JPH09502555A - 力フィードバック入力装置を具備する対話的シミュレーションシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 力フィードバックを有する対話的シミュレーション。本システムはシミュレーション規則でプログラムされているコンピュータゲーム表示装置を有している。制御装置がコンピュータへ接続されており且つ格納されているシミュレーション規則と相互作用を行なうために該コンピュータへ情報及び制御信号を供給し且つ該コンピュータから情報及び制御信号を受け取る。少なくとも自由度２でオペレータによって移動される可動構成体がアクチュエータによって該制御装置へ相互接続されている。プログラム可能な装置が該コンピュータからの信号及び情報を処理して少なくとも自由度２で可動構成体及びオペレータへ力を付与するために該アクチュエータを駆動するための信号を発生する。付与された力はプログラム可能な装置内の内部プログラミングと、シミュレーションにおいて発生するイベントと、オペレータによって可動構成体へ付与される運動及び力とに基づいている。本発明システムは、可動構成体の運動及びそれによって付与される力、シミュレーションにおけるイベント及び可動構成体へ付与された力及びそれによって付与される力との間に連続的な相互作用を与える。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称 力フィードバック入力装置を具備する 対話的シミュレーションシステム発明の属する技術分野 本発明は、対話的シミュレーションに関するものであって、更に詳細には、ジ ョイスティック乃至は多軸制御器乃至は入力装置に対する力又はタッチフィード バック部を具備するシミュレーション及びゲームに関するものである。従来の技術 対話的コンピュータシミュレーション及び対話的ビデオゲームは、しばしば、 シミュレーション又はゲームに対する入力を与えるために通常ジョイスティック として知られる可動構成体を有している。しばしば、ジョイスティックは、コン ピュータの処理装置へ信号を供給する入力装置である。ジョイスティックはユー ザに対して何等の触知可能な即ち力のフィードバックを与えるものではない。 アタリ社のＨａｒｄ Ｄｒｉｖｉｎ（商標名）ビデオゲームは、ハンドル又は ブレーキペダルに対して一次元の力フィードバックを与える。即ち、ゲー ム期間中に、例えば自動車で角を曲がる期間中に経験するようなトルクをシミュ レートするトルクをハンドル上に発生させる。この点に関しては米国特許第５， ０４４，９５６号を参照するとよい。より一般的なシミュレーションにおいては 、力フィードバックを含む制御要素が、何億円もするような精巧なフライトシミ ュレータにおいて公知である。従来、ゲーム及びシミュレーションに適しており 且つゲーム店や家庭で使用するのに適した多自由度ジョイスティックは存在して いない。発明の要約 本発明の対話的シミュレーションシステムは、シミュレーション規則でプログ ラムされたコンピュータ乃至はゲームディスプレイ装置を有している。制御装置 がコンピュータへ接続されており且つコンピュータに対して情報及び制御信号を 供給し格納されているシミュレーション規則と相互作用即ち対話を行ない且つコ ンピュータから情報及び制御信号を受取る。オペレータによる少なくとも自由度 ２における運動に対しての可動構成体がアクチュエータによって該制御装置へ相 互接続されている。プログラム可能な装置がコンピュータからの信号及び情報を 処理し、少なくとも自由度２における力を可動構成体、 したがって、オペレータに対して付与するためにアクチュエータを駆動するため の信号を発生する。該付与された力は、プログラム可能装置内の内部プログラミ ング、シミュレーションにおいて発生するイベント、及びオペレータによって可 動構成体へ付与された運動及び力に基づいている。システムは、その際に、可動 構成体の運動及び可動構成体によって付与された力、シミュレーションにおける イベント、及び可動構成体へ付与された及び可動構成体によって付与された力の 間において連続的な相互作用、即ち対話的動作を与える。 好適実施例においては、本シミュレーションシステムは対話的ビデオゲームで あり且つプログラム可能装置は制御装置内に存在している。