(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
計算手段を実行する計算機と、
計算手段により計算された力を提示するための力覚提示装置と、
計算機により構成された仮想空間に存在する、固定された線分、この線分と接着し剥がすための曲線、及び仮想空間における位置を表すポインタを表示するディスプレイと
を備えた仮想剥がし感覚発生システムであって、
前記計算機は、
ポインタにより第１の曲線の端点を保持し、そのポインタを移動することによってポインタの座標を前記第１の曲線の端点の新たな入力座標として読み込む座標入力手段と、
前記新たな入力座標と前記線分上の１点を両端点とし、前記線分上の端点における接線方向が前記線分と一致するという幾何的な条件から、新たな力計算用の一時的な形状の第２の曲線を求める形状計算手段と、
第１の曲線と固定された線分が接着して重なっている初期状態における前記第１の曲線の前記線分と接着している第１の接着部分の長さと、前記形状計算手段により求めた前記第２の曲線の前記線分と接着している第２の接着部分の長さとの差分を求める差分計算手段と、
前記差分を区間として、前記第１の接着部分上の前記区間の第１の点と前記第２の曲線上の前記第１の点に対応する前記区間の第２の点との距離に比例した力を求める関数を前記区間だけ積分する力計算手段と、
前記力計算手段により積分して求めた力を前記力覚提示装置に出力する力覚提示手段とを有する
ことを特徴とする仮想剥がし感覚発生システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、仮想現実感を生成する仮想剥がし感覚発生システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
接着状態にあるものを剥がす動作を仮想的に実現するためには、「ばねモデル」や「有限要素法」により、接着力を求めてその接着力の大きさがある一定の大きさを超えた場合には接着された部分が剥がれるといった計算手段をとるのが一般的であった。
【０００３】
例えば、『「柔らかい仮想物体の表現手法」日本バーチャルリアリティ学会大会論文集Vol.3(1998年3月)』では、柔らかく変形するモデルとして、「ばねモデル」、「有限要素法」について言及しており、線形な有限要素法の計算手法について述べられている。この文献に記述されている計算手法により要素に発生する力を求め、その力がある一定以上になった場合に剥がれることとなる。
【０００４】
以下、「ばねモデル」を例にとり、従来の仮想剥がし感覚発生システムについて図面を参照しながら説明する。図１０及び図１１は、２次元のばねモデルを用いた従来の仮想剥がし感覚発生システムの計算手段を示す図である。
【０００５】
図１０及び図１１において、１００１、１００３、１００５、１００７、１００９、１０１５、１０１６、１０１７及び１０１８は質点、１００２、１００４、１００６、１００８、１０１１、１０１２、１０１３及び１０１４は質点を結ぶばねである。
【０００６】
また、同図において、１０１０は質点を引っ張る力であり、力１０１０はユーザが力覚提示装置を通じて質点１００９を引っ張ることで発生するものである。
【０００７】
さらに、同図において、質点１０１５、１０１６、１０１７及び１０１８は固定された直線１０１９上の座標に固定されている。
【０００８】
つぎに、前述した従来の仮想剥がし感覚発生システムの動作について図面を参照しながら説明する。
【０００９】
図１０に示す状態のとき、ユーザが力１０１０を徐々に増加することによりそれぞれのばねの長さは長くなっていく。図１１に示すように、ばね１０１１、１０１２、１０１３及び１０１４がそれぞれあらかじめ決められた長さより長くなった場合には、そのばねを切断することにより、質点１００１、１００３、１００５、１００７及び１００９を質点１０１５、１０１６、１０１７及び１０１８から剥がしていく様子を模擬できる。
【００１０】
図１１では、ばね１０１４が切断され、質点１００７及び１０１８間が剥がされた様子を模擬している。これらの動きを表示することにより剥がれていく様子が表現され、力１０１０を力覚提示装置により提示することにより剥がれていく感触を得られる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来のシステムでは、計算手段はばねが断続的に切断されていく様子を模擬しているため、ばねが切断された瞬間にはそれまでばねが発生していた力が０になり、ユーザが力覚提示装置を通じて感じる力は断続的な振動となり、実際にわれわれが物を剥がしていくときに感じる滑らかな感覚が模擬できないという問題点があった。
