(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料、機械または構築物等の構造体の力学特性を模擬できる３次元の数値力学モデルを生成し、前記構造体内の２点を力覚点として相反する釣り合い力および/またはモーメントを付与して前記構造体が持つ前記力覚点間の力学的強弱および剛柔バランスを直接体で触れるのと同様な疑似知覚体験ができる構造体の力学的応答知覚システムであって、
前記数値力学モデルによるシミュレーターと、前記数値力学モデルの力学的応答を直接的に力覚できるＭａｎ−Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  とで構成され、前記Ｍａｎ−Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  は、前記数値力学モデルの３次元幾何形状および前記数値力学モデルに付与する力および変形の状態を視覚的に描画・入出力できる視覚デバイスと、力を直接前記数値力学モデルに入力できる力覚デバイスとで構成され、前記シミュレーターは、前記数値力学モデルの生成手段と、この生成手段で生成された数値力学モデルに変形を生じさせるよう付与する力の位置、方向等の条件を前記視覚デバイス上で変えながら前記力覚デバイスから前記力覚点間に付与される力により前記構造体に生ずる変形を算出する算出手段とを有し、前記力覚デバイスは、可変弾性体を電子的に疑似する単体の疑似可変弾性体とハンドル等の操作媒体を前記力覚点に相当する両端部に一対として設けて両手で把持可能に構成され、前記シミュレーターで算出される前記構造体の変形を基にして、前記構造体の強弱および剛柔バランスの感触を、前記操作媒体を把持する両手で、押し引き、ねじり、曲げおよび剪断を複合させて体験できる構成としたことを特徴とする材料、機械または構築物等の構造体の力学的応答知覚システム。
【請求項２】
前記数値力学モデルによるシミュレーターが、前記視覚デバイスと前記力覚デバイスとのリンク機能をもつモジュールを有し、前記算出手段は、前記２つの力覚点Ａ，Ｂの変位ΔＡ，ΔＢ、変角θＡ，θＢ、２つの力覚点の間隔をＬとして、押し引きにあっては変位がΔＡ＝ΔＢで２つの力覚点が剛体変位する場合は相反力０を算出し、ねじりにあっては２つの力覚点の変角が等しく剛体回転する場合は相反するねじりモーメント０を算出し、曲げおよび剪断が複合する場合にあっては変角がθＡ＝θＢ＝ｔａｎ−１［（ΔＢ−ΔＡ）／Ｌ］で剛体回転する場合は相反モーメント０を算出して、それぞれ力覚されないが、前記力覚点の一方が変位拘束条件を追加設定された場合には前記力覚デバイスにより他方の力覚点に付与される力に応答して前記数値力学モデルに生ずる相反力を算出することを特徴とする請求項１に記載の材料、機械または構築物等の構造体の力学的応答知覚システム。
【請求項３】
前記視覚デバイスが、前記数値力学モデルの３次元幾何形状および前記数値力学モデルに付与する力および変形の状態および反力を視覚化してディスプレイ上に描画する表示手段と、前記力覚点の１つに変位拘束条件を視覚記号により入力する入力手段と、前記力覚デバイスにより直接入出力される前記数値力学モデル上の力を付与する力覚点と前記力覚デバイスとのリンク機能をもつモジュールと、を有することを特徴とする請求項１に記載の材料、機械または構築物等の構造体の力学的応答知覚システム。
【請求項４】
前記力覚デバイスが、前記操作媒体から変位を作用させることによって前記力覚点に相応の反力をフィードバックする少なくとも一対の電子的な疑似可変弾性体で構成され、更に、前記数値力学モデルの力覚点の１つに変位拘束条件が設定された場合に前記力覚デバイスを固定して用いるための固定装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載の材料、機械または構築物等の構造体の力学的応答知覚システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造体の力学特性を持つ数値力学モデルシミュレーターに、力覚デバイスを媒体として、直接、腕または手等人体から数値力学モデルに変位や力を加え、またその応答としての反力や変位に触れることで材料、機械または構築物等の構造体の強弱および剛柔バランスを両腕または両手指等の人体で、能動的に直接、知覚認識できるようにした力学的応答知覚システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
