JP4375657B2 - 噴出を利用した力覚提示方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体又は液体の噴出を利用して力覚を提示する力覚提示方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
仮想空間において力覚を提示する手法として、風圧を利用した装置がある（特許文献１）。この力覚提示装置では，操作者の身体や把持物に用意された軽量で簡単な構造の風を受ける物体に風圧を与えることで、操作者に力覚を提示することができる。空気によって力を与えるため、操作者は、力覚を提示する装置の装着の必要や、力を伝えるための据付装置とつながったアームやワイヤー等を持つ又は取り付ける必要がないため、力を発生させる噴出装置と物理的に繋がらなくてよく動きを妨げられることがない。これによって、操作者は装置に物理的に拘束されることなく自由に手等の身体を動かすことができる。また、操作者に過度の力がかからず安全である。また、空気は透明であるため映像表示を邪魔しない。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２２４９９号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来の風圧により力覚を提示する装置は、基本的な原理を実現するものであった。
【０００４】
本発明の目的は、力覚提示範囲を広げ、立体的なオブジェクトや凹凸の面をもつ物体等を力覚提示できるよう表現力を高め、さらに１人の操作者に対して複数の力覚提示を行ったり複数の操作者に力覚提示を行ったり、仮想空間内のオブジェクトの動きに連動させたりすることができるようにした力覚提示方法および装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示方法であって、複数行、複数列にわたり前記噴出口を配置し、噴出圧力の異なる複数の気体噴出源を用意し、それぞれを別々の噴出口に接続し、異なる噴出量の噴出口を織り交ぜて配置することにより、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させることを特徴とする力覚提示方法とした。
【０００６】
請求項２にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示方法であって、複数行、複数列にわたり前記噴出口を配置し、噴出圧力が同一の複数の気体噴出源をそれぞれ異なった数に枝分かれさせてそれぞれを噴出口に接続し、異なる噴出量の噴出口を織り交ぜて配置することにより、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させることを特徴とする力覚提示方法とした。
【０００７】
請求項３にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示方法であって、複数行、複数列にわたり前記噴出口を配置し、噴出圧力が同一の複数の気体噴出源をそれぞれ異なった口径の噴出口に接続し、異なる噴出量の噴出口を織り交ぜて配置することにより、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させることを特徴とする力覚提示方法とした。
【０００８】
請求項４にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示方法であって、複数行、複数列にわたり前記噴出口を配置し、噴出口の１つ１つに回転可能なノズルを個々に設けてそれぞれの向きを個々に制御することにより、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から、噴出の量、位置、方向の少なくとも１つを変化させて前記気体を噴出させることを特徴とする力覚提示方法とした。
【０００９】
請求項５にかかる発明は、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の力覚提示方法において、前記受容体は、気体を受け止める部分と操作者の手に把持される部分とから構成され、前記気体を受け止める部分は、凹型面を有し複数個取り付けられていることを特徴とする力覚提示方法とした。
【００１０】
請求項６にかかる発明は、請求項１乃至５のいずれか１つに記載の力覚提示方法において、仮想オブジェクトを仮想空間に表示し、前記仮想空間において、前記受容体の仮想オブジェクトが別の仮想オブジェクトと接触している間は前記気体を噴出し続け、前記受容体の仮想オブジェクトあるいは前記別の仮想オブジェクトが移動して接触がなくなると前記気体の噴出を止めることを特徴とする力覚提示方法とした。
【００１１】
請求項７にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示装置であって、噴出圧力の異なる複数の気体噴出源に複数の前記噴出口が個々に接続され、且つ異なる噴出量の噴出口が織り交ざるように複数行、複数列にわたり前記各噴出口が配置された噴出手段と、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させる噴出制御手段と、を備えたことを特徴とする力覚提示装置とした。
【００１２】
請求項８にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示装置であって、噴出圧力が同一の複数の気体噴出源がそれぞれ異なった数に枝分かれして複数の前記噴出口に接続され、且つ異なる噴出量の噴出口が織り交ざるように複数行、複数列にわたり前記各噴出口が配置された噴出手段と、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させる噴出制御手段と、を備えたことを特徴とする力覚提示装置とした。
【００１３】
請求項９にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示装置であって、噴出圧力が同一の複数の気体噴出源がそれぞれ異なった口径の複数の前記噴出口に接続され、且つ異なる噴出量の噴出口が織り交ざるように複数行、複数列にわたり前記噴出口が配置された噴出制御手段と、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させる噴出制御手段と、を備えたことを特徴とする力覚提示装置とした。
【００１４】
請求項１０にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示装置であって、前記噴出口の１つ１つに回転可能なノズルを個々に設けてそれぞれの向きを個々に制御可能にし、且つ前記噴出口を複数行、複数列にわたり配置した噴出手段と、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の前記噴出口から、噴出の量、位置、方向の少なくとも１つを変化させて前記気体を噴出させる噴出制御手段と、を備えたことを特徴とする力覚提示装置とした。
【００１５】
請求項１１にかかる発明は、請求項７乃至１０のいずれか１つに記載の力覚提示装置において、前記受容体は、気体を受け止める部分と操作者の手に把持される部分とから構成され、前記気体を受け止める部分は、凹型面を有し複数個取り付けられていることを特徴とする力覚提示装置とした。
【００１６】
請求項１２にかかる発明は、請求項７乃至１１のいずれか１つに記載の力覚提示装置において、仮想オブジェクトを仮想空間に表示する仮想空間表示手段を備え、前記噴出制御手段は、前記仮想空間において、前記受容体の仮想オブジェクトが別の仮想オブジェクトと接触している間は前記気体を噴出し続け、前記受容体の仮想オブジェクトあるいは前記別の仮想オブジェクトが移動して接触がなくなると前記気体の噴出を止めることを特徴とする力覚提示装置とした。
【００１９】
【発明の実施の形態】
［第１の実施例］
図１は本発明の第１の実施例の力覚提示装置の構成図、図２は操作者４と受容体１と噴出手段２の説明図、図３は力覚提示の処理のフローチャートである。
【００２０】
