(57)【要約】【課題】衝突時の仮想物体の硬さ感覚を小さいエネルギで表現する硬さ感覚提示装置を提供する。【解決手段】本発明の硬さ感覚提示装置Ｓは、手１に把持または装着される介在体２と、介在体２が仮想環境の物体９と接触した際に、実環境で物体９から受けると考えられる衝突感覚を、衝突方向α１の反力と、前記衝突方向α１と垂直または略垂直な方向α２の振動に分けて発生させて手１に物体９の硬さ感覚を与えるアクチュエータ５とを備えている。【選択図】図１
2019106102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手に把持または装着される介在体と、
前記介在体が仮想環境の物体と接触した際に、実環境で前記物体から受けると考えられる衝突感覚を、衝突方向の反力と、前記衝突方向と垂直または略垂直な方向の振動に分けて発生させて前記手に前記物体の硬さ感覚を与えるアクチュエータとを
備えることを特徴とする硬さ感覚提示装置。
【請求項２】
手に把持または装着される介在体と、
前記介在体が仮想環境の物体と接触した際に、実環境で前記物体から受けると考えられる衝突感覚を、衝突方向の反力と、前記衝突方向と交差する方向の振動とを発生させて前記手に前記物体の硬さ感覚を与えるアクチュエータとを
備えることを特徴とする硬さ感覚提示装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記介在体が前記仮想物体と接触した際に、前記仮想物体から受けると考えられる反力を前記介在体に与える機構部を備える
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
【請求項４】
請求項３に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記機構部は、
前記介在体に連結され、前記介在体の姿勢を変化させるとともに、前記介在体に並進運動を行わせる
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちの何れか一項に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記介在体が前記仮想物体と接触した際に、前記アクチュエータを振動させて前記仮想物体の硬さ感覚を前記手に与えるように制御する制御装置を備える
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうちの何れか一項に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記振動をさせる時間は、4msより長く40msより短い
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のうちの何れか一項に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記振動の周波数は、200Hzより高く500Hz未満の周波数である
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のうちの何れか一項に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記振動は、２パルス以上である
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のうちの何れか一項に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記振動は、矩形波である
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のうちの何れか一項に記載の硬さ感覚提示装置において、
前記振動は、正弦波または減衰正弦波である
ことを特徴とする硬さ感覚提示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬さ感覚提示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現実の環境において、手に把持したスタイラスで物体に接触すると、スタイラスを介して手に力覚と触覚が誘発される。例えば、把持したスタイラスを持ち上げてテーブルを叩いた場合、人は筋肉の運動による力覚と皮膚の変形による触覚によってテーブルを検知する。
