WO2011036787A1 - 触覚ディスプレイ及びｃａｄシステム - Google Patents

Abstract

【課題】物体の表面の緩やかな起伏に直接に撫でる場合よりもはっきりとその起伏を人に知覚させることのできる技術を提供する。 【解決手段】触覚ディスプレイ１の触覚デバイス２は、物体Ｗ１の上方で、その長手方向に沿ってスライドする。触覚デバイス２は、自由に上下動する３本のロッド４を備える。ロッド４の下端は物体Ｗ１の表面に触れている。触覚デバイス２をスライドさせると、ロッド４の夫々の上端は物体Ｗ１の表面起伏に応じて上下動する。人差し指或いは中指の３つの関節Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３の位置に相当する掌側皮膚に夫々のロッド上端が当るように被験者の手Ｈを触覚デバイス２の上面に置き、触覚デバイス２を動かす。触覚デバイス２の動きに応じて、３本のロッド４が、起伏高さに等しいストロークで掌側皮膚の３つの指関節位置を押圧する。

Description

触覚ディスプレイ及びＣＡＤシステム

　本発明は、触覚によって人に情報を提示する触覚ディスプレイと、触覚ディスプレイを用いたＣＡＤシステムに関する。

　コンピュータのヒューマンマシンインタフェイスの一つとして触覚ディスプレイが研究されている。従来の触覚ディスプレイの多くは、格子状に配置された多数のピンを有しており、夫々のピンの突出高さを様々に変えることができる（例えば特許文献１）。人は、多数のピンの先端で構成される起伏に触れる。触覚ディスプレイは、その表面の起伏の形状を変えることによって様々な情報を触覚として人に提示することができる。様々な表面形状を実現するためには、触覚ディスプレイは、より多くのピンを密に配置することが好ましいとされていた。

　触覚ディスプレイは、表面の起伏の形状を変えることによって人に触覚刺激を与えるタイプだけではない。例えば特許文献２には、振動刺激、或いは電気刺激を採用した触覚ディスプレイが述べられている。特許文献２によると、振動刺激や電気刺激を人の指先に与えることによって、表面粗さの相違を人に伝えることができると説明されている。

　触覚ディスプレイをＣＡＤシステムに応用する研究がある（例えば非特許文献１）。このＣＡＤシステムは、ワークの表面を削るヘラをアームで支持した構造を有する触覚ディスプレイを採用している。ヘラの動きはアームの動きを介してコンピュータに取り込まれる。また、このＣＡＤシステムは、コンピュータに記憶されたワークピースの表面形状データを仮想物体モデル（ＣＡＤモデル）としてモニタに表示する。このＣＡＤシステムのコンピュータは、ヘラの動きをコンピュータ内の仮想空間に配置し、仮想物体モデルとヘラとの干渉を計算する。このＣＡＤシステムは、コンピュータの仮想空間内で仮想物体モデルとの接触によってヘラが受ける反力をアームを介して作業者に伝えることができる。作業者は、モニタを見ながらあたかも仮想物体モデルを削るようにヘラを動かすと、ＣＡＤシステムは、ヘラの動きに応答して仮想物体モデル、即ち表面形状データを修正する。

特開２００５－４０５８号公報 特開２００３－２４８５４０号公報

Monica Bordegoni, Umberto Cugini, "DESIGN PRODUCTS WITH YOUR HANDS", Proceedings of Virtual Concept 2005, Biarritz, France, Nov. 8th - Nov. 10th, 2005

　多数のピンを配置した従来の触覚ディスプレイは、物体の表面形状を正確に再現することはできる。また特許文献２に開示されているように、振動刺激或いは電気刺激を与える触覚ディスプレイは、面粗さを人に伝えることも可能であるかもしれない。しかしながら、少なくとも本願発明者らが知るところでは、物体表面の緩やかな起伏を直接物体に触れる場合よりも人に解りやすく伝える触覚ディスプレイは、本願発明者ら以外にはこれまで研究されていなかった。非特許文献１の技術も、ＣＡＤモデル上を滑らせたときのヘラの動きを再現するだけであって、物体表面の緩やかな起伏を理解しやすく提示するものではない。

　本明細書は、物体の表面の緩やかな起伏を直接撫でる場合よりもはっきりとその起伏を人に知覚させることのできる技術を提供する。

　この技術は、一例として前述のＣＡＤシステムに見られるように、緩やかな起伏を有するワークピースの開発や製造に貢献することが期待される。ワークピースは、例えば自動車のボディ、或いはボディを成形するための金型である。例えば従来、自動車ボディ用の金型の形状は、作業者が掌で撫でることによってその表面形状を知覚し、修正している。そのような作業の品質は、作業者の熟練度に依存していた。本明細書が開示する技術を適用することによって金型表面の緩やかな起伏を知覚し易くすることができれば、そのような作業の効率が向上することが期待できる。

