JP5238626B2 - 感覚提示装置 - Google Patents

Description

本発明は、手指に力覚及び触覚の少なくとも一方を提示する感覚提示装置に関する。

手指に力覚及び触覚の少なくとも一方を提示する感覚提示装置としては、力を与える装置が外部に固定されたものが実用化されている。ひとつは、ロボット機構を用いて把持部に力覚や触覚を生成するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。他は、外部固定の駆動源にワイヤをつけて人間への提示箇所を位置変動させるもの（例えば、特許文献２参照）である。

また、力覚を付与する装置が外部に固定されないものとしては、３個の回転制御モータに慣性モーメントの大きいディスクをつけ、回転角速度を変化させて力を生成する方法（例えば、特許文献３参照）、ジンバルを用いてジャイロモーメント生成して力を生成する方法、慣性モーメントの大きなディスクを回転させておいて、そのディスクをブレーキにより回転角速度を変化させて力を生成する方法（例えば、非特許文献１参照）などがある。

また、指に力覚を生成するものとしては， ブレーキを用いた方法（例えば、特許文献４参照）、指サックを用いた方法（例えば、特許文献５参照）、指の提示位置を固定しているCyberGrasp（例えば、非特許文献２参照）などが開示されている。

また、指に接触する接触位置を変更するアイデアが提案されている（例えば、非特許文献３、４参照）。

特表２００７−５１０２３２号公報 特開２００３−１７２６６２号公報 特開２００４−１７７３６０号公報 特開２０００−９９２４０号公報 特開２００２−１８２８１７号公報

安藤英由樹，尾花和俊，渡邊淳司，杉本麻樹、前田太郎，「回転モーメントを利用した機械ブレーキ式力覚提示装置の開発」ヒューマンインタフェース論文誌,pp181-188,Vol.5 No.2,2003. CyberGrasp catalog, Immersion Corp. K. J. Kuchenbecker,W. R. Provancher, G. Niemeyer, M, R. Cutkosky: "Haptic Display of Contact Location", Proceedings of the 12th International Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems, 2004. 横小路泰義，村守宣彦，吉川恒夫，"多指遭遇型ハプティックデバイスの設計"，日本バーチャルリアリティ学会第7 回大会論文集，pp. 69-72, 2002.

上記の従来の装置において、把持部が固定されるものは、力覚及び触覚を提示する位置が変更できず、提示できる力覚及び触覚の自由度が低かった。また、力覚及び触覚を提示する位置を変更できる装置であっても、複雑な構成となっていた。

本発明は、手指に力覚及び触覚の少なくとも一方を提示する感覚提示装置において、簡易な構成で、提示できる力覚及び触覚の自由度を高めることを課題とする。

本発明の請求項１に係る感覚提示装置は、手指の背側に配置され、前記手指の根元側から指先側に沿って延びるガイドと、前記ガイドに移動可能に取り付けられた移動体と、前記移動体に設けられ、前記手指の腹側に接触する接触部と、前記接触部を介して前記手指に力覚及び触覚の少なくとも一方を付与する感覚付与機構と、前記移動体を前記ガイドに沿って移動させることにより前記接触部を移動させ、前記感覚付与機構が前記接触部を介して前記手指に力覚及び触覚の少なくとも一方を付与する付与位置を前記手指の根元側又は指先側へ変更可能にする駆動部と、を備えている。

この構成によれば、接触部が手指の腹側に接触し、この接触部を介して、感覚付与機構が手指に力覚及び触覚の少なくとも一方を付与する。

また、接触部が設けられた移動体が、手指の背側に配置されると共に手指の根元側から指先側に沿って延びるガイドに沿って移動することにより、接触部が移動し、接触部が手指に接触する接触位置が変更される。

これにより、接触位置が変更しない構成に比して、手指に付与できる力覚及び触覚が多様となり、提示できる力覚及び触覚の自由度を高めることができる。

また、請求項１では、手指の背側に配置されると共に手指の根元側から指先側に沿って延びるガイドに沿って移動体を移動させて接触位置を変更するので、従来の構成に比して簡易な構成で、提示できる力覚及び触覚の自由度を高めることができる。

本発明の請求項２に係る感覚提示装置は、請求項１の構成において、前記ガイドは、前記手指が曲がる曲方向に指先側が湾曲しており、前記駆動部は、前記移動体を前記ガイドに沿って移動させることにより前記接触部を移動させ、前記感覚付与機構が前記接触部を介して前記手指に力覚及び触覚の少なくとも一方を付与する付与方向及び前記付与位置を変更可能にする。

この構成によれば、接触部が設けられた移動体が、手指が曲がる曲方向に指先側が湾曲しているガイドに沿って移動することにより、接触部が移動し、接触部が手指に接触する接触方向及び接触位置が変更できる。

このように接触方向も変更できるので、接触方向が変更しない構成に比して、簡易な構成で、提示できる力覚及び触覚の自由度を高めることができる。

本発明の請求項３に係る感覚提示装置は、請求項２の構成において、前記ガイドは、前記手指としての人差し指の根元から、前記人差し指の指先、前記手指としての親指の指先、前記親指の根元の順に沿って延び、前記接触部は、前記人差し指と前記親指とにそれぞれ配置され、それぞれが前記人差し指と前記親指とに接触し、前記移動体は、前記人差し指と前記親指とにそれぞれ配置され、それぞれに前記接触部の各々が設けられている。

この構成によれば、１つのガイドにより、親指及び人差し指に配置された接触部を移動させられるので、部品点数が低減でき、簡易な構成で接触位置を変更できる。

本発明の請求項４に係る感覚提示装置は、請求項１又は請求項２の構成において、前記手指の根元側に配置され、前記ガイドの基端部を支持する支持部材と、前記手指が曲がる曲方向に前記ガイドの先端部を移動可能に前記ガイドの基端部と前記支持部材とを連結する連結部と、前記ガイドの先端部を前記曲方向へ移動させることにより前記手指に接触する接触方向を変更可能な第２駆動部とを備えている。

