JP7544952B2 - 力覚提示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの手により把持されて、ユーザに力覚を提示する装置に関する。

特許文献１は、使用者がベースに固定されたリングに人差し指を挿入し、親指、人差し指、中指で可動部を把持した状態で、可動部がベースに対して移動することにより、使用者の３指に対して固有受容感覚を提示するペン型の力覚提示デバイスを開示する。

特開２０１０－２８７２２１号公報

特許文献１に開示された力覚提示デバイスにおいては、使用者が人差し指をリングに挿入して、手をベースに固定することで、可動部を把持する指に固有受容感覚が提示されるようになる。そのため使用者の人差し指のサイズとリング内径とが合っていなければ、手をベースにうまく固定することができない。

そこで本発明は、ユーザが使用しやすい力覚提示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の力覚提示装置は、ユーザの手で把持される基体と、基体を把持した状態でユーザが指先を置くための指置き部を有する可動部と、可動部を基体に対して移動させる移動機構と、を備える。

力覚提示装置をユーザが把持した状態を示す図である。 力覚提示装置の側面図である。 可動部に指を置いた状態を示す図である。 可動部を基体に対して相対移動させる移動機構を示す図である。 スイッチ機構の例を示す図である。 力覚提示装置の機能ブロックを示す図である。 押込部材の例を示す図である。 力覚提示装置をユーザが把持した状態を示す図である。 力覚提示装置をユーザが把持した状態を示す図である。 力覚提示装置の側面図である。 可動部を基体に対して相対回転移動させる移動機構を示す図である。 力覚提示装置を正面から見たときの支持台フレームの傾きを示す図である。 力覚提示装置の機能ブロックを示す図である。 移動機構の変形例を示す図である。 移動機構の変形例を示す図である。 ワイヤ直動機構を示す図である。

（実施例１）
図１は、実施例１の力覚提示装置１をユーザが把持した状態を示す。図１（ａ）は、力覚提示装置１を正面から見た状態を示し、図１（ｂ）は、力覚提示装置１を側面から見た状態を示す。力覚提示装置１は、ユーザの手で把持される基体２と、基体２に対して相対移動可能な可動部３とを備える。力覚提示装置１はペン型のハプティクスデバイスであり、基体２は略平行に配置される両側面をもつ。ユーザは基体２の両側面を親指と中指で挟持し、人差し指を可動部３に置いた状態で、力覚提示装置１を使用する。

力覚提示装置１は、たとえば仮想的な空間に設置されたホワイトボードに絵や文字を描く描画アプリケーションにおいて、インクを出す仮想ペンとして利用される。この描画アプリケーションでは、力覚提示装置１の先端部が仮想ペンのペン先に対応し、仮想空間においてペン先がホワイトボード等の仮想物体に接触すると、基体２に対して可動部３が相対的に移動して、ユーザの人差し指に力覚が提示される。力覚が提示されることで、ユーザは絵や文字を描き始めてよいことを認識できる。

図２は、力覚提示装置１の側面図である。力覚提示装置１において、可動部３が設けられている側が先端側と定義され、図２に示す側面視にて左側を前側、右側を後側と呼ぶ。図２に示す状態で可動部３は基体２から前方に最も突き出た位置にあり、この位置が可動部３の「基準位置」となる。

可動部３の上面には、ユーザが基体２を把持した状態で、人差し指の指先を置くための指置き部５が設けられる。指置き部５の前端には、指の先端部分が係合する指係合部４が設けられる。指係合部４は、可動部３の移動方向（つまり前後方向）とは異なる向きに立設され、実施例１で指係合部４は、可動部３の上面に垂直な方向に立設されている。指係合部４は、指の腹に沿うように傾斜し且つ曲率を有する湾曲面４ａを有する。湾曲面４ａが、可動部３の上面に対して傾斜し且つ指先を接触させる方向に凹状に形成されていることで、ユーザは、人差し指の先端部分を安定して湾曲面４ａに接触させることができる。

ユーザは、ペンを持つように親指と中指で基体２の両側面を挟持し、人差し指の腹を指置き部５に置く。このためユーザは利き手に関係なく、人差し指を指置き部５に置くことができる。なおユーザは、３本以上の指で基体２を挟持し、基体２の挟持に主として関与しない別の指の腹を指置き部５に置いてもよい。このように力覚提示装置１の基体２は、２つ以上の指で把持されることで、基体２を手に固定するための特別な把持機構を必要とせずに、基体２を手に固定できる。

