(57)【要約】【課題】  少ない本数のワイヤで自由度の高い力覚提示部の動きを再現可能な力覚提示装置を提供することを課題とする。【解決手段】  力覚提示装置１は、立体映像Ｓの投影可能な没入型の仮想空間提示装置８と連係して設置され、被験者１０を囲むフレーム体と、移動自在に支持され、被験者１０に力覚を提示する力覚提示面１３を有する力覚提示部２と、力覚提示部２の各頂点と一端がそれぞれ接続された三本の支持ワイヤ１４と、支持ワイヤ１４のワイヤ長を変化させるワイヤ駆動部３と、該ワイヤ駆動部３を摺動させる摺動フレーム４ａ等と、被験者１０の指先１６の位置を検出する位置検出部１８と、ワイヤ駆動部３及び摺動フレーム４ａ，４ｂ，４ｃのそれぞれの変化量を制御し、力覚の提示に係る処理を行う提示処理装置５とを具備する。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想空間提示装置によって提示される仮想空間を体感する被験者の周囲に構築され、内部の本体空間に前記被験者を収容可能な装置本体と、
前記装置本体の前記本体空間の任意の三次元位置及び傾きに変位自在に移動自在に支持され、前記被験者に力覚を提示可能な力覚提示面を有する力覚提示部と、
一端が前記力覚提示部に連結され、前記三次元位置及び前記傾きに前記力覚提示部を支持する少なくとも三本の支持ワイヤと、
前記支持ワイヤの他端とそれぞれ連結され、前記支持ワイヤのワイヤ長を可変させるワイヤ駆動部と、
前記ワイヤ駆動部に接続し、所定の摺動方向に沿って前記ワイヤ駆動部を摺動させる摺動手段と、
前記ワイヤ駆動部及び前記摺動手段を連動し、前記力覚提示部の前記三次元位置及び前記傾きを制御する力覚提示制御手段と
を具備することを特徴とするワイヤ駆動力覚提示装置。
【請求項２】
前記被験者が前記力覚を感じる感覚器官の位置を検出する器官位置検出手段と、
前記器官位置検出手段によって検出された前記感覚器官の前記位置に、前記力覚提示部を遭遇させる力覚提示部遭遇手段と
をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のワイヤ駆動力覚提示装置。
【請求項３】
前記力覚提示部及び前記支持ワイヤの少なくともいずれか一方は、
透明性状を呈する素材で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のワイヤ駆動力覚提示装置。
【請求項４】
仮想空間提示装置によって提示される仮想空間を体感する被験者の周囲に構築され、内部の本体空間に前記被験者を収容可能な装置本体と、
前記装置本体の前記本体空間の任意の三次元位置及び傾きに移動自在に支持され、前記三次元位置及び前記傾きに係る三次元情報の入力を受付ける三次元入力部と、
一端が前記三次元入力部に連結され、前記三次元位置及び前記傾きに前記三次元入力部を支持する少なくとも三本の支持ワイヤと、
前記支持ワイヤの他端とそれぞれ連結され、前記三次元入力部に与えられる操作力に応じて、前記支持ワイヤのワイヤ長を可変させるワイヤ駆動部と、
前記ワイヤ駆動部に接続し、前記位置入力部に与えられる前記操作力に応じて、所定の摺動方向に沿って前記ワイヤ駆動部を摺動させる摺動手段と、
前記ワイヤ駆動部による前記支持ワイヤの変化量及び前記摺動手段による前記ワイヤ駆動部の摺動量を検出し、前記三次元入力部の前記三次元情報を取得する三次元情報取得手段と
を具備することを特徴とするワイヤ駆動三次元入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤ駆動力覚提示装置、及びワイヤ駆動三次元入力装置に関するものであり、特に、仮想空間提示装置によって投影された立体映像に合わせて被験者に力覚を提示することが可能なワイヤ駆動力覚提示装置、及び仮想空間の任意の三次元位置及び傾きに係る情報を入力可能なワイヤ駆動三次元入力装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、没入型多面ディスプレイなどに代表される仮想空間提示装置を利用して提示された仮想空間の立体映像の映像表面に同期するようにして、被験者に物体を実際に触っているような力覚を提示する力覚提示装置が開発されている。これにより、仮想空間を体感する被験者は、仮想空間内の立体映像を、視覚を通じて認識することができるとともに、指先などの感覚器官を通じて触覚で認識することができる。そして、提示された力覚の強度に応じて立体映像で投影された物体の表面の硬さなどを仮想的に感じることができ、仮想空間の体験をより現実に近づけることができる。
【０００３】
上述の力覚提示装置は、力覚を提示する方式によってａ）ワイヤ駆動方式、ｂ）リンク駆動方式の二種類に大別することができる。ここで、それぞれの方式についてさらに詳細に説明すると、ａ）ワイヤ駆動方式は、被験者の周囲を囲むようにして形成された略立方体形状を呈するフレーム体と、フレーム体の接合部（頂部）の複数箇所に設けられたワイヤ駆動装置と、駆動装置によってワイヤ長を可変できるワイヤと、該ワイヤによってフレーム体の内部に支持され、被験者に力覚を提示する力覚提示部（または操作部）を備えるシステム（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）、或いはワイヤと接続したペン型の操作部を操作者に把持させ、さらにワイヤの他端を操作者自身の背中に背負ったモータに連結し、ワイヤに張力を発生させて力覚を提示するシステム（例えば、非特許文献１参照）などが提案されている。
【０００４】
このとき、被験者は力覚を感じる指先などに予め力覚提示部を装着したり、或いは把持している。そして、力覚提示部と接続した複数のワイヤに、仮想空間提示装置によって投影される立体映像に合わせて張力を作用させる。これにより、被験者は指先等に力覚を感じることができる。ここで、ａ）ワイヤ駆動方式は、力覚の提示に複数のワイヤが用いられているため、装置自体の慣性の影響を小さくすることができ、また操作応答性を良くすることができる。また、仮想空間に投影される立体映像との親和性が高い、換言すれば、立体映像を遮蔽する可能性が低いため、仮想空間内の被験者に力覚を、違和感を覚えさせることなく提示することが可能な優れた利点を有している。
【０００５】
一方、ｂ）リンク駆動方式は、可動自在に形成された複数のマニピュレータを連結する各々の関節軸にモータを取付け、これらのモータの駆動を制御し、関節軸に加えられる反力を検出し、それに対応する制御を行うことによって力覚を提示できるシステム（例えば、非特許文献２参照）や、或いはシリアルリンク機構を用いて、指先に力覚提示部を遭遇させるように制御する遭遇型力覚提示装置（例えば、非特許文献３及び非特許文献４参照）などが知られている。
【０００６】
その結果、上述のワイヤ駆動方式と比較して、容易に指先等の感覚器官に力覚を自然な動きで提示することができる。また、指先等に力覚提示部を遭遇させる遭遇型の力覚提示装置を用いることにより、ワイヤ駆動方式のように予め指先に力覚提示部等を把持したり、装着する必要がなく、力覚提示時以外の指先の運動を制限することがなくなり、仮想空間の広範にわたって力覚を提示することができる。
【０００７】
