JP6469041B2 - Control signal estimation device, pseudo force generation device, waveform estimation device, control signal estimation method, waveform estimation method, and program - Google Patents
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Description
本発明は、擬似力覚を利用者に知覚させる技術に関する。 The present invention relates to a technique for making a user perceive a pseudo force sense.
時間非対称な矩形波の制御信号に基づいてリニアアクチュエータを制御し、牽引力錯覚などの擬似力覚を知覚させる擬似力覚発生装置が提案されている(例えば、非特許文献1等参照)。 There has been proposed a pseudo force sense generating device that controls a linear actuator based on a time-asymmetric rectangular wave control signal and perceives a pseudo force sense such as a traction illusion (see, for example, Non-Patent Document 1).
同じ矩形波の制御信号を用いても擬似力覚発生装置の構成や持ち方により、知覚される擬似力覚は大きく異なる。しかし、従来の擬似力覚発生装置では、擬似力覚を知覚させるために必要な制御信号の設計方法が限られており、それぞれの擬似力覚発生装置の構成や持ち方に適した制御信号を設定することが困難であった。 Even when the same rectangular wave control signal is used, the perceived pseudo force sense varies greatly depending on the configuration and holding method of the pseudo force sense generator. However, in the conventional pseudo force sense generator, the control signal design method necessary to perceive the pseudo force sense is limited, and control signals suitable for the configuration and way of holding of each pseudo force sense device are provided. It was difficult to set.
本発明の課題は、所望の擬似力覚を知覚させる目標応答波形パターンを得るための目標制御信号を推定することである。 An object of the present invention is to estimate a target control signal for obtaining a target response waveform pattern that perceives a desired pseudo force sensation.
制御信号波形に応じた周期的な非対称運動を行う運動部材と、非対称運動によって生じた力が与えられる把持部と、を有するモデル化対象の擬似力覚発生装置の力学特性モデル、および、把持部に接触する皮膚の力学特性モデル、を含む複数のモデルに基づいて得られる、把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する波形と制御信号波形との関係を表す制御対象の順ダイナミクスモデルに、制御信号波形として試行信号波形を適用して得られる、把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する推定波形と、目標となる把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する目標応答波形パターンとの誤差に基づいて試行信号波形を調整し、非対称運動を制御するための目標制御信号波形を得る。 A dynamic characteristic model of a pseudo force sensation generator to be modeled, which has a moving member that performs a periodic asymmetric motion according to a control signal waveform, and a gripper to which a force generated by the asymmetric motion is applied, and a gripper The relationship between the control signal waveform and the waveform corresponding to at least one of the position, velocity, acceleration, and force applied to the skin obtained based on a plurality of models including the skin dynamic characteristic model in contact with the skin An estimated waveform corresponding to at least one of the position, velocity, acceleration, and force applied to the skin obtained by applying the trial signal waveform as the control signal waveform to the forward dynamics model of the control target to be represented, and the target A trial signal waveform based on an error from a target response waveform pattern corresponding to at least one of the position, velocity, acceleration, and force applied to the skin Adjusted to obtain the target control signal waveform for controlling asymmetric movement.
上述のように本発明では、所望の擬似力覚を知覚させる目標応答波形パターンを得るための目標制御信号を推定できる。 As described above, in the present invention, it is possible to estimate a target control signal for obtaining a target response waveform pattern that perceives a desired pseudo force sense.
以下、本発明の実施形態を説明する。
[概要]
まず概要を説明する。
実施形態では、「制御信号波形」に応じた周期的な「非対称運動」を行う「運動部材」と、非対称運動によって生じた力が与えられる「把持部」と、を有する「擬似力覚発生装置」の力学特性モデル、および、「把持部」に接触する皮膚の力学特性モデル、を含む複数のモデルに基づいて得られる、「把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力(例えば、応力)の少なくとも何れかに対応する波形」と「制御信号波形」との関係を表す「制御対象の逆ダイナミクスモデル(例えば、皮膚に与える力に対応する波形が与えられると制御信号に応じた駆動信号を供給する「電気回路」の入力側電圧を求めるモデル)」に、目標となる「把持部」の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する「目標応答波形パターン」を適用し、「非対称運動」を制御するための「目標制御信号波形」を得る。「制御対象の逆ダイナミクスモデル」は少なくとも「擬似力覚発生装置の力学特性モデル」および「皮膚の力学特性モデル」の両方を考慮したモデルである。そのため、様々な「擬似力覚発生装置」の構成および持ち方で所望の「目標応答波形パターン」を実現するために必要な「目標制御信号波形」を容易に得ることができる。これにより、「擬似力覚発生装置」の構成やその持ち方にかかわらず、所望の「目標応答波形パターン」を実現できる。また「制御対象の逆ダイナミクスモデル」を事前に求めておくことができるため、入力された所望の「目標応答波形パターン」に対してリアルタイムに「目標制御信号波形」を得ることができる。なお「モデル」とは複数の値の関係を表す数式を意味する。また「把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れか」は、これらの何れか一つであってもよいし、これらの何れか複数であってもよい。「把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する波形」は、「把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れか」の時間波形であってもよいし、その関数値の時間波形であってもよい。「制御信号波形」は、制御信号に応じた波形を意味する。例えば、「制御信号波形」は、制御信号そのものであってもよいし、制御信号に応じた駆動信号を供給する「電気回路」の入力側電圧であってもよいし、出力側電圧(駆動電圧)であってもよいし、入力電流であってもよいし、出力電流(駆動電流)であってもよい。「目標制御信号波形」は、目的の制御信号に応じた波形を意味する。「目標制御信号波形」の例は、電圧の時間波形や電流の時間波形などである。なお、ある物理量の時間波形とは、各時間での物理量からなる波形を意味する。
Embodiments of the present invention will be described below.
[Overview]
First, an outline will be described.
In the embodiment, a “pseudo force sense generator” having a “motion member” that performs periodic “asymmetric motion” according to a “control signal waveform” and a “gripping portion” to which a force generated by the asymmetric motion is applied Obtained from a plurality of models including a model of mechanical properties of the skin and a model of mechanical properties of the skin in contact with the “gripping unit”. “Waveform corresponding to at least one of stress” and “control signal waveform”, “reverse dynamics model to be controlled (for example, driving according to control signal when waveform corresponding to force applied to skin is given) "Model for obtaining the input side voltage of the" electric circuit "that supplies the signal)" to the "target response" corresponding to at least one of the position, speed, acceleration, and force applied to the skin Applying the waveform pattern ", obtain a" target control signal waveform "for controlling the" asymmetric movement ". The “inverse dynamics model to be controlled” is a model that considers at least both the “mechanical characteristic model of the pseudo force generation device” and the “mechanical characteristic model of the skin”. Therefore, a “target control signal waveform” necessary for realizing a desired “target response waveform pattern” can be easily obtained with various configurations and ways of holding the “pseudo force sense generator”. This makes it possible to realize a desired “target response waveform pattern” regardless of the configuration of the “pseudo force sense generator” and how it is held. In addition, since the “inverse dynamics model to be controlled” can be obtained in advance, the “target control signal waveform” can be obtained in real time with respect to the input “target response waveform pattern”. The “model” means a mathematical expression that represents a relationship between a plurality of values. In addition, “at least one of the position, speed, acceleration, and force applied to the skin of the grip portion” may be any one of these, or any one of them. The “waveform corresponding to at least one of the position, velocity, acceleration and the force applied to the skin of the grip portion” is a time waveform of “at least one of the position, velocity, acceleration and the force applied to the skin of the grip portion”. There may be a time waveform of the function value. “Control signal waveform” means a waveform corresponding to a control signal. For example, the “control signal waveform” may be the control signal itself, the input side voltage of the “electric circuit” that supplies a drive signal corresponding to the control signal, or the output side voltage (drive voltage). ), An input current, or an output current (drive current). “Target control signal waveform” means a waveform corresponding to a target control signal. Examples of the “target control signal waveform” include a voltage time waveform and a current time waveform. The time waveform of a certain physical quantity means a waveform made up of physical quantities at each time.
「制御対象の逆ダイナミクスモデル」は、「擬似力覚発生装置の力学特性モデル」および「皮膚の力学特性モデル」に基づいて得られるモデルであってもよいし、「擬似力覚発生装置の力学特性モデル」、「皮膚の力学特性モデル」、および制御信号波形と「擬似力覚発生装置」に駆動信号を供給する電気回路の出力との関係を表す「電気回路特性モデル」に基づいて得られるモデルであってもよい。後者のように「電気回路特性モデル」を考慮することで、「擬似力覚発生装置」に駆動信号を供給する電気回路の構成に応じて適切な「目標制御信号波形」を得ることができ、様々な「擬似力覚発生装置」の構成および持ち方ならびに「電気回路」で所望の「目標応答波形パターン」を実現するために必要な「目標制御信号波形」を容易に得ることができる。「制御対象の逆ダイナミクスモデル」の例は、「制御信号波形」に対し、「把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する波形」を得る数式モデルの逆関数(逆写像)あるいは近似逆関数である。なお「制御対象の逆ダイナミクスモデル」によって表される「把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する波形」は、「目標応答波形パターン」に対応する波形と同種である。例えば、「制御対象の逆ダイナミクスモデル」が「把持部の位置」と「制御信号波形」との関係を表す場合、「目標応答波形パターン」に対応する波形は「把持部の位置」を表す波形(各時間での位置を表す波形)である。例えば、「制御対象の逆ダイナミクスモデル」が「把持部の速度」と「制御信号波形」との関係を表す場合、「目標応答波形パターン」に対応する波形は「把持部の速度」を表す波形(各時間での速度を表す波形)である。例えば、「制御対象の逆ダイナミクスモデル」が「皮膚に与える力」と「制御信号波形」との関係を表す場合、「目標応答波形パターン」に対応する波形は「皮膚に与える力」を表す波形(各時間での皮膚に与える力を表す波形)である。 The “inverse dynamics model to be controlled” may be a model obtained based on the “mechanical characteristic model of the pseudo force sense generator” and the “mechanical characteristic model of the skin”, or the “dynamics of the pseudo force sense generator”. Obtained based on the “characteristic model”, “skin dynamic characteristic model”, and “electric circuit characteristic model” representing the relationship between the control signal waveform and the output of the electric circuit that supplies the drive signal to the “pseudo force sense generator” It may be a model. By considering the “electric circuit characteristic model” like the latter, an appropriate “target control signal waveform” can be obtained according to the configuration of the electric circuit that supplies the drive signal to the “pseudo force sense generator”, It is possible to easily obtain a “target control signal waveform” necessary for realizing a desired “target response waveform pattern” with various “pseudo force sense generator” configurations and holding methods and “electric circuits”. An example of the “inverse dynamics model to be controlled” is the inverse of the mathematical model that obtains “a waveform corresponding to at least one of the position, velocity, acceleration, and force applied to the skin” with respect to the “control signal waveform”. Function (inverse mapping) or approximate inverse function. The “waveform corresponding to at least one of the position, velocity, acceleration, and force applied to the skin” represented by the “inverse dynamics model to be controlled” is the waveform corresponding to the “target response waveform pattern”. It is the same kind. For example, when the “reverse dynamics model to be controlled” represents the relationship between the “position of the gripper” and the “control signal waveform”, the waveform corresponding to the “target response waveform pattern” represents the waveform indicating the “position of the gripper” (Waveform representing position at each time). For example, when the “reverse dynamics model to be controlled” represents the relationship between the “gripping part speed” and the “control signal waveform”, the waveform corresponding to the “target response waveform pattern” represents the waveform representing the “gripping part speed”. (Waveform representing the speed at each time). For example, when the “reverse dynamics model to be controlled” represents the relationship between “force applied to the skin” and “control signal waveform”, the waveform corresponding to the “target response waveform pattern” represents the waveform representing “force applied to the skin”. (A waveform representing the force applied to the skin at each time).
例えば「擬似力覚発生装置」は、「把持部」と、「把持部」に対する相対位置が固定された「支持部」と、「支持部」に支持された「弾性体」と、「弾性体」に支持され、「支持部」に対して周期的な非対称運動を行う「運動部材」と、制御信号波形(例えば、前述の「電気回路」の出力電流または出力側電圧)に応じた力を「運動部材」に与えるコイルとを有する。この場合の「擬似力覚発生装置の力学系モデル」の例は、「コイル」によって「運動部材」および「把持部」に与えられる力と、「把持部」に対応する位置,速度,および加速度と、「運動部材」に対応する位置,速度,および加速度と、の関係をモデル化した数式である。「皮膚の力学系モデル」の例は、「把持部」に対応する位置および速度と、皮膚に与える力との関係をモデル化した数式である。 For example, the “pseudo force sense generating device” includes a “gripping part”, a “support part” whose relative position to the “gripping part” is fixed, an “elastic body” supported by the “support part”, and an “elastic body” ”And a“ motion member ”that performs a periodic asymmetric motion with respect to the“ support portion ”, and a force corresponding to the control signal waveform (for example, the output current or the output side voltage of the aforementioned“ electric circuit ”). And a coil provided to the “motion member”. In this case, an example of the “dynamic model of the pseudo force generation device” is the force applied to the “movement member” and the “gripping part” by the “coil”, and the position, velocity, and acceleration corresponding to the “gripping part”. And a mathematical expression that models the relationship between the position, velocity, and acceleration corresponding to the “movement member”. An example of the “skin dynamic system model” is a mathematical expression that models the relationship between the position and speed corresponding to the “grip” and the force applied to the skin.
「目標応答波形パターン」は、例えば「第1の時間区間」では、向きが所定方向(第1の方向)であって絶対値が第1の閾値以上である力を表し、「第1の時間区間」と異なる「第2の時間区間」では、向きが所定方向の反対方向(第2の方向)であって絶対値が第1の閾値以内(例えば、第1の閾値未満)である力を表す。「第1の時間区間」は「第2の時間区間」よりも短い。すなわち、「第1の時間区間」での力の波形と「第2の時間区間」での力または加速度の波形とが非対称である。このような「目標応答波形パターン」により、明確な擬似力覚を呈示できる。ここで、「第1の閾値」は人が知覚できる大きさの力の下限値の絶対値であることが望ましい(なお、知覚できる力の大きさには個人差があるため、一般的な下限値を予め求めておき、その値を用いることとしても良い)。「第2の時間区間」での力は「第1の閾値」以内の「第1の閾値」近傍であることが望ましい。「第1の時間区間」での力の絶対値の最大値が「第2の時間区間」での力の絶対値の最大値よりも大きくてもよいし、例えば「第1の時間区間」での力の絶対値の極大値が「第2の時間区間」での力の絶対値の極大値よりも大きくてもよい。特に「目標応答波形パターン」が周期的であり、その1周期が「第1の時間区間」とその「第1の時間区間」に続く「第2の時間区間」とからなることが望ましい。言い換えると、「目標応答波形パターン」の1周期が「第1の時間区間」および「第2の時間区間」の2つの時間区間のみからなることが望ましい。1周期に含まれる「第1の時間区間」は連続した時間区間である。同様に1周期に含まれる「第2の時間区間」は連続した時間区間である。これにより、より明確な擬似力覚を呈示できる。より好ましくは、「目標応答波形パターン」が非対称な矩形波形パターン(時間非対称方形波)または非対称な略矩形波形パターンであることが望ましい。これにより、さらに明確な擬似力覚を呈示できる。なお「擬似力覚」とは、実際には物体(擬似力覚発生装置)が一方向への持続的並進運動をしていないにも関わらず、あたかも並進方向へ動きそうな力が働いているように感じる知覚をいう。なお、擬似力覚の原理については、非特許文献1や参考文献1「特許第4551448号公報」などに開示されている。すなわち、ある質量をもった物体の並進運動を考える。この並進運動は、擬似力覚を提示したい方向へ大きな加速度で短時間で移動し、逆の方向へは小さな加速度で長時間で移動する、偏加速度(非対称な加速度)をもった周期運動であるものとする。この場合、この物体を含む系を把持している利用者は、この提示方向への擬似力覚を知覚する。これは、人間の知覚特性を利用したものであり、把持動作に関わる固有感覚と触覚によって発生する現象である。なお、擬似力覚を提示するにあたって、ある質量をもった物体の運動パターンは“非対称な加速度”に限定されるものではなく、皮膚に与える力が非対称な力のパターンであるような動きであれば良い。さらに、第1の時間区間用の第1の閾値(人が知覚できる大きさの下限値か、それよりも大きな力を示す値)と、第2の時間区間用の第2の閾値(人が知覚できる力の大きさの下限値か、それよりも小さな力を示す値)を個別に設定することとしても良い。 The “target response waveform pattern” represents, for example, a force whose direction is a predetermined direction (first direction) and whose absolute value is greater than or equal to a first threshold in the “first time interval”. In a “second time interval” different from the “interval”, a force whose direction is the direction opposite to the predetermined direction (second direction) and whose absolute value is within the first threshold (for example, less than the first threshold). Represent. The “first time interval” is shorter than the “second time interval”. That is, the force waveform in the “first time interval” and the force or acceleration waveform in the “second time interval” are asymmetric. Such a “target response waveform pattern” can present a clear pseudo force sense. Here, the “first threshold value” is preferably an absolute value of a lower limit value of a force that can be perceived by a person (note that there is an individual difference in the magnitude of a force that can be perceived, so a general lower limit value). It is also possible to obtain a value in advance and use that value). The force in the “second time interval” is preferably in the vicinity of the “first threshold value” within the “first threshold value”. The maximum absolute value of the force in the “first time interval” may be larger than the maximum absolute value of the force in the “second time interval”. For example, in the “first time interval” The maximum value of the absolute value of the force may be larger than the maximum value of the absolute value of the force in the “second time interval”. In particular, it is desirable that the “target response waveform pattern” is periodic, and that one period consists of a “first time interval” and a “second time interval” following the “first time interval”. In other words, it is desirable that one period of the “target response waveform pattern” is composed of only two time intervals of “first time interval” and “second time interval”. The “first time interval” included in one cycle is a continuous time interval. Similarly, the “second time interval” included in one cycle is a continuous time interval. Thereby, a clearer pseudo force sense can be presented. More preferably, the “target response waveform pattern” is an asymmetric rectangular waveform pattern (time asymmetric square wave) or an asymmetrical substantially rectangular waveform pattern. Thereby, a clearer haptic sense can be presented. In addition, “pseudo force sensation” means that a force that seems to move in the translational direction works even though the object (pseudo force sensation generator) does not actually perform a continuous translational movement in one direction. Perception that feels like this. The principle of the pseudo force sense is disclosed in Non-Patent Document 1, Reference Document 1, “Patent No. 4551448”, and the like. That is, consider the translational motion of an object with a certain mass. This translational motion is a periodic motion with partial acceleration (asymmetrical acceleration) that moves in a short time with a large acceleration in the direction in which the pseudo force sense is to be presented, and moves in a long time with a small acceleration in the opposite direction. Shall. In this case, the user holding the system including the object perceives a pseudo force sense in the presenting direction. This utilizes human perceptual characteristics, and is a phenomenon that occurs due to a peculiar sensation and a tactile sensation related to a gripping action. When presenting a pseudo force sense, the motion pattern of an object with a certain mass is not limited to “asymmetric acceleration”, but may be a motion in which the force applied to the skin is an asymmetric force pattern. It ’s fine. Furthermore, a first threshold value for the first time interval (a lower limit value of a size that can be perceived by a person or a value indicating a larger force) and a second threshold value for the second time interval (a person's It is also possible to individually set a lower limit value of the perceivable force magnitude or a value indicating a smaller force).
上述の「目標制御信号波形」を制御信号波形として「擬似力覚発生装置」を駆動し、その「運動部材」がその制御信号波形(目標制御信号波形)に応じた周期的な「非対称運動」を行うことで、その「把持部」の位置、速度、加速度、ならびに「把持部」に接触する皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する「目標応答波形パターン」またはその近似応答波形パターンを実現できる。その結果、「把持部」に接触した皮膚に、明確な擬似力覚を知覚させることができる。例えば、「擬似力覚発生装置」が「把持部」と、「把持部」に対する相対位置が固定された「支持部」と、「支持部」に支持された「弾性体」と、「弾性体」に支持され、「支持部」に対して周期的な「非対称運動」を行う「運動部材」と、制御信号波形に応じた力を「運動部材」に与えるコイルとを有し、「非対称運動」に基づいた「力」が把持部に接触した皮膚に与えられる。この「力」の波形は周期的であり、「力」の波形の1周期が「第1の時間区間」と「第1の時間区間」に続く「第2の時間区間」とからなる。「第1の時間区間」での「力」の向きが「第1の方向」であり、「第2の時間区間」での「力」の向きが「第1の方向」と反対方向の「第2の方向」であり、「第1の時間区間」での力の波形と「第2の時間区間」での力の波形とが非対称である。これにより「把持部」に接触した皮膚に、明確な擬似力覚を知覚させることができる。 The above-mentioned “target control signal waveform” is used as a control signal waveform to drive the “pseudo force sense generator”, and the “motion member” is a periodic “asymmetric motion” corresponding to the control signal waveform (target control signal waveform). To achieve the “target response waveform pattern” or its approximate response waveform pattern corresponding to at least one of the position, speed, acceleration of the “grip” and the force applied to the skin that touches the “grip” it can. As a result, it is possible to make the skin in contact with the “gripping part” perceive a clear simulated force sense. For example, the “pseudo force sense generating device” has a “gripping part”, a “support part” whose relative position to the “gripping part” is fixed, an “elastic body” supported by the “support part”, and an “elastic body” ”And a“ motion member ”that periodically performs“ asymmetric motion ”with respect to the“ support portion ”, and a coil that applies a force corresponding to the control signal waveform to the“ motion member ”. "Force" based on "is applied to the skin in contact with the grasping portion. This “force” waveform is periodic, and one cycle of the “force” waveform is composed of a “first time interval” and a “second time interval” following the “first time interval”. The direction of “force” in “first time interval” is “first direction”, and the direction of “force” in “second time interval” is “direction opposite to“ first direction ”. “Second direction”, and the force waveform in the “first time interval” and the force waveform in the “second time interval” are asymmetric. As a result, the skin in contact with the “grip” can be made to perceive a clear simulated force sense.
上述した「擬似力覚発生装置の力学特性モデル」、および、「皮膚の力学特性モデル」、を含む複数のモデルに基づいて得られる、「把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する波形」と「制御信号波形」との関係を表す「制御対象の順ダイナミクスモデル」に、「制御信号波形」として「目標制御信号波形」を適用してもよい。これにより、「目標制御信号波形」で「運動部材」の非対称運動を制御した場合における、「把持部」の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する応答波形を推定できる。「制御対象の順ダイナミクスモデル」の例は、「制御信号波形」に対し、「把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する波形」を得る数式モデルである。「制御対象の順ダイナミクスモデル」は、「擬似力覚発生装置の力学特性モデル」および「皮膚の力学特性モデル」に基づいて得られるモデルであってもよいし、「擬似力覚発生装置の力学特性モデル」、「皮膚の力学特性モデル」、および制御信号波形と前述の「電気回路」の出力との関係を表す「電気回路特性モデル」に基づいて得られるモデルであってもよい。 "Grip position, velocity, acceleration, and force applied to the skin, obtained based on a plurality of models including the above-described" dynamic characteristic model of the pseudo force sense generator "and" skin dynamic characteristic model " The “target control signal waveform” may be applied as the “control signal waveform” to the “forward dynamics model to be controlled” representing the relationship between the “waveform corresponding to at least one of” and the “control signal waveform”. As a result, a response waveform corresponding to at least one of the position, speed, acceleration, and force applied to the skin when the asymmetric motion of the “movement member” is controlled by the “target control signal waveform” is estimated. it can. An example of “a forward dynamics model of a control target” is a mathematical model that obtains “a waveform corresponding to at least one of the position, velocity, acceleration, and force applied to the skin” with respect to the “control signal waveform”. . The “forward dynamics model of the control target” may be a model obtained based on the “dynamic characteristic model of the pseudo force sense generator” and the “mechanical characteristic model of the skin”, or the “dynamics of the pseudo force sense generator”. It may be a model obtained on the basis of “characteristic model”, “skin dynamic characteristic model”, and “electric circuit characteristic model” representing the relationship between the control signal waveform and the output of the above “electric circuit”.
上述の「制御対象の順ダイナミクスモデル」に「制御信号波形」として「試行信号波形」を適用して得られる、把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する「推定波形」と、目標となる把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する「目標応答波形パターン」との「誤差」に基づいて「試行信号波形」を調整し、非対称運動を制御するための「目標制御信号波形」を得てもよい。すなわち、このような調整後の「試行信号波形」を「目標制御信号波形」としてもよい。「誤差」が最小になるように「試行信号波形」を調整してもよいし、「誤差」が小さくなるように「試行信号波形」を調整してもよい。この方法でも様々な「擬似力覚発生装置」の構成および持ち方で所望の「目標応答波形パターン」を実現するために必要な「目標制御信号波形」を容易に得ることができる。その結果、「擬似力覚発生装置」の構成やその持ち方にかかわらず、所望の「目標応答波形パターン」を実現できる。また、「把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する波形」と「制御信号波形」の関係が非線形である場合、「制御対象の順ダイナミクスモデル」から「制御対象の逆ダイナミクスモデル」を得ることは困難な場合がある。一方、「推定波形」と「目標応答波形パターン」との誤差が最小になるように調整して「目標制御信号波形」を求める方法では、上述の関係が非線形であったとしても、その非線形特性をも反映させ、この非線形特性を考慮した「目標制御信号波形」を得ることができる。 It corresponds to at least one of the position, velocity, acceleration, and force applied to the skin obtained by applying the “trial signal waveform” as the “control signal waveform” to the “forward dynamic model of the control target” described above. Based on the “error” between the “estimated waveform” and the “target response waveform pattern” corresponding to at least one of the position, velocity, acceleration, and the force applied to the skin, the “trial signal waveform” The “target control signal waveform” for adjusting and controlling the asymmetric motion may be obtained. In other words, the “trial signal waveform” after such adjustment may be set as the “target control signal waveform”. The “trial signal waveform” may be adjusted so that the “error” is minimized, or the “trial signal waveform” may be adjusted so that the “error” is small. Even with this method, it is possible to easily obtain a “target control signal waveform” necessary for realizing a desired “target response waveform pattern” with various configurations and ways of holding “pseudo force sense generators”. As a result, a desired “target response waveform pattern” can be realized regardless of the configuration of the “pseudo force sensation generator” and how it is held. In addition, when the relationship between the “waveform corresponding to at least one of the position, velocity, acceleration, and force applied to the skin and the waveform of the control signal” and the “control signal waveform” is non-linear, “from the forward dynamics model of the control target” to “ It may be difficult to obtain an “inverse dynamics model of the controlled object”. On the other hand, in the method of obtaining the “target control signal waveform” by adjusting so that the error between the “estimated waveform” and the “target response waveform pattern” is minimized, even if the above relationship is nonlinear, the nonlinear characteristic Thus, a “target control signal waveform” that takes this nonlinear characteristic into consideration can be obtained.
「制御対象の逆ダイナミクスモデル」または「制御対象の順ダイナミクスモデル」でモデル化された「擬似力覚発生装置」と、「制御対象の逆ダイナミクスモデル」または「制御対象の順ダイナミクスモデル」が用いられて「目標制御信号波形」が生成される「擬似力覚発生装置」とは同一であってもよいし(すなわち、制御対象の実機である擬似力覚発生装置の力学特性のパラメータを用いて「制御対象の逆ダイナミクスモデル」または「制御対象の順ダイナミクスモデル」が得られてもよいし)、同一でなくてもよい(実機以外の擬似力覚発生装置の力学特性のパラメータを用いてこれらのモデルが得られてもよい)。前者の場合には所望の「目標応答波形パターン」に対してより正確な「目標制御信号波形」を得ることができる。後者の場合には、モデル化された「擬似力覚発生装置」と同一または類似する構成を持つ「擬似力覚発生装置」の「目標制御信号波形」を求めるために利用でき、「目標制御信号波形」の汎用性が高い。すなわち、得られた「目標制御信号波形」を、「制御対象の逆ダイナミクスモデル」または「制御対象の順ダイナミクスモデル」のパラメータを得た「擬似力覚発生装置」以外の「擬似力覚発生装置」に対して適用できる。 Used by the “pseudo force generation device” modeled by the “reverse dynamics model of the control target” or “forward dynamics model of the control target” and the “reverse dynamics model of the control target” or “the forward dynamics model of the control target” The “pseudo force sensation generator” that generates the “target control signal waveform” may be the same (that is, using the parameters of the mechanical characteristics of the pseudo force sensation generator that is the actual machine to be controlled). “An inverse dynamics model of the controlled object” or “a forward dynamics model of the controlled object” may be obtained, or may not be the same (the parameters of the dynamic characteristics of the pseudo force sense generator other than the actual machine are used). Model may be obtained). In the former case, a more accurate “target control signal waveform” can be obtained with respect to a desired “target response waveform pattern”. In the latter case, it can be used to obtain the “target control signal waveform” of the “pseudo force sense generator” having the same or similar configuration as the modeled “pseudo force sense generator”. "Waveform" is highly versatile. That is, the obtained “target control signal waveform” is converted into a “pseudo force sensation generator” other than the “pseudo force sense generator” obtained from the parameters of the “reverse dynamics model to be controlled” or the “forward dynamics model to be controlled”. Can be applied.
上述のように得られる「目標制御信号波形」を用い、「第1の皮膚」に直接的または間接的に支持される「ベース機構」と、当該「ベース機構」に対して「目標制御信号波形」に応じた周期的な非対称運動を行い、直接的または間接的に接触した「第2の皮膚」に非対称運動に基づく力を与える「接触機構」と、を有する「擬似力覚発生装置」を駆動させてもよい。ただし、「接触機構」の質量は「ベース機構」の質量よりも小さい、または、「接触機構」の質量が「ベース機構」の質量と「ベース機構」に取り付けられる機構の質量との合計よりも小さい。このような構成では、「擬似力覚発生装置」全体の質量が大きい場合でも、「ベース機構」または「ベース機構」とそれに取り付けられる機構に対して、「接触機構」の質量は小さいため、「接触機構」から皮膚に十分な大きさの力が伝達される。これにより、「接触機構」の非対称運動のストロークが従来方式の「擬似力覚発生装置」のリニアアクチュエータと同じであっても、より明確に力覚を呈示できる。あるいは、「接触機構」の非対称運動のストロークが従来よりも小さくても、従来方式と同程度の力覚を呈示できる。すなわち、このような構成では、従来よりも効率的に力覚を呈示できる。好ましくは、「接触機構」の質量が、零よりも大きく、「ベース機構」の質量の三分の一以下であることが望ましい。これにより、より効率的に力覚を呈示できる。 Using the “target control signal waveform” obtained as described above, the “base mechanism” supported directly or indirectly by the “first skin”, and the “target control signal waveform” with respect to the “base mechanism” A “pseudo force sensation generator” having a “contact mechanism” that applies a force based on the asymmetric motion to the “second skin” that directly or indirectly contacts the second skin It may be driven. However, the mass of the “contact mechanism” is smaller than the mass of the “base mechanism”, or the mass of the “contact mechanism” is less than the sum of the mass of the “base mechanism” and the mass of the mechanism attached to the “base mechanism”. small. In such a configuration, even when the mass of the “pseudo force generation device” as a whole is large, the mass of the “contact mechanism” is small relative to the “base mechanism” or “base mechanism” and the mechanism attached thereto. A sufficiently large force is transmitted from the “contact mechanism” to the skin. Thereby, even if the stroke of the asymmetrical motion of the “contact mechanism” is the same as that of the linear actuator of the “pseudo force sense generator” of the conventional method, a force sense can be presented more clearly. Alternatively, even if the stroke of the asymmetric motion of the “contact mechanism” is smaller than that of the conventional one, it is possible to present a force sense similar to that of the conventional method. That is, with such a configuration, a force sense can be presented more efficiently than in the past. Preferably, the mass of the “contact mechanism” is larger than zero and is not more than one third of the mass of the “base mechanism”. Thereby, a force sense can be presented more efficiently.
