JPH0869449A

JPH0869449A - ３次元物体の体感シミュレーション装置

Info

Publication number: JPH0869449A
Application number: JP20250894A
Authority: JP
Inventors: Masami Yanosaka; 雅巳矢野坂; Shigeki Fujiwara; 茂喜藤原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1994-08-26
Filing date: 1994-08-26
Publication date: 1996-03-12

Abstract

(57)【要約】【目的】視覚情報だけでなく、力覚も同時に体感でき、
しかも人にたいする安全性を考慮し、且つ小型でコンパ
クトな力覚提示機構を持つ３次元物体の体感シミュレー
ション装置を提供するにある。【構成】操作子４の角度検出器２１は検出した関節角度
を座標変換器２３に与え、座標変換器２３は検出関節角
度とコンピュータ２から与えられる各関節間の距離情報
を用いて操作子４の先端の位置を算出して、この操作子
４の先端の位置座標系と上記３次元物体の位置座標系と
を同一座標系で扱えるように座標変換を行う。この座標
変換データに基づいてコンピュータ２は操作子４の先端
の位置が３次元物体に接触したと判断した時に、制御手
段２２を通じてブレーキ２０を動作させ、観察者Ｍに力
覚感を与え、３次元物体に接触していないときには上記
ブレーキ２０による制動を解除して観察者に力覚感を与
えないように制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、観察者が仮想空間上で
３次元物体（含む流体）を体感するシミュレーション装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の３次元物体の体感シミュレーショ
ン装置としては、頭部搭載型ディスプレイと、高速グラ
フィックワークステーションの組み合わせにより、観察
者の手の動作に合わせて迫真性のある映像を提供するも
のである。例えば特開昭３−２８９６１５号公報には頭
部搭載型ディスプレイとして左右の目に各独立に表示器
を持たせ、夫々左目用、右目用の画像を表示させること
により、質の良い立体画像が得られる装置が記載されて
いる。また特開昭５−３５１９２号公報には、投射映像
と展示物を良好に合成させ、十分な立体感及び臨場感の
ある実物と画像の合成展示を行なうことができる展示装
置が記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記３次元
物体の体感シミュレーション装置には、視覚情報のみに
よって、３次元物体のシミュレーションを行なうもので
あり、更に臨場感を高める為には、視覚に加えて他の感
覚も体感できる装置が必要である。また力覚提示装置と
して、一般のロボットと同様にモータ等の駆動源を持つ
装置を用いて、人に触覚感を体感させる場合、モータの
暴走によって、人に危害を加える可能性があり、非常に
危険である。

【０００４】更に人に触覚感を体感させるためには、人
が力覚提示装置と接しなければならないが、その装置を
操作する時に、人が余り違和感を感じないようにするた
め、その力覚提示装置を仰々しくなく、小型、コンパク
トであることが必要である。本発明は上述の点に鑑みて
為されたもので、請求項１乃至請求項１１の発明の目的
とするところは視覚情報だけでなく、力覚も同時に体感
でき、しかも人にたいする安全性を考慮し、且つ小型で
コンパクトな力覚提示機構を持つ３次元物体の体感シミ
ュレーション装置を提供するにある。

【０００５】また請求項１２の発明は請求項１の発明の
目的に加えて聴覚も同時に体感できる３次元物体の体感
シミュレーション装置を提供するにある。更に請求項１
３の発明は請求項１の発明の目的に加えて触覚も同時に
体感できる３次元物体の体感シミュレーション装置を提
供するにある。更にまた請求項１４の発明は請求項１の
発明の目的に加えて臭覚も同時に体感できる３次元物体
の体感シミュレーション装置を提供するにある。

【０００６】また更に請求項１５の発明は請求項１の発
明の目的に加えて視覚も同時に体感できる３次元物体の
体感シミュレーション装置を提供するにある。また更に
請求項１６の発明は請求項１の発明の目的に加えて味覚
も同時に体感できる３次元物体の体感シミュレーション
装置を提供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１の発明では、３次元空間上で３次元物体の位
置及び物体情報を記憶、表示する記憶表示装置と、人の
視線方向を検出するための立体視用位置検出器と、人が
力覚を体感したい部位の位置を検出するための部位用位
置検出器と、上記３次元物体の位置座標系及び立体視用
位置検出器、部位用位置検出器の位置座標系を同一に設
定する座標変換器と、上記座標変換器を用いて決定した
３次元物体の位置と前記部位の位置との画像データを生
成する立体視用画像データ生成装置と、前記立体視用画
像データ生成装置から得た前記３次元物体の位置と前記
部位の位置とからなる表示内容を観察する立体視メガネ
と、他端に支持台を設け、その支持台から少なくとも３
自由度を有するようにアームと関節と用いて連結し、各
関節に摩擦抵抗からなる制動手段と各関節の変位を検出
する検出手段とを有し人が操作する操作子と、この操作
子の各関節の変位検出値と、関節間の距離を用いて得ら
れる操作子位置座標系と上記３次元物体の位置座標系と
を同一に設定する座標変換器と、上記３次元物体の予め
決められた位置に上記操作子が到達すると、上記操作子
の各関節に取り付けた上記制動手段を動作させる制御手
段とを有するものである。

【０００８】請求項２の発明では、少なくとも３自由度
を持つ水平多関節又は垂直多関節のアームと、該アーム
の先端に設けられ少なくとも３自由度を持つグリップ
と、各関節に設置した関節の位置を検出する検出手段及
び制動手段とからなる操作子を有するものである。請求
項３の発明では、少なくとも一つのパラレルリンク機構
を持つアームと、各関節の角度を検出する角度検出手段
及び制動手段とからなる操作子を有するものである。

【０００９】請求項４の発明では、少なくとも３自由度
を持つ直交アームと、このアーム先端に設けられ少なく
とも３自由度を持つグリップと、各関節に設置した関節
の位置を検出する検出手段及び制動手段とからなる操作
子を有するものである。請求項５の発明では、各関節の
角度を検出する角度検出手段と、各関節の力を検出する
力検出手段と、各関節を制動する制動手段とからなる操
作子を有するものである。

【００１０】請求項６の発明では、各関節の角度を検出
する角度検出手段と、各関節を制動する制動手段と、各
関節を駆動する駆動手段とからなる操作子と、上記制動
手段の制動力と上記駆動手段の駆動力を選択して、制御
する制御手段とを有するものである。請求項７の発明で
は、予め決められた３次元物体の位置と操作子位置及び
速度を用いて操作子の各関節に取り付けた制動手段を動
作させる制御手段を有するものである。

【００１１】請求項８の発明では、操作子位置が予め決
められた３次元物体位置に到達し、操作子速度が予め決
められた３次元物体の中心方向にある時、制動手段の制
動力を発生させ、操作子の力が予め決められた３次元物
体の中心方向と逆方向にある時、制動手段の制動力を解
除する制御手段を有するものである。請求項９の発明で
は、操作子位置が予め決められた直線領域に到達する
と、操作子先端における力と各関節の力の関係を用い
て、各関節に設置した制動手段の制動力を所定値に制御
する制御手段を有するものである。

【００１２】請求項１０の発明では、操作子位置が予め
決められた円弧領域に到達すると、操作子先端における
力と各関節の力の関係を用いて、各関節に設置した制動
手段の制動力を所定値に制御する制御手段を有するもの
である。請求項１１の発明では、操作子位置が予め決め
られた領域に到達すると、操作子先端における力及び速
度と各関節の力の関係を用いて、各関節に設置した制動
手段の制動力を所定値に制御する制御手段を有するもの
である。

【００１３】請求項１２の発明では、音を発生する音発
生手段を有するものである。請求項１３の発明では、操
作子に温冷発生手段を有するものである。請求項１４の
発明では、臭いを発生する臭い発生手段を有するもので
ある。請求項１５の発明では、光を発生する光発生手段
を有するものである。請求項１６の発明では、味覚を発
生する味覚発生手段を有するものである。

