JPH0966476A - 感触再現装置及びこれを用いたマニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 現実の物体やコンピュータ上でシミュレート
した物体に接触した時の感触を、操作者に対して再現可
能な感触再現装置に関する。 【構成】 操作入力部１０２により検出された操作者の
位置情報は、遠隔装置に通信されアームや義手などから
なるマニピュレータ部１０８が操作者の指示に応じて動
作を行う。マニピュレータ部１０８には感触情報を検出
するセンサが備わっており、感触検出部１１１によりこ
れを検出して操作装置に通信し、操作装置の駆動制御部
１０４及び感触再現部１０５を用いて感触の再現を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、感触情報を検出及び再
現するシステムに係り、遠隔にあるマニピュレータを介
して、あるいはコンピュータ上でシミュレートして、物
体の触覚的な形状の情報や物体の硬さ等の情報を検出あ
るいは生成するとともに、このような感触情報を再現す
る技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、バーチャルリアリティ（仮想現実
感）の分野において、映像を３次元的に表示したり、音
声・音響等に効果を加えて立体的に再生したりすること
により、利用者にこれらの映像や音声が現実のものであ
るかのような体感を与える方法が提案されている。

【０００３】例えば映像については、コンピュータ上で
シミュレートした物体の情報を映像化して視覚的に表示
する、いわゆるＣＧ（Computer Graphics）が行われて
いる。さらには、映像の疑似立体化あるいは視野角の広
角化等を行うことにより、視覚的な現実感をより高めて
いる。なお、このような技術は、ＣＧのみならず、ビデ
オカメラで撮影した映像にも適用可能である。

【０００４】音声については、複数音源の制御、音声へ
の特殊効果を加えること等によって、立体的な音像を発
生させ、聴覚的な仮想現実感を実現している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来から行われてきた
のは、主として映像と音声の仮想現実化であり、触覚に
ついては十分開発されていなかった。

【０００６】最近は、触覚的な現実感を実現する技術に
ついても各種提案されている。例えば、ＣＡＤの分野で
は、ＣＧで作った仮想的な物体に、３次元入力装置等な
どを介して触れようとした場合に、物体に触れたかどう
かを操作者に知らせる装置が一部実現されている。特開
平３−１０９６３１号には、操作者の身体の一部に力を
作用させる駆動装置（該文献においては、形状記憶合金
を用いたフィードバック装置）を用いることで、物体に
接触したことを操作者に通知する技術が開示されてい
る。

【０００７】しかし、このような装置では、手や指の動
きを制限することにより物体の有無を伝えている。その
ため、実在の物体に触れたときの接触感を実現できなか
った。また、触覚的な情報（例えば、物体に触れたとき
に得られる硬さまたは柔らかさや物体の形状等）を、利
用者に伝えることができなかった。

【０００８】本発明はあたかも実在の物体に触れている
かのような感触を再現可能な装置を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたものであり、その第１の態様として
は、その内部に人体のあらかじめ定められた対象部位を
挿入可能な空間部を備えた装着部と、内部に流体を収容
可能に構成され且つ収容されている該流体の量に応じて
膨張／収縮可能に構成された、上記装着部に隣接して配
置された流体収容部と、上記流体収容部への上記流体の
流入・排出を行わせる流入排出手段と、別途入力される
感触情報に応じて、上記流入排出手段を制御する駆動制
御手段と、を有することを特徴とする感触再現装置が提
供される。

【００１０】上記流体収容部は、複数個設けられてお
り、上記駆動制御手段は、上記流体の流入・排出を、個
々の流体収容部毎に独立的に制御可能であることが好ま
しい。

【００１１】上記流体収容部には、上記人体のあらかじ
め定められた対象部位に応じた形状および大きさの第１
の流体収容部と、上記第１の流体収容部上に配置された
複数個の第２の流体収容部と、があってもよい。

【００１２】上記装着部に沿って配置されたシャシーを
備え、上記流体収容部は、上記装着部と上記シャシーと
の間に配置されていることが好ましい。

【００１３】上記装着部と上記シャシーとの間隔があら
かじめ定められた値以上となることを防ぐ制限手段を有
することが好ましい。

【００１４】上記制限手段は、上記シャシーと上記装着
部とを繋いだ変形容易な線材であることが好ましい。

【００１５】上記感触情報は、圧力値を示す情報を含ん
だものであることが好ましい。

【００１６】上記駆動制御手段は、感触情報に含まれる
圧力値を、所定の比率で拡大、縮小あるいはγ特性に基
づいた変換処理を行う変換手段を備え、該変換手段によ
る変換後の値に基づいて、上記流入排出手段を制御する
ものであってもよい。

【００１７】上記装着部の各部の位置および／または曲
がりを検出する第１の検出手段を供えることが好まし
い。

【００１８】上記装着部は、上記空間部に挿入された上
記対象部位の姿勢が変更可能なものであり、上記駆動制
御手段は、別途入力された上記対象部位の姿勢を示す情
報に応じて上記制御の内容を変更するものであることが
好ましい。

【００１９】上記装着部の各部の位置および／または曲
がりを検出する第１の検出手段を供え、上記駆動制御手
段は、上記第１の検出手段の検出結果を上記対象部位の
姿勢を示す情報として用いるものであることが好まし
い。

【００２０】上記駆動制御手段は、あらかじめ定められ
た範囲を越える圧力値が感触情報に含まれているか否か
を判定し、該判定の結果含まれていた場合には、当該感
触情報を無効にするかあるいは当該圧力値を上記あらか
じめ定められた範囲内の値に変換し、該無効あるいは変
換後の値に基づいて上記流入排出手段を制御するもので
あることが好ましい。

【００２１】上記人体のあらかじめ定められた対象部位
は手であってもよい。

【００２２】上記流体は気体であってもよい。

【００２３】本発明の第２の態様としては、操作者から
の動作指示を操作者の身体各部の位置を逐次検出するこ
とで受け付け、該検出結果を逐次出力する操作入力手段
と、他の物体を取り扱うための、上記操作入力手段の出
力する情報に従って作動するマニピュレータと、上記マ
ニピュレータの表面各部に加わっている圧力を、逐次、
検出する第２の検出手段と、上記第２の検出手段の検出
結果を上記感触情報として用いて作動する上記第１の態
様の感触再現装置と、を有することを特徴とするマニピ
ュレータシステムが提供される。

【００２４】本発明の第３の態様としては、操作者から
の動作指示を操作者の身体各部の位置を逐次検出するこ
とで受け付け、該検出結果を逐次出力する操作入力手段
と、上記位置情報に従って作動するマニピュレータおよ
び該マニピュレータによって取り扱われる物体を、シミ
ュレーションによって仮想空間上において生成するシミ
ュレーション手段と、上記第１の態様の感触再現装置
と、を供え、上記シミュレーション手段は、上記マニピ
ュレータが上記物体に接して受ける圧力をもシミュレー
ションするものであり、上記感触再現装置は、上記シミ
ュレーション手段によるシミュレーションによって得ら
れた上記マニピュレータが上記物体に接して受ける圧力
値を上記感触情報として用いて作動するものであること
を特徴とするマニピュレータシステムが提供される。

【００２５】

【作用】第１の態様の作用を説明する。

【００２６】先ず、操作者は、装着部に対象部位（例え
ば、手）を挿入する。そして、該手を動かす。

【００２７】第１の検出手段は装着部の位置，曲がり
（すなわち、対象部位の姿勢）を検出する。駆動制御手
段は、感触情報（これは、圧力値を含んで構成され
る），対象部位の姿勢を示す情報（例えば、第１の検出
手段の検出結果）に応じて流入排出手段を制御すること
で、流体収容部へ流体（例えば、空気）を流入・排出さ
せる。

【００２８】流体収容部として、第１の流体収容部と、
第２の流体収容部と、を設けている場合には、駆動制御
手段は、流体の流入・排出を、個々の流体収容部毎に独
立的に制御することで、各部位毎に所望の圧力を発生さ
せることができる。

【００２９】駆動制御手段の変換手段は、感触情報に含
まれる圧力値を、所定の比率で拡大、縮小あるいはγ特
性に基づいた変換処理を行うことで、より明確に感触を
再現できる。

【００３０】また、あらかじめ定められた範囲を越える
圧力値が感触情報に含まれていた場合、駆動制御手段
は、当該感触情報を無効にする（あるいは、当該圧力値
をあらかじめ定められた範囲内の値に変換する）こと
で、対象部位（例えば、手）を保護する。

【００３１】制限手段（例えば、シャシーと上記装着部
とを繋いだ変形容易な線材）が、装着部とシャシーとの
間隔があらかじめ定められた値以上となることを防ぐた
め、各部位毎の圧力を、より的確且つ効率的に対象部位
へ与えることができる。

【００３２】第２の態様の作用を説明する。

【００３３】操作入力手段は、操作者からの動作指示を
操作者の身体各部の位置を逐次検出することで受け付
け、該検出結果を逐次出力する。マニピュレータは、操
作入力手段の出力する情報に従って作動する。第２の検
出手段は、マニピュレータの表面各部に加わっている圧
力を、逐次、検出する。感触再現装置は、第２の検出手
段の検出結果を感触情報として作動する。

