(57)【要約】【課題】  各種機器に対して情報を入力するに際し、手や指の操作をできる限り行わないようにする。【解決手段】  剛体に設けられた接触面を手指や掌等で押すことにより剛体に加わる力及び力のモーメ ントの３次元要素を固定点で測定し、接触位置である加重中心位置を算出する。更に、押力の方向や大きさ、持続等により変化する測定値をパタン分類し、ＰＣ等情報機器における位置制御や画面制御を接触動作により行うことができる情報機器のための情報入力機構とする。その際、指示治具１７にピンドット式の接触表示装置１１を固定し、支持治具１７を指示台１４に対して片持支持し、その支持部に６軸センサー１５を設ける。それにより視力の重度障害者でも、接触面１２に指等で触って接触面の表示を知覚しながら、そのまま所定の力を加えることにより情報入力を行うことができる。【選択図】  図１  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作入力治具を支持台に片持梁式に支持すると共に、該操作入力治具の自由端部側を利用者による接触操作部とし、
前記操作入力治具の支持台への支持部に６軸センサーを設け、
前記操作入力治具の接触操作部に作用する利用者による操作力の６軸の方向と各力の大きさを前記６軸センサーにより検出し、
前記６軸センサーによる前記検出値を利用者による機器への入力情報とすることを特徴とする接触型情報入力装置。
【請求項２】
前記操作入力治具の接触操作部には、利用者の接触により利用者に情報を出力する接触式出力装置を備え、
前記６軸センサーは前記接触式出力装置の接触面に作用する利用者による操作力を検出することを特徴とする請求項１記載の接触型情報入力装置。 
【請求項３】
前記接触式出力装置は、接触面にドット状に突出する複数のピンであることを特徴とする請求項２記載の接触型情報入力装置。
【請求項４】
前記接触型情報入力装置を、パソコンの入力装置として用いたことを特徴とする請求項１記載のパソコン用接触型情報入力装置。
【請求項５】
前記接触操作部に熱を与える手段を設け、利用者による接触操作部の熱の知覚により利用者に情報を出力することを特徴とする請求項１記載の接触型情報入力装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パソコン等の種々の機器に対して利用者が位置制御信号や画面制御信号等の各種の情報信号を、手指や掌等による接触動作によって入力することができるようにした接触型情報入力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばパソコンにおいては図４に示すように、演算機能を含め種々の機能を備えたパソコン本体２１に対して、利用者への情報出力のためにディスプレイ２２を備え、利用者はこのディスプレイ２２に表示された情報に基づき、必要に応じて要求する処理をキーボード２３或いはマウス２４を指で操作することによってパソコン本体２１に対して入力し、パソコン本体２１ではさらにその要求に応じて処理した出力をディスプレイ２２に表示する、グラフィックインターフェースの利用がなされている。
【０００３】
このような処理はパソコンに限らず、各種機器の操作においても機器とその操作を行う利用者との間で常に行われており、電気機器の操作のように複雑な操作を行う際には機器本体、或いはリモコン等の操作部に液晶等の表示部を設けて、前記パソコンの操作と同様に利用者はその表示部に表示された情報に基づきに順に希望する処理を選択し、操作部を指で操作しながら指示していくことが行われている。
【０００４】
上記のような各種機器の操作のために利用者が機器に対して各種情報を入力する際には、パソコンの場合にはキーボードによってキー入力し、またキー操作やマウスによってカーソルを移動して種々の指示を行うことができるものであるが、比較的操作が単純であるマウスの操作においても、マウスを平面上で移動させてカーソルやポインターを移動する必要があり、少なくとも手首の細かな移動操作を必要とする。また、そのような移動操作に引き続いて確定入力の指先操作を必要とし、時にはマウスの右クリックと左クリックを使い分け、ドラッグ操作を別途行うこともあり、マウス操作に慣れない人にとっては煩わしい操作を行わざるを得なくなる。
【０００５】
一方、上記のように各種機器の操作のために利用者が指示を行い、また機器が利用者に情報を提示するには、通常の利用者に対しては情報を視覚で感知することができる表示部を備え、利用者はその表示部を視認して情報を得ることができ、更に次の操作を行うことができるようにしている。しかしながら、視覚に障害のある人にとっては前記ディスプレイ等の表示部に表示された情報を見ることができないので、パソコン等の機器の操作を行うことができず、晴眼者すなわち一般の人と比較して大きなハンディーを負わざるを得なかった。
