JP6229105B1

JP6229105B1 - 仮想現実体験システム

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Publication number: JP6229105B1
Application number: JP2017029686A
Authority: JP
Inventors: やすし的場
Original assignee: やすし的場
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2037-02-21
Also published as: JP2018136395A; WO2018155361A1

Abstract

【課題】水を伴うシミュレーションやアトラクションの仮想現実を従来よりも現実に近いかたちで造り出す仮想現実体験システムを提供する。【解決手段】固体粒子１８、固体粒子１８が充填されて固体粒子層２０を形成する上面開放の容器２２、及び容器２２内の底部に設けられ固体粒子層２０に流体を噴出することにより固体粒子層２０を浮遊懸濁して流動化させる流体噴出手段２４を少なくとも有する仮想現実生成装置１２と、生成する仮想現実に応じて流体噴出手段２４から噴出する流体噴出量を制御する噴出量制御手段１４と、生成する仮想現実に応じて視覚的、聴覚的、嗅覚的、触覚的、力覚的の少なくとも１つの感覚を付与する感覚付与手段と、を備えた。【選択図】図７

Description

本発明は、仮想現実体験システムに係り、特に水を伴うシミュレーションやアトラクションの仮想現実を体験することができる仮想現実体験システムに関する。

実世界の体験を人工的に作り出すシステムとして、バーチャルリアリティーシステム（ＶＲシステム）がある。例えば、飛行機の操縦を体験できるフライトシミュレータ、車の運転が体験できるドライブシミュレータなど様々な種類が開発されてきた。これらのシミュレータは、モニターに表示される飛行景色や運転景色を見ながら、人間が搭乗する座席を油圧シリンダやモータによって動かすことによって人に加速度を与え、これにより人間に本物の体験に近い感覚を与えている。

しかしながら、海や湖等でボート等のような軽量な乗り物に乗る操船シミュレーションのように、水に浮かぶボートの動きにおいて、本物の体験に近い感覚を人工的に再現することは困難であった。その理由として、実際の水の上では、ボートに乗った人が能動的に体重移動すると、それに伴ってボートが大きく揺れるが、人の体重移動からボートの揺れまでの動きを遅延なく再現するのが困難であった等の理由による。

また、水に触れる触覚を人工的に作り出すことも同様に困難であった。水中では人体の皮膚表面全体に圧力が加わるが、この圧力を機械的なアクチュエータで再現することは難しい。

また、沼や湖等の湿地を歩くときの浮遊感を再現することも困難である。それは、湿地で体を動かしたときの湿地の粘性や流体の運動をリアルタイムに計算して機械的に再現することが難しいからである。

例えば、特許文献１には、ボートやジェットスキーのような水上乗り物を模したシミュレーション的なゲームとして、操舵と共に遊戯者の乗る揺動部材が体重移動で適切に傾動し、実際の乗り物に近い感覚得ることができるとする乗り物遊技機について提案されている。この乗り物遊技機は、遊戯者の乗る揺動部材がシリンダで支えられており、遊戯者の体重移動によりシリンダが縮み、それを傾動センサで検知し全体の制御にフィードバックしている。

また、特許文献２には、乗り物模型にカメラや各種センサを設置し、シミュレータ本体での運転操作で外部にある乗り物模型をリモートコントロールで動かして、乗り物模型で検知された画像や加速度などをシミュレータ本体に送って、シミュレータ本体に振動等の動きを与える運転疑似体験システムが提案されている。

また、非特許文献１には、あらかじめ計算されたデータベースとリアルタイムシミュレーションとを結合したバーチャルカヌーが提案されている。非特許文献１の著者である長谷川等は、このバーチャルカヌーを用いた、水を使用せずにカヌーに乗って水上を操船する体験ができる装置を公開している。この装置は、前方と床面のスクリーンには水上の景色が投影され、手に持ったパドルで水を掻く動作をすると、動きに合わせたフォースフィードバックがパドルに得られ、動きに応じた映像がスクリーンにリアルタイムに投影されるものである。

一方、非特許文献２には、固体粒子を充填した固体粒子層に流体を流通させることにより、固体粒子層があたかも流体のように振る舞う現象である流動化状態について記載されている。

特開２００５−２５７７１号公報特許第２６２５０３５号公報

Shoichi Hasegawa et al, Virtual canoe; real time realistic water simulation for haptic interaction SIGGRAPH '05 ACM SIGGRAPH 2005 Emerging technologies, Article No.28 野中利之、鈴木睦、固体粒子層の流動化特性に及ぼす重力の影響、日本マイクログラビティ応用学会誌 Vol.18 No3 2001

しかしながら、特許文献１に記載された乗り物遊技機は、遊戯者の乗る揺動部材がシリンダで機械的に支えられており、体重移動に対する揺動部材の傾きなどの挙動が、実際に水の上に浮かんでいるボート等の挙動とは異なったものになるので、実際の浮遊感を得ることができず、現実感や臨場感に乏しい。

また、特許文献２に記載された運転疑似体験システムや、非特許文献１に記載されたバーチャルカヌーは、自分の体重移動等の挙動は何ら反映されず、実際の浮遊感を感じることはできない。
一方、非特許文献２には、流動化状態について記載されているのみで、流動化状態を仮想現実体験に応用することについては何ら記載されていない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、水を伴うシミュレーションやアトラクションの仮想現実を、固体粒子を用いることにより、従来よりも現実に近いかたちで造り出すことができる仮想現実体験システムを提供することを目的とする。

本発明の仮想現実体験システムは目的を達成するために、固体粒子、前記固体粒子が充填されて固体粒子層を形成する上面開放の容器、及び前記容器内の底部に設けられ前記固体粒子層に流体を上向きに噴出することにより前記固体粒子層を浮遊懸濁して流動化させる流体噴出手段を少なくとも有する仮想現実生成装置と、生成する仮想現実に応じて前記流体噴出手段から噴出する流体噴出量を制御する噴出量制御手段と、前記生成する仮想現実に応じて視覚的、聴覚的、嗅覚的、触覚的、力覚的の少なくとも１つの感覚を付与する感覚付与手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、固体粒子（例えば砂）を充填して満たした容器内の底部に設けた流体噴出手段から流体（例えば空気）を噴出する噴出量を制御することで、流体によって粒子を舞い上げる力と重力のバランスがつり合い、固体粒子層に液体（例えば水）のような流動性を持たせることができる。これにより、液体とのインタラクションを疑似的に実現でき、水を伴うシミュレーションやアトラクションの仮想現実を従来よりも現実に近いかたちで造り出すことができる。