このような構成の「目標制御信号波形」は、「第2ベース機構」と、「第2ベース機構」に対して制御信号波形に応じた周期的な「第2非対称運動」を行う「第2接触機構」と、を有する「第2擬似力覚発生装置」の力学特性モデル、および、「第2接触機構」に接触する皮膚の力学特性モデル、を含む複数のモデルに基づいて得られる、「第2接触機構」の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する波形と制御信号波形との関係を表す制御対象の逆ダイナミクスモデルに、目標となる「第2接触機構」の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する「目標応答波形パターン」を適用して得られる波形である。好ましくは、「制御対象の逆ダイナミクスモデル」は、「第2擬似力覚発生装置」の力学特性モデル、皮膚の力学特性モデル、および制御信号波形と「第2擬似力覚発生装置」に駆動信号を供給する電気回路の出力との関係を表す「電気回路特性モデル」に基づいて得られるものであることが望ましい。あるいは「目標制御信号波形」が、「第2ベース機構」と、「第2ベース機構」に対して制御信号波形に応じた周期的な「第2非対称運動」を行う「第2接触機構」と、を有する「第2擬似力覚発生装置」の力学特性モデル、および、「第2接触機構」に接触する皮膚の力学特性モデル、を含む複数のモデルに基づいて得られる、「第2接触機構」の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する波形と制御信号波形との関係を表す制御対象の順ダイナミクスモデルに、制御信号波形として試行信号波形を適用して得られる、「第2接触機構」の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する推定波形と、目標となる「第2接触機構」の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する「目標応答波形パターン」との誤差に基づいて試行信号波形を調整して得られる波形であってもよい。好ましくは、「制御対象の順ダイナミクスモデル」は、「第2擬似力覚発生装置」の力学特性モデル、皮膚の力学特性モデル、および制御信号波形と「第2擬似力覚発生装置」に駆動信号を供給する電気回路の出力との関係を表す「電気回路特性モデル」に基づいて得られるものであることが望ましい。「第2擬似力覚発生装置」は、例えば「目標制御信号波形」によって駆動される「擬似力覚発生装置」そのものであり、「第2ベース機構」が「ベース機構」、「第2接触機構」が「接触機構」、「第2非対称運動」が「非対称運動」であってもよいし、その他の「擬似力覚発生装置」であってもよい。「第2ベース機構」が「ベース機構」でなくとも、「第2ベース機構」の質量と「ベース機構」の質量の差が、「ベース機構」もしくは「第2ベース機構」の質量の1割程度以下であれば良い。また、「第2接触機構」が「接触機構」でなくとも、「第2接触機構」の質量と「接触機構」の質量の差が、「接触機構」もしくは「第2接触機構」の質量の1割程度以下であれば良い。 The “target control signal waveform” having such a configuration is the “second base mechanism” and the “second base mechanism” that performs “second asymmetric motion” periodically according to the control signal waveform. Obtained based on a plurality of models including a mechanical characteristic model of a “second pseudo force generation device” having a “contact mechanism” and a mechanical characteristic model of skin contacting the “second contact mechanism”. The target “second contact mechanism” is added to the inverse dynamics model of the control target representing the relationship between the waveform corresponding to at least one of the position, velocity, acceleration, and force applied to the skin and the control signal waveform. ”Is a waveform obtained by applying a“ target response waveform pattern ”corresponding to at least one of position, velocity, acceleration, and force applied to the skin. Preferably, the “inverse dynamics model to be controlled” includes the dynamic characteristic model of the “second pseudo force generation device”, the dynamic characteristic model of the skin, and the control signal waveform and the drive signal to the “second pseudo force generation device”. It is desirable to be obtained on the basis of an “electric circuit characteristic model” that represents the relationship with the output of the electric circuit that supplies the voltage. Alternatively, the “target control signal waveform” includes “second base mechanism” and “second contact mechanism” that performs “second asymmetric motion” periodically according to the control signal waveform with respect to “second base mechanism”. The second characteristic mechanism is obtained on the basis of a plurality of models including a dynamic characteristic model of the “second pseudo force generation device” having the above and a dynamic characteristic model of the skin in contact with the “second contact mechanism”. Obtained by applying the trial signal waveform as the control signal waveform to the forward dynamics model of the controlled object that represents the relationship between the waveform corresponding to at least one of the position, velocity, acceleration, and force applied to the skin and the control signal waveform. And the estimated waveform corresponding to at least one of the position, velocity, acceleration and force applied to the skin, and the position, velocity, acceleration, and skin of the target “second contact mechanism”. Give Force may be a waveform obtained by adjusting a trial signal waveform based on an error between the "target response waveform pattern" corresponding to at least one. Preferably, the “forward dynamics model to be controlled” includes the dynamic characteristic model of the “second pseudo force generation device”, the dynamic characteristic model of the skin, and the control signal waveform and the drive signal to the “second pseudo force generation device”. It is desirable to be obtained on the basis of an “electric circuit characteristic model” that represents the relationship with the output of the electric circuit that supplies the voltage. The “second pseudo force generation device” is, for example, the “pseudo force sense generation device” itself driven by the “target control signal waveform”, and the “second base mechanism” is the “base mechanism” and the “second contact mechanism”. "Contact mechanism", "second asymmetric motion" may be "asymmetric motion", or other "pseudo force sense generator". Even if “second base mechanism” is not “base mechanism”, the difference between the mass of “second base mechanism” and the mass of “base mechanism” is 10% of the mass of “base mechanism” or “second base mechanism”. It may be less than or equal to the degree. Even if the “second contact mechanism” is not the “contact mechanism”, the difference between the mass of the “second contact mechanism” and the mass of the “contact mechanism” is equal to the mass of the “contact mechanism” or the “second contact mechanism”. What is necessary is just about 10% or less.
「周期的な非対称運動」は「接触機構」から皮膚に与えた力によって擬似的な力覚を知覚させるための振動であり、「所定方向」の振動の時系列波形と当該「所定方向」と反対方向の振動の時系列波形とが非対称な振動を意味する。「周期的な非対称運動」の例は、非対称振動である。「周期的な非対称運動」の例は、「非対称振動」である。「非対称振動」は、例えば、「ベース機構」に対する「接触機構」の「所定方向」の「物理量」の時系列波形と当該「ベース機構」に対する「接触機構」の「所定方向」と反対方向の「物理量」の時系列波形とが非対称となるような「接触機構」の振動である。「物理量」の例は、「ベース機構」に対する「接触機構」の加速度、速度、もしくは位置、「接触機構」が「ベース機構」に与える力、「接触機構」から皮膚に与えられる力、または「接触部」の加速度、速度、もしくは位置などである。 The “periodic asymmetric motion” is a vibration for causing a pseudo force sense to be perceived by the force applied to the skin from the “contact mechanism”, and the time-series waveform of the vibration in the “predetermined direction” This means a vibration that is asymmetric with the time-series waveform of vibration in the opposite direction. An example of “periodic asymmetric motion” is asymmetric vibration. An example of “periodic asymmetric motion” is “asymmetric vibration”. “Asymmetric vibration” is, for example, a time-series waveform of “physical quantity” of “predetermined direction” of “contact mechanism” with respect to “base mechanism” and a direction opposite to “predetermined direction” of “contact mechanism” with respect to “base mechanism”. The vibration of the “contact mechanism” is asymmetric with the time-series waveform of “physical quantity”. Examples of “physical quantities” include acceleration, speed, or position of the “contact mechanism” relative to the “base mechanism”, the force that the “contact mechanism” applies to the “base mechanism”, the force that is applied to the skin from the “contact mechanism”, or “ Acceleration, speed, or position of the “contact portion”.
「ベース機構」が「第1の皮膚」に直接的または間接的に支持され、「接触機構」が直接的または間接的に接触した「第2の皮膚」に非対称運動に基づく力を与える構成の場合、「非対称運動」が「目標制御信号波形」および「バイアス成分」に応じた「非対称振動」であってもよい。この「バイアス成分」は、「非対称振動」の振動中心を制御する成分であり、例えば「非対称振動」による擬似的な力覚の呈示方向に振動中心を移動させる成分である。 The “base mechanism” is directly or indirectly supported by the “first skin”, and the “contact mechanism” applies a force based on asymmetric motion to the “second skin” in direct or indirect contact. In this case, the “asymmetric motion” may be “asymmetric vibration” corresponding to the “target control signal waveform” and the “bias component”. The “bias component” is a component that controls the vibration center of “asymmetric vibration”, and is a component that moves the vibration center in the direction in which a pseudo force sense is presented due to “asymmetric vibration”, for example.
「第1の皮膚」と「第2の皮膚」とは同一の対象(人間を含む動物)のものであることが好ましいが、「第1の皮膚」と「第2の皮膚」とが異なる対象のものであってもよい。「βに直接的または間接的に支持されるα」とは、βに直接支持されたα、または介在物を介してβに支持されたαを意味する。「αがβに支持されている」とは、αの運動の一部または全部がβによって制限されていることであり、例えば、αの運動の自由度の一部または全部がβによって制限されていることである。αがβに固定されている場合のみならず、αがβに対して相対的に移動または回転可能であったとしても、αの何らかの動きがβによって制限されている場合には「αがβに支持されている」と言える。「直接的または間接的に接触したβ」とは、介在物を介さずに接触したβであってもよいし、介在物を介して接触したβであってもよい。この介在物は、剛体、弾性体、塑性体、流体、またはそれらの少なくとも一部の特性を併せ持ったものであってもよいが、「接触部」からの力を皮膚に伝達可能なものである必要がある。 The “first skin” and the “second skin” are preferably the same target (animal including a human), but the “first skin” and the “second skin” are different. It may be. “Α directly or indirectly supported by β” means α directly supported by β or α supported by β via an inclusion. “Α is supported by β” means that part or all of the motion of α is restricted by β, for example, part or all of the freedom of motion of α is restricted by β. It is that. Not only when α is fixed to β, but even if α can move or rotate relative to β, if α is limited by β, if “α is β It can be said that “Directly or indirectly contacted β” may be β that is contacted without inclusions, or may be β that is contacted via inclusions. The inclusion may be a rigid body, an elastic body, a plastic body, a fluid, or a combination of at least some of the characteristics, but can transmit the force from the “contact portion” to the skin. There is a need.
その他、「目標制御信号波形」とは異なる制御信号波形に基づいて「接触機構」を駆動させてもよい。すなわち、「第1の皮膚」に直接的または間接的に支持される「ベース機構」と、当該「ベース機構」に対して擬似力覚を知覚させるための周期的な非対称運動を行い、直接的または間接的に接触した「第2の皮膚」に非対称運動に基づく力を与える「接触機構」と、を有する「擬似力覚発生装置」であってもよい。ただし、「接触機構」の質量は「ベース機構」の質量よりも小さい。 In addition, the “contact mechanism” may be driven based on a control signal waveform different from the “target control signal waveform”. That is, a “base mechanism” that is directly or indirectly supported by the “first skin” and a periodic asymmetric motion for causing the “base mechanism” to perceive a pseudo force sense, Alternatively, it may be a “pseudo force sense generating device” having a “contact mechanism” that applies a force based on asymmetric motion to the “second skin” that is indirectly contacted. However, the mass of the “contact mechanism” is smaller than the mass of the “base mechanism”.
[第1実施形態]
以下、図面を用いて第1実施形態を説明する。
<構成>
図1に例示するように、本形態のシステムは目標応答波形パターンから目標制御信号波形を得る制御信号推定装置11、擬似力覚を呈示する擬似力覚発生装置12、および制御信号推定装置11で得られた目標制御信号波形から擬似力覚発生装置12(アクチュエータ)の駆動信号を得る電気回路13を有する。制御信号推定装置11は、記憶部111、入力部112、およびモデル適用部113を有する。
[First Embodiment]
The first embodiment will be described below with reference to the drawings.
<Configuration>
As illustrated in FIG. 1, the system of this embodiment includes a control signal estimation device 11 that obtains a target control signal waveform from a target response waveform pattern, a pseudo force sense generation device 12 that presents a pseudo force sense, and a control signal estimation device 11. An electric circuit 13 is provided for obtaining a drive signal of the pseudo force sense generator 12 (actuator) from the obtained target control signal waveform. The control signal estimation device 11 includes a storage unit 111, an input unit 112, and a model application unit 113.
<制御信号推定装置11>
制御信号推定装置11は、例えば、CPU(central processing unit)等のプロセッサ(ハードウェア・プロセッサ)およびRAM(random-access memory)・ROM(read-only memory)等のメモリ等を備える汎用または専用のコンピュータが所定のプログラムを実行することで構成される装置である。このコンピュータは1個のプロセッサやメモリを備えていてもよいし、複数個のプロセッサやメモリを備えていてもよい。このプログラムはコンピュータにインストールされてもよいし、予めROM等に記録されていてもよい。また、CPUのようにプログラムが読み込まれることで機能構成を実現する電子回路(circuitry)ではなく、プログラムを用いることなく処理機能を実現する電子回路を用いて一部またはすべての処理部が構成されてもよい。また、1個の装置を構成する電子回路が複数のCPUを含んでいてもよい。
<Control signal estimation device 11>
The control signal estimation device 11 includes, for example, a general-purpose or dedicated memory including a processor (hardware processor) such as a CPU (central processing unit) and a memory such as random-access memory (RAM) and read-only memory (ROM). An apparatus configured by a computer executing a predetermined program. The computer may include a single processor and memory, or may include a plurality of processors and memory. This program may be installed in a computer, or may be recorded in a ROM or the like in advance. In addition, some or all of the processing units are configured using an electronic circuit that realizes a processing function without using a program, instead of an electronic circuit (circuitry) that realizes a functional configuration by reading a program like a CPU. May be. In addition, an electronic circuit constituting one device may include a plurality of CPUs.
<電気回路13>
電気回路13は、例えばハイパスフィルタ等の特性を持った回路である。
<Electric circuit 13>
The electric circuit 13 is a circuit having characteristics such as a high-pass filter.
<擬似力覚発生装置12>
擬似力覚発生装置12は、例えば、支持部121、ばね122,123(弾性体)、コイル124、永久磁石である運動部材125、および把持部126(ケース)を有する。本形態の把持部126および支持部121は、ともに筒(例えば、円筒や多角筒)の両方の開放端を閉じた形状からなる中空の部材である。ただし、支持部121は、把持部126よりも小さく、把持部126の内部に収容可能な大きさである。把持部126および支持部121は、例えば、ABS樹脂等の合成樹脂から構成される。ばね122,123は、例えば、金属等から構成されるつるまきばねや板ばね等である。ばね122,123の弾性係数(ばね定数)は同一であることが望ましいが、互いに相違していてもよい。運動部材125は、例えば、円柱形状の永久磁石であり、長手方向の一方の端部125a側がN極であり、他方の端部125b側がS極である。コイル124は、例えば、一つながりのエナメル線であり、第1巻き部124aと第2巻き部124bとを有する。
<Pseudo force sense generator 12>
The simulated force sense generator 12 includes, for example, a support part 121, springs 122 and 123 (elastic body), a coil 124, a motion member 125 that is a permanent magnet, and a grip part 126 (case). The gripping part 126 and the support part 121 of this embodiment are both hollow members having a shape in which both open ends of a cylinder (for example, a cylinder or a polygonal cylinder) are closed. However, the support portion 121 is smaller than the grip portion 126 and has a size that can be accommodated in the grip portion 126. The gripping part 126 and the support part 121 are made of synthetic resin such as ABS resin, for example. The springs 122 and 123 are, for example, a helical spring or a leaf spring made of metal or the like. The elastic coefficients (spring constants) of the springs 122 and 123 are preferably the same, but may be different from each other. The motion member 125 is, for example, a cylindrical permanent magnet, and one end 125a side in the longitudinal direction is an N pole, and the other end 125b side is an S pole. The coil 124 is, for example, a continuous enamel wire, and includes a first winding portion 124a and a second winding portion 124b.
運動部材125は支持部121の内部に収容され、そこで長手方向にスライド可能に支持されている。このような支持機構の詳細は図示しないが、例えば、支持部121の内壁面に長手方向に沿ったまっすぐなレールが設けられ、運動部材125の側面にこのレールをスライド可能に支持するレール支持部が設けられている。支持部121の長手方向の一端側の内壁面121aには、ばね122の一端が固定され(すなわち、支持部121にばね122の一端が支持され)、ばね122の他端は運動部材125の端部125aに固定されている(すなわち、運動部材125の端部125aがばね122の他端に支持されている)。また、支持部121の長手方向の他端側の内壁面121bには、ばね123の一端が固定され(すなわち、支持部121にばね123の一端が支持され)、ばね123の他端は運動部材125の端部125bに固定されている(すなわち、運動部材125の端部125bがばね123の他端に支持されている)。 The movement member 125 is accommodated in the support portion 121 and is supported so as to be slidable in the longitudinal direction. Although details of such a support mechanism are not shown in the drawings, for example, a straight rail along the longitudinal direction is provided on the inner wall surface of the support portion 121, and a rail support portion that slidably supports the rail on the side surface of the motion member 125. Is provided. One end of the spring 122 is fixed to the inner wall surface 121 a on one end side in the longitudinal direction of the support portion 121 (that is, one end of the spring 122 is supported by the support portion 121), and the other end of the spring 122 is the end of the motion member 125. It is fixed to the portion 125a (that is, the end portion 125a of the moving member 125 is supported by the other end of the spring 122). Further, one end of a spring 123 is fixed to the inner wall surface 121b on the other end side in the longitudinal direction of the support portion 121 (that is, one end of the spring 123 is supported by the support portion 121), and the other end of the spring 123 is an exercise member. 125 is fixed to an end portion 125b of 125 (that is, the end portion 125b of the moving member 125 is supported by the other end of the spring 123).
支持部121の外周側にはコイル124が巻きつけられている。ただし、運動部材125の端部125a側(N極側)では、第1巻き部124aがA1方向(奥から手前に向けた方向)に巻きつけられており、端部125b側(S極側)では、第2巻き部124bがA1方向と反対向きのB1方向(手前から奥に向けた方向)に巻き付けられている。すなわち、運動部材125の端部125a側(N極側)からみた場合、第1巻き部124aは時計回りに巻き付けられており、第2巻き部124bは反時計回りに巻き付けられている。また、運動部材125が停止し、ばね122,123からの弾性力が釣り合った状態において、運動部材125の端部125a側(N極側)が第1巻き部124aの領域に配置され、端部125b側(S極側)が第2巻き部124bの領域に配置されることが望ましい。 A coil 124 is wound around the outer peripheral side of the support portion 121. However, the end portion 125a side of the moving member 125 (N pole side), and the first winding portion 124a is wound in the A 1 direction (direction toward the back to the front), the end portion 125b side (S-pole side in), a second winding portion 124b is wound in the a 1 direction in the opposite direction to the direction of B 1 direction (direction toward the front to the back). That is, when viewed from the end 125a side (N pole side) of the moving member 125, the first winding portion 124a is wound clockwise and the second winding portion 124b is wound counterclockwise. Further, in a state where the motion member 125 is stopped and the elastic forces from the springs 122 and 123 are balanced, the end portion 125a side (N pole side) of the motion member 125 is disposed in the region of the first winding portion 124a, and the end portion It is desirable that the 125b side (S pole side) be disposed in the region of the second winding portion 124b.
以上のように配置構成された支持部121、ばね122,123、コイル124、および運動部材125が、把持部126内に収容され、支持部121が把持部126の内部に固定されている。すなわち、把持部126の支持部121に対する相対位置が固定されている。ただし、把持部126の長手方向は、支持部121の長手方向および運動部材125の長手方向と一致する。 The support portion 121, the springs 122 and 123, the coil 124, and the motion member 125 arranged and configured as described above are accommodated in the grip portion 126, and the support portion 121 is fixed inside the grip portion 126. That is, the relative position of the grip part 126 with respect to the support part 121 is fixed. However, the longitudinal direction of the grip portion 126 coincides with the longitudinal direction of the support portion 121 and the longitudinal direction of the motion member 125.
コイル124は、流された電流に応じた力を運動部材125に与え、これにより、運動部材125は、支持部121に対して周期的な非対称運動(支持部121を基準とした軸方向に非対称性をもった周期的な並進往復運動)を行う。すなわち、コイル124にA1方向(B1方向)に電流を流すと、フレミングの左手の法則で説明されるローレンツ力の反作用により、運動部材125にC1方向(運動部材125のN極からS極に向かう方向:右方向)の力が加えられる(図2A)。逆に、コイル124にA2方向(B2方向)に電流を流すと、運動部材125にC2方向(運動部材125のS極からN極に向かう方向:左方向)の力が加えられる(図2B)。ただし、A2方向はA1方向の反対方向である。これらの動作により、運動部材125およびばね122,123からなる系に運動エネルギーが与えられる。それにより、把持部126を基準とする運動部材125の位置および加速度(支持部121を基準とした軸方向の位置および加速度)を変化させることができる。 The coil 124 applies a force corresponding to the flowed current to the motion member 125, whereby the motion member 125 is periodically asymmetrically moved with respect to the support portion 121 (asymmetric in the axial direction with respect to the support portion 121. Periodic translational reciprocating motion). That, S when an electric current is applied to the A 1 direction (B 1 direction) to the coil 124, by reaction of the Lorentz force is described in Fleming's left-hand rule, the C 1 direction (the movement member 125 N pole to the motion member 125 A force in the direction toward the pole (right direction) is applied (FIG. 2A). Conversely, when an electric current is applied to the A 2 direction (B 2 direction) to the coil 124, the motion member 125 C 2 direction (direction toward the S pole of the moving member 125 to the N pole: leftward) force is applied ( FIG. 2B). However, A 2 direction is opposite the direction of A 1 direction. By these operations, kinetic energy is given to the system including the moving member 125 and the springs 122 and 123. Thereby, the position and acceleration (the position and acceleration in the axial direction with reference to the support portion 121) of the motion member 125 with respect to the grip portion 126 can be changed.
<前処理>
本形態の前処理では制御対象の逆ダイナミクスモデルMcが設定され、記憶部111に格納される。本形態の制御対象の逆ダイナミクスモデルMcは、擬似力覚発生装置12の把持部126の位置、速度、加速度、ならびに把持部126に接触する皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する波形に対し、運動部材125を駆動させるための制御信号の波形(制御信号波形)に基づく波形を得るための数式モデルである。本形態の制御対象の逆ダイナミクスモデルMcは、擬似力覚発生装置12の力学特性モデルMd、および把持部126に接触する皮膚の力学特性モデルMsに基づいて得られる。
<Pretreatment>
In the preprocessing of the present embodiment, the inverse dynamics model Mc to be controlled is set and stored in the storage unit 111. The inverse dynamics model Mc to be controlled according to the present embodiment corresponds to a waveform corresponding to at least one of the position, speed, and acceleration of the gripping portion 126 of the pseudo force sense generator 12 and the force applied to the skin contacting the gripping portion 126. 4 is a mathematical model for obtaining a waveform based on a waveform of a control signal (control signal waveform) for driving the moving member 125. The inverse dynamics model Mc to be controlled according to the present embodiment is obtained based on the dynamic characteristic model Md of the pseudo force sense generator 12 and the dynamic characteristic model Ms of the skin in contact with the grasping portion 126.
図3Aに例示するように、本形態の擬似力覚発生装置12の把持部126の外側が利用者の指100で把持された状態を想定する。なお、図3Aでは把持部126の側面側(擬似力覚発生装置12の側面の外側)が把持された状態を例示しているが、把持部126の端面側(擬似力覚発生装置12の長手方向の端面の外側)が把持されている状態を想定してもよい。 As illustrated in FIG. 3A, a state is assumed in which the outside of the grip portion 126 of the pseudo force sense generation device 12 of the present embodiment is gripped by the user's finger 100. 3A illustrates a state in which the side surface side of the grip portion 126 (outside the side surface of the pseudo force sense generator 12) is gripped, the end surface side of the grip portion 126 (the longitudinal length of the pseudo force sense generator device 12). A state in which the outer side of the direction end face) is gripped may be assumed.
図3Bに例示するように、この状態を擬似力覚発生装置12の力学特性モデルMdおよび把持部126に接触する(把持する)指100の皮膚の力学特性モデルMsで表現する。この例の擬似力覚発生装置12の力学特性モデルMdは、それぞれの質量がm1,m2の質点M1,M2、それらを接続する弾性係数k2のばね、粘性係数(減衰係数)b2のダンパ、および駆動電圧Voutに応じて質点M1,M2に働く周期的なローレンツ力fからなる力学系の特性を表す。図2Aおよび図2Bに例示した構成の場合、ローレンツ力fはf=i2BLと表記できる。ただし、i2[A]はコイル124に流される電流であり、Bはコイル124による磁束密度であり、L[m]は支持部121を長手方向に貫く磁束方向と垂直なコイル124の長さである。基準原点O1に対する質点M1の位置をx1と表現し、基準原点O2に対する質点M2の位置をx2と表現する。ただし、基準原点O1,O2は指100の重心に対する相対位置が固定された点である。また、x1,x2の何れも指100の重心から図3Aにおける右方向を正とし、指100の重心から図3Aにおける左方向を負とする。ここでは、指の重心は外界に対して動いていないものとする。x1,x2の時間微分値、すなわち速度を
と表記する。ただし、記載表記の制約上、本明細書ではこれらをx・ 1,x・ 2と表記する場合もある。図3Bに例示する皮膚の力学特性モデルMsは、質点M1と指100の重心との間の弾性係数k1のばねおよび粘性係数b1のダンパからなる力学系の特性を表す。ここで把持部126に接触する指100の皮膚に与える力(例えば、応力)をfsと表現する。
As illustrated in FIG. 3B, this state is expressed by a dynamic characteristic model Md of the pseudo force sense generator 12 and a dynamic characteristic model Ms of the skin of the finger 100 that is in contact with (holding) the grasping unit 126. The dynamic characteristic model Md of the pseudo force generation device 12 of this example includes mass points M 1 and M 2 having masses m 1 and m 2 , a spring having an elastic coefficient k 2 connecting them, and a viscosity coefficient (damping coefficient). b 2 of the damper, and represent the dynamics characteristics of comprising periodic Lorentz force f acting on the mass point M 1, M 2 according to the drive voltage Vout. In the case of the configuration illustrated in FIGS. 2A and 2B, the Lorentz force f can be expressed as f = i 2 BL. However, i 2 [A] is a current flowing through the coil 124, B is a magnetic flux density by the coil 124, and L [m] is a length of the coil 124 perpendicular to the magnetic flux direction penetrating the support portion 121 in the longitudinal direction. It is. The position of the mass point M 1 with respect to the reference origin O 1 is expressed as x 1, the position of the mass point M 2 with respect to the reference origin O 2 expressed as x 2. However, the reference origins O 1 and O 2 are points at which relative positions with respect to the center of gravity of the finger 100 are fixed. Further, in both x 1 and x 2 , the right direction in FIG. 3A from the center of gravity of the finger 100 is positive, and the left direction in FIG. 3A from the center of gravity of the finger 100 is negative. Here, it is assumed that the center of gravity of the finger does not move with respect to the outside world. The time differential value of x 1 and x 2 , that is, the speed
Is written. However, in the present specification, these may be expressed as x · 1 , x · 2 due to restrictions on the description. A skin dynamic characteristic model Ms illustrated in FIG. 3B represents characteristics of a dynamic system including a spring having an elastic coefficient k 1 and a damper having a viscosity coefficient b 1 between the mass point M 1 and the center of gravity of the finger 100. Here, the force (for example, stress) applied to the skin of the finger 100 in contact with the grip portion 126 is expressed as fs.
擬似力覚発生装置12の力学特性モデルMdおよび皮膚の力学特性モデルMsの数式表現は例えば以下のようになる。
≪力学特性モデルMdの例≫
力学特性モデルMdの力学系パラメータm1,m2,k2,b2は、擬似力覚発生装置12の設計値あるいは計測値から得られてもよいし、システム同定などの方法で得られてもよい。
≪力学特性モデルMsの例≫
fs=k1・x1+b1・x・ 1 (2)
力学特性モデルMsの力学系パラメータk1,b1は、システム同定などの方法で得られてもよいし、典型的な値とされてもよい。
The mathematical expression of the dynamic characteristic model Md of the simulated force sense generator 12 and the dynamic characteristic model Ms of the skin is as follows, for example.
≪Example of mechanical property model Md≫
The dynamic system parameters m 1 , m 2 , k 2 , and b 2 of the mechanical characteristic model Md may be obtained from design values or measured values of the pseudo force sense generator 12 or obtained by a method such as system identification. Also good.
≪Example of mechanical property model Ms≫
fs = k 1 · x 1 + b 1 · x · 1 (2)
The dynamic system parameters k 1 and b 1 of the dynamic characteristic model Ms may be obtained by a method such as system identification or may be a typical value.
《制御対象の逆ダイナミクスモデルMcの例》
上記の式(1)(2)の未知の時系列パラメータはf,x1,x・ 1,x2,x・ 2,fsであるが、上記の式(1)(2)を用いてx1,x・ 1,x2,x・ 2,を消去することにより、fとfsとの関係式fs=F(f)が得られる。ここで図2Aおよび図2Bの例ではf=i2BLと表記できる。BおよびLは擬似力覚発生装置12の設計値やシステム同定などの方法で得られる。fs=F(i2BL)=F2(i2)より、関係式
fs=F2(i2) (3A)
が得られる。この関係式(3A)の逆関数または近似逆関数である
i2=Inv(fs) (3B)
を制御対象の逆ダイナミクスモデルMcとしてもよい。
<< Example of inverse dynamics model Mc to be controlled >>
The unknown time series parameters in the above equations (1) and (2) are f, x 1 , x · 1 , x 2 , x · 2 and fs. By erasing 1 , x · 1 , x 2 , x · 2 , the relational expression fs = F (f) between f and fs is obtained. Here, in the example of FIGS. 2A and 2B, it can be expressed as f = i 2 BL. B and L are obtained by a method such as a design value or system identification of the pseudo force sense generator 12. From fs = F (i 2 BL) = F 2 (i 2 ), the relational expression fs = F 2 (i 2 ) (3A)
Is obtained. I 2 = Inv (fs) (3B) which is an inverse function or an approximate inverse function of the relational expression (3A)
May be the inverse dynamics model Mc to be controlled.
コイル124の抵抗値をRとし、コイル124に与えられる電圧をVoutとするとi2=Vout/Rとなるため、fs=F2(Vout/R)=FR(Vout)となる。この関係式
fs=FR(Vout)(4A)
の逆関数または近似逆関数である
Vout=InvR(fs) (4B)
を制御対象の逆ダイナミクスモデルMcとしてもよい。
Assuming that the resistance value of the coil 124 is R and the voltage applied to the coil 124 is Vout, i 2 = Vout / R, so fs = F 2 (Vout / R) = F R (Vout). This relational expression fs = F R (Vout) (4A)
Vout = Inv R (fs) (4B) which is an inverse function or an approximate inverse function of
May be the inverse dynamics model Mc to be controlled.
上記の式(1)(2)から、i2に対して把持部126に接触する指100の皮膚に与える加速度x・・ 1を得る関係式
x・・ 1=Fm(i2) (5A)
を計算し、この関係式(5A)の逆関数または近似逆関数である
i2=Invm(x・・ 1) (5B)
を制御対象の逆ダイナミクスモデルMcとしてもよい。
From the above equation (1) (2), the relational expression to obtain the acceleration x · · 1 giving the skin of the finger 100 in contact with the grip portion 126 with respect to i 2 x ·· 1 = F m (i 2) (5A )
And i 2 = Inv m (x · 1 ) (5B) which is an inverse function or an approximate inverse function of the relational expression (5A).
May be the inverse dynamics model Mc to be controlled.
上記の式(1)(2)から、Voutに対して加速度x・・ 1を得る関係式
x・・ 1=FRm(Vout) (6A)
を計算し、この関係式(6A)の逆関数または近似逆関数であるVout=InvRm(x・・ 1) (6B)
を制御対象の逆ダイナミクスモデルMcとしてもよい。
From the above formulas (1) and (2), relational expression x ·· 1 = F Rm (Vout) (6A) for obtaining acceleration x ·· 1 with respect to Vout
And Vout = Inv Rm (x ·· 1 ) (6B) which is an inverse function or an approximate inverse function of the relational expression (6A).
