(57)【要約】【課題】三次元モデルで小型表現可能な仮想物体の触力覚を提示する触力覚提示装置を提供する。【解決手段】本発明の触力覚提示装置１は、入れ子構造により伸縮可能で伸縮方向への復元力が付勢された構造を有する触力覚提示素子２２が基台部２０に複数配設された触力覚提示ユニット２、各触力覚提示素子２２の変位量を監視し、三次元モデルの形状に相当する変位量に達する触力覚提示素子２２に対して、当該三次元モデルの硬度に相当する反力として縮長方向へのブレーキ力を該触力覚提示素子２２に発生させる制御ユニット３と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元モデルで表現可能な仮想物体の触力覚を提示する触力覚提示装置であって、
入れ子構造により伸縮可能で伸縮方向への復元力が付勢された構造を有する触力覚提示素子が基台部に複数配設された触力覚提示ユニットと、
当該複数の触力覚提示素子のそれぞれの変位量を監視し、三次元モデルの形状に相当する変位量に達する触力覚提示素子に対して、当該三次元モデルの硬度に相当する反力として縮長方向へのブレーキ力を該触力覚提示素子に発生させる制御ユニットと、
を備えることを特徴とする触力覚提示装置。
【請求項２】
前記触力覚提示素子は、触力覚を提示可能とする先端部に圧力センサを有し、
前記制御ユニットは、前記圧力センサのセンサ出力から触力覚提示素子の変位量を求めるよう構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の触力覚提示装置。
【請求項３】
前記触力覚提示素子は、コンプレッサによる圧力制御が可能な加圧材を内部に有し、
前記制御ユニットは、前記ブレーキ力を前記コンプレッサによるダンパー作用により発生するよう制御し、前記復元力を前記コンプレッサによる圧力制御により発生するよう制御することを特徴とする、請求項１又は２に記載の触力覚提示装置。
【請求項４】
前記触力覚提示素子は、内部に圧縮バネ及び内壁又は外壁に圧電素子を内壁又は外壁に有し、
前記制御ユニットは、前記ブレーキ力を前記圧電素子による弾性変形作用により発生するよう制御し、
前記圧縮バネは、前記触力覚提示素子における復元力を発生するよう構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の触力覚提示装置。
【請求項５】
前記触力覚提示ユニットは、２以上の触力覚提示素子の先端部を覆う可撓性生地が設けられていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の触力覚提示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元モデルで表現可能な仮想物体の触力覚を提示する触力覚提示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バーチャルリアリティなどでは、物体の形状を提示するための触力覚提示装置が知られている（例えば、特許文献１，２、及び非特許文献１参照）。このような触力覚提示装置は、例えば、物体を触った感覚（触感覚）を仮想的に再現するため、触覚を利用して物体の大きさと形状を提示し、力覚を利用して物体の硬度を提示することができる。
【０００３】
より具体的に、従来の触力覚提示装置は、モータもしくはソレノイドのような駆動デバイスによって指先の押す力に対して反力を与えることで物体に触れている感覚をバーチャルに提示している。反力の強さは物体の硬度を知覚させ、反力の無い状態から指先を押したときに初めて反力を感じるまでの移動距離によって物体の大きさと形状を認知できる。しかし、指の押す力に対して常に反力を返す必要があり、大きな反力を返すためにはこれら駆動デバイスも大型化することになる。
【０００４】
従って、従来の触力覚提示装置は大がかりとなり、非常に高価なものとなる。そして、この駆動デバイスの大型化に伴い、手のひら内に収めて把持可能な小物体の触力覚を提示するのが困難となり、例えばハンドボール大程度の大きな物体形状を手でさする動作でしか触力覚を提示できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−９２９０６号公報
【特許文献２】特開２０１２−３７４２０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“３次元力覚入出力デバイス Geomagic Phantom”、［online］、株式会社スリーディー、［平成27年3月17日検索］、インターネット〈URL：http://www.ddd.co.jp/phantom/〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したように、従来の触力覚提示装置は、モータもしくはソレノイドのような駆動デバイスによって指先の押す力に対して反力を与えることで物体に触れている感覚をバーチャルに提示している。このような駆動デバイスは大型化することになり、手のひら内に収めて把持可能な小物体の触力覚を提示するのが困難となる。
