(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定時間の間隔で、仮想空間内の仮想物体の位置と、当該仮想物体に侵入する侵入物体の位置とを取得する位置取得手段と、
前記仮想物体と前記侵入物体との位置に基づき、前記所定時間内における前記仮想物体への前記侵入物体の侵入量の変化を算出する変化算出手段と、
前記所定時間内における前記侵入量の変化に基づき、少なくとも前記侵入量が増加している場合と前記侵入量が減少している場合とで、前記仮想空間を体験する体験者に刺激を与える刺激発生手段の刺激発生を変化させる制御手段とを有することを特徴とする情報処理装置。
【請求項２】
前記侵入物体は、前記体験者が把持する把持部材であり、
前記刺激発生手段は、前記把持部材を振動させることにより、前記当該体験者に前記仮想物体の触覚を提示することを特徴とする請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項３】
前記侵入量は、前記仮想物体に対する前記侵入物体の最深部の点と、前記仮想物体上に設定された基準面との位置の差であることを特徴とする請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項４】
前記刺激発生部手段は、前記体験者の体に配置され、
前記侵入物体は、前記体験者の体の一部であることを特徴とする請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項５】
前記制御手段は、少なくとも、前記侵入量が変化していない場合と、前記侵入量が増加している場合と、前記侵入量が減少している場合とで、前記刺激発生手段の刺激発生を変化させることを特徴とする請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記侵入量の変化が所定値よりも小さい場合は、前記侵入量が変化していない場合とみなし、前記刺激発生手段の刺激発生を制御することを特徴とする請求項５に記載の情報処理装置。
【請求項７】
前記刺激発生手段は、偏心モータを備え、モータを回転させることにより機械的刺激を発生させることを特徴とする請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項８】
前記刺激発生手段は、複数の刺激発生部から構成され、
前記制御手段は、前記複数の刺激発生部それぞれの位置における前記侵入量の変化に基づき、前記複数の刺激発生部それぞれの刺激発生を制御することを特徴とする請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項９】
位置取得手段が、所定時間の間隔で、仮想空間内の仮想物体の位置と、当該仮想物体に侵入する侵入物体の位置とを取得する位置取得工程と、
変化算出手段が、前記仮想物体と前記侵入物体との位置に基づき、前記所定時間内における前記仮想物体への前記侵入物体の変化を算出する変化算出工程と、
制御手段が、前記所定時間内における前記侵入量の変化に基づき、少なくとも前記侵入量が増加している場合と前記侵入量が減少している場合とで、前記仮想空間を体験する体験者に刺激を与える刺激発生手段の刺激発生を変化させる制御工程とを有することを特徴とする情報処理方法。
【請求項１０】
コンピュータを、
所定時間の間隔で、仮想空間内の仮想物体の位置と、当該仮想物体に侵入する侵入物体の位置とを取得する位置取得手段と、
前記仮想物体と前記侵入物体との位置に基づき、前記所定時間内における前記仮想物体への前記侵入物体の侵入量の変化を算出する変化算出手段と、
前記所定時間内における前記侵入量の変化に基づき、少なくとも前記侵入量が増加している場合と前記侵入量が減少している場合とで、前記仮想空間を体験する体験者に刺激を与える刺激発生手段の刺激発生を変化させる制御手段として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、仮想物体の触覚を、体験者に知覚させる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バーチャルリアリティの分野では、仮想物体を視覚的に体験するだけでなく、仮想物体に触れたときの触覚を体験者に体験させる触覚提示装置が提案されている。触覚提示装置には、仮想物体に触れたときの反力や、仮想物体に触れたときの皮膚表面の感覚を体験するものがある。
【０００３】
特許文献１には、オペレータが操作する手先位置を示す仮想ポインタと、仮想ポインタが仮想物体内に侵入したときの反力をマニピュレータによる反力で体験者に提示する技術が開示されている。特許文献１における反力Ｆｖは、手先位置と仮想物体の侵入量ｄｒから、以下のように与えられる。
