JP6905384B2 - Force presenter and virtual force presenter - Google Patents
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Description
本発明は、仮想空間モデルと相互作用するユーザインターフェースとして機能し力覚を提示する力覚提示器及び仮想力覚提示装置に関する。 The present invention relates to a force sense presenter and a virtual force sense presenter that function as a user interface that interacts with a virtual space model and present a force sense.
近年のバーチャルリアリティ技術の進展により、視覚(映像)と聴覚(音声)に加えて、触力覚に情報を提示する技術が注目されている。これまでに、仮想的に物体に触ったり触られたりした感覚を提示する様々な方法が提案され、一部がビデオゲーム機のコントローラなどのユーザインターフェースとして実用化されている。 With the development of virtual reality technology in recent years, technology that presents information to the sense of tactile force in addition to visual (video) and auditory (audio) is drawing attention. So far, various methods for presenting the sensation of virtually touching or touching an object have been proposed, and some of them have been put into practical use as user interfaces such as controllers for video game machines.
例えば、ジョイスティックコントローラにより力覚提示器を構成し手や指に振動を提示して擬似的に力を感じさせる方法や、モータなどのアクチュエータを用いて力覚提示器を構成し物理的に反力を提示することで硬さを提示する方法などがある。 For example, a joystick controller can be used to configure a force sense presenter to present vibrations to the hands and fingers to make them feel a pseudo force, or an actuator such as a motor can be used to configure a force sense presenter to physically react. There is a method of presenting the hardness by presenting.
例えば、従来技術として、机などの什器に力覚提示器の土台を設置することで仮想力覚提示装置を構成し、この土台を基板にした力覚提示器に振動や反力を発生させる力覚提示部を設け、その力覚提示部の振動量や反力量を変えることで仮想的に壁や物体の表面を知覚させるという第1の方法がある(例えば、非特許文献1参照)。この第1の方法の歴史は古く、物理的にある程度正確な反力を提示できるという特徴がある。しかし、この第1の方法を実現する力覚提示器は、その土台となる机などの什器を必要とするため、可動範囲が限定されるとともに、力覚提示器を含む仮想力覚提示装置の規模が全体的に大きくなるという問題がある。 For example, as a conventional technique, a virtual force sense presenting device is configured by installing a base of a force sense presenter on a fixture such as a desk, and a force that generates vibration or a reaction force in the force sense presenter using this base as a substrate. There is a first method in which a sense presentation unit is provided and the surface of a wall or an object is virtually perceived by changing the vibration amount or reaction force amount of the force sense presentation unit (see, for example, Non-Patent Document 1). This first method has a long history and is characterized by being able to present a physically accurate reaction force to some extent. However, since the force sense presenter that realizes this first method requires furniture such as a desk as a base thereof, the movable range is limited, and the virtual force sense presenter including the force sense presenter is used. There is a problem that the scale becomes large as a whole.
そこで、近年のバーチヤルリアリティ技術では、より手軽な技法として、手にグローブを装着するなどユーザの手のひらに力覚提示器を固定するか、又はユーザの体などに力覚提示器を固定する第2の方法が知られている(例えば、非特許文献2,3参照)。
Therefore, in recent vertical reality technology, as a simpler technique, the force sense presenter is fixed to the palm of the user such as wearing a glove on the hand, or the force sense presenter is fixed to the user's body or the like. Two methods are known (see, for example, Non-Patent
更に、より手軽な技法として、グローブなどを装着したりすることなくユーザが自由に掴んだり放したりすることができるよう把持可能に力覚提示器の本体を構成し、その力覚提示器の本体に指先で押し込み可能なスイッチ等で構成した力覚提示部を設け、この力覚提示部に対し振動や反力を発生させるよう制御する制御ユニットを力覚提示器の本体とは別体に設けることで仮想力覚提示装置を構成する第3の方法が主流となっている(例えば、特許文献1、非特許文献4,5,6参照)。この第3の方法では、力覚提示器の本体を構成する筐体の体積及び質量を相対的に大きく設計して、この本体側を手や指が自然に把持して支えられる構造とすることで、触力覚を提示する力の土台を得ることができる。
Furthermore, as a simpler technique, the main body of the force sense presenter is configured so that the user can freely grasp and release it without wearing gloves or the like, and the main body of the force sense presenter is configured. A force sense presenting unit composed of a switch or the like that can be pushed with a fingertip is provided, and a control unit that controls the force sense presentation unit to generate vibration or reaction force is provided separately from the main body of the force sense presenter. Therefore, the third method for configuring the virtual force sense presentation device has become mainstream (see, for example,
尚、力覚提示器の本体を把持したときの位置や姿勢の検出のために、1つ或いは複数のモーションキャプチャカメラで撮像し解析することで、力覚提示器の本体を把持したときの位置や姿勢の座標・角度情報を出力するリアルタイム3次元運動計測システムが知られている(例えば、非特許文献7参照)。 In order to detect the position and posture when the body of the force presenter is gripped, the position when the body of the force presenter is gripped by imaging and analyzing with one or more motion capture cameras. A real-time three-dimensional motion measurement system that outputs coordinate / angle information of a camera or a posture is known (see, for example, Non-Patent Document 7).
また、磁界発生ユニットによって発生する磁界を基に、指先に装着されるそれぞれの磁気センサの三次元位置をそれぞれ計測し、各磁気センサの位置の座標情報を出力する3次元位置計測システムも知られている(例えば、非特許文献8参照)。 Also known is a three-dimensional position measurement system that measures the three-dimensional position of each magnetic sensor mounted on a fingertip based on the magnetic field generated by the magnetic field generation unit and outputs the coordinate information of the position of each magnetic sensor. (See, for example, Non-Patent Document 8).
前述したように、手にグローブを装着するなどユーザの手のひらに力覚提示器を固定するか、又はユーザの体などに力覚提示器を固定する第2の方法、或いはグローブなどを装着したりすることなくユーザが自由につかんだり放したりすることができる力覚提示器とその仮想力覚提示装置を構成する第3の方法であれば、例えば仮想的な壁や物にあたった際に、反力を擬似的に提示して壁や物の存在を提示することが可能である。 As described above, the force sense presenter is fixed to the palm of the user such as wearing a glove on the hand, or the second method of fixing the force sense presenter to the user's body or the like, or wearing a glove or the like. A third method of configuring a force presenter and its virtual force presenter that the user can freely grab and release without having to do so, for example, when hitting a virtual wall or object. It is possible to present the existence of walls and objects by simulating the reaction force.
しかしながら、その壁や物に物理的に侵入できないほどの力を提示したり、仮想的な壁への物理的な侵入を阻止したりするよう仮想空間モデルと相互作用するユーザインターフェースを実現する技法は実現されていない。 However, techniques that provide a user interface that interacts with the virtual space model to present forces that cannot physically penetrate the wall or object, or to prevent physical intrusion into the virtual wall. Not realized.
例えば、バーチャルリアリティ技術を応用したビデオゲームなどのコントローラでは、仮想的な物体や壁に侵入する際、ユーザに振動を提示することで、実空間にも実際に壁や物体が存在していると錯覚させる技法としている。しかし、物理的な振動の提示や、アクチュエータ等を用いたユーザの手指への圧力で壁や物体を表現したとしても、力を発生させる土台がない場合には、ユーザの手指の力を完全に打ち消す程の力を発生させ、手指をその場に押しとどめて仮想的な壁への侵入を完全に妨げることはできなかった。 For example, in a controller such as a video game that applies virtual reality technology, when invading a virtual object or wall, the wall or object actually exists in the real space by presenting vibration to the user. It is a technique that makes you feel illusion. However, even if a wall or an object is expressed by the presentation of physical vibration or the pressure on the user's finger using an actuator or the like, if there is no foundation for generating the force, the force of the user's finger is completely applied. It was not possible to generate enough force to keep the fingers in place and completely prevent the invasion of the virtual wall.
一方で、前述したように、机などの什器に力覚提示器の土台を設置することで仮想力覚提示装置を構成し、力の提示のために土台を利用する第1の方法であれば、ユーザの手指以上の力を提示することで、仮想的な壁への侵入を阻止することができる。しかし、仮想力覚提示装置が大掛かりとなることから、ビデオゲームのコントローラなどでの応用には不向きである。 On the other hand, as described above, if it is the first method of constructing a virtual force sense presenting device by installing a base of a force sense presenter on a fixture such as a desk and using the base for presenting force. By presenting more force than the user's fingers, it is possible to prevent intrusion into the virtual wall. However, since the virtual force sense presentation device becomes large-scale, it is not suitable for application in a video game controller or the like.
