CN100392564C - 力觉提示方法以及装置 - Google Patents

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Abstract

公开一种力觉提示方法，通过与接收体的位置或者朝向相应地使气体或者液体从喷出单元的喷出口喷出并碰到该接收体，经由该接收体向操作者提示力觉。在相关力觉提示方法中，在上述接收体上设置从中心部向着外侧相对上述接收体的轴线形成倾斜形状的倾斜侧面部，通过对该倾斜侧面部喷出上述气体或者液体，对上述接收体给予包含与上述气体或者液体的喷出方向垂直方向的分量。

Description

力觉提示方法以及装置
技术领域
本发明涉及通过在喷出空气等上罩上接收体，对该接收体给予力，向操作者进行力觉提示的力觉提示技术。
背景技术
以往，作为在VR(虚拟现实)技术中的力觉提示方法，有用接收体阻挡承受喷出的空气，作为力向操作者提示的方法。作为适用了该方法的装置的一例，有图19所示的装置。图19所示的装置具有在面上配置了使喷出空气601向上方喷出的多个喷出口602的喷出部6。与在排列移动喷出口602的面的上方移动的接收体1’的位置相应地控制从接收体1’正下方和其周边的喷出口602喷出的喷出空气601(例如，参照非专利文献1、专利文献1～3)。
这种情况下，接收体1’是平面型和半球等的凹型的形状(在图19中是半球型)，通过承受喷出空气601，向手握接收体1’自身的操作者7或者手握安装有接收体1’的物体的操作者7提示向作为喷出方向的上方向的力。
专利文献1：特开2001-22499号公报
专利文献2：特开2003-256105号公报
专利文献3：特开2004-157677号公报
非专利文献1：铃木、小林(Yuriko Suzuki)著，“采用风压的Untethered力觉提示界面：3元目标的表现”，电子信息通信学会技术研究报告，电子信息通信学会多媒体·虚拟环境基础研究会(Untethered Force Feedback Interface That Uses Air Jets”，MVE ofIEICE)，2003年7月，第103卷，第209号71-76页。
发明内容
本发明解决的问题
但是，在该方法中让操作者7感觉的提示力的方向只是空气的喷出方向。为了在上方向以外的方向上提示力，考虑准备在该方向上喷促空气的喷出口的方法。但是，在该方法中除了装置体积变大以外，由于在左右设置横方向的喷出口，因而操作者7难以在左右方向上移动手或者手腕。即，该喷出口有可能妨碍操作者7的动作。
本发明的目的在于提供一种力觉提示技术，用简单的构成，不增加操作者的负担，就可以向操作者提示相对空气等的喷出方向包含了横方向分量的方向的力觉。
解决问题的手段
上述目的可以用具有以下特征的力觉提示方法实现，该力觉提示方法通过与接收体的位置或者朝向相应地使气体或者液体从喷出单元的喷出口喷出并碰到该接收体，经由该接收体向操作者提示力觉，其特征在于：
上述接收体具有凹形状的中央部，在上述中央部周围设置有形成相对上述接收体的轴线倾斜的形状的倾斜侧面部，通过对该倾斜侧面部喷出上述气体或者液体，对上述接收体给予包含与上述气体或者液体的喷射方向垂直的方向的分量的力。
另外，本发明也可以用具有以下特征的力觉提示装置构成，力觉提示装置在提供与接收体的位置或者方向相应地使气体或者液体从喷出单元的喷出口喷出并碰到该接收体，经由该接收体向操作者提示力觉的力觉提示方法中使用，其特征在于：
上述力觉提示装置具备喷出控制单元，与用连接在上述力觉提示装置上的接收体测量单元测量到的上述接收体的位置或者朝向相应地，控制从上述喷出单元的喷出口喷出的上述气体或者液体的喷出量或者喷出方向，
上述接收体具有凹形状的中央部，在上述中央部周围具有形成相对上述接收体的轴线倾斜的形状的倾斜侧面部，为了把包含与上述气体或者液体的喷出方向垂直的方向的分量的力给予上述接收体，上述喷出控制单元以对上述倾斜侧面部喷出上述气体或者液体的方式控制上述喷出单元。
在上述力觉提示装置中，在上述接收体上具备改变上述倾斜侧面部的位置或者朝向的变形机构，并且也可以具备与用上述接收体测量单元测量出的上述接收体的位置或者朝向相应地控制该变形机构的接收体侧面控制单元。
另外，上述力觉提示装置也可以具备虚拟目标就算单元，在与用上述接收体测量单元测量出的上述接收体的位置或者朝向相应地计算虚拟空间内的虚拟目标的状态的同时，根据该计算结果把包含上述虚拟目标的上述虚拟空间显示在虚拟空间显示单元上。
另外，在上述力觉提示装置中的构成也可以是，上述喷出单元具有在平面上配置了多个喷出口的构造，当上述接收体在相关平面上的规定高度的位置上的情况下，为了把包含了与上述气体或者液体的喷出方向垂直的方向的分量的力给予上述接收体，上述喷出控制单元进行喷出口选择，选择位于上述接收体的倾斜侧面部内边缘和倾斜侧面部外边缘之间并且从喷出口朝向上述接收体的中心的方向和要给予上述接收体的力的方向的角度差小于等于规定值的喷出口，使上述气体或者液体从选择出的喷出口喷出。
