非接地型力覚提示装置
【課題】物体を把持した状態で手を動かした際の慣性力の感覚を人の手に提示するための力覚提示装置を提供する。
【解決手段】力覚提示装置１００は、ガイド部１０２と保持用取手部１０４とがＴ字型に組み合わされている。押圧部１１０ａと１１０ｂとは、それぞれ、スライダ１１２ａと１１２ｂと
によりガイド部１０２に沿って移動可能なようにガイド部１０２に取り付けられている。力覚提示装置１００の位置および加速度がマーカ２０４〜２０８を用いたモーションキャプチャにより検知される。押圧部１１０ａと１１０ｂとが、ユーザの把持に応じて、力覚付与部１２０に接すると、以後は、力覚付与部１２０は、押圧部１１０ａと１１０ｂとに対して、仮想物体からの手の運動に伴う慣性力に対応した反力を加える。
【解決手段】力覚提示装置１００は、ガイド部１０２と保持用取手部１０４とがＴ字型に組み合わされている。押圧部１１０ａと１１０ｂとは、それぞれ、スライダ１１２ａと１１２ｂと
によりガイド部１０２に沿って移動可能なようにガイド部１０２に取り付けられている。力覚提示装置１００の位置および加速度がマーカ２０４〜２０８を用いたモーションキャプチャにより検知される。押圧部１１０ａと１１０ｂとが、ユーザの把持に応じて、力覚付与部１２０に接すると、以後は、力覚付与部１２０は、押圧部１１０ａと１１０ｂとに対して、仮想物体からの手の運動に伴う慣性力に対応した反力を加える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人に力覚を提示する力覚提示装置に関し、特に、仮想物体を把持した状態で仮想物体から受ける慣性力（慣性質量）の感覚を人の手に提示するための非接地型力覚提示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、仮想現実感を人に提示する技術の研究が盛んに行なわれている。このような技術の代表的なものに、バーチャルリアリティ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）やミクストリアリティ（Ｍｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）がある。バーチャルリアリティとは、コンピュータグラフィックスや音響効果を組み合わせて、 人工的に現実感を作り出す技術で
ある。ミクストリアリティとは、インタラクティブな３次元コンピュータグラフィックスと実空間を融合させる技術である。
【０００３】
これらの仮想現実感を提示する技術は、たとえば、業務用や家庭用のゲーム機などでの利用の他、たとえば、医学教育の分野でも力覚提示デバイスを応用して、触診により病巣を発見するための練習機器としての利用のなどのために研究が進められている。
【０００４】
仮想現実感の提示にあたっては、実際に物体があるかのように人の五感に刺激を与える必要がある。特に、力覚の提示は、仮想現実感の生成に重要である。力覚提示の研究は、これまでからなされており、力覚を提示するデバイスは、すでにいくつか開発されている。
【０００５】
図１は、力覚提示デバイスの代表的なものである、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）（例えば、非特許文献１を参照）の外観を示す図である。図１を参照して、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）は、ペン形のスタイラス２０００を備える。また、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）は、スタイラス２０００に力を与えるモータを備える。モータがスタイラス２０００に与える力は、スタイラス２０００の位置に応じて定められている。したがって、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）のユーザは、スタイラス２０００をつかんで動かすと、スタイラスの位置に応じて、硬い、柔らかいなどの力覚を感じる。
【０００６】
これまでに、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）を用いた仮想現実感の提示について様々な研究がなされている。例えば、非特許文献２には、力覚提示装置ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）で提示する力覚情報と、物に触れたときに発生する音声情報とをユーザに同時に提示し触ったときの臨場感を高める研究についての開示がある。非特許文献２には、様々なものに触れたときの触れ方をＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）が検知し、それに適合する音を自動生成するプログラムが開示されている。
【０００７】
ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）と同様によく知られている力覚提示デバイスに、ＳＰＩＤＡＲがある（例えば、非特許文献３、非特許文献４を参照）。ＳＰＩＤＡＲの外観を図２に示す。ＳＰＩＤＡＲは、力覚ポインタ３１００と、力覚ポインタ３１００に接続された複数のワイヤ３２００とを備える。ＳＰＩＤＡＲは、各ワイヤ３２００の長さから力覚ポインタ３１００の位置および姿勢を計算し、位置および姿勢に応じた力覚をワイヤ３２００の張力により提示する。
【０００８】
ここで、非特許文献５では、ＳＰＩＤＡＲのようなワイヤ駆動型力覚ディスプレイにおいて、安定な力覚提示を実現するために、提示力の正確性とともに、ワイヤ張力の連続性を考慮して、張力を計算するアルゴリズムについて開示されている。
【０００９】
一方、ジャイロモーメントを利用した回転トルクを提示するデバイス（非特許文献６を参照）や、知覚の非線形性を利用した不連続的な力覚提示デバイス（非特許文献７を参照）なども開発されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｅｎｓａｂｌｅ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ−ｈａｐｔｉｃ−ｄｅｖｉｃｅｓ．ｈｔｍ
【非特許文献２】Ｊｕａｎ Ｌｉｕ，Ｈｉｒｏｓｈｉ Ａｎｄｏ “Ｈｅａｒｉｎｇ Ｈｏｗ Ｙｏｕ Ｔｏｕｃｈ： Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｔａｃｔ Ｓｏｕｎｄｓ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒｙ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ”、ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｈｕｍａｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ （ＨＳＩ ２００８）、２００８年５月
【非特許文献３】赤羽ら“１０ｋＨｚの更新周波数による高解像度ハプティックレンダリング”、日本バーチャルリアリティ学会論文誌、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．３、ｐｐ．２１７−２２６（２００４）
【非特許文献４】長谷川晶一、井上雅晴、金時学、佐藤誠、“張力型力覚提示装置のための張力計算法”、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．６、ｐｐ．１〜６（２００４）
【非特許文献５】井上雅晴、長谷川晶一、金時学、佐藤誠、“２次計画法を用いたワイヤ駆動型力覚ディスプレイのための張力計算アルゴリズム”、日本バーチャルリアリティ学会第６回大会論文集（２００１年９月）、ｐｐ．９１−９４
