(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの動作情報を入力するための動作情報入力装置と、仮想空間表示部と、前記動作情報入力装置の入力信号に基づいて前記仮想空間表示部の表示を制御する表示制御部とを備えるヴァーチャルリアリティ装置であって、
前記動作情報入力装置は、
ユーザが動作可能な入力面を上面に有する基台ケースと、
前記基台ケース内に回転可能に且つ弾性体により上下動可能に支持され、前記入力面に形成された開口部を介して一部が突出するように配置された複数の球状体と、
前記球状体の回転状態を個別に検出して出力する回転検出手段と、
前記各球状体の下方への押圧状態を個別に検出して出力する押圧検出手段とを備え、
前記表示制御部は、前記押圧検出手段の検出に基づいて、前記入力面におけるユーザの位置及び姿勢を把握することを特徴とするヴァーチャルリアリティ装置。
【請求項２】
前記回転検出手段は、軸線同士が所定の角度をなすように配置されて転動する前記球状体との接触により回転する一対の回転軸を有しており、前記一対の回転軸の回転方向及び回転数を検出して出力する請求項１に記載のヴァーチャルリアリティ装置。
【請求項３】
前記押圧検出手段は、前記各球状体に作用する押圧力を個別に検出して出力する請求項１または２に記載のヴァーチャルリアリティ装置。
【請求項４】
前記動作情報入力装置は、前記各球状体に摩擦力を作用させて制動力を制御可能な回転抑制手段を更に備える請求項１から３のいずれかに記載のヴァーチャルリアリティ装置。
【請求項５】
複数の前記球状体は、前記基台ケースの上面にユーザが立った状態で、片足に１０〜１００個程度が覆われるようにマトリクス状に配置されている請求項１から４のいずれかに記載のヴァーチャルリアリティ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ユーザの動作情報を入力するための動作情報入力装置を備えるヴァーチャルリアリティ装置（以下、「ＶＲ装置」という）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、臨場感の高い仮想的な世界を三次元グラフィックス等により実現するＶＲ装置の開発が行われている。ＶＲ装置のインターフェース装置として、特開２００１−７０４７３号公報には、ＣＧ画像を表示するワークステーションに接続されるランニングマシンが開示されている。
【０００３】
このランニングマシンは、前後に配置された一対のローラに無端ベルトが巻き掛けられており、前記ローラの一方に回転数検出装置が取り付けられている。そして、ユーザが前記無端ベルト上で歩行動作を行うと、回転数検出装置の検出に基づいてＣＧ画像が変化し、遠隔地の町中などを実際に歩いているのと同様の状況を体験することができる。
【０００４】
ランニングマシンの前部には取手が設けられており、この取手に配置されたタッチパネルに左右の方向転換ボタンが設けられている。ユーザが方向転換をしたい場合、左右の方向転換ボタンのいずれかを押すことにより、ＣＧ画像上での視線が変化する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなランニングマシンは、仮想空間における歩行などの動作情報をＶＲ装置に入力するための動作情報入力装置として使用することができる。ところが、歩行動作の方向が無端ベルトの長手方向に沿った一方向に限定されており、方向転換する毎に方向転換ボタンを押さなければならないので、現実感に乏しく仮想空間への没入感が得られにくいという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであって、ユーザの自然な動作により的確な動作情報を入力することができるＶＲ装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の前記目的は、ユーザの動作情報を入力するための動作情報入力装置と、仮想空間表示部と、前記動作情報入力装置の入力信号に基づいて前記仮想空間表示部の表示を制御する表示制御部とを備えるＶＲ装置であって、前記動作情報入力装置は、ユーザが動作可能な入力面を上面に有する基台ケースと、前記基台ケース内に回転可能に且つ弾性体により上下動可能に支持され、前記入力面に形成された開口部を介して一部が突出するように配置された複数の球状体と、前記球状体の回転状態を個別に検出して出力する回転検出手段と、前記各球状体の下方への押圧状態を個別に検出して出力する押圧検出手段とを備え、前記表示制御部は、前記押圧検出手段の検出に基づいて、前記入力面におけるユーザの位置及び姿勢を把握することを特徴とするＶＲ装置により達成される。
【０００８】
このＶＲ装置において、前記回転検出手段は、軸線同士が所定の角度をなすように配置されて転動する前記球状体との接触により回転する一対の回転軸を有する構成とすることにより、前記一対の回転軸の回転方向及び回転数を検出して出力することができる。
【００１０】
前記押圧検出手段は、前記各球状体に作用する押圧力を個別に検出して出力することがより好ましい。