本発明の別態様において、前記生成する仮想現実は海、湖、川等の水域における操船シミュレーションであって、前記容器に充填された固体粒子層の上に載置され、人が乗れる大きさのボートと、前記感覚付与手段として、前記水域の映像を表示する視覚的感覚付与手段、前記水域の音を発生させる聴覚的感覚付与手段、前記水域の匂いを発生させる嗅覚的感覚付与手段、前記水域の風を発生させる触覚的感覚付与手段、及び前記ボートに非連結で外力を付与する力覚的感覚付与手段の少なくとも１つと、を備えることが好ましい。

このように、固体粒子層の上にボートを載置し、ボートに体験者が乗った状態で流体噴出手段から流体を噴出させて固体粒子層を流動化することにより、体験者はあたかも海、湖、川等の水域において操船しているような仮想現実を体験することができる。また、視覚的感覚付与手段、聴覚的感覚付与手段、嗅覚的感覚付与手段と、触覚的感覚付与手段、力覚的感覚付与手段の少なくとも１つを設けることで、操船のシミュレーションを一層現実に近づけることができる。

本発明の別態様において、前記容器を傾斜させる容器傾動手段を更に備えることが好ましい。容器傾動手段で容器を傾斜させることによって、流動化した固体粒子層に川のような流れを形成できるので、ボートに乗った体験者は川下りの仮想現実を体験することができる。

本発明の別態様において、前記生成する仮想現実は池、沼等の湿地を歩行する湿地歩行シミュレーションであって、前記湿地の種類に応じて前記固体粒子層の硬さと流体噴出量との関係を設定する粒子層硬さ設定手段を更に備え、前記噴出量制御手段は体験する前記湿地の種類に応じて前記粒子層硬さ設定手段で設定した流体噴出量になるように前記流体噴出手段を制御することが好ましい。

このように、固体粒子層に噴出する流体噴出量を制御して流動化の程度を変えて、固体粒子層の硬さを池や沼地等の湿地の硬さに近づけることにより、固体粒子層の上を歩行する体験者はあたかも池や沼等の湿地を歩行しているような仮想現実を体験することができる。

本発明の別態様において、前記感覚付与手段として、前記湿地の映像を表示する視覚的感覚付与手段、前記湿地の音を発生させる聴覚的感覚付与手段、前記湿地の匂いを発生させる嗅覚的感覚付与手段、及び前記湿地の風を発生させる触覚的感覚付与手段の少なくとも１つを更に備えることが好ましい。これにより、湿地歩行シミュレーションを現実に近いかたちで体験することができる。

本発明の別態様において、前記生成する仮想現実は物体が水面上に浮上又は水面下に沈降する浮沈アトラクションであって、前記固体粒子層の流動化した比重よりも小さい比重を有する物体Ａを前記固体粒子層の内部に沈めておき、前記噴出量制御手段はアトラクション時に前記流体噴出手段から流体を噴出させて前記固体粒子層を流動化させることによって前記物体Ａを前記固体粒子層から浮上させる。

浮沈アトラクションの更なる態様としては、前記固体粒子層の流動化した比重よりも大きい比重の物体Ｂを前記固体粒子層の上に載置しておき、前記噴出量制御手段はアトラクション時に前記流体噴出手段から流体を噴出させて前記固体粒子層を流動化させることによって前記物体Ｂを前記固体粒子層の内部に沈める。

これにより、例えばお化け屋敷のアトラクションとして、客が歩く通路の脇からお化けの形に製作した物体Ａを急に出現させたり、急に消滅させたりすることができる。

本発明の別態様において、前記固体粒子は不透明な白色であって前記固体粒子層の表面をスクリーンとして前記水域の映像を表示することが好ましい。このように不透明な固体粒子を使用することで、映像を表示するスクリーンとして使用できる。しかも、固体粒子の色を白色とすることで、映像そのものの色を反映でき、より現実に近い水域環境を表示することができる。

本発明の仮想現実体験システムによれば、水を伴うシミュレーションやアトラクションの仮想現実を従来よりも現実に近いかたちで造り出すことができる。

本発明の実施の形態の仮想現実体験システムにおける仮想現実生成装置の斜視図流体噴出手段を構成する噴出管を木枠に固定した斜視図噴出管に形成した噴出口をフィルタで覆い結束バンドで固定した斜視図木枠に固定した複数の噴出管を容器の底部に敷設した斜視図仮想現実生成装置の組立て分解図力覚的感覚付与手段を説明する説明図操船シミュレーションを体験者が体験している模式図容器を傾斜させる容器傾動手段の説明図湿地歩行シミュレーションを体験者が体験している模式図浮沈アトラクションを実施している模式図

以下、添付図面にしたがって本発明の仮想現実体験システムの好ましい実施の形態について説明する。
本発明は以下の好ましい実施の形態により説明される。本発明の範囲を逸脱することなく、多くの手法により変更を行うことができ、本実施の形態以外の他の実施の形態を利用することができる。したがって、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。

ここで、図中、同一の記号で示される部分は、同様の機能を有する同様の要素である。また、本明細書中で、数値範囲を" 〜 "を用いて表す場合は、" 〜 "で示される上限、下限の数値も数値範囲に含むものとする。
［仮想現実体験システム］

