(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め対象物体の位置情報に基づく接触面情報を記憶していて、操作者の指先の位置と姿勢を検出するセンサの入力に基づく接触面情報の送出処理を実施するコンピュータと、
上記送出される接触面情報を逐次入力していて、操作者の指先の位置と姿勢を検出するセンサと、操作者の指先の接近を検出する近接センサと、操作者の指先から加えられた力を検出する力センサの入力により、３次元空間において位置と姿勢を制御できる位置姿勢制御装置の先端部に搭載された、平面、曲面、辺、及び頂点を備え、隣り合う面と面とで凸面もしくは凹面を構成した環境提示ツールの位置と姿勢のメカニカルインピーダンス制御の処理を実施するコンピュータと、
操作者の指先の位置と姿勢に基づいた上記コンピュータの演算出力により３次元空間における位置と姿勢の駆動指令を位置姿勢制御装置へ送出するサーボコントローラと、
前記サーボコントローラからの駆動指令に従い３次元空間において前記環境提示ツールの位置と姿勢を制御する前記位置姿勢制御装置と、
を具備することを特徴とする３次元力触覚ディスプレイ装置。
【請求項２】
予め対象物体の位置情報に基づく接触面情報を記憶していて、操作者の指先の位置と姿勢を検出するセンサの入力に基づく接触面情報の送出処理を実施するコンピュータと、
上記送出される接触面情報を逐次入力していて、操作者の指先の位置と姿勢を検出するセンサと、操作者の指先の接近を検出する近接センサと、操作者の指先から加えられた力を検出する力センサの入力により、３次元空間において位置と姿勢を制御できる位置姿勢制御装置の先端部に搭載された、平面、曲面、辺、および頂点を備え、隣り合う面と面とで凸面もしくは凹面を構成した環境提示ツールの位置と姿勢のメカニカルインピーダンス制御の処理を実施するコンピュータと、
予め対象物体と、操作者の身体モデルを記憶していて、操作者の頭部及び腕部の位置と姿勢を検出するセンサの入力に基づく視聴覚情報の送出処理を実施するコンピュータと、
操作者の指先の位置と姿勢に基づいた上記コンピュータの演算出力により３次元空間における位置と姿勢の駆動指令を位置姿勢制御装置へ送出するサーボコントローラと、
前記サーボコントローラからの駆動指令に従い３次元空間において前記環境提示ツールの位置と姿勢を制御する前記位置姿勢制御装置と、
を具備することを特徴とする３次元力触覚ディスプレイ装置。
【請求項３】
予め対象物体の位置情報に基づく接触面情報を記憶していて、操作者の指先の位置と姿勢を検出するセンサの入力に基づく接触面情報の送出処理を実施するコンピュータと、
上記送出接される触面情報を逐次入力していて、操作者の指先の位置と姿勢を検出するセンサと、操作者の指先の接近を検出する近接センサと、操作者の指先から加えられた力を検出する力センサの入力により、３次元空間において位置と姿勢を制御できる位置姿勢制御装置の先端部に搭載された、平面、曲面、辺、及び頂点を備え、隣り合う面と面とで凸面もしくは凹面を構成した環境提示ツールの位置と姿勢のメカニカルインピーダンス制御の処理を実施するコンピュータと、
操作者の頭部の位置と姿勢を検出するセンサの入力により、操作者の頭部の位置と姿勢に追従するように制御される遠隔環境のロボットに搭載されたＣＣＤカメラと、
遠隔環境のロボットに搭載されたマイクロホンと、
操作者の腕部の位置と姿勢を検出するセンサの入力により、操作者の腕部の位置と姿勢に追従するように制御される遠隔環境のマニピュレータと、
操作者の指先の位置と姿勢に基づいた上記コンピュータの演算出力により３次元空間における位置と姿勢の駆動指令を位置姿勢制御装置へ送出するサーボコントローラと、
前記サーボコントローラからの駆動指令に従い３次元空間において前記環境提示ツールの位置と姿勢を制御する前記位置姿勢制御装置と、操作者に視聴覚情報を提示する視聴覚情報提示装置と、
を具備することを特徴とする３次元力触覚ディスプレイ装置。
【請求項４】
前記位置姿勢制御装置の先端部に搭載された前記環境提示ツールの平面の３次元空間における位置と姿勢を、操作者の指先の位置と姿勢に追従するように制御して、操作者の指先に平面を接触させることで、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境で接触した平面の触覚を提示する請求項１に記載の３次元力触覚ディスプレイ装置。