この実施例において は、可動構成体は自由度２を有するジョイスティックである。アクチュエータは 低摩擦、低バックラッシュ伝動装置を駆動する電子モータを包含している。プロ グラム可能装置はフィードバックを制御し且つユーザのシミュレーション又はゲ ームとの相互作用（対話）をモデル化するための集積化したエレクトロニクスを 包含している。又、所望の経験を達成しながら、処理及び通信する情報組をより 少ないものとさせることが可能であるように情報圧縮技術を使用することが望ま しい。 タッチ乃至はカフィードバックを与えることによって、本発明システムは、オ ペレータをシミュレーション又はゲームにおいてより効果的に関与させる。例え ば、フライトシミュレータ等の二次元ゲームにおいては、本発明タッチフィード バックは、小型の通常の飛行用の飛行機と高性能の軍事用ファイタとの間の性能 における差異を遊戯者が感じることを可能とし且つ空気の乱れ又は上昇気流等の 環境における力を感じることを可能とさせるために使用される。この場合には、 Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｉｃｋ（商標名）として知られるジョイスティックは、シミュ レーションユーザによって飛ばされている飛行機がどのタイプのものであるかに 依存して、「より固い」又は「より柔らかい」感じを包含する多様なプログラム 可能な効果を感じ取る。三次元ゲーム（現在使用可能なものとなりつつある）に おいては、力フィードバックは特に有効である。何故ならば、三次元環境におい てのナビゲーションはしばしば困難なものであり、且つ本発明によって提供され るタッチフィードバックは、ユーザが遭遇しているオブジェクトを感じ取ること を可能とし且つユーザ又は遊戯者によって制御されるオブジェクトがどこにある かの実時間表示を与えることを可能とするからである。例えば格闘技等の接触が 発生するゲームにおいては、本 発明は、ゲーム又はシミュレーション期間中に発生するオブジェクトとの衝突及 び異なる感触の地勢との相互作用の感触をオペレータの手に対して擬似的経験及 び表示を与える。図面の簡単な説明 図１は本発明の全体的なシステムを示したブロック図である。 図２は本発明の力フィードバック制御装置の一部分解平面図である。 図３及び４は本発明のジョイスティック制御装置の夫々側面及び正面断面図で ある。 図５は本発明の別の実施例の断面図である。 図６は図５の実施例の底面図である。 図７は図５からとられた詳細である。 図８は図６からとられた詳細である。 図９は本発明の装置における信号及び通信経路のブロック図である。 図１０及び１１は本発明に基づく力フィードバックを有する対話的ゲームにお けるキャラクタの説明図である。発明の詳細な説明 本発明の全体的なシステムは図１に概略的に示し てある。制御装置１０は例えばジョイスティック１２等の可動構成体を有してい る。制御装置１０は、更に、プログラム可能なセクション１４を有している。理 解されるように、装置１４は制御装置１０の一部である必要はなく、それはコン ピュータ１６とは別体又はその一部とすることが可能である。例えばパソコン等 の汎用デジタルコンピュータ１６又はゲーム表示装置は、シミュレーション又は ゲーム規則でプログラムされている。コンピュータ１６からの出力はビデオモニ タ１８上に表示される。制御装置１０はコンピュータ１６へ接続されており且つ 格納されているシミュレーション規則と相互作用を行ない且つコンピュータ１６ から情報及び制御信号を受取るためにコンピュータ１６へ情報及び制御信号を供 給する。プログラム可能な装置１４はコンピュータ１６からの信号及び情報を処 理し且つジョイスティック１２への入力を発生し且つジョイスティック１２から の出力を処理する。 次に、図２を参照すると、制御装置１０は制御装置１０に関して自由度２の運 動に対し可動構成体即ちジョイスティック１２をサポートしている。ジョイステ ィック１２は、更に、コンピュータ１６へ信号を送るための少なくとも１個のボ タン型スイッチ２０を有している。 次に、図３及び４を参照すると、制御装置１０はそのカバーを取除いて示して ある。制御装置１０は、角度回転センサ３４及び３６と共に電子モータ３０及び ３２を有している。モータ３０及び３２はキャプスタン３８及び４０を担持する シャフトを有している。