力覚提示装置
【課題】従来よりもいっそう小型化可能な力覚提示装置を提供する。
【解決手段】操作者によって操作される移動指示部材１と、移動指示部材１を宙吊り状態に支持する支持部材２と、支持部材２の張力を制御する張力制御手段４と、支持部材２の長さを計測する計測手段４と、張力制御手段４及び計測手段４に囲まれて位置する支柱１０と、を備え、移動指示部材１と張力制御手段４とは支持部材２によって接続され、前記操作者により操作される移動指示部材１の移動量及び移動方向に応じて、三次元空間内における対象物の位置が制御される力覚提示装置であって、支持部材２は少なくとも８つであり、移動指示部材１は、支柱１０を囲んで支持部材２により支持されるリング形状部材であり、隣接する２つの支持部材２のそれぞれの一端が、移動指示部材１内壁の同位置に固定されていることを特徴とする、力覚提示装置１００。
【解決手段】操作者によって操作される移動指示部材１と、移動指示部材１を宙吊り状態に支持する支持部材２と、支持部材２の張力を制御する張力制御手段４と、支持部材２の長さを計測する計測手段４と、張力制御手段４及び計測手段４に囲まれて位置する支柱１０と、を備え、移動指示部材１と張力制御手段４とは支持部材２によって接続され、前記操作者により操作される移動指示部材１の移動量及び移動方向に応じて、三次元空間内における対象物の位置が制御される力覚提示装置であって、支持部材２は少なくとも８つであり、移動指示部材１は、支柱１０を囲んで支持部材２により支持されるリング形状部材であり、隣接する２つの支持部材２のそれぞれの一端が、移動指示部材１内壁の同位置に固定されていることを特徴とする、力覚提示装置１００。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚提示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、計算機性能の飛躍的な向上により、三次元の仮想現実（Virtual Reality）空間（以下、適宜単に「三次元空間」と言う。）内における対象物（物体）の位置制御が実行可能になってきている。ただ、このような三次元空間内での位置制御に適用可能な例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）用マウス等の二次元空間用位置制御手段は、直観的な操作が困難である。そのため、前記マウスは、三次元空間用位置制御手段としては、未だ不十分である。そこで、三次元空間内位置制御手段として、力覚提示装置（ハプティックインターフェース；Haptic Interface）が注目されてきている。なお、「力覚」とは、力の感覚のことである。
【０００３】
力覚提示装置は、三次元空間内で対象物の位置を操作者が制御しつつ、三次元空間内で対象物を把持した時の重み、対象物が障害物に衝突した時の感触等を、操作者が感じ取ることができるようにするものである。そのため、このような力覚提示装置に拠れば、三次元空間内での対象物の位置制御（取扱い）を、より直観的に行うことができる。そして、このような力覚提示装置は、例えば、手術用シミュレータ、組立シミュレータ、遊戯装置等、様々な分野で使用されている。
【０００４】
力覚提示装置としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。図６は、特許文献１に記載の力覚提示装置を模式的に示す斜視図である。図６に示す力覚提示装置２００は立方格子状に形成されている。そして、前記立方格子の８頂点近傍に、それぞれモータ１３０ａ〜１３０ｈ、プーリ１６０ａ〜１６０ｈ及びロータリーエンコーダ１７０ａ〜１７０ｈが一体となって固定して設けられている。なお、これらは、フレーム１２０に固定されている。この際、モータ１３０ａ〜１３０ｈ、プーリ１６０ａ〜１６０ｈ及びロータリーエンコーダ１７０ａ〜１７０ｈは、各手段に追従して一体となって回転するようになっている。
【０００５】
前記立方格子の中心付近には、球状のグリップ１５０が設けられている。そして、グリップ１５０には８本の糸１４０ａ〜１４０ｈが接続され、それぞれの糸は各プーリ１６０ａ〜１６０ｈに捲回されるようになっている。従って、グリップ１５０を操作者が把持してグリップ１５０を移動させると、それに追従して、各糸１４０ａ〜１４０ｇが各プーリ１６０ａ〜１６０ｈに捲回される。そして、当該糸の捲回量を各ロータリーエンコーダ１７０ａ〜１７０ｈが計測することにより、グリップ１５０の移動方向及び回転方向並びに移動量及び回転量が決定される。そして、これらの決定された値に基づいて、三次元空間内の対象物の位置制御が行われるようになっている。
【０００６】
また、例えば特許文献２には、グリップとして球殻が用いられている力覚提示装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２８２４４８号公報
【特許文献２】特許４５４７５５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
例えば図６に示す従来の力覚提示装置は、操作者の意図する方向に意図する量で、三次元空間内での対象物を移動可能である。しかしながら、図６に示す従来の力覚提示装置は、立方格子の各頂点近傍にプーリ等が設けられている。そして、前記立方格子の中心付近に設けられているグリップと前記プーリとが糸を介して接続されている。そのため、力覚提示装置の小型化が困難であるという課題がある。
【０００９】
即ち、力覚提示装置の小型化を目的として、例えば立方格子を小型化し、グリップとプーリとを接続する糸の長さを短くした場合、糸の長さが短すぎることがあり、その結果、グリップの移動可能範囲が限られることがある。そのため、三次元空間内の対象物の移動量及び移動方向が制限されることがある。
【００１０】
そして、操作者は立方格子中心近傍のグリップを把持するため、通常、立方格子内に操作者が手等を挿入しなければならない。そのため、立方格子の大きさは、少なくとも操作者の手の大きさ以上でなければならず、立方格子の小型化には自ずと限界が生じる。
【００１１】
さらに、操作者がグリップを把持してグリップを移動させる際、グリップに接続されている糸がグリップ操作の障害となることがある。即ち、操作者がグリップを把持しようとする際に、糸との接続部分が邪魔になることがあり、把持が困難になることがある。その結果、自在にグリップ移動を行うためには、操作者が過度の負担を強いられることがある。さらには、三次元空間内の対象物の移動量及び移動方向が制限されることもある。
【００１２】
また、例えば特許文献２に記載の力覚提示装置においては、球殻のグリップが上ベースと接触することがある。その結果、三次元空間内の対象物の移動量及び移動方向が制限されることがある。また、特にグリップ部分が依然として大きいため、力覚提示装置の小型化の観点からは、未だ不十分である。
【００１３】
本発明は前記課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来よりもいっそう小型化可能な力覚提示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは前記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下の知見を見出した。即ち、本発明の要旨は、操作者によって操作される移動指示部材と、該移動指示部材を宙吊り状態に支持する支持部材と、該支持部材の張力を制御する張力制御手段と、前記支持部材の長さを計測する計測手段と、前記張力制御手段及び前記計測手段に囲まれて位置する支柱と、を備え、前記移動指示部材と前記張力制御手段とは前記支持部材によって接続され、前記操作者により操作される前記移動指示部材の移動量及び移動方向に応じて、三次元空間内における対象物の位置が制御される力覚提示装置であって、前記支持部材は少なくとも８つであり、前記移動指示部材は、前記支柱を囲んで前記支持部材により支持されるリング形状部材であり、隣接する２つの前記支持部材のそれぞれの一端が、前記移動指示部材内壁の同位置に固定されていることを特徴とする、力覚提示装置に関する（請求項１）。
【００１５】
この発明に拠れば、従来よりもいっそう自由に、三次元空間内の対象物の移動方向及び移動量を制御することが可能となる。また、従来よりもいっそう正確に、三次元空間内の対象物の移動方向及び移動量を制御することが可能となる。しかも、従来よりもいっそう小型化することができる。
【００１６】
また、前記支柱の上端部には上ベースが設けられ、前記支柱の下端部には下ベースが設けられ、前記支柱、前記上ベース及び前記下端部は一体に形成されているとともに、前記張力制御手段及び前記計測手段は、前記上ベース又は前記下ベースに設けられている（請求項２）。
