KR101520203B1 - 촉력각 전자 디바이스 - Google Patents

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유끼오 후꾸이
마사따까 사까이
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도꾸리쯔교세이호진 상교기쥬쯔 소고겡뀨죠
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Abstract

사람에게 가상 물체의 존재나 충돌의 충격력을 주는 종래의 비접지형이고 신체 내에 베이스가 없는 맨 머신 인터페이스에 있어서, 촉력각 감각 제시기의 물리적 특성만으로는 제시할 수 없고, 동일 방향으로 토크 및 힘 등의 촉력각 감각을 연속적으로 제시할 수 있는 시스템 및 방법을 실현하는 것이다. 촉력각 제시기(112), 제어 장치(111)에 의해 촉력각 제시기(112) 중 1개 이상으로 이루어지는 회전자의 회전 속도가 제어되고, 그 물리 특성인 진동, 힘, 토크가 제어됨으로써 사용자(110)에게 그 진동, 힘, 토크 등의 다양한 촉력각 정보를 지각시킨다. 이 촉력각 정보 제시 시스템은 인간의 감각 특성, 혹은 착각을 이용하여 적절하게 물리량을 제어함으로써, 물리적으로는 존재할 수 없는 힘, 혹은 촉력각적 감각 물리 특성을 사람에게 체감시킨다.

Description

촉력각 전자 디바이스 {TACTILE FORCE SENSE ELECTRONIC DEVICE}
본 발명은 감각 특성을 이용한 촉력각(觸力覺) 정보 제시 시스템 및 방법에 관한 것이다.
더 상세하게 서술하면 본 발명은, VR(Virtual Reality)의 분야에 있어서 이용되는 기기, 게임의 분야에 있어서 이용되는 기기, 휴대 전화기, 휴대형 네비게이션 기기, PDA(휴대 정보 단말) 등에 탑재되는 맨 머신 인터페이스를 제공하기 위한 촉력각 정보 제시 시스템, 촉력각 정보 제시 방법, 촉력각 정보 제시 시스템의 촉력각 제시기 및 촉력각 정보 제시 시스템의 제어 장치에 관한 것이다.
종래의 VR에 있어서의 역각 제시기로서는, 장력 또는 반력의 역각 제시에 있어서 인간의 감각 기관에 접한 역각 제시부와 역각 제시 시스템 본체가 와이어 혹은 아암으로 연결되어 있어, 이들 와이어 및 아암 등의 존재가 인간의 움직임을 구속한다는 문제점을 볼 수 있었다. 또한, 역각 제시 시스템 본체와 역각 제시부가 와이어나 아암으로 연결되는 유효 공간에서만 사용할 수 있는 데 기인하여, 사용할 수 있는 공간적 넓이에 제한이 있었다.
이에 대해, 비접지형이고 신체 내에 베이스가 없는 맨 머신 인터페이스가 제안되었다. 그러나, 이러한 종류의 제시기에서는 모터의 회전 속도(각속도)를 제어함으로써 각운동량 벡터의 시간적인 변화로 토크를 제시하고 있어, 동일 방향으로 토크 및 힘 등의 촉력각 정보를 연속적으로 제시하는 것은 곤란하였다.
비접지형의 역각 정보 제시기로서는, 자이로 모멘트와 짐벌 구조를 이용한 토크 제시 장치가 개발되어 있다(비특허 문헌 1). 그러나, 짐벌 구조에서는 제시할 수 있는 토크 방향이 제한되어 있고, 또한 구조가 복잡하게 되어 제어가 번잡해진다는 문제점도 갖고 있다.
한편, 3축 직교 좌표에 배치된 3개의 자이로 모터의 회전을 독립으로 제어함으로써 임의의 방향, 내지 임의의 크기로 토크를 제시할 수 있는 비접지 가반형의 역각 정보 제시기(비특허 문헌 2)가 제안되어 있다. 이 역각 정보 제시기에서는 3개의 자이로 모터에 의해 발생된 각운동량 합성 벡터를 제어함으로써 토크를 발생시키고 있으므로 구조가 비교적 간단하고, 제어도 용이하다. 그러나, 촉력각 정보를 연속적으로 제시 가능하게 하는 것 및 토크 이외의 역감각을 제시 가능하게 하는 것이 해결해야 할 점으로 되어 있다.
비특허 문헌 1 : 요시에 마사유끼, 야노 히로아끼, 이와따 히로오「자이로 모멘트를 이용한 비접지형 역각 제시 장치의 개발」, 휴먼 인터페이스 학회 연구 보고집, vol.3, No.5, pp.25 내지 30(2000)
비특허 문헌 2 : 다나까 요우끼찌, 사까이 마사따까, 가와노 유까, 후꾸이 유끼오, 야마시따 쥬리, 나까무라 노리오, "Mobile Torque Display and Haptic Characteristics of Human Palm", INTERNATIONAL CONFERENCE ON ARTIFICIAL REALITY AND TELEXISTENCE, pp.115 내지 120(2001/12)
상술한 점에 비추어, 본 발명의 제1 목적은, 사람에게 가상 물체의 존재나 충돌의 충격력을 주는 종래의 비접지형이고 신체 내에 베이스가 없는 맨 머신 인터페이스에 있어서, 인간의 감각 특성을 이용한 촉력각 정보 제시 기구를 실현함으로써 촉력각 제시기의 물리적 특성만으로는 제시할 수 없고, 동일 방향으로 진동, 토크, 힘 등의 촉력각 정보를 연속적으로 제시할 수 있는 촉력각 정보 제시 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 상기 맨 머신 인터페이스에서 연속적으로 물리량을 계속 제시할 때, 제시기의 성능이 충분히 크면 연속하여 동일 방향으로 토크 내지 힘 등의 물리량을 계속 제시할 수 있다. 그러나, 현실적으로는 제시기의 성능은 무한대가 아니고, 제시기의 성능이 충분하지 않은 경우에는, 예를 들어 연속적으로 토크를 계속 제시할 때, 제시한 1 사이클 중에서 회전자의 회전 속도를 초기 상태로 복귀시킬 필요가 나온다. 즉, 회전자의 각운동량 벡터의 적분치를 제로로 하는 것이 요구된다. 이 경우, 정반대의 토크 또는 힘을 제시하게 되어 플러스 방향과 마이너스 방향의 감각이 서로 부정하다는 문제가 생긴다.
따라서, 본 발명의 제2 목적은, 인간의 감각 특성을 이용하여, 촉력각 제시기의 동작에 있어서, 가령 물리적으로 1 사이클에서 초기 상태로 복귀하여 물리적인 적분치가 제로가 되었다고 해도 감각량의 감각적 적분치가 제로로 되지는 않고, 임의의 방향으로 자유롭게 감각을 계속 제시할 수 있는 촉력각 정보 제시 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 제1 형태는, 2개의 편심 회전자를 갖는 촉력각 제시 수단과, 상기 2개의 편심 회전자에 있어서의 회전 방향과 위상 관계와 회전 속도를 제어함으로써, 진동 및/또는 진동 감각의 주파수와 강도를 독립하여 변화시키는 제어 수단을 구비한 촉력각 정보 제시 시스템이다.
본 발명에 관한 제2 형태는, 2개의 편심 회전자를 갖는 촉력각 제시 수단과, 상기 2개의 편심 회전자에 있어서의 회전 방향을 반전시킴으로써, 힘 및/또는 역감각의 주파수와 강도를 독립하여 변화시키는 제어 수단을 구비한 촉력각 정보 제시 시스템이다.
본 발명에 관한 제3 형태는, 단일의 편심 회전자 및/또는 2개의 편심 회전자로 이루어지는 트윈 편심 회전자 및/또는 3차원 공간 상에 배치된 트윈 편심 회전자를, 2차원적 또는 3차원적으로 복수개 배치한 편심 회전자 어레이를 갖는 촉력각 제시 수단과, 상기 촉력각 제시 수단에 포함되어 있는 각 편심 회전자의 회전 상태를 제어하는 제어 수단을 구비한 촉력각 정보 제시 시스템이다.
본 발명에 관한 제4 형태는, 3차원적으로 복수개 배치한 회전자를 갖는 촉력각 제시 수단과, 상기 촉력각 제시 수단의 합성 각운동량 벡터의 시간 변화를 제어하기 위한 제어 수단을 구비한 촉력각 정보 제시 시스템이며, 상기 제어 수단은 상기 합성 각운동량 벡터를 제로의 근방에서 급격하게 변화시킴으로써 기정치의 토크를 발생시키는 동시에, 세차 토크(precession torque)를 소정치 이하로 제어하는 촉력각 정보 제시 시스템이다.
본 발명에 관한 제5 형태는, 2개의 편심 회전자를 갖는 촉력각 제시 수단을 제어할 때, 상기 2개의 편심 회전자에 있어서의 회전 방향과 위상 관계와 회전 속도를 제어함으로써, 진동 및/또는 진동 감각의 주파수와 강도를 독립하여 변화시키는 촉력각 정보 제시 방법이다.
본 발명에 관한 제6 형태는, 2개의 편심 회전자를 갖는 촉력각 제시 수단을 제어할 때, 상기 2개의 편심 회전자에 있어서의 회전 방향을 반전시킴으로써, 힘 및/또는 역감각의 주파수와 강도를 독립하여 변화시키는 촉력각 정보 제시 방법이다.
본 발명에 관한 제7 형태는, 단일의 편심 회전자 및/또는 동일한 회전축 상에 배치된 2개의 편심 회전자로 이루어지는 트윈 편심 회전자 및/또는 3차원 공간 상에 배치된 트윈 편심 회전자를, 2차원적 또는 3차원적으로 복수개 배치한 편심 회전자 어레이를 갖는 촉력각 제시 수단을 제어할 때, 상기 촉력각 제시 수단에 포함되어 있는 각 편심 회전자의 회전 상태를 개별로 제어하는 촉력각 정보 제시 방법이다.
본 발명에 관한 제8 형태는, 3차원적으로 복수개 배치한 회전자를 갖는 촉력각 제시 수단을 제어할 때, 상기 촉력각 제시 수단의 합성 각운동량 벡터의 시간 변화를 제어하는 촉력각 정보 제시 방법이며, 상기 합성 각운동량 벡터를 제로의 근방에서 급격하게 변화시킴으로써 기정치의 토크를 발생시키는 동시에, 세차 토크를 소정치 이하로 제어하는 촉력각 정보 제시 방법이다.
본 발명에 관한 촉력각 정보 제시 시스템 및 촉력각 정보 제시 방법을 실시함으로써, 이하에 열거하는 각별한 효과를 얻을 수 있다.
(1) 비접지형이고 신체 내에 베이스가 없는 맨 머신 인터페이스에서는 종래 곤란했던 토크 및 힘 등의 촉력각 정보를 동일 방향으로 연속적 또는 단속적으로 제시하는 것이 가능해진다.
(2) 인간의 감각 특성 및 착각을 이용함으로써, 물리적으로는 존재할 수 없는 토크 혹은 힘 등의 촉력각적 감각 물리 특성을 사람에게 제시하는 것이 가능해진다.
(3) 인간의 감각 특성을 이용함으로써 촉력각 정보를 에너지 절약으로 효율적으로 제시하는 것이 가능해지고, 소형화한 촉력각 제시 시스템을 실현할 수 있다.
(4) 진동 감각, 토크 감각, 역감각을 제시하기 위해, 종래에는 각각에 대응한 장치가 필요했지만, 본 발명에 따르면 편심 회전자라는 1개의 기구로 진동 감각, 토크 감각, 역감각 중 어느 하나 이상을 동시에 제시하는 것이 가능해져 다양한 촉력각 정보를 제시할 수 있고, 또한 그 제시 시스템을 소형화할 수 있다.
(5) 본 발명을 실시함으로써, VR(Virtual Reality)의 분야에 있어서 이용되는 기기, 게임의 분야에 있어서 이용되는 기기, 휴대 전화기, 휴대형 네비게이션 기기, PDA(휴대 정보 단말) 등에 탑재될 수 있는 유용한 맨 머신 인터페이스ㆍ로봇과 머신 사이의 인터페이스ㆍ동물과 머신 사이의 인터페이스 등을 실현할 수 있다. 예를 들어 VR의 분야에 있어서는, 상기 맨 머신 인터페이스를 거쳐서 사람에게 힘을 제시하거나, 항력 혹은 반력 등을 주어 사람의 움직임을 제한함으로써 가상 공간에 있어서의 물체의 존재나 충돌에 의한 충격을 제시할 수 있다. 또한, 휴대 전화기, 휴대형 네비게이션 기기, PDA 등에 상기 인터페이스를 탑재함으로써, 조작자의 피부를 거쳐서 종래에는 볼 수 없었던 각종 다양한 제시 및 안내 등을 실현할 수 있다.
(6) 종래부터 알려져 있는 휴대 전화의 매너모드 등으로 이용되고 있는 편심 회전자는 회전 속도를 증가시킴으로써 진동 강도를 증가시키고 있고, 진동 주파수와 진동 강도를 독립으로 제어할 수는 없었지만, 본 발명을 적용한 편심 회전자에서는 회전 속도를 변화시키지 않고 편심 진동의 진동 강도를 변화시킬 수 있다. 이에 의해, 진동 주파수와 진동 강도를 독립으로 제어하는 것이 가능해진다.
(7) 본 발명을 적용한 시트형 편심 회전자 어레이에 따르면, 각각의 편심 회전자의 회전을 적절하게 제어함으로써 손바닥 상에 공간 및 시간적으로 다양한 패턴의 진동 감각, 토크 감각, 역감각을 제시할 수 있다. 또한, 시트형 편심 회전자 어레이는 장갑 혹은 의류 혹은 그 밖에 착용형의 형태를 갖는 데 응용할 수 있다.