May be the inverse dynamics model Mc to be controlled.
式(1)と式(2)から、fに対してx・ 1を得る関係式
x・ 1=F’(f) (7A)
を計算し、この関係式(7A)の逆関数または近似逆関数である
i2=Inv(x・ 1) (7B)
を制御対象の逆ダイナミクスモデルMcとしてもよい。
From Expression (1) and Expression (2), a relational expression x · 1 = F ′ (f) for obtaining x · 1 for f (7A)
And i 2 = Inv (x · 1 ) (7B) which is an inverse function or an approximate inverse function of the relational expression (7A).
May be the inverse dynamics model Mc to be controlled.
式(1)と式(2)とi2=Vout/Rから、Voutに対してx・ 1を得る関係式
x・ 1=F’x・R(Vout) (8A)
を計算し、この関係式(8A)の逆関数または近似逆関数である
Vout=Invx・R(x・ 1) (8B)
を制御対象の逆ダイナミクスモデルMcとしてもよい。
From Expression (1), Expression (2), and i 2 = Vout / R, a relational expression x · 1 = F′x · R (Vout) for obtaining x · 1 with respect to Vout (8A)
Vout = Inv x · R (x · 1 ) (8B) which is an inverse function or an approximate inverse function of the relational expression (8A)
May be the inverse dynamics model Mc to be controlled.
式(1)と式(2)から、fに対してx1を得る関係式
x1=Fx(f) (9A)
を計算し、この関係式(9A)の逆関数または近似逆関数であるi2=Invx(x1) (9B)
を制御対象の逆ダイナミクスモデルMcとしてもよい。
From Expression (1) and Expression (2), relational expression x 1 = F x (f) (9A) for obtaining x 1 for f
And i 2 = Inv x (x 1 ) (9B) which is an inverse function or an approximate inverse function of the relational expression (9A).
May be the inverse dynamics model Mc to be controlled.
式(1)と式(2)から、Voutに対してx1を得る関係式
x1=FV(Vout) (10A)
を計算し、この関係式(10A)の逆関数または近似逆関数である
Vout=InvR(x1) (10B)
を制御対象の逆ダイナミクスモデルMcとしてもよい。
From Expression (1) and Expression (2), relational expression x 1 = F V (Vout) (10A) for obtaining x 1 with respect to Vout
And Vout = Inv R (x 1 ) (10B) which is an inverse function or an approximate inverse function of the relational expression (10A).
May be the inverse dynamics model Mc to be controlled.
<目標制御信号波形の推定処理>
本形態の目標制御信号波形の推定処理では、目標応答波形パターンが入力部112に入力される。目標応答波形パターンは、目標となる把持部126の位置、速度、加速度、ならびに指100の皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する。いずれの物理量の時間波形パターン(各時間での物理量からなる波形パターン)を目標応答波形パターンとするかは制御対象の逆ダイナミクスモデルMcの構成に依存する。すなわち、制御対象の逆ダイナミクスモデルMcは目標応答波形パターンから目標制御信号波形を得るモデルであり、入力部112に入力される目標応答波形パターンはこの制御対象の逆ダイナミクスモデルMcに対応した時間波形パターンとなる。例えば、式(3B)または式(4B)の制御対象の逆ダイナミクスモデルMcの場合には力fsの時間波形パターンを目標応答波形パターンとする。式(5B)または式(6B)の制御対象の逆ダイナミクスモデルMcの場合には加速度x・・ 1の時間波形パターンを目標応答波形パターンとする。式(7B)または式(8B)の制御対象の逆ダイナミクスモデルMcの場合には速度x・ 1の時間波形パターンを目標応答波形パターンとする。式(9B)または式(10B)の制御対象の逆ダイナミクスモデルMcの場合には位置x1の時間波形パターンを目標応答波形パターンとする。また目標応答波形パターンは、擬似力覚発生装置12の運動部材125を周期的に非対称運動させるための制御信号のパターンである。例えば、目標応答波形パターンは、第1の時間区間T1では、向きが所定方向であって絶対値が第1の閾値以上である力を表し、第1の時間区間T1と異なる第2の時間区間T2では、向きが所定方向の反対方向であって絶対値が第2の閾値以内である力を表す周期的な波形パターンである。第1の時間区間T1は第2の時間区間T2よりも短い(T1<T2)。例えば、この周期の1周期はT1およびT2からなる。好ましくは、目標応答波形パターンが矩形波形パターンまたは略矩形波形パターンであることが望ましい。
<Target control signal waveform estimation process>
In the target control signal waveform estimation process of this embodiment, a target response waveform pattern is input to the input unit 112. The target response waveform pattern corresponds to at least one of the position, speed, acceleration, and force of the finger 100 applied to the skin of the target gripper 126. Which physical quantity time waveform pattern (a waveform pattern made up of physical quantities at each time) is set as the target response waveform pattern depends on the configuration of the inverse dynamics model Mc to be controlled. That is, the control target inverse dynamics model Mc is a model for obtaining a target control signal waveform from the target response waveform pattern, and the target response waveform pattern input to the input unit 112 is a time waveform corresponding to the control target inverse dynamics model Mc. It becomes a pattern. For example, in the case of the inverse dynamics model Mc to be controlled in Expression (3B) or Expression (4B), the time waveform pattern of the force fs is set as the target response waveform pattern. In the case of the inverse dynamics model Mc to be controlled of Expression (5B) or Expression (6B), the time waveform pattern of the acceleration x ·· 1 is set as the target response waveform pattern. In the case of the inverse dynamics model Mc to be controlled of Expression (7B) or Expression (8B), the time waveform pattern of speed x · 1 is set as the target response waveform pattern. The target response waveform pattern time waveform patterns of the position x 1 in the case of inverse dynamics model Mc of the controlled object of Formula (9B) or formula (10B). The target response waveform pattern is a pattern of a control signal for periodically asymmetrically moving the moving member 125 of the pseudo force sense generator 12. For example, the target response waveform pattern represents a force whose direction is a predetermined direction and whose absolute value is equal to or greater than a first threshold in the first time interval T1, and is different from the first time interval T1. T2 is a periodic waveform pattern representing a force whose direction is opposite to the predetermined direction and whose absolute value is within the second threshold. The first time interval T1 is shorter than the second time interval T2 (T1 <T2). For example, one cycle of this cycle consists of T1 and T2. Preferably, the target response waveform pattern is a rectangular waveform pattern or a substantially rectangular waveform pattern.
目標応答波形パターンはモデル適用部113に送られる。モデル適用部113は、記憶部111から読み出した制御対象の逆ダイナミクスモデルMcに目標応答波形パターンを適用し、目標制御信号波形を得て出力する。すなわち、モデル適用部113は、制御対象の逆ダイナミクスモデルMcに目標応答波形パターンの各時間の物理量を代入し、それに対応する関数値を得、その関数値の時間波形を出力する。例えば、式(3B)(5B)(9B)の場合には、i2の時間波形が目標制御信号波形であり、式(4B)(6B)(8B)(10B)の場合には、Voutの時間波形が目標制御信号波形である。 The target response waveform pattern is sent to the model application unit 113. The model application unit 113 applies the target response waveform pattern to the inverse dynamics model Mc to be controlled read from the storage unit 111, and obtains and outputs the target control signal waveform. That is, the model application unit 113 substitutes the physical quantity of each time of the target response waveform pattern into the inverse dynamics model Mc to be controlled, obtains a function value corresponding thereto, and outputs a time waveform of the function value. For example, in the case of equations (3B), (5B), and (9B), the time waveform of i 2 is the target control signal waveform, and in the case of equations (4B), (6B), (8B), and (10B), Vout The time waveform is the target control signal waveform.
得られた目標制御信号波形に応じた制御信号(制御電圧または制御電流)は電気回路13に与えられる。電気回路13はそれに応じた駆動信号を擬似力覚発生装置12に送る。擬似力覚発生装置12はこれに基づいて駆動し、把持部126を把持する指100に対して擬似力覚を呈示する。 A control signal (control voltage or control current) corresponding to the obtained target control signal waveform is applied to the electric circuit 13. The electric circuit 13 sends a corresponding drive signal to the pseudo force sense generator 12. The simulated force sense generator 12 is driven based on this, and presents a simulated force sense to the finger 100 gripping the grip portion 126.
<本形態の特徴>
本形態では、擬似力覚の呈示のための目標応答波形パターンから擬似力覚発生装置12の制御のための目標制御信号波形を推定できる。これにより、擬似力覚発生装置12の構成や持ち方が変わった場合でも、それぞれに応じて適切な目標制御信号波形を推定できる。また、逆関数または近似逆関数によって事前に制御対象の逆ダイナミクスモデルMcを求めることが可能であるため、目標応答波形パターンからリアルタイムに目標制御信号波形を推定できる。
<Features of this embodiment>
In this embodiment, the target control signal waveform for controlling the pseudo force sense generator 12 can be estimated from the target response waveform pattern for presenting the pseudo force sense. Thereby, even when the configuration and the way of holding the pseudo force sense generator 12 are changed, an appropriate target control signal waveform can be estimated according to each. Further, since the inverse dynamics model Mc to be controlled can be obtained in advance by an inverse function or an approximate inverse function, the target control signal waveform can be estimated in real time from the target response waveform pattern.
また、目標応答波形パターンを近似的に実現するために必要となる、アンプに必要な特性および擬似力覚発生装置12に必要な特性が分かり、それらの設計に生かすこともできる。アンプの特性および擬似力覚発生装置12の特性が規定されている場合には、所望の擬似力覚を生成するのに効果的な刺激が実現できる範囲が分かる。モデル化誤差が予想される場合、どの程度の出力誤差を生み出すかをシミュレーションすることが可能であり、擬似力覚発生装置12の力学系の設計に有用である。 In addition, the characteristics necessary for the amplifier and the characteristics necessary for the simulated force sense generator 12 that are necessary to approximately realize the target response waveform pattern can be known, and can be utilized in the design thereof. When the characteristics of the amplifier and the characteristics of the simulated force sense generator 12 are defined, it is possible to know a range in which an effective stimulus for generating a desired simulated force sense can be realized. When a modeling error is expected, it is possible to simulate how much output error is generated, which is useful for designing the dynamic system of the pseudo force sense generator 12.
なお、力学特性モデルMd,Msは、目標制御信号波形に基づいて制御される擬似力覚発生装置12の把持部126(すなわち、実機の把持部)が把持された状態をモデル化したものであってもよいし、擬似力覚発生装置12と同一または類似する他の装置の把持部が把持された状態をモデル化したものであってもよい。前者の場合には、より正確な目標制御信号波形を推定できる。 The mechanical characteristic models Md and Ms are obtained by modeling the state in which the grip portion 126 (that is, the grip portion of the actual machine) of the pseudo force sense device 12 controlled based on the target control signal waveform is gripped. Alternatively, it may be a model of a state in which the grip portion of another device that is the same as or similar to the simulated force sense generator 12 is gripped. In the former case, a more accurate target control signal waveform can be estimated.
[第2実施形態]
第2実施形態は第1実施形態の変形例であり、制御対象の逆ダイナミクスモデルMcが、擬似力覚発生装置12の力学特性モデルMd、皮膚の力学特性モデルMs、および制御信号波形と電気回路の出力との関係を表す電気回路特性モデルMeに基づく点が相違する。以下では第1実施形態との相違点を中心に説明し、既に説明した事項については同じ参照番号を用いて説明を簡略化する。
[Second Embodiment]
The second embodiment is a modification of the first embodiment, and the inverse dynamics model Mc to be controlled is the dynamic characteristic model Md of the pseudo force sense generator 12, the dynamic characteristic model Ms of the skin, and the control signal waveform and the electric circuit. The difference is based on the electric circuit characteristic model Me representing the relationship with the output of. Below, it demonstrates centering around difference with 1st Embodiment, About the already demonstrated matter, description is simplified using the same reference number.
<構成>
図1に例示するように、本形態のシステムは目標応答波形パターンから目標制御信号波形を得る制御信号推定装置21、擬似力覚発生装置12、および電気回路13を有する。制御信号推定装置21は、記憶部211、入力部112、およびモデル適用部213を有する。制御信号推定装置21は、例えば前述した汎用または専用のコンピュータが所定のプログラムを実行することで構成される装置である。
<Configuration>
As illustrated in FIG. 1, the system of the present embodiment includes a control signal estimation device 21 that obtains a target control signal waveform from a target response waveform pattern, a pseudo force sense generator 12, and an electric circuit 13. The control signal estimation device 21 includes a storage unit 211, an input unit 112, and a model application unit 213. The control signal estimation device 21 is a device configured by, for example, the above-described general-purpose or dedicated computer executing a predetermined program.
<前処理>
本形態の前処理では制御対象の逆ダイナミクスモデルMcが設定され、記憶部211に格納される。本形態の制御対象の逆ダイナミクスモデルMcは、擬似力覚発生装置12の把持部126の位置、速度、加速度、ならびに把持部126に接触する皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する波形と、運動部材125を駆動させるための制御信号の波形(制御信号波形)との関係を表す数式モデルである。本形態の制御対象の逆ダイナミクスモデルMcは、擬似力覚発生装置12の力学特性モデルMd、把持部126に接触する皮膚の力学特性モデルMs、および制御信号波形と擬似力覚発生装置12に駆動信号を供給する電気回路の出力との関係を表す電気回路特性モデルMeに基づいて得られる。
<Pretreatment>
In the preprocessing of the present embodiment, the inverse dynamics model Mc to be controlled is set and stored in the storage unit 211. The inverse dynamics model Mc to be controlled according to the present embodiment includes a waveform corresponding to at least one of the position, speed, acceleration of the gripping portion 126 of the simulated force sense generator 12 and the force applied to the skin that contacts the gripping portion 126, and It is a numerical model showing the relationship with the waveform (control signal waveform) of the control signal for driving the moving member 125. The inverse dynamics model Mc to be controlled in this embodiment is driven by the dynamic characteristic model Md of the simulated force sense generator 12, the dynamic characteristic model Ms of the skin that contacts the grasping portion 126, and the control signal waveform and the simulated force sense generator 12. It is obtained based on the electric circuit characteristic model Me representing the relationship with the output of the electric circuit that supplies the signal.
図3Aに例示するように、本形態の擬似力覚発生装置12の把持部126の外側が利用者の指100で把持された状態を想定する。制御電圧Vinが伝達関数H(S)の電気回路の入力とされ、伝達関数H(S)の出力が駆動電圧Voutとなり、駆動電圧Voutに基づいて擬似力覚発生装置12が駆動する。ただし、Sはラプラス変換の変数を表す。 As illustrated in FIG. 3A, a state is assumed in which the outside of the grip portion 126 of the pseudo force sense generation device 12 of the present embodiment is gripped by the user's finger 100. The control voltage Vin is input to the electric circuit of the transfer function H (S), the output of the transfer function H (S) becomes the drive voltage Vout, and the pseudo force sense generator 12 is driven based on the drive voltage Vout. S represents a Laplace transform variable.
図3Bに例示するように、この状態を第1実施形態で説明した力学特性モデルMdおよび力学特性モデルMs、ならびに制御信号波形(例えば、電気回路の入力側電圧または入力電流)と電気回路の出力との関係を表す電気回路特性モデルMeで表現する。この様にモデル化すると、Vinが与えられると、m1、m2に加わる力とfsが求められるような順ダイナミクスモデルを構築することができる。電気回路の出力は、例えば、運動部材125を駆動するための駆動信号(駆動電圧または駆動電流)の波形である。 As illustrated in FIG. 3B, this state is represented by the dynamic characteristic model Md and the dynamic characteristic model Ms described in the first embodiment, the control signal waveform (for example, the input side voltage or input current of the electric circuit), and the output of the electric circuit. It is expressed by an electric circuit characteristic model Me representing the relationship between When modeling is performed in this way, it is possible to construct a forward dynamics model in which a force applied to m1 and m2 and fs are obtained when Vin is given. The output of the electric circuit is, for example, a waveform of a drive signal (drive voltage or drive current) for driving the moving member 125.
《電気回路特性モデルMeの例》
制御電圧Vinと駆動電圧Voutには以下の関係が成り立つ。
Vout=H(S)・Vin (11)
ただし、H(S)=S・T/(1+S・T)であり、Sはラプラス変換の変数であり、Tはフィルタの時定数である。これらの特性は設計値から得られてもよいし、システム同定などの方法で得られてもよい。
<< Example of electrical circuit characteristic model Me >>
The following relationship holds between the control voltage Vin and the drive voltage Vout.
Vout = H (S) · Vin (11)
However, H (S) = S · T / (1 + S · T), S is a variable of Laplace transform, and T is a time constant of the filter. These characteristics may be obtained from design values or may be obtained by a method such as system identification.
《制御対象の逆ダイナミクスモデルMcの例》
前述の式(1)(2)および上述の式(11)に基づいた関係式を制御対象の逆ダイナミクスモデルMcとする。例えば、前述の式(3B)〜(10B)の何れかと式(11)とに基づいた関係式を制御対象の逆ダイナミクスモデルMcとする。例えば、式(4B)と式(11)からVout=InvR(fs)=H(S)・Vinが成り立つ。そのため、以下の関係式を制御対象の逆ダイナミクスモデルMcとできる。
Vin=H−1(S)・InvR(fs) (12)
あるいは、式(6B)と式(11)から得られる以下の関係式を制御対象の逆ダイナミクスモデルMcとしてもよい。
Vin=H−1(S)・InvR(x・・ 1) (13)
あるいは、例えばVoutが±1で飽和する特性を示すこととし、Voutに代えて以下のVout’を用いた制御対象の逆ダイナミクスモデルMcであってもよい。
A relational expression based on the above-described expressions (1) and (2) and the above-described expression (11) is set as an inverse dynamics model Mc to be controlled. For example, a relational expression based on any one of the above formulas (3B) to (10B) and the formula (11) is set as the inverse dynamics model Mc to be controlled. For example, Vout = Inv R (fs) = H (S) · Vin holds from Expression (4B) and Expression (11). Therefore, the following relational expression can be used as the inverse dynamics model Mc to be controlled.
Vin = H −1 (S) · Inv R (fs) (12)
Or it is good also considering the following relational expressions obtained from Formula (6B) and Formula (11) as the inverse dynamics model Mc to be controlled.
Vin = H −1 (S) · Inv R (x ·· 1 ) (13)
Alternatively, for example, it may be a reverse dynamics model Mc to be controlled using the following Vout ′ instead of Vout, indicating that Vout is saturated at ± 1.
<目標制御信号波形の推定処理>
本形態の目標制御信号波形の推定処理では、目標応答波形パターンが入力部112に入力される。例えば、式(12)の制御対象の逆ダイナミクスモデルMcの場合には力fsの時間波形パターンを目標応答波形パターンとする。例えば、式(13)の制御対象の逆ダイナミクスモデルMcの場合には加速度x・・ 1の時間波形パターンを目標応答波形パターンとする。
<Target control signal waveform estimation process>
In the target control signal waveform estimation process of this embodiment, a target response waveform pattern is input to the input unit 112. For example, in the case of the inverse dynamics model Mc to be controlled of Expression (12), the time waveform pattern of the force fs is set as the target response waveform pattern. For example, in the case of the inverse dynamics model Mc to be controlled of Expression (13), the time waveform pattern of acceleration x ·· 1 is set as the target response waveform pattern.
目標応答波形パターンはモデル適用部113に送られる。モデル適用部113は、記憶部111から読み出した制御対象の逆ダイナミクスモデルMcに目標応答波形パターンを適用し、目標制御信号波形を得て出力する。式(12)および(13)の制御対象の逆ダイナミクスモデルMcの場合には、Vinの時間波形が目標制御信号波形である。 The target response waveform pattern is sent to the model application unit 113. The model application unit 113 applies the target response waveform pattern to the inverse dynamics model Mc to be controlled read from the storage unit 111, and obtains and outputs the target control signal waveform. In the case of the inverse dynamics model Mc to be controlled of Expressions (12) and (13), the time waveform of Vin is the target control signal waveform.
得られた目標制御信号波形に応じた制御信号(制御電圧または制御電流)を電気回路13に与え、電気回路13はそれに応じた駆動信号を擬似力覚発生装置12に送る。擬似力覚発生装置12はこれに基づいて駆動し、把持部126を把持する指100に対して擬似力覚を呈示する。 A control signal (control voltage or control current) corresponding to the obtained target control signal waveform is applied to the electric circuit 13, and the electric circuit 13 sends a drive signal corresponding thereto to the simulated force sense generator 12. The simulated force sense generator 12 is driven based on this, and presents a simulated force sense to the finger 100 gripping the grip portion 126.
<実験結果>
非特許文献1の従来手法と本形態との比較実験結果を例示する。
《実験結果1:[T1,T2]=[2,10]msec》
図4A〜図4Cは従来手法による実験結果を表す。図4Aに示すように、従来手法では擬似力覚発生装置12の制御電圧[V]を[T1,T2]=[2,10]msecの略矩形波とした。すなわち、2[msec]の時間区間T1と10[msec]の時間区間とが交互に繰り返され、時間区間T1での制御電圧Vinを正とし、時間区間T2での制御電圧Vinを負とした。時間区間T1での制御電圧Vinの絶対値は、時間区間T2での制御電圧Vinの絶対値よりも大きい。図4Bはこのように制御された擬似力覚発生装置12がその把持部126に接触する指100の皮膚に与える力[N]の波形を表し、図4Cは把持部12の位置[m]の波形を表す。
<Experimental result>
A comparison experiment result between the conventional method of Non-Patent Document 1 and this embodiment is illustrated.
<< Experimental result 1: [T1, T2] = [2,10] msec >>
4A to 4C show experimental results by the conventional method. As shown in FIG. 4A, in the conventional method, the control voltage [V] of the pseudo force sense generator 12 is a substantially rectangular wave of [T1, T2] = [2, 10] msec. That is, the time interval T1 of 2 [msec] and the time interval of 10 [msec] are alternately repeated, and the control voltage Vin in the time interval T1 is positive and the control voltage Vin in the time interval T2 is negative. The absolute value of the control voltage Vin in the time interval T1 is larger than the absolute value of the control voltage Vin in the time interval T2. FIG. 4B shows a waveform of the force [N] applied to the skin of the finger 100 in contact with the grip part 126 by the pseudo force generation device 12 controlled in this way, and FIG. 4C shows the position [m] of the grip part 12. Represents a waveform.
図5A〜図5Cは本形態による実験結果を表す。この実験では図5Bの破線で表示した目標応答波形パターンに制御対象の逆ダイナミクスモデルMcを適用し、図5Aの制御電圧波形(制御信号波形)を得た。この目標応答波形パターン(図5B)は、把持部126に接触する指100の皮膚に与える力[N]の時間波形である。この目標応答波形パターンは、2[msec]の時間区間T1とそれに続く10[msec]の時間区間T2とを繰り返す周期的なパターンであり、その1周期には時間区間T1と時間区間T2が1ずつ含まれ、1周期は時間区間T1および時間区間T2からなる12[msec]である。この目標応答波形パターンは略矩形波形パターンであり、時間区間T1では、向きが第1の方向(正)であって絶対値が閾値Th1以上である力を表し、時間区間T2では、第1の方向の反対方向(第2の方向:負)であって絶対値が閾値Th2(Th2<Th1)以内の力を表す。時間区間T1での波形パターンと時間区間T2での波形パターンとは非対称(時間区間T1での力の時間波形と時間区間T2での力の時間波形とが非対称)である。これは第1の方向に擬似力覚(牽引力等)を呈示するためのものである。この目標応答波形パターンに応じた制御電圧(図5A)によって制御された擬似力覚発生装置12がその把持部126に接触する指100の皮膚に与える力[N]の応答波形を図5Bの実線で示す。図5Bより、目標応答波形パターンに近似する応答波形が得られていることが分かる。図5Cはこの際の把持部12の位置[m]の波形を表す。 5A to 5C show experimental results according to this embodiment. In this experiment, the inverse dynamics model Mc to be controlled was applied to the target response waveform pattern indicated by the broken line in FIG. 5B to obtain the control voltage waveform (control signal waveform) in FIG. 5A. This target response waveform pattern (FIG. 5B) is a time waveform of the force [N] applied to the skin of the finger 100 that contacts the grasping portion 126. This target response waveform pattern is a periodic pattern in which a time interval T1 of 2 [msec] and a subsequent time interval T2 of 10 [msec] are repeated, and the time interval T1 and the time interval T2 are 1 in one cycle. One period is 12 [msec] consisting of a time interval T1 and a time interval T2. This target response waveform pattern is a substantially rectangular waveform pattern, and represents a force whose direction is the first direction (positive) and whose absolute value is greater than or equal to the threshold Th1 in the time interval T1, and in the time interval T2, the first response The force is in the direction opposite to the direction (second direction: negative) and the absolute value is within the threshold value Th2 (Th2 <Th1). The waveform pattern in the time interval T1 and the waveform pattern in the time interval T2 are asymmetric (the force time waveform in the time interval T1 and the force time waveform in the time interval T2 are asymmetric). This is for presenting a pseudo force sense (traction force or the like) in the first direction. The response waveform of the force [N] applied to the skin of the finger 100 that is in contact with the grasping portion 126 by the simulated force sense generator 12 controlled by the control voltage (FIG. 5A) according to the target response waveform pattern is a solid line in FIG. It shows with. FIG. 5B shows that a response waveform that approximates the target response waveform pattern is obtained. FIG. 5C shows a waveform of the position [m] of the grip portion 12 at this time.
《実験結果2:[T1,T2]=[3,16]msec》
図6A〜図6Cは従来手法による実験結果を表し、図7A〜図7Cは本形態による実験結果を表す。比較実験結果1と異なり、[T1,T2]=[3,16]msecとした。その他の条件は比較実験結果1と同じである。
<< Experimental result 2: [T1, T2] = [3, 16] msec >>
6A to 6C show experimental results according to the conventional method, and FIGS. 7A to 7C show experimental results according to the present embodiment. Unlike Comparative Experiment Result 1, [T1, T2] = [3,16] msec. Other conditions are the same as those in Comparative Experiment Result 1.
図4Bと図5B、図4Cと図5C、図6Bと図7B、図6Cと図7Cを比較すると、本形態の手法では従来手法に比べ、皮膚に与え力および把持部126の位置ともにノイズとなる波形の微細振動が少なく、一方で正方向の極大値と負方向との極大値との差が大きく、非対称性が大きいことが分かる。これにより、本形態では従来手法よりも明確な力覚を提示できることが分かる。 4B and FIG. 5B, FIG. 4C and FIG. 5C, FIG. 6B and FIG. 7B, and FIG. 6C and FIG. It can be seen that there is little fine vibration of the waveform, while the difference between the maximum value in the positive direction and the maximum value in the negative direction is large, and the asymmetry is large. Thereby, it turns out that a clear force sense can be shown in this form rather than the conventional method.
<本形態の特徴>
本形態でも、擬似力覚の呈示のための目標応答波形パターンから擬似力覚発生装置12の制御のための目標制御信号波形を推定できる。これにより、擬似力覚発生装置12の構成や持ち方が変わった場合でも、それぞれに応じて適切な目標制御信号波形を推定できる。また、逆関数または近似逆関数によって事前に制御対象の逆ダイナミクスモデルMcを求めることが可能であるため、目標応答波形パターンからリアルタイムに目標制御信号波形を推定できる。さらに電気回路特性モデルMeを考慮して制御対象の逆ダイナミクスモデルMcが得られるため、電気回路13の特性が変わった場合でも、それぞれに応じて適切な目標制御信号波形を推定できる。
<Features of this embodiment>
Also in this embodiment, the target control signal waveform for controlling the pseudo force sense generator 12 can be estimated from the target response waveform pattern for presenting the pseudo force sense. Thereby, even when the configuration and the way of holding the pseudo force sense generator 12 are changed, an appropriate target control signal waveform can be estimated according to each. Further, since the inverse dynamics model Mc to be controlled can be obtained in advance by an inverse function or an approximate inverse function, the target control signal waveform can be estimated in real time from the target response waveform pattern. Further, since the inverse dynamics model Mc to be controlled is obtained in consideration of the electric circuit characteristic model Me, even when the characteristic of the electric circuit 13 changes, an appropriate target control signal waveform can be estimated according to each.
なお、力学特性モデルMd,Msは、目標制御信号波形に基づいて制御される擬似力覚発生装置12の把持部126(すなわち、実機の把持部)が把持された状態をモデル化したものであってもよいし、擬似力覚発生装置12と同一または類似する他の装置の把持部が把持された状態をモデル化したものであってもよい。同様に、電気回路特性モデルMeは目標制御信号波形の制御信号が与えられる電気回路13(すなわち、実機)をモデル化したものであってもよいし、電気回路13と同一または類似する他の電気回路をモデル化したものであってもよい。いずれも、前者の場合には、より正確な目標制御信号波形を推定できる。 The mechanical characteristic models Md and Ms are obtained by modeling the state in which the grip portion 126 (that is, the grip portion of the actual machine) of the pseudo force sense device 12 controlled based on the target control signal waveform is gripped. Alternatively, it may be a model of a state in which the grip portion of another device that is the same as or similar to the simulated force sense generator 12 is gripped. Similarly, the electric circuit characteristic model Me may be a model of the electric circuit 13 (that is, an actual machine) to which a control signal having a target control signal waveform is given, or other electric circuits that are the same as or similar to the electric circuit 13. It may be a model of a circuit. In either case, a more accurate target control signal waveform can be estimated in the former case.
[第1,2実施形態の変形例1]
擬似力覚発生装置12(図2Aおよび図2B)の変形例として、運動部材125の端部125a側(N極側)または端部125b側(S極側)のみにコイル124が巻き付けられていてもよい。例えば、図8Aおよび図8Bの擬似力覚発生装置12’のように、支持部121の外周側の端部125b側(S極側)のみにコイル124が巻き付けられていてもよい。擬似力覚発生装置12’のその他の構成は擬似力覚発生装置12と同じである。擬似力覚発生装置12’の擬似力覚発生装置12と共通する部位には、擬似力覚発生装置12と同じ参照符号を用いている。
[Modification 1 of the first and second embodiments]
As a modified example of the simulated force sense generator 12 (FIGS. 2A and 2B), the coil 124 is wound only on the end 125a side (N pole side) or the end portion 125b side (S pole side) of the motion member 125. Also good. For example, the coil 124 may be wound only on the end portion 125b side (S pole side) on the outer peripheral side of the support portion 121 as in the pseudo force sense generation device 12 ′ of FIGS. 8A and 8B. The other configuration of the pseudo force sense generator 12 ′ is the same as that of the pseudo force sense generator 12. The same reference numerals as those of the pseudo force sense generator 12 are used for parts common to the pseudo force sense generator 12 of the pseudo force sense generator 12 ′.
[第1,2実施形態の変形例2]
あるいは、図9の擬似力覚発生装置12”のように、擬似力覚発生装置12(図2Aおよび図2B)のコイル124に代えて、支持部121の外周側の端部125a側(N極側)にA1方向に巻きつけられた第1巻き部124a’側のコイルと、支持部121の外周側の端部125b側(S極側)にB1方向(A1方向と反対向き)に巻き付けられた第2巻き部124b’側のコイルとが独立したものが用いられてもよい。すなわち、第1巻き部124a’側のコイルと第2巻き部124b’側のコイルとが電気的に接続されておらず、互いに異なる電気信号を与えることができる構成であってもよい。擬似力覚発生装置12”のその他の構成は擬似力覚発生装置12と同じである。擬似力覚発生装置12”の擬似力覚発生装置12と共通する部位には、擬似力覚発生装置12と同じ参照符号を用いている。
[Modification 2 of the first and second embodiments]
Or, instead of the coil 124 of the pseudo force sense generator 12 (FIGS. 2A and 2B) as in the pseudo force sense generator 12 ″ of FIG. 9, the end portion 125a side (N pole) on the outer peripheral side of the support portion 121 is used. a first winding portion 124a 'coil wound around the a 1 direction side), the end portion 125b side of the outer peripheral side of the supporting portion 121 (S pole side) in the B 1 direction (a 1 direction opposite) The coil on the second winding part 124b ′ side wound around the coil may be used independently, that is, the coil on the first winding part 124a ′ side and the coil on the second winding part 124b ′ side are electrically connected. The pseudo force sense generator 12 ″ may have the same configuration as that of the pseudo force sense generator 12. The same reference numerals as those of the pseudo force sense generator 12 are used for parts common to the pseudo force sense generator 12 of the pseudo force sense generator 12 ″.