【０００８】
そして、従来の触力覚提示装置では小型化を実現することや低廉化するのも困難となり、その用途も限られてくる。
【０００９】
本発明の目的は、上述の問題に鑑みて、三次元モデルで小型表現可能な仮想物体の触力覚を提示する触力覚提示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による触力覚提示装置では、モータもしくはソレノイドのような駆動デバイスを用いることなく、入れ子構造により伸縮可能とした棒状（より正確には長細の多段筒状）の触力覚提示素子を基台部に複数配設して触力覚提示ユニットを構成する。そして、それぞれの触力覚提示素子には、指や手のひら等の接触点に圧力センサを設けておき、制御ユニットにより、各触力覚提示素子のセンサ出力を監視する。制御ユニットは、圧力センサのセンサ出力から触力覚提示素子の変位量（即ち、指等による押し込み量に相当）を監視し、三次元モデルで表現可能な仮想物体（即ち、仮想空間における視認性の有無を問わない物体）の形状に相当する変位量に達する触力覚提示素子に対して、当該三次元モデルの硬度に相当する反力として縮長方向へのブレーキ力を該触力覚提示素子に発生させる。これにより、三次元モデルで表現可能な仮想物体の触力覚を提示する。
【００１１】
即ち、本発明の触力覚提示装置は、三次元モデルで表現可能な仮想物体の触力覚を提示する触力覚提示装置であって、入れ子構造により伸縮可能で伸縮方向への復元力が付勢された構造を有する触力覚提示素子が基台部に複数配設された触力覚提示ユニットと、当該複数の触力覚提示素子のそれぞれの変位量を監視し、三次元モデルの形状に相当する変位量に達する触力覚提示素子に対して、当該三次元モデルの硬度に相当する反力として縮長方向へのブレーキ力を該触力覚提示素子に発生させる制御ユニットと、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の触力覚提示装置において、前記触力覚提示素子は、触力覚を提示可能とする先端部に圧力センサを有し、前記制御ユニットは、前記圧力センサのセンサ出力から触力覚提示素子の変位量を求めるよう構成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の触力覚提示装置において、前記触力覚提示素子は、コンプレッサによる圧力制御が可能な加圧材を内部に有し、前記制御ユニットは、前記ブレーキ力を前記コンプレッサによるダンパー作用により発生するよう制御し、前記復元力を前記コンプレッサによる圧力制御により発生するよう制御することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の触力覚提示装置において、前記触力覚提示素子は、内部に圧縮バネ及び内壁又は外壁に圧電素子を内壁又は外壁に有し、前記制御ユニットは、前記ブレーキ力を前記圧電素子による弾性変形作用により発生するよう制御し、前記圧縮バネは、前記触力覚提示素子における復元力を発生するよう構成されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の触力覚提示装置において、前記触力覚提示ユニットは、２以上の触力覚提示素子の先端部を覆う可撓性生地が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、手のひら内に収めて把持可能な小物体の触力覚を提示することができ、その用途を拡大させることができる。また、触力覚提示装置の小型化の実現や低廉化も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による一実施形態の触力覚提示装置の概略構成を示す図である。
【図２】（ａ）, （ｂ）は、それぞれ本発明による一実施形態の触力覚提示装置における触力覚提示ユニット及び触力覚提示素子の概略構成を示す斜視図及び平面図である。
【図３】（ａ）, （ｂ）は、それぞれ本発明による一実施形態の触力覚提示装置における触力覚提示ユニットの作用を示す斜視図である。
【図４】（ａ）, （ｂ）, （ｃ）は、それぞれ本発明による一実施形態の触力覚提示装置における触力覚提示素子の実施例を示す平面透視図である。
【図５】（ａ）, （ｂ）は、それぞれ本発明による一実施形態の触力覚提示装置における変形例の触力覚提示ユニットの概略構成を示す部分的な平面図である。
【図６】本発明による一実施形態の触力覚提示装置における制御ユニットの制御を示すフローチャートである。
【図７】本発明による一実施形態の触力覚提示装置における制御ユニットの制御に関する触力覚提示素子の動作説明図である。
【図８】本発明による一実施形態の触力覚提示装置における触力覚提示素子に反力を発生させるための三次元モデルのモデルデータを示すテーブル例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明による一実施形態の触力覚提示装置１を例示して説明する。図１は、本実施形態の触力覚提示装置１の概略構成を示す図である。