この構成によれば、第２駆動部が、ガイドの先端部を曲方向へ移動させることにより手指に接触する接触方向を変更できる。

このように接触方向も変更できるので、接触方向が変更しない構成に比して、簡易な構成で、提示できる力覚及び触覚の自由度を高めることができる。

本発明の請求項５に係る感覚提示装置は、請求項４の構成において、前記手指としての親指の手根中手関節を支点とした前記親指の移動の軌道に沿って前記ガイドを移動させる移動機構を備えている。

この構成によれば、動きの自由度が高い親指に追従してガイドを移動できるので、提示できる力覚及び触覚の自由度を高めることができる。

本発明の請求項６に係る感覚提示装置は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の構成において、前記ガイド、前記移動体、前記接触部、前記感覚付与機構及び前記駆動部を有する感覚提示装置本体と、前記手指を有する手の手首周りに回転可能に前記感覚提示装置本体を支持する本体支持体と、前記手の手首周りに前記感覚提示装置本体を回転させる回転機構と、を備える。

この構成よれば、手の手首周りに感覚提示装置本体を回転させることができるので、手首の回転動作に対して力覚を提示することができる。

本発明の請求項７に係る感覚提示装置は、請求項６の構成において、前記回転機構による前記感覚提示装置本体の回転を制動するブレーキを備える。

この構成によれば、トルクを急激に変化させることができるので、手首の回転動作に対して、より大きな力覚を提示することができる。

本発明は、上記構成としたので、手指に力覚及び触覚の少なくとも一方を提示する感覚提示装置において、簡易な構成で、提示できる力覚及び触覚の自由度を高めることができる。

図１は、本実施形態に係る力覚提示装置１０の構成を示す概略斜視図である。 図２は、本実施形態に係る力覚提示装置本体１３の構成を示す概略斜視図である。 図３は、本実施形態に係る力覚提示装置本体１３の構成を示す概略側面図である。 図４は、本実施形態に係る移動体４０の構成を示す概略斜視図である。 図５は、図４の５−５線断面図である。 図６（Ａ）は、ガイド４２に移動可能に取り付けられた移動体４０の取り付け構造を示す概略側面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の６Ｂ−６Ｂ線断面図である。 図７は、力覚提示装置１０を制御する制御システムを示す図である。 図８は、変形例に係る力覚提示装置本体１１３の構成を示す概略斜視図である。 図９は、変形例に係る力覚提示装置２００の構成を示す概略斜視図である。 図１０は、変形例に係る力覚提示装置２００における本体支持体２０２、回転機構２１０及びブレーキ２２０の構成を示す概略斜視図である。 図１１（Ａ）は、変形例に係る力覚提示装置２００における回転機構２１０及びブレーキ２２０の構成を示す概略断面図であり、図１１（Ｂ）（Ｃ）は、図１１（Ａ）の矢印Ａ方向から見た図であり、（Ｂ）は接触位置にあるカム２２２を示し、（Ｃ）は非接触位置にあるカム２２２を示す。

以下に、本発明に係る実施形態の一例を図面に基づき説明する。
本実施形態では、手指に力覚及び触覚の少なくとも一方を提示する感覚提示装置として、手指に力覚を提示する力覚提示装置を説明する。

感覚提示装置としては、力覚に加えて触覚を手指に提示する力覚提示装置であってもよく、手指に触覚のみを提示する触覚提示装置であってもよい。

なお、力覚は、接触している物体から反力を受ける感覚をいい、触覚は、物体に接触した時の表面のザラザラ感などの皮膚感覚をいう。この力覚は、例えば、手指を押圧したり、手指に当接して手指の移動を規制したりすることにより、作用させることができる。また、触覚は、手指に接触する接触部に振動を与えるなどすることにより、作用させることができる。

（本実施形態に係る力覚提示装置１０の構成）
まず、本実施形態に係る力覚提示装置１０の構成を説明する。図１は、本実施形態に係る力覚提示装置１０の構成を示す概略斜視図である。図２は、本実施形態に係る力覚提示装置本体１３の構成を示す概略斜視図である。図３は、本実施形態に係る力覚提示装置本体１３の構成を示す概略側面図である。図４は、本実施形態に係る移動体４０の構成を示す概略斜視図である。図５は、図４の５−５線断面図である。図６（Ａ）は、ガイド４２に移動可能に取り付けられた移動体４０の取り付け構造を示す概略側面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の６Ｂ−６Ｂ線断面図である。

力覚提示装置１０は、例えば、仮想空間にある仮想の対象をあたかも現実の対象であるかのように感じると共に操作することができる仮想物体操作システムに用いられる。

仮想空間は、例えば、コンピューター上にデータとして構築され、コンピュータグラフィックスなどの手法を用いて映像化され、ディスプレー等に表示される。

この映像化された仮想空間には、操作対象となる仮想物体と、その仮想物体を操作する操作者の仮想の手指とが表示される。

力覚提示装置１０は、操作者の現実の手指に装着され、現実の手指の実空間における位置と仮想の手指の仮想空間における位置との対応をとることができるようになっている。

これにより、力覚提示装置１０が装着された手指を動かすことで仮想の手指を動かし、仮想物体を操作することが可能となる。

操作としては、例えば、仮想物体に接触すること、仮想物体を把持すること及び仮想物体を把持したままその物体を動かすことが可能である。

力覚提示装置１０は、操作者が、視覚的に仮想物体を操作していると感じるだけでなく、あたかも仮想物体を触ったり、把持したりしているような感覚を得られるように、操作者の手指に力覚を提示する。