受容体１は、噴出手段２の噴出口２０１から噴出される空気３等の気体又は液体を受け止め力覚を提示する。操作者４は受容体１を把持又は身体に取り付けることで、又は既に操作者に備わっている衣服等を受容体１とすることで、力覚の提示を受ける。この受容体１は、噴出手段２の噴出口２０１から噴出される空気３等を受け止めるものから構成され、それを操作者４が把持又は取り付けることで、受けた噴出方向の力覚を提示する。
【００２１】
また、受容体１がある長さの棒の先に取り付けられ、該棒の反対側を操作者４に把持させ又は取り付けた場合は、噴出により受けた力を増幅して、ないしは棒の把持又は取り付け位置を支点とした回転の力として、操作者４に力覚を提示する。この場合、棒をしなり易い素材又はしならない堅い素材等に変えることで、ユーザに与える感覚を変えることができる。
【００２２】
その他、操作者４が把持又は取り付ける物体に複数の受容体１を取り付け、それぞれの受容体１への噴出を制御することで、操作者４への力のかかり方を変化させることができる。例えば、図４(a)〜(d)に示すように、複数の受容体１が噴出空気を受け、その合力を操作者４への力として提示する場合である。操作者４に力を与える位置に対して、複数の受容体１を配置する距離又は角度等を変えて取り付け、それぞれの受容体１への噴出量を制御することで、提示する力を制御することができる。
【００２３】
図４(a)は４個の受容体１の内の中央の受容体１が操作者４に力覚提示する場合、図４(b)は３個の受容体１を接続する中央部分が操作者４に力覚提示する場合、図４(c)は４個一列に並べた受容体１の全部に接する棒状体１０１を介して操作者４に力覚提示する場合、図４(d)は４個の受容体１の内の中央の受容体１に棒状体１０２の一端を押しつけその棒状体１０２の他端で操作者４に力覚提示する場合、を示している。
【００２４】
受容体１の風を受ける受容面の形状は、単なる平面でも良いが、効率的に噴出による力を受け止めることができ且つ回転の力がかかりにくい凹形の面にすることが好ましい。
【００２５】
受容体計測手段５は前記受容体１の位置、向きの一方又は両方を検出する。この受容体計測手段５としては、磁気センサーや超音波や赤外線を利用した検出手段、マーキングによる映像解析を利用する検出手段等がある。
【００２６】
噴出手段２は、空気３等の気体又は液体を噴出し、その噴出量が操作可能なように構成されている。以降では特に空気３を噴出する場合を例として説明する。噴出手段２を構成する具体的な空気噴出源としては、ファン、エアーポンプ、エアーコンプレッサー等がある。噴出手段２の構成としては、このような空気を発生させる１つの空気噴出源に対して、空気を噴出する１つの噴出口２０１が設けられている場合や、１つの空気噴出源に対して、複数の噴出口２０１に枝分かれされたものがある。
【００２７】
空気の噴出量の操作に関しては、噴出量そのものの制御や圧力制御の他に、噴出経路の絞りにより量を変化させる場合、噴出経路を開閉する弁によって噴出量を零にする場合等がある。又はそれらを組み合わせがある。
【００２８】
図５は、噴出手段２の構成例を示す図であり、エアーコンプレッサを利用した空気噴出源２０２からの空気を分岐装置２０３により枝分かれさせ複数の噴出口２０１に噴出させる場合である。枝分かれさせた途中に噴出経路を開閉するための複数の弁２０４が設けられ、各弁２０４のＯＮ／ＯＦＦを操作することができる。この構造の場合、分岐装置２０３と複数の弁２０４とによって、空気噴出源２０２の数を増やさなくても容易に複数の噴出口２０１に対応することができる。このように１つの空気噴出源２０２から複数の噴出口２０１に枝分かれている場合の噴出量の操作としては、枝分かれする前に操作する場合と、枝分かれした後に個々の噴出口２０１に対して操作する場合とがある。
【００２９】
その他の噴出量の操作に関しては、次の方法がある。一定の噴出量の噴出口２０１を複数用意し、同時に噴出する噴出口２０１の数を変化させることで、噴出する全体量を操作する場合がある。また、異なった噴出量の噴出口を数種類用意し、それらをある範囲内に複数取り付け、噴出時にはその数種類の噴出量による噴出を組み合わせることで、噴出する全体量を操作する場合がある。
【００３０】
後者の異なった噴出量の噴出口を複数用意する方法としては、図６(a)に示すように、噴出圧力の異なる複数の空気噴出源２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃを用意し、それぞれを別々の噴出口２０１に接続して、異なる噴出量の噴出口２０１をある範囲内に織り交ぜて配置する方法がある。また、図６(b)に示すように、噴出圧力が同一の複数の空気噴出源２０２をそれぞれ異なった数に枝分かれさせてそれぞれを噴出口２０１に接続し、又は噴出口２０１までの管の長さ、太さ、噴出口２０１の口径を異ならせて、異なる噴出量の噴出口２０１をある範囲内に織り交ぜて配置する方法がある。
【００３１】
噴出制御手段６は、受容体計測手段５により計測された受容体１の位置又は向きに応じて、１つ以上の噴出口２０１の位置又は噴出方向に基づき、噴出口２０１の空気の噴出量を制御する。例えば図２に示すように、上向き方向の噴出口２０１を平面上に一定の間隔で配置している噴出手段２の場合では、受容体１は噴出口２０１が並ぶ平面の上を移動させ、噴出口２０１の面上に対する受容体１の位置に沿って受容体１直下やその周辺の噴出口２０１の噴出量を制御する。
【００３２】
このように、本実施例の噴出制御手段６は、受容体１の位置又は向きに応じて噴出量を制御するものであるので、噴出口２０１が等間隔に並んでいる噴出手段２であっても、噴出口２０１の間隔より小さい解像度で力覚提示することができる。つまり、力覚提示の解像度は噴出口２０１の間隔ではなく、受容体１の位置計測の解像度となる。ただこのとき、受容体１がどの場所にいても噴出を受け取れる必要がある。例えば、受容体１を噴出口２０１の直上を大きく覆う大きさとすることで、１つの噴出口２０１から噴出される空気を受け取れる範囲が広がり、特定の噴出口２０１の直上だけでなく、該特定の噴出口２０１の周辺に受容体１が位置していても該特定の噴出口２０１による噴出を受け取らせることができる。
【００３３】
噴出手段２の操作方法が図５のような形態（弁２０４の制御による）をとる場合、受容体１直下やその近くにある噴出口２０１から噴出するように、それに対応した噴出口２０１の弁を開くことで、噴出を制御できる。さらにそれは噴出面からの高さに応じても制御できる。受容体１が別の位置や高さに移動した時も、同様にその時の受容体１直下やその周辺の噴出手段２の噴出を制御できる。
【００３４】
また同時に空気を噴出する噴出口２０１の数は、受容体１直下やその周辺の１つの噴出口２０１やさらに周辺の複数の噴出口２０１を合わせると２以上となる場合もある。受容体１で受け取ることのできない位置に対応する噴出口２０１は、空気を噴出していても受容体１では受け取られず操作者４には力覚提示されないため、噴出していても問題はない。そこで、簡単化のためは、噴出時にはすべての噴出口２０１から空気を噴出させてもよい。
【００３５】
その他の噴出制御手段６の形態としては、受容体１の位置又は向きに応じて、１つの噴出口２０１からの噴出量を操作することで変化させる場合や、噴出する噴出口２０１の数を変化させる場合が考えられる。後者については例えば噴出手段２が図６(a)、(b)に示したように異なった噴出量の噴出口２０１を複数用意している構成の場合では、受容体１直下の周囲に配置された複数の噴出口２０１のいくつかを組み合わせて噴出量を制御する。図２に示したように上向き方向の噴出口２０１を平面上に一定の間隔で配置している形態をとる噴出手段２の場合は、噴出口２０１に対する受容体１の高さや受容体１の向きに応じて、１つの噴出口２０１からの噴出により受容体１が受ける力が変化するため、その力が変化しないように制御する。
【００３６】
なお、噴出口２０１が図２や図６以外の構成をとり、立体的に配置されている場合や、様々な方向に向けて噴出するように配置されている場合は、受容体計測手段５により計測された前記受容体１の位置又は向きに応じて、噴出口２０１の位置や噴出の向きに基づいて、その噴出を制御する。
【００３７】
