(57)【要約】【課題】より正確に目的の振動波形を再現する。【解決手段】実施形態に係る触覚提示装置は、振動を提示する振動部と、前記振動部による前記振動をユーザへ伝える接触部と、前記接触部を変位可能に支持する設置部と、前記接触部に設けられた加速度センサとを備える。【選択図】図１７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動を提示する振動部と、
前記振動部による前記振動をユーザへ伝える接触部と、
前記接触部を変位可能に支持する設置部と、
前記接触部に設けられた加速度センサと、
を備える、触覚提示装置。
【請求項２】
外部から入力された指令値に基づいて前記振動部へ入力する電圧波形を生成する信号処理部をさらに備え、
前記信号処理部は、前記指令値が示す波形と、前記加速度センサによって検出された振動波形との差に基づいて、前記指令値から前記電圧波形を生成する際のゲインを補正する、
請求項１に記載の触覚提示装置。
【請求項３】
前記信号処理部は、前記接触部に前記ユーザが触れた状態で前記加速度センサによって検出された前記振動波形と、前記指令値が示す波形とに基づいて、前記指令値から前記電圧波形を生成する際の前記ゲインを補正する、
請求項２に記載の触覚提示装置。
【請求項４】
前記指令値が示す波形は、周波数及び振幅のうちの少なくとも１つが変化する波形である請求項２に記載の触覚提示装置。
【請求項５】
前記指令値が示す波形の周波数は、第１周波数から当該第１周波数よりも高い第２周波数にかけて段階的又は直線的に変化する、請求項４に記載の触覚提示装置。
【請求項６】
前記指令値が示す波形の振幅は、第１振幅から当該第１振幅よりも大きい第２振幅にかけて段階的又は直線的に変化する、請求項４に記載の触覚提示装置。
【請求項７】
前記ゲインを補正した際の補正量をユーザごとに記憶する記憶部をさらに備え、
前記信号処理部は、前記ユーザごとに記憶された前記補正量を用いて、前記指令値に基づいて前記電圧波形を生成する、
請求項２に記載の触覚提示装置。
【請求項８】
前記記憶部は、前記ユーザごとであって、温度、湿度及び日時のうちの少なくとも１つを含む環境条件ごとに、前記ゲインを補正した際の前記補正量を記憶し、
前記信号処理部は、前記指令値に基づいて前記電圧波形を生成する際に、前記記憶部に記憶された前記補正量のうち、現在の環境条件に対応する補正量を用いる、
請求項７に記載の触覚提示装置。
【請求項９】
前記信号処理部に前記指令値を入力することで、前記加速度センサによって検出された前記振動波形を前記指令値が示す前記波形に近づけるキャリブレーションを実行する制御部をさらに備える、請求項２に記載の触覚提示装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記触覚提示装置が起動された際に、前記キャリブレーションを実行する、請求項９に記載の触覚提示装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前回の前記キャリブレーションの実行から所定時間経過後に、再度、前記キャリブレーションを実行する、請求項９に記載の触覚提示装置。
【請求項１２】
前記制御部は、前記ユーザから入力された指示に基づいて、前記キャリブレーションを実行する、請求項９に記載の触覚提示装置。
【請求項１３】
前記接触部は、前記ユーザに接触する第１の接触面を有し、
前記振動部は、前記第１の接触面を介して前記ユーザに前記振動を伝える、
請求項１に記載の触覚提示装置。
【請求項１４】
前記第１の接触面は、凹凸を有する、請求項１３に記載の触覚提示装置。
【請求項１５】
前記振動部は、ボイスコイルモータ及び空気圧アクチュエータのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の触覚提示装置。
【請求項１６】
前記設置部に固定され、前記ユーザが操作する操作部と、
前記接触部を前記設置部に対して変位可能に支持する弾性体と、
をさらに備える、請求項１に記載の触覚提示装置。
【請求項１７】
前記設置部は、前記振動部と、前記接触部と、前記加速度センサとを収容する筐体である、請求項１に記載の触覚提示装置。
【請求項１８】
振動を提示する振動部と、前記振動部による前記振動をユーザへ伝える接触部と、前記接触部を変位可能に支持する設置部と、前記接触部に設けられた加速度センサと、指令値に基づいて前記振動部へ入力する電圧波形を生成する信号処理部とを備える触覚提示装置のキャリブレーション方法であって、
前記信号処理部が、前記指令値が示す波形と、前記加速度センサによって検出された振動波形との差に基づいて、前記指令値から前記電圧波形を生成する際のゲインを補正する、
キャリブレーション方法。
【請求項１９】
振動を提示する振動部と、前記振動部による前記振動をユーザへ伝える接触部と、前記接触部を変位可能に支持する設置部と、前記接触部に設けられた加速度センサと、指令値に基づいて前記振動部へ入力する電圧波形を生成する信号処理部とを備える触覚提示装置を機能させるためのプログラムであって、
前記信号処理部に、前記指令値が示す波形と、前記加速度センサによって検出された振動波形との差に基づいて、前記指令値から前記電圧波形を生成する際のゲインを補正する処理を実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、触覚提示装置、キャリブレーション方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内視鏡外科手術を施す際に用いられる外科手術システムとして、患者の体を大きく切開することなく患部へのアプローチを可能とするマスター・スレーブ方式のシステムが知られている。かかるシステムでは、医師等の術者（ユーザ）が入力インタフェースを備えたマスター装置を操作すると、マスター装置に設けられた力センサが計測する術者の入力操作の力に応じて、鉗子又は攝子等の医療用術具を備えたスレーブ装置が遠隔操作される。スレーブ装置は、例えば、先端に術具が保持されるアーム装置として構成され、腹腔内において術具の位置又は姿勢を変化させることができる。
【０００３】
かかるシステムでは、術具が患者に接触した時の触覚が術者に伝達されない場合、術者は、術具が患者に接触していることに気付かず、患者の生体組織に損傷を与える恐れがある。そのため、術具が患者に接触した時の触覚が術者に伝達されることが望ましい。術具が患者に接触した時の触覚を術者に伝達する手法には、例えば、スレーブ装置に触覚を計測するセンサを設け、当該センサが計測した触覚に関する情報をマスター装置側に送信し、振動等により術者へ触覚を伝達する手法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１７／０４３６１０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、単にマスター装置に圧覚・触覚提示装置を搭載した場合、マスター装置の力センサに振動アクチュエータの振動が伝達されるおそれがある。かかる振動アクチュエータの振動は、マスター・スレーブシステムの制御においてはノイズとなり、目的の振動波形を再現することが困難になる可能性が存在する。
【０００６】
そこで本開示では、より正確に目的の振動波形を再現することを可能にする触覚提示装置、キャリブレーション方法及びプログラムを提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本開示に係る一形態の触覚提示装置は、振動を提示する振動部と、前記振動部による前記振動をユーザへ伝える接触部と、前記接触部を変位可能に支持する設置部と、前記接触部に設けられた加速度センサとを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る触覚提示装置を含む触覚提示システムの概要を説明するための模式図である。
【図２】第１の実施形態に係るマスター装置の外部構成例を示す説明図である。
【図３】第１の実施形態に係るマスター装置の内部構成例を示すブロック図である。
【図４】第１の実施形態に係る信号処理部の構成例を示すブロック図である（その１）。
【図５】第１の実施形態に係る信号処理部の構成例を示すブロック図である（その２）。
【図６】第１の実施形態に係る信号処理部の構成例を示すブロック図である（その３）。
【図７】第１の実施形態に係る触覚提示装置の概略構成例を示す斜視図である。
【図８】第１の実施形態に係る触覚提示装置の操作例を示す説明図である。
【図９】第１の実施形態に係る触覚提示装置の部分構成例を示す説明図である。
【図１０】図９における設置部の表側から見た第１の実施形態に係る触覚提示装置の組み立て例を示す説明図である。
【図１１】図９における設置部の裏側から見た第１の実施形態に係る触覚提示装置の組み立て例を示す説明図である。
【図１２】第１の実施形態に係る触覚提示装置のＩ−Ｉ断面におけるフローティング構造部の構造例を示す断面図である。
【図１３】第１の実施形態に係る触覚提示装置を示す簡略図である。
【図１４】第１の実施形態に係る第１の接触面の初期位置の例を示す説明図である（その１）。
【図１５】第１の実施形態に係る第１の接触面の初期位置の例を示す説明図である（その２）。
【図１６】第１の実施形態に係る信号処理部の動作例を示すフローチャートである。
【図１７】図１３に示された触覚提示装置の構成に対してゲイン調整を実行するための構成を追加で記載した構成例を示す模式断面図である。
【図１８】第１の実施形態に係る指令値の波形例を示す波形図である。
【図１９】図１８に示す指令値に対して第１の実施形態に係る調整をせずに振動部に入力した場合に加速度センサで検出される振動波形の例を示す波形図である。
【図２０】図１８に示す指令値に対して第１の実施形態に係る調整をして振動部に入力した場合に加速度センサで検出される振動波形の例を示す波形図である。
【図２１】振動部から人の指までの振動伝達経路における機械共振の振幅の周波数依存性の一例を示す図である。
【図２２】振動部から人の指までの振動伝達経路における機械共振の位相の周波数依存性の一例を示す図である。
【図２３】入力波形に対する出力波形の歪みを説明するための図である。
【図２４】出力波形に含まれる高調波を説明するための図である。
【図２５】人の皮膚の機械インピーダンスと出力波形のゲインとの関係を説明するための図である。
【図２６】第１の実施形態に係る記憶部に記憶されるユーザごとの補正量を説明するための図である。
【図２７】第１の実施形態に係るテスト信号の一例を示す波形図である。
【図２８】第１の実施形態に係るテスト信号の他の一例を示す波形図である。
【図２９】第１の実施形態に係るキャリブレーションの動作フロー例を示すフローチャートである。
【図３０】設置部の裏側から見た第１の実施形態に係る第１の変形例を示す説明図である。
【図３１】設置部の側面から見た第１の実施形態に係る第１の変形例を示す説明図である。
【図３２】第１の実施形態に係る第１の変形例のＩＩ−ＩＩ断面における構造例を示す説明図である。
【図３３】第１の実施形態に係る第２の変形例を示す説明図である。
【図３４】第１の実施形態に係る第３の変形例を示す説明図である。
【図３５】第１の実施形態に係る第４の変形例を示す説明図である。
【図３６】第２の実施形態に係る振動デバイスの外観を示す図である。
【図３７】第２の実施形態に係る振動デバイスの断面を示す図である。
【図３８】本開示の実施形態に係るマスター装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本開示の一実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
【００１０】
また、以下に示す項目順序に従って本開示を説明する。
１．第１の実施形態
１．１  触覚提示システムの概要
１．１．１  マスター装置の概要
１．１．２  スレーブ装置の概要
