク１０６はヒンジ体１１０を 介してリンク１０２の端部に接続されており、リンク１０２にはジンバルアセン ブリ２００が接続されている。従って、図１０Ａに示す、シャフト（リンク）１ ０２の長方向に一般的に平行である方法にて名目上の”ホーム”ポジションから の（図１０Ｃに示すポジションへの）ユーザ接続アセンブリ２００のモーション は、リンク１０６のヒンジ体１１０を回転軸３５４周囲に一般的にアーク状で動 かす。この結果、アクチュエータ１４０はディスク体１１２周辺を引かれ、アク チュエータ１３０から離れる。アクチュエータ１４０のエンコーダ１４１は軸Ｂ₂ 周囲のそのポジションを決定できることになる。このポジションから、ユーザ 基準ポイント２２２のポジションのアスペクトが決定可能となる。 同様に、もしアクチュエータ１４０に電流が流されれば、アクチュエータ１４ ０はディスク体１１２周辺を移動せられ、ジンバルアセンブリ２００をそのホー ムポジションから図１０Ｃに示すポジションへと移動させる。 このように、アクチュエータ１３０、１４０、１２０に接続されたエンコーダ １３１、１４１、１５１の各々によって発生されるポジション信号を、様々なリ ンクの周知ジオメトリの組合せと合わせて考察すれば、ユーザ基準ポイント２２ ２のグランドに対する正確な相対ポジションが、軸Ｇ₁、Ｇ₂、Ｇ₃が交差するシ ン ブル内に決定可能となる。この位置は本システムの他の部分でも利用可能である 。例えば、コンピュータバーチャル環境に対するユーザの指先マッピング位置の 決定に応用できる。さらには、非ローカル環境の位置に対する非ローカル環境の どの位置にスレーブ装置を移動させるかに関するユーザの意図を決定するのにも 使用が可能である。 前記の実施例は、ユーザの指先に対して３つのパワード、トラックトモーショ ンフリーダムと、３つのフリー（非パワード／非トラックト）モーションフリー ダムとになるリンク構造を利用している。前記同様に、パワーモーションフリー ダム（powered freedom of motion）とは、そのメカニズムがそのモーションフ リーダムを利用しようとするユーザの試行に対して抵抗（またはアシスト）を提 供できることである。図示の実施例においては、パワードフリーダム（powered freedoms）は同時に”トラック”されている。すなわち、そのメカニズムはその フリーダムに対するユーザポジションを同時に継続トラック可能であることを意 味している。非トラックトのパワードフリーダムを有することは典型的には有益 ではないが、パワードフリーダムはトラックされても非トラックトでも可能であ る。トラックされたフリーダムはパワー供給されていてもあるいは非パワードで もよい。図示の例では、パワー供給されたフリーダムは３つのアクチュエータ１ ２０、１３０、１４０にて制御され、それらにはモータとエンコーダとが含まれ ている。静止基準フレームをグランドと考えると、その３つのパワードフリーダ ムは、図３に示す軸ｘ、ｙ、ｚで示される３次元空間内のユーザの指先ポジショ ンに関連させて考察することが可能である。 これら３つのアクチュエータ１２０、１３０、１４０のいずれも、軸ｘ、ｙ、 ｚに関する変換（translation）パワードフリーダムのいかなる随意の組合せを 介しても個々にはモーションにパワー供給できない。その代わり、それらは共同 作用でそのようなモーションにパワーを供給してトラックする。同様に、３つの アクチュエータのいずれもこれら３軸に関する随意フォースベクトルを確立する トルクを個々には提供することができない。これに関しても共同でそのようなフ ォ ースを確立するように作用する。 本例の３つのフリーフリーダムは静止基準フレームに対するシンブルの回転ポ ジションを定義すると考えることが可能である。この回転ポジションは軸Ｇ₁、 Ｇ₂、Ｇ₃が交差する基準ポイント２２２に変換（トランスレート）されたｘ、ｙ 、ｚフレームに関して測定される。この変換基準フレームは図２Ｂにおいて軸ａ 、ｂ、ｃで表されている。このような回転ポジションは回転のレストポジション 、例えば、軸Ｇ₁、Ｇ₂、Ｇ₃が軸ａ、ｂ、ｃとそれぞれ一致するようなポジショ ンに関して測定される。 これら３軸ａ、ｂ、ｃと３軸Ｇ₁、Ｇ₂、Ｇ₃との間には相違がある。Ｇ軸は装 置に固定されており、ジンバル要素の相対的位置によってそれらのオリエンテー ションを変える。例えば、もしユーザがシンブルをその先端がリンク１０２を指 すように旋回させれば、軸Ｇ₁とＧ₃とは一致するであろう。しかし、軸ａ、ｂ、 ｃは常に直交しており、軸ｘ、ｙ、ｚの原点に原点を有する基準フレームに関し て同一オリエンテーションに残る。軸ａ、ｂ、ｃの原点は３本のＧ軸が交差する 基準ポイント２２２の変換で移動する。 この例のフリーモーションフリーダムは、軸ａ、ｂ、ｃ周囲のシンブルの回転 である。その回転は、軸Ｇ₁周囲の中間四半ジンバル２１２のフリースピンと、 軸Ｇ₂周囲のエンド四半ジンバル２０４のフリースピンと、軸Ｇ₃周囲のシンバル ２０２のフリー回転とを介して提供される。これらフリーダムは指を左から右、 手の平から甲、及び、指長軸周囲の指回転の組合せに対応している。これらフリ ーダムのいずれも図１のシステム実施例によっては妨害もアシストもされない。 図示の実施例においては、これらいずれのフリーダムもトラックもパワー供給も されていない。よって、これらフリーダムを介したユーザモーションは検出も、 記録も、非ローカル環境への伝達も一切されない。その環境がそれらに影響を及 ぼすこともない。 本発明の主要アスペクトは、パワー（場合によってはトラックされた）フリー ダム数を物理的に達成可能な最大フリーダム数よりも少なく制限することで達成 可能である。例えば、モータとエンコーダとをジンバルアセンブリの各ジョイン ト体と回転シンブルとに提供し、シンバルに６のパワードフリーダムを提供する ことは技術的には可能である。しかし、このようなアレンジは欠点を有している 。さらに、特にポイントタイプとラインタイプの適用等の多数の有益な適用にお いて、高フィデリティフォースフィードバックを提供する装置の提供にはさほど 多くのパワードフリーダムの提供は必要ではない。 例えば、ユーザの指先と物理界との間でのインターアクションを考察すると、 ほとんどのインターアクションはポイントタイプインターアクションであると考 えられ、実世界では指にはトルクがかからず、単に１点でフォースベクトルが適 用されるだけである。言い換えれば、ユーザの指が長軸周囲に捻られることのな い多くのインターアクションが存在する。同様に、指の長軸に直交する２直交軸 周囲において無視できる程度のトルクが適用されるような多くのインターアクシ ョンが存在する。さらに、指は１端で固定されており、これら２軸のいずれの周 囲においても自由に回転できない。これら２軸に関して提供されたいかなる限定 トルクもフォースとして忠実にモデル化可能であり、手の平から甲、親指から小 指、またはそれらの組合せのラインに沿っての方向付けが可能である。前記の考 察はボタンを押したり、ループを引っ張ったり、物体を押したり、探索したり、 親指と他の指との間で物体を持ち上げたり、タップしたり、引っ掻いたり等に対 して適用される。 同様に、そのようなポイントタイプインターアクションに対しては、指先の変 換ポジションが重要であるが、指の回転ステータスは関係しない。もしユーザが 単純ボタンを押せば、ユーザがボタンに指先の肉部分で接触しようが、爪部分で 接触しようがそのボタンは同じように押されるであろう（摩擦は無視する）。同 様に、ボタンは指先の角度や左右（親指から小指）、上下（手の甲から手の平） には関係なく押される。 物理的環境はしばしばそのようなフリーダムに影響を及ぼさないので、このシ ステムがユーザの指のそのようなフリーダム及びユーザ接続要素２０２に影響を 及ぼすことができる必要性はない。同様に、物理界はそのようなフリーダムに対 するポジションに関わりなくユーザ活動に対して同様に反応するので、このシス テムはそのようなフリーダムに対するポジションをトラックする必要はない。し かし、ユーザ接続アセンブリ２００の本質的に摩擦のないジョイント体とジンバ ルとに提供されるそのようなフリーダムを入手できることは重要である。 今日まで、ほとんどの周知システムは、経験されるフリーダム（典型的には剛 体に対して６）全部に対してパワートラックコントロールを提供しようと試みた か、または、例えば１軸周囲の回転を制限することで、利用可能なフリーダム数 を限定しようと試みてきた。 最大数のフリーダムに対してパワー供給され、トラックされたコントロールを 提供するには多数のアクチュエータが必要となる。アクチュエータは比較的に重 くて通常は高価である。それらの制御には追加的コンピュータパワーとプログラ ムとが必要である。追加アクチュエータとの連絡には追加的伝達手段が必要であ る。それらの重量はカウンタバランスされねばならず、あるいは、何等かの方法 で対処され、ユーザにそれらの存在を察知されないようにしなければならない。 これらによって装置の複雑さが増加し、容積が増大する。さらにユーザのモーシ ョンに対する対応を遅らせ、望むものよりも狭いバンド幅となる。 ３つのフリーダムのみにパワー供給し、図１に示すようなアレンジを使用する ことには別な利点もある。ここではユーザ基準ポイントは装置に接続されたユー ザの身体部分にあり、この場合はシンブル内の指にある。このアレンジによって ユーザはシャープで小さな物体を感じることができる。ユーザの触覚は増強され る。なぜなら、装置は接触ポイントがユーザの身体部分内にあるかのように作用 するからである。この効果は、大きなグローブを取り去り、物体に皮膚面で接触 することで達成される増強された触覚鋭敏度と同じである。異なる点は、この場 合にはその触覚感度が、皮膚と妨害肉部とを介して仲介されるフォースではなく 、あたかもユーザの筋肉と骨とが直接的にフォースを交換しているかのように増 強されることである。 以上、本発明の１好適実施例を説明してきたが、その一般的な特性は以下で説 明されている。これら一般的な特性は多様な態様にて達成可能であるが、それら は全て「請求の範囲」に属するものである。 アクチュエータは再現が求められるタイプの非ローカル環境を模擬あるいはシ ミュレーションするフォース（物理力）を創出できるサイズにて提供されなけれ ばならない。この装置は、ユーザがアクチュエータを飽和状態とせずに表面剛性 を経験できるだけの充分に大きなフォースを発生させるものでなければならない 。この提供によってユーザは壁を不動であると感じることができる。大きな最大 フォースは衝撃フォースをさらに正確に表示させる（例えば、スレーブ装置が壁 を叩くとき）。装置が発揮可能な最大フォースは、装置特有なバックドライブフ リクション（back drive friction：以下にて説明）に関しても検討されなけれ ばならない。バックドライブフリクションに対して発揮可能な高比率の最大フォ ースを有することは望ましい。なぜなら、高比率は装置が発揮できる大力学範囲 のフォースに変換されるからである。 １例として、人間の人差指が発揮できる平均最大フォースは約５０ニュートン 程度であり、過去の研究によれば、遠隔ロボットハンドマスターに対しては４０ ニュートンが適切な設計最大値であるとされている。一般的な解説には、Ｐ．Ｈ ．スッター、Ｊ．Ｃ．イアトリディス、Ｎ．Ｖ．タコールの「遠隔操作における 指への反映−フォースフィードバックに対する反応」（ｐｒｏｃ．／ナスダ会議 ／「スペース遠隔ロボット」ページ６５−７４、ＮＡＳＡ ＪＰＬ１９８９年１ 月）参照。しかし、低フォース能力でも充分に目的を果たすことが発見された。 例えば、最大フォースが８ニュートンしかないアクチュエータが剛体壁のイメー ジを創出するに使用が可能であることが発見されている。 カウンターバランスシステムの一部として作動するアクチュエータを有した前 記実施例に対して、小型アクチュエータの使用でも素早い反応と、広いバンド幅 と、さらにフレキシブルなカウンターバランスが提供可能である。さらに、ユー ザに対する危害や不快感のリスクをも低減している。小型アクチュエータの使用 はさらに、バックドライブフリクションを低減し、装置の慣性力を減少させると いう２の望ましい追加的設計基準を満たしている。 装置は可能な限り低いドライブフリクションを有するものでなければならない 。フリクションは装置がユーザに与えようとする（反映させようとする）フォー スにノイズを加える。さらに、非ローカル界が不自然であるという感覚をユーザ に提供する。大きなフリクションはユーザを疲労感をも与える。前述のように、 バックドライブフリクションに対する最大フォースの比が可能な限り高くて幅広 い力学的範囲が提供されることが望ましい。従って、特に、必要とされる最大可 能フォースが小さいことも望ましいため、フリクションは可能な限り小さいこと が望ましい。 典型的な装置においてはフリクションは少なくとも次の３発生源から生じる。 すなわち、構造体のベアリングと、アクチュエータからリンケージへのトランス ミッションと、アクチュエータ自体とからである。ベアリングとトランスミッシ ョン内のフリクションは非常に低く抑えることができる。従って、アクチュエー タ技術では達成可能なフリクション下限と、バックドライブフリクションに対す る最大フォース比の上限とが設定される。フリクションフォースに対する最大フ ォース比はアクチュエータの選択によって定まるが、フォースの特定作動範囲は トランスミッション比によって決定される。 装置は低慣性力のものでなければならない。装置の慣性はユーザが一定速度で 動いていれば大きな問題とはならない。しかし、ユーザが加速したり減速すると き、システムの慣性力はユーザに対して外部質量による不快感をユーザに与える であろう。さらに、装置の慣性力は装置の命令に対する反応バンド幅をも制限す る。典型的には、全ての装置は小さなフォースをスロースピードで提供すること ができ、あるいは、一定状態で提供することができる。よって、本装置の特徴は 、バンド幅を決定する比較的に大きなフォースを素早く提供する能力である。指 操作式インターフェースにおいて、ユーザが感知する見かけの質量が１００ｇ以 下に抑えれらていることが望ましい。ユーザが感じる見かけの質量は構造体の慣 性 とモータの反映慣性（reflected inertia）とに比例的に関係している。モータ 装置の反映慣性はトランスミッション比、Ｎ、２乗に比例する。 装置は作動空間内の全ポイントにおいて静的にバランスされていなければなら ない。フリクションの場合と同様に、装置のアンバランス部分に作用する重力に よって発生する外部フォースは、ユーザが経験するフォースを汚染するかも知れ ない。さらに、フォースの度重なるオフセットはユーザを急速に疲労させる。機 械的構造のアンバランスの積極的な矯正は可能であるが、このことはシステムの アクチュエータの力学的範囲の犠牲を伴う。グランドに対して広範囲なオリエン テーションでバランスを維持することが望ましい。例えば以下で説明するように 、図１に示す本発明の実施例は、ベース部１１６がユーザ接続ジンバル２００の 重力的上方であろうと重力的下方に位置していようと１０ｇ以内で静的にバラン スされている。 いくつかの理由により、トランスミッションにはバックラッシュはほとんど発 生すべきでない。まず、装置のユーザ基準ポイントの位置はアクチュエータのポ ジションから計算されるものであるならば、計算されたポジションの誤差は最低 でもトランスミッションのプレーに等しいであろう。次に、バックラッシュはモ ータからユーザ接触アセンブリへ伝達されるフォースを断絶させる。バックラッ シュゾーン内にあれば、ユーザはトランスミッションの他方端部のモータ負荷を 感じない。しかし、ユーザあるいはモータが装置をバックラッシュゾーンから移 動させるとき、モータは再度係合するので、過渡的ショックが発生する。バック ラッシュによって導入される非直線性もまたサーボアルゴリズム（servo algori thm）を脱安定化させる傾向にある。 指のポジションの細かな変化も人間のユーザには容易に察知される。０．０１ インチ（０．２５４ｍｍ）以下程度のポジション変化でさえも感知され、よって 許容できない。さらに、トランスミッションでのバックラッシュによって創出さ れるフォース非直線性はモデル化することが困難であり、フォースコントロール を困難にする。従って、バックラッシュがゼロであるシステムが使用されるべき である。 構造、トランスミッション、及びサーボコントロールループのスティッフネス （安定度：stiffness）は装置全体のスティッフネスとバンド幅とを決定する。 構造とトランスミッションとのスティッフネスは非常に高くすることが可能であ る。従って、開示された装置の限定スティッフネスはサーボループであると言え る。 安定サーボループで達成可能な最大閉鎖ループスティッフネスは、装置の慣性 、装置に提供されるユーザの指のインピーダンス、トランスミッション比、サー ボレート（servo rate）、及びエンコーダ解析能力の関数である。典型的にはト ランスミッション比はこれらファクターのうちで変化させるのに最も容易なもの である。 最後に、装置のポジション解析度は２つの理由で高くなければならない。まず 、高解析度は装置にバーチャル環境のさらに正確なポジション情報を反映させる 。次に、エンコーダの解析度は、閉鎖可能なコントロールループのスティッフネ スに制限を設定し、同様に、粘性／慣性である効果の発生を制限する。 前述の本発明の１好適実施例は前述の触覚システムの相反する特性要件をクリ アしている。その装置は３つのパワード、トラックトモーションフリーダムと、 ３つのフリーモーションフリーダムとを使用している。前述のように、このよう な装置は広範囲な指活動のため、ユーザの指先と現実との間のインターアクショ ンを忠実に提供する。装置は装置ジョイント部にかかるトルクを発生させるため にモータを使用し、ユーザの指とのデカルトフォースベクトルを発生させて抵抗 することができる。図５で略式に示されているデータ処理ユニットはデカルトフ ォースベクトルにヤコビ（関数）行列式の転置（transpose）を掛けて必要なモ ータトルクを算出する。これはシステムのジオメトリとアクチュエータのポジシ ョンとに基づき、ユーザ基準ポイント２２２でモータトルクをフォースに関連さ せるものである。 アクチュエータのサイズ決定には、ワークスペースの範囲、すなわち、リンク １０６、１０４、及び１０２の長さが選択されなければならない。前述の実施例 に対しては、装置は使用中のユーザの手首の位置より一般的に上方に位置した第 １起動（actuated）ジョイント部を有しており、他要素のサイズは、装置のワー クスペースを越えることなく、ユーザに手首、指の付け根、及び指関節の移動を 最大限度まで許容するものである。ベースディスク部分１１６は４．５インチ（ １１．４３ｃｍ）の直径を有している。ディスク体１１２は３インチ（７．６２ ｃｍ）の直径を有している。軸Ｂ₂とヒンジ体１１０との間のリンクの長さは５ ．５インチ（１３．９７ｃｍ）であり、ヒンジ体１１０と交差ポイント２２２と の間のリンクの長さは５．５インチ（１３．９７ｃｍ）であり、ヒンジ体１１０ と１０８との間の距離は１．２５インチ（３．１７５ｃｍ）である。 望むモーション範囲と、望む最大発揮可能フォースと、トランスミッション比 とを有したアクチュエータに関して、そのアクチュエータに対する必要最大トル クが見つけられる。１３０ｇの重量を有し、最大トルクが２４ニュートン−ｃｍ である適したアクチュエータの例は、スイスのマキソンインク社の”ＲＥ２５− ０５５−３５ＥＢＡ ２０１Ａ”である。そのモータは、無鉄アーマチャ技術（ ironless armature technology）を採用しており、トルクの乱れ（リップル：ri pple）とアーマチャ慣性力とを減少させている。この選択されたアクチュエータ との使用に適した高解析エンコーダは２，０００カウント／回転を提供する。こ の１例はカルフォルニア州パロアルトのヒューレットパッカード社のモデル５３ １０である。 一般的に、利用可能なギア減少（reduction）トランスミッションは前述のご とく望む値よりも大きなバックラッシュの影響を受ける。場合によっては”ダイ レクトドライブ”技術が使用可能である。しかし、これには高いストールトルク （stall torque）を備えたモータの使用が必要となる。これには非常に大きくて 重いモータの使用を要し、結果として慣性と容量とが増加する。よって、ユーザ の指と物理界とのインターアクションをシミュレーションするシステムに対して は、ダイレクトドライブシステムは欠点を有している。しかし、多数の部分、例 えば、ユーザの握り拳や足とのインターアクションのシミュレーションにはダイ レクトドライブ技術が適していることがある。 ケーブルトランスミッションは非常に小さなフリクションでゼロバックラッシ ュ特性を提供可能であり、トランスミッションリダクション（reduction）をも 提供することができる。バックラッシュはケーブルをプレテンション（予備緊張 ：pretension）させることでゼロとすることができる。ケーブルトランスミッシ ョンの使用にはいくつかのファクターの考察が必要である。ケーブ配線はモータ とキャプスタンベアリングの放射フォース（radial force）が最低限であること を条件とする。プリー体周囲に１回転以上巻き付けられたケーブルは限定された キャプスタン幅を必要とする。なぜなら、それらはキャプスタンがスピンすると きにキャプスタンを”ウォーク（walk）”するからである。ドライブキャプスタ ンがケーブル上に維持できるテンションすなわち張力は、ドライブはｅ^μθに比 例しており、このμはケーブルとキャプスタンとの間のフリクションの係数であ り、θはケーブルがキャプスタン周囲に巻き付く角度である。 ケーブルは、その周囲にフリクションを発生させず、大きなケーブル疲労なく 移動できる限定された最小プリー半径を有している。例えば、前記実施例での使 用に適したサバコーポレーション社のＳＴ−２０３２である直径０．０２８イン チ（０．７１ｍｍ）のケーブルに対しては、最小半径は０．２インチ（５．０８ ｍｍ）である。