JP4332254B2

JP4332254B2 - Intelligent glove-type hand input device

Info

Publication number: JP4332254B2
Application number: JP12306299A
Authority: JP
Inventors: 忠敏後藤; 知宏黒田
Original assignee: Amiteq Co Ltd
Current assignee: Amiteq Co Ltd
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2019-04-28
Also published as: JP2000311047A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バーチャルリアリティを利用したシステムに対してデータ入力を行う入力装置に関して、特に実際の手の動き（ジェスチャ）を計測してシステム内に取り込む３次元データを作成することができる手袋型入力装置に関し、更には手話電話や手話入力装置の入力インタフェースとして適用可能なインテリジェント型手袋型手形入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バーチャルリアリティの一形態として、表示装置上に使用者の分身（キャラクタ）を表示させ、その表示させたキャラクタを実際に使用者が動くのとほぼ同じ動きをさせることにより、使用者が表示装置に表示された仮想空間（映像空間）内に自分自身があたかも存在していると感じることができるとともに、インタラクティブに仮想空間で疑似体験ができるようなものがある。その中で、人間のより自然な動きを伝達するために、通常の生活や仕事のなかで最も役割の大きいといえる手の動き（ジェスチャ）を計測できるデータ入力用グローブ（手袋型入力装置）がある。従来知られたデータ入力用グローブは、このデータ入力用グローブの各指に対応して設けられた光ファイバ内を通る光量の変化を解析することによって各指の曲がり等を検出、つまり手の動きを計測できるようになっている。この光ファイバを用いるもの以外にも、機械リンク（例えば、ゴニオメータ等）を用いるものや、あるいは圧力や曲げによって抵抗が変わる素子（例えば、液体導電性インク等）を用いるものなどが従来から知られている。
このようなデータ入力用グローブを用いたバーチャルリアリティシステムは、テレロボティックコントロール（すなわち、オペレータによるロボットの遠隔操作）や、対話型医療シミュレーションあるいは３次元モデリングＣＡＤ（モーションキャプチャ）等の様々な分野で利用されつつある。
【０００３】
ところで、人間が物体を操作する際には硬さや重さといった力の感覚（力覚）が不可欠であり、仮想空間からの力フィードバックの重要性が従来から認識されている。そこで、データ入力用グローブに、仮想空間中の対象物体に接触することによって対象物体から受けた反力を機械的に発生するためのフォースフィードバック装置が設けられることがある。このフォースフィードバック装置は、仮想空間内において仮想の手（指）が仮想対象物あるいは仮想環境（例えば、壁）等と接触した状況から得られる反力を人間側に戻すものである。つまり、何か機械的に力を発生するような装置（フォースフィードバック装置）に現実の人間の手や指が触れていて、その装置が人間に対して反力を与えることによって、人間は仮想空間内からの反力を感じ取ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来のデータ入力用グローブは、光量の変化を光センサにより検出して手の動きを計測するものであった。そのため、所定の角度以上に指が曲げられないと光量の変化を捕らえることができずに手の動きが計測されない、すなわち高精度の計測が難しい、という問題点があった。また、上述した光センサを利用したデータ入力用グローブは、指の曲げ角度に比例して光量の変化が生ずるように光ファイバにスリット（傷）を入れていたので、機械振動に弱く、また長時間使用における機械的摩耗や腐食等を避けることができず、それゆえ数年使用することによって計測に誤差を生ずるようになる、という問題点があった。さらに、このような光センサ等を用いたデータ入力用グローブは高価なものであった。
【０００５】
また、上述したフォースフィードバックを行なうようにするためには、そのための機械的な機構を手の動きを計測するための光センサ等とは別々に構成しなければならなかった。そのために、フォースフィードバック機構を具えたデータ入力用グローブは大型化かつ重量化してしまい、使用者にとって非常に装着しにくく使いづらいものになる、という問題点もあった。
【０００６】
また、従来、実用化されていた手袋型入力装置はいずれも極めて高価なものであり、誰でもが簡便に利用できるものではなかった。従って、現在では、未だ、安価で有効・有用な手袋型入力装置が普及しておらず、様々な分野で利用可能性があり、また、実用化が要請されているにもかかわらず、これらの要請に応えることができなかった。例えば、手袋型入力装置を用いて手形（手話における手の形態）の入力を行うことができれば、手話電話やコンピュータシステム等における手話入力装置として利用することができ、聴覚障害を持つ人々に恩恵をもたらすことができるが、現時点では、そのような手袋型手形入力装置は存在していない。
【０００７】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、小型かつシンプルな構造を持つと共に、高精度な分解能で手の動きの計測が可能であり、かつ、耐久性に富んだ手袋型の入力装置を提供しようとするものである。
また、製造が極めて容易なシンプルな構造でフォースフィードバックを可能とした手袋型の入力装置を提供しようとするものである。
更には、様々な技術分野・産業分野で比較的安価かつ簡便に利用することのできる手袋型入力装置を提供しようとするものである。特に、手話電話やコンピュータシステム等における手話入力インタフェースとして有利に利用することができる手袋型入力装置を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る手袋型入力装置は、使用者の手の動きを検出するため手に装着される手袋型入力装置であって、使用者の指又は手の所定部位に一端が装着され、指又は該所定部位の動きを伝達するため所定範囲にわたって延びた伝達手段と、前記伝達手段の他端を弾性的に支持するバネと、前記バネの一端を制御信号に応じて変位させることにより該バネの付勢力を該制御信号に応じて可変調節する調節手段とを具備し、前記調節手段は、制御信号によって励磁される励磁コイルと可動鉄心とを有したソレノイドを含み、可動鉄心を前記バネの一端に連結し、仮想空間内における反力に応じて前記制御信号を供給して前記可動鉄心の移動を制御し、この可動鉄心の移動量に応じて前記バネの付勢力を制御し、これによってフィードバックフォースを制御できるようにしたことを特徴とするものである。
【００１１】
調節手段は、伝達手段に付された弾性手段の有する付勢力を随時に可変制御することができるように構成される。前記伝達手段は各指毎に所定の長さを保つように長さ調節されて、その一端は指の所定位置又は手の所定部位に固定的に配置される。伝達手段の反対側の先端には弾性手段が付され、伝達手段に所定のテンション（張力）を与えている。そのため、調節手段によって弾性手段の有する付勢力を随時に変化することに応じて、使用者が指の曲げ伸ばしを行うために伝達手段にかける力も変化する。すなわち、指の曲げ伸ばしは弾性手段の有する付勢力に抗して行われることから、付勢力を強くすると、それに応じて指の曲げ伸ばしが行いにくくなる。反対に、付勢力を弱くすると、それに応じて指の曲げ伸ばしが行いやすくなる。したがって、この調節手段による弾性手段の有する付勢力の制御を随時に行うことができるようにすることで、フィードバックフォースを反映した手袋型入力装置を構成できる。
【００１２】
更に、使用者の指又は手の所定部位の動きを検出して、検出信号を発生する検出手段を具えていてもよい。検出手段は指又は手の所定部位の動きに応じて検出信号を発生し、調節手段はこの検出信号に応じて弾性手段の有する付勢力の制御を行うことができる。こうすると、常に指又は手の所定部位の動きに応じたフィードバックフォースを反映することができる。また、指又は手の所定部位の動きを検出するための機構とフィードバックフォースを反映させるための機構とを一体的に構成することができ、当該手袋型入力装置をシンプルな構造を持った小型のものとすることができる。
【００１３】
この発明における好ましい実施例としては、前記検出手段は所定の交流信号によって励磁される１次巻線及び前記１次巻線と磁気的に結合される２次巻線を含むコイル部と、磁気応答部材とを有し、前記伝達手段の移動に応じた出力信号を該２次巻線より得ることによって手の動きの検出信号を得るように構成することがあげられる。すなわち、検出手段を構成するコイル部及び磁気応答部材は、前記伝達手段の所定の範囲での移動に応じて、前記コイル部と前記磁気応答部材との相対的な位置関係が変化するように構成する。
【００１４】
また、この発明における好ましい実施例としては、前記調節手段は制御信号によって励磁される励磁コイルと可動鉄心とを有したソレノイドを含み、可動鉄心を前記弾性手段に連結し、仮想空間内における反力に応じて前記制御信号を供給して前記可動鉄心の移動を制御し、この可動鉄心の移動量に応じて前記弾性手段の付勢力を制御するように構成することがあげられる。
【００１５】
以上から明らかなように、本発明によれば、製造が極めて容易になるような小型かつシンプルな構造を持つと共に耐久性に富み、かつ、高精度な分解能で手の動きの計測が可能な手袋型入力装置を提供することができる。また、製造が極めて容易なシンプルな構造でフォースフィードバックを可能とした手袋型入力装置を提供することができる。さらに、安価な手袋型入力装置を提供することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係る手袋型入力装置を用いたバーチャルリアリティ（仮想現実）を利用したシステムの一実施例を概略的に示したシステム概略図である。図１に示したバーチャルリアリティシステムは、手袋型入力装置１とコンピュータ２とディスプレイ３等から構成される。バーチャルリアリティシステムはこれら以外のハードウェアを有する場合もあるが、ここでは必要最小限の資源を用いた場合について説明する。
【００１８】
当該実施例における手袋型入力装置１（以下、データ入力用グローブと呼ぶ）は、使用者の左手に装着されて使用されるものを例に示している。つまり、左手用のデータ入力用グローブ１である。勿論、データ入力用グローブ１は右手に装着できるように形成されてもよい。また、左右の手にそれぞれ別々のデータ入力用グローブ１を装着して同時に使用してよいことは言うまでもない。ディスプレイ３は、仮想対象物（図では球）を含めた仮想空間を表示し、使用者はディスプレイ３により仮想空間を視覚できるようになっている。このようなバーチャルリアリティシステムにおいて、使用者はデータ入力用グローブ１を装着した状態で左手の各指を動かすと、データ入力用グローブ１は使用者の左手の動き（各指の動き）に合わせて各指の曲がり具合等の変化を計測して、この計測した値をコンピュータ２に入力可能な数値データに変換する。コンピュータ２は中央演算処理装置（ＣＰＵ）を具えた、例えばパーソナルコンピュータのようなものであって、データ入力用グローブ１から得られる数値データを解析して、ディスプレイ３の画面Ｘ上に表示されている仮想空間内の手（各指）を実際に行われた使用者の手の動き（各指の動き）にあわせて動かしながら表示する。データ入力用グローブ１とコンピュータ２間及びコンピュータ２とディスプレイ３間には、前記数値データや制御データ等を送受信できるように信号伝送手段４で各々結合されている。
【００１９】