なお、力覚提示装置１０は、組み立てや手術などの作業をスムーズに行うためのナビゲーションに用いたり、組み立てや手術などの作業を習熟するための訓練等に用いたりすることが可能である。以下、力覚提示装置１０の具体的構成を示す。

力覚提示装置１０は、図１に示すように、力覚提示装置本体１３と、力覚提示装置本体１３を支持する支持機構７０とを備えている。

力覚提示装置本体１３は、図１、図２及び図３に示すように、手指の背側に配置されると共に手指の根元側から指先側に沿って延びるガイド４２，４３と、ガイド４２に移動可能に取り付けられた移動体４０，４１と、ガイド４３に移動可能に取り付けられた移動体４５と、手指の根元側に配置されると共にガイド４２，４３を支持する支持体６０とを備えている。

ガイド４２，４３及び移動体４０，４１，４５は、例えば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、アルミニューム・マグネシウム素材で形成されている。支持体６０は、例えば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）やアルミニューム素材で形成されている。

なお、ガイド４２，４３、移動体４０，４１，４５及び支持体６０は、軽量で剛性がある材料として、上記の材料を用いるのが好ましいが、上記の材料に限定されるものではなく、種々の材料を用いることできる。

また、支持体６０は、図２に示すように、環状（円筒状）に形成されており、手指（手）が差し入れられる中空部６０Ａが形成されている。支持体６０の内周面には、ガイド４２の一端部及び他端部と、ガイド４３の一端部及び他端部とが取り付けられており、ガイド４２，４３が支持体６０に固定されている。図３に示すように、支持体６０の中空部６０Ａに手指（手）が差し入れられることにより、側面視にて、ガイド４２と支持体６０に囲まれて空間に手指が位置する。この位置において手指に力覚提示装置本体１３が装着される。

ガイド４２は、手指としての人差し指ｆの根元から、人差し指ｆの指先、手指としての親指ｔの指先、親指ｔの根元の順に沿って延びており、一部が円弧状をしたＵ字状に形成されている。これにより、ガイド４２は、人差し指ｆの指先側に配置された部位４２Ｃが、人差し指ｆが曲がる曲方向Ａに湾曲しており、親指ｔの指先側に配置された部位４２Ｄが、親指ｔが曲がる曲方向Ｂに湾曲している。なお、手指が曲がる曲方向とは、具体的には、手指の根元側の部位に対して指先側の部位が動く方向である。

また、ガイド４２は、断面Ｔ字状に形成されている（図６（Ｂ）参照）。ガイド４２は、Ｔ字の横棒をなす横板４２Ａと、その横棒の中央から延びるＴ字の縦棒をなす縦板４２Ｂと、を備えて構成されている。

ガイド４３は、ガイド４２と同様に、手指としての中指の根元から中指の指先に沿って延びており、一部が円弧状をしたＵ字状に形成されている。これにより、ガイド４３は、中指の指先側に配置された部位が、中指が曲がる曲方向に湾曲している。また、ガイド４３は、ガイド４２と同様に、断面Ｔ字状に形成されている（図６（Ｂ）参照）。ガイド４３は、Ｔ字の横棒をなす横板４３Ａと、その横棒の中央から延びるＴ字の縦棒をなす縦板４３Ｂと、を備えて構成されている。

移動体４０は、図２及び図４に示すように、ガイド４２を間において、ガイド４２の横方向の両側からガイド４２を挟む一対の側板４０Ａ，４０Ｂを備えている。側板４０Ａ，４０Ｂは、矩形状に形成されており、４つの隅部が軸部３２で固定されている。

側板４０Ａ，４０Ｂには、縦板４２Ｂに接触する回転体４６Ａ，４６Ｂが、それぞれ回転可能に設けられており、移動体４０は計４つの回転体を有している。回転体４６Ａ，４６Ｂは、具体的には、側板４０Ａ，４０Ｂに設けられた取付部（取付板）４７に取り付けられている
回転体４６Ａ，４６Ｂは、円盤状に形成されており、その外周面がそれぞれ縦板４２Ｂに接触している。側板４０Ａに設けられた回転体４６Ａ，４６Ｂと、側板４０Ｂに設けられた回転体４６Ａ，４６Ｂとが、それぞれ縦板４２Ｂを介して対向配置されており、対向配置された２つの回転体４６Ａと対向配置された２つの回転体４６Ｂとは、それぞれ縦板４２Ｂを挟持している（図６（Ｂ）参照）。

この回転体４６Ａ，４６Ｂがガイド４２の縦板４２Ｂの表面を転がることにより、移動体４０がガイド４２に沿って移動した際に移動体４０とガイド４２との摩擦抵抗（移動抵抗）が低減される。

また、側板４０Ａ，４０Ｂには、横板４２Ａに接触する回転体４８Ａ，４８Ｂが、それぞれ回転可能に設けられている。

回転体４８Ａ，４８Ｂは、円盤状に形成されており、横板４２Ａの一方の表面（縦板４２Ｂが延出した側の面であって、手指配置側の内周面）に接触している。

また、側板４０Ａ，４０Ｂには、横板４２Ａに接触する回転体４９Ａ，４９Ｂが、それぞれ回転可能に設けられている。

回転体４９Ａ，４９Ｂは、円盤状に形成されており、横板４２Ａの他方の表面に接触している。回転体４９Ａ，４９Ｂは、それぞれ横板４２Ａを介して回転体４８Ａ，４８Ｂと対向配置されており、回転体４８Ａ，４８Ｂとで横板４２Ａを挟持している
この回転体４９Ａ，４９Ｂと回転体４８Ａ，４８Ｂとが、ガイド４２の横板４２Ａの表面を転がることにより、移動体４０がガイド４２に沿って移動した際に移動体４０とガイド４２との摩擦抵抗（移動抵抗）が低減される。

横板４２Ａの他方の表面には、図３に示すように、ラック５０，５１が形成されている。このラック５０と噛み合うピニオン５２が、移動体４０を移動させるための駆動力を移動体４０に付与する駆動部の一例としての駆動モータ４４の駆動軸に取り付けられている。