(8) 본 발명을 적용한 시트형 편심 회전자 어레이에 따르면, 손바닥 등의 움직임에 맞추어 역감각의 공간 부분을 적절하게 변화시킴으로써 가상적인 물체의 존재, 형상, 탄성, 텍스처 등의 물체에 관한 다양한 촉력각 정보를 제시할 수 있다.
(9) 관성 좌표계에 있어서, 합성 각운동량 벡터의 시간 변화를 제어하는 경우 그 제어의 용이함은 큰 이점이 된다. 즉, 합성 각운동량 벡터를 제로의 근방에서 급격하게 변화시킴으로써, 큰 토크를 발생시키면서도 세차 토크를 작게 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 사용자의 움직임에 수반하여 토크 제시기가 요동하여 곤란한 경우에는 적절한 크기의 합성 각운동량 벡터의 근방에서 합성 각운동량 벡터를 시간 변화시킴으로써, 토크 제시기의 요동을 억제하면서 소정의 토크를 제시하는 것이 가능해진다.
본 발명은 사람에게 가상 물체의 존재나 충돌의 충격력을 주는 종래의 비접지형이고 신체 내에 베이스가 없는 맨 머신 인터페이스에 있어서, 인간의 감각 특성을 이용한 촉력각 정보 제시 기구를 실현함으로써 촉력각 제시기의 물리적 특성만으로는 제시할 수 없고, 동일 방향으로 진동, 토크, 힘 등의 촉력각 정보를 연속적으로 제시할 수 있는 촉력각 정보 제시 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명은, 인간의 감각 특성을 이용하여, 촉력각 제시기의 동작에 있어서, 가령 물리적으로 1 사이클에서 초기 상태로 복귀하여 물리적인 적분치가 제로가 되었다고 해도 감각량의 감각적 적분치가 제로로 되지는 않고, 임의의 방향으로 자유롭게 감각을 계속 제시할 수 있는 촉력각 정보 제시 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 촉력각 정보 제시 시스템의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도2는 촉력각에 관한 감각 특성을 이용한 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도3은 촉력각에 관한 감각 특성을 이용한 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도4는 촉력각에 관한 이력적 감각 특성을 이용한 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도5는 촉력각에 관한 마스킹 효과에 의해 감각 특성을 변화시키는 방법을 이용한 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도6은 촉력각에 관한 마스킹 효과에 의해 감각 특성을 변화시키는 방법을 이용한 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도7은 촉력각에 관한 마스킹 효과에 의해 감각 특성을 변화시키는 방법을 개략화한 도면이다.
도8은 촉력각에 관한 감각 특성의 변화에 맞추어 촉력각 정보 제시를 제어하는 방법을 이용한 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도9는 촉력각에 관한 감각 특성인 비등방성 감도 곡선 변화에 맞추어 촉력각 정보 제시를 제어하는 방법을 이용한 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도10은 촉력각에 관한 감각 특성을 이용하여, 편심 회전자(711)의 회전을 위상 동기시킨 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도11은 2개의 편심 회전자 A(812) 및 편심 회전자 B(813)의 회전 방향 및 위상을 적절하게 동기시킴으로써 진동 감각, 토크 감각, 역감각의 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도12는 2개의 편심 회전자 A(812) 및 편심 회전자 B(813)의 회전 방향 및 위상을 적절하게 동기시킴으로써 진동 감각, 역감각의 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도13은 2개의 편심 회전자 A(812) 및 편심 회전자 B(813)를 1세트로 하여, 그 3세트를 직교 좌표계에 배치한 설명도이다.
도14는 본 발명을 적용한 시트형 편심 회전 어레이의 설명도이다.
도15는 본 발명을 적용한 장갑형 편심 회전 어레이의 설명도이다.
도16은 촉력각에 관한 감각 특성을 이용하여, 2개의 편심 회전자 A(912) 및 편심 회전자 B(913)의 회전을 위상 동기시킨 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도17은 촉력각에 관한 감각 특성을 이용하여, 2개의 편심 회전자 A(1012) 및 편심 회전자 B(1013)의 회전을 반대 방향으로 위상 동기시킨 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도18은 도17에 도시한 2개의 편심 회전자를 이용한 역감각의 제시 방법을 이용하여, 스스로 압박하는 감각, 팽창감, 압박감, 스스로 인장하는 감각, 외부로부터 인장되는 감각, 외부로부터 압박되는 감각을 제시하는 방법을 개략화한 도면이다.
도19는 본 발명을 적용한 스킨형 편심 회전 어레이의 설명도이다.
도20은 본 발명을 적용한 스킨형 편심 회전 어레이의 설명도이다.
도21은 본 발명을 적용한 스킨형 편심 회전 어레이의 설명도이다.
도22는 본 발명을 적용한 스킨형 편심 회전 어레이의 설명도이다.
도23은 촉력각에 관한 마스킹 효과에 의해 감각 특성을 변화시키는 방법을 이용하여, 임의의 방향으로 진동 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도24는 자이로형 및 합성 각운동량 벡터 미분형에 대한 설명도이다.
도25는 관성 좌표계에 있어서의 합성 각운동량의 설명도이다.
도26은 본 발명을 적용한 촉력각 정보 제시 시스템을 휴대 전화에 내장한 경우의 토크 제시 방법 및 동작 원리에 대해 나타내는 설명도이다.
도27은 3차원 토크 제시의 이점을 설명할 때, 팔의 상하 운동에는 비행기에 있어서의 수직 자이로와 같이 회전축의 보존성에 의해 토크 제시기의 자세가 안정되는 것을 나타내는 설명도이다.
도28은 대향하는 2개의 편심 회전자를 1세트로 하여, 그 3세트를 직교 좌표계에 배치한 촉력각 제시기(2801)의 2차원 단면도를 도시하는 도면이다.
도29는 촉력각 제시기(2801)를 더 개량한 촉력각 제시기(2901)의 2차원 단면도를 도시하는 도면이다.
도30은 촉력각 제시기(2901)를 더 개량한 촉력각 제시기(3001)의 2차원 단면도를 도시하는 도면이다.
도31은 도15의 장갑형 편심 회전자 어레이(890)의 다른 응용예를 나타내는 도면이다.
도32는 촉력각 제시기(2801)를 더 개량한 촉력각 제시기(3201)의 2차원 단면도를 도시하는 도면이다.
도33은 본 실시 형태의 촉력각 제시기를 내장한 펜형 디바이스(3301)의 설명도이다.
도34는 펜형 디바이스(3301)의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도35는 본 실시 형태의 촉력각 제시기를 내장한 레이저 포인터(3501)의 설명도로, 레이저 포인터(3501)의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도36은 본 실시 형태의 촉력각 제시기를 내장한 지휘봉형 제어기(3601)의 설명도로, 지휘봉형 제어기(3601)의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도37은 도11의 (4)의 촉력각 정보 제시 방법의 변형 형태의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도38은 도11의 (4)의 촉력각 정보 제시 방법의 다른 변형 형태의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도39는 도13의 촉력각 제시기(1301)의 변형 형태의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도40은 본 실시 형태의 촉력각 제시기를 내장한 탁상 디바이스(4001)의 설명도로, 탁상 디바이스(4001)의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도41은 본 실시 형태의 촉력각 정보 제시 시스템의 블럭도이다.
도42는 본 실시 형태의 촉력각 제시기를 내장한 펜형 디바이스(3301)의 보충 설명이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 형태를 도면을 기초로 하여 설명한다.
(제1 동작 원리)
도1은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 촉력각 정보 제시 시스템의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
촉력각 제시기(112)는 제어 장치(111)를 이용하여, 촉력각 제시기(112) 중 1개 이상으로 이루어지는 회전자의 회전 속도가 제어되고, 그 물리 특성인 진동, 힘, 토크가 제어됨으로써 사용자(110)에게 그 진동, 힘, 토크 등의 다양한 촉력각 정보를 지각시킨다.
상술한 도1과 맞추어, 이하에서는 도2 내지 도40을 참조하여 본 실시 형태의 촉력각 정보 제시 시스템을 설명하지만, 그것에 앞서, 도면으로서 마지막에 첨부되어 있는 도41의 본 실시 형태의 촉력각 정보 제시 시스템의 블럭도를 참조하여, 그 시스템의 블럭 구성의 개요를 설명한다.
도41에 있어서, 촉력각 정보 제시 시스템(4101)은 촉력각 제시기(4110), 제어 장치(4120) 및 입력 장치(4130)로 구성된다. 촉력각 제시기(4110)는, 안에 모터에 의해 회전되는 1개 이상의 회전자(4180)를 갖고, 제어 장치(4120)로부터의 제어에 의해 회전한다. 회전자(4180)의 구동에는 스테핑 모터나 서보 모터 등을 적용 가능하다. 제어 장치(4120)는 CPU(central processing unit)(4160), RAM(random access memory)(4170), ROM(read only memory)(4140) 등을 갖는다.
CPU(4160)는 제어 장치(4120)의 동작 전체를 담당한다. RAM(4170)은 CPU(4160)가 처리를 행할 때의 처리 대상의 데이터 등을 일시 기억하는 워크 영역으로서 사용된다. ROM(4140)은 제어 프로그램(4150)이 미리 저장되어 있다. 제어 프로그램(4150)은 입력 장치(4130)로부터의 입력 신호 대응한 촉력각 제시기(4110)의 제어 처리를 규정한 프로그램이다. CPU(4160)는 ROM(4140)으로부터 제어 프로그램(4150)을 판독하여 실행함으로써, 각 입력 신호에 대응하여 촉력각 제시기(4110)의 회전자(4180)의 제어를 행한다.
입력 장치(4130)는, 예를 들어 입력 메뉴의 선택 버튼 등이다. CPU(4160)는 압하 혹은 터치 등에 의해 선택된 선택 버튼의 입력에 대응한 처리[예를 들어, 소정의 회전 방향의 토크가 발생하도록 촉력각 제시기(4110)를 제어]를 행한다. 이러한 입력 장치(4130)는 제어 장치(4120)와 일체화한 제어 장치(4120)의 일부로 해도 좋다.
혹은, 입력 장치(4130)는 후술되는 근전을 검지하기 위한 주지의 근전 검지기나 주지의 각가속도 센서 등의 디바이스이다. CPU(4160)는 근전 검지기로부터의 근전 발생의 트리거 신호나 각가속도 센서로부터의 각가속도의 신호가 제어 장치(4120)로 입력되면, 그 입력을 피드백한 촉력각 제시기(4110)의 제어를 행한다. 각가속도 센서와 같은 입력 장치(4130)는 촉력각 제시기(4110)와 함께 촉력각 제시기(4110) 내부에 포함되는 구성으로 해도 좋다.
CPU(4160)가 ROM(4140)으로부터 제어 프로그램(4150)을 판독하여 실행함으로써, 각 입력 신호에 대응하여 촉력각 제시기(4110)의 회전자(4180)의 제어를 행하는 일반적인 처리 방법에 대해서는, 당업자에게 있어서는 비특허 문헌 1, 2 및 그 외에 의해 주지이기 때문에 상세한 서술은 필요로 하지 않을 것이다. 따라서 이하에서는, 본 실시 형태에 특징적인 촉력각 정보 제시 시스템에 있어서의 제어 장치의 처리 방식 및 촉력각 제시기의 구조에 대해 설명한다.
도2 및 도3은 역각에 관한 감각 특성을 이용한, 촉력각 정보 제시 시스템의 제어 장치에 의해 촉력각 제시기를 제어하는 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
감각 특성(211)은 주로 자극인 물리량(212)에 대해 그 감각량(213)은 대수 등의 비선형 특성인 경우가 많다. 도2의 (1)은 감각 특성(211)이 대수 함수적인 특성인 경우를 개략화한 것이다. 이 감각 특성(211) 상의 동작점 A(214)에서 플러스의 토크를 발생하고, 동작점 B(215)에서 반대 방향인 마이너스의 토크를 발생한 경우를 고려하면, 토크 감각(224)은 도2의 (2)와 같이 나타난다. 토크(223)는 회전자의 회전 속도(각속도)(222)의 시간 미분에 비례한다. 동작점 A(214) 및 동작점 B(215)에서 동작시키면 토크 감각(224)이 지각된다. 토크(223)는 물리적으로 1 사이클에서 초기 상태(228)로 복귀되고, 그 적분치는 제로로 되어 있다. 그러나, 감각량인 토크 감각(224)의 감각적 적분치는 제로가 되는 것으로는 한정되지 않는다. 동작점 A(214) 및 동작점 B(215)를 적절하게 선택하여 동작점 A 계속 시간(225) 및 동작점 B 계속 시간(226)을 적절하게 설정함으로써, 임의의 방향으로 자유롭게 토크 감각을 계속 제시할 수 있다.
이상의 점은, 감각 특성(211)이 지수 함수적인 경우 등의 비선형 특성을 나타낼 때에도 성립한다.
도3에 나타낸 도3의 (1)은 감각 특성(231)이 임계치를 갖는 경우를 개략화한 것이다. 이 감각 특성(231) 상의 동작점 A(234)에서 플러스의 토크를 발생하고, 동작점 B(235)에서 반대 방향인 마이너스의 토크를 발생한 경우를 고려하면, 토크 감각(244)은 도3의 (2)와 같이 나타난다.
상기한 도2의 (1) 및 도2의 (2)에서 나타난 감각 특성이 비선형이었던 경우와 마찬가지로, 토크(243)는 물리적으로 1 사이클에서 초기 상태(248)로 복귀되고, 그 적분치는 제로로 되어 있다. 그러나, 감각량인 토크 감각(244)은 동작점 B 계속 시간(246)의 구간에서 감각 임계치 이하이므로 제로가 된다. 그 결과, 한쪽의 방향으로만 토크 감각을 간헐적으로 계속 제시할 수 있다.