なお、ディスプレイ３は図示したようなものに限らず、立体ホログラムを用いて表示するものや、あるいはＨＭＤ（ＨｅａｄＭｏｕｎｔｅｄＤｉｓｐｌａｙの略）等、どのようなものであってもよい。ＨＭＤは液晶等を用いた表示装置であり、使用者はこのＨＭＤを眼前の視野を遮るように装着することで仮想空間を視覚できる。さらに、ハーフミラー等を用いて、使用者の眼前の風景に仮想の像を重畳して視覚できるものもある。
また、信号伝送手段４は図示したような有線のものでなくてもよく、無線等ワイヤレスのものであってもよい。また、このようなバーチャルリアリティシステムは単体で用いられるだけでなく、当該バーチャルリアリティシステムと現実のロボットシステム等を組み合わせて、現実的なロボット等の操作制御を行うことができるようにしてよいことは言うまでもない。さらに、コンピュータ２やディスプレイ３を当該入力装置１とは別々に構成したが、一体的に構成してもよい。
【００２０】
図２は、本発明に係るデータ入力用グローブの一実施例を概略的に示した全体概略構成図である。ただし、説明を理解しやすくするために当該データ入力用グローブを使用者に装着した状態で、かつ、データ入力用グローブの内部的な構造のみを示した。図３は、図２に示したデータ入力用グローブの１本の指についてのみ拡大して詳細に示した一部拡大図である。
【００２１】
当該データ入力用グローブ１は、各指の曲がり具合を検出するための検出器１０が各指に対応するように装着されて、固定ベルト５によって手首の部分で固定される。自在バンド６はその長さを自由に調整することができ、指を取り囲むようにしてデータ入力用グローブ１を固定する（図３参照）。この際、各指の関節位置とデータ入力用グローブ１の関節位置との相対的位置にずれが生じないように各指の関節部分の太さにあわせて固定する。ガイド７は、中空の例えば円柱や円錐あるいは直方体といったような適宜の形状に形成され、その中空部分をワイヤ８が通っている。そのため、指が曲げられた際でもワイヤ８は各関節部分で引っかかることなく滑らかにＹ方向に自由に往復動できるようになっている。ワイヤ８は、各指に沿って各指の第１関節部分の自在バンド６に設けられた長さ調節機構９から各関節部分のガイド７を通って検出器１０まで形成される。長さ調節機構９は、ワイヤ８の長さを指の長さにあわせて自由に調節し、ワイヤ８の一端を固定するものである。固定ベルト５には検出器１０が配置され、この検出器１０は指の動きに合わせてワイヤ８が指先及び手首間をＹ方向に往復移動するとその動きを検出できるようになっている。
【００２２】
なお、図２及び図３では各指にワイヤ８を１本のみ構成した例を示したが、図４Ａに示すように各指の関節毎にワイヤ８を複数具えるように構成してもよい。こうすることにより、ワイヤを１本のみ構成した場合と比較してより各指の動きを詳細に捉えることができるようになる。勿論、ワイヤ８に対応して検出器１０等を複数設けることは言うまでもない。また、ワイヤ８はこれに限られるものではなく、糸のようなものであってもよい。例えば、図示の人差し指の例では、ワイヤ８ａが第１関節、ワイヤ８ｂが第２関節、ワイヤ８ｃが第３関節の動きを各々個別に伝導するものであり、検出器１０ａ、１０ｂ、１０ｃで各々の動きを検出する。
【００２３】
また、指の動きを検出するためのワイヤ８の配置は上述の例に限らず、例えば、各指の間（すなわち、各指の股）や手の甲の摺曲部あるいは手首等に適切にワイヤ８を配置するようにしてもよい。すなわち、各指の間の開き具合や、手の甲の褶曲具合、手首の曲げ状態等を検出しうるようにワイヤ８を配置してもよい。これを図示すると、例えば図４Ｂに示す図のようになる。すなわち、各指の間や、親指と小指間、及び手首の部分（固定バンド５上）にワイヤ８１〜８６を各々具えるように構成し、これに対応するように検出器１０１〜１０６を配置する。各ワイヤ８１〜８６は、各々長さ調節機構９１〜９６によりその長さが一定に保たれる。
各指の間のワイヤ８１〜８４は隣りあった各指間の開閉動作を個別に伝達するものであり、検出器１０１〜１０４でその動きを検出する。例えば、図示の親指と人差し指の間が開かれると、ワイヤ８１がその動きを伝達して、検出器１０１で親指と人指し指の開閉状態を検出する。親指と小指間のワイヤ８５は手の甲の褶曲具合を伝達するものであり、検出器１０５でその動きを検出する。例えば、手のひらを握ったり、あるいは親指と小指とを接触させようと互いの指を近づけたりすると、ワイヤ８５がその動きを伝達して、検出器１０５で手の甲の褶曲状態を検出する。ワイヤ８６は手首の曲げ状態を伝達するものであり、検出器１０６でその動きを検出する。ワイヤ８６は、一方の先端が手の甲の所定位置に位置するように固定ベルト５上に配置されて、手首の曲げ動作を伝達し、検出器１０６で手首の曲げ状態を検出する。
【００２４】
なお、上述の例では検出器１０１〜１０５を自在バンド６上に配置したが、固定バンド５上に配置するようにしてもよい。その場合には、検出器１０１〜１０５の位置に例えば滑車（ローラ）などを配置し、ワイヤ８１〜８５の一端が滑車を介して固定バンド５側の検出器まで届くように構成する。また、親指と小指間だけにワイヤ８５を配置したものを図示したが、これに限らず、親指と薬指間や小指と人差し指間、あるいは人差し指と薬指間等に適宜にワイヤを配置して、手の甲の褶曲具合を検出できるようにしてもよい。また、これらを複数組み合わせて用いてもよい。
また、上述した図２や図４Ａに示した実施例と図４Ｂに示した実施例とを適宜組み合わせて構成してよいことは言うまでもない。
【００２５】
図３に戻り、ワイヤ８の先端は長さ調節機構９と結合しており、他方の先端はセンサ部１１を通って引っ張りばねからなるコイルばね１２と結合している。また、コイルばね１２のもう一方の先端はテンション調節機構１３に固定されている。すなわち、ワイヤ８はこのコイルばね１２の有する付勢力によって、常に所定のテンションがかかった状態に保たれる。テンション調節機構１３は、上位コントローラ（コンピュータ２等）から与えられる制御信号に応じて、コイルばね１２によるテンションを可変調節するものであり、フォースフィードバックを実現するものである。その詳細は後述する。この実施例では、指を曲げていない状態ではコイルばね１２が静的状態を保つように調節され、指を曲げるとそれに伴ってコイルばね１２の有する付勢力に抗してワイヤ８が引っ張られるようになっている。検出器１０は、このワイヤ８が引っ張られることによるワイヤ８の変位量をセンサ部１１で検出して指の動きを検出する。さらに、検出器１０はワイヤ８の変位の速度あるいは加速度を検出して、指の動きの速さあるいは加速度を検出するようにしてもよい。
【００２６】
ここで、指の動きの検出について具体的な実施例を用いて説明する。図５は、ワイヤ８の変位を検出する位置検出手段すなわち検出器１０の一実施例を概略的に示した概略構成図である。当該検出器は、図２及び図４に示すように各指（あるいは各指の関節）毎に各々対応して構成される。
【００２７】
この実施例において、センサ部１１は、例えば特開昭１０−１５３４０２号に示されたような誘導式の直線位置検出装置を用いて構成されており、ワイヤ８の側に所定間隔で固定的に設けられた１又は複数の磁気応答部材１５と、固定ベルト５の側に固定的に設けられた１次巻線ＰＷおよび２次巻線Ｓ１〜Ｓ４とからなる。１次巻線ＰＷおよび２次巻線Ｓ１〜Ｓ４は、非磁性体からなるチューブ１４の所定においてその周囲に巻回されており、サイン相、コサイン相、マイナス・サイン相、マイナス・コサイン相にそれぞれ対応する４つの２次巻線Ｓ１〜Ｓ４は、変位方向に関してそれぞれ異なる位置に配置されている。例えば、１つの２次巻線（Ｓ１〜Ｓ４）がカバーする範囲の長さをＰ／４とすると、４つの２次巻線Ｓ１〜Ｓ４の全体ではＰの長さをカバーする。また、すベての２次巻線Ｓ１〜Ｓ４をカバーするように１相交流励磁される１次巻線ＰＷが設けられている。図示の例では、１次巻線ＰＷの外側に２次巻線Ｓ１〜Ｓ４が巻回されているがこれは逆であってもよい。また、図示の例では、各２次巻線Ｓ１〜Ｓ４のコイル長がＰ／４のように描かれているが、これよりも短くてもよい。その場合、各２次巻線Ｓ１〜Ｓ４の間に分割して１次巻線ＰＷを挿入してもよい。
【００２８】
ワイヤ８は例えばナイロン糸のような強靱な非磁性かつ非導電性の糸からなっており、そのうち前記チューブ１４内に入っている及び侵入する可能性のある所定の範囲において、１又は複数の磁気応答部材１５が所定間隔で固定的に設けられている。これにより、指の動きに連動してワイヤ８が変位すると、これに応じて磁気応答部材１５が変位し、センサ部１１において、１次及び２次巻線に対する磁気応答部材１５の相対的位置が変位する。この磁気応答部材１５の相対的変位に応じた出力を２次巻線Ｓ１〜Ｓ４から得ることにより、指の動きを検出することができる。磁気応答部材１５としては、鉄等の磁性体または銅あるいはアルミニウム等の良導電体を使用することができる。磁気応答部材１５として磁性体を用いた場合は、該磁気応答部材１５が近接する箇所で１次及び２次巻線間の磁気結合度が上がり、対応する２次巻線に誘導される電圧レベルが上がる。一方、磁気応答部材１５として良導電体を用いた場合は、該磁気応答部材１５が近接する箇所で渦電流損によって１次及び２次巻線間の磁気結合度が下がり、対応する２次巻線に誘導される電圧レベルが下がる。どちらの場合でも、磁気応答部材１５の近接に相関する誘導出力電圧を２次巻線Ｓ１〜Ｓ４から得ることができる。
【００２９】
例えば、１つの磁気応答部材１５のサイズは、長さにしてＰ／２若しくはその前後の適宜の値又はＰ／２未満の適宜の値であり、複数の磁気応答部材１５を設ける場合は、長さＰの周期でこれを繰り返して設ける。これにより、ワイヤ８の長さＰの変位に対応して、センサ部１１の２次巻線Ｓ１〜Ｓ４の誘導出力電圧は１周期の変化を示す。指の動きに対応したワイヤ８の変位量は比較的わずかなものであるので、その最大変位量が前記長さＰを越えないようにセンサ部１１の各巻線の寸法を設計すれば、指の動きに対応したワイヤ８の変位量を長さＰの範囲内のアブソリュート値で検出することができる。もちろん、ワイヤ８の変位量が前記長さＰを越える場合であっても、磁気応答部材１５を長さＰの周期で複数設けているので、この変位を検出することができる。その場合は、周知のように、長さＰを越えた回数（周期数）を別途演算等で求めることにより、長さＰを越えたワイヤ８の変位量を検出することが可能である。なお、磁気応答部材１５の形状は、図示のような細長の円柱状に限らず、球状あるいは楕円球状等適宜の形状であってもよいのは勿論である。なお、図示の都合上、各巻線を長く描いているが、実際は、もっと短く、かなり小型化される。
【００３０】
センサ部１１における１次及び２次巻線はかなり小型のものになるため、ワイヤ８の変位時に磁気応答部材１５のでっぱりが巻線等何かにひっかかることがあるかもしれない。そのような懸念を除去するために、１次及び２次巻線を巻回しているチューブ１４は、巻線の全長よりもある程度前後に長くし、すべての磁気応答部材１５の移動範囲をカバーしうるようにするとよい。これによって、ワイヤ８の動きに伴う磁気応答部材１５の動きがチューブ１４によって保護され、スムーズとなる。勿論、ワイヤ８における磁気応答部材１５の配置箇所全体を非磁性樹脂等で薄くコーティングして滑らかにしてもよい。
【００３１】
ワイヤ８の末端はコイルばね１２の一端（可動端）に固定され、該コイルばね１２の他端（固定端）は適宜の手段で基部（つまり固定ベルト５）に対して固定される。なお、後述するようにテンション調節機構１３を具備する場合は、該コイルばね１２の他端（固定端）がテンション調節機構１３で所定位置に固定（半固定）され、かつ、その固定位置が上位コントローラからの制御信号に応じて可変されることにより、コイルばね１２のテンションが調節され、ワイヤ８を介して指に加わる負荷荷重が調節されることとなる。すなわち、制御信号に応じて任意の力覚提示を為すことができる。勿論、テンション調節機構１３を具備しない形態で本発明を実施することも可能である。
【００３２】
図５に示した実施例においては、以下に説明するレゾルバ原理に従う位置検出処理によって、指の動きに応じた位置検出出力を得るのに適している。
図６は、センサ部１１において、レゾルバ原理に従う位置検出処理を行うために採用する、１次巻線ＰＷ及び２次巻線Ｓ１〜Ｓ４の結線状態を示す図である。
【００３３】
