JP2005165851A - Wire-driven force sense indication apparatus, and wire-driven three-dimensional input apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ワイヤ駆動力覚提示装置、及びワイヤ駆動三次元入力装置に関するものであり、特に、仮想空間提示装置によって投影された立体映像に合わせて被験者に力覚を提示することが可能なワイヤ駆動力覚提示装置、及び仮想空間の任意の三次元位置及び傾きに係る情報を入力可能なワイヤ駆動三次元入力装置に関するものである。 The present invention relates to a wire-driven force sense presentation device and a wire-driven three-dimensional input device, and in particular, a wire capable of presenting a force sense to a subject according to a stereoscopic image projected by a virtual space presentation device. The present invention relates to a driving force sense presentation device and a wire driving three-dimensional input device capable of inputting information related to an arbitrary three-dimensional position and inclination of a virtual space.
従来から、没入型多面ディスプレイなどに代表される仮想空間提示装置を利用して提示された仮想空間の立体映像の映像表面に同期するようにして、被験者に物体を実際に触っているような力覚を提示する力覚提示装置が開発されている。これにより、仮想空間を体感する被験者は、仮想空間内の立体映像を、視覚を通じて認識することができるとともに、指先などの感覚器官を通じて触覚で認識することができる。そして、提示された力覚の強度に応じて立体映像で投影された物体の表面の硬さなどを仮想的に感じることができ、仮想空間の体験をより現実に近づけることができる。 Conventionally, the force of actually touching an object to a subject in synchronization with the image surface of a stereoscopic image of a virtual space presented by using a virtual space presentation device represented by an immersive multi-face display, etc. A force sense presentation device that presents a sense of sensation has been developed. As a result, the subject who experiences the virtual space can recognize the stereoscopic video in the virtual space through vision and can also recognize it by touch through a sensory organ such as a fingertip. Then, it is possible to virtually feel the hardness of the surface of the object projected as a stereoscopic image in accordance with the strength of the presented force sense, and the virtual space experience can be made closer to reality.
上述の力覚提示装置は、力覚を提示する方式によってa)ワイヤ駆動方式、b)リンク駆動方式の二種類に大別することができる。ここで、それぞれの方式についてさらに詳細に説明すると、a)ワイヤ駆動方式は、被験者の周囲を囲むようにして形成された略立方体形状を呈するフレーム体と、フレーム体の接合部(頂部)の複数箇所に設けられたワイヤ駆動装置と、駆動装置によってワイヤ長を可変できるワイヤと、該ワイヤによってフレーム体の内部に支持され、被験者に力覚を提示する力覚提示部(または操作部)を備えるシステム(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)、或いはワイヤと接続したペン型の操作部を操作者に把持させ、さらにワイヤの他端を操作者自身の背中に背負ったモータに連結し、ワイヤに張力を発生させて力覚を提示するシステム(例えば、非特許文献1参照)などが提案されている。
The above-described force sense presentation devices can be broadly classified into two types, a) wire drive method and b) link drive method, depending on the method of presenting the force sense. Here, each method will be described in more detail. A) The wire driving method is provided at a plurality of locations including a frame body having a substantially cubic shape formed so as to surround the subject and a joint (top) of the frame body. A system comprising a wire drive device provided, a wire whose wire length can be changed by the drive device, and a force sense presentation unit (or operation unit) supported by the wire inside the frame body and presenting a force sense to a subject ( For example, refer to
このとき、被験者は力覚を感じる指先などに予め力覚提示部を装着したり、或いは把持している。そして、力覚提示部と接続した複数のワイヤに、仮想空間提示装置によって投影される立体映像に合わせて張力を作用させる。これにより、被験者は指先等に力覚を感じることができる。ここで、a)ワイヤ駆動方式は、力覚の提示に複数のワイヤが用いられているため、装置自体の慣性の影響を小さくすることができ、また操作応答性を良くすることができる。また、仮想空間に投影される立体映像との親和性が高い、換言すれば、立体映像を遮蔽する可能性が低いため、仮想空間内の被験者に力覚を、違和感を覚えさせることなく提示することが可能な優れた利点を有している。 At this time, the subject wears or holds a force sense presentation unit in advance on a fingertip or the like that feels force sense. And a tension | tensile_strength is acted on the some wire connected with the force sense presentation part according to the stereo image projected by the virtual space presentation apparatus. Thereby, the test subject can feel a sense of force at the fingertip or the like. Here, in the a) wire driving method, since a plurality of wires are used for presenting a force sense, the influence of the inertia of the device itself can be reduced, and the operation responsiveness can be improved. Also, it has a high affinity with the stereoscopic image projected in the virtual space, in other words, it has a low possibility of shielding the stereoscopic image, and therefore presents the sense of force to the subject in the virtual space without feeling uncomfortable. It has excellent advantages that are possible.
一方、b)リンク駆動方式は、可動自在に形成された複数のマニピュレータを連結する各々の関節軸にモータを取付け、これらのモータの駆動を制御し、関節軸に加えられる反力を検出し、それに対応する制御を行うことによって力覚を提示できるシステム(例えば、非特許文献2参照)や、或いはシリアルリンク機構を用いて、指先に力覚提示部を遭遇させるように制御する遭遇型力覚提示装置(例えば、非特許文献3及び非特許文献4参照)などが知られている。
On the other hand, b) link drive system, a motor is attached to each joint shaft connecting a plurality of manipulators formed movably, the drive of these motors is controlled, and the reaction force applied to the joint shaft is detected, Encounter-type force sense that controls to cause the fingertip to encounter the force sense presentation unit using a system capable of presenting force sense by performing corresponding control (for example, see Non-Patent Document 2) or a serial link mechanism Presentation devices (see, for example, Non-Patent
その結果、上述のワイヤ駆動方式と比較して、容易に指先等の感覚器官に力覚を自然な動きで提示することができる。また、指先等に力覚提示部を遭遇させる遭遇型の力覚提示装置を用いることにより、ワイヤ駆動方式のように予め指先に力覚提示部等を把持したり、装着する必要がなく、力覚提示時以外の指先の運動を制限することがなくなり、仮想空間の広範にわたって力覚を提示することができる。 As a result, it is possible to easily present a sense of force to a sensory organ such as a fingertip with a natural movement as compared with the above-described wire driving method. In addition, by using an encounter-type force sense presentation device that causes a force sense presentation unit to come into contact with a fingertip or the like, there is no need to grip or attach the force sense presentation unit or the like to the fingertip in advance as in the wire drive method. The movement of the fingertips other than the sense of sensation is not limited, and the sense of force can be presented over a wide virtual space.
一方、上述した仮想空間提示装置及び力覚提示装置を応用して、仮想空間の任意の三次元位置及び傾きにおける三次元情報を、直接入力することが可能な三次元位置入力装置が知られている(例えば、特許文献3参照)。これにより、デザインの設計作業等において設計者の直観的な感覚に基づく発想豊かな形状を自由に表現することができ、創造性の優れた設計を行うことができる。また、この三次元情報を算出するための技術も開発されている(例えば、非特許文献5参照)。 On the other hand, there is known a three-dimensional position input device capable of directly inputting three-dimensional information at an arbitrary three-dimensional position and inclination in a virtual space by applying the virtual space presentation device and the force sense presentation device described above. (For example, see Patent Document 3). As a result, it is possible to freely express an idea-rich shape based on the intuitive sense of the designer in the design work of the design, and a design with excellent creativity can be performed. In addition, a technique for calculating this three-dimensional information has been developed (see, for example, Non-Patent Document 5).
しかしながら、上述の力覚提示装置において、ワイヤ駆動方式を採用する力覚提示装置は、仮想空間の任意の三次元位置に複数のワイヤによって支持された力覚提示部を、被験者が予め把持(若しくは装着)する必要があり、被験者の指先等の運動を制限してしまうことがあった。また、ワイヤによって支持される力覚提示部の自由度は、一般に力覚提示部が接続されるワイヤの数に依存することが知られ、具体的には”ワイヤの数−1”で表現されている。そのため、力覚提示部により高い自由度を要求する場合には、接続するワイヤの数を増やす必要があり、仮想空間内に存在する被験者と、ワイヤとが干渉する可能性が高くなった。その結果、被験者の移動が制限され、十分な広さの仮想空間を確保することが困難となった。また、力覚提示部に接続された複数のワイヤのワイヤ長やワイヤの巻出角度等に関するデータを集め、解析処理をする必要があり、これらの処理の負担が大きくなることがあった。 However, in the above-described haptic device, the haptic device that employs the wire driving method is configured so that the subject holds the haptic device that is supported by a plurality of wires in an arbitrary three-dimensional position in the virtual space in advance (or The movement of the subject's fingertips and the like may be restricted. Further, it is known that the degree of freedom of the force sense presentation unit supported by the wire generally depends on the number of wires to which the force sense presentation unit is connected, and is specifically expressed by “number of wires−1”. ing. Therefore, when a high degree of freedom is requested from the force sense presentation unit, it is necessary to increase the number of wires to be connected, and the possibility that the subject existing in the virtual space and the wires interfere with each other is increased. As a result, the movement of the subject was restricted, and it became difficult to secure a sufficiently large virtual space. In addition, it is necessary to collect data related to the wire lengths and the wire unwinding angles of the plurality of wires connected to the force sense presentation unit and perform analysis processing, which may increase the burden of these processes.
