JP2020178160A - ヘッドマウントディスプレイシステム - Google Patents

Abstract

【課題】コンソールへの固定と、使用者の装着とが連続的かつ反復的に切替可能であり、使用者の装着の度に使用者の眼球とレンズとの相対位置が正確に再現可能なＨＭＤシステムを提供する。【解決手段】人工的な視覚情報を提示するＨＭＤモジュール１０と、前記ＨＭＤモジュール１０が着脱可能に取り付けられるコンソール３０と、前記ＨＭＤモジュール１０が着脱可能に取り付けられ、頭部装着用のベルト４０を有する支持体２０と、を備える。【選択図】図１５

Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）システムに関する。

従来、人工的な視覚情報を提示するためにＨＭＤが用いられている。

特許文献１には、手術台とケーブルで接続されているのみで使用者の頭部の動きを拘束せず、内視鏡手術に用いられるＨＭＤについて記載されている。
特許文献２には、使用者の頭部の動きを拘束せず、また支持器具を備えて重量による使用者の負担を軽減でき、眼検査に用いられるＨＭＤについて記載されている。
特許文献３には、無線通信も可能で使用者の頭部の動きを拘束せず、用途の制限のないＨＭＤについて記載されている。

特開平８−１３１３９９号公報 特開２０１８−１７５０１１号公報 特表２００２−５１５１２７号公報

ＨＭＤは、単に視覚情報を提示するのみでなく、使用者の多種多様な作業における視覚的補助手段としても用いられる。例えば、近年ロボットの遠隔操作技術の開発が行われており、遠隔地におかれたロボットに取り付けたカメラで撮影された映像をＨＭＤで提示し、映像を確認しながら使用者の手元にあるコンソールでロボットを操作するといったことも考えられている。
ロボットを操作する例では、生産ラインでの部品の組み立て等、緻密な作業を行う際は、使用者の視野や焦点は固定的に一定箇所を凝視し細部を確認する動きとなり、細かく機械的な動作が必要となってくる。そのため、コンソールに対して固定されたＨＭＤをのぞき込むように用いることが望ましい。

一方、ロボットを目的の場所まで移動させる等、それほど緻密さを要求されない作業を行う際は、使用者の視野や焦点は柔軟に広範囲を見渡して全体を確認する動きとなり、柔軟に機体を操作することが必要になる。そのため、使用者がＨＭＤを頭部に装着して感覚的な動作を許容し、この動作にロボットのカメラの向きを追従させることが望ましい。
そして、一連の作業の中で、作業と移動等、細部を確認する動きと全体を確認する動きとは、連続的かつ反復的に行われることが考えられ、作業の種類が多岐に亘ることも考えられる。したがって、コンソールへのＨＭＤの固定と、使用者のＨＭＤの装着とが連続的かつ反復的に必要となる。また、使用者のＨＭＤの装着の度に使用者の眼球とＨＭＤのレンズとの相対位置を合わせる必要が生じる。

上記事情を踏まえ、本発明は、コンソールへの固定と、使用者の装着とが連続的かつ反復的に切替可能であり、使用者の装着の度に使用者の眼球とレンズとの相対位置が正確に再現可能なＨＭＤシステムを提供することを目的とする。

本発明のＨＭＤシステムは、人工的な視覚情報を提示するＨＭＤモジュールと、前記ＨＭＤモジュールが着脱可能に取り付けられるコンソールと、前記ＨＭＤモジュールが着脱可能に取り付けられ、頭部装着用のベルトを有する支持体と、を備えることを特徴としている。

本発明のＨＭＤシステムは、前記ＨＭＤモジュール、前記支持体及び前記コンソールがそれぞれ一つ以上の凹凸部を備え、前記凹凸部は前記ＨＭＤモジュールと前記支持体又は前記コンソールとの相対位置が所定の条件を満たす場合のみ嵌合するように配置されていてもよい。

本発明のＨＭＤシステムは、前記ＨＭＤモジュールと前記支持体又は前記コンソールとの支持が永久磁石により行われてもよい。

本発明のＨＭＤシステムは、前記ＨＭＤモジュールと前記支持体又は前記コンソールとの支持が電磁石により行われてもよい。

本発明によれば、コンソールへの固定と、使用者の装着とが連続的かつ反復的に切替可能であり、使用者の装着の度に使用者の眼球とレンズとの相対位置が正確に再現可能なＨＭＤシステムを提供できる。

