JP2005004580A - Inner force exhibition method and device using spout - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体又は液体の噴出を利用して力覚を提示する力覚提示方法および装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
仮想空間において力覚を提示する手法として、風圧を利用した装置がある(特許文献1)。この力覚提示装置では,操作者の身体や把持物に用意された軽量で簡単な構造の風を受ける物体に風圧を与えることで、操作者に力覚を提示することができる。空気によって力を与えるため、操作者は、力覚を提示する装置の装着の必要や、力を伝えるための据付装置とつながったアームやワイヤー等を持つ又は取り付ける必要がないため、力を発生させる噴出装置と物理的に繋がらなくてよく動きを妨げられることがない。これによって、操作者は装置に物理的に拘束されることなく自由に手等の身体を動かすことができる。また、操作者に過度の力がかからず安全である。また、空気は透明であるため映像表示を邪魔しない。
【0003】
【特許文献1】特開2001−22499号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来の風圧により力覚を提示する装置は、基本的な原理を実現するものであった。
【0004】
本発明の目的は、力覚提示範囲を広げ、立体的なオブジェクトや凹凸の面をもつ物体等を力覚提示できるよう表現力を高め、さらに1人の操作者に対して複数の力覚提示を行ったり複数の操作者に力覚提示を行ったり、仮想空間内のオブジェクトの動きに連動させたりすることができるようにした力覚提示方法および装置を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1にかかる発明は、気体又は液体を複数噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示方法であって、前記受容体の位置又は向きに応じて前記複数の噴出を制御することを特徴とする力覚提示方法とした。
【0006】
請求項2にかかる発明は、請求項1に記載の力覚提示方法において、前記受容体の位置又は向きに応じて仮想オブジェクトを仮想空間表示手段に表現することを特徴とする力覚提示方法。
【0007】
請求項3にかかる発明は、請求項2に記載の力覚提示方法において、前記仮想オブジェクト又は前記仮想空間内の別の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて前記噴出を制御することを特徴とする力覚提示方法とした。
【0008】
請求項4にかかる発明は、請求項1に記載の力覚提示方法において、前記受容体の向き又は位置に応じて、前記受容体の姿勢又は形状を変化させることを特徴とする力覚提示方法とした。
【0009】
請求項5にかかる発明は、請求項2又は3に記載の力覚提示方法において、前記仮想オブジェクト又は前記別の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、前記受容体の姿勢又は形状を変化させることを特徴とする力覚提示方法とした。
【0010】
請求項6にかかる発明は、請求項1又は4に記載の力覚提示方法において、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも1つに応じて、前記噴出の量、位置、方向の少なくとも1つを変化させることを特徴とする力覚提示方法とした。
【0011】
請求項7にかかる発明は、請求項2,3又は5に記載の力覚提示方法において、前記仮想オブジェクト又は前記別の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、前記噴出の量、位置、方向の少なくとも1つを変化させることを特徴とする力覚提示方法とした。
【0012】
請求項8にかかる発明は、気体又は液体の噴出量が操作可能な1又は2以上の噴出口をもつ噴出手段と、前記噴出手段の噴出口から噴出される前記気体又は液体による圧力を受け力覚を提示する1又は2以上の受容体と、前記受容体の位置又は向きを計測する受容体計測手段と、計測された前受容体の位置又は向きに応じて、前記噴出手段の噴出口からの前記気体又は液体の噴出を制御する噴出制御手段と、を備えたことを特徴とする力覚提示装置とした。
【0013】
請求項9にかかる発明は、請求項8に記載の力覚提示装置において、仮想オブジェクトを仮想空間に表現する仮想空間表示手段を備え、前記受容体計測手段で計測された前記受容体の位置又は向きに応じて前記仮想オブジェクトを前記仮想空間に表現する仮想空間システムを具備することを特徴とする力覚提示装置とした。
【0014】
請求項10にかかる発明は、請求項9に記載の力覚提示装置において、前記噴出制御手段が、前記仮想オブジェクト又は前記仮想空間内の別の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて前記噴出手段の噴出口からの前記噴出を制御することを特徴とする力覚提示装置とした。
【0015】
請求項11にかかる発明は、請求項8に記載の力覚提示装置において、前記受容体の位置又は向きに応じて、前記受容体の姿勢又は形状を変化させる受容体制御部を備えたことを特徴とする力覚提示装置とした。
【0016】
請求項12にかかる発明は、請求項9又は10に記載の力覚提示装置において、前記仮想オブジェクト又は前記別の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、前記受容体の姿勢又は形状を変化させる受容体制御部を備えたことを特徴とする力覚提示装置とした。
【0017】
請求項13にかかる発明は、請求項8又は11に記載の力覚提示装置において、前記噴出手段は、前記噴出口の位置又は方向を変えることで噴出位の置又は方向が操作可能であり、前記噴出制御手段は、前記受容体計測手段により計測された前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも1つに応じて、前記噴出の量、位置、方向の少なくとも1つを制御することを特徴とする力覚提示装置とした。
【0018】
請求項14にかかる発明は、請求項9,10又は12に記載の力覚提示装置において、前噴出手段は、前記噴出口の位置又は方向を変えることで噴出の位置又は方向が操作可能であり、前記噴出制御手段は、前記仮想オブジェクト又は前記別の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、前記噴出の量、位置、方向の少なくとも1つを制御することを特徴とする力覚提示装置とした。
【0019】
【発明の実施の形態】
[第1の実施例]
図1は本発明の第1の実施例の力覚提示装置の構成図、図2は操作者4と受容体1と噴出手段2の説明図、図3は力覚提示の処理のフローチャートである。
【0020】