【００１２】
また、できるだけ滑らかにしようとすると質点、ばねの数を増やさなければならず計算時間がかかりリアルタイムで処理することが困難であるという問題点があった。
【００１３】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、力の変化を連続的で滑らかにすることができ、実際の感覚により近い感覚を実現することができる仮想剥がし感覚発生システムを得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る仮想剥がし感覚発生システムは、計算手段を実行する計算機と、計算手段により計算された力を提示するための力覚提示装置と、計算機により構成された仮想空間に存在する、固定された線分、この線分と接着し剥がすための曲線、及び仮想空間における位置を表すポインタを表示するディスプレイとを備えた仮想剥がし感覚発生システムであって、前記計算機は、ポインタにより第１の曲線の端点を保持し、そのポインタを移動することによってポインタの座標を前記第１の曲線の端点の新たな入力座標として読み込む座標入力手段と、前記新たな入力座標と前記線分上の１点を両端点とし、前記線分上の端点における接線方向が前記線分と一致するという幾何的な条件から、新たな力計算用の一時的な形状の第２の曲線を求める形状計算手段と、第１の曲線と固定された線分が接着して重なっている初期状態における前記第１の曲線の前記線分と接着している第１の接着部分の長さと、前記形状計算手段により求めた前記第２の曲線の前記線分と接着している第２の接着部分の長さとの差分を求める差分計算手段と、前記差分を区間として、前記第１の接着部分上の前記区間の第１の点と前記第２の曲線上の前記第１の点に対応する前記区間の第２の点との距離に比例した力を求める関数を前記区間だけ積分する力計算手段と、前記力計算手段により積分して求めた力を前記力覚提示装置に出力する力覚提示手段とを有するものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る仮想剥がし感覚発生システムについて図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る仮想剥がし感覚発生システムの構成を示す図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係る仮想剥がし感覚発生システムの構成を示すブロック図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２１】
図１において、１０１は計算手段を実行する計算機、１０２は計算結果を元に状態を表示するディスプレイ、１０３は計算手段により計算された力を提示するための力覚提示装置、１０４は実際に操作するユーザである。
【００２２】
また、同図において、１０５〜１０７は計算機１０１により構成された仮想空間に存在するものであり、１０５は固定された線分、１０６は線分１０５と接着した剥がす曲線、１０７は力覚提示装置１０３の仮想空間での位置を表すポインタであり、ユーザ１０４が力覚提示装置１０３を移動するのに伴いポインタ１０７も移動する。
【００２３】
図２において、２０１は力覚提示装置１０３の座標を読み込む座標入力手段、２０２は入力座標から接着部分がなかったとして新たな曲線１０６の形状を求める形状計算手段、２０３は形状計算手段２０２で得られた曲線形状と接着部分の差分を求める差分計算手段、２０４は差分計算手段２０３で得られた差分から線分１０５と曲線１０６間に働く力を計算する力計算手段、２０５は力計算手段２０４で得られた差分から線分１０５と曲線１０６の状態を更新する状態更新手段、２０６は力計算手段２０４により計算された力を提示する力覚提示手段である。
【００２４】
つぎに、この実施の形態１に係る仮想剥がし感覚発生システムの動作について図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図３は、線分１０５と曲線１０６の接着の初期状態を示したものである。図３において、３０１は接着している部分であり、３０２は接着していないため線分１０５より浮き上がっている曲線１０６の一部であり、３０３は曲線１０６の端点である。
【００２６】
初期時点では、図３に示すように、力が加わっていないため曲線１０６の接着部分３０１は線分１０５に接着して重なっている。ユーザ１０４はポインタ１０７を端点３０３の位置まで移動することで端点３０３を保持できるようになる。ユーザ１０４がポインタ１０７により端点３０３を保持するとポインタ１０７の座標が端点３０３の新たな入力座標として座標入力手段２０１が読み込む。
