(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザが目的地の位置情報を入力するための目的地入力手段と、
現在位置を測位する位置及び方位測定手段と、
時刻表と乗り換え情報、及び地図地理情報を予め格納している地図地理情報記憶手段と、
前記目的地入力手段から得られる前記目的地の位置情報と前記位置及び方位測定手段から得られる前記現在位置の位置情報とを前記地図地理情報記憶手段に格納されている前記地図地理情報に照らし合わせ、評価基準を基に最適ルートを検索するルート検索手段と、
前記最適ルートの位置及び方位情報と前記現在位置の位置及び方位情報とからユーザが現在進むべき進行方向を算出する演算手段と、
前記演算手段で算出された方向の情報に応じてその方向に向かう力をユーザに対し提示することで前記目的地までユーザを誘導する力覚情報出力手段と、を有し、
前記力覚情報出力手段は、複数個のジャイロモータ、もしくは重心近くで対峙させた複数組のツイン・ジャイロモータ、もしくはジンバル構造のジャイロモータを独立に制御することで、任意の方向及び大きさに角運動量ベクトルを合成し、その時間微分によってトルクを発生させることを特徴とするヒューマンナビゲーションシステム。
【請求項２】
前記複数組のツイン・ジャイロモータは、各一対のツイン・ジャイロモータを、同一方向、および反対方向に回転させることが可能で、反対方向に回転させることで角運動量の合成が打ち消され、ジャイロモータが回転していても見かけ上は回転していないのと同じ状態になる請求項１に記載のヒューマンナビゲーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚情報提示デバイスを利用して人を目的地に誘導する力覚型ヒューマンナビゲーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カーナビ（カーナビゲーションシステム）が普及し、その装置の低価格化・高機能化が進んでいる。運転者は運転を始める前に目的地をカーナビ装置に入力すると、ディスプレイ画面上に現在位置、進行方向が表示され、分岐点・交差点においては詳細図がポップアップされたり、音声ガイドが注意を促してくれるサービスを受けることができる。運転者は運転をしながら瞬間的な判断で次への経路を選んでいくことは大変なストレスであり、そのためカーナビは特に初めての地を訪れる時などは抜群の利便性を発揮してくれる。
【０００３】
しかし、運転者は運転時に、ディスプレイ画面上に表示された地名・住所やランドマークを手がかりに、地図と現実空間を照合するなどの「地図を読む能力」が必要とされるため、加齢にともなう視力や空間認識力の低下によって、読地図能力の低下や標識などの見落としが増えてくる。また、複雑な交差点にさしかかった時にはディスプレイ画面に詳細図がポップアップされるが、ディスプレイ画面を見るために、運転中に脇見をすることは好ましいことではない。また、５差路や直交していない道路などでは音声ガイドでは十分に説明できない時がある。
【０００４】
最近では、カーナビの利便性が認知されるにともない、ＧＰＳ(Global Positioning System)モジュールが装備できるＰＤＡ−ＧＰＳやＧＰＳ機能が搭載された携帯電話機が発売されるなど、所謂「ヒューマンナビ」「ウォーキングナビ」「ヒトナビ」などと呼ばれる手の平サイズの携帯型ナビゲーション環境が整いつつある。また、カーナビとＰＤＡ（Personal Digital Assistant）間でナビ情報（ナビゲーション情報）を共有してカーナビ・ヒトナビが連携したシームレスな環境も提供されてきている。
【０００５】
しかしながら、カーナビの運転時の視認性問題と同様に、携帯型のヒトナビを利用する場合にも、ユーザがチラチラとナビの画面に視線を落としながら見知らぬ街を歩くことは容易なことではない。また、ユーザが店舗のショーウィンドウや仲間との会話を楽しみながら目的地を目指す場合には、視覚情報及び聴覚情報だけに頼ったナビは適当ではない。
【０００６】
これらの問題を解決するために、視覚や音声によることなくルート案内を行うナビゲーション装置が提案されてきている。例えば、運転中に左折または右折すべき交差点を振動手段によって知らせる装置（特許文献１）や、右折すべき場所でハンドルに右回転の衝撃を与えたり、左右に配置された振動手段のうち右側の振動手段のみを振動させて右折を知らせたりする装置（特許文献２）が提案されている。また、前後左右の４つに可動ペグを配置し、進行方向に対応した可動ペグを上昇させる方向指示キューを備えた触覚方向指示装置（特許文献３）も提案されている。しかし、これらは歩行時の使用には適当ではなく、触覚感覚を用いた方向指示装置は方向分解能が低く、直感的に進行すべき方向が理解し難い。
【０００７】
ヒューマンナビゲーションシステムでは、携帯が可能であり、人が歩きながら使用するためにも小型で非接地型が望ましく、方向を指示するには触覚感覚を利用するよりもトルクなどの力覚感覚を用いた方が直感的で理解しやすい。非接地型の力覚情報提示デバイスとしては、ジャイロモーメントとジンバル構造を用いたトルク提示装置が開発され、これと赤外線距離センサを組み合わせた領域提示システムによってバーチャルな壁を知覚させることで人を誘導する方法が提案されている（非特許文献１）。しかし、ジンバル構造では提示できるトルク方向が制限されており、また、構造が複雑になり制御が煩雑となる問題点もある。