【０００３】
これに対して、遠隔操縦システムや仮想環境（以下、VRと称す）に用いられる商用のハプティックデバイスは、力覚を人に与えることに重点が置かれ、触覚を活用していないものが多い。また、ハプティックデバイスの出力はハードウェアに依存し、操作者に提示可能な力覚には限界がある。そのため、剛性の高い、つまり硬度が高い材料の硬さ表現は困難とされる。
【０００４】
しかし、アルミニウムや硬質プラスチックなどの比較的剛性の高い材料は日常生活においても数多く存在するため、剛性の高い材料の硬さを表現する機能は必要といえる。また、硬さを感じる機能は手先の感覚としてなくてはならないものであることから、剛性が高い材料の硬さ表現は遠隔操縦システムやVRに臨場感を与える基本的な機能の一つといえる。
【０００５】
物体の硬さを表現する方法は、従来研究においても数多くの提案（非特許文献１〜３）がなされている。その１つに振動刺激を用いて操作者が感じる硬さを大きくする方法（非特許文献４、５）がある。非特許文献４、５は衝突時の反力に振動刺激を重畳すると硬さ感覚が向上するというものである。
【０００６】
硬さ感覚の向上に用いられる振動は、従来研究（非特許文献４、５）では物体が衝突した結果生じる加速度振動として反力方向の減衰正弦波で表されることが多い。
また、硬さと振動の関係は、物体の表面硬さ計測にも利用されている（特許文献１）。この計測は、物体の形状と超音波による変位計測により行われる。また、筆記の感覚呈示にも活用されており、手書きの筆記感覚に相当する振動を操作者に提示することによってなされる（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2012-37420号公報（段落0037、段落0054〜0057、図１、図２等）
【特許文献２】特願2008-551015号公報（段落0042〜0068、図２〜図４等）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】赤羽克仁, 長谷川晶一, 小池康晴, 佐藤誠: 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, 9(3), 217-226 (2004)
【非特許文献２】E. Vander Poorten and Y. Yokokohji: Rendering a Rigid Virtual World through an Impulsive Haptic Interface, Proc. IEEE/RSJ Int'l Conf. Intelligent Robots and Systems, 1547-1552 (2006)
【非特許文献３】Z. Quek, S. Schorr, I. Nisky, A. Okamura and W. Provancher: Augmentation of stiffness perception with a 1-degree-of-freedom skin stretch device, IEEE Trans. Human-Machine Syst., 44(6), 731-742 (2014)
【非特許文献４】A. M. Okamura, M. R. Cutkosky, and J. T. Dennerlein: Reality-based models for vibration feedback in virtual environments, IEEE/ASME Trans. Mechatronics, 6(3), 245-252 (2001)
【非特許文献５】K. Kuchenbecker, J. Fiene, and G. Niemeyer: Improving contact realism through event-based haptic feedback, IEEE Trans. Vis. Comput. Graphics, 12(2), 219-230, (2006)
【非特許文献６】Kotaro Tadano, Kenji Kawashima: Development of a Master Slave System with Force-Sensing Abilities Using Pneumatic Actuators for Laparoscopic Surgery, Advanced Robotics, 24(12), 1763-1783 (2010)
