(57)【要約】開示されるのは、仮想現実システム、特に、没入型仮想現実システム、それらの部品、構造、および使用法である。システムおよび／またはシステムの部品は、成人または子供によって使用されてもよく、多くの場合、１つのデバイスの範囲内で種々の体格および病状の広範なユーザをサポートするように適合されてもよい。身体に障害のあるユーザは、頭装着型ディスプレイおよびデータグローブのようなアクセサリを用いる技術など、既存の没入型技術を利用することが困難である。このようなユーザは、ユーザの視点に関して適正な空間位置に現れる体部位の仮想表現を見ることができる没入型仮想現実出力が与えられる。
2012501020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
調整可能なボディ・センサ・ユニットであって、
少なくとも１つのセンサを含む少なくとも１つのノードと、
少なくとも１つのアタッチメント素子を含む少なくとも１つのボディアタッチメントであって、前記少なくとも１つのアタッチメント素子は、前記少なくとも１つのノードをボディアタッチメントに取り付ける、前記少なくとも１つのボディアタッチメントと、
前記少なくとも１つのセンサによって受け取られる測定値を伝達する少なくとも１つの素子であって、伝達する前記素子は好ましくは前記ノードの一部である、前記少なくとも１つの素子と
を備え、
前記ボディアタッチメント上の前記ノードの位置が調整可能であること、及び前記ボディアタッチメント自体が様々なユーザに適応するように調整可能であることのうちの少なくとも一方を特徴とするボディ・センサ・ユニット。
【請求項２】
少なくとも１つのさらなるセンサが前記ボディアタッチメントに調整自在に取り付けられ、前記さらなるセンサは該センサが取り付けられる体部位の動きを測定する信号変換素子を含む、請求項１に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項３】
前記ボディアタッチメントは調整可能なボディ・アタッチメントグローブであり、該グローブは好ましくは親指孔を有する開管の形または巻き付けシートの形を有し、前記少なくとも１つのさらなるセンサは指センサまたは手首センサである、請求項２に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項４】
前記グローブはユーザの指が挿入される１つまたは複数の指ガイドを含む、請求項３に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項５】
前記指センサまたは手首センサは前記少なくとも１つのアタッチメント素子を介して調整自在に取り付けられ、前記少なくとも１つのアタッチメント素子は好ましくはアタッチメントパッド、クリップ、ジッパー、ボタン孔、またはポケットである、請求項３または４に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項６】
少なくとも２つの指センサにしっかりと取り付けられることが好ましい少なくとも１つの指間センサを備え、該指間センサは人差し指を中指に接続する、請求項３乃至５のいずれか一項に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項７】
前記指間センサは、該指間センサの２つの端の各々で指センサにしっかりと取り付けられる、請求項６に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項８】
前記アタッチメントグローブは弾力性がある、請求項３に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項９】
前記変換素子は屈曲、回転、伸び、または圧力を測定し、２Ｄまたは３Ｄ加速度計、磁力計、ベンド、リニア、または回転ポテンショメータなどのポテンショメータ、位置エンコーダ、あるいは圧力センサである、請求項２乃至８のいずれか一項に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項１０】
振動モーター、光、およびスピーカのうちの少なくとも１つなどの少なくとも１つのエフェクタが前記少なくとも１つのノードの一部である、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項１１】
前記ノードは好ましくはバッテリまたは太陽電池などのエネルギー源による電源内蔵式である、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項１２】
前記ノードは赤外線やブルートゥースなどによって無線でベースユニットと通信する、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項１３】
前記ボディ・センサ・ユニットは前記ボディアタッチメントに着脱可能に取り付けられることが好ましい少なくとも１つの指ベースを有し、該指ベースは該指ベースに取り付けられた前記少なくとも１つの指センサを有し、該指センサは指に沿って伸びて前記指の先端でスライディングリングによって前記指にさらに固定されることが好ましい、請求項３乃至１２のいずれか一項に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項１４】
前記スライディングリングは前記先端の位置を追跡するための少なくとも１つのマーカーを含む、請求項１３に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項１５】
前記指センサはリニアモーターまたは電気活性高分子アクチュエータなどの駆動デバイスを含む、請求項３乃至１４のいずれか一項に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項１６】
前記ボディ・センサ・ユニットは、少なくとも１つのマーカーを更に備え、該少なくとも１つのマーカーは、（ａ）位置、（ｂ）向き、及び（ｃ）温度のうちの少なくとも１つを検出し、該少なくとも１つのマーカーが、
（ａ）位置を検出する場合、前記マーカーは好ましくは磁場発生器／検出器、アウトサイドイン視覚追跡器用光学マーカー、インサイドアウト視覚追跡器用内部カメラ、超音波放射器／受信器、無線送信器／受信器であり、
（ｂ）向きを検出する場合、前記マーカーは好ましくは磁力計または加速度計であり、
（ｃ）温度を検出する場合、前記マーカーは好ましくは温度計である、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項１７】
前記ボディアタッチメントはベストであり、前記センサは胴の動きおよび屈曲のうちの少なくとも一方を測定する、請求項１または請求項２に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項１８】
前記ボディアタッチメントは足に取り付けられて、足の動き、屈曲、および力のうちの少なくとも１つを測定する、請求項１または請求項２に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項１９】
前記ボディアタッチメントは外面に接する位置にかかと素子およびつま先素子を含み、前記ボディアタッチメントは、少なくとも１つの圧力センサおよび屈曲センサのうちの少なくとも一方を含む、請求項１８に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項２０】
前記ボディアタッチメントは、
（ａ）底部および甲部を有する、可変シューズまたは可変オーバーシューズまたはソックス、あるいは
（ｂ）互いに調整自在に取り付けられるつま先素子およびかかと素子
である、請求項１９に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項２１】
２つの圧力センサが前記つま先素子に位置し、２つの圧力センサが前記かかと素子に位置する、請求項１９または２０に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項２２】
前記圧力センサは、
前記シューズ内部の底に置かれる中敷きに組み込まれ、または、かかとの内側などの前記シューズの外側のアタッチメントまたはアタッチメントの中、あるいは前記つま先領域のコンテナまたはコンテナの中に置かれ、あるいは、
前記シューズ内部の底に置かれる中敷きに組み込まれ、かつ、かかとの内側などの前記シューズの外側のアタッチメントまたはアタッチメントの中、あるいは前記つま先領域のコンテナまたはコンテナの中に置かれる、請求項２１に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項２３】
前記センサは前記底に着脱自在に取り付けられる、請求項２１または２２に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項２４】