【００１９】
（装置構成）
触力覚提示装置１は、三次元モデルで表現可能な仮想物体（即ち、仮想空間における視認性の有無を問わない物体）の触力覚を提示する装置であり、触力覚提示ユニット２、及び制御ユニット３を備えるよう構成される。提示する三次元モデルのモデルデータは、制御ユニット３内に格納されており、必要に応じて外部の表示装置４（例えば、パーソナルコンピュータ）に表示させることができる。
【００２０】
触力覚提示ユニット２は、その詳細は図２乃至図４を参照して後述するが、モータもしくはソレノイドのような駆動デバイスを用いることなく手のひらサイズで構成され、入れ子構造により伸縮可能とした棒状（より正確には長細の多段筒状）の触力覚提示素子２２を基台部２０に複数配設して構成される。そして、それぞれの触力覚提示素子２２には、指や手のひら等の接触点（即ち、触力覚提示素子２２の先端部）に圧力センサ２３が設けられている。圧カセンサ２３は、触感覚の違和感を低減させるため厚みの無いものが好ましく従来から既知のシート状のものを用いるのが好適である。
【００２１】
制御ユニット３は、変位量検知部１１、反力算出部１２、反力発生部１３、三次元モデル設定部１４、三次元モデルデータベース１５、及び三次元モデル表示制御部１６を備える。
【００２２】
変位量検知部１１は、各触力覚提示素子２２における圧力センサ２３のセンサ出力から各触力覚提示素子２２の変位量（即ち、指等による押し込み量に相当）を監視する機能部であり、三次元モデルで表現可能な仮想物体の形状に相当する変位量に達する触力覚提示素子２２に対して、当該三次元モデルの硬度に相当する反力として該変位量における縮長方向への押し込み力に対するブレーキ力を算出するよう反力算出部１２に指示する。
【００２３】
三次元モデルのモデルデータは、三次元モデルデータベース１５に１つ以上格納されており、提示する仮想物体の形状とその硬度を、触力覚提示ユニット２におけるそれぞれの触力覚提示素子２２に対応付けた座標で制御できるよう構成されている（図８を参照して後述する）。そして、外部操作可能なマン−マシンインターフェースとして構成される三次元モデル設定部１４により、三次元モデルデータベース１５に１つ以上格納されている三次元モデルのモデルデータのうち１つを選択して設定することで、「提示する仮想物体」を決定できるようになっている。
【００２４】
また、三次元モデル設定部１４により決定した「提示する仮想物体」の三次元モデルは、三次元モデル表示制御部１６により外部の表示装置４に表示させることができる。尚、三次元モデル設定部１４は、タッチパネルなど操作画面を提示するとともに、その三次元モデルを表示するよう構成することや、種々の三次元モデルを単に番号管理して選択可能とするなど、任意である。そして、三次元モデルデータベース１５への三次元モデルのモデルデータの追加や削除は、図示しない専用のインターフェースを介して可能とするよう構成することや、外部の表示装置４として構成する例えばパーソナルコンピュータから制御可能に三次元モデル表示制御部１６を構成することができる。
【００２５】
反力算出部１２は、変位量検知部１１からの指示を受け付けると、該変位量における縮長方向への押し込み力に対するブレーキ力を当該三次元モデルの硬度に相当する反力として算出し、該反力を発生させるよう反力発生部１３に指示する。
【００２６】
反力発生部１３は、当該ブレーキ力を該触力覚提示素子２２に生じさせるよう制御する。このブレーキ力は、詳細に後述する実施例のように、コンプレッサによるダンパー作用や圧電素子による弾性変形作用によって実現することができる。
【００２７】
尚、変位量検知部１１は、各触力覚提示素子２２における圧力センサ２３のセンサ出力から各触力覚提示素子２２の変位量を監視しており、当該仮想物体の形状に相当する変位量に未到達、又は到達後に未到達となる触力覚提示素子２２に対して、反力算出部１２を介してその未到達である旨を反力発生部１３に指示する機能を有し、未到達である旨を受け付けた反力発生部１３は、当該三次元モデルの硬度に相当するブレーキ力を反力として該触力覚提示素子２２に発生させるのを解除する。
【００２８】
また、伸縮可能な触力覚提示素子２２に対して、縮長方向への指等による押し込み力が弱まると、触力覚提示素子２２は、伸長方向への復元力が付勢される構造を有している。後述する実施例では、当該反力に対して十分に小さい力で付勢する圧縮バネ（即ち、反力として非動力源である圧縮バネ）により当該復元力を実現するか、当該反力を発生させるためのコンプレッサによるダンパー作用を利用して、当該反力に対して十分に小さい力で付勢することで当該復元力を実現することができる。従って、伸縮可能な触力覚提示素子２２に対して、縮長方向への指等による押し込み力が無くなると、触力覚提示素子２２は伸長し、初期長さに復元する。
【００２９】