即ち、グローブなどを装着したりすることなくユーザが自由につかんだり放したりすることができるよう把持可能な力覚提示器とその力覚提示器を制御する制御ユニットで仮想力覚提示装置を構成しつつ、仮想空間モデルにおける壁や物等の仮想被当接体に対し、物理的に侵入できないほどの力や衝撃を提示したり、仮想的な壁への物理的な侵入を阻止するなど、仮想空間モデルに対しより正確な力覚を提示する技法が望まれる。 That is, the virtual force sense presenter is composed of a force sense presenter that can be grasped and a control unit that controls the force sense presenter so that the user can freely grasp and release the force sense presenter without wearing gloves or the like. At the same time, it presents a force or impact that cannot be physically penetrated to a virtual contact body such as a wall or an object in the virtual space model, or prevents physical intrusion into a virtual wall. A technique that presents a more accurate sense of force to the virtual space model is desired.
本発明は、上述の問題に鑑みて、仮想空間モデルと相互作用するユーザインターフェースとして、仮想空間モデルに対しより正確な力覚を提示する把持可能な力覚提示器と、その力覚提示器を制御する仮想力覚提示装置を提供することにある。 In view of the above problems, the present invention provides a grippable force sense presenter that presents a more accurate force sense to the virtual space model and a force sense presenter thereof as a user interface that interacts with the virtual space model. The purpose is to provide a virtual force sense presentation device to be controlled.
本発明の力覚提示器は、仮想空間モデルと相互作用するユーザインターフェースとして力覚を提示する把持可能な力覚提示器であって、把持可能な本体部と、前記本体部から伸縮することで力覚を提示する1つ又は複数の力覚提示部とを備え、当該力覚提示器は仮想被当接体を含む仮想空間モデルにおける仮想オブジェクトに対応付けられ、前記1つ又は複数の力覚提示部の各々は、前記仮想オブジェクトの前記仮想被当接体に対する当接を、前記仮想空間モデルに従うように前記本体部を把持する指又は手のひらを実空間上で移動制限又は姿勢制限させ且つ指又は手のひらに衝撃を付与することで力覚を提示可能とする、各々が直線的に片方向又は双方向に伸縮する1軸又は複数軸のアクチュータを有し、前記仮想被当接体の領域に対し前記仮想オブジェクトが侵入不能であることを力覚提示で知覚させるよう、当該力覚提示器を把持する手のひらの表面の空間位置を、物理的に前記仮想被当接体に対応する実空間位置に押しとどめるように移動制限又は姿勢制限させるためのアクチュータは、手のひらが前記仮想被当接体に対応する実空間領域に侵入することを不可能とする把持不能となる位置まで伸長するように構成されていることを特徴とする。 The force sense presenter of the present invention is a grippable force sense presenter that presents force sense as a user interface that interacts with a virtual space model, and by expanding and contracting from the grippable main body portion and the main body portion. It is provided with one or a plurality of force sense presenting units for presenting a force sense, and the force sense presenter is associated with a virtual object in a virtual space model including a virtual contact body, and the one or a plurality of force senses are associated with the virtual object. Each of the presenting portions restricts the movement or posture of the finger or palm that grips the main body portion in the real space and the finger to contact the virtual object with the virtual contact body so as to follow the virtual space model. Alternatively, each of them has a uniaxial or multi-axis actuator that expands and contracts linearly in one direction or both directions so as to be able to present a sense of force by applying an impact to the palm, and in the area of the virtual contacted body. On the other hand, the spatial position on the surface of the palm holding the force sensor is set to the real space position physically corresponding to the virtual contact body so that the force sense presentation perceives that the virtual object is inaccessible. The actuator for restricting movement or posture so as to hold it in place is configured to extend to a position where the palm cannot be grasped, which makes it impossible for the palm to enter the real space area corresponding to the virtual contact body. It is characterized by being done.
また、本発明の力覚提示器において、前記1つ又は複数の力覚提示部の各々におけるいずれかの先端となる力点が、常に前記仮想被当接体における当接対象の表面に対応する実空間位置に留まり続けるよう駆動制御されることにより、前記仮想オブジェクトの前記仮想被当接体に対する当接の力覚を提示するよう構成されていることを特徴とする。 Further, in the force sense presenter of the present invention, the force point at the tip of each of the one or more force sense presenters always corresponds to the surface of the contact target in the virtual contacted body. It is characterized in that it is configured to present the force sense of contact of the virtual object with respect to the virtual contacted body by being driven and controlled so as to remain in a spatial position.
また、本発明の力覚提示器において、前記1つ又は複数の力覚提示部の各々の各最大伸長量が個別に変化させて同時に制御されることにより、前記仮想オブジェクトの前記仮想被当接体に対する位置に応じて、前記仮想オブジェクトの前記仮想被当接体に対する当接の力覚を提示するよう構成されていることを特徴とする。 Further, in the force sense presenter of the present invention, the maximum extension amount of each of the one or a plurality of force sense presenters is individually changed and controlled at the same time, so that the virtual object is brought into contact with the virtual object. It is characterized in that it is configured to present the force sense of contact of the virtual object with respect to the virtual contacted body according to the position with respect to the body.
また、本発明の力覚提示器において、仮想物体の形状や硬さを知覚させるための1つ又は複数の触力覚提示部を更に備えることを特徴とする。 Further, the force sense presenter of the present invention is further provided with one or more tactile force sense presenters for perceiving the shape and hardness of the virtual object.
また、本発明の力覚提示器において、前記仮想空間モデルと相互作用するよう当該力覚提示器を制御する制御手段が前記本体部内に設けられ、前記制御手段が前記仮想空間モデルを表示装置に提示する仮想空間モデル表示制御部と近距離無線通信で連動制御するよう構成されていることを特徴とする。 Further, in the force sense presenter of the present invention, a control means for controlling the force sense presenter so as to interact with the virtual space model is provided in the main body, and the control means displays the virtual space model on the display device. It is characterized in that it is configured to be interlocked with the presented virtual space model display control unit by short-range wireless communication.
更に、本発明の仮想力覚提示装置は、本発明の力覚提示器と、前記仮想空間モデルと相互作用するよう当該力覚提示器を制御する制御手段と、前記仮想空間モデルを表示装置に提示する仮想空間モデル表示制御部とを備え、前記制御手段は、前記1つ又は複数の力覚提示部の各々に対し、前記仮想オブジェクトの前記仮想被当接体に対する当接を、前記仮想空間モデルに従うように前記本体部を把持する指又は手のひらを実空間上で移動制限又は姿勢制限させ、或いは指又は手のひらに衝撃を付与するよう制御する手段を備え、前記制御手段は、前記移動制限又は姿勢制限させるためのアクチュータを手のひらが前記仮想被当接体に対応する実空間領域に侵入することを不可能とする把持不能となる位置まで伸長する制御を行うことにより、当該力覚提示器を把持する手のひらの表面の空間位置を、物理的に前記仮想被当接体に対応する実空間位置に押しとどめるように移動制限又は姿勢制限させ、前記仮想被当接体の領域に対し前記仮想オブジェクトが侵入不能であることを力覚提示で知覚させるようにしたことを特徴とする。 Further, the virtual force sense presenting device of the present invention uses the force sense presenter of the present invention, a control means for controlling the force sense presenter so as to interact with the virtual space model, and the virtual space model as a display device. The virtual space model display control unit for presenting is provided, and the control means makes contact of the virtual object with the virtual contact body with respect to each of the one or a plurality of force sense presentation units in the virtual space. The control means includes means for controlling the movement or posture of the finger or palm that grips the main body in accordance with the model, or applying an impact to the finger or palm, and the control means is the movement restriction or the movement restriction or the palm. The force sense presenter is controlled by extending the actuator for restricting the posture to a position where the palm cannot enter the real space area corresponding to the virtual contacted body so that the palm cannot be grasped. The space position on the surface of the palm to be gripped is restricted in movement or posture so as to be physically held at the real space position corresponding to the virtual contact body, and the virtual object is restricted with respect to the area of the virtual contact body. It is characterized in that it is made to perceive that it is inaccessible by presenting force.