数値モデルによる力学特性のシミュレーション結果を、２Ｄディスプレイによる３Ｄモデルの変位・変形、断面力、反力等の状態値を視覚媒体を通して伝達する技術の向上には著しいものがあるが、これらに比べて変位や力を直接、手で触れまたは働きかけて構造体の強弱および剛柔バランスを両腕または両手指等の人体で能動的に知覚認識させることができる媒体は未発達である。
【０００３】
元来、物体の強弱および剛柔バランスは、人体との直接的な接触によって感得し得るもので、この点、前記力覚デバイスが材料力学または構造力学の理解、学習の促進に果たせる役割効果の将来性には、大きな期待が持てるところがある。
【０００４】
現状では、この不足を補うためには、頭脳の中で創造的に力覚を構想せざるを得ず、これには知覚体験に基づく高度に訓練された技術力が要求され、これらの補足は未経験者ないしは未熟者には不可能に近い。
【０００５】
これらの体験の積重ねは、これまで実物との直接的なまたは相似模型による実験での接触体験の他に手段が無かったと言えるが、これを仮想空間内の擬似力学モデルと力覚デバイスを組み合わせて用いることで、極めて短期間にしかも安価に豊富な擬似体験を積重ねることが可能になり、最終的には構造解析ないしは構造設計の技術力向上のための効果的な学習ないしは教育を促進し、安全と快適な生活環境の提供ひいては多大な経済効果をもたらすなど社会的に貢献するところ顕著である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、材料、機械または構築物等の構造体の数値力学モデルのシミュレーターに、直接、人体から力を入力し（作用させ）て、その応答である変位を直接的に力覚することで構造体の強弱および剛柔バランスを両腕または両手指等の人体で能動的に知覚認識させる力学的応答知覚システムを提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため、材料、機械または構築物等の構造体の力学特性を模擬できる３次元の数値力学モデルを生成し、前記構造体内の２点を力覚点として相反する釣り合い力および/またはモーメントを付与して前記構造体が持つ前記力覚点間の力学的強弱および剛柔バランスを直接体で触れるのと同様な疑似知覚体験ができる構造体の力学的応答知覚システムであって、
前記数値力学モデルによるシミュレーターと、前記数値力学モデルの力学的応答を直接的に力覚できるＭａｎ−Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  とで構成され、前記Ｍａｎ−Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  は、前記数値力学モデルの３次元（３Ｄ）幾何形状および前記数値力学モデルに付与する力および変形の状態を視覚的に描画・入出力できる視覚デバイスと、力を直接前記数値力学モデルに入力できる力覚デバイスとで構成され、前記シミュレーターは、前記数値力学モデルの生成手段と、この生成手段で生成された数値力学モデルに変形を生じさせるよう付与する力の位置、方向等の条件を前記視覚デバイス上で変えながら前記力覚デバイスから前記力覚点間に付与される力により前記構造体に生ずる変形を算出する算出手段とを有し、前記力覚デバイスは、可変弾性体を電子的に疑似する単体の疑似可変弾性体とハンドル等の操作媒体を前記力覚点に相当する両端部に一対として設けて両手で把持可能に構成され、前記シミュレーターで算出される前記構造体の変形を基にして、前記構造体の強弱および剛柔バランスの感触を、前記操作媒体を把持する両手で、押し引き、ねじり、曲げおよび剪断を複合させて体験できる構成とした、構造体の力学的応答知覚システムを提供する。
【０００８】
本発明の力学的応答知覚システムによれば、材料、機械または構築物等の構造体の数値力学モデルのシミュレーターにおける力学的応答を、視覚デバイスによって数値力学モデルの３次元形状および変形状態を視覚的に捉えて目的とする諸条件の入力を行いつつ、少なくとも一対の単体力覚デバイスによって、直接的に力覚し構造体の強弱および剛柔バランスの感触を擬似体験することができる。
【０００９】
