(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想現実空間を体験する体験者により把持され、または当該体験者の身体の所定の部位に取り付けられ、圧縮気体の噴出により反動力を発生し、電波信号を伝送する制御信号出力回路に接続され、当該仮想現実空間における仮想の物体の位置を算出するコンピュータとデータ通信を行いながら仮想現実における力をシミュレートする仮想現実シミュレーション装置であって、
複数の容器と、
上記複数の容器間で共有する上記仮想現実空間における仮想の目標物と
を有し、
上記容器は、
上記容器の軸方向の両端にそれぞれ設けられている複数の気体噴出口と、
弁をそれぞれ介して上記各気体噴出口に連結されている圧縮性気体源と、
センサによって構成され、上記容器の位置を検出する位置検出手段と、
上記位置検出手段による検出結果を上記制御信号出力回路に伝送するための上記電波信号を生成する検出結果送信回路と、
上記コンピュータに接続された上記制御信号出力回路による上記電波信号を受信する受信手段と、
上記コンピュータが上記検出結果送信回路による上記検出結果を取得し、上記容器の位置と上記目標物の位置とがほぼ一致したと判断したとき、上記受信手段が受信した上記コンピュータの比較結果に基づいて所定の制御信号を出力する制御手段と、
上記制御手段から上記制御信号を受けたとき、上記弁を開き、上記圧縮性気体を上記気体噴出口より噴出させる開閉制御手段と
を含み、
上記圧縮性気体源は、
上記容器の外部に設けられる場合、上記容器の内部に設けられている場合より小型かつ軽量であって、パイプを通して上記容器に設けられている上記弁に連結され、
上記開閉制御手段は、
上記各弁をそれぞれ制御して上記圧縮性気体を上記各気体噴出口より噴出させる
仮想現実シミュレーション装置。
【請求項２】
上記容器は、棒状に形成されている
請求項１記載の仮想現実シミュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、仮想現実（バーチャル・リアリティ）空間において、体験者の身体に取り付けられ、または体験者が手に持つ棒状あるいは他の形状を有する装置であり、所定のタイミングで当該装置に設けられている気体噴出口から圧縮した気体、例えば、圧縮空気を噴出させることにより、仮想空間における仮想の対象物との衝突により生じた反動力などの力をシミュレートする仮想現実シミュレーション装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンピュータグラフィック技術の進歩により、予め設定した仮想の空間において体験者である人間の動きにあわせて、コンピュータの高速演算能力を駆使して画像、音声など人間により感知される情報を体験者にリアルタイムで提供することにより、あたかも体験者がコンピュータにより合成されていた仮想空間に置かれている状況を実現するバーチャル・リアリティと呼ばれる技術分野が生み出された。このバーチャル・リアリティ技術おいて、例えば、体験者の頭部に搭載されているＨＭＤ（Head mounted display）と呼ばれる表示装置または体験者の周囲に置かれていたスクリーンにコンピュータにより合成された画像を表示し、また必要に応じてコンピュータにより合成された音声信号をヘッドホン、スピーカーなどから出力することにより、仮想現実の空間環境をつくり出す。
【０００３】
バーチャル・リアリティ技術により合成された仮想空間において、様々な状況を擬似体験することができるので、車両、飛行体などの操縦訓練に用いられているシミュレータをはじめ、近年体験者に臨場感のあるゲームを楽しませるゲーム機器にもこの技術が取り入れられている。
【０００４】