[第1,2実施形態の変形例3]
擬似力覚発生装置が複数の運動部材を備えていてもよい。例えば、2個以上の運動部材を備えている擬似力覚発生装置の力学特性モデルMdおよびその把持部に接触する指の皮膚の力学特性モデルMsは図10のようになる。
[Modification 3 of the first and second embodiments]
The pseudo force generation device may include a plurality of motion members. For example, FIG. 10 shows a mechanical property model Md of the pseudo force sense generator including two or more moving members and a mechanical property model Ms of the skin of the finger in contact with the grip part.
この例の力学特性モデルMdは、質量がm1の質点M1、それぞれの質量がmj(ただし、j=2,…,j_maxであり、j_maxは3以上の整数)の質点Mj、質点M1と質点Mjとを接続する弾性係数kjのばねおよび粘性係数bjのダンパ、駆動電圧Voutjに応じて質点M1と質点Mjに働く周期的なローレンツ力fjからなる力学系の特性を表す。基準原点O1に対する質点M1の位置をx1と表現する。基準原点Ojに対する質点Mjの位置をxjと表現する。ただし、基準原点Ojは指の重心に対する相対位置が固定された点である。また、xjは擬似力覚発生装置の把持部に接触する指の重心から図3Aにおける右方向を正とし、その逆方向を負とする。xjの時間微分値、すなわち速度を
と表記する。記載表記の制約上、本明細書ではこれをx・ jと表記する場合もある。x・ jの時間微分値、すなわち加速度を
と表記する。本明細書ではこれをx・・ jと表記する場合もある。
Mechanical properties model Md In this example, the mass point M 1 of the mass m 1, the respective mass m j (however, j = 2, ..., a j_max, j_max is an integer of 3 or more) mass M j, mass of Dynamics composed of a spring having an elastic coefficient k j connecting M 1 and a mass point M j , a damper having a viscosity coefficient b j , and a periodic Lorentz force f j acting on the mass point M 1 and the mass point M j according to the drive voltage Vout j Represents the characteristics of the system. The position of the mass point M 1 with respect to the reference origin O 1 is expressed as x 1 . The position of the mass point M j with respect to the reference origin O j is expressed as x j . However, the reference origin O j is a point where the relative position with respect to the center of gravity of the finger is fixed. Also, x j is positive in the right direction in FIG. 3A from the center of gravity of the finger in contact with the grip portion of the pseudo force sense generating device, and negative in the opposite direction. x j time derivative, ie speed
Is written. Due to the limitation of the description notation, this may be expressed as x · j in this specification. x · j time derivative, ie acceleration
Is written. In this specification, this may be expressed as x ·· j .
この例の皮膚の力学特性モデルMsは、質点M1と把持部に接触する指の重心との間の弾性係数k1のばねおよび粘性係数b1のダンパからなる力学系の特性を表す。ここで把持部に接触する指の皮膚に与える力をfsと表現する。 The skin dynamic characteristic model Ms in this example represents characteristics of a dynamic system including a spring having an elastic coefficient k 1 and a damper having a viscosity coefficient b 1 between the mass point M 1 and the center of gravity of the finger in contact with the grasping portion. Here, the force applied to the skin of the finger that contacts the gripping part is expressed as fs.
質点M1,Mjの運動が1軸方向の運動に拘束されているとすると、以下の運動方程式が成り立つ。
ただし、f1は質点M1に指の皮膚から与えられる力を表す。これらの式(14)〜(17)を用いて制御対象の逆ダイナミクスモデルMcが設定されてもよい。
If the motions of the mass points M 1 and M j are constrained by the motion in one axis direction, the following equation of motion holds.
However, f 1 represents the force applied from the skin of the finger to the mass point M 1. The inverse dynamics model Mc to be controlled may be set using these equations (14) to (17).
[第1,2実施形態の変形例4]
擬似力覚発生装置12を把持する力の強さが変わると皮膚の力学特性モデルが変化するため、制御対象の逆ダイナミクスモデルMcも変化する。この様な変化に対応するため、たとえば、擬似力覚発生装置12の把持部126に、皮膚に与える力[N]を計測するセンサを設置し、ある時刻にセンサで検出した力と、検出時刻に対応する目標応答波形パターンでの力との誤差の絶対値が所定の閾値以上の場合、制御対象の逆ダイナミクスモデルMcが適切でないと判定して、皮膚の力学特性モデルMsのパラメータを所定の方法で変更して制御対象の逆ダイナミクスモデルMcを再計算することとしても良い。
[Modification 4 of the first and second embodiments]
When the strength of the force for grasping the pseudo force sense generating device 12 changes, the skin dynamic characteristic model changes, so that the inverse dynamics model Mc to be controlled also changes. In order to cope with such a change, for example, a sensor for measuring the force [N] applied to the skin is installed in the grip portion 126 of the pseudo force generation device 12, and the force detected by the sensor at a certain time and the detection time If the absolute value of the error from the force in the target response waveform pattern corresponding to is greater than or equal to a predetermined threshold value, it is determined that the inverse dynamics model Mc to be controlled is not appropriate, and the parameter of the skin dynamic characteristic model Ms is set to a predetermined value. The inverse dynamics model Mc to be controlled may be recalculated by changing the method.
制御対象の逆ダイナミクスモデルMcが適切でないと判定する処理はこれに限定されず、センサで検出した力の時系列データとデータが取得された時刻に対応する目標応答波形パターンでの力との誤差の二乗和が所定の閾値以上の場合に制御対象の逆ダイナミクスモデルMcを再計算する等の他方法を用いることとしても良い。 The process for determining that the inverse dynamics model Mc to be controlled is not appropriate is not limited to this, and the error between the force time-series data detected by the sensor and the force in the target response waveform pattern corresponding to the time when the data was acquired Other methods such as recalculating the inverse dynamics model Mc to be controlled may be used when the sum of squares is equal to or greater than a predetermined threshold.
皮膚の力学特性モデルMsのパラメータを変更する方法については、たとえば、指100で擬似力覚発生装置12を把持する際の指100への力の入れ具合に応じて、指100の皮膚の力学特性モデルMsを構成するばねの弾性係数k1やダンパの粘性係数b1の組み合わせを複数記憶部に記憶しておき、誤差に応じて指100の皮膚の力学特性モデルMsの弾性係数k1、粘性係数b1の値を変更することとしても良い。たとえば、擬似力覚発生装置12を把持する力の強さの昇順、あるいは降順に弾性係数k1、粘性係数b1の組み合わせを記憶部に複数記憶しておき、ある時刻にセンサで検出した力が検出時刻に対応する目標応答波形での力よりも小さいか、大きいかに応じて、現在の制御対象の逆ダイナミクスモデルMcで利用中の弾性係数k1、粘性係数b1の組み合わせの上もしくは下の1つ隣の組み合わせを選択することとしても良い。 Regarding the method of changing the parameters of the skin mechanical property model Ms, for example, the skin mechanical properties of the finger 100 according to the force applied to the finger 100 when the pseudo force sense generating device 12 is gripped by the finger 100. A combination of the elastic coefficient k1 of the spring constituting the model Ms and the viscosity coefficient b1 of the damper is stored in a plurality of storage units, and the elastic coefficient k1 and the viscosity coefficient b1 of the skin mechanical property model Ms of the finger 100 according to the error. The value may be changed. For example, a plurality of combinations of the elastic coefficient k1 and the viscosity coefficient b1 are stored in the storage unit in ascending order or descending order of the strength of gripping the pseudo force generation device 12, and the force detected by the sensor at a certain time is detected. One above or below the combination of the elastic coefficient k1 and the viscosity coefficient b1 being used in the current inverse dynamics model Mc depending on whether the force is smaller or larger than the force in the target response waveform corresponding to the time. It is also possible to select the next combination.
なお、擬似力覚発生装置12が力センサではなく加速度センサを内蔵することとし、目標応答波形パターンから推定される擬似力覚発生装置12に発生する加速度の推定値と加速度センサで計測した加速度との誤差を用いて制御対象の逆ダイナミクスモデルMcの再計算の要否を判定することとしても良い。 It is assumed that the pseudo force sense generating device 12 includes an acceleration sensor instead of a force sensor, and an estimated value of acceleration generated in the pseudo force sense generating device 12 estimated from the target response waveform pattern and an acceleration measured by the acceleration sensor It is also possible to determine whether or not it is necessary to recalculate the inverse dynamics model Mc to be controlled using the above error.
[第3実施形態]
本形態では、上述の実施形態とは逆に、制御対象の順ダイナミクスモデルに制御信号波形を適用し、その応答波形を推定する。
[Third Embodiment]
In this embodiment, contrary to the above-described embodiment, the control signal waveform is applied to the forward dynamics model to be controlled, and the response waveform is estimated.
<構成>
図11に例示するように、本形態の波形推定装置31は、記憶部311、入力部312、モデル適用部313、および出力部314を有する。波形推定装置31は、例えば前述した汎用または専用のコンピュータが所定のプログラムを実行することで構成される装置である。
<Configuration>
As illustrated in FIG. 11, the waveform estimation device 31 of this embodiment includes a storage unit 311, an input unit 312, a model application unit 313, and an output unit 314. The waveform estimation device 31 is a device configured by, for example, the above-described general-purpose or dedicated computer executing a predetermined program.
<前処理>
本形態の前処理では制御対象の順ダイナミクスモデルMpが設定され、記憶部311に格納される。本形態の制御対象の順ダイナミクスモデルMpは、前述した運動部材125を駆動させるための制御信号の波形(制御信号波形)に対し、擬似力覚発生装置12の把持部126の位置、速度、加速度、ならびに把持部126に接触する皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する応答波形を得るための数式モデルである。本形態の制御対象の順ダイナミクスモデルMpは、擬似力覚発生装置12の力学特性モデルMd、および把持部126に接触する皮膚の力学特性モデルMsに基づいて得られる。力学特性モデルMdや力学特性モデルMsの例は前述の通りである。制御対象の順ダイナミクスモデルMpの逆関数または近似逆関数が前述した制御対象の逆ダイナミクスモデルMcとなる。制御対象の順ダイナミクスモデルMpの例は前述した関係式(3A)〜(10A)である。
<Pretreatment>
In the preprocessing of the present embodiment, the forward dynamics model Mp to be controlled is set and stored in the storage unit 311. The forward dynamics model Mp to be controlled according to the present embodiment has the position, speed, and acceleration of the gripper 126 of the pseudo force sense generator 12 with respect to the control signal waveform (control signal waveform) for driving the moving member 125 described above. , And a mathematical model for obtaining a response waveform corresponding to at least one of the forces applied to the skin in contact with the grip portion 126. The forward dynamics model Mp to be controlled according to the present embodiment is obtained based on the dynamic characteristic model Md of the pseudo force sense generator 12 and the dynamic characteristic model Ms of the skin in contact with the grasping portion 126. Examples of the mechanical property model Md and the mechanical property model Ms are as described above. The inverse function or approximate inverse function of the forward dynamic model Mp to be controlled is the aforementioned inverse dynamic model Mc to be controlled. Examples of the forward dynamics model Mp to be controlled are the relational expressions (3A) to (10A) described above.
<応答波形の推定処理>
本形態の応答波形の推定処理では、制御信号波形が入力部312に入力される。制御信号波形は、前述した運動部材125を駆動させるための制御信号波形である。制御信号波形は、運動部材125の制御に必要な物理量の時間波形(各時間での物理量からなる波形)である。制御信号波形は、例えば、正値の波形と負値の波形とが非対称な周期的な波形である(例えば、図4A,図5A,図6A,図7A)。また、いずれの物理量の時間波形を制御信号波形とするかは制御対象の順ダイナミクスモデルMpの構成に依存する。すなわち、制御対象の順ダイナミクスモデルMpは、制御信号波形から応答波形を得るモデルであり、入力部112に入力される制御信号波形はこの制御対象の順ダイナミクスモデルMpに対応した時間波形となる。例えば、制御対象の順ダイナミクスモデルMpが関係式(3A)の場合、電流i2の時間波形を制御信号波形とする。例えば、制御対象の順ダイナミクスモデルMpが関係式(4A)の場合、電圧Voutの時間波形を制御信号波形とする。
<Response waveform estimation process>
In the response waveform estimation processing of this embodiment, the control signal waveform is input to the input unit 312. The control signal waveform is a control signal waveform for driving the moving member 125 described above. The control signal waveform is a time waveform of a physical quantity necessary for controlling the moving member 125 (a waveform made up of physical quantities at each time). The control signal waveform is, for example, a periodic waveform in which a positive waveform and a negative waveform are asymmetric (for example, FIGS. 4A, 5A, 6A, and 7A). In addition, which physical quantity time waveform is used as the control signal waveform depends on the configuration of the forward dynamics model Mp to be controlled. That is, the control target forward dynamics model Mp is a model for obtaining a response waveform from the control signal waveform, and the control signal waveform input to the input unit 112 is a time waveform corresponding to the control target forward dynamics model Mp. For example, when the forward dynamics model Mp to be controlled is the relational expression (3A), the time waveform of the current i 2 is set as the control signal waveform. For example, when the forward dynamics model Mp to be controlled is the relational expression (4A), the time waveform of the voltage Vout is set as the control signal waveform.
制御信号波形はモデル適用部313に送られる。モデル適用部313は、記憶部111から読み出した制御対象の順ダイナミクスモデルMpに制御信号波形を適用し、制御信号波形で擬似力覚発生装置12の非対称運動を制御した場合における、把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する応答波形を推定する。すなわち、モデル適用部313は、制御対象の順ダイナミクスモデルMpに制御信号波形の各時間の物理量を代入し、それに対応する関数値を得、その関数値の時間波形を「応答波形」として出力する。例えば、制御対象の順ダイナミクスモデルMpが関係式(3A)の場合、モデル適用部313は、制御信号波形の各時間の電流i2から各時間のfs=F2(i2)を計算して応答波形として出力する。例えば、制御対象の順ダイナミクスモデルMpが関係式(4A)の場合、モデル適用部313は、制御信号波形の各時間の電圧Voutから各時間のfs=FR(Vout)を計算して応答波形として出力する。得られた応答波形は出力部314に送られ、出力部314はこの応答波形を出力する。 The control signal waveform is sent to the model application unit 313. The model application unit 313 applies the control signal waveform to the forward dynamics model Mp to be controlled read from the storage unit 111, and controls the asymmetric motion of the pseudo force generation device 12 with the control signal waveform. A response waveform corresponding to at least one of speed, acceleration, and force applied to the skin is estimated. That is, the model application unit 313 substitutes the physical quantity of each time of the control signal waveform into the forward dynamics model Mp to be controlled, obtains a function value corresponding thereto, and outputs the time waveform of the function value as a “response waveform”. . For example, when the forward dynamics model Mp to be controlled is the relational expression (3A), the model application unit 313 calculates fs = F 2 (i 2 ) at each time from the current i 2 at each time of the control signal waveform. Output as response waveform. For example, when the forward dynamics model Mp to be controlled is the relational expression (4A), the model applying unit 313 calculates fs = F R (Vout) at each time from the voltage Vout at each time of the control signal waveform, and a response waveform. Output as. The obtained response waveform is sent to the output unit 314, and the output unit 314 outputs this response waveform.
<本形態の特徴>
本形態により、制御信号波形および擬似力覚発生装置12の構成や持ち方に応じた応答波形を推定できる。
<Features of this embodiment>
According to the present embodiment, it is possible to estimate the control signal waveform and the response waveform according to the configuration and way of holding the pseudo force sense generator 12.
[第4実施形態]
第4実施形態は第3実施形態の変形例であり、制御対象の順ダイナミクスモデルMpが、擬似力覚発生装置12の力学特性モデルMd、皮膚の力学特性モデルMs、および制御信号波形と電気回路の出力との関係を表す電気回路特性モデルMeに基づく点が相違する。
[Fourth Embodiment]
The fourth embodiment is a modification of the third embodiment, and the forward dynamics model Mp to be controlled is the dynamic characteristic model Md of the simulated force sense generator 12, the dynamic characteristic model Ms of the skin, and the control signal waveform and the electric circuit. The difference is based on the electric circuit characteristic model Me representing the relationship with the output of.
<構成>
図11に例示するように、本形態の波形推定装置41は、記憶部411、入力部312、モデル適用部413、および出力部314を有する。波形推定装置41は、例えば前述した汎用または専用のコンピュータが所定のプログラムを実行することで構成される装置である。
<Configuration>
As illustrated in FIG. 11, the waveform estimation device 41 of this embodiment includes a storage unit 411, an input unit 312, a model application unit 413, and an output unit 314. The waveform estimation device 41 is a device configured by, for example, the aforementioned general-purpose or dedicated computer executing a predetermined program.
本形態の前処理では制御対象の順ダイナミクスモデルMpが設定され、記憶部411に格納される。本形態の制御対象の順ダイナミクスモデルMpは、前述した運動部材125を駆動させるための制御信号の波形(制御信号波形)に対し、擬似力覚発生装置12の把持部126の位置、速度、加速度、ならびに把持部126に接触する皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する応答波形を得るための数式モデルである。本形態の制御対象の順ダイナミクスモデルMpは、前述した力学特性モデルMd、力学特性モデルMs、および電気回路特性モデルMeに基づいて得られる。例えば、関係式(3A)〜(10A)の何れかと式(11)とに基づいた関係式を制御対象の順ダイナミクスモデルMpとする。例えば、関係式(4A)と式(11)とに基づいた関係式
fs=FR(H(S)・Vin)=FRH(Vin) (18)
を制御対象の順ダイナミクスモデルMpとしてもよい。あるいは、関係式(5A)と式(11)とi2=Vout/Rに基づいた関係式
x・・ 1=Fm(H(S)・Vin/R)=FmRH(Vin) (19)
を制御対象の順ダイナミクスモデルMpとしてもよい。
In the preprocessing of the present embodiment, the forward dynamics model Mp to be controlled is set and stored in the storage unit 411. The forward dynamics model Mp to be controlled according to the present embodiment has the position, speed, and acceleration of the gripper 126 of the pseudo force sense generator 12 with respect to the control signal waveform (control signal waveform) for driving the moving member 125 described above. , And a mathematical model for obtaining a response waveform corresponding to at least one of the forces applied to the skin in contact with the grip portion 126. The forward dynamics model Mp to be controlled in this embodiment is obtained based on the above-described mechanical characteristic model Md, dynamic characteristic model Ms, and electric circuit characteristic model Me. For example, a relational expression based on any one of the relational expressions (3A) to (10A) and the expression (11) is set as the forward dynamics model Mp to be controlled. For example, the relational expression fs = F R (H (S) · Vin) = F RH (Vin) (18) based on the relational expression (4A) and the expression (11).
May be the forward dynamics model Mp to be controlled. Or the relational expression x ·· 1 = F m (H (S) · Vin / R) = F mRH (Vin) (19) based on the relational expression (5A), the expression (11), and i 2 = Vout / R
May be the forward dynamics model Mp to be controlled.
<応答波形の推定処理>
本形態の応答波形の推定処理では、制御信号波形が入力部312に入力される。制御信号波形は、前述した運動部材125を駆動させるための制御信号波形である。前述のように、いずれの物理量の時間波形を制御信号波形とするかは制御対象の順ダイナミクスモデルMpの構成に依存する。例えば、制御対象の順ダイナミクスモデルMpが関係式(18)の場合、電圧Vinの時間波形を制御信号波形とする。
<Response waveform estimation process>
In the response waveform estimation processing of this embodiment, the control signal waveform is input to the input unit 312. The control signal waveform is a control signal waveform for driving the moving member 125 described above. As described above, which physical quantity time waveform is used as the control signal waveform depends on the configuration of the forward dynamics model Mp to be controlled. For example, when the forward dynamics model Mp to be controlled is the relational expression (18), the time waveform of the voltage Vin is set as the control signal waveform.
制御信号波形はモデル適用部413に送られる。モデル適用部413は、記憶部111から読み出した制御対象の順ダイナミクスモデルMpに制御信号波形を適用し、制御信号波形で擬似力覚発生装置12の非対称運動を制御した場合における、把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する応答波形を推定する。例えば、制御対象の順ダイナミクスモデルMpが関係式(18)の場合、モデル適用部313は、制御信号波形の各時間の電圧Vinから各時間のfs=FRH(Vin)を計算して応答波形として出力する。 The control signal waveform is sent to the model application unit 413. The model application unit 413 applies the control signal waveform to the forward dynamics model Mp to be controlled read from the storage unit 111, and controls the asymmetric motion of the pseudo force generation device 12 with the control signal waveform. A response waveform corresponding to at least one of speed, acceleration, and force applied to the skin is estimated. For example, when the forward dynamics model Mp to be controlled is the relational expression (18), the model applying unit 313 calculates fs = F RH (Vin) at each time from the voltage Vin at each time of the control signal waveform, and a response waveform. Output as.
<本形態の特徴>
本形態により、制御信号波形、擬似力覚発生装置12の構成や持ち方、および電気回路13に応じた応答波形を推定できる。
<Features of this embodiment>
According to the present embodiment, it is possible to estimate the response waveform according to the control signal waveform, the configuration and holding method of the pseudo force sense generator 12, and the electric circuit 13.
[第5実施形態]
制御対象の順ダイナミクスモデルMpに制御信号波形として試行信号波形を適用して得られる、把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する推定波形と、入力された目標応答波形パターンとの誤差に基づいて(例えば、最急降下法などを用いて誤差が最小になるように)試行信号波形を調整し、擬似力覚発生装置12の非対称運動を制御するための目標制御信号波形を得てもよい。
[Fifth Embodiment]
An estimated waveform corresponding to at least one of the position, velocity, acceleration, and force applied to the skin, obtained by applying a trial signal waveform as a control signal waveform to the forward dynamics model Mp to be controlled, is input A target for controlling the asymmetric motion of the pseudo force sense generator 12 by adjusting the trial signal waveform based on the error from the target response waveform pattern (for example, using the steepest descent method so that the error is minimized). A control signal waveform may be obtained.
<構成>
図12に例示するように、本形態のシステムは目標応答波形パターンから目標制御信号波形を得る制御信号推定装置51、擬似力覚発生装置12、および電気回路13を有する。制御信号推定装置51は、記憶部311、入力部112、モデル適用部313、試行信号更新部514、および誤差計算部515を有する。制御信号推定装置51は、例えば前述した汎用または専用のコンピュータが所定のプログラムを実行することで構成される装置である。
<Configuration>
As illustrated in FIG. 12, the system of this embodiment includes a control signal estimation device 51 that obtains a target control signal waveform from a target response waveform pattern, a pseudo force generation device 12, and an electric circuit 13. The control signal estimation device 51 includes a storage unit 311, an input unit 112, a model application unit 313, a trial signal update unit 514, and an error calculation unit 515. The control signal estimation device 51 is a device configured by, for example, the above-described general-purpose or dedicated computer executing a predetermined program.
<前処理>
第3実施形態で説明したように制御対象の順ダイナミクスモデルMpが設定され、記憶部311に格納される。本形態の制御対象の順ダイナミクスモデルMpは、運動部材125を駆動させるための制御信号波形に対し、擬似力覚発生装置12の把持部126の位置、速度、加速度、ならびに把持部126に接触する皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する応答波形を得るための数式モデルである。本形態の制御対象の順ダイナミクスモデルMpは、力学特性モデルMd,Msに基づく。
<Pretreatment>
As described in the third embodiment, the forward dynamics model Mp to be controlled is set and stored in the storage unit 311. The forward dynamics model Mp to be controlled in this embodiment is in contact with the position, speed, acceleration, and gripping portion 126 of the gripping portion 126 of the pseudo force sense generator 12 with respect to the control signal waveform for driving the motion member 125. It is a mathematical model for obtaining a response waveform corresponding to at least one of the forces applied to the skin. The forward dynamics model Mp to be controlled in this embodiment is based on the dynamic characteristic models Md and Ms.
<目標制御信号波形の推定処理>
本形態の目標制御信号波形の推定処理では、目標応答波形パターンTA(t)が入力部112に入力される。tは時刻を表す。目標応答波形パターンTA(t)は、目標となる把持部126の位置、速度、加速度、ならびに指100の皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する。いずれの物理量の時間波形パターンを目標応答波形パターンTA(t)とするかは制御対象の順ダイナミクスモデルMpの構成に依存する。すなわち、制御対象の順ダイナミクスモデルMpは制御信号波形から応答波形を得るモデルであり、入力部112に入力される目標応答波形パターンTA(t)はこの制御対象の順ダイナミクスモデルMpの応答波形に対応したものである。例えば、制御対象の順ダイナミクスモデルMpが関係式(3A)の場合、目標となる力fsの時間波形を目標応答波形パターンTA(t)とする。目標応答波形パターンTA(t)は誤差計算部515に送られる(ステップS51)。
<Target control signal waveform estimation process>
In the target control signal waveform estimation process of this embodiment, the target response waveform pattern TA (t) is input to the input unit 112. t represents time. The target response waveform pattern TA (t) corresponds to at least one of the position, speed, acceleration, and force applied to the skin of the finger 100 as a target. Which physical quantity time waveform pattern is the target response waveform pattern TA (t) depends on the configuration of the forward dynamics model Mp to be controlled. That is, the forward dynamics model Mp to be controlled is a model for obtaining a response waveform from the control signal waveform, and the target response waveform pattern TA (t) input to the input unit 112 is the response waveform of the forward dynamics model Mp to be controlled. It corresponds. For example, when the forward dynamics model Mp to be controlled is the relational expression (3A), the time waveform of the target force fs is set as the target response waveform pattern TA (t). The target response waveform pattern TA (t) is sent to the error calculator 515 (step S51).
試行信号更新部514は、制御対象の順ダイナミクスモデルMpの制御信号波形とする試行信号波形TR(t)を設定する。試行信号波形TR(t)の初期値は予め定められており、例えばTR(t)=0とする。試行信号波形TR(t)はモデル適用部313に送られる(ステップS52)。 The trial signal update unit 514 sets a trial signal waveform TR (t) as a control signal waveform of the forward dynamics model Mp to be controlled. The initial value of the trial signal waveform TR (t) is predetermined, for example, TR (t) = 0. The trial signal waveform TR (t) is sent to the model application unit 313 (step S52).
モデル適用部313は、送られた試行信号波形TR(t)を制御信号波形として制御対象の順ダイナミクスモデルMpに適用し、把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する推定波形W(t)を得る。例えば、制御対象の順ダイナミクスモデルMpが関係式(3A)の場合、W(t)=F2(TR(t))を計算する。推定波形W(t)は誤差計算部515に送られる(ステップS53)。 The model application unit 313 applies the transmitted trial signal waveform TR (t) as a control signal waveform to the forward dynamics model Mp to be controlled, and at least one of the position, velocity, acceleration, and force applied to the skin of the gripping unit. An estimated waveform W (t) corresponding to is obtained. For example, when the forward dynamics model Mp to be controlled is the relational expression (3A), W (t) = F 2 (TR (t)) is calculated. The estimated waveform W (t) is sent to the error calculator 515 (step S53).
誤差計算部515は、目標応答波形パターンTA(t)と推定波形W(t)との誤差δ(t)に基づき、所定の終了条件を満たしているかを判定する。終了条件の例は、全ての時間tの誤差δ(t)が閾値以下であること、所定の時間区間(例えば1周期)での誤差δ(t)の二乗和が閾値以下であること、試行信号波形TR(t)の更新に応じた誤差δ(t)または二乗和の変化量が閾値以下であることなどである。ここで所定の終了条件を満たしていると判定された場合、誤差計算部515は、試行信号更新部514に終了条件を満たした旨の情報を送る。一方、所定の終了条件を満たしていないと判定された場合、誤差計算部515は、試行信号更新部514に終了条件を満たしていない旨の情報を送る(ステップS54)。 The error calculation unit 515 determines whether a predetermined end condition is satisfied based on the error δ (t) between the target response waveform pattern TA (t) and the estimated waveform W (t). Examples of termination conditions are that error δ (t) for all times t is less than or equal to a threshold, that the sum of squares of error δ (t) in a predetermined time interval (for example, one period) is less than or equal to the threshold, trial For example, the error δ (t) corresponding to the update of the signal waveform TR (t) or the change amount of the sum of squares is equal to or less than a threshold value. If it is determined that the predetermined end condition is satisfied, the error calculation unit 515 sends information indicating that the end condition is satisfied to the trial signal update unit 514. On the other hand, when it is determined that the predetermined end condition is not satisfied, the error calculation unit 515 sends information indicating that the end condition is not satisfied to the trial signal update unit 514 (step S54).
試行信号更新部514に終了条件を満たしていない旨の情報が送られた場合、試行信号更新部514は、新たな試行信号波形TR(t)を設定して(例えば、誤差δ(t)が小さくなるように)モデル適用部313に送る(ステップS55)。この場合には、ステップS53およびS54が再び実行される。一方、試行信号更新部514に終了条件を満たした旨の情報が送られた場合、試行信号更新部514は、最新の試行信号波形TR(t)を目標制御信号波形として出力する(ステップS56)。 When information indicating that the termination condition is not satisfied is sent to the trial signal update unit 514, the trial signal update unit 514 sets a new trial signal waveform TR (t) (for example, the error δ (t) is The data is sent to the model application unit 313 (so as to be smaller) (step S55). In this case, steps S53 and S54 are executed again. On the other hand, when information indicating that the end condition is satisfied is sent to the trial signal update unit 514, the trial signal update unit 514 outputs the latest trial signal waveform TR (t) as the target control signal waveform (step S56). .
得られた目標制御信号波形に応じた制御信号(制御電圧または制御電流)は電気回路13に与えられる。電気回路13はそれに応じた駆動信号を擬似力覚発生装置12に送る。擬似力覚発生装置12はこれに基づいて駆動し、把持部126を把持する指100に対して擬似力覚を呈示する。 A control signal (control voltage or control current) corresponding to the obtained target control signal waveform is applied to the electric circuit 13. The electric circuit 13 sends a corresponding drive signal to the pseudo force sense generator 12. The simulated force sense generator 12 is driven based on this, and presents a simulated force sense to the finger 100 gripping the grip portion 126.
<本形態の特徴>
本形態では、擬似力覚の呈示のための目標応答波形パターンから擬似力覚発生装置12の制御のための目標制御信号波形を推定できる。これにより、擬似力覚発生装置12の構成や持ち方が変わった場合でも、それぞれに応じて適切な目標制御信号波形を推定できる。また、逆関数または近似逆関数によって制御対象の逆ダイナミクスモデルを求める場合と異なり、制御対象の順ダイナミクスモデルが非線形であったとしても、精度よく目標制御信号波形を推定できる。
<Features of this embodiment>
In this embodiment, the target control signal waveform for controlling the pseudo force sense generator 12 can be estimated from the target response waveform pattern for presenting the pseudo force sense. Thereby, even when the configuration and the way of holding the pseudo force sense generator 12 are changed, an appropriate target control signal waveform can be estimated according to each. In addition, unlike the case where the inverse dynamics model to be controlled is obtained by an inverse function or approximate inverse function, the target control signal waveform can be accurately estimated even if the forward dynamics model to be controlled is nonlinear.
なお、力学特性モデルMd,Msは、目標制御信号波形に基づいて制御される擬似力覚発生装置12の把持部126(すなわち、実機の把持部)が把持された状態をモデル化したものであってもよいし、擬似力覚発生装置12と同一または類似する他の装置の把持部が把持された状態をモデル化したものであってもよい。前者の場合には、より正確な目標制御信号波形を推定できる。 The mechanical characteristic models Md and Ms are obtained by modeling the state in which the grip portion 126 (that is, the grip portion of the actual machine) of the pseudo force sense device 12 controlled based on the target control signal waveform is gripped. Alternatively, it may be a model of a state in which the grip portion of another device that is the same as or similar to the simulated force sense generator 12 is gripped. In the former case, a more accurate target control signal waveform can be estimated.