【非特許文献６】吉江将之、矢野博明、岩田洋夫、”ジャイロモーメントを用いた力覚呈示装置”、日本ＶＲ学会論文誌Vol.7 No.3(2002)
【非特許文献７】雨宮智浩、安藤英由樹、前田太郎、”知覚の非線形性を利用した非接触型力覚インタフェース”，ヒューマンインタフェースシンポジウム2005,pp.605-608
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記のＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）やＳＰＩＤＡＲは、据え置き型（接地型）の装置であるため、力覚を提示できる範囲が装置の設置場所に限られるという問題がある。また、物体を複数の指で把持したときの感覚を提示するのには、向いていない。これらの装置を用いて、力覚を複数の箇所に提示することは難しい。これらの装置は、各々、力覚を提示する箇所が１ヶ所であり、力覚を複数の箇所に提示することはできない。
【００１２】
一方、据え置き型でない（非接地型）携帯型の力覚提示デバイスには、手袋型反力提示デバイスなどがある。これらの非接地型のデバイスでは、把持感覚のように作用反作用が打ち消しあう力覚は提示できるが、仮想物体の重力質量に働く重力や慣性質量に働く慣性力のような力は提示できない。
【００１３】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、物体を把持した感覚を人の手に提示するとともに、仮想物体に働くと想定される慣性力を提示ための非接地型力覚提示装置を提供することを課題とする。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、携帯型の非接地型力覚提示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明の１つの局面に従うと、ユーザの手によって支持されるものと想定される仮想物体からの慣性力を前記ユーザに提示するための非接地型力覚提示装置であって、ユーザが把持する把持部と、力覚提示装置の加速度の向きおよび大きさを検出するための運動検出手段と、把持部に提示される反力の源となる駆動力を発生する駆動部と、運動検出部からの加速度の情報と仮想物体の質量の情報とに基づいて、仮想物体の運動に相当する慣性力を算出して、慣性力に対応する反力を発生するように駆動部を制御する反力制御部とを備える。
【００１６】
好ましくは、把持部は、ユーザが把持に使用する２つ指からの押圧力をそれぞれ受ける第１および第２の押圧部を含み、押圧力による第１および第２の押圧部の変位に応じた反力を第１および第２の押圧部に対してそれぞれ与える力覚提示部をさらに備え、駆動部は、慣性力に対応して異なる反力を第１および第２の押圧部にそれぞれ与えるために、反力の源となる駆動力を発生する。
【００１７】
好ましくは、反力制御部は、仮想物体の固さに応じて、第１および第２の押圧部に与える反力を算出して、駆動力を制御する。
【００１８】
好ましくは、運動検出手段は、加速度センサである。
好ましくは、運動検出手段は、モーションキャプチャ装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の非接地型力覚提示装置では、仮想物体を把持した状態で仮想物体から受ける慣性力（慣性質量）の感覚を人の手に提示することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）の外観を示す図である。
【図２】ＳＰＩＤＡＲの外観を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の力覚提示システム１０００の構成を示す機能ブロック図である。
【図４】力覚提示装置１００をユーザが把持した状態を示す外観図である。
【図５】コンピュータ２００の構成を示すブロック図である。
【図６】力覚提示装置１００の構成を示す図である。
【図７】力覚提示システム１０００の動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部分には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００２２】
（１．全体構成）
図３は、本発明の実施の形態の力覚提示システム１０００の構成を示す機能ブロック図である。
【００２３】
力覚提示システム１０００は、非接地型の力覚提示装置１００と、システムの制御を行なうためのコンピュータ２００と、力覚提示装置１００の空間内の位置および運動を検出するための位置検出センサ２０２と、力覚提示装置１００からの信号を受けて、コンピュータ２００に対応する信号に変換して出力し、かつ、コンピュータからの制御コマンドに従って、力覚提示装置１００の提示する反力の大きさを制御するための力覚提示装置制御部３００と、コンピュータ２００からの画像信号出力に応じて、対応する画像を表示するディスプレイ４００とを含む。つまり、力覚提示装置制御部３００は、コンピュータ２００と力覚提示装置１００とのインタフェース装置として機能する。
【００２４】
後に詳しく説明するように、力覚提示装置１００は、ユーザが仮想物体をつかんだときに仮想物体から受ける力を提示する。ここで、仮想物体がユーザに与える力（反力）の特性は、力覚提示装置１００内で、駆動力を応力に変換する機構により、決定される。
【００２５】
位置検出センサ２０２としては、たとえば、力覚提示装置１００に付けられた球形マーカ２０４，２０６，２０８を撮影して、この３つのマーカの位置及び向きにより、力覚提示装置１００の位置と動きを検出するモーションキャプチャ装置を用いることができる。なお、位置検出センサ２０２およびその信号を処理する位置検出部２１０とは、力覚提示装置１００の空間内での位置と向きならびに動きを検出できる機構であれば、必ずしも、このような構成に限定されるものではない。
【００２６】
ディスプレイ４００に表示される画像は、少なくとも、仮想空間内に存在する物体の画像を含む。このとき、これを把持しようとするユーザの手を表す仮想的な画像が表示されても良い。この場合は、ユーザはディスプレイ４００上に表示される物体の画像とユーザの手の画像により、仮想的に物体を把持する状態を視覚的に確認することができる。
【００２７】
あるいは、物体の画像を周知の方法で立体画像として表示してもよい。このときは、ユーザは、このような物体の立体画像と自分自身の現実の手を視認しながら把持する構成となる。
【００２８】
なお、ディスプレイ４００は、図３においては、フラットパネルディスプレイとして図示されているが、必ずしもこのような構成に限定されるものではなく、たとえば、プロジェクタにより画像を映し出す構成であっても良いし、あるいは、ヘッドマウントディスプレイのようなものであってもよい。
【００２９】
コンピュータ２００の動作については、後に、さらに説明する。
図４は、力覚提示装置１００をユーザが把持した状態を示す外観図である。
【００３０】
以下の説明で明らかとなるように、力覚提示装置１００は、ユーザの手によって支持され、他のものによっては支持されない状態であると想定される仮想物体からの慣性力をユーザに提示できるものである。このため、力覚提示装置１００は、据え置きされず、接地していない。
【００３１】
図４に示すように、力覚提示装置１００は、ガイド部１０２と保持用取手部１０４とがＴ字型に組み合わされている。ユーザが把持する部分である押圧部１１０ａと１１０ｂとは、それぞれ、スライダ１１２ａと１１２ｂとによりガイド部１０２に沿って移動可能なようにガイド部１０２に取り付けられている。したがって、押圧部１１０ａと１１０ｂとは、ユーザの指（図４では、人差し指と親指）による把持によって、ガイド部１０２をガイドとしてスライドする。
【００３２】