도4의 (1) 내지 (3)은 역각에 관한 이력적 감각 특성을 이용한 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
감각 특성은 근육을 연신할 때와 축소할 때 등, 변위(312)가 증가할 때와 감소할 때에 있어서 등방적이 아닌 이력적 감각 특성(311)을 나타내는 경우가 많다. 도4의 (1)의 이력적 감각 특성(311)은 감각 특성의 이력적인 특성을 개략화한 것이다. 이 이력적 감각 특성(311) 상의 동작 경로 A(314)에서 플러스의 토크를 발생하고, 동작 경로 B(315)에서 반대 방향인 마이너스의 토크를 발생한 경우를 고려하면, 이들의 거동은 도4의 (2)와 같이 나타나고, 토크 감각(334)은 도4의 (3)과 같이 나타난다. 토크(333)는 회전자의 회전 속도(332)의 시간 미분에 비례한다. 동작 경로 A(314) 및 동작 경로 B(315)에서 동작시키면 토크 감각(334)이 지각된다. 토크(333)는 물리적으로 1 사이클에서 초기 상태(338)로 복귀되고, 그 적분치는 제로로 되어 있다. 그러나, 감각량인 토크 감각(334)의 감각적 적분치는 제로가 되는 것으로는 한정되지 않는다. 동작 경로 A(314) 및 동작 경로 B(315)를 적절하게 선택하여 동작 경로 A 계속 시간(335) 및 동작 경로 B 계속 시간(336)을 적절하게 설정함으로써, 임의의 방향으로 강한 토크 감각을 단속적으로 연속하여 계속 제시할 수 있다.
도5 및 도6은 감각 특성을 변화시키는 방법의 일례로서, 역각에 관한 마스킹 효과에 의해 감각 특성을 변화시키는 방법을 이용한 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
감각 특성은, 마스킹 진동에 의해 마스킹되어 토크 감각(434)이 감소한다. 이 마스킹 방법으로서, (시각, 청각의 마스킹으로 실적이 있음) 동시 마스킹(424), 전방 마스킹(425), 후방 마스킹(426)을 들 수 있다. 도5의 도5의 (1)은 마스키인 토크(413)를 개략화한 것이고, 이때 지각되는 토크 감각(434)은 도5의 (3)과 같이 나타난다. 토크(413)는 회전자의 회전 속도(412)의 시간 미분에 비례한다.
이때, 회전자의 회전 속도(412)를 초기화하는 초기화 시간(415)과, 그것에 대응한 마스킹 계속 시간(425)을, 도6에 나타낸 도6의 (1)의 초기화 시간(445)과 마스킹 계속 시간(455)과 같이 단축해 가고, 어느 일정 시간보다도 짧아지면 초기화에 의한 마이너스의 토크가 물리적으로 존재함에도 불구하고, 토크 감각(464)과 같이 토크가 연속하여 제시되어 있도록 느껴지는 경계 융합이 생긴다.
또한, 마스킹 진동을 발생하는 마스커는, 그것에 의해 토크가 마스크되는 마스키인 회전자와 다른 회전자라도, 마스키인 회전자 자체라도 좋다. 마스키의 회전자가 마스커이기도 한 경우라 함은, 마스킹시에 그 회전자가 제어 장치에 의해 마스킹 진동을 발생하도록 제어되는 것을 의미한다. 마스커의 진동 방향은 마스키의 회전자의 회전 방향과 동일해도, 혹은 동일하지 않아도 좋다.
이상의 점은, 마스키와 마스커가 동일한 자극의 경우(마스키의 회전자가 마스커이기도 한 경우)에도 일어날 수 있다. 도7은 이 경우를 개략화한 도면이다. 도7에 도시한 바와 같이, 강토크 감각(485, 486)의 전후에 있어서 전방 마스킹(485), 후방 마스킹(486)에 의해 토크 감각(484)이 감소한다.
도8은 역각에 관한 감각 특성의 변화에 맞추어 촉력각 정보 제시를 제어하는 방법을 이용한 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
감각 특성은 근육의 긴장 상태, 혹은 신체적ㆍ생리적ㆍ심리적 상태 중 어느 하나 이상의 상태에 의해 토크 감각(517)의 감도가 변화된다. 예를 들어, 근육이 외력인 제시 토크(514)[짧은 시간에 강한 토크(524)]로 순간 연신됨으로써 근육 중 근방추라는 센서가 이것을 감지하고, 이 외력에 지지 않는 파워를 갖는 근육 기인 토크(515)[근육 반사 기인 토크(525)]로 조건 반사적으로 근육이 신속하게 수축한다. 이때 근전(511)이 발생한다. 그것을 검지한 제어 회로(512)는 촉력각 제시기(513)를 제어하고, 근육의 수축에 동기하여 제시 토크(516)[완만하게 중간 정도의 토크(526)]를 작용시킴으로써 토크 감각(517)의 감도를 변화시킨다.
이상의 점은 근육의 긴장 상태만으로 한정되지 않고, 호흡ㆍ자세ㆍ신경 발화의 상태 중 어느 하나 이상의 상태에 의한 감각 감도의 변화의 경우에도 성립한다.
도9는 역각에 관한 손바닥의 방향에 대한 제시 물리량과 감각량의 관계에 의해 제시 물리량을 보정하는 방법을 이용한 촉력각 정보 제시 방법을 나타낸다. 손바닥은 그 골격ㆍ관절ㆍ힘줄ㆍ근육 등의 해부학적인 구조로부터, 손바닥의 방향에 의해 감도가 다르다. 손바닥의 방향에 의존한 감도[비등방성 감도 곡선(611)]에 맞추어 제시 물리량의 강도[회전 속도 ω(612)]를 보정함으로써, 정밀도가 양호한 방향 제시가 가능해진다.
도10은 본 실시 형태의 촉력각 제시기 중의 회전자에 적용 가능한 편심 회전자의 설명도로, 역각에 관한 감각 특성을 이용하여, 편심 회전자(711)의 회전을 [도10의 (2)와 같이] 위상 동기시킨 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도10 중 도10의 (3)은 감각 특성(731)이 대수 함수적인 특성인 경우를 개략화한 것이고, 감각 특성(731)은 감각 특성(211)과 마찬가지로 자극인 물리량(732)에 대해 그 감각량(733)이 대수 등의 비선형 특성인 것을 나타내고 있다. 이 감각 특성(731) 상의 동작점 A(734)에서 플러스의 토크를 발생하고[편심 회전자(711)의 편심에 의해 진동도 발생], 동작점 B(735)에서 반대 방향인 마이너스의 토크를 발생한 경우를 고려하면, 토크 감각(744)은 도10의 (4)와 같이 나타난다. 토크(743)는 회전자의 회전 속도(742)의 시간 미분에 비례한다. 동작점 A(734) 및 동작점 B(735)에서 동작시키면 토크 감각(744)이 지각된다. 토크(743)는 물리적으로 1 사이클에서 초기 상태(748)로 복귀되고, 그 적분치는 제로로 되어 있다. 그러나, 감각량인 토크 감각(744)의 감각적 적분치는 제로가 되는 것으로는 한정되지 않는다. 동작점 A(734) 및 동작점 B(735)를 적절하게 선택하여 동작점 A 계속 시간(745) 및 동작점 B 계속 시간(746)을 적절하게 설정함으로써, 임의의 방향으로 자유롭게 토크 감각을 계속 제시할 수 있다.
이상의 점은, 감각 특성(731)이 지수 함수적인 경우 등의 비선형 특성을 나타낼 때에도 성립한다. 도10의 (3)의 감각 특성(731)이 도3의 (1)의 감각 특성(231)과 같이 임계치를 갖는 경우에도, 도3의 (2)와 같은 토크 감각이 생겨 한쪽의 방향으로만 토크 감각을 간헐적으로 계속 제시할 수 있다.
도11은 본 실시 형태의 촉력각 제시기 중의 회전자에 적용 가능한 편심 회전자의 설명도로, 2개의 편심 회전자 A(812) 및 편심 회전자 B(813)의 회전 방향 및 위상을 적절하게 동기시킴으로써 진동 감각, 토크 감각, 역감각의 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도11 중 도11의 (2)는 도11의 (1)의 2개의 편심 회전자 A(812) 및 편심 회전자 B(813)를 동일 방향으로 동기 회전시킨 경우를 개략화한 것이다. 이 동기 회전의 결과, 편심 회전이 합성된다. 도11의 (3)은 도11의 (1)의 2개의 편심 회전자 A(812) 및 편심 회전자 B(813)를 동일 방향에서 180도 위상이 지연되어 동기 회전시킨 경우를 개략화한 것이다. 이 동기 회전의 결과, 편심이 없는 토크 회전을 합성할 수 있다.
또한 도11의 (4)는 도11의 (1)의 2개의 편심 회전자 A(812) 및 편심 회전자 B(813)를 반대 방향으로 동기 회전시킨 경우를 개략화한 것이다. 이 반대 방향의 동기 회전의 결과, 임의의 방향에 직선적으로 단진동하는 힘을 합성할 수 있다.
도12의 (1)은, 도11의 (2)에 있어서의 2개의 편심 회전자 A(822) 및 편심 회전자 B(823)의 회전 방향 및 위상을 적절하게 동기시킴으로써, 편심 진동의 진동 강도를 변화시키는 방법을 나타내는 도면이다. 2개의 편심 회전자 A(822) 및 편심 회전자 B(823)의 회전의 위상차[예를 들어, 위상차 0°(851), 위상차 90°(852), 위상차 180°(853)]를 조정하여, 2개의 편심 회전자 합성 중심(854, 855, 856) 및 회전자의 회전 중심과 합성 중심의 중심 모멘트 길이(857, 858, 859)를 적절하게 변화시킴으로써, 편심 회전자(822, 823)의 회전 속도를 변화시키지 않고 편심 진동의 진동 강도를 변화시킬 수 있다. 이에 의해, 진동 주파수와 진동 강도를 독립으로 제어할 수 있다.
이에 대해, 휴대 전화의 매너모드 등으로 이용되고 있는 편심 회전자는 회전 속도를 증가시킴으로써 진동 강도를 증가시키고 있고, 진동 주파수와 진동 강도를 독립으로 제어할 수는 없다.
또한 도12의 (2)는, 도11의 (4)에 있어서의 2개의 편심 회전자 A(842) 및 편심 회전자 B(843)의 회전 방향을 적절하게 반전시킴으로써, 힘 및/또는 역감각의 강약, 진동 및/또는 진동 감각의 강도를 변화시키는 방법을 나타내는 도면이다. 2개의 편심 회전자 A(842) 및 편심 회전자 B(843)가 적절한 위상[예를 들어, 위상 0°(861), 위상 45°(862), 위상 90°(863), 위상 135°(864), 위상 180°(865)]에 있어서 회전 방향을 반전시킴으로써, 진동의 진폭(866, 867)을 적절하게 변화시킴으로써 편심 회전자(842, 843)의 회전 속도를 변화시키지 않고 힘 및/또는 역감각의 강도를 가변으로 할 수 있다. 이에 의해, 힘 및/또는 역감각의 주파수와 강도를 독립하여 제어할 수 있다.
도11의 (1) 내지 도12의 (2)에 있어서의 설명에서는 2개 편심 회전자의 회전축은 동일축 상에 표현되어 있지만, 특별히 동일축 상에 있을 필연성은 없고, 동일축 상도 포함하여 회전축이 평행하기까지 하면 좋다.
도13은 2개의 편심 회전자 A(812) 및 편심 회전자 B(813)를 1세트로 하여, 그 3세트를 직교 좌표계에 배치한 촉력각 제시기(1301)를 도시하는 도면이다. 도면 중 부호 1310은 편심 회전자, 1311은 그것을 구동하는 모터이다. 이와 같이 복수개의 편심 회전자를 3차원 공간적으로 배치함으로써, 도11의 (2) 내지 도11의 (4)에서 나타난 진동 감각, 토크 감각, 역감각을 임의의 3차원 방향으로 제시할 수 있다. 상기한 직교 좌표계의 배치는 3차원 방향으로 제시하기 위한 일례이다.
(제1 응용예)
도14는 도10의 (1)의 편심 회전자(711), 도11의 (1)의 트윈 편심 회전자(811), 도13의 3차원 공간 배치된 트윈 편심 회전자 중 어느 하나를 시트형으로 2차원 평면적으로 배치한 시트형 편심 회전자 어레이(880)를 도시하는 도면이다. 트윈 편심 회전자의 구동 부분의 실시 방법은 분자 모터나 압전 소자 등이라도 좋고, 목적의 물리량을 제시할 수 있는 것이면 어떠한 것이라도 상관없다.
도15는 본 시트형 편심 회전자 어레이(880)를 장갑형으로 가공한 장갑형 편심 회전자 어레이(890)를 도시하는 도면이다. 각각의 편심 회전자의 회전을 적절하게 제어함으로써 손바닥 상에 공간 및 시간적으로 다양한 패턴의 진동 감각, 토크 감각, 역감각을 제시할 수 있다.
또한, 상기한 시트형 편심 회전자 어레이(880) 및 장갑형 편심 회전자 어레이(890)는 실시 형태의 일례에 지나지 않고, 편심 회전자 어레이가 3차원적으로 배치된 경우를 포함하여 의류나 착용형인 촉력각 정보 제시 등에도 응용할 수 있다.