１次巻線ＰＷは１相の交流信号（便宜上、ｓｉｎωｔで示す）によって励磁される。各２次巻線Ｓ１〜Ｓ４の配置と磁気応答部材１５の配置との関係によって、概ね、範囲Ｐにおける磁気応答部材１５の移動を、０度≦θ≦３６０度、なる角度表示で示すとすると、サイン相の２次巻線Ｓ１における誘導出力の振幅関数はｓｉｎθで表わすことができ、次のコサイン相の２次巻線Ｓ２における誘導出力の振幅関数はｃｏｓθで表わすことができ、次のマイナス・サイン相の２次巻線Ｓ３における誘導出力の振幅関数は−ｓｉｎθで表わすことができ、次のマイナス・コサイン相の２次巻線Ｓ４における誘導出力の振幅関数は−ｃｏｓθで表わすことができることによる。換言すれば、概ねそのような関係が得られるように設計する。１つおきに配置された２次巻線Ｓ１とＳ３は差動接続されて、第１の出力交流信号Ａを生じる。もう一方の１つおきに配置された２次巻線Ｓ２とＳ４も差動接続されて、第２の出力交流信号Ｂを生じる。
【００３４】
よって、磁気応答部材１５の相対的変位に応じて、一方の２次巻線Ｓ１，Ｓ３の差動接続から得られる第１の出力交流信号Ａはサイン関数の振幅関数ｓｉｎθを持つもの、つまりＡ＝ｓｉｎθｓｉｎωｔで表わすことができるものとなり、他方の２次巻線Ｓ２，Ｓ４の差動接続から得られる第２の出力交流信号Ｂはコサイン関数の振幅関数ｃｏｓθを持つもの、つまりｃｏｓθｓｉｎωｔで表わすことができるものとなる。
【００３５】
こうして、図５及び図６のような配置及び巻線構成によれば、従来知られたレゾルバにおいて得られるのと同様の、同相交流であって２相の振幅関数を持つ２つの出力交流信号（サイン出力とコサイン出力）をデータ入力用グローブ１において得ることができることが理解できる。従って、本実施例の検出器１０において得られる２相の出力交流信号（Ａ＝ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔとＢ＝ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ）は、従来知られたレゾルバの出力と同様の使い方若しくは処理をすることができる。例えば、適切なディジタル位相検出回路３０を使用して、上記２相の出力交流信号Ａ，Ｂにおけるサイン関数ｓｉｎθとコサイン関数ｃｏｓθの位相値θをディジタルで測定することができる。例えば特開平９−１２６８０９号に示されたような位相検出方式を使用することができる。これにより、連続的な指の動きを高分解能かつアブソリュートで検出することができる。この場合、位相検出回路３０は専用集積回路及び／又はマイクロプロッセッサ等を含む回路構成とすることができ、これを使用者の固定ベルト５の側に設け、信号伝送手段４を介して上位のコンピュータ２に接続するようにするとよい。そのように、使用者の側にマイクロプロッセッサ等を具備することによって、様々な付加的な機能を実現しうるインテリジェントなデータ入力用グローブを構成することができる。なお、位相検出回路３０はディジタル方式に限らず、アナログ方式のものであってもよい。
【００３６】
なお、図５の構成において、図７に示すように、１次巻線と２次巻線の関係を逆にして、公知の位相シフトタイプ位置検出器のように構成してもよい。すなわち、４つの巻線Ｓ１〜Ｓ４を１次巻線とし、巻線ＰＷを２次巻線とする。この場合、一方の差動接続された１次巻線Ｓ１，Ｓ３の対を例えばサイン相の交流信号ｓｉｎωｔによって励磁し、他方の差動接続された１次巻線Ｓ２，Ｓ４の対を例えばコサイン相の交流信号ｃｏｓωｔによって励磁する。そうすると、１次巻線Ｓ１，Ｓ３による２次側の誘導出力は前記から例えばｓｉｎθ・ｓｉｎωｔに相当するものとなり、また、１次巻線Ｓ２，Ｓ４による２次側の誘導出力は前記から例えばｃｏｓθ・ｃｏｓωｔに相当するものとなる。よって、２次巻線ＰＷに得られるこれらの合成出力は、指の動きに応じた電気的位相シフトθを含む信号（例えばこれをｓｉｎ（ωｔ＋θ）で示す）となる。この出力信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）における電気的位相シフトθを公知の位相測定回路で、ディジタル的に又はアナログ的に検出するようにすればよい。この場合も、連続的な指の動きを高分解能で検出することができる。
【００３７】
更に、２次巻線Ｓ１〜Ｓ４の出力に基づき指の動きの検出データを具体的に得るための構成は、上記例に限らず、他の適宜の構成を用いてよい。
例えば、最も、単純には、各２次巻線Ｓ１〜Ｓ４の出力レベルを単純に比較して、最もレベルの低い１つの２次巻線（Ｓ１〜Ｓ４のいずれか）が配置されている位置をワイヤの変位量として検出するやり方がある。ただし、この場合は、Ｐの範囲を４分割した分解能でしか検出することができない、という不利がある。このような発想の変形としては、２次巻線の数が１個のみ、又は４個以上でも４個未満でもよい、ということになる。指が伸ばされている状態（すなわち、ワイヤが変位していない状態）若しくは指が曲げられている状態（すなわち、ワイヤが変位した状態）のいずれかのみを検出する場合、そのような実施の形態も有りうる。すなわち、２次巻線の数は４個に限ることなく、１又は任意の複数であってよい。あるいは、２個の２次巻線のみを差動接続して設け、差動トランスのように、ワイヤの連続的な移動位置に対応するアナログ電圧を得ることも可能である。
【００３８】
図８は、検出器１０におけるセンサ部１１の別の実施形態を示すものである。
この例においては、ワイヤ８の側には所定位置に永久磁石１６が設けられており、指の動きに応じたワイヤ８の変位に従って永久磁石１６が、１次及び２次巻線ＰＷ，Ｓ１〜Ｓ４に対して相対的に変位する。１次及び２次巻線ＰＷ，Ｓ１〜Ｓ４の中心空間内には、長さＰの全域にわたって磁性体コア１７が固定的に設けられる。永久磁石１６は、磁性体コア１７に沿ってその近傍を、ワイヤ８の変位に伴って移動するように配置されている。磁性体コア１７は、比透磁率が大きく、保磁力の小さな珪素鋼などの磁性体からなり、その形状は細長の円柱状であってもよいし、珪素鋼板を積層して形成された細長の直方体形状等、適宜の形状であってもよい。この磁性体コア１７の周囲に１次巻線ＰＷ及び２次巻線Ｓ１〜Ｓ４が所定の配置で巻回されている。磁性体コア１７と１次巻線ＰＷ及び２次巻線Ｓ１〜Ｓ４は適当な非磁性ケーシングに収納されて、固定バンド５の所定位置に固定的に配置される。なお、図示の都合上、各巻線の径を大きく、また、磁性体コア１７を太く、描いているが、実際は、これらをかなり細くすることができるので、これらを収納した非磁性ケーシングは磁石１６等に比べてかなり細い（薄い）ものである。
【００３９】
このような構成によっても、既に上述した別の実施例と同じようにして１次巻線ＰＷを１相の交流信号によって励磁することにより、２次巻線Ｓ１〜Ｓ４に位置検出出力信号を出力させ、これにより指の動きを検出できるようになる。
すなわち、磁石１６が近接していない限り、磁性体コア１７の存在によって１次巻線ＰＷと２次巻線Ｓ１〜Ｓ４との間の磁気結合度は大であり、２次巻線Ｓ１〜Ｓ４からは大きなレベルの誘導出力が得られる。しかし、長尺の磁性体コア１７のいずれかの箇所に対して、そのときのワイヤ８の位置に応じて磁石１６が近接すると、その箇所では、該磁石１６から発される磁束を強く受け、磁気飽和状態となる。換言すれば、そのように磁石１６が近接した磁性体コア１７の箇所において部分的に磁気飽和状態となるように磁石１６の性能及びサイズ等を決定するものとし、また、それに応じた適切な誘導出力の変化が得られるように、各巻線ＰＷ，Ｓ１〜Ｓ４のコイル長、巻数等を設定するものとする。磁気飽和状態となった磁性体コア１７の箇所では、１次ＰＷ及び２次巻線Ｓ１〜Ｓ４間の電磁誘導性能に関しては磁性体コア１７が存在していない空状態と等価となり、１次ＰＷ及び２次巻線Ｓ１〜Ｓ４間の磁気結合度は低下する。よって、磁石１６の近接に応じた、つまりワイヤ８の変位に応じた、誘導出力信号が各２次巻線Ｓ１〜Ｓ４から得られることになる。基本的にはこのような原理で、２次巻線Ｓ１〜Ｓ４の出力に基づきワイヤ８の変位量、すなわち、指の動きを検出することができることになる。
【００４０】
こうして、ワイヤ８の変位に応じて移動する永久磁石１６が近接する磁性体コア１７の特定箇所で磁気飽和状態となり、その箇所に対応する１次巻線ＰＷと２次巻線間Ｓ１〜Ｓ４の磁気結合度が低下する。従って、１次巻線ＰＷと２次巻線間Ｓ１〜Ｓ４の磁気結合が指の動きに応じて変化され、これにより、ワイヤ８の変位量に応じて振幅変調された誘導出力交流信号が、各２次巻線Ｓ１〜Ｓ４に誘起されることになる。この図８の例においても、先にあげた実施例と同様に位相検出回路を介することにより、当該実施例においても指の動きを検出することができる。勿論、当該実施例においても、上述のレゾルバ型の位置検出だけでなく、位相シフト型の位置検出ができることは言うまでもない。
【００４１】
センサ部１１における１次及び２次巻線の数及び配置等は、上記各実施例に示したものに限らず、適宜に変形可能である。
【００４２】
次に、フォースフィードバック機能を実現するテンション調節機構１３を具えたデータ入力用グローブの一実施例について図９により説明する。
図９において、テンション調節機構１３は、コイルばね１２の他端（固定端）に連結されたストッパ２１と、該ストッパ２１を矢印Ｆ方向に駆動するための電磁ソレノイド２０とを含んでいる。ストッパ２１の所定個所には鍔状またはその他適宜の形状の突起部２１ａが形成されている。ストッパ２１の先端はソレノイド２０のプランジャ（可動鉄心）１９に連結されている。所定位置に固定ブロック１８が配置されており、コイルばね１２の力によりストッパ２１が矢印Ｆとは反対方向に駆動されるとき、ストッパ２１の突起部２１ａが固定ブロック１８によって係止される。すなわち、電磁ソレノイド２０を付勢していないとき、コイルばね１２の力によりストッパ２１が矢印Ｆとは反対方向に付勢され、ストッパ２１の突起部２１ａが固定ブロック１８によって係止され、その位置に対応してコイルばね１２の他端（固定端）が固定される。通常は、ソレノイド２０が付勢されていない状態で使用され、フィードバックフォースを付加するとき、上位コントローラ（例えばコンピュータ２）から与えられる制御信号によってソレノイド２０を付勢する。これにより、プランジャ１９が矢印Ｆ方向に駆動され、コイルばね１２が同方向に伸ばされて、ワイヤ８に対する引っ張りテンション（つまりコイルばね１２による矢印Ｆ方向への付勢力）が増大する。これによって、手指に対してフィードバックフォースを与えることができる。通常のソレノイド２０は１個の励磁コイル２０ａのみからなる。本実施例においても、１個の励磁コイル２０ａのみからなるソレノイド２０を用いて、フィードバックフォースを１段階でオン・オフ制御するだけであってもよい。しかし、図示の例では、フィードバックフォースを多段階制御できるようにするために工夫をした例が示されている。すなわち、図示の例では、ソレノイド２０において３つの励磁コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃが順次縦続配置されており、各励磁コイル２０ａ、２０ｂ、２０ｃを順次に切換えて通電することにより、プランジャー１９が順次吸引されて矢印Ｆ方向に直線的に順次移動するように構成されている。つまり、励磁コイル２０ａ、２０ｂ、２０ｃの順に励磁することによって、プランジャー１９は順に右から左の位置まで３段階に位置を移動する。これを図で示すと、図１０Ａ〜１０Ｃのようである。図１０Ａは右側の励磁コイル２０ａに通電した際の概念図、図１０Ｂは中央の励磁コイル２０ｂに通電した際の概念図、図１０Ｃは左側の励磁コイル２０ｃに通電した際の概念図である。
【００４３】
ここで、上述のソレノイドを用いたフォースフィードバック機構の動作について簡単に説明する。