一方、リンク駆動方式の場合、前述したワイヤ駆動方式のように、仮想空間内のワイヤによって確保される仮想空間が制限される可能性は少なく、遭遇型の力覚提示装置を適用すれば、被験者の指先等の位置を検出し、当該位置に力覚提示部を移動させることができるため、指先等の運動が制限されることがなかった。しかしながら、リンク機構によって結合されたマニピュレータは、必然的に仮想空間内に大きく侵入して位置するため、投影される立体映像と該マニピュレータとが重なり合い、被験者はマニピュレータによって一部が遮られた状態の立体映像を視認することがあった。そのため、完全な形状の立体映像を視覚として捉えることができず、仮想空間の雰囲気(仮想現実性)を損なうおそれがあった。 On the other hand, in the case of the link driving method, unlike the wire driving method described above, the virtual space secured by the wire in the virtual space is unlikely to be limited. Since the position of the fingertip and the like can be detected and the force sense presentation unit can be moved to the position, the movement of the fingertip and the like has not been limited. However, since the manipulator coupled by the link mechanism is inevitably located in a large space in the virtual space, the projected stereoscopic image and the manipulator overlap each other, and the subject is in a state where a part of the manipulator is blocked by the manipulator. There was a case where a stereoscopic image was visually recognized. For this reason, a stereoscopic image with a perfect shape cannot be captured as vision, and the atmosphere (virtual reality) of the virtual space may be impaired.
また、上述の仮想空間提示装置及び力覚提示装置を応用して、仮想空間の三次元位置の入力を受付け、設計作業等の支援を図ることのできる三次元入力装置の場合、上述した力覚提示装置のワイヤ駆動方式及びリンク駆動方式のそれぞれの問題点をそのまま継承することとなり、上記の力覚提示装置の場合と同様の問題が生じていた。 In addition, in the case of a three-dimensional input device that applies the above-described virtual space presentation device and force sense presentation device to accept input of a three-dimensional position in the virtual space and can support design work, the above-described force sense The problems of the wire driving method and the link driving method of the presentation device are inherited as they are, and the same problem as in the case of the force sense presentation device has occurred.
そこで、上記実情に鑑み、少ないワイヤの数であっても力覚提示部の自由度を高く設定することができ、ワイヤによる力覚提示可能空間の制限及び立体映像に対する遮りの少ないワイヤ駆動力覚提示装置、及びワイヤ駆動三次元入力装置の提供を課題とするものである。 Therefore, in view of the above situation, even if the number of wires is small, the degree of freedom of the force sense presentation unit can be set to be high, the space for the force sense presentation by the wire is limited, and the wire driving force sense with less obstruction to the stereoscopic image. An object of the present invention is to provide a presentation device and a wire-driven three-dimensional input device.
上記の課題を解決するため、本発明のワイヤ駆動力覚提示装置は、「仮想空間提示装置によって提示される仮想空間を体感する被験者の周囲に構築され、内部の本体空間に前記被験者を収容可能な装置本体と、前記装置本体の前記本体空間の任意の三次元位置及び傾きに変位自在に移動自在に支持され、前記被験者に力覚を提示可能な力覚提示面を有する力覚提示部と、一端が前記力覚提示部に連結され、前記三次元位置及び前記傾きに前記力覚提示部を支持する少なくとも三本の支持ワイヤと、前記支持ワイヤの他端とそれぞれ連結され、前記支持ワイヤのワイヤ長を可変させるワイヤ駆動部と、前記ワイヤ駆動部に接続し、所定の摺動方向に沿って前記ワイヤ駆動部を摺動させる摺動手段と、前記ワイヤ駆動部及び前記摺動手段を連動し、前記力覚提示部の前記三次元位置及び前記傾きを制御する力覚提示制御手段と」を主に具備して構成されている。 In order to solve the above problems, the wire driving force sense presentation device according to the present invention is constructed around a subject who feels the virtual space presented by the virtual space presentation device, and can accommodate the subject in an internal body space. A force sense presentation unit having a force sense presentation surface that is movably supported by an arbitrary three-dimensional position and inclination of the main body space of the device main body and capable of presenting a force sense to the subject. , One end is connected to the force sense presentation unit, and is connected to the three-dimensional position and the inclination at least three support wires that support the force sense presentation unit, and the other end of the support wire, and the support wire A wire driving section for changing the wire length; a sliding means connected to the wire driving section for sliding the wire driving section along a predetermined sliding direction; and the wire driving section and the sliding means. Linked Is composed mainly comprises a "and force feedback control means for controlling the three-dimensional position and the inclination of the force-feedback unit.
ここで、仮想空間提示装置とは、従来から周知の技術として知られる所謂「没入型多面ディスプレイ」を利用することが可能であり、仮想空間を体感する被験者の周囲を囲むようにして配された複数のスクリーンを用いて投影された立体映像を、被験者に認識させることが可能なものである。なお、没入型多面ディスプレイにおけるスクリーンの面数は、特に限定されるものではないが、例えば、六面のスクリーンを略立方体形状に構成した没入型多面ディスプレイを構築することにより、被験者の全周方位をスクリーンで囲むことができ、被験者がいずれの方向に視線を向けた場合であっても、常に仮想空間を視認することができ、仮想現実の雰囲気を損なうことがない。そのため、仮想空間に没入された被験者は、違和感を覚えることなく該仮想空間を体感することができ、本発明において特に好適と考えられる。また、その他の仮想空間提示装置として、被験者の頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイ(HMD)方式のものや、球面ディスプレイ方式のものなどを挙げることができる。さらに、装置本体は、例えば、被験者の周囲を囲うようにして複数のフレーム材を組合わせ、略立方体形状に構築したものなどを想定することが可能である。 Here, the virtual space presentation device can use a so-called “immersive multi-sided display” known as a well-known technique, and includes a plurality of devices arranged so as to surround a subject who experiences the virtual space. It is possible to make a subject recognize a stereoscopic image projected using a screen. Note that the number of screens in the immersive multi-screen display is not particularly limited, but for example, by constructing an immersive multi-screen display in which a six-sided screen is configured in a substantially cubic shape, the entire azimuth of the subject Can be surrounded by a screen, and the virtual space can always be visually recognized regardless of the direction of the subject's line of sight, and the virtual reality atmosphere is not impaired. Therefore, the subject who is immersed in the virtual space can experience the virtual space without feeling uncomfortable, and is considered particularly suitable in the present invention. Other virtual space presentation devices include a head-mounted display (HMD) type mounted on the subject's head and a spherical display type. Furthermore, the apparatus main body can be assumed to be constructed in a substantially cubic shape by combining a plurality of frame materials so as to surround the subject, for example.
また、力覚提示部とは、被験者が力覚を感じる感覚器官(例えば、指先や掌などの触覚器官)と力覚提示面とが接触し、仮想空間内の任意の三次元位置及び傾きで被験者に対して力覚を提示するものであり、後述する支持ワイヤの張力の程度によって、物体の表面硬さなどの硬軟の程度を示すことができる。ここで、力覚提示部は、例えば、薄板状の合成樹脂によって形成され、支持ワイヤがそれぞれの頂点に連結された多角形状(支持ワイヤが三本の場合、三角形状)を成すものを利用することができる。なお、支持ワイヤを連結する位置は、特に限定されないが、上述した多角形状の頂点位置にすることにより、力覚提示部の仮想空間における三次元位置及び傾きを数値計算によって求める場合に簡易となる利点がある。また、支持ワイヤを構成する材質は、力覚提示部に張力を伝えるために引張応力に対して伸長することがないものであって、かつ立体映像の視認性に影響を与えない程度の細い径を有するものが好ましい。 In addition, the force sense presentation unit refers to a sensory organ (for example, a tactile organ such as a fingertip or a palm) in which a subject feels a force sense and a force sense presentation surface, and has an arbitrary three-dimensional position and inclination in a virtual space. A force sense is presented to the subject, and the degree of hardness such as the surface hardness of the object can be indicated by the degree of tension of the support wire described later. Here, the force sense presentation unit is formed of, for example, a thin plate-like synthetic resin, and uses a polygonal shape (a triangular shape in the case of three support wires) in which a support wire is connected to each vertex. be able to. Note that the position where the support wire is connected is not particularly limited, but by using the above-described polygonal vertex position, it becomes easy to obtain the three-dimensional position and inclination of the force sense presentation unit in the virtual space by numerical calculation. There are advantages. In addition, the material constituting the support wire is a thin diameter that does not extend to the tensile stress in order to transmit the tension to the force sense presentation unit and does not affect the visibility of the stereoscopic image. Those having the following are preferred.
これにより、被験者は仮想空間に投影された立体映像に同期させるようにして制御された力覚提示部の力覚提示面に指先等で触れることによって、恰も実際の物体を触っているような感覚を仮想的に体験することができる。 As a result, the subject feels as if he is touching an actual object by touching the force sense presentation surface of the force sense presentation unit controlled so as to be synchronized with the stereoscopic image projected in the virtual space with a fingertip or the like. Can be experienced virtually.
