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技術 触覚再現装置

出願人 アルプスアルパイン株式会社
発明者 川名譲高井大輔佐藤邦生佐藤渉佐々木尚萩原康嗣
出願日 2016年1月7日 (5年5ヶ月経過) 出願番号 2016-001556
公開日 2017年7月13日 (3年11ヶ月経過) 公開番号 2017-123039
状態 特許登録済
技術分野 デジタル計算機のユーザインターフェイス
主要キーワード 最大後退位置 突出ノズル 各操作体 区分板 移動姿勢 各移動部材 減速出力軸 ストック商品
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年7月13日)のものです。
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図面 (12)

課題

仮想被保持物体を指で掴んで操作するのを模した反力感触を指に与えることができる触覚再現装置を提供する。

解決手段

入力装置20はケース21から第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bおよび親指操作体43が突出している。親指で親指操作体43を保持し、人差し指中指でそれぞれ対向操作体33A,33Bを保持することで、被保持物体を掴んだのと同じ動作が行われる。制御部からケース21の内部のモータ制御信号が与えられ、対向操作体33A,33Bと親指操作体43から指に反力が与えられる。また、被保持物体の状態の変化に対応した音が発せられる。また、各操作体33A,33B,43には、感触発生部55,56A,56Bが設けられている。

概要

背景

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

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

概要

仮想被保持物体を指で掴んで操作するのを模した反力感触を指に与えることができる触覚再現装置を提供する。入力装置20はケース21から第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bおよび親指操作体43が突出している。親指で親指操作体43を保持し、人差し指中指でそれぞれ対向操作体33A,33Bを保持することで、被保持物体を掴んだのと同じ動作が行われる。制御部からケース21の内部のモータ制御信号が与えられ、対向操作体33A,33Bと親指操作体43から指に反力が与えられる。また、被保持物体の状態の変化に対応した音が発せられる。また、各操作体33A,33B,43には、感触発生部55,56A,56Bが設けられている。

目的

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、所定の被保持物体を手で操作したときの軟質感や硬質感などを模した反力を機械的に生成することができ、さらに被保持物体の動きや温度などの感触も得ることができる触覚再現装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

この技術が所属する分野

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請求項1

入力装置と制御部とを有し、前記入力装置には、進退移動し指で押圧可能な操作体と、前記操作体の移動位置を検知する位置検知部と、前記操作体に進退方向の力を与える進退駆動部と、前記操作体に設けられて前記操作体に触れた指に感触を与える感触発生部とが設けられ、前記制御部では、前記位置検知部からの検知情報に基づいて前記進退駆動部を駆動し前記操作体から指に力を与える反力付与制御と、前記感触発生部を動作させて指に感触を与える感触付与制御とが行われることを特徴とする触覚再現装置

請求項2

前記感触発生部は振動発生部である請求項1記載の触覚再現装置。

請求項3

前記感触発生部は熱可変素子である請求項1記載の触覚再現装置。

請求項4

前記感触発生部は振動発生部と熱可変素子を有する請求項1記載の触覚再現装置。

請求項5

前記振動発生部で発生する振動周波数が、前記進退駆動部で操作体に与えることができる往復運動の周波数よりも高い請求項2または4記載の触覚再現装置。

請求項6

前記入力装置の姿勢を検知する姿勢検知部が設けられ、前記姿勢検知部で検知された前記入力装置の姿勢に応じて、前記感触付与制御が行われる請求項1ないし5のいずれかに記載の触覚再現装置。

請求項7

前記操作体は複数設けられている請求項1ないし6のいずれかに記載の触覚再現装置。

請求項8

前記入力装置には、親指押圧操作される親指操作体と、人差し指中指で個別に押圧操作される第1の対向操作体ならびに第2の対向操作体が設けられており、前記親指操作体の突出方向に対して、第1の対向操作体と第2の対向操作体が逆向きに突出している請求項7記載の触覚再現装置。

請求項9

前記制御部に被保持物体に関する情報が保持されており、前記情報に基づいて、指で前記被保持物体を保持するのを模した前記反力付与制御と前記感触付与制御が行われる請求項1ないし8のいずれかに記載の触覚再現装置。

請求項10

表示装置が設けられており、前記制御部によって、前記表示装置の表示画面に仮想の前記被保持物体の画像と手の画像が表示され、前記入力装置の前記操作体が押されると、前記手の画像で前記被保持物体の状態を変化させる表示が行われる請求項9記載の触覚再現装置。

請求項11

前記入力装置の表示画面の変化に付随した発音装置が設けられている請求項10記載の触覚再現装置。

請求項12

前記反力付与制御では、前記被保持物体の軟質度や硬質度が再現され、前記感触付与制御では、前記被保持物体の動きや温度が再現される請求項9ないし11のいずれかに記載の触覚再現装置。