１．２  マスター装置の詳細
１．２．１  マスター装置の外部構成例
１．２．２  マスター装置の内部構成例
１．３  操作装置の具体例
１．３．１  操作装置の外部構成例
１．３．１．１全体構成例
１．３．１．２  フローティング構造部の構成例
１．３．１．３  第１の接触面の初期位置
１．４  動作例
１．５  ゲイン調整
１．６  キャリブレーション用のテスト信号例
１．７  キャリブレーションの動作フロー例
１．８  変形例
２．第２の実施形態
２．１  振動デバイスの構造
３．ハードウェア構成
【００１１】
１．第１の実施形態
まず、本開示の第１の実施形態に係る触覚提示装置、キャリブレーション方法及びプログラムについて、以下に図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、マスター・スレーブ方式の医療ロボットシステムを例に、本開示の実施形態に係る触覚提示装置、キャリブレーション方法及びプログラムを説明する。
１．１  触覚提示システムの概要
図１は、第１の実施形態に係る触覚提示装置を含む触覚提示システムの概要を説明するための模式図である。図１に示すように、触覚提示システム１は、マスター装置１０（１０Ｒ及び１０Ｌ）と、スレーブ装置５０とを備える。マスター装置１０は、医師等の術者（以下では、ユーザとも称される）が操作する入力インタフェースを備えた装置である。スレーブ装置５０は、マスター装置１０におけるユーザの操作に応じて遠隔操作される鉗子又は攝子等の医療用術具を備えた装置である。
【００１２】
触覚提示システム１には、一例としてバイラテラル制御が採用されている。バイラテラル制御とは、マスター装置１０とスレーブ装置５０との間で、入力インタフェースと術具の位置、及び力の状態を一致させるフィードバック制御である。例えば、ユーザが入力インタフェースを操作すると、当該操作に応じて術具は移動する。術具が移動して患者に接触すると、接触した時の力が入力インタフェースにフィードバックされる。
【００１３】
なお、マスター装置１０とスレーブ装置５０とは、任意の通信方式で接続されている。例えば、マスター装置１０とスレーブ装置５０とは、有線通信または無線通信によって接続されている。また、例えば、マスター装置１０とスレーブ装置５０とは、直接的に通信を行う構成であってもよいし、ネットワーク（または他の装置）を介して通信を行う構成であってもよい。
【００１４】
１．１．１  マスター装置の概要
マスター装置１０は、スレーブ装置５０の駆動制御や、スレーブ装置５０のセンサが計測した振動信号（第１の信号）等をユーザへ提示する機能を有する触覚提示装置である。マスター装置１０は、例えば、受動関節を含む１または２以上の関節と、関節に接続されるリンクとを有する装置（受動関節を含むリンク機構を有する装置）である。なお、受動関節は、モータやアクチュエータなどにより駆動しない関節である。
【００１５】
図１に示すように、マスター装置１０は、ユーザが把持して操作する操作装置１００（１００Ｒ及び１００Ｌ）を備えている。この操作装置１００は、スレーブ装置５０の術具（後述する先端部分に相当）が患者の患部等に接触した際の感触をユーザへ伝える触覚提示装置に相当する。また、マスター装置１０には、術野が表示されるモニタ３０が接続され、ユーザが両腕又は両肘を載せる支持台３２が設けられている。なお、マスター装置１０は、右手用のマスター装置１０Ｒ、及び左手用のマスター装置１０Ｌで構成されている。さらに、右手用のマスター装置１０Ｒには右手用の操作装置１００Ｒが備えられ、左手用のマスター装置１０Ｌには左手用の操作装置１００Ｌが備えられている。
【００１６】
ユーザは、両腕又は両肘を支持台３２上に載せ、右手及び左手でそれぞれ操作装置１００Ｒ、１００Ｌを把持する。この状態で、ユーザは、術野が表示されるモニタ３０を見ながら操作装置１００Ｒ、１００Ｌを操作する。ユーザは、それぞれの操作装置１００Ｒ、１００Ｌの位置及び向きを変位させることにより、スレーブ装置５０に取り付けられた術具の位置又は向きを遠隔操作し、あるいは、それぞれの術具による把持動作を行ってもよい。
【００１７】
１．１．２  スレーブ装置の概要
スレーブ装置５０は、手術における患者の患部（以下では、対象物とも称される）と、対象物と接触するスレーブ装置５０の部位が接触した際の力及び振動をマスター装置１０へ提示する。スレーブ装置５０は、例えば、マスター装置１０の動きに対応して動くための、１または２以上の能動関節と、能動関節に接続されるリンクとを有する装置（能動関節を含むリンク機構を有する装置）である。なお、能動関節は、モータやアクチュエータなどにより駆動する関節である。
【００１８】
スレーブ装置５０では、図１に示すアームの先端部分（図１に示すＡ）に、各種センサ（例えば、原点センサや、Ｌｉｍｉｔセンサ、エンコーダ、マイクロフォン、加速度センサなど）が設けられる。また、スレーブ装置５０のアームの先端部分には、力センサ（図１に示すＢ）が設けられる。力センサＢは、アームの先端部分が患者と接触した際に、アームの先端部分に印加される力を計測する。なお、上述した各種センサが備えられる場所は特に限定されず、各種センサは、アームの先端部分の任意の場所に備えられてもよい。
【００１９】
スレーブ装置５０は、例えば、能動関節の動きを計測するための動きセンサを、能動関節それぞれに対応する位置に備える。上記動きセンサとしては、例えば、ポテンショメータやエンコーダなどが挙げられる。また、スレーブ装置５０は、例えば、能動関節を駆動させるための駆動機構を、能動関節それぞれに対応する位置に備える。上記駆動機構としては、例えば、モータ及びそのドライバ等が挙げられる。
【００２０】
なお、このような触覚提示システム１は、バーチャルリアリティな環境に適用されてもよい。例えば、マスター装置１０を操作した際に、モニタ３０に仮想的なスレーブ装置５０側の環境を示す映像を映し、ユーザは、当該映像に基づき、マスター装置１０を操作してもよい。
【００２１】
１．２  マスター装置の詳細
以下では、図２〜図６を参照しながら、本実施形態に係るマスター装置１０について、より詳細に説明する。
【００２２】
１．２．１  マスター装置の外部構成例
まず、図２を参照しながら、マスター装置１０の外部構成例について説明する。図２は、第１の実施形態に係るマスター装置の外部構成例を示す説明図である。
【００２３】
図２に示すマスター装置１０は、支持アーム部４０と、本体部２０と、ベース部３４と、操作装置１００とを備える。ベース部３４は、マスター装置１０の基台部分であり、例えばアルミニウム製のフレーム材が組み合わされることで構成されてもよい。ただし、ベース部３４の構成はかかる例に限定されない。ベース部３４には、支持台３２が取り付けられている。ユーザは、支持台３２に肘又は腕を載せた状態で操作装置１００を操作することで、操作の安定性を得ることができる。なお、支持台３２は、ベース部３４に取り付けられていなくてもよく、マスター装置１０の構成要素に含まれていなくてもよい。
【００２４】
支持アーム部４０は、基端側で本体部２０に支持される。支持アーム部４０の先端側には、操作装置１００が取り付けられている。支持アーム部４０は、第１のアーム部４０ａと、第２のアーム部４０ｂと、第３のアーム部４０ｃと、第４のアーム部４０ｄとを有する。第１のアーム部４０ａ、第２のアーム部４０ｂ、及び第３のアーム部４０ｃのそれぞれの先端側は第４のアーム部４０ｄに連結され、基端側は本体部２０に連結される。本体部２０には、第１のアーム部４０ａ、第２のアーム部４０ｂ、及び第３のアーム部４０ｃと本体部２０との連結部分の回転を制御する３つのモータ３６（１つは不図示）が備えられる。
【００２５】
第１のアーム部４０ａ、第２のアーム部４０ｂ、及び第３のアーム部４０ｃは、それぞれ複数のリンク部が互いに回動可能に直列に連結されることで構成される。また、第１のアーム部４０ａ、第２のアーム部４０ｂ、及び第３のアーム部４０ｃと、第４のアーム部４０ｄとの連結部分も互いに回動可能に連結されている。さらに、第１のアーム部４０ａ、第２のアーム部４０ｂ、及び第３のアーム部４０ｃと、本体部２０との連結部分も互いに回動可能に連結されている。
【００２６】
これらの複数のリンク部あるいはアーム部の連結部分が関節部となって、当該関節部を中心に、それぞれのリンク部あるいはアーム部の角度が自由に変化し得る。これにより、支持アーム部４０の先端側に取り付けられた操作装置１００の空間上の位置が自由に変化し得る。また、第４のアーム部４０ｄは、複数のアームが連結されることで構成され、それぞれのアームは、軸回転可能になっている。これにより、支持アーム部４０の先端側に取り付けられた操作装置１００の向きが自由に変化し得る。
【００２７】
第１のアーム部４０ａ、第２のアーム部４０ｂ、及び第３のアーム部４０ｃと、本体部２０とのそれぞれの連結部分には、各アーム部の回転角度を検出するためのエンコーダが設けられている。また、第４のアーム部４０ｄには、各アームの軸回転角度を検出する複数のエンコーダが設けられている。エンコーダは回転角度を検出するセンサの一例であり、他のセンサに置き換えられてもよい。これらのエンコーダによって検出された回転角度を示す信号は、マスター装置１０が備え、後述される制御部１６０に送信される。
【００２８】
操作装置１００は、スレーブ装置５０に支持された術具を動作させるための把持インタフェースとして機能する。ユーザが、操作装置１００の位置や向きを変化させることにより、支持アーム部４０の姿勢が変化し、関節部の回転角度やアームの軸回転角度が変化する。操作装置１００と第４のアーム部４０ｄとの接続部分には力センサ１５２が設けられている。かかる力センサ１５２によって、ユーザにより操作装置１００に対して入力される力が検出される。
【００２９】
なお、関節部の回転角度及びアームの軸回転角度を検出する回転角度センサを含む支持アーム部４０は、従来公知の支持アーム装置を用いて構成し得るものであり、支持アーム部４０の構成についての詳細な説明は省略する。
【００３０】
１．２．２  マスター装置の内部構成例
次に、図３〜図６を参照しながら、第１の実施形態に係るマスター装置１０の内部構成例について説明する。図３は、第１の実施形態に係るマスター装置の内部構成例を示すブロック図である。図３に示すように、マスター装置１０は、振動部１２０、センサ部１５０、制御部１６０で構成される。
【００３１】
（１）振動部１２０
振動部１２０は、操作装置１００の操作対象の振動を提示するための振動装置であり、操作装置１００に備え付けられる。例えば、振動部１２０は、操作対象がオブジェクトに触れることで発生する振動に基づく信号処理部１７０からの入力に応じて振動する。なお、第１の実施形態では、振動部１２０としてボイスコイルモータ（ＶＣＭ：Ｖｏｉｃｅ  Ｃｏｉｌ  Ｍｏｔｏｒ）式の振動アクチュエータが用いられているが、他の振動装置であってもよい。例えば、振動装置として、ＬＲＡ（Ｌｉｎｅａｒ  Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ａｃｔｕａｔｏｒ）や圧電素子等が用いられてもよい。
【００３２】
（２）センサ部１５０
センサ部１５０は、スレーブ装置５０の駆動制御及び力覚提示を行うための情報を計測する機能を有する。例えば、センサ部１５０は、力センサ１５２（トルクセンサ）、回転角度センサを備える。図２を参照して上記説明したように、力センサ１５２は、例えば、支持アーム部４０と、支持アーム部４０の先端に取り付けられた操作装置１００との接続部分に設けられる。この力センサ１５２は、互いに直交する３軸方向に作用する力と、この３軸それぞれを中心軸とした回転方向のトルクとを計測する６軸センサであってよい。つまり、力センサ１５２は、ユーザによって操作装置１００に入力される力及びトルク（以下、力及びトルクをまとめて、単に力ともいう）を計測する。また、回転角度センサは、支持アーム部４０の複数の関節部に設けられ、各関節部の回転角度を計測する。回転角度センサは、例えば、エンコーダであってもよい。
