特開 2024-118160 ハプティクス装置の制御装置、ハプティクス装置、及び制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024118160

(43)【公開日】2024-08-30

(54)【発明の名称】ハプティクス装置の制御装置、ハプティクス装置、及び制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   G06F 3/01 20060101AFI20240823BHJP

【ＦＩ】

G06F3/01 560

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023024432

(22)【出願日】2023-02-20

(71)【出願人】

【識別番号】596158950

【氏名又は名称】株式会社スリーディー

(74)【代理人】

【識別番号】100113549

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 守

(74)【代理人】

【識別番号】100115808

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 真司

(74)【代理人】

【識別番号】100169199

【弁理士】

【氏名又は名称】石本 貴幸

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 貴浩

(72)【発明者】

【氏名】中野 裕介

【テーマコード（参考）】

5E555

【Ｆターム（参考）】

5E555AA08

5E555BA01

5E555BB01

5E555BC04

5E555BE17

5E555CA03

5E555CA24

5E555CB02

5E555CB19

5E555CB21

5E555CC22

5E555CC26

5E555DA24

5E555DB53

5E555DC19

5E555DC30

5E555EA14

5E555FA00

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ユーザが動かす作動部に生じる発振を抑制できる、ハプティクス装置の制御装置、ハプティクス装置、及び制御プログラムを提供する。
【解決手段】ハプティクスシステム１０において、ハプティクス装置１４は、ユーザがスタイラス１２を動かすことによって、シミュレータ２０がシミュレートした仮想空間におけるオブジェクトに力を作用させ、当該作用によって生じる反力をスタイラス１２に与える。ハプティクス装置１４は、スタイラス１２の実位置を算出し、仮想空間におけるオブジェクトに力を作用させる目標位置と算出した実位置との差分に基づいて、スタイラス１２に与える反力を算出する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ユーザが作動部を動かすことによって、情報処理装置がシミュレートした仮想空間におけるオブジェクトに力を作用させ、当該作用によって生じる反力を前記作動部に与えるハプティクス装置の制御装置であって、
前記作動部の現実の位置を算出する位置算出手段と、
前記位置算出手段で算出された前記位置と前記仮想空間における前記オブジェクトに力を作用させる目標位置との差分に基づいて、前記作動部に与える反力を算出する反力算出手段と、
を備えるハプティクス装置の制御装置。

【請求項2】

前記反力算出手段は、
前記差分の比例要素に基づく力を算出する比例演算手段と、
前記差分の微分要素に基づく力を算出する第１微分演算手段と、
前記比例要素に基づく力と前記微分要素に基づく力との和を前記反力として算出する加算手段と、
を備え、
前記第１微分演算手段は、所定の周波数未満の正弦波入力に対して１階微分に漸近し、前記所定の周波数以上の正弦波入力に対して定数倍に漸近する値を出力する、
請求項１に記載のハプティクス装置の制御装置。

【請求項3】

前記位置算出手段で算出された前記位置の微分要素に基づく力を算出する第２微分演算手段を備え、
前記加算手段の出力値から前記第２微分演算手段の出力値を減算した値を前記反力として算出する減算手段と、
を備える請求項２に記載のハプティクス装置の制御装置。

【請求項4】

前記第１微分演算手段で用いる第１粘性係数と前記第２微分演算手段で用いる第２粘性係数との和を所定値とし、
前記第１粘性係数と前記第２粘性係数との比率を可変とする、請求項３に記載のハプティクス装置の制御装置。

【請求項5】

前記情報処理装置は、前記仮想空間のシミュレーション機能、及び前記目標位置の算出機能を備え、
前記シミュレーション機能と前記算出機能とが分離される、
請求項１又は請求項２に記載のハプティクス装置。

【請求項6】

請求項１又は請求項２に記載の制御装置を備えたハプティクス装置。

【請求項7】

ユーザが作動部を動かすことによって、情報処理装置がシミュレートした仮想空間におけるオブジェクトに力を作用させ、当該作用によって生じる反力を前記作動部に与えるハプティクス装置が有するコンピュータに、
前記作動部の現実の位置を算出する位置算出手段と、
前記位置算出手段で算出された前記位置と前記仮想空間における前記オブジェクトに力を作用させる目標位置との差分に基づいて、前記作動部に与える反力を算出する反力算出手段と、
を実行させるための制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ハプティクス装置の制御装置、ハプティクス装置、及び制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ハプティクス技術（触覚技術）の研究開発が進んでいる。ハプティクス技術は、ハプティクス装置のユーザに力、振動、及び動き等をフィードバックさせるものである。例えば、シミュレートされた仮想空間におけるオブジェクトを、ユーザがハプティクス装置を用いて移動や切除等した場合に、その反力をハプティクス装置が再現してユーザにフィードバックする。