また、噴出を制御する際、現在の受容体１の位置又は向き情報から、次に位置する受容体の位置又は向きを先読みし、その先読みした受容体１の位置又は向きに応じて噴出を制御することで、噴出制御の遅れを補うこともできる。また、受容体１の位置する周辺の複数の噴出口２０１から同時に噴出させたり、先読みした次の噴出口２０１を同時に噴出させることで、受容体１が移動しても噴出口の切り替え時における提示力の変化を比較的小さくすることができる。この際、切り替え時等噴出の初めの力が大きい場合や、同時に複数の噴出を受ける場合のように、受ける力が変動することが考えられるので、受容体１が受け取る噴出口２０１からの噴出量を制御することが好ましい場合もある。
【００３８】
また、複数の受容体１を組み込み複数の噴出口２０１を制御することで、１人の操作者に対して複数の力覚提示を行うことや、複数操作者へ力覚提示を行うことが可能となる。
【００３９】
また、本実施例は、それぞれの受容体１の位置に応じて、それぞれの噴出口２０１の噴出量の制御処理を独立に行うことができるので、容易に受容体１や噴出口２０１を増やすことができる。例えば、ある噴出口２０１の噴出可能なエリアが決まっており、そのエリアに噴出すべき受容体１がいるかどうかを調べ、噴出する必要があれば噴出する方法がある。このような噴出の場合、それぞれの噴出口２０１の噴出可能エリアはその噴出口２０１上空の一定の高さまでとなり、そのエリアに噴出すべき受容体１があるか否かによって、その噴出口２０１からの噴出を制御する。勿論、複数の噴出口２０１が集まったものを１つの噴出口としてエリアを設定することもできる。ただ、噴出すべき受容体１と同じエリアに噴出すべきでない受容体１が無いように、制御する必要がある。このような処理をする噴出口２０１を複数用意しても、それぞれの噴出は独立に処理することができるので、容易に噴出場所を増やすことができる。また、この噴出方法では、噴出口２０１は受容体１のそれぞれを見分ける必要がなく、どの受容体１であっても噴出すべきか否かを調べるだけでよので、受容体１も容易に増やすことができる。勿論、前述のように各々の噴出口２０１を基準に処理を考えるのではなく、逆にそれぞれの受容体１を基準にそれぞれの受容体１がその位置に応じて噴出を受けるべきか、受ける場合はどのような噴出口２０１からなのかを計算して噴出を制御してもよい。
【００４０】
このように、複数の受容体１を組み込み、複数の噴出口２０１を制御することで、１人の操作者に対して両手等への複数の力覚提示を行うことや、複数操作者への力覚提示が可能となる。また、複数の噴出口２０１もある範囲に連続的に広げて並べ、例えば図２に示す構成を広い範囲に広げる場合や、広い空間に離散的に配置することができる。このとき、本実施例では、受容体１は据え付け装置と線等でつながっていないという特徴をもつので、噴出により力覚を受けるユーザは受容体１を持ったまま広い範囲を動くことができ、動いても他の人とお互い絡まるようなことはない。
【００４１】
［第２の実施例］
図７は本発明の第２の実施例の力覚提示装置の構成図、図８は力覚提示の処理のフローチャートである。仮想空間システム７は、仮想オブジェクトを仮想空間に表現する仮想空間表示装置を備え、受容体計測手段５により計測された前記受容体１の位置又は向きに応じて仮想オブジェクトを前記仮想空間に表現する。
【００４２】
例えば、受容体計測手段５より計測された受容体１の位置情報、向き情報を使用して、仮想空間内のあるオブジェクトの位置、方向を変化させ、あるいはそのオブジェクトの形、大きさ、色等の状態を変化させて表現する。又は、その仮想オブジェクトの位置、方向、状態に応じて、それ以外の他のオブジェクトのそれらを変化させる。仮想空間表示装置としては、標準的大きさの又は等身大のディスプレイやＨＭＤ等に映し出すことや、プロジェクタによる投影が利用でき、単眼視や多眼視（立体視）するものも利用できる。
【００４３】
［第３の実施例］
図９は本発明の第３の実施例の力覚提示装置の構成図、図１０は力覚提示の処理のフローチャート、図１１は仮想空間システムの説明図である。ここでは、仮想空間システム７を利用した仮想空間内の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、噴出制御手段６により噴出口２０１の噴出量を制御する。例えば、仮想空間内のオブジェクトが接触した場合、その接触の方向又は強さにより噴出を制御する。また、視覚的接触タイミングに対する噴出のタイミングも制御することができる。
【００４４】
次に、仮想空間内の仮想オブジェクトを接触感覚によって表現する方法を説明する。図１１(a)、(b)は図２に示したように上向き方向の噴出口２０１を平面上に一定の間隔で配置している噴出手段２の場合において、仮想空間内の仮想オブジェクトとの接触感覚を表現する方法についてである。図１１(a)は仮想空間内の様子、図１１(b)は現実の様子である。
【００４５】
図１１(b)における現実の受容体１の位置又は向きに応じて、図１１(a)の仮想オブジェク８が連動する仮想空間システムにおいて、仮想オブジェクト８が仮想オブジェクト９に接触したとき、現実ではその位置の受容体１に対して噴出手段２により空気を噴出する（Ｓ−１）。これによってこの受容体１を把持している操作者４に力覚が伝えられ、オブジェクト９との接触感覚として力覚を提示し、オブジェクト９の面がその位置に存在していることを力覚提示する。仮想オブジェクト８と９が接触している間、空気は噴出され、接触し続けていることを操作者に力覚提示する。受容体１が動き、仮想オブジェクト８が仮想オブジェクト９の面に沿って動きながら力覚が提示されることで、仮想オブジェクト９の面が、仮想オブジェクト８の動きに沿って存在していることを接触感覚によって力覚提示する。
【００４６】
受容体１が移動する場合や、仮想空間内の仮想オブジェクト９が移動することにより、仮想空間内で仮想オブジェクト８と９が接触しなくなると、現実の受容体１に対する噴出が止まる（Ｓ−２）。これによって、仮想オブジェクト８と９が接触しなくなったことを接触感覚によって力覚提示し、現在仮想オブジェクト８が存在するところには仮想オブジェクト９は存在していないことを表現する。
【００４７】
仮想オブジェクト９の一部が傾斜面であった場合の接触感覚による傾斜面の表現を説明する。（Ｓ−１）で仮想オブジェクト８と９が接触し、それによって空気の噴出による力を操作者４に力覚提示するが、さらに受容体１を水平に動かすと、仮想空間内では仮想オブジェクト８と９が接触しなくなる。これによって、空気の噴出を止める（Ｓ−３）。さらに仮想オブジェクト９に接触するために、受容体１を下げることで仮想空間内の仮想オブジェクト８の位置が下がり、再び仮想オブジェクト９と接触し噴出が始まる（Ｓ−４）。このように傾斜面に沿って受容体１を動かし空気を噴出することで、操作者にオブジェクト９の面が傾斜していることを力覚提示して表現する。
【００４８】
［第４の実施例］
図１２は本発明の第４の実施例の力覚提示装置の構成図、図１３は力覚提示の処理のフローチャートである。受容体制御部１０を設けて、受容体計測手段５で計測された受容体１の位置又は向きに応じて、又は仮想空間システムを用いた仮想空間内の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、受容体１の姿勢や形状を変化させる。図２に示したように上向き方向の噴出口２０１を平面上に一定の間隔で複数配置している噴出手段２の場合において、受容体１の向きを下向きにした場合と傾けた場合とでは、噴出を受ける空気量が異なり力覚提示される力が異なる。そこで、受容体計測手段５の計測結果や仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、受容体１の向きが常に下向きになるように制御する。例えば、機械的に制御したり、重りや磁石をつけて下向きに回転させたりする。
【００４９】
また、受容体１の大きさや形状を変化させ、空気を受け止める量を制御してもよい。具体的には、図１４に示すように受容体１の側面に回転し又は角度を変化できる複数の羽根１０３を設けて、その羽根１０３を回転させ、又はその角度を変化させることで、受容体１が噴出空気を受けや易くし又は逃がし易くすることにより、噴出空気を受ける量を制御することができる。また受容体１の噴出方向に対する向きを変えて、力覚提示する力の向きを制御することもできる。
【００５０】
［第５の実施例］
