JP4032882B2

JP4032882B2 - 触力覚呈示装置

Info

Publication number: JP4032882B2
Application number: JP2002250702A
Authority: JP
Inventors: 亮河村
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: JP2004094307A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、仮想現実空間の物体に対応した触力覚を呈示することによって仮想現実空間内の物体をあたかも実在するかのように知覚させる触力覚呈示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、その場に実在しない仮想現実空間を視覚及び聴覚を通じてあたかもその場に実在するかのように知覚させる技術が知られている。近年は、コンピュータの能力の向上に伴い、構築可能な仮想現実空間が広大になり、また、仮想現実空間内の物体の現実感を増すために、仮想現実空間の情報を、視覚、聴覚だけでなく手や指先に与える触力覚（物体を押したときや気流に当たったときなどに皮膚に感じられる触覚及び圧力の感触）によっても呈示することも可能になっている。
【０００３】
手や指先に触力覚を呈示する技術としては、大別して人体に装着される装置を用いる技術と人体に装着される装置を用いない技術とが提案されている。人体に装着される装置を用いない技術としては、例えば特開２０００−１４８３８２公報に記載された発明や、ＰＨＡＭＴｏＭ（ＳｅｎｓａｂｌｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社）、ＨａｐｔｉｃＭａｓｔｅｒ（日商エレクトロニクス社）のようなものがある。これらは、室内などに固定される装置であって、人が操作する操作部を有し、操作部を操作する際の反力を仮想現実空間の状況によって変化させることによって現実感を与えるものである。しかし、装置が室内等に固定されることにより、操作部の可動範囲によって使用者の動作範囲が制限されるから、複数人の利用者が１つの室内に構築された仮想現実空間を自由に動くような表現には適さない。
【０００４】
これに対し、人体に装着される装置を用いるものは該して動作範囲が広く、複数人の利用者が１つの室内に構築された仮想現実空間を自由に動くようなこともできる。人体に装着される装置を用いる触力覚呈示装置として、アクチュエータやリンクによって駆動される骨格構造を人の指や手に付設し、骨格構造からの反力によって触力覚を呈示するものが知られている。しかし、アクチュエータやリンクを使用すると、装置の重量が重くなって利用者が動きにくさによる違和感を感じたり、機構が複雑化して部品点数が多くなりコストが高くなるなどの問題がある。
【０００５】
そこで、特開平５−２３２８５９号公報に記載された発明や、特開平１１−１６７４１９号公報に記載された発明のように、可撓性の容器を指の関節部の手のひら側に配置し、この容器に流体を注入して膨張させることによって指を伸ばす方向の力を加え、触力覚を呈示するものも提案されている。しかし、流体を用いると、流体の流出及び流入にある程度の時間がかかるため、応答が遅くなるという問題があった。
【０００６】
また、特開平６−３２４６２２号公報に記載された発明や、ＣｙｂｅｒＧｒａｓｐ（ＶｉｒｔｕａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社）のように、人の指の関節間に指輪状の部材を固定し、各部材にそれぞれワイヤーの一端を固定してワイヤーを巻き取ることにより指の各関節に力を加えることによって触力覚を感じさせる技術も提案されていた。この技術によれば、前述した流体を用いるものに比べて応答の速い触力覚呈示装置を得ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
さらに、特開２００１−１６６６７６公報には、指にそれぞれ装着される各被覆部材に回動可能な状態でそれぞれ取り付けられた各触力覚呈示部材を駆動手段によってそれぞれ駆動し、触力覚呈示部材によって手の指を押圧することによって触力覚を呈示する構成が記載されている。上記構成においては、それぞれの指に装着された各触力覚呈示部の位置をそれぞれ得るために、腕に装着されるサポータと被覆部材との間に張られたワイヤーの長さを検出している。
【０００８】
しかし、触力覚の呈示や位置の検出にワイヤーを用いると、ワイヤーを誘導する構成やワイヤを巻き取る構成やワイヤーの長さを検出する構成などが必要であり、構造が複雑になっていた。
【０００９】
