(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想空間に設定された第１の座標系において記述される第１の物体である仮想物体の運動データを、第２の座標系における第２の物体であるライド装置の運動データに変換し、この変換に基づいて前記ライド装置の動作を制御する動作機構の動作制御方法において、前記仮想物体からライド装置への運動データ変換が並進加速度または回転加速度同士の変換の際には、比例微分変換、ハイパスフィルタ変換及び位相進み変換の内の少なくともいずれかを用い、並進加速度分の重力加速度成分による補完のための変換では、比例積分変換、ローパスフィルタ変換及び位相遅れ変換の内の少なくともいずれかを用い、回転方向の角加速度については、仮想物体の角加速度の変化からライド装置の角加速度指令を生成し、仮想物体の運動を記載したデータを機構インピーダンスモデルに用いてライド装置を自動的にスニーク動作させることを特徴とする動作機構の動作制御方法。
【請求項２】
仮想空間に設定された第１の座標系において記述される第１の物体である仮想物体の運動データを、第２の座標系における第２の物体であるライド装置の運動データに変換し、この変換に基づいて前記ライド装置の動作を制御する動作機構の動作制御装置において、前記仮想物体からライド装置への運動データ変換が並進加速度または回転加速度同士の変換の際に使用する物体比例微分変換、ハイパスフィルタ変換及び位相進み変換の内の少なくともいずれかの手段と、並進加速度分の重力加速度成分による補完のための変換で用いる比例積分変換、ローパスフィルタ変換及び位相遅れ変換の内の少なくともいずれかの手段と、回転方向の角加速度について仮想物体の角加速度の変化からライド装置の角加速度指令を生成する手段とを有し、仮想物体の運動を記載したデータを機構インピーダンスモデルに用いて前記ライド装置を自動的にスニーク動作させる制御手段とを有することを特徴とする動作機構の動作制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動作機構の動作制御方法に係り、特に映像との組み合わせにより人間に擬似体感を付与するためのシミュレーションライドと呼ばれる装置、アミューズメント用等のモーションライドと呼ばれる装置、これに類する動作機構、振動台その他の装置の運動生成ならびに動作制御の方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
映像と組み合わせて機構を動作させ、これにより当該機構に搭乗した人間に擬似体験を付与するものとして、アミューズメント用モーションライド、あるいはシミュレーションライドと呼ばれる装置がある（以下、ライド装置と総称する）。その代表的なものは、例えば米国特許5499920号、Method of Generating an  Event Simulationなどに示されている。これらの装置には、映像と動作機構とに関する技術に着目すると下記のようなものがある。
【０００３】
まず、映像に関しては、実写の映像を用いるものとコンピュータグラフィクス（ＣＧ）の技術により映像を生成するもの、また両者を併用するものなどがある。ＣＧを利用するものにおいては、宇宙船等の、疑似体験の対象となる物体の運動を予め計画し、この運動に対応した映像をＣＧにより予め作成しておくものが従来の一般的な方法であった。
【０００４】
この方法、あるいは実写映像を用いる方法では、実際の擬似体験をする者がライド装置に搭乗する前に、予め映像の製作が行われるため、これに合わせたライド装置の動作も、同様に前もって作成することが可能である。ライド装置の動作の作成は、産業用ロボットと同様に、実際にライド装置を動かしての教示、動作経路を時間に対する位置の変化として数値として与える教示、などの手法を用いて行われる。このような方法をここではオフライン方式と呼ぶこととする。
【０００５】
一方で、近年のコンピュータの処理速度の向上に伴い、疑似体験の対象となる仮想物体の運動を実時間で生成し、これに対応する映像ならびにライド装置動作機構の運動を同じく実時間で生成、制御することが可能となって来た。このような方法をここではオンライン方式、あるいはリアルタイム方式と呼ぶこととする。この場合、仮想物体の運動をライド装置の運動に変換する手法としては、両者の対応を与えるルックアップテーブルを用意してこれを用いる方法、簡単な数式モデルを用いる方法などがある。