【請求項５】
前記位置姿勢制御装置に搭載された前記環境提示ツールの凸面の３次元空間における位置と姿勢を、操作者の指先の位置と姿勢に追従するように制御して、操作者の指先に凸面を接触させることで、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境で接触した凸面物体の触覚を提示する請求項１に記載の３次元力触覚ディスプレイ装置。
【請求項６】
前記位置姿勢制御装置に搭載された前記環境提示ツールの凹面の３次元空間における位置と姿勢を、操作者の指先の位置と姿勢に追従するように制御して、操作者の指先に凹面を接触させることで、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境で接触した凹面物体の触覚を提示する請求項１に記載の３次元力触覚ディスプレイ装置。
【請求項７】
前記位置姿勢制御装置に搭載された前記環境提示ツールの凸曲面の３次元空間における位置と姿勢を、操作者の指先の位置と姿勢に追従するように制御して、操作者の指先に凸曲面を接触させることで、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境で接触した凸曲面物体の触覚を提示する請求項１に記載の３次元力触覚ディスプレイ装置。
【請求項８】
前記位置姿勢制御装置に搭載された前記環境提示ツールの凹曲面の３次元空間における位置と姿勢を、操作者の指先の位置と姿勢に追従するように制御して、操作者の指先に凹曲面を接触させることで、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境で接触した凹曲面物体の触覚を提示する請求項１に記載の３次元力触覚ディスプレイ装置。
【請求項９】
前記位置姿勢制御装置に搭載された前記環境提示ツールの平面中心の３次元空間における位置と姿勢を、操作者の指先の位置と姿勢に基づいて接触物体の接触点における接平面となるように制御して、操作者の指先に平面の中心を接触させることで、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境で接触した平面、凸曲面、凹曲面物体の触覚を提示する請求項１に記載の３次元力触覚ディスプレイ装置。
【請求項１０】
前記位置姿勢制御装置に搭載された前記環境提示ツールの平面、曲面、辺、及び頂点の３次元空間における位置と姿勢を、操作者の指先の位置と姿勢に追従するように制御して、操作者の指先に平面、曲面、辺、及び頂点を接触させることで、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境で接触した任意の形状の物体に連続的に接触した触覚を提示する請求項１に記載の３次元力触覚ディスプレイ装置。
【請求項１１】
前記環境提示ツールに可動部を設けて物体の厚さに応じて可動部の幅を変更して、操作者の親指と人差指で把持させることで、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境で保持した物体の厚さを提示する請求項１に記載の３次元力触覚ディスプレイ装置。
【請求項１２】
前記位置姿勢制御装置に搭載された前記環境提示ツールの３次元空間における位置と姿勢、及び前記環境提示ツールの可動部をメカニカルインピーダンス制御して、操作者に前記環境提示ツールに接触、及び前記環境提示ツールの可動部を把持させることで、操作者が仮想環境において接触した物体のコンピュータ内でのモデルの特性（慣性、粘性、及び剛性）、もしくは操作者が遠隔環境において接触した物体の特性（慣性、粘性、及び剛性）を提示する請求項１に記載の３次元力触覚ディスプレイ装置。
【請求項１３】
操作者が仮想環境もしくは遠隔環境で非接触状態になるとき、操作者の指先の位置と姿勢を検出するセンサの作業点と前記位置姿勢制御装置に搭載された前記環境提示ツールを追従させて、操作者の指先と前記環境提示ツールとの非接触状態を保つことにより、操作者の動作を拘束しない請求項１に記載の３次元力触覚ディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、仮想環境もしくは遠隔環境からの力覚及び触覚を、３次元空間において位置と姿勢を制御できる位置姿勢制御装置に搭載され、平面、曲面、辺、及び頂点を備え、隣り合う面と辺と面とで凸面もしくは凹面を構成した環境提示ツールの３次元空間内における位置と姿勢を、操作者の指先の位置と姿勢を基に制御することにより、操作者の指先に環境提示ツールを接触させることで、操作者に形状を提示する３次元力触覚ディスプレイ装置に関する。