JP3999631B2

JP3999631B2 - ２自由度駆動機構をよびバーチャルリアリティシステム

Info

Publication number: JP3999631B2
Application number: JP2002321558A
Authority: JP
Inventors: 敏岩城; 由里子鈴木; 稔小林; 聡石橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-11-05
Also published as: JP2004157677A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は２自由度駆動機構およびそれを利用して力覚や触覚を伴いつつ仮想映像空間を提示するバーチャルリアリティシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、実世界の多自由度駆動機構と、それを仮想空間上で模擬表示した仮想画像とを連動させることにより、あたかもその仮想空間の中で実物に触れるような感覚や力感覚を提示するための力覚提示型バーチャルリアリティ（ＶＲ）システムが開発されている。例えば、ＰＨＡＮＴＯＭ（http://www.nihonbinary.co.jp/Virtual/Phantom/）と呼ばれる製品は、複数のシリアルリンク機構の先端に取り付けられたスタイラスに、計算された力をフィードバックすることで力感覚を提示する。ユーザは仮想画像を見ながらそのスタイラスに触れることにより、コンピュータの作り出した仮想世界にあるオブジェクトの形、堅さ、柔らかさ、素材感などが、あたかも本物であるかのように感じることができる。
【０００３】
またＳＰＩＤＡＲ(http://sklab-www.pi.titech.ac.jp/detail/sdetail-j.html)と呼ばれるシステムは上記ＰＨＡＮＴＯＭと同様な機能を、複数のケーブルを用いたテンドン機構を採用して実現するシステムである。
【０００４】
これらはいずれも、被駆動体はメカニカルな接触を伴う伝達機構により駆動されるので、機構構成が複雑となりユーザの手の自由な操作の邪魔になるという欠点があった。
【０００５】
このような問題点を鑑み、本発明者の一部はこれまでに、風圧を利用することにより、メカニカルな伝達機構を利用せずに力感覚を提示する装置を提案している（特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２２４９９。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この発明においては、風受容器を常に手で保持する利用形態を想定しているために、手を離した場合、風受容器の位置が不安定あるいは不確定となる問題があった。従って、風受容器の仮想オブジェクトを仮想空間内で静止させておくような状態を実現することが不可能であった。
【０００８】
本発明の目的は、手を離しても受容器の位置を思い通りに制御できるようにし、力提示装置としての使い勝手を向上させた２自由度駆動機構を提供することである。
【０００９】
別の目的は、受容器を、仮想空間内での対応するオブジェクトの動きに連動させて、静止させたり運動させたりという状態を実現することにより、表現力を向上させたバーチャルリアリティシステムを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる発明は、気体の噴出量と噴出方向が操作可能な複数の噴出器と、該複数の噴出器から噴出される気体による圧力を受ける受容器と、該受容器の位置又は該位置と姿勢を計測する手段とを具備し、目標値と計測された前記受容器の位置又は該位置と姿勢に応じて、前記噴出器の噴出量およびその方向を操作することにより、前記受容器の位置又は該位置と姿勢をフィードバック制御する２自由度駆動機構において、前記噴出器は平面内円周上に１２０度間隔で３つ配置され、前記受容器は前記３つの噴出器で囲まれる内部に存在する円筒状物体であり、前記３つの噴出器の噴出方向を前記円筒状風受容器中心に向けて制御し、前記３つの噴出器から噴出される気体の噴出量を制御し、前記３つの噴出器で囲まれる三角形内部で前記受容器の２次元平面内での２自由度の位置をフィードバック制御することを特徴とする２自由度駆動機構とした。