請求項１乃至２３のいずれか一項に記載の少なくとも１つのボディ・センサ・ユニットと、前記ボディ・センサ・ユニットの前記センサによって測定される体部位の動きを没入的に表示するために前記少なくとも１つのボディ・センサ・ユニットと通信する表示ユニットとを備える没入型仮想現実システム。
【請求項２５】
仮想現実システムであって、
少なくとも１つのセンサまたは該少なくとも１つのセンサを含むノードと、
少なくとも１つのコンピュータであって、前記センサは体部位に取り付けられる信号変換素子を備え、該変換素子は前記体部位の動きを追跡するように適合される、少なくとも１つのコンピュータと、
表示ユニットに表示する前記動きをマッピングするコンピュータに前記追跡された動きを伝達する少なくとも１つの素子であって、前記表示ユニットは、
少なくとも１つのモニタと、
少なくとも１つのミラーユニットと、
前記モニタおよびミラーユニットを位置に合わせて調整するための調整デバイスであって、前記位置において、前記ミラーユニットでの没入観察のために前記センサによって追跡された動きが前記モニタに表示されるように前記モニタがミラーユニットに反映される、前記調整デバイスと、
を含む、前記少なくとも１つの素子と、
を備える仮想現実システム。
【請求項２６】
前記コンピュータのマッピングは前記追跡された動きの拡大または縮小を含む、請求項２５に記載の仮想現実システム。
【請求項２７】
鏡像が前記モニタに表示される、請求項２５に記載の仮想現実システム。
【請求項２８】
前記調整デバイスは、前記少なくとも１つのモニタ、前記少なくとも１つのミラーユニット、および好ましくは少なくとも１つの作業面のうちの少なくとも１つが装着されるフレームであり、高さおよび傾きのうちの少なくとも一方が調整可能である、請求項２５乃至２７のいずれか一項に記載の仮想現実システム。
【請求項２９】
前記モニタおよび前記少なくとも１つのミラーユニットのうちの少なくとも一方は少なくとも部分的に湾曲している、請求項２５乃至２８のいずれか一項に記載の仮想現実システム。
【請求項３０】
前記体部位は手、腕、脚、および足のうちの少なくとも１つを含む、請求項２５乃至２９のいずれか一項に記載の仮想現実システム。
【請求項３１】
ボディ・センサ・ユニットであって、
少なくとも１つのボディアタッチメントと、
前記ボディアタッチメントに取り付けられた少なくとも１つのセンサを含む少なくとも１つのノードと、
少なくとも１つの指間センサおよび人差し指と中指との間に指間センサを接続するアタッチメント素子であって、前記指間センサは前記人差し指および中指の動きを測定する信号変換素子を含む、前記少なくとも１つの指間センサおよびアタッチメント素子と
前記少なくとも１つの指間センサによって受け取られる測定値を伝達する少なくとも１つの素子と
を備えるボディ・センサ・ユニット。
【請求項３２】
前記アタッチメント素子は、前記少なくとも１つの指間センサを、各々が指に沿って伸びる少なくとも２つの指センサに接続する、請求項３１に記載のボディ・センサ・ユニット。
【請求項３３】
患者のリハビリテーションにおいて体部位の動きが制限される、請求項１乃至３２のいずれか一項に記載の、ボディ・センサ・ユニットおよび仮想現実システムのうちの少なくとも一方の使用法。
【請求項３４】
乗り物酔いおよび視力障害のうちの少なくとも一方がある患者による、請求項１乃至３３のいずれか一項に記載の、ボディ・センサ・ユニットおよび仮想現実システムのうちの少なくとも一方の使用法。
【請求項３５】
体部位の没入型仮想画像を生成する方法であって、
少なくとも１つの追跡デバイス、少なくとも１つのモニタ、および少なくとも１つのミラーユニットを提供することであって、
前記体部位に取り付けられた少なくとも１つのセンサはその動きを測定し、
前記モニタは前記体部位の動きを追跡し、
前記少なくとも１つのミラーユニットは前記体部位の没入型仮想画像を提供する、前記少なくとも１つの追跡デバイス、少なくとも１つのモニタ、および少なくとも１つのミラーユニットを提供すること
を含む方法。
【請求項３６】
少なくとも２つのセンサが提供され、１つのセンサは腕の動きを測定するためのものであり、１つのセンサは脚の動きを測定するためのものであり、前記ミラーユニットおよびモニタのうちの少なくとも一方は少なくとも部分的に湾曲し、前記腕および脚の没入型仮想画像が生成される、請求項３５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、仮想現実システムに関し、特に没入型仮想現実システム、それらの部品、構造、および使用法に関する。システムおよび／またはそれらの部品は、特定の実施形態において、成人または子供によって使用されてもよく、好ましくは１つのデバイスの範囲内で種々の体格および病状の広範なユーザをサポートするように適合されてもよい。身体に障害のあるユーザは、頭装着型ディスプレイおよびデータグローブのようなアクセサリを用いる技術など、既存の没入型技術を利用することが困難である。このようなユーザは、ユーザの視点に関して適正な空間位置に現れる体部位の仮想表現を見ることができる没入型仮想現実出力が与えられる。
（関連出願の相互参照）
本出願は２００８年８月２５日に出願された米国特許出願第６１／０９１，４７０号明細書の便益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
数多くの仮想現実システムが存在する。没入型仮想現実システムは、没入感（すなわち、「その場に居るような」感覚や気分）を提供する。没入型仮想現実システムは、エンターテイメント、機械の運用手順や操作の訓練、コンピュータ支援設計、および運動障害または社会不安障害のリハビリテーションにおいて利用される。しかし、一般に、これらのシステムは、機敏さと手足の動きの範囲とが正常な成人ユーザが使用するように設計される。たとえば、既存の仮想現実システムが子供、あるいは手足の動きが厳しく制限された（たとえば、手の痙攣）成人、一時的または長期にわたる身体的変形（たとえば、手のむくみ）のある成人、または視力障害（たとえば、視力の欠如、乗り物酔い）のある成人に使用されるときに問題が生じる。
【０００３】
多くの仮想現実システムでは、腕および手の動きを測定するためにユーザはデータグローブなどの追跡デバイスの装着を必要とする。しかし、詳細な指の屈曲を追跡する機能を備えるこれらのデータグローブは、システムの構成部品を大幅に変更せずに、小さい子供、たとえば、およそ５歳以上（たとえば、グローブサイズＸＳ：６〜７、Ｓ：８、Ｍ：１０〜１２、Ｌ：１４〜１６）、あるいは変形（たとえば、手のむくみ、手の痙攣）のある成人のいずれの手にも合うように容易に適合させることはできない。
【０００４】
いくつかの先行技術システムは、基準に合わないユーザへの適合性が限定される場合がある。
モーリ（Ｍｏｈｒｉ）の米国特許第６，５１５，６６９号明細書には、手の指先および甲に対するモジュール型検出部品を有するシステムが開示されている。このシステムは、下層のグローブを交換することによって任意の大きさの手に合うように適合され得る。しかし、例示されたグローブは、動きが正常な健常ユーザにしか適合しない。
【０００５】
コナン（Ｃｏｎａｎｔ）の米国特許公開第２００８／０１３６７７５号明細書には、いかなる体格のユーザも使用し得る独立したレシーバを併用した指装着および手首装着無線周波数識別（ＲＦＩＤ）マーカーを使用するシステムが開示されている。しかし、グローブがないので、取り扱いが困難でかつユーザに適合するのに長い時間がかかる多数の分離したタグが取り付けられなければならない。
【０００６】
本発明を説明し、特に実施に関してさらなる詳細を提供するために、本明細書において利用される特許および特許公報を含む出版物などの資料が、参照によって組み込まれる。
多くの市販の仮想現実システムでは、不透明な頭装着型のディスプレイ、半透明拡張現実ディスプレイ、またはユーザが装着する半透明ヘルメットに投影される画像のいずれかの形の頭装着型ディスプレイ（ｈｅａｄ−ｍｏｕｎｔｅｄ  ｄｉｓｐｌａｙ：ＨＭＤ）が採用される。通常の平面ディスプレイに比べて、ＨＭＤは仮想対象がユーザに対して適正な空間位置にあるように見える完全没入型ディスプレイ（多くはステレオ３Ｄ）を提供するという利点がある。特に重要なのは、適正な空間位置にユーザ自身の体の一部、通常、腕、胴、および脚を表現することができることである。しかし、多くのユーザはＨＭＤを使うことが困難である。ほんの数例を挙げると、乗り物に酔い、閉所恐怖症になりがちな（健常な）対象または患者、視力の欠如などの視力障害のある（健常な）対象または患者である。これらのユーザはこうした問題を回避するために従来型のモニタや遠隔映写幕（ｒｅｍｏｔｅ  ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  ｓｃｒｅｅｎｓ）の使用を選択する余地があるが、これらの「解決策」ではユーザの体部位を空間的に適正に表現しないという犠牲を強いられることになる。
【０００７】
つまり、現行の仮想現実システムは、典型的に、健常な成人を念頭に置いて設計されている。さらに、没入型仮想現実ディスプレイには、乗り物酔いに関連する悪心を起こすことが知られ、視覚障害や閉所恐怖症のあるユーザに適さない頭装着型ディスプレイが採用される場合が多い。
