(57)【要約】      （修正有）【課題】医学生の教育や、眼科医の眼科診断に有益な人間の正常又は異常な眼球運動を模擬する眼球運動模擬システムを提供する。【解決手段】人間の眼球運動特性を模擬するコンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の２個の眼球部４１l，４１rを、人間の頭部に対応させた部位に組み込んだ眼球ユニットと、この眼球ユニットを組み込んだ部位を３自由度をもって回転させるとともに、並進加速度センサ２５l，２５r、人間の外耳道に対応する耳道２７l，２７r、温度センサ２６l，２６rを組み込んだコンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の基盤ユニットと、前記眼球ユニット、基盤ユニットの各アクチュエータを制御するコンピュータユニットとを有するものである。さらに、本来ロボットを用いて実現するものをバーチャルリアリティーで実現し、コンピュータディスプレイ上に表現する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間または動物の眼球運動特性を、コンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の人工眼球で模擬するように構成したことを特徴とする眼球運動模擬システム。
【請求項２】
人間または動物の正常又は病的眼球運動特性を、コンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の人工眼球で模擬するように構成したことを特徴とする眼球運動模擬システム。
【請求項３】
人間または動物の眼球の視覚機能を備えるために、人工眼球にはカメラとレンズを装着したことを特徴とする請求項１又は２記載の眼球運動模擬システム。
【請求項４】
人間または動物の眼球の網膜とその中心窩の機能を模擬するために、中心部分には望遠機能、周りには広角機能のレンズを持つカメラを装着した人工眼球を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の眼球運動模擬システム。
【請求項５】
人間または動物の眼球の網膜とその中心窩の機能を模擬するために、望遠レンズ付きカメラと広角レンズ付きカメラの両方を備える人工眼球を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の眼球運動模擬システム。
【請求項６】
人間または動物の眼球運動機能を実現するために、コンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動による３自由度回転機能を自在に実現可能な人工眼球を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の眼球運動模擬システム。
【請求項７】
人間または動物の前庭動眼反射、すなわち頭部運動を補償するための眼球運動を実現するために、人間の頭部にある前庭器（三半規管と卵形嚢・球形嚢を含む）に対応するシステムの位置にジャイロと並進運動加速度センサを備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の眼球運動模擬システム。
【請求項８】
人間または動物の外耳道の温水効果を模擬するために、システムの人間または動物の外耳道に相当する部位に人工外耳道を備え、その終端に温水の温度を検出する温度センサを取り付けたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の眼球運動模擬システム。
【請求項９】
人間または動物の頚―眼反射を模擬するために、システムの人間または動物の頚部に相当する部位に、首の回転を測定できる人間の頚にある筋肉の伸張受容器に相当する回転角度センサを取り付けたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の眼球運動模擬システム。
【請求項１０】
人間または動物の眼瞼と眼球運動の関連を模擬するために、前記人工眼球に人工眼瞼とその人工眼瞼の開閉運動を制御できるアクチュエータを取り付けたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の眼球運動模擬システム。
【請求項１１】
コンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動により、前記人工眼球は以下の１−７の正常な眼球運動を行えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の眼球運動模擬システム。
１．衝動性眼球運動．注目する視点を切り替えるときに生じる眼球運動、すなわち、視標が網膜に対する刺激位置にある視神経からの信号が上丘を経由して引き起こす反射的な眼球運動である。
２．前庭動眼反射．人間の頭部に相当するシステムの部位が運動するとき、頭部両側に設置されるジャイロと並進運動加速度センサ（前庭器の三半規管及び卵形嚢と球形嚢と対応）からの信号を用いて、頭部運動により生じた視覚偏差を補償する眼球運動である。
３．視機性反射．連続運動する視標に対して反射的に追従する眼球運動であり、眼球運動模擬システムでは主にカメラから検出した視標の運動速度信号を用いた視覚フィードバック制御ループで制御する人工眼球の運動である。
４．滑動性眼球運動．運動する視標をスムーズに追従する眼球運動パターンであり、眼球運動模擬システムでは主にカメラから検出した視線と視標との誤差信号を用いた視覚フィードバック制御ループで制御する人工眼球の運動である。
５．輻輳開散運動．視標が頭部に対して前後方向に運動する場合に生じた両眼運動であり、眼球運動模擬システムでは主に左右両人工眼球にそれぞれ設置したカメラから検出した視覚信号の差を用いて制御する左右人工眼球の内転と外転運動である。
６．閉眼に伴う眼球運動．眼瞼を閉じる瞬間に起こる眼球運動であり、一般的には上転運動とやや内転を伴う運動である。
７．頚−眼反射．首の回転を測定できる頚にある筋肉の伸張受容器からの信号によって制御される眼球の運動である。眼球運動模擬システムでは人間の頚部の筋肉の伸張受容器に相当する回転角度センサからの信号を用いて、システムの頚部の運動より生じた視覚偏差を補償する眼球運動制御である。
【請求項１２】
生理学及び臨床医学で発見したそれぞれの眼科及び平衡器官の疾患とそれぞれの眼球運動誘発条件に対応する眼球運動パターンの各眼球の時間系列上の回転角の軌跡を、人工眼球運動制御システムの目標値とした方法で、各種疾患の眼球運動パターンを逐一実現可能としたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の眼球運動模擬システム。
【請求項１３】
生理学の知見に基づいて眼球運動制御神経システムの数学モデルを構築し、各眼科疾患の部位に対応するパラメータを修正することによって、様々な眼球運動を起こす刺激を与えた場合、その疾患に対応する眼球運動パターンを実現することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の眼球運動模擬システム。
【請求項１４】
人間または動物の眼球運動特性を模擬するコンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の２個の人工眼球を、人間の頭部に対応させた部位に組み込んだ眼球ユニットと、