一方、上述した仮想空間提示装置及び力覚提示装置を応用して、仮想空間の任意の三次元位置及び傾きにおける三次元情報を、直接入力することが可能な三次元位置入力装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。これにより、デザインの設計作業等において設計者の直観的な感覚に基づく発想豊かな形状を自由に表現することができ、創造性の優れた設計を行うことができる。また、この三次元情報を算出するための技術も開発されている（例えば、非特許文献５参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開平４−１８６２６号公報
【特許文献２】特開２００３−１７２６６２号公報
【特許文献３】特開２００１−２８２４４８号公報
【非特許文献１】廣瀬  通孝  外４名、「ワイヤーテンションを用いたウエアラブルフォースディスプレイ の開発」、１９９８年、日本バーチャルリアリティ学会論文集、Ｖｏｌ．３、ｐ．１−４
【非特許文献２】センサブル・テクノロジーズ・インク、”Hapitic  Interface”、[online]、［平成１５年１０月３０日検索］、インターネット＜  URL  ：http://www.sensable.com/languages/jp-hp.asp  ＞
【非特許文献３】Yasuyoshi  Yokokohji  et  al,"Path  Planning  for  Encountered-type  Haptic Devices  that  Render  Multiple  Objects  in  3D  Space",  2001,  Proc.IEEE  VR2001, p271-278
【非特許文献４】星野  洋  外１名、「遭遇型形状提示システムにおける任意曲面の形状提示に関する一考察」、１９９９、ＴＶＲＳＪ、Ｖｏｌ．４、Ｎｏ．２、ｐ４４５−４５４
【非特許文献５】太田  智彦  外２名、「ＳＰＩＤＡＲに基づく６自由度インタフェース」、２００３、日本バーチャルリアリティ学会第８回大会論文集
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の力覚提示装置において、ワイヤ駆動方式を採用する力覚提示装置は、仮想空間の任意の三次元位置に複数のワイヤによって支持された力覚提示部を、被験者が予め把持（若しくは装着）する必要があり、被験者の指先等の運動を制限してしまうことがあった。また、ワイヤによって支持される力覚提示部の自由度は、一般に力覚提示部が接続されるワイヤの数に依存することが知られ、具体的には”ワイヤの数−１”で表現されている。そのため、力覚提示部により高い自由度を要求する場合には、接続するワイヤの数を増やす必要があり、仮想空間内に存在する被験者と、ワイヤとが干渉する可能性が高くなった。その結果、被験者の移動が制限され、十分な広さの仮想空間を確保することが困難となった。また、力覚提示部に接続された複数のワイヤのワイヤ長やワイヤの巻出角度等に関するデータを集め、解析処理をする必要があり、これらの処理の負担が大きくなることがあった。
【００１０】
一方、リンク駆動方式の場合、前述したワイヤ駆動方式のように、仮想空間内のワイヤによって確保される仮想空間が制限される可能性は少なく、遭遇型の力覚提示装置を適用すれば、被験者の指先等の位置を検出し、当該位置に力覚提示部を移動させることができるため、指先等の運動が制限されることがなかった。しかしながら、リンク機構によって結合されたマニピュレータは、必然的に仮想空間内に大きく侵入して位置するため、投影される立体映像と該マニピュレータとが重なり合い、被験者はマニピュレータによって一部が遮られた状態の立体映像を視認することがあった。そのため、完全な形状の立体映像を視覚として捉えることができず、仮想空間の雰囲気（仮想現実性）を損なうおそれがあった。
【００１１】
また、上述の仮想空間提示装置及び力覚提示装置を応用して、仮想空間の三次元位置の入力を受付け、設計作業等の支援を図ることのできる三次元入力装置の場合、上述した力覚提示装置のワイヤ駆動方式及びリンク駆動方式のそれぞれの問題点をそのまま継承することとなり、上記の力覚提示装置の場合と同様の問題が生じていた。
【００１２】
そこで、上記実情に鑑み、少ないワイヤの数であっても力覚提示部の自由度を高く設定することができ、ワイヤによる力覚提示可能空間の制限及び立体映像に対する遮りの少ないワイヤ駆動力覚提示装置、及びワイヤ駆動三次元入力装置の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するため、本発明のワイヤ駆動力覚提示装置は、「仮想空間提示装置によって提示される仮想空間を体感する被験者の周囲に構築され、内部の本体空間に前記被験者を収容可能な装置本体と、前記装置本体の前記本体空間の任意の三次元位置及び傾きに変位自在に移動自在に支持され、前記被験者に力覚を提示可能な力覚提示面を有する力覚提示部と、一端が前記力覚提示部に連結され、前記三次元位置及び前記傾きに前記力覚提示部を支持する少なくとも三本の支持ワイヤと、前記支持ワイヤの他端とそれぞれ連結され、前記支持ワイヤのワイヤ長を可変させるワイヤ駆動部と、前記ワイヤ駆動部に接続し、所定の摺動方向に沿って前記ワイヤ駆動部を摺動させる摺動手段と、前記ワイヤ駆動部及び前記摺動手段を連動し、前記力覚提示部の前記三次元位置及び前記傾きを制御する力覚提示制御手段と」を主に具備して構成されている。
【００１４】
ここで、仮想空間提示装置とは、従来から周知の技術として知られる所謂「没入型多面ディスプレイ」を利用することが可能であり、仮想空間を体感する被験者の周囲を囲むようにして配された複数のスクリーンを用いて投影された立体映像を、被験者に認識させることが可能なものである。なお、没入型多面ディスプレイにおけるスクリーンの面数は、特に限定されるものではないが、例えば、六面のスクリーンを略立方体形状に構成した没入型多面ディスプレイを構築することにより、被験者の全周方位をスクリーンで囲むことができ、被験者がいずれの方向に視線を向けた場合であっても、常に仮想空間を視認することができ、仮想現実の雰囲気を損なうことがない。そのため、仮想空間に没入された被験者は、違和感を覚えることなく該仮想空間を体感することができ、本発明において特に好適と考えられる。また、その他の仮想空間提示装置として、被験者の頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）方式のものや、球面ディスプレイ方式のものなどを挙げることができる。さらに、装置本体は、例えば、被験者の周囲を囲うようにして複数のフレーム材を組合わせ、略立方体形状に構築したものなどを想定することが可能である。
【００１５】
また、力覚提示部とは、被験者が力覚を感じる感覚器官（例えば、指先や掌などの触覚器官）と力覚提示面とが接触し、仮想空間内の任意の三次元位置及び傾きで被験者に対して力覚を提示するものであり、後述する支持ワイヤの張力の程度によって、物体の表面硬さなどの硬軟の程度を示すことができる。ここで、力覚提示部は、例えば、薄板状の合成樹脂によって形成され、支持ワイヤがそれぞれの頂点に連結された多角形状（支持ワイヤが三本の場合、三角形状）を成すものを利用することができる。なお、支持ワイヤを連結する位置は、特に限定されないが、上述した多角形状の頂点位置にすることにより、力覚提示部の仮想空間における三次元位置及び傾きを数値計算によって求める場合に簡易となる利点がある。また、支持ワイヤを構成する材質は、力覚提示部に張力を伝えるために引張応力に対して伸長することがないものであって、かつ立体映像の視認性に影響を与えない程度の細い径を有するものが好ましい。
【００１６】