도16은 역각에 관한 감각 특성을 이용하여, 2개의 편심 회전자 A(912) 및 편심 회전자 B(913)의 회전을 위상 동기시킨 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
여기서, 도16의 (2)는 도16의 (1)의 2개의 편심 회전자 A(912) 및 편심 회전자 B(913)를 동일 방향에서 180도 위상이 지연되어 동기 회전시킨 경우를 개략화한 것이다. 이 동기 회전의 결과, 편심이 없는 토크 회전을 합성할 수 있다.
도16의 (3)은 감각 특성(931)이 대수 함수적인 특성인 경우를 개략화한 것이고, 감각 특성(931)은 감각 특성(211)과 마찬가지로 자극인 물리량(932)에 대해 그 감각량(933)이 대수 등의 비선형 특성인 것을 나타내고 있다. 이 감각 특성(931) 상의 동작점 A(934)에서 플러스의 토크를 발생하고, 동작점 B(935)에서 반대 방향인 마이너스의 토크를 발생한 경우를 고려하면, 토크 감각(944)은 도16의 (4)와 같이 나타난다. 토크(943)는 회전자의 회전 속도(942)의 시간 미분에 비례한다. 동작점 A(934) 및 동작점 B(935)에서 동작시키면 토크 감각(944)이 지각된다.
토크(943)는 물리적으로 1 사이클에서 초기 상태(948)로 복귀되고, 그 적분치는 제로로 되어 있다. 그러나, 감각량인 토크 감각(944)의 감각적 적분치는 제로가 되는 것으로는 한정되지 않는다. 동작점 A(934) 및 동작점 B(935)를 적절하게 선택하여 동작점 A 계속 시간(945) 및 동작점 B 계속 시간(946)을 적절하게 설정함으로써, 임의의 방향으로 자유롭게 토크 감각을 계속 제시할 수 있다.
이상의 점은, 감각 특성(931)이 지수 함수적인 경우 등의 비선형 특성을 나타낼 때에도 성립한다. 도16의 (3)의 감각 특성(931)이 도3의 (1)의 감각 특성(231)과 같이 임계치를 갖는 경우에도, 도3의 (2)와 같은 토크 감각이 생겨 한쪽의 방향으로만 토크 감각을 간헐적으로 계속 제시할 수 있다.
도17은 역각에 관한 감각 특성을 이용하여, 2개의 편심 회전자 A(1012) 및 편심 회전자 B(1013)의 회전을 반대 방향으로 위상 동기시킨 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
도17 중 도17의 (2)는 도17의 (1)의 2개의 편심 회전자 A(1012) 및 편심 회전자 B(1013)를 반대 방향으로 동기 회전시킨 경우를 개략화한 것이다. 이 반대 방향의 동기 회전의 결과, 임의의 방향에 직선적으로 단진동하는 힘을 합성할 수 있다. 도17의 (3)은 감각 특성(1031)이 대수 함수적인 특성인 경우를 개략화한 것이고, 감각 특성(1031)은 감각 특성(211)과 마찬가지로 자극인 물리량(1032)에 대해 그 감각량(1033)이 대수 등의 비선형 특성인 것을 나타내고 있다. 이 감각 특성(1031) 상의 동작점 A(1034)에서 플러스의 힘을 발생하고, 동작점 B(1035)에서 반대 방향인 마이너스의 힘을 발생한 경우를 고려하면, 역감각(1044)은 도17의 (4)와 같이 나타난다. 2개의 편심 회전자의 합성 회전 속도의 크기(1042)는 편심 회전자 A(1012) 및 편심 회전자 B(1013)의 회전 속도의 합성이고, 힘(1043)은 2개의 편심 회전자의 합성 회전 속도의 크기(1042)의 시간 미분에 비례한다. 동작점 A(1034) 및 동작점 B(1035)에서 동작시키면 역감각(1044)이 지각된다. 힘(1043)은 물리적으로 1 사이클에서 초기 상태(1048)로 복귀되고, 그 적분치는 제로로 되어 있다. 그러나, 감각량인 역감각(1044)의 감각적 적분치는 제로가 되는 것으로는 한정되지 않는다. 동작점 A(1034) 및 동작점 B(1035)를 적절하게 선택하여 동작점 A 계속 시간(1045) 및 동작점 B 계속 시간(1046)을 적절하게 설정하고, 2개의 편심 회전자 A(1012) 및 편심 회전자 B(1013)의 동기 위상을 조정함으로써 임의의 방향으로 자유롭게 역감각을 계속 제시할 수 있다.
이상의 점은, 감각 특성(1031)이 지수 함수적인 경우 등의 비선형 특성을 나타낼 때에도 성립한다. 도17의 (3)의 감각 특성(1031)이 도3의 (1)의 감각 특성(231)과 같이 임계치를 갖는 경우에도, 도3의 (2)와 마찬가지의 역감각이 생겨 한쪽의 방향으로만 역감각을 간헐적으로 계속 제시할 수 있다.
도18은 도17에서 나타난 2개의 편심 회전자를 이용한 역감각의 제시 방법을 이용하여, 스스로 압박하는 감각[도18의 (1)], 팽창감[도18의 (2)], 압박감[도18의 (3)], 스스로 인장하는 감각[도18의 (4)], 외부로부터 인장되는 감각[도18의 (5)], 외부로부터 압박되는 감각[도18의 (6)]을 제시하는 방법을 개략화한 도면이다.
스스로 압박하는 감각[도18의 (1)]은 손바닥의 이면과 표면에 트윈 편심 회전자(1111) 및 트윈 편심 회전자(1112)를 이용하여 각각 힘(1113) 및 힘(1114)을 제시함으로써, 스스로 손바닥의 표면에 의해 물체를 압박하는 감각을 제시할 수 있다.
팽창감[도18의 (2)], 압박감[도18의 (3)], 스스로 인장하는 감각[도18의 (4)], 외부로부터 인장되는 감각[도18의 (5)], 외부로부터 압박되는 감각[도18의 (6)]에 대해서도 마찬가지로 제시할 수 있다.
도19는 장갑형 편심 회전자 어레이(1170)의 부호 1171 상의 각각의 트윈 편심 회전자(1172)의 회전을 적절하게 제어함으로써, 손바닥 및 손끝 등에 힘(1173), 전단력(1174), 토크(1175)를 제시하는 방법을 나타내는 도면이다.
또한, 도20과 같이, 손가락에 권취된 스킨형 편심 회전자 어레이(1181) 상에서 동일 방향으로 토크를 제시함으로써 손가락 전체를 비틀림 합성 토크(1185)를 제시할 수 있다.
또한, 도21과 같이, 손바닥에 제시하는 항력(1193)의 공간적인 강도 분포를 적절하게 조정함으로써, 구형 항력(1191)이나 정육면체형 항력(1192) 등을 제시함으로써 손바닥에 구나 정육면체 등의 3차원 형상 감각, 혹은 탄력 감각 및 말랑말랑한 느낌 등의 촉각 감각을 제시할 수 있다.
또한, 도22와 같이, 손바닥에 제시하는 항력(1193)의 공간적인 강도 분포를 시간적으로 변화시킴으로써 힘이 손바닥 상을 전달해 가는 감각(1195), 물건이 손바닥 상을 굴러가는 감각, 힘이 손바닥을 통과해 가는 역감각(1196)을 제시할 수 있다. 마찬가지로, 전단력 및 토크 등을 변화시킴으로써 표면 거칠기 등의 가상 물체 표면의 텍스처를 제시할 수 있다.
도19 내지 도22에 나타낸 이상의 제시 방법에 따르면, 손바닥의 움직임에 맞추어 역감각의 공간 분포를 적절하게 변화시킴으로써 가상적인 물체의 존재, 형상, 탄성, 텍스처 등의 물체에 관한 다양한 촉력각 정보를 제시할 수 있다.
(제2 동작 원리)
도23은 임의 방향으로 진동 감각, 역감각, 토크 감각 중 어느 하나 이상의 촉력각 정보를 연속적 및 단속적으로 제시하는 제어 방법의 일례로서, 역각에 관한 마스킹 효과에 의해 감각 특성을 변화시키는 방법을 이용하여, 임의의 방향으로 진동 촉력각 정보 제시 방법을 나타내는 도면이다.
감각 특성은 마스킹 진동(1216)에 의해 마스킹되어 역감각(1224)이 감소한다. 이 마스킹 진동은, 도17의 (2)에 있어서 편심 회전자 A의 회전 속도(1022) 및 편심 회전자 A의 회전 속도(1023)를 동기시켜 속도를 진동함으로써 발생시킬 수 있다. 도23의 (1)은 이것을 개략화한 것이고, 이때 지각되는 역감각(1224)은 도23의 (2)와 같이 나타난다. 힘(1213)은 2개의 편심 회전자의 합성 회전 속도의 크기(1212)의 시간 미분에 비례한다.
이때, 회전자의 회전 속도(1212)를 초기화하는 초기화 시간(1215)을 단축해 가, 도23의 (3)과 같이 어느 일정 시간보다도 짧아지면 초기화에 의한 마이너스의 힘이 물리적으로 존재함에도 불구하고, 역감각(1244)과 같이 힘이 연속하여 제시되어 있는 바와 같이 느껴지는 경계 융합이 생긴다.
이상의 점은, 마스키와 마스커가 다른 회전자에 의한 경우에도 생기고, 또한 힘뿐만 아니라 토크의 경우에도 마찬가지의 연속 제시 감각이 생긴다.
상기 촉력각 정보 제시 시스템의 실제의 이용에 있어서는, 사람의 아무렇지 않은 동작에 의한 토크 제시기의 자세 변화가 코리올리력이나 자이로 효과에 의한 관성력으로서 느껴지기 때문에, 회전자 자체의 관성력을 최대한 억제한 후 큰 토크도 제시할 필요가 있을 수 있다. 이하에서는, 이 관성력에 대해 검토한다.
토크 감각을 발생시키는 방법으로서, 관성 모멘트를 가진 회전체의 회전 속도를 가속 및 감속하는 방법과, 회전체를 그 회전축과 직교하는 축 주위로 회전시키는 방법이 있다. 기구학적 견지로부터 이하의 회전자 자세 제어형[이하, 자이로형(1311)이라 부름]과, 합성 각운동량 벡터 미분형(1312)의 2가지로 크게 분류된다(도24).
우선, 자이로스코프를 이용한 회전자의 자세를 제어하는 자이로형(1311)을 설명한다. 짐벌 구조를 이용하여 일정 각속도(ω0)로 회전하는 회전자의 자세를 2개의 짐벌축 주위의 회전각(θ1, θ2)을 변화시켜 토크를 발생시킬 수 있다. 관성 모멘트의 회전체를 각속도(ω0)로 회전시켰을 때의 각운동량(L0)은,
L0 ＝ Iω0
로 나타난다. 이때, 토크가 발생하는 방향을 고려하여, 크기가 일정한 각운동량 벡터(│L│ ＝ L0)를 각속도(ω)로 회전시켰을 때의 토크 벡터(τ)는,
τ ＝ ω × L, 여기서 ω ＝ dθ/dt
로 나타난다.
다음에, 합성 각운동량 벡터의 시간 변화를 제어하는 합성 각운동량 벡터 미분형(1312)을 설명한다. x축, y축, z축에 고정된 3개의 회전자의 회전수(ωx, ωy, ωz)를 독립으로 제어하여, 각각의 회전자의 각운동량을 합성함으로써 임의의 방향으로 각운동량 벡터를 만들어낼 수 있다. 이것을 적절하게 제어하면 임의의 방향으로 토크를 만들어낼 수 있다. 각운동량 벡터(L)를 변화시켰을 때의 토크 벡터는 이하와 같이 나타난다.
각 x, y, z축 주위에 각속도(ωi)로 회전하는 각운동량(Li)은 각 축 주위의 관성 모멘트를 Ii로 하면,
Li ＝ Iiωi, i ＝ x, y, z
로 나타난다. 이들 각 축 주위의 각운동량으로 구성되는 합성 각운동량 벡터는 x, y, z축 방향의 기본 벡터를 i, j, k로 하면,
L ＝ Lxi + Lyj + Lzk
로 나타난다. 이 합성 각운동량 벡터의 시간 미분이 토크 벡터(τ)이다.
τ ＝ dL/dt
따라서, x, y, z축 방향의 각속도의 비(ωx : ωy : ωz)를 바꿈으로써 임의의 방향으로 각운동량 벡터의 발생 방향을 제어할 수 있다. 본 방법은 제어가 용이하고, 변화가 많은 3차원 역각 감각을 제시할 수 있는 이점이 있다. 또한, 사람이 느끼는 토크는 작용 및 반작용의 법칙에 의해, 이 토크 벡터(τ)와 동일 크기이고 반대 방향이다.
도25를 참조하면,
여기서, │L│ ＝ LO로 일정하게 하고, 합성 각운동량 벡터(L)의 배향이 ω ＝ dΩ/dt에서 회전하는 경우,
τ ＝ dL/dt
＝ ω × L
이 되어 자이로형과 일치한다. 이러한 점은, 자이로형이고 제시 가능한 토크는 본 제안 방식에 의해 제시할 수 있지만, 그 역은 그렇지 않은 것을 나타내고 있다.
지금, 소위 휴먼 네비게이션에서의 이용을 고려한 경우, 사용자의 자세의 움직임이 각운동량 벡터의 변화를 생기게 하여 의도하지 않은 토크가 제시될 가능성이 있다. 그래서, 관성 좌표계(O)에 대해 각속도 벡터(Ω)로 회전하는 회전 좌표계(OΩ) 상에서 회전하는 합성 각운동량 벡터(L)에 의해 발생하는 토크에 대해 고찰한다.