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡素な構成で触力覚を呈示することができる触力覚呈示装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、画像表示手段によって物体の存在する３次元空間として表示された仮想現実空間における触力覚を呈示する触力覚呈示装置であって、人の手に装着される装着部と、前記装着部の３次元の位置を検出する位置検出手段と、実空間における３次元の位置と仮想現実空間における３次元の位置とを対応させ前記仮想現実空間において前記位置検出手段によって検出された位置に対応する位置が所定の物体に接触する領域にある接触状態であるか否かを判定する判定手段と、前記装着部が装着された手に接触する位置と前記装着部が装着された手から離れる位置との間で移動可能な触力覚呈示部と、前記触力覚呈示部を駆動する駆動手段と、前記判定手段によって接触状態でないと判定されたときには前記触力覚呈示部が前記装着部が装着された手に接触せず前記判定手段によって接触状態であると判定されたときには前記触力覚呈示部が前記装着部が装着された手に接触するように前記駆動手段を制御する制御手段とを備え、前記装着部と前記触力覚呈示部と前記駆動手段とが一体に設けられていて、前記触力覚呈示部は、柱状の接触部と、一端部において前記接触部を支持し他端部が前記装着部に軸支され前記装着部が装着された手のひらに前記接触部が接触する位置と前記装着部が装着された手のひらから前記接触部が離れる位置との間で回転可能な連結部とからなることを特徴とする。ここで「手」とは手首から先だけではなく、一般に腕と呼ばれる部分も含む。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記制御手段は、前記判定手段によって接触状態であると判定されたときに、前記仮想現実空間において前記位置検出手段によって検出された位置に対応する位置が受けるべき力の大きさに応じて前記駆動手段の力を制御することを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、複数の前記触力覚呈示部と、各触力覚呈示部にそれぞれ対応した複数の駆動手段とを備え、前記制御手段は、前記位置検出手段によって検出された位置に対応する前記仮想現実空間における位置が前記仮想現実空間において凹凸のある所定の物体に接触する領域であるときに、前記所定の物体の凸部に対応する位置の前記触力覚呈示部が前記装着部が装着された手に接触するように各駆動手段を個別に制御することを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記接触部は前記連結部に沿った向きと前記連結部に交差する向きとの間で向きを変えることができることを特徴とする。
【００２１】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項の発明において、前記触力覚呈示部において少なくとも前記装着部が装着された手に接触する部位を振動させるバイブレータを備え、前記制御部は前記判定手段によって接触状態であると判定されたときに前記所定の物体の触感に応じて前記バイブレータを動作させることを特徴とする。
【００２２】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項３又は請求項５のいずれか１項の発明において、前記触力覚呈示部は透明な部材からなることを特徴とする。
【００２４】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか１項の発明において、手の甲を覆う形で前記装着部に保持され前記仮想現実空間の画像を表示する画像表示部を備えることを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態及び本発明に関連した参考例を図面に基づいて説明する。
【００２６】
（参考例１）
本参考例における触力覚呈示装置は、人の手に装着され仮想現実空間における触力覚を呈示する装着体１を備える。装着体１は、図１に示すように、指のない手袋状であって人の手に装着される装着部１１を備える。装着部１１の手のひら側には、装着部１１の３次元の位置を検出する位置検出手段１２が取り付けられている。位置検出手段１２としては、例えば装着部１１の向きを検出するジャイロセンサと装着部１１の平行移動を検出する加速度センサとを組み合わせて用いる。
【００２７】
また、装着部１１の手のひら側の手首付近には、板状の触力覚呈示部１３の一端部が軸支され、触力覚呈示部１３の他端部は装着部１１を装着した手の指の手のひら側に対向している。触力覚呈示部１３は、装着部１１に固定された駆動手段１４（図２参照）によって駆動され、装着部１が装着された手のひらに接触する位置と装着部１１が装着された手のひらから離れる位置との間で矢印Ａ１で示す方向に回転可能となっている。具体的には、例えば図２に示すように駆動手段１４としてモータを用い、装着部１１を装着した手の指が並ぶ方向に回転軸１４ａを向けて装着部１１に固定する。触力覚呈示部１３は、長方形板状の本体部１３ｌと、本体部１３ｌの短手方向の一端部から長手方向に沿って延びた取り付け部１３ｍとからなり、装着部１１を装着した手のひらと本体部１３ｌとが対向する形で取り付け部１３ｍにおいて駆動手段１４の回転軸１４ａと結合されている。駆動手段１４の回転軸１４ａが図２の右側から見て左回りに回転すると、触力覚呈示部１３は装着部１１を装着した手のひらから本体部１３ｌが離れる方向に回転し、駆動手段１４の回転軸１４ａが図２の右側から見て右回りに回転すると、触力覚呈示部１３は装着部１１を装着した手のひらに本体部１３ｌが近付く方向に回転する。
【００２８】
