JP2012143054A - 疑似力覚発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】並進と回転を組み合わせた曲線状の疑似的な力覚を提示することができる疑似力覚提示装置を提供する。
【解決手段】ベースと、回転機構と、並進機構とを備え、回転機構は、ベースに対して回動運動を行う回動部材と、回動部材に対し第１のトルクを回転正方向に加え、第２のトルクを回転負方向に加える第１の作用部とを備え、並進機構は、回動部材に対して周期的な並進運動を行う移動部材と、移動部材に対し第１の力を並進正方向に加え、第２の力を並進負方向に加える第２の作用部とを備え、移動部材の並進正方向への加速度の絶対値の最大値は、並進負方向への加速度の絶対値の最大値よりも大きく、並進機構は並進正方向が回動部材の回転中心から外縁へ向かう向きになるよう回動部材に固定され、第１のトルクが発生時の移動部材の重心と回動部材の回転中心との重心中心間距離が、第２のトルク発生時の重心中心間距離よりも小さいことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は並進方向および回転方向に疑似的な力覚を提示する疑似力覚発生装置に関する。

従来より視聴覚モダリティ以外の情報提供モダリティとして手応え、牽引力などの力覚モダリティの開発が進められている。力覚を人間に与える従来の研究は力の基点を接地する接地型と、基点を空間に拘束しない非接地型の２種に分類できる。接地型は、発生させる力覚の反作用力を支持する基点を外部や人体などに固定する形態であり、非接地型は、発生させる力覚の反作用力を支持する基点を外部や人体に持たない形態である（非特許文献１参照）。しかし、従来の力覚発生手法では、携帯電話などのモバイル機器等可搬型機器分野への応用が困難であるという問題がある。

例えば、外部に支点・力点を固定する接地型（例えばＳＰＩＤＥＲやＰＨＡＮＴＯＭなど）の場合、自由な移動を伴うモバイル機器やウェアラブルコンピュータなどの分野への応用は困難である。また、支点・力点を作用点以外の身体部位に設ける接地型では提示した力覚情報の反作用力も人体に加わるため、この力覚情報によって正確な方向情報を提示することは困難であり、さらにユーザに対する負荷が大きいという問題もある。非接地型としてはトルク感覚を提示する方法として、ジャイロモーメントとジンバル構造を用いてジャイロ効果を利用した方法（非特許文献２）や、３軸直交座標に配置された３つのモータの回転速度を制御する方法（非特許文献３）が提案されており、いずれも短時間ではあるが回転力を提示することが出来る。これに対し、反作用力を支持する支点や力点を設けることなく時間的に安定した力覚を知覚させる方法（非特許文献４、特許文献１参照）が提案されている。この方法は回転動力に対してリンク機構などを適用して正負の絶対値が大きく異なる加速度を発生し、それにより疑似的な力覚を知覚させるものである。

特許第４５５１４４８号公報

筧直之、矢野博明、斉藤允、小木哲郎、廣瀬通孝、「没入型仮想空間における力覚呈示デバイスＨａｐｔｉｃＧＥＡＲの開発とその評価」、日本バーチャルリアリティ学会論文誌、２０００年、ｖｏｌ．５、Ｎｏ．４、ｐｐ．１１３−１２０ 吉江将之、矢野博明、岩田洋夫、「ジャイロモーメントを用いた非接地型力覚提示装置の開発」、ヒューマンインターフェース学会研究報告集、２０００年、ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．５、ｐｐ．２５−３０ 田中洋吉、酒井勝隆、河野優香、福井幸男、山下樹里、中村則雄、「Ｍｏｂｉｌｅ ｔｏｒｑｕｅ ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ ｈａｐｔｉｃ ｃｈａｒａ−ｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｐａｌｍ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ １１ｔｈ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ａｕｇｍｅｎ−ｔｅｄ ｔｅｌｅ−ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ、２００１年、ｐｐ．１１５−１２０ 雨宮智浩、安藤英由樹、前田太郎、「非接地型力覚提示装置を中空で把持したときの効果的な牽引力錯覚の生起手法」、日本バーチャルリアリティ学会論文誌、２００６年、ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．４、ｐｐ．５４５−５５６

非特許文献２や非特許文献３の手法では、短時間のトルク感覚の提示のみで、並進力は生成できない。また、非特許文献４や特許文献１の手法では、力ベクトルの組み合わせや、回旋機構の導入によって推力の提示方向を変化させ、任意の一方向に対して力覚を提示できるが、直線方向の推進力のみの提示にとどまっており、回転方向の提示が実現できないという問題点があった。本発明は並進と回転を組み合わせた曲線状の疑似的な力覚を提示することができる疑似力覚発生装置を提供することを目的とする。

本発明の疑似力覚発生装置は、ベースと、回転機構と、並進機構とを備え、回転機構は回転部材と、第１の作用部とを備える。並進機構は移動部材と、第２の作用部とを備える。回動部材は、ベースに対して定まる回転軸でベースに対して回動運動を行う。第１の作用部は、回動部材に対し、第１のトルクをベースに対して定まる回転軸の一回転方向（以下、回転正方向という）に加え、第２のトルクを回転正方向の逆方向（以下、回転負方向という）に加える。移動部材は、回動部材に対して定まる直線上で回動部材に対して周期的な並進運動を行う。第２の作用部は、移動部材に対し、第１の力を回動部材に対して定まる直線の一方向（以下、並進正方向という）に加え、第２の力を並進正方向と逆方向（以下、並進負方向という）に加える。移動部材の並進正方向への加速度の絶対値の最大値は、移動部材の並進負方向への加速度の絶対値の最大値よりも大きくなる。並進機構は並進正方向が回動部材の回転中心から回動部材の外縁へ向かう向きになるように回動部材に固定されている。第１のトルクが加えられている時の移動部材の重心と回動部材の回転中心との距離（以下、重心中心間距離という）が、第２のトルクが加えられている時の重心中心間距離よりも小さくなる。

本発明の疑似力覚発生装置によれば、並進と回転を組み合わせた曲線状の疑似的な力覚を提示することができる。

本発明の実施例１に係る疑似力覚発生装置の概念を示す平面図。 本発明の実施例１に係る疑似力覚発生装置の概念を示す斜視図。 本発明の実施例１に係る疑似力覚発生装置の角加速度の制御の例を示す図。 本発明の実施例１に係る疑似力覚発生装置の角速度の時間変化の例を示す図。 本発明の実施例１に係る疑似力覚発生装置のトルクの時間変化の例を示す図。 本発明の実施例１に係る疑似力覚発生装置が並進方向の疑似力覚発生方向を変化させる場合に行う制御を説明する図。 本発明の実施例１に係る疑似力覚発生装置における力ベクトルの合成について説明する図。 本発明の実施例２に係る疑似力覚発生装置の制御を行うシステムの構成を示すブロック図。 本発明の実施例２に係る疑似力覚発生装置の制御を行うシステムの構成を示すブロック図。 本発明の実施例２に係る疑似力覚発生装置について行われた被験者評価実験の結果を示す図。 本発明の実施例２に係る疑似力覚発生装置の構成を示す正面図。 本発明の実施例２に係る疑似力覚発生装置の構成を示す平面図。 本発明の実施例２に係る疑似力覚発生装置の並進回転機構の構成を示す正面図。 本発明の実施例２に係る疑似力覚発生装置の並進回転機構の構成を示す平面図。 本発明の実施例２に係る疑似力覚発生装置の並進回転機構の構成を示す分解斜視図。 本発明の実施例２に係る疑似力覚発生装置の第２可動構造体の構成を示す平面図。 本発明の実施例２に係る疑似力覚発生装置の第１・第２可動構造体の動作例を示す図。 本発明の実施例２に係る疑似力覚発生装置の第１・第２可動構造体の動作例を示す図。 特許文献１の第４実施形態における加速度発生装置の構成を示す断面図。 特許文献１の第４実施形態に係る加速度発生装置の巻き数調整機構の構成を示す部分断面図。 特許文献１の第４実施形態に係る加速度発生装置の巻き数調整機構の構成を示す部分断面図。 特許文献１の第１１実施形態に係る並進型の加速度発生装置の構成を示す平面図。 特許文献１の第１１実施形態に係る並進型の加速度発生装置の構成を示す正面図及び部分断面図。 特許文献１の第１１実施形態に係る並進型の加速度発生装置のモータによって回転入力軸がＷ１方向回転した際の各機構の動きを例示する図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

