JP2004157677A

JP2004157677A - Multi-flexible driving mechanism and virtual reality system

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Publication number: JP2004157677A
Application number: JP2002321558A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Iwaki; 敏岩城; Yuriko Suzuki; 由里子鈴木; Minoru Kobayashi; 稔小林; Satoshi Ishibashi; 聡石橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2022-11-05
Also published as: JP3999631B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multi-flexible driving mechanism which is improved in operation convenience as a force presenting device by stabilizing the position of a wind receptor and controlling the position and attitude of the wind receptor as intended even when a hand is put away. <P>SOLUTION: The driving mechanism has three air blowers 11, 12 and 13 whose air blow amounts and blowing directions can be operated, a cylindrical wind receptor 14 which receive the wind pressure of air blown out by the air blowers, and a means of measuring the position of the cylindrical wind receptor 14 in real time. Three air blowers are arranged at 120° intervals on a circumference in a plane and the blowing directions of the respective air blowers are always controlled to the center of the cylindrical wind receptor 14 to perform feedback control over the two-flexible position of the cylindrical wind receptor 14 on a two-dimensional plane. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多自由度駆動機構およびそれを利用して力覚や触覚を伴いつつ仮想映像空間を提示するバーチャルリアリティシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、実世界の多自由度駆動機構と、それを仮想空間上で模擬表示した仮想画像とを連動させることにより、あたかもその仮想空間の中で実物に触れるような感覚や力感覚を提示するための力覚提示型バーチャルリアリティ（ＶＲ）システムが開発されている。例えば、ＰＨＡＮＴＯＭ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉｈｏｎｂｉｎａｒｙ．ｃｏ．ｊｐ／Ｖｉｒｔｕａｌ／Ｐｈａｎｔｏｍ／）と呼ばれる製品は、複数のシリアルリンク機構の先端に取り付けられたスタイラスに、計算された力をフィードバックすることで力感覚を提示する。ユーザは仮想画像を見ながらそのスタイラスに触れることにより、コンピュータの作り出した仮想世界にあるオブジェクトの形、堅さ、柔らかさ、素材感などが、あたかも本物であるかのように感じることができる。
【０００３】
またＳＰＩＤＡＲ（ｈｔｔｐ：／／ｓｋｌａｂ−ｗｗｗ．ｐｉ．ｔｉｔｅｃｈ．ａｃ．ｊｐ／ｄｅｔａｉｌ／ｓｄｅｔａｉｌ−ｊ．ｈｔｍｌ）と呼ばれるシステムは上記ＰＨＡＮＴＯＭと同様な機能を、複数のケーブルを用いたテンドン機構を採用して実現するシステムである。
【０００４】
これらはいずれも、被駆動体はメカニカルな接触を伴う伝達機構により駆動されるので、機構構成が複雑となりユーザの手の自由な操作の邪魔になるという欠点があった。
【０００５】
このような問題点を鑑み、本発明者の一部はこれまでに、風圧を利用することにより、メカニカルな伝達機構を利用せずに力感覚を提示する装置を提案している（特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２２４９９。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この発明においては、風受容器を常に手で保持する利用形態を想定しているために、手を離した場合、風受容器の位置が不安定あるいは不確定となる問題があった。従って、風受容器の仮想オブジェクトを仮想空間内で静止させておくような状態を実現することが不可能であった。
【０００８】
本発明の目的は、手を離しても受容器の位置や姿勢を思い通りに制御できるようにし、力提示装置としての使い勝手を向上させた多自由度駆動機構を提供することである。
【０００９】
