JPH1110561A - 物体形状提示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】対象物体の全体形状や変形状態を正確に提示す
ることが可能な物体形状提示装置を提供する。 【解決手段】操作者に対象物体の全体形状を提示可能な
複数の物体形状提示ヘッド６と、対象物体の形状に対応
して複数の物体形状提示ヘッドを各々独立して駆動する
複数の駆動手段とを備える。駆動手段は、物体形状提示
ヘッドを回転軸Ａを中心に所定方向に所定量だけ回転さ
せる回転駆動機構と、物体形状提示ヘッドを所定方向に
所定量だけ直線的に移動させる直線駆動機構とを備え
る。回転駆動機構は、平行板バネ１６に支持された物体
形状提示ヘッドを回転させるＤＣギヤードモータ２０と
ＤＣギヤードモータの回転量を計測するロータリーエン
コーダ２２とを備える。直線駆動機構は、ボールネジ２
４とボールネジに沿って平行に延出したリニアガイド２
６とボールネジを回転制御する制御手段とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば仮想環境又
は遠隔環境において、対象物体の全体形状を操作者に提
示することが可能な物体形状提示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の物体形状提示装置とし
て、例えば特公平４−４５３０３号公報には、操作者の
各指に圧覚情報を提示可能なシリンダー型空気圧アクチ
ュエータを備えたマスタ・スレーブ指マニピュレータの
操作器が開示されている（第１の従来技術）。

【０００３】この第１の従来技術の操作器によれば、操
作者の各指の動作位置情報に基づいてシリンダー型空気
圧アクチュエータを制御することによって、操作者に対
象物体の圧覚情報（具体的には、反力情報）を提示する
ことができる。

【０００４】また、例えば特開平８−２５７９４７号公
報には、環境提示ユニットを用いた３次元力触覚ディス
プレイ装置が開示されている（第２の従来技術）。この
第２の従来技術の装置によれば、環境提示ユニットの出
力に基づいて、操作者の１本の指先に接触している対象
物体の形状情報や圧覚情報等を提示することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第１の
従来技術の操作器では、対象物体の圧覚情報（具体的に
は、反力情報）を提示することは可能であるが、例えば
対象物体のエッジ部、局面部や平面部等の形状情報を提
示することは困難であった。

【０００６】また、第２の従来技術の装置では、操作者
の１本の指先が接触可能な範囲の対象物体の形状情報を
提示することは可能であるが、対象物体の全体形状を提
示することは困難であった。

【０００７】本発明は、このような課題を解決するため
に成されており、その目的は、対象物体の全体形状や変
形状態を正確に提示することが可能な物体形状提示装置
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の物体形状提示装置は、操作者に対象
物体の全体の形状を提示することが可能な複数の物体形
状提示手段と、前記対象物体の形状に対応して、前記複
数の物体形状提示手段を各々独立して駆動することが可
能な複数の駆動手段とを備えている。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
る物体形状提示装置について、図１〜図５を参照して説
明する。図１に示すように、本実施の形態の物体形状提
示装置は、操作者に対象物体の全体の形状を提示するこ
とが可能な複数の物体形状提示手段と、対象物体の形状
に対応して、複数の物体形状提示手段を各々独立して駆
動することが可能な複数の駆動手段とを備えている。

【００１０】このような物体形状提示装置は、１つの物
体形状提示手段と１つの駆動手段とから成る１つのユニ
ット２を複数組み合わせることによって構成されてお
り、これらユニット２は、夫々、左右同一の構成（即
ち、面対象の位置関係）を有している。

【００１１】なお、図１には、その一例として、筐体４
内に２つのユニット２を組み合わせることによって構成
した物体形状提示装置の構成が概略的に示されている。
従って、以下の説明では、その一方のユニット２の構成
について説明し、他方のユニット２の説明は省略する。

【００１２】図２（ａ）には、本実施の形態の物体形状
提示装置を構成する１つのユニット２の構成が示されて
いる。図２（ａ）に示すように、ユニット２に設けられ
た物体形状提示手段は、１つの物体形状提示ヘッド６を
備えており、この物体形状提示ヘッド６は、例えば円柱
の一部を扇形状に切り落とした形状を成している（図２
（ｂ）参照）。

