JP3024968B1 - 模擬加工方法および装置 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 ２次元表示面３に表示された３次元被加工物
の画像４を、模擬加工工具６で変形し、この模擬加工工
具６の操作時に、実世界での加工操作に近い手応え、反
力を操作者に与え、高い現実感を達成すること。 【解決手段】 操作者が一方の手にモデル５を把持し、
他方の手に模擬加工工具６を把持し、モデル５の位置お
よび姿勢をセンサＳ１によって検出し、模擬加工工具６
の位置および姿勢をセンサＳ２によって検出し、さらに
模擬加工工具６がモデルに接触した圧力を力センサＳ３
によって検出する。表示面３に表示される画像４の前記
接触した部分を変形する。変形量の時間変化率は、圧力
に対応する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、いわゆるコンピュ
ータグラフィックス（略称ＣＧ）技術を適用して模擬加
工工具を用いて操作者が被加工物体に造形を施し、３次
元的にリアルタイムに視覚に訴える形で表示することが
できる、いわゆるバーチャル造形を行う模擬加工方法お
よび装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】２次元表示面に、３次元被加工物の立体
視画像を表示し、このような仮想上のグラフィック空間
内に表示された物体に対して、対話的に形状デザインを
行うバーチャルデザインシステムが実現されている。表
示面に表示される物体の形状の変形操作において、実世
界での加工操作に近い手応えを操作者に提供することが
できることが要求されてきている。典型的な先行技術で
は、手応えの操作感覚を発生するために、複雑な構成を
有するリンク機構が用いられる。操作者が把持する模擬
加工工具には、リンク機構が連結され、操作感覚を発生
する。この先行技術では、被加工物の模擬物体であるモ
デルが固定的であり、現実感が乏しい。先行技術として
は、たとえば特開平２−２２７７７７および本件出願人
による特開平１０−２０９１４などが挙げられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、操作
者が把持した模擬加工工具に、手応えの操作感覚を発生
して与え、しかも高い現実感を与えることができるよう
にした模擬加工方法および装置を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、操作者が、そ
の操作者の一方の手でモデル５を把持し、他方の手で細
長い模擬加工工具６を把持し、モデル５に第１センサＳ
１が固定され、第１センサＳ１によって、実空間の座標
系におけるモデル５の位置および姿勢を検出し、模擬加
工工具６には、第２センサＳ２が固定され、第２センサ
Ｓ２によって実空間の前記座標系における模擬加工工具
６および先端部８の位置および姿勢を検出し、模擬加工
工具６の先端部８と、被加工物のモデル５とを、接触
し、模擬加工工具６には、先端部８のモデル５への接触
圧力Ｆを検出する第３センサＳ３が取付けられ、表示手
段２の２次元表示面３に、第１センサＳ１によって検出
されたモデル５の位置および姿勢に基づき、操作者から
見たモデル５に対応する３次元被加工物の立体視画像４
を表示し、第２センサＳ２によって検出された模擬加工
工具６の位置および姿勢に基づき、操作者から見た模擬
加工工具６の画像１８を、前記２次元表示面３に表示
し、さらに第２センサＳ２の出力に基づき、模擬加工工
具６の先端部８の位置および姿勢を検出し、第３センサ
Ｓ３によって検出される圧力Ｆが予め定めるしきい値Ｆ
１以上であるとき、先端部８の前記検出された位置およ
び姿勢に基づき、模擬加工工具６の先端部８が接触した
モデル５の位置近傍に対応する被加工物の前記立体視画
像４の部分を、第３センサＳ３によって検出される圧力
Ｆが予め定めるしきい値Ｆ１以上である時間の経過に伴
って、変形してゆき、この変形量の時間変化率は、前記
圧力Ｆに対応することを特徴とする模擬加工方法であ
る。

【０００５】本発明に従えば、液晶または陰極線管など
の２次元表示面に、３次元被加工物体の立体視画像を表
示し、操作者は、一方の手で、操作用模擬物体であるモ
デルを把持し、他方の手で細長い模擬加工工具を把持し
模擬加工工具の先端部８とモデルとを接触する。操作者
がモデルと模擬加工工具とを上述のように把持して相対
的に移動する。

【０００６】モデルと模擬加工工具との実空間での位置
および姿勢を、第１および第２センサＳ１，Ｓ２によっ
てそれぞれ検出し、これによって表示手段の表示面に表
示される画像の接触した部分を変形するように補正し
て、表示する。模擬加工工具のモデルへの接触の圧力も
また、第３センサＳ３によって検出され、この検出され
た圧力に対応して、前記接触した部分の変形量の時間変
化率が設定される。操作者が模擬加工工具をモデルに比
較的大きな圧力で接触したとき、変形量の時間変化率が
大きく設定され、短時間で大きな変形量が得られる。こ
れとは逆に、接触の圧力が小さいとき、変形量の時間変
化率は小さく、画像の前記接触した部分の変形が、ゆっ
くりと行われる。模擬加工工具は、たとえば回転砥石ま
たはドリルを備える構成を模擬した外形が鉛筆状に形成
されたものであってもよい。この加工というのは切削、
変形、付加などを全て含む。こうして立体視されている
画像の模擬加工工具が接触した部分を、実際と同じよう
に変形して、その加工具の画像に補正して、表示が行わ
れる。操作者には、実世界での加工操作に近い手応えの
操作感覚を与え、高い現実感を達成することができる。
変形量とは、深さ、高さまたは体積であってもよい。