また、環境提示ツールに可動部を設け、操作者に親指と人差指で把持させることで、仮想環境ないしは遠隔環境において操作者が保持した物体の厚さ及び特性（慣性、粘性、及び剛性）を操作者に提示する３次元力触覚ディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の装置は、例えば小宇宙（galaxy）での仮想環境とか、原子炉での遠隔環境とかにおける実際に触手できない環境の物体に対する３次元の力覚・触覚を操作者に提示することである。ところで、従来例としての力覚ディスプレイ装置においては、ジョイストリング型マスター・システム（joy string type master system）のように操作者の指がワイヤや糸で空間的に吊られており。このワイヤの他端にはワイヤの長さと張力を測定するセンサを配し、また適切な張力を発生するためのモータが設けられている。操作者の手先の位置と姿勢の６自由度の情報がワイヤの長さのデータからコンピュータで推定される。それと同時に操作者に仮想環境ないしは遠隔環境からの反力をワイヤの張力の差としてフィードバックする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の力覚ディスプレイ装置では、ジョイストリング型マスター・システムのように操作者の指がワイヤや糸で空間的に吊られているために、操作者の指は常に拘束されており、操作者が速い動作をしたときに動作を制限されるという問題点があった。
また、従来の力覚ディスプレイ装置では、仮想環境もしくは遠隔環境において操作者が接触する物体の、頂点、辺（凹凸）、操作者が面上を触る感覚及び操作者の指が壁に突き当たる感覚は提示できないという問題点があった。
【０００４】
本発明は、仮想環境もしくは遠隔環境において操作者が接触した場合と同様な物体の触覚や力覚を操作者に提示することを目的としている。
また、仮想環境もしくは遠隔環境において操作者が保持した場合と同様な物体の厚さを操作者に提示することを目的としている。
さらに、操作者が仮想環境において接触したと同様な物体の計算機内でのモデルの特性（慣性、粘性、及び剛性）、ないしは操作者が遠隔環境において接触したと同様な物体の特性（慣性、粘性、及び剛性）を操作者に提示することを目的としている。
さらにまた、仮想環境もしくは遠隔環境において、操作者が非接触状態にあるときは操作者の動作が拘束されないようにすることを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の３次元力触覚ディスプレイ装置においては、平面、曲面、辺、及び頂点を備え、隣り合う面と面とで凸面および凹面を構成した環境提示ツールを備え、この環境提示ツールを３次元空間において位置と姿勢を制御できる位置姿勢制御装置の先端に搭載し、操作者の指先の位置と姿勢を基に制御することにより、操作者の指先に環境提示ツールを接触させて、操作者に仮想環境もしくは遠隔環境における物体の形状、力覚及び触覚を提示するようにしており、環境提示ツールの材料には、操作者の指が環境提示ツールに接触、及び操作者が環境提示ツールを把持したとき変形しにくい軽量な材料が好ましい。
さらに、予め対象物体の位置情報に基づく接触面情報を記憶していて、操作者の指先の位置と姿勢を検出するセンサからの入力に基づいて接触面情報を送出する接触面情報コンピュータと、
上記接触面情報を逐次入力して、操作者の指先の位置と姿勢を検出するセンサと、操作者の指先の接近を検出する近接センサと、操作者の指先から加えられた力を検出する力センサからの入力により、３次元空間において位置と姿勢を制御できる位置姿勢制御装置の先端部に搭載された環境提示ツールの位置と姿勢のメカニカルインピーダンス制御の処理を実施するコンピュータと、
操作者の指先の位置と姿勢に基づいた上記コンピュータの演算出力により３次元空間における位置と姿勢の駆動指令を位置姿勢制御装置へ送出するサーボコントローラと、
前記サーボコントローラからの駆動指令に従い３次元空間において前記環境提示ツールの位置と姿勢を制御する前記位置姿勢制御装置とを具備している。
【０００６】
【作用】