【００１３】この場合、操作者に提示する対象物体の材
質や表面粗さ等を考慮して、物体形状提示ヘッド６の材
質を例えば金属、木、ガラス、プラスチック、ゴム等の
中から任意に選択することが可能である。

【００１４】物体形状提示ヘッド６には、２つの平面部
８ａ，８ｂと、これら平面部８ａ，８ｂに挟まれた球面
状の１つの形状提示曲面１０とが形成されており、２つ
の平面部８ａ，８ｂのいずれか一方の面には、略円錐形
状の突起部１２が設けられている（図２（ｂ），（ｃ）
参照）。

【００１５】なお、以下の説明では、突起部１２が設け
られた平面部８ａを突起面８ａ、一方、突起部１２が設
けられていない平面部８ｂを形状提示平面８ｂと言うこ
ととする。更に、突起面８ａと形状提示平面８ｂとの接
点を側縁部６ａと言うこととする。

【００１６】また、ユニット２に設けられた駆動手段
は、物体形状提示ヘッド６を回転軸Ａを中心に所定方向
に所定量だけ回転させることが可能な回転駆動機構と、
物体形状提示ヘッド６を所定方向（例えば、図２
（ａ），（ｂ）中矢印Ｍ方向）に所定量だけ直線的に移
動させることが可能な直線駆動機構とを備えている。

【００１７】物体形状提示ヘッド６は、後述するボール
ネジ２４に歯合可能なボールネジナット部１４に取り付
けられており、このボールネジナット部１４には、操作
者と物体形状提示ヘッド６との間に働く力（例えば、操
作者の手（各指）が物体形状提示ヘッド６に接触した際
に物体形状提示ヘッド６に働く圧力）を検出可能な力検
出機構が設けられている。

【００１８】力検出機構には、物体形状提示ヘッド６を
弾性的に支持する平行板バネ１６が設けられており、こ
の平行板バネ１６は、操作者と物体形状提示ヘッド６と
の間に働く力に対応して所定の範囲で弾性変形すること
ができるように構成されている。

【００１９】更に、力検出機構には、平行板バネ１６の
弾性変形量に基づいて、操作者と物体形状提示ヘッド６
との間に働く力を検出して、その力検出データを出力す
ることが可能な力検出素子１８が設けられている。

【００２０】また、上述した回転駆動機構は、平行板バ
ネ１６に支持されている物体形状提示ヘッド６を回転軸
Ａを中心に回転させることが可能なＤＣギヤードモータ
２０と、このＤＣギヤードモータ２０の回転量を計測可
能なロータリーエンコーダ２２とを備えており、ロータ
リーエンコーダ２２によってＤＣギヤードモータ２０の
回転量を計測することによって、物体形状提示ヘッド６
を回転軸Ａを中心に所定方向に所定量だけ回転させるこ
とができるように構成されている。

【００２１】また、上述した直線駆動機構は、例えば図
２（ａ），（ｂ）中矢印Ｍに沿って延出し且つ回転可能
なボールネジ２４と、このボールネジ２４に沿って平行
に延出したリニアガイド２６と、ボールネジ２４を回転
制御する制御手段とを備えており、上述したボールネジ
ナット部１４は、リニアガイド２６に極めて低摩擦で摺
動自在に保持されていると共に、ボールネジ２４に歯合
している。

【００２２】ボールネジ２４は、互いに対向配置された
第１及び第２の基台２８，３０によって回転自在に支持
されており、一方、リニアガイド２６は、これら第１及
び第２の基台２８，３０に固定されている。

【００２３】また、第２の基台３０に対向して第３の基
台３２が配置されており、上述した制御手段は、この第
３の基台３２に取り付けられている。制御手段は、ボー
ルネジ２４を回転させることが可能なＤＣモータ３４
と、このＤＣモータ３４の回転量を計測可能なロータリ
ーエンコーダ３６とを備えており、ＤＣモータ３４は、
カップリング３８を介してボールネジ２４に連結されて
いる。

【００２４】このような直線駆動機構において、ロータ
リーエンコーダ３６によってＤＣモータ３４の回転量を
計測して、ボールネジ２４を所定方向に所定量だけ回転
させることによって、ボールネジナット部１４をリニア
ガイド２６に沿って矢印Ｍ方向に極めて低摩擦で摺動さ
せることができる。この結果、物体形状提示ヘッド６を
矢印Ｍ方向に所定量だけ直線的に移動させることが可能
となる。