まず、図１、図２を参照して本発明の実施例１に係る疑似力覚発生装置の概念を説明する。図１は本実施例の疑似力覚発生装置１０の概念を示す平面図である。図２は本実施例の疑似力覚発生装置１０の概念を示す斜視図である。図１、図２に示すように本実施例の疑似力覚発生装置１０は並進機構１１と回転機構１２とベース（把持部）１３とを備える。並進機構１１の機構としては特許文献１に記載の加速度発生装置を用いることができる。特許文献１の各実施形態のうち第４の実施形態、第１１の実施形態に記載された加速度発生装置について以下に詳細に説明する。

〔特許文献１の第４実施形態〕
本形態は、特許文献１における第３の実施の形態の変形例であり、バネの少なくとも一方のバネ定数を変化させる機構（バネ定数可変部）を設け、バネ定数を変化させることで可動鉄芯の共振周波数を制御する形態である。本形態では、バネの巻き数Ｎを変化させることによりバネ定数を変化させる構成を採る。以下では、特許文献１の第３の実施の形態との相違点を中心に説明を行う。

＜構成＞
図１９は、特許文献１の第４の実施の形態における加速度発生装置４０の構成を示した断面図である。

図１９に例示する通り、本形態の加速度発生装置４０は、円盤状の鉄芯４１ａ、４１ｂと、円筒の両開口部を塞いだ形状であり絶縁材料で構成されたフレーム４２と、バネ４４ａ、４４ｂと、銅線等の導線の側面を絶縁体で覆ったコイル４６と、強磁性体である可動鉄芯（プランジャー）４７と、バネ４４ａ、４４ｂのバネ定数をそれぞれ変更可能な巻き数調整機構４８ａ、４８ｂを有し、可動鉄芯４７を直線Ｅと平行に並進運動させる。

巻き数調整機構４８ａ、４８ｂ以外の構成は第３の実施の形態と同じである。すなわち、鉄芯４１ａ、４１ｂ、フレーム４２、バネ４４ａ、４４ｂ、コイル４６、可動鉄芯４７及び直線Ｅは、それぞれ、第３の実施の形態の鉄芯３１ａ、３１ｂ、フレーム３２、バネ３４ａ、３４ｂ、コイル３６、可動鉄芯３７及び直線Ｄに相当する。以下では、巻き数調整機構４８ａ、４８ｂの構成について説明する。

図２０、図２１は、巻き数調整機構４８ａの構成例を説明するための部分断面図である。なお、以下では、巻き数調整機構４８ａの構成例のみを示すが、巻き数調整機構４８ｂも同様な構成となる。また、図２０、図２１の例はバネ４４ａ、４４ｂとしてコイルバネを用いた場合に適用可能な例である。以下では、バネ４４ａ、４４ｂがコイルバネであるとして説明を行う。

図２０は、巻き数調整機構４８ａの構成例の一つを示している。この例の巻き数調整機構４８ａは、円筒状のベース部４８ａａの内壁にらせん状のねじ込み溝４８ａｂを形成してなる。このねじ込み溝４８ａｂは、ベース部４８ａａの一方の開放端から他方の開放端までらせん状に連なる溝であり、このねじ込み溝４８ａｂによってバネ４４ａが保持される。これにより、バネ４４ａの任意の位置がフレーム４２に対して固定される。また、フレーム４２の内壁には、直線Ｅを軸として巻き数調整機構４８ａを回転可能に保持する保持部４２ａが形成されている。この例の保持部４２ａは、フレーム４２の内壁面をリング状に周回する２本のリングであり、この２本のリングの間に若干の隙間をおいて巻き数調整機構４８ａが保持される。これにより、巻き数調整機構４８ａは、直線Ｅを軸としてＦ方向に回転可能であるが、直線Ｅ方向には移動しない。このような構成の巻き数調整機構４８ａを、直線Ｅを軸としてＦ方向に回転させた場合、そのねじ込み溝４８ａｂに保持されているバネ４４ａが直線Ｅと平行に送り出される。なお、バネ４４ａが送り出される向きは、ねじ込み溝４８ａｂのらせん方向、バネ４４ａのつる巻き方向及び巻き数調整機構４８ａの回転方向によって定まる。ここで、バネ４４ａのうち弾性体として機能するのは、巻き数調整機構４８ａの鉄芯４１ａ側の外部に位置する部分のみである。従って、巻き数調整機構４８ａが送り出すバネ４４ａの方向によってバネ４４ａのうち弾性体として機能する部分の長さ（実質的な巻き数Ｎ）を調整することができ、これにより、実質的なバネ定数を調整することができる。

図２１は、巻き数調整機構４８ａの他の構成例を示している。この例の巻き数調整機構４８ａは、フレーム４２の内壁に固着されるベース部４８ａｃと、このベース部４８ａｃに回転可能に取り付けられた送り駆動歯車４８ａｄとを有している。送り駆動歯車４８ａｄは、直線Ｅと垂直な回転軸を中心としたＧ方向の回転及び回転固定が可能な歯車であり、その歯４８ａｅによってバネ４４ａを保持する。これにより、バネ４４ａの任意の位置がフレーム４２に対して固定される。このような送り駆動歯車４８ａｄを回転させることによって、バネ４４ａを直線Ｅと平行に送り出すことができ、バネ４４ａのうち弾性体として機能する部分（実質的な巻き数Ｎ）を調整することができる。これにより、実質的なバネ定数を調整することができる。

なお、バネの実質的な巻き数Ｎを減少させるとバネ定数は増加する。一般にバネ定数ｋは以下の等式で表されるからである。

（ｋ：ばね定数（Ｎ／ｍｍ）、Ｐ：荷重（Ｎ）、δ：変位（ｍｍ）、Ｇ：ばね材料の剛性率（Ｎ／ｍｍ^２＝Ｍｐａ）、ｄ：ばねの線径（ｍｍ）、Ｎ：巻き数、Ｄ：平均コイル径（ｍｍ）)

＜本形態の特徴＞
本形態では、バネ４４ａ、４４ｂの実質的なバネ定数を調整可能であるため、可動鉄芯４７の並進運動の加速度も調整できる。そして、この巻き数調整機構４８ａ、４８ｂをモータ等によって駆動可能な構成とすれば、加速度発生装置４０の駆動前のみではなく、駆動中も可動鉄芯４７の並進運動の加速度を調整することが可能となる。その結果、擬似的な知覚が最もよく発生させるための加速度の調整が容易になる。

なお、ここでは、バネ４４ａ、４４ｂ双方の実質的なバネ定数を調整可能としたが、バネ４４ａ、４４ｂの何れか一方のみの実質的なバネ定数を調整可能としてもよい。

〔特許文献１の第１１実施形態〕
次に、特許文献１の第１１の実施の形態について説明する。

本形態は、回転動力を一周期中で加速度の変位が非対称の並進運動に変換し、この並進運動によって擬似的な力覚を発生させる。そして、このような機構の加速度発生装置を２つ用い、それらを鏡面対称に配置して擬似力覚発生装置を構成する。

＜加速度発生装置の構成＞
図２２は、特許文献１の第１１の実施の形態における並進型の加速度発生装置２０１の構成を例示した平面図であり、図２３Ａは、図２２のＷ０方向からみた正面図であり、図２３Ｂは図２２における２３Ｂ−２３Ｂ部分断面図である。なお、図２３Ｂのベース部２１０は断面図ではなく側面図である。
以下、これらの図を用いて本形態の加速度発生装置２０１の構成を説明する。

図２２、２３に例示するように、本形態の加速度発生装置２０１は、ベース部２１０と、ベース部２１０に内蔵されたモータ２２０と、モータ２２０の回転動力が伝えられる回転入力軸２２１と、回転入力軸２２１に固定された回転部材２３０（クランク）と、回転入力軸２２１以外の回転部材２３０上の部分に、当該回転入力軸２２１と平行な第１回転軸２３３によって回転可能に接合された第１リンク機構２５０と、第１回転軸２３３以外の第１リンク機構２５０上の部分に、当該第１回転軸２３３と平行な第２回転軸２５１によって回転可能に接合された第２リンク機構２７０と、第２回転軸２５１以外の第２リンク機構２７０上の部分が、当該第２回転軸２５１と平行な第３回転軸２８３ａによって回転可能に接合され、移動範囲が一方向（Ｗ６方向）のスライド運動に限定されたスライド機構２８２と、回転入力軸２２１に対する相対位置が固定されたスライド支点ベース部２４１と、回転入力軸２２１と平行なスライド支点回転軸２４３によってスライド支点ベース部２４１に回転可能に接合され、第１リンク機構２５０を長手方向（Ｗ７方向）へスライド可能に保持するスライド支点機構２４２と、回転入力軸２２１に固着され、その回転に伴って回転する歯車２９１とを主な構成部品とする。

