(57)【要約】【課題】的確な力触覚の提示を可能とすると共に、製造の容易さを含めて実用レベルの具体的構成を備えた小型軽量の力触覚ディスプレイハンドおよびその製造方法を提供する。【解決手段】複数の骨材１を連結部材２によって連結し、連結部材部で可動自在にし、この連結部材２をまたがって弾性膨脹収縮体３を骨材１に固定する。弾性膨脹収縮体３として、たとえば空気圧の印可により長さ方向に伸びる空気圧アクチュエータを用いる。複数の空気圧アクチュエータは個別に複数のチューブなどの空気圧導入経路１０によって空圧制御機１１に接続され、空気圧を制御することにより駆動される。指サック５は骨材１に連結されており、この指サック５に指をはめるとともに、同じく骨材１に連結されたハンドの固定具６によりこの力触覚ディスプレイハンドを手の甲に固定し、装着する。【選択図】　図１
2004029999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の骨材を連結部で可動自在に連結するとともに、前記連結部をまたがり前記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、前記骨材に連結されるとともに、少なくとも指または手のひらまたは手の甲を含む手の一部に係合される指サックまたはグローブをさらに備え、前記弾性膨張収縮体を膨張または収縮させることにより前記手の一部に疑似的な力を与えることを特徴とする力触覚ディスプレイハンド。
【請求項２】
複数の骨材を列状に配置し、前記骨材の端部どうしを連結部で可動自在に連結するとともに、前記連結部をまたがり前記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、前記骨材に連結されるとともに、少なくとも指または手のひらまたは手の甲を含む手の一部に係合される指サックまたはグローブとをさらに備え、前記弾性膨張収縮体を前記列状方向に膨張または収縮させることにより前記手の一部に疑似的な力を与えることを特徴とする力触覚ディスプレイハンド。
【請求項３】
疑似的な力は、仮想空間に作り出された対象物に対して擬似的に接触しょうとする際にその対象物に接触するような反力を与えるものである請求項１または２記載の力触覚ディスプレイハンド。
【請求項４】
疑似的な力は、遠隔地の操作対象物を操作した結果、遠隔地の対象物に対して接触した情報に基づき作り出された信号により、その対象物に接触するような反力を与えるものである請求項１または２記載の力触覚ディスプレイハンド。
【請求項５】
疑似的な力は、通信相手によって操作された結果、操作対象物に対して接触した情報に基づき作り出された信号により、その対象物に接触するような反力を与えるか、もしくはその対象物があたかも自分の手であるがごとく接触されるような反力を与えるものである請求項１または２記載の力触覚ディスプレイハンド。
【請求項６】
複数の骨材がほぼ面的に配置された骨材層を成し、弾性膨張収縮体を前記骨材層の片面、または両面に構成することにより、骨材および弾性膨張収縮体よりなる平面型の駆動機構を主体として構成したことを特徴とする請求項１または２記載の力触覚ディスプレイハンド。
【請求項７】
可動自在に連結される連結部の自由度がほぼ回転自由度のみであって、少なくとも指先に近い連結部の自由度が、指の動きに添った１自由度に拘束されていることを特徴とする請求項６記載の力触覚ディスプレイハンド。
【請求項８】
自由度を回転自由度のみに拘束する連結部が、薄板バネによりなる弾性ヒンジを構成していることを特徴とする請求項７記載の力触覚ディスプレイハンド。
【請求項９】
自由度を回転自由度のみに拘束する連結部が、骨材の一部を細らせることにより骨材自体の弾性によりなる弾性ヒンジを構成していることを特徴とする請求項７記載の力触覚ディスプレイハンド。
【請求項１０】
連結部の変形量センサーや、力覚量を制御するための力センサーなどのセンサーを接続する信号配線や、電気的に弾性膨張収縮体を駆動する駆動配線などの配線を備えたフレキシブル配線基板を、連結部の曲げ部の近傍付近に配置したことを特徴とする請求項６記載の力触覚ディスプレイハンド。
【請求項１１】
フレキシブル配線基板が、薄板バネによりなる弾性ヒンジを兼ねていることを特徴とする請求項６記載の力触覚ディスプレイハンド。
【請求項１２】