【０００６】
このオンライン方式では、特に搭乗者が、例えば宇宙船等の運動に関係する操作を行い、その結果に応じてライド装置の動作ならびに映像が変化する、という、いわゆるインタラクティブ方式の実現が容易となり、従って搭乗者の臨場感あるいは没入感を高めることがより容易となる。これに対して搭乗者の意志による操作を行うことが出来ない方式はノンインタラクティブ方式と呼ばれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のオフライン方式の場合、モーションライド装置の動作は映像に合わせて人間が教示するのが通常である。この動作の教示には実際にライド装置を動作させながら行う方法、動作の経路を数式あるいは代表点の座標値により与える方法などがあるが、ライド装置に搭乗する人間に対して体感を付与することが目的となるため、極めて熟練を要する作業である。
【０００８】
また、ライド装置の動作範囲が有限である等の制約条件と、搭乗者の臨場感に影響を及ぼす刺激は視覚と動作との相乗効果として与えられることから、映像に合わせてライド装置の動作を作成するとともに、逆にライド装置の動作に合わせて映像を修正作成する、という必要が生ずる場合もあり、熟練に加えて手間と時間を要する作業である。また、このオフライン方式の場合、基本的にリアルタイムでの動作、映像の変更を要求される上述のインタラクティブ方式の適用は、簡単なシナリオ分岐程度の機能以外、困難であった。
【０００９】
一方のオンライン方式の場合には、疑似体験の対象となる仮想物体の運動ないしはライド装置の運動を実時間で生成しつつ制御を行う必要がある。特にインタラクティブ方式の場合には、ライド装置の搭乗者の操作を最終的にライド装置の動作ないしは映像に反映させることも必要であり、操作結果が動作に反映されるまでのレイテンシ（応答時間）が、操作性あるいは操作の満足感に大きく影響を及ぼす。
【００１０】
仮想物体の運動を実時間で生成することは、すなわちこれに対応した映像、およびライド装置の運動も実時間で生成し、制御することが必要であることを意味する。従って、使用するコンピュータシステムの処理性能によって、処理内容を簡便なものとし、これによって実時間処理を実現するなどの方法がとられる。例えば、映像系の描画を毎秒３０回とすれば、およそ３３ミリ秒以内で描画を行う必要があり、従って描けるポリゴン数の制限等から、ＣＧ描画の質や詳細部分までの描き込みに制約が生ずることになる。これは、結果的に映像を見るライド装置の搭乗者の満足感に影響する。
【００１１】
ライド装置の運動の生成についても同様のことが言える。すなわち、仮想的な空間の座標系により記述される仮想物体の運動を、ライド装置の基台に固定された座標系で表わしたライド装置の動作部（以下、プラットフォーム部と呼ぶ）の運動に変換するためには、搭乗者の体感のみならず、各アクチュエータのストローク、機構部材の干渉などから決まるライド装置の動作範囲、機構の最大速度、加速度などをも考慮に入れて、実時間での変換を行う必要がある。
【００１２】
このため従来は、予め仮想物体の運動とそれに対応するライド装置の運動との対応関係を与える簡単な変換表（ルックアップテーブル）を用意し、この表を参照することにより変換を行う方法、あるいは、仮想物体の位置の変化（速度）によりライド装置の位置を定める方法、などが用いられていた。
【００１３】
変換表を用いる方法では、仮想物体の運動が任意に与えられても、ライド装置の運動として限られた運動とそのスケーリング等で実現しなければならないという問題点がある。また、仮想物体の動作速度によりライド装置の位置を定める方法では、例えばこの両者を比例関係で対応付けると、ライド装置の動作範囲の問題は解決される反面、仮想物体が一定加速度で運動するような状況においてライド装置は一定速度で動作することとなり、ライド装置の搭乗者に十分な加速度感覚を与えることが困難であるという問題がある。
【００１４】
本発明の目的は、上記のような問題点を鑑み、短い演算処理時間での処理制御が可能で、かつライド装置の搭乗者に十分な体感を付与可能な、仮想物体の運動からライド装置の運動への変換方法、ならびにライド装置の動作制御方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、変換処理に、機構インピーダンスモデルなどの応答モデルを応用することを解決手段として導入し、また、この応答モデルにおけるパラメータは、仮想物体の運動ないしはライド装置の運動を記述する座標系の要素毎に変更可能とし、さらに、該パラメータは、ライド装置のプラットフォーム位置、姿勢の関数として変化可能とし、これに加えて、ライド装置のプラットフォーム位置、姿勢に関連する状態量を、仮想物体の運動生成を司るコンピュータに通知する機能を付与したことによって達成される。