図１は、本発明の実施の形態の仮想現実体験システムにおける仮想現実生成装置の斜視図、図２は仮想現実生成装置の流体噴出手段を構成する噴出管を木枠に固定した斜視図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施の形態の仮想現実体験システム１０は、主として、仮想現実生成装置１２と、噴出量制御手段１４と、感覚付与手段（図７、図８参照）とで構成される。感覚付与手段とは、生成する仮想現実に応じて視覚的感覚付与手段、聴覚的感覚付与手段、嗅覚的感覚付与手段、触覚的感覚付与手段、及び力覚的感覚付与手段の少なくとも１つのことを意味する。図１では、噴出量制御手段１４は、仮想現実体験システム１０の全体を制御するコントローラ１５に搭載されている場合で図示しているが、噴出量制御手段１４とコントローラ１５とは別設してもよい。

仮想現実生成装置１２は、主として、固体粒子１８と、固体粒子１８が充填されて固体粒子層２０を形成する上面開放の容器２２と、容器２２内の底部に設けられ固体粒子層２０に流体を噴出することにより固体粒子層２０を浮遊懸濁して流動化させる流体噴出手段２４とで構成される。

容器２２の大きさは、生成する仮想現実によって変わるが、例えば、生成する仮想現実が海、湖、川等の水域における操船シミュレーションの場合には、容器２２内に形成される固体粒子層２０の上に人が乗れる大きさのボート５２（図６参照）を載置することができる大型の容器２２であることが好ましい。具体例として、容器２２は、縦が１５００〜２０００ｍｍ、横１０００〜１５００ｍｍ、高さ（深さ）が５００〜７００ｍｍのサイズ以上の大型のものが好ましい。

容器２２に充填される固体粒子１８は、砂１８Ａ、プラスチック粒子、セラミックス粒子、金属粒子等を使用することができる。固体粒子１８の平均粒径は０．１０〜０．１５ｍｍ、カサ比重１．１〜１．３のものを使用することが好ましく、砂の場合には珪砂７号を好適に使用することができる。固体粒子１８は容器２２の高さの７〜８割の位置まで充填される。
本実施の形態では、固体粒子１８として砂１８Ａを使用し、流体としてエア（空気）を使用した例で以下に説明するが、固体粒子層２０の用語はそのまま使用する。

図１及び図２に示すように、流体噴出手段２４は、主として、噴出管３４と、エアコンプレッサ４２と、噴出管３４とエアコンプレッサ４２とを繋ぐエアホース４４と、エアホース４４に設けられた噴出量調整バルブ４８及び開閉バルブ５０と、で構成される。エアコンプレッサ４２、噴出量調整バルブ４８、及び開閉バルブ５０は信号ケーブル（又は無線）によってコントローラ１５に接続される。

図２に示すように、噴出管３４は木枠２６に設置される。木枠２６は、容器２２の底面サイズと同等に形成された平板２８の上に複数本のＴ字状をした仕切板３０が間隔を置いて平行に固着される。そして、仕切板３０と仕切板３０との間に長溝３２が形成され、この複数の長溝３２にそれぞれ噴出管３４が載置される。

これにより複数本の噴出管３４が容器２２内の底部に平行に配置される。ここで、木枠２６は、噴出管３４を固定できるものならば木枠に限らず何でも使用することができ、木製でなく、金属製であっても、プラスチック製であっても何でも良い。

図２では、７本の噴出管３４の例で説明したが、この本数に限定するものではない。噴出管３４の材質としては、例えば加工のし易い塩化ビニルを好適に使用することができる。噴出管３４は、一端が閉塞されるとともに他端が容器２２外部のエアホース４４（図１参照）に連結部材３５（図１参照）を介して連結される。

図３の（Ａ）に示すように、噴出管３４は長手方向の上面に一定の間隔を置いて噴出口３６が開口される。図３の（Ａ）では、噴出口３６の形状として噴出管３４の周方向に穿設されたスリット形状としたが丸穴形状でもよい。

また、図３の（Ｂ）に示すように、噴出管３４には噴出口３６が被覆されるようにフィルタ３８が巻回される。なお、図３の（Ｂ）では１つの噴出口３６のみにフィルタ３８を被覆しているが、図２のように全ての噴出口３６にフィルタを被覆する。フィルタ３８のメッシュは、噴出口３６からエアを噴出できる一方、噴出口３６から噴出管３４の内部に砂が入り込まない大きさである。なお、フィルタ３８を噴出管３４に固定する方法としては、接着剤等で固着してもよいが、図３の（Ｂ）のように結束バンド４０で固定することが好ましい。これにより、フィルタ３８の交換を容易に行えるとともに噴出管３４の掃除も容易に行える。

図４は、木枠２６に固定した複数の噴出管３４を容器２２の底部に敷設した斜視図であり、図５は仮想現実生成装置１２の組立て分解図である。
図４及び図５に示すように、複数本の噴出管３４が載置された木枠２６が容器２２内の底部に置かれ、各噴出管３４が連結部材３５及びエアホース４４を介して容器２２外のエアコンプレッサ４２に連結される。図５の符号３７は連結部材３５を容器２２に固定する連結孔であり、連結孔３７と連結部材３５との隙間は図示しないシール剤により密封されている。

なお、図５に示すように、噴出管３４が載置された木枠２６の上面に碁盤目状の金網４６を敷設することが好ましい。これにより、砂１８Ａを流動化状態にしたときに人が乗っても、人の体重は木枠２６と金網４６とが支えるので、乗った人間が噴出管３４を踏むことによる噴出管３４の破損を防止することができる。ここで、人の体重が噴出管３４にかからないようにして噴出管３４の破損を防止する手段としては、上記手段に限らず人の体重が噴出管３４にかからないように支える部材を配置すれば良い。

エアコンプレッサ４２の必要圧力としては、固体粒子層２０を液状に流動化できることが必要である。例えば、縦１７４５ｍｍ、横１１００ｍｍ、高さ６００ｍｍの容器に、平均粒径０．１３ｍｍ、カサ比重１．２の砂を約１０００Ｋｇ充填した場合、エアコンプレッサ４２から最大圧力０．７ＭＰｓのエアを固体粒子層２０に供給することで固体粒子層２０は液状に流動化することができる。

