JP4922504B2 - Glove-type input device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用者の手に装着されて指及び/又は手の為す形態を検出するための手袋型入力装置に関する。例えば、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として利用され、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次元データを作成したり、あるい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、手話電話やコンピュータシステム等における手話手形入力インタフェースとして有利に利用することができ、更には他の様々な技術分野・産業分野で利用可能な、簡単かつ安価な構成の、手袋型入力装置を提供しようとするものである。また、接触検知機能に加えて、圧覚提示(タクタイルフィードバック)機能を持つ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】
本発明に係る手袋型入力装置は、使用者の手に装着されて指及び/又は手の為す形態を検出するための手袋型入力装置であって、指及び/又は手の所定部位に対応する箇所に設けられ、当該部位に対する該手袋型入力装置の他の部位の接触有無を検出する接触検知手段を少なくとも具備し、少なくとも該接触検知手段から得られた接触検知信号に基づき、使用者が為している指及び/又は手の形態を判定するものにおいて、前記接触検知手段は、交流励磁される複数のコイルと、該コイルが配置された部位と前記他の部位との接触に応じて各コイル毎に固有の出力を生じる出力手段とを含み、前記複数のコイルは、配置された部位に応じて異なる周波数で励磁されるコイルを含み、前記接触に応じて前記出力手段から出力される接触検知信号の周波数を判定することに基づき、接触が生じた部位を判別することを特徴とする。
【0009】
手話手形を検出する手袋型入力装置は、一般に、各指の屈曲を検出する屈曲検知手段と、各指の指先等の他の所定部位に対する接触を検出する接触検知手段とを具備する必要がある。本発明によれば、特に、手袋型入力装置における接触検知手段についての新規かつ有用な構成を提供することができる。この接触検知手段は、交流励磁される複数のコイルと、該コイルが配置された部位と他の部位との接触に応じて各コイル毎に固有の出力を生じる出力手段とを含んで構成されるので、非常に簡単かつ安価に提供することができる。
【0010】
本発明に係る手袋型入力装置において、上記構成からなる接触検知手段と組み合わせて使用する各指の屈曲検知手段としてはどのような構成のものを用いてもよい。更に、指及び/又は手の形態又は動きに応じて適切なカウンタフォース又はフィードバックフォースを付与する手段を具備して、及び/又は、指及び/又は手の所定部位に対応する箇所において付加される接触圧力に対して反力を提示する圧覚提示手段を具備して、使用者にバーチャルな使用感覚を付与できるようにしてもよい。
これらの点に鑑みて、本発明の別の観点に係る手袋型入力装置は、使用者の手に装着されて指及び/又は手の形態を検出するための手袋型入力装置であって、指又は手の所定部位に対応する箇所に一端が装着され、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して所定の中立位置で待機する弾性手段と、前記伝達手段の変位を検出する変位検出手段と、指及び/又は手の所定部位に対応する箇所に設けられ、当該部位に対する該手袋型入力装置の他の部位の接触有無を検出する接触検知手段であって、交流励磁される複数のコイルと、該コイルが配置された部位と前記他の部位との接触に応じて該接触した部位に固有の接触検知信号を生じる出力手段とを含み、前記複数のコイルは、配置された部位に応じて異なる周波数で励磁されるコイルを含み、前記接触に応じて前記出力手段から出力される接触検知信号の周波数を判定することに基づき、接触が生じた部位を判別する前記接触検知手段と、前記変位検出手段及び前記接触検知手段の少なくともいずれか1つの出力に基づき、使用者が為している指及び/又は手の形態を示すデータを生成するデータ生成手段とを具備する。
【0011】
変位検出手段は、指の曲げ伸ばしや手の所定部位の動きに応じて変位する伝達手段の変位量を検出することができるように構成されている。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、その一端は使用者の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、かつ伝達手段と検出手段とを相対的に所定の位置に位置づけている。使用者が指を曲げはじめると、各指の曲げ角度に応じて、伝達手段は弾性手段の有する付勢力に抗して変位する。つまり、伝達手段と変位検出手段との相対的位置が変位する。変位検出手段はこの伝達手段の変位を検出して、指の屈曲等手の動きの検出信号を得ることができる。また、指及び/又は手の所定部位に対応する箇所に設けられた接触検知手段により、前述のように、各指の指先等の他の所定部位に対する接触を検出することができる。データ生成手段では、これらの検出信号及び接触検知信号に基づき、使用者が為している指及び/又は手の形態例えば手話手形を認識し、認識した形態又は手話手形に対応する手話認識データを出力する。
【0012】
前記弾性手段の有する付勢力を制御信号に応じて可変調節する調節手段を更に具備し、前記弾性手段の有する付勢力の制御によって、フィードバックフォースを制御できるようにしてもよい。こうすると、簡単な構成により、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。