　本明細書が開示する新規な触覚ディスプレイは、人が掌で直接に物体を撫でる場合に比べて、物体の緩やかな表面起伏を顕著に人に知覚させることができる。例えば、長さ１００ｍｍで高低差が０．１ｍｍ程度の起伏を有する物体表面を直接に掌で撫でても、人はその起伏を明確には知覚することはできない。新規な触覚ディスプレイを用いれば、そのような起伏を人にはっきりと知覚させることができる。なお、本明細書における「起伏」という用語は、突出のほか、窪みも含む。従って本明細書が開示する新規な技術は、緩やかに突出している起伏と緩やかに窪んでいる起伏のいずれに対しても、起伏を感じさせるはっきりとした触覚刺激を人に与えることができる。

　本明細書が開示する新規な技術を発明するに至った発明者らの知見、及び、本発明の技術的思想を説明する。人は、物体表面の緩やかな起伏を知覚しようとするとき、物体表面に触れるだけでなく、物体表面を撫でる。さらに、人は、指先のみならず、掌全体で物体表面を撫でる。即ち、人は、掌全体で物体表面を撫でる方が指先だけで撫でるよりもわずかな起伏を明確に知覚できる。脳における触覚知覚のメカニズムはまだ完全には解明されていないが、発明者らの知見によると、このことは、物体表面の起伏が掌全体の湾曲の変化として知覚されることに起因する推定される。

　発明者らの検討によれば、物体の表面を掌で撫でたときの知覚は、主に指の関節角度の変化によってもたらさせると推定される。発明者らは、従って、指関節角度が変化したと人に知覚させることができれば、物体表面の緩やかな起伏をはっきりと知覚させることができると考えた。発明者らは、様々な試験を行った結果、掌側皮膚の指関節位置に局所的に刺激を加えると、実際に指が曲がったか否かはともかく、人は指が曲がったと顕著に知覚することを発見した。具体的には、皮膚に加える刺激は、物理的に皮膚を押す力が最も好適である。ただし、皮膚に加える刺激は、振動刺激や電気刺激であってもよいと推定される。人の脳が感じる刺激と人体の物理的な動きとの関係は未解明であるから推測ではあるが、掌側皮膚の指関節位置に相当する位置に振動刺激や電気刺激を局所的に与えても、実際に曲がったか否かはともかく、人は指関節の角度が変化したと知覚すると考えられる。

　物体表面を物理的に掌で撫でる場合、指の掌側皮膚全体が物体表面に触れており、人は指の皮膚全体から刺激を受ける。そのため、掌側皮膚の指関節位置へ刺激を局所的に加える方が、物体表面を物理的に掌で撫でる場合に比べて刺激が相対的に強く知覚される。そのため、物体表面の起伏高さに等しいストロークで指関節位置を局所的に押圧した場合、人は、物体表面を直接に撫でる場合に比べて起伏を顕著に知覚する。発明者らはこのことを実験により確かめた。次にその実験を説明する。なお、「指関節位置を局所的に押圧した場合」とは、「指関節位置を局所的に微小変位させた場合」と換言することもできる。

　実験装置１の模式的側面図を図１に示す。物体Ｗ１は、その表面の略中央に長さ１００ｍｍに亘って最大高さ０．２ｍｍの起伏が形成されている。なお、図１では、表面の起伏を強調して描いてある。物体Ｗ１はテーブル上に置かれている。触覚デバイス２は、物体Ｗ１の両側でローラ３によってテーブルに支持されており、物体Ｗ１の上方で、その長手方向に沿ってスライドする。触覚デバイス２には自由に上下動する３本のロッド４ａ、４ｂ、及び４ｃが取り付けてある。ロッドの長さは約７０ｍｍである。なお、３本のロッドをロッド４と総称する。ロッド４の下端にはローラが取り付けられている。ローラを介してロッド４の下端が物体Ｗ１の表面に触れている。触覚デバイス２をスライドさせると、各ロッド４の下端がローラによってスムーズに表面起伏の上を移動する。触覚デバイス２をスライドさせると、ロッド４の夫々の上端は物体Ｗ１の表面起伏に応じて上下動する。このとき、ロッド４の上下方向のストロークは、起伏高さに厳密に等しい。人差指又は中指又は薬指の３つの関節Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３の位置に相当する掌側皮膚に夫々のロッド上端が当るように被験者の手Ｈを触覚デバイス２の上面に置き、触覚デバイス２を動かす。触覚デバイス２の動きに応じて、３本のロッド４が、起伏高さに等しいストロークで掌側皮膚の３つの指関節位置を局所的に押圧する。比較実験として、被験者は物体Ｗ１の表面を直接に撫でる。数十人程度の被験者ではあるが、全ての被験者が、触覚デバイス２を介して撫でた場合の方が、物体Ｗ１の表面を直接に撫でた場合よりもはるかに明確に起伏を知覚したと報告した。この実験によって、掌側皮膚の指関節位置を局所的に刺激する場合の方が、直に撫でる場合よりもはっきりと物体表面の起伏を知覚できることが確かめられた。なお、触覚デバイス２は、実際には、後述する図４の触覚デバイス２２と同じく９個の刺激子を備えているが、ここでは説明を簡単にするため３個のロッド（刺激子）のみを説明した。触覚デバイス２のロッド４は、後述する刺激子に相当する。