また、固体粒子層２０の流動化において、複数本の噴出管３４を容器２２内の底部に平行に配置したときに、噴出口３６の配置（図４及び図５のフィルタ３８の配置と同じ）が千鳥状に配置されることが好ましい。これにより、容器２２内の固体粒子層２０の底面に対して噴出管３４の噴出口３６を均等に配置することができる。

噴出量制御手段１４は生成する仮想現実に応じて、流体噴出手段２４から噴出する流体噴出量を制御するものであり、エアホース４４に設けられた噴出量調整バルブ４８及びエアコンプレッサ４２からのエアの供給をＯＮ−ＯＦＦする開閉バルブ５０を制御する。

また、感覚付与手段は生成する仮想現実に応じて、視覚的、聴覚的、嗅覚的、触覚的、力覚的の感覚を付与するもので、視覚的感覚付与手段、聴覚的感覚付与手段、嗅覚的感覚付与手段、触覚的感覚付与手段、力覚的感覚付与手段の少なくとも１つで構成される。これらの視覚的感覚付与手段、聴覚的感覚付与手段、嗅覚的感覚付与手段、触覚的感覚付与手段、力覚的感覚付与手段は、すべてコンピュータで制御することができ、制御するためのコンピュータは、コントローラ１５を構成するコンピュータを用いても良いし、専用のコンピュータを準備することもできる。

視覚的感覚付与手段としては、例えば映像表示用ヘッドマウントディスプレイ、ＨＭＤ（例えば、Ｏｃｕｌｕｓ社製ＯｃｕｌｕｓＲｉｆｔやＨＴＣ社製ＨＴＣＶｉｖｅ）を好適に使用することができる。
聴覚的感覚付与手段としては、生成する仮想現実に関係する音等を立体的に発生する音響装置を好適に使用することができる。

嗅覚的感覚付与手段としては、生成する仮想現実に関係する匂いを発生する匂い発生装置を好適に使用することができる。
触覚的感覚付与手段としては、生成する仮想現実に関係して皮膚に感じる感覚を発生させるもので、例えば風等を発生させる送風機や扇風機等を好適に使用することができる。

また、力覚的感覚付与手段は、外力が加わる対象物に対して連結していない状態で外力を付与できるシリンダ装置を好適に使用できる。これにより、シリンダ装置のピストンロッドを伸長して対象物を押して揺らしたら、直ぐにピストンロッドを縮め、後は対象物自体の自然な揺れに任せることができる。

次に、上記構成の仮想現実体験システム１０を用いて、操船シミュレーション、湿地歩行シミュレーション、浮沈アトラクションを行う場合について説明する。
なお、本発明における仮想現実体験システム１０では、上述した操船シミュレーションや湿地歩行シミュレーションのように、体験者Ｐが仮想現実体験システム１０に搭乗して体験する場合以外に、浮沈アトラクションのように仮想現実体験システム１０で実施される内容を見ることで体験する場合も含む。

（操船シミュレーション）
図７は、海での操船シミュレーションを行う仮想現実体験システム１０を用いて、ボート５２に体験者Ｐが乗って海での操船シミュレーションを体験している模式図である。

操船シミュレーションを行う仮想現実体験システム１０は、主として、上記した仮想現実生成装置１２と、噴出量制御手段１４と、感覚付与手段との他に、容器２２に充填された固体粒子層２０の上に人が乗れる大きさのボート５２を載置した構成とする。
感覚付与手段としては次のように構成した。
視覚的感覚付与手段としてＨＭＤ５６（映像表示用のヘッドマウントディスプレイ）を使用し、体験者Ｐの頭に装着した。そして、ＨＭＤ５６に大海原の動画を映し出すようにした。

また、聴覚的感覚付与手段としては、体験者Ｐの側方両側に一対の音響装置５８を設け、海の波の音を発生させるようにした。
また、嗅覚的感覚付与手段及び触覚的感覚付与手段としては、体験者Ｐの上方に潮の香りのついたミストを発生させるミスト発生装置６０を設け、海の潮の香や海のしぶきが体験者Ｐにかかるようにした。更に、触覚的感覚付与手段として、体験者Ｐの側方両側に一対の送風機６２を設け、風を発生させるようにした。

また、力覚的感覚付与手段としては、図６に示すようにシリンダ装置５４を使用した。即ち、固体粒子層２０の上に載置されたボート５２の両横腹の側方にそれぞれシリンダ装置５４を一対配置し、シリンダ装置５４のピストンロッド５４Ａの先端部はボート５２に連結しない。そして、ボート５２を揺らすときには、一方のシリンダ装置５４のピストンロッド５４Ａを伸長させてボート５２の横腹を押したら、直ぐにピストンロッド５４Ａを縮める。他方のシリンダ装置５４でボート５２の横腹を押す場合も同様である。これにより、ボート５２は、波間で揺れる自然な揺れを発生する。

ＨＭＤ５６は無線によってコントローラ１５に接続され、音響装置５８、ミスト発生装置６０、送風機６２、及びシリンダ装置５４は、信号ケーブルを介してコントローラ１５に接続される。

なお、図７では、視覚的感覚付与手段のＨＭＤ５６、聴覚的感覚付与手段の音響装置５８、嗅覚的感覚付与手段及び触覚的感覚付与手段のミスト発生装置６０及び送風機６２、力覚的感覚付与手段のシリンダ装置５４の全て備えることで示したが、これに限定されず、少なくとも１つを備えることが好ましい。

上記の操船シミュレーションを行う仮想現実体験システム１０を用いて、体験者Ｐが操船シミュレーションを体験するには、図７に示すように、容器２２に充填された砂１８Ａで形成された固体粒子層２０の上にボート５２を置き、体験者Ｐはこの中に座る。

そして、容器２２の底部に設けられた流体噴出手段２４からエアを固体粒子層２０に噴出して、砂１８Ａに流動性を与えることによって、ボート５２は砂の上に浮かび、水面上のボートに乗って浮かんでいる時と同じ乗り心地を疑似的に体験することができる。

更には、体験者Ｐの頭にはＨＭＤ５６が装着され、海の景色が映像として映し出され、音響装置５８、ミスト発生装置６０、送風機６２からは波の音、潮の匂い、海のしぶき、風の感触が付与される。