トランスミッションは長スパンでの余分なフリーケーブル長を回 避すべきである。長いフリーケーブルはトランスミッションに追従（compliance ）を導入する。さらに、プレテンションされたケーブル長はエネルギー源として 作用し、周波数によっては不都合な共鳴を引き起こす。最後に、キャプスタンへ の螺旋溝の提供は有益である。この提供によりケーブルは毎度同様に移動し、相 互に摩擦し合うこともない。この螺旋溝はケーブルとキャプスタンとの間のフリ クション係数を効果的に増加させ、ケーブル疲労を減少させる。これらは両方と も装置に望ましい特性である。 一般的に図１に示される本発明の実施例は優れたアレンジを提供しており、そ のアレンジによって本発明の要素は互いにカウンターバランスし、静的なバラン スが提供され、慣性が大幅に低減されている。このアレンジはトランスミッショ ンをも単純化している。軸Ｂ₁に作用するモータ１２０はグランドに対して固定 されており、よって、装置の慣性を増加させない。しかし、アクチュエータ１２ ０とトランスミッションの一部を形成するベース部１１６は軸Ｂ₁周囲で装置の 慣性を増加させる。従って場合によっては、トランスミッションに必要ではない ディスク体部分（例えばその半分）を慣性を減少させるために取り去ることが有 利となる。このような形態は全オリエンテーションに対してはバランスされない 。従って、全ての状況で部分ディスク体を使用することは必ずしも有利ではない 。 軸Ｂ₂に垂直な平面でのモーションを協調して起動させる２つのアクチュエー タ１３０と１４０は、このアセンブリの他の部分とのカウンタウエイトとして作 用し、それらが構造体をワープスペース内の全ポイントで実質的静的にバランス させる。（実際にこの装置は全位置において１０ｇ内で静的にバランスしている 。）この形態の１利点は、その静的バランスの達成を目的として装置に不要な質 量を一切追加していないことである。 カウンターバランスを達成するための手段は図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃに関し て見られる。アクチュエータ１３０と１４０、それらを運ぶリンク３５６と１０ ６、リンク１０６に平行なリンク１０４、リンク１０２、及びジンバル式ユーザ 接触アセンブリ２００の質量の中心は軸Ｂ₂に残っている。例えば、もしリンク １０６がディスク体１１２に対して固定されていれば、アクチュエータ１４０も また固定されている。もし同時に、ジンバルアセンブリ２００が軸Ｂ₂周囲にて 逆時計回り（図１０Ａの場合）で図１０Ｂのポジションへ移動すれば、リンク１ ０４と短リンク３５６とは、アクチュエータ１３０がディスク体１１２と軸Ｂ₂ との周囲を逆時計回りに引っ張られるように移動する。これらリンクの長さとそ れら質量は、リンクのジオメトリに規制される所定の相対的モーションに対して 、質量の中心は実質的に軸Ｂ₂に残るように選択される。 同様に、図１０Ｃに示すような軸Ｂ₂周囲で長シャフト体１０６を回転させる ジンバルアセンブリ２００のモーションは、同軸Ｂ₂周囲のアクチュエータ１４ ０の 対応モーションを引き起こし、軸Ｂ₂の他方側のそのアセンブリ部分の重量に実 質的カウンターバランスする。 前述の別々の２例のカウンターバランスは協調し、ジンバル接続アセンブリ２ ００のいかなるモーションも両アクチュエータの対応モーションによってカウン ターバランスされる。 １好適実施例においては、１ケーブル１３６のみが両アクチュエータ１３０と １４０とに対して使用される。このことは、２アクチュエータに対して１本のケ ーブルのみを設置してプレテンションすればよいという利点を提供する。さらに 、そのケーブルはプレテンションが最低限の軸負荷と放射負荷とをモータベアリ ングに加えるように配線される。 両アクチュエータ１３０と１４０とがその上をドライブするドライブキャプス タンと及び共有されたプリー体１１２の両サイズは複数のファクターで決定され る。それらの相対的サイズはリダクション（減少）比を最低とし、以下の制限を 満足させるように選択される。共有されたプリー体１１２はアクチュエータが接 触せずに相互に３０度の角度以内で移動できるように充分に大きくなければなら ない。しかし、このプリー体１１２は通常使用時にユーザの手をブロックするほ ど大きい必要はない。このプリー体のサイズを小さくし、２つのアクチュエータ と、ベース軸Ｂ₁周囲のそれらのトランスミッションとの回転慣性力を小さくす ることが有利である。最低利用サイズ（前述）が０．４インチ（１．０２ｃｍ） のキャプスタン１４４と１３４、及び半径３インチ（７．６２ｃｍ）のディスク 体１１２を使用すると、ディスク体１１２とキャプスタン（１３４または１４４ ）とのトランスミッション比は７．５：１となる。よって、アクチュエータ１３ ０または１４０に対して、軸Ｂ₂周囲のトルクは、いずれかのアクチュエータに よって発生されるトルクよりも７．５倍大きくなる。プリー体１１２のサイズが 与えられれば、装置のモーション範囲はその静的バランスが達成されるように調 整されなければならない。 同様な考慮が軸Ｂ₁に対するトランスミッションサイズの選択に貢献する。図 １ に示す実施例においては、２つの理由によって少々大きなリダクション比が使用 されている。ベース軸周囲の慣性は他の２軸Ｂ₂とＢ₃周囲の慣性よりも相当に大 きい。ベース軸周囲のバンド幅が他の２軸周囲のバンド幅に対抗できるよう、そ の大きな慣性に対して大きなリダクション比が使用される。さらに、この構造体 のベアリングのフリクションはこの軸に対してモータによって引き起こされるフ リクションよりも高い。よって、そのトランスミッション比の増加はバックドラ イブフリクションをそれほど増加させないであろう。従って、ベース軸に対する トランスミッション比は約８．７５：１から、１１：１あたりが適当であろう。 前記の装置に対して、ワークスペースの中央部に位置する接触ジンバル２００ で発生可能な最大フォースは、長リンク１０６とペンジュラムリンク１０２とに 平行な軸に沿って（このように配置されたとき）約８．５ニュートンである。こ の多少高いトランスミッション比のため、軸Ｂ₁周囲の最大フォースは９．５ニ ュートンである。 装置が移動するジオメトリの変化により、ユーザに感知される見かけの質量は ワークスペース内の全ポイントで必ずしも一定ではない。典型的には、いずれの 方向の見かけ質量も６０ｇから９５ｇの範囲である。装置はワークスペース内の 全ポイントで１０ｇ以内に静的にバランスされている。望むなら、このアンバラ ンスはアクチュエータによって補正が可能である。 プレロード（予備負荷）されたベアリングとプレテンションされたケーブルと を備えた図示のリンケージを使用すれば、図示の実施例のバックラッシュはゼロ となる。 図１に示す実施例に可能なワークスペースの形状は図９Ａと９Ｂとに示されて いる。ワークスペースのサイズはリンケージの一般的なスケールによって定まる 。図９Ａと９Ｂのハッチングされた半円で表されるワークスペースのディメンシ ョンは、もしユーザが全回転を自由にさせることができれば、２点破線で示すよ うに実際には完全な円である。このような場合、アクチュエータへ電流を送るど のワイヤにも特殊な工夫が必要となろう。ジンバルアセンブリ２００のポジショ ン がｘとｙ（図３、または図９Ａと９Ｂに図示）の両方がゼロに近づくように変化 するとき特異性が発生し、装置のｘとｙ方向の見かけ質量は無限に近づくことは 特筆すべきことである。 前述のことは、本発明の多くのアスペクトを採用した典型的なフォース感応触 覚式ユーザインターフェースの電子−機械アスペクトを解説するものである。非 ローカル環境（物理的またはバーチャル）に関して電子−機械的装置を使用する ためには、その非ローカル環境へのコントロールインターフェースの提供が必須 である。典型的なインターフェースは図５に示されている。 前記と類似した電子−機械的装置５１０は人の触覚システム５１２に接続され ている。人間の触覚システムとは人ユーザ接触感覚である。この電子−機械的装 置５１０は人間から装置、並びに装置から人間への両方向にフォース（Ｆ）とポ ジション（ｘ）とを伝達させる手段を介して人の触覚システム５１２に接続され る。（以下で説明する本発明の他の実施例においては、これら２システム間のコ ミュニケーションは、フォース信号とポジション信号とではなく、またはそれら に加えてトルク（τ）信号と角（θ）信号をも含むことができる。本発明の一般 的特性を説明する際のごとき本明細書と「請求の範囲」とに使用される”フォー ス”とは、線形フォースとトルク、及びそれらの派生力をも含むものである。同 様に、”ポジション”または”位置”とは、線形ポジションと回転ポジションと の両方と、速度、加速等のそれらの派生ポジションをも含むものである。） この電子−機械的装置は、図１に示すシンブル２０２のごときダイレクトユー ザ接続用または接触用の要素５０２を含む。（別なユーザ接続要素であるスタイ ラス６０２は図６に示されており、以下で説明する。）この実施例は３つのフリ ーモーションフリーダムと３つのパワード、トラックトモーションフリーダムと を有しており、ユーザ接続要素５０２は、フォースとポジション信号とを伝達す る接続体、すなわちベアリングを介してフリージンバル５００に接続されている 。（一般的にはこのポイントで伝達可能であるが、このリンケージはトルク信号 も角信号も伝達できない。） ジンバル５００は機械式リンケージ５０６とケーブルトランスミッション５３ ６とを介してアクチュエータ５４０に接続されており、それら両方でフォース及 びポジション信号（並びに恐らくはトルク及び角信号）をトルクと角信号のみに 変換する。逆方向において、機械式リンケージ５０６とケーブルトランスミッシ ョン５３６も共同でアクチュエータからのトルクと角信号とを、ジンバル５００ に提供されるフォースとポジション信号（及び恐らくはトルクと角信号）に変換 する。 前述のアクチュエータ１２０、１３０、及び１４０は回転ポジションエンコー ダ５５０（前述においては１２１、１３１、１４１）を含み、これらはアクチュ エータの回転軸の相対的回転ポジションをそれらに対応する本体に関して継続的 にトラックする。このポジションはパルス信号によって特定され、この信号は電 子機械的装置５１０のエンコーダ５５０からエンコーダリーダ５６２へと伝達さ れる。エンコーダリーダ５６２は電気入力／出力インターフェースの一部であり 、電子機械的装置５１０をコントロール装置５７０に接続する。これは典型的に は手元の目的のためにプログラムされている汎用コンピュータで実現される。プ ログラムされた汎用コンピュータの代用として専用装置を提供することも可能で ある。各エンコーダからのパルス信号はエンコーダリーダ５６２に受信され、そ のパルス信号は各アクチュエータの本体に対する回転軸の角ポジションを表す信 号に変換される。 その角信号はコントロール装置５７０に伝達される。運動分析ユニット５７２ はモータの角ポジションを使用し、電子機械的装置５１０の静的一致化に関する 情報を基にして、接続要素５０２、あるいは望まれる電子機械的装置５１０のい かなる他の部分のユーザ基準ポイントのユーザローカル環境内での位置を決定す る。