【００２５】なお、第１，第２及び第３の基台２８，３
０，３２は、夫々、筐体４に対して固定することができ
るように構成されている。次に、本実施の形態の動作に
ついて、図１及び図２を参照して説明する。

【００２６】物体形状提示装置を動作させている間、例
えば図６に示されたような操作者の手に装着可能な指運
動測定ユニット４０を用いて、手の位置（各指の先端位
置）や手の姿勢（各指の先端姿勢）が三次元的に常時測
定され、その三次元測定データがリアルタイムで物体形
状提示装置の駆動手段に入力される。

【００２７】更に、操作者の手（各指）が物体形状提示
ヘッド６に接触している場合、上記力検出機構によっ
て、操作者の手（各指）と物体形状提示ヘッド６との間
に働く力が検出され、その力検出データがリアルタイム
で物体形状提示装置の駆動手段に入力される。

【００２８】駆動手段は、三次元測定データ及び力検出
データに基づいて回転駆動機構及び直線駆動機構を制御
して、物体形状提示ヘッド６を回転軸Ａを中心に所定方
向に所定量だけ回転させると同時に、物体形状提示ヘッ
ド６を矢印Ｍ方向に所定量だけ直線的に移動させること
によって、物体形状提示ヘッド６を介して操作者の手
（各指）に反力を提示する。

【００２９】この場合、物体形状提示ヘッド６の回転量
や直線移動量等を制御して、物体形状提示ヘッド６を介
して操作者の手（各指）に提示させる反力の大きさや反
力の方向を調整することによって、対象物体の全体の形
状（例えば、凹凸やエッジ）や運動変化（例えば、剛性
や柔軟性）を提示することができる。

【００３０】例えば図３（ａ）に示すように、円柱状や
円錐状又は球状を有する剛体の対象物体４２の全体形状
を操作者の手４４（図面では、その一例として、人差し
指と親指）に提示させる場合には、各々の物体形状提示
ヘッド６の形状提示曲面１０を操作者の手４４（人差し
指と親指）に接触させれば良い。

【００３１】また、例えば図３（ｂ）〜（ｄ）に示すよ
うに、角柱状や角錐状又は円錐状或いは平面で囲まれた
多面体状の剛体の対象物体４２の一部（例えば、エッジ
や平面）を操作者の手４４（人差し指と親指）に提示さ
せる場合には、各々の物体形状提示ヘッド６の側縁部６
ａと形状提示平面８ｂと突起部１２とを適宜組み合わせ
て操作者の手４４に接触させれば良い。

【００３２】また、例えば図４（ａ）に示すように、図
中矢印方向に弾性変形するような円柱状や円錐状又は球
状を有する非剛体の対象物体４６の全体形状及びその変
形状態を操作者の手４４（人差し指と親指）に提示させ
る場合には、各々の物体形状提示ヘッド６の形状提示曲
面１０を操作者の手４４（人差し指と親指）に接触させ
ながら同時に、駆動手段の回転駆動機構及び直線駆動機
構を制御（物体形状提示ヘッド６の回転量や直線移動量
を制御）することによって、物体形状提示ヘッド６を介
して操作者の手４４（各指）に提示させる反力の大きさ
や反力の方向を調整すれば良い。

【００３３】また、例えば図４（ｂ）に示すように、図
中矢印方向に弾性変形するような角柱状や角錐状又は多
面体状の非剛体の対象物体４６の一部（図面上では、エ
ッジ）の形状及びその変形状態を操作者の手４４に提示
する場合には、各々の物体形状提示ヘッド６の側縁部６
ａを操作者の手４４（人差し指と親指）に接触させなが
ら同時に、駆動手段の回転駆動機構及び直線駆動機構を
制御（物体形状提示ヘッド６の回転量や直線移動量を制
御）することによって、物体形状提示ヘッド６を介して
操作者の手４４（各指）に提示させる反力の大きさや反
力の方向を調整すれば良い。

【００３４】なお、図３及び図４には、操作者の人差し
指と親指に対象物体の形状等を提示させる場合について
説明したが、例えば操作者の５本の指の全てに対して対
象物体の形状等を提示させるように構成することも可能
であり、この場合には、各指に対応して５つのユニット
２を組み合わせれば良い。