【0003】

例えば、特許文献１には、ユーザが握るように構成されたスタイラスがユーザに触覚フィードバック（反力）を与える装置が記載されている。このスタイラスは、複数のジョイントで回転自在に接続された複数の回転要素の先端に取り付けられている。

【0004】

特許文献１のように、ハプティクス装置のユーザは、一例としてスタイラスを握って動かすことで、シミュレートされた仮想空間におけるオブジェクトを移動等する。シミュレーションは、仮想空間においてオブジェクトを移動させることで生じる反力を算出する。そして、ハプティクス装置は、スタイラスが先端に取り付けられた回転要素を駆動するサーボモータの動力によって、算出した反力を再現してユーザが握っているスタイラスに与える。これにより、ユーザは、スタイラスで仮想空間のオブジェクトを移動等した場合に生じる反力を感じ取ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２００７－５１０２３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ハプティクス装置は、上記のようにしてスタイラスに反力を与えるが、反力が安定せずに、スタイラスに発振が生じる場合がある。図６に示すハプティクス装置１００の機能ブロック図を参照してこの発振について説明する。

【0007】

図６のＦ_extはユーザがスタイラス１０２に加える力（以下「加力」という。）であり、Ｆ_simはスタイラス１０２の位置ｘに基づいてシミュレータ１１０によって算出された反力値である。反力値Ｆ_simは、一例として、バネ係数Ｋと位置ｘとの積（Ｆ_sim＝－Ｋｘ）から算出される。ハプティクス装置１００が備えるサーボモータ１０４は、算出された反力値Ｆ_simを再現した反力Ｆ_outをスタイラス１０２に与える。

【0008】

そして、加力Ｆ_extと反力Ｆ_outとの和がハプティクス装置１００へ入力される力（以下「合力」という）Ｆとなり、スタイラス１０２の位置ｘは、合力Ｆに基づいて位置算出部１０６によって算出される。算出された位置ｘは、シミュレータ１１０に入力され、反力値Ｆ_simの算出に用いられる。このような反力値Ｆ_simの算出によるスタイラス１０２に対する反力Ｆ_outの付与は、シミュレーションの継続中に繰り返し行われる。

【0009】

図６に示すように、スタイラス１０２の位置ｘはフィードバック制御と同様に制御される。そして、遅れ要素や無駄時間要素がない理想的な場合には、スタイラス１０２の位置変位を打ち消すように、反力Ｆ_outが出力されてスタイラス１０２は目的の位置ｘで安定する。

【0010】

しかし、現実にはシミュレーションループ、サーボモータ１０４及び制御回路等による遅れ要素や無駄時間等が存在する。このため、位相遅れ等が生じてスタイラス１０２の位置変位が大きくなるように反力Ｆ_outが出力され、これによりスタイラス１０２の発振が生じる可能性がある。

【0011】

そこで本発明は、スタイラス等のユーザが動かす作動部に生じる発振を抑制できる、ハプティクス装置の制御装置、ハプティクス装置、及び制御プログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の一態様のハプティクス装置の制御装置は、ユーザが作動部を動かすことによって、情報処理装置がシミュレートした仮想空間におけるオブジェクトに力を作用させ、当該作用によって生じる反力を前記作動部に与えるハプティクス装置の制御装置であって、前記作動部の現実の位置を算出する位置算出手段と、前記位置算出手段で算出された前記位置と前記仮想空間における前記オブジェクトに力を作用させる目標位置との差分に基づいて、前記作動部に与える反力を算出する反力算出手段と、を備える。

【0013】

本構成によれば、ユーザが動かす作動部（例えばスタイラス）の現実の位置と仮想空間におけるオブジェクトに力を作用させる目標位置との差分に基づいて、作動部に与える反力を算出する。これにより、本構成は、作動部に生じる発振を抑制できる。