　なお、触覚デバイス２を用いた実験において、被験者は、物体Ｗ１の表面よりも約７０ｍｍ上方で刺激を受けるにもかかわらず、ロッド４から与えられる刺激をあたかも物体Ｗ１の表面の起伏として知覚したと述べている。すなわち、実験装置１は、物体Ｗ１の表面を撫でていると被験者に錯覚させながら、物体表面を掌で直に撫でる場合よりもはっきりと表面起伏を知覚させることができる。実験装置１は、まさに本明細書が開示する新規な触覚ディスプレイの一つの実施形態に相当する。この触覚ディスプレイ（実験装置１）は、人の手の動きに応じて、人の掌側皮膚の少なくとも一つの指関節位置に局所的に刺激を加える。

　以下では、実験装置１を触覚ディスプレイ１と換言する。この触覚ディスプレイ１の構造は、さらに具体的に説明すると次の通りである。触覚ディスプレイ１は、触覚デバイス２を備えている。触覚デバイス２は、人の手に装着可能である。ここで、「装着」とは、触覚デバイス２の上に手を載せることを含む。即ち、本明細書における「装着」とは、人の手と触覚デバイス２が一緒に動くことが可能であることを意味する。触覚デバイス２は、人の掌側皮膚の少なくとも一つの指関節位置に刺激を加えるロッド４を有している。この触覚ディスプレイ１は、触覚デバイス２が人によって物体表面上を動かされたときに、触覚デバイス２の動き（人の手の動き）に応じて人の掌側皮膚の指関節位置に刺激を加える。

　触覚ディスプレイ１は、触覚デバイス２とロッド４で構成されるメカニカルな機構によって、実在の物体の表面起伏に応答して刺激を加える。このメカニカルな機構に替えてアクチュエータ（モータ）とコントローラ（ソフトウエア）によって同様の触覚ディスプレイを構成することもできる。即ち、触覚ディスプレイは、触覚デバイスの動きを検出するセンサと、物体の表面形状データを記憶している記憶ユニットと、刺激子を制御するコントローラとによって構成することも可能である。刺激子は、前述したように、触覚デバイスに装備されており、人の掌側皮膚の指関節位置に局所的に刺激を加えることができるように配置されている。記憶ユニットは、コントローラに含まれていてもよい。コントローラは、コンピュータと換言してもよい。コントローラは、表面形状データによって規定される仮想物体モデルを仮想空間内に配置し、仮想物体モデルの表面における触覚デバイスの位置をセンサの出力に基づいて決定する。そしてコントローラは、指関節位置に対応する仮想物体モデルの表面位置における起伏高さに対応する大きさの刺激を加える。仮想物体モデルの表面の起伏高さは、表面形状データで規定される。

　前述したように触覚ディスプレイ１のロッド４が刺激子に対応する。なお、刺激子は、メカニカルなロッド４に限定されるものではなく、前述したように、アクチュエータで皮膚を押圧するデバイスでよい。刺激子は、皮膚を押圧するデバイスが最も好ましいが、電気刺激を皮膚に加えるデバイス、振動を皮膚に加えるデバイスのいずれでもよい。物体の表面形状データは、典型的にはＣＡＤデータでよい。また、物体の表面形状データは、必ずしも実在する物体の表面形状を正確に表しているものでなくともよい。表面形状データは、例えば設計途中のワークピースの形状データなどでもよい。「仮想物体モデルの表面の起伏高さに対応する大きさの刺激」は、起伏高さと同等の長さのストローク、或いは起伏高さに比例する長さのストロークで皮膚を押圧する刺激でよい。或いは、「仮想物体モデルの表面の起伏高さに対応する大きさの刺激」は、起伏高さに比例する振幅の振動であってもよいし、起伏高さに比例する電圧の電気刺激であってもよい。厳密に比例している必要はなく、起伏を一層はっきりと感じさせる触覚刺激を与えるために、仮想物体モデルの表面の起伏高さを非線形に変換した大きさの刺激であってもよい。

　本発明は、人の手の動きに応じて人の掌側皮膚の指関節位置に局所的な刺激を加える触覚提示方法として具現化されても良い。

　本明細書は、上記した触覚ディスプレイを利用する新規なＣＡＤシステムも提供する。このＣＡＤシステムは、上記したコントローラ付き触覚ディスプレイと、そのコントローラに接続される入力デバイスを備える。コントローラは、入力デバイスが検知する人の操作量に応じて、触覚デバイスの刺激子の位置に対応する表面形状データ（即ち仮想物体モデル）上の起伏高さを修正する。また同時にコントローラは、修正された起伏高さに対応する大きさの刺激を掌皮膚の指関節位置に加える。触覚デバイスを様々な位置に移動しながら各位置の起伏高さを修正することによって、表面形状データ上の起伏の形状が修正される。入力デバイスは、好ましくは、人の操作量の大きさを連続量として検知できるダイヤル式、或いはレバー式が最も好ましい。但し、入力デバイスはジョイスティックなどでも代替可能である。