本発明の一実施形態に係るＨＭＤシステムにおけるＨＭＤモジュールの斜視図である。 同ＨＭＤモジュールの正面図である。 同ＨＭＤモジュールの背面図である。 同ＨＭＤモジュールの左側面図である。 同ＨＭＤシステムにおける支持体の斜視図である。 同支持体の正面図である。 同支持体の背面図である。 同支持体の右側面図である。 同ＨＭＤシステムにおけるコンソールの斜視図である。 同コンソールの正面図である。 同コンソールの背面図である。 同コンソールの左側面図である。 同ＨＭＤシステムにおけるＨＭＤモジュールと支持体との装着時の図である。 同ＨＭＤシステムにおけるＨＭＤモジュールとコンソールとの固定時の図である。 同ＨＭＤシステムにおけるコンソールの使用時の図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１から図４は、本実施形態に係るＨＭＤシステム１におけるＨＭＤモジュール１０を各方向から見た図である。ＨＭＤモジュール１０は、筐体１５と、接眼部１１と、ケーブル接続部１４と、凹凸設置部１７と、嵌合凸部１２と、嵌合凹部１３と、を備えている。また筐体１５は、内部に、図示しない公知の映像生成装置と、加速度センサと、を備えている。

図１から図４において、互いに直交するｘ軸、ｙ軸及びｚ軸を定義し、各図に示す。ｘ軸はＨＭＤモジュール１０の左右方向に、ｙ軸はＨＭＤモジュール１０の上下方向に、ｚ軸はＨＭＤモジュール１０の前後方向にそれぞれ対応する。ｘ軸の正の方向が右方向、ｙ軸の正の方向が上方向、ｚ軸の正の方向が前方向である。

図１に示すように、筐体１５の前面には、映像生成装置が生成した映像が投影されるレンズを含む接眼部１１が設けられている。筐体１５の後面には、ケーブル接続部１４が設けられている。ケーブル接続部１４は、例えば公知のコネクタ規格であるＵＳＢ Ｔｙｐｅ−Ｃ等、一本で通信や充電ができるケーブルに対応したメス型端子であり、マグネット脱着式のものが用いられている。

図２及び図３に示すように、筐体１５の左右両側には、凹凸設置部１７が設けられている。左側の凹凸設置部１７の前面及び後面に嵌合凸部１２が設けられており、嵌合凸部１２は略円柱形状であって、前面に設けられた嵌合凸部１２Ａと後面に設けられた嵌合凸部１２Ｂとで、円柱形状の軸が一致している。また、左側の凹凸設置部１７を貫通し、前面及び後面の嵌合凸部１２の内部に挿入するように、永久磁石１６が内蔵されている。永久磁石１６は、前面に設けられた嵌合凸部１２Ａ側がＮ極、後面に設けられた嵌合凸部１２Ｂ側がＳ極となるように配置されている。

また、図４に示すように、各凹凸設置部１７の前面及び後面に嵌合凹部１３が窪みとして形成されている。嵌合凹部１３は、厚さが嵌合凸部１２より僅かに小さく、かつ径が嵌合凸部１２より僅かに大きい円柱形状を除去した形状である。前面に設けられた嵌合凹部１３Ａと後面に設けられた嵌合凹部１３Ｂとで、円柱形状の軸が一致している。前面に設けられた嵌合凹部１３Ａと後面に設けられた嵌合凹部１３Ｂの間には、強磁性体である鉄で形成された接着部１９が内蔵されている。

なお、嵌合凸部１２の円柱形状の軸及び嵌合凹部１３の円柱形状の軸の、筐体１５の前面に平行な任意の面上の点を結んだ形状が、同一の長方形Ｒをなすように、嵌合凸部１２及び嵌合凹部１３が配置されている。

図５から図８は、本実施形態に係るＨＭＤシステムにおける支持体２０を各方向から見た図である。支持体２０は、筐体２５と、凹凸設置部２７と、嵌合凸部２２と、嵌合凹部２３と、ベルト４０と、を備えている。

図５から図８において、互いに直交するｘ’軸、ｙ’軸及びｚ’軸を定義し、各図に示す。ｘ’軸は支持体２０の左右方向に、ｙ’軸は支持体２０の上下方向に、ｚ’軸は支持体２０の前後方向にそれぞれ対応する。ｘ’軸の正の方向が右方向、ｙ’軸の正の方向が上方向、ｚ’軸の正の方向が前方向である。

図５に示すように、筐体２５には、開口部２１が形成されている。また、筐体２５の上側に額あて部２４を設け、下側に鼻あて部２８を設けている。また、上面と下面の中間及び後面近傍にベルト４０をピン留めしている。ベルト４０は公知のアジャスタ機構を有しているため、ベルト４０を装着する位置での使用者の頭部の周長に合わせて、装着に適した長さに調節できる。