【0014】

上記の制御装置において、前記反力算出手段は、前記差分の比例要素に基づく力を算出する比例演算手段と、前記差分の微分要素に基づく力を算出する第１微分演算手段と、前記比例要素に基づく力と前記微分要素に基づく力との和を前記反力として算出する加算手段と、を備え、前記第１微分演算手段は、所定の周波数未満の正弦波入力に対して１階微分に漸近し、前記所定の周波数以上の正弦波入力に対して定数倍に漸近する値を出力してもよい。

【0015】

本構成によれば、入力が所定の周波数未満である場合には、第１微分演算手段は入力を微分した値を出力する。一方で、入力が所定の周波数以上である場合には、第１微分演算手段は微分を行わずに、入力を定数倍した値を出力する。本構成は、このような微分演算により、発振を抑制しつつ、高周波のノイズの増加を抑制することができる。

【0016】

上記の制御装置は、前記位置算出手段で算出された前記位置の微分要素に基づく力を算出する第２微分演算手段を備え、前記加算手段の出力値から前記第２微分演算手段の出力値を減算した値を前記反力として算出する減算手段と、を備えてもよい。

【0017】

本構成によれば、作動部の動きをより滑らかにできる。

【0018】

上記の制御装置は、前記第１微分演算手段で用いる第１粘性係数と前記第２微分演算手段で用いる第２粘性係数との和を所定値とし、前記第１粘性係数と前記第２粘性係数との比率を可変としてもよい。

【0019】

本構成によれば、作動部に与える反力をユーザの好みに応じて簡易に調整できる。

【0020】

上記の制御装置において、前記情報処理装置は、前記仮想空間のシミュレーション機能、及び前記目標位置の算出機能を備え、前記シミュレーション機能と前記算出機能とが分離されてもよい。

【0021】

本構成によれば、作動部に生じる発振を抑制しつつ、安定した制御が可能となる。

【0022】

本発明の一態様のハプティクス装置は、上記記載の制御装置を備える。

【0023】

本発明の一態様の制御プログラムは、ユーザが作動部を動かすことによって、情報処理装置がシミュレートした仮想空間におけるオブジェクトに力を作用させ、当該作用によって生じる反力を前記作動部に与えるハプティクス装置が有するコンピュータに、前記作動部の現実の位置を算出する位置算出手段と、前記位置算出手段で算出された前記位置と前記仮想空間における前記オブジェクトに力を作用させる目標位置との差分に基づいて、前記作動部に与える反力を算出する反力算出手段と、を実行させる。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、ユーザが動かす作動部に生じる発振を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本実施形態のハプティクスシステムの概略構成図である。

【図2】本実施形態のスタイラスに与える反力に関する機能ブロック図である。

【図3】図２に示す機能ブロック図の詳細図である。

【図4】伝達関数の周波数特性を示したグラフであり、（Ａ）は微分の周波数特性を示し、（Ｂ）は本実施形態の1次ＨＰＦ型の伝達関数の周波数特性を示す。

【図5】メインシミュレータとサブシミュレータとの更新周期を示す模式図である。

【図6】従来のスタイラスに与える反力に関する機能ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本実施の形態のハプティクス装置の制御装置、ハプティクス装置、及び制御プログラムについて図面を参照して説明する。なお、以下の説明はあくまでも好ましい態様の一例を示したものであり、特許請求の範囲に記載された発明を限定する意図ではない。

【0027】

図１は、本実施形態のハプティクスシステム１０の概略構成図である。本実施形態のハプティクスシステム１０は、スタイラス１２を有するハプティクス装置１４及びシミュレータ２０を備える。

【0028】

ハプティクスシステム１０は、ユーザがスタイラス１２を動かすことによって、シミュレータ２０がシミュレートした仮想空間におけるオブジェクトに力を作用させ、当該作用によって生じる反力をスタイラス１２に与える。これにより、ユーザは、スタイラス１２を動かして仮想空間におけるオブジェクトの移動や切除等の動作を行った場合に、スタイラス１２に与えられる反力によって仮想空間でおこなった動作に応じた感覚を現実に得ることができる。なお、ハプティクスシステム１０は、例えば、手術のシミュレーション等に用いられ、スタイラス１２は仮想空間におけるメスを模擬することとなる。