관성 좌표계 O(1330) 및 회전 좌표계 OΩ(1331)에 있어서의 운동 방정식은,
τ ＝ [dL/dt]O
＝ [dL/dt]OΩ ＋ Ω × L
로 나타난다. 도25에 나타낸 바와 같이, 회전하는 사람의 손바닥 상의 합성 각운동량 벡터(1332)의 시간 변화에 의해 사람이 느낄 수 있는 토크는, 회전 좌표계 OΩ(1331)에 있어서 합성 각운동량 벡터(1332)의 시간 변화에 의한 토크[dL/dt]OΩ 및 세차 토크(Ω × L)가 가산된 것이 된다. 이 프리세션이라 함은, 자이로에 외부로부터 토크가 가해지면 가해진 토크와 직교하는 방향으로 자이로의 스핀축이 회전하는 것이고, 여기서의 세차 토크의 발생의 원인은 좌표축의 회전에 있다.
즉, 사용자의 손바닥 상에서 사용자로부터 볼 때 각운동량(L)의 시간적인 변화가 없는 경우라도, 사용자가 도25와 같이 각속도(Ω)로 회전하고자 할 때에는 세차 토크(Ω × L)를 느끼게 된다.
여기서 네비게이션을 행하는 경우, 사용자의 자세의 변화가 억제되는 경우가 발생한다. 이것은, 사용자의 몸이 수평 방향으로 회전한 경우, 각속도(Ω)와 직교하는 각운동량(Lxi, Lyj)에 대해 자이로 콤파스로 잘 알려져 있는 세차 토크가 작용하여 사용자의 몸의 회전(Ω)을 억제하고자 작용하기 때문이다. 이 세차 토크는 사용자의 자유로운 움직임을 방해하는 반면, 사용자의 보행에 수반하는 토크 제시 디바이스의 흔들림을 억제하는 효과도 있다. 또한, 사용자의 팔이 상하방향으로 움직인 경우, 각운동량(Lxi, Lzk)에 대해 마찬가지의 세차 토크가 작용한다. 즉, 사용자가 몸을 움직이면 토크가 작용하여 자이로 콤파스와 같이 항상 동일 방향을 나타내고자 한다.
본 실시 형태에 의한 제어 특징은, 합성 각운동량 벡터 L(1332)의 시간 변화를 제어하는 점이고, 그 제어의 용이함이 큰 이점이다. L을 제로의 근방에서 급격하게 변화시킴으로써, 큰 토크[dL/dt]OΩ를 발생시키면서도 세차 토크(Ω × L)를 작게 억제하는 것이 가능하다. 이에 의해, 상기한 사용자의 움직임을 저해하지 않고 네비게이션을 가능하게 할 수 있다.
이와는 반대로, 만약 사용자의 움직임에 수반하여 토크 제시기가 요동하여 곤란한 경우에는, 적절한 크기의 합성 각운동량 벡터 L(1332)의 근방에서 L을 시간 변화시킴으로써 토크 제시기의 요동을 억제하면서도 토크를 제시하는 것이 가능해진다.
한편, 자이로형(1311)을 이용한 경우,
τ ＝ [dL/dt]OΩ ＋ Ω × L
＝ ω × L ＋ Ω × L
이 되고, 큰 토크를 제시하기 위해서는 큰 각운동량 벡터(L)가 필요하고, 그 결과 큰 세차 토크를 반드시 발생시킨다.
특히, 소위 휴먼 네비게이션에서의 사용하기 위해서는, 휴대 전화나 PDA에 내장되거나, 외부 부착할 수 있을 정도의 소형화가 필요하다. 여기서는, 휴대 전화에 내장한 경우의 토크 제시 방법 및 동작 원리에 대해 검토한다.
실제로 토크를 발생시키는 차원수에 의해 도26과 같이 4개로 분류할 수 있다.
종래의 휴대 전화에서는, 진동은 착신을 알리기 위해 사용되어 왔다. 최근 휴대 전화에 의한 네비게이션에서는, 길 모퉁이에 근접하면 먼저 진동에 의해 주의를 환기하고, 그 후 음성에 의해 바꾸어야 하는 방향을 나타내게 되어 있다. 즉 진동에 의한 주의 환기이고, 방향 정보를 제시하고 있지 않으므로, 이를 0차원으로서 위치시켰다[진동(1341)].
또한, 네비게이션 등의 평면 공간에서의 방향 제시이면, 도26의 (3)에 나타낸 바와 같이 2차원에서도 충분하고, 휴대 전화 등에 내장하여 역각적 네비게이션 시스템을 구축할 수 있다. 도26의 (4)는 중심의 균형 등을 고려하여 새롭게 고안한 대향식 트윈 모터 방식을 채용한 모델이다.
다음에, 3차원 토크 제시의 이점을 설명한다.
이미 서술한 바와 같이, Ω × L 성분은 사용자의 움직임을 저해하기 때문에 L이 제로 근방이 되는 제어점에서 동작시키는 것을 제안하였다. 그러나, Lz 성분은 사용자의 진동 방향 등의 수평면에서의 회전에는 프리세션의 토크가 작용하지 않지만, 팔의 상하 운동에는 비행기에 있어서의 수직 자이로와 같이 회전축의 보존성에 의해 토크 제시기의 자세가 안정된다(도27 참조).
즉, 팔이 아래 팔꿈치를 지지점으로 하여 회전 벡터(Ω)가 생기고, 손바닥 상의 토크 제시기에 x 방향으로 토크(τx)가 발생하여 Lz 벡터를 회전하고자 하여, 회전 벡터(Ω)를 부정하는 방향으로 토크가 발생한다. 이 팔꿈치를 지지점으로 한 토크 제시기의 상하 운동을 억제하는 토크가 토크 제시기의 위치를 안정시킨다고 판단된다.
이것이 Lx이면 자이로스코프가 수평을 유지한 상태로 쓰러지지 않고 회전하도록, 팔이 수평면을 회전하면서 중력을 부정하는 토크가 발생하여 토크 제시기를 뜨게 하는 형이 되고, 계속 갖는 피로를 경감해준다고 판단된다.
(제3 동작 원리)
이하에서는, 도13에 나타낸 촉력각 제시기(1301)를 더 개량한 촉력각 제시기를 설명한다.
도28은 도13의 촉력각 제시기(1301)와 마찬가지로, 대향하는 2개의 편심 회전자를 1세트로 하여, 그 3세트를 직교 좌표계에 배치한 촉력각 제시기(2801)의 2차원 단면도를 도시하는 도면이다. 촉력각 제시기(2801)는 구형의 하우징(2807) 내에 편심 회전자(관성 ; 관성체)(2804) 및 모터(2803) 등이 배치되어 있고, 도28은 그 구형의 하우징(2807)의 중심을 통과하는 단면도이다. 편심 회전자(2804)와 모터(2803)는 일체화되어 있고, 모터의 회전축(2802)은 하우징(2807)의 조인트부(2810)에 고정되어 있다. 즉 회전축(2820)은 고정되어 있고, 보통의 모터의 회전과 마찬가지로, 회전축(2802)과 일체로 되어 있는 모터의 회전자의 자석과 모터(2803)의 본체의 전자석이 반발하여 모터(2803)가 회전한다. 이에 의해, 촉력각 제시기(2801)는 편심 회전자와 모터가 일체화한 회전체가 회전한다. 또한, 당업자에게는 이해되겠지만, 모터(2803)의 본체로의 전원 공급을 위한 단자는 모터(2803)의 본체가 회전해도 접점이 극성을 유지되도록 가공되어 있다(도시되지 않음). 이로 인해, 촉력각 제시기(2801)는, 도13의 촉력각 제시기(1301)에서는 모터가 하우징에 고정되어 편심 회전자만이 회전하는 데 비해, 회전 부분의 질량을 크게(즉 관성 모멘트를 크게) 하는 것이 가능해지고, 회전체의 회전에 의한 역학적인 동작(진동, 토크, 힘의 제시)의 효율이 향상된다. 또한, 하우징(2807)을 가볍게 할수록 그 효율이 향상된다.
또한, 도28에 도시한 촉력각 제시기(2801)는 편심 회전자를 적용한 경우로 한정되지 않고, 편심하고 있지 않은 회전자도 물론 적용 가능하다. 또한, 촉력각 제시기(2801)는 구형의 하우징을 예시하였지만, 촉력각 제시기(2801)의 원리는 구형 이외의 하우징에도 물론 적용 가능하다.
도29는 도28의 촉력각 제시기(2801)를 더 개량한 촉력각 제시기(2901)의 2차원 단면도를 도시하는 도면이다. 촉력각 제시기(2901)는 구형의 하우징(2807) 내에 터빈 핀(2908)이 배치되어 유체(기체류 또는 액체류)(2909)를 포함하고 있고, 도28은 그 구형의 하우징(2807)의 중심을 통과하는 단면도이다. 편심 회전자(2804)와 모터(2803)가 일체화된 회전체에 터빈 핀(2908)이 설치되어 있다. 이에 의해, 촉력각 제시기(2901)는 편심 회전자와 모터가 일체화된 회전체가 회전하면 터빈 핀이 유체(2909)를 휘젓는다. 이로 인해, 촉력각 제시기(2901)는 도28의 촉력각 제시기(2801)의 회전체가 회전하는 데 비해, 유체의 순환에 의해 터빈 핀의 회전에 부하 저항이 걸려, 결과적으로 회전체의 실효적인 관성 모멘트가 증가하기 때문에, 회전체의 회전에 의한 역학적인 동작(진동, 토크, 힘의 제시)의 효율이 향상된다. 또한, 하우징(2807)을 가볍게 할수록 그 효율이 향상된다. 또한, 유체를 순환시키는 코스로 유체 유로 단면을 짜는 협착 구멍(2910)을 마련함으로써 터빈 핀의 회전에 부하 저항을 걸 수 있다.
도30은 도29의 촉력각 제시기(2901)를 더 개량한 촉력각 제시기(3001)의 2차원 단면도를 도시하는 도면이다. 촉력각 제시기(3001)는 구형의 하우징(3007) 내에 공기(3009)를 포함하여 터빈 핀에 서로 마주 대해 하우징(3007)에 구멍(3010)이 마련되어 있고, 도30은 그 구형의 하우징(3007)의 중심을 통과하는 단면도이다. 하우징(3007)에 구멍(3010)이 마련되어 있음으로써, 촉력각 제시기(3001)는 모터의 제어에 따라서는, 예를 들어 도30의 좌측으로부터 우측으로 촉력각 제시기(3001)를 통해 흐르는 기류(3002a, 3002b)가 발생한다. 이 경우, 촉력각 제시기(3001)는 도29의 촉력각 제시기(2901)가 도면 중 좌측 배향으로 역감각을 계속 제시하는 데 비해, 기류(3002b)의 분사의 힘도 가미되고, 도면 중 좌측 방향으로 역감각을 계속 제시하는 것의 효율이 향상된다. 또한, 이들의 구멍은 (필수적이지는 않지만) 밸브(3010)와 제어 회로에 의해 개폐가 제어됨으로써 유량과 유속을 제어할 수 있는 것이 당업자에게는 자명할 것이다.
터빈 핀은 회전 방향과 송풍 방향의 관계를 제어할 수 있는 가변형의 핀이고, 회전에 수반하는 토크 방향은 동일 방향이라도, 핀의 각도를 바꿈으로써 기류의 흐르는 방향을 제어할 수 있다. 또한, 용도에 따라서는 고정되어 있어도 좋다.
또한, 1개의 회전축(2802)에 2개씩의 모터의 회전자, 모터 본체, 편심 회전체, 기류의 발생하는 방향이 반대인 2개의 터빈 핀이 장착되어 있고, 회전시키는 터빈 핀을 선택함으로써 기류의 유동 방향을 제어할 수 있도록 해도 좋다(도시되지 않음).
(제2 응용예)
도31은 도15의 장갑형 편심 회전자 어레이(890)의 다른 응용예를 나타내는, 시트형 편심 회전자 어레이(3111)를 장갑형으로 가공한 장갑형 편심 회전자 어레이(3110)를 도시하는 도면이다. 도31에 있어서는, 회전자는 격자형으로 정렬되어 있고, 그 중 편심 회전자(3170a 내지 3173a, 3170b 내지 3177b)만이 회전하고 있다. 이에 의해, 장갑형 편심 회전자 어레이(3110)의 각 편심 회전자(3170a 내지 3173a, 3170b 내지 3177b)의 회전을 적절하게 제어함으로써, 손바닥 상에 공간적 넓이로서의 가상적인 비틀림의 촉력각 정보를 제시할 수 있다. 보다 상세하게는, 편심 회전자(3170a 내지 3173a)에 의해 동일 방향으로 큰 토크를 제시함으로써, 손바닥 중심부를 반시계 방향으로 비트는 큰 합성 토크(315a)를 제시하고, 편심 회전자(3170b 내지 3177b)에 의해 동일 방향으로 작은 토크를 제시함으로써, 손바닥 외측 연장부를 시계 방향으로 비틀림 합성 토크(315b)를 제시한다. 이에 의해, 손바닥 중심부를 반시계 방향으로 강하게 비틀어 손바닥 외측 연장부를 시계 방향으로 약하게 비트는 가상적인 비틀림의 촉각이 체감된다.