例えば、仮想空間において、テニス、卓球、バドミントン、ゴルフ、野球などのゲームを体験者（以下、プレーヤという）に擬似体験させる場合に、プレーヤが仮想の道具、例えば、テニスのラケット、野球のバットなどを使って、仮想のボールを打つ。この場合に、プレーヤの位置、動きなどをセンサーにより検出し、こられの情報を示す信号がコンピュータに入力される。コンピュータは、センサーから入力された情報と仮想空間における仮想のボールの動きに基づき演算を行い、当該演算結果に基づき、例えば、ボールの新たな動きを推測し、それを合成された画像信号に取り入れる。一例として、プレーヤが仮想のバットで仮想の野球ボールを打つとき、ボールの飛行軌跡およびバットの動きに基づき、当該バットが仮想のボールにあたったとの演算結果が得られたとき、ボールがバットにあたった場所、衝突時の両方の動き方向、速度などにより衝突後のボールの移動方向、速度などを算出される。これらの演算結果に応じて衝突後のボールを示す画像信号をコンピュータにより算出し、表示装置に表示する。この結果、プレーヤはバットで仮想のボールを打ち返す臨場感が擬似的に体験できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したバーチャル・リアリティ技術を用いたシミュレーション装置では、プレーヤがバットがボールにあたったときの衝撃で生じた反動力を実際に体感することができないので、不自然が生じてしまいうという不利益がある。これを解消するために、何らかの手段で力をシミュレートして、プレーヤの持つ道具（例えば、前記の例において仮想のバット）および対象物（例えば、仮想の野球のボール）の動きに応じて、例えば、衝突、大きな加速度を有する急激な動きなどにあわせて、衝突力などの力を発生する種々の装置が考案されている。その一例として、ソレノイド（巻線により形成されたコイルに電流を流して、発生した磁場で鉄心を動かす装置）によりプレーヤがゴルフクラブでボールを打った瞬間の衝撃をシミュレートするゴルフ擬似体験装置が提案されている（特開平５−３０９１７４）。
【０００６】
しかし、ソレノイドにより反動力を得るためにはある程度の質量が必要なため、装置の軽量化が困難であり、しかもソレノイドは復帰するときに逆向きの力が発生するので、所望の方向のみに力を発生させることはできない。また、ソレノイドが復帰するときに逆方向の力が発生するので、短い間隔で連続に動作させると単なる振動となり、所望の力を発生できない。また、ソレノイドの移動にある程度のストロークが必要であるので、棒状体の内部に設けた場合には、軸方向の力のみを発生できるという制約を受ける。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、所定のタイミングで圧縮気体を吹き出すことにより生じた反動力で仮想現実空間における力をシミュレートでき、小型化、軽量化を容易に実現可能な仮想現実シミュレーション装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の仮想現実シミュレーション装置は、仮想現実空間を体験する体験者により把持され、または当該体験者の身体の所定の部位に取り付けられ、圧縮気体の噴出により反動力を発生し、電波信号を伝送する制御信号出力回路に接続され、当該仮想現実空間における仮想の物体の位置を算出するコンピュータとデータ通信を行いながら仮想現実における力をシミュレートする仮想現実シミュレーション装置であって、複数の容器と、上記複数の容器間で共有する上記仮想現実空間における仮想の目標物とを有し、上記容器は、上記容器の軸方向の両端にそれぞれ設けられている複数の気体噴出口と、弁をそれぞれ介して上記各気体噴出口に連結されている圧縮性気体源と、センサによって構成され、上記容器の位置を検出する位置検出手段と、上記位置検出手段による検出結果を上記制御信号出力回路に伝送するための上記電波信号を生成する検出結果送信回路と、上記コンピュータに接続された上記制御信号出力回路による上記電波信号を受信する受信手段と、上記コンピュータが上記検出結果送信回路による上記検出結果を取得し、上記容器の位置と上記目標物の位置とがほぼ一致したと判断したとき、上記受信手段が受信した上記コンピュータの比較結果に基づいて所定の制御信号を出力する制御手段と、上記制御手段から上記制御信号を受けたとき、上記弁を開き、上記圧縮性気体を上記気体噴出口より噴出させる開閉制御手段とを含み、上記圧縮性気体源は、上記容器の外部に設けられる場合、上記容器の内部に設けられている場合より小型かつ軽量であって、パイプを通して上記容器に設けられている上記弁に連結され、上記開閉制御手段は、上記各弁をそれぞれ制御して上記圧縮性気体を上記各気体噴出口より噴出させる。
【００１１】
さらに、本発明では、上記容器は、棒状に形成されている。
【００１２】
本発明によれば、体験者の身に取り付けられるまたは手に持つ所定の形状を有する容器に設けられている気体噴出口から圧縮気体、例えば圧縮空気を所定のタイミングで噴出し、それにより生じた反動力で仮想現実空間における力をシミュレートする。具体的に、例えば、位置検出手段により当該容器の空間位置が検出され、コンピュータなどにより構成された演算装置において、当該容器の空間位置と予め設定した仮想の目標物、例えば、仮想ボールの空間位置が一致したと判断したとき、当該容器と上記仮想の目標物が衝突したとして、制御信号が出力される。上記容器に設けられた開閉制御手段は、上記演算装置からの制御信号を受けたとき、噴出口に設けられた弁を開き、圧縮気体源に蓄えている圧縮気体を噴出し、それにより生じた反動力で衝突時の衝撃力をシミュレートする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
第１実施形態
図１は本発明に係る仮想現実シミュレーション装置の第１の実施形態を示す構成図である。
図示のように、本実施形態のシミュレーション装置は、棒状に形成されている中空の容器（以下、バーチャルスティックという）１に、圧縮気体、例えば、圧縮空気の噴出を制御する電磁バルブ２、受光部３、制御回路４、電源５、パイプ６およ圧縮空気ボンベ７が設けられている。なお、圧縮気体の噴出を制御する弁として、電磁バルブの他に、例えばピエゾを用いることも可能である。
【００１４】
バーチャルスティック１の本体は、例えば、金属またはプラスチックなどにより形成されている。コンピュータにより合成された仮想空間において、プレーヤは当該バーチャルスティックを例えば、仮想のテニスラケットとして手に持ち、ＨＭＤなどの表示装置に表示されている仮想のボールなどを打ち返す。このため、バーチャルスティック１の本体は、プレーヤが本体を振るうときに生じた力を耐えられるように十分な強度を有する。また、バーチャルスティック１本体の内部に設けられた電磁バルブ２、制御回路４および圧縮空気ボンベ７などがそれぞれ十分に固定する必要がある。
【００１５】
電磁バルブ２は、制御回路４からの制御信号ＳC に応じて開閉が制御される。当該電磁バルブ２が開くとき、パイプ６から送られた圧縮空気が空気噴出口８より噴出されるので、圧縮空気が噴出するときに生じた反動力で、例えば、上述した仮想のラケットで仮想のボールを打つ瞬間の衝突力が擬似的に発生される。
【００１６】
受光部３は、所定の場所、例えば、天井に取り付けられている送信部（図示せず）から送信した赤外線を受光し、受信信号ＳR を制御回路４に転送する。
制御回路４は、受光部３からの受信信号ＳR に応じて電磁バルブ２を開閉操作する制御信号ＳC を発生し、電磁バルブ２に出力する。
電源５は、例えば、電池により構成され、受光部３、制御回路４および電磁バルブ２を動作させるための電源電圧を供給する。
【００１７】
パイプ６は、電磁バルブ２を介して、空気噴出口８と圧縮空気ボンベ７を連結する。電磁バルブ２が開いているとき、圧縮空気ボンベ７に蓄えている圧縮空気は当該パイプ６を通して空気噴出口８に送られ、空気噴出口８から外部に噴出される。
【００１８】
図２（ａ）は、プレーヤの手に把持されているバーチャルスティックに基づき、コンピュータにより合成された仮想ラケットのイメージを示している。同図（ｂ）は、図１に示す電磁バルブ２が開き、バーチャルスティックの空気噴出口８から圧縮空気が噴出するとき生じた反動力Ｆを示している。
【００１９】
図２（ａ）に示すように、バーチャルスティック１を仮想のテニスラケット１２のグリップとして、プレーヤの手に把持されている。プレーヤの頭部に、例えば、仮想空間の合成画像を表示するＨＭＤとともに、当該プレーヤの頭の動きを検出する位置センサーが装着されている。プレーヤがゲームをしているとき、コンピュータが位置センサーにより検出されたプレーヤの頭部の動きに応じて、当該ラケットがプレーヤの視界に入るとき、背景画像に図２（ａ）に示しているラケットのイメージをあわせてＨＭＤに表示するので、プレーヤはバーチャルスティック１の代わりに、あたかもＨＭＤに示しているラケット１２を手に持っていると認識できる。
