人間の力覚感覚特性を利用した非接地型力覚呈示デバイスの開発
Development of Ungrounded Force Feedback Device
based on Human Sensory Characteristics
研究代表者
独立行政法人産業技術総合研究所 人間福祉医工学研究部門 主任研究員 中村則雄
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) , Norio NAKAMURA
和文アブストラクト
近年、バーチャルリアリティの分野において、力覚による情報提示の重要性が増してきている。従来のアームやワイヤーを用いた接地型力覚提示デバイスは、携帯利用に不便であったり、身体の動きを拘束したり、デバイス同士が干渉し合うなどの問題点があった。
本研究では、角運動量の変化を利用した小型・携帯性に優れた非接地型力覚提示デバイスの開発を行う。手法として、直交座標に固定された 3 組のツイン・ジャイロモーター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。本手法は、制御が容易であり、変化に富んだ３次元力覚感覚を呈示できる。また、構造が単純で強い強度が得られ小型化が可能である。人の不用意な動きで生じるトルク擾乱を抑え、人間の感覚特性を利用してトルク感覚の向上を図る。
応用として、コンピュータゲーム、ヒューマンナビでの力覚提示デイバスなどが考えられる。
Abstract
The application and usability of haptic feedback display are becoming more important in the recent virtual
reality technology. The conventional grounded haptic displays using arms and wires are not convenient because
the arms and wires restrict the user’s behavior and interfere each other.
In this research, a non-grounded haptic display for mobile use has been developed using torque control byappropriate angular momentum acceleration. As for the method, three pairs of twin motors are located so that twomotors of the twin face each other respectively and three axes of the twins across each other orthogonally. The
torque force can be generated in the arbitrary direction by controlling time-differentiation of resultant angularmomentum vector. This method enables easy control, various patterns of torque force, and downsizing the display
with simple and solid structure. Unexpected torque force caused by user’s casual arm movement and the effective
torque display were attempted to improve by utilizing the human’s sense characteristics appropriately.
As for application, this torque display is applied for the human interfaces for computer video games and humannavigation system.
1. 研究目的は、角運動量の変化を利用した小型・携帯性に優

従来の力覚提示デバイスは、従来の力覚感覚をれた非接地型の力覚感覚提示デバイスの開発を提示するためにアームやワイヤが不可欠であり、行う。手法として、直交座標に固定された 3 組のこれが身体の動きを拘束したり複数のデバイスツイン・ジャイロモーターを独立に制御すること間で干渉が生じるなどの課題があった。本研究でで、任意の方向・大きさに角運動量ベクトルを合-1-成し、その時間微分によってトルクを発生させる。の感覚特性を利用した効果的な機械的機構・制御

このため、接地用アームやワイヤが不要なためユ方式の検討し、開発コンセプトにまとめた。

ーザの動作・行動への制限が少ない力覚感覚提示

次に、非接地型でありながら力覚呈示を可能にデバイスを可能とした。角運動量を利用する場合、する機械的機構を検証するための予備実験を行

人の不用意な動きで擾乱となるトルクが発生しい、開発コンセプトを実現する機構を検討し、検てしまうが、この擾乱トルクを抑える手法を考案

討で得られた知見をもとに機械機構に適した制し、また、人間の感覚特性を利用したトルク感覚

御方法・実験システムを考案した。考案したシスの向上を図る。本手法は、制御が容易であり、変テムを試作するためには現状の市販モータでは化に富んだ３次元力覚感覚を呈示できる。また、性能およびコストの面で実現が難しかった。そこ

構造が単純で強い強度が得られ小型化が可能でで、開発コンセプトの主な２つの機能を別々に検ある。

証することとして、２つのプロトタイプ機を開発した。
2. 研究経過

2.1 開発コンセプト

2.2 基本的動作原理

開発コンセプトおよび開発手順を Fig.1 および小型化を考慮した力覚提示デバイスの動作原以下にまとめる。

理について検討した。

まず、過去の研究成果・知見をもとに、①非接トルク感覚を発生させる方法として、慣性モー

地型で力感覚を呈示することができる機械的機

メントを持った回転体の回転数を加速・減速する構原理の検討、②小型化・慣性モーメントの軽減

方法と、回転体をその回転軸と直交する軸周りに化にも関わらずトルク出力を維持しながらも、人回転させる方法がある。一見異なる動作原理であの不用意な動きで生じる余計なジャイロ効果をるがどちらも時間的に角運動量ベクトルを変化軽減することができる機械的機構の検討、③人間させることでトルクを発生させる方法であり、機プロトタイプの開発
試験機①z