도32는 도28의 촉력각 제시기(2801)를 더 개량한 촉력각 제시기(3201)의 2차원 단면도를 도시하는 도면이다. 촉력각 제시기(3201)는 구형의 하우징(2807) 중심부에 제어 회로(3205)와 각가속도 센서(및 중력 및 가속도 센서)(3206)가 배치되어 있고, 도32는 그 구형의 하우징(2807)의 중심을 통과하는 단면도이다. 제어 회로(3205)는 도41에 있어서의 제어 장치(4120)에 상당하고, 각가속도 센서(및 중력 및 가속도 센서)(3206)는 도41에 있어서의 입력 장치(4130)에 상당한다. 도32의 촉력각 제시기(3201)는 야구공의 모양을 한 볼을 상정하고 있지만, 그 밖에 어떠한 형의 볼이라도 좋다. 각가속도 센서(3206)는 볼[촉력각 제시기(3201)]이 도면 중 부호 3210의 배향으로 투구되었을 때의 릴리스에서 발생하는 백 스핀(3215)을 모니터하고, 또한 등속 회전 운동의 경우에는 중력 및 가속도 센서로 중력 방향을 알 수 있고, 중력 방향이 센서의 xyz축 성분으로 주기적으로 변화되므로 볼의 회전을 모니터할 수 있다. 또한 이러한 방법이 아니라도, 볼의 회전을 검출할 수 있으면 그 외의 방법을 적용해도 좋다. 제어 회로(3205)는 각가속도 센서(및 중력 및 가속도 센서)(3206)로부터의 입력 정보를 해석하여, 볼[촉력각 제시기(3201)]의 백 스핀(3215)을 부정하도록 촉력각 제시기(3201) 내의 모터를 제어한다. 이로 인해, 볼[촉력각 제시기(3201)]은 무회전이 되고, 그 후방에 발생하는 유동이나 소용돌이의 영향으로 불규칙하게 요동하여 변화되는 변화구가 된다(소위 너클볼). 마찬가지로, 회전을 그 외에 자유롭게 제어함으로써, 커브나 슛, 또한 커브한 후에 슛하여 떨어지는 실제 야구에서는 있을 수 없는 변화구도 포함하여 다양한 변화구를 실현할 수 있다. 또한, 도32의 실시 형태는 도29의 촉력각 제시기(2901)에도 적용 가능하다.
다시, 도30의 촉력각 제시기(3001)를 참조한다. 종래의 VR에 있어서의 역각 제시기는, 그 자체의 중량이 사용자에게 느끼게 하는 본래의 VR의 효과를 저감시키고 있었다. 그래서, 도30의 촉력각 제시기(3001)에 있어서, 모터의 제어에 의해 도30의 위로부터 아래로 촉력각 제시기(3001)를 통해 흐르는 기류를 발생시킴으로써, 하방으로의 기류의 분사하는 힘에 의해 촉력각 제시기(3001) 자체의 중량을 사용자에게 느끼게 하는 것을 저감시키고, VR을 사용자에게 느끼게 하는 본래의 효과를 향상시킬 수 있다. 마찬가지로, 도30의 아래로부터 위로 촉력각 제시기(3001)를 통해 흐르는 기류를 발생시킴으로써, 상방으로의 기류의 분사하는 힘에 의해 촉력각 제시기(3001) 자체의 중량을 실제보다도 무겁게 사용자에게 느끼게 할 수도 있다.
도33은 본 실시 형태에서 상술해 온 촉력각 제시기를 내장한 펜형 디바이스(3301)의 설명도이다. 펜형 디바이스(3301)는 표면에 터치 패널(3350)이 설치되어 있고, 터치 패널(3350)은 도면 중 부호 3310, 3320, 3330, 3340의 각 버튼열을 표시하고, 각 버튼열은 4개의 버튼을 갖는다. 본 실시 형태의 펜형 디바이스(3301)는, 예를 들어 펜형 휴대 전화 등으로의 응용을 상정하고 있다. 또한, 터치 패널(3350)의 기능은 터치 패널 대신에 물리적인 버튼이라도 좋다. 또한, 각 버튼열은 4개의 버튼으로 한정되지 않고, 원하는 수라도 좋다. 또한, 버튼열도 원하는 수만큼 설치해도 좋다(이들의 예로서, 도42에 도33의 보충 설명의 도면을 도시함). 여기서, 도33의 (a)로부터 도33의 (b)로 180°회전시켜 사용하고 있지만, (360°/열의 수)의 회전 각도씩 열의 수만큼 가상적인 조작 패널이 존재하게 된다.
도33의 (a)에 도시한 바와 같이, 사용자가 펜형 디바이스(3301)를 파지하여 부호 3302의 배향으로부터 펜형 디바이스(3301)를 보고 있는 경우, 버튼열(3310, 3320, 3330)은 각각「1, 4, 7, *」,「3, 6, 9, #」,「2, 5, 8, 0」의 숫자 입력 기능의 버튼을 갖는다.
한편, 도33의 (b)에 도시한 바와 같이, 사용자가 펜형 디바이스(3301)를 도33의 (a)의 상태로부터 180°회전하여 파지하고, 부호 3302의 배향으로부터 펜형 디바이스(3301)를 보고 있는 경우, 버튼열(3310)의 버튼「1, 4, 7, *」은 각각「아, 타, 마, "」의 입력 기능이 되고, 버튼열(3310)의 버튼「3, 6, 9, #」은 각각「사, 하, 라, enter」의 입력 기능이 되고, 버튼열(3340)의 버튼
「◇, ♡, ♤, ♧」
은 각각「가, 나, 하, 와」의 입력 기능이 된다. 즉, 본 예의 경우에는 4행 4열로 실현하고 있어, 디바이스의 표면측으로서 제1열 제2열 제3열을 이용하고, 디바이스의 이면측으로서 제3열 제4열 제1열을 사용 가능하게 하고 있다.
도34는 펜형 디바이스(3301)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 펜형 디바이스(3301)는 촉력각 제시기(3410), 제어 회로(3420), 주지의 가속도 센서를 기초로 한 자세 센서(3430), 펜형 디바이스 제어 회로(3440), 터치 패널(3350)로 구성된다. 제어 회로(3420)는 도41에 있어서의 제어 장치(4120)에 상당하고, 자세 센서(3430)는 도41에 있어서의 입력 장치(4130)에 상당한다. 펜형 디바이스 제어 회로(3440)는 자세 센서(3430)로부터의 입력을 기초로 하여 도33의 (a)와 도33의 (b) 중 어느 하나의 상태에서 사용자가 펜형 디바이스(3301)를 보고 있는지 판정하고, 도33의 (a) 또는 도33의 (b)와 같이 부호 3310, 3320, 3330, 3340의 각 버튼열의 입력 기능을 결정하고, 대응 버튼을 터치 패널 상에 표시한다. 또한, 펜형 디바이스 제어 회로(3440)는 터치 패널(3350)로부터의 입력을 처리하고, 예를 들어 버튼「0」이 사용자에 의해 압하된 경우에는 숫자의 0의 입력을 처리한다. 펜형 디바이스 제어 회로(3440)와 같은 자세 센서(3430)로부터의 입력을 처리하여 터치 패널(3550)로부터의 입력을 처리하는 회로와 그 제어는, 당업자에게는 주지이기 때문에 상세한 설명은 필요하지 않을 것이다
여기서, 예를 들어 버튼「0」이 사용자에 의해 압하된 경우, 자세 센서(3430)는 도34 중 배향 3302로의 자세 변화를 검지하거나, 터치 패널의 압력 센서가 압하된 손가락의 움직임을 검지하고, 제어 회로(3420)는 자세 센서(3430)로부터의 입력 정보를 해석하여, 터치 패널 상의 가상 버튼인데 실제의 버튼을 누르는 감각이 제시되도록 3460과 3302의 배향의 움직임을 제시하도록 촉력각 제시기(3410) 내의 모터를 제어하여 역각 피드백을 부여한다. 이로 인해, 촉력각 제시기(3410)는 배향(3460, 3302)으로 힘의 제시를 행하고, 버튼「0」의 압하을 사용자에게 체감시킨다.
또한, 예를 들어 버튼「0」이 사용자에 의해 위로부터 아래로 문질러진 경우, 자세 센서(3430)가 도34 중 배향(3470)으로의 자세 변화를 검지하거나, 터치 패널의 센서가 문지른 손가락의 움직임을 검지하고, 제어 회로(3420)는 자세 센서(3430) 및 터치 패널의 센서로부터의 입력 정보를 해석하여, 터치 패널 상의 가상 휠인데 실제의 스크롤용 휠이나 조이스틱을 조작한 바와 같은 감각이 제시되도록 3470과 3480의 배향의 움직임을 촉력각 제시기(3410) 내의 모터를 제어하여 역각 피드백을 부여한다. 이로 인해, 촉력각 제시기(3410)는 배향(3470, 3480)으로 힘의 제시를 행하고, 가상 스크롤용 휠의 조작 감각을 사용자에 체감시킨다.
도35는 본 실시 형태에서 상술해 온 촉력각 제시기를 내장한 포인터(3501)의 설명도이고, 포인터(3501)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 포인터(3501)는 촉력각 제시기(3510), 제어 회로(3520), 자세 센서(또는 위치 센서 혹은 가속도 센서)(3530), 포인터 제어 회로(3540), 스위치(3550), 레이저 광원(3590)으로 구성된다. 제어 회로(3520)는 도41에 있어서의 제어 장치(4120)에 상당하고, 자세 센서(3530)와 스위치(3550)는 도41에 있어서의 입력 장치(4130)에 상당한다. 포인터 제어 회로(3540)는 스위치(3550) 온(ON)시에 레이저 광원(3590)으로부터 레이저광(3580)을 내도록 제어한다. 포인터 제어 회로(3540)와 같은 레이저 광원(3590)으로부터 레이저 광(3580)을 내도록 제어하는 회로와 그 제어는, 당업자에게는 주지이기 때문에 상세한 설명은 필요로 하지 않을 것이다
여기서, 사용자에 의해 스위치(3550)가 압하되어 포인터(3501)가 배향(3570)으로 흔들린 경우, 자세 센서(3530)는 배향(3570)으로의 자세 변화를 검지하고, 제어 회로(3520)는 자세 센서(3530)로부터의 입력 정보를 해석하여, 촉력각 제시기(3510)의 방향(3570)으로의 움직임을 억제하도록 촉력각 제시기(3510) 내의 모터를 제어한다. 이로 인해, 촉력각 제시기(3510)는 배향(3590)으로 힘의 제시를 행하고, 흔든 배향(3570)에 대한 항력을 사용자에게 체감시킨다. 이에 의해, 예를 들어 레이저 광 추미 기능을 갖는 물체(3560)에 대해, 레이저광(3580)의 조사에 의해 물체(3560)를 포인트하면서 도35 중 좌측으로부터 우측으로 이동시키는 경우, 물체(3560)를 움직이게 한 배향(3570)에 대한 항력[배향(3590)의 힘]을 사용자에게 체감시킴으로써 사용자가 물체(3560)를 파지하여 이동시킨 바와 같은 감각을 부여한다. 여기서는 레이저 광원(3590) 및 레이저 광 추미 기능을 이용하여 물체(3560)의 선택 및 파지 의사를 포인터 제어 회로(3540)에 전달하고 있지만, 선택 및 파지 의사를 입력할 수 있는 것이면 이것으로 한정되는 것은 아니다.
도36은 본 실시 형태에서 상술해 온 촉력각 제시기를 내장한 지휘봉형 제어기(3601)의 설명도이고, 지휘봉형 제어기(3601)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 지휘봉형 제어기(3601)는 가정용 비디오 게임기의 주지인 (지휘를 하는) 음악 게임 등에서 사용하는 제어기이다. 지휘봉형 제어기(3601)는 촉력각 제시기(3610), 제어 회로(3620), 자세 센서(3630), 제어기 제어 회로(3640)로 구성된다. 제어 회로(3620)는 도41에 있어서의 제어 장치(4120)에 상당하고, 자세 센서(3630)와 제어기 제어 회로(3640)는 도41에 있어서의 입력 장치(4130)에 상당한다. 제어기 제어 회로(3640)는 게임기(3606)와 신호(3609)를 송수신함으로써 자세 센서(3630)로부터의 입력 정보를 처리하여 게임기(3606)로 송신하고, 게임기(3606)로부터의 지시를 수신한다. 제어기 제어 회로(3640)와 같은, 게임기(3606)와 통신하도록 제어하는 회로와 그 제어는, 당업자에게는 주지이기 때문에 상세한 설명은 필요로 하지 않을 것이다. 또한, 도36에 있어서는 신호(3609)는 유선 시스템의 신호를 예시하고 있지만, 이것으로 한정되지 않고, 신호(3609)는 무선 시스템에 있어서의 신호이라도 좋다.
여기서, 사용자가 모니터(3605)의 음악 게임을 행할 때 지휘봉형 제어기(3601)를 배향(3607)으로 흔든 경우, 자세 센서(또는 압력 센서)(3630)는 파지 방법이나 배향(3607)으로의 자세 변화를 검지하고, 제어기 제어 회로(3640)는 자세 센서(3630)로부터의 입력 정보를 처리하여 게임기(3606)로 송신한다. 게임기(3606)는 자세 센서(3630)로부터의 자세 변화의 정보를 기초로 하여 음악 게임을 처리하고, 지휘자의 지휘봉의 흔드는 법에 의해 템포, 강약, 호흡 등의 음악 게임 중 오케스트라의 연주가 변화된다. 그때의 음악이 사람에 의해 연주 가능한 연주 속도나 연주 방법의 다이나믹 레인지를 넘는다고 판정한 경우, 억제 신호를 제어기 제어 회로(3640)로 송신한다. 제어기 제어 회로(3640)는, 억제 신호를 수신하면 제어 회로(3620)로 그 취지의 정보를 전송하고, 제어 회로(3620)는 제어기 제어 회로(3640)로부터의 입력 정보를 해석하여, 촉력각 제시기(3610)의 배향(3607)으로의 움직임을 억제하도록 촉력각 제시기(3610) 내의 모터를 제어한다. 이로 인해, 촉력각 제시기(3610)은 배향(3660)으로 힘의 제시를 행하고, 흔든 방향(3607)에 대한 항력을 사용자에게 체감시킨다. 이에 의해, 음악 게임에 있어서 음악이 사람에 의해 연주 가능한 연주 속도나 연주 방법의 다이나믹 레인지를 넘는 일이 없어져, 보다 음악 게임이 리얼한 것이 된다.