更に、本発明の仮想力覚提示装置は、本発明の力覚提示器と、前記仮想空間モデルと相互作用するよう当該力覚提示器を制御する制御手段と、前記仮想空間モデルを表示装置に提示する仮想空間モデル表示制御部とを備え、前記制御手段は、前記1つ又は複数の力覚提示部の各々に対し、前記仮想オブジェクトの前記仮想被当接体に対する当接を、前記仮想空間モデルに従うように前記本体部を把持する指又は手のひらを実空間上で移動制限又は姿勢制限させ、或いは指又は手のひらに衝撃を付与するよう制御する手段と、前記1つ又は複数の触力覚提示部の各々に対し、仮想物体の形状や硬さを知覚させるために初期位置から縮長方向へ伸縮させ、且つ反力を提示するよう制御する手段と、を備え、前記制御手段は、前記移動制限又は姿勢制限させるためのアクチュータを手のひらが前記仮想被当接体に対応する実空間領域に侵入することを不可能とする把持不能となる位置まで伸長する制御を行うことにより、当該力覚提示器を把持する手のひらの表面の空間位置を、物理的に前記仮想被当接体に対応する実空間位置に押しとどめるように移動制限又は姿勢制限させ、前記仮想被当接体の領域に対し前記仮想オブジェクトが侵入不能であることを力覚提示で知覚させるようにしたことを特徴とする。 Further, the virtual force sense presenting device of the present invention uses the force sense presenter of the present invention, a control means for controlling the force sense presenter so as to interact with the virtual space model, and the virtual space model as a display device. A virtual space model display control unit for presenting is provided, and the control means makes contact of the virtual object with the virtual contacted body with respect to each of the one or a plurality of force sense presenting units in the virtual space. A means for controlling the movement or posture of the finger or palm that grips the main body so as to follow the model, or to give an impact to the finger or palm, and the presentation of one or more tactile force senses. Each of the parts is provided with a means for controlling the expansion and contraction in the contraction direction from the initial position and presenting a reaction force in order to perceive the shape and hardness of the virtual object, and the control means is said to move. The force sense is presented by controlling the actuator for restricting or posture restriction to extend to a position where the palm cannot enter the real space region corresponding to the virtual contacted body so that the palm cannot be grasped. The space position on the surface of the palm that grips the vessel is restricted in movement or posture so as to be physically held at the real space position corresponding to the virtual contact body, and the area of the virtual contact body is restricted. It is characterized in that the virtual object is made to perceive that it is inaccessible by force presentation .
更に、本発明の仮想力覚提示装置は、本発明の力覚提示器と、前記仮想空間モデルを表示装置に提示する仮想空間モデル表示制御部とを備え、前記制御手段は、前記1つ又は複数の力覚提示部の各々に対し、前記仮想オブジェクトの前記仮想被当接体に対する当接を、前記仮想空間モデルに従うように前記本体部を把持する指又は手のひらを実空間上で移動制限又は姿勢制限させ、或いは指又は手のひらに衝撃を付与するよう制御する手段を備え、前記制御手段は、前記移動制限又は姿勢制限させるためのアクチュータを手のひらが前記仮想被当接体に対応する実空間領域に侵入することを不可能とする把持不能となる位置まで伸長する制御を行うことにより、当該力覚提示器を把持する手のひらの表面の空間位置を、物理的に前記仮想被当接体に対応する実空間位置に押しとどめるように移動制限又は姿勢制限させ、前記仮想被当接体の領域に対し前記仮想オブジェクトが侵入不能であることを力覚提示で知覚させるようにしたことを特徴とする。
Further, the virtual force sense presenting device of the present invention includes the force sense presenter of the present invention and a virtual space model display control unit that presents the virtual space model to the display device, and the control means is the one or the above. For each of the plurality of force sense presenting portions, the contact of the virtual object with the virtual contact body is restricted, or the movement of the finger or palm holding the main body portion is restricted in the real space so as to follow the virtual space model. A means for controlling the posture to be restricted or giving an impact to a finger or a palm is provided, and the control means is a real space region in which the palm corresponds to the virtual contact body with an actuator for restricting the movement or the posture. By controlling the extension to a position where it becomes impossible to grasp the force sense presenter, the spatial position of the surface of the palm that grips the force sense presenter physically corresponds to the virtual contact body. It is characterized in that the movement is restricted or the posture is restricted so as to keep it in the real space position, and the virtual object is perceived by the force sense presentation that the virtual object cannot enter the area of the virtual contact body. ..
また、本発明の仮想力覚提示装置において、前記制御手段は、前記1つ又は複数の力覚提示部の各々におけるいずれかの先端となる力点が、常に前記仮想被当接体における当接対象の表面に対応する実空間位置に留まり続けるよう駆動制御することを特徴とする。 Further, in the virtual force sense presenting device of the present invention, in the control means, the force point at the tip of each of the one or a plurality of force sense presenting portions is always the contact target in the virtual contacted body. It is characterized in that the drive is controlled so as to continue to stay in the real space position corresponding to the surface of the.
また、本発明の仮想力覚提示装置において、前記制御手段は、前記1つ又は複数の力覚提示部の各々の各最大伸長量を個別に変化させて同時に制御することを特徴とする。 Further, in the virtual force sense presenting device of the present invention, the control means is characterized in that each maximum extension amount of each of the one or a plurality of force sense presentation units is individually changed and controlled at the same time.
本発明によれば、グローブなどを装着したりすることなくユーザが自由につかんだり放したりすることができるよう把持可能な力覚提示器とその力覚提示器を制御する制御ユニットで仮想力覚提示装置を構成しつつ、仮想空間モデル内で、力覚提示器に対応する仮想オブジェクトを仮想被当接体に対し移動制限又は姿勢制限させるように、仮想空間モデルと相互作用するユーザインターフェースを実現することができる。 According to the present invention, a virtual force sense is achieved by a force sense presenter that can be grasped and a control unit that controls the force sense presenter so that the user can freely grasp and release the force sense without wearing gloves or the like. While configuring the presentation device, a user interface that interacts with the virtual space model is realized so that the virtual object corresponding to the force sense presenter is restricted in movement or posture with respect to the virtual contact body in the virtual space model. can do.
例えばバーチャルリアリティ環境において、片手に収まるような土台を要しない把持可能な力覚提示器において、仮想空間モデルにおける壁や物等の仮想被当接体に対し、物理的に侵入できないほどの力や衝撃を提示したり、仮想的な壁への物理的な侵入を阻止したりするなど、実空間において侵入することができる仮想被当接体(壁等)の位置を錯覚的に制御することが可能となる。 For example, in a virtual reality environment, in a grippable force sense presenter that does not require a base that fits in one hand, a force that cannot physically invade a virtual contact object such as a wall or an object in the virtual space model. It is possible to illusionally control the position of a virtual contact body (wall, etc.) that can invade in real space, such as by presenting an impact or preventing physical intrusion into a virtual wall. It will be possible.