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の２自由度駆動機構おいて、前記フィードバック制御の系の制御ゲインを変化させることにより、前記受容器の力学的インピーダンスを調整することを特徴とする２自由度駆動機構とした。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２のいずれかに記載の２自由度駆動機構を用いたバーチャルリアリティシステムにおいて、計算機内部で人工的に表現される仮想環境を表示する仮想空間表示装置を備え、計測された前記受容器の位置又は該位置と姿勢に連動して前記受容器の仮想オブジェクトを該仮想環境の中で表示することを特徴とするバーチャルリアリティシステムとした。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載のバーチャクリアリティシステムにおいて、前記仮想空間表示装置において人工的に表現される仮想物体と前記受容器の仮想オブジェクトが接触したとき、前記仮想物体の運動状態と力学的インピーダンスに応じて、前記受容器の仮想オブジェクトの力学インピーダンス又は位置又は該位置と姿勢の目標値を調節することを特徴とするバーチャルリアリティシステムとした。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、空気やアルゴン等の気体を利用してあるいは水や油等の液体を利用して圧力を与えて、受容器の位置や姿勢を制御するが、以下の説明では空気圧（風圧）を利用した場合を例として説明する。この場合、受容器は風受容器、噴出器は風噴出器となる。
【００１６】
風圧を利用した形態においては、風受容器の位置や姿勢を風圧フィードバック制御により安定化し、手を離しても風受容器の位置や姿勢を思い通りに制御する機能を加えることにより、力提示装置としての使い勝手を向上させる。
【００１７】
また、風受容器を、操作者の手動操作によってではなく、空気アクチュエータによる自動制御によって、仮想空間内で静止させたり運動させたりという状態を実現することにより、仮想空間内におけるオブジェクトの動きに連動して風受容器の位置や姿勢を変化させ、表現力を向上させたバーチャルリアリティシステムを実現する。
【００１８】
まず、本発明を実現する上での基礎技術である、１対の空気噴出器による１自由度風受容器の位置制御の原理について説明しておく。
【００１９】
図１は、１直線上で動作可能な風受容器剛体３が、対抗する２つの空気噴出器１，２により位置制御される様子を模式的に示した図である。図１において、風受容器剛体３の位置ｙは位置センサ４によりリアルタイムで測定可能であるとする。
【００２０】
空気噴出器１，２が風受容器剛体３に与える力は一般に、圧搾空気圧、距離、ノズル形状などの非線形関数として表現されるが、以下では議論の単純化のため、上記非線形性は制御平衡点の近傍では無視可能、あるいは何らかの手段で線形化処理が行われており、空気噴出器１，２の操作量ｕと発生する力ｆとの関係は、通常の伝達関数Ｇ_w(s)で記述可能であると仮定して議論を進める。そして無視した影響をフィードバック系設計の工夫で解決することとする。
【００２１】
また空気噴出器１，２の場合、風受容器剛体３に与える力ｆは風圧を押し与える方向のみである。このため、正負両方含めた１自由度を完全に制御するには、相対抗する位置に置かれた一対の空気噴出器１，２が必要となる。このように１方向の力しか出せないアクチュエータにより剛体の位置を制御する問題は、ユニラテラルアクチュエータ制御問題と呼ばれ、テンドン機構、磁気浮上機構、ロボットハンド等多くの多自由度駆動機構の位置制御の際に現れ、工学的な設計技法が既存である。一般にｎ自由度の剛体を制御するにはｎ＋１個以上のアクチュエータが必要となり、その幾何学的な配置は、form Closureあるいはforce closureと呼ばれる条件を満たす必要があることが知られている(日本ロボット学会誌Vol.13,No.7,pp.56-63 把持と操りの基礎理論)。
【００２２】
図１において、簡単化のためにＧ_w(s)＝１と仮定し、右側の空気噴出器１が発生する力をｆ₁ ≧０、左側の空気噴出器２が発生する力をｆ₂ ≧０とし、これらの差分として、ｆ≡ｆ₁ −ｆ₂ なる新たな力ｆを考えると、−ｆ₁ ≦ｆ≦ｆ₂の範囲で正負両方向の力が操作可能となる。そこで例えば制御器５として、「ｋ_ds＋ｋ_p」なるＰＤ補償を利用して、図２に示すようなフィードバック制御系を施すと、位置目標値ｒから風受容器剛体３の位置ｙまでの伝達関数Ｗ_ryは、