別の目的は、受容器を、仮想空間内での対応するオブジェクトの動きに連動させて、静止させたり運動させたりという状態を実現することにより、表現力を向上させたバーチャルリアリティシステムを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、気体又は液体の噴出量と噴出方向が操作可能な複数の噴出器と、該複数の噴出器から噴出される気体又は液体による圧力を受ける受容器と、該受容器の位置又は該位置と姿勢を計測する手段とを具備し、目標値と計測された前記受容器の位置又は該位置と姿勢に応じて、前記噴出器の前記噴出量およびその方向を操作することにより、前記受容器の位置又は該位置と姿勢をフィードバック制御することを特徴とする多自由度駆動機構とした。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の多自由度駆動機構おいて、前記フィードバック制御の系の制御ゲインを変化させることにより、前記受容器の力学的インピーダンスを調整することを特徴とする多自由度駆動機構とした。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２のいずれかに記載の多自由度駆動機構において、前記噴出器は空気噴出器であり、前記受容器は風受容器であり、方向制御可能な該空気噴出器は平面内円周上に１２０度間隔で３つ配置され、前記風受容器は前記３つの空気噴出器で囲まれる内部に存在する円筒状物体であり、前記３つの空気噴出器の噴出方向を常に前記円筒状風受容器中心に制御し、前記風受容器の２次元平面内での２自由度の位置をフィードバック制御することを特徴とする多自由度駆動機構とした。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１、２又は３のいずれかに記載の多自由度駆動機構を用いたバーチャルリアリティシステムにおいて、計算機内部で人工的に表現される仮想環境を表示する仮想空間表示装置を備え、計測された前記受容器の位置又は該位置と姿勢に連動して前記受容器の仮想オブジェクトを該仮想環境の中で表示することを特徴とするバーチャルリアリティシステムとした。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載のバーチャクリアリティシステムにおいて、前記仮想空間表示装置において人工的に表現される仮想物体と前記受容器の仮想オブジェクトが接触したとき、前記仮想物体の運動状態と力学的インピーダンスに応じて、前記受容器の仮想オブジェクトの力学インピーダンス又は位置又は該位置と姿勢の目標値を調節することを特徴とするバーチャルリアリティシステムとした。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、空気やアルゴン等の気体を利用してあるいは水や油等の液体を利用して圧力を与えて、受容器の位置や姿勢を制御するが、以下の説明では空気圧（風圧）を利用した場合を例として説明する。この場合、受容器は風受容器、噴出器は風噴出器となる。
【００１６】
風圧を利用した形態においては、風受容器の位置や姿勢を風圧フィードバック制御により安定化し、手を離しても風受容器の位置や姿勢を思い通りに制御する機能を加えることにより、力提示装置としての使い勝手を向上させる。
【００１７】
また、風受容器を、操作者の手動操作によってではなく、空気アクチュエータによる自動制御によって、仮想空間内で静止させたり運動させたりという状態を実現することにより、仮想空間内におけるオブジェクトの動きに連動して風受容器の位置や姿勢を変化させ、表現力を向上させたバーチャルリアリティシステムを実現する。
【００１８】
まず、本発明を実現する上での基礎技術である、１対の空気噴出器による１自由度風受容器の位置制御の原理について説明しておく。
【００１９】
図１は、１直線上で動作可能な風受容器剛体３が、対抗する２つの空気噴出器１，２により位置制御される様子を模式的に示した図である。図１において、風受容器剛体３の位置ｙは位置センサ４によりリアルタイムで測定可能であるとする。
【００２０】
空気噴出器１，２が風受容器剛体３に与える力は一般に、圧搾空気圧、距離、ノズル形状などの非線形関数として表現されるが、以下では議論の単純化のため、上記非線形性は制御平衡点の近傍では無視可能、あるいは何らかの手段で線形化処理が行われており、空気噴出器１，２の操作量ｕと発生する力ｆとの関係は、通常の伝達関数Ｇ_ｗ（ｓ）で記述可能であると仮定して議論を進める。そして無視した影響をフィードバック系設計の工夫で解決することとする。
【００２１】
また空気噴出器１，２の場合、風受容器剛体３に与える力ｆは風圧を押し与える方向のみである。このため、正負両方含めた１自由度を完全に制御するには、相対抗する位置に置かれた一対の空気噴出器１，２が必要となる。このように１方向の力しか出せないアクチュエータにより剛体の位置を制御する問題は、ユニラテラルアクチュエータ制御問題と呼ばれ、テンドン機構、磁気浮上機構、ロボットハンド等多くの多自由度駆動機構の位置制御の際に現れ、工学的な設計技法が既存である。一般にｎ自由度の剛体を制御するにはｎ＋１個以上のアクチュエータが必要となり、その幾何学的な配置は、ｆｏｒｍＣｌｏｓｕｒｅあるいはｆｏｒｃｅｃｌｏｓｕｒｅと呼ばれる条件を満たす必要があることが知られている（日本ロボット学会誌Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．７，ｐｐ．５６−６３把持と操りの基礎理論）。
【００２２】
図１において、簡単化のためにＧ_ｗ（ｓ）＝１と仮定し、右側の空気噴出器１が発生する力をｆ_１ ≧０、左側の空気噴出器２が発生する力をｆ_２ ≧０とし、これらの差分として、ｆ≡ｆ_１ −ｆ_２なる新たな力ｆを考えると、−ｆ_１ ≦ｆ≦ｆ_２の範囲で正負両方向の力が操作可能となる。そこで例えば制御器５として、「ｋ_ｄｓ＋ｋ_ｐ」なるＰＤ補償を利用して、図２に示すようなフィードバック制御系を施すと、位置目標値ｒから風受容器剛体３の位置ｙまでの伝達関数Ｗ_ｒｙは、