センサ３４はキャプスタン３８の角度配向状態に応答し 、且つセンサ３６はキャプスタン４０の角度配向状態に応答し、プログラム可能 な装置１４によって使用するための信号を発生する。キャプスタン３８によって 駆動されるケーブル伝動機構が軸４２の周りに、即ち図３において左及び右にジ ョイスティック１２を回転させるべく適合されている。 同様に、キャプスタン４０はジョイスティック１２を軸４４の周りに回転させる べく適合されており、従って、それは図３の紙面に対して上下に移動する。図４ に示した如く、ドラム４６がキャプスタン３８と共同して回転を発生させる。こ の伝動システムは低バックラッシュであり且つ低摩擦である。センサ３４及び３ ６は夫々のモータ３０及び３２シャフトの角度配向状態に対して比例的な出力を 与える。 図１に示したように、制御装置１０はコンピュータ１６へ接続されており、従 って情報及び制御信号は制御装置１０とコンピュータ１６との間においていずれ の方向にも通過することが可能である。プロ グラム可能な装置１４は制御装置１０のハウジング内に設けるか又はコンピュー タ１６自身の一部とすることが可能である。プログラム可能な装置１４は内部的 に格納されている規則及び式を使用してコンピュータ１６からの信号を処理し、 ジョイスティック１２及びジョイスティック１２を操作するユーザ（不図示）に 対して自由度２を有する力を発生させるためにモータ３０及び３２を駆動するた めの信号を発生する。該付与された力はプログラム可能な装置１４内の内部プロ グラミング、シミュレーションにおいて発生するイベント、及びオペレータ（不 図示）によってジョイスティック１２へ付与される運動及び力を基礎にしている 。従って、本システムは、ジョイスティック１２の運動と、シミュレーションに おけるイベントと、ジョイスティック１２に対して付与された力及びジョイステ ィック１２によって付与された力との間において連続的な相互作用を与える。 次に、図５，６，７，８を参照して、制御装置１０の別の実施例について説明 する。大略５２として示したリンク機構を介してモータ５０がシャフト５４を回 転させる。シャフト５４は例えばポテンシオメータ又はエンコーダ５６等の角度 配向状態センサを介して通過している。シャフト５４は図６においてブ ラケット５８を左右へ移動させ且つジョイスティック１２の下側部分５９と係合 してジョイスティック１２を図５において左右へ移動させる。スロットを設けた ブラケット５８が軸受６０及び６１に支持されている。 同様に、モータ６２がポテンシオメータ又はエンコーダ７０を介して通過する シャフト６８を回転させるリンク機構６４を駆動する。シャフト６８は図６に示 したようにブラケット７２を回転させ、ジョイスティック１２を図５の紙面に対 して垂直に移動させる。ブラケット７２は軸受７３及び７４によって支持されて いる。 理解されるように、モータ５０及び６２が付勢されると、ジョイスティック１ ２は自由度２でもって、即ち図５の面内において左右及び垂直方向に駆動される 。回転センサ５６及び７０はそれらの夫々のシャフトの角度配向状態に比例した 電気的出力を供給する。図５を参照すると、プログラム可能な装置１４は回路ボ ード７６として示されており、それはモータ制御及び信号処理エレクトロニクス を包含することが可能である。 次に、図９を参照すると、プログラム可能な装置１４はホスト接続部８２を介 してコンピュータ１６（図１）と通信を行なうマイクロコントローラ８０ を有している。マイクロコントローラ８０は動作を向上させるために例えばデジ タル信号プロセサ（ＤＳＰ）又はＲＩＳＣアーキテクチュアプロセサ等の任意の 適宜のプロセサである。更に、本システムはＩ／Ｏハードウエアとは独立してい るアップグレード可能なプロセサコアに対して構成することが可能である。更に 、ホストコンピュータからのコントローラの実行可能なコードを変化させる可能 性が存在している。この柔軟性は本装置の動作を特定のホストアプリケーション に対してカスタム化する可能性を与えている。マイクロコントローラ８０はオン ボード非揮発性メモリ（又は例えばメモリカード等の着脱自在な媒体）からデフ ォルトのオペレーティングファームウエアをローディングするブートコードを始 動時に実行し且つ実行を開始するか又はオペレーションソフトウエアをダウンロ ードするためにホストコマンドを待機する。