【０００７】

【０００８】本発明に従えば、操作者はモデルを把持
し、そのモデルの姿勢を検出する。こうしてモデルの位
置と姿勢とを検出することによって、表示面には、操作
者から見たモデルの表面に対応する被加工物体の形状
を、立体視画像で表示することができる。したがって操
作性がさらに向上される。操作者は、たとえば一方の手
で模擬加工工具を把持し、他方の手でモデルを把持し
て、バーチャル造形を行うことができ、したがって高い
現実感を達成することができる。

【０００９】

【００１０】

【００１１】また本発明は、モデルの形状と画像で表示
される被加工物の形状とは、類似していることを特徴と
する。

【００１２】本発明に従えば、後述の図２に示されるよ
うに、モデルと画像の被加工物体とはほぼ同一であっ
て、すなわち類似しており、したがって操作者は、現実
に近い手応えを正確に得ることができるようになる。

【００１３】また本発明は、モデルの形状と画像で表示
される被加工物の形状とが異なっていることを特徴とす
る。

【００１４】本発明に従えば、図１０に関連して後述さ
れるように、たとえば模擬加工工具を用いて変形された
表示面上の画像が、初期の元の形状とは大きく変化した
ときであっても、同一のモデルを用いて、実世界での加
工操作に近い手応えの操作感覚を発生することが正確に
可能になる。

【００１５】また本発明は、表示面３に画像で表示され
る被加工物前記立体視画像の表面を複数の領域に分割
し、各領域毎に選択的に、共通のモデルを対応させ、モ
デルの表面上の位置と、選択された領域内の位置とを、
予め対応しておき、モデルの表面上の位置に対応する画
像の領域の位置を変形することを特徴とする。

【００１６】本発明に従えば、図１２に関連して後述さ
れるように、たとえば画像で表示される被加工物である
物体の形状が、モデルに比べて大きいとき、その被加工
物の表面を、たとえば桝目状に、すなわち正方形などの
矩形の複数の領域に分割し、各分割した領域を選択し
て、前記各領域に類似した形状、たとえば矩形の板状の
モデルに対応させる。さらにモデルの表面上の位置と、
画像の選択された領域内の位置とを予め対応しておく。
模擬加工工具をモデルの表面上の希望する位置に接触す
ることによって、その接触した位置に対応する前記領域
の位置を変形する。こうしてモデルを、被加工物の画像
の複数に分割された各領域に選択的に対応して、手応え
の操作感覚を操作者に与えることができる。

【００１７】また本発明は、模擬加工されるべき被加工
物の外形の３次元データをストアするメモリと、操作者
が、その操作者の一方の手で把持する被加工物のモデル
５に固定され、実空間の座標系におけるモデル５の位置
および姿勢を検出する第１センサＳ１と、操作者が、そ
の操作者の他方の手で把持する細長い模擬加工工具６に
固定され、実空間の前記座標系における模擬加工工具６
およびその模擬加工工具６の先端部８の位置および姿勢
を検出する第２センサＳ２と、模擬加工工具６の先端部
８のモデル５への接触圧力Ｆを検出する第３センサＳ３
と、２次元表示面３を有し、第１および第２センサＳ
１，Ｓ２の出力に応答し、第１センサＳ１によって検出
されたモデル５の位置および姿勢に基づき、操作者から
見たモデル５に対応する３次元被加工物の立体視画像４
を表示し、第２センサＳ２によって検出された模擬加工
工具６の位置および姿勢に基づき、操作者から見た模擬
加工工具６の画像１８を、前記２次元表示面３に表示す
る表示手段２と、第３センサＳ３の出力に応答し、第３
センサＳ３によって検出される圧力Ｆが、予め定めるし
きい値Ｆ１以上であるかどうかを判断する判断手段と、
第２および第３センサＳ２，Ｓ３と判断手段との出力に
応答し、検出される圧力Ｆが前記しきい値Ｆ１以上であ
るとき、先端部８の前記検出された位置および姿勢に基
づき、模擬加工工具６の先端部８が接触したモデル５の
位置近傍に対応する被加工物の表示手段によって表示さ
れる立体視画像４の部分を、第３センサＳ３によって検
出される圧力Ｆが予め定めるしきい値Ｆ１以上である時
間の経過に伴って、変形してゆき、この変形量の時間変
化率は前記圧力Ｆに対応する画像データ補正手段とを含
むことを特徴とする模擬加工装置である。

【００１８】本発明に従えば、第１センサＳ１によって
操作者が把持したモデルの位置とそのモデルの姿勢とを
検出し、これによって表示手段では、２次元表示面に、
操作者側から見た被加工物の形状の立体視画像を表示す
る。第２センサＳ２によって、操作者が把持した模擬加
工工具のモデルに接触した位置および姿勢を検出し、さ
らにその接触圧力を第３センサＳ３によって検出し、こ
うして被加工物の画像の前記接触した部分を、変形す
る。その変形量の時間変化率は、圧力に対応して定めら
れ、画像データを補正する。こうしてモデルを操作者が
把持してそのモデルの位置および姿勢を変化しつつ、模
擬加工工具で被加工物の画像を変形することができる。