【００１７】
この発明に拠れば、張力制御手段及び計測手段の位置を、それらの大きさに併せて任意に設置することができる。そのため、操作者の操作に際して障害となることがないように、張力制御手段及び計測手段を設置することができる。
【００１８】
また、全ての前記張力制御手段及び前記計測手段が、下ベースに設けられている（請求項３）。
【００１９】
この発明に拠れば、力覚提示装置の小型化が特に要求される分野で、特に好適に使用可能となる。
【００２０】
また、このとき、前記張力制御手段及び前記計測手段は、エンコーダ付きモータにより構成されている（請求項４）。
【００２１】
この発明に拠れば、張力制御手段及び計測手段を同一の装置を用いて構成することができる。そのため、力覚提示装置のよりいっそうの小型化を図ることができる。
【００２２】
さらに、前記支柱の上端部に一体に形成されている上ベースに、操作者が操作可能な操作部が設けられている（請求項５）。
【００２３】
この発明に拠れば、操作者が三次元空間内の対象物の移動を行いつつ、操作部を用いた操作を片手で同時行うことができる。その結果、操作の利便性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に拠れば、従来よりもいっそう小型化可能な力覚提示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施形態に係る力覚提示装置を模式的に示す斜視図である。
【図２】本実施形態に係る力覚提示装置を模式的に示す上側面図である。
【図３】本実施形態に係る力覚提示装置における、グリップと糸との関係を模式的に示す図である。
【図４】本実施形態に係る力覚提示装置の操作形態を示す図である。
【図５】本実施形態に係る力覚提示装置における計算方法を説明するための図である。
【図６】従来の力覚提示装置を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための形態（本実施形態）を図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に何ら制限されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施可能である。
【００２７】
［１．構成］
本実施形態に係る力覚提示装置の構成を図１（斜視図）及び図２（上側面図）に示す。図１に示す力覚提示装置１００は、グリップ１と、糸２と、プーリ３と、エンコーダ付きモータ４と、ガイドプーリ５と、モータマウント６と、ヒートン７と、上ベース８と、下ベース９と、支柱１０と、を備えてなる。
【００２８】
なお、糸２としての糸２ａ〜２ｈは全て同じものであるため、それらの内の一部の説明を省略している。また、プーリ３としてのプーリ３ａ〜３ｈも全て同じものであるため、それらの内の一部の説明を省略している。さらに、エンコーダ付きモータ４としてのエンコーダ付きモータ４ａ〜４ｈも全て同じものであるため、それらのうちの一部の説明を省略している。そして、ガイドプーリ５としてのガイドプーリ５ａ〜５ｈも全て同じものであるため、それらのうちの一部の説明を省略している。また、モータマウント６としてのモータマウント６ａ〜６ｈも全て同じものであるため、それらのうちの一部の説明を省略している。
【００２９】
グリップ１（移動指示部材）は、操作者によって把持及び移動されることにより、三次元空間内の対象物の位置を制御するものである。グリップ１の形状は、図１に示すようにリング形状である。そしてグリップ１は、上ベース８と下ベース９とを一体に固定する支柱１０を囲んで、後記する糸２により宙吊り状態で支持されている。グリップ１の高さは、本実施形態においては２ｃｍ程度である。ただし、この長さは適宜変更可能であり、グリップ１を最大限傾けたときに、グリップ１が上ベース８及び下ベース９に接触しない程度の高さに設定すれば良い。
【００３０】
グリップ１は、前記のようにリング形状を有している。そのため、従来の球形状のグリップとは異なり、操作者がグリップ１を操作する際、グリップ１が上ベース８（後記する）に接触することがない。従って、グリップ１の移動範囲が制限されず、支柱１０に接触しない範囲内で自在に、作業者が三次元空間内の任意の位置に対象物を移動させることができる。
【００３１】
糸２（支持部材）は、支柱１０（後記する）を囲うようにして、グリップ１を宙吊り状態に支持するものである。この際、糸２はグリップ１の内壁に設けられている固定点１Ａ〜１Ｄで固定され、グリップ１が支持されるようになっている。そして、力覚提示装置１００においては、糸２として８本の糸２ａ〜２ｈが備えられ、これらによってグリップ１が支持されるようになっている。
【００３２】
なお、本実施形態においては、各固定点１Ａ〜１Ｄと各プーリ３ａ〜３ｈ（後記する）との間を、それぞれ、一本の糸２ａ〜２ｈとして説明している。従って、例えば、糸２ａは、ガイドプーリ５ａを介して、固定点１Ｂとプーリ３ａとを接続する糸を表している。
【００３３】
糸２による移動指示部材１の具体的な支持方法を、図３を参照しながら説明する。なお、図３中、各糸２近傍に記載している矢印は、後記する［２．動作］において説明する。また、図３においては、図示及び説明の簡略化のために、グリップ１、糸２、プーリ３及びガイドプーリ５のみを示している。
【００３４】
図３に示すように、固定点１Ａでは、グリップ１から下方向に伸びる糸２ｅ及び２ｈの一端が固定されている。また、同様に固定点１Ｃでは、グリップ１から下方向に伸びる糸２ｆ及び２ｇの一端が固定されている。即ち、隣接する２つの糸のそれぞれの一端が、グリップ１の内壁の同位置（固定点）で固定されている。
【００３５】
一方、固定点１Ｂでは、グリップ１から上方向に伸びる糸２ａ及び２ｂの一端が固定されている。ただし、糸２ａ及び糸２ｂはいずれも、上ベース８に設けられているガイドプーリ５ａ及びガイドプーリ５ｂによって、下方向に向きが変化するようになっている。また、同様に固定点１Ｄでは、グリップ１から上方向に伸びる糸２ｃ及び２ｄの一端が固定されている。そして、糸２ｃ及び糸２ｄについても、上ベース８に設けられているガイドプーリ５ｃ及びガイドプーリ５ｄによって、下方向に向きが変化するようになっている。
【００３６】
力覚提示装置１００においては、支持部材としての糸２を８本用いている。そのため、糸２が接続されるプーリ３及びそれと一体に形成されるエンコーダ付きモータ４の数も、８つとなっている。そして、力覚提示装置１００を上部から見た場合、リング形状グリップ１内壁において、４つの固定点１Ａ〜１Ｄは正方形の各頂点になっている。この固定点の位置は計算に拠って決定することができる。この計算方法については、［４．固定点の決定方法］において後記する。
【００３７】
プーリ３は、糸２を捲回するものである。具体的には、円筒の両端面にフランジが形成され、両フランジの間に形成される溝に糸２が捲回されるようになっている。そして、プーリ３は、エンコーダ付きモータ４（後記する）と一体となって設けられている。即ち、プーリ３が回転すると、エンコーダ付きモータ４もそれに伴って回転するようになっている。
【００３８】
ここで、プーリ３に糸２が捲回されるときの動作を、図１及び図３を参照しながら固定点１Ａ〜１Ｄで固定されている糸２毎に説明する。前記のように、固定点１Ａでは、糸２ｅ及び糸２ｈの一端が固定されている。そして、糸２ｅ及び糸２ｈはそれぞれ、ヒートン７ａ及びヒートン７ｄを介して、プーリ３ｂ及びプーリ３ｇに捲回されるようになっている。
【００３９】
また、固定点１Ｂでは、糸２ａ及び糸２ｂの一端が固定されている。そして、糸２ａ及び糸２ｂはいったん上方向に向かい、その後ガイドプーリ５ａ及びガイドプーリ５ｂを介して下方向に向きを変え、プーリ３ａ及びプーリ４ｄに捲回されるようになっている。
【００４０】
さらに、固定点１Ｃでは、糸２ｆ及び糸２ｇの一端が固定されている。そして、糸２ｆ及び糸２ｇはそれぞれ、ヒートン７ｂ及びヒートン７ｃを介して、プーリ３ｃ及びプーリ３ｆに捲回されるようになっている。
【００４１】
そして、固定点１Ｄでは、糸２ｃ及び糸２ｄの一端が固定されている。そして、糸２ｃ及び糸２ｄはいったん上方向に向かい、その後ガイドプーリ５ｃ及びガイドプーリ５ｄを介して下方向に向きを変え、プーリ３ｅ及びプーリ３ｈに捲回されるようになっている。
【００４２】
エンコーダ付きモータ（張力制御手段及び計測手段）４は、糸２の張力を制御するとともに糸２の長さを計測するものである。エンコーダ付きモータ４は、下ベース９に支柱１０（後記する）を囲うように設けられている。この際、エンコーダ付きモータ４は２つずつモータマウント６（後記する）によって固定され、４つのモータマウント６が前後左右方向にそれぞれに設けられている。