図６に示すように、筐体２５の左右両側には、凹凸設置部２７が設けられている。凹凸設置部２７の前面に嵌合凸部２２が設けられており、嵌合凸部２２はＨＭＤモジュール１０の凹凸設置部１７に設けた嵌合凸部１２と同一形状である。また、嵌合凸部２２及び凹凸設置部２７に挿入するように、永久磁石２６が内蔵されている。永久磁石２６は、嵌合凸部２２側がＮ極、凹凸設置部２７側がＳ極となるように配置されている。

また、図８に示すように、凹凸設置部２７の前面に嵌合凹部２３が窪みとして形成されており、ＨＭＤモジュール１０の凹凸設置部１７に設けられた嵌合凹部１３と同一形状である。嵌合凹部２３に対向する凹凸設置部２７の部分には、強磁性体である鉄で形成した接着部２９が内蔵されている。

なお、嵌合凸部２２の円柱形状の軸及び嵌合凹部２３の円柱形状の軸の、筐体２５の前面に平行な任意の面上の点を結んだ形状が、前記長方形Ｒをなすように、嵌合凸部２２及び嵌合凹部２３が配置されている。

図９から図１２は、本実施形態に係るＨＭＤシステム１におけるコンソール３０を各方向から見た図である。コンソール３０は、筐体３５と、入力部３１と、嵌合凸部３２と、嵌合凹部３３と、を備えている。また筐体３５は、内部に、図示しない公知の入力処理装置を備えている。

図９から図１２において、互いに直交するｘ’’軸、ｙ’’軸及びｚ’’軸を定義し、各図に示す。ｘ’’軸はコンソール３０の左右方向に、ｙ’’軸はコンソール３０の上下方向に、ｚ’’軸はコンソール３０の前後方向にそれぞれ対応する。ｘ’’軸の正の方向が右方向、ｙ’’軸の正の方向が上方向、ｚ’’軸の正の方向が前方向である。

図９に示すように、筐体３５には開口部３７が形成されている。また、筐体３５の下側に、入力部３１が設けられている。本実施形態では、入力部３１はスイッチパネルとジョイスティックで構成されている。

図１０に示すように、筐体３５の上方の前面に嵌合凸部３２が設けられており、嵌合凸部３２はＨＭＤモジュール１０の凹凸設置部１７に設けられた嵌合凸部１２と同一形状である。また、嵌合凸部３２及び筐体３５に挿入するように、永久磁石３６が内蔵されている。永久磁石３６は、嵌合凸部３２側がＳ極、筐体３５側がＮ極となるように配置されている。

また、筐体３５の前面に嵌合凹部３３が窪みとして形成されており、ＨＭＤモジュール１０の凹凸設置部１７に設けられた嵌合凹部１３と同一形状である。嵌合凹部３３に対向する筐体３５の部分には、強磁性体である鉄で形成した接着部３９が内蔵されている。

なお、嵌合凸部３２の円柱形状の軸及び嵌合凹部３３の円柱形状の軸の、筐体３５の前面に平行な任意の面上の点を結んだ形状が、前記長方形Ｒをなすように、嵌合凸部３２及び嵌合凹部３３が配置されている。

以上の構成からなるＨＭＤシステム１の使用時の流れについて説明する。
本説明の想定としては、まず、使用者が、遠隔地におかれたロボットを目的地まで移動させることを目的とし、ロボットに取り付けられたカメラで撮影された映像を視認しつつ、使用者の感覚的な動作にロボットのカメラの向きを追従させるために、ＨＭＤモジュール１０を支持体２０を介して頭部に装着するところから使用を開始することを考える。
次に、使用者が、目的地において精密な作業を行うことを目的とし、ロボットのカメラの向きを固定するために、ＨＭＤモジュール１０をコンソール３０に固定することを考える。
最後に、使用者が、ロボットを次の目的地まで移動させることを目的とし、コンソール３０に固定されたＨＭＤモジュール１０を再び頭部に装着することを考える。

ＨＭＤモジュール１０を使用者の頭部へ装着するには、まず、図１３に示すように、ＨＭＤモジュール１０を支持体２０に装着する。
ＨＭＤモジュール１０を支持体２０に装着するには、ＨＭＤモジュール１０の前面に設けた嵌合凸部１２と支持体２０の前面に設けた嵌合凹部２３とが嵌合し、かつ、ＨＭＤモジュール１０の前面に設けた３つの嵌合凹部１３と支持体２０の前面に設けた３つの嵌合凸部２２とが嵌合するように、ＨＭＤモジュール１０と支持体２０を嵌合する。本実施形態では、嵌合凸部１２及び嵌合凹部１３を、ＨＭＤモジュール１０の前面に垂直な任意の軸に関して非対称な配置とし、嵌合凸部２２及び嵌合凹部２３を、支持体２０の前面に垂直な任意の軸に関して非対称な配置としていることで、ＨＭＤモジュール１０と支持体２０との装着時の相対位置を一意に定めている。