技術分野

0001

本発明は、入力装置に設けられた操作体を指で掴んだときに、仮想被保持物体を指で保持したのを模した軟質度や硬質度さらには動きや温度を感じることができる触覚再現装置に関する。

背景技術

0002

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

0003

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

先行技術

0004

特開2012−234355号公報

発明が解決しようとする課題

0005

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

0006

しかし、実際に商品に触れることができないので、その商品の大きさや質感などを手で感じることはできない。また、商品が変形するものである場合に、その変形にどの程度の力を要するのかを手で感じることも不可能である。さらには、商品の動きを感じることができず、温度も感じることはできない。

0007

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、所定の被保持物体を手で操作したときの軟質感や硬質感などを模した反力機械的に生成することができ、さらに被保持物体の動きや温度などの感触も得ることができる触覚再現装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0008

本発明の触覚再現装置は、入力装置と制御部とを有し、
記入力装置には、進退移動し指で押圧可能な操作体と、前記操作体の移動位置を検知する位置検知部と、前記操作体に進退方向の力を与える進退駆動部と、前記操作体に設けられて前記操作体に触れた指に感触を与える感触発生部とが設けられ、
前記制御部では、前記位置検知部からの検知情報に基づいて前記進退駆動部を駆動し前記操作体から指に力を与える反力付与制御と、前記感触発生部を動作させて指に感触を与える感触付与制御とが行われることを特徴とするものである。

0009

本発明の触覚再現装置は、前記感触発生部が振動発生部である。この場合に、前記振動発生部で発生する振動周波数が、前記進退駆動部で操作体に与えることができる往復運動の周波数よりも高いものである。

0010

また、本発明の触覚再現装置は、前記感触発生部が熱可変素子であってもよいし、さらに前記感触発生部が振動発生部と熱可変素子の双方を有していてもよい。

0011

本発明の触覚再現装置は、前記入力装置の姿勢を検知する姿勢検知部が設けられ、前記姿勢検知部で検知された前記入力装置の姿勢に応じて、前記感触付与制御が行われるものが好ましい。
本発明の触覚再現装置は、前記操作体が複数設けられていることが好ましい。

0012

例えば、本発明の触覚再現装置は、前記入力装置には、親指押圧操作される親指操作体と、人差し指中指で個別に押圧操作される第1の対向操作体ならびに第2の対向操作体が設けられており、
前記親指操作体の突出方向に対して、第1の対向操作体と第2の対向操作体が逆向きに突出しているものである。

0013

本発明の触覚再現装置は、前記制御部に被保持物体に関する情報が保持されており、前記情報に基づいて、指で前記被保持物体を保持するのを模した前記反力付与制御と前記感触付与制御が行われるものである。

0014

また、本発明の触覚再現装置は、表示装置が設けられており、
前記制御部によって、前記表示装置の表示画面に仮想の前記被保持物体の画像と手の画像が表示され、
前記入力装置の前記操作体が押されると、前記手の画像で前記被保持物体の状態を変化させる表示が行われるものである。

0015

この場合に、前記入力装置の表示画面の変化に付随した発音装置が設けられていることが好ましい。

0016

本発明の触覚再現装置は、前記反力付与制御では、前記被保持物体の軟質度や硬質度が再現され、前記感触付与制御では、前記被保持物体の動きや温度が再現される。

発明の効果

0017

本発明の触覚再現装置は、操作体を指で押したときに操作体の移動位置に応じた反力を発生させることで、仮想の被保持物体を掴んでいるのを模した軟質感や硬質感を指に与えることができる。

0018

さらに、被保持物体を模した動きや温度の感触を指に与えることもでき、このときの動きや温度を、操作体の移動位置に応じて変化させたり、入力装置の姿勢に応じて変化させることができる。

図面の簡単な説明

0019

本発明の第1の実施の形態の触覚再現装置を使用している例を示す説明図、
本発明の第2の実施の形態の触覚再現装置を使用している例を示す説明図、
図1に示す触覚再現装置に設けられた入力装置を示すものであり、(A)は上方から見た斜視図、(B)は下方から見た斜視図、
図2に示す入力装置の分解斜視図、
図2に示す入力装置に設けられた触覚発生ユニットを示す斜視図、
本発明の実施の形態の触覚再現装置の構成を示すブロック図、
実施の形態の触覚再現装置の使用例を示しており、仮想の被保持物体として軟質なコップ液体を注いでいる動作を模した表示画像を示す説明図、
実施の形態の触覚再現装置の使用例を示しており、仮想の被保持物体としてビンを傾けて液体を流出させている動作を模した表示画像を示す説明図、
実施の形態の触覚再現装置の使用例を示しており、仮想の被保持物体としてスプレーボトルを掴むときの触覚を再現している表示画像を示す説明図、
(A)は仮想の被保持物体としてコップやビンを掴むときの各操作体の動作を示す説明図、(B)は仮想の被保持物体としてスプレーボトルを操作するときの各操作体の動作を示す説明図、
(A)は、軟質なコップに液体を注ぐ動作を模したときの反力付与制御を示し、(B)は、感触付与制御のうちの振動付与制御を示す、