となる。図２における６は演算部、７は風受容器ダイナミクスを表す。
【００２３】
ただし、風受容器剛体３の質量をｍとし、そのダイナミクスを１／（ｍｓ^２）とした。これより、制御ゲインを適当な正数に設定することにより安定化が可能であり、かつ位置目標値ｒに追従する位置制御系が実現されることがわかる。一般に制御ゲインを大きく取るほど追従性は高くなるが、空気噴出器に内在する非線形性によっては、全系の安定化の観点から必ずしも大きく取れないが、適当な安定余裕を与えることで対処可能である。
【００２４】
一方、外力（外乱）ｑから位置ｙまでの伝達関数Ｗ_ｑｙを計算すると、

となる。従って、ｋ_ｐはサーボ剛性でありこの値が大きいほど剛性が大きくなる。また同様に、ｋ_ｄは機械システムにおけるダンパの役割を果たし、ｋ_ｄが大きいほど粘性が高くなる。このようにｋ_ｐとｋ_ｄを全系を安定化する範囲で適当に調整することで、外力に対する応答すなわち機械的インピーダンスを自由に設定できることが分かる。上記の原理により、相対抗する位置に置かれた一対の空気噴出器１，２により、１自由度の風受容器剛体３の位置ｙを平衡点の近傍で制御し、その機械的なインピーダンスを自由に設定することが可能である。
【００２５】
なお、この例において、一つの空気噴出器の代わりに、例えば重力などの一定の力をバイアス力として印加しておくことにより、以下の如く同様に１自由度が制御可能となる。図１において、今、左側の空気噴出器２の代わりに一定バイアス力をｆ_０＞０として与えるとすると、−ｆ_１ ≦ｆ≦ｆ_０の範囲でｆは正負両符号とも操作することが可能なので、この範囲内で先ほどと同様なＰＤ制御則により位置制御が可能となる。
【００２６】
以上説明した１自由度風受容器剛体の位置制御の原理を基本として、以下では多自由度の風受容器剛体の位置と姿勢を制御する実施例について説明する。
【００２７】
本実施例は請求項３に係る発明の多自由度駆動機構を具現化するものである。図３は、３個の空気噴出器１１，１２，１３によりＸＹ平面上の２自由度を有する円筒状の風受容器剛体１４を制御する機構の模式図である。３個の空気噴出器１１，１２，１３はそれぞれ１２０度ずつ離れた半径ｒ_０の円周上に配置され、それぞれ空気噴出器スラスト方向中心線と円周との交点周りに回転し、ＸＹ平面内で噴出方向を変えることが可能な角度制御機構（噴出ノズル方向制御装置：アクチュエータ）１１ａ，１２ａ，１３ａが備えられている。この３つの空気噴出器１１，１２，１３の噴出量と噴出方向を操作することにより、上記円筒状風受容器剛体１４への風圧と方向を変えて、空気噴出器１１，１２，１３を結ぶ正三角形内で自由に、円筒状風受容器剛体１４のＸＹ平面上の位置を制御することが可能であることを、以下で具体的に説明する。なお、円筒状風受容器剛体１４の中心位置座標（ｘ、ｙ）は、例えば、適当な画像計測手段又はパソコンのマウスで用いられている回転ボール状の２軸センサなどを利用すれば容易に実時間計測可能である。
【００２８】
制御の基本的な考え方は、３つの噴出器１１，１２，１３の噴出方向と噴出量という２つの操作量を独立に扱い、それぞれのフィードバック系を段階的に構成する点にある。すなわちまず、３つの空気噴出器１１，１２，１３の噴出方向を風受容器剛体１４の中心に常に向かうように実時間制御することが前提となる。
【００２９】
図４は、風受容器剛体１４の中心Ｏ_ｗがＸＹ座標上の点（ｘ，ｙ）に位置する状態を模式的に示した図である。この時以下のような幾何学的な関係式が導出される。ただし、ノズル回転角θ_１，θ_２，θ_３は時計方向を正方向と定める。
【００３０】

従って、円筒状風受容器剛体１４の中心位置ｘとｙを測定すれば角度θ_１，θ_２，θ_３が求まるので、次にこの角度θ_１，θ_２，θ_３を目標値とする噴出方向制御を、図５のようなフィードバック制御系を構成することにより実現する。１５は式（１）の演算部、１６はＰＤ制御器、１７はノズル回転アクチュエータ（角度制御機構１１ａ）、１８はノズル回転運動ダイナミクスを表す。図５は角度θ_１についてであるが、角度θ_２，θ_３についても同様なフィードバック制御系となる。
【００３１】
この噴出方向制御が実現されているという前提の下、図４より以下のような関係が得られる。
【００３２】

