(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
掌によって把握でき、かつ、手により空間を自在に移動できる筐体部分と、
その筐体内部に内蔵された、回転可能あるいは直線運動可能な、少なくとも一個以上の電動機と、
前記筐体部分を把握した際の指を添える部分に設けられた、それぞれの指毎に、複数の変位又は複数の圧力を検知する複数の検知手段とを備え、
データを入力することが出来ることを特徴とする、力覚呈示デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の力覚呈示デバイスと、検出された力に応じて遠隔地あるいは仮想の手指もしくは手指に相当するものの指の曲げを制御する制御手段とを備えたことを特徴とするデータ入力装置。
【請求項３】
請求項１記載の力覚呈示デバイスと、その入力されたデータに基づいて画像表示計算を行う計算手段と、その計算結果に基づき、手指のうち少なくとも２本の手指の、位置、姿勢および曲がり等の状況を表示する画像表示手段とを備えたことを特徴とするデータ入力装置。
【請求項４】
請求項１記載の力覚呈示デバイスを備え、手指全体の位置及び姿勢等の状況情報を入力する補助入力手段を備えたことを特徴とするデータ入力デバイス装置。
【請求項５】
前記補助入力手段が、複数軸の力検出手段により構成されることを特徴とする請求項４記載のデータ入力デバイス装置。
【請求項６】
位置および姿勢の複数自由度の移動が可能であり制御可能なマニピュレータの先端に請求項１記載の力覚呈示デバイスが搭載され、前記マニピュレータに印加された力を補助入力手段として用い、そのマニピュレータにより位置および姿勢の反力を発生することを特徴とするデータ入力装置。
【請求項７】
検出した力の積分値あるいは不完全積分値に基づいて遠隔地あるいは仮想の手指の曲がりが制御されることを特徴とする請求項２記載のデータ入力装置。
【請求項８】
力の値が一定以上の時には積分動作が実行され、力の値が一定以下のときには力の値そのものにより、遠隔地あるいは仮想の手指の曲がりが制御されることを特徴とする請求項７記載のデータ入力装置。
【請求項９】
検出した力の最大値を略保持した値に基づいて、遠隔地あるいは仮想の手指の曲がりが制御されることを特徴とする請求項２記載のデータ入力装置。
【請求項１０】
力の値が一定以上の時には最大値の略保持動作が実行され、力の値が一定以下のときには力の値そのものにより、遠隔地あるいは仮想の手指の曲がりが制御されることを特徴とする請求項９記載のデータ入力装置。
【請求項１１】
前記検知手段は、把握した際の手指の各関節間の指腹が接触する各部分に、各々備えられている、請求項１記載の力覚呈示デバイス。
【請求項１２】
前記把握した際の手指の各関節間の指腹が接触して与える変位または圧力の検知結果から、一定以下の変位もしくは圧力を検出する検知手段の検出結果の分をすべて差し引いた値により、入力するデータとする請求項１１記載の力覚呈示デバイス。
【請求項１３】
請求項１２記載の力覚呈示デバイスを有し、検出された力に応じて遠隔地あるいは仮想の手指もしくは手指に相当するものの指の各関節の曲げを制御する制御手段とを備えたことを特徴とするデータ入力装置。
【請求項１４】
前記把握した際の手指の各関節間の指腹が接触する各部分の、各々の前記検知手段のうち少なくとも各指にひとつは、複数軸の変位により複数の軸の力を検知する手段を有し、前記複数軸のうち、左または右への各指の移動もしくは力を検知させる手段は、その２つの方向の各方向に対して備えた２つの検知手段の検出値の差をもって検出値とすることを特徴とする請求項１１記載の力覚呈示デバイス。
【請求項１５】
検知した変位または圧力に対して、低域通過フィルタを設け、フィルタを経由した値により入力するデータとする請求項１記載の力覚呈示デバイス。
【請求項１６】
把握した際の手指の各関節間の指腹が接触して与える変位または圧力の検知結果から、最も小さいがゼロではない変位もしくは圧力を検出する検知手段の検出結果の分を差し引いた値により、入力するデータとする請求項１１記載の力覚呈示デバイス。
【請求項１７】
把握した際の手指の各関節間の指腹が接触して与える変位または圧力の検知結果から、最大の変位または圧力の値に基づいた一定以下の変位もしくは圧力を検出する検知手段の検出結果の分をすべて差し引いた値により、入力するデータとする請求項１１記載の力覚呈示デバイス。
【請求項１８】
呈示しようとする力覚の力ベクトルとは逆方向に前記力ベクトルの方向と対応する電動機を間欠的に駆動することを特徴とする請求項１記載の力覚呈示デバイス。
【請求項１９】
前記力ベクトルと対応する電動機を前記ベクトルの大きさに比例するトルクとなるよう逆方向に間欠駆動し、その間欠駆動においてその電動機をＯＦＦする期間は前記起動した電動機が停止するまでの期間よりも長い期間であることを特徴とする請求項１８記載の力覚呈示デバイス。
【請求項２０】
前記力ベクトルと対応する電動機を前記力ベクトルの大きさに比例するトルクとなるよう起動し、一定距離もしくは角度を移動したのち、極めて低いトルクで前記起動した方向とは逆方向に起動し、前記起動する前の位置もしくは角度となった後に前記電動機を停止するという起動逆方向移動停止動作を繰り返すことを特徴とする請求項１８記載の力覚呈示デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、計算機内部にあるデータとしての仮想物体を、操作者にあたかも存在するかのように感じさせて、造形作業などを計算機内部で行わせ、製品の使い勝手などを、試作することなく事前に体験することができるもの、あるいは、遠方などにある対象物体を、操作者があたかも手元にあるように感じながら操作できるもの等に適用可能な力覚呈示デバイス、データ入力デバイス、およびデータ入力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、従来の、手指よりの入力方法および画像表示装置による擬似体験装置の構成を示す図である。これは実際には存在していない物体を手指により操作してその使い勝手などを事前に体験するものである。操作者１２０は、手指の位置データを機械が読み取れるように、情報入力用のシステム手袋１１０を装着する。情報入力用のシステム手袋１１０としては、米国V.P.L.Research社（以下、ＶＰＬ社と称する）のデータグローブなどがある。ＶＰＬ社のデータグローブは、通常の薄手の手袋に光ファイバを縫いつけて、手指を曲げることにより、光ファイバが曲がって光ファイバの光透過度が変化するを利用して、手指の曲げ角度を検出するものである。このようにして得られた手指の機械的な位置データは、情報処理手段２の内部にある接触力覚計算手段１１２に送られる。接触力覚計算手段１１２では、仮想物体形状データ１１５と、入力された手指の位置を計算して手指と物体との位置関係を計算する。例えば手指が仮想物体の表面あるいは表面より微小に内部にある時には、仮想物体を触っているときであり、触る面が２箇所以上あるときには、仮想物体を持ち上げるなど操作することも可能である。このようにして得られた仮想物体と手指の位置関係は、画像作成手段１１３を通じて表示手段４で画像として表示され、操作者１２０に自分の手指と仮想物体との位置関係を知らしめることができる。このようにして、操作者１２０は仮想物体を手指で操作することが実現できる。
【０００３】
このような光ファイバによる位置検出方法は、操作者１２０の手指および腕の動きを拘束する部分が少なく、広範囲な手指の位置情報を提供できるものである。また、手指そのものの位置や姿勢は、手袋１１０に搭載した位置・姿勢センサにより検出することができるようになっている。位置・姿勢センサとしては磁気を用いるものの他に超音波を用いるものなどが可能である。また、遠隔操作の場合には、仮想物体ではなく表示手段４を通して実際の物体を操作することにより対応することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の装置では、手指の位置情報を検出して仮想物体を操作する場合、操作者は手指の仮想物体対する位置関係を表示手段４から確認する必要があり、人間が一般的に物体を操作するときに使っている力感覚（力覚）を用いることができない。このため、操作者にとっては、仮想物体があたかも存在していてそれを操作するように感じることは困難であった。
【０００５】