本発明の力学的応答知覚システムを構成する少なくとも一対または複数個の単体力覚デバイスは、人の両腕または両手指等に持って力を直接数値力学モデルに入力できるように構成するが、固定した状態にして置いて、一方の単体力覚デバイスに与えられる力を他方の単体力覚デバイスへ両単体力覚デバイスに相対力が生ずるように電気的に、あるいは、ソフト的にリンクさせて構成してもよい。
【００１０】
本発明による力学的応答知覚システムで用いられる前記数値力学モデルのシミュレーターとしては、構造体の幾何形状およびその力学挙動特性を模擬した数値力学モデルの生成手段と、同数値力学モデルに前記視覚デバイスにより付与される力と変位拘束条件に応じて数値力学モデルに生ずる変形の算出手段と、前記力覚デバイスにより入力される力に応答して前記数値力学モデルに生ずる変形の算出手段と、前記視覚デバイスと前記力覚デバイスとのリンク機能をもつモジュールと、を有するものとするのが好ましい。
【００１１】
これによって、本発明による力学的応答知覚システムにおける視覚デバイスから、対象構造物等に付与される力等の条件を変えながら、力覚デバイスから入力される力により構造体に生ずる変形を力覚することができる。
【００１２】
更にまた、本発明による力学的応答知覚システムで用いられる前記力覚デバイスは、弾性ばねに相当する電子的な擬似可変弾性体を直接媒体として変位を作用させることによって力覚点に相応の反力をフィードバックする少なくとも一対または複数個の単体力覚デバイスで構成されているものとするのが好ましい。
【００１３】
これによって、本発明による力学的応答知覚システムにおける力覚デバイスは、複数個の単体デバイスを組み合わせてフィードバック回路を構成することによって、変位によって生ずる反力を擬似弾性体でフィードバックしつつ、対象構造物等に生ずる変形とこれに伴う相反力をあたかも実体構造体を手中にしたように力覚せしめることを可能とする。
【００１４】
また、本発明による力学的応答知覚システムで用いる少なくとも一対の力覚デバイスを、人の両腕または両手指等に持って力を数値力学モデルに入出力できるように構成しているので、力覚デバイスを両手で持って両手で互いに相反力を力覚しつつ数値力学モデルに入力できる。
【００１５】
本発明による力学的応答知覚システムで用いられる前記数値力学モデルによるシミュレーターとしては、前記視覚デバイスと前記力覚デバイスとのリンク機能をもつモジュールを有し、前記算出手段は、前記２つの力覚点Ａ，Ｂの変位ΔＡ，ΔＢ、変角θＡ，θＢ、２つの力覚点の間隔をＬとして、押し引きにあっては変位がΔＡ＝ΔＢで２つの力覚点が剛体変位する場合は相反力０を算出し、ねじりにあっては２つの力覚点の変角が等しく剛体回転する場合は相反ねじりモーメント０を算出し、曲げおよび剪断が複合する場合にあっては変角がθＡ＝θＢ＝ｔａｎ−１［（ΔＢ−ΔＡ）／Ｌ］で剛体回転する場合は相反モーメント０を算出して、それぞれ力覚されないが、前記力覚点の一方が変位拘束条件を追加設定された場合には前記力覚デバイスにより他方の力覚点に付与される力に応答して前記数値力学モデルに生ずる相反力を算出するものとすることができる。これによって、力覚デバイスが２つの力覚点の一方の変位を拘束した場合に、他方の力覚点に入力される力に応答して前記数値力学モデルに生ずる相反力を力覚することができる。
【００１６】
また、本発明による力学的応答知覚システムで用いられる前記視覚デバイスとしては、前記数値力学モデルの３次元幾何形状および前記数値力学モデルに付与する力および変形の状態および反力を視覚化してディスプレイ上に描画する表示手段と、前記力覚点の１つに変位拘束条件を視覚記号により入力する入力手段と、前記力覚デバイスにより直接入出力される前記数値力学モデル上の力を付与する力覚点と前記力覚デバイスとのリンク機能をもつモジュールと、を有するものとするのが好ましい。
【００１７】
これによって、本発明による力学的応答知覚システムにおける視覚デバイスから、対象構造物等に付与される力と変位拘束条件により、対象構造物等に生ずる変形を視覚しながら、対象構造体を力覚することができるものとなる。
【００１８】