【００３３】

タルのエネルギーを最小化することが可能である。
【００３４】
ここでＰＤ_ｘとＰＤ_ｙを、空気噴出器の非線形性や３つの風の干渉などを考慮して、全系が安定化される範囲で自由に設定することにより、Ｘ方向とＹ方向の運動制御特性を独立に設定することが可能である。たとえば、ＰＤ_ｘの比例ゲインを大きく、ＰＤ_ｙの比例ゲインを小さく設定すれば、Ｘ方向の剛性は高く、Ｙ方向の剛性は低く設定することが可能である。
【００３５】
以上のように本実施例においては、図３の角度制御機構１１ａ，１２ａ，１３ａを結ぶ正三角形内部の任意の点で位置制御と任意のインピーダンス設定が可能な、２自由度駆動機構が実現される。
【００３６】
次に、請求項４に関して、この多自由度駆動機構を力覚提示用バーチャルリアリティシステムヘ利用するための方法を、上記の実施例を用いて説明する。
【００３７】
図７は、円筒状風受容器の基準点である中心の位置（ｘ、ｙ）の測定値に基づき、仮想空間を表現する仮想空間表示装置の仮想画面内に、円筒状風受容器の仮想オブジェクト３１をＣＧ表示した例を示す。空間Ａは自由空間、壁Ｂは剛性ｋ_ｂを有する拘束空間である。例えば、壁Ｂと接触せずに空間Ａ内部に円筒状風受容器の仮想オブジェクト３１が存在する場合には、仮想環境のどこからも力を受けないので、インピーダンスを０あるいは非常に小さく設定しておくことにより、自由空間内に漂う感覚が提示できる。
【００３８】
また、壁Ｂに円筒状風受容器の仮想オブジェクト３１が接触した場合には、Ｘ方向（図７の横方向）のインピーダンスは正方向（図７の右方向）に対してｋ_ｂと設定し、Ｘ方向の負方向及びＹ方向には０あるいは非常に小さく設定しておくことにより、円筒状風受容器の操作者はあたかも本物の剛性ｋ_ｂなる壁にぶつかったような感覚を手に与えることが可能となる。
【００３９】
すなわち、操作者がこの仮想画面のオブジェクト２１を目で見ながら円筒状風受容器を手で動かすことにより、あたかもそこに実際にオブジェクトが存在するかのような感覚を与えることができる。また操作者は操作途中に手を離しても、風受容器は初期姿勢が自動的に維持可能である。このような機能を利用することにより、仮想空間内において動きまわる動物が、操作者が乗っている乗り物に衝突したときの衝撃力などを表現することが可能となる。
【００４０】
なお以上の説明においては、二次元平面内で風受容器剛体の位置を制御する場合について説明したが、三次元空間内で風受容器剛体の位置又は位置と姿勢を制御することもできる。この場合は、例えば風受容器剛体を正６面体とすると共に、空気噴出器を多数使用して該６面体の風受容器剛体に集中して吹き付けることにより、その風受容器剛体を空間に浮かせた状態で、バーチャルリアリティ内の対応するオブジェクトの動きに応じてその風受容器剛体の位置や姿勢を制御すればよい。この場合の風受容器剛体の位置や姿勢の検出は、例えば画像計測手段により行うことができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明では、気体や液体を原動力とするという特徴により、多自由度駆動機構として以下の利点を有するので、コンパクトで使い易いバーチャルリアリティ表示装置を作ることができる。▲１▼人間の手による操作上邪魔になるリンクやワイヤ等の伝達機構が不要、▲２▼風を使用するときは目に見えず透き通るので背景画像表示の邪魔をしない、▲３▼可動範囲が広い、▲４▼安全、▲５▼ハードウェアの寸法変更、自由度の増減など装置の設計変更に柔軟に対応可能、▲６▼機械的摩擦が無いのでメンテナンスフリーかつ高精度。
【００４２】
これらの特長により、シンプルでコンパクトなハードウェア構成で、表現力の高い力感覚を伴なうテレビゲーム等のバーチャルリアリティコンテンツを実現することができる。
【００４３】
また、特に請求項３に係る発明のメリットとしては、３つの空気噴出器の方向を常に風受容器中心に向かうように実時間制御することで、以下の効果が生まれる。▲１▼アクチュエータ配置行列：Ｋ_ｗ（θ）がθのみの関数となるため、その疑似逆行列の計算が単純化されるため制御則もシンプルになる。▲２▼各空気噴出器からの風は円筒状風受容器の円筒面に垂直に当たるので、その接線方向の力の影響は最小となり、各空気噴出器からの風のお互いの干渉の影響も最小化されるため、制御対象のモデル化誤差も小さくなり、制御系設計がシンプルになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】直線上１自由度の制御モデルの説明図である。
【図２】１自由度の空気噴出制御系のブロック図である。
【図３】平面２自由度制御モデルの模式図である。
【図４】平面２自由度制御モデルの座標系の説明図である。
【図５】図４の空気噴出器１１の噴出方向制御系のブロック図である。
【図６】平面２自由度制御モデルの空気噴出量制御系のブロック図である。
【図７】仮想空間表示画面の説明図である。
【符号の説明】
１，２：空気噴出器
３：風受容器
１１，１２，１３：空気噴出器、
１１ａ，１２ａ，１３ａ：角度制御機構（噴出ノズル方向制御装置）
１４：円筒状風受容器
３１：円筒状風受容器の仮想オブジェクト[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a multi-degree-of-freedom drive mechanism and a virtual reality system that uses the same to present a virtual video space while accommodating force and tactile sensations.
[0002]
[Prior art]
In recent years, by linking a multi-degree-of-freedom drive mechanism in the real world with a virtual image that simulates it in a virtual space, to present a feeling and force sensation as if touching the real object in that virtual space Haptic presentation virtual reality (VR) systems have been developed. For example, a product called PHANTOM (http://www.nihonbinary.co.jp/Virtual/Phantom/) provides a force by feeding back a calculated force to a stylus attached to the tip of a plurality of serial link mechanisms. Present a sense. By touching the stylus while watching the virtual image, the user can feel as if the shape, hardness, softness, material feeling, and the like of the object in the virtual world created by the computer are real.
[0003]
A system called SPIDAR (http://sklab-www.pi.titletech.ac.jp/detail/sdetail-j.html) employs a tendon mechanism using a plurality of cables, having the same function as the above-mentioned PHANTOM. It is a system that is realized.
[0004]
In any of these, since the driven body is driven by a transmission mechanism involving mechanical contact, there is a disadvantage that the mechanism configuration is complicated and hinders the free operation of the user's hand.
[0005]
In view of such a problem, some of the present inventors have proposed a device that presents a force sensation by utilizing wind pressure without using a mechanical transmission mechanism (Patent Document 1). ).
[0006]
[Patent Document 1] JP-A-2001-22499.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the present invention, since the use form in which the wind receiver is always held by hand is assumed, there is a problem that the position of the wind receiver becomes unstable or uncertain when the hand is released. Therefore, it has been impossible to realize a state in which the virtual object of the wind receiver is kept stationary in the virtual space.
[0008]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a multi-degree-of-freedom drive mechanism that enables the position and posture of a receptor to be controlled as desired even when hands are released, and that improves the usability as a force presenting device.
[0009]
Another object is to provide a virtual reality system with improved expressiveness by realizing a state where the receptor is stationary or moved in conjunction with the movement of the corresponding object in the virtual space. That is.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 includes a plurality of ejectors capable of controlling the ejection amount and ejection direction of a gas or a liquid, a receiver that receives pressure by the gas or the liquid ejected from the plurality of ejectors, and the receiver. Means for measuring the position or the position and orientation of the receiver, and operating the ejection amount and direction of the ejector in accordance with the target value and the measured position of the receptor or the position and orientation. Thus, a multi-degree-of-freedom drive mechanism is characterized in that the position of the receiver or the position and the attitude are feedback-controlled.
[0011]