【０００８】
それゆえ、当技術分野において、子供だけでなく、身体障害のあるユーザおよび／または乗り物酔いおよび／または閉所恐怖症になりがちなユーザを含む広範な対象に利用可能な仮想現実環境を提供する必要性がある。
【０００９】
本発明は、特定の実施形態において、先行技術の１つまたは複数の欠点を克服するように設計される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、特に、（１）１つまたは複数のボディ・センサ・ユニットと、ユーザの視点に対して適正な空間位置に自分の体部位を仮想表現することができる表示ユニットとを備える没入型仮想現実システム、ならびに（２）様々な体格の成人および子供に使用するために迅速かつ容易に調節され得る仮想現実システムを提供する。特定の実施形態において、本発明は、１つまたは複数の以下の好都合な特徴を有する仮想現実システムを提供する。特に、仮想現実システムは、以下のようなものであってもよい。
●  ユーザに乗り物酔いの症状を引き起こさない
●  腕および脚の仮想表現を観察しながら腕および脚を自由に移動することができる
●  手、腕、または脚の移動に障害のあるユーザに迅速かつ容易に適合され得る
●  手、腕、または脚に筋疾患または変形のあるユーザに迅速かつ容易に適合され得る
●  取り扱いを容易にするため最小数の個別部品を含む
●  既存の表示および検出技術を用いて容易に構成され得る
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、一実施形態において、
少なくとも１つのセンサを備える少なくとも１つのノードと、
上記少なくとも１つのノードをボディアタッチメントに取り付ける少なくとも１つのアタッチメント素子を備える少なくとも１つのボディアタッチメントと、
少なくとも１つのセンサによって受け取られる測定値を伝達する少なくとも１つの素子であって、伝達するための上記素子は好ましくはノードの一部であり、体部位アタッチメントのノードの位置は調整可能でありかつ／またはボディアタッチメント自体は様々なユーザに適応するように調整可能である、少なくとも１つの素子と、
を備える可変ボディ・センサ・ユニットに関する。
【００１２】
少なくとも１つのさらなるセンサ／検出素子がボディアタッチメントに調整自在に取り付けられてもよく、さらなるセンサ／検出素子はこれが取り付けられる体部位の動きを測定する信号変換素子を備えてもよい。
【００１３】
ボディアタッチメントは可変ボディ・アタッチメント・グローブであってもよく、可変ボディ・アタッチメント・グローブは親指孔を有する開管の形、あるいは巻き付けシートの形であることが好ましい。少なくとも１つのさらなるセンサ／検出素子は、指センサまたは手首センサであってもよい。グローブは、ユーザの指が挿入される１つまたは複数の指ガイドを備えてもよい。指センサまたは手首センサは少なくとも１つのアタッチメント素子を介して調整自在に取り付けられてもよく、少なくとも１つのアタッチメント素子はアタッチメントパッド、クリップ、ジッパー、ボタン孔、またはポケットの形を成してもよい。また、少なくとも１つの指間センサ（ｆｉｎｇｅｒ−ｔｏ−ｆｉｎｇｅｒ  ｓｅｎｓｏｒ）は、本発明の一部でもあり、これは好ましくは少なくとも２つの指センサにしっかりと取り付けられて人差し指を中指に接続することが好ましい。指間センサは、ボディ・センサ・ユニットの一部であってもよく、本実施形態または他の実施形態において、指センサの２つの端部の各々にしっかりと取り付けられてもよい。アタッチメントグローブは弾力性のあることが好ましい。
【００１４】
変換素子は、屈曲、回転、伸び、または圧力を測定してもよく、２Ｄまたは３Ｄの加速度計、磁力計、ベンド（ｂｅｎｄ）、リニア、または回転式ポテンショメータなどのポテンショメータ、位置エンコーダ、あるいは圧力センサであってもよい。振動モーター、光、および／またはスピーカなどの少なくとも１つのエフェクタは、少なくとも１つのノードの一部であることが好ましく、ボディ・センサ・ユニットの一部であってもよい。ノードは、バッテリや太陽電池のようなエネルギー源などによる電源内蔵式であってもよい。ノードは、赤外線やブルートゥースなどを介して無線でベースユニット（ｂａｓｅ  ｕｎｉｔ）と通信してもよい。ボディ・センサ・ユニットは、好ましくはボディアタッチメントに着脱自在に取り付けられる少なくとも１つの指ベースを有してもよい。指ベースは、これに取り付けられ、指に沿って伸びる少なくとも１つの指センサを有してもよい。指センサは、指の先端でスライディングリングによって指にさらに固定されることが好ましい。スライディングリングは、上記先端の位置を追跡するための少なくとも１つのマーカーを含んでいてもよい。指センサは、リニアモーターまたは電気活性高分子アクチュエータなどの駆動デバイスを備えてもよい。また、ボディ・センサ・ユニットは、少なくとも１つのマーカーを備えてもよく、該少なくとも１つのマーカーは、（ａ）位置、（ｂ）向き、及び（ｃ）温度のうちの少なくとも１つを検出し、該少なくとも１つのマーカーが、
（ａ）位置を検出する場合、前記マーカーは好ましくは磁場発生器／検出器、アウトサイドイン視覚追跡器（ｏｕｔｓｉｄｅ−ｉｎ  ｖｉｓｕａｌ  ｔｒａｃｋｅｒ）用光学マーカー、インサイドアウト視覚追跡器（ｉｎｓｉｄｅ−ｏｕｔ  ｖｉｓｕａｌ  ｔｒａｃｋｅｒ）用内部カメラ、超音波放射器／受信器、無線送信器／受信器であり、
（ｂ）向きを検出する場合、前記マーカーは好ましくは磁力計または加速度計であり、
（ｃ）温度を検出する場合、前記マーカーは好ましくは温度計である。
【００１５】
また、ボディアタッチメントはベストであってもよい。本実施形態において、センサは胴の動きおよび／または屈曲を測定してもよい。
また、ボディアタッチメントは、足に取り付けられて、足の動き、屈曲、および／または力を測定してもよい。ここで、ボディアタッチメントは、外面に接する位置にかかと素子およびつま先素子、および少なくとも１つの圧力センサ、および／または屈曲センサを備えてもよい。ボディアタッチメントは、特に、（ａ）底部および甲部を有する可変シューズまたは可変オーバーシューズまたはソックス、あるいは（ｂ）互いに調整自在に取り付けられるかかと素子およびつま先素子であってもよい。２つの圧力センサがつま先素子に位置してもよく、２つの圧力センサがかかと素子に位置してもよい。圧力センサは、シューズ内部の底に置かれる中敷きに組み込まれてもよく、かつ／またはかかとの内側などのシューズの外側のアタッチメントまたはアタッチメントの中、あるいはつま先領域のコンテナまたはコンテナの中に置かれてもよい。センサは着脱自在に底に取り付けられてもよい。
【００１６】
また、本発明は、本明細書で開示されるような少なくとも１つのボディ・センサ・ユニットおよび表示ユニットを備える没入型仮想現実システムに関する。表示ユニットは、ボディ・センサ・ユニットのセンサによって測定された体部位の動きを没入的に表示するために少なくとも１つのボディ・センサ・ユニットと通信してもよい。
【００１７】
また、本発明は、
少なくとも１つのセンサまたはこの少なくとも１つのセンサを備えるノードと、
少なくとも１つのコンピュータであって、センサは体部位（たとえば、手、腕、脚、および／または足）に取り付けられる信号変換素子を備え、変換素子は体部位の動きを追跡するように適合される、少なくとも１つのコンピュータと、
表示ユニットに表示する動きをマッピングするコンピュータに追跡された動きを伝達する少なくとも１つの素子であって、表示ユニットは、
少なくとも１つのモニタと、
少なくとも１つのミラーユニットと、
モニタおよびミラーユニットを位置に合わせて調整するための調整デバイスであって、この位置において、ミラーユニットでの没入観察のためにセンサによって追跡された動きがモニタに表示されるようにモニタがミラーユニットに反映される、調整デバイスと、
を備える、少なくとも１つの素子と、
を備える仮想現実システムに関する。
【００１８】
コンピュータのマッピングは、追跡された動きの拡大または縮小を含んでいてもよい。モニタは鏡像を表示してもよい。調整装置は、少なくとも１つのモニタ、少なくとも１つのミラーユニット、および／または好ましくは少なくとも１つの作業面が装着されるフレームであってもよい。これらは、高さおよび／または傾きが可変であってもよい。モニタおよび／または少なくとも１つのミラーユニットは、少なくとも部分的に湾曲してもよい。
【００１９】
また、本発明は、
少なくとも１つのボディアタッチメントと、
上記ボディアタッチメントに取り付けられた少なくとも１つのセンサを備える少なくとも１つのノードと、
少なくとも１つの指間センサおよび人差し指と中指の間に指間センサを接続するアタッチメント素子であって、指間センサは上記人差し指および中指の動きを測定する信号変換素子を備える、アタッチメント素子と
上記少なくとも１つのセンサおよび／または指間センサによって受け取られる測定値を伝達する少なくとも１つの素子と、
を備える、ボディ・センサ・ユニットに関する。
【００２０】
アタッチメント素子は、少なくとも１つの指間センサを各々が指に沿って伸びる少なくとも２つの指センサに接続してもよい。