【００１９】

【００２０】本発明に従えば、第２センサＳ２は、模擬
加工工具のモデルに接触した位置を検出するだけでな
く、その模擬加工工具の姿勢をも検出し、その模擬加工
工具が、たとえば回転砥石またはドリルなどのような細
長いたとえば鉛筆状の構成を有するとき、模擬加工工具
の姿勢に対応して、被加工物の画像の変形する方向を、
定めることができるようになる。これによってさらに、
実世界での加工操作に近似した高い現実感を達成するこ
とができる。

【００２１】また本発明は、凹んでゆく方向または隆起
してゆく方向のいずれかの変形方向を設定する手段をさ
らに含み、画像データ補正手段は、変形方向設定手段の
出力に応答して、前記接触した部分のメモリにストアさ
れているデータを、画像が凹んでゆくように、または隆
起してゆくように、補正することを特徴とする。

【００２２】本発明に従えば、被加工物の画像を、模擬
加工工具によって凹ませてゆき、または隆起してゆくよ
うに、変形することができる。これによって３次元形状
デザインがきわめて容易になる。特に被加工物体を部分
的に隆起してゆくことが仮想上可能であり、モデルの改
変が容易である。

【００２３】

【００２４】

【００２５】また本発明は、画像データ補正手段は、画
像で表示される被加工物の表面を、複数の領域に分割
し、各領域毎に選択的に、モデルを対応させ、モデルの
表面上の位置と、選択された領域内の位置とを、予め対
応しておき、モデルの表面上の位置に対応する画像の領
域の位置を変形することを特徴とする。

【００２６】本発明に従えば、請求項４に関連して述べ
たように、被加工物が大きいとき、その被加工物の表面
を複数の領域に分割し、その分割された各領域毎に、モ
デルに選択的に対応し、モデルの表面上の位置と、選択
された領域内の位置とを対応して画像の変形を行うこと
ができる。これによって被加工物を、高精度で変形する
ことができるようになる。

【００２７】また本発明は、画像データ補正手段は、表
示手段によって表示される被加工物の画像の少なくとも
一部分の領域に、テクスチャを選択的に貼付けることを
特徴とする。

【００２８】本発明に従えば、被加工物の画像の少なく
とも一部分の領域に、希望する色彩、模様などを有する
テクスチャを選択的に貼付けることができる。これによ
ってテクスチャ貼付けによる被加工物の完成品のイメー
ジを理解することが容易になる。したがって模擬加工工
具を用いて被加工物を加工する作業を、完成品のイメー
ジを持ちながら、容易に行うことができるようになる。

【００２９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態の
全体の構成を示す斜視図である。パーソナルコンピュー
タなどの処理装置１に備えられている液晶または陰極線
管などによって実現される表示手段２の２次元表示面３
によって、図１の手前にいる操作者のために、３次元被
加工物の立体視画像４が表示される。操作者は、一方の
手によって操作用対象物であるモデル５を把持し、他方
の手で細長い模擬加工工具６を把持する。モデル５は、
たとえば製靴業における靴木型であって、人の足骨格を
基本にして作成されるので、その形状変形を繰返して
も、モデル５と被加工物の画像４との各形状は同一また
は類似しており、その形状差異は大きくことなることは
なく、いわゆる相似関係を保ち続ける。実空間におい
て、ｘｙｚ直交座標系が設定され、これに応じて表示面
３に画像４が表示される。

【００３０】モデル５の前記座標系における位置および
姿勢を検出するために、センサＳ１と発振器７とが設け
られる。センサＳ１は、モデル５に固定される。発振器
７は、固定位置に設けられる。センサＳ１は、第１検出
手段を構成する。さらに模擬加工工具６には、センサＳ
２が固定され、発振器７とともに第２検出手段を構成
し、模擬加工工具６の位置および姿勢、したがってその
模擬加工工具６のモデル５に接触する先端部８の前記座
標系における位置および姿勢を検出する。センサＳ１，
Ｓ２は、発振器７によって発生される交流磁界内に存在
し、その交流磁界の強さおよび方向に基づいて、前述の
ように位置および姿勢を検出することができる。

【００３１】センサＳ１，Ｓ２および発振器７によって
モデル５および模擬加工工具６の位置および姿勢を検出
する構成によれば、前述の先行技術における模擬加工工
具をリンク機構に連結する構成に比べて、構成を簡略化
することができ、安価であり、また操作許容範囲を広く
することができ、操作者の動きの自由度が広くなり、さ
らに作業中、上腕部を浮かせた状態とすることがなく作
業を行うことができ、肉体的疲労を軽減することがで
き、さらにモデル５および模擬加工工具６を自由に移動
することができ、操作性が良好である。すなわち上述の
実施の形態では、作業中、上腕部を浮かせた状態とする
ことがなく、作業時の作業者の負荷を軽減することがで
きる。前述の先行技術では、模擬加工工具がリンク機構
に連結されているので、操作者は、手先を拘束されてし
まい、その結果、上腕部に過負荷をかけていることにな
る。本発明の上述の実施の形態によれば、このような先
行技術の問題を解決することができ、上述のように作業
時の作業者の負荷を軽減することができる。

【００３２】センサＳ２によって、模擬加工工具６の位
置と姿勢を検出することができるので、この模擬加工工
具６が細長い形状であるとき、先端部８、したがってそ
の先端部８とモデル５との３次元の位置を検出すること
ができ、さらに模擬加工工具６の軸線が、モデル５の接
触する部分の位置における姿勢を演算し、またモデル５
の姿勢をセンサＳ１で演算することによって、モデル５
を、模擬加工工具６の軸線方向に、凹んで変形し、また
は隆起して変形することができる。

