(57)【要約】【課題】物理的に触覚だけでなく視覚的にも容易、且つ詳細に形状把握できるように三次元形状提示ユニットを形成するための伸縮結合素子、当該伸縮結合素子を制御して三次元形状提示ユニットの形状を可変提示する三次元形状提示装置及びプログラムを提供する。【解決手段】本発明の伸縮結合素子２０は、伸縮自在の伸縮部２０２の基端側及び先端側にそれぞれ設けられる球軸部２０１及び吸着部２０３を備える。或る伸縮結合素子２０の球軸部２０１は他の伸縮結合素子２０における吸着部２０３と着脱可能に吸着し、複数の伸縮結合素子２０により三次元形状を提示する。本発明の三次元形状提示装置１は、伸縮結合素子２０がポリゴンを為すように複数組み合わされて三次元形状を提示する三次元形状提示ユニット２と、三次元ＣＧモデルの形状と三次元形状提示ユニット２の形状とを連動させるように制御する制御ユニット３と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元コンピュータグラフィクス（ＣＧ）モデルで表現される仮想物体の形状同等に物理表現可能とする三次元形状提示ユニットを形成するための伸縮結合素子であって、
伸縮自在の伸縮部と、
前記伸縮部の基端側に設けられる球軸部と、
前記伸縮部の先端側に設けられる吸着部と、を備え、
前記球軸部は、他の伸縮結合素子における吸着部と着脱可能に吸着するように構成され、複数の伸縮結合素子が組み合わされてポリゴンを為すようにして三次元形状を提示可能とするように構成されていることを特徴とする伸縮結合素子。
【請求項２】
請求項１に記載の伸縮結合素子がポリゴンを為すように複数組み合わされて三次元形状を提示する三次元形状提示ユニットと、
前記三次元形状提示ユニットを構成する各伸縮結合素子における素子座標と、所定の表示装置上で提示されポリゴンの組み合わせで表現される三次元ＣＧモデルの各頂点のＣＧ座標とを対応付けて、前記所定の表示装置及び前記三次元形状提示ユニットを構成する各伸縮結合素子との通信制御により、前記三次元ＣＧモデルの形状と前記三次元形状提示ユニットの形状とを連動させるように制御する制御ユニットと、を備え、
前記三次元形状提示ユニットを構成する各伸縮結合素子は、
前記素子座標の算出に用いる三次元実空間上の変位量を示す三軸加速度センサと、
前記伸縮部の伸縮を駆動する伸縮駆動部と、
前記制御ユニットとの近距離無線通信を行う無線通信部と、
前記三軸加速度センサから得られるセンサ出力を常に監視し、当該センサ出力を基に当該素子座標を算出して内部メモリに更新保持する機能、前記無線通信部を制御する機能、及び前記伸縮駆動部の駆動制御を行う機能を有する素子制御部と、を備えることを特徴とする三次元形状提示装置。
【請求項３】
前記制御ユニットは、前記三次元ＣＧモデルの形状を前記三次元形状提示ユニットの形状に連動させる際に、前記三次元ＣＧモデルを構成する各ポリゴンのＣＧ座標を基に前記三次元形状提示ユニットにおける各伸縮結合素子の素子座標を制御するための信号を素子座標信号として生成し、当該伸縮結合素子の各々に送信することを特徴とする、請求項２に記載の三次元形状提示装置。
【請求項４】
前記制御ユニットは、前記三次元形状提示ユニットの形状を三次元ＣＧモデルの形状に連動させる際に、前記三次元形状提示ユニットにおける各伸縮結合素子から得られる素子座標信号が示す素子座標をＣＧ座標に変換し、前記所定の表示装置に送信することを特徴とする、請求項２に記載の三次元形状提示装置。
【請求項５】
コンピュータを、請求項２から４のいずれか一項に記載の三次元形状提示装置における制御ユニットとして機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元コンピュータグラフィクス（ＣＧ）モデルで表現される仮想物体の形状同等に物理表現可能とする三次元形状提示ユニットを形成するための伸縮結合素子、当該伸縮結合素子を制御して三次元形状提示ユニットの形状を可変に提示する三次元形状提示装置、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バーチャルリアリティ技術によって、ヘッドマウンテッドディスプレイに広視野立体映像を表示することで様々な三次元空間及びオブジェクトをユーザーに提示することができるようになっている。目の前に実空間があるかのように提示できるようになったことから、実際に表示されている物体に触れたくなるという欲求が生じる。
【０００３】
