JP2021116491A - 触覚提示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】手袋に触覚出力素子を単に配置したものと比較して、手袋に挿入された手に対する触覚提示素子の密着性を向上させることができる触覚提示装置を提供する。【解決手段】触覚提示装置１６は、伸縮性を有する手袋本体２８と、前記手袋本体２８に設けられた触覚提示素子５２と、可撓性を有するが、前記手袋本体よりも伸縮性が小さく、前記手袋本体２８の手の甲側と掌側との間の部分に配置された可撓性部材４８と、前記接触提示素子５２に接続され、前記可撓性部材４８に沿って設けられた配線５６と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、触覚提示装置に関する。

特許文献１は、指の腹側に接触し、指への刺激の提示及び指から情報の取得の少なくとも一方を行う接触部を有し、指の腹側であり、第１関節から指先までの一部分が、前記接触部が接触する部分を除いて露出するように指に装着される電子機器を開示する。

特許文献２は、手袋に複数の押圧素子が設けられた触覚提示装置を開示する。

特開２０１９−６７１６６号公報 国際公開第２０１７／０３３３８１号

本発明は、手袋に触覚提示素子を単に配置したものと比較して、手袋に挿入された手に対する触覚提示素子の密着性を向上させることができる触覚提示装置を提供することを目的としている。

請求項１に係る本発明は、伸縮性を有する手袋本体と、前記手袋本体に設けられた触覚提示素子と、可撓性を有するが、前記手袋本体よりも伸縮性が小さく、前記手袋本体の手の甲側と掌側との間の部分に配置された可撓性部材と、前記接触提示素子に接続され、前記可撓性部材に沿って設けられた配線と、を有する触覚提示装置である。

請求項２に係る本発明は、前記可撓性部材は、前記手袋本体に挿入された手により前記手袋本体が伸びた状態で、前記手袋本体に挿入された手の指の長さ方向への伸びを抑制するように設けられている請求項１記載の触覚提示装置である。

請求項３に係る本発明は、前記可撓性部材は、前記手袋本体に挿入された手により前記手袋本体が伸びた状態で、前記触覚提示素子が設けられた手袋本体の部分の伸びを許容するように設けられている請求項１記載の触覚提示装置である。

請求項４に係る本発明は、前記可撓性部材は、前記手袋本体の手の甲側と掌側との間の部分から前記触覚提示素子まで接続する第１の接続部を有する請求項１から３いずれか記載の触覚提示装置である。

請求項５に係る本発明は、前記配線は、前記第１の接続部を含めて配置されている請求項４記載の触覚提示装置である。

請求項６に係る本発明は、前記第１の接続部は、前記手袋本体の手の甲側と掌側との間の部分及び前記触覚提示素子に接続する部分のみ前記手袋本体に固定されている請求項４又は５記載の触覚提示装置である。

請求項７に係る本発明は、前記第１の接続部は、前記前記手袋本体の手の甲側と掌側との間の部分と前記触覚提示素子に接続する部分との間は、前記手袋本体に非固定である請求項４又は５記載の触覚提示装置である。

請求項８に係る本発明は、前記触覚提示素子は、前記手袋本体の複数の指が挿入される複数の指挿入部に設けれ、前記可撓性部材は、前記手袋本体の手の甲側と掌側との間の部分から離れた指挿入部の根元まで設けられて前記触覚提示素子まで接続するための第２の接続部を有する請求項１から７いずれか記載の触覚提示装置である。

請求項９に係る本発明は、前記配線は、前記第２の接続部を含めて配置されている請求項８記載の触覚提示装置である。

請求項１０に係る本発明は、前記第２の接続部は、前記手袋本体の手の甲側と掌側との間の部分及び該部分から離れた指挿入部の根元のみ前記手袋本体に固定されている請求項８又は９記載の触覚提示装置である。

請求項１１に係る本発明は、前記第２の接続部は、前記手袋本体の手の甲側と掌側との間の部分及び該部分から離れた指挿入部の根元との間は前記手袋本体に非固定である請求項８又は９記載の触覚提示装置である。