また、触力覚呈示装置は、図３に示すように仮想現実空間を３次元空間として表示するスクリーンやヘッドマウントディスプレイのような画像表示手段２と、仮想現実空間を制御するコンピュータ３とを備える。コンピュータ３は、仮想現実空間についての情報が格納される仮想現実空間情報格納部３１と、仮想現実空間情報格納部３１に格納された情報に応じた画像を画像表示手段２に表示させる画像表示手段制御部３２と、プログラムに沿って仮想現実空間についての情報を随時書きかえるとともに駆動手段１４を制御する中央制御部３３と、装着体１と通信するための通信部３４とを備える。また、装着体１にはコンピュータ３と通信するための通信部１５が設けられている。ここで、画像表示手段制御部３２と画像表示手段２と間の通信及び装着体１の通信部１５とコンピュータ３の通信部３４との間の通信は、電波や赤外線等を用いた無線通信であっても伝送線を介した有線通信であってもよい。
【００２９】
次に、コンピュータ３の動作の一例を図４を用いて説明する。予め、利用者が体験する環境に応じた仮想現実空間の情報が仮想現実空間情報格納部３１に格納される。まず、仮想現実空間の情報に変更すべき点があれば中央制御部３３が仮想現実空間情報格納部３１に格納された仮想現実空間の情報を書きかえる（Ｓ１）。次に、画像表示手段制御部３２は仮想現実空間情報格納部３１に格納された情報に応じた画像を生成し、画像表示手段２に表示させる（Ｓ２）。次に、中央制御部３３は、位置検出手段１２によって検出された装着部１１の位置の情報を取得する（Ｓ３）。次に、実空間における３次元の位置と仮想現実空間における３次元の位置とを対応させ位置検出手段１２によって検出された実空間の位置に仮想現実空間において対応する位置が所定の物体に接触する領域にある接触状態であるか否かを判定する（Ｓ４）。つまり、コンピュータ３は判定手段として機能する。（Ｓ４）において接触状態でないと判定されれば、装着部１１が装着された手から離れた位置において触力覚呈示部１３が保持されるように駆動手段１４を制御し、（Ｓ３）に戻る。（Ｓ４）において接触状態であると判定されれば、位置検出手段１２によって検出された位置が仮想現実空間における所定の物体の存在する領域に対応する実空間の領域に侵入した侵入量を算出する（Ｓ５）。次に、コンピュータ３の通信部３４および装着体１の通信部１５を介して、装着部１１が装着された手のひらに触力覚呈示部１３が接触するように駆動手段１４を動作させる（Ｓ６）。このとき、ステップＳ５で得られた侵入量に応じた力で触力覚呈示部１３が駆動されるように、例えば駆動手段１４に流す電流を制御することによって、駆動手段１４のトルクを制御する。つまり、コンピュータ３は判定手段として機能するとともに制御手段として機能する。この後（Ｓ１）に戻り、例えば、ステップＳ５において得られた侵入量が予め定められた基準値よりも大きければ単に物体に接触したのではなく物体が押されて動いたと判定し、接触した物体の移動などの仮想現実空間の変化に合わせて仮想現実空間情報格納部３１における仮想現実空間の情報を書きかえる。ここで、装着部１１を装着した手が触力覚呈示部１３を押す力を検出してコンピュータ３の中央制御部３３に出力する力センサを触力覚呈示部１３に設け、力センサの出力が予め定められた基準値よりも大きい場合に仮想現実空間における物体が押されて動いたと判定するようにしてもよい。
【００３０】
上記構成によれば、装着部１１と、位置検出手段１２と、触力覚呈示部１３とが一体に設けられているから、人体に装着された装置を用いない触力覚呈示装置に比べて可動範囲を広くとることができ、かつ位置検出や触力覚の呈示にワイヤーを用いる場合に比べて簡素な構成とすることができる。
【００３１】
（参考例２）
本参考例における触力覚呈示部１３は、図５に示すように板状であって装着部１１が装着された手のひらに対向する形で支持されている。駆動手段としてのモータ（図示せず）の回転運動を直線運動に変換するリンクの組み合わせを用いることによって、触力覚呈示部１３は装着部１１に対する向きが変化しないように駆動される。具体的には例えば、装着部１１の手のひら側から突設された棒状の誘導部１７ａと、装着部１１の手のひら側であって誘導部よりも手首側に設けられた矩形箱状の基台部１７ｂとを備える。触力覚呈示部１３は、矩形板状であって本体部１３ａと、本体部１３ａの一端部において本体部１３ａの表裏の一面に立設され本体部１３ａの厚み方向に沿って並んだ歯が設けられたラック部１３ｂとからなる。触力覚呈示部１３は、本体部１３ａの一端が基台部１７ｂに当接するとともに誘導部１７ａが厚み方向に貫通することにより、装着部１１が装着された手のひらに本体部１３ａが対向しラック部１３ｂが装着部１１から離れる方向に延びる向きで支持されている。基台部１７ｂにはラック部１３ｂの歯と噛合する歯が全周に設けられた歯車状のピニオン部１７ｃが設けられている。また、基台部１７ｂにはピニオン部１７ｂを矢印Ａ２で示す方向に回転させる駆動モータ（図示せず）が収納されている。ピニオン部１７ｃが回転すると、ピニオン部１７ｃの回転方向に応じてラック部１３ｂが矢印Ａ３で示す方向に移動する。すなわち、駆動モータとピニオン部１７ｂとが駆動手段として機能する。
【００３２】
また、触力覚呈示部１３は本体部１３ａに誘導部１７ａが貫通していることと本体部１３ａの一端が基台部１７ｂに当接していることとにより装着部１１に対する回転が規制されているから、触力覚呈示部１３の装着部１１に対する向きは変化しない。つまり誘導部１７ａと基台部１７ｂとが支持部として機能する。
【００３３】
コンピュータ３の中央制御部３３は、仮想現実空間において位置検出手段１２によって検出された位置に対応する位置が所定の物体に接触する領域にあるときに、駆動モータを作動させることにより触力覚呈示部１３を装着部１１が装着された手のひらに接触させる。このとき、コンピュータ３の中央制御部３３は、位置検出手段１２によって検出された位置が仮想現実空間における所定の物体の存在する領域に対応する実空間の領域に侵入した侵入量に応じて、例えば駆動モータに流す電流を制御することにより、触力覚呈示部１３を駆動する力を制御する。その他の構成は参考例１と同様である。