【非特許文献７】齋藤靖之, 只野耕太郎: 周波数変化を伴う振動刺激による疑似衝撃感覚の提示, ロボティクス・メカトロニクス講演会, 1A1-M01 (2017)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の振動は、ポインターの接触点の変位を計測したものであり、振動を支配しているのは材料の剪断弾性率、剪断減衰率であるとされる。
特許文献２は、手書き入力システムにおいて、振動により筆記感覚を手に与えることが記載されている。しかし、特許文献１には、振動波形は記載されているものの、それ以外の詳細は記載されていない。なお、特許文献２では、把持される情報筆記入力部（１２０）の長手方向に長い振動発生手段を設けていることから、情報筆記入力部（１２０）が受ける反力方向に振動を発生すると推察される。
【００１０】
また、特許文献１の段落００９９には、ユーザの指や手掌部に対して仮想物体の表面の位置より内部への移動を拘束するような所定量の触力覚的負荷、例えば圧力又は振動、電気信号、熱等の何らかの感覚による負荷を与えることが記載されている。ここの振動は記載ぶりから、仮想物体の表面の反力方向の振動と推測される。
【００１１】
図７は、従来の手１０１で把持するスタイラス１０２に反力方向の振動を伝える状態を示す図である。
上述の反力方向の振動（図７の矢印α１０２）で、スタイラス１０２に接触する物体１０３の硬さを手１０１に与える場合、スタイラス１０２による反力方向の振動はスタイラス１０２と仮想物体１０３に挟まれることとなる。
【００１２】
このとき、必要とされる振動は皮膚を変形させる振動であり、スタイラス１０２にその振動を発生させるには、振動を作り出す力が挟まれる力を超える必要がある。これの実現には、反力を振動させることが最も容易であることから、物体１０３の硬さに関する力覚と触覚を反力のみで示すことになる。
剛性が高い材料の硬さを表現するには、大きな反力を発生させる必要がある一方で、皮膚を変形させる振動を実現するには、反力を逆方向にする必要がある。そのため、瞬間的に大きな出力変動を作り出すことが要求される。
【００１３】
従って、手１０１が感じる振動を発生させるには大きなエネルギが必要となる。
本発明は上記実状に鑑み創案されたものであり、仮想物体との衝突時の仮想物体の硬さを小さいエネルギで触力覚により表現する硬さ感覚提示装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決するため、本発明の硬さ感覚提示装置は、手に把持または装着される介在体が設けられ、前記介在体が仮想環境の物体と接触した際に、実環境で前記物体から受けると考えられる衝突感覚を、衝突方向の反力と、衝突方向と垂直または略垂直方向の振動とに分けて発生させることで、前記手に前記物体の硬さ感覚を与えるアクチュエータとを備えている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、物体との衝突時の硬さ感覚を小さいエネルギで表現する硬さ感覚提示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る実施形態１の硬さ感覚提示装置を示す斜視図。
【図２】本発明を適用した実施形態２の硬さ感覚提示装置を示す斜視図。
【図３】把持部を示す拡大図。
【図４】実験に用いた硬さ感覚提示装置の外観および仮想壁の配置を示す図。
【図５】硬さ感覚提示装置の制御のブロック線図。
【図６】硬さ感覚提示装置の制御のフローチャート。
【図７】従来の手で把持するスタイラスに反力方向の振動を伝える状態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明は、人が把持または装着した介在体の仮想物体への衝突時に、仮想物体の硬さ感覚を触力覚により表現する構成に係るものである。
【００１８】
＜＜実施形態1の構成＞＞
図1は、本発明に係る実施形態１の硬さ感覚提示装置Ｓを示す斜視図である。
実施形態の硬さ感覚提示装置Ｓは、仮想環境（VR）で衝突した仮想物体９の硬さ感覚と衝突感を提示する装置である。