となる。図２における６は演算部、７は風受容器ダイナミクスを表す。
【００２３】
ただし、風受容器剛体３の質量をｍとし、そのダイナミクスを１／(ｍｓ²)とした。これより、制御ゲインを適当な正数に設定することにより安定化が可能であり、かつ位置目標値ｒに追従する位置制御系が実現されることがわかる。一般に制御ゲインを大きく取るほど追従性は高くなるが、空気噴出器に内在する非線形性によっては、全系の安定化の観点から必ずしも大きく取れないが、適当な安定余裕を与えることで対処可能である。
【００２４】
一方、外力（外乱）ｑから位置ｙまでの伝達関数Ｗ_qyを計算すると、

となる。従って、ｋ_pはサーボ剛性でありこの値が大きいほど剛性が大きくなる。また同様に、ｋ_dは機械システムにおけるダンパの役割を果たし、ｋ_dが大きいほど粘性が高くなる。このようにｋ_pとｋ_dを全系を安定化する範囲で適当に調整することで、外力に対する応答すなわち機械的インピーダンスを自由に設定できることが分かる。上記の原理により、相対抗する位置に置かれた一対の空気噴出器１，２により、１自由度の風受容器剛体３の位置ｙを平衡点の近傍で制御し、その機械的なインピーダンスを自由に設定することが可能である。
【００２５】
なお、この例において、一つの空気噴出器の代わりに、例えば重力などの一定の力をバイアス力として印加しておくことにより、以下の如く同様に１自由度が制御可能となる。図１において、今、左側の空気噴出器２の代わりに一定バイアス力をｆ₀＞０として与えるとすると、−ｆ₁ ≦ｆ≦ｆ₀の範囲でｆは正負両符号とも操作することが可能なので、この範囲内で先ほどと同様なＰＤ制御則により位置制御が可能となる。
【００２６】
以上説明した１自由度風受容器剛体の位置制御の原理を基本として、以下では多自由度の風受容器剛体の位置と姿勢を制御する実施例について説明する。
【００２７】
本実施例は請求項１に係る発明の２自由度駆動機構を具現化するものである。図３は、３個の空気噴出器１１，１２，１３によりＸＹ平面上の２自由度を有する円筒状の風受容器剛体１４を制御する機構の模式図である。３個の空気噴出器１１，１２，１３はそれぞれ１２０度ずつ離れた半径ｒ₀の円周上に配置され、それぞれ空気噴出器スラスト方向中心線と円周との交点周りに回転し、ＸＹ平面内で噴出方向を変えることが可能な角度制御機構（噴出ノズル方向制御装置：アクチュエータ）１１ａ，１２ａ，１３ａが備えられている。この３つの空気噴出器１１，１２，１３の噴出量と噴出方向を操作することにより、上記円筒状風受容器剛体１４への風圧と方向を変えて、空気噴出器１１，１２，１３を結ぶ正三角形内で自由に、円筒状風受容器剛体１４のＸＹ平面上の位置を制御することが可能であることを、以下で具体的に説明する。なお、円筒状風受容器剛体１４の中心位置座標（ｘ、ｙ）は、例えば、適当な画像計測手段又はパソコンのマウスで用いられている回転ボール状の２軸センサなどを利用すれば容易に実時間計測可能である。
【００２８】
制御の基本的な考え方は、３つの噴出器１１，１２，１３の噴出方向と噴出量という２つの操作量を独立に扱い、それぞれのフィードバック系を段階的に構成する点にある。すなわちまず、３つの空気噴出器１１，１２，１３の噴出方向を風受容器剛体１４の中心に常に向かうように実時間制御することが前提となる。
【００２９】
図４は、風受容器剛体１４の中心Ｏ_wがＸＹ座標上の点（ｘ，ｙ）に位置する状態を模式的に示した図である。この時以下のような幾何学的な関係式が導出される。ただし、ノズル回転角θ₁，θ₂，θ₃は時計方向を正方向と定める。
【００３０】