指サックまたはグローブが、骨材または骨材に近い剛性の材料によりなり、指サックまたはグローブの内面から、前記手の一部に、弾性膨脹収縮体の膨脹による疑似的な力を与えることを特徴とする請求項６記載の力触覚ディスプレイハンド。
【請求項１３】
指サックまたはグローブが、骨材または骨材に近い剛性の材料によりなり、指サックまたはグローブの外面部に、感圧センサー、摩擦センサーなどの触覚センサーを備えたことを特徴とする請求項６記載の力触覚ディスプレイハンド。
【請求項１４】
連結部材の近傍に配置された連結部の変形量センサーを備え、骨材の手または前腕への装着固定部に配置された、超音波式または撮像式などのハンド位置検出センサーを必要に応じて備えたことを特徴とする請求項１または２記載の力触覚ディスプレイハンド。
【請求項１５】
弾性膨張収縮体を膨張または収縮させる手段が、ゴム弾性体への空気圧印可により駆動する手段、または形状記憶材料への加熱冷却により駆動する手段、またはポリマーへの電界印可により駆動する手段であることを特徴とする請求項１または２記載の力触覚ディスプレイハンド。
【請求項１６】
少なくとも、複数の骨材がほぼ平面的に配置された骨材層を一括して形成するプロセスと、弾性膨張収縮体層を前記骨材層の隣接面に連結するプロセスを含むことを特徴とする力触覚ディスプレイハンドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、仮想現実感（ヴァーチャルリアリティ）の提示装置として使用される力触覚ディスプレイおよびその製造方法に関し、特に、手に装着して使用する力触覚ディスプレイハンドおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ内部のデジタルデータにより構築された仮想物体を画像表示し、あたかも操作者がその仮想物体が実在するがごとく感じさせる仮想現実感（ヴァーチャルリアリティ）提示装置や、遠隔地にある操作用ロボットを操作し、遠隔地にある操作対象物を操作する際に、あたかも操作者が、この操作対象物が手もとにあるがごとく感じながら操作できる提示装置として各種の触覚、力覚提示装置が提案されている。
【０００３】
このような力触覚提示装置の例として、複数のワイヤを指にはめ、空間に構成したフレームにこのワイヤを連結しワイヤの張力を制御することにより、指に力覚を与えるものがある。このような装置はどうしても大きくならざるを得ず、簡便な使用のためには小型軽量の触覚、力覚提示装置が望まれる。
【０００４】
グローブ型の力触覚提示装置の例として、ＵＳＰ５，１８４，３１９（Ｆｅｂ．２，１９９０）にはグローブの表面に添って配置されたワイヤを駆動することによる力触覚提示装置が開示されている。このデバイスは登録商標ＣｙｂｅｒＧｒａｓｐとして商用されているが、多数の部品の組み立て体であるため高価で、軍事用や産業用にその用途が限定されている。
【０００５】
ＣＰＵの情報処理性能の向上に伴うＰＣの高性能化と低価格化により、ＰＣは広く社会に普及してきており、一般のユーザーが簡便で安価な力触覚提示装置の使用により直感的でわかりやすい操作でＰＣを操作できるマンマシンインターフェイスの普及が望まれる。
【０００６】
グローブ型の触覚提示装置の例としてＵＳＰ６，２３９，７８４　Ｂ１（Ｍａｙ．２９，２００１）にはリング部材を連結したグローブ型で、リング部材の先に設けたメンブレムを空気圧で変形させることにより指先に触覚を提示する装置が開示されている。このデバイスは前述のグローブ型力触覚提示装置にくらべて簡便な構成となっているものの、メンブレムを指先に当接させるだけのものであり的確な力覚を提示できるものではない。
【０００７】
これら既報の力触覚提示装置の従来例には、本発明出願に係わる、複数の骨材よりなる連結構造で駆動され、的確に力覚を提示できると共に、構造が簡便で安価に製造できる力触覚ディスプレイハンドは開示されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述したごとく、仮想現実感提示装置をさらに広く普及させるには、的確な力触覚を提示できる基本的な性能を確保するとともに、簡便な構成で安価に製造できる力触覚提示装置を実現することが重要な課題である。また良好な操作性を得るには、デバイスは小型、軽量である必要がある。
【０００９】
