(57)【要約】【課題】  実機（試作機）を製作することなく、新しい製品の人間工学的な特性を人間の主観に依存する感性に基づいて組立てし評価することができ、評価が不十分な場合でも、ＣＡＤによる再設計、再評価を繰り返し行うことができる没入型設計支援装置および方法を提供する。【解決手段】  設計対象１を構成する複数の部品２の形状、寸法、重量、慣性モーメント、色などの部品データ３を記憶する部品データベース１２と、各部品間の幾何学的拘束条件を記憶する拘束条件データベース１４と、部品データベースと拘束条件データベースを用いて３次元仮想空間内の設計対象の運動を計算によって求める３次元動力学シミュレータ１５を記憶するコンピュータ１６と、３次元仮想空間内において設計対象とその運動を設計者に視覚的に提示する没入型ディスプレイ装置１８とを備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
設計対象を構成する複数の部品の形状，寸法，重量，慣性モーメント，色などの部品データを記憶する部品データベースと、
各部品間の幾何学的拘束条件を記憶する拘束条件データベースと、
前記部品データベースと拘束条件データベースを用いて３次元仮想空間内の設計対象の運動を計算によって求める３次元動力学シミュレータを記憶するコンピュータと、
３次元仮想空間内において設計対象とその運動を設計者に視覚的に提示する没入型ディスプレイ装置とを備える、ことを特徴とする没入型設計支援装置。
【請求項２】
前記没入型ディスプレイ装置は、３次元仮想空間内に位置する実在する設計者の位置及び動作を検出する設計者検出手段と、該設計者の位置及び動作を３次元仮想空間内に仮想設計者として提示する仮想設計者提示手段とを備え、
前記コンピュータは、加速度を伴った運動、部品同士の衝突判定、部品間に働く幾何学的拘束、および没入型ディスプレイ装置による３次元仮想空間内の設計対象と仮想設計者の力学的干渉を演算する、ことを特徴とする請求項１に記載の没入型設計支援装置。
【請求項３】
設計者に仮想設計者が受ける３次元仮想空間内での力を体感させる力覚提示装置を更に備える、ことを特徴とする請求項２に記載の没入型設計支援装置。
【請求項４】
設計対象を構成する複数の部品の形状，寸法，重量，慣性モーメント，色などの部品データを部品データベースに入力する部品設計工程と、コンピュータを用いて部品データベースから設計対象を構成する複数の部品を３次元仮想空間内で組み立てる組立工程と、コンピュータを用いて組立てた設計対象とその運動を３次元仮想空間内で設計者に視覚的に提示し人間工学的な特性を３次元仮想空間内で評価する評価工程とからなり、前記組立工程と評価工程を交互に繰り返す、ことを特徴とする没入型設計支援方法。
【請求項５】
前記組立工程は、組立準備工程と仮想組立工程からなり、
組立準備工程において、部品データに拘束条件を与える拘束点を自由に設定し、
仮想組立工程において、３次元仮想空間内の各部品の相対位置、姿勢を自由に決定し、かつ各部品間の拘束条件を自由に設定する、ことを特徴とする請求項４に記載の没入型設計支援方法。
【請求項６】
前記３次元仮想空間内での拘束条件の設定は、動作入力及び／又は数値入力からなり、
動作入力は、設計者が装着した磁気センサ又は力覚提示装置によって仮想設計者を操作することにより行い、
数値入力は、動作入力により部品を選択し、３次元仮想空間内の入出力装置のキー入力を用いて入力用のウインドウを開き，そこへ数値データを入力する、ことを特徴とする請求項５に記載の没入型設計支援方法。
【請求項７】
前記評価工程は、評価準備工程と仮想評価工程の２工程からなり、
評価準備工程において、設計対象の動作を設定し、
仮想評価工程において、３次元仮想空間内の設計対象を視覚的に確認すると共に、設計者によって仮想設計者を操作して、設計対象と力学的な相互作用を行い、その運動を３次元仮想空間内で確認する、ことを特徴とする請求項４に記載の没入型設計支援方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実機を製作することなく、新しい製品の人間工学的な特性を人間の主観に依存する感性に基づいて組立てし評価する没入型設計支援装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータグラフィクスで立体的な仮想空間を体験させる技術として、ＣＡＶＥシステム（非特許文献１）に代表される没入型の立体映像表示技術が知られている。この技術では、ユーザが立体視用の特殊眼鏡を装着することによって、立体的な仮想空間を体現することができる。
【０００３】
ＣＡＶＥシステムでは、２．５〜３ｍ四方のスクリーンを用い、それらをユーザを取り囲むように、前面、左右、床面に設置する。床面のスクリーンには上方から、それ以外のスクリーンには後方から、それぞれ立体用プロジェクタにより立体映像が投影される。ユーザの頭部には６自由度の位置センサが取り付けられ、ユーザの視点位置から見た立体映像がスクリーン上に表示される。ユーザは立体視可能な眼鏡を装着してＣＡＶＥの中に立つことで、広い視野の立体映像に囲まれ、没入感の高い感覚を得ることができる。
【０００４】
また、ＣＡＶＥシステムの発展形として開発されたＣＡＢＩＮ（５面スクリーン版ＣＡＶＥ）が非特許文献２の論文で発表されている。