【０００８】
これに対して、３軸直交座標に配置された３つのジャイロモータの回転を独立に制御することで任意の方向・大きさにトルクを呈示することができる非接地・可搬型の力覚情報提示デバイス（非特許文献２）が提案されている。３つのジャイロモータによって発生された角運動量合成ベクトルを制御することでトルクを発生させているため、構造が比較的に簡単であり、制御も容易である。しかし、質量および慣性モーメントのバランス、人の自然な動きによって発生する擾乱トルクが解決すべき点となっている。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−１６００８７号公報
【特許文献２】特開平０９−１３３５４５号公報
【特許文献３】特開２０００−３５２５２１号公報
【非特許文献１】吉江  将之、矢野博明、岩田  洋夫、「ジャイロモーメントを用いた非設置型力覚提示装置の開発」、ヒューマンインタフェース学会研究報告集、vol.3, No.5,pp. 25-30 (2000)
【非特許文献２】田中洋吉、酒井勝隆、河野優香、福井幸男、山下樹里、中村則雄、“Mobile Torque Display andHaptic Characteristics of Human Palm”, INTERNATIONAL CONFERENCE ON ARTIFICIALREALITY AND TELEXISTENCE, pp.115-120(2001/12)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のように、運転時にカーナビの視認性および音声ガイドの理解度が問題であるのと同様に、携帯型のヒューマンナビゲーションシステムを利用する場合にも、チラチラとナビの画面に視線を落としながら見知らぬ街を歩くことは容易なことではなく、また、店舗のショーウィンドウや仲間との会話を楽しみながら目的地を目指す場合には視覚情報及び聴覚情報だけに頼ったナビは適当ではない。
【００１１】
そこで、ディスプレイや音声ガイドによる視覚・聴覚情報に加えて、触覚・力覚感覚などを利用して進行すべき方向を直感的に理解しやすい形で提示することが必要である。
【００１２】
本発明の目的は、上述のような従来技術の課題に鑑み、ディスプレイや音声ガイドによる視覚・聴覚情報に加えて、力覚感覚を利用して進行すべき方向を直感的に理解しやすい形で提示する力覚型ヒューマンナビゲーションシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明のヒューマンナビゲーションシステムは、ユーザが目的地の位置情報を入力するための目的地入力手段と、現在位置を測位する位置及び方位測定手段と、時刻表と乗り換え情報、及び地図地理情報を予め格納している地図地理情報記憶手段と、前記目的地入力手段から得られる前記目的地の位置情報と前記位置及び方位測定手段から得られる前記現在位置の位置情報とを前記地図地理情報記憶手段に格納されている前記地図地理情報に照らし合わせ、評価基準を基に最適ルートを検索するルート検索手段と、前記最適ルートの位置及び方位情報と前記現在位置の位置及び方位情報とからユーザが現在進むべき進行方向を算出する演算手段と、前記演算手段で算出された方向の情報に応じてその方向に向かう力をユーザに対し提示することで前記目的地までユーザを誘導する力覚情報出力手段と、を有する。前記力覚情報出力手段は、複数個のジャイロモータ、もしくは重心近くで対峙させた複数組のツイン・ジャイロモータ、もしくはジンバル構造のジャイロモータを独立に制御することで、任意の方向及び大きさに角運動量ベクトルを合成し、その時間微分によってトルクを発生させる。前記力覚情報出力手段は、一対のツイン・ジャイロモータを、同一方向、および反対方向に回転させることが可能で、反対方向に回転させることで角運動量の合成が打ち消され、ジャイロモータが回転していても見かけ上は回転していないのと同じ状態になり、トルクを発生させないまま反対方向に高速回転させた状態から片方のジャイロモータだけを急峻な制動をかけることによって大きな角運動量の変化が生じ、大きなトルクを提示することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように，本発明によれば、ディスプレイや音声ガイドによる視覚・聴覚情報に加えて、力覚感覚を利用して進行すべき方向を直感的に理解しやすい形で提示する力覚型ヒューマンナビゲーションシステムが実現できる。
【００１５】
よって、本発明のヒューマンナビゲーションシステムを用いれば、次の効果が得られる。
（１）霧の中や暗闇などの視界が悪い場所でもナビゲーションシステムの利用が効果的になる。
（２）森林・原野などのランドマークがない場所でもナビゲーションシステムの利用が効果的になる。
（３）地震によってビルなどが倒壊した場合の災害時においても有効である。