【００３３】
なお、力センサ１５２は、ユーザが操作装置１００を操作した際に印加されるユーザの力の計測を試みる。しかし、力センサ１５２が計測する力は、ユーザの力以外に、操作装置１００の自重により生じる重力と操作装置１００が動くことにより生じる慣性力が含まれる。また、力センサ１５２が計測する力には、振動部１２０が発生させる振動がノイズとして含まれる場合もある。上述のように、ユーザの力以外に、重力、慣性力、またはノイズの少なくともいずれかを含む、力センサ１５２が計測した力は、以下では外力とも称される。また、以下の説明では、外力にはユーザの力、重力、慣性力、及びノイズが含まれるものとする。
【００３４】
上述のようにしてセンサ部１５０が計測した情報は、制御部１６０に出力される。
【００３５】
（３）制御部１６０
制御部１６０は、スレーブ装置５０の動作を制御する機能を有する。例えば、制御部１６０は、マスター装置１０に備えられたエンコーダにより検出される回転角度の情報に基づき、スレーブ装置５０のアームの姿勢を制御して、スレーブ装置５０に支持された術具の位置や向きを変化させる。このとき、制御部１６０は、スレーブ装置５０の術具に対して作用する外力を検出し、当該外力に基づいて３つのモータ３６（１つは不図示）を駆動制御することにより、ユーザによって操作される操作装置１００の動きに対して反力を付与する。それにより、ユーザに対して、操作装置１００の移動動作に対する力覚が提示される。
【００３６】
また、制御部１６０は、ユーザが操作装置１００の把持動作を行うことにより、操作装置１００から把持動作の操作量を示す信号を取得し、当該信号に基づいて、スレーブ装置５０に取り付けられた術具に把持動作を行わせる。このとき、制御部１６０は、スレーブ装置５０に取り付けられた術具の把持動作時に対する反力を検出し、当該反力に基づいて操作装置１００に備えられた図示しないモータを駆動制御することによって、ユーザに対して、操作装置１００の把持動作に対する力覚を提示してもよい。
【００３７】
また、制御部１６０は、スレーブ装置５０で計測された振動をユーザへ伝達する処理を制御する機能を有する。当該処理を実現するために、制御部１６０は、図３に示すように、信号処理部１７０、記憶部１８０、上位制御部１９０を備える。
【００３８】
（信号処理部１７０）
信号処理部１７０は、スレーブ装置５０から受信した信号に基づき振動部１２０の振動を制御する機能を有する。例えば、信号処理部１７０は、スレーブ装置５０のセンサが計測した振動信号を後述する上位制御部１９０を介して受信し、当該振動信号からノイズを除去する信号処理を行い、処理後の振動信号に基づき振動部１２０を振動させる制御を行う。
【００３９】
また、信号処理部１７０は、センサ部１５０が計測した力に対応する力を上位制御部１９０へ出力する処理を制御する機能を有する。例えば、信号処理部１７０は力センサ１５２が計測する外力から、振動部１２０により提示される振動の成分を除去する。
【００４０】
ここで、図４〜図６を参照しながら、信号処理部１７０の構成例について説明する。図４〜図６は、第１の実施形態に係る信号処理部の構成例を示すブロック図である。上述の機能を実現するために、第１の実施形態に係る信号処理部１７０は、図４に示すように、帯域制限部１７１、ＤＲＩ（ＤＲＩＶＥＲ）１７２、Ａ／Ｄ１７３、逆動力学演算部１７４、ノイズ推定部１７５、加算器１７８、加算器１７９を備える信号処理回路として構成される。
【００４１】
・帯域制限部１７１
帯域制限部１７１は、入力信号から特定の帯域を除去する機能を有する。例えば帯域制限部１７１は、フィルタを用いて、マスター装置１０の力センサ１５２に振動ノイズとして影響するおそれのある低周波成分の除去や、ユーザが触覚として感知しない音などの振動に対応する周波数成分、またはあらかじめ記憶している所定の周波数成分を振動信号から除去する。より具体的には、帯域制限部１７１は、入力信号をフィルタに通すことで、所定の周波数帯域成分を除去する。より具体的には、例えば、帯域制限部１７１は、低域の信号を遮断して高域の信号のみを通すハイパスフィルタ（ＨＰＦ：Ｈｉｇｈ−Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）を用いて、所定の周波数以下の振動信号を遮断することで、入力信号から特定の帯域を除去する。ここでの所定の周波数とは、マスター装置１０の力センサ１５２に振動ノイズとして影響するおそれのある低周波成分の下限値である。例えば、所定の周波数は、３０Ｈｚ程度であってもよい。なお、上記の所定の周波数は、記憶部１８０にあらかじめ登録されてもよい。
【００４２】
また、帯域制限部１７１は、例えば、高域の信号を遮断して低域の信号のみを通すローパスフィルタ（ＬＰＦ：Ｌｏｗ−Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）を用いて、所定の周波数以上の振動信号を遮断することで、入力信号から特定の帯域を除去してもよい。ここでの所定の周波数とは、ユーザが触覚として感知可能な周波数の上限値である。例えば、所定の周波数は、７００Ｈｚ程度であってもよい。また、所定の周波数は、ユーザの年齢、性別、皮膚の状態、及び手袋を装着しているか否か等に応じて制御されてもよい。なお、上記の所定の周波数は、記憶部１８０にあらかじめ登録されてもよい。
【００４３】
また、帯域制限部１７１は、例えば、あらかじめ記憶している所定の周波数成分を振動信号から除去する。より具体的に、記憶部１８０があらかじめ所定の周波数成分に対応する周波数を記憶しておき、帯域制限部１７１は、当該周波数に対応する周波数成分が入力された場合、入力信号から当該周波数成分を除去する。そして、帯域制限部１７１は、特定の帯域を除去した入力信号をＤＲＩ１７２、及びノイズ推定部１７５に出力する。
【００４４】
このように、帯域制限部１７１が特定の帯域を除去することで、触覚に対応しない周波数領域の振動やあらかじめ周波数がわかっている振動を、マスター装置１０に設けられた振動部１２０から出力されることが防止される。
【００４５】
なお、帯域制限部１７１が用いるフィルタは、ＨＰＦ又はＬＰＦに限定されず、任意のフィルタであってもよい。また、帯域制限部１７１が特定の帯域を除去する方法は、フィルタを用いる方法に限定されず、任意の方法であってもよい。
【００４６】
・ＤＲＩ１７２
ＤＲＩ１７２は、駆動回路であり、入力された信号に基づいてマスター装置１０の振動部１２０を駆動させる機能を有する。例えば、ＤＲＩ１７２は、帯域制限部１７１から入力された特定の帯域除去後の振動信号に基づき、振動部１２０を振動させる。これにより、スレーブ装置５０で検出された触覚に対応する振動が振動部１２０により生成され、術具に生じた触覚振動がユーザに対して伝達される。
【００４７】
・Ａ／Ｄ１７３
Ａ／Ｄ１７３は、アナログ−デジタル変換回路（Ａ／Ｄ変換回路）であり、アナログ信号をデジタル信号に変換する機能を有する。例えば、Ａ／Ｄ１７３は、センサ部１５０の力センサ１５２から入力信号を受信し、アナログ信号からデジタル信号に変換し、変換後の振動信号を加算器１７８へ出力する。なお、Ａ／Ｄ１７３は、力センサ１５２からユーザの力、重力、慣性力、ノイズを含む外力（以下では、力＋重力＋慣性力＋ノイズとも表現される）を入力信号として受信する。
【００４８】
・逆動力学演算部１７４
逆動力学演算部１７４は、マスター装置１０の動作情報に対して逆動力学演算を行う機能を有する。ここで、動作情報とは、マスター装置１０が備える動きセンサの計測結果のことである。例えば、逆動力学演算部１７４は、力センサ１５２が計測した力を逆動力学演算により補正する。上述したように、力センサ１５２が計測した力は、ユーザの力以外に重力、慣性力、またはノイズの少なくともいずれかが含まれる外力である。したがって、力センサ１５２が計測した力は、正確なユーザの力を示すとは言い難い。そこで、逆動力学演算部１７４は、逆動力学演算により、当該重力、及び当該慣性力を求めることができるため、力センサ１５２が計測した力から、より正確なユーザの力を算出することができる。
【００４９】
ここで、逆動力学演算について説明する。逆動力学演算部１７４は、マスター装置１０に備えられた動きセンサの計測結果（即ち、動作情報）である（θ，θ’，θ’’）に対して、逆動力学演算を行う。ここで、（θ，θ’，θ’’）は、（関節の角度，関節の角速度，関節の角加速度）を示している。一般的に、マスター装置１０のようなロボットの動力学は、下記の数式１で示される。
【００５０】
【数１】
2020187688.tif 000003
【００５１】
ここで、上記数式１の左辺は、ロボットにおける各関節のトルク値を示している。また、上記数式１の右辺の第一項、第二項、および第三項は、慣性項、遠心力・コリオリ力項及び重力項をそれぞれ示している。
【００５２】
逆動力学演算部１７４は、逆動力学演算を利用した手法により、力センサ部に仮想関節を設けることで力センサ部にかかる重力・慣性力を計算し、外力から減算することで、より正確なユーザの力を算出する。
【００５３】
なお、本実施形態では、逆動力学演算部１７４は、逆動力学演算により操作装置１００の自重により生じる重力を計算し、当該重力を加算器１７８へマイナス値として出力する。また、逆動力学演算部１７４は、操作装置１００が動くことにより生じる慣性力を計算し、当該慣性力を加算器１７８へマイナス値として出力する。
【００５４】
・ノイズ推定部１７５
ノイズ推定部１７５は、入力された信号に基づきノイズを推定する機能を有する。例えば、ノイズ推定部１７５は、帯域制限部１７１から入力された特定の帯域除去後の振動信号に基づき、力センサ１５２が計測した外力に含まれる、振動部１２０の振動によるノイズを推定する。
【００５５】
ノイズ推定部１７５は、予め推定した伝達関数Ｈ（ω）に基づき、ノイズを推定してもよい。例えば、図５に示すノイズ推定部１７５−１は、予め操作装置１００の伝達関数Ｈ（ω）をシステム同定によって求めておく。そして、ノイズ推定部１７５−１は、当該伝達関数Ｈ（ω）と帯域制限部１７１から入力された振動信号に基づき、力センサ１５２が計測した外力に含まれる振動部１２０の振動によるノイズを推定する。ここで、伝達関数（Ｈ）は、入力と出力の関係を示す関数である。
【００５６】
また、ノイズ推定部１７５は、帯域制限部１７１から入力された振動信号に対して適応フィルタを用いることで、外力に含まれるノイズを推定してもよい。ここで、図６を参照しながら、ノイズ推定部１７５が適応フィルタを用いる場合のノイズ推定について説明する。図６は、信号処理部１７０がノイズ推定部１７５としてＡＤＦ（Ａｄａｐｔｉｖｅ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｆｉｌｔｅｒ：適応フィルタ）を用いたノイズ推定部１７５−２の例を示している。また、図６に示す信号処理部１７０は、ノイズ推定部１７５−２のＡＤＦとしてフィードバック回路であるＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｉｍｐｕｌｓｅ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタを用いているとする。ここで、適応フィルタは、伝達関数（Ｈ）を自己適応させるフィルタである。
【００５７】
ノイズ推定部１７５−２は、帯域制限部１７１から入力された振動信号に基づき推定したノイズを加算器１７９に出力する。当該ノイズを入力された加算器１７９は、加算器１７８の加算結果と当該ノイズを用いて加算を行い、加算結果を出力する。そして、当該加算結果に応じたエラー信号がフィードバック回路によりノイズ推定部１７５−２にフィードバックされ、ノイズ推定部１７５−２のＡＤＦは、当該フィードバックに基づき、エラーが小さくなるように伝達関数（Ｈ）を調整することができる。
【００５８】
そして、ノイズ推定部１７５は、上述のいずれかの方法で推定したノイズを加算器１７９へマイナス値として出力する。
【００５９】