【０００６】
その対策としてキーボードやファンクションキー等に帯状のタッチセンサーを設け画面をスクロールするもの、画面部分をタッチセンサー機能にしてこれを操作するもの、或いはジョイスティック等により操作するものは、画面をほとんど見ることができない人にとっては無意味である。また、マギール大学のPANTOGRAPHや、ロジクール社のＷＩＮＧＭＡＮのような、マウス機能と力・振動覚フィードバック機能を備えた力覚デバイスも提案されているが、前記のような操作性の悪さは改善されていない。またこれらの技術においては、パソコン等の機器から図形情報を含む情報を触覚で出力する装置との組み合わせについては全く考慮されていない。
【０００７】
また、ディスプレイ等の表示を全く見ることができない人のために、例えば図５に示すような表面に多数の突出自在のピンを備えた接触表示部２５を設け、このドット状に突出するピンを任意に制御することによりその突出部によって図形や文字等を表示し、これを指で触る利用者に対して触覚により図形や文字等の情報を出力するピンディスプレイ装置が提案されている。
【０００８】
この装置は例えば図６に示すように、外枠２６の上面２７に多数のドット形成部２８を縦横等間隔に多数設け、これに例えば同図（ｂ）に示すような「Ａ」という文字を表示する際には、その一部を拡大して示す同図（ｃ）における４つのドット形成部２８について、同図（ｄ）にその断面図を示すように、枠体上面２７に等間隔に多数形成した摺動孔３０にピン３１を摺動自在に収納し、これをその下方から別途設けた駆動装置によって個々に上下動可能としている。この各駆動装置をパソコン本体２１等により制御することにより、図６（ｂ）及び（ｃ）の黒色で示す部分について同図（ｄ）に示すようにピン３１を枠体の上面２７から突出させるようにし、接触表示装置３３を構成している。
【０００９】
上記のような装置を用いることにより、図６に示す機構によって「Ａ」のような文字を図形として表示し、これを目の不自由な利用者が指先、或いは掌で触り、あらかじめ記憶していた知識によって「Ａ」という情報を知ることができる。この接触表示部２５には同様にして他の文字のほか種々の図形も表示することができ、利用者は指先等でこれらの情報を知ることができる。
【００１０】
また図５に示す装置においては、接触表示部２５の手前側に押しボタン３４等を配置し、これを指先等で操作することにより確認の意思の入力、次の情報表示の指示、さらには大きな図面のスクロール表示も可能としている。それにより、指先等で接触表示部３３を触った感覚により情報を理解し、更に利用者の意志を押しボタンの操作によってパソコン等の機器に入力することにより、利用者は多くの情報を取り込み、また各種機器に対して操作指示等の情報を入力することができるようになる。
【００１１】
なお、利用者がパソコン等に入力するに際して、操作部材表面に圧力センサを設け、更に操作部材の操作を６軸センサによって検出したものは下記の特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２５４３６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前記のような、パソコンの操作におけるキーボードやマウスの操作の煩わしさを解消するためには、例えばディスプレイをタッチパネル式にし、ディスプレイの所定位置を触ることにより操作指示入力を行うことも行われている。しかしながら、カーソルやポインターの操作には不向きであり、連続して長時間画面にタッチすることは多くの労力を必要とする。したがって、手や指の操作をできる限り行わずに、各種機器に対して所望の情報を入力することができる手段が望まれている。
【００１３】
また、前記のようなピン３１を枠体の上面２７から任意に突出させ、図形を含む各種情報を接触表示部２５に出力し、利用者がこれを指先や掌で触ることによりその情報を知り、更に押しボタン等を操作して機器に情報を入力するようにしたものにおいては、従来から提案されている各種の装置に比較して利用者が多くの情報を指先等で知ることができる特徴をもつものであるが、前記のように利用者が情報を機器に入力する際に指先等で情報を入力した後、この接触表示部３５から指等を離して押しボタン等の操作を行う必要があり、その操作は煩わしいものとならざるを得ない。
【００１４】
例えば、視覚障害者が視覚を介さずに画面上の特定の図形を選択するような場合、何らかの方法でマウスポインターを制御して図形に重ねてクリックする必要があるが、そこでは図形の認識、マウスポインターの認識と制御が多数必要となる。例えば上記の装置において、接触表示部３５を指先等で注意深く触ってその情報を知った後、指先等をその接触表示部３５から離して別の部分を操作し、再び接触表示部３５に触ったとき、特に図形のスクロール等によって僅かしか相違していないときには、先に触った図形とどのように変化したかを知ることは実質的にできない。