さらに、没入型画像提示装置として、特許文献１〜３が開示されている。
【０００５】
特許文献１の「没入型表示システム」は、周囲環境中の特徴及びオブジェクトに対するユーザーの頭部の位置及び角度を判定することを可能にすることを目的とし、図９に示すように、光学相関器３０を含む表示ユニットと、該光学相関器からのイメージ出力信号に基づいてイメージを表示する視覚的表示装置３２とを備えたものである。
【０００６】
特許文献２の「臨場感型仮想現実提供処理方法および装置」は、臨場感の高い仮想世界を体験者に提供することを目的とするものであり、立体視による仮想環境とフォースフィードバックを用いており、体験者の動きデータを計測し、視点を検出し、体験者のアバタの動きを決定して動き可能に表示させ、フォースフィードバック処理によって仮想物体の動きをもとに体験者が持つ操作インターフェースに力覚提示を行うものである。
【０００７】
特許文献３の「没入型表示装置および方法」は、図１０に示すように、コンピュータで生成された３次元仮想世界映像をユーザ４１を取り囲むように立体視可能なかたちで表示するものであり、視点位置検知部４２、合成情報表示部４３、３次元情報表示部４４、２次元情報生成部４５、３次元情報生成部４６、および情報合成部４７を有するものである。
【０００８】
一方、「力覚提示装置」とは、コンピュータ上にデータとして構築された仮想世界において、仮想の対象をあたかも現実の対象であるかのように感じ、操作することができる装置を意味する。
【０００９】
かかる力覚提示装置として、床面（机上）に固定するタイプのものが非特許文献３、４に紹介されている。また、ワイヤの張力によって使用者の身体を引っ張ることで力を発生する力覚提示装置として、部屋そのものに巻き取り機構を備えたものが、非特許文献５に提案されている。さらに巻き取り装置を使用者が背負い込む形で使用するものが、非特許文献６で発表されている。
【００１０】
また、人の手や身体に直接取り付けて使用する力覚提示装置としては、特許文献４〜８が開示されている。
【００１１】
特許文献４の「力覚提示装置」は、図１１に示すように、柔軟な材料により手袋型に形成された外郭部材５２と、外郭部材に組み込まれ内部に流体を満たしたチューブ５４と、外郭部材内の物体の動きによって生じる流体の流れを制御する電磁弁５９とからなるものである。
【００１２】
特許文献５の「力覚提示装置」は、図１２に示すように、柔軟な材料により形成され、上着型をした外郭部材５２と、外郭部材に組み込まれ内部に流体を満たしたチューブ５４と、外郭部材内の物体の動きによって生じる流体の流れを制御する電磁弁５９とから構成されるものである。
【００１３】
特許文献６の「力覚提示装置」は、図１３に示すように、力覚提示対象（人の手指６３）に取り付けられる取付手段６２と、一端が取付手段に連結されたワイヤー６６と、ワイヤーの他端に連結されワイヤーの移動を規制するブレーキ手段（シリンダ６９）と、ブレーキの利き具合を制御する制御手段６４とを有するものである。
【００１４】
特許文献７の「動作認識装置及び動作認識方法、並びに力触覚提示装置及びその制御方法」は、図１４に示すように、対象の骨格構造を構成する関節部の近辺に一対又は複数対の被覆部材Ｓ１、Ｓ２を装具として装着するとともに、被覆部材同士の相対的な位置関係を光学的又は磁気的に、あるいはワイヤー部材の長さから検出するための位置検出手段を、対をなす被覆部材Ｓ１、Ｓ２のそれぞれに付設し、又は両被覆部材に亘って設けたものである。
【００１５】
特許文献８の「力覚提示装置及び仮想空間システム」は、図１５に示すように、仮想空間７３を表現する環境の下で、把持部と支点部と可変長連結部とを有する力覚提示手段７１が操作者に取り付けられ、仮想空間における仮想力覚受信オブジェクト７５および／または仮想オブジェクト７４の状態に応じて、操作者に力覚を与えるものである。
【００１６】
さらに本発明に関連する「３次元動力学シミュレータ」は、仮想空間内の仮想対象物の運動を計算によって求めるソフトウェアライブラリであり、例えば非特許文献７に開示されている。
【００１７】
【非特許文献１】ＣＡＶＥシステム、Ｓｉｇｇｒａｐｈ９３での学会発表、  インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｖｌ．ｕｉｃ．ｅｄｕ／ＥＶＬ／ＲＥＳＥＡＲＣＨ／ＰＡＰＥＲＳ／ＣＲＵＺ／ｓｉｇ９３．ｐａｐｅｒ．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献２】廣瀬通孝，小木哲郎，石綿昌平，山田俊郎，「多面型全天周ディスプレイ（ＣＡＢＩＮ）の開発とその特性評価」，電子情報通信学会論文誌  Ｄ-II，Ｖｏｌ．Ｊ８１-Ｄ-II，Ｎｏ．５，ｐｐ．８８８-８９６，（１９９８）
【非特許文献３】ＳｅｎｓＡｂｌｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製のＰＨＡＮＴＯＭ  、インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｅｎｓａｂｌｅ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｐｈａｎｔｏｍ＿ｇｈｏｓｔ／ｐｈａｎｔｏｍ．ａｓｐ＞