駆動モータ４４は、側板４０Ｂに固定されている。なお、ラック５０は、図２において図示を省略している。

以上のように、回転体４６Ａ，４６Ｂでガイド４２の縦板４２Ｂを挟持すると共に、回転体４８Ａ，４８Ｂと回転体４９Ａ，４９Ｂとでガイド４２の横板４２Ａを挟持することにより、移動体４０は、ガイド４２に移動可能に支持されている。

そして、駆動モータ４４が回転駆動することにより、ピニオン５２が回転する。これにより、ピニオン５２がラック５０と噛み合って移動し、移動体４０がガイド４２に沿って図３におけるＸ方向へ移動するようになっている。移動体４０は、具体的には、人差し指ｆ（手指）の根元から指先に沿って延びる移動軌道であって人差し指ｆが曲がる曲方向Ａに湾曲する移動軌道に沿って移動する。これにより、接触部１２が手指に接触する接触位置及び接触部１２が手指に接触する接触方向が変更される。

また、移動体４０の側板４０Ａには、手指側に延びる棒状のガイド２２が設けられている。ガイド２２は、側板４０Ａに一体的に形成されている。

ガイド２２には、人間の手指の腹側に接触する接触部１２が移動可能に設けられている。なお、手指の腹側とは、手指で物体の把持した場合に物体が接触しうる接触面であり、爪のある指の背中側とは反対側の部分である。

接触部１２は、図４に示すように、Ｌ字状に屈曲する板体で形成されている。Ｌ字の一方の辺をなす板片１２Ａの表面に手指が置かれる。Ｌ字の他方の辺をなす板片１２Ｂは、ガイド２２の長手方向Ｙへ移動可能にガイド２２に取り付けられている。

また、移動体４０には、接触部を介して手指に力覚及び触覚の少なくとも一方を付与する感覚付与機構の一例として、接触部１２を介して力覚を付与する力覚付与機構２０が設けられている。力覚付与機構２０は、上記のガイド２２と、接触部１２に駆動力を付与する駆動部の一例としての駆動モータ２４と、駆動モータ２４の駆動力を接触部１２に伝達する伝達機構２６と、を備えて構成されている。

伝達機構２６は、接触部１２が固定された環状のワイヤ２８と、ワイヤ２８が巻き掛けられた一対のプーリ３０、３３と、を備えて構成されている。

駆動モータ２４は、側板４０Ｂに支持されており、駆動モータ２４の駆動軸には、一方のプーリ３０が取り付けられている。

他方のプーリ３３は、ガイド２２の先端部に回転可能に取り付けられている。ワイヤ２８は、固定部２８Ａにより、接触部１２の板片１２Ｂに固定されている。

駆動モータ２４が回転駆動することにより、プーリ３０が回転し、ワイヤ２８が回転（循環）する。接触部１２は、ワイヤ２８に固定された接触部１２は、ワイヤ２８が回転（循環）することにより、ガイド２２に沿ってガイド２２の長手方向Ｙへスライド移動する。これにより、人差し指ｆに当接したり、人差し指ｆを押圧したりすることにより、人差し指ｆに力覚を付与することができる。

なお、手指に触覚を提示する構成の場合には、力覚付与機構２０に加えて（力覚付与機構２０に替えて）触覚付与機構が設けられる。触覚付与機構は、例えば、接触部１２を振動させるように制御される駆動モータ２４により構成することが可能である。駆動モータ２４は、必要な周波数でＯＮ／ＯＦＦを繰り返しことで、ワイヤ２８を通じて接触部１２に振動を付与する。

また、触覚付与機構としては、ワイヤ２８に引っ張り力を変化させることによって、接触部１２を振動させる構成とすることもできる。

さらに、触覚付与機構としては、例えば、接触部１２を振動させるバイブレータ等で構成され、手指に振動を与えることにより触覚を付与する構成とすることができる。

ここで、移動体４１・移動体４５及びその移動体４１・移動体４５に設けられた各部材は、移動体４０とその移動体４０に設けられた各部材と同様に構成されているので、同様の機能を有する部分は、説明を省略し、主に異なる部分を説明する。

移動体４１は、移動体４０の側板４０Ａと同様に構成された側板４１Ａと、移動体４０の側板４０Ｂと同様に構成された側板４１Ｂを備えている。

移動体４１では、側板４１Ｂにある駆動モータ４４の駆動軸に取り付けられたピニオン５２は、ラック５１と噛み合うようになっている。また、移動体４１では、接触部１２が移動可能に取り付けられたガイド２２は、側板４１Ａではなく、側板４１Ｂに一体的に形成されている。

また、移動体４１は、手指として親指に配置され、移動体４１には親指が接触する接触部１２が設けられている。

移動体４５は、移動体４０の側板４０Ａと同様に構成された側板４５Ａと、移動体４０の側板４０Ｂと同様に構成された側板４５Ｂを備えている。

移動体４５では、側板４５Ｂにある駆動モータ４４の駆動軸に取り付けられたピニオン５２は、ガイド４３に形成されたラックと噛み合うようになっている。また、移動体４５では、接触部１２が移動可能に取り付けられたガイド２２は、側板４５Ａではなく、側板４５Ｂに一体的に形成されている。

また、移動体４５は、ガイド４２と同様に構成されたガイド４３に取り付けられており、移動体４０及びその移動体４０に設けられた各部材が、ガイド４２に作用するのと同様に、移動体４５及びその移動体４５に設けられた各部材が、ガイド４３に作用する。

また、移動体４５は、手指として中指に配置され、移動体４５には中指が接触する接触部１２が設けられている。これにより、各手指（親指ｔ、人差し指ｆ、中指）に独立して力覚を付与することができる。