以下、図面を参照して、本発明による一実施形態の力覚提示器2及び仮想力覚提示装置1を説明する。図1は、本発明による一実施形態の力覚提示器2及び仮想力覚提示装置1の概略構成とその周辺装置を例示する図である。図2は、本発明による一実施形態の力覚提示器2の概略構成を例示する図である。
Hereinafter, the
〔仮想力覚提示装置〕
まず、図1に示すように、仮想力覚提示装置1は、力覚提示器2と制御ユニット3とを備える。制御ユニット3は表示装置5に対し仮想空間モデル(本例では、2次元迷路のビデオゲーム)を表示し、その仮想空間モデル内の仮想オブジェクトObjに力覚提示器2が対応付けられている。即ち、仮想空間モデル内の仮想オブジェクトObjの動きは、実空間の力覚提示器2の動きに対応付けられ、仮想オブジェクトObjは力覚提示器2の仮想体として構成される。
[Virtual force presentation device]
First, as shown in FIG. 1, the virtual force
そして、仮想空間モデルには仮想オブジェクトObjと当接可能な仮想被当接体W(本例では、壁)が設けられ、仮想空間モデル上では、仮想オブジェクトObjが仮想被当接体Wに当接すると仮想的な壁への物理的な侵入を阻止される、或いは衝撃を受けるべきものとなっている。従って、仮想空間モデル内の仮想オブジェクトObjに対応する力覚提示器2についても、仮想空間モデルに従うように正確に力覚を提示する工夫が望まれ、本発明に係る力覚提示器2及び仮想力覚提示装置1は、以下に説明するように、これを実現するものとなっている。
Then, the virtual space model is provided with a virtual contact body W (wall in this example) capable of contacting the virtual object Obj, and the virtual object Obj corresponds to the virtual contact body W on the virtual space model. When touched, it should be prevented from physically invading the virtual wall or should be shocked. Therefore, it is desired that the
力覚提示器2は片手Hで把持可能に構成され、仮想空間モデルと相互作用するユーザインターフェースとして力覚を提示する機器であり、本体部2aと、その本体部2aから伸縮することで力覚を提示する力覚提示部2bとを有し、本体部2aと力覚提示部2bは伸縮自在の可撓性カバー2cで覆われている。力覚提示器2の具体的な構成例及び動作は後述する。
The
力覚提示器2の位置や姿勢は、力覚提示器2の実空間位置座標(x,y, z)と、力覚提示器2の空中姿勢を示す角度(θx,θy,θz)の6軸の座標・角度情報(図2(a)参照)として、リアルタイムに制御ユニット3へ入力される。図1に示す例では、1つ又は複数のモーションキャプチャカメラ41で撮像し信号処理ユニット42で力覚提示器の本体を把持したときの位置や姿勢の座標・角度情報を出力するリアルタイム3次元運動計測システム4(例えば、非特許文献7参照)を利用している。尚、力覚提示器2の位置や姿勢の検出のために、力覚提示器2の実空間位置座標(x,y, z)と、力覚提示器2の空中姿勢を示す角度(θx,θy,θz)の座標・角度情報として得られる任意の6軸センサを利用することができる。また、仮想空間モデルの構成上、力覚提示器2の位置情報のみの検出でよいときは、実空間位置座標(x,y, z)の情報(図2(b)参照)を出力する任意の3軸センサとすることができ、例えば、磁気センサを用いた3次元位置計測システム(例えば、非特許文献8参照)等を利用できる。仮想空間モデルとして、本例のように2次元迷路のビデオゲームであればx,yの2軸のみの情報が用いられる。
The position and posture of the
制御ユニット3は、力覚提示器制御部31、アプリケーション実行部32、及び記憶部33を備える。
The
力覚提示器制御部31は、仮想空間モデル内の仮想オブジェクトObjに対応する力覚提示器2における力覚提示を制御する機能部であり、専用のハードウェアで構成するか、又は中央演算処理ユニット(CPU)で記憶部33に格納される専用のプログラムを読み出し実行するコンピュータとして構成できる。
The force sense
アプリケーション実行部32は、仮想空間モデルを表示装置5に提示する仮想空間モデル表示制御部321を備えており、中央演算処理ユニット(CPU)で記憶部33に格納される専用のアプリケーションソフトウェアを読み出し実行するコンピュータとして構成できる。尚、記憶部33は、このような仮想空間モデルを表示装置5に提示するアプリケーションソフトウェアを記録したカセットやカードといった記録媒体を含む。
The
力覚提示器制御部31は、実体位置・姿勢検出部311、相対位置算出部312、力覚提示制御部313、及び力覚提示駆動部314を備える。
The force sense
実体位置・姿勢検出部311は、本例ではリアルタイム3次元運動計測システム4から、把持される力覚提示器2の実空間位置座標(x,y, z)と空中姿勢を示す角度(θx,θy,θz)の6軸の座標・角度情報をリアルタイムに取得して、力覚提示器2の位置や姿勢を検出し、その力覚提示器2の位置や姿勢を示す実体位置・姿勢情報を生成して仮想空間モデル表示制御部321及び相対位置算出部312に出力する。尚、x軸方向をユーザにとっての右方向、y軸方向をユーザにとっての前進方向とした場合には、姿勢データは、それぞれθx=ピッチ(Pitch),θy=ロール(Roll),θz=ヨー(Yaw)として取得してもよい。
In this example, the body position /
仮想空間モデル表示制御部321は、入力される実体位置・姿勢情報に基づいて、仮想空間モデル内で仮想オブジェクトObjの姿勢及び位置を動かすよう表示制御する。また、仮想空間モデル表示制御部321は、その仮想オブジェクトObjの移動に応じて画面切り替え可能に仮想空間モデルを表示装置5で表示する場合を含み、仮想オブジェクトObjの位置を基準に表示装置5で表示している仮想空間モデルの仮想被当接体Wの位置を示す仮想被当接体情報を生成し、相対位置算出部312に出力する。
The virtual space model
相対位置算出部312は、実体位置・姿勢検出部311から得られる実体位置・姿勢情報と、仮想空間モデル表示制御部321から得られる仮想被当接体情報とに基づき、リアルタイムで、仮想オブジェクトObjの姿勢に応じた実体位置と、仮想オブジェクトObjの位置を基準にした仮想被当接体Wの位置との相対位置(相対変位)を算出し、その算出結果を力覚提示制御部313に出力する。
The relative position calculation unit 312 bases the virtual object Obj in real time based on the actual position / attitude information obtained from the actual position /
力覚提示制御部313は、相対位置算出部312からリアルタイムで取得した相対位置(相対変位)の算出結果がプラスの値である時は仮想オブジェクトObjと仮想被当接体Wが非当接の状態にあると判定して力覚提示器2の本体部2aから力覚提示部2bが伸長していない初期位置に設定されるよう、力覚提示駆動部314の駆動制御を介して力覚提示器2の力覚提示部2bの位置を制御する。
When the calculation result of the relative position (relative displacement) acquired in real time from the relative position calculation unit 312 is a positive value, the force sense
一方、力覚提示制御部313は、相対位置算出部312からリアルタイムで取得した相対位置(相対変位)の算出結果がゼロ又はマイナスとなるゼロ以下の値である場合、仮想オブジェクトObjと仮想被当接体Wが当接の状態にあると判定する。そして、力覚提示制御部313は、そのゼロ以下の値である相対位置(相対変位)の算出結果に応じて、マイナスに向かうほど力覚提示器2の本体部2aから力覚提示部2bを伸長させ、力覚提示駆動部314の駆動制御を介して、力覚提示部2bの実体位置が当該当接位置を保持するように力覚提示器2の力覚提示部2bの位置を制御する。
On the other hand, when the calculation result of the relative position (relative displacement) acquired in real time from the relative position calculation unit 312 by the force sense
力覚提示駆動部314は、力覚提示器2における本体部2aからの力覚提示部2bの伸長量を駆動制御するための制御信号を発生するドライバーであり、好適には力覚提示部2bの伸長量を本体部2aに内蔵されるエンコーダの出力信号を(パルス信号)を経てサーボ制御を行う構成とする。
The force sense
〔力覚提示器〕
前述したように、力覚提示器2は、片手Hで把持可能に構成され、仮想空間モデルと相互作用するユーザインターフェースとして力覚を提示する機器である。そして、力覚提示器2は、本体部2aと、その本体部2aから伸縮することで力覚を提示する力覚提示部2bとを有し、本体部2aと力覚提示部2bは伸縮自在の可撓性カバー2cで覆われている。即ち、手の中に収まるサイズで力覚提示器2が実装される。
[Force sense presenter]
As described above, the
力覚提示器2の具体的な構成例を図3に示している。図3に例示する構成では、本体部2a内にエンコーダ付きのサーボモータ21が設置され、そのサーボモータ21のモータ軸に設けられるピニオンギヤ22が、噛合歯が形成された平板棒状のラック23と噛合するようになっている。ラック23の一端23aは抜け止め突起が形成され、ラック23の他端23bは本体部2aの平坦面24に形成される開口部25から外部に突出し、力覚提示部2bの平坦面26に固着される。そして、本体部2aの平坦面24と力覚提示部2bの平坦面26とが当接する位置を初期位置とし、ラック23の一端23aがピニオンギヤ22に係合する位置まで、サーボモータ21の回転駆動により本体部2aから力覚提示部2bを伸長させることができる。
A specific configuration example of the
サーボモータ21は、力覚提示駆動部314からの制御信号により駆動制御される。好適には、サーボモータ21は、力覚提示部2bの伸長量をサーボモータ21に内蔵されるエンコーダの出力信号を(パルス信号)を経てサーボ制御を行う構成とする。ただし、必ずしもサーボ制御を行う必要はなくステッピングモータで構成してもよい。また、サーボモータ21のようなモータによるアクチュエータを構成する以外にも、リニアアクチュエータや、例えば特許文献1に開示されるような入れ子構造の多段伸長式のアクチュエータとしてもよい。また、可撓性カバー2cは設けなくともよい。
The
〔力覚提示器制御部の制御例〕
図4は、本発明による一実施形態の仮想力覚提示装置1における制御ユニット3内の力覚提示器制御部31の制御例を示すフローチャートである。まず、力覚提示器制御部31は、力覚提示器2の実体位置及び姿勢を仮想空間モデルの仮想オブジェクトObjに対応付け、力覚提示部2bを初期位置に設定する(ステップS1)。
[Control example of force sense presenter control unit]
FIG. 4 is a flowchart showing a control example of the force sense
次に、力覚提示器制御部31は、実体位置・姿勢検出部311により、本例ではリアルタイム3次元運動計測システム4から、把持される力覚提示器2の実空間位置座標(x,y, z)と空中姿勢を示す角度(θx,θy,θz)の6軸の座標・角度情報をリアルタイムに取得して、力覚提示器2の位置や姿勢を検出し、力覚提示器2の位置や姿勢を示す実体位置・姿勢情報を生成する(ステップS2)。
Next, the force sense
次に、力覚提示器制御部31は、相対位置算出部312により、仮想空間モデル表示制御部321から、仮想オブジェクトObjの移動に応じて画面切り替え可能に仮想空間モデルを表示装置5で表示する場合を含み、仮想オブジェクトObjの位置を基準に表示装置5で表示している仮想空間モデルの仮想被当接体Wの位置を示す仮想被当接体情報を取得する(ステップS3)。