・加算器１７８、加算器１７９
加算器１７８、及び加算器１７９は、加算を行う演算器である。例えば、加算器１７８、及び加算器１７９は、入力された複数の値に基づき、加算を行う。具体的に、加算器１７８は、Ａ／Ｄ１７３から入力された外力（力＋重力＋慣性力＋ノイズ）に、逆動力学演算部１７４からマイナス値として入力された重力と慣性力を加算する。そして、加算器１７８は、加算により算出された外力（力＋ノイズ）を加算器１７９へ出力する。
【００６０】
また、加算器１７９は、加算器１７８から入力された外力（力＋ノイズ）に、ノイズ推定部１７５からマイナス値として入力されたノイズを加算する。そして、加算器１７９が加算により算出した外力（力）を、制御部１６０は、信号（第２の信号）として上位制御部１９０へ出力する。
【００６１】
（記憶部１８０）
記憶部１８０は、マスター装置１０に関する情報を記憶するための装置である。例えば、記憶部１８０は、信号処理部１７０の処理において出力されるデータや、各種アプリケーション等のデータを記憶する。
【００６２】
（上位制御部１９０）
上位制御部１９０は、スレーブ装置５０の動作の制御に関する機能を有する。例えば、上位制御部１９０は、スレーブ装置５０のセンサが計測した振動信号をスレーブ装置５０から受信し、当該駆動信号を信号処理部１７０の帯域制限部１７１へ出力する。また、上位制御部１９０は、信号処理部１７０が駆動信号に基づき算出した信号を信号処理部１７０の加算器１７９から入力され、当該信号に応じてスレーブ装置５０を駆動させる。
【００６３】
以上、図３〜図６を参照しながら、本開示の実施形態に係るマスター装置１０の内部構成例について説明した。
【００６４】
以上、図２〜図６を参照しながら、本開示の実施形態のマスター装置１０について説明した。続いて、第１の実施形態について説明する。
【００６５】
１．３  操作装置の具体例
つづいて、第１の実施形態に係る操作装置１００の構成について、具体例を挙げて説明する。第１の実施形態では、触覚提示装置である操作装置１００として、スタイラス型の把持インタフェースを例に挙げる。
【００６６】
１．３．１  操作装置の外部構成例
以下では、図７〜図１５を参照しながら、第１の実施形態に係る操作装置１００の外部構成例について説明する。
【００６７】
１．３．１．１全体構成例
まず、図７、図８を参照しながら、第１の実施形態に係る操作装置１００の全体構成例について説明する。図７は、第１の実施形態に係る触覚提示装置の概略構成例を示す斜視図である。図８は、第１の実施形態に係る触覚提示装置の操作例を示す説明図である。
【００６８】
図７に示す操作装置１００は、内部にモータ及びエンコーダを収容する筐体１０１を有する。筐体１０１は、ユーザが把持しやすいように、全体として長尺の棒状の外形を有する。すなわち、操作装置１００は、いわゆるスタイラス型の把持インタフェースとなっている。かかる操作装置１００は、先端側において、マスター装置１０の第４のアーム部４０ｄに取り付けられる。操作装置１００の先端側と第４のアーム部４０ｄとの接続部分には、力センサ１５２が設けられている。
【００６９】
筐体１０１の後端側には回転軸部材１５１が設けられている。回転軸部材１５１の両端は、軸受部１５５及び筐体１０１により支持されている。回転軸部材１５１には、フレーム部としてのマスタフレーム１０８が回転軸部材１５１を中心に回動自在に連結されている。
【００７０】
マスタフレーム１０８は、操作装置１００の一側面側に、操作装置１００の長手方向に沿って配置された長尺の部材であり、回転軸部材１５１の軸方向に対して交差する方向に沿って延在する。マスタフレーム１０８の先端側の適宜の位置には、マスタフレーム１０８の回転方向に対して交差し、かつ、操作装置１００の長手方向に沿って延在する面を有する設置部１４０が設けられている。設置部１４０は、孔１１４（孔１１４ａ、孔１１４ｂ及び孔１１４ｃ）を介して、ネジ、またはボルト等の固定手段を用いてマスタフレーム１０８に取り付けられている。
【００７１】
設置部１４０の表側の面は、ユーザの指が接触する第２の接触面１０５である。第２の接触面１０５は、ユーザの指の形に適合しやすいように、アーチ状に凹んだ形状を有する。ユーザは、図８に示すように、筆記用のペンを握るようにして操作装置１００を把持し、その際に、例えば人差し指を第２の接触面１０５に当てて押し込むことで、マスタフレーム１０８を回動させることができる。なお、第２の接触面１０５が設けられる面は、設置部１４０のうち押し込み方向と逆方向の面とも捉えられる。
【００７２】
また、設置部１４０の近傍には振動部１２０が設けられている。具体的に、振動部１２０は、接触部１３０を介して設置部１４０の裏側に設けられている。また、接触部１３０は、ユーザの指が接触する第１の接触面１１１を有している。よって、ユーザの指が第１の接触面に接している時に振動部１２０が振動すると、振動部１２０の振動は、第１の接触面１１１を介してユーザの指に伝達される。なお、第１の接触面１１１は、第２の接触面１０５に接触しているユーザの指のうち、第２の接触面１０５に接触していない部位に接触する。典型的には、第１の接触面１１１には人差し指の腹が接触し、第２の接触面１０５には人差し指の腹以外の部位が接触する。よって、接触部１３０は、第１の接触面１１１と部分的に接触しているユーザの指の部位に対して、振動部１２０が発生させた振動を伝達する。
【００７３】
上述のようにして、スレーブ装置５０の術具に作用する触覚振動に対応する振動を振動部１２０が発生させ、当該振動は、接触部１３０の第１の接触面１１１を介してユーザに対して提示される。
【００７４】
また、マスタフレーム１０８の先端側には、マスタフレーム１０８の回転方向に向かって延在するレール部１２３が設けられている。レール部１２３は、略円弧状の外形を有し、マスタフレーム１０８の回動に伴って、レール部１２３の延在方向に沿って回動する。すなわち、レール部１２３は、回転軸部材１５１を中心に回転する。
【００７５】
また、レール部１２３上に配設されるワイヤ１３５は、動力を伝達する部材として機能し、モータにより生成される駆動トルクが、ワイヤ１３５を介して、レール部１２３に伝達される。一方、レール部１２３の回動に伴って、レール部１２３の回転トルクが、ワイヤ１３５を介して、モータにも伝達され得る。
【００７６】
また、ワイヤ１３５の端部は、レール部１２３に設けられた孔を介して、レール部１２３に固定されたスプリング１２４の一端に固定される。これにより、スプリング１２４の弾性力を利用してワイヤ１３５に張力が付与され、レール部１２３上でのワイヤ１３５の弛みを抑制することができる。スプリング１２４は、ワイヤ１３５に張力を付与するための構成の一例であって、他の張力発生部が採用されてもよい。
【００７７】
上述のように、操作装置１００と支持アーム部４０の第４のアーム部４０ｄとの接続部分には、力センサ１５２が設けられている。力センサ１５２は、ユーザによって操作される操作装置１００に対して入力される３方向６軸成分の力及び捻じれを検出する６軸力センサであってもよい。力センサ１５２は、操作装置１００に対して並進力あるいは捻じり方向の力が付与されたときに、当該力のモーメントに対応する出力を生成する。スレーブ装置５０の術具の位置及び向きを力制御する場合、上述の制御部１６０は、力センサ１５２によって操作装置１００に入力された力モーメントを検出し、当該力モーメントに基づいてスレーブ装置５０のアームの姿勢を制御する。これにより、スレーブ装置５０に取り付けられた術具の位置及び向きをスムーズに制御することができる。
【００７８】
かかる操作装置１００において、モータ及びエンコーダは、それぞれ図示しないケーブル等により、上述の制御部１６０に電気的に接続される。操作装置１００に入力される力を検出する力センサ１５２も、制御部１６０に電気的に接続される。また、振動部１２０も、制御部１６０に電気的に接続される。これにより、エンコーダ及び力センサ１５２の検出信号が制御部１６０に出力されるとともに、制御部１６０からモータに対して駆動信号が入力される。また、制御部１６０の駆動回路から振動部１２０に対して駆動信号が入力される。
【００７９】
なお、上述のケーブル等は、操作装置１００の内部を通るように配線されもよいし、操作装置１００の外部を通るように配線されてもよい。
【００８０】
１．３．１．２  フローティング構造部の構成例
以下では、図９〜図１３を参照しながら、第１の実施形態に係る触覚提示装置のフローティング構造部の構成例について説明する。図９は、第１の実施形態に係る触覚提示装置の部分構成例を示す説明図である。図１０は、図９における設置部の表側から見た第１の実施形態に係る触覚提示装置の組み立て例を示す説明図である。図１１は、図９における設置部の裏側から見た第１の実施形態に係る触覚提示装置の組み立て例を示す説明図である。図１２は、第１の実施形態に係る触覚提示装置のＩ−Ｉ断面におけるフローティング構造部の構造例を示す断面図である。なお、図９〜図１３の説明において、表側とは、マスタフレーム１０８の押し込み方向と逆方向の側である。また、裏側とは、マスタフレーム１０８の押し込み方向の側である。
【００８１】
第１の実施形態に係る操作装置１００は、図９に示すように、大きく４つの部で構成されている。具体的に、操作装置１００は、操作部１１０、振動部１２０、接触部１３０、設置部１４０で構成されている。第１の実施形態に係るフローティング構造部は、振動部１２０、接触部１３０、及び設置部１４０で構成される。第１の実施形態に係るフローティング構造は、振動部１２０が発生した振動が力センサ１５２に伝達することを抑制するための構造である。
【００８２】
操作部１１０は、操作装置１００におけるユーザが操作する部である。なお、上述した筐体１０１と、回転軸部材１５１を中心に回動するマスタフレーム１０８とが、第１の実施形態における操作部に相当する。また、図７に示したように、操作部１１０の筐体１０１の先端側には力センサ１５２が接続される。ユーザが操作部１１０を把持して操作することで、力センサ１５２は、操作部１１０に入力されるユーザの力を計測する。
【００８３】
設置部１４０は、ユーザの指が接触する部である。設置部１４０は、図１０に示す孔１１４（孔１１４ａ、孔１１４ｂ及び孔１１４ｃ）の各々の孔を介して、ボルト１１５（ボルト１１５ａ、ボルト１１５ｂ及びボルト１１５ｃ）によりマスタフレーム１０８に取り付けられている。設置部１４０は、上述したように、ユーザの指が接触する第２の接触面１０５を有する。また、設置部１４０は、図９に示すように、ユーザの指が接触する第２の接触面１０５、及び、第２の接触面１０５側と第２の接触面の裏側とを貫通する開口部１０７を有する。
【００８４】
なお、開口部１０７の形状は、図９に示す円形に限定されない。例えば、開口部１０７の形状は、四角形等の多角形であってもよい。また、開口部１０７は、図９に示すように設置部１４０の中央付近だけではなく、設置部１４０の中央付近から外周に達するまでが開口部１０７となっていてもよい。
【００８５】
接触部１３０は、振動部１２０により発生した振動をユーザに伝達する部である。接触部１３０は、ユーザの指に接触する第１の接触面１１１を有する。接触部１３０は、第１の接触面１１１により、ユーザの指に直接的に振動を伝達することができる。図１２に示すように、設置部１４０に設けられた開口部１０７には、接触部１３０の凸部が第２の接触面１０５の裏側から挿通される。かかる凸部のうち、設置部１４０の表側（即ち、第２の接触面１０５が設けられた側）でユーザの指と接触する部分の表面が、第１の接触面１１１である。このような構成により、第１の接触面１１１と第２の接触面１０５とが共にユーザの同一の指に接触することとなる。従って、ユーザが、第２の接触面１０５を指で押し込んでマスタフレーム１０８を回動させる動作を行った際に、第２の接触面１０５を押し込んだ指に、振動部１２０により発生した振動が伝達される。これにより、例えば鉗子で物をつかむ際に触覚が鉗子を操作する指に伝達されることと、同等のフィードバックを実現することができる。