【００３３】

【００３４】模擬加工工具６にはまた、圧力検出手段を
構成する力センサＳ３が取付けられる。この力センサＳ
３によって、先端部８が接触した部分１０における接触
の圧力を検出することができる。模擬加工工具にはま
た、変形方向設定スイッチ１１が設けられ、画像４の凹
んだ方向または隆起する方向のいずれかを設定すること
ができる。

【００３５】図２は、モデル５と表示画面３における被
加工物の３次元立体視画像４とを示す斜視図である。モ
デル５の表面上の各位置１２は、画像４で表示される被
加工物の位置１３とが、予め対応して設定される。この
ような相似型操作用対象モデル５では、画像４の骨格形
状が、変形操作の過程を通して、ほぼ不変であり、した
がって画像４の初期形状に相似な、すなわち類似した形
状を有するモデル５を予め準備しておく。画像４全体
を、モデル５で模擬することができるので、上述のよう
に画像４の任意点１３は、１対１に対応するモデル５の
点１２に対応付けられる。したがって操作者は、直感的
に、モデル５と疑似加工工具６とを用いて、画像４の形
状変形操作を行うことができる。

【００３６】図３は、処理装置１の電気的構成を示すブ
ロック図である。マイクロコンピュータなどによって実
現される処理回路１４には、センサＳ１〜Ｓ３および変
形方向設定スイッチ１１からの出力が与えられ、またキ
ーボードなどの入力手段１５の変形設定スイッチ１９お
よび選択スイッチ３０からの出力がそれぞれ与えられ
る。処理回路１４は、表示手段２に、前述のように被加
工物の画像４を表示させるとともに、フロッピディスク
などの携帯可能な記録媒体１６に、読出し／書込み手段
１７に、表示面３に表示される被加工物の完成後の画像
を出力させ、または被加工物の初期画像を記録した記録
媒体１６のデータを読出して受信することができる。

【００３７】図４は、図３に示される処理回路１４の動
作を説明するためのフローチャートである。ステップａ
１からステップａ２に移り、表示モードを実行する。表
示面３に表示されたグラフィック空間内の被加工物の画
像４の３次元形状変形操作を、この同一グラフィック空
間内の加工工具の画像１８によって行うために、実空間
内におけるセンサＳ１を取付けた操作対象モデル５に対
して、センサＳ２および力センサＳ３を取付けた模擬加
工工具６を用いて、操作する。センサＳ１によって、モ
デル５の位置および姿勢が検出され、表示面３に画像４
が表示される。センサＳ２によって、模擬加工工具６の
位置および姿勢が検出され、表示面３に画像１８が表示
される。

【００３８】モデル５と模擬加工工具６の先端部８との
接触状況に応じて発生する圧力は、力センサＳ３によっ
て検出される。この検出された圧力に対応して、画像４
の前記接触した部分の被加工面の形状が変形する。セン
サＳ１，Ｓ２によって、モデル５および模擬加工工具６
の位置および姿勢が上述のように検出されるので、表示
面３の画像４，１８は、操作者がモデル５および模擬加
工工具６を見た状態で表示される。

【００３９】このステップａ２における表示モードで
は、画像４の表面に、希望するテクスチャ画像を貼付け
ることができる。テクスチャとは、画像４によって表示
される被加工物の表面の質感、色彩および模様などの任
意な画像を、グラフィック空間内における被加工物の表
面に、部分的に、または全体にわたって貼付けて表示す
ることである。これによって被加工物の完成品のイメー
ジを、操作者に容易に理解させることができるようにな
る。

【００４０】ステップａ３では、力センサＳ３の出力に
よって、模擬加工工具６の先端部８がモデル５に接触す
る圧力を検出する。その検出した圧力Ｆが、予め定める
しきい値Ｆ１以上であるかどうかを判断する。検出され
た力Ｆが、しきい値Ｆ１以上であるとき（Ｆ≧Ｆ１）、
次のステップａ４に移り、形状変形モードを実行する。

【００４１】図５は、力センサＳ３の動作を説明するた
めの図である。力センサＳ３は、模擬加工工具６の先端
部８がモデル５に接触した圧力に正比例したレベルを有
する電気信号を導出する。検出された圧力Ｆが、しきい
値Ｆ１未満では（Ｆ＜Ｆ１）、ステップａ２において表
示モードを実行する。検出した力Ｆが、しきい値Ｆ１以
上であるとき、前述のようにステップａ４において形状
変形モードを実行する。力センサＳ３によって検出され
る圧力Ｆが前記しきい値Ｆ１以上であるとき、先端部８
の検出された位置および姿勢に基づき、模擬加工工具６
の先端部８が接触したモデル５の位置近傍に対応する非
加工物の立体視画像４の部分を、その力センサＳ３によ
って検出される圧力Ｆがしきい値Ｆ１以上である時間の
経過に伴って、後述のように変形してゆく。このしきい
値Ｆ１は、入力手段１５によって調整することができ、
これによって指の力の強い人および弱い人などの個人差
に応じて、模擬加工工具６の操作性を向上して、形状変
形モードを実行させることができる。