　上記のＣＡＤシステムでは、人は、入力デバイスのダイヤル或いはレバーを操作する。ＣＡＤシステムは、入力デバイスが検知した操作量に応じて表面形状データを修正するとともに刺激の大きさを変更する。即ちこのＣＡＤシステムを利用すると、人は、入力デバイスを操作することによって表面形状データを修正するとともに、その修正量を触覚ディスプレイを通じて知覚することができる。このＣＡＤシステムは、表面形状の起伏の僅かな変更を知覚することができる触覚を人の掌に与えながら、表面形状データを修正することができる。

　本明細書が開示する新規なＣＡＤシステムと非特許文献１が開示するＣＡＤシステムとの主要な相違点の一つは、前者が触覚ディスプレイとは別の入力デバイスによって表面形状データ修正の指示をシステムに与えるのに対して、後者は触覚ディスプレイを入力デバイスとして用いる点である。本明細書が開示する新規なＣＡＤシステムは、入力デバイスを通じて入力される人の操作量を、緩やかな起伏をはっきりと知覚することのできる触覚ディスプレイによって提示する。そのような構成によって、表面形状データを精細に修正し易いＣＡＤシステムが実現する。ただし、このことは、本明細書が開示する新規な触覚ディスプレイが触覚を提示するだけのデバイスに限定されることを意味しない。本明細書が開示する新規な触覚ディスプレイの技術は、コンピュータに情報を入力するための入力デバイスに応用することも可能である。

　本明細書が開示する一つの技術によれば、物体表面の緩やかな起伏を、その起伏を直に撫でた場合よりもはっきりと知覚させることができる。また、本明細書が開示する他の一つの技術は、表面形状データを精細に修正し易いＣＡＤシステムを提供する。

触覚ディスプレイの原理を説明する模式図を示す。 第１実施例の触覚ディスプレイの模式的斜視図を示す。 第１実施例の触覚デバイスの模式的側面図を示す。 第２実施例の触覚ディスプレイの触覚デバイスの模式的斜視図を示す。 第２実施例の触覚デバイスの刺激子の拡大正面図を示す。 第３実施例の触覚ディスプレイの模式的斜視図を示す。 第３実施例の触覚ディスプレイの刺激子の拡大正面図を示す。 実施例のＣＡＤシステムの模式的斜視図を示す。

　実施例の触覚ディスプレイが有する技術的特徴のいくつかを列挙する。実施例の触覚ディスプレイが有する主たる技術的特徴は前述した通りである。なお、前述した実験装置１も本明細書が開示する新規な触覚ディスプレイの一つの実施例であることに留意されたい。

　（特徴１）触覚デバイスは複数の刺激子を備えている。隣接する刺激子の夫々は、人が触覚デバイスを装着したときに、夫々隣接する指関節に掌皮膚側で対向する。発明者らの検討によると、掌側皮膚の一つの指関節位置に刺激を加えるよりも、隣接する指関節位置に刺激を加える方が、刺激をはっきりと知覚させることができる。「掌側皮膚の複数の指関節位置に局所的に刺激を加える」とは、隣接する２つの指関節位置の間で多点に密に刺激を加えないことを意味する。

　（特徴２）人の指に接触する刺激子の表面が、指の周方向の曲率と略等しい曲率で湾曲している。発明者らの検討によると、掌側皮膚の指関節位置に点状の刺激を加えるよりも、指の周方向に沿って線状に刺激を加える方がより一層はっきりと、物体の表面の起伏を感じさせる触覚刺激を与えることができる。このことは、指の周方向に沿って線状に刺激を加えた場合、点状に刺激を加えた場合よりも指関節が曲がったと人に敏感に知覚させることができるためと推定される。

　（特徴３）触覚デバイスは、触覚デバイスが人に装着されたときに、人の指先を支持する第１部位と、人の掌の一部を支持する第２部位を有する。第１部位と第２部位は、静的に指先と掌の一部を支持する。掌の一部は、指の付け根付近であるとよい。発明者らの検討によると、指先と掌の一部が支持されている方が、指関節位置に局所的に刺激を加えたときに起伏を一層はっきりと感じさせる触覚刺激を与えることができる。発明者らの推測では、刺激を加える部位の両側指先と掌が静的に支持されながら、指関節位置に動的な刺激が加えられることによって、人は、指が曲がったと一層はっきりと知覚する。発明者らの推測によると、掌全体が物体表面に触れながら指が曲がると、人は物体表面に起伏があると感じるようである。

　図２に、第１実施例の触覚ディスプレイ１０の模式的斜視図を示す。図３に、触覚デバイス１２の模式的側面図を示す。触覚ディスプレイ１０は、触覚デバイス１２、コントローラ１６、及び画像処理デバイス１８を備える。触覚デバイス１２は、人の掌に装着することができる。より具体的には、触覚デバイス１２は、その上に人の手を載せたまま物体Ｗ２の表面を移動することができる。図２及び図３において、符号Ｈは人の手を示す。画像処理デバイス１８は、カメラで触覚デバイス１２の動きを検知する。より具体的には、画像処理デバイス１８は、撮影した画像から触覚デバイス１２の物体Ｗ２に対する相対的な動きを検出する。同時に画像処理デバイス１８は、物体Ｗ２の位置も計測する。画像処理デバイス１８は、触覚デバイスの動きを検出するセンサに相当する。対象の動きを検出する画像処理アルゴリズムについてはよく知られた様々な手法があるので説明は省略する。