【００１４】

【作用】請求項１の発明によれば、３次元空間上で３次
元物体の位置及び物体情報を記憶、表示する記憶表示装
置と、人の視線方向を検出するための立体視用位置検出
器と、人が力覚を体感したい部位の位置を検出するため
の部位用位置検出器と、上記３次元物体の位置座標系及
び立体視用位置検出器、部位用位置検出器の位置座標系
を同一に設定する座標変換器と、上記座標変換器を用い
て決定した３次元物体の位置と前記部位の位置との画像
データを生成する立体視用画像データ生成装置と、前記
立体視用画像データ生成装置から得た前記３次元物体の
位置と前記部位の位置とからなる表示内容を観察する立
体視メガネと、他端に支持台を設け、その支持台から少
なくとも３自由度を有するようにアームと関節と用いて
連結し、各関節に摩擦抵抗からなる制動手段と各関節の
変位を検出する検出手段とを有し人が操作する操作子
と、この操作子の各関節の変位検出値と、関節間の距離
を用いて得られる操作子位置座標系と上記３次元物体の
位置座標系とを同一に設定する座標変換器と、上記３次
元物体の予め決められた位置に上記操作子が到達する
と、上記操作子の各関節に取り付けた上記制動手段を動
作させる制御手段とを有するので、視覚情報に加え、力
覚情報も同時に体感できる３次元シミュレーション観察
が可能になり、また操作子を用いることにより、人に対
して安全であり、且つ小型でコンパクトな力覚提示手段
を提供することが可能となる。

【００１５】請求項２の発明によれば、少なくとも３自
由度を持つ水平多関節又は垂直多関節のアームと、該ア
ームの先端に設けられ少なくとも３自由度を持つグリッ
プと、各関節に設置した関節の位置を検出する検出手段
及び制動手段とからなる操作子を有するので、空間上の
人の移動と姿勢の変化に対する力覚を独立に制御できる
ため、観察者への力覚停止の制御が簡単になり、また水
平多関節又は垂直多関節アームを用いることにより、操
作子を設置するときの面積が小さくて良い。

【００１６】請求項３の発明によれば、少なくとも一つ
のパラレルリンク機構を持つアームと、各関節の角度を
検出する角度検出手段及び制動手段とからなる操作子を
有するので、水平面に沿わせる力覚を実現する制御が容
易になる。請求項４の発明によれば、少なくとも３自由
度を持つ直交アームと、このアーム先端に設けられ少な
くとも３自由度を持つグリップと、各関節に設置した関
節の位置を検出する検出手段及び制動手段とからなる操
作子を有するので、空間上の人の移動と姿勢の変化に対
する力覚を独立に制御できるため、観察者への力覚提示
の制御が簡単になり、且つ特定の平面に沿わせる力覚を
実現する制御が容易になる。

【００１７】請求項５の発明によれば、各関節の角度を
検出する角度検出手段と、各関節の力を検出する力検出
手段と、各関節を制動する制動手段とからなる操作子を
有するので、人が実際に感じている力覚情報を操作子に
フィードバックして制御でき、そのためより現実に近い
力覚を実現することが可能になる。請求項６の発明によ
れば、各関節の角度を検出する角度検出手段と、各関節
を制動する制動手段と、各関節を駆動する駆動手段とか
らなる操作子と、上記制動手段の制動力と上記駆動手段
の駆動力を選択して、制御する制御手段とを有するの
で、操作子自身の持つ慣性力、重力等の補償が可能にな
り、人が操作子を持って操作する時にそれらの力を感じ
なくて済むために、より現実に近い力覚を実現すること
が可能になる。

【００１８】請求項７の発明によれば、予め決められた
３次元物体の位置と操作子位置及び速度を用いて操作子
の各関節に取り付けた制動手段を動作させる制御手段を
有するので、仮想物体に接触する感じをよりリアルに体
感させることが可能になる。請求項８の発明によれば、
操作子位置が予め決められた３次元物体位置に到達し、
操作子速度が予め決められた３次元物体の中心方向にあ
る時、制動手段の制動力を発生させ、操作子の力が予め
決められた３次元物体の中心方向と逆方向にある時、制
動手段の制動力を解除する制御手段を有するので、硬い
仮想物体に接触する感じをよりリアルに体感させること
が可能になる。

【００１９】請求項９又は１０の発明によれば、操作子
位置が予め決められた直線領域又は円弧領域に到達する
と、操作子先端における力と各関節の力の関係を用い
て、各関節に設置した制動手段の制動力を所定値に制御
する制御手段を有するので、仮想的な引出し等の直線抵
抗感や、仮想的な扉、蛇口等の回転抵抗感の力覚を実現
できる。

【００２０】請求項１１の発明によれば、操作子位置が
予め決められた領域に到達すると、操作子先端における
力及び速度と各関節の力の関係を用いて、各関節に設置
した制動手段の制動力を所定値に制御する制御手段を有
するので、水中等の流体内で人が動作した時に生じる粘
性抵抗感の力覚を実現することができる。請求項１２の
発明によれば、音を発生する音発生手段を有するので、
手の動作に応じて操作音を発生させれば、より臨場感を
高めた位置を提供することができる。

【００２１】請求項１３の発明によれば、操作子に温冷
発生手段を有するので、手の動作に応じて、温冷感を発
生させれば、より臨場感を高めた装置を提供することが
できる。請求項１４の発明によれば、臭いを発生する臭
い発生手段を有するので、仮想環境に応じて、臭いを発
生させればより臨場感を高めた装置を提供することがで
きる。

【００２２】請求項１５の発明によれば、光を発生する
光発生手段を有するので、視覚的に臨場感を高めた装置
を提供することができる。請求項１６の発明によれば、
味覚を発生する味覚発生手段を有するので、味覚的に臨
場感を高めた装置を提供することができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。（実施例１）図１は本実施例の全体概要を示す構成図で
あり、ディスプレイ１を有するデータ記憶装置２が本実
施例の中枢を為す記憶表示装置を構成し、このデータ記
憶装置２は体感したい３次元空間及び物体を位置付けを
行なう機能と、操作子４のブレーキ２０の摩擦制御の指
令を与える等の機能を備え、上記の位置付けを行なう時
には、位置付けした物体が剛体であるか、弾性体である
かどうかの物体の材質情報や、その物体が引出しのよう
に直線上に拘束された物体であって直線抵抗力が何Ｋｇ
であるとか、或いは扉のようにある位置に回転中心を持
つ円弧上に拘束された物体であるというように、物体の
動きの拘束条件や抵抗力等の情報を同時に入力すること
ができるようになっている。

【００２４】観察者Ｍは３次元空間上で観察者Ｍの視線
の方向を検出できる立体視用位置検出器６と、立体視が
可能な立体視めがね３とを装着するようになっている。
立体視めがね３は左右に液晶表示器を備えたもので、そ
の液晶表示器に表示される画像Ｇは例えば立体視用画像
データ生成装置２４により生成されるＣＧにより構成さ
れ、座標変換器７は観察者Ｍの頭部に装着した立体視用
位置検出器６によって検出した位置座標系と、観察者Ｍ
の手に装着した部位用位置検出器６で検出した位置座標
系と、データ記憶装置２に記憶されている３次元物体の
位置座標系とを同一座標系に扱えるように座標変換し、
立体視用観察者Ｍの視点からの３次元物体Ｍと部位の位
置関係を表す信号を発生する。この信号を受ける立体視
用画像データ生成装置２４は上記位置関係を立体視でき
るように画像データを生成し、観察者Ｍが装着している
立体視めがね４の液晶表示器を通じて３次元物体と観察
者Ｍが力角を体感したい部位（この場合手Ｈ）とを示す
画像Ｇを観察者Ｍが見ることになる。

【００２５】本実施例では、観察者Ｍに対して力覚感を
感じたい体の部分、例えば手Ｈ等に力覚感を発生させる
装置として操作子４を設けており、この操作子４は固定
された支持台９に一端が関節１０によって水平面方向に
回転自在に支持されたアーム１１と、このアーム１１の
他端に垂直面方向に回転自在に関節１２により一端が連
結されたアーム１３と、このアーム１３の他端に垂直面
方向に回転自在に関節１４により一端が連結されたアー
ム１５と、このアーム１５の他端に関節１６により一端
が垂直面方向に回転自在に一端が支持されたアーム１７
と、このアーム１６に対して関節１８により上記アーム
１７の垂直回転方向に対して直交する垂直面に沿って回
転自在に支持されたグリップ１９とで構成され、空間上
を自由に移動できるように少なくとも３自由度を持つ機
構となっている。

