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シート状の非剛体の変形操作に伴う力覚提示方法とその視覚支援


本研究では、仮想環境内のシート状非剛体の変形操作に伴った力覚を、現実の力学的特性データに基づいて提示する方法について提案する。

計算機の中で構築された仮想環境を人間の感覚器官に直接提示することにより、仮想環境における疑似体験を可能にする人工現実感の技術は、人間と仮想環境とのインタラクションを飛躍的に向上させるためのインタフェースとして、近年大きな期待が寄せられている。

人工現実感に関する近年の研究では、仮想環境における様々な物体の操作の実現が試みられている。仮想環境内で操作の対象となる物体は、剛体と非剛体の二つに大きく分けられる。剛体は、十分大きな外力が加わっても、体積・形状を変えない物体であり、 一般の固体は剛体と見なせる。一方、非剛体は布やゴムなどのように、外力が加わればそれに伴って動的にその形状が変形する物体である。従来仮想環境で扱われてきたのは剛体が中心であった。しかし、現実環境において布やゴムなどのシート状非剛体を操作する機会も多く、そのような物体についても仮想環境で操作が可能となることが望まれる。

現実環境において人間が物体を操作する際には、物体にかかる重力、張力、抗力などといった力に関する知覚が不可欠である。そのため、仮想環境で物体を操作する際にもこれまで主に議論されてきた視覚(映像)、聴覚(音)の提示に加えて力覚を提示することは、非常に重要であると考えられる。

本研究では、仮想環境内でシート状非剛体を実時間シミュレーションし、変形操作に伴った力覚を、その物体の現実の力学的特性に基づいて提示する方法について提案する。

具体的手法としては、シート状非剛体の変形操作に伴う、質点間の関係の変化に基づいて力覚を提示する。その際、KES法により測定された現実の力学的特性データを反映させる。KES法は布のようなシート状非剛体の力学的特性を測定する方法であり、本手法では測定された特性データの中から、引張る時の反発力として引張り特性(伸び率と回復力の関係)を、曲げる時の反発力として曲げ特性(曲率と回復力の関係)を使用する。

KES法により測定された、シート状非剛体の力学的特性では、伸び率と伸び回復力の関係、曲率と曲げ回復力の関係は、変形過程により異なるものとなる。つまり、伸ばしている過程であるのか、縮めている過程であるのかで、同じ伸び率でも伸び回復力の値は異なり、またシート状非剛体の表側に曲がる過程(表曲げ過程)であるのか、裏側に曲がる過程(裏曲げ過程)であるのかで、同じ曲率でも曲げ回復力の値は異なる。この事実をシミュレーションに反映させる必要がある。本手法では、シート状の変形操作に伴い、操作質点とその隣接質点間の距離の伸び率、操作質点とその一つとびの質点のなす曲率及びそれぞれの変形過程に応じて、操作質点にかかる回復力をKES法によるデータから決定し、質点間の関係を元に戻す方向にフォースフィードバックする。

シート状非剛体の実時間形状シミュレーションには simcloth を用いる。 simcloth は、シート状非剛体を正方格子状のメッシュで表わし、有限個の質点でその形状を近似する。これを用いて、仮想環境内のシート状非剛体をポインティングデバイスを用いて操作した場合の形状変形をシミュレーションする。この形状変形に伴い、各質点には元の形状に戻ろうとする制約が働く。本手法では、この質点間の制約に、KES法による引張り特性・曲げ特性データを使用することで、形状シミュレーションにおいても現実の力学的特性を反映させ、その結果操作点に加わる反力を、力覚フィードバックデバイスによってユーザに返す。さらに、力覚によっては得られない操作点以外の形状情報についてはユーザにグラフィック表示によるビジュアルフィードバックを行うことで、視覚支援する。

本手法により表わされる二つの力覚が、現実の力学的特性を反映していることを調べるために、検証及び評価実験を行った。


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