従って、円筒状風受容器剛体１４の中心位置ｘとｙを測定すれば角度θ₁,θ₂，θ₃が求まるので、次にこの角度θ₁,θ₂，θ₃を目標値とする噴出方向制御を、図５のようなフィードバック制御系を構成することにより実現する。１５は式(1)の演算部、１６はＰＤ制御器、１７はノズル回転アクチュエータ（角度制御機構１１ａ）、１８はノズル回転運動ダイナミクスを表す。図５は角度θ₁についてであるが、角度θ₂，θ₃についても同様なフィードバック制御系となる。
【００３１】
この噴出方向制御が実現されているという前提の下、図４より以下のような関係が得られる。
【００３２】

【００３３】

タルのエネルギーを最小化することが可能である。
【００３４】
ここでＰＤ_xとＰＤ_yを、空気噴出器の非線形性や３つの風の干渉などを考慮して、全系が安定化される範囲で自由に設定することにより、Ｘ方向とＹ方向の運動制御特性を独立に設定することが可能である。たとえば、ＰＤ_xの比例ゲインを大きく、ＰＤ_yの比例ゲインを小さく設定すれば、Ｘ方向の剛性は高く、Ｙ方向の剛性は低く設定することが可能である。
【００３５】
以上のように本実施例においては、図３の角度制御機構１１ａ，１２ａ，１３ａを結ぶ正三角形内部の任意の点で位置制御と任意のインピーダンス設定が可能な、２自由度駆動機構が実現される。
【００３６】
次に、請求項３に関して、この２自由度駆動機構を力覚提示用バーチャルリアリティシステムへ利用するための方法を、上記の実施例を用いて説明する。
【００３７】
図７は、円筒状風受容器の基準点である中心の位置（ｘ、ｙ）の測定値に基づき、仮想空間を表現する仮想空間表示装置の仮想画面内に、円筒状風受容器の仮想オブジェクト３１をＣＧ表示した例を示す。空間Ａは自由空間、壁Ｂは剛性ｋ_bを有する拘束空間である。例えば、壁Ｂと接触せずに空間Ａ内部に円筒状風受容器の仮想オブジェクト３１が存在する場合には、仮想環境のどこからも力を受けないので、インピーダンスを０あるいは非常に小さく設定しておくことにより、自由空間内に漂う感覚が提示できる。
【００３８】
また、壁Ｂに円筒状風受容器の仮想オブジェクト３１が接触した場合には、Ｘ方向（図７の横方向）のインピーダンスは正方向（図７の右方向）に対してｋ_bと設定し、Ｘ方向の負方向及びＹ方向には０あるいは非常に小さく設定しておくことにより、円筒状風受容器の操作者はあたかも本物の剛性ｋ_bなる壁にぶつかったような感覚を手に与えることが可能となる。
【００３９】
すなわち、操作者がこの仮想画面のオブジェクト２１を目で見ながら円筒状風受容器を手で動かすことにより、あたかもそこに実際にオブジェクトが存在するかのような感覚を与えることができる。また操作者は操作途中に手を離しても、風受容器は初期姿勢が自動的に維持可能である。このような機能を利用することにより、仮想空間内において動きまわる動物が、操作者が乗っている乗り物に衝突したときの衝撃力などを表現することが可能となる。
【００４０】
なお以上の説明においては、二次元平面内で風受容器剛体の位置を制御する場合について説明したが、三次元空間内で風受容器剛体の位置又は位置と姿勢を制御することもできる。この場合は、例えば風受容器剛体を正６面体とすると共に、空気噴出器を多数使用して該６面体の風受容器剛体に集中して吹き付けることにより、その風受容器剛体を空間に浮かせた状態で、バーチャルリアリティ内の対応するオブジェクトの動きに応じてその風受容器剛体の位置や姿勢を制御すればよい。この場合の風受容器剛体の位置や姿勢の検出は、例えば画像計測手段により行うことができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明では、気体を原動力とするという特徴により、２自由度駆動機構として以下の利点を有するので、コンパクトで使い易いバーチャルリアリティ表示装置を作ることができる。(1)人間の手による操作上邪魔になるリンクやワイヤ等の伝達機構が不要、(2)風を使用するときは目に見えず透き通るので背景画像表示の邪魔をしない、(3)可動範囲が広い、(4)安全、(5)ハードウェアの寸法変更、自由度の増減など装置の設計変更に柔軟に対応可能、(6)機械的摩擦が無いのでメンテナンスフリーかつ高精度。
【００４２】
これらの特長により、シンプルでコンパクトなハードウェア構成で、表現力の高い力感覚を伴なうテレビゲーム等のバーチャルリアリティコンテンツを実現することができる。
【００４３】
また、特に、３つの空気噴出器の方向を常に風受容器中心に向かうように実時間制御することで、以下の効果が生まれる。(1)アクチュエータ配置行列：Ｋ_w（θ）がθのみの関数となるため、その疑似逆行列の計算が単純化されるため制御則もシンプルになる。(2)各空気噴出器からの風は円筒状風受容器の円筒面に垂直に当たるので、その接線方向の力の影響は最小となり、各空気噴出器からの風のお互いの干渉の影響も最小化されるため、制御対象のモデル化誤差も小さくなり、制御系設計がシンプルになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】直線上１自由度の制御モデルの説明図である。
【図２】１自由度の空気噴出制御系のブロック図である。
【図３】平面２自由度制御モデルの模式図である。
【図４】平面２自由度制御モデルの座標系の説明図である。
【図５】図４の空気噴出器１１の噴出方向制御系のブロック図である。
【図６】平面２自由度制御モデルの空気噴出量制御系のブロック図である。
【図７】仮想空間表示画面の説明図である。
【符号の説明】
１，２：空気噴出器
３：風受容器
１１，１２，１３：空気噴出器、
１１ａ，１２ａ，１３ａ：角度制御機構（噴出ノズル方向制御装置）
１４：円筒状風受容器
３１：円筒状風受容器の仮想オブジェクト

