JP2008123431A - 接触提示装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、接触を提示したいタイミングに遅れることなくアクチュエータを駆動して、人体へ刺激を提示する触覚提示装置を提供する。
【解決手段】 人体の位置を検出し（Ｓ１０１）、検出した位置により人体が仮想物体に接近したか否かを判断する（Ｓ１０２）。接近した場合は、第１の駆動強度で駆動モータを駆動する（Ｓ１０３）。人体が更に接近して仮想物体に接触したときは（Ｓ１０５）、第２の駆動強度で駆動モータを駆動する（Ｓ１０６）ことにより、タイミングに遅れることなく人体へ刺激を提示する。
【選択図】 図９

Description

本発明は接触提示装置及び方法に関し、特に、バーチャルリアリティの分野において、仮想物体との接触をユーザに知覚させるための接触提示装置及び方法に関する。

バーチャルリアリティの分野では、仮想物体に触れたり、操作したりするために触覚ディスプレイの検討が行われている。触覚ディスプレイは大きく分類して、人体に物体からの反力を提示する力覚ディスプレイ（フォース・フィードバック・ディスプレイ）と、物体の手触り感を提示するタクタイルディスプレイに分類される。

しかし、従来の力覚ディスプレイは、大型で可搬性に乏しい物が多く、また構成が複雑で高価になりやすい。タクタイルディスプレイについても装置の構成が複雑になりやすく、また現状の技術では十分に手触り感を提示するまでに至っていない。

そこで、仮想物体からの十分な反力や、物体表面の正確な手触り感を提示するのではなく、単純に仮想物体に「接触したかどうか」を提示する接触提示装置が検討されている。この方法では、振動モータを人体に複数装着し、仮想物体と触れた時に適切な位置の振動モータを振動させ、物体との接触をユーザに知覚させる。振動モータの振動により、ユーザは身体のどの部分が物体に触れているかを知覚することができる。また、振動モータは小型、安価、軽量であることから、人体の全体に装着することも比較的容易で、移動自由度の高いバーチャルリアリティシステムでの仮想物体とのインタラクションには特に有効である。

振動モータを用いた従来の接触提示装置には、次のようなものがある。

特許文献１は、指先の位置を取得するためのデータグローブに振動モータを設置し、指先に振動を与えることで、指先と仮想物体の接触をユーザに知覚させるものである。また、非特許文献１は、全身に計１２個の振動モータを装着し、仮想壁との接触時に振動モータを振動させることで、ユーザに壁を認知させる装置を提案している。この提案での振動モータ装着位置は、人体感覚図から判断し、頭、手の甲、肘、胴回り（３個）、膝、足首に装着している。また、非特許文献２では、腕４カ所、脚４カ所に振動モータを装着し、振動モータの振動を変化させて、異なる質感の物体への接触を提示している。また、非特許文献３では、戦場シミュレータ用に、振動モータを人体に装着した装置を開発している。この例では、振動モータ制御を無線で行うことが特徴である。

従来の振動モータを使用した接触提示装置の構成例を、図１０に示す。図１０では、複数の振動モータ１０を人体に装着している。また、ユーザは仮想物体を見るためにヘッドマウントディスプレイ１００を装着している。また、仮想物体との接触を検知するために、人体の位置情報が必要であるため、人体の各部位に位置検出用のマーカ８を複数設置している。マーカは、従来の手法では光学マーカや画像マーカが使われている。これらの構成により、ユーザの位置姿勢を検出し、仮想物体との接触を判定した後に、接触部位に最も近い部位に装着している振動モータ１０を振動させる。ユーザは振動した部分が、仮想物体と接触しているということを知覚する。

ここで、振動モータの一般的な構成を図１１に示す。振動モータ１０は、電磁力により編心分銅１１を回転させることにより振動を得る。この振動モータ１０に電力を供給し振動を開始するときに、入力した信号（電圧、電流など）に応じた回転数を得るまでに遅れが生じる。すなわち、接触提示装置が、振動モータの駆動を命令してから目的の振動強度を得るまでに遅延が発生する。

この遅延の原因は、モータの時定数にある。モータの時定数は、電気的時定数と機械的時定数に分けられ、一般に機械的時定数は電気的時定数の１０倍以上であり、遅延時間に大きな影響を与えるのは機械的時定数である。