デフォルトのオペレーションコード は一般的な力フィードバック、位置及びその他の機能を与える。ホストコンピュ ータ１６からマイクロコントローラ８０へダウンロードされたコードは、特定の 機能及び／又は特性に対して調節することが可能である。ダウンロードされたコ ードはネイティブな実行可能な二進コードであるか又はオンボードインタプリタ 用の擬似コードのいずれかとすることが可能 である。インタプリタでの構成は、ホストがどのようなプロセサが制御装置上に 存在するかを知ることの必要性を取除いている。増幅器８４及び８６が図３の実 施例におけるモータ３０及び３２又は図６の実施例におけるモータ５０及び６２ を駆動する。注意すべきことであるが、これらの駆動モータにおける電流は、駆 動ケーブル又はシャフト上のストレインゲージ又はその他のタイプの力／トルク センサ（不図示）から推測することも可能であるトルクを決定するために使用す ることが可能である。更に注意すべきことであるが、トルク伝動装置は図５及び ６に示したような４本の連結棒からなるリンク機構とするか、図３又は４に示し たケーブル伝動装置とするか、又はベルト又は歯車列とすることが可能である。 所望により、特定の適用例に対しては、ジョイスティック１２へ付与される力を 増幅させるために伝動装置内に減速機構を組み込むことが可能である。空間及び モータの寸法が拘束されない適用場面においては、伝動装置なしで、図６におけ るシャフト５４及び６８上に直接的にモータ５０及び６２を装着させることが可 能である。 本明細書に開示する本発明の技術を例示するゲーム又はシミュレーションの一 例について図１０及び１１を参照して説明する。本発明システムは、それ 自身は本発明の一部を形成するものではないＩＢＭウインドウズデモンストレー ションゲーム内に組み込まれている。この例示的なゲームにおいては、キャラク タ９０が宝物（不図示）に到達するために一連の異なる地勢を介して戦い進むも のである。キャラクタ９０の歩行、走行、ジャンプ、しゃがみこみ、拳打、及び 足蹴り動作はジョイスティック１２の運動によって制御される。例えば、キャラ クタ９０が氷の地域に遭遇すると、遊戯者によって感取される力はゼロとなり、 且つ、実際に、オペレータによって付与される運動及び力を使用して、積極的に オペレータの手におえなくさせることにより滑動動作をシミュレートさせるため にその効果を更に誇張させることが可能である。荒れた地勢においては、遭遇す るオブジェクト即ち物体に比例してゲームの遊戯者によって振動及びパルスが感 じられる。キャラクタ９０がジャンプしており且つ木又はその他の物体に衝突す る場合には、遊戯者はジョイスティック１２を介して伝達される力を介してその 物体の固さを感じる。ボタン２０が押し下げられると、キャラクタ９０は移動を 停止し且つ図１１に示したようにキック即ち足蹴り又はパンチ即ち拳打ちを行な う。拳打ち又は足蹴りにされる物体の性質に依存して、且つ更にゲームにおける その他のイベントに依存して、 遊戯者によって経験される力は異なるものである。又、運動速度が実際の戦いに おけるように感じ取られる力を変化させる。遭遇する環境及び物体の実際的な物 理的モデルがプログラム装置１４内にプログラムされており、従ってフィードバ ックは事実上瞬間的であり且つコンピュータ１６のグラフィックスアップデート とは独立的である。このアーキテクチュアは、更に、ゲームを完全に対話的なも のとしており、遊戯者の性能に基づいてプログラマによって予測されないゲーム の結果が発生する。力フィードバックのために、遊戯者はより積極的にゲームに 関与することとなる。何故ならば、ジョイスティック１２へ付与される力はゲー ムにおけるキャラクタ５０によって感じ取られる力を現実的にシミュレート即ち 模擬するものだからである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 アン，ビン アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02174，アーリントン，ニューポート ス トリート 21，アパートメント ２ (72)発明者 エバーマン，ブライアン アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02144，ソマービル，ウィロー アベニュ ー 264