【００１９】
具体的には、硬さ感覚提示装置Ｓは、仮想環境において操作者の手１が把持する介在体（スタイラス２）が仮想物体９に衝突した際に、スタイラス２を介して仮想物体９の硬さ感覚を手１に提示する。
【００２０】
硬さ感覚提示装置Ｓは、スタイラス２と、ベース３と、制御装置４とを具備している。
スタイラス２とベース３は第１・第２アームａ１、ａ２により接続される。スタイラス２と第１アームａ１との間には第１関節ｋ１が設けられ、第１アームａ１と第２アームａ２との間には第２関節ｋ２が設けられ、第２アームａ２とベース３との間には第３関節ｋ３が設けられている。
この構成により、スタイラス２はベース３に接続されている。
【００２１】
第１・第２・第３関節ｋ１、ｋ２、ｋ３と第１・第２アームａ１、ａ２、ベース３には、スタイラス２、第１・第２アームａ１、ａ２の姿勢を形成するワイヤなどの線材（図示せず）が設けられている。
なお、スタイラス２、第１・第２アームａ１、ａ２の姿勢を計測するために、第１・第２・第３関節ｋ１、ｋ２、ｋ３にエンコーダやポテンショメータなどの角度センサｓ１、ｓ２、ｓ３（図１参照）が用いられている。
【００２２】
スタイラス２の内部には、スタイラス２の短手方向に振動する（図１の白抜き矢印α２）ように、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）５が配置されている。スタイラス２は、操作者の手１で把持され、操作されることで仮想物体９に当接する。
制御装置４は、硬さ感覚提示装置Ｓ全体を制御する。制御装置４は、スタイラス２の内部のＶＣＭ５、ベース３に設けられるモータの制御を行い、角度センサｓ１、ｓ２、ｓ３の検出信号などが入力される。
【００２３】
硬さ感覚提示装置Ｓは、操作者が手１で把持するスタイラス２が仮想物体９に衝突した場合に、反力（図１の白抜き矢印α１方向）と反力に垂直な方向の振動（図１の白抜き矢印α２）をスタイラス２に与える。
【００２４】
スタイラス２の振動により、手１に仮想物体９の硬さ感覚が表現される。
詳細には、反力に垂直な方向の振動を用いて仮想物体９との衝突時にスタイラス２に発生する衝撃感覚を操作者の手１に提示することで、操作者に仮想物体９の硬さ感覚を与えている。反力に垂直な方向の振動はスタイラス２に内蔵したＶＣＭ５で行っている。
【００２５】
上述したように、仮想物体９の硬さ感覚に影響を及ぼす振動（図１の白抜き矢印α２）を反力に垂直な方向に加えてることで、硬さ感覚提示装置Ｓにより、衝突時に発生する硬さ感覚を付与する。
【００２６】
例えば、図１に示すスタイラス２の仮想物体９との衝突時に、反力とともに、スタイラス２に対して反力に垂直な方向に振動を加えて、仮想物体９の硬さ感覚を手１に認知させる。
これにより、実際に硬い材料に衝突したときのスタイラス２の挙動による衝撃感覚の再現を試み、仮想物体９の硬さ感覚の向上を図っている。
【００２７】
衝突時の仮想物体９の硬さを力覚により表現するには、反力と振動を発生させる必要がある。
【００２８】
＜硬さ感覚の提示方法 ＞
硬さ感覚の向上に用いられる振動は、従来、前記したように、仮想物体９に衝突した結果生じる振動として、図７に示すように、反力方向（図７の矢印α１０１）の減衰正弦波（非特許文献４、５）（矢印α１０２）で表されることが多い。
【００２９】
これに対して、本実施形態（本発明）では反力（図１の矢印α１）に垂直な方向の矩形波（図１の矢印α２）で表す。なお、矩形波は、手１に触覚刺激を与えるためにパルス数は２以上であることが好ましい。
【００３０】
この矩形波は、スタイラス２が運動エネルギをもって衝突した際に発生する衝撃波形が２山以上のピークを示す２度打ち現象に伴う衝撃感覚を表現している。
【００３１】
この矩形波により、操作者の手１で感じる硬さ感覚を大きくできる。本表現方法では、仮想物体９からの反力（図１の白抜き矢印α１方向）と振動（図１の白抜き矢印α２）の方向が異なるため、反力と干渉することなく振動を作り出せる。そのため、反力と振動の運動を独立に制御できる。
【００３２】
＜＜実施形態２＞＞
図２は、本発明を適用した実施形態２の硬さ感覚提示装置２Ｓを示す斜視図である。