眼球ユニットを組み込んだ部位を３自由度をもって回転させるコンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の基盤ユニットと、
前記眼球ユニット、基盤ユニットの各アクチュエータを制御するコンピュータユニットと、
を有することを特徴とする眼球運動模擬システム。
【請求項１５】
前記基盤ユニットは、更に運動補償用の加速度信号を送出する回転と並進運動の加速度センサと、人間または動物の外耳道に対応する人工外耳道と、温度センサと、マイクとを備えることを特徴とする請求項１４記載の眼球運動模擬システム。
【請求項１６】
人間または動物の人形形状に形成したロボット本体に、人間または動物の眼球運動を模擬するコンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の人工眼球を備えたことを特徴とする眼球運動模擬用ロボット。
【請求項１７】
人形形状に形成したロボット本体に、人間または動物の正常又は病的眼球運動特性を模擬するコンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の人工眼球を備えたことを特徴とする眼球運動模擬用ロボット。
【請求項１８】
人形形状に形成したロボット本体に備えた人工眼球には、人間または動物の眼球の視覚機能を備えるために、カメラとレンズを装着したことを特徴とする請求項１６又は１７記載の眼球運動模擬用ロボット。
【請求項１９】
人形形状に形成したロボット本体に備えた人工眼球には、人間または動物の眼球の網膜とその中心窩の機能を模擬するために、中心部分には望遠機能、周りには広角機能のレンズを持つカメラを装着したことを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれかに記載の眼球運動模擬用ロボット。
【請求項２０】
人形形状に形成したロボット本体に備えた人工眼球には、人間または動物の眼球の網膜とその中心窩の機能を模擬するために、望遠レンズ付きカメラと広角レンズ付きカメラの両方を備えたことを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれかに記載の眼球運動模擬用ロボット。
【請求項２１】
人形形状に形成したロボット本体に備えた人工眼球は、コンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動による３自由度回転機能を自在に実現可能であることを特徴とする請求項１６乃至２０のいずれかに記載の眼球運動模擬用ロボット。
【請求項２２】
人間または動物の前庭動眼反射、すなわち頭部運動を補償するための眼球運動を実現するために、人間または動物の頭部にある前庭器（三半規管と卵形嚢・球形嚢を含む）に対応するロボット本体の部位にジャイロと並進運動加速度センサを備えることを特徴とする請求項１６乃至２１のいずれかに記載の眼球運動模擬用ロボット。
【請求項２３】
人間または動物の外耳道の温水効果を模擬するために、ロボット本体の人間または動物の外耳道に相当する部位に人工外耳道を備え、その終端に温水の温度を検出する温度センサを取り付けたことを特徴とする請求項１６乃至２２のいずれかに記載の眼球運動模擬用ロボット。
【請求項２４】
人間または動物の頚―眼反射を模擬するために、ロボット本体の人間の頚部に相当する部位に、首の回転を測定できる人間の頚にある筋肉の伸張受容器に相当する回転角度センサを取り付けたことを特徴とする請求項１６乃至２３のいずれかに記載の眼球運動模擬用ロボット。
【請求項２５】
人間または動物の眼瞼と眼球運動の関連を模擬するために、ロボット本体の人工眼球に、人工眼瞼とその人工眼瞼の開閉運動を制御できるアクチュエータを取り付けたことを特徴とする請求項１６乃至２４のいずれかに記載の眼球運動模擬用ロボット。
【請求項２６】
コンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動により、前記ロボット本体の人工眼球は以下の正常な眼球運動を行えることを特徴とする請求項１６乃至２５のいずれかに記載の眼球運動模擬用ロボット。
１．衝動性眼球運動．注目する視点を切り替えるときに生じる眼球運動、すなわち、視標が網膜に対する刺激位置にある視神経からの信号が上丘を経由して引き起こす反射的な眼球運動である。
２．前庭動眼反射．人間または動物の頭部に相当するロボット本体の頭部が運動する時、頭部両側に設置されるジャイロと並進運動加速度センサ（前庭器の三半規管及び卵形嚢と球形嚢と対応）からの信号を用いて、頭部運動により生じた視覚偏差を補償する眼球運動である。
３．視機性反射．連続運動する視標に対して反射的に追従する眼球運動であり、眼球運動模擬用ロボットでは主にカメラから検出した視標の運動速度信号を用いた視覚フィードバック制御ループで制御する人工眼球の運動である。
４．滑動性眼球運動．運動する視標をスムーズに追従する眼球運動パターンであり、眼球運動模擬用ロボットでは主にカメラから検出した視線と視標との誤差信号を用いた視覚フィードバック制御ループで制御する人工眼球の運動である。
５．輻輳開散運動．視標が頭部に対して前後方向に運動する場合に生じた両眼運動であり、眼球運動模擬用ロボットでは主に左右両人工眼球にそれぞれ設置したカメラから検出した視覚信号の差を用いて制御する左右人工眼球の内転と外転運動である。
６．閉眼に伴う眼球運動．眼瞼を閉じる瞬間に起こる眼球運動であり、一般的には上転運動とやや内転を伴う運動である。
７．頚−眼反射．首の回転を測定できる頚にある筋肉の伸張受容器からの信号によって制御される眼球の運動である。眼球運動模擬用ロボットでは人間の頚部の筋肉の伸張受容器に相当する回転角度センサからの信号を用いて、頚部に相当する部位の運動より生じた視覚偏差を補償する眼球運動制御である。
【請求項２７】
生理学及び臨床医学で発見したそれぞれの眼科及び平衡器官の疾患とそれぞれの眼球運動誘発条件に対応する眼球運動パターンの各眼球の時間系列上の回転角の軌跡を、ロボット本体の人工眼球の目標値とした方法で、各種疾患の眼球運動パターンを逐一実現可能としたことを特徴とする請求項１６乃至２６のいずれかに記載の眼球運動模擬用ロボット。
【請求項２８】
生理学の知見に基づいて眼球運動制御神経システムの数学モデルを構築し、各眼科疾患の部位に対応するパラメータを修正することによって、様々な眼球運動を起こす刺激を与えた場合、その疾患に対応する眼球運動パターンを実現することを特徴とする請求項１６乃至２７のいずれかに記載の眼球運動模擬用ロボット。
【請求項２９】
人間または動物の眼球運動特性を模擬するコンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の２個の人工眼球を、人間または動物の頭部に対応させたロボット本体の頭部に組み込んだ眼球ユニットと、
ロボット本体の胴部に組み込んだ前記眼球ユニットを組み込んだ頭部を３自由度をもって回転させるコンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の基盤ユニットと、
前記眼球ユニット、基盤ユニットの各アクチュエータを制御するコンピュータユニットと、
を有することを特徴とする眼球運動模擬用ロボット。
【請求項３０】