【００４３】
エンコーダ付きモータ４は、前記のように、プーリ３と一体となって固定されている。そのため、エンコーダ付きモータ４は、プーリ３に捲回される糸２の量及び引き出される糸２の量を計測することができるようになっている。また、エンコーダ付きモータ４は、プーリ３を介して、糸２の張力を制御できるようになっている。即ち、即ち、グリップ１とエンコーダ付きモータ４とは、糸２によって間接的に接続されていることになる。
【００４４】
ガイドプーリ５は上ベース８に設けられているものである。ガイドプーリ５の構成はプーリ３と同様であるが、糸２の捲回はせず、前記のように糸２の向きを変化させるようになっている。
【００４５】
モータマウント６はプーリ３及びエンコーダ付きモータ４を下ベース９に設置するものである。力覚提示装置１００においては、２組のプーリ及びエンコーダ付きモータ４を１つのモータマウント６で下ベース９に固定するようになっている。
【００４６】
ヒートン７は、各固定点１Ａ〜１Ｄから直接下方向に向かう糸２が通ずる部材である。ヒートン７は支柱１０（後記する）に設けられている。ヒートン７が設けられることにより、グリップ１の移動時に、グリップ１が糸２に接触することを避けることができる。
【００４７】
上ベース８及び下ベース９は、支柱１０により一体に固定（構成）されている。そして、上ベース８及び下ベース９には、前記のように、各部材が固定されている。また、上ベース８の上表面には、操作者が操作可能な図示しない操作部（ボタン、ホイール等）が設けられている。これにより、図４に示すように、操作者が例えば親指と中指とでグリップ１を把持しつつ、人差し指で例えばボタンを押下することができる。そのため、三次元空間内の対象物の位置制御を行いつつ、例えば、ボタンを押下した時には三次元内で対象物を把持する等の任意の制御を行うことができる。
【００４８】
支柱１０は、上ベース８及び下ベース９を接続するものであり、前記のように、その周りにはグリップ１が設けられている。そして、支柱１０は、エンコーダ付きモータ４に囲まれて位置している。力覚提示装置１００における支柱１０の高さは１０ｃｍ程度である。ただし、グリップ１の高さに応じて、適宜変更することが可能である。
【００４９】
また、支柱１０の太さは、モータマウント６が設けられる近傍の太さが細く、モータマウント６の高さ以上の部位では太くなっている。このようにすることでヒートン７を安定して固定することができ、ヒートン７を通る糸２とヒートン７との摩擦を減少させることができる。また、モータマウント６が設けられる近傍を細くすることで４つのモータマウント６ａ〜６ｄを密集させて設けることができ、力覚提示装置１００をより小型化することができる。
【００５０】
［２．作用］
次に、図３を参照しながら、グリップ１の移動に伴う各糸２の動きを説明する。図３中の上下左右は、図１中の上下左右に対応する。また、図３中の各糸２近傍に示している矢印は、後記するグリップ１移動時の糸２の動く方向を示している。
【００５１】
図３には、操作者がグリップ１を白抜き矢印に示す方向に移動させた場合を示している。即ち、グリップ１の固定点１Ｂ及び固定点１Ｄ近傍を外側から操作者が保持し、図３に示す方向にグリップ１を傾けた場合を示している。つまり、固定点１Ａ及び固定点１Ｃの位置は変化しないが、固定点１Ｂの位置は上方向に移動し、固定点１Ｄの位置は下方向に移動する場合を例示する。
【００５２】
操作者がグリップ１を傾ける前は、各エンコーダ付きモータ４は均等な張力で各糸２を引っ張り、グリップ１が宙吊り状態になっている。そして、この状態で操作者がグリップ１を前記の方向に傾けると、固定点１Ｄの位置が下方向に移動する。そうすると、固定点１Ｄで固定されている糸２ｃ及び糸２ｄが下方向に引っ張られる。即ち、この状態においてもエンコーダ付きモータ４は糸２に対して張力を付加している状態であるので、その張力に反して、糸２ｃ及び糸２ｄがそれぞれプーリ３ｅ及びプーリ３ｈに捲回される。
【００５３】
一方、前記のように、固定点１Ｂの位置は上方向に移動する。そうすると、固定点１Ｂで固定されている糸２ａ及び糸２ｂが上方向に動く。即ち、この状態においてもエンコーダ付きモータ４は糸２に対して張力を付加している状態であるので、その張力に従って、糸２ａ及び糸２ｂがそれぞれプーリ３ａ及びプーリ３ｄに捲回される。
【００５４】
そして、各糸２の捲回及び引き出しに伴う各プーリ３の回転量をエンコーダ付きモータ４が計測することで、各糸２の移動量（即ち、プーリ３に捲回された糸２の量、及び、プーリ３から引き出された糸２の量）が計測される。即ち、エンコーダ付きモータ４が各プーリ３から各固定点１Ａ〜１Ｄまでの糸２の長さを計測することになる。
【００５５】
なお、図３に示す例においては、グリップ１の左右方向の２端部を単に上下方向に移動させるようにしている。そのため三次元空間内の対象物においても、当該対象物の左部が上方向に、右部が下方向に傾くようになっている。しかしながら、例えばグリップ１の上下方向の位置を変化させずにグリップ１を前方向に移動させれば、前記対象物も前方向に移動するようになる。
【００５６】
即ち、前記対象物の移動量及び移動方向は、各糸２の捲回量及び引き出された量によって決定される。そして、これらは、図示しない制御部（例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等によって決定される。このようにグリップ１の移動と三次元空間内の対象物の位置制御とを連動させることで、操作者が直観的に操作することができる。
【００５７】
［３．固定点の決定方法］
通常は、糸の数が多くなればなるほど、三次元空間内で移動できる空間の広さが拡がることになる。ただ、糸の数が多くなればなるほど、計算式が冗長なものとなる。そこで、本実施形態における糸２（支持部材）の数は少なくとも８本であるため、図５を参照しながら、８本の場合を例に計算式を例示する。ただし、糸２が９本以上の場合でも、以下に説明する式と同様に計算可能である。
【００５８】
入力ベクトルと位置・姿勢ベクトルとの関係は通常は非線形であるが、複雑な非線形方程式を解く代わりに、ヤコビアンＪの擬似逆行列を用いた逐次近似により位置・姿勢ベクトルを求める。この方法は機構の変更に柔軟に対応でき、汎用性が高い。現在では、更新周波数１０ｋＨｚという高速な制御を用いることができる。そのため、機構の変更に柔軟に対応できる逐次近似法を用いて力覚ポインタ（グリップ１）の位置・姿勢を求めることができる。
【００５９】
以下に、位置・姿勢計算を示す。ｍ個のセンサからの入力ベクトルｌと力覚ポインタの位置・姿勢ベクトルｒの関係は、通常は非線形の関係となる．
【００６０】
【数１】
【００６１】
そして、この式（１）を時間微分して線形近似し、ヤコビアン行列（以下、ストリング行列Ｍと言う。）を用いた逐次計算法で力覚ポインタの位置・姿勢を求める。
【数２】
【００６２】
式（２）は通常冗長な連立方程式であるため、解は一意には決定されない。そこで、最小二乗法を用いて式を得、その後Δｒで偏微分して解を求める。そして、このようにして得られた解は、
【数３】
となる。ここで、各固有値λｉは、それぞれの固有ベクトル方向の感度を表していると言える。つまり、固有値が大きい程、固有ベクトル方向の影響が強まる。よって、各固有値の平均を大きくし、分散が少なくなると計算の忠実性・安定性が良くなると言える。そこで評価関数を、
【数４】
とする。
【００６３】
図６に示す従来の力覚提示装置２００は、ｘ軸方向とｙ軸方向とは糸の張り方が等しくなっている事を考慮して、フレームの長さを図５（ａ）に示すように設定する。なお、グリップの半径はＲとする。また、力覚提示装置２００における球状のグリップと糸との接続点は、図５（ｂ）のようになっている。そのため、これに倣って、２つずつの糸のペアを図５（ｂ）及び（ｃ）のようにθ、φだけずらす。そして、Ｄ、Ｄ３、Ｒ、θ及びφを５つのパラメタとする。
【００６４】
また、力覚提示装置２００を使用するとき、グリップは静置時にホームポジションにあるため、今回はグリップがホームポジションにある時の評価関数Ｊを算出し最適化を行うものとする。
【００６５】
具体的には、フレームの位置Ｑとグリップの位置Ｐとを行列式で表し、それらを用いて係数行列Ｍを求める。そして得られた係数行列Ｍについて、行の交換、列の交換、余因子展開等を用いて固有値を得、評価関数Ｊ１を求める。これらの結果得られた評価関数Ｊ１は、
【数５】
となる。
【００６６】
ここで、計算を簡単なものにするために、図６に示す従来の力覚提示装置２００に倣ってθ＝φ＝０とする。そして、Ｒ１＝０、Ｒ２＝Ｒ３＝０、Ｋ１＝０、Ｋ２＝−Ｄ３Ｒ、Ｋ３＝ＤＲ、Ｌ２＝（Ｄ−Ｒ）２＋Ｄ２＋Ｄ３２であることから、これらを評価関数Ｊ１に代入し、さらに三乗根をとって、改めて下記式（６）で表される評価関数Ｊ２を得る。そして、評価関数Ｊ２の最適化を考える。
