JPWO2017006670A1 - 触覚再現装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 指で物体を掴んだのを模した反力を指に与えることができる触覚再現装置を提供する。【解決手段】 入力装置２０を有している。入力装置２０はケース２１から２つの第１の操作体３３，３３と１つの第２の操作体４３が突出している。親指で第２の操作体４３を保持し、人差し指と中指でそれぞれ第１の操作体３３を保持して物品を掴んだのと同じ動作が行われる。制御部からケース２１の内部のモータに制御信号が与えられ、第１の操作体３３と第２の操作体４３の反力が指に与えられる。このとき指に対して物体の硬質感や軟質感または弾力感を模した反力を与えることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、手で入力装置に指を触れたときに、所定の物体に指を触れたことを模した反力を受けることができる触覚再現装置に関する。

特許文献１に仮想空間表示装置に関する発明が記載されている。
この仮想空間表示装置は、端末通信部とサーバーとで通信可能とされており、端末通信部に液晶ディスプレイと入力部とを含むタッチパネルが装備されている。

サーバーからの通信により、タッチパネルの液晶ディスプレイにショッピングモールの画像が表示される。ユーザがタッチパネルをドラッグすると、表示されているショッピングモール内の情景を移動させることができ、ショッピングモールの画面内の商品サムネイルをユーザがタップすると、商品の詳細情報が画面に表示される。ユーザは、購入する予定の商品をストックエリアに一時的に集めておくことができ、ストック商品について決済処理を行うことで、商品を購入できるようになっている。

特開２０１２−２３４３５５号公報

特許文献１に記載された仮想空間表示装置では、ショッピングモールのストアに表示されている商品の価格や色を確かめ、さらに商品の詳細情報を参酌して購入しようとする商品を探すことができる。

しかし、実際に商品に触れることができないので、その商品の大きさや質感などを手で感じることはできない。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、所定の物体に手で触れたときの触覚を模した反力を機械的に生成することができる触覚再現装置を提供することを目的としている。

本発明の触覚再現装置は、入力装置と制御部とを有し、
前記入力装置には、指で押圧操作可能で進退移動する操作体と、前記操作体の移動位置を検知する検知部材と、前記操作体に力を与えるモータとが設けられ、
前記制御部には、所定の被接触物の触覚に関する情報が保持されており、
制御部では、前記検知部材からの検知信号に基づいて前記操作体が指で押されたことが検知されると、前記操作体から指に対して前記被接触物の触覚を模した反力が与えられるように、前記モータの出力が制御されることを特徴とするものである。

また、本発明の触覚再現装置では、前記制御部に、前記被接触物の大きさに関する情報が保持されており、前記検知部材からの検知信号によって、指が前記被接触物に触れるまでの移動量に相当する距離を前記操作体が移動したことが前記制御部で検知されると、その検知位置で前記操作体から指に反力が発生し始めるように、前記モータの出力が制御される。

本発明の触覚再現装置は、前記入力装置に、前記入力装置の姿勢を検知する姿勢検知部が設けられているものが好ましい。

本発明の触覚再現装置は、前記表示パネルに前記被接触物の模式画像と手の模擬画像が表示され、前記表示パネルに表示されている画面の状況に応じて、前記表示パネルに表示されている手と指の模式画像が変化し、前記入力装置では、手と指の模式画像の変化に対応するように前記入力装置の前記操作体の突出位置または前記操作体から指に与えられる反力が変化することが好ましい。

例えば、前記表示パネルにメニュー画像とリスト画像の少なくとも一方が表示されるとともに、手の模式画像はいずれかの指が前記メニュー画像またはリスト画像を指示するように変化し、これに応じて前記入力装置では、前記メニュー画像またはリスト画像を指示している指が触れている前記操作体が操作可能な位置に設定される。

この場合に、前記指の模式画像でメニュー画像またはリスト画像のいずれかを選択し、前記指で前記操作体が押されると、決定動作となる。

本発明の触覚再現装置では、前記入力装置に、前記操作体と検知部材およびモータとから成る触覚発生ユニットが複数組設けられているものとして構成できる。

例えば、本発明の触覚再現装置は、前記入力装置がケースを有し、前記ケースには、第１の方向で互いに相反する側に向けられた第１の面と第２の面が設けられており、前記第１の面と前記第２の面とで、前記触覚発生ユニットに設けられた前記操作体の突出方向が逆向きである。

この場合に、前記第１の面に第１の操作体が複数個並んで突出し、前記第２の面に第２の操作体が１個突出しており、前記第１の操作体の配列方向を第２の方向としたときに、個々の前記第１の操作体の第２の方向の長さ寸法に対し、前記第２の操作体の第２の方向の長さ寸法の方が大きいことが好ましい。

また、１個の前記第２の操作体と、複数の前記第１の操作体とが、第１の方向において対向していることが好ましい。

さらに、本発明の触覚再現装置は、前記第１の方向と前記第２の方向の双方に交差する方向である第３の方向のいずれの側からであっても、親指で前記第２の操作体を保持し、親指以外の複数の指で前記第１の操作体を保持することが可能であることが好ましい。

上記においては、前記表示パネルに物体の模式画像が表示され、前記入力装置は、前記物体の模式画像を指で掴んでいる状態に対応するようにそれぞれの前記操作体の突出位置またはそれぞれの前記操作体から指に与えられる反力が決められるものとして構成できる。

本発明の触覚再現装置は、操作体を指で触ると、所定の物体に触れたのと同じ触覚を指で感じることができ、被接触物の硬さや柔らかさ、反発力などを感じることができる。

本発明の触覚再現装置に使用される入力装置は、ケースから複数の操作体が突出する構造にでき、物体を指で摘まんだり、手で掴んだり、あるいは指で押すのと同じ操作を行うことができ、この操作の際に物体の触覚を模した反力を感じることができる。

また、所定の物体の模式画像を表示し、操作体を保持している指に相当する指の模式画像が前記被接触物を保持しているように表示することで、視覚的にも物体の触覚を感じることができるようになる。