【００３５】また、本実施の形態の物体形状提示装置
は、上述したような剛体や非剛体の幾何学的な対象物体
４２に関わらず、例えば図５（ａ），（ｂ）に示すよう
な注射器４８やハサミ５０等の道具類の操作状況も模擬
的に提示させることが可能である。

【００３６】このように本実施の形態によれば、対象物
体の全体形状や変形状態を正確に提示することが可能な
物体形状提示装置を提供することが可能となる。なお、
本発明は、上述した実施の形態の構成に限定されること
は無く、新規事項を追加しない範囲で種々変更すること
が可能である。

【００３７】まず、例えば図６に示すように、操作者の
手に装着可能であって且つ手の位置（各指の先端位置）
や手の姿勢（各指の先端姿勢）を三次元的に測定可能な
指運動測定ユニット４０から出力される三次元測定デー
タに基づいて、物体形状提示装置の駆動手段が回転駆動
機構及び直線駆動機構を制御するように構成しても良
い。

【００３８】この第１の変形例では、２つの物体形状提
示ヘッド６が、矢印Ｍ方向に延出したガイド部材５２に
対して摺動自在に支持されている。そして、指運動測定
ユニット４０から出力される三次元測定データに基づい
て、回転運動機構が、２つの物体形状提示ヘッド６を回
転軸Ａを中心に所定方向に所定量だけ回転させると同時
に、直線運動機構が、２つの物体形状提示ヘッド６を矢
印Ｍ方向に所定量だけ直線的に移動させることによっ
て、これら物体形状提示ヘッド６を介して操作者の手
（各指）に反力が提示される。この結果、対象物体の全
体形状や変形状態を正確に操作者に提示することができ
るようになっている。

【００３９】なお、特に図示しないが、駆動手段の回転
駆動機構及び直線運動機構並びに力検出機構は、上述し
た実施の形態の構成を利用することができるため、その
説明は省略する。

【００４０】このように本変形例によれば、操作者の手
（各指）に対する対象物体の全体形状や変形状態を提示
するために必要な構成のうち、重量が大きな駆動系を手
に装着する必要が無い。この場合、手に対する負荷を軽
減することができるため、充分に大きな力の発生を必要
とする例えば剛体の提示が可能となる。

【００４１】更に、本変形例によれば、物体形状提示装
置の構成を簡略化することができるため、装置のコンパ
クト化を実現できると共に、例えばデスクトップタイプ
の装置を提供することが可能となる。

【００４２】なお、本変形例では、その一例として、２
つの物体形状提示ヘッド６を備えた装置の構成を示した
が、使用目的に応じて、物体形状提示ヘッド６の数を増
減することが可能である。

【００４３】次に、例えば図７（ａ），（ｂ）に示すよ
うに、操作者に対象物体の振動状態を提示することが可
能な振動提示手段を物体形状提示装置に組み込んでも良
い。この第２の変形例において、振動提示手段として
は、所定の電圧を印加することによって所定の周波数で
振動することが可能な例えばボイスコイルモータや圧電
体等の振動器５４を適用することができる。

【００４４】図７（ａ）には、その一例として、図６に
示した物体形状提示装置の２つの物体形状提示ヘッド６
に夫々振動器５４が取り付けられており、図７（ｂ）に
は、その一例として、図６に示した物体形状提示装置の
ガイド部材５２に振動器５４が設けられている。

【００４５】このような構成において、振動器５４から
発生する振動は、各物体形状提示ヘッド６を介して操作
者の手（各指）に伝搬される。このとき伝搬される振動
は、主に、各物体形状提示ヘッド６の表面を伝わる表面
波であって、その方向は、振動器５４の振動方向と平行
である。従って、操作者に提示したい振動方向と振動器
５４の振動方向とが一致するように、振動器５４の取付
位置を調整することによって、対象物体の振動状態を正
確に操作者に提示することができる。

【００４６】なお、振動手段としては、例えば、その振
動方向が上下又は左右に切り換えることが可能な振動器
５４を適用することも好ましい。このように本変形例に
よれば、例えば対象物体が摩擦運動（仮想的な作業にお
ける対象物体と環境との摩擦運動）している際に生じる
振動状態（即ち、摩擦振動周波数）を正確に操作者に提
示することが可能となる。