振動モータの起動遅延が接触提示装置に与える影響を図１２に示す。図１２では、人体（指先）２に振動モータ１０を装着し、仮想物体１に接触する場合の振動モータの動作状況を示している。人体２と仮想物体１が接触する前（ｔ０）では、振動モータは駆動しておらず、振動の強度はゼロである。そして、人体２と仮想物体１が接触したと判定された時点（ｔ１）で振動モータに駆動命令が送られる。しかし、モータの時定数により、目的の振動強度Ｉに達し、人が振動を知覚するまでにはｔ１２の時間を要する。つまり、人体２が仮想物体１に接触したｔ１以後も移動を継続した場合、ユーザは時間ｔ１２の間に移動した距離分、仮想物体表面から内部に入り込んだ位置で、物体に接触したことを知覚することになる。
特表２０００−５０１０３３ 矢野 博明，小木 哲朗，廣瀬 通孝："振動モータを用いた全身触覚提示デバイスの開発"，日本バーチャルリアリティ学会論文誌，Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．３，１９９８ Ｊｏｎｇｈｙｕｎ Ｒｙｕ，Ｇｅｒａｒｄ Ｊｏｕｎｇｈｙｕｎ Ｋｉｍ："Ｕｓｉｎｇ ａ Ｖｉｂｒｏ−ｔａｃｔｉｌｅ Ｄｉｓｐｌａｙ ｆｏｒ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｅｓｅｎｃｅ"，ＶＲＳＴ‘０４，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ１０−１２，２００４，Ｈｏｎｇｋｏｎｇ Ｒ．Ｗ．Ｌｉｎｄｅｍａｎ，Ｙ．Ｙａｎａｇｉｄａ，Ｈ．Ｎｏｍａ，Ｋ．Ｈｏｓａｋａ，Ｋ．Ｋｕｗａｂａｒａ："Ｔｏｗａｒｄｓ Ｆｕｌｌ−Ｂｏｄｙ Ｈａｐｔｉｃ Ｆｅｅｄｂａｃｋ：Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｓｐａｔｉａｌｉｚｅｄ Ｖｉｂｒｏｔａｃｔｉｌｅ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｓｙｓｔｅｍ"ＶＲＳＴ‘０４，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ１０−１２，２００４，Ｈｏｎｇｋｏｎｇ

上記従来の技術によれば、実際の仮想物体の表面位置と、知覚する物体表面位置にずれが生じてしまう。接触提示装置でよく使用されている単純な振動ＤＣモータの時定数は、約１００ｍｓｅｃであり、図１１の時間ｔ１２には約１００ｍｓｅｃ以上を要することになる。この時定数の振動モータを使用している場合、人体の移動速度が１ｍ／ｓであるとすると、図１１の例では、仮想物体表面を知覚する位置に１０ｃｍ以上の大きな位置ずれ誤差が生じてしまう。また、ヘッドマウントディスプレイなどを装着し、視覚的に仮想物体を知覚しながら、このような接触提示装置を使用する場合には、この誤差によりユーザに大きな違和感を与えることになる。

従って、人体が仮想物体に触れたタイミングで、適切に振動刺激を与えることができなかった。

また、振動モータの電圧を、起動時に一時的に設定値よりも高く設定することが一つの方法である。しかし、この方法では、目的の振動強度に達した後にオーバーシュートが大きく発生することがあり、目的の振動強度を人体に提示することが困難である。また、モータの起動時には通常、平均電流の２倍近くの電流が流れるため、起動時の電圧を高くすれば、さらに高い電流が流れることになる。このため、回路に高電流対策が必要となる。また、一時的にでも高電流が流れることは、人体に装着する接触提示装置において望ましいことではない。

上記課題を解決するために、本発明の目的は、人体が仮想物体に触れたタイミングで、適切に刺激を与えることができる接触提示装置及び方法を提供する。

また、本発明の目的は、ユーザが違和感を感じることなく、刺激を与える接触提示装置及び方法を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の接触提示装置は、人体に刺激を与えるための刺激発生部と、人体の位置を取得するための位置検出手段と、前記位置検出手段により得られた人体の位置と、仮想物体との位置関係を判断する位置判定部と、人体と仮想物体の位置関係に基づいて前記刺激発生部に駆動信号を送る制御部とを備え、前記制御部が、人体と仮想物体が接触していないときに、第一の強度で前記刺激発生部を駆動し、人体と仮想物体が接触したときに、前記第一の強度よりも強度の強い第二の強度で刺激発生部を駆動することを特徴とする。