図３（ａ）は、基準位置にある可動部３に指を置いた状態を示す。ユーザが指置き部５に指の腹を置くと、指の先端部分が湾曲面４ａにフィットして接触する。このように指の先端部分が指係合部４に当接することで、可動部３が基体２に引き込まれる方向に動くときに、指が指係合部４とともに確実に移動するようになる。

図３（ｂ）は、可動部３が基体２に引き込まれる方向に移動する状態を示す。可動部３が移動するとき、指先端部は、指置き部５との間に作用する摩擦力により、可動部３に連動するように動くが、移動方向に対して垂直方向に立設されている指係合部４と接触していることで、可動部３の動きに確実に連動するようになる。

図４は、可動部３を基体２に対して相対移動させる移動機構３０を示す。図４（ａ）は、可動部３が基準位置にあるときの移動機構３０の状態を示し、図４（ｂ）は、可動部３が基準位置から引き込まれたときの移動機構３０の状態を示す。

移動機構３０は、回転アクチュエータ１０、送りねじ１２、ナット１４、ガイド機構１６、ロッド１８、固定部２０および回転角センサ２２を備えて、可動部３を基体２の長手方向にスライド移動させる。この移動機構３０においては、回転アクチュエータ１０が送りねじ１２を正回転または逆回転することで、ナット１４を、送りねじ１２の軸方向（基体２の長手方向）に移動させる。ナット１４には複数のロッド１８が固定されており、ロッド１８の先端部には、可動部３の被固定部に固定される固定部２０が取り付けられる。ロッド１８は、基体２の内壁に固定されたガイド機構１６によって、進行方向の動きをガイドされる。回転角センサ２２は回転アクチュエータ１０の回転角度を検出し、可動部３の移動は、回転角センサ２２の検出値にもとづいて制御される。

図５は、ユーザが操作入力を行うスイッチ機構４０の例を示す。実施例１の力覚提示装置１は、指置き部５に置かれた指先により操作可能なスイッチ機構４０を備える。スイッチ機構４０は、接点構造４０ｂを有するタクタイルスイッチとして構成されてよく、ユーザはプッシュ式の操作ボタン４０ａを押し込むことで、スイッチをオンする。なおスイッチ機構４０は、他の種類の構造を有してもよい。

ユーザが操作する操作ボタン４０ａは、指置き部５において湾曲面４ａより後方側に設けられる。仮想的な空間に設置されたホワイトボードに絵や文字を描く描画アプリケーションにおいて、操作ボタン４０ａは、インクを出すための操作部材として利用されてよい。

操作ボタン４０ａが指置き部５に設けられることで、ユーザは、基体２を親指と中指で挟持した状態で、操作ボタン４０ａを人差し指で自由に操作できる。スイッチ機構４０は操作ボタン４０ａを上方向に付勢するバネ部材を有し、人差し指が操作ボタン４０ａに置かれているだけでは、接点構造４０ｂがオンにならないように構成される。人差し指の先端部は、力覚提示装置１の挟持に主として関与しないため、ユーザは、指置き部５に置いた人差し指を、任意のタイミングで押し込んで、スイッチ機構４０を作動できる。

図６は、力覚提示装置１の機能ブロックを示す。制御部５０は、力覚提示装置１の動作を制御する。通信部５２は、描画アプリケーションを実行する処理装置と力覚提示装置１との間で、データの送受信を行う。ユーザが仮想ペンのペン先を、仮想空間におけるホワイトボードに接触させると、描画アプリケーションは、その接触による反力を生成するための反力データを力覚提示装置１に提供する。なお力覚提示装置１の実空間における位置座標は、外部カメラを利用してトラッキングされてよく、また内蔵のＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）やカメラを利用して自己位置推定されてもよい。通信部５２が反力データを受信すると、制御部５０は、回転角センサ２２の検出値を監視しながら回転アクチュエータ１０を制御して、基準位置にある可動部３を基体２に引き込む方向に移動させる。これによりユーザの人差し指は、指係合部４から押し込み力を受け、ユーザは、ペン先がホワイトボードに接触したことを認識する。

