(57)【要約】【課題】任意の位置で、時間的に連続的に力を提示する。【解決手段】気流生成部３１は、プロペラファンなどから構成され、気流を生成することで、気流の生成の反作用により力を生じさせる。姿勢変更部３２は、気流の方向を変えることにより、気流生成部３１による力の方向を変える。把持部３３は、生じた力を人に伝達する。本発明は、バーチャルリアリティまたはナビゲーションにおいて、人に力を提示する力提示装置に適用できる。【選択図】図２
2008293288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人に力を提示する力提示装置において、
気流を生成することで、前記気流の生成の反作用により前記力を生じさせる力生成手段と、
前記気流の方向を変えることにより、前記力生成手段による前記力の方向を変える変更手段と、
生じた前記力を前記人に伝達する伝達手段と
を備える力提示装置。
【請求項２】
前記力生成手段は、羽根を回転させることにより生成される前記気流の反作用により前記力を生じさせ、
前記変更手段は、前記力生成手段の方向を変えることで前記力の方向を変える
請求項１に記載の力提示装置。
【請求項３】
前記力生成手段が生じさせる前記力の大きさを制御する第１の制御手段と、
前記変更手段により変えられる前記力の方向を制御する第２の制御手段と
をさらに備える請求項１に記載の力提示装置。
【請求項４】
前記第１の制御手段は、前記力生成手段を時間的に断続的に動作させ、前記力生成手段に時間的に間欠した前記力を生じさせる
請求項３に記載の力提示装置。
【請求項５】
前記第１の制御手段は、前記力生成手段のステップ応答の時間の略２倍の長さの時間だけ前記力生成手段を動作させて、前記力生成手段を動作させる時間の略半分の長さの時間だけ前記力生成手段を停止させるように、前記力生成手段を時間的に断続的に動作させる
請求項４に記載の力提示装置。
【請求項６】
前記変更手段は、前の方向と斜め前の方向と横の方向のうちのいずれかの方向の力を前記人の手に提示する場合、斜め前の方向の力を提示するとき、横の方向に比較して前の方向により近い方向である斜め前の方向に前記力の方向を変える
請求項１に記載の力提示装置。
【請求項７】
前記変更手段は、前記人の手に水平の方向であって前の方向または横の方向の力を提示する場合、前の方向または横の方向であって斜め上の方向に前記力の方向を変える
請求項１に記載の力提示装置。
【請求項８】
人に力を提示する力提示方法において、
気流を生成することで、前記気流の生成の反作用により力を生じさせ、
前記気流の方向を変えることにより、生じる前記力の方向を変え、
生じた前記力を前記人に伝達する
力提示方法。
【請求項９】
人に力を提示する力提示装置であって、気流を生成することで、前記気流の生成の反作用により前記力を生じさせる力生成手段と、前記気流の方向を変えることにより、前記力生成手段による前記力の方向を変える変更手段と、生じた前記力を前記人に伝達する伝達手段とを備える力提示装置を制御する処理を、コンピュータに行わせるプログラムにおいて、
前記力生成手段が生じさせる前記力の大きさを制御し、
前記変更手段により変えられる前記力の方向を制御する
ステップを含む処理をコンピュータに行わせるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は力提示装置および方法、並びにプログラムに関し、特に、時間的に連続的に力を提示できるようにした力提示装置および方法、並びにプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
人間（自然人）に力覚または触覚を提示するインタフェースは、仮想世界において臨場感を増すための目的またはインタラクティブな意志の伝達のために重要であり、それについて多くの研究が進められている。
【０００３】
これらのインタフェースの多くは地球固定型であり、Phantom,Spidar、またはHapticMasterなどがバーチャルリアリティにおいてよく使われている。
【０００４】
一方、力の提示の自由度を向上させるために、身体に装着可能なものも開発されている。HapticGearは、背中に駆動装置を設け、指先をワイヤで駆動するものであるが、不要な反力が生成されてしまう。また、いわゆるジョイスティックタイプについても数多くの研究がなされている。
【０００５】
さらに、モーメントを利用した力覚ディスプレイについても、数多くの研究の成果が得られている。
【０００６】
第１は、慣性ローラとジンバルとを用いて、ジャイロモーメントにより力を生成する方法である。この方法には、ジンバルの回動角度制御に限界があると報告されている。
【０００７】
第２は、筑波大学によるGyroCubeである（例えば、非特許文献１参照）。これは、３方向にモータと慣性の大きなホイールとを配置して、ホイールの角速度を変えることにより、トルクを生成して、人間に力覚を提示するものである。このシステムにおいて、自由に３次元方向の力覚の提示が可能である。
【０００８】
第３に、ブレーキを用いて、角速度を急激に変えて力覚を提示するものがある。これは、２個のモータと慣性ホイールとブレーキとから構成される。通常の状態において、２個の慣性ホイールは同じ回転数で回転している。その通常の状態で、慣性ホイールの一方にブレーキをかけることにより、トルクが発生させられる。このシステムでは、１自由度の力の生成にそれぞれ２個のモータ、慣性ホイール、およびブレーキが必要となる。
【０００９】
第４に、安藤らは、ピストン型のリンクメカニズムの開発を進めている（例えば、非特許文献２参照）。この装置は、往復型の重りをリンク機構でモータに接続し、重りの往路と復路において速度を変えることにより所定の方向の力を提示するものである。この方法では、サーボモータによる精密な制御が必要であり、かつ力の提示は、パルス的に断続的に行われる。
【００１０】
また、トロイダルCVT（Continuously Variable Transmission）機構を用いた人間に装着可能な力覚ディスプレイも研究されているが、長時間の力の連続した提示は困難である（例えば、非特許文献３参照）。
【００１１】