【００２７】
次に、形状計算手段２０２が接着部分がない場合の曲線１０６の新たな形状を計算する。図４は、形状計算手段２０２が計算した曲線１０６の新たな形状の一例を示すものである。図４において、４０１は形状計算手段２０２が計算した曲線１０６の新たな形状である。
【００２８】
本実施の形態１ではその形状計算手段２０２を特定するものではなく、曲線１０６の形状は線分１０５に接するといった単なる幾何的な条件から求めてもよいし、曲線１０６に硬さ、伸びなどの物理的特性値を与えて数値的に解いてもよい。
【００２９】
次に、差分計算手段２０３が曲線形状４０１と接着部分３０１との差分を求める。図５は、差分を図示したもので、図５において、５０１が接着部の差分である。ここでいう差分とは、本来接着していて線分１０５と離れるはずがないのに、曲線形状４０１では離れている部分のことであり、あらたな曲線形状４０１の線分１０５接着部分と初期の接着部分３０１を比較することで求めることができる。
【００３０】
次に、力計算手段２０４が差分５０１をもとに端点３０３を接着部分が引っ張る力を計算する。図６は、力の計算の一例を示したもので、図６において、６０１は初期の接着部分３０１上の一点、６０２は接着部分３０１上の１点６０１が引っ張りによりうける力、６０３は引っ張られる前は接着部分３０１上の１点６０１と接着していた曲線１０６上の１点である。
【００３１】
本実施の形態１はその計算手法を限定するものではなく、ばねモデルのような点６０１と点６０３の距離に比例した力でもよいし、他の計算手法を使ってもよい。点６０１と同様にして、差分５０１上の全ての点に対してそこにかかる力を計算することができる。
【００３２】
本実施の形態１では、それらの点を従来例のように離散的に評価するのではなく、すべてを加えることで求める。なぜなら、差分５０１の部分すべてに引っ張り力がかかっているとみなせるからである。これは、差分５０１を区間として各点での力をもとめる関数を積分することで可能である。この積分により求まった力を接着部全体が発生する、つまり剥がされずにもとに戻そうとする力とする。
【００３３】
次に、状態更新手段２０５が力計算手段２０４で求めた力をもとに新たな接着状態を計算する。図７は、新たな接着状態を計算する手段を示すもので、７０１はあらかじめ定められた接着力を示す値に等しい大きさの力、７０２及び７０３はあらかじめ定められた接着力を示すある値よりも大きな力、７０４が新たに剥がれた接着部分、７０５は新たな接着部分である。
【００３４】
力計算手段２０４で求められた力の大きさと、あらかじめ定められた接着力を示す値とを比較する。もし、ある点にかかる力が、あらかじめ定められた接着力を示す値より大きな場合にはその点は剥がれるとする。図７では、その大きさをこえた力７０２、７０３の矢印は接着部分がはがれ、大きさが等しい力７０１は剥がれない。点は連続的に評価するため、結果、７０４で示された区間は接着がはがれたことなり、残った部分を新たな接着部分７０５とする。
【００３５】
最後に、力覚提示手段２０６が力計算手段２０４で求められた力を力覚提示装置１０３を通じてユーザ１０４に提示する。
【００３６】
以上のように、有限個のばねの集まりから力を計算するのではなく、連続した値から数値計算により力をもとめることにより、力の変化も連続的で滑らかなものとなり、実際の感覚により近い感覚が得られる。
【００３７】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る仮想剥がし感覚発生システムについて図面を参照しながら説明する。
【００３８】
上記の実施の形態１では、接着している両者が１次元の線であったが、この実施の形態２で説明するように、２次元の平面にも同様な手段が適用できる。
【００３９】
図８は、図５に対応するもので、接着された２枚の紙を剥がす様子を示す図である。図８において、８０１は接着面、８０２はユーザ１０４により引っ張られた紙の移動方向、８０３は接着していた紙の１点、８０４は引っ張ることにより点８０３が移動した先の点、８０５は点８０３に働く剥がし力である。
【００４０】
接着面８０１を剥がそうとして紙を方向８０２へ移動した状態では、接着面上の点８０３は点８０４に移動するため、点８０３と点８０４間の力８０５を力計算手段２０４が計算を行う。同様にして、接着面８０１上の全ての点に対して引っ張る力を計算できるため、それらの力を積分することにより接着部全体にかかる力を計算できる。
【００４１】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る仮想剥がし感覚発生システムについて図面を参照しながら説明する。