図１５は本発明の第５の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである。噴出口２０１の位置又は噴出方向を変えることで空気の噴出位置や噴出方向が操作可能である。本実施例では、噴出制御手段６は受容体計測手段５により計測された受容体１の位置又は向きに応じて、又は仮想空間内の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、又は受容体１の姿勢や形状に応じて、前記噴出手段２の噴出口２０１の噴出量、噴出位置又は噴出方向を制御する。
【００５１】
噴出手段２の噴出口２０１の位置や噴出方向を変える方法として、例えば噴出口２０１自体を移動させる場合や、図１６(a)に示すように複数の噴出口２０１の１つ１つに回動可能なノズル２０５を個々に設けてそれぞれの向きを個々に制御する場合がある。また、図１６(b)に示すように特定の範囲の複数の噴出口２０１に対応する開口が設けられたスライダ２０６を移動させることにより、特定の一群の噴出口２０１のみの噴出口を有効にさせることで噴出口２０１を実質的に移動させる方法がある。あるいは、噴出口２０１のいくつか又は全てをまとめて噴出方向を変更する方法がある。また、図１６(c)に示すように筒状の噴出口２０１の先端に球や半球型のノズル２０７を設けこれを回転させてノズル口２０８の位置を変化させたり、又は図１６(d)に示すようにノズル口２０８を複数有するノズル２０９を設けて噴出したい方向のノズル口２０８のみが開くようにして噴出方向を制御しても良い。
【００５２】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、気体や液体の噴出によって力覚を与えるため、操作者は、力を発生させる噴出装置と物理的に繋がる必要がなく、また装置の装着や力を伝えるアームやワイヤーによって動きを妨げられることがなく、つまり装置に物理的に拘束されることなく、自由に手等の身体を動かすことができる。またそのため操作者に過度の力がかからず安全である。また空気を使う場合、透明であるため映像表示を邪魔しない。
【００５３】
また、複数の噴出口の噴出を制御することで力覚提示範囲を広げることが可能となるばかりか、受容体の位置、向き、姿勢、形状等に応じて噴出の量、位置、方向を制御することで、立体的なオブジェクトや凹凸の面をもつ物体等を力覚提示でき、表現力を高めることが可能となる。
【００５４】
また、噴出口の複数化に伴い複数の受容体を用意することで、１つ以上の受容体の状態に応じて各噴出口の噴出を制御して、１人の操作者に対して複数の力覚提示を行うことや、複数操作者への力覚提示が可能となる。
【００５５】
また、受容体の位置に応じて各噴出口の噴出を制御することにより、噴出口が等間隔に並んでいる噴出手段であっても、受容体が力覚提示範囲内の任意の位置で噴出を受け取れるように構成されていれば、噴出口の間隔より小さいものを力覚提示することができる。つまり、力覚提示の解像度は噴出口の間隔ではなく、受容体の位置計測の解像度に依存させることができる。
【００５６】
また、空気に加え、他の気体や液体も噴出制御の対象となるので、表現力をさらに高めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の力覚提示装置の構成図である。
【図２】第１の実施例の力覚提示装置の操作者と受容体と噴出手段の説明図である。
【図３】第１の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである。
【図４】第１の実施例の力覚提示装置で提示する力覚を制御する機構の説明図である。
【図５】第１の実施例の力覚提示装置の複数の噴出口から空気を噴出させる機構の説明図である。
【図６】(a)、(b)は第１の実施例の力覚提示装置における噴出手段の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施例の力覚提示装置の構成図である。
【図８】第２の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである。
【図９】本発明の第３の実施例の力覚提示装置の構成図である。
【図１０】第３の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである。
【図１１】第３の実施例の力覚提示装置における仮想空間システムの説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施例の力覚提示装置の構成図である。
【図１３】第４の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである
【図１４】(a)、(b)は第４の実施例の力覚提示装置における受容体制御部により制御される受容体の説明図である。
【図１５】本発明の第５の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである。
【図１６】(a)〜(d)は第５の実施例の力覚提示装置における噴出手段の位置や噴出方向を変化させる説明図である。
【符号の説明】
１：受容体、１０１，１０２：棒状体、１０３：羽根
２：噴出手段、２０１：噴出口、２０２：空気噴出源、２０３：分岐装置、２０４：弁、２０５：ノズル、２０６：スライダ、２０７：ノズル、２０８：ノズル口、２０９：ノズル
３：噴出空気
４：操作者
５：受容体計測手段
６：噴出制御手段
７：仮想空間システム
８：仮想オブジェクト
９：仮想オブジェクト
１０：受容体制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体又は液体の噴出を利用して力覚を提示する力覚提示方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
仮想空間において力覚を提示する手法として、風圧を利用した装置がある（特許文献１）。この力覚提示装置では，操作者の身体や把持物に用意された軽量で簡単な構造の風を受ける物体に風圧を与えることで、操作者に力覚を提示することができる。空気によって力を与えるため、操作者は、力覚を提示する装置の装着の必要や、力を伝えるための据付装置とつながったアームやワイヤー等を持つ又は取り付ける必要がないため、力を発生させる噴出装置と物理的に繋がらなくてよく動きを妨げられることがない。これによって、操作者は装置に物理的に拘束されることなく自由に手等の身体を動かすことができる。また、操作者に過度の力がかからず安全である。また、空気は透明であるため映像表示を邪魔しない。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２２４９９号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来の風圧により力覚を提示する装置は、基本的な原理を実現するものであった。
【０００４】
本発明の目的は、力覚提示範囲を広げ、立体的なオブジェクトや凹凸の面をもつ物体等を力覚提示できるよう表現力を高め、さらに１人の操作者に対して複数の力覚提示を行ったり複数の操作者に力覚提示を行ったり、仮想空間内のオブジェクトの動きに連動させたりすることができるようにした力覚提示方法および装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示方法であって、複数行、複数列にわたり前記噴出口を配置し、噴出圧力の異なる複数の気体噴出源を用意し、それぞれを別々の噴出口に接続し、異なる噴出量の噴出口を織り交ぜて配置することにより、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させることを特徴とする力覚提示方法とした。
【０００６】
請求項２にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示方法であって、複数行、複数列にわたり前記噴出口を配置し、噴出圧力が同一の複数の気体噴出源をそれぞれ異なった数に枝分かれさせてそれぞれを噴出口に接続し、異なる噴出量の噴出口を織り交ぜて配置することにより、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させることを特徴とする力覚提示方法とした。
【０００７】