【００２６】各関節１０，１２、１４、１６及び１８に
は回転方向に対して摩擦トルクを発生させるブレーキ２
０と、関節角度を検出するための角度検出器２１とを付
設してあり、ブレーキ２０は例えばデータ記憶装置２よ
り与えられる制動力指令値によって制御手段２２を通じ
て制御され、任意の摩擦トルクを発生できる構造となっ
ている。

【００２７】従って観察者Ｍに力覚感を与えるときは、
このブレーキ２０の制動力によって支持台９と、操作子
４の先端（グリップ１９の先端）とが結合して、観察者
Ｍに抵抗感を感じさせることができるようになってい
る。角度検出器２１は検出した関節角度を座標変換器２
３に与え、座標変換器２３は検出関節角度とデータ記憶
装置２から与えられる各関節間の距離情報を用いて操作
子４の先端（グリップ１９の先端）の位置を算出して、
この操作子４の先端の位置座標系と上記３次元物体の位
置座標系とを同一座標系で扱えるように座標変換を行
い、この座標変換データに基づいてデータ記憶装置２は
操作子４の先端の位置が３次元物体に接触したと判断し
た時に、制御手段２２を通じてブレーキ２０を動作さ
せ、観察者Ｍに力覚感を与え、３次元物体に接触してい
ないときには上記ブレーキ２０による制動を解除して観
察者に力覚感を与えないように制御する。

【００２８】このようにして、観察者Ｍは視覚の他に力
覚感により実際に３次元物体を動かしているような体験
感が得られることになる。図３は本実施例の関節１４に
設けられる上記ブレーキ２０の構造を示しており、アー
ム１３の先端はアーム１５の先端の凹部５ａに挿入さ
れ、先端の両側には軸１０６を突出してある。この軸１
０６はボールベアリングを用いた軸受け１０５で回転自
在に支持されている。アーム１５の端部外周には電磁石
１０１を設け、この電磁石１０１の外方向には磁性体か
らなるブレーキ板１０２が対置されている。このブレー
キ板１０２は軸１０６の一端に一体形成した支持体１０
４にコイルスプリング１０３を介して取着され、通常時
にあっては支持体１０４方向へコイルスプリング１０３
の弾発力で引き寄せられており、対向する電磁石１０１
の吸着面との間には隙間が存在している。この場合アー
ム１３、１５は軸１０６を中心として互いに自在に回転
ができるのである。そして電磁石１０１に制御手段２２
の制御の下で励磁電流を流すと、電磁石１０１の電磁吸
引力によりブレーキ板１０２が電磁石１０１に吸着され
る。従ってアーム１３、１５を回転させようとする、電
磁石１０１とブレーキ板１０２との間に摩擦力が生じ、
そのためアーム１３とアーム１５とが結合されることに
なる。つまり電磁石１０１とブレーキ板１０２とがブレ
ーキ２０を構成することになる。

【００２９】このような構成のブレーキ２０を各関節１
０，１２、１４、１６及び１８に設けることにより、上
述のような力覚感を観察者Ｍに与えることが可能とな
る。また軸１０６の他端には角度検出器２１を設けてあ
り、この角度検出器２１は軸１０６にスリットのあいた
円板を固定するとともに、円板を介して投光器、受光器
を対置し、軸１０６の回転時にスリットによって投光器
から受光器への光が通過したり、遮断されたりする回数
をカウントすることにより回転角度に変換して検出する
ようになっている。（実施例２）図４は本実施例の操作子４の構成を示して
おり、本実施例における操作子４は支持台９に一端が支
持された支柱３０と、この支柱３０に対し関節３１を通
じて水平面方向に回転自在に一端が支持されたアーム３
２と、このアーム３２の他端に水平面方向及び垂直面方
向に回転自在に関節３３を通じて連結されたアーム３４
と、このアーム３４の他端に設けられ、３自由度の回転
が可能なグリップ３５とで構成され、各関節３１、３３
にはブレーキ（図示せず）を夫々設け、また角度検出器
３７を設けてある。

【００３０】更にグリップ３５には水平面方向と、垂直
面方向の角度検出を行なうための角度検出器３６ａ，３
６ｂと、各回転軸にはブレーキ（図示せず）を設けてあ
る。而して本実施例では操作子４により３次元空間の移
動やその移動に伴う力覚停止はアーム３２、３４が担当
し、３次元空間の姿勢の変化やその姿勢の変換に伴う力
覚提示はグリップ３５が担当し、これにより各動作に伴
う力覚を独立に扱うことができ、力覚提示の制御を容易
にしているる。また操作子４の支持台９面積も水平多関
節、垂直多関節アーム構造によって小さくすることがで
き、本実施例における力覚提示手段を設置するときの設
置面積を小さくすることができる。

【００３１】尚ブレーキの制御等は実施例１の動作に準
ずる。（実施例３）本実施例は図５に示すように実施例２にお
けるアーム３４を関節３３ａ，３３ｂによりアーム３２
に連結するパラレルリンクにより構成し、このアーム３
４３４の垂直面方向移動の関節３３ｂのブレーキ（図示
せず）を動作させ、その他の関節３３ａ、３１に取り付
けてあるブレーキ（図示せず）の制動を解除することに
より、水平平面に沿わせる力覚を容易に実現できる。

【００３２】尚各アーム３２，３４の自由度に冗長性を
持たせるように構成し、その各自由度にパラレルリンク
を用いれば、上記と同様に各関節に取付けたブレーキを
制御することにより、複数の平面に沿わせる力覚を実現
することができる。尚グリップ３５の構造は実施例２に
おけるグリップ３５に準ずるため説明を省略する。

【００３３】（実施例４）本実施例の操作子４は、図６
に示すように２対の支持台９と、各対の支持台９間に橋
絡配置した支持体４０、４０とを、支持体４０に沿って
移動自在で且つ支持体４０の長手方向に対して直交する
方向に移動自在に装着された直行アーム４１と、この直
行アーム４１に上下方向に移動自在に装着された直行ア
ーム４２と、この直行アーム４２の上端に設けられた実
施例２、３と同様なグリップ３５とで構成され、直行ア
ーム４１の一端には長手方向の移動に対する制動をかけ
るためのブレーキ４４と、移動位置を検出するためのエ
ンコーダ４５とを備え、また一方の支持体４０の一端部
には直行アーム４１の支持体４０に沿った移動に対して
制御をかけるためのブレーキ４６と、直行アーム４１の
支持体４０に沿った移動位置を検出するためのエンコー
ダ４７とを備え、更に直交アーム４２の下端部には直交
アーム４２の上下移動に制動をかけるためのブレーキ４
８と、上下移動の位置を検出するためのエンコード４９
とを備えている。グリップ３５は実施例２におけるグリ
ップ３５に準ずるため説明を省略する。

【００３４】而して本実施例においても、操作子４によ
って、３次元空間上の特定の直線方向の抵抗感を伴う力
覚を実現することが容易になる。例えば観察者Ｍが操作
子4を手Ｈで操作するときに、直行アーム４１，４２の
各自由度の内、１自由度の関節たる部位に設けたブレー
キを動作させ、他のブレーキの制動を解除することによ
って直線方向の抵抗感を伴う力覚提示が容易に可能とな
る。

【００３５】（実施例５）本実施例の操作子４は、実施
例２に於ける操作子４と基本的には同じ構成であるが、
図７に示すようにグリップ３５を、アーム３４との間に
６軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θｘ，θｙ，θｚの各軸）の力セン
サ５０を取付け、操作子４とグリップ３５を持つ観察者
Ｍの手Ｈの間に働く反力を測定するようになっている。