【数６】
このとき、Ｒ及びＤが定数であるとして、Ｄ３を最適化する。具体的には、評価関数Ｊ２をＤ３で偏微分し、
【数７】
のときが極大となる。このとき、評価関数Ｊ２は、
【数８】
となる。
【００６７】
そして、式（８）の分母に注目すれば、Ｒ及びＤの関係は、
【数９】
の時が最大となる。以上をまとめると、Ｄ及びＤ３の最適値としては、
【数１０】
となる。
【００６８】
そして、式（１０）の結果に基づいた新たな力覚提示装置の形状としては、図１に示す力覚提示装置１００になる。即ち、式（１０）に基づいて、リング形状のグリップ１の内壁において、グリップ１を上面から見た時に正方形の４頂点で、糸２が固定されるようにすればよいことになる。
【００６９】
［４．効果］
本発明者らの検討に拠ると、本実施形態に係る力覚提示装置（図１参照）に拠れば、従来の力覚提示装置（図６参照）と同程度に、三次元空間内で対象物を制御可能である。即ち、本実施形態に係る力覚提示装置は、従来の力覚提示装置と比べて、少なくとも同程度の位置・姿勢計算の忠実性を有している。
【００７０】
しかも、本実施形態に係る力覚提示装置に拠れば、従来よりもいっそう小型化可能な力覚提示装置を提供することができる。具体的には、例えば図６に示す従来の力覚提示装置２００と比べて、図１に示す力覚提示装置１００は、体積比で約２７％減少させることができた。そのため、本実施形態に係る力覚提示装置の設置場所が制限されず、様々な場所に設置して利用可能である。
【００７１】
具体的には、例えば、本実施形態に係る力覚提示装置をデスク上にノートブック型のパーソナルコンピュータとともに備えることで、パーソナルコンピュータ用マウスと同様に操作性を備えることが可能となる。そして、このように用いることで、従来のパーソナルコンピュータ用マウスと同程度の操作性を有しながらも、パーソナルコンピュータを用いる三次元空間内での対象物の移動の態様が格段に拡がるものとなる。即ち、従来のパーソナルコンピュータ用マウスは、任意の二軸についての並進動作のみが通常は可能であったが、本実施形態に係る力覚提示装置に拠れば、任意の三軸方向の並進及び回転動作が直観的に可能となる。
【００７２】
また、機械リンク機構を用いる従来の力覚提示装置においては、本来予定されていた方向以外の力が加わった場合に、接続部分が破損する可能性があった。しかしながら、本実施形態においては支持部材として糸を用いたパラレル駆動機構であるため、そのような可能性が少ない。しかも、弾力性を有する糸を用いることで、操作者による過度の力が糸に加わることを防止することができる。その結果、力覚提示装置の耐久性が向上する。
【００７３】
さらに、前記したように、本実施形態に係る力覚提示装置においては、移動指示部材としてリング形状のグリップを用いている。これにより、上ベース８に操作部（ボタン、ホイール等）を設けることができる。その結果、例えば三次元空間内の対象物の移動を制御しつつ、対象物の動作についての新たな制御が可能になる。
【００７４】
そして、本実施形態に係る力覚提示装置においては、図１等に示すように、グリップ１と支柱１０との間を糸２が通るようになっている。従って、グリップ１の操作時、糸２がグリップ１や操作者の手に接触することがない。そのため、操作者によるグリップ１の操作を、三次元空間内の対象物の移動に対してより正確に追従させることができる。
【００７５】
また、グリップ１と支柱１０との間に糸２が通るようになっているため、本実施形態に係る力覚提示装置を運搬した場合でも、糸２が絡まることがない。そのため、本実施形態に係る力覚提示装置は、容易に運搬可能である。
【００７６】
［５．変更例］
以上、本実施形態に係る力覚提示装置を具体例を挙げて説明したが、本実施形態に係る力覚提示装置は本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更して実施可能である。
【００７７】
例えば、力覚提示装置１００は張力制御手段及び計測手段としてエンコーダ付きモータを用いているが、張力制御手段及び計測手段はエンコーダ付きモータに何ら限定されるものではない。即ち、張力制御手段及び計測手段が一体に設けられる場合、エンコーダ付きモータと同様の機能を有する任意の装置を用いることができる。
【００７８】
また、本実施形態においては張力制御手段及び計測手段が一体に設けられているが、これらが別体に設けられていてもよい。即ち、張力制御手段及び計測手段は同一の装置でなくてもよい。具体的には例えば、張力制御手段として糸２に張力を与えられる例えばボイスコイルモータ等を、計測手段として糸２の長さを計測可能な任意のセンサ（例えば光を用いて糸２の長さを計測する光計測センサ）等を用いてもよい。そして、例えばボイスコイルモータと光計測センサとを適宜組み合わせて用いることにより、力覚提示装置をとりわけ小型化することができる。
【００７９】
また、力覚提示装置１００においては、張力制御手段及び計測手段としてのエンコーダ付きモータ４の全てを下ベース９に設けているが、ガイドプーリ５に代えてエンコーダ付きモータ４を上ベース８に設けるようにしてもよい。即ち、力覚提示装置１００において、上方向に向かう糸２ａ、２ｂ、２ｃ及び２ｄを、上ベースに設けられるエンコーダ付きモータ４にプーリを介して接続するようにしてもよい。このように構成することで、ガイドプーリにおける糸の摩擦力を減らせることができる。そのため、グリップ１の移動量及び移動方向を、三次元空間内の対象物の制御に対してより正確に反映させることができる。
【００８０】
また、力覚提示装置１００においては、支持部材として糸を用いているが、支持部材は糸に限定されない。即ち、例えば指示部材としては、例えば紐、繊維等の張力を付加したときに弾性しにくいものを用いればよい。
【００８１】
さらに、力覚提示装置１００においては、移動指示部材として円筒の一部を用いているが、例えば球の一部をリング形状となるように切断して得られたものであってもよい。また、例えば角を有するリング形状部材であってもよい。即ち、移動指示部材は、必ずしも円筒形状に限定されるものではない。
【００８２】
また、上ベース８及び下ベース９の形状も円板形状に制限されず、多角形状等にすることもできる。
【００８３】
さらに、グリップ１は、操作者が直接手を触れて操作する必要は必ずしも無い。即ち、操作者が、例えばマジックハンド等の装置を介して間接的にグリップ１を操作するようにしてもよい。
【００８４】
また、グリップ１の移動量と前記対象物の移動量とは、必ずしも同じである必要はない。即ち、例えば移動量が１である場合に移動量を１０にするように制御してもよいし、移動量が１０である場合に移動量を１にするように制御してもよい。
【００８５】
さらに、力覚提示装置１００を構成する各部材は特に制限されず、容易に破損しないような材料を用いればよい。例えば、支持部材の材料として糸等を用いるほか、把持部材の材料としては樹脂等を用い、その他の部材としては金属等を用いればよい。
【符号の説明】
【００８６】
１ グリップ（移動指示部材）
２ 糸（支持部材）
３ プーリ
４ エンコーダ付きモータ（張力制御手段、計測手段）
５ ガイドプーリ
６ モータマウント
７ ヒートン
８ 上ベース
９ 下ベース
１０ 支柱
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 固定点
１００ 力覚提示装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚提示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、計算機性能の飛躍的な向上により、三次元の仮想現実（Virtual Reality）空間（以下、適宜単に「三次元空間」と言う。）内における対象物（物体）の位置制御が実行可能になってきている。ただ、このような三次元空間内での位置制御に適用可能な例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）用マウス等の二次元空間用位置制御手段は、直観的な操作が困難である。そのため、前記マウスは、三次元空間用位置制御手段としては、未だ不十分である。そこで、三次元空間内位置制御手段として、力覚提示装置（ハプティックインターフェース；Haptic Interface）が注目されてきている。なお、「力覚」とは、力の感覚のことである。
【０００３】
力覚提示装置は、三次元空間内で対象物の位置を操作者が制御しつつ、三次元空間内で対象物を把持した時の重み、対象物が障害物に衝突した時の感触等を、操作者が感じ取ることができるようにするものである。そのため、このような力覚提示装置に拠れば、三次元空間内での対象物の位置制御（取扱い）を、より直観的に行うことができる。そして、このような力覚提示装置は、例えば、手術用シミュレータ、組立シミュレータ、遊戯装置等、様々な分野で使用されている。