Ｆｖ＝Ｋｄｒ＋Ｂｑ
ここで、Ｋはばね定数、Ｂは減衰係数、ｑは手先位置の時間微分である。ばね定数Ｋによって侵入量ｄｒに応じた反力を発生させ、また減衰係数Ｂを用いることによって、仮想物体に仮想ポインタが当たった瞬間の反力の感覚をより自然なものとしている。
【特許文献１】特開平０８−２３４８９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された技術により仮想物体内に侵入したときの反力を体験者に知覚させることが出来る。しかし、一方で、人が感じることが出来る刺激強度には上限があり、刺激強度が大きくなると弁別可能な刺激強度差も大きくなるため、体験者はわずかな刺激強度差を知覚することが出来なくなる。特許文献１に開示された技術では、仮想物体との侵入量が大きくなるに従い反力も大きくなるため、体験者が弁別可能な反力の差を提示することが困難になるという課題があった。
【０００５】
特に、仮想ポインタを仮想物体に侵入させてから、離脱方向に移動させる場合、仮想物体との反力が大きくなっていることが多い。よって、仮想ポインタを離脱方向に移動させる場合、体験者は、仮想ポインタの離脱方向の移動に応じた反力の減少を適切に知覚することが困難になる。
【０００６】
上記課題を鑑み、本発明は、仮想空間の体験者に仮想物体への侵入を適切に知覚させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、所定時間の間隔で、仮想空間内の仮想物体の位置と、当該仮想物体に侵入する侵入物体の位置とを取得する位置取得手段と、前記仮想物体と前記侵入物体との位置に基づき、前記所定時間内における前記仮想物体への前記侵入物体の侵入量の変化を算出する変化算出手段と、前記所定時間内における前記侵入量の変化に基づき、少なくとも前記侵入量が増加している場合と前記侵入量が減少している場合とで、前記仮想空間を体験する体験者に刺激を与える刺激発生手段の刺激発生を変化させる制御手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成により、本発明によれば、仮想空間の体験者に仮想物体への侵入を適切に知覚させることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（第一の実施形態）
図１は、本実施形態における仮想空間上の仮想物体の触覚を提示するための触覚提示装置の構成を示す図である。
【００１０】
１０１は、本実施形態における仮想空間を体験する体験者である。
【００１１】
１０２は、体験者１０１に対して触覚を提示するために、刺激を発生する刺激発生装置である。図１に示すように、刺激発生装置１０２は、棒形状などの体験者が把持しやすい形状の把持部材である。棒形状のほかに、着脱が容易な手袋やバンド形状などでも良い。刺激発生装置１０２は、仮想物体内に侵入する侵入物体として機能する。刺激発生装置１０２は体験者１０１により把持され、刺激発生装置１０２の一部分が仮想空間上の仮想物体に侵入した場合、刺激発生装置１０２が刺激を発生させることにより、体験者１０１は仮想物体の触覚を体験することが出来る。
【００１２】
１０３は、刺激発生装置１０２上に配置され、刺激の発生源である刺激発生部である。刺激発生部１０３を用いて体験者に提示可能な刺激は、様々なものがある。刺激の種類としては、例えば、機械的刺激、電気的刺激、温度刺激などがある。機械的刺激は、体験者１０１に接している物体の振動や、物理的物体が接触することにより与えられる。機器的刺激を発生させる場合、刺激発生部１０３に偏心モータを配置し、偏心モータを回転させることで、機械的刺激を発生させることが出来る。また、圧電素子や高分子アクチュエータなどで体験者１０１に接触したピンを動作させることで、機械的刺激を発生させることが出来る。また、空気圧力により体験者１０１の皮膚表面を圧迫することにより、機械的刺激を発生させることが出来る。また、ボイスコイルなどを用いても機械的刺激を体験者１０１に与えることが出来る。
【００１３】
電気的刺激を発生させる場合、体験者１０１に接触した微小電極アレイに電流を流すことにより、電気的刺激を発生させることが出来る。また、温度刺激を発生させる場合、体験者１０１に接触した熱電素子に熱を発生させることにより、温度刺激を発生させることが出来る。
【００１４】