本発明の実施の形態の触覚再現装置を使用している例を示す説明図、 図１に示す触覚再現装置に設けられた入力装置を示すものであり、（Ａ）は上方から見た斜視図、（Ｂ）は下方から見た斜視図、 図２に示す入力装置の分解斜視図、 図２に示す入力装置に設けられた触覚発生ユニットを示す斜視図、 本発明の実施の形態の触覚再現装置の構成を示すブロック図、 実施の形態の触覚再現装置の使用例を示しており、１つの指で表示画面のメニュー表示を指さしているときの表示画像を示す説明図、 実施の形態の触覚再現装置の使用例を示しており、２つの指で物体を摘まむときの触覚を再現している表示画像を示す説明図、 実施の形態の触覚再現装置の使用例を示しており、複数の指で物体を掴むときの触覚を再現している表示画像を示す説明図、 実施の形態の触覚再現装置の使用例を示しており、１つ指で物体を押すときの触覚を再現している表示画像を示す説明図、 操作体の移動距離と反力との関係を示す反力作用線の一例を示す線図、 操作体の移動距離と反力との関係を示す反力作用線の一例を示す線図、 （Ａ）は操作体の移動距離と反力との関係を示す反力作用線の一例を示す線図、（Ｂ）は（Ａ）を再現するためのモータへの通電例を示す線図、 操作体の移動距離と反力との関係を示す反力作用線の一例を示す線図、

＜全体の構造＞
図１には、本発明の触覚再現装置１を使用している状態が示されている。
触覚再現装置１は、装置本体１０と入力装置２０とから構成されている。図１では、同じ入力装置２０が２個使用され、一方の入力装置２０が右手で使用され、他方の入力装置２０が左手で使用されている。ただし、触覚再現装置１の使用例としては、入力装置２０を１個のみ使用し片手で操作してもよい。

装置本体１０は、目の前方に装着するマスク型本体１１と、このマスク型本体１１を頭部に装着するためのストラップ１２を有している。

図５のブロック図に示すように、装置本体１０のマスク型本体１１には、表示パネル１３が設けられている。表示パネル１３は、操作者の目の前方に設置されて目視可能となっている。マスク型本体１１の内部には、表示パネル１３を駆動するための表示パネルドライバー１４と、表示パネルドライバー１４の表示形態を制御する制御部１５とが設けられている。制御部１５はＣＰＵとメモリを主体として構成されている。またマスク型本体１１には、制御部１５とそれぞれの入力装置２０との間で信号を授受するためのインターフェース１６が設けられている。

なお、前記表示パネル１３はマスク型本体１１に設けられるものに限られず、表示パネルが、テーブル上などに設置されるものであって、例えばパーソナルコンピュータの表示画面やテレビジョンの表示画面、あるいはゲーム装置の表示画面として使用されているものであってもよい。

図２（Ａ）には入力装置２０を上方から外観が斜視図で示され、図２（Ｂ）には入力装置２０を下方から見た外観が斜視図で示されている。図３は、入力装置２０の分解斜視図である。図４には、入力装置２０に内蔵されている第１の触覚発生ユニット３０の構造が示されている。図２（Ａ）と図３および図４には、入力装置２０を基準としたＸ−Ｙ−Ｚ座標が示されている。入力装置２０はＺ方向が第１の方向であり、Ｙ方向が第２の方向であり、Ｘ方向が第３の方向である。

図１に示す使用例では、入力装置２０は、第２の方向であるＹ方向が上下に向けられた姿勢となって両手で保持されている。

図２に示すように、入力装置２０は合成樹脂製のケース２１を有している。ケース２１は片手で保持可能な大きさである。ケース２１は上部ケース２２と下部ケース２３とが組み合わされて構成されている。図３に示すように、上部ケース２２と下部ケース２３は、第１の方向であるＺ方向に分割可能である。上部ケース２２と下部ケース２３は、ねじ止め手段などで互いに固定されており、２つのケース２２，２３の内部に機構収納空間が形成されている。

上部ケース２２はＺ方向に向く表面が第１の面２２ａであり、下部ケース２３はＺ方向に向く表面が第２の面２３ａである。図３に示すように、上部ケース２２には、第１の面２２ａでＺ方向に貫通する操作穴２４，２４が開口している。下部ケース２３には、第２の面２３ａをＺ方向に貫通する操作穴２５が開口している。操作穴２４，２４は第２の方向（Ｙ方向）に並んで形成されており、第２の方向（Ｙ方向）での開口寸法は、操作穴２５が個々の操作穴２４よりも大きくなっている。

上部ケース２２の第２の方向（Ｙ方向）に向く端面には、コネクタ装着穴２６が開口しており、下部ケース２３のＹ方向に向く端面には、電源プラグ装着穴２７が開口している。

図３に示すように、ケース２１の内部の機構収納空間に、機構シャーシ２８が収納されている。機構シャーシ２８は、金属板から折り曲げられて、Ｘ−Ｙ平面と平行な取付け板部２８ａと、Ｙ−Ｚ平面と平行な区分板部２８ｂとが形成されている。

区分板部２８ｂの第３の方向（Ｘ方向）の一方の側に、複数組の第１の触覚発生ユニット３０が固定されている。実施の形態の入力装置２０では、第１の触覚発生ユニット３０が第２の方向（Ｙ方向）に並んで２組配置されている。区分板部２８ｂのＸ方向の他方の側には、第２の触覚発生ユニット４０が１組配置されている。

＜触覚発生ユニットの構造＞
図４には、第１の触覚発生ユニット３０の構造が示されている。

第１の触覚発生ユニット３０は、金属板３０を折り曲げたフレーム３１を有している。このフレーム３１が区分板部２８ｂに取付けられることで、機構シャーシ２８に第１の触覚発生ユニット３０が搭載されている。

フレーム３１に移動部材３２が設けられている。移動部材３２は合成樹脂材料で形成されており、その先部に第１の操作体３３が固定されている。第１の操作体３３は合成樹脂材料で形成されている。図２に示すように、第１の操作体３３は、上部ケース２２に形成された操作穴２４から外部に突出している。

フレーム３１の一方の側板部３１ａには第１の方向（Ｚ方向）に延びる案内長穴３１ｃが形成され、移動部材３２の側部には摺動突部３２ａが一体に形成されている。摺動突部３２ａが案内長穴３１ｃの内部を摺動することで、移動部材３２がフレーム３１上で第１の方向（Ｚ方向）へ移動自在に支持されている。移動部材３２は凹部３２ｂを有している。この凹部３２ｂの内部では、移動部材３２とフレーム３１の下端部との間の圧縮コイルばね３４が介在している。この圧縮コイルばね３４の弾性力によって、移動部材３２は第１の操作体３３が上部ケース２２から突出する方向であるＺ方向の図示上方に向けて付勢されている。