受容体1は、噴出手段2の噴出口201から噴出される空気3等の気体又は液体を受け止め力覚を提示する。操作者4は受容体1を把持又は身体に取り付けることで、又は既に操作者に備わっている衣服等を受容体1とすることで、力覚の提示を受ける。この受容体1は、噴出手段2の噴出口201から噴出される空気3等を受け止めるものから構成され、それを操作者4が把持又は取り付けることで、受けた噴出方向の力覚を提示する。
【0021】
また、受容体1がある長さの棒の先に取り付けられ、該棒の反対側を操作者4に把持させ又は取り付けた場合は、噴出により受けた力を増幅して、ないしは棒の把持又は取り付け位置を支点とした回転の力として、操作者4に力覚を提示する。この場合、棒をしなり易い素材又はしならない堅い素材等に変えることで、ユーザに与える感覚を変えることができる。
【0022】
その他、操作者4が把持又は取り付ける物体に複数の受容体1を取り付け、それぞれの受容体1への噴出を制御することで、操作者4への力のかかり方を変化させることができる。例えば、図4(a)〜(d)に示すように、複数の受容体1が噴出空気を受け、その合力を操作者4への力として提示する場合である。操作者4に力を与える位置に対して、複数の受容体1を配置する距離又は角度等を変えて取り付け、それぞれの受容体1への噴出量を制御することで、提示する力を制御することができる。
【0023】
図4(a)は4個の受容体1の内の中央の受容体1が操作者4に力覚提示する場合、図4(b)は3個の受容体1を接続する中央部分が操作者4に力覚提示する場合、図4(c)は4個一列に並べた受容体1の全部に接する棒状体101を介して操作者4に力覚提示する場合、図4(d)は4個の受容体1の内の中央の受容体1に棒状体102の一端を押しつけその棒状体102の他端で操作者4に力覚提示する場合、を示している。
【0024】
受容体1の風を受ける受容面の形状は、単なる平面でも良いが、効率的に噴出による力を受け止めることができ且つ回転の力がかかりにくい凹形の面にすることが好ましい。
【0025】
受容体計測手段5は前記受容体1の位置、向きの一方又は両方を検出する。この受容体計測手段5としては、磁気センサーや超音波や赤外線を利用した検出手段、マーキングによる映像解析を利用する検出手段等がある。
【0026】
噴出手段2は、空気3等の気体又は液体を噴出し、その噴出量が操作可能なように構成されている。以降では特に空気3を噴出する場合を例として説明する。噴出手段2を構成する具体的な空気噴出源としては、ファン、エアーポンプ、エアーコンプレッサー等がある。噴出手段2の構成としては、このような空気を発生させる1つの空気噴出源に対して、空気を噴出する1つの噴出口201が設けられている場合や、1つの空気噴出源に対して、複数の噴出口201に枝分かれされたものがある。
【0027】
空気の噴出量の操作に関しては、噴出量そのものの制御や圧力制御の他に、噴出経路の絞りにより量を変化させる場合、噴出経路を開閉する弁によって噴出量を零にする場合等がある。又はそれらを組み合わせがある。
【0028】
図5は、噴出手段2の構成例を示す図であり、エアーコンプレッサを利用した空気噴出源202からの空気を分岐装置203により枝分かれさせ複数の噴出口201に噴出させる場合である。枝分かれさせた途中に噴出経路を開閉するための複数の弁204が設けられ、各弁204のON/OFFを操作することができる。この構造の場合、分岐装置203と複数の弁204とによって、空気噴出源202の数を増やさなくても容易に複数の噴出口201に対応することができる。このように1つの空気噴出源202から複数の噴出口201に枝分かれている場合の噴出量の操作としては、枝分かれする前に操作する場合と、枝分かれした後に個々の噴出口201に対して操作する場合とがある。
【0029】
その他の噴出量の操作に関しては、次の方法がある。一定の噴出量の噴出口201を複数用意し、同時に噴出する噴出口201の数を変化させることで、噴出する全体量を操作する場合がある。また、異なった噴出量の噴出口を数種類用意し、それらをある範囲内に複数取り付け、噴出時にはその数種類の噴出量による噴出を組み合わせることで、噴出する全体量を操作する場合がある。
【0030】
後者の異なった噴出量の噴出口を複数用意する方法としては、図6(a)に示すように、噴出圧力の異なる複数の空気噴出源202A,202B,202Cを用意し、それぞれを別々の噴出口201に接続して、異なる噴出量の噴出口201をある範囲内に織り交ぜて配置する方法がある。また、図6(b)に示すように、噴出圧力が同一の複数の空気噴出源202をそれぞれ異なった数に枝分かれさせてそれぞれを噴出口201に接続し、又は噴出口201までの管の長さ、太さ、噴出口201の口径を異ならせて、異なる噴出量の噴出口201をある範囲内に織り交ぜて配置する方法がある。
【0031】
噴出制御手段6は、受容体計測手段5により計測された受容体1の位置又は向きに応じて、1つ以上の噴出口201の位置又は噴出方向に基づき、噴出口201の空気の噴出量を制御する。例えば図2に示すように、上向き方向の噴出口201を平面上に一定の間隔で配置している噴出手段2の場合では、受容体1は噴出口201が並ぶ平面の上を移動させ、噴出口201の面上に対する受容体1の位置に沿って受容体1直下やその周辺の噴出口201の噴出量を制御する。
【0032】
このように、本実施例の噴出制御手段6は、受容体1の位置又は向きに応じて噴出量を制御するものであるので、噴出口201が等間隔に並んでいる噴出手段2であっても、噴出口201の間隔より小さい解像度で力覚提示することができる。つまり、力覚提示の解像度は噴出口201の間隔ではなく、受容体1の位置計測の解像度となる。ただこのとき、受容体1がどの場所にいても噴出を受け取れる必要がある。例えば、受容体1を噴出口201の直上を大きく覆う大きさとすることで、1つの噴出口201から噴出される空気を受け取れる範囲が広がり、特定の噴出口201の直上だけでなく、該特定の噴出口201の周辺に受容体1が位置していても該特定の噴出口201による噴出を受け取らせることができる。
【0033】
噴出手段2の操作方法が図5のような形態(弁204の制御による)をとる場合、受容体1直下やその近くにある噴出口201から噴出するように、それに対応した噴出口201の弁を開くことで、噴出を制御できる。さらにそれは噴出面からの高さに応じても制御できる。受容体1が別の位置や高さに移動した時も、同様にその時の受容体1直下やその周辺の噴出手段2の噴出を制御できる。
【0034】
また同時に空気を噴出する噴出口201の数は、受容体1直下やその周辺の1つの噴出口201やさらに周辺の複数の噴出口201を合わせると2以上となる場合もある。受容体1で受け取ることのできない位置に対応する噴出口201は、空気を噴出していても受容体1では受け取られず操作者4には力覚提示されないため、噴出していても問題はない。そこで、簡単化のためは、噴出時にはすべての噴出口201から空気を噴出させてもよい。
【0035】