【0013】
さらに、圧力検知手段を具備し、これにより使用者の指先及び/又は手の所定部分にかかる圧力の強さを検出するようにしてもよい。その用途としては、検出した圧力の強さに応じて、同じ指及び/又は手の形態で伝達できる情報を異ならせるようにすることも可能であるし、あるいは、この手袋型入力装置をキャプチャグローブとして使用する場合には掴み圧を示す情報を検出する手段として使用することも可能である。
【0014】
【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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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(Head Mounted Display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。
【0018】
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、主に各指の屈曲検出手段に相当する部分について、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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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11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。
【0046】
次に、本発明に係る手袋型入力装置(データ入力用グローブ)の一実施例として、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などを検出する接触検知手段を具備し、各指の接触形態をも考慮して指及び/又は手の為している状態(形態)を捉えるようにすることによって、使用者が為している手話手形などをより正確・確実に検出することができるようにした手袋型手形入力装置について説明する。そのための接触検知手段として、例えば、使用者の指先や使用者の手の所定位置、すなわち手のひらや手の甲あるいは各指の側面(つまり指の脇)といったそれぞれの所定位置に適宜の構成からなるタッチセンサなどを配設して、各タッチセンサからの接触検出信号と各指の曲げ伸ばし検出信号との組み合わせに従って使用者が形作っている手話手形などを判別できるようにするとよい。図12は、かかる接触検知手段を具備する本発明に係る手袋型入力装置の一実施例を示す概略図である。ただし、本発明に係る手袋型入力装置を手話手形などを入力するための手袋型手形入力装置として構成した場合においても各指の曲げ伸ばしを検出する屈曲検知手段やフォースフィードバックを付与する手段等に関しての構成は上述した各実施例に示した構成と同様の構成であってよいし、あるいは他の適宜の構成を用いてもよいことから、この図12に示す実施例ではそれらの図示を省略し、接触検知手段のみについて図示している。
【0047】
この実施例に示す手袋型入力装置(データ入力用グローブ)は、既に説明したようなワイヤ等を用いた各指の曲げ伸ばしの検出に関する機構や各指に対するフォースフィードバックに関する機構(この図12では図示せず、上述した図2〜図4Bに示す各図参照)などと共に、各指の接触状態や接触位置などを検出するためのタッチセンサ22a〜22dをそれぞれ手袋型のグローブ1の所定位置に配設したものである。手話手形では単に指先を他方の手に接触させたり、指先と手のひらや手の甲とを接触させたり、若しくは左右の指をクロスしたりする等の、各指と手の配置との組み合わせ形態に応じて、複数の文字の中からいずれか1文字を表すことができるようになっている(すなわち指文字)。例えば日本指文字に関する手話手形において、右手の指全部を開いた状態(つまり、じゃんけんで言うパーの状態)から、人差し指と小指はそのまま指を伸ばした状態のままで、かつ、互いの指の脇をくっつけた中指と薬指の両方の指先を親指の指先とくっつけた状態である形態(つまり、中指と薬指と親指の各指先を同時に用いて物をつまむような形態)は、日本文字での「き」を表すようになっている。そこで、図12に示すデータ入力用グローブ1のように、各指の指先及び/又は手の所定位置にタッチセンサ22a〜22dをそれぞれ配設することによって、各タッチセンサ22a〜22dの配置位置において各指の指先や手のひらや手の甲などによる接触状態を検出できるようにする。この実施例では、手のひら側の各指先にそれぞれ1個ずつのタッチセンサ22a、親指以外の各指の腹部分にそれぞれ1個ずつのタッチセンサ22b、小指以外の指の側面(脇)にそれぞれ1個ずつのタッチセンサ22cをそれぞれ配置し、さらに手の甲側に親指以外の各指の所定位置(例えば第1関節と第2関節との間など)にそれぞれ1個ずつのタッチセンサ22d、計17個のタッチセンサ22a〜22dをそれぞれ所定位置に配設した例を示した。勿論、この実施例に示したタッチセンサ22a〜22dの数や形状あるいは配置位置などは一例であって、必ずしもこれに限られるものではない。
【0048】