【００２０】
コンピュータは、例えば、プレーヤに向かって飛んでくる仮想のボールのイメージを生成し、背景画像に合成してＨＭＤに表示させる。プレーヤは、飛んでくる仮想のボールを仮想のラケットで打ち返すようバーチャルスティック１を振るう。このとき、例えば、バーチャルスティック１あるいはプレーヤの腕に装着されている位置センサーにより、仮想のラケットの３次元の空間位置をリアルタイムに算出する。算出された仮想のラケットの位置と仮想ボールの位置とが比較され、両者が一致すると、仮想のラケット１２が仮想のボールにあたったと判断し、赤外線送信器から制御信号が送信される。
【００２１】
バーチャルスティック１に設けられている受光部３により赤外線信号を受光し、図１に示すように受信信号ＳR を制御回路４に出力する。制御回路４により電磁バルブ２を開く制御信号ＳC が発生される。これに応じて電磁バルブ２が開き、バーチャルスティック１の噴出口８から圧縮空気が噴出されるので、図２（ｂ）に示すように、圧縮空気が噴出するときに生じた反動力Ｆがバーチャルスティック１を介してプレーヤの手に伝わり、プレーヤは仮想のラケット１２で仮想のボールを打つときの反動力を擬似体験することができる。
【００２２】
図３は、本実施形態のバーチャルスティック１における圧縮空気源の他の構成例を示している。同図（ａ）に示すように、バーチャルスティック１の本体には、ボンベの代わりにポンプ７ａが装着されている。当該ポンプ７ａにより圧縮した空気が電磁バルブを介して空気噴出口に噴出される。
同図（ｂ）に示すように、圧縮空気源、例えば、ボンベ、ポンプなどがバーチャルスティック１本体の外部に設けられ、パイプを介して圧縮空気源からバーチャルスティック１に圧縮空気が送られる。
【００２３】
図１に示すボンベ７まは図３（ａ）に示すポンプ７ａをバーチャルスティック１に装着する場合に、ボンベ７またはポンプ７ａは、小型且つ軽量なものが必要である。図３（ｂ）に示す例では、バーチャルスティック１の本体に圧縮空気源を設ける必要がなく、バーチャルスティック１を軽量化である。一方、バーチャルスティック１はパイプを介して外部の圧縮空気源に連結されているので、プレーヤの動きがパイプによりある程度制約されるので、バーチャルスティック１の動き範囲が小さいゲームに用いることができる。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態によれば、バーチャルスティック１に圧縮空気噴出口８を形成し、噴出口８を電磁バルブ２およびパイプ６を介してボンベ７に連結する。受光部３により制御信号を受信したとき、制御回路４は受信信号ＳR に応じて電磁バルブ２を開く制御信号ＳC を発生し、電磁バルブ２に出力する。電磁バルブが制御信号ＳC に応じて開き、圧縮空気が噴出口８により外部に噴出するので、圧縮空気の噴出により生じた反動力で仮想空間における衝突時などの反動力をシミュレートすることができ、小型、軽量な装置により仮想現実空間における力をシミュレーできる。
【００２５】
第２実施形態
図４は本発明に係る仮想現実シミュレーション装置の第２の実施形態を示す構成図である。
図示のように、本実施形態のシミュレーション装置は、図１に示す第１の実施形態のバーチャルスティック１とほぼ同じ構成を有する。ただし、本実施形態のバーチャルスティック１ａにおいては、本体に電磁バルブ（またはピエゾ）２、受光部３、制御回路４、電源５、パイプ６およびボンベ７の他に、当該バーチャルスティック１ａの３次元の空間位置を検出する位置センサー９、位置情報送信回路１０および送信アンテナ１１が設けられている。位置センサー９、位置情報送信回路１０および送信アンテナ１１を除く他の構成部分は、図１に示す第１の実施形態におけるそれぞれの構成部分と同じ機能を有するので、以下、位置センサー９、位置情報送信回路１０および送信アンテナ１１を中心に、本実施形態のバーチャルスティック１ａの構成および動作について説明する。
【００２６】
位置センサー９は、例えば、バーチャルスティック１ａの３次元空間における位置座標を検出するセンサーであり、例えば、磁気センサーなどにより構成されている。