請求項３にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示方法であって、複数行、複数列にわたり前記噴出口を配置し、噴出圧力が同一の複数の気体噴出源をそれぞれ異なった口径の噴出口に接続し、異なる噴出量の噴出口を織り交ぜて配置することにより、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させることを特徴とする力覚提示方法とした。
【０００８】
請求項４にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示方法であって、複数行、複数列にわたり前記噴出口を配置し、噴出口の１つ１つに回転可能なノズルを個々に設けてそれぞれの向きを個々に制御することにより、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から、噴出の量、位置、方向の少なくとも１つを変化させて前記気体を噴出させることを特徴とする力覚提示方法とした。
【０００９】
請求項５にかかる発明は、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の力覚提示方法において、前記受容体は、気体を受け止める部分と操作者の手に把持される部分とから構成され、前記気体を受け止める部分は、凹型面を有し複数個取り付けられていることを特徴とする力覚提示方法とした。
【００１０】
請求項６にかかる発明は、請求項１乃至５のいずれか１つに記載の力覚提示方法において、仮想オブジェクトを仮想空間に表示し、前記仮想空間において、前記受容体の仮想オブジェクトが別の仮想オブジェクトと接触している間は前記気体を噴出し続け、前記受容体の仮想オブジェクトあるいは前記別の仮想オブジェクトが移動して接触がなくなると前記気体の噴出を止めることを特徴とする力覚提示方法とした。
【００１１】
請求項７にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示装置であって、噴出圧力の異なる複数の気体噴出源に複数の前記噴出口が個々に接続され、且つ異なる噴出量の噴出口が織り交ざるように複数行、複数列にわたり前記各噴出口が配置された噴出手段と、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させる噴出制御手段と、を備えたことを特徴とする力覚提示装置とした。
【００１２】
請求項８にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示装置であって、噴出圧力が同一の複数の気体噴出源がそれぞれ異なった数に枝分かれして複数の前記噴出口に接続され、且つ異なる噴出量の噴出口が織り交ざるように複数行、複数列にわたり前記各噴出口が配置された噴出手段と、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させる噴出制御手段と、を備えたことを特徴とする力覚提示装置とした。
【００１３】
請求項９にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示装置であって、噴出圧力が同一の複数の気体噴出源がそれぞれ異なった口径の複数の前記噴出口に接続され、且つ異なる噴出量の噴出口が織り交ざるように複数行、複数列にわたり前記噴出口が配置された噴出制御手段と、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させる噴出制御手段と、を備えたことを特徴とする力覚提示装置とした。
【００１４】
請求項１０にかかる発明は、気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示装置であって、前記噴出口の１つ１つに回転可能なノズルを個々に設けてそれぞれの向きを個々に制御可能にし、且つ前記噴出口を複数行、複数列にわたり配置した噴出手段と、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の前記噴出口から、噴出の量、位置、方向の少なくとも１つを変化させて前記気体を噴出させる噴出制御手段と、を備えたことを特徴とする力覚提示装置とした。
【００１５】
請求項１１にかかる発明は、請求項７乃至１０のいずれか１つに記載の力覚提示装置において、前記受容体は、気体を受け止める部分と操作者の手に把持される部分とから構成され、前記気体を受け止める部分は、凹型面を有し複数個取り付けられていることを特徴とする力覚提示装置とした。
【００１６】
請求項１２にかかる発明は、請求項７乃至１１のいずれか１つに記載の力覚提示装置において、仮想オブジェクトを仮想空間に表示する仮想空間表示手段を備え、前記噴出制御手段は、前記仮想空間において、前記受容体の仮想オブジェクトが別の仮想オブジェクトと接触している間は前記気体を噴出し続け、前記受容体の仮想オブジェクトあるいは前記別の仮想オブジェクトが移動して接触がなくなると前記気体の噴出を止めることを特徴とする力覚提示装置とした。
【００１９】
【発明の実施の形態】
［第１の実施例］
図１は本発明の第１の実施例の力覚提示装置の構成図、図２は操作者４と受容体１と噴出手段２の説明図、図３は力覚提示の処理のフローチャートである。
【００２０】
受容体１は、噴出手段２の噴出口２０１から噴出される空気３等の気体又は液体を受け止め力覚を提示する。操作者４は受容体１を把持又は身体に取り付けることで、又は既に操作者に備わっている衣服等を受容体１とすることで、力覚の提示を受ける。この受容体１は、噴出手段２の噴出口２０１から噴出される空気３等を受け止めるものから構成され、それを操作者４が把持又は取り付けることで、受けた噴出方向の力覚を提示する。
【００２１】
また、受容体１がある長さの棒の先に取り付けられ、該棒の反対側を操作者４に把持させ又は取り付けた場合は、噴出により受けた力を増幅して、ないしは棒の把持又は取り付け位置を支点とした回転の力として、操作者４に力覚を提示する。この場合、棒をしなり易い素材又はしならない堅い素材等に変えることで、ユーザに与える感覚を変えることができる。
【００２２】
その他、操作者４が把持又は取り付ける物体に複数の受容体１を取り付け、それぞれの受容体１への噴出を制御することで、操作者４への力のかかり方を変化させることができる。例えば、図４(a)〜(d)に示すように、複数の受容体１が噴出空気を受け、その合力を操作者４への力として提示する場合である。操作者４に力を与える位置に対して、複数の受容体１を配置する距離又は角度等を変えて取り付け、それぞれの受容体１への噴出量を制御することで、提示する力を制御することができる。
【００２３】
図４(a)は４個の受容体１の内の中央の受容体１が操作者４に力覚提示する場合、図４(b)は３個の受容体１を接続する中央部分が操作者４に力覚提示する場合、図４(c)は４個一列に並べた受容体１の全部に接する棒状体１０１を介して操作者４に力覚提示する場合、図４(d)は４個の受容体１の内の中央の受容体１に棒状体１０２の一端を押しつけその棒状体１０２の他端で操作者４に力覚提示する場合、を示している。
【００２４】
受容体１の風を受ける受容面の形状は、単なる平面でも良いが、効率的に噴出による力を受け止めることができ且つ回転の力がかかりにくい凹形の面にすることが好ましい。
【００２５】
受容体計測手段５は前記受容体１の位置、向きの一方又は両方を検出する。この受容体計測手段５としては、磁気センサーや超音波や赤外線を利用した検出手段、マーキングによる映像解析を利用する検出手段等がある。
【００２６】
噴出手段２は、空気３等の気体又は液体を噴出し、その噴出量が操作可能なように構成されている。以降では特に空気３を噴出する場合を例として説明する。噴出手段２を構成する具体的な空気噴出源としては、ファン、エアーポンプ、エアーコンプレッサー等がある。噴出手段２の構成としては、このような空気を発生させる１つの空気噴出源に対して、空気を噴出する１つの噴出口２０１が設けられている場合や、１つの空気噴出源に対して、複数の噴出口２０１に枝分かれされたものがある。
【００２７】
空気の噴出量の操作に関しては、噴出量そのものの制御や圧力制御の他に、噴出経路の絞りにより量を変化させる場合、噴出経路を開閉する弁によって噴出量を零にする場合等がある。又はそれらを組み合わせがある。
【００２８】
