(57)【要約】【課題】操作制御される仮想空間における仮想物体を仮想手で把持した場合等の触覚及び力覚を、操作者に適正に提示することができると共に、操作者が良好な操作性を得ることができるようにする。【解決手段】力触覚提示システム１０を触覚提示装置６０と力覚提示装置４０とを備えて構成した。触覚提示装置６０は、コンピュータ２０の制御により画面２０ａに物体及び手が表示され、表示物体が表示手で把持された際の触覚を、表示手をコンピュータ２０の制御と連携しながら操作する操作者の手１００に感知可能に伝達する。力覚提示装置４０は、コンピュータ２０の制御により画面２０ａに表示された表示物体が表示手で把持された際の把持力の反力である力覚を、仮想手をコンピュータ２０の制御と連携しながら操作する操作者の手１００に、感知可能に伝達する。操作者が、上記把持した際の触覚及び力覚を、手１００に同時に感じられるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
演算及び制御処理を行う演算処理手段の制御により画面に表示される表示物体が、同表示される表示手で把持された際の触覚を、当該表示手の動作を前記演算処理手段の制御と連携しながら操作する操作者の手に、感知可能に伝達する触覚提示装置において、
筒状を成し、一端の開口が閉塞されて内部が凹状となったボビンと、
前記ボビンの外周に導線が巻回されて成るコイルと、
前記ボビンの凹状の内部に移動自在に配置され、当該ボビンの開口側に先端を向けた尖り部材が磁石に一体に固定されて成る可動部と
を備え、
前記ボビンの開口が前記操作者の手に当接状態となるように当該ボビンが装着された当該操作者の操作により、前記表示手が前記表示物体を把持した際に、前記コイルに電流が供給され、当該供給により生じる電磁誘導作用によって移動する前記可動部の先端が、前記ボビンの開口から突出して、前記操作者に前記触覚を感じさせるように当該操作者の手を押圧する
ことを特徴とする触覚提示装置。
【請求項２】
前記尖り部材は、当該尖り部材の先端の曲率半径が０ｍｍ〜１．８ｍｍであり、
前記コイルに供給される電流値は、当該電流値の電流が当該コイルに供給された際の前記可動部の移動により、前記曲率半径が０ｍｍ〜１．８ｍｍの尖り部材の先端が前記操作者の手を押圧した際に、当該操作者に前記触覚を感じさせる大きさであることを特徴とする請求項１に記載の触覚提示装置。
【請求項３】
前記コイルに供給される電流値は、前記尖り部材の先端の曲率半径が小さくなるに従い、小さくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の触覚提示装置。
【請求項４】
前記可動部は、前記ボビンの開口が下方を向くことにより、前記尖り部材の先端が前記操作者の手に重力で載置状態となった際に、当該操作者が当該可動部の重さを感じない重量とされていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の触覚提示装置。
【請求項５】
触覚提示装置の重量は、当該触覚提示装置を前記操作者の手に装着する装具と併せて、２．１ｇ未満であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の触覚提示装置。
【請求項６】
前記表示物体及び前記表示手は、前記演算処理手段の描画制御により、仮想現実空間に描画される仮想物体及び仮想手であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の触覚提示装置。
【請求項７】
前記表示手は、前記操作者が自身の手で前記演算処理手段が通信装置を介して操作制御を行う離間位置のロボットのマニピュレータが表示されたものであり、前記表示物体は、前記マニピュレータが把持する実物体が表示されたものであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の触覚提示装置。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１項に記載の触覚提示装置と、
前記触覚提示装置の動作を制御する前記演算処理手段の制御により画面に表示された前記表示物体が前記表示手で把持された際の把持力の反力である力覚を、前記表示手の動作を前記演算処理手段の制御と連携しながら操作する操作者の手に、感知可能に伝達する力触覚提示装置と
を備えることを特徴とする力触覚提示システム。
【請求項９】
前記力覚提示装置は、
前記操作に応じて前記演算処理手段により回転制御される複数のモータと、
前記モータに、当該モータの正転又は逆転に応じて長さが伸縮するように取り付けられた糸と、
前記モータの内、少なくとも１つ以上のモータから延びる糸が接続される糸接続部とを備え、
前記糸接続部と前記触覚提示装置とが、１つの装具を介して前記操作者の手に装着されており、
前記演算処理手段は、前記表示物体が前記表示手で把持された際に、前記操作者の手に装着されている前記糸接続部で束ねられた複数本の糸の長さを計測して当該操作者の手の位置を求め、この位置の手に前記力覚を前記糸で引っ張って伝達するために必要な前記モータの回転制御を行う情報を生成し、この生成された情報で当該モータを回転させ、前記力覚が前記操作者の手に伝達されるように前記糸で当該操作者の手を引っ張ることを特徴とする請求項９に記載の力触覚提示システム。
【請求項１０】
前記触覚提示装置及び前記糸接続部を合計した重量は、当該触覚提示装置及び当該糸接続部の双方を前記操作者の手に装着する装具と併せて、２．１ｇ未満であることを特徴とする請求項９に記載の力触覚提示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元のＶＲ（Virtual Reality：仮想現実）空間で仮想物体を仮想手で把持した際の触覚及び力覚を、仮想手の動作を操作する操作者の手に感知可能に伝達する触覚提示装置及び力触覚提示システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータ性能の飛躍的な進歩により、画面上の３次元ＶＲ空間内に仮想の物体と手を描画し、仮想手が仮想物体を把持する制御を操作者が容易に操作可能となっている。例えば、操作者が自分の手の指等に操作用の装具を装着し、この装具で、仮想の手が仮想物体を把持するように操作を行う。
【０００３】
この際、仮想手が仮想物体を任意の力で把持した際に、仮想手が仮想物体を把持する力の反力（手を押し返す力）を、操作者の手に伝達する。その反力が力覚である。換言すれば、「力覚」とは、力の感覚のことである。更に、その力覚と同時に、仮想手が仮想物体を把持した際の物体の触感を、操作者の手に伝達する。この触感が触覚である。
【０００４】
このように触覚及び力覚を操作者の手に提示（伝達）する装置として、例えば非特許文献１に記載の手に装着するグローブがある。このグローブは、多指操作型で触覚及び力覚を操作者に提示する力触覚提示デバイスであって、小型振動子がグローブの指先に組み込まれている。このグローブは、仮想手が仮想物体を所望の力で把持した際の触覚及び力覚を、小型振動子の振動で表し、この振動を操作者の指先に伝達する。また、グローブは、指先に小型振動子を組み込んだ構成なので、小型軽量で操作性が良好となっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“CyberTouch”、［online］、July 01,2014、［平成２６年７月１日検索］、インターネット〈URL: http://www.creact.co.jp/jpn/immersion/j_n_vtcybto.htm〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、非特許文献１に記載のグローブは、操作者の指先へ、小型振動子による振動を伝達するのみなので実際には振動感覚だけしか提示できず、触覚及び力覚の忠実性、応答性が極めて劣っている。つまり、そのグローブは、触覚及び力覚を操作者に提示する能力が低く、触覚及び力覚を操作者に適正に提示することができないという問題がある。