【００１６】
上記の手段において、機構インピーダンスモデルなどの応答モデルを応用することにより、任意の機構系の挙動を模擬した動作の生成が簡単な演算で実現可能となる。
【００１７】
また、応答モデルにおけるパラメータを運動を記述する座標系の要素毎に変更可能とすることにより、体感として付与するべき加速度に重力加速度の効果を容易に利用可能とするとともに、ライド装置の機構に対する汎用性を確保することが可能となる。
【００１８】
また、該パラメータをライド装置のプラットフォーム位置、姿勢の関数として変化可能とすることにより、例えばライド装置の動作範囲の問題を回避し、かつ動作範囲の中央部にライド装置を引き戻す動作を容易に重畳することが可能となる。
【００１９】
また、ライド装置の状態量を仮想物体の運動生成を司るコンピュータに通知することによって、映像の表示装置がライド装置の運動とは独立した場所に設置されている場合等において、ライド装置の動作に同期して映像を変更することや、あるいはライド装置の状態に応じて、引き続く仮想物体の運動ないしはシナリオを変更する、といったことも可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
【００２１】
図１は、本発明に係るシステム構成の一形態を示したものである。本発明の直接の対象となる動作機構は、モーションライド、シミュレーションライドなどと呼ばれるライド装置３である。ライド装置３は、基台部３−２と、駆動機構を介して該基台部と相対的に動作する動作プラットフォーム部３−３とから成り、プラットフォーム部３−３には人間が搭乗するための座席３−４が１つもしくは複数取り付けられている。プラットフォーム部３−３は、臨場感を与える目的で閉空間を構成する場合も多く、キャビンもしくはカプセルとも呼ばれることもある。
【００２２】
統括制御装置１−１では、模擬体験の対象となる仮想物体の運動データを生成する。この意味で、ゲームエンジンとも呼ぶことが出来るものである。この運動生成は、例えば宇宙船あるいはレーシングカーなど、対象となる仮想物体の運動を表わす動力学モデルその他を用いて行う。
【００２３】
この出力として得られる仮想空間内での仮想物体の運動データは、ＬＡＮなどのネットワーク４を介して映像生成制御装置２−１に与えられ、コンピュータグラフィクス（ＣＧ）技術によって仮想物体に対して規定された視点からの映像が生成される。映像生成制御装置２−１の出力として得られる映像は、投影装置（プロジェクタ）２−２を介してスクリーン２−３に投射される。
【００２４】
本実施形態においては、スクリーン２−３はライド装置３の基台３−２が設置されている床面５に対して相対的に固定されているスクリーン固定型の例を示しているが、スクリーン２−３がライド装置３のプラットフォーム３−３に対して固定されるプラットフォーム搭載型（キャビン搭載型）であっても本発明の適用効果は同様である。
【００２５】
ライド装置３のプラットフォーム３−３に搭乗している人間は、スクリ―ン２−３に映し出される映像を見つつ、プラットフォーム３−３の運動によって加速度等の動作感覚を得て、擬似体験をすることになる。
【００２６】
ライド装置３の運動はモーション制御装置３−１によって制御される。モーション制御装置３−１は、統括制御装置１−１からの出力をネットワーク４を介して受け取る。モーション制御装置３−１では、統括制御装置１−１の出力として与えられる仮想物体の運動データをライド装置３の基台３−２に対するプラットフォーム部３−３の動作指令に変換し、プラットフォーム部３−３の制御を行う。
【００２７】
また、プラットフォーム部３−３の座席３−４近傍には搭乗者が操作可能な操作装置１−２が設けられており、その出力は統括制御装置１−１に入力され、状況に応じて搭乗者があたかも仮想物体を操作しているかのような感覚を付与する、いわゆるインタラクティブ機能を実現可能な構成となっている。
【００２８】