【0029】

ハプティクス装置１４は、スタイラス１２、アーム１６、及び本体部１８を備える。

【0030】

スタイラス１２は、複数の関節を有するアーム１６の先端部に設けられるペン形状であり、ユーザが握って動かす作動部である。

【0031】

アーム１６は、先端にスタイラス１２が回動可能に設けられ、他端が本体部１８に回動可能に接続される。アーム１６は、ユーザがスタイラス１２に加える力（以下「加力」という。）に応じて関節が回動する。なお、アーム１６が有する関節の数や関節の回動範囲は限定されない。

【0032】

アーム１６及び本体部１８の少なくとも一方には、関節を回動させるためのサーボモータ３８（図２参照）が設けられる。サーボモータ３８は、シミュレータ２０が算出した反力をスタイラス１２に与えるように駆動する。

【0033】

本体部１８は、接続されているアーム１６の回動に応じてスタイラス１２の現実の位置（以下「実位置」という。）を算出し、シミュレータ２０へ出力する。なお、実位置は、スタイラス１２の先端１２Ａに対応する。

【0034】

シミュレータ２０は、情報処理装置であり、シミュレートした仮想空間におけるオブジェクトをスタイラス１２の動作に応じて移動させたり、切除したりする。このため、シミュレータ２０は、仮想空間におけるオブジェクトに力を作用させる目標位置を算出する。この目標位置は、一例として、スタイラス１２の先端１２Ａに対応する。

【0035】

ここで、従来のハプティクス装置１００は、図６に示されるように、スタイラス１０２にユーザが与える加力Ｆ_extとスタイラス１０２にサーボモータ１０４が与える反力Ｆ_outとの和である合力Ｆに基づいてスタイラス１０２の実位置ｘを算出する。そして、シミュレータ１１０が実位置ｘに基づいて反力値Ｆ_simを算出する。

【0036】

しかしながら、種々の遅れ要素や無駄時間要素等が原因となり、スタイラス１０２に与える反力Ｆ_outに発振が生じ、その結果、スタイラス１０２そのものが発振して制御が不安定となる場合があった。

【0037】

そこで、本実施形態のハプティクス装置１４は、スタイラス１２の発振を抑制するために、図２の機能ブロック図に示すような制御を行なう。図２は、スタイラス１２に与える反力に関する機能ブロック図である。

【0038】

図２に示すように、ハプティクス装置１４が備えるコントローラ３０は、位置算出部３２、減算部３４、及び反力算出部３６を備える。なお、コントローラ３０が備える各部で実行される各機能は、一例としてプログラムが起動することによって、コントローラ３０が備えるコンピュータで実行されてもよいし、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の個別のハードウェアによって実現されてもよい。

【0039】

位置算出部３２は、スタイラス１２の現実の位置である実位置ｘ_rを算出する。実位置ｘ_rは、スタイラス１２に与えられた合力Ｆに基づいて算出される。ここで、スタイラス１２は、換言すると、入力である合力Ｆ（Ｆ=Ｆ_out+Ｆ_ext）を受け付け、合力Ｆを位置に変換する機能を有していると考えることもできる。そして、位置算出部３２は、スタイラス１２の先端１２Ａの位置を、ポテンションメータやアナログ／デジタル変換器等及び幾何学的な演算によって、シミュレータ２０で利用可能な数値データに変換し、実位置ｘ_rとして出力する。

【0040】

減算部３４は、仮想空間におけるオブジェクトに力を作用させる目標位置ｘ_tと位置算出部３２で算出された実位置ｘ_rとの差分ｘ_t-rを算出する。なお、目標位置ｘ_tは、シミュレータ２０に入力された位置ｘに基づいて、シミュレータ２０によって算出される。目標位置ｘ_tの算出方法は、従来既知の方法でよい。

【0041】

反力算出部３６は、減算部３４で算出された差分ｘ_t-rに基づいて、スタイラス１２に与える反力値Ｆ_calを算出する。

【0042】

反力算出部３６によって算出された反力値Ｆ_calは、サーボモータ３８に入力されて反力Ｆ_outとしてスタイラス１２に与えられる。そして、ユーザがスタイラス１２に加える加力Ｆ_extと反力Ｆ_outとが合力Ｆとされる。