装置の静的一致化あるいはコンフォメーションに関する情報にはその多様な リンケージの長さとオリエンテーション、トランスミッション比等が含まれてい る。 典型的な適用においては、このユーザポジション信号は非ローカル環境のエン ティティ（存在体：entyty）に伝達される。このエンティティは遠隔物理的環境 での物理的スレーブ装置であることもあり、バーチャルコンピュータ環境のエン ティティのコンピュータ表現体であるかも知れない。あるいは、時間あるいは空 間に関する温度を表すデータのごときコンピュータ環境のデータを表すコンピュ ータ表現体であるかも知れない。 説明の簡略化のため、この非ローカルエンティティは物理環境内の物理的装置 であると当初に想定しよう。ローカル環境の非ローカル環境への位置マッピング が存在する。運動分析ユニット５７２から伝達されるポジションを表す信号は、 比ローカル環境のスレーブ装置の一部をユーザが置きたいと願う位置の表現体で あるかも知れない。スレーブ装置をユーザポジション命令に従って移動させるた めに適当なコントロール装置が提供される。その非ローカル環境においては、ス レーブ装置は、装置がフォースをその上に感知するようにその非ローカル環境と 遭遇する。このフォースは、歪ゲージ、またはアクチュエータを流れる電流計等 の、スレーブ装置と接続して提供される計器によって測定され、典型的には電気 信号としてスレーブ環境からコントロール装置５７０へと戻される。よって、略 式ブロック５８０は物理的システムでもよく、スレーブ装置と、その環境と、そ れとの接続とを含む。 １例を挙げれば、スレーブ装置は閉鎖スペースを移動する単純形状の指形ワン ド体でもよい。このワンド体がスレーブ環境で壁に接触すると、スレーブワンド と壁との間のフォースに関して信号が発生される。別例においては、スレーブ装 置はブロック５１０で略式に示す装置と同一でもよい。 コントロール装置５７０はヤコビ行列適用ユニット（Jacobian application u nit）５７４を含む。これは非ローカル環境のフォースを表す電気信号を、ユー ザとユーザ接続要素５０２との間で対応フォース信号を発生させるためにローカ ル環境のアクチュエータが適用しなければならないトルクを表す電気信号に変換 する。この変換を実行するため、このヤコビ行列適用ユニットは、電子機械的装 置のコンフォメーションに関する情報と、ユーザ基準ポイント２２２のカレント ポ ジション（current position）に関する情報とを含み、さらに操作する。この情 報は運動分析セクション５７２によって使用される情報に非常に類似し、関連し ている。 このトルクコマンドはデジタル−アナログ変換ユニット５６６に送られ、使用 されている特定アクチュエータの明細に基づいて電流に変換される。この電流は 典型的にはサーボアンプユニット５６６で増幅され、電子機械的装置５１０のア クチュエータ５４０に伝達される。アクチュエータ５４０に適用された電流はそ の本体と回転軸との間のトルクとなり、接続されたリンケージを移動させるか、 あるいは人間のユーザ触覚システム５１２に提供されるフォースとなる。このフ ォースの強度及び実行されている仕事とによってユーザは動くか、あるいは動か ないかが決定される。 前記の説明は、非ローカル環境５８０が物理的スレーブ装置を有した物理的環 境であると想定している。非ローカル環境がバーチャルスレーブ装置を備えたバ ーチャルコンピュータ発生環境とすることも可能である。例えば、非ローカル環 境は多様な物体が全域に行きわたった閉鎖領域の表現体とすることも可能である 。スレーブ装置はバーチャル環境全域を動き、物体と閉鎖領域とに遭遇する１点 （ポイント）とすることもできる。バーチャル環境での移動ポイントのポジショ ンは現実の物理的マスター機械でのユーザ基準ポイント２２２の位置によって決 定される。略図ブロック５８０で表されるバーチャル環境はフォース信号を発生 する。このフォース信号は、バーチャル環境が作動する法則に従って、ヤコビ分 析ユニット５７４に戻される。装置設計者は、バーチャル物体が存在するバーチ ャル位置にそのポイントが移動したときにフォース信号が発生されるようにする ことができる。このフォースの大きさと、それが存在する空間領域とは、設計者 が不動物体、剛体または柔軟物体等の感知を願うか否かで決定されるものである 。 典型的には、このコントロールユニット５７０は適当にプログラムされた汎用 デジタルコンピュータを含む。前述実施例に対しては、６６ＭＨｚで作動するゲ ートウエイ２０００インテル８０４８６ベースクローンのＩＢＭ社パソコンが適 している。電気インターフェース５６０は３つの１２ビットデジタル−アナログ コンバータと、マサチューセッツ州コプリコントロールコープ社の製品モデル＃ ３０３である３つの電流制御サーボアンプと、パワーアンプと、他のベーシック なコンピュータインターフェース用電子機器で構成されている。 前述のサーボループはそれに関連するゲイン（利得：ｇａｉｎ）を有している 。このゲインは装置の全体的なスティッフネスの決定において重要なファクター である。コンピュータがサーボループをモータ周囲で閉じることができるレート は、本発明の前述実施例に対するゲインを設定するときの重要な限定ファクター である。１ＫＨｚのサーボレートで、１６ニュートン／ｃｍのスティッフネスが 達成可能である。また、２ＫＨｚのサーボレートで３２ｎ／ｃｍのスティッフネ スが達成可能である。サーボレートに貢献するファクターは、サーボループを完 成させるようにコンピュータをコントロールするプログラムに必要とされるクロ ックサイクル数と、その処理速度である。処理速度の増加、あるいは必要な処理 サイクル数の減少はサーボレートを増加させる。すなわち、装置の効果的なステ ィッフネスを処理速度のある値まで増加させる。その後に、他の考察が実効を発 揮するようになる。 前述の説明は、ユーザに接続されたマスター装置が非ローカル環境でスレーブ 装置をドライブするようなアレンジに焦点を当ててきた。フォースフィードバッ クは本質的に双方向性である理由により、本発明はそれぞれのローカル環境に存 在する２（人）のユーザに使用が可能である。各々のユーザは、フォースを他方 に伝達するコントロール装置に接続された前記のごときユーザ接続装置を使用す る。従って、各装置はスレーブ装置及びマスター装置の両方の機能を有している 。各ユーザは他方のユーザとエンゲージし、他方のユーザを動かし、他方のユー ザのモーションを感知することができる。 本発明はその非ローカル環境の特質によって限定されない。いかなる非ローカ ル環境も本発明のユーザ接触装置と共に利用が可能である。 バーチャル環境とのユーザインターフェースを提供するのに使用が可能な要素 の略式ブロック図は図１２に示されている。このような装置は図１に示す前述の ハードウエア装置に接続される。バーチャル環境は図５に一般的に示されている フォースコントロール要素５８０で発生される。図１２はバーチャル環境を発生 させる要素をさらに詳細に示している。 ジオメトリックモデルレジデンス（geometrical model residence）１２３０ はバーチャル環境のジオメトリ記録を保存する。このジオメトリは予め確立され ている（preestablished）。典型的には、このレジデンスはその環境の数学的表 現でデータを保存し、領域（zone）、２次元及び３次元物体、境界、基準フレー ム等を確立する。これはコンピュータメモリあるいは他の等価装置で簡単に実行 可能である。 前述のように、図５に示す運動分析要素５７２は、ユーザのローカル環境の基 準フレームに対する、図１に示すユーザ装置のユーザ基準ポイント（または以下 に説明するライン）のポジションを表す信号である。例えば、そのユーザ基準ポ イントは３本のＧ軸の交点２２２でもよい。そのジオメトリレジデンス１２３０ はユーザのローカル環境に対する基準ポイントの表現をも含み、その基準フレー ムをバーチャル環境の何等かのアスペクトにマップする。 運動分析ユニットの出力はコンパレータ１２３２に提供され、ユーザ基準ポイ ントまたはラインの位置をバーチャル環境の領域、物体、境界等の位置と比較す る。 ビデオスクリーン等の表示装置１２３８が存在すれば、そのような表示装置に バーチャル環境のグラフ表現を表示することは有益である。さらに、ユーザ接触 装置のグラフ表現または抽象概念、及びバーチャル環境に対するその位置を（物 理的環境並びにバーチャル環境の基準フレーム間でのマッピングに即して）表示 することは有益である。 コンパレータには図５に示すフォース発生機に対応したフォース発生機５８０ が接続されている。この部材はユーザ基準ポイントの位置（及び、速度の位置派 生体、加速度等）に対して、バーチャル環境の特徴に基づいてフォース関係ルー ルを適用し、フォースを表す信号を発生させる。例えば、もしその環境が硬質壁 に囲まれた閉鎖立方体であり、ユーザ基準ポイントの位置がどの壁とも一致して いなければ、このフォース発生機５８０はユーザに戻されることとなるゼロフォ ースを表す信号を発生させる。しかし、もしユーザが基準ポイントをいずれかの 壁と一致する空間内に入るように移動すれば、そのフォース発生機はフォース信 号を発生させる。単純な例では、それらの壁は非常に剛性が高いバネ体としてモ デル化され、Ｆ＝ｋｄの関係を有した構造関係を有している。このＦはフォース 信号であり、ｋは定数であり、ｄはユーザ基準ポイントが接触前に壁平面を越え た距離である。従って、そのポイントがバーチャル壁から遠くに”越えれば”越 えるほど、その抵抗フォースは大きくなるであろう。 体験上、非常に硬質な壁はその壁面からの侵入を一切拒む。よって、もし非常 に硬い壁がバーチャル世界に表現されたら、ｋは大きな数となる。カーペット壁 のように表面が柔らかい壁や、プラスチック窓のようなエラスチック壁は小さな ｋ値で表される。 伝統的制御理論の法則はｋに対する許容値を定めている。これらの値はシステ ムの全体的な精度と、その装置が必要な計算をする計算速度と、アクチュエータ の解析度と、Ｄ／Ａ変換機の解析度とによって決定されるものである。 どの場合にも、フォース発生機５８０は、１点（ポイント）と壁の特性を有し た物体との間に発生するであろうフォースを表す信号を、そのポイントの位置に よって定まる形態（conformation）で発生させる。このフォース信号はヤコビ適 用ユニット５７４に送られる。このユニットは接続要素にてユーザに適当なフォ ース、例えば、Ｆ＝ｋｄを感じさせるにはどの信号をモータに送るべきかを決定 するものである。 このフォース信号はバーチャル環境反応計算機１２３６にも送られる。この計 算機はバーチャル環境のジオメトリックな表現に変更が加えられるべきか否かを 決定するものである。前述したように、バーチャル環境内の領域は、もしフォー スがそれら領域に適用されればどのように変換されるべきかを法則に則って定義 される。例えば、完全剛性である壁は変形せず、全く変化しない。従って、ユー ザがいかに頑張ってその壁位置を押そうが、その壁は移動しない。