各移動体４０，４１，４５の接触部１２に各手指が接触することにより、力覚提示装置本体１３が手指に装着される。

支持機構７０は、図１に示すように、支持フレーム７２と、支持フレーム７２に回転可能に取り付けられた巻き掛けロール７３と、巻き掛けロール７３を回転駆動する駆動モータ７４と、一端部が巻き掛けロール７３に巻き掛けられたと共に他端部が力覚提示装置本体１３に取り付けられたワイヤ７６とを備えて構成されている。なお、支持機構７０としては、多軸のロボット機構を用いることもできる。

支持フレーム７２は、直方体に骨組みされている。巻き掛けロール７３は、支持フレーム７２の８つの隅部にそれぞれ配置されている。

各ワイヤ７６は、一端部が力覚提示装置本体１３に固定され、巻き掛けロール７３に巻き掛けられている。駆動モータ７４が巻き掛けロール７３を一方に回転駆動することにより、巻き掛けロール７３にワイヤ７６が巻き付けられ、駆動モータ７４が巻き掛けロール７３を他方の回転駆動することにより、巻き掛けロール７３からワイヤ７６が巻き出される。

これにより、力覚提示装置本体１３（手及び手指）の姿勢制御をすること、及び力覚提示装置本体１３の全体に力を作用させることが可能となり、外部から手指全体にかかる力覚を提示できる。外部から手指全体にかかる力覚としては、例えば、物体の重力、慣性力がある。

下方にある巻き掛けロール７３にワイヤ７６を巻き付けて力覚提示装置本体１３を下方へ引っ張ることにより、重力を作用させることができる。仮想物体が重量の重い場合には、重量が軽い場合に比して、力覚提示装置本体１３を引っ張る量を増加させる。

また、把持した仮想物体を動かしたときに発生する慣性力は、物体を動かした方向にある巻き掛けロール７３にワイヤ７６を巻き付けて力覚提示装置本体１３を引っ張ることにより、作用させることができる。仮想物体を速く動かした場合には、遅く動かした場合に比して、力覚提示装置本体１３を引っ張る量を増加させる。

なお、力覚提示装置本体１３においては、力覚を提示していないときには、各部は自由状態となっており、力覚提示装置本体１３が装着された手指は自由に動かすことができるようになっている。また、各駆動モータ２４、４４、７４には、エンコーダが取り付けられており、その回転量を測定することにより手指の移動量を測定し、現実の手指の実空間における現在位置を把握できるようになっている。

上記のように、本実施形態では、力覚等を提示するために駆動する駆動部としての各駆動モータ２４、４４、７４に設けられたエンコーダから、直接的に手指の位置を計測するようになっており、外部から手指の位置を測定・推測して手指の位置を把握する方法とは異なる。

また、移動体４０，４１，４５を移動させるための駆動部、接触部１２を移動させるための駆動部、力覚提示装置本体１３を移動させるための駆動部は、種々の機構、機械要素を用いることができ、例えば、電磁気やボールねじを利用したリニアアクチュエータや、導電性高分子・イオン性高分子を用いたソフトアクチュエータを活用することも可能である。

次に、力覚提示装置１０を制御する制御システムを説明する。図７は、力覚提示装置１０を制御する制御システムを示す図である。

力覚提示装置１０を制御する制御システム８０は、コンピュータグラフィックスを活用して、仮想の手指やその手指で操作する仮想物体の３次元モデルを管理するシーン管理部８２と、仮想の手指と仮想物体との干渉状態を計算する干渉判定部８４と、仮想物体の重量や拘束などの静的条件（例えば、仮想物体にかかる重力）や動的な特性（例えば、移動する物体に作用する慣性力）を計算する物理シミュレーション部８６と、を備えている。

シーン管理部８２は、予め設定される仮想物体の形状・大きさ、予め設定される手指（手）の形状・大きさ、予め設定される仮想物体の把持の仕方等の種々の条件に基づき、仮想の手指及び仮想物体の形状・大きさや初期状態における仮想物体と仮想の手指との位置関係等を決定する。また、シーン管理部８２は、駆動モータ２４、４４、７４のエンコーダにより現実の手指の実空間における現在位置を把握し、現実の手指の実空間における位置と仮想の手指の仮想空間における位置とを対応させるようになっており、現実の手指が移動するのに伴って仮想の手指を移動させる。

干渉判定部８４は、仮想物体を把持する仮想の手指と、その仮想物体との干渉状態を計算する。

制御システム８０は、図１に示す支持機構７０のワイヤ７６の巻き付け量及び巻き出し量を計算する支持機構計算部８８と、支持機構７０の駆動モータ７４を駆動制御する支持機構コントローラ９０とを備えている。

支持機構計算部８８は、干渉判定部８４で計算された干渉状態及び物理シミュレーション部８６で計算された静的条件及び動的な特性に基づき、力覚提示装置本体１３に負荷する荷重を計算し、ワイヤ７６の巻き付け量及び巻き出し量を計算する。支持機構コントローラ９０は、支持機構計算部８８が計算したワイヤ７６の巻き付け量及び巻き出し量に基づき、駆動モータ７４を駆動制御する。

また、制御システム８０は、手指に提示する力覚を計算する力覚計算部９２を備えている。この力覚計算部９２は、接触部１２が手指に接触する接触位置（力覚を提示する提示位置）を計算する接触位置計算部９４と、手指に提示する力覚の強度を計算する力覚強度計算部９６とを備えている。

さらに、制御システム８０は、接触位置コントローラ９８と、力覚強度コントローラ９９とを備えている。

接触位置計算部９４は、予め設定される仮想物体の形状・大きさ、予め設定される手指（手）の形状・大きさ、予め設定される仮想物体の把持の仕方等の種々の条件に基づき、手指に接触する接触部１２の接触位置が計算される。