另外，本发明也可以作为使计算机具有作为在上述力觉提示装置中的各单元功能的程序构成。
如果采用本发明，则作为喷出单元用只在一个方向上喷出气体或者液体的简单的构成，而且不会增加操作者负担，就能够提示包含相对喷出方向垂直的方向(横方向)的分量的力。
另外，当相对喷出的气体或者液体的喷出方向，接收体的位置和倾斜发生了变化的情况下，通过用倾斜侧面部的变形机构控制倾斜侧面部，也能够控制提示的力的方向。另外，喷出控制单元通过适宜地选择喷出气体或者液体的喷出口，能够对倾斜侧面部喷出气体或者液体。进而，如果采用本发明，则能够与接收体的位置或者朝向相应地改变虚拟空间内的虚拟目标。
附图说明
图1是实施例1的力觉提示装置的构成图。
图2是实施例1的力觉提示装置的接收体和喷出部和操作者的关系的说明图。
图3是实施例1的力觉提示装置的操作处理的流程图。
图4A是实施例1的接收体的剖面图(1)。
图4B是实施例1的接收体的剖面图(2)。
图4C是实施例1的接收体的剖面图(3)。
图4D是从下面看实施例1的接收体的图。
图4E是从下面看实施例1的另一例子的接收体的图。
图5A是相对实施例1的接收体的喷出空气的喷射的说明图(1)。
图5B是相对实施例1的接收体的喷出空气的喷射的说明图(2)。
图5C是相对实施例1的接收体的喷出空气的喷射的说明图(3)。
图5D是相对实施例1的接收体的喷出空气的喷射的说明图(4)。
图6是用于说明在喷出空气撞击倾斜侧面部时发生的力的图。
图7是用于说明喷出空气撞击由曲面形状的倾斜面组成的倾斜侧面部时发生的力的图。
图8A是从下面看把倾斜侧面部的倾斜面设置成圆筒形状的一部分的接收体的图。
8B是从侧面看把倾斜侧面部的倾斜面设置成圆筒形状的一部分的接收体的图。
图8C是把倾斜侧面部的倾斜面设置成圆筒形状的一部分的接收体的纵剖面图。
图9A是从下面看接收体的图，把倾斜侧面部的倾斜面设置成与xy平面平行的剖面中的形状相对喷出口的xy平面上的位置成凹形曲线的曲面形状。
图9B是从侧面看接收体的图，把倾斜侧面部的倾斜面设置成与xy平面平行的剖面上的形状相对喷出口的xy平面上的位置成凹形曲线的曲面形状。
图9C是接收体的纵剖面图，把倾斜侧面部的倾斜面设置成与xy平面平行的剖面上的形状相对喷出口的xy平面上的位置成凹形曲线的曲面形状。
图10A是相对实施例1的接收体的喷出空气的喷射的说明图(5)。
图10B是相对实施例1的接收体的喷出空气的喷射的说明图(6)。
图11是从上部向下看在平面上具有多个喷出口的喷出部，和把倾斜侧面部设置在接收体的中央部的整个周围上的接收体的图。
图12是接收体的剖面图。
图13是用于说明Vf和VPN所成角度θij的图。
图14A是用于说明把倾斜侧面部的倾斜面设置成圆筒形状的一部分的接收体像操作者提示力的图。
图14B是用于说明设置成曲面形状的接收体向操作者提示的力的图，接收体是把倾斜侧面部102的倾斜面设置成与xy平面平行的剖面上的形状相对喷出口的xy平面上的位置成凹型的曲线的曲面形状。
图15是实施例2的力觉提示装置的构成图。
图16是实施例2的力觉提示装置的操作处理的流程图。
图17A是实施例2的接收体的说明图(1)。
图17B是实施例2的接收体的说明图(2)。
图17C是实施例2的接收体的说明图(3)。
图18A是实施例2的接收体的姿势控制的说明图(1)。
图18B是实施例2的接收体的姿势控制的说明图(2)。
图19是以往例子的力觉提示装置的接收体和喷出单元和操作者的关系的说明图。
附图标记说明
1.接收体，101中央部，102倾斜侧面部，102a，102b：叶片
2：接收体测量部
3：虚拟目标计算部
4：虚拟空间显示部
5：喷出控制部
6：喷出部，601：喷出空气，602：喷出口
7：操作者
8：接收体侧面部控制部
具体实施方式
在本实施例中，和用平行型或者凹型的接收体接收喷出空气，作为向着喷出方向的力提示的以往方式不同，提示包含相对喷出方向垂直的方向(横方向)的分量的力。为了实现提示包含相对喷出方向垂直方向(横方向)的分量的力，使接收体在其侧面的外侧上具有放掉喷出空气那样的倾斜面或者弯曲成圆弧的面的倾斜侧面部，以喷出空气吹到该倾斜侧面部的方式控制喷出部。在本实施例中，因为能够提示包含相对空气的喷出方向垂直方向(横方向)的分量的力，所以通过使空气的喷出与从横方向与物体接触那样的影像联动，能够让操作者感到从横方向接触到了什么感觉。如果采用该方法，则可以一边只使用在一个方向上喷出的喷出部，同时除了喷射方向外还可以提示对和该喷射方向垂直的方向(横方向)的力。而且，在本实施例中说明的技术例如可以适用到娱乐领域。
实施例1
图1表示实施例1的力觉提示装置的构成的方框图。图2表示该力觉提示装置的操作者和喷出部的关系的说明图。图3表示该力觉提示装置的处理的流程图。
如图1所示，本实施例的力觉提示装置具有虚拟目标计算部3以及喷出控制部5。另外，喷出部6与喷出控制部5连接，测量接收体1的位置和朝向的接收体测量部2与虚拟目标计算部3和喷出控制部5连接，虚拟空间显示部4与虚拟目标计算部3连接。以下，详细说明图1所示的各要素。在说明中适宜地参照图2.