他方、力覚を呈示する手段として現在提案されているものに、手指に対応した形状を有するマスターマニピュレータを操作者に持たせて、マニピュレータを力制御する方法がいくつか提案されている（岩田ほか：「力感覚に対応した人工現実感−−多次元力感覚帰還装置の開発」第５回ヒューマンイターフェースシンポジウム、１９８９）。また、佐藤らは、空間に糸を張り、糸の交点を操作させ、糸の張力で力覚を与える方法を提案している（佐藤ほか：「仮想作業空間のためのインターフェース・デバイス−ＳＰＩＤＡＲ−」信学技法、ＰＲＵ−８８、１９８９）。しかしながら、いずれも大がかりな装置になってしまうという課題がある。
【０００６】
また、ＶＰＬ社のデータグローブの手袋上に力覚フィードバック機構を追加することや、手指に位置検出付きのモータを取り付けて制御することにより力覚フィードバックを実現することなども可能であるが、手袋や機構部分を装着して初めて使用可能になるので、使用に当たっては手袋や機構部分の装着および脱着という手間が伴ってしまうということが問題となって来る。
【０００７】
本発明は、このような従来の種々の装置の課題を考慮し、非装着の手指用力覚呈示装置で手全体に反力を与える、手指の曲げ角度及び力覚を与える、操作簡単な３次元データ入力装置を提供する、手全体の位置を３次元空間の広範囲に移動できる装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明（請求項１関連）は、掌によって把握でき、かつ、手により空間を自在に移動できる筐体部分と、
その筐体内部に内蔵された、回転可能あるいは直線運動可能な、少なくとも一個以上の電動機と、
前記筐体部分を把握した際の指を添える部分に設けられた、それぞれの指毎に、複数の変位又は複数の圧力を検知する複数の検知手段とを備え、
データを入力することが出来ることを特徴とする、力覚呈示デバイスである。
【０００９】
第２の本発明（請求項１８、１９関連）は、与えようとする力ベクトルに対応する電動機を前記ベクトルの大きさに比例するトルクとなるよう間欠駆動し、間欠駆動において電動機をＯＦＦする期間は前記起動した電動機が停止するまでの期間よりも長い期間とする。
【００１０】
第３の本発明（請求項２０関連）は、前記ベクトルと対応する電動機を前記ベクトルの大きさに比例するトルクとなるよう起動し、一定距離もしくは角度を移動したのち、極めて低いトルクで前記起動した方向とは逆方向に起動し、前記起動する前の位置もしくは角度となった後に前記電動機を停止する起動逆方向移動停止動作を繰り返す制御手段を設ける。
【００１２】
第４の本発明（請求項３関連）は、第１の本発明による力覚呈示デバイスと、入力されたデータを処理する情報処理手段と、画像表示手段を有し、前記画像表示手段には、前記データ入力デバイスに対応する情報として、手指の少なくとも２本の位置、姿勢および曲がりの状況を表示する手段を設ける。
【００１６】
第５の本発明（請求項４、５関連）は、複数軸の力を検出する手段より構成される補助入力手段を設ける。
【００２０】
第６の本発明（請求項６関連）は、多自由度のマニピュレータの先端に掌用のデバイスを搭載し、マニピュレータに印加された力を補助入力として用いるとともに、マニピュレータを制御する手段により、先端に反力を与える。
【００２６】
第７の本発明（請求項７、８関連）は、検出した力の積分値あるいは不完全積分値に基づいて遠隔地あるいは仮想の手指の曲がりを制御する。
【００２７】
第８の本発明（請求項９、１０関連）は、検出した力の最大値を略保持した値に基づいて遠隔地あるいは仮想の手指の曲がりを制御する。
【００２８】
第９の本発明（請求項１１、１３関連）は、把握した際の手指の各関節間の指腹が接触する各部分に、変位又は圧力を検知する検知手段を各々備え、手指の各関節の曲がりなどのデータを入力する。
【００３０】
第１０の本発明（請求項１４関連）は、左または右への各指の移動もしくは力を検知させる手段は、その２つの方向の各方向に対して備えた２つの検知手段の検出値の差をもって検出値とする。
【００３１】
第１１の本発明（請求項１５）は、検知した変位または圧力に対して、低域通過フィルタを設け、フィルタを経由した値を用いる。
【００３３】
第１２の本発明（請求項１２、１６、１７関連）は、把握した際の手指の各関節間の指腹が接触して与える変位または圧力の検知結果から、最も小さいがゼロではない変位もしくは圧力を検出する検知手段の検出結果の分、もしくは一定以下の変位もしくは圧力を検出しているすべての検知手段の検出結果の分、もしくは、最大の変位もしくは圧力に基づいた一定の変位もしくは圧力を検出しているすべての検出手段の検出結果の分を差し引いた値により、入力するデータとする。
【００３８】
【作用】
第１および第２の本発明によって、筐体内部の電動機が起動するときに、把握する手に反力を与えることができ、間欠駆動におけるＯＦＦときには逆の弱い反力が発生するが人間の手には殆ど感じられず、再び起動するときに反力を得ることができ、回転方向の反力を持続して手全体に与えることができる。又、第１の本発明では、手指の掌側の圧力の強弱を検出することにより、強弱に応じて仮想物体をつかんだりする手指の曲げ具合いを操作者の意図に近い力を利用して決定することができる。
【００３９】
さらに第３の本発明では、第２の本発明のＯＦＦ期間に対応する期間、電動機を逆転させることにより、直線運動型の電動機においても、可動部分が可動範囲の中心に常にもどることが可能になり、可動部分が可動範囲を超えて行き止まりになることなく、直線運動の反力を持続して手全体に与えることができる。
【００４１】
第４の本発明では、第１の本発明の力覚呈示デバイスを用いて、力覚呈示デバイスに与える指を曲げようとする意図が、実際の指の曲がりとして表示手段に表示されるので、手指の曲げようとする力の強弱を利用して表示画面内部にある物体をつかんだり、つまんだりすることが可能になる。
【００４５】
第５の本発明では、手の位置や姿勢を補助入力手段における力入力を用いることにより、掌で握る力覚呈示デバイスの大きな移動を伴わずに計算機内部での位置や姿勢を広範囲に変化させることができる。
【００４９】
第６の本発明では、マニピューレータの制御手段により手首全体への反力が発生させられる。
【００５３】
第７および第８の本発明では、手指による力が積分手段あるいは最大値保持手段により保持されるので、大きな力を連続して出すことなく、仮想あるいは遠隔の物体の把握を継続することができる。
【００５４】
第９の本発明では、各関節の曲がりに対応した検出手段により、手指の各関節の曲がりに相当する意志を検出することができる。
【００５６】
第１０の本発明では、左右の検出結果の差を求めることにより、指が小さくて２つの検出手段から力もしくは変位が検出できないときと、指が大きくて２つの検出手段から同時に力もしくは変位が検出される場合でも同じ検出結果を得ることができる。
【００５７】
第１１の本発明では、手指のふるえや力のムラなどの細かい変動が低域通過フィルタにより取り除かれる。
【００５９】
第１２の本発明では、意図と関連しないがデバイス把持に関連している力は相対的に小さいため、その力の影響を取り除くことができ、手指を曲げようとする意図に関連する情報のみが取り出される。
【００６３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００６４】
図１は、本発明の一実施例における力覚呈示デバイスと情報処理手段と表示手段との関連を示す図である。力覚を受ける装置操作者は、力覚呈示デバイス１を掌で持つ。力覚呈示デバイス１は情報処理手段２とケーブル３にて接続されている。力覚を呈示するのに関連する情報は、画像情報として、表示手段４に表示される。操作者はこの表示画面を見ることにより、得られる力覚がどのような原因によるものかを容易に知ることができる。なお、力覚呈示デバイス１が３次元空間のどの位置にあるかは、位置検出手段（図示せず）が力覚呈示デバイス１に搭載されおり、情報処理手段２は随時その情報を知ることができるようになっている。操作者が力覚呈示デバイス１を動かすことにより、反力を与えることが必要かどうかが情報処理手段２により計算され、情報処理手段２から力覚呈示デバイス１に必要な反力情報を返す。力覚呈示デバイス１では、反力情報にもとづき、内蔵する反力発生手段により、反力を発生する。反力の発生の基本となる原理は、力覚呈示デバイス１の内部に設置された電動機による加速度を用いるものである。以下、上述したような第１、第２、第３の本発明の具体例を、図２、図３、図４、図５の順に説明する。
【００６５】
