疑似力覚発生装置
【課題】基点を外部に設けることなく力覚を知覚させることができ、かつ、エネルギーの利用効率が高く、小型軽量化が容易であり、発生させる加速度を任意に設定可能な疑似力覚発生装置を実現する。
【解決手段】カム１１０に、その一面を巡回する閉曲面１１０ａを設け、その内側に設けた中心軸１２０から質量を有する回転体１３０を当該一面に対向する形で延伸して設ける。カムフォロア１４０は、回転体沿いに移動が制限され、回転体の回転運動とともに閉曲面に沿って移動する。エネルギー保存機構１５０は、中心軸とカムフォロアを接続し、両者間の距離に依存する位置エネルギーが保存される。閉曲面は第１領域と第２領域とを備え、エネルギー保存機構に蓄えられたエネルギーの出し入れにより回転体に加速度が与えられ、かつ、与えられる加速度の正負と絶対値がカムフォロアの各領域ごとに異なるように、各領域の曲面形状を形成する。
【解決手段】カム１１０に、その一面を巡回する閉曲面１１０ａを設け、その内側に設けた中心軸１２０から質量を有する回転体１３０を当該一面に対向する形で延伸して設ける。カムフォロア１４０は、回転体沿いに移動が制限され、回転体の回転運動とともに閉曲面に沿って移動する。エネルギー保存機構１５０は、中心軸とカムフォロアを接続し、両者間の距離に依存する位置エネルギーが保存される。閉曲面は第１領域と第２領域とを備え、エネルギー保存機構に蓄えられたエネルギーの出し入れにより回転体に加速度が与えられ、かつ、与えられる加速度の正負と絶対値がカムフォロアの各領域ごとに異なるように、各領域の曲面形状を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手応えのような力の感覚をユーザに知覚させる技術に関し、特に力の基点を必要とせず、物理的作用力の総和がゼロでありながら、人間の感覚特性を利用して、回転感覚や平行移動の感覚を任意の一方向に対して知覚させ続けることができる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
視聴覚モダリティ以外の情報提供モダリティとして、手応え、牽引力等の力覚モダリティの開発が進められている。力覚を人間に提示する手法は、力の基点を接地する接地型と、基点を拘束しない非接地型の２つに分類できる。接地型は、発生させる力覚の反作用力を支持する基点を外部や人体等に固定する形態であり、非接地型は、基点を外部や人体に持たない形態である。
【０００３】
しかし、外部に基点を固定する接地型（例えば、ＳＰＩＤＥＲやＰＨＡＮＴＯＭ等）の場合、自由な移動を伴うモバイル機器やウェアラブルコンピューティング等の分野への応用は困難である。また、基点を身体部位に固定する接地型（例えば、非特許文献１参照）の場合、提示した力覚情報の反作用力も人体に加わるため、正確な方向情報を提示することは困難であり、またユーザに対する負担が大きいという問題もある。
【０００４】
これに対し本願の発明者は、反作用力を支持する基点を外部や人体に設けることなく時間的に安定した力覚を知覚させる手法を提案した（例えば、非特許文献２参照）。この手法は、回転動力に対してリンク機構を採用し、正負の絶対値が大きく異なる加速度を発生させて、それにより疑似的な力覚を知覚させるものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】筧直之、矢野博昭、斎藤充、小木哲郎、廣瀬通孝、「没入型仮想空間における力覚提示デバイスHapticGEARの開発とその評価」、日本バーチャルリアリティ学会論文誌、2000年、Vol.5、No.4、p.113-120
【非特許文献２】雨宮智浩、安藤英由樹、前田太郎、「非接地型力覚提示装置を中空で把持したときの効果的な牽引力錯覚の生起手法」、日本バーチャルリアリティ学会論文誌、2006年、Vol.11、No.4、p.545-556
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、非特許文献２の手法は、回転動力を並進運動に変換する必要があるため、その変換に伴うエネルギーロスが大きく、エネルギーの利用効率が悪いという問題点がある。また、並進運動に変換するための機構を設ける必要があるため、装置を小型・軽量化することが困難であるという問題点もある。更に、発生させる加速度の時間変化を任意に設定することが困難であるという問題もある。すなわち、発生する加速度の時間変化の自由度はリンク機構等が有する基本構造によって制限され、回転動力の回転速度やリンク機構等の寸法の最適化だけでは発生させる加速度の時間変化を任意に設定できない。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、反作用力を支持する基点を外部や人体に設けることなく力覚を知覚させることができ、かつ、エネルギーの利用効率が高く、また、装置の小型軽量化が容易であり、更に、発生させる加速度の時間変化を任意に設定可能な疑似力覚発生装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の疑似力覚発生装置は、カムと中心軸と回転体とカムフォロアとエネルギー保存機構とを備える。
【０００９】
カムは一方の面側に閉曲面を有し、その閉曲面の内側に中心軸が回転可能に設けられる。その中心軸から上記カムの上記一方の面に対向する形で延伸された回転体を設ける。そして、上記回転体沿いに移動を制限されつつ、上記回転体の回転運動に伴い上記閉曲面に沿って移動するカムフォロアを設ける。更に、上記中心軸と上記カムフォロアとの間に上記中心軸と上記カムフォロアとの距離に依存する位置エネルギーを保存するエネルギー保存機構を設ける。上記中心軸と上記カムフォロアとの距離は、上記中心軸の回転角度に応じ、上記閉曲面の形状に従って変化する。
【００１０】
エネルギー保存機構は、発生した力で上記カムフォロアを上記閉曲面に押し付ける。上記閉曲面は第１領域と第２領域とを備え、各領域の曲面形状は、上記カムフォロアが上記閉曲面に押し付けられる力によって上記回転体に加速度が与えられ、かつ、与えられる加速度の正負と絶対値が上記カムフォロアの第１領域の通過時と第２領域の通過時とで異なるように形成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、反作用力を支持する基点を外部や人体に設けることなく力覚を知覚させることができ、かつ、エネルギーの利用効率が高く、また、装置の小型軽量化が容易であり、更に、発生させる加速度の時間変化を任意に設定可能な疑似力覚発生装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明において目標とする偏加速度周期刺激を示す図。
【図２】本発明の疑似力覚発生装置１００の構成例を示す平面図。
【図３】Ａは本発明の疑似力覚発生装置１００の構成例を示す正面図、Ｂは 本発明の疑似力覚発生装置１００の構成例を示す斜視図。
【図４】本発明の疑似力覚発生装置２００の構成例を示す平面図。