【００８６】
接触部１３０は、設置部１４０の裏側に、滑動可能に配置される。具体的に、接触部１３０は、接触部１３０に設けられた孔１２２（孔１２２ａ、孔１２２ｂ、及び孔１２２ｃ）に、孔１２２より小さい断面形状を有する柱状の固定具１１８（固定具１１８ａ、固定具１１８ｂ、及び固定具１１８ｃ）が挿通されて、固定具１１８に沿って滑動可能に配置される。固定具１１８は、図１０に示す設置部１４０の表側の孔１１６（孔１１６ａ、孔１１６ｂ、及び孔１１６ｃ）から挿通されたネジ１１７（ネジ１１７ａ、ネジ１１７ｂ、及びネジ１１７ｃ）により、設置部１４０に固定される。このような構成により、接触部１３０は、振動部１２０と共に振動する際に、固定具１１８に沿って滑動することが可能となる。
【００８７】
ここで、接触部１３０は、設置部１４０と直接接触しないように、弾性体を介して設置部１４０に取り付けられる。例えば、図１２に示すように、接触部１３０は、孔１２２ｃに関して、弾性体である２つのばね１１９（ばね１１９ａ、及び１１９ｂ）により挟持された状態で、設置部１４０に取り付けられる。より具体的に、ばね１１９ａは、接触部１３０の第１の接触面１１１がある表側と設置部１４０の裏側（第２の接触面１０５とは反対側の面）との間に取り付けられる。また、ばね１１９ｂは、接触部１３０の裏側（第１の接触面１１１とは反対側の面）と固定具１１８ｃの頭部との間に取り付けられる。図示しない孔１２２ａ及び孔１２２ｂについても同様である。このような構成により、接触部１３０と振動部１２０とが共に振動する際に、振動の少なくとも一部が弾性体により吸収される。よって、接触部１３０から設置部１４０に伝達される振動を抑制することが可能となり、その結果、設置部１４０が取り付けられた操作部１１０を介して力センサ１５２に伝達される振動をも抑制することが可能となる。
【００８８】
なお、接触部１３０には、アルミやマグネシウム等の軽量部品が用いられることが望ましい。接触部１３０に軽量部品が用いられることで、接触部１３０の自重が力センサ１５２の計測値に与える影響が軽減され、さらに振動部１２０が振動させる質量が小さくなることにより、振動部１２０として用いるアクチュエータの小型化が可能である。
【００８９】
ばね１１９の内側の空間に固定具１１８が挿通されている。これにより、ばね１１９が伸縮する方向と接触部１３０の滑動方向とが一致することとなり、接触部１３０の滑動方向を１軸に固定することができる。また、接触部１３０は、ユーザの指が第１の接触面１１１に触れた際に、滑動することでユーザの指になじむように位置を変更することが可能となる。
【００９０】
なお、弾性体の数は、上述の例で用いた数に限定されず、任意の数の弾性体が用いられてもよい。例えば、上述の孔１２２ｃでは２つのばね１１９が用いられているが、設置部１４０と接触部１３０を直接ばねで接続することで、１つのばね１１９だけが用いられてもよい。図示しない孔１２２ａ及び孔１２２ｂについても同様にした場合、全体で３つのばね１１９が用いられることとなる。また、孔１２２ごとに１つのばねでなく、接触部１３０、及び設置部１４０の全体で１つのばね１１９が用いられてもよい。また、弾性体は、接触部１３０と接触するように、接触部１３０の凸部の周辺にバランスよく配置されていることが好ましい。例えば、２つの弾性体が接触部１３０の凸部を挟んで対向する位置に１つずつ配置されるとよい。弾性体がバランスよく配置されていることで、接触部１３０が傾かずに安定して設置される。そして、ユーザが接触部１３０の凸部を設置部１４０の裏側方向に押し込んだ際に、接触部１３０は、傾かずに並進することができる。
【００９１】
また、弾性体は上述のばねに限定されず、任意の弾性体が用いられてもよい。例えば、弾性体として、ゴム、または柔軟素材等が用いられてもよい。
【００９２】
なお、接触部１３０の取り付けに用いられる孔１２２は、孔１２２ｄを含めた４つの孔１２２が存在するが、当該４つの孔１２２のうちの少なくとも２つが用いられればよい。例えば、接触部１３０の凸部を挟んで対向する２つの孔１２２が用いられればよい。具体的に、孔１２２ａと孔１２２ｃの組み合わせ、または孔１２２ｂと孔１２２ｄの組み合わせの２つの孔１２２が用いられればよい。このように、４つの孔１２２の内、接触部１３０の凸部を挟んで対向する２つの孔１２２が用いられることで、接触部１３０は安定して設置される。
【００９３】
上述のように、接触部１３０が弾性体を介して設置部１４０に取り付けられ、接触部１３０と設置部１４０が非接触である構造は、フローティング構造と称される。なお、接触部１３０が弾性体を介して設置部１４０に取り付けられることにより、接触部１３０と操作部１１０は非接触であるため、接触部１３０と操作部１１０とは分離している。
【００９４】
振動部１２０は、接触部１３０の第１の接触面の裏側に設けられる。具体的に、図１１に示すネジ１１２（ネジ１１２ａ、ネジ１１２ｂ、及びネジ１１２ｃ）が、図９に示す振動部１２０の孔１２５（孔１２５ａ、孔１２５ｂ、及び孔１２５ｃ）に裏側から貫通される。そして、ネジ１１２は、接触部１３０のネジ穴１２６（ネジ穴１２６ａ、ネジ穴１２６ｂ、及びネジ穴１２６ｃ）に固定される。このようにして、振動部１２０は、接触部１３０の裏側に固定して取り付けられる。
【００９５】
また、振動部１２０は、弾性体が伸縮する方向と対応する方向に振動する。例えば、振動部１２０は、弾性体が伸縮する方向と一致又は略一致する方向に振動する。具体的に、振動部１２０は、図１２に示す振動方向１２１の方向に振動する。振動方向１２１は、図１２に示す弾性体であるばね１１９ａ、及びばね１１９ｂが伸縮する方向と一致する。典型的には、弾性体による振動吸収能力は、弾性体に加えられる力の方向が伸縮方向と一致するほど高く発揮される。そのため、振動部１２０が、弾性体が伸縮する方向と一致又は略一致する方向に振動することにより、弾性体は、振動部１２０による振動を、効率的に吸収することが可能となる。
【００９６】
ここで、図１３を参照しながら上記説明したフローティング構造についてまとめる。図１３は、第１の実施形態に係る触覚提示装置を示す簡略図である。なお、図１３では、操作部１１０と設置部１４０は、１つにまとめて図示されている。接触部１３０には振動部１２０が設けられる。設置部１４０には、接触部１３０が弾性体（ばね１１９ａ〜１１９ｄ）を介して設けられる。そして、設置部１４０は、操作部１１０に設けられる。これにより、振動部１２０が振動すると、振動部１２０から生じる振動が接触部１３０に伝達し、接触部１３０も共に振動する。さらに、接触部１３０の第１の接触面１１１にユーザの指１３１が接触している場合、接触部１３０から生じる振動は、第１の接触面１１１を介して、ユーザの指に伝達される。
【００９７】
また、接触部１３０は、固定具１１８（固定具１１８ａ、及び固定具１１８ｂ）により、設置部１４０に固定具１１８に沿って滑動可能に配置される。また、接触部１３０は、固定具１１８ａに関しては、弾性体（ばね１１９ａ、及びばね１１９ｂ）により挟持された状態で、設置部１４０に取り付けられる。また、接触部１３０は、固定具１１８ｂに関しては、弾性体（ばね１１９ｃ、及びばね１１９ｄ）により挟持された状態で、設置部１４０に取り付けられる。したがって、接触部１３０と振動部１２０とが共に振動する際に、振動の少なくとも一部が弾性体により吸収される。よって、接触部１３０から設置部１４０に伝達される振動を抑制することが可能となり、その結果、設置部１４０が取り付けられた操作部１１０を介して力センサ１５２に伝達される振動をも抑制することが可能となる。
【００９８】
なお、図９〜図１３には、振動部１２０に入力する電圧波形のキャリブレーションに用いられる加速度センサ４０１も示されている。この加速度センサ４０１は、上述したセンサ部１５０に含まれる構成であってよい。また、加速度センサ４０１を用いたキャリブレーションについては、後述において詳細に説明する。
【００９９】
１．３．１．３  第１の接触面の初期位置
以下では、図１４、図１５を参照しながら、第１の実施形態に係る第１の接触面の初期位置について説明する。図１４、及び図１５は、第１の実施形態に係る第１の接触面の初期位置の例を示す説明図である。
【０１００】
上述の構成では、例えば、図１２に示す振動方向１２１の方向に振動部１２０が振動する場合、接触部１３０も振動方向１２１の方向に振動する。この時、振動部１２０の振幅の大きさ、及び接触部１３０の取り付け位置によって、接触部１３０の第１の接触面１１１がユーザの指に接触しない可能性がある。よって、上述の構成を実現するにあたり、振動部１２０の振幅を考慮した上で、接触部１３０の第１の接触面の初期位置が設定されるとよい。初期位置とは、振動部１２０が停止（即ち、静止）した状態における、第１の接触面１１１の位置である。換言すると、初期位置は、接触部１３０を設置部１４０に取り付けた際の第１の接触面１１１の位置である。
【０１０１】
例えば、第１の接触面１１１は、振動部１２０が停止した状態で、振動部１２０の振動方向における第１の接触面１１１と第２の接触面１０５とは一致又は略一致する位置にあるとよい。第２の接触面１０５と一致する位置は、例えば、設置部１４０の表側（第２の接触面側）にある開口部１０７の縁と、振動方向１２１に対して一致する位置である。開口部１０７の縁は、開口部１０７を形成する第２の接触面１０５の端部である。より具体的に、図１４に示す例の場合、第２の接触面１０５と一致する位置は、第２の接触面１０５ａの端部１２７ａ、または第２の接触面１０５ｂの端部１２７ｂと、振動方向１２１に対して一致する位置のことである。ユーザの指１３１が第２の接触面１０５に接触すると、典型的には、ユーザの指１３１の腹の位置は、振動方向１２１に対して端部１２７の少なくともいずれかと一致する位置となる。したがって、第１の接触面１１１の初期位置が端部１２７の少なくともいずれかと一致する位置であれば、振動部１２０が振動した際に、第１の接触面１１１は、ユーザの指１３１と接触することができる。
【０１０２】
また、第２の接触面１０５と略一致する位置は、第１の接触面１１１と端部１２７との振動方向の最短距離が振動部１２０の振幅に対応する値の範囲内にある位置である。振動部１２０が振動した際の１周期あたりの第１の接触面１１１の動きを考えると、まず、第１の接触面１１１は初期値から振動部１２０の振幅だけ設置部１４０の表側方向に移動する。次に、第１の接触面１１１は、振動部１２０の振幅の２倍だけ設置部１４０の裏側方向に移動する。最後に、第１の接触面１１１は、振動部１２０の振幅だけ設置部１４０の表側方向に移動して初期値に戻る。したがって、第１の接触面１１１の初期位置が端部１２７から設置部１４０の裏側方向に振動部１２０の振幅の距離１２９内の位置にあれば、振動部１２０が振動した際に、第１の接触面１１１は、ユーザの指と接触することができる。
【０１０３】
また、図１４には、端部１２７ａと端部１２７ｂが振動方向１２１に対して一致する位置である例を示しているが、開口部１０７の位置によって、図１５に示す端部１２７ｃと端部１２７ｄのように、振動方向１２１に対して端部１２７の位置が一致しない場合もある。その場合、第１の接触面１１１からの距離が最短となる端部１２７ｃと一致する位置、または端部１２７ｃから設置部１４０の裏側方向に振動部１２０の振幅の距離１２９内の位置に第１の接触面１１１の初期位置を設定すればよい。
【０１０４】
１．４  動作例
以下では、図１６を参照しながら、第１の実施形態に係る信号処理部１７０の処理における動作例について説明する。図１６は、第１の実施形態に係る信号処理部の動作例を示すフローチャートである。
【０１０５】
信号処理部１７０は、入力された信号に対して、特定の帯域除去処理を行う。まず、信号処理部１７０は、上位制御部１９０がスレーブ装置５０から受信した信号から特定の帯域を除去する処理を行う。信号処理部１７０は、上位制御部１９０からから信号を入力されると、信号処理部１７０の帯域制限部１７１は、例えばＨＰＦを用いて、当該信号から低域の帯域を除去する（ステップＳ１０００）。帯域制限部１７１は、低域の帯域除去後の信号をノイズ推定部１７５へ出力する（ステップＳ１００４）。