この例のベース部２１０は、１つの段差によって低段部２１１と高段部２１２とが構成された階段状の中空体であり、その底面にはねじ孔が設けられた板状のタブ２１３、２１４が構成されている。このベース部２１０の高段部２１２の端部には、モータ２２０の回転動力を伝える回転入力軸２２１を通すための貫通孔２１２ａが設けられる。また、ベース部２１０の貫通孔２１２ａが設けられている反対側の面（図２３の下方向）にも貫通孔（図示しない）が設けられている。モータ２２０は、その回転動力を伝える回転入力軸２２１がこれらの貫通孔を通じ、上下面外部に突き出した状態でベース部２１０の高段部２１２内部に固定配置される。

貫通孔２１２ａからベース部２１０の上面外部に突き出した回転入力軸２２１には、円盤状の回転部材２３０の中心部が固着される。また、ベース部２１０の下面外部に突き出した回転入力軸２２１には、円盤状の歯車２９１が固着される。これにより、回転部材２３０及び歯車２９１は、回転入力軸２２１の回転動力によりＷ１方向に回転運動する。

回転部材２３０上の辺縁部２３２には、柱状の第１リンク機構２５０の端部が第１回転軸２３３（ビス等）によってＷ２方向に回転可能に取り付けられる。これにより、第１リンク機構２５０は、回転入力軸２２１以外の回転部材２３０上の部分に、当該回転入力軸２２１と平行な第１回転軸２３３によって回転可能に接合されることになる。なお、この第１リンク機構２５０の長手方向の両側面には直線上の溝２５２が構成されている。

また、ベース部２１０の高段部２１２表面には、断面がコの字型となる部材の両端を外側に直角に折り返した形状の（この折り返し部分をタブと呼ぶ）スライド支点ベース部２４１が、回転入力軸２２１に対する相対位置が固定されて配置されている。この例の場合、スライド支点ベース部２４１は、回転入力軸２２１からベース部２１０の中央部側（すなわち低段部２１１方向）へずれた位置（より具体的には、図２２の静止状態において第１リンク機構２５０の回転入力軸２２１側先端付近が配置される位置）にタブを通じてねじ止めされる。このスライド支点ベース部２４１の内側中央部には、第１リンク機構２５０の溝２５２を両側からスライド可能に抱え込むスライド支点機構２４２が配置される。このスライド支点機構２４２は、スライド支点回転軸２４３（ビス等）によってスライド支点ベース部４２１に対しＷ３方向に回転可能に取り付けられる。なお、このスライド支点回転軸２４３の位置は第１回転軸２３３よりもベース部２１０中央寄り（低段部２１１寄り）である。以上により、スライド支点機構２４２は、回転入力軸２２１と平行なスライド支点回転軸２４３（ビス等）によってスライド支点ベース部２４１にＷ３方向に回転可能に接合され、第１リンク機構２５０を長手方向（Ｗ７方向）へスライド可能に保持することになる。

第１リンク機構２５０の他端部のベース部２１０側には、補強部材２６０がねじ２６１、２６２によってねじ止めされ、この補強部材２６０を介し、柱状の第２リンク機構２７０の端部が第２回転軸２５１によってＷ４方向に回転可能に取り付けられる。

また、図２２における回転入力軸２２１とスライド支点回転軸２４３とを結ぶ直線上に位置するベース部２１０低段部２１１表面には柱状のレール２８１が、ねじ２８１ａ〜２８１ｆによってねじ止めされる。このレール２８１の長手方向（Ｗ６方向）の両側面には直線上の溝２８２ａが設けられ、このレール２８１上には、これらの溝２８２ａを両側から挟みこみ、このレール２８１に沿ってＷ６方向にスライド移動するスライド機構２８２が配置される。このスライド機構２８２におけるレール２８１と反対側の面には、錘保持板２８３が固着される。そして、この錘保持板２８３のベース部２１０と反対側面の両端には錘２８４、２８５（慣性質量）が、ねじ２８４ａ、２８４ｂ、２８５ａ、２８５ｂによってそれぞれねじ止めされる。また、この錘保持板２８３の中央部には、第３回転軸２８３ａ（ビス等）によって第２リンク機構２７０の他端部がＷ５方向に回転可能に取り付けられる。この構成により、スライド機構２８２には、第２回転軸２５１以外の第２リンク機構２７０上の部分が、当該第２回転軸２５１と平行な第３回転軸２８３ａによって回転可能に接合され、このスライド機構２８２の移動範囲は、レール２８１によって一方向（Ｗ６方向）のスライド運動に限定されることとなる。

図２４Ａ及び図２４Ｂは、モータ２２０によって回転入力軸２２１がＷ１方向回転した際の各機構の動きを例示した図である。これらの図に示すように、回転入力軸２２１がＷ１方向回転するとそれに保持されている第１回転軸２３３もＷ１方向に回転移動する。これに伴い、第１リンク機構２５０の第１回転軸２３３に保持された部分も当該第１回転軸２３３を中心としたＷ２方向の回転運動を伴いながらスライド移動する。この移動に伴い、第１リンク機構２５０の第２回転軸２５１部分に保持された第２リンク機構２７０も、第２回転軸２５１を中心とした回転運動を伴いながらスライド移動する。そして、この移動に伴い、第２リンク機構２７０の第３回転軸２８３ａ部分に回転保持された錘保持板２８３及びスライド機構２８２がＷ６方向に移動する。

これにより、加速度発生装置２０１は、前述したのと同様な原理により、Ｗ６方向の擬似的な力覚を発生させる。
〔特許文献１の説明終わり〕

図１、図２に戻り、再び本発明の実施例１に係る疑似力覚発生装置１０について説明する。上述のように並進機構１１としては特許文献１に各実施形態において開示された加速度発生装置を用いることができる。回転機構１２については以下の原理で回転方向の疑似的な力覚を発生させることができる。図２に示すように回転機構１２はホイール１２−１と、モータ１２−２と、回転軸１２−３とを備える。モータ１２−２は回転力を発生させる。回転軸１２−３はモータ１２−２が発生させた回転力をホイール１２−１に伝達する。なお、ベース１３は、上端面に回転軸１２−３を挿通することができるよう穴を空けた円筒形状である。モータ１２−２はベース１３内部に存在しベース１３の内面に固定支持されている。回転力については角運動量保存則に基づく。一般に、慣性モーメントＩ（ｋｇ・ｍ^２）のホイール１２−１が角速度ω（ｒａｄ／ｓ）で回転しているとき、ホイール１２−１の速度を変化させるために必要なトルクＴ（Ｎ・ｍ）は、
Ｔ＝Ｉ＊ｄω／ｄｔ・・・（２）
で与えられる。ｄω／ｄｔはωの時間微分を表す。ホイール１２−１の速度を変化させる場合、モータ１２−２（あるいはブレーキ）で必要なトルクＴ（Ｎ・ｍ）を出力する必要がある。このとき作用反作用の関係から、モータ１２−２を支持するベース（把持部）１３には−Ｔ（Ｎ・ｍ）のトルクが発生する（角運動量保存則）ので、ベース（把持部）１３を人間に固定させる、あるいは把持させれば−Ｔのトルクが人間に伝達される。

本実施例の疑似力覚発生装置１０がある回転方向に大きな疑似力覚を発生させ、もう一方の回転方向にはほとんど疑似力覚を発生させないようにするための仕組みを以下に説明する。このような制御を行うためには大きく分けて二つのアプローチがある。一つはホイール１２−１の角加速度を適切に制御する方法である。もう一つは、ホイール１２−１上の並進機構１１の錘の位置を制御することにより、慣性モーメントの制御を行う方法である。