【非特許文献１】Y.Tanaka,M.Sakai,Y.Kohno,Y.Fukui,J.Yamashita and N.Nakamura:"MobileTorque Display and Haptic Charactgeristics of Human Palm", ICAT2001(2001)
【００１２】
【非特許文献２】H.Ando,K.Obana,J.Watanabe,M.Sugimoto and T.Maeda:"Developmentof a rotation moment-type force display using mechanical breaks",Journalof Human Interface Society,Vol.5,No.2,pp.181-188(2003)
【００１３】
【非特許文献３】T.Amemiya,H.Ando and T.Maeda:"Virtual Force Display: DirectionGuidance usingAsymmetric Accelerationvia Periodic Translational Motion",Proc. of IEEE World HapticsConference 2005, pp. 619-622, 2005.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
このように、従来の装置においては、自由に動きまわる人に任意の位置で、時間的に連続的に力を提示することはできなかった。
【００１５】
一方、風を人間に吹き付けて得られる感覚、いわゆる風覚を用いた触覚提示機構も研究されている。この方式は、手の皮膚に直接風を吹き付けて触覚を提示するものである。しかしながら、力の提示位置が限られ、またその精度はあまり高くない。
【００１６】
さらに、固定した位置に送風装置を設け、人間に装置を直接装着しない方法の研究も進められている。しかし、この装置には、力覚の発生位置が決められてしまうという拘束が生じてしまう。
【００１７】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、任意の位置で、時間的に連続的に力を提示することができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一側面の力提示装置は、人に力を提示する力提示装置であって、気流を生成することで、前記気流の生成の反作用により前記力を生じさせる力生成手段と、前記気流の方向を変えることにより、前記力生成手段による前記力の方向を変える変更手段と、生じた前記力を前記人に伝達する伝達手段とを備える。
【００１９】
前記力生成手段には、羽根を回転させることにより生成される前記気流の反作用により前記力を生じさせ、前記変更手段には、前記力生成手段の方向を変えることで前記力の方向を変えるようにすることができる。
【００２０】
前記力生成手段が生じさせる前記力の大きさを制御する第１の制御手段と、前記変更手段により変えられる前記力の方向を制御する第２の制御手段とをさらに設けることができる。
【００２１】
前記第１の制御手段には、前記力生成手段を時間的に断続的に動作させ、前記力生成手段に時間的に間欠した前記力を生じさせるようにすることができる。
【００２２】
前記第１の制御手段には、前記力生成手段のステップ応答の時間の略２倍の長さの時間だけ前記力生成手段を動作させて、前記力生成手段を動作させる時間の略半分の長さの時間だけ前記力生成手段を停止させるように、前記力生成手段を時間的に断続的に動作させるようにすることができる。
【００２３】
前記変更手段には、前の方向と斜め前の方向と横の方向のうちのいずれかの方向の力を前記人の手に提示する場合、斜め前の方向の力を提示するとき、横の方向に比較して前の方向により近い方向である斜め前の方向に前記力の方向を変えるようにすることができる。
【００２４】
前記変更手段には、前記人の手に水平の方向であって前の方向または横の方向の力を提示する場合、前の方向または横の方向であって斜め上の方向に前記力の方向を変えるようにすることができる。
【００２５】
本発明の一側面の力提示方法は、人に力を提示する力提示方法であって、気流を生成することで、前記気流の生成の反作用により力を生じさせ、前記気流の方向を変えることにより、生じる前記力の方向を変え、生じた前記力を前記人に伝達する。
【００２６】
本発明の一側面の力提示装置および力提示方法においては、気流を生成することで、前記気流の生成の反作用により力が生じさせられ、前記気流の方向を変えることにより、生じる前記力の方向が変えられ、生じた前記力が前記人に伝達される。
【００２７】
本発明の一側面のプログラムは、人に力を提示する力提示装置であって、気流を生成することで、前記気流の生成の反作用により前記力を生じさせる力生成手段と、前記気流の方向を変えることにより、前記力生成手段による前記力の方向を変える変更手段と、生じた前記力を前記人に伝達する伝達手段とを備える力提示装置を制御する処理を、コンピュータに行わせるプログラムであって、前記力生成手段が生じさせる前記力の大きさを制御し、前記変更手段により変えられる前記力の方向を制御するステップを含む処理をコンピュータに行わせる。
【００２８】
本発明の一側面のプログラムにおいては、前記力生成手段が生じさせる前記力の大きさが制御され、前記変更手段により変えられる前記力の方向が制御される。
【発明の効果】
【００２９】
以上のように、本発明の一側面によれば、力を提示することができる。
【００３０】
また、本発明の一側面によれば、任意の位置で、時間的に連続的に力を提示することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に本発明の実施の形態を説明するが、本発明の構成要件と、発明の詳細な説明に記載の実施の形態との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、本発明をサポートする実施の形態が、発明の詳細な説明に記載されていることを確認するためのものである。従って、発明の詳細な説明中には記載されているが、本発明の構成要件に対応する実施の形態として、ここには記載されていない実施の形態があったとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、実施の形態が構成要件に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件以外の構成要件には対応しないものであることを意味するものでもない。