【００４２】図６は、処理回路１４によって実行される
図４のステップａ４に示される形状変形モードの具体的
な動作を説明するためのフローチャートである。ステッ
プｂ１からステップｂ２に移り、センサＳ１，Ｓ２によ
ってそれぞれ検出したモデル５および模擬加工工具６の
位置および姿勢から、グラフィック空間上の画像４の変
形位置を計算して求める。図２に関連して前述した相似
型操作用対象モデル５では、モデル５の形状と画像４で
表示される被加工物の形状とは、同一または類似してお
り、各位置１２，１３が予め対応付けられている。この
ようなモデル５と画像４の各位置の対応付けに関する本
発明の実施の他の形態は、図１０〜図１３に関連して、
さらに後述される。

【００４３】ステップｂ３では、画像４の変形量を計算
して求める。力センサＳ３によって検出される接触する
部分の圧力に対応して、変形量の時間変化率が変化す
る。

【００４４】図７は、被加工物の画像４の力センサＳ３
によって検出される接触圧力Ｆに対応した変形量の時間
変化率ｖを示す図である。圧力Ｆが、図５に関連して説
明したしきい値Ｆ１であるとき、変形量の時間変化率ｖ
１は比較的小さい値である。圧力Ｆが大きくなるにつれ
て、変形量の時間変化率ｖは、１次関数で変化する。

【００４５】 ｖ ＝ ｋ１・Ｆ＋ｃ …（１） ここで、ｋ１，ｃは、定数である。

【００４６】変形量は、変形方向設定スイッチ１１によ
って設定された変形方向が、正であって、切削などによ
って凹んでゆく方向を設定することができ、または変形
方向が負であって、肉盛りして隆起してゆく方向を切換
えて設定することができる。

【００４７】図６のステップｂ４では、ステップｂ２で
求められた変形位置で、ステップｂ３で求められた変形
量で、画像４を変形して、表示面３に立体視表示する。
ステップｂ２において求められた変形位置の近傍では、
変形設定スイッチ１９によって、たとえば図８（１）の
参照符２０で示されるように滑らかな凸曲面を有する形
状で変形量を計算して変形表示してもよく、または図８
（２）の参照符２１で示されるように、鋭利な変形形状
で、たとえば円錐台状に、変形量を計算して変形表示し
てもよい。

【００４８】本発明の実施の他の形態では、模擬加工工
具６はナイフであり、このナイフによってモデル５を削
り取る加工時の画像４の変形を行うようにすることもま
た、可能である。

【００４９】図９は、模擬加工工具６を用いてモデル５
を変形加工する状態を説明するための簡略化した斜視図
である。模擬加工工具６の先端部８は、モデル５の位置
１２に接触したとき、その力センサＳ３によって検出さ
れる力に対応した変形量の時間変化率ｖで、厚みが一定
である薄板２２が、順次的に削除され、または肉盛りさ
れるように、画像４が変形される。各板２２は、凹んで
ゆく方向では、深いほど面積が小さく、隆起してゆく方
向では頂部に近づくにつれて小さい面積とされる。これ
によって画像４の変形表示を容易に行うことができる。

【００５０】図１０は、本発明の実施の他の形態のモデ
ル５と表示手段２の表示面３に表示された画像４ａとを
示す図である。模擬加工工具６を用いて、その先端部８
をモデル５の表面上に接触して、画像４ａの形状を変形
するにあたり、同一モデル５ａを用いて、画像４ａの骨
格形状に至るまで変形させ、かつ画像４ａの全体を、モ
デル５ａで表現することができるとき、この操作用対象
モデル５ａを用いる。すなわちモデル５ａの形状と画像
４ａで表示される被加工物の形状とは、形状変形動作の
初期においてすでに異なっており、または形状変形動作
の初期においてはほぼ同一または類似していても、形状
変形動作を実行することによって、モデル５ａの形状と
画像４ａの形状とが異なるに至るとき、このようなモデ
ル５ａが用いられ、モデル５ａと画像４ａとの各形状に
おける位置が予め対応される。モデル５ａは、画像４ａ
の変形にかかわらず共通に用いられる汎用性を備えたた
とえば凸形モデルであってもよく、または凹形モデルで
あってもよい。

【００５１】モデル５ａの表面上の位置２４，２５は、
画像４ａの位置２６，２７にそれぞれ１対１に対応付け
られて、処理回路１において、予め設定される。これに
よって画像４ａが形状変形してモデル５ａの形状と大き
く異なっていても、操作者は、模擬加工工具６を操作
し、手応え、反力の操作感覚を発生することができる。
本発明では、実空間のモデル５と表示面３上の立体視画
像４との各対応点の位置について、数学的に厳密な対応
関係を必要としない。本発明では操作者は、画面に表示
されるモデル４および模擬加工工具１８の位置関係を見
ながら、手で掴んでいるモデル５および模擬加工工具６
を相対移動させ、ほぼ対応する位置で模擬加工工具６を
モデル５に押付けることによって加工操作を実行する。
このとき、モデル５を回転させれば、センサＳ１によっ
て姿勢変化が検出され、画面上の立体視画像４も対応し
て回転する。

【００５２】図１１は、図１０に示される操作用対象モ
デル５ａを用いるときにおける処理回路１の動作を説明
するためのフローチャートである。ステップｃ１からス
テップｃ２に移り、モデル５ａの表面上の点である位置
２４または２５が、スイッチＳ２の出力によって検出さ
れる。ステップｃ３では、画像４ａ上の位置２６または
２７を演算し、形状の変形を行う。そのほかの構成と動
作は、前述の実施の形態と同様である。