如图2所示，接收体1阻挡承受从喷出部6的喷出口602喷出的喷出空气601。而且，作为从喷出口602喷出的物质，可以使用空气以外的气体、液体等，而在本实施例中以使用空气为例说明。操作者7手握该接收体1。操作者7可以把在棒等的前端等上安装了接收体1的该棒等的物体握在手中。进而，操作者7也可以在操作者7的手上和身上、衣服上安装接收体1。经由接收体1操作者7接收力觉的提示。
如图2所示，该接收体1具有：阻挡承受喷出空气601并把向着喷出方向的力传递给操作者7的中央部101；把包含相对该喷出方向垂直方向(横方向)的分量的力传递给操作者7的倾斜侧面部102。倾斜侧面部102可以作为1个部分构成，也可以由分割为2个或者2个以上的部分组成的部分构成。
该倾斜侧面部102是从接收体1的中心部向着外侧相对接收体1的轴线倾斜的形状。而且，所谓接收体1的轴线，是在接收体1的标准姿势时沿着喷出空气601的喷出方向的线。即，如果喷出方向相对水平面垂直，则接收体1的轴线是把接收体1放置在该水平面上时的与该水平面垂直的线。如果喷出空气601碰到倾斜侧面部102，则空气随着相对喷出方向垂直的方向(横方向)的分量流动。通过改变空气的流动，包含相对喷出方向垂直方向(横方向)的分量的力作为反作用力产生，该力传递到操作者7。作为倾斜侧面部102的具体的形状，如以后说明的那样，例如能够设置成倾斜面，或者弯曲成圆弧的曲面。
接收体测量部2是以始终检测接收体1的位置和朝向的方式构成的装置。作为接收体测量部2，可以使用照相机、磁性传感器、超声波传感器、红外线传感器、影像解析预先附加的标志进行检测的检测单元等。
虚拟目标计算部3是由计算机实现的部分，与在接收体测量部2中测量到的接收体1的位置或者朝向相应地计算在虚拟空间显示部4上显示的虚拟目标的状态(位置、形状、颜色等)。例如，虚拟目标计算部3生成和检测出的接收体1的位置联动动作的虚拟目标。虚拟目标计算部3的构成也可以是通过计算与检测出的接收体1的位置或者朝向，或者另一虚拟目标的状态相应的虚拟目标而生成。
虚拟空间显示部4是根据虚拟目标计算部3的计算结果，显示包含虚拟目标的虚拟空间的单元，例如能够用投影机实现。
喷出控制部5与用接收体测量部2测量出的接收体1的位置或者朝向相应，或者与虚拟空间内的规定的虚拟目标的状态相应，控制喷出部6的喷出口602的空气喷出位置以及喷出空气601的喷出量。另外，也可以改变喷出口602的喷出方向，这种情况下，还可以和喷出量一同控制喷出方向。例如，如能够向操作者提示力觉那样，与接收体1的位置以及朝向相应地决定使空气喷出的特定的喷出口，并决定从该喷出口602喷出的空气的喷出量以及喷出方向。另外，虚拟目标的状态因为有时与接收体1的位置或者朝向无关地由其他的主要原因决定，所以与该虚拟目标的状态相应地决定从特定的喷出口602喷出的空气的喷出量。该喷出控制部5能够用计算机实现。
喷出口6与来自喷出控制部5的控制相应地使喷出空气601喷出。作为该喷出部6的具体例子，有把向上方喷出空气的1个或者1个以上的喷出口602在桌子等的水平面上排列成2维的装置。
本实施例的力觉提示装置中的虚拟目标计算部3以及喷出控制部5可以通过在计算机上安装让计算机执行这些功能部的处理的程序来实现。该程序可以记录在CD-ROM等的记录媒体上而提供，也可以通过网络提供。
参照图3的流程图说明图1所示的力觉提示装置的动作。接收体测量部2检测被操作者7手握的，或者安装在操作者7上的接收体1的位置或者朝向(步骤11)。
虚拟目标计算部3与由接收体测量部2测量到的接收体1的位置或者朝向相应地计算虚拟空间内的虚拟目标的状态(位置，形状等)(步骤12)。例如，当接收体1如按下虚拟目标那样移动的情况下，如虚拟目标的适合部分凹陷那样计算虚拟目标的状态。
虚拟空间显示部4根据由虚拟空间计算部3得出的计算结果，显示包含该虚拟目标的虚拟空间(步骤13)。虚拟空间也可以包含另一虚拟目标。
另外，喷出控制部5与用接收体测量部2测量到的接收体1的位置或者朝向，或者虚拟空间6内的虚拟目标的状态相应地，以向接收体1的中央部101或者倾斜侧面部102喷出空气那样，确定在喷出部6中喷出空气的喷出口602以及喷出量，向喷出部6发送控制信号(步骤14)。例如，与操作者向正下方按下虚拟目标的操作相应，为了向接收体1给予垂直上方的力而进行控制，使得从位于接收体1的张下方的喷出口602喷出与虚拟目标的硬度等相应地确定的量的空气。
而后，根据由喷出控制部5产生的控制信号，喷出部6从特定的喷出口602喷出空气(步骤15)。而后，当再次执行事件处理的情况下返回步骤11，当不再次执行的情况下结束处理(步骤16)。
在上述的处理中，步骤12～13的处理、步骤14～15的处理不是必须按照该顺序进行。例如，也可以在步骤11的处理后，并行进行步骤12～13的处理和步骤14～15的处理。
(关于接收体1)
以下，详细说明接收体1。