前記基盤ユニットは、更に運動補償用の加速度信号を送出する回転と並進運動の加速度センサと、人間または動物の外耳道に対応する人工外耳道と、温度センサとを備えることを特徴とする請求項２９記載の眼球運動模擬用ロボット。
【請求項３１】
バーチャルリアリティー技法を用いて、コンピュータープログラムにより作ったディスプレイ上でその動きをアニメーションで表現できるデジタルな人間または動物（以後、バーチャル人間またはバーチャル動物）に、人間または動物の眼球運動特性を模擬できる機能を付与する眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステム。
【請求項３２】
人間または動物の正常又は病的眼球運動特性を引き出すための実験環境と装置を、バーチャルリアリティー技法を用いて実現する（以後、バーチャル実験環境とバーチャル装置）ことを特徴とする請求項３１記載の眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステム。
【請求項３３】
前記眼球運動模擬用バーチャル人間または動物は、人間または動物の前庭動眼反射、すなわち頭部運動を補償するための眼球運動を実現するために、人間または動物の頭部にある前庭器（三半規管と卵形嚢・球形嚢を含む）に対応し、バーチャル人間または動物の頭部運動データをバーチャル人間または動物の前庭器の出力信号として眼球運動制御システムモデルに入力し、そのモデルの出力データを用いて、アニメーションでバーチャル人間または動物の前庭動眼反射眼球運動を表現することを特徴とする請求項３１に記載の眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステム。
【請求項３４】
前記眼球運動模擬用バーチャル人間または動物は、人間または動物の外耳道の温水効果を模擬するために、バーチャル人間または動物に外耳道を備え、温水がその外耳道に注ぐことをアニメーションでディスプレイ上に表現しているとき、温水の温度データを眼球運動模擬システムモデルに入力でき、そのモデルの出力通りの眼球運動をコンピュータアニメーションで表現することを特徴とする請求項３１記載の眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステム。
【請求項３５】
プログラミングで任意制御可能な前記眼球運動模擬用バーチャル人間または動物の眼球は、以下の１乃至７の正常な眼球運動を行えることを特徴とする請求項３１記載の眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステム。
１．衝動性眼球運動．注目する視点を切り替えるときに生じる眼球運動、すなわち視標が網膜に対する刺激位置にある視神経からの信号が上丘を経由して引き起こす反射的な眼球運動である。
２．前庭動眼反射．バーチャル人間または動物の頭部が運動する時、頭部の回転と並進運動データを用いて、頭部運動により生じた視線偏差を補償する眼球運動である。
３．視機性反射．連続運動する視標に対して反射的に追従する眼球運動であり、眼球運動模擬用バーチャル人間では主に視線とバーチャル視標の相対運動速度データを用いたフィードバック制御ループで制御する仮想眼球の運動である。
４．滑動性眼球運動．運動する視標をスムーズに追従する眼球運動パターンであり、眼球運動模擬用バーチャル人間または動物では主に視線とバーチャル視標との誤差データを用いて眼球位置をリアルタイムで設定し、アニメーションで表現する。
５．輻輳開散運動．視標が頭部に対して前後方向に運動する場合に生じた両眼運動であり、眼球運動模擬用バーチャル人間または動物では主に左右両眼球の視線と視標とのそれぞれの誤差データを用いて眼球位置をリアルタイムで設定し、アニメーションで左右の眼球を内転と外転運動を表現する。
６．閉眼に伴う眼球運動．眼瞼を閉じる瞬間に起こる眼球運動であり、一般的には上転運動とやや内転を伴う運動である。
７．頚−眼反射．首の回転を測定できる頚にある筋肉の伸張受容器からの信号によって制御される眼球の運動である。眼球運動模擬用バーチャル人間または動物ではバーチャル人間または動物の頚部の回転角度のデータを用いて、眼球の視覚偏差を補償する眼球運動をアニメーションで表現する。
【請求項３６】
生理学及び臨床医学で発見した夫々の眼科及び平衡器官の疾患と夫々の眼球運動誘発条件に対応する眼球運動パターンの各眼球の時間系列上の回転角の軌跡を、前記眼球運動模擬用バーチャル人間の眼球の運動軌跡とした方法で、各種疾患の眼球運動パターンをコンピュータアニメーションによって逐一実現可能としたことを特徴とする請求項３１記載の眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステム。
【請求項３７】
生理学の知見に基づいて眼球運動制御神経システムの数学モデルを構築し、各眼科疾患の部位に対応するパラメータを修正することによって、各種眼球運動を引き起こす刺激を与えた場合、その疾患に対応する眼球運動パターンをコンピュータアニメーションによってその刺激過程と共に実現することを特徴とする請求項３１記載の眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステム。
【請求項３８】
前記眼球運動模擬用バーチャル人間または動物は、その頭部、特に眼の部分を大きく表示できるような機能を持つことを特徴とする請求項３１記載の眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステム。
【請求項３９】
バーチャル人間（または動物）やバーチャル実験環境と装置の各パラメータやデータをリアルタイムでディスプレイで表示できるような機能を持つことを特徴とする請求項３１記載の眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステム。
【請求項４０】
ゲーム機やネットワークゲーム等のバーチャルの世界に、バーチャルの人間や動物、モンスター等の眼の運動に利用できるようにしたことを特徴とする請求項３１記載の眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、眼球運動模擬システム、眼球運動模擬用ロボット及びバーチャルリアリティーを用いた眼球運動模擬システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
人間または動物の眼球運動、特に視覚神経や眼球運動制御神経系の病気により生じた病的眼球運動パターンは複雑で、容易に把握することができない。教育現場では多種多様の眼球運動を実際に医（獣医も含む）学生に見せることは困難であり、適当な時期に、適当な患者を見つけるのも極めて難しい。現実に熟練した眼科医でも見たことのない眼科疾病が多い。
【０００３】
また、様々な眼球運動誘発条件を与えた場合の眼球運動パターンから眼科疾患のみならず脳の機能障害（例えば老年痴呆症等）等の診断にも可能である。例えば、患者を回転する椅子に載せることによって誘発する前庭動眼反射から神経眼科疾患や、平衡感覚を左右する前庭器官の疾患も診断に用いられている。
【０００４】
さらに、人間型ロボットやペット型ロボットに本物らしい眼球運動のできる「眼」を付くことによってロボットが生き物のように見えるので、「眼」は癒し、エンターテインメントなどの領域に使うロボットとしてなくではならないものになる。
【０００５】