【００１５】
したがって本発明は、各種機器に対して情報を入力するに際し、手や指の操作をできる限り行わないようにすることを主たる目的とし、また、各種機器から出力された情報をドット状に配置したピンを備えた接触式出力装置に表示出力し、利用者がこれを指先等で接触してその情報を得る装置において、利用者がこの接触面を触ったまま、機器に対して利用者の意志を入力し、機器の操作指示等の情報入力を容易に行うことができるようにした接触型情報入力装置を提供することを本発明の課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は上記課題を解決するため、剛体に設えられた接触面を手指や掌等で押すことにより剛体に加わる力および力のモーメントの３次元要素を固定点で測定し、接触位置である加重中心位置を算出する。更に、押力の方向や大きさ、操作の持続等により変化する測定値をパタン分類し、ＰＣ等情報機器における位置制御や画面制御を接触動作により行うことができる各種機器のための情報入力機構としたものである。
【００１７】
即ち、本発明による接触型情報入力装置は前記課題を解決するため、操作入力治具を支持台に片持梁式に支持すると共に、該操作入力治具の自由端部側を利用者による接触操作部とし、前記操作入力治具の支持台への支持部に６軸センサーを設け、前記操作入力治具の接触操作部に作用する利用者による操作力の６軸の方向と各力の大きさを前記６軸センサーにより検出し、前記６軸センサーによる前記検出値を利用者による機器への入力情報としたものである。
【００１８】
また、本発明による他の接触型情報入力装置は、前記操作入力治具の接触操作部には、利用者の接触により利用者に情報を出力する接触式出力装置を備え、前記６軸センサーは前記接触式出力装置の接触面に作用する利用者による操作力を検出するようにしたものである。 
【００１９】
また、本発明による他の接触型情報入力装置は、前記接触式出力装置を、接触面にドット状に突出する複数のピンでとしたものである。
【００２０】
また、本発明による他の接触型情報入力装置は、前記接触型情報入力装置を、パソコンの入力装置として用いたものである。
【００２１】
また、本発明による他の接触型情報入力装置は、前記接触操作部に熱を与える手段を設け、利用者による接触操作部の熱の知覚により利用者に情報を出力するようにしたものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は各種機器に対して情報を入力するに際し、操作部に指先等を接触させたままで所定の方向に力を加えることにより、ポイティング、クリック、ダブルクリック、スクロール等を行うことができる。特に接触式表示装置と組み合わせることにより、重度の視覚障害者でも触覚による図形の認識と、その認識に基づいた利用者による情報の入力を容易に行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
各種機器に対して情報を入力するに際し、操作部に指先等を接触させたまま種々の情報を入力することができるようにするため、操作入力治具を支持台に片持梁式に支持すると共に、該操作入力治具の自由端部側を利用者による接触操作部とし、前記操作入力治具の支持台への支持部に６軸センサーを設け、前記操作入力治具の接触操作部に作用する利用者による操作力の６軸の方向と各力の大きさを前記６軸センサーにより検出し、前記６軸センサーによる前記検出値を利用者による機器への入力情報とした。
【実施例１】
【００２４】
図１は本発明の第１実施例を模式的に示したものであり、本発明を接触型情報入力装置を接触式入出力装置１０に適用した例を示している。図１に示す接触式入出力装置１０は、前記図５に示す従来の装置の接触表示部をそのまま適用した接触表示装置１１を備えており、目の不自由な利用者はその表面である接触面１２を、図中模式的に小さく示す手１３の指先等でなぞり、例えば図１（ｂ）に示すような「Ａ」の図形としての文字を知ることができるようにしている。
【００２５】
図１に示す接触式入出力装置１０においても同図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、前記図５（ｃ）及び（ｄ）と同様の機構からなる接触式出力装置としての接触表示装置１１によって作動するものであり、この装置においても枠体表面１４に等間隔に多数形成した摺動孔１５にピン１６を摺動自在に収納し、これをその下方から別途設けた駆動装置によって個々に上下動可能としている。この各駆動装置をパソコン本体等の機器によって制御することにより、図１（ｂ）及び（ｃ）に示すような黒色で示す部分を同図（ｄ）に示すように、ピン１６を枠体表面１４から突出させるようにし、接触表示装置１１を構成している。