また、本発明は、患者のリハビリテーションにおいて体部位の動きが制限されるボディ・センサ・ユニットおよび／または仮想現実システムの使用法に関する。
【００２１】
また、本発明は、乗り物酔いおよび／または視力障害のある患者によるボディ・センサ・ユニットおよび／または仮想現実システムの使用法に関する。
また、本発明は、少なくとも１つの追跡デバイス、少なくとも１つのモニタ、および少なくとも１つのミラーユニットを提供するステップであって、体部位に取り付けられた少なくとも１つのセンサはその動きを測定し、モニタは体部位の動きを追跡し、少なくとも１つのミラーユニットは体部位の没入型仮想画像を提供する、ステップを備える体部位の没入型仮想画像を生成する方法に関する。
【００２２】
特定の実施形態において、１つは腕の動きを測定し、もう１つは脚の動きを測定する少なくとも２つのセンサが提供され、ミラーユニットおよび／またはモニタは、少なくとも部分的に湾曲してもよく、腕および脚の没入型仮想画像が生成されてもよい。
【００２３】
当業者であれば気付くように、本明細書に記載され所有権を主張される仮想現実システムおよびその部品の用途は、非常に広範であり、エンターテイメント、およびコンピュータ支援設計だけでなく機械の運用手順／操作の訓練を含む前述の非医用のみならず、治療（リハビリテーション）上の使用など医用を含む。しかし、本明細書に開示される仮想現実システムの１つの好ましい使用法は、様々な身体障害および神経障害のある成人および子供の手足の機能のリハビリテーションへの利用である。典型的に、患者は、リハビリテーションにおいて、ボディ・センサ・ユニットを介して自分の実際の手足によって制御される自分の腕および脚の仮想表現をディスプレイで見ることになる。本発明は、好ましくは、追跡された動きをマッピング機能によってボディ・センサ・ユニットから仮想手足に移動し、マッピング機能は最も適切な治療過程に合わせて変えられる。健常者において、マッピング機能は、実際の手足の動きをそのまま仮想手足の動きに単純に１対１に変換するものであるが、患者において、マッピングは、外傷の種類および治療段階の両方に応じて特定の動きを支援（拡大）したり制限したりするなど、場合によって、複雑な非線形関数となり得る。また、異なる仮想手足を（場合によっては部分的に）制御するために実際の手足の動きを利用することも可能であり、これは、患者が手足をまったく使用できなくなっているとき、あるいは特定の手足を完全に失っているときに役に立つ。患者は通常多くの異なる作業（伸ばして掴む、蹴るなど）を実行するために仮想手足の動きを制御することが求められるが、仮想手足が表示される必要はないことは注目に値する。
【００２４】
本明細書に記載される実施形態は、本発明の特定の目的に対する例示と見なされ得る。しかし、本発明の特定の実施形態が前述の特徴のいずれかを有する必要はなく、本発明の予想される実施形態が前述の特徴に限定されるものではないことを当業者は理解するであろう。
【００２５】
本発明の前述の特徴および利点は、本発明の詳細な説明および添付図面を考察するとより容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】手のボディ・センサ・ユニットを示す図である。
【図２】手のラップ・アラウンド・ボディ・センサ・ユニットを示す図である。
【図３】指間センサによる追加測定機能を有する手のボディ・センサ・ユニットを示し、その拡大図が左側に示される図である。
【図４】手首のボディ・センサ・ユニットを示す図である。
【図５】胴のボディ・センサ・ユニットを示す図である。
【図６ａ】足のボディ・センサ・ユニットを示す図である。
【図６ｂ】足のボディ・センサ・ユニットを示す図である。
【図６ｃ】足のボディ・センサ・ユニットを示す図である。
【図７ａ】表示ユニットの実施形態を示す図である。
【図７ｂ】モニタの実施形態はユーザの手足が正確に知覚される奥行きで同時に見えるような別の表示ユニットを示す図である。
【図８ａ】座位観察モードで使用するように調整された表示ユニットを示す図である。
【図８ｂ】立位観察モードで使用するように調整された表示ユニットを示す図である。
【図９ａ】図８ａに似ているが、ユーザが仮想環境において前方と下方を見ることができるようなモニタの別の実施形態の表示ユニットを示す図である。
【図９ｂ】ユーザがもたれかかった姿勢で使用するように調整された、図８ａに似た表示ユニットを示す図である。
【図１０ａ】小さいミラーがユーザの目に最も近くなるように調整された表示ユニットを示す図である。
【図１０ｂ】肩装着ミラーを有する表示ユニットを示す図である。
【図１０ｃ】ミラーユニットがプリズムを備える表示ユニットを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
一実施形態において、本発明は、１つまたは複数のボディ・センサ・ユニットおよび／または表示ユニットに関する。ボディ・センサ・ユニットの具体的な実施形態が図１〜５に示され、表示ユニットの特定の実施形態が図６〜１０に示される。好都合には、本発明は、広範囲にわたる体格および／または年令のユーザが彼らの実際の体部位に対して正しい空間位置で、すなわち、没入的に自分の体の一部（たとえば、腕および脚）の仮想表現を見ることができる没入型仮想現実システムを提供する。没入型仮想現実システムは、少なくともボディセンサおよび表示ユニットを備える。ボディセンサおよび表示ユニットはいずれも、好ましい一実施形態において、成人および／または小さい子供が使用するように容易に調整され、運動機能障害あるいは手足のむくみや痙攣を含むがこれらに限定されない身体的無能力のユーザおよび身体的障害のあるユーザに容易に適合するように設計される。しかし、特定の実施形態において、調整機能は不要である。
【００２８】
一実施形態において、ボディ・センサ・ユニットは、精確に調整可能なボディアタッチメントを用いて体の様々な部位に装着されるモジュールノードのネットワークを備える。モジュールノードのネットワークは、２個、３個、４個、５個、６個、７個、またはさらに多くのノードを含むことが好ましい。各ノードは１つまたは複数のローカルセンサおよび／またはエフェクタを含む。ローカルセンサは、２Ｄまたは３Ｄ加速度計、磁力計、ポテンショメータ、位置エンコーダ、および／または圧力センサを含んでいてもよい。しかし、当業者であれば、動きを検出し得るいかなるデバイスも本発明に照らして適切なセンサであることを容易に理解するであろう。エフェクタは、振動モーター、光、スピーカを含むがこれらに限定されない。しかし、当業者であれば、ユーザと直接通信し得るいかなるデバイスも本発明に照らして適切なエフェクタであることを理解するであろう。ノードは、特定の実施形態において、好ましくは１つのベースユニットと通信してもよく、ベースユニットは、さらに、残りの仮想現実システムを制御するコンピュータと通信してもよい。また、通信用の素子は独立してもよい。各ノードは、通信用のベースユニットおよび／または電源に接続されてもよく、あるいは電源内蔵式（バッテリ、太陽電池、またはその他のエネルギー源）であってもよく、特定の実施形態において、たとえば、赤外線およびブルートゥースを含むがこれらに限定されない無線技術を用いてベースユニットと通信してもよい。
【００２９】
センサ／ノードは、特定体部位に容易に適合するように設計されたボディアタッチメントに取り付けられ、ボディアタッチメントは広範な体格および／またはそれぞれの体部位の形に適応することが好ましい。一実施形態において、ボディアタッチメントは、ボディ・アタッチメント・グローブとして設計され、親指用の側（横）孔を有する、好ましくは円筒状の弾性チューブの形をしている。別の実施形態において、ボディアタッチメントは、指および親指用のポケットが付いた巻き付けシート（ｗｒａｐ  ａｒｏｕｎｄ  ｓｈｅｅｔ）の形を成す。この巻き付けシート（「グローブ」）は手の痙攣や変形と無関係に一般にどんな患者にも装着され得るので巻き付けの変形形態は特に好都合である。関節でのボディ・センサ・ユニットの一部の相対的な動き（たとえば、指の屈曲）を可能にするために、ボディ・センサ・ユニットの一部は（たとえば、指輪の付着点で）体の表面をスライドするように設計されてもよく、その間、他の部分は固定されてもよい（たとえば、手の甲に）。別の実施形態において、ボディアタッチメントは、ユーザが素足で、あるいはソックスを履いてシューズまたはソックスを装着する形を取る。さらに別の実施形態において、ボディアタッチメントは、ユーザが自分のシューズに取り付けるオーバーシューズの形を取る。これは、シューズまたはオーバーシューズが広範なサイズの足またはシューズに容易に適合させ得る弾性素子または可変素子を含んでいれば好都合である。
【００３０】
一実施形態において、ボディアタッチメントに装着される検出素子／センサは、体部位に沿ってかつ／あるいは角度または拡大が測定される関節または体部位の周囲に伸びるように配置される。別の実施形態において、ボディアタッチメントに装着される検出素子／センサは、体部位の相対変位、たとえば、２本の指の間の相対変位を測定するように配置される。このような場合、検出素子／センサは、２つの体部位の間、たとえば、指と指の間の距離を測定してもよい。また、検出素子は、たとえば、カメラに基づく外部追跡デバイスの能動または受動マーカーの形であってもよい。