開発コンセプト

ωz

ωyz

y

ω3+
ω1‑
ω2‑x

ωx

ω2+

ω1+

ω3‑

3D GyroCube
試験機②
3D-TwinMoters GyroCube

応用例
機構・方式
開発用基礎データ
実現方法

TwinMoters GyroCube

設計仕様の策定
プロトタイプデザイン
2D-TwinMoters GyroCube
for Navigation

Fig.1 Concept design of GyroCube development-2-構学的見地から以下の回転子姿勢制御型（以降ジと表わされる。このとき、トルクが発生する方向ャイロ型と呼ぶ）と合成角運動量ベクトル微分型を考慮して、角運動量ベクトルＬを角速度ωで回（以降本方式と呼ぶ）の２つに大きく分類される

転させたとき発生するトルクベクトルτはτ = ω ×Ｌ 、whereω = ｄ Ω／ｄ ｔ（Fig.2）。

で表わされる。

Ｌz

Ｌ

次に、先行研究において著者らが提案した合成角運動量ベクトルの時間変化を制御する本方式

Ｌωz

ω0

Ω1

Ω2

ωxωyＬyを説明する。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に固定された３つの回転子の回転数 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

Ｌx

することで任意の方向に角運動量ベクトルを発
Fig.2 Torque generation mechanisms

生することができる。これを適切に制御すれば任(Left) Orientation control of rotor axis,

意の方向にトルクを発生させることができる。角(Right) Orientation control of compound angular momenta

運動量ベクトルＬを変化させた時に発生するトルクは以下のように表される。

まず、ジャイロスコープを用いた回転子の姿勢各ｘ、ｙ、ｚ軸周りに角速度ωｉで回転する角を制御するジャイロ型を説明する。ジンバル構造

運動量Ｌｉは、各軸周りの慣性モーメントをIｉとを用いて一定角速度ω0で回転する回転子の姿勢

すると、を２つのジンバル軸周りの回転角Ω1、Ω2を変化

Ｌｉ = Iｉ ωｉ、ｉ= x, y, z

させてトルクを発生させることができる。慣性モと表わされる。これらの各軸周りの角運動量からーメントIの回転体を角速度ω0で回転させた時の構成される合成角運動量ベクトルは、ｘ、ｙ、ｚ

角運動量Ｌ0は、軸方向の基本ベクトルをｉ、 j、ｋとすると、

Ｌ0

Table 1

特徴比較

動作原理

構造

発生トルク制御

加工
強度
騒音

Ｌ = Ｌxｉ ＋Ｌy j ＋Ｌzｋ

= I ω0合成角運動量ベクトル微分型（提案方式）
回転子姿勢制御型
３つ以上のモータによる合成角運動量ベクトルの 回転子の姿勢制御
時間微分
τ = ω ×Ｌ 、where ω = ｄ Ω／ｄ ｔ
τ = ｄ L／ｄ ｔ
Ｌo = I ωo
Ｌｉ = Iｉ ωｉ、ｉ= x, y, z
直交３軸に配置された固定モータによって実現で モータの回転姿勢を制御するジンバル構造が必要きるため、可動部分および部品数が少なく、小型 なため、ジンバルの可動部分の加工や部品数が多化が可能である。
くなる。
点対称構造に配置することができるため、デバイ また、回転子の姿勢を変化させるためのジンバル
スの中心と重心が一致し、質量バランスは固定さ の動き自身が慣性力を持っているため、ジンバルれている。の回転による擾乱トルクは発生する。
各モータ毎の回転数の比を制御することで、任意 基本的に、回転子の軸と姿勢回転方向に直交するの方向にトルクを提示することができる。
方向にトルクが発生するため、任意の方向にトルモータの最大回転速度に依存し、一定方向に連続 クを提示できない。
でトルク提示できる時間に制限がある。
回転子の姿勢制御に加えて回転子自身の回転数を可変にすれば直行方向以外にもトルク提示が可能
だが、制御が複雑・難しい。
提示したいトルクに必要な回転の制御が容易に計 回転子の姿勢をモニタしながら、提示したいトル算できるため、制御が容易である。
クを発生させる制御パラメタを推定する方法が難しい。
モータなどの回転体を固定配置するだけであり、 ジンバルの可動部分の加工が必要であり、部品数部品数も少なく加工が容易である。
もGyroCubeに比較すると多くなる。
モータを固定するだけなので強固な構造体にな 可動部分が多く、強度がやや落ちる。
る。
モータ回転音モータ回転音、ジンバル回転音-3-と表わされる。この合成角運動量ベクトルの時間