【図５】Ａは本発明の疑似力覚発生装置２００の構成例を示す正面図、Ｂは本発明の疑似力覚発生装置２００の構成例を示す斜視図。
【図６】Ａはエネルギー保存機構として引きバネ１５０ａを用いた場合の構成イメージを示す図、Ｂはエネルギー保存機構としてねじりバネ１５０ｂを用いた場合の構成イメージを示す図、Ｃはエネルギー保存機構として押しバネ１５０ｃを用いた場合の構成イメージを示す図。
【図７】Ａはエネルギー保存機構としてねじりバネ１５０ｂを採用した場合の閉曲面１１０ａの設計例を示す図、Ｂはエネルギー保存機構として押しバネ１５０ｃを採用した場合の閉曲面１１０ａの設計例を示す図。
【図８Ａ】エネルギー保存機構としてねじりバネ１５０ｂを採用した場合の加速度の時間変化のシミュレーション例を示す図。
【図８Ｂ】エネルギー保存機構として押しバネ１５０ｃを採用した場合の加速度の時間変化のシミュレーション例を示す図。
【図８Ｃ】従来のクランクスライダー機構の場合の加速度の時間変化のシミュレーション例を示す図。
【図９】図８Ａ〜Ｃに示す加速度時間変化について、それぞれ１周期分を抽出して重ね合わせた図。
【図１０】カムとして歯車を用いることにより、疑似力覚発生方向を任意に変化可能とするイメージ図。
【図１１】刺激の物理的加速度とそれに対する人間の感覚強度の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
〔力覚を知覚させる原理〕
まず、本発明において反作用力を支持する基点を外部や人体に設けることなく時間的に安定した力覚を知覚させることができる原理を説明する。
【００１５】
ある質量を持った物体の並進運動を考える。この並進運動は、疑似力覚を提示したい方向へは大きな加速度で短時間に移動し、逆の方向へは小さな加速度で長時間かけて移動するという非対称な加速度（偏加速度）を持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ユーザは、この提示方向への疑似力覚を知覚する。これは、人間の知覚特性によるものであり、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。
【００１６】
このような疑似力感の知覚に関わっていると考えられる筋紡錘の動的反応の伸張錯覚について説明する。筋紡錘（筋肉の収縮を感知して感覚を起こす骨格筋中の感覚器）の反応特性には、筋の長さが変化する時に強く興奮する動的反応と、伸ばされた筋が一定の長さに保たれるときにインパルス発射を続ける静的反応とがあり、動的反応は筋の長さの変化が比較的小さく急なときに強い（例えば「大山正、今井省吾、和気典二編：新編 感覚・知覚心理学ハンドブック、誠信書房、１９９４」参照）。そのため、短期間の大きな加速度変化は動的反応を引き起こすが、逆向きの小さな加速度は動的反応を引き起こさないため、バーチャルな力ベクトルとして知覚させることができると考えられる。
【００１７】
一方、知覚反応は一般に、図１１に示すような非線形なＳ字型の感覚強度曲線(sigmoid curve)で近似できることが知られている。図１１において横軸は人体に加えられる物理的な加速度（刺激）を示し、縦軸はその加速度が人体に加えられた際に人体が知覚する加速度（感覚強度）を示す。この図は、刺激を一周期積分すると零になる周期運動でも、このＳ字型の感覚強度曲線によって変換された感覚強度値は積分しても零になるとは限らないという特性を表している。このような特性はすなわち、ある物理的加速度の範囲において、加速度の変化を感覚的に過大評価する箇所と過小評価する箇所とが存在することを意味する。例えば、図１１において、ａからａ＋ｋに物理的加速度を変化させた場合と、ｂからｂ＋ｋに物理的加速度を変化させた場合とを比較すると、ａがｂより小さい場合、またはｆ(ａ)がｆ(ｂ)より小さい場合でも、ｆ´(ａ＋ｋ)−ｆ´(ａ)の値がｆ´(ｂ＋ｋ)−ｆ´(ｂ)の値より大きくなる領域が存在する。つまり、加速度が小さくても、ある特定の範囲（この例ではａ〜ａ＋ｋの範囲）において、急峻な加速度変化をＳ字形曲線により過大評価（ａ＋ｋの部分）して強く知覚し、緩やかな加速度変化をＳ字型曲線により過小評価（ａの部分）してほとんど知覚しないというスイートスポットが存在する。
【００１８】
従って、このようにＳ字型曲線の傾きに差が生じるスイートスポットにあたる２点をＳ字型の感覚強度曲線に基づき適宜選び、２つの加速度を連続的に逆方向に加えることで、感覚強度の差分を効果的に一方向のバーチャルな力ベクトルとして知覚させることができると考えられる。
【００１９】
また、本発明の手法における力感覚の知覚に関わっていると思われるその他の知覚特性として、皮膚表面のすべりと継時マスキングが挙げられる。前者については、皮膚表面と運動物体の接触面において、静止摩擦係数と動摩擦係数との関係により、ある加速度において並進運動の並進力が静止摩擦力を超え、すべりが生じることがある。そのため、力覚を提示したい方向に大きな加速度を加えることによりすべりを発生させることが、バーチャルな力ベクトルを知覚させる手がかりになると考えられる。後者については、時系列的に大きな力とそれと逆向きの小さな力が近接する場合、前者が後者をマスクする可能性があり、それによって小さな力は物理的に発生していても知覚されず、一方向の力として知覚させることができると考えられる。
【００２０】
〔疑似力覚発生装置の構成〕
図１に、疑似力覚を発生させるために目標とする偏加速度周期刺激を示す。このように正負の加速度の絶対値に十分な比を持たせる（例えば、ｍ：ｎ＝１：７〜１０）ことで、正方向への疑似力覚（牽引力）の提示が可能となる。
【００２１】
この偏加速度周期刺激を実現する本発明の疑似力覚発生装置１００の構成例の平面図を図２に、正面図を図３Ａに、斜視図を図３Ｂにそれぞれ示す。疑似力覚発生装置１００は、カム１１０と中心軸１２０と回転体１３０とカムフォロア１４０とエネルギー保存機構１５０とを備える。
【００２２】
カム１１０は平板状であり、一方の面側に閉曲面１１０ａを有する。閉曲面１１０ａは、例えば図２に示すようにカムの一方の面を周回する溝を掘ることにより形成することができる。
【００２３】
中心軸１２０は、閉曲面１１０ａの内側に回転可能に設けられる。
回転体１３０は、中心軸１２０からカム１１０の閉曲面１１０ａを設けた面に対向する形で延伸して設けられる。
【００２４】
カムフォロア１４０は、ローラー等からなり、回転体１３０沿いに移動を制限されつつ、回転体１３０の回転運動に伴い閉曲面１１０ａに沿って移動する。
【００２５】
エネルギー保存機構１５０は、一端が中心軸１２０に接続され、他端がカムフォロア１４０に接続される。エネルギー保存機構１５０はバネ等からなり、中心軸１２０とカムフォロア１４０との距離に依存する位置エネルギーを保存する。中心軸１２０とカムフォロア１４０との距離は、中心軸１２０の回転角度に応じ、閉曲面１１０ａの形状に従って変化するため、閉曲面１１０ａの形状に応じた位置エネルギーが保存されることになる。また、エネルギー保存機構１５０は、カムフォロア１４０が閉曲面１１０ａの形状に沿って滑らかに移動するように、発生した力によってカムフォロア１４０を閉曲面１１０ａに押し付ける。