実施形態２の硬さ感覚提示装置２Ｓは、並進部１１、姿勢部１２、把持部１３の３つの構成から形成される６自由度のマニピュレータである（非特許文献６参照）。６自由度とは、後記のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３次元の並進運動とα軸、β軸、γ軸周りの回転運動である。
【００３３】
硬さ感覚提示装置２Ｓは、制御を担う制御装置２４を備えている。制御装置２４は、後記するアドミタンス制御を用いて硬さ感覚提示装置２Ｓを制御する。
硬さ感覚提示装置２Ｓの並進部１１、姿勢部１２は、実施形態１の硬さ感覚提示装置Ｓにおけるる第１関節ｋ１からベース３に相当する。すなわち、実施形態１の第１関節ｋ１からベース３は、実施形態２の硬さ感覚提示装置２Ｓの並進部１１、姿勢部１２と同様な構成である。
【００３４】
実施形態２の把持部１３は、実施形態１の硬さ感覚提示装置Ｓにおけるスタイラス２に相当する。
硬さ感覚提示装置２Ｓの並進部１１と姿勢部１２にはそれぞれデルタ機構とジンバル機構が用いられている。
【００３５】
並進部１１のデルタ機構は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３次元の並進運動を担っている。姿勢部１２のジンバル機構は、α軸、β軸、γ軸周りの回転運動を担っている。
並進部１１には、並進運動のためのモータ１５、１６、１７が設置されている。モータ１５、１６、１７は、それぞれ減速機構１５ｇ、１６ｇ、１７ｇを介して、並進部１１のリンク１１ａ、１１ｂ、１１ｃに接続されている。
【００３６】
姿勢部１２には、回転運動のためのモータ１８、１９、２０が設置されている。モータ１８、１９、２０は、それぞれ減速機構１８ｇ、１９ｇ、２０ｇを介して、姿勢部１２のリンク１２ａ、１２ｂ、１２ｃに接続されている。
【００３７】
図３は、把持部１３を示す拡大図（カバー抜き）である。
把持部１３は、Ｕ字形状スタイラス１３ｓとＶＣＭ(ボイスコイルモータ)１４とを有している。
ＶＣＭ１４は、Ｕ字形状スタイラス１３ｓの内部に設置されている。つまり、把持部１３の内部に、ＶＣＭ１４が取り付けられている。この構成により、ＶＣＭ１４による振動を、Ｕ字形状スタイラス１３ｓを介して、Ｕ字形状スタイラス１３ｓを把持する操作者の手１に伝える。
【００３８】
把持部１３のＶＣＭ１４は、硬さ感覚提示装置Ｓにおけるスタイラス２のＶＣＭ５に相当する。
把持部１３の下方には、操作者が手１で加える力を検出する力覚センサ２２が設置されている。
【００３９】
把持部１３の並進部１１、姿勢部１２に依る運動とＶＣＭ１４の運動は独立に制御できる。換言すれば、並進部１１、姿勢部１２に依る把持部１３の６自由度運動と、ＶＣＭ１４の振動は独立に制御できる。
【００４０】
2019106102.tif 000003
【００４１】
本例では、図２に示す硬さ感覚提示装置２Ｓの可動域に設置した仮想壁２１に把持部１３（図１のスタイラス２に相当）を衝突させることで硬さ感覚を操作者の手１に提示する（図４参照）。
仮想壁２１は、把持部１３との衝突を模した仮想壁２１に垂直な反力と、反力に垂直な方向（水平な方向）の振動で表現する．
仮想壁２１に垂直な反力は、ばねダンパモデルを用いて式(1)で表す。
仮想壁２１に水平な方向の振動は式(2)で表す．
【００４２】
【数１】
2019106102.tif 000004
【００４３】
【数２】
2019106102.tif 000005
【００４４】
この仮想壁２１に水平な方向の振動を用いて硬さ感覚を表現する方法においては、振動の刺激を向上させることで、硬さ感覚を向上させることができる。その手段としては、振動の振幅の拡大、周波数の増加や追加、提示時間の延伸の３つがある。
【００４５】
従来方法では、反力と同じ方向に振動を発生させるため、振動の変更は反力にも影響を及ぼしていた。ところが、本発明では、反力と振動を独立させているため、振動を変更しても反力に影響を及ぼすことがない。つまり、硬さ感覚に対する振動の影響のみを確認することができる。
【００４６】
＜硬さ感覚に対する振動の影響＞
式(2)の各係数を変更したときの硬さ感覚を知覚試験により評価した結果、これら３つの手段により硬さ感覚を向上することが確認された。評価試験は、東京工業大学人を対象とする研究倫理審査委員会の承認(承認番号第2017015号)を得て行われた。
【００４７】
式(2)のbは振動の振幅を表し、ｂを変更することで振動の振幅の影響を調べることができる。試験の結果、ｂを大きくすることで硬さ感覚の向上を図ることができた。そのため、硬さ感覚の向上には、振動の振幅は大きい方が望ましい。