上記のように、３次元空間において位置と姿勢を制御できる位置姿勢制御装置の先端に搭載され、平面、曲面、辺、及び頂点を備え、隣り合う面と面とで凸面もしくは凹面を構成した環境提示ツールの３次元空間における位置と姿勢を制御して、操作者に環境提示ツールを接触させることで仮想環境もしくは遠隔環境における物体の形状や触覚を提示する。
【０００７】
【実施例】
以下に、本発明の一実施例について図面を参照して説明する。
図１ないし図４は、環境提示ツール１０の例を示しており、図１は正面図、図２は平面図、図３は斜視図、図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線に沿った矢視方向の断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った矢視方向の断面図をそれぞれ示している。この環境提示ツールは、平面、曲面、辺、及び頂点を備え、隣り合う面と面とで凸面および凹面を構成した構造になっている。
この環境提示ツール１０を搭載する位置姿勢制御装置１１の正面図および側面図を図５、図６に示す。環境提示ツール１０を位置姿勢制御装置１１の回転軸中心部分（図６の先端部１２）に搭載しており、３次元空間において環境提示ツール１０の位置と姿勢を制御することができる。
【０００８】
操作者が仮想環境もしくは遠隔環境におけるマニピュレータ１５で、平面物体に接触したときは、操作者の指先の位置と姿勢に基づいて、３次元空間において環境提示ツール１０の位置と姿勢を制御して操作者に図３の６の部分の中心に接触させることで、マニピュレータ１５の触覚と同じ触覚を操作者に提示する。
また、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境において、凸面物体に接触したときは、操作者の指先の位置と姿勢に基づいて３次元空間において環境提示ツールの位置と姿勢を制御して、操作者に図３の１の部分を接触させることで、凸面物体との触覚を操作者に提示する。
また、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境において、凹面物体に接触したときは、操作者の指先の位置と姿勢に基づいて３次元空間において環境提示ツールの位置と姿勢を制御して操作者に図３の２の部分を接触させることで、凹面物体の触覚を操作者に提示する。
同様に、凸曲面物体に接触したときは、環境提示ツール(図３)の３の部分に接触させ、凹曲面物体に接触したときは、環境提示ツール(図３)の４の部分に接触させる。
【０００９】
なお、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境において物体を保持したとき、図３の開閉部分５の幅を制御して操作者に把持させることにより物体の厚さを提示する。すなわち、開閉部分５は上部５ｂ（固定部）と下部５ａ（可動部）から成り、中央部５ｃが５ｄを枢軸として下方に自在に開き、その開いた距離が物体の厚さを表す。
【００１０】
例えば、図７の斜視図で示す物体に触ったときの力覚及び触覚を操作者に提示するためには、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境で物体に接触しているのは物体全体の一部分、すなわち図７のウインドウで示す部分（１本の指先を取り巻く矩形状の枠内）である。そして、図８の斜視図で示すように、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境で物体と点接触している部分、たとえば、図８のウインドウ部（１本の指先を取り巻く矩形状の枠内）の×の部分を、位置姿勢制御装置１１の先端に搭載された環境提示ツールの３次元空間における位置と姿勢を制御して操作者に接触させることで、操作者に物体全体の力覚及び触覚を提示する。
これは、操作者の指先の位置と姿勢にあわせて、接触物体の接触近傍における接平面、接線となるように環境提示ツールの３次元空間における位置と姿勢を制御して接触近傍空間を実現することで、物体全体の触覚を操作者に提示することができるという考えに基づいている。また、位置姿勢制御装置１１に搭載された力センサにより操作者の加えた力を検出して、位置姿勢制御装置の３次元空間における位置と姿勢をインピーダンス制御して、操作者に接触させることで、物体の特性（慣性、粘性、及び剛性）を提示する。
【００１１】