押圧部１１０ａと１１０ｂとが、ユーザの把持に応じて、力覚付与部１２０に接すると、以後は、力覚付与部１２０は、後に説明する機構により、押圧部１１０ａと１１０ｂとに対して、仮想物体からの反力に相当する力を加える。ここで、力覚提示装置１００の運動（ユーザの手の運動）により、仮想物体からユーザの指に慣性力に相当する力が加わるとコンピュータ２００が判断した場合は、力覚付与部１２０から押圧部１１０ａと１１０ｂとに加わる力は、不均一な力となり、加速度の方向の慣性力を生じる。
【００３３】
なお、図４においては、説明の簡単のために、力覚付与部１２０を簡単化された外観で示している。押圧部１１０ａと１１０ｂが力覚付与部１２０に与える圧力に関する情報は、力覚提示装置制御部３００を介して、コンピュータ２００に送信される。すなわち、後に説明するように、力覚付与部１２０の側面と押圧部１１０ａと１１０ｂが、それぞれ接する面には、圧力を検知するための圧力センサ（図示せず）が設けられている。
【００３４】
また、保持用取手部１０４の内部には、上記反力の源となる駆動力を発生するための駆動部（図示せず）が設けられており、この駆動力が、仮想物体からの反力に相当する力として、力覚付与部１２０から押圧部１１０ａと１１０ｂに加えられる。
【００３５】
再び、図３にもどって、コンピュータ２００において、位置検出部２１０は、位置検出センサ２０２からの信号に応じて、力覚提示装置１００の向きおよび空間内の位置ならびに位置の時間変化（加速度の大きさおよび方向）を検出するとともに、力覚提示装置１００からの信号に基づいて、押圧部１１０ａと１１０ｂの位置をそれぞれ検出する。把持物体情報記憶部２２０には、仮想物体の形状、位置、固さ、質量等の仮想物体の属性に関する情報が格納されている。
【００３６】
仮想画像生成部２４０は、把持物体情報記憶部２２０に格納された情報に基づいて、ディスプレイ４００に仮想物体の画像を表示する。さらに、仮想画像生成部２４０は、位置検出部２１０からの力覚提示装置１００の位置と向きならびに押圧部１１０ａと１１０ｂの位置に基づいて、対応する仮想的なユーザの手の画像を生成し、ディスプレイ４００に当該画像を表示する。
【００３７】
なお、力覚提示装置１００の位置に応じて、把持物体情報記憶部２２０に格納された情報に基づき、仮想画像生成部２４０は、ディスプレイ４００に表示する仮想物体の画像を更新してもよい。たとえば、仮想画像生成部２４０は、当初は、第１の仮想物体の画像を表示させ、力覚提示装置１００の位置の変化に応じて、別の第２の仮想物体の画像を表示させる、といった制御を行なってもよい。
【００３８】
また、反力制御部２３０は、位置検出部２１０からの情報と把持物体情報記憶部２２０に格納された情報とに従って、力覚提示装置１００における反力として、力覚付与部１２０が出力する駆動力を制御するためのコマンドを力覚提示装置制御部３００に対して出力する。
【００３９】
図５に、コンピュータ２００の構成をブロック図形式で示す。図５に示されるようにこのコンピュータ２００は、光学ディスクドライブ５０およびＦＤドライブ５２に加えて、それぞれバス６６に接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit ）５６と、ＲＯＭ（Read Only Memory) ５８と、RAM （Random Access Memory）６０と、ハードディスク５４と、通信インタフェース６８とを含んでいる。光学ディスクドライブ５０にはＣＤ−ＲＯＭ（またはＤＶＤ−ＲＯＭ）６２が装着される。ＦＤドライブ５２にはＦＤ６４が装着される。
【００４０】
力覚提示システム１０００が提供する仮想現実感は、コンピュータハードウェアと、ＣＰＵ５６により実行されるソフトウェアとにより実現される。一般的にこうしたソフトウェアはＣＤ−ＲＯＭ（またはＤＶＤ−ＲＯＭ）６２、ＦＤ６４等の記憶媒体に格納されて流通し、光学ドライブ５０またはＦＤドライブ５２等により記憶媒体から読取られてハードディスク５４に一旦格納される。または、当該装置がネットワークに接続されている場合には、ネットワーク上のサーバから一旦ハードディスク５４にコピーされる。そうしてさらにハードディスク５４からＲＡＭ６０に読出されてＣＰＵ５６により実行される。なお、ネットワーク接続されている場合には、ハードディスク５４に格納することなくＲＡＭ６０に直接ロードして実行するようにしてもよい。
【００４１】
このようにして、ＣＰＵ５６が実行する機能が、図３における位置検出部２１０、仮想画像生成部２４０、反力制御部２３０の機能に対応し、把持物体情報記憶部２２０は、たとえば、ハードディスク５４またはＲＡＭ６０などの記憶装置に対応する。
【００４２】
図５に示したコンピュータのハードウェア自体およびその動作原理は一般的なものである。したがって、本発明においてユーザに把持感覚を仮想的に提示する処理の一部を担うのは、ＣＤ−ＲＯＭ（またはＤＶＤ−ＲＯＭ）６２、ＦＤ６４、ハードディスク５４等の記憶媒体に記憶されたソフトウェアである。
【００４３】
（２．力覚提示部）
図６は、力覚提示装置１００の具体的な詳細構成を示す図である。図６（ａ）は上面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＶＩＩａ−ＶＩＩａ’断面の正面側の断面図であり、図６（ｃ）は、図６（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ’断面の側面側の断面図である。
【００４４】
上述のとおり、押圧部（指置き台）１１０ａと１１０ｂとは、それぞれ、スライダ１１２ａと１１２ｂとによりガイド部１０２に沿って移動可能なようにガイド部１０２に取り付けられている。
【００４５】
力覚提示装置１００は、さらに、コイル状ばね１３０によりワイヤ１６１ａおよび１６１ｂを介して、それぞれ内側の滑車に力を受けるプーリー１３２ａおよび１３２ｂを含む。プーリー１３２ａおよび１３２ｂの外側の滑車によりワイヤ１６１ａおよび１６１ｂを介して、それぞれスライダ１１２ａと１１２ｂとが引張り力を受けるので、自由状態では、押圧部１１０ａと１１０ｂとは、このコイル状ばね１３０の自然長で決まる所定の間隔で隔てられることになり、ユーザが指で、押圧部１１０ａと１１０ｂとを把持することで、押圧部１１０ａと１１０ｂとは、力覚付与部１２０に接触するまで移動する。
【００４６】
一方、押圧部１１０ａと１１０ｂに力覚を提示するための力覚提示機構は、力覚付与部１２０と、保持用取手部１０４内に設けられている駆動部１４０ａ、１４０ｂと、駆動部１４０ａ，１４０ｂで発生した力を力覚付与部１２０に伝達するための駆動軸１５０ａ，１５０ｂおよびプーリー１５１ａ，１５１ｂと、駆動部１４０ａ，１４０ｂで発生した力を力覚付与部１２０に伝達するためのワイヤ１６２ａと１６２ｂとを含む。
【００４７】
ワイヤ１６２ａは、プーリー１５１ａに掛けられており、駆動軸１５０ａに巻き取られることで、スライダ１２６ａに駆動部１４０ａからの力を伝達し、ワイヤ１６２ｂは、プーリー１５１ｂに掛けられており、駆動軸１５０ｂに巻き取られることで、スライダ１２６ｂに駆動部１４０ｂからの力を伝達する。
【００４８】
力覚付与部１２０は、より詳しくは、駆動部１４０ａから発生される駆動力により、それぞれ、押圧部１１０ａが接触した際に、押圧部１１０ａに向かう方向に平行な力を押圧部１１０ａに対して及ぼすための力覚提示部１２２ａと、駆動部１４０ｂから発生される駆動力により、押圧部１１０ｂが接触した際に、押圧部１１０ｂに向かう方向に平行な力を押圧部１１０ｂに対して及ぼすための力覚提示部１２２ｂとを含む。ここで、駆動部１４０ａの駆動力と１４０ｂの駆動力とは、コンピュータ２００からのコマンドにより独立に制御される。この結果、押圧部１１０ａに対して及ぼされる力と押圧部１１０ｂに対して及ぼされる力とは、反力制御部２３０において導出される仮想的な慣性力の大きさに応じて、不均一となりうる。
【００４９】