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．対話的シミュレーションシステムにおいて、 シミュレーション規則でプログラムされているコンピュータ、 前記コンピュータへ接続されており且つ前記格納されているシミュレーション 規則と相互作用を行なうために前記コンピュータへ情報及び制御信号を供給し且 つ前記コンピュータから情報及び制御信号を受け取るべく適合されている制御装 置、 オペレータによって少なくとも自由度２で移動すべく適合されており且つアク チュエータを介して前記制御装置へ相互接続されている可動構成体、 前記少なくとも自由度２における力及びタッチフィードバックを前記可動構成 体及びオペレータへ付与するために前記アクチュエータを駆動するための信号を 発生するために前記コンピュータからの信号を処理するプログラム可能手段、 を有しており、前記付与される力は前記プログラム可能な手段内の内部プログラ ミング、シミュレーションにおいて発生するイベント及びオペレータによって前 記可動構成体へ付与される運動及び力に基づいており、その際に前記可動構成体 の運動と、シミュレーションにおけるイベントと、前記可動構成体へ付与され且 つそれによって付与される力との間に 連続的な相互作用が存在する、 ことを特徴とする対話的シミュレーションシステム。 ２．請求項１において、前記プログラム可能な手段が前記制御装置内に設け られていることを特徴とする対話的シミュレーションシステム。 ３．請求項１において、前記アクチュエータが夫々の回転軸周りに力を発生 する少なくとも２個のモータを有することを特徴とする対話的シミュレーション システム。 ４．請求項１において、前記アクチュエータが少なくとも１個のケーブル駆 動装置を有することを特徴とする対話的シミュレーションシステム。 ５．請求項１において、前記アクチュエータが４本の連結棒からなるリンク 機構を有することを特徴とする対話的シミュレーションシステム。 ６．請求項１において、前記アクチュエータが電気モータを有しており、且 つ各モータが前記モータ軸の角度配向状態を決定する手段を有することを特徴と する対話的シミュレーションシステム。 ７．請求項１において、前記プログラム可能な手段が前記制御装置とは別個 に設けられていることを特徴とする対話的シミュレーションシステム。 ８．対話的シミュレーションシステムにおいて、 シミュレーション規則でプログラムされている、 コンピュータ、 前記コンピュータへ接続されており且つ前記格納されているシミュレーション 規則と相互作用を行なうために前記コンピュータへ情報及び制御信号を供給し且 つ前記コンピュータから情報及び制御信号を受取るべく適合されている制御装置 、 オペレータによって把持され且つ自由度２で移動されるべく適合されており且 つ電気モータ及び伝動装置によって前記制御装置へ相互接続されている可動構成 体、 前記可動構成体及びオペレータへ自由度２で力を付与するために前記モータを 駆動するための信号を発生するために前記コンピュータからの信号を処理するた めに前記制御装置と関連しているプログラム可能な手段、 を有しており、前記付与される力は前記プログラム可能な手段内の内部プログラ ミングと、シミュレーションにおいて発生するイベントと、オペレータによって 可動構成体へ付与される運動及び力とに基づいており、その際に前記可動構成体 の運動と、シミュレーションにおけるイベントと、前記可動構成体へ付与され且 つそれによって付与される力との間に連続的な相互作用が存在する、 ことを特徴とする対話的シミュレーションシステム。 ９．コンピュータと相互作用を行なうための制御装置において、 少なくとも自由度２でオペレータによって移動されるべく適合されている可動 構成体、 少なくとも自由度２で前記可動構成体へ力及びタッチフィードバックを付与す べく適合されているアクチュエータ、 少なくとも自由度２で力及びタッチフィードバックを前記可動構成体及びオペ レータへ付与するために前記アクチュエータを駆動するための信号を発生するた めの情報を処理するためのプログラム可能な回路、 を有することを特徴とする制御装置。