【００４２】
上記の実施の形態１では、接着している両者が１次元の線であったが、この実施の形態３で説明するように、３次元の立体にも同様な手段が適用できる。
【００４３】
図９は、図５に対応するもので、接着された２つの物体を剥がす様子を示す図ある。図９において、９０１は接着部、９０２及び９０３は接着された物体、９０４は引っ張る方向、９０５は引っ張りの結果生じた接着部９０１の変形量である。
【００４４】
接着部９０１で接着された物体９０２及び９０３を剥がそうとして、矢印の方向９０４に引っ張った状態では、接着部が変形し９０５のように移動する。そのそれぞれの点に対して同様に働く力を求め積分することで接着部全体にかかる力を計算できる。
【００４５】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係る仮想剥がし感覚発生システムは、以上説明したとおり、計算手段を実行する計算機と、計算手段により計算された力を提示するための力覚提示装置と、計算機により構成された仮想空間に存在する、固定された線分、この線分と接着し剥がすための曲線、及び仮想空間における位置を表すポインタを表示するディスプレイとを備えた仮想剥がし感覚発生システムであって、前記計算機は、ポインタにより第１の曲線の端点を保持し、そのポインタを移動することによってポインタの座標を前記第１の曲線の端点の新たな入力座標として読み込む座標入力手段と、前記新たな入力座標と前記線分上の１点を両端点とし、前記線分上の端点における接線方向が前記線分と一致するという幾何的な条件から、新たな力計算用の一時的な形状の第２の曲線を求める形状計算手段と、第１の曲線と固定された線分が接着して重なっている初期状態における前記第１の曲線の前記線分と接着している第１の接着部分の長さと、前記形状計算手段により求めた前記第２の曲線の前記線分と接着している第２の接着部分の長さとの差分を求める差分計算手段と、前記差分を区間として、前記第１の接着部分上の前記区間の第１の点と前記第２の曲線上の前記第１の点に対応する前記区間の第２の点との距離に比例した力を求める関数を前記区間だけ積分する力計算手段と、前記力計算手段により積分して求めた力を前記力覚提示装置に出力する力覚提示手段とを有するので、力の変化を連続的で滑らかにすることができ、実際の感覚により近い感覚を実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係る仮想剥がし感覚発生システムの構成を示す図である。
【図２】  この発明の実施の形態１に係る仮想剥がし感覚発生システムの構成を示すブロック図である。
【図３】  この発明の実施の形態１に係る仮想剥がし感覚発生システムにおける線分と曲線の接着の初期状態を示す図である。
【図４】  この発明の実施の形態１に係る仮想剥がし感覚発生システムにおける線分と曲線の接着の新たな状態を示す図である。
【図５】  この発明の実施の形態１に係る仮想剥がし感覚発生システムにおける線分と曲線の接着の新たな状態の差分を示す図である。
【図６】  この発明の実施の形態１に係る仮想剥がし感覚発生システムにおける力の計算の一例を示す図である。
【図７】  この発明の実施の形態１に係る仮想剥がし感覚発生システムにおける新たな接着状態を計算する手段を示す図である。
【図８】  この発明の実施の形態２に係る仮想剥がし感覚発生システムにおける接着された２枚の紙を剥がす様子を示す図である。
【図９】  この発明の実施の形態３に係る仮想剥がし感覚発生システムにおける接着された２つの物体を剥がす様子を示す図である。
【図１０】  従来の仮想剥がし感覚発生システムを示す図である。
【図１１】  従来の仮想剥がし感覚発生システムを示す図である。
【符号の説明】
１０１  計算機、１０２  ディスプレイ、１０３  力覚提示装置、１０５  線分、１０６  曲線、１０７  ポインタ、２０１  座標入力手段、２０２  形状計算手段、２０３  差分計算手段、２０４  力計算手段、２０５  状態更新手段、２０６  力覚提示手段。
【図１】
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【図２】
0004315266.tif 000003
【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】
0004315266.tif 000008
【図８】
0004315266.tif 000009
【図９】
0004315266.tif 000010
【図１０】
0004315266.tif 000011
【図１１】
0004315266.tif 000012