【００３６】而して、この力センサ５０により検出した
反力を図１に示す制御手段２２にフィードバックし、各
関節３１，３３のブレーキの摩擦力を制御することによ
り、操作子４とグリップ３５を持つ観察者Ｍの手Ｈの間
に働く反力、すなわち、観察者の体感する力覚感を任意
の値に精度良くする制御することができる。尚操作子４
と、観察者Ｍの間に働く反力の測定方法として、操作子
４の各関節３１，３３に加わるトルクを測定し、その値
と各関節３１，３２間の距離等を用いて、演算して求め
る方法もある。

【００３７】（実施例６）本実施例の操作子４は基本的
には実施例１の操作子４と同じ構成であるが、図８に示
すように各関節１０，１２、１４、１６及び１８にブレ
ーキ２０以外にモータ５１を設け、このモータ５１を図
９に示すように座標変換器２３の信号に基づいた制御手
段２５からの駆動力指令値により制御するようにした点
で相違しており、本実施例における観察者Ｍが力覚感を
感じる方法は実施例１と同様に操作子４の各関節１０，
１２，１４，１６及び１８に設けたブレーキ２０の摩擦
力を制御する方法を用いるが、各関節１０，１２，１
４，１６及び１８に設けたモータ５１は、観察者Ｍが操
作子４を操作する時に、操作子４自身の慣性力、重力、
コリオリ力等のダイナミック補償を行なうために用い
る。

【００３８】而して観察者Ｍが３次元空間上の自由に動
作している状態、即ち、観察者Ｍに力覚を感じさせない
状態では、各関節１０，１２，１４，１６及び１８に取
付けたブレーキを全て解除した操作子４を観察者Ｍが操
作することになるが、このとき、観察者Ｍがゆっくり動
作した場合は、操作子４自身の動作に伴う力（慣性力
等）を観察者Ｍは感じることはないが、観察者Ｍが早く
操作した場合はその力（慣性力等）を観察者Ｍが感じて
しまい、所望の力覚提示（ここでは、観察者Ｍが全ての
方向に対して力覚を感じさせないこと）を観察者Ｍにす
ることができない。従って、操作子４の各関節１０，１
２，１４，１６及び１８に設けたモータ５１を用いて、
観察者Ｍに３次元空間上を自由に動作している状態で、
且つ操作子４自身の動作に伴って発生する力（慣性力
等）が所定の力以上になれば、その力を打ち消すように
モータトルクを制御し、観察者Ｍが３次元空間上をフリ
ーの状態で動作している力覚感を提示する。

【００３９】また、上記以外に観察者Ｍが軽量のものを
持った場合や、ゆるやかな水の流れを体感するときの力
覚提示時に操作子Ｍの各関節１０，１２，１４，１６及
び１８に取り付けたモータトルクを制御し、所望の力覚
提示を観察者に与えることもできる。図１０は本実施例
の関節１４に設けられる上記ブレーキ２０の構造を示し
ており、図３の場合と異なるのは軸１０６とモータ５１
の出力軸とを連結して、モータトルクが発生すると、ア
ーム１３とアーム１５との間にトルクが発生させるよう
にしてある点である。尚角度検出器２１はモータ５１の
出力軸にスリットのあいた円板を固定している点で図３
の場合と異なる。

【００４０】各関節１０，１２、１６及び１８も関節１
４と同様な構造となっているのは勿論である。（実施例７）本実施例は、仮想的な壁に接触する力覚提
示を行なうための操作子４を用いてもので、図１１に示
すように３次元空間上で、Ｙ軸方向に平行，Ｘ軸方向に
垂直な平面の壁を想定し、体感する３次元空間上のＸ＝
Ｘｗを壁面とし、Ｘ＜Ｘｗの領域を壁、それ以外の領域
を自由空間として定義する。

【００４１】観察者Ｍは、観察者Ｍの視線を検出するた
めの立体視用位置検出器６と、体感する３次元空間上の
物体（ここでは壁面）を立体視することが可能な立体視
めがね３と、力覚感を体感したい観察者Ｍの部位（例え
ば手Ｈ）の位置を検出するための部位用位置検出器８と
を付け、力覚感を提示するための操作子４を手Ｈで持
つ。

【００４２】また上記壁面と観察者Ｍの視線の位置と観
察者Ｍの手Ｈの位置の各座標系を同一にする座標変換器
（図示せず）と、その座標変換の結果を元に立体視用位
置検出器６の座標系を基準として視覚データを作成し、
この視覚データによる画像を観察者Ｍの動作に応じて逐
次立体視めがね３の表示器を通して提示する。この提示
手段としては例えば実施例１における画像データ生成装
置２４等を用いる。

【００４３】操作子４は一端を関節６０により垂直面方
向に回動自在に支持されたアーム６１と、このアーム６
１の他端に関節６２により垂直面方向に回動自在に一端
が支持されたアーム６３と、このアーム６３の他端に関
節６４により水平面方向に回転自在に支持されたアーム
６５とで構成され、各関節６０、６２、６４には角度検
出器（図示せず）が設けれ、この角度検出器によって検
出した各関節６０、６２、６４の関節角度θ₁，θ₃，
θ₂と、各関節６０、６２、６４間の距離を用いて、操
作子４の先端位置を演算する手段（図示せず）と、また
該手段で演算して得られた操作子４の先端位置座標系
と、３次元空間上に設定した壁位置座標系を、夫々の座
標系を同一にして変換する座標変換器（図示せず）とを
備えている。

【００４４】この座標変換器によって操作子４の先端位
置座標系と、３次元空間上に設定した壁位置座標系は同
一座標系に変換されて比較され、その比較によって操作
子４の各関節６０、６２、６４に取り付けたブレーキ
（図示せず）の摩擦力を制御手段（図示せず）により制
御する。例えば、操作子４の先端位置Ｘが、壁位置Ｘｗ
より、大きい場合は、観察者Ｍが壁に接触していないと
判断し、操作子４の各関節６０、６２、６４に設けてあ
るブレーキの動作を全て解除し、観察者Ｍが力覚感を感
じないようにする。また操作子４の先端位置Ｘが壁位置
Ｘｗより小さい場合には、観察者Ｍが壁に接触している
と判断し、操作子４の各関節６０、６２、６４に設けて
あるブレーキを動作させ、観察者Ｍに壁面と接触した力
覚感を提示する。

【００４５】ここで上記判断する手段としては実施例１
におけるデータ記憶装置２等が用いられる。更に操作子
先端日Ｘが壁位置Ｘｗより小さい場合、すなわち、観察
者Ｍが壁に接触している状態で（Ｘ＜Ｘｗ）で、操作子
４の先端の速度を検出し、その値をブレーキの摩擦力制
御に用いる。

【００４６】例えば操作子４先端の速度が正方向、即
ち、操作子４の先端速度が壁から離れる方向にある場
合、操作子４の各関節６０、６２、６４に取り付けたブ
レーキを動作させ、観察者Ｍに壁面と接触した力覚感を
提示する。このように操作子４先端の位置だけでなく、
速度情報も用いて操作子４の各関節６０，６２，６４に
取付けたブレーキの摩擦力を制御をすることによって、
より現実に近い物体への接触感を観察者Ｍに提示するこ
とができる。

【００４７】上記の操作子４先端の速度検出方法として
は、操作子４先端の位置とサンプリング時間を用いて演
算することにより検出することができる。例えば各関節
６０，６２，６４に取り付けた角度検出器の検出値から
演算した図１２に示す現在の操作子先端位置Ｘｎと、１
サンプル前の操作子４の先端位置Ｘｎ_-1の差をサンプリ
ング時間で割ることによって、操作子速度の近似値を求
め、この求めた値を操作子４先端の速度とするのであ
る。

【００４８】尚この方法以外には部分回路を用いても良
いし、ローパスフィルタを付加した部分演算を行なって
もよい。図１３は上述した本実施例の制御のフローチャ
ートを示す。（実施例８）上記実施例７では壁面の接触の力覚提示時
に操作子４先端の位置及び速度情報を用いてブレーキの
摩擦制御を行なっているが、本実施例では、ブレーキの
摩擦制御の際して上記情報に加えて操作子４先端の力情
報を利用するようにしたものである。