このような理由で、各種の眼球運動を実際に模擬できる眼球運動模擬システムや眼球運動模擬用ロボットは医師の養成や珍しい病気の診断、幼児や孤独な老人の癒し相手としても極めて有用である。
【０００６】
これまで、医療又は教育のために、人間または動物の眼球と全く同じように運動する人工眼球運動制御システムは本発明者の知る限り存在していない。
また、これまで、生理学の領域では眼球運動制御神経システムのモデルは数多く構築されてきたが、眼科疾患を考慮した神経システムモデルに関する研究は本研究者の知る限り本発明者の１９９９年日本臨床生理学会で発表した論文（日本臨床整理学会雑誌 VOL.29, No.2, pp.123-131）以外になかった。
【０００７】
特許文献１には、疑似視覚レンズと、ＣＣＤカメラとを有する疑似視覚カメラを、回転ステージにより水平、垂直方向に回転させ、人間の眼球の回転運動を模擬し、疑似視覚カメラの撮像画像によって回旋位置での網膜像をシミュレーションするように構成した疑似視覚装置が開示されている。
【０００８】
この疑似視覚装置の場合、網膜像のシミュレーションは実現できるものの、人間の正常又は異常な種々の眼球運動や、人間の三半規管、卵形嚢、球形嚢、筋肉の伸張受容器の各機能、三半規管の温度特性等を模擬する機能までは備えていない。
【特許文献１】特開平１１−２４９０８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
医学生の教育や、眼科医の眼科診断に有益な人間の正常又は異常な眼球運動を模擬する眼球運動模擬システム、眼球運動模擬用ロボットが存在しない点である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、人間または動物の眼球運動特性を模擬するコンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の２個の人工眼球を、人間または動物の頭部に対応させた部位に組み込んだ眼球ユニットと、この眼球ユニットを組み込んだ部位を３自由度をもって回転させるコンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の基盤ユニットと、前記眼球ユニット、基盤ユニットの各アクチュエータを制御するコンピュータユニットとを有することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
請求項１、２、３記載の眼球運動模擬システムによれば、コンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の人工眼球を有することにより、医学生の教育や、眼科医の眼科診断に有益な人間の正常又は異常な眼球運動を模擬することができる。
【００１２】
請求項４、５記載の発明によれば、人間または動物の眼球の網膜とその中心窩の機能を模擬することができる。
請求項６記載の発明によれば、コンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動による３自由度回転機能の人工眼球を有することにより、医学生の教育や、眼科医の眼科診断に有益な人間の正常又は異常な眼球運動を模擬することができる。
請求項７記載の発明によれば、ジャイロと並進運動加速度センサを備えることにより、人間の前庭動眼反射、すなわち頭部運動を補償した眼球運動を模擬することができる。
請求項８記載の発明によれば、人間または動物の外耳道の温水効果を模擬することができる。
請求項９記載の発明によれば、人間または動物の頚―眼反射を模擬することができる。
請求項１０記載の発明によれば、開閉可能な人工眼瞼を備えたことにより、人間の眼瞼と眼球運動の関連を模擬することができる。
請求項１１記載の発明によれば、種々の正常な眼球運動を模擬することができる。
【００１３】
請求項１２記載の発明によれば、各種疾患の眼球運動パターンを逐一実現できる眼球運動模擬システムを提供できる。
請求項１３記載の発明によれば、様々な眼球運動を起こす刺激に与えた場合、眼科疾患に対応する眼球運動パターンを実現できる眼球運動模擬システムを提供できる。
請求項１４記載の発明によれば、コンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の眼球ユニット及び基盤ユニットと、コンピュータユニットを有する構成で正常又は異常の種々の眼球運動パターンを実現できる眼球運動模擬システムを提供できる。
【００１４】
請求項１５記載の発明によれば、人間または動物の首に相当する基盤ユニットの動きの影響を補償し、また温水効果を模擬できる眼球運動模擬システムを提供できる。
請求項１６、１７、１８記載の眼球運動模擬用ロボットによれば、コンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の人工眼球を有することにより、医学生の教育や、眼科医の眼科診断に有益な人間の正常又は異常な眼球運動を模擬することができる。
請求項１９、２０記載の発明によれば、人間または動物の眼球の網膜とその中心窩の機能を模擬することができる。
請求項２１記載の発明によれば、コンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動による３自由度回転機能の人工眼球を有することにより、医学生の教育や、眼科医の眼科診断に有益な人間の正常又は異常な眼球運動を模擬することができる眼球運動模擬用ロボットを提供できる。
【００１５】
請求項２２記載の発明によれば、ジャイロと並進運動加速度センサを備えることにより、人間または動物の前庭動眼反射、すなわち頭部運動を補償した眼球運動を模擬することができる。
請求項２３記載の発明によれば、人間または動物の外耳道の温水効果を模擬することができる。
請求項２４記載の発明によれば、人間または動物の頚―眼反射を模擬することができる。
請求項２５記載の発明によれば、開閉可能な人工眼瞼を備えたことにより、人間または動物の眼瞼と眼球運動の関連を模擬することができる。
請求項２６記載の発明によれば、種々の正常な眼球運動を模擬することができる。
請求項２７記載の発明によれば、各種疾患の眼球運動パターンを逐一実現できる眼球運動模擬用ロボットを提供できる。
請求項２８記載の発明によれば、様々な眼球運動を起こす刺激を与えた場合、眼科疾患に対応する眼球運動パターンを実現できる眼球運動模擬用ロボットを提供できる。
請求項２９記載の発明によれば、コンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の眼球ユニット及び基盤ユニットと、コンピュータユニットを有する構成で正常又は異常の種々の眼球運動パターンを実現できる眼球運動模擬用ロボットを提供できる。
請求項３０記載の発明によれば、人間または動物の首に相当する基盤ユニットの動きの影響を補償し、また温水効果を模擬できる眼球運動模擬用ロボットを提供できる。
【００１６】
請求項３１、３２記載の発明によれば、バーチャルリアリティー技法を用いて、アニメーションソフトにより作ったディスプレイ上で表示する人間または動物（バーチャル人間またはバーチャル動物）の眼球の運動が任意に設定できるので、医学生の教育や、眼科医の眼科診断に有益な人間の正常又は異常な眼球運動を模擬することができる。