請求項１２に係る本発明は、前記第２の接続部は、前記手袋本体に挿入される手の関節部分を除いた部分に設けられている請求項８から１１いずれか記載の触覚提示装置である。

請求項１３に係る本発明は、前記触覚提示素子に出力する駆動信号を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記手袋本体の甲側に設けられている請求項１から１２いずれか記載の記載の触覚提示装置である。

請求項１４に係る本発明は、前記触覚提示素子に出力する駆動信号を制御する制御部を有し、前記制御部は、逆のこぎり波形の出力信号を出力するように制御する請求項１から１２いずれか記載の触覚提示装置である。

請求項１に係る本発明によれば、手袋に触覚提示素子を単に配置したものと比較して、手袋に挿入された手に対する触覚提示素子の密着性を向上させることができる。

請求項２に係る本発明によれば、請求項１に係る発明の効果に加えて、可撓性部材に沿って設けられた配線が断線するのを防止することができる。

請求項３に係る本発明によれば、請求項１に係る本発明の効果に加えて、手袋本体の伸びにより触覚提示素子を手に対して密着させることができる。

請求項４に係る本発明によれば、請求項１から３いずれかに係る本発明の効果に加えて、甲側と掌側との間に設けられた部分から触覚提示素子までの間を保護することができる。

請求項５に係る本発明によれば、請求項４に係る本発明の効果に加えて、触覚提示素子に接続される配線の断線を防止することができる。

請求項６又は７に係る本発明によれば、請求項４又は５に係る本発明の効果に加えて、手袋本体を伸ばした状態で第１の接続部全体を手袋本体に固定したものと比較して、第１の接続部を手に密着させることができる。

請求項８に係る本発明によれば、請求項１から７いずれかに係る本発明の効果に加えて、甲側と掌側との間に設けられた部分から他の指挿入部までの間を保護することができる。

請求項９に係る本発明によれば、請求項８に係る本発明の効果に加えて、他の指挿入部に設けられた触覚提示素子に接続される配線の断線を防止することができる。

請求項１０又は１１に係る本発明によれば、請求項８又は９に係る本発明の効果に加えて、手袋本体を伸ばした状態で第２の接続部全体を手袋本体に固定したものと比較して、第２の接続部を手に密着させることができる。

請求項１２に係る本発明によれば、請求項８から１１いずれかに係る本発明の効果に加えて、第２の接続部を手の関節部分に設けたものと比較して、第２の接続部の曲がる量を少なくすることができる。

請求項１３に係る本発明によれば、請求項１から１２いずれかに係る本発明の効果に加えて、制御部を保護することができる。

請求項１４に係る本発明によれば、請求項１から１２いずれかに係る本発明の効果に加えて、通常のパルス波形を出力するものと比較して、触覚感を鋭くすることができる。

本発明の実施形態に係る触覚提示装置を有する触覚提示システムを示す構成図である。 本発明の実施形態に係る触覚提示装置の掌側から見た平面図である。 本発明の実施形態に係る触覚提示装置の甲側から見た斜視図である。 本発明の実施形態に用いた手袋本体に可撓性部材を設ける工程を示し、（ａ）は初期状態の手袋本体、（ｂ）手袋本体をプレストレッチ状態にするための型、（ｃ）は可撓性部材の固定した後の手袋本体及び可撓性部材をそれぞれ示す平面図である。 本発明に対する比較例において、可撓性部材に屈曲が生じた状態を示す平面図である。 本発明の実施形態に触覚提示装置を有する触覚提示システムの電気的構成を示すブロック図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１には、本発明の実施形態で用いられる触覚提示システム１０が示されている。図１に示すように、触覚提示システム１０は、データ処理装置１２と、ヘッドマウントディスプレイ装置１４と、触覚提示装置１６とを有する。

データ処理装置１２は、ヘッドマウントディスプレイ装置１４及び触覚提示装置１６を制御するためのデータを処理する。データ処理装置１２としては、例えばパーソナルコンピュータを用いることができる。データ処理装置１２には、入力装置１８と、表示装置２０と取り付けられている。入力装置１８としては、例えば、キーボード２２やマウス２４を用いることができ、表示装置２０としては、例えば、液晶表示装置を用いることができる。