本实施例的接收体1例如具有具备倾斜侧面部102的结构，倾斜侧面部102在平面形状或者半球等的凹形状的中央部101的外侧(周围)具有弯曲成圆弧的曲面或者倾斜面。
图4A～4C表示接收体1的一例的剖面。图4A表示作为中央部101在中心形成半球的凹形状的部分，作为倾斜侧面部102设置弯曲成圆弧形的曲面部的接收体1。图4B表示作为中央部101在中心形成半球的凹形状的部分，作为倾斜侧面部102设置倾斜面的接收体1。
如图4A、B所示，如果把倾斜侧面部102设置成圆弧形状或者接近他的形状或者倾斜面，则从下方流入的空气在该倾斜侧面部102上变更朝向，随着对着喷出方向垂直的方向(横方向)的分量流动。
这样的倾斜侧面部102能够安装在接收体1周围的全部或者一部分上。图4D是从下面看接收体1的下面图，表示在中心部101的整个周围上设置倾斜侧面部102的例子。另外，图4E也是从下面看接收体的下面图，表示把倾斜侧面部102分割为多个设置的例子的图。而且，作为接收体1，如图4C所示，也可以设置成没有中央部101，只由弯曲成圆弧形的倾斜侧面部102组成的形状。图4C表示没有图4A的例子中的中央部101，把位于圆的周围的倾斜侧面部102配置成中心的例子。这种情况下也如图4D、E所示，可以把倾斜侧面部102作为一体形成，也可以分割成多个形成。另外，也可以设置成把倾斜侧面部102设置在中心点周围的一部分上的形状。
说明喷出空气601对以上那样构成的接收体1的作用。如图5A所示，在喷出空气601碰到接收体1的中央部101上时，和以往一样，能够对操作者提示喷出方向或者接近它的方向的力。另外，如图5B所示，在喷出空气碰到接收体1的倾斜侧面部102的一部分上时，如图5C所示，喷出空气601撞击倾斜侧面部102，从这里向侧面的主要方向横向外侧流出。
参照图6说明在喷出空气601撞击倾斜侧面部102时发生的力。
喷出空气601在撞击倾斜侧面部102时发生的力能够从喷出空气的撞击前和撞击后的运动量的变化求得。密度ρ[kg/m3]、流速v[m/s]、流量Q[m3/s]的喷出空气如图6所示，撞击静止的倾斜面，假设其流动的方向只变化角度θ(假设0＜θ＜90度)。此时，如果把倾斜面受到的力F[N]的x分量设置为Fx，把z分量设置为Fz，则以下的式子成立。但是，假定喷出空气是在其内部的全部点上静压相等的非粘性流体，另外，由喷出空气对倾斜面的撞击和在倾斜面上的摩擦产生的能量损失可以忽略。
0＝-Fx+ρQv·sinθ
ρQv＝Fz+ρQv·cosθ
由此，Fx以及Fz如以下那样求得。
Fx＝ρQv·sinθ
Fz＝ρQv·(1-cosθ)
因而，用接收体倾斜侧面部102的倾斜面的作用致使空气流动变化为伴随相对喷出方向垂直的方向(横方向)的分量的流动，因而包含相对喷出空气601的喷出方向垂直的方向(横方向)的分量的力Fx的力F发生，能够向操作者提示该力。
因而，当向手握接收体1的操作者7施加右方向的力的情况下，如空气碰到左侧的倾斜侧面部102上那样喷出空气(图5B)。当施加右方向的力以外的力的情况下，只要同样向其相反一侧的倾斜侧面部102喷出空气即可。
对于形状只由图4C所示那样的倾斜侧面部102组成的接收体1，有关提示包含横方向的分量的力的情况和图5B所示的情况一样，而当提示上方向的力的情况下，只要控制喷出空气，使得喷出空气601碰到倾斜侧面部102的相对的两侧或者整个面上即可(参照图5D)。
而且，实际上如上式所示，和向横方向的力Fx一同还发生向上方向的力Fz。根据上式，向上方向的力Fz相对向横方向的力Fx的比变为(1-cosθ)/sinθ，在上述的范围(0＜θ＜90度)中角度θ越小，与向横方向的力Fx相比向上方向的力Fz越小。但是，因为减小向上方向的力Fz，所以如果减小角度θ，则力的绝对量减小，向横方向的力Fx也减小。
因而，希望倾斜侧面部102设置成如下的倾斜角度以及形状，即，可以与喷出空气的状态(喷出量和喷出速度等)和倾斜面的状态(面积和摩擦等)相应地提示向有意图的横方向的力，并且相对向横方向的力，向上方的力尽可能减小。另外，希望以减小向上方向的力的方式控制喷出空气601的撞击位置。
在图4D的接收体中，倾斜侧面部102相对于空气的喷出方向平行的轴配备成环形。因此，通过在倾斜侧面部102的任意位置上碰到喷出空气，能够在相对喷出方向垂直的任意方向(横方向)上改变空气的流动，具有能够提示相对喷出方向的垂直的任意方向(横方向)的力的优点。
但是，如图4D的接收体1所示，在具有由曲面形状的倾斜侧面组成倾斜侧面部的接收体中，其中的曲面形状是与xy平面平行的剖面中的形状相对喷出口的xy平面上的位置变成凸型曲线那样的曲面形状，存在可以提示向横方向的力的大小减小这种缺点。以下，参照图7说明其原因。
图7是喷出空气撞击由曲面形状的倾斜面组成的倾斜侧面部102，相对倾斜侧面部102，和喷出方向垂直方向(图的左侧方向)的力作用的状态的图。而且，图7是从喷出方向看倾斜侧面部102的水平剖面的图。