【００３４】
上記構成によれば、触力覚呈示部１３が装着部１１に対する向きを保ったまま駆動されるから、手のひらに沿った壁などに触れる際の触力覚を呈示することができる。
【００３５】
（参考例３）
本参考例においては、図６に示すように触力覚呈示部１３は矩形板状であって、一端部において触力覚呈示部１３の一側面の中間部に連結され他端部において装着部１１に軸支された支持部１７を備える。支持部１７は、装着部１１が装着された手のひらに触力覚呈示部１３が接触する位置と装着部１１が装着された手のひらから触力覚呈示部１３が離れる位置との間で矢印Ａ４で示す方向に回転可能となっている。また、装着部１１には支持部１７を駆動する駆動手段１４が取り付けられている。駆動手段１４としては、例えば参考例１において示したようなモータを用いる。さらに、支持部１７と触力覚呈示部１３との間には、支持部１７に対する触力覚呈示部１３の向きを矢印Ａ５で示す方向に変化させる連結部駆動手段が設けられている。連結部駆動手段としては、例えば支持部１７に取り付けられ回転軸が触力覚呈示部１３に固定されたモータを用いる。
【００３６】
コンピュータ３の中央制御部３３は、駆動手段１４を動作させる際に、装着部１１に対する触力覚呈示部１３の向きが変化しないように、連結部駆動手段を駆動手段１４と同時に動作させる。その他の構成は、参考例１と同様である。
【００３７】
上記構成によれば、触力覚呈示部１３が装着部１１に対する向きを保ったまま駆動されるから、物体の表面にまっすぐ手を伸ばして触れる際の触力覚を参考例１に比べて自然な形で呈示することができる。
【００３８】
なお、装着部１１を装着した手のひらに対する触力覚呈示部１３の向きをコンピュータ３の中央制御部３３の制御によって変更可能な構成としてもよい。この構成によれば、凹凸のある壁や斜面のある壁に接触する際の触力覚を呈示することができる。
【００３９】
（実施形態１）
本実施形態における触力覚呈示部１３は、図７に示すように、円柱状の接触部１３ｃと、一端が接触部１３ｃの一端に連結され他端が装着部１１に軸支された連結部１３ｄとからなる。連結部１３ｄは、装着部１１が装着された手に接触部１３ｃが接触する位置と装着部１１が装着された手から接触部１３ｃが離れる位置との間で駆動手段１４に駆動されて矢印Ａ７で示す方向に回転可能となっている。駆動手段１４としては、例えば参考例１に示したようなモータを用いる。その他の構成は参考例１と同様である。
【００４０】
上記構成によれば、円柱状のドアノブのような物体に接触する際の触力覚を呈示することができる。
【００４１】
また、接触部１３ｃを連結部１３ｄに対して接触部１３ｃの周方向に回転可能とするとともに、例えばポテンショメータを用いて接触部１３ｃの連結部１３ｄに対する回転の向きと回転角度とを検出し、得られた接触部１３ｃの連結部１３ｄに対する回転の向きと回転角度とをコンピュータ３の中央制御部３３に入力する構成を採用してもよい。この構成によれば、例えば接触部１３ｃをドアノブに見たてて、コンピュータ３の中央制御部３３は、接触部１３ｃの連結部１３ｄに対する回転角度であって予め定められた向きへの回転角度が予め定められた値よりも大きくなったときに、使用者がドアノブをひねる操作をしたと判定するといったことができる。
【００４２】
（実施形態２）
本実施形態においては、図８に示すように、触力覚呈示部１３は指の並ぶ方向に並べて複数（例えば３本）設けられ、それぞれ一方向に長い板状に形成されている。各触力覚呈示部１３はそれぞれ一端部において装着部１１の手のひら側に軸支され、それぞれ一本の指に接触する位置と手のひらから離れる位置との間で矢印Ａ６で示す方向に回転可能である。また、各触力覚呈示部１３はそれぞれ１つの駆動手段１４によって個別に駆動される。駆動手段１４としては、例えば参考例１において示したモータよりも小型のモータを、参考例１において示したモータと同様にして用いる。
【００４３】
また、コンピュータ３の中央制御部３３は、位置検出手段１２によって検出された位置に仮想現実空間において対応する位置が凹凸のある所定の物体に接触する位置であった場合に、物体の凸部に対応する位置の触力覚呈示部１３が接触するように、各駆動手段１４を個別に制御する。ここで、仮想現実空間において所定物体の存在する領域に対応する実空間における領域への侵入量を各触力覚呈示部１３の位置毎に算出し、それぞれの侵入量に応じて各駆動手段１４が触力覚呈示装置を駆動する力を個別に制御してもよい。その他の構成は、参考例１と同様である。
【００４４】
上記構成によれば、凹凸のある物体に接触する際の触力覚が呈示できる。
【００４５】
（参考例４）
本参考例における触力覚呈示部１３は、図９に示すように、装着部１１に装着された手の指が並ぶ方向における装着部１１の両端部においてそれぞれ一端部が軸支された２本の柱状の回転部１３ｅを備える。一方の回転部１３ｅには回転部の周方向に沿った２方向に回転可能な駆動ローラ（図示せず）と駆動ローラを駆動するローラ駆動手段（図示せず）とが設けられ、他方の回転部１３ｅには駆動ローラと同じ方向に回転可能な従動ローラ（図示せず）が設けられている。駆動ローラと従動ローラとの間には無端ベルト１３ｆが張設されていて、各回転部１３ｅは、装着部１１が装着された手の指に無端ベルト１３ｆが接触する位置と装着部１１が装着された手の指から無端ベルト１３ｆが離れる位置との間でそれぞれ矢印Ａ８で示す方向に回転可能となっている。駆動ローラの回転に伴って、無端ベルト１３ｆにおいて装着部１１が装着された手の指に接触する部位が装着部１１が装着された手の指が並ぶ方向に移動するように、無端ベルト１３ｆは搬送される。