（４）更に、視覚情報提示装置・聴覚情報提示装置・触覚情報提示装置・力覚情報提示装置の少なくともいずれか一つとそれ以外の装置群をワイヤレスに接続することで装着感・操作性を向上させることができる。
【００１６】
このように、本発明のヒューマンナビゲーションシステムは、視覚障害者、聴覚障害者および晴眼者にも効果的な誘導デバイスである。また、本発明のヒューマンナビゲーションシステムは、人を目的地に誘導する他に、ロボットの誘導およびカーナビとしても利用することができる。
【００１７】
また、ヒューマンナビゲーションシステムで用いる本発明の力覚情報提示デバイスとしては、以下の利点がある。
（ａ）制御方式として、複数のジャイロモータを独立に制御することで、任意の方向・大きさに角運動量ベクトルを合成し、その時間微分によってトルクを発生させる方法を用いているため、制御が容易であり、変化に富んだ３次元力覚感覚を提示できる。
（ｂ）また、慣性質量部分を重心近くで対峙させた３組のツイン・ジャイロモータ方式を用いたり、モータ固定用のフレーム形状を点対称構造である球形に近づけることで、質量バランスや慣性モーメントが向上している。慣性質量を重心に集中させることで、人の動きで生じる余計な慣性力の低減が図られている。
（ｃ）ジンバル構造を用いた場合には、ジンバル構造自身が余計な慣性モーメントを持ち擾乱トルクを発生させる。また、ジンバルの可動部分の構造が煩雑となる。これに対して、本発明の複数のジャイロモータを固定した方法では、構造が単純となり、力学的に強い強度が得られる。また、小型化した場合にも構造が単純なため加工が容易である。
（ｄ）非接地型のため、従来のように接地用アームやワイヤが不要であり、身体の動きを拘束しない。複数の力覚情報入出力装置が干渉せずに共存できる。ユーザの動作・行動への制限が少なく、小型・携帯性に優れており、屋内・屋外を含む広範囲での使用が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態における力覚型ヒューマンナビゲーションシステム（以下、ハプティックナビと称する）の概略構成を示す。ハプティックナビ１００は、目的地入力装置１０２により目的地の位置情報がユーザにより入力される。入力された目的地の位置情報は位置・方位測定装置１０３により測位された現在位置情報と比較され、その比較結果と地図地理情報記憶装置１０５に予め記憶されている電車・地下鉄・バスなどの時刻表・乗り換え情報、および駅構内や駅ビルなどの立体地図を含む地図地理情報をもとに、ルート検索装置１０６によって、最短時間、最短距離、最低料金、歩行スピードなどの評価基準に照らし合わせて最適ルートの候補が計算される。
【００１９】
デイスプレイと撮像デバイスとを含む視覚情報入出力装置１１０、スピーカとマイクを含む聴覚情報入出力装置１１１、もしくは触覚情報出力デバイスと触覚センサを含む触覚情報入出力装置１１２の少なくともいずれか一つに提示された上記最適ルートの候補から、ユーザにより希望する最適ルートが後述の図５に示すような外部入出力装置１０４を用いて選択される。選択された最適ルートに関する情報がメモリ１０８に一時記憶される。
【００２０】
ユーザ（すなわち、ハプティックナビ１００）の移動に伴った現在位置の更新に伴い、ＣＰＵ１０１においてユーザの誘導に関する情報が計算され、それにより得られた誘導情報が、視覚情報入出力装置１１０、聴覚情報入出力装置１１１、触覚情報入出力装置１１２、および力覚情報提示デバイスと力覚センサとを含む力覚情報入出力装置１１３の少なくともいずれか一つを介してユーザに提示される。ユーザは提示されたこれらの誘導情報をもとに目的地に無事にたどり着くことができる。
【００２１】
特に、力覚情報入出力装置１１３は、３次元の任意の方向を指し示すことができ、これにより高さ方向の情報が提示することができ、そのため、地図上では同じ位置で表わされる路面を歩くこと、と陸橋・歩道橋を歩くこと、地下を歩くこと、とを区別して誘導することができる。
【００２２】
目的地までのルート途中において、視覚情報入出力装置１１０のカメラ（図示しない）によって撮像された街並みなどの環境映像、聴覚情報入出力装置１１１のマイク（図示しない）によってユーザが道を尋ねた時の会話や環境音などが収集され、これら環境映像や環境音などが、視覚情報入出力装置１１０、聴覚情報入出力装置１１１、触覚情報入出力装置１１２の少なくともいずれか一つによって提示された情報、および力覚情報入出力装置１１３によって提示された情報、ＣＰＵ１０１の時刻情報、位置・方位測定装置１０３の位置情報、方位情報、外部入出力装置１０４の入力情報などと一緒に、メモリカード（図示しない）のような外部記憶装置１０９に誘導記録情報として記録される。外部記憶装置１０９に記録された誘導記録情報は、目的地到着後に、通信装置１０７を介してインターネットに接続された個人のホームサーバなどに自動的に転送・保存することもできる。
【００２３】
外部記憶装置１０９に記録された情報は、ルート途中でも目的地到着後でも、視覚情報入出力装置１１０、聴覚情報入出力装置１１１、触覚情報入出力装置１１２、および力覚情報入出力装置１１３の少なくともいずれか一つを介して参照することができる。
【００２４】