【０００７】
この他、触覚及び力覚の提示の方法としては、ピン型アクチュエータ、電気刺激方式、或いは圧縮空気によるものも提案されているが、これらは装置自体が大きく軽量性に劣り、グローブのような良好な操作性が実現できないという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、操作制御される仮想空間における仮想物体を仮想手で把持した場合等の触覚及び力覚を、操作者に適正に提示することができると共に、操作者が良好な操作性を得ることができる触覚提示装置及び力触覚提示システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記した課題を解決するため、本発明による請求項１に記載の触覚提示装置は、演算及び制御処理を行う演算処理手段の制御により画面に表示される表示物体が、同表示される表示手で把持された際の触覚を、当該表示手の動作を前記演算処理手段の制御と連携しながら操作する操作者の手に、感知可能に伝達する触覚提示装置において、筒状を成し、一端の開口が閉塞されて内部が凹状となったボビンと、前記ボビンの外周に導線が巻回されて成るコイルと、前記ボビンの凹状の内部に移動自在に配置され、当該ボビンの開口側に先端を向けた尖り部材が磁石に一体に固定されて成る可動部とを備え、前記ボビンの開口が前記操作者の手に当接状態となるように当該ボビンが装着された当該操作者の操作により、前記表示手が前記表示物体を把持した際に、前記コイルに電流が供給され、当該供給により生じる電磁誘導作用によって移動する前記可動部の先端が、前記ボビンの開口から突出して、前記操作者に前記触覚を感じさせるように当該操作者の手を押圧することを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、操作者の手の操作により、画面に表示された表示手が表示物体を把持した際に、操作者の手に装着されたボビンのコイルに電流が供給される。この電流供給によってボビンの凹状内部の可動部が移動し、可動部の先端が、操作者が触覚を感じるように当該操作者の手を押圧する。従って、操作者は自分の手の操作で、表示手に表示物体を把持させた時に、表示物体に対応する実物体を把持した際の触覚を実際に感じることができる。
【００１１】
請求項２に係る触覚提示装置は、前記尖り部材は、当該尖り部材の先端の曲率半径が０ｍｍ〜１．８ｍｍであり、前記コイルに供給される電流値は、当該電流値の電流が当該コイルに供給された際の前記可動部の移動により、前記曲率半径が０ｍｍ〜１．８ｍｍの尖り部材の先端が前記操作者の手を押圧した際に、当該操作者に前記触覚を感じさせる大きさであることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、尖り部材の先端の曲率半径を０ｍｍ〜１．８ｍｍの範囲内で選択しても、操作者に、仮想物体に対応する実物体を把持した時に近い触覚を伝達させることができる。従って、尖り部材の先端の曲率半径を、０ｍｍ〜１．８ｍｍの比較的広い範囲で定めることができる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、前記コイルに供給される電流値は、前記尖り部材の先端の曲率半径が小さくなるに従い、小さくすることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、尖り部材の先端の曲率半径が小さいほどに、その先端が操作者の手に食い込み易くなるので、小さい電流値の電流でも、操作者に所定の物を掴んだ際の適度な触覚を与えることができる。また、曲率半径を小さくして、消費電力を抑制することができる。
【００１５】
請求項４に係る触覚提示装置は、前記可動部は、前記ボビンの開口が下方を向くことにより、前記尖り部材の先端が前記操作者の手に重力で載置状態となった際に、当該操作者が当該可動部の重さを感じない重量とされていることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、尖り部材の先端が操作者の手に重力で載置状態となっている場合でも、その載置状態となっている時点では可動部の重量を感じない。このため、操作者の手の操作で表示手が表示物体を把持した際の、尖り部材の先端に押圧による触覚を適正に感じることができる。
【００１７】
請求項５に係る触覚提示装置は、触覚提示装置の重量は、当該触覚提示装置を前記操作者の手に装着する装具と併せて、２．１ｇ未満であることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、物の重量が２．１ｇ以上の際に、人は、その物が例えば手に載置されていれば、この載置物の重さを感じる。このため、装具と併せて２．１ｇ未満の触覚提示装置では、人は、その重さを感じない。従って、触覚提示装置を装具で操作者の手に装着すれば、操作者は装着物の重さを略感じない状態で、表示手の操作を良好に行うことができる。このため、操作者は、触覚提示装置の可動部の押圧で触覚が提示されていない状態では、重さを略感じていないので、触覚が提示された際に、その触覚を感じ易くなり、触覚を適正に感じることができる。
【００１９】
請求項６に係る触覚提示装置は、前記表示物体及び前記表示手は、前記演算処理手段の描画制御により、仮想現実空間に描画される仮想物体及び仮想手であることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、画面に３次元等の仮想現実空間における仮想物体及び仮想手を描画した状況において、操作者は自分の手で仮想手の動きを操作して、仮想手に仮想物体を把持させた時に、その把持した際の触覚を実際に感じることができる。
【００２１】
請求項７に係る触覚提示装置は、前記表示手は、前記操作者が自身の手で前記演算処理手段が通信装置を介して操作制御を行う離間位置のロボットのマニピュレータが表示されたものであり、前記表示物体は、前記マニピュレータが把持する実物体が表示されたものであることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、操作者が画面に表示手として表示された遠隔地のマニピュレータを見ながら、マニピュレータの動きを遠隔操作しているとする。この際に、同画面に表示されたマニピュレータの近くの実物体を、操作者が遠隔操作でマニピュレータに把持させた時に、操作者は、その把持した際の触覚を実際に感じることができる。
【００２３】
請求項８に係る力触覚提示システムは、請求項１〜７の何れか１項に記載の触覚提示装置と、前記触覚提示装置の動作を制御する前記演算処理手段の制御により画面に表示された前記表示物体が前記表示手で把持された際の把持力の反力である力覚を、前記表示手の動作を前記演算処理手段の制御と連携しながら操作する操作者の手に、感知可能に伝達する力触覚提示装置とを備えることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、操作者の手の操作により、画面に表示された表示手が表示物体を強く把持した際に、その把持した際の触覚と、把持力の反力である力覚とが、操作者の操作中の手に伝達される。これによって、操作者は、表示手が表示物体を強く把持する操作を行った際に、この操作を行っている自分の手に、把持した際の触覚及び力覚を同時に感じることができる。
【００２５】
請求項９に係る力触覚提示システムは、前記力覚提示装置は、前記操作に応じて前記演算処理手段により回転制御される複数のモータと、前記モータに、当該モータの正転又は逆転に応じて長さが伸縮するように取り付けられた糸と、前記モータの内、少なくとも１つ以上のモータから延びる糸が接続される糸接続部とを備え、前記糸接続部と前記触覚提示装置とが、１つの装具を介して前記操作者の手に装着されており、前記演算処理手段は、前記表示物体が前記表示手で把持された際に、前記操作者の手に装着されている前記糸接続部で束ねられた複数本の糸の長さを計測して当該操作者の手の位置を求め、この位置の手に前記力覚を前記糸で引っ張って伝達するために必要な前記モータの回転制御を行う情報を生成し、この生成された情報で当該モータを回転させ、前記力覚が前記操作者の手に伝達されるように前記糸で当該操作者の手を引っ張ることを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、操作者の手により、画面に表示された表示手が表示物体を強く把持するように操作を行った際に、力覚提示装置の糸が、その把持する力の反力である力覚が伝わるように操作者の手を引っ張る。これによって、操作者に把持力の反力である力覚を感じさせることができる。
