JP2938805B2 - 仮想物体操作方法および仮想物体表示装置 - Google Patents
仮想物体操作方法および仮想物体表示装置Info
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- JP2938805B2 JP2938805B2 JP8147307A JP14730796A JP2938805B2 JP 2938805 B2 JP2938805 B2 JP 2938805B2 JP 8147307 A JP8147307 A JP 8147307A JP 14730796 A JP14730796 A JP 14730796A JP 2938805 B2 JP2938805 B2 JP 2938805B2
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は仮想物体操作方法
および仮想物体表示装置に関し、特に、立体表示されて
いる仮想環境内において、物体が他の物体に衝突したと
き、視覚的，力覚的にフィードバックを与えて視覚的，
力覚的に拘束を与えるような仮想物体操作方法および仮
想物体表示装置に関する。
および仮想物体表示装置に関し、特に、立体表示されて
いる仮想環境内において、物体が他の物体に衝突したと
き、視覚的，力覚的にフィードバックを与えて視覚的，
力覚的に拘束を与えるような仮想物体操作方法および仮
想物体表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】仮想環境において物体の配置作業を行な
う場合に、重力や摩擦などの物理法則を完全に模擬した
仮想世界が実現することができれば、その作業は実世界
のものと同様な感覚で自然にかつ直感的に作業を遂行す
ることができる。しかし、一般には、計算量の増大や装
置の複雑化などの問題により、その一部のみを模擬し操
作者に提示することになる。その結果、実世界では簡単
な作業も、仮想環境では熟練を要する作業となる。
う場合に、重力や摩擦などの物理法則を完全に模擬した
仮想世界が実現することができれば、その作業は実世界
のものと同様な感覚で自然にかつ直感的に作業を遂行す
ることができる。しかし、一般には、計算量の増大や装
置の複雑化などの問題により、その一部のみを模擬し操
作者に提示することになる。その結果、実世界では簡単
な作業も、仮想環境では熟練を要する作業となる。
【０００３】このような仮想空間での物体配置作業を、
限られた物理法則を利用することによって補助しようと
する研究例は従来からあるが、力覚や視覚など単一種の
フィードバックを用いたものが多い。力覚を利用した方
法では把持物体が他の物体に接触した際の衝突の操作反
力を模擬し、この接触面で操作者の手の動きの自由度を
制限することによって高精度の仮想物体操作を実現する
ことができる。
限られた物理法則を利用することによって補助しようと
する研究例は従来からあるが、力覚や視覚など単一種の
フィードバックを用いたものが多い。力覚を利用した方
法では把持物体が他の物体に接触した際の衝突の操作反
力を模擬し、この接触面で操作者の手の動きの自由度を
制限することによって高精度の仮想物体操作を実現する
ことができる。
【０００４】一方、視覚のフィードバックを利用した方
法では、物体の運動の表示上の自由度のみに制限を設け
ることにより、簡単な方法で仮想環境における物体の高
精度な配置操作を補助することができる。
法では、物体の運動の表示上の自由度のみに制限を設け
ることにより、簡単な方法で仮想環境における物体の高
精度な配置操作を補助することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述の力覚のフィード
バックを利用した方法では、力覚ディスプレイを用いた
機構が必要となるが、並進と回転６自由度に対応する装
置は一般に複雑かつ大規模なものとなり、また操作中に
微小な反力を見逃してしまう可能性も指摘されている。
バックを利用した方法では、力覚ディスプレイを用いた
機構が必要となるが、並進と回転６自由度に対応する装
置は一般に複雑かつ大規模なものとなり、また操作中に
微小な反力を見逃してしまう可能性も指摘されている。
【０００６】また、視覚のフィードバックを利用した方
法では、操作者の実際の手の位置と操作対象物体の表示
位置の間にずれが生じるため、手の動きが操作対象物体
の運動に１対１に対応せず、違和感を感じさせる原因と
なっていた。また、操作物体が他の物体の背後などの死
角に入ると、操作者は物体の拘束状態が確認できないと
いう問題点があった。
法では、操作者の実際の手の位置と操作対象物体の表示
位置の間にずれが生じるため、手の動きが操作対象物体
の運動に１対１に対応せず、違和感を感じさせる原因と
なっていた。また、操作物体が他の物体の背後などの死
角に入ると、操作者は物体の拘束状態が確認できないと
いう問題点があった。
【０００７】それゆえに、この発明の主たる目的は、力
覚と視覚のフィードバックに基づく操作補助を組合せて