フレーム３１の一方の側壁部３１ａにモータ３５が固定されている。モータ３５の出力軸には出力歯車３６ａが固定されている。側壁部３１ａの外面に減速歯車３６ｂが回転自在に支持されており、出力歯車３６ａと減速歯車３６ｂとが噛み合っている。フレーム３１の側壁部３１ａにギヤボックス３７が固定されており、ギヤボックス３７の内部に減速機構が収納されている。前記減速歯車３６ｂの回転力は、ギヤボックス３７内の減速機構で減速される。ギヤボックス３７内の減速機構は、太陽歯車と遊星歯車などから構成されている。

ギヤボックス３７の減速出力軸にピニオン歯車３７ａが固定されている。移動部材３２には厚肉部の表面にラック部３２ｃが形成されており、ピニオン歯車３７ａとラック部３２ｃとが噛み合っている。ピニオン歯車３８ａの歯部とラック部３２ｃの歯部は、移動部材３２の移動方向と直交するＹ方向に対して傾けられたはす歯である。

前記圧縮コイルばね３４を設けることで、ピニオン歯車３８ａとラック部３２ｃとのバックラッシュを解消することができる。ただし、圧縮コイルばね３４が設けられていないものであってもよい。

フレーム３１の他方の側壁部３１ｂにエンコーダ３８が固定されている。エンコーダ３８は、側壁部３１ｂに固定されたステータ部と、ステータ部に対向して回転するロータ部とを有する検知部材である。ロータ部に設けられたロータ軸がピニオン歯車３７ａと一緒に回転する。エンコーダ３８は抵抗変化式であり、ステータ部に円弧状の抵抗体パターンが設けられ、ロータ部に前記抵抗体パターンを摺動する摺動子が設けられている。なお、エンコーダ３８は磁気検知型であって、ロータ部に回転マグネットが固定され、ステータ部にＧＭＲ素子などの磁気検知素子が設けられて、ロータ部の回転角度が磁気検知素子によって検知される検知部材であってもよい。または、エンコーダ３８は、光学式のエンコーダであってもよい。

図３に示すように、機構シャーシ２８の区分板部２８ｂの他方の側に第２の触覚発生ユニット４０が設けられている。

第２の触覚発生ユニット４０は、第１の触覚発生ユニット３０と基本的な構造が同じである。第２の触覚発生ユニット４０は、フレーム４１に移動部材４２がＺ方向へ移動自在に支持されており、移動部材４２の先部に第２の操作体４３が固定されている。第２の操作体４３は、下部ケース２３の操作穴２５から図示下方へ突出している。移動部材４２は圧縮コイルばね４４によって、第２の操作体４３が操作穴２５から突出する方向へ付勢されている。

フレーム４１にはモータ４５が固定されており、モータ４５の出力軸に固定された出力歯車４６ａが減速歯車４６ｂと噛み合っている。前記減速歯車４６ｂの回転力は、ギヤボックス４７内の減速機構で減速され、その減速出力がピニオン歯車から、移動部材４２に形成されたラック部に伝達される。そしてピニオン歯車の回転がエンコーダ４８で検知される。

図３に示すように、ケース２１の内部には、信号コネクタ１７と電源プラグ２９が内蔵されている。信号コネクタ１７は、上部ケース２２に形成されたコネクタ装着穴２６の内部に露出しており、電源プラグ２９は、下部ケース２３に形成された電源プラグ装着穴２７の内部に露出している。

図５のブロック図に示すように、それぞれの入力装置２０の内部にはモータドライバ５１が設けられている。第１の触覚発生ユニット３０に設けられたモータ３５と、第２の触覚発生ユニット４０に設けられたモータ４５は、モータドライバ３５によって回転駆動される。前記信号コネクタ１７はＵＳＢインターフェースであり、図５では、入力装置２０に設けられているインターフェースに、図３に示す信号コネクタ１７と同じ符号１７を付している。

図１に示すように、装置本体１０のインターフェース１６と、個々の入力装置２０のインターフェース１７とがコード５２で接続されている。このコード５２には電源ラインが含まれており、電源ラインが電源プラグ２９に接続されている。この電源ラインを通じて装置本体１０から入力装置２０に電力が供給される。

なお、装置本体１０とそれぞれの入力装置２０とがＲＦ信号によって通信可能とされており、入力装置２０に電池が内蔵されていてもよい。この場合には、装置本体１０と入力装置２０とを繋ぐコード５２が不要である。
また、装置本体１０は、さらにサーバーとの通信機能を有しているものが好ましい。

次に、前記触覚再現装置１の操作方法と動作について説明する。
＜手による入力装置２０の保持＞
図２に示すように、入力装置２０は、ケース２１の第１の面２２ａに複数の第１の操作体３３が突出し、第２の面２２ｂに１個の第２の操作体４３が突出しており、第１の操作体３３と第２の操作体４３が、第１の方向（Ｚ方向）において互いに逆向きに突出している。よって、図１に示すように、親指で第２の操作体４３を押し、人差し指と中指でそれぞれ第１の操作体３３，３３を押すようにして、片手で入力装置２０を保持することが可能である。

複数の第１の操作体３３は第２の方向（Ｙ方向）に向けて並んでいるが、第２の操作体４３のＹ方向の長さ寸法は、第１の操作体３３のＹ方向の長さ寸法よりも大きくなっている。その結果、２個の第１の操作体３３，３３は、共に第２の操作体４３と第１の方向（Ｚ方向）において対向している。そのため、人差し指と中指で第１の操作体３３，３３を押している状態で、親指によって広い範囲で第２の操作体４３を保持することが可能である。

また、第１の操作体３３，３３と第２の操作体４３は、ケース２１においてＸ方向（第３の方向）の中央部に位置している。入力装置２０はＸ−Ｚ面に対してほぼ面対称で、Ｙ−Ｚ面に対してほぼ面対称である。そのため、入力装置２０をＸ方向の図示右側からでも、左側からでも同様に保持することが可能である。よって、取扱いが容易である。