以上のように複数の刺激と刺激の発生方法があるが、触覚提示のためには、以下の点で機械的刺激が望ましい。（１）刺激発生部１０３の小型化が容易であり可搬性が高い。（２）刺激強度が強く体験者１０１が刺激を知覚しやすい。（３）体験者１０１と刺激発生部１０３とが接触している必要がなく、刺激発生部１０３の配置の自由度が高い。よって、本実施形態では、機械的刺激を発生させる偏心モータを刺激発生部１０３に配置している。
【００１５】
図２は、体験者１０１が刺激発生装置１０２を把持している状態を示す図である。図２に示すように、体験者１０１が刺激発生部１０３を握り込み、刺激発生部１０３が駆動して刺激を発生させることにより、体験者１０１は触覚を体験することが出来る。
【００１６】
１０４は、刺激発生装置１０２上に配置されたマーカである。マーカ１０４は、刺激発生装置１０２の位置および姿勢を表すための部材であり、特徴的な色と形状であることが望ましい。刺激発生装置１０２を撮像した撮像画像からマーカ１０４を検出することによって、刺激発生装置１０２の位置および姿勢を算出することが可能である。また、マーカ１０４を再帰性反射部材で形成することにより、赤外線同軸照明でマーカ１０４を検出することも可能である。
【００１７】
１０５は、刺激発生装置１０２を撮像するための撮像装置である。撮像装置１０２で取得された撮像画像は、刺激発生装置１０２の位置および姿勢を算出するために用いられる。
【００１８】
従って、撮像装置１０２とマーカ１０４との位置関係は、常に撮像装置１０２がマーカ１０４を撮像可能な位置関係であることが望ましい。例えば、複数のマーカ１０４を配置するか、撮像装置１０５がマーカ１０４の移動に追従して移動することによって、マーカ１０４を常に撮像可能にすることが出来る。撮像装置１０５は、一般的な可視光を撮像することが出来るビデオカメラなどから構成されている。
【００１９】
１０６は、体験者１０１に対して仮想空間画像を表示する映像表示装置である。映像表示装置１０６は、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）などの体験者１０１が装着可能な表示装置から構成される。ＨＭＤ以外でも、ＣＲＴディスプレイや液晶ディスプレイ、プロジェクタ投影などでも代用可能である。
【００２０】
１０７は、本実施形態における触覚提示装置の様々な処理および制御を行う情報処理装置である。情報処理装置１０７は、ＣＰＵ（セントラルプロセッシングユニット）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）などの一般的なＰＣ（パーソナルコンピュータ）の構成を有する。ＲＡＭおよびＨＤＤに格納されたデータおよびプログラムを読み出し、ＣＰＵが実行することにより、本実施形態に必要な処理および制御が達成される。
【００２１】
以下に情報処理装置１０７の機能構成について説明する。
【００２２】
１０８は、本実施形態で用いるデータやプログラムを格納する記録装置である。記録装置１０８に格納されているデータには、マーカ１０４の検出プログラム、画像処理プログラム、刺激発生装置１０２と仮想空間上の仮想物体との侵入判定プログラム、制御プログラムなどが含まれる。また、記憶装置１０８には、体験者１０１に映像表示装置１０６で仮想空間画像を表示するための仮想空間データも格納されている。
【００２３】
仮想空間データには、例えば、仮想空間上の仮想物体を表現するためのポリゴンの座標値データ、各ポリゴンの法線ベクトルや色データ、テクスチャデータ、仮想物体の位置姿勢データなどが含まれる。本実施形態では、仮想物体に侵入した場合に刺激発生装置１０２上の刺激を発生させる部分に仮想物体を表示する。よって、仮想空間データには、仮想物体に侵入した場合に刺激発生装置１０２上の刺激を発生させる部分を示す仮想物体である仮想エンドエフェクタの形状データなども含まれる。仮想エンドエフェクタが仮想空間画像に重畳されることにより、体験者１０１は、仮想物体に侵入した場合に刺激発生装置１０２上の刺激を発生する部分を視覚的に確認することが出来る。仮想エンドエフェクタの位置は刺激発生部１０３の位置と同じ位置でも良い。しかし、例えば、刺激発生装置１０２が図３に示すような鉛筆形状である場合、鉛筆形状の先端部を仮想エンドエフェクタの位置にすると、体験者は仮想エンドエフェクタの位置を把握しやすくなる。記録装置１０８は、以上のデータを格納するためにＨＤＤなどの記憶媒体から構成される。
【００２４】
１０９は、撮像装置１０５で撮像した画像からマーカ１０４を検出する位置検出部である。マーカ１０４は、特徴的な色や形状であるので、一般的な画像処理により画像上のマーカ１０４の位置を検出することが可能である。そして、検出された撮像画像上のマーカ１０４の位置と、撮像装置１０５の位置および姿勢から、三角測量などを用いて三次元空間上のマーカ１０４の位置を検出することが出来る。位置検出部１０９は、マーカ１０４の検出プログラムが格納されたＲＡＭ、マーカ１０４の検出プログラムを実行するためのＣＰＵなどから構成される。