【００２６】
回転体１３０は所定の質量ｍを有し、その回転の加速度を制御することにより疑似力覚を発生させる。回転体１３０の回転力は、当初はモータ１６０により中心軸１２０を通じて与えられるが、回転開始後はその与えられたエネルギーがカムフォロア１４０を通じてエネルギー保存機構１５０に保存される。これが閉曲面１１０ａの形状に応じてカムフォロア１４０を通じて回転体１３０にフィードバックされ、更に、閉曲面１１０ａの形状に応じてカムフォロア１４０を通じてエネルギー保存機構１５０に再び保存されるという繰り返しにより回転が維持される。もっとも、このような繰り返しによる回転の維持は、摩擦等のエネルギー損失が無く、当該運動過程におけるエネルギーの総和が保存され運動エネルギーと位置エネルギーの総和が一定に維持されることが前提である。しかし、実際には損失が生じるため、例えば、モータ１６０と中心軸１２０との間に単方向クラッチ１７０を挿入し、回転力が足りなくなった時にだけモータ１６０から回転力を供給可能なように構成することが考えられる。
【００２７】
エネルギー保存機構１５０に保存されたエネルギーは、例えばエネルギー保存機構１５０が引きバネの場合には、閉曲面１１０ａの形状に応じたバネの伸縮により出し入れされる。すなわち、中心軸１２０とカムフォロア１４０との距離が遠くなりバネが伸びる時には運動エネルギーから位置エネルギーへの変換がなされ、距離が近くなりばねが縮まる時には位置エネルギーから運動エネルギーへの変換がなされる。つまり、閉曲面１１０ａの形状を適宜設計することで、運動エネルギーの発生度合を変化させ、カムフォロア１４０を通じて回転体１３０に任意の加速度を与えることができる。
【００２８】
なお、回転体１３０を回転させることにより、閉曲面１１０ａの形状に応じた疑似力覚を発生することができるが、特定の方向（例えば図２のｘ軸方向）に安定的に力覚を発生させるには、疑似力覚発生装置１００と同じ構成の疑似力覚発生装置１００´（カム１１０´と中心軸１２０´と回転体１３０´とカムフォロア１４０´とエネルギー保存機構１５０´とを備える）を、図４の平面図、図５Ａの正面図、図５Ｂの斜視図に示すように、カム１１０の閉曲面１１０ａを設けていない方の面に面対称に設ける。そして回転体１３０と回転体１３０´とを逆方向に、かつ、疑似力覚を提示したい方向軸上（ここではｘ軸方向）で両回転体が重なり合うように回転させる。このように構成することで、ｙ軸方向の加速度が打ち消され、ｘ軸方向の加速度のみを残すことができる。なお、この場合に１つのモータで中心軸１２０と中心軸１２０´の両方を回転させたい時には、例えば両中心軸間に逆回転機構１８０を挿入すればよい。
【００２９】
〔閉曲面の設計〕
以下、疑似力覚発生装置１００と疑似力覚発生装置１００´とを組み合わせて構成した疑似力覚発生装置２００により、ｘ軸方向に図１に示すような十分な比の偏加速度が出力されるよう、ｘ軸方向に対する２つの一定加速度（高加速域（以下、「第１領域１１０ａ１」という。）及び低加速域（以下、「第２領域１１０ａ２」という。））を発生させる閉曲面１１０ａの形状（輪郭）を算出する。ここでは、まずエネルギー保存機構１５０として引きバネ１５０ａを用いる場合について算出する。
【００３０】
図４に示すような中心軸１２０を中心としたｘｙ平面において、バネ定数ｋの引きバネ１５０ａで引っ張られるカムフォロア１４０の中心軸１２０からの距離をｒ、ｘ軸からの傾きをθとする。なお、ｒはθの関数である。質量ｍの回転体１３０の重心の回転半径をＲとすると、慣性モーメントＭはＭ＝ｍ×Ｒ2で求められる。従ってこの系のラグランジアンは式(1)で表わすことができる。
【００３１】
【数１】
【００３２】
ラグランジュの方程式を用いると回転体１３０の角速度は式(2)のようになる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
回転体１３０の重心の位置をｘ座標で表すと、ｘ＝Ｒ・cosθとなるため、回転体１３０のｘ軸方向の加速度は式(3)で与えられる。
【００３５】
【数３】
【００３６】
式(2)、(3)より引きバネ１５０ａを用いた場合の閉曲面１１０ａの形状（輪郭）は式(4)より求めることができる。
【００３７】
【数４】
【００３８】
つまり、式(4)を満たすように各パラメータを適宜設定することにより、発生させる加速度の時間変化を任意に設定することができる。
【００３９】
もっとも、エネルギー保存機構１５０として引きバネ１５０ａを用いる場合、自然長を半径とした円の面積だけ装置が大型化してしまう。そこで、小型化のためにねじりバネ１５０ｂを２つ向かい合わせに接合したバネや押しバネ１５０ｃを用いることが考えられる。各バネの利用イメージを図６Ａ〜Ｃに示す。
【００４０】
エネルギー保存機構１５０としてねじりバネ１５０ｂを用いる場合には、バネの両端の距離が中心軸１２０からカムフォロア１４０までの距離ｒとなるため、バネ定数ｋを式(5)から求め、これを式(4)に代入して閉曲面１１０ａの形状を計算する。なお、ｋtwはねじりバネ１５０ｂのバネ定数であり、Ｌはねじりバネ１５０ｂの荷重作用半径である。
【００４１】
【数５】
【００４２】
また、エネルギー保存機構１５０として押しバネ１５０ｃを用いる場合には、カムフォロア１４０は図６Ｃに示すように内側から閉曲面１１０ａを押さえつけるようにして移動する。そのため、ラグランジアンＬを式(1)ではなく式(6)により求めた上で閉曲面１１０ａの形状を計算する。なお、ｋcomは押しバネ１５０ｃのバネ定数、ｒ0は押しバネ１５０ｃの自然長である。
【００４３】
【数６】
【００４４】
式(4)をもとに計算した高加速域である第１領域１１０ａ１と低加速域である第２領域１１０ａ２とを実現する閉曲面１１０ａの輪郭を、ねじりバネ１５０ｂについて図７Ａに、押しバネ１５０ｃについて図７Ｂに示す。なお、Ｒ＝２０ｍｍ、ｍ＝４０ｇ、第１領域１１０ａ１での加速度ａ1＝４５０ｍ／ｓ2、第２領域１１０ａ２での加速度ａ2＝５０ｍ／ｓ2、ｋtw＝１．６７６Ｎ・ｍｍ／ｄｅｇ、Ｌ＝４８ｍｍ、ｋcom＝０．２７８Ｎ／ｍｍ、ｒ0＝６０ｍｍとして計算している。また、カムフォロア１４０が第１領域１１０ａ１と第２領域１１０ａ２との間をスムーズに移動できるように構成するため、第１領域１１０ａ１と第２領域１１０ａ２とは半径１０ｍｍの接円弧１１５で滑らかに接続している。
【００４５】
ねじりバネ１５０ｂを用いる場合（図７Ａ）、カムフォロア１４０が中心軸１２０から遠い位置にある時（第２領域：紙面上接円弧１１５を挟んでｘ軸負方向側）にはバネの両端の間隔が拡げられ、弾性（位置）エネルギーが蓄積されるが、逆に運動エネルギー（加速度）は小さくなる。この時、回転運動の向心力により回転体１３０にはｘ軸正方向に加速度が生じ、また第２領域は経路長が相対的に長いため、疑似力覚発生装置１００を把持するユーザには長時間ｘ軸負方向の疑似力覚が与えられる（図１の負側の刺激に対応）。しかし、加速度が小さいため、この力は知覚されない。一方、カムフォロア１４０が中心軸１２０に近い位置にある時（第１領域：紙面上接円弧１１５を挟んでｘ軸正方向側）には、蓄積されたエネルギーが運動エネルギーに転化し、加速度が大きくなる。この時、回転運動の向心力により回転体１３０にはｘ軸負方向に加速度が生じ、また第１領域は経路長が相対的に短いため、疑似力覚発生装置１００を把持するユーザには短時間ｘ軸正方向の疑似力覚が強く与えられ（図１の正側の刺激に対応）、その結果ユーザに知覚される。