[第6実施形態]
第6実施形態は第5実施形態の変形例であり、制御対象の順ダイナミクスモデルMpが、擬似力覚発生装置12の力学特性モデルMd、皮膚の力学特性モデルMs、および制御信号波形と電気回路の出力との関係を表す電気回路特性モデルMeに基づく点が相違する。
[Sixth Embodiment]
The sixth embodiment is a modification of the fifth embodiment, and the forward dynamics model Mp to be controlled is the dynamic characteristic model Md of the pseudo force sense generator 12, the dynamic characteristic model Ms of the skin, and the control signal waveform and the electric circuit. The difference is based on the electric circuit characteristic model Me representing the relationship with the output of.
図12に例示するように、本形態のシステムは制御信号推定装置61、擬似力覚発生装置12、および電気回路13を有する。制御信号推定装置61は、記憶部411、入力部112、モデル適用部413、試行信号更新部514、および誤差計算部515を有する。制御信号推定装置61は、例えば前述した汎用または専用のコンピュータが所定のプログラムを実行することで構成される装置である。 As illustrated in FIG. 12, the system of this embodiment includes a control signal estimation device 61, a pseudo force generation device 12, and an electric circuit 13. The control signal estimation device 61 includes a storage unit 411, an input unit 112, a model application unit 413, a trial signal update unit 514, and an error calculation unit 515. The control signal estimation device 61 is a device configured by, for example, the above-described general-purpose or dedicated computer executing a predetermined program.
<前処理>
第4実施形態で説明したように制御対象の順ダイナミクスモデルMpが設定され、記憶部311に格納される。本形態の制御対象の順ダイナミクスモデルMpは、運動部材125を駆動させるための制御信号波形に対し、擬似力覚発生装置12の把持部126の位置、速度、加速度、ならびに把持部126に接触する皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する応答波形を得るための数式モデルである。本形態の制御対象の順ダイナミクスモデルMpは、力学特性モデルMd,Msおよび電気回路特性モデルMeに基づく。
<Pretreatment>
As described in the fourth embodiment, the forward dynamics model Mp to be controlled is set and stored in the storage unit 311. The forward dynamics model Mp to be controlled in this embodiment is in contact with the position, speed, acceleration, and gripping portion 126 of the gripping portion 126 of the pseudo force sense generator 12 with respect to the control signal waveform for driving the motion member 125. It is a mathematical model for obtaining a response waveform corresponding to at least one of the forces applied to the skin. The forward dynamics model Mp to be controlled in this embodiment is based on the mechanical characteristic models Md and Ms and the electric circuit characteristic model Me.
<目標制御信号波形の推定処理>
力学特性モデルMd,Msおよび電気回路特性モデルMeに基づく制御対象の順ダイナミクスモデルMpを用いる以外、第5実施形態の目標制御信号波形の推定処理と同じである。
<Target control signal waveform estimation process>
The process is the same as the target control signal waveform estimation process of the fifth embodiment except that the forward dynamics model Mp to be controlled based on the mechanical characteristic models Md and Ms and the electric circuit characteristic model Me is used.
<実験結果>
本形態の比較実験結果を例示する。
《実験結果2:[T1,T2]=[2,10]msec》
図13A〜図13Cは本形態による実験結果を表す。この実験では図13Bの破線で表示した目標応答波形パターンを用い、図13Aの制御信号波形を得た。この目標応答波形パターン(図13B)は、把持部126に接触する指100の皮膚に与える力[N]の時間波形である。この目標応答波形パターンは、2[msec]の時間区間T1とそれに続く10[msec]の時間区間T2とを繰り返す周期的なパターンであり、その1周期には時間区間T1と時間区間T2が1ずつ含まれ、1周期は時間区間T1および時間区間T2からなる12[msec]である。この目標応答波形パターン(図13A)によって制御された擬似力覚発生装置12がその把持部126に接触する指100の皮膚に与える力[N]の応答波形を図13Bの実線で示す。図13Bより、目標応答波形パターンに近似する応答波形が得られていることが分かる。図13Cはこの際の把持部12の位置[m]の波形を表す。
<Experimental result>
The comparison experiment result of this form is illustrated.
<< Experimental result 2: [T1, T2] = [2,10] msec >>
13A to 13C show experimental results according to this embodiment. In this experiment, the control signal waveform of FIG. 13A was obtained using the target response waveform pattern indicated by the broken line of FIG. 13B. This target response waveform pattern (FIG. 13B) is a time waveform of the force [N] applied to the skin of the finger 100 that is in contact with the grip portion 126. This target response waveform pattern is a periodic pattern in which a time interval T1 of 2 [msec] and a subsequent time interval T2 of 10 [msec] are repeated, and the time interval T1 and the time interval T2 are 1 in one cycle. One period is 12 [msec] consisting of a time interval T1 and a time interval T2. The response waveform of the force [N] applied to the skin of the finger 100 in contact with the grasping portion 126 by the simulated force sense generator 12 controlled by the target response waveform pattern (FIG. 13A) is shown by a solid line in FIG. 13B. FIG. 13B shows that a response waveform that approximates the target response waveform pattern is obtained. FIG. 13C shows the waveform of the position [m] of the grip portion 12 at this time.
《実験結果3:[T1,T2]=[3,16]msec》
図14A〜図14Cは本形態による実験結果を表す。実験結果4と異なり、[T1,T2]=[3,16]msecとした。その他の条件は比較実験結果1と同じである。
<< Experimental result 3: [T1, T2] = [3, 16] msec >>
14A to 14C show experimental results according to this embodiment. Unlike the experimental result 4, [T1, T2] = [3, 16] msec. Other conditions are the same as those in Comparative Experiment Result 1.
図4Bと図13B、図4Cと図13C、図6Bと図14B、図6Cと図14Cを比較すると、本形態の手法では従来手法に比べ、皮膚に与え力および把持部126の位置ともにノイズとなる波形の微細振動が少なく、一方で正方向の極大値と負方向との極大値との差が大きく、非対称性が大きいことが分かる。これにより、本形態では従来手法よりも明確な力覚を提示できることが分かる。 4B and FIG. 13B, FIG. 4C and FIG. 13C, FIG. 6B and FIG. 14B, and FIG. 6C and FIG. 14C. It can be seen that there is little fine vibration of the waveform, while the difference between the maximum value in the positive direction and the maximum value in the negative direction is large, and the asymmetry is large. Thereby, it turns out that a clear force sense can be shown in this form rather than the conventional method.
<本形態の特徴>
本形態でも、擬似力覚の呈示のための目標応答波形パターンから擬似力覚発生装置12の制御のための目標制御信号波形を推定できる。これにより、擬似力覚発生装置12の構成や持ち方が変わった場合でも、それぞれに応じて適切な目標制御信号波形を推定できる。また、逆関数または近似逆関数によって制御対象の逆ダイナミクスモデルを求める場合と異なり、制御対象の順ダイナミクスモデルが非線形(例えば、電気回路の出力が飽和する場合)であったとしても、その非線形特性をも反映させ、精度よく目標制御信号波形を推定できる。
<Features of this embodiment>
Also in this embodiment, the target control signal waveform for controlling the pseudo force sense generator 12 can be estimated from the target response waveform pattern for presenting the pseudo force sense. Thereby, even when the configuration and the way of holding the pseudo force sense generator 12 are changed, an appropriate target control signal waveform can be estimated according to each. Also, unlike the case where the inverse dynamics model of the controlled object is obtained by an inverse function or approximate inverse function, even if the forward dynamics model of the controlled object is nonlinear (for example, when the output of the electric circuit is saturated), its nonlinear characteristics As a result, the target control signal waveform can be accurately estimated.
なお、力学特性モデルMd,Msは、目標制御信号波形に基づいて制御される擬似力覚発生装置12の把持部126(すなわち、実機の把持部)が把持された状態をモデル化したものであってもよいし、擬似力覚発生装置12と同一または類似する他の装置の把持部が把持された状態をモデル化したものであってもよい。同様に、電気回路特性モデルMeは目標制御信号波形の制御信号が与えられる電気回路13(すなわち、実機)をモデル化したものであってもよいし、電気回路13と同一または類似する他の電気回路をモデル化したものであってもよい。いずれも、前者の場合には、より正確な目標制御信号波形を推定できる。 The mechanical characteristic models Md and Ms are obtained by modeling the state in which the grip portion 126 (that is, the grip portion of the actual machine) of the pseudo force sense device 12 controlled based on the target control signal waveform is gripped. Alternatively, it may be a model of a state in which the grip portion of another device that is the same as or similar to the simulated force sense generator 12 is gripped. Similarly, the electric circuit characteristic model Me may be a model of the electric circuit 13 (that is, an actual machine) to which a control signal having a target control signal waveform is given, or other electric circuits that are the same as or similar to the electric circuit 13. It may be a model of a circuit. In either case, a more accurate target control signal waveform can be estimated in the former case.
[第5,6実施形態の変形例]
第5,6実施形態の変形例として、擬似力覚発生装置12に代えて第1,2実施形態の変形例1,2で例示した擬似力覚発生装置12’,12”が用いられてもよい。第1,2実施形態の変形例3で例示したように、擬似力覚発生装置が複数の運動部材を備えていてもよい。
[Modifications of Fifth and Sixth Embodiments]
As a modified example of the fifth and sixth embodiments, even if the simulated force sense generators 12 ′ and 12 ″ illustrated in the modified examples 1 and 2 of the first and second embodiments are used instead of the simulated force sense generator 12. As exemplified in Modification 3 of the first and second embodiments, the simulated force sense generator may include a plurality of motion members.
[第7実施形態]
第1〜6実施形態の何れかまたはその変形例の目標制御信号波形を用い、第1の皮膚に直接的または間接的に支持されるベース機構と、ベース機構に対して目標制御信号波形に応じた周期的な非対称運動を行い、直接的または間接的に接触した第2の皮膚に非対称運動に基づく力を与える接触機構とを有する擬似力覚発生装置を駆動させてもよい。ただし、この接触機構の質量はベース機構の質量よりも小さい。
[Seventh Embodiment]
Using the target control signal waveform of any one of the first to sixth embodiments or its modification, the base mechanism supported directly or indirectly on the first skin, and depending on the target control signal waveform with respect to the base mechanism Alternatively, a pseudo force sense generating device having a contact mechanism that performs a periodic asymmetric motion and applies a force based on the asymmetric motion to the second skin directly or indirectly in contact may be driven. However, the mass of this contact mechanism is smaller than the mass of the base mechanism.
<構成>
図15A〜図15Dに例示するように、本形態の擬似力覚発生装置1000は、基部1001、支持部1026−1および支持部1026−1に対する非対称振動(周期的な非対称運動)を行う運動部材1025−1を含む振動子1020−1、ならびに接触部1003−1を有する。本形態の運動部材1025−1は、前述の電気回路13から出力された駆動信号に基づいて、支持部1026−1に支持された状態で、D−1軸に沿った非対称振動を行う。基部1001は手200の皮膚201(第1の皮膚)に直接的または間接的に支持され、接触部1003−1は直接的または間接的に接触した手200の皮膚202(第2の皮膚)に非対称振動に基づく力を与える。この非対称振動は擬似的な力覚を知覚させるための振動である。
<Configuration>
As illustrated in FIGS. 15A to 15D, the pseudo force generation apparatus 1000 according to the present embodiment includes a base member 1001, a support unit 1026-1, and a motion member that performs asymmetric vibration (periodic asymmetric motion) with respect to the support unit 1026-1. It has a vibrator 1020-1 including 1025-1 and a contact portion 1003-1. The moving member 1025-1 of this embodiment performs asymmetric vibration along the D-1 axis while being supported by the support 1022-1 based on the drive signal output from the electric circuit 13 described above. The base portion 1001 is directly or indirectly supported by the skin 201 (first skin) of the hand 200, and the contact portion 1003-1 is attached to the skin 202 (second skin) of the hand 200 that is in direct or indirect contact. Gives a force based on asymmetric vibration. This asymmetric vibration is a vibration for causing a pseudo force sense to be perceived.
本形態では、基部1001および支持部1026−1を含む機構(例えば、基部1001および支持部1026−1からなる機構)が「ベース機構」に相当する。接触部1003−1および運動部材1025−1を含む機構(例えば、接触部1003−1、運動部材1025−1、およびそれらを連結する部材からなる機構)が「接触機構」に相当する。「接触機構」の質量m1は「ベース機構」の質量m2よりも小さい。例えば、接触部1003−1、運動部材1025−1、およびそれらを連結する部材を含む機構の質量の合計が、基部1001および支持部1026−1の質量の合計よりも小さい。好ましくは、「接触機構」の質量は、零よりも大きく「ベース機構」の質量の三分の一以下である。例えば、接触部1003−1、運動部材1025−1、およびそれらを連結する部材を含む機構の質量の合計は、基部1001および支持部1026−1の質量の合計の三分の一以下である。このような構成では、系全体の質量m1+m2が大きい場合でも、「接触機構」の質量m1は小さいため、接触部1003−1から皮膚202に十分な大きさの力が伝達される。結果として、同じストロークおよび出力を持つ振動子1020−iで、皮膚202に従来方式よりも大きな変形を与えることができる。また、運動部材1025−iと支持部1026−iとの相対変位を小さくできるため、ストロークのより小さな振動子1020−iを用いることができる。このような機構を用いて振動子1020−iを非対称振動させることにより、効率的に牽引感覚などの擬似的な力覚を知覚させることができる。 In this embodiment, a mechanism including the base portion 1001 and the support portion 1026-1 (for example, a mechanism including the base portion 1001 and the support portion 1026-1) corresponds to the “base mechanism”. A mechanism including the contact portion 1003-1 and the moving member 1025-1 (for example, a mechanism including the contact portion 1003-1, the moving member 1025-1, and a member connecting them) corresponds to the “contact mechanism”. The mass m 1 of the “contact mechanism” is smaller than the mass m 2 of the “base mechanism”. For example, the total mass of the mechanism including the contact portion 1003-1, the motion member 1025-1, and the member that connects them is smaller than the total mass of the base portion 1001 and the support portion 1026-1. Preferably, the mass of the “contact mechanism” is greater than zero and less than or equal to one third of the mass of the “base mechanism”. For example, the sum total of the mass of the mechanism including the contact portion 1003-1, the motion member 1025-1, and the member that connects them is one third or less of the total mass of the base portion 1001 and the support portion 1026-1. In such a configuration, even when the mass m 1 + m 2 of the entire system is large, since the mass m 1 of the “contact mechanism” is small, a sufficiently large force is transmitted from the contact portion 1003-1 to the skin 202. . As a result, the vibrator 1020-i having the same stroke and output can give a larger deformation to the skin 202 than the conventional method. Further, since the relative displacement between the moving member 1025-i and the support portion 1026-i can be reduced, the vibrator 1020-i having a smaller stroke can be used. By using such a mechanism to vibrate the vibrator 1020-i asymmetrically, a pseudo force sense such as a pulling sensation can be efficiently perceived.
<基部1001>
図15A〜図15Dに例示するように、本形態の基部1001は板状の部材であり、その上面1001b側には振動子1020−1が配置される凹部1001d−1が設けられている。基部1001はどのようなものであってもよい。基部1001の例は、スマートフォン端末装置、タブレット端末装置、電子書籍リーダー装置、携帯電話端末装置、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型ゲーム機などの移動体端末装置である。コントローラーその他の電子機器が基部1001であってもよいし、電子機器以外の部材が基部1001であってもよい。基部1001が携帯電話端末装置などの移動体端末装置とその他の部材とを含んでもよい。
<Base 1001>
As illustrated in FIGS. 15A to 15D, the base portion 1001 of this embodiment is a plate-like member, and a concave portion 1001d-1 in which the vibrator 1020-1 is disposed is provided on the upper surface 1001b side. The base 1001 may be anything. Examples of the base 1001 are mobile terminal devices such as a smart phone terminal device, a tablet terminal device, an electronic book reader device, a mobile phone terminal device, a notebook personal computer, and a portable game machine. The controller 100 and other electronic devices may be the base 1001, and members other than the electronic devices may be the base 1001. The base 1001 may include a mobile terminal device such as a mobile phone terminal device and other members.
<振動子1020−1>
振動子1020−1の支持部1026−1が凹部1001d−1の底面1001e−1に取り付けられている。なお「αがβに取り付けられている」とは、αがβに固定されていること、αがβに接続されていること、αがβに着脱可能に保持されていること、または、αが「遊び(余裕)」または「ガタ」を持った状態でβに保持されていること、の何れかを意味する。また「αがβに取り付けられている」とは、αがβに直接取り付けられていることのみならず、αが介在物を介して間接的にβに取り付けられていることも含む概念である。「βにαが取り付けられている」も同義である。これによって振動子1020−1は基部1001に支持され、振動子1020−1は凹部1001d−1の内部に配置されている。振動子1020−1の運動部材1025−1は、支持部1026−1に支持された状態で、D−1軸に沿って支持部1026−1に対する非対称振動を行うことが可能である。本形態のD−1軸は基部1001の短手方向に沿った軸であり、運動部材1025−1は、基部1001の短手方向に非対称振動する。以下、振動子1020−1の具体的な構成を例示する。
<Oscillator 1020-1>
A support portion 1026-1 of the vibrator 1020-1 is attached to the bottom surface 1001e-1 of the recess 1001d-1. Note that “α is attached to β” means that α is fixed to β, α is connected to β, α is detachably held on β, or α Is held in β with “play (margin)” or “backlash”. Further, “α is attached to β” is a concept including not only that α is directly attached to β but also that α is indirectly attached to β through an inclusion. . “Α is attached to β” is also synonymous. Accordingly, the vibrator 1020-1 is supported by the base 1001, and the vibrator 1020-1 is disposed inside the recess 1001d-1. The motion member 1025-1 of the vibrator 1020-1 is capable of performing asymmetric vibration with respect to the support 1022-1 along the D-1 axis while being supported by the support 1026-1. The D-1 axis in this embodiment is an axis along the short direction of the base 1001, and the motion member 1025-1 is asymmetrically vibrated in the short direction of the base 1001. Hereinafter, a specific configuration of the vibrator 1020-1 will be exemplified.
図16Aおよび図16Bに例示するように、振動子1020−i(iは正整数)は、例えば、ケース1027−iおよびガイド1021−iを含む支持部1026−i、ばね1022−i,1023−i(弾性体)、コイル1024−i、永久磁石である運動部材1025−i、および連結部1029c−i,1029d−i,1029a−i,1029b−iを有するリニアアクチュエータである。本形態のケース1027−iおよびガイド1021−iは、ともに筒(例えば、円筒や多角筒)の両方の開放端の一部を閉じた形状からなる中空の部材である。ただし、ガイド1021−iは、ケース1027−iよりも小さく、ケース1027−iの内部に収容可能な大きさである。ケース1027−i、ガイド1021−i、および連結部1029a−i,1029b−i,1029c−i,1029d−iは、例えば、ABS樹脂等の合成樹脂から構成される。ばね1022−i,1023−iは、例えば、金属等から構成されるつるまきばねや板ばね等である。ばね1022−i,1023−iの弾性係数(ばね定数)は同一であることが望ましいが、互いに相違していてもよい。運動部材1025−iは、例えば、円柱形状の永久磁石であり、長手方向の一方の端部1025a−i側がN極であり、他方の端部1025b−i側がS極である。コイル1024−iは、例えば、一つながりのエナメル線であり、第1巻き部1024a−iと第2巻き部1024b−iとを有する。 As illustrated in FIGS. 16A and 16B, the vibrator 1020-i (i is a positive integer) includes, for example, a support portion 1026-i including a case 1027-i and a guide 1021-i, and springs 1022-i and 1023-. This is a linear actuator having i (elastic body), a coil 1024-i, a moving member 1025-i that is a permanent magnet, and connecting portions 1029c-i, 1029d-i, 1029a-i, and 1029b-i. Both the case 1027-i and the guide 1021-i in this embodiment are hollow members having a shape in which a part of both open ends of a cylinder (for example, a cylinder or a polygonal cylinder) is closed. However, the guide 1021-i is smaller than the case 1027-i and has a size that can be accommodated in the case 1027-i. Case 1027-i, guide 1021-i, and connection part 1029a-i, 1029b-i, 1029c-i, 1029d-i are comprised from synthetic resins, such as an ABS resin, for example. The springs 1022-i and 1023-i are, for example, a helical spring or a leaf spring made of metal or the like. The springs 1022-i and 1023-i preferably have the same elastic coefficient (spring constant), but may be different from each other. The moving member 1025-i is, for example, a cylindrical permanent magnet, and one end portion 1025 a-i side in the longitudinal direction is an N pole, and the other end portion 1025 b-i side is an S pole. The coil 1024-i is, for example, a continuous enameled wire, and includes a first winding portion 1024a-i and a second winding portion 1024b-i.
運動部材1025−iはガイド1021−iの内部に収容され、そこで長手方向にスライド可能に支持されている。このような支持機構の詳細は図示しないが、例えば、ガイド1021−iの内壁面に長手方向に沿ったまっすぐなレールが設けられ、運動部材1025−iの側面にこのレールをスライド可能に支持するレール支持部が設けられている。ガイド1021−iの長手方向の一端側の内壁面1021a−iには、ばね1022−iの一端が固定され(すなわち、ガイド1021−iにばね1022−iの一端が支持され)、ばね1022−iの他端は運動部材1025−iの端部1025a−iに固定されている(すなわち、運動部材1025−iの端部1025a−iがばね1022−iの他端に支持されている)。また、ガイド1021−iの長手方向の他端側の内壁面1021b−iには、ばね1023−iの一端が固定され(すなわち、ガイド1021−iにばね1023−iの一端が支持され)、ばね1023−iの他端は運動部材1025−iの端部1025b−iに固定されている(すなわち、運動部材1025−iの端部1025b−iがばね1023−iの他端に支持されている)。 The moving member 1025-i is accommodated in the guide 1021-i and supported so as to be slidable in the longitudinal direction. Although details of such a support mechanism are not shown, for example, a straight rail along the longitudinal direction is provided on the inner wall surface of the guide 1021-i, and this rail is slidably supported on the side surface of the motion member 1025-i. A rail support is provided. One end of a spring 1022-i is fixed to the inner wall surface 1021a-i on one end side in the longitudinal direction of the guide 1021-i (that is, one end of the spring 1022-i is supported by the guide 1021-i), and the spring 1022- The other end of i is fixed to the end portion 1025a-i of the motion member 1025-i (that is, the end portion 1025a-i of the motion member 1025-i is supported by the other end of the spring 1022-i). Further, one end of the spring 1023-i is fixed to the inner wall surface 1021b-i on the other end side in the longitudinal direction of the guide 1021-i (that is, one end of the spring 1023-i is supported by the guide 1021-i), The other end of the spring 1023-i is fixed to the end portion 1025b-i of the motion member 1025-i (that is, the end portion 1025b-i of the motion member 1025-i is supported by the other end of the spring 1023-i. )
ガイド1021−iの外周側にはコイル1024−iが巻きつけられている。ただし、運動部材1025−iの端部1025a−i側(N極側)では、第1巻き部1024a−iがA1方向(奥から手前に向けた方向)に巻きつけられており、端部1025b−i側(S極側)では、第2巻き部1024b−iがA1方向と反対向きのB1方向(手前から奥に向けた方向)に巻き付けられている。すなわち、運動部材1025−iの端部1025a−i側(N極側)からみた場合、第1巻き部1024a−iは時計回りに巻き付けられており、第2巻き部1024b−iは反時計回りに巻き付けられている。また、運動部材1025−iが停止し、ばね1022−i,1023−iからの弾性力が釣り合った状態において、運動部材1025−iの端部1025a−i側(N極側)が第1巻き部1024a−iの領域に配置され、端部1025b−i側(S極側)が第2巻き部1024b−iの領域に配置されることが望ましい。 A coil 1024-i is wound around the outer periphery of the guide 1021-i. However, the end 1025a-i side of the moving member 1025-i (N pole side), and the first winding portion 1024a-i is wound A 1 direction (direction toward the back to the front), the end portion in 1025b-i side (S-pole side), a second winding portion 1024b-i is wound around the a 1 direction in the opposite direction to the direction of B 1 direction (direction toward the front to the back). That is, when viewed from the end portion 1025a-i side (N pole side) of the moving member 1025-i, the first winding portion 1024a-i is wound clockwise, and the second winding portion 1024b-i is counterclockwise. It is wrapped around Further, in a state where the motion member 1025-i is stopped and the elastic force from the springs 1022-i and 1023-i is balanced, the end portion 1025 a-i side (N pole side) of the motion member 1025-i is the first winding. It is desirable that the end portion 1024a-i be disposed in the region of the second winding portion 1024b-i.
以上のように配置構成されたガイド1021−i、ばね1022−i,1023−i、コイル1024−i、および運動部材1025−iが、ケース1027−i内に収容され、ガイド1021−iがケース1027−iの内部に固定されている。すなわち、ケース1027−iのガイド1021−iに対する相対位置が固定されている。ただし、ケース1027−iの長手方向は、ガイド1021−iの長手方向および運動部材1025−iの長手方向と一致する。 The guide 1021-i, the springs 1022-i, 1023-i, the coil 1024-i, and the motion member 1025-i arranged and configured as described above are accommodated in the case 1027-i, and the guide 1021-i is the case. It is fixed inside 1027-i. That is, the relative position of the case 1027-i with respect to the guide 1021-i is fixed. However, the longitudinal direction of the case 1027-i coincides with the longitudinal direction of the guide 1021-i and the longitudinal direction of the moving member 1025-i.
ケース1027−iおよびガイド1021−iの内壁面1021a−i側には貫通孔1028a−iが設けられており、内壁面1021b−i側には貫通孔1028b−iが設けられている。貫通孔1028a−iには棒状の連結部1029a−iが挿入されており、貫通孔1028b−iには棒状の連結部1029b−iが挿入されている。連結部1029a−iの一端側は運動部材1025−iの端部1025a−i側に接触し、連結部1029a−iの他端側はケース1027−iの外部に配置された連結部1029c−iの一端側に支持されている。連結部1029b−iの一端側は運動部材1025−iの端部1025b−i側に接触し、連結部1029b−iの他端側はケース1027−iの外部に配置された連結部1029d−iの一端側に支持されている。連結部1029a−iの一端側は運動部材1025−iの端部1025a−i側に接続されていてもよいし、接続されていなくてもよい。連結部1029b−iの一端側は運動部材1025−iの端部1025b−i側に接続されていてもよいし、接続されていなくてもよい。例えば、運動部材1025−iの端部1025a−i,1025b−iが連結部1029a−iの一端側と連結部1029d−iの一端側とで挟み込まれていてもよい。ただし、運動部材1025−iの運動に伴って連結部1029c−i,1029d−i,1029a−i,1029b−iが移動する必要がある。すなわち、連結部1029a−i,1029b−i,1029c−i,1029d−iは、運動部材1025−iとともに移動しなければならない。その他、連結部1029a−iの一端側が運動部材1025−iの端部1025a−i側と一体であってもよいし、連結部1029b−iの一端側が運動部材1025−iの端部1025b−i側と一体であってもよい。 A through hole 1028a-i is provided on the inner wall surface 1021a-i side of the case 1027-i and the guide 1021-i, and a through hole 1028b-i is provided on the inner wall surface 1021b-i side. A rod-like connecting portion 1029a-i is inserted into the through-hole 1028a-i, and a rod-like connecting portion 1029b-i is inserted into the through-hole 1028b-i. One end side of the connecting portion 1029a-i contacts the end portion 1025a-i side of the motion member 1025-i, and the other end side of the connecting portion 1029a-i is a connecting portion 1029c-i disposed outside the case 1027-i. It is supported on one end side. One end side of the connecting portion 1029b-i contacts the end portion 1025b-i side of the motion member 1025-i, and the other end side of the connecting portion 1029b-i is a connecting portion 1029d-i arranged outside the case 1027-i. It is supported on one end side. One end side of the connecting portion 1029a-i may be connected to the end portion 1025a-i side of the motion member 1025-i, or may not be connected. One end side of the connecting portion 1029b-i may or may not be connected to the end portion 1025b-i side of the motion member 1025-i. For example, the end portions 1025a-i and 1025b-i of the motion member 1025-i may be sandwiched between one end side of the connecting portion 1029a-i and one end side of the connecting portion 1029d-i. However, it is necessary that the connecting portions 1029c-i, 1029d-i, 1029a-i, and 1029b-i move with the movement of the moving member 1025-i. That is, the connecting portions 1029a-i, 1029b-i, 1029c-i, and 1029d-i must move together with the moving member 1025-i. In addition, one end side of the connecting portion 1029a-i may be integrated with the end portion 1025a-i side of the motion member 1025-i, and one end side of the connecting portion 1029b-i is the end portion 1025b-i of the motion member 1025-i. It may be integral with the side.
コイル1024−iは、流された電流に応じた力を運動部材1025−iに与え、これにより、運動部材1025−iは、ガイド1021−iに対して周期的な非対称運動(ガイド1021−iを基準とした軸方向に非対称性をもった周期的な並進往復運動)を行う。すなわち、コイル1024−iにA1方向(B1方向)に電流を流すと、フレミングの左手の法則で説明されるローレンツ力の反作用により、運動部材1025−iにC1方向(運動部材1025−iのN極からS極に向かう方向:右方向)の力が加えられる(図16A)。逆に、コイル1024−iにA2方向(B2方向)に電流を流すと、運動部材1025−iにC2方向(運動部材1025−iのS極からN極に向かう方向:左方向)の力が加えられる(図16B)。ただし、A2方向はA1方向の反対方向である。これらの動作により、運動部材1025−iおよびばね1022−i,1023−iからなる系に運動エネルギーが与えられる。それにより、ケース1027−iを基準とする運動部材1025−iの位置および加速度(ガイド1021−iを基準とした軸方向の位置および加速度)を変化させ、それに伴って連結部1029c−i,1029d−i,1029a−i,1029b−iの位置および加速度も変化させることができる。すなわち運動部材1025−iは、与えられた駆動信号(駆動電圧Voutまたは駆動電流)に基づいて、支持部1026−iに支持された状態で、D−i軸に沿って支持部1026−iに対する非対称振動を行い、それと共に連結部1029c−i,1029d−i,1029a−i,1029b−iもD−i軸に沿って非対称振動を行う。 The coil 1024-i applies a force corresponding to the applied current to the motion member 1025-i, whereby the motion member 1025-i is periodically asymmetrically moved (the guide 1021-i) with respect to the guide 1021-i. Periodic translational reciprocating motion with asymmetry in the axial direction with respect to. That is, when an electric current is applied to the coil 1024-i to A 1 direction (B 1 direction), by reaction of the Lorentz force is described in Fleming's left-hand rule, C 1 direction moving member 1025-i (movement member 1025- A force in the direction from the north pole of i to the south pole (right direction) is applied (FIG. 16A). Conversely, A 2 direction in the coil 1024-i when (B 2 direction) electric current, C 2 direction movement member 1025-i (the direction toward the S pole of the moving member 1025-i to the N pole: left) Is applied (Figure 16B). However, A 2 direction is opposite the direction of A 1 direction. By these operations, kinetic energy is given to the system including the moving member 1025-i and the springs 1022-i and 1023-i. As a result, the position and acceleration of the moving member 1025-i with respect to the case 1027-i (the position and acceleration in the axial direction with reference to the guide 1021-i) are changed, and accordingly, the connecting portions 1029 c-i and 1029 d. The position and acceleration of -i, 1029a-i, and 1029b-i can also be changed. In other words, the motion member 1025-i is supported by the support portion 1026-i based on the given drive signal (drive voltage Vout or drive current), and is applied to the support portion 1026-i along the Di axis. Asymmetric vibration is performed, and the connecting portions 1029c-i, 1029d-i, 1029a-i, and 1029b-i also perform asymmetric vibration along the Di axis.