請求項３３記載の発明によれば、人間または動物の頭部にある前庭器（三半規管と卵形嚢・球形嚢を含む）に対応し、バーチャル人間または動物の頭部運動データをバーチャル人間または動物の前庭器の出力信号として眼球運動制御システムモデルに入力し、バーチャル人間または動物の眼球運動を制御する眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステムであるので、人間または動物の前庭動眼反射、すなわち頭部運動を補償した眼球運動を模擬することができる。
【００１７】
請求項３４記載の発明によれば、人間または動物の外耳道の温水効果を模擬するために、バーチャル人間または動物の耳に温水を注ぐようなアニメーションを表示でき、ユーザが設定した温水の温度を眼球運動制御システムモデルに入力し、バーチャル人間または動物の眼球運動を制御する眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステムであるので、人間または動物の外耳道の温水効果を模擬することができる。
請求項３５記載の発明によれば、種々の正常な眼球運動をコンピュータアニメーションで模擬することができる眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステムを提供できる。
請求項３６記載の発明によれば、各種疾患の眼球運動パターンをコンピュータアニメーションで逐一実現できる眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステムを提供できる。
請求項３７記載の発明によれば、各種眼球運動を引き起こす刺激を与えた場合、眼科疾患に対応する眼球運動パターンをコンピュータアニメーションで実現できる眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステムを提供できる。
【００１８】
請求項３８記載の発明によれば、頭部、特に眼の部分を大きく表示できるような機能を持つ眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステムを提供できる。
請求項３９記載の発明によれば、バーチャル人間（または動物）やバーチャル実験環境と装置の各パラメータやデータをリアルタイムでディスプレイで表示できるような機能を持つ眼球運動模擬用バーチャルリアリティーシステムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、医（獣医）学生の教育や、眼科医の眼科診断に有益な人間または動物の正常又は異常な眼球運動を模擬する眼球運動模擬システムを提供するという目的を、人間または動物の眼球運動特性を模擬するコンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の２個の望遠と広角複合レンズ付きカメラを用いた人工眼球を、人間の頭部に対応させた部位に組み込んだ眼球ユニットと、眼球ユニットを組み込んだ部位を３自由度をもって回転させるとともに、回転と並進運動の加速度センサ、人間の外耳道に対応する人工外耳道、温度センサを組み込んだコンピュータ制御可能なアクチュエータ駆動の基盤ユニットと、前記眼球ユニット、基盤ユニットの各アクチュエータを制御するコンピュータユニットと眼球運動制御神経のモデルを組み込んだ人工眼球運動制御用ソフトウエアとを有する構成により達成した。
【実施例】
【００２０】
以下に本発明の実施例を詳細に説明する。
図１は人間の頭部と、本発明の実施例の眼球運動模擬システム及び眼球運動模擬用ロボット（以下「ロボット」という）３０の頭部３１との眼球運動に関連する器官の対応関係を示すものである。
人間の頭部には、眼球運動に関連する器官として、左右の眼球、左右の眼球に対応する眼筋、左右の三半規管、左右の卵形嚢・球形嚢、左右の外耳道等が存在する。
【００２１】
ロボット３０のロボット本体を構成する頭部３１には、人間の頭部の構造に対応する各要素を設けている。
すなわち、人間の左右の眼球に対応する人工眼球を構成する眼球部４１l，４１rにカメラユニット１l，１rを備えている。更に、人間の眼筋に対応するモータ２２ｘl，２２ｘr，２２ｙl，２２ｙr，２２ｚl，２２ｚr等やエンコーダ２３ｘl，２３ｘr，２３ｙl，２３ｙr，２３ｚl，２３ｚr等を含む眼球運動機構、三半規管に対応するジャイロ２４l，２４r又はそれに相当する回転加速度センサを含む加速度センサ、卵形嚢・球形嚢に対応する並進加速度センサ２５l，２５rを含む検出機構、人間の左右の外耳道に対応する耳道２７l，２７r、温水等の刺激によって反応する人間の三半規管の温度特性を模擬するための左右の温度センサ２６l，２６r等を備えている。
前記カメラユニット１l，１rとしては、中心部分には望遠機能、周りには広角機能のレンズを備えることで人間の眼球の網膜とその中心窩の機能を模擬可能としたり、望遠レンズ付きカメラと広角レンズ付きカメラの両方を備え、人間の眼球の網膜とその中心窩の機能を模擬可能とすることができる。更に、撮像素子が凹球面状に設計したのカメラを利用することによって、凹球面状な網膜を模擬することができ、撮像素子の中心部位に解像度が高く、周辺領域における解像度を比較的低くするような構造で、網膜とその中心窩を模擬することも考えられる。
【００２２】
このような構成とすることによって、様々な人間の眼球運動を模擬することができる。
すなわち、ジャイロ２４l，２４rや並進加速度センサ２５l，２５rが頭部運動を検出し、その信号を用いてモータ２２ｘl，２２ｘr，２２ｙl，２２ｙr，２２ｚl，２２ｚrを駆動しカメラユニット１l，１rの運動を制御する。また、カメラユニット１l，１rによって検出した視標５０（Ｔａｒｇｅｔ）の相対位置信号と、速度信号を用いてカメラユニット１l，１rを視標５０に追従させ、滑動性眼球運動と視機性眼球運動を模擬する。また、ロボット３０に設けた耳道２７l，２７rに温水を注入する場合、温度センサ２６l，２６rは温度信号を送出し、前記眼球部４１l，４１rを運動させることもできる。
【００２３】
前記カメラユニット１l，１rは、基本的に２台のカメラによって構成される（必要に応じて２台以上又は１台にすることができる）。一台は広角レンズ付きカメラであり、もう一台は望遠レンズ付きカメラである。２台のカメラは平行に寄せて設置する。２台のカメラの距離はできるだけ近くに設置する。
【００２４】
また、カメラユニット１l，１rは各々３自由度、このカメラユニット１l，１rを支持する図３に示す基盤ユニット（７１，７２，６６，６７等を含む）、すなわちロボットの頭部３１が３自由度、全部で９自由度のシステムである。カメラユニット１l，１rと基盤ユニットの自由度等は必要に応じて加減することができる。
【００２５】
図２は、本実施例における等身大人形形状のロボット３０の構成例を示すものである。
ロボット３０の頭部３１には図１に示すような各要素を配置する。また、等身大人形のロボット３０の胴体部３２には各種設定データ等を表示するためのディスプレイ９や、種々の設定データ等を入力するためのキーボード１０を備えたコンピュータユニットを設置する。無線通信技術を用いてこれらのディスプレイ９やキーボード１０を備えるコンピュータユニットはロボット３０の外部に設置することも勿論可能である。
【００２６】
また、ロボット３０の眼球部４１l，４１rには眼瞼８l，８rを設けるとともに、眼瞼８l，８rを図示していないがアクチュエータ駆動で開閉させる構成としている。
【００２７】
図３は、本発明の実施例の眼球運動模擬システム及びロボット３０の各々アクチュエータ駆動の眼球ユニット、基盤ユニットの構成を示すものである。