力覚提示部１２２ａおよび１２２ｂは、それぞれ、スライダ１２６ａおよび１２６ｂにより、ガイド部１０２に沿って移動可能なようにガイド部１０２に取り付けられている。スライダ１２６ａおよび１２６ｂは、ワイヤ１６２ａと１６２ｂにより、それぞれ、駆動部１４０ａおよび１４０ｂからの駆動力を受ける構成となっている。
【００５０】
力覚提示部１１２ａと１１２ｂの表面には、それぞれ、圧力センサ１２４ａおよび１２４ｂが設けられている。圧力センサ１２４ａおよび１２４ｂの検出結果は、力覚提示装置制御部３００を介してコンピュータ２００に伝達される。
【００５１】
なお、図３においては、力覚提示装置１００の加速度の向きおよび大きさは、モーションキャプチャとして機能する位置検出センサ２０２からの信号に基づいて、位置検出部２１０が導出する構成として説明したが、力覚提示装置１００に加速度センサ１７０を設けておき、この加速度センサ１７０からの信号により位置検出部２１０が、力覚提示装置１００の加速度の向きおよび大きさを検出する構成としてもよい。
【００５２】
図７は、以上のような構成において、力覚提示システム１０００の動作を説明するためのフローチャートである。
【００５３】
図７を参照して、処理が開始されると、まず、システムの初期化処理が行われる（ステップＳ１００）。
【００５４】
続いて、仮想画像生成部２４０は、仮想物体および仮想的な手の画像をディスプレイ４００上へ表示する（ステップＳ１０２）。
【００５５】
位置検出部２１０は、位置検出センサ２０２からの信号に基づいて、力覚提示装置１００の空間内の位置および向きを検出し（ステップＳ１０４）、力覚提示装置制御部３００からの信号に基づいて、押圧部１１０ａおよび１１０ｂの位置を検出する（ステップＳ１０６）。
【００５６】
位置検出部２１０は、力覚提示装置１００の加速度の向きおよび大きさを導出する（ステップＳ１０８）。
【００５７】
反力制御部２３０は、位置検出部２１０からの力覚提示装置１００の位置および向きの情報と、力覚提示装置１００の加速度の向きおよび大きさの情報とに基づいて、力覚提示部１２２ａおよび１２２ｂに与える反力を算出し、この反力に相当する駆動力を導出して（ステップＳ１１０）、導出された駆動力で駆動部１４０ａと１４０ｂとを制御するためのコマンドを力覚提示装置制御部３００に対して出力する（ステップＳ１１２）。
【００５８】
たとえば、力覚提示装置１００が、実質的に静止している状態で、ユーザが押圧部１１０ａと１１０ｂとに指で圧力を加えている状態であれば、反力制御部２３０は、把持物体情報記憶部２２０に格納されている、仮想物体の形状、位置、固さ等の仮想物体の属性に関する情報と力覚提示装置１００の位置および向きの情報とに基づいて、ユーザが把持している仮想物体からの反力を算出する。一方で、力覚提示装置１００が運動している場合は、上述したような静止している状態での反力に重畳するように、慣性力による反力も算出する。すなわち、力覚提示装置１００の加速度の向きと大きさ、ならびに把持している仮想物体の質量の情報により、慣性力のベクトルが算出できる。この慣性力のベクトルのガイド部１０２の方向の成分に対して押圧部１１０ａおよび１１０ｂに与える力が、重畳される反力となる。
【００５９】
このとき、慣性力の大きさは、以下の式で表される。
Ｆ（提示する慣性力）＝ｍ（仮想物体の慣性質量）×ａ（加速度）
なお、力覚提示装置１００が運動している場合において、運動による慣性力が優越していると判断されるとき、すなわち、慣性力の大きさが所定のしきい値を超えるようなときは、反力を慣性力のみに基づいて導出してもよい。
【００６０】
また、仮想物体はユーザの手のみによって支持されるため、力覚提示装置１００からは、定常出力は必要ない。このため、ｔを時間とし、移動開始時刻〜移動終了時刻までについて、上記提示する力Ｆを積分すると、０となる。すなわち、以下の式も成り立つ。
【００６１】
∫Ｆ（ｔ）ｄｔ＝０
以上の説明からも分かるように、力覚提示装置１００が提示できるのは、仮想物体に働く慣性力に対応する反力であって、力覚提示装置１００は重力質量に働く重力に対する反力ついては提示しない。したがって、また、ユーザが仮想物体を動かす場合、たとえば、振った場合に力覚提示装置１００が、慣性力に相当する反力を提示することになる。
【００６２】
仮想画像生成部２４０は、位置検出部２１０からの情報に基づいて、仮想的な手の画像の表示を、現在の力覚提示装置１００の空間内の位置および向きならびに押圧部１１０ａおよび１１０ｂの位置に整合するように、更新する（ステップＳ１１４）。
【００６３】
所定時間が経過し（ステップＳ１１６）、処理が終了していないときは（Ｓ１２４）、処理はステップ１０４に復帰する。一方、ステップＳ１２４において、（たとえば、ユーザからの終了指示により）処理が終了していると判断されると、力覚提示システム１０００は、処理を停止する。
【００６４】
以上のとおり、本実施の形態に係る力覚提示装置１００は、把持感覚を提示するのに十分な性能を有する。
【００６５】
力覚提示装置１００は、２本の指で把持する２つの押圧部（指置き台）１１０ａおよび１１０ｂを備える。この押圧部１１０ａおよび１１０ｂに力覚を提示する力覚提示部１２２ａおよび１２２ｂは、駆動力発生源である駆動部１４０ａおよび１４０ｂによりそれぞれ異なった駆動力で駆動することが可能であるので、仮想物体がユーザに与える力（反力）を、仮想物体の固さ等の情報によるだけでなく、仮想物体をユーザが把持した状態で、手を動かすなどの運動をした場合に、仮想物体がユーザに与える慣性力の情報をも考慮して制御することが可能となる。
【００６６】
また、力覚提示装置１００は、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）やＳＰＩＤＡＲなどの従来機器より小さくて軽い。また、力覚提示装置１００は、空間内での移動範囲の制限が少ない携帯型デバイスである。そのため、力覚提示装置１００は、腕を動かせる場所のどこでも仮想物体の硬さを提示できる。
【００６７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６８】
１００ 力覚提示装置、１１０ａ，１１０ｂ 押圧部、１１２ａ，１１２ｂ スライダ、１２０ 力覚付与部、１２２ａ，１２２ｂ 力覚提示部、１２４ａ，１２４ｂ 圧力センサ、１２６ａ，１２６ｂ スライダ、１３０ コイル状ばね、１３２ａ，１３２ｂ プーリー、１４０ａ，１４０ｂ 駆動部、１５０ａ，１５０ｂ 駆動軸、１５１ａ，１５１ｂ プーリー、１６０ａ，１６０ｂ，１６１ａ，１６１ｂ，１６２ａ，１６２ｂ ワイヤ、２００ コンピュータ、２０２ 位置検出センサ、２１０ 位置検出部、２２０ 把持物体情報記憶部、２３０ 反力制御部、２４０ 仮想画像生成部、３００ 力覚提示装置制御部、４００ ディスプレイ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人に力覚を提示する力覚提示装置に関し、特に、仮想物体を把持した状態で仮想物体から受ける慣性力（慣性質量）の感覚を人の手に提示するための非接地型力覚提示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、仮想現実感を人に提示する技術の研究が盛んに行なわれている。このような技術の代表的なものに、バーチャルリアリティ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）やミクストリアリティ（Ｍｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）がある。バーチャルリアリティとは、コンピュータグラフィックスや音響効果を組み合わせて、 人工的に現実感を作り出す技術で
ある。ミクストリアリティとは、インタラクティブな３次元コンピュータグラフィックスと実空間を融合させる技術である。
【０００３】