位置情報送信回路１０は、位置センサー９により検出された３次元空間の各座標軸における座標値を示す信号で変調した電波信号を発生し、送信アンテナ１１に出力する。
送信アンテナ１１は、位置情報送信回路１０により発生した電波信号を空間に放射する。なお、当該電波信号は後述する受信回路により受信され、演算装置に転送されるので、演算装置によりバーチャルスティック１ａの３次元の位置を算出できる。
【００２７】
本実施形態のバーチャルスティック１ａは、プレーヤの手に把持され、例えば、コンピュータにより合成された仮想ラケットのイメージをプレーヤの頭部に取り付けられているＨＭＤに表示することにより、プレーヤはあたかも仮想のラケットを持って仮想のテニスボールを打つ擬似体験をすることができる。
【００２８】
バーチャルスティック１ａに設けられている位置センサー９、位置情報送信回路１０および送信アンテナ１１により、当該バーチャルスティック１ａの位置に関する情報を随時演算装置に入力され、これに基づき演算装置によりバーチャルスティック１ａの位置がリアルタイムで算出される。そして、バーチャルスティック１ａの位置と仮想のボールの位置が一致すると、演算装置により制御信号が発生され、例えば、赤外線送信器に入力される。赤外線送信器により、当該制御信号で変調される赤外線信号が送信される。
【００２９】
バーチャルスティック１ａの端部に設けられている受光部３により赤外線信号が受信され、受信信号ＳR が制御回路４に入力される。制御回路４は受信信号ＳR に応じて電磁バルブ２を開く制御信号ＳC を発生するので、電磁バルブが作動し、圧縮空気が圧縮空気噴出口８より噴出する。圧縮空気が噴出するときの反動力により仮想のラケットで仮想のボールを打つ瞬間の反動力がシミュレートされる。
【００３０】
図５は、本実施形態のバーチャルスティック１ａを用いて構成されているゲーム機器の一構成例を示している。
図示のように、プレーヤ２０の頭部に音声を伝えるヘッドホン２１および画像を伝えるＨＭＤ２２が装着され、さらに、プレーヤ２０の頭の動きを検出する頭部位置センサー２３が取り付けられている。
プレーヤ２０はバーチャルスティック１ａを持ち、ＨＭＤ２２に映し出されている映像により、仮想のラケット１２を持っていると認識できる。そして、当該仮想のラケットでＨＭＤ２２に映し出されている仮想のボール１３を打つ。
【００３１】
バーチャルスティック１ａの位置に関する情報が電波信号に変調されて送信アンテナ１１により送信される。
送受信器４０に接続されているアンテナ４１は、バーチャルスティック１ａの送信アンテナ１１により送信した信号を受信し、また演算装置４２により生成された画像、音声信号を送信する。
【００３２】
プレーヤ２０の身に取り付けられている送受信器２４により音声および画像信号を受信し、ヘッドホン２１およびＨＭＤ２２に出力する。また、頭部位置センサー２３により検出したプレーヤの頭の動きに関する信号が送受信器２４に入力され、それに応じて変調された電波信号が送信される。
【００３３】
演算装置４２は、送受信器４０から入力されたプレーヤの頭部の動き信号に基づき、ＨＭＤ２２に表示する画像信号を生成し、送受信器４０を介して送信する。さらに、受信されたバーチャルスティック１ａの位置情報に基づき、当該バーチャルスティック１ａの位置を算出し、仮想のボール１３の位置とを比較し、両方の位置が一致するとき、赤外線送信器３０に制御信号を出力する。
【００３４】
赤外線送信器３０は、例えば、壁または天井に取り付けられ、演算装置４２からの制御信号で変調した赤外線信号を出力する。当該赤外線信号は、バーチャルスティック１ａに設けられた受光部３により受信され、当該受信信号に応じてバーチャルスティック１ａの電磁バルブ２が開き、圧縮空気が噴出されるので、圧縮空気が噴出することにより生じた反動力がプレーヤ２０に伝わるので、プレーヤは仮想のラケット１２で仮想のボール１３を打つ瞬間の反動力を擬似的に体験できる。
【００３５】
以上説明したように、プレーヤ２０の頭部に取り付けられている頭部位置センサー２３とバーチャルスティック１ａに設けられている位置センサー９によりプレーヤ２０の頭部の動きおよびバーチャルスティック１ａの動きに関する情報が検出され、それぞれ演算装置に入力される。演算装置によりプレーヤの視界を算出し、ＨＭＤ２２に表示すべき画像信号を生成し、必要な場合にその画像信号に仮想ラケット１２および仮想ボール１３の画像を組み入れる。合成した画像信号は送受信回路を介してプレーヤ２０のＨＭＤ２２に表示される。