システム全体は統括制御装置１−１により時刻管理を行い、映像生成制御装置２−１ならびにモーション制御装置３−１が統括制御装置１−１からの同期信号によって時間的な同期を取ることにより、映像、ライド装置ともに円滑で自然な動作を実現する。
【００２９】
統括制御装置１−１では、予め計画されたシナリオあるいは搭乗者のインタラクティブな操作などの内容に基づき、仮想空間（以下Virtual World:ＶＷとも書く）内における仮想物体の運動データを動力学モデル等を用いて生成する。いま、時刻Tiにおける仮想物体のＶＷにおける位置・姿勢をPiと表わし、同じく速度・角速度をVi、また、加速度・角加速度をAiと表わすものとする。
【００３０】
映像生成制御装置２−１では、上記Piを受け取り、これに対して一定の相対関係にある視点からＶＷ内の環境を見た際の映像、すなわち仮想物体に人間が搭乗したと仮定した場合に見える映像を生成し、プロジェクタ２−２からスクリーン２−３に映写する。いま、上記位置姿勢Piを同次座標形式の４行４列の行列で表わしたものをmPiとする。すなわち、
【００３１】
【数１】
0003694608.tif 000002
【００３３】
また、この仮想物体上の点と視点との位置姿勢の関係を同様に行列形式でmFとすれば、ＶＷにおいて、時刻Tiにおける視点の位置姿勢mCiは
【００３４】
【数２】
0003694608.tif 000003
【００３５】
として与えられ、この位置姿勢を視点とした場合の映像の生成が可能である。
【００３６】
なお、以下において、位置・姿勢、速度・角速度、加速度・角加速度などは、煩雑化を避けるために、それぞれ位置、速度、加速度という表現を用いることがある。また、これらの値の表現にはいろいろな形式が可能であるが、特に先頭にmを付して行列を、また先頭にeを付してベクトルを表わすものとし、表現形式に依存しない内容については先頭に符号を付さない形で用いることとする。
【００３７】
モーション制御装置３−１では、同様に上記Piを一定時間間隔毎に入力する。この入力およびライド装置３への位置姿勢制御指令の出力周期をTsとし、時刻TiよりTsだけ前の時刻をT(i-1)、これより更にTsだけ前の時刻をT(i-2)等とする。このとき、ＶＷにおける仮想物体の速度Viは、PiとP(i-1)の偏差として近似的に求めることが出来る。いま、これらを同次座標形式の行列で表わせば、
【００３８】
【数３】
0003694608.tif 000004
【００３９】
となる。また、加速度Aiにつ いても同様であり、
【００４０】
【数４】
0003694608.tif 000005
【００４１】
として近似的に求めることが出来る。また、統括制御装置１−１における仮想物体の運動モデルにより加速度Aiが直接得られ、これをモーション制御装置３−１の入力とする場合には、Aiを積分もしくは積算することによってViを、さらにViを積分または積算することによってPiを得ることが出来る。
【００４２】
このようにしてＶＷ空間における仮想物体の位置、姿勢が得られたとする時、ライド装置に搭乗してこの仮想物体の運動を疑似体験しようとする場合、ライド装置３の前方と仮想物体の前方、すなわち通常時の進行方向とが一致しているものと想定する場合が多いと考えられる。
【００４３】
すなわち、例えば自動車に乗って運転をしている場面を想定した際に、自動車自体が左方にカーブしたとしてもこれを模擬体験するライド装置３の前方が自動車の進行する前方に一致しているとすることが体感上からも自然であると思われる。
【００４４】
従って、ＶＷ空間に固定されたＶＷ座標系とライド装置３の設置された床面５に対して固定された座標系（Real World:ＲＷ座標系と呼ぶ）との間の変換にあ たって、少なくとも姿勢に関しては次のような変換がまず必要となることが通常と考えられる。ただし、mQiは本姿勢変換後の位置姿勢行列、mWiは同じく変換後の速度行列、mBiは同じく変換後の加速度行列を示す。
【００４５】
【数５】
0003694608.tif 000006
【００４６】
【数６】
0003694608.tif 000007
【００４７】
【数７】
0003694608.tif 000008
【００４８】
【数８】
0003694608.tif 000009
【００４９】
【数９】
0003694608.tif 000010
【００５０】
なお、これらの変換にあたっては、数５、数６、数７のいずれか１つのみの計算を行い、数２、数３と同様、あるいは積分の関係式を用いてそれ以外のデータを求めれば良い。