【００１１】
また、前記各球状体に摩擦力を作用させて制動力を制御可能な回転抑制手段を更に備えることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実態形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る動作情報入力装置の全体構成を示す斜視図である。図１に示すように、動作情報入力装置１は、ユーザが乗って動作可能な入力面２ａを上面に有する筐体状の基台ケース２を備えている。入力面２ａには、複数の開口部４がマトリクス状に形成されており、各開口部４から一部が突出するように球状のトラックボール６が複数配置されている。トラックボール６の直径は、１〜５ｃｍ程度の範囲であることが好ましく、基台ケース２の上面にユーザが立った状態で、片足に      １０〜１００個程度が覆われるように配置することが好ましい。基台ケース２の前縁及び側縁には手摺り８が取り付けられている。
【００１３】
図２は、動作情報入力装置１の要部を拡大して示す側面図である。基台ケース２は、隔壁１２によって内部空間が仕切られており、図２は、仕切られた空間の１つを示している。同図に示すように、トラックボール６は、任意の方向に回転可能な状態でベアリング（図示せず）を介して椀状部材１４に収容されており、椀状部材１４は基台ケース２の底面２ａとの間に介装された弾性体としてのばね部材１６によって支持されている。椀状部材１４の下部には下方に延びる押圧棒１７が取り付けられており、押圧棒１７の下方には押圧検出手段としての荷重センサ１８が配置されている。
【００１４】
また、動作情報入力装置１は、各トラックボール６の回転状態を検出する回転検出装置２０を備えている。図２の要部平面図を図３に示す。図２及び図３に示すように、この回転検出装置２０は、軸線同士が略垂直となるように配置された一対の回転軸２２，２２と、これら一対の回転軸２２，２２の回転を検出する一対のロータリエンコーダ２６，２６とを備えている。一対の回転軸２２，２２にはそれぞれ摩擦ローラ２４，２４が取り付けられており、押圧ローラ２８がトラックボール６を押圧することにより、各摩擦ローラ２４，２４とトラックボール６とが接触している。
【００１５】
ロータリエンコーダ２６は、回転体の回転に基づいてデジタル信号を出力する公知の構成とすることができる。本実施形態においては、発光素子と受光素子との間に回転スリット及び固定スリットが配置された構成としており、回転スリットの回転により発光素子の光が受光素子において断続的に検出され、変換されたパルス信号に基づいて、回転軸２２，２２の回転方向及び回転数を検出することができる。
【００１６】
このように構成された動作情報入力装置１は、例えばＶＲ装置に接続して使用することができる。図４に平面図で示すように、ＶＲ装置５１は、正面表示部５２、左右の側面表示部５３，５４、及び、床面表示部５５から構成される仮想空間表示部５６を備えており、表示制御部５７による表示制御によって仮想空間表示部５６に所定の画面を表示し、ユーザに仮想空間を提供する。尚、表示制御部５７は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）とすることができる。
【００１７】
動作情報入力装置１は、床面表示部５５上に配置され、ユーザが基台ケース２の入力面２ａにおいて歩行動作などを行うことにより、表示制御部５７に動作情報が入力される。即ち、ユーザが歩行動作や走行動作を行うと、その動作に合わせてユーザの足裏に位置するトラックボール６が回転する。これにより、回転検出装置２０における一対の摩擦ローラ２４が回転し、一対のロータリエンコーダ２６により前後方向の回転及び左右方向の回転として検出され、それぞれの回転方向及び回転数を示すパルス信号がＶＲ装置５１に入力される。ＶＲ装置５１の表示制御部５７は、この入力信号に基づいて、仮想空間におけるユーザの移動方向及び移動量を算出し、それに応じて仮想空間表示部５６の表示を切り替える。
【００１８】
このように、動作情報入力装置１は、前後方向だけでなく、左右方向や斜め方向など任意の方向へのユーザの動きを検出してＶＲ装置５１に入力することができるので、表示制御部５７は、ユーザの自然な動きに応じてＶＲ装置５１の表示を制御することができ、仮想空間への没入感をより高めることができる。
【００１９】
ユーザの歩行動作などによって回転するトラックボール６は複数存在し、それぞれに対応する一対のロータリエンコーダ２６から回転方向及び回転数に関する情報が得られる。したがって、例えば、これらの平均値に基づいてユーザの移動方向及び移動量を算出することにより、ユーザの歩行動作などをより的確に反映した正確な動作情報をＶＲ装置５１に入力することができる。
【００２０】
また、トラックボール６に荷重が作用しない状態では、図２に示すように、ばね部材１６の作用により押圧棒１８の下端と荷重センサ１８との間に隙間が形成されるが、ユーザが踏む等してトラックボール６に荷重が作用すると、図５に示すように、荷重センサ１８が押圧棒１８により押圧されて圧縮荷重を検出し、ＶＲ装置５１に入力する。表示制御部５７は、複数のトラックボール６に関する荷重に基づいて、ユーザの位置や姿勢などを把握することができる。