【００４９】つまり本実施例では、操作子４の位置と壁
面の位置の比較判断までは実施例７と同じであるが、観
察者Ｍは壁面に接触している状態（Ｘ＜Ｘｗ）で、図１
４に示すように操作子４先端に加えられる力ＦＸ及び操
作子４先端位置の差分（Ｘ_n−Ｘ_n-1）による操作子４
の先端の速度を用いて、各関節６０，６２，６４のブレ
ーキの摩擦力の制御を行なう。例えば、観察者Ｍが壁面
に接触している状態（Ｘ＜Ｘｗ）で、操作子４の先端の
速度が壁面に向かう方向にある場合、操作子４の各関節
６０，６２，６４のブレーキを動作させ、観察者Ｍに壁
面と接触した力感覚を提示する。逆に、操作子４先端に
加えられる力ＦＸが壁面から離れる方向にある場合、操
作子４の各関節６０，６２，６４のブレーキの動作を解
除し、観察者Ｍに壁面の接触状態から非接触に移る力覚
感を提示する。

【００５０】このようにして操作子４の先端に加えられ
る力ＦＸを検出し、その信号を用いてブレーキの摩擦力
を制御することによって、操作子４の先端の変化なしに
壁面の接触状態から非接触状態に移る力覚感を提示する
ことが可能であるため、弾性の高い壁（固い壁）への接
触、非接触の力角感提示が可能になる。図１５は上述し
た本実施例の制御のフローチャートを示す。

【００５１】（実施例９）本実施例は操作子４の構成は
実施例７と基本的に同じであるが、操作子４の各関節６
０，６２，６４のブレーキの摩擦力制御によって、仮想
的な引き出し等の開閉動作に当たる直進抵抗感を体感さ
せる力覚提示を行なう。まず図１６に示すように３次元
空間上で、Ｙ軸方向に平行で、Ｘ軸方向に垂直な平面の
壁を想定する。そして、体感する３次元空間上でＸ＝Ｘ
ｗの領域を壁面、Ｘ＜Ｘｗの領域を壁、それ以外の領域
を自由空間と定義する。また、仮想壁面上に、引き出し
位置Ｙｐ±α（αは引き出し許容範囲）、引き出し抵抗
力Ｆｐを定義する。

【００５２】次に、観察者Ｍは実施例７と同様に、立体
視用位置検出器６と立体視めがね３と部位用位置検出器
８とを付け、操作子４を持ち、３次元空間上を動く。こ
こで観察者Ｍが自由空間上で、動作しているときは、操
作子４の各関節６０，６２，６４に取り付けたブレーキ
の動作を解除し、観察者Ｍが力覚を感じないようにす
る。

【００５３】次に観察者Ｍが立体視めがね３の表示器の
画像を見ながら操作子４を引き出し位置近傍に持ってく
ると、操作子位置（Ｘ，Ｙ）と、壁位置Ｘｗ、引き出し
把手位置Ｙｐを比較する。ここで操作子位置Ｘが、壁位
置Ｘｗより小さく且つ引き出し把手位置Ｙｐ±α内であ
る場合は、引き出し把手に接触していると判断し、操作
子４の各関節６０，６２，６４のブレーキを動作させ、
観察者に引き出し把手に接触した力覚を提示する。

【００５４】次に観察者Ｍが操作子４をＸ軸方向に移動
させ、予め決められた引き出し限界まできたり、Ｘ軸の
負方向に移動させ壁面までくると、操作子４の各関節６
０，６２，６４のブレーキを全て動作させ、引き出しの
限界の力覚を観察者Ｍに提示する。また観察者Ｍが操作
子４をＹ軸方向に移動させ、Ｙｐ±αの範囲を越えたと
きは、操作子４の各関節６０，６２，６４のブレーキを
全て動作させ、引き出しをこじたときの力覚を観察者Ｍ
に提示する。

【００５５】このように本実施例では、操作子４の各関
節６０，６２，６４のブレーキの摩擦力を制御すること
によって仮想的な引き出し等の開閉動作の力覚を観察者
Ｍに提示することができる。図１７は上述の制御のフロ
ーチャートを示す。（実施例１０）実施例９は引き出し等の開閉動作に当た
る直進抵抗感を体感させる力覚提示を行なうものであっ
たが、本実施例では操作子４の各関節６０，６２，６４
のブレーキの摩擦力制御によって、仮想的な扉等の開閉
動作に当たる回転抵抗感を体感させる力覚提示を行なう
ものであり、操作子４としては基本的には実施例７の操
作子４と同様な構成のものを使用する。まず図１８に示
すように３次元空間上で、Ｙ軸方向に平行で、Ｘ軸方向
に垂直な平面の壁を想定する。そして、体感する３次元
空間上でＸ＝Ｘｗの領域を壁面、Ｘ＜Ｘｗの領域を壁、
それ以外の領域を自由空間と定義する。また、仮想壁面
上に、扉位置Ｙｑ±α（αは扉許容範囲）、扉回転抵抗
力Ｆｑを定義する。

【００５６】次に、観察者Ｍは実施例９と同様に、立体
視用位置検出器６と立体視めがね３と部位用位置検出器
８とを付け、操作子４を持ち、３次元空間上を動く。こ
こで観察者Ｍが自由空間上で、動作しているときは、操
作子４の各関節６０，６２，６４に取り付けたブレーキ
の動作を解除し、観察者Ｍが力覚を感じないようにす
る。

【００５７】次に観察者Ｍが立体視めがね３の表示器の
画像を見ながら操作子４を扉位置近傍に持ってくると、
操作子位置（Ｘ，Ｙ）と、壁位置Ｘｗ、扉把手位置Ｙｐ
を比較する。ここで操作子位置Ｘが、壁位置Ｘｗより小
さく且つ扉把手位置Ｙｐ±α内である場合は、扉把手に
接触していると判断し、操作子４の各関節６０，６２，
６４のブレーキを動作させ、観察者に扉把手に接触した
力覚を提示する。

【００５８】次に観察者Ｍが操作子４を回転中心Ｏ、回
転半径Ｒ±α以内で移動させとき、操作子４の先端の抵
抗力の大きさが回転抵抗力Ｆｑで、方向が回転中心Ｏ、
半径を操作子４と回転中心Ｏ間の距離とする円の接線方
向になるように操作子４の各関節６０，６２，６４のブ
レーキを全て動作させ、扉の限界の力覚を観察者Ｍに提
示する。更に観察者Ｍが操作子４を回転中心Ｏ、回転半
径Ｒ±α以外に移動させたときは、操作子４の各関節６
０，６２，６４のブレーキを全て動作させ、扉の可動範
囲外であることを観察者Ｍに提示する。

【００５９】このように本実施例では、操作子４の各関
節６０，６２，６４のブレーキの摩擦力を制御すること
によって仮想的な扉等の開閉動作の力覚を観察者Ｍに提
示することができる。図１９は上述の制御のフローチャ
ートを示す。（実施例１１）本実施例は操作子４の各関節６０，６
２，６４のブレーキの摩擦力制御によって、仮想的な流
体内で動作したときに生じる流体抵抗感を体感させる力
覚提示を行なうものであり、操作子４としては基本的に
は実施例７の操作子４と同様な構成のものを使用する。

【００６０】まず本実施例では、図２０に示すように３
次元空間上で、Ｘｆ₁＜Ｘ＜Ｘｆ₂、Ｙｆ₁＜Ｙ＜Ｙｆ
₂の範囲内で、粘性抵抗がＦｆである流体領域を定義す
る。次に、観察者Ｍは実施例１０と同様に、立体視用位
置検出器６と立体視めがね３と部位用位置検出器８とを
付け、操作子４を持ち、３次元空間上を動く。ここで観
察者Ｍが自由空間上で、動作しているときは、操作子４
の各関節６０，６２，６４に取り付けたブレーキの動作
を解除し、観察者Ｍが力覚を感じないようにする。

