JPH0981026A

JPH0981026A - ヒューマンインタフェースにおける感覚呈示装置

Info

Publication number: JPH0981026A
Application number: JP7239368A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Tachikawa; 哲也立川
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1995-09-19
Publication date: 1997-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】バーチャルリアリティを目的とするもので、
触覚及び力覚の両感覚情報が統合されて呈示できる装置
を提供すること。【解決手段】操作者の指が置かれ、触覚呈示端子とし
ても機能する変位部１は、ｘｙ平面内を動くが、その変
位はアーム２ｘ，２ｙ、ベルト３ｘ，３ｙ、プーリ４´
ｘ，４´ｙを介して位置検出器６ｘ，６ｙで検出され
る。トルク発生手段５ｘ，５ｙがプーリを介して前記ベ
ルトに連動されている。制御部（図示せず）から前記位
置検出部の信号とデータベースにある仮想物体の３次元
的形状、弾性、表面の肌理等の情報とに基づいて制御信
号が出力されて、トルク発生手段及び触覚呈示端子を制
御し、操作者の指に対し、仮想物体の表面形状、摩擦
力、弾性や表面のキメのような凹凸感を呈示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒューマンインタ
フェースに関し、より詳細には、バーチャルリアリテ
ィ、マルチメディア、盲人用のディスプレイなどに利用
し得る触覚・力覚呈示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】人間とコンピュータの次世代のインタフ
ェースとして近年、バーチャルリアリティ技術がさかん
に研究されている。これは、人間の持つ視覚、聴覚、触
覚、味覚などの感覚器官に対して、よりリアリティの高
い形式で情報を呈示し、また、従来よりもより一層イン
タラクティブにコンピュータと情報のやりとりができる
ような方法の研究である。この研究が進むことによっ
て、まだできあがっていない新製品の形状および感触や
危険すぎて実際に人間が行くことができない場所での作
業など経済的、時間的、物理的な理由により体験できな
かったことがコンピュータの作り出す架空の世界で体験
できたり、コンピュータネットワークなどの通信手段と
組み合わせることで、遠隔地の人と臨場感あるコミュニ
ケーションができたり遠隔地の物に触れた感触が理解で
きたり遠すぎて行けない場所の体験といったことが可能
となる。

【０００３】これまで、視覚については、平面の２次元
的な表示から架空の３次元画像を２次元に射影した画像
を生成する技術や複数の表示装置を用いて立体的に見せ
る技術、ＨＭＤなどのように人間の視野の大部分をカバ
ーし没入感および臨場感を増す技術などが開発されてい
る。聴覚についても、単一のスピーカをただ鳴らすだけ
のものから複数のスピーカを用い、３次元的音場をきき
わける人間の聴覚特性を調べその特性にあうように信号
処理した音を呈示することで、臨場感のある音場生成の
技術が研究開発されている。

【０００４】また、視聴覚以外の感覚器官とのインタフ
ェースとして人間の手や体の動きを入力するためのデー
タグローブやデータスーツといったものが開発されてい
る。手や体などにフォースフィードバックを与えるもの
としては、３自由度のマニピューレータを２つ、ペン型
デバイスの両端にパラレル接続し６自由度の力覚呈示装
置とした特開平６−１３１１１４号公報の「３次元デー
タ入力装置」や内部に複数の小さな区画を設けた２重円
筒構造の手袋の各区画に流体を注入し曲げにくくするこ
とによってフィードバックフォースを与えることを可能
とした特開平５−２３２８５９号公報の「人工現実感実
現装置」がある。

【０００５】また、触覚出力手段として、シリコン基板
に半導体リソグラフィ技術を利用したマイクロメカトロ
ニクス技術によって多数の稠密な圧力マニピューレータ
を形成し、ガス圧およびピエゾ効果を使って触覚呈示機
能を備えた特開平５−２１６５６８号公報の「触覚入出
力装置」や模擬的な触覚感覚を与える特開平６−１９３
８５号公報の「模擬触覚呈示装置」などが発明されてい
る。