本発明の目的は、上記課題を解決し、普及が望まれる仮想現実感提示装置として、的確な力触覚の提示を可能とすると共に、製造の容易さを含めて実用レベルの具体的構成を備えた力触覚ディスプレイハンドおよびその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る力触覚ディスプレイハンドは、複数の骨材を連結部で可動自在に連結するとともに、前記連結部をまたがり前記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、前記骨材に連結されるとともに、少なくとも指または手のひらまたは手の甲を含む手の一部に係合される指サックまたはグローブをさらに備え、前記弾性膨張収縮体を膨張または収縮させることにより前記手の一部に疑似的な力を与えるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１記載の力触覚ディスプレイハンドは、複数の骨材を連結部で可動自在に連結するとともに、前記連結部をまたがり前記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、前記骨材に連結されるとともに、少なくとも指または手のひらまたは手の甲を含む手の一部に係合される指サックまたはグローブをさらに備え、前記弾性膨張収縮体を膨張または収縮させることにより前記手の一部に疑似的な力を与える。
【００１２】
また、本発明に係る力触覚ディスプレイハンドは、複数の骨材を列状に配置し、前記骨材の端部どうしを連結部で可動自在に連結するとともに、前記連結部をまたがり前記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、前記骨材に連結されるとともに、少なくとも指または手のひらまたは手の甲を含む手の一部に係合される指サックまたはグローブとをさらに備え、前記弾性膨張収縮体を前記列状方向に膨張または収縮させることにより前記手の一部に疑似的な力を与え、このことにより上記目的が達成される。
【００１３】
前記の疑似的な力は、仮想空間に作り出された対象物に対して擬似的に接触しょうとする際にその対象物に接触するような反力を与えるものとしてもよい。
【００１４】
また、前記の疑似的な力は、遠隔地の操作対象物を操作した結果、遠隔地の対象物に対して接触した情報に基づき作り出された信号により、その対象物に接触するような反力を与えるものとしてもよい。
【００１５】
また、前記の疑似的な力は、通信相手によって操作された結果、操作対象物に対して接触した情報に基づき作り出された信号により、その対象物に接触するような反力を与えるか、もしくはその対象物があたかも自分の手であるがごとく接触されるような反力を与えるものとしてもよい。
【００１６】
本発明に係る力触覚ディスプレイハンドは、さらに、複数の骨材がほぼ平面的に配置された骨材層を成し、弾性膨張収縮体を前記骨材層の片面、または両面に構成することにより、骨材および弾性膨張収縮体よりなる平面型の駆動機構を主体として構成することにより、より効果的に上記目的が達成される。
【００１７】
本発明に係る力触覚ディスプレイハンドは、さらに、可動自在に連結される連結部の自由度がほぼ回転自由度のみであって、少なくとも指先に近い連結部の自由度が、指の動きに添った１自由度に拘束されていることにより、より効果的に上記目的が達成される。
【００１８】
前記の自由度を回転自由度のみに拘束する連結部が、薄板バネによりなる弾性ヒンジを構成していてもよい。
【００１９】
前記の自由度を回転自由度のみに拘束する連結部材が、骨材の一部を細らせることにより骨材自体の弾性によりなる弾性ヒンジを構成していてもよい。
【００２０】
本発明に係る力触覚ディスプレイハンドは、さらに、連結部の変形量センサーや、力覚量を制御するための力センサーなどのセンサーを接続する信号配線や、電気的に弾性膨張収縮体を駆動する場合には必要に応じて駆動配線などの配線を備えたフレキシブル配線基板を、連結部の曲げ部の近傍の層に配置することにより、より効果的に上記目的が達成される。
【００２１】
前記のフレキシブル配線基板が、薄板バネによりなる弾性ヒンジを兼ねていてもよい。
【００２２】