まず、角加速度を適切に制御する方法について説明する。図３を参照して本発明の疑似力覚発生装置１０のホイール１２−１に対して行われる角速度制御の例を示す。図３では横軸を時間ｔとし、縦軸を角速度ωとしてホイール１２−１を徐発進、急停止させた場合の角速度の変化の例を示している。図中の破線は、本実施例の疑似力覚発生装置１０に対する徐発進、定速運動、急停止の制御指令における角速度の理論値である。実線はこの制御指令に対して疑似力覚発生装置が示した実際の挙動である角速度実測値である。本実施例ではホイール１２−１が回転していない状態ω＝０を初期値および目的値とする。従来技術では、回転機構１２に該当する機構がω＝０以外のある一定の角速度で回転させる（例えば非特許文献３）が、本実施例では、ω＝０を目的値としている。これにより、疑似力覚発生装置１０を持っている手が回転方向と直交する軸回りに回転した場合のジャイロ効果による所望の方向でない方向へのトルク発生を防止し、これにより、より正しい方向にトルク感覚を提示することができる。図３に戻り、徐発進（ａ）の状態、および急停止（ｂ）の状態でそれぞれ角加速度が発生しているため、反動トルクが発生する。このとき、角加速度であるｄω／ｄｔが大きければより大きな反動トルクが発生する。なお、徐発進（ａ）では回転する方向と逆方向に反動トルクが、急停止（ｂ）では回転方向と同じ方向に反動トルクが、それぞれ生成される。徐発進（ａ）において発生する反動トルクの提示時間を人間の感じるトルク知覚が小さくなる値域に設定し、同時に急停止（ｂ）において発生する反動トルクの提示時間を人間の感じるトルク知覚が大きくなる値域に設定することで、回転方向にのみひねられているように感じる回転方向の疑似力覚の提示が可能となる。例えば、反時計回りの反動トルク提示時間を長くしたければ、ホイール１２−１を反時計回りに徐発進し緩やかに加速し、急停止させればよい。また、ホイール１２−１を時計回りに急発進（急加速し）、緩やかに減速して徐停止させればよい。反対に時計回りの反動トルク提示時間を長くしたければ、ホイール１２−１を時計回りに徐発進し緩やかに加速し、急停止させればよい。また、ホイール１２−１を反時計回りに急発進（急加速し）、緩やかに減速して徐停止させればよい。図４に本実施例に係る疑似力覚発生装置１０の角速度の時間変化の例を示す。図４は横軸を時間（ｓｅｃ）、縦軸を角速度（ｒａｄ／ｓｅｃ、ただし反時計回りの角速度を正）としてホイール１２−１をいろいろなパターンで加速減速させた場合の角速度の変化の例を示している。図４（１）は、時計回りに急発進させ、徐停止させた場合、図４（２）は、反時計回りに急発進させ、徐停止させた場合、図４（３）は、時計回りに徐発進させ、急停止させた場合、図４（４）は、反時計回りに徐発進させ、急停止させた場合である。前述したように、図４（１）の例では反時計回りに大きな疑似力覚が、図４（２）の例では時計回りに大きな疑似力覚が、図４（３）の例では時計回りに大きな疑似力覚が、図４（４）の例では反時計回りに大きな疑似力覚が、それぞれ知覚される。図中の実線はホイール１２−１の回旋角度がπの場合、一点鎖線はホイール１２−１の回旋角度がπ／２の場合、破線はホイール１２−１の回旋角度がπ／４の場合を示している。このようにホイール１２−１の回旋角度が大きくなればなるほど、徐発進（徐停止）に要する時間も大きくなるが、急停止（急発進）において生じる反動トルクの提示時間が大きくなり、より大きな疑似力覚の提示が可能となる。図５に本実施例に係る疑似力覚発生装置１０の反動トルクの時間変化の例を示す。図５は横軸を時間（ｓｅｃ）、縦軸を反動トルク（Ｎｍ、ただし反時計回りの反動トルクを正）としてホイール１２−１をいろいろなパターンで加速減速させた場合の反動トルクの変化の例を示している。図４と同様に、図５（１）は、時計回りに急発進させ、徐停止させた場合、図５（２）は、反時計回りに急発進させ、徐停止させた場合、図５（３）は、時計回りに徐発進させ、急停止させた場合、図５（４）は、反時計回りに徐発進させ、急停止させた場合である。疑似力覚は反動トルクの発生向きに、反動トルクの提示時間増大に従って大きくなるように知覚される。従って、図５に示す通り、図５（１）の例では反時計回りに大きな疑似力覚が、図５（２）の例では時計回りに大きな疑似力覚が、図５（３）の例では時計回りに大きな疑似力覚が、図５（４）の例では反時計回りに大きな疑似力覚が、それぞれ知覚される。また、図５の（イ）、（ロ）はそれぞれ（イ）がホイール１２−１の発進から停止までの時間を短く制御した場合、（ロ）がホイール１２−１の発進から停止までの時間を（イ）と比べて長く制御した場合である。（イ）は（ロ）と比較して、短い時間で発進から停止に至るため、徐発進（徐停止）の際にも比較的大きな疑似力覚が発生する。

次に、並進機構１１の錘の位置を制御することにより慣性モーメントを制御して、ある回転方向に大きな疑似力覚を発生させ、もう一方の回転方向にはほとんど疑似力覚を発生させないようにするための仕組みを説明する。特許文献１における錘を持つ並進機構では、錘が最も回転中心から離れた場所に存在するとき、慣性モーメントは最大となる。従って、反時計回りに大きな反動トルクを発生させたければ、ホイール１２−１を反時計回りに発進動作をしている最中には錘をホイール１２−１の回転軸付近に制御して慣性モーメントを最小とし、ホイール１２−１が反時計回り方向の回転から停止動作をしている最中には錘をホイール１２−１の外縁付近に制御して慣性モーメントを最大とすればよい。また、ホイール１２−１を時計回りに発進動作をしている最中には錘をホイール１２−１の外縁付近に制御して慣性モーメントを最大とし、ホイール１２−１が時計回り方向の回転から停止動作をしている最中には錘をホイール１２−１の回転軸付近に制御して慣性モーメントを最小とすればよい。反対に時計回りに大きな反動トルクを発生させたければ、ホイール１２−１を反時計回りに発進動作をしている最中には錘をホイール１２−１の外縁付近に制御して慣性モーメントを最大とし、ホイール１２−１が反時計回り方向の回転から停止動作をしている最中には錘をホイール１２−１の回転軸付近に制御して慣性モーメントを最小とすればよい。また、ホイール１２−１を時計回りに発進動作をしている最中には錘をホイール１２−１の回転軸付近に制御して慣性モーメントを最小とし、ホイール１２−１が時計回り方向の回転から停止動作をしている最中には錘をホイール１２−１の外縁付近に制御して慣性モーメントを最大とすればよい。このように、並進機構１１の錘の位置を制御することにより慣性モーメントを制御することで、角加速度に変化をつけない（例えば、図３における徐発進（ａ）と急停止（ｂ）の角加速度が等しい）場合でも、所望の回転方向に疑似力覚を発生させることができる。もちろん、前述の角速度制御と錘の位置による慣性モーメント制御を同時に行えばさらに大きな疑似力覚を提示することが可能である。

なお、特許文献１の第４実施形態における加速度発生装置４０を本実施例の並進機構１１として採用する場合には、可動鉄芯４７の位置を制御することで慣性モーメントの制御が可能である。巻き数調整機構４８ａ、４８ｂによって、バネ４４ａのバネ定数を制御し、可動鉄心４７の位置を制御する。より具体的には、加速度発生装置４０の、例えばバネ４４ａ側への可動鉄芯４７の可動限界における重心位置と、本実施例の回転機構１２の回転軸位置が重なるように、加速度発生装置４０を回転機構１２上に固定する。このとき、バネ４４ｂ側への可動鉄芯４７の可動限界における重心位置が、回転機構１２の外縁部に配置されるように加速度発生装置４０を配置固定しなければならない。そして、慣性モーメントを小さくする制御の場合には、バネ４４ａを短くし、バネ４４ｂを長くする制御、反対に慣性モーメントを大きくする場合には、バネ４４ａを長くし、バネ４４ｂを短くする制御を行えばよい。また、特許文献１の第１１実施形態における加速度発生装置２０１を本実施例の並進機構１１として採用する場合には、錘２８４の位置を制御することで慣性モーメントの制御が可能である。この場合、レール２８１の歯車２９１側の端部を本実施例の回転機構１２の回転軸中心と重なるように、加速度発生装置２０１を回転機構１２上に固定する。このとき、レール２８１の歯車２９１と反対側の端部が、回転機構１２の外縁部に配置されるように加速度発生装置２０１を配置固定しなければならない。そして、慣性モーメントを小さくする制御の場合には、錘２８４を歯車２９１と最も近くなるように制御し、反対に慣性モーメントを大きくする場合には、錘２８４を歯車２９１と最も遠くなるように制御を行えばよい。

次に、図６を参照して、本実施例の疑似力覚発生装置１０において知覚させたい並進方向が変化する場合の制御方法について説明する。図６は本実施例に係る疑似力覚発生装置１０が並進方向の疑似力覚発生方向を変化させる場合に行う制御を説明する図である。本実施例の疑似力覚発生装置１０は前述のように並進機構１１のほかに回転機構１２をも備えた構造であるため、当然のことながら並進方向の疑似力覚（以下、疑似並進力覚ともいう）の向きを変化させたい場合に回転機構１２を用いることができる。疑似並進力覚の向きが変化する場合とは、例えば本実施例の疑似力覚提示装置１０を盲人の街路における誘導に用いる場合などである。例えば本実施例の疑似力覚提示装置１０を把持したユーザ（盲人）に交差点を東に曲がるという情報を提示するには、並進機構１１を動作させることで東側に疑似力覚を提示する。次の交差点を南に曲がるという情報を提示するためには、疑似力覚提示装置の回転機構１２を動作させることでホイール１２−１を南向きに回転させ、並進機構１１を動作させることで南側に疑似力覚を提示する。このように回転機構１２は疑似並進力覚の向きを変化させるために用いることができる。さらに、回転機構１２がホイール１２−１の回転制御に関し図６に示す制御を実行することで、新たな疑似並進力覚の向きを予測させるガイド機能を付与することができる。現在の疑似並進力覚提示方向を細実線矢印で示す。１時刻後の疑似並進力覚提示方向を細破線矢印で示す。図６に示すように、現在の疑似並進力覚提示方向と、１時刻後の疑似並進力覚発生方向とがなす角度がα（αは１８０以下の実数で、単位は度）であるとき、ホイール１２−１が角度αの回転方向の疑似力覚（以下、疑似回転力覚ともいう）を発生させるように制御される。この疑似回転力覚が、疑似力覚発生装置１０のベース（把持部）１３を把持するユーザにとって、１時刻後の疑似並進力覚提示方向についての予測を容易にするガイド機能となりうる。ユーザは現在の疑似並進力覚の発生方向が変化するタイミングに生じる疑似回転力覚の向きに１８０度以下の回転を伴って、１時刻後の疑似並進力覚が発生するであろうことを容易に予測できるからである。疑似力覚発生装置１０の制御の詳細を具体的に示せば、角度αの回転方向（反時計回り）にホイール１２−１を回転させる場合には、徐発進させ、急停止させる制御を行う。角速度の制御によらず、慣性モーメントの制御により行う場合には、角度αの回転方向（反時計回り）にホイール１２−１を回転させる場合には、発進動作の最中には錘をホイール１２−１の回転軸付近に制御して慣性モーメントを最小とし、停止動作の最中には錘をホイール１２−１の外縁付近に制御して慣性モーメントを最大とすればよい。角度αの回転方向と逆方向（角度３６０−αの方向、時計回り）にホイール１２−１を回転させる場合には、急発進させ、徐停止させる制御を行う。角速度の制御によらず、慣性モーメントの制御により行う場合には、角度３６０−αの回転方向（時計回り）にホイール１２−１を回転させる場合には、発進動作の最中には錘をホイール１２−１の外縁付近に制御して慣性モーメントを最大とし、停止動作の最中には錘をホイール１２−１の回転軸付近に制御して慣性モーメントを最小とすればよい。上述した２つの回転方向の何れによっても、反時計回りに大きな反動トルクが発生し、ユーザに対して１時刻後の疑似並進力覚の発生方向をガイドできる。ここで、図４で説明したようにホイール１２−１の回旋角度が大きくなればなるほど、徐発進（徐停止）に要する時間も大きくなるが、急停止（急発進）において生じる反動トルクの提示時間も大きくなり、より大きな疑似力覚の提示が可能となる。従って、上記の何れの回転方向でもユーザをガイドすることは可能であるが、ホイール１２−１を３６０−αの回転方向に回転させたほうがより大きな回転疑似力覚の提示が可能であるため、ガイド機能を達成する方法として最適である。

次に図７を参照して本実施例の疑似力覚発生装置１０における力ベクトルの合成について説明する。図７は本実施例に係る疑似力覚発生装置１０における力ベクトルの合成について説明する図である。回転疑似力覚と並進疑似力覚とを同時に提示することで図７のようなベクトル合成が起こる。つまり、トルク成分を接線方向の力ベクトルに分解したときに並進方向の力ベクトルとそれと同一方向のトルク成分を分解した力ベクトルとが足し合わせられる。一方並進方向の力ベクトルと同一でない方向のトルク成分を分解した力ベクトルは足し合わせられない。結果として本実施例の疑似力覚発生装置１０により、ひねりながら牽引されるといった新規な疑似力覚の提示が可能となる。

次に、図１１、図１２を参照して、本発明の実施例２に係る疑似力覚発生装置１００についてその概略を説明する。図１１は本実施例に係る疑似力覚発生装置１００の構成を示す正面図である。図１２は本実施例に係る疑似力覚発生装置１００の構成を示す平面図である。

図１１に示すように、疑似力覚発生装置１００は、把持部１１０と、搭載部１１５と、並進回転機構１２０とを備える。把持部１１０は丸棒形状である。把持部１１０の長手方向と垂直な断面直径を金属板１２２ａや金属板１２３ａの直径と比較して十分小さくすることにより、トルク感覚を明確に与えることが可能である。搭載部１１５は円盤形状であって、その上面に円形の浅い凹部を設けてある。搭載部１１５の下面側には、円盤の中心軸と軸心が一致されて把持部１１０の上面部が固着されている。並進回転機構１２０は、円形であって、搭載部１１５の上面の凹部に搭載され固定されている。
図１３、１４に並進回転機構１２０の外観を示す。図１３は本実施例に係る並進回転機構１２０の構成を示す正面図である。図１４は本実施例に係る並進回転機構１２０の構成を示す平面図である。

次に図１５を参照して、並進回転機構１２０の構成について詳細に説明する。図１５は、本実施例に係る並進回転機構１２０の構成を示す分解斜視図である。図１５に示すように、並進回転機構１２０は、上ケース１２１と、第１可動構造体１２２と、第２可動構造体１２３と、下ケース１２４とからなる。上ケース１２１および下ケース１２４は一端面が閉塞され、他端面が解放された半透明の薄い円筒形状である。上ケース１２１および下ケース１２４の開放端面同士は接着されて一体のケースとなる。第１可動構造体１２２は軽量化用の穴を設けた円形の金属板１２２ａを備える。同様に、第２可動構造体１２３は軽量化用の穴を設けた円形の金属板１２３ａを備える。上ケース１２１、下ケース１２４の開放端面内径は金属板１２２ａ、金属板１２３ａの外径よりも若干大きい。また、金属板１２２ａ、金属板１２３ａの外径は等しい。上ケース１２１上面の中心には穴１２１ａ、金属板１２２ａ中心には穴１２２ｂ、金属板１２３ａ中心には穴１２３ｂが設けてあり、この穴１２１ａ、穴１２２ｂ、穴１２３ｂを図示しないボルト（後述するスライド支点回転軸１２３１）が挿通されることで、上ケース１２１、金属板１２２ａ、金属板１２３ａが固定される。また、金属板１２３ａには、位置決めピン１２３ｃ、１２３ｄ、１２３ｅ、１２３ｆが金属板１２３ａ端部に等間隔に金属板１２３ａの面と、位置決めピンの軸心が垂直をなすように設けられている。金属板１２２ａには、第１可動構造体１２２と第２可動構造体１２３とが後述する位置関係となるように位置決め穴１２２ｃ、１２２ｄ、１２２ｅ、１２２ｆが設けられており、位置決めピン１２３ｃと位置決め穴１２２ｃ、位置決めピン１２３ｄと位置決め穴１２２ｄ、位置決めピン１２３ｅと位置決め穴１２２ｅ、位置決めピン１２３ｆと位置決め穴１２２ｆとが接合されている。また、第２構造体１２３にはラック１２３ｇが備えられている。ラック１２３ｇは図１３に示されるように、モータピニオンとピニオンに挟まれる形で設置されるものであり、モータピニオン及びピニオンに接する面が摩擦係数の大きな材質（例えばゴム）からなる平面、もしくは、歯車で構成される。ラック１２３ｇの内径は金属板１２２ａおよび金属板１２３ａの外径と等しい。ラック１２３ｇのリング外側面は、上ケースの内側面と接着固定されている。ラック１２３ｇと第２可動構造体１２３との支持方法、ラック１２３ｇの役割などについての詳細は後述する。