そして、コンピュータ上で生成された三次元データを基に三次元物体を把持したときの指の筋肉を押し返す力（力覚）を提示する力覚提示デバイスによって、物体に触れた感覚を生じさせるデバイスが知られている。例えば、物体に触ったときの指や腕の筋肉への反力を利用して仮想的に形状を提示するデバイス（非特許文献１参照）や、伸縮機構（テレスコピック機構）によって自由に形状を変形させて実物体の輪郭等を提示するデバイスなどがある（非特許文献２、特許文献１，２参照）。
【０００４】
しかし、これらのデバイス自体は、触覚で三次元形状を提示できるものの、物理的視野で視覚的に形状把握できるものではない。
【０００５】
一方、視覚的に三次元形状を把握できるように、３Ｄコンピュータグラフィクス（ＣＧ）により、仮想物体の形状を三次元ＣＧモデルとして表現することができる。三次元ＣＧモデルは、複雑な形状を生成するために、幾何学的で計算可能な小図形、一般的にはポリゴンと呼ばれるサイズの異なる三角形又は四角形の組み合わせで表現される。そして、ポリゴンの形状及びサイズと個数を変えることによって様々な三次元ＣＧモデルを形成することができる。ポリゴンのサイズを小さくして構成数を多くすればするほど、複雑な形状を表現することができる。
【０００６】
しかし、三次元ＣＧモデルは、仮想視野で視覚的に三次元形状を提示できるものの、触覚的に形状把握できるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−２１５７９５号公報
【特許文献２】特開２０１６−２００９１９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】T. Handa, K. Murase, M. Azuma, T. Shimizu, H. Shinoda,“A Haptic Three-dimensional Shape Display with Three Fingers Grasping,” IEEE Virtual Reality (2017)
【非特許文献２】武井、飯田、苗村、“三次元形状表現のためのリール式伸縮アクチュエータの提案,”日本バーチャルリアリティ学会論文誌, Vol.17, No.4, pp.439-445 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、三次元形状を触覚で提示するデバイスは、触覚で三次元形状を提示できるものの、物理的視野で視覚的に三次元形状を把握できるように提示するものではない。
【００１０】
また、従来の三次元形状を提示するデバイスは、その三次元形状をヒトが認識する際の特徴点（頂点、稜線、面・線の傾斜等）をすべて提示できるものではなく、三次元形状をリアルに把握することができない。即ち、従来の伸縮する棒状体によって形状を変形させて任意の三次元形状を提示するデバイスでは、三次元形状の提示サイズが制限されてしまい、その形状の複雑さや細かさを提示することが難しい。
【００１１】
一方、三次元ＣＧモデルは、仮想視野で視覚的に三次元形状を提示できるものの、触覚的に形状把握できるものではない。
【００１２】
このため、物理的に触覚だけでなく視覚的にも容易、且つ詳細に形状把握できるように、三次元形状を提示するデバイスが望まれる。
【００１３】
特に、特許文献１〜４、或いは非特許文献１，２に開示されるような三次元形状の提示用のデバイスでは、提示できるサイズは手のひら程度の大きさ内に制限されたものとなり、細かく複雑な任意の形状を提示することが困難という問題がある。このため、従来のデバイスよりも提示できるサイズの変化を大きくすることができ、細かく複雑な任意の形状を提示することができるデバイスが要望される。
【００１４】
本発明の目的は、上述の問題に鑑みて、物理的に触覚だけでなく視覚的にも容易、且つ詳細に形状把握できるように、三次元ＣＧモデルで表現される仮想物体の形状同等に物理表現可能とする三次元形状提示ユニットを形成するための伸縮結合素子、当該伸縮結合素子を制御して三次元形状提示ユニットの形状を可変に提示する三次元形状提示装置、及びプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の伸縮結合素子は、三次元コンピュータグラフィクス（ＣＧ）モデルで表現される仮想物体の形状同等に物理表現可能とする三次元形状提示ユニットを形成するための伸縮結合素子であって、伸縮自在の伸縮部と、前記伸縮部の基端側に設けられる球軸部と、前記伸縮部の先端側に設けられる吸着部と、を備え、前記球軸部は、他の伸縮結合素子における吸着部と着脱可能に吸着するように構成され、複数の伸縮結合素子が組み合わされてポリゴンを為すようにして三次元形状を