Next, the force sense
次に、力覚提示器制御部31は、相対位置算出部312により、実体位置・姿勢検出部311から得られる実体位置・姿勢情報と、仮想空間モデル表示制御部321から得られる仮想被当接体情報を基に、リアルタイムで仮想オブジェクトObjの姿勢に応じた実体位置と、仮想オブジェクトObjの位置を基準にした仮想被当接体Wの位置との相対位置(相対変位)を算出する(ステップS4)。
Next, the force sense
次に、力覚提示器制御部31は、力覚提示制御部313により、相対位置算出部312からリアルタイムで取得した相対位置(相対変位)の算出結果を基に、仮想オブジェクトObjと仮想被当接体Wが当接の状態であるか非当接の状態であるかを判定する(ステップS5)。
Next, the force sense
ここで、力覚提示制御部313は、相対位置算出部312からリアルタイムで取得した相対位置(相対変位)の算出結果がプラスの値である時は仮想オブジェクトObjと仮想被当接体Wが非当接の状態にあると判定し(ステップS5:No)、力覚提示器2の本体部2aから力覚提示部2bが伸長していない初期位置とするべく、ステップS1に移行する。
Here, in the force sense
一方、力覚提示制御部313は、相対位置算出部312からリアルタイムで取得した相対位置(相対変位)の算出結果がゼロ又はゼロ以下の値であるマイナスとなる時は仮想オブジェクトObjと仮想被当接体Wが当接の状態にあると判定する(ステップS5:Yes)。そして、力覚提示制御部313は、そのゼロ以下の値である相対位置(相対変位)の算出結果に応じて、マイナスに向かうほど力覚提示器2の本体部2aから力覚提示部2bを伸長させ、力覚提示部2bの実体位置が当該当接位置を保持するよう、力覚提示駆動部314の駆動制御を介して力覚提示器2における力覚提示部2bの位置を制御する(ステップS6)。
On the other hand, when the calculation result of the relative position (relative displacement) acquired in real time from the relative position calculation unit 312 is zero or a value of zero or less, the force sense
その後、処理を終了(アプリケーションの実行終了とするステップS7:Yes)まで継続するときはステップS2に移行する(ステップS7:No)。 After that, when the process is continued until the end (step S7: Yes of ending the execution of the application), the process proceeds to step S2 (step S7: No).
このように構成することで、仮想空間モデルに設けられる仮想被当接体W(本例では、壁)に対し仮想オブジェクトObjが当接するか否かがリアルタイムに判定され、仮想被当接体W(本例では、壁)に対し仮想オブジェクトObjが当接すると(当接には衝撃を受けることを含む)、仮想空間モデル内の仮想オブジェクトObjに対応する力覚提示器2についても、仮想オブジェクトの仮想被当接体に対する当接を、仮想空間モデルに従うように当該力覚提示器を把持する指又は手のひらを実空間上で移動制限又は姿勢制限させ、或いは指又は手のひらに衝撃を付与するものとなる。
With this configuration, it is determined in real time whether or not the virtual object Obj is in contact with the virtual contact body W (wall in this example) provided in the virtual space model, and the virtual contact body W is determined. When the virtual object Obj comes into contact with (in this example, the wall) (including the impact of the contact), the
即ち、物理的にユーザの手や指が仮想被当接体W(本例では、壁)領域に対応する実空間領域に侵入できないようになる(無理に物理的に移動させようとすると力覚提示器2を把持できなくなる)。以下、より具体的に、この動作について詳細に説明する。
That is, the user's hand or finger cannot physically enter the real space area corresponding to the virtual contact body W (wall in this example) area (forced physical movement is a force sensation). The
図5(a),(b)は、それぞれ本発明による一実施形態の力覚提示器2の動作例を示す図である。力覚提示器2の把持の仕方には様々に許容され、図5(a)と図5(b)ではそのうち2例を分けて図示している。
5 (a) and 5 (b) are diagrams showing operation examples of the
即ち、図5(a)(図5(a−1)〜(a−3))では、力覚提示器2を力点P1に位置する1〜4本の指(人差し指、中指、薬指、小指)と、これら4指に対向し力点P2に位置する親指と、力点dtpに位置する手のひらを用いた片手H全体で把持した状態で、仮想被当接体W(本例では、壁)領域に対し垂直(x軸方向)に仮想オブジェクトObj(力覚提示器2に対応する)を侵入させていない状態(図5(a−1))から侵入させようとする状態(図5(a−2),(a−3))の動作例を示している。
That is, in FIG. 5 (a) (FIGS. 5 (a-1) to (a-3)), the
一方、図5(b)(図5(b−1)〜(b−3))では、力覚提示器2を力点Pに位置する1〜4本の指(人差し指、中指、薬指、小指)と、これら4指に対向し力点dtpに位置する親指による片手Hで把持した状態で、仮想被当接体W(本例では、壁)領域に対し垂直(x軸方向)に仮想オブジェクトObj(力覚提示器2に対応する)を侵入させていない状態(図5(b−1))から侵入させようとする状態(図5(b−2),(b−3))の動作例を示している。
On the other hand, in FIG. 5 (b) (FIGS. 5 (b-1) to (b-3)), 1 to 4 fingers (index finger, middle finger, ring finger, little finger) in which the
代表して、図5(a)に示す例のときの動作を詳細に説明する。 Representatively, the operation in the case of the example shown in FIG. 5A will be described in detail.
図5(a−1)に示す状態では、ユーザが力覚提示器2を片手Hで保持し、力覚提示器2の本体部2aから力覚提示部2bが伸長していない初期位置に設定され、仮想オブジェクトObj(力覚提示器2に対応する)が仮想被当接体W(本例では、壁)領域に侵入していない状態を示している。このとき、仮想オブジェクトObjの姿勢に応じた実体位置と、仮想オブジェクトObjの位置を基準にした仮想被当接体Wの位置との相対位置(相対変位)の値として、力覚提示器2の重心点d0と力覚提示部2bの先端となる力点dtpまでの相対変位+Daであるとする。
In the state shown in FIG. 5A-1, the user holds the
続いて、図5(a−2)に示す状態のように、仮想被当接体W(本例では、壁)領域に対し垂直(x軸方向)に仮想オブジェクトObj(力覚提示器2に対応する)を侵入させようとすると、仮想オブジェクトObjの姿勢に応じた実体位置と、仮想オブジェクトObjの位置を基準にした仮想被当接体Wの位置との相対位置(相対変位)の値として、−Db(|Db|>|Da|)となり、力覚提示部2bの先端となる力点dtpが常に仮想被当接体Wの表面に対応する実空間位置に留まり続けるように駆動制御される。このとき、4指の力点P1に加わる力と親指の力点P2に加わる力の合力が、力点dtpの手のひらに加わる力と釣り合う状態となっている。
Subsequently, as shown in FIG. 5A-2, the virtual object Obj (force sense presenter 2) is perpendicular to the virtual contact body W (wall in this example) region (in the x-axis direction). When trying to invade (corresponding), as the value of the relative position (relative displacement) between the actual position according to the posture of the virtual object Obj and the position of the virtual contact body W based on the position of the virtual object Obj. , -Db (| Db |> | Da |), and the force point dtp, which is the tip of the force
更に、図5(a−3)に示す状態のように、仮想被当接体W(本例では、壁)領域に対し垂直(x軸方向)に仮想オブジェクトObj(力覚提示器2に対応する)をより一層侵入させようとしても、仮想オブジェクトObjの姿勢に応じた実体位置と、仮想オブジェクトObjの位置を基準にした仮想被当接体Wの位置との相対位置(相対変位)の値として、−Dc(|Dc|>|Dc|)となり、力覚提示部2bの先端となる力点dtpが常に仮想被当接体Wの表面に対応する実空間位置に留まり続けるように駆動制御される。このときも、4指の力点P1に加わる力と親指の力点P2に加わる力の合力が、力点dtpの手のひらに加わる力と釣り合う状態となっている。
Further, as shown in FIG. 5A-3, it corresponds to the virtual object Obj (force sense presenter 2) perpendicularly (x-axis direction) to the virtual contact body W (wall in this example) region. The value of the relative position (relative displacement) between the actual position according to the posture of the virtual object Obj and the position of the virtual contacted body W based on the position of the virtual object Obj, even if the virtual object Obj is further intruded. As a result, -Dc (| Dc |> | Dc |) is obtained, and the force point dtp, which is the tip of the force
ところで、従来技法では、仮想被当接体W(本例では、壁)領域に対し仮想オブジェクトObjが当接した状態にあるか否かを知覚させることはできるが、仮想被当接体W(本例では、壁)領域に対し仮想オブジェクトObjが侵入不能であることを力覚提示で知覚させることができなかった。 By the way, in the conventional technique, it is possible to perceive whether or not the virtual object Obj is in contact with the virtual contact body W (in this example, the wall) region, but the virtual contact body W (in this example) In this example, it was not possible to perceive the virtual object Obj as inaccessible to the wall) region by force presentation.