また、本発明の接触提示方法は、人体の位置を位置検出手段により取得する位置検出ステップと、前記位置検出手段により得られた人体の位置と、仮想物体との位置関係を判断する位置判定ステップと、人体と仮想物体の位置関係に基づいて、人体に刺激を与えるための刺激発生部に、制御部から駆動信号を送る制御ステップとを備え、前記制御部が、人体と仮想物体が接触していないときに、第一の強度で前記刺激発生部を駆動し、人体と仮想物体が接触したときに、前記第一の強度よりも強度の強い第二の強度で刺激発生部を駆動することを特徴とする。

本発明の接触提示装置及び方法は、人体が仮想物体に触れたタイミングで、適切に刺激を与えることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。

（第一の実施形態）
第一の実施形態として、刺激発生部に振動モータを使用した例を示す。

図１は、本実施形態の接触提示装置の構成を示す図である。

図１の構成について説明を行う。人体２に装着した振動モータ１０は、人体２と仮想物体１との接触の有無、あるいは人体中の接触した部位をユーザに知覚させるために、振動刺激を発生する。図１で、振動モータ１０は指先に装着している例を示したが、人体のどの部分に装着してもよい。また、振動モータを人体の複数部位に装着しても良い。

図１では、人体２の位置を取得するために、マーカ８とカメラ９と情報処理装置１０１内に位置検出部３を備えている。

ここで、情報処理装置１０１は、一般的なパーソナルコンピュータで構成され、ＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）、外部インターフェース等を備える。このメモリに記憶されたプログラムを実行することにより、位置検出部３、位置判定部４、画像出力部７として機能する。更に、情報処理装置１０１内には、刺激発生部の駆動を制御する制御部５、記録装置６としてのハードディスク等の外部記憶装置を備える。

本実施形態では、マーカとカメラで人体の位置を取得する構成としたが、位置情報を取得できる方法であれば、どのような方法を用いても良い。磁気センサや加速度・角速度センサや地磁気センサなどを用いた手法を用いても良い。記録装置６には、仮想物体の位置や外観、形状の情報が記録されている。位置判定部４では、位置検出部３により出力される人体の位置と、記録装置６に記録している仮想物体との位置関係を判定する。これにより、人体と仮想物体との距離や、接触の有無を判定する。そして、制御部５では、位置判定部４の接触判定結果に基づいて、振動モータに振動の命令を行い、ユーザに仮想物体との接触を知覚させる。

ここで、本実施形態の概略フローを図９のフローチャートを用いて説明する。

図９は、本実施形態における位置検出と刺激提示に関するフローチャートである。尚、詳細については後述する。ステップＳ１０１において人体２を検出する。検出した人体の２の位置と仮想物体１の位置関係が接近しているか否かを判断し（ステップＳ１０２）、接近している場合は、第１の駆動強度で振動モータを駆動する（ステップＳ１０３）。接近していない場合は、ステップＳ１０１、Ｓ１０２の処理を繰返す。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０１と同様である。ステップＳ１０４で検出した位置により、人体２と仮想物体１が接触したか否かを判断し（ステップＳ１０５）、接触している場合、第２の駆動強度で駆動モータを駆動する。接触していない場合、ステップＳ０７で接近した状態であるか否かを判断し、判断した結果に基づき、ステップＳ１０１又はステップＳ１０４の何れかへ進む。

上述の詳細について説明する。

図１では、振動モータ１０とマーカ８の位置は、人体の同一部位であるため、位置判定部４は人体と仮想物体の接触を判定するために、マーカ位置と仮想物体との接触を判定する。また、人体の空間中での形状を求め、仮想物体との接触判定を行う方法を用いても良い。この方法では例えば、人体の複数位置に設置したマーカと予め用意した人体モデルを使用し、置検出部３で人体モデルの位置・姿勢を求める。

位置判定部４では、人体モデルの位置・姿勢を使用して人体と仮想物体との接触を判定するようにしても良い。この手法によると、人体モデルを使用することで、マーカを装着していない人体部分についてもその位置を推定することができ、接触判定を行うことができるようになる。