【非特許文献４】Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ社製のＣｙｂｅｒＦｏｒｃｅ、インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ．ｃｏｍ／３ｄ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｃｙｂｅｒ＿ｆｏｒｃｅ．ｐｈｐ＞
【非特許文献５】佐藤，平田，河原田，「空間インターフェイス装置ＳＰＩＤＥＲの提案」，  電子情報通信学会論文誌  Ｄ-II，Ｖｏｌ．Ｊ７４-Ｄ-II，Ｎｏ．７，ｐｐ．８８７-８９４，（１９９１）
【非特許文献６】筧、矢野、齊藤、小木、廣瀬、「没入型仮想空間における力覚呈示デバイス  Ｈａｐｔｉｃ  ＧＥＡＲの開発とその評価」，日本バーチャルリアリティ学会論文誌、Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．４，ｐｐ．１１１３-１１２０（２０００．１２）
【非特許文献７】３次元動力学シミュレータ、Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｍａｓｓ  Ｌａｂｓ社のＶｏｒｔｅｘ、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｍ-ｌａｂｓ．ｃｏｍ／＞
【００１８】
【特許文献１】特開２００２−９１６９６号公報、「没入型表示システム」
【特許文献２】特開２００２−１２３８４０号公報、「臨場感型仮想現実提供処理方法および装置」
【特許文献３】特開２００３−１４１５７３号公報、「没入型表示装置および方法」
【特許文献４】特開平１１−３２７７５２号公報、「力覚提示装置」
【特許文献５】特開２０００−５６８９８号公報、「力覚提示装置」
【特許文献６】特開２０００−９９２４０号公報、「力覚提示装置」
【特許文献７】特開２００１−１３３３００号公報、「動作認識装置及び動作認識方法、並びに力触覚提示装置及びその制御方法」
【特許文献８】特開２００２−３０４２４６号公報、「力覚提示装置及び仮想空間システム」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
何等かの新しい製品（例えば知覚ロボット）を開発し量産するために、これまでに提案されてきたＣＡＤでは、設計者はマウスやキーボードなどのインターフェイスを介してコンピュータに数値データを入力し、モニターに表示された２次元のコンピュータグラフィック（ＣＧ）を確認することで作業を行っていた。そして設計された部品は各種のシミュレーションによって数値的に評価していた。
【００２０】
すなわち従来の製品開発では、コンピュータを用いたＣＡＤで部品を設計し、これをモニターに表示された２次元のコンピュータグラフィック（ＣＧ）において組立て、次いで各種のシミュレーションによって動作確認する。次にこの動作確認で所望の性能・動作が確認された後、設計した各部品を実際に製作して実機（試作機）を組立て、試作機の人間工学的な特性（大きさ、位置、使い易さ、動作等）や動作特性を再度人間の主観に依存する感性に基づいて評価し、この評価で満足が得られた後に量産している。
【００２１】
シミュレーションによる動作確認は、コンピュータを用いて繰り返し自由に行うことができる。しかし、人間工学的な特性の評価は、実機に基づくため、実機を作り直して繰り返し実施するには費用がかかりすぎる問題点があった。また、人が実機（試作機）を直接操作する場合、試作機が重すぎたり、誤動作すると、人に怪我を与えるおそれもあった。
【００２２】
言い換えれば、従来の製品開発プロセスには、以下の問題点があった。
（１）新しい製品の人間工学的な特性（大きさ、位置、使い易さ、動作等）を人間の主観に依存する感性に基づいて評価するためには、実機（試作機）の製作が不可欠であった。
（２）実機による評価が不十分な場合、ＣＡＤによる再設計、実機（試作機）の再製作を繰り返す必要があり、時間がかかるばかりでなく、開発コストが膨大となるおそれがある。
（３）実機の試作を省略して設計対象（新しい製品）から受ける印象をモニター上の２次元のＣＧのみから判断しようとする場合、新しい製品が使用者に対してどのような心的影響を与えるかといった評価が十分にできず、使い難い製品が生まれ、新しい製品が市場に受け入れられないおそれがある。
【００２３】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、実機（試作機）を製作することなく、新しい製品の人間工学的な特性（大きさ、位置、使い易さ、動作等）を人間の主観に依存する感性に基づいて組立てし評価することができ、評価が不十分な場合でも、ＣＡＤによる再設計、再評価を実機（試作機）を製作することなく、繰り返し行うことができ、新しい製品の開発期間を短縮し、開発コストを低減することができる没入型設計支援装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明によれば、設計対象を構成する複数の部品の形状、寸法、重量、慣性モーメント、色などの部品データを記憶する部品データベースと、
各部品間の幾何学的拘束条件を記憶する拘束条件データベースと、