すると、嵌合凸部１２内部に設けられた永久磁石１６のＮ極と、嵌合凹部２３近傍に設けられ鉄で形成された接着部２９とが磁気的に吸着しあい、かつ、嵌合凹部１３近傍に設けられ鉄で形成された接着部１９と、嵌合凸部２２内部に設けられた永久磁石２６のＮ極とが磁気的に吸着しあって、ＨＭＤモジュール１０と支持体２０とが磁気を介して支持される。

そして、ＨＭＤモジュール１０が装着された支持体２０を、ベルト４０を介して使用者の頭部に装着する。
支持体２０の頭部への装着においては、ＨＭＤモジュール１０の接眼部１１と使用者の眼球の位置が合うようにして、額あて部２４を使用者の額にあて、鼻あて部２８を使用者の鼻にあてた上で、ベルト４０のアジャスタ機構を調節し、頭部に固定する。

次に、ＨＭＤモジュール１０のケーブル接続部１４に図示しないケーブルの一端を接続して、電源を入れ、ケーブルの他端に接続した図示しないロボットの制御システムとの通信を開始し、ロボットのカメラで撮影された映像を基に内部の映像生成装置により生成された映像を接眼部１１に投影させる。

そして、ＨＭＤモジュール１０を装着した使用者が頭部を動かすと、内部の加速度センサが頭部の加速度を検出し、加速度が信号としてケーブルを介して伝送され、ロボットの制御システムを経て、最終的にロボットのカメラの向きが使用者の頭部の動きに追従する。
以上により、使用者は、ロボットに取り付けられた、使用者の頭部と連動するカメラで撮影された映像を視認できる。そして、図示しない操作端末を用いて、ロボットの歩行機構に対する歩行動作指令を入力し、歩行機構に対する歩行動作指令は、信号としてケーブルを介して伝送され、ロボットの制御システムを経て、最終的にロボットを移動させる。

ＨＭＤモジュール１０をコンソール３０に固定するには、まず、一旦ＨＭＤモジュール１０の加速度センサの加速度信号のロボットの制御システムへの伝送を停止する。続いて、支持体２０を頭部に装着したまま、ＨＭＤモジュール１０と支持体２０とを支持している磁力に打ち勝つ力を加えて、両者を引き離す。

そして、図１４に示すように、ＨＭＤモジュール１０の後面に設けた嵌合凸部１２とコンソール３０の前面に設けた嵌合凹部３３とが嵌合し、かつ、ＨＭＤモジュール１０の後面に設けた３つの嵌合凹部１３とコンソール３０の前面に設けた３つの嵌合凸部３２とが嵌合するように、ＨＭＤモジュール１０とコンソール３０を嵌合する。

すると、嵌合凸部１２内部に設けられた永久磁石１６のＮ極と、嵌合凹部３３近傍に設けられ鉄で形成された接着部３９とが磁気的に吸着しあい、かつ、嵌合凹部１３近傍に設けられ鉄で形成された接着部１９と、嵌合凸部３２内部に設けられた永久磁石３６のＳ極とが磁気的に吸着しあって、ＨＭＤモジュール１０とコンソール３０とが磁気を介して支持される。

続いて、使用者はその頭部に装着した支持体２０と、ＨＭＤモジュール１０とを、図１５に示すように、装着する。ＨＭＤモジュール１０を支持体２０に装着するには、ＨＭＤモジュール１０の前面に設けた嵌合凸部１２と支持体２０の前面に設けた嵌合凹部２３とが嵌合し、かつ、ＨＭＤモジュール１０の前面に設けた３つの嵌合凹部１３と支持体２０の前面に設けた３つの嵌合凸部２２とが嵌合するように、ＨＭＤモジュール１０と支持体２０を嵌合する。

なお、コンソール３０の筐体３５には、左側面にケーブル逃がし部３４が、開口部３７につづく溝として形成されており、ケーブル逃がし部３４にケーブルを通しながらＨＭＤモジュール１０をコンソール３０に固定することで、ＨＭＤモジュール１０からケーブルを外すことなく固定できる。

そして、使用者は、ＨＭＤモジュール１０の接眼部１１に提示された、ロボットに取り付けられたカメラで撮影された映像を視認しながら、コンソール３０の入力部３１のキーボードやジョイスティックを用いてロボットのアーム等に対する動作指令を入力する。アーム等に対する動作指令は、信号としてケーブルを介して伝送され、ロボットの制御システムを経て、最終的にロボットのアーム等を作動させる。