GyroCube を Fig 3. に示す。

微分が発生するトルクベクトルτである。

τ = ｄ L／ｄ ｔ
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。本手法は制御が容易であり、変化に富んだ３次元力覚感覚を呈示できる利点がある。
ジャイロ型は回転体の姿勢を変化させる事による方法であり、発生トルクは基本的に回転体の軸と姿勢の回転軸と直交する方向にしか発生でFig 3. (Left) Developed 3D-GyroCube, and (Right)
TwinMotors GyroCube.

左図は、人間の感覚特性を考慮して軽量・小型化きない。これに対して、本方式は、回転体の状態して開発した非接地型トルク提示デバイス 3D-に依ることはなく、任意の方向にトルクを発生すGyroCube であり、右図は対向したツイン・モータを利ることができる。

用してトルク感覚と力感覚の両方を１つのデバイスで呈示することができる力-トルクハイブリッド型力覚呈示デバイス TwinMotors GyroCube である。

2.3 特徴比較

以上の検討および研究成果を、関連する他の研特徴を Table 1 にまとめた。
GyroCube では 3 つの直交座標に固定された慣究成果と合わせて特許として出願した。

性質量を持った３つのモータが Fig.1 (Right)のようにねじれの位置に配置させていたが、質量バ4. 今後の課題と発展

ラ ン ス や 慣性 モ ー メ ント の 向 上 を図 る た め に

今回の開発では、開発期間およびコストの課題でFig.2 のコンセプト図に示されるように慣性質量

本開発目的に沿った性能仕様のモータが見つけら部分を重心近くで対峙させた３組のツイン・モーれず、提案原理を確認するために主に２つの仕様にタ方式を考え出した。慣性質量を重心に集中させ分けて、市販のモータを活用して２つのプロトタイプることで、人の動きで生じる余計な慣性力の低減機を開発した。今後の課題として、これらを１つのデを図っている。また、モータ固定用のフレーム形バイスで実現するために、小型でありながら高トルク状も、フレーム自体の慣性モーメントが小さくなを提示することができる専用モータ機構を設計し、実るように、立方体形状から点対称構造である球形際に試作する必要がある。
本デバイスの応用としては、ヒューマンナビゲーシに近づけた。
もしジャイロ型を用いた場合、角運動量を生成ョンシステムがあげられる。現状の携帯電話機によるする回転子の姿勢を制御するためにはジンバル

ヒューマンナビゲーションシステムは歩きながらの地構造が不可欠であるが、ジンバル自身が余計な慣図の視認性や屋外・雑踏における音声ガイド聴取の性モーメントを持ち、これ自身が回転するために問題などがあり、視覚・聴覚情報に頼ったナビでは十擾乱トルクを発生する。また、ジンバルのフレー分でない。そこで、本デバイスを応用することで、従ムが回転することで質量バランスが変化してし来の視覚・聴覚情報に加えて、進行すべき方向を力まう問題点もある。加えて、構造的にもジンバル

覚感覚で提示するマルチモーダル・ヒューマンナビの可動部分が煩雑となる。これに対して、本方式ゲーションシステムが実現できる。

ではモータが固定されているために質量バランスが変化することはなく、単純な構造となり力学5. 出願特許リスト

的に強い強度が得られる。また、小型化した場合

1. 特願 2003-390802にも構造が単純なため加工が容易である。

2. 特願 2003-402892

3. 研究成果開発した 3D-GyroCube および TwinMotors-4-