【００２５】
１１０は、映像表示装置１０６に仮想空間画像を出力する画像出力部である。画像出力部１１０は、映像表示装置１０６の位置および姿勢を取得し、取得した位置および姿勢に応じた仮想空間画像を記録装置１０８の仮想空間データから生成する。また、画像出力部１１０は、撮像装置１０５から刺激発生装置１０２の位置および姿勢を取得し、生成した仮想空間画像上の刺激発生装置１０２の位置に仮想エンドエフェクタの画像を重畳する。そして、重畳処理された仮想空間画像を映像表示装置１０６に出力する。以上の処理によって、映像表示装置１０６を装着している体験者１０１は、仮想空間を視覚的に体験することが出来る。画像出力部１１０は、仮想空間画像を生成するための画像処理プログラムが格納されたＲＡＭ、画像処理プログラムを実行するためのＣＰＵなどから構成される。
【００２６】
１１１は、刺激発生装置１０２と体験者１０１が体験している仮想空間上の仮想物体とへの侵入を判定する侵入判定部である。侵入判定部１１１は、まず、位置検出部１０９から刺激発生装置１０２の位置および姿勢を取得する刺激発生装置１０２の位置取得手段として機能する。そして、記録装置１０８から仮想空間上の仮想物体の位置、姿勢および形状を取得する仮想物体の位置取得手段として機能し、仮想物体と刺激発生装置１０２の仮想エンドエフェクタとの仮想空間上での侵入を判定する。侵入判定には様々な方法がある。例えば、仮想エンドエフェクタの代表点を設定し、代表点が仮想物体の内部に位置しているか否かを判定することにより、仮想エンドエフェクタの仮想物体への侵入を判定することが出来る。また、三次元コンピュータグラフィックスの分野では、他の様々な侵入判定方法も提案されており、いずれの方法を用いても良い。侵入判定部１１１は侵入量の変化を算出する変化算出手段としても機能するが、侵入量の変化については後述する。侵入判定部１１１は、侵入判定プログラムが格納されたＲＡＭ、侵入判定プログラムを実行するためのＣＰＵなどから構成される。
【００２７】
１１２は、侵入判定部の判定結果に基づき、刺激発生部１０３の刺激発生を制御する制御部である。本実施形態における制御部１１２の詳細な処理は後述する。制御部１１２かからの制御信号は、電源１１４から電力の供給を受けるアンプ１１３で増幅され、刺激発生部１０３に送信される。制御部１１２は、制御プログラムが格納されたＲＡＭ、制御プログラムを実行するためのＣＰＵなどから構成される。
【００２８】
以上、位置検出１０９、画像出力部１１０、侵入判定部１１１、制御部１１２は、それぞれ別のＣＰＵとＲＡＭとを備えるものとして説明したが、一つまたは複数のＣＰＵおよびＲＡＭを共有することも可能である。また、情報処理装置１０７の処理の一部またはすべては、専用のハードウェアを用いて実現することも可能である。
【００２９】
以上が、本実施形態における触覚提示装置のシステム構成である。次に、本実施形態における触覚提示のための詳細な処理を説明する。
【００３０】
図４は、本実施形態における触覚提示のための詳細な処理を示す図である。
【００３１】
（ステップ４０１）ステップ４０１では、制御部１１２が、本実施形態における触覚提示システムの処理を開始する。触覚提示システムの処理の開始は、図１では図示されていない開始スイッチを体験者が入力し、入力指示を受けて、制御部１１２が処理を開始してもよい。
【００３２】
（ステップ４０２）ステップ４０２では、画像出力部１１０が、映像表示装置１０６に仮想空間の画像を表示させる。表示される仮想空間の画像は、前述したように記録装置１０８に格納されたデータおよび刺激発生装置１０２の位置および姿勢に基づき生成される。
【００３３】
（ステップ４０３）ステップ４０３では、侵入判定部１１１が、刺激発生装置１０２の仮想エンドエフェクタの仮想空間上の仮想物体への侵入を判定する。
【００３４】
図５は、刺激発生装置１０２の仮想エンドエフェクタに仮想物体が侵入している状態を示す図である。
【００３５】
５０１は、仮想空間上に表示されている仮想物体である。図５で示されるように、仮想エンドエフェクタが仮想物体５０１の内部に位置している。前述したように、仮想物体５０１と仮想エンドエフェクタ５０２との侵入判定の際には、仮想エンドエフェクタ５０２の代表点を設定し、代表点が仮想物体５０１の内部に位置しているか否かを判定する。本ステップで仮想エンドエフェクタ５０２が仮想物体５０１に侵入していると判定された場合には、ステップ４０４に処理を進める。逆に、仮想エンドエフェクタ５０２が仮想物体５０１に侵入していないと判定された場合には、ステップ４０７に処理を進める。