提示可能とするように構成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の三次元形状提示装置は、本発明の伸縮結合素子がポリゴンを為すように複数組み合わされて三次元形状を提示する三次元形状提示ユニットと、前記三次元形状提示ユニットを構成する各伸縮結合素子における素子座標と、所定の表示装置上で提示されポリゴンの組み合わせで表現される三次元ＣＧモデルの各頂点のＣＧ座標とを対応付けて、前記所定の表示装置及び前記三次元形状提示ユニットを構成する各伸縮結合素子との通信制御により、前記三次元ＣＧモデルの形状と前記三次元形状提示ユニットの形状とを連動させるように制御する制御ユニットと、を備え、前記三次元形状提示ユニットを構成する各伸縮結合素子は、前記素子座標の算出に用いる三次元実空間上の変位量を示す三軸加速度センサと、前記伸縮部の伸縮を駆動する伸縮駆動部と、前記制御ユニットとの近距離無線通信を行う無線通信部と、前記三軸加速度センサから得られるセンサ出力を常に監視し、当該センサ出力を基に当該素子座標を算出して内部メモリに更新保持する機能、前記無線通信部を制御する機能、及び前記伸縮駆動部の駆動制御を行う機能を有する素子制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の三次元形状提示装置において、前記制御ユニットは、前記三次元ＣＧモデルの形状を前記三次元形状提示ユニットの形状に連動させる際に、前記三次元ＣＧモデルを構成する各ポリゴンのＣＧ座標を基に前記三次元形状提示ユニットにおける各伸縮結合素子の素子座標を制御するための信号を素子座標信号として生成し、当該伸縮結合素子の各々に送信することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の三次元形状提示装置において、前記制御ユニットは、前記三次元形状提示ユニットの形状を三次元ＣＧモデルの形状に連動させる際に、前記三次元形状提示ユニットにおける各伸縮結合素子から得られる素子座標信号が示す素子座標をＣＧ座標に変換し、前記所定の表示装置に送信することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明のプログラムは、コンピュータを、本発明の三次元形状提示装置における制御ユニットとして機能させるためのプログラムとして構成する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、触覚だけでなく視覚的にも容易、且つ詳細に形状把握できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による一実施形態の三次元形状提示装置の概略構成を示す図である。
【図２】（ａ）は、三次元ＣＧモデルを例示する図であり、（ｂ）は本発明による一実施形態の三次元形状提示装置における、伸縮結合素子で組み合わされた三次元形状提示ユニットの概略構成を例示する図である。
【図３】（ａ）は、本発明による一実施形態の三次元形状提示装置における伸縮結合素子の概略構成を示す図であり、（ｂ）は三次元形状提示ユニットを構成するために伸縮結合素子の組み合わせを部分的に例示する図である。
【図４】本発明による一実施形態の三次元形状提示装置における伸縮結合素子のより詳細な構成を示す図である。
【図５】本発明による一実施形態の三次元形状提示装置における制御ユニットの制御例を示すフローチャートである。
【図６】本発明による一実施形態の三次元形状提示装置における制御ユニットで用いる連携座標の設定に係るテーブル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明による一実施形態の三次元形状提示装置１を例示して説明する。図１は、本実施形態の三次元形状提示装置１の概略構成を示す図である。
【００２３】
（装置構成）
図１は、本発明による一実施形態の三次元形状提示装置１の概略構成を示す図である。本実施形態の三次元形状提示装置１は、三次元形状提示ユニット２と、制御ユニット３とを備える。
【００２４】
三次元形状提示ユニット２は、詳細は後述するが、伸縮自体の伸縮結合素子２０が多数組み合わされて構成され、制御ユニット３の制御により、表示装置４において３Ｄコンピュータグラフィクス（ＣＧ）により三次元ＣＧモデルとして表現された仮想物体の形状を物理表現可能としている。
【００２５】