通信装置１０７は、図２で後述するように、遠隔地にある他のハプティックナビとインターネットのような通信回線を介して情報およびデータ交換を行う際に使用される。例えば、目的地の情報を遠隔のハプティックナビから入力したり、外部記憶装置１０９に逐次記録されている誘導記録情報を通信装置１０７を介して遠隔地のハプティックナビの視覚情報入出力装置１１０、聴覚情報入出力装置１１１、触覚情報入出力装置１１２、および力覚情報入出力装置１１３の少なくともいずれか一つで参照したりすることができる。また、遠隔地のハプティックナビの視覚情報入出力装置１１０、聴覚情報入出力装置１１１、触覚情報入出力装置１１２、および力覚情報入出力装置１１３の少なくともいずれか一つを介して遠隔地にいる被誘導対象者を適確に誘導することもできる。
【００２５】
図２は、２つ以上のハプティックナビ間の通信方法を示す。通信装置１０７、２０７と通信回線２２０を介して、複数のハプティックナビ１００、２００間で情報およびデータ交換が可能である。通信装置１０７、２０７と通信回線２２０を通じて、遠隔地にあるハプティックナビ２００の視覚情報入出力装置２１０および聴覚情報入出力装置２１１により収集した遠隔地の街並みの映像や環境音を、通信相手のハプティックナビ１００の視覚情報入出力装置１１０および聴覚情報入出力装置１１１でモニタしたり、聴覚情報入出力装置１１１と２１１を介して遠隔地にいるユーザと音声会話をすることで遠隔地の誘導先の状況を理解し、遠隔操作で遠隔地の視覚情報入出力装置２１０および聴覚情報入出力装置２１１に遠隔誘導に必要な情報を提示したり、遠隔地の触覚情報入出力装置２１２および力覚情報入出力装置２１３を制御することで、遠隔地にいる被誘導ユーザを正しく目的地まで遠隔誘導することができる。この誘導方法は、視覚障害者、聴覚障害者や、ボケ老人、幼児、あるいは観光客等の誘導などに適している。インターネットに接続されているサーバ（図示しない）にアップロードされたリアルタイムな各種情報などを本発明のハプティックナビで逐次モニタ・検索してダウンロードし、例えばあらたな道路や橋、地下道、鉄道等が開通した、道路工事などである道路が通行止めになっている、お祭りなどのイベントである道路が夕刻まで非常に混雑しているなどの日々変化する、あるいは時々刻々変化する最新情報も適切に反映することができる。同様なことはナビゲーションに関わるアプリケーション・プログラムや機能についても最新版に更新することができる。
【００２６】
図３は、図１の目的地入力装置１０２を用いた目的地の位置情報の入力方法を示す。上記の視覚情報入出力装置１１０のタッチパネルと一体のディスプレイ（図示しない）に表示された地図画面３０１上の目的地を、マウス（図示しない）でクリックするか、ペン（図示しない）や指でタッチすることにより目的地（星印と白抜きの矢印で示す）が選択され、目的地の対応する緯度・経度の位置情報が地図地理情報記憶装置１０５から読み出される。また、視覚情報入出力装置１１０に表示された「経度・緯度の入力」欄３０２、「住所による緯度・経度検索」欄３０３、「郵便番号による緯度・経度検索」欄３０４、「電話番号による緯度・経度検索」欄３０５を用いて、位置情報を、後述の図５に示すような外部入手出力装置１０４や操作キー（図示しない）から入力することもできる。以上の検索内容を聴覚ＩＦ９０２の音声認識を用いて入力することも可能である。
【００２７】
図４は、図１の位置・方位測定装置１０３を用いて位置・方位情報を測定する方法を示す。位置・方位測定装置１０３は、ＧＰＳユニット４０２、電子コンパスユニット４０３、ＰＨＳ（Personal Handyphone System）位置情報サービスユニット４０４、ビーコンユニット４０５、近接位置センサユニット４０６から構成されている。ＧＰＳユニット４０２は、いわゆるＧＰＳ(Global Positioning System)信号を受信し、受信したＧＰＳデータが図１のＣＰＵ１０１に送られる。ＧＰＳ衛星からの信号はアンテナ４０２１で受信され、ＲＦ（無線周波数増幅器）４０２２で増幅され、デコーダ４０２３でデコード（復号化）される。同様に、電子コンパスユニット４０３では測定された地磁気をもとに得られた方位データがＣＰＵ１０１に送られ、ＰＨＳ位置情報サービスユニット４０４でアンテナ基地局との通信から得られた位置データがＣＰＵ１０１に送られ、ビーコンユニット４０５で得られたいわゆるビーコンデータがＣＰＵ１０１に送られる。近接位置センサユニット４０６では、電磁波、赤外線、超音波などを用いた位置測定機器で測定された位置データがＣＰＵ１０１に送られる。
【００２８】
図５は、図１の外部入出力装置１０４を用いてデータの入力および出力を行う方法を示す。外部入出力装置１０４の表面の指５０２が添えられる部分に複数のアクチュエータおよび圧力センサ（例えば、圧電素子）を備えた入出力デバイス５０１が配置されている。これら入出力デバイス５０１を指５０２などで押すことで、視覚情報入出力装置１１０上のメニュー項目を選択することができる。また、入出力デバイス５０１は点字ディスプレイなどで使われるペグが取り付けられており、点字情報などを提示することができる。外部入出力装置１０４として、これらアクチュエータおよび圧力センサなど以外のもの、たとえば電磁スイッチ、マイクロスイッチ、弾性部材等を利用したものを接続しても良い。