実施例

0020

<全体の構造>
図1A図1Bに、本発明の触覚再現装置1A,1Bを使用している状態が示されている。

0021

図1Aに示す第1の実施の形態の触覚再現装置1Aは、装置本体10Aと入力装置20とから構成されている。図1Aでは、入力装置20が1個使用され、この入力装置20が右手で操作されている。

0022

入力装置20はコード52によって装置本体10Aに接続されている。装置本体10Aには表示装置13が設けられている。表示装置13はカラー液晶表示パネルエレクトロルミネッセンス表示パネルなどである。装置本体10Aはパーソナルコンピュータや、比較的大きな表示画面を有するデモンストレーション用の表示装置などである。

0023

図5に示すように、装置本体10Aには、表示装置13を駆動するための表示ドライバー14と、表示ドライバー14の表示形態を制御する制御部15とが設けられている。制御部15はCPUとメモリ主体として構成されている。また、制御部15とそれぞれの入力装置20との間で信号を授受するためのインターフェース16が設けられている。

0024

図1Bに示す第2の実施の形態の触覚再現装置1Bは、装置本体10Bと入力装置20とから構成されている。図1Bでは、同じ入力装置20が2個使用され、入力装置20が右手と左手で操作されている。

0025

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

0026

装置本体10Bのマスク型本体11に、表示装置13が設けられている。この表示装置13は、操作者の目の前方に設置されて目視可能となっている。図5に示す表示ドライバー14と制御部15およびインターフェース16などは、マスク型本体11に搭載されている。

0027

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

0028

図1A図1Bに示す使用例では、入力装置20は、Y方向が上下に向けられた姿勢で人の手に保持されている。

0029

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

0030

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

0031

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

0032

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

0033

区分板部28bを挟んでX方向の一方の側に、第1の触覚発生ユニット30Aと第2の触覚発生ユニット30Bが固定されている。第1の触覚発生ユニット30Aと第2の触覚発生ユニット30Bは、Y方向に並んで配置されている。区分板部28bを挟んでX方向の他方の側に、第3の触覚発生ユニット40が1組設けられている。

0034

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

0035

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

0036

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

0037

図1A図1Bに示すように、入力装置20が右手で保持されているときは、第1の対向操作体33Aは人差し指で押されることになり、図1(B)に示すように、入力装置20が左手で保持されているときは、第1の対向操作体33Aが中指で操作される。

0038

図4に示すように、フレーム31の一方の側板部31aにZ方向に延びる案内長穴31cが形成されている。移動部材32Aの側部には摺動突部32aが一体に形成されており、摺動突部32aが案内長穴31cの内部を摺動することで、移動部材32Aがフレーム31上でZ方向へ移動自在に支持されている。移動部材32Aは凹部32bを有している。この凹部32bの内部では、移動部材32Aとフレーム31の下端部との間の圧縮コイルばね34が介在している。この圧縮コイルばね34の弾性力によって、移動部材32Aは第1の対向操作体33Aが上部ケース22から突出する方向であるZ方向の図示上方に向けて付勢されている。

0039

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

0040

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

0041

前記圧縮コイルばね34を設けることで、ピニオン歯車38aとラック部32cとのバックラッシュを解消することができる。ただし、それぞれの触覚発生ユニットに圧縮コイルばね34が設けられていなくてもよい。

0042

この実施の形態では、モータ35Aと歯車36a,36bとギヤボックス37およびピニオン歯車37aとラック部32cとで、進退駆動部が構成されている。

0043

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

0044

図3に示すように、区分板部28bを挟んでX方向の一方の側に、第1の触覚発生ユニット30Aと並んで第2の触覚発生ユニット30Bが固定されている。第2の触覚発生ユニット30Bの構造は、第1の触覚発生ユニット30Aの構造と同じであるため、詳しい構造の説明は省略する。

0045

第2の触覚発生ユニット30Bでは移動部材32BのZ側の上部に第2の対向操作体33Bが固定されている。第2の対向操作体33Bは形状と寸法が第1の対向操作体33Aと同じである。

0046

また、第2の触覚発生ユニット30Bでは、モータを35Bで示し、位置検知部を38Bで示しているが、これらは、第1の触覚発生ユニット30Aに設けられたモータ35Aおよび位置検知部38Aと同じである。