【００３２】
本発明の一側面の力提示装置は、人に力を提示する力提示装置であって、気流を生成することで、前記気流の生成の反作用により前記力を生じさせる力生成手段（例えば、図２の気流生成部３１）と、前記気流の方向を変えることにより、前記力生成手段による前記力の方向を変える変更手段（例えば、図２の姿勢変更部３２）と、生じた前記力を前記人に伝達する伝達手段（例えば、図２の把持部３３）とを備える。
【００３３】
前記力生成手段が生じさせる前記力の大きさを制御する第１の制御手段（例えば、図１のDC（Direct Current）モータ制御回路１３）と、前記変更手段により変えられる前記力の方向を制御する第２の制御手段（例えば、図１のステッピングモータ制御回路１４）とをさらに設けることができる。
【００３４】
本発明の一側面の力提示方法は、人に力を提示する力提示方法であって、気流を生成することで、前記気流の生成の反作用により力を生じさせ（例えば、図８のステップＳ１６）、前記気流の方向を変えることにより、生じる前記力の方向を変え（例えば、図８のステップＳ１５）、生じた前記力を前記人に伝達する（例えば、図２の把持部３３による力の伝達）。
【００３５】
本発明の一側面のプログラムは、人に力を提示する力提示装置であって、気流を生成することで、前記気流の生成の反作用により前記力を生じさせる力生成手段と、前記気流の方向を変えることにより、前記力生成手段による前記力の方向を変える変更手段と、生じた前記力を前記人に伝達する伝達手段とを備える力提示装置を制御する処理を、コンピュータに行わせるプログラムであって、前記力生成手段が生じさせる前記力の大きさを制御し（例えば、図８のステップＳ１６）、前記変更手段により変えられる前記力の方向を制御する（例えば、図８のステップＳ１５）ステップを含む処理をコンピュータに行わせる。
【００３６】
図１は、本発明の一実施の形態の力提示装置の構成を示す図である。力提示装置は、例えば、バーチャルリアリティまたはナビゲーションにおいて、人に力を提示する装置である。力提示装置は、提示部１１、パーソナルコンピュータ１２、DCモータ制御回路１３、およびステッピングモータ制御回路１４から構成される。
【００３７】
提示部１１は、力を提示する人により把持される。提示部１１は、人に提示する力を発生させて、発生された力を把持している人に伝達することにより、力（力覚）を提示する。
【００３８】
パーソナルコンピュータ１２は、例えば、C++言語によって開発された制御プログラムを実行し、DCモータ制御回路１３およびステッピングモータ制御回路１４を制御する。例えば、パーソナルコンピュータ１２は、後述するステッピングモータ５４およびステッピングモータ５８並びにステッピングモータ制御回路１４を制御するための専用のプログラムであるドライバを実行し、その内部に設けられたステッピングモータコントローラインタフェースを介して、ステッピングモータ５４、ステッピングモータ５８、およびステッピングモータ制御回路１４を制御する。
【００３９】
DCモータ制御回路１３は、提示部１１を制御し、人に提示する力の発生を制御する。具体的には、DCモータ制御回路１３は、パーソナルコンピュータ１２からのD/A（Digital/Analog）コンバータを介した指示に応じて、提示部１１の気流を生成させるためのファンを回転させるDCモータを駆動することにより、提示部１１が生じさせる力の大きさを制御する。例えば、DCモータ制御回路１３は、内蔵しているパワートランジスタによりDCモータに供給する電流を制御する。
【００４０】
ステッピングモータ制御回路１４は、提示部１１を制御し、人に提示する力の方向を制御する。すなわち、ステッピングモータ制御回路１４は、パーソナルコンピュータ１２からの指示に応じて、提示部１１が生成させる気流の方向を変えることにより、力の方向を制御する。
【００４１】
図２は、提示部１１の構成を示す図である。提示部１１は、気流生成部３１、姿勢変更部３２、および把持部３３から構成される。
【００４２】
気流生成部３１は、気流を生成することで、気流の生成の反作用により力を生じさせる。姿勢変更部３２は、気流生成部３１を回動自在に軸支する。また、姿勢変更部３２は、把持部３３によって回動自在に軸支される。
【００４３】
姿勢変更部３２は、軽量の木材、金属、樹脂、またはFRP（Fiber Reinforced Plastics）（例えば、CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastics）など）などからなり、把持部３３に対する気流生成部３１の姿勢、すなわち、把持部３３に対する気流生成部３１の角度であって、３次元空間における角度を変更させて、気流生成部３１によって生成される気流の方向を変えることにより、気流生成部３１による力の方向を変える。
【００４４】
把持部３３は、力が提示される人によって把持され、気流生成部３１によって生じた力をその人に伝達する。
【００４５】
気流生成部３１は、ファン５１、DCモータ５２、およびフレーム５３から成る。ファン５１は、いわゆるプロペラファンであり、DCモータ５２に回転させられて、DCモータ５２の軸の方向の気流を生成する。すなわち、この場合、ファン５１は、軸流ファンである。
【００４６】
例えば、ファン５１は、短くカットされた市販のプロペラファンが複数枚組み合わされた構成とされる。より具体的には、翼長１６センチメートルのプロペラファンが１０センチメートルにカットされ、これが３枚重ね合わされて、ファン５１が形成される。このようにすることで、ファン５１を軽量小型化することができ、また風量を増すことができる。
【００４７】