【００３４】第３の態様の作用を説明する。

【００３５】操作入力手段は、操作者からの動作指示を
操作者の身体各部の位置を逐次検出することで受け付
け、該検出結果を逐次出力する。シミュレーション手段
は、操作入力手段からの出力情報に従って作動するマニ
ピュレータおよび該マニピュレータによって取り扱われ
る物体を、シミュレーションによって仮想空間上におい
て生成する。さらに、シミュレーション手段は、マニピ
ュレータが物体に接して受ける圧力をもシミュレーショ
ンする。第１の態様の感触再現装置は、シミュレーショ
ンによって得られたマニピュレータが物体に接して受け
る圧力値を感触情報として作動する。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００３７】なお、本明細書中において“感触情報”と
は、具体的には、各部位毎の圧力値である。

【００３８】第１の実施例 本実施例の感触再現装置１は、別途検出・入力される感
触情報に応じて、手に近接して配置したエアバッグに空
気等の媒体を流入／排出させることで、操作者の手や指
に対して様々な感触（例えば、硬さ／柔らかさ、弾力の
有無）を再現するようになっている。

【００３９】さらに、このような感触再現装置１を実際
のシステムにおいて適用する場合には、該装置１自体が
操作入力部としても機能することが好ましい。そのた
め、該感触再現装置１は手の動きを検出する操作入力部
としての機構をも備えている。

【００４０】なお、当然ながら、本装置によって実現で
きるのは、硬いもの等を実際にさわっているかのような
“錯覚”を人間に起こさせることのみである。該装置が
行っているのは、人間が様々な“錯覚”を起こすものと
してあらかじめ設定されている所定の制御である。

【００４１】以下、該感触再現装置１を、詳細に説明す
る。

【００４２】まず、感触を再現するための機構について
説明する。

【００４３】本実施例の感触再現装置１は、図１、図２
に示すとおり、グローブ部７０１と、袋部７０２と、シ
ャシー７０３と、エアバッグ８０１，８０２と、ワイヤ
８０３とを備えている。

【００４４】グローブ部７０１は、その名の通り全体が
グローブ状であり、その内部には手を挿入するための空
間を備えている。

【００４５】エアバッグ８０１，８０２は、既に述べた
とおり、その内部に空気を流入／排出させられることで
膨張／縮小するものである。エアバッグ８０１，８０２
は、シャシー７０３に取り付けられた袋部７０２に収容
され、該グローブ部７０１の掌の部分に設置されてい
る。

【００４６】エアバッグ８０１は、操作者の手（さらに
は、指）全体に加わる圧力を再現するために用いられる
ものである。そのため、エアバッグ８０１はほぼ手全体
に行き渡る大きさと（あるいは、手よりも大きく）され
ている。該エアバッグ８０１は、シャシー７０３に固定
されている。

【００４７】エアバッグ８０２は、主として掌の各部位
や各指毎の局部的且つ細かな圧力感覚を再現するのに用
いられるものである。そのため、エアバッグ８０２はエ
アバッグ８０１よりも小さくされている。そして、この
小さなエアバッグ８０２を、エアバッグ８０１とグロー
ブ部７０１との間において、手の各部位（指先の腹の部
位、各指の関節と関節の間の部位、掌の部位）に対応し
て複数個配置することで、手の平のほぼ全体をカバーし
ている。また、エアバッグ８０２はグローブ部７０１の
各指の間にも配置しており、これにより操作者の指の腹
の部分だけからではなく、指の側面部からも感触を得る
ことができるようになっている。

【００４８】エアバッグ８０２とグローブ部７０１との
間に余分な隙間があくと、感触を正確に再現することが
できない。そのため、このような隙間が生じないよう
に、エアバッグ８０２はグローブ部７０１およびエアバ
ッグ８０１に固定されている。

【００４９】エアバッグ８０１，８０２としては、気密
な構造をもち、媒体を流入することにより膨張し、エア
バッグが所定の体積まで膨張すると、それ以上は圧力を
高くしても体積がほとんど膨張しないような性質のもの
を用いる。媒体としては、本実施例では空気を用いてい
るが、これ以外にも様々な流体（水等の液体、窒素等の
気体）を用いることができる。

【００５０】ワイヤ（線材）８０３およびシャシー７０
３は、エアバッグ８０１，８０２の圧力を、グローブ部
７０１（すなわち、グローブ部７０１に挿入されている
手）に、圧力を効率よく、しかも、所望の位置にのみ伝
えるようにするためのものである。シャシー７０３は、
少なくとも、エアバッグから受ける力によって大きく変
形（撓み）する事のない程度の剛性を備えている。本実
施例においては、金属製の板を用いている。シャシー７
０３は、グローブ部７０１の手のひら部分に沿うように
配置されている。上述のエアバッグ８０１，８０２は、
該シャシー７０３とグローブ部７０１の手のひら部分と
の間に位置している。ワイヤ８０３は、グローブ部７０
１と、シャシー７０３との間隔が所定値以上となるのを
防ぐものである。該ワイヤ８０３は、シャシー７０３
と、グローブ部７０１との間において複数箇所の部位
（例えば、グローブ部７０１の掌や指）に設けられてい
る。ワイヤ８０３としては、エアバッグの収縮動作の妨
げとならないように柔軟で変形容易な線材を用いる必要
がある。該実施態様では、ワイヤ８０３として十分に細
い金属線を用いている。但し、素材はこれに限定される
ものではなく、樹脂や糸、ゴムのようにある程度伸縮す
る素材を用いてもよい。ワイヤ８０３の長さは、エアバ
ッグ８０１やエアバッグ８０２が収縮している状態で
は、操作者が手や指の各部位を自由に折り曲げたり動か
したりできる程度としておく。なお、ワイヤ８０３は、
エアバッグ８０１を貫通することになるが、該貫通部分
において空気の漏れがないように気密を保った構成とさ
れている。

【００５１】各エアバッグ８０１，８０２には、媒体を
出入するための口がそれぞれ２つ設けられており、ここ
には、媒体管７０７が接続されている媒体管７０７に
は、流入用管７０７１と、排出用管７０７２とがある。
このうち流入用管７０７１は、流入させる媒体を通すた
めのものである。排出用管７０７２は、媒体排出に用い
るためのものである。各エアバッグに設けられた２つの
口のうち、一方には流入用管７０７１が、また、他方に
は排出用管７０７２が、ぞれぞれ接続されている。

【００５２】該感触再現装置１は、エアバッグ８０１，
８０２へ媒体の流入／排出を行わせるための機構とし
て、図３に示すとおり、開閉弁９０３，９０４、流入用
ポンプ９０１、排出用ポンプ９０２、駆動制御部１０４
を備えている。

【００５３】流入用ポンプ９０１は、流入管７０７１お
よび開閉弁９０３を通じて、エアバッグ８０１，８０２
に媒体を流入させるのに必要な圧力を発生させるもので
ある。

【００５４】開閉弁９０３はエアバッグ８０１，８０２
に流入する媒体の量（流入速度）を加減するためのもの
であり、各エアバッグ毎に設けられている。各開閉弁９
０３は、駆動制御部１０４からの指示に従ってそれぞれ
の開度が独立して変更可能になっている。

【００５５】排出用ポンプ９０２は、エアバッグ８０
１，８０２内にある媒体を、開閉弁９０４および排出管
７０７２を通じて排出するための、負圧を発生させるた
めのものである。

【００５６】開閉弁９０４は、エアバッグ８０１，８０
２内に蓄積された媒体を排出する量（排出速度）を加減
するためのものであり、各エアバッグ毎に設けられてい
る。各開閉弁９０４は、駆動制御部１０４からの指示に
従ってそれぞれの開度が独立して変更可能になってい
る。

【００５７】本実施例では、開閉弁９０３，９０４とし
て、その開度を連続的に変更可能なものを採用してい
る。

【００５８】駆動制御部１０４は、別途入力される感触
情報等に応じて、開閉弁９０３、９０４の開度、ポンプ
９０１，９０２の生じさせる圧力を制御することで、エ
アバッグを適宜膨張／収縮させるものである。駆動制御
部１０４は、グローブ部７０１に挿入されている手や指
の特定の部位に作用させようとしている圧力の値と、手
の姿勢と、個々のエアバッグ８０１，８０２に流入させ
る媒体の体積と、のあらかじめ定められた関係が格納さ
れたデータテーブルを、あらかじめ備えている。従っ
て、該駆動制御部１０４は、別途入力された感触情報に
基づいて、該データテーブルを参照することで、各エア
バッグに流入／排出させる媒体の量（後述の体積Ｖ１）
を決定するようになっている。また、駆動制御部１０４
はこの他にもポンプ等の制御上必要な各種データ（例え
ば、各ポンプ９０１、９０２の能力を示すデータ）をあ
らかじめ備えている。

【００５９】次に、本実施例の感触再現装置１が備えて
いる操作入力のための機構を説明する。

【００６０】該感触再現装置１は、操作者の手の位置や
指の曲がり角度を検出するために、グローブ部７０１に
角度検出器７０４および磁気発生器７０５、制御信号線
７０６を備えている。なお、図１では角度検出器７０４
及び磁気発生器７０５への信号線は省略している。