図５は、噴出手段２の構成例を示す図であり、エアーコンプレッサを利用した空気噴出源２０２からの空気を分岐装置２０３により枝分かれさせ複数の噴出口２０１に噴出させる場合である。枝分かれさせた途中に噴出経路を開閉するための複数の弁２０４が設けられ、各弁２０４のＯＮ／ＯＦＦを操作することができる。この構造の場合、分岐装置２０３と複数の弁２０４とによって、空気噴出源２０２の数を増やさなくても容易に複数の噴出口２０１に対応することができる。このように１つの空気噴出源２０２から複数の噴出口２０１に枝分かれている場合の噴出量の操作としては、枝分かれする前に操作する場合と、枝分かれした後に個々の噴出口２０１に対して操作する場合とがある。
【００２９】
その他の噴出量の操作に関しては、次の方法がある。一定の噴出量の噴出口２０１を複数用意し、同時に噴出する噴出口２０１の数を変化させることで、噴出する全体量を操作する場合がある。また、異なった噴出量の噴出口を数種類用意し、それらをある範囲内に複数取り付け、噴出時にはその数種類の噴出量による噴出を組み合わせることで、噴出する全体量を操作する場合がある。
【００３０】
後者の異なった噴出量の噴出口を複数用意する方法としては、図６(a)に示すように、噴出圧力の異なる複数の空気噴出源２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃを用意し、それぞれを別々の噴出口２０１に接続して、異なる噴出量の噴出口２０１をある範囲内に織り交ぜて配置する方法がある。また、図６(b)に示すように、噴出圧力が同一の複数の空気噴出源２０２をそれぞれ異なった数に枝分かれさせてそれぞれを噴出口２０１に接続し、又は噴出口２０１までの管の長さ、太さ、噴出口２０１の口径を異ならせて、異なる噴出量の噴出口２０１をある範囲内に織り交ぜて配置する方法がある。
【００３１】
噴出制御手段６は、受容体計測手段５により計測された受容体１の位置又は向きに応じて、１つ以上の噴出口２０１の位置又は噴出方向に基づき、噴出口２０１の空気の噴出量を制御する。例えば図２に示すように、上向き方向の噴出口２０１を平面上に一定の間隔で配置している噴出手段２の場合では、受容体１は噴出口２０１が並ぶ平面の上を移動させ、噴出口２０１の面上に対する受容体１の位置に沿って受容体１直下やその周辺の噴出口２０１の噴出量を制御する。
【００３２】
このように、本実施例の噴出制御手段６は、受容体１の位置又は向きに応じて噴出量を制御するものであるので、噴出口２０１が等間隔に並んでいる噴出手段２であっても、噴出口２０１の間隔より小さい解像度で力覚提示することができる。つまり、力覚提示の解像度は噴出口２０１の間隔ではなく、受容体１の位置計測の解像度となる。ただこのとき、受容体１がどの場所にいても噴出を受け取れる必要がある。例えば、受容体１を噴出口２０１の直上を大きく覆う大きさとすることで、１つの噴出口２０１から噴出される空気を受け取れる範囲が広がり、特定の噴出口２０１の直上だけでなく、該特定の噴出口２０１の周辺に受容体１が位置していても該特定の噴出口２０１による噴出を受け取らせることができる。
【００３３】
噴出手段２の操作方法が図５のような形態（弁２０４の制御による）をとる場合、受容体１直下やその近くにある噴出口２０１から噴出するように、それに対応した噴出口２０１の弁を開くことで、噴出を制御できる。さらにそれは噴出面からの高さに応じても制御できる。受容体１が別の位置や高さに移動した時も、同様にその時の受容体１直下やその周辺の噴出手段２の噴出を制御できる。
【００３４】
また同時に空気を噴出する噴出口２０１の数は、受容体１直下やその周辺の１つの噴出口２０１やさらに周辺の複数の噴出口２０１を合わせると２以上となる場合もある。受容体１で受け取ることのできない位置に対応する噴出口２０１は、空気を噴出していても受容体１では受け取られず操作者４には力覚提示されないため、噴出していても問題はない。そこで、簡単化のためは、噴出時にはすべての噴出口２０１から空気を噴出させてもよい。
【００３５】
その他の噴出制御手段６の形態としては、受容体１の位置又は向きに応じて、１つの噴出口２０１からの噴出量を操作することで変化させる場合や、噴出する噴出口２０１の数を変化させる場合が考えられる。後者については例えば噴出手段２が図６(a)、(b)に示したように異なった噴出量の噴出口２０１を複数用意している構成の場合では、受容体１直下の周囲に配置された複数の噴出口２０１のいくつかを組み合わせて噴出量を制御する。図２に示したように上向き方向の噴出口２０１を平面上に一定の間隔で配置している形態をとる噴出手段２の場合は、噴出口２０１に対する受容体１の高さや受容体１の向きに応じて、１つの噴出口２０１からの噴出により受容体１が受ける力が変化するため、その力が変化しないように制御する。
【００３６】
なお、噴出口２０１が図２や図６以外の構成をとり、立体的に配置されている場合や、様々な方向に向けて噴出するように配置されている場合は、受容体計測手段５により計測された前記受容体１の位置又は向きに応じて、噴出口２０１の位置や噴出の向きに基づいて、その噴出を制御する。
【００３７】
また、噴出を制御する際、現在の受容体１の位置又は向き情報から、次に位置する受容体の位置又は向きを先読みし、その先読みした受容体１の位置又は向きに応じて噴出を制御することで、噴出制御の遅れを補うこともできる。また、受容体１の位置する周辺の複数の噴出口２０１から同時に噴出させたり、先読みした次の噴出口２０１を同時に噴出させることで、受容体１が移動しても噴出口の切り替え時における提示力の変化を比較的小さくすることができる。この際、切り替え時等噴出の初めの力が大きい場合や、同時に複数の噴出を受ける場合のように、受ける力が変動することが考えられるので、受容体１が受け取る噴出口２０１からの噴出量を制御することが好ましい場合もある。
【００３８】
また、複数の受容体１を組み込み複数の噴出口２０１を制御することで、１人の操作者に対して複数の力覚提示を行うことや、複数操作者へ力覚提示を行うことが可能となる。
【００３９】
また、本実施例は、それぞれの受容体１の位置に応じて、それぞれの噴出口２０１の噴出量の制御処理を独立に行うことができるので、容易に受容体１や噴出口２０１を増やすことができる。例えば、ある噴出口２０１の噴出可能なエリアが決まっており、そのエリアに噴出すべき受容体１がいるかどうかを調べ、噴出する必要があれば噴出する方法がある。このような噴出の場合、それぞれの噴出口２０１の噴出可能エリアはその噴出口２０１上空の一定の高さまでとなり、そのエリアに噴出すべき受容体１があるか否かによって、その噴出口２０１からの噴出を制御する。勿論、複数の噴出口２０１が集まったものを１つの噴出口としてエリアを設定することもできる。ただ、噴出すべき受容体１と同じエリアに噴出すべきでない受容体１が無いように、制御する必要がある。このような処理をする噴出口２０１を複数用意しても、それぞれの噴出は独立に処理することができるので、容易に噴出場所を増やすことができる。また、この噴出方法では、噴出口２０１は受容体１のそれぞれを見分ける必要がなく、どの受容体１であっても噴出すべきか否かを調べるだけでよので、受容体１も容易に増やすことができる。勿論、前述のように各々の噴出口２０１を基準に処理を考えるのではなく、逆にそれぞれの受容体１を基準にそれぞれの受容体１がその位置に応じて噴出を受けるべきか、受ける場合はどのような噴出口２０１からなのかを計算して噴出を制御してもよい。
【００４０】
このように、複数の受容体１を組み込み、複数の噴出口２０１を制御することで、１人の操作者に対して両手等への複数の力覚提示を行うことや、複数操作者への力覚提示が可能となる。また、複数の噴出口２０１もある範囲に連続的に広げて並べ、例えば図２に示す構成を広い範囲に広げる場合や、広い空間に離散的に配置することができる。このとき、本実施例では、受容体１は据え付け装置と線等でつながっていないという特徴をもつので、噴出により力覚を受けるユーザは受容体１を持ったまま広い範囲を動くことができ、動いても他の人とお互い絡まるようなことはない。
【００４１】
［第２の実施例］
図７は本発明の第２の実施例の力覚提示装置の構成図、図８は力覚提示の処理のフローチャートである。仮想空間システム７は、仮想オブジェクトを仮想空間に表現する仮想空間表示装置を備え、受容体計測手段５により計測された前記受容体１の位置又は向きに応じて仮想オブジェクトを前記仮想空間に表現する。