【0043】

図２に示す本実施形態のコントローラ３０によれば、ユーザが動かすスタイラス１２の実位置ｘ_rと仮想空間におけるオブジェクトに力を作用させる目標位置ｘ_tとの差分ｘ_t-rに基づいて、スタイラス１２に与える反力値Ｆ_calを算出する。すなわち、本実施形態では、従来のようにシミュレータ２０が反力値を算出するのではなく、シミュレータ２０は目標位置ｘ_tをコントローラ３０に出力する。具体的には、コントローラ３０が差分ｘ_t-rに対する位相とゲインを調整することにより、シミュレータ２０によるオブジェクトの移動や変形等を原因とする時間遅れ等の要素に起因したスタイラス１２に生じる発振を抑制できる。

【0044】

なお、図２に示すように本実施形態のハプティクス装置１４は、従来のようにシミュレータ２０で算出した反力値Ｆ_simをサーボモータ３８の入力としていないため、本来必要とする反力を直接指定していないようにも考えられる。

【0045】

ここで、反力算出部３６が算出する反力値Ｆ_calは、下記数式１のように算出される。なお、Ｋ_ｐはバネ係数である。数式１は、スタイラス１２が静止した状態、すなわち反力値Ｆ_cal(反力Ｆ_out)とスタイラス１２の実位置ｘ_rとに変化がなく一定値という条件で成立する。

【0046】

【数1】

【0047】

この数式１から目標位置ｘ_tは、下記数式２のように表される。

【0048】

【数2】

【0049】

ここで、直接指定したい反力値Ｆ_targetが有る場合、数式２のＦ_calにＦ_targetを代入して算出した目標位置ｘ_tを設定することにより、スタイラス１２が静止した状態で直接指定したい反力値Ｆ_targetを出力することができる。一方、動的な状態では、反力算出部３６等に含まれる微分器（微分演算部４２、フィルタ４８、及び微分演算部５０）の出力値が“０”とならないため、数式１が成立しない。このため、数式２のＦ_calにＦ_targetを代入して算出した目標位置ｘ_tをシミュレータ２０が出力しても、反力値Ｆ_targetと実際に出力される反力値Ｆ_calとは異なる値となり、ずれが生じる。このずれはスタイラス１２に生じる発振を抑制するためのトレードオフとなる。

【0050】

次に、図３を参照して、本実施形態のコントローラ３０及びシミュレータ２０の構成を詳細に説明する。

【0051】

シミュレータ２０は、メインシミュレータ２２及びサブシミュレータ２４を備える。

【0052】

シミュレータ２０は、物理演算やオブジェクトの形状の変形等を行うものであり、質点やオブジェクトの数が増加すると、例えば１kHz以上の高速で演算することが困難となる。そこで、本実施形態のシミュレータ２０は、機能が各々異なるメインシミュレータ２２とサブシミュレータ２４とで構成される。なお、メインシミュレータ２２及びサブシミュレータ２４は、位置算出部３２から出力される実位置ｘ_rが入力され、同期して演算を行う。

【0053】

メインシミュレータ２２は、仮想空間のシミュレーション機能を備える。具体的には、メインシミュレータ２２は、通常のシミュレーションと同様の物理演算やオブジェクトの形状の変形に関する演算を行う。なお、シミュレーションに用いられるスタイラス１２の実位置ｘ_rは、フレームの最新の値とされる。

【0054】

サブシミュレータ２４は、目標位置ｘ_tを算出する目標位置算出機能を備える。具体的には、サブシミュレータ２４は、スタイラス１２の目標位置ｘ_tの更新に必要な最低限の干渉計算のみを行う。すなわち、サブシミュレータ２４は、スタイラス１２に対応するオブジェクト以外の物理演算や形状の変形に関する演算は行わず、目標位置ｘ_tの算出を可能な限り高速に行う。

【0055】

このように、本実施形態のシミュレータ２０は、シミュレーション機能と目標位置算出機能とを備え、このシミュレーション機能と目標位置算出機能とが分離される。これにより、シミュレータ２０は、メインシミュレータ２２が不安定にならない、換言するとメインシミュレータ２２で演算するオブジェクトが発振しない限り、スタイラス１２の発振を抑制した安定した制御が可能となる。

【0056】

なお、シミュレーション機能と目標位置算出機能との分離とは、例えば、シミュレーション機能と目標位置算出機能とを異なるプロセッサコアで実行することであるが、これに限らず、シミュレーション機能と目標位置算出機能とを高速で実行できれば他の手法でもよい。