0047

図1A図1Bに示すように、入力装置20が右手で保持されているときは、第2の対向操作体33Bは中指で押されることになり、図1(B)に示すように、入力装置20が左手で保持されているときは、第2の対向操作体33Bが人差し指で操作される。

0048

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

0049

第3の触覚発生ユニット40は、第1の触覚発生ユニット30Aおよび第2の触覚発生ユニット30Bと基本的な構造が同じであるが、第3の触覚発生ユニット40の方がやや大きく構成されている。第3の触覚発生ユニット40は、フレーム41に移動部材42がZ方向へ移動自在に支持されており、移動部材42の先部に親指操作体43が固定されている。親指操作体43は、下部ケース23の操作穴25から図示下方へ突出している。移動部材42は圧縮コイルばね44によって、親指操作体43が操作穴25から突出する方向へ付勢されている。なお前述のようにこの圧縮コイルばね44は省略することが可能である。

0050

親指操作体43は、Y方向の幅寸法が、第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bよりも大きく形成されており、第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bの双方が、親指操作体43とZ方向で対向している。図1A図1Bに示すように、入力装置20は右手で保持されるときと左手で保持されるときの双方において、親指操作体43が親指で操作される。

0051

第3の触覚発生ユニット40においても、フレーム41にモータ45が固定されており、モータ45の出力軸に固定された出力歯車46aが減速歯車46bと噛み合っている。前記減速歯車46bの回転力は、ギヤボックス47内の減速機構で減速され、その減速出力がピニオン歯車から、移動部材42に形成されたラック部に伝達される。そしてピニオン歯車の回転が位置検知部48で検知される。

0052

図2に示すように、第1の対向操作体33Aの端面に第1の感触発生部56Aが固定され、第2の対向操作体33Bの端面に第2の感触発生部56Bが固定されている。また親指操作体43の端面に第3の感触発生部55が固定されている。

0053

図4に示すように、第1の感触発生部56Aは、第1の対向操作体33Aの端面に固定される振動発生部57と、この振動発生部57に重ねられた熱可変素子58とを有している。第2の感触発生部56Bも振動発生部57とその上に重ねられた熱可変素子58を有している。同様に、第3の感触発生部55も、振動発生部57とその上に重ねられた熱可変素子58を有している。

0054

振動発生部57は、立方体形状のケースの内部に振動子が収納されている。振動子はケース内板バネなどの弾性部材によってZ方向へ振動自在に支持されている。振動子にはコイルが巻かれており、ケース内には前記コイルに対向する磁石が固定されている。コイルに交流電流を与えることで、振動子が振動する。逆に、振動子が磁石で形成され、振動子に対向するコイルがケース内に固定されていてもよい。あるいは振動発生部57を圧電素子で構成してもよい。

0055

振動発生部57は、比較的高い周波数の振動を発生することができ、その振動の周波数は、第1の触覚発生ユニット30Aと第2の触覚発生ユニット30Bおよび第3の触覚発生ユニット40において、モータ35A,35B,45の駆動力で発生させることができる往復運動の周波数よりも高くすることが可能である。

0056

熱可変素子58は、いわゆるペルチェ素子であり、対向する2枚の金属板に直流電流を与えたときのペルチェ効果の熱の移動を利用したものであり、電流方向に応じてZ方向の表面側の金属板の熱量が変化する。電流方向と電流量を制御することで、熱可変素子58に触れた指に温かい温度や冷たい温度を感じさせることが可能である。

0057

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

0058

図5のブロック図に示すように、第1の触覚発生ユニット30Aと第2の触覚発生ユニット30Bおよび第3の触覚発生ユニット40のそれぞれにモータドライバ51が設けられている。第1の触覚発生ユニット30Aに設けられたモータ35Aと第2の触覚発生ユニット30Bに設けられたモータ35Bおよび第3の触覚発生ユニット40に設けられたモータ45は、それぞれのモータドライバ51によって回転駆動される。

0059

それぞれのモータドライバ51はインターフェース17aを介して前記信号コネクタ17に接続されている。

0060

第1の触覚発生ユニット30Aに搭載された位置検知部38Aと第2の触覚発生ユニット30Bに搭載された位置検知部38Bおよび第3の触覚発生ユニット40に搭載された位置検知部48は、それぞれインターフェース17aを介して前記信号コネクタ17に接続されている。

0061

また、第1の触覚発生ユニット30Aに搭載された第1の感触発生部56Aと第2の触覚発生ユニット30Bに搭載された第2の感触発生部56Bおよび第3の触覚発生ユニット40に搭載された第3の感触発生部55も、それぞれインターフェース17aを介して前記信号コネクタ17に接続されている。