通常の状態、すなわち、各励磁コイル２０ａ、２０ｂ、２０ｃに通電していない場合においては、プランジャー１９は右端の位置に保持され、コイルばね１２は伸ばされていない状態である（図９参照）。そして、例えば使用者が指を曲げる動作を行うと、ストッパ２１によりコイルばね１２の一端が所定の基準位置Ａに位置付けられ、コイルばね１２はワイヤ８を介して指の曲げに応じた分だけ引っ張られる。この状態で励磁コイル２０ａのみに通電すると、プランジャー１９は励磁コイル２０ａに吸引されて、左方向へ１段階移動する（図１０Ａ参照）。すると、コイルばね１２の一端が基準位置Ａから左側へ移動し、励磁前に比べてコイルばね１２が伸ばされた状態となって付勢力が強く働くことから、使用者はより強い力を加えないと励磁前と同じ指の曲げ状態を保持することができない。あるいは、使用者がより指を深く曲げようとするには、励磁コイル２０ａに通電していない状態で指を曲げる場合に比較して、コイルばね１２の有する付勢力に抗する力がより多く必要となる。次に、励磁コイル２０ｂのみに通電すると、プランジャー１９は励磁コイル２０ｂに吸引されて、左方向へ１段階移動する（図１０Ｂ参照）。さらに、励磁コイル２０ｃのみに通電すると、プランジャー１９は励磁コイル２０ｃに吸引されて、左方向へさらに１段階移動する（図１０Ｃ参照）。こうして、プランジャー１９が左方向へ移動してコイルばね１２が引き伸ばされていくことに伴って、コイルばね１２の有する付勢力に抗するための力はより強い力が必要とされる。すなわち、コイルばね１２の付勢力を各励磁コイル２０ａ、２０ｂ、２０ｃの励磁によって調節できるようになっている。
【００４４】
そこで、例えば使用者が受けるであろう仮想対象物又は仮想環境からの反力をコンピュータ２（図１参照）によりその都度計算させ、この計算結果に比例して各励磁コイル２０ａ、２０ｂ、２０ｃを通電するように構成すれば、随時にコイルばね１２の付勢力を変化させることができ、使用者は指を動かしたときに可変のフォースフィードバックを受けたような仮想状態を得ることができるようになる。例えば、バーチャルリアリティによって指で物をつかんだとき、フィードバックフォースが弱い場合は軟らかいものをつかんだ感覚を得ることができ、フィードバックフォースが強い場合は硬いものをつかんだ感覚を得ることができる。
【００４５】
なお、各励磁コイル２０ａ、２０ｂ、２０ｃの順次の切換えにあたっては、切換えタイミングや通電する電流値等を適宜に制御して、プランジャー１９が段階的に動作できるようにすることは勿論である。また、本実施例においては励磁コイルを３個だけ構成したものを示したがこれに限らず、励磁コイルは少なくとも１個以上あればよい。ただし、できるだけ数多く励磁コイルを設けたほうが、より細かいフォースフィードバック制御を行うことができる。さらに、検出器１０においてセンサ部１１とテンション調節機構１３を一体的に設けたものを示したが、どちらか一方を具備してもよい。勿論、フォースフィードバックは上述したソレノイド２０による方法だけに限られるものではなく、例えばモータ等適宜のアクチュエータを用いてもよい。
【００４６】
また、本発明におけるデータ入力用グローブの一実施例として、手話手形を入力するための手袋型手形入力装置として構成する場合は、例えば感圧センサや接触センサ等を各指先毎に配置してもよい。図１１は、そのような構成を用いたデータ入力用グローブの一実施例を示す全体構成概略図である。ただし、指先のセンサ以外の図示は省略している。各指先には例えば感圧センサ２２が配置され、当該感圧センサ２２毎に各指先の接触状態を計測することができるようになっている。手話手形では指先を他方の手に接触させる形態があるため、感圧センサ２２によってそのような手形を検出することができる。また、指先の接触状態を検出して、この接触の強さを例えば仮想対象物又は仮想環境からの反力を付加する制御信号として用いるようにしてもよい。
【００４７】
さらに、各指の曲げ伸ばしだけでなく各指の接触状態や接触位置を検出することにより、各指の位置関係を的確に捉えて、使用者が為している手話手形を判定するようにしてもよい。例えば、使用者の指先だけでなく使用者の手の所定部分、つまり手のひらや手の甲あるいは各指の側面といった部分にも感圧センサ２２等を配置して、各感圧センサ２２からの接触検知信号の組み合わせから手話手形の判別を行うようにしてもよい。手話手形では単に指先を他方の手に接触させる形態以外にも、指先と手のひらや手の甲とを接触させたり、あるいは左右の指をクロスする等の複雑な形態がある。そこで、使用者の指先及び／又は手の所定部分に感圧センサ２２を設け、その部分での接触を検出できるようにする。そして、各感圧センサ２２から得られた検出信号を上位コントローラ（例えばコンピュータ２）に与え、上位コントローラは与えられた検出信号の組み合わせから左右の手や各指とがどのような位置関係（どのような接触状態）にあるかを判定して、手話手形を検出する。
【００４８】
なお、各感圧センサ２２から得られた検出信号の組み合わせの判定を、上述したようにデータ入力用グローブとは別々に構成されたコンピュータ２側で実行させてもよいし、あるいはデータ入力用グローブの例えば固定ベルト５にＣＰＵ等を具えたマイクロコンピュータを設けて、当該マイクロコンピュータに各感圧センサからの検出信号を入力して手話手形を検出するようにしてもよい。
【００４９】
なお、上述した各実施例においては、指先側にワイヤ８を固定して手首側に設けた検出器１０によってワイヤ８の動きを検出するようにしたが、これに限らず、反対に手首側にワイヤ８を固定して指先側に検出器１０を設けるように変更することも可能である。
また、センサ部１１における１次及び２次巻線ＰＷ、Ｓ１〜Ｓ４と磁気応答部材１５又は磁石１６との関係は、上述した実施例に限らず、１次及び２次巻線ＰＷ、Ｓ１〜Ｓ４側をワイヤ８の所定位置に配置し、磁気応答部材１５又は磁石１６側を検出器１０の側に固定的に設けるようにしてもよい。
また、センサ部１１は誘導型のものに限らず他の構成のものを用いてもよい。
また、弾性付勢手段としては、コイルばね１２に限らず、ゴムのような伸縮性のある適宜の弾性部材を用いてもよい。
【００５０】
なお、センサ部１１は手首側（又は指先側）の１箇所だけに（すなわち、検出器１０として一体的に）構成されるものに限らず、各ガイド７毎に各々設けるようにしてもよい。これを図示すると、図１２に示す図のようになる。すなわち、各関節毎に配置されたガイド７において、例えば、図５に示したような１次及び２次巻線ＰＷ、Ｓ１〜Ｓ４と磁気応答部材１５とからなるセンサ部１１ａ、１１ｂを各々配置する。これにより、各センサ部１１、１１ａ及び１１ｂによって各関節毎における指の動きを検出することができ、センサ部１１、１１ａ及び１１ｂの検出値から各関節毎の曲がり具合等（つまり、指全体の外形）の判定を行うことができる。こうして、各指１本ずつのワイヤ８のみで複数の関節の曲げ具合を検出することができるようになる。
なお、この場合において、上述した位相検出回路３０（図７参照）を各センサ部１１、１１ａ、１１ｂ毎に各々設けてもよいが、１つの位相検出回路３０を複数のセンサ部１１、１１ａ、１１ｂで共用して用いるようにしてもよい。
【００５１】
本発明は、様々な技術分野・産業分野で比較的安価かつ簡便に利用することのできる手袋型入力装置として、広範囲に応用することができる。特に、インテリジェント型手袋型手形入力装置として構成することにより、手話電話やコンピュータシステム等における手話入力インタフェースとして有利に利用することができる。更には、各種のバーチャルリアリティ空間での手袋型フォースフィードバックインタフェースとして利用可能である。例えば、医療教育現場における触診などの教程をバーチャルリアリティ化するインタフェース、バーチャルモールでの商品を手にとった感覚等をバーチャルリアリティ化するインタフェース、新素材合成用バーチャルリアリティシミュレータの入出量インタフェース、バーチャルリアリティを用いたネットワークやプログラム管理システムの入出力インタフェース、ＣＳＣＷ（分散協調作業）におけるモデリング用入出力インタフェース、などに利用できる。また、遠隔ロボット制御のためのバイラテラルインタフェースとして利用可能である。例えば、原子力プラント、宇宙空間などの極限環境における遠隔ロボットコントローラ、アールキューブプロジェクト用入出力装置、遠隔手術用入出力インタフェース、手術用マイクロロボット制御のための入出力インタフェース、などに利用できる。
【００５２】
【発明の効果】
以上の通り、この発明によれば、小型かつシンプルな構造を持つと共に、広い範囲にわたって連続的に高精度な分解能で手の動きが検出可能な手袋型入力装置を提供することができる。また、非接触の検出方法により手の動きを検出させることができるようになるので、摺動摩耗の心配のない耐久性に富んだ手袋型入力装置を提供することができる。更には、製造が極めて容易なシンプルな構造でフォースフィードバックを可能とした手袋型入力装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る手袋型入力装置を用いたバーチャルリアリティを利用したシステムの一実施例を示すシステム概略図である。
【図２】本発明に係る手袋型入力装置の一実施例の全体概略構成を示す概略図である。
【図３】図２に示した手袋型入力装置の１本の指についてのみ拡大して示す一部拡大図である。
【図４Ａ】本発明に係る手袋型入力装置の別の実施例の全体概略構成を示す概略図である。
【図４Ｂ】本発明に係る手袋型入力装置のさらに別の実施例の全体概略構成を示す概略図である。
【図５】本発明に係る手袋型入力装置におけるセンサ部の一実施例を拡大して示した断面図である。
【図６】本発明に係る手袋型入力装置のセンサ部における１次及び２次巻線の結線例を示す図である。
【図７】本発明に係る手袋型入力装置のセンサ部における１次及び２次巻線の別の結線例を示す図である。
【図８】本発明に係る手袋型入力装置におけるセンサ部の別の実施例を拡大して示した断面図である。
【図９】本発明に係る手袋型入力装置におけるフォースフィードバック機能を実現する機構の一実施例を拡大して示した断面図である。
【図１０Ａ】図９に示したフォースフィードバック機構において、右端の励磁コイルに通電した際の説明図である。
【図１０Ｂ】図９に示したフォースフィードバック機構において、中央の励磁コイルに通電した際の説明図である。
【図１０Ｃ】図９に示したフォースフィードバック機構において、左端の励磁コイルに通電した際の説明図である。
【図１１】本発明に係る手袋型入力装置の他の実施例の全体概略構成を示す概略図である。
【図１２】センサ部を各関節のガイド毎に具えた手袋型入力装置の実施例を、１本の指についてのみ拡大して示す一部拡大図である。
【符号の説明】
１…データ入力用グローブ（手袋型入力装置）、２…コンピュータ、３…ディスプレイ、４…信号伝送手段、５…固定ベルト、６…自在バンド、７…ガイド、８（８１〜８６、８ａ〜８ｃ）…ワイヤ、９（９１〜９６）…長さ調節機構、１０（１０１〜１０６、１０ａ〜１０ｃ）…検出器、１１（１１ａ、１１ｂ）…センサ部、１２…コイルばね、１３…テンション調節機構（フォースフィードバック機構）、１４…チューブ、１５…磁性体、１６…磁石、１７…磁性体コア、１８…固定ブロック、１９…プランジャー（可動鉄心）、２０…ソレノイド、２０ａ（２０ｂ、２０ｃ）…励磁コイル、２１…ストッパ、２１ａ…突起部、３０…位相検出回路、ＰＷ…１次巻線、Ｓ１〜Ｓ４…２次巻線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an input device for inputting data to a system using virtual reality, and in particular, a glove-type input capable of measuring actual hand movement (gesture) and creating three-dimensional data to be taken into the system. More particularly, the present invention relates to an intelligent glove-type handprint input device that can be used as an input interface for a sign language telephone or a sign language input device.