よって、その 壁の表現体は移動すべきでなく、ユーザは接続ポイントをその壁に一致する位置 に移動させる度に発生されるフォースを感じなければならない。しかし、もしバ ーチャル壁が柔質であれば、フォース計算機はその壁の静止面を越えるユーザの 侵入に対応した限定フォースのみを発生させる。もしユーザがこのフォースに対 抗し続けるなら、この壁は構造関係式Ｆ＝ｋｄに応じた後退位置に留まる。よっ て、バーチャル環境の表現体もまたこの壁の新ポジションを反映するように変化 する。 壁の代わりに、そのポイントが発見される領域を質量を有した移動物体を表す 領域とすることもできる。この場合、発生フォースとバーチャル環境の変化とを 支配するルール（法則）は単純なＦ＝ｋｘ関係とは異なり、そのポイント即ち物 体の加速に関する情報を含むものである。従って、反応計算機は移動ユーザ接続 ポイントとバーチャル環境内の物体との充分な時間経緯記録を保存し、Ｆ＝ｍａ タイプの関係に従って質量の反応が計算できるものでなければならない。このＦ はユーザと装置との間のフォースであり、ｍはバーチャル物体の質量であり、ａ はその環境内のバーチャル物体の加速度である。 反応計算機はバーチャル環境の新形態（conformation）を決定し、この情報を ジオメトリモデルレジデンス１２３０と、（存在すれば）表示体１２３８とに提 供する。 本発明はさらに、ユーザ接続基準ポイントの物理的位置とバーチャル環境との 間の比較の実行に基づいてフォースフィードバック信号を発生させる方法をも含 む。この方法のステップは図１３に関して提供されている。これら方法ステップ は、使用されているハードウエアが全計算を行い、必要な全ての表示を実行する やいなや何度も反復されるものである。 この方法は１３１０で始められる。ユーザポイントの位置は１３１２で、例え ば、運動分析ユニットから受信される。次に、ユーザ基準ポイントの位置は１３ １４で、バーチャル環境の基準フレームと物理的装置との間で設計者が選択する マッピングを利用して、バーチャル環境のジオメトリに関連づけられる。その後 に１３１６で、バーチャル環境のどの領域にマップされたユーザ基準ポイントが 存在するか決定される。この領域に基づき、適したフォース信号が１３１８で発 生される。この信号は前記のように、その領域の特定の構造関係式、その領域内 のユーザ基準ポイントの位置、及び速度、加速度等の位置経緯記録に基づくもの である。このフォース信号は前記のごとくユーザ装置へ送られる。 この構成法則は、ユーザ基準ポイントの位置とモーションとに基づいてバーチ ャル環境がどのように変化すべきかを規制する。これらの必要な変化は１３２０ で計算され、バーチャル環境の記録または映像、あるいは表現体はそれに合わせ て変更される。もし表示装置が使用されるなら、バーチャル環境とユーザ基準ポ イントとの現況が１３２２で表示される。このプロセスは１３２４で開始ステッ プにリターンされ、ユーザ基準ポイントの次の位置が得られ、バーチャル環境と ユーザとの間の効果が再び決定される。 前述の実施例は、３つの能動的パワード、トラックトフリーダムと、３つの受 動的非トラックト、非パワードフリーダムとを備えた、その環境とのポイントタ イプインターアクションをモデル化している。このような装置は指、手、頭、尻 、足、舌、口等のユーザの身体のどの部分ともインターアクトさせるのに使用が 可能である。この装置のサイズと形態、及びその接続要素タイプはこのような使 用に対して採用が可能である。 フリーダムの同一の組合せは、図６の６０２のようなスタイラス形状のユーザ 接触要素と共に使用が可能である。それ以外はこの装置は前記のものと同一であ る。ユーザは適当であればどのようにでもスタイラスを掴むことができる。ボー ルペン使用の場合と同様に、その長軸に対していかに回転されるかはペン機能に は関係ない。（このことは万年筆や平坦形ポイントペンには適用されない。）同 様に、その長軸に垂直な２本の直交軸に関してペンがどのオリエンテーションを 有しているかは一般的に重要なことではない。重要なのはペン先の位置である。 すなわち、基材上にペン先があるか否かである。ペン先が基材上を移動されたか 、あるいは、基材から離されたか否かが重要なのである。 スタイラスタイプの接続要素６０２においては、ユーザはスタイラスタイプス レーブ装置を非ローカル環境で操作することができる。例えば、スレーブ装置は 絵筆でもよい。その絵筆は現実のものでも、あるいはバーチャルでもよい。現実 の絵筆であれば、ユーザはキャンバスに筆先が接触する位置や、絵の具源等だけ のコントロールに留まらず、筆の接触後にどの程度の強さで筆先が押さえられ、 筆先がどの程度広げられるか、すなわち、線の太さまでコントロールできるであ ろう。さらにユーザは紙材質を感触でき、筆の性能、筆と紙との抵抗、並びに顔 料の粘性等をも感知できるであろう。 もしスレーブ装置がバーチャルであれば、装置設計者は、使用されているバー チャル基材とバーチャルスタイラスとが、現実の絵筆と基材との場合と同様な反 発感をユーザに提供することができる。すなわち、ユーザがバーチャル絵筆でバ ーチャル弾性基材を強く押してバーチャル基材に近づけば近づくほど、描かれた バーチャル模様は線太となるであろう。このような実施例は、バーチャル基材平 面を確立し、ユーザのスタイラスポジションを特定し、その剛毛部分を特定する ソフトウエアを使用して提供が可能である。バーチャル絵筆の剛毛部分がバーチ ャル基材に接触の後、その反発力（フォース）はアクチュエータに発生し、現実 の剛毛の反発力を模擬する。その反発フォースはバーチャル接触後にバーチャル 絵筆が移動した距離に比例する。描かれた模様の線幅もこの距離によって定まる 。 この技術は、従来のように線幅を予備設定するのではなく、自然のままに異な る幅の線を提供する現実的コンピュータスクリーン作画プログラムを提供する。 異なるタイプの絵筆も、そのフォースを移動幅と模様幅とに関連づける関係式を 変化させることで模擬（シミュレーション）が可能とある。 剛毛絵筆は、その断面に垂直であるコンポーネントで、フォースの影響下にお いてその断面を変化させる一般クラスの物体の特定な使用例である。このような ものには、スポンジ、フェルトマーカー、エラストマー消しゴム、等が存在する 。 これらのものは一般的に”ダイアゴナル（直交：daiagonal）”タイプのアイテ ムと言う。 バーチャル基材にガラス、粗い水彩紙、キャンバス等の多様な材質を提供する ことも可能である。同様に、その粘性特性に基づいて顔料もシミュレーションが 可能である。この達成のため、ユーザ基準ポイントの位置に加えて、その位置経 緯も記録されなければならない。なぜなら、顔料の粘性要素は相対的移動速度に 基づく構成関係式を有するからである。 同様に、模様が描かれるバーチャル基材の”へこみ”や反発性もシミュレーシ ョン可能である。例えば、金属板に載せられた１枚の紙のごとき硬質面や、重ね られた紙の上に載せられた紙のように柔軟質面のような特性も多様にシミュレー ション可能である。 表面の材質は、ユーザ接続装置を選択基材の物理的サンプルと接触させ、その 接触装置をその表面上で移動させ、物理的絵筆（あるいは他の器具）があたかも 物理的基材上を引かれているときのように生じるユーザ接続装置の動きを発生さ せることでジオメトリモデルにおいてモデル化が可能である。これらのモーショ ンは記録可能であり、このタイプのサンプルのバーチャル面の定義に使用が可能 である。多様なタイプのサンプルはこのように処理することが可能であり、表面 状態のライブラリが入手可能である。 波打ち壁としての材質も、シミュレーションされるその材質によって定義され る波形のディメンションと平面部とでシミュレーション可能である。 図１２に関して前述したハードウエア装置の説明のように、フォース発生機１ ３８０は、押引されているバーチャル剛毛要素の弾性に基づいたフォースを発生 させる。 前述の一般実施例の他の適用方法も本発明の着想内であり、当業技術者であれ ば理解するであろう。コンピュータでモデル化が可能ないかなる状況でも本発明 のインターフェースの利用対象である。図１と図６とで説明した実施例は、シン ブル及びスタイラスのごとき剛体で成るユーザ接触要素を有していることを特徴 としている。この装置はその剛体を移動させる３つのフリーダムをパワーし、さ らに、これらのフリーダムを介したモーションをトラックする。この剛体の他の ３つのフリーダムに関しては、装置はそれらをパワーもトラックもしない。しか し、それらはユーザが移動する媒体として利用が可能である。 一般的に剛体の物理界とのインターアクションは６のモーションフリーダムに よって説明され、通常は３本の直交軸に沿ったモーション及びフォースと、３本 の直交軸に関する回転とトルクとで構築される。前述したように、本発明の１つ の重要なアスペクトは、物理的環境あるいはバーチャル環境との効果的なインタ ーアクションが、接続装置の剛体部分の全部で６のモーションフリーダムよりも 少なくパワー供給されているユーザインターフェースで可能となることである。 前記の例は３つのパワード及びトラックトフリーダムと３つの非パワード、非ト ラックトフリーダムとを利用している。３つの非パワードフリーダムをトラック するがパワーしないこともまた可能である。 ４つのパワード及びトラックトフリーダムと、２つの非パワード、非トラック トフリーダムとを使用した本発明の実施例は図７において略式に示されている。 そのユーザ接触要素７０２は普通のスクリュードライバーと類似したハンドル体 ７０１を有している。ハンドル体にしっかりと固定されたシャフト体７０３は、 アクチュエータ７０６の回転軸を形成しており、またはそれに安定固定されてお り、その本体は４半（クォータ）ジンバル７０４のアームによってしっかりと保 持されている。それ以外はこの装置は図１に示すものと実質的に同一に形状化さ れている。 このアクチュエータ７０６は前記アクチュエータ１２０、１３０、及び１４０ と同様に内部エンコーダを装備しており、その本体に対するハンドル体の回転位 置をトラックすることができる。それは（図示しない電気ケーブルを使用して） モジュール５７０と類似したコントロール装置へのインターフェースに接続され ており、それはエンコーダによって発生された位置情報を処理し、トルクコマン ドを発生する。発生されたトルクコマンドは電流信号に変換（トランスレート） されてアクチュエータ７０６に送られ、非ローカル環境での所定条件に従ってユ ーザモーションに対する適当な抵抗を提供する。前述と同様に、この非ローカル 環境は物理的であってもバーチャルであってもよい。 この実施例は、ユーザが特定タイプのスクリュードライバーを使用する際に有 用である。このタイプの使用にはネジ締め、ネジ緩め、フォークでの”スパゲッ ティどり”等が含まれる。 例えば、スクリュードライバーの使用シミュレーションのごとき場合には、ア クチュエータをそのハンドル体７０１内に配置し、そのシャフト体７０３をその ４半ジンバル７０４に固定することが有益である。これでもフリーダムのパワー 化は可能であり、モータの質量をハンドル体内に配置する。