【００３１】
表示ユニットは、好ましくは支持フレームに取り付けられる作業面、ミラーユニット、およびモニタを備えてもよい。本実施形態において、作業面、ミラーユニット、およびモニタユニットは、すべて支持フレームに対して調整されて回転されてもよい。作業面、ミラーユニット、およびモニタユニットは、薄く（１０〜５０ｍｍ、５０ｍｍ〜１ｃｍ、または１ｃｍ〜２ｃｍなど、１０ｍｍ〜２ｃｍ）かつ平坦であってもよいが、本発明の一部の実施形態において、ミラーユニットまたはモニタは、以下でさらに詳しく説明するように、奥行き知覚に一定の効果を与えるために湾曲してもよい。典型的な利用状況において、ユーザは作業面に自分の腕を載せて表示ユニットの前でオプションの椅子に座り、作業面は水平でかつ通常のテーブルと同じ高さになるように調整される。しかし、作業面は、オプションであり、車椅子のユーザに適応し得るように高さと傾きが調整可能であることが好ましい。オプションの椅子は、高さ、背もたれの傾き、および下肢の支持角度が可変であってもよい。しかし、ユーザは、表示ユニットの前に立ってもよく寝そべってもよい。
【００３２】
ミラーユニットは、一実施形態において、フレームに取り付けられ、好ましくはユーザの目の高さと作業面とのほぼ中間点で反射面を上に向けて水平に配置される。しかし、特定の実施形態において、ミラーユニットは、ミラーユニットで反射されるモニタの画像がユーザによって観察されるように、ユーザの頭および／または肩に装着され得る担体などの、ほかの部位に装着されてもよい。モニタは、特定の実施形態において、ユーザの頭の前または真上で下に向けて水平になるように配置される。ミラーユニットを覗き込むことによって、ユーザにはモニタの画像が作業面と同じ平面内にあるかのように見える。動きがボディ・センサ・ユニットによって検出されたユーザの実際の腕の動きと一致する仮想腕の画像をモニタに表示することによって、ユーザは仮想腕が自分の実際の腕と同じ物理的な位置にあるとの印象を受けて没入感を覚える。この状況として、ユーザが立っている場合、寝そべっている場合、あるいは自分の足が見える程度にもたれている場合など、いくつかの変形形態が考えられる。いずれの場合にも、表示ユニットは、仮想腕または仮想脚が「正しい」位置に見えるように調整される。モニタおよび／またはミラーユニットが適度に湾曲している場合、腕と脚がたとえユーザの目から異なる距離にあっても腕と脚の両方を正しい仮想位置に表示することが可能である。また、モニタは、観察者に奥行き感を与えるために、シャッターガラス、ティンティドガラス、偏光フィルタガラスを含むがこれらに限定されない任意の三次元表示技術と組み合わされてもよい。また、仮想環境の一部が仮想環境の他の部分に対して奥行きが異なって見えるように、表示ユニットのモニタは複数の平坦なセグメントまたは湾曲したセグメントから構成されてもよく、かつ／あるいはミラーユニットは複数の平坦なセグメントまたは湾曲したセグメントから構成されてもよい。
【００３３】
図１は、ボディ・センサ・ユニットの実施形態を示す。図示されたボディ・センサ・ユニットは、手の表面で使用され、一定のグローブを容易に装着できない手に容易に適合するだけでなく種々の大きさの手に適合するように精確に調整し得るように設計される。スリーブ１は、ユーザの手に装着され、その表面に１つまたは複数のアタッチメントパッド２を有する。スリーブ１は、長期間にわたって快適に使用できるように、ネオプレン、ライクラ（ＬＹＣＲＡ）、ジャージ、綿、または合成フリースなどの柔らかく、通気性のある、軽量の、伸縮性のある繊維で作られる。しかし、当業者であれば、スリーブは他の材料で作られてもよく、ボディ・センサ・ユニットの構成部品の快適性と支持を最適化するために複数の材料の任意の組合せを含み得ることを容易に理解するであろう。好ましい一実施形態において、スリーブは、長手方向よりも周方向においてよりしなやかであるように、柔軟性の異なる少なくとも２つの材料あるいは柔軟性が可変の１つの材料から作られる。好ましい実施形態において、スリーブ１は最大限の適合性を持たせるために親指用の孔を有する布地の成形管として構成され、さらなる実施形態において、スリーブ１は一定のグローブのように成形される。しかし、当業者はスリーブ１がほかにも多くの形を取り得ることを理解するであろう。ノード３および指ベース４が図１においてアタッチメントパッド２に装着されて示され、アタッチメントパッド２は第１指関節の近くおよび親指の付根近くで手の甲の上に装着されることが好ましい。アタッチメントパッド２は、ノード３および／または指ベース４を容易に取り外して別のユーザの手の形状に合わせて再配置できるＶＥＬＣＲＯまたは任意の他の接着剤で作られることが好ましい。さらに、ノード３に１つまたは複数の保持ストラップを取り付けて、ノード３が腕を動かす間に前腕に対して移動しないようにこれを前腕にしっかりと取り付けるようにしてもよい。ベースケーブル（ｂａｓｅ  ｃａｂｌｅ）５はノード３をベースユニット（図示せず）に接続するが、１本または複数本のノードケーブル６はノード３を指ベース４に接続する。指センサ７Ａは下で指ベース４に取り付けられ、指先端で指輪８に取り付けられる。指輪８は、ユーザの指にぴったり適合し、複数のサイズが用意される。指輪８は、スライドし、あるいは指センサ７Ａに固定される。指センサ７Ａは、ゴムやソフトプラスチックなどの可撓性材料で作られてもよく、かつ／あるいは曲がった指の形状に適合させるために、屈曲部または任意のタイプのヒンジによって接続される１つまたは複数の関節継目を含んでいてもよい。指センサ７Ａの外側が変形しやすい材料で作られる場合、ヒンジは不要である可能性がある。指センサ７Ａは、１つまたは複数の信号変換素子、典型的に、屈曲センサ、すなわち、指セグメントの屈曲を測定するデバイスの任意の他の組合せを含む。信号変換素子は、指センサ７Ａの内部に設置されてもよく、さらに指センサ７Ａの中に、たとえば、埋め込みによって組み込まれてもよい。図示された実施形態において、３本の指が示されているが、一般に、本発明は、任意数の指センサ７Ａを含み得る（あるいは、指センサ７Ａが全くない場���もある）。指ベース４の固定部はアタッチメントパッド２に固定されるので、指の屈曲によって指センサ７Ａの破損または指ベース４への接続の切断につながる可能性のある大きな応力が指センサ７Ａに生じないように、指輪８は指センサ７Ａあるいは指のいずれかに対してスライドすることが好ましい。指輪８が指センサ７Ａに対してスライドする実施形態において、指輪８と指センサ７Ａの接触面積は滑らかにスライドし得るように選択されることが好ましく、たとえば、指センサ７Ａは滑らかな可塑性表面を有する滑らかなプラスチックで作られてもよく、指輪８は発泡材料またはプラスチックで少しゆるめに作られてもよい。
【００３４】
ノード３は、それ自体の位置（たとえば、アウトサイドイン視覚追跡器用光学マーカー、インサイドアウト視覚追跡器用内部カメラ、超音波放射器／受信器、無線送信器／受信器）、向き（たとえば、磁力計および／または加速度計）、または温度（温度計）を検出する１つまたは複数のマーカーを含んでいてもよい。指センサ７Ａは、トランスデューサ（変換素子）を含むことが好ましい。また、指の姿勢を検出するマーカー（たとえば、１つまたは複数の屈曲センサ、光ファイバーセンサ、アウトサイドイン視覚追跡部用マーカー）があってもよい。また、手首の屈曲および伸び（図示せず）を測定するために１つまたは複数のさらなるセンサが手首のスリーブ１の長手方向に装着されてもよい。別の実施形態において、指輪８は、指の端点の位置を追跡するための能動トランスデューサ（変換素子）またはマーカー（ノード３に似た）を含んでいてもよい。様々な追跡デバイスの読取り値に基づいて腕および手の位置および向きを決定するための多くの簡単なアルゴリズム、たとえば、加速度計用二重積分および重力ベクトル推定、視覚追跡用ブロブ追跡、および超音波／光／無線追跡器用飛行時間（ブロブ追跡に関しては米国特許第６，２５６，０４６号明細書、無線追跡に関しては米国特許第５，５１０，８００号明細書、超音波追跡に関しては米国特許第４，９８０，８７１号明細書および米国特許第５，４９５，４２７号明細書を参照されたい。光学飛行時間に関しては、たとえば、シュオン（Ｓｃｈｕｏｎ）ら著、「飛行時間深さ超分解能を用いた高品質走査（Ｈｉｇｈ−ｑｕａｌｉｔｙ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｕｓｉｎｇ  ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ  ｄｅｐｔｈ  ｓｕｐｅｒｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）」コンピュータビジョン及びパターン認識ワークショップ、ＩＥＥＥコンピュータソサエティカンファレンス、アンカレッジ、アラスカ、２００８、ｐｐ．１−７（２００８−０７−１５）を参照されたい。）が知られている。さらに、カルマンフィルタなどの周知の方法が複数の（相反する可能性のある）追跡データソースの結果をまとめるために使用され得る。また、指センサ７Ａは、ユーザの指に触覚フィードバック提供するためにこれらの形状および／または長さを変更する任意の種類の駆動デバイス（たとえば、リニア・モーター・アクチュエータ、電気活性高分子アクチュエータ）を含んでいてもよい。さらに、指輪８、指センサ７Ａ、指ベース４、またはノード３の１つまたは複数は、オプションとして、ユーザにフィードバックを提供するために、振動モーター、光、および／または小型スピーカなどの１つまたは複数のデバイスを含んでいてもよい。構成部品およびケーブル接続部のすべてが日常環境および苛酷な条件下、たとえば、水中で使用する場合に粉塵および湿気に対して密閉されれば好都合である。