【００６１】次に観察者Ｍが立体視めがね３の表示器の
画像を見ながら操作子４を自由空間から仮想流体内に移
動させたときの、力覚停止について説明する。まず観察
者Ｍが操作子４を移動させたとき、操作子４の位置
（Ｘ，Ｙ）がＸｆ₁＜Ｘ＜Ｘｆ₂、Ｙｆ₁＜Ｙ＜Ｙｆ₂
の範囲内にあるか、ないかを判断する、もし上記の範囲
外であるとときは操作子４の各関節６０，６２，６４の
全てのブレーキの動作を解除し、観察者Ｍが力覚を感じ
ないようにする。逆に上記の範囲内であると判断され
たときは、操作子４の速度と、予め設定している粘性抵
抗Ｆｆの積を計算し、その演算結果を流体内の抵抗力の
大きさとし、その抵抗力の方向を操作子４の速度の逆方
向とする。この操作子４の先端での抵抗力の大きさと方
向が決まれば、その抵抗力を発生させるように操作子４
の各関節６０，６２，６４のブレーキの摩擦力を制御す
る。各ブレーキの摩擦力の設定方法としては、幾何学的
な力の釣合いをから決定しても良いし、操作子４の先端
の力をフィードバックして、各ブレーキの摩擦力を調整
しても良い。

【００６２】また操作子４の先端の速度検出として、前
記した操作子４の先端位置の数値微分を用いて演算して
も良く、また実施例７で示した速度演算方法を用いても
良い。このように本実施例では操作子４の各関節６０，
６２，６４のブレーキの摩擦力を制御することによって
仮想的な流体内の粘性抵抗の力覚を観察者Ｍに提示する
ことができる。

【００６３】図２１は上述の制御のフローチャートを示
す。（実施例９）上記各実施例では観察者Ｍに対して立体視
めがね３によって視覚的な仮想現実感を与え、また操作
子４を通じて力覚提示を行なっているが、本実施例では
図２２に示すようにデータ記憶装置２に音発生用のボー
ド（図示せず）を組み込み、アンプ（図示せず）を通じ
て観察者Ｍが装着しているヘッドホン７０で再生するよ
うにしたものである。

【００６４】つまり、データ記憶装置２に予め予想され
る発生音を記憶させ、仮想空間内で必要に応じて観察者
Ｍにヘッドホン７０を通じてその発生音が聞こえるよう
に制御する。例えば水道の蛇口の操作ハンドル（図示せ
ず）を抑えて水を出した場合、水の流れる音をヘッドホ
ン７０から聞こえるように当該音信号を音発生用のボー
ドより発生させてヘッドホン７０で再生させる。また持
っているものを落とした場合にも床と落下物との衝突音
に対応する音信号を音発生用のボードより発生させてヘ
ッドホン７０で再生させる。このようにして仮想空間内
に於いて音発生の事象が起きた場合には、これに応じた
音を発生させて観察者Ｍの仮想現実体験により臨場感を
高めることができる。

【００６５】また温冷発生手段７１により通電が制御さ
れる電熱ヒータ線（図示せず）及び冷却液の循環が制御
される冷却液循環用ホース（図示せず）を具備したグリ
ップ７２を操作子４の先端に設け、このグリップ７２を
持つ観察者Ｍの手Ｈの動作に応じて温冷感を発生させる
ようにしても良い。この場合仮想空間内で温かい湯に接
触すれば、電熱ヒータ線に電流を流して少しグリップ７
２を暖め手Ｈに温かい感じを提示する。また冷たい氷に
触れた場合はホースに冷却液を流してグリップ７２を冷
し、手Ｈに冷たい感じを提示する。このホースに中を流
れる液体は温度制御できる装置を通すものとする。

【００６６】更に観察者Ｍの鼻の近くに匂い循環用ホー
ス７３を配置して予想される匂いを発生させる匂い発生
手段７４から匂い循環用ホース７３に匂いを含む空気を
送り込むようにし、データ記憶装置２の指令を下に、そ
の匂いを含む空気を匂い循環用ホース７３を通じて観察
者Ｍの鼻の近くまで送り、観察者Ｍが仮想空間内の花に
鼻を近づけたときは、その匂いを含む空気を観察者Ｍの
鼻の近くに流すと、観察者Ｍは非常に現実感のある体験
が得られることになる。

【００６７】また更に観察者Ｍが付ける立体視めがね３
の中に閃光を発生させることができるフラッシュ発生手
段（図示せず）を備え、データ記憶装置２の指令の下
に、光指示用コントローラ（図示せず）を接続し、電源
を介してフラッシュ発生手段から閃光が発生できるよう
にする。この場合例えば、仮想空間内で雷等の強烈な光
を発生させることが必要な場合に、これに対応させてデ
ータ記憶装置２の指令の下でフラッシュ発生手段から閃
光を発生させることにより、観察者Ｍはより臨場感のあ
る体験が得られることになる。

【００６８】更にまた甘味、辛味、酸味、塩辛味等の味
を含む液体を予め用意し、データ記憶装置２の指令によ
り、それらの味の一部を選択して観察者Ｍの口に一端が
挿入されているチューブ７４に流す味覚発生手段７５を
備え、観察者Ｍに味覚を提示するようにしても良い。例
えば仮想空間内でジュースを飲んだ場合、そのジュース
を予め用意しておき、そのジュースを口に流し込むこと
により、観察者Ｍはより臨場感のある体験が得られるこ
とになる。

【００６９】

【発明の効果】請求項１の発明は、３次元空間上で３次
元物体の位置及び物体情報を記憶、表示する記憶表示装
置と、人の視線方向を検出するための立体視用位置検出
器と、人が力覚を体感したい部位の位置を検出するため
の部位用位置検出器と、上記３次元物体の位置座標系及
び立体視用位置検出器、部位用位置検出器の位置座標系
を同一に設定する座標変換器と、上記座標変換器を用い
て決定した３次元物体の位置と前記部位の位置との画像
データを生成する立体視用画像データ生成装置と、前記
立体視用画像データ生成装置から得た前記３次元物体の
位置と前記部位の位置とからなる表示内容を観察する立
体視メガネと、他端に支持台を設け、その支持台から少
なくとも３自由度を有するようにアームと関節と用いて
連結し、各関節に摩擦抵抗からなる制動手段と各関節の
変位を検出する検出手段とを有し人が操作する操作子
と、この操作子の各関節の変位検出値と、関節間の距離
を用いて得られる操作子位置座標系と上記３次元物体の
位置座標系とを同一に設定する座標変換器と、上記３次
元物体の予め決められた位置に上記操作子が到達する
と、上記操作子の各関節に取り付けた上記制動手段を動
作させる制御手段とを有するので、視覚情報に加え、力
覚情報も同時に体感できる３次元シミュレーション観察
が可能になり、また操作子を用いることにより、人に対
して安全であり、且つ小型でコンパクトな力覚提示手段
を提供することが可能となるという効果がある。

【００７０】請求項２の発明は、少なくとも３自由度を
持つ水平多関節又は垂直多関節のアームと、該アームの
先端に設けられ少なくとも３自由度を持つグリップと、
各関節に設置した関節の位置を検出する検出手段及び制
動手段とからなる操作子を有するので、空間上の人の移
動と姿勢の変化に対する力覚を独立に制御できるため、
観察者への力覚停止の制御が簡単になり、また水平多関
節又は垂直多関節アームを用いることにより、操作子を
設置するときの面積が小さくて良いという効果がある。

【００７１】請求項３の発明は、少なくとも一つのパラ
レルリンク機構を持つアームと、各関節の角度を検出す
る角度検出手段及び制動手段とからなる操作子を有する
ので、水平面に沿わせる力覚を実現する制御が容易にな
るという効果がある。請求項４の発明は、少なくとも３
自由度を持つ直交アームと、このアーム先端に設けられ
少なくとも３自由度を持つグリップと、各関節に設置し
た関節の位置を検出する検出手段及び制動手段とからな
る操作子を有するので、空間上の人の移動と姿勢の変化
に対する力覚を独立に制御できるため、観察者への力覚
提示の制御が簡単になり、且つ特定の平面に沿わせる力
覚を実現する制御が容易になるという効果がある。