これにより、被験者は仮想空間に投影された立体映像に同期させるようにして制御された力覚提示部の力覚提示面に指先等で触れることによって、恰も実際の物体を触っているような感覚を仮想的に体験することができる。
【００１７】
一方、ワイヤ駆動部とは、前述の力覚提示部を仮想空間内で移動可能に支持するための支持ワイヤのワイヤ長を可変する機能を備えるものであり、例えば、支持ワイヤの巻取り及び巻出しに係る力を発生させる駆動用のモータ、支持ワイヤを巻取る円形状のプーリ、巻出された支持ワイヤの巻出角度を検出する角度検出用エンコーダ、及び支持ワイヤの巻取量及び巻出量を計測するためのロータリ・エンコーダなどの部品から構成されている。
【００１８】
また、摺動手段とは、前述のワイヤ駆動部を所定の摺動方向に沿って摺動させるものであり、例えば、前述した装置本体が複数のフレームによって構成されている場合、構成する複数のフレームの中から選択されたフレーム（ワイヤ駆動部及び支持ワイヤの数と同数）に取付けられ、フレームの長手方向に対して直線往復運動するように摺動させるものがある。さらに、具体的に説明すると、フレームの内部にボールねじやモータを埋設し、雄ねじ及び雌ねじの螺合による推進力を利用して摺動させるものや、或いはワイヤ駆動部に摺動用のモータを取付けたものなどが挙げられる。なお、この場合、摺動手段が設けられるフレームは、特に限定されないが、仮想空間内の任意の三次元位置及び傾きでの力覚の提示を可能な限り、広範囲で行うことが可能なようにするため、立方体形状の場合、互いに平行して隣接する一対のフレーム及び係るフレームに直交して位置するフレームに設けるように配したものなどが望ましい。加えて、摺動手段は、ワイヤ駆動部を直線往復運動のように一方向に対して移動させるものに限られず、装置本体の面上を自在に摺動させるものであってもよい。これにより、ワイヤ駆動部によって支持された力覚提示部の動きをさらに複雑にすることが可能となる。
【００１９】
したがって、本発明のワイヤ駆動力覚提示装置によれば、少なくとも三本の支持ワイヤによって装置本体の本体空間に力覚を提示可能な力覚提示面を備える力覚提示部が支持されている。このとき、力覚提示部の仮想空間における三次元位置及び傾きは、力覚提示部を支持する三本の支持ワイヤのワイヤ長、及び支持ワイヤが接続されたワイヤ駆動部の摺動位置（例えば、フレームに対するワイヤ駆動部の位置）によって決定されている。そして、これらのワイヤ長の巻出量（変化量）及び摺動手段によるワイヤ駆動部の摺動量が、仮想空間に投影される立体映像に同期して制御される。その結果、立体映像の表面に相当する三次元位置及び傾きに力覚提示部を移動制御させることにより、仮想空間内の被験者は実際の物体の表面を触れているような感覚を感じることができる。さらに、支持ワイヤの張力を制御することにより、立体映像に係る物体の表面の硬軟性を再現することが可能となる。特に、支持ワイヤの巻取等を行うワイヤ駆動部が所定の摺動方向に摺動可能に設けられていることにより、少ない支持ワイヤの本数であっても、力覚提示部に高い自由度を与えることができるようになり、力覚を提示可能な空間を広く確保することができ、さらに被験者及び力覚を感じる指先等の動きを制限することが少なくなる。
【００２０】
さらに、本発明のワイヤ駆動力覚提示装置は、上記構成に加え、「前記被験者が前記力覚を感じる感覚器官の位置を検出する器官位置検出手段と、前記器官位置検出手段によって検出された前記感覚器官の前記位置に、前記力覚提示部を遭遇させる力覚提示部遭遇手段と」をさらに具備するものであっても構わない。
【００２１】
したがって、本発明のワイヤ駆動力覚提示装置によれば、被験者の指先や掌などの感覚器官（触覚器官）の位置を検出し、検出された感覚器官の位置に合わせて力覚提示部を移動して遭遇させることが可能となる。ここで、感覚器官の検知は、例えば、仮想空間内に赤外線光を発光し、指先に取付けられた微小の反射材によって該赤外線光を反射し、ステレオカメラによって係る反射光を受光する指先センシング装置などが挙げられる。これにより、指先に対して非接触の状態で三次元位置を特定することができる。すなわち、本発明のワイヤ駆動力覚提示装置を遭遇型の力覚提示装置とすることができる。
【００２２】
これにより、被験者は、従前の力覚提示装置のように、操作部を予め指などに装着する必要がなくなる。そのため、指先の運動がワイヤによって制限されることなく、自由に動かすことが可能となる。また、遭遇型の力覚提示装置として機能することにより、被験者による操作性が向上する。
【００２３】
さらに、本発明のワイヤ駆動力覚提示装置は、上記構成に加え、「前記力覚提示部及び前記支持ワイヤの少なくともいずれか一方は、透明性状を呈する素材で形成されている」ものであっても構わない。
【００２４】
したがって、本発明のワイヤ駆動力覚提示装置によれば、力覚提示部及び支持ワイヤの少なくともいずれか一方が透明性のある素材で形成されていることにより、被験者は力覚提示部等を透過した光によって立体映像をそのまま視覚を通じて認識することが可能となる。換言すれば、力覚提示部等によって立体映像を遮ることがない。ここで、仮想空間提示装置によって構築された仮想空間には、原則として被験者及び立体映像のみが存在し、被験者には提示された仮想空間だけを、視覚を通じて感じることが望ましくそれ以外のものは視界に入らないほうが好ましい。そこで、力覚提示部等を透明素材で構築することにより、立体映像を視認した場合の仮想現実性を損なうことなく、よりリアリティの高い立体映像を被験者に対して提供することが可能となる。なお、透明性を呈する素材としては、アクリル樹脂等の合成樹脂を用いることが可能である。さらに、支持ワイヤには、釣り糸などに用いられる天蚕糸などを利用することが可能である。
【００２５】
本発明のワイヤ駆動三次元入力装置は、「仮想空間提示装置によって提示される仮想空間を体感する被験者の周囲に構築され、内部の本体空間に前記被験者を収容可能な装置本体と、前記装置本体の前記本体空間の任意の三次元位置及び傾きに移動自在に支持され、前記三次元位置及び前記傾きに係る三次元情報の入力を受付ける三次元入力部と、一端が前記三次元入力部に連結され、前記三次元位置及び前記傾きに前記三次元入力部を支持する少なくとも三本の支持ワイヤと、前記支持ワイヤの他端とそれぞれ連結され、前記三次元入力部に与えられる操作力に応じて、前記支持ワイヤのワイヤ長を可変させるワイヤ駆動部と、前記ワイヤ駆動部に接続し、前記位置入力部に与えられる前記操作力に応じて、所定の摺動方向に沿って前記ワイヤ駆動部を摺動させる摺動手段と、前記ワイヤ駆動部による前記支持ワイヤの変化量及び前記摺動手段による前記ワイヤ駆動部の摺動量を検出し、前記三次元入力部の前記三次元情報を取得する三次元情報取得手段と」を具備して主に構成されている。
【００２６】
ここで、本発明のワイヤ駆動三次元入力装置において、基本的な構成は、上述のワイヤ駆動力覚提示装置と略同様のものであるため、ここでは詳細な説明は省略するものとする。さらに、操作力に応じて移動する三次元入力部の変化において、三次元入力部を支持する支持ワイヤのワイヤ長及び摺動手段の摺動量に基づいて三次元位置及び傾きに係る三次元情報が取得されている。
【００２７】