この位置はスクリュ ードライバーの重心が存在する箇所である。このように、現実界はアクチュエー タの質量をカウンターバランスするための余分な質量を必要とせずにシミュレー ションされる。 ハンドル体７０２の回転ポジションは決定するが、このフリーダムを介してモ ーションをパワーするモータを含まないエンコーダを含むポジションセンサー７ ０６を提供することも有益である。この実施例は、ポジションが情報を伝達する が、ユーザに対してトルクフィードバックを提供する必要がない状況で有益であ ろう。このような状況には、ユーザが視覚的に確認できるポジションへとダイヤ ルを回転させることで選択するような状況が含まれる。モータを排除することの 利点は、まず重量が大幅に減少し、カウンターバランスと慣性の問題がさらに容 易に克服されることである。さらに、もしこのフリーダムを介したトルク計算が 不要であるなら、そのコントロール装置は単純化される。 本発明のユーザ接続アセンブリの別実施例は図８に略式に示されており、そこ には２のパワード、トラックトフリーダムと、１の非パワード／非トラックトフ リーダムとを有したアセンブリが示されている。この装置の残余部分は実質的に 前述のものと同じである。すなわち、その他の３つのパワード、トラックトフリ ーダムを有している。この場合のユーザ接触要素８０２はワンド体である。この ワンド体は長軸周囲に回転自由なエンド４半ジンバル８０４に、図６に関して前 述したスタイラスと同様に接続されている。 アクチュエータ８１６が提供され、その本体はリンク１０２に関して回転式に 固定されている。さらに、リンク１０２を介して本体はこの装置の残余部分とグ ランドとに接続されている。アクチュエータ８１６の回転軸は中央４半ジンバル ８１０の１端８１４に固定されている。中央４半ジンバル８１０の他端は別アク チュエータ８１２の本体８２０に固定されている。このアクチュエータ８１２の 回転軸８２４はエンド４半ジンバル８０４の端部８０８に接続されており、それ にはスタイラス８０２が前記のごとく自由回転式に取り付けられている。 この装置は非ローカル環境とのユーザインターアクションをラインに沿って、 あたかも盲人が杖でローカル環境の障害物の位置と、サイズと、形状とを特定す るように提供する。その盲人は杖でその環境を探索する。杖は杖に沿い、その長 軸周囲のいかなるポイントにおける物体にも遭遇することができる。杖がその長 軸に対してどのように置かれているかはユーザの環境との感触にとって問題とは ならない。同様に、その長軸周囲の回転オリエンテーションには関係なく、杖と のインターアクションに対しても環境は同様に作用する。よって、この実施例に おいては、ユーザ基準ポイントの代わりにユーザ基準ラインが存在する。 図８に示す両アクチュエータはポジションエンコーダとモータとを含むことが できる。しかし、前記のスクリュードライバータイプの実施例と同様に、特定の 状況では１のフリーダムのみがパワー供給され、他のフリーダムはエンコーダで トラックされるだけであることが要求されることもある。さらに、２つのポジシ ョントランスジューサの提供も有利であろう。この場合、そのいずれもアクチュ エータのトルクトランスミッション能力を有しておらず、両方ともポジション感 知のみを提供する。偉大なオーケストラ指揮者のモーションを記録し、演奏終了 後またはリアルタイムで模擬オーケストラを指揮させるのに使用することもでき る。 前記の例示は本発明の一般性を限定するものではない。以下の表は本発明のア スペクトとして着想された多様な組合せによるパワー供給され（Ｐ）、トラック され（Ｔ）、フリーである（Ｆ）（即ち、パワー供給もトラックもされていない ）フリーダムのモーションを示している。基本的に、少なくとも３つのパワード 、トラックトフリーダムと、少なくとも１の非パワードフリーダムとを有した全 てのフリーダム組合せは本発明に含まれている。 本発明はさらにパワー供給されているフリーダムに対する全ての位置を対象と している。例えば、図７におけるスタイラス長軸周囲のモーションはパワー供給 されており、ジンバルアセンブリの他の２軸周囲のモーションはパワー供給され ていない。また、図示されている軸周囲ではなく、これら他の２軸のみのいずれ か周囲のフリーダムがパワードフリーダムであれば、これも本発明の一部である 。同様に、図８に示すようにいかなる組合せの２軸にパワー供給することも本発 明の一部である。 図１の本発明は、ユーザ接触アセンブリ２００の位置がグランドされたサポー ト体１１８よりも重力的に下側に位置しているものである。ユーザ接触アセンブ リがサポート体１１８よりも上となるよう、それを上から下までフリップ（flop ）された状態で使用することもできる。 この装置はいかなる別オリエンテーションにても使用が可能ではあるが、場合 によっては互いにカウンターバランスしなければならないコンポーネントの形状 と重量とを調整することが必要となることがある。これは、仕様によってはそれ らがバランスし、別仕様ではバランスしないからである。前述したように、”グ ランド”とは装置設計者によって選択されるいかなる基準フレームでもよい。グ ランドは、ユーザ基準ポイント２２２にて装置に接続される身体部分とは異なる ユーザ身体の一部であってもよい。あるいは、海上を漂うブイのように浮動状態 のものでもよい。 図１１に略式に示されるように、少なくとも２つの装置を共同で使用すること も便利である。その１つはユーザの親指で操作されるもの１１２６であり、他方 はユーザの他の指で操作されるもの１１２２と１１２４とであってよい。このよ うに、ユーザは非ローカル装置の２本以上の指の間で非ローカル環境の物体を掴 むことができる。シンブル２０２は片側にて妨害されるだけであり、よって、４ 半ジンバルエンドアセンブリの使用でこのアレンジは可能となる。 本発明には多数の適用法が存在する。それらには模擬または遠隔操作の機械あ るいは楽器が含まれる。例えば、ユーザは両手の各指と、ペダル用の１足に取付 られた装置で非ローカル環境のピアノを演奏することができる。ペダル操作スレ ーブ機械は、ユーザの足に取り付けられた装置で操作が可能である。またこのよ うな装置は医師による遠隔地の患者の弾傷の探索にも使用が可能であり、弾丸の 破片を探し出すことができる。あるいは外科医は、実際の患者からのデータを利 用して特定手順の”ドライラン（dry run）”にこの装置を使用することもでき る。例えば、患者頭部のスキャニングを実施することができる。頭部を表す２次 元または３次元のデータは非ローカル環境であり、実際には、腫瘍や損傷等を含 んだバーチャル環境である。バーチャル針プローブはこのスペースでナビゲーシ ョン可能であり、そのデータ領域の精度、質量、モーション等により決定される 適当なフォース信号を発生させる。これらのフォース信号は図６に示すようなス タイラスタイプのユーザ接続装置にフォースフィードバックを提供し、外科医に 実際の患者でのその医療行為の実行はどのようなものであるかを教える。このよ うに、外科医は、封鎖物、障害物、等の問題を示すかも知れない”実地”シミュ レーションを達成する。外科医は接触感と視覚との両方を頼りに繊細な手術を計 画する ことができる。 本発明は１体のユーザ接続要素をユーザの両足の各々に取り付けることで、バ ーチャル地形を歩かせるのにも使用が可能である。 本発明は、階段、壁、地面の穴などの実際の障害状況をシミュレーションし、 盲人を完全に安全な環境で訓練するのにも使用が可能である。 コンピュータインターフェースの一部としても本発明には多くの可能な使用法 が存在する。例えば、コンピュータファイルとドキュメント用の現在普及してい るデスクトップメタフォールとでも使用することができる。従来のインターフェ ースは典型的にはボタンとトラックボールとが付いたマウスを使用する。デスク トップの表現体の現実感は本発明の使用によって増強可能である。バーチャル環 境内のアイテムは本発明によって従来方式よりもさらに現実味を帯びて利用可能 である。説明した装置はエッジ、重量、肌合等を有した物体に現実感をもって遭 遇させる。本のページは実際に掴むことでめくることができる。書類等は軽く押 したり、掴んだり、動かすことができる。さらに大きくて重要なファイルは、さ らに重く厚くすることができる。異なる物体には異なる肌触りを与えることがで きる。 別なコンピュータインターフェースの利用法は、バーチャルボタンを押したり 、トッグル（toggle）タイプのスイッチのフリッキングである。例えば、プッシ ュボタンはコンピュータスクリーン上に斜視図にて表示が可能である。そのユー ザ基準ポイントがボタンゾーンに遭遇すると、ユーザはその表面を感じることが できる。もしユーザがインターフェースを押すと、反発力がフォース発生機１３ ８０で発生され、ユーザは前述のごときＦ＝ｋｄの抵抗感を実感することができ る。もし通常の距離をこのフォースに対抗してユーザがスイッチを押すと、”し きい値”は通過され、その後にフォース発生機は抵抗力を全く発生させない。さ らに少々スイッチを押すと、フォース発生機はボタンがあたかも押された状態で ロックされたかのように堅固な抵抗を発生させる。よって、ユーザはそのしきい 値を感知し、スイッチを押したことが確認できる。言い換えれば、反発力と移動 距離 との関係を特定する機能は非直線的となる。 同様に、壁電気スイッチのごときトッグルタイプスイッチにおいては、スイッ チはしきい値を越えるまで一方から他方に移動する際に反発力を提供し、その後 にスナップする。マルチポジションとマルチエンゲージメントと、マルチリリー スモードとを有した他のスイッチバリエーションも可能である。 そのアクチュエータはロータリモータでも、リニアモータでも、油圧装置でも 、他のいかなる適したフォースあるいはトルクトランスジューサでもよい。 例えばシンブルあるいはスタイラスである、ユーザと装置との間の接続要素は 耐張力、耐圧縮またはそれらの両方のタイプでもよい。例えば、ストリングルー プは耐圧縮性であるが、耐張力性ではない。ポイントタイプまたはフラットタイ ププレートは耐圧縮性であるが耐張力性はない。ぴったりとフィットするシンブ ルや、掴まれたスタイラス等はそれら両方に耐えることができよう。 本発明はコンピュータスクリーン等の可視表示装置上の３次元データ表示の有 用性を増強するのにも使用が可能である。そのようなデータは表示されるとき、 ３次元アイテムが２次元媒体に表示されている理由により、しばしば不明瞭とな る。本発明の使用でユーザはバーチャル３次元スペースにおいてそのデータ形態 を実際に感じることができる。３次元以上のデータは、肌合、モーション等で表 される追加次元を有することで触覚に対して表現が可能となる。 前記の実施例の１つは３つのフリーダムにパワー供給する３つのアクチュエー タを使用している。３つ以上のアクチュエータを使用して３つのフリーダムをパ ワーすることも普通のことである。例えば、ポイントの位置を特定し、そのポイ ントを妨害物を越えてナビゲーションする能力を望む場合には３つ以上のアクチ ュエータを使用する。このような場合には、追加肘タイプのジョイント体が障害 物の回避には利用可能であろう。