次に図１６を参照して、第２可動構造体１２３について詳細に説明する。図１６は、本実施例に係る第２可動構造体１２３の構成を示す平面図である。第２可動構造体１２３は、スライド支点回転軸１２３１（ビス、ボルト等）、リンク機構１２３２、錘連結軸１２３２ｂ、円盤１２３３（クランク）、リンク連結軸１２３３ａ、円盤連結軸１２３４、錘１２３５、第２並進モータ１２３６、ローラ１２３６ａ、第１回転モータ１２３７ａ、第１モータピニオン１２３７ａａ、第１モータ軸１２３７ａｂ、第２回転モータ１２３７ｂ、第２モータピニオン１２３７ｂａ、第２モータ軸１２３７ｂｂ、４つの軸固定部材１２３８ａ、１２３８ｂ、１２３８ｃ、１２３８ｄ、４つのピニオン１２３８ａａ、１２３８ｂａ、１２３８ｃａ、１２３８ｄａ、４つのピニオン軸１２３８ａｂ、１２３８ｂｂ、１２３８ｃｂ、１２３８ｄｂ、レール１２３９ａ、レール１２３９ｂを備える。前述したように金属板１２３ａの中心には穴１２３ｂが設けられており、この穴１２３ｂにスライド支点回転軸１２３１が挿通されている。また、モータピニオン１２３７ａａの第１モータ軸１２３７ａｂを挟んだ反対側、および、モータピニオン１２３７ｂａの第２モータ軸１２３７ｂｂを挟んだ反対側には、それぞれ回転量計測器１２３７ａｃ、１２３７ｂｃが設けられており、可動構造体１２３の基準となる方向からの現在の角度変移量を測定する。なお、モータピニオンと対応するように回転量計測器１２３７ａｃ、１２３７ｂｃを設置する代わりに、図１５の穴１２１の位置に回転量計測器を１つ設ける構成としても、同様の機能を実現することができる。軸固定部材１２３８ａ、１２３８ｂ、１２３８ｃ、１２３８ｄは直方体形状であり、その長手方向が金属板１２３ａの法線方向と垂直な向きになるよう金属板１２３ａ上面に取り付けられる。軸固定部材１２３８ａ、１２３８ｂ、１２３８ｃ、１２３８ｄの金属板１２３ａ中心から遠い側の側面の中心に、この側面と垂直になるようにピニオン軸１２３８ａｂ、１２３８ｂｂ、１２３８ｃｂ、１２３８ｄｂの軸の一端が固定されている。ピニオン軸１２３８ａｂ、１２３８ｂｂ、１２３８ｃｂ、１２３８ｄｂの軸の他端にはそれぞれのピニオン軸を回転軸としてピニオン１２３８ａａ、１２３８ｂａ、１２３８ｃａ、１２３８ｄａが回転可能に取り付けられている。軸固定部材１２３８ａ、１２３８ｂ、１２３８ｃ、１２３８ｄはピニオン１２３８ａａ、１２３８ｂａ、１２３８ｃａ、１２３８ｄａが金属板１２３ａの端部から突出するように、ピニオン軸１２３８ａｂ、１２３８ｂｂ、１２３８ｃｂ、１２３８ｄｂの軸方向が金属板１２３ａの外円の法線方向と等しくなるように金属板１２３ａの端部に近い位置に固定されている。軸固定部材１２３８ａ、１２３８ｂ、１２３８ｃ、１２３８ｄは隣り合う２つのピニオン軸がなす角が全て等しく９０度となるように均等に配置されている。金属板１２３ａ上面には、ピニオン軸１２３８ａｂの中央とピニオン軸１２３８ｂｂの中央とを端点とし、金属板１２３ａと中心を同じくする円弧を二等分する点（図中Ｐ点と表記）と、金属板１２３ａの中心との略中央に金属板１２３ａの面と垂直な向きに円盤連結軸１２３４が固定されている。円盤１２３３の中心には穴が空けられており、円盤連結軸１２３４は、円盤１２３３の穴に挿通されている。円盤１２３３は円盤連結軸１２３４によって金属板１２３ａに対して回転可能に連結されている。円盤１２３３には軽量化のための円形穴が４つ空けられている。なお、円盤１２３３の直径は金属板１２３ａの半径よりも小さいものとする。円盤１２３３の上面には、リンク連結軸１２３３ａが円盤１２３３の面と垂直な向きに固定されている。リンク機構１２３２は長板状の部材である。リンク機構１２３２の一端には穴が空けられておりリンク連結軸１２３３ａは、リンク機構１２３２の一端に空けられた穴に挿通されている。リンク機構１２３２はリンク連結軸１２３３ａによって円盤１２３３に対して回動可能に連結されている。リンク機構１２３２の中心部には長円形穴１２３２ａが設けられており、長円形穴１２３２ａにスライド支点回転軸１２３１が挿通されている。リンク機構１２３２の穴が空けられた端部と反対側の端部の下面には、錘連結軸１２３２ｂがリンク機構１２３２の下面と垂直な向きに取り付けられている。錘１２３５は厚板形状であって、円弧形穴１２３５ａが空けられており、この円弧形穴１２３５ａに錘連結軸１２３２ｂが挿通されている。レール１２３９ａおよびレール１２３９ｂは、円盤連結軸１２３４の中心とスライド支点回転軸１２３１の中心とを結ぶ直線と平行な向きになるよう金属板１２３ａに固定されている。レール１２３９ａ、レール１２３９ｂは長手方向の一側面にガイド溝を設けた直方体形状である。レール１２３９ａ、レール１２３９ｂは、ガイド溝を設けた側面が互いに向き合うように金属板１２３ａに取り付けられている。錘１２３５は、金属板１２３ａに対して、円盤連結軸１２３４の中心とスライド支点回転軸１２３１の中心とを結ぶ直線と平行な向きに並進可能にレール１２３９ａおよびレール１２３９ｂのガイド溝に支持されている。

第２並進モータ１２３６は、以下のように円盤１２３３にトルクを加えることができるよう適切な位置、適切な向きに金属板１２３ａの上面に固定されている。第２並進モータ１２３６の回転軸端部にはローラ１２３６ａが回転可能に取り付けられている。ローラ１２３６ａの外側面は円盤１２３３の上面の端部と一定の圧がかかった状態で接触しており、ローラ１２３６ａの回転により、ローラ１２３６ａと円盤１２３３との間に摩擦力が生じ、この摩擦力によって円盤１２３３が回転する。ローラ１２３６ａの外側面は摩擦係数の大きな材質（例えばゴム）などで覆われている。なお、ローラ１２３６ａの外側面は、の代わりに、摩擦係数の大きな材質（例えばゴム）からなる面とする代わりに、歯車としてもよい。第２並進モータ１２３６がローラ１２３６ａを介して円盤１２３３に動力を伝え、円盤１２３３を回転させる。円盤１２３３が回転することにより、円盤１２３３に連結されたリンク機構１２３２がスライド支点回転軸１２３１回りに並進運動を伴う回動動作をする。リンク機構１２３２がスライド支点回転軸１２３１回りに並進運動を伴う回動動作をすることにより、リンク機構１２３２の一端に連結された錘１２３５がレール１２３９ａ、１２３９ｂに支持されて、並進運動を行う。第２並進モータ１２３６は、その回転軸の角加速度を自在に制御可能であるものとし、これにより、錘１２３５の並進運動の加速度を任意に制御することができる。

第１回転モータ１２３７ａおよび第２回転モータ１２３７ｂはその回転軸端部にモータピニオン１２３７ａａおよびモータピニオン１２３７ｂａが回転可能に取り付けられている。第１回転モータ１２３７ａおよび第２回転モータ１２３７ｂはモータピニオン１２３７ａａおよびモータピニオン１２３７ｂａが金属板１２３ａの端部から突出するように、回転軸方向が金属板１２３ａの外円の法線方向と等しくなるように金属板１２３ａの端部に近い位置に固定されている。第１回転モータ１２３７ａおよび第２回転モータ１２３７ｂはそれぞれの回転軸方向が平行になるよう、１８０度異なる向きに取り付けられている。