(변형 형태)
이하에서는, 제1 내지 제3 동작 원리의 변형 형태를 설명한다.
도37은 본 실시 형태에서 상술한 도11의 (4)의 촉력각 정보 제시 방법의 변형 형태의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 도11의 (4)에서는 2개의 편심 회전자를 반대 방향으로 동기 회전시켜, 임의의 방향에 직선적으로 단진동하는 힘을 합성하였다. 도37은 편심 회전자 대신에 피에조 소자(3701)를 사용하고, 피에조 소자(3701)를 도면 중 x 방향으로 복수 적층한 피에조 어레이(3710)와, 피에조 소자(3701)를 도면 중 y 방향으로 복수 적층한 피에조 어레이(3720)를 구성하고, 그들 피에조 어레이(3710, 3720)를 교대로 x, y 방향으로 늘어 세웠던 진동자인 피에조 매트릭스(3730)를 도시하는 도면이다.
도37의 피에조 매트릭스(3730)를 사용하는 촉력각 정보 제시 방법은, 도41에 있어서 회전자(4180) 대신에 피에조 매트릭스(3730)를 사용한 방법이다. 이러한 구성에서, 도41의 제어 장치(4120)는 도37에 있어서의 x 방향의 전압을 제어하여 x 방향의 단진동(3750)을 제어하고, 도37에 있어서의 y 방향의 전압을 제어하여 y 방향의 단진동(3740)을 제어한다. 피에조 소자(3701) 단일체에서는 충분한 진폭이 나오지 않는 부분을, 도37의 구성에서는 피에조 어레이(3710, 3720)를 구성하여 큰 진폭을 가능하게 하고 있다. 도37의 방법에 따르면, 도41의 촉력각 제시기(4110)는 회전자(4180)의 구동에 필요한 스테핑 모터나 서보 모터가 불필요해지고, 제어 장치(4120)도 그들 모터의 제어 회로가 불필요해져 촉력각 제시기와 제어 장치를 합한 구성이 간단해진다.
또한 도37의 피에조 매트릭스(3730)를 확장하고, 피에조 어레이(3710, 3720)를 교대로 x, y, z 방향으로 늘어 세웠던 피에조의 정육면체 등을 구성하면, x, y, z 방향의 단진동이 제어 가능한 진동자를 구성할 수 있는 것은, 당업자에게는 이해될 것이다. 도37의 방법은, 예를 들어 게임기의 제어기로 원하는 방향의 힘을 발생시키는 구조에 적용 가능하다. 여기서 피에조 소자(3701)의 배열 패턴은 x, y, z 방향의 단진동을 발생할 수 있으면 특별히 상관없다.
도38도 본 실시 형태에서 상술한 도11의 (4)의 촉력각 정보 제시 방법의 다른 변형 형태의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 도38의 (a)는 편심 회전자 대신에 스피커의 구조를 사용한 정육면체의 진동자(3801)를 도시하고, 진동자(3801)는 스피커의 자석(3810b, 3810c, 3810m) 등을 각 면 중앙에 갖는다. 또한, 자석(3810b, 3810c, 3810m) 등은 각 면 중앙으로 한정되지 않고, 면의 임의의 위치라도 좋다.
도38의 (b)는, 도38의 (a)에 있어서 진동자(3801)를 그 중심을 통과하는 수평인 단면(3820)에서 잘라 본 경우의 단면도를 도시하는 도면이고, 진동자(3801)는 자석(3810a, 3810b, 3810c, 3810d)의 각각과 조합된 스피커의 콘(3840a, 3850a, 3840b, 3850b, 3840c, 3850c, 3840d, 3850d)을 각 면에 갖는다.
도38의 진동자(3801)를 사용하는 촉력각 정보 제시 방법은, 도41에 있어서 회전자(4180) 대신에 진동자(3801)를 사용한 방법이다. 이러한 구성에서, 도41의 제어 장치(4120)는, 예를 들어 도38의 (b)에 있어서의 x 방향의 자석의 전압을 제어하여 x 방향의 단진동(3870)을 제어하고, 도38의 (b)에 있어서의 y 방향의 자석의 전압을 제어하여 y 방향의 단진동(3860)을 제어한다. 도38의 구성에서는, 스피커의 자석과 콘의 진동에 의한 큰 진폭을 가능하게 하고 있다. 도38의 방법에 따르면, 도41의 촉력각 제시기(4110)는 회전자(4180)의 구동에 필요한 스테핑 모터나 서보 모터가 불필요해지고, 제어 장치(4120)도 이들 모터의 제어 회로가 불필요해져 촉력각 제시기와 제어 장치를 합한 구성이 간단해진다. 여기서 자석(3810a, 3810b, 3810c, 3810d)의 각각과 조합된 스피커의 콘(3840a, 3850a, 3840b, 3850b, 3840c, 3850c, 3840d, 3850d)과 같은 구성이 아니라도, x, y, z 방향의 단진동을 발생하는 것을 실현할 수 있으면 특별히 자석과 콘의 조합을 상관하지 않고, 자석만으로 구성해도 좋다.
도39는 본 실시 형태에서 상술한 도13의 촉력각 제시기(1301)의 변형 형태의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 도13의 촉력각 제시기(1301)에서는, 그 전제의 도11의 (1)1 내지 도12의 (2)에 있어서의 설명에 있는 바와 같이, 대향하는 2개의 편심 회전자의 회전축은 동일축 상도 포함하여 회전축이 평행하기까지 하면 좋다. 이로 인해, 도13의 촉력각 제시기(1301)에서는, 대향하는 2개의 편심 회전자가 회전축 방향으로 이격되어 있어 다른 면에서 각각 회전하기 때문에, 2개의 편심 회전자의 그들 회전면 방향에 발생하는 상호의 힘에 의한 여분의 모멘트가 촉력각 제시기(1301)에 발생하고, 회전축의 덜걱거리는 소리 등의 요인이 되는 것이 염려된다. 도39는 대향하는 2개의 편심 회전자가 다른 면에서 회전하는 것에 기인한 여분의 모멘트의 발생을 억제한 구조를 도시하는 도면이다.
도39에 도시하는, 대향하는 2개의 편심 회전자(3901a, 3901b)의 배치는 이들의 회전축이 동일축 상에 있고, 편심 회전자(3901a)를 편심 회전자(3901b)의 일부를 덮는 구성으로 되어 있다. 이러한 구성에 의해, 2개의 편심 회전자(3901a, 3901b)의 많은 질점이 동일 회전축의 주위로 동일면 상에서 회전하기 때문에, 대향하는 2개의 편심 회전자가 다른 면에서 회전하는 것에 기인한 여분의 모멘트의 발생이 억제되어, 회전축의 덜걱거리는 소리 등도 완화된다. 이와 함께 3세트의 편심 회전자 쌍(3901a, 3901b) 등을 도13과 같이 중심 위치에서 직교시키는 것은 불가능하고, 각각의 편심 회전자 쌍(3901a, 3901b) 등이 직교 관계에 있으면 좋다. 또한, 3차원적으로 임의의 방향으로 회전을 합성할 수 있으면 직교하고 있지 않아도 좋다. 또한, 본 실시 형태는 3차원으로 한정되지 않고, 용도에 따라서는 1차원이라도, 2차원이라도 응용이 가능하다.
(제3 응용예)
도40은 본 실시 형태에서 상술해 온 촉력각 제시기를 내장한 탁상 디바이스(4001)의 설명도이고, 탁상 디바이스(4001)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 탁상 디바이스(4001)는 촉력각 제시기(4010), 제어 회로(4020), 자세 센서(4030)(가속도 또는 각가속도 혹은 위치 센서라도 좋음)로 구성된다. 제어 회로(4020)는 도41에 있어서의 제어 장치(4120)에 상당하고, 자세 센서(4030)는 도41에 있어서의 입력 장치(4130)에 상당한다.
여기서, 예를 들어 탁상 디바이스(4001)가 사용자에 의해 탁상에서 배향(4040)으로 이동된 경우, 자세 센서(4030)는 도40 중 배향(4040)으로의 위치 변화를 검지하고, 제어 회로(4020)는 자세 센서(4030)로부터의 입력 정보를 해석하여, 촉력각 제시기(4010)의 배향(4040)으로의 움직임을 억제하거나 수평 방향으로 흔들거나 하도록 촉력각 제시기(4010) 내의 모터를 제어한다. 이로 인해, 촉력각 제시기(4010)는 배향(4050)으로 힘의 제시를 행하여, 방향(4040)으로의 이동에 대한 탁상의 마찰력을 사용자에게 체감시킨다.
또한, 예를 들어 탁상 디바이스(4001)가 사용자에 의해 탁상에서 배향(4040)으로 이동된 경우, 자세 센서(4030)는 도40 중 배향(4040)으로의 위치 변화를 검지하고, 제어 회로(4020)는 자세 센서(4030)로부터의 입력 정보를 해석하여, 촉력각 제시기(4010)의 배향(4040)에 대해 법선 방향의 힘을 발생하도록 촉력각 제시기(4010) 내의 모터를 제어한다. 이로 인해, 촉력각 제시기(4010)는 방향(4060)의 단진동 등의 힘의 제시를 행하여, 배향(4040)으로의 이동에 대한 탁상의 요철감을 사용자에게 체감시킨다.
본 발명을 실시함으로써, VR(Virtual Reality)의 분야에 있어서 이용되는 기기, 게임의 분야에 있어서 이용되는 기기, 휴대 전화기, 휴대형 네비게이션 기기, PDA(휴대 정보 단말) 등에 탑재될 수 있는 유용한 맨 머신 인터페이스를 실현할 수 있다.
보다 구체적으로 서술하면, 예를 들어 VR의 분야에 있어서는 본 발명을 적용한 맨 머신 인터페이스를 거쳐서 사람에게 힘을 제시하거나, 항력 혹은 반력 등을 주어 사람의 움직임을 제한함으로써, 가상 공간에 있어서의 물체의 존재나 충돌에 의한 충격을 제시할 수 있다. 또한, 휴대 전화기, 휴대형 네비게이션 기기 등에 상기 인터페이스를 탑재함으로써 조작자의 피부를 거쳐서, 종래에는 볼 수 없었던 각종 다양한 제시 및 안내 등을 실현할 수 있다.
110 : 사용자
111 : 제어 장치
112, 513, 1301 : 촉력각 제시기
211, 231, 931, 1031 : 감각 특성
212, 932, 1032 : 물리량
213, 933, 1033 : 감각량
214, 234, 934, 1034 : 동작점 A
215, 235, 935, 1035 : 동작점 B
222, 332, 412, 942 : 회전 속도
223, 243, 333, 413, 943 : 토크
224, 244, 334, 434, 464, 484, 517, 944, 1224 : 토크 감각
225, 945, 1045 : 동작점 A 계속 시간
226, 246, 946, 1046 : 동작점 B 계속 시간
228, 248, 338, 948, 1048 : 초기 상태
311 : 이력적 감각 특성
312 : 변위
314 : 동작 경로 A
315 : 동작 경로 B
415, 1215 : 초기화 시간
424 : 마스킹
425, 485 : 전방 마스킹
426, 486 : 후방 마스킹
445 : 마스킹 계속 시간
514, 516 : 제시 토크
515 : 근육 기인 토크
812, 912, 1012 : 편심 회전자 A
813, 913, 1013 : 편심 회전자 B
1042, 1212 : 합성 회전 속도의 크기
1043, 1113, 1114 : 힘
1044, 1224, 1244 : 역감각
1111, 1112 : 트윈 편심 회전자
1216 : 마스킹 진동

Claims (23)

  1. 표시체와,
    상기 표시체 표면 상의 역감각(力感覺)을 제시하는 가상 물체를 조작하는 조작자의 손가락, 손바닥, 손, 발, 머리, 신체, 조작 디바이스, 맨 머신 인터페이스 중 적어도 하나의 움직임을 검지하는 센서와,
    상기 센서로부터의 검지 정보로부터, 상기 가상 물체의 움직임을 제어하는 제어 장치와,
    상기 가상 물체에 조작자의 감각 특성을 적용하여, 상기 센서로부터의 검지 정보로부터, 상기 조작자에게 실제의 물체를 조작한 것과 같은 착각을 구비하는 촉력각 정보를 제시하는 촉력각 정보 제시 장치를 구비하고,
    여기서, 상기 감각 특성은,
    상기 조작자에게 부여되는 물리량 및 상기 조작자의 조작에 의해 초래되는 물리량 중 적어도 하나의 물리량과, 상기 조작자에게 제시되는 감각량을 구비하는 감각 특성이거나, 또는
    상기 조작자에게 제시되는 감각량을 구비하는 감각 특성이고,
    상기 감각 특성은, 비선형 특성, 이력적(hysteresis) 특성, 임계치 특성, 촉력각에 관한 마스킹 특성, 근반사(筋反射) 특성 중 적어도 하나를 이용하여 얻어지고,
    상기 감각량은, 상기 감각 특성을 이용하여 물리량의 적분치가 제로로 되었다고 해도 감각량의 적분치가 제로로 되지 않는, 물리적으로 존재할 수 없는 감각량을 구비하는 촉력각 전자 디바이스.