【０００６】しかしながら、上記において例示したとこ
ろの従来の発明は、力感覚あるいは触覚感覚のどちらか
一方のみの出力デバイスに関するものばかりで、人間の
もつ力覚および触覚の両方に対しての情報呈示は、不可
能であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題に
鑑みなされたもので、バーチャルリアリティの目的とす
るリアリティを与えるための、力覚および触覚の両感覚
情報が統合されて呈示できる装置を提供することをその
課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、操作
用係合手段を備えて人の操作により変位可能になされた
変位部と、該変位部の変位を検出する変位検出部と、前
記変位部に呈示用端子が設けられた感覚呈示部と、制御
出力を生じる制御部とからなり、該制御部の出力によ
り、前記感覚呈示部を駆動し得るようにしたヒューマン
インタフェースにおける感覚呈示装置において、前記感
覚呈示部は、前記変位部の変位の方向にそう力を付与す
るためのアクチュエータと、前記操作用係合手段におけ
る人が触れる部分に設けられた触覚呈示端子とを有し、
前記制御部は、前記アクチュエータを駆動制御して力覚
を呈示し得るようにするとともに、前記触覚呈示端子を
駆動制御するようにし、変位部を操作者の手（指）等の
体の１部分で操作することにより検出される変位部の変
位をコンピュータへ入力すると同時に、制御部からの出
力により、該変位部に設けた感覚呈示用端子を通して操
作者に力覚及び触覚を呈示することにより、ヒューマン
インタフェースとして現実感覚をともなう情報のやりと
りが可能となる。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１において、前
記制御部は、前記変位検出部からの信号に基づいて、前
記アクチュエータ及び触覚呈示端子への出力信号を発生
させるようにし、物体が存在し、それに指等が触れ働き
かけているようなより現実に近い感覚を生じさせる。

【００１０】請求項３の発明は、請求項１又は２におい
て、前記制御部は、形状、弾性及び表面の肌理、等のデ
ータベースを持ち、このデータベースの情報に基づいて
出力信号を発生させるようにし、指等をとおして異なる
感覚を生ぜしめる表面特性等の情報をデータベースに持
っているので、一層現実感をともなうものとなる。

【００１１】請求項４の発明は、請求項１ないし３のい
ずれかにおいて、前記変位部の多次元の変位に対応すべ
く、その変位を所定の次元の各成分として前記変位検出
部で検出するように構成し、多次元の変位に対応し、そ
れを具体化するための手段を提供するものである。

【００１２】請求項５の発明は、請求項４において、前
記アクチュエータは、前記変位検出部が検出する各成分
の変位に基づき、各成分に対応する分力を発生させるよ
うにし、変位部の多次元（平面或いは３次元空間）の変
位において、変位の方向にそう力を発生させるための具
体的な手段を提供するものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態で、
２次元変位型を構成するものとして示されている。図１
において、変位部１は、ＸＹ平面内を変位可能である
が、変位部１の変位を２次元のＸ，Ｙ成分として検出
し、かつ、Ｘ，Ｙ方向の力を変位部１に付与するため
に、同図に示すような機構を備えている。

【００１４】図１（Ｂ）は、一方のＸ方向の変位、力伝
達機構の一部の側面図を示すが、同図で，プーリ４ｘ，
４´ｘに掛けられたベルト３ｘは、Ｘに平行なＭｘ方向
に変位し、ベルト３ｘに固定されているアーム２ｘもそ
の端部をガイドで案内され正確にＭｘ方向に変位する。

【００１５】そして、その変位は、プーリ４´ｘの回転
として位置検出器６ｘで検出され、変位のＸ方向成分と
なる。また、変位部１に付与される力のＸ方向の分力
は、プーリ４ｘの回転軸にトルク発生手段５ｘからのト
ルクを加えることにより、ベルト３ｘ及びアーム２ｘを
介して伝えられる。Ｙ方向についても、Ｘ方向と同様
に、Ｙ方向の変位成分は、位置検出器６ｙで検出され、
付与される力のＹ方向の分力は、トルク発生手段５ｙに
よりベルト３ｙ，アーム２ｙを介して伝えられる。

【００１６】そして、両アーム２ｘ，２ｙの交差部にそ
の両方の変位力が伝えられ、また、伝えるように変位部
１が設けられている。このために変位部１には指が係合
されて操作入力を当該装置に与え、当該装置からの出力
が伝えられる操作用係合手段を備える。こうして、その
変位部１の操作用係合手段を兼ねる呈示用端子に指を置
くようにして、変位部１を変位させるとともに、トルク
発生手段５ｘ，５ｙから生じ伝達機構を介して変位部１
に付与される力が指を通して力覚を呈示することにな
る。

【００１７】また、変位部１の感覚呈示部は、力覚の呈
示だけではなく、触覚の呈示をも行う。この触覚呈示端
子は、変位部１において指が置かれる接触部分に、特開
平５−２１６５６８号公報に示されるようなガス圧によ
る上下動がピエゾ素子によって制御可能なマイクロアク
チュエータを稠密に敷き詰めた構成になっているものを
採用し、それを設置することにより得られる。