上記のようにピニオン１２３８ａａ、１２３８ｂａ、１２３８ｃａ、１２３８ｄａ、モータピニオン１２３７ａａ、１２３７ｂａがそれぞれ、金属板１２３ａから突出するようにそれぞれの軸で回転可能に取り付けられており、この６つのピニオン１２３８ａａ、１２３８ｂａ、１２３８ｃａ、１２３８ｄａ、１２３７ａａ、１２３７ｂａに前述のラック１２３ｇが連結されている。図１３を再度参照して６つのピニオン１２３８ａａ、１２３８ｂａ、１２３８ｃａ、１２３８ｄａ、１２３７ａａ、１２３７ｂａとラック１２３ｇの連結方法の詳細について説明する。モータピニオン１２３７ｂａはラック１２３ｇのリング上面に乗るように連結されている。図示されていないモータピニオン１２３７ａａも同様である。一方、ピニオン１２３８ｂａ、およびピニオン１２３８ｄａはラック１２３ｇのリング下面に連結されている。図示されていない他のピニオンも同様である。第１可動構造体１２２と第２可動構造体１２３は上ケース１２１および下ケース１２４とは直接接触しないように、上ケース１２１および下ケース１２４に収容されている。前述したように第１可動構造体１２２と第２可動構造体１２３は、金属板１２３ａに固定された６つのピニオンを介してラック１２３ｇに支持されている。前述したようにラック１２３ｇの外側面は上ケース内側面と固着されているため、第１可動構造体１２２と第２可動構造体１２３は、６つのピニオンを介してラック１２３ｇおよび上ケース１２１に対して回転可能に連結されている。第１回転モータ１２３７ａおよび第２回転モータ１２３７ｂがそれぞれモータピニオン１２３７ａａ、モータピニオン１２３７ｂａを回転させることにより、各モータピニオンからラック１２３ｇに動力が伝わり、この動力によって第１可動構造体１２２と第２可動構造体１２３は、上ケース１２１に対して回転する。第１回転モータ１２３７ａおよび第２回転モータ１２３７ｂは逆回転させることも可能であり、第１可動構造体１２２と第２可動構造体１２３は反時計回り、時計回りの何れの方向にも回動可能である。

次に、図１５に戻り、第１可動構造体１２２について説明する。第１可動構造体１２２は第２可動構造体１２３とほぼ同じ構成を有する。第１可動構造体１２２と第２可動構造体１２３との違いは、第２可動構造体１２３が第１回転モータ１２３７ａ、第１モータピニオン１２３７ａａ、第１モータ軸１２３７ａｂ、第２回転モータ１２３７ｂ、第２モータピニオン１２３７ｂａ、第２モータ軸１２３７ｂｂ、４つの軸固定部材１２３８ａ、１２３８ｂ、１２３８ｃ、１２３８ｄ、４つのピニオン１２３８ａａ、１２３８ｂａ、１２３８ｃａ、１２３８ｄａ、４つのピニオン軸１２３８ａｂ、１２３８ｂｂ、１２３８ｃｂ、１２３８ｄｂ（以下、これらをまとめて回転機構という）を備えるのに対し、第１可動構造体１２２にはこれらが存在しないことである。従って、第１可動構造体１２２は、リンク機構１２２２、錘連結軸１２２２ｂ、円盤１２２３、リンク連結軸１２２３ａ、円盤連結軸１２２４、錘１２２５、第１並進モータ１２２６、ローラ１２２６ａ、レール１２２９ａ、レール１２２９ｂを備える（以下、これらをまとめて第１並進機構という）。第１可動構造体１２２の並進機構を構成する部材は第２可動構造体１２３の対応する部材（リンク機構１２３２、錘連結軸１２３２ｂ、円盤１２３３、リンク連結軸１２３３ａ、円盤連結軸１２３４、錘１２３５、第２並進モータ１２３６、ローラ１２３６ａ、レール１２３９ａ、レール１２３９ｂ、以下これらをまとめて第２並進機構という）と全く同じように配置され、同じ動作機能を有するので説明を省略する。ここで、前述したように第１可動構造体１２２と第２可動構造体１２３とは位置決めピン１２３ｃ、１２３ｄ、１２３ｅ、１２３ｆが位置決め穴１２２ｃ、１２２ｄ、１２２ｅ、１２２ｆにそれぞれ接合されている。このとき、第１可動構造体１２２と第２可動構造体１２３とは、第１可動構造体１２２の錘１２２５が金属板１２２ａの中心から端部に向かうときの並進方向と、第２可動構造体１２３の錘１２３５が金属板１２３ａの中心から端部に向かうときの並進方向とがちょうど逆方向になるように接合されているものとする。

このように、本実施例の疑似力覚発生装置１００が二つの並進機構（第１並進機構、第２並進機構）を備えることにより、それぞれの並進機構が、自身の属する方位から±９０°の範囲の疑似並進力覚提示を担当すればよくなるため、回旋角度±９０°のみで全ての方向への疑似並進力覚の提示が可能である。従って、疑似並進力覚の提示方向を速く制御したい場合などには本実施例の疑似力覚発生装置１００のように、並進機構を２または２以上の複数備えていることが望ましい。

次に図８、図９を参照して本実施例の疑似力覚発生装置１００の角速度制御に用いられるシステムについて詳細に説明する。図８、図９は本実施例に係る疑似力覚発生装置１００の制御を行うシステムの構成を示すブロック図である。制御部（ＰＣ）１４０はコンピュータなどで構成される。制御部（ＰＣ）１４０は、予め定めた周期で電流増幅器１５０に電流増幅、電流減衰の何れかを示す制御信号を出力する。制御信号を取得した電流増幅器１５０は、制御信号に従って、第１並進モータ１２２６および第２並進モータ１２３６に流れる電流量を制御する。第１並進モータ１２２６および第２並進モータ１２３６は制御部（ＰＣ）１４０、電流増幅器１５０によって別個独立に制御可能であるものとする。電流増幅器１５０が、錘１２２５（１２３５）が第１（２）可動構造体１２２（１２３）の中心から外縁方向に向かって並進するタイミングで電流を増幅し、外縁から中心方向に向かって並進するタイミングで電流を減衰させることで、疑似並進力覚を提示することができる。また、制御部（ＰＣ）１４０は、予め定めた方向に疑似並進力覚を提示するため、所定の角度だけ第１回転モータを回転させるのに必要な電流量と通電時間を示す制御信号を出力する。ここで、制御部（ＰＣ）１４０は、反動トルクを発生させたい方向と逆方向の角加速度が大きくなるように電流量の増加速度を制御するものとする。また、制御部（ＰＣ）１４０は、図６で述べたように反動トルクを発生させるにあたって回転方向を反時計方向、時計方向の何れにするのが最適かを判定し、その回転方向も制御可能であるものとする。制御信号を取得した電流増幅器１６０は、制御信号に従って、第１回転モータ１２３７ａ、第２回転モータ１２３７ｂに流れる電流量、通電時間、電流量の増加速度、モータの回転方向を制御する。回転量計測器１２３７ａｃ、１２３７ｂｃは、第１可動構造体１２２および第２可動構造体１２３の基準となる方向からの現在の角度変移量を測定して、制御部（ＰＣ）１４０に出力することで、制御部（ＰＣ）１４０がフィードバック制御を行うことができる。

疑似力覚発生装置１００の制御を行うシステムは図９に示すように図８の構成に加えて姿勢センサ１８０を備えることとしても良い。姿勢センサ１８０は、ユーザが手首をひねるなどして疑似力覚発生装置１００自体の向きが変わってしまった場合にも、正しい方向に疑似並進力覚を提示することができるように取り付けられている。具体的には、姿勢センサ１８０は、第１回転モータ１２３７ａ、第２回転モータ１２３７ｂによって回転制御されない、例えば上ケース１２１、下ケース１２４などの向きの変移量を計測することにより、ユーザが手首をひねるなどして回転させた疑似力覚発生装置１００の回転量を計測する。姿勢センサ１８０は計測した回転量を制御部（ＰＣ）１４０に出力することで、制御部（ＰＣ）１４０は、疑似力覚発生装置１００自体の回転により生じた誤差をフィードバック補正することが可能である。

モータの電圧変化による速度制御の場合、角速度変化の最大値はモータの出力トルクに依存する。そのため、強力な停止トルクを提示するためには機械式ブレーキを採用しても良い。また、電圧の強さで粘性が制御できるＥＲ（エレクトロレオロジー）流体を利用したＥＲブレーキを用いれば、ブレーキ効果において高い応答速度を実現できる。また、回旋のバックドライバビリティを確保するためには、回旋部に歯車伝動を採用し、十分な回旋性能を有した状態で、ゴム製ブレーキシューを回旋部に付与することで停止トルクを向上させればよい。