なお、振動子1020−iの構成は図16Aおよび図16Bのものに限定されない。例えば、運動部材1025−iの端部1025a−i側にコイル1024−iの第1巻き部1024a−iがA1方向に巻きつけられおり、端部1025b−i側にコイル1024−iが巻き付けられていない構成であってもよい。逆に、端部1025b−i側にコイル1024−iの第2巻き部1024b−iがB1方向に巻き付けられており、運動部材1025−iの端部1025a−i側にコイル1024−iが巻き付けられていない構成であってもよい。あるいは、第1巻き部1024a−iと第2巻き部1024b−iとが互いに別のコイルであってもよい。すなわち、第1巻き部1024a−iと第2巻き部1024b−iとが電気的に接続されておらず、互いに異なる電気信号が与えられる構成であってもよい。 Note that the configuration of the vibrator 1020-i is not limited to that shown in FIGS. 16A and 16B. For example, the first winding portion 1024a-i of the coil 1024-i to the end 1025a-i side of the moving member 1025-i are wound A 1 direction, the coil 1024-i is wrapped around the end 1025b-i side The structure which is not done may be sufficient. Conversely, the second winding portion 1024b-i are wound around the B 1 direction, the coil 1024-i to the end 1025a-i side of the moving member 1025-i of the coil 1024-i to the end 1025b-i side The structure which is not wound may be sufficient. Alternatively, the first winding portion 1024a-i and the second winding portion 1024b-i may be different coils. That is, the 1st winding part 1024a-i and 2nd winding part 1024b-i may not be electrically connected, and the structure to which a mutually different electric signal is given may be sufficient.
<接触部1003−1>
振動子1020−1の運動部材1025−1には接触部1003−1が取り付けられ、これによって接触部1003−1が振動子1020−1によって支持される。すなわち、接触部1003−1は、運動部材1025−iに取り付けられており、かつ、支持部1026−1に対して振動可能とされている。図15A〜図15Dに例示するように、本形態の接触部1003−1は、平面形状(板面1003a−1,1003b−1の形状)が略矩形(例えば、長方形や正方形)の板状部材である。板面1003a−1,1003b−1の大きさは、基部1001の凹部1001d−1の開口部の領域よりも小さい。すなわち、接触部1003−1の板面1003a−1の領域は、基部1001の上面1001bの領域よりも狭い。接触部1003−1は、運動部材1025−iの非対称振動に基づく振動を伝導可能な硬さを持ち、かつ、できるだけ軽量な材質で構成されることが望ましい。このような材質としては、例えば、ABS樹脂等の合成樹脂を例示できる。
<Contact part 1003-1>
A contact part 1003-1 is attached to the moving member 1025-1 of the vibrator 1020-1, and the contact part 1003-1 is thereby supported by the vibrator 1020-1. That is, the contact portion 1003-1 is attached to the motion member 1025-i and is capable of vibrating with respect to the support portion 1026-1. As illustrated in FIGS. 15A to 15D, the contact portion 1003-1 of this embodiment has a plate-like member whose planar shape (the shape of the plate surfaces 1003a-1 and 1003b-1) is substantially rectangular (for example, a rectangle or a square). It is. The sizes of the plate surfaces 1003a-1 and 1003b-1 are smaller than the area of the opening of the recess 1001d-1 of the base 1001. That is, the area of the plate surface 1003 a-1 of the contact part 1003-1 is narrower than the area of the upper surface 1001 b of the base part 1001. It is desirable that the contact portion 1003-1 has a hardness capable of conducting vibration based on the asymmetric vibration of the motion member 1025-i and is made of a material that is as light as possible. An example of such a material is a synthetic resin such as an ABS resin.
接触部1003−1は、その板面1003a−1,1003b−1が上面1001bと略平行となるように、凹部1001d−1の開口部側に配置されている。「略平行」の例は平行である。板面1003a−1は、基部1001の外方に向けられており、上面1001bと略同一面上に配置されている。板面1003b−1は凹部1001d−1の底面1001e−1側に向けられており、当該板面1003b−1には連結部1029c−i,1029d−iの他端側が取り付けられている。すなわち、振動子1020−1の運動部材1025−1が、前述の連結部1029c−i,1029d−i,1029a−i,1029b−iを介して接触部1003−1に取り付けられている。これによって、接触部1003−1および連結部1029c−i,1029d−i,1029a−i,1029b−iが、基部1001および支持部1026−1に支持されている。接触部1003−1と凹部1001d−1の内壁面1001f−1との間には間隙があり、これらは互いに接触していない。あるいは、レールなどにより、接触部1003−1が振動子1020−1の運動方向と略直交方向には支持されていてもよい(すなわち、レールなどにより、接触部1003−1が振動子1020−1の運動方向と略直交方向に移動しないように支持されていてもよい)。これにより、接触部1003−1は、基部1001、および支持部1026−iに対し、基部1001の上面1001bに沿った方向に振動可能となっている。すなわち、接触部1003−1は、基部1001、および支持部1026−iに対し、基部1001の上面1001bと略平行に、振動子1020−1の振動方向に振動可能となっている。 The contact portion 1003-1 is disposed on the opening side of the recess 1001d-1 so that the plate surfaces 1003a-1 and 1003b-1 are substantially parallel to the upper surface 1001b. An example of “substantially parallel” is parallel. The plate surface 1003a-1 is directed outward from the base portion 1001, and is disposed on substantially the same plane as the upper surface 1001b. The plate surface 1003b-1 is directed to the bottom surface 1001e-1 side of the recess 1001d-1, and the other end sides of the connecting portions 1029c-i and 1029d-i are attached to the plate surface 1003b-1. That is, the moving member 1025-1 of the vibrator 1020-1 is attached to the contact portion 1003-1 via the above-described connecting portions 1029c-i, 1029d-i, 1029a-i, and 1029b-i. Thereby, the contact part 1003-1 and the connection parts 1029c-i, 1029d-i, 1029a-i, and 1029b-i are supported by the base part 1001 and the support part 1026-1. There is a gap between the contact portion 1003-1 and the inner wall surface 1001f-1 of the recess 1001d-1, and these do not contact each other. Alternatively, the contact portion 1003-1 may be supported in a direction substantially orthogonal to the moving direction of the vibrator 1020-1 by a rail or the like (that is, the contact portion 1003-1 may be supported by the vibrator 1020-1 by a rail or the like). May be supported so as not to move in a direction substantially orthogonal to the direction of motion of Thereby, the contact part 1003-1 can vibrate in the direction along the upper surface 1001b of the base part 1001 with respect to the base part 1001 and the support part 1026-i. That is, the contact part 1003-1 can vibrate in the vibration direction of the vibrator 1020-1 substantially parallel to the upper surface 1001b of the base part 1001 with respect to the base part 1001 and the support part 1026-i.
<系の質量>
前述のように、本形態の「ベース機構」は基部1001および支持部1026−1を含む機構であり、例えば、基部1001および支持部1026−1からなる機構である。「ベース機構」が、さらに、ばね1022−i,1023−i、およびコイル1024−iの少なくとも何れかを含んでもよい。また「接触機構」は接触部1003−1および運動部材1025−1を含む機構であり、例えば、接触部1003−1、運動部材1025−1、および連結部1029a−i,1029b−i,1029c−i,1029d−iからなる機構である。「接触機構」の質量m1は「ベース機構」の質量m2よりも小さい。これによって効率的に擬似的な力覚を呈示できる。好ましくは、「接触機構」の質量m1が、零よりも大きく、「ベース機構」の質量m2の質量の三分の一以下である。言い換えると、0<m1/m2≦1/3である。これにより、より効率的に擬似的な力覚を呈示できる。
<Mass of system>
As described above, the “base mechanism” of the present embodiment is a mechanism including the base portion 1001 and the support portion 1026-1, for example, a mechanism including the base portion 1001 and the support portion 1026-1. The “base mechanism” may further include at least one of springs 1022-i, 1023-i, and coils 1024-i. The “contact mechanism” is a mechanism including the contact portion 1003-1 and the motion member 1025-1. For example, the contact portion 1003-1, the motion member 1025-1, and the connection portions 1029a-i, 1029b-i, and 1029c- i, 1029d-i. The mass m 1 of the “contact mechanism” is smaller than the mass m 2 of the “base mechanism”. This effectively presents a pseudo force sense. Preferably, the mass m 1 of the “contact mechanism” is greater than zero and not more than one third of the mass of the mass m 2 of the “base mechanism”. In other words, 0 <m 1 / m 2 ≦ 1/3. Thereby, a pseudo force sense can be presented more efficiently.
<動作>
図15Dに例示するように、擬似力覚発生装置1000の利用時には、基部1001の底面1001c側が手200の掌や親指を除く指などの皮膚201で保持(把持)され、接触部1003−1に手200の親指などの皮膚202が接触する。基部1001は皮膚201に直接接触していてもよいし、介在物を介して保持されていてもよい。同様に、接触部1003−1も皮膚202に直接接触していてもよいし、介在物を介して接触していてもよい。ただし、接触部1003−1の振動に基づく力が皮膚202に伝導されなければならない。
<Operation>
As illustrated in FIG. 15D, when the pseudo force generation device 1000 is used, the bottom surface 1001c side of the base 1001 is held (gripped) by the skin 201 such as the palm of the hand 200 or a finger other than the thumb, and the contact unit 1003-1 Skin 202 such as the thumb of hand 200 contacts. The base 1001 may be in direct contact with the skin 201 or may be held via an inclusion. Similarly, the contact portion 1003-1 may be in direct contact with the skin 202 or may be in contact with inclusions. However, a force based on the vibration of the contact portion 1003-1 must be transmitted to the skin 202.
前述と同様、第1〜6実施形態の何れかまたはその変形例の目標制御信号波形に応じた制御信号(制御電圧または制御電流)が電気回路13に与えられる。電気回路13はそれに応じた駆動信号(駆動電圧Voutまたは駆動電流)を擬似力覚発生装置1000の振動子1020−1に送る。ただし本形態の擬似力覚発生装置1000の力学特性モデルMdでは、「接触機構」が質点M1に相当し、「ベース機構」が質点M2に相当する。x1,x2の何れも手200の重心から図15Dにおける右方向を正とし、手200の重心から図15Dにおける左方向を負とする。本形態の力学特性モデルMsは皮膚202の力学特性モデルである。なお、「接触機構」の質量m1に比べて「ベース機構」の質量m2は大きい。そのため、振動子1020−1の駆動に伴って皮膚201に加えられる力の大きさは、皮膚202に加えられる力の大きさよりも小さい。本形態では皮膚201の力学特性モデルを省略している。 As described above, a control signal (control voltage or control current) corresponding to the target control signal waveform of any one of the first to sixth embodiments or its modification is applied to the electric circuit 13. The electric circuit 13 sends a corresponding drive signal (drive voltage Vout or drive current) to the vibrator 1020-1 of the pseudo force sense generator 1000. However, in the dynamic characteristic model Md of the pseudo force generation apparatus 1000 of the present embodiment, the “contact mechanism” corresponds to the mass point M 1 and the “base mechanism” corresponds to the mass point M 2 . In both x 1 and x 2 , the right direction in FIG. 15D from the center of gravity of the hand 200 is positive, and the left direction in FIG. 15D from the center of gravity of the hand 200 is negative. The mechanical property model Ms of this embodiment is a mechanical property model of the skin 202. Note that the mass m 2 of the “base mechanism” is larger than the mass m 1 of the “contact mechanism”. Therefore, the magnitude of the force applied to the skin 201 as the vibrator 1020-1 is driven is smaller than the magnitude of the force applied to the skin 202. In this embodiment, the mechanical characteristic model of the skin 201 is omitted.
この駆動信号により、運動部材1025−1に所望の方向(図16Aおよび図16B:C1方向またはC2方向)の加速度を与える向きの電流をコイル1024−1に流す期間T1と、それ以外の期間T2と、が周期的に繰り返される。その際、所定の方向に電流を流す期間(時間)とそれ以外の期間(時間)との比(反転比)を何れか一方の期間に偏らせる。言い換えると、1つの周期に占める期間T1の割合が当該周期に占める期間T2の割合と異なる周期的な電流をコイル1024−1に流す。これにより、運動部材1025−1が支持部1026−1に対してD−1軸に沿って非対称振動する。運動部材1025−1による非対称振動は、連結部1029a−1,1029b−1,1029c−1,1029d−1を介して接触部1003−1に伝えられ、接触部1003−1は皮膚202に当該非対称振動に基づく力を与える。これにより、D−1軸に沿った何れかの向きに擬似的な並進力覚を呈示できる。 This driving signal, a desired direction (FIGS. 16A and 16B: C 1 direction or C 2 direction) motion member 1025-1 and the period T1 to flow direction of the current in the coil 1024-1 giving acceleration, the other Period T2 is periodically repeated. At that time, the ratio (reversal ratio) between the period (time) in which current flows in a predetermined direction and the other period (time) is biased to one of the periods. In other words, a periodic current having a ratio of the period T1 occupying one period different from the ratio of the period T2 occupying the period is supplied to the coil 1024-1. Thereby, the moving member 1025-1 asymmetrically vibrates along the D-1 axis with respect to the support portion 1026-1. The asymmetric vibration caused by the moving member 1025-1 is transmitted to the contact part 1003-1 via the connecting parts 1029a-1, 1029b-1, 1029c-1, and 1029d-1, and the contact part 1003-1 is asymmetric to the skin 202. Gives a force based on vibration. Thereby, a pseudo translational force sensation can be presented in any direction along the D-1 axis.
なお、望ましくは、接触部1003−1が皮膚202に与える力の応答波形(時系列波形パターン)は、時間区間τ1(第1の時間区間)では、向きが所定方向DIR1であって絶対値が閾値TH1(第1の閾値)以上である力を表し、時間区間τ2(第1の時間区間と異なる第2の時間区間)では、向きが所定方向の反対方向DIR2であって絶対値が閾値TH2(TH2<TH1)以内である力を表す。ただし、τ1<τ2であり、時間区間τ1と時間区間τ2とは周期的に繰り返される。このような応答波形を実現する目標応答波形パターンは、第1の時間区間T1では、向きが所定方向であって絶対値が第1の閾値以上である力を表し、第1の時間区間T1と異なる第2の時間区間T2では、向きが所定方向の反対方向であって絶対値が第2の閾値以内である力を表す周期的な波形パターンである。ただし、第1の時間区間T1は第2の時間区間T2よりも短い。これによって、より明確に擬似的な力覚を知覚させることができる。より望ましくは、当該力の波形パターンが矩形パターンまたは矩形パターンに近似するパターンであることが望ましい。 Desirably, the response waveform (time-series waveform pattern) of the force applied to the skin 202 by the contact portion 1003-1 has a direction of the predetermined direction DIR1 and an absolute value in the time interval τ1 (first time interval). The force is equal to or greater than the threshold TH1 (first threshold), and in the time interval τ2 (second time interval different from the first time interval), the direction is the opposite direction DIR2 of the predetermined direction and the absolute value is the threshold TH2. It represents a force within (TH2 <TH1). However, τ1 <τ2, and the time interval τ1 and the time interval τ2 are periodically repeated. The target response waveform pattern that realizes such a response waveform represents a force whose direction is a predetermined direction and whose absolute value is greater than or equal to a first threshold in the first time interval T1, and the first time interval T1 The different second time period T2 is a periodic waveform pattern representing a force whose direction is opposite to the predetermined direction and whose absolute value is within the second threshold. However, the first time interval T1 is shorter than the second time interval T2. As a result, a pseudo force sense can be perceived more clearly. More desirably, the waveform pattern of the force is a rectangular pattern or a pattern that approximates a rectangular pattern.
[第7実施形態の変形例1]
第7実施形態ではD−1軸は基部1001の短手方向に沿った軸であったが、図17Aおよび図17Bに例示するように、基部1001の長手方向に沿った軸をD−1軸としてもよい。
[Modification 1 of the seventh embodiment]
In the seventh embodiment, the D-1 axis is an axis along the short direction of the base portion 1001, but as illustrated in FIGS. 17A and 17B, the axis along the longitudinal direction of the base portion 1001 is the D-1 axis. It is good.
[第7実施形態の変形例2]
第7実施形態では、振動子1020−1の支持部1026−1が基部1001の凹部1001d−1の底面1001e−1に取り付けられ、振動子1020−1の運動部材1025−1に接触部1003−1が取り付けられていた。しかし、図17Cに例示するように、振動子1020−1の運動部材1025−1が連結部を介して基部1001の凹部1001d−1の底面1001e−1に取り付けられ、振動子1020−1の支持部1026−1に接触部1003−1が取り付けられていてもよい。この場合、「ベース機構」は基部1001および運動部材1025−1を含む機構であり、例えば、基部1001、運動部材1025−1、およびそれらの連結部1029a−1,1029b−1,1029c−1,1029d−1からなる機構である。また、この場合の「接触機構」は接触部1003−1および支持部1026−1を含む機構であり、例えば、接触部1003−1および支持部1026−1からなる機構である。「接触機構」が、さらに、ばね1022−i,1023−i、およびコイル1024−iの少なくとも何れかを含んでもよい。「接触機構」の質量m1は「ベース機構」の質量m2よりも小さい。これによって効率的に擬似的な力覚を呈示できる。好ましくは、「接触機構」の質量m1が、零よりも大きく、「ベース機構」の質量m2の質量の三分の一以下である。
[Modification 2 of the seventh embodiment]
In the seventh embodiment, the support portion 1026-1 of the vibrator 1020-1 is attached to the bottom surface 1001e-1 of the recess 1001d-1 of the base portion 1001, and the contact portion 1003- is connected to the moving member 1025-1 of the vibrator 1020-1. 1 was attached. However, as illustrated in FIG. 17C, the moving member 1025-1 of the vibrator 1020-1 is attached to the bottom surface 1001e-1 of the recess 1001d-1 of the base 1001 via the connecting portion, and the vibrator 1020-1 is supported. The contact part 1003-1 may be attached to the part 1026-1. In this case, the “base mechanism” is a mechanism including the base 1001 and the motion member 1025-1. For example, the base 1001, the motion member 1025-1, and their connecting portions 1029a-1, 1029b-1, 1029c-1, 1029d-1. Further, the “contact mechanism” in this case is a mechanism including the contact portion 1003-1 and the support portion 1026-1, for example, a mechanism including the contact portion 1003-1 and the support portion 1026-1. The “contact mechanism” may further include at least one of the springs 1022-i, 1023-i, and the coil 1024-i. The mass m 1 of the “contact mechanism” is smaller than the mass m 2 of the “base mechanism”. This effectively presents a pseudo force sense. Preferably, the mass m 1 of the “contact mechanism” is greater than zero and not more than one third of the mass of the mass m 2 of the “base mechanism”.
[第7実施形態の変形例3]
擬似力覚発生装置1000が基部1001を含まなくてもよい。例えば、振動子1020−1および接触部1003−1を含む機構と基部1001とが別々に流通し、利用時に第7実施形態の変形例1または2のように、基部1001に振動子1020−1および接触部1003−1が取り付けられてもよい。
[Modification 3 of the seventh embodiment]
The simulated force sense generation device 1000 may not include the base 1001. For example, the mechanism including the vibrator 1020-1 and the contact part 1003-1 and the base part 1001 circulate separately, and when used, the vibrator 1020-1 is connected to the base part 1001 as in Modification 1 or 2 of the seventh embodiment. And the contact part 1003-1 may be attached.
第7実施形態のように取り付けられる場合(図15A)、「ベース機構」は支持部1026−1を含む機構であり、例えば、支持部1026−1からなる機構である。「ベース機構」が、さらに、ばね1022−i,1023−i、およびコイル1024−iの少なくとも何れかを含んでもよい。また「接触機構」は接触部1003−1および運動部材1025−1を含む機構であり、例えば、接触部1003−1、運動部材1025−1、および連結部1029a−i,1029b−i,1029c−i,1029d−iからなる機構である。「接触機構」の質量m1は、「ベース機構」の質量と「ベース機構」に取り付けられる機構である基部1001の質量との合計m2よりも小さい。この場合の力学特性モデルMdでは、「接触機構」が質点M1に相当し、「ベース機構」と基部1001とが質点M2に相当する。 When attached as in the seventh embodiment (FIG. 15A), the “base mechanism” is a mechanism including the support portion 1026-1, for example, a mechanism including the support portion 1026-1. The “base mechanism” may further include at least one of springs 1022-i, 1023-i, and coils 1024-i. The “contact mechanism” is a mechanism including the contact portion 1003-1 and the motion member 1025-1. For example, the contact portion 1003-1, the motion member 1025-1, and the connection portions 1029a-i, 1029b-i, and 1029c- i, 1029d-i. The mass m 1 of the “contact mechanism” is smaller than the total m 2 of the mass of the “base mechanism” and the mass of the base 1001 that is a mechanism attached to the “base mechanism”. In dynamic characteristic model Md in this case, "contact mechanism" corresponds to the mass point M 1, a base 1001 as "base mechanism" corresponds to the mass point M 2.
第7実施形態の変形例2のように取り付けられる場合(図17C)、「ベース機構」は運動部材1025−1を含む機構であり、例えば、運動部材1025−1、およびそれらの連結部1029a−1,1029b−1,1029c−1,1029d−1からなる機構である。この場合の「接触機構」は接触部1003−1および支持部1026−1を含む機構であり、例えば、接触部1003−1および支持部1026−1からなる機構である。「接触機構」が、さらに、ばね1022−i,1023−i、およびコイル1024−iの少なくとも何れかを含んでもよい。「接触機構」の質量m1は、「ベース機構」の質量と「ベース機構」に取り付けられる機構である基部1001の質量との合計m2よりも小さい。この場合の力学特性モデルMdでは、「接触機構」が質点M1に相当し、「ベース機構」と基部1001とが質点M2に相当する。 When attached like the second modification of the seventh embodiment (FIG. 17C), the “base mechanism” is a mechanism including the motion member 1025-1, for example, the motion member 1025-1 and their connecting portions 1029a−. 1, 1029b-1, 1029c-1, and 1029d-1. The “contact mechanism” in this case is a mechanism including the contact portion 1003-1 and the support portion 1026-1, and is a mechanism including the contact portion 1003-1 and the support portion 1026-1, for example. The “contact mechanism” may further include at least one of the springs 1022-i, 1023-i, and the coil 1024-i. The mass m 1 of the “contact mechanism” is smaller than the total m 2 of the mass of the “base mechanism” and the mass of the base 1001 that is a mechanism attached to the “base mechanism”. In dynamic characteristic model Md in this case, "contact mechanism" corresponds to the mass point M 1, a base 1001 as "base mechanism" corresponds to the mass point M 2.
これらの場合も、好ましくは、0<m1/m2≦1/3である。 In these cases also, preferably 0 <m 1 / m 2 ≦ 1/3.
[第8実施形態]
第8実施形態は第7実施形態の変形例であり、擬似力覚発生装置が複数個の接触機構を有する。
[Eighth Embodiment]
The eighth embodiment is a modification of the seventh embodiment, and the simulated force sense generator has a plurality of contact mechanisms.
図18A〜図18Dに例示するように、本形態の擬似力覚発生装置1100は、基部1101、支持部1026−iおよび支持部1026−iに対する非対称振動(周期的な非対称運動)を行う運動部材1025−iを含む振動子1020−i、ならびに接触部1003−iを有する(ただし、i=1,2)。第7実施形態との相違点は、基部1101の上面1101b側に接触部1003−1が配置されているだけではなく、基部1101の下面1101c側にも接触部1003−2が配置されている点である。各接触部1003−iは振動子1020−iを介して基部1101に取り付けられており、振動子1020−iの駆動によって接触部1003−iが基部1101に対して非対称振動する。第7実施形態のように、支持部1026−iが基部1101に取り付けられており、振動子1020−iが接触部1003−iに取り付けられていてもよいし、第7実施形態の変形例2のように、振動子1020−iが基部1101に取り付けられており、支持部1026−iが接触部1003−iに取り付けられていてもよい。ただし、本形態のD−1軸とD−2軸は共に基部1101の短手方向に沿った軸であり、互いに略平行である。接触部1003−1は上面1101bと略平行に配置され、接触部1003−2は下面1101cと略平行に配置されている。この例の接触部1003−1と接触部1003−2は、基部1101の上面1101bと下面1101cとの中間面に対して略面対称に配置されている。すなわち、接触部1003−1と接触部1003−2との間に振動子1020−1,1020−2が配置されている。 As illustrated in FIG. 18A to FIG. 18D, the pseudo force generation device 1100 according to the present embodiment is a motion member that performs asymmetric vibration (periodic asymmetric motion) with respect to the base 1101, the support 1026-i, and the support 1026-i. The vibrator 1020-i including 1025-i and the contact portion 1003-i are provided (where i = 1, 2). The difference from the seventh embodiment is that not only the contact portion 1003-1 is disposed on the upper surface 1101b side of the base portion 1101, but also the contact portion 1003-2 is disposed on the lower surface 1101c side of the base portion 1101. It is. Each contact portion 1003-i is attached to the base portion 1101 via the vibrator 1020-i, and the contact portion 1003-i asymmetrically vibrates with respect to the base portion 1101 by driving the vibrator 1020-i. As in the seventh embodiment, the support portion 1026-i may be attached to the base portion 1101, the vibrator 1020-i may be attached to the contact portion 1003-i, or Modification 2 of the seventh embodiment. As described above, the vibrator 1020-i may be attached to the base part 1101, and the support part 1026-i may be attached to the contact part 1003-i. However, both the D-1 axis and the D-2 axis in this embodiment are axes along the short direction of the base 1101 and are substantially parallel to each other. The contact portion 1003-1 is disposed substantially parallel to the upper surface 1101b, and the contact portion 1003-2 is disposed substantially parallel to the lower surface 1101c. In this example, the contact portion 1003-1 and the contact portion 1003-2 are disposed substantially symmetrically with respect to the intermediate surface between the upper surface 1101b and the lower surface 1101c of the base portion 1101. That is, the vibrators 1020-1 and 1020-2 are arranged between the contact part 1003-1 and the contact part 1003-2.
擬似力覚発生装置1100の使用時には、基部1101、および接触部1003−1,1003−2が利用者の皮膚に接触する。図18Cに例示するように、接触部1003−1,1003−2を同一方向E−1,E−2に擬似的な力覚を呈示するように非対称振動させた場合、利用者はその方向に並進力覚を知覚する。一方、図18Cに例示するように、接触部1003−1,1003−2を互いに反対方向E−1,E−2に擬似的な力覚を呈示するように非対称振動させた場合、利用者はE−11方向に回転するような擬似的な力覚を知覚する。 When using the pseudo force sense generating apparatus 1100, the base 1101 and the contact parts 1003-1 and 1003-2 come into contact with the user's skin. As illustrated in FIG. 18C, when the contact parts 1003-1 and 1003-2 are asymmetrically vibrated so as to present pseudo force sensations in the same directions E-1 and E-2, the user moves in that direction. Perception of translational force sense. On the other hand, as illustrated in FIG. 18C, when the contact portions 1003-1 and 1003-2 are asymmetrically vibrated so as to present pseudo force senses in opposite directions E-1 and E-2, the user A pseudo force sense that rotates in the E-11 direction is perceived.
[第8実施形態の変形例1]
図19A〜図19Cに例示する擬似力覚発生装置1200のように、D−1軸とD−2軸とが互いに略直交していてもよい。「略直交」の例は直交である。この擬似力覚発生装置1200は、基部1201、支持部1026−iおよび支持部1026−iに対する非対称振動(周期的な非対称運動)を行う運動部材1025−iを含む振動子1020−i、ならびに接触部1003−iを有する(ただし、i=1,2)。基部1201の上面1201b側には接触部1003−1が配置されており、基部1201の下面1201c側には接触部1003−2が配置されている。各接触部1003−iは振動子1020−iを介して基部1201に取り付けられており、振動子1020−iの駆動によって接触部1003−iが基部1201に対して非対称振動する。D−1軸は基部1201の短手方向に沿った軸であり、D−2軸は基部1201の長手方向に沿った軸であり、互いに略直交する。接触部1003−1は上面1201bと略平行に配置され、接触部1003−2は下面1201cと略平行に配置されている。この例では、接触部1003−1と接触部1003−2とは互いにずれた位置に配置されている。すなわち、上面1201bと下面1201cとの中間に位置するこれらと略平行な中間面に対して、接触部1003−1と面対称となる領域に、接触部1003−2は存在していない。擬似力覚発生装置1200の使用時には、基部1201、および接触部1003−1,1003−2が利用者の皮膚に接触する。擬似力覚発生装置1200の振動子1020−1,1020−2を駆動することで、利用者は接触部1003−1,1003−2の非対称振動に基づく擬似的な力覚を知覚する。
[Modification 1 of Eighth Embodiment]
Like the simulated force sense generator 1200 illustrated in FIGS. 19A to 19C, the D-1 axis and the D-2 axis may be substantially orthogonal to each other. An example of “substantially orthogonal” is orthogonal. The pseudo force sense generator 1200 includes a base 1201, a support 1026-i, a vibrator 1020-i including a moving member 1025-i that performs asymmetric vibration (periodic asymmetric motion) with respect to the support 1026-i, and a contact. Part 1003-i (where i = 1, 2). A contact portion 1003-1 is disposed on the upper surface 1201b side of the base portion 1201, and a contact portion 1003-2 is disposed on the lower surface 1201c side of the base portion 1201. Each contact portion 1003-i is attached to the base portion 1201 via the vibrator 1020-i, and the contact portion 1003-i asymmetrically vibrates with respect to the base portion 1201 by driving the vibrator 1020-i. The D-1 axis is an axis along the short direction of the base portion 1201, and the D-2 axis is an axis along the longitudinal direction of the base portion 1201, and is substantially orthogonal to each other. The contact portion 1003-1 is disposed substantially parallel to the upper surface 1201b, and the contact portion 1003-2 is disposed substantially parallel to the lower surface 1201c. In this example, the contact part 1003-1 and the contact part 1003-2 are arranged at positions shifted from each other. That is, the contact portion 1003-2 does not exist in a region that is plane-symmetric with the contact portion 1003-1 with respect to an intermediate surface that is substantially parallel to the upper surface 1201 b and the lower surface 1201 c. When the simulated force sense generator 1200 is used, the base 1201 and the contact parts 1003-1 and 1003-2 come into contact with the user's skin. By driving the vibrators 1020-1 and 1020-2 of the simulated force sense generator 1200, the user perceives a pseudo force sense based on the asymmetric vibration of the contact parts 1003-1 and 1003-2.
[第8実施形態の変形例2]
図20A〜図20Cに例示した擬似力覚発生装置1300のように、上面1201bと下面1201cとの中間に位置するこれらと略平行な中間面に対して、接触部1003−1と面対称となる領域に接触部1003−2が存在していてもよい。このような擬似力覚発生装置1300の使用時には、基部1201、および接触部1003−1,1003−2が利用者の皮膚に接触する。擬似力覚発生装置1200の振動子1020−iを駆動することで、擬似力覚発生装置1300の振動子1020−1,1020−2を駆動することで、利用者は接触部1003−1,1003−2の非対称振動に基づく擬似的な力覚を知覚する。
[Modification 2 of Eighth Embodiment]
Like the pseudo force generation device 1300 illustrated in FIGS. 20A to 20C, the contact portion 1003-1 is plane-symmetric with respect to an intermediate surface substantially parallel to the upper surface 1201b and the lower surface 1201c. The contact portion 1003-2 may exist in the region. When such a pseudo force generation device 1300 is used, the base 1201 and the contact parts 1003-1 and 1003-2 come into contact with the user's skin. By driving the vibrator 1020-i of the simulated force sense generator 1200 and driving the vibrators 1020-1 and 1020-2 of the simulated force sense generator 1300, the user can make contact portions 1003-1 and 1003. -2 senses a pseudo force sense based on -2 asymmetric vibration.