例えば、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の斜視図で示す物体の一部分を１本の指先が接触する場合は、位置姿勢制御装置１１の先端に搭載された環境提示ツールの３次元空間における位置と姿勢を図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の斜視図で示すように制御して、操作者に接触させる。
つまり、図９（ａ）の物体の力覚及び触覚を操作者に提示するためには、図１０（ａ）に示すように、位置姿勢制御装置１１の先端に搭載された環境提示ツール１０の３次元空間における位置と姿勢を制御して、環境提示ツールの凸曲面を操作者に接触させることにより、図９（ａ）の物体の力覚及び触覚を操作者に提示する。また、位置姿勢制御装置１１に搭載された力センサにより操作者の加えた力を検出して、位置姿勢制御装置の３次元空間における位置と姿勢をインピーダンス制御して、操作者に接触させることで、物体の特性（慣性、粘性、及び剛性）を提示させる。図９（ｂ）、（ｃ）の場合、それぞれ図１０（ｂ）、（ｃ）に示すようにしてそれぞれの物体の力覚及び触覚を操作者に提示する。
【００１２】
すなわち、位置姿勢制御装置１１の先端に搭載された環境提示ツール１０の３次元空間における位置と姿勢を制御して、環境提示ツール１０の凸面、凹面、凸曲面、及び凹曲面を組み合わせて操作者に接触させることで、操作者が連続的に任意の形状の物体に接触した場合でも、任意の物体の力覚及び触覚を操作者に提示させる。
なお、平面、凸曲面及び凹曲面は、ある面の中央を常に接触させるように位置姿勢制御装置１０先端の３次元空間における位置と姿勢を制御して（接触物体の接触点における接平面になるように制御する）操作者に力覚及び触覚を提示することもできる。
【００１３】
次に制御系統図を説明する。
図１１はこの一実施例における制御構成を示すブロック図である。
また、図１２（ａ）はＣＣＤカメラからの遠隔環境に適用した全体システム図、図１２（ｂ）はコンピュータからの仮想環境に適用した全体システム図、図１３（ａ）はＨＭＤ周辺に設けた制御要素の斜視説明図、図１３（ｂ）、（ｃ）は物体の辺に接触するときの説明図である。
【００１４】
図１１において、図１３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、１本の指先の位置と姿勢を検出するパッシブ・マスター・アーム１１１からの位置と姿勢情報１１１ｐは、接触面情報の第１のコンピュータ１１２と、頭上搭載ディスプレイ（ＨＭＤ）に写る画像を変化させる仮想環境処理の第２のコンピュータ１１３と、環境提示ツール１０の３次元空間における位置と姿勢をインピーダンス制御する第３のコンピュータとに与えられる。
【００１５】
一方で操作者は、ＨＭＤ１１４とポヒマス・センサ（磁場検出原理に基づく位置姿勢センサpolhemus sensor）１１５を頭上に装着して、仮想環境処理の第２のコンピュータ１１３に写る仮想環境１４、もしくはＣＣＤカメラ１５に写る遠隔環境(Ｘ物体１６、Ｙ物体１７・・・など)を見る。その視界に入るそれぞれの環境は、ポヒマス・センサ１１５からの操作者の頭の位置と姿勢の検出により異なる環境が映し出される。つまり、仮想環境においては、コンピュータ内の環境の位置と姿勢が変更され、遠隔環境においては、ロボットコントローラ１３(ＣＣＤカメラ制御手段)を介してＣＣＤカメラ１５、マイクロホン１５ａ、マニピュレータ１５ｂを具備するロボットが、その３次元空間における位置と姿勢を制御される。
【００１６】
ここで、遠隔環境（ＣＣＤカメラ１５、マイクロホン１５ａ、マニピュレータ１５ｂ）について説明する。
遠隔環境のロボットには操作者と同じように、頭と腕が搭載されていて、操作者の動きに追従してロボットが動く。ロボットの眼の位置にＣＣＤカメラ１５と、耳の位置にマイクロホン１５ａ（ここで集音された遠隔環境の音声情報はＨＭＤ１１４の内部に備えるスピーカーを介して操作者に提示される）および右腕の位置にマニピュレータ１５ｂを備えており、接触面情報の第１のコンピュータ１１２は、予めポヒマス・センサ１１５の出力により駆動されるロボットコントローラ１３により制御されるＣＣＤカメラ１５に撮像される遠隔環境のＸ物体１６、Ｙ物体１７・・・について、時々刻々に変化する位置と姿勢情報１１１ｐに対応して格納されている接触面情報を環境提示ツール１０の位置と姿勢をインピーダンス制御する第３のコンピュータ１１６へ逐次送出している。遠隔環境では操作者の腕に遠隔環境でのロボット・アームが追従して（このロボット・アームは人間の腕と同じ自由度配置の機構を持っており、操作者の腕に追従して動作する）ロボットの力触覚を操作者に提示する。