【0057】

次に本実施形態の反力算出部３６は、比例演算部４０、微分演算部４２、及び加算部４４を備える。

【0058】

比例演算部４０は、差分ｘ_t-rの比例要素に基づく力Ｆ_pを算出する。力Ｆ_pは係数Ｋ_pを用いて算出される。

【0059】

微分演算部４２は、差分ｘ_t-rの微分要素に基づく力Ｆ_dを算出する。力Ｆ_dは係数Ｋ_dを用いて算出される。

【0060】

加算部４４は、力Ｆ_pと力Ｆ_dとの和を反力値として算出する。

【0061】

なお、時間領域で比例演算部４０と微分演算部４２とによる算出値を説明すると、比例演算部４０は、目標位置ｘ_tと実位置ｘ_rとの距離に比例した力Ｆ_pを算出することとなる。このため、係数Ｋ_pはバネ定数として捉えられる。また、微分演算部４２は、目標位置ｘ_tと実位置ｘ_rと距離の時間微分に比例した力Ｆ_dを算出することとなる。このため、係数Ｋ_dは粘性係数として捉えられる。

【0062】

これら係数Ｋ_p及び係数Ｋ_dは任意に設定されるものであり、例えば、比例係数である係数Ｋ_pを大きくすることで、制御の応答性が良くなる。粘性係数である係数Ｋ_dを大きくすることで、ユーザはスタイラス１２の動きに粘性を感じ易くなる。

【0063】

ここで、係数Ｋ_dを大きく設定した場合における発振の周波数を計測すると、係数Ｋ_d=０とした場合におけるハプティクス装置１４の固有振動数に比較して、発振の周波数が大きくなる可能性がある。この理由は、微分要素の伝達関数ｓのゲインが発振の周波数に比例して大きくなるためと、無駄時間による位相遅れは発振の周波数が高い方がより大きくなるためである。なお、上記のことは、一例として、発振をシミュレートすることにより得られた知見である。

【0064】

このように、微分要素を用いて反力を算出すると、発振の周波数に比例してゲインが大きくなる特性と無駄時間要素による影響で、発振せずに使える係数Ｋ_dの範囲が小さくなる。また、発振しない範囲で係数Ｋ_dを設定しても、上記特性により高周波成分を拾いノイズが発生する可能性がある。

【0065】

そこで、本実施形態の微分演算部４２は、入力される差分ｘ_t-rの所定の周波数未満の成分に対して１階微分に漸近し、所定の周波数以上の成分に対して定数倍に漸近する値を出力する。なお、定数の値は所定の周波数に比例する値である。

【0066】

具体的には、微分演算部４２は、入力信号（差分ｘ_t-r）の所定の周波数未満の成分に対して微分動作を行い粘性項として働く値を出力することで、該当する所定の周波数未満の発振を抑制する。ここで仮に微分演算部４２が、単純な微分演算手段で構成されると入力信号の周波数が高くなればなるほどゲインが大きくなり、これがノイズとなり発振を生じさせる。そこで、微分演算部４２は、入力信号（差分ｘ_t-r）の所定の周波数以上の成分に対して比例動作を行うことにより、ノイズの増大を抑制することができる。

【0067】

上記機能を本実施形態の微分演算部４２が得るために、微分要素の伝達関数をｓとし、周波数応答をｊ２πｆとし、この微分要素に下記数式３をかけることで、伝達関数は数式４となり、周波数応答は数式５となる。

【0068】

【数3】

【0069】

【数4】

【0070】

【数5】

【0071】

なお、f_oは所定の周波数であり、発振の周波数をｆとすると、ｆ<<f_oで微分要素ｓに漸近し、ｆ>>f_oで定数2πf_oに漸近する。すなわち、数式４に示される伝達関数は、１次ハイパスフィルター（ＨＰＦ）に係数をかけたものとなる。図４は、伝達関数の周波数特性の一例を示したグラフであり、図４（Ａ）が微分の周波数特性を示し、図４（Ｂ）が本実施形態の１次ＨＰＦ型の伝達関数の周波数特性を示す。

【0072】

以上のことから、微分演算部４２で算出される力Ｆ_dは、粘性係数Ｋ_hpfに定数2πf_hpfを掛けることで下記数式６から算出される。このように構成された微分演算部４２の微分演算により、発振を抑制しつつ、高周波のノイズの増加を抑制することができる。