【０１０６】
また、信号処理部１７０は、力センサ１５２から入力された信号に対してノイズ低減処理を行う。まず、信号処理部１７０は、力センサ１５２から信号を入力されると、Ａ／Ｄ１７３で変換し、外力（力＋重力＋慣性力＋ノイズ）に関するデジタル信号を取得し、加算器１７８へ出力する（ステップＳ１００８）。また、逆動力学演算部１７４は、逆動力学演算により、操作装置１００の自重による重力と操作装置１００が動くことにより生じる慣性力を算出し、マイナス値として加算器１７８へ出力する（ステップＳ１０１２）。加算器１７８は、外力（力＋重力＋慣性力＋ノイズ）にマイナス値の重力と慣性力を加算することで、外力（力＋ノイズ）を算出し、加算器１７９へ出力する（ステップＳ１０１６）。
【０１０７】
また、上述のステップＳ１００８、Ｓ１０１２、Ｓ１０１６の処理と並列して、ノイズ推定部１７５は、帯域制限部１７１から入力された低域の帯域除去後の信号に基づき、ノイズ推定によりノイズを取得し、当該ノイズをマイナス値として加算器１７９へ出力する（ステップＳ１０２０）。
【０１０８】
加算器１７９は、加算器１７８に入力された外力（力＋ノイズ）に、ノイズ推定部１７５に入力されたマイナス値としてのノイズを加算し、外力（力）を算出する（ステップＳ１０２４）。そして、制御部１６０は、当該外力（力）に関する信号をスレーブ装置５０へ送信する（ステップＳ１０２８）。
【０１０９】
１．５  ゲイン調整
つづいて、第１の実施形態に係る触覚提示装置のゲイン調整について、図面を参照して詳細に説明する。
【０１１０】
図１７は、図１３に示された触覚提示装置の構成に対してゲイン調整を実行するための構成を追加で記載した構成例を示す模式断面図である。また、図１８は、第１の実施形態に係る指令値の波形例を示す波形図であり、図１９は、図１８に示す指令値に対して第１の実施形態に係る調整をせずに振動部に入力した場合に加速度センサで検出される振動波形の例を示す波形図であり、図２０は、図１８に示す指令値に対して第１の実施形態に係る調整をして振動部に入力した場合に加速度センサで検出される振動波形の例を示す波形図である。
【０１１１】
図１７に示すように、本実施形態では、操作部１１０及び設置部１４０から機械的に分離した接触部１３０に対して、振動を検出するための加速度センサ４０１が設けられている。加速度センサ４０１で検出された振動波形は、例えば、制御部１６０における信号処理部１７０に入力される。
【０１１２】
信号処理部１７０は、上位制御部１９０等の外部から入力された指令値に基づいて、振動部１２０に与えるデジタルの電圧波形を生成する。なお、指令値は、例えば、振幅及び／又は周波数が一定又は直線若しくは段階的に変化する正弦波等の波形であってよい。
【０１１３】
ドライバ４０２は、例えば、Ｄ／Ａ（Digital-to  Analog）コンバータとパワーアンプとから構成され、信号処理部１７０から入力されたデジタルの電圧波形をＤ／Ａ変換することで、振動部１２０に与えるアナログの電圧波形（以下、入力波形という）を生成し、当該電圧波形を振動部１２０に入力する。
【０１１４】
また、信号処理部１７０は、入力波形に対して加速度センサ４０１で検出された振動波形（以下、出力波形という）に基づいて、振動部１２０に与える電圧波形をフィードバック制御することで、加速度センサ４０１で検出された振動波形を指令値の波形に近づける。
【０１１５】
例えば、図１８に示すように、指令値の波形が周波数及び振幅が一定の正弦波であったとすると、この波形をそのまま電圧波形に変換して振動部１２０に入力した場合、図１９に例示するように、加速度センサ４０１では、歪んだ波形の出力波形が検出される。
【０１１６】
そこで本実施形態では、触覚提示装置のキャリブレーションにおいて、入力波形に対して得られた出力波形から伝達関数や周波数特性や歪率等の特性値を算出し、算出した特性値に基づいて、出力波形を指令値の波形に近づけるための補正量を算出する。そして、算出した補正量に基づいて指令値から入力波形を生成することで、図２０に示すように、加速度センサ４０１で検出される出力波形を指令値の波形に近づける（フィードバック制御）。
【０１１７】
ここで、入力波形に対して出力波形が歪む原因としては、振動部１２０から人の指１３１までの振動伝達経路における機械共振や、振動部１２０の不適切な駆動ゲインなどが考えられる。図２１及び図２２は、振動部から人の指までの振動伝達経路における機械共振の例を示す図である。図２１は、機械共振の振幅の周波数依存性を示し、図２２は、機械共振の位相の周波数依存性を示している。図２１及び図２２に示すように、機械共振が発生すると、振幅の増減や位相のずれが発生する。
【０１１８】
このように、機械共振が発生したり振動デバイスの駆動ゲインが高すぎたりすると、接触部１３０の固定具１１８ａ及び１１８ｂの軸方向に沿ったストローク（可動範囲）不足によって、固定具１１８ａ及び１１８ｂの係止部分と接触部１３０との接触が発生する。
【０１１９】
その結果、図２３に例示するように、正弦波の入力信号Ｃ１を振動部１２０に入力した場合に、加速度センサ４０１で検出される出力信号Ｆ１の波形が、入力信号Ｃ１の波形に対して歪んだり、図２４に例示するように、基本波Ｈ０の他に、高調波Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、…が加速度センサ４０１に入力したりしてしまう。
【０１２０】
そこで本実施形態では、振動部１２０が発生する振動の振幅が高調波を発生させない程度の振幅に収まるように、指令値から入力波形を生成する際のゲインの補正量を算出する。これにより、振動部１２０と接触部１３０とユーザの指１３１の皮膚とが形成する系で固有振動数に基づいた共振が発生することによるビビリ振動等が防止されるため、ユーザにより正確な触覚情報を提示することが可能となる。その結果、スレーブ装置をより正確に遠隔操作することが可能となる。
【０１２１】
また、入力波形に対する出力波形の周波数特性は、入力波形の周波数、すなわち、指令値の周波数の他に、ユーザの指１３１の皮膚の機械インピーダンス等によっても変化する。
【０１２２】
例えば、図２５に示すように、指１３１の皮膚が薄いユーザＵ１と、厚いユーザＵ３と、その中間のユーザＵ２とがいる場合、指１３１の皮膚が厚いユーザＵ２、Ｕ３ほど、指１３１の皮膚が薄いユーザＵ１と比較して、入力波形に対する出力波形のゲインが低くなる。これは、指１３１の皮膚が厚いほど、機械インピーダンスが高く、そして、機械インピーダンスが高いほど、振動部１２０から接触部１３０に与えた振動が減衰するためと考えられる。
【０１２３】
そこで本実施形態では、図２６に例示するように、キャリブレーションにおいて、ユーザごとに指令値に対するゲインの補正量を特定し、特定した補正量をユーザごとのパラメータとして、例えば、記憶部１８０内に保存しておく。これにより、ユーザごとのゲイン補正が可能となるため、ユーザにより正確な触覚情報を提示することが可能となる。その結果、スレーブ装置をより正確に遠隔操作することが可能となる。
【０１２４】
なお、同じユーザであっても、触覚提示装置を使用する環境（温度や湿度や季節等）によって、指１３１の皮膚の硬さは変化する。そこで、図２６に示すように、温度や湿度や日時等のそれぞれの条件における補正量を、ユーザごとに記憶部１８０内に保存しておいてもよい。
【０１２５】
１．６  キャリブレーション用のテスト信号例
図２７は、第１の実施形態に係るキャリブレーションにおいて指令値として使用されるテスト信号の一例を示す波形図である。図２７に示すように、第１の実施形態では、周波数が段階的に大きくなる波形のテスト信号を使用してキャリブレーションが実行される。すなわち、第１の実施形態に係るキャリブレーションでは、テスト信号の周波数をスイープすることで、各波長帯域でフィードバック制御によるゲイン補正が行なわれる。
【０１２６】
テスト信号において周波数をスイープする範囲は、例えば、３０Ｈｚ（ヘルツ）から７００Ｈｚ程度の範囲とすることができる。ただし、この範囲は、振動部１２０がカバーする振動の周波数帯域によって適宜変更されてよい。また、周波数をスイープする際のステップ幅は、例えば、数１０Ｈｚから数１００Ｈｚなど、適宜設定されてよい。
【０１２７】
各周波数帯でのテスト信号の振幅は、図２７に例示するように、例えば、段階的に大きくなるように変化してもよい。ただし、これに限定されず、図２８に示すテスト信号の変形例のように、各周波数帯でのテスト信号の振幅を直線的に変化させてもよい。
【０１２８】
各周波数帯でテスト信号の振幅を変化させる幅は、例えば、振動部１２０に発生する振動の振幅が１μｍ（マイクロメートル）〜３ｍｍ（ミリメートル）程度の範囲となる幅など、振動部１２０に発生させ得る振幅の範囲内であって、ユーザが指１３１で刺激を知覚し得る範囲内の幅であってよい。
【０１２９】
１．７  キャリブレーションの動作フロー例
図２９は、第１の実施形態に係るキャリブレーションの動作フロー例を示すフローチャートである。なお、図２９に示す動作は、例えば、触覚提示装置又は触覚提示システム１の毎起動時のイニシエーション処理において実行されてもよいし、定期的又は前回実行時からの経過時間に基づいて実行されてもよいし、ユーザがマニュアル操作でキャリブレーションの実行を要求した際に実行されてもよい。また、図２９では、信号処理部１７０の動作に着目して説明する。
【０１３０】
図２９に示すように、キャリブレーションでは、まず、触覚提示装置の信号処理部１７０は、当該触覚提示装置を現在使用するユーザを特定するためのユーザＩＤを入力する（ステップＳ１０１）。ユーザＩＤの入力は、ステップＳ１０１においてユーザに対して求められてもよいし、触覚提示装置を起動した際にキャリブレーション処理とは別の処理で入力されたものを入力してもよい。
【０１３１】
次に、信号処理部１７０は、変数ｉを‘１’に設定する（ステップＳ１０２）。つづいて、信号処理部１７０は、テスト信号ｆｉ（ここでは、テスト信号ｆ１）の電圧波形をドライバ４０２へ入力する（ステップＳ１０３）。これにより、ドライバ４０２から振動部１２０へは、テスト信号ｆｉの入力波形が入力される。そして、信号処理部１７０は、テスト信号ｆ１の入力に対して検出された振動波形（出力波形に相当）を加速度センサ４０１から入力する（ステップＳ１０４）。
【０１３２】
次に、信号処理部１７０は、テスト信号ｆ１の波形と、加速度センサ４０１から入力された出力波形との差から、テスト信号ｆ１に対する出力波形の歪率ｄ１を算出する（ステップＳ１０５）。
【０１３３】
次に、信号処理部１７０は、算出した歪率ｄ１が予め設定しておいた閾値Ｄ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。なお、閾値Ｄは、テスト信号の波形と出力波形とが十分に近似していると判断できる程度の値に設定されてよい。
【０１３４】
歪率ｄ１が閾値Ｄより大きい場合（ステップＳ１０６のＮＯ）、信号処理部１７０は、信号処理部１７０における指令値（ここではテスト信号ｆｉ）に対するゲインの補正値を変更し（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０３へリターンする。これにより、新たなステップＳ１０３では、ゲイン補正後の入力波形が振動部１２０に入力される。
【０１３５】
一方、歪率ｄ１が閾値Ｄ以下である場合（ステップＳ１０６のＹＥＳ）、信号処理部１７０は、記憶部１８０内のユーザごとのゲインの補正量を現在の補正量で更新する（ステップＳ１０８）。
【０１３６】
次に、信号処理部１７０は、変数ｉを１インクリメントし（ステップＳ１０９）、インクリメント後の変数ｉが、最大値である‘ｎ’より大きいか否かを判定する（ステップＳ１１０）。変数ｉがｎ以下である場合（ステップＳ１１０のＮＯ）、信号処理部１７０は、ステップＳ１０３へリターンし、以降の処理を実行する。これにより、テスト信号ｆ１〜ｆｎに対するキャリブレーションが実行される。一方、変数ｉがｎより大きい場合（ステップＳ１１０のＹＥＳ）、信号処理部１７０は、本動作を終了する。