本発明に係る力触覚ディスプレイハンドは、さらに、指サックまたはグローブが、骨材または骨材に近い剛性の材料によりなり、指サックまたはグローブの内面から、前記手の一部に、弾性膨脹収縮体の膨脹による疑似的な力を与えることとしてもよい。
【００２３】
本発明に係る力触覚ディスプレイハンドは、さらに、指サックまたはグローブが、骨材または骨材に近い剛性の材料によりなり、指サックまたはグローブの外面部に、感圧センサー、摩擦センサーなどの触覚センサーを備えたこととしてもよい。
【００２４】
本発明に係る力触覚ディスプレイハンドは、連結部材の近傍に配置された連結部の変形量センサーを備え、骨材の手または前腕への装着固定部に配置された、超音波式または撮像式などのハンド位置検出センサーを必要に応じて備えたことにより、より効果的に上記目的が達成される。
【００２５】
本発明に係る力触覚ディスプレイハンドは、弾性膨張収縮体を膨張または収縮させる手段が、ゴム弾性体への空気圧印可により駆動する手段、または形状記憶材料への加熱冷却により駆動する手段、またはポリマーへの電界印可により駆動する手段とすることにより、より効果的に上記目的が達成される。
【００２６】
本発明に係る力触覚ディスプレイハンドの製造方法は、少なくとも、複数の骨材がほぼ平面的に配置された骨材層を一括して形成するプロセスと、弾性膨張収縮体層を前記骨材層の隣接面に連結するプロセスを含むことを特徴とすることにより、上記目的が達成される。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における力触覚ディスプレイハンドの断面図を示す。図１に示す力触覚ディスプレイハンドは指サック型で手の甲の部分で固定するタイプのものである。図２に同じく実施の形態１における、ブローブ型の力触覚ディスプレイハンドの先端部の断面図を示す。
【００２８】
図１において、複数の骨材１を連結部材２によって連結し、この連結部で可動自在にし、この連結部をまたがって弾性膨脹収縮体３を骨材１に固定部４で固定する。骨材１として、剛性は高いが軽量なプラスチック製の平板を用い、連結部材は蝶番機構として１軸の回転自由度を持たせている。弾性膨脹収縮体３として、外径がおおよそ平板形状に近いラバー製で、空気圧の印可により長さ方向に伸びる空気圧アクチュエータを用いる。複数の空気圧アクチュエータは個別に複数のチューブなどによりなる空気圧導入経路１０によって空圧制御機１１に接続され、空気圧を制御することにより駆動される。
【００２９】
指サック５は骨材１に連結されており、この指サック５に指をはめるとともに、同じく骨材１に連結されたハンドの固定具６によりこの力触覚ディスプレイハンドを手の甲に固定し、装着する。図示していないが他の指も同様に装着する。特に親指は他の４指に比べて関節の曲がり方向が交差しているがこれにそって上記駆動機構を配置する。
【００３０】
ここで従来の技術の項で述べた既報の力触覚提示装置との差異を明らかにするため、提示する力覚としての指に及ぼす力とその反力の関係について説明する。
【００３１】
図１１は力触覚提示装置の従来例の一つを示す説明図である。この力触覚提示装置はワイヤ１０１でつるされた指サック１０２を指にはめ、空間に構成したフレーム１０３に連結部１０４で取付られた張力制御アクチュエータ１０５にこのワイヤ１０１を連結し、ワイヤの張力を制御することにより、指に力覚を与えるものである。力覚として指に提示される、指がワイヤから受ける力１０６は、フレームの連結部１０４で反力１０７とつり合い、支えられる。この力触覚提示装置は複数のワイヤを望ましい方向に配置することにより力覚として指に与える力の反力をフレームで確実に支えることができるので的確な力覚を提示することができる。ただ前述したように全体として大きくならざるを得ない難点がある。
【００３２】
図１２は従来の技術の項で２番目の従来例として述べた、グローブの表面に添って配置されたワイヤを駆動することによる力触覚提示装置の例である。指にはめられた指先への力覚のアプリケータ１２０はグローブ１２１にそって配置され、要所に配置されたガイド１２２にてガイドされたワイヤ１２３およびワイヤ１２４に結合され、その他端はリストバンド１２５に取り付けられた端部１２６に連結される。ワイヤはその先、非圧縮性のチューブ１２７の内部を通ってワイヤ駆動装置１２８に結ばれ、牽引駆動される。この力触覚提示装置ではガイド１２２の場所でワイヤの角度が変わるので、この部分でワイヤの張力の分力が生じ、その反力１２９を手で支えることになる。またリストバンドでも端部１２６のワイヤ張力の分力とつり合う反力１３０を手のリスト部で支えることになる。