【００５１】
仮想物体の運動からライド装置のプラットフォーム部の運動への変換、ＶＷ座標系からＲＷ座標系への変換については、位置・姿勢、速度、加速度、さらには加々速度のいずれのレベルで実施するかの問題がある。また、積分の初期値をいかに設定するかによって、その結果は異なったものとなる。しかしながら、ライド装置で実現したいものは人間の体感であって、従って加速度のレベルで変換を行うのは現実的に有効な方法と考えられる。
【００５２】
いま、ＶＷ座標系における仮想物体の加速度Aiから、以上のようにしてライド装置に固定された座標系に姿勢の変換を行った後の仮想物体の加速度に相当するデータBiが定まったとする。この時、次にこのデータにスケーリングファクタを適用した計算を行う。これは、単に定数を乗じるとともに単位変換を行い、別の座標系に写像したと見なすことも出来るし、物理的モデルを考慮して仮想的な質量値を用いて加速度を力の次元のデータに変換したと見なすことも可能である。
いま、ここで、スケーリングファクタからなるベクトルをeS=(Sx, Sy, Sz, Sr, Sp, Sw)tとし、加速度に相当するデータをベクトル表現でeBi=(Bx, By, Bz, Br, Bp, Bw)t、さらに変換後のデータをeCi=(Cx, Cy, Cz, Cr, Cy, Cw)tとベ クトル表現すれば、
【００５３】
【数１０】
0003694608.tif 000011
【００５４】
である。ここではデータを３つの直交軸方向ならびにロール、ピッチ、ヨーの角度方向の計６つの要素を持つベクトルとして表現しているが、角度方向にオイラー角を用いるなど、別の表現法を用いることも可能である。ここに行列の右肩部のtは、転置を、また-1は逆行列であることを示す。なお、スケーリングファク タeSは必ずしも定数である必要はなく、eAiもしくはeBiの各要素の値に応じて非線型に変化させても良い。
【００５５】
さて、ライド装置３は、その動作範囲が有限であるのにもかかわらず、例えば宇宙船の運動のような極めて動作範囲の大きい物体の運動を模擬することが必要となる。また、機構として実現しうる速度、加速度についても有限であるが、それを越えた速度、加速度に相当する体感を搭乗者に付与することが要求される。
これは、映像による効果を有効に利用するとともに、重力加速度の効果を最大限有効に利用することによって実現される。これは、ウォッシュアウトと呼ばれる手法であって、その内容については、J.S.Freeman他著、The Iowa Driving Simulator, SAE Paper 950174などに概要が開示されている公知の技術である。
【００５６】
例えば仮想物体の前後方向の並進加速度を、ライド装置の前後方向の並進加速度ならびに左右軸まわりの傾斜（ピッチング動）に基づく重力加速度成分によって補い、体感を与える方法である。同様に、左右方向への並進加速度については、前後軸まわりの傾斜（ローリング動）による重力加速度成分により補って体感を与えることが出来る。
【００５７】
ただし、上下方向に関しては重力加速度の成分を利用できないため、この手法は用いられない。また、回転方向の角加速度についてもこの手法は適用出来ないため、仮想物体の角加速度の変化を主に捕らえてライド装置の角加速度指令を生成する方法がとられる。さらに、傾斜によって重力加速度分を与えて補正を行う場合には、この補正のための動作自体の角速度を抑え、回転動作が発生していることを搭乗者に感じさせないようにするといった配慮もなされる必要がある。
【００５８】
このウォッシュアウトの実現にあたっては、仮想物体の並進加速度、回転加速度それぞれの時間変化、すなわち加々速度を検出し、これに対応してライド装置３の並進加速度、回転加速度それぞれの指令を生成するとともに、仮想物体の並進加速度の累積値に応じてライド装置のピッチングならびにローリング方向の回転角度指令を生成することになる。
【００５９】
本実施形態においては、仮想物体からライド装置への運動変換にあたって、まず並進加速度同士ならびに回転加速度同士の変換では、加々速度が加速度の微分ないしは差分に相当することに着目し、比例微分要素Kp+Kd・S、ハイパスフィルタ要素（１次の場合はTd・S/(1+Td・S)、２次の場合はS  /(S2+2ζωn・S+ωn2)）、などを用いることとする。ただし、Sはラプラス演算子である。
【００６０】