一方、ワイヤ駆動部とは、前述の力覚提示部を仮想空間内で移動可能に支持するための支持ワイヤのワイヤ長を可変する機能を備えるものであり、例えば、支持ワイヤの巻取り及び巻出しに係る力を発生させる駆動用のモータ、支持ワイヤを巻取る円形状のプーリ、巻出された支持ワイヤの巻出角度を検出する角度検出用エンコーダ、及び支持ワイヤの巻取量及び巻出量を計測するためのロータリ・エンコーダなどの部品から構成されている。 On the other hand, the wire drive unit has a function of changing the wire length of a support wire for supporting the above-described force sense presentation unit so as to be movable in a virtual space. Motor for generating a force for unwinding, circular pulley for winding the support wire, angle detection encoder for detecting the unwinding angle of the unwound support wire, and winding amount and unwinding of the support wire It consists of parts such as a rotary encoder for measuring quantity.
また、摺動手段とは、前述のワイヤ駆動部を所定の摺動方向に沿って摺動させるものであり、例えば、前述した装置本体が複数のフレームによって構成されている場合、構成する複数のフレームの中から選択されたフレーム(ワイヤ駆動部及び支持ワイヤの数と同数)に取付けられ、フレームの長手方向に対して直線往復運動するように摺動させるものがある。さらに、具体的に説明すると、フレームの内部にボールねじやモータを埋設し、雄ねじ及び雌ねじの螺合による推進力を利用して摺動させるものや、或いはワイヤ駆動部に摺動用のモータを取付けたものなどが挙げられる。なお、この場合、摺動手段が設けられるフレームは、特に限定されないが、仮想空間内の任意の三次元位置及び傾きでの力覚の提示を可能な限り、広範囲で行うことが可能なようにするため、立方体形状の場合、互いに平行して隣接する一対のフレーム及び係るフレームに直交して位置するフレームに設けるように配したものなどが望ましい。加えて、摺動手段は、ワイヤ駆動部を直線往復運動のように一方向に対して移動させるものに限られず、装置本体の面上を自在に摺動させるものであってもよい。これにより、ワイヤ駆動部によって支持された力覚提示部の動きをさらに複雑にすることが可能となる。 Further, the sliding means is a means for sliding the wire drive unit described above along a predetermined sliding direction. For example, when the device main body is configured by a plurality of frames, a plurality of components are configured. There are some which are attached to a frame selected from among the frames (the same number as the number of wire driving units and supporting wires) and slide so as to reciprocate linearly with respect to the longitudinal direction of the frame. More specifically, a ball screw or a motor is embedded in the frame, and a sliding motor is mounted using a thrust generated by screwing of a male screw and a female screw, or a sliding motor is attached to the wire drive unit. Etc. In this case, the frame on which the sliding means is provided is not particularly limited, but the force sense at any three-dimensional position and inclination in the virtual space can be presented in a wide range as much as possible. Therefore, in the case of a cubic shape, it is desirable to provide a pair of frames that are adjacent to each other in parallel with each other and a frame that is positioned orthogonal to the frame. In addition, the sliding means is not limited to one that moves the wire driving unit in one direction like linear reciprocating movement, and may be one that freely slides on the surface of the apparatus main body. Thereby, it becomes possible to further complicate the movement of the force sense presentation unit supported by the wire driving unit.
したがって、本発明のワイヤ駆動力覚提示装置によれば、少なくとも三本の支持ワイヤによって装置本体の本体空間に力覚を提示可能な力覚提示面を備える力覚提示部が支持されている。このとき、力覚提示部の仮想空間における三次元位置及び傾きは、力覚提示部を支持する三本の支持ワイヤのワイヤ長、及び支持ワイヤが接続されたワイヤ駆動部の摺動位置(例えば、フレームに対するワイヤ駆動部の位置)によって決定されている。そして、これらのワイヤ長の巻出量(変化量)及び摺動手段によるワイヤ駆動部の摺動量が、仮想空間に投影される立体映像に同期して制御される。その結果、立体映像の表面に相当する三次元位置及び傾きに力覚提示部を移動制御させることにより、仮想空間内の被験者は実際の物体の表面を触れているような感覚を感じることができる。さらに、支持ワイヤの張力を制御することにより、立体映像に係る物体の表面の硬軟性を再現することが可能となる。特に、支持ワイヤの巻取等を行うワイヤ駆動部が所定の摺動方向に摺動可能に設けられていることにより、少ない支持ワイヤの本数であっても、力覚提示部に高い自由度を与えることができるようになり、力覚を提示可能な空間を広く確保することができ、さらに被験者及び力覚を感じる指先等の動きを制限することが少なくなる。 Therefore, according to the wire drive force sense presentation device of the present invention, the force sense presentation unit including a force sense presentation surface capable of presenting a force sense to the main body space of the device main body is supported by at least three support wires. At this time, the three-dimensional position and inclination of the force sense presentation unit in the virtual space are determined by the wire lengths of the three support wires that support the force sense presentation unit and the sliding position of the wire driving unit to which the support wires are connected (for example, The position of the wire drive relative to the frame). Then, the unwinding amount (change amount) of these wire lengths and the sliding amount of the wire driving unit by the sliding means are controlled in synchronization with the stereoscopic image projected on the virtual space. As a result, the subject in the virtual space can feel the sensation of touching the surface of the actual object by controlling the movement of the force sense presentation unit to the three-dimensional position and inclination corresponding to the surface of the stereoscopic image. . Furthermore, by controlling the tension of the support wire, it is possible to reproduce the hardness of the surface of the object related to the stereoscopic image. In particular, since the wire drive unit for winding the support wire is provided so as to be slidable in a predetermined sliding direction, even if the number of support wires is small, a high degree of freedom is provided to the force sense presentation unit. Thus, it is possible to provide a wide space in which force senses can be presented, and further, the movement of the subject and the fingertips that feel the force sense is reduced.
さらに、本発明のワイヤ駆動力覚提示装置は、上記構成に加え、「前記被験者が前記力覚を感じる感覚器官の位置を検出する器官位置検出手段と、前記器官位置検出手段によって検出された前記感覚器官の前記位置に、前記力覚提示部を遭遇させる力覚提示部遭遇手段と」をさらに具備するものであっても構わない。 Furthermore, the wire drive force sense presentation device according to the present invention has, in addition to the above configuration, “organ position detection means for detecting the position of the sensory organ where the subject feels the force sense, and the position detected by the organ position detection means” It may further comprise “force sense presentation unit encounter means for causing the force sense presentation unit to encounter at the position of the sensory organ”.
したがって、本発明のワイヤ駆動力覚提示装置によれば、被験者の指先や掌などの感覚器官(触覚器官)の位置を検出し、検出された感覚器官の位置に合わせて力覚提示部を移動して遭遇させることが可能となる。ここで、感覚器官の検知は、例えば、仮想空間内に赤外線光を発光し、指先に取付けられた微小の反射材によって該赤外線光を反射し、ステレオカメラによって係る反射光を受光する指先センシング装置などが挙げられる。これにより、指先に対して非接触の状態で三次元位置を特定することができる。すなわち、本発明のワイヤ駆動力覚提示装置を遭遇型の力覚提示装置とすることができる。 Therefore, according to the wire-driven force sense presentation device of the present invention, the position of the sensory organ (tactile organ) such as the fingertip or palm of the subject is detected, and the force sense presentation unit is moved in accordance with the detected position of the sensory organ. Can be met. Here, the sensory organ is detected by, for example, a fingertip sensing device that emits infrared light in a virtual space, reflects the infrared light by a minute reflecting material attached to the fingertip, and receives the reflected light by a stereo camera. Etc. Thereby, a three-dimensional position can be specified in a non-contact state with respect to a fingertip. That is, the wire-driven force sense presentation device of the present invention can be an encounter type force sense presentation device.
これにより、被験者は、従前の力覚提示装置のように、操作部を予め指などに装着する必要がなくなる。そのため、指先の運動がワイヤによって制限されることなく、自由に動かすことが可能となる。また、遭遇型の力覚提示装置として機能することにより、被験者による操作性が向上する。 This eliminates the need for the subject to attach the operation unit to a finger or the like in advance as in a conventional force sense presentation device. Therefore, the movement of the fingertip can be freely moved without being limited by the wire. Moreover, the operability by the subject is improved by functioning as an encounter-type force sense presentation device.
さらに、本発明のワイヤ駆動力覚提示装置は、上記構成に加え、「前記力覚提示部及び前記支持ワイヤの少なくともいずれか一方は、透明性状を呈する素材で形成されている」ものであっても構わない。 Furthermore, the wire drive force sense presentation device of the present invention is, in addition to the above configuration, “at least one of the force sense presentation unit and the support wire is formed of a material exhibiting transparency”. It doesn't matter.