【００３３】
図１３は従来の技術の項で３番目の従来例として述べた、リング部材を連結したグローブ型で、リング部材の先に設けたメンブレムを空気圧で変形させることにより指先に触覚を提示する装置である。指にはめられたリング部材１４０に設けられた空圧式のメンブレム１４１に、弾性のあるリブ部材１４２に埋設された空気圧印可のための中空経路を通じて圧力を印可し、メンブレム１４１をたわませて指に当節させることにより触覚を提示するものである。リム部材１４２には手のひらを取り囲む手段１４３があり、この部分で手に装着する。リム部材１４２には、指を曲げる自由度を与えるため適当な弾性を持たせる必要があるが、曲げられていない自然の位置ではこのメンブレムにより指先にかかる力１４４を、これとつり合う反力１４５として指で支えることになる。また指を曲げてリム部材をたわませるにつれてメンブレム部から指先に力を受け、この力はたわみが大きい程増大するので的確な力覚提示をする機能は持っていないと言える。
【００３４】
これらの従来例に対して図１に示した本発明の力触覚ディスプレイハンドでは、提示する力覚としての指に及ぼす力７とつり合う反力は、連結部材２のまわりのモーメント力９として伝達され、ハンドの固定具６の部位でののみモーメント力８として支えられるから、指部では提示される力覚以外の力は作用せず、的確な力触覚を提示することができる。
【００３５】
図１の実施例では複数の骨材１を指の骨格の関節構造にそって列状に配置することにより手の骨格構造と親和性のよい合理的な構成とすることができている。また複数の骨材１は同一の層に平面的に配置され、弾性膨脹収縮体３もこの層の片面に隣接して構成しており、骨材１および弾性膨脹収縮体３よりなる平面型の薄型の駆動機構となっているため、小型軽量の力触覚提示デバイスとなっている。
【００３６】
また製造上も、複数の骨材１がほぼ平面的に配置された骨材層を一括して形成し、弾性膨張収縮体３を前記骨材層の隣接面に連結することができるので、多くの骨材を連結した構成であっても、大量一括生産性にすぐれた製造法でもって製造することができ、安価なデバイスを提供できる。
【００３７】
多くの骨材が分離された構成の場合でもこれらは同じ骨材層に位置しているため、平面構造にこれらを配置してダミーの連結部で連結しておき、弾性膨脹収縮体を隣接面に連結したあとこのダミーの連結部で分離することができる。
【００３８】
さらにこの実施例では、少なくとも指先に近い連結部材の自由度を、指の動きに添った１自由度に拘束している。ハンドの固定具６の側の連結部材は簡易的には同様に１自由度に拘束した構造でもよいが、実施の形態２の項で後述するように、多軸まわりの自由度とすることにより、より多方向からの指先への力覚の提示機能を持たせることができる。
【００３９】
図２は実施の形態１の具体構成の１例を示しており、指に係合させるのをグローブ型とし、連結部材を薄板バネとしたものである。図２において、複数の骨材１を、薄板バネ１２で連結してその連結部２Ａを弾性ヒンジ構造とし、この連結部２Ａをまたがって前述の空気アクチュエータで構成する弾性膨脹収縮体３を骨材１に部位４で固定した構成としている。膨脹する弾性膨脹収縮体３の固定を確実にするために平板状の骨材１にはこれらが収まるくぼみ部を設けている。骨材１にグローブ１３が連結され指に装着する。骨材層の片側のみにアクチュエータを配置し、指のはら部側からのみ力覚を与える機能に限定する場合にはこのグローブは繊維よりなる柔軟な部材で構成してもよい。グローブの内面の指と当節する部分に局部的に分布した力覚１４を与えることができる。この弾性ヒンジは指の関節に添った１軸の回転自由度としたものである。
【００４０】
図３に示す力触覚ディスプレイハンドは図１がディスプレイハンドを手の甲部分に固定するものであったのに対し、前腕の先端部分で固定するタイプのものである。指サック５に指をはめるとともに、手のひら部には手のひら用のグローブ１３Ａを装着するとともに、骨材１に連結されたハンドの固定具６Ａによりこの力触覚ディスプレイハンドを前腕の先端部に固定し、装着する。この場合手のひらにも力覚７Ａを提示することができ、よりリアルな力触覚を提示できる。