図12に示すような位置に配設したタッチセンサ22a〜22dでは、その配置位置における各指の指先や手のひらや手の甲などのそれぞれの接触状態をオン・オフ出力に従い検出することができるようになっている。そして、各タッチセンサ22a〜22dから得られた検出信号(つまりオン・オフ信号)は各指の曲げ伸ばし検出信号などと同様に上位コントローラ(例えば上述した図1に示すコンピュータ2)へと与えられて、上位コントローラによりこれらの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)にあるかが判定され、該判定された位置関係に相当する手話手形に従って該当する文字を特定する。すなわち、手話手形では上記したような片手のみで手話手形を形作る形態以外にも指先を他方の手に接触させたりして手話手形を形作るといった複雑な形態もあるが、この実施例に示す手袋型入力装置においては各指の曲げ伸ばしと共に各指や手の接触状態を検出することによって、それらの検出信号の組み合わせから複雑な形態の手話手形をも検出することができるようになっている。
【0049】
なお、各指の曲げ伸ばし検出信号と各タッチセンサ22a〜22dから得られた検出信号との組み合わせによる位置関係の判定から手話手形による文字の特定までの一連の処理を、上述したようにデータ入力用グローブ1とは別々に構成されたコンピュータ2側(図1参照)で実行させてもよいし、あるいはデータ入力用グローブ1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MCを設けて、当該マイクロコンピュータMCに各指の曲げ伸ばし検出信号と各タッチセンサ22a〜22dからの検出信号とを入力し、前記一連の処理を実行させて文字を特定するようにしてもよい。
【0050】
次に、本発明に係る手袋型入力装置(データ入力用グローブ)における接触検知手段の別の実施例について、図13を用いて説明する。図13の(a)は接触検知手段の配置例を示す概略図、(b)は検知のための回路構成例を示す回路図である。図13(a)は、タッチセンサを、各指の指先毎に設けられた発信コイル23a〜23eと、手のひらの所定位置に設けられた受信コイル24とで構成した例を示している。受信コイル24の数は、1又は複数であってよく、要するに、各指の指先が接触しやすい手の平の適宜の部位に設けられていればよい。
【0051】
図13(b)に示すように、各指先の発信コイル23a〜23eは、交流信号源25a〜25nから発生されるそれぞれ異なる周波数fa〜fnの交流信号で励磁されており、任意の指の指先が手の平に接触したときに、当該指先の発信コイル(23a〜23e)の励磁周波数に応じた誘導2次出力信号が受信コイル24から生じる。これによって、発信コイル23a〜23eが配置されている各指がどの位置に接触しているかを検出できるようになっている。受信コイル24に誘導電圧が生ずると、周波数検出回路26は該誘導電圧の周波数を検出する。受信コイル24に生じる誘導電圧の周波数は、受信コイル24に接触した発信コイル23a〜23eの励磁周波数と同じである。したがって、周波数検出回路26により受信コイル24に生じた誘導電圧の周波数を検出することで、どの指の指先が手の平に接触しているのかが分かることになる。ひとつの手の平に対応してひとつの周波数検出回路26を設けるだけでもよいし、あるいは、手の平の異なる部位に配置された各受信コイル24毎に周波数検出回路26を別々に設けてもよい。それにより、同じ指であっても手の平の異なる部位のどこに接触したかを区別することができる。
【0052】
図13の変更例として、受信コイル24に替えて、磁性体または導電体等の磁気応答性物質を、手の平の所定位置に配置するようにしてもよい。その場合、或る指先の発信コイル23a〜23eが、該手の平の所定位置に配置された該磁気応答性物質に近接すると、該発信コイル23a〜23eのインピーダンスが変化する。従って、各発信コイル23a〜23eのインピーダンス変化を検出することで、どの指が手の平の所定位置に接触したかが検知できる。この場合、各発信コイル23a〜23eのインピーダンス変化を個別に検出する回路構成を採用することで、どの指のコイル23a〜23eのインピーダンスが変化したかが判明するので、各発信コイル23a〜23eの励磁周波数を、異ならせることなく、共通にしてもよい。
【0053】
手話手形等の認識にあっては、指先の手の平に対する接触のみならず、指先同士の接触も検出する必要がある。そのために、図14(a)に示すように指先の各発信コイル23a〜23eと略同じ位置に受信コイル28a〜28eを設けるとよい。各受信コイル28a〜28e毎に周波数検出回路を設け、各周波数検出回路では自己の受信コイルと同じ位置に設けられている発信コイルの周波数は検出しないように設定しておけばよい。例えば、図14(b)は、受信コイル28aに対応して設けられた周波数検出回路26aを示しており、この周波数検出回路26aでは、受信コイル28aと同じ位置に設けられている発信コイルfaの励磁周波数faは検出せず、他の発信コイル23b〜23eの励磁周波数fb〜fnを検出する。この構成によって、各指の指先に設けられた受信コイル28a〜28eが他の指の指先に設けられたどの発信コイル23b〜23eの周波数fa〜fnを受信したかによって、どの指同士が接触したかを検知することができる。
【0054】