【００４６】
押しバネ１５０ｃを用いる場合（図７Ｂ）、カムフォロア１４０が中心軸１２０から近い位置にある時（第２領域：紙面上接円弧１１５を挟んでｘ軸負方向側）にはバネが圧縮されて、弾性（位置）エネルギーが蓄積されるが、逆に運動エネルギー（加速度）は小さくなる。この時、回転運動の向心力により回転体１３０にはｘ軸正方向に加速度が生じ、また第２領域は経路長が相対的に長いため、疑似力覚発生装置１００を把持するユーザには長時間ｘ軸負方向の疑似力覚が与えられる（図１の負側の刺激に対応）。しかし、加速度が小さいため、この力は知覚されない。一方、カムフォロア１４０が中心軸１２０に遠い位置にある時（第１領域：紙面上接円弧１１５を挟んでｘ軸正方向側）には、蓄積されたエネルギーが運動エネルギーに転化し、加速度が大きくなる。この時、回転運動の向心力により回転体１３０にはｘ軸負方向に加速度が生じ、また第１領域は経路長が相対的に短いため、疑似力覚発生装置１００を把持するユーザには短時間ｘ軸正方向の疑似力覚が強く与えられ（図１の正側の刺激に対応）、その結果ユーザに知覚される。
【００４７】
〔評価〕
図７Ａ（ねじりバネの場合）と図７Ｂ（押しバネの場合）のように求められた閉曲面１１０ａを有する疑似力覚発生装置２００について、回転体１３０のｘ軸方向の加速度の時間変化をシミュレーションした結果をそれぞれ図８Ａ（ねじりバネの場合）、図８Ｂ（押しバネの場合）に示す。なお、比較のため図８Ｃに従来のクランクスライダー機構により発生する加速度の時間変化を、図９に図８Ａ〜Ｃの各加速度波形の１周期分を重ね合わせたものを示す。
【００４８】
本発明の疑似力覚発生装置２００において生成される物理的な加速度は、クランクスライダー機構に比べ、疑似牽引力生成方向の逆方向（図９中、加速度正方向）の加速度のピークが小さい。つまり、より理想的な偏加速度周期刺激を与えることができる。
【００４９】
一方、ねじりバネと押しバネの両者については、波形にほとんど差が無い。そのため、装置への実装形態に応じて、設計した閉曲面に対するカムフォロアの転がりやすさや求められる小型軽量化の程度を加味し、適宜選択すればよい。
【００５０】
以上のように本発明により、反作用力を支持する基点を外部や人体に設けることなく力覚を知覚させることができ、かつ、エネルギー保存機構の採用によりエネルギーの利用効率が高い疑似力覚発生装置を実現できる。また、閉曲面を適宜設計することで、発生させる加速度の時間変化を任意に設定することができる。更に、クランクスライダー機構の場合、偏加速度周期運動を発生する構造の長さに加え、おもりを並進運動させるためのリンク機構の長さが必要になるが、本発明はおもりにあたる回転体を中心軸の周囲で回転運動させるものである。そのため、実質的におもりの移動範囲内に偏加速度周期運動を発生する構造が内包されているため、小型軽量化が見込まれる。
【実施例２】
【００５１】
本発明で用いるカムとして歯車を採用することにより、当該歯車を駆動ギアにかませ、当該駆動ギアを回転させることで、疑似力覚の発生方向を二次元的に任意に変化させることができる。
【００５２】
例えば、図１０に示すように歯車に構成したカム３１０を、駆動ギア３２０にかませる。このように構成することで、例えば駆動ギア３２０を時計回りに回転させると、カム３１０を反時計回りに回転させることができるため、疑似力覚発生方向（例えば図１０の太矢印方向）を反時計回りに変化させることができる。
【００５３】
このように、本発明の疑似力覚発生装置により、簡単な機能追加により疑似力覚の発生方向を容易に変化させることが可能となる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手応えのような力の感覚をユーザに知覚させる技術に関し、特に力の基点を必要とせず、物理的作用力の総和がゼロでありながら、人間の感覚特性を利用して、回転感覚や平行移動の感覚を任意の一方向に対して知覚させ続けることができる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
視聴覚モダリティ以外の情報提供モダリティとして、手応え、牽引力等の力覚モダリティの開発が進められている。力覚を人間に提示する手法は、力の基点を接地する接地型と、基点を拘束しない非接地型の２つに分類できる。接地型は、発生させる力覚の反作用力を支持する基点を外部や人体等に固定する形態であり、非接地型は、基点を外部や人体に持たない形態である。
【０００３】
しかし、外部に基点を固定する接地型（例えば、ＳＰＩＤＥＲやＰＨＡＮＴＯＭ等）の場合、自由な移動を伴うモバイル機器やウェアラブルコンピューティング等の分野への応用は困難である。また、基点を身体部位に固定する接地型（例えば、非特許文献１参照）の場合、提示した力覚情報の反作用力も人体に加わるため、正確な方向情報を提示することは困難であり、またユーザに対する負担が大きいという問題もある。
【０００４】
これに対し本願の発明者は、反作用力を支持する基点を外部や人体に設けることなく時間的に安定した力覚を知覚させる手法を提案した（例えば、非特許文献２参照）。この手法は、回転動力に対してリンク機構を採用し、正負の絶対値が大きく異なる加速度を発生させて、それにより疑似的な力覚を知覚させるものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】筧直之、矢野博昭、斎藤充、小木哲郎、廣瀬通孝、「没入型仮想空間における力覚提示デバイスHapticGEARの開発とその評価」、日本バーチャルリアリティ学会論文誌、2000年、Vol.5、No.4、p.113-120
【非特許文献２】雨宮智浩、安藤英由樹、前田太郎、「非接地型力覚提示装置を中空で把持したときの効果的な牽引力錯覚の生起手法」、日本バーチャルリアリティ学会論文誌、2006年、Vol.11、No.4、p.545-556
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、非特許文献２の手法は、回転動力を並進運動に変換する必要があるため、その変換に伴うエネルギーロスが大きく、エネルギーの利用効率が悪いという問題点がある。また、並進運動に変換するための機構を設ける必要があるため、装置を小型・軽量化することが困難であるという問題点もある。更に、発生させる加速度の時間変化を任意に設定することが困難であるという問題もある。すなわち、発生する加速度の時間変化の自由度はリンク機構等が有する基本構造によって制限され、回転動力の回転速度やリンク機構等の寸法の最適化だけでは発生させる加速度の時間変化を任意に設定できない。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、反作用力を支持する基点を外部や人体に設けることなく力覚を知覚させることができ、かつ、エネルギーの利用効率が高く、また、装置の小型軽量化が容易であり、更に、発生させる加速度の時間変化を任意に設定可能な疑似力覚発生装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の疑似力覚発生装置は、カムと中心軸と回転体とカムフォロアとエネルギー保存機構とを備える。