更に、図１では、記録装置６に記録されている仮想物体を画像出力部７を介して、ヘッドマウントディスプレイ１００に表示している。ユーザは仮想物体１を視覚的に把握するために、仮想物体が表示されたディスプレイを見ながら操作を行っても良い。

本実施形態では、人体が仮想物体と接触する時点より前から振動モータを起動しておくことで、振動モータが目的の振動を行うまでの時間を短縮する。

図２は、本実施形態における振動モータの駆動方法を説明する図である。

図中、上部のグラフは、時間経過と振動モータの振動強度の関係を示している。また、下部の図は時間ｔ０とｔ１における人体２と仮想物体１の位置関係を示している。具体的には、時間ｔ０に人体が仮想物体１と距離ｘまで近づき、そのまま仮想物体に接近して、時間ｔ１に接触している。

図２の振動強度Ｉ１を第一の振動強度（第一の強度）とする。振動強度Ｉ２は第二の振動強度（第二の強度）で、人体に仮想物体との接触を知覚させるために十分な振動強度である。振動強度Ｉｔｈは人体が知覚する振動強度の最低値を示しており、第一の振動強度Ｉ１はＩｔｈ未満、第二の振動強度Ｉ２はＩｔｈ以上の強度である。

図２において、時間ｔ０までは振動モータに駆動の命令は送られておらず、振動モータは動作していない。時間ｔ０に、予め設定した距離ｘまで人体２と仮想物体１が接近すると、制御部５はＩｔｈ以下の振動強度Ｉ１で振動モータを駆動する。この結果、振動モータ１０の振動は、モータの過渡応答特性によりｔ０’後に振動強度Ｉ１に達する。この振動は、人体が知覚できる振動強度Ｉｔｈ以下であるので、人体は振動モータ１０が振動していることを知覚しない。

そして、さらに人体２と仮想物体１が接近し接触した時間ｔ１に、制御部５は振動モータ１０に振動強度Ｉ２で振動するように命令を行う。振動モータ１０は時間ｔ１にｔ１’遅れて、所定の振動強度Ｉ２に達する。この遅れ時間ｔ１’は、振動モータ１０が予め振動強度Ｉ１で駆動していたことにより、振動モータ１０が完全に停止していた状態から振動強度Ｉ２に達する時間よりも短い時間となる。

このような構成にすることで、人体と仮想物体の接触を判定してから、振動モータが所定の振動強度に達するまでの時間を短縮することができ、振動が人体に提示されるまでの時間ずれを低減することができるようになる。

前述したように、第一の振動強度Ｉ１は、人体が振動を知覚できる最低の振動強度Ｉｔｈよりも低く設定する。しかし、Ｉｔｈは振動モータの装着状態や装着位置、またはユーザの振動の感じ方の個人差によって異なるため、第一の振動強度Ｉ１を、特定の値に設定することは困難である。例えば、直接皮膚の上に装着した振動モータと、衣服を介して皮膚に振動を提示するように装着した振動モータでは、人体に与える振動強度が異なる。

従って、後述するように予めキャリブレーションを行うことや、センサを用いて振動強度を測定する方法などで最適な値を設定することが望ましい。また、第一の振動強度Ｉ１はＩｔｈ以下であれば、どのような強度でも良いが、振動モータの起動遅延の改善のためには、Ｉｔｈに近い値であることが望ましい。

また、同様に、Ｉｔｈ以上の強度に設定する第二の振動強度Ｉ２も、状況に応じて最適な値を設定する。さらにまた、第二の振動強度Ｉ２は、仮想物体との接触状態をユーザに提示するために、Ｉｔｈ以上であれば異なる強度や提示パターンであっても良い。例えば、仮想物体の特定の部位に触れた場合には、他の部位に触れたときよりも強い振動強度を提示する。また、仮想物体との接触深度が深い場合に、表面のみに接触している場合よりも強い第二の強度で、振動モータを駆動しても良い。

また、さらに、仮想物体表面の形状・手触りなどを提示するために、振動強度や振動提示パターンを変化させても良い。例えば、振動強度を時系列的に変化させる、連続パルス状に振動を発生させるなどの提示方法を用いても良い。