【００３５】
図２は、正規のグローブが適合しにくい手に容易に適合するように特に設計されたボディ・センサ・ユニットのさらなる実施形態を示す。本実施形態において、スリーブ１は、１つまたは複数のストラップ９を用いてユーザの手および手首の周りに固定されるオープン・ラップ・アラウンド設計である。ストラップ９は、好ましくはＶＥＬＣＲＯで作られる。しかし、ストラップは他の材料で作られてもよく、ボタンとボタン孔の組合せ、プレスボタン、バックルなどを含む、手の周りにスリーブを固定し得る任意の構成が採用されてもよいことを当業者は容易に理解するであろう。図２の左側には、組み立て前の構成の開いた手の図が示されているが、右側は組み立て済みのスリーブの上面斜視図を示す。ユーザの皮膚に接するスリーブの内面は、オプションとして、ユーザの１本または複数本の指または親指が挿入される１つまたは複数の一体的な指ガイド１０を含み得る。指ガイド１０は先端が開いても閉じてもよい。指ガイド１０の好ましくは反対側に、１つまたは複数の指センサポケット１１および／または指ベースポケット１２が存在してもよく、これらのポケットには指センサ７および指ベース４（図示せず、図１参照）が挿入されてもよい。指ベースポケット１２および指センサポケット１１は、図示された実施形態において、指センサ７Ａを所定位置に保持する役目を果たす。指センサ７Ａは、指を曲げながら指センサポケット１１の中にスライドさせて入れることができるようにプラスチックなどの滑らかな材料で作られ、露出部位で指センサポケット１１および指ベースポケット１２の座屈を生じないほど硬いことが好ましい。指ベースポケット１２は、指ベース４が挿入されることができるように最上部が開いていることが好ましく、指ベース４は、このとき、ＶＥＬＣＲＯなどの手段によって指センサ７Ａの間で所定位置に保持されることが好ましい。スリーブ１が巻き付けられてユーザの手および手首に固定された後、ノード３は、たとえば、ＶＥＬＣＲＯまたは同等の材料を用いてストラップ９に取り付けられてもよい。指センサポケット１１および指ベースポケット１２に代わる手段として、指センサ７Ａおよび指ベース４をユーザの手に対して適正な位置に保つためにアタッチメントパッド１２（図１対照）および指輪８の組合せも採用され得る。
【００３６】
あるいは、以下でさらに詳しく説明するように、スリーブ１は、かかとおよびつま先が取り除かれたソックスと同様に成形されてもよい。ノード３は、たとえば、脚または足の最上部に取り付けられたアタッチメントパッドに装着されてもよい。つま先の動きの情報は、指センサ７Ａの小型化された修正版を用いて記録され得る。さらに、スリーブ１によって足の最上部に取り付けられた指センサ７Ａの修正版は、足の屈曲および／または足首の屈曲を測定するために使用され得る。
【００３７】
図３は、オプションとして互いに対する指の動きを測定できる本発明の別の実施形態を示す。図３において、図の左側は完全な実施形態を示すが、右側は、この場合、人差し指と中指を連結する構成部品のみの詳細図を示す。本実施形態において、指間センサ７Ｂは、隣接する指間の懸け橋となっている。図示されているのは、それぞれ、親指と人差し指の間ならびに人差し指と中指の２つの指間センサ７Ｂである。図１および２に示される指センサ７Ａは好ましくは手の甲／手のひらから指の先端まで伸びる指に沿って配置されるが、指間センサは好ましくは指の先端で指から指に及んでいる。指間センサを含む配置では、手のひらの平面内で指の斜めの動き（ｓｐｌａｙ  ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ）または親指と人差し指の外転または内転運動の実効測定が可能になる。特に、親指の動きは、指間センサを備える配置を用いて２つの自由度でより効果的に測定され得る。指間センサ７Ｂは、ブラケット１３などを経由して指に沿って伸びる既存の指センサ７Ａにしっかりと取り付けられることが好ましい。ブラケット１３によって、追加指センサ７Ｂが既存の指センサ７Ａの縦軸に実質的に垂直に保たれ、指間センサ７Ｂが既存の指センサ７Ａの縦軸に実質的に垂直な既存の指センサ７Ａと交差するようになる。この配置は、指間センサ７Ｂを１つの曲率半径で曲げられた状態に保つという利点があり、これは指間センサ７Ｂが一方向の屈曲に対してのみ感受性のある抵抗性屈曲センサ（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｂｅｎｄ  ｓｅｎｓｏｒ）を備える場合に好都合である。指に沿って伸びる指センサ７Ａの最上部にブラケット１３を備える図示の配置は、指を同時に自由に動かせるという利点がある。ほとんどの握る動作は、センサによって妨げられることなく実行され得る。ブラケット１３は、指輪８に固定され得るが、指センサ７Ａに独立に装着され得る（調整自在にあるいは永久に）。ブラケットの調整自在の固定では、相対的な指の動きを測定するための最適な指間センサ７Ｂの設置が可能になる。あるいは、ブラケット１３は、指ベース４のいずれかに調整自在または永久に取り付けられ得る。見た目に美しい一設計では、指間センサ７Ｂからの電線は、ユーザの指に沿って伸びる指センサ７Ａを経由してもよい。適切な場合、指間センサ７Ｂは、指ベース４を電気的に接続する導体を担持することができ、独立したノードケーブル６が不要になる。図示された実施形態では３本の指の動きを測定するだけであるが、本実施形態に示される構成部品を用いると、指を任意に組み合わせて測定し得ることは明らかである。
【００３８】
図４は、図１〜３に示された１つまたは複数の他の実施形態の素子を好都合に組み込んだ手首の動きを測定する本発明の実施形態を示す。ここで、手に装着される布地のスリーブ１は手首を包み込むが、これは、たとえば、図１または図２に示される種類のものであってもよい。ＶＥＬＣＲＯあるいはその他の取付け方法（たとえば、縫込みポケット）を用いてスリーブへの取り付けられるのは、手首の動き、特に、手首の屈曲および／または回転を測定する１つまたは複数のセンサ１７Ａである。これらの「手首」センサ１７Ａは、手首の屈曲／伸びと直交軸を中心とする手首の回転とを独立に測定するために図示のように装着されることが好ましいが、これらのセンサは他の向きで装着されてもよい。多様なセンサタイプおよびセンサ配置は本発明の範囲内にある。抵抗性屈曲センサ１７Ａが使用される場合、抵抗性屈曲センサは多くの場合一方向の屈曲に対してのみ感受性があるので、２つのセンサを単一のセンサ・ユニット内で逆並列に装着して使用することが一般に好都合である。あるいは、屈曲センサ１７Ａは、両方向の屈曲を測定できるように手首の反対側に装着されてもよい。手首の回転を変換する別の方法は、支材１４に接続された回転センサ１７Ｂを使用することである。支材はさらに布地スリーブ１に接続される。回転センサ１７Ｂは、手首の回転軸に設置されることが好ましい。それゆえ、好都合な一実施形態において、支材１４は、個々のユーザのスリーブで位置の調整が可能である。支材１４は、面外の手首の屈曲に適応するように回転センサ１７Ｂの回転の回転面外の屈曲を許容するように設計されることが好ましいが、手首の動きを回転センサ１７Ｂに効果的に伝えるために回転センサ１７Ｂの回転面では不動である。当業者であれば、手首の動きを変換するために抵抗ポテンショメータや光学位置エンコーダなどを含むがこれらに限定されない多様な技術が利用され得ることを理解するであろう。
【００３９】
手首の動きの前述の測定は肘、膝、足首、臀部、首、または肩など、体の他の可動接合において容易に適合されて利用され得ることを当業者は理解するであろう。
図５は、胴の動きを測定するための本発明の実施形態を示す。ベスト２１は胴に装着される。ベスト２１に取り付けられるのは、１つまたは複数のセンサ／ノード２７Ａ／Ｂである。スリーブが不要となるようにベスト２１をユーザの頭に被せるだけで済めば好都合である。さらに、センサ／ノードの位置がＶＥＬＣＲＯ、ポケット、ストリップ・ファスナー・ボタンなどのファスナーを含むがこれらに限定されない何らかの方法を用いて調整可能であれば好都合である。多くの典型的な配置の１つにおいて、ユニットを含む１個のセンサがベストの各肩に取り付けられ、１個のセンサは胸に取り付けられる。しかし、ユニットを含む１個、２個、４個、５個、６個、またはそれ以上のセンサを使用する実施形態は、本発明の範囲内にある。センサ／ノードは、用途に応じて様々な位置に取り付けられてもよい。