その状態でユーザが操作ボタン４０ａを操作してスイッチ機構４０を作動させると、通信部５２がスイッチオンを示すデータを処理装置に送信する。これによりユーザは、仮想ペンを用いて、ホワイトボードに絵や文字を描画できる。このように実施例１の力覚提示装置１を用いると、ユーザは、ペン先にかかる力を感じながら、描画アプリケーションを楽しむことができる。

図７は、可動部３に設けられる押込部材６の例を示す。押込部材６は、手の平に力覚を提示するための部材であり、可動部３の下面に形成される。押込部材６は、可動部３が移動するとユーザの手の平に押し込まれる棒状部材として構成されてよい。図７（ａ）は、基準位置にある可動部３を示し、図７（ｂ）は、基体２に引き込まれる方向に移動したときの可動部３を示す。

図８は、力覚提示装置１をユーザが把持した状態を示す。この例では、可動部３が基準位置にあって、基体２から前方に最も突き出ている。この状態から移動機構３０が可動部３を引き込む方向に移動させると、押込部材６の端部がユーザの手の平に押し当たる。このように力覚提示装置１は、指係合部４だけでなく、押込部材６を用いて力覚を提示することで、ユーザが仮想物体から受ける反力を、より感じることができる。

（実施例２）
実施例１では、移動機構３０が、可動部３を基体２の長手方向に移動させることで、仮想空間において仮想ペンのペン先が仮想物体（ホワイトボード）に接触したときの反力を提示する。実施例２では、仮想ペンのペン先が仮想物体上を動くときの摩擦力を提示するため、移動機構が、可動部を、基体の長手方向と平行な軸線回りに回転させる機能を備える。

図９は、実施例２の力覚提示装置１００をユーザが把持した状態を示す。力覚提示装置１００は、ユーザの手で把持される基体１０２と、基体１０２に対して相対移動可能な可動部１０３とを備える。力覚提示装置１００はペン型のハプティクスデバイスであり、基体１０２は略平行に配置される両側面をもつ。ユーザは基体１０２の両側面を親指と中指で挟持し、人差し指を可動部１０３に置いた状態で、力覚提示装置１００を使用する。実施例２における可動部１０３は、基体１０２に対して、基体１０２の長手方向に相対移動可能であり、さらに基体１０２の長手方向と平行な軸線回りに相対回転可能である。

基体１０２の側面には、スイッチ機構１０７を配置したスイッチ設置部材１０６が設けられ、ユーザはスイッチ設置部材１０６の表面に中指を接触させる。スイッチ機構１０７は、プッシュ式の操作ボタンを有し、実施例１のスイッチ機構４０と同じ構造を有してよい。ユーザは、中指で操作ボタンを押し込むことで、スイッチをオンできる。

実施例２の力覚提示装置１００は、実施例１の力覚提示装置１と同様に、仮想的な空間に設置されたホワイトボードに絵や文字を描く描画アプリケーションにおいて、インクを出す仮想ペンとして利用されてよい。描画アプリケーションでは、基体１０２に対して可動部１０３がスライド移動することで、人差し指に対してペン先の押込方向の力覚が提示され、基体１０２に対して可動部１０３が回転移動することで、人差し指に対してホワイトボード上でペン先が動く向きとは逆向きの力覚（ペン先にかかる摩擦力に相当）が提示される。力覚が提示されることで、ユーザは、仮想ペンを動かして絵や文字を描いていることを体感できる。

図１０は、力覚提示装置１００の斜視図である。力覚提示装置１００において、可動部１０３が設けられている側が先端側と定義される。図１０に示す状態で可動部１０３は基体１０２から前方に最も突き出た位置にあり、この位置が可動部１０３の「基準位置」となる。また図１０に示す状態で可動部１０３の回転角はゼロであり、この姿勢が可動部１０３の「基準姿勢」となる。

可動部１０３の上面には、ユーザが基体１０２を把持した状態で、人差し指の指先を置くための指置き部１０５が設けられる。指置き部１０５の両側部分および前端部分には、指の先端部分が係合する指係合部１０４が設けられる。指係合部１０４は、可動部１０３の２つの移動方向、つまり基体１０２の長手方向と、当該長手方向と平行な軸線回りの回転方向とは異なる向きに形成される。具体的に指係合部１０４は、後述する支持台フレーム１１２の梁部材上面に立設される。指係合部１０４は、指の腹に沿うように傾斜し且つ曲率を有する湾曲面１０４ａを有する。湾曲面１０４ａが、梁部材上面に対して傾斜し且つ指先を接触させる方向に凹状に形成されていることで、ユーザは、人差し指の先端部分を安定して湾曲面１０４ａに接触させることができる。