【００６１】手の３次元的な位置は、磁気発生器７０５
の発生する磁気（磁界の強さ、方位）を、別途用意した
磁気センサ（注：後述の第２の実施例では位置検出部１
０３が備える）で検出・特定することで、知ることがで
きる。図では、磁気発生器７０５を１つしか描いていな
いが、実際には、複数箇所に該磁気発生回路７０５を備
えている。

【００６２】指の位置や指の各関節の曲がり角度は、角
度検出器７０４の出力する信号を別途用意した位置検出
部（注：後述の第２の実施例では位置検出部１０３が備
える）で検出することができる。本実施例では、角度検
出器７０４を、可変抵抗素子である導通性ゴムを関節部
に設置することで実現している（頭２参照）。該角度検
出器７０４の詳細を図４を用いて説明する。該角度検出
器７０４は、導通性ゴム２０２を、グローブ部７０１の
外皮を構成する被覆部２０１の折れ曲がる部分（例え
ば、指の関節部）に複数設置したものである。各導通性
ゴム２０２は、止め具２０３により被覆部２０１に固定
している。各導通性ゴム２０２は、リード線２０４によ
り別途用意された位置検出装置（後述する実施例におけ
る位置検出部１０３に相当する）に接続されている。

【００６３】導通性ゴム２０２は伸縮に伴ってその抵抗
値が変化する。操作者がグローブ部７０１を装着した状
態で指などを曲げると、その部位に設置されている導通
性ゴム２０２が引き伸ばされて、導通性ゴム２０２の抵
抗値はその折り曲げた角度に応じた値に変化する。従っ
て、上述の位置検出装置は、この抵抗値の変動を検出す
ることで関節の曲がり角度などを知ることができる。位
置検出装置に導通性ゴム２０２の抵抗値（あるいは電流
値）と、各導通性ゴム２０２の設置場所毎の曲がり角度
との関係を示すデータをあらかじめ用意しておく。該位
置検出装置は、このデータを参照することでかく関節な
どの曲がり角度やねじり角度を検出する事ができる。

【００６４】本実施例では、曲がり角度の検出素子とし
て導通性ゴムを用いているが、引き延ばされたり圧縮さ
れたりすることで抵抗値が変化するものであればこれ以
外の素子を用いてもよい。なお、このような素子は、素
子を変形させるのに必要な力が指などを曲げる際の抵抗
力となる。従って、できるだけ弾力係数の低いものを採
用することが望ましい。

【００６５】制御信号線７０６としては、磁気発生器７
０５を駆動する電源線、角度検出器７０４の出力する信
号を伝える信号線、袋部７０２に備わるエアバッグの制
御に用いる信号線等がある。

【００６６】特許請求の範囲において言う“装着部”と
は、本実施態様においてはグローブ部７０１に相当す
る。“流体収容部”とは、エアバッグ８０１、８０２に
相当する“第１の流体収容部”とは、エアバッグ８０１
に相当する。“第２の流体収容部”とは、エアバッグ８
０２に相当する。“駆動制御手段”とは、駆動制御部１
０４に相当する。“シャシー”とは、シャシー７０３に
相当する。“制限手段”とは、ワイヤ８０３に相当す
る。“第１の検出手段”とは、角度検出器７０４等に相
当する。“流入排出手段”とは、ポンプ９０１，９０
２、開閉弁９０３，９０４、流入管７０７１、排出管７
０７２に相当する。

【００６７】次に感触の再現動作を図５を用いて説明す
る。

【００６８】駆動制御部１０４は、別途入力される、手
や指の各部位の位置情報を読み込む（ステップ１４０
１）。また、同様に入力される圧力情報を読み込む（ス
テップ１４０２）。そして、これらのデータに基づい
て、データテーブルを参照することで、個々のエアバッ
グ８０１，８０２内にその時保持させておくべきの媒体
の体積Ｖ１を計算する（ステップ１４０３）。該体積Ｖ
１決定の基本方針、すなわち、データテーブルの内容に
ついては後ほど具体的に説明する。なお、該体積Ｖ１の
決定に際して手や指の位置情報をも必要とするのは（言
い換えれば、データテーブル内において手各部の位置
（手の姿勢）をパラメータとして含めているのは）、あ
る圧力値を手に与えるためにエアバッグ内に流入させな
ければならない空気量は、手等の姿勢に応じて異なるか
らである。

【００６９】続いて、駆動制御部１０４はエアバッグ８
０１，８０２のそれぞれについて、すでに流入している
媒体の体積Ｖ２を計算する（ステップ１４０４）。体積
Ｖ２は、エアバッグに既に流入している媒体の体積か
ら、当該エアバッグから既に排出された媒体の体積を減
じることで得られる。エアバッグに流入した媒体の体積
（流入体積）は、開閉弁９０３を開いていた期間と、流
入用ポンプ９０１が媒体に加えている圧力の大きさと、
に基づいて算出できる。エアバッグから排出される媒体
の体積（排出体積）も同様に、開閉弁９０４が開かれて
いた期間と、排出用ポンプ９０２が媒体を排出させる圧
力の大きさと、に基づいて算出できる。

【００７０】体積Ｖ２を求めた後は、個々のエアバッグ
について、体積Ｖ１から体積Ｖ２を減ずることで、エア
バッグに新たに流入（あるいは排出）させるべき媒体の
体積Ｖ３を計算する（ステップ１４０５）。

【００７１】この後、駆動制御部１０４は、個々のエア
バッグ８０１，８０２について、体積Ｖ３の符号を判定
し（ステップ１４５０６、１４０８）、その結果に応じ
て、開閉弁９０３あるいは開閉弁９０４のいずれかを作
動させる。体積Ｖ３が正である場合には、駆動制御部１
０４はステップ１４０７に進んで、開閉弁９０３を制御
して体積Ｖ３だけ媒体をエアバッグに流入させる（Ｓ１
４０７）。一方、体積Ｖ３が負である場合には、駆動制
御部１０４はステップ１４０９に進んで、開閉弁９０４
を開き、体積Ｖ３だけ媒体をエアバッグから排出させ
る。体積Ｖ３が０である場合には、開閉弁９０３、９０
４いずれも作動させない。

【００７２】なお、図５において、ステップ１４０１と
ステップ１４０２の順番は逆であっても良い。また、ス
テップ１４０４をステップ１４０１よりも先に行っても
良い。

【００７３】ステップ１４０３〜ステップ１４０９の処
理は、個々のエアバッグについて、それぞれ独立的に実
行されるものである。従って、あるエアバッグ８０２に
は、媒体が流入されているときに、他のエアバッグ８０
２からは媒体が排出されていることも当然あり得る。

【００７４】このようなエアバッグ８０１，８０２への
媒体の流入及び排出の制御を、一定時間間隔あるいは、
手や指の位置が変わる毎に繰り返し該制御を行う。これ
により、（例えば、マニピュレータを介して触れた）物
体の硬さや柔らかさ、弾力といった感触を、操作者の手
における感触として再現できる。

【００７５】上述のステップ１４０３における体積Ｖ１
の決定は、以下のような基本指針に従って行う（データ
テーブルの内容は以下のような方針に従ってあらかじめ
決定されている）。

【００７６】手や指の各部位に圧力が生じている状態を
再現したい場合（このような状態は、例えば、手や指の
位置が物をつかむように曲げている姿勢において生じ
る）には、エアバッグ８０２にのみ媒体を流入させる。
エアバッグ８０１内には媒体を流入させない。このよう
にすることで、操作者が指を曲げることができるような
状態とすることができる。また、物体を掴むことによっ
て掌に生じる圧力の感触を、操作者に与えることができ
る。

【００７７】指を伸ばした姿勢で掌全体に圧力が加わっ
ている状態を再現したい場合（すなわち、平らな物体に
触れるているかのような感触を再現したい場合）には、
エアバッグ８０１及びエアバッグ８０２ともに媒体を入
れる。この場合、エアバッグ８０１によって、掌の全体
にほぼ一定して加わっている圧力を再現する。また、エ
アバッグ８０２によって、掌の部位毎に異なっている圧
力を再現する。この場合は操作者が指を曲げようとして
も、エアバッグ８０１に媒体が入っているので膨らんだ
エアバッグ８０１が指を曲げる動作を妨げられる。従っ
て、操作者は平らな物体に触れているかのように感じ
る。

【００７８】物体が硬い／柔らかいといった感触は、手
の移動量と、該移動に対応して生じた手に受けている圧
力の変動量と、の関係によって決まる。硬い物体に触っ
た場合には、手の移動量に比べて、手に受ける圧力が急
激に増大する。一方、柔らかい物体に触った場合には、
手に受ける圧力は、徐々に増大してゆく。

【００７９】従って、硬い物体に触ったかのような感触
を再現したい場合には、硬い感触を再現したい部分のエ
アバッグ８０１，８０２に媒体を急激に流入させる。す
るとエアバッグ８０１，８０２は急激に膨張し、操作者
の手に加わる圧力が急増する。その結果、操作者自身の
手の動きとあいまって、操作者は硬いものに触っている
かのような感触を得ることになる。

【００８０】また、柔らかい物体に触ったかのような感
触を再現したい場合には、柔らかい感触を再現したい部
分のエアバッグ８０１，８０２に媒体を徐々に流入させ
る。すると、エアバッグ８０１，８０２は徐々に膨張す
る。操作者の手に加わる圧力の増大もゆっくりとしたも
のとなる。その結果、操作者自身の手の動きとあいまっ
て、操作者は、柔らかいものに触っているかのような感
触を得ることになる。