また、本発明による力学的応答知覚システムにおける力覚デバイスとしては、前記操作媒体から変位を作用させることによって前記力覚点に生ずる相応の反力をフィードバックする少なくとも一対の電子的な疑似可変弾性体で構成され、更に、前記数値力学モデルの力覚点の１つに変位拘束条件が設定された場合に前記力覚デバイスを固定して用いるための固定装置を備えている前記操作媒体から変位を作用させることによって前記力覚点に相応の反力をフィードバックする少なくとも一対の電子的な疑似可変弾性体で構成され、更に、前記数値力学モデルの力覚点の１つに変位拘束条件が設定された場合に前記力覚デバイスを固定して用いるための固定装置を備えているものとすることができる。これによって、２つの力覚点の一方を固定して他方から力を与えた場合における数値力学モデルの剛性に相当した相反力を力覚することができるものとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による力学的応答知覚システムを図示した実施の形態に基づいて具体的に説明する。
【００２０】
以下の実施形態による力学的応答知覚システムは、図１に示すように、数値力学モデルシミュレーター（数値力学による被操作ソフトモデル）１とＭａｎ−Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ２で構成されるが、Ｍａｎ−Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ２には、３Ｄ視覚的入出力デバイス（２Ｄディスプレイによるソフトデバイス）３と３Ｄ力覚的入出力デバイス（電子的可変弾性体によるハードデバイス）４があり、両デバイス３、４は数値力学モデルシミュレーター１を介して、または、直接、互いにリンクする。
【００２１】
以下、これらの数値力学モデルシミュレーター１、３Ｄ視覚的入出力デバイス３及び３Ｄ力覚的入出力デバイス４について説明する。
【００２２】
（数値力学モデルシミュレーター１）
この数値力学モデルシミュレーター１は次の構成と機能をもつ３つの手段と１つのモジュールを備えている。
（１）構造体の幾何形状およびその力学特性を模擬した属性を有する数値力学モデル（被操作モデル）を生成する手段。
（２）この数値力学モデルに視覚デバイスにより付与される力の位置、方向等と変位条件の入力と入力条件に応じて数値力学モデルに生ずる変位・変形・断面力（応力）・反力等の状態値を算出する手段。
（３）３Ｄ力覚的入出力デバイスにより入力される力に応じて数値力学モデルに生ずる変位・変形・断面力（応力）・反力等の状態値を算出する手段。
（４）３Ｄ視覚的入出力デバイスと３Ｄ力覚的入出力デバイスとのリンク機能を有するモジュール。
【００２３】
（３Ｄ視覚的入出力デバイス３）
この視覚的入出力デバイス３は、次の機能をもつ２つの手段と１つのモジュールを備えている。
（１）数値力学モデルの３Ｄ幾何形状および変位・変形・断面力（応力）・反力等の状態値を視覚化してデイスプレイ上に表示する機能を有する手段。
（２）数値力学モデルに与える外力および変位拘束条件を数値または視覚記号で入力・変更できる機能を有する手段。
（３）３Ｄ力覚的入出力デバイスにより入出力される変位・力の作用位置と前記力覚デバイスとをリンクする機能を有するモジュール。
【００２４】
（３Ｄ力覚的入出力デバイス４）
この３Ｄ力覚的入出力デバイス４は、少なくとも一対または複数個の単体力覚デバイスで構成され、それらの単体力覚デバイスは、実体としての弾性ばねに相当する電子的な擬似可変弾性体で変位を与えることによって相応の反力を作用点にフィードバックする装置である。
「変位と力」とは変位と力および変角（回転角）とモーメントを含めて一般化させた総称である。
【００２５】
力覚的入出力はハンドル等の媒体を介して行われ、その変位と力はハンドル等の押し引きにより、また、変角とモーメントはハンドル等の媒体の左右捩り回転とモーメントにより人間と数値力学モデルシミュレーター１が直接、変位と力の授受をする。
【００２６】
構造体の力学的特性を力覚するためには、構造体内の少なくとも２点間に変位差を生じさせ、これにより２点間に生ずる相反する反力を出力させる必要があり、このためには力覚的入出力デバイスは少なくとも一対の単体デバイスで構成されなければならない。
【００２７】
次に、力覚的入出力デバイス４の基本的な概念について簡単な例を用いて説明する。
【００２８】
図２において、ＡおよびＢは押し引き可能なデバイスのハンドル位置（作用点）を示し、ハンドルＡおよびＢにΔＡ、ΔＢなる変位を与えたとき、変位差Δ＝ΔＡ−ΔＢに対応した相反力がＡとＢに出力されるが、ΔＡとΔＢを等しく操作したとき、すなわちΔ＝０の時には相反力は生じない。
【００２９】