同様に、４以上のフリージョイント体の使用は ３つのフリーフリーダムの提供を可能にするであろう。本発明はこのようなマル チジョイントタイプの装置をも含む。必要なことはユーザ接続要素が存在するこ とであり、そのユーザ接続要素の３つのフリーダムがパワー供給されており、そ の接続要素の少なくとも１のフリーダムがパワー供給されていないことである。 前述の説明は本発明の例示を目的としたものであり、本発明の限定を意図した ものではないことが理解されるべきである。本発明は好適実施例に基づいて示さ れており、また解説されているが、当業技術者であれば、本明細書の「請求の範 囲」に定義された本発明の精神とスコープとから離脱せずに形態と詳細の多様な 変更が可能であることは理解しよう。 本発明の「請求の範囲」は以下の通りである。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 （８１２、８１６）カウンターバランスが含まれる。本 発明はさらに、ユーザに対してスプリングスイッチのフ ォースと移動との関係を提供するバーチャルスイッチを 確立するための装置（２３６）を含む。別実施例はバー チャル剛毛ブラシであり、これもユーザに対してそのよ うなブラシ（１３１８）のフォースと移動との関係を提 供し、同時的にバーチャル環境を変化させ、ユーザの位 置（１３２０）変化を反映させる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１ユーザローカル環境に存在するユーザとフォースを物理的に交換する 装置であって、 ａ．該ユーザの身体部分に接続するための接続要素と、 ｂ．該接続要素をグランドと物理的にリンクさせるリンケージ手段と、を 含み、該リンケージ手段は、 ｉ．前記グランドに対して前記接続要素の少なくとも３つの独立フリー ダムにパワー供給するパワー手段と、 ｉｉ．前記グランドに対して前記接続要素の少なくとも１の独立フリー ダムをパワーフリーの状態で維持する維持手段と、 を含むことを特徴とする装置。 ２．前記フリーダムの前記パワー手段は、非ローカル環境で発生された信号に 基づいて前記フリーダムにパワー供給することを特徴とする請求項１記載の装置 。 ３．前記パワー供給されたフリーダムのうちで少なくとも１は、前記グランド に関するトランスレーションを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。 ４．パワーフリーである前記少なくとも１のフリーダムは、前記グランドに対 する回転を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。 ５．前記リンケージ手段は、前記グランドに対して前記接続要素の少なくとも ４のフリーダムにパワー供給するためのパワー手段を含むことを特徴とする請求 項１記載の装置。 ６．前記リンケージ手段は、前記グランドに対して前記接続要素の少なくとも ５のフリーダムにパワー供給するためのパワー手段を含むことを特徴とする請求 項１記載の装置。 ７．前記リンケージ手段は、少なくとも２つのリンクされた直交ベアリングを 含むことを特徴とする請求項１記載の装置。 ８．前記リンケージ手段は、第１のリンクされた直交ベアリングと第２のリン クされた直交ベアリングと、該第１あるいは第２のベアリングのいずれかにリン クされて直交する第３つのベアリングを含むことを特徴とする請求項１記載の装 置。 ９．前記リンケージ手段は、少なくとも２つのリンクされたベアリングを含む ことを特徴とする請求項１記載の装置。 １０．前記リンケージ手段は、相対的に可動である１対のアクチュエータを含ん でおり、該１対のアクチュエータは自身よりも前記グランドの基部に近いリンク に対して可動であることを特徴とする請求項１記載の装置。 １１．前記１対のアクチュエータは、１本のケーブルを介してグランドの基部に さらに近い前記リンクに両方とも接続されていることを特徴とする請求項１０記 載の装置。 １２．前記リンケージ手段は、グランドと他方とに対して可動である少なくとも ２つの質量と前記接続要素とを含んでおり、該少なくとも２つの質量と該接続要 素との重心は該接続要素のモーションにも拘らずグランドに対して実質的に静止 状態であることを特徴とする請求項１記載の装置。 １３．前記質量のうち少なくとも１体は、アクチュエータを含むことを特徴とす る請求項１２記載の装置。 １４．前記接続手段は、５本のバーリンケージを含むことを特徴とする請求項１ 記載の装置。 １５．前記５本のバーリンケージの４本のバーは、１平面を定義し、該４本のバ ーは該平面に垂直な１軸周囲を回転式にグランドに接続されていることを特徴と する請求項１３記載の装置。 １６．前記接続要素は、シンブルを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。 １７．前記接続要素は、ロッドを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。 １８．前記接続要素は、ロッドを含むことを特徴とする請求項５記載の装置。 １９．前記接続要素は、ロッドを含むことを特徴とする請求項６記載の装置。 ２０．前記接続要素は、人間の指と係合する大きさであることを特徴とする請求 項１記載の装置。 ２１．前記接続要素は、人間の足と係合する大きさであることを特徴とする請求 項１記載の装置。 ２２．前記接続要素は、人間の足、指、手、頭、尻、腕、脚、舌、及び足爪先で なる群より選択される前記ユーザの身体部と係合する大きさであることを特徴と する請求項１記載の装置。 ２３．前記リンケージ手段は、 ａ．前記パワー供給された少なくとも３つのフリーダムに関して前記グラ ンドに対する前記接続要素のモーションをトラックするトラック手段と、 ｂ．該トラックされたモーションに基づいて信号を発生させる信号発生手 段と、 をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の装置。 ２４．前記グランドは、重力界に関して前記接続要素よりも上方に配置されてい ることを特徴とする請求項１記載の装置。 ２５．前記リンケージ手段は、前記身体部から前記ユーザの異なる身体部へのリ ンケージのためのリンケージ手段をさらに含んでおり、前記グランドは前記ユー ザの身体部の前記異なる部分であることを特徴とする請求項１記載の装置。 ２６．前記接続要素は、圧力を受ける要素を含むことを特徴とする請求項１記載 の装置。 ２７．前記接続要素は、張力を受ける要素を含むことを特徴とする請求項１記載 の装置。 ２８．前記接続要素は、前記ユーザとの間で引き付け力と反発力とを交換するた めのフォース交換手段を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。 ２９．第１ユーザローカル環境に存在するユーザと物理的にフォースを交換する ための装置であって、 ａ．前記ユーザの身体部と物理的に接続するための接続要素と、 ｂ．該接続要素をグランドと物理的にリンクするためのリンケージ手段と 、を含んでおり、該リンケージ手段は、 ｉ．前記グランドに対して前記接続要素の３つの独立フリーダムにパワ ー供給するパワー手段と、 ｉｉ．該グランドに対して該接続要素の３つの独立フリーダムをパワー フリーの状態で維持するための維持手段と、 を含むことを特徴とする装置。 ３０．ユーザ入力装置であって、 ａ．ユーザ接続要素と、 ｂ．該ユーザ接続要素をグランドに接続するためのリンケージと、 を含んでおり、該リンケージは、 ｉ．接続アセンブリ、 を含んでおり、該接続アセンブリは、 （ａ）第１リンクと、 （ｂ）第１回転ベアリングと、 を含んでおり、該第１回転ベアリングの片側は前記接続要素に接続されており、 他方側は前記第１リンクの１端に接続されており、前記接続アセンブリはさらに 、 （ｃ）第２回転ベアリング、 を含んでおり、該第２回転ベアリングの片側は前記第１リンクの第２端に接続さ れており、他方側は第２リンクに接続されており、該第２ベアリングは前記第１ ベアリングと、それらの回転軸が直交して交差するようにアレンジされており、 前記接続アセンブリはさらに、 （ｄ）第３回転ベアリング、 を含んでおり、該第３ベアリングの片側は前記第２リンクの第２端に接続されて おり、該第３ベアリングは前記第２ベアリングと、それらの回転軸が直交して交 差するようにアレンジされており、さらに前記第１ベアリングと、それらの回転 軸が交差するようにアレンジされており、前記リンケージはさらに、 ｉｉ．第１バーと最終バーとを含んで直列にリンクされた４本のバー、 を含んでおり、該４本のバーのうち１本の延長部は前記第３ベアリングの他方側 に接続されており、前記リンケージはさらに、 ｉｉｉ．自身よりもグランドの基部にさらに近いリンクに関して固定さ れた回転軸、 を含んでおり、前記直列リンクの前記第１バーと前記最終バーとは該回転軸によ ってリンクされており、前記リンケージはさらに、 ｉｖ．前記直列４本バーの前記第１バーと前記リンクとの間で前記回転 軸よりもグランドの基部にさらに近く接続された第１アクチュエータと、 ｖ．前記回転軸よりもグランドの基部にさらに近い前記リンクと、前記 第１バー以外の前記直列４本バーのうちの１本のバーとの間に接続された第２ア クチュエータと、 ｖｉ．グランドと、前記回転軸よりもグランドの基部にさらに近い前記 リンクとの間で接続された第３アクチュエータと、 を含むことを特徴とする装置。 ３１．前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータとは１本のケーブルを 介して前記回転軸よりもグランドの基部にさらに近い前記リンクに接続されてい ることを特徴とする請求項３０記載の装置。 ３２．非ローカル環境との信号の交信をするための、ローカル環境のユーザのた めの装置であって、 ａ．該ユーザの身体部に物理的に接続するための接続要素と、 ｂ．該接続要素をグランドに物理的にリンクするためのリンク手段と、 を含んでおり、該リンク手段は、 ｉ．前記非ローカル環境からの信号に基づいた程度に、前記グランドに 対して前記接続要素の少なくとも３つの独立フリーダムにパワー供給するための パワー手段と、 ｉｉ．該少なくとも３つのパワー供給された独立フリーダムをトラック するためのトラック手段と、 ｉｉｉ．該トラックされた少なくとも３つのフリーダムに基づいてマス ター信号を発生させる信号発生手段と、 ｉｖ．前記グランドに対して前記接続要素の少なくとも１の独立フリー ダムをパワーフリーの状態で維持する維持手段と、 を含んでおり、本装置はさらに、 ｃ．前記トラック手段からの前記マスター信号を前記非ローカル環境に伝 達するための伝達手段と、 ｄ．該非ローカル環境からの前記非ローカル信号を前記パワー手段に伝達 する伝達手段と、 を含むことを特徴とする装置。 ３３．少なくとも３つの独立フリーダムにパワー供給する前記パワー手段は、前 記非ローカル信号に基づいた程度に該フリーダムにパワー供給することを特徴と する請求項３２記載の装置。 ３４．