【０００４】
力覚提示装置としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。図６は、特許文献１に記載の力覚提示装置を模式的に示す斜視図である。図６に示す力覚提示装置２００は立方格子状に形成されている。そして、前記立方格子の８頂点近傍に、それぞれモータ１３０ａ〜１３０ｈ、プーリ１６０ａ〜１６０ｈ及びロータリーエンコーダ１７０ａ〜１７０ｈが一体となって固定して設けられている。なお、これらは、フレーム１２０に固定されている。この際、モータ１３０ａ〜１３０ｈ、プーリ１６０ａ〜１６０ｈ及びロータリーエンコーダ１７０ａ〜１７０ｈは、各手段に追従して一体となって回転するようになっている。
【０００５】
前記立方格子の中心付近には、球状のグリップ１５０が設けられている。そして、グリップ１５０には８本の糸１４０ａ〜１４０ｈが接続され、それぞれの糸は各プーリ１６０ａ〜１６０ｈに捲回されるようになっている。従って、グリップ１５０を操作者が把持してグリップ１５０を移動させると、それに追従して、各糸１４０ａ〜１４０ｇが各プーリ１６０ａ〜１６０ｈに捲回される。そして、当該糸の捲回量を各ロータリーエンコーダ１７０ａ〜１７０ｈが計測することにより、グリップ１５０の移動方向及び回転方向並びに移動量及び回転量が決定される。そして、これらの決定された値に基づいて、三次元空間内の対象物の位置制御が行われるようになっている。
【０００６】
また、例えば特許文献２には、グリップとして球殻が用いられている力覚提示装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２８２４４８号公報
【特許文献２】特許４５４７５５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
例えば図６に示す従来の力覚提示装置は、操作者の意図する方向に意図する量で、三次元空間内での対象物を移動可能である。しかしながら、図６に示す従来の力覚提示装置は、立方格子の各頂点近傍にプーリ等が設けられている。そして、前記立方格子の中心付近に設けられているグリップと前記プーリとが糸を介して接続されている。そのため、力覚提示装置の小型化が困難であるという課題がある。
【０００９】
即ち、力覚提示装置の小型化を目的として、例えば立方格子を小型化し、グリップとプーリとを接続する糸の長さを短くした場合、糸の長さが短すぎることがあり、その結果、グリップの移動可能範囲が限られることがある。そのため、三次元空間内の対象物の移動量及び移動方向が制限されることがある。
【００１０】
そして、操作者は立方格子中心近傍のグリップを把持するため、通常、立方格子内に操作者が手等を挿入しなければならない。そのため、立方格子の大きさは、少なくとも操作者の手の大きさ以上でなければならず、立方格子の小型化には自ずと限界が生じる。
【００１１】
さらに、操作者がグリップを把持してグリップを移動させる際、グリップに接続されている糸がグリップ操作の障害となることがある。即ち、操作者がグリップを把持しようとする際に、糸との接続部分が邪魔になることがあり、把持が困難になることがある。その結果、自在にグリップ移動を行うためには、操作者が過度の負担を強いられることがある。さらには、三次元空間内の対象物の移動量及び移動方向が制限されることもある。
【００１２】
また、例えば特許文献２に記載の力覚提示装置においては、球殻のグリップが上ベースと接触することがある。その結果、三次元空間内の対象物の移動量及び移動方向が制限されることがある。また、特にグリップ部分が依然として大きいため、力覚提示装置の小型化の観点からは、未だ不十分である。
【００１３】
本発明は前記課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来よりもいっそう小型化可能な力覚提示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは前記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下の知見を見出した。即ち、本発明の要旨は、操作者によって操作される移動指示部材と、該移動指示部材を宙吊り状態に支持する支持部材と、該支持部材の張力を制御する張力制御手段と、前記支持部材の長さを計測する計測手段と、前記張力制御手段及び前記計測手段に囲まれて位置する支柱と、を備え、前記移動指示部材と前記張力制御手段とは前記支持部材によって接続され、前記操作者により操作される前記移動指示部材の移動量及び移動方向に応じて、三次元空間内における対象物の位置が制御される力覚提示装置であって、前記支持部材は少なくとも８つであり、前記移動指示部材は、前記支柱を囲んで前記支持部材により支持されるリング形状部材であり、隣接する２つの前記支持部材のそれぞれの一端が、前記移動指示部材内壁の同位置に固定されていることを特徴とする、力覚提示装置に関する（請求項１）。
【００１５】
この発明に拠れば、従来よりもいっそう自由に、三次元空間内の対象物の移動方向及び移動量を制御することが可能となる。また、従来よりもいっそう正確に、三次元空間内の対象物の移動方向及び移動量を制御することが可能となる。しかも、従来よりもいっそう小型化することができる。
【００１６】
また、前記支柱の上端部には上ベースが設けられ、前記支柱の下端部には下ベースが設けられ、前記支柱、前記上ベース及び前記下端部は一体に形成されているとともに、前記張力制御手段及び前記計測手段は、前記上ベース又は前記下ベースに設けられている（請求項２）。
【００１７】
この発明に拠れば、張力制御手段及び計測手段の位置を、それらの大きさに併せて任意に設置することができる。そのため、操作者の操作に際して障害となることがないように、張力制御手段及び計測手段を設置することができる。
【００１８】
また、全ての前記張力制御手段及び前記計測手段が、下ベースに設けられている（請求項３）。
【００１９】
この発明に拠れば、力覚提示装置の小型化が特に要求される分野で、特に好適に使用可能となる。
【００２０】
また、このとき、前記張力制御手段及び前記計測手段は、エンコーダ付きモータにより構成されている（請求項４）。
【００２１】
この発明に拠れば、張力制御手段及び計測手段を同一の装置を用いて構成することができる。そのため、力覚提示装置のよりいっそうの小型化を図ることができる。
【００２２】
さらに、前記支柱の上端部に一体に形成されている上ベースに、操作者が操作可能な操作部が設けられている（請求項５）。
【００２３】
この発明に拠れば、操作者が三次元空間内の対象物の移動を行いつつ、操作部を用いた操作を片手で同時行うことができる。その結果、操作の利便性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に拠れば、従来よりもいっそう小型化可能な力覚提示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施形態に係る力覚提示装置を模式的に示す斜視図である。
【図２】本実施形態に係る力覚提示装置を模式的に示す上側面図である。
【図３】本実施形態に係る力覚提示装置における、グリップと糸との関係を模式的に示す図である。
【図４】本実施形態に係る力覚提示装置の操作形態を示す図である。
【図５】本実施形態に係る力覚提示装置における計算方法を説明するための図である。
【図６】従来の力覚提示装置を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための形態（本実施形態）を図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に何ら制限されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施可能である。
【００２７】
［１．構成］
本実施形態に係る力覚提示装置の構成を図１（斜視図）及び図２（上側面図）に示す。図１に示す力覚提示装置１００は、グリップ１と、糸２と、プーリ３と、エンコーダ付きモータ４と、ガイドプーリ５と、モータマウント６と、ヒートン７と、上ベース８と、下ベース９と、支柱１０と、を備えてなる。
【００２８】