如图7所示，喷出的空气扩散为放射状，撞击到倾斜侧面部102的撞击点0，以及作为撞击点0的周围的点的撞击点1和撞击点2。在撞击点0上撞击的空气产生向着图7的左侧方向的作为横方向的力的F0。但是，倾斜面从喷出口看因为具有凸出的曲面形状，所以与撞击点1和撞击点2撞击的空气产生和作为要提示的力不同方向的力的F1、F2(在此，面上的表面摩擦忽略)。
F1可以分解为F1x和F1y，F2可以分解为F2x和F2y，F1x、F2x作为向着图7的左侧方向的横方向的力提示，而该F1x、F2x因为是分力，所以分别比F1、F2还小。另外，撞击点1和撞击点2因为距离喷出口的距离长，所以和要提示的力一致的方向的力进一步减小。
因而，因为增大可以向横方向的力的大小，所以可以提示的力的方向受到了限制，也可以把倾斜侧面部102的倾斜面的形状例如如图8A～8C所示那样设置成圆筒形状的一部分。图8A是从下面看把倾斜侧面部102的倾斜面设置成圆筒形状的一部分的接收体1的图，图8B是从侧面看相关接收体1的图，图8C是相关接收体1的纵剖面图。
另外，如图9A～9C所示，也可以把接收体1的倾斜侧面部102的倾斜面设置成与xy平面平行的剖面上的形状相对喷出口的xy平面上的位置变成凹形曲线那样的曲面现状。图9A是从下面看相关接收体1的图，图9B是从侧面看相关接收体1的图，图9C是相关接收体1的纵剖面图。
通过把倾斜侧面部102的倾斜面的形状设置成图8A～图8C那样的形状，碰到撞击点的空气因为全部是给予相对倾斜面垂直的同一方向的力，所以提示的力变大。另外，通过把倾斜侧面部102的倾斜面的形状设置成图9A～9C那样的形状，与图4D那样形状的倾斜面相比，因为喷出口和撞击点的距离变短，所以在横方向上的提示力变大。
(力的提示的具体例子)
以下说明操作者7通过移动接收体1，向操作者7提示力的具体例子。
操作者7通过移动接收体1，用接收体测量部2测量变化的接收体1的位置和朝向。而后，与该位置和朝向相应，与虚拟空间内的接收体1对应的目标移动，在该目标从上或者横向与另一目标接触时，喷出控制部5控制喷出部6，如向操作者7提示向上或者横向的力那样对接收体1喷出空气。以下更详细地说明。
首先，与虚拟空间内的接收体1对应的目标从上方向或者接近它的方向接触另一目标，当提示向上的力的情况下，如喷出空气601碰到接收体1的中央部101那样，使喷出空气601从接近接收体1的中央部101正下的喷出口602喷出(图5A)。
与虚拟空间内的接收体1对应的目标从横方向或者接近它的方向与另一目标接触，当提示包含横向分量的力的情况下，如喷出空气碰到接收体1的倾斜侧面部102那样，从喷出部6的喷出口602喷出空气。这种情况下，尽可能如图5C所示那样控制喷出部6，使得从沿着面容易在横方向上流动的喷出口602喷出。
但是，因为喷出空气601离开喷出口602越远越扩散，所以需要考虑这种情况。具体地说，如图10A所示，当接收体1的倾斜侧面部102和喷出口602之间的距离短的情况下，使空气从接近接收体1的倾斜侧面部102的喷出口602喷出。另外，如图10B所示，当接收体1相对喷出口602排列的面处于比图10A的情况高的位置的情况下，如喷出空气601碰到接收体1的倾斜侧面部102上那样，与空气的扩散相应地使空气从离开倾斜侧面部102的喷出口602喷出。
这样，通过与从横方向与物体接触的影像联动地向操作者7提示包含了接触横方向的力，能够让操作者7感觉到如从横方向接触那样。
作为采用上述的虚拟空间显示部4的显示方法，可以列举由一般的显示器或者头置式显示器(head mounted display)，或者采用投影机的投影。此时，用采用光学式和磁式等的位置检测装置检测操作者7的视点位置，进行与操作者7的视点相应的虚拟空间显示。另外，也可以使用这样的方法，即，显示与操作者7的左右眼的位置相应的虚拟空间影像，操作者7通过戴上可以用左右眼各自看该影像的头置式显示器和立体眼镜，立体地进行虚拟空间显示。
特别是在实际进行力觉提示的区域上，用投影机向着双目投影影像，操作者7戴着立体眼镜观察的方法是减少对操作者7的负荷的方法。如果采用该显示方法，因为让虚拟物体在进行力觉提示的区域上进行立体显示，所以能够使视觉和力觉的提示位置一致，能够实现更直觉的体验。另外，因为为了传递力而使用空气，所以还能够产生不妨碍影像显示的特征。作为使用了该立体眼镜的立体显示方法，有使用红和蓝的影像和红蓝眼镜的方法，使用产生偏转的投影影像和偏转的方法，使用进行了分时切换的左右影像和快门眼镜的方法等。
另外，有这样的方法，为了使与操作者7的双眼的视点相应的由立体影像产生的虚拟空间显示部4和喷出部6统一，在作为具有喷出口602的喷出部6的桌子的正上方安装投影机，把用计算机构筑的虚拟空间的影像投影在该桌子上。在该方法中，虚拟空间显示部4把作为存在于桌子上的虚拟物体等，作为从操作者7的左右视点位置看时的左右虚拟空间影像投影在桌子上。此时，代替直接检测操作者7的左右眼的位置，例如采用让操作者7戴上立体眼镜，用照相机拍摄安装在接近该立体眼镜的左右眼位置的部分上的标志的光学式位置检测方法等，能够检测操作者的视点的位置。作为这些结果，能够投影与操作者7的视点相应的立体影像，能够如在作为喷出部6的桌子上的空间中虚拟物体上浮那样地进行视觉提示。