【０１３７】
以上のように、本実施形態によれば、加速度センサ４０１を振動部１２０に搭載してユーザの指１３１が触れた状態での振動波形が制御部１６０にフィードバックされ、ユーザの指１３１の皮膚の硬さを考慮したゲインで自動的にキャリブレーションが実行される。このようなキャリブレーションにより、共振によるビビリ振動が防止されるため、不要な信号帯域を制限して、ユーザにより正確な触覚情報を提示することが可能となる。その結果、スレーブ装置をより正確に遠隔操作することが可能となる。
【０１３８】
なお、モータ３６等（図２参照）で触覚提示する帯域と振動部１２０で触覚提示する帯域との一部が重複している場合、信号処理部１７０は、上記したキャリブレーションに加え、モータ３６等（図２参照）で触覚提示する帯域と振動部１２０で触覚提示する帯域との間の位相調整を実行してもよい。
【０１３９】
また、接触部１３０の加速度を検出する加速度センサ４０１には、操作部１１０の姿勢や変位（以下、姿勢等という）によって重力やコリオリ力や遠心力などが働く。そこで、上述のキャリブレーションにおいて、操作部１１０の姿勢等を考慮して、出力波形が計測されてもよい。なお、操作部１１０の姿勢検出には、例えば、力センサ１５２を用いることが可能である。
【０１４０】
１．８  変形例
以下では、図３０〜図３３を参照しながら、第１の実施形態に係る変形例を説明する。なお、以下に説明する変形例は、単独で第１の実施形態に適用されてもよいし、組み合わせで第１の実施形態に適用されてもよい。また、変形例は、第１の実施形態で説明した構成に代えて適用されてもよいし、第１の実施形態で説明した構成に対して追加的に適用されてもよい。
【０１４１】
（１）第１の変形例
以下では、図３０〜図３２を参照しながら、第１の実施形態に係る第１の変形例について説明する。図３０は、設置部の裏側から見た第１の実施形態に係る第１の変形例を示す説明図である。図３１は、設置部の側面から見た第１の実施形態に係る第１の変形例を示す説明図である。図３２は、第１の実施形態に係る第１の変形例のＩＩ−ＩＩ断面における構造例を示す説明図である。上述の第１の実施形態では、振動部１２０としてＶＣＭが用いられる例について説明したが、振動部１２０としてＬＲＡが用いられてもよい。以下では、振動部１２０としてＬＲＡが用いられた場合の触覚提示装置の組み立て例について説明する。
【０１４２】
上述した第１の実施形態によれば、図１２に示したように、ＶＣＭ（振動部１２０）は、第１の接触面１１１に対して垂直な方向（振動方向１２１）に振動する。一方で、本変形例によれば、図３０〜図３２に示すように、ＬＲＡ（振動部２２０）は、第１の接触面１１１に対して水平な方向に振動する。具体的に、ＬＲＡは、図３０に示す振動方向２２１の方向に振動する。
【０１４３】
このような振動方向の相違に起因して、図３０〜図３２に示すように、本変形例における接触部２３０の形状、及び接触部２３０の設置部１４０への取り付け方は、上述した第１の実施形態とは異なる。例えば、振動部２２０が振動方向２２１に振動した際に、接触部２３０も振動方向２２１に振動するように、接触部２３０が設置部１４０に取り付けられる。
【０１４４】
具体的に、接触部２３０は、図３０〜図３２に示す設置部１４０の固定部２１８（固定部２１８ａ、固定部２１８ｂ、及び固定部２１８ｃ）に、ばね２１９（ばね２１９ａ、ばね２１９ｂ、ばね２１９ｃ、及びばね２１９ｄ）を介して滑動可能に取り付けられる。なお、図３０〜図３２に示す例では、固定部２１８ｃに対して、２つのばね２１９（ばね２１９ｃ、及びばね２１９ｄ）により接触部２３０が取り付けられている。これに対し、設置部１４０は、固定部２１８ｃを分割して固定部２１８ｄをさらに設け、ばね２１９ｃは固定部２１８ｃに、ばね２１９ｄは固定部２１８ｄに対して用いられてもよい。
【０１４５】
なお、接触部２３０は、上述のようにして弾性体であるばね２１９を介して設置部１４０に取り付けられることにより、上述の実施形態と同様に、接触部２３０は、設置部１４０と直接接触しない。
【０１４６】
また、接触部２３０が振動方向２２１の方向に振動しても、接触部２３０と固定部２１８とが接触しないように、固定部２１８の内部には所定の空間２２２（空間２２２ａ、空間２２２ｂ、空間２２２ｃ、及び空間２２２ｄ）が確保されている。なお、空間２２２は、固定部２１８内部の接触部２３０の端部から、少なくとも振動部２２０の振幅を超える距離まで確保されていれば、接触部２３０と固定部２１８が接触することは防止される。
【０１４７】
上述のように、第１の接触面１１１に対して水平な方向に振動する振動装置が用いられる場合でも、接触部２３０の形状、及び接触部２３０を設置部１４０に取り付ける構造を、振動装置の振動方向に応じた構造とすることで、フローティング構造を実現することは可能である。
【０１４８】
また、以上のような構成において、キャリブレーション用の加速度センサ４０１は、例えば、図３０及び図３２に示すように、接触部２３０に取り付けられる。信号処理部１７０は、上述した第１の実施形態と同様に、キャリブレーション時に、加速度センサ４０１で検出された出力波形に基づいて、指令値に対するゲインの補正量を算出し、これを記憶部１８０にユーザ毎に格納する。
【０１４９】
（２）第２の変形例
以下では、図３３を参照しながら、第１の実施形態に係る第２の変形例について説明する。図３３は、第１の実施形態に係る第２の変形例を示す説明図である。上述の第１の実施形態では、第１の接触面１１１が平らである例について説明したが、第１の接触面１１１は、凹凸を有してもよい。例えば、図３３に示すように、第１の接触面１１１は、スリットを有してもよい。第１の接触面１１１がスリットを有することで、振動した際にスリットの角がユーザの指に接触するため、第１の接触面１１１が平らな場合と比較し、ユーザは、第１の接触面１１１から指に伝達される振動をより感度よく感じることができる。
【０１５０】
なお、第２の変形例においても、キャリブレーション用の加速度センサ４０１は、接触部１３０に設けられてよい。
【０１５１】
（３）第３の変形例
以下では、図３４を参照しながら、第１の実施形態に係る第３の変形例について説明する。図３４は、第１の実施形態に係る第３の変形例を示す説明図である。上述の第１の実施形態では、触覚を再現するための振動源となる振動部１２０にＶＣＭ等が用いられた場合を例示した。これに対し、第３の変形例では、ＶＣＭ等の振動部１２０に代えて、空気圧アクチュエータ４２０を振動源として用いる場合について例示する。
【０１５２】
図３４に示すように、振動源としての空気圧アクチュエータ４２０は、内部に空気が充填された中空構造４２１を有しており、内部の空気圧を変化させることで、振動を発生させる。
【０１５３】
このような空気圧アクチュエータ４２０は、ユーザと直接接触する位置に設けられる。したがって、図３４に例示する構成では、空気圧アクチュエータ４２０は、接触部１３０における第１の接触面１１１に配置される。
【０１５４】
以上のような構成においても、キャリブレーション用の加速度センサ４０１は、空気圧アクチュエータ４２０が設けられる接触部１３０に設けられてよい。
【０１５５】
（４）第４の変形例
以下では、図３５を参照しながら、第１の実施形態に係る第４の変形例について説明する。図３５は、第１の実施形態に係る第４の変形例を示す説明図である。第４の変形例では、図３５に例示するように、触覚を再現するための振動源として、ＶＣＭ等の振動部１２０に加え、第３の変形例で例示した空気圧アクチュエータ４２０が設けられている。
【０１５６】
ＶＣＭなどの振動部１２０で触覚提示する帯域と、空気圧アクチュエータ４２０で触覚提示する帯域とは、異なっている。例えば、ＶＣＭなどの振動部１２０で触覚提示する帯域が３０〜７００Ｈｚ程度の帯域であるのに対し、空気圧アクチュエータ４２０で触覚提示する帯域は０〜３０Ｈｚ程度の帯域である。
【０１５７】
そこで、ＶＣＭなどの振動部１２０と空気圧アクチュエータ４２０とを組み合わせて使用することで、より広範囲の帯域の触覚をユーザに提示することが可能となる。
【０１５８】
なお、以上のような構成においても、キャリブレーション用の加速度センサ４０１は、空気圧アクチュエータ４２０と振動部１２０とが設けられる接触部１３０に設けられてよい。
【０１５９】
また、空気圧アクチュエータ４２０で触覚提示する帯域と振動部１２０で触覚提示する帯域との一部が重複している場合には、信号処理部１７０は、上記したキャリブレーションに加え、空気圧アクチュエータ４２０で触覚提示する帯域と振動部１２０で触覚提示する帯域との間の位相調整を実行してもよい。
【０１６０】
２．第２の実施形態
次に、本開示の第２の実施形態に係る触覚提示装置、キャリブレーション方法及びプログラムについて、以下に図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、上述した第１の実施形態又はその変形例と同様の構成及び動作については、それを引用することで、その重複する説明を省略する。また、本実施形態では、触覚提示装置として、ユーザの体に密着させて使用するタイプの振動デバイスを例に挙げる。
【０１６１】
２．１  振動デバイスの構造
図３６は、第２の実施形態に係る振動デバイスの外観を示す図であり、図３７は、第２の実施形態に係る振動デバイスの断面を示す図である。図３６および図３７に示されるように、振動デバイス５００は、断面が楕円形状の外部筐体５０１を有する。このように外部筐体５０１の断面が楕円であることによって、振動デバイス５００がユーザの体に接する角度が変化しても、同様の圧力でユーザの体に接するようになる。
【０１６２】
外部筐体５０１の上部（ユーザに当接する側）には、開口５０２が設けられている。開口５０２からは、例えば、上述した第１の実施形態における接触部１３０の第１の接触面１１１が突出している。
【０１６３】
図３７に示すように、外部筐体５０１の内部は、中空の構造となっている。外部筐体５０１の内部には、例えば、第１の実施形態で例示した振動発生構造と同様の構造が収容されている。具体的には、図３７に示すように、ユーザに接触する接触部１３０と、振動を発生させる振動部１２０と、接触部１３０を振動可能に指示するばね１１９ａ〜１１９ｄとが設けられている。
【０１６４】
接触部１３０に設けられた孔１２２（第１の実施形態参照）は、外部筐体５０１の内部に設けられた柱状の軸部材５１９Ａ、５１９Ｂ（第１の実施形態における固定具１１８に相当）に滑動可能に挿通される。接触部１３０は、軸部材５１８Ａ、５１８Ｂに挿通されたばね１１９（ばね１１９ａ及び１１９ｂ、１１９ｃ及び１１９ｄ）により挟持された状態で、軸部材５１８Ａ、５１８Ｂに挿通される。
【０１６５】
ばね１１９ａ〜１１９ｄの一方の端は、外部筐体５０１の内部に設けられた係止部５１８ａ〜５１８ｄにそれぞれ当接している。すなわち、本実施形態では、係止部５１８ａ〜５１８ｄを備える外部筐体５０１が、第１の実施形態における設置部１４０に相当する。これにより、接触部１３０がばね１１９ａ〜１１９ｄによって変位可能に支持される。
【０１６６】
このような構成において、キャリブレーション用の加速度センサ４０１は、第１の実施形態と同様に、接触部１３０に取り付けられる。信号処理部１７０は、上述した第１の実施形態と同様に、キャリブレーション時に、加速度センサ４０１で検出された出力波形に基づいて、指令値に対するゲインの補正量を算出し、これを記憶部１８０にユーザ毎に格納する。
【０１６７】
その他の構成、動作及び効果は、上述した実施形態又はその変形例と同様であってよいため、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１６８】
３．ハードウェア構成