【００５３】図１２は、本発明の実施の他の形態のモデ
ル５ｂと表示手段２の表示面３に表示された画像４ｂと
を示す図である。この実施の形態では、デザイン対象で
ある被加工物の画像４ｂが、モデル５ａに比べて実際に
は非常に大きいときを想定している。画像４ｂで表示さ
れる被加工物の表面は、桝目状のたとえば矩形の複数の
領域２９に切り分けて分割される。選択手段３０は、画
像４ｂにおける複数の領域のうちの１つの領域２９を選
択する。これによって選択された領域２９は、モデル５
ｂの表面に対応する。こうしてグラフィック空間の画像
４ｂ上で選択された単一の領域２９は、部分型操作用対
象モデル５ｂに対応付けられる。このモデル５ｂは、複
数の領域２９に共通に用いられ、この実施の形態では、
モデル５ｂは板状であり、汎用性を備える。

【００５４】図１３は、図１２に示される部分型操作用
対象モデル５ｂを用いて画像４ｂを変形する動作を説明
するための処理回路１の動作を示すフローチャートであ
る。ステップｄ１からステップｄ２に移り、選択手段３
０によって、画像４ｂの複数に分割された領域のうちの
１つの領域２９が選択される。この選択された領域２９
は、モデル５ｂに対応する。モデル５ｂ上の位置３２
は、画像４ｂの１つの選択された領域２９における点で
ある位置３３に１対１で対応付けられる。

【００５５】次のステップｄ３では、模擬加工工具６を
用いてモデル５ｂの表面に接触することによって、モデ
ル５ｂの位置３２を検出し、次のステップｄ４では、選
択された領域２９の位置３３の形状を変形することがで
きる。こうして画像４ｂの領域２９における位置３３を
演算して求め、形状の変形動作を行う。ステップｄ４で
は一連の動作を終了する。

【００５６】図１２および図１３に示される本発明の実
施の形態では、画像４ｂの領域２９の分割する切分けた
精度によって、微細領域から大領域にわたって、共通の
モデル５ｂを用いて、画像４ｂの形状の変形を行うこと
が可能になる。そのほかの構成と動作は、前述の実施の
形態と同様である。

【００５７】こうして得られたメモリにストアされてい
る物体の加工後の３次元形状データを用いて、たとえば
ＮＣ（数値制御）加工装置を動作させて、希望する実際
の形状を有する模型などの完成品の物体を製作すること
ができる。加工後の３次元データは、記録媒体１６にス
トアされる。

【００５８】本発明の実施の他の形態では、モデル５，
５ａ，５ｂの位置と姿勢を検出するため、および模擬加
工工具６の位置と姿勢を検出するために、前述のセンサ
Ｓ１，Ｓ２と発振器７との組合せを用いる構成だけでな
く、そのほかの構成を用いるようにしてもよい。力セン
サＳ３は、たとえば歪ゲージなどによって実現されても
よい。

【００５９】本発明によれば、画像データ補正手段によ
って変形して得られた被加工物の完成品の３次元立体画
像データを、たとえばフロッピディスクなどの携帯形の
メモリに転送してストアし、このメモリを、たとえばＮ
Ｃ（数値制御）機械装置に装着して、完成品を自動的に
製造することができる。

【００６０】本発明ではさらに、この２次元表示面に表
示されたグラフィック画像の３次元被加工物に、テクス
チャを貼付ける操作を行い、すなわち被加工物の表面の
希望する領域で色、模様などを貼付けることができる。
これによって完成品の完成イメージを容易に実現するこ
とができ、商品の造形設計がさらに容易になる。

【００６１】

【発明の効果】請求項１の本発明によれば、２次元表示
面に、３次元被加工物の立体視画像を表示し、操作者
は、模擬加工工具をモデルに接触し、これによって画像
の被加工物を変形し、その接触の圧力に対応した変形量
の時間変化率で画像を変形することができるので、グラ
フィック空間内に表示された３次元被加工物に対して、
対話的に形状デザインを行うバーチャルデザインが可能
になり、しかも実世界での加工操作に近い手応えを操作
者に提供することができ、高い現実感を達成することが
できる。しかも本発明によれば、モデルは、固定位置に
設けられていてもよいけれども、操作者が把持して変位
してもよく、これによって形状デザインがさらに容易に
なる。

【００６２】このようにして３次元被加工物の画像の変
形操作において、操作用のモデルと、模擬加工工具とを
用いることによって、前述のように高い現実感を伴いつ
つ、精度の高い形状変形操作が、比較的簡単な構成で安
価に実現される。したがって従来から、粘土モデルおよ
び木製モデルを用いて形状デザインを行っていた分野に
おいて、本発明の３次元形状デザインの展開が可能にな
る。

【００６３】操作者がモデルを把持し、そのモデルの位
置と姿勢を検出することによって、操作者から見た被加
工物の立体視の形状を、表示面に画像で表示することが
でき、したがって操作者に高い現実感を与えることがで
きる。

【００６４】

【００６５】請求項２の本発明によれば、モデルは被加
工物の形状に類似した形状を有し、また請求項３の本発
明によれば、モデルは被加工物の形状とは異なった形状
を有しており、いずれのときであっても、モデルの表面
上に模擬加工工具を接触し、できるだけ実世界での加工
操作に近似した手応えを操作者に与えることができるよ
うになる。