これに対し、本発明に係る力覚提示器2及び仮想力覚提示装置1では、力覚提示器2を把持する手のひらの表面の空間位置(力点dtpの位置)を、物理的に仮想被当接体W(本例では、壁)に対応する実空間位置に押しとどめるようにしている。即ち、力覚提示器2は、手のひらが仮想被当接体W(本例では、壁)に対応する実空間領域に侵入しようとし続ける限り力覚提示部2bが本体部2aから伸長し、力覚提示器2自体の全長が伸長し続ける。
On the other hand, in the
従って、本発明に係る力覚提示器2及び仮想力覚提示装置1では、ユーザが力覚提示器2を把持し続ける限り、手のひらが仮想被当接体W(本例では、壁)に対応する実空間領域に侵入することは不可能となる。逆に言うと、手のひらを仮想被当接体W(本例では、壁)に対応する実空間領域に侵入させるには、ユーザが力覚提示器2を手放さざるを得なくなる。尚、図示する例では、手のひら以外の指などの部位は仮想被当接体W(本例では、壁)に対応する実空間領域に侵入しているが、ユーザが指の先端と手のひら、あるいは装置の中心位置など、いずれの境界を壁だと知覚させるかは、随意、映像情報及び音声情報の重畳や提示の仕方に適合させることができる。
Therefore, in the
尚、図5(b)に示す例のときの動作も、図5(a)に示す例と同様であり、力覚提示部2bの先端となる力点dtpが常に仮想被当接体Wの表面に対応する実空間位置に留まり続けるように駆動制御される。このとき、4指の力点Pに加わる力と親指の力点dtpに加わる力が釣り合う状態となっている。従って、本発明に係る力覚提示器2及び仮想力覚提示装置1では、ユーザが力覚提示器2を把持し続ける限り、親指全体が仮想被当接体W(本例では、壁)に対応する実空間領域に侵入することは不可能となる。
The operation of the example shown in FIG. 5 (b) is the same as that of the example shown in FIG. 5 (a), and the force point dtp at the tip of the force
尚、力覚提示部2bの最大変位量は、当該力覚提示部2bの物理的な最大長とする必要は無く、個々のユーザ、又は大多数のユーザの手が把持できる最大幅を超えるよう設定すればよく、例えば10cm程度の伸長量で十分である。
The maximum displacement amount of the force
〔力覚提示器の変形例1,2〕
上述した図3等に示す力覚提示器2の構成例では、本体部2aから伸縮する力覚提示部2bを1つとして構成する例を説明したが、本体部2aから伸縮する力覚提示部2bを複数として構成することもできる。
[
In the configuration example of the
例えば、図6(a)に示す変形例1のように、本体部2aから1軸双方向に伸縮する2つの力覚提示部2b‐1,2b‐2を有する構成とすることができ、2つの力覚提示部2b‐1,2b‐2の各最大伸長量を個別に変化させて同時に制御するよう制御ユニット3を構成することができる。また、図6(a)に示す変形例2のように、本体部2aから互いに直交する2軸双方向に伸縮する4つの力覚提示部2b‐1,2b‐2,2b‐3,2b‐4を有する構成とすることができる。以下、個々に区別して説明しないときは、総括して「力覚提示部2b」とも称する。従って、制御ユニット3により、1つ又は複数の力覚提示部2bの各々の各最大伸長量を個別に変化させて同時に制御することで、仮想オブジェクトの仮想被当接体に対する位置に応じて、仮想オブジェクトの仮想被当接体に対する当接の力覚を提示するよう構成することができる。
For example, as in the modified example 1 shown in FIG. 6A, it is possible to have a configuration having two force
更に軸数を増やして5つ以上の力覚提示部を有する構成とすることもできる。変形例1,2のいずれについても手の中に収まるサイズで力覚提示器2を実装することができる。力覚提示器2における力覚提示部の数や増大させることや、各力覚提示部の最大伸長量を変化させることで、より多彩な力覚提示が可能となる。
Further, the number of axes may be increased to have a configuration having five or more force sense presentation units. In both of the modified examples 1 and 2, the
例えば、図7には、図6(b)に示す変形例2の力覚提示器2の動作例を示している。変形例2の力覚提示器2における4つの力覚提示部2b‐1,2b‐2,2b‐3,2b‐4の伸縮方向はx,y軸の2自由度とされ、図7の中央に示す(A)視のように、片手で変形例2の力覚提示器2を把持して、仮想被当接体W(例えば、壁)の表面に対応する実空間位置により四方を囲まれているときの制御について示している。
For example, FIG. 7 shows an operation example of the
図5で説明した動作原理に基づいて、図7の中央に示す(A)視の状態にある図6(b)に示す変形例2の力覚提示器2を、(B)視乃至(I)視の8方向の移動位置に応じて、4つの力覚提示部2b‐1,2b‐2,2b‐3,2b‐4の伸長量を同時に制御するよう制御ユニット3を構成することができる。
Based on the operating principle described with reference to FIG. 5, the
例えば、(B)視及び(H)視の移動位置では、変形例2の力覚提示器2において制御ユニット3は力覚提示部2b‐1,2b‐3,2b‐4の各最大伸長量を個別に変化させて同時に制御する。(C)視及び(G)視の移動位置では、変形例2の力覚提示器2において制御ユニット3は力覚提示部2b‐3,2b‐4の各最大伸長量を個別に変化させて同時に制御する。(D)視及び(F)視の移動位置では、変形例2の力覚提示器2において制御ユニット3は力覚提示部2b‐2,2b‐3,2b‐4の各最大伸長量を個別に変化させて同時に制御する。(E)視及び(I)視の移動位置では、変形例2の力覚提示器2において制御ユニット3は力覚提示部2b‐1,2b‐2の各最大伸長量を個別に変化させて同時に制御する。
For example, at the moving positions of (B) and (H) vision, in the
即ち、B視乃至I視の8方向のいずれの移動位置に対しても、力覚提示部2b‐1,2b‐2,2b‐3,2b‐4のいずれかの先端となる力点が常に四方の仮想被当接体Wのいずれかの当接対象の表面に対応する実空間位置に留まり続けるように駆動制御される。従って、ユーザが変形例2の力覚提示器2を把持し続ける限り、指または手のひらの一部が仮想被当接体W(本例では、壁)に対応する実空間領域に侵入することは不可能となる。
That is, the force point at the tip of any of the force
このように、力覚提示器2における力覚提示部の数や増大させることや、各力覚提示部の最大伸長量を変化させることで、2次元空間に限らず3次元空間において制御するよう制御ユニット3を拡張することが可能である。3次元空間において制御する場合においては、手全体で全方位を網羅的に包み込むような持ち方をすることが望ましい。
In this way, by increasing the number and number of force sense presenting portions in the
〔力覚提示器の変形例3,4〕
上述した図3等に示す力覚提示器2の構成例では、本体部2aから伸縮する力覚提示部2bを1つとして構成する例を説明したが、力覚提示部2bの他に、仮想物体の形状や硬さを知覚させるための触力覚提示部2dを追加した構成とすることもできる。例えば、図8(a)に示す変形例3のように、本体部2aから1つの力覚提示部2bを有するとともに、親指に対し仮想物体の形状や硬さを知覚させるための触力覚提示部2d‐1と、1〜4本の指(人差し指、中指、薬指、小指)に対し仮想物体の形状や硬さを知覚させるための1つ又は複数の触力覚提示部2d(図示する例では2つの触力覚提示部2d‐2,2d‐3)を有する構成とすることができる。
[
In the configuration example of the
また、図8(b)に示す変形例4のように、本体部2aから複数の力覚提示部2d(図示する例では2つの力覚提示部2b‐1,2b‐2)を有するとともに、親指に対し仮想物体の形状や硬さを知覚させるための触力覚提示部2d‐1と、1〜4本の指(人差し指、中指、薬指、小指)に対し仮想物体の形状や硬さを知覚させるための1つ又は複数の触力覚提示部2d(図示する例では2つの触力覚提示部2d‐2,2d‐3)を有する構成とすることができる。以下、個々に区別して説明しないときは、総括して「触力覚提示部2d」とも称する。
Further, as in the modified example 4 shown in FIG. 8B, the
このような触力覚提示部2dは、力覚提示部2bのような伸長量を制御することで伸縮させるものとは異なり、縮長量とその反力を制御することで伸縮させるものとすることで、提示する力覚を区別して知覚させることができる。尚、触力覚提示部2dの構造は、図3に示すようなラック&ピニオン構造のアクチュエータとすることができ、これ以外にも、リニアアクチュエータや、例えば特許文献1に開示されるような入れ子構造の多段伸長式のアクチュエータとしてもよい。
Such a tactile force
尚、触力覚提示部2dを設ける際には、仮想物体の形状や硬さを知覚させるために1kHz程度のフィードバックループによる制御周期で動作させることが好ましい。また、力覚提示部2bで、仮想被当接体W(本例では、壁)の硬さを表現させたい場合にも、1kHz程度のフィードバックループによる制御周期で表現でき、特に制御周期を変えることで壁の硬さを制御してもよい。