したがって、本発明のワイヤ駆動力覚提示装置によれば、力覚提示部及び支持ワイヤの少なくともいずれか一方が透明性のある素材で形成されていることにより、被験者は力覚提示部等を透過した光によって立体映像をそのまま視覚を通じて認識することが可能となる。換言すれば、力覚提示部等によって立体映像を遮ることがない。ここで、仮想空間提示装置によって構築された仮想空間には、原則として被験者及び立体映像のみが存在し、被験者には提示された仮想空間だけを、視覚を通じて感じることが望ましくそれ以外のものは視界に入らないほうが好ましい。そこで、力覚提示部等を透明素材で構築することにより、立体映像を視認した場合の仮想現実性を損なうことなく、よりリアリティの高い立体映像を被験者に対して提供することが可能となる。なお、透明性を呈する素材としては、アクリル樹脂等の合成樹脂を用いることが可能である。さらに、支持ワイヤには、釣り糸などに用いられる天蚕糸などを利用することが可能である。 Therefore, according to the wire drive force sense presentation device of the present invention, since at least one of the force sense presentation unit and the support wire is formed of a transparent material, the subject passes through the force sense presentation unit and the like. It is possible to recognize a stereoscopic image through visual perception as it is by using the light. In other words, the stereoscopic image is not obstructed by the force sense presentation unit or the like. Here, in principle, only the subject and the stereoscopic image exist in the virtual space constructed by the virtual space presentation device, and it is desirable for the subject to feel only the presented virtual space through vision. It is preferable not to enter. Therefore, by constructing the force sense presentation unit or the like with a transparent material, it is possible to provide a subject with a more realistic 3D image without impairing the virtual reality when viewing the 3D image. In addition, as a raw material which exhibits transparency, it is possible to use synthetic resins, such as an acrylic resin. Furthermore, it is possible to use a tentacle thread used for fishing line or the like as the support wire.
本発明のワイヤ駆動三次元入力装置は、「仮想空間提示装置によって提示される仮想空間を体感する被験者の周囲に構築され、内部の本体空間に前記被験者を収容可能な装置本体と、前記装置本体の前記本体空間の任意の三次元位置及び傾きに移動自在に支持され、前記三次元位置及び前記傾きに係る三次元情報の入力を受付ける三次元入力部と、一端が前記三次元入力部に連結され、前記三次元位置及び前記傾きに前記三次元入力部を支持する少なくとも三本の支持ワイヤと、前記支持ワイヤの他端とそれぞれ連結され、前記三次元入力部に与えられる操作力に応じて、前記支持ワイヤのワイヤ長を可変させるワイヤ駆動部と、前記ワイヤ駆動部に接続し、前記位置入力部に与えられる前記操作力に応じて、所定の摺動方向に沿って前記ワイヤ駆動部を摺動させる摺動手段と、前記ワイヤ駆動部による前記支持ワイヤの変化量及び前記摺動手段による前記ワイヤ駆動部の摺動量を検出し、前記三次元入力部の前記三次元情報を取得する三次元情報取得手段と」を具備して主に構成されている。 The wire-driven three-dimensional input device according to the present invention includes: a device main body constructed around a subject who experiences a virtual space presented by a virtual space presentation device and capable of accommodating the subject in an internal main body space; A three-dimensional input unit that is movably supported at an arbitrary three-dimensional position and inclination of the main body space, and that accepts input of three-dimensional information related to the three-dimensional position and inclination, and one end connected to the three-dimensional input unit And at least three support wires that support the three-dimensional input unit at the three-dimensional position and the inclination, and the other end of the support wire, respectively, and according to an operation force applied to the three-dimensional input unit A wire driving unit that varies a wire length of the support wire; and a wire driving unit that is connected to the wire driving unit and that moves along a predetermined sliding direction according to the operation force applied to the position input unit. A three-dimensional information of the three-dimensional input unit by detecting a sliding means for sliding the Y-driving unit, a change amount of the support wire by the wire driving unit, and a sliding amount of the wire driving unit by the sliding unit. And a three-dimensional information acquisition means for acquiring "."
ここで、本発明のワイヤ駆動三次元入力装置において、基本的な構成は、上述のワイヤ駆動力覚提示装置と略同様のものであるため、ここでは詳細な説明は省略するものとする。さらに、操作力に応じて移動する三次元入力部の変化において、三次元入力部を支持する支持ワイヤのワイヤ長及び摺動手段の摺動量に基づいて三次元位置及び傾きに係る三次元情報が取得されている。 Here, the basic configuration of the wire-driven three-dimensional input device of the present invention is substantially the same as that of the above-described wire-driven force sense presentation device, and thus detailed description thereof will be omitted here. Furthermore, in the change of the three-dimensional input unit that moves according to the operating force, the three-dimensional information related to the three-dimensional position and inclination is based on the wire length of the support wire that supports the three-dimensional input unit and the sliding amount of the sliding means. Has been acquired.
したがって、本発明のワイヤ駆動三次元入力装置によれば、フレームに対して摺動可能に取付けられた摺動手段及びワイヤ駆動部によって、三次元入力部を仮想空間内において自在に移動させることができる。さらに、三次元入力部に加えられた操作力に対する移動変化の変化量をワイヤ駆動部及び摺動手段によってそれぞれ算出し、仮想空間の三次元位置に係る三次元情報を容易に取得することができる。さらに、ワイヤ駆動部がフレームの長手方向に沿って摺動することにより、少ない本数の支持ワイヤによっても三次元入力部の自由度を高くすることができ、仮想空間の三次元位置を精度良く取得することが可能となる。 Therefore, according to the wire drive three-dimensional input device of the present invention, the three-dimensional input unit can be freely moved in the virtual space by the sliding means and the wire drive unit slidably attached to the frame. it can. Furthermore, the amount of change in movement change with respect to the operating force applied to the three-dimensional input unit can be calculated by the wire driving unit and the sliding means, respectively, and three-dimensional information related to the three-dimensional position in the virtual space can be easily obtained. . Furthermore, since the wire drive section slides along the longitudinal direction of the frame, the degree of freedom of the three-dimensional input section can be increased even with a small number of support wires, and the three-dimensional position of the virtual space can be obtained with high accuracy. It becomes possible to do.
本発明の効果として、ワイヤ駆動力覚提示装置によれば、ワイヤ駆動部が摺動手段によってフレームに摺動可能に取付けられているため、支持ワイヤを少ない本数(少なくとも三本)に抑えても、力覚提示部の自由度を高く設定することができる。その結果、力覚提示部を精度良く仮想空間内の任意の三次元位置及び傾きに立体映像と合わせて制御することができる。これにより、処理に係る負担及び仮想現実性を損なうことなく、被験者に対して力覚を伴った仮想空間を提示することができる。さらに、ワイヤ駆動三次元入力装置によれば、前述のワイヤ駆動力覚提示装置の構成を応用することにより、仮想空間における任意の三次元位置に係る三次元情報を自在に取得することが可能となり、デザイン設計などの支援作業を容易にし、被験者の直観的判断に基づく新しいデザインを創生することができる。 As an effect of the present invention, according to the wire drive force sense presentation device, since the wire drive unit is slidably attached to the frame by the sliding means, the number of support wires can be suppressed to a small number (at least three). The degree of freedom of the force sense presentation unit can be set high. As a result, the force sense presentation unit can be accurately controlled in combination with the stereoscopic video at an arbitrary three-dimensional position and inclination in the virtual space. Thereby, a virtual space with a sense of force can be presented to the subject without impairing the burden and virtual reality related to the processing. Furthermore, according to the wire-driven three-dimensional input device, it is possible to freely acquire three-dimensional information related to an arbitrary three-dimensional position in the virtual space by applying the configuration of the wire-driven force sense presentation device described above. Supporting work such as design can be facilitated, and a new design based on the intuitive judgment of the subject can be created.