＜入力装置２０の動作＞
入力装置２０では、制御部１５からモータドライバ５１に制御指令が与えられ、第１の触覚発生ユニット３０のモータ３５と第２の触覚発生ユニット４０のモータ４５とが前記制御指令に基づいて動作させられる。モータ３５とモータ４５の回転を制御することにより、移動部材３２と移動部材４２を任意の位置へ移動させて、その位置で停止させることができる。例えば、操作体３３と操作体４３をケース２１から最大限まで突出させた位置で停止させることができ、または操作体３３と操作体３３をケース２１の内部に最大限に後退させた位置で停止させることができる。また、操作体３３と操作体４３を最大突出位置と最大後退位置の途中の任意の位置で停止させることもできる。

そして、モータ３５とモータ４５に与えられる電力を制御することにより、ケース２１から突出している操作体３３または操作体４３を指で押しても動かないように、モータ３５，４５のロータを強い力で保持させることができる。

移動部材３２と移動部材４２とが移動できる状態のときに、操作体３３または操作体４３が押され、移動部材３２または４２が押し込み方向へ移動すると、エンコーダ３８またはエンコーダ４８からの検知出力が制御部１５に与えられ、制御部１５において、操作体３３または操作体４３の移動位置が認識される。制御部１５には、移動距離と反力との関係を示す反力作用線（反力作用係数）が保持されており、操作体４３または操作体４３の移動位置に応じて、モータ３５またはモータ４５が前記反力作用線に応じたトルクを発生し、操作体３３または操作体４３から指へ反力が与えられる。

＜触覚再現装置１で生成される触覚反力＞
触覚再現装置１では、模擬的に手で保持しようとする対象である物体の形状と大きさ、その表面の硬質感や軟質感さらには弾性感などの情報が制御部１５に保持される。

例えば、所定の商品群をそろえた商品カタログ内の複数の商品に関する前記情報が制御部１５に保持される。これら情報は、インターネットなどを通じ、サーバーから制御部１５にダウンロードされる。あるいは、商品カタログなどを記憶した記憶媒体を装置本体１０に接続することで、物体の情報を制御部１５に保持させてもよい。

図６に示すように、触覚再現装置１を始動すると、表示パネル１３に表示動作を行わせるためのメニュー画像Ｍｖや商品カタログのリスト画像Ｌｖが表示される。その表示内容を見ながら入力装置２０を動かすことで、メニュー選択やリスト選択を行うことができ、表示させるべきいずれかの商品を選択することができる。

触覚再現装置１では、表示パネル１３に表示されている画面の状況に応じて、入力装置２０において、ケース２１からの各操作体３３，３４の突出位置または前記操作体３３，３４から指に与えられる反力が変化する。

表示パネル１３の表示画像が図６のようなメニュー表示のときには、表示画面に現れている手Ｈの模式画像は、人差し指Ｆ２のみが延び、他の指は閉じているように表示される。これに対応させるように、制御部１５から入力装置２０に状態設定指令が与えられ、入力装置２０は人差し指で保持されている１つの第１の操作体３３のみが操作可能または動作可能になり、他の第１の操作体３３と第２の動作体４３は、ケース２１からあまり突出しないように後退させられ、あるいは人差し指以外の指で保持されている操作体３３，４３は、モータ３５，４５の負荷が大きくなって動かないように設定される。

図５に示すように、入力装置２０には姿勢検知部５３が設けられている。姿勢検知部５３は、例えば地磁気センサを検知する磁気センサであり、あるいは振動型ジャイロ装置であり、入力装置２０の操作空間内での姿勢や操作空間上での位置を検知することができる。

表示パネル１３に表示された商品カタログを見ながら、入力装置２０を移動させさらにその姿勢を変化させると、表示画面内の手Ｈの模式画像が移動し、人差し指Ｆ２でメニュー画像Ｍｖまたはリスト画像Ｌｖのいずれかが選択され、その選択操作で表示させるべき商品が選択される。そして、操作体３３が人差し指で押されると、その動作がエンコーダ３８で検知され、エンコーダ３８からの検知信号が制御部１５に送られる。これにより、制御部１５で第１の操作体３３が押されたことが検知されて、商品の選択が決定される。

なお、図６に示すメニュー画像Ｍｖまたはリスト画像Ｌｖを選択し、決定する操作は、人差し指の代わりに、中指や親指の操作で行えるようにしてもよい。
図６に示す表示形態では、メニュー画像Ｍｖまたはリスト画像Ｌｖが被接触物となる。

商品が選択されると、その商品が手で触るべき被接触物である物体として特定される。図７ないし図９に示すように、手で触る物体が特定されると、表示パネル１３に、特定された物体Ｗ１またはＷ２あるいはＷ３の画像と、操作者の手Ｈを模した模式画像が表示される。

手で保持している入力装置２０の空間内での位置や姿勢は前記姿勢検知部５３で検知され、その検知情報が制御部１５に与えられる。制御部１５では、入力装置２０の姿勢に対応して表示パネル１３に表示されるべき模式画像が生成され、表示パネル１３に表示される手Ｈの模式画像や指の模式画像の位置と姿勢が、入力装置２０の位置と姿勢に対応して変化させられる。

なお、表示パネル１３に、各種ショップの画像が表示され、入力装置２０を手で持って操作し、表示されているショップに陳列されているいずれかの商品を選択して、手で触る物体として特定することもできる。

図７に示す物体Ｗ１は、親指Ｆ１と人差し指Ｆ２で摘まむことができる大きさである。表示パネル１３では、親指Ｆ１の模式画像と人差し指Ｆ２の模式画像とで物体Ｗ１が掴まれているように表示される。

図７の表示例では、親指Ｆ１と人差し指Ｆ２のみで物体Ｗ１が摘ままれているため、表示パネル１３に表示されている手Ｈの模式画像では、中指やその他の指が閉じられているように表示される。

この場合には、制御部１５から入力装置２０のモータドライバ５１に状態設定指令が与えられ、親指Ｆ１が触れている第２の操作体４３と、人差し指Ｆ２が触れている一方の第１の操作体３３が操作可能になる。中指に対向する第１の操作体３３に関しては、第１の触覚発生ユニット３０のモータ３５を動作させて、中指が対向している第１の操作体３３をケース２１の第１の面２２ａから突出しないように後退させておく。あるいは、前記第１の触覚発生ユニット３０のモータ３５にロータが容易に回転しないように大きな負荷を与えておき、中指が触れている第１の操作体３３が動かないようにしておく。