【００１７】
次に、仮想環境について説明する。仮想環境１３での接触面情報の第１のコンピュータ１１２は仮想環境のモデルのワールド座標系に対する位置を記憶しており、時々刻々に変化する位置と姿勢情報１１１ｐに対応して格納されている接触面情報を、環境提示ツール１０の３次元空間における位置と姿勢をインピーダンス制御する第３のコンピュータ１１６へ逐次送出している。
【００１８】
そして、位置姿勢制御装置１１の先端に搭載された環境提示ツール１０の３次元空間における位置と姿勢をインピーダンス制御する第３のコンピュータ１１６では、操作者の指先の位置と姿勢を検出するパッシブ・マスター・アーム１１１からの位置と姿勢情報１１１ｐと、それに対応する第３のコンピュータ１１６からの接触面情報により環境提示ツール１０の３次元空間における位置と姿勢を制御する。さらに、環境提示ツール１０に近接する１本の指先の近接情報を近接センサ１１９ｂ（操作者の指先が環境提示ツールの面のどの位置にあるかを検出する）で検出するとともに、環境提示ツール１０が接触する１本の指先へ加える力を位置姿勢制御装置１１８に備えられた力センサ１１９ａで検出し、それらの検出した近接情報と接触の力情報を基に位置と姿勢情報１１１ｐのサーボ演算を実施する。
【００１９】
第３のコンピュータ１１６のディジタル演算出力（例えば電圧（指令））を受けて、サーボコントローラ１１７では、次段の位置姿勢制御装置１１８の駆動に適したアナログ駆動指令を作成して送出し、その駆動指令を受けた位置姿勢制御装置１１８はその先端部に搭載された環境提示ツール１０の３次元空間における位置と姿勢を制御して、操作者に接触させることで、接触面情報の第１のコンピュータ１１２における仮想環境もしくは遠隔環境に対応した力触覚を操作者へ提示する。ここで、逐次、サーボコントローラ１１７から位置姿勢制御装置の位置と姿勢情報が第３のコンピュータ１１６へフィードバックされている。
【００２０】
例えば、現在の指先から１０ｃｍ先に物体が存在しているときは、指先が１０ｃｍ移動したときにその物体の力覚及び触覚を操作者へ提示するように、位置姿勢制御装置の先端に搭載された環境提示ツールの３次元空間における位置と姿勢をを制御することで、仮想環境もしくは遠隔環境における物体に１本の指先が接触するのと全く同じ力覚と触覚を操作者へ提示する。また、位置姿勢制御装置に搭載された力センサにより検出された力情報を基に、環境提示ツールの３次元空間内における位置と姿勢をインピーダンス制御すれば、仮想環境もしくは遠隔環境における物体に１本の指先が接触するのと全く同じ物体の特性（慣性、粘性、剛性）を操作者へ提示する。さらに、環境提示ツール１０の開閉部５の幅を制御して操作者に親指と人差指で把持させることにより、物体の厚さを提示する。
【００２１】
次に、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境において接触する物体（例えばＸ物体１６）の大きさと環境提示ツール１０の移動距離について説明する。
操作者が遠隔環境もしくは仮想環境において接触する物体と、環境提示ツール１０に設けられている物体との大きさの比率により、補間しながら環境提示ツール１０の位置３自由度と姿勢３自由度を変化させる必要がある。
【００２２】
例えば、仮想環境もしくは遠隔環境において、図１３（ｂ）に示す物体Ａ―Ｂの辺をなぞるように接触する場合、最初は図１３（ｃ）に示す環境提示ツールのａ点を触っていて、操作者の動きに追従して環境提示ツール１０の位置を変更しながら、最後はｂ点を触っているように位置姿勢制御装置１１を制御する。
遠隔環境もしくは仮想環境で頂点に接触した場合には、操作者に環境提示ツール１０の頂点を触って貰う。つまり、できるだけ環境提示ツール１０の形状を用いて、触覚を操作者へ提示する。なお、１本の指先が物体表面を滑る感覚は、環境提示ツール１０に実際に面が存在しているので、位置姿勢制御装置１１を固定して、操作者が面をなぞれば、指が物体表面を滑る感覚も提示できる。
【００２３】
本発明は、予め対象物体の位置情報に基づく接触面情報を記憶していて、操作者の指先の位置と姿勢を検出するセンサの入力に基づく接触面情報の送出処理を実施するコンピュータと、