DCモータ５２は、DCモータ制御回路１３によって駆動され、その軸に設けられているファン５１を回転させる。DCモータ５２の軸は、ベアリングにより支持されている。例えば、DCモータ５２は、入力電圧が９ボルト、仕事率が１３５ワットのモータである。この場合、DCモータ制御回路１３には、電圧降下を考慮して、１２ボルト１５アンペアの電源が設けられる。
【００４８】
このとき、例えば、提示部１１は、気流によって最大１．５ニュートンの力を生じさせるので、最大１．５ニュートンの力を提示することができる。
【００４９】
フレーム５３は、軽量の木材、金属、樹脂、またはFRPなどからなり、その中央にファン５１およびDCモータ５２を支えると共に、ファン５１によって生成される気流を整流する。姿勢変更部３２の枠組みも、軽量の木材、金属、樹脂、またはFRPなどから形成することができる。このようにすることで、提示部１１の重量を軽くすることができ、例えば、提示部１１を８３０グラム程度で実現できる。
【００５０】
姿勢変更部３２は、ステッピングモータ５４、プーリ５５、ベルト５６、プーリ５７、ステッピングモータ５８、および軸５９から構成される。
【００５１】
ステッピングモータ５４は、ステッピングモータ制御回路１４によって駆動され、その軸に設けられているプーリ５５を回動させる。ステッピングモータ５４の軸は、ベアリングにより支持されている。例えば、ステッピングモータ５４の最大トルクは、９．８mNmとされる。
【００５２】
プーリ５５の回動は、プーリ５５とプーリ５７とにかけられているベルト５６を介して、プーリ５７に伝達される。プーリ５７は、気流生成部３１の軸であって、姿勢変更部３２に回動自在に支えられる軸に固定されている。従って、プーリ５７が回動させられると、プーリ５７と共に、気流生成部３１が回動する。
【００５３】
すなわち、ステッピングモータ５４の軸が回動すると、姿勢変更部３２に対して気流生成部３１が回動させられる。その結果、把持部３３に対して、気流生成部３１が回動させられることになる。
【００５４】
ステッピングモータ５８は、ステッピングモータ制御回路１４によって駆動され、図示せぬ減速部を介して軸５９を回動させる。例えば、減速部は、１２：３６のギヤにより構成される。軸５９の端部は、把持部３３に固定されている。ステッピングモータ５８の軸５９が回動すると、把持部３３に対して姿勢変更部３２が回動させられる。その結果、把持部３３に対して、気流生成部３１が回動させられることになる。
【００５５】
図２中において、把持部３３が固定であるとすると、ステッピングモータ５８によって、図２に示されるＺ軸を中心として、気流生成部３１が回動させられる。
【００５６】
すなわち、気流生成部３１の軸であって、姿勢変更部３２に回動自在に支えられる軸は、図２に示されるＸ軸およびＹ軸からなる平面上を回動することになる。
【００５７】
従って、図２中において、把持部３３が固定であるとすると、ステッピングモータ５４によって、図２に示されるＸ軸およびＹ軸からなる平面上のいずれかの直線を軸として、気流生成部３１が回動させられる。
【００５８】
このように、気流生成部３１は、把持部３３に対して3次元の任意の方向に回動させられ、気流生成部３１による気流の生成の反作用により生じる力の方向が３次元の任意の方向に変更させられる。
【００５９】
以上のように、気流生成部３１が回動すると、生成される気流の方向が変化するので、把持部３３にかかる力の方向が変化する。
【００６０】
よって、ステッピングモータ制御回路１４は、姿勢変更部３２により変えられる力の方向を制御すると言える。
【００６１】
図３は、気流生成部３１のステップ応答の特性を示す図である。図３に示されるように、気流生成部３１は、力を生じていない停止状態から約４００msecで、約１．５ニュートンの最大の力を生じさせることができる。すなわち、気流生成部３１のステップ応答の時間は、約４００msecである。
【００６２】
なお、ステッピングモータ５４およびステッピングモータ５８を用いると説明したが、軸の回動の角度を制御できるものであれば足り、例えば、電気、油圧、エアなどを動力源とするサーボモータを採用するようにしてもよい。さらに、プーリ５５、ベルト５６、およびプーリ５７によってステッピングモータ５４の軸の駆動力を伝達すると説明したが、回動の駆動力を伝達できれば足り、例えば、ギヤ、シャフト、またはリンクなどであってもよい。
【００６３】
図４は、パーソナルコンピュータ１２のハードウェアの構成の例を示す図である。
【００６４】
パーソナルコンピュータ１２において、CPU（Central Processing Unit）７１，ROM（Read Only Memory）７２，RAM（Random Access Memory）７３は、バス７４により相互に接続されている。
【００６５】
バス７４には、さらに、入出力インタフェース７５が接続されている。入出力インタフェース７５には、キーボード、マウス、マイクロホンなどよりなる入力部７６、ディスプレイ、スピーカなどよりなる出力部７７、ハードディスクや不揮発性のメモリなどよりなる記憶部７８、ネットワークインタフェースなどよりなる通信部７９、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリなどのリムーバブルメディア８１を駆動するドライブ８０が接続されている。
【００６６】
以上のように構成されるパーソナルコンピュータ１２では、CPU７１が、例えば、記憶部７８に記憶されているプログラムを、入出力インタフェース７５およびバス７４を介して、RAM７３にロードして実行することにより、後述する処理が行われる。
【００６７】
パーソナルコンピュータ１２（CPU７１）が実行するプログラムは、例えば、磁気ディスク（フレキシブルディスクを含む）、光ディスク（CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory),DVD(Digital Versatile Disc)等）、光磁気ディスク、もしくは半導体メモリなどよりなるパッケージメディアであるリムーバブルメディア８１に記録して、あるいは、ローカルエリアネットワーク、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の伝送媒体を介して提供される。