0062

図5に示すように、入力装置20のケース21の内部に姿勢検知部53が設けられている。姿勢検知部53は、例えば地磁気センサを検知する磁気センサであり、あるいは振動型ジャイロ装置であり、入力装置20の操作空間内での姿勢や操作空間上での位置を検知することができる。姿勢検知部53はインターフェース17aを介して前記信号コネクタ17に接続されている。

0063

図5に示すように、装置本体10A,10Bにインターフェース16が設けられ、個々のインターフェース16が接続されている信号コネクタと、個々のインターフェース17aが接続されている前記信号コネクタ17とがコード52で接続されている。前記コード52には電源ラインが含まれており、電源ラインが電源プラグ29に接続されている。この電源ラインを通じて装置本体10A,10Bから入力装置20に電力が供給される。

0064

なお、装置本体10A,10Bとそれぞれの入力装置20とがRF信号によって通信可能とされており、入力装置20に電池が内蔵されていてもよい。この場合には、装置本体10A,10Bと入力装置20とを繋ぐコード52が不要である。

0065

また、装置本体10A,10Bは、さらにサーバーとの通信機能を有しているものであってもよい。

0066

また、図1Aに示す装置本体10Aと図1Bに示す装置本体10Bには、いずれも発音装置が設けられている。発音装置は空間中に音を発するスピーカ、またが操作者のに音を与えるレシーバなどである。

0067

次に、前記触覚再現装置1の操作方法と動作について説明する。
<入力装置20の操作と反力付与制御>
図2に示すように、入力装置20は、ケース21の第1の面22aに第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bが突出し、第2の面22bに1個の親指操作体43が突出しており、2つの対向操作体33A,33Bと親指操作体43が、Z方向において互いに逆向きに突出している。図1A図1Bに示すように、1個の入力装置20が片方の手で保持されて、親指で親指操作体43が押圧操作され、人差し指と中指で第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bが押圧操作される。

0068

入力装置20では、制御部15の反力付与制御によりそれぞれのモータドライバ51に制御指令が与えられ、第1の触覚発生ユニット30Aのモータ35Aと第2の触覚発生ユニット30Bのモータ35Bおよび第3の触覚発生ユニット40のモータ45が前記制御指令に基づいて動作させられる。

0069

モータ35A,35Bとモータ45の回転を制御することにより、移動部材32A,32Bと移動部材42を任意の位置へ移動させて、その位置で停止させることができる。例えば、第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bおよび親指操作体43をケース21から最大限まで突出させた位置で停止させることができ、または各操作体33A,33B,43をケース21の内部に最大限に後退させた位置で停止させることができる。また、各操作体33A,33Bと操作体43を最大突出位置最大後退位置の中間の任意の位置で停止させることもできる。

0070

また、モータ35A,35Bとモータ45に与えられる電力を制御することにより、ケース21から突出している各操作体33A,33B,40を指で押しても動かないように、モータ35A,35B,45のロータを強い力で保持させることができる。

0071

各移動部材32A,32B,42が移動できる状態のときに、第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bおよび親指操作体43のいずれかが押されて、移動部材32A,32B,42が押し込み方向へ移動すると、その移動位置が位置検知部38A,38Bまたは位置検知部48で検知されて、その検知出力が制御部15に与えられる。制御部15には、反力付与制御のために、移動距離と反力との関係を示す反力作用線(反力作用係数)に関するデータが保持されており、操作体33A,33B,43の押し込み位置に応じて、モータ35A,35Bまたはモータ45が前記反力作用線に応じたトルクを発生するように制御される。これによって、対向操作体33A,33Bを押圧している人差し指と中指、および親指操作体43を押圧している親指に反力が与えられる。

0072

図10(A)に、制御部15内のメモリに格納されている反力作用線(反力作用係数)のデータの例が示されている。いずれも横軸が操作体33A,33B,43の押し込み量(押し込み位置)であり、図示右方向に向かうにしたがって押し込み量が多くなっている。

0073

縦軸は、モータ35A,35B,45から各移動部材32A,32B,42に与えられる移動力であり、この移動力が対向操作体33A,33Bおよび親指操作体43から各指に与えられる反力となる。縦軸で上に向かうにしたがって、対向操作体33A,33Bおよび親指操作体43をケース21から突出させようとする力が大きくなり、指に感じる反力が大きくなる。

0074

図10(A)において実線で示す反力作用線は、各操作体33A,33B,43をケース21に向けて押し込んだときに、その押し込み量に比例して指に感じる反力が一次関数的に増大している。これは指で操作体を押し込めば押し込むほど反力が増加することを意味している。この場合の実線の傾きは、弾性体である仮想の被保持物体を指で押し込んだときの弾性係数に相当している。