３Ｄ力覚的入出力デバイス４は人の両腕または両手指等に持って両腕または両手指で互いに相反力を力覚しつつ変位または力を数値力学モデルに直接入出力できるように構成されるが、３Ｄ視覚的入出力デバイス３上でソフトモデルのＡ点を拘束し、かつ、３Ｄ力覚的入出力デバイス４の本体を固定（Ａ点の拘束に相当）してハンドルＢに変位ΔＢを与えればハンドルＢにモデルの剛性に相当した相反力が出力されるように構成してもよい。
【００３０】
この場合、デバイスには、反力に耐えるための固定装置を備える必要がある。この応用としては、それぞれ独立させて固定した２つの単体力覚デバイスを用い、２つの力覚的入出力デバイス間の相対変位をもって相反力を力覚するように各デバイス間を電気的に、あるいは、ソフト的にリンクさせた構成とすることも可能である。
【００３１】
図２の場合においては、本体の一端に相当するデバイスＢに変位ΔＢを入力すると他端に相当するデバイスＡにはΔＢに等しい変位ΔＡが出力され、相反力が発生しないよう２つのデバイス間の変位に、剛体変位に相当する相関関係を保たせることによって可能となる。
【００３２】
以上は、構造体の数値力学モデルシミュレーターと２つのデバイスＡ、Ｂを用いて一軸構造体の押し引き力覚特性を体験できる装置である。
【００３３】
一軸構造体の捩り力覚特性も同様にして力覚的入出力デバイスの作成が可能であり、この場合は、２つのデバイスＡおよびＢは、回転捩りに対応したハンドルとする。
【００３４】
以上は、一軸（１次元）構造体の数値力学モデルの例であるが、３次元モデルにあっては、デバイスのハンドルは、少なくとも６自由度の変位・変角と力・モーメントに対応させる必要がある。
【００３５】
図３に、押引・捩りデバイスの具体的な装置例を示してあり、デバイス１０の両端にハンドル１１，１２が設けられ、デバイス１０の軸方向に対するこのハンドル１１，１２の押し引きにより押し引きにおける変位と力を、また、軸回りの回転によって捩り変角と捩りモーメントを、それぞれ、力覚体験することができる。
【００３６】
なお、捩りモデルで断面のそりが完全拘束ないしは適当な剛性で拘束されたモデルの力覚は、実体ないしは模型実験では困難を伴うが、このような構造体のモデルに対しては、本装置によれば数値力学モデルシミュレーターに適宜そり拘束を与えてそり拘束が捩り剛性に与える影響を力覚することが容易に可能である。
【００３７】
以上から、構造体の数値力学モデルシミュレーター１と力覚的入出力デバイス４との組合せにより実体ないしは模型実験では、実現が困難な外力条件ないしは変位拘束条件下の構造体の力覚体験も容易に可能となる。
【００３８】
また、図４に示す装置例は、剪断と曲げが複合する２次元梁モデルの例で、本体２０の両端にハンドル２１と２２が設けられてあり、このハンドル２１と２２を互いに剪断を模擬した変位差と、同時に、曲げを模擬した回転角差を与えることにより、剪断力と曲げモーメントの複合された力覚を体験することができる。
【００３９】
図５は、図４に示す装置で力覚できる様々な力学的な状態の例示であり、入力変位Δ、変角θと相反力Ｒ、モーメントＭとの関係を図式で表してある。
図５において、（ａ）は入力変位ΔＡ、ΔＢと、変角θＡ、θＢとの間にθＡ＝θＢ＝ｔａｎ−１［（ΔＢ−ΔＡ）／Ｌ］の関係があるとき相反力の出力は全て０で、これは剛体回転の場合に相当し、（ｂ）は入力変位ΔＡ、ΔＢと、変角θＡ、θＢとの間にΔＡ＝ΔＢ、θＡ＝−θＢの関係があるとき相反力の出力はＭＡ＝−ＭＢで、かつ、ＲＡ＝ＲＢ＝０の場合を示し、（ｃ）は入力変位ΔＡ、ΔＢと、変角θＡ、θＢとの間にΔＡ−ΔＢ≠０、θＡ＝θＢ＝０の関係があるとき相反力の出力はＲＡ＝−ＲＢ、およびＭＡ＝ＭＢになる場合を示している。
【００４０】
【発明の効果】
本発明による構造体の力学的応答知覚システムによれば、次のような種々の効果的な力学的応答知覚を得ることができる。
（１）  Ｍｉｃｒｏ    Ｍａｃｈｉｎｅ  など微細な構造体あるいはＭａｃｒｏ    Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  など巨大な構造体の力学特性を人間の力覚レンジへ相似変換して構造体の強弱および剛柔バランスを両腕または両手指で直接知覚認識することが可能となる。
（２）  時間と経費を必要とする実構造の計測または模型実験を短期、安価、パラメトリックにかつ安全に模擬して直接、豊富な力覚体験を積重ねることが可能である。
（３）  材料力学、構造力学、流体力学等の力に関わる学習効率を著しく高められる可能性がある。特に、構造力学等の基本的な原理または定理を力覚体験を通して直接肌で体得することができる。