【００８１】物体に弾力があるか否かといった感触は、
その物体に触っている手を離そうとした時の圧力変動の
様子によって得られるものである。つまり、ゴムボール
等のように弾力性のある物体の場合には、手を離そうと
すると手に受けている圧力は、徐々に減少してゆく。一
方、粘土のように弾力に乏しいものに触った場合には、
該圧力は急速に減少する。

【００８２】従って、弾力のあるものに触っているかの
ような感触を再現したい場合には、弾力感を再現したい
部分のエアバッグ８０１，８０２内の媒体を徐々に排出
させる。するとエアバッグ８０１，８０２は徐々に収縮
するため、操作者の手に加わっている圧力は徐々に減少
する。その結果、操作者自身の手の動きとあいまって、
操作者は、弾力のあるものに触っているかのような感触
を得ることになる。

【００８３】弾力のない物体に触ったかのような感触を
再現したい場合には、当該感触を再現したい部分のエア
バッグ８０１，８０２内の媒体を急激に排出させる。す
るとエアバッグ８０１，８０２は急激に収縮し、操作者
の手に加わっている圧力は急減する。その結果、操作者
自身の手の動きとあいまって、操作者は、弾力のないも
のに触っているかのような感触を得ることになる。

【００８４】上述した各場面においてエアバッグ内に保
持させる空気量は、手の姿勢に応じて定められている。
これは既に述べたとおり、ある圧力を手に付与するのに
必要な空気量は、手の姿勢に応じて異なるからである。
例えば、ある圧力値を指先に付与する場合を考える。指
先を曲げている場合には、当該指はエアバッグ内に押し
込まれたような状態となっているため、エアバッグ内の
空気量はわずかでよい。しかし、指先を伸ばしている場
合には、当該指はエアバッグ内に押し込まれたような状
態とはなっていないため、エアバッグを最大限膨らませ
なければならない。

【００８５】次に、ワイヤ８０３による作用について説
明する。

【００８６】エアバッグに媒体を流入させて膨張させて
も、グローブ部７０１とシャシー７０３との距離が制限
を受けていない場合には、エアバッグの圧力は手に伝わ
りにくい。しかし、各エアバッグが所定量以上膨張する
とワイヤ８０３が張った状態となり、グローブ部７０１
とシャシー７０３との距離はそれ以上拡がらなくなる。
この状態ではエアバッグが膨張すると、その圧力は効率
よく手に伝わる。

【００８７】仮にワイヤ８０３を設けていなくても、エ
アバッグをさらに膨らませてゆけば、いずれ袋部７０２
によって該距離（グローブ部７０２とシャシー７０３と
の距離）は制限されることになる。しかし、袋部７０２
は、単にエアバッグを収容しているだけのものであり、
ワイヤ８０３のごとく、手のひら部分の各部位において
距離を制限しているわけではない。また、袋部７０２に
よる該制限が作用するのは、袋部７０２全体が張った状
態となったときである。従って、このような状態では、
その時、圧力を与えることを意図していない部位にま
で、袋部７０２の引っ張りにより、圧力が加えられてし
まうことにもなる。

【００８８】このようにワイヤ８０３を設けたことで、
所望の位置にのみ効率よく圧力を伝えることができる。

【００８９】以上説明したとおり本実施例の感触再現装
置によれば、操作者の手に思い通りの感触を再現するこ
とができる。

【００９０】該第１の実施例では、エアバッグ８０１を
１個としていた。しかし、図６に示すように、エアバッ
グ８０１についてもエアバッグ８０２のように複数個に
分割した構成としてもよい。このようにすれば、局部的
な生じる圧力感（例えば、指の部分のみで受ける圧迫
感）の再現が容易となる。

【００９１】このようにエアバッグ８０１を複数個に分
割した構成としている場合には、駆動制御部１０４は、
入力された圧力情報から手や指に受けている圧力の大ま
かな分布を計算するようにする。この場合にも、エアバ
ッグ８０１で広い範囲にわたる圧力を再現し、局所的に
作用している圧力は、当該部分に対応する位置にあるエ
アバッグ８０２によって再現するようにする。

【００９２】本実施例では、開閉弁９０３，９０４とし
て開度を連続的に調整可能なものを採用していた。しか
し、弁の開度を２値的に（開状態／閉状態）のみ変更可
能なものを用いてもよい。このような開閉弁を採用して
いる場合には、流入量や排出量の調節は、弁の開閉動作
を繰り返し行い、弁が開いている期間と弁が閉じている
期間の長さを変更することで行う。

【００９３】本実施例では、開閉弁９０３及び開閉弁９
０４を、袋部７０２に収納している。しかし、これらは
袋部７０２の外部に設置してもよい。

【００９４】開閉弁９０３は流入用ポンプ９０１に設置
し、開閉弁９０２は排出用ポンプ９０２に設置してもよ
い。このようにすれば、操作者が装着する装置を軽量化
できる。また、袋部７０２に収納されている部品数が少
なくなり、手や指の可動範囲を大きくできる。

【００９５】個々のエアバッグを膨張／収縮させる制御
の詳細は、上述した処理（図５参照）には限られない。
例えば、本感触再現装置１を、マニピュレータが操作対
象物から受けている感触を再現するのに用いている場合
には、グローブ部７０１に加わる圧力が、マニピュレー
タに加わる圧力と等しくなるように制御を行ってもよ
い。この場合には、グローブ部７０１と袋部７０２との
間に、圧力センサを複数設置することで、グローブ部７
０１の各部で受けている圧力の大きさを検出する。駆動
制御部１０４は、マニピュレータの各部に加わっている
圧力の大きさと、グローブ部７０１の各部に加わってい
る圧力の大きさとを比較し、その結果に応じて各エアバ
ッグ８０１，８０２に媒体を流入／排出させることで、
マニピュレータが受けている圧力と同じ大きさの圧力が
グローブ部７０１に加わるようにする。

【００９６】腕や指などの関節部の曲がり角度を検出す
る方法としては、光ファイバーを用いてもよい。この方
法では、操作者が装着する装置の折れ曲がる部分やねじ
曲がる部分に光ファイバーを設置しておく。そして、発
光素子等により発せさせた光をこの光ファイバーを通
し、該光ファイバーを通過してきた光をフォトダイオー
ドなどの光量検出素子で検出する。この場合、光ファイ
バー内を通過する光の量は、ファイバーの折れ曲がり量
に応じて異なる。従って、光量の減少量を光量検出素子
により検出することで曲がり角度を検出することができ
る。

【００９７】上述の説明では、制御の基になる位置情報
および圧力情報の出所については特に言及していなかっ
た。該圧力情報等の出所は特に限定されない。従って、
手の動きと同じようにマニピュレータ一を作動させ、該
マニピュレータが物体から受けた圧力を圧力センサなど
によって検出し、該検出結果（マニピュレータが受けて
いる圧力）を手に再現するようにしてもよい。ここで述
べたマニピュレータを、計算機上シミュレーションに置
き換え、該シミュレーションによって得られた結果を、
手において再現するようにしてもよい。このようなシス
テム例をこの後、第２、第３、第４の実施例として説明
する。本実施例で述べた感触再現装置１は手の動きを検
出する機構をも備えているため、このようなシステムに
そのまま適用可能である。

【００９８】該感触再現装置１は、エアバッグ８０１，
８０２へ媒体の流入／排出を行わせるための機構とし
て、図３のような構成をとっていた。しかし、図７のよ
うな構成としてもよい。図７の例では、排出用ポンプ９
０２、媒体排出用管７０７２を省略している。このよう
な構成を採った場合、排出する空気は排出用弁９０４を
介して装置外部に排出される。この例では、感触再現部
１の構成を簡素化にできる。

【００９９】駆動制御部１０４は、上述した感触再現の
駆動制御の他、マニピュレータ部１０８の形状や能力に
応じて以下のような制御を行ってもよい。

【０１００】例えば、アームの駆動力が弱い場合（例え
ば、微細な物体のみを扱うことを想定している小型のマ
ニピュレータに適用する場合）には、圧力センサで検出
されるセンサ出力値をそのまま操作装置側で再現して
も、感触情報の示す圧力値が微弱であるため、操作者に
は感触が十分伝わらない可能性がある。逆に、アームの
駆動力が大きい場合（例えば、人力で扱えないような大
きな物体を扱うことを想定した大型のマニピュレータに
適用する場合）には、圧力センサに検出される圧力が強
すぎて、そのままでは感触を再現できない場合がある。
そこで、駆動制御部１０４は、マニピュレータ部１０８
の性能に合わせて圧力値を変換する処理（例えば、圧力
値の拡大縮小、γ特性を考慮した修正）を行うようにし
てもよい。これを実現するには、感触情報の変換処理の
手順を駆動制御部１０４にあらかじめ設定しておけばよ
い。このようにすれば、操作者に適切な感触が再現され
るようにできる。

【０１０１】また、感触情報の中には、そのまま再現す
ると操作者に対して害を与えたり不快感を与えるような
異常なものもある。このような異常な感触情報を検出し
た場合には、その感触情報を無効化（あるいは、所定の
範囲内にまで値を修正）するリミット制御を行ってもよ
い。