制御ユニット３は、表示装置４における三次元ＣＧモデルとの連携制御を行う機能部である。即ち、制御ユニット３は、三次元ＣＧモデルと連動するように三次元形状提示ユニット２の形状を可変に提示するため、三次元形状提示ユニット２における多数の伸縮結合素子２０の素子座標を制御する機能を有する。更に、制御ユニット３は、好適例として、その多数の伸縮結合素子２０の各素子座標を基に、三次元形状提示ユニット２の形状を三次元ＣＧモデルに反映させるよう制御する機能を有する。
【００２６】
より具体的には、制御ユニット３は、制御部３１、通信部３２、素子別無線通信部３３、及び記憶部３４を備える。
【００２７】
まず、通信部３２は、例えばＬＡＮ（Local Area Network）ケーブルで表示装置４と通信接続され、表示装置４との相互通信を行う機能部であり、制御部３１の制御により、三次元ＣＧモデルを構成する各ポリゴンのＣＧ座標を示すＣＧ座標信号を入出力する。
【００２８】
素子別無線通信部３３は、無線アンテナ（図示略）を経て、例えばＷｉＦｉ等による近距離無線通信で、三次元形状提示ユニット２を構成する各伸縮結合素子２０との相互通信を行う機能部であり、制御部３１の制御により、三次元形状提示ユニット２を構成する各伸縮結合素子２０の素子座標を示す素子座標信号を入出力する。
【００２９】
制御部３１は、連携制御部３１１、連携座標設定部３１２、素子座標信号生成部３１３、及び素子座標信号受信部３１４を有する。
【００３０】
連携制御部３１１は、通信部３２を介して表示装置４との相互通信の制御を行う機能と、素子別無線通信部３３を介して三次元形状提示ユニット２を構成する各伸縮結合素子２０との相互通信の制御を行う機能とを有する。
【００３１】
特に、連携制御部３１１は、通信部３２及び素子別無線通信部３３の通信制御により、三次元ＣＧモデルを構成する各ポリゴンのＣＧ座標と、三次元形状提示ユニット２を構成する各伸縮結合素子２０の素子座標とを連携座標として対応付けて、三次元ＣＧモデルの形状と三次元形状提示ユニット２の形状とを連動させるように制御する。
【００３２】
つまり、連携制御部３１１は、三次元ＣＧモデルの形状を三次元形状提示ユニット２の形状に連動させる際には、通信部３２を介して得られる三次元ＣＧモデルを構成する各ポリゴンのＣＧ座標を素子座標信号生成部３１３に出力し、そのＣＧ座標を基に三次元形状提示ユニット２における各伸縮結合素子２０の素子座標を制御するための信号を素子座標信号として生成させ、素子別無線通信部３３を介して各伸縮結合素子２０に送信させる。
【００３３】
一方、連携制御部３１１は、三次元形状提示ユニット２の形状を三次元ＣＧモデルの形状に連動させる際には、素子別無線通信部３３を介して素子座標信号受信部３１４から得られる素子座標信号が示す素子座標をＣＧ座標に変換し、通信部３２を介して当該ＣＧ座標を示すＣＧ座標信号を表示装置４に送信する。
【００３４】
連携座標設定部３１２は、連携制御部３１１に対し、三次元ＣＧモデルを構成する各ポリゴンのＣＧ座標と、三次元形状提示ユニット２を構成する各伸縮結合素子２０の素子座標とを連携座標として対応付けて初期設定を行い、記憶部３４に保持する機能部である。
【００３５】
素子座標信号生成部３１３は、連携制御部３１１の制御により、三次元ＣＧモデルの形状を三次元形状提示ユニット２の形状に連動させる際に、そのＣＧ座標を基に三次元形状提示ユニット２における各伸縮結合素子２０の素子座標を制御するための信号を素子座標信号として生成し、素子別無線通信部３３に送出する機能部である。連携制御部３１１は、素子別無線通信部３３を介して当該素子座標信号を各伸縮結合素子２０に送信する。
【００３６】
素子座標信号受信部３１４は、連携制御部３１１の制御により、三次元形状提示ユニット２の形状を三次元ＣＧモデルに連動させる際に、各伸縮結合素子２０からの素子座標信号の受信を監視し、受信したときには素子座標信号が示す素子座標を連携制御部３１１に送出する機能部である。連携制御部３１１は、当該素子座標をＣＧ座標に変換し、通信部３２を介して当該ＣＧ座標を示すＣＧ座標信号を表示装置４に送信する。
【００３７】
そして、制御ユニット３は、コンピュータにより構成することができ、制御部３１の各機能を実現させるためのプログラムは記憶部３４に記憶される。コンピュータに備えられる中央演算処理装置（ＣＰＵ）などの制御で当該プログラムを、適宜、記憶部３４から読み込んで、制御部３１の各機能をコンピュータに実現させることができる。ここで、制御部３１の各機能の一部の機能をハードウェアで実現してもよい。
【００３８】
図２（ａ）は三次元ＣＧモデルを例示する図であり、図２（ｂ）は本実施形態の三次元形状提示装置１における、伸縮結合素子２０で組み合わされた三次元形状提示ユニット２の概略構成を例示する図である。