【００７２】請求項５の発明は、各関節の角度を検出す
る角度検出手段と、各関節の力を検出する力検出手段
と、各関節を制動する制動手段とからなる操作子を有す
るので、人が実際に感じている力覚情報を操作子にフィ
ードバックして制御でき、そのためより現実に近い力覚
を実現することが可能になるという効果がある。請求項
６の発明は、各関節の角度を検出する角度検出手段と、
各関節を制動する制動手段と、各関節を駆動する駆動手
段とからなる操作子と、上記制動手段の制動力と上記駆
動手段の駆動力を選択して、制御する制御手段とを有す
るので、操作子自身の持つ慣性力、重力等の補償が可能
になり、人が操作子を持って操作する時にそれらの力を
感じなくて済むために、より現実に近い力覚を実現する
ことが可能になるという効果がある。

【００７３】請求項７の発明は、予め決められた３次元
物体の位置と操作子位置及び速度を用いて操作子の各関
節に取り付けた制動手段を動作させる制御手段を有する
ので、仮想物体に接触する感じをよりリアルに体感させ
ることが可能になるという効果がある。請求項８の発明
は、操作子位置が予め決められた３次元物体位置に到達
し、操作子速度が予め決められた３次元物体の中心方向
にある時、制動手段の制動力を発生させ、操作子の力が
予め決められた３次元物体の中心方向と逆方向にある
時、制動手段の制動力を解除する制御手段を有するの
で、硬い仮想物体に接触する感じをよりリアルに体感さ
せることが可能になるという効果がある。請求項９又
は１０の発明は、操作子位置が予め決められた直線領域
又は円弧領域に到達すると、操作子先端における力と各
関節の力の関係を用いて、各関節に設置した制動手段の
制動力を所定値に制御する制御手段を有するので、仮想
的な引出し等の直線抵抗感や、仮想的な扉、蛇口等の回
転抵抗感の力覚を実現できるという効果がある。

【００７４】請求項１１の発明は、操作子位置が予め決
められた領域に到達すると、操作子先端における力及び
速度と各関節の力の関係を用いて、各関節に設置した制
動手段の制動力を所定値に制御する制御手段を有するの
で、水中等の流体内で人が動作した時に生じる粘性抵抗
感の力覚を実現することができるという効果がある。請
求項１２の発明は、音を発生する音発生手段を有するの
で、手の動作に応じて操作音を発生させれば、より臨場
感を高めた位置を提供することができるという効果があ
る。

【００７５】請求項１３の発明は、操作子に温冷発生手
段を有するので、手の動作に応じて、温冷感を発生させ
れば、より臨場感を高めた装置を提供することができる
という効果がある。請求項１４の発明は、臭いを発生す
る臭い発生手段を有するので、仮想環境に応じて、臭い
を発生させればより臨場感を高めた装置を提供すること
ができるという効果がある。

【００７６】請求項１５の発明は、光を発生する光発生
手段を有するので、視覚的に臨場感を高めた装置を提供
することができるという効果がある。請求項１６の発明
は、味覚を発生する味覚発生手段を有するので、味覚的
に臨場感を高めた装置を提供することができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明は実施例１の概要構成図である。

【図２】同上の動作説明用の構成図である。

【図３】同上使用の関節の詳細説明図である。

【図４】本発明の実施例２に用いる操作子の斜視図であ
る。

【図５】本発明の実施例３に用いる操作子の斜視図であ
る。

【図６】本発明の実施例４に用いる操作子の斜視図であ
る。

【図７】本発明の実施例５に用いる操作子の斜視図であ
る。

【図８】本発明の実施例６に用いる操作子の側面図であ
る。

【図９】同上の動作説明用の構成図である。

【図１０】同上使用の関節の詳細説明図である。

【図１１】本発明の実施例７の概要説明図である。

【図１２】同上の操作子の先端位置の偏移の説明図であ
る。

【図１３】同上の制御のフローチャートである。

【図１４】本発明の実施例８の操作子の先端位置の偏移
及び先端に働く力の説明図である。

【図１５】同上の制御のフローチャートである。

【図１６】本発明の実施例８の操作子の先端位置の偏移
及び先端に働く力の説明図である。

【図１７】同上の制御のフローチャートである。

【図１８】本発明の実施例１０の概要説明図である。

【図１９】同上の制御のフローチャートである。

【図２０】本発明の実施例１１の概要説明図である。

【図２１】同上の制御のフローチャートである。

【図２２】本発明は実施例１２の概要構成図である。

【符号の説明】

１ディスプレイ２コンピュータ３立体視めがね４操作子６立体視用位置検出器７座標変換器８部位用位置検出器２０ブレーキ２１角度検出器２２制御手段２３座標変換器Ｍ観察者

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年７月６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】

【作用】請求項１の発明によれば、３次元空間上で３次
元物体の位置及び物体情報を記憶、表示する記憶表示装
置と、人の視線方向を検出するための立体視用位置検出
器と、人が力覚を体感したい部位の位置を検出するため
の部位用位置検出器と、上記３次元物体の位置座標系及
び立体視用位置検出器、部位用位置検出器の位置座標系
を同一に設定する座標変換器と、上記座標変換器を用い
て決定した３次元物体の位置と前記部位の位置との画像
データを生成する立体視用画像データ生成装置と、前記
立体視用画像データ生成装置から得た前記３次元物体の
位置と前記部位の位置とからなる表示内容を観察する立
体視メガネと、他端に支持台を設け、その支持台から少
なくとも３自由度を有するようにアームと関節と用いて
連結し、各関節に摩擦抵抗からなる制動手段と各関節の
変位を検出する検出手段とを有し人が操作する操作子
と、この操作子の各関節の変位検出値と、関節間の距離
を用いて得られる操作子位置座標系と上記３次元物体の
位置座標系とを同一に設定する座標変換器と、上記３次
元物体の予め決められた位置に上記操作子が到達する
と、上記操作子の各関節に取り付けた上記制動手段を動
作させる制御手段とを有するので、視覚情報に加え、力
覚情報も同時に体感できる３次元シミュレーション観察
が可能になり、また本発明の操作子を用いることによ
り、人に対して安全であり、且つ小型でコンパクトな力
覚提示手段を提供することが可能となる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】請求項３の発明によれば、少なくとも一つ
のパラレルリンク機構を持つアームと、各関節の角度を
検出する角度検出手段及び制動手段とからなる操作子を
有するので、平面に沿わせる力覚を実現する制御が容易
になる。請求項４の発明によれば、少なくとも３自由度
を持つ直交アームと、このアーム先端に設けられ少なく
とも３自由度を持つグリップと、各関節に設置した関節
の位置を検出する検出手段及び制動手段とからなる操作
子を有するので、空間上の人の移動と姿勢の変化に対す
る力覚を独立に制御できるため、観察者への力覚提示の
制御が簡単になり、且つ特定の平面に沿わせる力覚を実
現する制御が容易になる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２４】観察者Ｍは３次元空間上で観察者Ｍの視線
の方向を検出できる立体視用位置検出器６と、立体視が
可能な立体視めがね３とを装着するようになっている。
立体視めがね３は左右に液晶表示器を備えたもので、そ
の液晶表示器に表示される画像Ｇは例えば立体視用画像
データ生成装置２４により生成されるＣＧにより構成さ
れ、座標変換器７は観察者Ｍの頭部に装着した立体視用
位置検出器６によって検出した位置座標系と、観察者Ｍ
の手に装着した部位用位置検出器６で検出した位置座標
系と、データ記憶装置２に記憶されている３次元物体の
位置座標系とを同一座標系に扱えるように座標変換し、
立体視用観察者Ｍの視点からの３次元物体Ｍと部位の位
置関係を表す信号を発生する。この信号を受ける立体視
用画像データ生成装置２４は上記位置関係を立体視でき
るように画像データを生成し、観察者Ｍが装着している
立体視めがね４の液晶表示器を通じて３次元物体と観察
者Ｍが力覚を体感したい部位（この場合手Ｈ）とを示す
画像Ｇを観察者Ｍが見ることになる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４５】ここで上記判断する手段としては実施例１
におけるデータ記憶装置２等が用いられる。更に操作子
先端位置Ｘが壁位置Ｘｗより小さい場合、すなわち、観
察者Ｍが壁に接触している状態で（Ｘ＜Ｘｗ）で、操作
子４の先端の速度を検出し、その値をブレーキの摩擦力
制御に用いる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４８】尚この方法以外には微分回路を用いても良
いし、ローパスフィルタを付加した微分演算を行なって
もよい。図１３は上述した本実施例の制御のフローチャ
ートを示す。（実施例８）上記実施例７では壁面の接触の力覚提示時
に操作子４先端の位置及び速度情報を用いてブレーキの
摩擦制御を行なっているが、本実施例では、ブレーキの
摩擦制御の際して上記情報に加えて操作子４先端の力情
報を利用するようにしたものである。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５０】このようにして操作子４の先端に加えられ
る力ＦＸを検出し、その信号を用いてブレーキの摩擦力
を制御することによって、操作子４の先端の変化なしに
壁面の接触状態から非接触状態に移る力覚感を提示する
ことが可能であるため、弾性の高い壁（固い壁）への接
触、非接触の力覚感提示が可能になる。図１５は上述し
た本実施例の制御のフローチャートを示す。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６９】