すなわち、前記表示パネル１３に表示されている物体の種類に応じて、前記入力装置２０では、前記ケース２１からの前記操作体３３，４３の突出位置または前記操作体３３，４３から指に与えられる反力が変化するようになっている。

実際の指で第１の操作体３３と第２の操作体４３が押されるとその位置情報がエンコーダ３８，４８から制御部１５に与えられ、制御部１５では、第１の操作体３３と第２の操作体４３の接近距離に応じて、表示パネル１３に表示されている親指Ｆ１の模式画像と人差し指Ｆ２の模式画像が互いに接近するように、表示状態が制御される。

すなわち、前記入力装置２０に設けられた前記操作体３３，４３の動きに応じて、手と指の模式画像の動きが変化する。

人差し指Ｆ２が触れている第１の触覚発生ユニット３０のエンコーダ３８からの検知信号と、親指Ｆ１が触れている第２の触覚発生ユニット４０のエンコーダ４８からの検知信号は制御部１５に与えられ、制御部１５では、物体Ｗ１の形状ならびに大きさの情報と、エンコーダ３８，４８からの検知信号とが比較される。親指Ｆ１と人差し指Ｆ２で、第２の操作体４３と第１の操作体３３を押し始めたときは、モータ３５，４５の回転負荷がほとんど生じないように設定され、親指Ｆ１と人差し指Ｆ２がほとんど負荷を感じることがなく、操作者は親指Ｆ１と人差し指Ｆ２が空間上で自由に動いているように感じる。

エンコーダ３８，４８からの検知信号によって、親指Ｆ１と人差し指Ｆ２の間隔が、物体Ｗ１の大きさに該当する距離となったときに、制御部１５からモータドライバ５１に制御指定が与えられ、モータ３５，４５に回転負荷が与えられて、親指Ｆ１と人差し指Ｆ２に対して、あたかも物体Ｗ１を摘まんだかのような反力が与えられる。

なお、親指Ｆ１と人差し指Ｆ２で、第２の操作体４３と第１の操作体３３を押し始めたときに、モータ３５，４５に弱い駆動力を発生させて、第２の操作体４３と第１の操作体３３に対して、その距離を接近させる方向への移動力を与え、親指Ｆ１と人差し指Ｆ２の間隔が物体Ｗ１の大きさに該当する距離となったときに、モータ３５，４５に負荷を与えてもよい。このように動作させると、親指Ｆ１と人差し指Ｆ２を操作し始めたときに指に抵抗が全くなくなるように感じさせることができ、また、圧縮コイルばね３４，４４の弾性力も打ち消すことができる。よって、親指Ｆ１と人差し指Ｆ２を空間内で自由に移動させて物体Ｗ１を摘まんだように感じさせやすくなる。

あるいは、表示パネル１３に表示されている物体Ｗ１の模式画像の形状と大きさに合わせて、人差し指Ｆ２が触れている第１の操作体３３と、親指Ｆ１が触れている第２の操作体４３のケース２１からの突出位置が決められていてもよい。

次に、図８に示す物体Ｗ２は、片手で保持できる大きさ、すなわち親指Ｆ１と人差し指Ｆ２および中指Ｆ３で保持できる大きさである。

被接触部として物体Ｗ２が選択されて表示パネル１３に物体Ｗ２の模式画像が表示されると、手Ｈや指の模式画像が、物体Ｗを保持するように状態に変化する。制御部１５から入力部２０に状態設定指令が与えられて、入力装置２０が、物体Ｗ２の形状や大きさに応じて、または手の模式画像に合わせて変化し、入力装置２０では、第１の操作体３３と第２の操作体４３の突出位置が設定される。これにより、実際の手で画面に表示されている物体Ｗ２を掴んでいるように感じることができる。

この場合には、入力装置２０に設けられた２つの触覚発生ユニット３０に設けられたエンコーダ３８，３８からの検知出力と、触覚発生ユニット４０に設けられたエンコーダ４８からの検知出力が制御部１５に与えられ、制御部１５によって３個のモータ３５，３５，４５が制御される。

また、親指Ｆ１で第２の操作体４３が押され、人差し指Ｆ２と中指Ｆ３で２つの第１の操作体３３，３３が押されると、押し始めたときは、モータ３５，３５，４５に負荷が与えられず、あるいは操作体３３，３３と操作体３４を互いに接近させる方向へ移動体３２，３２，４２が移動させられ、指Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が空間内を移動しているかのように感じさせることができる。指Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の間隔が、物体Ｗ２の外形の該当する距離に一致したときに、モータ３５，３５，４５に負荷が与えられる。これにより、指Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３で物体Ｗ２を掴んだのと同じ感触の反力が発生するように制御することもできる。

次に、図９に示す物体Ｗ３は、片手の人差し指Ｆ２で触ることができるものである。
表示パネル１３にこの物体Ｗ３の画像が表示されているときには、制御部１５からの状態設定指令により、中指Ｆ３が触れている第１の触覚発生ユニット３０のモータ３５の回転負荷を大きくし、親指Ｆ１が触れている第２の触覚発生ユニット４０のモータ４５の回転負荷を大きくして、中指Ｆ３が触れている第１の操作体３３と親指Ｆ１が触れている第２の操作体４３を動かないようにしておき、人差し指Ｆ２が触れている第１の操作体３３のみを動けるようにしておく。

このようにして、入力装置２０は、表示パネル１３に表示されている物体（被接触物）Ｗ２の模式画像に合わせて、また手Ｈの模式画像に合わせて、操作体３３，４３の状態が設定される。

実際に人差し指Ｆ２で物体Ｗ２に触れるときの動作では、入力装置２０に内蔵されている姿勢検知部５３によって、手の姿勢および位置が検知される。図９に示すように、表示パネル１３に表示されている手Ｈの画像を見ながら、入力装置２０を保持している手をその甲が上に向く姿勢とし、物体Ｗ３の画像に近づくように手を前方へ移動させる。この時点では、人差し指Ｆ２が触れている第１の触覚発生ユニット３０のモータ３５に負荷が与えられておらず、操作者に人差し指Ｆ２を空間内で自由に動かしているかのように感じさせる。そして、画像内で人差し指Ｆ２が物体Ｗ３の表面に触れたときに、前記第１の触覚発生ユニット３０のモータ３５の回転負荷を増大させ、人差し指Ｆ２が物体Ｗ３の表面に当たように感じさせる反力を第１の操作体３３から人差し指Ｆ２に与える。