[第8実施形態の変形例3]
図21A〜図21Cに例示する擬似力覚発生装置1400は、基部1401、振動子1020−i、ならびに接触部1003−iを有する(ただし、i=1,2)。基部1401の内部には、振動子1020−2の支持部1026−2または運動部材1025−2の何れか一方側が取り付けられており、その他方側には接触部1003−2に取り付けられている。接触部1003−2には、振動子1020−1の支持部1026−1または運動部材1025−1の何れか一方側が取り付けられており、その他方側には接触部1003−1に取り付けられている。振動子1020−1は、その運動部材1025−1が基部1401の短手方向に沿ったD−1軸に沿って非対称振動可能なように取り付けられており、振動子1020−2は、その運動部材1025−2が基部1401の長手方向に沿ったD−2軸に沿って非対称振動可能なように取り付けられている。すなわち、振動子1020−1,1020−2はD−1軸とD−2軸とが互いに略直交するように取り付けられている。例えば、図22Aおよび図22Bに例示するように、振動子1020−2の支持部1026−2が基部1401の内部に固定されており、振動子1020−2の運動部材1025−2が連結部1029a−2,1029b−2,1029c−2,1029d−2を介して接触部1003−2に取り付けられている。接触部1003−2には、振動子1020−1の支持部1026−1が取り付けられており、振動子1020−1の運動部材1025−1が連結部1029a−1,1029b−1,1029c−1,1029d−1を介して接触部1003−1に取り付けられている。接触部1003−1,1003−2は、基部1401の上面1401bおよび下面1401cと略平行であり、接触部1003−1は上面1401bと略同一平面上に配置されている。
[Modification 3 of Eighth Embodiment]
The simulated force sense generator 1400 illustrated in FIGS. 21A to 21C includes a base portion 1401, a vibrator 1020-i, and a contact portion 1003-i (where i = 1, 2). One side of the support portion 1026-2 or the moving member 1025-2 of the vibrator 1020-2 is attached to the inside of the base portion 1401, and the other side is attached to the contact portion 1003-2. One side of the support part 1026-1 of the vibrator 1020-1 or the moving member 1025-1 is attached to the contact part 1003-2, and the other side is attached to the contact part 1003-1. . The vibrator 1020-1 is attached such that the moving member 1025-1 can asymmetrically vibrate along the D-1 axis along the short side direction of the base 1401. The member 1025-2 is attached so that it can asymmetrically vibrate along the D-2 axis along the longitudinal direction of the base 1401. That is, the vibrators 1020-1 and 1020-2 are attached such that the D-1 axis and the D-2 axis are substantially orthogonal to each other. For example, as illustrated in FIGS. 22A and 22B, the support portion 1026-2 of the vibrator 1020-2 is fixed inside the base portion 1401, and the motion member 1025-2 of the vibrator 1020-2 is connected to the connecting portion 1029a. It is attached to the contact portion 1003-2 through −2, 1029 b-2, 1029 c-2, and 1029 d-2. The contact portion 1003-2 is attached with a support portion 1026-1 of the vibrator 1020-1, and the moving member 1025-1 of the vibrator 1020-1 is connected to the connecting portions 1029 a-1, 1029 b-1, and 1029 c-1. , 1029d-1 to the contact portion 1003-1. The contact portions 1003-1 and 1003-2 are substantially parallel to the upper surface 1401b and the lower surface 1401c of the base portion 1401, and the contact portion 1003-1 is disposed on substantially the same plane as the upper surface 1401b.
擬似力覚発生装置1400の使用時には、基部1401および接触部1003−1が利用者の皮膚に接触する。振動子1020−1のみを駆動させた場合には、D−1軸に沿った何れかの方向に擬似的な力覚を呈示でき、振動子1020−2のみを駆動させた場合には、D−2軸に沿った何れかの方向に擬似的な力覚を呈示できる。振動子1020−1および振動子1020−2の両方を駆動させた場合には、D−1軸とD−2軸とからなる平面上の任意の方向に擬似的な力覚を呈示できる。 When the simulated force sense generator 1400 is used, the base portion 1401 and the contact portion 1003-1 come into contact with the user's skin. When only the vibrator 1020-1 is driven, a pseudo force sense can be presented in any direction along the D-1 axis, and when only the vibrator 1020-2 is driven, D -A pseudo force sense can be presented in any direction along the -2 axis. When both the vibrator 1020-1 and the vibrator 1020-2 are driven, a pseudo force sense can be presented in an arbitrary direction on a plane composed of the D-1 axis and the D-2 axis.
[第9実施形態]
図23Aおよび図23Bに例示するように、本形態の擬似力覚発生装置1500は、振動子1020−1、板状の接触部1503および帯状(バンド状)の接触部1504を有する。接触部1503は合成樹脂等から構成され、接触部1504は合成樹脂や皮などから構成される。振動子1020−1の運動部材1025−1は連結部1029a−1,1029b−1,1029c−1,1029d−1を介して接触部1503の板面1503cに取り付けられている。さらに振動子1020−1の支持部1026−1には接触部1504に取り付けられている。図23Aおよび図23Bの例では、支持部1026−1に対し、D−1軸と略直交する向きに、帯状の接触部1504が取り付けられている。すなわち、接触部1504は、D−1軸と略直交する向きに支持部1026−1に取り付けられている。図23Bに例示するように、擬似力覚発生装置1500は、例えば、接触部1503,1504が利用者の腕1510の皮膚に接触するように装着される。
[Ninth Embodiment]
As illustrated in FIG. 23A and FIG. 23B, the simulated force generation device 1500 of this embodiment includes a vibrator 1020-1, a plate-like contact portion 1503, and a belt-like (band-like) contact portion 1504. The contact portion 1503 is made of synthetic resin or the like, and the contact portion 1504 is made of synthetic resin or leather. The moving member 1025-1 of the vibrator 1020-1 is attached to the plate surface 1503c of the contact portion 1503 via the connecting portions 1029a-1, 1029b-1, 1029c-1, and 1029d-1. Further, the contact portion 1504 is attached to the support portion 1026-1 of the vibrator 1020-1. In the example of FIGS. 23A and 23B, a belt-like contact portion 1504 is attached to the support portion 1026-1 in a direction substantially orthogonal to the D-1 axis. That is, the contact portion 1504 is attached to the support portion 1026-1 in a direction substantially orthogonal to the D-1 axis. As illustrated in FIG. 23B, the simulated force sense generator 1500 is mounted such that the contact portions 1503 and 1504 are in contact with the skin of the user's arm 1510, for example.
この構成の場合、「ベース機構」は支持部1026−1および接触部1504を含む機構であり、例えば、支持部1026−1および接触部1504からなる機構である。「ベース機構」が、さらに、ばね1022−i,1023−i、およびコイル1024−iの少なくとも何れかを含んでもよい。また「接触機構」は接触部1503および運動部材1025−1を含む機構であり、例えば、接触部1503−1、運動部材1025−1、および連結部1029a−i,1029b−i,1029c−i,1029d−iからなる機構である。「接触機構」の質量m1は「ベース機構」の質量m2よりも小さい。好ましくは、0<m1/m2≦1/3である。この場合の力学特性モデルMdでは、「接触機構」が質点M1に相当し、「ベース機構」が質点M2に相当する。これにより、腕1510が伸びる方向に沿った何れかの向きに擬似的な力覚を呈示できる。 In the case of this configuration, the “base mechanism” is a mechanism including the support portion 1026-1 and the contact portion 1504. For example, the “base mechanism” is a mechanism including the support portion 1026-1 and the contact portion 1504. The “base mechanism” may further include at least one of springs 1022-i, 1023-i, and coils 1024-i. The “contact mechanism” is a mechanism including the contact portion 1503 and the moving member 1025-1. For example, the contact portion 1503-1, the moving member 1025-1, and the connecting portions 1029a-i, 1029b-i, 1029c-i, 1029d-i. The mass m 1 of the “contact mechanism” is smaller than the mass m 2 of the “base mechanism”. Preferably, 0 <m 1 / m 2 ≦ 1/3. In the dynamic characteristic model Md in this case, the “contact mechanism” corresponds to the mass point M 1 and the “base mechanism” corresponds to the mass point M 2 . Thereby, a pseudo force sense can be presented in any direction along the direction in which the arm 1510 extends.
[第9実施形態の変形例1]
図24に例示する擬似力覚発生装置1600のように、支持部1026−1に合成樹脂や皮などから構成される帯状部材1604が取り付けられ、さらに帯状部材1604に対し、D−1軸に沿った向きに、帯状の接触部1504が環状に取り付けられていいてもよい。すなわち、接触部1504が、D−1軸に沿った方向に支持部1026−1に取り付けられている。この構成の場合、「ベース機構」は、支持部1026−1、帯状部材1604、および接触部1504を含む機構であり、例えば、支持部1026−1、帯状部材1604、および接触部1504からなる機構である。「ベース機構」が、さらに、ばね1022−i,1023−i、およびコイル1024−iの少なくとも何れかを含んでもよい。また「接触機構」は接触部1503および運動部材1025−1を含む機構であり、例えば、接触部1503−1、運動部材1025−1、および連結部1029a−i,1029b−i,1029c−i,1029d−iからなる機構である。「接触機構」の質量m1は「ベース機構」の質量m2よりも小さい。この構成では、腕1510を横切る何れかの向きに擬似的な力覚を呈示できる。
[Modification 1 of Ninth Embodiment]
24, a belt-like member 1604 made of synthetic resin, leather, or the like is attached to the support 1026-1, and the belt-like member 1604 is further along the D-1 axis. The strip-shaped contact portion 1504 may be attached in an annular shape in the opposite direction. That is, the contact portion 1504 is attached to the support portion 1026-1 in a direction along the D-1 axis. In the case of this configuration, the “base mechanism” is a mechanism including the support portion 1026-1, the strip-shaped member 1604, and the contact portion 1504. For example, a mechanism including the support portion 1026-1, the strip-shaped member 1604, and the contact portion 1504. It is. The “base mechanism” may further include at least one of springs 1022-i, 1023-i, and coils 1024-i. The “contact mechanism” is a mechanism including the contact portion 1503 and the moving member 1025-1. For example, the contact portion 1503-1, the moving member 1025-1, and the connecting portions 1029a-i, 1029b-i, 1029c-i, 1029d-i. The mass m 1 of the “contact mechanism” is smaller than the mass m 2 of the “base mechanism”. In this configuration, a pseudo force sense can be presented in any direction across the arm 1510.
[第10実施形態]
接触機構およびベース機構の両方が皮膚に接触する構成(例えば、第7〜9実施形態およびそれらの変形例)の場合、接触機構が目標制御信号波形およびバイアス成分に応じた非対称振動を行ってもよい。ただし、バイアス成分は非対称振動の振動中心を制御する成分である。すなわち、接触機構の非対称振動の振動中心の位置を制御可能としてもよい。例えば、バイアス成分によって非対称振動による擬似的な力覚を呈示する方向に振動中心を移動させてもよい。これにより、擬似的な力覚をより明確に知覚させることができる。
[Tenth embodiment]
In the case where both the contact mechanism and the base mechanism are in contact with the skin (for example, the seventh to ninth embodiments and their modifications), even if the contact mechanism performs asymmetric vibration according to the target control signal waveform and the bias component. Good. However, the bias component is a component that controls the vibration center of the asymmetric vibration. That is, the position of the vibration center of the asymmetric vibration of the contact mechanism may be controllable. For example, the vibration center may be moved in a direction in which a pseudo force sense due to asymmetric vibration is presented by the bias component. Thereby, a pseudo force sense can be perceived more clearly.
例えば、図25Aに例示するように、目標制御信号波形のみに応じて振動子1020−iを駆動させた場合(バイアス成分が零の場合)における、接触部1003−iのD−i軸に沿った非対称振動の振動中心をΦとする。ここで、図25Bに例示するようにG1方向に擬似的な力覚を呈示する場合には、接触部1003−iの非対称振動の振動中心が振動中心ΦよりもG1方向に移動したΦ1となるようにバイアス成分を調整する。例えば、目標制御信号波形が正の場合に接触部1003−iにG1方向の力が与えられるのであれば、目標制御信号波形と正のバイアス成分とを加算した波形に応じた制御信号を電気回路13に与え、それに応じた駆動信号を振動子1020−iに与える。逆に図25Cに例示するようにG2方向に擬似的な力覚を呈示する場合には、接触部1003−iの非対称振動の振動中心が振動中心ΦよりもG2方向に移動したΦ2となるようにバイアス成分を調整する。例えば、目標制御信号波形が負の場合に接触部1003−iにG2方向の力が与えられるのであれば、目標制御信号波形から正のバイアス成分を減算した波形に応じた制御信号を電気回路13に与え、それに応じた駆動信号を振動子1020−iに与える。なお、接触部1003−iの非対称振動の振動中心をG1方向に移動させるためのバイアス成分の大きさと、当該振動中心をG2方向に移動させるためのバイアス成分の大きさは、互いに同一であってもよいし、同一でなくてもよい。また、過去の擬似的な力覚の呈示方向の履歴に応じて、当該振動中心をG1方向に移動させるためのバイアス成分の大きさ、または、当該振動中心をG2方向に移動させるためのバイアス成分の大きさを変化させてもよい。なお、図25Bおよび図25Cでの例では、G1方向とG2方向が拮抗する方向にあるため、ある時刻におけるバイアスはG1方向、G2方向のいずれか一方となる。 For example, as illustrated in FIG. 25A, along the Di axis of the contact portion 1003-i when the vibrator 1020-i is driven according to only the target control signal waveform (when the bias component is zero). Let Φ be the vibration center of the asymmetric vibration. Here, in the case of presenting a pseudo force to the G1 direction as illustrated in FIG. 25B, the vibration center of the asymmetric oscillation of the contact portion 1003-i is moved in the G1 direction than the vibration center [Phi [Phi 1 and The bias component is adjusted so that For example, when a force in the G1 direction is applied to the contact portion 1003-i when the target control signal waveform is positive, a control signal corresponding to the waveform obtained by adding the target control signal waveform and the positive bias component is an electric circuit. 13 and a corresponding drive signal is applied to the vibrator 1020-i. Conversely, when a pseudo force sense is presented in the G2 direction as illustrated in FIG. 25C, the vibration center of the asymmetric vibration of the contact portion 1003-i is Φ 2 that is moved in the G2 direction from the vibration center Φ. The bias component is adjusted as follows. For example, if a force in the G2 direction is applied to the contact portion 1003-i when the target control signal waveform is negative, a control signal corresponding to a waveform obtained by subtracting a positive bias component from the target control signal waveform is supplied to the electric circuit 13. And a corresponding drive signal is applied to the vibrator 1020-i. Note that the magnitude of the bias component for moving the vibration center of the asymmetric vibration of the contact portion 1003-i in the G1 direction and the magnitude of the bias component for moving the vibration center in the G2 direction are the same. Or may not be the same. The magnitude of the bias component for moving the vibration center in the G1 direction or the bias component for moving the vibration center in the G2 direction according to the past history of the pseudo force sense presentation direction. You may change the magnitude | size of. Note that in the examples in FIGS. 25B and 25C, the G1 direction and the G2 direction are in a direction that antagonizes, so the bias at a certain time is either the G1 direction or the G2 direction.
[シミュレーション結果]
比較シミュレーション結果を示す。
<擬似力覚発生装置12と擬似力覚発生装置1000との比較>
図26A〜図26Cおよび図27A〜図27Cを用い、時間非対称矩形波の制御電圧で制御した場合の比較シミュレーション結果を示す。ただし、この時間非対称矩形波は、正である期間T1および負である期間T2が[T1,T2]=[6,12][ms]のものである。図26A〜図26Cは、スマートフォンケース等の接触部が取り付けられたスマートフォン端末装置等の本体に、擬似力覚発生装置12(図3A)を内蔵した場合のシミュレーション結果を表し、図27A〜図27Cは擬似力覚発生装置1000(図15A)でのシミュレーション結果を表す。図26Aおよび図27Aは、擬似力覚発生装置12のおよび擬似力覚発生装置1000の制御電圧を表す。縦軸は制御電圧の電圧値[V]を表し、横軸は時間[sec]を表す。図26Bおよび図27Bは、図26Aおよび図27Aの制御電圧で駆動させたときの、擬似力覚発生装置12が内蔵された本体に取り付けられた接触部および擬似力覚発生装置1000の接触部1003−1から皮膚に与えられる力を表す。縦軸は皮膚に与えられる力[N]を表し、横軸は時間[sec]を表す。図26Cおよび図27Cは、図26Aおよび図27Aの制御電圧で駆動させたときの、擬似力覚発生装置12が内蔵された本体に取り付けられた接触部および擬似力覚発生装置1000の接触部1003−1の位置(振動波形)を表す。縦軸は接触部の位置[m]を表し、横軸は時間[sec]を表す。ただし、図26A〜図26Cでは、質量145gの本体(例えば、スマートフォン端末装置)、質量10gの接触部(例えば、スマートフォンケース)、質量10gの支持部(例えば、アクチュエータケース)からなる系の質量をm1=155gとし、質量5gの運動部材(例えば、アクチュエータ可動子)からなる系の質量をm2=5gとした。一方、図27A〜図27Cでは、質量5gの接触部1003−1および質量5gの運動部材1025−i(例えば、アクチュエータ可動子)からなる系の質量をm1=10gとし、質量10gの支持部1026−i(例えば、アクチュエータケース)および質量135gの基部1001(例えば、スマートフォン端末装置)からなる系の質量をm2=145gとした。これらの図から分かるように、擬似力覚発生装置1000は、接触部が取り付けられた本体に擬似力覚発生装置12を内蔵した構成に比べて質量m1に対して質量m2を大きくでき、接触部の振動の非対称性および皮膚に与えられる力の非対称性をともに大きくできる。その結果、本形態の構成では従来よりも明確に擬似的な力覚を呈示できる。
[simulation result]
The comparison simulation result is shown.
<Comparison between the pseudo force sense generator 12 and the pseudo force sense generator 1000>
FIG. 26A to FIG. 26C and FIGS. 27A to 27C show comparison simulation results when control is performed with a time-asymmetric rectangular wave control voltage. However, this time-asymmetric rectangular wave has a positive period T1 and a negative period T2 of [T1, T2] = [6, 12] [ms]. FIGS. 26A to 26C show simulation results when the pseudo force sense generator 12 (FIG. 3A) is built in a main body of a smartphone terminal device or the like to which a contact portion such as a smartphone case is attached. Represents a simulation result in the pseudo force sense generator 1000 (FIG. 15A). FIG. 26A and FIG. 27A show control voltages of the pseudo force sense generator 12 and the pseudo force sense generator 1000. The vertical axis represents the voltage value [V] of the control voltage, and the horizontal axis represents time [sec]. 26B and 27B show a contact portion attached to a main body in which the pseudo force sense generator 12 is built and a contact portion 1003 of the pseudo force sense generator 1000 when driven by the control voltage of FIGS. 26A and 27A. -1 represents the force applied to the skin. The vertical axis represents force [N] applied to the skin, and the horizontal axis represents time [sec]. 26C and 27C show a contact portion attached to the main body in which the pseudo force sense generator 12 is built and a contact portion 1003 of the pseudo force sense generator 1000 when driven by the control voltage of FIGS. 26A and 27A. -1 position (vibration waveform). The vertical axis represents the position [m] of the contact portion, and the horizontal axis represents time [sec]. However, in FIGS. 26A to 26C, the mass of a system including a main body (for example, a smartphone terminal device) with a mass of 145 g, a contact portion (for example, a smartphone case) with a mass of 10 g, and a support portion (for example, an actuator case) with a mass of 10 g. m 1 = 155 g, and the mass of a system composed of a moving member (for example, an actuator mover) having a mass of 5 g was m 2 = 5 g. On the other hand, in FIGS. 27A to 27C, the mass of the system including the contact portion 1003-1 having a mass of 5 g and the moving member 1025-i having a mass of 5 g (for example, an actuator mover) is m 1 = 10 g, and the support portion having a mass of 10 g is used. The mass of a system consisting of 1026-i (for example, an actuator case) and a base 1001 (for example, a smartphone terminal device) having a mass of 135 g was set to m 2 = 145 g. As can be seen from these figures, the pseudo force generation device 1000 can increase the mass m 2 with respect to the mass m 1 as compared to the configuration in which the pseudo force generation device 12 is built in the main body to which the contact portion is attached. Both the asymmetry of the vibration of the contact portion and the asymmetry of the force applied to the skin can be increased. As a result, the configuration of this embodiment can present a pseudo force sense more clearly than in the past.
<時間非対称矩形波の制御電圧と目標制御信号波形の制御電圧との比較1>
図28A〜図28Cに擬似力覚発生装置1000を時間非対称矩形波の制御電圧で制御した場合のシミュレーション結果を示し、図29A〜図29Cに擬似力覚発生装置1000を目標制御信号波形の制御電圧で制御した場合の比較シミュレーション結果を示す。ただし、時間非対称矩形波および目標制御信号波形は、いずれも正である期間T1および負である期間T2が[T1,T2]=[3,16][ms]のものである。擬似力覚発生装置1000の構成は図27A〜図27Cの構成と同じである。図28Aおよび図29Aは、擬似力覚発生装置1000の制御電圧を表す。縦軸は制御電圧の電圧値[V]を表し、横軸は時間[sec]を表す。図28Bおよび図29Bは、図28Aおよび図29Aの制御電圧で駆動させたときの、擬似力覚発生装置1000の接触部1003−1から皮膚に与えられる力を表す。縦軸は皮膚に与えられる力[N]を表し、横軸は時間[sec]を表す。ただし、図29Bの破線は目標応答波形パターンを表し、実線は応答波形を表す。図28Cおよび図29Cは、図28Aおよび図29Aの制御電圧で駆動させたときの、擬似力覚発生装置1000の接触部1003−1の位置を表す。縦軸は接触部の位置[m]を表し、横軸は時間[sec]を表す。これらの図から分かるように、目標制御信号波形の制御電圧で制御した場合、時間非対称矩形波の制御電圧で制御した場合に比べ、皮膚に与え力および接触部1003−1の位置ともにノイズとなる波形の微細振動が少なく、一方で正方向の極大値と負方向との極大値との差が大きく、非対称性が大きい。これより、目標制御信号波形の制御電圧で制御することで、よりも明確な力覚を提示できることが分かる。
<Comparison 1 between control voltage of time asymmetric rectangular wave and control voltage of target control signal waveform>
28A to 28C show simulation results when the pseudo force sense generator 1000 is controlled with a time asymmetric rectangular wave control voltage, and FIGS. 29A to 29C show the pseudo force sense generator 1000 with the control voltage of the target control signal waveform. The comparison simulation result when controlled by is shown. However, the time asymmetric rectangular wave and the target control signal waveform are both those in which the positive period T1 and the negative period T2 are [T1, T2] = [3, 16] [ms]. The configuration of the simulated force generation apparatus 1000 is the same as the configuration of FIGS. 27A to 27C. FIG. 28A and FIG. 29A show the control voltage of the simulated force sense generator 1000. The vertical axis represents the voltage value [V] of the control voltage, and the horizontal axis represents time [sec]. FIGS. 28B and 29B show the force applied to the skin from the contact portion 1003-1 of the simulated force sense generator 1000 when driven by the control voltage of FIGS. 28A and 29A. The vertical axis represents force [N] applied to the skin, and the horizontal axis represents time [sec]. However, the broken line in FIG. 29B represents the target response waveform pattern, and the solid line represents the response waveform. 28C and 29C show the position of the contact portion 1003-1 of the simulated force sense generator 1000 when driven with the control voltage of FIGS. 28A and 29A. The vertical axis represents the position [m] of the contact portion, and the horizontal axis represents time [sec]. As can be seen from these figures, when the control is performed with the control voltage of the target control signal waveform, both the force applied to the skin and the position of the contact portion 1003-1 become noise, compared with the case of control with the control voltage of the time asymmetric rectangular wave. There is little fine vibration of the waveform, while the difference between the maximum value in the positive direction and the maximum value in the negative direction is large, and the asymmetry is large. From this, it can be seen that a clearer sense of force can be presented by controlling with the control voltage of the target control signal waveform.
<時間非対称矩形波の制御電圧と目標制御信号波形の制御電圧との比較2>
図30A〜図30Cに擬似力覚発生装置1000を時間非対称矩形波の制御電圧で制御した場合のシミュレーション結果を示し、図31A〜図31Cに擬似力覚発生装置1000を目標制御信号波形の制御電圧で制御した場合の比較シミュレーション結果を示す。ただし、時間非対称矩形波および目標制御信号波形は、いずれも正である期間T1および負である期間T2が[T1,T2]=[6,12][ms]のものである。その他の条件は<時間非対称矩形波の制御電圧と目標制御信号波形の制御電圧との比較1>のものと同じである。これらの図からも、目標制御信号波形の制御電圧で制御することで、よりも明確な力覚を提示できることが分かる。
<Comparison 2 between control voltage of time asymmetric rectangular wave and control voltage of target control signal waveform>
30A to 30C show simulation results when the pseudo force sense generator 1000 is controlled with a time-asymmetric rectangular wave control voltage, and FIGS. 31A to 31C show the pseudo force sense generator 1000 with the control voltage of the target control signal waveform. The comparison simulation result when controlled by is shown. However, the time asymmetric rectangular wave and the target control signal waveform are those in which the positive period T1 and the negative period T2 are [T1, T2] = [6, 12] [ms]. Other conditions are the same as those in <Comparison 1 between control voltage of time asymmetric rectangular wave and control voltage of target control signal waveform>. Also from these figures, it can be seen that a clearer sense of force can be presented by controlling with the control voltage of the target control signal waveform.
<時間非対称矩形波の制御電圧と目標制御信号波形の制御電圧との比較3>
図32Aは、擬似力覚発生装置1000を[T1,T2][ms]の時間非対称矩形波の制御電圧で制御した場合に、接触部1003−1から皮膚に与えられる力の非対称性の一例をステムプロットした図である。図32Bは、擬似力覚発生装置1000を[T1,T2][ms]の目標制御信号波形の制御電圧で制御した場合に、接触部1003−1から皮膚に与えられる力の非対称性の一例をステムプロットした図である。各図の底面の二軸が期間T1およびT2をそれぞれ表し、縦軸が皮膚に与えられる力の非対称性である正負極大力の差(より正確には、正方向の極大値と、負方向の極小値の和。すなわち、正方向の極大値の絶対値から、負方向の極小値の絶対値を引いたもの。)[N]を表している。その他の条件は<時間非対称矩形波の制御電圧と目標制御信号波形の制御電圧との比較1>のものと同じである。これらの図より、目標制御信号波形の制御電圧で制御することで、時間非対称矩形波の制御電圧で制御する場合に比べ、接触部1003−1から皮膚に与えられる力の非対称性が大きくなることが分かる。さらに、目標制御信号波形の制御電圧で制御することで、[T1,T2]の変化に対してもロバストな傾向を持つことが分かる。
<Comparison 3 between control voltage of time asymmetric rectangular wave and control voltage of target control signal waveform>
FIG. 32A shows an example of the asymmetry of the force applied to the skin from the contact portion 1003-1 when the pseudo force generation device 1000 is controlled by the control voltage of the time asymmetric rectangular wave of [T1, T2] [ms]. It is the figure which carried out the stem plot. FIG. 32B shows an example of asymmetry of the force applied to the skin from the contact portion 1003-1 when the pseudo force generation device 1000 is controlled with the control voltage of the target control signal waveform of [T1, T2] [ms]. It is the figure which carried out the stem plot. The two axes at the bottom of each figure represent the periods T1 and T2, respectively, and the vertical axis represents the difference between the positive and negative large forces that are the asymmetry of the force applied to the skin (more precisely, the maximum value in the positive direction and the negative value in the negative direction). Sum of local minimum values, ie, the absolute value of the local maximum value in the positive direction minus the absolute value of the local minimum value in the negative direction.) [N]. Other conditions are the same as those in <Comparison 1 between control voltage of time asymmetric rectangular wave and control voltage of target control signal waveform>. From these figures, the asymmetry of the force applied to the skin from the contact portion 1003-1 is increased by controlling with the control voltage of the target control signal waveform as compared with the case of controlling with the control voltage of the time asymmetric rectangular wave. I understand. Furthermore, it can be seen that by controlling with the control voltage of the target control signal waveform, there is a robust tendency against changes in [T1, T2].
[その他の変形例等]
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではない。例えば、擬似力覚発生装置の構成は前述したものには限定されず、周期的な非対称運動によって擬似力覚を発生するその他の擬似力覚発生装置であってもよい。把持部の構成も前述のものには限定されない。すなわち、把持部が擬似力覚発生装置のケースそのものである必要はなく、擬似力覚発生装置に機械的に固定された把持部などであってもよい。また、擬似力覚発生装置は前記実施形態またはその変形例のものに限定されず、例えば、擬似力覚発生装置内に設置された加速度センサによる加速度計測結果が所定の閾値以下の期間が所定の長さ以上の場合には擬似力覚発生装置が把持されていないと判定して、異なるモードで動作する様な機能を追加で有することとしても良い。この様な機能を追加すると、たとえば、把持されていない時には擬似力覚提示を停止しても良いし、さらには、第1、2実施形態の第4の変形例も行わないこととしても良い。把持されていない場合に処理を停止することにより、把持していないのに装置が動作することによる落下、破損のリスクや電池消耗を低減できる。
[Other variations]
The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, the configuration of the pseudo force sense generator is not limited to the above-described configuration, and may be another pseudo force sense generator that generates a pseudo force sense by periodic asymmetric motion. The configuration of the gripping part is not limited to the above. That is, the gripping part does not have to be the case of the pseudo force sense generator itself, but may be a grip part mechanically fixed to the pseudo force sense generator. Further, the simulated force sense generator is not limited to that of the above-described embodiment or its modification. For example, a period during which an acceleration measurement result by an acceleration sensor installed in the simulated force sense generator is equal to or less than a predetermined threshold is a predetermined value. If it is longer than the length, it may be determined that the pseudo force generation device is not gripped, and an additional function of operating in a different mode may be provided. When such a function is added, for example, the pseudo force sense presentation may be stopped when the user is not gripped, and further, the fourth modification of the first and second embodiments may not be performed. By stopping the process when not gripped, it is possible to reduce the risk of dropping or damage due to the operation of the apparatus without gripping, or battery consumption.
式(14)〜(17)の運動方程式はj_max=2の場合にも一般化できる。また、力学特性モデルMdおよび皮膚の力学特性モデルMsの数式表現を以下のようにしてもよい。
「周期的な非対称運動」の例は非対称振動である。また、各実施形態およびその変形における「皮膚」を「粘膜」に置換した形態であってもよい。 An example of “periodic asymmetric motion” is asymmetric vibration. Further, the “skin” in each embodiment and its modifications may be replaced with “mucosa”.
各実施形態において、「試行信号波形」や「目標制御信号波形」の例として、電圧の時間波形や電流の時間波形などを例示したが、「試行信号波形」や「目標制御信号波形」はこれらに限定されない。例えば、その波形はいくつかのパラメータで定義づけられた不連続な関数で表される波形であってもよい。 In each embodiment, as an example of the “trial signal waveform” and the “target control signal waveform”, the time waveform of the voltage and the time waveform of the current are exemplified, but the “trial signal waveform” and the “target control signal waveform” are these. It is not limited to. For example, the waveform may be a waveform represented by a discontinuous function defined by several parameters.
不連続な関数で表される波形の例を図33Aおよび図33Bに示す。図33Aは、波形を合計7つのパラメータで定義づけた例である。この波形は、時間区間の長さを示すTA〜TD、電圧または電流の値(電圧値または電流値)を示すAM1とAM2、時間区間TDでの電圧または電流の値を表す一次関数の傾きを示すdAM(ただし、この一次関数は時間変数の関数であり、時間区間TDの直前の時間区間の終了時に対する関数値が、当該終了時での電圧または電流の値である)の、合計7個のパラメータで表現されている。図33Bは、TCの時間区間の長さが0の場合の例である。 Examples of waveforms represented by discontinuous functions are shown in FIGS. 33A and 33B. FIG. 33A is an example in which a waveform is defined by a total of seven parameters. This waveform shows TA-TD indicating the length of the time interval, AM1 and AM2 indicating the voltage or current value (voltage value or current value), and the slope of the linear function indicating the voltage or current value in the time interval TD. A total of seven dAMs (where the linear function is a function of a time variable, and the function value at the end of the time interval immediately before the time interval TD is the voltage or current value at the end) It is expressed by the parameter. FIG. 33B is an example when the length of the time interval of TC is zero.