  2. 표시체와,
    상기 표시체 표면 주위의 공간 부분을 조작하는 조작자의 손가락, 손바닥, 손, 발, 머리, 신체, 조작 디바이스, 맨 머신 인터페이스 중 적어도 하나의 움직임을 검지하는 센서와,
    상기 센서로부터의 검지 정보로부터, 상기 공간 부분을 거쳐서 역감각을 제시하는 가상 물체의 움직임을 제어하는 제어 장치와,
    상기 가상 물체에 조작자의 감각 특성을 적용하여, 상기 센서로부터의 검지 정보로부터, 상기 조작자에게 실제의 물체를 조작한 것과 같은 착각을 구비하는 촉력각 정보를 제시하는 촉력각 정보 제시 장치를 구비하고,
    여기서, 상기 감각 특성은,
    상기 조작자에게 부여되는 물리량 및 상기 조작자의 조작에 의해 초래되는 물리량 중 적어도 하나의 물리량과, 상기 조작자에게 제시되는 감각량을 구비하는 감각 특성이거나, 또는
    조작자에게 제시되는 감각량을 구비하는 감각 특성이고,
    상기 감각 특성은, 비선형 특성, 이력적(hysteresis) 특성, 임계치 특성, 촉력각에 관한 마스킹 특성, 근반사(筋反射) 특성 중 적어도 하나를 이용하여 얻어지고,
    상기 감각량은, 상기 감각 특성을 이용하여 물리량의 적분치가 제로로 되었다고 해도 감각량의 적분치가 제로로 되지 않는, 물리적으로 존재할 수 없는 감각량을 구비하는 촉력각 전자 디바이스.
  3. 표시체와,
    상기 표시체 표면상을 조작하는 조작자의 손가락, 손바닥, 손, 발, 머리, 신체, 조작 디바이스, 맨 머신 인터페이스 중 적어도 하나의 움직임을 검지하는 센서와,
    상기 센서로부터의 검지 정보로부터, 상기 표시체 표면 주위의 역감각을 제시하는 가상 물체의 움직임을 제어하는 제어 장치와,
    상기 가상 물체에 조작자의 감각 특성을 적용하여, 상기 센서로부터의 검지 정보로부터, 상기 조작자에게 실제의 물체를 조작한 것과 같은 착각을 구비하는 촉력각 정보를 제시하는 촉력각 정보 제시 장치를 구비하고,
    여기서, 상기 감각 특성은,
    상기 조작자에게 부여되는 물리량 및 상기 조작자의 조작에 의해 초래되는 물리량 중 적어도 하나의 물리량과, 상기 조작자에게 제시되는 감각량을 구비하는 감각 특성이거나, 또는
    상기 조작자에게 제시되는 감각량을 구비하는 감각 특성이고,
    상기 감각 특성은, 비선형 특성, 이력적(hysteresis) 특성, 임계치 특성, 촉력각에 관한 마스킹 특성, 근반사(筋反射) 특성 중 적어도 하나를 이용하여 얻어지고,
    상기 감각량은, 상기 감각 특성을 이용하여 물리량의 적분치가 제로로 되었다고 해도 감각량의 적분치가 제로로 되지 않는, 물리적으로 존재할 수 없는 감각량을 구비하는 촉력각 전자 디바이스.
  4. 표시체와,
    상기 표시체 주위의 역감각을 제시하는 가상 물체를 조작하는 조작자의 손가락, 손바닥, 손, 발, 머리, 신체, 조작 디바이스, 맨 머신 인터페이스 중 적어도 하나의 움직임을 검지하는 센서와,
    상기 센서로부터의 검지 정보로부터, 상기 가상 물체의 움직임을 제어하는 제어 장치와,
    상기 가상 물체에 조작자의 감각 특성을 적용하여, 상기 센서로부터의 검지 정보로부터, 상기 조작자에게 실제의 물체를 조작한 것과 같은 착각을 구비하는 촉력각 정보를 제시하는 촉력각 정보 제시 장치를 구비하고,
    여기서, 상기 감각 특성은,
    상기 조작자에게 부여되는 물리량 및 상기 조작자의 조작에 의해 초래되는 물리량 중 적어도 하나의 물리량과, 상기 조작자에게 제시되는 감각량을 구비하는 감각 특성이거나, 또는
    상기 조작자에게 제시되는 감각량을 구비하는 감각 특성이고,
    상기 감각 특성은, 비선형 특성, 이력적(hysteresis) 특성, 임계치 특성, 촉력각에 관한 마스킹 특성, 근반사(筋反射) 특성 중 적어도 하나를 이용하여 얻어지고,
    상기 감각량은, 상기 감각 특성을 이용하여 물리량의 적분치가 제로로 되었다고 해도 감각량의 적분치가 제로로 되지 않는, 물리적으로 존재할 수 없는 감각량을 구비하는 촉력각 전자 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉력각 정보는, 연속적 또는 단속적 또는 충돌적으로 제시되는 것을 특징으로 하는 촉력각 전자 디바이스.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감각 특성은, 합성 각운동량 벡터가 제로 근방에서 시간적으로 변화시켜지는 것을 특징으로 하는 촉력각 전자 디바이스.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물리량은, 항력 및 반력 중 적어도 하나를 구비하고,
    상기 손가락, 손바닥, 손, 발, 머리, 신체 중 적어도 하나에 제시되는 항력 및 반력 중 적어도 하나는, 공간적인 변화 및 시간적인 변화 중 적어도 하나로 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 촉력각 전자 디바이스.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표시체는, 터치 패널, 모니터, 스크린, 이동체, VR 공간 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 촉력각 전자 디바이스.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉력각 전자 디바이스는, VR 환경 기기, 휴대 정보 단말, 게임 기기, 내비게이션 기기, 맨 머신 인터페이스 기기, 웨어러블(wearable) 기기, 탁상형 기기, 장갑형 기기, 의류형 기기, 지시봉형 기기, 펜형 기기, 터치 패널 기기, 버튼을 구비하는 기기, 조작 패널을 구비하는 기기 중 적어도 하나에 설치되는 것을 특징으로 하는 촉력각 전자 디바이스.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가상 물체의 움직임은, 영상 정보, 시각 정보, 청각 정보, 촉력각 정보 중 적어도 하나에 의해 제시되는 것을 특징으로 하는 촉력각 전자 디바이스.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물리량은, 힘, 진동, 토크, 가속도, 공기압, 영상 및 소리 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 촉력각 전자 디바이스.
  12. 삭제
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감각량은, 근육의 긴장 상태, 신체적 상태, 생리적 상태, 심리적 상태, 호흡 상태, 자세 상태, 신경 발화 상태 중 적어도 하나에 의해 가변되고,
    상기 감각량은,
    형상 감각,
    탄력 감각,
    촉각 감각,
    제시 대상물 상을 힘이 전달되어 가는 감각,
    제시 대상물 상을 물건이 굴러 가는 감각,
    역감각,
    진동 감각,
    토크 감각,
    조작 감각,
    존재 감각,
    탄성 감각,
    텍스처(texture) 감각,
    자신이 누르는 감각,
    팽창 감각,
    압박 감각,
    자신이 잡아 당기는 감각,
    외부로부터 잡아 당겨지는 감각,
    외부로부터 눌리는 감각,
    힘이 손가락, 손바닥, 손, 발, 머리, 신체 중 적어도 하나의 위를 전달되어 가는 감각,
    물건이 손가락, 손바닥, 손, 발, 머리, 신체 중 적어도 하나의 위를 굴러 가는 감각,
    힘이 손가락, 손바닥, 손, 발, 머리, 신체 중 적어도 하나를 통과해 가는 감각,
    물체 표면의 텍스처 감각,
    물체를 잡고 이동시킨 것과 같은 감각,
    힘, 역감각, 진동, 진동 감각 중 적어도 하나의 강약 감각,
    힘, 역감각, 진동, 진동 감각 중 적어도 하나의 강도의 변화 감각,
    손가락, 손바닥, 손, 발, 머리, 신체 중 적어도 하나에 물체가 눌려진 것과 같은 감각,
    구(球)나 입방체 등의 3차원 형상 감각,
    구(球)나 입방체 등의 탄성 감각,
    구(球)나 입방체 등의 말랑말랑한 감각,
    한쪽 방향만의 토크 감각,
    이력적 감각,
    제시 물리량의 강도를 보정한 감각,
    음악의 연주 가능한 연주 속도나 연주 방법에 의한 조작 감각, 및
    사람에게 힘을 제시하는 것, 항력 또는 반력을 부여하여 사람의 움직임을 제한하는 것에 의한 물체의 존재 감각이나 충돌에 의한 충격 감각
    중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 촉력각 전자 디바이스.
  14. 삭제
  15. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물리량은, 복수의 동작점에 대응하는 복수의 물리량을 구비하고, 감각 특성의 관계를 표시하는 곡선상의 복수의 동작점이 이용되는 것을 특징으로 하는 촉력각 전자 디바이스.
  16. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물리량은, 상기 감각 특성의 관계를 표시하는 곡선 상의 각 동작점과, 각 동작점에 있어서의 동작 계속 시간을 설정하여 얻어지는 물리량을 구비하는 것을 특징으로 하는 촉력각 전자 디바이스.
  17. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가상 물체의 움직임은, 형상의 변화, 표면의 변화, 이동, 회전 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 촉력각 전자 디바이스.
  18. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉력각 정보 제시 장치는, 모터, 압전 소자, 자석, 스피커, 회전자, 편심 회전자, 회전 유닛 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 촉력각 전자 디바이스.
  19. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가상 물체는, 가상 스크롤용 휠, 가상 버튼, 가상 조이스틱, 가상적인 조작 패널, 실물체 스크롤용 휠, 실물체 버튼, 실물체 조이스틱, 실물체의 조작 패널 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 촉력각 전자 디바이스.
  20. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    조작자의 손가락, 손바닥, 손, 발, 머리, 신체, 조작 디바이스, 맨 머신 인터페이스 중 적어도 하나의 움직임에 의해 촉력각 정보 제시 장치를 제어하고,
    표시체 상의 가상 물체의 움직임,
    가상 물체를 손가락, 손바닥, 손, 신체 중 적어도 하나로 잡는 움직임,
    가상 물체를 손가락, 손바닥, 손, 발, 머리, 신체 중 적어도 하나로 누르는 움직임,
    가상 공간에 있어서의 물체의 존재를 제시하는 움직임,
    가상 공간에 있어서의 충돌을 제시하는 움직임,
    압하(押下) 혹은 터치의 조작에 수반하는 움직임,
    가속도적인 움직임,
    근육의 긴장 상태, 신체적 상태, 생리적 상태, 심리적 상태, 호흡 상태, 자세 상태, 신경 발화 상태 중 적어도 하나의 상태에 의해, 진동 감각, 역감각, 토크 감각, 조작 감각, 존재 감각, 형상 감각, 탄성 감각, 텍스쳐의 감각, 자신이 누르는 감각, 팽창 감각, 압박 감각, 자신이 잡아 당기는 감각, 외부로부터 잡아 당겨지는 감각, 외부로부터 눌리는 감각 중 적어도 하나의 감도 변화에 수반하는 움직임,
    근육 중의 근방추(筋紡錘)에 작용하는 움직임,
    근육의 수축에 동기하여, 진동, 힘, 토크 중 적어도 하나를 작용시킴으로써, 진동 감각, 역감각, 토크 감각, 조작 감각, 존재 감각, 형상 감각, 탄성 감각, 텍스쳐의 감각, 자신이 누르는 감각, 팽창 감각, 압박 감각, 자신이 잡아 당기는 감각, 외부로부터 잡아 당겨지는 감각, 외부로부터 눌리는 감각 중 적어도 하나의 변화에 수반하는 움직임,
    근육의 긴장 상태, 신체적 상태, 생리적 상태, 심리적 상태, 호흡 상태, 자세 상태, 신경 발화 상태 중 적어도 하나의 감각의 변화에 수반하는 움직임,
    손가락, 손바닥, 손, 발, 머리, 신체, 조작 디바이스, 맨 머신 인터페이스 중 적어도 하나의 움직임에 맞춰서, 진동 감각, 역감각, 토크 감각, 조작 감각, 존재 감각, 형상 감각, 탄성 감각, 텍스쳐의 감각, 자신이 누르는 감각, 팽창 감각, 압박 감각, 자신이 잡아 당기는 감각, 외부로부터 잡아 당겨지는 감각, 외부로부터 눌리는 감각 중 적어도 하나의 공간 분포를 적절히 변화시키는 움직임,
    자세 센서, 터치 패널, 대응 버튼 중 적어도 하나의 조작에 수반하는 움직임,
    자세의 검지, 및 손가락의 움직임의 검지 중 적어도 하나로부터의 입력 정보에 수반하는 움직임,
    표시체를 문지르는 움직임,
    표시체를 스치는 움직임,
    자세, 위치, 가속도, 스위치, 다이얼 중 적어도 하나의 조작에 수반하는 움직임,
    가상 물체의 선택, 가상 물체의 파지 및 가상 물체의 조작 중 적어도 하나의 움직임,
    자세 센서의 파지 방법, 방향, 위치 중 적어도 하나를 검지하여 자세 변화를 제시하는 움직임,
    자세 센서가 위치 변화를 검지하여 표시체의 움직임을 억제하는 움직임,
    자세 센서가 위치 변화를 검지하여 표시체를 수평 방향으로 흔드는 움직임,
    촉력각 정보 제시 장치의 방향에 대하여 법선 방향의 힘을 제시하는 움직임,
    항력 및 반력 중 적어도 하나를 부여하여 제한된 움직임,
    자이로 효과를 수반하는 움직임
    중 적어도 하나의 움직임을 제시하는 것을 특징으로 하는 촉력각 전자 디바이스.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
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