また、ボート５２にはシリンダ装置５４から非連結な外力が付与されてボート５２が波間で自然に揺れる状況が形成される。この場合、コントローラ１５は、体験者Ｐの頭に装着するＨＭＤ５６の映像にリンクさせて一対のシリンダ装置５４のピストンロッド５４Ａの伸縮動作を制御することが好ましい。これにより、ボート５２が波間で自然に揺れる状況が一層リアルに形成される。

なお、コントローラ１５とＨＭＤ５６の映像とをリンクして制御しない場合には、ＨＭＤ５６と同じ映像が映し出される大型（例えば２４インチ）の液晶モニター（図示せず）を設け、仮想現実体験システム１０の操作者が液晶モニターを見ることでシリンダ装置５４を動作させてもよい。

即ち、ＨＭＤ５６に荒海に浮かぶボート５２からの視界の３６０度動画を表示する。この体験者Ｐが見ている映像をボート５２の前に設定した液晶モニターにも表示する。そして、シミュレーションの操作者が液晶モニターに映る動画を見ながら、海の波によってボート５２が揺れる瞬間に一方のシリンダ装置５４をＯＮにしてピストンロッド５４Ａを伸長しボート５２の一方横腹を押し、直ぐにシリンダ装置５４をＯＦＦにしてピストンロッド５４Ａを縮める。

この結果、ボート５２の連続的な揺れ動作がシリンダ装置５４によって抑制されないので、体験者Ｐは荒波でボート５２が揺れる体験を現実に近いかたちで体験することができる。

ちなみに、ボート５２とシリンダ装置５４とを連結してボート５２をピストンロッド５４Ａの伸縮動作で動かす場合には、ボート５２はピストンロッド５４Ａの伸縮動作に追随した機械的な揺れ動作を行う。この結果、体験者Ｐは、操船シミュレーション現実に近い自然なかたちで体験することができない。

また、本実施の形態の仮想現実体験システム１０は、流体噴出手段２４からのエアの供給を止め、砂１８Ａの流動性を無くすと、ボート５２が陸上の砂場に置かれた状態になり海で座礁した感覚を味わうことができる。このときに、体験者ＰにＨＭＤ５６を装着させて水面に浮かぶボート５２からの視点の３６０度の映像を表示することで、顔の位置や向きに応じて適切に変化する視界、例えば座礁した岩場等が見えると一層リアルな感覚を感じることができる。

このように、操船シミュレーションにおいては、流動化した固体粒子層２０の上に置かれたボート５２は実際に水の上に浮かんでいるのと同じように、体験者Ｐの動きやボート５２を押す外力に合わせて揺れる挙動が起こる。

また、体験者Ｐがボート５２に乗りこむ際にも、水の上と同じようにボート５２は固体粒子層２０の中に少し沈んで浮かび、ゆらゆらと揺れる。また、体験者Ｐが体重を右にかけるとボート５２は右に傾き、身体を上下に跳ねるように動かすと、ボート５２も上下に揺れる。これらの動きには水の上で行う時と同じように、わずかなタイムラグが発生しており、流体の慣性と粘性をリアルに感じるための一要素となっている。さらに、ＨＭＤ５６の映像の効果が加わることで、体験者Ｐは、あたかも水の上で船に乗っているかのように感じることができる。

また、海のシミュレーションとは別にＨＭＤ５６に渓流の景色を映し出し、川の流れによってボート５２の進路が変わったり、あるいはボート５２が岩にぶつかったりする映像に合わせてボート５２を上記の如く揺らすことによって、ボート５２が渓流の中で動かされている感覚を体験者Ｐに与えることができる。

また、ボート５２の代わりにサーフィンのボード（図示せず）を固体粒子層２０の上に置き、その上に体験者Ｐが乗れば、サーフィンの仮想現実を体験することもできる。

本実施の形態では、体験者Ｐが見るボート５２からの視界は、遠い景色に関してはＨＭＤ５６によって適切な映像となっているが、体験者Ｐが下を向いた際に見えるはずのボート５２自体の揺れる姿や、ボート５２が水面に作り出す波紋等は映像に含まれていない。これらについては、ボート５２に加速度センサを付加する等の方法で、ボート５２の揺れに同期する映像を実現させることが可能である。
更に説明すると、ＨＭＤ５６に搭載された加速度センサの情報を用いることにより、体験者Ｐがどちらの方向を向いたか判別して、そちらの方向の画像をＨＭＤ５６に映し出すことができる。しかしながら、下を向いたとき、ボート５２の姿はＨＭＤ５６に映し出されるが、ボート５２がどのように揺れているかは、揺れの情報が無ければＨＭＤ５６に映し出すことができない。
そこで、ボート５２にも加速度センサを搭載することにより、ボート５２の揺れをＨＭＤ５６に映し出すことができる。これは、ボート５２に搭載された加速度センサの情報を、ＨＭＤ５６を制御するためのコンピュータに有線または無線で送信することにより、コンピュータが揺れの情報に基づいてボート５２が揺れる画像を生成しＨＭＤ５６に表示させることによって成し遂げることができる。

また、操船シミュレーションが川の場合に、川の渓流の流れの中で映像に同期する形で自動的にボート５２に動きを与える方法としては、各噴出管３４につながるエアホース４４に設けた噴出量調整バルブ４８を制御して容器２２の底部からのエア噴出量を局所的に変えたり、容器２２を傾けることにより、容器２２の中に固体粒子層２０の流れや波を作り出したりする等の方法で、ボート５２の位置や向き、及び動きを制御すれば、一層現実に近い仮想現実を体験することができる。