前記リンク手段は、前記グランドに対して前記接続要素の３つの独立フリ ーダムをパワーフリーの状態に維持するための維持手段を含むことを特徴とする 請求項３３記載の装置。 ３５．前記リンク手段は、前記グランドに対して前記接続要素の少なくとも２の 独立フリーダムをパワーフリーの状態に維持するための維持手段を含むことを特 徴とする請求項３３記載の装置。 ３６．前記リンク手段は、少なくとも２つのリンクされた直交ベアリングを含む ことを特徴とする請求項３２記載の装置。 ３７．前記リンク手段は、他方に対して可動である１対のアクチュエータと、該 アクチュエータよりも前記グランドの基部にさらに近いリンクとを含むことを特 徴とする請求項３２記載の装置。 ３８．特定ポイントにおいて信号を発生させるための装置であって、 ａ．ケーブルを介してグランドに接続された第１アクチュエータと、 ｂ．該ケーブルを介して該グランドに接続された第２アクチュエータと、 ｃ．前記第１アクチュエータを前記特定ポイントに運動的に接続ための接 続手段と、 ｄ．前記２１アクチュエータを前記特定ポイントに運動的に接続ための接 続手段と、 を含むことを特徴とする装置。 ３９．前記特定ポイントに前記第１アクチュエータを接続する接続手段は、５本 バーリンケージの第１バーを含むことを特徴とする請求項３８記載の装置。 ４０．前記特定ポイントに前記第２アクチュエータを接続する接続手段は、前記 ５本バーリンケージの第２バーを含むことを特徴とする請求項３９記載の装置 ４１．前記５本バーリンケージのバーは、前記アクチュエータと、該バーと、前 記特定ポイントとの重心が、それらの相対的な動きにも拘らず実質的に静止状態 であるような長さと質量とを有していることを特徴とする請求項４０記載の装置 。 ４２．フォースを表す信号を発生させる装置であって、 ａ．ユーザ基準フレームに対するユーザ基準ポイントの位置を表す信号を 受信する受信機と、 ｂ．ｉ．非ローカル基準フレームと、 ｉｉ．該非ローカル基準フレームに対するユーザ基準フレームと、 ｉｉｉ．該非ローカル基準フレームに対する、スイッチタイプ／スプ リングタイプ要素を含む非ローカル環境の形態と、 の表現体を保存するためのジオメトリモデルレジデンスと、 ｃ．該非ローカル環境に対するユーザ基準ポイントの位置を比較するため のコンパレータと、 ｄ．該非ローカル環境に対するユーザ基準ポイントの位置と、一連のフォ ースルールとに基づいてフォースを表す信号を発生させるためのフォース発生機 と、 を含んでおり、該フォースルールは、前記スプリングタイプ要素の歪んだ形態を 表す前記ユーザ基準ポイントの位置信号に応じてスイッチ出力フォース信号を特 定するスプリングフォースルールを含んでおり、該スイッチ出力フォース信号は 非リニア関数によって特定されることを特徴とする装置。 ４３．フォースを表す前記信号と、前記一連のフォースルールとに基づいて前記 非ローカル環境の形態の表現体に変化を生じさせる非ローカル環境反応計算機を さらに含むことを特徴とする請求項４２記載の装置。 ４４．前記スプリングフォースルールは、前記スイッチタイプ要素の歪んだ形態 を表す前記ユーザ基準ポイントの位置信号に応じて、前記非ローカル環境の形態 の表現体における変化を特定することを特徴とする請求項４３記載の装置。 ４５．前記非ローカル環境の形態における前記変化は、前記スイッチタイプ要素 の表現体の形態における変化を含むことを特徴とする請求項４４記載の装置。 ４６．前記スイッチタイプ要素は、少なくとも２のポジションを有したスイッチ を含んでおり、前記スイッチタイプ要素の表現体の形態における前記変化は該少 なくとも２のポジションの１ポジションから別ポジションへの変化を含むことを 特徴とする請求項４５記載の装置。 ４７．フォースを表す信号を発生させるための装置であって、 ａ．ユーザ基準フレームに対するユーザ基準ポイントの位置を表す信号を 受信する受信機と、 ｂ．ｉ．非ローカル基準フレームと、 ｉｉ．該非ローカル基準フレームに対するユーザ基準フレームと、 ｉｉｉ．該非ローカル基準フレームに対する、ダイアゴナルタイプ／ スプリングタイプ要素を含む非ローカル環境の形態と、 の表現体を保存するためのジオメトリモデルレジデンスと、 ｃ．該非ローカル環境に対するユーザ基準ポイントの位置を比較するため のコンパレータと、 ｄ．該非ローカル環境に対するユーザ基準ポイントの位置と、一連のフォ ースルールとに基づいてフォースを表す信号を発生させるためのフォース発生機 と、 を含んでおり、該フォースルールは、前記ダイアゴナルタイプ要素の歪んだ形態 を表す前記ユーザ基準ポイントの位置信号に応じてダイアゴナル要素出力フォー ス信号を特定するスプリングフォースルールを含んでおり、本装置はさらに、 ｅ．フォースを表す信号と前記一連のフォースルールとに基づいて前記非 ローカル環境の形態の表現体に変化を生じさせる非ローカル環境反応計算機、 を含んでおり、前記ダイアゴナル要素スプリングタイプルールは前記ダイアゴナ ルタイプ要素の選択領域の断面積の表現体における変化を特定することを特徴と する装置。 ４８．前記非ローカル環境は、前記ダイアゴナルタイプ要素の前記選択領域の断 面積の表示をさらに含むことを特徴とする請求項４７記載の装置。 ４９．前記ジオメトリモデルレジデンスは、時間と共に変化する前記ダイアゴナ ルタイプ要素の断面積の前記表示の表現体を保存するための保存手段をさらに含 むことを特徴とする請求項４８記載の装置。 ５０．前記一連のフォースルールは、ダイアゴナル要素出力フォース信号を特定 する複数の選択可能な異なるスプリングフォースルールを含んでおり、前記スプ リングフォース出力信号と、前記ダイアゴナルタイプ要素の歪んだ形態を表す前 記ユーザ基準ポイントの位置との間の複数の関係式を提供することを特徴とする 請求項４７記載の装置。 ５１．前記フォース発生機は、前記非ローカル環境に対する前記ユーザ基準ポイ ントの位置の時間経緯と一連のフォースルールとに基づいてさらにフォースを発 生させ、該一連のフォースルールは、時間の経過によるポジションの変化を表す 前記ユーザ基準ポイントの位置信号の時間経緯に対応してフリクション出力フォ ース信号を特定するフリクションタイプルールを含むことを特徴とする請求項４ ７記載の装置。 ５２．フォースを表す信号を発生させる装置であって、 ａ．ユーザ基準フレームに対するユーザ基準ポイントの位置を表す信号を 受信する受信機と、 ｂ．ｉ．非ローカル基準フレームと、 ｉｉ．該非ローカル基準フレームに対するユーザ基準フレームと、 ｉｉｉ．該非ローカル基準フレームに対する、作図用基材タイプ要素 を含む非ローカル環境の形態と、 の表現体を保存するためのジオメトリモデルレジデンスと、 ｃ．該非ローカル環境に対するユーザ基準ポイントの位置を比較するため のコンパレータと、 ｄ．該非ローカル環境に対するユーザ基準ポイントの位置と、一連のフォ ースルールとに基づいてフォースを表す信号を発生させるためのフォース発生機 と、 を含んでおり、該フォースルールは、前記作図用基材タイプ要素の歪んだ形態を 表す前記ユーザ基準ポイントの位置信号に応じて作図用基材出力フォース信号を 特定する作図用基材フォースルールを含んでおり、本装置はさらに、 ｅ．フォースを表す前記信号と前記一連のフォースルールとに基づいて前 記非ローカル環境の形態の表現体に変化を生じさせる非ローカル環境反応計算機 、を含んでおり、前記作図用基材タイプ要素ルールは前記作図用基材タイプ要素 の選択領域の表面形状の表現体における変化を特定することを特徴とする装置。 ５３．前記作図用基材タイプ要素の前記形態の前記表現体は、表面素材の表現体 を含むことを特徴とする請求項５２記載の装置。 ５４．装置と第１ユーザローカル環境に存在するユーザとの間でフォースを物理 的に交換するための方法であって、 ａ．ｉ．該ユーザの身体部に物理的に接続するための接続要素と、 ｉｉ．該接続要素をグランドに物理的にリンクさせるためのリンク手 段と、 を含んだ装置を提供するステップ、 を含んでおり、該リンク手段は、 （ａ）前記グランドに対して前記接続要素の少なくとも３つの独立フ リーダムにパワー供給するためのパワー手段と、 （ｂ）該グランドに対して該接続要素の少なくとも１の独立フリーダ ムをパワーフリーの状態で維持するための維持手段と、 を含んでおり、本方法はさらに、 ｂ．前記接続要素を前記ユーザの身体部に接続するステップと、 ｃ．該接続要素の前記少なくとも３つの独立フリーダムにパワー供給する ステップと、 を含むことを特徴とする方法。 ５５．前記フリーダムにパワー供給する前記ステップは、非ローカル環境にて信 号を発生させ、該非ローカル信号に基づいて該フリーダムにパワー供給するステ ップを含むことを特徴とする請求項５４記載の方法。 ５６．フォースを表す信号を発生させる方法であって、 ａ．ユーザ基準フレームに対するユーザ基準ポイントの位置を表す信号を 受信するステップと、 ｂ．ｉ．非ローカル基準フレームと、 ｉｉ．該非ローカル基準フレームに対するユーザ基準フレームと、 ｉｉｉ．該非ローカル基準フレームに対する、ダイアゴナルタイプ／ スプリングタイプ要素を含む非ローカル環境の形態と、 の表現体を保存するステップと、 ｃ．該非ローカル環境に対するユーザ基準ポイントの位置を比較するステ ップと、 ｄ．該非ローカル環境に対するユーザ基準ポイントの位置と、一連のフォ ースルールとに基づいてフォースを表す信号を発生させるステップと、 を含んでおり、該フォースルールは前記ダイアゴナルタイプ要素の歪んだ形態を 表す前記ユーザ基準ポイントの位置信号に応じてダイアゴナル要素出力フォース 信号を特定するスプリングフォースルールを含んでおり、本装置はさらに、 ｅ．フォースを表す前記信号と前記一連のフォースルールとに基づいて前 記非ローカル環境の形態の表現体を変化させるステップ、 を含んでおり、前記ダイアゴナル要素スプリングタイプルールは前記ダイアゴナ ルタイプ要素の選択領域の断面積の表現体における変化を特定することを特徴と する方法。 ５７．前記非ローカル環境の前記表現体の中に、前記ダイアゴナルタイプ要素の 前記選択領域の断面積の表示を維持するステップをさらに含むことを特徴とする 請求項５６記載の方法。 ５８．時間と共に変化する前記ダイアゴナルタイプ要素の断面積の前記表示の表 現体を保存するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５７記載の方法。 ５９．時間と共に変化する前記ダイアゴナルタイプ要素の断面積の前記表示の表 現体を表示するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５８記載の方法。 ６０．前記各ベアリングは、回転軸を有しており、該３回転軸はユーザ基準ポイ ントで一致することを特徴とする請求項８記載の装置。 ６１．前記接続要素は、前記身体部が挿入されるシンブルを含んでおり、該シン ブルは、前記身体部が該シンブルに接続されたとき前記ユーザ基準ポイントが該 身体部内となるようにアレンジされていることを特徴とする請求項６０記載の装 置。 ６２．前記身体部は、指を含むことを特徴とする請求項６１記載の装置。