【０１０２】このような感触情報の変換処理やリミット
制御は駆動制御部１０４で行わず、遠隔装置の感触検出
部１１１において行うようにしてもよい。当然ながら、
このためには、感触検出部１１１にそのような処理を行
う処理部を備えるようにする。

【０１０３】本実施例の感触再現装置１は、単に感触を
再現するのみならず、入力装置としても使用することを
前提としている。つまり、感触を再現する際に、手の姿
勢がその時々に応じて変化することを前提としているも
のであった。そのため、上述の体積Ｖ１を求めるのに使
用されるデータテーブルは、手各部の位置情報（姿勢）
もパラメータの一つとしていた。しかし、入力装置とし
ての機能を備えておらず、手の姿勢を固定した状態で単
に、硬い／柔らかいといった感触を再現するだけでよい
のであれば、データテーブルには手各部の位置情報（手
の姿勢）をパラメータとして含める必要はない。

【０１０４】本実施例の感触再現装置は、手に対して感
触を再現するものであった。しかし、感触を再現する人
体部位は、手に限定されない。例えば、腕、足等に対し
て感触を再現するようにすることも当然可能である。こ
の場合には、上述のエアバッグの配置等は、感触再現の
対象部位に応じたものとする。

【０１０５】第２の実施例 本実施例は、手の動きに合わせてマニピュレータを作動
させるとともに、マニピュレータが物体から受けた感触
を感触再現装置によって再現するシステムである。

【０１０６】該システムは、図８に示すとおり、操作装
置と、遠隔装置とからなる。

【０１０７】操作装置は、操作者の操作入力を受け付け
ると共に操作者に対して様々な感触を再現するものであ
る。

【０１０８】遠隔装置は、遠隔操作により駆動可能なマ
ニピュレータと、感触情報を検出する感触センサを備え
る遠隔装置と、により構成されている。

【０１０９】操作者は操作装置を介して遠隔装置に操作
指示を与えることにより、遠隔装置に備えられたマニピ
ュレータを作動させ、遠隔地にある物体に触れたり掴ん
だりする。また、マニピュレータに備えられた感触セン
サにより検出された感触情報は、操作装置に送られて、
操作装置に備えられている感触再現部によって再現され
る。このような一連の動作によって、操作者の操作に応
じてマニピュレータに動作を行わせると共に、マニピュ
レータでふれている物体の感触を再現して操作者に与え
ることができる。

【０１１０】先ず、操作装置について説明する。

【０１１１】操作装置は、図８に示すとおり、システム
制御部１０１と、操作入力部１０２と、位置検出部１０
３と、駆動制御部１０４と、感触再現部１０５と、通信
制御部１０６とから構成されている。

【０１１２】システム制御部１０１は操作装置の制御を
行うものである。

【０１１３】操作入力部１０２は、操作者の所定部位の
位置、角度等を動きを検出し出力するものである。駆動
制御部１０４は、システム制御部１０１が出力する感触
情報に従って、感触再現部１０５の駆動装置を駆動する
ものである。感触再現部１０５は駆動制御部１０４によ
り制御され、物体の表面の形状や接触圧力などを再現す
るものである。該操作入力部１０２を実現するために必
要な、操作者の身体の各部位の位置情報を検出する３次
元入力装置としては、スーツ状やグローブ状のものが既
に実用化されている。

【０１１４】このような入力装置に感触再現部１０５を
組み合わせたものを本システムで用いることができる。
該第２の実施例では、第１の実施例の感触再現装置１を
そのまま、操作入力部１０２、駆動制御部１０４、感触
再現部１０５として採用している。なお、図３における
エアバッグ８０１，８０２、流入用ポンプ９０１、排出
用ポンプ９０２、開閉弁９０３，９０４が、本実施例に
おける感触再現部１０５に相当する。また、図４におけ
る導通性ゴム２０２等が操作入力部１０２に相当する。

【０１１５】位置検出部１０３は、操作入力部１０２の
出力信号（すなわち、第１の実施例における磁気発生回
路７０５、角度検出素子７０４の出力信号）に基づい
て、位置情報（操作者の身体の所定部位の位置，角度）
を得て、これをデジタルデータに変換してシステム制御
部１０１に出力するものである。

【０１１６】通信制御部１０６はシステム制御部１０１
が出力する操作入力部１０２の各部位の位置情報を遠隔
装置側に送信するものである。また、遠隔装置側から送
信される感触情報を受信するものである。

【０１１７】遠隔装置について説明する。

【０１１８】遠隔装置は、システム制御部１０７と、マ
ニピュレータ部１０８と、位置検出部１０９と、姿勢制
御部１１０と、感触検出部１１１と、通信制御部１１２
とから構成されている。

【０１１９】システム制御部１０７は、遠隔装置側の制
御を行うものである。

【０１２０】マニピュレータ部１０８は、図９に示すと
おり、人の手や腕に相当する義手やアーム（図示せず）
と、各アームを動かす駆動部１０８１と、位置検出セン
サ１０８２と、感触センサ１０８３とを備えている。

【０１２１】駆動部１０８１は、各関節毎に設けられて
おり、姿勢制御部１１０の指示に従ってアームの姿勢、
位置を変更させるものである。本実施例では、該駆動部
１０８１を、ステッピングモータを用いて構成してい
る。

【０１２２】位置検出センサ１０８２は、アームの位
置、姿勢を検出するものである。該位置検出センサ１０
８２は、その検出結果を示す信号を位置検出部１０９に
出力している。位置検出センサ１０８２は、磁気発生器
をアームの各ジョイント部に設置し、磁気センサで各磁
気発生器の位置を検出してもよい。

【０１２３】感触検出センサ１０８３は、アーム等が操
作対象物から受けている感触（圧力）を検出するための
ものである。本実施例では感触センサとして、圧力セン
サを採用している。

【０１２４】感触検出センサ１０８３をアームに配置し
たときの構造を図１０に示した。

【０１２５】圧力センサ１０８３は、アームの周囲にお
ける、感触を再現したい身体の部位に対応する位置に、
並列に配置している。各センサ１０８３は、マニピュレ
ータ部１０８の各部位の表面に対して垂直な方向の圧力
を検出できるようにしている。これにより、圧力センサ
１０８３は、アームが物体に触れたり掴んだりしたこと
によって生じる圧力を検出する。圧力センサ１０８３に
は、例えば感圧導通性ゴムや半導体ストレインゲージを
用いることができる。これらのセンサは受ける圧力の大
きさによって抵抗値が変わる性質を有している。

【０１２６】圧力センサ１０８３の表面には、センサを
保護するための保護層６０４を設けている。また、アー
ム６０１と圧力センサ１０８３との間には、緩衝材６０
２を設置することで、アームが物体に接触した場合に接
触の衝撃で圧力センサ１０８３に瞬間的に高い圧力が生
じるのを防いでいる。また、圧力センサ１０８３の検出
する圧力が、人が手で物体に触れたときに身体に加わる
圧力と同程度になるようにする。緩衝材６０２として
は、例えばウレタンやスポンジなどを用いることができ
る。人の皮膚や肉など身体表面部分と同じ程度の弾力係
数を有するものが望ましい。

【０１２７】図８における位置検出部１０９は、位置検
出センサ１０８２の出力する信号に基づいて、アーム等
の位置情報（例えば、各部位の位置や関節の曲がり角
度）を得ている。そして、得られた位置情報をデジタル
信号に変換して姿勢制御部１１０に出力するようになっ
ている。

【０１２８】位置検出部１０９は、図１１に示すよう
に、Ａ／Ｄ変換器４０３と、スイッチ４０２とから構成
されている。スイッチ４０２は、複数あるスイッチ４０
２の出力信号のうち、その時、Ａ／Ｄ変換の対象とする
ものを選択するものである。該スイッチ４０２は、各セ
ンサ１０８２を一つづつ順次選択してゆくようになって
いる。スイッチ４０２による選択は、各センサ１０８２
に番号を付与しておき、この番号順に電子的に選択する
ようにしてもよい。センサｎまで検出を行った後は再び
センサ１から順番にセンサ出力値の検出を行うようにす
る。なお、スイッチ４０２による選択は、機械的な機構
によって実現してもよい。

【０１２９】姿勢制御部１１０は、システム制御部１０
７の出力（アーム等の位置情報）と、位置検出部１０９
の出力（マニピュレータ部１０８の各部位の位置情報）
とに基づいて、アーム等が、操作者の動作と同様の動作
を行うようにマニピュレータ部１０８を制御するもので
ある。

【０１３０】感触検出部１１１は、感触検出センサ１０
８３の検出結果に基づいて、マニピュレータの各部位の
感触情報を得るものである。感触検出部１１１は、圧力
センサ１０８３の抵抗値（あるいはセンサを流れる電流
の大きさ）を検出することで、センサ１０８３に加わっ
ている圧力の大きさを検出する構成となっている。該感
触検出部１１１は、検出したこの感触情報を、デジタル
信号に変換してシステム制御部１０７に出力する構成と
なっている。

【０１３１】感触検出部１１１は、図１１と同様の回路
構成によって圧力センサ１０８３と接続されている。こ
れにより、各圧力センサ１０８３の出力値を順次検出で
きる。なお、特に述べなかったが、操作装置の位置検出
部１０３も同様の回路構成となっている。