接触位置コントローラ９８は、接触位置計算部９４が計算した接触部１２の接触位置に基づき、移動体４０，４１，４５を移動させるための駆動モータ４４を駆動制御する。

力覚強度計算部９６は、干渉判定部８４で計算された干渉状態及び物理シミュレーション部８６で計算された静的条件及び動的な特性に基づき、接触部１２を介して力覚付与機構２０によって手指に付与する力覚の強度を計算する。

力覚強度コントローラ９９は、力覚強度計算部９６が計算した手指に付与する力覚の強度に基づき、駆動モータ２４を駆動制御する。

（本実施形態に係る力覚提示装置１０の作用）
次に、実施形態に係る力覚提示装置１０の作用を説明する。

本実施形態に係る力覚提示装置１０によれば、接触位置コントローラ９８によって駆動モータ４４の駆動が制御されると、ラック５０と噛み合うピニオン５２が回転して、移動体４０がガイド４２に沿って移動する。また、ラック５１と噛み合うピニオン５２が回転して、移動体４１がガイド４２に沿って移動する。また、ガイド４３のラックと噛み合うピニオン５２が回転して、移動体４５がガイド４３に沿って移動する。

これにより、接触部１２が所望の位置に移動し、接触部１２が手指に接触する接触位置が変更される。

また、本実施形態に係る力覚提示装置１０では、移動体４０，４１，４５は、手指が曲がる曲方向に指先側が湾曲しているガイド４２，４３に沿って移動するので、接触部１２が手指に接触する接触方向が変更できる。

このように、接触位置及び接触方向が変更できるので、手指に付与できる力覚が多様となり、提示できる力覚の自由度を高めることができる。

また、本実施形態に係る力覚提示装置１０では、手指の背側に配置されると共に手指の根元側から指先側に沿って延びるガイド４２，４３に沿って移動体４０，４１，４５を移動させて接触位置を変更するので、従来の構成に比して簡易な構成で、提示できる力覚及び触覚の自由度を高めることができる。

また、本実施形態に係る力覚提示装置１０では、１つのガイド４２により、親指及び人差し指に配置された接触部１２を移動させられるので、部品点数が低減でき、簡易な構成で接触位置を変更できる。

（本実施形態に係る力覚提示装置本体１３の変形例）
次に、変形例に係る力覚提示装置本体１３の構成を説明する。図８は、変形例に係る力覚提示装置本体１１３の構成を示す概略斜視図である。なお、上記の力覚提示装置本体１３と同様に構成された部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

変形例に係る力覚提示装置本体１１３は、力覚提示装置本体１３のガイド４２，４３を変形したものであり、力覚提示装置本体１３のガイド４２，４３に替えて、ガイド１４１，１４２，１４３を備えている。

ガイド１４１は、親指の背側に配置されると共に親指の根元側から指先側に沿って延びている。ガイド１４１には、移動体４１が移動可能に取り付けられている。また、ガイド１４１には、ガイド４２，４３のラック５０と同様のラックが形成されており、駆動モータ４４でピニオン５２を回転されることにより、移動体４１をガイド１４１に沿って移動させられる。

ガイド１４２は、人差し指の背側に配置されると共に人差し指の根元側から指先側に沿って延びている。ガイド１４２には、移動体４０が移動可能に取り付けられている。また、ガイド１４２には、ガイド４２，４３のラック５０と同様のラックが形成されており、駆動モータ４４でピニオン５２を回転されることにより、移動体４０をガイド１４２に沿って移動させられる。

ガイド１４３は、中指の背側に配置されると共に中指の根元側から指先側に沿って延びている。ガイド１４３には、移動体４５が移動可能に取り付けられている。また、ガイド１４３には、ガイド４２，４３のラック５０と同様のラックが形成されており、駆動モータ４４でピニオン５２を回転されることにより、移動体４５をガイド１４３に沿って移動させられる。

ガイド４２，４３では、手指の指先側に配置された部位が、手指が曲がる曲方向に湾曲していたが、ガイド１４１，１４２，１４３は直線状に形成されている。なお、ガイド１４１，１４２，１４３は、手指の指先側に配置された部位が、手指が曲がる曲方向に湾曲していてもよい。

ガイド１４１，１４２，１４３は、それぞれ、基端部（支持端部）が、支持体６０に取り付けられた支持部材１４８に支持されている。ガイド１４２，１４３を支持する支持部材１４８は、支持体６０に固定されており、ガイド１４１を支持する支持部材１４８は、移動可能に支持体６０に取り付けられている。

ガイド１４１，１４２，１４３の基端部と支持部材１４８との間には、ガイド１４１，１４２，１４３の基端部と支持部材１４８を連結する連結部の一例としてのヒンジ１５０が配置されている。

ヒンジ１５０は、手指が曲がる曲方向及びその反対方向Ｘ１にガイド１４１，１４２，１４３の先端部を移動可能に連結している。

ガイド１４１，１４２，１４３と支持部材１４８との間には、それぞれ、ガイド１４１，１４２，１４３の先端部を手指が曲がる曲方向及びその反対方向Ｘ１へ移動させる第２駆動部としてのリニアアクチュエータ１５２が配置されている。

リニアアクチュエータ１５２の一端部は、ガイド１４１，１４２，１４３にそれぞれに取り付けられており、他端部は、支持部材１４８に取り付けられている。具体的には、リニアアクチュエータ１５２の本体が支持部材１４８に固定され、リニアアクチュエータ１５２の伸縮可能なロッド１５２Ａの先端部が、ガイド１４１，１４２，１４３に固定されている。ロッド１５２Ａが縮むことによりガイド１４１，１４２，１４３の先端部が曲方向に移動し、ロッド１５２Ａが伸びることによりガイド１４１，１４２，１４３の先端部が曲方向の反対方向へ移動する。なお、リニアアクチュエータ１５２としては、例えば、電磁気やボールねじを利用したものや、導電性高分子・イオン性高分子を用いたソフトアクチュエータを活用することも可能である。