【００６６】請求項４の本発明によれば、被加工物がモ
デルに比べて大きいとき、その被加工物の表面を複数の
領域に分割して、選択的にモデルに対応させ、モデルの
表面上の位置と、選択された領域内の位置とを対応して
モデルの表面上に模擬加工工具を接触し、被加工物の画
像の対応する位置を変形することができ、こうして大き
い形状を有する被加工物を、高精度で変形することがで
きるようになり、またこのような構成において、実世界
での加工操作に近い手応えを操作者に与えることができ
る。

【００６７】請求項５の本発明によれば、第１センサＳ
１よって、操作者が把持したモデルの位置および姿勢を
検出し、被加工物の形状を、操作者から見た立体視画像
と表示することができ、さらに第２センサＳ２によっ
て、模擬加工工具がモデルに接触した位置を検出し、さ
らにその接触圧力を第３センサＳ３によって検出するこ
とによって、前記接触した部分を、圧力に対応した変形
量の時間変化率で、変形することができ、これによって
高い現実感を伴い、かつ精度の高い形状変形操作を行う
ことができるようになる。またこのような操作はきわめ
て簡単である。操作者には、現実に近い手応えおよび反
力の操作感覚を与えることが可能である。またこのよう
な構成は簡単であるので故障が少なくなり、低価格で実
現することができる。

【００６８】さらに本発明によれば、微細加工から大ま
かな加工にわたって本発明を実施することができる。さ
らに従来から粘土モデルおよび木製モデルを用いて形状
デザインを行っていた技術分野およびそのほかの３次元
被加工物の形状変形操作のために、本発明を広範囲に実
施することができる。

【００６９】模擬加工工具の姿勢を第２センサＳ２によ
って検出し、模擬加工工具をモデルに接触したときにお
ける姿勢に対応して、被加工物の変形方向を設定するこ
とができ、これによってさらに高い現実感を伴って、被
加工物の画像の変形操作を行うことができる。

【００７０】請求項６の本発明によれば、被加工物の画
像を凹ませてゆくことができ、または隆起してゆくこと
ができ、これによって各種の形状デザインを容易に行う
ことができるという優れた効果が達成される。

【００７１】

【００７２】請求項７の本発明によれば、前述の請求項
４と同様に、被加工物がモデルに比べて大きいときであ
っても、できるだけ高い現実感を伴いつつ、精度の高い
形状変形操作が可能になり、大きな被加工物であって
も、微細加工を容易に施すことが可能になる。

【００７３】請求項８の本発明によれば、被加工物の画
像の少なくとも一部分の領域に、テクスチャを選択的に
貼付けることができるので、テクスチャ貼付けによる被
加工物の完成品のイメージを理解することがきわめて容
易になり、模擬加工工具による被加工物の変形作業を、
現実感を伴って、容易に行うことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の全体の構成を示す斜視
図である。

【図２】モデル５と表示画面３における被加工物の３次
元立体視画像４とを示す斜視図である。

【図３】処理装置１の電気的構成を示すブロック図であ
る。

【図４】図３に示される処理回路１４の動作を説明する
ためのフローチャートである。

【図５】力センサＳ３の動作を説明するための図であ
る。

【図６】処理回路１４によって実行される図４のステッ
プａ４に示される形状変形モードの具体的な動作を説明
するためのフローチャートである。

【図７】被加工物の画像４の力センサＳ３によって検出
される接触圧力Ｆに対応した変形量の時間変化率Ｖを示
す図である。

【図８】変形設定スイッチ１９によって設定することが
できる変形位置における形状を示す簡略化した斜視図で
ある。

【図９】模擬加工工具６を用いてモデル５を変形加工す
る状態を説明するための簡略化した斜視図である。

【図１０】本発明の実施の他の形態のモデル５ａと表示
手段２の表示面３に表示された画像４ａとを示す図であ
る。

【図１１】図１０に示される写像型操作用対象モデル５
ａを用いるときにおける処理回路１の動作を説明するた
めのフローチャートである。

【図１２】本発明の実施の他の形態のモデル５ｂと表示
手段２の表示面３に表示された画像４ｂとを示す図であ
る。

【図１３】図１２に示される部分型操作用対象モデル５
ｂを用いて画像４ｂを変形する動作を説明するための処
理回路１の動作を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ 処理装置 ２ 表示手段 ３ ２次元表示面 ４，４ａ，４ｂ 画像 ５，５ａ，５ｂ モデル ６ 模擬加工工具 ８ 先端部 １１ 変形方向設定スイッチ １４ 処理回路 １５ 入力手段 １６ 記録媒体 １７ 読出し／書込み手段 ２９ 領域 Ｓ１，Ｓ２ センサ Ｓ３ 力センサ