利用することにより、一部の物理法則のみを模擬するだ
けで、操作者が仮想物体を自然な感覚で精度よく配置で
きるような仮想物体操作方法および仮想物体表示装置を
提供することである。
覚と視覚のフィードバックに基づく操作補助を組合せて
利用することにより、一部の物理法則のみを模擬するだ
けで、操作者が仮想物体を自然な感覚で精度よく配置で
きるような仮想物体操作方法および仮想物体表示装置を
提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
仮想環境で物体を視覚的に表示する視覚ディスプレイ
と、操作者が操作することによって仮想環境内で物体を
移動させる操作手段とを備え、物体が他の物体と衝突し
たことを検出し、視覚ディスプレイ内で物体の動きを拘
束するように視覚フィードバックを与えるとともに、操
作手段の動きを拘束するように力覚フィードバックを与
える。
仮想環境で物体を視覚的に表示する視覚ディスプレイ
と、操作者が操作することによって仮想環境内で物体を
移動させる操作手段とを備え、物体が他の物体と衝突し
たことを検出し、視覚ディスプレイ内で物体の動きを拘
束するように視覚フィードバックを与えるとともに、操
作手段の動きを拘束するように力覚フィードバックを与
える。
【０００９】請求項２に係る発明では、請求項１の発明
にさらに物体が他の物体に衝突したとき、衝突音を発生
して操作者に聴覚フィードバックを与える。
にさらに物体が他の物体に衝突したとき、衝突音を発生
して操作者に聴覚フィードバックを与える。
【００１０】請求項３に係る発明は、仮想物体表示装置
であって、仮想環境で物体を立体的に表示するための立
体表示手段と、操作者が操作することによって仮想環境
内で物体を移動させる操作手段と、立体表示手段に表示
されている仮想環境内で物体が他の物体に衝突したこと
を検出する衝突検出手段と、衝突が検出されたことに応
じて立体表示手段に表示されている物体の動きを拘束す
るための表示制御手段と、衝突が検出されたことに応じ
て操作手段が衝突面方向に移動するのを拘束する操作制
御手段とを備えて構成される。
であって、仮想環境で物体を立体的に表示するための立
体表示手段と、操作者が操作することによって仮想環境
内で物体を移動させる操作手段と、立体表示手段に表示
されている仮想環境内で物体が他の物体に衝突したこと
を検出する衝突検出手段と、衝突が検出されたことに応
じて立体表示手段に表示されている物体の動きを拘束す
るための表示制御手段と、衝突が検出されたことに応じ
て操作手段が衝突面方向に移動するのを拘束する操作制
御手段とを備えて構成される。
【００１１】請求項４に係る発明では、請求項３の発明
に加えて、衝突が検出されたことに応じて衝突音を発音
する発音手段を含む。
に加えて、衝突が検出されたことに応じて衝突音を発音
する発音手段を含む。
【００１２】
【発明の実施の形態】この発明は操作者の手の位置を制
限し、またそれによって操作される仮想物体の運動の視
覚的な位置も制限する。このためには、まず正確な衝突
検出の結果が必要であり、それらのアルゴリズムについ
て説明する。
限し、またそれによって操作される仮想物体の運動の視
覚的な位置も制限する。このためには、まず正確な衝突
検出の結果が必要であり、それらのアルゴリズムについ
て説明する。
【００１３】図１は物体の配置操作における面間の拘束
を説明するための図である。互いに面が直交するような
物体の場合、図１に示す３種類の拘束状態を考える。ま
ず、（ａ）に示す１面拘束の場合、操作対象物体１は拘
束面２を１つ持つ。このとき、運動はＡ，Ｂ方向の並進
２自由度とその法線ベクトルまわりの回転１自由度の３
自由度に制限され、（ｂ）に示す２面拘束の場合、操作
対象物体１は拘束面２と他の物体３との拘束面の２つ持
ち、この物体１の自由度は両拘束面に平行な方向の並進
のみの自由度が１となる。（ｃ）に示す３面拘束の場合
は、操作対象物体１は拘束面２と他の物体３，４との拘
束面を３つ持ち、この物体１は過度に拘束されるため、
残された自由度は０となる。
を説明するための図である。互いに面が直交するような
物体の場合、図１に示す３種類の拘束状態を考える。ま
ず、（ａ）に示す１面拘束の場合、操作対象物体１は拘
束面２を１つ持つ。このとき、運動はＡ，Ｂ方向の並進
２自由度とその法線ベクトルまわりの回転１自由度の３
自由度に制限され、（ｂ）に示す２面拘束の場合、操作
対象物体１は拘束面２と他の物体３との拘束面の２つ持
ち、この物体１の自由度は両拘束面に平行な方向の並進
のみの自由度が１となる。（ｃ）に示す３面拘束の場合
は、操作対象物体１は拘束面２と他の物体３，４との拘
束面を３つ持ち、この物体１は過度に拘束されるため、
残された自由度は０となる。
【００１４】図２はこの発明の一実施形態の全体の構成
を示すブロック図である。図２において、仮想環境を表
示するために、２台のディスプレイ１１，１２が設けら
れ、ディスプレイ１１，１２にはグラフィックスワーク
ステーション１４で生成された両眼視差のある画像が表
示される。操作者は液晶シャッタ眼鏡１３をかけてディ