その他の噴出制御手段6の形態としては、受容体1の位置又は向きに応じて、1つの噴出口201からの噴出量を操作することで変化させる場合や、噴出する噴出口201の数を変化させる場合が考えられる。後者については例えば噴出手段2が図6(a)、(b)に示したように異なった噴出量の噴出口201を複数用意している構成の場合では、受容体1直下の周囲に配置された複数の噴出口201のいくつかを組み合わせて噴出量を制御する。図2に示したように上向き方向の噴出口201を平面上に一定の間隔で配置している形態をとる噴出手段2の場合は、噴出口201に対する受容体1の高さや受容体1の向きに応じて、1つの噴出口201からの噴出により受容体1が受ける力が変化するため、その力が変化しないように制御する。
【0036】
なお、噴出口201が図2や図6以外の構成をとり、立体的に配置されている場合や、様々な方向に向けて噴出するように配置されている場合は、受容体計測手段5により計測された前記受容体1の位置又は向きに応じて、噴出口201の位置や噴出の向きに基づいて、その噴出を制御する。
【0037】
また、噴出を制御する際、現在の受容体1の位置又は向き情報から、次に位置する受容体の位置又は向きを先読みし、その先読みした受容体1の位置又は向きに応じて噴出を制御することで、噴出制御の遅れを補うこともできる。また、受容体1の位置する周辺の複数の噴出口201から同時に噴出させたり、先読みした次の噴出口201を同時に噴出させることで、受容体1が移動しても噴出口の切り替え時における提示力の変化を比較的小さくすることができる。この際、切り替え時等噴出の初めの力が大きい場合や、同時に複数の噴出を受ける場合のように、受ける力が変動することが考えられるので、受容体1が受け取る噴出口201からの噴出量を制御することが好ましい場合もある。
【0038】
また、複数の受容体1を組み込み複数の噴出口201を制御することで、1人の操作者に対して複数の力覚提示を行うことや、複数操作者へ力覚提示を行うことが可能となる。
【0039】
また、本実施例は、それぞれの受容体1の位置に応じて、それぞれの噴出口201の噴出量の制御処理を独立に行うことができるので、容易に受容体1や噴出口201を増やすことができる。例えば、ある噴出口201の噴出可能なエリアが決まっており、そのエリアに噴出すべき受容体1がいるかどうかを調べ、噴出する必要があれば噴出する方法がある。このような噴出の場合、それぞれの噴出口201の噴出可能エリアはその噴出口201上空の一定の高さまでとなり、そのエリアに噴出すべき受容体1があるか否かによって、その噴出口201からの噴出を制御する。勿論、複数の噴出口201が集まったものを1つの噴出口としてエリアを設定することもできる。ただ、噴出すべき受容体1と同じエリアに噴出すべきでない受容体1が無いように、制御する必要がある。このような処理をする噴出口201を複数用意しても、それぞれの噴出は独立に処理することができるので、容易に噴出場所を増やすことができる。また、この噴出方法では、噴出口201は受容体1のそれぞれを見分ける必要がなく、どの受容体1であっても噴出すべきか否かを調べるだけでよので、受容体1も容易に増やすことができる。勿論、前述のように各々の噴出口201を基準に処理を考えるのではなく、逆にそれぞれの受容体1を基準にそれぞれの受容体1がその位置に応じて噴出を受けるべきか、受ける場合はどのような噴出口201からなのかを計算して噴出を制御してもよい。
【0040】
このように、複数の受容体1を組み込み、複数の噴出口201を制御することで、1人の操作者に対して両手等への複数の力覚提示を行うことや、複数操作者への力覚提示が可能となる。また、複数の噴出口201もある範囲に連続的に広げて並べ、例えば図2に示す構成を広い範囲に広げる場合や、広い空間に離散的に配置することができる。このとき、本実施例では、受容体1は据え付け装置と線等でつながっていないという特徴をもつので、噴出により力覚を受けるユーザは受容体1を持ったまま広い範囲を動くことができ、動いても他の人とお互い絡まるようなことはない。
【0041】
[第2の実施例]
図7は本発明の第2の実施例の力覚提示装置の構成図、図8は力覚提示の処理のフローチャートである。仮想空間システム7は、仮想オブジェクトを仮想空間に表現する仮想空間表示装置を備え、受容体計測手段5により計測された前記受容体1の位置又は向きに応じて仮想オブジェクトを前記仮想空間に表現する。
【0042】
例えば、受容体計測手段5より計測された受容体1の位置情報、向き情報を使用して、仮想空間内のあるオブジェクトの位置、方向を変化させ、あるいはそのオブジェクトの形、大きさ、色等の状態を変化させて表現する。又は、その仮想オブジェクトの位置、方向、状態に応じて、それ以外の他のオブジェクトのそれらを変化させる。仮想空間表示装置としては、標準的大きさの又は等身大のディスプレイやHMD等に映し出すことや、プロジェクタによる投影が利用でき、単眼視や多眼視(立体視)するものも利用できる。
【0043】
[第3の実施例]
図9は本発明の第3の実施例の力覚提示装置の構成図、図10は力覚提示の処理のフローチャート、図11は仮想空間システムの説明図である。ここでは、仮想空間システム7を利用した仮想空間内の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、噴出制御手段6により噴出口201の噴出量を制御する。例えば、仮想空間内のオブジェクトが接触した場合、その接触の方向又は強さにより噴出を制御する。また、視覚的接触タイミングに対する噴出のタイミングも制御することができる。
【0044】
次に、仮想空間内の仮想オブジェクトを接触感覚によって表現する方法を説明する。図11(a)、(b)は図2に示したように上向き方向の噴出口201を平面上に一定の間隔で配置している噴出手段2の場合において、仮想空間内の仮想オブジェクトとの接触感覚を表現する方法についてである。図11(a)は仮想空間内の様子、図11(b)は現実の様子である。
【0045】
図11(b)における現実の受容体1の位置又は向きに応じて、図11(a)の仮想オブジェク8が連動する仮想空間システムにおいて、仮想オブジェクト8が仮想オブジェクト9に接触したとき、現実ではその位置の受容体1に対して噴出手段2により空気を噴出する(S−1)。これによってこの受容体1を把持している操作者4に力覚が伝えられ、オブジェクト9との接触感覚として力覚を提示し、オブジェクト9の面がその位置に存在していることを力覚提示する。仮想オブジェクト8と9が接触している間、空気は噴出され、接触し続けていることを操作者に力覚提示する。受容体1が動き、仮想オブジェクト8が仮想オブジェクト9の面に沿って動きながら力覚が提示されることで、仮想オブジェクト9の面が、仮想オブジェクト8の動きに沿って存在していることを接触感覚によって力覚提示する。
【0046】
受容体1が移動する場合や、仮想空間内の仮想オブジェクト9が移動することにより、仮想空間内で仮想オブジェクト8と9が接触しなくなると、現実の受容体1に対する噴出が止まる(S−2)。これによって、仮想オブジェクト8と9が接触しなくなったことを接触感覚によって力覚提示し、現在仮想オブジェクト8が存在するところには仮想オブジェクト9は存在していないことを表現する。