[0002]
[Prior art]
As a form of virtual reality, the user's alternation (character) is displayed on the display device, and the user moves the displayed character to the display device in substantially the same manner as the user actually moves. There are things that allow you to feel as if you are present in the displayed virtual space (video space) and interactively experience virtual experiences in the virtual space. Among them, there is a data input glove (glove-type input device) that can measure hand movement (gesture), which can be said to play the most role in normal life and work, in order to convey more natural human movements. is there. A conventionally known data input glove detects the bending of each finger by analyzing the change in the amount of light passing through the optical fiber provided corresponding to each finger of the data input glove, that is, the movement of the hand. Can be measured. In addition to the one using this optical fiber, one using a mechanical link (for example, a goniometer) or one using an element whose resistance is changed by pressure or bending (for example, liquid conductive ink) has been conventionally known. ing.
Such virtual reality systems using data input gloves are used in various fields such as telerobotic control (that is, remote operation of a robot by an operator), interactive medical simulation, or three-dimensional modeling CAD (motion capture). It is being used.
[0003]
By the way, when a human operates an object, a force sensation (force sense) such as hardness and weight is indispensable, and the importance of force feedback from a virtual space has been conventionally recognized. Therefore, a force feedback device for mechanically generating a reaction force received from the target object by contacting the target object in the virtual space may be provided in the data input glove. This force feedback device returns a reaction force obtained from a situation in which a virtual hand (finger) is in contact with a virtual object or a virtual environment (for example, a wall) in the virtual space to the human side. In other words, when a real human hand or finger touches a device that generates mechanical force (force feedback device) and the device gives a reaction force to the human, the human is in virtual space. You can feel the reaction force from the inside.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional data input glove measures the movement of the hand by detecting a change in the amount of light with an optical sensor. Therefore, if the finger is not bent beyond a predetermined angle, a change in the amount of light cannot be captured, and the movement of the hand is not measured, that is, it is difficult to measure with high accuracy. In addition, the above-mentioned data input glove using the optical sensor has a slit (scratch) in the optical fiber so that the amount of light changes in proportion to the bending angle of the finger, so that it is weak against mechanical vibration and long. There has been a problem that mechanical wear and corrosion due to time use cannot be avoided, and therefore errors have been caused in the measurement after several years of use. Furthermore, a data input glove using such an optical sensor or the like is expensive.
[0005]
In addition, in order to perform the force feedback described above, the mechanical mechanism for that purpose must be configured separately from an optical sensor or the like for measuring hand movement. For this reason, the data input glove provided with the force feedback mechanism is increased in size and weight, which makes it difficult for the user to wear and difficult to use.
[0006]
Conventionally, all of the glove-type input devices that have been put to practical use are extremely expensive and cannot be easily used by anyone. Therefore, at present, inexpensive, effective and useful glove-type input devices are not yet widespread and can be used in various fields. I could not respond to the request. For example, if a glove-type input device can be used to input a handprint (the shape of a hand in sign language), it can be used as a sign language input device in a sign language telephone or a computer system, which benefits people with hearing impairments. At present, there is no such glove-type handwriting input device.
[0007]
The present invention has been made in view of the above-mentioned points, and has a small and simple structure, can measure a hand movement with high accuracy, and has a durable glove-type input device. Is to provide.
It is another object of the present invention to provide a glove-type input device that enables force feedback with a simple structure that is extremely easy to manufacture.
Furthermore, an object of the present invention is to provide a glove-type input device that can be used relatively inexpensively and easily in various technical fields and industrial fields. In particular, an object of the present invention is to provide a glove-type input device that can be advantageously used as a sign language input interface in a sign language telephone or a computer system.
[0008]
[Means for solving the problems]]
[0010]
A glove-type input device according to the present invention is a glove-type input device that is worn on a hand to detect movement of a user's hand, and has one end attached to a predetermined part of the user's finger or hand. A transmission means extending over a predetermined range to transmit the movement of the predetermined portion, a spring that elastically supports the other end of the transmission means, and one end of the spring is displaced according to a control signal to thereby displace the spring. Adjusting means for variably adjusting the urging force according to the control signal;The adjusting means includes a solenoid having an exciting coil excited by a control signal and a movable iron core, connects the movable iron core to one end of the spring, and supplies the control signal according to a reaction force in a virtual space. To control the movement of the movable iron core, and according to the amount of movement of the movable iron core,Control the biasing forceAnd by thisThe feedback force can be controlled.
[0011]
The adjusting means is configured to be able to variably control the urging force of the elastic means attached to the transmission means as needed. The transmission means is adjusted in length so as to maintain a predetermined length for each finger, and one end thereof is fixedly disposed at a predetermined position of the finger or a predetermined portion of the hand. An elastic means is attached to the opposite end of the transmission means, and a predetermined tension is applied to the transmission means. Therefore, in response to the urging force of the elastic means being changed by the adjusting means as needed, the force applied to the transmission means for the user to bend and stretch the finger also changes. That is, since the finger is bent and stretched against the biasing force of the elastic means, if the biasing force is increased, it becomes difficult to bend and stretch the finger accordingly. On the other hand, if the urging force is weakened, it becomes easier to bend and stretch the finger accordingly. Therefore, by making it possible to control the biasing force of the elastic means by the adjusting means at any time, a glove-type input device reflecting the feedback force can be configured.
[0012]
Furthermore, a detection means for detecting a movement of a predetermined part of the user's finger or hand and generating a detection signal may be provided. The detection means generates a detection signal according to the movement of a predetermined part of the finger or hand, and the adjustment means can control the biasing force of the elastic means according to the detection signal. In this way, the feedback force according to the movement of a predetermined part of the finger or hand can always be reflected. In addition, a mechanism for detecting the movement of a predetermined part of the finger or hand and a mechanism for reflecting the feedback force can be integrally configured, and the glove-type input device is a small-sized device having a simple structure. Can be.
[0013]
In a preferred embodiment of the present invention, the detecting means includes a primary winding excited by a predetermined AC signal, a coil portion including a secondary winding magnetically coupled to the primary winding, and a magnetic response. And a configuration in which a detection signal of hand movement is obtained by obtaining an output signal corresponding to the movement of the transmission means from the secondary winding. That is, the coil unit and the magnetic response member constituting the detection unit are configured such that the relative positional relationship between the coil unit and the magnetic response member changes according to the movement of the transmission unit within a predetermined range. To do.
[0014]
As a preferred embodiment of the present invention, the adjusting means includes a solenoid having an exciting coil excited by a control signal and a movable iron core, the movable iron core is connected to the elastic means, and a reaction force in a virtual space. Accordingly, the control signal is supplied to control the movement of the movable core, and the urging force of the elastic means is controlled according to the amount of movement of the movable core.
[0015]
As is apparent from the above, according to the present invention, the glove has a small and simple structure that is extremely easy to manufacture, is highly durable, and can measure the movement of the hand with high accuracy. A mold input device can be provided. In addition, it is possible to provide a glove-type input device that enables force feedback with a simple structure that is extremely easy to manufacture. Furthermore, an inexpensive glove-type input device can be provided.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0017]
FIG. 1 is a system schematic diagram schematically showing an embodiment of a system using virtual reality (virtual reality) using a glove-type input device according to the present invention. The virtual reality system shown in FIG. 1 includes a glove-type input device 1, a computer 2, a display 3, and the like. The virtual reality system may have hardware other than these, but here, a case where the minimum necessary resources are used will be described.
[0018]
The glove-type input device 1 (hereinafter referred to as a data input glove) in the embodiment is illustrated as being used by being worn on the left hand of a user. That is, the left-hand data input globe 1 is used. Of course, the data input glove 1 may be formed so that it can be worn on the right hand. Needless to say, separate data input gloves 1 may be attached to the left and right hands for simultaneous use. The display 3 displays a virtual space including a virtual object (a sphere in the figure), and the user can visually recognize the virtual space by the display 3. In such a virtual reality system, when the user moves each finger of the left hand while wearing the data input glove 1, the data input glove 1 moves in accordance with the movement of the user's left hand (movement of each finger). Changes such as the degree of bending of each finger are measured, and the measured values are converted into numerical data that can be input to the computer 2. The computer 2 includes a central processing unit (CPU), for example, a personal computer, which analyzes numerical data obtained from the data input globe 1 and displays it on the screen X of the display 3. The hand (each finger) in the virtual space is displayed while moving in accordance with the user's actual hand movement (movement of each finger). Between the data input globe 1 and the computer 2 and between the computer 2 and the display 3 are connected by signal transmission means 4 so that the numerical data and control data can be transmitted and received.
[0019]
The display 3 is not limited to the one shown in the figure, and may be any display such as a display using a three-dimensional hologram or an HMD (Head Mounted Display). The HMD is a display device using liquid crystal or the like, and the user can visually see the virtual space by wearing the HMD so as to block the visual field in front of the eyes. In addition, there are some that can be visualized by superimposing a virtual image on the scenery in front of the user using a half mirror or the like.