前記部品データベースと拘束条件データベースを用いて３次元仮想空間内の設計対象の運動を計算によって求める３次元動力学シミュレータを記憶するコンピュータと、
３次元仮想空間内において設計対象とその運動を設計者に視覚的に提示する没入型ディスプレイ装置とを備える、ことを特徴とする没入型設計支援装置が提供される。
【００２５】
上記本発明の構成によれば、部品データベースに設計対象を構成する複数の部品の形状、寸法、重量、慣性モーメント、色などの部品データを記憶し、拘束条件データベースに各部品間の幾何学的拘束条件を記憶することにより、３次元動力学シミュレータを記憶するコンピュータで３次元仮想空間内の設計対象の運動を計算によって求めることができる。
また、没入型ディスプレイ装置により、３次元仮想空間内において設計対象と３次元動力学シミュレータで求めた運動を設計者に視覚的に提示することにより、実機（試作機）を製作することなく、新しい製品の人間工学的な特性（大きさ、位置、使い易さ、等）を人間の主観に依存する感性に基づいて評価することができる。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記没入型ディスプレイ装置は、３次元仮想空間内に位置する実在する設計者の位置及び動作を検出する設計者検出手段と、該設計者の位置及び動作を３次元仮想空間内に仮想設計者として提示する仮想設計者提示手段とを備え、
前記コンピュータは、加速度を伴った運動、部品同士の衝突判定、部品間に働く幾何学的拘束、および没入型ディスプレイ装置による３次元仮想空間内の設計対象と仮想設計者の力学的干渉を演算する。
【００２７】
この構成により、設計者検出手段で３次元仮想空間内に位置する実在する設計者の位置及び動作を検出し、仮想設計者提示手段により設計者の位置及び動作を３次元仮想空間内に仮想設計者として提示することができる。
また、前記コンピュータを用いて、通常の運動の他に、没入型ディスプレイ装置による３次元仮想空間内の設計対象と仮想設計者の力学的干渉を演算することにより、仮想設計者の力学的干渉による設計対象の運動を設計者が３次元仮想空間内で直接視覚的に感性に基づいて評価することができる。
【００２８】
また設計者に仮想設計者が受ける３次元仮想空間内での力を体感させる力覚提示装置を更に備える、ことが好ましい。
かかる力覚提示装置を備えることにより、設計者は仮想設計者を介して３次元仮想空間内での力（重さ、強さ、反力、感触、等）を実機（試作機）を製作することなく、体感することができる。
【００２９】
また、本発明によれば、設計対象を構成する複数の部品の形状，寸法，重量，慣性モーメント，色などの部品データを部品データベースに入力する部品設計工程と、コンピュータを用いて部品データベースから設計対象を構成する複数の部品を３次元仮想空間内で組み立てる組立工程と、コンピュータを用いて組立てた設計対象とその運動を３次元仮想空間内で設計者に視覚的に提示し人間工学的な特性を３次元仮想空間内で評価する評価工程とからなり、前記組立工程と評価工程を交互に繰り返す、ことを特徴とする没入型設計支援方法が提供される。
【００３０】
本発明の方法によれば、部品設計工程において設計対象を構成する複数の部品の形状，寸法，重量，慣性モーメント，色などの部品データを部品データベースに入力し、組立工程においてコンピュータを用いて部品データベースから設計対象を構成する複数の部品を３次元仮想空間内で仮想的に組み立て、評価工程においてコンピュータを用いて組立てた設計対象とその運動を３次元仮想空間内で設計者に視覚的に提示し人間工学的な特性を３次元仮想空間内で評価することができる。
また、前記組立工程と評価工程を交互に繰り返すことにより、評価が不十分な場合でも、ＣＡＤによる再設計、再評価を実機（試作機）を製作することなく、繰り返し行うことができ、新しい製品の開発期間を短縮し、開発コストを低減することができる。
【００３１】
前記組立工程は、組立準備工程と仮想組立工程からなり、組立準備工程において、部品データに拘束条件を与える拘束点を自由に設定し、仮想組立工程において、３次元仮想空間内の各部品の相対位置、姿勢を自由に決定し、かつ各部品間の拘束条件を自由に設定する。
【００３２】
この方法により、組立準備工程において、部品データに拘束条件を与える拘束点を自由に設定でき、仮想組立工程において、３次元仮想空間内の各部品の相対位置、姿勢を自由に決定し、かつ各部品間の拘束条件を自由に設定して、評価工程を繰り返し行うことができ、新しい製品の開発期間を短縮し、開発コストを低減することができる。
【００３３】
前記３次元仮想空間内での拘束条件の設定は、動作入力及び／又は数値入力からなり、
動作入力は、設計者が装着した磁気センサ又は力覚提示装置によって仮想設計者を操作することにより行い、
数値入力は、動作入力により部品を選択し、３次元仮想空間内の入出力装置のキー入力を用いて入力用のウインドウを開き、そこへ数値データを入力する。
【００３４】
この方法により、動作入力で大まかな位置設定や、あらかじめ決められた相対角度での配置を簡単にでき、数値入力で、より数値的に細かく指定した組み立てを行うことができる。
【００３５】
また、前記評価工程は、評価準備工程と仮想評価工程の２工程からなり、
評価準備工程において、設計対象の動作を設定し、