【００２７】
請求項１０に係る力触覚提示システムは、前記触覚提示装置及び前記糸接続部を合計した重量は、当該触覚提示装置及び当該糸接続部の双方を前記操作者の手に装着する装具と併せて、２．１ｇ未満であることを特徴とする。
【００２８】
この構成によれば、操作者は、触覚及び力覚を感じ易くなり、触覚及び力覚を適正に感じることができ、良好な操作性を得ることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、操作制御される仮想空間における仮想物体を仮想手で把持した場合等の触覚及び力覚を、操作者に適正に提示することができると共に、操作者が良好な操作性を得ることができる触覚提示装置及び力触覚提示システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係る力触覚提示システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態の力触覚提示システムの力覚提示装置の構造を示す斜視図である。
【図３】図２に示す操作者の手の拡大図である。
【図４】図３に示す触覚提示装置のＡ１−Ａ１断面を示し、（ａ）はコイルに無通電状態で可動部が載置状態となった構成図、（ｂ）はコイルに通電状態で可動部が上方に移動状態となった構成図である。
【図５】本実施形態の触覚提示装置の一部断面斜視図である。
【図６】本実施形態の力触覚提示システムによる触覚及び力覚の提示動作を説明するための第１のフローチャートである。
【図７】本実施形態の力触覚提示システムによる触覚及び力覚の提示動作を説明するための第２のフローチャートである。
【図８】コンピュータの画面に表示された３次元ＶＲ空間内の仮想手と仮想物体を示し、（ａ）は仮想手と仮想物体が離間した様態図、（ｂ）は仮想手が仮想物体を把持した様態図、（ｃ）は仮想手が仮想物体を強く把持した様態図である。
【図９】本発明の実施形態の力触覚提示システムを用いた応用例に係るロボット操作システムの構成を示す図である。
【図１０】コンピュータの画面に表示された、ロボットが手の指でゴムボールを把持した状態を示し、（ａ）は手の指がゴムボールを把持した状態図、（ｂ）は手の指がゴムボールを強く把持した状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
＜実施形態の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る力触覚提示システムの構成を示すブロック図である。
図１に示す力触覚提示システム１０は、コンピュータ画面上の３次元ＶＲ空間に描画された仮想物体（表示物体）を仮想手（表示手）で把持する操作制御を、操作者が手で行っている際に、仮想手に仮想物体を把持させた場合、仮想手が仮想物体に触れる触感と、把持力の反力とを、触覚及び力覚として操作者の手に伝達（提示）するものである。
力触覚提示システム１０は、コンピュータ（演算処理手段）２０と、力覚用コントローラ３０と、力覚提示装置（ハプティックインターフェース：Haptic Interface）４０と、触覚用コントローラ５０と、触覚提示装置６０とを備えて構成されている。
【００３２】
コンピュータ２０は、力覚提示装置４０及び触覚提示装置６０を各指先に装着した操作者の手１００による操作に応じて、画面２０ａ上に３次元の仮想物体及び仮想手を描画し、この描画された仮想手が仮想物体を把持する等の動作制御を行う。
また、コンピュータ２０は、仮想手が仮想物体を把持した際の触覚を、触覚提示装置６０で手１００に伝えるための触覚提示情報の信号を、触覚用コントローラ５０へ出力する。更に、コンピュータ２０は、その把持力の反力を、力覚提示装置４０で手１００に伝えるための力覚提示情報の信号を、力覚用コントローラ３０へ出力する。
【００３３】
触覚用コントローラ５０は、触覚提示情報の信号をＰＷＭ(Pulse Width Modulation)による触覚提示信号（電気信号）に変換して触覚提示装置６０へ出力する。
触覚提示装置６０は、触覚提示信号に応じた触覚を手１００に伝達（提示）する。
【００３４】
力覚用コントローラ３０は、力覚提示情報の信号をＰＷＭによる力覚提示信号（電気信号）を力覚提示装置４０へ出力する。
力覚提示装置４０は、力覚提示信号に応じた力覚を手１００に伝達（提示）する。
なお、触覚提示情報又は力覚提示情報の信号を電気信号に変換する方式は、ＰＤＭ(Pulse Density Modulation）等の他の変調方式であってもよい。
【００３５】
図２に、コンピュータ２０、力覚用コントローラ３０、力覚提示装置４０、触覚用コントローラ５０及び触覚提示装置６０が組み合わされた力触覚提示システム１０の構造を示す。
【００３６】
図２に示すように、力覚提示装置４０は、概略直方体枠形状のフレーム４１と、フレーム４１に固定された２４個のモータ部４２ａ〜４２ｘ（単に、モータ部４２ともいう）と、各々のモータ部４２の軸の固定ローラ（図示せず）に巻かれた糸４３と、４本の糸４３を１つに束ねて手１００の各々の指先に接続する５つの糸接続部４４とを備えて構成されている。なお、フレーム４１の概略直方体枠形状は、６本の柱を直方体形状に組み合わせた形状において、４本の縦柱の内、前方の２本の縦柱が無い形状である。以降、糸４３は、モータ部４２の軸（固定ローラは省略する）に巻かれていると表現する。
【００３７】
フレーム４１の上枠部４１Ｊには、力覚用コントローラ３０が取り付けられている。フレーム４１は、断面が角枠形状で空洞になっており、各モータ部４２ａ〜４２ｘの配線がその空洞に挿通されている。この挿通された配線は、上枠部４１Ｊに設けられた開口から符号３０ａで示すように外部へ引き出され、力覚用コントローラ３０の信号出力側に接続されている。なお、図面上の符号３０ａでは分かり易くするため１本の配線を示しているが、実際には、各モータ部４２ａ〜４２ｘの配線が引き出されて、力覚用コントローラ３０に接続されている。
【００３８】
力覚用コントローラ３０の信号入力側は、各モータ部４２ａ〜４２ｘとの間で信号を送受信するためのケーブル配線３０ｂで、コンピュータ２０に接続されている。また、コンピュータ２０には、触覚用コントローラ５０の信号入力側がケーブル配線５０ａで接続されている。
【００３９】
触覚用コントローラ５０の信号出力側は、手１００の手頸にゴムバンド５１で取り付けられたコネクタ５２に、ケーブル配線５０ｂで接続されている。更に、ケーブル配線５０ｂをコネクタ５２で分岐した配線５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ，５０ｇが、手１００の各指先の触覚提示装置６０に接続されている。なお、図２では、触覚用コントローラ５０をフレーム４１の近傍に配置した状態を表しているが、フレーム４１上に固定してもよい。
【００４０】
また、図２においては、構成を分かり易くするため、各々異なる位置の４つのモータ部４２ａ，４２ｇ，４２ｉ，４２ｎから延びる４本の糸４３が、人差し指１００ｂの指先に糸接続部４４で１つに纏められてゴムバンド（装具）４５で取り付けられた状態を代表して示す。従って、図示はしないが、人差し指１００ｂ以外の他の４本の指にも、人差し指１００ｂと同様に、４本の糸４３が、指先に糸接続部４４で１つに纏められてゴムバンド４５で取り付けられている。また、図２の人差し指１００ｂの状態を、より分かり易くするため、図３に拡大図を示す。
【００４１】