【００６８】
そして、プログラムは、リムーバブルメディア８１をドライブ８０に装着することにより、入出力インタフェース７５を介して、記憶部７８に記憶することで、パーソナルコンピュータ１２にインストールすることができる。また、プログラムは、有線または無線の伝送媒体を介して、通信部７９で受信し、記憶部７８に記憶することで、パーソナルコンピュータ１２にインストールすることができる。その他、プログラムは、ROM７２や記憶部７８にあらかじめ記憶しておくことで、パーソナルコンピュータ１２にあらかじめインストールしておくことができる。
【００６９】
なお、パーソナルコンピュータ１２が実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。
【００７０】
また、パーソナルコンピュータ１２に代えて、組み込み型のプロセッサまたはプログラマブルIC（integrated circuit）（例えば、米国マイクロチップテクノロジー社のPIC（peripheral interface controller）など）によって、DCモータ制御回路１３およびステッピングモータ制御回路１４を制御するようにしてもよい。
【００７１】
気流を用いた力（力覚）の提示において、効率よく力（力覚）を提示するために、時間的に力を変化させるパターンや提示する力の方向を検討した。
【００７２】
図５は、提示する力であって、時間的に変化する力のパターンを説明する図である。図５に示されるように、パターン１において、２秒間継続して、予め決められた大きさの力に等しい最大の一定の力が提示される。また、図５に示されるように、パターン２において、提示の開始の時点では０ニュートンで（すなわち、力が発生させられず）、力の提示の開始から４秒が経過した時点で、予め決められた大きさの力に等しい最大の力が提示されるように、時間の経過に応じて直線的に力の大きさが増加させられる。すなわち、パターン２は、等加速のパターンである。
【００７３】
パターン３において、予め決められた大きさの力に等しい最大の力の１秒間の提示と、０ニュートンの力の０．５秒間の提示（すなわち、０．５秒間の力の提示の停止）とが３回繰り返される。すなわち、パターン３において、気流生成部３１のステップ応答の時間の略２倍の長さの時間である、１秒間だけ最大の力が提示され、続いて、気流生成部３１を動作させる時間の略半分の長さの時間である、０．５秒間だけ気流生成部３１が停止させられ、これが繰り返される。言い換えれば、パターン３は、断続回転のパターンである。
【００７４】
次に、前、左前、左、左後ろ、後ろ、右後ろ、右、および右前の８つの方向に力を提示する場合について説明する。
【００７５】
図６に示されるように、前、左前、左、左後ろ、後ろ、右後ろ、右、および右前の８つの方向の隣り合うそれぞれの間の角度が、４５度とされ、前、左前、左、左後ろ、後ろ、右後ろ、右、および右前の８つの方向のそれぞれの力は、１．５ニュートンとされる。
【００７６】
さらに、人の腕の構造から人は左右の力をより敏感に感じるので、図７（Ａ）に示されるように、前、左前、左、左後ろ、後ろ、右後ろ、右、および右前の８つの方向の隣り合うそれぞれの間の角度とそれぞれの方向の力を調整する。具体的には、前と左前との角度、前と右前との角度、後ろと左後ろとの角度、および後ろと右後ろとの角度は、２７度とされ、前、左前、左後ろ、後ろ、右後ろ、および右前のそれぞれの力は、１．５ニュートンとされ、左および右のそれぞれの力は、０．９８ニュートンとされる。
【００７７】
このように前後の力をより強くすることで知覚しやすくし、また、左右の力を小さくすることで、８つの方向のそれぞれの力の知覚を等しくする。
【００７８】
さらにまた、図７（Ｂ）に示されるように、手首において力を知覚しやすくするために、前、後ろ、左、および右の方向の力は、水平方向から５度だけ上向きに加えられる。
【００７９】
同様に、図７（Ｃ）に示されるように、手首において力を知覚しやすくするために、右前、右後ろ、左前、および左後ろの方向の力は、さらに５度だけ上、すなわち、水平方向から１０度だけ上向きに加えられる。
【００８０】
図８は、制御プログラムを実行するパーソナルコンピュータ１２による、力の提示の処理を説明するフローチャートである。
【００８１】
ステップＳ１１において、制御プログラムを実行するパーソナルコンピュータ１２のCPU７１、すなわち制御プログラムは、提示する力の大きさを計算する。例えば、制御プログラムは、バーチャルリアリティなどにおける物理計算によるか、またはナビゲーションを目的として、人に提示する力の大きさを計算する。
【００８２】
ステップＳ１２において、制御プログラムは、提示する力の方向を計算する。例えば、制御プログラムは、バーチャルリアリティなどにおける物理計算によるか、またはナビゲーションを目的として、人に提示する力の方向を計算する。例えば、制御プログラムは、前、左前、左、左後ろ、後ろ、右後ろ、右、および右前の８つの方向のうちの、１つの方向を求めるように計算する。
【００８３】
なお、３次元のうちの所定の方向の力を提示する場合、制御プログラムは、前、左前、左、左後ろ、後ろ、右後ろ、右、および右前の８つの方向に加えて、例えば、上、左上、左下、下、右下、右上のうちの、１つの方向を求めるように計算する。
【００８４】
ステップＳ１３において、制御プログラムは、ステップＳ１１において計算された人に提示する力の大きさに応じた、DCモータ制御回路１３に対する指示値を計算する。ステップＳ１３において計算された指示値が、DCモータ制御回路１３に供給されることにより、後述するDCモータの動作制御の処理において、ステップＳ１１において計算された力が、気流生成部３１によって生じさせられる。
【００８５】
なお、ステップＳ１３において計算される指示値は、パターン１乃至パターン３に応じた動作を提示部１１にさせるために、少なくとも、気流の強さを指示する値（例えば、電流値や回転数）と時間（または時刻）とからなる。
【００８６】