仮想評価工程において、３次元仮想空間内の設計対象を視覚的に確認すると共に、設計者によって仮想設計者を操作して、設計対象と力学的な相互作用を行い、その運動を３次元仮想空間内で確認する。
【００３６】
この方法により、評価準備工程において設計対象の動作を設定するので、引き続き仮想評価工程において、設定した設計対象の動作を３次元仮想空間内で視覚的に確認することができる。
また、設計者によって仮想設計者を操作して、設計対象と力学的な相互作用を行うことにより、３次元仮想空間内で設計対象の動作を直接操作し、その運動を３次元仮想空間内ですぐに確認することができる。
【発明の効果】
【００３７】
上述したように本発明の没入型設計支援装置および方法は、実機（試作機）を製作することなく、新しい製品の人間工学的な特性（大きさ、位置、使い易さ、等）を人間の主観に依存する感性に基づいて評価することができ、評価が不十分な場合でも、ＣＡＤによる再設計、再評価を実機（試作機）を製作することなく、繰り返し行うことができ、新しい製品の開発期間を短縮し、開発コストを低減することができる、等の優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００３９】
図１は、本発明の没入型設計支援装置のシステム構成図である。この図に示すように、本発明の没入型設計支援装置１０は、部品データベース１２、拘束条件データベース１４、３次元動力学シミュレータ１５を記憶するコンピュータ１６、没入型ディスプレイ装置１８、および力覚提示装置２０を備える。
【００４０】
部品データベース１２は、設計対象１を構成する複数の部品２の形状、寸法、重量、慣性モーメント、色などの部品データ３を記憶する。この部品データベース１２は、ＣＡＤで設計され、コンピュータ１６又はその他のコンピュータ１７の記憶装置に内蔵されている。部品データベース１２は、必ずしも本発明を構成するコンピュータで設計する必要はなく、別のコンピュータを用いて設計し、これを入力してもよい。
【００４１】
拘束条件データベース１４は、各部品２の間の幾何学的拘束条件を記憶する。この拘束条件データベース１４も、コンピュータ１６又はその他のコンピュータ１７の記憶装置に内蔵されている。
【００４２】
また、本発明を構成する単一又は複数のコンピュータは、互いにネットワークで連結されており、ほとんどリアルタイムでデータを通信し、それらのデータを基にデータの更新及び演算を行うように構成されている。
【００４３】
３次元動力学シミュレータ１５を記憶するコンピュータ１６を、以下「演算部コンピュータ」と呼ぶ。３次元動力学シミュレータ１５は、仮想空間内の設計対象の運動を計算によって求めるシミュレーションソフトである。この３次元動力学シミュレータ１５は、部品データベース１２に記憶された部品２のサイズ、形状、質量特性などの部品データ３を基に物理法則に則った運動を計算する。この計算は、毎サンプリング周期ごとに行い、各部品の位置と姿勢をリアルタイムで出力するのがよい。
【００４４】
この計算では加速度を伴った運動（動力学）や、物体同士の衝突判定、物体間に働く幾何学的拘束（回転軸やスライダジョイントなど）を扱う。次に挙げる没入型ディスプレイ部内の設計者からの入力もこの計算には加味される。演算部コンピュータは仮想空間内に設計対象だけでなく仮想設計者も用意する。設計者はこの仮想設計者を操作することで、仮想空間内の物体（設計対象など）と力学的に干渉することとなる。
より使いやすいシステムを構成するためには、演算部コンピュータは実時間演算が可能であること、すなわち計算結果と実世界での運動とが同程度の速度での表現されることが望ましい。逆に著しく実時間性が損なわれている場合、設計者による入力がいつまでも仮想空間内での事象に反映されないため、後述する評価モードにおいて満足な機能を発揮できない。
【００４５】
没入型ディスプレイ装置１８を、以下「表示部」と呼ぶ。表示部は、演算部コンピュータで得られた仮想空間内の設計対象の運動を設計者に視覚的に提示する部分である。視覚情報のほかに複数のスピーカを使った立体音場生成による聴覚情報の提示も可能である。表示部には１）設計者に高い没入感を与えることと、２）設計者の運動を計測し、それを演算部コンピュータに届ける機能も備えている必要がある。
【００４６】
没入型ディスプレイ装置１８は、例えば、ＣＡＶＥシステムであるのがよい。
ＣＡＶＥシステムは、図１に示すように、設計者４（眼鏡をかけた白い人物）を取り囲むスクリーン５に４方向から映像を投影し、設計者４に高い臨場感を持った映像を提示する画像表示システムである。投影される画像は１フレームごとに右目用と左目用の情報が交互に投影される画像であり、それに同期して液晶シャッター眼鏡６を通した視線が片方ずつ遮断されることで、投影されたＣＧは設計者４に立体的な映像として観測される。さらに、液晶シャッター眼鏡６の位置と姿勢は常に計測され、その情報に従って画像が更新されることで、設計者はあたかも自分が投影された仮想空間内に存在するかのように認識できる。
ＣＡＶＥ（スクリーン５で囲まれた３次元仮想空間）内の設計者４は、液晶シャッター眼鏡６の他に磁気センサ７を身体に装備している。これらの磁気セッサ７の位置や姿勢の情報も常時計測されており、システムのインターフェイスとして機能する。投影されるＣＧの運動は設計者４の運動による影響と物理法則（力学的法則）を考慮したものが、演算部コンピュータでシミュレートされることで得られる。