以下、本発明の第一実施形態であるワイヤ駆動力覚提示装置1(以下、「力覚提示装置1」と称す)について、図1乃至図6に基づいて説明する。ここで、図1は第一実施形態の力覚提示装置1の概略構成を示す説明図であり、図2は力覚提示装置1の力覚提示部2の概略構成を示す説明図であり、図3はワイヤ駆動部3及び摺動フレーム4a,4b,4cの構成を示す説明図であり、図4は力覚提示装置1の使用の一例を示す説明図であり、図5は提示処理装置5の機能的構成を示すブロック図であり、図6は提示処理装置5の処理の流れを示すフローチャートである。なお、本明細書中の以下の説明において、特に断りのない限り、三次元位置DPの語句には、”三次元位置及び傾き”を含むものと定義する。
Hereinafter, a wire driving force sense presentation device 1 (hereinafter referred to as “force
本発明の第一実施形態の力覚提示装置1は、図1乃至図5に主に示すように、被験者10(図4参照)の周囲を囲むようにして設置される六面のスクリーン6、及びそれぞれのスクリーン6に映像を投影するためのプロジェクタ7(図1及び図4においては図面簡略化のため一つのみが図示されている)、及び各プロジェクタ7によって投影される立体映像Sに係る映像情報VIの制御を行う映像制御部(図示しない)などから構成される没入型多面ディスプレイからなる仮想空間提示装置8と連係して設けられ、提示される仮想空間Vの中に、略立方体形状を呈し、複数のフレーム9,4a,4b,4cを組合わせ、仮想空間Vを体感する被験者10を全周方位にわたって囲み、内部にフレーム空間11が形成されたフレーム体12と、形成されたフレーム空間11の任意の三次元位置DPに移動自在に支持され、被験者10に力覚を提示する力覚提示面13を有する三角板形状の力覚提示部2と、力覚提示部2の各頂点と一端がそれぞれ接続された三本の支持ワイヤ14と、支持ワイヤ14のワイヤ長Lを巻取及び巻出動作によって可変させるワイヤ駆動部3と、該ワイヤ駆動部3を長手方向に対して摺動させる摺動フレーム4a,4b,4cと、仮想空間Vの上方位置に設けられ、被験者10が力覚を感じる感覚器官の一つである指先16に取付けられた微小な反射材17に赤外線波長域の照射光Iを照射し、該反射材17によって反射した反射光Oから指先16の仮想空間Vにおける位置を検出する位置検出部18と、ワイヤ駆動部3による支持ワイヤ14のワイヤ長Lの変化量及び摺動フレーム4a,4b,4cに対するワイヤ駆動部3の摺動量を制御し、力覚提示部2による力覚の提示処理を行う提示処理装置5とを主に具備して構成されている。ここで、摺動フレーム4a,4b,4cが本発明における摺動手段に相当し、フレーム空間11が本発明における本体空間に相当し、フレーム体12が本発明における装置本体に相当し、位置検出部18が本発明における器官位置特定手段に相当する。また、被験者10は立体映像Sを立体視するために液晶シャッターを具備する立体視用眼鏡15を仮想空間V内で装着している(図4参照)。
The force
さらに、詳細に説明すると、フレーム体12は、サイコロのような略立方体形状を呈して形成され、係る形状を構築するために複数のフレーム9及び三本の摺動フレーム4a,4b,4cが組合わされている。ここで、フレーム体12の下面に相当する箇所には、基準座標系におけるZ軸方向(図1参照)に長手方向が一致し、さらに互いに対向する一対のフレーム9の中央部分にそれぞれの端部が接合され、該フレーム9に対して直交する第一摺動フレーム4aが取付けられている。そして、係る第一摺動フレーム4aにZ軸方向に対して摺動自在に取付けられたワイヤ駆動部3には、前述の力覚提示部2に接続された支持ワイヤ14の他端が接続されている。また、力覚提示部2を仮想空間V内で支持するための支持ワイヤ14がそれぞれ接続された残りの二つのワイヤ駆動部3を摺動可能にするための第二摺動フレーム4b及び第三摺動フレーム4cは、フレーム体12の上部に相当し、かつ第一摺動フレーム4aに対して互いに平行で対向する位置に設けられている。ここで、図1に示すように、三本の摺動フレーム4a,4b,4cは、フレーム体12を構築するための一部を成している。また、摺動フレーム4a,4b,4cが本発明における摺動手段に相当する。
More specifically, the
さらに、力覚提示部2は、図2に模式化して示すように、正三角形の薄板の形状を示し、無色透明の硬質のアクリル樹脂プレートが用いられている。そして、三角形状の各頂点には、個々のワイヤ駆動部3と接続された支持ワイヤ14の一端が結び付けられている。なお、図2には、後述する力覚提示部2の三次元位置DP等を数値計算によって算出する手法を説明するための基礎となる点及び記号が併せて補助的に表示されている。
Furthermore, as schematically shown in FIG. 2, the force
また、ワイヤ駆動部3は、図3に示すように、力覚提示部2に連結された支持ワイヤ14のワイヤ長Lを可変させ、任意の三次元位置DPで力覚を提示するためのものであり、支持ワイヤ14のワイヤ長Lを可変させる巻取及び巻出動作を行うためのワイヤ駆動用の駆動モータ19と、駆動モータ19の回転によって支持ワイヤ14を巻取及び巻出す円形状のプーリ20と、駆動モータ19の回転角及びプーリ20のプーリ半径から支持ワイヤ14の変化量を計測するロータリ・エンコーダ21と、ワイヤ駆動部3から力覚提示部2に向かう支持ワイヤ14の巻出角度を決定するガイド22及び巻出角度計測用の角度計測エンコーダ22aと、上述した部材を固定して支持する板状の支持プレート23と、支持プレート23の一部から突設され、支持プレート23と協同して摺動フレーム4a,4b,4cを挟込んだ状態で固定する挟持プレート24とを具備している。これにより、ワイヤ駆動部3を摺動フレーム4a等に対して摺動自在の状態とすることができる。なお、駆動モータ19及びエンコーダ21,22aに対する電源供給及びエンコーダ検出信号などの制御信号の送信を行うための電気配線の構成は、ここでは図示を省略している。
Further, as shown in FIG. 3, the
一方、摺動フレーム4a,4b,4cは、図3に示すように、断面略コの字形状を呈し、上方に開口側を向けた状態で配されたフレーム本体25と、フレーム本体25の凹状空間に長手方向に沿って軸回転可能に埋設されたボールねじ26と、ボールねじ26をフレーム本体25の凹状空間内で軸回転運動させる摺動モータ27と、摺動モータ27の回転角度を検出するロータリ・エンコーダ28とを主に具備している。なお、第一実施形態の力覚提示装置1において摺動モータ27及びロータリ・エンコーダ28をフレーム本体25の凹状空間に埋入した構成のものを示している。また、支持プレート23の下面の一部には、ボールねじ26の雄ねじ29のねじ山と螺合可能に形成された雌ねじ(図示しない)が形成されている。そして、摺動モータ27の軸回転運動に伴って、摺動モータ27に連結して軸支されたボールねじ26が軸回転し、ボールねじ26の雄ねじ29と支持プレート23に形成された雌ねじの噛合することによって、摺動フレームの摺動フレーム4aの長手方向(図1及び図3に示す基準座標系におけるZ軸方向、矢印Z方向に相当)にワイヤ駆動部3の推進力が作用する。その結果、ワイヤ駆動部3は、摺動フレーム4aに沿って摺動(スライド移動)することとなる。そして、摺動フレーム4a等の動きによって変化する力覚提示部2は、仮想空間Vにおける三次元位置DP及び力覚提示面13の向きを変化させることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 3, the sliding
また、提示処理装置5は、ワイヤ駆動部3による支持ワイヤ14のワイヤ長Lの変化量制御、摺動フレーム4a等によるワイヤ駆動部3の摺動量の制御、及び位置検出部18によって検出された被験者10の指先16の位置の検出及び特定などの種々の処理を行うためのものである。その具体的な機能的な構成としては、図5に示すように、位置検出部18によって検出された指先16の位置に関する情報を受付け、力覚提示部2の重心の位置及び力覚提示部2の傾きを算出する位置・傾き算出部30と、特定された指先16の位置に基づいて力覚提示部2を支持する支持ワイヤ14のワイヤ長L及びワイヤ駆動部3の摺動量を算出するワイヤ長・摺動量算出部31と、算出されたワイヤ長L及びワイヤ駆動部3の摺動量に応じて力覚提示部2を仮想空間Vの三次元位置DPに、投影された立体映像Sの映像情報VIに合わせて移動制御する力覚同期提示部32と、位置検出部18によって検出された指先16の位置に遭遇するように力覚提示部2を制御する遭遇制御部33とを主に具備して構成されている。ここで、力覚同期提示部32が本発明における力覚提示制御手段に相当し、遭遇制御部33が本発明における力覚提示部遭遇手段に相当する。また、提示処理装置5は、力覚同期提示部32及び遭遇制御部33によって映像情報VIと合わせて、被験者10の指先16に力覚を提示するように、それぞれのワイヤ駆動部3及び摺動フレーム4a,4b,4cのモータ19,27の制御量を調整し、さらにモータ19,27の回転角度を検出するロータリ・エンコーダ21,28の検出量に基づいてフィードバック制御を行うための駆動モータ制御部34及び摺動モータ制御部35を備えている。
In addition, the
なお、位置検出部18は、上述したように照射光Iを用いて指先16の仮想空間V内の位置を特定するものであり、従来から周知の技術及び装置を利用することが可能である。なお、反射材17に照射される赤外線波長領域にある照射光の照射部36及び反射光の受光部37を備える位置検出部18(位置検知センサに相当)は、仮想空間Vに投影される立体映像Sの投影状況を良好にするために、スクリーン6及びフレーム体12の上方の位置に設置され、被験者10による立体映像Sの認識の妨げにならないようになっている(図1及び図4参照)。
The
次に、第一実施形態の力覚提示装置1の使用の一例、及び提示処理装置5における処理の流れについて、主に図4乃至図6に基づいて説明する。はじめに、力覚提示装置1に連動して設置された仮想空間提示装置8によって、仮想空間Vに立体映像Sが投影される(ステップS1)。そして、スクリーン6の上方に設置された位置検出部18の照射部36から赤外線波長域にある照射光Iの照射が行われ、被験者10の指先16に予め貼着された反射材17によって照射光Iが反射した反射光Oを受光部37で受光する(ステップS2)。その後、反射光Oの反射角度及び照射から受光までに要する時間などに基づいて、仮想空間V内の指先16の位置が特定される(ステップS3)。
Next, an example of use of the force
そして、仮想空間提示装置8によって投影された立体映像Sの表面に相当する位置と、特定された指先16の位置との関係が判断される(ステップS4)。ここで、特定された指先16(厳密に言うと反射材17)の位置が、立体映像Sの表面に接していると判断される場合(ステップS4においてYES)、F=1が与えられる(ステップS5)。一方、立体映像Sの表面から指先16の位置が離れている場合、ステップS5の処理をキャンセルし、ステップS6の処理に移る。