第一の振動強度と第二の振動強度は入力する電圧や電流、振動モータの加速度、振動モータの振動周波数（回転数）などで規定する。例えば、振動モータへの入力電圧が１Ｖの場合を第一の振動強度とし、３Ｖの場合を第二の振動強度とする。また、例えばＰＷＭ制御で振動モータを制御する場合には、デューティー比を変化させることで、第一の振動強度と第二の振動強度を変化させる。第一の振動強度と第二の振動強度の強度比は、知覚レベルに明確な差異をつけるために大きくする必要がある。本発明者の実験によると好ましくは３倍以上にすると良い。

尚、強度比が大きすぎると、第二の振動強度での駆動時に消費電力が上がる。あるいは、第一の振動強度での駆動時に十分な駆動が行われない、という問題がある。よって、第一の振動強度と第二の振動強度の強度比は１０倍以内にするとさらに良い。

ところで、一般に人体は２００Ｈｚ付近の振動を最も良く感じると言われている。そのため、人体に振動を知覚させるための第二の強度における振動モータの振動周波数は２００Ｈｚ付近であることが望ましい。また、少なくとも１００Ｈｚ〜４００Ｈｚ付近であることが望ましい。逆に、人体に振動を知覚させない第一の強度での振動モータの振動周波数は１００Ｈｚ程度以下の低い周波数に設定する。また、人体は高い周波数の振動も知覚しないので、第一の振動強度は、４００Ｈｚ以上、好ましくは１ｋＨｚ以上の周波数にするようにしても良い。第一の振動強度と第二の振動強度を振動周波数で決める場合には、上記のように設定することが望ましい。

以上では人体と仮想物体の接触時、すなわち振動の開始時について説明してきたが、人体と仮想物体が接触しなくなり、人体への刺激を停止させる時に、振動モータを完全に停止するのではなく、振動強度を第一の振動強度にするようにしても良い。

この例を図３を用いて説明する。図３において、振動強度Ｉ１、Ｉｔｈ、Ｉ２は図２と同様にそれぞれ、第一の振動強度、人体が振動を知覚する最低の振動強度、第二の振動強度である。また、時間ｔ２まで人体２と仮想物体１は接触しているとし、時間ｔ２で人体２と仮想物体１は離れる。そして時間ｔ３では再び人体２と仮想物体１が接触するものとする。

この場合に、時間ｔ２にて振動モータを完全に停止してしまうのではなく、人体２と仮想物体１の間の距離が所定の範囲内である間は、第一の振動強度Ｉ１で振動モータを駆動する。ここで、ｔ２’は振動強度が第一の振動強度Ｉ１になるまでの時間である。振動モータは、入力信号を停止しても、しばらくは分銅の慣性で振動を継続するため、停止時にもある程度の時間を要する。

以上のような駆動方法にすることにより、再び人体２と仮想物体１が接触する時間ｔ３にて、素早く第二の振動強度Ｉ２で振動を提示することができるようになる。なお、人体は一定時間振動を受けると順応により、振動を感じにくくなる。すなわち、人体が振動を知覚する最低の振動強度Ｉｔｈが変化し、Ｉｔｈが比較的高い値になる。

このことを利用して、第二の振動強度で人体に刺激を提示する前の第一の振動強度Ｉ１よりも、人体に刺激を提示した後の第一の振動強度Ｉ１を高い強度に設定することができる。第一の振動強度Ｉ１が高くなることにより、第二の振動強度Ｉ２に到達する時間がさらに低減される効果がある。

次に、図２及び図３に示した距離ｘについて説明する。

図２及び図３の例では、人体２と仮想物体１が距離ｘ以下に接近しているときに、第一の振動強度Ｉ１で振動モータを駆動することとした。距離ｘには、人体２の移動範囲、平均的な移動速度または仮想物体１の形状や性質などから、予め適した値を設定すればよい。距離ｘは、全ての仮想物体に対して同じ値を設定しても良いし、仮想物体ごとに異なる値を設定しても良い。

効果を十分に得るためには、人体２と仮想物体１が接触する以前に、振動モータの振動が第一の振動強度に達している必要がある。そのため、振動モータが第一の振動強度に達する時間をｔ０’、人体の移動速度をｖとすると、ｘはｘ＞ｖ・ｔ０’となるような値を設定することが望ましい。例えば、振動モータの起動時間ｔ０’を１００〜２００ｍｓｅｃ、人体の移動速度ｖを０．１〜１ｍ／ｓとすると、ｘは１〜２０ｃｍよりも大きな値に設定することが望ましい。