Further, the signal transmission means 4 may not be wired as shown, but may be wireless such as radio. In addition, such a virtual reality system is not only used alone, but it may be possible to perform operation control of a realistic robot or the like by combining the virtual reality system and an actual robot system. Needless to say. Furthermore, although the computer 2 and the display 3 are configured separately from the input device 1, they may be configured integrally.
[0020]
FIG. 2 is an overall schematic configuration diagram schematically showing an embodiment of a data input glove according to the present invention. However, in order to make the explanation easy to understand, only the internal structure of the data input glove is shown with the data input glove attached to the user. FIG. 3 is a partially enlarged view showing in detail an enlarged view of only one finger of the data input glove shown in FIG.
[0021]
The data input glove 1 is mounted with a detector 10 for detecting the bending state of each finger so as to correspond to each finger, and is fixed at the wrist portion by a fixing belt 5. The length of the universal band 6 can be freely adjusted, and the glove 1 for data input is fixed so as to surround the finger (see FIG. 3). At this time, it is fixed according to the thickness of the joint portion of each finger so that the relative position between the joint position of each finger and the joint position of the data input glove 1 does not occur. The guide 7 is formed in an appropriate shape such as a hollow cylinder, cone, or rectangular parallelepiped, and the wire 8 passes through the hollow portion. Therefore, even when the finger is bent, the wire 8 can freely reciprocate freely in the Y direction without being caught at each joint portion. The wires 8 are formed from the length adjusting mechanism 9 provided in the free band 6 of the first joint portion of each finger along each finger to the detector 10 through the guide 7 of each joint portion. The length adjusting mechanism 9 freely adjusts the length of the wire 8 according to the length of the finger, and fixes one end of the wire 8. A detector 10 is disposed on the fixed belt 5, and this detector 10 can detect the movement of the wire 8 when it moves back and forth between the fingertip and the wrist in the Y direction in accordance with the movement of the finger.
[0022]
2 and 3 show an example in which only one wire 8 is configured for each finger. However, as shown in FIG. 4A, a configuration may be adopted in which a plurality of wires 8 are provided for each joint of each finger. . By doing so, the movement of each finger can be captured in more detail than in the case where only one wire is configured. Of course, it goes without saying that a plurality of detectors 10 and the like are provided corresponding to the wires 8. The wire 8 is not limited to this, and may be a thread. For example, in the illustrated index finger, the wire 8a conducts the movement of the first joint, the wire 8b conducts the movement of the second joint, and the wire 8c individually conducts the movement of the third joint, and the detectors 10a, 10b, and 10c respectively. Detecting the movement of
[0023]
In addition, the arrangement of the wires 8 for detecting the movement of the fingers is not limited to the above-described example. For example, the wires 8 are appropriately disposed between the fingers (that is, the crotch of each finger), the curved portion of the back of the hand, or the wrist. May be arranged. That is, the wire 8 may be arranged so as to detect the degree of opening between fingers, the degree of bending of the back of the hand, the bending state of the wrist, and the like. This is illustrated, for example, in the diagram shown in FIG. 4B. That is, the wires 81 to 86 are provided between each finger, between the thumb and the little finger, and the wrist portion (on the fixed band 5), and the detectors 101 to 106 are arranged to correspond thereto. To do. The lengths of the wires 81 to 86 are kept constant by the length adjusting mechanisms 91 to 96, respectively.
The wires 81 to 84 between the fingers individually transmit the opening / closing operations between the adjacent fingers, and the detectors 101 to 104 detect the movements. For example, when the illustrated thumb and index finger are opened, the wire 81 transmits the movement, and the detector 101 detects the open / closed state of the thumb and index finger. The wire 85 between the thumb and the little finger transmits the degree of curvature of the back of the hand, and its movement is detected by the detector 105. For example, when the user grasps the palm of the hand or brings the fingers close together to bring the thumb and little finger into contact with each other, the wire 85 transmits the movement and the detector 105 detects the bent state of the back of the hand. The wire 86 transmits the bending state of the wrist, and its movement is detected by the detector 106. The wire 86 is arranged on the fixing belt 5 so that one end of the wire 86 is located at a predetermined position on the back of the hand, transmits the wrist bending motion, and the detector 106 detects the wrist bending state.
[0024]
In the above example, the detectors 101 to 105 are arranged on the free band 6, but may be arranged on the fixed band 5. In that case, for example, pulleys (rollers) are arranged at the positions of the detectors 101 to 105 so that one ends of the wires 81 to 85 reach the detectors on the fixed band 5 side via the pulleys. Although the wire 85 is disposed only between the thumb and the little finger, the present invention is not limited to this, and the wire is appropriately disposed between the thumb and the ring finger, between the little finger and the index finger, or between the index finger and the ring finger, and the back of the hand. It may be possible to detect the degree of folding. Moreover, you may use combining these two or more.
Needless to say, the embodiment shown in FIGS. 2 and 4A described above and the embodiment shown in FIG. 4B may be appropriately combined.
[0025]
Returning to FIG. 3, the tip of the wire 8 is coupled to the length adjusting mechanism 9, and the other tip is coupled to the coil spring 12 formed of a tension spring through the sensor unit 11. The other end of the coil spring 12 is fixed to the tension adjusting mechanism 13. That is, the wire 8 is always kept in a predetermined tension by the biasing force of the coil spring 12. The tension adjusting mechanism 13 variably adjusts the tension by the coil spring 12 in accordance with a control signal given from a host controller (such as the computer 2), and realizes force feedback. Details thereof will be described later. In this embodiment, when the finger is not bent, the coil spring 12 is adjusted so as to maintain a static state, and when the finger is bent, the wire 8 is pulled against the urging force of the coil spring 12. It has become. The detector 10 detects the movement of the finger by detecting the displacement amount of the wire 8 due to the wire 8 being pulled by the sensor unit 11. Further, the detector 10 may detect the speed or acceleration of the movement of the finger by detecting the displacement speed or acceleration of the wire 8.
[0026]
Here, detection of finger movement will be described using a specific embodiment. FIG. 5 is a schematic configuration diagram schematically showing one embodiment of a position detecting means for detecting the displacement of the wire 8, that is, the detector 10. As shown in FIGS. 2 and 4, the detector is configured corresponding to each finger (or joint of each finger).
[0027]
In this embodiment, the sensor unit 11 is configured by using an inductive linear position detecting device as shown in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-153402, and is fixed to the wire 8 side at a predetermined interval. It comprises one or a plurality of magnetic response members 15 provided, and a primary winding PW and secondary windings S1 to S4 fixedly provided on the fixed belt 5 side. The primary winding PW and the secondary windings S1 to S4 are wound around a predetermined portion of the tube 14 made of a non-magnetic material, and have a sine phase, a cosine phase, a minus sine phase, and a minus cosine phase. The corresponding four secondary windings S1 to S4 are arranged at different positions with respect to the displacement direction. For example, assuming that the length of the range covered by one secondary winding (S1 to S4) is P / 4, the entire length of four secondary windings S1 to S4 covers the length of P. Also, a primary winding PW that is one-phase AC excited is provided so as to cover all the secondary windings S1 to S4. In the illustrated example, the secondary windings S1 to S4 are wound outside the primary winding PW, but this may be reversed. In the illustrated example, the coil length of each of the secondary windings S1 to S4 is drawn as P / 4, but may be shorter than this. In that case, the primary winding PW may be inserted separately between the secondary windings S1 to S4.
[0028]
The wire 8 is made of a tough non-magnetic and non-conductive yarn such as nylon yarn, and one or a plurality of magnetic wires within a predetermined range that can enter and enter the tube 14. Response members 15 are fixedly provided at predetermined intervals. Thereby, when the wire 8 is displaced in conjunction with the movement of the finger, the magnetic response member 15 is displaced accordingly, and in the sensor unit 11, the relative position of the magnetic response member 15 with respect to the primary and secondary windings is changed. Displace. By obtaining an output corresponding to the relative displacement of the magnetic response member 15 from the secondary windings S1 to S4, the movement of the finger can be detected. As the magnetic response member 15, a magnetic material such as iron or a good conductor such as copper or aluminum can be used. When a magnetic material is used as the magnetic response member 15, the degree of magnetic coupling between the primary and secondary windings increases at the location where the magnetic response member 15 is close, and the voltage level induced in the corresponding secondary winding. Goes up. On the other hand, when a good conductor is used as the magnetic response member 15, the degree of magnetic coupling between the primary and secondary windings decreases due to eddy current loss at a location where the magnetic response member 15 is close, and the corresponding secondary winding The voltage level induced on the line decreases. In either case, an induction output voltage correlated with the proximity of the magnetic response member 15 can be obtained from the secondary windings S1 to S4.
[0029]
For example, the size of one magnetic response member 15 is P / 2, an appropriate value before or after it, or an appropriate value less than P / 2. When a plurality of magnetic response members 15 are provided, the length is long. This is repeated at a period P. Thereby, the induced output voltage of the secondary windings S 1 to S 4 of the sensor unit 11 shows a one-cycle change corresponding to the displacement of the length P of the wire 8. Since the displacement amount of the wire 8 corresponding to the movement of the finger is relatively small, if the dimensions of each winding of the sensor unit 11 are designed so that the maximum displacement amount does not exceed the length P, the finger The amount of displacement of the wire 8 corresponding to the movement can be detected by an absolute value within the range of the length P. Of course, even when the amount of displacement of the wire 8 exceeds the length P, a plurality of magnetic response members 15 are provided with a period of the length P, so that this displacement can be detected. In this case, as is well known, the amount of displacement of the wire 8 exceeding the length P can be detected by separately obtaining the number of times (number of cycles) exceeding the length P by calculation or the like. Of course, the shape of the magnetic response member 15 is not limited to an elongated cylindrical shape as shown in the figure, but may be an appropriate shape such as a spherical shape or an elliptical spherical shape. For convenience of illustration, each winding is drawn long. However, in actuality, the winding is much shorter and considerably smaller.
[0030]
Since the primary and secondary windings in the sensor unit 11 are considerably small, when the wire 8 is displaced, the magnetic response member 15 may be caught in something such as a winding. In order to eliminate such a concern, the tube 14 around which the primary and secondary windings are wound is made somewhat longer than the entire length of the winding to cover the movement range of all the magnetic response members 15. It is good to get it. Thereby, the movement of the magnetic response member 15 accompanying the movement of the wire 8 is protected by the tube 14 and becomes smooth. Of course, the entire arrangement portion of the magnetic response member 15 in the wire 8 may be thinly coated with a nonmagnetic resin or the like to be smooth.
[0031]
The end of the wire 8 is fixed to one end (movable end) of the coil spring 12, and the other end (fixed end) of the coil spring 12 is fixed to the base (that is, the fixed belt 5) by an appropriate means. When the tension adjusting mechanism 13 is provided as will be described later, the other end (fixed end) of the coil spring 12 is fixed (semi-fixed) at a predetermined position by the tension adjusting mechanism 13, and the fixed position is higher. By varying according to the control signal from the controller, the tension of the coil spring 12 is adjusted, and the load applied to the finger via the wire 8 is adjusted. That is, any force sense can be presented according to the control signal. Of course, the present invention can be implemented in a form that does not include the tension adjusting mechanism 13.