図３に示すように、ゴムバンド４５には、人差し指１００ｂの指先の爪側に糸接続部４４が固定され、指先の腹側に触覚提示装置６０が固定されている。更に説明すると、図３のＡ１−Ａ１断面図である図４（ａ）に示すように、ゴムバンド４５の両端が触覚提示装置６０に固定されてゴムバンド４５が環状となり、その触覚提示装置６０と対向するゴムバンド４５の外周面の位置に糸接続部４４が固定されている。
【００４２】
図２に示す各モータ部４２の軸に巻かれた糸４３は、ナイロンや高分子ポリエチレン等の材料による切れにくい糸であり、モータ部４２の正転により糸４３が巻き取られて短くなり、逆転により引き出されて長くなるようになっている。各モータ部４２の回転制御については後述する。
【００４３】
２４個のモータ部４２の内、１６個のモータ部４２ａ〜４２ｐは、直方体枠形状を成すフレーム４１の上側の長方形の上枠部４１Ｊに固定され、残り８個のモータ部４２ｑ〜４２ｘは、上枠部４１Ｊと対向する長方形の下枠部４１Ｋに固定されている。２４個のうち４個は予備のモータ部４２である。各モータ部４２ａ〜４２ｘから各指先に４本ずつが１つに（１点に）束ねられて接続される様態は、フレーム４１の上下左右の異なる位置に配置された４つを１組とするモータ部４２から延びる４本の糸４３が、各指先に糸接続部４４で１つに纏められて接続される様態となっている。
【００４４】
なお、糸接続部４４に接続される糸４３は１つの指に対して１本〜３本でもよく（最低１本でもよい）、この場合、モータ部４２の個数は、少なくとも５個〜１５個となる。この逆に、予備等を更に考慮して２４個を超える数のモータ部４２を備えていても良い。
【００４５】
各組のモータ部４２の位置は予め定められているので、モータ部４２の各位置をコンピュータ２０に登録しておく。そして、例えば４本の糸４３を１つの指に束ねるに必要な、１組のモータ部４２ａ，４２ｇ，４２ｉ，４２ｎから、人差し指１００ｂの指先に１点に束ねられた４本の糸４３の長さをコンピュータ２０で計測（後述する）することにより、人差し指の３次元座標位置（単に、「位置」とも称す）を求める計算が可能となっている。この計算は、他の指においても同様に行われる。コンピュータ２０は、計算した各指の３次元座標位置に応じて、画面２０ａ上の仮想手を移動させる制御を行う。
【００４６】
コンピュータ２０は、糸４３の長さを計測する場合、力覚提示装置４０からモータ部４２のモータ情報である回転数や回転角度等の糸４３の長さを計測するために必要な情報を、力覚用コントローラ３０を介して取得する。コンピュータ２０は、その取得情報に応じて、糸４３の長さを計測する。
【００４７】
また、コンピュータ２０には、操作者の手１００の各指の位置と、仮想手７２の各指の位置とが対応付けられ、更に、仮想手の位置と仮想物体の位置も対応付けられている。これによって、コンピュータ２０は、操作者の手１００の各指の動きに応じて、仮想手７２の動きを描画制御できるようになっている。
【００４８】
更に、コンピュータ２０は、操作者の手１００の操作動作に応じて仮想手が仮想物体を把持した際に、この把持したことを検出する。この検出は、前述のように操作者の手１００の各指先の３次元座標位置を求め、この位置が、画面２０ａ上の仮想物体を仮想手が把持した位置となったか否かを判定して行う。
【００４９】
更に、コンピュータ２０は、操作者の各指先に、仮想手が仮想物体を把持した際の触感に応じた触覚を提示する触覚提示情報の信号を生成する。この生成については後述する。触覚提示情報の信号が、触覚用コントローラ５０でＰＷＭによる電気信号に変換されて、触覚提示装置６０へ出力される。
【００５０】
触覚提示装置６０について、図５を参照して説明する。図５は、触覚提示装置６０の一部断面斜視図である。触覚提示装置６０は、ボビン６１と、可動部６２と、コイル６３とを備えて構成されている。
【００５１】
ボビン６１は、プラスチックや樹脂等の硬質で軽量な材料により外観形状がシルクハット形状に形成されている。図５ではシルクハットを上下逆向きに配置した状態を示している。この状態のシルクハット形状の円筒部６１ａの上方の開口６１ａ１端には、第１円環板６１ｂが固定され、この第１円環板６１ｂから円筒部６１ａの縦方向に所定間隔開けて、円筒部６１ａの外周に第２円環板６１ｃが固定されている。第１円環板６１ｂの開口６１ｂ１は、円筒部６１ａの開口６１ａ１より小径となっており、円筒部６１ａの開口６１ａ１の中心側に円形に突き出ている。円筒部６１ａの下方の開口６１ａ１は、蓋６１ｄ｛図４（ａ）参照｝で塞がれている。
【００５２】
この蓋６１ｄで塞がれた円筒部６１ａの円柱形状（凹状）の空洞内に、可動部６２が上下に移動自在に収容されている。可動部６２は、円錐形状の尖り部材６２ｂが先端を開口６１ｂ１に向けて、円筒形状の磁石６２ａの端面に固定されて形成されている。磁石６２ａは、ネオジュウムなどの高磁性材料の磁石である。尖り部材６２ｂは、プラスチックや樹脂等の硬質で軽量な材料により形成されている。なお、操作者に与える触覚に応じて、尖り部材６２ｂの材料を適合させることが好ましい。
【００５３】
円筒部６１ａの空洞内の上下方向の中心軸と、可動部６２の上下方向の中心軸とは一致（又は略一致）しており、互いの中心軸が一致状態となって可動部６２が移動するように成されている。
第１円環板６１ｂと第２円環板６１ｃとの間隙には、コイル導線（導線）を周回して円環状に巻いたコイル６３が配設されている。
【００５４】
図４（ａ）に示すように、コイル６３が無通電状態で、可動部６２がボビン６１の内部底面に重力で載置状態となっている場合に、コイル６３に所定の電流を供給（通電状態）したとする。この場合、図４（ｂ）に示すように、電磁誘導作用によって、可動部６２が電磁力で上方へ移動し、尖り部材６２ｂの先端が、開口６１ｂ１からボビン６１の外部へ突き出て、操作者が触覚を感じるように人差し指１００ｂの指先を押圧する。
【００５５】
ここで、コイル６３のコイル導線の太さは、太すぎるとボビン６１への巻き回数が少なくなって電磁誘導効果が低くなり、細すぎると電磁誘導効果は高くなるが、高熱が発生する。この高熱でボビン６１が融ける等の不具合が生じる可能性がある。そこで、コイル導線の太さは、可動部６２が上述した図４（ｂ）のように移動可能な電磁力が発生し、且つボビン６１が溶解する等の不具合が生じない発熱で済むような太さとする。
【００５６】
例えば、コイル導線の径を０．１６ｍｍとして、コイル導線をボビン６１に４０回巻いてコイル６３を形成し、コイル６３に０．８Ａの電流を流すようにする。この際、電磁力で移動する可動部６２の先端が、操作者の指先の皮膚を押圧する力は１２０ｍＮとなる。この押圧により、操作者が指に所定の物体を把持した際の触覚を感じることになる。但し、この場合、可動部６２の尖り部材６２ｂは、円錐形状なので、その先端は曲率半径が略０ｍｍ（針状に尖っている）である。なお、曲率半径が略０ｍｍとは、曲率半径が限りなく「０」に近づくこと、又は、「０」となることを示し、以降、曲率半径Ｒ＝０ｍｍと記載する。
【００５７】
また、電流値Ｉが０．８Ａ程度において、曲率半径Ｒ＝０ｍｍ〜１．８ｍｍの場合は、操作者に所定の物を掴んだ際の適度な触覚を与え、曲率半径Ｒ＝∞（無限大）に近づく程に、触覚を余り与えないことが実験的に得られている。従って、尖り部材６２ｂの先端の曲率半径Ｒと、電流値Ｉとの関係は、曲率半径Ｒが小さいほどに、電流値Ｉも小さくできる。つまり、曲率半径Ｒが小さいほどに、小さい電流値Ｉの電流でも、操作者に所定の物を掴んだ際の適度な触覚を与えることができる。
【００５８】
ここで、尖り部材６２ｂの先端の曲率半径Ｒと、コイル６３に流す電流値Ｉとは、上記のような関係があるので、尖り部材６２ｂの先端の曲率半径Ｒは、仮想物体に対応する各種の実物体に応じて予め定めておき、この際の電流値Ｉも定めておく。例えば、仮想物体がゴムの塊である場合、曲率半径Ｒ＝０ｍｍの尖り部材６２ｂを適用し、この際に、電流値Ｉ＝０．８Ａと定めておく。
【００５９】
このような仮想手が把持する仮想物体に対応する各種の実物体と、尖り部材６２ｂの先端の曲率半径Ｒと、コイル６３に流す電流値Ｉとを、コンピュータ２０の図示せぬＲＯＭ(Read Only Memory)やＨＤＤ(Hard Disk Drive)等の記憶装置に記憶されたデータテーブル（図示せず）に、各々データ化して対応付けておく。