　図３に示すように、触覚デバイス１２は、３本の刺激子１４ａ、１４ｂ、１４ｃを有する。夫々の刺激子は、触覚デバイス１２の上面に突出するロッド１０４と、ロッド１０４を上下動させるアクチュエータ１０２から構成される。３本の刺激子１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、人が手を触覚デバイス１２の上に置いたときに、それぞれが指の関節Ｊ１、Ｊ２、及びＪ３に対向する位置に配置されている。別言すれば、隣接する刺激子は、隣接する指関節の間の距離に相当する長さだけ隔てて配置されている。また、図３に示すように、触覚デバイス１２は、人の手に装着されたときに、人の指先を静的に支持する第１部位１２ａと、人の掌の一部を静的に支持する第２部位１２ｂを有している。３個の刺激子１４ａ、１４ｂ、及び、１４ｃは、第１部位１２ａと第２部位１２ｂの間で触覚デバイス１２に配置されている。

　コントローラ１６は、画像処理デバイス１８が計測する触覚デバイス１２の動きに応じて、刺激子１４ａ、１４ｂ、１４ｃを制御し、夫々のロッドを上下動させる。別言すれば、この触覚ディスプレイ１０は、人の指先と掌の一部を第１部位１２ａと第２部位１２ｂで支持しながら、人の手の動きに応じて人の掌側皮膚の少なくとも一つの指関節位置に局所的な刺激を加えることができる。

　また、コントローラ１６は、物体表面形状を記述した表面形状データを記憶している。以下では簡単のため、表面形状データをＣＡＤデータと称する場合がある。コントローラ１６は、仮想空間内に、ＣＡＤデータによって規定される仮想物体モデルを配置する。図３の符号ＣＡＤ１は、仮想空間内に配置された仮想物体モデルの表面形状を示している。なお、ＣＡＤデータは大局的には触覚デバイス１２を載せている実在の物体Ｗ１の形状に等しいが、仮想物体モデルの表面形状は、実在の物体Ｗ２の表面形状を正確には表していない。具体的には、実在の物体Ｗ２の表面は平坦であるが、ＣＡＤデータ上における仮想物体モデルの表面は図３に示すように起伏を有する。

　コントローラ１６は、画像処理デバイス１８の出力に基づいて、実在の物体Ｗ２の位置と仮想物体モデルの位置を仮想空間内で重ね合わせる。別言すれば、コントローラ１６は、画像処理デバイス１８の出力に基づいて、触覚デバイスの動きを仮想物体モデルの位置に仮想空間内で対応付ける。即ち、仮想空間内では、触覚デバイス１２が仮想物体モデルの表面上に位置する。そのような仮想空間を構築した後、コントローラ１６は、仮想物体モデルの表面における触覚デバイス１２の位置を画像処理デバイス１８の出力に基づいて決定する。より詳細には、コントローラ１６は、仮想物体モデルの表面における刺激子の位置を決定する。例えば、コントローラ１６は、図３に示すように、指関節Ｊ１に対向している刺激子１４ｃの位置に対応する仮想物体モデルの表面位置Ｐ１を決定する。同様に、コントローラ１６は、指関節Ｊ２、Ｊ３に対向している刺激子１４ｂ、１４ａの位置に対応する仮想物体の表面の位置Ｐ２、Ｐ３を決定する。そしてコントローラ１６は、決定した表面位置の起伏高さと同じ長さだけ各ロッド１０４が触覚デバイスの表面から突出するようにアクチュエータ１０２を制御する。例えば、図３の矢印が示ように、刺激子１４ａが表面位置Ｐ１からＰ３に相当する距離だけ触覚デバイス１２が実際に移動する間に、コントローラ１６は刺激子１４ａのロッド１０４を起伏高さＺ１に相当する長さだけ突出させる。

　触覚ディスプレイ１０の効果を説明する。人が触覚デバイス１２を実在の物体Ｗ２上で動かすと、コントローラ１６は、触覚デバイス１２の動きを仮想空間内に配置された仮想物体モデルに対応付け、仮想物体モデルの起伏高さに相当する長さで刺激子１４を上下させる。刺激子１４は、人の掌側皮膚の指関節位置を起伏高さに相当する長さだけ押圧する。触覚デバイスが進むにつれて、仮想物体モデルの起伏に応じて刺激子１４の突出高さが変化する。即ち、刺激子１４は、触覚デバイス１２が動いている間、仮想物体モデルの起伏に応じて動的に変化する刺激を人に加える。このとき人は、仮想物体モデル上の（ＣＡＤデータ上の）表面起伏を知覚する。人は、実在の物体表面を直接に撫でた場合よりも敏感に起伏を知覚することができる。

　特に、触覚デバイス１２は、指先を支持する第１部位１２ａと掌の一部（例えば指の付け根）を支持する第２部位１２ｂの間に刺激子を配置している。指先と掌の一部を静的に支持しながらそれらの間で指関節位置に動的な刺激を加えることによって、触覚ディスプレイ１０は、仮想物体モデルの表面起伏の変化をはっきりと知覚させることができる。その理由は前述した通りである。