【０００９】
カムは一方の面側に閉曲面を有し、その閉曲面の内側に中心軸が回転可能に設けられる。その中心軸から上記カムの上記一方の面に対向する形で延伸された回転体を設ける。そして、上記回転体沿いに移動を制限されつつ、上記回転体の回転運動に伴い上記閉曲面に沿って移動するカムフォロアを設ける。更に、上記中心軸と上記カムフォロアとの間に上記中心軸と上記カムフォロアとの距離に依存する位置エネルギーを保存するエネルギー保存機構を設ける。上記中心軸と上記カムフォロアとの距離は、上記中心軸の回転角度に応じ、上記閉曲面の形状に従って変化する。
【００１０】
エネルギー保存機構は、発生した力で上記カムフォロアを上記閉曲面に押し付ける。上記閉曲面は第１領域と第２領域とを備え、各領域の曲面形状は、上記カムフォロアが上記閉曲面に押し付けられる力によって上記回転体に加速度が与えられ、かつ、与えられる加速度の正負と絶対値が上記カムフォロアの第１領域の通過時と第２領域の通過時とで異なるように形成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、反作用力を支持する基点を外部や人体に設けることなく力覚を知覚させることができ、かつ、エネルギーの利用効率が高く、また、装置の小型軽量化が容易であり、更に、発生させる加速度の時間変化を任意に設定可能な疑似力覚発生装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明において目標とする偏加速度周期刺激を示す図。
【図２】本発明の疑似力覚発生装置１００の構成例を示す平面図。
【図３】Ａは本発明の疑似力覚発生装置１００の構成例を示す正面図、Ｂは 本発明の疑似力覚発生装置１００の構成例を示す斜視図。
【図４】本発明の疑似力覚発生装置２００の構成例を示す平面図。
【図５】Ａは本発明の疑似力覚発生装置２００の構成例を示す正面図、Ｂは本発明の疑似力覚発生装置２００の構成例を示す斜視図。
【図６】Ａはエネルギー保存機構として引きバネ１５０ａを用いた場合の構成イメージを示す図、Ｂはエネルギー保存機構としてねじりバネ１５０ｂを用いた場合の構成イメージを示す図、Ｃはエネルギー保存機構として押しバネ１５０ｃを用いた場合の構成イメージを示す図。
【図７】Ａはエネルギー保存機構としてねじりバネ１５０ｂを採用した場合の閉曲面１１０ａの設計例を示す図、Ｂはエネルギー保存機構として押しバネ１５０ｃを採用した場合の閉曲面１１０ａの設計例を示す図。
【図８Ａ】エネルギー保存機構としてねじりバネ１５０ｂを採用した場合の加速度の時間変化のシミュレーション例を示す図。
【図８Ｂ】エネルギー保存機構として押しバネ１５０ｃを採用した場合の加速度の時間変化のシミュレーション例を示す図。
【図８Ｃ】従来のクランクスライダー機構の場合の加速度の時間変化のシミュレーション例を示す図。
【図９】図８Ａ〜Ｃに示す加速度時間変化について、それぞれ１周期分を抽出して重ね合わせた図。
【図１０】カムとして歯車を用いることにより、疑似力覚発生方向を任意に変化可能とするイメージ図。
【図１１】刺激の物理的加速度とそれに対する人間の感覚強度の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
〔力覚を知覚させる原理〕
まず、本発明において反作用力を支持する基点を外部や人体に設けることなく時間的に安定した力覚を知覚させることができる原理を説明する。
【００１５】
ある質量を持った物体の並進運動を考える。この並進運動は、疑似力覚を提示したい方向へは大きな加速度で短時間に移動し、逆の方向へは小さな加速度で長時間かけて移動するという非対称な加速度（偏加速度）を持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ユーザは、この提示方向への疑似力覚を知覚する。これは、人間の知覚特性によるものであり、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。
【００１６】
このような疑似力感の知覚に関わっていると考えられる筋紡錘の動的反応の伸張錯覚について説明する。筋紡錘（筋肉の収縮を感知して感覚を起こす骨格筋中の感覚器）の反応特性には、筋の長さが変化する時に強く興奮する動的反応と、伸ばされた筋が一定の長さに保たれるときにインパルス発射を続ける静的反応とがあり、動的反応は筋の長さの変化が比較的小さく急なときに強い（例えば「大山正、今井省吾、和気典二編：新編 感覚・知覚心理学ハンドブック、誠信書房、１９９４」参照）。そのため、短期間の大きな加速度変化は動的反応を引き起こすが、逆向きの小さな加速度は動的反応を引き起こさないため、バーチャルな力ベクトルとして知覚させることができると考えられる。
【００１７】
一方、知覚反応は一般に、図１１に示すような非線形なＳ字型の感覚強度曲線(sigmoid curve)で近似できることが知られている。図１１において横軸は人体に加えられる物理的な加速度（刺激）を示し、縦軸はその加速度が人体に加えられた際に人体が知覚する加速度（感覚強度）を示す。この図は、刺激を一周期積分すると零になる周期運動でも、このＳ字型の感覚強度曲線によって変換された感覚強度値は積分しても零になるとは限らないという特性を表している。このような特性はすなわち、ある物理的加速度の範囲において、加速度の変化を感覚的に過大評価する箇所と過小評価する箇所とが存在することを意味する。例えば、図１１において、ａからａ＋ｋに物理的加速度を変化させた場合と、ｂからｂ＋ｋに物理的加速度を変化させた場合とを比較すると、ａがｂより小さい場合、またはｆ(ａ)がｆ(ｂ)より小さい場合でも、ｆ´(ａ＋ｋ)−ｆ´(ａ)の値がｆ´(ｂ＋ｋ)−ｆ´(ｂ)の値より大きくなる領域が存在する。つまり、加速度が小さくても、ある特定の範囲（この例ではａ〜ａ＋ｋの範囲）において、急峻な加速度変化をＳ字形曲線により過大評価（ａ＋ｋの部分）して強く知覚し、緩やかな加速度変化をＳ字型曲線により過小評価（ａの部分）してほとんど知覚しないというスイートスポットが存在する。
【００１８】
従って、このようにＳ字型曲線の傾きに差が生じるスイートスポットにあたる２点をＳ字型の感覚強度曲線に基づき適宜選び、２つの加速度を連続的に逆方向に加えることで、感覚強度の差分を効果的に一方向のバーチャルな力ベクトルとして知覚させることができると考えられる。
【００１９】