【発明の効果】請求項１の発明は、３次元空間上で３次
元物体の位置及び物体情報を記憶、表示する記憶表示装
置と、人の視線方向を検出するための立体視用位置検出
器と、人が力覚を体感したい部位の位置を検出するため
の部位用位置検出器と、上記３次元物体の位置座標系及
び立体視用位置検出器、部位用位置検出器の位置座標系
を同一に設定する座標変換器と、上記座標変換器を用い
て決定した３次元物体の位置と前記部位の位置との画像
データを生成する立体視用画像データ生成装置と、前記
立体視用画像データ生成装置から得た前記３次元物体の
位置と前記部位の位置とからなる表示内容を観察する立
体視メガネと、他端に支持台を設け、その支持台から少
なくとも３自由度を有するようにアームと関節と用いて
連結し、各関節に摩擦抵抗からなる制動手段と各関節の
変位を検出する検出手段とを有し人が操作する操作子
と、この操作子の各関節の変位検出値と、関節間の距離
を用いて得られる操作子位置座標系と上記３次元物体の
位置座標系とを同一に設定する座標変換器と、上記３次
元物体の予め決められた位置に上記操作子が到達する
と、上記操作子の各関節に取り付けた上記制動手段を動
作させる制御手段とを有するので、視覚情報に加え、力
覚情報も同時に体感できる３次元シミュレーション観察
が可能になり、また本発明の操作子を用いることによ
り、人に対して安全であり、且つ小型でコンパクトな力
覚提示手段を提供することが可能となるという効果があ
る。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７１】請求項３の発明は、少なくとも一つのパラ
レルリンク機構を持つアームと、各関節の角度を検出す
る角度検出手段及び制動手段とからなる操作子を有する
ので、平面に沿わせる力覚を実現する制御が容易になる
という効果がある。請求項４の発明は、少なくとも３自
由度を持つ直交アームと、このアーム先端に設けられ少
なくとも３自由度を持つグリップと、各関節に設置した
関節の位置を検出する検出手段及び制動手段とからなる
操作子を有するので、空間上の人の移動と姿勢の変化に
対する力覚を独立に制御できるため、観察者への力覚提
示の制御が簡単になり、且つ特定の平面に沿わせる力覚
を実現する制御が容易になるという効果がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 9365−5ＨＧ０６Ｆ 15/62 ３６０

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３次元空間上で３次元物体の位置及び物体
情報を記憶、表示する記憶表示装置と、人の視線方向を
検出するための立体視用位置検出器と、人が力覚を体感
したい部位の位置を検出するための部位用位置検出器
と、上記３次元物体の位置座標系及び立体視用位置検出
器、部位用位置検出器の位置座標系を同一に設定する座
標変換器と、上記座標変換器を用いて決定した３次元物
体の位置と前記部位の位置との画像データを生成する立
体視用画像データ生成装置と、前記立体視用画像データ
生成装置から得た前記３次元物体の位置と前記部位の位
置とからなる表示内容を観察する立体視メガネと、他端
に支持台を設け、その支持台から少なくとも３自由度を
有するようにアームと関節と用いて連結し、各関節に摩
擦抵抗からなる制動手段と各関節の変位を検出する検出
手段とを有し人が操作する操作子と、この操作子の各関
節の変位検出値と、関節間の距離を用いて得られる操作
子位置座標系と上記３次元物体の位置座標系とを同一に
設定する座標変換器と、上記３次元物体の予め決められ
た位置に上記操作子が到達すると、上記操作子の各関節
に取り付けた上記制動手段を動作させる制御手段とを有
することを特徴とする３次元物体の体感シミュレーショ
ン装置。
【請求項２】少なくとも３自由度を持つ水平多関節又は
垂直多関節のアームと、該アームの先端に設けられ少な
くとも３自由度を持つグリップと、各関節に設置した関
節の位置を検出する検出手段及び制動手段とからなる操
作子を有することを特徴とする請求項１記載の３次元物
体の体感シミュレーション装置。
【請求項３】少なくとも一つのパラレルリンク機構を持
つアームと、各関節の角度を検出する角度検出手段及び
制動手段とからなる操作子を有することを特徴とする請
求項２記載の３次元物体の体感シミュレーション装置。
【請求項４】少なくとも３自由度を持つ直交アームと、
このアーム先端に設けられ少なくとも３自由度を持つグ
リップと、各関節に設置した関節の位置を検出する検出
手段及び制動手段とからなる操作子を有することを特徴
とする請求項１記載の３次元物体の体感シミュレーショ
ン装置。
【請求項５】各関節の角度を検出する角度検出手段と、
各関節の力を検出する力検出手段と、各関節を制動する
制動手段とからなる操作子を有することを特徴とする請
求項１記載の３次元物体の体感シミュレーション装置。
【請求項６】各関節の角度を検出する角度検出手段と、
各関節を制動する制動手段と、各関節を駆動する駆動手
段とからなる操作子と、上記制動手段の制動力と上記駆
動手段の駆動力を選択して、制御する制御手段とを有す
ることを特徴とする請求項１記載の３次元物体の体感シ
ミュレーション装置。
【請求項７】予め決められた３次元物体の位置と操作子
位置及び速度を用いて操作子の各関節に取り付けた制御
手段を動作させる制御手段を有することを特徴とする請
求項１記載の３次元物体の体感シミュレーション装置。
【請求項８】操作子位置が予め決められた３次元物体位
置に到達し、操作子速度が予め決められた３次元物体の
中心方向にある時、制動手段の制動力を発生させ、操作
子の力が予め決められた３次元物体の中心方向と逆方向
にある時、制動手段の制動力を解除する制御手段を有す
ることを特徴とする請求項７記載の３次元物体の体感シ
ミュレーション装置。
【請求項９】操作子位置が予め決められた直線領域に到
達すると、操作子先端における力と各関節の力の関係を
用いて、各関節に設置した制動手段の制動力を所定値に
制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１記
載の３次元物体の体感シミュレーション装置。
【請求項１０】操作子位置が予め決められた円弧領域に
到達すると、操作子先端における力と各関節の力の関係
を用いて、各関節に設置した制動手段の制動力を所定値
に制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１
記載の３次元物体の体感シミュレーション装置。
【請求項１１】操作子位置が予め決められた領域に到達
すると、操作子先端における力及び速度と各関節の力の
関係を用いて、各関節に設置した制動手段の制動力を所
定値に制御する制御手段を有することを特徴とする請求
項１記載の３次元物体の体感シミュレーション装置。
【請求項１２】音を発生する音発生手段を有することを
特徴とする請求項１記載の３次元物体の体感シミュレー
ション装置。
【請求項１３】操作子に温冷発生手段を有することを特
徴とする請求項１記載の３次元物体の体感シミュレーシ
ョン装置。
【請求項１４】臭いを発生する臭い発生手段を有するこ
とを特徴とする請求項１記載の３次元物体の体感シミュ
レーション装置。
【請求項１５】光を発生する光発生手段を有することを
特徴とする請求項１記載の３次元物体の体感シミュレー
ション装置。
【請求項１６】味覚を発生する味覚発生手段を有するこ
とを特徴とする請求項１記載の３次元物体の体感シミュ
レーション装置。