図８は、容器２２を容器前後方向と容器左右方向とに傾ける容器傾動手段６４の一例を示す斜視図である。
図８に示すように、容器傾動手段６４は、容器２２を載置する載置台２３と、容器２２を容器２２の長手方向である容器前後方向に傾動させる前後傾動部６５と、容器２２の幅方向である容器左右方向に傾動させる左右傾動部６７とで構成される。また、前後傾動部６５は載置台２３の上に設置され、左右傾動部６７は床面等に設置される。
前後傾動部６５は、主として、容器２２の長手方向の一方端の上端中央から延設された第１の傾動アーム６６と、第１の傾動アーム６６の先端部を上下動させる第１の傾動用シリンダ装置６８とで構成される。第１の傾動用シリンダ装置６８のピストンロッド７０の先端には中央に貫通孔を有する第１のリング状部材７２が形成される。一方、第１の傾動アーム６６の先端部にはコ字形状の第１の窪み７４が形成され、この第１の窪み７４に第１のピン７６が支持される。そして、リング状部材７２の貫通孔に第１のピン７６が貫通される。
また、第１の傾動用シリンダ装置６８の基台６８Ａには、一対の第１の回動軸６９が設けられ、一対の第１の回動軸６９がそれぞれ第１の軸受７１に支持される。なお、図８では、一対の第１の回動軸６９及び一対の第１の軸受７１のうち一方側の第１の回動軸６９及び第１の軸受７１は容器２２に隠れて図示されていない。
また、容器２２の長手方向の他方端の下端両側には、一対の容器用回動軸７８が設けられ、一対の容器用回動軸７８がそれぞれ容器用軸受８０に支持される。これにより、前後傾動部６５の傾動用シリンダ装置６８のピストンロッド７０が伸動作すると、容器２２は容器前後方向に傾斜する。

一方、左右傾動部６７は、主として、載置台２３の幅方向（容器２２の長手方向と直交する方向）の一方端の上端中央から延設された第２の傾動アーム７３と、第２の傾動アーム７３の先端部を上下動させる第２の傾動用シリンダ装置７５とで構成される。第２の傾動用シリンダ装置７５のピストンロッド７７の先端には中央に貫通孔を有する第２のリング状部材７９が形成される。一方、第２の傾動アーム７３の先端部にはコ字形状の第２の窪み８１が形成され、この第２の窪み８１に第２のピン８３が支持される。そして、第２のリング状部材７９の貫通孔に第２のピン８３が貫通される。また、第２の傾動用シリンダ装置７５の基台７５Ａには、一対の第２の回動軸８５が設けられ、一対の第２の回動軸８５がそれぞれ第２の軸受８７に支持される。
また、載置台２３の長手方向（容器２２の長手方向と同義）の両端であって幅方向中央位置には、一対の載置台用回動軸８９が設けられ、一対の載置台用回動軸８９がそれぞれ載置台用軸受９１に支持される。これにより、左右傾動部６７の第２の傾動用シリンダ装置７５のピストンロッド７７が伸動作すると、容器２２はＸ方向に回動して容器２２は左側に傾斜し、ピストンロッド７７が縮動作すると、容器２２はＹ方向に回動して容器２２は右側に傾斜する。
このように、容器傾動手段６４を設けることにより、容器２２内の固体粒子層２０に容器前後方向の流れと容器左右方向の流れを作り出すことができる。また、前後傾動部６５の第１の傾動用シリンダ装置６８のピストンロッド７０が伸縮すると、容器２２は容器前後方向に揺れるので、容器２２内の固体粒子層２０に容器前後方向の波を作り出すことができる。更には、左右傾動部６７の第２の傾動用シリンダ装置７５のピストンロッド７７が伸縮すると、容器２２は容器左右方向に揺れるので、容器２２内の固体粒子層２０に容器左右方向の波を作り出すことができる。
なお、容器２２を容器前後方向と容器左右方向に傾動させる容器傾動手段６４は、上記構成の前後傾動部６５と左右傾動部６７との機構に限定するものではない。図示しないが例えば、６本の電動シリンダを組み合わせた６軸モーションベースに容器２２を支持させることができる。６軸モーションベースを使用すれば、容器２２を、前後方向や左右方向に傾けることができるだけでなく、容器２２を平行移動することもできる。

（湿地歩行シミュレーション）
図９は、湿地歩行シミュレーションを行う仮想現実体験システム１０を用いて、体験者Ｐが湿地歩行シミュレーションを体験している模式図である。

湿地歩行シミュレーションを行う仮想現実体験システム１０は、主として、上記した仮想現実生成装置１２と、噴出量制御手段１４と、感覚付与手段とで構成される。

感覚付与手段は、視覚的感覚付与手段としてＨＭＤ５６（映像表示用のヘッドマウントディスプレイ）、聴覚的感覚付与手段として一対の音響装置５８、嗅覚的感覚付与手段及び触覚的感覚付与手段としてミスト発生装置６０、触覚的感覚付与手段として一対の送風機６２を設けた。なお、力覚的感覚付与手段は設けていない。

そして、噴出量制御手段１４は湿地の種類に応じて、仮想現実生成装置１２の流体噴出手段２４から噴出するエアの噴出量を制御する。この場合、予め予備試験等により、湿地の種類に応じて流動化状態になった固体粒子層２０の硬さと流体噴出手段２４からのエア噴出量との関係を調べておき、湿地の種類とエア噴出量との関係を粒子層硬さ設定手段（図示せず）に入力しておくとよい。粒子層硬さ設定手段はコントローラ１５に搭載することができる。
そして、噴出量制御手段１４は体験する湿地の種類に応じて粒子層硬さ設定手段で設定した流体噴出量になるように流体噴出手段を制御する。

流動化していない状態の固体粒子層２０の表面は、その上を歩くことが可能であり、その際に体験者Ｐの足が砂１８Ａの中にめり込むことはない。これは公園の砂場を歩く時と同じであるが、一般の砂場と比べて粒度の小さい砂を使っているために、地面を踏んだ感覚は若干柔らかい印象を受ける。

一方、流動化した状態の固体粒子層２０の表面は液体状となるため、図９に示すように、その上に立つと足が砂の中に沈む（例えば約４０ｃｍ）が、そのまま歩くことが可能である。

このように、噴出量制御手段１４を制御して流体噴出手段２４から噴出するエアの噴出量を調整することによって、固体粒子層２０の表面状態を通常の砂の路面から、沼や池のような湿地状態まで湿地の種類を変えることができ、さらには水面のような状態まで変えることができる。