この場合に、表示パネル１８に表示されている手Ｈの模式画像では、図９に示すように、人差し指Ｆ２以外の指は閉じているように表示される。

＜硬質感、軟質感、反発感など＞
制御部１５では、エンコーダ３８，４８の検知信号を監視しており、図７ないし図９に示すように、指の間隔があたかも物体Ｗ１，Ｗ２を掴んだ距離となったと判定され、または指が移動してあたかも物体Ｗ３に触れる位置に至ったと判定されると、モータドライバ５１に質感を感じさせるための制御信号が与えられる。そして、第１の操作体３３と第２の操作体４３から各指に与えられる反力の強さが制御されて、指に対して物体Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の硬質感や軟質感さらには弾力感を感じさせるための反力が与えられる。

図１０には、操作体３３，４３の押圧ストロークと、操作体３３，４３から指に与えられる反力との関係を示す反力作用線（反力作用係数）Ｌ１の一例が示されている。

質感を感じさせる制御では、エンコーダ３８，４８からの検知出力によって、操作体３３，４３の位置が検知されると、反力作用線Ｌ１に基づいて、そのときの押圧ストロークとの関係で反力が決定される。図１０に示す反力作用線Ｌ１では、指で操作体３３，４３が押し込まれるにしたがって指に感じる反力が大きくなる。

例えば、操作体３３，４３の押圧ストロークが６ｍｍに達すると、指にｆａの反力が作用する。この反力ｆａは、親指Ｆ１へ与えられる反力と人差し指Ｆ２に与えられる反力の合計であってもよいし、親指ｆ１と人差し指Ｆ２の双方に同じ反力ｆａが与えられてもよい。これは、親指Ｆ１と人差し指Ｆ２と中指Ｆ３に反力が与えられるときも同じである。また、図９に示すように、人差し指Ｆ２だけで物体Ｗ３が押されているときには、人差し指Ｆ２に反力ｆａが与えられる。

図１０に示す反力作用線Ｌ１において、押圧ストローク６ｍｍまで押し込んだ指の力を弱めると、そのときの反力ｆａによって移動体３２，３２，４２が突出方向へ駆動され、操作体３３，４３で指が押し戻される。その後は、押圧ストロークが５ｍｍ，４ｍｍ，３ｍｍと戻っていくにしたがって、指に感じる反力が弱くなる。

前記反力作用線Ｌ１が設定されると、指で摘まんだ物体Ｗ１，指で掴んだ物体Ｗ２または人差し指で押した物体Ｗ３が弾力性を有するよう感じさせることができる。なお、図１０に示す反力作用線を変えることで、硬質感や軟質感そして弾力感を自由に設定することができる。

図１１に示す反力の設定では、操作体３３，４３を押していくときに指に与えられる反力作用線がＬ２と、操作体３３，４３が戻るときに指に与えられる反力作用線がＬ３とが異なる曲線で設定されている。

この反力の設定では、例えば、指で操作体３３，４３を押してその押圧ストロークが５ｍｍ程度に達するまで、指に感じる反力は、反力作用線Ｌ２に従って徐々に大きくなる。押圧ストロークが５ｍｍに達したときに指で操作体を押している力を弱めると、反力作用線Ｌ２で設定される反力で指が戻されるが、指と共に操作体３３，４３が戻されたことがエンコーダ３８，４８で検知されると、その後は、反力作用線Ｌ３に基づいて操作体３３，４３から指に戻し時の反力が与えられる。

図１１に示す反力の設定では、弾力があり、しかも押された後は戻りが遅くなるような粘性を有する弾力感を生じさせることができる。

次に、図１２（Ａ）に示す反力作用線Ｌ４は、操作体３３，４３の押圧ストロークの増加にしたがって反力が徐々に大きくなっているが、この反力が短いサイクルで振動するように小刻みに変化している。すなわち、押圧ストロークが長くなるにしたがってモータ３５，４５へ通電される電力が大きくなって、反力が徐々に大きくなっていくが、このとき、モータへの通電は図１２（Ｂ）に示すように、所定の周期で増減するように制御されている。通電周期は例えば１０ｍｓｅｃ以下である。

このように、モータ３５，４５のトルクを小刻みに変化させることで、操作体３３，４３から操作者の指に与えられる反力をねっとりした感触とすることができる。すなわち指で粘弾性体を押したのと類似した反力を得ることができる。このねっとり感は、図１２（Ｂ）に示す通電サイクルの周期やデューティ比を変えることで設定することができる。

図１３に示す反力作用線Ｌ５，Ｌ６は、表示パネル１３に表示されている物体が、電子機構部品であって例えばプッシュスイッチの場合の操作反力を模して設定されている。

画面に現れているプッシュスイッチの操作ノブを人差し指で押しているかのうようにして、人差し指Ｆ２で第１の操作体３３が押されると、押圧時には図１３に示す反力作用線Ｌ５にしたがって反力が発生し、指の力を弱めると、反力作用線Ｌ６にしたがって指に反力が与えられる。

これにより、画像として選択したプッシュスイッチの操作感触がどのようなものであるのか、指の感触として知ることが可能になる。

なお、入力装置２０の触覚発生ユニット３０，４０で発生させることができる指への反力として、例えば指で押し始めは反力が弾力性を発揮し、途中まで押すとその時点で反力が硬くなりそれ以上指で押せなくなるようにしてもよい。これは、人での手の表面を指で押したときの感触を模したものとなる。

また、操作体３３，４３を振動させて、その振動を指に感じさせることで、あたかも指で小動物を触っているかのような反力を得ることもできる。

Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ 物体
１ 触覚再現装置
１０ 装置本体
１１ マスク型本体
１３ 表示パネル
１５ 制御部
２０ 入力装置
２１ ケース
２２ａ 第１の面
２３ａ 第２の面
２４，２５ 操作穴
２８ 機構シャーシ
３０ 第１の触覚発生ユニット
３２ 移動部材
３３ 第１の操作体
３５ モータ
３８ エンコーダ（検知部材）
４０ 第２の触覚発生ユニット
４２ 移動体
４３ 第２の操作体
４５ モータ
４８ エンコーダ
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ 物体
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６ 反力作用線