　なお、各刺激子のロッド１０４の上端は、初期位置として触覚デバイスの表面から僅かに突出している。従って、ＣＡＤデータが物体表面の窪みを表している場合、コントローラ１６は、窪みの深さに対応した長さだけ刺激子のロッド上端を下げる。そのような動作によって、触覚ディスプレイ１０は、仮想物体モデルの表面形状の緩やかな窪みに対しても、直接に起伏を撫でる場合よりもはっきりとその起伏を知覚させることができる。

　発明者らの検討によると、触覚デバイス１２が物体Ｗ２の上をスムーズに移動できると、人は触覚デバイス１２から受ける触覚を知覚しやすいことが判明した。そのため、潤滑剤を触覚デバイス１２の下面に塗布するとよい。或いは、摩擦係数の低いフィルムなどを触覚デバイス１２の下面に貼着しておくとよい。

　第２実施例の触覚ディスプレイを説明する。第２実施例の触覚ディスプレイは、第１実施例の触覚デバイス１２に替えて図４に示す触覚デバイス２２を備える。触覚デバイス２２は、９個の刺激子２４を備える。刺激子２４の夫々は、第１実施例の刺激子１４と同様にアクチュエータ（不図示）を備えており、その上端が上下する。９個の刺激子２４のうち隣接する２個の刺激子は、触覚デバイス２２の上に人が掌を置いたときに、隣接する指関節位置に対向するように配置されている。人が触覚デバイス２２の上に掌を置いたとき、９個の刺激子２４は、夫々、人の中指、人差指、及び薬指の合計９個の関節の夫々に対向する。図４の３本の仮想線Ｇは夫々、触覚デバイス２２が手に装着されたときの中指、人差指、及び薬指を模式的に示している。隣接する２つの刺激子は、隣接する指関節間の距離に相当する長さをおいて配置されている。ここで、「隣接する指関節」には、一つの指の２個の関節の場合と、隣接する指の第１（又は第２又は第３）関節同士の場合の両者を含む。別言すれば、９個の刺激子は格子状に配置されており、前後左右で隣接するいずれの２つの刺激子も、隣接する指関節間の距離に相当する長さをおいて配置されている。

　刺激子２４は、上下動するロッド２０２の先端にアタッチメント２０３を備えている。図５に刺激子２４の模式的な拡大正面図を示す。図５に示すように、アタッチメント２０３の上面は、人が掌を触覚デバイス２２の上に置いたときに、指Ｆに接触する。アタッチメント２０３の上面の曲率半径Ｒ１（曲率１／Ｒ１）は、指Ｆの周方向の曲率半径Ｒ２（曲率１／Ｒ２）と略等しい。このように指関節の曲面に沿って湾曲した刺激子先端を備える触覚ディスプレイは、掌側皮膚の指関節位置に点状の刺激を加えるよりも、物体の表面の起伏を一層はっきりと人に知覚させることができる。その理由は前述した通りである。

　図６と図７を参照して第３の実施例を説明する。第３実施例の触覚ディスプレイは、グローブタイプの触覚デバイス３２を備える。第３実施例の触覚ディスプレイは、第１実施例の画像処理デバイス１８とコントローラ１６を備えるが、それらの説明は省略する。図６に触覚デバイス３２の模式的斜視図を示す。触覚デバイス３２は、リング状の複数の刺激子３４を備える。図６に示すように、刺激子３４は、人が触覚デバイス３２を装着したときに、指の各関節位置に対応する位置に配置されている。図７に、刺激子３４の模式的正面図を示す。図７に示すように、刺激子３４は、電極１３４を備えている。電極１３４は、人が触覚デバイス３２を装着したときに、掌側皮膚の指関節位置に対向する。なお、図７では、電極１３４と指Ｆを離して描いているが、電極１３４は、掌皮膚の指関節位置に接触する。また、電極１３４において、人の指Ｆと接触する表面が、指の周方向の曲率と略等しい曲率で湾曲している。

　コントローラは、第１実施例の触覚ディスプレイ１０と同様に、触覚デバイス３２が人によって物体表面上を動かされたときに、触覚デバイスの動きに合わせて電気刺激を加える。コントローラが与える電気刺激の大きさは、表面形状データが記述する仮想物体モデルの表面起伏の高さに対応する。なお、図示を省略しているが、触覚デバイス３２は、実在の物体の表面との接触を検知する接触センサを備えており、コントローラは、接触センサが実在の物体との接触を検知している間、刺激の印加を許可する。コントローラは、物体の表面形状データを記憶している記憶ユニットを含んでいる。コントローラは、表面形状データによって規定される仮想物体モデルの表面における触覚デバイス３２の位置を画像処理デバイスの出力に基づいて決定し、指関節位置に対応する仮想物体モデルの表面位置における起伏高さに対応する大きさの電気刺激を加える。第３実施例の触覚ディスプレイも、第１実施例や第２実施例の触覚ディスプレイと同様の効果を奏する。