【００２６】
上記のような接触表示装置１１を図１（ａ）に示す実施例においては、片持梁式の支持治具１７に固定し、支持治具１７の支持端部を支持台１８の側壁１９に回動自在に支持している。この支持端部には６軸センサー１５を設けており、６軸センサー１５のセンサー中心Ｏを中心として支持治具１７が回動するようにしている。６軸センサー１５はロボット等の各種の分野で広く用いられている、通称６軸センサーと呼ばれているセンサーを用いており、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の力であるＦＸ，ＦＹ，ＦＺ、及び各軸に対する回転方向の力であるＮＸ，ＮＹ，ＮＺのモーメントを検出するセンサー素子が利用され、それにより接触型情報入力装置を構成している。なお、支持治具１７は周知の機構により図示する所定位置に対して復帰するように支持され、接触面１２に対する利用者による指等の力を、その方向と力の大きさを６軸センサー１５で検出するようにしているため、支持治具１７は必ずしも回動する必要はない。
【実施例２】
【００２７】
図２に示す接触式入出力装置２０おいては、上記実施例と同様の接触表示装置２１を片持梁式の指示治具２２に固定し、指示治具２２の支持端部を支持台の底壁２３に支持した例を示しており、その支持部に６軸センサー２４を設けている。
【００２８】
上記第１実施例及び第２実施例に示すような６軸センサー１５、２４による６軸の力の計測値から、接触面１２上に加えられた荷重中心位置と荷重量等を演算するものであるが、その演算原理を以下に説明する。センサー位置は、実施例１においては支持台の側面１９、実施例２においては支持台の底面２２であるが、 計算式が位置には依存しないため、実施例１により説明する。なお、支持機構および被支持機構自体が有する 重量や力 のモーメントについては、線形性から消去可能であり、本説明からは除外する。
【００２９】
＜記号の説明＞
F：情報表示面に接した際の力のベクトル。N：同時に生じる力のモーメントのベクトル。
R：センサー中心を基準とした接触位置のベクトル。H：表示面の方程式を定義するための ベクトル。
＜接触（加重平均）位置の算出＞
方程式系：
力のモーメント（RとFの外積）：    N = R × F 
接触面の方程式：                  ( H , R - H ) = 0   ただし、( , )は内積。
FとNとは互いに直行：            ( F , N ) = 0
以上の方程式系を解くことにより、
R = { H × N + ( H , H )F} / ( H ,  F )
が得られ、NとFに測定値を代入すれば、接触（加重平均）位置Rを算出することができる。
＜スクロール機能の導出例＞
前提条件：  接触面をある程度の力で、かつ接触面に沿った力の成分が相対的に大きいような押し方をする。すなわち、力のベクトルを面に水平および垂直なベクトルに分解すると、後者の大きさが相対的に小さい。
これを数式表現すると、分解された垂直方向ベクトルが
( F , H ) H / ( H , H )
であることから、
( F , H )2 / { ( H , H )  ( F , F )} < T0
となる。また、接触面を押す力がある程度以上であることは、
( F , F ) > T1
と表現できる。ここで、T0およびT1は適当なしきい値である。
それらの条件を満たしたベクトルに対し、接触面に平行なベクトル
F - ( F , H ) H / ( H , H )
と逆の方向を持ち、かつその大きさを反映した被表示対象の移動を行うことにより、スクロール機能が実現される。
【００３０】
センサー中心を原点とした荷重中心位置を、力のモーメント、荷重量、との関係式及び接触面とセンサー中心を原点とした荷重中心位置を、力のモーメント、荷重量、との関係式及び接触面とセンサー中心との関係式から算出する。また、６個の測定値のプロファイルをパタン分類することにより、ポイティング、クリック、ダブルクリック、スクロール等の意図的命令を推定するようにすることもできる。
【００３１】
前記実施例１及び実施例２に示したような構造をなす、接触式出力装置と接触型情報入力装置とを組み合わせた装置は、パソコンへの情報入力装置として有効に利用することができるが、より具体的には特に本発明のスクロール機能を利用し、図３に示すような地図情報及びナビゲーション機能を、重度の視覚障害者が利用するために利用することもできる。すなわち図３に示す装置の例においては、同図（ａ）に示すような地図における自宅「自」から駅「Ｓ」迄及びその周囲の地図と誘導経路を利用者に提示する例を示している。ここでは最初に、同図（ｂ）のような自宅付近の地図を前記と同様のピンディスプレイ式の接触式出力装置によって、図形情報として出力し、利用者はこの接触面に触ることにより自宅とその近辺の平行線で示された道路、及びその平行線間を埋めて表示した誘導経路を知ることができるようにしている。