図１の没入型ディスプレイ装置１８は、没入型ディスプレイ部に６台（内訳は、設計者に付けられたセンサや液晶シャッター眼鏡の制御に１台、画像を投影するために４台、ＣＡＶＥ内に音場を生成するコンピュータが１台）のコンピュータ１７によって構成されている。
【００４７】
以上のような没入型ディスプレイ装置１８によって、これまでにＣＡＶＥ内の設計者が仮想空間内の物体に力学的作用を及ぼすことが可能であることは実験によって確認されている。
【００４８】
なお没入型ディスプレイ装置１８は、前述の２つの機能を備えていれば必ずしもＣＡＶＥシステムを用いる必要はない。例えば、十分に視野角の広いヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に立体視映像を出力させ、ＨＭＤに搭載したジャイロセンサなどを用いることで設計者の位置を検出し、同時に何らかの方法（モーションキャプチャや装具による運動計測）によって設計者の運動をモニターすれば、表示部としての機能は満足される。
【００４９】
力覚提示装置２０を、以下「力覚提示部」と呼ぶ。力覚提示部は設計者に仮想設計者が受ける仮想空間内での力を体感させる装置である。これを用いることで後述する組み立てモードでは部品配置の際の位置決めを容易にし、評価モードにおいては設計対象との衝突を容易に認識できるだけでなく、設計対象との協調動作時における力のやり取りを通じての評価も可能となる。
こうした力覚提示装置には既に多くのものが発表されているが、その多くは床面に固定することで用いるロボットアームタイプのものである。設計者が自由に移動しながら設計対象を評価するためには、床面設置型の力覚提示装置は望ましくない。
本発明の力覚提示装置２０は、以下の４つの要件を満たしていることが好ましい。
（１）使用者の手先や腕部に運動を拘束する程度の力を発生することができること。
（２）使用者の関節角度ないし手先位置を計測する機能が備わっていること。
（３）使用者は装着した状態で移動可能であり、かつその移動が妨げられないこと。
（４）表示部による情報提示を妨げないこと。
【００５０】
図２は、本発明の没入型設計支援方法を示す模式図である。この図に示すように、本発明の方法は、部品設計工程Ｓ０と組立工程Ｓ１と評価工程Ｓ２とからなる。
部品設計工程Ｓ０は、設計対象を構成する複数の部品の形状，寸法，重量，慣性モーメント，色などの部品データを部品データベース１２に入力する工程である。また組立工程Ｓ１は、設計対象を構成する複数の部品を３次元仮想空間内で組み立てる工程であり、以下「組み立てモード」と呼ぶ。さらに、評価工程Ｓ２は、組立てた設計対象とその運動を３次元仮想空間内で設計者に視覚的に提示し人間工学的な特性を３次元仮想空間内で評価する工程であり、以下「評価モード」と呼ぶ。本発明の方法は、前記組立工程（組み立てモード）と評価工程（評価モード）を交互に繰り返すことで行われる。
【００５１】
図３は、本発明の没入型設計支援方法を示すフローチャートである。以下、図２と図３に基づき本発明の方法を各段階について順に説明する。
【００５２】
部品設計工程Ｓ０において、設計対象１を構成する複数の部品２の部品データ３は、既存のＣＡＤによって設計する。部品データ３には形状、大きさ、質量、慣性モーメント、色などの情報が含まれているが、部品間をつなぐ幾何的拘束は含まれない。ここでいう部品２とは、あくまで設計対象を構成する単一の部品のことである。この部品データは演算部コンピュータに送られ部品データベース１２に保存される。ここでの部品データ３は汎用ＣＡＤが出力できるデータ形式であり、従来の方法で設計されたＣＡＤデータの使用も可能である。
【００５３】
組立工程Ｓ１（組立モード）において、設計者は、演算部コンピュータが記憶している部品データ３を組み合わせて設計対象を組み立てる。「組み立て」とは設計者によって部品データの相対位置・姿勢および幾何的拘束が与えられることであり、対象となる部品、その取り付け位置、拘束の種類と方向、その拘束における摩擦等のパラメータといった、部品単体のみでなく複数の部品間にまたがる幾何的拘束の細目に関する選択・決定をする操作である。
【００５４】
組み立てモードＳ１は、組立準備工程Ｓ１１（以下「組み立て準備」と呼ぶ）と仮想組立工程Ｓ１２（以下「組み立て」と呼ぶ）との２つの段階からなる。「組み立て準備」Ｓ１１では、演算部コンピュータで部品データに拘束条件を与えることのできる拘束点（Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｐｏｉｎｔ、以下ＣＰと表記）を設定する。これは演算部コンピュータを構成するコンピュータのキーボードからの入力により行われる。
【００５５】
その後、加工済みの部品データ３によって設計対象を組み立てる作業「組み立て」Ｓ１２になるが、これは部品の相対位置・姿勢を決定し、その部品間の拘束を設定するという操作の繰り返しとなる。その入力方法には２つの方法が用いられる。ひとつは動作入力（動作による入力）であり、もうひとつは数値入力（数値による入力）である。
【００５６】