【００２９】
図６は、図１の地図地理情報記憶装置１０５を用いて地図および地理情報の読み出し、および書き込み保存を行うときの情報の流れを示す。
地図情報ＩＣカード６０１がセットされると、ＣＰＵ１０１を通じて地図地理情報記憶装置１０５に地図地理情報が記憶され、記憶された地図地理情報はその後、ＣＰＵ１０１を介して呼び出され、視覚情報入出力装置１１０等に出力されることができる。
【００３０】
目的地入力装置１０２から目的地が入力されると、ＣＰＵ１０１は地図地理情報記憶装置１０５から目的地を含む地図を視覚情報入出力装置１１０に表示し、地図地理情報記憶装置１０５から目的地設定に関連する参考情報があればそれを読み出して、視覚情報入出力装置１１０、聴覚情報入出力装置１１１、触覚情報入出力装置１１２、力覚情報入出力装置１１３の少なくともいずれか1つに出力する。
【００３１】
その後、位置・方位測定装置１０３で現在位置・方位が入力されると、ＣＰＵ１０１はルート検索装置１０６に制御を渡し、ルート検索装置１０６はメモリ１０８に格納してある目的地の位置情報とその入力された位置・方位情報とを地図地理情報記憶装置１０５に格納されている地図地理情報に照らし合わせ、外部入出力装置１０４からユーザに入力させた最短時間、最短距離、最低料金、歩行スピードなどの評価基準を基に最適ルートの候補を検索し、検索した結果を最適ルートの候補をＣＰＵ１０１に報告する。ＣＰＵ１０１は報告された最適ルートの候補を視覚情報入力出力装置１１０に表示すると共に、その候補情報を聴覚情報入出力装置１１１、触覚情報入出力装置１１２の少なくともいずれか一つ、必要ならば力覚情報入出力装置１１３にも出力する。
【００３２】
最適ルートの候補が外部入出力装置１０４を通じてユーザにより選定されると、ＣＰＵ１０１は選定されたルートを視覚情報入出力装置１１０の表示図面上に太線、フラッシュなどで強調表示すると共に、そのルートについての参考情報を地図地理情報記憶装置１０５から読み出して、視覚情報入出力装置１１０、聴覚情報入出力装置１１１、触覚情報入出力装置１１２、力覚情報入出力装置１１３の少なくともいずれか1つに出力する。
【００３３】
ユーザが移動して、位置・方位測定装置１０３から入力する現在位置・方位が変わるに従い、逐次、ＣＰＵ１０１は視覚情報入力出力装置１１０の表示図面上のルートの強調表示上の現在位置を移動すると共に、ルート検索装置１０６が目的地の位置情報と最適ルートの位置・方位情報と現在位置の位置・方位情報とからユーザが現在進むべき進行方向（即ち、誘導方向）と目的地までの距離、および最適な歩行スピードとを算出し、その算出結果をＣＰＵ１０１が視覚情報入力出力装置１１０、聴覚情報入出力装置１１１、触覚情報入出力装置１１２、力覚情報入出力装置１１３の少なくともいずれか1つに出力する。歩行スピードは、振動センサで測定された歩くピッチと前記位置情報から求まる移動速度から歩幅を推定し、その歩幅で所要時間で目的地に到達できる歩行ピッチを推定して、電車などの乗換えを考慮した最適な目標歩行スピード、今の歩行スピード、不足スピードの少なくともいずれかが上記入出力装置に出力される。同時に、ＣＰＵ１０１は地図地理情報記憶装置１０５からユーザの誘導に役立つ参考情報があればそれを読み出して、読み出した参考情報を視覚情報入力出力装置１１０、聴覚情報入出力装置１１１、触覚情報入出力装置１１２、力覚情報入出力装置１１３の少なくともいずれか一つに出力する。
【００３４】
図７は、図１のルート検索装置１０６を用いて目的地までのルート検索および誘導情報の計算方法を示す。目的地入力装置１０２から入力した目的地情報および位置・方位測定装置１０３から入力する位置情報・方位情報、および地図地理情報記憶装置１０５から読み出される地図・地理情報をもとに、ルート検索装置１０６において、最適なルート候補が計算・検索される。
【００３５】
最適なルート候補からユーザにより所望のルートが選択され、その選択されたルートの経路軌跡７０１上の現在位置７０２における接線ベクトル７０３および法線ベクトルが、ルート検索装置１０６において、微分や差分などによって求められる。接線ベクトル７０３はその地点での進行方向を示しており、また、法線ベクトル（図示しない）の反対のベクトルがカーブを曲がるための求心力、つまり、物体の進行方向を力学的に修正するために必要な力ベクトルを意味している。そのため、人を誘導するために必要な方位情報は、人間の感覚特性を考慮して、この接線ベクトルおよび法線ベクトルから算出される。
【００３６】
0004478791.tif 000002
【００３７】
さらに、ルート検索装置１０６において、電子コンパスユニット４０３などから求められたユーザの体の向き７０４と接線ベクトル７０３および法線ベクトルが比較されて、それによりユーザの体の向きに対する誘導すべき角度７０５が求められる。
【００３８】
人は、車とは異なり、装置で決定された経路をなぞるように歩くことはなく、路上の障害物や人を避けたり、目を引くものには近づいたりしながら目的地を目指す。つまり、ユーザは、目的地に向かって、カーナビ用およびヒューマンナビ用の電子地図で探索された経路以外を歩くことも行うため、目的地の大まかな方向７０６が提示されるだけでも十分に利用価値があると考えられる。