また、ＨＭＤ５６に湿地帯の映像を流し、音響装置５８から木々がそよぐ音を発生させ、ミスト発生装置６０から湿地帯の匂いつけたミストを発生させ、送風機６２から風を発生させることによって、一層現実に近い湿地歩行の仮想現実を体験することができる。
このように、湿地歩行シミュレーションでは、流動化した固体粒子層２０の中を歩くことで、まるで湿地帯を歩いているような感覚を味わうことができる。

また、固体粒子層２０を流動化させて体験者Ｐの足が沈み込んだ状態にした後で、噴出量制御手段１４が開閉バルブ５０を閉じて、エアの供給を止めて流動化を止める。これにより、体験者Ｐの足が固体粒子層２０の中に固定されたまま抜けなくなる感覚を体験することができる。この感覚は例えばエンターテインメント分野においては危険な蟻地獄のような沼から這い出せない状況等に活用できる。

また、視覚的感覚付与手段、聴覚的感覚付与手段、嗅覚的感覚付与手段、触覚的感覚付与手段等の感覚付与手段が生成する仮想現実の環境を伴わない状態で固体粒子層２０を流動化した場合、固体粒子層２０の中に体験者Ｐが手を入れた感触は、厳密には水の中に手を入れた場合とは異なる。しかしながら、実際に水に手を入れた感覚に近いものである。

感覚付与手段が生成する仮想現実の環境を伴った状態で固体粒子層２０の中で手を動かした場合には、体験者Ｐの頭の中は湿地にいる感覚になっており、しかも砂１８Ａのカサ比重が１．１〜１．３で水に近いため、手に感じる抵抗感は極めて水に近い感触になる。この場合、使用する砂１８Ａのカサ比重を小さくして、できるだけ水のカサ比重に近づけることが好ましい。

（浮沈アトラクション）
図１０は、浮沈アトラクションを行う仮想現実体験システムを用いて、体験者Ｐが浮沈アトラクションを体験している模式図である。浮沈アトラクションを行う仮想現実体験システム１０は、主として、上記した仮想現実生成装置１２、噴出量制御手段１４、感覚付与手段の他に、流動化した砂１８Ａよりも比重が軽い物体Ａを準備する。

図１０では、生成する仮想現実は物体が水面上に浮上又は水面下に沈降する浮沈アトラクションの例で説明する。流動化した砂１８Ａよりも比重が軽い物体として発泡スチロール製の人形８２を用いた。そして、人形８２を固体粒子層２０の砂１８Ａの中に予め沈めた状態にしておく。

図１０の（Ａ）に示すように、固体粒子層２０の流動化を止めた状態では、人形８２は砂１８Ａの中で固定され、浮かぶことはない。この状態でアトラクション時に噴出量制御手段１４が流体噴出手段２４を制御して固体粒子層２０を流動化させることで、図１０の（Ｂ）に示すように、人形８２は浮力によって固体粒子層２０の表面上に自動的に浮かび上がる。

これとは逆に、砂１８Ａよりも比重の重い物体Ｂとして、内部に錘を仕込んだ人形８６を図１０の（Ｂ）のように固体粒子層２０の上に置いておく。そして、アトラクション時に噴出量制御手段１４が流体噴出手段２４を制御して固体粒子層２０を流動化させることで、図１０の（Ａ）に示すように、人形８６はその比重のため固体粒子層２０の中に沈んでいく。

このように、物体Ａ，Ｂの浮上と沈降を行う浮沈アトラクションでは、固定的な比重の物体のみを扱ったが、魚の浮袋のような構造の袋（図示せず）を人形の内部に持たせ、袋の内部のエア量を調節可能な機構を形成すれば、流動化した状態の固体粒子層２０の中を浮かび上がって表面に現れたり、沈んで内部に消えたりするオブジェクトを製作することができる。
なお、人形８２（８６）を固体粒子層２０の表面上に浮上させたり表面から沈降させたりする方法として浮力を利用するようにしたが、モータやシリンダ装置を利用して人形８２（８６）を浮沈させるようにすることもできる。

なお、図１０には、感覚付与手段を図示しなかったが、生成する仮想現実に応じて視覚的感覚付与手段、聴覚的感覚付与手段、嗅覚的感覚付与手段、触覚的感覚付与手段、及び力覚的感覚付与手段の少なくとも１つを備えることができる。

また、魚のヒレのような構造を人形に持たせれば固体粒子層２０の中を泳いだり、更にはプロペラのような機構によって固体粒子層２０の中を移動したりするオブジェクトを製作することも可能である。これらの動作はエンターテインメント分野において、お化け屋敷のアトラクションとして、お客が歩く歩道の脇からお化けを出現させたり、あるいはもぐら叩きゲームとして、お客が立っている同じ床面からもぐらが現れたりする演出等が可能となる。また、演劇やコンサートなどの舞台装置として、人間が歩きまわるステージの中から物体を出し入れ（浮上、沈降）するという新しい演出が可能になる。

また、本実施の仮想現実体験システム１０では、水を伴うシミュレーションやアトラクションに実際の水ではなく、流動化によって液体のようにふるまう固体粒子１８（例えば砂１８Ａ）を用いている。したがって、水を使う場合に問題となる金属の腐食、木材や衣服などへの浸透、腐敗、電気回路のショート、わずかな隙間からの漏出、コケの繁殖、蒸発による減量、氷点下になった場合に固体化し体積が増えるなどの問題を解決できることも一つのメリットである。

更に、万一ボートが転覆して人が流動化された固体粒子１８の上に落ちても、センサで検知してすぐに、開閉バルブ５０を閉めるか、コンプレッサ４２を止めるか等によりエアの噴出を止めるような構成にすれば、固体粒子１８はすぐに流動化状態では無くなるので、人は柔らかい砂地に落ちたのと同様になり、怪我もせず、溺れることも、水に濡れることもなく安全かつ快適である。