【0047】
仮想オブジェクト9の一部が傾斜面であった場合の接触感覚による傾斜面の表現を説明する。(S−1)で仮想オブジェクト8と9が接触し、それによって空気の噴出による力を操作者4に力覚提示するが、さらに受容体1を水平に動かすと、仮想空間内では仮想オブジェクト8と9が接触しなくなる。これによって、空気の噴出を止める(S−3)。さらに仮想オブジェクト9に接触するために、受容体1を下げることで仮想空間内の仮想オブジェクト8の位置が下がり、再び仮想オブジェクト9と接触し噴出が始まる(S−4)。このように傾斜面に沿って受容体1を動かし空気を噴出することで、操作者にオブジェクト9の面が傾斜していることを力覚提示して表現する。
【0048】
[第4の実施例]
図12は本発明の第4の実施例の力覚提示装置の構成図、図13は力覚提示の処理のフローチャートである。受容体制御部10を設けて、受容体計測手段5で計測された受容体1の位置又は向きに応じて、又は仮想空間システムを用いた仮想空間内の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、受容体1の姿勢や形状を変化させる。図2に示したように上向き方向の噴出口201を平面上に一定の間隔で複数配置している噴出手段2の場合において、受容体1の向きを下向きにした場合と傾けた場合とでは、噴出を受ける空気量が異なり力覚提示される力が異なる。そこで、受容体計測手段5の計測結果や仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、受容体1の向きが常に下向きになるように制御する。例えば、機械的に制御したり、重りや磁石をつけて下向きに回転させたりする。
【0049】
また、受容体1の大きさや形状を変化させ、空気を受け止める量を制御してもよい。具体的には、図14に示すように受容体1の側面に回転し又は角度を変化できる複数の羽根103を設けて、その羽根103を回転させ、又はその角度を変化させることで、受容体1が噴出空気を受けや易くし又は逃がし易くすることにより、噴出空気を受ける量を制御することができる。また受容体1の噴出方向に対する向きを変えて、力覚提示する力の向きを制御することもできる。
【0050】
[第5の実施例]
図15は本発明の第5の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである。噴出口201の位置又は噴出方向を変えることで空気の噴出位置や噴出方向が操作可能である。本実施例では、噴出制御手段6は受容体計測手段5により計測された受容体1の位置又は向きに応じて、又は仮想空間内の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、又は受容体1の姿勢や形状に応じて、前記噴出手段2の噴出口201の噴出量、噴出位置又は噴出方向を制御する。
【0051】
噴出手段2の噴出口201の位置や噴出方向を変える方法として、例えば噴出口201自体を移動させる場合や、図16(a)に示すように複数の噴出口201の1つ1つに回動可能なノズル205を個々に設けてそれぞれの向きを個々に制御する場合がある。また、図16(b)に示すように特定の範囲の複数の噴出口201に対応する開口が設けられたスライダ206を移動させることにより、特定の一群の噴出口201のみの噴出口を有効にさせることで噴出口201を実質的に移動させる方法がある。あるいは、噴出口201のいくつか又は全てをまとめて噴出方向を変更する方法がある。また、図16(c)に示すように筒状の噴出口201の先端に球や半球型のノズル207を設けこれを回転させてノズル口208の位置を変化させたり、又は図16(d)に示すようにノズル口208を複数有するノズル209を設けて噴出したい方向のノズル口208のみが開くようにして噴出方向を制御しても良い。
【0052】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、気体や液体の噴出によって力覚を与えるため、操作者は、力を発生させる噴出装置と物理的に繋がる必要がなく、また装置の装着や力を伝えるアームやワイヤーによって動きを妨げられることがなく、つまり装置に物理的に拘束されることなく、自由に手等の身体を動かすことができる。またそのため操作者に過度の力がかからず安全である。また空気を使う場合、透明であるため映像表示を邪魔しない。
【0053】
また、複数の噴出口の噴出を制御することで力覚提示範囲を広げることが可能となるばかりか、受容体の位置、向き、姿勢、形状等に応じて噴出の量、位置、方向を制御することで、立体的なオブジェクトや凹凸の面をもつ物体等を力覚提示でき、表現力を高めることが可能となる。
【0054】
また、噴出口の複数化に伴い複数の受容体を用意することで、1つ以上の受容体の状態に応じて各噴出口の噴出を制御して、1人の操作者に対して複数の力覚提示を行うことや、複数操作者への力覚提示が可能となる。
【0055】
また、受容体の位置に応じて各噴出口の噴出を制御することにより、噴出口が等間隔に並んでいる噴出手段であっても、受容体が力覚提示範囲内の任意の位置で噴出を受け取れるように構成されていれば、噴出口の間隔より小さいものを力覚提示することができる。つまり、力覚提示の解像度は噴出口の間隔ではなく、受容体の位置計測の解像度に依存させることができる。
【0056】
また、空気に加え、他の気体や液体も噴出制御の対象となるので、表現力をさらに高めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の力覚提示装置の構成図である。
【図2】第1の実施例の力覚提示装置の操作者と受容体と噴出手段の説明図である。
【図3】第1の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである。
【図4】第1の実施例の力覚提示装置で提示する力覚を制御する機構の説明図である。
【図5】第1の実施例の力覚提示装置の複数の噴出口から空気を噴出させる機構の説明図である。
【図6】(a)、(b)は第1の実施例の力覚提示装置における噴出手段の説明図である。
【図7】本発明の第2の実施例の力覚提示装置の構成図である。
【図8】第2の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである。
【図9】本発明の第3の実施例の力覚提示装置の構成図である。
【図10】第3の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである。
【図11】第3の実施例の力覚提示装置における仮想空間システムの説明図である。
【図12】本発明の第4の実施例の力覚提示装置の構成図である。
【図13】第4の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである
【図14】(a)、(b)は第4の実施例の力覚提示装置における受容体制御部により制御される受容体の説明図である。
【図15】本発明の第5の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである。
【図16】(a)〜(d)は第5の実施例の力覚提示装置における噴出手段の位置や噴出方向を変化させる説明図である。
【符号の説明】
1:受容体、101,102:棒状体、103:羽根
2:噴出手段、201:噴出口、202:空気噴出源、203:分岐装置、204:弁、205:ノズル、206:スライダ、207:ノズル、208:ノズル口、209:ノズル
3:噴出空気
4:操作者
5:受容体計測手段
6:噴出制御手段
7:仮想空間システム
8:仮想オブジェクト
9:仮想オブジェクト
10:受容体制御部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a force sense presentation method and apparatus for presenting a force sense using a jet of gas or liquid.
[0002]
[Prior art]
As a method for presenting a force sense in a virtual space, there is an apparatus using wind pressure (Patent Document 1). In this force sense presentation device, a force sense can be presented to the operator by applying wind pressure to an object that receives a light and simple structure of wind prepared on the operator's body or grasped object. Because the force is applied by air, the operator generates force because it is not necessary to wear a device that presents a sense of force or to have or install an arm or wire connected to an installation device for transmitting force. It does not need to be physically connected to the ejection device and does not hinder movement. As a result, the operator can freely move the body such as the hand without being physically restricted by the apparatus. Further, the operator is safe without applying excessive force. Moreover, since air is transparent, it does not disturb the video display.
[0003]
[Patent Document 1] Japanese Patent Laid-Open No. 2001-22499
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional device for presenting a sense of force by wind pressure has realized the basic principle.
[0004]
It is an object of the present invention to expand the haptic presentation range, enhance the expressive power so that a three-dimensional object, an object having an uneven surface, etc. can be hapticly presented, and further present a plurality of haptic presentations to one operator. It is an object of the present invention to provide a force sense presentation method and apparatus that can perform a sense of force, present a force sense to a plurality of operators, or interlock with movement of an object in a virtual space.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to
[0006]
According to a second aspect of the present invention, in the haptic presentation method according to the first aspect, the haptic presentation method is characterized in that a virtual object is represented on a virtual space display unit in accordance with the position or orientation of the receptor.
[0007]
The invention according to claim 3 is the force sense presentation method according to
[0008]
The invention according to
[0009]
According to a fifth aspect of the present invention, in the force sense presentation method according to the second or third aspect, the virtual object or the other virtual object has a position, a direction, a shape, a size, a color, etc. A force sense presentation method is characterized in that the posture or shape of the receptor is changed.