なお、糸２としての糸２ａ〜２ｈは全て同じものであるため、それらの内の一部の説明を省略している。また、プーリ３としてのプーリ３ａ〜３ｈも全て同じものであるため、それらの内の一部の説明を省略している。さらに、エンコーダ付きモータ４としてのエンコーダ付きモータ４ａ〜４ｈも全て同じものであるため、それらのうちの一部の説明を省略している。そして、ガイドプーリ５としてのガイドプーリ５ａ〜５ｈも全て同じものであるため、それらのうちの一部の説明を省略している。また、モータマウント６としてのモータマウント６ａ〜６ｈも全て同じものであるため、それらのうちの一部の説明を省略している。
【００２９】
グリップ１（移動指示部材）は、操作者によって把持及び移動されることにより、三次元空間内の対象物の位置を制御するものである。グリップ１の形状は、図１に示すようにリング形状である。そしてグリップ１は、上ベース８と下ベース９とを一体に固定する支柱１０を囲んで、後記する糸２により宙吊り状態で支持されている。グリップ１の高さは、本実施形態においては２ｃｍ程度である。ただし、この長さは適宜変更可能であり、グリップ１を最大限傾けたときに、グリップ１が上ベース８及び下ベース９に接触しない程度の高さに設定すれば良い。
【００３０】
グリップ１は、前記のようにリング形状を有している。そのため、従来の球形状のグリップとは異なり、操作者がグリップ１を操作する際、グリップ１が上ベース８（後記する）に接触することがない。従って、グリップ１の移動範囲が制限されず、支柱１０に接触しない範囲内で自在に、作業者が三次元空間内の任意の位置に対象物を移動させることができる。
【００３１】
糸２（支持部材）は、支柱１０（後記する）を囲うようにして、グリップ１を宙吊り状態に支持するものである。この際、糸２はグリップ１の内壁に設けられている固定点１Ａ〜１Ｄで固定され、グリップ１が支持されるようになっている。そして、力覚提示装置１００においては、糸２として８本の糸２ａ〜２ｈが備えられ、これらによってグリップ１が支持されるようになっている。
【００３２】
なお、本実施形態においては、各固定点１Ａ〜１Ｄと各プーリ３ａ〜３ｈ（後記する）との間を、それぞれ、一本の糸２ａ〜２ｈとして説明している。従って、例えば、糸２ａは、ガイドプーリ５ａを介して、固定点１Ｂとプーリ３ａとを接続する糸を表している。
【００３３】
糸２による移動指示部材１の具体的な支持方法を、図３を参照しながら説明する。なお、図３中、各糸２近傍に記載している矢印は、後記する［２．動作］において説明する。また、図３においては、図示及び説明の簡略化のために、グリップ１、糸２、プーリ３及びガイドプーリ５のみを示している。
【００３４】
図３に示すように、固定点１Ａでは、グリップ１から下方向に伸びる糸２ｅ及び２ｈの一端が固定されている。また、同様に固定点１Ｃでは、グリップ１から下方向に伸びる糸２ｆ及び２ｇの一端が固定されている。即ち、隣接する２つの糸のそれぞれの一端が、グリップ１の内壁の同位置（固定点）で固定されている。
【００３５】
一方、固定点１Ｂでは、グリップ１から上方向に伸びる糸２ａ及び２ｂの一端が固定されている。ただし、糸２ａ及び糸２ｂはいずれも、上ベース８に設けられているガイドプーリ５ａ及びガイドプーリ５ｂによって、下方向に向きが変化するようになっている。また、同様に固定点１Ｄでは、グリップ１から上方向に伸びる糸２ｃ及び２ｄの一端が固定されている。そして、糸２ｃ及び糸２ｄについても、上ベース８に設けられているガイドプーリ５ｃ及びガイドプーリ５ｄによって、下方向に向きが変化するようになっている。
【００３６】
力覚提示装置１００においては、支持部材としての糸２を８本用いている。そのため、糸２が接続されるプーリ３及びそれと一体に形成されるエンコーダ付きモータ４の数も、８つとなっている。そして、力覚提示装置１００を上部から見た場合、リング形状グリップ１内壁において、４つの固定点１Ａ〜１Ｄは正方形の各頂点になっている。この固定点の位置は計算に拠って決定することができる。この計算方法については、［４．固定点の決定方法］において後記する。
【００３７】
プーリ３は、糸２を捲回するものである。具体的には、円筒の両端面にフランジが形成され、両フランジの間に形成される溝に糸２が捲回されるようになっている。そして、プーリ３は、エンコーダ付きモータ４（後記する）と一体となって設けられている。即ち、プーリ３が回転すると、エンコーダ付きモータ４もそれに伴って回転するようになっている。
【００３８】
ここで、プーリ３に糸２が捲回されるときの動作を、図１及び図３を参照しながら固定点１Ａ〜１Ｄで固定されている糸２毎に説明する。前記のように、固定点１Ａでは、糸２ｅ及び糸２ｈの一端が固定されている。そして、糸２ｅ及び糸２ｈはそれぞれ、ヒートン７ａ及びヒートン７ｄを介して、プーリ３ｂ及びプーリ３ｇに捲回されるようになっている。
【００３９】
また、固定点１Ｂでは、糸２ａ及び糸２ｂの一端が固定されている。そして、糸２ａ及び糸２ｂはいったん上方向に向かい、その後ガイドプーリ５ａ及びガイドプーリ５ｂを介して下方向に向きを変え、プーリ３ａ及びプーリ４ｄに捲回されるようになっている。
【００４０】
さらに、固定点１Ｃでは、糸２ｆ及び糸２ｇの一端が固定されている。そして、糸２ｆ及び糸２ｇはそれぞれ、ヒートン７ｂ及びヒートン７ｃを介して、プーリ３ｃ及びプーリ３ｆに捲回されるようになっている。
【００４１】
そして、固定点１Ｄでは、糸２ｃ及び糸２ｄの一端が固定されている。そして、糸２ｃ及び糸２ｄはいったん上方向に向かい、その後ガイドプーリ５ｃ及びガイドプーリ５ｄを介して下方向に向きを変え、プーリ３ｅ及びプーリ３ｈに捲回されるようになっている。
【００４２】
エンコーダ付きモータ（張力制御手段及び計測手段）４は、糸２の張力を制御するとともに糸２の長さを計測するものである。エンコーダ付きモータ４は、下ベース９に支柱１０（後記する）を囲うように設けられている。この際、エンコーダ付きモータ４は２つずつモータマウント６（後記する）によって固定され、４つのモータマウント６が前後左右方向にそれぞれに設けられている。
【００４３】
エンコーダ付きモータ４は、前記のように、プーリ３と一体となって固定されている。そのため、エンコーダ付きモータ４は、プーリ３に捲回される糸２の量及び引き出される糸２の量を計測することができるようになっている。また、エンコーダ付きモータ４は、プーリ３を介して、糸２の張力を制御できるようになっている。即ち、即ち、グリップ１とエンコーダ付きモータ４とは、糸２によって間接的に接続されていることになる。
【００４４】
ガイドプーリ５は上ベース８に設けられているものである。ガイドプーリ５の構成はプーリ３と同様であるが、糸２の捲回はせず、前記のように糸２の向きを変化させるようになっている。
【００４５】
モータマウント６はプーリ３及びエンコーダ付きモータ４を下ベース９に設置するものである。力覚提示装置１００においては、２組のプーリ及びエンコーダ付きモータ４を１つのモータマウント６で下ベース９に固定するようになっている。
【００４６】
ヒートン７は、各固定点１Ａ〜１Ｄから直接下方向に向かう糸２が通ずる部材である。ヒートン７は支柱１０（後記する）に設けられている。ヒートン７が設けられることにより、グリップ１の移動時に、グリップ１が糸２に接触することを避けることができる。
【００４７】
上ベース８及び下ベース９は、支柱１０により一体に固定（構成）されている。そして、上ベース８及び下ベース９には、前記のように、各部材が固定されている。また、上ベース８の上表面には、操作者が操作可能な図示しない操作部（ボタン、ホイール等）が設けられている。これにより、図４に示すように、操作者が例えば親指と中指とでグリップ１を把持しつつ、人差し指で例えばボタンを押下することができる。そのため、三次元空間内の対象物の位置制御を行いつつ、例えば、ボタンを押下した時には三次元内で対象物を把持する等の任意の制御を行うことができる。
【００４８】
支柱１０は、上ベース８及び下ベース９を接続するものであり、前記のように、その周りにはグリップ１が設けられている。そして、支柱１０は、エンコーダ付きモータ４に囲まれて位置している。力覚提示装置１００における支柱１０の高さは１０ｃｍ程度である。ただし、グリップ１の高さに応じて、適宜変更することが可能である。
【００４９】
また、支柱１０の太さは、モータマウント６が設けられる近傍の太さが細く、モータマウント６の高さ以上の部位では太くなっている。このようにすることでヒートン７を安定して固定することができ、ヒートン７を通る糸２とヒートン７との摩擦を減少させることができる。また、モータマウント６が設けられる近傍を細くすることで４つのモータマウント６ａ〜６ｄを密集させて設けることができ、力覚提示装置１００をより小型化することができる。
【００５０】
［２．作用］
次に、図３を参照しながら、グリップ１の移動に伴う各糸２の動きを説明する。図３中の上下左右は、図１中の上下左右に対応する。また、図３中の各糸２近傍に示している矢印は、後記するグリップ１移動時の糸２の動く方向を示している。
【００５１】