【００６０】
例えば、データテーブルに、ゴムの塊と、曲率半径Ｒ＝０ｍｍと、電流値Ｉ＝０．８Ａとが、各々データ化されて対応付けられているとする。この場合、尖り部材６２ｂは、先端が曲率半径Ｒ＝０ｍｍのものが適用されているとする。
【００６１】
コンピュータ２０が、仮想手が、ゴムの塊に対応する仮想物体を把持したことを検出した場合、データテーブルから、ゴムの塊及び曲率半径Ｒ＝０ｍｍが対応付けられた電流値Ｉ＝０．８Ａを検索し、０．８Ａの電流をコイル６３に流すための触覚提示情報の信号を生成する。この触覚提示情報の信号が、触覚用コントローラ５０でＰＷＭによる電気信号に変換されて触覚提示装置６０へ出力され、コイル６３に電流が供給される。これにより、可動部６２の尖り部材６２ｂの先端が、開口６１ｂ１からボビン６１の外部へ突き出て、操作者が触覚を感じるように人差し指１００ｂの指先を押圧する。
【００６２】
次に、図４（ａ）に示すように、ボビン６１の蓋６１ｄが下方に位置する場合は、コイル６３が無通電状態であれば、可動部６２は重力でボビン６１の内部底面に載置状態となる。しかし、図３に示す親指１００ａのように、ボビン６１の蓋６１ｄが上方に位置する場合は、コイル６３が無通電状態であれば、重力で可動部６２の先端が親指１００ａの腹に載置状態となる。
【００６３】
この場合、可動部６２の重量は、操作者が重さを触覚として感じてしまうため、操作者がその重さを感じないように定められている。本実施形態では、先端の曲率半径Ｒ＝０ｍｍの場合、可動部６２の重量を、０．１５ｇとして重量を感じないようにしてある。操作者が重力による可動部６２の重量を感じるか否かは、重量以外に、先端の曲率半径Ｒにもよる。そこで、可動部６２の重量と、先端の曲率半径Ｒとを考慮して、操作者が上述のような重力による載置時に、可動部６２を、その重量を感じない重さとする必要がある。
【００６４】
また、指先に触覚提示装置６０を装着した際に、人が重みを感じる重量は、平均的に２．１ｇ以上である。このため、本実施形態では、触覚提示装置６０の重量は、２．１ｇ未満としてある。
ここまでの説明で記載した各種の数値例は、力触覚提示システム１０を、少なくともその数値で設計すれば、触覚及び力覚を良好に操作者に提示できることを示唆するものである。
【００６５】
このような構成の触覚提示装置６０は、次のように触覚を指先に伝達する。まず、図２に示すコンピュータ２０は、力覚提示装置４０から得られる糸４３の長さを計測するための情報を用いて、操作者の各指先の３次元座標位置を計算する。コンピュータ２０は、計算による３次元座標位置から、仮想手が仮想物体を把持したことを検出した際に、操作者の各指先に仮想物体を把持した触覚を伝達するための触覚提示情報を生成し、触覚用コントローラ５０へ出力する。
【００６６】
触覚用コントローラ５０は、その触覚提示情報の信号をＰＷＭによる触覚提示信号に変換して触覚提示装置６０へ出力する。そして、触覚提示装置６０が、触覚提示信号に応じてコイル６３に電流を流す。この電流による電磁誘導作用によって、図４（ｂ）に示すように可動部６２が上方へ移動し、尖り部材６２ｂの先端が人差し指１００ｂの指先を押圧し、触感に対応した触覚を操作者の指先に伝達する。
【００６７】
次に、図２に示す力覚提示装置４０は、仮想手が仮想物体を把持した時に指先に伝わる反力を、糸４３を引っ張って操作者の手１００の指先に伝達する。その反力は、仮想手が仮想物体を強く把持する過程で、仮想物体から受けるものである。このため、コンピュータ２０は、記憶装置に、仮想物体に対応する実物体の弾性係数や内圧等のデータを記憶しておき、仮想手が仮想物体を把持した際の仮想物体の変形量に、弾性係数を用いて反力を求める。
【００６８】
まず、コンピュータ２０が、上記の仮想手が仮想物体を強く把持したことを検出する場合、前述のように操作者の手１００の各指先の３次元座標位置を求め、この位置と、画面２０ａ上の仮想手の位置とを対応付ける。つまり、コンピュータ２０は、その仮想手が仮想物体を強く把持する過程で、仮想手の各指先が仮想物体に食い込む場合の、仮想手と仮想物体との相対位置を求める。
【００６９】
例えば、仮想物体の表面の位置が「０」であるとすると、仮想手が仮想物体を把持した瞬間は、仮想手の指の位置も「０」となる。位置「０」は仮想物体の表面の基準位置であるとする。仮想手の各指先が仮想物体に食い込んだ場合、仮想手の指先の位置は、基準位置「０」に対して「−２」のような仮想物体の表面から食い込んだ位置となる。このように、仮想物体の表面の基準位置「０」に対する仮想手の指の位置の「０」や「−２」を相対位置とする。
【００７０】
更に、コンピュータ２０は、その相対位置に応じて、仮想物体の変形量を求め、この変形量に弾性係数を用いて反力を求める。この際、相対位置と、仮想物体の変形量と、この変形量に応じた反力とは、予め対応付けて記憶装置にテーブル化してもよい。
【００７１】
コンピュータ２０は、操作者の各指先に、上記で求めた反力を糸４３で引っ張って伝達するための力覚提示情報を、各モータ部４２の回転トルク（単に、トルクともいう）として計算する。コンピュータ２０は、その計算された触覚提示情報を力覚用コントローラ３０へ出力する。
【００７２】
力覚用コントローラ３０は、その力覚提示情報の信号をＰＷＭによる力覚提示信号（電気信号）に変換して力覚提示装置４０へ出力する。そして、力覚提示装置４０が、力覚提示信号に応じて所定のモータ部４２を必要なトルクで正転又は逆転させることにより、糸４３で指先を引っ張り、反力に対応した力覚を操作者の指先に伝達する。
【００７３】
＜実施形態の動作＞
次に、本実施形態に係る力触覚提示システム１０による触覚及び力覚の提示動作を、図６及び図７に示すフローチャートを参照して説明する。
図６に示すステップＳ１において、図２に示したコンピュータ２０の制御により、図８（ａ）に示すように、画面２０ａに、３次元ＶＲ空間内の仮想物体としてのゴムボール７１と、仮想手７２とが離間状態に表示されているとする。但し、ゴムボール７１は、たまご型で、内部にゴム部材が充填された中実のものであるとする。
【００７４】
次に、ステップＳ２において、図２に示した力覚提示装置４０の糸接続部４４及び触覚提示装置６０を、ゴムバンド４５で操作者の各指先に装着した手１００によって、図８（ｂ）に示す仮想手７２がゴムボール７１を把持するように、操作が行われるとする。この際、仮想手７２がゴムボール７１を肉眼上では凹まないように把持されたとする。
【００７５】
次に、ステップＳ３において、コンピュータ２０は、上記ステップＳ２の把持操作を行う操作者の手１００に繋がる、各糸４３（図２参照）の長さの計測に必要なモータ情報等の情報を、力覚提示装置４０から力覚用コントローラ３０を介して取得する。コンピュータ２０は、その取得情報に応じて糸４３の長さを計測し、各指先の３次元座標位置を計算して求める。
【００７６】
更に、ステップＳ４において、コンピュータ２０は、上記ステップＳ３で求められた操作者の各指先の３次元座標位置に応じて、仮想手７２がゴムボール７１を把持する動作を行うように描画制御する。
【００７７】
ステップＳ５において、コンピュータ２０は、仮想手７２がゴムボール７１の表面を把持した位置となったことを検出した際に、その把持の触覚を操作者に伝達するための触覚提示情報を求める。この触覚提示情報は、触覚提示装置６０の可動部６２のコイル６３に、例えば０．８Ａの電流を流すための情報となる。この触覚提示情報の信号は、コンピュータ２０から触覚用コントローラ５０へ出力される。
【００７８】
ステップＳ６において、触覚用コントローラ５０は、その触覚提示情報の信号をＰＷＭによる触覚提示信号に変換して触覚提示装置６０へ出力する。
【００７９】
ステップＳ７において、その触覚提示信号に応じて触覚提示装置６０のコイル６３に電流が供給される。
【００８０】
この電流供給に応じた電磁誘導作用により、ステップＳ８において、図４（ｂ）に示すように触覚提示装置６０の可動部６２が上方へ移動し、尖り部材６２ｂの先端が各指｛図４（ｂ）には人差し指１００ｂのみ表示｝の指先を押圧する。この押圧により、上記計算の触感に対応した触覚が操作者の各指先に伝達される。これによって、操作者は、画面２０ａ上で仮想手７２がゴムボール７１を把持した時に、手１００の各指に、その把持した触感を感じる。