指先同士の接触を検知する別の例として、1つの指先に送信コイル23a〜23eと受信コイル28a〜28eを別々に設けることなく、共通化してもよい。すなわち、構成の上では、図13(a)と同様に、各指先に1つのコイル23a〜23eのみを設けるものとする。そして、該各コイル23a〜23eの機能を送信コイルと受信コイルとの間で時分割的に切り替える。図15はその時分割制御回路の一例を概念的に示す回路図、図16はその時分割制御タイミングの一例を示すタイムチャートである。図16に示すように、一例として、5つの各指に対応するコイル23a〜23eを送信コイルとして機能させるよう5つの時分割タイムスロットta,tb,tc,td,teが1サイクル時間T内で時分割的に設定される。図15に示すように、個々のコイル23a〜23eに対応する送信用ゲート29a〜29eが、それに対応する時分割タイムスロットta〜teで開かれて、それに対応する交流信号源25a〜25eからのそれぞれ所定の周波数fa〜feを持つ交流信号が、対応するコイル23a〜23eに印加される。こうして各コイル23a〜23eが時分割で励磁される。各コイル23a〜23eは、それぞれの励磁タイムスロットta〜te以外の時間帯(図16のTa,Tb,Tc,Td,Te)では、受信コイルとして機能する。すなわち、図15に示すように、個々のコイル23a〜23eに対応する受信用ゲート30a〜30eが、それに対応する受信用時間帯Ta〜Teで開かれて、該コイルに誘導された誘導交流電圧信号を周波数検出回路26a〜26eに入力する。各周波数検出回路26a〜26eでは誘導交流電圧信号の周波数を検出し、検出した周波数からどの指のコイルが近接したかを判定することができる。こうして、各指毎に1つのコイルからなる構成であっても、指同士の接触を検出することができる。
【0055】
なお、図16に示すように各指のコイルを時分割励磁する構成にあっては、各指のコイルを送信コイルとして機能させるときに、それらの励磁周波数を異ならせることなく、共通としてもよい。すなわち。各指のコイル23a〜23eが受信コイルとして機能しているときに、該コイルに誘導交流電圧信号が生じたタイムスロットがta〜teのどれであるかを判定することにより、送信コイルとして機能しているコイルがどれてあるかが判明し、どの指同士が接触したかが判明する。
【0056】
なお、発信コイル及び受信コイルの数や配設位置は図示したものに限らず、検出したい手話手形の種類に応じて、適宜の数だけ適宜の位置に配設してよいことは言うまでもない。また、回路構成についても上述した実施例に限られない。
【0057】
また、上述の図12〜図16に示したような接触検知手段を設ける実施例において、指先などの接触状態と共に接触時にかかる圧力の強さを検出し、該検出した接触時にかかる圧力の強さを、適宜の制御信号、例えば仮想対象物又は仮想環境からの反力を付加するための制御信号として用いるようにしてもよい。その場合に、タッチセンサ22a〜22d若しくは発信又は受信コイル23a〜23e,24,…等の接触検知手段に圧力検出機能をも持たせるようにしてもよい。図13〜図16に示したようなコイルを用いるタイプのものにおいて、単に接触に伴うオン・オフ出力による信号を検出するのみでなく、接触時にかかる圧力の強さに応じて変化する信号をも検出することができるようにした例について、図17を用いて説明する。図17は、図13の例のようなグローブ1において、1つの指先に設ける発信コイル23aの部分を、接触時にかかる圧力の強さをも検出することが可能な構成(接触及び圧力検出部27)とした例を拡大して示す概念図である。この図では、指先に配設された発信コイル23aが手の平の適宜の所定位置に配置された受信コイル24に対して接触する直前の状態を(a)に示し、或る程度の圧力で接触した時の状態を(b)に示している。
【0058】
図17に示されるように、接触及び圧力検出部27は、グローブ1の表面寄りに配置された発信コイル23aと、該コイル23aより少し離れるように所定の凹み内に収納された磁性体15とで構成される。すなわち、磁性体15はグローブ1表面からグローブ1内部側に所定量だけ埋め込まれた状態に配置され、一方発信コイル23aは磁性体15と相対する所定位置に位置するようグローブ1表面に配置される。また、少なくとも磁性体15を収納した凹みを含む指先などにおけるグローブ1の表面は軟らかく弾力性のある素材でできているものであって、指先を押すと該グローブ1の表面が所定位置から指先を押した力に応じた分だけ該グローブ1の内側に沈み込み、指先を押すのをやめると該グローブ1の表面が指先を押す前の所定位置に自然に戻るようになっているものである。したがって、発信コイル23aが配置されている指先が受信コイル24と接触する前の状態はグローブ1表面にも力が加わっていない状態であることから、磁性体15と発信コイル23aとは所定の離れた位置関係を保持した状態のままである(図17(a)参照)。他方、発信コイル23aが配置されている指先が受信コイル24と接触している場合には、接触時に指先にかかる圧力の強さに応じてコイル23aがグローブ1表面と共に矢印Z方向に沈み込み、この沈み込みに応じた距離だけ該コイル23aと磁性体15とが近接する(図17(b)参照)。このコイル23aに対する磁性体15の近接量が増すほど、コイル23aのインピーダンスが増し、出力レベルが増大する。従って、接触状態下において受信コイル24に誘導される電圧レベルの大きさが、コイル23aに対する磁性体15の近接量、つまり接触時の圧力に応じて変化する。この誘導電圧レベルの変化を調べることによって指先にかかっている圧力の強さを検出することができる。磁性体15は導電体であってもよい。
【0059】
なお、上述の図17に示した実施例においては、各指毎の発信コイル23aと磁性体15との組み合わせからなる接触及び圧力検出部27によって、各指先の接触と共に接触時における圧力の強さを同時に検出できるように構成したが、これに限らず、指先にかかる圧力の強さを検出する圧力検出機構を指先の接触位置を検出する接触検知手段とは独立に構成するようにしてもよい。その場合における圧力検出機構の一実施例を図18に示す。図18では、説明を理解しやすくするために、この実施例では指先にかかる圧力の強さを検出する圧力検出機構を一部の指先にのみ構成したものを拡大して図示した。