【００３６】
（ステップ４０４）ステップ４０４では、侵入判定部１１１が、刺激発生装置１０２の仮想エンドエフェクタ５０２による仮想空間上の仮想物体５０１の侵入量の変化を判定する。尚、本ステップでは、侵入量の変化とは、侵入量の増加もしくは減少のみを表すものではなく、増加量および減少量の大小なども表す。
【００３７】
図６は、侵入量の判定方法を示す図である。本実施形態では、侵入量を判定するために、まず、刺激発生装置１０２が仮想物体５０１に侵入した点を通り、仮想物体５０１の表面の傾きに平行な基準面６０１を設定する。そして、仮想エンドエフェクタ５０２から仮想物体上に設定された基準面６０１に垂直なベクトルを算出する。
【００３８】
６０２は、算出された侵入量を示すベクトルである。本ステップでは、本ステップ前に算出された侵入量を示すベクトル６０２がある場合、本ステップで算出された侵入量を示すベクトル６０２から本ステップ前に算出された侵入量を示すベクトル６０２を減算し、差を算出する。算出された差があらかじめ設定された値よりも大きい場合、侵入量に変化があったものとして、ステップ４０５に処理を進める。また、算出された差があらかじめ設定された所定値よりも小さい場合、侵入量に変化はなかったものとして、ステップ４０８に処理を進める。尚、本ステップ前に算出された侵入量を示すベクトル６０２がない場合、侵入量に変化があったとみなし、ステップ４０５に処理を進める。尚、本ステップで算出された差に対してローパスフィルタを適用することにより、ノイズによる誤差を低減し、判断精度を向上させることが出来る。また、本ステップでは、繰り返し処理の際に参照するために、算出した侵入量を示すベクトル６０２をＲＡＭなどの一時記憶媒体に記憶しておく。
【００３９】
（ステップ４０５）ステップ４０５では、侵入判定部１１１が、侵入量が増加しているか否かを判定する。ステップ４０４で算出された差が正のベクトルである場合、侵入量が増加しているとみなせるため、ステップ４０６に処理を進める。尚、ステップ４０４前に算出された侵入量を示すベクトル６０２がなかった場合も、ステップ４０６に処理を進める。一方、ステップ４０４で算出された差が正のベクトルではない場合、ステップ４０６に処理を進める。
【００４０】
（ステップ４０６）ステップ４０６では、制御部１１２が、刺激発生装置１０２の刺激発生部１０３を制御する。本実施形態では、仮想エンドエフェクタ５０２の仮想物体５０１への侵入状態に応じて、刺激発生部１０３の制御を変化させる。本実施形態では、以下の４つのモードを設定している。
・モード１：仮想エンドエフェクタ５０２が仮想物体５０１に侵入していない。
・モード２：仮想エンドエフェクタ５０２が仮想物体５０１に侵入しているが、仮想物体５０１への侵入量は変化していない。
・モード３：仮想エンドエフェクタ５０２が仮想物体５０１に侵入しており、仮想物体５０１への侵入量は減少している。
・モード４：仮想エンドエフェクタ５０２が仮想物体５０１に侵入しており、仮想物体５０１への侵入量は増加している。
【００４１】
本ステップでは、ステップ４０３で侵入がないと判定さているため、モード１に応じた刺激発生部１０３の制御を行う。本実施形態では、以上の４つのモードを設定したが、触覚提示装置の構成などに応じてモードを増やしてもよいし、減らしても良い。それぞれのモードに応じた刺激を発生させることで、体験者１０１にとって自然な触覚を提示することが出来る。モード１からモード４それぞれの詳細な制御については、後述する。モード１に応じた刺激発生部１０３の制御を行った後は、ステップ４１０に処理を進める。
【００４２】
（ステップ４０７）ステップ４０７では、ステップ４０４で侵入量に変化がないと判定されているため、制御部１１２が、モード２に応じた刺激発生部１０２の制御を行う。モード２に応じた刺激発生部１０３の制御を行った後は、ステップ４１０に処理を進める。
【００４３】
（ステップ４０８）ステップ４０８では、ステップ４０４で侵入量が変化しており、かつステップ４０５で侵入量は増加していないと判定されているため、制御部１１２が、モード３に応じた刺激発生部１０２の制御を行う。モード３に応じた刺激発生部１０３の制御を行った後は、ステップ４１０に処理を進める。
【００４４】
（ステップ４０９）ステップ４０９では、ステップ４０４で侵入量が変化しており、かつステップ４０５で侵入量は増加していると判定されているため、制御部１１２が、モード４に応じた刺激発生部１０２の制御を行う。モード４に応じた刺激発生部１０３の制御を行った後は、ステップ４１０に処理を進める。
【００４５】