【００４７】また、人間が知覚する対象物体の硬さや柔
らかさと、操作者の手（各指）の表面に発生する振動周
波数との間には、何等かの相関関係があることが知られ
ている。従って、この相関関係に基づいた振動状態を振
動器５４から発生させることによって、操作者に対象物
体の表面の硬さや柔らかさ等の知覚情報を提示すること
が可能となる。

【００４８】なお、本変形例では、その一例として、２
つの物体形状提示ヘッド６を備えた装置の構成を示した
が、使用目的に応じて、物体形状提示ヘッド６の数を増
減することが可能である。

【００４９】次に、例えば図８に示すように、図６に示
した物体形状提示装置を６自由度を有するマニピュレー
タ５６（例えば、パラレルリンク型マニピュレータ）の
エンドエフェクター部５６ａに搭載しても良い。

【００５０】この第３の変形例において、第１の変形例
（図６参照）と同様に、指運動測定ユニット４０から出
力される三次元測定データや力検出機構の力検出データ
に加えて、更に、マニピュレータ５６のエンドエフェク
ター部５６ａの位置及び姿勢情報に基づいて、回転駆動
機構及び直線駆動機構並びにマニピュレータ５６を制御
する。

【００５１】このような本変形例によれば、マニピュレ
ータ５６と図６に示した物体形状提示装置とを組み合わ
せたことによって、６自由度方向の全ての変位状態や力
発生状態を操作者に提示することができる。この結果、
複雑な形状を有する対象物体４２（本変形例では、その
一例として、立方体形状の対象物体）の全体形状を三次
元的に操作者に正確に提示することが可能となると共
に、この対象物体４２の三次元空間内の複雑な動きや変
化状態を正確に操作者に提示することが可能となる。

【００５２】なお、本変形例では、その一例として、２
つの物体形状提示ヘッド６を備えた装置の構成を示した
が、使用目的に応じて、物体形状提示ヘッド６の数を増
減することが可能である。

【００５３】次に、例えば図９に示すように、操作者の
頭部５８の運動状態に基づいて操作者に仮想作業環境６
０を三次元的に画像表示することが可能な頭部装着型視
覚聴覚提示装置を図８に示した物体形状提示装置に組み
込んでも良い。

【００５４】この第４の変形例に適用した頭部装着型視
覚聴覚提示装置は、操作者の頭部５８の三次元空間内の
位置や姿勢を測定可能な計測ユニット６２と、仮想作業
環境６０における視覚情報や聴覚情報を操作者に提示可
能な視覚聴覚提示ユニット６４とを備えている。

【００５５】このような本変形例によれば、操作者の観
察姿勢に影響されること無く、常に正確な位置及び姿勢
の仮想作業環境６０を操作者に提示することができる。
この結果、物体形状提示装置から操作者に提示される対
象物体の形状（例えば、凹凸やエッジ）や運動変化（例
えば、剛性や柔軟性）の各種情報と視覚情報との間の矛
盾を解消できるため、例えば没入感及び操作性の高い仮
想作業環境６０を構築することが可能となる。

【００５６】なお、本変形例では、その一例として、２
つの物体形状提示ヘッド６を備えた装置の構成を示した
が、使用目的に応じて、物体形状提示ヘッド６の数を増
減することが可能である。

【００５７】次に、例えば１０に示すように、対象物体
の三次元形状や三次元変化等を操作者の手の各指に提示
することができるように、図８に示したマニピュレータ
５６を複数用意すると共に、これらマニピュレータ５６
のエンドエフェクター部５６ａに夫々１つずつ物体形状
提示ヘッド６を搭載しても良い。

【００５８】なお、この第５の変形例では、その一例と
して、親指と人差し指と中指に対応した３個のマニピュ
レータ５６が設けられている。また、これらマニピュレ
ータ５６のエンドエフェクター部５６ａに搭載された物
体形状提示ヘッド６は、夫々駆動手段の回転駆動機構に
よって回転制御されるようになっている。

【００５９】このような本変形例によれば、操作者の手
の各指に夫々独立して対象物体の形状や運動変化の各種
情報を提示することが可能となる。なお、本変形例で
は、その一例として、３つのマニピュレータ５６及び物
体形状提示ヘッド６を備えた装置の構成を示したが、使
用目的に応じて、マニピュレータ５６と共に物体形状提
示ヘッド６の数を増減することが可能である。