【0060】
図18において、圧力検出機構は、液体貯留部31と細管32と圧力感知部33と検出器11とからなる。液体貯留部31と細管32と圧力感知部33は一体的に連結した状態に構成され、それらの内部は全てシリコン油のような所定の液体で満たされている。また、圧力感知部33の内部には上記したような液体の他に磁性体15が圧力感知部33内部を可動な状態に配置されている。すなわち、この磁性体15は、液体貯留部31から細管32を介して加わる圧力に応じて矢印Y方向に移動することができるように圧力感知部33内に配置されている。液体貯留部31は、グローブ1において、指先のコイル23aの下に配置されていて接触圧力受け部を構成しており、接触検出用のコイル23aが配置された指先に加わる接触圧力の強さに応じてその形状が変形するゴムその他の弾性体のようなものからなる。この液体貯留部31の形状変形に伴って、内部の液体が該液体貯留部31と圧力感知部33との間で液体貯留部31の変形量に応じた所定量分だけ移動する。例えば、指先に圧力がかかると、指先にかかった圧力の強さに応じた分だけ該液体貯留部31内にある液体が細管32を通じて圧力感知部33へと移動し、反対に、指先にかかっている圧力が弱まると、弱まった圧力の強さに応じた分だけ圧力感知部33内にある液体が細管32を通じて液体貯留部31へと移動する。すなわち、密封された液体を介して、指先などの接触部への圧力の強さ及びそれに伴う液体の体積移動が圧力感知部33に効率良く伝達されるようになっている。こうした液体貯留部31と圧力感知部33との間における液体の移動に伴い、その移動量に応じて圧力感知部33内部にある磁性体15が矢印Y方向へ移動する。検出器11は圧力感知部33の周りを取り囲むようにして配置されており、例えば図5のものと同様に1次巻線PWと二次巻線S1〜S4とを含むものであってよいし、その他の構成でもよい。圧力感知部33内部にある磁性体15が移動すると、検出器11はこの磁性体15の動きに応じて位置検出出力を得る。こうして、検出器11で検出する位置検出データとして、指先に加わる接触圧力が検出される。なお、検出器11は、上述の図5及び図6に示したレゾルバ原理による位置検出処理によるものと同様の構成であってよく、このようなレゾルバ原理による位置検出処理については、既に上述の図5や図6若しくは図7などに示した各実施例を用いて詳しく説明していることから、ここでの説明を省略する。圧力感知部33における磁性体15は導電体からなっていてもよく、また、その形状若しくは構造についても、浮遊する構造に限らず、ダイアフラム状であつてもよい。もちろん、検出器11の構成は、他の如何なる構成でもよい。
【0061】
図17あるいは図18に示したような圧力検出機構に関連して、更に、指先への圧覚提示(タクタイルフィードバック)機構を設けるとよい。圧覚提示(タクタイルフィードバック)機構とは、このグローブ1をはめて物に触れたり、握ったりしたときに、バーチャルな圧覚を指先に返すようにする機構である。図18に示したような一定圧力で封入された液体を用いた圧力検出機構においては、液体貯留部31を押したときに、その反力で、圧覚を指先に返すことができるので、或る程度自動的に圧覚提示機能を兼備することになるので都合がよい。しかし、そのような自動的な圧覚提示機能に限らず、指先で接触して圧力(外圧)を加えたときに、該指先に対してバーチャルな圧覚を付与しようとする所望の物質に特有の圧覚が得られるように、液体貯留部31内の液体の圧力(内圧)を可変調整するように圧覚提示機構を構成してもよい。そのような圧覚提示機構の一例としては、例えば、図18に示したような圧力検出機構において、バーチャルな圧覚を付与しようとする物質の材質等を示す情報を入力パラメータとして、液体貯留部31内の液体の圧力(内圧)を可変調整するようにすればよい。そのためには、例えば、図18に示されるよう液体貯留部31に通じる圧力調整用液体溜部34を設け、この圧力調整用液体溜部34に対して内部液体に対する加圧又は減圧等の圧力調整を加えるように構成すればよい。更に、高度な圧覚提示制御を行いたい場合は、図17あるいは図18に示すような圧力検出機構で検出した指先の接触圧力(外圧)に応じて、液体貯留部31内の液体の圧力(内圧)を可変調整するようにすればよい。例えば、図18の圧力調整用液体溜部34に対する圧力調整を、検出した接触圧力に応じて行うようにすればよい。
【0062】
なお、別の実施例として、図18の機構において検出器11を削除することで、液体圧(内圧)を可変調整できる圧覚提示機能のみを持つ機構として構成し、圧力検出機構は別の構成例えば図17のような構成を採用するようにしてもよい。図19は、図18の機構から圧力検出機能を除去し、圧覚提示機能のみを持つ機構として構成した圧覚提示機構の一実施例を示している。例えば、圧力調整用液体溜部34のケースをゴム等の弾性体で形成すれば、外側から加える圧力pを可変調整することで、内部の液体の圧力を容易に可変調整できる。圧覚提示機構の内部に充填するものは液体に限らず、気体や粘性流体など、固体以外のものであれば何でもよい。固体以外のものを総称して流体ということにする。もちろん、圧覚提示機構は、流体を内蔵してその圧力を調整するタイプのものに限らず、その他の任意のタイプのもの、例えば適宜の弾性体を用いるもの、であってもよい。
【0063】
以上のように、本発明にかかるデータ入力用グローブは、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フォースフィードバック機能付き及び/又はタクタイルフィードバック機能付き手袋型入力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、などに利用することができる。