（ステップ４１０）ステップ４１０では、制御部１１２が、触覚提示システムの処理を停止するか否かを判定する。システムの処理の停止判定は、一定時間後に自動的に行っても良いし、体験者１０１による停止スイッチの入力を受けて、制御部１１２が行ってもよい。本ステップで触覚提示システムの処理を停止しないと判定された場合、ステップ４０２に処理を戻す。本ステップで触覚提示システムの処理を停止すると判定された場合、ステップ４１１に処理を進める。
【００４６】
（ステップ４１１）ステップ４１１では、制御部１１２が、ステップ４１０で触覚提示システムの処理を停止する旨の判定がなされているため、触覚提示システムの処理を停止する。
【００４７】
以上のステップ４０２からステップ４１０までの処理を所定時間の間隔ごとに繰り返すことで、体験者１０１に仮想空間を視覚的に体験させ、かつ適切な触覚提示を行うことが出来る。所定時間の間隔は、システムに対する要求に応じて、適宜設定してよい。所定時間の間隔を短くすることによって、体験者１０１にストレスを感じさせないリアルタイムの制御を行うことが出来る。
【００４８】
次に、ステップ４０６で説明したモード１からモード４までの制御部１１２による刺激発生部１０３の制御処理の詳細について説明する。
【００４９】
図７は、仮想物体５０１への仮想エンドエフェクタ５０２の侵入量と、時間との対応関係を示したグラフである。図７に示すように、侵入量は時間と共に変化しており、本実施形態ではそれぞれに対応するモードが適用される。
【００５０】
図８は、図７の侵入量変化に対応した刺激発生部１０３の刺激強度の変化を示したグラフである。図８に示すように、０からｔ１までの間と、ｔ２からｔ３までの間は、モード４に対応しており、刺激発生部１０３は最も強い刺激を発生させる。侵入量が増加している場合であるモード４の場合に最も刺激を強くすることによって、体験者１０１は、刺激発生装置１０２が仮想物体５０１により侵入していく感覚を体験することが出来る。
【００５１】
また、ｔ１からｔ２までの間と、ｔ３からｔ４までの間は、モード２に対応しており、刺激発生部１０３は、モード４の場合よりも弱い刺激を発生させる。モード４の場合よりも弱い刺激を発生することによって、体験者１０１は、刺激発生装置１０２が仮想物体５０１に侵入している状態の感覚を体験することが出来る。
【００５２】
また、ｔ４からｔ３までの間は、モード３に対応しており、刺激発生部１０３は、モード２よりも弱い刺激を発生させる。モード２の場合よりも弱い刺激を発生することによって、体験者１０１は、刺激発生装置１０２が仮想物体５０１から引き抜かれていく感覚を体験することが出来る。また、モード２とモード３との刺激強度の差は、モード２とモード４との刺激量の差よりも小さくすることにより、体験者１０１は自然な触覚を体験することが出来る。
【００５３】
また、ｔ５からｔ６までの間は、モード１に対応しており、刺激発生部１０３は刺激を発生させない。刺激を発生させないことにより、体験者１０１は、刺激発生装置１０２の仮想物体５０１への侵入を知覚しない。
【００５４】
以上のように、モードに応じて刺激発生装置１０２の刺激強度を変化させることによって、体験者１０１はより自然な触覚を体験することが出来る。
【００５５】
また、刺激発生装置１０２の仮想物体５０１への侵入量の増加に伴い、刺激発生装置１０２の刺激強度を強くする場合、体験者１０１の知覚範囲もしくは刺激発生装置１０２の駆動限界を越えてしまうことが想定される。しかし、本実施形態によれば、図８に示すようにモードに応じて、刺激強度を変化させることにより、刺激発生装置１０２の駆動限界を有効活用しつつ、体験者１０１に自然な触覚を体験させることが出来る。
【００５６】
図８では、モードに応じて刺激発生装置１０２の刺激強度を変化させる場合を示したが、他の方法により、体験者１０１に適切な触覚を体験させることも可能である。
【００５７】
図９は、モードに応じて刺激の発生頻度を変化させる場合を示した図である。図９に示すように、モード１の場合は、刺激の発生頻度は０であり、体験者１０１は、刺激発生装置１０２の仮想物体５０１への侵入を知覚しない。また、モード４の場合は刺激の発生頻度を低くすることにより、刺激発生装置１０２から刺激を受けたときの体験者の知覚が大きくなり、体験者１０１は、刺激発生装置１０２が仮想物体５０１により侵入していく感覚に近い体験をすることが出来る。
【００５８】
また、モード２はモード４よりも発生頻度が高く、モード３はモード２によりも発生頻度を高くすると、体験者１０１は自然な触覚を体験することが出来る。
【００５９】