【００４０】
図６は、足の動きおよび／または力を測定する３つの実施形態を示す。図６ａは、素足のユーザまたはソックスを履いているユーザに対して設計された版を示す。ユーザは、多少なりとも快適でかつ容易に装着し得るように設計された可能性のあるシューズの底３１Ａおよびシューズの甲部３１Ｂを備えるシューズを履く。所望の相互関係の種類に応じて、底３１Ａは、様々な形状および手触りのものであってもよく、また、たとえば、外側は滑らかであり、外側に車輪、さらには一様なアイススケートの刃などのアタッチメントを有してもよい。シューズ内の中敷き３２は、いくつかの検出および駆動ユニットを含むことが好ましい。中敷き３２は、オプションとして、底３１Ａと結合されてもよい。オプションのフレキシブルバンド３４は、シューズ３１の甲部３１Ｂを脚ストラップ３５に接続してもよく、脚ストラップ３５は快適な高さでユーザの脚に巻き付けられて適切な手段（たとえば、バックル、ＶＥＬＣＲＯ）を用いて固定される。中敷き３２には、１つまたは複数の圧力センサ３７Ａが組み込まれてもよい。圧力センサ３７Ａは、任意のサイズ、形状、および分布のものであってもよいが、図示されるような典型的な配置は、体重の移動が検出されるように、つま先の近くに２つのセンサとかかとの近くに２つのセンサとを備える。さらに、１つまたは複数の振動フィードバック素子３６が中敷き３２に埋め込まれてもよい。振動フィードバック素子３６は、電気モーター、圧電アクチュエータなどのデバイスに基づいてもよい。また、足の屈曲を測定するために１つまたは複数の屈曲センサ３７Ｂが中敷き３２内または中敷き３２に装着されてもよく、さらに、足首の屈曲および伸びを測定するためにシューズの甲３１Ｂにフレキシブルバンド３４が装着されてもよい。また、ユニット３３を含む１つまたは複数のセンサがシューズのどこかに装着されてもよい。ユニットを含む各センサは、１つまたは複数の変換素子のほかに、外部追跡用の加速度計、磁力計、赤外線ＬＥＤ、または超音波放射器、振動フィードバック、音声スピーカ、光学マーカーなどのマーカーおよび／エフェクタを備えてもよい。
【００４１】
図６ｂは、素足のユーザ、またはソックスを履いたユーザ、または自分のシューズを素早く装着するユーザのために設計されたオーバーシューズを示す。ユーザのシューズは、つま先素子４１Ａおよびかかと素子４１Ｂによって保持され、これらはすね４１Ｃによって接続される。つま先素子４１Ａは、ユーザのシューズのつま先の前方に達してシューズが脱げないようにする。オーバーシューズがシューズのサイズの範囲に適合してしっかりと保持されるようにつま先素子４１Ａ、かかと素子４１Ｂ、およびすね４１Ｃの１つまたは複数がゴムなどの可撓性材料で作られていれば好都合である。一例として提供するにすぎない１つまたは複数の圧力センサ４７Ａ、振動フィードバック素子４６（マーカー）、または屈曲センサ４７Ｂなどのセンサおよび／またはノードおよび／またはエフェクタおよび／またはマーカーは、つま先素子４１Ａ、かかと素子４１Ｂ、および／またはすね４１Ｃに装着され得るか、あるいは埋め込まれ得る。フレキシブルバンド４４は、オプションとして、かかと素子４１Ａに取り付けられて脚ストラップ４５に接続されてもよい。１つまたは複数の回転センサ４７Ｃは、オプションとして、かかと素子４１Ａに装着されてもよく、支材４２を介して脚ストラップ４５に接続されてもよい。支材４２と脚ストラップ４５の接続は固定されても枢着されてもよく、接続点は調整可能であってもよい。回転センサ４７Ｃの位置は、様々なユーザの足首回転点に一致するよう調整可能であることが好ましい。支材４２は、圧力センサ４７Ａの回転面で不動であるが、足首の動きに適応するように面外に屈曲し得るように設計されてもよい。回転センサ４７Ｃには、ポテンショメータおよび／または回転光学位置エンコーダなどの変換素子を含むがこれらに限定されない回転の測定に適した技術が採用され得る。両版の実施形態において、構成部品を接続するケーブルは、個別に処理することが可能であり、シューズの様々な構造部品に埋め込むことも可能であり、あるいはこれら両方を行なうことも可能である。
【００４２】
図６ｃに示される実施形態は、図６ｂに幾分似ているが、ボディ・センサ・ユニットを種々の足サイズに合わせて調整する異なる方法を提供する。つま先素子４１Ａおよびかかと素子４１Ｂは、ベースプレート４３に取り付けられる。ベースプレート４３は、広範な足サイズに適応するだけの大きさである。また、ベースプレート４３は、ベースプレート４３上の複数の位置でつま先素子４１Ａおよびかかと素子４１Ｂの位置を定め、足とベースプレート４３との接触面積と地面との関係を変更することによって様々な体の動きを容易にしてベースプレート４３に対するユーザの重心位置を変更できることが好ましい。ベースプレート４３には検出素子および／またはフィードバック素子を組み入れることができる。図示された実施形態において、圧力センサ４７Ａおよび振動フィードバック素子（マーカー）４６がベースプレート４３の隅に取り付けられる。つま先素子４１Ａおよび／またはかかと素子４１Ｂは、様々な方法を用いて位置調整が可能な場合もあるが、位置調整が可能でない場合もある。一実施形態のみを説明すると、つま先素子４１Ａおよびかかと素子４１Ｂはレール４８に取り付けられてもよく、レール４８はサイズ調整のために両素子をスライドさせて様々な方法を用いて所定位置にロックすることができる。レールは、ベースプレート４３に干渉してもよく、ベースプレート４３から引き上げられてもよく、これらの組合せであってもよい。また、つま先素子およびかかと素子は、孔アレイ４９の任意の部分に設置されて固定され得る部品を包含してもよい。つま先素子４１Ａおよび／またはかかと素子４１Ｂを固定的あるいは調整自在にベースプレート４３に固定するために、ストラップや固定タブなど、他の方法／デバイスが使用され得ることを当業者は理解するであろう。
【００４３】
既に説明し、特に図１〜６に示したボディ・センサ・ユニットの実施形態は個々の体部位のボディ・センサ・ユニットの個々の使用法を示すが、これらは脚、腕、首、および頭の様々な部分など、他の体部位に使用できるように容易に適合され得ることは明らかである。
【００４４】
図７ａは、表示ユニットの実施形態を示す。ユーザは、表示ユニットの前で、高さおよび／または角度がオプションとして調整可能な椅子１０１に座る。表示ユニットはフレーム１０２を備え、フレーム１０２には様々な品目が装着されてもよい。図示されているのはモニタマウント１０４に取り付けられるモニタ１０３であり、モニタマウント１０４によってモニタ１０３の高さ、水平位置、および角度を調整することができる。ミラー１０５が、好ましくはミラーマウント１０４の下方に、あるいはミラーマウント１０４の下方に調整自在に、ミラーマウント１０６に同様に取り付けられる。オプションではあるが、水平作業面１０７は、図示された実施形態において、ミラーマウント１０６下方の作業面マウント１０８に取り付けられる。モニタマウント１０４、ミラーマウント１０６、および作業面マウント１０８は、すべてフレーム１０２に取り付けられことが示されている。制御コンピュータ１０９は、フレーム１０２に取り付けられても、ほかの場所に設置されてもよく、モニタ１０３上で画像を制御して入力データをボディ・センサ・ユニットから読み出すために使用される。モニタマウント１０４、ミラーマウント１０６、および作業面マウント１０８の機構は、手動で固定することができ、あるいは、アクチュエータ、レバー、ロープなどの機械的または電気的デバイスを組み合わせて調整することもできる。以下の図から分かるように、好ましい一実施形態において、特に、モニタ１０３とミラー１０５の相対位置は様々な使用法に適応するように変更され得る。
【００４５】
ユーザの目と作業面１０７（または手の位置）の間のほぼ中間点でミラー１０５が上向きにほぼ水平に配置され、かつモニタ１０３がユーザの頭の真上に下向きに配置される場合、ユーザは、ミラー１０５を覗き込むとき、ユーザが手を載せている作業面１０７と同じ平面内に浮かんでいるように見える、モニタ１０３に表示される像の鏡像を見ることになる。ユーザが各手にボディ・センサ・ユニットを付けている場合（図１）、ユーザの実際の腕および手の動きは、仮想的な腕および手としてミラー１０５で観察されるようにモニタ１０３に表示される（鏡像）画像に変換され得る。腕がミラー１０３に表示される場合、ユーザは、ミラーを覗き込むとき、仮想的な腕が自分の実際の腕と同じ物理的な位置にあるような感覚を抱くことになる。
【００４６】
たとえば、地面からの目の高さが約１２０〜１３０ｃｍで、地面から作業面上の腕までがおよそ８０ｃｍの身長がおよそ１６０〜１９０ｃｍの典型的なユーザが座っている場合、作業面の上方およそ２０〜３０ｃｍに上向きに設置された水平ミラーは、作業面の上方およそ４５〜６０ｃｍの水平下向きのモニタからの画像をほぼ適正な位置に反射する。一部のユーザにとってより快適である可能性のある別の作業および観察位置は、作業面、ミラーユニット、およびモニタがすべてユーザの方向におよそ１０〜２０度傾いている場合に得られる可能性がある。さらに別の作業および観察位置は、ユーザの目の高さよりも約１０ｃｍ下方にミラーを置くことによって実現可能であり、これは作業面の上方約６０〜８０ｃｍのモニタ位置に対応する。この配置の１つの利点は、ユーザにとって腕を自由に動かせるより大きい空間があり、かつユーザ頭上のモニタまでの空間距離が大きいことである（たとえば、図１０ｃ参照）。
【００４７】
本実施形態における構成部品についてはいくつかの変形形態が考えられ、それらはすべて本発明の一部である。たとえば、ミラー１０５は、図７ａに示されるように平坦であってもよく、多少は湾曲してもよく、プリズムの一部であってもよい（図１０ｃ）。モニタ１０３は湾曲してもよく（図７ｂ参照）、かつ／あるいは場合によってはシャッターガラス、ティンティドガラス、または他の三次元表示技術を併用して三次元画像を表示するように設計されてもよい。ミラーまたはプリズムは、好ましい実施形態において、ユーザの頭または肩に装着されるサポートに取り付けられてもよい（図１０ａ〜１０ｃ参照）。このような実施形態において、ミラーまたはプリズムの平面は、ユーザの視野の下半分にある。ミラーの機能は他の実施形態の場合と同じである。頭または肩に装着されるミラーの利点として、ミラーが超小型であること（最大サイズがおよそ２５ｃｍ×８ｃｍ）、ユーザの腕に対する自由な作業空間が大きいこと、およびユーザ頭上のモニタまでの空間距離が大きいことが挙げられる。一般に、肩に装着される配置では頭の動きがこの配置に対応する観察場面に混乱した動きを生じないので、乗り物酔いを発症しやすいユーザにとっては肩に装着される配置の方が頭に装着される配置よりも好ましい。
【００４８】
好ましい実施形態において、作業面１０７は、薄く、硬い、平坦な剛体材料、または通常のテーブル面に似た材料の組合せで作られる。全厚さは３ｃｍ以下であることが好ましい。他の実施形態において、作業面１０７は特定の用途に適合する任意の形状を有してもよく、さらに、作業面には仮想環境においてやはりオプションとして表わされる任意の入力／出力デバイスが取り付けられてもよい。テーブル上のユーザの腕などの対象の表面に光学追跡デバイスを使用するとき、作業面１０７が反射光または放射光が通過し得るように半透明材料または透明材料で作られていれば好都合である。
【００４９】
図７ｂは、正確に知覚される位置で仮想的な腕および脚を同時に観察するように設計された表示ユニットの別の実施形態を示す。ユーザの椅子１０１は、表示ユニットが存在しない場合にユーザの脚がユーザに見えないよう脚が前方に伸びるように調整される。画像は、ユーザの近くにあるミラー１０５（腕が示される）に近く、ユーザから離れたミラー１０５（脚が示される）からさらに遠い曲面スクリーン１１０でユーザに示される。スクリーンの曲率は、スクリーンの半分がユーザに最も近いように（たとえば、腕はできる限り平坦に表示され、画像の見掛けの奥行きはほぼ一定で作業面の奥行きに一致するように）設定されることが好ましい。ユーザから遠いスクリーンの半分の曲率は、膝が手よりもユーザからわずかに遠くに見え、脚がおよそ２倍遠くに見えるように設定されることが好ましい。つまり、ユーザに最も近いスクリーンのエッジが平坦（０度）である場合、図示された実施形態においてユーザから最も遠いスクリーンのエッジはおよそ２５〜４０度になる。
【００５０】
曲面スクリーン１１０に表示される画像は幾何学的に調整され、すなわち、曲面スクリーン１１０に表示される画像は、歪んだ形で示され、歪みは、ミラー１０５で観察するユーザにとっては表現に歪みのないように見えるよう標準グラフィックス・ドライバー・ソフトウェアまたは既知の光学的方法を用いて実現される。曲面スクリーン１１０上の画像は現在または未来の技術を用いて実現され得るが、典型的に、これは曲面スクリーン１１０に半透明材料を使用し、制御コンピュータ１０９に接続された標準ビデオプロジェクタ１１１を用いて画像を曲面スクリーン１１０に逆投影させることによって行なわれることになる。オプションとして、出射光束を曲面スクリーン１１０に反射させることによってビデオプロジェクタ１１１の位置調整を有利に導くようにプロジェクタミラー１１２が使用され得る。なお、曲面スクリーン１１０を平坦にすることもできるが、その場合、本実施形態は図７ａの実施形態と同等である。また、適切に整合された偏光めがねを着用したユーザがスクリーン上で三次元画像を見ることができるように、曲面スクリーン１１０を垂直偏光フィルタが前方に取り付けられた２つのビデオプロジェクタ１１１と組み合わせてもよい。
【００５１】
図７ｂの実施形態の変形形態では、曲面スクリーンの代わりに曲面ミラーが使用される。この変形形態では、標準フラット・スクリーン・ディスプレイを使用して同等の効果を得ることができる。別の変形形態では、図７ｂに示される横軸（患者の耳を通る）を中心とする曲率の代わりに、患者の視線方向に沿った水平軸を中心として湾曲されるスクリーンまたはミラーが使用される。この代替形態では、たとえば、画像中央の仮想画像においてユーザの脚および足を遠くに見えるようにすることができるが、画像の左右の側の腕は観察者の近くに見える。
【００５２】
図８ａおよび８ｂは、図７ａに示される表示ユニットの実施形態の別の配置を示し、システム構成部品はモニタ１０３の従来型の表示に合わせて再配置されている。図８ａでは、ユーザ１００は、通常のテーブル配置で椅子１０１に座ってディスプレイを使用しているが、図８ｂではユーザが立っている。
【００５３】
図９ａは、図７ｂにおける表示ユニットの実施形態に似た表示ユニットの別の実施形態を示す。この場合、曲面スクリーン１１０は、ユーザの腕の最適な表示に加えて、仮想腕を越えて仮想作業面上の対象を表示するように設計される。この機能は、仮想対象がミラー１０５の表面のより近くに、ひいては仮想作業面からより高くに見えるように、曲面スクリーン１１０の後部をミラー１０５の方に曲げることによって実現される。ユーザに最も近いスクリーンのエッジとユーザから最も遠いスクリーンのエッジとの間の水平面に対する角度差は、正確な所望の効果に応じて典型的に６０〜９０度である。ここに示される実施形態は、ユーザが仮想作業面の後方にある仮想作業面上の他の対象と関係を持つことが求められる状況下で役立つ。
【００５４】
図９ｂは、もたれかかった姿勢で使用される表示ユニット（図７ａに示すような）の別の配置を示す。この配置において、椅子１０１はリクラインされ、モニタ１０３、ミラー１０５、および作業面１０７は、すべてユーザに向かって下方に傾斜する。この配置は、ユーザが病状が原因で背筋を伸ばして座ることができない場合やユーザが可能な限りリラックスしたい場合など、ユーザにとってもたれかかった姿勢にあることが好都合である状況において役立つ可能性がある。
【００５５】
本発明についてはほかにも多くの実施形態が考えられ、考えられる本発明の応用分野は前述の分野に限定されないことは明らかである。前述の種々の特徴および革新性は、本発明の趣旨から逸脱することなく多様な方法で組み合わされ得る。また、以下の変形形態がすべて本発明の対象であることは明らかである。
●  具体的な実施形態を構成するために使用される材料の機械的性質および形状
●  採用される個々の表示技術
●  具体的な実施形態における構成部品の個々の配置
●  使用される製造工程
●  使用される処理および表示アルゴリズムの詳細
●  具体的な実施形態を構成するために使用されるその他の実施詳細
【符号の説明】
【００５６】
１  スリーブ
２  アタッチメントパッド
３  ノード
４  指ベース
５  ベースケーブル
６  ノードケーブル
７Ａ  指センサ
７Ｂ  指間センサ
８  指輪
９  ストラップ
１０  指ガイド
１１  指センサポケット
１２  指ベースポケット
１３  ブラケット
１４  支材
１７Ａ  手首バンドセンサ
１７Ｂ  手首回転センサ
２１  ベスト
２７Ａ／Ｂ  ボディセンサ
３１  シューズ
３１Ａ  シューズ底
３１Ｂ  シューズの甲
３２  シューズの中敷き
３３  ノード
３４  フレキシブルバンド
３５  脚ストラップ
３６  エフェクタ（フィードバック素子）
３７Ａ  足圧力センサ
３７Ｂ  足屈曲センサ
４１Ａ  つま先素子
４１Ｂ  かかと素子
４１Ｃ  すね
４２  支材
４３  ベースプレート
４４  フレキシブルバンド
４５  脚ストラップ
４６  エフェクタ
４７Ａ  圧力センサ
４７Ｂ  屈曲センサ
４７Ｃ  回転センサ
４８  レール
４９  孔アレイ
１０１  椅子
１０２  フレーム
１０３  モニタ
１０４  モニタマウント
１０５  ミラーユニット
１０６  ミラーマウント
１０７  作業面
１０８  作業面マウント
１０９  制御コンピュータ
１１０  曲面スクリーン
１１１  ビデオプロジェクタ
１１２  プロジェクタミラー
１１３  肩マウント
【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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【国際調査報告】
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