【００８１】
次に、図７に示すステップＳ９において、操作者の手１００によって、図８（ｂ）に示すゴムボール７１を把持した仮想手７２が、図８（ｃ）に示すように、ゴムボール７１を更に強く把持するように、操作が行われたとする。この場合、仮想手７２が、ゴムボール７１を凹むように把持した状態となる。
【００８２】
この際、ステップＳ１０において、コンピュータ２０は、操作者の手１００の各指先の変化に応じて、時々刻々と変化する各糸４３の長さの計測に必要なモータ情報等の情報を、力覚提示装置４０から力覚用コントローラ３０を介して取得する。コンピュータ２０は、その取得情報に応じて糸４３の長さを計測し、自身の位置から時々刻々と変化する操作者の各指先の３次元座標位置を計算して求める。
【００８３】
更に、ステップＳ１１において、コンピュータ２０は、上記ステップＳ１０で計算された操作者の各指先の３次元座標位置に応じて、仮想手７２がゴムボール７１を強く把持する動作を行うように描画制御する。
【００８４】
この制御により、仮想手７２の各指がゴムボール７１を徐々に強く把持し、各指先がゴムボール７１に徐々にめり込み、仮想手７２の各指先の位置が時々刻々と変化する。この変化に応じて仮想手７２の各指先はゴムボール７１から反力を受ける。
そこで、ステップＳ１２において、コンピュータ２０は、ゴムボール７１の基準表面位置に対する、ゴムボール７１に食い込む仮想手７２の指先の相対位置を求める。そして、コンピュータ２０は、相対位置に応じた仮想物体の変形量に、ゴムボール７１の弾性係数を用いて反力を求める。
【００８５】
次に、ステップＳ１３において、コンピュータ２０は、上記ステップＳ１２で求められた反力を、操作者の各指先に糸４３で引っ張って伝達するために必要な各モータ部４２のトルクとして求める。このトルクの情報を力覚提示情報として力覚用コントローラ３０へ出力する。
【００８６】
ステップＳ１４において、力覚用コントローラ３０は、その力覚提示情報の信号をＰＷＭによる力覚提示信号に変換して力覚提示装置４０へ出力する。
【００８７】
そして、ステップＳ１５において、力覚提示装置４０が、力覚提示信号に応じて所定のモータ部４２を必要なトルクで正転又は逆転させることにより、糸４３で操作者の各指先を引っ張り、反力に対応した力覚を指先に伝達する。これによって、操作者は、画面２０ａ上で仮想手７２がゴムボール７１を強く把持した時の反力を、手１００の各指先に感じる。この際、上記ステップＳ２〜Ｓ８で説明したように、その強く把持した際の触覚も感じることができる。
【００８８】
＜実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態に係る触覚提示装置６０は、図１に示すように、演算及び制御処理を行うコンピュータ２０の制御により画面２０ａに物体７１及び手７２（図８）が表示され、当該表示物体としての仮想物体７２が当該表示手としての仮想手７２で把持された際の触覚を、仮想手７２の動作をコンピュータ２０の制御と連携しながら操作する操作者の手１００に感知可能に伝達するものである。
【００８９】
この触覚提示装置６０の特徴は、図５に示すように、筒状を成し、一端の開口が蓋６１ｄで閉塞されて内部が凹状となったボビン６１と、ボビン６１の外周にコイル導線が巻回されて成るコイル６３と、ボビン６１の凹状の内部に移動自在に配置され、当該ボビン６１の開口側に先端を向けた尖り部材６２ｂが磁石６２ａに一体に固定されて成る可動部６２とを備えた構成にある。この構成において、ボビン６１の開口６１ｂ１が操作者の手１００に当接状態となるようにボビン６１が装着された当該操作者の操作により、表示手としての仮想手７２が表示物体としての仮想物体７１を把持した際に、コイル６３に電流が供給される。この電流供給により生じる電磁誘導作用によって可動部６２が移動する。そして、可動部６２の先端が、ボビン６１の開口６１ｂ１から突出して、操作者が触覚を感じるように当該操作者の手１００を押圧するようにした。
【００９０】
これによって、操作者の手１００の操作により、画面２０ａに表示された仮想手７２が仮想物体７１を把持した際に、操作者の手１００に装着されたボビン６１のコイル６３に電流が供給される。この電流供給によってボビン６１の凹状の内部の可動部６２が移動し、可動部６２の先端が、操作者が触覚を感じるように当該操作者の手１００を押圧する。従って、操作者は自分の手の操作で、仮想手７２に仮想物体７１を把持させた時に、仮想物体７１に対応する実物体を把持した際の触覚を実際に感じることができる。
【００９１】
また、尖り部材６２ｂは、この先端の曲率半径が０ｍｍ〜１．８ｍｍであり、コイル６３に供給される電流値Ｉは、当該電流値Ｉの電流がコイル６３に供給された際の可動部６２の移動により、曲率半径が０ｍｍ〜１．８ｍｍの尖り部材６２ｂの先端が操作者の手を押圧した際に、当該操作者に触覚を感じさせる大きさとした。
【００９２】
これによって、尖り部材６２ｂの先端の曲率半径を０ｍｍ〜１．８ｍｍの範囲内で選択しても、操作者に、仮想物体７１に対応する実物体を把持した時に近い触覚を伝達させることができる。従って、尖り部材６２ｂの先端の曲率半径を、０ｍｍ〜１．８ｍｍの比較的広い範囲で定めることができる。
【００９３】
また、コイル６３に供給される電流値Ｉは、尖り部材６２ｂの先端の曲率半径Ｒが小さくなるに従い、小さくするようにした。
【００９４】
これによって、尖り部材６２ｂの先端の曲率半径Ｒが小さいほどに、その先端が操作者の手に食い込み易くなるので、小さい電流値Ｉの電流でも、操作者に所定の物を掴んだ際の適度な触覚を与えることができる。また、曲率半径Ｒを小さくして、触覚提示装置６０の消費電力を抑制することができる。
【００９５】
また、可動部６２は、ボビン６１の開口が下方を向くことにより、尖り部材６２ｂの先端が操作者の手１００に重力で載置状態となった際に、当該操作者が可動部６２の重さを感じない重量とした。
【００９６】
これによって、尖り部材６２ｂの先端が操作者の手１００に重力で載置状態となっている場合でも、その載置状態の時点では可動部６２の重量を感じない。このため、操作者の手１００の操作で仮想手７２が仮想物体７１を把持した際の、尖り部材６２ｂの先端に押圧による触覚を適正に感じることができる。
【００９７】
また、触覚提示装置６０の重量は、触覚提示装置６０を操作者の手１００に装着する装具としてのゴムバンド４５と併せて、２．１ｇ未満とした。
【００９８】
これによって次のような作用効果が得られる。物の重量が２．１ｇ以上の際に、人は、その物が例えば手に載置されていれば、この載置物の重さを感じる。このため、ゴムバンド４５と併せて２．１ｇ未満の触覚提示装置６０では、人は、その重さを感じない。従って、２．１ｇ未満の触覚提示装置６０をゴムバンド４５で操作者の手１００に装着すれば、操作者は装着物の重さを略感じない状態で、仮想手７２の操作を良好に行うことができる。このため、操作者は、触覚提示装置６０の可動部６２の押圧で触覚が提示されていない状態では、重さを略感じていないので、触覚が提示された際に、その触覚を感じ易くなり、触覚を適正に感じることができる。
【００９９】
次に、本実施形態の力触覚提示システム１０は、上記の触覚提示装置６０と力覚提示装置４０とを備える構成とした。力覚提示装置４０は、触覚提示装置６０の動作を制御するコンピュータ２０の制御により画面２０ａに表示された仮想物体７１が仮想手７２で把持された際の把持力の反力である力覚を、仮想手７２をコンピュータ２０に制御させながら操作する操作者の手１００に、感知可能に伝達する。
【０１００】
