WO2021049296A1 - 力覚提示装置及び力覚提示方法 - Google Patents

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新 堀江
稲見　昌彦
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    • A61H7/00—Devices for suction-kneading massage; Devices for massaging the skin by rubbing or brushing not otherwise provided for
    • A61H7/007—Kneading

Definitions

  • the present invention relates to a force sense presenting device and a force sense presentation method for presenting a force sense by stimulating human skin.
  • the motion platform realizes the vestibular sensation and the force sensation exerted from the seat surface and the back surface by reproducing the actual movement, and gives the user the feeling that he / she is exercising.
  • the reproducible motion largely depends on the mechanical characteristics of the housing, and the motion that can be expressed is limited.
  • the motion platform is large and expensive, and there is a problem that it cannot be attached to an existing chair.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to present a sensation of stimulating a person's skin to generate a sensation as if he / she is exercising. To do.
  • the device of a certain aspect of the present invention is a force sense presenting device that presents a force sense by forming a mechanical distribution on human skin.
  • This device includes a plurality of stimulating elements and a control unit. Each of the plurality of stimulating elements stimulates human skin.
  • the control unit controls a plurality of stimulating elements so as to form a mechanical distribution on the skin that generates a desired force sensation.
  • the interval between adjacent stimulating elements is an interval capable of presenting a spatially continuous sense of force. Force sensation gives rise to a person's sense of self-motion.
  • the force sensation presenting device may further include a storage unit that stores the relationship between the target force sensation and the mechanical distribution that generates the force sensation, and a force sensation indicating unit.
  • the control unit may control the stimulating element so as to form a mechanical distribution on the skin that generates the force sensation stored in the storage unit when the target force sensation is instructed by the force sensation indicating unit. ..
  • the control unit may calculate the mechanical distribution that generates the desired mechanical sensation and control the stimulating element so as to give the skin a stimulus that forms the mechanical distribution.
  • the force sense presenting device may further include a learning unit that learns the relationship between the presented force sense and the mechanical distribution that generates the force sense.
  • the stimulating element may present a sense of force to a body part including the back or buttocks.
  • the stimulating element may present a sense of force to a body part including a hand or a foot.
  • the control unit may control the stimulating element so as to form a mechanical distribution on the skin according to the stretch of the skin that occurs when the body part is moved.
  • the mechanical distribution may be a strain energy density distribution.
  • the control unit may control the stimulating element so that the greater the target force sense, the greater the strain energy density.
  • the stimulating element may stimulate the skin by rotational movement.
  • a stimulating element may be referred to as a "rotational stimulating element”.
  • the control unit may control the rotation angle and rotation direction of the stimulating element.
  • the control unit may control the stimulating element so that the larger the target force sense is, the larger the rotation angle of the stimulating element is.
  • a set consisting of a plurality of stimulating elements among the stimulating elements may be grouped into a stimulating element unit.
  • the stimulating element unit may be provided with a biaxial gimbal.
  • the control unit may move the stimulus application point for applying the stimulus on the human skin. Then, the control unit may control the stimulation element so that the smaller the distance from the stimulation application point, the larger the rotation angle of the stimulation element.
  • the mechanical distribution may be a strain distribution.
  • the strain may be the main strain or the equivalent strain.
  • the mechanical distribution may be a force distribution.
  • the force may be a shearing force or a normal force.
  • the mechanical distribution may be a stress distribution.
  • the stress may be either pressure, principal stress or Mises stress.
  • the interval between adjacent stimulating elements may be such that the ranges of force sense presented by the adjacent stimulating elements overlap.
  • the force sense presentation device may include a mechanical change detection unit and a mechanical distribution calculation unit.
  • the mechanical change detection unit detects the mechanical change of the human skin due to the movement of the person.
  • the mechanical distribution calculation unit calculates the mechanical distribution of the skin that causes the mechanical change from the change in the mechanical distribution of the human skin detected by the mechanical change detection unit.
  • the control unit controls a plurality of stimulating elements so as to form a mechanical distribution calculated by the mechanical distribution calculation unit on the skin.
  • Each of the plurality of stimulating elements may include a mechanical change detection unit.
  • the mechanical change detection unit may be a sensor provided independently of the stimulating element.
  • the force sense presentation device may include a camera that captures a subjective image seen from a person and a video synchronization unit that calculates the relationship between the mechanical change of the human skin and the change of the subjective image.
  • the mechanical distribution calculation unit is based on the relationship between the mechanical change of the human skin and the change of the subjective image calculated by the image synchronization unit, and the dynamic change of the human skin when the subjective image is changed. The mechanical distribution of the skin that causes the change may be calculated.
  • Yet another aspect of the present invention is a force sense presentation method that presents a force sense by forming a mechanical distribution on human skin.
  • This method involves the step of determining the relationship between the force sensation and the mechanical distribution that generates the force sensation, and stimulating multiple parts of the skin to form the mechanical distribution that generates the force sensation on the skin. With steps.
  • the spacing between adjacent sites of stimulated skin is the spacing that can generate spatially continuous force sensations. Force sensation gives rise to a person's sense of self-motion.
  • the mechanical distribution in the force sense presentation method may be a strain energy density distribution.
  • the force sense presentation method is a step of detecting a mechanical change of a person's skin due to a person's movement and a step of calculating the mechanical distribution of the skin that causes the mechanical change from the detected mechanical change of the person's skin. And may include steps of stimulating multiple parts of the skin to form a calculated mechanical distribution on the human skin.
  • the above-mentioned force sensation presentation method may include a step of photographing a subjective image seen from a person and a step of calculating the relationship between a mechanical change of a person's skin and a change of the subjective image.
  • the step of calculating the mechanical distribution of the skin that causes the mechanical change is based on the relationship between the calculated mechanical change of the human skin and the change of the subjective image, and the human skin when the subjective image is changed.
  • the mechanical distribution of the skin that causes the mechanical change may be calculated from the mechanical change of.
  • the present invention by stimulating a person's skin, it is possible to present a person with a sense of force that causes a feeling as if he / she is exercising.
  • the present inventor applied shear deformation (deformation along the direction of the skin) to the skin of the human buttocks to induce an acceleration sensation when riding a vehicle and when overcoming undulations. We found that it was possible to reproduce the kinesthetic sensation in the vertical direction.
  • strain energy density distribution a distribution of mechanical quantities per unit volume, for example, a distribution of strain energy (hereinafter, referred to as “strain energy density distribution”) is formed on the skin. That is, when a person exercises in contact with a sheet or the like, strain is generated in each part of the skin. The temporal and spatial distribution of the energy density of this strain is considered to reflect characteristics such as the type, magnitude, and direction of the motion. In the mechanoreceptors inside the skin, which control the sense of force, the frequency of neuron firing is determined by this strain energy density distribution. Therefore, if a strain energy density distribution corresponding to various movements is formed on the skin by stimulating the skin of a person, the person can perform such movements without actually moving the person. It is thought that it can induce the feeling of being.
  • the part of the skin that gives irritation is not limited to the buttocks, but any part such as the back, abdomen, head, arms, wrists, or feet that can form a strain energy density distribution corresponding to the desired movement. It may be.
  • the distribution of mechanical quantities corresponding to the target motion (hereinafter referred to as "mechanical distribution") is not limited to the strain energy density distribution, but the distribution of strain (for example, main strain and equivalent strain) and force. It also includes the distribution of (eg, shear force, normal force, etc.), the distribution of stress (ie, force per unit area, such as pressure, principal stress, Mieses stress, etc.).
  • a sensation in which a person feels as if he / she is exercising or is spatially displaced is referred to as “self-motor sensation”.
  • This self-motion sensation is not limited to the kinesthetic sensation that one actually feels when exercising, such as when riding a vehicle. For example, when an object in contact with the skin is moving, it feels as if you are moving relative to that object.
  • Such a sensation that is, a kinesthetic sensation that one feels when he / she is not actually exercising, is also included in the self-motor sensation.
  • "presenting a sense of force” means presenting the magnitude and direction of the force felt by a person.
  • FIG. 1 shows a functional block of the force sense presenting device 1 according to the first embodiment.
  • the force sense presenting device 1 presents the force sense by forming a mechanical distribution on the human skin S.
  • the force sense presenting device 1 includes n stimulating elements 11, 12, ..., 1n, and a control unit 20 (n is an integer of 2 or more).
  • Each of the stimulating elements 11, 12, ..., 1n stimulates the human skin S.
  • the method in which the stimulating elements 11, 12, ..., 1n stimulates the skin S may be a mechanical method such as rotational movement, pulling in the shear direction, compression, or suction.
  • Each of the stimulating elements 11, 12, ..., 1n may be capable of presenting a sense of force by itself. Alternatively, it may be possible to present a sense of force only when a plurality of stimuli jointly form a predetermined mechanical distribution.
  • the control unit 20 controls the stimulating elements 11, 12, ..., 1n so as to form a mechanical distribution on the skin S that generates a target force sensation.
  • the control unit 20 may be configured using known computer hardware and software.
  • the method in which the control unit 20 controls the stimulus elements 11, 12, ..., 1n may be based on a database or the like stored inside the control unit 20, or may be based on an input from the outside. It may be well, or it may be based on learning such as machine learning.
  • the interval between adjacent stimulating elements is an interval that can present a spatially continuous sense of force. If the distance between the stimulating elements is too large, the force sense becomes spatially discontinuous. In this case, it is not possible to form a mechanical distribution on the skin that produces the desired force sensation.
  • the interval between adjacent stimulating elements may be, for example, an interval such that the ranges of force sense presented by the adjacent stimulating elements overlap. Alternatively, the spacing between adjacent stimulating elements may be within the range of the two-point discrimination threshold in the area of the skin.
  • Force sense generates a person's sense of self-motion. That is, the force sense presented by the force sense presenting device 1 gives a person a feeling as if he / she is exercising or is spatially displaced. As described above, this sensation may be the kinesthetic sensation felt when oneself is actually exercising, or the kinesthetic sensation felt when oneself is not actually exercising.
  • FIG. 2 shows a functional block of the force sense presenting device 2 according to the second embodiment.
  • the force sense presenting device 2 also presents the force sense by forming a mechanical distribution on the human skin S.
  • the force sensation presenting device 2 includes n stimulating elements 11, 12, ..., 1n, a control unit 20, a storage unit 30, and a force sensation indicating unit 40 (n is an integer of 2 or more). That is, the force sensation presenting device 2 includes a storage unit 30 and a force sensation indicating unit 40 in addition to the configuration of the force sensation presenting device 1 of FIG.
  • the storage unit 30 stores a mechanical distribution that generates a target force sensation and a control method of each stimulating element for forming the mechanical distribution.
  • the storage unit 30 stores as a database what kind of mechanical quantity should be distributed on the skin S temporally and spatially in order to generate the desired force sensation. To do.
  • a mechanical distribution such as a strain energy density distribution
  • a device for directly measuring this is not known, but it can be calculated using a simulation as follows. For simulation, for example, finite element analysis based on the finite element model of the human body is effective.
  • the physical situation that causes the force sensation to be presented is input.
  • the acceleration of the car is input.
  • the weight of a person and the elasticity of the skin as predetermined parameters, it is possible to solve the deformation of the skin according to the acceleration of the automobile.
  • the validity of the obtained model can be verified, for example, as follows. That is, the tester measures the surface pressure of his / her buttocks and back while driving a car equipped with, for example, a commercially available acceleration sensor and a surface pressure distribution measurement sheet. By comparing this measurement result with the surface pressure calculated from the model, it is possible to verify how appropriate the model is. If the difference between the measured value and the calculated value from the model is large as a result of the comparison, the model can be improved by performing a simulation again.
  • the force sense instruction unit 40 instructs the control unit 20 to generate a target force sense.
  • the control unit 20 is a stimulating element 11 so as to form a mechanical distribution on the skin S that generates the force sensation stored in the storage unit 30 when the target force sensation is instructed by the force sensation instruction unit 40. , 12, ..., 1n is controlled.
  • the desired force sense is presented at a desired timing by storing the relationship between the target force sense and the mechanical distribution that generates the force sense in the storage unit 30. Can be done.
  • the control unit 20 calculates the mechanical distribution that generates the desired mechanical sensation, and sets the stimulating elements 11, 12, ..., 1n so as to give the skin S a stimulus that forms the mechanical distribution. You may control it.
  • the mechanical distribution can be calculated by a relatively simple model, such as when presenting the force sensation of rolling a roller on the back of a person, the mechanical distribution is purposely set to the human body as in the second embodiment. It is not necessary to calculate and store it by finite element analysis based on the finite element model, which saves hardware resources.
  • the desired force sense can be presented by calculating the mechanical distribution that generates the desired force sense.
  • FIG. 3 shows a functional block of the force sense presentation device 3 according to the fourth embodiment.
  • the force sense presenting device 3 also presents the force sense by forming a mechanical distribution on the human skin S.
  • the force sense presenting device 3 includes n stimulation elements 11, 12, ..., 1n, a control unit 20, a storage unit 30, a force sense instruction unit 40, and a learning unit 50 (n is 2 or more). Integer). That is, the force sense presentation device 2 includes a learning unit 50 in addition to the configuration of the force sense presentation device 2 of FIG. Since the configurations and operations of the stimulating elements 11, 12, ..., 1n, the control unit 20, and the force sensation indicating unit 40 are the same as those of the force sensation presenting device 2, the description thereof will be omitted.
  • the learning unit 50 learns the relationship between the force sensation presented to a person and the mechanical distribution that generated the force sensation.
  • the presented force sense is the magnitude and direction of the force given to the person, and the mechanical distribution is estimated by a simulation such as finite element analysis as described in the second embodiment.
  • Learning may be performed by a known AI.
  • the specific method of AI is not particularly limited, but for example, a convolutional neural network (CNN), a recursive neural network (RNN), an LSTM network (Long Short Term Memory), etc.
  • CNN convolutional neural network
  • RNN recursive neural network
  • LSTM network Long Short Term Memory
  • the storage unit 30 stores the learning result of the learning unit 50.
  • the control unit 20 forms a mechanical distribution on the skin S that generates the force sense based on the learning result stored in the storage unit 30.
  • the stimulating elements 11, 12, ..., 1n are controlled so as to do so.
  • FIG. 4 shows a schematic view of the force sense presenting device 4 according to the fifth embodiment.
  • the stimulating elements 11, 12, ..., 1n present a sense of force to a body part including the back or buttocks.
  • the present inventor has found that by forming a mechanical distribution especially on the back and buttocks of a person, it is possible to realize a force sense with a higher degree of freedom and excellent resolution in a large area of the body. Therefore, it is considered that if the force sense is presented to the body part including the back or the buttocks, the self-motion sensation corresponding to the more complicated movement can be induced.
  • this embodiment can be realized by attaching the stimulating elements 11, 12, ..., 1n to an existing chair or the like. This is a great advantage in terms of size and cost.
  • the mechanical distribution may be a strain energy density distribution.
  • the present inventor has found that, among various mechanical distributions, self-motion sensation can be induced by forming a strain energy density distribution.
  • Recent studies have confirmed that the frequency of neuronal firing of mechanoreceptors present in human skin is proportional to the strain energy density. For example, a person feels "strongly exerted" when the mechanoreceptor neuron firing occurs frequently. Therefore, in order to control the sensation, it is considered important to control the frequency of neuron firing. From this point of view, it can be seen that the formation of the strain energy density distribution is particularly important even when the self-motion sensation is induced.
  • control unit 20 may control the stimulating elements 11, 12, ..., 1n so that the larger the target force sense is, the larger the strain energy density is.
  • the present inventor has found that the magnitude of the desired force sensation often has a positive correlation with the strain energy density. Therefore, it is considered that the self-motion sensation can be induced by controlling the stimulating elements 11, 12, ..., 1n so that the larger the target force sense is, the larger the strain energy density is.
  • the stimulating elements 11, 12, ..., 1n may stimulate the skin by rotational movement.
  • the control unit 20 may control the rotation angle and rotation direction of the stimulation elements 11, 12, ..., 1n.
  • the stimulation given to the skin is due to suction, electrical stimulation, temperature stimulation, compression, or translational movement along the shearing direction of the skin. It is desirable that it is due to rotational movement, not something.
  • the reason is as follows. For one thing, in the form shown in FIG. 4, it is premised that the stimulus is applied to the skin through clothing. In this case, for example, stimulation by suction, electrical stimulation, temperature stimulation, etc. cannot be directly applied. Second, the stimulus from compression causes the user to shift the posture of the chair, which hinders the formation of an appropriate mechanical distribution on the skin.
  • the present inventor has experimentally confirmed that a mechanical distribution that generates a self-motion sensation can be formed on the skin by appropriately controlling the rotation angle and rotation direction of the stimulation elements 11, 12, ..., 1n. In this case, not only the rotation angle but also the time until the rotation angle is reached may be included in the control parameter.
  • the purpose of the stimulation by the rotational movement is not to present the direction of the twist itself as a force sense, but to excite the strain energy density near the stimulation point.
  • the rotation direction of the stimulus element alone is not perceived, and the force sensation can be presented only when a plurality of stimulus elements jointly form a predetermined strain energy density distribution.
  • this embodiment it is possible to generate a kinesthetic sensation that one feels when actually exercising, such as when riding a vehicle, while oneself with respect to an object that is in close contact with the back, for example. You can also generate the sensation that you feel as if you are in relative movement, that is, the sensation that you feel when you are not actually exercising.
  • the control unit 20 may control the stimulating elements 11, 12, ..., 1n so that the larger the target force sense, the larger the rotation angle of the stimulating elements 11, 12, ..., 1n.
  • the present inventor has found that the magnitude of the desired force sensation often has a positive correlation with the strain energy density. Furthermore, it can be seen that the strain energy density and the rotation angles of the stimulating elements 11, 12, ..., 1n also have a positive correlation. Therefore, the greater the target force sensation, the greater the rotation angle of the stimulating elements 11, 12, ..., 1n. By controlling the stimulating elements 11, 12, ..., 1n, the self-motion sensation is induced. can do.
  • FIG. 5 is a photograph showing the force sense presentation device 5 according to the seventh embodiment.
  • a set of four stimulating elements among these stimulating elements is combined into one stimulating element unit.
  • the stimulating element unit is square, and stimulating elements are arranged at the four corners of the stimulating element unit.
  • FIG. 5 shows a state in which the stimulating elements 11, 12, 13 and 14 are grouped together in the stimulating element unit 60.
  • Six stimulating element units are arranged in an array of two horizontally and three vertically on the backrest 80 of the chair 70. That is, the stimulating elements 11, 12, ..., 124 are arranged on the backrest 80 of the chair 70 in an array of four horizontally and six vertically.
  • the distance between adjacent stimulating elements is 55 mm. This is because it was experimentally verified that the two-point discrimination threshold on the back of a person is about 40 mm, while the interval at which a spatially continuous force sense can be generated is about 55 mm. Since the backrest 80 of the chair 70 draws a gentle curved surface instead of a flat surface, the mount is adjusted so that the left and right stimulating elements of the backrest 80 are inclined toward the center.
  • Each of the stimulating elements 11, 12, ..., 124 has a disk shape with a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm. If the stimulus elements 11, 12, ..., 124 are too hard, they will not fit into the body, and the pain caused by the contact of the edges of the stimulus elements 11, 12, ..., 124, and the stimulus elements 11, 12, ..., 124 and the clothes Sliding between is likely to occur. On the contrary, if the stimulating elements 11, 12, ..., 124 are too soft, it becomes difficult to transmit the rotational force. In consideration of these characteristics, an appropriate chloroprene rubber sponge is used as a material for the stimulating elements 11, 12, ..., 124.
  • a small servomotor is used as an actuator for rotating the stimulating elements 11, 12, ..., 124.
  • the maximum output torque of this servomotor is 0.2 Nm, which is sufficient to deform the skin on the back.
  • the stimulating elements 11, 12, ..., 124 are controlled to rotate at a rotation angle of 30 degrees and a rotation speed of 60 degrees / sec.
  • the stimulating element unit described above may include a biaxial gimbal.
  • FIG. 6 is a photograph showing a stimulating element unit 61 having two axes, an x-axis and a y-axis, which are orthogonal to each other. As shown, the stimulator unit 61 can freely rotate independently around the x-axis and the y-axis.
  • the stimulating element unit 61 can rotate along the unevenness of the body, the fit to the body surface can be improved and the transmission efficiency of the rotational stimulus can be improved.
  • the mechanical distribution may be as follows.
  • the mechanical distribution is the distribution of strain, which strain may be the principal strain or the equivalent strain.
  • the mechanical distribution is a force distribution, which may be a shear force or a normal force.
  • the mechanical distribution is the distribution of stress, which may be either pressure, principal stress or von Mises stress.
  • the spacing between adjacent stimulating elements may be such that the ranges of force sense presented by the adjacent stimulating elements overlap.
  • the present inventor has found that a spatially continuous force sense can be more reliably presented by providing such a spacing between adjacent stimulating elements.
  • FIG. 7 shows the flow of the force sensation presentation method according to the tenth embodiment.
  • This force sense presentation method includes a step S1 for determining the relationship between the presented force sense and the mechanical distribution, and a step S2 for stimulating a plurality of parts of the skin.
  • the spacing between adjacent sites of stimulated skin is the spacing that can generate spatially continuous force sensations. Force sensation gives rise to a person's sense of self-motion.
  • step S1 the force sense presentation method determines the relationship between the force sense to be presented and the mechanical distribution that generates the force sense.
  • the determination of the relationship between the presented force sense and the mechanical distribution that generates the force sense may be based on a database or the like stored in a storage means or the like, or may be based on an external input. It may be well, or it may be based on learning such as machine learning.
  • the force sensation presentation method stimulates a plurality of parts of the skin so as to form a mechanical distribution on the skin that generates the force sensation.
  • the method of giving the stimulus may be a kinematic method such as rotational movement, pulling in the shear direction, compression, or suction.
  • the stimulus may be given by one that is capable of presenting a sense of force on its own. Alternatively, it may be given by a person who can present a sense of force only when a plurality of members jointly form a predetermined mechanical distribution.
  • the distance between adjacent parts of the skin to be stimulated may be, for example, such that the ranges of force sensation presented to the adjacent parts overlap.
  • the distance between adjacent parts of the skin to be stimulated may be within the range of the two-point discrimination threshold in the area of the skin.
  • the self-motion sensation generated by the force sensation may be the kinesthetic sensation felt when oneself is actually exercising, or the kinesthetic sensation felt when oneself is not actually exercising.
  • the mechanical distribution may be a strain energy density distribution.
  • FIG. 8 shows a functional block of the force sense presentation device 6 according to the eleventh embodiment.
  • the force sense presenting device 6 measures the mechanical distribution of the skin S due to human movement and presents the force sense by forming a mechanical distribution on the human skin S.
  • the force sense presenting device 6 includes n stimulation elements 11, 12, ..., 1n, n mechanical change detection units 11s, 12s, ..., 1ns, a control unit 20, a mechanical distribution calculation unit 90, and the like. , (N is an integer of 2 or more). That is, the force sense presentation device 6 includes n mechanical change detection units 11s, 12s, ..., 1ns in addition to the configuration of the force sense presentation device 1 of FIG. Details of the configurations other than the mechanical change detection units 11s, 12s, ..., 1ns, which are common to the mechanical change presenting device 1, will be omitted.
  • Each of the mechanical change detection units 11s, 12s, ..., 1ns detects the mechanical change of the skin S of the person due to the movement of the person, and transmits the detection result to the mechanical distribution calculation unit 90.
  • the mechanical distribution calculation unit 90 calculates and calculates the mechanical distribution of the skin that causes the mechanical change from the mechanical change of the human skin detected by the mechanical change detection units 11s, 12s, ..., 1ns. The result is transmitted to the control unit.
  • This mechanical distribution may be a strain energy density distribution, a strain distribution, a force distribution, a stress distribution, or the like.
  • the control unit 20 reproduces the mechanical distribution of the skin received from the mechanical distribution calculation unit 90 for each stimulating element.
  • the control unit 20 controls the stimulating elements 11, 12, ..., 1n so as to form the mechanical distribution calculated by the mechanical distribution calculation unit 90 on the skin.
  • the interval between adjacent stimulating elements is an interval capable of presenting a spatially continuous sense of force. Force sensation is what gives rise to a person's sense of self-motion.
  • the force sense presentation device 6 is configured to include a stimulating element on a backrest or a cushion.
  • the user brings the force sense presentation device 6 to a drive, an amusement park, or the like.
  • the user sets the force sense presentation device 6 on the seat of a car or a playset, and calculates the mechanical distribution of his / her back and buttocks while shooting an image. After returning home, the user can recollect the experience with a high sense of presence by presenting the force sense from the force sense presentation device 6 together with the image.
  • the stimulating element stimulates the skin by rotational movement
  • the relationship between the mechanical change of the skin and the force can be obtained by measuring the rotation angle when rotated and the current value at that time, for example, the skin.
  • the distribution of elasticity of the skin can be measured.
  • the stimulating element contactor exerts pressure perpendicular to the surface of the skin, the distribution of pressure and elasticity of the skin can be obtained by measuring the current value at that time.
  • the mechanical change detection unit detects the mechanical change of the skin due to the actual movement of a person
  • the mechanical distribution of the skin that causes this mechanical change is calculated. As a result, it is possible to give a sense of force that reproduces the actual sensation of movement.
  • FIG. 9 shows a functional block of the force sense presenting device 6 according to the twelfth embodiment.
  • the force sense presenting device 7 measures the mechanical distribution of the skin S due to human movement and presents the force sense by forming a mechanical distribution on the human skin S.
  • the force sense presenting device 7 includes n stimulating elements 11, 12, ..., 1n, a control unit 20, and a mechanical distribution calculation unit 90 (n is an integer of 2 or more).
  • the stimulation elements 11, 12, ..., 1n of the force sense presenting device 7 include the above-mentioned mechanical change detection unit.
  • the stimulating element of the present embodiment functions as a stimulating means for the skin S and also as a detecting means (sensor) for detecting a mechanical change of the skin S accompanying the actual movement of a person. ..
  • each of the stimulating elements 11, 12, ..., 1n is provided with a mechanical change detection unit. That is, the stimulating elements 11, 12, ..., 1n detect the mechanical change of the skin S of the person due to the movement of the person and stimulate the skin of the person. In other words, the stimulating element also serves as a mechanical change detection unit. Therefore, the stimulating elements 11, 12, ..., 1n function as a stimulating means for the skin S as in the above-described embodiment, and also detect a mechanical change of the skin S accompanying the actual movement of a person (detection means (1n). It also functions as a sensor). The mechanical change of the skin S detected by the stimulating elements 11, 12, ..., 1n depends on the method by which the stimulating elements 11, 12, ..., 1n stimulate the skin S.
  • the stimulating elements 11, 12, ..., 1n stimulate the skin S by rotational movement
  • the stimulating elements 11, 12, ..., 1n represent the skin S as a mechanical change of the skin S accompanying a human movement. Detects rotation.
  • the stimulating elements 11, 12, ..., 1n stimulate the skin S by pulling in the shear direction
  • the stimulating elements 11, 12, ..., 1n are used as a mechanical change of the skin S accompanying human movement. , Detects stretching or shrinkage of the skin S in the shear direction.
  • the stimulating elements 11, 12, ..., 1n stimulate the skin S by compression or suction
  • the stimulating elements 11, 12, ..., 1n are the skin as a mechanical change of the skin S accompanying human movement.
  • the control unit 20 detects the distortion of the skin S caused by the compression or suction of the S, and stores this.
  • the principle that the stimulating elements 11, 12, ..., 1n detect the mechanical change of the skin S due to human movement is as follows. It is assumed that the stimulation elements 11, 12, ..., 1n of the force sense presenting device according to the above-described embodiment give a stimulus to the skin S to form a mechanical distribution that induces a certain self-motion sensation. At this time, when the user wearing this force sense presenting device actually performs the exercise, each of the stimulating elements 11, 12, ..., 1n exerts an action opposite to the stimulus to be given to the skin S. It is considered that a counter electromotive force is generated due to the received or reverse action. By measuring such a reverse action and a counter electromotive force, the stimulating elements 11, 12, ..., 1n can make a mechanical change of the skin S due to the actual movement of a person.
  • the stimulating element also serves as a mechanical change detection unit, it is possible to realize a compact and inexpensive force sense presentation device with a small number of parts.
  • FIG. 10 shows a functional block of the force sense presenting device 8 according to the thirteenth embodiment.
  • the force sense presenting device 8 also measures the mechanical distribution of the skin S due to human movement and presents the force sense by forming a mechanical distribution on the human skin S.
  • the force sense presenting device 7 includes n stimulating elements 11, 12, ..., 1n, n sensors 11ss, 12ss, ..., 1nss, a control unit 20, and a mechanical distribution calculation unit 90 ( n is an integer greater than or equal to 2).
  • Each of the sensors 11ss, 12ss, ..., 1nss detects the mechanical change of the skin S of the person due to the movement of the person, and transmits the detection result to the mechanical distribution calculation unit 90.
  • the sensors 11ss, 12ss, ..., 1nss may be any suitable sensor capable of detecting the mechanical change of the skin due to human movement, such as a speed sensor, an acceleration sensor or a pressure sensor.
  • the stimulating element also serves as a mechanical change detecting unit.
  • the mechanical change detecting unit of the force sense presenting device 8 is realized by a sensor provided independently of the stimulating element unit.
  • the mechanical change of the skin can be detected by using an arbitrary suitable sensor, it is possible to realize a high-performance force sense presentation device with higher accuracy.
  • FIG. 11 shows a functional block of the force sense presenting device 9 according to the 14th embodiment.
  • the force sense presenting device 9 also measures the mechanical distribution of the skin S due to human movement and presents the force sense by forming a mechanical distribution on the human skin S.
  • the force sense presenting device 8 includes n stimulation elements 11, 12, ..., 1n, n mechanical change detection units 11s, 12s, ..., 1ns, a control unit 20, a mechanical distribution calculation unit 90, and the like.
  • a camera 100 and a video synchronization unit 110 (n is an integer of 2 or more). That is, the force sense presentation device 9 includes a camera 100 and a video synchronization unit 110 in addition to the configuration of the force sense presentation device 6 of FIG. Details of configurations other than the camera 100 and the video synchronization unit 110 that are common to the force sense presenting device 6 will be omitted.
  • the mechanical change detection units 11s, 12s, ..., 1ns detect the mechanical change of the skin S accompanying the movement of a person, and transmit the detection result to the video synchronization unit 110.
  • the camera 100 captures a subjective image seen by a person who operates the camera, that is, an image taken from the viewpoint of the person, and transmits the image to the image synchronization unit 110.
  • the image synchronization unit 110 calculates the relationship between the mechanical change of human skin and the change of subjective image. That is, the image synchronization unit 110 calculates what kind of mechanical change the human skin makes when the subjective image changes.
  • the image synchronization unit 110 transmits the calculated relationship between the calculated mechanical change of the human skin and the change of the subjective image to the mechanical distribution calculation unit 90.
  • the mechanical distribution calculation unit 90 is based on the relationship between the mechanical change of the human skin and the change of the subjective image calculated by the image synchronization unit 110, and is based on the mechanical change of the human skin when the subjective image is changed. Calculate the mechanical distribution of the skin that causes the mechanical change.
  • the force sense presenting device 7 presents the force sense that generates the self-motion sensation felt by the person who operates the camera when the image viewed from the viewpoint of the person changes.
  • FIG. 12 shows the flow of the force sensation presentation method according to the fifteenth embodiment.
  • a step S3 for detecting a mechanical change in the skin due to human movement a step for calculating the mechanical distribution of the skin that causes the mechanical change and S4, and stimulation to a plurality of parts of the skin are performed.
  • the giving step S5 and the like are provided.
  • the spacing between adjacent sites of stimulated skin is the spacing that can generate spatially continuous force sensations. Force sensation gives rise to a person's sense of self-motion.
  • step S3 the method of presenting the sense of force uses a sensor or the like to detect a mechanical change in the skin of the person due to the movement of the person.
  • Mechanical changes in the skin due to exercise may include rotation of the skin, stretching or contraction of the skin in the shear direction, distortion of the skin due to compression or suction, and the like.
  • step S4 the method of presenting the sense of force calculates the mechanical distribution of the skin that causes the mechanical change from the mechanical change of the human skin detected in step S3.
  • the method of presenting the sense of force in step S5 reproduces the mechanical change detected in step 3.
  • the method of presenting the sense of force in step S5 stimulates a plurality of parts of the skin so as to form the mechanical distribution calculated in step S4 on the skin.
  • FIG. 13 shows the flow of the force sensation presentation method according to the 16th embodiment.
  • a step S3 for detecting a mechanical change in the skin due to human movement a step S6 for capturing a subjective image
  • step S3 the method of presenting the sense of force uses a sensor or the like to detect a mechanical change in the skin of the person due to the movement of the person.
  • step S6 the method of presenting the sense of force is to use a camera or the like to capture a subjective image seen by the person who operates the camera, that is, an image taken from the viewpoint of the person.
  • step S7 the method of presenting the sense of force calculates the relationship between the mechanical change of the skin of the person who photographed the camera and the change of the subjective image. That is, by the process of step S7, when the subjective image makes a certain change, what kind of mechanical change the human skin changes accordingly is calculated. For example, what kind of mechanical change does the skin make when you accelerate with respect to the surrounding scenery in the subjective image, and what kind of skin does it look like when you lean with respect to the surrounding scenery in the subjective image? Whether to make a mechanical change.
  • step S4 the method of presenting the sense of force is based on the calculated relationship between the calculated mechanical change of the person's skin and the change of the subjective image, and from the mechanical change of the person's skin when the subjective image is changed. , Calculate the mechanical distribution of the skin that causes the mechanical change.
  • step S5 the method of presenting the sense of force stimulates a plurality of parts of the skin so as to form the mechanical distribution calculated in step S4 on the person's skin.
  • the stimulating element stimulates a body part having relatively little movement such as the back and buttocks.
  • the present invention is not limited to this, and the stimulating element may stimulate a body part having a large movement such as a hand or a foot.
  • the control unit may control the stimulating element so as to form a mechanical distribution on the skin according to the stretch of the skin that occurs when the body part is moved.
  • the stimulating element may give the person wearing the stimulating element a sensation of movement, such as being touched, traced, grabbed, or a small animal running around the body, or with a spatial flow.
  • the rotation stimulating element in the stimulating element unit is controlled as follows. That is, first, a stimulus giving point for giving a stimulus to the person wearing the stimulating element is given, and this stimulus giving point is moved on the skin of the person. Each stimulus element is controlled so that the rotation angle becomes larger as it is closer to the stimulus application point, and the rotation angle becomes smaller as it is farther from the stimulus application point.
  • the control unit moves the stimulation application point for applying the stimulation on the human skin, and the smaller the distance from the stimulation application point, the larger the rotation angle of the stimulation element.
  • Control the element By performing such control, it is possible to give the user a kinesthetic sensation as if the stimulus-imparting point moved smoothly or flowed.
  • the desired spatial flow such as being touched, traced, grasped, or a small animal running around the body. Can give a person a feeling of being accompanied by.
  • the stimulating element unit exemplifies a square shape having two stimulating elements in the horizontal direction and two stimulating elements in the vertical direction.
  • the stimulating element unit includes one having three stimulating elements in the horizontal direction and three in the vertical direction, and one having four stimulating elements in the horizontal direction and four in the vertical direction. There may be.
  • the stimulating element unit may have a rectangular shape including two stimulating elements in the horizontal direction and three stimulating elements in the vertical direction. According to this modification, the degree of freedom of configuration can be increased.
  • the force sense presentation device is used alone.
  • the present invention is not limited to this, and a plurality of force sense presenting devices may be used in combination at different parts of the body.
  • an HMD (head-mounted display) or the like on which an image is displayed may be used in combination with a force sense presenting device. As a result, it is possible to give a more realistic sense of self-motion.
  • the present invention can be used as a force sense presenting device and a force sense presentation method for presenting a force sense by stimulating human skin.

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Abstract

人の皮膚に力学的分布を形成することによって力覚を提示する力覚提示装置は、複数の刺激素子と、制御部とを備える。複数の刺激素子の各々は、人の皮膚に刺激を与える。制御部は、目的とする力覚を発生させる力学的分布を皮膚に形成するように複数の刺激素子を制御する。隣接する刺激素子間の間隔は、空間的に連続な力覚を提示可能な間隔である。力覚は、人の自己運動感覚を発生させる。

Description

力覚提示装置及び力覚提示方法
　本発明は、人の皮膚に刺激を与えることによって力覚を提示する力覚提示装置及び力覚提示方法に関する。
　バーチャルリアリティやテレプレゼンスなどでは、使用者に高臨場感を与える必要があるため、力の感覚を提示できることが望ましい。例えばエンターテインメント施設やフライトシミュレータに使われるモーションプラットフォームは、使用者を動かしたり傾けたりすることにより、あたかも自分が運動している、あるいは自分が空間的に変位しているかのような感覚を使用者に与える（例えば、特許文献１を参照）。
特表２０１６－５３３５３４
　このようにモーションプラットフォームは、実際の運動を再現することにより、前庭感覚及び座面や背面から及ぼされる力覚を実現し、使用者に自分が運動しているような感覚を与える。しかしながら、目的とする運動と同様の運動を再現する必要があることから、再現可能な運動が筐体の機械的特性に大きく依存し、表現できる運動が限られるという問題がある。さらにモーションプラットフォームは大型かつ高価であり、既存の椅子に取り付けられないなどといった課題もある。
　モーションプラットフォームのように実際に人を動かしたり傾けたりすることなく、例えば使用者の皮膚に刺激を与えることにより、三次元的な運動に伴う運動感覚などの力覚を提示することができれば、上記の課題の解決に大きく貢献できることが期待される。
　本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、人の皮膚に刺激を与えることによって、人に自分が運動しているような感覚を発生させる力覚を提示することにある。
　上記課題を解決するために、本発明のある態様の装置は、人の皮膚に力学的分布を形成することによって力覚を提示する力覚提示装置である。この装置は、複数の刺激素子と、制御部とを備える。複数の刺激素子の各々は、人の皮膚に刺激を与える。制御部は、目的とする力覚を発生させる力学的分布を皮膚に形成するように複数の刺激素子を制御する。隣接する刺激素子間の間隔は、空間的に連続な力覚を提示可能な間隔である。力覚は、人の自己運動感覚を発生させる。
　力覚提示装置は、目的とする力覚と当該力覚を発生させる力学的分布との関係を記憶する記憶部と、力覚指示部と、をさらに備えてよい。制御部は、力覚指示部から目的とする力覚が指示されたときに、記憶部に記憶された当該力覚を発生させる力学的分布を皮膚に形成するように刺激素子を制御してよい。
　制御部は、目的とする力覚を発生させる力学的分布を計算して、当該力学的分布を形成する刺激を皮膚に与えるように、刺激素子を制御してもよい。
　力覚提示装置は、提示された力覚と当該力覚を発生させる力学的分布との関係を学習する学習部をさらに備えてもよい。
　刺激素子は、背部又は臀部を含む身体部位に力覚を提示してもよい。
　刺激素子は、手又は足を含む身体部位に力覚を提示てもよい。このとき制御部は、当該身体部位を動かした際に生じる皮膚の伸びに応じた力学的分布を皮膚に形成するように刺激素子を制御してもよい。
　力学的分布は、ひずみエネルギー密度分布であってもよい。
　制御部は、目的とする力覚が大きければ大きいほど、ひずみエネルギー密度が大きくなるように前記刺激素子を制御してもよい。
　刺激素子は、回転運動によって皮膚に刺激を与えてもよい。以下、このような刺激素子を「回転刺激素子」と呼ぶこともある。このとき制御部は、刺激素子の回転角度及び回転方向を制御してもよい。
　制御部は、目的とする力覚が大きければ大きいほど、刺激素子の回転角度が大きくなるように刺激素子を制御してもよい。
　刺激素子のうち複数の刺激素子からなる組が、刺激素子ユニットにまとめられてもよい。
　刺激素子ユニットは、２軸のジンバルを備えてもよい。
　制御部は、刺激を付与するための刺激付与点を人の皮膚上で移動してもよい。そして制御部は、刺激付与点からの距離が小さければ小さいほど、刺激素子の回転角度が大きくなるように刺激素子を制御してもよい。
　力学的分布は、ひずみの分布であってもよい。このときひずみは、主ひずみ又は相当ひずみであってもよい。
　力学的分布は、力の分布であってもよい。このとき力は、せん断力又は垂直抗力であってもよい。
　力学的分布は、応力の分布であってもよい。このとき応力は、圧力、主応力又はミーゼス応力のいずれかであってもよい。
　隣接する刺激素子間の間隔は、当該隣接する刺激素子によって提示される力覚の範囲が重なりを持つような間隔であってもよい。
　力覚提示装置は、力学的変化検知部と、力学的分布計算部と、を備えてよい。力学的変化検知部は、人の運動による人の皮膚の力学的変化を検知する。力学的分布計算部は、力学的変化検知部が検知した人の皮膚の力学的分布の変化から、当該力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算する。制御部は、力学的分布計算部が計算した力学的分布を皮膚に形成するように複数の刺激素子を制御する。