【００２８】
基盤ユニットは眼球ユニットを３自由度をもって駆動する。
すなわち、基盤ユニットは、基盤６１、上基盤６２、連結柱６３により構成される基台６０と、該基台６０の上基盤６２に取り付けたモータ２ｚの回転軸と連結する第１の支持片６４と、上基盤６２に取り付けられ、第１の支持片６４を図３に示すｚ軸の回りに回転させるモータ２ｚと、第１の支持片６４に取り付けたモータ２ｘと、このモータ２ｘによりｘ軸の回りに回転駆動される第２の支持片６５と、第２の支持片６５からｚ軸方向に立設し、且つ、第２の支持片６５に取り付けられ、支柱６６をｙ軸の回りに回転駆動するモータ２ｙと、前記支柱６６により水平配置で支持される水平支持片６７とを有している。
【００２９】
前記モータ２ｚ，モータ２ｘ，モータ２ｙは、各々人間の首が回転する場合の頚−眼反射運動を模擬し得るように、人間の伸張受容体に対応するエンコーダ３ｚ，３ｘ，３ｙを備え、各々モータ２ｚ，モータ２ｘ，モータ２ｙの回転角度を検出するように構成している。
【００３０】
眼球ユニットは、前記水平支持片６７の一端側で支持される眼球部支持体７１と、眼球部上支持体７２と、前記眼球部支持体７１及び眼球部上支持体７２間において、左右の眼球部４１l，４１rを各々ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の回りに回転可能に支持する支持輪７３l，７３rとを有している。左右の眼球部４１l，４１r、眼球部上支持体７２には、図４−１に示すような各位置にベアリング７４l，７４rを配置している。
【００３１】
前記水平支持片６７の他端側には、前記ジャイロ２４l，２４r、並進加速度センサ２５l，２５r、耳道２７l，２７r、温度センサ２６l，２６rを各々人間の頭部の構造に対応させて配置している。
【００３２】
このような眼球運動模擬システム及びロボット３０の眼球ユニット、基盤ユニットの構成により、以下の１．乃至７．に述べるような人間の眼球運動を模擬することができる。
１．衝動性眼球運動．注目する視点を切り替えるときに生じる眼球運動である。
すなわち、視標が網膜に対する刺激位置にある視神経からの信号が上丘を経由して引き起こす反射的な眼球運動である。
２．前庭動眼反射．人間の頭部に相当する眼球運動模擬システムの頭部３１が運動するとき、頭部３１内の両側に設置される加速度センサ（前庭器の三半規管及び卵形嚢と球形嚢と対応）からの信号を用いて、頭部運動により生じた視覚偏差を補償する眼球運動である。
３．視機性反射．連続運動する視標に対して反射的に追従する眼球運動で、主にカメラユニット１l，１rから検出した視標５０の運動速度信号を用いた視覚フィードバック制御ループで制御する人工眼球の運動である。
４．滑動性眼球運動．運動する視標５０をスムーズに追従する眼球運動パターンであり、主にカメラユニット１l，１rから検出した視線と前記視標５０との誤差信号を用いた視覚フィードバック制御ループで制御する人工眼球の運動である。
５．輻輳開散運動．視標が頭部に対して前後方向に運動する場合に生じた両眼運動であり、主に左右の眼球部４１l，４１rにそれぞれ設置したカメラユニット１l，１rから検出した視覚信号の差を用いて制御する左右の眼球部４１l，４１rの内転と外転運動である。
６．閉眼に伴う眼球運動．図２に示す眼瞼８l，８rを閉じる瞬間に起こる眼球運動であり、一般的には上転運動とやや内転を伴う運動である。
７．頚−眼反射．首の回転を測定できる頚にある筋肉の伸張受容器からの信号によって制御される眼球の運動である。本実施例の眼球運動模擬システム、ロボット３０では、人間の頚部の筋肉の伸張受容器に相当する加速度センサからの信号を用いて、眼球運動模擬システムの頚部の運動より生じた視覚偏差を補償する眼球運動制御である。
【００３３】
更に、前記耳道２７l，２７rに温度センサ２６l，２６rを各々配置したことによって、人間の外耳道に生じる温水効果を模擬することもできる。
【００３４】
図４−１は前記眼球ユニットにおける左の眼球部４１lの構造を拡大して示すものであり、眼球部４１lを３自由度をもって、すなわち、ｚ軸，ｘ軸，ｙ軸の回りに各々回転運動を実現するように構成している。
前記眼球ユニットは、人間の内直筋と外直筋に対応してカメラユニット１lを備えた眼球部４１lをｚ軸の回り（水平方向）に運動させるモータ２２ｚl、人間の上直筋と下直筋に対応して眼球部４１lをｙ軸の回り（上下方向）に運動させるモータ２２ｙl、及び人間の上斜筋と下斜筋に対応して眼球部４１lをｘ軸の回り（視軸回り）に回転運動させるモータ２２ｘlを有している。これにより、前記眼球部４１lのパン、チルト、ヨー運動を制御できる構造としている。
前記モータ２２ｚl，モータ２２ｙl，モータ２２ｘlには、各々人間の眼筋の伸張受容器に対応するエンコーダ２３ｚl，２３ｙl，２３ｘlを取り付けている。
【００３５】
前記眼球部４１lのｚ軸の回りの運動は、モータ２２ｚlの原動軸に水平配置でプーリ８１lを連結し、前記眼球部４１lの外周部に両端を連結したワイヤ９４lをプーリ８１lに架け渡して、モータ２２ｚlの回転力をプーリ８１l、ワイヤ９４lを介して眼球部４１lに伝達することで実現する。
【００３６】
前記眼球部４１lのｙ軸の回りの運動は、モータ２２ｙlの原動軸に、傘歯車８２を取り付け、前記眼球部４１lの外周部に両端を連したワイヤ９２を傘歯車８２に噛合して駆動される歯車部を有する垂直配置の垂直プーリ８３に架け渡して、モータ２２ｙlの回転力を傘歯車８２、垂直プーリ８３、ワイヤ９２を介して眼球部４１lに伝達することで実現する。
【００３７】
前記眼球部４１lのｘ軸の回りの運動は、前記モータ２２ｘlの原動軸に、傘歯車８４を取り付け、前記眼球部４１lの下方に水平位置に支持した回転軸８５に、傘歯車８４に噛合する歯車８６と、前記眼球部４１lの外周部に両端を連結したワイヤ９３を架け渡したプーリ８７とを取り付け、モータ２２ｘlの回転力を傘歯車８４、歯車８６、回転軸８５、プーリ８７、ワイヤ９３を介して眼球部４１lに伝達することで実現する。
【００３８】
眼球ユニットにおける右の眼球部４１r側のモータ２２ｘr，２２ｙr，２２ｚr等の構成も、プーリ８１r、ワイヤ９４rを用いて前記左の眼球部４１l側の構成と同様となっている。
【００３９】
図５は、本発明の実施例の眼球運動模擬システム及びロボット３０の各部位の運動学構造を解析するための座標系及び各要素の配置を示すものである。
【００４０】
図５において、基本座標系はｘB，ｙB，ｚBであり、これらは図２に示すロボット３０の胴体部３２の頚根部に固定する。
【００４１】
左右の合計６自由度のジャイロ２４l，２４r及び並進加速度センサ２５l，２５rからなる加速度センサの座標系は、それぞれｘA-l，ｙA-l，ｚA-l，ｘA-r，ｙA-r，ｚA-rである。
【００４２】
眼窩固定座標系は、それぞれｘO-l，ｙO-l，ｚO-l，ｘO-r，ｙO-r，ｚO-rである。
【００４３】
眼球部４１l，４１rに固定する座標系は、それぞれｘE-l，ｙE-l，ｚE-l，ｘE-r，ｙE-r，ｚE-rである。
【００４４】
図５において、θN1は、モータ２ｚの回転角（ｚN軸の回りの回転角）、θN2は、モータ２ｘの回転角（ｘN軸の回りの回転角）、θN3は、モータ２ｙの回転角（ｙN軸の回りの回転角）である。
【００４５】
また、図５において、θ1はモータ２２ｚlの回転角、θ2はモータ２２ｚrの回転角である。θ3はモータ２２ｙlの回転角、θ4はモータ２２ｙrの回転角である。更に、θ5はモータ２２ｘlの回転角、θ6はモータ２２ｘrの回転角である。