ステップＳ１４において、制御プログラムは、ステップＳ１２において計算された提示する力の方向に応じた、ステッピングモータ制御回路１４に対する指示値を計算する。ステップＳ１５において、制御プログラムは、ステップＳ１４において計算された指示値をステッピングモータ制御回路１４に供給し、ステッピングモータ制御回路１４に、ステッピングモータ５４およびステッピングモータ５８の軸を指示値に応じた回動角度に回動させる。
【００８７】
その結果、ステップＳ１２で計算された方向に、気流生成部３１が向くことになる。
【００８８】
ステップＳ１６において、制御プログラムは、DCモータの動作制御の処理を実行して、ステップＳ１１に戻り、上述した処理を繰り返す。
【００８９】
図９は、ステップＳ１６に対応する、図５のパターン３の力が提示される場合のDCモータの動作制御の処理の詳細を説明するフローチャートである。
【００９０】
ステップＳ３１において、制御プログラムは、パーソナルコンピュータ１２の内部に設けられたリアルタイムクロックまたはカウンタから、計時している時刻を取得する。ステップＳ３２において、制御プログラムは、ステップＳ３１で取得した時刻から、DCモータの動作制御を終了させる時刻が過ぎたか否かを判定し、DCモータの動作制御を終了させる時刻が過ぎていないと判定された場合、処理は、ステップＳ３３に進む。
【００９１】
ステップＳ３３において、制御プログラムは、ステップＳ３１で取得した時刻が、ステップＳ１３で計算された指示値で示される期間であって、力を提示する期間であるか否かを判定する。ステップＳ３３において、ステップＳ３１で取得した時刻が、力を提示する期間であると判定された場合、手続きはステップＳ３４に進み、制御プログラムは、DCモータ制御回路１３に、指示値の気流の強さを指示する値に応じた回転速度でDCモータ５２を回転させる。ステップＳ３４の後、処理は、ステップＳ３６に進む。
【００９２】
ステップＳ３３において、ステップＳ３１で取得した時刻が、力を提示する期間でないと判定された場合、手続きはステップＳ３５に進み、制御プログラムは、DCモータ制御回路１３に、DCモータ５２の駆動を停止させる。ステップＳ３５の後、処理は、ステップＳ３６に進む。
【００９３】
なお、ステップＳ３３において、制御プログラムは、DCモータ制御回路１３に、DCモータ５２の駆動を完全に停止させることなく、人の力覚の閾値を下回る力を発生させるように、DCモータ５２を駆動させるようにしてもよい。
【００９４】
ステップＳ３６において、制御プログラムは、予め決められた１００msecなど、所定の期間待って、手続きは、ステップＳ３１に戻る。
【００９５】
ステップＳ３２において、DCモータの動作制御を終了させる時刻が過ぎたと判定された場合、DCモータの動作制御の処理は終了し、手続きは図８のステップＳ１１に戻る。
【００９６】
このようにして、気流生成部３１は、ステップＳ１１で計算された大きさの力を生じさせる。
【００９７】
次に、図１０乃至図２０を参照して、提示される力の認知を実験により検証した結果を説明する。
【００９８】
図１０に示されるように、この実験において、被験者は、アイマスクとホワイトノイズが流れているヘッドフォンとを装着して視覚および聴覚を遮断し、並びに厚手の布によって力提示装置と隔離し、力提示装置からの気流が皮膚に当たらないようにして、気流への触覚を遮断した状態とされる。
【００９９】
被験者は、力提示装置の把持部３３を、図１１に示されるように、手の甲が縦になり、人差し指から小指が縦に並ぶように、利き手で把持する（以下、握り方Ａと称する）。握り方Ａにおいて、力提示装置は、被験者の手の前に配置される。
【０１００】
前方向および後ろ方向の力の認知が難しいとの指摘があるので、前方向および後ろ方向について、予め決められた大きさの力を、それぞれ、０．５９ニュートン、０．７８ニュートン、０．８８ニュートン、および０．９８ニュートンの４通りとして、図５のパターン１乃至パターン３のそれぞれによって、力を提示し、被験者の力の知覚を確認した。５人の被験者に対して、力の提示を、前後それぞれ４回とし、提示回数を４８回のランダムとした。
【０１０１】
なお、この実験の開始前に被験者全員に前方向および後ろ方向の力を３回ずつ提示して、学習させた。
【０１０２】
その結果、図５のパターン１乃至パターン３のうち、パターン３による力の提示が、最も正しく知覚されることが明らかになった。
【０１０３】
図１２は、パターン１乃至パターン３のそれぞれの正答率を示す図である。前方向のパターン１、パターン２、およびパターン３の正答率は、それぞれ、６４．１％、６４．１％、および７９．７％である。また、後ろ方向のパターン１、パターン２、およびパターン３の正答率は、それぞれ、６４．１％、５０．０％、および７３．４％である。
【０１０４】
パターン３による力の提示の正答率が、パターン１およびパターン２の場合に比較して高いことがわかる。
【０１０５】
図１３は、パターン１乃至パターン３のうちの２つを比較した場合の有意差検定の結果を示す図である。有意差検定は、非等分散および両側ｔ検定によるものである。無帰仮説の確率は、パターン１とパターン２とについて０．０９５、パターン１とパターン３とについて０．０４９、パターン２とパターン３とについて０．０００３であり、パターン１とパターン３とは、５％で、パターン２とパターン３とは、１％で、仮説が棄却できる。従って、パターン３が良いと判断できる。
【０１０６】
以下、パターン３により力を提示して、実験を行った。
【０１０７】
次に、図６に示されるように、隣り合うそれぞれの間の角度を４５度とした、前、左前、左、左後ろ、後ろ、右後ろ、右、および右前の８つの方向の、パターン３により１．５ニュートンの力を提示する（以下、この力の提示方式を提示方式１と称する）実験を行った。
【０１０８】
そして、図７に示されるように、前と左前との角度、前と右前との角度、後ろと左後ろとの角度、および後ろと右後ろとの角度を、２７度とし、前、左前、左後ろ、後ろ、右後ろ、および右前のそれぞれの力を、１．５ニュートンとし、左および右のそれぞれの力を、０．９８ニュートンとし、さらに、前、後ろ、左、および右の方向の力は、水平方向から５度だけ上向きに加えられ、右前、右後ろ、左前、および左後ろの方向の力は、水平方向から１０度だけ上向きに加えられるようにして、パターン３により力を提示する（以下、この力の提示方式を提示方式２と称する）実験を行った。