ユーザは、ペンを持つように親指と中指で基体１０２の両側面を挟持し、人差し指の腹を指置き部１０５に置きつつ、中指の腹をスイッチ設置部材１０６の表面に置く。なおユーザは、３本以上の指で基体１０２を挟持し、基体１０２の挟持に主として関与しない別の指の腹を指置き部１０５に置いてもよい。このように力覚提示装置１００の基体１０２は、２つ以上の指で把持されることで、基体１０２を手に固定するための特別な把持機構を必要とせずに、基体１０２を手に固定できる。

図１１は、可動部１０３を基体１０２に対して相対回転移動させる移動機構１２０を示す。移動機構１２０は、回転アクチュエータ１１０、支持台フレーム１１２、基部１１４、ストッパ１１６および回転角センサ１１８を備えて、可動部１０３を軸線回りに回転移動させる。なお可動部１０３の被固定部１２２には、図４に示す固定部２０が固定されて、可動部１０３が、移動機構３０によりスライド移動可能とされる。

基部１１４は、可動部１０３の筐体に固定されて、指置き部１０５を設置した支持台フレーム１１２を回転可能に支持する。支持台フレーム１１２は、一対の柱部材と、一対の柱部材を連結する梁部材とを含む門型構造を有し、一対の柱部材は基部１１４に対して回転可能に連結され、梁部材は指置き部１０５を上面に搭載する。回転アクチュエータ１１０は基部１１４に固定されて、モータシャフトが支持台フレーム１１２の１つの柱部に連結される。移動機構１２０において、回転アクチュエータ１１０が正回転または逆回転することで、力覚提示装置１００を正面から見たときに、支持台フレーム１１２が、右回転または左回転する。基部１１４には、一対のストッパ１１６が形成され、ストッパ１１６は支持台フレーム１１２の回転を規制する。回転角センサ１１８は回転アクチュエータ１１０の回転角度を検出し、可動部１０３の回転は、回転角センサ１１８の検出値にもとづいて制御される。

図１２は、力覚提示装置１００を正面から見たときの支持台フレーム１１２の傾きを示す。
図１２（ａ）は、基準姿勢にある基部１１４および支持台フレーム１１２を示す。基準姿勢において、回転角は０度である。
図１２（ｂ）は、基部１１４に対して支持台フレーム１１２が左回転した状態を示す。支持台フレーム１１２は、ストッパ１１６により回転を規制され、左回転時の最大回転角度は－４５度であってよい。
図１２（ｃ）は、基部１１４に対して支持台フレーム１１２が右回転した状態を示す。支持台フレーム１１２は、ストッパ１１６により回転を制限され、右回転時の最大回転角度は＋４５度であってよい。

図１３は、力覚提示装置１００の機能ブロックを示す。制御部５０は、力覚提示装置１００の動作を制御する。通信部５２は、描画アプリケーションを実行する処理装置と力覚提示装置１００との間で、データの送受信を行う。ユーザが仮想ペンのペン先を、仮想空間におけるホワイトボードに接触させて、ペン先をホワイトボード上で動かすと、描画アプリケーションは、そのペン動作による反力を生成するための反力データを力覚提示装置１００に提供する。通信部５２が反力データを受信すると、制御部５０は、回転角センサ２２の検出値を監視しながら回転アクチュエータ１０を制御して、基準位置にある可動部１０３を基体１０２に引き込む方向に移動させ、および／または回転角センサ１１８の検出値を監視しながら回転アクチュエータ１１０を制御して、基準姿勢にある支持台フレーム１１２を回転させる。これによりユーザの人差し指は、指係合部４から押し込み力および／または回転力を受け、ユーザは、ホワイトボード上でペンを動かしていることを体感する。

その状態でユーザがスイッチ機構１０７を作動させると、通信部５２がスイッチオンを示すデータを処理装置に送信する。これによりユーザは、仮想ペンを用いて、ホワイトボードに絵や文字を描画できる。このように実施例２の力覚提示装置１００を用いると、ユーザは、ペン先にかかる力を感じながら、描画アプリケーションを楽しむことができる。