【００６０】次に、上記実施の形態及び第１〜第５の変
形例に適用した物体形状提示ヘッド６を着脱式に構成す
れば、対象物体の形状や使用目的に対応して、例えば図
１１（ａ）〜（ｃ）に示されたような形状を有する物体
形状提示ヘッド６を適宜選択することが可能となる。

【００６１】この第６の変形例において、例えば図１１
（ｄ）に示すように、ハサミ５０の持ち手５０ａの形状
に一致した物体形状提示ヘッド６（同図（ａ）参照）を
持ち手５０ａに適用すれば、操作者に対してハサミ５０
を実際に操作しているような感覚を提示することが可能
となる。

【００６２】なお、本明細書中には、以下のような発明
が含まれる。 （１） 操作者に対象物体の全体の形状を提示すること
が可能な複数の物体形状提示手段と、前記対象物体の形
状に対応して、前記複数の物体形状提示手段を各々独立
して駆動することが可能な複数の駆動手段とを備えてい
ることを特徴とする物体形状提示装置。 （構成）この発明は、一実施の形態（図１〜図５参照）
に対応している。 （作用効果）駆動手段が複数の物体形状提示手段を各々
独立して駆動することによって、対象物体の全体形状や
変形状態を正確に操作者に提示させることができる。 （２） 前記物体形状提示手段は、前記対象物体の形状
に対応した面を有する物体形状提示ヘッドを備えている
ことを特徴とする上記１に記載の物体形状提示装置。 （構成）この発明は、一実施の形態に対応している。

【００６３】例えば図２（ｂ），（ｃ）に示すように、
物体形状提示ヘッド６には、２つの平面部８ａ，８ｂ
と、これら平面部８ａ，８ｂに挟まれた球面状の１つの
形状提示曲面１０とが形成されており、２つの平面部８
ａ，８ｂのいずれか一方の面には、略円錐形状の突起部
１２が設けられている。 （作用効果）駆動手段が複数の物体形状提示ヘッドを各
々独立して駆動することによって、対象物体の全体形状
や変形状態を正確に操作者に提示させることができる。 （３） 前記駆動手段は、前記物体形状提示手段を所定
方向に所定量だけ回転させることが可能な回転駆動機構
と、前記物体形状提示手段を所定方向に所定量だけ直線
的に移動させることが可能な直線駆動機構とを備えてい
ることを特徴とする上記１に記載の物体形状提示装置。 （構成）この発明は、一実施の形態に対応している。

【００６４】例えば図２（ａ）に示すように、回転駆動
機構は、平行板バネ１６に支持されている物体形状提示
ヘッド６を回転軸Ａを中心に回転させることが可能なＤ
Ｃギヤードモータ２０と、このＤＣギヤードモータ２０
の回転量を計測可能なロータリーエンコーダ２２とを備
えており、ロータリーエンコーダ２２によってＤＣギヤ
ードモータ２０の回転量を計測することによって、物体
形状提示ヘッド６を回転軸Ａを中心に所定方向に所定量
だけ回転させることができるように構成されている。

【００６５】また、上述した直線駆動機構は、例えば図
２（ａ），（ｂ）中矢印Ｍに沿って延出し且つ回転可能
なボールネジ２４と、このボールネジ２４に沿って平行
に延出したリニアガイド２６と、ボールネジ２４を回転
制御する制御手段とを備えており、上述したボールネジ
ナット部１４は、リニアガイド２６に極めて低摩擦で摺
動自在に保持されていると共に、ボールネジ２４に歯合
している。 （作用効果）駆動手段が複数の物体形状提示手段を各々
独立して回転及び直線移動させることによって、対象物
体の全体形状や変形状態を正確に操作者に提示させるこ
とができる。 （４） 操作者と前記物体形状提示手段との間に働く力
を検出可能な力検出機構を備えており、前記駆動手段
は、前記力検出手段の出力に基づいて、前記物体形状提
示手段を介して操作者に反力を提示することが可能に構
成されていることを特徴とする上記（１）に記載の物体
形状提示装置。 （構成）この発明は、一実施の形態に対応している。