【０１３２】通信制御部１１２は、操作装置から送信さ
れてきた位置情報を受信してシステム制御部１０７に出
力するものである。また、システム制御部１０７が出力
するマニピュレータ部１０８の各部位の感触情報を操作
装置に送信するものである。

【０１３３】特許請求の範囲第１４項において言う“操
作入力手段”とは、本実施態様における操作入力部１０
２、位置検出部１０３、システム制御部１０１等に相当
する。“マニピュレータ”とは、マニピュレータ部１０
８、位置検出部１０９、姿勢制御部１１０、システム制
御部１０７等に相当する。“第２の検出手段”とは、セ
ンサ１０８３、感触検出部１１１、システム制御部１０
７等に相当する。“第１の検出手段”とは、操作入力部
１０２、位置検出部１０３等に相当する。

【０１３４】該システムの動作を説明する。

【０１３５】操作者が感触再現装置を装着した状態で動
作を行うと操作入力部１０２及び位置検出部１０３は、
操作者の手、指の各部位の位置および向き、関節の曲が
り角度などの位置情報を所定時間毎に検出し、その動作
状態を逐次検出している。位置検出部１０３はこの検出
結果をデジタル値に変換してを、逐次、システム制御部
１０１へ出力する。システム制御部１０１は、位置検出
部１０３が出力する位置情報を通信制御部１０６を通じ
て、遠隔装置へ送信する。また、同様の情報を駆動制御
部１０４へも出力する。

【０１３６】遠隔装置のシステム制御部１０７は、通信
制御部１１２を介して受信される操作装置からの位置情
報を姿勢制御部１１０に出力する。これと並行して、位
置検出部１０９は、マニピュレータ部１０８の各部に備
えられた位置センサ１０８２の出力信号を検出し、これ
を所定のディジタル信号に変換して姿勢制御部１１０に
出力している。

【０１３７】姿勢制御部１１０は、マニピュレータ部１
０８の各部位が操作者と同様の動作を行なうようにマニ
ピュレータ部１０８を駆動させる。該制御は具体的に
は、システム制御部１０７から入力された操作者の位置
情報と、位置検出部１０９から入力された位置情報と、
をそれぞれメモリに蓄積し、対応する部位の位置情報を
比較しながら、駆動部１０８１を駆動制御することで行
う。なお、該姿勢制御部１１０による姿勢制御動作シー
ケンスについては、後ほど図１２を用いてさらに詳細に
説明する。

【０１３８】感触検出部１１１およびセンサ１０８３
は、アームの所定部分が受ける圧力を検出する。そし
て、これをデジタル値に変換してシステム制御部１０７
へ出力する。

【０１３９】システム制御部１０７は、これを感触情報
として、通信制御部１１２を通じて操作装置へ出力す
る。

【０１４０】操作装置のシステム制御部１０１は、通信
制御部１０６を通じて受信された遠隔装置からの感触情
報（圧力情報）を駆動制御部１０４に出力する。

【０１４１】駆動制御部１０４は、上述の感触情報と、
手の位置情報とに基づいて、感触再現部１０５を作動さ
せることで、操作者の手にマニピュレータが受けている
のと同じ感触を再現させる。

【０１４２】例えば、操作者がマニピュレータ部１０８
を介して触れた物体が硬い物体である場合を考える。操
作者がさらにその物体を押そうとしたり掴もうとしたり
する動作を行うと、手や指などの位置の変位がわずかな
ものであっても、マニピュレータ部１０８の物体に接触
している部位には急激に高い圧力が生じる。この圧力の
変化の様子が圧力センサ６０３によって検出され、駆動
制御部１０４へ通信される。また、操作入力部１０２等
が検出した手の各部位の位置（姿勢）も、システム制御
部１０１を通じて、駆動制御部１０４へ入力される。

【０１４３】駆動制御部１０４は、感触再現部１０５を
作動させて、この圧力の急変化をエアバッグ８０１，８
０２を介して操作者の手や指にフィードバックすること
で、マニピュレータ部１０８を介して触れいている物体
は硬い物体であることを操作者に知らせることができ
る。

【０１４４】逆に、操作者がマニピュレータ部１０８を
介して柔らかい物体に触れている場合には、操作者がさ
らにその物体を押そうとしたり掴もうとしたりする動作
を行うと、マニピュレータ部１０８の物体に接触してい
る部位の圧力は徐々に上昇する。システムは、このよう
なこの圧力変化の様子を、エアバッグ８０１，８０２を
介して操作者の手や指にフィードバックする。操作者
は、手や指の位置を大きく変位させて（あるいは、変位
させようと）いるのに、手や指から受ける圧力の変化が
小さいことから、マニピュレータ部１０８を介して触れ
ている物体が柔らかい物体であることを知ることができ
る。

【０１４５】操作者がマニピュレータ部１０８を介して
触れた物体がゴムボール等のように弾力性のある物体で
ある場合には、操作者がさらにその物体を押そうとした
り掴もうとしたりする動作を行うと、マニピュレータ部
１０８の物体に接触している部位の圧力は徐々に上昇す
る。また、その物体を徐々に放そうとすると、物体の弾
力によりマニピュレータ部１０８の物体に接触している
部位の圧力は徐々に下降する。システムは、このような
圧力変動の様子を、エアバッグ８０１、８０２を介し
て、操作者に与える。これにより、操作者は、マニピュ
レータ部１０８を介して触れている物体が弾力のある物
体であることを知ることができる。

【０１４６】逆に、操作者がマニピュレータ部１０８を
介して触れた物体が粘土等のように弾力性のない物体で
ある場合には、操作者がさらにその物体を押そうとした
り掴もうとしたりする動作を行った場合には、マニピュ
レータ部１０８の物体に接触している部位の圧力は徐々
に上昇する。また、その物体を徐々に放そうとすると、
当該物体には弾力がないためマニピュレータ部１０８の
物体に接触していた部位の圧力は急激に下降する。シス
テムは、このような圧力変動の様子をエアバッグ８０
１、８０２を介して操作者に与える。これにより操作者
は、マニピュレータ部１０８を介して触れている物体が
弾力のない物体であることを知ることができる。

【０１４７】次に、姿勢制御部１１０の動作シーケンス
を図１２を用いて説明する。

【０１４８】姿勢制御部１１０は、操作者のある部位の
位置情報とマニピュレータ部１０８の対応する部位の位
置情報とをメモリから読み出す（ステップ５０１）。そ
して、双方の値を比較する（ステップ５０２、５０
３）。該比較の結果、双方の値が一致していない場合
（すなわち操作者の手と、マニピュレータのアームと
で、その位置が一致していない部位がある場合）には、
姿勢制御部１１０は双方の値が一致するように、対応す
る部位の駆動部１０８１を駆動制御する（ステップ５０
４）。この後は、再びステップ５０１に戻り、同様の処
理を繰り返す。

【０１４９】なお、ステップ５０３において両者の値が
一致していた場合には、そのままステップ５０１に戻
り、同様の処理を繰り返す。

【０１５０】姿勢制御部１１１０は、以上述べた処理を
マニピュレータ部１０８の各部位に対して繰り返し行
う。これにより、操作者の動作と同様の動作をマニピュ
レータ部１０８に対して行わせることができる。例え
ば、操作者が人差し指を曲げる動作を行うと、これに応
じて、マニピュレータ部１０８の人差し指の部分を曲げ
る。

【０１５１】マニピュレータのアームの位置検出方法
は、例えばアームを動かすときに各駆動部１０８１をど
れだけ駆動したかの駆動量を検出することにより、各ア
ームのジョイント部の曲がり角度を検出するようにして
もよい。また、これらの方法を組み合わせてもよい。例
えば、アームの位置は磁気センサによって検出し、一
方、アームの各指の曲がり角度は、アームを駆動する駆
動部１０８１の駆動量に基づいて検出するようにしても
よい。

【０１５２】第３の実施例 該第３の実施例のシステムは、マニピュレータの受ける
感触だけでなく映像及び音声をも再現できるようにした
ものである。そのため、該第３の実施例のシステムは、
図１３に示すように、第２の実施例として示したシステ
ム構成（図８参照）に加えて、以下のような構成を備え
ている。

【０１５３】カメラ１１３は、遠隔装置側の様子を映し
所定のアナログ映像信号を出力するものである。

【０１５４】映像符号化部１１４は、カメラ１１３の出
力する映像信号を所定の手順でＡ／Ｄ変換し、符号化す
るものである。

【０１５５】マイク１１７は、遠隔装置側の音声を所定
のアナログ音声信号にして出力するものである。

【０１５６】音声符号化部１１８は、マイク１１７から
のアナログ音声信号を所定の手順でＡ／Ｄ変換し、符号
化するものである。

【０１５７】符号化された、映像信号および音声信号
は、感触情報などと共に、システム制御部１０７、通信
制御部１１２によって操作装置へ出力されるようになっ
ている。なお、通信制御部１１２が出力する信号は、こ
れを受け取った操作装置が当該信号の種類（映像信号、
音声信号等）が、区別できるようにされていることは言
うまでもない。

【０１５８】操作装置のシステム制御部１０１は、通信
制御部１０６を通じて、遠隔装置から送られてきた各種
信号中から、映像信号、音声信号、感触情報等を識別
し、それぞれに対応する復号化部１１５等へ出力するよ
うになっている。