また、本発明の手法における力感覚の知覚に関わっていると思われるその他の知覚特性として、皮膚表面のすべりと継時マスキングが挙げられる。前者については、皮膚表面と運動物体の接触面において、静止摩擦係数と動摩擦係数との関係により、ある加速度において並進運動の並進力が静止摩擦力を超え、すべりが生じることがある。そのため、力覚を提示したい方向に大きな加速度を加えることによりすべりを発生させることが、バーチャルな力ベクトルを知覚させる手がかりになると考えられる。後者については、時系列的に大きな力とそれと逆向きの小さな力が近接する場合、前者が後者をマスクする可能性があり、それによって小さな力は物理的に発生していても知覚されず、一方向の力として知覚させることができると考えられる。
【００２０】
〔疑似力覚発生装置の構成〕
図１に、疑似力覚を発生させるために目標とする偏加速度周期刺激を示す。このように正負の加速度の絶対値に十分な比を持たせる（例えば、ｍ：ｎ＝１：７〜１０）ことで、正方向への疑似力覚（牽引力）の提示が可能となる。
【００２１】
この偏加速度周期刺激を実現する本発明の疑似力覚発生装置１００の構成例の平面図を図２に、正面図を図３Ａに、斜視図を図３Ｂにそれぞれ示す。疑似力覚発生装置１００は、カム１１０と中心軸１２０と回転体１３０とカムフォロア１４０とエネルギー保存機構１５０とを備える。
【００２２】
カム１１０は平板状であり、一方の面側に閉曲面１１０ａを有する。閉曲面１１０ａは、例えば図２に示すようにカムの一方の面を周回する溝を掘ることにより形成することができる。
【００２３】
中心軸１２０は、閉曲面１１０ａの内側に回転可能に設けられる。
回転体１３０は、中心軸１２０からカム１１０の閉曲面１１０ａを設けた面に対向する形で延伸して設けられる。
【００２４】
カムフォロア１４０は、ローラー等からなり、回転体１３０沿いに移動を制限されつつ、回転体１３０の回転運動に伴い閉曲面１１０ａに沿って移動する。
【００２５】
エネルギー保存機構１５０は、一端が中心軸１２０に接続され、他端がカムフォロア１４０に接続される。エネルギー保存機構１５０はバネ等からなり、中心軸１２０とカムフォロア１４０との距離に依存する位置エネルギーを保存する。中心軸１２０とカムフォロア１４０との距離は、中心軸１２０の回転角度に応じ、閉曲面１１０ａの形状に従って変化するため、閉曲面１１０ａの形状に応じた位置エネルギーが保存されることになる。また、エネルギー保存機構１５０は、カムフォロア１４０が閉曲面１１０ａの形状に沿って滑らかに移動するように、発生した力によってカムフォロア１４０を閉曲面１１０ａに押し付ける。
【００２６】
回転体１３０は所定の質量ｍを有し、その回転の加速度を制御することにより疑似力覚を発生させる。回転体１３０の回転力は、当初はモータ１６０により中心軸１２０を通じて与えられるが、回転開始後はその与えられたエネルギーがカムフォロア１４０を通じてエネルギー保存機構１５０に保存される。これが閉曲面１１０ａの形状に応じてカムフォロア１４０を通じて回転体１３０にフィードバックされ、更に、閉曲面１１０ａの形状に応じてカムフォロア１４０を通じてエネルギー保存機構１５０に再び保存されるという繰り返しにより回転が維持される。もっとも、このような繰り返しによる回転の維持は、摩擦等のエネルギー損失が無く、当該運動過程におけるエネルギーの総和が保存され運動エネルギーと位置エネルギーの総和が一定に維持されることが前提である。しかし、実際には損失が生じるため、例えば、モータ１６０と中心軸１２０との間に単方向クラッチ１７０を挿入し、回転力が足りなくなった時にだけモータ１６０から回転力を供給可能なように構成することが考えられる。
【００２７】
エネルギー保存機構１５０に保存されたエネルギーは、例えばエネルギー保存機構１５０が引きバネの場合には、閉曲面１１０ａの形状に応じたバネの伸縮により出し入れされる。すなわち、中心軸１２０とカムフォロア１４０との距離が遠くなりバネが伸びる時には運動エネルギーから位置エネルギーへの変換がなされ、距離が近くなりばねが縮まる時には位置エネルギーから運動エネルギーへの変換がなされる。つまり、閉曲面１１０ａの形状を適宜設計することで、運動エネルギーの発生度合を変化させ、カムフォロア１４０を通じて回転体１３０に任意の加速度を与えることができる。
【００２８】
なお、回転体１３０を回転させることにより、閉曲面１１０ａの形状に応じた疑似力覚を発生することができるが、特定の方向（例えば図２のｘ軸方向）に安定的に力覚を発生させるには、疑似力覚発生装置１００と同じ構成の疑似力覚発生装置１００´（カム１１０´と中心軸１２０´と回転体１３０´とカムフォロア１４０´とエネルギー保存機構１５０´とを備える）を、図４の平面図、図５Ａの正面図、図５Ｂの斜視図に示すように、カム１１０の閉曲面１１０ａを設けていない方の面に面対称に設ける。そして回転体１３０と回転体１３０´とを逆方向に、かつ、疑似力覚を提示したい方向軸上（ここではｘ軸方向）で両回転体が重なり合うように回転させる。このように構成することで、ｙ軸方向の加速度が打ち消され、ｘ軸方向の加速度のみを残すことができる。なお、この場合に１つのモータで中心軸１２０と中心軸１２０´の両方を回転させたい時には、例えば両中心軸間に逆回転機構１８０を挿入すればよい。
【００２９】
〔閉曲面の設計〕
以下、疑似力覚発生装置１００と疑似力覚発生装置１００´とを組み合わせて構成した疑似力覚発生装置２００により、ｘ軸方向に図１に示すような十分な比の偏加速度が出力されるよう、ｘ軸方向に対する２つの一定加速度（高加速域（以下、「第１領域１１０ａ１」という。）及び低加速域（以下、「第２領域１１０ａ２」という。））を発生させる閉曲面１１０ａの形状（輪郭）を算出する。ここでは、まずエネルギー保存機構１５０として引きバネ１５０ａを用いる場合について算出する。
【００３０】
図４に示すような中心軸１２０を中心としたｘｙ平面において、バネ定数ｋの引きバネ１５０ａで引っ張られるカムフォロア１４０の中心軸１２０からの距離をｒ、ｘ軸からの傾きをθとする。なお、ｒはθの関数である。質量ｍの回転体１３０の重心の回転半径をＲとすると、慣性モーメントＭはＭ＝ｍ×Ｒ2で求められる。従ってこの系のラグランジアンは式(1)で表わすことができる。
【００３１】
【数１】
【００３２】
ラグランジュの方程式を用いると回転体１３０の角速度は式(2)のようになる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
回転体１３０の重心の位置をｘ座標で表すと、ｘ＝Ｒ・cosθとなるため、回転体１３０のｘ軸方向の加速度は式(3)で与えられる。
【００３５】
【数３】
【００３６】
式(2)、(3)より引きバネ１５０ａを用いた場合の閉曲面１１０ａの形状（輪郭）は式(4)より求めることができる。
【００３７】
【数４】
【００３８】
つまり、式(4)を満たすように各パラメータを適宜設定することにより、発生させる加速度の時間変化を任意に設定することができる。
【００３９】
もっとも、エネルギー保存機構１５０として引きバネ１５０ａを用いる場合、自然長を半径とした円の面積だけ装置が大型化してしまう。そこで、小型化のためにねじりバネ１５０ｂを２つ向かい合わせに接合したバネや押しバネ１５０ｃを用いることが考えられる。各バネの利用イメージを図６Ａ〜Ｃに示す。