これらの仮想現実感を提示する技術は、たとえば、業務用や家庭用のゲーム機などでの利用の他、たとえば、医学教育の分野でも力覚提示デバイスを応用して、触診により病巣を発見するための練習機器としての利用のなどのために研究が進められている。
【０００４】
仮想現実感の提示にあたっては、実際に物体があるかのように人の五感に刺激を与える必要がある。特に、力覚の提示は、仮想現実感の生成に重要である。力覚提示の研究は、これまでからなされており、力覚を提示するデバイスは、すでにいくつか開発されている。
【０００５】
図１は、力覚提示デバイスの代表的なものである、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）（例えば、非特許文献１を参照）の外観を示す図である。図１を参照して、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）は、ペン形のスタイラス２０００を備える。また、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）は、スタイラス２０００に力を与えるモータを備える。モータがスタイラス２０００に与える力は、スタイラス２０００の位置に応じて定められている。したがって、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）のユーザは、スタイラス２０００をつかんで動かすと、スタイラスの位置に応じて、硬い、柔らかいなどの力覚を感じる。
【０００６】
これまでに、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）を用いた仮想現実感の提示について様々な研究がなされている。例えば、非特許文献２には、力覚提示装置ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）で提示する力覚情報と、物に触れたときに発生する音声情報とをユーザに同時に提示し触ったときの臨場感を高める研究についての開示がある。非特許文献２には、様々なものに触れたときの触れ方をＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）が検知し、それに適合する音を自動生成するプログラムが開示されている。
【０００７】
ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）と同様によく知られている力覚提示デバイスに、ＳＰＩＤＡＲがある（例えば、非特許文献３、非特許文献４を参照）。ＳＰＩＤＡＲの外観を図２に示す。ＳＰＩＤＡＲは、力覚ポインタ３１００と、力覚ポインタ３１００に接続された複数のワイヤ３２００とを備える。ＳＰＩＤＡＲは、各ワイヤ３２００の長さから力覚ポインタ３１００の位置および姿勢を計算し、位置および姿勢に応じた力覚をワイヤ３２００の張力により提示する。
【０００８】
ここで、非特許文献５では、ＳＰＩＤＡＲのようなワイヤ駆動型力覚ディスプレイにおいて、安定な力覚提示を実現するために、提示力の正確性とともに、ワイヤ張力の連続性を考慮して、張力を計算するアルゴリズムについて開示されている。
【０００９】
一方、ジャイロモーメントを利用した回転トルクを提示するデバイス（非特許文献６を参照）や、知覚の非線形性を利用した不連続的な力覚提示デバイス（非特許文献７を参照）なども開発されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｅｎｓａｂｌｅ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ−ｈａｐｔｉｃ−ｄｅｖｉｃｅｓ．ｈｔｍ
【非特許文献２】Ｊｕａｎ Ｌｉｕ，Ｈｉｒｏｓｈｉ Ａｎｄｏ “Ｈｅａｒｉｎｇ Ｈｏｗ Ｙｏｕ Ｔｏｕｃｈ： Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｔａｃｔ Ｓｏｕｎｄｓ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒｙ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ”、ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｈｕｍａｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ （ＨＳＩ ２００８）、２００８年５月
【非特許文献３】赤羽ら“１０ｋＨｚの更新周波数による高解像度ハプティックレンダリング”、日本バーチャルリアリティ学会論文誌、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．３、ｐｐ．２１７−２２６（２００４）
【非特許文献４】長谷川晶一、井上雅晴、金時学、佐藤誠、“張力型力覚提示装置のための張力計算法”、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．６、ｐｐ．１〜６（２００４）
【非特許文献５】井上雅晴、長谷川晶一、金時学、佐藤誠、“２次計画法を用いたワイヤ駆動型力覚ディスプレイのための張力計算アルゴリズム”、日本バーチャルリアリティ学会第６回大会論文集（２００１年９月）、ｐｐ．９１−９４
【非特許文献６】吉江将之、矢野博明、岩田洋夫、”ジャイロモーメントを用いた力覚呈示装置”、日本ＶＲ学会論文誌Vol.7 No.3(2002)
【非特許文献７】雨宮智浩、安藤英由樹、前田太郎、”知覚の非線形性を利用した非接触型力覚インタフェース”，ヒューマンインタフェースシンポジウム2005,pp.605-608
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記のＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）やＳＰＩＤＡＲは、据え置き型（接地型）の装置であるため、力覚を提示できる範囲が装置の設置場所に限られるという問題がある。また、物体を複数の指で把持したときの感覚を提示するのには、向いていない。これらの装置を用いて、力覚を複数の箇所に提示することは難しい。これらの装置は、各々、力覚を提示する箇所が１ヶ所であり、力覚を複数の箇所に提示することはできない。
【００１２】
一方、据え置き型でない（非接地型）携帯型の力覚提示デバイスには、手袋型反力提示デバイスなどがある。これらの非接地型のデバイスでは、把持感覚のように作用反作用が打ち消しあう力覚は提示できるが、仮想物体の重力質量に働く重力や慣性質量に働く慣性力のような力は提示できない。
【００１３】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、物体を把持した感覚を人の手に提示するとともに、仮想物体に働くと想定される慣性力を提示ための非接地型力覚提示装置を提供することを課題とする。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、携帯型の非接地型力覚提示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明の１つの局面に従うと、ユーザの手によって支持されるものと想定される仮想物体からの慣性力を前記ユーザに提示するための非接地型力覚提示装置であって、ユーザが把持する把持部と、力覚提示装置の加速度の向きおよび大きさを検出するための運動検出手段と、把持部に提示される反力の源となる駆動力を発生する駆動部と、運動検出部からの加速度の情報と仮想物体の質量の情報とに基づいて、仮想物体の運動に相当する慣性力を算出して、慣性力に対応する反力を発生するように駆動部を制御する反力制御部とを備える。
【００１６】