【００６６】例えば図２（ａ）に示すように、力検出機
構は、物体形状提示ヘッド６を弾性的に支持する平行板
バネ１６を備えており、この平行板バネ１６は、操作者
と物体形状提示ヘッド６との間に働く力に対応して所定
の範囲で弾性変形することができるように構成されてい
る。更に、力検出機構には、平行板バネ１６の弾性変形
量に基づいて、操作者と物体形状提示ヘッド６との間に
働く力を検出して、その力検出データを出力することが
可能な力検出素子１８が設けられている。 （作用効果）力検出機構の出力に基づいて駆動手段を制
御して、物体形状提示手段を介して操作者に提示させる
反力の大きさや反力の方向を調整することによって、対
象物体の全体の形状（例えば、凹凸やエッジ）や運動変
化（例えば、剛性や柔軟性）を提示することができる。 （５） 操作者の手の位置及び姿勢を三次元的に測定可
能な指運動測定ユニットを備えており、前記駆動手段
は、前記指運動測定ユニットの出力に基づいて、前記物
体形状提示手段を介して操作者に反力を提示することが
可能に構成されていることを特徴とする上記（１）に記
載の物体形状提示装置。 （構成）この発明は、第１の変形例（図６参照）に対応
している。

【００６７】図６に示すように、指運動測定ユニット４
０から出力される三次元測定データに基づいて、物体形
状提示装置の駆動手段が回転駆動機構及び直線駆動機構
を制御するようになっている。 （作用効果）回転駆動機構及び直線駆動機構を制御する
ことによって、対象物体の全体形状や変形状態を正確に
操作者に提示することができる。

【００６８】本変形例によれば、操作者の手（各指）に
対する対象物体の全体形状や変形状態を提示するために
必要な構成のうち、重量が大きな駆動系を手に装着する
必要が無い。この場合、手に対する負荷を軽減すること
ができるため、充分に大きな力の発生を必要とする例え
ば剛体の提示が可能となる。 （６） 操作者に前記対象物体の振動状態を提示するこ
とが可能な振動提示手段を備えており、この振動提示手
段から発生する振動を前記物体形状提示手段に伝搬する
ことによって、操作者に前記対象物体の振動状態を提示
することが可能な上記（１）に記載の物体形状提示装
置。 （構成）この発明は、第２の変形例（図７参照）に対応
している。

【００６９】図７に示すように、振動提示手段として
は、所定の電圧を印加することによって所定の周波数で
振動することが可能な例えばボイスコイルモータや圧電
体等の振動器５４を適用することができる。 （作用効果）振動提示手段から発生する振動は、各物体
形状提示手段を介して操作者に伝搬される。このとき伝
搬される振動は、主に、各物体形状提示手段の表面を伝
わる表面波であって、その方向は、振動提示手段の振動
方向と平行である。従って、操作者に提示したい振動方
向と振動提示手段の振動方向とが一致するように、振動
提示手段の取付位置を調整することによって、対象物体
の振動状態を正確に操作者に提示することができる。 （７） 前記複数の物体形状提示手段は、６自由度を有
するマニピュレータに搭載されていることを特徴とする
上記（１）に記載の物体形状提示装置。 （構成）この発明は、第３の変形例（図８参照）に対応
している。