【００４８】
また、ｆvは振動の周波数を表し、ｆvを変更することで振動の周波数の影響を確認できる。周波数50Hz刻みで試験を実施した結果、350Hzが一番硬く感じ、300Hz、400Hzの硬さは同じくらいであり、次いで、250Hz、450Hzの順で次第に硬さを感じなくなった。そのため、周波数による硬さ感覚の向上効果は、350Hz付近で大きくなる性質がある。よって、振動周波数ｆvは、250Hzより高く450Hzより低いことが望ましい。
【００４９】
さらに、式(1)、式(2)は把持部１３と仮想壁２１の衝突を表現したものであり、制御装置２４により表現する時間を変更することができる。式(2)を適用する時間の影響を調べる試験の結果、振動の提示時間を延伸することで硬さ感覚の向上はできるが、40ms以上の振動は硬さ感覚とは異なる感覚として受け取られ、硬さ感覚の向上効果も低下することがわかった。以上より、式 (2)の振動が硬さ感覚と表現されるためには、振動の提示時間として20ms以下が有効であり、望ましい。
【００５０】
ここで、先行研究の衝突実験（非特許文献７）から、物体に衝突した結果スタイラスに生じる衝撃の継続時間は10ms程度であり、上記試験の結果から人の手１が衝突を認識する時間は20ms以下である可能性が高い。ところが、提示波形が１パルスだけでは振動刺激になりえず、２パルス以上なければ２度打ち現象の触覚刺激を表していないことから、振動の提示時間は少なくとも２パルス分の時間が必要とされる。従って、硬さ感覚を付与する振動の提示時間は、4msより長く20ms以下が望ましい。
【００５１】
実施形態１、２の同様な振動刺激には、仮想壁２１に垂直方向の反力と反力に垂直な方向の振動の運動を独立に制御できるとして、反力に垂直方向の矩形波（式（２））を用いた。なお、振動は式（２）に示す矩形波以外にも正弦波、減衰正弦波などでもよい。ここで、操作者の手１に振動刺激がより硬さ感覚と認識できるのは、減衰正弦波、正弦波、矩形波の順に認識度が上がることが試験で確認されている。
【００５２】
＜硬さ感覚提示装置２Ｓの制御＞
図５に、硬さ感覚提示装置２Ｓの制御のブロック線図を示す。
【００５３】
図５中、ＶVCmは、ＶＣＭ１４への出力電圧（反力に垂直な方向の振動に相当）、ｆwallは、仮想壁２１として操作者の手１に提示する力（反力）、ｆextは、操作者の手１に加えられる力（力覚センサ２２（図２）の検出情報）である。ｆrefは、操作者の手１に提示する力であり、ｆrefにより操作者の手１に抵抗を感じることなく把持部１３を動かすことができる。
Ｍｓは、並進部１１、姿勢部１２の慣性行列、Ｂは、並進部１１、姿勢部１２の粘性行列、Ｊ-1は、ヤコビアンの逆行列である。
【００５４】
図５中の細破線は、並進部１１のモータ１５、１６、１７および姿勢部１２のモータ１８、１９、２０用のドライバを表しており、速度変化に応じた電流が流される。
【００５５】
図５中の太破線は、把持部１３が仮想壁２１に当接した際に把持部１３に発生させる仮想壁２１に垂直な方向の反力（Interaction Force）と、反力に垂直な方向の振動(Vibration)を表す。
【００５６】
図５のブロック線図の下方の左から右へのラインは、把持部１３を手１の動きに合わせて、並進部１１と姿勢部１２によって駆動するための制御であり、手１の力に応じて速度を出力するアドミタンス制御を用いて駆動させる。より正確には力覚センサ２２の値ｆextとその目標値ｆrefの差が解消されるようにモータの運動を制御する。
ブロック線図の上方の右から左へのラインは、把持部１３が仮想壁２１がある所定の位置に来た（把持部１３が仮想壁２１に衝突した）ときに、仮想壁２１の感覚を作り出すためのブロックであり、反力と反力に垂直な方向の振動を作り出す。
【００５７】
＜仮想壁２１による硬さ感覚の生成＞
図４に、実験に用いた硬さ感覚提示装置２Ｓの外観および仮想壁２１の配置を示す。
次に、図４に示すようにして、操作者の手１で把持される把持部１３が仮想壁２１に衝突した際に、手１に仮想壁２１の硬さ感覚を生じさせる流れについて説明する。
【００５８】
本制御は、硬さ感覚提示装置２Ｓの制御装置２４（図２参照）によって行われる。
【００５９】