【0064】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、手話電話やコンピュータシステム等における手話手形入力インタフェースとしてあるいはフォースフィードバック機能付き及び/又はタクタイルフィードバック機能付き手袋型入力インタフェース等として有利に利用することができ、更には他の様々な技術分野・産業分野で利用可能な、簡単かつ安価な構成の、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】 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。
【図12】 接触検知手段を具備した本発明に係る手袋型入力装置の一実施例を示す概略図である。
【図13】 接触検知手段を具備した本発明に係る手袋型入力装置の別の実施例を示す概略図である。
【図14】 接触検知手段を具備した本発明に係る手袋型入力装置の更に別の実施例を示す概略図である。
【図15】 各指先の発信コイルを時分割励磁するようにした実施例の回路図である。
【図16】 図15における時分割タイミングを例示するタイミングチャートである。
【図17】 接触検知と同時に接触圧力の強さを検出することも可能なコイルタイプのタッチセンサを一実施例を示す略図である。
【図18】 タッチセンサとは独立に接触圧力の強さを検出することができるようにした圧力検出機構の一実施例を示す略図である。
【図19】 圧覚提示機構の一実施例を示す略図である。
【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(圧力感知鉄心)、20…ソレノイド、20a(20b、20c)…励磁コイル、21…ストッパ、21a…突起部、22a〜22d…タッチセンサ、23a〜23e…発信コイル、24…受信コイル、25a〜25n…交流信号源、26…周波数検出回路、27…接触及び圧力検出部、30…位相検出回路、31…液体貯留部、32…細管、33…圧力感知部、34…圧力調整用液体溜部、PW…1次巻線、S1〜S4…2次巻線、MC…マイクロコンピュータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a glove-type input device that is attached to a user's hand to detect a finger and / or a hand shape. For example, it is used as an input device that inputs data to a system that uses virtual reality, and measures actual hand movements (gestures) to create 3D data to be imported into the system, or a sign language telephone or sign language The present invention relates to an intelligent glove type input device applicable as an input interface of an 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 points, and can be advantageously used as a sign language handprint input interface in a sign language telephone or a computer system, and can be used in various other technical fields and industrial fields. It is an object of the present invention to provide a glove-type input device having a simple and inexpensive configuration. It is another object of the present invention to provide a glove-type input device having a pressure sense presentation (tactile feedback) function in addition to a contact detection function.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A glove-type input device according to the present invention is a glove-type input device for detecting a form of a finger and / or a hand that is worn on a user's hand and corresponds to a predetermined part of the finger and / or hand. At least a contact detection means for detecting the presence / absence of contact of the other part of the glove-type input device with