【００３９】
目的地までの距離情報も図１の力覚感覚入出力装置１１３の力覚感覚の強度に関連付けることができる。例えば、音源に近づけば音量が大きくなるように、目的地に近づけば力覚感覚の強度が大きくなる提示の仕方や、反対に、目的地を起点にしてゴムを伸ばした時のように目的地から遠くなれば強度が大きくなるという提示の仕方がある。この２通りのやり方は、それぞれに一長一短があり、前者の場合は、犬が臭いを頼りに探索するように自然法則に合致しているが、遠くに離れて目視が難しい時ほど力覚強度が弱くなり、迷いやすいという問題点もあるが、例えば、力覚感覚出力の最大強度および最小強度を予め設定し、力覚感覚出力が最大強度を超えないように、かつまた最小強度よりも小さくならないように制御することで、効果的な提示も可能である。また、距離に依存させず一定の力覚強度を提示する方法もある。
【００４０】
図８は、図１の視覚情報入出力装置１１０を用いたナビゲーション情報の提示方法および街並みなどの環境映像を記録する方法を示す。図８の（Ａ）は、視覚情報入出力装置１１０の全方位型の環境映像の記録方法の一構成例を示し、同図に示すように、３６０度視野角の環境映像８０１が液晶ディスプレイ８０５の例えば裏面等に取り付けた円錐形反射鏡８０２を介してＣＣＤカメラ８０３で読み込まれる。読み込まれた環境映像のデータは、視覚ＩＦ（インターフェース装置）８０４を介してＣＰＵ１０１に送られて利用されたり、図１の外部記憶装置１０９に記録される。また、ナビゲーション用の地図３０１（図３参照）および情報が液晶ディスプレイ８０５に提示される。
【００４１】
図８の（Ｂ）は、視覚情報入出力装置１１０の単方位型の環境映像の記録方法の一構成例を示し、上記の円錐形反射鏡８０２とＣＣＤカメラ８０３の代わりに、単一のＣＣＤカメラ８０６に置換した構成のものである。この場合は、一方向の環境映像がＣＣＤカメラ８０６により読み込まれ、読み込まれた環境映像のデータは、上記と同様に、視覚ＩＦ８０４を介してＣＰＵ１０１に送られて利用されたり、外部記憶装置１０９に記録される。
【００４２】
図９は、図１の聴覚情報入出力装置１１１を用いてナビゲーション用音声ガイドおよび報知音・警告音などの音響情報を提示する方法および環境音を記録する方法を示す。聴覚情報入出力装置１１１は、マイクロフォン９０１、聴覚ＩＦ（インターフェース装置）９０２、スピーカ９０３を有する。音響および音声ガイドは聴覚ＩＦ９０２で合成され、スピーカ９０３を介してユーザに提示される。環境音はマイクロフォン９０１および聴覚ＩＦ９０２を介して、ＣＰＵ１０１に送られて利用されたり、外部記憶装置１０９に記録される。聴覚ＩＦ９０２の音声認識機能を用いて入力装置にもなる。
【００４３】
図１０は、図１の触覚情報入出力装置１１２を用いてナビゲーション用点字情報の提示方法を示す。入出力デバイス１００１は図５に示した外部入出力装置１０４の入出力デバイス５０１と同一物とすることもできる。触覚情報入出力装置１１２の表面の指が添えられる部分に複数のアクチュエータおよび圧力センサを備えた入出力デバイス１００１が配置されている。この入出力デバイス１００１は点字ディスプレイなどで使われるペグが取り付けられており、ＣＰＵ１０１から送られてきたナビゲーション用情報が触覚ＩＦ（インターフェース装置）１００２を介して駆動力に変換されて入出力デバイス１００１に送られ、点字による文字・シンボル・図形を含む点字情報などの触覚情報によって提示することができる。
【００４４】
図１１は、図１の力覚情報入出力装置１１３を用いてナビゲーション用力覚情報を提示する方法を示す。力覚情報の提示には、空間に配置・固定された複数個のジャイロモータ１１０１を力覚ＩＦ（インターフェース装置）１１０２を介して各ジャイロモータを独立に駆動制御することで、任意の方向・大きさに角運動量ベクトルを合成し、その時間微分によってトルクを発生させることができる。この時、複数のジャイロモータ１１０１はｘ、ｙ、ｚ系の直交座標に固定される方が効率的である。力覚情報入出力装置１１３の姿勢・位置情報はその内部の姿勢・位置情報センサ１１０３によって測定され、力覚情報入出力装置１１３自身の動きによって発生する擾乱トルクがＣＰＵ１０１によって計算され、力覚ＩＦ１１０２を介して擾乱トルクがキャンセルするように複数のジャイロモータ１１０１が制御される。姿勢・位置情報センサ１１０３には歩くピッチを測定するための振動センサ（図示しない）が含まれる。
【００４５】
図１２は、力覚情報入出力装置１１３のトルク発生手段として、３個のジャイロモータ１１０１を利用したデバイス１２０１を示す。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に固定された３個の回転子の回転数  ωｘ、ωｙ、ωｚ  を独立に制御して、それぞれの回転子が発生する角運動量を合成することで、任意の方向に角運動量ベクトルを発生させる。そして、モータを加減速させた時に伴う角運動量の変化によって発生するトルクの反作用として外部にトルクを取り出す。
【００４６】
0004478791.tif 000003
【００４７】