スプレイ１１，１２を見ることによって仮想空間内にあ
る物体を立体像として見ることができる。なお、液晶シ
ャッタ眼鏡１３には３次元位置センサが設けられてい
る。
を示すブロック図である。図２において、仮想環境を表
示するために、２台のディスプレイ１１，１２が設けら
れ、ディスプレイ１１，１２にはグラフィックスワーク
ステーション１４で生成された両眼視差のある画像が表
示される。操作者は液晶シャッタ眼鏡１３をかけてディ
スプレイ１１，１２を見ることによって仮想空間内にあ
る物体を立体像として見ることができる。なお、液晶シ
ャッタ眼鏡１３には３次元位置センサが設けられてい
る。
【００１５】グローブ１５は６自由度を有しており、磁
気式位置・方向検出装置を付加していて、操作者がグロ
ーブ１５をはめて操作することにより、ディスプレイ１
１，１２に表示されている仮想物体を把持，運搬，回
転，解放などの直接操作をすることができる。液晶シャ
ッタ眼鏡１３の３次元位置センサの出力とグローブ１５
の磁気式位置・方向検出装置の検出出力は入力部１６を
介してグラフィックスワークステーション１４に入力さ
れる。
気式位置・方向検出装置を付加していて、操作者がグロ
ーブ１５をはめて操作することにより、ディスプレイ１
１，１２に表示されている仮想物体を把持，運搬，回
転，解放などの直接操作をすることができる。液晶シャ
ッタ眼鏡１３の３次元位置センサの出力とグローブ１５
の磁気式位置・方向検出装置の検出出力は入力部１６を
介してグラフィックスワークステーション１４に入力さ
れる。
【００１６】力覚デバイス１７は超音波モータ１８によ
って駆動され、操作者がグローブ１５をはめたまま握る
ことによって、３軸の操作反力などを感じ取ることがで
きる。超音波モータ１８はグラフィックスワークステー
ション１４からコントローラ１９を介して与えられる制
御信号によって駆動される。さらに、物体間の衝突音を
発生するために、音源回路２０が設けられ、スピーカ２
１から衝突音が発生される。
って駆動され、操作者がグローブ１５をはめたまま握る
ことによって、３軸の操作反力などを感じ取ることがで
きる。超音波モータ１８はグラフィックスワークステー
ション１４からコントローラ１９を介して与えられる制
御信号によって駆動される。さらに、物体間の衝突音を
発生するために、音源回路２０が設けられ、スピーカ２
１から衝突音が発生される。
【００１７】図３はこの発明の一実施形態の動作を説明
するためのフローチャートであり、図４はこの発明の操
作補助における拘束状態の変化を示す図である。
するためのフローチャートであり、図４はこの発明の操
作補助における拘束状態の変化を示す図である。
【００１８】まず、操作者が液晶シャッタ眼鏡１３をか
けて、グローブ１５を手にはめ、力覚デバイス１７を握
り、ディスプレイ１１，１２に表示されている画像を見
ながら、グローブ１５を上下左右に移動させる。たとえ
ば、図４（ａ）に示すように、把持物体の画像を下に落
下させると、図４（ｂ）に示すように、その画像が拘束
面に衝突する。グラフィックスワークステーション１４
は落下した物体が拘束面に衝突したことを検出し、ディ
スプレイ１１，１２に表示される物体を拘束面で停止さ
せる。同時に、グラフィックスワークステーション１４
はコントローラ１９を介して超音波モータ１８を駆動
し、操作者の手先に触覚により直接的に拘束モードを提
示する。このとき、音源回路２０からの音源信号によっ
てスピーカ２１から衝突音が発音される。
けて、グローブ１５を手にはめ、力覚デバイス１７を握
り、ディスプレイ１１，１２に表示されている画像を見
ながら、グローブ１５を上下左右に移動させる。たとえ
ば、図４（ａ）に示すように、把持物体の画像を下に落
下させると、図４（ｂ）に示すように、その画像が拘束
面に衝突する。グラフィックスワークステーション１４
は落下した物体が拘束面に衝突したことを検出し、ディ
スプレイ１１，１２に表示される物体を拘束面で停止さ
せる。同時に、グラフィックスワークステーション１４
はコントローラ１９を介して超音波モータ１８を駆動
し、操作者の手先に触覚により直接的に拘束モードを提
示する。このとき、音源回路２０からの音源信号によっ
てスピーカ２１から衝突音が発音される。
【００１９】また、図４（ａ）から図４（ｂ）に示す状
態では、超音波モータ１８のブレーキ機能により、力覚
デバイス１７の各関節を短時間固定し、手先の運動を停
止させる。操作者は、手先の運動の拘束と画像情報の変
化により、拘束状態に移行したことを直ちに知覚でき
る。図４（ｃ）に示す拘束状態では、視覚的操作補助に
より拘束面内の運動のみが操作物体に反映されるが、拘
束面に垂直な方向は、力覚デバイス１７によるばね−バ
ンパー系のシミュレーションを用いて、拘束面内部に手
先が進入するのを妨げる反力（反発力）と、逆に拘束面
から離れるのを妨げる反力（吸引力）を生成することに
より制御する。これらの拘束面に垂直方向の操作反力
は、手先座標が拘束状態が開始した座標点にあるときに