ヘッドマウントディスプレイ装置１４は、操作者がメガネをかけるように頭部に装着して用いる表示装置であって、例えば網膜走査方式の表示装置を用いることができる。ヘッドマウントディスプレイ装置１４は、データ処理装置１２で生成された仮想的な画像を表示する。ここでは、ヘッドマウントディスプレイ装置１４には、データ処理装置１２の表示装置２０に表示された画像と同一である画像が表示される。

触覚提示装置１６は、仮想的な物体に現実に接触したかのような触覚を操作者に提示する装置であって、後述するように手袋形のものである。この実施形態においては、データ処理装置１２で生成され、ヘッドマウントディスプレイ装置１４又は表示装置２０によって表示された仮想的な物体に現実に接触したかのような触覚を操作者に提供する。

触覚提示システム１０は、検知装置２６をさらに有する。検知装置２６は、操作者の手の位置と触覚提示装置１６との位置を検知するとともに、操作者の手の動きと触覚提示装置１６の動きとを検知する。検知装置２６は、カメラであってもよいし、触覚提示装置１６に設けた加速度センサ、ジャイロセンサ等でもよいし、カメラとセンサとを組み合わせるようにしてもよい。

触覚提示装置１６は、左右の手にそれぞれ装着されるが、それぞれ同じ構造であるので、ここでは、左側の触覚提示装置１６について説明する。

触覚提示装置１６は、図２及び図３に示すように、手袋本体２８を有する。手袋本体２８は、ポリウレタン等の合成ゴムから構成され、伸縮性を有する。手袋本体２８は、通常の手袋と同様に、掌挿入部３０と指挿入部３２とから構成されている。

掌挿入部３０は、甲側部３４と掌側部３６とが合わせて構成されている。指挿入部３２は、親指が挿入される親指挿入部３８、人差し指が挿入される人差し指挿入部４０、中指が挿入される中指挿入部４２、薬指が挿入される薬指挿入部４４及び小指が挿入される小指挿入部４６を有する。

可撓性部材４８は、手袋本体２８の甲側と掌側との間の部分に設けられている。この実施形態においては、掌挿入部３０の甲側部３４と掌側部３６との間の部分及び指挿入部３２の甲側と掌側との間の部分の略全周に渡って一つの部材として設けられている。

可撓性部材４８は、可撓性、即ち、自由に曲げることができるが、手袋本体２８よりも伸縮性が小さい。この可撓性部材４８は、手袋本体２８を前もって引っ張り延ばした状態（以下、プレストレッチ状態という。）にあるときに手袋本体２８に配置固定し、手袋本体２８をプレストレッチ状態で固定する。

可撓性部材４８の手袋本体２８への固定は次のようにして行う。
即ち、図４（ａ）に示すように、初期状態にある手袋本体２８を用意する。

また、図４（ｂ）に示すように、プレストリッチ付与のための型５０を用意する。型５０は、例えば紙粘土により型本体を作成し、この型本体にゴム手袋で覆って構成する。型５０は、使用者の手の大きさに対応した大きさに成形する。

次に、図（ａ）に示す手袋本体２８を図４（ｂ）に示す型５０に嵌める。そして、手袋本体２８を型５０に嵌めた状態で、可撓性部材４８を手袋本体２８の甲側と掌側との間の部分に例えば接着剤等により固定する。

次に手袋本体２８を型５０から外せば、図４（ｃ）に示すように完了する。即ち、図４(ａ)と図４（ｂ）とを比較すると理解されるように、例えば中指挿入部４２の中指挿入方向の長さを比較すると、初期状態の長さＡから加工後は長さＢに伸びたまま固定され、指挿入方向のプレストリッチが固定される。即ち、可撓性部材４８が緩やかに曲げられる分だけ手袋本体２８が指挿入方向に縮小するが、それ以上の縮小は、可撓性部材４８により阻止される。一方、指挿入方向の周囲にあっては、可撓性部材４８の固定部分を除いてプレストレッチ状態は解除され、縮小している。