ここで、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の角速度の比ωｘ：ωｙ：ωｚを変えることで任意の方向に角運動量ベクトルの発生方向を制御することができる。この制御方法は制御が容易であり、変化に富んだ３次元力覚感覚を提示できる利点がある。
【００４８】
このように、３個のジャイロモータ１１０１を利用したデバイス１２０１は、３次元の任意の方向を指し示すことができ、これにより高さ方向の情報が提示することができので、前述のように、地図上では同じ位置で表わされる路面を歩くことと、陸橋・歩道橋を歩くこと、地下を歩くこと、とを区別して誘導することができる利点を有する。
【００４９】
図１３は、力覚情報入出力装置１１３のトルク発生手段として、３組のツイン・ジャイロモータ１１０１を利用した力覚情報提示デバイス１３０１を示す。図１３の（Ａ）はその力覚情報提示デバイス１３０１の構成の原理を示す模式図であり、図１３の（Ｂ）と（Ｃ）は実際に作成したデバイス１３０１の詳細な構成を示し、同図（Ｂ）はモータ固定用のフレーム１３０２に相当するハウジング（筐体）１３０４のみを断面の切り欠きで示した正面図、同図（Ｃ）はその平面図である。１３０３はジャイロモータ１１０１の電動モータ部分であり、１３０５は支持部材、１３０６は指示枠材である。フレーム１３０２は例えば円筒形、あるいは球形に形成され、ユーザの手に握られる。
【００５０】
図１２の例では３個のモータ１１０１が同図に示すようにねじれの位置に配置させていたが、質量バランスや慣性モーメントの向上を図るために、図１３に示すように慣性質量部分を重心近くで対峙させた３組のツイン・ジャイロモータ方式のデバイスを本発明者らは考え出した。また、モータ固定用のフレーム１３０２、１３０４の形状も、フレーム自体の慣性モーメントが小さくなるように、図１２に示すような立方体形状１２０２から点対称構造である球形に近づけた。慣性質量を重心に集中させることで、人の動きで生じる余計な慣性力の低減を図っている。このツイン・ジャイロモータは、同一方向、および反対方向に回転させることが可能で、反対方向に回転させることで角運動量の合成が打ち消され、ジャイロモータが回転していても見かけ上は回転していないのと同じ状態になり、トルクを発生させないまま反対方向に高速回転させた状態から片方のジャイロモータだけを電磁ブレーキなどによって急峻な制動をかけることによって大きな角運動量の変化が生じ、大きなトルクを提示することができる。
【００５１】
図１４は、力覚情報入出力装置１１３のトルク発生手段として、ジンバル構造１４０２を用いたデバイス１４０１を示す。ジャイロスコープのようにジンバル構造１４０２を用いて角速度ω０で回転する回転子１４０３の姿勢を２つのジンバル軸１４０４、１４０５の周りに回転角Ω１、Ω２で制御する。この構成では、大きな１つのジャイロモータを使用するので、図１２および図１３に示した構成に比べて比較的大きなトルクを発生させることができるが、構造が複雑になったり、力学的強度が低下したり、提示できるトルクに制限がある。
【００５２】
図１５と図１６は、図１の通信装置１０７を用いたハプティックナビ１００の利用形態を示す。ハプティックナビ１００の第１の利用形態としては、図１５に示すように、ＧＰＳ受信機、電子コンパス、および地図地理情報が内蔵された携帯電話機、ＰＨＳ電話機、およびＰＤＡなどのモバイル機器にハプティックナビ１００を内蔵させた一体型モバイル機器１５０１が挙げられる。
【００５３】
ハプティックナビ１００の第２の利用の形態としては、図１６に示すように、ＧＰＳ受信機、電子コンパス、および地図地理情報が内蔵された携帯電話機、ＰＨＳ電話機、およびＰＤＡなどのモバイル機器１６０２と、それとは別個の１つのケースに納めたハプティックナビ１００の少なくとも入出力装置部分１６０１とを、通信装置１０７Ａ、１０７Ｂを介して電波、赤外線、超音波、ケーブル、コネクタなどの伝送手段で接続する別体型の形態が挙げられる。
【００５４】
ここでは、第１の利用形態である一体型モバイル機器１５０１が扱いやすく望ましいが、力覚情報入出力が内蔵されたデバイス自身の重量が増えると力覚情報を提示した時のトルクに対する感覚が低下するので、第２の利用形態である分離型デバイス１６０１も効果的である。
【００５５】
図１７は、図１の力覚情報入出力装置１１３を用いて力覚情報を提示する方法およびその制御方法の１例を示す。角運動量ベクトルを図１７の（Ａ）に示すように円軌道１７０１をトレースするように変化させ、また、図１７の（Ｂ）に示すように、楕円軌道１７０２をトレースするように変化させることで目的地の方向１７０３や誘導すべき方向や知りたい方位を提示することができる。ここで、単振動軌道は楕円軌道１７０２に含まれる。
【００５６】
（他の実施の形態）