Then, the relationship between the position corresponding to the surface of the stereoscopic image S projected by the virtual
その後、力覚提示部2の三次元位置DPにおける重心位置および傾きについての指令値を位置・傾き算出部31によって算出する(ステップS6)。そして、算出された重心位置および傾きに合わせてワイヤ駆動部3による支持ワイヤ14のワイヤ長L及びワイヤ駆動部3の摺動フレーム4aに対する摺動量の指令値が算出される(ステップS7)。ここで、各支持ワイヤ14のワイヤ長Lは予め初期長が決定されている。さらに、ワイヤ駆動部3の摺動フレーム4a,4b,4cに対する初期位置も予め定められており、上述のワイヤ長L及び摺動量は、係る初期値(位置)からの変位として求められる。
After that, the position /
それから、提示処理装置5は、Fの値を判断する(ステップS8)。ここで、F=1の場合(ステップS8においてYES)、指先16に力覚を提示するための力覚同期提示処理を行う(ステップS9)。一方、F≠1の場合(ステップS8においてNO)、指先16が立体映像Sの表面と接していないため、係る指先16の位置に力覚提示部2が来る(遭遇する)ように遭遇提示処理を行う(ステップS10)。ここで、力覚同期提示処理及び遭遇提示処理は、いずれも力覚提示部2を任意の三次元位置DPに移動させる処理に係るものであり、算出されたワイヤ長Lの変化量及びワイヤ駆動部3の摺動量に基づいて駆動モータ制御部34及び摺動モータ制御部35が制御され、各モータ19,27の動作が行われる(ステップS11及びステップS12)。
Then, the
これにより、力覚提示部2が仮想空間V内の任意の三次元位置DP(及び傾き)に向かって移動する(ステップS13)。このとき、各変化量及び摺動量は常に検出された状態にあり、フィードバック制御(図6における破線F1参照)によって、所望の三次元位置DPに近づくように力覚提示部2が近づくような制御がなされる。その結果、力覚提示部2は三次元位置DPに到達し(ステップS14)、被験者10の指先16に対して力覚の提示、或いは力覚を提示するために指先16に力覚提示部2が遭遇するようになる。その後、係る力覚同期提示処理若しくは遭遇提示処理を中止するか否かの判断が行われ(ステップS15)、中止をする旨の入力が指示される場合(ステップS15においてYES)、当該処理を停止する(ステップS16)。一方、処理を継続する場合(ステップS15においてNO)、ステップS2の処理に移り、指先16の位置の特定を行う。ここで、力覚提示部2は前述したように透明のアクリル樹脂素材が用いられているため、力覚提示部2を通して投影された立体映像Sを間に遮蔽するものがない状態で視認することができる。すなわち、力覚提示部2によって立体映像Sの視認性が損なわれることがない。
Thereby, the force
なお、上述した力覚提示のステップにおいて、指先16の位置と立体映像Sの表面上の位置とを算出する際に、同時に立体映像Sの表面上の法線ベクトルが算出されている。そして、立体映像Sの表面上の位置と該法線ベクトルとが、力覚提示部2の重心位置と力覚提示面13の傾きに相当することになる。このとき、指先16と表面上の位置との距離の算出を継続することにより、指先16が立体映像Sに衝突するか否かを推測することができる。そして、事前に衝突する位置に力覚提示部2が移動するように(換言すれば、指先16に力覚提示部2が遭遇するように)制御を行うことで、本発明の力覚提示装置1を遭遇型の力覚提示装置にすることができる。このとき、力覚提示部2を支持する支持ワイヤ14のそれぞれの張力を制御することで、被験者10に力覚の提示時に、反力を提供することが可能となり、立体映像Sの硬さや柔らかさなどを仮想現実的に示すことができるようになる。
Note that, in the above-described haptic presentation step, when calculating the position of the
そして、ステップS14において力覚を提示した後、力覚同期提示処理等を継続する場合には、指先16の位置を特定し、力覚同期提示または遭遇処理を繰り返すことができる。このとき、立体映像Sの表面に指先16を沿わせるようにして移動を行う場合でも、力覚提示部2の三次元位置DP及び傾きをリアルタイムで変化させることにより、被験者10はまるで実際の物体に触れているような感覚を味わうことができる。
Then, after the force sense is presented in step S14, when the force sense synchronous presentation process or the like is continued, the position of the
ここで、力覚提示部2の重心の位置と、力覚提示面13の傾きを指示する指示値を計算するための支持ワイヤ14のワイヤ長Lと、ワイヤ駆動部3の摺動フレーム4a等に対して摺動するワイヤ駆動部3の各位置を算出する例について説明する。具体的には、プレートの重心位置P0(数1参照)と、法線ベクトルで表された力覚提示面13の向きn(数2参照)とを入力した場合、それを運動学的に実現するための力覚提示部2の各頂点位置P1,P2,P3の基準座標系(図1参照)におけるx成分、y成分、z成分(数3、数4、数5参照)と、ワイヤ駆動部3の駆動モータ19の位置Pa,Pb,Pcにおける各z成分(数6、数7、数8参照)と、ワイヤに作用する張力t1,t2,t3と、力覚提示部2のねじり角θを算出する。ここで、ワイヤ駆動部3の駆動モータ19は、摺動フレーム4a,4b,4cに対してz軸方向に沿って摺動するため、各x成分、及び各y成分は一定値となる。
Here, the position of the center of gravity of the force
ここで、計算を容易にするために、t21=t2/t1、t31=t3/t1、支持ワイヤ14のそれぞれのワイヤ長l1,l2,l3を下記のように定義する(数9、数10、数11参照)。
Here, in order to facilitate calculation, t 21 = t 2 / t 1 , t 31 = t 3 / t 1 , and the wire lengths l 1 , l 2 , and l 3 of the
さらに、未知の変数Xを下記のように定義し(数12参照)、これらの制約式を数13として表す。
Further, an unknown variable X is defined as follows (see Expression 12), and these constraint expressions are expressed as
ここで、法線ベクトルn(数2参照)と座標(0,0,1)Tのなす角度と、法線ベクトルnと(0,0,1)Tの外積ベクトルにより、4元数を用いて、nと(0,0,1)Tの間の回転行列R∈R3を作成する。ここで、力覚提示部2の重心の位置P0(数1参照)とそれぞれの頂点の間の距離r1,r2,r3、重心の位置P0を中心とした頂点間のP1を基準とした位相差θ21,θ31とすると、P1,P2,P3とP0との関係は、下記の式(数14〜数16参照)で示される。
Here, the normal vector n (see Equation 2) and the angle of the coordinates (0,0,1) T, the outer product vector of the normal vector n and the (0,0,1) T, using a quaternion Then, a rotation matrix RεR 3 between n and (0, 0, 1) T is created. Here, the distance R 1 , r 2 , r 3 between the center of gravity position P 0 (see Equation 1) of the force
このとき、三つの駆動モータ19の位置を含んで形成される平面と、力覚提示部2の力覚提示面13の法線ベクトルnは垂直であるため、下記の式(数17及び数18参照)が成り立つ。
At this time, the plane formed including the positions of the three
さらに、支持ワイヤ14のそれぞれの向きを示す単位ベクトルa1,a2,a3を数19乃至数21に定義したとき、力覚提示部2に作用する力の合力は、数22で表される。そのため、下記の式(数23乃至数25参照)が成立する。また、同様に、力覚提示部2に作用するモーメントの総和が0であることから、数26が成り立つ。そして、最初に表した制約式F(X)(数13参照)が0となるような未知数Xを求めることで、入力される重心の位置P0と、法線ベクトルnとを実現する値を算出することができる。なお、数値の算出する数値計算に係る手法は、特に限定されないが、例えば、Newton−Rapson法を用いることにより、係る未知数Xを求めることができる。
Furthermore, when unit vectors a 1 , a 2 , and a 3 indicating the respective directions of the
これにより、力覚提示部2の各頂点P1,P2,P3と各駆動モータ19の位置Pa,Pb,Pcとから支持ワイヤ14のそれぞれのワイヤ長l1,l2,l3が決定され、これに基づいて各駆動モータ19の制御量が算出される。なお、ワイヤ駆動部3をそれぞれz軸方向に沿って摺動させることにより、力覚提示面13の傾きを制御することができる。
Thereby, the wire lengths l 1 , l 2 , l 3 of the
上記に示したように、本発明の第一実施形態の力覚提示装置1は、力覚提示部2を支持する三本の支持ワイヤ14と、支持ワイヤ14のワイヤ長Lを可変するワイヤ駆動部3を摺動可能に制御する摺動フレーム4a等を備えることにより、従来のワイヤ駆動方式の場合と比べ、少ない支持ワイヤ14の数で、自由度の高い状態で力覚の提示を再現することができる。特に、立体映像Sと被験者10との間に立体映像Sの認識を遮る物体がなく、仮想空間V内に力覚を提示する空間を十分確保が可能となる。さらに、立体映像Sの表面上の位置と力覚提示部2の力覚提示面13の位置を同期させることにより、被験者10に仮想現実性をさらに高めた状態で仮想空間Vを体感させることができる。さらに、被験者10の指先16の位置を予め検出し、係る位置に力覚提示部2が遭遇するように制御することができるため、指先16の運動を制限することがさらに少なくなり、被験者10の操作性及び運動性を妨げることがない。加えて、力覚提示部2が透明性の素材で形成されていることにより、仮想空間Vにおける立体映像Sの視認性を損なうことがなく、被験者10が体感する仮想現実性をよりリアルなものとすることができる。
As described above, the force