（４）  構造設計Ｅｎｇｉｎｅｅｒの設計感性と技術力の効率的な向上のためのトレーナーとして活用できる
（５）  本システムの応用として例えば人体を対象とした構造体の設計にあたり、構造体を試作することなく構造体と人体の弾性あるいは柔性バランスをシステムの支援で力覚的に確認できる。
（６）  実験的に実現が困難ないしは大掛かりになる外力または境界、環境条件下の構造体の力学的挙動を容易に模擬体験することが可能となる。
（７）  時間と空間を越えて力覚モデル、力覚体験の共有、保存、再現、配布が可能となる。
この結果、限られた教育機関または企業でのみ体験できた力覚体験あるいは実験・計測では困難であった力覚体験を擬似的ではあるが広く一般に開放・普及させることが可能になり、学習効率の向上、構造設計の底辺技術の底上げ、廉価、迅速で豊富な擬似実験の成果として、多大な経済効果が得られることが期待できる。
【００４１】
以上説明したように、本発明は、材料、機械または構築物等の構造体の力学特性を模擬できる３次元の数値力学モデルを生成し、前記構造体内の２点を力覚点として相反する釣り合い力および/またはモーメントを付与して前記構造体が持つ前記力覚点間の力学的強弱および剛柔バランスを直接体で触れるのと同様な疑似知覚体験ができる構造体の力学的応答知覚システムであって、
前記数値力学モデルによるシミュレーターと、前記数値力学モデルの力学的応答を直接的に力覚できるＭａｎ−Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  とで構成され、前記Ｍａｎ−Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  は、前記数値力学モデルの３次元幾何形状および前記数値力学モデルに付与する力および変形の状態を視覚的に描画・入出力できる視覚デバイスと、力を直接前記数値力学モデルに入力できる力覚デバイスとで構成され、前記シミュレーターは、前記数値力学モデルの生成手段と、この生成手段で生成された数値力学モデルに変形を生じさせるよう付与する力の位置、方向等の条件を前記視覚デバイス上で変えながら前記力覚デバイスから前記力覚点間に付与される力により前記構造体に生ずる変形を算出する算出手段とを有し、前記力覚デバイスは、可変弾性体を電子的に疑似する単体の疑似可変弾性体とハンドル等の操作媒体を前記力覚点に相当する両端部に一対として設けて両手で把持可能に構成され、前記シミュレーターで算出される前記構造体の変形を基にして、前記構造体の強弱および剛柔バランスの感触を、前記操作媒体を把持する両手で、押し引き、ねじり、曲げおよび剪断を複合させて体験できる構成とした、構造体の力学的応答知覚システムを提供する。
【００４２】
本発明の力学的応答知覚システムによれば、材料、機械または構築物等の構造体の数値力学モデルのシミュレーターにおける力学的応答を、視覚デバイスによって数値力学モデルの３次元形状および変形状態を視覚的に捉えて必要な入出力を行いつつ、前記少なくとも一対の力覚デバイスによって、直接的に力覚し擬似体験を積重ねることができる。
【００４３】
更にまた、本発明による力学的応答知覚システムで用いられる前記力覚デバイスが、弾性ばねに相当する電子的な疑似可変弾性体を直接媒体として変位させることによって操作点に相応の反力をフィードバックする少なくとも一対または複数個の単体力覚デバイスで構成されているので、複数個の単体デバイスを組み合わせてフィードバック回路を構成することによって、変位によって生ずる反力を疑似弾性体でフィードバックしつつ、対象構造体の強弱および剛柔バランスを両腕または両手指等の人体で、能動的に直接、知覚認識することができる。
【００４４】
また、本発明による力学的応答知覚システムで用いる少なくとも一対の力覚デバイスとして、人の両腕または両手指等に持って力を数値力学モデルに入力できるように構成しているので、力覚デバイスを両手で持って両手で互いに相反力を力覚しつつ数値力学モデルに入力できる。
【００４５】