上記送出された接触面情報を逐次入力していて、操作者の指先の位置と姿勢を検出するセンサと、操作者の指先の接近を検出する近接センサと、操作者の指先から加えられた力を検出する力センサの入力により、３次元空間における位置と姿勢を制御できる位置姿勢制御装置の先端部に搭載された、平面、曲面、辺、及び頂点を備え、隣り合う面と面とで凸面もしくは凹面を構成した環境提示ツールの位置と姿勢のメカニカルインピーダンス制御の処理を実施するコンピュータと、
操作者の指先の位置と姿勢に基づいた上記コンピュータの演算出力により３次元空間における位置と姿勢の駆動指令を位置姿勢制御装置へ送出するサーボコントローラと、
前記サーボコントローラからの駆動指令に従い３次元空間において前記環境提示ツールの３次元空間における位置と姿勢を制御する前記位置姿勢制御装置と、
を具備することを特徴とする３次元力触覚ディスプレイ装置である。
【００２４】
また、本発明は、予め対象物体の位置情報に基づく接触面情報を記憶して、操作者の指先の位置と姿勢を検出するセンサの入力に基づく接触面情報の送出処理
を実施するコンピュータと、
上記送出された接触面情報を逐次入力していて、操作者の指先の位置と姿勢を検出するセンサと、操作者の指先の接近を検出する近接センサと、操作者の指先から加えられた力を検出する力センサの入力により、３次元空間において位置と姿勢を制御できる位置姿勢制御装置の先端部に搭載された、平面、曲面、辺、および頂点を備え、隣り合う面と辺と面とで凸面もしくは凹面を構成した環境提示ツールの３次元空間における位置と姿勢のメカニカルインピーダンス制御の処理を行うコンピュータと、
予め対象物体と、操作者の身体モデルを記憶していて、操作者の頭部及び腕部の位置と姿勢を検出するセンサの入力に基づく視聴覚情報の送出処理を実施するコンピュータと、
操作者の指先の位置と姿勢に基づいた上記コンピュータの演算出力により３次元空間における位置と姿勢の駆動指令を位置姿勢制御装置へ送出するサーボコントローラと、
前記サーボコントローラからの駆動指令に従い３次元空間において前記環境提示ツールの位置と姿勢を制御する前記位置姿勢制御装置と、
を具備することを特徴とする３次元力触覚ディスプレイ装置である。
【００２５】
さらに、本発明は、予め対象物体の位置情報に基づく接触面情報を記憶していて、操作者の指先の位置と姿勢を検出するセンサの入力に基づく接触面情報の送出処理を実施するコンピュータと、
上記送出された接触面情報を逐次入力していて、操作者の指先の位置と姿勢を検出するセンサと、操作者の指先の接近を検出する近接センサと、操作者の指先から加えられた力を検出する力センサの入力により、３次元空間において位置と姿勢を制御できる位置姿勢制御装置の先端部に搭載された、平面、曲面、辺、及び頂点を備え、隣り合う面と面とで凸面もしくは凹面を構成した環境提示ツールの位置と姿勢のメカニカルインピーダンス制御の処理を実施するコンピュータと、
操作者の頭部の位置と姿勢を検出するセンサの入力により、操作者の頭部の位置と姿勢に追従するように制御される遠隔環境のロボットに搭載されたＣＣＤカメラと、
遠隔環境のロボットに搭載されたマイクロホンと、
操作者の腕部の位置と姿勢を検出するセンサの入力により、操作者の腕部の位置と姿勢に追従するように制御される遠隔環境のマニピュレータと、
操作者の指先の位置と姿勢に基づいた上記コンピュータの演算出力により３次元空間における位置と姿勢の駆動指令を位置姿勢制御装置へ送出するサーボコントローラと、
前記サーボコントローラからの駆動指令に従い３次元空間において前記環境提示ツールの３次元空間における位置と姿勢を制御する前記位置姿勢制御装置と、操作者に視聴覚情報を提示する視聴覚情報提示装置と、
を具備することを特徴とする３次元力触覚ディスプレイ装置である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されるので、以下に記載されるような多くの効果を奏する。
位置姿勢制御装置の先端に搭載された環境提示ツールに平面、凸面、凹面、凸曲面、凹曲面を設けて３次元空間における位置と姿勢を制御して操作者に環境提示ツールの平面部を接触させることで、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境で接触した平面物体、凸面物体、凹面物体、凸曲面物体、凹曲面物体の触覚を操作者に提示することができ、操作者は平面物体の触覚を感じながら効率よく作業を実施できる。