また、並進加速度分の重力加速度成分による補完のための変換では、並進加速度の累積値などが関係することに着目し、比例積分要素Kp+Ki/S、ローパスフィ ルタ要素（１次の場合1/(Ti・S+1)，２次の場合ω2/(S2+2ζωn・S+ωn2)、などを用いることとする。
【００６１】
また位相進み遅れフィルタ要素（１次の場合(1+Tu・S)/(1+Tg・S)、２次は(1+Tu・S)2/(1+Tg・S)2）、などを用いても近似的に同様の特性を実現可能である。すなわちTu>Tgの時位相進み、Tu<Tgの時位相遅れである。これらを統合的に考えれば、フィルタG(S)を１次に限定すれば、
【００６２】
【数１１】
0003694608.tif 000012
【００６３】
により、また２次の場合には、
【００６４】
【数１２】
0003694608.tif 000013
【００６５】
などの形で、仮想物体の運動からライド装置の運動が対応する動作成分同士、ならびに重力応用補正成分に関する基本データ変換計算を実現することが出来る。
これらのフィルタ要素におけるパラメータは、予め定数として定めて用いても良いが、例えば一定の時間内あるいは仮想空間における特定の移動距離内において想定される加速度、速度などの最大値などに応じて適応的に決定することにより、当該区間における体感効果を最大限に発揮させることも可能である。
【００６６】
特に数１１、数１２に示される形で変換フィルタ要素を与えておけば、各パラメータ値の選択によってフィルタの形態自体を変更し、入力となる仮想物体の運動パターンの特性に応じた適切な変換を行うことが可能となる。
【００６７】
このフィルタ要素のパラメータ値は、モーション制御装置３−１内部において統括制御装置１−１から入力される仮想物体の運動データを監視しつつ適応的に変更することも可能であるし、想定される疑似体験のストーリに相当するコンテンツの内容に応じて、予め統括制御装置１−１側に記憶させておき、仮想物体の運動データと同時にモーション制御装置３−１に指令として与える方法でも可能である。
【００６８】
いま、上で述べた予備的な変換を施された入力データeCiに対してフィルタリ ング処理G(S)を適用した結果をeEiとし、時間関数をラプラス領域にて表現した ものを(S)を付して表わせば、
【００６９】
【数１３】
0003694608.tif 000014
【００７０】
ただし、G*(S)は数１１または数１２などの伝達関数を各要素とする対角行列を得る。
【００７１】
以上では、並進加速度同士、回転加速度同士の基本変換、ならびに並進加速度から回転角度への基本変換について述べたが、ライド装置３の動作範囲を考慮するならば、なるべくプラットフォーム部３−３の動作位置を全体の動作範囲の中央部となるように工夫するとともに、動作範囲の端部付近においては、プラットフォーム部３−３の動作が動作範囲を越えないように指令を制限する必要がある。
【００７２】
このように、動作範囲の領域端部近傍にプラットフォーム部３−３がある場合、これを搭乗者に気付かれないように動作範囲の中央部付近に戻す動作は、スニーク動作と呼ばれる。従来、オフラインでライド装置の動作を生成する場合には、熟練作業者がライド装置の動作範囲を念頭に入れつつ、スニーク動作についても考慮しながら動作経路の設計と生成とを行なっていた。
【００７３】
しかしながら、オンラインでライド装置の動作を生成する場合については、このスニーク動作をどのようにして実現するかについては、発明者の知る限りにおいては、技術として公知になっているものは現われていない。そこで、本実施形態では、次に示すような手法を新たに採用している。
【００７４】
図２は、仮想インピーダンス機構のイメージ図で、これによりスニーク動作を説明する。動作範囲の中央部３−１０に中立点位置、姿勢Poを設定する。この位置からの変位に応じて、Poに向かって引き戻す力・モーメントを発生する仮想バネを考える。３−１１、３−１２、及び３−１３は平面方向の並進バネ、３−１４、３−１５、３−１６は各々の軸の回転バネを示す。この場合のバネ定数は一定としても良いが、ここでは動作範囲の端部に近づくにつれて剛性が大きくなる非線型バネを想定する。また、同様に動作範囲の端部に向かう速度に応じて、これに抗する力・モーメントを発生する仮想ダンパを想定する。さらに、仮想質量を想定することによって、仮想的な機構モデルを構築し、この特性に応じて上記の基本変換によって得られる運動をさらに変換する。この機構モデル、すなわち仮想機構のインピーダンスモデルは、変位をＸ、力をＦとして、ラプラス演算子Ｓを用いて、