The invention according to claim 2 is the multi-degree-of-freedom drive mechanism according to claim 1, wherein the dynamic impedance of the receptor is adjusted by changing a control gain of the feedback control system. Multi-degree-of-freedom drive mechanism.
[0012]
The invention according to claim 3 is the multi-degree-of-freedom drive mechanism according to any one of claims 1 and 2, wherein the ejector is an air ejector, the receiver is a wind receiver, and the direction can be controlled. The three air ejectors are arranged at intervals of 120 degrees on the circumference of the plane, and the wind receiver is a cylindrical object existing inside surrounded by the three air ejectors. The multi-degree-of-freedom drive mechanism is characterized in that the jetting direction of the wind receiver is always controlled at the center of the cylindrical wind receiver, and the position of the wind receiver in the two-dimensional plane in the two-dimensional plane is feedback-controlled.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, in the virtual reality system using the multi-degree-of-freedom driving mechanism according to any one of the first to third aspects, a virtual space for displaying a virtual environment artificially expressed inside the computer. A virtual reality system comprising a display device, wherein a virtual object of the receptor is displayed in the virtual environment in association with the measured position of the receptor or the position and the posture.
[0014]
According to a fifth aspect of the present invention, in the virtual reality system according to the fourth aspect, when the virtual object artificially represented on the virtual space display device and the virtual object of the receptor contact each other, A virtual reality system is characterized in that a dynamic impedance or a position of the virtual object of the receptor or a target value of the position and the posture is adjusted according to a motion state and a mechanical impedance.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention controls the position and posture of the receiver by applying pressure using a gas such as air or argon or using a liquid such as water or oil. In the following description, the air pressure (wind pressure) is controlled. The case of using is described as an example. In this case, the receiver is a wind receiver and the ejector is a wind ejector.
[0016]
In the form using wind pressure, the position and posture of the wind receptor are stabilized by wind pressure feedback control, and the function to control the position and posture of the wind receptor as desired even if you release your hand is used as a force presentation device. Improve usability.
[0017]
In addition, the wind receiver is stopped or moved in the virtual space by automatic control by the air actuator, not by the operator's manual operation, so that it is linked to the movement of the object in the virtual space By changing the position and attitude of the wind receptor, a virtual reality system with improved expressiveness is realized.
[0018]
First, the principle of position control of a one-degree-of-freedom wind receiver by a pair of air ejectors, which is a basic technique for realizing the present invention, will be described.
[0019]
FIG. 1 is a view schematically showing a state in which the position of a wind receiver rigid body 3 operable on one straight line is controlled by two opposing air ejectors 1 and 2. In FIG. 1, it is assumed that the position y of the wind receiver rigid body 3 can be measured in real time by the position sensor 4.
[0020]
The force exerted on the wind receiver rigid body 3 by the air ejectors 1 and 2 is generally expressed as a non-linear function such as a compressed air pressure, a distance, and a nozzle shape. Near the point, linearization processing is performed by negligible or some other means, and the relationship between the operation amount u of the air ejectors 1 and 2 and the generated force f is expressed by a normal transfer function G _w (s). The discussion proceeds assuming that it can be described. Then, the neglected influence is solved by devising the feedback system design.
[0021]
In the case of the air ejectors 1 and 2, the force f applied to the wind receiver rigid body 3 is only in the direction in which the wind pressure is applied. For this reason, in order to completely control one degree of freedom including both positive and negative, a pair of air ejectors 1 and 2 placed at opposing positions is required. The problem of controlling the position of a rigid body using an actuator that can only exert a force in one direction is called a unilateral actuator control problem. Position control of many multi-degree-of-freedom drive mechanisms such as a tendon mechanism, a magnetic levitation mechanism, and a robot hand. And engineering design techniques already exist. In general, it is known that n + 1 or more actuators are required to control a rigid body having n degrees of freedom, and its geometrical arrangement must satisfy a condition called form closure or force closure (Japanese Robot). Journal Vol. 13, No. 7, pp. 56-63 Basic Theory of Grasping and Manipulation).
[0022]
In FIG. 1, for the sake of simplicity, it is assumed that G _w (s) = 1, the force generated by the right air ejector 1 is f ₁ ≧ 0, and the force generated by the left air ejector 2 is f ₂ ≧ Considering a new force f that satisfies f ２f ₁ −f ₂ as a difference between them, forces in both positive and negative directions can be operated in the range of −f ₁ ≦ f ≦ f ₂ . Therefore, for example, as a controller 5, by using a PD compensator comprising "k _{d s} + k _p", when subjected to the feedback control system as shown in FIG. 2, the transfer from the target position value r to the position y of the wind receiver rigid 3 The function W _ry is