本発明による力学的応答知覚システムで用いられる前記数値力学モデルによるシミュレーターとして、前記視覚デバイスと前記力覚デバイスとのリンク機能をもつモジュールを有し、前記算出手段は、前記２つの力覚点Ａ，Ｂの変位ΔＡ，ΔＢ、変角θＡ，θＢ、２つの力覚点の間隔をＬとして、押し引きにあっては変位がΔＡ＝ΔＢで２つの力覚点が剛体変位する場合は相反力０を算出し、ねじりにあっては２つの力覚点の変角が等しく剛体回転する場合は相反ねじりモーメント０を算出し、曲げおよび剪断が複合する場合にあっては変角がθＡ＝θＢ＝ｔａｎ−１［（ΔＢ−ΔＡ）／Ｌ］で剛体回転する場合は相反モーメント０を算出して、それぞれ力覚されないが、前記力覚点の一方が変位拘束条件を追加設定された場合には前記力覚デバイスにより他方の力覚点に付与される力に応答して前記数値力学モデルに生ずる相反力を算出するものとしたものでは、力覚デバイスが２つの力覚点の１つの変位を拘束した場合に、他方の力覚点に入力される力に応答して前記数値力学モデルに生ずる相反力を力覚することができる。
【００４６】
更にまた、本発明による力学的応答知覚システムで用いられる前記視覚デバイスとして、前記視覚デバイスが、前記数値力学モデルの３次元幾何形状および前記数値力学モデルに付与する力および変形の状態および反力を視覚化してディスプレイ上に描画する表示手段と、前記力覚点の１つに変位拘束条件を視覚記号により入力する入力手段と、前記力覚デバイスにより直接入出力される前記数値力学モデル上の力を付与する力覚点と前記力覚デバイスとのリンク機能をもつモジュールと、を有するものを採用したものでは、本発明による力学的応答知覚システムにおける視覚デバイスから、対象構造体に付与される力と変位拘束条件により、対象構造体に生ずる変形を視覚しながら、対象構造体を力覚することができる。
【００４７】
また、本発明による力学的応答知覚システムにおける力覚デバイスとして、前記操作媒体から変位を作用させることによって前記力覚点に相応の反力をフィードバックする少なくとも一対の電子的な疑似可変弾性体で構成され、更に、前記数値力学モデルの力覚点の１つに変位拘束条件が設定された場合に前記力覚デバイスを固定して用いるための固定装置を備えているものとしたものでは、２つの力覚点の一方を固定して他方から力を与えた場合における数値力学モデルの剛性に相当した相反力を力覚することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による力学的応答知覚システムの機能構成を示すブロック図。
【図２】  本発明の力学的応答知覚システムにおいて使用する力覚的入出力デバイスの最も基本的な形として、一方向に伸縮する構造モデルを模擬した力覚的入出力デバイスを示す概念図。
【図３】  本発明の力学的応答知覚システムにおいて使用する力覚的入出力デバイスの具体化事例として、押引ないしは捩り対応の一軸力覚的入出力デバイスを示す概念図２の具体的応用事例図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図。
【図４】  本発明の力学的応答知覚システムにおいて使用する力覚的入出力デバイスの具体化事例として、剪断と曲げが複合する２次元力覚的入出力デバイスを示す応用事例図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図。
【図５】  図４に示す力覚的入出力デバイスで力覚できる状態を、両端のハンドルにおける入力変位ΔＡとΔＢ、変角θＡとθＢ、相反力ＲＡとＲＢ、およびモーメントＭＡとＭＢの関係を示した説明図で、（ａ）はθＡ＝θＢ＝ｔａｎ−１［（ΔＢ−ΔＡ）／Ｌ］で相反力ＲＡ＝ＲＢ＝０のとき、（ｂ）はΔＡ＝ΔＢ、θＡ＝−θＢでＭＡ＝−ＭＢ、ＲＡ＝ＲＢ＝０のとき、（ｃ）はΔＡ≠ΔＢ、θＡ＝θＢ＝０でＲＡ＝−ＲＢ、ＭＡ＝ＭＢのときを、それぞれ示している。
【符号の説明】
１    数値力学モデルシミュレーター
２    Ｍａｎ‐Ｍａｃｈｉｎｅ    Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
３    ３Ｄ視覚的入出力デバイス
４    ３Ｄ力覚的入出力デバイス
１０  伸縮および捩り一軸弾性モデル対応力覚デバイスの具体的事例本体
１１  ハンドル（力覚デバイス入出力端）
１２  ハンドル（力覚デバイス入出力端）
２０  剪断・曲げ連成梁モデル対応力覚デバイスの具体的事例本体
２１  ハンドル（力覚デバイス入出力端）
２２  ハンドル（力覚デバイス入出力端）
【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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