【００７５】
【数１４】
0003694608.tif 000015
【００７６】
のような形に書くことが出来る。このような仮想機構系は、図２に示すように、並進と回転の各自由度方向に仮想的な質量・慣性モーメント、バネ、ダンパをそれぞれ備えたイメージのものである。従って、これらの仮想機構のパラメータを適切に設定することにより、任意の機構挙動を模擬することが可能である。
【００７７】
この仮想機構インピーダンスモデルを用いて変換された結果の運動をYiとすれば、ベクトル形式を用いて時間領域で、
【００７８】
【数１５】
0003694608.tif 000016
【００７９】
として加速度指令Yiを得ることが出来る。ここで数１５の右辺で時刻ｉ−１における値を用いているのは一例であり、他に実際のフィードバック値を用いる等の方法もありうる。これに関しては、産業用ロボットのコンプライアンズ制御に関する公知技術と同等の手法により解くことが出来る。
【００８０】
ただし、コンプライアンス制御の場合においては、力センサからの力情報が入力となるのに対して、本実施形態においては仮想物体の運動を表わすデータの変換過程での値を用いるなどの相違があり、機構インピーダンスの関係式を解くための数学的な手法が同等であるにすぎない。
【００８１】
また、別法としては、ラプラス領域での表現を用いて、
【００８２】
【数１６】
0003694608.tif 000017
【００８３】
などの形から求める方法などもありうる。この場合には数１２と同様の伝達関数の演算を行なうことになるため、処理としての共通化が可能などの利点もある。なお、ラプラス領域で示した伝達関数を離散値系のサンプリング処理で表現するためには、いわゆるＺ変換を用いて式を変形し、Ｚ-1が１回前のサンプリング周期における値を示すことを利用すれば良い。
【００８４】
なお、上記数１５ないしは数１６などは並進成分に関する関係式として考えることが妥当であり、回転成分についてはこれらの式をそのまま用いる方法も考えられるが、むしろ、eEiの当該成分を角度、あるいは角度の余弦として取扱い、 重力加速度成分を正確に見積もることが良いと言える。この場合には数１５あるいは数１５に換えて、数１４におけるＸに、eEiの当該成分(の余弦)を代入する 形とすれば良い。
【００８５】
このような機構インピーダンスモデルを用いて変換処理を行なうことにより、プラットフォーム部３−３を動作範囲の中央部に常に引き戻そうとする作用が生じ、スニーク動作が容易に実現される。また、これと同時に、このモデル自体が仮想的であれ、機構の動的な特性を表現するものであることから、このモデルを介して指令データを加工、変換してサーボ制御系に出力することによって、機構に対して過激な指令を排除し、自然で円滑な指令とすることが可能でありという効果も有する。
【００８６】
なお、数１５、数１６により得られた加速度指令は、さらに２回積算ないしは積分することによって、位置指令を求めることが出来る。
【００８７】
このようにして得られた位置指令が、直交座標成分で表現したライド装置３の位置指令となる。図３にライド装置３の一例を示す。この機構では、上下（Ｘ）、左右（Ｙ）、前後（Ｚ）の直交３軸と、Ｙ軸まわりの回転（Ｐ：ピッチング）、Ｚ軸まわりの回転（Ｒ：ローリング）の２つの自由度を有しており、これらをライド装置３の基台３−２上をスライドする左右軸（ｙ）３−５、前後軸（ｚ）３−６、ならびにこのスライド部３−６とプラットフォーム部３−３との間に配置された３つのパンタグラフ状のアーム３−７、３−８、３−９により駆動する。
【００８８】
これらのアームにおけるスライド部３−６との接続部とプラットフォーム部３−３との接続部との間の距離をそれぞれＬ７、Ｌ８、Ｌ９とすれば、上下方向位置（Ｘ）、およびロール角度（Ｒ）、ピッチ角度（Ｐ）とＬ７、Ｌ８、Ｌ９との関係は、幾何学的に一意にもとめることが出来る。従って、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｒ、Ｐの５つの位置、姿勢が与えられれば、これからｙ、ｚ、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９の値を求め、それぞれの自由度の位置サーボ制御系３−５１、３−６１、３−７１、３−８１、３−９１（図４）により基台３−２に対するプラットフォーム部３−３の位置制御が実現出来る。