好ましくは、把持部は、ユーザが把持に使用する２つ指からの押圧力をそれぞれ受ける第１および第２の押圧部を含み、押圧力による第１および第２の押圧部の変位に応じた反力を第１および第２の押圧部に対してそれぞれ与える力覚提示部をさらに備え、駆動部は、慣性力に対応して異なる反力を第１および第２の押圧部にそれぞれ与えるために、反力の源となる駆動力を発生する。
【００１７】
好ましくは、反力制御部は、仮想物体の固さに応じて、第１および第２の押圧部に与える反力を算出して、駆動力を制御する。
【００１８】
好ましくは、運動検出手段は、加速度センサである。
好ましくは、運動検出手段は、モーションキャプチャ装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の非接地型力覚提示装置では、仮想物体を把持した状態で仮想物体から受ける慣性力（慣性質量）の感覚を人の手に提示することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）の外観を示す図である。
【図２】ＳＰＩＤＡＲの外観を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の力覚提示システム１０００の構成を示す機能ブロック図である。
【図４】力覚提示装置１００をユーザが把持した状態を示す外観図である。
【図５】コンピュータ２００の構成を示すブロック図である。
【図６】力覚提示装置１００の構成を示す図である。
【図７】力覚提示システム１０００の動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部分には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００２２】
（１．全体構成）
図３は、本発明の実施の形態の力覚提示システム１０００の構成を示す機能ブロック図である。
【００２３】
力覚提示システム１０００は、非接地型の力覚提示装置１００と、システムの制御を行なうためのコンピュータ２００と、力覚提示装置１００の空間内の位置および運動を検出するための位置検出センサ２０２と、力覚提示装置１００からの信号を受けて、コンピュータ２００に対応する信号に変換して出力し、かつ、コンピュータからの制御コマンドに従って、力覚提示装置１００の提示する反力の大きさを制御するための力覚提示装置制御部３００と、コンピュータ２００からの画像信号出力に応じて、対応する画像を表示するディスプレイ４００とを含む。つまり、力覚提示装置制御部３００は、コンピュータ２００と力覚提示装置１００とのインタフェース装置として機能する。
【００２４】
後に詳しく説明するように、力覚提示装置１００は、ユーザが仮想物体をつかんだときに仮想物体から受ける力を提示する。ここで、仮想物体がユーザに与える力（反力）の特性は、力覚提示装置１００内で、駆動力を応力に変換する機構により、決定される。
【００２５】
位置検出センサ２０２としては、たとえば、力覚提示装置１００に付けられた球形マーカ２０４，２０６，２０８を撮影して、この３つのマーカの位置及び向きにより、力覚提示装置１００の位置と動きを検出するモーションキャプチャ装置を用いることができる。なお、位置検出センサ２０２およびその信号を処理する位置検出部２１０とは、力覚提示装置１００の空間内での位置と向きならびに動きを検出できる機構であれば、必ずしも、このような構成に限定されるものではない。
【００２６】
ディスプレイ４００に表示される画像は、少なくとも、仮想空間内に存在する物体の画像を含む。このとき、これを把持しようとするユーザの手を表す仮想的な画像が表示されても良い。この場合は、ユーザはディスプレイ４００上に表示される物体の画像とユーザの手の画像により、仮想的に物体を把持する状態を視覚的に確認することができる。
【００２７】
あるいは、物体の画像を周知の方法で立体画像として表示してもよい。このときは、ユーザは、このような物体の立体画像と自分自身の現実の手を視認しながら把持する構成となる。
【００２８】
なお、ディスプレイ４００は、図３においては、フラットパネルディスプレイとして図示されているが、必ずしもこのような構成に限定されるものではなく、たとえば、プロジェクタにより画像を映し出す構成であっても良いし、あるいは、ヘッドマウントディスプレイのようなものであってもよい。
【００２９】
コンピュータ２００の動作については、後に、さらに説明する。
図４は、力覚提示装置１００をユーザが把持した状態を示す外観図である。
【００３０】
以下の説明で明らかとなるように、力覚提示装置１００は、ユーザの手によって支持され、他のものによっては支持されない状態であると想定される仮想物体からの慣性力をユーザに提示できるものである。このため、力覚提示装置１００は、据え置きされず、接地していない。
【００３１】
図４に示すように、力覚提示装置１００は、ガイド部１０２と保持用取手部１０４とがＴ字型に組み合わされている。ユーザが把持する部分である押圧部１１０ａと１１０ｂとは、それぞれ、スライダ１１２ａと１１２ｂとによりガイド部１０２に沿って移動可能なようにガイド部１０２に取り付けられている。したがって、押圧部１１０ａと１１０ｂとは、ユーザの指（図４では、人差し指と親指）による把持によって、ガイド部１０２をガイドとしてスライドする。
【００３２】
押圧部１１０ａと１１０ｂとが、ユーザの把持に応じて、力覚付与部１２０に接すると、以後は、力覚付与部１２０は、後に説明する機構により、押圧部１１０ａと１１０ｂとに対して、仮想物体からの反力に相当する力を加える。ここで、力覚提示装置１００の運動（ユーザの手の運動）により、仮想物体からユーザの指に慣性力に相当する力が加わるとコンピュータ２００が判断した場合は、力覚付与部１２０から押圧部１１０ａと１１０ｂとに加わる力は、不均一な力となり、加速度の方向の慣性力を生じる。
【００３３】
なお、図４においては、説明の簡単のために、力覚付与部１２０を簡単化された外観で示している。押圧部１１０ａと１１０ｂが力覚付与部１２０に与える圧力に関する情報は、力覚提示装置制御部３００を介して、コンピュータ２００に送信される。すなわち、後に説明するように、力覚付与部１２０の側面と押圧部１１０ａと１１０ｂが、それぞれ接する面には、圧力を検知するための圧力センサ（図示せず）が設けられている。
【００３４】
また、保持用取手部１０４の内部には、上記反力の源となる駆動力を発生するための駆動部（図示せず）が設けられており、この駆動力が、仮想物体からの反力に相当する力として、力覚付与部１２０から押圧部１１０ａと１１０ｂに加えられる。
【００３５】
再び、図３にもどって、コンピュータ２００において、位置検出部２１０は、位置検出センサ２０２からの信号に応じて、力覚提示装置１００の向きおよび空間内の位置ならびに位置の時間変化（加速度の大きさおよび方向）を検出するとともに、力覚提示装置１００からの信号に基づいて、押圧部１１０ａと１１０ｂの位置をそれぞれ検出する。把持物体情報記憶部２２０には、仮想物体の形状、位置、固さ、質量等の仮想物体の属性に関する情報が格納されている。
【００３６】
仮想画像生成部２４０は、把持物体情報記憶部２２０に格納された情報に基づいて、ディスプレイ４００に仮想物体の画像を表示する。さらに、仮想画像生成部２４０は、位置検出部２１０からの力覚提示装置１００の位置と向きならびに押圧部１１０ａと１１０ｂの位置に基づいて、対応する仮想的なユーザの手の画像を生成し、ディスプレイ４００に当該画像を表示する。
【００３７】
なお、力覚提示装置１００の位置に応じて、把持物体情報記憶部２２０に格納された情報に基づき、仮想画像生成部２４０は、ディスプレイ４００に表示する仮想物体の画像を更新してもよい。たとえば、仮想画像生成部２４０は、当初は、第１の仮想物体の画像を表示させ、力覚提示装置１００の位置の変化に応じて、別の第２の仮想物体の画像を表示させる、といった制御を行なってもよい。