図２は、回転方向の力覚を呈示する場合の回路を説明するためのブロック図であり、図３はその制御動作原理を示す信号波形図である。情報処理手段２にて決定された必要な力覚情報は、駆動制御手段１１に入力される。駆動制御手段１１では、電動機１４の駆動回路１２およびスイッチ回路１３に指令信号を入力する。駆動回路１２はスイッチ回路１３を経由して、電動機１４に接続されているので、電動機のＯＮ／ＯＦＦの駆動が可能になるものである。次に図３を用いて駆動制御の方法及び動作原理を説明する。図３の（ａ）の信号は情報処理手段２から出力された必要な反力情報を示すものである。すなわち、時刻ｔ１からｔ２までは反力「大」の指令が出力され、時刻ｔ２からｔ３までは反力「なし」の指令が出力され、時刻ｔ３からｔ４までは反力「小」の指令が出力されているものとする。（ｂ）の信号は駆動制御手段１１の出力信号波形である。駆動制御手段１１では、反力「大」の指令に対して、電動機１４を間欠的に駆動する。ＯＮのときの駆動レベルは反力に対応するよう大きい駆動レベルとする。ＯＮパルスの時間の幅は、電動機１４が起動でき、かつ速度が加速状態である時間幅に設定しておく。ＯＦＦの時間の幅は、起動した電動機１４が停止するまでの時間よりも長く設定しておく。一方、反力「なし」の場合は駆動制御手段１１は電動機１４の駆動指令をＯＦＦにしたままである。また、反力「小」の場合には駆動制御手段１１は、あまり大きくないＯＮパルスにより間欠駆動する。同図の（ｃ）は（ｂ）の駆動指令に対応する電動機１４の速度応答を示した図である。ＯＮパルスが加わると電動機１４は起動し、急速に速度が上昇する。速度が飽和しないうちにＯＮパルスはＯＦＦされるので、電動機１４の速度は減少し始め、やがて停止する。反力が大きい場合は起動のときの速度の上昇が速く、反力が小さい場合には起動のときの速度の上昇が比較的遅くなる。同図（ｄ）は電動機１４の加速度応答を示したものである。ＯＮパルスが印加されているときには正方向の比較的大きな加速度が得られており、ＯＦＦ期間中の停止してしまうまでは逆方向の比較的小さい加速度が得られる。またＯＮパルスの大きさにより加速度の大きさに差ができる。一方、ある物体を把持している場合、その物体がある運動をはじめようとして加速度を生じた場合、把持している側には、加速度と物体の質量をかけたものが反力として得られる。したがって、同図（ｄ）のような加速度を生じさせた場合には、操作者は同図（ｄ）に示す方向とは逆の反力を手に感じることができる。さらに、人間の感覚は非線形性があり、小さい刺激に対しては殆ど感じないという、検知限界があり、ＯＦＦ期間の加速度は検知できない。したがって、ＯＮ期間に感じた加速度だけを反力として感じることができる。
【００６６】
図４および図５は、直線方向の反力に関して、回転方向と同様に反力を生じさせる場合の回路構成および制御動作原理を示す信号波形図である。直線方向の移動の場合は移動範囲が有限であり、回転方向の場合と同じ制御方法では連続して反力を発生させることができない。図４において、情報処理手段２より出力された反力情報はプロフィル変換手段２１に入力される。プロフィル変換手段２１では反力情報に対応する位置制御指令を出力する。位置制御指令は比較回路２２、駆動回路２３、直進電動機２６、位置検出器２５、位置検出回路２４よりなる位置制御回路に入力されることにより、位置制御指令通りに直進電動機２６が動作する。図５は、回転方向の反力と同様に、図４で示した回路の制御動作をしめす信号波形図である。波形（ｅ）は目標反力（ａ）に対するプロフィル変換手段２１による位置指令信号の波形を示したものである。プロフィル変換手段２１は、反力を発生する必要のあるときには、急激に移動したのち徐々に元の位置に戻すような指令を出力する。急激に移動するときの移動量は必要な反力の大きさに対応している。波形（ｆ）は位置指令に対する直進電動機２６の速度を示すものである。同様に波形（ｇ）は加速度を示している。波形（ｇ）において比較的大きい加速度が間欠的に得られており、それ以外のときには小さい加速度が得られている。大きい方の加速度は操作者が検知できるものであり、小さい方の加速度は操作者が検知できる限界を下回っているものである。このため、操作者は、反力を必要とする方向のみに反力を感じることができる。
【００６７】
以上、図２、図３、図４、図５で説明した方法により、力覚呈示デバイス１に対して回転方向、また直線方向の反力感を与えることができる。なお、図では説明しなかったが、実際の反力を総て表現するには回転方向で３方向、直線方向でも３方向必要であるが、それを実現するには、これらの方向に対応する電動機を１つのデバイス内に搭載することにより可能となる。
【００６８】
次に、第１の本発明の力覚呈示デバイスの一実施例である、各手指の曲がりを入力する部分について説明する。図６はその斜視図である。図１の力覚呈示デバイスと兼用可能な、データ入力デバイス３０はケーブル３により、情報処理手段２と接続され、情報処理手段２は表示手段４と接続されている。操作者はデータ入力デバイス３０を掌でおおうように把持する。このとき、人差指および中指の先端部分はデータ入力デバイス３０の表面上の窪み３４、３３の上に添えられる。窪み３３、３４には、圧力センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅが搭載されており、指の押す力を検出することができるようになっている。たとえば右手で把持するとして人差指の場合、窪み３４に指の腹が添えられ、指を曲げようとする力は圧力センサ３２ｄで検出することができる。また、指を前にずらそうとする力は圧力センサ３２ａで検出でき、指を手前に戻そうとする力は圧力センサ３２ｅで検出でき、指を右にずらそうとする力は圧力センサ３２ｂで検出でき、指を左にずらそうとする力は圧力センサ３２ｃで検出することができる。圧力センサとしては感圧式の導電ゴムなどが可能である。このようにして検出された指の力は、情報処理手段２に送られ、表示手段４による表示で確認することにより、例えば複数のポインティングデバイスによる複数点の位置情報と等価な情報として用いられる。また、指の力の情報を、遠隔地や仮想物体を操作するための手指あるいは手指に相当する物の曲げ角度として用いることができる。
図７は図６で説明したデータ入力デバイス３０を添えられる指と直行方向、すなわち窪みの長手方向とは直角に切った断面図である。窪み３４は空白で表示されている。また、圧力センサは右から３２ｃ，３２ｄ，３２ｂが描かれている。また、圧力センサは指の腹に直接当たらないようにカバー３６で被われている。指による圧力の変化は増幅回路３５ｃ，３５ｄ，３５ｂを経て、情報処理手段２へ送られる。
【００６９】
なお、図９および図１０での実施例では指の腹の部分に対して全ての方向の圧力を検出し、同様に全ての方向に対して反力を生じることができる事例で説明しているが、指の押す方向のみの検出および制御することができるデバイスとすることも容易に考えられることである。また、圧力の検出に圧力センサを用いる例で説明しているが、駆動軸４２ｂ，４２ｃ，４２ｄへの駆動負荷より指が押している力を計算で求める方法でも可能である。また、図６では指の先端部分の腹の部分のみの検出および制御ができる場合を記述しているが、それ以外の指部分の圧力検出および制御も同様の方法で可能であることは明白である。
【００７０】
図８は、第４の本発明であるデータ入力装置の一実施例を示す斜視図である。図６、図７で説明したデータ入力デバイス３０を掌で把持して操作する。データ入力デバイス３０に入力された手指の腹の圧力に基づく手指の曲げ意図はケーブル３を通して情報処理手段２に送られて仮想の手指の曲げ角度などに変換される。仮想の手指の曲げ角度は表示手段４により、画面の中で仮想物体４０に示すごとく、手指の形状そのままに表示される。このとき、仮想物体４１との相互の位置関係も画像として表示されている。操作者はこの表示を見ながらデータ入力デバイスの操作を行うため、容易に仮想物体４１の操作が実現できる。なお、図８で用いたデータ入力デバイスには、手の空間の位置及び姿勢を検知する検出器が必要であるが、その形状や取り付け方法については、従来公知であるので、図８ではその具体記述は省略している。
【００７１】
図９は、他の一実施例である、データ入力デバイス３０の指に反力を与える部分を示した構成断面図である。指の腹が入る窪み３４に対して、図７と同様に圧力検出センサ３２ｃ，３２ｄ，３２ｂを設ける。各圧力センサは可動部分４１ｃ、４１ｄ，４２ｂに搭載されており、駆動軸４２ｃ，４２ｄ，４２ｂを回転させることによりピニオン歯車とラック歯車の関係により、圧力センサを指の当たる方向に移動制御することができる。図９では、駆動方法として回転系の駆動方法で例を示したが、ボイスコイルモータなどによる直進型の電動機を用いて可動部分４１ｃ，４１ｄ，４１ｂを駆動することなども可能であることは明白である。また圧力センサの代わりに変位検知手段でも可能である。
【００７２】
図１０は、他の一実施例である制御系の構成を示した回路ブロック図である。圧力センサの検出した圧力情報は増幅器３５ｃ，３５ｄ，３５ｂを経由して情報処理手段２へ送られると共に、比較制御手段４５ｃ，４５ｄ，４５ｂに送られ、情報処理手段２より送られてきた目標反力値が得られるよう比較制御処理が行われる。比較制御手段４５ｃ，４５ｄ，４５ｂの出力は駆動軸４２ｃ，４２ｄ，４２ｂに送られることにより、目標値通りの反力が得られるよう制御される。
【００７３】
以上、手指に反力を与える構成および制御方法については、図９および図１０を用いて説明したが、簡単な方法としては、反力を与える代わりに手指が仮想物体に接触したことを、振動を用いて認知させる方法も考えられる。この場合は、図９において駆動軸４２ｃ，４２ｄ，４２ｂを電動機で振動させることなどにより容易に実現することができる。
【００７４】
また、上記実施例では、電動機として直流電動機を用いて説明したが、電磁気力による電動機である必要はなく、例えば圧電素子の振動を利用したいわゆる超音波モータなどでも同様のことが可能である。
【００７５】
他の一実施例について、再び図８を用いて説明する。図８は、データ入力装置を使用している一例を示す図でもある。図９、図１０で説明したデータ入力デバイス（ここでは力覚呈示デバイス）３０を掌で把持して操作する。力覚呈示デバイス３０に入力された手指の腹の圧力に基づく手指の曲げ意図はケーブル３を通して情報処理手段２に送られて仮想の手指の曲げ角度などに変換される。仮想の手指の曲げ角度は表示手段４により、画面の中で仮想物体４０に示すごとく、手指の形状そのままに表示される。このとき、仮想物体４１との相互の位置関係も画像として表示されている。画面上での手指の位置が仮想物体４１に当たっている場合は、情報処理手段２は画面を表示しているわけであるので、画面上で指の位置が仮想物体４１に接触していることは容易に知ることができる。このとき情報処理手段２は力覚呈示デバイス３０に対して反力を大きく与えるように指示を送る。力覚呈示デバイス３０では手の指に反力を与えるので操作者は容易に手指の先が仮想物体４１に当たっていることを知ることができ、かつ、表示手段４からの画像出力を併せて知ることができるので、より高度な作業が実現できる。例えば、仮想物体４１が剛体ではなく、粘土などの弾塑性体の場合などには微妙な変形作業などが可能になる。
【００７６】
図１１は、第５の本発明の一実施例および他の一実施例である、補助入力手段を共通の筐体上に設けた場合の構成を示した斜視図である。図１１においては、図６で説明したデータ入力デバイス３０と補助入力手段５０、５１、５２を共通の筐体５３上に搭載しているものである。補助入力手段は、操作者がつかむグリップ５０と多軸力センサ５２とその間を結ぶレバーアーム５１で構成されている。操作者は右手の掌をデータ入力デバイス３０の上にのせ、左手で補助入力手段のレバーアーム５１及びグリップ５０をつかんで使用する。表示手段４内にある仮想環境の中で手の位置を移動しようとするとき、補助入力手段のレバーアーム５１を対応する方向に操作する。レバーアーム５１を縦横斜めあるいは回転などの方向に操作しようとすると、多軸力センサ５２で対応する方向の力を検出することができる。操作者が与える力の方向と表示手段４内部の手を移動させようとする方向は一致しているので、力の情報をもって情報処理手段２により表示手段４における手の位置を変更させることができる。また、力を加えた時に一定量を移動するように設定することで、力を加える時間を長くすることにより無限に大きな仮想空間を手が移動することが可能になる（多軸力センサ５２の具体的な原理や構成については、”緒方ほか「力覚センサ」日本ロボット学会誌Vol.6,No.9,pp.759〜765、1991” に解説されている）。このようにすることにより、左手で補助入力用のレバーアーム５１を操作するときには、右手が入力デバイス全体を支持固定する役割を果たし、逆に、右手でものをつかもうとして掌に力を入れたときには、左手が入力デバイス全体を支持固定する役割を果たす。このため、操作者は、入力デバイス全体が小型軽量であっても操作が非常に楽にできる。
【００７７】
図１２は、他の一実施例であり、補助入力手段とデータ入力デバイス部分が図１１とは別の位置関係によるものの斜視図である。補助入力手段はレバーアーム５１および多軸力センサ５２より構成されており、図１１での例におけるグリップ５０の位置にデータ入力デバイス部分（あるいは力覚呈示デバイス部分）３０を固定しているものである。このようにすることにより、操作者は片手のみで補助入力も同時に可能になるものである。具体的には、右手の掌でデータ入力デバイス部分（あるいは力覚呈示デバイス部分）３０を握りながら、移動させたい方向をめざしてレバーアーム５１を通して力をかけることにより、表示画面の中で手指を無限の距離にまで移動させることが可能になる。特に図１２の場合には、力をかける操作は総て片方の手で可能であるので、もう一方の手で入力デバイス全体を支持固定することが可能になり、たとえ入力デバイス全体が小型軽量であっても操作が非常に楽にできる。
【００７８】
なお、図１１および図１２では、補助入力手段とデータ入力デバイスとは一体になった例を示したが、例えば図１１において、データ入力デバイス３０を取り外し、掌でつかんで持ち上げることにより、図８に示すような操作をすることも容易に考えられることである。
【００７９】
次に図１４、図１５、図１６を用いてその他の実施例を説明する。図１４はデータ入力デバイスあるいは力覚呈示デバイス３０が円筒形の場合の把持状況を示す斜視図である。図１５はデータ入力デバイスあるいは力覚呈示デバイス３０が球面形の場合の把持状況を示す斜視図である。図１６は掌における２つの形状の場合の接触面を示す斜視図である。図１４に示すように円筒形の場合、親指とその他の指が対向するように把持する。また、球面形の場合は半球面を覆うように把持する。いずれの場合も掌でデバイス３０を把握しているが、円筒形の場合は親指と他の指とが対向しているためデバイス３０の円筒面を掌部分が覆うように把持できる。一方、球面形の場合には親指と他の指との対向性が低いため、デバイス３０を掌のみで覆うように把持することが難しくなり、手指により把持を行う必要性が高くなる。さらに、たとえ掌で把握ができるとしても、掌で把握に対応できる面積は図１６に示すように右上がり斜線のハッチングで示した円筒形の場合の接触面に対して、球面形の場合の接触面は交差線のハッチングで示した部分になるために狭くなり、摩擦の点でも円筒形が有利である。なお、ここでは球面形で説明しているが、半球面形も球面形と同様の把持方法になるので、本実施例の内容は影響を受けない。また、図１４では説明を平易にするため、指を添えるためのくぼみや圧力センサを省略しているが、図６の結果からなどから明白であることはいうまでもない。
【００８０】
次に、図１７を用いて第６の本発明を説明する。図１７において、マニピュレータ６０の先端にデータ入力デバイスもしくは力覚呈示デバイス３０を搭載する。操作者１２０はデバイス３０を把持し、表示手段４を見ながら作業を行う。手首全体の位置の移動はマニピュレータに拘束されながら行う。手首全体の位置はマニピュレータ６０の各関節６１ａ、６１ｂ、６１ｃの角度を用いて情報処理手段２により計算することができる。計算結果は表示手段４を介して操作者１２０にもフィードバックされる。さらに情報処理手段２はマニピュレータ６０に対して、拘束制御を行う。拘束制御は必要に応じて、力制御、コンプライアンス制御、位置制御が選択される。これにより、マニピュレータ６０の手先に搭載した入力デバイス３０を介して操作者１２０に反力を与えることが可能になる。なお、図１７では、３つの関節を有するマニピュレータで説明したが、本発明の実施は関節数を限定する必要はなく、１関節のマニピュレータから無限の関節数のマニピュレータにも適用できることは明白である。
【００８１】
図１８は他の一実施例を示す構成断面図である。手指９０は柔軟な筐体（図示せず）を経由して半円筒形の板梁８４に搭載されている圧力センサ８５を押している。板梁８４は指９０の押しによりバネ動作を行う。板梁８４はその両端をギア８３ａおよび８３ｂで固定されており、ギア８３ａ、８３ｂの回転動作により弦の長さが可変できるようになっている。ギア８３ａ、８３ｂをモータ８２ａ、８２ｂにより駆動して弦を長くすると手指９０は下に押しやすくなり、かつバネも柔らかくなる。逆に弦を短くすると、手指９０は上に押し戻されるとともにバネとしては硬くなる。このようにして、手指９０に対して柔らかさ（コンプライアンス）を可変することができる。制御回路８０は、目標コンプライアンスに対して、必要な位置を算出し、モータ８２ａ，８２ｂの位置制御を行うものである。
【００８２】
図１９及び図２０は、他の一実施例の動作原理を示す波形図である。第１５の本発明を実施するためには図１８で説明した構成が前提となる。図１９の波形は、押し戻す方向に反力感を与えるための目標コンプライアンスの設定方法を示す波形図であり、図２０の波形は引き込む方向に反力感を与えるための目標コンプライアンスの設定方法を示す波形図である。動作原理は同じであるので、図１９の場合を例にとって説明する。図１９の波形は目標コンプライアンスを急激に増加させ、ゆっくりと元に戻す動作を繰り返すものである。このようにすることにより、第１の本発明で説明したように、人間の感覚の非線形により急激な部分の変化だけが感じられるので、硬くなっていくように感じる。実際の手指はある力をもって図１８の板梁８４を押しているので、硬くなった分だけ押し戻されるので、押し戻されたように反力を感じることになる。
【００８３】
図２１は、その他の一実施例を示す構成斜視図である。デバイス３０を把持している状態において、把持に関連しない小指で操作可能なスイッチ７１を設けている。これまで説明した本発明によると、手指で遠隔地や仮想の物体を把持しようとすると、手指の曲げ方向に一定の力を与え続ける必要があり、途中で何か他の動作をすることができない。本実施例はこれを可能にするものである。すなわち、動作の途中でスイッチ７１を押すことにより、手指の曲げ情報をそのままにした状態で他の動作を行うことができるものである。スイッチ７１の入力に基づく判断処理は情報処理手段２（図示せず）で行うことが容易に実現可能である。また、スイッチ７１をＯＮしておけば、手指が力を出し続ける必要もなくなり、手指の疲労も防ぐことができる。
【００８４】
図２２は類似の考えに基づいた別実施例の動作の一例の説明を行うための斜視図である。同様のスイッチ７１により、手首全体の位置を固定することができるものである。図２２において、デバイス３０を把持した手首全体を紙面右上方向および反対方向の矢印群（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の方向に順次往復移動動作を行うものとする。このとき矢印（Ａ）（Ｃ）の方向に移動するときはスイッチ７１をＯＦＦ状態にし、矢印（Ｂ）の方向に移動するときにはスイッチ７１をＯＮ状態にするものとする。したがって、スイッチ７１がＯＮのときには手首の位置姿勢の変化が入力されないようにしておくことにより、矢印（Ａ）（Ｃ）の移動だけを入力することができる。このような動作を繰り返すことにより、腕での可動範囲を超えた位置の指定が可能になる。また、スイッチ７１をＯＮすることにより、腕を空間の特定位置に固定しておく必要がなくなり、腕の疲労も防ぐことができる。
【００８５】
図２３はさらに別の実施例の一実施例を示す斜視構成図である。基本的な構成は、他の一実施例として説明した図１２の構成に類似しているが、図２３では、デバイス部分の形状を円筒形の場合を示しており、本実施例の必須用件であるスイッチ７１が設けられている。デバイス３０を把持し、把持した手首全体により補助入力手段となる多軸力センサ５２に力を加える。スイッチ７１はデバイス３０を把持していない手によって操作することができる。スイッチ７１の操作により、情報処理手段２（図示せず）はこれまで説明した機能を実現することができる。
【００８６】
なお、これまでの実施例の説明で用いたスイッチはそれぞれ１つずつであったが、それぞれに対応するスイッチをそれぞれ用意することも可能であり、あるいはどれか一つあるいは二つの発明に対応するスイッチのみを搭載することも可能である。
【００８７】
図２４及び図２５は第７の本発明を説明するための図である。図２４は力情報を指の曲がりなどの位置情報に変換するための回路ブロック図であり、図２５はその動作結果を示す波形図である。図２４において、力−電圧変換器７５により電圧情報に変換された力情報（圧力センサ出力）はＩＣ１回路、抵抗Ｒ１に接続されている。ＩＣ１回路は比較回路であり、力情報と参照電圧Ｖrefとを比較する。力情報が小さいときにはスイッチＳＷをＯＮさせ、大きいときにはＯＦＦさせる。スイッチＳＷがＯＦＦのときには、抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１、ＩＣ２回路により反転積分回路が構成されており、力情報を反転積分し、ＩＣ３回路に反転積分結果を入力する。ＩＣ３回路は差動回路であり、参照電圧Ｖrefを基準として電圧を反転させるものであり、非反転積分結果を得るものである。参照電圧Ｖｒｅｆは大きい力かどうかを判別するためのしきい値近傍に選んでおく。一方、スイッチＳＷがＯＮのときには、ＩＣ２回路、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２により反転回路が構成され、反転結果がＩＣ３回路に送られる。すなわち図２４の回路は、力情報が参照電圧より大きいときには積分を行い、小さいときにはそのままの出力を得るものである。図２５にその動作波形を示す。図で力情報は実線で示し、出力は一点鎖線で示している。図の実線に示すような力情報が入力された場合、参照電圧Ｖrefよりも小さい場合は出力は同じになり、参照電圧Ｖrefよりも大きいときには一点鎖線に示すように積分動作を行っている。このような手段を用いることにより、大きい力を出し続ける必要がなくなり、手指の疲労を防ぐことができるものである。
【００８８】
図２６及び図２７は第８の本発明の一実施例を説明するための図である。図２６は力情報を指の曲がりなどの位置情報に変換するための回路ブロック図であり、図２７はその動作結果を示す波形図である。図２６において、力−電圧変換器７５により電圧情報に変換された力情報（圧力センサ出力）はＩＣ回路、ダイオードＤ、抵抗Ｒ２に接続されている。ダイオードＤ、コンデンサＣ、抵抗Ｒ１は最大値保持回路を構成しており、入力電圧が低くなった場合には、コンデンサＣの電荷によりしばらく保持される。コンデンサＣの電荷は抵抗Ｒ１によりゆっくりと放電される。ＩＣは比較回路であり、力情報と参照電圧Ｖrefとを比較し、その結果でスイッチＳＷの開閉を制御する。参照電圧は第７の本発明での説明と同様にして設定しておく。力情報が参照電圧Ｖrefよりも大きいときにはスイッチＳＷはＯＦＦであり、参照電圧よりも低い場合にはスイッチＳＷがＯＮするようにする。スイッチＳＷがＯＮのときには出力電圧が抵抗Ｒ２を介して力情報に接続されるので、出力はほぼ力情報に等しくなる。すなわち、図２６の回路は、力情報が参照電圧Ｖrefより大きいときには力情報の最大値を略保持する動作を行い、参照電圧Ｖrefよりも小さいときには出力はほぼ力情報に等しくなるように動作するものである。図２７にその動作波形を示す。図で力情報は実線で示し、出力は一点鎖線で示している。図の実線に示すような力情報が入力された場合、参照電圧Ｖrefよりも小さい場合は出力は同じになり、参照電圧Ｖrefよりも大きいときには最大値保持動作を行っている。このような手段を用いることにより、大きい力を出し続ける必要がなくなり、手指の疲労を防ぐことができるものである。
【００８９】
図２８は、第９の本発明の一実施例を示す斜視図である。説明を簡単にするため、中指、薬指、小指を省略し、デバイス３０を親指と人差し指で把持している図としている。すなわち、デバイス３０を把持している状況において、親指の先端関節から先の部分で圧力センサ１３１ａを押し、次の部分で圧力センサ１３１ｂを押すようになっている。また、同様に人差し指においても圧力センサ１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃが当たるように設計されている。従って、親指の先端の関節を曲げようとする意図は圧力センサ１３１ａで検出でき、親指の次の関節を曲げようとする意図は圧力センサ１３１ｂで検出することができる。同様にして、人差し指の先端の関節を曲げようとする意図は、圧力センサ１３２ａで検出することができ、次の関節を曲げようとする意図は、圧力センサ１３２ｂで検出することができる。掌に最も近い関節を曲げようとする意図は圧力センサ１３２ｃで検出することができる。このようにしてすべての指の各関節を掌の方に曲げようとする意図は、デバイス３０の表面に対応して設けた圧力センサにより検出することができる。一方、指のもうひとつの自由度である、掌の面内方向に動かそうとする意図は、指の腹方向に対して左右の動きとなるので、図６に示したように指の腹方向の左右に圧力センサを３２ｂ、３２ｃのように設けることにより検出することができる。
【００９０】
図２９は別の一実施例を示す、デバイス３０を把持している状態の斜視図（ａ）及び、一部の断面図（ｂ）である。同図（ａ）において、把持されている円筒形デバイス３０の両端はフランジ部分を有する半円筒形をネジ１２６で結合させたものになっている。すなわち、両端部分の断面図は同図（ｂ）のようになっている。また、実際の掌で把持される区間も、２つの半円筒形を結合させたものになっている。その接続は例えば、２つの半円筒形のすきまを弾性体あるいは弾塑性体１２５を介して結合させておくことにより実現できる。ここでネジ１２６を締めることにより、円筒形の直径は小さくなり、ネジ１２６を緩めることにより円筒形の直径は大きくなる。したがって、手の大きい人はネジを緩めることにより直径を大きくして握りやすくして用い、子供のように手の小さい人はネジを締めることにより直径を小さくして握り易くして用いることができる。
【００９１】
次に図３０、図３１、図３２を用いて第１０の本発明の一実施例を説明する。図３０は図７の一部と同様のデバイス３０の一部の断面図である。同図（ａ）は指９０が小さいときの状況を示しており、同図（ｂ）は指９０が大きいときの状況を示している。同図（ａ）に示すように、指９０が小さい場合には、指の左右に動かそうとする意図を検出する圧力センサ３２ｂおよび３２ｃのどちらにも圧力がかからない状態が存在し、逆に同図（ｂ）に示すように指９０が大きい場合には、圧力センサ３２ｂおよび３２ｃのどちらにも圧力がかかっている状態になってしまう。
【００９２】
図３１は、図３０の状態における圧力センサ３２ｂ、３２ｃの検出結果を示すものであり横軸ｘは指を曲げようとする力の大きさであり、右側に正の符号をとっている。図３０と同様に図３１（ａ）は指９０が小さい場合の検出結果であり、同図（ｂ）は指９０が大きい場合の検出結果である。同図（ａ）に示すように指９０が小さいと圧力センサ３２ｂ、３２ｃとの間にすきまができているので、力ｘが小さいときには検出できず、力ｘがｘ１より大きくなってはじめてセンサ３２は力を検出する。同様に力ｘがｘ２（負の値）より大きいときにはセンサ３２ｂはすきまのため検出することができず、ｘ２より小さくなって検出することが可能になる。同図（ｂ）では、指９０が大きいので２つの圧力センサ３２ｂ，３２ｃに常に圧力を加えていることになる。指は多少変形してこの形状に沿うものの、力を加えない方向にも常にｆ１の力が加わってしまう。このため、指の大きさにより圧力センサ３２ｂ，３２ｃで検出される値は異なってしまう。
【００９３】
図３２はこの影響を回避するための回路ブロック図である。すなわち指を左右に移動しようとする意図を検出する圧力センサ３２ｂ，３２ｃの検出結果を比較手段１４０にて比較することにより指の左右方向への曲がり情報を得るものである。指が小さいときに、左右方向に曲げる意図がない場合、２つの圧力センサ３２ｂ，３２ｃの出力はともにゼロであり、比較手段１４０により比較されてもゼロのままである。一方指が大きいときには、指を曲げる意図がない場合には２つの圧力センサ３２ｂ，３２ｃの出力値はともに同じ値になるので、比較手段１４０による比較結果もゼロになる。また、指を曲げようとする意図がある場合には、２つの圧力センサ３２ｂ，３２ｃのどちらか一方があきらかに大きい力を受けるので、２つのセンサ出力を比較することができ、指の曲がり情報とすることができる。すなわち、指を左右に曲げようとする意図を指の大きさに左右されずに得ることができる。
【００９４】
図３３は、第１１の本発明の一実施例を示すものである。すでに説明したように指を動かす意図を検出するための圧力センサ１３２は、指を曲げようとする力を検出するため、指のふるえや力のムラなども検出してしまう。このような不要な情報を含んだ意図情報は低域通過フィルタ１１１に入力される。低域通過フィルタ１１１では、ふるえなどの変化の速い成分を減衰させる。低域通過フィルタ１１１を経由した情報は、不感帯演算手段１１２に送られる。不感帯演算手段１１２では、微少な値には反応しない処理を行う。これにより、意図とは関連しない、他の指を曲げようとしているとき、その影響が隣の指に現れる場合などのように、無意識で小さい力を与えている場合の影響を取り除くことができる。図３３では第４および第２５の発明の実施例をひとつにして説明したが、低域通過フィルタ１１１あるいは不感帯演算手段１１２のみでも一定の効果を得ることができることはいうまでもない。なお、低域通過フィルタ１１１と不感帯演算手段１１２の順番を逆にすると、手のふるえなどの大小により不感帯演算手段１１２の出力結果の平均値が変化するので好ましくない。
【００９５】
図３４は、これから述べようとする第１２の本発明に関連する前提条件を示しているものであり、デバイス３０を把握している状態を示す斜視図である。デバイス３０は円筒型であり、図３４は親指および人差し指による把持部分の断面になっている。図３４において、親指の先端関節を曲げようとする意図は圧力センサ１３１ａで検出され、次の関節を曲げようとする意図は圧力センサ１３１ｂで検出される。同様に人差し指の先端の関節を曲げようとする意図は圧力センサ１３２ａで検出され、次の関節を曲げようとする意図は圧力センサ１３２ｂで検出され、付け根の関節を曲げようとする意図は圧力センサ１３２ｃで検出される。同図においては、圧力センサ１３２ａには力がかかっていない状態を示している。また、デバイス３０を把持するために親指と人差し指との間の部分１３０でも圧力を与えていることがある。図３５はデバイスを把持している状態における各圧力の大きさおよび方向を示したものである。図３５において、圧力センサ１３１ａでの力をＦ１３１ａとし、圧力センサ１３１ｂでの力をＦ１３１ｂとし、圧力センサ１３２ｂでの力をＦ１３２ｂ、圧力センサ１３２ｃでの力をＦ１３２ｃとしている。圧力センサ１３２ａでの力はゼロであるので図３５には現れていない。なお、親指と人差し指の間の部分１３０での力も、デバイス３０の把持そのもののための力とみなし、ゼロとする。図３５において、４つの力Ｆ１３１ａ，Ｆ１３１ｂ，Ｆ１３２ｂ，Ｆ１３２ｃはすべてデバイス３０の円筒の原点に向かうベクトル量であり、デバイス３０は把持されて止まっているため、その合成ベクトル（ベクトルの総和）はゼロである。すなわち、図３５において、力Ｆ１３１ａの方向とそれに直交する方向の成分に分解してＦ１３１ｂｘ，Ｆ１３１ｂｙ，Ｆ１３２ｂｘ，Ｆ１３２ｂｙ，Ｆ１３２ｃｘ，Ｆ１３２ｃｙとなり、Ｆ１３１ａ、Ｆ１３１ｂｘ，Ｆ１３２ｂｘ，Ｆ１３２ｃｘの総和、Ｆ１３１ｂｙ，Ｆ１３２ｂｙ，Ｆ１３２ｃｙの総和はそれぞれゼロになる。
【００９６】
いま、親指の先端をより大きく曲げようと力を増加させると、力Ｆ１３１ａが増大する。すると、デバイス３０を安定に把持するためには、他の指の力も増加させなければならない。しかしながらこのとき、他の指は、意図を持って力を加えているわけではない。したがって、他の指の力は、親指よりも大きい力であり得ず、小さい力になっているはずである。すなわち、この小さい力は、指を曲げようとする意図とはつながっていないとみなせるわけである。
【００９７】
図３６は、第１２の本発明の一実施例を示す回路ブロック図である。図３４で説明した圧力センサ１３１ａ、１３１ｂ、１３２ａ、１３２ｂ、などを含む圧力センサ群１４５で検出された、デバイス３０を把持するための情報を含んだ各手指を曲げようとする意図情報は、最小値を抜き出す演算手段１４６および引き算手段１４７に送られる。演算手段１４６では、力情報のうち、ゼロではない力のうち最小の力ベクトルを抜き出す。抜き出された最小の力ベクトルは引き算手段１４７に送られる。引き算手段１４７では、各センサの位置データ１４８をもとに各力ベクトルから最小の力ベクトルの値を差し引く。差し引かれた値を手指の曲がり情報として使用する。相対的に小さい力ベクトルは、曲げようとする意図に関連がないと考えられるので、デバイス３０の把持条件を満たすものとみなすことができ、その値を各力ベクトルから差し引くことにより、把持に必要な力ベクトル分を差し引いたものと近似でき、差し引いた情報は指を曲げようとする意図により近いものになる。
【００９８】
図３７は、第１２の本発明の別の実施例を示す回路ブロック図である。図３６と同様の構成になっている部分の詳細は省略する。圧力センサ群１４５にて検出されたデバイス３０を把持するための情報を含んだ各手指を曲げようとする意図情報は一定レベル以下の力ベクトルを抜き出す演算手段１４９および引き算手段１４７に送られる。演算手段１４９では、一定レベル以下の力ベクトルのみが抜き出され、力ベクトル引き算手段１４７へ送られる。力ベクトル引き算手段１４７では、図３６の場合と同様に、圧力センサ群１４５で検出した情報から、抜き出された一定レベル以下の力ベクトルの値を差し引く。差し引かれた値を手指の曲がり情報として使用する。図３６の場合と同様に、相対的に小さい力ベクトルは、曲げようとする意図に関連がないと考えられるので、デバイス３０の把持条件を満たすものとみなすことができ、その値を各力ベクトルから差し引くことにより、把持に必要な力ベクトル分を差し引いたものと近似でき、差し引いた情報は指を曲げようとする意図により近いものになる。
【００９９】
図３８は、第１２の本発明の別の実施例を示す回路ブロック図である。図３７と同様の構成になっている部分の詳細は省略する。圧力センサ群１４５にて検出されたデバイス３０を把持するための情報を含んだ各手指を曲げようとする意図情報は、最大値検出手段１４１および一定レベル以下の力ベクトルを抜き出す演算手段１４９および引き算手段１４７に送られる。最大値検出手段１４１では入力値の最大値を算出する。得られた最大値情報は、しきい値算出手段１４２へと送らる。しきい値算出手段１４２の結果は演算手段１４９に送られる。しきい値算出手段１４２での演算は、例えば入力値に対して一定の係数をかけるなどの演算である。演算手段１４９では、しきい値算出手段１４２により求められたレベル以下の力ベクトルのみが抜き出され、力ベクトル引き算手段１４７へ送られる。力ベクトル引き算手段１４７では、図３７の場合と同様に、圧力センサ群１４５で検出した情報から、抜き出されたしきい値レベル以下の力ベクトルの値を差し引く。差し引かれた値を手指の曲がり情報として使用する。図３７の場合と同様に、相対的に小さい力ベクトルは、曲げようとする意図に関連がないと考えられ、かつ、そのしきい値が最も意図をこめた最大値に連動して変化するので、デバイス３０の把持条件を引き続いて満たすものとみなすことができる。
【０１００】
図３９は本発明の一実施例における別の信号処理方法を示した処理ブロック図である。図３９において、圧力センサ群１４５で検出された把持のための情報を含んだ曲げようとする意図情報は神経回路網型演算手段１４３へと送られて、指を曲げようとする意図情報のみが取り出され、手指の曲がり情報として取り出される。図４０は図３９における神経回路網型演算手段１４３の詳細を示したものであり、情報の入力層、中間層、出力層の３つの層の神経細胞（ニューロン）群からなり、入力層の各神経細胞（ＮＩ1、ＮＩ2、・・・ＮＩk）には各指の関節を曲げるための力情報を入力する。各神経細胞では、入力された情報に、一定の重みを与えて、しきい値論理信号処理（ｓｇｎ関数）あるいはそれに準ずる信号処理（シグモイド関数など）により出力を決定する。重みは事前学習により予め決定しておく。入力層の神経細胞の出力情報は、中間層の各神経細胞（ＮＭ1、ＮＭ2、・・・ＮＭk+1）に送られる。中間層の各神経細胞では入力層の各神経細胞の出力情報に一定の重みを与えて加算し、入力層の神経細胞と同様の信号処理を行う。重みは事前学習により予め決定しておく。中間層の神経細胞の各出力情報は、出力層の神経細胞（ＮＯ1、ＮＯ2、・・・ＮＯk）に送られる。出力層の神経細胞は、中間層の神経細胞の各出力に一定の重みを与えて加算する。加算結果を各指の関節の曲がり情報として用いる。
【０１０１】
次に、図４０における、各神経細胞への入力時の重みの事前学習方法について説明する。学習は、神経回路網により計算される結果と、曲げようとする角度データとそのときの実際の手指が与えている力データとの誤差が最小になるように行われる。学習方法としては、バックプロパゲーション法がよく知られている。（例えば、Rumelhart,D.E., McGlelland,J.L. and the PDP Research Group:Parallel Distributed Processing: Explorations in the Micro-structure of Cognition, Vol.1,pp.318-362,MIT Press(1986)）  このような学習により各神経細胞の入力段の重みを決定しておく。これにより、デバイス３０を把持のための情報が含まれた、手指を曲げようとする意図情報から、手指を曲げようとする意図情報のみが取り出され、より精度の高いデータ入力が可能になる。すなわち、指を曲げようとする意図とデバイスを把持しているときの力関係が予め神経回路網として同定されているので、神経回路網に対して検知結果を入力することにより手指の曲げ意図情報を出力として取り出すことができる。
【０１０２】
なお、この実施例では３層の神経回路網型演算手段で説明を行ったが、他の手法の神経回路網型演算手段であってもよいことは明白である。
【０１０３】
図４１、図４２および図４３は、他の一実施例に用いる振動波モータの固定子の原理を簡単に説明する図である。詳細は、「Kawasaki他、米国特許:4,853,579号」を参照されたい。図４１は振動波モータの固定子の基本構成を示すものであり、２層の圧電セラミックス１５１ａ、１５１ｂに弾性体１５０を貼りつけた構成になっている。２層の圧電セラミックス１５１ａ、１５１ｂは（λ／２）区間ごとに分極方向が交互になるように分極され、かつ２つの層の位相が（λ／４）ずれるように貼り合わされている。このような２層の圧電セラミックス１５１ａ、１５１ｂに、セラミックスの共振周波数で互いに９０度位相のずれた交流信号を印加すると、図４２に示すような変形を生じる。図４２は、弾性体１５０を含む変形を時系列で示したものであり、時間がたつにつれて図の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）へと変形が変化する。また、（ｅ）は（ａ）と同じであり、以後（ｂ）、（ｃ）と繰り返していく。全体のうねりは左から右へと移動していく。各時刻における弾性体のある一点の挙動をみると、同図（ｆ）に示すような反時計回りの楕円軌道を描いていることがわかる。このような状態において、弾性体１５０の上に移動体１５５を置いた状態を示すのが図４３である。図４３において、弾性体１５０と移動体１５５が接触している点において、接触部分は反時計回りの楕円運動をおこなっており、接触時点においては、弾性体１５０は左に動いている。このため移動体１５５に対して左方向への力を発生し、静止摩擦に打ち勝てば、移動体１５５は左方向に移動し始める。このようにして、振動波モータの固定子はその弾性体１５０の上に置いた任意の物体に対して、移動させることあるいは力を与えることが可能になる。
【０１０４】
図４４は、振動波モータの固定子を用いた他の一実施例を示したものである。図４４において、デバイス３０の表面に指を添えたとき、指の腹があたるところに振動波モータの固定子１５６を具備し、その下に垂直方向の圧力を検出する圧力センサ３２を具備している。圧力センサ３２による検出結果は逆数演算手段１５７に入力され、圧力の逆数値を得る。得られた圧力の逆数値は乗算手段１５８に入力され、力目標値との乗算が行われる。乗算結果は、駆動回路１５９におくられ、振動波モータ１５６を駆動する。振動波モータの固定子１５６は駆動回路１５９により、指の腹が接触する面内での力Ｆｘを発生する。この力Ｆｘにより指の腹が水平方向の反力を感じることができる。振動波モータの固定子１５６から指に与える力Ｆｘは、指が強く押しているかどうかで変化する。すなわち、振動波モータの固定子１５６の弾性体の面を強く押していればいるほど大きな力を得ることができる。したがって同じ駆動指令を与えても、指の押しつけ力が大きければ大きい反力を得ることができ、指の押しつけ力が小さければ小さな反力しか得ることができない。押しつけ力は圧力センサ３２で検出できているので、その逆数を得て、反力の目標値と乗算することにより、押しつけ力の影響をキャンセルすることができ、目標値通りの反力を得ることができる。
【０１０５】
一方、発生した反力に対して指の表面が逆らっている力の情報は、振動波モータ１５６の負荷であるため、駆動回路１５９の電流より算出することができる。ただし、既に述べたように振動波モータ１５６は交流で駆動するので、平均電流検出手段１６０により平均電流として算出する。