また、ｘを固定の値とするのではなく、人体の移動速度の変化に合わせて随時更新するようにしても良い。例えば、人体が通常よりも早く動いている場合には、距離ｘの値を大きくする。なお、ここで人体の移動速度とは、手や腕などが動く速度、または歩く速度を含む。

また、人体２と仮想物体１の間がｘ以下になった場合に、必ず第一の振動強度Ｉ１で振動モータを駆動するのではなく、人体と仮想物体の相対的な動きに合わせて振動モータの動作を変化させても良い。

図４は球状の仮想物体１を表す図であり、仮想物体１の周囲の距離ｘの範囲には、第一の振動強度で振動モータを駆動する範囲１２がある。ここで、範囲１２の外から人体２が範囲１２に侵入する場合、仮想物体１方向に向いた方向ａで接近する場合と、仮想物体１方向でなく範囲１２を通過する方向ｂで接近する場合がある。まず、方向ａで範囲１２に侵入した場合には、仮想物体との接触が予想されるため、第一の振動強度で振動モータを駆動するように命令を行う。

一方、方向ｂで範囲１２に侵入した場合には、その侵入方向により、仮想物体１に接触せずに範囲１２を通過すると予想される。この場合、第一の振動強度でのモータ駆動を行わないようにする。また、方向ｂで侵入した場合にも、侵入速度が遅く、仮想物体が動く、または人体の移動方向が変化する事により、仮想物体１との接触が予想される場合には、第一の振動強度で振動モータを駆動するように命令しても良い。このような命令を行う場合には、人体の移動速度を求める必要がある。人体の移動速度を求めるためには、位置判定部で人体位置の時間変化を記録し、そこから速度を算出するようにすればよい。

また、以上では人体と仮想物体の間の距離が、所定の値（ｘ）以下の場合に第一の振動強度で振動モータを駆動する例を示したが、人体と仮想物体の間の距離に関係なく、常に第一の振動強度で振動モータを駆動する形態にしてもよい。図５には、人体と仮想物体の間の距離に関係なく、人体と仮想物体が接触していない時に、常に第一の振動強度で振動モータを駆動する場合の振動強度変化の例を示した。時間ｔ４及びｔ５は接触する以前の状態であるが、人体２の位置によらず、常に第一の振動強度Ｉ１で振動モータが駆動している。時間ｔ６になると、人体２と仮想物体１が接触するため、振動強度Ｉ２で振動モータを駆動する。また、時間ｔ７では、人体２が仮想物体から離れた時間であるが、その後、振動モータは第一の振動強度で駆動する。

ここで、前述したように、人体に振動を提示した後（第二の振動強度で駆動した後）は、人体が振動に順応し、Ｉｔｈは比較的高い値になる。Ｉｔｈの上昇に伴い、第一の振動強度を比較的高い強度に設定することができる。

図５では、人体の振動順応により、Ｉｔｈが変化する様子も示している。また、第二の振動強度Ｉ２で駆動する前の第一の振動強度Ｉ１よりも、第二の振動強度Ｉ２で駆動した後の第一の振動強度Ｉ１’は高い強度となっている。なお、図５では、一定の時間、第一の振動強度Ｉ１’で駆動した後に、第一の振動強度Ｉ１の強度まで低下させている。これは、人体の振動順応が薄れ、Ｉｔｈの強度が低下してしまい、振動強度Ｉ１’の振動を人体が知覚することを防ぐためである。

以上のような構成によると、比較的高い第一の振動強度Ｉ１’で振動モータが動作している間に、再び第二の振動強度で動作する命令が行われた場合には、さらに早く第二の振動強度に達することができるようになる。

次に、第一の振動強度と第二の振動強度の設定方法について説明する。簡便な設定方法は、予め、特定、またはある範囲の強度を第一の振動強度と第二の振動強度とすることである。

しかし、前述したように、振動モータの装着状態、装着位置、またはユーザの振動の感じ方の個人差により異なる。よって、事前にユーザごとにキャリブレーションを行い、第一の振動強度と第二の振動強度を決定することが望ましい。キャリブレーションでは、ユーザごと、装着位置ごとに振動強度を変化させユーザに刺激を提示し、ユーザが刺激を知覚しない振動強度範囲に第一の振動強度を設定する。また、ユーザが振動を知覚しやすい振動強度範囲に第二の振動強度を設定する。この方法により、ユーザごとの振動の感じ方の個人差を低減することができ、また人体部位ごとの装着状態の影響も低減できるようになる。