また、本実施形態では、ステップ４０６で４つのモードについて説明したが、前述したように、より多くのモードを設定しても良い。例えば、侵入量が増加もしくは減少する方向、速度、侵入状態の変化などによって、更に詳細にモードを分類しても良い。詳細にモードを分類し、モードに応じた刺激を発生させることにより、体験者１０１は、より自然な触覚を体験することが出来る。
【００６０】
（第二の実施形態）
第一の実施形態では、仮想エンドエフェクタを点として扱った。本実施形態では、仮想エンドエフェクタを三次元の立体形状とする。仮想エンドエフェクタの形状は第一の実施形態と異なるが、触覚提示装置のシステム構成は図１と同様であり、処理および制御も図４とほぼ同様である。
【００６１】
図１０は、本実施形態における仮想エンドエフェクタの例を示す図である。図１０に示すように、図１０の仮想エンドエフェクタは人の手の形状をしており、画像出力部１１０により、体験者１０１の手に重畳される。仮想エンドエフェクタとしては、人の手の形状のほかには、例えば、ヒジや足または工具の形状を用いることも出来る。
【００６２】
図１１は、本実施形態における仮想エンドエフェクタの第二の例を示す図である。図１１では、仮想エンドエフェクタとして工具の形状を用いている。
【００６３】
図１２は、本実施形態における仮想エンドエフェクタ５０２の仮想物体５０１への侵入を示す図である。図１２に示すように、本実施形態の仮想エンドエフェクタ５０２は、三次元の立体形状であるため、侵入の判定を行うことが困難である。
【００６４】
よって、本実施形態では、仮想エンドエフェクタ５０２上の複数の代表点を配置しておき、仮想エンドエフェクタ５０２と仮想物体５０１との侵入を判定する際には、複数の代表点の内、最深部の点を算出する。最深部の点の算出の際には、例えば、あらかじめ仮想物体５０１の重心点を取得しておき、複数の代表点の内、重心点と最も距離が近い点を最深部の点とする。
【００６５】
図１３は、本実施形態における最深部の点を示す図である。図１３では、１３０１は最深部の点を示している。最深部の点１３０１を、第一の実施形態における仮想エンドエフェクタ５０２の点として扱えば、第一の実施形態における図４と同様の処理を行うことが可能である。本実施形態のように、三次元の立体形状の仮想エンドエフェクタ５０２を用いることにより、体験者１０１はより自然な触覚を体験することが出来る。
【００６６】
図１４は、基準面６０１の変化を示す図である。図４の処理では、侵入量を示すベクトル６０２の時間的変化に応じて、モードの切替えを行った。図１４に示すように基準面６０１が時間とともに変化する場合でも、侵入量を示すベクトル６０２は変化する。
【００６７】
（第三の実施形態）
第一の実施形態および第二の実施形態では、刺激発生部１０３が一つの場合について、説明した。本実施形態では、複数の刺激発生部１０３が配置される場合について、説明する。
【００６８】
図１５は、棒状の刺激発生装置１０２に複数の刺激発生部１０３が配置される場合を示す図である。図１５に示すように複数の刺激発生部１０３を配置することにより、複雑な刺激を再現することが出来る。
【００６９】
図１６は、人の手の形状の刺激発生装置１０２に複数の刺激発生部１０３が配置される場合を示す図である。
【００７０】
図１７は、複数の刺激発生部１０３が配置された刺激発生装置１０２の仮想物体５０１への侵入を示す図である。図１７に示すように、複数の刺激発生部１０３が配置されている場合、それぞれの刺激発生部１０３を適切に制御しないと、体験者１０１に不自然な触覚が与えることになってしまう。
【００７１】
図１８は、本実施形態における触覚提示装置の第一の制御方法を示す図である。図１８の制御方法は、第二の実施形態における制御方法と同様である。第二の実施形態と同様に最深部１３０１を設定し、最深部１３０１の位置に基づき、複数の刺激発生部１０３に対して同じ制御処理を行う。
【００７２】
また、最深部１３０１の位置に基づき、複数の刺激発生部１０３を制御する方法としては、以下のような方法もある。まず、複数の刺激発生部１０３を、以下のＡ〜Ｂの三種類に分類する。Ａ：最深部の点１３０１近傍に位置している刺激発生部１０３、Ｂ：仮想物体５０１の表面近傍に位置している刺激発生部１０３、Ｃ：Ａ、Ｂのいずれにも該当しない刺激発生部１０３。そして、上記モード１〜モード４に応じて、Ａ〜Ｂの三種類に分類された刺激発生部１０３をそれぞれ以下のように、制御する。
・モード１：すべての刺激発生部１０３は、刺激を発生させない。
・モード２：すべての刺激発生部１０３は、強度中の刺激を発生させる。
・モード３：ＡもしくはＢに分類された刺激発生部１０３は、強度中の刺激を発生させる。Ｃに分類された刺激発生部１０３は、強度小の刺激を発生させる。