均衡する。一方、拘束面と平行な方向には運動を妨げる
反力が生成されないため、操作者は手先位置と進路拘束
面の位置関係を触角により知覚できるとともに、力覚フ
ィードバックによって拘束面内に手先の運動が拘束され
ることになる。
態では、超音波モータ１８のブレーキ機能により、力覚
デバイス１７の各関節を短時間固定し、手先の運動を停
止させる。操作者は、手先の運動の拘束と画像情報の変
化により、拘束状態に移行したことを直ちに知覚でき
る。図４（ｃ）に示す拘束状態では、視覚的操作補助に
より拘束面内の運動のみが操作物体に反映されるが、拘
束面に垂直な方向は、力覚デバイス１７によるばね−バ
ンパー系のシミュレーションを用いて、拘束面内部に手
先が進入するのを妨げる反力（反発力）と、逆に拘束面
から離れるのを妨げる反力（吸引力）を生成することに
より制御する。これらの拘束面に垂直方向の操作反力
は、手先座標が拘束状態が開始した座標点にあるときに
均衡する。一方、拘束面と平行な方向には運動を妨げる
反力が生成されないため、操作者は手先位置と進路拘束
面の位置関係を触角により知覚できるとともに、力覚フ
ィードバックによって拘束面内に手先の運動が拘束され
ることになる。
【００２０】操作者の手先位置と拘束面の距離が一定の
しきい値以上になった場合に、図４（ｄ）に示すように
拘束が解除される。拘束面への吸引力しきい値付近で最
大となるように設定し、拘束が解除されると力覚デバイ
ス１７は関節トルクを解放し、一切の力覚的拘束がなく
なる。したがって、拘束状態では吸引力により拘束面内
とその近傍に手先の運動が拘束されており、無意識に手
先が拘束面内から大きく離脱することはなく、また逆に
拘束を解除するには、意識的に吸引力に逆らって操作物
体を拘束面から引き離すような操作感覚を与えることが
できる。
しきい値以上になった場合に、図４（ｄ）に示すように
拘束が解除される。拘束面への吸引力しきい値付近で最
大となるように設定し、拘束が解除されると力覚デバイ
ス１７は関節トルクを解放し、一切の力覚的拘束がなく
なる。したがって、拘束状態では吸引力により拘束面内
とその近傍に手先の運動が拘束されており、無意識に手
先が拘束面内から大きく離脱することはなく、また逆に
拘束を解除するには、意識的に吸引力に逆らって操作物
体を拘束面から引き離すような操作感覚を与えることが
できる。
【００２１】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、視覚
ディスプレイに表示されている仮想環境内における物体
が他の物体と衝突したことを検出し、視覚ディスプレイ
内で物体の動きを拘束するように視覚フィードバックを
与えるとともに、仮想環境で物体を移動させる操作手段
の動きを拘束するように力覚フィードバックを与えるよ
うにしたので、一部の物理法則のみを模擬するだけで、
操作者が仮想物体を自然な感覚で精度よく配置すること
ができる。
ディスプレイに表示されている仮想環境内における物体
が他の物体と衝突したことを検出し、視覚ディスプレイ
内で物体の動きを拘束するように視覚フィードバックを
与えるとともに、仮想環境で物体を移動させる操作手段
の動きを拘束するように力覚フィードバックを与えるよ
うにしたので、一部の物理法則のみを模擬するだけで、
操作者が仮想物体を自然な感覚で精度よく配置すること
ができる。
【図１】物体の配置操作における面内の拘束を説明する
ための図である。
ための図である。
【図２】この発明の一実施形態の全体の構成を示すブロ
ック図である。
ック図である。
【図３】この発明の一実施形態の動作を説明するための
フローチャートである。
フローチャートである。
【図４】操作補助における拘束状態の変化を示す図であ
る。
る。
１１，１２ ディスプレイ １３ 液晶シャッタ眼鏡 １４ グラフィックスワークステーション １５ グローブ １６ 入力部 １７ 力覚デバイス １８ 超音波モータ １９ コントローラ ２０ 音源回路 ２１ スピーカ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 社団法人 テレビジョン学会（1995年 12月20日）「1995年テレビジョン学会映 像メディア部門冬季大会講演予稿集」 Ｐ．79 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G09B 9/00 H04N 13/04 A63F 9/22
Claims (4)
- 【請求項１】 仮想環境で物体を視覚的に表示する視覚
ディスプレイと、操作者が操作することによって前記仮
想環境内で物体を移動させる操作手段とを備え、 前記物体が他の物体と衝突したことを検出し、前記視覚
ディスプレイ内で前記物体の動きを拘束するように視覚
フィードバックを与えるとともに、前記操作手段の動き
を拘束するように力覚フィードバックを与えることを特
徴とする、仮想物体操作方法。 - 【請求項２】 さらに、前記物体が他の物体に衝突した
とき、衝突音を発生して、前記操作者に聴覚フィードバ
ックを与えることを特徴とする、請求項１の仮想物体操