このように、本発明に係る触力覚提示装置１では、提示する仮想物体に相当する三次元モデルの形状や硬度を提示するにあたり、触力覚提示素子２２に対して指等による押し込み力に応じた反力を与えるために、その形状や硬度に対応するよう制御ユニット３により制御する。例えば、手のひらで把持動作を行う場合、提示する仮想物体の無い領域ではその反力をほとんど感じないようにし、提示する仮想物体の有る領域ではその反力を感じるようにして、提示する仮想物体の形状に応じた位置で触力覚提示素子２２の縮長を停止させるよう制御する。更に、提示する仮想物体が硬い物体を想定しているときは提示する仮想物体の形状に応じた位置で触力覚提示素子２２の縮長を停止させればよいが、提示する仮想物体が柔らかい物体を想定しているときは更なる縮長を許容し、その更なる縮長に応じた反力を発生させるよう制御する。
【００３０】
このため、制御ユニット３は、提示する仮想物体に相当する三次元モデルの形状や硬度の程度によって、押し込み力に応じた触力覚提示素子２２の変位量を監視し、この変位量を基に押し込み力に対する反力を触力覚提示素子２２に発生させて当該三次元モデルの形状や硬度を提示する。
【００３１】
（触力覚提示ユニット）
以下、図２乃至図４を参照して、触力覚提示ユニット２の構造について説明する。図２（ａ）, （ｂ）は、それぞれ本実施形態の触力覚提示装置１における触力覚提示ユニット２及び触力覚提示素子２２の概略構成を示す斜視図及び平面図であり、図３（ａ）, （ｂ）は、それぞれ本実施形態の触力覚提示装置１における触力覚提示ユニット２の作用を示す斜視図である。図４（ａ）, （ｂ）, （ｃ）は、それぞれ本実施形態の触力覚提示装置１における触力覚提示素子２２の実施例を示す平面図である。
【００３２】
本実施形態の触力覚提示ユニット２は、図２（ａ）に示すように、内部が中空で球状の基台部２０に、入れ子構造により伸縮可能とした棒状（より正確には長細の多段筒状）の触力覚提示素子２２が複数配設されて、全体として手のひらサイズで構成されている。各触力覚提示素子２２は、基台部２０における予め区画された基台座標上に１つずつ配置され、その基端部が固定されており、三次元空間の全方向に基台部２０から突起して伸在している。そして、それぞれの触力覚提示素子２２には、指や手のひら等の接触点（即ち、触力覚提示素子２２の先端部）に圧力センサ２３が設けられている。
【００３３】
尚、基台部２０は、その内部に、各触力覚提示素子２２に設けられた圧力センサ２３からの配線を制御ユニット３へと中継接続する回路基板（図示せず）が内蔵されている。そして、本実施形態では、基台部２０を球状とした例を説明するが、必ずしも球状である必要はなく、直方体でも多面体でもよいし、鉄アレイ状など、より複雑な形状とすることもできる。
【００３４】
各触力覚提示素子２２は、入れ子構造により伸縮可能とした伸縮機構２４により構成され、例えば図２（ｂ）に示すように、５段の伸縮機構２４‐１〜２４‐５で構成すると、図示する最大伸長時の状態から、概ね最下段の伸縮機構２４‐５の高さまで縮長できるようになっている。尚、各触力覚提示素子２２は、楕円柱状や多角注状に構成することもできるが、この伸縮動作の摺動性を高めるために図示するように略円柱状とするのが好ましい。また、本実施形態では、各触力覚提示素子２２の最大伸長時の高さ（即ち、初期長さ）を略同一とする例を示しているが、別個の高さで組み合わせたものとしてもよく、このため伸縮機構の段数も別個に定めることができる。
【００３５】
触力覚提示ユニット２は、基台部２０に複数の触力覚提示素子２２を配置する際に、触力覚を提示する解像度を高めるべく、なるべく密集するように配置するのが好ましい。即ち、図３（ａ）に示すように基台部２０から略球状に全方向に放射して伸長した初期長さの状態にある各触力覚提示素子２２に対して、図３（ｂ）に示すように、手のひらで触力覚提示ユニット２を包み持ったときに（即ち、把持したときに）、その触力覚提示素子２２が縮長し、提示する仮想物体に対応する三次元モデルの予め決められた変位量でその縮長を停止するよう制御ユニット３により制御する。これにより、手のひらで触力覚提示ユニット２を把持したときに反力が生じ、提示する仮想物体に対応する三次元モデルの形状及び硬度を知覚させることができる。
【００３６】
そして、伸縮可能な触力覚提示素子２２に対して、縮長方向への指等による押し込み力が弱まるか、又はその押し込み力が無くなると、図３（ａ）に示すように触力覚提示素子２２は伸長し、初期長さに復元するようになっている。後述する実施例のように、当該反力に対して十分に小さい力で付勢する圧縮バネや、当該反力を発生させるためのコンプレッサによるダンパー作用を利用して当該反力に対して十分に小さい力で付勢することでその復元力を実現することができる。このように触力覚提示素子２２を伸縮可能に入れ子構造とすることで、単にソレノイドを用いて伸縮可能とする構成よりも伸縮範囲を大きくとることができ、三次元モデルの形状及び硬度の提示範囲を拡大させることができる。
【００３７】
次に、図４を参照して、触力覚提示素子２２の構成例として３つの実施例を説明する。図４（ａ）, （ｂ）, （ｃ）は、それぞれ本実施形態の触力覚提示装置１における実施例１乃至３の触力覚提示素子２２の構成例を示す平面透視図である。尚、同様な構成要素には同一の参照番号を付している。
【００３８】