前述と同様に、本実施例の疑似力覚発生装置１００がある回転方向に大きな疑似力覚を発生させ、もう一方の回転方向にはほとんど疑似力覚を発生させないようにするための制御には大きく分けて二つのアプローチがある。一つは図７及び図８で説明したシステムが行う制御のように第１可動構造体１２２および第２可動構造体１２３の角加速度を適切に制御する方法である。もう一つは、第１可動構造体１２２および第２可動構造体１２３上の錘１２２５、１２３５の位置を制御することにより、慣性モーメントの制御を行う方法である。具体的には、本実施例の疑似力覚発生装置１００で提示したい疑似並進力覚の向きが変化する場合、例えば図６のように、現在の疑似並進力覚の提示方向と１時刻後の疑似並進力覚の提示方向とがなす角度が角α（αは１８０以下の実数）であった場合、角度αの回転方向（反時計回り）に第１可動構造体１２２および第２可動構造体１２３を回転させる場合には、発進動作の最中には錘１２２５（１２３５）を第１可動構造体１２２および第２可動構造体１２３の回転軸付近に制御して慣性モーメントを最小とし（図１７の状態）、停止動作の最中には錘１２２５（１２３５）を第１可動構造体１２２および第２可動構造体１２３の外縁付近に制御して慣性モーメントを最大とすればよい（図１８の状態）。角度３６０−αの回転方向（時計回り）に第１可動構造体１２２および第２可動構造体１２３を回転させる場合には、発進動作の最中には錘１２２５（１２３５）を図１８の状態に制御して慣性モーメントを最大とし、停止動作の最中には錘１２２５（１２３５）を図１７の状態に制御して慣性モーメントを最小とすればよい。上述した２つの回転方向の何れによっても、反時計回りに大きな反動トルクが発生し、ユーザに対して１時刻後の疑似並進力覚の発生方向をガイドできる。ここで、図４で説明したように第１可動構造体１２２および第２可動構造体１２３の回旋角度が大きくなればなるほど、徐発進（徐停止）に要する時間も大きくなるが、急停止（急発進）において生じる反動トルクの提示時間が大きくなり、より大きな疑似力覚の提示が可能となる。従って、上記の何れの回転方向でもユーザをガイドすることは可能であるが、第１可動構造体１２２および第２可動構造体１２３を３６０−αの回転方向に回転させたほうがより大きな回転疑似力覚の提示が可能であるため、ガイド機能を達成する方法として最適である。

図１０を参照して、本実施例の疑似力覚提示装置１００を用いて行った被験者評価実験について説明する。被験者評価実験では実験の目的を知らない，右利きの実験協力者12名（男女）により評価実験を行った。図１０は本実施例に係る疑似力覚発生装置１００について行われた被験者評価実験の結果を示す図である。図１０は横軸を回転角度（ｄｅｇ、ただし反時計回りを正とする）とし、縦軸を反時計回りにひねられたと感じた人の割合として、その結果を示すものである。トルクの提示パターンとして図５の（イ）、（ロ）の２パターンを用意した。図１０の太実線で示すグラフは、図５（イ）のトルク提示パターンであって、横軸に示す回転方向から急減速した場合に反時計回りにひねられたと感じた被験者の割合を示す。太破線で示すグラフは、図５（イ）のトルク提示パターンであって、横軸に示す回転方向に急加速した場合に反時計回りにひねられたと感じた被験者の割合を示す。細実線で示すグラフは、図５（ロ）のトルク提示パターンであって、横軸に示す回転方向から急減速した場合に反時計回りにひねられたと感じた被験者の割合を示す。細破線で示すグラフは、図５（ロ）のトルク提示パターンであって、横軸に示す回転方向に急加速した場合に反時計回りにひねられたと感じた被験者の割合を示す。ここで、人間のトルクに対する知覚は（１）トルクが提示された時間が長く（２）提示されたトルクが大きいほど大きくなることを特徴とする。図５に示したように図５（イ）のトルク提示パターンは図(ロ)のトルク提示パターンよりもトルク提示時間が長い。回転角度を同じ条件としてトルク提示パターンのみ異なるプロット点を比較すると図５（イ）のトルク提示パターンのほうが図５（ロ）のトルク提示パターンよりも反時計回り、時計回りともにひねられたと感じる人の割合が上昇していることの理由である。さらに、図４で説明したように第１可動構造体１２２および第２可動構造体１２３の回旋角度が大きくなればなるほど、徐発進（徐停止）に要する時間も大きくなるが、急停止（急発進）において生じる反動トルクの提示時間も大きくなり、より大きな疑似力覚の提示が可能となる。従って、図１０に示す回転角度（ｄｅｇ）の絶対値が大きくなればなるほど、より大きな疑似力覚の提示が行われていることになる。このため、例えば絶対値の大きくなる回転角度−１８０°における太破線（細破線）で示す条件での反時計回りにひねられたと感じた人の割合、絶対値の大きくなる回転角度１８０°における太実線（細実線）で示す条件での反時計回りにひねられたと感じた人の割合は何れも高くなる。従って、反時計回りの制御を行う場合にはこのグラフの縦軸の値が０．７５を超えるような回転角度を目安とし、時計回りの制御を行う場合にはこのグラフの縦軸の値が０．２５を超えるような回転角度を目安とすることができる。

Claims (5)

1. 並進方向及び回転方向に疑似的な力覚を提示する疑似力覚発生装置であって、
   ベースと、回転機構と、並進機構とを備え、
   前記回転機構は、
   前記ベースに対して定まる回転軸で前記ベースに対して回動運動を行う回動部材と、
   前記回動部材に対し、第１のトルクを前記ベースに対して定まる回転軸の一回転方向（以下、回転正方向という）に加え、第２のトルクを前記回転正方向の逆方向（以下、回転負方向という）に加える第１の作用部とを備え、
   前記並進機構は、
   前記回動部材に対して定まる直線上で前記回動部材に対して周期的な並進運動を行う移動部材と、
   前記移動部材に対し、第１の力を前記回動部材に対して定まる直線の一方向（以下、並進正方向という）に加え、第２の力を前記並進正方向と逆方向（以下、並進負方向という）に加える第２の作用部とを備え、
   前記移動部材の前記並進正方向への加速度の絶対値の最大値は、前記移動部材の前記並進負方向への加速度の絶対値の最大値よりも大きくなり、
   前記並進機構は前記並進正方向が前記回動部材の回転中心から前記回動部材の外縁へ向かう向きになるように前記回動部材に固定されており、
   前記第１のトルクが加えられている時の前記移動部材の重心と前記回動部材の回転中心との距離（以下、重心中心間距離という）が、前記第２のトルクが加えられている時の前記重心中心間距離よりも小さくなる
   ことを特徴とする疑似力覚発生装置。
2. 並進方向及び回転方向に疑似的な力覚を提示する疑似力覚発生装置であって、
   ベースと、回転機構と、並進機構とを備え、
   前記回転機構は、
   前記ベースに対して定まる回転軸で前記ベースに対して回動運動を行う回動部材と、
   前記回動部材に対し、第１のトルクを前記ベースに対して定まる回転軸の一回転方向（以下、回転正方向という）に加え、第２のトルクを前記回転正方向の逆方向（以下、回転負方向という）に加える第１の作用部とを備え、
   前記並進機構は、
   前記回動部材に対して定まる直線上で前記回動部材に対して周期的な並進運動を行う移動部材と、
   前記移動部材に対し、第１の力を前記回動部材に対して定まる直線の一方向（以下、並進正方向という）に加え、第２の力を前記並進正方向と逆方向（以下、並進負方向という）に加える第２の作用部とを備え、
   前記移動部材の前記並進正方向への加速度の絶対値の最大値は、前記移動部材の前記並進負方向への加速度の絶対値の最大値よりも大きくなり、
   前記並進機構は前記並進正方向が前記回動部材の回転中心から回動部材の外縁へ向かう向きになるように前記回動部材に固定されており、
   前記第１のトルクが加えられている時の前記回動部材の角加速度の絶対値の最大値が、前記第２のトルクが加えられている時の前記回動部材の角加速度の絶対値の最大値よりも小さくなる
   ことを特徴とする疑似力覚発生装置。
3. 請求項１に記載の疑似力覚発生装置であって、
   前記第１のトルクが加えられている時の前記回動部材の角加速度の絶対値の最大値が、前記第２のトルクが加えられている時の前記回動部材の角加速度の絶対値の最大値よりも小さくなる
   ことを特徴とする疑似力覚発生装置。
4. 請求項１または２に記載の疑似力覚発生装置であって、
   前記並進方向を変化させる場合に、
   前記並進方向から、新たな並進方向への回転方向であって、前記並進方向と新たな並進方向とがなす角のうち、１８０度よりも小さい角度方向に前記第１の作用部が加えるトルクの絶対値の最大値が、前記並進方向と新たな並進方向とがなす角のうち、１８０度よりも小さい角度方向と逆方向に前記第１の作用部が加えるトルクの絶対値の最大値よりも小さくなる
   ことを特徴とする疑似力覚発生装置。
5. 請求項４に記載の疑似力覚発生装置であって、
   前記並進方向と新たな並進方向とがなす角のうち、１８０度よりも小さい角度方向と逆方向に前記回動部材を回動させる
   ことを特徴とする疑似力覚発生装置。

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