【００４６】
また、図５において、ψ1は視標５０がｚO-l軸を回る回転角、ψ3は視標５０がｙO-l軸を回る回転角であり、ψ2は視標５０がｚO-r軸を回る回転角、ψ4は視標５０がｙO-r軸を回る回転角である。
【００４７】
図５において、ψx-l，ψy-l，ψz-lはジャイロ２４lにより検出するｘA-l軸，ｙA-l軸，ｚA-l軸の回りの回転角であり、ψx-r，ψy-r，ψz-rはジャイロ２４rにより検出するｘA-r軸，ｙA-r軸，ｚA-r軸の回りの回転角である。
【００４８】
図６は本実施例の眼球運動模擬システム（又はロボット３０）の全体構成を示すものである。
すなわち、本実施例の眼球運動模擬システム（又はロボット３０）は、上述した眼球ユニット、基盤ユニットに加えて、図６に示すコンピュータユニットを具備している。
【００４９】
本実施例のコンピュータユニットは、システム全体の制御処理、図７、図８に示すような数学モデルによる計算処理を行うとともに、眼球運動に関する必要な種々のデータ（予め作成した衝動性眼球運動曲線テーブル、各病気に特有の眼球運動パターンを実現するためのモータ制御軌道データ等）を記憶している中央コントローラ（コンピュータ）１６と、前記カメラユニット１l，１rからの画像信号入力用のインターフェース（画像入力カードやボード等）１２と、エンコーダ３ｘ，３ｙ，３ｚ等からの信号入力用のインターフェース（アナログ信号ならＡ／Ｄ変換器、パルス信号ならカウンターボード等）１１と、加速度センサ（ジャイロ２４l，２４r及び並進加速度センサ２５l，２５r）からの信号入力用のインターフェース（アナログ信号ならＡ／Ｄ変換器）１３と、前記モータ２ｘ，２ｙ，２ｚ等の各モータ群を駆動するドライバ１５（インターフェース１４を含む）と、前記ディスプレイ９、設定データ等を入力するキーボード１０とを有している。
【００５０】
図７は本実施例の眼球運動模擬システム（又はロボット３０）の垂直眼球運動制御（水平軸ｙE-l，ｙE-rの回りの眼球回転運動制御）を実現する数学モデルであるブロック線図を示すものである。
【００５１】
患者の眼球運動を模擬するのみであれば、カメラユニット１l，１rからの視覚信号と、ジャイロ２４l，２４r及び並進加速度センサ２５l，２５rからの頭部運動信号を基にして、観察される患者の眼球運動と同じ運動を眼球部４１l，４１rにさせればよい。この場合は、各病気に特有の眼球運動パターンを実現するためのモータ制御軌道を事前に作成し中央コントローラ１６に設けた記憶装置に予め保存し、必要なときに読み出してシステム（又はロボット３０）の眼球部４１l，４１rを制御する。
【００５２】
もし、眼球運動の原理に基づいて眼球部４１l，４１rの眼球運動を制御し、更に眼科疾患を神経システムから解析することに着目するなら、眼球運動制御神経システムをモデル化し、そのモデルを用いて図７で示す数学モデルにより眼球部４１l，４１rの眼球制御を行う。
すなわち、図７は垂直眼球運動制御神経システムをモデル化し、図３に示すような運動学構造を持つロボット３０の眼球部４１l，４１rの前記視標５０に対する上下運動（すなわち図５で示すyO-l，yO-r軸周りの回転運動）を制御する制御系を示すものである。
【００５３】
図７に示す制御系において、制御対象は前記モータ２２ｙl，２２ｙrであり、また入力信号は、２種類の信号、すなわち、一つは視覚センサ（カメラユニット１l，１r）からの信号であり、もう一つは加速度センサ（ジャイロ２４l，２４r及び並進加速度センサ２５l，２５r）からの信号である。
【００５４】
カメラユニット１l，１rからの信号は、各カメラユニット１l，１rから取り込んだ画像の中心部以外の領域にあるターゲットの位置信号Ψw-l（ｓ），Ψw-r（ｓ），とカメラユニット１l，１rから取り込んだ画像の中心部にあるターゲットの位置信号Ψt-l（ｓ），Ψt-r（ｓ）を区別して，図７の制御系で利用する。
【００５５】
前記左右の加速度センサ（ジャイロ２４l，２４r及び並進加速度センサ２５l，２５r）が検出する信号は、垂直眼球運動に影響する頭部３１の垂直運動の加速度信号ｚ”A-l（ｓ），ｚ”A-r（ｓ）と、頭部３１の水平軸回りの回転角加速度信号ψy-l（ｓ），ψy-r（ｓ）である。なお、ｓはラプラス変換のパラメータである。
【００５６】
図７に示す制御系においては、垂直運動の加速度信号ｚA-l（ｓ），ｚA-r（ｓ）と、頭部３１の水平軸回りの回転角加速度信号ψy-l（ｓ），ψy-r（ｓ）とに対しては、各々遅れのある積分処理（Ｔv／Ｔｓ＋１，Ｔs／Ｔsｓ＋１）を行い、前記基盤ユニットの運動の影響を補償し眼球運動の安定化を図っている。
【００５７】
また、カメラユニット１l，１rからの信号に関しては、視標５０がカメラ画像の中心に対する垂直方向の距離がある範囲内（中心部）にある場合、それらの信号はΨt-l（ｓ），Ψt-r（ｓ）とし、同調スイッチ９０l，９０rは図７に示す内側の回路につながり、視覚フィードバック制御が行なわれる。また、前記距離が中心部以外にある場合、それらの信号はΨw-l（ｓ），Ψw-r（ｓ）とし、同調スイッチ９０l，９０rは各々外側の回路につながり、衝動性眼球運動の選択則に従った衝動性眼球運動制御を行う。この衝動性眼球運動は反射的な運動であり、フィードバック制御は行われない。
【００５８】
このようにして、図７に示す制御系においては、同図に示す数学モダルで定まる伝達方程式に基づいて比例、積分、微分処理、フィードバック処理等が実行され、前記モータ２２yl，２２yrの水平軸ｙE-l，ｙE-rの回り回転角度θ3（ｓ），θ4（ｓ）が決定され、垂直方向の前庭動眼反射，滑動性眼球運動，衝動性眼球運動制御等が実現される。
【００５９】
なお、図７において、Ｔvm，Ｔv，Ｔsは積分の漏れ具合等を調節する時定数であり、また眼科疾患の部位に対応するように予め設定したρ，ρr，η，ηr，ｋp，ｋi，ｋd，ｋz，ｋψ，ｋψr，ｋzrはいずれも入力信号の影響を考慮したパラメータである。このような各パラメータを修正することにより、眼科疾患を有する場合の眼球運動パターンを模擬することができる。
【００６０】
次に、図８は参照して本実施例の眼球運動模擬システム（又はロボット３０）の水平眼球運動制御（垂直軸ｚE-l，ｚE-rの回りの眼球回転運動制御）を実現する制御系について説明する。なお、図８において、図７に示す要素と同一の要素には同一の符号を付して示す。この水平眼球運動制御は、基本的には垂直眼球運動と近似している。
【００６１】
図８に示す制御系において、制御対象は前記モータ２２ｚl，２２ｚrであり、また入力信号は、２種類の信号、すなわち、一つは視覚センサ（カメラユニット１l，１r）からの信号であり、もう一つは加速度センサ（ジャイロ２４l，２４r及び並進加速度センサ２５l，２５r）からの信号である。
【００６２】
また、カメラユニット１l，１rからの信号は、各カメラユニット１l，１rから取り込んだ画像の中心部以外の領域にあるターゲット位置信号Ψw-l（ｓ），Ψw-r（ｓ），とカメラユニット１l，１rから取り込んだ画像の中心部にあるターゲットの位置信号Ψt-l（ｓ），Ψt-r（ｓ）を区別して，図８の制御系で利用する。
【００６３】
左右の加速度センサ（ジャイロ２４l，２４r及び並進加速度センサ２５l，２５r）が検出する信号は、水平眼球運動制御に影響する頭部３１の加速度信号ｘA-l（ｓ），ｙA-l（ｓ）及び回転角加速度信号ψy-l（ｓ）と、頭部３１の加速度信号ｘA-r（ｓ），ｙA-r（ｓ）及び回転角加速度信号ψy-r（ｓ）である。