【００３２】
操作に際しては、例えば利用者がこの誘導経路の始端部を指で触って所定以上の力で押下することによりその位置が次第に表示部の中心に移動し、利用者はその移動とともに指先を移動させ、その後誘導経路の方向に所定以上の力を加えることにより表示地図がスクロールされ、その過程で交差点の位置、形状、及び進むべき道路を知ることができる。また、その付近の主要な施設も知ることができ、更に必要に応じて接触面を軽く触ることにより地図をスクロールすることなく指示地点周囲の道路状況や施設も知ることができ、また誘導経路周辺の地図を表示させることもできる。このような操作により現在地の自宅から駅までのルートと道路状況、施設等を容易に知ることができる。なお、この案内に際しては音声によって補助することもできる。また、上記のようなナビゲーション機能は携帯式の小型軽量の装置とし、携帯しながら上記ナビゲーション機能を従来の車両用ナビゲーション装置と同様に利用することができるようにもなる。
【００３３】
このように、接触式出力装置と接触型情報入力装置を組み合わせることにより、連続的に図形情報を利用者に提示しながら、利用者が接触面から指を離すことなく連続的に利用者の指示等の情報の入力を行うことができるようになる。  
【００３４】
上記実施例においては、接触式入出力装置１０の接触面には、ピンを突出し、突出したピンの列を指先等の接触による触覚によって情報を知るようにピンディスプレイ式の装置を用いた例を示したが、本発明は更に、平面上に突出し或いは所定の図形に突出するピンの任意の一部を加熱し、或いは冷却することにより、指先等の接触時に温感或いは冷感を与え、この感覚によって情報を利用者に出力することもできる。
【００３５】
上記各種実施例においては、情報を接触式入出力装置の接触面に提示し、これを指先等で触って情報を入力するものに本発明による接触式情報入力装置を適用した例を示したが、それ以外に従来のパソコンにおけるマウスの代わりに本発明による接触式情報入力装置を適用し、この装置の表面に指を載せ、指先で任意の操作方向に対して任意の力を付与し、その情報に基づいてパソコンのカーソル移動、ポインター移動等を行うようにすることもできる。その際には、従来のジョイスティックよりも、より操作のしやすい情報入力手段となる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は上記のように作動原理が単純であるので、触覚や温冷覚等の皮膚感覚を利用して情報を伝達する種々の出力機構と容易に一体化することができ、広範囲の技術分野で利用することができる。典型的な例として、前記のように重度視覚障害者用のピンディスプレイ式の触覚表示装置との組み合わせが有効であり、キー操作等による手の移動に煩わされることなく、触図等を触りながら表示範囲を動かしたり、図形を指で指定するなどの種々の操作が可能となる。また、医療手術やプラント操作等において、人が間接的に皮膚感覚を介して情報を獲得しながら遠隔操作を行う技術分野にも有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１実施例の説明図であり、（ａ）はその断面図、（ｂ）は接触面における図形表示状態の平面図、（ｃ）は（ｂ）の一部拡大図、（ｄ）は（ｃ）のＡ−Ａ部分の断面図である。
【図２】本発明の第２実施例の断面図である。
【図３】本発明をナビゲーション用地図のスクロールに利用した例を示す図である。
【図４】従来のパソコンに対する情報入出力装置のシステムを示す図である。
【図５】従来のピンディスプレイ式の触覚表示装置を利用したシステムを示す図である。
【図６】前記ピンディスプレイ式の触覚表示装置を示す図であり、（ａ）はその断面図、（ｂ）は接触面における図形表示状態の平面図、（ｃ）は（ｂ）の一部拡大図、（ｄ）は（ｃ）のＢ−Ｂ部分の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  接触式入出力装置
１１  接触表示装置
１２  接触面
１３  指
１４  枠体表面
１５  摺動孔
１６  ピン
１７  支持治具
１８  支持台
１９  側壁  
【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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