作方法。 - 【請求項３】 仮想環境で物体を立体的に表示するため
の立体表示手段、 操作者が操作することによって前記仮想環境内で物体を
移動させる操作手段、 前記立体表示手段に表示されている仮想環境内で前記物
体が他の物体に衝突したことを検出する衝突検出手段、 前記衝突検出手段によって衝突が検出されたことに応じ
て、前記立体表示手段に表示されている前記物体の動き
を拘束するための表示制御手段、および前記衝突検出手
段によって衝突が検出されたことに応じて、前記操作手
段が衝突面方向に移動するのを拘束する操作制御手段を
備えた、仮想物体表示装置。 - 【請求項４】 さらに、前記衝突検出手段によって衝突
が検出されたことに応じて、衝突音を発音する発音手段
を備えた、請求項３の仮想物体表示装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8147307A JP2938805B2 (ja) | 1996-06-10 | 1996-06-10 | 仮想物体操作方法および仮想物体表示装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8147307A JP2938805B2 (ja) | 1996-06-10 | 1996-06-10 | 仮想物体操作方法および仮想物体表示装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09330016A JPH09330016A (ja) | 1997-12-22 |
| JP2938805B2 true JP2938805B2 (ja) | 1999-08-25 |
Family
ID=15427244
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8147307A Expired - Fee Related JP2938805B2 (ja) | 1996-06-10 | 1996-06-10 | 仮想物体操作方法および仮想物体表示装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2938805B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3713381B2 (ja) * | 1998-03-19 | 2005-11-09 | 大日本印刷株式会社 | 物体の把持動作シミュレーション装置 |
| AU2003218010A1 (en) | 2002-03-06 | 2003-09-22 | Z-Kat, Inc. | System and method for using a haptic device in combination with a computer-assisted surgery system |
| US8010180B2 (en) | 2002-03-06 | 2011-08-30 | Mako Surgical Corp. | Haptic guidance system and method |
| US11202676B2 (en) | 2002-03-06 | 2021-12-21 | Mako Surgical Corp. | Neural monitor-based dynamic haptics |
| US8996169B2 (en) | 2011-12-29 | 2015-03-31 | Mako Surgical Corp. | Neural monitor-based dynamic haptics |
| JP2009537231A (ja) | 2006-05-19 | 2009-10-29 | マコ サージカル コーポレーション | 触覚デバイスを制御するための方法および装置 |
| JP5237571B2 (ja) * | 2007-03-26 | 2013-07-17 | 株式会社タイトー | ゲーム機 |
| JP5002818B2 (ja) * | 2008-02-29 | 2012-08-15 | 独立行政法人情報通信研究機構 | 接触音のリアルタイム生成装置、方法、プログラムおよびプログラムを格納した記録媒体 |
-
1996
- 1996-06-10 JP JP8147307A patent/JP2938805B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 社団法人 テレビジョン学会（１９９５年１２月２０日）「１９９５年テレビジョン学会映像メディア部門冬季大会講演予稿集」Ｐ．７９ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09330016A (ja) | 1997-12-22 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19990525 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |