(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の対象から力を受けて位置を変化させながら、前記第１の対象に力を作用させる第１の力フィードバック部材（Ｉ１）が通信ネットワーク（３）を介して、第２の対象から力を受けて位置を変化させながら、前記第２の対象に力を作用させる第２の力フィードバック部材（Ｉ２）と相互作用を行うことができるようにする制御システム（Ｓ１）であって、
前記第２の力フィードバック部材（Ｉ２）に対応する他の制御システム（Ｓ２）と連絡し、前記他の制御システム（Ｓ２）から、力を含むデータを受け取らない時は、前記通信ネットワークを使用せずに、前記制御システム（Ｓ１）内のデータに基づいて、前記第２の力フィードバック部材（Ｉ２）の、力を含む状態
【数１】
0004744753.tif 000027
を推定し、前記他の制御システム（Ｓ２）から、力を含むデータを受け取って、推定した状態を更新する第１のリモートモデル（ＭＤ２）と、
前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）および前記第１のリモートモデル（ＭＤ２）に接続され、前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）から、前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）によって測定された、位置を含む変数（Ｘｅ）を受け取り、前記第１のリモートモデル（ＭＤ２）から、前記第２の力フィードバック部材（Ｉ２）の、力を含む推定された状態
【数２】
0004744753.tif 000028
を受け取り、前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）の状態変数（Ｘｍ，ｉ）および前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）向けの、作用させる力を含む設定値（Ｆｅ）を計算するように構成された第１のローカルモデル（ＭＬ１）と、
前記第１のローカルモデル（ＭＬ１）に接続され、前記他の制御システム（Ｓ２）と連絡し、所定の場合に、前記他の制御システム（Ｓ２）に、前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）の力を含む再同期メッセージ（Ｍｎ）を送るように構成された再同期手段（Ｒ１）とを備える制御システム（Ｓ１）。
【請求項２】
前記再同期手段（Ｒ１）に接続され、前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）の状態変数の推定値
【数３】
0004744753.tif 000029
を計算し、再同期メッセージ（Ｍｎ）を受け取ると、前記推定値を再同期するように構成された、前記他の制御システム（Ｓ２）における第２のリモートモデル（ＭＤ１）のシミュレーションを行う第１の像モデル（ＭＦ１）をさらに含む請求項１に記載の制御システム（Ｓ１）。
【請求項３】
前記再同期手段（Ｒ１）が、前記第１の像モデル（ＭＦ１）から受け取った前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）の状態変数の推定値
【数４】
0004744753.tif 000030
と、前記第１のローカルモデル（ＭＬ１）から受け取った前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）の状態変数（Ｘｍ，ｉ）とを比較する比較手段を備え、前記状態変数の推定値
【数５】
0004744753.tif 000031
と、前記状態変数（Ｘｍ，ｉ）との差が、所定のしきい値を超えた場合に、再同期メッセージ（Ｍｎ）を前記第１の像モデル（ＭＦ１）および前記他の制御システム（Ｓ２）へ送る、請求項２に記載の制御システム（Ｓ１）。
【請求項４】
前記他の制御システム（Ｓ２）と前記第１のリモートモデル（ＭＤ２）との間に配置され、前記他の制御システム（Ｓ２）と連絡し、前記第１のリモートモデル（ＭＤ２）に接続され、前記他の制御システム（Ｓ２）から受け取った再同期メッセージ（Ｍｐ）を処理し、処理から得られた更新データを前記第１のリモートモデル（ＭＤ２）に送り、前記第１のリモートモデル（ＭＤ２）が、前記更新データを受け取って更新を行うことができるように構成された外挿手段（ＥＸＴ２）をさらに含む請求項１から３のいずれか１項に記載の制御システム（Ｓ１）。
【請求項５】
それぞれが請求項１から３のいずれか１項に記載の制御システムを備える、２個の力フィードバック部材の制御セット。
【請求項６】
第１の対象から力を受けて位置を変化させながら、前記第１の対象に力を作用させる第１の力フィードバック部材（Ｉ１）が通信ネットワーク（３）を介して、第２の対象から力を受けて位置を変化させながら、前記第２の対象に力を作用させる第２の力フィードバック部材（Ｉ２）と相互作用を行うことができるように制御する方法であって、
リモートモデルは、前記他の制御システム（Ｓ２）から、力を含むデータを受け取らない時は、前記通信ネットワークを使用せずに、前記第２の力フィードバック部材（Ｉ２）の、力を含む状態
【数６】
0004744753.tif 000032
を推定し、前記第２の力フィードバック部材（Ｉ２）に対応する他の制御システム（Ｓ２）から、力を含むデータを受け取って、推定した状態の更新を実行し、
ローカルモデルは、少なくとも、前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）によって測定された、位置を含む変数（Ｘｅ）および前記リモートモデルから受け取った前記第２の力フィードバック部材（Ｉ２）の、力を含む推定された状態
【数７】
0004744753.tif 000033
に基づいて、前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）の状態変数（Ｘｍ，ｉ）および前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）向けの、作用させる力を含む設定値（Ｆｅ）を計算し、
再同期手段（Ｒ１）は、所定の場合に、少なくとも前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）の状態変数（Ｘｍ，ｉ）から再同期メッセージ（Ｍｎ）を生成し、前記再同期メッセージ（Ｍｎ）を前記他の制御システム（Ｓ２）へ送る方法。
【請求項７】
像モデルは、前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）の状態変数の推定値
【数８】
0004744753.tif 000034
を計算し、再同期メッセージ（Ｍｎ）を受け取ると、前記推定値を再同期する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
再同期手段（Ｒ１）は、前記像モデルによって計算された前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）の状態変数の推定値
【数９】
0004744753.tif 000035
と、前記ローカルモデルによって計算された前記第１の力フィードバック部材（Ｉ１）の状態変数（Ｘｍ，ｉ）とを比較し、該状態変数の推定値
【数１０】
0004744753.tif 000036
と該状態変数（Ｘｍ，ｉ）との差が所定のしきい値を超えた場合に限り、前記再同期メッセージ（Ｍｎ）を前記他の制御システム（Ｓ２）へ送る請求項７に記載の方法。
【請求項９】
更新データを獲得するように、前記他の制御システム（Ｓ２）から受け取った再同期メッセージ（Ｍｐ）を処理することをさらに含み、受け取った際に、前記第２の力フィードバック部材（Ｉ２）の推定された状態
【数１１】
0004744753.tif 000037
の更新を行うデータは、前記獲得された更新データを含む請求項６から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
請求項６から９のいずれか１項に記載の方法を実行する命令を含むコンピュータプログラム。
【請求項１１】
請求項６から９のいずれか１項に記載の方法を実行する命令を含むコンピュータプログラムを格納する記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長い距離にわたる力フィードバックの伝送に関し、特に、分散された仮想世界およびテレプレゼンス・システムの展開の状況に関する。
【０００２】
【従来の技術】
デジタルビデオ符号化技術が視覚の知識に基づいており、音声認識技術が聴覚の知識に基いているのと同様に、触覚（手の感覚）に関する技術はしぐさの知識に基づいている。
【０００３】
手によって実行される細かなしぐさには２種類ある。グラスをつかむ前にグラスに向かって手を移動させるような、軌道に沿ったしぐさと、グラスをつかんだ後にグラスを口に向かって移動させたり親指と他の指とによって形成されるクランプを閉じるような、接触フィードバックを伴うしぐさである。その際に、脳は、手がグラスを握っている力と、入っている液体の量に依存するグラスの重さについて、常に情報を与えられる。その後、脳は、グラスが落ちない程度にきつく、しかしグラスを壊さずにまたは無駄にエネルギを費やさないように、きつすぎないようにグラスを「握る」運動命令を与えることによって反応する。
【０００４】
軌道に沿ったしぐさは、運動反射神経アークを作動させるが、接触フィードバック感知反射神経アークを作動させない。力フィードバックは、空間の視覚的な表現であってもよいが、またしぐさのマップであってもよい。すなわち、脳の中に組み込まれた、学習されたかまたは生来の心的な表現であり、空間の特定の心的な表現、特に仮定した手とグラスとの距離の関数として軌道に沿ったしぐさを行なうように、肩、腕および手の筋肉に一連の運動命令を自動的に発生させるものである。
【０００５】
軌道に沿ったしぐさに対しては、１００Ｈｚのサンプリング周期で脳にしぐさについての情報を伝送すれば十分である。このことは、信号のサンプルが１０ｍｓごとに送られれば、伝送される信号は軌道に沿ったしぐさに関する全ての情報を含むことを意味する。
【０００６】
接触フィードバックを伴うしぐさは、運動反射神経アークと感知反射神経アークとを同時に作動させる。脳はループを閉じ、人間内で、全サイクルが１ｍｓより短い時間に起こる。指の端における感知ニューロンの帯域幅、すなわち、ニューロンが検知し脳に伝送することができる力学的な最大信号周波数は、５００Ｈｚよりも大きい。コンピュータにおいて細かなしぐさを符号化することができるようにするには、使用される力フィードバックシステムは、それ自身高い動作周波数を有する必要がある。シャノンの定理によれば、指の帯域幅の少なくとも２倍の周波数である。
【０００７】
実際には、ローカルなマシンの力フィードバックシステムは、典型的には、１ｋＨＺの周波数でローカルな閉ループにおいて機能する。このことは、１／１０００秒ごとに、フィードバックが計算され、モータに適用され、手によって知覚されることを意味する。このシステムは、「電気歯ブラシ」効果として知られる効果の発生を防止する。手に保持された器具は、振動しているという印象を与えてはならない。
【０００８】
１ｋＨｚという周波数は、以下の妥協の結果である。触覚の印象が細かく再現されるようにする場合に、低すぎてはならず、仮想力学世界において実行されるしぐさの細かなシミュレーションを表現するフィードバック力を計算する十分な時間をコンピュータが有するようにする場合に、高すぎてはならない。
【０００９】
力フィードバックシステムで符号化された細かなしぐさおよびフィードバックを伴う細かなしぐさを、遠隔通信ネットワークを介して伝送する必要がある場合には、ネットワーク自身によって導入される待ち時間が通常はずっと大きくなるために、問題はより複雑になる。
【００１０】
ＩＳＤＮ技術を使用すると、待ち時間は３０ｍｓであり、ＡＤＳＬ技術を使用すると、２００ｍｓのオーダであり、インターネット上では６秒にもなることがあり、メッセージが全く除去されることもある。ＡＤＳＬおよびインターネットの待ち時間は、これらのネットワークの非同期性のために変化する。したがって、閉ループがネットワークを介する戻り行を含む場合には、１ｋＨｚの周波数は維持するには高すぎる。しぐさは符号化され、ネットワークを介して伝送され、遠隔対象物に適用され、対象物からのフィードバックは、つぎに符号化され、ネットワークを介して送り戻される。
【００１１】
軌道に沿ったしぐさは、１０ｍｓのオーダの時間遅れで伝送することができる。視覚は一方方向の感覚である。目はシーンを記録する一種のカメラであり、許容値を無視すると、脳は、しぐさの実行を妨げることなく、わずかな時間遅れで正確な視覚的なフィルムを知覚することができる。
【００１２】
他方、フィードバックを伴う細かなしぐさは、加える力の強さを決定する戻り行のために、1ミリ秒より短いループを要求する。
【００１３】
運動感知反射神経アークを介して筋肉に命令を送ること
グラスに接する手の力学的な動作
グラスに接触する指の端の感覚（増加した接触圧力）および
脳が「クランプ」へ加える力を調整するように決定することができるように、触覚感知反射神経アークを介して脳に情報を戻すことである。
【００１４】
この種の細かなしぐさを伝送するための、「波変換」法として知られる方法は、それでも、MIT のJohn Wilson およびNeville Hoganによって、”Algorithms for Network-Based Force Feedback”, Fourth PHANTOM Users Group Workshop (PUG 99) に記載されている。この方法は、ネットワークによって導入される時間遅れを、フィードバック・ループを安定させる人工的な粘性によってシミュレートする。ネットワークによって導入される時間遅れが大きいほど、システムは粘性が高くなる。
【００１５】
「波変換」法は、電圧／電流パラメタについての当業者によく知られた、純時間遅れを伴う受動４端子網の定理を、力／速度空間に置き換える。当該定理は、ラインの特性インピーダンスの関数として、入射電気波および反射電気波を計算するために使用される。ラインが同じ特性インピーダンスで終端されれば、電気信号の伝送は最適化される。
【００１６】
オームの法則  Ｕ＝Ｚ×Ｉ  は、Ｆ＝粘性×速度  という法則によって、力学的な空間に置き換えられ、「波変換」法は、遠隔制御ロボットのものである特性インピーダンス（現実には粘性）を割当てることによって、仮想的な純時間遅れラインを適合させることからなる。信号は以下のＺ変換の形で伝送される。
【００１７】
0004744753.tif 000002
Ｔは、ネットワークの固定時間遅れである。ネットワークによって導入される時間遅れが大きなほど、ネットワークにおける閉ループにおいて、細かなしぐさの分散された力学的なシミュレーションを安定させるために、ラインに導入しなければならない人工的な粘性は大きくなる。
【００１８】
しぐさの感覚は確実にゆがめられるが、有用な信号の伝送は最適化される。当該方法は、Fourth Users Group Workshop (PUG 99)に続いて公開された。
【００１９】
「波変換」法は、同期ネットワーク、すなわち、その時間遅れが固定して分かっている、たとえば、ＩＳＤＮのようなネットワークを要求する。当該方法は、その間隔がネットワークの既知の固定した時間遅れに等しい、サンプルされた離散信号のＺ表現に基づいている。
【００２０】
したがって、当該方法は、可変伝送時間遅れおよびメッセージが失われるかネットワークを通過するのに時間がかかりすぎる場合の除去を特徴とする、メッセージベースの非同期インターネット、ＡＴＭまたはＵＭＴＳタイプのネットワークに対しては適用することができない。
【００２１】
力フィードバックシステムの過度に速いタイミングの問題は、以下のような非同期ネットワークにおいてさらに悪化する。
【００２２】
応答が遅れすぎれば、メッセージは失われたり、除去されたり、到着しなかったりする（ＴＣＰ／ＩＰ）。
【００２３】
正しい宛先に到着するメッセージは、ネットワークを通過するのに可変な時間がかかる。
【００２４】
メッセージは、必ずしも送られた順序で到着しない。
【００２５】
２台のマシンに対して、１ミリ秒以内まで正確な共通のクロックはない。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術のシステムの欠点を除くことを提案する。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、他の部材と相互作用することができる力フィードバック部材用の、リモート制御に関連するものよりも小さな時定数を伴うタイプの、制御システムであって、力フィードバック部材によって測定された変数、力フィードバック部材に固有の変数、力フィードバック部材との外部相互作用の評価および力フィードバック部材の状態変数から、力フィードバック部材に向けた設定値を計算するローカルモデルと、他のリモートシステムからデータを受け取った際に更新しながら、他方の部材の相互作用および状態変数を評価するリモートモデルと、他方のシステムに再同期メッセージを送ることができる再同期手段とを含む制御システムを提案する。
【００２８】
このように、リモート要素の行動はローカルにシミュレートされる。
【００２９】
システムは、力フィードバック部材の状態変数の評価を得、再同期メッセージを受け取ったときに当該評価を再同期させる像モデルを含むのが有利である。像モデルは、リモート制御システムのリモートモデルをローカルにシミュレートするのに使用される。
【００３０】
本発明の一実施形態において、再同期手段が、像モデルからの状態変数の評価とローカルモデルからの状態変数を比較する比較器を含み、差が所定のしきい値を超えた場合には、再同期手段が像モデルおよび他方のシステムに再同期メッセージを送ることができるようにする。
【００３１】
本発明の一実施形態において、システムは、他方のシステムから受け取った、リモートモデルを更新するための再同期メッセージを処理する外挿器手段を含む。
【００３２】
本発明は、また、互いに距離をおいて位置する二つの力フィードバック部材を制御するシステムを提案する。各力フィードバック部材は、力フィードバック部材によって測定された変数、力フィードバック部材に固有の変数、力フィードバック部材との外部相互作用の評価および力フィードバック部材の状態変数から、力フィードバック部材に向けた設定値を計算するローカルモデルと、他のリモートシステムからデータを受け取った際に更新しながら、他方の部材の相互作用および状態変数を評価するリモートモデルと、他方のシステムに再同期メッセージを送るように構成された再同期手段とを含む制御システムを備える。
【００３３】
本発明は、また、他の部材と相互作用することができる力フィードバック部材を制御する方法であって、力フィードバック部材によって測定された変数、力フィードバック部材に固有の変数、力フィードバック部材との外部相互作用の評価および力フィードバック部材の状態変数から、力フィードバック部材の設定値を得るようにローカルモデルを構成し、他のリモートシステムからデータを受け取った際に更新しながら、相互作用および他方の部材の状態変数のリモートモデルを構成し、再同期メッセージを生成し、他方のシステムに当該再同期メッセージを送る方法を提案する。
【００３４】
方法は、再同期メッセージを受け取ったときに再同期させながら、力フィードバック部材の状態変数の像モデルを構成することを含むのが有利である。
【００３５】
本発明の一実施形態において、再同期の時点で、像モデルからの状態変数の評価とローカルモデルからの状態変数とが比較され、差が所定のしきい値を超えた場合には、新たな像モデルの構成を目指して、再同期メッセージを他方のシステムに送ることができるようにする。
【００３６】
本発明の一実施形態は、他方のシステムからの再同期メッセージを処理し、リモートモデルを更新する外挿を含む。
【００３７】
本発明は、また、コンピュータ上でプログラムが実行されたときに、当該方法の段階を実行するプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムを提供する。
【００３８】
本発明は、また、リーダによって読み取ることができ、コンピュータ上でプログラムが実行されたときに、当該方法の段階を実行するプログラムコード手段を格納することができる媒体を提供する。
【００３９】
本発明は、たとえば、力フィードバック・アクチュエータを備えた制御握りを備えたビデオゲームなどの双方向システムおよび産科の分野および腹部の検査用に使用することができる自動化した遠隔超音波スキャンへ適用するのが有利である。
【００４０】
超音波スキャンの場合には、超音波が正しく伝送されるのを確実にするように、患者の皮膚は一般にゲルでコーティングされる。超音波プローブは、オペレータによって距離を隔てて操作され得る。ゲルの存在のために、患者によってプローブに作用される力の成分は、皮膚の局所的な表面に垂直であると考えられる。
プローブは、軸の３次元システムの３軸に関する力フィードバックについて、また、軸の３次元システムの３軸に関するトルク・フィードバックについて６自由度を有する。システムは、遠隔戦闘ゲーム、フェンシング・ゲームまたは遠隔加工タイプの工業的な応用にも適用することができる。
【００４１】
いくつかの実施形態の以下の詳細な記述を読めば、本発明はよりよく理解され、他の利点が明らかになろう。ここで、実施形態の記述は、非限定的な例としてのみ与えられたものであり、添付図面によって説明される。
【００４２】
【発明の実施の形態】
図１から分かるように、プレーヤーＪ１およびＪ２が遠隔地で力を比べる、よく「鉄の腕」ゲームと呼ばれるゲームシステムは、プレーヤーＪ１用の握りＰ１とプレーヤーＪ２用の握りＰ２とを含む。各々の握りＰ１、Ｐ２は、たとえば、電気式アクチュエータのような、握りＰ１、Ｐ２に力を作用させる手段およびたとえば、トルクセンサまたはひずみゲージのような、握りＰ１、Ｐ２にプレーヤーＪ１、Ｊ２によって作用された力を測定する手段を含む、インターフェースＩ１、Ｉ２に接続されている。インターフェースＩ１、Ｉ２は、また、力を作用させる手段および測定手段に接続され、コンピュータのような他のデジタルシステムとデジタルデータを交換することができる収集カードを含む。
【００４３】
各々のインターフェースＩ１、Ｉ２は、制御システムＳ１、Ｓ２に接続されている。ここに示すケースでは、システムＳ１とシステムＳ２は同じである。システムＳ１だけが記述される。しかしながら、二つのシステムの一方が他方に比べて簡単化されている構造である実施形態を考えることができる。
【００４４】
一般的に、システムＳ１は、一般的に、少なくとも一つのマイクロプロセッサ、ランダムアクセス・メモリおよびリードオンリー・メモリ、通信バス、入出力ポートおよびメモリに格納されマイクロプロセッサによって実行される一つまたは複数のプログラムを備えるパーソナル・コンピュータの形を取ることができる。
【００４５】
システムＳ１は、一方では、たとえばＲＳ２３２バスなどによってインターフェースＩ１に接続され、同期ネットワーク（たとえばＩＳＤＮ）または非同期ネットワーク（たとえばＡＴＭまたはＵＭＴＳネットワークまたはインターネットのようなＴＣＰ／ＩＰネットワーク）でもよい通信ネットワーク３によってシステムＳ２に接続される。システムＳ１は、プレーヤーＪ１の近く、たとえば同じ部屋に位置する。システムＳ２は、システムＳ１から数メータから数千キロメータの距離に位置する。換言すれば、システムＳ１、インターフェースＩ１、握りＰ１およびプレーヤーＪ１は、「ローカル」と記述することができ、システムＳ２、インターフェースＩ２、握りＰ２およびプレーヤーＪ２は「リモート」と記述することができる。
【００４６】
より正確には、システムＳ１は、インターフェースＩ１に設定値Ｆｅを送り、当該インターフェースＩ１から、当該インターフェースＩ１によって測定された変数、たとえば、握りＰ１の位置Ｘを受け取ることができるローカルモデルＭＬ１を含む。設定値は、力またはトルク変数であってもよい。システムＳ１は、システムＳ２のローカルモデルＭＬ２の状態を評価するように構成されたリモートモデルＭＤ２を含む。システムＳ１のリモートモデルＭＤ２は、システムＳ２およびローカルモデルＭＬ１からデータを受け取ることができ、ローカルモデルＭＬ１へデータを送ることができる。より正確には、システムＳ１は、システムＳ２からの再同期メッセージを処理し、最後に受け取った再同期メッセージの関数として、リモートモデルＭＤ２へ更新データを伝送するために、通信ネットワーク３を介してシステムＳ２からデータを受け取る外挿器ＥＸＴ２を含む。
【００４７】
システム１は、たとえば、握り１および握り２に作用される力および握りＰ１および握りＰ２の位置の展開を描くグラフのような、ローカルモデルＭＬ１からのデータを表示するように、ローカルモデルＭＬ１に接続されたスクリーンＥ１を含む。
【００４８】
システムＳ１は、ローカルモデルＭＬ１からデータを受け取リ、出力データをシステムＳ２、特にシステムＳ２の外挿器ＥＸＴ１へ送るように構成された再同期器Ｒ１を含む。再同期器Ｒ１は、時刻／日付、握りＰ１の位置、当該時刻／日付において握りＰ１に作用される力およびより以前の時刻／日付において握りＰ１に作用される力等を含むことのできる再同期メッセージの形式のデータを送るためのデータ準備を処理することができる。
【００４９】
システムＳ１は、また、システムＳ１の再同期器Ｒ１から再同期メッセージを受け取り、再同期器Ｒ１によって設定されシステムＳ２によって受け取られる再同期メッセージからインターフェースＩ１の状態変数を評価する像モデルＭＦ１をさらに含む。換言すれば、像モデルＭＦ１は、システムＳ２のリモートモデルＭＤ１によって受け取られるのと同じデータに基いて評価を作成する。このように、像モデルＭＦ１は、システムＳ２によってモデル構成されるインターフェースＩ１の変数をモデル構成するのに使用される。
【００５０】
像モデルＭＦ１の出力は、像モデルＭＦ１からの状態変数の評価とローカルモデルＭＬ１からの状態変数とを比較する再同期器Ｒ１に接続される。もし、差が所定のしきい値を超えれば、再同期器Ｒ１は、像モデルＭＦ１とシステムＳ２の外挿器ＥＸＴ１へ再同期メッセージを送る。このように、二つのシステムＳ１、Ｓ２の一方が、他方のシステムＳ１、Ｓ２がもはや変数を正確に評価することができないと評価した場合にだけ再同期メッセージが送られるので、システムＳ１とシステムＳ２との間で交換されるデータの容量は、比較的小さい。
【００５１】
システムがどのように機能するかは図２から明らかである。プレーヤーＪ１に対して、状態ベクトルＸは、三つの部分に分解される。握りＰ１とのインターフェースにおける変数部分Ｘｅ、プレーヤーＪ１の力学モデルの内部の変数部分Ｘｍおよび他のプレーヤーとのインターフェースにおける相互作用変数Ｘｉである。同様に、関連する力またはトルク変数Ｆは、握りＰ１においてプレーヤーＪ１によって作用される力Ｆｅ、重力、他の物体、または他のプレーヤーによって作用される力ＦｍおよびプレーヤーＪ２についてプレーヤーＪ１によって作用される力Ｆｉに分解される。同様に、プレーヤーＪ２の状態ベクトルＹは、部分Ｙ’ｅ、Ｙ’ｍおよびＹ’ｉに分解され、関連するトルク力ベクトルＧは、部分Ｇ’ｅ、Ｇ’ｍおよびＧ’ｉに分解される。二人のプレーヤーＪ１およびＪ２は、仮想的に接触している。したがって、
Ｘｉ＝Ｙｉ
である。作用・反作用の法則により、
Ｆｉ＋Ｇ’ｉ＝０
が導かれる。
【００５２】
時間増分ごとに、インターフェースＩ１は、位置Ｘｅｎを捕らえ、ローカルモデルＭＬ１へ当該位置を伝送する。インターフェースＩ１は、ローカルモデルＭＬ１から設定値の力Ｆｅｎを受取り、アクチュエータを制御するように力フィードバック力−Ｆｅｎを使用する。同様に、インターフェースＩ２は、位置Ｙ’ｅｎを捕らえ、ローカルモデルＭＬ２へ当該位置を伝送し、ローカルモデルＭＬ２から設定値の力Ｇ’ｅｎを受取り、フィードバック力−Ｇｅｎによってアクチュエータを制御する。
【００５３】
時間帯ｎ＋１の最初において、ローカルモデルＭＬ１は、インターフェースＩ１からの位置Ｘｅｎ＋１、リモートモデルＭＤ２からの相互作用評価
0004744753.tif 000003
および予め格納された固有変数Ｆｍｎ＋１を受け取る。ローカルモデルＭＬ１は、プレーヤーＪ２についてプレーヤーＪ１によって作用される力
0004744753.tif 000004
および握りＰ１についてプレーヤーＪ１によって作用される力
0004744753.tif 000005
を計算する。ここでマトリクスＡおよびＢは、
Ｘ＝ＡＸ＋ＢＦ
によってプレーヤーＪ１を変化させるためのものである。ローカルモデルＭＬ１は、つぎに以下の式を計算する。
【００５４】
0004744753.tif 000006
【００５５】
ローカルモデルＭＬ１は、再同期器Ｒ１にＸｎ＋１およびＦｎ＋１を送り、インターフェースＩ１に設定値−Ｆｅｎ＋１を送り、リモートモデルＭＤ２に位置変数Ｘｉｎ＋１を送る。
【００５６】