また、透明な水はプロジェクタの映像を投影することはできないが、白色の不透明な固体粒子１８（例えば砂１８Ａ）により固体粒子層２０を形成すれば、固体粒子層２０の表面をスクリーンとして図示しない投影手段（例えばプロジェクタ）により映像を投影することができる。しかも、本実施の態様で固体粒子１８として使用した砂１８Ａは、平均粒径が０．１３ｍｍと小さいため表面の凹凸も小さく、スクリーンとして十分に使用可能である。また、白色の固体粒子１８を使用することで固体粒子層２０のスクリーンに投影される映像の色がそのまま反映させることができる。

また、湿地歩行シミュレーションにおいて、湿地面が硬く体験者Ｐの足が沈まない状態と、湿地面が柔らかく体験者Ｐの足が沈む状態との切り替えを水で行うことは不可能であるが、本実施の形態のように固体粒子層２０にエアを噴出することで切り替えを瞬時に行うことができる。したがって、新しいスポーツの競技、例えば水球に似た競技やトレーニングにも応用可能である。

また、水の上と同じように固体粒子層２０の上でパドル（櫂）を使ってボート競技を行ったり、固体粒子層２０の中を走ったり泳いだりすることも可能である。その際にエアの供給量を調節して固体粒子層２０の流動化率を変化させることで、従来の水では不可能な、体験者Ｐが動く際の負荷の調整が可能である。このことから、「動きやすさ」を変化させることができる新しい競技やトレーニング法の開発が可能になる。
また、ボート５２を使った仮想体験の場合、容器２２を思い切り長くし（例えば１０ｍ〜１００ｍ）、容器傾動手段６４で容器２２に前後方向の傾斜をつけ、更に容器２２の上流側から砂１８Ａを供給し続けることによって固体粒子層２０に砂１８Ａの流れを形成することができる。そして、ボート５２に乗った体験者Ｐに装着したＨＭＤ５６に川下りの映像を映し出す。これにより、ボート５２は下流に流されるので、ボート５２に乗った体験者Ｐは川下りのような仮想体験をすることができる。

また、固体粒子層２０の表面を入力インタフェースとして捉えることもできる。固体粒子層２０の表面は赤外線を反射することから、KINECT（登録商標）等の赤外線を使用するデプスカメラで距離を計測することができる。これにより、固体粒子層２０の表面に映像を投影し、固体粒子層２０の中から突き出した身体をデプスカメラで認識することによってコンピュータの操作を行ったり、手の平ですくい取った砂に映像を投影したりする等が可能である。

また、固体粒子層２０の表面の固体粒子１８（例えば砂１８Ａ）をエアや振動で吹き飛ばすことで、映像投影面から実物体が吹き飛ぶ爆発の表現が可能であり、ゲームなどに利用できる。このように、液体のように流動化した固体粒子層２０のインタフェースには新しいインタラクションを開拓できる大きな可能性がある。

また、本実施の形態では、固体粒子１８として砂１８Ａを、流体としてエアを使用した。しかし、固体粒子１８として樹脂や金属を組み合わせたり、流体として水や油を組み合わせたりして使用することで流動化したときの固体粒子層２０の比重や粘性を変化させることも可能である。

１０…仮想現実体験システム、１２…仮想現実生成装置、１４…噴出量制御手段、１５…コントローラ、１８…固体粒子、１８Ａ…砂、２０…固体粒子層、２２…容器、２３…載置台、２４…流体噴出手段、２６…木枠、２８…平板、３０…仕切板、３２…長溝、３４…噴出管、３５…連結部材、３６…噴出口、３７…連結孔、３８…フィルタ、４０…結束バンド、４２…エアコンプレッサ、４４…エアホース、４６…金網、４８…噴出量調整バルブ、５０…開閉バルブ、５２…ボート、５４…シリンダ装置、５４Ａ…ピストンロッド、５６…ＨＭＤ、５８…音響装置、６０…ミスト発生装置、６２…送風機、６４…容器傾動手段、６５…前後傾動部、６６…第１の傾動アーム、６７…左右傾動部、６８…第１の傾動用シリンダ装置、６８Ａ…基台、６９…第１の回動軸、７０…ピストンロッド、７１…第１の軸受、７２…第１のリング状部材、７３…第２の傾動アーム、７４…第１の窪み、７５…第２の傾動用シリンダ装置、７５Ａ…基台、７６…第１のピン、７７…ピストンロッド、７８…容器用回動軸、７９…第２のリング状部材、８０…容器用軸受、８１…第２の窪み、８２、８６…人形、８３…第２のピン、８５…第２の回動軸、８７…第２の軸受、８９…載置台用回転軸、９１…載置台用軸受

Claims

固体粒子、前記固体粒子が充填されて固体粒子層を形成する上面開放の容器、及び前記容器内の底部に設けられ前記固体粒子層に流体を噴出することにより前記固体粒子層を流動化させる流体噴出手段を少なくとも有する仮想現実生成装置と、
生成する仮想現実に応じて前記流体噴出手段から噴出する流体噴出量を制御する噴出量制御手段と、
前記生成する仮想現実に応じて視覚的、聴覚的、嗅覚的、触覚的、力覚的の少なくとも１つの感覚を付与する感覚付与手段と、を備え、
前記生成する仮想現実は海、湖、川等の水域における操船シミュレーションであって、
前記容器に充填された固体粒子層の上に載置され、人が乗れる大きさのボートと、
前記感覚付与手段として、前記水域の映像を表示する視覚的感覚付与手段、前記水域の音を発生させる聴覚的感覚付与手段、前記水域の匂いを発生させる嗅覚的感覚付与手段、前記水域の風を発生させる触覚的感覚付与手段、及び前記ボートに非連結で外力を付与する力覚的感覚付与手段の少なくとも１つと、を備えたことを特徴とする仮想現実体験システム。
前記容器を傾斜させる容器傾動手段を更に備えた請求項１に記載の仮想現実体験システム。
前記固体粒子は不透明な白色であって前記固体粒子層の表面をスクリーンとし、投影手段により前記スクリーンに映像を投影する請求項１又は２に記載の仮想現実体験システム。