【００４２】
例えば、受容体計測手段５より計測された受容体１の位置情報、向き情報を使用して、仮想空間内のあるオブジェクトの位置、方向を変化させ、あるいはそのオブジェクトの形、大きさ、色等の状態を変化させて表現する。又は、その仮想オブジェクトの位置、方向、状態に応じて、それ以外の他のオブジェクトのそれらを変化させる。仮想空間表示装置としては、標準的大きさの又は等身大のディスプレイやＨＭＤ等に映し出すことや、プロジェクタによる投影が利用でき、単眼視や多眼視（立体視）するものも利用できる。
【００４３】
［第３の実施例］
図９は本発明の第３の実施例の力覚提示装置の構成図、図１０は力覚提示の処理のフローチャート、図１１は仮想空間システムの説明図である。ここでは、仮想空間システム７を利用した仮想空間内の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、噴出制御手段６により噴出口２０１の噴出量を制御する。例えば、仮想空間内のオブジェクトが接触した場合、その接触の方向又は強さにより噴出を制御する。また、視覚的接触タイミングに対する噴出のタイミングも制御することができる。
【００４４】
次に、仮想空間内の仮想オブジェクトを接触感覚によって表現する方法を説明する。図１１(a)、(b)は図２に示したように上向き方向の噴出口２０１を平面上に一定の間隔で配置している噴出手段２の場合において、仮想空間内の仮想オブジェクトとの接触感覚を表現する方法についてである。図１１(a)は仮想空間内の様子、図１１(b)は現実の様子である。
【００４５】
図１１(b)における現実の受容体１の位置又は向きに応じて、図１１(a)の仮想オブジェク８が連動する仮想空間システムにおいて、仮想オブジェクト８が仮想オブジェクト９に接触したとき、現実ではその位置の受容体１に対して噴出手段２により空気を噴出する（Ｓ−１）。これによってこの受容体１を把持している操作者４に力覚が伝えられ、オブジェクト９との接触感覚として力覚を提示し、オブジェクト９の面がその位置に存在していることを力覚提示する。仮想オブジェクト８と９が接触している間、空気は噴出され、接触し続けていることを操作者に力覚提示する。受容体１が動き、仮想オブジェクト８が仮想オブジェクト９の面に沿って動きながら力覚が提示されることで、仮想オブジェクト９の面が、仮想オブジェクト８の動きに沿って存在していることを接触感覚によって力覚提示する。
【００４６】
受容体１が移動する場合や、仮想空間内の仮想オブジェクト９が移動することにより、仮想空間内で仮想オブジェクト８と９が接触しなくなると、現実の受容体１に対する噴出が止まる（Ｓ−２）。これによって、仮想オブジェクト８と９が接触しなくなったことを接触感覚によって力覚提示し、現在仮想オブジェクト８が存在するところには仮想オブジェクト９は存在していないことを表現する。
【００４７】
仮想オブジェクト９の一部が傾斜面であった場合の接触感覚による傾斜面の表現を説明する。（Ｓ−１）で仮想オブジェクト８と９が接触し、それによって空気の噴出による力を操作者４に力覚提示するが、さらに受容体１を水平に動かすと、仮想空間内では仮想オブジェクト８と９が接触しなくなる。これによって、空気の噴出を止める（Ｓ−３）。さらに仮想オブジェクト９に接触するために、受容体１を下げることで仮想空間内の仮想オブジェクト８の位置が下がり、再び仮想オブジェクト９と接触し噴出が始まる（Ｓ−４）。このように傾斜面に沿って受容体１を動かし空気を噴出することで、操作者にオブジェクト９の面が傾斜していることを力覚提示して表現する。
【００４８】
［第４の実施例］
図１２は本発明の第４の実施例の力覚提示装置の構成図、図１３は力覚提示の処理のフローチャートである。受容体制御部１０を設けて、受容体計測手段５で計測された受容体１の位置又は向きに応じて、又は仮想空間システムを用いた仮想空間内の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、受容体１の姿勢や形状を変化させる。図２に示したように上向き方向の噴出口２０１を平面上に一定の間隔で複数配置している噴出手段２の場合において、受容体１の向きを下向きにした場合と傾けた場合とでは、噴出を受ける空気量が異なり力覚提示される力が異なる。そこで、受容体計測手段５の計測結果や仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、受容体１の向きが常に下向きになるように制御する。例えば、機械的に制御したり、重りや磁石をつけて下向きに回転させたりする。
【００４９】
また、受容体１の大きさや形状を変化させ、空気を受け止める量を制御してもよい。具体的には、図１４に示すように受容体１の側面に回転し又は角度を変化できる複数の羽根１０３を設けて、その羽根１０３を回転させ、又はその角度を変化させることで、受容体１が噴出空気を受けや易くし又は逃がし易くすることにより、噴出空気を受ける量を制御することができる。また受容体１の噴出方向に対する向きを変えて、力覚提示する力の向きを制御することもできる。
【００５０】
［第５の実施例］
図１５は本発明の第５の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである。噴出口２０１の位置又は噴出方向を変えることで空気の噴出位置や噴出方向が操作可能である。本実施例では、噴出制御手段６は受容体計測手段５により計測された受容体１の位置又は向きに応じて、又は仮想空間内の仮想オブジェクトの位置、方向、形、大きさ、色等の状態に応じて、又は受容体１の姿勢や形状に応じて、前記噴出手段２の噴出口２０１の噴出量、噴出位置又は噴出方向を制御する。
【００５１】
噴出手段２の噴出口２０１の位置や噴出方向を変える方法として、例えば噴出口２０１自体を移動させる場合や、図１６(a)に示すように複数の噴出口２０１の１つ１つに回動可能なノズル２０５を個々に設けてそれぞれの向きを個々に制御する場合がある。また、図１６(b)に示すように特定の範囲の複数の噴出口２０１に対応する開口が設けられたスライダ２０６を移動させることにより、特定の一群の噴出口２０１のみの噴出口を有効にさせることで噴出口２０１を実質的に移動させる方法がある。あるいは、噴出口２０１のいくつか又は全てをまとめて噴出方向を変更する方法がある。また、図１６(c)に示すように筒状の噴出口２０１の先端に球や半球型のノズル２０７を設けこれを回転させてノズル口２０８の位置を変化させたり、又は図１６(d)に示すようにノズル口２０８を複数有するノズル２０９を設けて噴出したい方向のノズル口２０８のみが開くようにして噴出方向を制御しても良い。
【００５２】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、気体や液体の噴出によって力覚を与えるため、操作者は、力を発生させる噴出装置と物理的に繋がる必要がなく、また装置の装着や力を伝えるアームやワイヤーによって動きを妨げられることがなく、つまり装置に物理的に拘束されることなく、自由に手等の身体を動かすことができる。またそのため操作者に過度の力がかからず安全である。また空気を使う場合、透明であるため映像表示を邪魔しない。
【００５３】
また、複数の噴出口の噴出を制御することで力覚提示範囲を広げることが可能となるばかりか、受容体の位置、向き、姿勢、形状等に応じて噴出の量、位置、方向を制御することで、立体的なオブジェクトや凹凸の面をもつ物体等を力覚提示でき、表現力を高めることが可能となる。
【００５４】
また、噴出口の複数化に伴い複数の受容体を用意することで、１つ以上の受容体の状態に応じて各噴出口の噴出を制御して、１人の操作者に対して複数の力覚提示を行うことや、複数操作者への力覚提示が可能となる。
【００５５】
また、受容体の位置に応じて各噴出口の噴出を制御することにより、噴出口が等間隔に並んでいる噴出手段であっても、受容体が力覚提示範囲内の任意の位置で噴出を受け取れるように構成されていれば、噴出口の間隔より小さいものを力覚提示することができる。つまり、力覚提示の解像度は噴出口の間隔ではなく、受容体の位置計測の解像度に依存させることができる。
【００５６】
また、空気に加え、他の気体や液体も噴出制御の対象となるので、表現力をさらに高めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の力覚提示装置の構成図である。