It becomes. In FIG. 2, reference numeral 6 denotes a calculation unit, and reference numeral 7 denotes wind receiver dynamics.
[0023]
However, the mass of the wind receiver rigid body 3 was set to m, and the dynamics thereof was set to 1 / (ms ² ). From this, it can be seen that stabilization is possible by setting the control gain to an appropriate positive number, and a position control system that follows the position target value r is realized. In general, the higher the control gain, the higher the tracking performance.However, depending on the non-linearity inherent in the air ejector, it cannot always be large from the viewpoint of stabilization of the whole system, but it can be dealt with by providing an appropriate stability margin. is there.
[0024]
On the other hand, when the transfer function W _qy from the external force (disturbance) q to the position y is calculated,

It becomes. Thus, k _p is higher rigidity is increased larger this value is servo stiffness. Similarly, k _d serves as a damper in the machine system, the viscosity, the higher k _d is large. Thus the k _p and k _d By appropriately adjusted in the range of stabilizing the entire system, it can be seen that can be freely set response or mechanical impedance against external forces. According to the above principle, the position y of the one-degree-of-freedom wind receiver rigid body 3 is controlled near the equilibrium point by the pair of air ejectors 1 and 2 placed at opposing positions, and the mechanical impedance thereof is reduced. It can be set freely.
[0025]
In this example, by applying a constant force such as gravity as a bias force instead of one air ejector, one degree of freedom can be similarly controlled as described below. In Figure 1, Assuming that provide a constant biasing force instead of the left side of the air ejector 2 as f _0> 0, f in the range of -f ₁ ≦ f ≦ f ₀ is able to operate with positive and negative sign Therefore, position control can be performed within this range according to the same PD control rule as above.
[0026]
Based on the principle of the position control of the one-degree-of-freedom wind receiver rigid body described above, an embodiment for controlling the position and orientation of the multi-degree-of-freedom wind receiver rigid body will be described below.
[0027]
This embodiment embodies the multi-degree-of-freedom drive mechanism according to the third aspect of the present invention. FIG. 3 is a schematic diagram of a mechanism for controlling a cylindrical wind receiver rigid body 14 having two degrees of freedom on the XY plane by three