【００３９】
まず、図２（ａ）に示すように、表示装置４にて提示される三次元ＣＧモデルは、本例では自動車を模しているが、本例では三角形のポリゴンの組み合わせで表現され、仮想視野で視覚的に三次元形状が提示される。各ポリゴン上の頂点は、頂点Ｎｏ．Ｃｎ（ｎ＝１，２，…）で識別され、各頂点Ｎｏ．Ｃｎ毎に、三次元仮想空間ｘ，ｙ，ｚ上のＣＧ座標が割り当てられる。
【００４０】
一方、図２（ｂ）に示すように、三次元形状提示ユニット２は、図３を参照して詳述する伸縮自体の伸縮結合素子２０が多数組み合わされて同じくポリゴンを形成し、触覚、且つ物理的視野で視覚的に三次元形状が提示される。各伸縮結合素子２０における素子座標（後述する球軸部２０１の座標）は、素子Ｎｏ．Ｄｎ（ｎ＝１，２，…）で識別され、各素子Ｎｏ．Ｄｎ毎に、三次元実空間Ｘ，Ｙ，Ｚ（世界座標）上の素子座標が割り当てられる。尚、三次元形状提示ユニット２には、物理的視野での視覚性の向上のために、タイツ生地等で知られる収縮可撓性生地で覆うように包み込んだものとしてもよい。
【００４１】
そして、制御ユニット３は、三次元ＣＧモデルの各頂点Ｎｏ．Ｃｎと、三次元形状提示ユニット２の素子Ｎｏ．Ｄｎとは、それぞれの空間上で対応付けるように連携制御する。
【００４２】
尚、三次元形状提示ユニット２の全体サイズは、自動車の実部大サイズとすることも可能であるし、ミニカーのように小型化サイズとしたものでもよい。また、ポリゴンの形状は三角形に限らず四角形としてもよい。更に、本例では、三次元ＣＧモデルのポリゴン数と、三次元形状提示ユニット２のポリゴン数とを同数として説明するが、三次元形状提示ユニット２のポリゴン数が三次元ＣＧモデルのポリゴン数より多いものとしてもよい。この場合、連携座標設定部３１２は、三次元ＣＧモデルの各頂点Ｎｏ．Ｃｎと、三次元形状提示ユニット２の素子Ｎｏ．Ｄｎとを対応付けるように、初期設定で割り当てを決定し、素子Ｎｏ．Ｄｎの割り当ての無い伸縮結合素子２０については、補間素子として用いる。
【００４３】
（伸縮結合素子）
図３（ａ）は、本実施形態の三次元形状提示装置１における伸縮結合素子２０の概略構成を示す図であり、図３（ｂ）は三次元形状提示ユニット２を構成するために伸縮結合素子２０の組み合わせを部分的に例示する図である。
【００４４】
図３（ａ）に示すように、本実施形態の三次元形状提示装置１における伸縮結合素子２０は、球軸部２０１、伸縮部２０２、及び吸着部２０３を有する。また、図４は、伸縮結合素子２０のより詳細な構成を示す図である。
【００４５】
球軸部２０１は、伸縮部２０２の基端側に設けられ、他の伸縮結合素子２０における吸着部２０３と着脱可能に吸着する球状の筐体で構成され、その一部に伸縮部２０２が形成されている。球軸部２０１は、例えば、磁性金属材料を用いて構成するか、又は合成樹脂材料を用いて形成し、その表面上に面ファスナー（例えばループ形成側）を貼着して構成される。
【００４６】
伸縮部２０２は、伸縮自在の多段の棒状体からなるテレスコピック機構によって構成され、金属材料、又は合成樹脂材料を用いて形成される。
【００４７】
吸着部２０３は、伸縮部２０２の先端側に設けられ、他の伸縮結合素子２０における球軸部２０１と着脱可能に吸着する皿状に形成されている。例えば、球軸部２０１が磁性金属材料で形成されるときは、吸着部２０３は、合成樹脂材料を用いて形成し吸着部分に磁石シートが貼着されたものとする。或いは球軸部２０１が面ファスナー（例えばループ形成側）を貼着して構成されるときは、合成樹脂材料を用いて形成し吸着部分に面ファスナー（例えばフック形成側）が貼着されたものとする。
【００４８】
そして、図３（ｂ）に示すように、３つの伸縮結合素子２０を用いてポリゴンを構成することができ、伸縮結合素子２０は単体で伸縮部２０２が伸縮自在であるため、当該ポリゴンの１辺の長さを自由に変えることができ、任意の形状・サイズのポリゴンを構成することができる。このため、上述した図２（ｂ）に示したような複雑な三次元形状も自由に変形し形成することができる。
【００４９】
本実施形態では、図２を参照して上述したように、三次元形状提示ユニット２と、三次元ＣＧモデルで表現される仮想物体の形状とを連動させるように、連携制御する三次元形状提示装置１が構成される。このため、球軸部２０１内には、無線通信部２０１２、素子制御部２０１３、伸縮駆動部２０１４、及び三軸加速度センサ２０１５が収容されている。また、伸縮部２０２の基端側表面には、無線通信部２０１２に接続される無線アンテナ２０１１が貼着されている。尚、球軸部２０１内には、無線通信部２０１２、素子制御部２０１３、伸縮駆動部２０１４、及び三軸加速度センサ２０１５に対し電力供給するための外部充電可能なバッテリ（図示略）も収容されている。