【００３６】
一方、演算装置４２によりバーチャルスティック１ａの位置が算出され、当該バーチャルスティック１ａの位置と仮想ボール１３の位置とが比較され、両方が一致したとき、仮想ラケット１２が仮想ボール１３にあたったと判断し、制御信号を出力するので、当該制御信号に応じてバーチャルスティック１ａの電磁バルブが開き、圧縮空気が噴出される。圧縮空気が噴出する反動力がプレーヤ２０に伝わり、プレーヤ２０は仮想のラケット１２でＨＭＤ２２に映し出されている仮想のボール１３を打つときの反動力を擬似的に体験できる。
【００３７】
なお、以上の例では、プレーヤが一人であるが、二人のプレーヤが同時にゲームを楽しむこともできる。この場合に、各プレーヤがそれぞれバーチャルスティックを持ち、コンピュータにより合成された一つの仮想ボールを互いに相手の方向に打ち返す、いわゆる対戦ゲームをコンピュータにより構成できる。演算装置４２は、それぞれのプレーヤの動きおよびバーチャルスティックの動きを算出し、各プレーヤのＨＭＤに映し出すべき画像信号を生成し、さらに各プレーヤの画像に仮想ボールの画像を入れる。それぞれのプレーヤのバーチャルスティックの位置情報に基づき、各プレーヤのバーチャルスティックが仮想のボールにあたるか否かを判断し、あたったとき制御信号を出力し、それに応じて仮想ボールにあたったバーチャルスティックにおいて圧縮空気が噴出され、それにより生じた反動力が仮想のボールを打つ瞬間の反動力としてそのプレーヤに伝わる。
【００３８】
以上説明したバーチャルスティックには、一つの圧縮空気噴出口しか設けられていないが、本発明はこれに限定されるものではなく、バーチャルスティックの各側面に複数の噴出口を設けて、それぞれ電磁バルブでこれらの噴出口を制御することにより、異なる方向に反動力を発生することができる。さらに、例えば、バーチャルスティックの端部に軸方向に空気噴出口を設けることにより、軸方向の反動力を発生することができることはいうまでもない。
また、バーチャルスティックの空気噴出タイミングを制御する制御信号は、赤外線の他に、電波によりバーチャルスティックに伝送できる。さらにバーチャルスティックと演算装置との間にケーブルを接続し、当該ケーブルにより制御信号を直接バーチャルスティックに伝送することも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の仮想現実シミュレーション装置によれば、小型且つ軽量の装置で仮想現実空間における衝突時の反動力などの力をシミュレートでき、プレーヤにより自然な感覚で仮想現実を楽しませることができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る仮想現実シミュレーション装置の第１の実施形態を示す構成図である。
【図２】本実施形態のによりシミュレートされる仮想のテニスラケットおよび圧縮空気を噴出するときに生じた反動力を示す図である。
【図３】本実施形態の仮想現実シミュレーション装置の他の構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る仮想現実シミュレーション装置の第２の実施形態を示す構成図である。
【図５】図４に示す仮想現実シミュレーション装置から構成されているゲーム機器の全体の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…バーチャルスティック、２…電磁バルブ、３…受光部、４…制御回路、５…電源、６…パイプ、７…ボンベ、７ａ…ポンプ、８…圧縮空気噴出口、９…位置センサー、１０…送信回路、１１…送信アンテナ、１２…仮想ラケット、１３…仮想ボール、２０…プレーヤ、２１…ヘッドホン、２２…ＨＭＤ、３０…赤外線送信器、４０…送受信器、４１…アンテナ、４２…演算装置。
【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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