(喷出口的决定方法)
以下，说明当提示包含相对空气的喷出方向垂直的方向(横方向)的分量的力的情况下，决定进行空气喷出的喷出口的方法。而且，在以下说明的处理中，用在力觉提示装置中的喷出控制部5执行。
图11是从上部向下看在平面上具有多个喷出口602的喷出部6，和把倾斜侧面部102设置在接收体1的中央部101的整个周围上的接收体1的图。图12是在这里使用的接收体1的剖面图。
如图11所示，把接收体1的中心P的座标设置为(XRe，YRe)，把从接收体1的中心P到倾斜侧面部内边缘(即中央部边缘)的距离设置为R1，把从接收体中心P到倾斜侧面部外边缘的距离设置为R2，把第ij个喷出口Nij的座标设置为(Xi，Yj)，把表示提示给接收体1的力的方向的向量设置为Vf：(a，b)，把从喷出口Nij到接收体中心P的向量设置为VPN。
首先，考虑从全部喷出口的喷出量以及喷出压力相同的情况。当假设喷出口充分紧密地配置，存在于全部的位置上的情况下，为了提示Vf：(a，b)的方向的力，选择满足Vf×|VPN|/|Vf|＝VPN并且R1≤|VPN|≤R2(式1)的喷出口。即，选择位于倾斜侧面部内边缘和倾斜侧面部外边缘之间，从喷出口向中心P的方向和力的方向相同的喷出口，让空气喷出。在此，当满足式1的喷出口有多个的情况下，从这些喷出口喷出空气。或者，在满足式1的喷出口有多个的情况下，当把同时喷出的喷出口设置成1个或者其内的指定的多个的情况下，如以下所示选择1个或者指定多个的喷出口。
为了尽可能得到大的横方向的力，需要高效率地对接收体1给予力，而为此希望沿着倾斜侧面部102的倾斜面空气流到外侧。为此，在倾斜侧面部102的有效的存在范围中，希望在倾斜侧面部102的倾斜曲线的最下部分上接收空气的喷出。即，希望在接近倾斜侧面部102中的中央部101的位置上接收空气的喷出。因而，当满足式1的喷出口有多个的情况下，选择1个|VPN|最小的喷出口。或者，当选择指定多个喷出口的情况下，从|VPN|小的一方中选择相关个数的喷出口。
当稀疏地配置喷出口的情况下，有满足Vf×|VPN|/|Vf|＝VPN的喷出口不存在的情况。这种情况下，选择接近Vf的VPN的喷出口。更详细地说，如图13所示，如果把Vf和VPN所成的角度设置为θij，则在满足R1≤|VPN|≤R2的喷出口中，选择|θij|最小的喷出口(式2)。而且，θij＝cos-1{Vf·VPN}/{|Vf||VPN|}(·是内积)。即，这种情况下，选择位于倾斜侧面部内边缘和倾斜侧面部外边缘之间，并且从喷出口向着中心P的方向最接近力的方向的喷出口，让空气喷出。当|θij|最小的喷出口存在多个的情况下，只要选择|VPN|最小的喷出口即可。
另外，为了使给予接收体1的力的大小优先，可以确定在具有规定的范围内的θij的喷出口中，选择|VPN|最小的喷出口。即，在满足R1≤|VPN|≤R2并且0≤|θij|≤γ的喷出口中，选择|VPN|最小的喷出口(式3)。即，这种情况下，在从喷出口向着中心P的方向和力的方向的角度差的大小小于等于规定值的喷出口中，选择位于倾斜侧面部内边缘和倾斜侧面部外边缘之间，喷出口和中心P之间的距离最小的喷出口，使空气喷出。
当把同时喷出的喷出口设置成多个的情况下，合成从在同时喷出的喷出口中的各个喷出口向中心P的向量，作为虚拟的一个向量设定VPN。而后，用和上述一样的方法，决定相关多个个喷出口。
另外，对于从各个喷出口喷出的喷出量或者喷出压力各自不同的情况，除了喷出口的座标和接收体中心P的座标外，根据从相关喷出口喷出的空气喷出量或者喷出压力设定相对各个喷出口的向量VPN，例如，把VPN的朝向设置成从喷出口向接收体中心P，设定成使VPN的大小与喷出口和接收体中心P间的距离成正比，与空气喷出量或者喷出压力成反比。例如，当某一喷出口的空气喷出量大的情况下，由于选择VPN的大小比实际喷出口和受容中心P之间的距离小，满足R1≤|VPN|≤R2的喷出口，因而还能够选择位于倾斜侧面部外边缘的外侧的喷出口。
在用式1～式3所示的方法中，作为R1、R2的值，除了直接使用实际的中央部101以及倾斜侧面部102的大小的值外，还可以考虑以下范围设定，即，为了感觉到与物体接触所需要的力的大小等，用于提示与用途相应大小的力的有效的倾斜测定部102的范围。另外，也可以考虑测量位置的误差等。
例如，通过实验等，当用于得到必要的提示力的有效的倾斜侧面部102的范围(用距离接收体中心P的距离R表示)作为R1+α≤R≤R2-β(α，β＞0)求得的情况下，在用式1～式3表示的方法中，只要把R1置换为R1+α，把R2置换为R2-β即可。但是，因为α、β有根据接收体1的位置而不同的情况，所以在各种接收体1的位置中测量R，也可以把α、β分别设置成接收体1的位置的函数。