ここで、可撓性部材４８は、例えば合成ひ革から構成され、プレストレッチを解放した際の指長さ方向の収縮力に対し座屈しない強度および断面形状を有する。座屈とは、図５に示すように、プレストレッチの張力により指先方向の長さが屈曲により絶対長が短くなる状態を言う。このように、可撓性部材４８が座屈すると、後述する配線が弾性したりするおそれがあるので、可撓性部材４８の座屈を防止する。

可撓性部材４８は、ヤング率の高い材料が良く、細くすることで曲げ剛性を低くすることが望ましい。例えばピアノ線のような金属材料は細くしても曲げ剛性が高く、多數の電気配線の配置が困難である。また柔軟な電気配線に用いられるポリイミド樹脂は伸縮性を有する手袋本体２８との接着性に難あり、手の挿抜で発生する手袋本体２８の変形量に接着剤が耐えられない問題がある。ヤング率が低くても断面形状を大きくする事で実質伸びにくい構造にすることは可能であるが、触覚提示装置としては適していない。つまり適正なヤング率の材料を適切な断面形状で用いることが重要である。

可撓性部材４８の幅は、後述する配線の幅が２ｍｍほどになるので２〜４ｍｍが望ましいが、ヤング率と断面形状の調整で４〜６ｍｍでも可能である。可撓性部材４８の幅が６ｍｍを越えると、手袋本体２８の甲側と掌側との間の部分の幅を越えるおそれがある。

手袋本体２８には、複数の触覚提示素子５２が設けられている。触覚提示素子５２は、例えば振動モータから構成されている。触覚提示素子５２は、振動モータの他に圧電素子、形状記憶素子等の駆動素子を用いてもよい。

この実施形態においては、触覚提示素子５２は、手袋本体２８の掌側にあって親指挿入部３８、人差し指挿入部４０及び中指挿入部４２にそれぞれ３個ずつ設けられている。これら触覚提示素子５２は、親指挿入部３８、人差し指挿入部４０及び中指挿入部４２に挿入される指の関節部分を除くように指の腹に対応する部分に配置固定されている。

手袋本体２８の掌挿入部３０の甲側部３４には、制御部５４が固定されている。この制御部５４と前述した触覚提示素子５２との間は、配線５６により接続されている。

また、可撓性部材４８は、手袋本体２８の甲側と掌側との間の部分と触覚提示素子５２との間を接続する第１の接続部５８を有する。この第１の接続部５８は、一端が可撓性部材４８の手袋本体２８の甲側と掌側との間の部分に固定され、他端が触覚提示素子５２に固定されている。この第１の接続部５８は、一端と他端とを除いて手袋本体２８に対して非固定である。

手袋本体２８甲側と掌側との間に設けられた可撓性部材４８と同様に、第１の接続部５８をプレストレッチ状態で手袋本体２８に固定した場合は、指を挿入したときに第１の接続部５８が指に掛からず、第１の接続部５８には張力が指に作用しないおそれがあるが、この実施形態のように、第１の接続部５８の両端のみを固定することにより第１の接続部５８が指に掛かり、第１の接続部５８には張力が作用し、触覚提示素子５２を指側に押圧するようになる。

なお、第１の接続部５８は、親指挿入部３８、人差し指挿入部４０及び中指挿入部４２の外側部分のみに設けられているが、親指挿入部３８、人差し指挿入部４０及び中指挿入部４２の内側部分にも設け、触覚提示素子５２を中心として両側にめがね状となるようにしてもよい。

また、可撓性部材４８は、人差し指挿入部４０の外側部分と中指挿入部４２の外側部分とを接続する第２の接続部６０を有する。この第２の接続部６０は、一端が可撓性部材４８の手袋本体２８の人差し指挿入部４０の付け根にあって甲側と掌側との間の部分に固定され、他端が人差し指挿入部４０と中指挿入部４２の付け根部分を介して中指挿入部４２の甲側と掌側の間の部分に固定されている。この第２の接続部６０は、手の関節部分を除いて配置されている。また、この第２の接続部６０は、第１の接続部５８と同様に、一端と他端とを除いて手袋本体２８に対して非固定である。ただし、第２の一端と他端との間に固定部を設けてもよい。