[0032]
The embodiment shown in FIG. 5 is suitable for obtaining a position detection output corresponding to the movement of the finger by the position detection process according to the resolver principle described below.
FIG. 6 is a diagram illustrating a connection state of the primary winding PW and the secondary windings S1 to S4 employed in the sensor unit 11 to perform position detection processing according to the resolver principle.
[0033]
The primary winding PW is excited by a one-phase AC signal (indicated by sin ωt for convenience). If the relationship between the arrangement of the secondary windings S1 to S4 and the arrangement of the magnetic response member 15 is approximately, the movement of the magnetic response member 15 in the range P is indicated by an angle display of 0 ° ≦ θ ≦ 360 °. The amplitude function of the induction output in the secondary winding S1 of the sine phase can be expressed by sin θ, and the amplitude function of the induction output in the secondary winding S2 of the next cosine phase can be expressed by cos θ, The amplitude function of the induction output in the secondary winding S3 of the sine phase can be expressed by -sin θ, and the amplitude function of the induction output in the secondary winding S4 of the next minus cosine phase can be expressed by -cos θ. by. In other words, it is designed so that such a relationship can be obtained. Every other secondary winding S1 and S3 is differentially connected to produce a first output AC signal A. The other secondary windings S2 and S4 arranged every other one are also differentially connected to generate the second output AC signal B.
[0034]
Therefore, the first output AC signal A obtained from the differential connection of one of the secondary windings S1 and S3 according to the relative displacement of the magnetic response member 15 has a sine function amplitude function sin θ, that is, A = Sinθsinωt, and the second output AC signal B obtained from the differential connection of the other secondary windings S2 and S4 has an amplitude function cosθ of a cosine function, that is, can be expressed by cosθsinωt. It will be possible.
[0035]
Thus, according to the arrangement and winding configuration as shown in FIGS. 5 and 6, two output AC signals (in-phase AC and having two-phase amplitude functions) similar to those obtained in a conventionally known resolver ( It can be seen that a sine output and a cosine output can be obtained in the data input globe 1. Therefore, the two-phase output AC signals (A = sin θ · sin ωt and B = cos θ · sin ωt) obtained in the detector 10 of this embodiment can be used or processed in the same manner as the output of a conventionally known resolver. it can. For example, the phase value θ of the sine function sin θ and the cosine function cos θ in the two-phase output AC signals A and B can be digitally measured using an appropriate digital phase detection circuit 30. For example, a phase detection method as disclosed in JP-A-9-126809 can be used. Thus, continuous finger movement can be detected with high resolution and absolute. In this case, the phase detection circuit 30 may have a circuit configuration including a dedicated integrated circuit and / or a microprocessor, which is provided on the side of the user's fixed belt 5 and is connected to the upper level via the signal transmission means 4. It is preferable to connect to the computer 2. As described above, by providing a microprocessor or the like on the user side, an intelligent data input glove that can realize various additional functions can be configured. Note that the phase detection circuit 30 is not limited to a digital system, and may be an analog system.
[0036]
In the configuration of FIG. 5, as shown in FIG. 7, the relationship between the primary winding and the secondary winding may be reversed to configure a known phase shift type position detector. That is, the four windings S1 to S4 are primary windings, and the winding PW is a secondary winding. In this case, one differentially connected primary winding S1, S3 pair is excited by, for example, a sine-phase AC signal sinωt, and the other differentially connected primary winding S2, S4 pair is, for example, cosine. Excitation is performed by a phase AC signal cosωt. Then, the secondary induction output by the primary windings S1 and S3 corresponds to, for example, sin θ · sin ωt, and the secondary induction output by the primary windings S2 and S4 is, for example, cos θ -It corresponds to cos ωt. Therefore, these combined outputs obtained in the secondary winding PW are signals including an electrical phase shift θ corresponding to the movement of the finger (for example, this is indicated by sin (ωt + θ)). The electrical phase shift θ in the output signal sin (ωt + θ) may be detected digitally or analogly by a known phase measurement circuit. Also in this case, continuous finger movement can be detected with high resolution.
[0037]
Furthermore, the configuration for specifically obtaining the finger movement detection data based on the outputs of the secondary windings S1 to S4 is not limited to the above example, and other appropriate configurations may be used.
For example, most simply, the output level of each secondary winding S1 to S4 is simply compared, and the position where one secondary winding (any one of S1 to S4) having the lowest level is arranged. Is detected as the amount of wire displacement. However, in this case, there is a disadvantage that the P range can be detected only with a resolution divided into four. As a modification of such an idea, the number of secondary windings may be only one, or four or more or less than four. Such an embodiment in the case where only the state where the finger is stretched (that is, the state where the wire is not displaced) or the state where the finger is bent (ie where the wire is displaced) is detected. There is also a possibility. That is, the number of secondary windings is not limited to four, and may be one or any plural number. Alternatively, it is possible to provide only two secondary windings in a differential connection, and obtain an analog voltage corresponding to the continuous movement position of the wire, as in a differential transformer.
[0038]
FIG. 8 shows another embodiment of the sensor unit 11 in the detector 10.
In this example, a permanent magnet 16 is provided at a predetermined position on the wire 8 side, and the permanent magnet 16 is moved in accordance with the displacement of the wire 8 according to the movement of the finger. It is displaced relative to S4. In the central space of the primary and secondary windings PW, S1 to S4, a magnetic core 17 is fixedly provided over the entire length P. The permanent magnet 16 is disposed along the magnetic core 17 so as to move in the vicinity thereof as the wire 8 is displaced. The magnetic core 17 is made of a magnetic material such as silicon steel having a large relative permeability and a small coercive force, and the shape thereof may be an elongated cylindrical shape, or an elongated shape formed by laminating silicon steel plates. An appropriate shape such as a rectangular parallelepiped shape may be used. A primary winding PW and secondary windings S1 to S4 are wound around the magnetic core 17 in a predetermined arrangement. The magnetic core 17, the primary winding PW, and the secondary windings S 1 to S 4 are housed in a suitable nonmagnetic casing and fixedly disposed at a predetermined position of the fixed band 5. For the convenience of illustration, the diameter of each winding is large and the magnetic core 17 is drawn thick. However, in actuality, these can be made considerably thin. It is quite thin (thin) compared to etc.
[0039]
Even with such a configuration, the position detection output signal is output to the secondary windings S1 to S4 by exciting the primary winding PW with a one-phase AC signal in the same manner as in the other embodiments described above. Thus, the movement of the finger can be detected.
That is, unless the magnet 16 is close, the magnetic coupling between the primary winding PW and the secondary windings S1 to S4 is large due to the presence of the magnetic core 17, and the secondary windings S1 to S4. Provides a large level of inductive output. However, when the magnet 16 comes close to any part of the long magnetic core 17 according to the position of the wire 8 at that time, the magnetic flux emitted from the magnet 16 is strongly received at that part, A magnetic saturation state is reached. In other words, the performance and size of the magnet 16 are determined so that the magnet 16 is partially in a magnetic saturation state at the location of the magnetic core 17 that is close to the magnet 16, and appropriate guidance is accordingly provided. The coil length, the number of turns, and the like of each of the windings PW and S1 to S4 are set so as to obtain a change in output. At the location of the magnetic core 17 in the magnetic saturation state, the electromagnetic induction performance between the primary PW and the secondary windings S1 to S4 is equivalent to an empty state in which the magnetic core 17 does not exist, and the primary PW. And the magnetic coupling degree between secondary winding S1-S4 falls. Therefore, an induction output signal according to the proximity of the magnet 16, that is, according to the displacement of the wire 8, is obtained from each of the secondary windings S 1 to S 4. Basically, on this principle, the displacement amount of the wire 8, that is, the movement of the finger can be detected based on the outputs of the secondary windings S1 to S4.
[0040]
Thus, a magnetic saturation state occurs at a specific location of the magnetic core 17 where the permanent magnet 16 that moves in accordance with the displacement of the wire 8 is close, and the primary winding PW and the secondary windings S1 to S4 corresponding to that location. The degree of magnetic coupling decreases. Therefore, the magnetic coupling between the primary winding PW and the secondary windings S1 to S4 is changed according to the movement of the finger, and thereby the induction output AC signal whose amplitude is modulated according to the displacement amount of the wire 8 is It will be induced in each secondary winding S1-S4. In the example of FIG. 8 as well, the movement of the finger can also be detected in this embodiment by way of the phase detection circuit in the same manner as in the previous embodiment. Of course, it goes without saying that not only the resolver type position detection described above but also the phase shift type position detection can be performed in this embodiment.
[0041]
The number and arrangement of the primary and secondary windings in the sensor unit 11 are not limited to those shown in the above embodiments, and can be modified as appropriate.
[0042]
Next, an embodiment of a data input glove having a tension adjusting mechanism 13 for realizing a force feedback function will be described with reference to FIG.
In FIG. 9, the tension adjusting mechanism 13 includes a stopper 21 connected to the other end (fixed end) of the coil spring 12 and an electromagnetic solenoid 20 for driving the stopper 21 in the direction of arrow F. A protrusion 21 a having a hook shape or other appropriate shape is formed at a predetermined portion of the stopper 21. The tip of the stopper 21 is connected to a plunger (movable iron core) 19 of the solenoid 20. The fixed block 18 is disposed at a predetermined position. When the stopper 21 is driven in the direction opposite to the arrow F by the force of the coil spring 12, the protrusion 21 a of the stopper 21 is locked by the fixed block 18. That is, when the electromagnetic solenoid 20 is not energized, the stopper 21 is energized in the direction opposite to the arrow F by the force of the coil spring 12, and the protruding portion 21a of the stopper 21 is locked by the fixed block 18, and its position The other end (fixed end) of the coil spring 12 is fixed correspondingly. Normally, the solenoid 20 is used in a state where it is not energized, and when adding a feedback force, the solenoid 20 is energized by a control signal given from a host controller (for example, the computer 2). As a result, the plunger 19 is driven in the direction of arrow F, the coil spring 12 is extended in the same direction, and the tension on the wire 8 (that is, the biasing force in the direction of arrow F by the coil spring 12) increases. Thereby, a feedback force can be given to the fingers. A normal solenoid 20 consists of only one exciting coil 20a. Also in this embodiment, the feedback force may be controlled on and off in one step using the solenoid 20 composed of only one exciting coil 20a. However, in the illustrated example, an example in which the feedback force is devised so that it can be controlled in multiple stages is shown. That is, in the illustrated example, three excitation coils 20a, 20b, and 20c are sequentially cascaded in the solenoid 20, and the plunger 19 is sequentially switched by energizing each excitation coil 20a, 20b, and 20c in turn. It is constructed such that it is sucked and moves linearly and sequentially in the direction of arrow F. That is, by exciting the exciting coils 20a, 20b, and 20c in this order, the plunger 19 moves in three stages from right to left. This is illustrated in FIGS. 10A to 10C. 10A is a conceptual diagram when the right exciting coil 20a is energized, FIG. 10B is a conceptual diagram when the central exciting coil 20b is energized, and FIG. 10C is a conceptual diagram when the left exciting coil 20c is energized.
[0043]
Here, the operation of the force feedback mechanism using the above-described solenoid will be briefly described.