したがって、本発明のワイヤ駆動三次元入力装置によれば、フレームに対して摺動可能に取付けられた摺動手段及びワイヤ駆動部によって、三次元入力部を仮想空間内において自在に移動させることができる。さらに、三次元入力部に加えられた操作力に対する移動変化の変化量をワイヤ駆動部及び摺動手段によってそれぞれ算出し、仮想空間の三次元位置に係る三次元情報を容易に取得することができる。さらに、ワイヤ駆動部がフレームの長手方向に沿って摺動することにより、少ない本数の支持ワイヤによっても三次元入力部の自由度を高くすることができ、仮想空間の三次元位置を精度良く取得することが可能となる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の効果として、ワイヤ駆動力覚提示装置によれば、ワイヤ駆動部が摺動手段によってフレームに摺動可能に取付けられているため、支持ワイヤを少ない本数（少なくとも三本）に抑えても、力覚提示部の自由度を高く設定することができる。その結果、力覚提示部を精度良く仮想空間内の任意の三次元位置及び傾きに立体映像と合わせて制御することができる。これにより、処理に係る負担及び仮想現実性を損なうことなく、被験者に対して力覚を伴った仮想空間を提示することができる。さらに、ワイヤ駆動三次元入力装置によれば、前述のワイヤ駆動力覚提示装置の構成を応用することにより、仮想空間における任意の三次元位置に係る三次元情報を自在に取得することが可能となり、デザイン設計などの支援作業を容易にし、被験者の直観的判断に基づく新しいデザインを創生することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の第一実施形態であるワイヤ駆動力覚提示装置１（以下、「力覚提示装置１」と称す）について、図１乃至図６に基づいて説明する。ここで、図１は第一実施形態の力覚提示装置１の概略構成を示す説明図であり、図２は力覚提示装置１の力覚提示部２の概略構成を示す説明図であり、図３はワイヤ駆動部３及び摺動フレーム４ａ，４ｂ，４ｃの構成を示す説明図であり、図４は力覚提示装置１の使用の一例を示す説明図であり、図５は提示処理装置５の機能的構成を示すブロック図であり、図６は提示処理装置５の処理の流れを示すフローチャートである。なお、本明細書中の以下の説明において、特に断りのない限り、三次元位置ＤＰの語句には、”三次元位置及び傾き”を含むものと定義する。
【００３０】
本発明の第一実施形態の力覚提示装置１は、図１乃至図５に主に示すように、被験者１０（図４参照）の周囲を囲むようにして設置される六面のスクリーン６、及びそれぞれのスクリーン６に映像を投影するためのプロジェクタ７（図１及び図４においては図面簡略化のため一つのみが図示されている）、及び各プロジェクタ７によって投影される立体映像Ｓに係る映像情報ＶＩの制御を行う映像制御部（図示しない）などから構成される没入型多面ディスプレイからなる仮想空間提示装置８と連係して設けられ、提示される仮想空間Ｖの中に、略立方体形状を呈し、複数のフレーム９，４ａ，４ｂ，４ｃを組合わせ、仮想空間Ｖを体感する被験者１０を全周方位にわたって囲み、内部にフレーム空間１１が形成されたフレーム体１２と、形成されたフレーム空間１１の任意の三次元位置ＤＰに移動自在に支持され、被験者１０に力覚を提示する力覚提示面１３を有する三角板形状の力覚提示部２と、力覚提示部２の各頂点と一端がそれぞれ接続された三本の支持ワイヤ１４と、支持ワイヤ１４のワイヤ長Ｌを巻取及び巻出動作によって可変させるワイヤ駆動部３と、該ワイヤ駆動部３を長手方向に対して摺動させる摺動フレーム４ａ，４ｂ，４ｃと、仮想空間Ｖの上方位置に設けられ、被験者１０が力覚を感じる感覚器官の一つである指先１６に取付けられた微小な反射材１７に赤外線波長域の照射光Ｉを照射し、該反射材１７によって反射した反射光Ｏから指先１６の仮想空間Ｖにおける位置を検出する位置検出部１８と、ワイヤ駆動部３による支持ワイヤ１４のワイヤ長Ｌの変化量及び摺動フレーム４ａ，４ｂ，４ｃに対するワイヤ駆動部３の摺動量を制御し、力覚提示部２による力覚の提示処理を行う提示処理装置５とを主に具備して構成されている。ここで、摺動フレーム４ａ，４ｂ，４ｃが本発明における摺動手段に相当し、フレーム空間１１が本発明における本体空間に相当し、フレーム体１２が本発明における装置本体に相当し、位置検出部１８が本発明における器官位置特定手段に相当する。また、被験者１０は立体映像Ｓを立体視するために液晶シャッターを具備する立体視用眼鏡１５を仮想空間Ｖ内で装着している（図４参照）。
【００３１】
さらに、詳細に説明すると、フレーム体１２は、サイコロのような略立方体形状を呈して形成され、係る形状を構築するために複数のフレーム９及び三本の摺動フレーム４ａ，４ｂ，４ｃが組合わされている。ここで、フレーム体１２の下面に相当する箇所には、基準座標系におけるＺ軸方向（図１参照）に長手方向が一致し、さらに互いに対向する一対のフレーム９の中央部分にそれぞれの端部が接合され、該フレーム９に対して直交する第一摺動フレーム４ａが取付けられている。そして、係る第一摺動フレーム４ａにＺ軸方向に対して摺動自在に取付けられたワイヤ駆動部３には、前述の力覚提示部２に接続された支持ワイヤ１４の他端が接続されている。また、力覚提示部２を仮想空間Ｖ内で支持するための支持ワイヤ１４がそれぞれ接続された残りの二つのワイヤ駆動部３を摺動可能にするための第二摺動フレーム４ｂ及び第三摺動フレーム４ｃは、フレーム体１２の上部に相当し、かつ第一摺動フレーム４ａに対して互いに平行で対向する位置に設けられている。ここで、図１に示すように、三本の摺動フレーム４ａ，４ｂ，４ｃは、フレーム体１２を構築するための一部を成している。また、摺動フレーム４ａ，４ｂ，４ｃが本発明における摺動手段に相当する。
【００３２】
さらに、力覚提示部２は、図２に模式化して示すように、正三角形の薄板の形状を示し、無色透明の硬質のアクリル樹脂プレートが用いられている。そして、三角形状の各頂点には、個々のワイヤ駆動部３と接続された支持ワイヤ１４の一端が結び付けられている。なお、図２には、後述する力覚提示部２の三次元位置ＤＰ等を数値計算によって算出する手法を説明するための基礎となる点及び記号が併せて補助的に表示されている。
【００３３】
また、ワイヤ駆動部３は、図３に示すように、力覚提示部２に連結された支持ワイヤ１４のワイヤ長Ｌを可変させ、任意の三次元位置ＤＰで力覚を提示するためのものであり、支持ワイヤ１４のワイヤ長Ｌを可変させる巻取及び巻出動作を行うためのワイヤ駆動用の駆動モータ１９と、駆動モータ１９の回転によって支持ワイヤ１４を巻取及び巻出す円形状のプーリ２０と、駆動モータ１９の回転角及びプーリ２０のプーリ半径から支持ワイヤ１４の変化量を計測するロータリ・エンコーダ２１と、ワイヤ駆動部３から力覚提示部２に向かう支持ワイヤ１４の巻出角度を決定するガイド２２及び巻出角度計測用の角度計測エンコーダ２２ａと、上述した部材を固定して支持する板状の支持プレート２３と、支持プレート２３の一部から突設され、支持プレート２３と協同して摺動フレーム４ａ，４ｂ，４ｃを挟込んだ状態で固定する挟持プレート２４とを具備している。これにより、ワイヤ駆動部３を摺動フレーム４ａ等に対して摺動自在の状態とすることができる。なお、駆動モータ１９及びエンコーダ２１，２２ａに対する電源供給及びエンコーダ検出信号などの制御信号の送信を行うための電気配線の構成は、ここでは図示を省略している。
【００３４】
一方、摺動フレーム４ａ，４ｂ，４ｃは、図３に示すように、断面略コの字形状を呈し、上方に開口側を向けた状態で配されたフレーム本体２５と、フレーム本体２５の凹状空間に長手方向に沿って軸回転可能に埋設されたボールねじ２６と、ボールねじ２６をフレーム本体２５の凹状空間内で軸回転運動させる摺動モータ２７と、摺動モータ２７の回転角度を検出するロータリ・エンコーダ２８とを主に具備している。なお、第一実施形態の力覚提示装置１において摺動モータ２７及びロータリ・エンコーダ２８をフレーム本体２５の凹状空間に埋入した構成のものを示している。また、支持プレート２３の下面の一部には、ボールねじ２６の雄ねじ２９のねじ山と螺合可能に形成された雌ねじ（図示しない）が形成されている。そして、摺動モータ２７の軸回転運動に伴って、摺動モータ２７に連結して軸支されたボールねじ２６が軸回転し、ボールねじ２６の雄ねじ２９と支持プレート２３に形成された雌ねじの噛合することによって、摺動フレームの摺動フレーム４ａの長手方向（図１及び図３に示す基準座標系におけるＺ軸方向、矢印Ｚ方向に相当）にワイヤ駆動部３の推進力が作用する。その結果、ワイヤ駆動部３は、摺動フレーム４ａに沿って摺動（スライド移動）することとなる。そして、摺動フレーム４ａ等の動きによって変化する力覚提示部２は、仮想空間Ｖにおける三次元位置ＤＰ及び力覚提示面１３の向きを変化させることができる。
【００３５】
また、提示処理装置５は、ワイヤ駆動部３による支持ワイヤ１４のワイヤ長Ｌの変化量制御、摺動フレーム４ａ等によるワイヤ駆動部３の摺動量の制御、及び位置検出部１８によって検出された被験者１０の指先１６の位置の検出及び特定などの種々の処理を行うためのものである。その具体的な機能的な構成としては、図５に示すように、位置検出部１８によって検出された指先１６の位置に関する情報を受付け、力覚提示部２の重心の位置及び力覚提示部２の傾きを算出する位置・傾き算出部３０と、特定された指先１６の位置に基づいて力覚提示部２を支持する支持ワイヤ１４のワイヤ長Ｌ及びワイヤ駆動部３の摺動量を算出するワイヤ長・摺動量算出部３１と、算出されたワイヤ長Ｌ及びワイヤ駆動部３の摺動量に応じて力覚提示部２を仮想空間Ｖの三次元位置ＤＰに、投影された立体映像Ｓの映像情報ＶＩに合わせて移動制御する力覚同期提示部３２と、位置検出部１８によって検出された指先１６の位置に遭遇するように力覚提示部２を制御する遭遇制御部３３とを主に具備して構成されている。ここで、力覚同期提示部３２が本発明における力覚提示制御手段に相当し、遭遇制御部３３が本発明における力覚提示部遭遇手段に相当する。また、提示処理装置５は、力覚同期提示部３２及び遭遇制御部３３によって映像情報ＶＩと合わせて、被験者１０の指先１６に力覚を提示するように、それぞれのワイヤ駆動部３及び摺動フレーム４ａ，４ｂ，４ｃのモータ１９，２７の制御量を調整し、さらにモータ１９，２７の回転角度を検出するロータリ・エンコーダ２１，２８の検出量に基づいてフィードバック制御を行うための駆動モータ制御部３４及び摺動モータ制御部３５を備えている。
【００３６】
なお、位置検出部１８は、上述したように照射光Ｉを用いて指先１６の仮想空間Ｖ内の位置を特定するものであり、従来から周知の技術及び装置を利用することが可能である。なお、反射材１７に照射される赤外線波長領域にある照射光の照射部３６及び反射光の受光部３７を備える位置検出部１８（位置検知センサに相当）は、仮想空間Ｖに投影される立体映像Ｓの投影状況を良好にするために、スクリーン６及びフレーム体１２の上方の位置に設置され、被験者１０による立体映像Ｓの認識の妨げにならないようになっている（図１及び図４参照）。
【００３７】
次に、第一実施形態の力覚提示装置１の使用の一例、及び提示処理装置５における処理の流れについて、主に図４乃至図６に基づいて説明する。はじめに、力覚提示装置１に連動して設置された仮想空間提示装置８によって、仮想空間Ｖに立体映像Ｓが投影される（ステップＳ１）。そして、スクリーン６の上方に設置された位置検出部１８の照射部３６から赤外線波長域にある照射光Ｉの照射が行われ、被験者１０の指先１６に予め貼着された反射材１７によって照射光Ｉが反射した反射光Ｏを受光部３７で受光する（ステップＳ２）。その後、反射光Ｏの反射角度及び照射から受光までに要する時間などに基づいて、仮想空間Ｖ内の指先１６の位置が特定される（ステップＳ３）。
【００３８】
そして、仮想空間提示装置８によって投影された立体映像Ｓの表面に相当する位置と、特定された指先１６の位置との関係が判断される（ステップＳ４）。ここで、特定された指先１６（厳密に言うと反射材１７）の位置が、立体映像Ｓの表面に接していると判断される場合（ステップＳ４においてＹＥＳ）、Ｆ＝１が与えられる（ステップＳ５）。一方、立体映像Ｓの表面から指先１６の位置が離れている場合、ステップＳ５の処理をキャンセルし、ステップＳ６の処理に移る。
【００３９】
その後、力覚提示部２の三次元位置ＤＰにおける重心位置および傾きについての指令値を位置・傾き算出部３１によって算出する（ステップＳ６）。そして、算出された重心位置および傾きに合わせてワイヤ駆動部３による支持ワイヤ１４のワイヤ長Ｌ及びワイヤ駆動部３の摺動フレーム４ａに対する摺動量の指令値が算出される（ステップＳ７）。ここで、各支持ワイヤ１４のワイヤ長Ｌは予め初期長が決定されている。さらに、ワイヤ駆動部３の摺動フレーム４ａ，４ｂ，４ｃに対する初期位置も予め定められており、上述のワイヤ長Ｌ及び摺動量は、係る初期値（位置）からの変位として求められる。
【００４０】
それから、提示処理装置５は、Ｆの値を判断する（ステップＳ８）。ここで、Ｆ＝１の場合（ステップＳ８においてＹＥＳ）、指先１６に力覚を提示するための力覚同期提示処理を行う（ステップＳ９）。一方、Ｆ≠１の場合（ステップＳ８においてＮＯ）、指先１６が立体映像Ｓの表面と接していないため、係る指先１６の位置に力覚提示部２が来る（遭遇する）ように遭遇提示処理を行う（ステップＳ１０）。ここで、力覚同期提示処理及び遭遇提示処理は、いずれも力覚提示部２を任意の三次元位置ＤＰに移動させる処理に係るものであり、算出されたワイヤ長Ｌの変化量及びワイヤ駆動部３の摺動量に基づいて駆動モータ制御部３４及び摺動モータ制御部３５が制御され、各モータ１９，２７の動作が行われる（ステップＳ１１及びステップＳ１２）。
【００４１】
これにより、力覚提示部２が仮想空間Ｖ内の任意の三次元位置ＤＰ（及び傾き）に向かって移動する（ステップＳ１３）。このとき、各変化量及び摺動量は常に検出された状態にあり、フィードバック制御（図６における破線Ｆ１参照）によって、所望の三次元位置ＤＰに近づくように力覚提示部２が近づくような制御がなされる。その結果、力覚提示部２は三次元位置ＤＰに到達し（ステップＳ１４）、被験者１０の指先１６に対して力覚の提示、或いは力覚を提示するために指先１６に力覚提示部２が遭遇するようになる。その後、係る力覚同期提示処理若しくは遭遇提示処理を中止するか否かの判断が行われ（ステップＳ１５）、中止をする旨の入力が指示される場合（ステップＳ１５においてＹＥＳ）、当該処理を停止する（ステップＳ１６）。一方、処理を継続する場合（ステップＳ１５においてＮＯ）、ステップＳ２の処理に移り、指先１６の位置の特定を行う。ここで、力覚提示部２は前述したように透明のアクリル樹脂素材が用いられているため、力覚提示部２を通して投影された立体映像Ｓを間に遮蔽するものがない状態で視認することができる。すなわち、力覚提示部２によって立体映像Ｓの視認性が損なわれることがない。
【００４２】
なお、上述した力覚提示のステップにおいて、指先１６の位置と立体映像Ｓの表面上の位置とを算出する際に、同時に立体映像Ｓの表面上の法線ベクトルが算出されている。そして、立体映像Ｓの表面上の位置と該法線ベクトルとが、力覚提示部２の重心位置と力覚提示面１３の傾きに相当することになる。このとき、指先１６と表面上の位置との距離の算出を継続することにより、指先１６が立体映像Ｓに衝突するか否かを推測することができる。そして、事前に衝突する位置に力覚提示部２が移動するように（換言すれば、指先１６に力覚提示部２が遭遇するように）制御を行うことで、本発明の力覚提示装置１を遭遇型の力覚提示装置にすることができる。このとき、力覚提示部２を支持する支持ワイヤ１４のそれぞれの張力を制御することで、被験者１０に力覚の提示時に、反力を提供することが可能となり、立体映像Ｓの硬さや柔らかさなどを仮想現実的に示すことができるようになる。
【００４３】
そして、ステップＳ１４において力覚を提示した後、力覚同期提示処理等を継続する場合には、指先１６の位置を特定し、力覚同期提示または遭遇処理を繰り返すことができる。このとき、立体映像Ｓの表面に指先１６を沿わせるようにして移動を行う場合でも、力覚提示部２の三次元位置ＤＰ及び傾きをリアルタイムで変化させることにより、被験者１０はまるで実際の物体に触れているような感覚を味わうことができる。
【００４４】
ここで、力覚提示部２の重心の位置と、力覚提示面１３の傾きを指示する指示値を計算するための支持ワイヤ１４のワイヤ長Ｌと、ワイヤ駆動部３の摺動フレーム４ａ等に対して摺動するワイヤ駆動部３の各位置を算出する例について説明する。具体的には、プレートの重心位置Ｐ０（数１参照）と、法線ベクトルで表された力覚提示面１３の向きｎ（数２参照）とを入力した場合、それを運動学的に実現するための力覚提示部２の各頂点位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の基準座標系（図１参照）におけるｘ成分、ｙ成分、ｚ成分（数３、数４、数５参照）と、ワイヤ駆動部３の駆動モータ１９の位置Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃにおける各ｚ成分（数６、数７、数８参照）と、ワイヤに作用する張力ｔ１，ｔ２，ｔ３と、力覚提示部２のねじり角θを算出する。ここで、ワイヤ駆動部３の駆動モータ１９は、摺動フレーム４ａ，４ｂ，４ｃに対してｚ軸方向に沿って摺動するため、各ｘ成分、及び各ｙ成分は一定値となる。
【００４５】
【数１】
2005165851.tif 000003
【００４６】
【数２】
2005165851.tif 000004
【００４７】
【数３】
2005165851.tif 000005
【００４８】
【数４】
2005165851.tif 000006
【００４９】
【数５】
2005165851.tif 000007
【００５０】
【数６】
2005165851.tif 000008
【００５１】
【数７】
2005165851.tif 000009
【００５２】
【数８】
2005165851.tif 000010
【００５３】
ここで、計算を容易にするために、ｔ２１＝ｔ２／ｔ１、ｔ３１＝ｔ３／ｔ１、支持ワイヤ１４のそれぞれのワイヤ長ｌ１，ｌ２，ｌ３を下記のように定義する（数９、数１０、数１１参照）。
【００５４】
【数９】
2005165851.tif 000011
【００５５】
【数１０】
2005165851.tif 000012
【００５６】
【数１１】
2005165851.tif 000013
【００５７】
さらに、未知の変数Ｘを下記のように定義し（数１２参照）、これらの制約式を数１３として表す。
【００５８】
【数１２】
2005165851.tif 000014
【００５９】
【数１３】
2005165851.tif 000015
【００６０】
ここで、法線ベクトルｎ（数２参照）と座標（０，０，１）Ｔのなす角度と、法線ベクトルｎと（０，０，１）Ｔの外積ベクトルにより、４元数を用いて、ｎと（０，０，１）Ｔの間の回転行列Ｒ∈Ｒ３を作成する。ここで、力覚提示部２の重心の位置Ｐ０（数１参照）とそれぞれの頂点の間の距離ｒ１，ｒ２，ｒ３、重心の位置Ｐ０を中心とした頂点間のＰ１を基準とした位相差θ２１，θ３１とすると、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とＰ０との関係は、下記の式（数１４〜数１６参照）で示される。
【００６１】
【数１４】
2005165851.tif 000016
【００６２】
【数１５】
2005165851.tif 000017
【００６３】
【数１６】
2005165851.tif 000018
【００６４】
このとき、三つの駆動モータ１９の位置を含んで形成される平面と、力覚提示部２の力覚提示面１３の法線ベクトルｎは垂直であるため、下記の式（数１７及び数１８参照）が成り立つ。
【００６５】
【数１７】
2005165851.tif 000019
【００６６】
【数１８】
2005165851.tif 000020
【００６７】
さらに、支持ワイヤ１４のそれぞれの向きを示す単位ベクトルａ１，ａ２，ａ３を数１９乃至数２１に定義したとき、力覚提示部２に作用する力の合力は、数２２で表される。そのため、下記の式（数２３乃至数２５参照）が成立する。また、同様に、力覚提示部２に作用するモーメントの総和が０であることから、数２６が成り立つ。そして、最初に表した制約式Ｆ（Ｘ）（数１３参照）が０となるような未知数Ｘを求めることで、入力される重心の位置Ｐ０と、法線ベクトルｎとを実現する値を算出することができる。なお、数値の算出する数値計算に係る手法は、特に限定されないが、例えば、Ｎｅｗｔｏｎ−Ｒａｐｓｏｎ法を用いることにより、係る未知数Ｘを求めることができる。
【００６８】
【数１９】
2005165851.tif 000021
【００６９】
【数２０】
2005165851.tif 000022
【００７０】
【数２１】
2005165851.tif 000023
【００７１】
【数２２】
2005165851.tif 000024
【００７２】
【数２３】
2005165851.tif 000025
【００７３】
【数２４】
2005165851.tif 000026
【００７４】
【数２５】
2005165851.tif 000027
【００７５】
【数２６】
2005165851.tif 000028
【００７６】
これにより、力覚提示部２の各頂点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３と各駆動モータ１９の位置Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃとから支持ワイヤ１４のそれぞれのワイヤ長ｌ１，ｌ２，ｌ３が決定され、これに基づいて各駆動モータ１９の制御量が算出される。なお、ワイヤ駆動部３をそれぞれｚ軸方向に沿って摺動させることにより、力覚提示面１３の傾きを制御することができる。
【００７７】
上記に示したように、本発明の第一実施形態の力覚提示装置１は、力覚提示部２を支持する三本の支持ワイヤ１４と、支持ワイヤ１４のワイヤ長Ｌを可変するワイヤ駆動部３を摺動可能に制御する摺動フレーム４ａ等を備えることにより、従来のワイヤ駆動方式の場合と比べ、少ない支持ワイヤ１４の数で、自由度の高い状態で力覚の提示を再現することができる。特に、立体映像Ｓと被験者１０との間に立体映像Ｓの認識を遮る物体がなく、仮想空間Ｖ内に力覚を提示する空間を十分確保が可能となる。さらに、立体映像Ｓの表面上の位置と力覚提示部２の力覚提示面１３の位置を同期させることにより、被験者１０に仮想現実性をさらに高めた状態で仮想空間Ｖを体感させることができる。さらに、被験者１０の指先１６の位置を予め検出し、係る位置に力覚提示部２が遭遇するように制御することができるため、指先１６の運動を制限することがさらに少なくなり、被験者１０の操作性及び運動性を妨げることがない。加えて、力覚提示部２が透明性の素材で形成されていることにより、仮想空間Ｖにおける立体映像Ｓの視認性を損なうことがなく、被験者１０が体感する仮想現実性をよりリアルなものとすることができる。
【００７８】
次に、本発明の第二実施形態のワイヤ駆動三次元入力装置５０（以下、単に「入力装置５０」と称す）について、図７乃至図９に基づいて説明する。ここで、図７は第二実施形態の入力装置５０の概略構成を示す説明図であり、図８は入力処理装置５１の機能的構成を示すブロック図であり、図９は入力処理装置５１の処理の流れを示すフローチャートである。なお、第二実施形態の入力装置５０は、基本的な構成は第一実施形態の力覚提示装置１と略同一であり、力覚提示装置１の機能を応用して仮想空間Ｖの任意の三次元位置ＤＰの三次元情報５２を取得するものである。したがって、第二実施形態の入力装置５０において、第一実施形態の力覚提示装置１と同一の構成及び機能を有するものについては、同一番号を付し、詳細な説明はここでは省略するものとする。
【００７９】
第二実施形態の入力装置５０は、図７に示すように、入力操作者６１によって把持可能に形成された球形状を呈する三次元入力部５３と、それぞれの一端が三次元入力部５３に接続され、仮想空間Ｖの中に該三次元入力部５３を支持する三本の支持ワイヤ５４と、支持ワイヤ５４のワイヤ長Ｌを可変させるワイヤ駆動部３と、ワイヤ駆動部３を長手方向に摺動可能にする摺動フレーム５５ａ，５５ｂ，５５ｃとを主に有して構成され、三次元入力部５３に入力操作者６１によって与えられる操作力に応じて仮想空間Ｖ内を移動する三次元入力部５３に併せて、支持ワイヤ５４のワイヤ長Ｌ及びワイヤ駆動部３の摺動フレーム５５ａに対する位置を変化させるものである。これにより、ワイヤ長Ｌ及びワイヤ駆動部３の位置を計測することにより、三次元入力部５３の仮想空間Ｖにおける三次元情報５２を連続的に取得することができる。すなわち、三次元入力部５３の移動の軌跡を連続的に記録することにより、三次元位置ＤＰに係る三次元情報５２を仮想空間Ｖに、直接かつリアルタイムで入力することができる。
【００８０】
ここで、入力装置５０は、その他の構成として、上述の三次元入力部５３に加えられる操作力に応じて変化する支持ワイヤ５４のワイヤ長Ｌの変化量及びワイヤ駆動部３の摺動した位置に関するデータを受付け、三次元情報５２を算出するための処理を行う入力処理装置５１が設けられている。さらに、入力処理装置５１は、その機能的構成として、図８に示すように、三次元入力部５３の移動によって変化する支持ワイヤ５４のワイヤ長Ｌの変化をワイヤ駆動部３の駆動モータ１９の回転角度に基づいて計測するワイヤ長変化量計測部５６と、摺動フレーム５５ａ等に対するワイヤ駆動部３の摺動量をロータリ・エンコーダ２８の回転角度に基づいて計測する摺動量計測部５７と、ワイヤ駆動部３から巻出される支持ワイヤ５４の巻出角度を角度計測エンコーダ２２ａ（図３参照）によって計測するワイヤ角度計測部６０と、計測されたワイヤ長Ｌの変化量、摺動量、及び巻出角度に応じて三次元入力部５３の三次元位置ＤＰにおける三次元情報５２を算出する三次元情報算出部５８と、算出された三次元情報５２を継続して記憶する三次元情報記憶部５９と、操作力に応じて移動する三次元入力部５３と仮想空間提示装置８によって提示される立体映像Ｓとを同期させて表示する同期制御部６２と、位置入力時に三次元入力部５３を介して入力操作者６１に立体映像Ｓに同期した一定の反力（拘束力）を提示する反力提示部６３とを具備して主に構成されている。
【００８１】
なお、三次元入力部５３を支持する支持ワイヤ５４には、所定の張力が初期状態において与えられている。そして、入力操作者６１は係る張力に抗する操作力を与えることにより、三次元入力部５３は仮想空間Ｖを移動することになる。さらに、入力操作者６１がこの三次元入力部５３を離す（把持状態を解除する）ことにより、三次元入力部５３は該張力によって初期状態に戻るように付勢されている。また、三次元入力部５３に所定の反力を提示するために、ワイヤ駆動部３及び摺動フレーム５５ａ等を制御して支持ワイヤ５４に所定の張力を与える処理を行うため、反力提示部６３には、駆動モータ１９を制御する駆動モータ制御部６４及び摺動モータ２７を制御する摺動モータ制御部６５が設けられている。ここで、摺動フレーム５５ａ等が本発明における摺動手段に相当し、入力処理装置５１に設けられたワイヤ長変化量計測部５６、摺動量計測部５７、ワイヤ角度計測部６０、及び三次元情報算出部５８が本発明における三次元情報取得手段に相当する。
【００８２】
ここで、第二実施形態の入力装置５０の使用の一例、及びそれに係る入力処理装置５１の処理の流れについて図９に基づいて主に説明する。なお、第二実施形態の入力装置５０において、仮想空間提示装置８によって投影された立体映像Ｓの表面をなぞるようにして三次元入力部５３を移動させ、三次元情報５２の取得を行うものを示している。このとき、立体映像Ｓの表面に接触した三次元入力部５３に対して、支持ワイヤ５４の張力によって移動に係る拘束力が与えられている。
【００８３】
はじめに、初期状態における各支持ワイヤ５４のワイヤ長Ｌ、摺動フレーム５ａ等に対するワイヤ駆動部３の位置、及び支持ワイヤ５４の巻出角度等の初期値を計測する（ステップＴ１）。なお、このとき仮想空間提示装置８によって仮想空間Ｖには立体映像Ｓが予め投影されている。そして、計測されたワイヤ長Ｌ等の値に基づいて三次元入力部５３の三次元位置ＤＰ（傾きを含む）を算出する（ステップＴ２）。さらに、算出された三次元入力部５３と投影された立体映像Ｓの表面との最短距離を算出する（ステップＴ３）。そして、算出された最短距離に基づいて、三次元入力部５３と立体映像Ｓの表面とが離間しているか否かが判断される（ステップＴ４）。ここで、三次元入力部５３が立体映像Ｓの表面から離間している場合（ステップＴ４においてＹＥＳ）、三次元入力部５３の各値（ワイヤ長、摺動量、巻出角度）を取得し（ステップＴ５）、ステップＴ１０の処理に移る。一方、三次元入力部５３と立体映像Ｓの表面とが接していると判断される場合（ステップＴ４においてＮＯ）、算出された最短距離に基づいて立体映像Ｓの表面位置まで三次元入力部５３を付勢して移動させる張力を支持ワイヤ５４に発生させ（ステップＴ６）、ワイヤ駆動部３及び摺動フレーム５５ａ等を制御して三次元入力部５３を移動させる（ステップＴ７）。ここで、三次元入力部５３と立体映像Ｓの表面との接触は、三次元入力部５３が立体映像Ｓの内側部分に挿入された状態にある場合、及び立体映像Ｓの表面に沿って位置している場合の双方を含むものとする。ここで、三次元入力部５３と立体映像Ｓの表面との最短距離の算出には、本実施形態においては”Ｇｏｄ  Ｏｂｊｅｃｔ  Ｍｅｔｈｏｄ”の手法を用いている。
【００８４】
これにより、三次元入力部５３は立体映像Ｓの表面に沿って位置した状態に置かれる。そして、入力操作者６１は立体映像Ｓの表面に沿うような力（拘束力）を受けつつ、三次元入力部５３を移動させる。このとき、入力処理装置５１の各計測部５６，５７，６０によって三次元入力部５３の移動によって変化するワイヤ長Ｌ等の各種データが連続的に取得され（ステップＴ８）、移動の軌跡による三次元情報５２が記憶される（ステップＴ９）。ここで、ステップＴ７乃至ステップＴ９の間ではフィードバック制御（図９における破線Ｆ２）が行われている。これにより、三次元入力部５３を仮想空間Ｖ内で立体映像Ｓの表面形状に沿わせて移動させながら三次元情報５２を取得することができる。その後、三次元情報５２の入力を継続するか否かの有無の指示が検出され（ステップＴ１０）、三次元情報５２の入力を停止する指示が有る場合（ステップＴ１０においてＹＥＳ）、入力の停止処理を行う（ステップＴ１１）。一方、入力を継続する指示がある場合（ステップＴ１０においてＮＯ）、ステップＴ２の処理に戻り、三次元入力部５３による三次元情報５２の入力を継続する。
【００８５】
なお、本発明の第二実施形態の入力装置５０において、立体映像Ｓの表面形状に沿うようにして三次元入力部５３の移動を行い、所定の反力を入力操作者６１に与えながら三次元情報５２の入力を行うものを示したが、これに限定されるものではなく、仮想空間Ｖ内を自由に移動させて三次元情報５２の入力を行うものであっても構わない。なお、三次元情報５２の入力の開始は、例えば、三次元入力部５３に設けられたスイッチ等を操作することなどによって任意のタイミングで行うようにしてもよい。
【００８６】
ここで、上述の三次元情報５２の入力処理を行うために必要な三次元入力部５３を把持したときの三次元入力部５３の重心の位置Ｐ０、及び傾きベクトルｎが求められる。このとき、基準座標系におけるｘ軸を基準とした支持ワイヤ５４の水平面に対する傾きθ１、垂直面に対する傾きφ１とすると、三次元入力部５３の頂点ベクトルＰ１は、下記の式に示すように回転行列として表される（数２７参照）。また、Ｐ２，Ｐ３についても同様に求めることができる。そして、これらを利用することにより、重心の位置Ｐ０が算出される（数２８参照）。
【００８７】
【数２７】
2005165851.tif 000029
【００８８】
【数２８】
2005165851.tif 000030
【００８９】
さらに、傾きｎは、ベクトルＰ１−Ｐ０と、ベクトルＰ２−Ｐ０との外積により求めることができる。そして、得られたＰ０を用いて上述の接触に関する判定がなされ、三次元入力部５３に反力を伴った動きを付与することができるようになる。これにより、三次元入力部５３を仮想空間Ｖ内で自由に動かすことにより、任意の三次元位置ＤＰに係る三次元情報５２の入力を容易に行うことができる。さらに、ワイヤ駆動部３が摺動フレーム５５ａに対して摺動可能に設けられているため、三次元入力部５３を支持する支持ワイヤ５４の本数が少ない場合でも、係る三次元入力部５３の自由度を高く設定することができる。その結果、仮想空間Ｖにおける三次元入力部５３の位置入力可能空間を広範に採ることができる。さらに、支持ワイヤ５４によって入力操作者６１の動きに影響を及ぼす可能性も低くなる。
【００９０】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００９１】
すなわち、第一実施形態の力覚提示装置１及び第二実施形態の入力装置５０において、力覚提示部２または三次元入力部５３を、三本の支持ワイヤ１４，５４によって支持するものを示したが、支持ワイヤ１４，５４の本数はこれに限定されるものではない。支持ワイヤ１４，５４の本数を増加することにより、力覚提示部２等の移動に係る自由度を高くすることができる。しかしながら、支持ワイヤ１４，５４の数が多くなることは、被験者１０と支持ワイヤ１４，５４が触れる可能性が高くなり、被験者１０の操作性や指先１６の運動性を損なうことがある。また、上述した数値計算の手法を利用して、力覚提示部２等の位置や傾きを算出する場合でもパラメータの数が増え、数値計算がより複雑化することが考えられる。そのため、第一実施形態及び第二実施形態で示したように、三次元的に移動可能とする最小本数の三本の支持ワイヤ１４，５４を採用するものが本発明の力覚提示装置１及び入力装置５０において特に好適と考えられる。さらに、第一実施形態の力覚提示装置１及び第二実施形態の入力装置５０において、ワイヤ駆動部３を摺動可能に支持する摺動フレーム４ａ等を、図１及び図７に図示するような配置で構築したものを示したが勿論これに限定されるものではなく、力覚提示部２による力覚の提示範囲若しくは三次元入力部５３の入力範囲に応じて適宜設定することができる。
【００９２】
また、仮想空間提示装置８として被験者１０（または入力操作者６１）の全周方位を囲む六面のスクリーン６を有する没入型多面ディスプレイを用いたが、スクリーン６の面数は適宜変更することが可能である。さらに、力覚提示部２を薄板の三角形状を呈するもので示したが、これに限定されるものではなく、力覚提示面１３を有し、被験者１０の指先１６などの感覚器官（触覚器官）に力覚を提示可能なものであれば構わない。また、三次元入力部５３の形状も把持が容易な球形状のものを示したが、これに限定されるものではなく、三次元位置ＤＰの指示が可能なものであればよく、例えば、三次元入力部５３をペン形状にして入力操作者６１に把持させるものであっても構わない。加えて、仮想空間提示装置８として、没入型多面ディスプレイによって仮想空間Ｖを提示するものを示したが、例えば、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）或いは球面ディスプレイなどの周知の仮想空間提示技術を適用するものであっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】第一実施形態の力覚提示装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】力覚提示装置の力覚提示部の概略構成を示す説明図である。
【図３】ワイヤ駆動部及び摺動フレームの構成を示す説明図である。
【図４】力覚提示装置の使用の一例を示す説明図である。
【図５】提示処理装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図６】提示処理装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】第二実施形態の入力装置の概略構成を示す説明図である。
【図８】入力処理装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図９】入力処理装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９４】
１  力覚提示装置（ワイヤ駆動力覚提示装置）
２  力覚提示部
３  ワイヤ駆動部
４ａ，５５ａ  第一摺動フレーム（摺動手段、フレーム）
４ｂ，５５ｂ  第二摺動フレーム（摺動手段、フレーム）
４ｃ，５５ｃ  第三摺動フレーム（摺動手段、フレーム）
８  仮想空間提示装置
９  フレーム
１０  被験者
１２  フレーム体
１３  力覚提示面
１４，５４  支持ワイヤ
１６  指先（感覚器官）
１８  位置検出部（器官位置検出手段）
３２  力覚同期提示部（力覚提示制御手段）
３３  遭遇制御部（力覚提示部遭遇手段）
５０  入力装置（ワイヤ駆動三次元入力装置）
５２  三次元情報
５３  三次元入力部
５６  ワイヤ長変化量計測部（三次元情報取得手段）
５７  摺動量計測部（三次元情報取得手段）
５８  三次元情報算出部（三次元情報取得手段）
６０  ワイヤ角度計測部（三次元情報取得手段）
Ｌ  ワイヤ長
ＤＰ  三次元位置
Ｓ  立体映像
Ｖ  仮想空間
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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