図３には、操作者がグリップ１を白抜き矢印に示す方向に移動させた場合を示している。即ち、グリップ１の固定点１Ｂ及び固定点１Ｄ近傍を外側から操作者が保持し、図３に示す方向にグリップ１を傾けた場合を示している。つまり、固定点１Ａ及び固定点１Ｃの位置は変化しないが、固定点１Ｂの位置は上方向に移動し、固定点１Ｄの位置は下方向に移動する場合を例示する。
【００５２】
操作者がグリップ１を傾ける前は、各エンコーダ付きモータ４は均等な張力で各糸２を引っ張り、グリップ１が宙吊り状態になっている。そして、この状態で操作者がグリップ１を前記の方向に傾けると、固定点１Ｄの位置が下方向に移動する。そうすると、固定点１Ｄで固定されている糸２ｃ及び糸２ｄが下方向に引っ張られる。即ち、この状態においてもエンコーダ付きモータ４は糸２に対して張力を付加している状態であるので、その張力に反して、糸２ｃ及び糸２ｄがそれぞれプーリ３ｅ及びプーリ３ｈに捲回される。
【００５３】
一方、前記のように、固定点１Ｂの位置は上方向に移動する。そうすると、固定点１Ｂで固定されている糸２ａ及び糸２ｂが上方向に動く。即ち、この状態においてもエンコーダ付きモータ４は糸２に対して張力を付加している状態であるので、その張力に従って、糸２ａ及び糸２ｂがそれぞれプーリ３ａ及びプーリ３ｄに捲回される。
【００５４】
そして、各糸２の捲回及び引き出しに伴う各プーリ３の回転量をエンコーダ付きモータ４が計測することで、各糸２の移動量（即ち、プーリ３に捲回された糸２の量、及び、プーリ３から引き出された糸２の量）が計測される。即ち、エンコーダ付きモータ４が各プーリ３から各固定点１Ａ〜１Ｄまでの糸２の長さを計測することになる。
【００５５】
なお、図３に示す例においては、グリップ１の左右方向の２端部を単に上下方向に移動させるようにしている。そのため三次元空間内の対象物においても、当該対象物の左部が上方向に、右部が下方向に傾くようになっている。しかしながら、例えばグリップ１の上下方向の位置を変化させずにグリップ１を前方向に移動させれば、前記対象物も前方向に移動するようになる。
【００５６】
即ち、前記対象物の移動量及び移動方向は、各糸２の捲回量及び引き出された量によって決定される。そして、これらは、図示しない制御部（例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等によって決定される。このようにグリップ１の移動と三次元空間内の対象物の位置制御とを連動させることで、操作者が直観的に操作することができる。
【００５７】
［３．固定点の決定方法］
通常は、糸の数が多くなればなるほど、三次元空間内で移動できる空間の広さが拡がることになる。ただ、糸の数が多くなればなるほど、計算式が冗長なものとなる。そこで、本実施形態における糸２（支持部材）の数は少なくとも８本であるため、図５を参照しながら、８本の場合を例に計算式を例示する。ただし、糸２が９本以上の場合でも、以下に説明する式と同様に計算可能である。
【００５８】
入力ベクトルと位置・姿勢ベクトルとの関係は通常は非線形であるが、複雑な非線形方程式を解く代わりに、ヤコビアンＪの擬似逆行列を用いた逐次近似により位置・姿勢ベクトルを求める。この方法は機構の変更に柔軟に対応でき、汎用性が高い。現在では、更新周波数１０ｋＨｚという高速な制御を用いることができる。そのため、機構の変更に柔軟に対応できる逐次近似法を用いて力覚ポインタ（グリップ１）の位置・姿勢を求めることができる。
【００５９】
以下に、位置・姿勢計算を示す。ｍ個のセンサからの入力ベクトルｌと力覚ポインタの位置・姿勢ベクトルｒの関係は、通常は非線形の関係となる．
【００６０】
【数１】
【００６１】
そして、この式（１）を時間微分して線形近似し、ヤコビアン行列（以下、ストリング行列Ｍと言う。）を用いた逐次計算法で力覚ポインタの位置・姿勢を求める。
【数２】
【００６２】
式（２）は通常冗長な連立方程式であるため、解は一意には決定されない。そこで、最小二乗法を用いて式を得、その後Δｒで偏微分して解を求める。そして、このようにして得られた解は、
【数３】
となる。ここで、各固有値λｉは、それぞれの固有ベクトル方向の感度を表していると言える。つまり、固有値が大きい程、固有ベクトル方向の影響が強まる。よって、各固有値の平均を大きくし、分散が少なくなると計算の忠実性・安定性が良くなると言える。そこで評価関数を、
【数４】
とする。
【００６３】
図６に示す従来の力覚提示装置２００は、ｘ軸方向とｙ軸方向とは糸の張り方が等しくなっている事を考慮して、フレームの長さを図５（ａ）に示すように設定する。なお、グリップの半径はＲとする。また、力覚提示装置２００における球状のグリップと糸との接続点は、図５（ｂ）のようになっている。そのため、これに倣って、２つずつの糸のペアを図５（ｂ）及び（ｃ）のようにθ、φだけずらす。そして、Ｄ、Ｄ３、Ｒ、θ及びφを５つのパラメタとする。
【００６４】
また、力覚提示装置２００を使用するとき、グリップは静置時にホームポジションにあるため、今回はグリップがホームポジションにある時の評価関数Ｊを算出し最適化を行うものとする。
【００６５】
具体的には、フレームの位置Ｑとグリップの位置Ｐとを行列式で表し、それらを用いて係数行列Ｍを求める。そして得られた係数行列Ｍについて、行の交換、列の交換、余因子展開等を用いて固有値を得、評価関数Ｊ１を求める。これらの結果得られた評価関数Ｊ１は、
【数５】
となる。
【００６６】
ここで、計算を簡単なものにするために、図６に示す従来の力覚提示装置２００に倣ってθ＝φ＝０とする。そして、Ｒ１＝０、Ｒ２＝Ｒ３＝０、Ｋ１＝０、Ｋ２＝−Ｄ３Ｒ、Ｋ３＝ＤＲ、Ｌ２＝（Ｄ−Ｒ）２＋Ｄ２＋Ｄ３２であることから、これらを評価関数Ｊ１に代入し、さらに三乗根をとって、改めて下記式（６）で表される評価関数Ｊ２を得る。そして、評価関数Ｊ２の最適化を考える。
【数６】
このとき、Ｒ及びＤが定数であるとして、Ｄ３を最適化する。具体的には、評価関数Ｊ２をＤ３で偏微分し、
【数７】
のときが極大となる。このとき、評価関数Ｊ２は、
【数８】
となる。
【００６７】
そして、式（８）の分母に注目すれば、Ｒ及びＤの関係は、
【数９】
の時が最大となる。以上をまとめると、Ｄ及びＤ３の最適値としては、
【数１０】
となる。
【００６８】
そして、式（１０）の結果に基づいた新たな力覚提示装置の形状としては、図１に示す力覚提示装置１００になる。即ち、式（１０）に基づいて、リング形状のグリップ１の内壁において、グリップ１を上面から見た時に正方形の４頂点で、糸２が固定されるようにすればよいことになる。
【００６９】
［４．効果］
本発明者らの検討に拠ると、本実施形態に係る力覚提示装置（図１参照）に拠れば、従来の力覚提示装置（図６参照）と同程度に、三次元空間内で対象物を制御可能である。即ち、本実施形態に係る力覚提示装置は、従来の力覚提示装置と比べて、少なくとも同程度の位置・姿勢計算の忠実性を有している。
【００７０】
しかも、本実施形態に係る力覚提示装置に拠れば、従来よりもいっそう小型化可能な力覚提示装置を提供することができる。具体的には、例えば図６に示す従来の力覚提示装置２００と比べて、図１に示す力覚提示装置１００は、体積比で約２７％減少させることができた。そのため、本実施形態に係る力覚提示装置の設置場所が制限されず、様々な場所に設置して利用可能である。
【００７１】
具体的には、例えば、本実施形態に係る力覚提示装置をデスク上にノートブック型のパーソナルコンピュータとともに備えることで、パーソナルコンピュータ用マウスと同様に操作性を備えることが可能となる。そして、このように用いることで、従来のパーソナルコンピュータ用マウスと同程度の操作性を有しながらも、パーソナルコンピュータを用いる三次元空間内での対象物の移動の態様が格段に拡がるものとなる。即ち、従来のパーソナルコンピュータ用マウスは、任意の二軸についての並進動作のみが通常は可能であったが、本実施形態に係る力覚提示装置に拠れば、任意の三軸方向の並進及び回転動作が直観的に可能となる。
【００７２】
また、機械リンク機構を用いる従来の力覚提示装置においては、本来予定されていた方向以外の力が加わった場合に、接続部分が破損する可能性があった。しかしながら、本実施形態においては支持部材として糸を用いたパラレル駆動機構であるため、そのような可能性が少ない。しかも、弾力性を有する糸を用いることで、操作者による過度の力が糸に加わることを防止することができる。その結果、力覚提示装置の耐久性が向上する。
【００７３】
さらに、前記したように、本実施形態に係る力覚提示装置においては、移動指示部材としてリング形状のグリップを用いている。これにより、上ベース８に操作部（ボタン、ホイール等）を設けることができる。その結果、例えば三次元空間内の対象物の移動を制御しつつ、対象物の動作についての新たな制御が可能になる。