コンソール３０に固定したＨＭＤモジュール１０を取り外し、再び使用者の頭部に装着するには、ＨＭＤモジュール１０とコンソール３０とを支持している磁力に打ち勝つ力を加えて、両者を引き離せばよい。

そして、ロボットのカメラの向きを再び使用者の頭部の動きに追従させるために、ＨＭＤモジュール１０の加速度センサの加速度信号のロボットの制御システムへの伝送を再開する。

以上のような構成をとり運用される本実施形態は、ＨＭＤモジュール１０、コンソール３０及び支持体２０に設けた、永久磁石を内蔵した嵌合凸部及び鉄を接着部に有する嵌合凹部により、ＨＭＤモジュール１０のコンソール３０への固定と、支持体２０を介した使用者の装着とが連続的かつ反復的に切替可能である。また、ＨＭＤモジュール１０と使用者の頭部に装着した支持体２０との相対位置を一意に定められるため、使用者のＨＭＤモジュール１０の装着の度に使用者の眼球とレンズとの相対位置が再現可能である。

なお、ＨＭＤモジュール１０を頭部に装着して使用している際、使用者が、自身の周囲の状況の確認を要する場合が起こりうる。また、視覚情報の提示方法を調整するため、ＨＭＤモジュール１０を、内部のレンズや液晶ディスプレイ等の仕様が異なるものへ交換することを要する場合が起こりうる。
その場合、ＨＭＤモジュール１０と支持体２０との脱着は、両者を支持している磁力に打ち勝つ力を加えて引き離し、再度、装着し直すＨＭＤモジュール１０を支持体２０に装着する手順で行う。
ＨＭＤモジュール１０と支持体２０との脱着には、支持体２０を頭部から外す必要がないため、頭部と支持体２０との相対位置がずれることはない。また、支持体２０とＨＭＤモジュール１０との相対位置を一意に定める構造としていることで、このような場合も、使用者の眼球とレンズとの相対位置の再現には調節動作が不要である。

本実施形態では永久磁石を嵌合凸部に内蔵し、接着部を嵌合凹部に内蔵したが、その逆としてもよい。また、嵌合凸部と嵌合凹部との両方に永久磁石を内蔵してもよい。

本実施形態では永久磁石を用いたが、電磁石を用いてもよい。

本実施形態では接着部に鉄を内蔵したが、コバルト、ニッケル又はそれらの合金等の強磁性体を用いてもよい。

また、嵌合凸部と嵌合凹部の、ＨＭＤモジュール１０、コンソール３０又は支持体２０の面上での配置は、ＨＭＤモジュール１０と、コンソール３０又は支持体２０との相対位置を一意に定める条件を満たしていれば、任意の配置でよい。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。

１０ ＨＭＤモジュール
１１ 接眼部
１２ 嵌合凸部
１３ 嵌合凹部
１４ ケーブル接続部
１５ 筐体
１６ 永久磁石
１７ 凹凸設置部
１９ 接着部
２０ 支持体
２１ 開口部
２２ 嵌合凸部
２３ 嵌合凹部
２４ 額あて部
２５ 筐体
２６ 永久磁石
２７ 凹凸設置部
２８ 鼻あて部
２９ 接着部
３０ コンソール
３１ 入力部
３２ 嵌合凸部
３３ 嵌合凹部
３４ ケーブル逃がし部
３５ 筐体
３６ 永久磁石
３７ 開口部
３９ 接着部
４０ ベルト

Claims (4)

1. 人工的な視覚情報を提示するＨＭＤモジュールと、
   前記ＨＭＤモジュールが着脱可能に取り付けられるコンソールと、
   前記ＨＭＤモジュールが着脱可能に取り付けられ、頭部装着用のベルトを有する支持体と、
   を備えるＨＭＤシステム。
2. 前記ＨＭＤモジュール、前記支持体及び前記コンソールがそれぞれ一つ以上の凹凸部を備え、
   前記凹凸部は前記ＨＭＤモジュールと前記支持体又は前記コンソールとの相対位置が所定の条件を満たす場合のみ嵌合するように配置されている、
   請求項１記載のＨＭＤシステム。
3. 前記ＨＭＤモジュールと前記支持体又は前記コンソールとの支持が永久磁石により行われる、
   請求項１記載のＨＭＤシステム。
4. 前記ＨＭＤモジュールと前記支持体又は前記コンソールとの支持が電磁石により行われる、
   請求項１記載のＨＭＤシステム。
   

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