以上の構成により、移動体４０，４１，４５の接触部１２が手指に接触する接触位置及び接触方向が変更可能となる。

なお、図８においては、移動体４０，４１，４５をそれぞれ概略的に記載している。また、ガイド１４１に移動体４１が取り付けられ、ガイド１４２に移動体４０が取り付けられ、ガイド１４３に移動体４５が取り付けられていたが、ガイド１４１，１４２，１４３には、適宜、移動体４０，４１，４５のいずれかを用いることができる。

ところで、親指は、手根中手関節を支点として、手のひらに対面する位置と手のひらの側方位置との間を横方向へ動くため、親指の移動の自由度が高い。そこで、変形例に係る力覚提示装置本体１１３では、親指の手根中手関節を支点とした親指の移動の軌道に沿って、ガイド１４１を移動させる移動機構１６０を備えている。

移動機構１６０は、支持部材１４８を支持体６０に沿って移動可能に支持体６０に取り付ける取付部１６２と、支持体６０の外周面に形成されたラック１６４と、ラック１６４に噛み合うピニオン１６６と、ピニオン１６６を回転駆動する駆動モータ１６８とを備えている。

この構成では、駆動モータ１６８がピニオン１６６を回転駆動することにより、取付部１６２、支持部材１４８、ヒンジ１５０、ガイド１４１が一体に、支持体６０に沿って円弧状に移動する。これにより、ガイド１４１が親指の手根中手関節を支点とした親指の移動の軌道に沿って移動する。

この構成によれば、ガイド１４１，１４２，１４３の先端部の向きを変えることより、移動体４０，４１，４５の接触部１２の接触位置に加えて、接触方向も変更できるので、提示できる力覚の自由度を高めることができる。

また、動きの自由度が高い親指に追従してガイド１４１を移動できるので、提示できる力覚の自由度を高めることができる。

なお、ガイド１４１を支持体６０に沿って移動させるための駆動部は、種々の機構、機械要素を用いることができ、例えば、電磁気やボールねじを利用したリニアアクチュエータや、導電性高分子・イオン性高分子を用いたソフトアクチュエータを活用することも可能である。

（変形例に係る力覚提示装置２００の構成）
次に、変形例に係る力覚提示装置２００の構成を説明する。図９〜図１１は、変形例に係る力覚提示装置２００の構成を示す概略図である。なお、変形例に係る力覚提示装置２００における力覚提示装置本体１３及び支持機構７０は、上記と同様の構成であるので、同一符号を付してその説明を省略する。

変形例に係る力覚提示装置２００は、図９及び図１０に示すように、手指を有する手の手首周り（手首の軸周り）に回転可能に力覚提示装置本体１３を支持する本体支持体２０２と、手首周りに力覚提示装置本体１３を回転させる回転機構２１０と、を備えている。

本体支持体２０２は、内径が、力覚提示装置本体１３の支持体６０の外径よりも大径とされた環状（円筒状）の第１支持部材２０４と、外径が第１支持部材２０４の内径よりも小径とされた環状（円筒状）の第２支持部材２０６と、を備えている。

第１支持部材２０４及び第２支持部材２０６は、力覚提示装置本体１３が装着される手の手首周りに沿って配置される。また、第２支持部材２０６は、図１０及び図１１（Ａ）に示すように、第１支持部材２０４の内周側に配置されている。

また、第１支持部材２０４には、図９に示すように、一端部が巻き掛けロール７３に巻き掛けられた各ワイヤ７６の他端部が取り付けられており、第１支持部材２０４は、支持機構７０によって支持されている。このように、力覚提示装置２００では、本体支持体２０２を介して力覚提示装置本体１３が支持機構７０に支持されている。

第２支持部材２０６は、自らの軸周りに回転可能に第１支持部材２０４に支持されている。第２支持部材２０６は、例えば、ボールベアリングのように、第１支持部材２０４と第２支持部材２０６との間に介装された球状のボールによって回転可能に支持される。なお、第２支持部材２０６を回転可能に支持する構成としては、種々の構成とすることが可能である。

第２支持部材２０６には、力覚提示装置本体１３の支持体６０が固定されており、第２支持部材２０６と力覚提示装置本体１３とは一体に回転するようになっている。これにより、力覚提示装置本体１３は、力覚提示装置本体１３が手指に装着された状態においては、手首の軸周りに回転することになる。

なお、本体支持体２０２としては、第１支持部材２０４及び第２支持部材２０６が環状に形成されたものに限られず、例えば、一部が切り欠けられていてもよく、種々の形状とすることが可能である。また、本体支持体２０２は、第１支持部材２０４のみで構成されていてもよい。この場合は、力覚提示装置本体１３が直接、第１支持部材２０４に支持される。

回転機構２１０は、図１０及び図１１（Ａ）に示すように、第２支持部材２０６の外周面に形成されたラック２１２と、このラック２１２と噛み合うピニオン２１４と、ピニオン２１４を回転駆動するための駆動モータ２１６とを備えている。ピニオン２１４は、第１支持部材２０４に非接触とされた状態で、第２支持部材２０６と第１支持部材２０４との間に配置されると共に、駆動モータ２１６の駆動軸２１６Ａに固定されている。駆動モータ２１６は、ブラケット２１８を介して第１支持部材２０４に固定されている。

この構成によれば、駆動モータ２１６がピニオン２１４を回転駆動することにより、ラック２１２が形成された第２支持部材２０６を回転させる。これにより、力覚提示装置本体１３が、手首の軸周りに回転し、手首の回転動作に対して、力覚を提示することができる。