本発明の触覚再現装置は、前記表示パネルに前記被接触物の模式画像と手と指の模式画像が表示され、前記表示パネルに表示されている画面の状況に応じて、前記表示パネルに表示されている手と指の模式画像が変化し、前記入力装置では、手と指の模式画像の変化に対応するように前記入力装置の前記操作体の突出位置または前記操作体から指に与えられる反力が変化することが好ましい。

また、所定の物体の模式画像を表示し、操作体を保持している指に相当する指の模式画像が前記物体を保持しているように表示することで、視覚的にも物体の触覚を感じることができるようになる。

第１の触覚発生ユニット３０は、金属板を折り曲げたフレーム３１を有している。このフレーム３１が区分板部２８ｂに取付けられることで、機構シャーシ２８に第１の触覚発生ユニット３０が搭載されている。

ギヤボックス３７の減速出力軸にピニオン歯車３７ａが固定されている。移動部材３２には厚肉部の表面にラック部３２ｃが形成されており、ピニオン歯車３７ａとラック部３２ｃとが噛み合っている。ピニオン歯車３７ａの歯部とラック部３２ｃの歯部は、移動部材３２の移動方向と直交するＹ方向に対して傾けられたはす歯である。

前記圧縮コイルばね３４を設けることで、ピニオン歯車３７ａとラック部３２ｃとのバックラッシュを解消することができる。ただし、圧縮コイルばね３４が設けられていないものであってもよい。

図５のブロック図に示すように、それぞれの入力装置２０の内部にはモータドライバ５１が設けられている。第１の触覚発生ユニット３０に設けられたモータ３５と、第２の触覚発生ユニット４０に設けられたモータ４５は、モータドライバ５１によって回転駆動される。前記信号コネクタ１７はＵＳＢインターフェースであり、図５では、入力装置２０に設けられているインターフェースに、図３に示す信号コネクタ１７と同じ符号１７を付している。

次に、前記触覚再現装置１の操作方法と動作について説明する。
＜手による入力装置２０の保持＞
図２に示すように、入力装置２０は、ケース２１の第１の面２２ａに複数の第１の操作体３３が突出し、第２の面２３ａに１個の第２の操作体４３が突出しており、第１の操作体３３と第２の操作体４３が、第１の方向（Ｚ方向）において互いに逆向きに突出している。よって、図１に示すように、親指で第２の操作体４３を押し、人差し指と中指でそれぞれ第１の操作体３３，３３を押すようにして、片手で入力装置２０を保持することが可能である。

＜入力装置２０の動作＞
入力装置２０では、制御部１５からモータドライバ５１に制御指令が与えられ、第１の触覚発生ユニット３０のモータ３５と第２の触覚発生ユニット４０のモータ４５とが前記制御指令に基づいて動作させられる。モータ３５とモータ４５の回転を制御することにより、移動部材３２と移動部材４２を任意の位置へ移動させて、その位置で停止させることができる。例えば、操作体３３と操作体４３をケース２１から最大限まで突出させた位置で停止させることができ、または操作体３３と操作体４３をケース２１の内部に最大限に後退させた位置で停止させることができる。また、操作体３３と操作体４３を最大突出位置と最大後退位置の途中の任意の位置で停止させることもできる。

移動部材３２と移動部材４２とが移動できる状態のときに、操作体３３または操作体４３が押され、移動部材３２または４２が押し込み方向へ移動すると、エンコーダ３８またはエンコーダ４８からの検知出力が制御部１５に与えられ、制御部１５において、操作体３３または操作体４３の移動位置が認識される。制御部１５には、移動距離と反力との関係を示す反力作用線（反力作用係数）が保持されており、操作体３３または操作体４３の移動位置に応じて、モータ３５またはモータ４５が前記反力作用線に応じたトルクを発生し、操作体３３または操作体４３から指へ反力が与えられる。

触覚再現装置１では、表示パネル１３に表示されている画面の状況に応じて、入力装置２０において、ケース２１からの各操作体３３，４３の突出位置または前記操作体３３，４３から指に与えられる反力が変化する。

表示パネル１３の表示画像が図６のようなメニュー表示のときには、表示画面に現れている手Ｈの模式画像は、人差し指Ｆ２のみが延び、他の指は閉じているように表示される。これに対応させるように、制御部１５から入力装置２０に状態設定指令が与えられ、入力装置２０は人差し指で保持されている１つの第１の操作体３３のみが操作可能または動作可能になり、他の第１の操作体３３と第２の操作体４３は、ケース２１からあまり突出しないように後退させられ、あるいは人差し指以外の指で保持されている操作体３３，４３は、モータ３５，４５の負荷が大きくなって動かないように設定される。

図５に示すように、入力装置２０には姿勢検知部５３が設けられている。姿勢検知部５３は、例えば地磁気を検知する磁気センサであり、あるいは振動型ジャイロ装置であり、入力装置２０の操作空間内での姿勢や操作空間上での位置を検知することができる。

なお、図６に示すメニュー画像Ｍｖまたはリスト画像Ｌｖから項目を選択し、決定する操作は、人差し指の代わりに、中指や親指の操作で行えるようにしてもよい。
図６に示す表示形態では、メニュー画像Ｍｖまたはリスト画像Ｌｖが被接触物となる。

被接触物として物体Ｗ２が選択されて表示パネル１３に物体Ｗ２の模式画像が表示されると、手Ｈや指の模式画像が、物体Ｗ２を保持するように状態に変化する。制御部１５から入力部２０に状態設定指令が与えられて、入力装置２０が、物体Ｗ２の形状や大きさに応じて、または手の模式画像に合わせて変化し、入力装置２０では、第１の操作体３３と第２の操作体４３の突出位置が設定される。これにより、実際の手で画面に表示されている物体Ｗ２を掴んでいるように感じることができる。