　さらに第３実施例の触覚ディスプレイは、グローブ型触覚デバイス３２を備えている。人は、触覚デバイス３２を装着し、実在の物体の表面を撫でる。このとき、触覚ディスプレイは、仮想物体モデル上の（表面形状データ上の）起伏高さに応じた刺激を人に加える。人は、実在の物体を撫でながら、その実在の物体の表面に、仮想物体モデル上の起伏を知覚することができる。

　次に第４実施例を説明する。この実施例は、第１実施例の触覚ディスプレイ１０を応用したＣＡＤシステム３０である。このＣＡＤシステム３０は、金型のキャビティ面を設計するのに用いられる。即ち、コントローラ１６が記憶する表面形状データ（ＣＡＤデータ）は、金型のキャビティ面の表面形状を表している。なお、コントローラ１６は、ＣＡＤのソフトウエアが組み込まれたコンピュータでよい。このＣＡＤシステム３０は、ＣＡＤデータの修正に伴うキャビティ面の表面形状の変化を作業者に触覚を通じて知覚させることができる。

　図８に、ＣＡＤシステム３０の模式的斜視図を示す。ＣＡＤシステム３０は、第１実施例の触覚ディスプレイ１０に入力デバイス３９を付加したシステムである。触覚ディスプレイ１０の構成については先に説明したので説明を省略する。ただし、ＣＡＤシステムのコントローラ１６は、第１実施例の触覚ディスプレイ１０の機能に加えて次の機能を備える。なお、本実施例では物体Ｗ２は、試作した金型であり、触覚デバイス１２は金型のキャビティ面上に置かれている。図８では、簡単のため、金型Ｗ２を単純な直方体で模式的に表している。

　コントローラ１６には、作業者によって操作される入力デバイス３９が接続されている。入力デバイス３９は、３個のダイヤルＤ１、Ｄ２、及びＤ３を有する。コントローラ１６は、作業者がダイヤルＤ１を操作すると、その操作量に応じてＣＡＤデータ上の起伏の高さを修正する。以下、この機能をさらに詳細に説明する。

　コントローラ１６は、画像処理デバイス１８によって実在の金型Ｗ２と、金型Ｗ２に対する触覚デバイス１２の動きを検知する。コントローラ１６は、仮想空間上にＣＡＤデータに基づく金型モデルを構築する。コントローラ１６は、実在の金型Ｗ２の位置と仮想金型モデルの位置を仮想空間内で重ねる。さらにコントローラ１６は、画像処理デバイス１８によって検知された触覚デバイス１２の動きを、仮想空間内での動きとして取り込む。こうしてコントローラ１６は、仮想金型モデルのキャビティ面上を動く触覚デバイスを仮想空間内でシミュレートする。

　コントローラ１６は、触覚デバイス１２の３個の刺激子１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃの夫々にダイヤルＤ１、Ｄ２、及び、Ｄ３を対応付けている。刺激子１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃは図３を参照されたい。コントローラ１６は、各刺激子の下端が仮想空間内に配置された仮想金型モデル（ＣＡＤデータ）のキャビティ面上の位置を決定する。作業者がダイヤルＤ１を操作すると、コントローラ１６は、その操作量に応じて、仮想空間内で刺激子１４ａに対応するＣＡＤデータ上の表面位置の起伏高さ変更する。コントローラ１６は、刺激子１４ａに対応する位置だけでなく、その周囲のＣＡＤデータ上の起伏高さも変更する。即ち、コントローラ１６は、ＣＡＤデータ上の起伏の形状を変更する。コントローラ１６は、刺激子１４ａに対応する位置をピークとして、その周囲のＣＡＤデータ上の起伏高さを操作量に応じて修正する。コントローラ１６は、修正したＣＡＤデータの起伏高さに応じて、各刺激子１４が加える刺激の強さを修正する。ここで、刺激の強さは、刺激子１４のロッド１０４の突出高さに相当する。同様にコントローラ１６は、ダイヤルＤ２やダイヤルＤ３の操作量に応じて、ＣＡＤデータを修正するとともに刺激子１４が加える刺激の強さを調整する。なお、ＣＡＤシステム３０のユーザは、触覚デバイス１２の位置を変えながら起伏高さを修正することによって、ＣＡＤデータ上の起伏の形状を修正することができる。

　ＣＡＤシステム３０の技術的特徴は次の通り表現することができる。ＣＡＤシステム３０は、前述したいずれか触覚ディスプレイ（コントローラを有する触覚ディスプレイ）と、その触覚ディスプレイのコントローラ１６に接続される入力デバイス３９を備える。入力デバイス３９は、人が操作するデバイスである。触覚ディスプレイは、触覚デバイス１２の動きを検出するセンサ（画像処理デバイス１８）、物体の表面形状データを記憶している記憶ユニット（コントローラ１６）、刺激子を制御するコントローラ１６を備える。コントローラ１６は、表面形状データ（ＣＡＤデータ）によって規定される仮想物体モデルを仮想空間内に配置し、仮想物体モデルの表面における触覚デバイスの位置をセンサの出力に基づいて決定する。そしてコントローラ１６は、指関節位置に対応する仮想物体モデルの表面位置における起伏高さに対応する大きさの刺激を加える。さらにコントローラ１６は、入力デバイス３９が検知する人の操作量に応じて、触覚デバイスの刺激子の位置に対応する仮想物体モデル上の（表面形状データ上の）起伏高さを修正するとともに、修正された起伏高さに対応する大きさの刺激を掌皮膚の指関節位置に加える。