Claims

気体の噴出量と噴出方向が操作可能な複数の噴出器と、該複数の噴出器から噴出される気体による圧力を受ける受容器と、該受容器の位置又は該位置と姿勢を計測する手段とを具備し、目標値と計測された前記受容器の位置又は該位置と姿勢に応じて、前記噴出器の噴出量およびその方向を操作することにより、前記受容器の位置又は該位置と姿勢をフィードバック制御する２自由度駆動機構において、
前記噴出器は平面内円周上に１２０度間隔で３つ配置され、前記受容器は前記３つの噴出器で囲まれる内部に存在する円筒状物体であり、
前記３つの噴出器の噴出方向を前記円筒状風受容器中心に向けて制御し、前記３つの噴出器から噴出される気体の噴出量を制御し、前記３つの噴出器で囲まれる三角形内部で前記受容器の２次元平面内での２自由度の位置をフィードバック制御することを特徴とする２自由度駆動機構。
請求項１に記載の２自由度駆動機構おいて、
前記フィードバック制御の系の制御ゲインを変化させることにより、前記受容器の力学的インピーダンスを調整することを特徴とする２自由度駆動機構。
請求項１又は２のいずれかに記載の２自由度駆動機構を用いたバーチャルリアリティシステムにおいて、
計算機内部で人工的に表現される仮想環境を表示する仮想空間表示装置を備え、計測された前記受容器の位置又は該位置と姿勢に連動して前記受容器の仮想オブジェクトを該仮想環境の中で表示することを特徴とするバーチャルリアリティシステム。
請求項３に記載のバーチャクリアリティシステムにおいて、
前記仮想空間表示装置において人工的に表現される仮想物体と前記受容器の仮想オブジェクトが接触したとき、前記仮想物体の運動状態と力学的インピーダンスに応じて、前記受容器の仮想オブジェクトの力学インピーダンス又は位置又は該位置と姿勢の目標値を調節することを特徴とするバーチャルリアリティシステム。