In a normal state, that is, when each of the exciting coils 20a, 20b, and 20c is not energized, the plunger 19 is held at the right end position, and the coil spring 12 is not stretched (see FIG. 9). . For example, when the user performs an operation of bending the finger, one end of the coil spring 12 is positioned at a predetermined reference position A by the stopper 21, and the coil spring 12 is pulled through the wire 8 by an amount corresponding to the bending of the finger. It is done. In this state, when only the exciting coil 20a is energized, the plunger 19 is attracted to the exciting coil 20a and moves one step to the left (see FIG. 10A). Then, one end of the coil spring 12 moves to the left side from the reference position A, and the coil spring 12 is stretched compared to before the excitation, and the urging force works strongly. Therefore, the user does not apply a stronger force. And the same finger bending state as before excitation cannot be maintained. Alternatively, in order to bend the finger deeper by the user, more force is required to resist the urging force of the coil spring 12 than when bending the finger while the excitation coil 20a is not energized. It becomes. Next, when only the exciting coil 20b is energized, the plunger 19 is attracted to the exciting coil 20b and moved one step to the left (see FIG. 10B). Further, when only the exciting coil 20c is energized, the plunger 19 is attracted by the exciting coil 20c and further moves one step to the left (see FIG. 10C). Thus, as the plunger 19 moves leftward and the coil spring 12 is stretched, a stronger force is required to resist the urging force of the coil spring 12. That is, the urging force of the coil spring 12 can be adjusted by the excitation of the respective excitation coils 20a, 20b, 20c.
[0044]
Therefore, for example, the reaction force from the virtual object or virtual environment that the user will receive is calculated each time by the computer 2 (see FIG. 1), and each excitation coil 20a, 20b, 20c is proportional to this calculation result. If energized, the biasing force of the coil spring 12 can be changed at any time so that the user can obtain a virtual state in which a variable force feedback is received when the finger is moved. Become. For example, when grasping an object with a finger by virtual reality, a sense of grasping a soft object can be obtained when the feedback force is weak, and a sense of grasping a hard object can be obtained when the feedback force is strong.
[0045]
It should be noted that when the excitation coils 20a, 20b, and 20c are sequentially switched, it is a matter of course that the plunger 19 can be operated stepwise by appropriately controlling the switching timing and the current value to be energized. In this embodiment, only three excitation coils are shown. However, the present invention is not limited to this, and at least one excitation coil may be used. However, more force feedback control can be performed by providing as many excitation coils as possible. Furthermore, although the sensor 10 in which the sensor unit 11 and the tension adjusting mechanism 13 are integrally provided is shown, either one may be provided. Of course, the force feedback is not limited to the method using the solenoid 20 described above, and an appropriate actuator such as a motor may be used.
[0046]
Further, as an example of the data input glove according to the present invention, when configured as a glove-type hand input device for inputting a sign language handprint, for example, a pressure-sensitive sensor or a contact sensor may be arranged for each fingertip. Good. FIG. 11 is an overall schematic diagram showing an embodiment of a data input glove using such a configuration. However, illustrations other than the sensor at the fingertip are omitted. For example, a pressure sensor 22 is disposed at each fingertip, and the contact state of each fingertip can be measured for each pressure sensor 22. Since the sign language handprint has a form in which the fingertip is brought into contact with the other hand, such a handprint can be detected by the pressure-sensitive sensor 22. Alternatively, the contact state of the fingertip may be detected, and the strength of the contact may be used as a control signal for adding a reaction force from a virtual object or a virtual environment, for example.
[0047]
Furthermore, by detecting not only the bending and stretching of each finger but also the contact state and contact position of each finger, it is possible to accurately grasp the positional relationship of each finger and determine the sign language bill that the user is making. Also good. For example, not only the user's fingertip but also a predetermined part of the user's hand, that is, a part such as the palm, the back of the hand, or the side surface of each finger, the pressure sensitive sensor 22 and the like are arranged, The sign language handprint may be determined based on the combination. In the sign language handprint, there is a complicated form such as making the fingertip contact with the palm or the back of the hand or crossing the left and right fingers in addition to the form in which the fingertip is simply brought into contact with the other hand. Therefore, a pressure-sensitive sensor 22 is provided at a predetermined part of the user's fingertip and / or hand so that contact at that part can be detected. Then, the detection signal obtained from each pressure-sensitive sensor 22 is given to a host controller (for example, the computer 2), and the host controller determines the positional relationship between the left and right hands and each finger (which A sign language handprint is detected.
[0048]
The determination of the combination of detection signals obtained from each pressure sensor 22 may be executed on the computer 2 side configured separately from the data input glove as described above, or the data input glove. For example, a microcomputer provided with a CPU or the like may be provided on the fixed belt 5, and a detection signal from each pressure sensor may be input to the microcomputer to detect a sign language handprint.
[0049]
In each of the above-described embodiments, the wire 8 is fixed to the fingertip side and the movement of the wire 8 is detected by the detector 10 provided on the wrist side. It is also possible to change so that the wire 10 is fixed and the detector 10 is provided on the fingertip side.
Further, the relationship between the primary and secondary windings PW, S1 to S4 and the magnetic response member 15 or the magnet 16 in the sensor unit 11 is not limited to the above-described embodiment, and the primary and secondary windings PW, S1 to S1. The S4 side may be arranged at a predetermined position of the wire 8, and the magnetic response member 15 or the magnet 16 side may be fixedly provided on the detector 10 side.
In addition, the sensor unit 11 is not limited to the induction type, and may have another configuration.
Further, the elastic biasing means is not limited to the coil spring 12, and an appropriate elastic member such as rubber may be used.
[0050]
Note that the sensor unit 11 is not limited to being configured at one location on the wrist side (or fingertip side) (that is, integrally with the detector 10), and may be provided for each guide 7. This is illustrated as shown in FIG. That is, in the guides 7 arranged for each joint, for example, the sensor units 11a and 11b including the primary and secondary windings PW and S1 to S4 and the magnetic response member 15 as shown in FIG. To do. Thereby, the movement of the finger at each joint can be detected by each sensor unit 11, 11a, and 11b, and the bending degree of each joint from the detection values of the sensor units 11, 11a, and 11b (that is, the entire finger) (Outer shape) can be determined. In this way, it becomes possible to detect the bending state of a plurality of joints with only one wire 8 for each finger.
In this case, the above-described phase detection circuit 30 (see FIG. 7) may be provided for each of the sensor units 11, 11a, and 11b, but one phase detection circuit 30 is provided for the plurality of sensor units 11, 11a, and 11b. 11b may be used in common.
[0051]
The present invention can be widely applied as a glove-type input device that can be used relatively inexpensively and easily in various technical fields and industrial fields. In particular, by configuring as an intelligent glove-type handprint input device, it can be advantageously used as a sign language input interface in a sign language telephone or a computer system. Furthermore, it can be used as a glove-type force feedback interface in various virtual reality spaces. For example, an interface for virtualizing the teaching process such as palpation in the medical education field, an interface for converting the sense of picking up products in the virtual mall into a virtual reality, a virtual reality simulator interface for new material synthesis, virtual reality It can be used as an input / output interface for a network or a program management system using CAD, and an input / output interface for modeling in CSCW (distributed cooperative work) It can also be used as a bilateral interface for remote robot control. For example, it can be used for a remote robot controller in an extreme environment such as a nuclear power plant, outer space, an input / output device for an R-cube project, an input / output interface for remote surgery, an input / output interface for controlling a micro robot for surgery, and the like.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a glove-type input device that has a small and simple structure and can detect a hand movement continuously with high accuracy over a wide range. Further, since the hand movement can be detected by the non-contact detection method, it is possible to provide a glove-type input device that is rich in durability without worrying about sliding wear. Furthermore, it is possible to provide a glove-type input device that enables force feedback with a simple structure that is extremely easy to manufacture.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system schematic diagram showing an embodiment of a system using virtual reality using a glove-type input device according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing an overall schematic configuration of an embodiment of a glove-type input device according to the present invention.
FIG. 3 is a partially enlarged view showing only one finger of the glove-type input device shown in FIG. 2 in an enlarged manner.
FIG. 4A is a schematic diagram showing an overall schematic configuration of another embodiment of the glove-type input device according to the present invention.
FIG. 4B is a schematic diagram showing an overall schematic configuration of still another embodiment of the glove-type input device according to the present invention.
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing an embodiment of a sensor unit in the glove-type input device according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of connection of primary and secondary windings in a sensor unit of the glove-type input device according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing another connection example of the primary and secondary windings in the sensor unit of the glove-type input device according to the present invention.
FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of another embodiment of the sensor unit in the glove-type input device according to the present invention.
FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view showing an embodiment of a mechanism for realizing a force feedback function in the glove-type input device according to the present invention.
10A is an explanatory diagram when the right end excitation coil is energized in the force feedback mechanism shown in FIG. 9; FIG.
10B is an explanatory diagram when the central excitation coil is energized in the force feedback mechanism shown in FIG. 9; FIG.
10C is an explanatory diagram when the leftmost excitation coil is energized in the force feedback mechanism shown in FIG. 9; FIG.
FIG. 11 is a schematic diagram showing an overall schematic configuration of another embodiment of the glove-type input device according to the present invention.
FIG. 12 is a partially enlarged view showing an embodiment of a glove-type input device provided with a sensor unit for each joint guide, enlarged only for one finger.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Data input glove (glove-type input device), 2 ... Computer, 3 ... Display, 4 ... Signal transmission means, 5 ... Fixed belt, 6 ... Free band, 7 ... Guide, 8 (81-86, 8a-8c) ) ... Wire, 9 (91 to 96) ... Length adjustment mechanism, 10 (101 to 106, 10a to 10c) ... Detector, 11 (11a and 11b) ... Sensor section, 12 ... Coil spring, 13 ... Tension adjustment mechanism (Force feedback mechanism), 14 ... tube, 15 ... magnetic body, 16 ... magnet, 17 ... magnetic body core, 18 ... fixed block, 19 ... plunger (movable iron core), 20 ... solenoid, 20a (20b, 20c) ... Excitation coil, 21 ... stopper, 21a ... projection, 30 ... phase detection circuit, PW ... primary winding, S1-S4 ... secondary winding

Claims

A glove-type input device worn on a hand to detect a user's hand movement,
A transmission means having one end attached to a predetermined part of the user's finger or hand and extending over a predetermined range to transmit the movement of the finger or the predetermined part;
A spring that elastically supports the other end of the transmission means;
Adjusting means for variably adjusting the biasing force of the spring according to the control signal by displacing one end of the spring according to the control signal;
The adjusting means includes a solenoid having an exciting coil excited by a control signal and a movable iron core, and connects the movable iron core to one end of the spring;
The control signal is supplied according to the reaction force in the virtual space to control the movement of the movable iron core, and the biasing force of the spring is controlled according to the amount of movement of the movable iron core , thereby controlling the feedback force. A glove-type input device that is characterized by the above.

Detecting a movement of a predetermined portion of the finger or hand, the glove type input device of claim 1, further comprising a detection means for generating a detection signal.

The detection means includes a coil portion excited by a predetermined AC signal, and a magnetic response member that is displaced relative to the coil portion in accordance with movement of the transmission means,
The glove-type input device according to claim 2 , wherein a detection signal of hand movement is obtained by obtaining an output signal corresponding to the movement of the transmission means from the coil section.

The glove-type input device according to claim 2 , further comprising contact detection means provided at a predetermined portion of the user's fingertip and / or hand.

Based on the detection signal of the movement of a predetermined part of the finger or hand obtained from the detection means and the contact detection signal obtained from the contact detection means, the sign language handprint made by the user is determined, and the determined sign language 5. The glove-type input device according to claim 4 , further comprising generating means for outputting sign language recognition data corresponding to the bill.