（実施例１の触力覚提示素子）
図４（ａ）に示すように、実施例１の触力覚提示素子２２は、伸縮機構２４（図示する例では、５段の伸縮機構２４‐１〜２４‐５）により伸縮可能に入れ子構造を有し、その筒状の内部に空気又はオイル等の加圧材２５がほぼ充満されている。そして、反力発生部１３をコンプレッサにより構成する。手のひらサイズの触力覚提示ユニット２に複数配設する触力覚提示素子２２の大きさ程度の圧力制御であれば、コンプレッサのサイズも携帯可能な大きさで実現することができる。制御ユニット３は、変位量検知部１１により、各触力覚提示素子２２における圧力センサ２３に接続される信号線２３ａを経て圧力センサ２３のセンサ出力を得ることができ、このセンサ出力から各触力覚提示素子２２の変位量（即ち、指等による押し込み量に相当）を監視する。
【００３９】
そして、制御ユニット３は、反力算出部１２により、三次元モデルの形状に相当する変位量に達する触力覚提示素子２２に対して、当該三次元モデルの硬度に相当する反力として該変位量における縮長方向への押し込み力に対するブレーキ力を算出し、反力発生部１３として構成するコンプレッサにより、チューブ２５ａを経て触力覚提示素子２２内にほぼ充満されている空気又はオイル等の加圧材２５の圧力を変化させ、当該ブレーキ力を該触力覚提示素子２２に生じさせるよう制御する。一方、制御ユニット３は、変位量検知部１１により、当該仮想物体の形状に相当する変位量に未到達、又は到達後に未到達となる触力覚提示素子２２に対しては、反力算出部１２を介してその未到達である旨を反力発生部１３に指示し、未到達である旨を受け付けた反力発生部１３は、当該三次元モデルの硬度に相当するブレーキ力を反力として該触力覚提示素子２２に発生させるのを解除して、触力覚提示素子２２の初期長さへ向かわせる復元力を該触力覚提示素子２２に発生させる。
【００４０】
このように、実施例１の触力覚提示素子２２では、触力覚提示素子２２内にほぼ充満されている空気又はオイル等の加圧材２５の圧力をコンプレッサにより変化させるダンパー作用により、触力覚提示素子２２の初期長さへ向かわせる復元力の発生と、三次元モデルにおける当該三次元モデルの硬度に相当する反力として縮長方向への押し込み力に対するブレーキ力の発生が制御されるよう構成されている。
【００４１】
（実施例２の触力覚提示素子）
図４（ｂ）に示すように、実施例２の触力覚提示素子２２は、実施例１の構成に加えて、その復元力を助力するために、当該反力に対して十分に小さい力で付勢する圧縮バネ２６（即ち、反力として非動力源である圧縮バネ）が、触力覚提示素子２２の筒状の内部にて基端部から先端部まで延在するよう設けられており、実施例１と同様に、その筒状の内部に空気又はオイル等の加圧材２５がほぼ充満されている。この場合も、制御ユニット３により実施例１と同様に制御することで、実施例２の触力覚提示素子２２は、復元力の発生と、反力（即ち、ブレーキ力）の発生が制御される。ただし、圧縮バネ２６の利用により、復元力の発生のための油圧制御は大まかでもよくなり、実施例１の場合よりも簡単になる。
【００４２】
（実施例３の触力覚提示素子）
一方、図４（ｃ）に示すように、実施例３の触力覚提示素子２２は、伸縮機構２４（図示する例では、５段の伸縮機構２４‐１〜２４‐５）により伸縮可能に入れ子構造を有し、その先端部に圧力センサ２３が設けられている点で上述の実施例と同様であるが、その筒状の内部に加圧材２５を用いていない点で相違する。代わりに、触力覚提示素子２２の筒状の内部には、実施例２で説明したような圧縮バネ２６が当該復元力の発生のために基端部から先端部まで延在するよう設けられており、更に、当該反力の発生のために本例では上位４段の伸縮機構２４‐１〜２４‐４の内壁（又は外壁）に、それぞれ一対の圧電素子２７‐１〜２７‐４が貼付されている（総括して「圧電素子２７」と称する。）。
【００４３】
そして、反力発生部１３を、圧電素子２７を駆動する圧電素子駆動回路により構成する。本実施例においても、制御ユニット３は、変位量検知部１１により、各触力覚提示素子２２における圧力センサ２３に接続される信号線２３ａを経て圧力センサ２３のセンサ出力を得ることができ、このセンサ出力から各触力覚提示素子２２の変位量（即ち、指等による押し込み量に相当）を監視する。
【００４４】
この場合の制御ユニット３は、反力算出部１２により、三次元モデルの形状に相当する変位量に達する触力覚提示素子２２に対して、当該三次元モデルの硬度に相当する反力として該変位量における縮長方向への押し込み力に対するブレーキ力を算出し、反力発生部１３として構成する圧電素子駆動回路により、信号線２７ａを経て圧電素子２７を制御して当該ブレーキ力を該触力覚提示素子２２に生じさせるよう制御する。一方、制御ユニット３は、変位量検知部１１により、当該仮想物体の形状に相当する変位量に未到達、又は到達後に未到達となる触力覚提示素子２２に対しては、反力算出部１２を介してその未到達である旨を反力発生部１３に指示し、未到達である旨を受け付けた反力発生部１３は、当該三次元モデルの硬度に相当するブレーキ力の発生を解除し、圧縮バネ２６による復元力により触力覚提示素子２２の初期長さへ向かわせる。