大まかな位置の設定（部品Ａの中心線と部品Ｂの中心線をそろえる、など）や、あらかじめ決められた相対角度での配置（０°、４５°、９０°等）は“動作による入力”によって行われる。この操作は設計者が装着した磁気センサか、力覚提示装置によって仮想設計者を操作することにより行う。より数値的に細かく指定した組み立てを要する際には“数値による入力”を行う。表示部内の入出力装置のキー入力を用いて入力用のウインドウを開き、そこへ数値データを入力する。このとき部品の選択は“動作による入力”で部品を指し示すことにより行う。
【００５７】
拘束条件についての設定は部品の配置された位置関係により次の２通りに分かれる。部品が配置された時点でＣＰ間の距離がある程度以上短かった場合、部品配置後にそれらのＣＰをつなげるための拘束条件についての入力画面が開く。設計者はこれに入出力装置を用いて回答し、拘束条件を与える。そうでない場合は配置終了後に対となるＣＰを指定して、それぞれの拘束条件を入力する。この入力も“数値による入力”同様入力用ウインドウを用いて入力する。
組み立てモードでは演算部コンピュータは力学的な物理現象を再現しない。これは部品の慣性を無視することで部品の位置と姿勢を即座に望んだとおりに決定できるようにするためである。
また、“動作による入力”を採用した部品の移動では、力覚提示装置に位置あわせのガイドのための力を提示することで、操作性の向上を図る。
必要な部品で設計対象を組み立てたら、設計者は「評価」モードへと切り替える。このときに組み立てられた結果は、演算部コンピュータが「評価」モードで動力学モデルとして扱える形式（以下、アセンブリと表記）として保存される。
【００５８】
評価工程Ｓ２（評価モード）は、その評価準備工程Ｓ２１（以下「評価準備」と呼ぶ）と仮想評価工程Ｓ２２（以下、実際の「評価」と呼ぶ）とに分けられる。
「評価準備」Ｓ２１とは設計対象の動作を設定する作業で、これは必ずしも表示部内で行なわず、演算部コンピュータを構成するコンピュータのキーボードによる入力でこれを行ってもよい。これは、現段階では表示部内での大きな動作でもプログラム言語を操作できるような優れたグラフィカルユーザインターフェイス（ＧＵＩ）がないためである。従って、このようなＧＵＩが開発された時点ではこれを用い、表示部内で行なうのがよい。
【００５９】
「評価準備」Ｓ２１が終了したら、設計者は表示部内で対象を実際の「評価」Ｓ２２で評価する。ここでいう「評価」とは、設計対象のデザインや動作を視覚的に確認するだけではなく、設計者が装着した磁気センサによって仮想設計者を操作することで、設計対象と力学的な相互作用を行い、その振る舞いを確認することも含める。磁気センサでなく力覚提示装置を用いている場合には、仮想空間内で仮想設計者が受けた力を感じることでより直感に訴えた評価が可能となる。
視覚的な評価で不満を感じた場合は組み立てモードの「組み立て準備」または「組み立て」へと移り、動作に難があると判断した場合は「評価準備」に戻って制御則を変更してから再び「評価」する。この繰り返しにより設計を進める。評価の結果が十分に満足の行くものであれば設計完了であり、そのときのアセンブリおよび制御則が最終結果となる。
【実施例１】
【００６０】
以下、本発明の具体例として設計対象１が人間と接するロボット（以下、ロボットと表記）の場合を説明する。
【００６１】
図４は部品データの設計工程を示す模式図である。ロボット（設計対象１）を構成する部品２を、汎用ＣＡＤを用いて設計する。ここではロボットに必要となる部品を用意し、これらの部品データを演算部コンピュータ１６へ送る。
【００６２】
図５は拘束点の設定工程を示す模式図である。各部品２に拘束点（ＣＰ）を設定し仮想空間内で扱うことのできる部品とする。ＣＰはほかの部品との拘束条件を設定する可能性のある場所に設けておく。こうして設定を終えた部品は「組み立て」での初期位置である、仮想空間内の整理場所に配置される。
【００６３】
図６は、運動入力により組み立てる様子を示す模式図である。
組立工程Ｓ１（組立モード）において、設計者は空間内に各部品を配置する。配置が終わった時点で十分近い位置にあるＣＰ対については演算部コンピュータ１６が入力ウインドウを開き、拘束条件のタイプと（必要ならば）方向の入力を求めてくる。配置した時点でＣＰが離れている場合は設計者自身が拘束を設定したいＣＰ対を指定し、入力ウインドウから拘束条件を入力する。
【００６４】
例として胴体の上のほうの端に上腕を回転関節で接続したいとする。このときは次のような手順を踏む。
（１）整理場所から胴体を選び出して空間に配置する
（２）整理場所から上腕を取り出して、胴体の上のほうのＣＰと上腕の端のＣＰが近づくように配置する。
（３）近いＣＰ対に対して演算部コンピュータが拘束条件入力ウインドウを開くので、そこに拘束条件（回転軸拘束、回転はＸ軸周り）を入力する。
【００６５】
図７は、数値入力により組み立てる様子を示す模式図である。
部品間の相対位置・姿勢があらかじめ決めておいた関係にない場合には数値による入力のために入力ウインドウを開いて部品の位置や姿勢を数値で入力する。また、離れたところにあるＣＰ同士間に拘束を与える場合には、ＣＰ対を指定してから入力ウインドウへ拘束条件を入力する。
【００６６】
上腕と前腕の接合を例にとり説明する。手順は以下のとおりである。
（１）整理場所から前腕を選び出して空間に配置する。
（２）上腕のひとつのＣＰと前腕のＣＰを指定する。
（３）入力ウインドウから（２）で選んだ２点間の距離を数値で入力する。（相対位置の決定）