【００１８】上記のように構成した触覚・力覚を呈示す
る感覚呈示部と、制御部における触覚・力覚信号発生手
段の関係が図３に示されている。触覚・力覚信号発生手
段１１は、コンピュータあるいは同様の機能を持つ電子
的装置からなり、位置検出部からのＸ，Ｙ位置情報、及
び、データベースに蓄積されている３次元形状、弾性、
肌理の情報に基づいて、現在どの仮想物体のどの部分に
触れているかを調べ、その仮想物体の形状、弾力、肌理
などの属性を触覚呈示端子および力覚呈示部に出力する
ように構成する。ここで、触覚呈示端子を制御せずに力
覚呈示部のみを触覚・力覚信号発生手段で制御すれば触
覚・力覚呈示装置は力覚呈示装置として働き、物体形状
や弾性などの情報がフィードバックされる。

【００１９】次に、触覚呈示端子を変位検出部からの位
置情報に連動させて制御するようにしたこの発明の実施
の態様を説明する。例えば、図４に示すように、変位部
の可動範囲内でその凹凸が定義される仮想物体があると
する。指の初期位置が図４の２０にあるとすると、指
は、触覚呈示端子から、図４の３０の分布のような中央
が突起したような刺激を受ける。指を図４左方向に移動
し２１の場所に移動すると、位置検出機構からの情報に
より仮想物体を触れている所が移動したことがわかるの
で該当する位置に相当する触覚信号、この場合は、平坦
な分布３１、が出力される。このように指の位置を２
２，２３のように順次移動することによって、それと連
動して触覚出力が３２，３３の分布のように変化する。
これによって触覚呈示端子１は、それ自身の大きさより
広い範囲（力覚呈示部の可動範囲）で疑似的に触覚感覚
を呈示することができ、同時に形状、弾性などの力覚的
感覚も出力することができる。

【００２０】図２は、２次元変位型という点では、上述
の実施の形態と同様であるが、本発明の他の実施の形態
を例示するものである。この実施の形態において、変位
部に相当するものは、コンピュータの入力装置に用いら
れているいわゆるマウスと称せられるものに近い構成を
なしている。図２（Ａ）は、その外観を示すもので、球
７によって平面内を自由に変位するマウスを変位部１と
するものである。

【００２１】図２（Ｂ）は、この実施の形態において、
マウス型の当該装置の要部で、変位機構、変位検出部及
び力覚を生ぜしめる力付与手段を備えたものを示す。図
２（Ｂ）において、マウスの下部にあるマウスの滑動を
検出するための球７の動きをＸ，Ｙ成分として検出する
位置検出手段６´ｘ，６´ｙに伝達する円筒８ｘ，８ｙ
に回転軸９ｘ，９ｙを介して各々トルク発生手段５´
ｘ，５´ｙが結合されており、この機構によって、マウ
ス型の装置は、上述の実施の形態と同様に力覚呈示装置
として機能するようになっている。そして、図２（Ａ）
に示されるように、マウス型装置の変位部１上におい
て、操作者の指が触れる部分に触覚呈示端子１ｄを設置
する。

【００２２】このように構成されたマウス型の感覚呈示
装置は、上述の実施の形態と同様にそれを動かすことに
よってフォースフィードバックおよび触覚フィードバッ
クを発生し、変位部１上の触覚呈示部端子１ｄが出力す
る触覚感覚は、触覚呈示端子１ｄの大きさにとらわれる
ことなくマウスの可動範囲の広さにわたって表面が現実
にあるかの様な感覚を操作者に与えられる。

【００２３】また、図５は、本発明の実施の形態で、３
次元変位型を構成するものとしてその概要を示すもので
ある。操作を行うために、操作者の体の一部が触れる部
分を触覚呈示端子とした変位部１は、図５に示すよう
に、静止系Ｇに対してアーム２₁〜２₇及び関節１０₁〜
１０₆からなる６自由度の変位機構によって３次元の空
間を自由に変位し得る。

【００２４】ここに、関節１０₁，１０₄及び１０₆は、
同軸配置の両側のアームをその軸の回りに相対回転可能
とするもので、その中の関節１０₁は、モータ５₁によっ
てトルクを付与されるとともに、アーム間の相対回転変
位を位置検出器６₁により検出され、また、関節１０₄及
び１０₆は、アーム間の相対回転変位を位置検出器６₄及
び６₆により検出される。関節１０₂，１０₃，及び１０₅
は、両側のアームをアーム軸と直角な軸の回りに相対回
転可能とするもので、その中の関節１０₂及び１０₃はモ
ータ５₂及び５₃によってトルクを付与されるとともに、
アーム間の相対回転変位を位置検出器６₂及び６₃により
検出され、また、関節１０₅は、アーム間の相対回転変
位を位置検出器６₅により検出される。そして、各アー
ムをアルミ製部材として図５のように結合した先端のア
ーム２₇を針ねずみ状の触覚呈示端子を設けた変位部１
とすることにより、６自由度の触覚・力覚ディスプレイ
が実現される。