0075

図10(A)において破線で示す反力作用線は、水平な直線となっている。これは、各操作体33A,33B,43をケース21に向けて押し込んだときにどの位置まで押し込んでも指に感じる反力が一定であることを意味している。これはほとんど弾性を発揮しない軟質な物体を指で押したときの動作を模したものである。

0076

このように、モータ35A,35B,45を制御することで、各操作体33A,33B,43を保持している指に、硬質感や軟質感を与えることができる。

0077

<入力装置20の操作と感触付与制御>
親指が親指操作体43に触れ、人差し指と中指が第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bに触れているときに、制御部15からの感触制御信号が、第1の触覚発生ユニット30Aに設けられた第1の感触発生部56Aと第2の触覚発生ユニット30Bに設けられた第2の感触発生部56Bおよび第3の触覚発生ユニット40に設けられた第3の感触発生部55に与えられる。

0078

感触制御信号により、各感触発生部55,56A,56Bの振動発生部57が個別にまたは同時に制御されて、指に振動が与えられる。また、感触制御信号により、各感触発生部55,56A,56Bの熱可変素子58が個別にまたは同時に制御されて、指で感じる温度が変化させられる。感触制御信号によって、振動発生部57と熱可変素子58が同時に駆動されて同時に制御されてもよいし、振動発生部57と熱可変素子58のいずれか一方のみが駆動されて制御されてもよい。

0079

したがって、各感触発生部55,56A,56Bは、振動発生部57のみで構成されもよいし、熱可変素子58のみで構成されてもよい。

0080

感触付与制御は、制御部15において位置検知部38A,38B,48からの検知信号監視し、指によって各操作体33A,33B,43が押されたときのその押し込み量に応じて、振動発生部57で発生する振動の周波数や振動のデューティ比を変化させてもよいし、前記押し込み量に応じて熱可変素子58から指に感じさせる温度を変化させてもよい。

0081

または、制御部15では、姿勢検知部53からの検知信号に基づき、入力装置20の姿勢の変化に応じて、振動発生部57で発生する振動の周波数や振動のデューティ比を変化させ、熱可変素子58から指に感じさせる熱(温度)を変化させてもよい。

0082

あるいは、図10(B)(C)に示すように、時間の経過に伴って振動発生部57で発生する振動の周波数や振動のデューティ比を変化させてもよく、時間の経過に伴って熱可変素子58から指に感じさせる熱を変化させてもよい。

0083

<軟質なコップに液体を注ぐ動作を模した操作>
触覚再現装置1A,1Bでは、複数種の仮想の被保持物体を手で保持するのを模した反力と感触を操作者の手に感じさせることができる。複数種の仮想の被保持物体の反力作用線(反力作用係数)のデータや感触制御情報は、制御部15に設けられたメモリに格納されている。また、制御部15で表示ドライバー14が制御され、図1Aまたは図1Bに示す表示装置13に複数種の仮想の被保持物体の画像が選択できるように表示され、また手の画像も表示される。これら表示はコンピュータグラフィックによるものである。

0084

図6には、表示装置13の表示画面13aに、仮想の被保持物体として軟質なコップ61が表示されている。このコップは、紙製または薄い合成樹脂材料で形成されたものを想定している。

0085

表示画面13aには手Hの画像が表示されており、所定の操作を行うことで、表示画面13aに現れている手Hの画像が移動し、手Hの画像でコップ61が保持されるように表示状態が変化する。例えば、入力装置20を手で保持して移動させると、その移動姿勢が姿勢検知部53で検知されて制御部15に姿勢に関する情報が与えられる。この情報により表示ドライバー14が制御されて、表示画面13aに現れている手Hの画像が移動して、コップ61を掴みに行くように表示される。あるいは、キーボードなどの他の操作部材で、被保持物体としてコップ61を選択すると、表示画面13aに現れている手Hがコップ61の画像を保持するように表示状態が変化する。

0086

仮想の被保持物体として軟質なコップ61が選択されると、各モータ35A,35B,45が制御されて、対向操作体33A,33Bおよび親指操作体43の初期位置が設定される。仮想の被保持物体がコップ61のときには、対向操作体33A,33Bおよび親指操作体43が、図9(A)に示すようにケース21から最大限突出した初期位置に設定される。

0087

制御部15は、メモリから図10(A)に示す反力作用線(反力作用係数)のデータを読み出し、制御部15は前記反力作用線のデータに基づいて各モータ35A,35B,45を制御する。第3の触覚発生ユニット40において、モータ45から移動部材42と親指操作体43に与えられる反力、および第1の触覚発生ユニット30Aにおいて、モータ35Aから移動部材32Aと第1の対向操作体33Aに与えられる反力、ならびに第2の触覚発生ユニット30Bにおいて、モータ35Bから移動部材32Bと第2の対向操作体33Bに与えられる反力は、図10(A)に示すよう設定される。