この力触覚提示システム１０の特徴を説明する。力覚提示装置４０は、操作に応じてコンピュータ２０により回転制御される複数のモータとしてのモータ部４２と、モータ部４２に、当該モータ部４２の正転又は逆転に応じて長さが伸縮するように取り付けられた糸４３と、少なくとも１つ以上のモータ部４２から延びる糸４３が接続されるか、又は少なくとも２つ以上のモータ部４２から延びる複数本の糸４３が１つに束ねられて接続される糸接続部４４とを備える。糸接続部４４と触覚提示装置６０とが、１つのゴムバンド４５を介して操作者の手１００に装着されており、コンピュータ２０は、仮想物体７１が仮想手７２で把持された際に、操作者の手１００に装着されている糸接続部４４に接続された１本、又は１つに束ねられた複数本の糸４３の長さを計測して当該操作者の手１００の位置を求め、この位置の手１００に力覚を糸４３で引っ張って伝達するために必要なモータ部４２の回転制御を行う情報を生成する。この生成された情報で当該モータ部４２を回転させ、力覚が操作者の手１００に伝達されるように糸４３で当該操作者の手１００を引っ張るようにした。
【０１０１】
これによって、操作者の手１００の操作により、画面２０ａに表示された仮想手７２が仮想物体７１を強く把持した際に、触覚提示装置６０の可動部６２による操作者の手１００への押圧によって、操作者は操作を行っている自分の手に、実物体を把持した時と同じような触覚を感じることができる。同時に、力覚提示装置４０の糸４３が、把持力の反力である力覚が伝わるように、触覚が伝達中の操作者の手１００を引っ張るので、操作者に力覚を感じさせることができる。従って、操作者は、仮想手７２が仮想物体７１を強く把持する操作を行った際に、この操作を行っている自分の手に、把持した際の触覚及び力覚を同時に感じることができる。
【０１０２】
また、触覚提示装置６０及び糸接続部４４を合計した重量は、触覚提示装置６０及び糸接続部４４の双方を操作者の手１００に装着する装具としてのゴムバンド４５と併せて、２．１ｇ未満とした。
【０１０３】
これによって、前述の触覚提示装置６０の重量がゴムバンド４５と併せて２．１ｇ未満では指先で重さを感じないので、操作者は、指先で触覚及び力覚を感じ易くなり、触覚及び力覚を適正に感じることができ、良好な操作性を得ることができる。この操作性に関しては、小型軽量の触覚提示装置６０及び糸接続部４４が固定されたゴムバンド４５を、操作者が各指先に装着して操作を行うので、より良好な操作性を得ることができる。
【０１０４】
以上説明した本実施形態では、糸接続部４４及び触覚提示装置６０をゴムバンド４５で各指先に取り付け、触覚用コントローラ５０をゴムバンド５１で手頸に取り付けた構成としたが、グローブの指先に糸接続部４４及び触覚提示装置６０を固定し、グローブの甲側に触覚用コントローラ５０を固定した構成としてもよい。
【０１０５】
また、触覚用コントローラ５０及び力覚用コントローラ３０は、コンピュータ２０に内蔵してもよい。更に、触覚用コントローラ５０とコネクタ５２間は、有線通信に代え、無線通信で接続してもよい。
【０１０６】
＜実施形態の応用例＞
図９は、本発明の実施形態の力触覚提示システムを用いた応用例に係るロボット操作システムの構成を示す図である。
図９に示すロボット操作システム１２は、上述した力触覚提示システム１０と、通信装置７０と、中継装置８０と、ロボット９０とを備えて構成されている。
【０１０７】
通信装置７０は、コンピュータ２０と有線通信（又は無線通信）で接続されている。この通信装置７０は、操作者の手１００（図２参照）の操作に応じてコンピュータ２０で生成されるロボット９０の操作制御信号を、中継装置８０を介して遠隔地（離間位置）のロボット９０へ無線送信する。また、通信装置７０は、ロボット９０からの動作状態等の情報を含むロボット情報信号を、中継装置８０を介して無線で受信し、この受信したロボット情報信号をコンピュータ２０へ送信する。
【０１０８】
中継装置８０は、コンピュータ２０とロボット９０との間で送受信される操作制御信号及びロボット情報信号を、無線通信にて中継する。なお、通信装置７０とロボット９０の距離が短い場合は、中継装置８０は不要となり、通信装置７０とロボット９０が直接無線通信を行う。また、通信装置７０とロボット９０が近距離でノイズ混信など電波環境が悪い場所では、通信装置７０とロボット９０を有線で接続してもよい。
【０１０９】
ロボット９０は、ヒューマノイド型のロボットであり、胴体９１と、両足９２と、両腕９３及び両手９４と、頭部９５とを備え、頭部９５に、中継装置８０との間で電波を送受信するアンテナ９６と、両眼としてのカメラ９８とを備える。両手９４には、各々５本の指９７を備える。なお、図９には、両足９０ｂを１本のみ表記し、５本の指９７を２本のみ、両眼に対応する２つのカメラ９８を１つのみ表記してある。また、ロボット９０の手９４及び指９７は、請求項に記載の「ロボットのマニピュレータ」に対応している。
【０１１０】
ロボット９０は、図示はしないが、内部に、両足９０ｂ、両手９４及び指９７、頭部９５等を人間に近い状態で動かすためのアクチュエータを含む機械機構を備える。更に、ロボット９０は、内部に図示せぬ、通信機能、センサ機能、コンピュータ機能を備える。
【０１１１】
機械機構は、ロボット９０に人間のように、両足９０ｂで歩行させ、両腕９３を肩関節で動作させ、両手９４を動かして５本の指９７で、物７５を把持させる等の動作を行わせる。ここでは、把持する物７５が、たまご型のゴムボールであるとする。
【０１１２】
通信機能は、アンテナ９６を介して中継装置８０と無線で送受信を行う。
センサ機能は、ロボット９０の両足９０ｂ、両手９４及び指９７等の動作状態や、この動作時の両足９０ｂ、両手９４及び指９７等の３次元座標位置等を検出する。
【０１１３】
コンピュータ機能は、アンテナ９６を介して通信機能で受信された操作制御信号に応じた動作を、ロボット９０が行うように機械機構を制御する。更に、コンピュータ機能は、センサ機能の検出動作やカメラ９８の撮影動作等を制御し、それらの動作で得られる情報を処理してロボット情報信号を生成する。
【０１１４】
ロボット９０が、例えば一方の手９４の指９７でゴムボール７５を把持した状態をカメラ９８で撮影した場合、この様子が、図１０（ａ）に示すように、コンピュータ２０の画面２０ａに表示される。この表示は次のように行われる。ロボット９０において、カメラ９８で撮影された映像情報がコンピュータ機能でロボット情報信号に重畳されて生成され、このロボット情報信号が中継装置８０及び通信装置７０を介してコンピュータ２０へ送信される。コンピュータ２０は、ロボット情報信号の映像情報に応じて、画面２０ａに図１０（ａ）に示すように手９４ａの指９７ａでゴムボール７５ａを把持した様子を表示する。
【０１１５】
なお、ロボット９０の腕９３、手９４、指９７、並びにゴムボール７５が、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、画面２０ａに表示される場合、腕９３ａ、手９４ａ、指９７ａ、並びにゴムボール７５ａのように、符号にａを付して実際のものと区別してある。また、ゴムボール７５は、たまご型で、内部にゴム部材が充填された中実のものであるとする。
【０１１６】
ロボット９０が手９４の指９７でゴムボール７５を、図１０（ａ）に示すように把持する際の動作は次のように行われる。
【０１１７】
操作者は、図１０（ａ）に示すように、画面２０ａに表示された手９４ａの指９７ａが、ゴムボール７５ａを把持するように手１００の各指（図２）を動かす。これに応じて、コンピュータ２０は、その操作を行う手１００の各指に繋がる各糸４３（図２）の長さの計測に必要なモータ情報等の情報を、力覚提示装置４０から力覚用コントローラ３０を介して取得する。コンピュータ２０は、その取得情報に応じて糸４３の長さを計測し、手１００の各指先の３次元座標位置を計算する。
【０１１８】
コンピュータ２０は、その計算された３次元座標位置の情報を含む操作制御信号を生成し、通信装置７０及び中継装置８０を介してロボット９０へ送信する。ロボット９０は、コンピュータ機能で、操作制御信号の３次元座標位置の情報に応じて、手９４の指９７を把持するように制御する。この制御に応じて機械機構が、手９４の指９７が把持するように動かし、ゴムボール７５を把持する。
【０１１９】
この際、ロボット９０が動かす手９４及び指９７の画像は、カメラ９８で撮影されてロボット情報信号に重畳されたのちコンピュータ２０へ送信される。コンピュータ２０は、そのロボット情報信号の撮影情報に応じて、図１０（ａ）に示すように、画面２０ａに手９４ａの指９７ａによる把持動作を表示する。