【００４１】
（実施の形態２）
次にこのように指先の回転自由度を１軸のみとする構成の利点を利用した別形態の実施例を以下に説明する。図４（ａ）は図２の場合と同様骨材１を薄板バネ１２で連結してその連結部２Ａを弾性ヒンジ構造としたものである。指サック５は骨材１または骨材に近い剛性の材料とし、その内部の側面に空気圧により膨脹する空気圧アクチュエータ１８を備えている。骨材の列方向をＸ軸、弾性ヒンジの回転軸をＹ軸、骨材層をなす面の法線方向をＺ軸として図示している。図４（ｂ）は指サック部に指を装着した部分の断面図である。この機構ではＹ軸のまわりの回転のみができる構造であるから指の側面に力覚として指が受ける力７Ｂに対してこれとつい合う反力は骨材１の根本でモーメント力１５として受けることができるから、的確な指の側面への力触覚提示を行うことができる。
【００４２】
図４（ｃ）は高剛性な材料で構成した指サック５の先に、皮膚のような柔軟な材料を使った人工皮膚１６の中に感圧センサー、摩擦センサーなどの触覚センサー１７を設けたものである。このセンサーはこの力触覚ディスプレイハンドを装着した状態で、力覚提示のための駆動とは独立に対象物に触った信号を検出できるので、この信号を力覚の相互情報通信などで利用することができる。
【００４３】
図４（ｄ）は、骨材１の一部を細らせ、この細らせた部分を回転軸とした弾性ヒンジ１Ａを構成させた例である。たとえばポリエチレンなどのプラスチックの適当な板厚みのものは骨材として必要な高い剛性をもっているとともに、適度に細らせた部分で曲げることが可能なヒンジを構成することができる。この場合弾性ヒンジ１Ａが連結部となって別の連結部材を要せず、構造が簡便であるとともに骨材はあらかじめ一体化されているのでその他の層部材を集積化するのに適している。
【００４４】
上記の図４（ａ）の実施の形態が指先の側面に力触覚を与えたものであったのに対し、図５（ａ）および（ｂ）は指先の前方から力触覚を与えるものである。指サック５の先端部側の側壁５Ｂの部分に空気圧により膨脹する空気圧アクチュエータ１８を備え、この空気圧アクチュエータを膨脹させることにより指先の先端に力触覚を与える。指が受ける力７Ｃのほとんどは根本側の骨格１で反力２０とつり合い支えられる。この２つの力は、Ｚ軸方向に高さの差があるため、Ｙ軸まわりには若干のモーメント力が発生するが、連結部に若干のモーメント力を加えることで支えることができる。
【００４５】
図６（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、２軸ないし３軸の回転自由度を、薄板バネによる弾性ヒンジ構成にて平面的に構成する駆動機構である。骨材１の連結部を、漸次その幅を細らせた突き合わせ部１Ｂとなる形状とし、適度な剛性をもつゴム製の薄板バネ２１で連結する。この構成によってＸ，Ｙ、Ｚ軸まわりの回転が可能なユニバーサルジョイント機構となる。薄板バネの剛性が十分大きい材質を選んだ場合には、薄板バネの面内剛性は、その曲げ剛性およびねじれ剛性に比べて大きいので、Ｚ軸の回転の自由度を拘束することもできる。図６（ｂ）および（ｃ）に示したように複数の弾性膨脹収縮体２２を配置し、拮抗させて駆動することにより自由な方向に駆動することができる。
【００４６】
図７（ａ）および（ｂ）は上記の図６で示した機構を用いた力触覚デスプレイハンドの一部を表す斜視図である。２本の骨材列が根本部で骨材１Ｃで結合されている。指の根本の一部に上記ユニバーサル機構を用いることにより指先にあらゆる方向から力を加えることができるから、力触覚提示の多様化を図ることができる。指の側面に少し大きな力７Ｄを加えるには骨材列間の根本部分に弾性膨脹圧縮体２３を設け、これを膨脹させることで効率的に大きな力を加えることができる。
【００４７】
（実施の形態３）
図８（ａ）および（ｂ）は本発明の実施の形態３における力触覚ディスプレイハンドの駆動機構の平面図および断面図を示す。図９に同じくこの駆動機構を使った、指サック型の力触覚ディスプレイハンドの先端部の断面図を示す。さらに図１０（ａ）および（ｂ）は拮抗駆動型の力触覚ディスプレイハンドの駆動機構の断面図および平面図を示す。いずれの駆動機構も形状記憶合金で駆動するタイプのものである。
【００４８】