【数6】

【0073】

また、本実施形態の反力算出部３６は、減算部４６及びフィルタ４８を備える。

【0074】

減算部４６は、加算部４４の出力値から後述する微分演算部５０の出力値を減算する。

【0075】

フィルタ４８は、ハプティクス装置１４の固有振動による発振を抑制するためのノッチフィルタ等の各種フィルタであり、減算部４６からの出力値をフィルタ処理し、反力値Ｆ_calとしてサーボモータ３８へ出力する。なお、コントローラ３０にフィルタ４８が設けられずに、減算部４６からの出力値を反力値Ｆ_calとしてサーボモータ３８へ出力してもよい。

【0076】

ここで、上記のように微分演算部４２に１次ＨＰＦ要素を与えて力Ｆ_ｄを出力しても、応答性を良くするために粘性係数を大きくした場合に、発振以外にノイズが生じる可能性がある。このノイズは、サブシミュレータ２４による目標位置ｘ_tの変位に対する応答性が速い一方で、メインシミュレータ２２の更新周期が遅い場合に、メインシミュレータ２２によるオブジェクトの位置等の更新タイミングで生じるものである。

【0077】

図５の模式図を参照して、ノイズの発生について具体的に説明する。シミュレーションにおいてスタイラス１２'(現実のスタイラス１２をシミュ―ションで模擬したもの)がオブジェクト６０に接触すると（図５（Ａ））、スタイラス１２'によるオブジェクト６０への干渉が始まることで反力が発生する（図５（Ｂ））。そして、図５（Ｃ），（Ｄ）のように、スタイラス１２’のオブジェクト６０への侵入深度と速度に比例して反力が大きくなる。この図５（Ａ）～（Ｄ）の間はサブシミュレータ２４による目標位置ｘ_tの更新が行われる。そして、図５（Ｅ）においてメインシミュレータ２２によるオブジェクト６０の位置等の更新が行われると、オブジェクト６０が移動して急激に反力が小さくなる。その後、スタイラス１２’がオブジェクト６０に接触し続けることで、再び反力が大きくなる（図５（Ｆ））。

【0078】

このように、サブシミュレータ２４の更新頻度に比べて、メインシミュレータ２２の更新頻度が遅いと、反力の急減が生じ、これがノイズとして表れる。なお、このノイズとは、スタイラス１２に与える反力が急激に変化することで、スタイラス１２が滑らかに動かないことをいう。

【0079】

ここで、微分演算部４２において、目標位置ｘ_tが一定値であると仮定すると、微分演算部４２の出力である力Ｆ_ｄは下記数式７で表される。

【0080】

【数7】

【0081】

数式７で表される力Ｆ_ｄは、数式８で表すように実位置ｘ_rの微分要素の反数と等価である。数式８には目標位置ｘ_tが含まれていないため、目標位置ｘ_tにノイズが含まれても数式８の出力に表れない。

【0082】

【数8】

【0083】

そこで、本実施形態のコントローラ３０は、シミュレーションの更新とは関係なく、実位置ｘ_rの微分要素（粘性）を反力としてスタイラス１２に与える。この機能を有する構成が微分演算部５０であり、目標位置ｘ_tに基づいて算出された反力値をバイパスするように設けられ、位置算出部３２で算出された実位置ｘ_rの微分要素に基づく力を算出する。これにより、スタイラス１２には実位置ｘ_rのみに基づく粘性が反力として常に与えられることとなる。

【0084】

なお、微分演算部５０は、微分演算部４２と同様に、入力信号（差分ｘ_t-r）の所定の周波数未満の成分に対して１階微分に漸近し、入力信号（差分ｘ_t-r）の所定の周波数以上の成分に対して定数倍に漸近する値を出力する。

【0085】

以上のことから、微分演算部５０で算出される力Ｆ_d2は、バネ定数Ｋ_bypassに定数2πf_hpfを掛けることで下記数式９から算出される。

【0086】

【数9】

【0087】

さらに、目標位置ｘ_tが一定値の場合には、微分演算部４２と微分演算部５０の１次ＨＰＦ要素は同じ出力となる。このため、２つのバネ定数を足し合わせた値であるＫ_hpf＋Ｋ_bypassが変化しなければ、粘性係数Ｋ_hpfと粘性係数Ｋ_bypassとの比率を変えても、制御の安定性は変わらない。すなわち、Ｋ_hpf＋Ｋ_bypassを一定値にして粘性係数Ｋ_hpfと粘性係数Ｋ_bypassとの比率を変えることで、制御の安定性に変化を与えずに以下の調整が可能となる。