【００３８】
また、反力制御部２３０は、位置検出部２１０からの情報と把持物体情報記憶部２２０に格納された情報とに従って、力覚提示装置１００における反力として、力覚付与部１２０が出力する駆動力を制御するためのコマンドを力覚提示装置制御部３００に対して出力する。
【００３９】
図５に、コンピュータ２００の構成をブロック図形式で示す。図５に示されるようにこのコンピュータ２００は、光学ディスクドライブ５０およびＦＤドライブ５２に加えて、それぞれバス６６に接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit ）５６と、ＲＯＭ（Read Only Memory) ５８と、RAM （Random Access Memory）６０と、ハードディスク５４と、通信インタフェース６８とを含んでいる。光学ディスクドライブ５０にはＣＤ−ＲＯＭ（またはＤＶＤ−ＲＯＭ）６２が装着される。ＦＤドライブ５２にはＦＤ６４が装着される。
【００４０】
力覚提示システム１０００が提供する仮想現実感は、コンピュータハードウェアと、ＣＰＵ５６により実行されるソフトウェアとにより実現される。一般的にこうしたソフトウェアはＣＤ−ＲＯＭ（またはＤＶＤ−ＲＯＭ）６２、ＦＤ６４等の記憶媒体に格納されて流通し、光学ドライブ５０またはＦＤドライブ５２等により記憶媒体から読取られてハードディスク５４に一旦格納される。または、当該装置がネットワークに接続されている場合には、ネットワーク上のサーバから一旦ハードディスク５４にコピーされる。そうしてさらにハードディスク５４からＲＡＭ６０に読出されてＣＰＵ５６により実行される。なお、ネットワーク接続されている場合には、ハードディスク５４に格納することなくＲＡＭ６０に直接ロードして実行するようにしてもよい。
【００４１】
このようにして、ＣＰＵ５６が実行する機能が、図３における位置検出部２１０、仮想画像生成部２４０、反力制御部２３０の機能に対応し、把持物体情報記憶部２２０は、たとえば、ハードディスク５４またはＲＡＭ６０などの記憶装置に対応する。
【００４２】
図５に示したコンピュータのハードウェア自体およびその動作原理は一般的なものである。したがって、本発明においてユーザに把持感覚を仮想的に提示する処理の一部を担うのは、ＣＤ−ＲＯＭ（またはＤＶＤ−ＲＯＭ）６２、ＦＤ６４、ハードディスク５４等の記憶媒体に記憶されたソフトウェアである。
【００４３】
（２．力覚提示部）
図６は、力覚提示装置１００の具体的な詳細構成を示す図である。図６（ａ）は上面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＶＩＩａ−ＶＩＩａ’断面の正面側の断面図であり、図６（ｃ）は、図６（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ’断面の側面側の断面図である。
【００４４】
上述のとおり、押圧部（指置き台）１１０ａと１１０ｂとは、それぞれ、スライダ１１２ａと１１２ｂとによりガイド部１０２に沿って移動可能なようにガイド部１０２に取り付けられている。
【００４５】
力覚提示装置１００は、さらに、コイル状ばね１３０によりワイヤ１６１ａおよび１６１ｂを介して、それぞれ内側の滑車に力を受けるプーリー１３２ａおよび１３２ｂを含む。プーリー１３２ａおよび１３２ｂの外側の滑車によりワイヤ１６１ａおよび１６１ｂを介して、それぞれスライダ１１２ａと１１２ｂとが引張り力を受けるので、自由状態では、押圧部１１０ａと１１０ｂとは、このコイル状ばね１３０の自然長で決まる所定の間隔で隔てられることになり、ユーザが指で、押圧部１１０ａと１１０ｂとを把持することで、押圧部１１０ａと１１０ｂとは、力覚付与部１２０に接触するまで移動する。
【００４６】
一方、押圧部１１０ａと１１０ｂに力覚を提示するための力覚提示機構は、力覚付与部１２０と、保持用取手部１０４内に設けられている駆動部１４０ａ、１４０ｂと、駆動部１４０ａ，１４０ｂで発生した力を力覚付与部１２０に伝達するための駆動軸１５０ａ，１５０ｂおよびプーリー１５１ａ，１５１ｂと、駆動部１４０ａ，１４０ｂで発生した力を力覚付与部１２０に伝達するためのワイヤ１６２ａと１６２ｂとを含む。
【００４７】
ワイヤ１６２ａは、プーリー１５１ａに掛けられており、駆動軸１５０ａに巻き取られることで、スライダ１２６ａに駆動部１４０ａからの力を伝達し、ワイヤ１６２ｂは、プーリー１５１ｂに掛けられており、駆動軸１５０ｂに巻き取られることで、スライダ１２６ｂに駆動部１４０ｂからの力を伝達する。
【００４８】
力覚付与部１２０は、より詳しくは、駆動部１４０ａから発生される駆動力により、それぞれ、押圧部１１０ａが接触した際に、押圧部１１０ａに向かう方向に平行な力を押圧部１１０ａに対して及ぼすための力覚提示部１２２ａと、駆動部１４０ｂから発生される駆動力により、押圧部１１０ｂが接触した際に、押圧部１１０ｂに向かう方向に平行な力を押圧部１１０ｂに対して及ぼすための力覚提示部１２２ｂとを含む。ここで、駆動部１４０ａの駆動力と１４０ｂの駆動力とは、コンピュータ２００からのコマンドにより独立に制御される。この結果、押圧部１１０ａに対して及ぼされる力と押圧部１１０ｂに対して及ぼされる力とは、反力制御部２３０において導出される仮想的な慣性力の大きさに応じて、不均一となりうる。
【００４９】
力覚提示部１２２ａおよび１２２ｂは、それぞれ、スライダ１２６ａおよび１２６ｂにより、ガイド部１０２に沿って移動可能なようにガイド部１０２に取り付けられている。スライダ１２６ａおよび１２６ｂは、ワイヤ１６２ａと１６２ｂにより、それぞれ、駆動部１４０ａおよび１４０ｂからの駆動力を受ける構成となっている。
【００５０】
力覚提示部１１２ａと１１２ｂの表面には、それぞれ、圧力センサ１２４ａおよび１２４ｂが設けられている。圧力センサ１２４ａおよび１２４ｂの検出結果は、力覚提示装置制御部３００を介してコンピュータ２００に伝達される。
【００５１】
なお、図３においては、力覚提示装置１００の加速度の向きおよび大きさは、モーションキャプチャとして機能する位置検出センサ２０２からの信号に基づいて、位置検出部２１０が導出する構成として説明したが、力覚提示装置１００に加速度センサ１７０を設けておき、この加速度センサ１７０からの信号により位置検出部２１０が、力覚提示装置１００の加速度の向きおよび大きさを検出する構成としてもよい。
【００５２】
図７は、以上のような構成において、力覚提示システム１０００の動作を説明するためのフローチャートである。
【００５３】
図７を参照して、処理が開始されると、まず、システムの初期化処理が行われる（ステップＳ１００）。
【００５４】
続いて、仮想画像生成部２４０は、仮想物体および仮想的な手の画像をディスプレイ４００上へ表示する（ステップＳ１０２）。
【００５５】
位置検出部２１０は、位置検出センサ２０２からの信号に基づいて、力覚提示装置１００の空間内の位置および向きを検出し（ステップＳ１０４）、力覚提示装置制御部３００からの信号に基づいて、押圧部１１０ａおよび１１０ｂの位置を検出する（ステップＳ１０６）。
【００５６】
位置検出部２１０は、力覚提示装置１００の加速度の向きおよび大きさを導出する（ステップＳ１０８）。
【００５７】
反力制御部２３０は、位置検出部２１０からの力覚提示装置１００の位置および向きの情報と、力覚提示装置１００の加速度の向きおよび大きさの情報とに基づいて、力覚提示部１２２ａおよび１２２ｂに与える反力を算出し、この反力に相当する駆動力を導出して（ステップＳ１１０）、導出された駆動力で駆動部１４０ａと１４０ｂとを制御するためのコマンドを力覚提示装置制御部３００に対して出力する（ステップＳ１１２）。
【００５８】