【００４６】
本参考例におけるコンピュータ３の中央制御部３３は、位置検出手段１２によって検出された位置に仮想現実空間において対応する位置が所定の物体に接触する領域にあるとき、位置検出手段１２によって検出された位置に対応する仮想現実空間における位置が所定の物体に対して装着部１１を装着した指の並ぶ方向に対応する方向に移動すると、位置検出手段１２によって検出された位置が所定の物体の位置に対応する実空間における位置に対する移動に対して向きについては逆向きであって速度については同じ速度で無端ベルト１３ｆが搬送されるようにローラ駆動手段を制御する。ローラ駆動手段として直流モータを用いた場合、直流モータに流す電流の向きを制御することにより直流モータの回転の向きを制御するとともに、直流モータにかける電圧の大きさを制御することにより直流モータの回転速度を制御する。例えば、装着部１１が装着された手のひらが仮想現実空間における所定の物体の表面に対応する位置を図９における右から左に移動した場合、矢印Ａ９で示すように無端ベルト１３ｆにおいて装着部１１が装着された手の指に接触する部位が左から右に移動する向きに搬送されるようにローラ駆動手段を制御する。つまり、無端ベルト１３ｆが摩擦感呈示部として機能し、ローラ駆動手段が摩擦部駆動手段として機能する。
【００４７】
上記構成によれば、装着部１１を装着した手の指が並ぶ方向について、物体をこする際の摩擦感や移動する物体に接触する際の摩擦感を呈示することができる。
【００４８】
（参考例５）
本参考例における触力覚呈示部１３は、図１０に示すように、装着部１１が装着された手の指に対向する位置において一部が露出し触力覚呈示部１３の他の部位に対して中心の位置を変化させずに矢印Ａ１１で示すように回転可能な球状部１３ｇと、板状であって一端部において装着部１１に軸支され装着部１１が装着された手の指に球状部１３ｇが接触する位置と装着部１１が装着された手から球状部１３ｇが離れる位置との間で駆動手段１４に駆動されて矢印Ａ１０で示すように回転可能な本体部１３ｋとを備える。触力覚呈示部１３には、互いに異なる方向に球状部１３ｇを回転させる２つの球状部駆動手段（図示せず）が設けられている。球状部駆動手段としては、例えば直流モータと、直流モータの回転軸に取り付けられ球状部１３ｇの表面との間に摩擦力を生じるローラとを用いる。
【００４９】
本参考例におけるコンピュータ３の中央制御部３３は、位置検出手段１２によって検出された位置に仮想現実空間において対応する位置が所定の物体に接触する領域にあるとき、位置検出手段１２によって検出された位置に対応する仮想現実空間における位置が所定の物体に対して所定の物体の表面に沿った方向に移動すると、位置検出手段１２によって検出された位置が所定の物体の位置に対応する実空間における位置に対する移動に対して速さについては同じ速さであって向きについては逆向きに球状部１３ｇにおいて装着部１１が装着された手の指に接触する部位が移動するように各球状部駆動手段をそれぞれ制御する。例えば、球状部駆動手段として上記のように直流モータとローラとを用いた場合、各直流モータに流す電流の向きをそれぞれ制御して各直流モータの回転の向きを制御するとともに各直流モータにかける電圧の大きさをそれぞれ制御して各直流モータの回転速度をそれぞれ制御することで、任意の方向に球状部１３ｇを回転させることができる。その他の構成は、参考例１と同様である。
【００５０】
上記構成によれば、各球状部駆動手段の動作をそれぞれ制御することによって球状部１３ｇを任意の向きに回転させることができるから、装着部１１を装着した手のひらに沿った任意の向きについて、物体をこする際の摩擦感や移動する物体に接触する際の摩擦感を呈示する事ができる。
【００５１】
（実施形態３）
本実施形態は、触力覚呈示部１３が接触部１３ｃと連結部１３ｄとからなる点は実施形態１と同様であるが、接触部１３ｃが連結部１３ｄに対して向きを変えることができる点が異なっている。
【００５２】
詳しく説明すると、接触部１３ｃの側面には長さ方向の中間部から一端にかけて長さ方向に延びた収納溝１３ｎが設けられている。接触部１３ｃは、長さ方向の中間部の収納溝１３ｎの内側において連結部１３ｄの装着部１１から離れた側の端部に軸支されていて、図１１（ａ）に示すように連結部１３ｄに沿った向きと図１１（ｂ）に示すように装着部１１が装着された手のひらに沿って連結部１３ｄに直交する向きとの間で矢印Ａ１２および矢印Ａ１３で示す方向に回転可能となっている。その他の構成は、参考例１と同様である。
【００５３】
上記構成によれば、連結部１３ｄに沿った方向に延びた柱状の物体に接触した際の触力覚だけでなく、連結部１３ｄに交差する方向であって手のひらに沿った方向に延びた柱状の物体に接触した際の触力覚をも呈示することができる。
【００５４】
（実施形態４）