air ejectors

11, 12, and 13. Three

air ejectors

11, 12, 13 are arranged on the circumference of radius r ₀ apart by 120 degrees, respectively, rotate around the intersection of each air ejector thrust direction center line and the circumference, XY plane There are provided angle control mechanisms (ejection nozzle direction control devices: actuators) 11a, 12a and 13a capable of changing the ejection direction in the inside. By manipulating the ejection amount and ejection direction of the three

air ejectors

11, 12, and 13, the wind pressure and direction of the cylindrical wind receiver rigid body 14 are changed to connect the

air ejectors

11, 12, and 13. The fact that the position of the cylindrical wind receiver rigid body 14 on the XY plane can be freely controlled within an equilateral triangle will be specifically described below. The coordinates (x, y) of the center position of the cylindrical wind receiver rigid body 14 can be easily determined by using, for example, a suitable image measuring means or a rotating ball-shaped two-axis sensor used in a mouse of a personal computer. Real-time measurement is possible.
[0028]
The basic concept of the control is that two operation amounts, that is, the ejection direction and the ejection amount of the three

ejectors

11, 12, and 13, are treated independently, and each feedback system is configured stepwise. That is, first, it is premised that real-time control is performed so that the ejection directions of the three

air ejectors

11, 12, and 13 always face the center of the wind receiver rigid body.
[0029]
Figure 4 is a view of the state where the center O _w wind receptor rigid structure 14 is positioned at a point on the XY coordinates (x, y) shown schematically. At this time, the following geometric relational expression is derived. However, the clockwise direction of the nozzle rotation angles θ ₁ , θ ₂ , θ ₃ is defined as the positive direction.
[0030]

Therefore, if the center positions x and y of the cylindrical wind receiver rigid body 14 are measured, the angles θ ₁ , θ ₂ , and θ ₃ can be obtained. Then, jetting is performed using the angles θ ₁ , θ ₂ , and θ ₃ as target values. Direction control is realized by configuring a feedback control system as shown in FIG. Reference numeral 15 denotes an arithmetic unit of the formula (1), 16 denotes a PD controller, 17 denotes a nozzle rotation actuator (angle control mechanism 11a), and 18 denotes a nozzle rotation motion dynamics. FIG. 5 shows the angle θ ₁ , but the same feedback control system is applied to the angles θ ₂ and θ ₃ .
[0031]
Under the premise that the ejection direction control is realized, the following relationship is obtained from FIG.
[0032]

[0033]

It is possible to minimize the energy of the barrel.
[0034]
Here, by freely setting PD _x and PD _y within a range where the entire system is stabilized in consideration of the non-linearity of the air ejector and the interference of the three winds, the motion in the X direction and the Y direction is achieved. Control characteristics can be set independently. For example, _if the proportional gain of PD _x is set large and the proportional gain of PD _y is set small, the rigidity in the X direction can be set high and the rigidity in the Y direction can be set low.
[0035]
As described above, in the present embodiment, a two-degree-of-freedom driving mechanism capable of performing position control and arbitrary impedance setting at any point inside the equilateral triangle connecting the