　複数の刺激素子の各々は、力学的変化検知部を備えてもよい。
　力学的変化検知部は、刺激素子と独立に備えられたセンサであってよい。
　力覚提示装置は、人から見た主観映像を撮影するカメラと、人の皮膚の力学的変化と主観映像の変化との関係を算出する映像同期部と、を備えてもよい。力学的分布計算部は、映像同期部が算出した人の皮膚の力学的変化と主観映像の変化との関係に基づいて、主観映像が変化したときの人の皮膚の力学的変化から、当該力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算してもよい。
　本発明のさらに別の態様は、人の皮膚に力学的分布を形成することによって力覚を提示する力覚提示方法である。この方法は、力覚と当該力覚を発生させる力学的分布との関係を決定するステップと、当該力覚を発生させる力学的分布を皮膚に形成するように皮膚の複数の箇所に刺激を与えるステップと、を備える。刺激を与えられる皮膚の隣接する箇所間の間隔は、空間的に連続な力覚を生成可能な間隔である。力覚は、人の自己運動感覚を発生させる。
　力覚提示方法における力学的分布は、ひずみエネルギー密度分布であってよい。
　力覚提示方法は、人の運動による人の皮膚の力学的変化を検知するステップと、検知した人の皮膚の力学的変化から、当該力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算するステップと、計算した力学的分布を人の皮膚に形成するように皮膚の複数の箇所に刺激を与えるステップと、を備えてもよい。
　前述の力覚提示方法は、人から見た主観映像を撮影するステップと、人の皮膚の力学的変化と主観映像の変化との関係を算出するステップと、を備えてもよい。このとき力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算するステップは、算出した人の皮膚の力学的変化と主観映像の変化との関係に基づいて、主観映像が変化したときの人の皮膚の力学的変化から、当該力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算してもよい。
　なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を装置、方法、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
　本発明によれば、人の皮膚に刺激を与えることによって、人に自分が運動しているような感覚を発生させる力覚を提示することができる。
第１実施の形態に係る力覚提示装置の機能ブロック図である。 第２実施の形態に係る力覚提示装置の機能ブロック図である。 第４実施の形態に係る力覚提示装置の機能ブロック図である。 第５実施の形態に係る力覚提示装置の模式図である。 第７実施の形態に係る力覚提示装置の写真である。 刺激素子ユニットの写真である。 第１０実施の形態に係る力覚提示方法のフロー図である。 第１１実施の形態に係る力覚提示装置の機能ブロック図である。 第１２実施の形態に係る力覚提示装置の機能ブロック図である。 第１３実施の形態に係る力覚提示装置の機能ブロック図である。 第１４実施の形態に係る力覚提示装置の機能ブロック図である。 第１５実施の形態に係る力覚提示方法のフロー図である。 第１６実施の形態に係る力覚提示方法のフロー図である。
　以下、本発明を好適な実施の形態をもとに各図面を参照しながら説明する。実施の形態及び変形例では、同一又は同等の構成要素、ステップ、部材には同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示す。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要でない部材の一部は省略して表示する。また、第１、第２などの序数を含む用語が多様な構成要素を説明するために用いられるが、こうした用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられ、この用語によって構成要素が限定されるものではない。
　具体的な実施の形態を説明する前に、基礎となる知見を説明する。本発明者は、研究の結果、人の臀部の皮膚にせん断変形（皮膚の方向に沿った変形）を加えることにより、乗り物に乗ったときに誘発される加速感覚や、起伏を乗り越えた際の上下方向の運動感覚を再現できることを見出した。
　例えば自動車のシートに腰掛けた状態で、加速又は減速したりステアリングを切ったりすると、運転者の臀部の一部は、前後や左右の方向にせん断変形する。本発明者はこの現象に着目し、シートに前後及び左右に運動する接触子を設けて、被験者の臀部にせん断変形を与えるだけで、被験者の前後及び左右方向の加速感覚を誘発して再現できることを見出した。
　また、自動車に乗って段差や起伏を乗り越えると、身体が上下方向に運動して変位する。こうした上下運動の感覚も、皮膚のせん断変形により再現できることが分かった。例えば臀部がシートの座面から鉛直方向に運動すると、坐骨付近に分布していた圧力分布のピークは、尾てい骨の方向に変位する。本発明者はこの現象に着目し、圧力分布のピーク位置の変位を臀部の皮膚のせん断変形によって提示するだけで、座面からの突き上げに伴う感覚の誘発が可能となることを見出した。さらに本発明者は、起伏を乗り越えた際に生じる進行方向へのせん断力を臀部に提示するだけで、起伏を乗り越えたという感覚を誘発して再現できることをも見出した。
　このような感覚が誘発される理由を発明者は次のように考えている。先ず、こうしたせん断力が皮膚に与えられると、皮膚には、単位体積あたりの力学的量の分布、例えばひずみエネルギーの分布（以下、「ひずみエネルギー密度分布」という）が形成される。すなわち、人がシートなどに接触した状態で運動すると、皮膚の各箇所にひずみが発生する。このひずみのエネルギー密度の時間的及び空間的な分布は、当該運動の種類、大きさ、方向などの特性を反映したものであると考えられる。力覚を司っている皮膚内部の機械受容器は、このひずみエネルギー密度分布によってニューロン発火の頻度が決定される。従って、人の皮膚に刺激を与えることによって、様々な運動に対応するひずみエネルギー密度分布を皮膚に形成すれば、実際にその人を動かさなくても、その人に自分がそのような運動をしているという感覚を誘発できると考えられる。
　刺激を与える皮膚の部位は、臀部に限られず、背部、腹部、頭部、腕、手首あるいは足など、目的とする運動に対応するひずみエネルギー密度分布が形成されるための部位であれば、いずれであってもよい。また、目的とする運動に対応する力学的量の分布（以下、「力学的分布」と呼ぶ）は、ひずみエネルギー密度分布に限られず、ひずみ（例えば、主ひずみや相当ひずみなど）の分布、力（例えば、せん断力や垂直抗力など）の分布、応力（すなわち、単位面積あたりの力。例えば、圧力、主応力、ミーゼス応力など）の分布なども含む。
　以下本明細書では、人が、あたかも自分が運動している、あるいは自分が空間的に変位しているかのように感じる感覚を「自己運動感覚」と呼ぶ。この自己運動感覚は、例えば乗り物に乗っているときのような、実際に自分が運動しているときに感じる運動感覚に限られない。例えば皮膚に接触した物体が運動しているときは、自分がその物体に対して相対運動しているように感じる。このような感覚、すなわち実際には自分が運動していないときに感じる運動感覚も、自己運動感覚に含まれるものとする。
　本明細書において、「力覚を提示する」とは、人が感じる力の感覚について、当該力の大きさと方向を提示することをいう。
［第１実施の形態］
　図１に、第１実施の形態に係る力覚提示装置１の機能ブロックを示す。力覚提示装置１は、人の皮膚Ｓに力学的分布を形成することによって力覚を提示する。力覚提示装置１は、ｎ個の刺激素子１１、１２、…、１ｎと、制御部２０と、を備える（ｎは２以上の整数）。
　刺激素子１１、１２、…、１ｎの各々は、人の皮膚Ｓに刺激を与える。刺激素子１１、１２、…、１ｎが皮膚Ｓに刺激を与える方法は、回転運動、せん断方向への引っ張り、圧迫、吸引などの力学的方法であってよい。刺激素子１１、１２、…、１ｎは、各々が単体で力覚を提示できるものであってもよい。あるいは、複数の刺激が共同して所定の力学的分布を形成することによって初めて力覚を提示できるものであってもよい。
　制御部２０は、目的とする力覚を発生させる力学的分布を皮膚Ｓに形成するように刺激素子１１、１２、…、１ｎを制御する。制御部２０は、既知のコンピュータのハードウェア及びソフトウェアを用いて構成されてよい。制御部２０が刺激素子１１、１２、…、１ｎを制御する方法は、制御部２０の内部に記憶されたデータベース等に基づくものであってもよく、外部からの入力に基づくものであってもよく、あるいは機械学習などの学習に基づくものであってもよい。
　隣接する刺激素子間の間隔は、空間的に連続な力覚を提示可能な間隔である。刺激素子間の間隔が離れすぎていると、力覚が空間的に不連続となってしまう。この場合、目的とする力覚を発生させる力学的分布を皮膚に形成することができない。隣接する刺激素子間の間隔は、例えば、当該隣接する刺激素子によって提示される力覚の範囲が重なりを持つような間隔であってよい。あるいは、隣接する刺激素子間の間隔は、当該皮膚の領域における二点弁別閾の範囲内にある間隔であってもよい。
　力覚は、人の自己運動感覚を発生させる。すなわち、力覚提示装置１によって提示される力覚によって、人は、あたかも自分が運動している、あるいは自分が空間的に変位しているかのような感覚を覚える。前述のようにこの感覚は、実際に自分が運動しているときに感じる運動感覚であってもよいし、実際には自分が運動していないときに感じる運動感覚であってもよい。
　本実施の形態によれば、人の皮膚に刺激を与えることによって、人に自分が運動しているような感覚を発生させる力覚を提示する装置を実現することができる。
［第２実施の形態］
　図２に、第２実施の形態に係る力覚提示装置２の機能ブロックを示す。力覚提示装置２も、人の皮膚Ｓに力学的分布を形成することによって力覚を提示する。力覚提示装置２は、ｎ個の刺激素子１１、１２、…、１ｎと、制御部２０と、記憶部３０と、力覚指示部４０と、を備える（ｎは２以上の整数）。すなわち、力覚提示装置２は、図１の力覚提示装置１の構成に加えて、記憶部３０と、力覚指示部４０と、を備える。
　刺激素子１１、１２、…、１ｎの構成と動作は、力覚提示装置１のものと共通であるので、説明を省略する。記憶部３０は、目的とする力覚を発生させる力学的分布及び当該力学的分布を形成するための各刺激素子の制御方法を記憶する。例えば記憶部３０は、目的とする力覚を発生させるためには、どのような力学的量が、時間的及び空間的に皮膚Ｓにどのように分布していればよいかを、データベースとして記憶する。なお、例えばひずみエネルギー密度分布のような力学的分布の場合、これを直接測定する装置は知られていないが、以下のようにシミュレーションを用いて計算することができる。シミュレーションは、例えば人体の有限要素モデルに基づく有限要素解析が有効である。シミュレーションでは、提示したい力覚を引き起こす物理的状況を入力とする。例えば自動車を運転中の自己運動感覚を誘発したい場合は、当該自動車の加速度を入力とする。このとき、予め定められたパラメータとして、人の体重や皮膚の弾性を定義しておくことによって、自動車の加速度に応じた皮膚の変形を解くことができる。これにより、ひずみエネルギー密度分布を計算するためのモデルを得ることができる。得られたモデルの妥当性は、例えば以下のようにして検証することができる。すなわち、試験者が、例えば市販の加速度センサと面圧分布測定シートとを搭載した自動車を運転しながら、自らの臀部や背部の面圧を測定する。この測定結果を、モデルから計算された面圧と比較すれば、モデルがどの程度妥当であるかを検証できる。比較の結果、実測値とモデルからの計算値の差が大きかった場合は、改めてシミュレーションを行い、モデルを改良することもできる。
　力覚指示部４０は、目的とする力覚を発生させることを制御部２０に指示する。制御部２０は、力覚指示部４０から目的とする力覚が指示されたときに、記憶部３０に記憶された当該力覚を発生させる力学的分布を皮膚Ｓに形成するように刺激素子１１、１２、…、１ｎを制御する。
　本実施の形態によれば、目的とする力覚と当該力覚を発生させる力学的分布との関係を記憶部３０に記憶させておくことにより、所望のタイミングで所望の力覚を提示することができる。
［第３実施の形態］
　図１において、制御部２０は、目的とする力覚を発生させる力学的分布を計算して、当該力学的分布を形成する刺激を皮膚Ｓに与えるように刺激素子１１、１２、…、１ｎを制御してもよい。人の背中にローラーを転がした力覚を提示する場合のように、力学的分布を比較的単純なモデルによって計算できる場合には、わざわざ第２実施の形態のように、力学的分布を人体の有限要素モデルに基づく有限要素解析によって計算して記憶させておく必要はなくなり、ハードウェア資源の節約になる。