図８において、複数の平板状骨材１をフレキ配線基板３０で連結することにより、フレキ基板の弾性を利用して弾性ヒンジ３０Ａを構成している。フレキ配線基板３０上には配線３１により結線された弾性ヒンジ部の変形量センサー３２を備え、この駆動機構の姿勢を検知する機能を備えている。この連結部となるフレキ基板の弾性ヒンジ部３０Ａをまたがって形状記憶合金ワイヤまたはコイル３３を骨材１に固定部４で固定する。形状記憶合金ワイヤまたはコイル３３Ａは指先側の骨材に固定部４Ａで固定され、別の骨材に設けられた引っかけ部３４Ａを通じてさらに別の骨材に固定される。指先側から２番目の骨材には、形状記憶合金ワイヤまたはコイル３３Ｂが固定部４Ｂで固定され、別の骨材に設けられた引っかけ部３４Ｂを通じてさらに別の骨材に固定される。それぞれの形状記憶合金ワイヤ（またはコイル）３３Ａおよび３３Ｂは、電源３５Ａおよび３５Ｂで独立に通電加熱されることにより、この駆動機構が駆動される。形状記憶合金は温度が上昇しマルテンサイト変態温度を越えると縮む様、形状記憶処理したものを用い、通電を切って放熱冷却することにより元の長さに戻る。
【００４９】
図９に示すように、この平面型駆動装置を組み込んだ指サック型の力触覚ディスプレイハンドにおいても、前述の膨脹式で空気圧型の力触覚ディスプレイハンドと同様、提示される力触覚として指先が受ける力３６の反力を、この駆動機構の根本でモーメント力３７として支えられるため、的確な力触覚を提示することができる。
【００５０】
図１０に示す拮抗駆動型の駆動機構の場合もその構成要素は図８と同様である。この駆動機構は、骨材層を挟んでその両側に駆動源となる形状記憶合金ワイヤ３３Ｃおよび３３Ｄを取り付けたもので、この両者の駆動の拮抗作用で正逆両方向に駆動することができる。
【００５１】
空気圧式アクチュエータの中には、空気圧を加えることによりその長手方向に縮む形式のものがある。
【００５２】
マッキビーン型アクチュエータはゴムチューブに円筒状の網をかぶせたもので、空気圧を印可することによりその径方向に膨脹し、この膨脹に伴い網目が引っ張られ、長手方向には縮むものである。このような機能の空気式アクチュエイータを駆動源に用いる場合には、図８において形状記憶合金ワイヤまたはコイルを、この機能を持った空気圧式アクチュエータに置き換えることで同様の駆動機構を構成することができる。
【００５３】
また電気的に駆動することのできる各種のポリマー材料が、人工筋アクチュエータとして研究開発されている。たとえばシート状の誘電体ポリマーに柔軟電極を設けた多層構造のアクチュエータや、ゲル電歪型、ゲルのイオン駆動型などが提案されている。これらを駆動源に使う場合には、膨脹型のものであれば図１に準じた構成で、収縮型のものであれば図８に準じた構成で、本発明の駆動機構とすることができる。このような人工筋肉アクチュエータは、ポリマー材料を主体としているから材料自体が軽量であるとともに、高いコンプライアンスを有することとあわせて、安全であり、装着型デバイスとして人との親和性に優れている。
【００５４】
本実施例の力触覚ディスプレイハンドは、連結部材の近傍に配置された連結部材の変形量センサー３２を備えている。これに加え、骨材の手または前腕への装着固定部に配置された、超音波式または撮像式などのハンド位置検出センサーを備えることにより、この力触覚ディスプレイハンドの空間における位置と姿勢を検出することができるので、仮想空間に作り出された対象物に対して同じく仮想的ハンドの相対位置を表示することができるとともに、これをデータの入力として利用することができる。
【００５５】
このデータ入力機能に加えて、本発明の力触覚ディスプレイハンドが提示する疑似的な力として、仮想空間に作り出された対象物に対して擬似的に接触しょうとする際にその対象物に接触するような反力与えることにより、ＰＣの操作をより実体感を持って操作できるものとすることができる。画面上のディスクトップに表示されたファイルなどをマウスで操作するグラフィカル・ユーザー・インターフェイス（ＧＵＩ）が現在広く普及しているが、本発明の力触覚ディスプレイハンドによれば、このマウス操作によるよりも、より直感的で、したがって習熟の必要性の少ない普遍性の高い操作感を提供することが可能となる。
【００５６】