たとえば、力覚提示装置１００が、実質的に静止している状態で、ユーザが押圧部１１０ａと１１０ｂとに指で圧力を加えている状態であれば、反力制御部２３０は、把持物体情報記憶部２２０に格納されている、仮想物体の形状、位置、固さ等の仮想物体の属性に関する情報と力覚提示装置１００の位置および向きの情報とに基づいて、ユーザが把持している仮想物体からの反力を算出する。一方で、力覚提示装置１００が運動している場合は、上述したような静止している状態での反力に重畳するように、慣性力による反力も算出する。すなわち、力覚提示装置１００の加速度の向きと大きさ、ならびに把持している仮想物体の質量の情報により、慣性力のベクトルが算出できる。この慣性力のベクトルのガイド部１０２の方向の成分に対して押圧部１１０ａおよび１１０ｂに与える力が、重畳される反力となる。
【００５９】
このとき、慣性力の大きさは、以下の式で表される。
Ｆ（提示する慣性力）＝ｍ（仮想物体の慣性質量）×ａ（加速度）
なお、力覚提示装置１００が運動している場合において、運動による慣性力が優越していると判断されるとき、すなわち、慣性力の大きさが所定のしきい値を超えるようなときは、反力を慣性力のみに基づいて導出してもよい。
【００６０】
また、仮想物体はユーザの手のみによって支持されるため、力覚提示装置１００からは、定常出力は必要ない。このため、ｔを時間とし、移動開始時刻〜移動終了時刻までについて、上記提示する力Ｆを積分すると、０となる。すなわち、以下の式も成り立つ。
【００６１】
∫Ｆ（ｔ）ｄｔ＝０
以上の説明からも分かるように、力覚提示装置１００が提示できるのは、仮想物体に働く慣性力に対応する反力であって、力覚提示装置１００は重力質量に働く重力に対する反力ついては提示しない。したがって、また、ユーザが仮想物体を動かす場合、たとえば、振った場合に力覚提示装置１００が、慣性力に相当する反力を提示することになる。
【００６２】
仮想画像生成部２４０は、位置検出部２１０からの情報に基づいて、仮想的な手の画像の表示を、現在の力覚提示装置１００の空間内の位置および向きならびに押圧部１１０ａおよび１１０ｂの位置に整合するように、更新する（ステップＳ１１４）。
【００６３】
所定時間が経過し（ステップＳ１１６）、処理が終了していないときは（Ｓ１２４）、処理はステップ１０４に復帰する。一方、ステップＳ１２４において、（たとえば、ユーザからの終了指示により）処理が終了していると判断されると、力覚提示システム１０００は、処理を停止する。
【００６４】
以上のとおり、本実施の形態に係る力覚提示装置１００は、把持感覚を提示するのに十分な性能を有する。
【００６５】
力覚提示装置１００は、２本の指で把持する２つの押圧部（指置き台）１１０ａおよび１１０ｂを備える。この押圧部１１０ａおよび１１０ｂに力覚を提示する力覚提示部１２２ａおよび１２２ｂは、駆動力発生源である駆動部１４０ａおよび１４０ｂによりそれぞれ異なった駆動力で駆動することが可能であるので、仮想物体がユーザに与える力（反力）を、仮想物体の固さ等の情報によるだけでなく、仮想物体をユーザが把持した状態で、手を動かすなどの運動をした場合に、仮想物体がユーザに与える慣性力の情報をも考慮して制御することが可能となる。
【００６６】
また、力覚提示装置１００は、ＰＨＡＮＴＯＭ（登録商標）やＳＰＩＤＡＲなどの従来機器より小さくて軽い。また、力覚提示装置１００は、空間内での移動範囲の制限が少ない携帯型デバイスである。そのため、力覚提示装置１００は、腕を動かせる場所のどこでも仮想物体の硬さを提示できる。
【００６７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６８】
１００ 力覚提示装置、１１０ａ，１１０ｂ 押圧部、１１２ａ，１１２ｂ スライダ、１２０ 力覚付与部、１２２ａ，１２２ｂ 力覚提示部、１２４ａ，１２４ｂ 圧力センサ、１２６ａ，１２６ｂ スライダ、１３０ コイル状ばね、１３２ａ，１３２ｂ プーリー、１４０ａ，１４０ｂ 駆動部、１５０ａ，１５０ｂ 駆動軸、１５１ａ，１５１ｂ プーリー、１６０ａ，１６０ｂ，１６１ａ，１６１ｂ，１６２ａ，１６２ｂ ワイヤ、２００ コンピュータ、２０２ 位置検出センサ、２１０ 位置検出部、２２０ 把持物体情報記憶部、２３０ 反力制御部、２４０ 仮想画像生成部、３００ 力覚提示装置制御部、４００ ディスプレイ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの手によって支持されるものと想定される仮想物体からの慣性力を前記ユーザに提示するための力覚提示装置であって、
前記ユーザが把持する把持部と、
前記力覚提示装置の加速度の向きおよび大きさを検出するための運動検出手段と、
前記把持部に提示される反力の源となる駆動力を発生する駆動部と、
前記運動検出部からの前記加速度の情報と前記仮想物体の質量の情報とに基づいて、前記仮想物体の運動に相当する慣性力を算出して、前記慣性力に対応する反力を発生するように前記駆動部を制御する反力制御部とを備える、非接地型力覚提示装置。
【請求項２】
前記把持部は、前記ユーザが把持に使用する２つ指からの押圧力をそれぞれ受ける第１および第２の押圧部を含み、
前記押圧力による前記第１および第２の押圧部の変位に応じた反力を前記第１および第２の押圧部に対してそれぞれ与える力覚提示部をさらに備え、
前記駆動部は、前記慣性力に対応して異なる前記反力を前記第１および第２の押圧部にそれぞれ与えるために、前記反力の源となる駆動力を発生する、請求項１記載の非接地型力覚提示装置。
【請求項３】
前記反力制御部は、前記仮想物体の固さに応じて、前記第１および第２の押圧部に与える反力を算出して、前記駆動力を制御する、請求項２記載の非接地型力覚提示装置。
【請求項４】
前記運動検出手段は、加速度センサである、請求項１記載の非接地型力覚提示装置。
【請求項５】
前記運動検出手段は、モーションキャプチャ装置である、請求項１記載の非接地型力覚提示装置。
【請求項１】
ユーザの手によって支持されるものと想定される仮想物体からの慣性力を前記ユーザに提示するための力覚提示装置であって、
前記ユーザが把持する把持部と、
前記力覚提示装置の加速度の向きおよび大きさを検出するための運動検出手段と、
前記把持部に提示される反力の源となる駆動力を発生する駆動部と、
前記運動検出部からの前記加速度の情報と前記仮想物体の質量の情報とに基づいて、前記仮想物体の運動に相当する慣性力を算出して、前記慣性力に対応する反力を発生するように前記駆動部を制御する反力制御部とを備える、非接地型力覚提示装置。
【請求項２】
前記把持部は、前記ユーザが把持に使用する２つ指からの押圧力をそれぞれ受ける第１および第２の押圧部を含み、
前記押圧力による前記第１および第２の押圧部の変位に応じた反力を前記第１および第２の押圧部に対してそれぞれ与える力覚提示部をさらに備え、
前記駆動部は、前記慣性力に対応して異なる前記反力を前記第１および第２の押圧部にそれぞれ与えるために、前記反力の源となる駆動力を発生する、請求項１記載の非接地型力覚提示装置。
【請求項３】
前記反力制御部は、前記仮想物体の固さに応じて、前記第１および第２の押圧部に与える反力を算出して、前記駆動力を制御する、請求項２記載の非接地型力覚提示装置。
【請求項４】
前記運動検出手段は、加速度センサである、請求項１記載の非接地型力覚提示装置。
【請求項５】
前記運動検出手段は、モーションキャプチャ装置である、請求項１記載の非接地型力覚提示装置。
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−５９８６２（Ｐ２０１１−５９８６２Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０７０６２（Ｐ２００９−２０７０６２）
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
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