　本実施の形態によれば、目的とする力覚を発生させる力学的分布を計算することにより、所望の力覚を提示することができる。
［第４実施の形態］
　図３に第４実施の形態に係る力覚提示装置３の機能ブロックを示す。力覚提示装置３もまた、人の皮膚Ｓに力学的分布を形成することによって力覚を提示する。力覚提示装置３は、ｎ個の刺激素子１１、１２、…、１ｎと、制御部２０と、記憶部３０と、力覚指示部４０と、学習部５０と、を備える（ｎは２以上の整数）。すなわち、力覚提示装置２は、図２の力覚提示装置２の構成に加えて、学習部５０を備える。刺激素子１１、１２、…、１ｎ、制御部２０及び力覚指示部４０の構成と動作は、力覚提示装置２のものと共通であるので、説明を省略する。
　学習部５０は、人に提示された力覚と当該力覚を発生させた力学的分布との関係を学習する。提示された力覚とは人に与えられた力の大きさと方向のことであり、力学的分布は実施の形態２に記載したように有限要素解析などのシミュレーションで推定する。学習は、既知のＡＩにより行われてよい。ＡＩの具体的な手法は特に限定されないが、例えば畳み込みニューラルネットワーク（Ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ　Ｎｅｕｒａｌ　Ｎｅｔｗｏｒｋ：ＣＮＮ）、再帰形ニューラルネットワーク（Ｒｅｃｕｒｒｅｎｔ　Ｎｅｕｒａｌ　Ｎｅｔｗｏｒｋ：ＲＮＮ）、ＬＳＴＭネットワーク（Ｌｏｎｇ　Ｓｈｏｒｔ　Ｔｅｒｍ　Ｍｅｍｏｒｙ：ＬＳＴＭ）などのニューラルネットワークを用いてもよく、この場合入力層を共通にした上で計算モデルごとに異なるニューラルネットワークを混在させてもよい。本実施の形態では、提示された力覚と当該力覚を発生させる力学的分布との組を大量に用意し、これらを学習データとしてＡＩに学習させる。これによりＡＩは、所望の力覚を入力したときに、当該力覚を発生させる力学的分布を計算して出力することができる。
　記憶部３０は、学習部５０の学習結果を記憶する。制御部２０は、力覚指示部４０から目的とする力覚が指示されたときに、記憶部３０に記憶された学習結果に基づいて、当該力覚を発生させる力学的分布を皮膚Ｓに形成するように刺激素子１１、１２、…、１ｎを制御する。
［第５実施の形態］
　図４に、第５実施の形態に係る力覚提示装置４の模式図を示す。本実施の形態では、刺激素子１１、１２、…、１ｎは、背部又は臀部を含む身体部位に力覚を提示する。本発明者は、人の特に背部や臀部に力学的分布を形成することによって、より自由度の高い、解像度に優れた力覚を、身体の大面積で実現できることを見出した。従って、背部又は臀部を含む身体部位に力覚を提示すれば、より複雑な運動に対応した自己運動感覚を誘発できると考えられる。さらに本実施の形態は、刺激素子１１、１２、…、１ｎを既存の椅子などに取り付けることによって実現できる。これは、サイズやコストの面で大きなメリットとなる。
　本実施の形態によれば、複雑な運動に対応した自己運動感覚を低コストで提示することができる。
［第６実施の形態］
　力学的分布は、ひずみエネルギー密度分布であってよい。本発明者は、様々な力学的分布の中でも、特にひずみエネルギー密度分布を形成することにより、自己運動感覚を誘発できることを見出した。近年の研究によれば、人の皮膚内に存在する機械受容器のニューロン発火の頻度には、ひずみエネルギー密度に比例するものがあることが確認されている。例えば、人が「強い力を受けた」と感じるのは、機械受容器のニューロン発火が高い頻度で発生しているときに相当する。従って、感覚をコントロールするためには、ニューロン発火の頻度をコントロールすることが重要であると考えられる。このように考えると、自己運動感覚の誘発する場合も、ひずみエネルギー密度分布の形成が特に重要であることが分かる。
　さらに、制御部２０は、目的とする力覚が大きければ大きいほど、ひずみエネルギー密度が大きくなるように刺激素子１１、１２、…、１ｎを制御してもよい。本発明者は、目的とする力覚の大きさと、ひずみエネルギー密度とは正の相関を持つことが多いことを見出した。従って、目的とする力覚が大きければ大きいほど、ひずみエネルギー密度が大きくなるように刺激素子１１、１２、…、１ｎを制御することにより、自己運動感覚を誘発できると考えられる。
［第７実施の形態］
　刺激素子１１、１２、…、１ｎは、回転運動によって皮膚に刺激を与えてよい。このとき制御部２０は、刺激素子１１、１２、…、１ｎの回転角度及び回転方向を制御してもよい。
　特に図４のように背部や臀部の広い範囲にわたって力覚を提示する装置の場合、皮膚に与える刺激は、吸引、電気刺激、温度刺激、圧迫、又は皮膚のせん断方向に沿った並進運動などによるものではなく、回転運動によるものであることが望ましい。その理由は以下の通りである。１つには、図４のような形態では、刺激は衣服を介して皮膚に与えられることが前提となる。この場合、例えば吸引、電気刺激又は温度刺激などによる刺激は直接適用することができない。２つには、圧迫による刺激は、椅子にかけた使用者の姿勢をずらす原因となるので、適切な力学的分布を皮膚に形成することの妨げとなる。さらに３つには、皮膚のせん断方向に沿った並進運動による刺激を与えようとした場合、動力源となるモータの回転運動を並進運動に変換する必要がある。このため機構が複雑となり、図４のような刺激素子を密に並べた形態には適用が難しいという問題が発生する。この点、回転運動による刺激付与は、上記のような問題を伴うことなく、実施の形態に適用することができる。
　本発明者は、刺激素子１１、１２、…、１ｎの回転角度及び回転方向を適切に制御することにより、自己運動感覚を発生させる力学的分布を皮膚に形成できることを実験的に確かめた。この場合、回転角度だけでなく、当該回転角度に到達するまでの時間を制御のパラメータに含めてもよい。
　なお本実施の形態では、回転運動による刺激は、捻りそのものの方向を力覚として提示することが目的ではなく、刺激点付近のひずみエネルギー密度を励起させることが目的である点に注意する。実際に実験を行うと、刺激素子単体の回転方向が知覚されることはなく、複数の刺激素子が共同して所定のひずみエネルギー密度分布を形成することによって初めて力覚を提示することができる。
　本実施の形態によれば、例えば乗り物に乗っているときのような、実際に自分が運動しているときに感じる運動感覚を発生させることもできる一方、例えば背中に密着した物体に対して自分が相対運動しているように感じる感覚、すなわち実際には自分が運動していないときに感じる運動感覚を発生させることもできる。
　制御部２０は、目的とする力覚が大きければ大きいほど、刺激素子１１、１２、…、１ｎの回転角度が大きくなるように刺激素子１１、１２、…、１ｎを制御してもよい。本発明者は、目的とする力覚の大きさと、ひずみエネルギー密度とは正の相関を持つことが多いことを見出した。さらにひずみエネルギー密度と、刺激素子１１、１２、…、１ｎの回転角度ともまた正の相関を持つことも分かる。従って、目的とする力覚が大きければ大きいほど、刺激素子１１、１２、…、１ｎの回転角度が大きくなるように刺激素子１１、１２、…、１ｎを制御することにより、自己運動感覚を誘発することができる。
　図５に、第７実施の形態に係る力覚提示装置５を写真で示す。刺激素子１１、１２、…、１ｎは、計２４個の刺激素子から構成される。すなわちｎ＝２４である。これらの刺激素子うち４つの刺激素子からなる組が、１つの刺激素子ユニットにまとめられる。刺激素子ユニットは正方形であり、刺激素子ユニットの四隅に、それぞれ刺激素子が配置される。図５には、刺激素子１１、１２、１３及び１４が刺激素子ユニット６０にまとめられた状態が示されている。６個の刺激素子ユニットが、椅子７０の背もたれ８０に、横２個、縦３個でアレイ状に配置される。すなわち刺激素子１１、１２、…、１２４は、椅子７０の背もたれ８０に、横４個、縦６個でアレイ状に配置される。隣接する刺激素子間の間隔は、５５ｍｍである。これは、人の背部における２点弁別閾が約４０ｍｍであるのに対し、空間的に連続な力覚を生成可能な間隔が約５５ｍｍであることが実験的に検証されたことによる。椅子７０の背もたれ８０は平面ではなく、緩やかな曲面を描くため、背もたれ８０の左右の刺激素子が中央に向かって傾斜するようマウントが調整されている。
　刺激素子１１、１２、…、１２４の各々は、直径２０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円盤状である。刺激素子１１、１２、…、１２４は、硬すぎると体に馴染まず、刺激素子１１、１２、…、１２４のエッジが接触することによる痛みや、刺激素子１１、１２、…、１２４と衣服との間の滑りが生じやすくなる。逆に刺激素子１１、１２、…、１２４が柔らかすぎると、回転力を伝えにくくなる。これらの特徴を考慮し、刺激素子１１、１２、…、１２４の素材として、適切なクロロプレンゴムスポンジが使用されている。
　刺激素子１１、１２、…、１２４を回転させるためのアクチュエータには、小型のサーボモーターが使用される。このサーボモーターの出力可能な最大のトルクは０．２Ｎ・ｍであるが、これは背部の皮膚を変形させるのに十分である。刺激素子１１、１２、…、１２４は、回転角度３０度、回転速度６０度／秒で回転するように制御される。
　ある実施の形態では、前述の刺激素子ユニットは２軸のジンバルを備えてよい。図６に、互いに直行するｘ軸およびｙ軸の２軸のジンバルを備える刺激素子ユニット６１を写真で示す。図示されるように、刺激素子ユニット６１は、ｘ軸およびｙ軸の周りに独立して自由に回転することができる。
　本実施の形態によれば、刺激素子ユニット６１が身体の凹凸に沿って回転することができるので、身体表面へのフィットが改善され、回転刺激の伝達効率を向上することができる。
［第８実施の形態］
　力学的分布は、ひずみエネルギー密度分布の他、以下のようなものであってもよい。例えば、力学的分布はひずみの分布であり、このひずみは主ひずみ又は相当ひずみであってもよい。あるいは、力学的分布は力の分布であり、この力はせん断力又は垂直抗力であってもよい。さらに、力学的分布は応力の分布であり、この応力は、圧力、主応力又はミーゼス応力のいずれかであってもよい。
［第９実施の形態］
　図１～３において、隣接する刺激素子間の間隔は、当該隣接する刺激素子によって提示される力覚の範囲が重なりを持つような間隔であってよい。本発明者は、隣接する刺激素子間の間隔をこのように設けることによって、空間的に連続な力覚をより確実に提示できることを見出した。
［第１０実施の形態］
　図７に第１０実施の形態に係る力覚提示方法のフローを示す。この力覚提示方法は、提示する力覚と力学的分布との関係を決定するステップＳ１と、皮膚の複数の箇所に刺激を与えるステップとＳ２と、を備える。刺激を与えられる皮膚の隣接する箇所間の間隔は、空間的に連続な力覚を生成可能な間隔である。力覚は、人の自己運動感覚を発生させる。
　ステップＳ１で、本力覚提示方法は、提示する力覚と当該力覚を発生させる力学的分布との関係を決定する。提示する力覚と当該力覚を発生させる力学的分布との関係の決定は、記憶手段等に記憶されたデータベース等に基づくものであってもよく、外部からの入力に基づくものであってもよく、あるいは機械学習などの学習に基づくものであってもよい。
　ステップＳ２で、本力覚提示方法は、当該力覚を発生させる力学的分布を皮膚に形成するように皮膚の複数の箇所に刺激を与える。刺激を与える方法は、回転運動、せん断方向への引っ張り、圧迫、吸引などの運動学的方法であってよい。刺激は、各々が単体で力覚を提示することができるものによって与えられてもよい。あるいは、複数が共同して所定の力学的分布を形成することによって初めて力覚を提示することができるものによって与えられてもよい。
　刺激を与えられる皮膚の隣接する箇所間の間隔は、例えば、当該隣接する箇所に提示される力覚の範囲が重なりを持つような間隔であってよい。あるいは、刺激を与えられる皮膚の隣接する箇所間の間隔は、当該皮膚の領域における二点弁別閾の範囲内にある間隔であってもよい。
　力覚が発生させる自己運動感覚は、実際に自分が運動しているときに感じる運動感覚であってもよいし、実際には自分が運動していないときに感じる運動感覚であってもよい。
　力学的分布は、ひずみエネルギー密度分布であってもよい。
　本実施の形態によれば、人の皮膚に刺激を与えることによって、人に自分が運動しているような感覚を発生させる力覚を提示することができる。
［第１１実施の形態］