When the tactile force
以上のように、本発明に係る力覚提示器2及び仮想力覚提示装置1は、ユーザが片手または両手全体で包み込むように力覚提示器2を把持した際に、その力覚提示器2を把持することができる手又は指の開き具合にはユーザの手の大きさに応じた一定の限界があることを利用して、手が開く大きさの限界に至るまで力覚提示部2bの伸縮による力覚提示器2の幅又は全体の大きさをリアルタイムに制御することで、この力覚提示器2を掴んでいる手指が侵入できる実空間の領域を仮想空間モデルに対応付けて制御する。
As described above, the
これにより、上記のようなバーチャルリアリティ環境において、片手に収まるような土台を要しない装置を用いる場合においても、実空間において装置が侵入することができる仮想被当接体W(本例では、壁)の領域を錯覚的に制御して再現することが可能となる。 As a result, in the virtual reality environment as described above, even when a device that does not require a base that fits in one hand is used, the device can invade in the real space. ) Area can be controlled and reproduced illusionally.
〔適用例〕
図9(a),(b),(c)は、それぞれ本発明による一実施形態の仮想力覚提示装置1の適用例を示す図である。
[Application example]
9 (a), 9 (b), and 9 (c) are diagrams showing application examples of the virtual force
力覚提示器2及び仮想力覚提示装置1をバーチャルリアリティやゲームなどのコンテンツに応用する場合には、例えば図9(a)に示すように、仮想空間モデルとしての野球ゲームにて、バットを力覚提示器2に対応する仮想オブジェクトObjとし、ボールを仮想被当接体Wとすることができる。この場合、バットがボールに衝突した場合の衝撃を物理的に再現することができる。逆にボールを力覚提示器2に対応する仮想オブジェクトObjとし、バットを仮想被当接体Wとすることもできる。この場合、バットやグラウンドとボールが衝突した場合の衝撃を物理的に再現することができる。
When the
また、図9(b)に示すように、仮想空間モデルとしての三次元迷路やダンジョンにて、ボールなどの移動体を力覚提示器2に対応する仮想オブジェクトObjとし、壁、床、天井を仮想被当接体Wとすることができる。このように、壁だけではなく、三次元的に上下に存在する天丼や床への侵入を不可能とするような力覚の提示が可能である。このとき、物理的に通り抜けることができるトンネルや穴を通過する場合には、力覚の提示を行わないことになるため、ユーザはこの方向に限り自由に進むことができるなどの演出が可能となる。
Further, as shown in FIG. 9B, in a three-dimensional maze or dungeon as a virtual space model, a moving object such as a ball is set as a virtual object Obj corresponding to the
図9(c)に示すように、バーチャルリアリティゴーグル(又はヘッドマウントディスプレイとも称される)を表示装置5として利用し、仮想空間モデルとしての仮想的なキャラクターと対峙するようなストーリーゲームにて、例えば手に持った剣等のアイテムを力覚提示器2に対応する仮想オブジェクトObjとし、怪獣などの動物体や岩等の静物体を仮想被当接体Wとすることができる。
As shown in FIG. 9C, in a story game in which virtual reality goggles (also referred to as a head-mounted display) are used as a display device 5 to confront a virtual character as a virtual space model. For example, an item such as a sword held in a hand can be a virtual object Obj corresponding to the
このように、仮想力覚提示装置1は、仮想オブジェクトObjに対応する力覚提示器2を、仮想オブジェクトの仮想被当接体に対する当接を、仮想空間モデルに従うように当該力覚提示器を把持する指又は手のひらを実空間上で移動制限又は姿勢制限させ、或いは指又は手のひらに衝撃を付与するものとなる。
In this way, the virtual
本発明は、上述した実施形態の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によってのみ制限される。例えば、上述した実施形態の例では、力覚提示器制御部31を、力覚提示器2とは別体に構成される制御ユニット2内に設ける例を説明したが、力覚提示器制御部31を力覚提示器2の内部に設けて電池駆動とし、力覚提示器制御部31が仮想空間モデル表示制御部321と近距離無線通信で連動制御する構成とすることができる。これにより、一層、使い勝手を向上させた力覚提示器2を構成することができる。
The present invention is not limited to the examples of the above-described embodiments, but is limited only by the description of the scope of claims. For example, in the example of the above-described embodiment, the example in which the force sense
また、上述した実施形態の例では、この仮想被当接体情報として、仮想空間モデルの仮想被当接体Wの位置を示すものとして説明するが、単純に、仮想オブジェクトObjと仮想被当接体Wとが仮想空間モデル上で当接しているか否かを示すフラグとして構成してもよい。即ち、仮想オブジェクトObjと仮想被当接体Wとが仮想空間モデル上で当接している旨を示す間は、力覚提示器2における力覚提示部2bによる力覚提示を行い、当該フラグが非当接を示すときに力覚提示器2における力覚提示部2bを初期位置に設定するよう制御することで、上述した実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。
Further, in the example of the above-described embodiment, the virtual contact body information will be described as indicating the position of the virtual contact body W of the virtual space model, but simply, the virtual object Obj and the virtual contact body W will be described. It may be configured as a flag indicating whether or not the body W is in contact with the virtual space model. That is, while the virtual object Obj and the virtual contact body W indicate that they are in contact with each other on the virtual space model, the force
本発明によれば、グローブなどを装着したりすることなくユーザが自由につかんだり放したりすることができるよう把持可能な力覚提示器とその力覚提示器を制御する制御ユニットで仮想力覚提示装置を構成しつつ、仮想空間モデル内で、力覚提示器に対応する仮想オブジェクトを仮想被当接体に対し移動制限又は姿勢制限させるように、仮想空間モデルと相互作用するユーザインターフェースを実現することができるので、バーチャルリアリティの用途に有用である。 According to the present invention, a virtual force sense is achieved by a force sense presenter that can be grasped and a control unit that controls the force sense presenter so that the user can freely grasp and release the force sense without wearing gloves or the like. While configuring the presentation device, a user interface that interacts with the virtual space model is realized so that the virtual object corresponding to the force sense presenter is restricted in movement or posture with respect to the virtual contact object in the virtual space model. It is useful for virtual reality applications because it can be used.