また、親指Ｆ１で第２の操作体４３が押され、人差し指Ｆ２と中指Ｆ３で２つの第１の操作体３３，３３が押されると、押し始めたときは、モータ３５，３５，４５に負荷が与えられず、あるいは操作体３３，３３と操作体４３を互いに接近させる方向へ移動体３２，３２，４２が移動させられ、指Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が空間内を移動しているかのように感じさせることができる。指Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の間隔が、物体Ｗ２の外形の該当する距離に一致したときに、モータ３５，３５，４５に負荷が与えられる。これにより、指Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３で物体Ｗ２を掴んだのと同じ感触の反力が発生するように制御することもできる。

実際に人差し指Ｆ２で物体Ｗ３に触れるときの動作では、入力装置２０に内蔵されている姿勢検知部５３によって、手の姿勢および位置が検知される。図９に示すように、表示パネル１３に表示されている手Ｈの画像を見ながら、入力装置２０を保持している手をその甲が上に向く姿勢とし、物体Ｗ３の画像に近づくように手を前方へ移動させる。この時点では、人差し指Ｆ２が触れている第１の触覚発生ユニット３０のモータ３５に負荷が与えられておらず、操作者に人差し指Ｆ２を空間内で自由に動かしているかのように感じさせる。そして、画像内で人差し指Ｆ２が物体Ｗ３の表面に触れたときに、前記第１の触覚発生ユニット３０のモータ３５の回転負荷を増大させ、人差し指Ｆ２が物体Ｗ３の表面に当たように感じさせる反力を第１の操作体３３から人差し指Ｆ２に与える。

この場合に、表示パネル１３に表示されている手Ｈの模式画像では、図９に示すように、人差し指Ｆ２以外の指は閉じているように表示される。

例えば、操作体３３，４３の押圧ストロークが６ｍｍに達すると、指にｆａの反力が作用する。この反力ｆａは、親指Ｆ１へ与えられる反力と人差し指Ｆ２に与えられる反力の合計であってもよいし、親指Ｆ１と人差し指Ｆ２の双方に同じ反力ｆａが与えられてもよい。これは、親指Ｆ１と人差し指Ｆ２と中指Ｆ３に反力が与えられるときも同じである。また、図９に示すように、人差し指Ｆ２だけで物体Ｗ３が押されているときには、人差し指Ｆ２に反力ｆａが与えられる。

１ 触覚再現装置
１０ 装置本体
１１ マスク型本体
１３ 表示パネル
１５ 制御部
２０ 入力装置
２１ ケース
２２ａ 第１の面
２３ａ 第２の面
２４，２５ 操作穴
２８ 機構シャーシ
３０ 第１の触覚発生ユニット
３２ 移動部材
３３ 第１の操作体
３５ モータ
３８ エンコーダ（検知部材）
４０ 第２の触覚発生ユニット
４２ 移動体
４３ 第２の操作体
４５ モータ
４８ エンコーダ
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ 物体
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６ 反力作用線

Claims (12)

1. 入力装置と制御部とを有し、
   前記入力装置には、指で押圧操作可能で進退移動する操作体と、前記操作体の移動位置を検知する検知部材と、前記操作体に力を与えるモータとが設けられ、
   前記制御部には、所定の被接触物の触覚に関する情報が保持されており、
   制御部では、前記検知部材からの検知信号に基づいて前記操作体が指で押されたことが検知されると、前記操作体から指に対して前記被接触物の触覚を模した反力が与えられるように、前記モータの出力が制御されることを特徴とする触覚再現装置。
2. 前記制御部には、前記被接触物の大きさに関する情報が保持されており、前記検知部材からの検知信号によって、指が前記被接触物に触れるまでの移動量に相当する距離を前記操作体が移動したことが前記制御部で検知されると、その検知位置で前記操作体から指に反力が発生し始めるように、前記モータの出力が制御される請求項１記載の触覚再現装置。
3. 前記入力装置に、前記入力装置の姿勢を検知する姿勢検知部が設けられている請求項１または２記載の触覚再現装置。
4. 前記表示パネルに前記被接触物の模式画像と手の模擬画像が表示され、前記表示パネルに表示されている画面の状況に応じて、前記表示パネルに表示されている手と指の模式画像が変化し、前記入力装置では、手と指の模式画像の変化に対応するように前記入力装置の前記操作体の突出位置または前記操作体から指に与えられる反力が変化する請求項１ないし３のいずれかに記載の触覚再現装置。
5. 前記表示パネルにメニュー画像とリスト画像の少なくとも一方が表示されるとともに、手の模式画像はいずれかの指が前記メニュー画像またはリスト画像を指示するように変化し、これに応じて前記入力装置では、前記メニュー画像またはリスト画像を指示している指が触れている前記操作体が操作可能な位置に設定される請求項４記載の触覚再現装置。
6. 前記指の模式画像でメニュー画像またはリスト画像のいずれかを選択し、前記指で前記操作体が押されると、決定動作となる請求項５記載の触覚再現装置。
7. 前記入力装置には、前記操作体と検知部材およびモータとから成る触覚発生ユニットが複数組設けられている請求項１ないし３のいずれかに記載の触覚再現装置。
8. 前記入力装置はケースを有し、前記ケースには、第１の方向で互いに相反する側に向けられた第１の面と第２の面が設けられており、前記第１の面と前記第２の面とで、前記触覚発生ユニットに設けられた前記操作体の突出方向が逆向きである請求項７記載の触覚再現装置。
9. 前記第１の面に第１の操作体が複数個並んで突出し、前記第２の面に第２の操作体が１個突出しており、前記第１の操作体の配列方向を第２の方向としたときに、個々の前記第１の操作体の第２の方向の長さ寸法に対し、前記第２の操作体の第２の方向の長さ寸法の方が大きい請求項８記載の触覚再現装置。
10. １個の前記第２の操作体と、複数の前記第１の操作体とが、第１の方向において対向している請求項９記載の触覚再現装置。
11. 前記１の方向と前記第２の方向の双方に交差する方向である第３の方向のいずれの側か
    らであっても、親指で前記第２の操作体を保持し、親指以外の複数の指で前記第１の操作体を保持することが可能である請求項９または１０記載の触覚再現装置。
12. 前記表示パネルに物体の模式画像が表示され、前記入力装置は、前記物体の模式画像を指で掴んでいる状態に対応するようにそれぞれの前記操作体の突出位置またはそれぞれの前記操作体から指に与えられる反力が決められる請求項４
    記載の触覚再現装置。

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