フロントページの続き (72)発明者 永松 宣雄 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工 業株式会社 明石工場内 (72)発明者 武富 壮行 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工 業株式会社 明石工場内 (72)発明者 松井 健一郎 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工 業株式会社 明石工場内 (72)発明者 澤井 恒義 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工 業株式会社 明石工場内 (56)参考文献 映像情報メディア学会技術報告 ｖｏ ｌ．21 ｎｏ．33（ＨＩＲ97−48，ＮＩ Ｍ97−43）53−56頁 亀山研一「スタイ リングＣＡＤシステム」 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06T 17/40 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 操作者が、その操作者の一方の手でモデ
   ル５を把持し、他方の手で細長い模擬加工工具６を把持
   し、 モデル５に第１センサＳ１が固定され、 第１センサＳ１によって、実空間の座標系におけるモデ
   ル５の位置および姿勢を検出し、 模擬加工工具６には、第２センサＳ２が固定され、 第２センサＳ２によって実空間の前記座標系における模
   擬加工工具６および先端部８の位置および姿勢を検出
   し、 模擬加工工具６の先端部８と、被加工物のモデル５と
   を、接触し、 模擬加工工具６には、先端部８のモデル５への接触圧力
   Ｆを検出する第３センサＳ３が取付けられ、 表示手段２の２次元表示面３に、第１センサＳ１によっ
   て検出されたモデル５の位置および姿勢に基づき、操作
   者から見たモデル５に対応する３次元被加工物の立体視
   画像４を表示し、 第２センサＳ２によって検出された模擬加工工具６の位
   置および姿勢に基づき、操作者から見た模擬加工工具６
   の画像１８を、前記２次元表示面３に表示し、さらに第
   ２センサＳ２の出力に基づき、模擬加工工具６の先端部
   ８の位置および姿勢を検出し、 第３センサＳ３によって検出される圧力Ｆが予め定める
   しきい値Ｆ１以上であるとき、先端部８の前記検出され
   た位置および姿勢に基づき、模擬加工工具６の先端部８
   が接触したモデル５の位置近傍に対応する被加工物の前
   記立体視画像４の部分を、第３センサＳ３によって検出
   される圧力Ｆが予め定めるしきい値Ｆ１以上である時間
   の経過に伴って、変形してゆき、 この変形量の時間変化率は、前記圧力Ｆに対応すること
   を特徴とする模擬加工方法。
2. 【請求項２】 モデルの形状と画像で表示される被加工
   物の形状とは、類似していることを特徴とする請求項１
   記載の模擬加工方法。
3. 【請求項３】 モデルの形状と表示面３に表示される被
   加工物前記立体視画像の形状とが異なっていることを特
   徴とする請求項１記載の模擬加工方法。
4. 【請求項４】 表示面３に画像で表示される被加工物前
   記立体視画像の表面を複数の領域に分割し、 各領域毎に選択的に、共通のモデルを対応させ、 モデルの表面上の位置と、選択された領域内の位置と
   を、予め対応しておき、 モデルの表面上の位置に対応する画像の領域の位置を変
   形することを特徴とする請求項１記載の模擬加工方法。
5. 【請求項５】 模擬加工されるべき被加工物の外形の３
   次元データをストアするメモリと、 操作者が、その操作者の一方の手で把持する被加工物の
   モデル５に固定され、実空間の座標系におけるモデル５
   の位置および姿勢を検出する第１センサＳ１と、 操作者が、その操作者の他方の手で把持する細長い模擬
   加工工具６に固定され、実空間の前記座標系における模
   擬加工工具６およびその模擬加工工具６の先端部８の位
   置および姿勢を検出する第２センサＳ２と、 模擬加工工具６の先端部８のモデル５への接触圧力Ｆを
   検出する第３センサＳ３と、 ２次元表示面３を有し、第１および第２センサＳ１，Ｓ
   ２の出力に応答し、第１センサＳ１によって検出された
   モデル５の位置および姿勢に基づき、操作者から見たモ
   デル５に対応する３次元被加工物の立体視画像４を表示
   し、第２センサＳ２によって検出された模擬加工工具６
   の位置および姿勢に基づき、操作者から見た模擬加工工
   具６の画像１８を、前記２次元表示面３に表示する表示
   手段２と、 第３センサＳ３の出力に応答し、第３センサＳ３によっ
   て検出される圧力Ｆが、予め定めるしきい値Ｆ１以上で
   あるかどうかを判断する判断手段と、 第２および第３センサＳ２，Ｓ３と判断手段との出力に
   応答し、検出される圧力Ｆが前記しきい値Ｆ１以上であ
   るとき、先端部８の前記検出された位置および姿勢に基
   づき、模擬加工工具６の先端部８が接触したモデル５の
   位置近傍に対応する被加工物の表示手段によって表示さ
   れる立体視画像４の部分を、第３センサＳ３によって検
   出される圧力Ｆが予め定めるしきい値Ｆ１以上である時
   間の経過に伴って、変形してゆき、この変形量の時間変
   化率は前記圧力Ｆに対応する画像データ補正手段とを含
   むことを特徴とする模擬加工装置。
6. 【請求項６】 凹んでゆく方向または隆起してゆく方向
   のいずれかの変形方向を設定する変形方向設定手段をさ
   らに含み、 画像データ補正手段は、変形方向設定手段の出力に応答
   して、前記接触した部分のメモリにストアされているデ
   ータを、画像が凹んでゆくように、または隆起してゆく
   ように、補正することを特徴とする請求項５記載の模擬
   加工装置。
7. 【請求項７】 画像データ補正手段は、 画像で表示される被加工物の表面を、複数の領域に分割
   し、 各領域毎に選択的に、モデルを対応させ、モデルの表面
   上の位置と、選択された領域内の位置とを、予め対応し
   ておき、モデルの表面上の位置に対応する画像の領域の
   位置を変形することを特徴とする請求項５または６に記
   載の模擬加工装置。
8. 【請求項８】 画像データ補正手段は、表示手段によっ
   て表示される被加工物の画像の少なくとも一部分の領域
   に、テクスチャを選択的に貼付けることを特徴とする請
   求項５〜７のうちの１つに記載の模擬加工装置。