図６に、硬さ感覚提示装置２Ｓの制御のフローチャートを示す。
【００６０】
図６の左側のステップＳ１１１〜Ｓ１１４が、把持部１３が仮想壁２１に衝突した際の仮想壁２１からの反力生成の流れである。また、図６の右側のステップＳ１２１〜Ｓ１２４が、把持部１３が仮想壁２１に衝突した際の仮想壁２１の振動生成の流れである。
当然ながら、ステップＳ１１１〜Ｓ１１４の反力の生成とステップＳ１２１〜Ｓ１２４の振動の生成とは、把持部１３が仮想壁２１に衝突したことを起点として行われる。
【００６１】
2019106102.tif 000006
【００６２】
次に、仮想壁２１の反力を並進部１１と姿勢部１２（図１のベース３に相当）のモータ１５〜２０（図２参照）で作り出すための出力配分を計算する。図５に示す操作者の手１に提示する力frefから各関節の速度目標値qrefまでのフローである（ステップＳ１１２）。
【００６３】
次に、図５の細破線部に示すように、並進部１１のモータ１５、１６、１７と姿勢部１２のモータ１８、１９、２０にモータドライバから電流指令が出力される（ステップＳ１１３）。
これにより、並進部１１と姿勢部１２が稼働し、把持部１３から手１に反力ｆwallが提示される（ステップＳ１１３）。こうして、操作者の手１に、把持部１３を介して、仮想壁２１の反力が付与される（ステップＳ１３０）。
【００６４】
2019106102.tif 000007
【００６５】
そして、式(２)を用いて、衝突速度に比例した振幅Ｖvcmの矩形波振動を計算する（ステップＳ１２１）。ここで、例えば、振幅係数b = 7.0 [Vs/m]、振動周波数fv = 300 [Hz]が用いられる。
続いて、振動の持続時間（提示時間ｔ）が設定され、例えば持続時間（提示時間ｔ）≦１０ｍｓが設定される（ステップＳ１２２）。ｔ≦10 msというのは、仮想壁２１の接触後10ms以下であればＶＣＭ１４を振動させるという意味である。
【００６６】
続いて、ＶＣＭ１４に電圧指令が出力される（ステップＳ１２３）。
これにより、ＶＣＭ１４が駆動され、仮想壁２１からの反力に垂直な方向の振動（＝Ｖvcm）が生成される（ステップＳ１２３）。こうして、把持部１３を把持した手１に仮想壁２１の振動が衝突感とともに付与され、両方合わせて仮想壁２１の硬さ感覚として表される（ステップＳ１３０）。
【００６７】
＜実施形態１の硬さ感覚提示装置Ｓにおける仮想物体９の反力と硬さ感覚の提示＞
次に、図１に示す実施形態１の硬さ感覚提示装置Ｓにおいて、手１で把持されたスタイラス２が仮想物体９に衝突した際の反力と振動の提示について説明する。
【００６８】
実施形態１の硬さ感覚提示装置Ｓはインピーダンス制御が行われている。
インピーダンス制御は、スタイラス２、第１・第２アームａ１、ａ２の慣性や各第１・第２・第３関節ｋ１、ｋ２、ｋ３の摩擦が十分に小さいことを前提として、スタイラス２に発生すべき力から、それに対応する各第１・第２関節・第３関節ｋ１、ｋ２、ｋ３のトルクを計算して、該トルクをアクチュエータのベース３に発生させることで反力を手１に提示する。
【００６９】
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【００７０】
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【００７１】
上記構成によれば、反力に垂直な方向に振動する機構を介在体（スタイラス２、把持部１３）に追加する。 すなわち、アクティエータのＶＣＭ５、１４を介在体に搭載する。
従来、介在体を介して仮想物体９や仮想壁２１に衝突した際に硬さ感覚を提示するために反力方向に振動を加えるのに対し、本発明は反力に垂直な方向に振動を加える。
【００７２】
これにより、反力に従属であった、硬さ感覚に影響を及ぼす振動を反力から独立させることができる。つまり、反力と硬さ感覚に影響を及ぼす振動との干渉を取り除くことができる。その結果、反力と硬さ感覚に影響を及ぼす振動の組み合わせを自由にすることができる。
また、硬さ感覚に影響を及ぼす振動が反力に垂直な方向であるため、必要とされる振動を小型のアクティエータ（ボイスコイルモータ、振動モータなど）で発生させることができるようになる。これに伴い、機構部（第一アームａ1〜ベース３、並進部１１、姿勢部１２）で振動を発生させる必要がなくなるため、少なくとも高周波振動の発生が困難なハードウェアにおいては、従来方法よりも硬さ感覚の向上効果は高くなる。
さらに、反力方向の制御が自由になるので、ざらざら感や凹凸感などを追加で作り出せる可能性がある。
従って仮想物体９（仮想壁２１）衝突時の硬さ感覚を小さいエネルギで表現できる硬さ感覚提示装置Ｓ、２Ｓを実現できる。
【００７３】
＜＜その他の実施形態＞＞
１．実施形態１では、仮想物体９の反力に垂直な方向に振動を発生させて硬さ感覚を提示する構成を説明し、実施形態２では、仮想壁２１の反力に垂直な方向に振動を発生させて硬さ感覚を提示する構成を説明したが、反力の垂直な方向に近い方向に振動を発生させて硬さ感覚を提示する構成としてもよい。
或いは、反力に交差する方向に振動を発生させて硬さ感覚を提示してもよい。
この場合、反力方向の振動は反力に挟まれ、皮膚を変形させる、つまり、触覚刺激を発生させるようなる振動にはなりえない。そのため、振動刺激の強さは弱まると考えられるが、反力に垂直な方向の振動成分の刺激の強さの分だけ、硬さ感覚の向上効果が得られる。よって、皮膚の変形に供しうる振動が発生されるのであれば、反力に交差する方向に振動を発生させて硬さ感覚を提示してもよい。
しかしながら、振動は反力に垂直方向とすると反力に影響されず、独立した制御とできるため、振動は反力に垂直方向に近くなるほどより望ましい。
【００７４】
２．なお、反力をばねダンパモデルではなく、減衰正弦波振動モデルなどに変えても良い。
３．前記したように、振動は矩形波だけではなく、式(3)のような正弦波、式(4)のような三角波、式(5)のようなのこぎり波などでも良い。また、式(2)、式(3)、式(4)、式(5)に示す以外の振動でもよく、振動であれば限定されない。
【００７５】
【数３】
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【００７６】
４．前記実施形態では、仮想物体９や仮想壁２１と衝突する介在体として、スタイラス２、把持部１３を例示したが、仮想物体９や仮想壁２１と衝突する介在体であれば、その他のものでもよい。手で把持したり、手に付けたり、手に装着するものであれば制限されず、任意である。
５．前記実施形態では、反力を、ばね係数ＫPとダンパ係数Ｋdを用いて反力を提示したが、ばね係数ＫPだけを用いて反力を提示する構成としてもよい。反力の提示法は任意である。
【００７７】
６．硬さ感覚を提示する振動を反力とともに提示したが、硬さ感覚を提示する振動だけを提示する構成としてもよい。
７．前記実施形態の制御装置４、２４に代えて、遠隔にあって硬さ感覚提示装置Ｓのスタイラス２や硬さ感覚提示装置２Ｓの把持部１３を制御する構成としてもよい。
【００７８】
８．前記実施形態１では、スタイラス２に第１・第２アームａ１、ａ２を介してベース３に接続され、前記実施形態１では、把持部１３に姿勢部１２と並進部１１とが連結される構成を示したが、スタイラス２や把持部１３はその他の構成の機構部に連結される構成としてもよい。
【００７９】
９．前記実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に記載したものであり、特許請求の範囲に記載の構成であれば、様々な具体的形態、変形形態が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明の活用例として、ＶＲ（バーチャルリアリティ）、遠隔操作システム、内視鏡手術、ゲームコントローラなどの本発明を適用できる分野、構成であれば、幅広く適用できる。
【符号の説明】
【００８１】
１      手
２      スタイラス（介在体）
３      ベース（機構部）
４、２４  制御装置
５      ＶＣＭ（アクチュエータ）
９      仮想物体（仮想環境の物体）
１１    並進部（機構部）
１２    姿勢部（機構部
１３    把持部（介在体）
２１    仮想壁（仮想物体）
ｆwall  反力
Ｖvcm  振動
１４    ＶＣＭ（アクチュエータ）
ｔ      提示時間（振動をさせる時間）
Ｓ、２Ｓ  硬さ感覚提示装置
【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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