・モード４：Ａに分類された刺激発生部１０３は、強度大の刺激を発生させる。ＢもしくはＣに分類された刺激発生部１０３は、強度中の刺激を発生させる。
【００７３】
以上のように制御することにより、例えば、モード３において、最深部の点１３０１近傍および仮想物体５０１の表面近傍以外の刺激発生部１０３の刺激を小さくするため、体験者１０１により自然な離脱感覚を体験させることが出来る。
【００７４】
図１９は、本実施形態における第二の制御方法を示す図である。図１９の制御方法は、複数の刺激発生部１０３それぞれの位置を、第一の実施形態におけるエンドエフェクタ５０２の位置とみなし、複数の刺激発生部１０３それぞれを独立に制御する方法である。複数の刺激発生部１０３をそれぞれ独立に制御することによって、刺激発生装置１０２の仮想物体５０１への部分的な侵入も再現することができるため、体験者１０１により自然な触覚を提示することが出来る。
【００７５】
（第四の実施形態）
第一の実施形態によれば、刺激発生部１０３の仮想物体５０１への侵入量が増加している場合には、モード４を適用し、刺激発生部１０３は強い刺激を発生させていた。しかし、前述したように、侵入速度に応じてモード４を更に分類しても良い。
【００７６】
図２０は、図７における時間０から時間ｔ１までの間を拡大し、時間の経過と侵入量ｄの変化との対応を示した図である。図２０から分かるように、時間０から時間ｔ０１までおよび時間ｔ０２から時間ｔ１までの間は、比較的侵入速度が大きくなっており、モード４．１を適用している。そして、時間ｔ０１から時間ｔ０２までの間は比較的侵入速度が小さくなっており、モード４．２を適用している。本実施形態におけるモード４の分類は、以下の通りである。
モード４．１：侵入速度が比較的大きく、刺激発生部１０３の刺激強度を時間とともに大きくする。
モード４．２：侵入速度が比較的小さく、刺激発生部１０３の刺激強度は変化しない。
【００７７】
図２１は、上記モード４の分類に応じた時間経過と刺激強度Ｓとの対応を示す図である。図２１から分かるように、モード４．１の場合、刺激強度が時間とともに増加しており、モード４．２の場合は、刺激強度は変化しない。このように、モードを更に分類することにより、より自然な触覚を体験者１０１に体験させることが出来る。また、モード４に限らず、モード１〜モード３を更に、侵入速度や、侵入量ｄに応じて分類してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】第一の実施形態における仮想空間上の仮想物体の触覚を提示するための触覚提示装置の構成を示す図である。
【図２】体験者が刺激発生装置を把持している状態を示す図である。
【図３】鉛筆形状の刺激発生装置を示す図である。
【図４】第一の実施形態における触覚提示装置のための詳細な処理を示す図である。
【図５】刺激発生装置の仮想エンドエフェクタが仮想物体へ侵入している状態を示す図である。
【図６】刺激発生装置の仮想エンドエフェクタの仮想物体への侵入量の判定方法を示す図である。
【図７】仮想物体への仮想エンドエフェクタの侵入量と時間との対応関係を示す図である。
【図８】図７の侵入量変化に対応した刺激発生装置の刺激強度の変化を示す図である。
【図９】侵入量変化に基づくモードに応じて刺激の発生頻度を変化させる場合を示す図である。
【図１０】第二の実施形態における仮想エンドエフェクタを示す図である。
【図１１】第二の実施形態における仮想エンドエフェクタを示す図である。
【図１２】第二の実施形態における仮想エンドエフェクタの仮想物体への侵入を示す図である。
【図１３】第二の実施形態における仮想エンドエフェクタの最深部の点を示す図である。
【図１４】第二の実施形態における仮想エンドエフェクタ上の基準面の変化を示す図である。
【図１５】第三の実施形態における棒状の刺激発生装置に複数の刺激発生部が配置された場合を示す図である。
【図１６】人の手の形状の刺激発生装置に複数の刺激発生部が配置された場合を示す図である。
【図１７】複数の刺激発生部が配置された刺激発生装置の仮想物体への侵入を示す図である。
【図１８】第三の実施形態における触覚提示装置の第一の制御方法を示す図である。
【図１９】第三の実施形態における触覚提示装置の第二の制御方法を示す図である。
【図２０】第四の実施形態における時間の経過と侵入量ｄの変化との対応を示した図である。
【図２１】第四の実施形態における時間経過と刺激強度Ｓとの対応を示す図である。
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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