angle control mechanisms

11a, 12a, and 13a in FIG. 3 is realized. You.
[0036]
Next, a method for utilizing the multi-degree-of-freedom drive mechanism in the virtual reality system for presenting haptics will be described with reference to the above-described embodiment.
[0037]
FIG. 7 shows a virtual screen of a cylindrical wind receiver in a virtual screen of a virtual space display device representing a virtual space based on a measured value of a center position (x, y) which is a reference point of the cylindrical wind receiver. The example which displayed the object 31 by CG is shown. Space A free space, the wall B is constrained space having a stiffness k _b. For example, when the virtual object 31 of the cylindrical wind receiver exists inside the space A without contacting the wall B, since no force is received from anywhere in the virtual environment, the impedance is set to 0 or very small. By doing so, a feeling of drifting in free space can be presented.
[0038]
Further, when the virtual object 31 of the cylindrical-like receptor is in contact with the wall B, the impedance of the (lateral direction in FIG. 7) X-direction was set to k _b for a positive (right direction in FIG. 7) , the negative direction and the Y direction in the X direction by setting 0 or very small, cylindrical air receiver of the operator as if gives in hand feel as hit the real rigid k _b becomes wall It becomes possible.
[0039]
That is, when the operator moves the cylindrical wind receptor by hand while visually checking the object 21 on the virtual screen, it is possible to give a feeling as if the object actually exists there. Even if the operator releases his hand during the operation, the wind receiver can automatically maintain the initial posture. By using such a function, it is possible to express an impact force or the like when an animal moving around in the virtual space collides with a vehicle on which the operator is riding.
[0040]
In the above description, the case where the position of the rigid wind receptor is controlled in the two-dimensional plane has been described. However, the position or the position and the posture of the rigid wind receptor can be controlled in the three-dimensional space. In this case, for example, the wind receiver rigid body is made into a regular hexahedron, and a large number of air ejectors are used to concentrate and blow the wind receiver rigid body onto the hexahedron wind receiver to float the wind receiver rigid body in space. In this state, the position and orientation of the rigid wind receptor may be controlled according to the movement of the corresponding object in the virtual reality. In this case, the position and orientation of the rigid wind receiver can be detected by, for example, an image measurement unit.
[0041]
【The invention's effect】
According to the present invention, a multi-degree-of-freedom drive mechanism has the following advantages owing to the feature of being driven by gas or liquid, so that a compact and easy-to-use virtual reality display device can be manufactured. (1) No need for a transmission mechanism such as a link or wire that interferes with the operation by human hands. (2) When using wind, it is invisible and transparent so that it does not disturb the background image display. (3) Movable range Wide, (4) safety, (5) can flexibly respond to equipment design changes such as changing hardware dimensions and increasing or decreasing degrees of freedom. (6) Maintenance-free and high precision because there is no mechanical friction.
[0042]
With these features, it is possible to realize a virtual reality content such as a video game with a highly expressive force sense with a simple and compact hardware configuration.
[0043]
Particularly, as an advantage of the invention according to the third aspect, the following effects are produced by controlling the directions of the three air ejectors in real time so as to always face the center of the wind receiver. {Circle around (1)} Actuator arrangement matrix: Since K _w (θ) is a function of only θ, the calculation of the pseudo-inverse matrix is simplified, and the control law is also simplified. (2) Since the wind from each air ejector hits the cylindrical surface of the cylindrical wind receiver perpendicularly, the influence of the tangential force is minimized, and the influence of the wind from each air ejector on each other is also minimal. Therefore, the modeling error of the controlled object is reduced, and the control system design is simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a control model having one degree of freedom on a straight line.
FIG. 2 is a block diagram of a one-degree-of-freedom air ejection control system.
FIG. 3 is a schematic diagram of a two-degree-of-freedom control model.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a coordinate system of a two-degree-of-freedom control model.
5 is a block diagram of an ejection direction control system of the air ejector 11 of FIG.
FIG. 6 is a block diagram of an air ejection amount control system of a two-degree-of-freedom control model.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a virtual space display screen.
[Explanation of symbols]
1, 2: air ejector 3:

wind receiver

11, 12, 13: air ejector,
11a, 12a, 13a: Angle control mechanism (ejection nozzle direction control device)
14: Cylindrical wind receiver 31: Virtual object of cylindrical wind receiver

Claims

A plurality of ejectors capable of controlling the ejection amount and ejection direction of the gas or liquid, a receiver receiving pressure by the gas or liquid ejected from the plurality of ejectors, and a position of the receiver or the position and the posture. Measuring means,
Feedback control of the position of the receiver or the position and attitude of the receiver by manipulating the ejection amount and the direction of the ejector in accordance with the target value and the measured position of the receptor or the position and attitude of the receiver. A multi-degree-of-freedom drive mechanism characterized by the following.

The multi-degree-of-freedom drive mechanism according to claim 1,
A multi-degree-of-freedom drive mechanism, wherein a dynamic impedance of the receptor is adjusted by changing a control gain of the feedback control system.

The multi-degree-of-freedom drive mechanism according to claim 1,
The ejector is an air ejector, the receiver is a wind receiver,
The three air ejectors that can be controlled in direction are arranged at intervals of 120 degrees on a circumference in a plane, and the wind receiver is a cylindrical object existing inside surrounded by the three air ejectors. A multi-degree-of-freedom drive mechanism wherein the jet direction of the two air jets is always controlled at the center of the cylindrical wind receiver, and the position of the wind receiver in two-dimensional planes is feedback-controlled. .

A virtual reality system using the multi-degree-of-freedom drive mechanism according to claim 1, 2, or 3,
A virtual space display device for displaying a virtual environment artificially expressed inside the computer, wherein the virtual object of the receptor is displayed in the virtual environment in accordance with the measured position of the receptor or the position and the posture. A virtual reality system characterized by being displayed in.

The virtual clarity system according to claim 4,
When the virtual object artificially represented in the virtual space display device and the virtual object of the receptor come into contact with each other, depending on the motion state and the mechanical impedance of the virtual object, the dynamic impedance of the virtual object of the receptor or A virtual reality system for adjusting a position or a target value of the position and the posture.