また、可撓性部材４８は、手袋本体２８の人差し指挿入部４０の付け根から甲側に設けられた制御部５４へ接続される第３の接続部６２を有する。この第２の接続部６２も、第１の接続部５８及び第２の接続部６０と同様に、一端及び他端が固定され、一端及び他端の間が非固定となっている。

配線５６は、制御部５４側から見ると、制御部５４から第３の接続部６２に沿って延び、親指挿入部３８側と人差し指挿入部４０側へ向かうよう２股に分かれている。この分かれた配線５６の一方は、親指挿入部３８の外側の可撓性部材４８に沿って下方へ延び、第１の接続部５８に沿って親指挿入部３８に配置された３つの触覚提示素子５２に接続されている。また、分かれた配線の他方は、さらに人差し指挿入部４０の外側の可撓性部材４８に沿って人差し指挿入部４０の上方へ延びる配線部分と、第の接続部６０に沿って、さらに中指挿入部４２の外側の可撓性部材４８に沿って中指挿入部４２の上方へ延びる配線部分とに分かれる。人差し指挿入部４０の上方へ延びる配線部分は、人差し指挿入部４０に設けられた３つの触覚提示素子５２に接続されている。また、中指挿入部４２の上方へ延びる配線部分は、中指挿入部４２に設けられた３つの触覚提示素子５２に接続されている。

触覚提示素子５２として振動モータを用いた場合は、触覚提示素子５２近傍の配線５６には、逆起電力吸収ダイオードとピーク吸収コンデンサを配置する。振動モータはコイルによるインダクタンスを有するので、起動時のオーバーシュート電圧や停止時の逆起電圧が発生するため、前者は適正なコンデンサ、後者はダイオードで制御矩形波を整え、後述するＰＷＭ制御のデューティー比の精度を確保する。

なお、触覚提示素子５２は、上記実施形態のように、各指に対して３個以上設けるとよい。例えば触覚提示素子５２の触覚の時間をずらす等により、流れたり、動いたりする物体を触った感覚を与えることができる。

図６において、触覚提示システム１０の電気的な構成が示されている。
データ処理装置１２は、検知装置２６から検知した触覚提示装置１６の動作データとヘッドマウントディスプレイ装置１４又は表示装置２０に表示された画像データとを干渉演算する。データ処理装置１２及び制御部５４は、それぞれ無線送受信部６４、６６を有し、互いにデータを送受信するようになっている。

制御部５４は、無線送受信部６６、例えばマイクロコンピュータから構成される制御部本体６８、電源７０及びＰＷＭドライバ７２を有する。ＰＷＭとは、Pulse Width Modulationの略であり、パルス列のオンとオフの一定周期を作り、オンの時間幅を変化させる電力制御方式である。

触覚提示素子５２への駆動波形の立ち上がりはインパルス応答、立ち下がりはランプ応答の逆ノコギリ波形で、触覚信号の失活停止は予め定められているランプ勾配により行う。皮膚の感覚は接触時のエッジが強調され、連続状態の接触は鈍る傾向にある。またデータ処理装置１２は、複数の接触状態を管理する必要があるため接触の活性に加え失活も管理するとデータ処理装置１２と制御部５４との間の通信処理が２倍以上に増え、制御信号の取りこぼしが発生する懸念が高まる。特に停止信号の取りこぼしは問題で、接触が無い状態で振動が活性したままになるのは違和感が大きい。前記の処理にすることで通信量を抑え、誤感覚の発生を抑制する。

また、インパルス応答は触覚強度に合わせその強さを変えることができる。ランプ勾配も制御信号に入れたり、インパルス量の関数としてＰＷＭドライバ７２に持たせてもよい。

不連続な接触が続く（頻繁にオンオフする）ときはランプ信号の減衰を中断して、オンのインパルス信号を優先する制御とすることで、触覚活性状態を維持出来るようにしてもよい。