[0010]
The invention according to
[0011]
The invention according to
[0012]
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided jet means having one or two or more jet outlets capable of manipulating the jet quantity of gas or liquid, and pressure applied by the gas or liquid jetted from the jet outlet of the jet means. One or more receptors presenting a sense of sensation, a receptor measuring means for measuring the position or orientation of the receptor, and a spout of the ejection means according to the measured position or orientation of the previous receptor. And a jet control means for controlling the jet of the gas or liquid.
[0013]
The invention according to claim 9 is the force sense presentation device according to claim 8, further comprising virtual space display means for expressing a virtual object in a virtual space, wherein the position of the receptor measured by the receptor measurement means or The haptic device is provided with a virtual space system that represents the virtual object in the virtual space according to a direction.
[0014]
According to a tenth aspect of the present invention, in the haptic device according to the ninth aspect of the invention, the ejection control means is arranged such that the position, direction, shape, size, and color of the virtual object or another virtual object in the virtual space. The haptic device is characterized in that the ejection from the ejection port of the ejection means is controlled in accordance with the state.
[0015]
The invention according to
[0016]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the haptic device according to the ninth or tenth aspect, the virtual object or the other virtual object has a position, direction, shape, size, color, or the like depending on the state. The haptic device is provided with a receptor control unit that changes the posture or shape of the receptor.
[0017]
The invention according to
[0018]
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the force sense presentation device according to the ninth, tenth or twelfth aspect, the front ejection means can operate the ejection position or direction by changing the position or direction of the ejection port. The ejection control means controls at least one of the amount, position and direction of the ejection according to the state of the virtual object or the other virtual object, such as the position, direction, shape, size, color, etc. A force sense presentation device characterized by
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First embodiment]
FIG. 1 is a configuration diagram of a force sense presentation device according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram of an
[0020]
The
[0021]
In addition, when the
[0022]
In addition, the manner in which the force is applied to the
[0023]
4A shows a case where the
[0024]
The shape of the receiving surface that receives the wind of the
[0025]
The receptor measuring means 5 detects one or both of the position and orientation of the
[0026]
The ejection means 2 is configured such that a gas or liquid such as air 3 is ejected and the ejection amount can be manipulated. Hereinafter, a case where air 3 is particularly ejected will be described as an example. Specific air ejection sources constituting the ejection means 2 include a fan, an air pump, an air compressor, and the like. As a structure of the ejection means 2, when one ejection port 201 for ejecting air is provided for one air ejection source that generates such air, or for one air ejection source, There are some which are branched into a plurality of spouts 201.
[0027]
Regarding the operation of the air ejection amount, in addition to controlling the ejection amount itself and controlling the pressure, there are cases where the amount is changed by restricting the ejection path, and the ejection quantity is made zero by a valve that opens and closes the ejection path. Or there is a combination of them.
[0028]
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of the
[0029]
Regarding the operation of other ejection amounts, there are the following methods. There may be a case where the entire amount to be ejected is manipulated by preparing a plurality of ejection ports 201 having a constant ejection amount and changing the number of the ejection ports 201 ejected simultaneously. In addition, there are cases where several types of ejection ports having different ejection amounts are prepared, and a plurality of them are attached within a certain range, and when the ejection is performed, the total amount of ejection is controlled by combining the ejections of the several types of ejection amounts.
[0030]
As a method of preparing a plurality of jet outlets of the latter different jetting amounts, as shown in FIG. 6 (a), a plurality of air jet sources 202A, 202B, 202C having different jet pressures are prepared, and each of them is provided with a separate jet. There is a method of connecting the outlet 201 and arranging the outlets 201 having different ejection amounts in a certain range. Further, as shown in FIG. 6B, a plurality of air ejection sources 202 having the same ejection pressure are branched into different numbers and connected to the ejection port 201, or the length of the pipe to the ejection port 201 is increased. There is a method in which the jet outlets 201 having different jetting amounts are interwoven and arranged in a certain range by varying the thickness and the diameter of the jet nozzle 201.
[0031]
The
[0032]
Thus, since the ejection control means 6 of the present embodiment controls the ejection amount according to the position or orientation of the
[0033]
When the operation method of the ejection means 2 takes the form as shown in FIG. 5 (by control of the valve 204), the corresponding valve of the ejection port 201 is ejected from the ejection port 201 directly under or near the
[0034]
At the same time, the number of the jets 201 for jetting air may be two or more when the jet nozzles 201 just below or around the
[0035]
As other forms of the ejection control means 6, when changing the ejection amount from one ejection port 201 according to the position or orientation of the
[0036]
In addition, when the jet nozzle 201 has a configuration other than that shown in FIGS. 2 and 6 and is arranged in a three-dimensional manner or when jetted in various directions, the receptor measuring means 5 According to the measured position or orientation of the
[0037]
Further, when controlling the ejection, the position or orientation of the next receptor is pre-read based on the current position or orientation information of the
[0038]
In addition, by incorporating a plurality of
[0039]
Moreover, since a control process of the ejection amount of each ejection port 201 can be performed independently according to the position of each
[0040]
In this way, by incorporating a plurality of
[0041]
[Second Embodiment]
FIG. 7 is a block diagram of the haptic device according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a flowchart of haptic processing. The
[0042]
For example, the position information and orientation information of the
[0043]
[Third embodiment]
FIG. 9 is a configuration diagram of a force sense presentation device according to a third embodiment of the present invention, FIG. 10 is a flowchart of force sense presentation processing, and FIG. 11 is an explanatory diagram of a virtual space system. Here, the ejection amount of the ejection port 201 is controlled by the ejection control means 6 in accordance with the position, direction, shape, size, color, and the like of the virtual object in the virtual space using the
[0044]
Next, a method for expressing a virtual object in the virtual space by a touch feeling will be described. 11 (a) and 11 (b) show the relationship between the virtual object in the virtual space in the case of the jetting means 2 in which the upward jetting ports 201 are arranged on the plane at regular intervals as shown in FIG. It is about the method of expressing a touch sensation. FIG. 11A shows the state in the virtual space, and FIG. 11B shows the actual state.