【００４５】
圧電素子２７は、その筒状の円周上に設置する必要はなく、対面の二箇所もしくは四箇所程度に貼付すれば十分である。例えば各段の圧電素子２７に触力覚提示素子２２の伸縮方向に向かって波状の振動を表面弾性波現象によって発生させると、各段の伸縮機構２４‐１〜２４‐４におけるその伸縮方向への移動を妨げる摩擦力を生じさせることができ、更に、圧電素子２７による振動振幅は圧カセンサ２３のセンサ出力に応じて変化させることで、その摩擦力の大きさを制御することができる。これを利用して三次元モデルにおける当該三次元モデルの硬度に相当する反力として縮長方向への押し込み力に対するブレーキ力を発生させることができる。
【００４６】
尚、触力覚提示素子２２に押し込み力がほとんど無く触れている状態では、強い抵抗を感じさせないようにするのが好ましい。例えば、実施例１，２の触力覚提示素子２２において、初期長さにある状態で完全に圧縮空気やオイル等の加圧材２５を高い圧力で充満させておくと、その加圧材２５の高い圧力で押し込み力がほとんど無く触れている状態でも触力覚提示素子２２の反発力を僅かに感じてしまうため、その初期長さにある状態では低圧力となるよう加圧材２５を充満させるのが有効である。このため、実施例２の触力覚提示素子２２のように、当該復元力のために圧縮バネ２６を併用する場合には、三次元モデルの形状を提示する範囲内で少なめに加圧材２５を充満させるよう構成することもできる。尚、圧縮空気やオイル等の加圧材２５の圧力調整は加圧材２５の送り込み量で制御することができるため、反力の発生については、圧カセンサ２３によって検知される押し込み力（即ち、変位量）に応じて、三次元モデルの形状及び硬度を提示可能に自動的に調整することができる。
【００４７】
また、圧縮空気やオイル等の加圧材２５を触力覚提示素子２２内に充満させるにあたり、触力覚提示素子２２内に高柔軟性の袋状容器を収容させ、この袋状容器とチューブ２５ａを流通可能に接続することで、触力覚提示素子２２の外部への漏れを防止することができる。
【００４８】
また、実施例２，３の触力覚提示素子２２のように、当該復元力のために圧縮バネ２６を用いる場合でも、断面径の小さい態様でより長尺に伸縮するよう形成するのが容易であり、その制御構成も単純化することができる。圧縮バネ２６の一例として、スプリングコイルとすることができる。尚、圧縮バネ２６を用いる場合、触力覚提示ユニット２を把持するときに、押し込み力がほとんど無く触れている状態でも触力覚提示素子２２の反発力を僅かに感じてしまうが、この反発力は、当該提示する反力（ブレーキ力）に比べて十分に小さい力で付勢するものとすることで、三次元モデルの形状及び硬度の知覚に影響しなくなる。
【００４９】
以上のような実施例で示される入れ子構造の触力覚提示素子２２を多数配設して、触力覚提示ユニット２を構成することで、例えばソレノイドを用いて基台部２０内に複数の固定棒を出し入れするような構成とするよりも、基台部２０自体をより小型化することができる。このため、提示する三次元モデルの大きさの変化幅を拡大することができる。特に、触力覚提示素子２２の伸縮機構２４の１段の長さも小さくすることや、伸縮機構２４の段数を増加させることで、提示する三次元モデルの大きさの変化幅を拡大することができる。
【００５０】
触力覚提示ユニット２のより具体的な例として、図２（ａ）に示す初期状態では、把持可能な程度の直径１０ｃｍ程で構成することができる。例えば基台部２０を直径４ｃｍ程の球とし、４段の入れ子構造の触力覚提示素子２２の初期長さを約３ｃｍ、最大縮長時の長さを約０．７５ｃｍとし、触力覚提示素子２２の基端部側である最下段の伸縮機構２４を直径０．５ｃｍ程とすることができる。提示できる反力（最大提示力）として３Ｎ〜３０Ｎで構成することが可能である。このとき、例えば１８個の触力覚提示素子２２を全方向に配設すると、各触力覚提示素子２２の傾斜角度は概ね２０度になる。よって、この場合に各触力覚提示素子２２の先端部は２０度おきとなるが、これでも物体形状の認識を与えることができる。即ち、各触力覚提示素子２２の配置密度は高いほど提示する形状の解像度を高めることができる点で有利であるが、各触力覚提示素子２２の先端部が刺激点となり、その間隔は粗くしても提示する形状を認知させることができる。
【００５１】
ただし、刺激点（解像度）が粗いと、細かな形状や硬さ分布の解像度には自ずと制限がでてくることとなる。そこで、基台部２０は球状でなくとも、提示したい仮想物体に応じて、例えば図５（ａ）に示すように多面体にすることや、提示したい仮想物体の特定の面だけを提示可能な形状とするなど、基台部２０の形状を提示する三次元モデルに合わせて定めることで、その形状の解像度を高めることができる。
【００５２】
また、例えば図５（ｂ）に示すように、可撓性生地２８で各触力覚提示素子２２の先端部を覆うよう構成することで、触力覚の提示解像度を補間的に高めるよう構成することもできる。この可撓性生地２８は、触力覚提示ユニット２の全部を覆うものでなくとも、２以上の触力覚提示素子２２の先端部を覆うものとすることができる。