【００７４】
そして、本実施形態に係る力覚提示装置においては、図１等に示すように、グリップ１と支柱１０との間を糸２が通るようになっている。従って、グリップ１の操作時、糸２がグリップ１や操作者の手に接触することがない。そのため、操作者によるグリップ１の操作を、三次元空間内の対象物の移動に対してより正確に追従させることができる。
【００７５】
また、グリップ１と支柱１０との間に糸２が通るようになっているため、本実施形態に係る力覚提示装置を運搬した場合でも、糸２が絡まることがない。そのため、本実施形態に係る力覚提示装置は、容易に運搬可能である。
【００７６】
［５．変更例］
以上、本実施形態に係る力覚提示装置を具体例を挙げて説明したが、本実施形態に係る力覚提示装置は本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更して実施可能である。
【００７７】
例えば、力覚提示装置１００は張力制御手段及び計測手段としてエンコーダ付きモータを用いているが、張力制御手段及び計測手段はエンコーダ付きモータに何ら限定されるものではない。即ち、張力制御手段及び計測手段が一体に設けられる場合、エンコーダ付きモータと同様の機能を有する任意の装置を用いることができる。
【００７８】
また、本実施形態においては張力制御手段及び計測手段が一体に設けられているが、これらが別体に設けられていてもよい。即ち、張力制御手段及び計測手段は同一の装置でなくてもよい。具体的には例えば、張力制御手段として糸２に張力を与えられる例えばボイスコイルモータ等を、計測手段として糸２の長さを計測可能な任意のセンサ（例えば光を用いて糸２の長さを計測する光計測センサ）等を用いてもよい。そして、例えばボイスコイルモータと光計測センサとを適宜組み合わせて用いることにより、力覚提示装置をとりわけ小型化することができる。
【００７９】
また、力覚提示装置１００においては、張力制御手段及び計測手段としてのエンコーダ付きモータ４の全てを下ベース９に設けているが、ガイドプーリ５に代えてエンコーダ付きモータ４を上ベース８に設けるようにしてもよい。即ち、力覚提示装置１００において、上方向に向かう糸２ａ、２ｂ、２ｃ及び２ｄを、上ベースに設けられるエンコーダ付きモータ４にプーリを介して接続するようにしてもよい。このように構成することで、ガイドプーリにおける糸の摩擦力を減らせることができる。そのため、グリップ１の移動量及び移動方向を、三次元空間内の対象物の制御に対してより正確に反映させることができる。
【００８０】
また、力覚提示装置１００においては、支持部材として糸を用いているが、支持部材は糸に限定されない。即ち、例えば指示部材としては、例えば紐、繊維等の張力を付加したときに弾性しにくいものを用いればよい。
【００８１】
さらに、力覚提示装置１００においては、移動指示部材として円筒の一部を用いているが、例えば球の一部をリング形状となるように切断して得られたものであってもよい。また、例えば角を有するリング形状部材であってもよい。即ち、移動指示部材は、必ずしも円筒形状に限定されるものではない。
【００８２】
また、上ベース８及び下ベース９の形状も円板形状に制限されず、多角形状等にすることもできる。
【００８３】
さらに、グリップ１は、操作者が直接手を触れて操作する必要は必ずしも無い。即ち、操作者が、例えばマジックハンド等の装置を介して間接的にグリップ１を操作するようにしてもよい。
【００８４】
また、グリップ１の移動量と前記対象物の移動量とは、必ずしも同じである必要はない。即ち、例えば移動量が１である場合に移動量を１０にするように制御してもよいし、移動量が１０である場合に移動量を１にするように制御してもよい。
【００８５】
さらに、力覚提示装置１００を構成する各部材は特に制限されず、容易に破損しないような材料を用いればよい。例えば、支持部材の材料として糸等を用いるほか、把持部材の材料としては樹脂等を用い、その他の部材としては金属等を用いればよい。
【符号の説明】
【００８６】
１ グリップ（移動指示部材）
２ 糸（支持部材）
３ プーリ
４ エンコーダ付きモータ（張力制御手段、計測手段）
５ ガイドプーリ
６ モータマウント
７ ヒートン
８ 上ベース
９ 下ベース
１０ 支柱
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 固定点
１００ 力覚提示装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作者によって操作される移動指示部材と、
該移動指示部材を宙吊り状態に支持する支持部材と、
該支持部材の張力を制御する張力制御手段と、
前記支持部材の長さを計測する計測手段と、
前記張力制御手段及び前記計測手段に囲まれて位置する支柱と、
を備え、
前記移動指示部材と前記張力制御手段とは前記支持部材によって接続され、
前記操作者により操作される前記移動指示部材の移動量及び移動方向に応じて、三次元空間内における対象物の位置が制御される力覚提示装置であって、
前記支持部材は少なくとも８つであり、
前記移動指示部材は、前記支柱を囲んで前記支持部材により支持されるリング形状部材であり、
隣接する２つの前記支持部材のそれぞれの一端が、前記移動指示部材内壁の同位置に固定されている
ことを特徴とする、力覚提示装置。
【請求項２】
前記支柱の上端部には上ベースが設けられ、前記支柱の下端部には下ベースが設けられ、前記支柱、前記上ベース及び前記下端部は一体に形成されているとともに、
前記張力制御手段及び前記計測手段は、前記上ベース又は前記下ベースに設けられている
ことを特徴とする、請求項１に記載の力覚提示装置。
【請求項３】
全ての前記張力制御手段及び前記計測手段が、下ベースに設けられている
ことを特徴とする、請求項２に記載の力覚提示装置。
【請求項４】
前記張力制御手段及び前記計測手段は、エンコーダ付きモータにより構成されている
ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の力覚提示装置。
【請求項５】
前記支柱の上端部に一体に形成されている上ベースに、操作者が操作可能な操作部が設けられている
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の力覚提示装置。
【請求項１】
操作者によって操作される移動指示部材と、
該移動指示部材を宙吊り状態に支持する支持部材と、
該支持部材の張力を制御する張力制御手段と、
前記支持部材の長さを計測する計測手段と、
前記張力制御手段及び前記計測手段に囲まれて位置する支柱と、
を備え、
前記移動指示部材と前記張力制御手段とは前記支持部材によって接続され、
前記操作者により操作される前記移動指示部材の移動量及び移動方向に応じて、三次元空間内における対象物の位置が制御される力覚提示装置であって、
前記支持部材は少なくとも８つであり、
前記移動指示部材は、前記支柱を囲んで前記支持部材により支持されるリング形状部材であり、
隣接する２つの前記支持部材のそれぞれの一端が、前記移動指示部材内壁の同位置に固定されている
ことを特徴とする、力覚提示装置。
【請求項２】
前記支柱の上端部には上ベースが設けられ、前記支柱の下端部には下ベースが設けられ、前記支柱、前記上ベース及び前記下端部は一体に形成されているとともに、
前記張力制御手段及び前記計測手段は、前記上ベース又は前記下ベースに設けられている
ことを特徴とする、請求項１に記載の力覚提示装置。
【請求項３】
全ての前記張力制御手段及び前記計測手段が、下ベースに設けられている
ことを特徴とする、請求項２に記載の力覚提示装置。
【請求項４】
前記張力制御手段及び前記計測手段は、エンコーダ付きモータにより構成されている
ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の力覚提示装置。
【請求項５】
前記支柱の上端部に一体に形成されている上ベースに、操作者が操作可能な操作部が設けられている
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の力覚提示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２５６２０１（Ｐ２０１２−２５６２０１Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２８８２２（Ｐ２０１１−１２８８２２）
【出願日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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