また、振動モータの振動状態や人体との接触状態をセンサで測定し、第一の振動強度と第二の振動強度の設定に用いても良い。

図６には振動モータ１０と人体２の間にセンサ２０を導入した例を示している。図６においてセンサ２０は例えばひずみゲージや加速度センサである。センサ２０の情報は制御部に送られて、接触提示装置を使用しながら第一の振動強度または第二の振動強度を再設定することができる。このような構成にすることにより、例えば接触提示装置の使用中に装着状態に変化が生じた場合にも、適切な振動強度で振動モータを駆動することができる。

より具体的には、ひずみゲージを使用した場合、振動モータと人体との接触状態を監視し、接触が弱くなった場合には、第一の振動強度と第二の振動強度の強度を高く再設定する。逆に、接触が強くなった場合には、第一の振動強度と第二の振動強度の強度を低く再設定する。

（第二の実施形態）
第一の実施例では、人体への刺激提示方法として振動モータを使用した方法について述べた。しかし、本発明は振動モータに限定することなく、他の刺激方法にも有効である。

すなわち、駆動に時間がかかるアクチュエータを使用した刺激発生方法において、人体と仮想物体の接触前に、人体が刺激を知覚しないレベルで駆動を開始しておくことで、刺激の発生遅れを解消することができるようになる。

図７には、接触提示装置の刺激発生方法として、形状記憶合金駆動のピン型触覚ディスプレイを使用した例を示している。

この接触提示装置では、ピン型触覚ディスプレイ３０を、ピン形状の刺激提示部３３が人体２表面に向く方向に装着し、仮想物体との接触をピンによる刺激によって人体に提示する。図７には不図示であるが、この触覚提示装置には図１の例と同様に人体の位置検出装置や情報処理装置を備え、人体と仮想物体の接触判定に基づいて、刺激を発生する機構を備える。なお、ピン型触覚ディスプレイ３０に備えるピンは一つでも良いし、複数でも良い。

複数のピンを備えるピン型触覚ディスプレイを用いる場合、人体と仮想物体の接触状態によって、駆動するピンを選択することが好適である。また、図７では指先にピン型触覚ディスプレイ３０を装着する例を示したが、指先以外の人体部位に装着しても良いし、複数のピン型触覚ディスプレイ３０を人体に装着しても良い。

図８にはピン型触覚ディスプレイ３０のピンを形状記憶合金３１で駆動するための構成例を示している。図の簡単のため、図８では、ピン１本を形状記憶合金３１で駆動するための構成を示している。形状記憶合金は例えばＴｉ−Ｎｉ系の合金で、熱を加えることにより、もとの状態に戻る特性（形状回復力）を持つ。この力は、低温での柔らかな形状記憶合金を変形させるために必要な力に比べ大きな力となる。また、Ｔｉ−Ｎｉ系の形状記憶合金は抵抗が高いので、通電により発熱し変形が起こるため、電気的な制御により簡単に動作させることができる。

図８のピン型ディスプレイ３０では、形状記憶合金３１に通電を行うことにより、形状記憶合金３１が発熱し収縮する方向に変形する。そして、形状記憶合金３１が収縮することによって、刺激提示部３３が図の上方向に動き、人体２を刺激する。形状記憶合金３１への通電を停止すると、冷却により形状記憶合金３１は柔らかくなり、バイアスばね３２に引っ張られて定常状態（ピンが突出していない状態）に戻る。

以上の機構により、形状記憶合金を使用して、人体に刺激を発生させることができる。

しかし、形状記憶合金は熱により駆動するため、図７のピン型触覚ディスプレイ３０は駆動に時間を要する。そこで、本発明では、人体２と仮想物体が接触する前に、予め通電により形状記憶合金３１を加熱しておく。このときの加熱は、人体２に刺激を与えない第一の強度である。

すなわち、第一の強度で加熱した形状記憶合金３１は、刺激提示部３３が完全に突出しないか、突出していても人体が刺激を感じることのないレベルである。そして、人体２が仮想物体と接触をした場合には、人体に刺激を提示することのできるレベルまで形状記憶合金を駆動する第二の強度で加熱を行う。このとき、予め第一の強度で加熱していた形状記憶合金３１は、全く加熱を行っていない場合に比べ、比較的早い駆動を行うことができる。形状記憶合金３１を用いた実施例では、第一の強度と第二の強度を形状記憶合金３１に加える電流や電圧で規定すれば良い。また、実際に形状記憶合金３１の伸縮の長さや温度を計測して、特定の値や範囲を第一の強度、第二の強度としても良い。