【０１０９】
提示方式１および提示方式２のそれぞれについて、５人の被験者に対して、ランダムに各方向の力を５回ずつ提示して、正答率を求めた。
【０１１０】
なお、この実験の開始前に被験者全員に全方向の力を５回ずつ提示して、学習させた。
【０１１１】
図１４は、提示方式１および提示方式２のそれぞれについての、各方向の力の正答率を示す図である。図１４において、三角は、提示方式１による力の正答率を示し、四角は、提示方式２による力の正答率を示す。
【０１１２】
すなわち、提示方式１による前、左前、左、左後ろ、後ろ、右後ろ、右、および右前の方向の力の正答率は、それぞれ、９６％、８０％、８４％、５６％、１００％、４０％、８４％、６８％である。また、提示方式２による前、左前、左、左後ろ、後ろ、右後ろ、右、および右前の方向の力の正答率は、それぞれ、１００％、９８％、８４％、６８％、９６％、８４％、８０％、８８％である。
【０１１３】
提示方式１および提示方式２共に、前方向、後ろ方向、左方向、および右方向の正答率が高い。
【０１１４】
しかしながら、提示方式１の斜め方向、すなわち、左前、左後ろ、右後ろ、および右前の方向の力の正答率が低い。特に、提示方式１の右後ろの方向の力の正答率は、４０％であり、提示方式１の斜め方向の力の正答率の平均は、６１％と低い。
【０１１５】
提示方式１についての実験により、左前、左後ろ、右後ろ、および右前の斜め方向の正答率が低いことがわかり、被験者に対するアンケートからも、同じ力でも、前後と左右とでは、左右の方向の力が強く感じられることが判明した。
【０１１６】
このことから、前後と左右とでは、力を感じる感覚（力覚）の閾値が異なると考えられる。その理由は、左右への力は手首で感知されるが、前後の力は肘で感知されるからである。
【０１１７】
一方、提示方式２の斜め方向の正答率は、最低で６８％、平均で８４％である。提示方式１の全ての方向の正答率の平均が７６％であるのに対して、提示方式２の全ての方向の正答率の平均が８７％であり、提示方式２の正答率は、提示方式１の正答率に比較して向上している。
【０１１８】
図１５は、提示方式１と提示方式２との有意差検定の結果を示す図である。この有意差検定では、無帰仮説の確率は、０．０２７６であり、５％で仮説が棄却でき、提示方式２が良いと判断できる。
【０１１９】
なお、提示方式２において、前と左前との角度、前と右前との角度、後ろと左後ろとの角度、および後ろと右後ろとの角度を、２７度としたが、３７度乃至１７度の範囲において良好な結果が得られた。また、前、後ろ、左、および右の方向の力は、水平方向から５度だけ上向きとしたが、水平方向から２．５度乃至７．５度の範囲において良好な結果が得られた。さらに、右前、右後ろ、左前、および左後ろの方向の力は、水平方向から１０度だけ上向きとしたが、水平方向から５度乃至１５度の範囲において良好な結果が得られた。
【０１２０】
次に、垂直方向を含む３次元の各方向の力の提示について説明する。
【０１２１】
３次元の各方向の力の提示について、握り方Ａに加えて、図１６に示されるように、力提示装置の把持部３３を、手の甲が水平になり、人差し指から小指が横に並ぶように、利き手で把持する握り方Ｂを実験の対象とした。握り方Ｂにおいて、力提示装置は、被験者の手の下に配置される。握り方Ｂは、人の腕への負担が少ない方式である。
【０１２２】
握り方Ａおよび握り方Ｂによって、水平方向の８方向および垂直の８方向について正答率を評価する。この場合、水平方向の力の提示には、提示方式２を採用する。
【０１２３】
垂直方向の力の提示において、図１７に示されるように、上、左上、左、左下、下、右下、右、および右上の８つの方向の隣り合うそれぞれの間の角度が、４５度とされ、上、左上、左下、下、右下、および右上のそれぞれの力は、１．５２ニュートンとされ、左および右のそれぞれの力は、０．９８ニュートンとされる。
【０１２４】
５人の被験者に対して、ランダムに１４方向の力を５回ずつ提示して、正答率を求めた。なお、この実験の開始前に被験者全員に全方向の力を５回ずつ提示して、学習させた。
【０１２５】
図１８は、握り方Ａおよび握り方Ｂのそれぞれについての、水平方向の各方向の力の正答率を示す図である。図１８において、三角は、握り方Ａによる力の正答率を示し、四角は、握り方Ｂによる力の正答率を示す。
【０１２６】
すなわち、握り方Ａによる前、左前、左、左後ろ、後ろ、右後ろ、右、および右前の方向の力の正答率は、それぞれ、１００％、８４％、８０％、８０％、１００％、９０％、８４％、９０％である。また、握り方Ｂによる前、左前、左、左後ろ、後ろ、右後ろ、右、および右前の方向の力の正答率は、それぞれ、１００％、９０％、８２％、８６％、９２％、７８％、７２％、９６％である。
【０１２７】
図１９は、握り方Ａおよび握り方Ｂのそれぞれについての、垂直方向の各方向の力の正答率を示す図である。図１９において、三角は、握り方Ａによる力の正答率を示し、四角は、握り方Ｂによる力の正答率を示す。
【０１２８】
すなわち、握り方Ａによる上、左上、左、左下、下、右下、右、および右上の方向の力の正答率は、それぞれ、９２％、９６％、７６％、９６％、１００％、１００％、８４％、９２％である。また、握り方Ｂによる上、左上、左、左下、下、右下、右、および右上の方向の力の正答率は、それぞれ、１００％、６０％、８０％、７５％、９５％、８０％、７０％、２５％である。
【０１２９】
水平方向の力を提示する場合、握り方Ａの正答率の平均は、９１％であり、握り方Ｂの正答率の平均は、８５．６％であり、共に高い正答率が得られた。
【０１３０】
しかしながら、握り方Ｂによって垂直方向の力を提示する場合、右上または左上の方向の力の正答率は、低くなった。
【０１３１】
これは、握り方Ｂの保持方式では、力提示装置が左上と右上に力を提示する場合、掌と手の甲に対して垂直の方向である、手首の感度の高い方向に装置の自重がかかり、装置の自重によって力の認知が妨げられてしまうものと考えられる。上方向の正答率が高かったのは、力の認知より、力提示装置の重さが軽くなったと感じることが原因であると考えられる。
【０１３２】