【０１０６】
なお、本実施例においては、圧電セラミックスによる振動波モータの固定子で説明したが、振動波を起こす手段としては圧電セラミックスに限定するものではなく、磁性体などによっても同様のことができることはいうまでもない。
【０１０７】
なお、上記実施例では掌用力覚呈示デバイスあるいは掌用データ入力デバイスと情報処理手段との間をケーブルにより接続する例で説明したが、掌用力覚呈示デバイスあるいは掌用データ入力デバイス内部に電源を搭載して、情報処理手段との情報通信を電波あるいは光などで実現することも可能である。
【０１０８】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、上記各本発明は、手袋などを装着する必要もなく、単に「握る」という動作により極めて手軽に使用できるものである。さらに、第１、第２、第３及び第６の本発明では、仮想物体を把持している場合などの物体を操作したときに掌全体に受ける反力を比較的簡単な方法で呈示することができるものであり、第１と第４の本発明では指先の圧力を利用して、同様に器用な動作が必要な場合における情報処理手段へのデータ入力作業を簡単にできるものであり、第５の本発明では、実質的に無限の距離のデータを簡単な動作により入力することが可能になるものであり、第７および第８の本発明では、手指が連続的に力を出す必要をなくし、手指の疲労を低減するものである。
【０１０９】
また、第９の本発明では、各関節の曲がりに対応した検出手段により、手指の各関節の曲がりに相当する意志を検出することができ、手指の複雑な動きを必要とする作業などが可能になる。第１０の本発明では、掌の大きさの違う人や指の太さ大きさの違う人に対応させることができるため、子供から大人まで同じデバイスを使用することが可能になる。第１１の本発明では、意図と関連しない、手指のふるえや力のムラなどの細かい変動や微弱な力を取り除くことができ、仮想や遠隔の手指の動きをなめらかにすることができる。第１２の本発明では、意図と関連しないがデバイス把持に関連している力の影響を取り除き、意図に関連する情報だけを抜き出すことができ、手指の複雑な動きを入力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における力覚呈示デバイスと情報処理手段との関連を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施例における回転方向の力覚を呈示する回路ブロック図である。
【図３】本発明の一実施例における回転方向の力覚呈示回路の信号波形図である。
【図４】本発明の一実施例における直線方向の力覚を呈示する回路ブロック図である。
【図５】本発明の一実施例における直線方向の力覚呈示回路の信号波形図である。
【図６】本発明の一実施例におけるデータ入力デバイスの構成斜視図である。
【図７】本発明の一実施例におけるデータ入力デバイスの断面図である。
【図８】  本発明の一実施例及び他の一実施例におけるデータ入力装置の使用状況を示す斜視図である。
【図９】  他の一実施例における手指の反力発生機構の構成断面図である。
【図１０】  他の一実施例における反力制御の回路ブロック図である。
【図１１】  本発明の一実施例及び他の一実施例における補助入力手段との関連を示す斜視図である。
【図１２】  他の一実施例における他の補助入力手段との関連を示す斜視図である。
【図１３】従来のデータ入力装置の構成例を示すブロック図である。
【図１４】円筒形のデバイスを把持している状態を示す斜視図である。
【図１５】球面形のデバイスを把持している状態を示す斜視図である。
【図１６】デバイス形状と掌との接触部分を示す斜視図である。
【図１７】本発明の一実施例におけるマニピュレータとの関連を示す斜視図である。
【図１８】  他の一実施例におけるコンプライアンス制御機構の構成断面図である。
【図１９】  他の一実施例における反力感制御信号の波形図である。
【図２０】  他の一実施例における反力感制御信号の波形図である。
【図２１】  他の一実施例におけるデバイスを把持している状態を示す斜視図である。
【図２２】  他の一実施例の操作例を示す斜視図である。
【図２３】  他の一実施例におけるデバイスを操作している状態を示す斜視図である。
【図２４】本発明の一実施例における信号処理回路図である。
【図２５】図２４における動作信号の一例を示す波形図である。
【図２６】本発明の一実施例における信号処理回路図である。
【図２７】図２６における動作信号の一例を示す波形図である。
【図２８】本発明の一実施例における円筒型デバイスの検出手段配置例を示す斜視図である。
【図２９】  他の一実施例における円筒型デバイスの直径調整手段の一例を示す斜視図である。
【図３０】本発明の一実施例における指と検出器との関連を示す断面図である。
【図３１】図３０における検出結果の一例を示す特性波形図である。
【図３２】本発明の一実施例における信号処理回路図である。
【図３３】本発明の一実施例における信号処理回路図である。
【図３４】本発明の一実施例における円筒型デバイスを把持している状態を示す斜視図である。
【図３５】本発明の一実施例における円筒型デバイスにおける力ベクトルの関連を示す図である。
【図３６】本発明の一実施例における信号処理回路図である。
【図３７】本発明の一実施例における信号処理回路図である。
【図３８】本発明の一実施例における信号処理回路図である。
【図３９】  他の一実施例における信号処理回路図である。
【図４０】  他の一実施例における信号処理回路における神経回路網の構成例を示す回路ブロック図である。
【図４１】  他の一実施例における振動波モータの動作原理を示す構成ブロック図である。
【図４２】  他の一実施例における振動波モータの動作原理を示す動作形状図である。
【図４３】  他の一実施例における振動波モータの動作原理を示す動作形状図の拡大図である。
【図４４】  他の一実施例における構成断面図および信号処理回路図である。
【符号の説明】
１            力覚呈示デバイス
２            情報処理手段
４            表示手段
１４            電動機
２１            プロフィル変換手段
２５            位置検出器
２６            直進電動機
３０            データ入力デバイス
３１ａ〜３１ｅ  圧力センサ
３２ａ〜３２ｅ  圧力センサ
５０            グリップ
５１            レバーアーム
５２            多軸力センサ
６０            マニピュレータ
７１            スイッチ
８４            板梁
１１１            低域通過フィルタ
１１２            不感帯演算手段
１２５            弾塑性体
１２６            ねじ
１３１ａ、１３１ｂ圧力センサ
１３２ａ〜１３２ｃ圧力センサ
１４０            比較手段
１４１            最大値検出手段
１４２            しきい値算出手段
１４３            神経回路網型演算手段
１４５            圧力センサ群
１４７            力ベクトル引き算演算手段
１５６            振動波モータ
１５７            逆数演算手段
１５８            乗算演算手段
１６０            平均電流検出手段
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【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】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【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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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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