【００４０】
エネルギー保存機構１５０としてねじりバネ１５０ｂを用いる場合には、バネの両端の距離が中心軸１２０からカムフォロア１４０までの距離ｒとなるため、バネ定数ｋを式(5)から求め、これを式(4)に代入して閉曲面１１０ａの形状を計算する。なお、ｋtwはねじりバネ１５０ｂのバネ定数であり、Ｌはねじりバネ１５０ｂの荷重作用半径である。
【００４１】
【数５】
【００４２】
また、エネルギー保存機構１５０として押しバネ１５０ｃを用いる場合には、カムフォロア１４０は図６Ｃに示すように内側から閉曲面１１０ａを押さえつけるようにして移動する。そのため、ラグランジアンＬを式(1)ではなく式(6)により求めた上で閉曲面１１０ａの形状を計算する。なお、ｋcomは押しバネ１５０ｃのバネ定数、ｒ0は押しバネ１５０ｃの自然長である。
【００４３】
【数６】
【００４４】
式(4)をもとに計算した高加速域である第１領域１１０ａ１と低加速域である第２領域１１０ａ２とを実現する閉曲面１１０ａの輪郭を、ねじりバネ１５０ｂについて図７Ａに、押しバネ１５０ｃについて図７Ｂに示す。なお、Ｒ＝２０ｍｍ、ｍ＝４０ｇ、第１領域１１０ａ１での加速度ａ1＝４５０ｍ／ｓ2、第２領域１１０ａ２での加速度ａ2＝５０ｍ／ｓ2、ｋtw＝１．６７６Ｎ・ｍｍ／ｄｅｇ、Ｌ＝４８ｍｍ、ｋcom＝０．２７８Ｎ／ｍｍ、ｒ0＝６０ｍｍとして計算している。また、カムフォロア１４０が第１領域１１０ａ１と第２領域１１０ａ２との間をスムーズに移動できるように構成するため、第１領域１１０ａ１と第２領域１１０ａ２とは半径１０ｍｍの接円弧１１５で滑らかに接続している。
【００４５】
ねじりバネ１５０ｂを用いる場合（図７Ａ）、カムフォロア１４０が中心軸１２０から遠い位置にある時（第２領域：紙面上接円弧１１５を挟んでｘ軸負方向側）にはバネの両端の間隔が拡げられ、弾性（位置）エネルギーが蓄積されるが、逆に運動エネルギー（加速度）は小さくなる。この時、回転運動の向心力により回転体１３０にはｘ軸正方向に加速度が生じ、また第２領域は経路長が相対的に長いため、疑似力覚発生装置１００を把持するユーザには長時間ｘ軸負方向の疑似力覚が与えられる（図１の負側の刺激に対応）。しかし、加速度が小さいため、この力は知覚されない。一方、カムフォロア１４０が中心軸１２０に近い位置にある時（第１領域：紙面上接円弧１１５を挟んでｘ軸正方向側）には、蓄積されたエネルギーが運動エネルギーに転化し、加速度が大きくなる。この時、回転運動の向心力により回転体１３０にはｘ軸負方向に加速度が生じ、また第１領域は経路長が相対的に短いため、疑似力覚発生装置１００を把持するユーザには短時間ｘ軸正方向の疑似力覚が強く与えられ（図１の正側の刺激に対応）、その結果ユーザに知覚される。
【００４６】
押しバネ１５０ｃを用いる場合（図７Ｂ）、カムフォロア１４０が中心軸１２０から近い位置にある時（第２領域：紙面上接円弧１１５を挟んでｘ軸負方向側）にはバネが圧縮されて、弾性（位置）エネルギーが蓄積されるが、逆に運動エネルギー（加速度）は小さくなる。この時、回転運動の向心力により回転体１３０にはｘ軸正方向に加速度が生じ、また第２領域は経路長が相対的に長いため、疑似力覚発生装置１００を把持するユーザには長時間ｘ軸負方向の疑似力覚が与えられる（図１の負側の刺激に対応）。しかし、加速度が小さいため、この力は知覚されない。一方、カムフォロア１４０が中心軸１２０に遠い位置にある時（第１領域：紙面上接円弧１１５を挟んでｘ軸正方向側）には、蓄積されたエネルギーが運動エネルギーに転化し、加速度が大きくなる。この時、回転運動の向心力により回転体１３０にはｘ軸負方向に加速度が生じ、また第１領域は経路長が相対的に短いため、疑似力覚発生装置１００を把持するユーザには短時間ｘ軸正方向の疑似力覚が強く与えられ（図１の正側の刺激に対応）、その結果ユーザに知覚される。
【００４７】
〔評価〕
図７Ａ（ねじりバネの場合）と図７Ｂ（押しバネの場合）のように求められた閉曲面１１０ａを有する疑似力覚発生装置２００について、回転体１３０のｘ軸方向の加速度の時間変化をシミュレーションした結果をそれぞれ図８Ａ（ねじりバネの場合）、図８Ｂ（押しバネの場合）に示す。なお、比較のため図８Ｃに従来のクランクスライダー機構により発生する加速度の時間変化を、図９に図８Ａ〜Ｃの各加速度波形の１周期分を重ね合わせたものを示す。
【００４８】
本発明の疑似力覚発生装置２００において生成される物理的な加速度は、クランクスライダー機構に比べ、疑似牽引力生成方向の逆方向（図９中、加速度正方向）の加速度のピークが小さい。つまり、より理想的な偏加速度周期刺激を与えることができる。
【００４９】
一方、ねじりバネと押しバネの両者については、波形にほとんど差が無い。そのため、装置への実装形態に応じて、設計した閉曲面に対するカムフォロアの転がりやすさや求められる小型軽量化の程度を加味し、適宜選択すればよい。
【００５０】
以上のように本発明により、反作用力を支持する基点を外部や人体に設けることなく力覚を知覚させることができ、かつ、エネルギー保存機構の採用によりエネルギーの利用効率が高い疑似力覚発生装置を実現できる。また、閉曲面を適宜設計することで、発生させる加速度の時間変化を任意に設定することができる。更に、クランクスライダー機構の場合、偏加速度周期運動を発生する構造の長さに加え、おもりを並進運動させるためのリンク機構の長さが必要になるが、本発明はおもりにあたる回転体を中心軸の周囲で回転運動させるものである。そのため、実質的におもりの移動範囲内に偏加速度周期運動を発生する構造が内包されているため、小型軽量化が見込まれる。
【実施例２】
【００５１】
本発明で用いるカムとして歯車を採用することにより、当該歯車を駆動ギアにかませ、当該駆動ギアを回転させることで、疑似力覚の発生方向を二次元的に任意に変化させることができる。
【００５２】
例えば、図１０に示すように歯車に構成したカム３１０を、駆動ギア３２０にかませる。このように構成することで、例えば駆動ギア３２０を時計回りに回転させると、カム３１０を反時計回りに回転させることができるため、疑似力覚発生方向（例えば図１０の太矢印方向）を反時計回りに変化させることができる。
【００５３】
このように、本発明の疑似力覚発生装置により、簡単な機能追加により疑似力覚の発生方向を容易に変化させることが可能となる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面側に閉曲面を有する平板状のカムと、
上記閉曲面の内側に回転可能に設けられる中心軸と、
上記中心軸から上記カムの上記一方の面に対向する形で延伸して設けられる回転体と、
上記回転体沿いに移動を制限されつつ、上記回転体の回転運動に伴い上記閉曲面に沿って移動するカムフォロアと、
上記中心軸と上記カムフォロアとの間に設けられ、上記中心軸と上記カムフォロアとの距離に依存する位置エネルギーを保存し、発生した力で上記カムフォロアを上記閉曲面に押し付けるエネルギー保存機構と、