在以上的喷出口的确定方法中，其前提是具有图11、图12所示那样的环形的倾斜侧面部102的接收体。当具有环形的倾斜侧面部102的接收体的情况下，因为能够提示相对喷出方向垂直的任意方向(横方向)的力，所以，在式1～式3所示的方法中表示提示给接收体1的力的方向的向量Vf也可以设定在任意的方向上。
另一方面，在具有图8A～8C所示那样形状的倾斜侧面部102的接收体和具有图9A～9C所示那样形状的倾斜侧面部102的接收体的情况下，能够提示的力的方向受到限制，而其喷出口的决定方法通过把向量Vf设定在其受限制的方向上，能够直接利用在式1～式3中所示的方法。
对于这种情况参照图14A、B具体地举例说明。图14A是用于说明把图8A～8C所示那样的倾斜侧面部102的倾斜面设置成圆筒形状的一部分的接收体提示给操作者的力的图，图14B是用于说明接收体向操作者提示的力的图，其中接收体是把图9A～9C所示那样的倾斜侧面部102的倾斜面设置成在与xy平面平行的剖面中的形状相对喷出口的xy平面上的位置成为凹形曲线那样的曲面形状。图14A、B所示的接收体具有分别由4个倾斜面组成的倾斜侧面部102。
在图14A、B所示的接收体的情况下，由于在各图的上侧的倾斜侧面部102上阻挡喷出空气，因而能够向操作者提示向图的下方向的力。同样，由于在各图的下侧、左侧、右侧的倾斜侧面部上阻挡喷出空气，因而能够向操作者提示分别向各图的上方向、右方向、左方向的力。
即，当把同时喷出的喷出口设置为1个的情况下，在用式1～式3表示的方法中，通过把向量Vf的方向设定为各图的上方向、下方向、左方向，能够分别向各图的上方向、下方向、左方向、右方向的4个方向提示力。而且，通过增加构成倾斜侧面部102的倾斜面的数，还能够增加可以提示的方向，另外通过把同时喷出的喷出口设置为多个，对在分别不同的倾斜面上阻挡多个个喷出口的喷出空气时产生的多个力进行合成提示，还可以增加可以提示的方向。
实施例2
图15是表示实施例2的力觉提示装置的构成的方框图。图16表示该力觉提示装置的处理的流程图。
在实施例2中，接收体1的倾斜侧面部102具备可以改变其位置和倾斜的变形机构。另外，如图15所示，实施例2的力觉提示装置具备接收体侧面部控制部，与虚拟空间内的虚拟目标的状态相应，或者与接收体1的位置或者朝向相应，改变接收体1的倾斜侧面部102的位置或者倾斜。这种情况下的倾斜侧面部102理想的是图4E所示那样的分割成多个的形状。接收体侧面部控制部8与虚拟目标计算部3以及喷出控制部5一同，可以通过在计算机中安装让计算机执行这些处理的程序实现。另外，接收体侧面部控制部8和接收体1的变形机构之间通过有线或者无线连接，可以从接收体侧面部控制部8对接收体1发送控制信号。
如图16所示，实施例2中的力觉提示装置的处理在虚拟目标显示处理(步骤23)和喷出控制处理(步骤25)之间追加倾斜侧面部控制处理(步骤24)这一点上和实施例1中的力觉提示装置的处理不同。在步骤24中，接收体侧面部控制部8如相对从喷出口喷出的空气的流动把倾斜侧面部102的方向保持为一定那样控制倾斜侧面部102的位置或者朝向。该控制根据测量的接收体1的位置或者朝向，或者虚拟空间内的虚拟目标的状态进行。
例如，接收体测量部2检测接收体1的倾斜，把该检测信号送到接收体侧面部控制部8，接收体侧面部控制部8如倾斜侧面部102的状态和接收体1倾斜前的状态中的倾斜侧面部102的状态一样那样决定相对倾斜面侧面部102的转动量等，对接收体1发送与相关转动量对应的控制信号。
实施例2的倾斜侧面部102例如如图17A所示，用内侧和外侧的2层叶片102a、102b形成。叶片102a和中央部101之间连接成叶片102a以支点c为中心可以旋转。另外，叶片102a和叶片102b之间连接成以支点d为中心可以相互转动。另外，在各支点上具备用于接收来自接收体侧面部控制部8的控制信号使叶片转动的驱动装置。
接收体侧面部控制部8例如如图17B所示，能够控制倾斜侧面部102只围绕内侧的叶片102b转动。另外，接收体侧面部控制部8例如如图17C所示，还可以把内侧外侧的2层叶片102a、102b做成一体，可以以使叶片相对中央部101旋转在上下方向移动的方式进行控制。而且，在可以只向图17C所示的方向的侧面旋转的情况下，能够用不设置成2层的方法实现倾斜侧面部102。
作为本实施例2的使用例子，说明相对把空气向上方喷出的1个或者1个以上的喷出口602在平面上排列成2维的喷出口，接收体1的朝向改变的情况。
如果相对向用于提示横方向的力的倾斜侧面部102喷出的喷出口602的空气喷出方向，接收体1的整个的朝向(即姿态)改变，则和接收体1成为一体的倾斜侧面部102的朝向也相对喷出方向改变，提示给操作者7的力的方向也改变。