次に、図３８を参照して、上述した実施形態又はその変形例に係るマスター装置のハードウェア構成について説明する。図３８は、本開示の実施形態に係るマスター装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。マスター装置１０による情報処理は、ソフトウェアと、以下に説明するハードウェアとの協働により実現されてもよい。
【０１６９】
マスター装置１０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）９０１と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）９０３と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）９０５を備える。また、マスター装置１０は、入力装置９０７と、ストレージ装置９０９と、通信装置９１１とを備える。
【０１７０】
ＣＰＵ９０１は、演算処理装置及び制御装置として機能し、各種プログラムに従ってマスター装置１０内の動作全般を制御する。また、ＣＰＵ９０１は、マイクロプロセッサであってもよい。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１の実行において使用するプログラムや、その実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶する。これらはＣＰＵバスなどから構成されるホストバスにより相互に接続されている。ＣＰＵ９０１、ＲＯＭ９０３及びＲＡＭ９０５は、例えば、図３を参照して説明した信号処理部１７０の機能を実現し得る。
【０１７１】
入力装置９０７は、タッチパネル、ボタン、カメラ、マイクロフォン、センサ、スイッチ及びレバーなどユーザが情報を入力するための入力手段と、ユーザによる入力に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。ユーザは、例えば、マスター装置１０を操作してスレーブ装置５０を動作させることで、該入力装置９０７がデータを取得することにより、スレーブ装置５０に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりする。入力装置９０７は、例えば、図３を参照して説明したセンサ部１５０の機能を実現し得る。
【０１７２】
ストレージ装置９０９は、データ格納用の装置である。ストレージ装置９０９は、記憶媒体、記憶媒体にデータを記録する記録装置、記憶媒体からデータを読み出す読出し装置及び記憶媒体に記録されたデータを削除する削除装置などを含んでもよい。ストレージ装置９０９は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）またはＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔｒａｇｅ  Ｄｒｉｖｅ）、あるいは同等の機能を有するメモリ等で構成される。このストレージ装置９０９は、ストレージを駆動し、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データを格納する。ストレージ装置９０９は、例えば、図３を参照して説明した記憶部１８０の機能を実現し得る。
【０１７３】
通信装置９１１は、例えば、マスター装置１０とスレーブ装置５０を接続するための通信デバイス等で構成された通信インタフェースである。かかる通信インタフェースは、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）またはＺｉｇＢｅｅ（登録商標）等の近距離無線通信インタフェースや、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）、または携帯通信網（ＬＴＥ、３Ｇ）等の通信インタフェースである。また、通信装置９１１は、有線による通信を行う有線通信装置であってもよい。
【０１７４】
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１７５】
また、本明細書においてフローチャート及びシーケンス図を用いて説明した処理は、必ずしも図示された順序で実行されなくてもよい。いくつかの処理ステップは、並列的に実行されてもよい。また、追加的な処理ステップが採用されてもよく、一部の処理ステップが省略されてもよい。
【０１７６】
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示の技術的範囲は、上述の実施形態そのままに限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、異なる実施形態及び変形例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【０１７７】
また、本明細書に記載された各実施形態における効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、他の効果があってもよい。
【０１７８】
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
振動を提示する振動部と、
前記振動部による前記振動をユーザへ伝える接触部と、
前記接触部を変位可能に支持する設置部と、
前記接触部に設けられた加速度センサと、
を備える、触覚提示装置。
（２）
外部から入力された指令値に基づいて前記振動部へ入力する電圧波形を生成する信号処理部をさらに備え、
前記信号処理部は、前記指令値が示す波形と、前記加速度センサによって検出された振動波形との差に基づいて、前記指令値から前記電圧波形を生成する際のゲインを補正する、
前記（１）に記載の触覚提示装置。
（３）
前記信号処理部は、前記接触部に前記ユーザが触れた状態で前記加速度センサによって検出された前記振動波形と、前記指令値が示す波形とに基づいて、前記指令値から前記電圧波形を生成する際の前記ゲインを補正する、
前記（２）に記載の触覚提示装置。
（４）
前記指令値が示す波形は、周波数及び振幅のうちの少なくとも１つが変化する波形である前記（２）又は（３）に記載の触覚提示装置。
（５）
前記指令値が示す波形の周波数は、第１周波数から当該第１周波数よりも高い第２周波数にかけて段階的又は直線的に変化する、前記（４）に記載の触覚提示装置。
（６）
前記指令値が示す波形の振幅は、第１振幅から当該第１振幅よりも大きい第２振幅にかけて段階的又は直線的に変化する、前記（４）又は（５）に記載の触覚提示装置。
（７）
前記ゲインを補正した際の補正量をユーザごとに記憶する記憶部をさらに備え、
前記信号処理部は、前記ユーザごとに記憶された前記補正量を用いて、前記指令値に基づいて前記電圧波形を生成する、
前記（２）〜（６）の何れか１項に記載の触覚提示装置。
（８）
前記記憶部は、前記ユーザごとであって、温度、湿度及び日時のうちの少なくとも１つを含む環境条件ごとに、前記ゲインを補正した際の前記補正量を記憶し、
前記信号処理部は、前記指令値に基づいて前記電圧波形を生成する際に、前記記憶部に記憶された前記補正量のうち、現在の環境条件に対応する補正量を用いる、
前記（７）に記載の触覚提示装置。
（９）
前記信号処理部に前記指令値を入力することで、前記加速度センサによって検出された前記振動波形を前記指令値が示す前記波形に近づけるキャリブレーションを実行する制御部をさらに備える、前記（２）〜（８）の何れか１項に記載の触覚提示装置。
（１０）
前記制御部は、前記触覚提示装置が起動された際に、前記キャリブレーションを実行する、前記（９）に記載の触覚提示装置。
（１１）
前記制御部は、前回の前記キャリブレーションの実行から所定時間経過後に、再度、前記キャリブレーションを実行する、前記（９）に記載の触覚提示装置。
（１２）
前記制御部は、前記ユーザから入力された指示に基づいて、前記キャリブレーションを実行する、前記（９）に記載の触覚提示装置。
（１３）
前記接触部は、前記ユーザに接触する第１の接触面を有し、
前記振動部は、前記第１の接触面を介して前記ユーザに前記振動を伝える、
前記（１）〜（１２）の何れか１項に記載の触覚提示装置。
（１４）
前記第１の接触面は、凹凸を有する、前記（１３）に記載の触覚提示装置。
（１５）
前記振動部は、ボイスコイルモータ及び空気圧アクチュエータのうちの少なくとも１つを含む、前記（１）〜（１４）の何れか１項に記載の触覚提示装置。
（１６）
前記設置部に固定され、前記ユーザが操作する操作部と、
前記接触部を前記設置部に対して変位可能に支持する弾性体と、
をさらに備える、前記（１）〜（１５）の何れか１項に記載の触覚提示装置。
（１７）
前記設置部は、前記振動部と、前記接触部と、前記加速度センサとを収容する筐体である、前記（１）〜（１５）の何れか１項に記載の触覚提示装置。
（１８）
振動を提示する振動部と、前記振動部による前記振動をユーザへ伝える接触部と、前記接触部を変位可能に支持する設置部と、前記接触部に設けられた加速度センサと、指令値に基づいて前記振動部へ入力する電圧波形を生成する信号処理部とを備える触覚提示装置のキャリブレーション方法であって、
前記信号処理部が、前記指令値が示す波形と、前記加速度センサによって検出された振動波形との差に基づいて、前記指令値から前記電圧波形を生成する際のゲインを補正する、
キャリブレーション方法。
（１９）
振動を提示する振動部と、前記振動部による前記振動をユーザへ伝える接触部と、前記接触部を変位可能に支持する設置部と、前記接触部に設けられた加速度センサと、指令値に基づいて前記振動部へ入力する電圧波形を生成する信号処理部とを備える触覚提示装置を機能させるためのプログラムであって、
前記信号処理部に、前記指令値が示す波形と、前記加速度センサによって検出された振動波形との差に基づいて、前記指令値から前記電圧波形を生成する際のゲインを補正する処理を実行させるためのプログラム。
【符号の説明】
【０１７９】
１０    マスター装置
５０    スレーブ装置
１００  操作装置
１１０  操作部
１２０  振動部
１３０  接触部
１４０  設置部
１５０  センサ部
１５２  力センサ
１７０  信号処理部
１７１  帯域制限部
１７２  ＤＲＩ
１７３  Ａ／Ｄ
１７４  逆動力学演算部
１７５  ノイズ推定部
１７８  加算器
１７９  加算器
１８０  記憶部
１９０  上位制御部
４０１  加速度センサ
４０２  ドライバ
４２０  空気圧アクチュエータ
５００  振動デバイス
５０１  外部筐体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020187688.tif 000010
【図８】
2020187688.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2020187688.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2020187688.tif 000017
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2020187688.tif 000020
【図１８】
2020187688.tif 000021
【図１９】
2020187688.tif 000022
【図２０】
2020187688.tif 000023
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
2020187688.tif 000029
【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
2020187688.tif 000033
【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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