[0045]
When the virtual object 8 contacts the virtual object 9 in the virtual space system in which the virtual object 8 in FIG. 11A is linked according to the position or orientation of the
[0046]
When the
[0047]
An expression of an inclined surface by a touch feeling when a part of the virtual object 9 is an inclined surface will be described. In (S-1), the virtual objects 8 and 9 come into contact with each other, whereby force due to the ejection of air is hapticly presented to the
[0048]
[Fourth embodiment]
FIG. 12 is a block diagram of a force sense presentation device according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a flowchart of force sense presentation processing. According to the position or orientation of the
[0049]
In addition, the size and shape of the
[0050]
[Fifth embodiment]
FIG. 15 is a flowchart of a force sense presentation process according to the fifth embodiment of the present invention. By changing the position of the jet outlet 201 or the jet direction, the air jet position and jet direction can be operated. In the present embodiment, the ejection control means 6 is responsive to the position or orientation of the
[0051]
As a method of changing the position and direction of the ejection port 201 of the ejection means 2, for example, when the ejection port 201 itself is moved or rotated to each of the plurality of ejection ports 201 as shown in FIG. In some cases, possible nozzles 205 are individually provided to control the respective directions individually. Also, as shown in FIG. 16B, by moving a slider 206 provided with openings corresponding to a plurality of jet ports 201 in a specific range, the jet ports of only a specific group of jet ports 201 are made effective. There is a method of moving the jet nozzle 201 substantially by making it. Alternatively, there is a method in which some or all of the ejection ports 201 are collectively changed to change the ejection direction. Further, as shown in FIG. 16C, a spherical or hemispherical nozzle 207 is provided at the tip of the cylindrical outlet 201 and rotated to change the position of the nozzle port 208, or FIG. As shown in FIG. 5, the nozzle 209 having a plurality of nozzle ports 208 may be provided to control the ejection direction so that only the nozzle ports 208 in the direction in which ejection is desired are opened.
[0052]
【The invention's effect】
From the above, according to the present invention, since the force sense is given by the ejection of gas or liquid, the operator does not need to be physically connected to the ejection device that generates the force, and the arm or the wire that transmits the installation or the force is transmitted. Can move a body such as a hand freely without being hindered by movement, that is, without being physically restrained by the device. Therefore, the operator is safe without applying excessive force. When using air, it is transparent and does not interfere with video display.
[0053]
In addition, it is possible not only to expand the force sense display range by controlling the ejection of multiple ejection ports, but also to control the amount, position, and direction of ejection according to the position, orientation, posture, shape, etc. of the receptor. By doing so, it is possible to force-present a three-dimensional object, an object having an uneven surface, and the like, and it is possible to enhance the expressive power.
[0054]
In addition, by preparing a plurality of receptors along with a plurality of jet outlets, the jet of each jet outlet is controlled according to the state of one or more receivers, and a plurality of It is possible to present haptics and present haptics to multiple operators.
[0055]
In addition, by controlling the ejection of each ejection outlet according to the position of the receptor, even if the ejection means has ejection outlets arranged at equal intervals, the receptor is ejected at an arbitrary position within the force sense presentation range. If it is comprised so that it can receive, the thing smaller than the space | interval of a jet nozzle can be force-presented. That is, the resolution of force sense presentation can be made dependent on the resolution of the position measurement of the receptor, not on the interval between the spouts.
[0056]
In addition to air, other gases and liquids are also subject to ejection control, so that the expressive power can be further enhanced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a force sense presentation device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of an operator, a receptor, and an ejection unit of the force sense presentation device according to the first embodiment.
FIG. 3 is a flowchart of force sense presentation processing according to the first embodiment;
FIG. 4 is an explanatory diagram of a mechanism for controlling a force sense presented by the force sense presenting device according to the first embodiment;
FIG. 5 is an explanatory diagram of a mechanism for ejecting air from a plurality of ejection ports of the force sense presentation device according to the first embodiment;
FIGS. 6A and 6B are explanatory diagrams of ejection means in the haptic device according to the first embodiment. FIGS.
FIG. 7 is a configuration diagram of a force sense presentation device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a flowchart of force sense presentation processing according to the second embodiment;
FIG. 9 is a configuration diagram of a force sense presentation device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a flowchart of a force sense presentation process according to the third embodiment.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a virtual space system in the haptic device according to the third embodiment.
FIG. 12 is a configuration diagram of a force sense presentation device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a flowchart of force sense presentation processing according to the fourth embodiment;
FIGS. 14A and 14B are explanatory views of a receptor controlled by a receptor control unit in the haptic device according to the fourth embodiment.
FIG. 15 is a flowchart of force sense presentation processing according to the fifth embodiment of the present invention.
FIGS. 16A to 16D are explanatory views for changing the position of the ejection means and the ejection direction in the haptic device of the fifth embodiment.
[Explanation of symbols]
1: Receptor, 101, 102: Rod, 103: Blade
2: jetting means, 201: jet outlet, 202: air jet source, 203: branching device, 204: valve, 205: nozzle, 206: slider, 207: nozzle, 208: nozzle port, 209: nozzle
3: Blowing air
4: Operator
5: Receptor measurement means
6: Ejection control means
7: Virtual space system
8: Virtual object
9: Virtual object
10: Receptor control unit
Claims (14)
前記受容体の位置又は向きに応じて仮想オブジェクトを仮想空間表示手段に表現することを特徴とする力覚提示方法。The force sense presentation method according to claim 1,
A force sense presentation method characterized by expressing a virtual object on a virtual space display means according to the position or orientation of the receptor.