因而，当接收体1的朝向变化的情况下，如图16的流程图的步骤24所示，与该朝向的变化相应地改变接收体1的倾斜侧面部102的朝向，相对喷出空气601的流动，倾斜侧面部102的方向(朝向)不变化。由此，能够把想提示的力的方向保持为一定。
图18A表示控制叶片102b并控制倾斜侧面部102的倾斜的例子。该例子表示接收体1只以从图17的状态在反时针转动的方向上的角度转动时的情况。这种情况下，使叶片102b相对叶片102a如图18A所示在时针方向上转动。由此，可以把在倾斜侧面部102中接收空气的部分的朝向，保持为和接收在图17A的状态中的倾斜侧面部102的空气的部分的朝向相同。
图18B表示把叶片102a、102b作为一体控制的例子。该例子表示表示接收体1只以从图17A的状态在时针方向上转动的角度转动时的情况。这种情况下，使叶片102a、102b作为一体相对中央部101在反时针方向上转动。由此，可以把倾斜侧面部102的朝向保持为和图17A的状态中的倾斜侧面部102的朝向相同。而且，通过使叶片以某一支点为中心旋转，改变叶片的位置和朝向。在上述的例子中，表示了使叶片以某一支点为中心旋转的结构，但只要是能够改变叶片的位置或者朝向的方法，任何构成都可以。例如，把叶片设置成可以伸缩。另外，也可以把叶片自身设置成可以变形的结构。
另外，即使在接收体1的朝向相对喷出空气601的喷出方向没有改变的情况下，也可以与虚拟空间内的虚拟目标的状态相应地控制倾斜侧面部102的倾斜。通过改变倾斜侧面部102的倾斜，相对喷出空气601的方向改变喷出空气601从接收体1的倾斜侧面部102流出的方向，与虚拟空间内的虚拟目标的状态相应地能够控制在接收体1中的力的方向。
本发明并不限于上述的各实施方式，可以在权利要求的范围内进行各种变更和应用。

Claims (8)

1.一种力觉提示方法，该方法通过依照接收体的位置或者朝向使气体或者液体从喷出单元的喷出口喷出并碰到该接收体，经由该接收体向操作者提示力觉，所述力觉提示方法的特征在于：
上述接收体具有凹形状的中央部，在上述中央部周围设置有相对上述接收体的轴线形成倾斜形状的倾斜侧面部，通过对该倾斜侧面部喷出上述气体或者液体，将力给予上述接收体，所述力包含与上述气体或者液体的喷出方向垂直的方向的分量。
2.如权利要求1所述的力觉提示方法，其特征在于：
依照上述接收体的位置或者朝向改变上述倾斜侧面部的位置或者朝向。
3.如权利要求1或者2所述的力觉提示方法，其特征在于：
依照上述接收体的位置或者朝向计算虚拟目标，根据该计算结果显示包含该虚拟目标的虚拟空间。
4.如权利要求1所述的力觉提示方法，其特征在于：
上述喷出单元具有在平面上配置了多个喷出口的构造，在上述接收体位于相关平面上的规定高度的位置上的情况下，选择位于上述接收体的倾斜侧面部内边缘和倾斜侧面部外边缘之间并且从喷出口向着上述接收体的中心的方向和要给予上述接收体的力的方向的角度差小于等于规定值的喷出口，从选择出的喷出口喷出上述气体或者液体。
5.一种力觉提示装置，在力觉提示方法中使用，所述力觉提示方法通过依照接收体的位置或者朝向使气体或者液体从喷出单元的喷出口喷出并碰到该接收体，经由该接收体向操作者提示力觉，所述力觉提示装置的特征在于：
上述力觉提示装置具备喷出控制单元，依照由连接于上述力觉提示装置的接收体测量单元测量到的上述接收体的位置或者朝向，控制从上述喷出单元的喷出口喷出的上述气体或者液体的喷出量或者喷出方向，
上述接收体具有凹形状的中央部，在上述中央部周围具有相对上述接收体的轴线形成倾斜形状的倾斜侧面部，为了向上述接收体给予包含如下分量的力，上述喷出控制单元将上述喷出单元控制为对于上述倾斜侧面部喷出上述气体或者液体，所述分量是与上述气体或者液体的喷出方向垂直的方向的分量。
6.如权利要求5所述的力觉提示装置，其特征在于：
在上述接收体上具备改变上述倾斜侧面部的位置或者朝向的变形机构，并且具备依照由上述接收体测量单元测量出的上述接收体的位置或者朝向控制该变形机构的接收体侧面控制单元。
7.如权利要求5或者6所述的力觉提示装置，其特征在于：
具备虚拟目标计算单元，在依照由上述接收体测量单元测量出的上述接收体的位置或者朝向计算虚拟空间内的虚拟目标的状态的同时，根据该计算结果把包含上述虚拟目标的上述虚拟空间显示在虚拟空间显示单元上。
8.如权利要求5所述的力觉提示装置，其特征在于：
上述喷出单元具有在平面上配置多个喷出口的构造，当上述接收体在相关平面上的规定高度位置上时，为了将包含与上述气体或者液体的喷出方向垂直的方向的分量的力给予上述接收体，上述喷出控制单元选择位于上述接收体的倾斜侧面部内边缘和倾斜侧面部外边缘之间，并且，从喷出口向着上述接收体的中心的方向和要给予上述接收体的力的方向的角度差小于等于规定的值的喷出口，使气体或者液体从选择出的喷出口喷出。
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