以上、本発明の実施形態を詳述したが、本発明は、前述した実施形態の機能を実現するソフトウエアのプログラムを、システム或いは装置に直接或いは遠隔から供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータがその供給されたプログラムを読み出して実行することによっても達成される場合を含む。プログラムを供給するための記録媒体としては、例えば、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＭＯ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード（ＩＣメモリカード）、ＲＯＭ、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｒ）などがある。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施形態の力覚型ヒューマンナビゲーションシステム（ハプティックナビ）の概略構成を示すブロック図である。
【図２】２つ以上のハプティックナビ間の通信方法を説明するブロック図である。
【図３】図１の目的地入力装置を用いて目的地の位置情報を入力する方法を説明する平面図である。
【図４】位置・方位情報を測定する図１の位置・方位測定装置の構成例を示すブロック図である。
【図５】図１の外部入出力装置を用いてデータの入力および出力を行う方法を説明する概念図である。
【図６】図１の地図地理情報記憶装置を用いて地図および地理情報の読み出し、および書き込み保存を行うときの情報の流れを示すブロック図である。
【図７】図１のルート検索装置を用いて目的地までのルート検索および誘導情報の計算を行う方法を説明する概念図である。
【図８】ナビゲーション情報を提示および街並みなどの環境映像を記録する図１の視覚情報入出力装置の構成例を示すブロック図である。
【図９】ナビゲーション用音響および音声ガイド情報を提示し、環境音を記録する図１の聴覚情報入出力装置の構成例を示すブロック図である。
【図１０】図１の触覚情報入出力装置を用いてナビゲーション用点字情報などの触覚情報を提示する方法を説明する概念図である。
【図１１】図１の力覚情報入出力装置を用いてナビゲーション用力覚情報を提示する方法を説明する概念図である。
【図１２】図１の力覚情報入出力装置のトルク発生手段として、３つのジャイロモータを利用した構成例を示す模式図である。
【図１３】図１の力覚情報入出力装置のトルク発生手段として、３組みのジャイロモータを利用した構成例を示し、（Ａ）は模式図、（Ｂ）はハウジングのみ切り欠きで示した力覚情報提示デバイスの正面図、（Ｃ）は同じく平面図である。
【図１４】図１の力覚情報入出力装置のトルク発生手段として、ジンバル構造を利用した構成例を示す模式図である。
【図１５】図１のハプティックナビの利用形態として一体型ユニットの一例を示す概念図である。
【図１６】図１のハプティックナビの別の利用形態として通信装置を用いた分離型ユニットの一例示す概念図である。
【図１７】図１の力覚情報入出力装置を用いて力覚情報を提示する方法および制御する方法を説明する概念図である。
【符号の説明】
【００５８】
１００  ハプティックナビ（力覚型ヒューマンナビゲーションシステム）
１０１  ＣＰＵ
１０２  目的地入力装置
１０３  位置・方位測定装置
１０４  外部入出力装置
１０５  地図地理情報記憶装置
１０６  ルート検索装置
１０７  通信装置
１０８  メモリ
１０９  外部記憶装置
１１０  視覚情報入出力装置
１１１  聴覚情報入出力装置
１１２  触覚情報入出力装置
１１３  力覚情報入出力装置
２１０  視覚情報入出力装置
２１１  聴覚情報入出力装置
２１３  力覚情報入出力装置
３０１  地図画面
３０２  経度・緯度の入力表示欄
３０３  住所による緯度・経度検索表示欄
３０４  郵便番号による緯度・経度検索表示欄
３０５  電話番号による緯度・経度検索表示欄
４０２  ＧＰＳユニット
４０３  電子コンパスユニット
４０４  ＰＨＳ位置情報サービスユニット
４０５  ビーコンユニット
４０６  近接位置センサユニット
５０１  入出力デバイス
７０１  ルートの経路軌跡
７０２  現在位置
７０３  接線ベクトル
７０４  ユーザの体の向き
７０５  誘導すべき角度
８０１  環境映像
８０２  円錐形反射鏡
８０３  ＣＣＤカメラ
８０４  視覚ＩＦ
８０５  液晶ディスプレイ
８０６  ＣＣＤカメラ
９０１  マイクロフォン
９０２  聴覚ＩＦ
９０３  スピーカ
１００１  入出力デバイス
１００２  触覚ＩＦ
１１０１  ジャイロモータ
１１０２  力覚ＩＦ
１１０３  姿勢・位置情報センサ
１２０１  ３つのジャイロモータを利用した力覚情報提示デバイス
１３０１  ３組のツイン・ジャイロモータを利用した力覚情報提示デバイス
１４０１  ジンバル構造を利用した力覚情報提示デバイス
１４０２  ジンバル構造
１４０３  角速度ω０で回転する回転子
１４０４  回転角Ω１のジンバル軸
１４０５  回転角Ω２のジンバル軸
１５０１  ハプティックナビがモバイル機器に内蔵された形態のデバイス
１６０１  ハプティックナビがモバイル機器と分離した形態のデバイス
１７０１  角運動量ベクトルの円軌道
１７０２  角運動量ベクトルの楕円軌道
１７０３  目的地の方向
【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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