【図２】第１の実施例の力覚提示装置の操作者と受容体と噴出手段の説明図である。
【図３】第１の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである。
【図４】第１の実施例の力覚提示装置で提示する力覚を制御する機構の説明図である。
【図５】第１の実施例の力覚提示装置の複数の噴出口から空気を噴出させる機構の説明図である。
【図６】(a)、(b)は第１の実施例の力覚提示装置における噴出手段の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施例の力覚提示装置の構成図である。
【図８】第２の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである。
【図９】本発明の第３の実施例の力覚提示装置の構成図である。
【図１０】第３の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである。
【図１１】第３の実施例の力覚提示装置における仮想空間システムの説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施例の力覚提示装置の構成図である。
【図１３】第４の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである
【図１４】(a)、(b)は第４の実施例の力覚提示装置における受容体制御部により制御される受容体の説明図である。
【図１５】本発明の第５の実施例の力覚提示の処理のフローチャートである。
【図１６】(a)〜(d)は第５の実施例の力覚提示装置における噴出手段の位置や噴出方向を変化させる説明図である。
【符号の説明】
１：受容体、１０１，１０２：棒状体、１０３：羽根
２：噴出手段、２０１：噴出口、２０２：空気噴出源、２０３：分岐装置、２０４：弁、２０５：ノズル、２０６：スライダ、２０７：ノズル、２０８：ノズル口、２０９：ノズル
３：噴出空気
４：操作者
５：受容体計測手段
６：噴出制御手段
７：仮想空間システム
８：仮想オブジェクト
９：仮想オブジェクト
１０：受容体制御部
Claims (12)
- 気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示方法であって、
複数行、複数列にわたり前記噴出口を配置し、
噴出圧力の異なる複数の気体噴出源を用意し、それぞれを別々の噴出口に接続し、異なる噴出量の噴出口を織り交ぜて配置することにより、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させる
ことを特徴とする力覚提示方法。 - 気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示方法であって、
複数行、複数列にわたり前記噴出口を配置し、
噴出圧力が同一の複数の気体噴出源をそれぞれ異なった数に枝分かれさせてそれぞれを噴出口に接続し、異なる噴出量の噴出口を織り交ぜて配置することにより、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させる
ことを特徴とする力覚提示方法。 - 気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示方法であって、
複数行、複数列にわたり前記噴出口を配置し、
噴出圧力が同一の複数の気体噴出源をそれぞれ異なった口径の噴出口に接続し、異なる噴出量の噴出口を織り交ぜて配置することにより、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させる
ことを特徴とする力覚提示方法。 - 気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示方法であって、
複数行、複数列にわたり前記噴出口を配置し、
噴出口の１つ１つに回転可能なノズルを個々に設けてそれぞれの向きを個々に制御することにより、前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から、噴出の量、位置、方向の少なくとも１つを変化させて前記気体を噴出させる
ことを特徴とする力覚提示方法。 - 前記受容体は、気体を受け止める部分と操作者の手に把持される部分とから構成され、前記気体を受け止める部分は、凹型面を有し複数個取り付けられている
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の力覚提示方法。 - 仮想オブジェクトを仮想空間に表示し、
前記仮想空間において、
前記受容体の仮想オブジェクトが別の仮想オブジェクトと接触している間は前記気体を噴出し続け、前記受容体の仮想オブジェクトあるいは前記別の仮想オブジェクトが移動して接触がなくなると前記気体の噴出を止める
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の力覚提示方法。 - 気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示装置であって、
噴出圧力の異なる複数の気体噴出源に複数の前記噴出口が個々に接続され、且つ異なる噴出量の噴出口が織り交ざるように複数行、複数列にわたり前記各噴出口が配置された噴出手段と、
前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させる噴出制御手段と、
を備えたことを特徴とする力覚提示装置。 - 気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示装置であって、
噴出圧力が同一の複数の気体噴出源がそれぞれ異なった数に枝分かれして複数の前記噴出口に接続され、且つ異なる噴出量の噴出口が織り交ざるように複数行、複数列にわたり前記各噴出口が配置された噴出手段と、
前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させる噴出制御手段と、
を備えたことを特徴とする力覚提示装置。 - 気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示装置であって、
噴出圧力が同一の複数の気体噴出源がそれぞれ異なった口径の複数の前記噴出口に接続され、且つ異なる噴出量の噴出口が織り交ざるように複数行、複数列にわたり前記噴出口が配置された噴出制御手段と、
前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の噴出口から前記気体を噴出させる噴出制御手段と、
を備えたことを特徴とする力覚提示装置。 - 気体を噴出口から噴出させて受容体に当てることにより該受容体に力覚を提示する力覚提示装置であって、
前記噴出口の１つ１つに回転可能なノズルを個々に設けてそれぞれの向きを個々に制御可能にし、且つ前記噴出口を複数行、複数列にわたり配置した噴出手段と、
前記受容体の位置、向き、姿勢、形状の少なくとも１つに応じて、１つ以上の前記噴出口から、噴出の量、位置、方向の少なくとも１つを変化させて前記気体を噴出させる噴出制御手段と、
を備えたことを特徴とする力覚提示装置。 - 前記受容体は、気体を受け止める部分と操作者の手に把持される部分とから構成され、前記気体を受け止める部分は、凹型面を有し複数個取り付けられている
ことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１つに記載の力覚提示装置。 - 仮想オブジェクトを仮想空間に表示する仮想空間表示手段を備え、
前記噴出制御手段は、前記仮想空間において、前記受容体の仮想オブジェクトが別の仮想オブジェクトと接触している間は前記気体を噴出し続け、前記受容体の仮想オブジェクトあるいは前記別の仮想オブジェクトが移動して接触がなくなると前記気体の噴出を止める
ことを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１つに記載の力覚提示装置。
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