本実施形態は、図１２に示すように、指のない手袋状であって人の手に装着される装着部１１と、装着部１１の手のひら側であって手首付近において装着部に固定された触力覚呈示部１３とを備えた装着体１を有する。触力覚呈示部は、装着部１１を装着した手の指が並ぶ方向に交差する方向であって装着部１１を装着した手の平に沿った方向に開口を有し装着部１１に固定された筒状の収納部１３ｈと、収納部１３ｈの内側に収納され装着部１１を装着した手に掴むことができない位置と収納部１３ｈから突出し装着部１１を装着した手に掴むことができる位置との間で収納部１３ｈの内壁に誘導されて矢印１４で示す方向に移動可能な円柱状の接触部１３ｉとを備える。接触部１３ｉは、図示しない駆動手段によって駆動される。駆動手段としては、例えば接触部において収納部に収納される側の端面から長さ方向に延びたねじ穴と、その内側に螺合したねじ軸と、収納部１３ｈに固定されねじ軸を回転させる駆動モータとからなる送りねじ機構を用いる。
【００５５】
また、図３に示された参考例１と同様の画像表示部２とコンピュータ３とを備える。ただし、以下に述べる点においては参考例１におけるコンピュータ３と本実施形態におけるコンピュータ３とは異なる。コンピュータ３の中央制御部３３は、仮想現実空間において位置検出手段によって検出された位置に対応する位置が所定の物体に接触しない領域にあるときには触力覚呈示部１３の接触部１３ｉが装着部１１を装着した手に掴むことができる位置に位置し、仮想現実空間において位置検出手段によって検出された位置に対応する位置が所定の物体に接触する領域にあるときには触力覚呈示部１３の接触部１３ｉが装着部１１を装着した手に掴むことができない位置に位置するように駆動手段を動作させる。
【００５６】
上記構成によれば、仮想現実空間において位置検出手段によって検出された位置に対応する位置が所定の物体に接触する領域にあるときに、使用者は装着部１１を装着した手を握る動作を行うことによって円柱状の物体を握る際の触力覚を得ることができる。
【００５７】
なお、触力覚呈示部１３の接触部１３ｉが装着部１１を装着した手に掴むことができる位置にあるときには接触部１３ｉにおいて収納部１３ｈから露出する部位を収納部１３ｈに対して接触部１３ｉの周方向に回転可能とするとともに、接触部１３ｉにおいて収納部１３ｈから露出する部位の収納部１３ｈに対する回転の向きと回転角度とを例えばポテンショメータを用いて検出し、得られた回転の向きと回転角度とをコンピュータ３の中央制御部３３に入力する構成を採用してもよい。この構成によれば、例えば接触部１３ｉをドアノブに見たてて、コンピュータ３の中央制御部３３は、接触部１３ｉにおいて収納部１３ｈから露出する部位の収納部１３ｈに対する回転角度であって予め定められた向きへの回転角度が予め定められた値よりも大きくなったときに、使用者がドアノブをひねる操作をしたと判定するといったことができる。
【００５８】
ここで、実施形態１乃至４および参考例１乃至参考例５において、触力覚呈示部１３において装着部１１が装着された手に接触する部位を振動させるバイブレータを設け、コンピュータ３の中央制御部３３は、位置検出手段１２によって検出された位置に仮想現実空間において対応する位置が仮想現実空間の所定の物体に接触する位置にあるときに、接触する所定の物体の表面の状態に応じてバイブレータを動作させる構成を採用してもよい。この構成によれば、例えば表面がざらざらした物体などの触感をバイブレータを動作させることによって呈示することができる。
【００５９】
（実施形態５）
本実施形態は、気流に接触した際の触力覚を呈示するものであって、図１３に示すように、指のない手袋状であって人の手に装着される装着部１１と、装着部１１を装着した手の指の手のひら側に一部が対向する形で装着部１１に固定される触力覚呈示部１３と、装着部１１の位置を検出する位置検出手段１２（図１参照）と、気流を発生させる図示しない送風手段とを備えた装着体１を有する。送風手段としては、例えば回転速度がコンピュータ３の中央制御部３３によって制御される直流モータであるファン駆動モータとファン駆動モータによって駆動されるファンとを用い、これらを触力覚呈示部１３の内部において装着部１１を装着した手の手首に近い位置に配置する。触力覚呈示部１３において装着部１１を装着した手の指の手のひら側に対向する部位には、送風手段によって発生した気流が流出する通風孔１３ｊが設けられている。
【００６０】
また、図３に示された参考例１と同様の画像表示部２とコンピュータ３とを備える。ただし、以下に述べる点においては参考例１におけるコンピュータ３と本実施形態におけるコンピュータ３とは異なる。仮想現実空間情報格納部３１に格納された情報は仮想現実空間における気流の情報を含み、コンピュータ３の中央制御部３３は、前記仮想現実空間において前記位置検出手段によって検出された位置に対応する位置が気流に接触する接触状態であるか否かを判定し、接触状態と判定したときに、例えばファン駆動モータにかける電圧を制御することにより、装着部１１の位置に対応する仮想現実空間における位置の気流の強さに応じた強さの気流を送風手段に発生させる。
【００６１】
上記構成によれば、気流に接触した際の触力覚を呈示することができる。
【００６２】
なお、送風手段によって発生した気流の流路に電熱器を配置しコンピュータ３の中央制御部３３は仮想現実空間における温度に応じて電熱器に流す電流を制御する構成や、送風手段と通気項１３ｊとの間に通常の流路とは別に保冷材が配置された流路を設けてコンピュータ３の中央制御部３３の制御によって２つの流路を切換可能な構成を採用してもよい。この構成によれば、仮想現実空間における温度の変化を呈示することができる。
【００６３】