【００５０】
図４に示すように、伸縮部２０２内には圧縮バネ２０２１が設けられ、これにより伸縮部２０２は常に伸長方向に付勢されている。そして、伸縮駆動部２０１４は、伸縮部２０２の伸縮を駆動する機能部であり、伸縮部２０２内で挿通され、一端を吸着部２０３に取着した巻取コード２０１４ａと、巻取コード２０１４ａの他端を巻き取り、或いは巻き戻すリール２０１４ｂと、エンコーダ（図示略）により回転量を検知しながらリール２０１４ｂの回転を駆動するエンコーダ付きモータ２０１４ｃと、を備える。
【００５１】
三軸加速度センサ２０１５は、三次元実空間Ｘ，Ｙ，Ｚ（世界座標）上の変位量を示すセンサ出力を素子制御部２０１３に出力する機能部である。
【００５２】
無線通信部２０１２は、無線アンテナ２０１１を経て、例えばＷｉＦｉ等による近距離無線通信で、図１に示す制御ユニット３における素子別無線通信部３３との相互通信を行う機能部であり、素子制御部２０１３の制御により、自素子の素子座標を示す素子座標信号を入出力する。
【００５３】
素子制御部２０１３は、マイクロコンピュータにより構成され、三軸加速度センサ２０１５から得られる当該センサ出力を常に監視し、当該センサ出力を基に自素子の素子座標を算出して内部メモリ（図示略）に更新保持する機能と、図１に示す制御ユニット３との相互通信を行うために無線通信部２０１２を制御する機能と、リール２０１４ｂにより巻取コード２０１４ａを常に巻き取る方向に付勢し、且つ当該エンコーダから得られる回転量を示すパルス信号をカウントすることで伸縮部２０２の伸縮量を監視しながらエンコーダ付きモータ２０１４ｃの駆動制御を行う機能と、を有する。
【００５４】
つまり、素子制御部２０１３は、図１に示す制御ユニット３の制御により三次元ＣＧモデルの形状を三次元形状提示ユニット２の形状に連動させる際に、制御ユニット３から受信した素子座標信号を受信したときは、その素子座標信号が示す素子座標となるように、三軸加速度センサ２０１５から得られる当該センサ出力を監視しながら、伸縮部２０２の伸縮量を調節するようにエンコーダ付きモータ２０１４ｃの駆動制御を行う。
【００５５】
一方、素子制御部２０１３は、図１に示す制御ユニット３の制御により三次元形状提示ユニット２の形状を三次元ＣＧモデルの形状に連動させる際に、伸縮部２０２の伸縮量が調節されたときの当該エンコーダから得られる回転量を示すパルス信号のカウント値を更新保持しながら、三軸加速度センサ２０１５から得られる当該センサ出力を基に算出した素子座標を示す素子座標信号を生成し、制御ユニット３に送信する。尚、素子制御部２０１３は、伸縮部２０２の伸縮量が調節されたときでも、巻取コード２０１４ａを常に巻き取る方向に付勢するようエンコーダ付きモータ２０１４ｃの駆動制御を行うため、巻取コード２０１４ａの弛みは生じない。
【００５６】
これにより、三次元形状提示ユニット２を構成する各伸縮結合素子２０は、制御ユニット３の制御により制御される。
【００５７】
（装置動作）
図５は、本発明による一実施形態の三次元形状提示装置１における制御ユニット３の制御例を示すフローチャートである。また、図６は、本発明による一実施形態の三次元形状提示装置１における制御ユニット３で用いる連携座標の設定に係るテーブル図である。
【００５８】
まず、制御ユニット３は、連携座標設定部３１２により、初期設定を行う（ステップＳ１）。連携制御部３１１は、三次元ＣＧモデルを構成する各ポリゴンのＣＧ座標と、三次元形状提示ユニット２を構成する各伸縮結合素子２０の素子座標とを連携座標として対応付けて、三次元ＣＧモデルの形状と三次元形状提示ユニット２の形状とを連動させるように制御する。このため、図６に示すように、連携座標設定部３１２は、連携座標として伸縮結合素子Ｎｏ．Ｄｎ毎における球軸部の素子座標Ｄｎ（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ）を、三次元ＣＧモデルにおけるポリゴン上の頂点Ｎｏ．Ｃｎ毎のＣＧ座標Ｃｎ（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ）に対応付けるための初期設定を行う。
【００５９】