図２０は、握り方Ａと握り方Ｂとの有意差検定の結果を示す図である。この有意差検定では、無帰仮説の確率は、水平方向について０．７８９であり、垂直方向について０．００２２であり、水平方向については、仮説が棄却できないので、握り方Ａと握り方Ｂとの差は認められない。一方、垂直方向については、仮説が１％で棄却でき、握り方Ａが良いと判断できる。
【０１３３】
このように、気流を連続して生成できるので、時間的に連続的に力を提示することができる。また、容易に持ち運びできるので、任意の位置で、時間的に連続に力を提示することができる。
【０１３４】
さらに、生成する気流の方向を３次元の方向のうちの任意の方向にすることができるので、３次元の任意の方向の力をより確実に認知されるように提示することができる。
【０１３５】
さらにまた、人の感知しやすい方向の力を提示するので、力とその方向をより確実に認知させることができる。
【０１３６】
以上のように、力を生じさせ、生じた力を人に伝達するようにした場合には、力を提示することができる。また、気流を生成することで、気流の生成の反作用により力を生じさせ、気流の方向を変えることにより、生じる力の方向を変え、生じた力を人に伝達するようにした場合には、任意の位置で、時間的に連続的に力を提示することができる。
【０１３７】
なお、気流生成部３１のファン５１は、プロペラファンであると説明したが、気流を生成することで、気流の生成の反作用により力を生じさせるものであれば足り、他の方式のファンまたはブロワを設けるようにしてもよい。例えば、他の方式の軸流ファン、遠心ブロワ、またはターボファンなどであってもよい。
【０１３８】
また、気流生成部３１には、ファン５１を回転させるDCモータ５２が設けられると説明したが、ファン５１に気流を生じさせて、力を生じさせるものであれば足り、他の方式のモータ、例えば、AC（alternating current）モータ、超音波モータ、またはエアモータなどであってもよい。
【０１３９】
さらに、気流生成部３１は、気流を生成することで、気流の生成の反作用により力を生じさせるものであれば足り、例えば、圧縮された気体を格納するボンベまたは気体を圧縮するコンプレッサとその気体を噴出するノズルとから構成するようにしてもよい。この場合、ノズルの向きを変えることにより、生成される気流の方向を変えることができる。
【０１４０】
さらにまた、姿勢変更部３２は、把持部３３に対する気流生成部３１そのものの方向を変更することにより、生成する気流の方向を変えると説明したが、これに限らず、ルーバーや気流の吹き出す向きの調整可能な吹き出し口とダクトなどによって、生成する気流の方向を変えるようにしてもよい。
【０１４１】
なお、把持部３３が、力を提示する人によって把持され、気流生成部３１によって生じた力を人に伝達すると説明したが、これに限らず、ベルトによって人体に固定したり、衣服の一部に固定したりすることで、気流の生成の反作用により生じた力を人に伝達するようにしてもよい。
【０１４２】
また、パターン３において、予め決められた大きさの力に等しい最大の力の１秒間の提示と、０ニュートンの力の０．５秒間の提示（すなわち、０．５秒間の力の提示の停止）とが３回繰り返されるとしたが、力を提示する期間の長さと力を提示しない期間の長さとは、これに限るものではなく、応答の特性を考慮して、所定の長さまたは所定の長さの比率とすることができる。
【０１４３】
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明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。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】本発明の一実施の形態の力提示装置の構成を示す図である。
【図２】提示部１１の構成を示す図である。
【図３】気流生成部３１のステップ応答の特性を示す図である。
【図４】パーソナルコンピュータ１２のハードウェアの構成の例を示す図である。
【図５】提示する力であって、時間的に変化する力のパターンを説明する図である。
【図６】提示方式１の力の提示を説明する図である。
【図７】提示方式２の力の提示を説明する図である。
【図８】力の提示の処理を説明するフローチャートである。
【図９】DCモータの動作制御の処理の詳細を説明するフローチャートである。
【図１０】実験を説明する図である。
【図１１】握り方Ａを説明する図である。
【図１２】パターン１乃至パターン３のそれぞれの正答率を示す図である。
【図１３】パターン１乃至パターン３のうちの２つを比較した場合の有意差検定の結果を示す図である。
【図１４】提示方式１および提示方式２のそれぞれについての、各方向の力の正答率を示す図である。
【図１５】提示方式１と提示方式２との有意差検定の結果を示す図である。
【図１６】握り方Ｂを説明する図である。
【図１７】垂直方向の力の提示を説明する図である。
【図１８】握り方Ａおよび握り方Ｂのそれぞれについての、水平方向の各方向の力の正答率を示す図である。
【図１９】握り方Ａおよび握り方Ｂのそれぞれについての、垂直方向の各方向の力の正答率を示す図である。
【図２０】握り方Ａと握り方Ｂとの有意差検定の結果を示す図である。
【符号の説明】
【０１４５】
１１  提示部
１２  パーソナルコンピュータ
１３  DCモータ制御回路
１４  ステッピングモータ制御回路
３１  気流生成部
３２  姿勢変更部
３３  把持部
５１  ファン
５２  DCモータ
５３  フレーム
５４  ステッピングモータ
５５  プーリ
５６  ベルト
５７  プーリ
５８  ステッピングモータ
５９  軸
７１  CPU
７２  ROM
７３  RAM
７８  記憶部
７９  通信部
８０  ドライブ
８１  リムーバブルメディア
【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】
2008293288.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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