前記仮想オブジェクト又は前記仮想空間内の別の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて前記噴出を制御することを特徴とする力覚提示方法。The force sense presentation method according to claim 2,
A force sense presentation method, wherein the ejection is controlled in accordance with a state of the virtual object or another virtual object in the virtual space, such as a position, a direction, a shape, a size, and a color.
前記受容体の向き又は位置に応じて、前記受容体の姿勢又は形状を変化させることを特徴とする力覚提示方法。The force sense presentation method according to claim 1,
A force sense presentation method, wherein the posture or shape of the receptor is changed in accordance with the orientation or position of the receptor.
前記仮想オブジェクト又は前記別の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、前記受容体の姿勢又は形状を変化させることを特徴とする力覚提示方法。In the force sense presentation method according to claim 2 or 3,
A force sense presentation method, wherein the posture or shape of the receptor is changed in accordance with the position, direction, shape, size, color, or the like of the virtual object or another virtual object.
前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも1つに応じて、前記噴出の量、位置、方向の少なくとも1つを変化させることを特徴とする力覚提示方法。In the force sense presentation method according to claim 1 or 4,
A force sense presentation method, wherein at least one of the amount, position, and direction of the ejection is changed according to at least one of the position, orientation, posture, and shape of the receptor.
前記仮想オブジェクト又は前記別の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、前記噴出の量、位置、方向の少なくとも1つを変化させることを特徴とする力覚提示方法。In the force sense presentation method according to claim 2, 3 or 5,
Haptic presentation characterized by changing at least one of the amount, position, and direction of the ejection according to the position, direction, shape, size, color, etc. of the virtual object or the other virtual object Method.
前記噴出手段の噴出口から噴出される前記気体又は液体による圧力を受け力覚を提示する1又は2以上の受容体と、
前記受容体の位置又は向きを計測する受容体計測手段と、
計測された前受容体の位置又は向きに応じて、前記噴出手段の噴出口からの前記気体又は液体の噴出を制御する噴出制御手段と、
を備えたことを特徴とする力覚提示装置。Jetting means having one or more jetting ports capable of operating the jetting amount of gas or liquid;
One or more receptors presenting a sense of force under pressure by the gas or liquid ejected from the ejection port of the ejection means;
A receptor measuring means for measuring the position or orientation of the receptor;
An ejection control means for controlling ejection of the gas or liquid from the ejection port of the ejection means according to the measured position or orientation of the front receptor;
A force sense presentation device characterized by comprising:
仮想オブジェクトを仮想空間に表現する仮想空間表示手段を備え、前記受容体計測手段で計測された前記受容体の位置又は向きに応じて前記仮想オブジェクトを前記仮想空間に表現する仮想空間システムを具備することを特徴とする力覚提示装置。The force sense presentation device according to claim 8,
Virtual space display means for representing a virtual object in a virtual space, and a virtual space system for representing the virtual object in the virtual space according to the position or orientation of the receptor measured by the receptor measurement means. A haptic device characterized by that.
前記噴出制御手段が、前記仮想オブジェクト又は前記仮想空間内の別の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて前記噴出手段の噴出口からの前記噴出を制御することを特徴とする力覚提示装置。The haptic device according to claim 9, wherein
The ejection control means controls the ejection from the ejection port of the ejection means according to the state of the virtual object or another virtual object in the virtual space, such as the position, direction, shape, size, color, etc. A haptic device characterized by the above.
前記受容体の位置又は向きに応じて、前記受容体の姿勢又は形状を変化させる受容体制御部を備えたことを特徴とする力覚提示装置。The force sense presentation device according to claim 8,
A force sense presentation device comprising: a receptor control unit that changes a posture or a shape of the receptor according to a position or orientation of the receptor.
前記仮想オブジェクト又は前記別の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、前記受容体の姿勢又は形状を変化させる受容体制御部を備えたことを特徴とする力覚提示装置。In the force sense presentation device according to claim 9 or 10,
A force comprising a receptor control unit that changes the posture or shape of the receptor according to the position, direction, shape, size, color, or the like of the virtual object or the other virtual object. Sense presentation device.
前記噴出手段は、前記噴出口の位置又は方向を変えることで噴出位の置又は方向が操作可能であり、
前記噴出制御手段は、前記受容体計測手段により計測された前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも1つに応じて、前記噴出の量、位置、方向の少なくとも1つを制御することを特徴とする力覚提示装置。In the force sense presentation device according to claim 8 or 11,
The ejection means is operable to change the position or direction of the ejection position by changing the position or direction of the ejection port,
The ejection control means controls at least one of the amount, position, and direction of the ejection according to at least one of the position, orientation, posture, and shape of the receptor measured by the receptor measurement means. A haptic device characterized by the above.
前噴出手段は、前記噴出口の位置又は方向を変えることで噴出の位置又は方向が操作可能であり、
前記噴出制御手段は、前記仮想オブジェクト又は前記別の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、前記噴出の量、位置、方向の少なくとも1つを制御することを特徴とする力覚提示装置。The force sense presentation device according to claim 9, 10 or 12,
The pre-ejecting means can operate the position or direction of the ejection by changing the position or direction of the ejection port,
The ejection control means controls at least one of the amount, position, and direction of the ejection according to a state such as a position, direction, shape, size, and color of the virtual object or the other virtual object. A haptic device that is characterized.
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