像モデルＭＦ１は、再同期器Ｒ１からメッセージを受け取らない場合、Ｋ１は、システムＳ２によって供給されるとして、
0004744753.tif 000007
および位置評価
0004744753.tif 000008
換言すれば、システムＳ２によって予測することができるようなプレーヤーＪ１の力学的な状態を計算する。ここで、Ｉは恒等行列である。
【００５７】
像モデルＭＦ１が、再同期器Ｒ１から再同期メッセージ
【数１２】
0004744753.tif 000009
を受け取るとき、像モデルＭＦ１は、以下の再同期を実行する。
【００５８】
0004744753.tif 000010
および
0004744753.tif 000011
【００５９】
各時間増分ｎにおいて、再同期器Ｒ１は、位置変数Ｘｎおよび力変数ＦｎおよびＦｎ＋１をローカルモデルＭＬ１から、評価
0004744753.tif 000012
を像モデルＭＦ１から受け取る。再同期器Ｒ１は、位置変数Ｘｎと評価
0004744753.tif 000013
との間の差の絶対値を所定のしきい値と比較し、当該絶対値が当該所定のしきい値より小さければ何もしない。当該絶対値が当該所定のしきい値より小さくなければ、再同期器Ｒ１は、再同期メッセージ
Ｍｎ＝｛ｎ，  Ｘｎ，  Ｆｎ，  Ｆｎ−１｝
を構成する。再同期器Ｒ１は、再同期メッセージＭｎを像モデルＭＦ１に送り、その結果、像モデルＭＦ１は直ちに自身を再同期し、また、再同期器Ｒ１は、システムＳ２の外挿器ＥＸＴ１を介してリモートモデルＭＤ１に送り、その結果、リモートモデルＭＤ１はできるだけ早く自身を再同期する。
【００６０】
システムＳ１の外挿器ＥＸＴ２は、同期用に使用される。システムＳ２の再同期器Ｒ２によって送られたメッセージ
Ｍｐ＝｛ｐ，  Ｙｐ，  Ｇｐ，  Ｇｐ−１｝
は、ｎからｎ＋１の時間にシステムＳ１に到達する。しかしながら、メッセージＭｐは、システムＳ２から、時刻／日付ｐとスタンプされている。外挿器ＥＸＴ２は、
Ｋ２＝Ｇｐ−Ｇｐ−１
を計算し、リモートモデルＭＤ２を以下のように再同期する。
【００６１】
0004744753.tif 000014
および
0004744753.tif 000015
後続の時間において、結果に関わらず、
0004744753.tif 000016
および
0004744753.tif 000017
ここで、ＣおよびＤは、プレーヤーＪ２に対してＡおよびＢと等価のマトリクスである。外挿器ＥＸＴ２は、リモートモデルＭＤ２に再同期結果
0004744753.tif 000018
およびＫ２を送る。
【００６２】
システムＳ１のリモートモデルＭＤ２は、外挿器ＥＸＴ２によって供給される値
0004744753.tif 000019
および
0004744753.tif 000020
を取得しながら、外挿器ＥＸＴ２からメッセージを受け取った際に自身を再同期する。
【００６３】
そのようなメッセージを何も受け取らないときに、時間増分ごとに、リモートモデルＭＤ２は、ローカルモデルＭＬ１から位置変数Ｘｉｎ＋１を受け取り、予測計算を行なう。
【００６４】
0004744753.tif 000021
リモートモデルＭＤ２は、ローカルモデルＭＬ１にプレーヤーＪ２に間する位置変数予測
0004744753.tif 000022
を送る。
【００６５】
外挿器ＥＸＴ２は、変化を円滑化するベベル(bevel)再同期を行うのが好ましい。そのような再同期の一例は、図３のグラフに示されている。位置変数Ｙの評価を、上述の仕方で、外挿器ＥＸＴ２によって計算された変数
0004744753.tif 000023
に突然に変える変わりに、再同期は、ｎとｎ＋４との間の時刻で４段階で以下のように行なわれる。
【００６６】
0004744753.tif 000024
0004744753.tif 000025
もしｋが２より大きければ、
ｋ：＝ｋ−１
である。
【００６７】
そうでなければ、ループは残され、
0004744753.tif 000026
である。ベベル再同期によって、システムはより円滑に機能することができ、ユーザによってより高く評価され、力学的な制約もより少なくなる。
【００６８】
より一般的には、像モデルＭＦ１は、他方のシステムのリモートモデルＭＤ１と同じデータを受け取り、当該他方のシステムと同じシミュレーションを行なうことができる。換言すれば、再同期の目的のために、他方のシステムが知らないことを見つけるように検索が行なわれる。再同期器は、他方のシステムを見ることなく機能し、他方のシステムからの再同期メッセージによって伝送される関係するデータが存在しなくともシミュレーションを継続することができる。特に、ベベル再同期の場合には、外挿器ＥＸＴ２は、通信ネットワークによって起こされる伝送時間遅れの間に他方のシステムによって測定された動きを考慮する。簡略化された変形態様では、いずれかまたは双方のシステムが像モデルを持たないことが十分に考えられる。２より大きな数のシステムを等しく一緒に機能させることができる。