【００７０】図７に示すように、マニピュレータとして
は、パラレルリンク型マニピュレータ５６を適用するこ
とが可能である。 （作用効果）６自由度方向の全ての変位状態や力発生状
態を操作者に提示することができるため、複雑な形状を
有する対象物体の全体形状を三次元的に操作者に正確に
提示することが可能となると共に、この対象物体の三次
元空間内の複雑な動きや変化状態を正確に操作者に提示
することが可能となる。 （８） 操作者の頭部の運動状態に基づいて、操作者に
仮想作業環境を三次元的に画像表示することが可能な頭
部装着型視覚聴覚提示装置を備えており、この頭部装着
型視覚聴覚提示装置には、操作者の頭部の三次元空間内
の位置や姿勢を測定可能な計測ユニットと、前記仮想作
業環境における視覚情報や聴覚情報を操作者に提示可能
な視覚聴覚提示ユニットとが設けられていることを特徴
とする上記（１）に記載の物体形状提示装置。 （構成）この発明は、第４の変形例（図９参照）に対応
している。 （作用効果）操作者の観察姿勢に影響されること無く、
常に正確な位置及び姿勢の仮想作業環境を操作者に提示
することができる。この結果、物体形状提示装置から操
作者に提示される対象物体の形状（例えば、凹凸やエッ
ジ）や運動変化（例えば、剛性や柔軟性）の各種情報と
視覚情報との間の矛盾を解消できるため、例えば没入感
及び操作性の高い仮想作業環境を構築することが可能と
なる。 （９） 前記複数の物体形状提示手段は、各々、６自由
度を有するマニピュレータに１つずつ搭載されているこ
とを特徴とする上記（１）に記載の物体形状提示装置。 （構成）この発明は、第５の変形例（図１０参照）に対
応している。 （作用効果）操作者の手の各指に夫々独立して対象物体
の形状や運動変化の各種情報を提示することが可能とな
る。 （１０） 前記複数の物体形状提示手段は、各々、着脱
自在に構成されており、前記対象物体の形状や使用目的
に対応して、所望の物体形状提示手段を選択することが
可能であることを特徴とする上記（１）に記載の物体形
状提示装置。 （構成）この発明は、第６の変形例（図１１参照）に対
応している。 （作用効果）例えば図１１（ｄ）に示すように、ハサミ
５０の持ち手５０ａの形状に一致した物体形状提示ヘッ
ド６（同図（ａ）参照）を持ち手５０ａに適用すれば、
操作者に対してハサミ５０を実際に操作しているような
感覚を提示することが可能となる。

【００７１】

【発明の効果】本発明によれば、対象物体の全体形状や
変形状態を正確に提示することが可能な物体形状提示装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る物体形状提示装置
の構成を示す斜視図。

【図２】（ａ）は、図１に示された物体形状提示装置の
主要な構成を概略的に示す斜視図、（ｂ）は、図１に示
された物体形状提示装置に設けられた物体形状提示ヘッ
ドの斜視図、（ｃ）は、物体形状提示ヘッドの側面図。

【図３】（ａ）〜（ｄ）は、夫々、剛体の対象物体の全
体形状を操作者の手に提示させている状態を示す図。

【図４】（ａ）及び（ｂ）は、夫々、非剛体の対象物体
の全体形状を操作者の手に提示させている状態を示す
図。

【図５】（ａ）は、注射器の操作状況を模擬的に操作者
の手に提示させている状態を示す図、（ｂ）は、ハサミ
の操作状況を模擬的に操作者の手に提示させている状態
を示す図。

【図６】本発明の第１の変形例に係る物体形状提示装置
の主要な構成を示す斜視図。

【図７】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の変形例に
係る物体形状提示装置の主要な構成を示す斜視図。

【図８】本発明の第３の変形例に係る物体形状提示装置
の主要な構成を示す斜視図。

【図９】本発明の第４の変形例に係る物体形状提示装置
の主要な構成を示す斜視図。

【図１０】本発明の第５の変形例に係る物体形状提示装
置の主要な構成を示す斜視図。

【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、夫々、本発明の第６の変
形例に係る物体形状提示装置の物体形状提示ヘッドの構
成を示す斜視図、（ｄ）は、同図（ａ）の物体形状提示
ヘッドを用いて、ハサミの操作状況を模擬的に操作者の
手に提示させている状態を示す図。

【符号の説明】

６ 物体形状提示ヘッド １６ 平行板バネ ２０ ＤＣギヤードモータ ２２ ロータリーエンコーダ ２４ ボールネジ ２６ リニアガイド

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 操作者に対象物体の全体の形状を提示す
   ることが可能な複数の物体形状提示手段と、 前記対象物体の形状に対応して、前記複数の物体形状提
   示手段を各々独立して駆動することが可能な複数の駆動
   手段とを備えていることを特徴とする物体形状提示装
   置。
2. 【請求項２】 前記物体形状提示手段は、前記対象物体
   の形状に対応した面を有する物体形状提示ヘッドを備え
   ていることを特徴とする請求項１に記載の物体形状提示
   装置。
3. 【請求項３】 前記駆動手段は、前記物体形状提示手段
   を所定方向に所定量だけ回転させることが可能な回転駆
   動機構と、前記物体形状提示手段を所定方向に所定量だ
   け直線的に移動させることが可能な直線駆動機構とを備
   えていることを特徴とする請求項１に記載の物体形状提
   示装置。