以上、本発明を複数の実施例をもとに説明した。上記実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

たとえばユーザが挟持する基体２、１０２に、振動子が設けられてもよい。これにより力覚提示装置１、１００は、ユーザに、振動による触覚刺激を提示することが可能となる。なお力覚提示装置１、１００は力覚を提示する際に、内蔵スピーカから、接触音を示す音声を出力してもよい。

実施例１では、移動機構３０が送りねじ１２を利用して、可動部３を前後方向に移動するが、変形例では、移動機構３０がワイヤ直動機構を用いて、可動部３を前後方向に移動してよい。

図１４、図１５は、移動機構３０の変形例を示す。移動機構３０は、リール６０、第１プーリ６２、第２プーリ６４、第３プーリ６６、固定部材７０およびリニアスライダ７２を有する。図１６は、移動機構３０から抽出したワイヤ直動機構を示す。ワイヤ直動機構を構成するリール６０、第１プーリ６２、第２プーリ６４および第３プーリ６６には、ワイヤ６８が巻かれ、リール６０が回転することで、ワイヤ６８が移動する。ユーザは、テンション調整ねじ７４を操作して第３プーリ６６の位置を動かすことで、ワイヤ６８が緩まないようにワイヤテンションを調整できる。

固定部材７０の先端部に、可動部３の被固定部に固定される固定部（図示せず）が設けられる。固定部材７０はワイヤ６８に固定され、リニアスライダ７２は、固定部材７０の移動方向を前後方向に規制する。変形例の移動機構３０においては、回転アクチュエータ１０がリール６０を正回転または逆回転することで、ワイヤ６８を前後方向に動かし、したがって固定部材７０に固定された可動部３の前後方向の移動が実現される。変形例におけるワイヤ直動機構は、摩擦抵抗の影響を受けにくいため、小さいヒステリシスで正確な力覚を提示できる。

本発明は、ユーザの手により把持されて、ユーザに力覚を提示する装置に利用できる。

１・・・力覚提示装置、２・・・基体、３・・・可動部、４・・・指係合部、４ａ・・・湾曲面、５・・・指置き部、６・・・押込部材、１０・・・回転アクチュエータ、１２・・・送りねじ、１４・・・ナット、１６・・・ガイド機構、１８・・・ロッド、２０・・・固定部、２２・・・回転角センサ、３０・・・移動機構、４０・・・スイッチ機構、４０ａ・・・操作ボタン、４０ｂ・・・接点構造、５０・・・制御部、５２・・・通信部、６０・・・リール、６２・・・第１プーリ、６４・・・第２プーリ、６６・・・第３プーリ、６８・・・ワイヤ、７０・・・固定部材、７２・・・リニアスライダ、７４・・・テンション調整ねじ、１００・・・力覚提示装置、１０２・・・基体、１０３・・・可動部、１０４・・・指係合部、１０４ａ・・・湾曲面、１０５・・・指置き部、１０６・・・スイッチ設置部材、１０７・・・スイッチ機構、１１０・・・回転アクチュエータ、１１２・・・支持台フレーム、１１４・・・基部、１１６・・・ストッパ、１１８・・・回転角センサ、１２０・・・移動機構、１２２・・・被固定部。

Claims (6)

1. ユーザの手で把持される基体と、
   前記基体を把持した状態でユーザが指先を置くための指置き部を有する可動部と、
   前記可動部を前記基体の長手方向に移動させる移動機構と、を備え、
   前記可動部は、手の平に力覚を提示するための押込部材を有し、
   前記移動機構が前記可動部を前記基体に引き込む方向に移動させると、前記指置き部および前記押込部材がユーザに力覚を提示する、
   ことを特徴とする力覚提示装置。
2. 前記基体は、２つ以上の指で挟持される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の力覚提示装置。
3. 前記指置き部は、前記可動部の移動方向とは異なる向きに立設された指係合部を有する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の力覚提示装置。
4. 前記指係合部は、指先に接触する湾曲面を有する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の力覚提示装置。
5. 前記指置き部に置かれた指先により操作可能なスイッチ機構を備える、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の力覚提示装置。
6. 前記移動機構は、前記可動部を、前記基体の長手方向と平行な軸線回りに回転させる、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の力覚提示装置。

Images