この初期設定にあたって、連携座標設定部３１２は、三次元ＣＧモデルに対しては各ポリゴンの各辺の長さを設計上の最長値とした全体形状として方形とするように、連携制御部３１１から表示装置４に向けて指示を出すように命令する。同時に、連携座標設定部３１２は、三次元形状提示ユニット２を構成する各伸縮結合素子２０に対しては各ポリゴンの各辺の長さを設計上の最長値とした全体形状として方形とするように、連携制御部３１１から各伸縮結合素子２０に向けて指示を出すように命令する。ここでは、いずれも最長値により初期設定する例を示したが、最長値を定義した上で最小値により初期設定するとしてもよい。
【００６０】
そして、連携制御部３１は、表示装置４及び各伸縮結合素子２０に向けた指示に対応する信号を表示装置４及び各伸縮結合素子２０から受信した時点で、図６に示す連携座標としての対応付けの初期値を設定する。尚、連携座標として伸縮結合素子Ｎｏ．Ｄｎ毎における球軸部の素子座標Ｄｎ（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ）と、三次元ＣＧモデルにおけるポリゴン上の頂点Ｎｏ．Ｃｎ毎のＣＧ座標Ｃｎ（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ）との対応付けは、各空間座標における座標値の変化量が対応していればよく、必ずしも厳格性を要するものではない。つまり、三次元ＣＧモデルの初期設定に係る方形形状は演算であるため容易に実現されるが、各伸縮結合素子２０を用いた三次元形状提示ユニット２の初期設定に係る方形形状は、例えば方形状の型材を用いるなど、初期設定時用に手作業で形付けを行う必要があるため、或る程度の誤差は許容するものとする。
【００６１】
続いて、制御ユニット３は、連携制御部３１１により、三次元ＣＧモデルの形状を三次元形状提示ユニット２に連動させるか否かを、表示装置４から信号受信の有無、及びいずれかの伸縮結合素子２０からの素子座標信号の受信の有無を基に判定する（ステップＳ２）。
【００６２】
連携制御部３１１は、表示装置４から信号受信の有りのときに三次元ＣＧモデルの形状を三次元形状提示ユニット２に連動させるとして判定する（ステップＳ２：Ｙ）。一方、連携制御部３１１は、表示装置４から信号受信がない状態でいずれかの伸縮結合素子２０からの素子座標信号の受信の有りのときに、三次元形状提示ユニット２の形状を三次元ＣＧモデルに連動させるとして判定する（ステップＳ２：Ｎ）。尚、表示装置４から信号受信、及びいずれかの伸縮結合素子２０からの素子座標信号の受信の双方とも無いときは、そのいずれかの信号が有るまでステップＳ２の処理を継続する。
【００６３】
三次元ＣＧモデルの形状を三次元形状提示ユニット２に連動させる場合、連携制御部３１１は、各伸縮結合素子２０に対し、ＣＧ座標に対応する素子座標信号を生成して送信することにより連携制御を行う（ステップＳ３）。尚、１つの伸縮結合素子２０における伸縮部２０２の伸縮を変更すると複数の素子座標が変化するため、連携制御部３１１は、各伸縮結合素子２０から得られる素子座標を監視しながら、全体の伸縮結合素子２０の素子座標が所定の誤差内となるように連携制御を行う。例えば、連携制御部３１１は、素子Ｎｏ．Ｄ１の素子座標が所定の誤差内となるように複数の伸縮結合素子２０における伸縮部２０２の伸縮を調節し、次に、素子Ｎｏ．Ｄ１の素子座標を所定の誤差内に維持したまま素子Ｎｏ．Ｄ２の素子座標を所定の誤差内となるように複数の伸縮結合素子２０における伸縮部２０２の伸縮を調節する。次に、連携制御部３１１は、素子Ｎｏ．Ｄ１，Ｄ２の素子座標を所定の誤差内に維持したまま素子Ｎｏ．Ｄ３の所定の誤差内となるように複数の伸縮結合素子２０における伸縮部２０２の伸縮を調節する。連携制御部３１１は、このような連携制御を全ての素子Ｎｏ．Ｄｎについて行い、最終的に全ての素子Ｎｏ．Ｄｎの素子座標が所定の誤差内となるように繰り返す。連携制御部３１１における連携制御に機械学習を用いてもよい。
【００６４】
三次元形状提示ユニット２の形状を三次元ＣＧモデルに連動させる場合、連携制御部３１１は、受信した各伸縮結合素子からの素子座標信号が示す素子座標をＣＧ座標に変換し表示装置４に送信することにより連携制御を行う（ステップＳ４）。
【００６５】
これにより、制御ユニット３は、三次元形状提示ユニット２の形状とＣＧモデルの形状とを連動するよう制御する。
【００６６】
以上のように、本実施形態によれば、伸縮自在の伸縮結合素子２０を用いて、物理的に触覚だけでなく視覚的にも容易、且つ詳細に形状把握できるデバイスとして、三次元形状提示ユニット２を構成することができ、特に、三次元ＣＧモデルで表現される仮想物体の形状と連動し、物理表現可能とする三次元形状提示ユニット２を構成することができる。
【００６７】