【００２１】
例えば、トラックボール６が８×８のマトリクス状に配置されており、各荷重センサ１８に作用する圧縮荷重を、理解を容易にするため０〜３の相対評価値（０は無荷重の状態）で示すと、図６（ａ）に示すように、０以外の評価値で表示された箇所がユーザの足裏位置であると判別することができる。そして、図６（ｂ）に示すように、足裏の後部に比べて前部の評価値が大きければユーザが前傾状態であると判別することができ、図６（ｃ）に示すように、その逆であればユーザが後傾状態であると判別することができる。更に、これらの評価値の時系列的な変化により、屈み込む動作や伸び上がる動作等も判別することができる。表示制御部５７は、仮想空間表示部５６に表示する仮想空間において種々のイベントを発生させ、その時の荷重検出結果に基づいて、ユーザの行動や反射神経などを評価したり、仮想空間において次にどのようなイベントを発生させるかを決定したりすることができる。
【００２２】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、本実施形態においては、ばね部材１６によって、椀状部材１４に収容されたトラックボール６を支持するようにしているが、図７に示すように、ばね部材１６によってトラックボール６を直接支持することも可能である。また、ばね部材１６としては、コイルばねや板ばねなど種々のばねを使用することができ、ゴムやプラスチック等の弾性体とすることも可能である。
【００２３】
また、本実施形態においては、押圧検出手段としての荷重センサ１８により、各トラックボール６に作用する押圧力を数値化して出力するようにしているが、オンオフのみを検出する押ボタンスイッチなどを使用することも可能である。このような構成によっても、動作情報入力装置１からの入力に基づいて、表示制御部５７がユーザの足裏位置や姿勢などをある程度判別することができる。
【００２４】
また、各トラックボール６の回転を制動する回転抑制装置を配置し、表示制御部５７などの外部装置からの入力に基づいて制動力を調整可能にすることで、例えば、悪路等のように歩行が困難な状況の仮想空間における臨場感を持たせることが可能になる。このような回転抑制装置の構成の一例を図８に示す。
【００２５】
図８に示すように、回転抑制装置６０は、電磁コイル６１と、制動ロッド６２と、シリンダ６３とを備えている。制動ロッド６２は、電磁コイル６１と対向する一端側に永久磁石６２ａを有し、トラックボール６と対向する他端側に摩擦パッド６２ｂを有しており、シリンダ６３内に進退可能に収容されている。電磁コイル６１に通電すると、電磁コイル６１と永久磁石６２ａとの間で反発力を生じ、同図に破線で示すように、制動ロッド６２の他端側がシリンダ６３から突出して、摩擦パッド６２ｂがトラックボール６を押圧することにより制動する。トラックボール６に作用する制動力は、電磁コイル６１の電流値を調整することにより制御可能である。電磁コイル６１への通電を停止すると、電磁コイル６１と永久磁石６２ａとの反発力が消滅し、ばね部材６４の作用によりトラックボール６の押圧状態が解除される。
【００２６】
また、トラックボール６の配置は、各トラックボール６が略均一に分散されていれば本実施形態のようにマトリクス状に限定されるものではなく、例えば、蜂の巣状に組み合わされた正六角形の各頂点にトラックボールが位置するような配置にしても良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のＶＲ装置によれば、ユーザの自然な動作により的確な動作情報を入力することができ、仮想空間における臨場感、没入感をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る動作情報入力装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】  前記動作情報入力装置の要部拡大側面図である。
【図３】  図２の要部平面図である。
【図４】  前記動作情報入力装置をＶＲ装置に接続した状態を示す平面図である。
【図５】  前記動作情報入力装置においてトラックボールに荷重が作用した状態を示す要部拡大側面図である。
【図６】  各荷重センサの検出状態を示す模式図である。
【図７】  本発明の他の実施形態に係る動作情報入力装置の要部拡大側面図である。
【図８】  本発明の更に他の実施形態に係る動作情報入力装置の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１  動作情報入力装置
２  基台ケース
２ａ  入力面
４  開口部
６  トラックボール
１６  ばね部材
２０  回転検出装置
２２  回転軸
２６  ロータリエンコーダ
６０  回転抑制手段
【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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