以上の説明したように、本実施形態では、人体が仮想物体に接触する以前に、刺激提示手段を人体が知覚しない刺激強度範囲で予め起動させ、人体が仮想物体に接触した時に人体が知覚する刺激強度範囲の刺激を発生させる。本実施形態によれば、刺激提示手段が予め起動していることにより、刺激提示の遅延を低減することができるようになる。

第一の実施形態を説明するための接触提示装置である。 人体と仮想物体の位置関係と、振動モータの振動強度の関係を示す図である。 人体と仮想物体の位置関係と、振動モータの振動強度の関係を示す図である。 人体の動きと第一の強度の提示の関係について説明するための図である。 人体と仮想物体の位置関係と、振動モータの振動強度の関係を示す図である。 接触提示装置にセンサを備えたことを説明する図である。 第二の実施例を説明するための接触提示装置である。 形状記憶合金を使用したピン型触覚ディスプレイについて説明するための図である。 本実施形態の処理を示すフローチャートである。 人体全体に振動モータを装着した図である。 振動ＤＣモータを説明する図である。 従来の接触提示装置の、振動モータの振動強度の変化を示す図である。

符号の説明

１ 仮想物体
２ 人体
３ 位置検出部
４ 位置判定部
５ 制御部
６ 記録装置
７ 画像出力部
８ マーカ
９ カメラ
１０ 振動モータ
１００ ヘッドマウントディスプレイ
１０１ 情報処理装置

Claims (10)

1. 人体に刺激を与えるための刺激発生部と、
   人体の位置を取得するための位置検出手段と、
   前記位置検出手段により得られた人体の位置と、仮想物体との位置関係を判断する位置判定部と、
   人体と仮想物体の位置関係に基づいて前記刺激発生部に駆動信号を送る制御部とを備え、
   前記制御部が、人体と仮想物体が接触していないときに、第一の強度で前記刺激発生部を駆動し、人体と仮想物体が接触したときに、前記第一の強度よりも強度の強い第二の強度で刺激発生部を駆動することを特徴とする接触提示装置。
2. 前記制御部は、人体と仮想物体が特定の距離内に接近したときに、前記第一の強度で前記刺激発生部を駆動することを特徴とする請求項１に記載の接触提示装置。
3. 前記特定の距離は、人体の移動速度に基づいて変更されることを特徴とする請求項２に記載の接触提示装置。
4. 前記制御部は、人体と仮想物体が前記特定の距離内に接近したときに、接近の方向が該仮想物体の特定の方向に向いていないときには、前記刺激発生部を駆動しないことを特徴とする請求項２に記載の接触提示装置。
5. 予め前記刺激発生部で人体に異なる刺激を与えて決定した前記第一の強度と前記第二の強度を用いることを特徴とする請求項１に記載の接触提示装置。
6. 前記刺激発生部の発生する刺激をセンサによりセンシングし、前記センサの情報に基づいて前記第一の強度と前記第二の強度を決定されることを特徴とする請求項１に記載の接触提示装置。
7. 前記刺激発生部と人体との装着状態をセンサによりセンシングし、前記センサの情報に基づいて前記第一の強度と前記第二の強度を決定されることを特徴とする請求項１に記載の接触提示装置。
8. 前記刺激発生部が、振動モータを含むことを特徴とする請求項１に記載の接触提示装置。
9. 請求項１に記載の接触提示装置と、仮想空間を表示する表示装置とからなるバーチャルリアリティ装置。
10. 人体の位置を位置検出手段により取得する位置検出ステップと、
    前記位置検出手段により得られた人体の位置と、仮想物体との位置関係を判断する位置判定ステップと、
    人体と仮想物体の位置関係に基づいて、人体に刺激を与えるための刺激発生部に、制御部から駆動信号を送る制御ステップとを備え、
    前記制御部が、人体と仮想物体が接触していないときに、第一の強度で前記刺激発生部を駆動し、人体と仮想物体が接触したときに、前記第一の強度よりも強度の強い第二の強度で刺激発生部を駆動することを特徴とする接触提示方法。

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