0088

図10(A)に示す反力作用線では、3つの指による押し込み量が増加するにしたがって、各指に与えられる反力Fa,Fb,Fcがほぼ一次関数で増加するように制御される。すなわち、入力装置20を保持している3本の指によって、あたかも弾性変形可能なコップ21を保持し、コップ21から弾性反力を受けているように感じることができる。

0089

次に、所定の操作を行うと、図6に示すようにコップ62に液体62が注がれるように表示画面13aの表示状態が変化する。この所定の操作は、例えば、左手で入力装置20を保持して軟質なコップ61を左手で保持しているかのような操作を行っているときに、右手で表示画面13aに表示されている液体サーバーを動作させるための起動ボタンを押す操作である。あるいは右手に保持している入力装置20の3個の操作体33A,33B,43のいずれかを押す操作である。

0090

または、図7に示すように、右手で入力装置20を保持したときに、表示画面に右手でビン71を保持している画像が現れる。この表示状態において、右手で保持している入力装置20を反時計方向傾けると、その操作が姿勢検知部53で検知され、制御部15からの制御指令により、ビン71から液体62が流れ出て、図6に示すように左手で保持しているコップ61の画像に液体62が注がれるように表示状態が変化するものであってもよい。

0091

このとき、メモリに記憶されている反力作用線(反力作用係数)によって、コップ61に注がれる液体の量の増加に応じて各指に与えられる反力Fa,Fb,Fcを徐々に大きくする制御が行われる。軟質なコップ61を左手に保持している状態でコップ61内の液体が増えていくと、コップ61を保持している指が内部の液体で押し返されて、コップ61が少し膨らむような感触を得ることになるが、前記のように反力を制御することで、入力装置20を保持している左手に対して、液体が満たされていく過程を模した操作感触を与えることができるようになる。

0092

さらに、図6に示すように、表示画面13aにコップ61に液体が注がれている画像が表示されているときに、メモリに記憶されている感触付与情報に基づいて、制御部15で感触付与制御が行われる。

0093

まず、液体61が注がれているときに、各感触発生部55,56A,56Bに振動付与信号が与えられ、振動発生部57が振動を発するように制御される。例えば、図10(B)に示すように、振動発生部57で比較的高い周波数fで振動を発生させ、この振動の発生期間tを徐々に短くする制御が行われる。このような振動が各感触発生部55、56A,56Bから指に与えられると、軟質なコップ61に液体が注がれているのと同様の振動(動き)を指に感じさせることができる。振動の発生期間tを徐々に短くし、振動の発生期間tの周波数を徐々に高くしていくことで、あたかもコップ61内に注がれる液体の量が増えていくような感触を指に与えることができる。

0094

また、コップ61に注ぐ液体62として冷たい飲み物を想定しているときは、制御部15から各感触発生部55,56A,56Bの熱可変素子58に熱制御信号が与えられ、コップ61に注がれる液体62が増えていくにしたがって、指に与える温度を徐々に低くしていく制御が行われる。この温度制御によって、操作体20を保持している指で感じる温度が変化し、あたかも冷たい液体がコップ61に徐々に満たされていくかのような感触を得ることができる。なお、液体62として熱い飲み物を想定しているときは、液体62の注がれる量が増えていくにしたがって、熱可変素子58から指に与える熱(温度)が高くなるように制御される。

0095

また、発音装置を動作させて、コップ61に液体62が注がれているときの音を発生することで、さらに臨場感を高めることができる。

0096

<ビンを傾けて液体を流出させる動作を模した操作>
図7には、仮想の被保持物体として液体62を内容物とするビン71を選択したときの表示例が示されている。

0097

コップ61を選択したときと同じように、右手で保持した入力装置20を移動させて、表示画面13a内に表示されている手Hの画像をビン71の画像の位置まで移動させることで、表示画面13aの表示状態を、手Hでビン71を掴んだ画像に変化させることができる。

0098

仮想の被保持物体としてビン71が選択されて表示画面13aに表示されているとき、入力装置20の第1の対向操作体33Aと第2の対向操作体33Bおよび親指操作体43の初期位置は、図9(A)に示すように、ケース21から突出している状態に設定される。

0099

ビン71は、ガラスなどの硬質な物を想定しているため、各モータ35A,35B,45のトルクをほぼ最大に設定し、各操作体33A,33B,43が容易には動かないようにすることで、指に、硬質のビン71を保持しているのと同じ保持感触を与えることができる。なお、ビン71が合成樹脂製(PET製)などの軟質なものであるときは、図10(A)に示したのと同様の反力作用線を設定することで、各操作体33A,33B,43の押し込み量が多くなるにしたがって指に作用する反力Fa,Fb,Fcを徐々に増加させ、指にビン71の弾性を感じさせるようにできる。