ここで、以上の実施形態１乃至５および参考例１乃至５において、図１４に示すように液晶ディスプレイのような画像表示部１６を装着部１１の手の甲側に設け、位置検出手段１２によって検出された位置と向きとに対応する仮想現実空間の画像を生成して画像表示部１６に表示させる画像生成部をコンピュータ３に設ける構成を採用してもよい。この構成によれば、画像表示手段としてスクリーンを用いる場合に、例えば画像表示部１６とスクリーンとが重なる部分における仮想現実空間の画像を画像表示部１６に表示させることによって装着体１を目立たなくすることができ、装着体１が視界に入ることによる現実感の減退を抑えることができる。さらに、画像表示部１６を画像表示手段２として用い、コンピュータ３をも装着体１と一体化することによって、人の手に装着される装着体１のみによって、視覚と触力覚とを融合した複合現実感を利用者に呈示することができる。また、参考例１乃至参考例３と本実施形態とにおいては、画像表示部１６を触力覚呈示部１３において手のひらに面する面に設けてもよい。この構成によれば、画像表示部１６とスクリーンとが重なる部分における仮想現実空間の画像を画像表示部１６に表示させることによって触力覚呈示部１３を目立たなくすることができ、触力覚呈示部１３が視界に入ることによる現実感の減退を抑えることができる。
【００６４】
また、実施形態１および実施形態２，実施形態４，実施形態５と参考例１乃至参考例５とにおいては、触力覚呈示部１３において手に接触する部位を透明な部材から形成してもよい。この構成によれば、触力覚呈示部１３を目立たなくすることができるから、触力覚呈示部１３が視界に入ることによる現実感の減退を抑えることができる。
【００６５】
【発明の効果】
請求項１の発明は、人の手に装着される装着部と、前記装着部の３次元の位置を検出する位置検出手段と、実空間における３次元の位置と仮想現実空間における３次元の位置とを対応させ前記仮想現実空間において前記位置検出手段によって検出された位置に対応する位置が所定の物体に接触する領域にある接触状態であるか否かを判定する判定手段と、前記装着部が装着された手に接触する位置と前記装着部が装着された手から離れる位置との間で移動可能な触力覚呈示部と、前記触力覚呈示部を駆動する駆動手段と、前記判定手段によって接触状態でないと判定されたときには前記触力覚呈示部が前記装着部が装着された手に接触せず前記判定手段によって接触状態であると判定されたときには前記触力覚呈示部が前記装着部が装着された手に接触するように前記駆動手段を制御する制御手段とを備え、前記装着部と前記触力覚呈示部と前記駆動手段とが一体に設けられているから、人体に装着されない装置によって触力覚を呈示する場合に比べて利用者の移動可能な領域を広くとることができ、画像表示手段として１つのスクリーンを用いて呈示される視覚と本発明による触力覚とを融合した複合現実感を複数の利用者に対して同時に提供することができる。また、装着部が装着された手に接触する位置と装着部が装着された手から離れる位置との間で移動可能な触力覚呈示部によって触力覚を呈示するから、ワイヤーを用いて触力覚を呈示する場合に比べて簡素な構成で触力覚を呈示することができる。また、前記触力覚呈示部は、柱状の接触部と、一端部において前記接触部を支持し他端部が前記装着部に軸支され前記装着部が装着された手のひらに前記接触部が接触する位置と前記装着部が装着された手のひらから前記接触部が離れる位置との間で回転可能な連結部とからなるので、例えばドアノブのような柱状の物体に接触した場合の触力覚を呈示することができる。
【００６６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記制御手段は、前記判定手段によって接触状態であると判定されたときに、前記仮想現実空間において前記位置検出手段によって検出された位置に対応する位置が受けるべき力の大きさに応じて前記駆動手段の力を制御するので、前記駆動手段が常に一定の力で駆動される場合に比べ、より現実感を増すことができる。
【００７０】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、複数の前記触力覚呈示部と、各触力覚呈示部にそれぞれ対応した複数の駆動手段とを備え、前記制御手段は、前記位置検出手段によって検出された位置に対応する前記仮想現実空間における位置が前記仮想現実空間において凹凸のある所定の物体に接触する領域であるときに、前記所定の物体の凸部に対応する位置の前記触力覚呈示部が前記装着部が装着された手に接触するように各駆動手段を個別に制御するので、仮想現実空間における物体の凹凸に応じた触力覚を呈示することができる。
【００７３】
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、接触部は連結部に沿った向きと連結部に交差する向きとの間で向きを変えることができるので、接触部の連結部に対する向きを変更することにより、装着部を装着した手のひらに対する向きの異なるドアノブのような柱状の物体に対応する触力覚をそれぞれ呈示することができる。
【００７６】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項の発明において、前記触力覚呈示部において少なくとも前記装着部が装着された手に接触する部位を振動させるバイブレータを備え、前記制御部は前記判定手段によって接触状態であると判定されたときに前記所定の物体の触感に応じて前記バイブレータを動作させるので、物体の触感を呈示することができる。