【００２７】
しかも、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境で任意の形状の物体に連続的に接触した場合、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境に接触している任意の接触面の接平面、接線となるように位置姿勢制御装置に搭載された環境提示ツールの３次元空間における位置と姿勢を制御して、操作者に接触させることで、任意の物体全体の触覚を操作者に提示することができ、操作者は任意の物体の触覚を感じながら効率よく作業を実施できる。
なお、環境提示ツールに可動部を設けて可動部の幅を制御して操作者に可動部を開閉させることで、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境で保持した物体の厚さを操作者に提示することができ、操作者は物体の厚さを感じながら効率よく作業を実施できる。
【００２８】
さらに、位置姿勢制御装置に搭載された環境提示ツールの位置と姿勢及び環境提示ツールの可動部をインピーダンス制御することにより、操作者が仮想環境において接触した物体の特性（慣性、粘性及び剛性）あるいは操作者が遠隔環境において接触した物体の特性（慣性、粘性及び剛性）を操作者に提示することができ、操作者は物体の厚さを感じながら効率よく作業を実施できる。
しかもなお、操作者の指先の位置と姿勢を検出するパッシブ・マスター・アームの作業点と位置姿勢制御装置に搭載された環境提示ツールを追従させて常に非接触状態を保つことにより、操作者が仮想環境もしくは遠隔環境で非接触状態にあるとき操作者の動作を拘束することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における３次元力触覚ディスプレイ装置に適用される環境提示ツールの正面図である。
【図２】本発明の一実施例における環境提示ツールの平面図である。
【図３】本発明の一実施例における環境提示ツールの斜視図である。
【図４】本発明の一実施例における環境提示ツールの側面図と側断面図である。
【図５】本発明の一実施例における環境提示ツールを搭載する位置制御装置の正面図である。
【図６】本発明の一実施例における位置姿勢制御装置の側面図である。
【図７】本発明の一実施例における環境提示ツールにより操作者に力覚及び触覚を提示することの可能な物体例を示す斜視図である。
【図８】本発明の一実施例における環境提示ツールにより、図７に記載された物体の力覚及び触覚を操作者に提示する接触物体の接触点近傍を示す斜視図である。
【図９】本発明の一実施例における環境提示ツールにより、操作者に力覚及び触覚を提示することの可能な幾つかの物体例を示す斜視図である。
【図１０】本発明の一実施例における環境提示ツールにより、図９に記載された物体の力覚及び触覚を操作者に提示する状態を示す斜視図である。
【図１１】本発明の一実施例における制御構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の一実施例における全体システム図
【図１３】頭上搭載ディスプレイの周辺の制御要素を説明する斜視図及び一部の動作説明図である。
【符号の説明】
１  凸面部
２  凹面部
３  凸曲面部
４  凹曲面部
５  可動部
６  平面部
１０  環境提示ツール
１１  位置姿勢制御装置
１２  位置姿勢制御装置における環境提示ツールの搭載位置
１３  ロボットコントローラ
１４  仮想環境
１５  ＣＣＤカメラ（電荷結合デバイス）
１５ａ  マイクロホン
１５ｂ  マニピュレータ
１６  Ｘ物体
１７  Ｙ物体
１１１  パッシブ・マスター・アーム
１１１ｐ  １本の指先の位置と姿勢情報
１１２  接触面情報コンピュータ
１１３  仮想環境の映像を送出するコンピュータ
１１４  ＨＭＤ
１１５  ポヒマス・センサ
１１６  位置・姿勢インピーダンスコンピュータ
１１７  サーボコントローラ
１１８  位置姿勢制御装置
１１９ａ  力センサ
１１９ｂ  近接センサ
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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