【００８９】
なお、例えば左右軸３−５が具備されていない場合等については、左右軸方向の加速度をロール動作によって近似的に実現することが必要となる。この場合には、左右方向の位置（Ｙ）を、
【００９０】
【数１７】
0003694608.tif 000018
【００９１】
ここに、Lrは左右動作とロール動作との仮想変換係数としてロール角度（Ｒ）に変換すれば良い。
【００９２】
以上の変換モデルを総合した処理ブロック図を、図４にまとめて示す。この図においては、上述の内容に加えて、さらにライド装置の状態量を統括制御装置１−１にフィードバックする処理が付加されている。これによって、映像の表示装置がライド装置の運動とは独立した場所に設置されている場合等において、ライド装置の動作に同期して映像を変更することが可能となる。また、ライド装置が動作範囲の端部近傍にいる、といった状態を統括制御装置１−１が認識可能であるため、このような状況に応じて、仮想物体の運動ないしはシナリオを変更する、といったことも副次的に可能となる。
【００９３】
なお、以上においては、仮想空間からライド空間への変換アルゴリズムについて説明したが、統括制御装置からの出力データ周期に同期して本発明に係るアルゴリズムを実時間で実行することにより、先に述べたインタラクティブ方式への適用が可能であることはもちろんのこと、予めシナリオ、すなわち仮想空間における仮想物体の運動が定まっているコンテンツに対しても、オフラインで本発明のアルゴリズムを適用することにより、シナリオに即し、かつ動作範囲の制限も考慮したライド装置の運動を自動的に生成することが出来る。このことは、シナリオの変更に伴い、従来必要となっていた熟練作業者によるライド装置の運動パターンの設計、生成の手間を大幅に低減しうるという効果を生み出す。
【００９４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、短い演算処理時間での処理制御が可能で、かつライド装置の搭乗者に充分な体感を付与可能な、仮想物体の運動からライド装置の運動への変換、ならびにライド装置の動作制御が可能となる。特に、本発明では、仮想的な機構インピーダンスモデルなどの応答モデルを採用することにより、任意の機構系の挙動を模擬した動作の生成が簡単な演算で実現可能となる。
【００９５】
また、応答モデルにおけるパラメータを運動を記述する座標系の要素毎に変更可能とすることにより、体感として付与するべき加速度に重力加速度の効果を容易に利用可能とするとともに、ライド装置の機構に対する汎用性を確保することが可能となる。また、該パラメータをライド装置のプラットフォーム位置、姿勢の関数として変化可能とすることにより、例えばライド装置の動作範囲の問題を回避し、かつ動作範囲の中央部にライド装置を引き戻すスニーク動作を容易に重畳することが可能となる。
【００９６】
さらに、ＣＧデータからのモーションベース動作データ生成が可能となるため、予め動作パターンが予測できないようなインタラクティブシステムにおいてもモーションベースの動作データが生成可能となりモーションベースの適用範囲が広がるといった効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるシステム構成図。
【図２】仮想インピーダンス機構のイメージ図。
【図３】ライド装置の機構構成図。
【図４】本発明の一実施形態における変換モデルブロック図。
【符号の説明】
１−１…統括制御装置（ゲームエンジン）、２−１…映像生成制御装置、２−２…プロジェクタ、２−３…スクリーン、３…ライド装置、３−１…モーション制御装置、３−２…基台、３−３…プラットフォーム、３−４…座席、３−５…左右軸、３−６…前後軸、３−７…パンタグラフ型アーム機構１、３−８…パンタグラフ型アーム機構２、３−９…パンタグラフ型アーム機構３、３−５１…左右軸位置サーボ制御系、３−６１…前後軸位置サーボ制御系、３−７１…アーム３−７位置サーボ制御系、３−８１…アーム３−８位置サーボ制御系、３−９１…アーム３−９位置サーボ制御系、４…ネットワーク、５…床面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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