を備え、
上記中心軸と上記カムフォロアとの距離は、上記中心軸の回転角度に応じ、上記閉曲面の形状に従って変化し、
上記閉曲面は第１領域と第２領域とを備え、各領域の曲面形状は、上記カムフォロアが上記閉曲面に押し付けられる力によって上記回転体に加速度が与えられ、かつ、上記回転体に与えられる加速度の正負と絶対値が上記カムフォロアの第１領域通過時と第２領域通過時とで異なるように形成された
疑似力覚発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の疑似力覚発生装置であって、
上記閉曲面の各領域の曲面形状は、上記カムフォロアが上記回転体に与えられる加速度の絶対値が大きい第１領域を通過する時間の方が、加速度の絶対値が小さい第２領域を通過する時間より短くなるように形成された
疑似力覚発生装置。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の疑似力覚発生装置であって、
上記閉曲面の各領域の曲面形状は、上記回転体の加速度とその加速度を人体に加えた際に人体が知覚する知覚強度との関係を示すＳ字型曲線の傾きが、上記カムフォロアが上記第１領域を通過中の加速度の時の傾きの方が、上記第２領域を通過中の加速度の時の傾きより大きくなるように形成された疑似力覚発生装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の疑似力覚発生装置であって、
上記閉曲面は、上記カムの上記一方の面を周回する溝を掘ることにより形成される疑似力覚発生装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の疑似力覚発生装置であって、
上記閉曲面の第１領域と第２領域とは、滑らかに接続される疑似力覚発生装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の疑似力覚発生装置のカムの他方の面側に、同じ疑似力覚発生装置を面対称に設け、
各回転体は、互いに逆方向に回転し、かつ、疑似力覚を発生させたい方向軸上で互いに重なり合う疑似力覚発生装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の疑似力覚発生装置であって、
上記カムは歯車であり、
更に設けた駆動ギアを上記歯車にかませ、当該駆動ギアを回転させることにより、上記カムの向きを変化させることを可能とした疑似力覚発生装置。
【請求項１】
一方の面側に閉曲面を有する平板状のカムと、
上記閉曲面の内側に回転可能に設けられる中心軸と、
上記中心軸から上記カムの上記一方の面に対向する形で延伸して設けられる回転体と、
上記回転体沿いに移動を制限されつつ、上記回転体の回転運動に伴い上記閉曲面に沿って移動するカムフォロアと、
上記中心軸と上記カムフォロアとの間に設けられ、上記中心軸と上記カムフォロアとの距離に依存する位置エネルギーを保存し、発生した力で上記カムフォロアを上記閉曲面に押し付けるエネルギー保存機構と、
を備え、
上記中心軸と上記カムフォロアとの距離は、上記中心軸の回転角度に応じ、上記閉曲面の形状に従って変化し、
上記閉曲面は第１領域と第２領域とを備え、各領域の曲面形状は、上記カムフォロアが上記閉曲面に押し付けられる力によって上記回転体に加速度が与えられ、かつ、上記回転体に与えられる加速度の正負と絶対値が上記カムフォロアの第１領域通過時と第２領域通過時とで異なるように形成された
疑似力覚発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の疑似力覚発生装置であって、
上記閉曲面の各領域の曲面形状は、上記カムフォロアが上記回転体に与えられる加速度の絶対値が大きい第１領域を通過する時間の方が、加速度の絶対値が小さい第２領域を通過する時間より短くなるように形成された
疑似力覚発生装置。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の疑似力覚発生装置であって、
上記閉曲面の各領域の曲面形状は、上記回転体の加速度とその加速度を人体に加えた際に人体が知覚する知覚強度との関係を示すＳ字型曲線の傾きが、上記カムフォロアが上記第１領域を通過中の加速度の時の傾きの方が、上記第２領域を通過中の加速度の時の傾きより大きくなるように形成された疑似力覚発生装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の疑似力覚発生装置であって、
上記閉曲面は、上記カムの上記一方の面を周回する溝を掘ることにより形成される疑似力覚発生装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の疑似力覚発生装置であって、
上記閉曲面の第１領域と第２領域とは、滑らかに接続される疑似力覚発生装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の疑似力覚発生装置のカムの他方の面側に、同じ疑似力覚発生装置を面対称に設け、
各回転体は、互いに逆方向に回転し、かつ、疑似力覚を発生させたい方向軸上で互いに重なり合う疑似力覚発生装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の疑似力覚発生装置であって、
上記カムは歯車であり、
更に設けた駆動ギアを上記歯車にかませ、当該駆動ギアを回転させることにより、上記カムの向きを変化させることを可能とした疑似力覚発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２１００１０（Ｐ２０１０−２１００１０Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５６６３９（Ｐ２００９−５６６３９）
【出願日】平成２１年３月１０日（２００９．３．１０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 発行者名 特定非営利活動法人日本バーチャルリアリティ学会 刊行物名 第１３回日本バーチャルリアリティ学会大会論文抄録集（１Ｄ２−６） 日本バーチャルリアリティ学会第１３回大会論文集（ｐ．３１３−３１６） 発行年月日 ２００８年９月２４日
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１０日（２００９．３．１０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 発行者名 特定非営利活動法人日本バーチャルリアリティ学会 刊行物名 第１３回日本バーチャルリアリティ学会大会論文抄録集（１Ｄ２−６） 日本バーチャルリアリティ学会第１３回大会論文集（ｐ．３１３−３１６） 発行年月日 ２００８年９月２４日
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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