【0088】

・粘性係数Ｋ_hpfの比率を大きくする : ノイズが発生し易いが、干渉がない時の粘性が小さい。
・粘性係数Ｋ_bypassの比率を大きくする : ノイズが発生し難いが、常に粘性を感じるようになる。

【0089】

このように、本実施形態のコントローラ３０は、微分演算部４２で用いる粘性係数Ｋ_hpfと微分演算部５０で用いる粘性係数Ｋ_bypassとの和を所定値（一定値）とし、粘性係数Ｋ_hpfと粘性係数Ｋ_bypassとの比率を可変とする。これにより、シミュレータ２０の出力が図５を参照して説明したノイズを発生させる場合でも、ユーザが常に粘性を感じることを許容するので、コントローラ３０は、スタイラス１２に与える反力(F_out)のノイズを低減することができる。

【0090】

また、さらに、バネ係数Ｋ_pをデフォルトの設定値よりも１．０以上に定数倍してもよい。これにより、制御は不安定になるが、応答性が良くなる。また、粘性係数Ｋ_hpfと粘性係数Ｋ_bypassとの和をデフォルトの設定値よりも１．０以下に定数倍してもよい。これにより、制御は不安定になるが、粘性が小さくなる。

【0091】

このように、本実施形態のコントローラ３０は、粘性係数Ｋ_hpf、粘性係数Ｋ_bypass、及びバネ係数Ｋ_pの値をユーザの好みに応じて任意の値や比率とするための係数設定機能を有している。ユーザは、例えば、シミュレータ２０によるシミュレーションを実行する前に、シミュレータ２０の設定機能を介して粘性係数Ｋ_hpfと粘性係数Ｋ_bypassとの和を設定し、バネ係数Ｋ_pの値を設定する。そして、ユーザは、粘性係数Ｋ_hpfと粘性係数Ｋ_bypassと比率を任意に設定する。これにより、スタイラス１２に与える反力をユーザの好みに応じて簡易に調整できる。

【0092】

以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

【0093】

上記実施形態では、シミュレータ２０をメインシミュレータ２２とサブシミュレータ２４に分離する形態について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、シミュレータ２０がシミュレーション機能と目標位置算出機能とを同時に１kHz以上の高速で実行可能な場合には、シミュレータ２０をメインシミュレータ２２とサブシミュレータ２４とに分離しなくてもよい。なお、メインシミュレータ２２とサブシミュレータ２４を分離しない形態の場合、1つのシミュレータ２０が複数のハプティクス装置１４を使用したシミュレーションを行ってもよい。

【0094】

上記実施形態ではメインシミュレータ２２が１つのハプティクス装置１４と１つのサブシミュレータ２４に接続される形態について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、メインシミュレータ２２が、複数のハプティクス装置１４とサブシミュレータ２４との組み合わせに接続され、１つのメインシミュレータ２２が複数のハプティクス装置１４を使用したシミュレーションを行ってもよい。

【0095】

上記実施形態では、コントローラ３０が微分演算部５０を備える形態について説明したが、本発明はこれに限られず、コントローラ３０は微分演算部５０を備えない形態としてもよい。

【0096】

上記実施形態では、ユーザが動かす作動部をペン形状のスタイラス１２とする形態について説明したが、本発明はこれに限られず、作動部はユーザが動かすことができれば、スタイラス１２のようにペン形状に限らず、他の形状でもよい。また、作動部は、ユーザの手で動かすものに限らず、例えばユーザの足等で動かすものでもよい。

【符号の説明】

【0097】

１２ スタイラス（作動部）
１４ ハプティクス装置
２０ シミュレータ（情報処理装置）
３０ コントローラ（制御装置）
３２ 位置算出部（位置算出手段）
３６ 反力算出部（反力算出手段）
４０ 比例演算部（比例演算手段）
４２ 微分演算部（第１微分演算手段）
４６ 減算部（減算手段）
５０ 微分演算部（第２微分演算手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】