例えば、1周期(図33AではTで表される、TAの開始時刻からTDの終了時刻までの時間区間)の中に以下の特徴を有する「試行信号波形」や「目標制御信号波形」は、擬似力覚の提示に有効な波形と考えられる。
≪特徴1≫運動部材1025−iをある方向に加速させるために電圧もしくは電流の値または電流の方向を急激に変化させた「加速期間」の後に、変化後の値を持続させる時間区間である「持続期間」(例えば、図33AのTB)がある。
≪特徴2≫「持続期間」の後(より望ましくは、直後)に、運動部材1025−iを急激に減速させる時間区間である「減速期間」(例えば、図33AのTC)がある。例えば、「持続期間」と「減速期間」で電圧値の符号(正負)を反転させ、かつ、「減速期間」での電圧値ができるだけ大きくなるように変化させると、急激に運動部材1025−iを減速させる効果が期待できる。電流の場合には、「持続期間」と「減速期間」で電流の流れる方向を逆方向とし、かつ、「減速期間」での電流量ができるだけ大きくなるように変化させると、急激に運動部材1025−iを減速させる効果が期待できる。
≪特徴3≫「減速期間」の後(より望ましくは、直後)に、運動部材1025−iの位置を「加速期間」で加速する前の位置に戻すために、運動部材1025−iに与える加速度(または力)を「加速期間」での加速方向の逆方向に緩やかに変化させる「復帰期間」(図33AのTD)がある。例えば、「復帰期間」において、電圧の値を一次関数に従い変化させてもよい。ただし、図33Bのように「特徴2」を有さない波形であっても擬似力覚の提示に有効な波形となる場合もある。
For example, a “trial signal waveform” and a “target control signal waveform” having the following characteristics in one cycle (a time period from the start time of TA to the end time of TD, represented by T in FIG. 33A), This is considered to be an effective waveform for presenting pseudo force sense.
<< Characteristic 1 >> This is a time interval in which a value after change is maintained after an "acceleration period" in which the value of voltage or current or the direction of current is suddenly changed to accelerate the moving member 1025-i in a certain direction. There is a “duration” (eg, TB in FIG. 33A).
<< Characteristic 2 >> After the "duration" (more preferably, immediately after), there is a "deceleration period" (for example, TC in FIG. 33A), which is a time period during which the motion member 1025-i is decelerated rapidly. For example, when the sign (positive / negative) of the voltage value is reversed between the “duration period” and the “deceleration period” and the voltage value in the “deceleration period” is changed to be as large as possible, the moving member 1025-i is suddenly changed. The effect of slowing down can be expected. In the case of current, if the direction of current flow is reversed in the “duration period” and the “deceleration period” and the amount of current in the “deceleration period” is changed to be as large as possible, the motion member 1025 is abruptly changed. The effect of decelerating -i can be expected.
<< Characteristic 3 >> After the "deceleration period" (more preferably, immediately after), the acceleration applied to the exercise member 1025-i to return the position of the exercise member 1025-i to the position before acceleration in the "acceleration period" There is a “return period” (TD in FIG. 33A) in which (or force) is gradually changed in the direction opposite to the acceleration direction in the “acceleration period”. For example, in the “recovery period”, the voltage value may be changed according to a linear function. However, even a waveform that does not have “feature 2” as shown in FIG. 33B may be a waveform that is effective for presenting a pseudo force sense.
また、「試行信号波形」や「目標制御信号波形」が、離散時刻(例えば、所定のサンプリング時刻)ごとに予め定められた値を取る離散データであってもよい。 Further, the “trial signal waveform” and the “target control signal waveform” may be discrete data that takes a predetermined value at each discrete time (for example, a predetermined sampling time).
図34に例示するように、前述の制御信号推定装置11(または21)に含まれた各部と目標制御信号単純化部516とを有する制御信号推定装置11’(または21’)が用いられてもよい。目標制御信号単純化部516は、モデル適用部113(または213)で逆ダイナミクスモデルMcに目標応答波形パターンを適用して得られた波形(「逆ダイナミクス波形」と呼ぶ)を入力とし、当該逆ダイナミクス波形を単純化した波形を目標制御信号波形として出力する。 As illustrated in FIG. 34, a control signal estimation device 11 ′ (or 21 ′) including each unit included in the control signal estimation device 11 (or 21) described above and a target control signal simplification unit 516 is used. Also good. The target control signal simplification unit 516 receives a waveform (referred to as “inverse dynamics waveform”) obtained by applying the target response waveform pattern to the inverse dynamics model Mc in the model application unit 113 (or 213), and performs the inverse process. A waveform obtained by simplifying the dynamics waveform is output as a target control signal waveform.
例えば、目標制御信号単純化部516は、モデル適用部113(または213)から逆ダイナミクス波形を受け取り、これをパラメータ群(例えば、図33AのTA〜TD、AM1、AM2、dAMの7つのパラメータ)で定義づけられる波形パターン(例えば、図33A)によって表現した目標制御信号波形を得、その波形パターンを表す情報および/またはそれに対応するパラメータ群を出力する。電気回路13は、波形パターンを表す情報および/またはそれに対応するパラメータ群によって特定される目標制御信号波形に応じて上述の各実施形態で説明した通りに動作する。ここで、パラメータ群のデータ量および当該パラメータ群によって定義づけられる波形パターンのデータ量は、逆ダイナミクス波形のデータ量よりも小さい。これにより、目標制御信号波形を特定するための情報を記憶しておく場合の記憶容量や、この情報を送信する場合の通信容量を削減できる。 For example, the target control signal simplification unit 516 receives the inverse dynamics waveform from the model application unit 113 (or 213) and converts it into a parameter group (for example, seven parameters TA to TD, AM1, AM2, and dAM in FIG. 33A). A target control signal waveform expressed by a waveform pattern defined by (for example, FIG. 33A) is obtained, and information indicating the waveform pattern and / or a parameter group corresponding thereto is output. The electric circuit 13 operates as described in the above-described embodiments in accordance with the information representing the waveform pattern and / or the target control signal waveform specified by the corresponding parameter group. Here, the data amount of the parameter group and the data amount of the waveform pattern defined by the parameter group are smaller than the data amount of the inverse dynamics waveform. Thereby, the storage capacity when storing information for specifying the target control signal waveform and the communication capacity when transmitting this information can be reduced.
例えば、目標制御信号単純化部516は、逆ダイナミクス波形と、所定のパラメータ群で定義づけられる波形パターンと、の誤差が最少となるような波形パターンのパラメータ群の値を最少二乗法により求め、このような波形パターンを目標制御信号波形としてもよい。例えば、目標制御信号単純化部516は、各時刻の逆ダイナミクス波形と、上記のパラメータ群で定義づけられる波形パターンと、の誤差(例えば、所定の時間区間での誤差の二乗和)が最少となるようなパラメータ群の値を最少二乗法により求めてもよい。 For example, the target control signal simplification unit 516 obtains the value of the parameter group of the waveform pattern that minimizes the error between the inverse dynamics waveform and the waveform pattern defined by the predetermined parameter group by the least square method, Such a waveform pattern may be used as the target control signal waveform. For example, the target control signal simplification unit 516 has the smallest error (for example, the sum of squares of errors in a predetermined time interval) between the inverse dynamics waveform at each time and the waveform pattern defined by the above parameter group. Such parameter group values may be obtained by the method of least squares.
所定のパラメータ群で定義づけられる波形パターンの種別が複数グループ存在してもよい。例えば、図33AのTA〜TD、AM1、AM2、dAMの7つのパラメータからなるパラメータ群で定義づけられる波形パターンのグループと、これらと異なる種別のパラメータ群(例えば、前述の特徴2を備えないパラメータ群)で定義づけられる波形パターンのグループとが存在していてもよい。この場合、目標制御信号単純化部516は、それぞれのグループのパラメータ群で定義づけられる波形パターンのうち、逆ダイナミクス波形に最も近いものを選択し、選択した波形パターンを目標制御信号波形としてもよい。例えば、目標制御信号単純化部516は、それぞれのグループのパラメータ群で定義づけられる波形パターンのうち、逆ダイナミクス波形との誤差が最少となる波形パターンを目標制御信号波形として選択し、その波形パターンを表す情報とそれを定義づけるパラメータ群の値を「目標制御信号波形」の情報として出力してもよい。 There may be a plurality of groups of waveform pattern types defined by a predetermined parameter group. For example, a waveform pattern group defined by a parameter group including seven parameters TA to TD, AM1, AM2, and dAM in FIG. 33A, and a parameter group of a different type (for example, a parameter not having the above-described feature 2). There may be a group of waveform patterns defined in (Group). In this case, the target control signal simplification unit 516 may select the waveform pattern closest to the inverse dynamics waveform from among the waveform patterns defined by the parameters of each group, and use the selected waveform pattern as the target control signal waveform. . For example, the target control signal simplification unit 516 selects, as the target control signal waveform, a waveform pattern that minimizes an error from the inverse dynamics waveform among the waveform patterns defined by the parameter groups of each group, and the waveform pattern And a value of a parameter group defining the information may be output as “target control signal waveform” information.
なお、図34に例示するように、制御信号推定装置11’(または21’)がさらにサンプリング部517を備えていてもよい。このサンプリング部517は、目標制御信号単純化部516で選択された波形パターンを入力とし、この波形パターンの値を所定のサンプリング時刻ごとにサンプリングすることで波形の情報(たとえば、サンプリング時刻ごとの波形の値のリスト)を作成し、作成した波形の情報を「目標制御信号波形」として出力することとしてもよい。 Note that, as illustrated in FIG. 34, the control signal estimation device 11 ′ (or 21 ′) may further include a sampling unit 517. The sampling unit 517 receives the waveform pattern selected by the target control signal simplification unit 516 and samples the waveform pattern value at a predetermined sampling time, thereby obtaining waveform information (for example, a waveform at each sampling time). List of values) may be created, and the created waveform information may be output as a “target control signal waveform”.
図35に例示するように、前述の制御信号推定装置51(または61)に含まれた各部と目標制御信号単純化部516’とを有する制御信号推定装置51’(または61’)が用いられてもよい。目標制御信号単純化部516’は、試行信号更新部514で終了条件を満たした最新の試行信号波形TR(t)(試行信号波形を調整して得られる調整済み試行信号波形)を入力とし、当該試行信号波形TR(t)を単純化した波形を目標制御信号波形として出力する。 As illustrated in FIG. 35, a control signal estimation device 51 ′ (or 61 ′) having each unit included in the control signal estimation device 51 (or 61) and a target control signal simplification unit 516 ′ is used. May be. The target control signal simplification unit 516 ′ receives the latest trial signal waveform TR (t) (adjusted trial signal waveform obtained by adjusting the trial signal waveform) that satisfies the termination condition in the trial signal update unit 514, as input, A waveform obtained by simplifying the trial signal waveform TR (t) is output as a target control signal waveform.
例えば、目標制御信号単純化部516’は、試行信号更新部514から終了条件を満たした最新の試行信号波形TR(t)を受け取り、これをパラメータ群(例えば、図33AのTA〜TD、AM1、AM2、dAMの7つのパラメータ)で定義づけられる波形パターン(例えば、図33A)によって表現した目標制御信号波形を得、その波形パターンを表す情報および/またはそれに対応するパラメータ群を出力する。電気回路13は、波形パターンを表す情報および/またはそれに対応するパラメータ群によって特定される目標制御信号波形に応じて上述の各実施形態で説明した通りに動作する。ここで、パラメータ群のデータ量および当該パラメータ群によって定義づけられる波形パターンのデータ量は、終了条件を満たした最新の試行信号波形TR(t)のデータ量よりも小さい。これにより、目標制御信号波形を特定するための情報を記憶しておく場合の記憶容量や、この情報を送信する場合の通信容量を削減できる。 For example, the target control signal simplification unit 516 ′ receives the latest trial signal waveform TR (t) that satisfies the termination condition from the trial signal update unit 514, and uses this as a parameter group (for example, TA to TD, AM1 in FIG. 33A). , AM2, and dAM)), a target control signal waveform expressed by a waveform pattern (for example, FIG. 33A) is obtained, and information indicating the waveform pattern and / or a parameter group corresponding thereto are output. The electric circuit 13 operates as described in the above-described embodiments in accordance with the information representing the waveform pattern and / or the target control signal waveform specified by the corresponding parameter group. Here, the data amount of the parameter group and the data amount of the waveform pattern defined by the parameter group are smaller than the data amount of the latest trial signal waveform TR (t) that satisfies the termination condition. Thereby, the storage capacity when storing information for specifying the target control signal waveform and the communication capacity when transmitting this information can be reduced.
例えば、目標制御信号単純化部516’は、終了条件を満たした最新の試行信号波形TR(t)と、所定のパラメータ群で定義づけられる波形パターンと、の誤差が最少となるような波形パターンのパラメータ群の値を最少二乗法により求め、このような波形パターンを目標制御信号波形としてもよい。例えば、目標制御信号単純化部516’は、各時刻tで終了条件を満たした最新の試行信号波形TR(t)と、上記のパラメータ群で定義づけられる波形パターンと、の誤差(例えば、所定の時間区間での誤差の二乗和)が最少となるようなパラメータ群の値を最少二乗法により求めてもよい。 For example, the target control signal simplification unit 516 ′ uses a waveform pattern that minimizes the error between the latest trial signal waveform TR (t) that satisfies the termination condition and the waveform pattern defined by a predetermined parameter group. The parameter group values may be obtained by the least square method, and such a waveform pattern may be used as the target control signal waveform. For example, the target control signal simplification unit 516 ′ uses an error (for example, a predetermined value) between the latest trial signal waveform TR (t) that satisfies the termination condition at each time t and the waveform pattern defined by the above parameter group. The value of the parameter group that minimizes the sum of squares of errors in the time interval of (1) may be obtained by the method of least squares.
所定のパラメータ群で定義づけられる波形パターンの種別が複数グループ存在してもよい。例えば、図33AのTA〜TD、AM1、AM2、dAMの7つのパラメータからなるパラメータ群で定義づけられる波形パターンのグループと、これらと異なる種別のパラメータ群(例えば、前述の特徴2を備えないパラメータ群)で定義づけられる波形パターンのグループとが存在していてもよい。この場合、目標制御信号単純化部516’は、それぞれのグループのパラメータ群で定義づけられる波形パターンのうち、終了条件を満たした最新の試行信号波形TR(t)に最も近いものを選択し、選択した波形パターンを目標制御信号波形としてもよい。例えば、目標制御信号単純化部516’は、それぞれのグループのパラメータ群で定義づけられる波形パターンのうち、終了条件を満たした最新の試行信号波形TR(t)との誤差が最少となる波形パターンを目標制御信号波形として選択し、その波形パターンを表す情報とそれを定義づけるパラメータ群の値を「目標制御信号波形」の情報として出力してもよい。 There may be a plurality of groups of waveform pattern types defined by a predetermined parameter group. For example, a waveform pattern group defined by a parameter group including seven parameters TA to TD, AM1, AM2, and dAM in FIG. 33A, and a parameter group of a different type (for example, a parameter not having the above-described feature 2). There may be a group of waveform patterns defined in (Group). In this case, the target control signal simplification unit 516 ′ selects the waveform pattern defined by the parameter group of each group that is closest to the latest trial signal waveform TR (t) that satisfies the termination condition, The selected waveform pattern may be the target control signal waveform. For example, the target control signal simplification unit 516 ′ has a waveform pattern that minimizes an error from the latest trial signal waveform TR (t) that satisfies the termination condition among the waveform patterns defined by the parameters of each group. May be selected as the target control signal waveform, and the information indicating the waveform pattern and the value of the parameter group defining it may be output as the “target control signal waveform” information.
目標制御信号単純化部516’が、試行信号更新部514で終了条件を満たした最新の試行信号波形TR(t)を単純化して目標制御信号波形を得るのではなく、前述の制御信号推定装置51(または61)の試行信号更新部514が、直接、パラメータ群で定義づけられる波形パターンからなる試行信号波形TR(t)を目標制御信号波形として出力してもよい。すなわち、パラメータ群で定義づけられる波形パターンを試行信号波形TR(t)として前述のステップS52〜S56の処理が行われ、終了条件を満たした最新の試行信号波形TR(t)が目標制御信号波形として出力されてもよい。この際も、所定のパラメータ群で定義づけられる波形パターンの種別が複数グループ存在してもよい。 The target control signal simplification unit 516 ′ does not obtain the target control signal waveform by simplifying the latest trial signal waveform TR (t) that satisfies the termination condition by the trial signal update unit 514, but the control signal estimation device described above. The 51 (or 61) trial signal updating units 514 may directly output the trial signal waveform TR (t) including the waveform pattern defined by the parameter group as the target control signal waveform. That is, the processing of the above-described steps S52 to S56 is performed using the waveform pattern defined by the parameter group as the trial signal waveform TR (t), and the latest trial signal waveform TR (t) satisfying the end condition is the target control signal waveform. May be output. Also in this case, there may be a plurality of groups of waveform pattern types defined by a predetermined parameter group.
なお、図35に例示するように、制御信号推定装置51’(または61’)がさらにサンプリング部517を備えていてもよい。このサンプリング部517は、目標制御信号単純化部516’で選択された波形パターンを入力とし、この波形パターンの値を所定のサンプリング時刻ごとにサンプリングすることで波形の情報(たとえば、サンプリング時刻ごとの波形の値のリスト)を作成し、作成した波形の情報を「目標制御信号波形」として出力することとしてもよい。 Note that, as illustrated in FIG. 35, the control signal estimation device 51 ′ (or 61 ′) may further include a sampling unit 517. The sampling unit 517 receives the waveform pattern selected by the target control signal simplification unit 516 ′, and samples the waveform pattern value at a predetermined sampling time to obtain waveform information (for example, at each sampling time). A list of waveform values) may be created, and the created waveform information may be output as a “target control signal waveform”.
上述の制御信号推定装置や波形推定装置をコンピュータによって実現する場合、各装置が有すべき機能の処理内容はプログラムによって記述される。このプログラムをコンピュータで実行することにより、上記処理機能がコンピュータ上で実現される。この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体の例は、非一時的な(non-transitory)記録媒体である。このような記録媒体の例は、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等である。 When the above-described control signal estimation apparatus and waveform estimation apparatus are realized by a computer, the processing contents of functions that each apparatus should have are described by a program. By executing this program on a computer, the above processing functions are realized on the computer. The program describing the processing contents can be recorded on a computer-readable recording medium. An example of a computer-readable recording medium is a non-transitory recording medium. Examples of such a recording medium are a magnetic recording device, an optical disk, a magneto-optical recording medium, a semiconductor memory, and the like.
このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したDVD、CD−ROM等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。 This program is distributed, for example, by selling, transferring, or lending a portable recording medium such as a DVD or CD-ROM in which the program is recorded. Furthermore, the program may be distributed by storing the program in a storage device of the server computer and transferring the program from the server computer to another computer via a network.
このようなプログラムを実行するコンピュータは、例えば、まず、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、一旦、自己の記憶装置に格納する。処理の実行時、このコンピュータは、自己の記憶装置に格納されたプログラムを読み取り、読み取ったプログラムに従った処理を実行する。このプログラムの別の実行形態として、コンピュータが可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することとしてもよく、さらに、このコンピュータにサーバコンピュータからプログラムが転送されるたびに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することとしてもよい。サーバコンピュータから、このコンピュータへのプログラムの転送は行わず、その実行指示と結果取得のみによって処理機能を実現する、いわゆるASP(Application Service Provider)型のサービスによって、上述の処理を実行する構成としてもよい。 A computer that executes such a program first stores, for example, a program recorded on a portable recording medium or a program transferred from a server computer in its own storage device. When executing the process, the computer reads a program stored in its own storage device, and executes a process according to the read program. As another execution form of the program, the computer may read the program directly from the portable recording medium and execute processing according to the program, and each time the program is transferred from the server computer to the computer. The processing according to the received program may be executed sequentially. The above-described processing may be executed by a so-called ASP (Application Service Provider) type service that realizes a processing function only by an execution instruction and result acquisition without transferring a program from the server computer to the computer. Good.
上記実施形態では、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させて制御信号推定装置や波形推定装置の処理機能が実現されたが、これらの処理機能の少なくとも一部がハードウェアで実現されてもよい。 In the above embodiment, the processing functions of the control signal estimation device and the waveform estimation device are realized by executing a predetermined program on a computer. However, at least a part of these processing functions may be realized by hardware.
11,21,11’,21’,51,61,51’,61’ 制御信号推定装置
12,12’,12” 擬似力覚発生装置
31,41 波形推定装置
11, 21, 11 ', 21', 51, 61, 51 ', 61' Control signal estimation device 12, 12 ', 12 "Pseudo force sense generator 31, 41 Waveform estimation device
Claims (20)
前記制御対象の順ダイナミクスモデルは、前記擬似力覚発生装置の力学特性モデル、前記皮膚の力学特性モデル、および前記制御信号波形と前記擬似力覚発生装置に駆動信号を供給する電気回路の出力との関係を表す電気回路特性モデルに基づいて得られる、制御信号推定装置。 The control signal estimation device according to claim 1,
The forward dynamics model of the control object includes a dynamic characteristic model of the simulated force sense generator, a dynamic characteristic model of the skin, and an output of an electric circuit that supplies a drive signal to the control signal waveform and the simulated force sense generator. A control signal estimation device obtained on the basis of an electric circuit characteristic model that represents the relationship.
前記擬似力覚発生装置は、
前記把持部と、
前記把持部に対する相対位置が固定された支持部と、
前記支持部に支持された弾性体と、
前記弾性体に支持され、前記支持部に対して周期的な非対称運動を行う前記運動部材と、
前記制御信号波形に応じた力を前記運動部材に与えるコイルと、を有し、
前記擬似力覚発生装置の力学系モデルは、
前記コイルによって前記運動部材に与えられる力と、前記把持部に対応する位置および速度と、前記運動部材に対応する位置および速度と、の関係をモデル化したものであり、
前記皮膚の力学系モデルは、
前記把持部に対応する位置および速度と、前記皮膚に与える力との関係をモデル化したものである、制御信号推定装置。 The control signal estimation device according to claim 1 or 2,
The pseudo force sense generating device includes:
The gripping part;
A support portion having a fixed relative position to the gripping portion;
An elastic body supported by the support part;
The motion member supported by the elastic body and performing a periodic asymmetric motion with respect to the support portion;
A coil for applying a force corresponding to the control signal waveform to the moving member,
The dynamic system model of the pseudo force sense generator is:
Modeling the relationship between the force applied to the moving member by the coil, the position and speed corresponding to the gripping part, and the position and speed corresponding to the moving member,
The skin dynamic system model is:
A control signal estimation device that models a relationship between a position and a speed corresponding to the grip portion and a force applied to the skin.
前記目標応答波形パターンは、
第1の時間区間では、向きが所定方向であって絶対値が第1の閾値以上である力または加速度を表し、
前記第1の時間区間と異なる第2の時間区間では、向きが前記所定方向の反対方向であって絶対値が前記第1の閾値以内または前記第1の閾値よりも小さな第2の閾値以内である力または加速度を表し、
前記第1の時間区間が前記第2の時間区間よりも短い、制御信号推定装置。 The control signal estimation device according to any one of claims 1 to 3,
The target response waveform pattern is:
The first time interval represents a force or acceleration whose direction is a predetermined direction and whose absolute value is greater than or equal to a first threshold,
In a second time interval different from the first time interval, the direction is opposite to the predetermined direction, and the absolute value is within the first threshold value or within a second threshold value that is smaller than the first threshold value. Represents a force or acceleration,
The control signal estimation device, wherein the first time interval is shorter than the second time interval.
前記誤差に基づいて前記試行信号波形を調整して得られた調整済み試行信号波形を、所定のパラメータ群で定義づけられる波形パターンによって表現した前記目標制御信号波形を得る、制御信号推定装置。 The control signal estimation device according to any one of claims 1 to 4,
A control signal estimation device that obtains the target control signal waveform obtained by expressing an adjusted trial signal waveform obtained by adjusting the trial signal waveform based on the error by a waveform pattern defined by a predetermined parameter group.
前記非対称運動によって生じた力が与えられる把持部と、
を有する擬似力覚発生装置。 A moving member that performs a periodic asymmetric motion according to a target control signal waveform obtained by the control signal estimation device according to claim 1,
A gripping portion to which a force generated by the asymmetric motion is applied;
A pseudo force sensation generating apparatus.
前記目標制御信号波形は、当該擬似力覚発生装置の力学特性モデル、および、前記把持部に接触する皮膚の力学特性モデル、を含む複数のモデルに基づいて得られる、前記把持部の位置、速度、加速度、ならびに前記皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する波形と前記制御信号波形との関係を表す制御対象の順ダイナミクスモデルに、前記制御信号波形として試行信号波形を適用して得られる、前記把持部の位置、速度、加速度、ならびに皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する推定波形と、目標となる前記把持部の位置、速度、加速度、ならびに前記皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する目標応答波形パターンとの誤差に基づいて調整された前記試行信号波形である、擬似力覚発生装置。 The pseudo force sense generator according to claim 6,
The target control signal waveform is obtained based on a plurality of models including a mechanical characteristic model of the pseudo force sense generator and a mechanical characteristic model of the skin in contact with the grip part. , Obtained by applying a trial signal waveform as the control signal waveform to a forward dynamics model of a control target representing a relationship between the waveform corresponding to at least one of acceleration and force applied to the skin and the control signal waveform, An estimated waveform corresponding to at least one of the position, speed, acceleration, and force applied to the skin of the grip part, and at least one of the position, speed, acceleration, and force applied to the skin of the target grip part The pseudo force sense generator, which is the trial signal waveform adjusted based on an error from a corresponding target response waveform pattern.
前記第1ベース機構に対して目標制御信号波形である第1制御信号波形に応じた周期的な非対称運動を行い、直接的または間接的に接触した前記対象者の第1の皮膚に前記第1制御信号波形に応じた非対称運動に基づく力を与える第1接触機構と、を有する擬似力覚発生装置であって、
前記第1接触機構の質量が前記第1ベース機構の質量よりも小さい、または、前記第1接触機構の質量が前記第1ベース機構の質量と前記第1ベース機構に取り付けられる機構の質量との合計よりも小さく、
前記目標制御信号波形は、
人に直接的または間接的に支持される第2ベース機構と、前記第2ベース機構に対して第2制御信号波形に応じた周期的な第2非対称運動を行うことで前記人の第2の皮膚に非対称運動に基づく力を与える第2接触機構と、を有する第2擬似力覚発生装置の力学特性モデル、および、前記第2接触機構に接触する前記第2の皮膚の力学特性モデル、を含む複数のモデルに基づいて得られる、前記第2接触機構の位置、速度、加速度、ならびに前記第2の皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する波形と前記第2制御信号波形との関係を表す制御対象の順ダイナミクスモデルに、前記第2制御信号波形として試行信号波形を適用して得られる、前記第2接触機構の位置、速度、加速度、ならびに第2の皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する推定波形と、目標となる前記第2接触機構の位置、速度、加速度、ならびに前記皮膚に与える力の少なくとも何れかに対応する目標応答波形パターンとの誤差に基づいて前記試行信号波形を調整して得られる波形である、擬似力覚発生装置。 A first base mechanism supported directly or indirectly by a subject ;
Perform a periodic asymmetrical movement in response to a first control signal waveform which is a target control signal waveform relative to the first base mechanism, directly or indirectly contact with the first to the first skin of the subject was a first contact mechanism which gives the force based on the asymmetric movement in response to the control signal waveform, a pseudo force generator for have a,
The mass of the first contact mechanism is smaller than the mass of the first base mechanism, or the mass of the first contact mechanism is the mass of the first base mechanism and the mass of the mechanism attached to the first base mechanism. Less than the sum,
The target control signal waveform is
A second base mechanism that is directly or indirectly supported by a person, and a second second asymmetric motion corresponding to a second control signal waveform with respect to the second base mechanism, and a second second mechanism of the person A second contact mechanism that applies a force based on asymmetric motion to the skin , and a mechanical characteristic model of a second pseudo force sense generator, and a mechanical characteristic model of the second skin that contacts the second contact mechanism, A relationship between the second control signal waveform and a waveform corresponding to at least one of the position, velocity, acceleration, and force applied to the second skin of the second contact mechanism obtained based on a plurality of models including At least one of the position, velocity, acceleration, and force applied to the second skin of the second contact mechanism, obtained by applying a trial signal waveform as the second control signal waveform to the forward dynamics model of the control target to be represented In The trial signal waveform is adjusted based on an error between a corresponding estimated waveform and a target response waveform pattern corresponding to at least one of the position, velocity, acceleration, and force applied to the skin of the second contact mechanism as a target A pseudo force generation device which is a waveform obtained in this manner.
前記第2ベース機構が前記第1ベース機構であり、 The second base mechanism is the first base mechanism;
前記第2接触機構が前記第1接触機構であり、 The second contact mechanism is the first contact mechanism;
前記第2非対称運動が前記非対称運動である、擬似力覚発生装置。 The pseudo force sense generating device, wherein the second asymmetric motion is the asymmetric motion.
前記制御対象の順ダイナミクスモデルは、前記第2擬似力覚発生装置の力学特性モデル、前記皮膚の力学特性モデル、および前記制御信号波形と前記第2擬似力覚発生装置に駆動信号を供給する電気回路の出力との関係を表す電気回路特性モデルに基づいて得られる、擬似力覚発生装置。 The simulated force sense generator according to claim 8 or 9 ,
The forward dynamics model of the control target includes a mechanical characteristic model of the second pseudo force sense generator, a mechanical characteristic model of the skin, and an electric power that supplies a drive signal to the control signal waveform and the second pseudo force sense generator. A pseudo force generation device obtained based on an electric circuit characteristic model representing a relationship with an output of a circuit.
前記目標応答波形パターンは、
第1の時間区間では、向きが所定方向であって絶対値が第1の閾値以上である力または加速度を表し、
前記第1の時間区間と異なる第2の時間区間では、向きが前記所定方向の反対方向であって絶対値が前記第1の閾値以内または前記第1の閾値よりも小さな第2の閾値以内である力または加速度を表し、
前記第1の時間区間が前記第2の時間区間よりも短い、擬似力覚発生装置。 The pseudo force sense generator according to any one of claims 8 to 10 ,
The target response waveform pattern is:
The first time interval represents a force or acceleration whose direction is a predetermined direction and whose absolute value is greater than or equal to a first threshold,
In a second time interval different from the first time interval, the direction is opposite to the predetermined direction, and the absolute value is within the first threshold value or within a second threshold value that is smaller than the first threshold value. Represents a force or acceleration,
The pseudo force sense generating device, wherein the first time interval is shorter than the second time interval.
前記接触機構の質量が、零よりも大きく、前記ベース機構の質量の三分の一以下である、擬似力覚発生装置。 The pseudo force sense generator according to any one of claims 8 to 11,
The simulated force sense generator, wherein the mass of the contact mechanism is greater than zero and less than or equal to one-third of the mass of the base mechanism.
前記非対称運動は、前記目標制御信号波形およびバイアス成分に応じた非対称振動であり、
前記バイアス成分は、前記非対称振動の振動中心を制御する成分である、擬似力覚発生装置。 Be any of the pseudo force generator of claim 8 1 2,
The asymmetric motion is asymmetric vibration according to the target control signal waveform and a bias component,
The pseudo force sense generator, wherein the bias component is a component that controls a vibration center of the asymmetric vibration.
前記バイアス成分は、前記非対称振動による擬似的な力覚の呈示方向に前記振動中心を移動させる成分である、擬似力覚発生装置。 A pseudo force generating device according to claim 1 3,
The pseudo force sense generation device, wherein the bias component is a component that moves the vibration center in a direction in which a pseudo force sense due to the asymmetric vibration is presented.
前記目標制御信号波形は、
前記誤差に基づいて前記試行信号波形を調整して得られる調整済み試行信号波形を、さらに前記調整済み試行信号波形を所定のパラメータ群で定義づけられる波形パターンによって表現した波形である、擬似力覚発生装置。 Be any of the pseudo force generator of claim 8 1 4,
The target control signal waveform is
The pseudo force sense is a waveform obtained by adjusting the adjusted trial signal waveform obtained by adjusting the trial signal waveform based on the error, and further expressing the adjusted trial signal waveform by a waveform pattern defined by a predetermined parameter group. Generator.
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