【００５３】
以上のようにして、本発明に係る触力覚提示装置１は、三次元モデルで表現可能な仮想物体の触力覚を提示する。そして、本発明に係る触力覚提示装置１は、モータもしくはソレノイドのような駆動デバイスを用いることなく触力覚提示素子２２を構成し、触力覚提示素子２２は、圧縮バネやコンプレッサによるダンパー作用により初期長さへと復元力を持ちながら、指等で押圧され縮長した際に、「提示する仮想物体」に相当する三次元モデルの形状及び硬度を、その縮長方向への押し込み力に対するブレーキ力により提示する。このため、触力覚提示ユニット２を手のひらサイズまで小型化することができ、更には、触力覚提示装置１の小型化や低廉化も実現するのが容易となる。
【００５４】
また、指等による押し込み力を圧カセンサ２３によって検出し、触力覚提示素子２２の伸縮による変位量を監視できるように構成しているため、触力覚提示ユニット２の小型化に寄与する。そして、この触力覚提示素子２２は伸縮可能とするために入れ子構造としたため、単にソレノイドを用いて伸縮可能とする構成よりも伸縮範囲を大きくとることができる。これにより、小型化した触力覚提示ユニット２であっても、提示可能とする三次元モデルの種類を増大させることができ、様々な三次元モデルの形状及び硬度を提示することが可能となり、その用途も拡大させることができる。
【００５５】
（制御動作）
次に、図６乃至図８を参照して、本実施形態の触力覚提示装置１における制御ユニット３の制御を説明する。図６は、本実施形態の触力覚提示装置１における制御ユニット３の制御を示すフローチャートである。図７は、制御ユニット３の制御に関する触力覚提示素子２２の動作説明図であり、図８は、三次元モデルのモデルデータを示すテーブル例である。
【００５６】
制御ユニット３は、変位量検知部１１により、触力覚提示ユニット２の基台部２０における予め定めた基台座標２１ごとに設けられた各触力覚提示素子２２における圧力センサ２３のセンサ出力から、各触力覚提示素子２２の変位量（即ち、指等による押し込み量に相当）を監視しており、まず押し込みの有無を判別する（ステップＳ１）。
【００５７】
変位量検知部１１は、「押し込み無し」と判別するときは（ステップＳ１：Ｎｏ）、「押し込み有り」となるまで監視を継続し、「押し込み有り」と判別すると（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、初期位置（初期長さ）からの変位量が、提示する三次元モデルの形状の位置に到達したか否かを判別する（ステップＳ２）。
【００５８】
続いて、制御ユニット３は、変位量検知部１１により、当該変位量が、提示する三次元モデルの形状の位置に到達していないと判別するときは（ステップＳ２：Ｎｏ）、到達するまで監視を継続し、到達したと判別すると（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、反力算出部１２により、当該三次元モデルで表現可能な仮想物体の硬度に相当する反力として該変位量における縮長方向への押し込み力に対するブレーキ力を算出する（ステップＳ３）。
【００５９】
例えば、図７に示すように、初期位置（初期長さ）からの変位量が、提示する三次元モデルの形状の位置となる変位量Ｌであるか否かは、三次元モデルデータベース１５に格納される、図８に示すような三次元モデルのモデルデータのテーブルを参照することで判別することができる。三次元モデルのモデルデータには、予め定めた基台座標２１（ｘ，ｙ，ｚ）上に固有に設けられた各触力覚提示素子２２について、三次元モデルの座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と対応付けられており、その提示する三次元モデルの形状の位置に対応する変位量Ｌがそれぞれ割り当てられている。尚、これらの座標定義は一例を示したにすぎず、慣性系や回転座標系など任意である。
【００６０】
そして、三次元モデルのモデルデータとして、提示する三次元モデルの形状を示す変位量Ｌに反力係数Ｋを対応付けて定めておくことで、三次元モデルの硬度に相当する反力として押し込み力に対するブレーキ力を算出することができる。例えば、圧力センサ２３のセンサ出力Ｓｖは初期位置（初期長さ）からの変位量に比例した値として得られ、提示する三次元モデルの形状を示す変位量Ｌが更に縮長したときに比例したときの長さに相当して得られる圧力センサ２３のセンサ出力ΔＳｖと、三次元モデルのモデルデータの反力係数Ｋを用いて、三次元モデルの硬度に相当する反力Ｆ（ブレーキ力）は、
Ｆ＝Ｋ・ΔＳｖ
として得ることができる。従って、この反力係数Ｋは、その三次元モデルの硬さ（或いは柔らかさ）を定義付けることができる。
【００６１】
続いて、制御ユニット３は、反力発生部１３により、当該ブレーキ力を該触力覚提示素子２２に生じさせるよう制御する（ステップＳ３）。
【００６２】
また、制御ユニット３は、継続して、変位量検知部１１により、各触力覚提示素子２２における圧力センサ２３のセンサ出力から、各触力覚提示素子２２の変位量を監視して、提示する三次元モデルの形状の位置を維持しているか否かを判別する（ステップＳ５）。