なお、上記実施形態においては、触覚提示素子は、親指挿入部、人差し指挿入部及び中指挿入部に設けられているが、触覚提示素子を他の指挿入部に設けてもよいし、掌挿入部に設けるようにしてもよい。

１０ 触覚提示システム
１２ データ処理装置
１４ ヘッドマウントディスプレイ装置
１６ 触覚提示装置
１８ 入力装置
２０ 表示装置
２２ キーボード
２４ マウス
２６ 検知装置
２８ 手袋本体
３０ 掌挿入部
３２ 指挿入部
３４ 甲側部
３６ 掌側部
３８ 親指挿入部
４０ 人差し指挿入部
４２ 中指挿入部
４４ 薬指挿入部
４６ 小指挿入部
４８ 可撓性部材
５０ 型
５２ 触覚提示素子
５４ 制御部
５６ 配線
５８ 第１の接続部
６０ 第２の接続部
６２ 第３の接続部
６４，６６ 無線送受信部
６８ 制御部本体
７０ 電源
７２ ＰＷＭドライバ

Claims (14)

1. 伸縮性を有する手袋本体と、
   前記手袋本体に設けられた触覚提示素子と、
   可撓性を有するが、前記手袋本体よりも伸縮性が小さく、前記手袋本体の手の甲側と掌側との間の部分に配置された可撓性部材と、
   前記接触提示素子に接続され、前記可撓性部材に沿って設けられた配線と、
   を有する触覚提示装置。
2. 前記可撓性部材は、前記手袋本体に挿入された手により前記手袋本体が伸びた状態で、前記手袋本体に挿入された手の指の長さ方向への伸びを抑制するように設けられている請求項１記載の触覚提示装置。
3. 前記可撓性部材は、前記手袋本体に挿入された手により前記手袋本体が伸びた状態で、前記触覚提示素子が設けられた手袋本体の部分の伸びを許容するように設けられている請求項１記載の触覚提示装置。
4. 前記可撓性部材は、前記手袋本体の手の甲側と掌側との間の部分から前記触覚提示素子まで接続する第１の接続部を有する請求項１から３いずれか記載の触覚提示装置。
5. 前記配線は、前記第１の接続部を含めて配置されている請求項４記載の触覚提示装置。
6. 前記第１の接続部は、前記手袋本体の手の甲側と掌側との間の部分及び前記触覚提示素子に接続する部分のみ前記手袋本体に固定されている請求項４又は５記載の触覚提示装置。
7. 前記第１の接続部は、前記前記手袋本体の手の甲側と掌側との間の部分と前記触覚提示素子に接続する部分との間は、前記手袋本体に非固定である請求項４又は５記載の触覚提示装置。
8. 前記触覚提示素子は、前記手袋本体の複数の指が挿入される複数の指挿入部に設けれ、前記可撓性部材は、前記手袋本体の手の甲側と掌側との間の部分から離れた指挿入部の根元まで設けられて前記触覚提示素子まで接続するための第２の接続部を有する請求項１から７いずれか記載の触覚提示装置。
9. 前記配線は、前記第２の接続部を含めて配置されている請求項８記載の触覚提示装置。
10. 前記第２の接続部は、前記手袋本体の手の甲側と掌側との間の部分及び該部分から離れた指挿入部の根元のみ前記手袋本体に固定されている請求項８又は９記載の触覚提示装置。
11. 前記第２の接続部は、前記手袋本体の手の甲側と掌側との間の部分及び該部分から離れた指挿入部の根元との間は前記手袋本体に非固定である請求項８又は９記載の触覚提示装置。
12. 前記第２の接続部は、前記手袋本体に挿入される手の関節部分を除いた部分に設けられている請求項８から１１いずれか記載の触覚提示装置。
13. 前記触覚提示素子に出力する駆動信号を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記手袋本体の甲側に設けられている請求項１から１２いずれか記載の記載の触覚提示装置。
14. 前記触覚提示素子に出力する駆動信号を制御する制御部を有し、前記制御部は、逆のこぎり波形の出力信号を出力するように制御する請求項１から１２いずれか記載の触覚提示装置。

Images