【００６９】
ローカルモデルは、二人のユーザの力学的なモデルを表現する。リモートモデルは、ローカルな力学的モデルのリモートな複製を表現する。通信ネットワークを介するローカルモデルの状態の伝送における時間遅れのために、当該複製は、必然的に近似的なものである。像モデルは、リモートモデルの近似的なローカルのコピーを表現する。リモートモデルおよび像モデルは、ともに、予測子修正子モードで機能する。外挿器は、他方のシステムのクロック値にリモートモデルを再同期させるように、一定の時間遅れを伴って受け取ったメッセージを外挿する。再同期器は、ローカルモデルとリモートの予測モデルのローカルの証明(witness)予測像モデルとの間の差が大きすぎるとすぐに、通信ネットワークに再同期メッセージを送り出す必要性を評価する。通信ネットワーク上の輻輳を避けるように、再同期器は、通信ネットワークを介して送られるメッセージの数を制限する。システム内において情報は、１ｋＨｚのレートで交換され得る。再同期器の内の一つが、必要と判断すれば、システム間で、したがって通信ネットワークを介して、メッセージが交換される。
【００７０】
図４は、超音波スキャン用の本発明の一実施形態を示す。制御システムＳ１は、たとえば、小さな町の施設とか田舎の地域でサービスを行なう車両など、産科を専門としない施設に設置される。システムＳ２は、たとえば、地域の病院や教育研究病院など、超音波スキャン操作を行なうのに高度に適格な操作員のいる専門的な病院施設に設置される。患者Ｊ３は、ベッドまたは手術台Ｔに横になる。超音波スキャン用プローブＳＥは、腹部に接触する。プローブＳＥのパラメータを調整するためのパネルＴＲは、近傍に設置される。プローブＳＥは、システムＳ１に接続され、当該システムＳ１に超音波スキャン画像データを伝送する。プローブＳＥは、また、位置に関するデータおよびシステムＳ１によって作用される動作に関するデータを交換する。図面を明確にするように、プローブＳＥのサポートは示されていない。サポートは、関節でつながれた腕であってもよい。しかしながら、当該サポートは、数個の自由度、一般的には少なくとも６自由度を伴う空間内の動きを提供し、その結果、患者Ｊ３の腹部と接触する適切な位置を採用できることを理解すべきである。マイクロフォンＭＩ３およびスピーカＨＰ３は、患者がリモートのオペレータと会話できるように、システムＳ１に接続される。ビデオカメラＣＡ３は、患者Ｊ３に向いており、ビデオスクリーンＥＶ３は、患者がリモートのオペレータまたは超音波スキャン画像を見ることができるようにする。ビデオカメラＣＡ３およびビデオスクリーンＥＶ３は、また、システムＳ１に接続される。図１および図２を参照して記述した項目に加えて、システムＳ１およびＳ２は、おのおの、たとえば、ＡＤＳＬネットワークでもよいネットワーク３を介してデータを伝送する、マルチプレクサ−デマルチプレクサＤＭ１およびＤＭ２を含む。
【００７１】
システムＳ２のオペレータＪ４は、超音波スキャンを専門とする医師であってもよく、空間における位置がプローブＳＥによって複製される握りＰ３を操作する。握りＰ３は、関節でつながれた腕ＢＡに接続され、腕ＢＡは、インターフェース３に接続される。当該インターフェース３は、上述のインターフェースＩ１およびＩ２と同じ種類であり、一つまたは複数のアクチュエータと一つまたは複数の位置センサおよび力センサを含む。たとえば、消費された電流などの、アクチュエータ・エネルギパラメタを測定することによるかまたはひずみゲージによって、効果を測定することができる。インターフェースＩ３は、システムＳ２に接続される。
【００７２】
ビデオカメラＣＡ４は、オペレータＪ４に向き、生成される画像は、スクリーンＥＶ３上に表示することができる。マイクロフォンＭＩ４およびスピーカＨＰ４は、オペレータＪ４が患者Ｊ３と会話できるようにする。これらは、システムＳ２に接続される。大ビデオスクリーンＥＶ４は、たとえば、超音波スキャン画像、患者Ｊ３の顔の画像、患者の腹部に接するプローブＳＥの位置を示す画像など複数の画像を表示する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるシステムの第１の実施形態の概略図である。
【図２】図１の詳細である。
【図３】システムのいくつかのパラメータの展開グラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態の概略図である。
【符号の説明】
Ｓ１，Ｓ２  システム
ＭＬ１，ＭＬ２  ローカルモデル
ＭＤ２，ＭＤ１  リモートモデル
Ｒ１，Ｒ２  再同期手段
【図１】
0004744753.tif 000038
【図２】
0004744753.tif 000039
【図３】
0004744753.tif 000040
【図４】
0004744753.tif 000041