1 仮想力覚提示装置
2 力覚提示器
2a 本体部
2b, 2b‐1,2b‐2, 2b‐3, 2b‐4 力覚提示部
2c 可撓性カバー
2d, 2d‐1,2d‐2, 2d‐3 触力覚提示部
3 制御ユニット
4 リアルタイム3次元運動計測システム
5 表示装置
21 サーボモータ
22 ピニオンギヤ
23 ラック
23a ラックの一端
23b ラック23の他端
24 本体部の平坦面
25 開口部
26 力覚提示部の平坦面
31 力覚提示器制御部
32 アプリケーション実行部
33 記憶部
41 モーションキャプチャカメラ
42 信号処理ユニット
311 実体位置・姿勢検出部
312 相対位置算出部
313 力覚提示制御部
314 力覚提示駆動部
321 仮想空間モデル表示制御部
1
Claims (10)
把持可能な本体部と、
前記本体部から伸縮することで力覚を提示する1つ又は複数の力覚提示部とを備え、
当該力覚提示器は仮想被当接体を含む仮想空間モデルにおける仮想オブジェクトに対応付けられ、
前記1つ又は複数の力覚提示部の各々は、前記仮想オブジェクトの前記仮想被当接体に対する当接を、前記仮想空間モデルに従うように前記本体部を把持する指又は手のひらを実空間上で移動制限又は姿勢制限させ、且つ指又は手のひらに衝撃を付与することで力覚を提示可能とする、各々が直線的に片方向又は双方向に伸縮する1軸又は複数軸のアクチュータを有し、前記仮想被当接体の領域に対し前記仮想オブジェクトが侵入不能であることを力覚提示で知覚させるよう、当該力覚提示器を把持する手のひらの表面の空間位置を、物理的に前記仮想被当接体に対応する実空間位置に押しとどめるように移動制限又は姿勢制限させるためのアクチュータは、手のひらが前記仮想被当接体に対応する実空間領域に侵入することを不可能とする把持不能となる位置まで伸長するように構成されていることを特徴とする力覚提示器。 A graspable force sense presenter that presents force sense as a user interface that interacts with the virtual space model.
With a grippable body
It is provided with one or a plurality of force sense presenting parts that present a force sense by expanding and contracting from the main body part.
The force sense presenter is associated with a virtual object in a virtual space model including a virtual contact body, and is associated with the virtual object.
Each of the one or a plurality of force sense presenting units makes the contact of the virtual object with the virtual contacted body, and the finger or palm holding the main body portion in the real space so as to follow the virtual space model. movement is restricted or attitude restriction, and to allow presenting the force sense by imparting an impact to the finger or the palm, each having a Akuchuta uniaxial or multiaxial stretch linearly to one-way or two-way, The spatial position of the surface of the palm holding the force sense presenter is physically determined by the force sense presentation so that the area of the virtual contacted body is perceived by the force sense presentation that the virtual object cannot enter. The actuator for restricting the movement or posture so as to keep it at the real space position corresponding to the abutting body cannot be grasped so that the palm cannot enter the real space area corresponding to the virtual abutting body. A force sensation presenter characterized in that it is configured to extend to a position where it becomes.
前記仮想空間モデルと相互作用するよう当該力覚提示器を制御する制御手段と、
前記仮想空間モデルを表示装置に提示する仮想空間モデル表示制御部とを備え、
前記制御手段は、前記1つ又は複数の力覚提示部の各々に対し、前記仮想オブジェクトの前記仮想被当接体に対する当接を、前記仮想空間モデルに従うように前記本体部を把持する指又は手のひらを実空間上で移動制限又は姿勢制限させ、或いは指又は手のひらに衝撃を付与するよう制御する手段を備え、
前記制御手段は、前記移動制限又は姿勢制限させるためのアクチュータを手のひらが前記仮想被当接体に対応する実空間領域に侵入することを不可能とする把持不能となる位置まで伸長する制御を行うことにより、当該力覚提示器を把持する手のひらの表面の空間位置を、物理的に前記仮想被当接体に対応する実空間位置に押しとどめるように移動制限又は姿勢制限させ、前記仮想被当接体の領域に対し前記仮想オブジェクトが侵入不能であることを力覚提示で知覚させるようにしたことを特徴とする仮想力覚提示装置。 The force sensation presenter according to any one of claims 1 to 3 and
A control means for controlling the force sense presenter to interact with the virtual space model,
It is provided with a virtual space model display control unit that presents the virtual space model to the display device.
The control means has a finger or a finger that grips the main body portion so as to make the contact of the virtual object with the virtual contacted body with respect to each of the one or a plurality of force sense presenting portions according to the virtual space model. Provided with means for controlling the movement or posture of the palm in real space, or giving an impact to the fingers or the palm.
The control means controls the actuator for restricting the movement or posture to extend to a position where the palm cannot be grasped so as to prevent the palm from entering the real space region corresponding to the virtual contact body. As a result, the spatial position on the surface of the palm that grips the force sense presenter is restricted in movement or posture so as to be physically held at the real space position corresponding to the virtual contact body, and the virtual contact is restricted. A virtual force sense presentation device characterized in that the virtual object is made to perceive that the virtual object cannot enter the contact area by force sense presentation.
前記仮想空間モデルと相互作用するよう当該力覚提示器を制御する制御手段と、
前記仮想空間モデルを表示装置に提示する仮想空間モデル表示制御部とを備え、
前記制御手段は、前記1つ又は複数の力覚提示部の各々に対し、前記仮想オブジェクトの前記仮想被当接体に対する当接を、前記仮想空間モデルに従うように前記本体部を把持する指又は手のひらを実空間上で移動制限又は姿勢制限させ、或いは指又は手のひらに衝撃を付与するよう制御する手段と、
前記1つ又は複数の触力覚提示部の各々に対し、仮想物体の形状や硬さを知覚させるために初期位置から縮長方向へ伸縮させ、且つ反力を提示するよう制御する手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記移動制限又は姿勢制限させるためのアクチュータを手のひらが前記仮想被当接体に対応する実空間領域に侵入することを不可能とする把持不能となる位置まで伸長する制御を行うことにより、当該力覚提示器を把持する手のひらの表面の空間位置を、物理的に前記仮想被当接体に対応する実空間位置に押しとどめるように移動制限又は姿勢制限させ、前記仮想被当接体の領域に対し前記仮想オブジェクトが侵入不能であることを力覚提示で知覚させるようにしたことを特徴とする仮想力覚提示装置。 The force sense presenter according to claim 4 and
A control means for controlling the force sense presenter to interact with the virtual space model,
It is provided with a virtual space model display control unit that presents the virtual space model to the display device.
The control means has a finger or a finger that grips the main body portion so as to make the contact of the virtual object with the virtual contacted body with respect to each of the one or a plurality of force sense presenting portions according to the virtual space model. A means for controlling the movement or posture of the palm in real space, or for giving an impact to the fingers or the palm.
A means for controlling each of the one or more tactile force sense presentation units to expand and contract in the contraction direction from the initial position and to present a reaction force in order to perceive the shape and hardness of the virtual object.
Equipped with a,
The control means controls the actuator for restricting the movement or posture to extend to a position where the palm cannot be grasped so as to prevent the palm from entering the real space region corresponding to the virtual contact body. As a result, the spatial position on the surface of the palm that grips the force sense presenter is restricted in movement or posture so as to be physically held at the real space position corresponding to the virtual contact body, and the virtual contact is restricted. A virtual force sense presentation device characterized in that the virtual object is made to perceive that the virtual object cannot enter the contact area by force sense presentation.
前記仮想空間モデルを表示装置に提示する仮想空間モデル表示制御部とを備え、
前記制御手段は、前記1つ又は複数の力覚提示部の各々に対し、前記仮想オブジェクトの前記仮想被当接体に対する当接を、前記仮想空間モデルに従うように前記本体部を把持する指又は手のひらを実空間上で移動制限又は姿勢制限させ、或いは指又は手のひらに衝撃を付与するよう制御する手段を備え、
前記制御手段は、前記移動制限又は姿勢制限させるためのアクチュータを手のひらが前記仮想被当接体に対応する実空間領域に侵入することを不可能とする把持不能となる位置まで伸長する制御を行うことにより、当該力覚提示器を把持する手のひらの表面の空間位置を、物理的に前記仮想被当接体に対応する実空間位置に押しとどめるように移動制限又は姿勢制限させ、前記仮想被当接体の領域に対し前記仮想オブジェクトが侵入不能であることを力覚提示で知覚させるようにしたことを特徴とする仮想力覚提示装置。 The force sense presenter according to claim 5 and
It is provided with a virtual space model display control unit that presents the virtual space model to the display device.
The control means has a finger or a finger that grips the main body portion so as to make the contact of the virtual object with the virtual contacted body with respect to each of the one or a plurality of force sense presenting portions according to the virtual space model. Provided with means for controlling the movement or posture of the palm in real space, or giving an impact to the fingers or the palm.
The control means controls the actuator for restricting the movement or posture to extend to a position where the palm cannot be grasped so as to prevent the palm from entering the real space region corresponding to the virtual contact body. As a result, the spatial position on the surface of the palm that grips the force sense presenter is restricted in movement or posture so as to be physically held at the real space position corresponding to the virtual contact body, and the virtual contact is restricted. A virtual force sense presentation device characterized in that the virtual object is made to perceive that the virtual object cannot enter the contact area by force sense presentation.
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