　図８に第１１実施の形態に係る力覚提示装置６の機能ブロックを示す。力覚提示装置６は、人の運動による皮膚Ｓの力学的分布を計測するとともに、人の皮膚Ｓに力学的分布を形成することによって力覚を提示する。力覚提示装置６は、ｎ個の刺激素子１１、１２、…、１ｎと、ｎ個の力学的変化検知部１１ｓ、１２ｓ、…、１ｎｓと、制御部２０と、力学的分布計算部９０と、を備える（ｎは２以上の整数）。すなわち力覚提示装置６は、図１の力覚提示装置１の構成に追加して、ｎ個の力学的変化検知部１１ｓ、１２ｓ、…、１ｎｓを備える。力学的変化検知部１１ｓ、１２ｓ、…、１ｎｓ以外の構成で、力覚提示装置１と共通するものについては、詳しい説明を省略する。
　力学的変化検知部１１ｓ、１２ｓ、…、１ｎｓの各々は、人の運動による当該人の皮膚Ｓの力学的変化を検知し、検知結果を力学的分布計算部９０に送信する。
　力学的分布計算部９０は、力学的変化検知部１１ｓ、１２ｓ、…、１ｎｓが検知した前記人の皮膚の力学的変化から、当該力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算し、計算結果を制御部に送信する。この力学的分布は、ひずみエネルギー密度分布、ひずみの分布、力の分布または応力の分布などであってよい。
　制御部２０は、力学的分布計算部９０から受信した皮膚の力学的分布を刺激素子毎に再現する。あるいは制御部２０は、力学的分布計算部９０が計算した力学的分布を皮膚に形成するように刺激素子１１、１２、…、１ｎを制御する。隣接する刺激素子間の間隔は、空間的に連続な力覚を提示可能な間隔である。力覚は、人の自己運動感覚を発生させるものである。
　力覚提示装置６の具体的な使用例は、例えば以下の通りである。力覚提示装置６は、刺激素子を背もたれや座布団に備えた形態で構成する。使用者は、力覚提示装置６をドライブや遊園地などに持参する。使用者は、力覚提示装置６を自動車や遊具の座席にセットし、映像を撮影しながら自らの背中や臀部の力学的分布を計算する。使用者は帰宅後に、映像とともに力覚提示装置６から力覚を提示されることにより、高い臨場感で体験を追想することができる。
　刺激素子が回転運動によって皮膚に刺激を与える場合、回転させたときの回転角と、そのときの電流値を計測することで、皮膚の力学的変化と力との関係が得られるので、例えば皮膚の硬さなども計測できる。さらにこれらの刺激素子を並べることにより、例えば皮膚の弾性の分布を計測することもできる。あるいは、刺激素子接触子が皮膚の面に対して垂直に圧力及ぼすものであれば、そのときの電流値を計測することで、圧力や皮膚の弾性の分布を得ることができる。
　本実施の形態によれば、力学的変化検知部により実際の人の運動による皮膚の力学的変化を検知した後、この力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算する。これにより、当該実際の運動の感覚を再現する力覚を与えることができる。
［第１２実施の形態］
　図９に第１２実施の形態に係る力覚提示装置６の機能ブロックを示す。力覚提示装置７は、人の運動による皮膚Ｓの力学的分布を計測するとともに、人の皮膚Ｓに力学的分布を形成することによって力覚を提示する。力覚提示装置７は、ｎ個の刺激素子１１、１２、…、１ｎと、制御部２０と、力学的分布計算部９０と、を備える（ｎは２以上の整数）。力覚提示装置７の刺激素子１１、１２、…、１ｎは、前述の力学的変化検知部を備える。以下に示す通り、本実施の形態の刺激素子は、皮膚Ｓに対する刺激付与手段として機能するとともに、人の実際の運動に伴う皮膚Ｓの力学的変化を検知する検知手段（センサ）としても機能する。
　この実施の形態では、刺激素子１１、１２、…、１ｎの各々は、力学的変化検知部を備えている。すなわち刺激素子１１、１２、…、１ｎは、人の運動による当該人の皮膚Ｓの力学的変化を検知するとともに、当該人の皮膚に刺激を与える。換言すれば、刺激素子は力学的変化検知部を兼ねている。従って刺激素子１１、１２、…、１ｎは、前述の実施の形態のように皮膚Ｓに対する刺激付与手段として機能するとともに、人の実際の運動に伴う皮膚Ｓの力学的変化を検知する検知手段（センサ）としても機能する。刺激素子１１、１２、…、１ｎが検知する皮膚Ｓの力学的変化は、刺激素子１１、１２、…、１ｎが皮膚Ｓに刺激を与える方法に依存する。例えば、刺激素子１１、１２、…、１ｎが回転運動によって皮膚Ｓに刺激を与える場合は、刺激素子１１、１２、…、１ｎは、人の運動に伴う皮膚Ｓの力学的変化として、皮膚Ｓの回転を検知する。あるいは、刺激素子１１、１２、…、１ｎがせん断方向への引っ張りによって皮膚Ｓに刺激を与える場合は、刺激素子１１、１２、…、１ｎは、人の運動に伴う皮膚Ｓの力学的変化として、皮膚Ｓのせん断方向への伸び又は縮みを検知する。あるいは、刺激素子１１、１２、…、１ｎが圧迫又は吸引によって皮膚Ｓに刺激を与える場合は、刺激素子１１、１２、…、１ｎは、人の運動に伴う皮膚Ｓの力学的変化として、皮膚Ｓが圧迫又は吸引されることに起因する皮膚Ｓのゆがみを検知し、制御部２０はこれを記憶する。
　刺激素子１１、１２、…、１ｎが、人の運動による皮膚Ｓの力学的変化を検知する原理は以下の通りである。前述の実施の形態に係る力覚提示装置の刺激素子１１、１２、…、１ｎが、ある自己運動感覚を誘発する力学的分布を形成する刺激を、皮膚Ｓに与えたとする。このとき、この力覚提示装置を身に着けた使用者が実際にその運動を行った場合、刺激素子１１、１２、…、１ｎの各々は、皮膚Ｓに与えるべき刺激と逆向きの作用を受ける、あるいは当該逆向きの作用に起因する逆起電力を発生すると考えられる。こうした逆向きの作用や逆起電力を測定することにより、刺激素子１１、１２、…、１ｎは、人の実際の運動による皮膚Ｓの力学的変化をすることができる。
　本実施の形態によれば、刺激素子が力学的変化検知部を兼ねているので、少ない部品数で、コンパクトかつ安価に力覚提示装置を実現することができる。
［第１３実施の形態］
　図１０に第１３実施の形態に係る力覚提示装置８の機能ブロックを示す。力覚提示装置８もまた、人の運動による皮膚Ｓの力学的分布を計測するとともに、人の皮膚Ｓに力学的分布を形成することによって力覚を提示する。力覚提示装置７は、ｎ個の刺激素子１１、１２、…、１ｎと、ｎ個のセンサ１１ｓｓ、１２ｓｓ、…、１ｎｓｓと、制御部２０と、力学的分布計算部９０と、を備える（ｎは２以上の整数）。
　センサ１１ｓｓ、１２ｓｓ、…、１ｎｓｓの各々は、人の運動による当該人の皮膚Ｓの力学的変化を検知し、検知結果を力学的分布計算部９０に送信する。
　センサ１１ｓｓ、１２ｓｓ、…、１ｎｓｓは、例えば速度センサ、加速度センサまたは圧力センサなど、人の運動による皮膚の力学的変化を検知できる任意の好適なセンサであってよい。図９の力覚提示装置７では、刺激素子が力学的変化検知部を兼ねていた。これに対し力覚提示装置８の力学的変化検知部は、刺激素子ユニットと独立に設けられたセンサによって実現される。
　本実施の形態によれば、任意の好適なセンサを用いて皮膚の力学的変化を検知できるので、より精度の高い高性能の力覚提示装置を実現することができる。
［第１４実施の形態］
　図１１に第１４実施の形態に係る力覚提示装置９の機能ブロックを示す。力覚提示装置９もまた、人の運動による皮膚Ｓの力学的分布を計測するとともに、人の皮膚Ｓに力学的分布を形成することによって力覚を提示する。力覚提示装置８は、ｎ個の刺激素子１１、１２、…、１ｎと、ｎ個の力学的変化検知部１１ｓ、１２ｓ、…、１ｎｓと、制御部２０と、力学的分布計算部９０と、カメラ１００と、映像同期部１１０と、を備える（ｎは２以上の整数）。すなわち力覚提示装置９は、図８の力覚提示装置６の構成に追加して、カメラ１００と、映像同期部１１０と、を備える。カメラ１００および映像同期部１１０以外の構成で、力覚提示装置６と共通するものについては、詳しい説明を省略する。
　力学的変化検知部１１ｓ、１２ｓ、…、１ｎｓは、人の運動に伴う皮膚Ｓの力学的変化を検知し、検知結果を映像同期部１１０に送信する。カメラ１００は、カメラを操作する人から見た主観映像、すなわち当該人の視点で撮影された映像を撮影し、その映像を映像同期部１１０に送信する。映像同期部１１０は、人の皮膚の力学的変化と主観映像の変化との関係を算出する。すなわち映像同期部１１０によって、主観映像がある変化をしたとき、それに伴って人の皮膚がどのような力学的変化をするのかが算出される。例えば、主観映像内の周りの景色に対して自分が加速度運動したとき皮膚がどのような力学的変化をするか、主観映像内の周りの景色に対して自分が傾いたとき皮膚がどのような力学的変化をするか、といった具合である。映像同期部１１０は、算出した人の皮膚の力学的変化と主観映像の変化との関係を力学的分布計算部９０に送信する。
　力学的分布計算部９０は、映像同期部１１０が算出した人の皮膚の力学的変化と主観映像の変化との関係に基づいて、主観映像が変化したときの人の皮膚の力学的変化から、当該力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算する。これにより力覚提示装置７は、カメラを操作する人の視点から見た映像が変化したときに当該人が感じる自己運動感覚を発生させる力覚を提示する。
　本実施の形態によれば、映像と同期したよりリアルな自己運動感覚を提示することができる。
［第１５実施の形態］
　図１２に第１５実施の形態に係る力覚提示方法のフローを示す。この力覚提示方法は、人の運動による皮膚の力学的変化を検知するステップＳ３と、当該力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算ステップとＳ４と、皮膚の複数の箇所に刺激を与えるステップＳ５と、を備える。刺激を与えられる皮膚の隣接する箇所間の間隔は、空間的に連続な力覚を生成可能な間隔である。力覚は、人の自己運動感覚を発生させる。
　ステップＳ３で本力覚提示方法は、センサ等を用いて、人の運動による前記人の皮膚の力学的変化を検知する。運動による皮膚の力学的変化は、皮膚の回転、皮膚のせん断方向への伸び又は縮み、圧迫又は吸引されることによる皮膚のゆがみなどであってよい。
　ステップＳ４で本力覚提示方法は、ステップＳ３で検知した人の皮膚の力学的変化から、当該力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算する。
　ステップＳ５で本力覚提示方法は、ステップ３で検知した力学的変化を再現する。あるいはステップＳ５で本力覚提示方法は、ステップＳ４で計算した力学的分布を皮膚に形成するように皮膚の複数の箇所に刺激を与える。
　本実施の形態によれば、実際の人の運動による皮膚の力学的変化を検知し、この力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算することができる。これにより、当該実際の運動の感覚を再現する力覚を与えることができる。
［第１６実施の形態］
　図１３に第１６実施の形態に係る力覚提示方法のフローを示す。この力覚提示方法は、人の運動による皮膚の力学的変化を検知するステップＳ３と、主観映像を撮影するステップＳ６と、皮膚の力学的変化と主観映像の変化との関係を算出するステップＳ７と、力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算ステップとＳ４と、皮膚の複数の箇所に刺激を与えるステップＳ５と、を備える。すなわちこの方法は、図１２の方法に追加して、ステップＳ６と、ステップＳ７と、を備える。ステップＳ６およびステップＳ７以外の処理で、図１２の方法と共通するものについては、詳しい説明を省略する。
　ステップＳ３で本力覚提示方法は、センサ等を用いて、人の運動による前記人の皮膚の力学的変化を検知する。
　ステップＳ６で本力覚提示方法は、カメラ等を用いて、当該カメラを操作する人から見た主観映像、すなわち当該人の視点で撮影された映像を撮影する。
　ステップＳ７で本力覚提示方法は、当該カメラを撮影した人の皮膚の力学的変化と主観映像の変化との関係を算出する。すなわちステップＳ７の処理によって、主観映像がある変化をしたとき、それに伴って人の皮膚がどのような力学的変化をするのかが算出される。例えば、主観映像内の周りの景色に対して自分が加速度運動したとき皮膚がどのような力学的変化をするか、主観映像内の周りの景色に対して自分が傾いたとき皮膚がどのような力学的変化をするか、といった具合である。
　ステップＳ４で本力覚提示方法は、算出した前記人の皮膚の力学的変化と前記主観映像の変化との関係に基づいて、前記主観映像が変化したときの前記人の皮膚の力学的変化から、当該力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算する。
　ステップＳ５で本力覚提示方法は、ステップＳ４で計算した力学的分布を前記人の皮膚に形成するように皮膚の複数の箇所に刺激を与える。
　本実施の形態によれば、映像と同期したよりリアルな自己運動感覚を提示することができる。
［第１７実施の形態］