【００６４】
図８に示す制御系においては、加速度信号ｘA-l（ｓ），ｙA-l（ｓ）及び加速度信号ｘA-r（ｓ），ｙA-r（ｓ）に対しては、積分処理（Ｔv／Ｔｓ＋１）を行い、回転角加速度信号ψy-l（ｓ），ψy-l（ｓ）に対しては積分処理（Ｔs／Ｔsｓ＋１）を行っている。
【００６５】
また、カメラユニット１l，１rからの信号に関しては、視標５０がカメラ画像の中心に対する垂直方向の距離がある範囲内（中心部）にある場合、それらの信号はψt-l（ｓ），ψt-r（ｓ）とし，同調スイッチ９１l，９１rは図８に示す内側の回路につながり、視覚フィードバック制御が行なわれる。また、前記距離が中心部以外にある場合、それらの信号はψw-l（ｓ），ψw-r（ｓ）とし、同調スイッチ９０l，９０rは各々外側の回路につながり、衝動性眼球運動の選択則に従った衝動性眼球運動制御を行う。この衝動性眼球運動は反射的な運動であり、フィードバック制御は行われない。
【００６６】
このようにして、図８に示す制御系においては、同図に示す数学モデルで定まる伝達方程式に基づいて比例、積分、微分処理、フィードバック処理等が実行され、前記モータ２２zl，２２zrの垂直軸ｙz-l，ｚE-rの回り回転角度θ1（ｓ），θ2（ｓ）が決定され、水平方向の前庭動眼反射，滑動性眼球運動，衝動性眼球運動制御等が実現される。
【００６７】
なお、図８において、Ｔvm，Ｔv，Ｔsは各々時定数であり、ρ，ρr，η，ηr，ｋp，ｋi，ｋd，ｋx，ｋy，ｋψ，ｋψr，ｋxr，ｋyrはいずれもパラメータである。各パラメータの機能は図７に示す場合と同様である。
【００６８】
図示していないが、前記両眼球部４１l，４１rの視線回り（ｘ軸の回り）の回転運動制御も上述した場合と同様にして行われる。
【００６９】
また、基盤の両側にマイクを設置し、音声等の集音信号を中央コントローラに入力して音声認識処理を行い、音源の位置を判別して眼球をその方向に向ける制御を行うようにすることもできる。
【００７０】
本発明のもう一つの応用例として、図９で示すように、コンピュータアニメーションソフトによってバーチャルリアリティーの手法を用いてバーチャル患者を作り、バーチャル患者の眼球の動きを上述のロボットと同じようにすることによって、実際にロボットを作成する場合に比べコストを大幅に削減できる。バーチャル人間や環境、実験装置などは現有のアニメーション開発ソフト（例えば、OpenGL）で十分実現でき、ゲーム機にあるようなキャラクターなどを製作する技術があれば十分である。また、バーチャル人間を用いる場合は現実のロボットを作ることと比べ、眼球運動神経モデルや眼球運動パターンの生成などの部分は全く同じが、センサの利用やモータ駆動部分の制御などを省けることができるので、技術面での要求がかなり低くなる。図１０はバーチャル眼球運動システムの操作手順である。
【００７１】
本発明は、玩具やペットロボット等へも応用でき、この場合には玩具やペットロボットの眼球が恰も生き物のように動くことから、魂が入っているかのような感覚を玩具等の所有者に与えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、上述した場合の他、監視システム、保安システム、看護システム等に幅広く応用することもできる。この場合には、固定した全方位カメラと併用し、全方位カメラで監視範囲内の全ての物体を撮像し、本発明のシステムで望遠レンズ付きのカメラで特定の物体を撮像して、これらの画像を記録することで監視範囲内の監視、保安等を的確に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施例における人間の頭部の各器官に対応するロボットの頭部の概略構成図である。
【図２】本発明の実施例の眼球運動模擬用ロボットの外観図である。
【図３】本発明の実施例の眼球ユニット、基盤ユニットの構成例を示す斜視図である。
【図４−１】本発明の実施例の眼球ユニットの左の眼球部の詳細構造を示す斜視図である。
【図４−２】本発明の実施例に係る眼球部の拡大説明図である。
【図５】本発明の実施例の眼球運動模擬システム、ロボットの運動学構造を示す概略図である。
【図６】本発明の実施例の眼球運動模擬システム、ロボットの全体の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例の垂直眼球運動制御の制御系を示すブロック線図である。
【図８】本発明の実施例の水平眼球運動制御の制御系を示すブロック線図である。
【図９】本発明の実施例であるバーチャル眼球運動システムの概略構成図である。
【図１０】本発明の実施例であるバーチャル眼球運動システムの操作の流れを示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
１l，１r  カメラユニット
２ｘ    モータ
２ｙ    モータ
２ｚ    モータ
３ｘ，３ｙ，３ｚ  エンコーダ
８l，８r  眼瞼
９    ディスプレイ
１０    キーボード
１１    インターフェース
１２    インターフェース
１３    インターフェース
１４    インターフェース
１５    ドライバ
１６    中央コントローラ
２２ｘl，２２ｙl，２２ｚl  モータ
２２ｘr，２２ｙr，２２ｚr  モータ
２３ｚl，２３ｙl，２３ｘl  エンコーダ
２４l，２４r  ジャイロ
２５l，２５r  並進加速度センサ
２６l，２６r  温度センサ
２７l，２７r  耳道
３０    ロボット
３１    頭部
３２    胴体部
４１l，４１r  眼球部
５０    視標
６０    基台
６１    基盤
６２    上基盤
６３    連結柱
６４    第１の支持片
６５    第２の支持片
６６    支柱
６７    水平支持片
７１    眼球部支持体
７２    眼球部上支持体
７３l，７３r    支持輪
７４l，７４r    ベアリング
８１    プーリ
８２    傘歯車
８３    垂直プーリ
８４    傘歯車
８５    回転軸
８６    歯車
８７    プーリ
９０l，９０r    同調スイッチ
９１l，９１r    同調スイッチ
９２    ワイヤ
９３    ワイヤ
９４l，９４r    ワイヤ
１００    バーチャル回転ドラム
１０１    バーチャル回転台
１０２    バーチャル人間
１０３    バーチャル椅子
１０４a，１０４ｂ，１０４ｃ    バーチャル椅子の形状を調節する回転軸
１０５    バーチャル椅子の姿勢を調節する回転軸
１０６    バーチャル椅子の姿勢を調節する回転軸
１０７a，１０７ｂ    バーチャルシステムの各パラメータとデータを表示するウインドウ
１０８    バーチャル人間の眼の部分を拡大表示するためのウインドウ
【図１】
2006065094.tif 000003
【図２】
2006065094.tif 000004
【図３】
2006065094.tif 000005
【図４−１】
2006065094.tif 000006
【図４−２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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