0100

入力装置20を保持した右手を目から見た方向で反時計方向へ回転させて入力装置20の姿勢を回転させると、その動作が図5に示す姿勢検知部53で検知されて制御部15にその情報が与えられる。この姿勢情報に基づいて制御部15で表示ドライバー14が制御され、図7に示すように、画面13aに表示されている手Hの画像とビン71の画像が反時計方向へ回動するように表示が変化し、さらに、ビン71の中から液体62が流出する画像が表示される。

0101

このとき、各感触発生部55,56A,56Bに設けられた振動発生部57で振動を発生することで、ビン71から液体62が流れ出すのと同じ振動を指に与えることができる。この場合も、振動の発生期間tを図6(B)(C)と同様に変化させることで、液体62がビン71から徐々に流出しているかのような感触を指に与えることができる。

0102

また、冷たい液体62を想定しているときは、各熱可変素子58を制御し、液体62が流出していない段階で指に冷たい温度を感じさせ、液体62の流出量が増えていくにしたがって、徐々に温度を上げる感触付与制御を行うことで、入力装置20を保持している指に、あたかも冷たい液体62が徐々に流出していくかのような感触を与えることができる。

0103

なお、温かい液体62を想定しているときは、液体62の流出量が増えるにしたがって、指に感じさせる温度を徐々に低くする制御が行われる。

0104

また、発音装置を動作させて、ビン71から液体62が流れ出るときの音を発生することで、さらに臨場感を高めることができる。
<仮想の被保持物体としてスプレーボトルを操作するときの触覚反力
図8には、仮想の被保持物体としてスプレーボトル80を選択したときの表示例が示されている。

0105

表示画面13aに表示されているスプレーボトル80の画像は、各種液体を収納していることを想定したボトル本体81と、ボトル本体71の開口端部に固定されたノズルキャップ82と、ノズルキャップ82に前方に向けて設けられた吐出ノズル83と、ノズルキャップ82に設けられた吐出ボタン84を有している。

0106

右手で保持した入力装置20を移動させて、表示画面13a内に表示されている手Hの画像をスプレーボトル80の画像の位置まで移動させることで、表示画面13aを、手Hでスプレーボトル80が掴まれた画像に変化させることができる。

0107

仮想の被保持物体としてスプレーボトル80の画像が選択されて表示画面13aに表示されると、モータ45によって移動部材42が引き込み方向へ移動させられ、モータ35Bによって移動部材32Bが引き込み方向へ移動させられる。その結果、入力装置20の初期状態は、図9(B)に示すように、親指操作体43と第2の対向操作体33Bがケース21に向けて退行した状態となり、第1の対向操作体33Aのみがケース21から突出するものとなる。

0108

ケース21に向けて退行している親指操作体43を親指で保持し、同じく退行している第2の対向操作体33Bを中指で保持して、ケース21から突出している第1の対向操作体33Aを人差し指で押し込むと、図8に示す表示画面13aに表示されている人差し指F2が動いて吐出ボタン84の画像が後退し、これとともに、表示画面13aに表示されている突出ノズル83から液体85が霧状に噴霧されるように画像が変化する。

0109

このとき、モータ35Aから第1の対向操作体33Aに与えられる反力の変化は、第1の対向操作体33Aを押すにしたがって、人差し指に作用する操作反力が徐々に増大するように制御する。

0110

図8に示す画像を見ながら入力装置20を操作し、さらにはスプレーボトル80から液体85が噴霧されるのを模した音(液体の吐出音)を発生させることで、操作者は実際にスプレーボトルを扱っているかのような操作感触を得ることができる。

0111

また、第1の対向操作体33Aに設けられた第1の感触発生部56Aの振動発生部57から振動を発生させることで、スプレーボトル80から液体85が噴霧されるときの振動を人差し指に感じさせることができる。

0112

<他の被保持物体の例>
また入力装置20を保持したときに表示画面13aに表示する被保持物体としては、液体の入った風船マラカスなどの楽器けん玉などの遊具など、種々のものに対して対応可能である。

0113

1A,1B触覚再現装置
10A,10B 装置本体
11マスク型本体
13表示装置
15 制御部
20入力装置
21ケース
28機構シャーシ
30A 第1の触覚発生ユニット
30B 第2の触覚発生ユニット
32A,32B移動部材
33A 第1の対向操作体
33B 第2の対向操作体
35A,35Bモータ
38A,38B位置検知部
40 第3の触覚発生ユニット
42 移動部材
43親指操作体
45 モータ
48 位置検知部
55 第3の感触発生部
56A 第1の感触発生部
56B 第2の感触発生部
57振動発生部
58 熱変換素子

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