次に、本発明の第二実施形態のワイヤ駆動三次元入力装置50(以下、単に「入力装置50」と称す)について、図7乃至図9に基づいて説明する。ここで、図7は第二実施形態の入力装置50の概略構成を示す説明図であり、図8は入力処理装置51の機能的構成を示すブロック図であり、図9は入力処理装置51の処理の流れを示すフローチャートである。なお、第二実施形態の入力装置50は、基本的な構成は第一実施形態の力覚提示装置1と略同一であり、力覚提示装置1の機能を応用して仮想空間Vの任意の三次元位置DPの三次元情報52を取得するものである。したがって、第二実施形態の入力装置50において、第一実施形態の力覚提示装置1と同一の構成及び機能を有するものについては、同一番号を付し、詳細な説明はここでは省略するものとする。
Next, a wire-driven three-dimensional input device 50 (hereinafter simply referred to as “
第二実施形態の入力装置50は、図7に示すように、入力操作者61によって把持可能に形成された球形状を呈する三次元入力部53と、それぞれの一端が三次元入力部53に接続され、仮想空間Vの中に該三次元入力部53を支持する三本の支持ワイヤ54と、支持ワイヤ54のワイヤ長Lを可変させるワイヤ駆動部3と、ワイヤ駆動部3を長手方向に摺動可能にする摺動フレーム55a,55b,55cとを主に有して構成され、三次元入力部53に入力操作者61によって与えられる操作力に応じて仮想空間V内を移動する三次元入力部53に併せて、支持ワイヤ54のワイヤ長L及びワイヤ駆動部3の摺動フレーム55aに対する位置を変化させるものである。これにより、ワイヤ長L及びワイヤ駆動部3の位置を計測することにより、三次元入力部53の仮想空間Vにおける三次元情報52を連続的に取得することができる。すなわち、三次元入力部53の移動の軌跡を連続的に記録することにより、三次元位置DPに係る三次元情報52を仮想空間Vに、直接かつリアルタイムで入力することができる。
As shown in FIG. 7, the
ここで、入力装置50は、その他の構成として、上述の三次元入力部53に加えられる操作力に応じて変化する支持ワイヤ54のワイヤ長Lの変化量及びワイヤ駆動部3の摺動した位置に関するデータを受付け、三次元情報52を算出するための処理を行う入力処理装置51が設けられている。さらに、入力処理装置51は、その機能的構成として、図8に示すように、三次元入力部53の移動によって変化する支持ワイヤ54のワイヤ長Lの変化をワイヤ駆動部3の駆動モータ19の回転角度に基づいて計測するワイヤ長変化量計測部56と、摺動フレーム55a等に対するワイヤ駆動部3の摺動量をロータリ・エンコーダ28の回転角度に基づいて計測する摺動量計測部57と、ワイヤ駆動部3から巻出される支持ワイヤ54の巻出角度を角度計測エンコーダ22a(図3参照)によって計測するワイヤ角度計測部60と、計測されたワイヤ長Lの変化量、摺動量、及び巻出角度に応じて三次元入力部53の三次元位置DPにおける三次元情報52を算出する三次元情報算出部58と、算出された三次元情報52を継続して記憶する三次元情報記憶部59と、操作力に応じて移動する三次元入力部53と仮想空間提示装置8によって提示される立体映像Sとを同期させて表示する同期制御部62と、位置入力時に三次元入力部53を介して入力操作者61に立体映像Sに同期した一定の反力(拘束力)を提示する反力提示部63とを具備して主に構成されている。
Here, as another configuration, the
なお、三次元入力部53を支持する支持ワイヤ54には、所定の張力が初期状態において与えられている。そして、入力操作者61は係る張力に抗する操作力を与えることにより、三次元入力部53は仮想空間Vを移動することになる。さらに、入力操作者61がこの三次元入力部53を離す(把持状態を解除する)ことにより、三次元入力部53は該張力によって初期状態に戻るように付勢されている。また、三次元入力部53に所定の反力を提示するために、ワイヤ駆動部3及び摺動フレーム55a等を制御して支持ワイヤ54に所定の張力を与える処理を行うため、反力提示部63には、駆動モータ19を制御する駆動モータ制御部64及び摺動モータ27を制御する摺動モータ制御部65が設けられている。ここで、摺動フレーム55a等が本発明における摺動手段に相当し、入力処理装置51に設けられたワイヤ長変化量計測部56、摺動量計測部57、ワイヤ角度計測部60、及び三次元情報算出部58が本発明における三次元情報取得手段に相当する。
A predetermined tension is applied to the
ここで、第二実施形態の入力装置50の使用の一例、及びそれに係る入力処理装置51の処理の流れについて図9に基づいて主に説明する。なお、第二実施形態の入力装置50において、仮想空間提示装置8によって投影された立体映像Sの表面をなぞるようにして三次元入力部53を移動させ、三次元情報52の取得を行うものを示している。このとき、立体映像Sの表面に接触した三次元入力部53に対して、支持ワイヤ54の張力によって移動に係る拘束力が与えられている。
Here, an example of use of the
はじめに、初期状態における各支持ワイヤ54のワイヤ長L、摺動フレーム5a等に対するワイヤ駆動部3の位置、及び支持ワイヤ54の巻出角度等の初期値を計測する(ステップT1)。なお、このとき仮想空間提示装置8によって仮想空間Vには立体映像Sが予め投影されている。そして、計測されたワイヤ長L等の値に基づいて三次元入力部53の三次元位置DP(傾きを含む)を算出する(ステップT2)。さらに、算出された三次元入力部53と投影された立体映像Sの表面との最短距離を算出する(ステップT3)。そして、算出された最短距離に基づいて、三次元入力部53と立体映像Sの表面とが離間しているか否かが判断される(ステップT4)。ここで、三次元入力部53が立体映像Sの表面から離間している場合(ステップT4においてYES)、三次元入力部53の各値(ワイヤ長、摺動量、巻出角度)を取得し(ステップT5)、ステップT10の処理に移る。一方、三次元入力部53と立体映像Sの表面とが接していると判断される場合(ステップT4においてNO)、算出された最短距離に基づいて立体映像Sの表面位置まで三次元入力部53を付勢して移動させる張力を支持ワイヤ54に発生させ(ステップT6)、ワイヤ駆動部3及び摺動フレーム55a等を制御して三次元入力部53を移動させる(ステップT7)。ここで、三次元入力部53と立体映像Sの表面との接触は、三次元入力部53が立体映像Sの内側部分に挿入された状態にある場合、及び立体映像Sの表面に沿って位置している場合の双方を含むものとする。ここで、三次元入力部53と立体映像Sの表面との最短距離の算出には、本実施形態においては”God Object Method”の手法を用いている。
First, initial values such as the wire length L of each
これにより、三次元入力部53は立体映像Sの表面に沿って位置した状態に置かれる。そして、入力操作者61は立体映像Sの表面に沿うような力(拘束力)を受けつつ、三次元入力部53を移動させる。このとき、入力処理装置51の各計測部56,57,60によって三次元入力部53の移動によって変化するワイヤ長L等の各種データが連続的に取得され(ステップT8)、移動の軌跡による三次元情報52が記憶される(ステップT9)。ここで、ステップT7乃至ステップT9の間ではフィードバック制御(図9における破線F2)が行われている。これにより、三次元入力部53を仮想空間V内で立体映像Sの表面形状に沿わせて移動させながら三次元情報52を取得することができる。その後、三次元情報52の入力を継続するか否かの有無の指示が検出され(ステップT10)、三次元情報52の入力を停止する指示が有る場合(ステップT10においてYES)、入力の停止処理を行う(ステップT11)。一方、入力を継続する指示がある場合(ステップT10においてNO)、ステップT2の処理に戻り、三次元入力部53による三次元情報52の入力を継続する。
As a result, the three-
なお、本発明の第二実施形態の入力装置50において、立体映像Sの表面形状に沿うようにして三次元入力部53の移動を行い、所定の反力を入力操作者61に与えながら三次元情報52の入力を行うものを示したが、これに限定されるものではなく、仮想空間V内を自由に移動させて三次元情報52の入力を行うものであっても構わない。なお、三次元情報52の入力の開始は、例えば、三次元入力部53に設けられたスイッチ等を操作することなどによって任意のタイミングで行うようにしてもよい。
In the
ここで、上述の三次元情報52の入力処理を行うために必要な三次元入力部53を把持したときの三次元入力部53の重心の位置P0、及び傾きベクトルnが求められる。このとき、基準座標系におけるx軸を基準とした支持ワイヤ54の水平面に対する傾きθ1、垂直面に対する傾きφ1とすると、三次元入力部53の頂点ベクトルP1は、下記の式に示すように回転行列として表される(数27参照)。また、P2,P3についても同様に求めることができる。そして、これらを利用することにより、重心の位置P0が算出される(数28参照)。
Here, the position P 0 of the center of gravity of the three-
さらに、傾きnは、ベクトルP1−P0と、ベクトルP2−P0との外積により求めることができる。そして、得られたP0を用いて上述の接触に関する判定がなされ、三次元入力部53に反力を伴った動きを付与することができるようになる。これにより、三次元入力部53を仮想空間V内で自由に動かすことにより、任意の三次元位置DPに係る三次元情報52の入力を容易に行うことができる。さらに、ワイヤ駆動部3が摺動フレーム55aに対して摺動可能に設けられているため、三次元入力部53を支持する支持ワイヤ54の本数が少ない場合でも、係る三次元入力部53の自由度を高く設定することができる。その結果、仮想空間Vにおける三次元入力部53の位置入力可能空間を広範に採ることができる。さらに、支持ワイヤ54によって入力操作者61の動きに影響を及ぼす可能性も低くなる。
Further, the slope n can be obtained from the outer product of the vector P 1 -P 0 and the vector P 2 -P 0 . And the determination regarding the above-mentioned contact is made using the obtained P 0, and a motion accompanied by a reaction force can be applied to the three-
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。 The present invention has been described with reference to preferred embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention as described below. And design changes are possible.