【００２５】操作者は、触覚呈示端子に触れてこの装置
を動かすと、モータ５₁〜５₃により、関節１０₁〜１０₃
に付与される駆動力によって力覚を感じ、同時に触覚呈
示端子から触覚感覚を得ることとなる。具体的には、例
えば、３次元仮想空間内に表面がざらざらあるいはつる
つるした立方体や円筒、球などを配置し、そのデータお
よび関節の位置情報に基づいて触覚・力覚信号発生手段
１０から各関節軸および触覚呈示端子へ適切な信号を送
ることによって、あたかもこの装置における変位部１の
可動範囲内に上記立方体、円筒、球などが存在するかの
ような感覚を操作者に与えられ、かつ触れている仮想物
体の表面の肌理まで呈示できるということになる。

【００２６】

【発明の効果】以上に述べたように、変位部は、操作者
が操作すると動き、その変位の検出部からの位置情報
と、仮想空間内の３次元形状、弾性、肌理等のデータベ
ースをもとに、仮想の物体をあたかも操作し触れている
ように感じさせるように適切な信号を触覚、力覚信号と
して発生させ、その信号を触覚呈示端子と力覚呈示部に
送るようになっているので、装置に手などの体の一部分
を接触させ動かすことによって仮想物体表面の表面形
状、肌理を示す凹凸、或いは、摩擦力が感じられたり、
物体の弾力性など触覚的力覚的な情報を感じることがで
き、従来の力覚デイスプレイや触覚デイスプレイでは、
それぞれ表現できなかった感覚が相互補完されて表現力
が向上される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す図で、（Ａ）は、一
部を断面として示す平面図、（Ｂ）は、Ｘ方向変位、力
伝達機構の部分側面図である。

【図２】本発明の他の実施の形態を示す図で、（Ａ）
は、全体の外観を示し、（Ｂ）は、要部の変位、力伝達
機構を示す。

【図３】制御部における触覚、力覚信号発生手段と触
覚、力覚呈示部の関係を示す図である。

【図４】触覚の時空間パターンを示す図である。

【図５】本発明の３次元型の実施の形態を示す概要図で
ある。

【符号の説明】

１…変位部、１ｄ…触覚呈示端子、２ｘ，２ｙ，２₁〜
２₇…アーム、３ｘ，３ｙ…ベルト、４ｘ，４´ｘ，４
ｙ，４´ｙ…プーリ、５ｘ，５ｙ，５₁〜５₃…トルク発
生手段、６ｘ，６´ｘ，６ｙ，６´ｙ，６₁〜６₆…位置
検出器、７…球、８ｘ，８ｙ…円筒、８´…支持ロー
ラ、９ｘ，９ｙ…回転軸、１０₁〜１０₆…関節、１１…
触覚、力覚信号発生手段、１２…３次元形状，弾性，肌
理等のデータベース、２０〜２３…指を動かしたときの
３次元データの参照される部分（ウインドウ）、３０〜
３３…指を動かしたときの触覚の空間分布パターン。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】操作用係合手段を備えて人の操作により
変位可能になされた変位部と、該変位部の変位を検出す
る変位検出部と、前記変位部に呈示端子が設けられた感
覚呈示部と、制御出力を生じる制御部とからなり、該制
御部の出力により、前記感覚呈示部を駆動し得るように
したヒューマンインタフェースにおける感覚呈示装置に
おいて、前記感覚呈示部は、前記変位部の変位の方向に
そう力を付与するためのアクチュエータと、前記操作用
係合手段における人が触れる部分に設けられた触覚呈示
端子とを有し、前記制御部は、前記アクチュエータを駆
動制御して力覚を呈示し得るようにするとともに、前記
触覚呈示端子を駆動制御するようにしたことを特徴とす
るヒューマンインタフェースにおける感覚呈示装置。
【請求項２】前記制御部は、前記変位検出部からの信
号に基づいて、前記アクチュエータ及び触覚呈示端子へ
の出力信号を発生させるようにしたことを特徴とする請
求項１記載のヒューマンインタフェースにおける感覚呈
示装置。
【請求項３】前記制御部は、形状、弾性及び表面の肌
理、等のデータベースを持ち、このデータベースの情報
に基づいて出力信号を発生させるようにしたことを特徴
とする請求項１又は２記載のヒューマンインタフェース
における感覚呈示装置。
【請求項４】前記変位部の多次元の変位に対応すべ
く、その変位を所定の次元の各成分として前記変位検出
部で検出するように構成したことを特徴とする前記請求
項１ないし３のいずれかに記載のヒューマンインタフェ
ースにおける感覚呈示装置。
【請求項５】前記アクチュエータは、前記変位検出部
が検出する各成分の変位に基づき、各成分に対応する分
力を発生させるようにしたことを特徴とする前記請求項
４記載のヒューマンインタフェースにおける感覚呈示装
置。