【００７７】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項３又は請求項５のいずれか１項の発明において、前記触力覚呈示部が透明な部材からなるので、触力覚呈示部が目立つことによる現実感の減退を抑えることができる。
【００７９】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか１項の発明において、手の甲を覆う形で装着部に保持され仮想現実空間の画像を表示する画像表示部を備えるので、例えば仮想現実空間の表示にスクリーンを用いた場合にはスクリーンの映像と重なる映像を画像表示部に表示することにより装着部や触力覚呈示部を目立たなくすることができ、装着部や触力覚呈示部が目立つことによる現実感の減退を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関連した参考例１を示す説明図である。
【図２】同上を手のひら側から見た状態を示す説明図である。
【図３】同上の構成を示すブロック図である。
【図４】同上の動作を示すフローチャート図である。
【図５】本発明に関連した参考例２を示す説明図である。
【図６】本発明に関連した参考例３を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態１を示す説明図である。
【図８】本発明の実施形態２を示す説明図である。
【図９】本発明に関連した参考例４を示す説明図である。
【図１０】本発明に関連した参考例５を示す説明図である。
【図１１】本発明の実施形態３を示す説明図であり、（ａ）は接触部が連結部に沿った位置にある状態を示し、（ｂ）は接触部が連結部に交差する位置にある状態を示す。
【図１２】本発明の実施形態４を示す説明図である。
【図１３】本発明の実施形態５を示す説明図である。
【図１４】本発明における装着部に画像表示部を設けた状態を示す説明図である。
【符号の説明】
２画像表示手段
１１装着部
１２位置検出手段
１３触力覚呈示部
１３ｃ接触部
１３ｄ連結部
１４駆動手段
１６画像表示部
３３中央制御部

Claims

画像表示手段によって物体の存在する３次元空間として表示された仮想現実空間における触力覚を呈示する触力覚呈示装置であって、
人の手に装着される装着部と、前記装着部の３次元の位置を検出する位置検出手段と、実空間における３次元の位置と仮想現実空間における３次元の位置とを対応させ前記仮想現実空間において前記位置検出手段によって検出された位置に対応する位置が所定の物体に接触する領域にある接触状態であるか否かを判定する判定手段と、前記装着部が装着された手に接触する位置と前記装着部が装着された手から離れる位置との間で移動可能な触力覚呈示部と、前記触力覚呈示部を駆動する駆動手段と、前記判定手段によって接触状態でないと判定されたときには前記触力覚呈示部が前記装着部が装着された手に接触せず前記判定手段によって接触状態であると判定されたときには前記触力覚呈示部が前記装着部が装着された手に接触するように前記駆動手段を制御する制御手段とを備え、前記装着部と前記触力覚呈示部と前記駆動手段とが一体に設けられていて、
前記触力覚呈示部は、柱状の接触部と、一端部において前記接触部を支持し他端部が前記装着部に軸支され前記装着部が装着された手のひらに前記接触部が接触する位置と前記装着部が装着された手のひらから前記接触部が離れる位置との間で回転可能な連結部とからなることを特徴とする触力覚呈示装置。
前記制御手段は、前記判定手段によって接触状態であると判定されたときに、前記仮想現実空間において前記位置検出手段によって検出された位置に対応する位置が受けるべき力の大きさに応じて前記駆動手段の力を制御することを特徴とする請求項１記載の触力覚呈示装置。
複数の前記触力覚呈示部と、各触力覚呈示部にそれぞれ対応した複数の駆動手段とを備え、前記制御手段は、前記位置検出手段によって検出された位置に対応する前記仮想現実空間における位置が前記仮想現実空間において凹凸のある所定の物体に接触する領域であるときに、前記所定の物体の凸部に対応する位置の前記触力覚呈示部が前記装着部が装着された手に接触するように各駆動手段を個別に制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の触力覚呈示装置。
前記接触部は前記連結部に沿った向きと前記連結部に交差する向きとの間で向きを変えることができることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の触力覚呈示装置。
前記触力覚呈示部において少なくとも前記装着部が装着された手に接触する部位を振動させるバイブレータを備え、前記制御部は前記判定手段によって接触状態であると判定されたときに前記所定の物体の触感に応じて前記バイブレータを動作させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の触力覚呈示装置。
前記触力覚呈示部は透明な部材からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３又は請求項５のいずれか１項に記載の触力覚呈示装置。
手の甲を覆う形で前記装着部に保持され前記仮想現実空間の画像を表示する画像表示部を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の触力覚呈示装置。