【００６３】
このとき、変位量検知部１１は、当該変位量が、提示する三次元モデルの形状及び硬度の位置を維持していないと判別するときは（ステップＳ５：Ｎｏ）、ステップＳ１に移行し、当該変位量が、提示する三次元モデルの形状の位置を維持していると判別するときは（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、その変位量に応じたブレーキ力を該触力覚提示素子２２に生じさせるようステップＳ３に移行する。
【００６４】
このように、制御ユニット３によって、各触力覚提示素子２２の変位量を関して、この変位量に応じて提示する三次元モデルの形状及び硬度を提示するよう各触力覚提示素子２２の反力を発生可能に制御することで、多様性の有る三次元モデルの形状及び硬度を１つの触力覚提示ユニット２で提示することができる。
【００６５】
尚、制御ユニット３は、１つの筐体内に、変位量検知部１１、反力算出部１２、反力発生部１３、三次元モデル設定部１４、三次元モデルデータベース１５、及び三次元モデル表示制御部１６の全てを備えるよう構成する必要はなく、その携帯性を高めるよう複数の筐体に分けて構成することができる。例えば、反力発生部１３は、その他の構成要素とは別個の筐体内に格納して構成することができる。
【００６６】
そして、変位量検知部１１、反力算出部１２、三次元モデル設定部１４、三次元モデルデータベース１５、及び三次元モデル表示制御部１６は、１つのコンピュータとして機能させることができ、当該コンピュータに、これらの構成要素を実現させるためのプログラムは、当該コンピュータの内部又は外部に備えられるメモリ（図示せず）に記憶される。コンピュータに備えられる中央演算処理装置（ＣＰＵ）などの制御で、各構成要素の機能を実現するための処理内容が記述されたプログラムを、適宜、メモリから読み込んで、これら各構成要素の機能をコンピュータに実現させることができる。ここで、各構成要素の一部の機能をハードウェアで実現してもよい。
【００６７】
以上、特定の実施形態の例を挙げて本発明を説明したが、本発明は前述の実施形態の例に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、触力覚提示ユニット２を手のひらサイズで構成する例を説明したが、これは本発明によって実現される一例であり、手のひらサイズ以上の大きさで触力覚提示ユニット２を構成してもよい。
【００６８】
また、表示装置４はパーソナルコンピュータでなくとも携帯端末や表示パネルでもよく、１つの表示装置４に複数の触力覚提示装置１を提示して共用表示・共用制御するよう構成することもできる。具体的な適用例として、或る触力覚提示装置１が提示する三次元モデルを１つの表示装置４に表示させ、他の触力覚提示装置１が当該或る触力覚提示装置１が提示する三次元モデルのモデルデータを利用して触力覚を提示するよう共用接続する。これにより、１つの三次元モデルを同時共用して多数の利用者が個々に触力覚を感知することができるため、例えば美術館に展示される彫刻やレリーフなどを多数の利用者に対して個々に触力覚を感知させたい用途に適用できる。
【００６９】
また、表示装置４を必要せず、触力覚提示装置１を利用する用途も想定される。例えば、１つの触力覚提示装置１で視覚障害者向けに様々な物体形状を感知させたいときに有用となる。
【００７０】
また、肉眼で視認困難な分子構造を体感的に知得したいときなど、三次元モデルで表現可能な仮想物体は、仮想空間における視認性の有無を問わない物体を対象とすることができ、これに伴い、基台部２０の形状は、球状、楕円体、直方体、多面体、鉄アレイ状など、より複雑な形状とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明によれば、手のひら内に収めて把持可能な小物体の触力覚を提示することができ、その用途を拡大させることができるので、三次元モデルで表現可能な仮想物体の触力覚を提示する触力覚提示装置の用途に有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１  触力覚提示装置
２  触力覚提示ユニット
３  制御ユニット
４  表示装置
１１  変位量検知部
１２  反力算出部
１３  反力発生部
１４  三次元モデル設定部
１５  三次元モデルデータベース
１６  三次元モデル表示制御部
２０  基台部
２１  基台座標
２２  触力覚提示素子
２３  圧力センサ
２３ａ  信号線
２４，２４‐１，２４‐２，２４‐３，２４‐４  伸縮機構
２５  加圧材
２５ａ  チューブ
２６  圧縮バネ
２７，２７‐１，２７‐２，２７‐３，２７‐４  圧電素子
２８  可撓性生地
【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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