なお、回転機構２１０としては、上記構成に限られず、例えば、ワイヤやベルトなどの他の機械要素を用いた構成としてもよく、種々の構成とすることが可能である。

また、力覚提示装置２００においては、力覚を提示していないときには、第２支持部材２０６は第１支持部材２０４に対して回転自在とされており、力覚提示装置本体１３が装着された手の手首は自由に動かすことができるようになっている。また、駆動モータ２１６には、エンコーダが取り付けられており、その回転量を測定することにより手首の回転量を測定し、現実の手首の実空間における回転位置を把握できるようになっている。

変形例に係る力覚提示装置２００は、回転機構２１０による力覚提示装置本体１３の回転を止めるブレーキ２２０を備えている。このブレーキ２２０は、図１０及び図１１（Ａ）に示すように、第２支持部材２０６の回転軸方向に沿った回転軸を有するカム２２２と、カム２２２の回転角を制御する駆動モータ２２４とを備えている。

カム２２２は、第１支持部材２０４と第２支持部材２０６との間に配置されると共に、駆動モータ２２４の駆動軸２２４Ａに固定されている。駆動モータ２２４は、ブラケット２２６を介して第１支持部材２０４に固定されている。

また、カム２２２は、回転軸から距離が一定ではない外周を有しており、外周が第１支持部材２０４及び第２支持部材２０６に接触する接触位置（図１１（Ｂ））と、外周が少なくとも第２支持部材２０６に接触しない非接触位置（図１１（Ｃ））との間を回転するようになっている。

これにより、駆動モータ２２４によりカム２２２を非接触位置に回転させることで、第２支持部材２０６が回転する際の回転負荷が生じないようにすることができる。
また、駆動モータ２２４によりカム２２２を接触位置に回転させることで、カム２２２の外周を第１支持部材２０４及び第２支持部材２０６に接触させて、力覚提示装置本体１３の回転が制動される。これにより、トルクを急激に変化させることができるので、力覚提示装置本体１３が装着された手の手首の回転動作に対して、より大きな力覚を提示することが可能となる。

なお、カム２２２は回転角によって第２支持部材２０６との接触面積が変化するように構成されていてもよい。これにより、回転する第２支持部材２０６の制動力を調整でき、提示される力覚を調整可能となる。また、カム２２２の表面に、摩擦力を高めるための摩擦材を貼り付けて、制動効率を向上させるように構成してもよい。また、ブレーキ２２０としては、上記の構成に限られず、種々の構成を用いることが可能である。

また、変形例に係る力覚提示装置２００は、力覚提示装置本体１３を備える構成であったが、力覚提示装置本体１３に替えて、上述した力覚提示装置本体１１３を備える構成であっても良い。

本発明は、上記の実施形態に限るものではなく、種々の変形、変更、改良が可能である。

１０ 力覚提示装置（感覚提示装置）
１２ 接触部
１３ 力覚提示装置本体
２０ 力覚付与機構（感覚付与機構）
４０ 移動体
４１ 移動体
４２ ガイド
４３ ガイド
４４ 駆動モータ（駆動部）
４５ 移動体
１１３ 力覚提示装置本体
１４１ ガイド
１４２ ガイド
１４３ ガイド
１４８ 支持部材
１５０ ヒンジ（連結部）
１５２ リニアアクチュエータ（第２駆動部）
１６０ 移動機構
２０２ 本体支持体
２１０ 回転機構
２２０ ブレーキ

Claims (7)

1. 手指の背側に配置され、前記手指の根元側から指先側に沿って延びるガイドと、
   前記ガイドに移動可能に取り付けられた移動体と、
   前記移動体に設けられ、前記手指の腹側に接触する接触部と、
   前記接触部を介して前記手指に力覚及び触覚の少なくとも一方を付与する感覚付与機構と、
   前記移動体を前記ガイドに沿って移動させることにより前記接触部を移動させ、前記感覚付与機構が前記接触部を介して前記手指に力覚及び触覚の少なくとも一方を付与する付与位置を前記手指の根元側又は指先側へ変更可能にする駆動部と、
   を備えた感覚提示装置。
2. 前記ガイドは、前記手指が曲がる曲方向に指先側が湾曲しており、
   前記駆動部は、前記移動体を前記ガイドに沿って移動させることにより前記接触部を移動させ、前記感覚付与機構が前記接触部を介して前記手指に力覚及び触覚の少なくとも一方を付与する付与方向及び前記付与位置を変更可能にする請求項１に記載の感覚提示装置。
3. 前記ガイドは、前記手指としての人差し指の根元から、前記人差し指の指先、前記手指としての親指の指先、前記親指の根元の順に沿って延び、
   前記接触部は、前記人差し指と前記親指とにそれぞれ配置され、それぞれが前記人差し指と前記親指とに接触し、
   前記移動体は、前記人差し指と前記親指とにそれぞれ配置され、それぞれに前記接触部の各々が設けられている請求項２に記載の感覚提示装置。
4. 前記手指の根元側に配置され、前記ガイドの基端部を支持する支持部材と、
   前記手指が曲がる曲方向に前記ガイドの先端部を移動可能に前記ガイドの基端部と前記支持部材とを連結する連結部と、
   前記ガイドの先端部を前記曲方向へ移動させることにより前記手指に接触する接触方向を変更可能な第２駆動部と、
   を備えた請求項１又は請求項２に記載の感覚提示装置。
5. 前記手指としての親指の手根中手関節を支点とした前記親指の移動の軌道に沿って前記ガイドを移動させる移動機構を備えた請求項４に記載の感覚提示装置。
6. 前記ガイド、前記移動体、前記接触部、前記感覚付与機構及び前記駆動部を有する感覚提示装置本体と、
   前記手指を有する手の手首周りに回転可能に前記感覚提示装置本体を支持する本体支持体と、
   前記手の手首周りに前記感覚提示装置本体を回転させる回転機構と、
   を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の感覚提示装置。
7. 前記回転機構による前記感覚提示装置本体の回転を制動するブレーキを備える請求項６に記載の感覚提示装置。

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