（４）前腕のＣＰをひとつ選択する。
（５）入力ウインドウから（４）で選んだ点周りの空間座標軸に対する回転角を入力する。（絶対姿勢の決定）
（６）上腕のひとつのＣＰと前腕のＣＰを指定する。（拘束を与えるＣＰ対の選択）
（７）入力ウインドウから（６）で選んだＣＰ対を接続する拘束条件を入力する。
（８）完成
【００６７】
こうした手順を繰り返してロボットを仮想空間内に構築する。手順では（２）と（３）、（４）と（５）、（６）と（７）が、選択と入力で対となっているが、図のように一度の選択で全ての項目を設定する入力ウインドウを開くことも可能である。
構築が終了したら入力ウインドウからアセンブリの出力を指示する。この時点で、全ての部品を用いていなくてもかまわない（図７の頭のデータはここでは用いられない）。
【００６８】
図８は、力学を考慮した制御側設計の模式図である。
「評価準備」Ｓ２１の段階では、アセンブリを基に制御則の設計を行う。この作業は演算部コンピュータ１６を構築するコンピュータのキーボードを用いたプログラミングにより行う。
【００６９】
評価工程Ｓ２（評価モード）では演算部コンピュータ１６は物理法則を考慮したロボットの運動を計算により求め、表示部にその結果を送る。表示部内では設計者がロボットの運動や外観を視覚的に、力覚提示装置を用いている場合は、ロボットの運動の妥当性を仮想設計者を通じた相互作用力によって評価する。
デザインに不満がある場合は「組み立て」に移行して違うパーツを取り付ける。保管場所に適切な部品がない場合は再びＣＡＤを用いて部品の設計を行う。設定したＣＰでは取り付け位置を満足できない場合は、「組み立て準備」へ移行してＣＰの再設定を行う。動作に不備がある場合には「評価準備」へ移行して制御則を変更し、再び評価を行う。
【００７０】
上述したように、本発明は、設計者に設計対象の映像を原寸大で立体映像として提示することで、設計時の評価に人間の主観に基づいた感性を導入することを可能にするものである。大型ディスプレイまたはヘットマウントディスプレイなどの没入型画像提示装置を用い、設計者に設計対象がそこに存在するかのように体感させることで、設計対象を目の前にしてそれを使用した際の印象を主観的に評価することを可能にするものである。設計対象の運動は３次元動力学シミュレータにより計算されて設計者に提示される。同時に設計者の運動もシミュレータ内に反映させることで、設計対象との力学的相互作用を通した評価を可能とする。
【００７１】
なお、組み立てモードから評価モードへ移行する際に、組み立てによって生じたロボットの部品間の力学的拘束条件等を記述した設定ファイルを作成し、評価モード開始時にこのファイルを使用して力学シミュレータの初期状態を決定する。
評価モードでは、組み立て終わったロボットに対して設計者はその性能評価を行うことができる。このモードでは仮想空間内の全ての物体（すべてのＣＧ）に力学法則が適用され、かつまた衝突判定も行われる。ロボットの運動はシミュレータから与えられる目標値に追従するための制御入力と、設計者から受ける力によって決定される。設計者は原寸大のロボットを見ることで、視覚的にロボットの主観的な評価をすることができるのに加えて、力覚提示装置を介してロボットと力のやり取りをすることで、より臨場感溢れるロボットの印象を得られる。シミュレーション内では仮想空間内の全ての物体を数値的に管理しているので、ロボットの性能を従来のＣＡＤシステム同様数値的に評価することも可能である。
【００７２】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の没入型設計支援装置のシステム構成図である。
【図２】本発明の没入型設計支援方法を示す模式図である。
【図３】本発明の没入型設計支援方法を示すフローチャートである。
【図４】部品データの設計工程を示す模式図である。
【図５】拘束点の設定工程を示す模式図である。
【図６】運動入力により組み立てる様子を示す模式図である。
【図７】数値入力により組み立てる様子を示す模式図である。
【図８】力学を考慮した制御側設計の模式図である。
【図９】特許文献１の「没入型表示システム」の模式図である。
【図１０】特許文献３の「没入型表示装置および方法」の模式図である。
【図１１】特許文献４の「力覚提示装置」の模式図である。
【図１２】特許文献５の「力覚提示装置」の模式図である。
【図１３】特許文献６の「力覚提示装置」の模式図である。
【図１４】特許文献７の「動作認識装置及び動作認識方法、並びに力触覚提示装置及びその制御方法」の模式図である。
【図１５】特許文献８の「力覚提示装置及び仮想空間システム」の模式図である。
【符号の説明】
【００７４】
１  設計対象、２  部品、３  部品データ、４  設計者、５  スクリーン、６  液晶シャッター眼鏡、７  磁気センサ、１０  没入型設計支援装置、１２  部品データベース、１４  拘束条件データベース、１５  ３次元動力学シミュレータ、１６  コンピュータ（演算部コンピュータ）、１８  没入型ディスプレイ装置、２０  力覚提示装置
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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