【０１５９】映像復号化部１１５は、システム制御部１
０１等を通じて受け取った、符号化された映像信号を、
所定の手順で復号化しＤ／Ａ変換するものである。

【０１６０】表示部１１６は、映像復号化部１１５によ
ってアナログ信号に変換された映像信号を、映像として
表示するものである。表示部１１６として、ＣＲＴモニ
タを用いているが、この他、頭部に装着するヘッドマウ
ントディスプレイ等を用いても良い。

【０１６１】音声復号化部１１９は、システム制御部１
０１等を通じて受け取った、符号化された音声信号を所
定の手順で復号化しＤ／Ａ変換するものである。

【０１６２】スピーカ１２０は、音声復号化部１１９に
よってアナログ信号に変換された音声信号を、音声とし
て出力するものである。

【０１６３】システムの動作概要を説明する。

【０１６４】システム制御部１０１は、位置検出部１０
３が出力する操作者の位置情報を、通信制御部１０６を
通じて遠隔装置に出力する。また、感触の再現動作に備
えて、同様の情報を駆動制御部１０４にも出力する。

【０１６５】遠隔装置のシステム制御部１０７は、通信
制御部１１２を介して受信される操作側装置からの位置
情報を位置制御部１１０に出力する。位置制御部１１０
はこれに応じてマニピュレータ部１０８のアーム等を作
動させる。

【０１６６】システム制御部１０７は、感触検出部１１
１、映像符号化部１１４及び音声符号化部１１８からそ
れぞれ出力される感触情報，映像信号および音声信号
を、通信制御部１１２を通じて、操作装置へ出力する。

【０１６７】操作装置のシステム制御部１０１は、通信
制御部１０６を介して受信される遠隔装置からの感触情
報、映像信号、音声信号情報等をそれぞれ、駆動制御部
１０４、映像復号化部１１５及び音声復号化部１１７に
出力する。すると、これらの各部は、入力された情報に
基づいて、感触、映像および音声を、感触再現部１０
５、表示部１１６およびスピーカ１２０において再現さ
せる。

【０１６８】なお、通信制御部１０６と通信制御部１１
２との間では、位置情報、感触情報、映像信号および音
声信号の他、通信に必要な所定の通信情報、操作装置と
遠隔装置との間で装置の状態などを示すシステム情報等
の通信も行われるようになっている。

【０１６９】通信制御部１０６と通信制御部１１２との
間における通信方式は、有線あるいは無線を用いた方式
のどちらでも良い。当然ながら、通信制御部１０６及び
通信制御部１１２は、通信方式に応じて、符号化・復号
化装置、変復調装置、リンクアクセス制御装置等を備え
る。

【０１７０】本実施例では音声及び映像をも取り扱うた
め、通信制御部１０６と通信制御部１１２との間で通信
するデータ量が多い。そのため通信回線には、ある程度
のデータ伝送速度が必要である。伝送速度が遅い通信方
式（例えば、無線通信、公衆電話網）を用いたのでは、
位置制御や感触情報、映像情報、音声情報の再現に十分
なデータ量を通信することができない。しかし、通信す
るデータを圧縮することよって解決できる。

【０１７１】音声情報や映像情報の圧縮方式は従来から
多くの方法が検討されており、これらの中から適切な方
法を用いることで、映像情報及び音声情報を圧縮するこ
とができる。

【０１７２】位置情報及び感触情報についても圧縮する
ことができる。該圧縮は、例えば以下のようにして行う
ことができる。位置情報が前回検出したときの値から変
化していない場合（すなわち、その部位の位置が変化し
ていない場合）は、当該部位についての位置情報は通信
しないようにしてもよい。これにより、通信する位置情
報の量を減らすことができる。この方法は、感触情報の
圧縮にも適用できる。

【０１７３】感触情報の圧縮には以下のような方法を用
いることもできる。感触センサ１０８３が比較的近接し
て設置されている場合、隣接するセンサ同士や比較的近
い位置に配置されているセンサ同士は、ほぼ同じ値を出
力する。そこで、各部位におけるセンサの出力値に基づ
いて、部位毎に基準値を求める。この基準値としては、
例えば、部位毎のセンサ出力値の平均値あるいは最小値
を用いることができる。通信においては、初回のみこの
基準値を通信し、その後は、該基準値からのずれである
差分情報を通信するようにする。このようにすれば、通
信するデータ量が通信回線の伝送速度を上回っておりす
べての感触情報を操作装置側に通信できない場合でも、
基準値の情報に基づいた感触の再現はできる。そのた
め、操作者は大まかな感触を得ることができる。

【０１７４】以上説明したとおり、本実施例では、遠隔
装置にあるマニピュレータ部１０８を介して実在する物
体に触れたり掴んだりすることによって生じる感触情報
を操作者に対して再現することができる。さらに、操作
者は感触情報だけでなく映像情報及び音声情報を元に遠
隔装置を操作することができる。従って、直接視認でき
ないような所に遠隔装置がある場合でも、マニピュレー
タを正確に作動させることができ、作業が容易となる。

【０１７５】第４の実施例 本実施例のシステムは、第３の実施例における遠隔装置
を、情報処理装置によるシミュレーションに置き換えた
ものである。上述のマニピュレータは、該シミュレーシ
ョン上における仮想のマニピュレータとして実現してい
る。従って、操作者は、仮想マニピュレータを作動さ
せ、仮想物体に触れたり掴んだりするとともに、仮想マ
ニピュレータの操作によって生じる感触を得ることがで
きる。

【０１７６】本実施例のシステムを図１４に示した。

【０１７７】システム制御部システム制御部１３０１
は、情報処理装置の制御を行うものである。

【０１７８】操作入力部１０２、位置検出部１０３、駆
動制御部１０４、感触再現部１０５は、他の実施例と同
様第１の実施例で説明した装置を使用している。

【０１７９】オブジェクト処理部１３０２は、仮想空間
上において、仮想物体及び仮想マニピュレータをシミュ
レーションによって生成するものである。また、操作者
の操作指示に応じて、この仮想マニピュレータを作動さ
せ、感触情報をもシミュレーションによって生成するも
のである。仮想マニピュレータとは、人の身体の一部
（特に手）をシミュレートしたものである。オブジェク
ト処理部１３０２は、シミュレーションによって得た感
触情報、オブジェクト情報、音声情報をそれぞれ、シス
テム制御部１３０１を通じて、駆動制御部１０４、画像
処理部１３０３及び音声処理部１３０５へ出力するよう
になっている。なお、オブジェクト情報には、視覚的な
外形（色、形）の情報、硬さ／柔らかさ、外力によって
どのように変形するか、等の構造的な情報が含まれてい
る。

【０１８０】画像処理部１３０３は、オブジェクトの情
報を視覚化するための画像処理を行い、所定の映像信号
を生成するものである。生成した映像信号は、表示部１
３０４へ出力している。

【０１８１】表示部１３０４は、画像処理部１３０３か
ら出力された映像信号の表示を行うものである。

【０１８２】音声処理部１３０５は、符号化された音声
信号を所定の手順で復号化しＤ／Ａ変換するものであ
る。そして、変換後のデータは、スピーカ１３０６に出
力している。

【０１８３】スピーカー１３０６は、音声復号化部１３
０５でアナログ信号に変換された音声信号を音声に変換
して出力するものである。

【０１８４】メモリ１３０７は、各種データ（例えば、
位置検出部１０３の出力する位置情報、オブジェクト処
理部１３０２が出力する感触情報）のバッファとして、
また、各部（例えば、オブジェクト処理部１３０２、画
像処理部１３０３および音声復号化部１３０５）におけ
る演算処理の作業用領域として使用されるものである。
該メモリ１３０７へのデータの入出力は、システム制御
部１３０１を通じて行われるようになっている。

【０１８５】ディスク装置１３０８は、仮想物体のデー
タや音声・画像データなどを蓄積し、また、必要時応じ
て読み出すものである。該ディスク装置への入出力は、
システム制御部１３０１を通じて行われるようになって
いる。

【０１８６】特許請求の範囲第１５項において言う“操
作入力手段”とは、操作入力部１０２、位置検出部１０
３等に相当する。“シミュレーション手段”とは、オブ
ジェクト処理部１３０２、メモリ１３０７等によって実
現されるものである。

【０１８７】システムの動作概要を説明する。

【０１８８】操作入力部１０２及び位置検出部１０３
は、操作者の操作（あるいは動作）を検出し、システム
制御部１３０１を通じ、位置情報としてオブジェクト処
理部１３０２に出力する。

【０１８９】オブジェクト処理部１３０２は、この位置
情報をもとに、仮想マニピュレータを作動させる。つま
り、仮想空間上における仮想マニピュレータの各部位の
座標を変化させる。

【０１９０】そして、仮想マニピュレータや他のオブジ
ェクトの仮想空間上における配置の情報を、定期的に、
画像処理部１３０３へ出力する。画像処理部１３０３
は、該情報を画像処理し、映像信号として表示部１３０
４へ出力する。表示部１３０４は、このようにして得ら
れた様々なオブジェクトを表示する。従って、操作者は
表示部１３０４に表示される映像を見ながら、オブジェ
クトを視認したり仮想マニピュレータを作動させること
ができる。