災害地など危険な場所での土木機械の操作など、ロボットハンドを遠隔で器用に操作できる技術が望まれる。本発明の力触覚ディスプレイハンドが提示する疑似的な力として、遠隔地の操作対象物を操作した結果、遠隔地の対象物に対して接触した情報に基づき作り出された信号により、その対象物に接触するような反力を与えることで、遠隔地の対象物に対してもあたかも目の前の対象物を取り扱っているような実体感をもって操作でき、その結果より確実な操作が可能となる。
【００５７】
さらに、人の手のもつ触覚や力覚は、人と人とのコミュニケーションにおいて映像や音声のみでは伝え切れない別種の感性をもっている。本発明の力触覚ディスプレイハンドが提示する疑似的な力として、通信相手によって操作された結果、操作対象物に対して接触した情報に基づき作り出された信号により、その対象物に接触するような反力を与えるか、もしくはその対象物があたかも自分の手であるがごとく接触されるような反力を与えるようにすることで、人の五感に訴え、より親近感のもてる相互情報通信を行うことが可能となる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、普及が望まれる仮想現実感提示装置として、的確な力触覚の提示を可能とすると共に、小型軽量で、製造の容易さを含めて実用レベルの具体的構成を備えた力触覚ディスプレイハンドおよびその製造方法を提供できるという顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における手の甲装着型の力触覚ディスプレイハンドの断面図
【図２】本発明の実施の形態１における力触覚ディスプレイハンドの一部を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態１における前腕装着型の力触覚ディスプレイハンドの断面図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態２における駆動機構の斜視図
（ｂ）本発明の実施の形態２における駆動機構の断面図
（ｃ）本発明の実施の形態２における駆動機構の断面図
（ｄ）本発明の実施の形態２における弾性ヒンジの図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態２における別形態を示す駆動機構の斜視図
（ｂ）本発明の実施の形態２における別形態を示す駆動機構の断面図
【図６】（ａ）本発明の実施の形態２における多軸回転駆動機構の斜視図
（ｂ）本発明の実施の形態２における多軸回転駆動機構の斜視図
（ｃ）本発明の実施の形態２における多軸回転駆動機構の断面図
【図７】（ａ）本発明の実施の形態２における力触覚ディスプレイハンドの一部を表す斜視図
（ｂ）本発明の実施の形態２における力触覚ディスプレイハンドの一部を表す断面図
【図８】（ａ）本発明の実施の形態３における力触覚ディスプレイハンドの駆動機構の平面図
（ｂ）本発明の実施の形態３における力触覚ディスプレイハンドの駆動機構の断面図
【図９】本発明の実施の形態３における力触覚ディスプレイハンドの一部を示す断面図
【図１０】（ａ）本発明の実施の形態３における力触覚ディスプレイハンドの別形態を示す駆動機構の平面図
（ｂ）本発明の実施の形態３における力触覚ディスプレイハンドの別形態を示す駆動機構の断面図
【図１１】力触覚提示装置の第１の従来例を示す説明図
【図１２】力触覚提示装置の第２の従来例を示す説明図
【図１３】力触覚提示装置の第３の従来例を示す説明図
【符号の説明】
１　骨材
２　連結部材
２Ａ　連結部
３　弾性膨脹収縮体
４　固定部
５　指サック
６，６Ａ　ハンドの固定具
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ　力覚となる力
８　モーメント力
９　モーメント力
１０　空気圧導入経路
１１　空圧制御機
１２　薄板バネ
１３，１３Ａ　グローブ
１４　力覚となる分布した力
１６　人工皮膚
１７　触覚センサー
１８　空気圧アクチュエータ
２１　薄板バネ
２２　複数の弾性膨脹収縮体
２３　弾性膨脹圧縮体
３０　フレキ配線基板
３１　配線
３２　変形量センサー
３３　形状記憶合金ワイヤまたはコイル
３４　引っかけ部
３５　電源
【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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