【０１２０】
また、ロボット９０が、手９４の指９７でゴムボール７５を把持する際の把持動作の状態や、この時の手９４の指９７の３次元座標位置も、センサ機能で検出される。これらの検出情報も、ロボット情報信号に重畳されて、ロボット９０からコンピュータ２０へ送信される。
【０１２１】
コンピュータ２０は、そのロボット情報信号に含まれる３次元座標位置の手９４の指９７が、ゴムボール７５を把持する状態を示す情報（ロボット把持動作情報という）を用い、操作者の手１００の指先に、その把持時の触覚を伝達するための触覚提示情報を求める。これは、コンピュータ２０が、ロボット把持動作情報から、ロボット９０が、手９４の指９７でゴムボール７５を把持したことを検出した際に、前述した実施形態と同様に触覚提示情報を求めるものである。この触覚提示情報は、触覚提示装置６０の可動部６２のコイル６３に、例えば０．８Ａの電流を流すための情報となる。この触覚提示情報の信号は、コンピュータ２０から触覚用コントローラ５０へ出力される。
【０１２２】
触覚用コントローラ５０は、その触覚提示情報の信号をＰＷＭによる触覚提示信号に変換して触覚提示装置６０へ出力する。この出力された触覚提示信号に応じて触覚提示装置６０のコイル６３｛図４（ｂ）｝に電流が供給される。この電流の供給に応じた電磁誘導作用により、触覚提示装置６０の可動部６２｛図４（ｂ）｝が上方へ移動し、その尖り部材６２ｂの先端が各指の指先を押圧する。この押圧により、上記計算された触覚が操作者の各指先に伝達される。これによって、操作者は、ロボット９０の手９４の指９７が、ゴムボール７５を把持した際の触覚を、自分の手１００の各指に感じることができる。
【０１２３】
この後、図１０（ｂ）に示すように、ロボット９０が手９４の指９７でゴムボール７５を、更に強く把持したとする。この動作は次のように行われる。
【０１２４】
操作者は、図１０（ａ）に示す画面２０ａに表示された手９４ａの指９７ａが、ゴムボール７５ａを把持した様子を見ながら、ゴムボール７５ａを更に強く把持するように手１００の各指（図２）を動かす。これに応じて、コンピュータ２０は、その操作を行う手１００の各指に繋がる各糸４３（図２）の長さの計測に必要なモータ情報等の情報を、力覚提示装置４０から力覚用コントローラ３０を介して取得する。コンピュータ２０は、その取得情報に応じて糸４３の長さを計測し、手１００の各指先の３次元座標位置を計算する。
【０１２５】
コンピュータ２０は、その計算された３次元座標位置の情報を含む操作制御信号を生成し、通信装置７０及び中継装置８０を介してロボット９０へ送信する。ロボット９０は、コンピュータ機能で、操作制御信号の３次元座標位置の情報に応じて、手９４の指９７を更に強く把持するように制御する。この制御に応じて機械機構が、手９４の指９７が更に強く把持するように動かし、ゴムボール７５を更に強く把持する。
【０１２６】
この際、ロボット９０が動かす手９４及び指９７の画像は、カメラ９８で撮影されてロボット情報信号に重畳されたのちコンピュータ２０へ送信される。コンピュータ２０は、そのロボット情報信号の撮影情報に応じて、図１０（ｂ）に示すように、画面２０ａに手９４ａの指９７ａによる強い把持動作を表示する。
【０１２７】
また、ロボット９０が、手９４の指９７でゴムボール７５を更に強く把持する際の把持動作の状態や、この時の手９４の指９７の３次元座標位置も、センサ機能で検出される。これらの検出情報も、ロボット情報信号に重畳されて、ロボット９０からコンピュータ２０へ送信される。
【０１２８】
コンピュータ２０は、そのロボット情報信号に含まれるロボット把持動作情報を用い、ロボット９０の手９４の指９７がゴムボール７５を更に強く把持した際に、手９４の指９７がゴムボール７５から受ける反力を求める。即ち、コンピュータ２０は、ゴムボール７５の基準表面位置に対する、ゴムボール７５に食い込む手９４の指９７の相対位置を求める。そして、コンピュータ２０は、相対位置に応じた仮想物体の変形量に、ゴムボール７５の弾性係数を用いて反力を求める。
【０１２９】
次に、コンピュータ２０は、その求められた反力を、操作者の各指先に糸４３で引っ張って伝達するために必要な各モータ部４２のトルクとして求める。このトルクの情報を力覚提示情報として力覚用コントローラ３０へ出力する。
【０１３０】
力覚用コントローラ３０は、その力覚提示情報の信号をＰＷＭによる力覚提示信号に変換して力覚提示装置４０へ出力する。
【０１３１】
そして、力覚提示装置４０が、力覚提示信号に応じて所定のモータ部４２を必要なトルクで正転又は逆転させることにより、糸４３で操作者の手１００の各指先を引っ張り、反力に対応した力覚を指先に伝達する。これによって、操作者は、図１０（ｂ）に示すように画面２０ａ上で、ロボット９０の手９４ａの指９７ａがゴムボール７５ａを更に強く把持する際の反力を、手１００の各指先に感じる。
【０１３２】
このような操作者の手１００の各指による操作と、この操作に応じたロボット９０の手９４の指９７の動作と、この動作に応じた操作者の手１００の各指先への触覚及び力覚の伝達とは、コンピュータ２０とロボット９０との間で、操作制御信号とロボット情報信号とがその操作や動作の都度、送受信されることにより順次実行される。
【０１３３】
なお、ロボット９０においては、その手９４の指９７の動作は、ロボット９０の目として搭載されたカメラ９８で撮影するようにしたが、ロボット９０から離間した位置に外部カメラを配置して撮影してもよい。この場合、外部カメラで撮影された情報は、ロボット９０へ無線送信されて、内部のコンピュータ機能で処理されるようにする。
【０１３４】
以上のような本実施形態の力触覚提示システム１０を用いた応用例のロボット操作システム１２によれば、次のような作用効果を得ることができる。
【０１３５】
操作者が、コンピュータ１０の画面２０ａに表示された遠隔地のロボット９０のマニピュレータとしての手９４の指９７を見ながら、ロボット９０の手９４の指９７の動きを遠隔操作しているとする。この際に、同画面２０ａに表示された手９４の指９７の近くの実物体としてのゴムボール７５を、操作者が遠隔操作で手９４の指９７に把持させたとする。この時に、操作者は、その把持した際の触覚及び力覚を、同時に感じることができる。
【０１３６】
その他、具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。図２に示したゴムバンド４５に固定された触覚提示装置６０及び力覚提示装置４０の糸接続部４４を、操作者の手１００の各指に代え、足の各指にゴムバンド４５で装着してもよい。この場合、手で操作ができない人に足で操作させることが可能となる等、適用範囲を拡げることができる。
【符号の説明】
【０１３７】
１０  力触覚提示システム
１２  ロボット操作システム
２０  コンピュータ
２０ａ  画面
３０  力覚用コントローラ
３０ａ  モータ部の配線
３０ｂ  ケーブル配線
４０  力覚提示装置
４１  フレーム
４２ａ〜４２ｘ  モータ部
４３  糸
４５  ゴムバンド
５０  触覚用コントローラ
５０ａ，５０ｂ  ケーブル配線
５１  ゴムバンド
５０ｃ〜５０ｇ  配線
６０  触覚提示装置
６１  ボビン
６１ａ  円筒部
６１ａ１  円筒部の開口
６１ｂ  第１円環板
６１ｃ  第２円環板
６１ｄ  蓋
６１ｂ１  第１円環板の開口
６２  可動部
６２ａ  磁石
６２ｂ  尖り部材
６３  コイル
７０  通信装置
７１  仮想物体（ゴムボール）
７２  仮想手
７５  物体（ゴムボール）
８０  中継装置
９０  ロボット
９１  胴体
９２  足
９３  腕
９４  手
９７  指
９５  頭部
９６  アンテナ
９８  カメラ
１００  操作者の手
１００ａ  親指
１００ｂ  人差し指
【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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