【０１９１】オブジェクト処理部１３０２は、このよう
な処理を行っている間、仮想マニピュレータおよび他の
オブジェクトの位置座標を監視している。そして、これ
らの位置座標が変化した場合には、仮想マニピュレータ
が他のオブジェクトに接触したかどうかを判定する。接
触していた場合には、オブジェクト処理部１３０２は、
接触のあったオブジェクトの外形情報及び構造情報を元
に接触によって仮想マニピュレータの各部位に発生する
圧力の大きさを計算によって求める。そして、求めた圧
力値を感触情報として、システム制御部１３０１を通じ
て駆動制御部１０４へ出力する。

【０１９２】駆動制御部１０４は入力された感触情報に
より感触再現部１０５を駆動し、操作者は仮想マニピュ
レータを介して他のオブジェクトに接触することによっ
て生じる感触を得ることができる。駆動制御部１０４、
感触再現部１０５の動作は他の実施例と同様であるため
ここでの説明は省略する。

【０１９３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、遠
隔地にある物体やコンピュータ上でシミュレートした仮
想的な物体に接触したときの感触を得ることができる。
これにより、遠隔地にある物体にあたかも直接触れてい
るかのような触感による仮想現実感が可能であるととも
に、視覚だけでは得られない物体の情報を触覚情報によ
り補うことにより、例えば、物体を破壊しないような微
妙な作業を遠隔装置によって行うことができる。また、
大型のマニピュレータや微細なマニピュレータを用いる
ことにより人の手では直接扱えないような物体を扱うこ
とができる。例えば、コンピュータゲームにおいて車の
ハンドルを握っている感じやドアのノブを握っている感
じなど仮想物体の触感を得ることにより、ゲームの臨場
感を増すことができる。また、ゲームの進行で発生する
各種のイベントに応じて感触情報を生成し触感により振
動やショックを与えることで、ゲームの臨場感を増すこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である感触再現装置１０
５におけるグローブ部７０１部分の斜視図である。

【図２】グローブ部７０１の内部構造を示した模式図で
ある。

【図３】エアバッグへの空気の流入・排出を行う制御構
成を示すブロック図である。

【図４】第１図に係る装置の曲がり角度検出部の一例を
示した図である。

【図５】感触再現の動作を示すフローチャートである。

【図６】エアバッグ８０２を分割構造にした例の内部構
造を示した模式図である。

【図７】変形例を示す図である。

【図８】本発明の第２の実施例である感触検出再現シス
テムの全体構成を示すブロック図である。

【図９】マニピュレータ部１０８の構成を示すブロック
図である。

【図１０】感触検出センサ１０８３の配置の様子を示す
マニピュレータの断面図である。

【図１１】位置検出センサ１０８２と位置検出部１０９
との接続状態を示す図である。

【図１２】マニピュレータ部１０８の駆動制御動作を示
したフロー図である。

【図１３】本発明の第３の実施例である感触検出再現シ
ステムの全体構成を示すブロック図である。

【図１４】本発明の第４の実施例である感触検出再現シ
ステムの全体構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０１…システム制御部、１０２…操作入力部、１０
３：位置検出部、１０４：駆動制御部、１０５…感触再
現部、１０７：システム制御部、１０８…マニピュレー
タ部、１０９：位置検出部、１１０：姿勢制御部、１１
１：感触検出部、１１２：通信制御部、１１３：カメ
ラ、１１４：映像符号化部、１１５：映像復号化部、１
１６：表示部、１１７：マイク、１１８：音声符号化
部、１１９：音声復号化部、１２０：スピーカ、６０
２：緩衝材、７０１：グローブ部、７０２：袋部、７０
３：シャシー、７０７：媒体管、８０１：エアバッグ、
８０２：エアバッグ、８０３：ワイヤ、９０１：流入用
ポンプ、９０２：排出用ポンプ、９０３：開閉弁、９０
４：開閉弁、１０８１：駆動部、１０８２：位置検出セ
ンサ、１０８３：感触センサ（圧力センサ）、１３０
１：システム制御部、１３０２…オブジェクト処理部、
１３０３：画像処理部、１３０４：表示部、１３０５：
音声処理部、１３０６：スピーカ、１３０７：メモリ、
１３０８：ディスク制御装置、７０７１：流入用管、７
０７２：排出用管

フロントページの続き (72)発明者 大内 敏 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所映像メディア研究所内

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】その内部に人体のあらかじめ定められた対
   象部位を挿入可能な空間部を備えた装着部と、 内部に流体を収容可能に構成され且つ収容されている該
   流体の量に応じて膨張／収縮可能に構成された、上記装
   着部に隣接して配置された流体収容部と、 上記流体収容部への上記流体の流入・排出を行わせる流
   入排出手段と、 別途入力される感触情報に応じて、上記流入排出手段を
   制御する駆動制御手段と、 を有することを特徴とする感触再現装置。
2. 【請求項２】上記流体収容部は、複数個設けられてお
   り、 上記駆動制御手段は、上記流体の流入・排出を、個々の
   流体収容部毎に独立的に制御可能であること、 を特徴とする請求項１記載の感触再現装置。
3. 【請求項３】上記流体収容部には、上記人体のあらかじ
   め定められた対象部位に応じた形状および大きさの第１
   の流体収容部と、上記第１の流体収容部上に配置された
   複数個の第２の流体収容部と、があること、 を特徴とする請求項２記載の感触再現装置。
4. 【請求項４】上記装着部に沿って配置されたシャシーを
   備え、 上記流体収容部は、上記装着部と上記シャシーとの間に
   配置されていること、 を特徴とする請求項１、２または３記載の感触再現装
   置。
5. 【請求項５】上記装着部と上記シャシーとの間隔があら
   かじめ定められた値以上となることを防ぐ制限手段を有
   すること、 を特徴とする請求項４記載の感触再現装置。
6. 【請求項６】上記制限手段は、上記シャシーと上記装着
   部とを繋いだ変形容易な線材であること、 を特徴とする請求項５記載の感触再現装置。
7. 【請求項７】上記感触情報は、圧力値を示す情報を含ん
   だものであること、 を特徴とする請求項１記載の感触再現装置。
8. 【請求項８】上記駆動制御手段は、感触情報に含まれる
   圧力値を、所定の比率で拡大、縮小あるいはγ特性に基
   づいた変換処理を行う変換手段を備え、該変換手段によ
   る変換後の値に基づいて、上記流入排出手段を制御する
   ものであること、 を特徴とする請求項７記載の感触再現装置。
9. 【請求項９】上記装着部の各部の位置および／または曲
   がりを検出する第１の検出手段を供えること、 を特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記
   載の感触再現装置。
10. 【請求項１０】上記装着部は、上記空間部に挿入された
    上記対象部位の姿勢が変更可能なものであり、 上記駆動制御手段は、別途入力された上記対象部位の姿
    勢を示す情報に応じて上記制御の内容を変更するもので
    あること、 を特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記
    載の感触再現装置。
11. 【請求項１１】上記装着部の各部の位置および／または
    曲がりを検出する第１の検出手段を供え、 上記駆動制御手段は、上記第１の検出手段の検出結果を
    上記対象部位の姿勢を示す情報として用いるものである
    こと、 を特徴とする請求項１０記載の感触再現装置。
12. 【請求項１２】上記駆動制御手段は、あらかじめ定めら
    れた範囲を越える圧力値が感触情報に含まれているか否
    かを判定し、該判定の結果含まれていた場合には、当該
    感触情報を無効にするかあるいは当該圧力値を上記あら
    かじめ定められた範囲内の値に変換し、該無効あるいは
    変換後の値に基づいて上記流入排出手段を制御するもの
    であること、 を特徴とする請求項１記載の感触再現装置。
13. 【請求項１３】上記人体のあらかじめ定められた対象部
    位は手であること、 を特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、
    ９、１０、１１または１２記載の感触再現装置。
14. 【請求項１４】上記流体は気体であること、 を特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、
    ９、１０、１１、１２または１３記載の感触再現装置。
15. 【請求項１５】操作者からの動作指示を操作者の身体各
    部の位置を逐次検出することで受け付け、該検出結果を
    逐次出力する操作入力手段と、 他の物体を取り扱うための、上記操作入力手段の出力す
    る情報に従って作動するマニピュレータと、 上記マニピュレータの表面各部に加わっている圧力を、
    逐次、検出する第２の検出手段と、 上記第２の検出手段の検出結果を上記感触情報として用
    いて作動する請求項１記載の感触再現装置と、 を有することを特徴とするマニピュレータシステム。
16. 【請求項１６】操作者からの動作指示を操作者の身体各
    部の位置を逐次検出することで受け付け、該検出結果を
    逐次出力する操作入力手段と、 上記位置情報に従って作動するマニピュレータおよび該
    マニピュレータによって取り扱われる物体を、シミュレ
    ーションによって仮想空間上において生成するシミュレ
    ーション手段と、 請求項１記載の感触再現装置と、を供え、 上記シミュレーション手段は、上記マニピュレータが上
    記物体に接して受ける圧力をもシミュレーションするも
    のであり、 上記感触再現装置は、上記シミュレーション手段による
    シミュレーションによって得られた上記マニピュレータ
    が上記物体に接して受ける圧力値を上記感触情報として
    用いて作動するものであること、 を特徴とするマニピュレータシステム。