　このＣＡＤシステム３０の利点を説明する。金型はＣＡＤデータに基づいて製作されるが、その金型によって成形されたワークは、必ずしも所望の形状にならない。従来は、所望の形状のワークが成形できるように、熟練作業者が金型の表面を撫でながら実在のキャビティ面を繰り返し修正していた。本実施例のＣＡＤシステム３０を適用した場合、作業者は、ＣＡＤデータによって規定される仮想的なキャビティ面の表面起伏を触覚デバイスを通じて知覚することができる。作業者が入力デバイス３９を操作すると、ＣＡＤシステム３０はキャビティ面を規定するＣＡＤデータを修正するとともに、修正されたＣＡＤデータによって規定される表面形状を触覚デバイス１２によって作業者に提示する。作業者は例えば、ダイヤルを右へ回すと、ＣＡＤデータ上のキャビティ面の起伏が高くなることを触覚デバイス１２を通じて知覚する。逆に作業者は、ダイヤルを左へ回すとＣＡＤデータ上のキャビティ面の起伏が低くなることを触覚デバイス１２を通じて知覚する。このように作業者は、修正の結果を触覚デバイス１２を通じて掌で知覚しながら、必要であれば入力デバイスを操作してさらにＣＡＤデータを修正することができる。最終的に修正されたＣＡＤデータを用いて作成された金型は、所望のワークを製造することができる。

　本実施例のＣＡＤシステム３０は、ＣＡＤデータの修正によって生じるキャビティ面の変化を触覚デバイスを通じて作業者に知覚させながら、その修正をＣＡＤデータに反映することができる。

　本明細書が開示する新規な触覚ディスプレイは、物体表面の緩やかな起伏を、直接に撫でる場合よりも明確に人に知覚させることができる。本明細書でいう「緩やかな起伏」には、いわゆる「面歪み」と呼ばれる僅かな起伏が含まれる。人は、一般的に、高低差が約１ｍｍ以下の面歪みは、直接に撫でても知覚し難い。本明細書が開示する新規な触覚ディスプレイは、そのような僅かな面歪を直接に撫でる場合よりも明確に人に面歪みを知覚させることができる。

　以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：実験装置（触覚ディスプレイ）
２、１２、２２、３２：触覚デバイス
４：ロッド（刺激子）
１０：触覚ディスプレイ
１４、２４、３４：刺激子
１６：コントローラ
１８：画像処理デバイス
３０：ＣＡＤシステム
３９：入力デバイス
１０２：アクチュエータ
１０４、２０２：ロッド
１３４：電極
２０３：アタッチメント

Claims (8)

1. 　人の手の動きに応じて、人の掌側皮膚の少なくとも一つの指関節位置に局所的に刺激を加える触覚ディスプレイ。
2. 　人の手に装着可能であり、人の掌側皮膚の指関節位置に局所的に刺激を加える少なくとも１つの刺激子を有する触覚デバイスを備えており、
   　触覚デバイスが人によって物体表面上を動かされたときに、触覚デバイスの動きに応じて前記刺激を加えることを特徴とする請求項１に記載の触覚ディスプレイ。
3. 　触覚デバイスの動きを検出するセンサと、
   　物体の表面形状データを記憶している記憶ユニットと、
   　刺激子を制御するコントローラと、をさらに備えており、
   　コントローラは、表面形状データによって規定される仮想物体モデルを仮想空間内に配置し、仮想物体モデルの表面における触覚デバイスの位置をセンサの出力に基づいて決定し、指関節位置に対応する仮想物体モデルの表面位置における起伏高さに対応する大きさの刺激を加えることを特徴とする請求項２に記載の触覚ディスプレイ。
4. 　触覚デバイスは複数の刺激子を備えており、人が触覚デバイスを装着したときに、隣接する刺激子が夫々隣接する指関節に対向することを特徴とする請求項２又は３に記載の触覚ディスプレイ。
5. 　人の指に接触する刺激子の表面が、指の周方向の曲率と略等しい曲率で湾曲していることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の触覚ディスプレイ。
6. 　前記触覚デバイスは、触覚デバイスが人に装着されたときに、人の指先を支持する第１部位と、人の掌の一部を支持する第２部位を有することを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の触覚ディスプレイ。
7. 　請求項３に記載の触覚ディスプレイと、触覚ディスプレイのコントローラに接続された入力デバイスを備えるＣＡＤシステムであり、
   　コントローラは、入力デバイスが検知する人の操作量に応じて、触覚デバイスの刺激子の位置に対応する表面形状データ上の起伏高さを修正するとともに、修正された起伏高さに対応する大きさの刺激を掌皮膚の指関節位置に加えることを特徴とするＣＡＤシステム。
8. 　人の手の動きに応じて人の掌側皮膚の少なくとも一つの指関節位置に局所的な刺激を加える触覚提示方法。

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