　前述の実施の形態では、刺激素子は、背中や臀部など比較的動きの少ない身体部位に刺激を与えるものの例を示した。しかしこれに限られず、刺激素子は、手や足など動きの大きい身体部位に刺激を与えてもよい。このとき制御部は、当該身体部位を動かした際に生じる皮膚の伸びに応じた力学的分布を皮膚に形成するように刺激素子を制御してもよい。
　本実施の形態によれば、例えば椅子に着座して静止しているユーザに対し、あたかも自分の手足を動かしているかのような自己運動感覚を与えることができる。
［第１８実施の形態］
　刺激素子は、当該刺激素子を装着した人に対して、例えば触れられる、なぞられる、掴まれる、小動物が身体上を駆け回るといった動きを伴う、あるいは空間的な流れを伴う感覚を与えてもよい。このとき刺激素子ユニット内の回転刺激素子は、以下のように制御される。すなわち、先ず刺激素子を装着した人に刺激を付与するための刺激付与点が与えられ、この刺激付与点が当該人の皮膚上で移動させられる。そして各刺激素子は、刺激付与点に近いものほど回転角度が大きくなるように、刺激付与点から遠いものほど回転角度が小さくなるように制御される。具体的には制御部は、刺激を付与するための刺激付与点を人の皮膚上で移動し、当該刺激付与点からの距離が小さければ小さいほど、刺激素子の回転角度が大きくなるように刺激素子を制御する。このような制御を行うことにより、あたかも刺激付与点が滑らかに動いた、あるいは流れたかのような運動感覚をユーザに与えることができる。刺激付与点と刺激素子との距離と、当該刺激素子の回転角度との関係を適切に定義することにより、触れられる、なぞられる、掴まれる、小動物が身体上を駆け回るといった所望の空間的な流れを伴う感覚を人に与えることができる。
　以上、本発明の実施の形態について詳細に説明した。これらの実施の形態は例示であり、いろいろな変形及び変更が本発明の特許請求の範囲内で可能なこと、またそうした変形例及び変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述及び図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。
［変形例］
　以下、変形例について説明する。変形例の図面及び説明では、実施の形態と同一又は同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。実施の形態と重複する説明を適宜省略し、第１実施の形態と相違する構成について重点的に説明する。
　実施の形態では、刺激素子ユニットは、横方向に２個、縦方向に２個の刺激素子を備えた正方形状のものを例示した。しかしこれに限られず、例えば、刺激素子ユニットは、横方向に３個、縦方向に３個の刺激素子を備えるものや、横方向に４個、縦方向に４個の刺激素子を備えるものであってもよい。あるいは刺激素子ユニットは、横方向に２個、縦方向に３個の刺激素子を備える長方形状のものであってもよい。本変形によれば、構成の自由度を高めることができる。
　実施の形態では、力覚提示装置を単体で使用する例を示した。しかしこれに限られず、複数の力覚提示装置を、身体の異なる箇所に組み合わせて使用してもよい。また、画像が表示されるＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等を、力覚提示装置と組み合わせて使用してもよい。これにより、より臨場感の高い自己運動感覚を与えることができる。
　これらの各変形例は実施の形態と同様の作用、効果を奏する。
　上述した各実施の形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる各実施の形態及び変形例それぞれの効果をあわせもつ。
　本発明は、人の皮膚に刺激を与えることによって力覚を提示する力覚提示装置及び力覚提示方法に利用可能である。
　１・・力覚提示装置
　２・・力覚提示装置
　３・・力覚提示装置
　４・・力覚提示装置
　５・・力覚提示装置
　６・・力覚提示装置
　７・・力覚提示装置
　８・・力覚提示装置
　９・・力覚提示装置
　１１・・刺激素子
　１２・・刺激素子
　１３・・刺激素子
　１４・・刺激素子
　１ｎ・・刺激素子
　２０・・制御部
　３０・・記憶部
　４０・・力覚指示部
　５０・・学習部
　６０・・刺激素子ユニット
　６１・・刺激素子ユニット
　７０・・椅子
　８０・・背もたれ
　９０・・力学的分布計算部
　１００・・カメラ
　１１０・・映像同期部
　Ｓ・・皮膚
　Ｓ１・・力覚と力学的分布との関係を決定するステップ
　Ｓ２・・皮膚の複数の箇所に刺激を与えるステップ
　Ｓ３・・人の運動による皮膚の力学的変化を検知するステップ
　Ｓ４・・当該力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算するステップ
　Ｓ５・・皮膚の複数の箇所に刺激を与えるステップ
　Ｓ６・・主観映像を撮影するステップ
　Ｓ７・・皮膚の力学的変化と主観映像の変化との関係を算出するステップ

Claims (25)

  1. 　人の皮膚に力学的分布を形成することによって力覚を提示する力覚提示装置であって、
    　複数の刺激素子と、制御部とを備え、
    　前記複数の刺激素子の各々は、前記人の皮膚に刺激を与え、
    　前記制御部は、目的とする力覚を発生させる力学的分布を皮膚に形成するように前記複数の刺激素子を制御し、
    　隣接する前記刺激素子間の間隔は、空間的に連続な力覚を提示可能な間隔であり、
    　前記力覚は、前記人の自己運動感覚を発生させることを特徴とする力覚提示装置。
  2. 　目的とする力覚と当該力覚を発生させる力学的分布との関係を記憶する記憶部と、力覚指示部と、をさらに備え、
    　前記制御部は、前記力覚指示部から目的とする力覚が指示されたときに、前記記憶部に記憶された当該力覚を発生させる力学的分布を皮膚に形成するように前記刺激素子を制御することを特徴とする請求項１に記載の力覚提示装置。
  3. 　前記制御部は、目的とする力覚を発生させる力学的分布を計算して、当該力学的分布を形成する刺激を皮膚に与えるように前記複数の刺激素子を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の力覚提示装置。
  4. 　提示された力覚と当該力覚を発生させる力学的分布との関係を学習する学習部をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の力覚提示装置。
  5. 　前記刺激素子は、背部又は臀部を含む身体部位に力覚を提示することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の力覚提示装置。
  6. 　前記刺激素子は、手又は足を含む身体部位に力覚を提示し、
    　前記制御部は、前記身体部位を動かした際に生じる皮膚の伸びに応じた力学的分布を皮膚に形成するように刺激素子を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の力覚提示装置。
  7. 　前記力学的分布は、ひずみエネルギー密度分布であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の力覚提示装置。
  8. 　前記制御部は、目的とする力覚が大きければ大きいほど、ひずみエネルギー密度が大きくなるように前記刺激素子を制御することを特徴とする請求項７に記載の力覚提示装置。
  9. 　前記刺激素子は、回転運動によって皮膚に刺激を与え、
    　前記制御部は、前記刺激素子の回転角度及び回転方向を制御することを特徴とする請求項７又は８のいずれかに記載の力覚提示装置。
  10. 　前記制御部は、目的とする力覚が大きければ大きいほど、前記刺激素子の回転角度が大きくなるように前記刺激素子を制御することを特徴とする請求項９に記載の力覚提示装置。
  11. 　前記刺激素子のうち複数の刺激素子からなる組が刺激素子ユニットにまとめられることを特徴とする請求項９に記載の力覚提示装置。
  12. 　前記刺激素子ユニットは２軸のジンバルを備えることを特徴とする請求項１１に記載の力覚提示装置。
  13. 　前記制御部は、刺激を付与するための刺激付与点を前記人の皮膚上で移動し、当該刺激付与点からの距離が小さければ小さいほど、前記刺激素子の回転角度が大きくなるように前記刺激素子を制御することを特徴とする請求項１１または１２に記載の力覚提示装置。
  14. 　前記力学的分布は、ひずみの分布であり、
    　前記ひずみは、主ひずみ又は相当ひずみであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の力覚提示装置。
  15. 　前記力学的分布は、力の分布であり、
    　前記力は、せん断力又は垂直抗力であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の力覚提示装置。
  16. 　前記力学的分布は、応力の分布であり、
    　前記応力は、圧力、主応力又はミーゼス応力のいずれかであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の力覚提示装置。
  17. 　隣接する前記刺激素子間の間隔は、当該隣接する刺激素子によって提示される力覚の範囲が重なりを持つような間隔であることを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の力覚提示装置。
  18. 　力学的変化検知部と、力学的分布計算部と、を備え、
    　前記力学的変化検知部は、前記人の運動による前記人の皮膚の力学的変化を検知し、
    　前記力学的分布計算部は、前記力学的変化検知部が検知した前記人の皮膚の力学的分布の変化から、当該力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算し、
    　前記制御部は、前記力学的分布計算部が計算した力学的分布を皮膚に形成するように前記複数の刺激素子を制御することを特徴とする請求項１に記載の力覚提示装置。
  19. 　前記複数の刺激素子の各々は、前記力学的変化検知部を備えることを特徴とする請求項１８に記載の力覚提示装置。
  20. 　前記力学的変化検知部は、前記刺激素子と独立に備えられたセンサであることを特徴とする請求項１８に記載の力覚提示装置。
  21. 　前記人から見た主観映像を撮影するカメラと、前記人の皮膚の力学的変化と前記主観映像の変化との関係を算出する映像同期部と、を備え、
    　前記力学的分布計算部は、前記映像同期部が算出した前記人の皮膚の力学的変化と前記主観映像の変化との関係に基づいて、前記主観映像が変化したときの前記人の皮膚の力学的変化から、当該力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算することを特徴とする請求項１８に記載の力覚提示装置。
  22. 　人の皮膚に力学的分布を形成することによって力覚を提示する力覚提示方法であって、
    　前記力覚と当該力覚を発生させる力学的分布との関係を決定するステップと、
    　当該力覚を発生させる力学的分布を皮膚に形成するように皮膚の複数の箇所に刺激を与えるステップと、を備え、
    　刺激を与えられる皮膚の隣接する箇所間の間隔は、空間的に連続な力覚を生成可能な間隔であり、
    　前記力覚は、前記人の自己運動感覚を発生させることを特徴とする力覚提示方法。
  23. 　前記力学的分布は、ひずみエネルギー密度分布であることを特徴とする請求項２２に記載の力覚提示方法。
  24. 　前記人の運動による前記人の皮膚の力学的変化を検知するステップと、
    　検知した前記人の皮膚の力学的変化から、当該力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算するステップと、
    　計算した力学的分布を前記人の皮膚に形成するように皮膚の複数の箇所に刺激を与えるステップと、を備える請求項２２に記載の力覚提示方法。
  25. 　前記人から見た主観映像を撮影するステップと、前記人の皮膚の力学的変化と前記主観映像の変化との関係を算出するステップと、を備え、
    　前記力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算するステップは、前記算出した前記人の皮膚の力学的変化と前記主観映像の変化との関係に基づいて、前記主観映像が変化したときの前記人の皮膚の力学的変化から、当該力学的変化を発生させる皮膚の力学的分布を計算することを特徴とする請求項２４に記載の力覚提示方法。
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