すなわち、第一実施形態の力覚提示装置1及び第二実施形態の入力装置50において、力覚提示部2または三次元入力部53を、三本の支持ワイヤ14,54によって支持するものを示したが、支持ワイヤ14,54の本数はこれに限定されるものではない。支持ワイヤ14,54の本数を増加することにより、力覚提示部2等の移動に係る自由度を高くすることができる。しかしながら、支持ワイヤ14,54の数が多くなることは、被験者10と支持ワイヤ14,54が触れる可能性が高くなり、被験者10の操作性や指先16の運動性を損なうことがある。また、上述した数値計算の手法を利用して、力覚提示部2等の位置や傾きを算出する場合でもパラメータの数が増え、数値計算がより複雑化することが考えられる。そのため、第一実施形態及び第二実施形態で示したように、三次元的に移動可能とする最小本数の三本の支持ワイヤ14,54を採用するものが本発明の力覚提示装置1及び入力装置50において特に好適と考えられる。さらに、第一実施形態の力覚提示装置1及び第二実施形態の入力装置50において、ワイヤ駆動部3を摺動可能に支持する摺動フレーム4a等を、図1及び図7に図示するような配置で構築したものを示したが勿論これに限定されるものではなく、力覚提示部2による力覚の提示範囲若しくは三次元入力部53の入力範囲に応じて適宜設定することができる。
That is, in the force
また、仮想空間提示装置8として被験者10(または入力操作者61)の全周方位を囲む六面のスクリーン6を有する没入型多面ディスプレイを用いたが、スクリーン6の面数は適宜変更することが可能である。さらに、力覚提示部2を薄板の三角形状を呈するもので示したが、これに限定されるものではなく、力覚提示面13を有し、被験者10の指先16などの感覚器官(触覚器官)に力覚を提示可能なものであれば構わない。また、三次元入力部53の形状も把持が容易な球形状のものを示したが、これに限定されるものではなく、三次元位置DPの指示が可能なものであればよく、例えば、三次元入力部53をペン形状にして入力操作者61に把持させるものであっても構わない。加えて、仮想空間提示装置8として、没入型多面ディスプレイによって仮想空間Vを提示するものを示したが、例えば、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)或いは球面ディスプレイなどの周知の仮想空間提示技術を適用するものであっても構わない。
Moreover, although the immersive-type multi-surface display which has the 6
1 力覚提示装置(ワイヤ駆動力覚提示装置)
2 力覚提示部
3 ワイヤ駆動部
4a,55a 第一摺動フレーム(摺動手段、フレーム)
4b,55b 第二摺動フレーム(摺動手段、フレーム)
4c,55c 第三摺動フレーム(摺動手段、フレーム)
8 仮想空間提示装置
9 フレーム
10 被験者
12 フレーム体
13 力覚提示面
14,54 支持ワイヤ
16 指先(感覚器官)
18 位置検出部(器官位置検出手段)
32 力覚同期提示部(力覚提示制御手段)
33 遭遇制御部(力覚提示部遭遇手段)
50 入力装置(ワイヤ駆動三次元入力装置)
52 三次元情報
53 三次元入力部
56 ワイヤ長変化量計測部(三次元情報取得手段)
57 摺動量計測部(三次元情報取得手段)
58 三次元情報算出部(三次元情報取得手段)
60 ワイヤ角度計測部(三次元情報取得手段)
L ワイヤ長
DP 三次元位置
S 立体映像
V 仮想空間
1 Force sense presentation device (wire-driven force sense presentation device)
2 force
4b, 55b Second sliding frame (sliding means, frame)
4c, 55c Third sliding frame (sliding means, frame)
8 Virtual
18 Position detection unit (organ position detection means)
32 Force sense synchronous presentation unit (force sense presentation control means)
33 Encounter control unit (force sense presentation unit encounter means)
50 input device (wire driven 3D input device)
52
57 Sliding amount measurement unit (three-dimensional information acquisition means)
58 3D information calculation unit (3D information acquisition means)
60 Wire angle measurement unit (three-dimensional information acquisition means)
L Wire length DP 3D position S 3D image V Virtual space
Claims (4)
前記装置本体の前記本体空間の任意の三次元位置及び傾きに変位自在に移動自在に支持され、前記被験者に力覚を提示可能な力覚提示面を有する力覚提示部と、
一端が前記力覚提示部に連結され、前記三次元位置及び前記傾きに前記力覚提示部を支持する少なくとも三本の支持ワイヤと、
前記支持ワイヤの他端とそれぞれ連結され、前記支持ワイヤのワイヤ長を可変させるワイヤ駆動部と、
前記ワイヤ駆動部に接続し、所定の摺動方向に沿って前記ワイヤ駆動部を摺動させる摺動手段と、
前記ワイヤ駆動部及び前記摺動手段を連動し、前記力覚提示部の前記三次元位置及び前記傾きを制御する力覚提示制御手段と
を具備することを特徴とするワイヤ駆動力覚提示装置。 An apparatus main body that is constructed around a subject who experiences the virtual space presented by the virtual space presentation device and can accommodate the subject in an internal main body space;
A force sense presentation unit having a force sense presentation surface that is movably supported in an arbitrary three-dimensional position and inclination of the main body space of the device body and capable of presenting a force sense to the subject;
One end connected to the force sense presentation unit, and at least three support wires supporting the force sense presentation unit at the three-dimensional position and the inclination;
A wire drive unit coupled to each of the other ends of the support wire and changing the wire length of the support wire;
Sliding means connected to the wire drive unit and sliding the wire drive unit along a predetermined sliding direction;
A wire drive force sense presentation device comprising: force sense presentation control means for controlling the three-dimensional position and the tilt of the force sense presentation unit in conjunction with the wire drive unit and the sliding means.
前記器官位置検出手段によって検出された前記感覚器官の前記位置に、前記力覚提示部を遭遇させる力覚提示部遭遇手段と
をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載のワイヤ駆動力覚提示装置。 Organ position detection means for detecting the position of the sensory organ where the subject feels the force sense;
The wire driving force according to claim 1, further comprising force sense presentation unit encounter means for causing the force sense presentation unit to encounter the position of the sensory organ detected by the organ position detection means. Sense presentation device.
透明性状を呈する素材で形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のワイヤ駆動力覚提示装置。 At least one of the force sense presentation unit and the support wire is
The wire driving force sense presentation device according to claim 1, wherein the wire driving force sense presentation device is formed of a material exhibiting a transparent property.
前記装置本体の前記本体空間の任意の三次元位置及び傾きに移動自在に支持され、前記三次元位置及び前記傾きに係る三次元情報の入力を受付ける三次元入力部と、
一端が前記三次元入力部に連結され、前記三次元位置及び前記傾きに前記三次元入力部を支持する少なくとも三本の支持ワイヤと、
前記支持ワイヤの他端とそれぞれ連結され、前記三次元入力部に与えられる操作力に応じて、前記支持ワイヤのワイヤ長を可変させるワイヤ駆動部と、
前記ワイヤ駆動部に接続し、前記位置入力部に与えられる前記操作力に応じて、所定の摺動方向に沿って前記ワイヤ駆動部を摺動させる摺動手段と、
前記ワイヤ駆動部による前記支持ワイヤの変化量及び前記摺動手段による前記ワイヤ駆動部の摺動量を検出し、前記三次元入力部の前記三次元情報を取得する三次元情報取得手段と
を具備することを特徴とするワイヤ駆動三次元入力装置。 An apparatus main body that is constructed around a subject who experiences the virtual space presented by the virtual space presentation device and can accommodate the subject in an internal main body space;
A three-dimensional input unit that is movably supported at an arbitrary three-dimensional position and inclination of the main body space of the apparatus main body and receives input of three-dimensional information related to the three-dimensional position and the inclination;
One end connected to the three-dimensional input unit, and at least three support wires supporting the three-dimensional input unit at the three-dimensional position and the inclination;
A wire driving unit that is connected to the other end of the support wire and varies a wire length of the support wire in accordance with an operation force applied to the three-dimensional input unit;
A sliding means connected to the wire driving unit and sliding the wire driving unit along a predetermined sliding direction in accordance with the operation force applied to the position input unit;
3D information acquisition means for detecting the amount of change of the support wire by the wire driving unit and the sliding amount of the wire driving unit by the sliding means, and acquiring the 3D information of the 3D input unit. A wire-driven three-dimensional input device characterized by that.
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- 2003-12-04 JP JP2003406150A patent/JP2005165851A/en active Pending
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