そして、本実施形態によれば、ＣＧで一般的に用いられるポリゴンモデルと同様に、三次元形状提示ユニット２を構成しているため、コンピュータで生成されたデザインを実物体として提示する場合の親和性が保持され、三次元ＣＧモデルと同じものを形成することや、三次元形状提示ユニット２の形状を三次元ＣＧモデルに反映させることもできる。
【００６８】
〔変形例〕
上述した実施形態の例では、三次元ＣＧモデルの形状と、三次元形状提示ユニット２の形状とを連動させるように、連携制御する三次元形状提示装置１について説明したが、制御ユニット３を用いずとも、三次元形状提示ユニット２のみを三次元形状の提示用のデバイスとして利用できる。
【００６９】
三次元ＣＧモデルでは、後からポリゴンを追加したり削除したりすることができ別の形状に自由に変形させることができる。この利点を生かし、三次元形状提示ユニット２についても、後から伸縮結合素子２０を追加したり削除したりして、ポリゴンを追加したり削除したりすることができるため、三次元ＣＧモデルと同様に、別の形状に自由に変形させることができる。
【００７０】
このため、上述した実施形態の変形例として、三次元形状提示ユニット２の形成に用いる伸縮結合素子２０は、三次元ＣＧモデルと連携制御に用いる用途以外にも、制御ユニット３を用いずに、三次元形状の提示用のデバイス（三次元形状提示ユニット２）を形成するためにのみ用いることができる。この用途の場合における伸縮結合素子２０は、球軸部２０１内における素子制御部２０１３等の設置を省略した形態とすることができる。
【００７１】
この変形例に係る三次元形状提示ユニット２は、三次元ＣＧモデルのように、自由に伸縮結合素子２０の個数を増減させて、ポリゴン形状を自由に変形させることができる。従って、三次元形状提示ユニット２の三次元形状を自在に変形でき、ポリゴン数を多くしても全体サイズを自由に変えられるようになる。
【００７２】
特に、特許文献１〜４、或いは非特許文献１，２に開示されるような三次元形状の提示用のデバイスでは、提示できるサイズは手のひら程度の大きさ内に制限されたものとなり、細かく複雑な任意の形状を提示することが困難という問題がある。一方、三次元形状提示ユニット２は、従来のデバイスよりも提示できるサイズの変化を大きくすることができ、細かく複雑な任意の形状を提示することができる。
【００７３】
例えば、自動車やその他、製品のデザインではコンピュータによる三次元ＣＧモデルを作成して行われるが、コンピュータ画面ではイメージが把握しづらいため、実物体を粘土によるクレイモデルで作成することが一般的である。そこで、三次元形状提示ユニット２は、このようなクレイモデルを用いる代わりに、ポリゴンモデルとして実物体を表現することができ、その場で変形させて形状を確認できるため、議論をしながらデザインをしていくことも可能となる。
【００７４】
以上、特定の実施形態の例を挙げて本発明を説明したが、本発明は前述の実施形態の例に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、伸縮結合素子２０を用いる三次元形状提示ユニット２を形成するポリゴン形状として、形状変形に係る利便性の観点から三角形、或いは四角形を例に挙げて説明したが、五角形以上の多角形状のポリゴンを一部、又は全部に用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明によれば、伸縮自在の伸縮結合素子を用いて、物理的に触覚だけでなく視覚的にも容易、且つ詳細に形状把握できる任意サイズで任意の形状に可変とする実物体のデバイスを構成することができるので、三次元形状を提示するデバイスの用途に有用である。
【符号の説明】
【００７６】
１  三次元形状提示装置
２  三次元形状提示ユニット
３  制御ユニット
４  表示装置
２０  伸縮結合素子
２１  収縮可撓性生地
３１  制御部
３２  通信部
３３  素子別無線通信部
３４  記憶部
２０１  球軸部
２０２  伸縮部
２０３  吸着部
３１１  連携制御部
３１２  連携座標設定部
３１３  素子座標信号生成部
３１４  素子座標信号受信部
２０１１  無線アンテナ
２０１２  無線通信部
２０１３  素子制御部
２０１４  伸縮駆動部
２０１４ａ  巻取コード
２０１４ｂ  リール
２０１４ｃ  エンコーダ付きモータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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