respect to the part, and the user can perform at least a contact detection signal based on the contact detection signal obtained from the contact detection means. In the determination of the form of the finger and / or the hand, the contact detection means includes a plurality of coils that are AC-excited, and each contact according to the contact between the part where the coil is disposed and the other part. Output means for generating a unique output for each coil. The plurality of coils include coils that are excited at different frequencies according to the arranged parts, and based on determining the frequency of the contact detection signal output from the output means according to the contact, To identify the site It is characterized by that.
[0009]
A glove-type input device that detects a sign language handprint generally needs to include a bending detection unit that detects the bending of each finger and a contact detection unit that detects a contact of each finger with another predetermined part such as a fingertip. . According to the present invention, it is possible to provide a novel and useful configuration for contact detection means in a glove-type input device. The contact detection means includes a plurality of coils that are AC-excited and an output means that generates a unique output for each coil in response to contact between the part where the coil is disposed and another part. So it can be provided very easily and inexpensively.
[0010]
In the glove-type input device according to the present invention, any configuration of the finger bending detection means used in combination with the contact detection means having the above-described configuration may be used. Furthermore, it is provided with means for applying an appropriate counter force or feedback force according to the form or movement of the finger and / or hand and / or added at a position corresponding to a predetermined part of the finger and / or hand. Pressure sense presenting means for presenting a reaction force against the contact pressure may be provided so that a virtual sense of use can be given to the user.
In view of these points, a glove-type input device according to another aspect of the present invention is a glove-type input device that is attached to a user's hand and detects a finger and / or hand shape, Alternatively, one end is attached to a position corresponding to a predetermined part of the hand, a transmission means extending over a predetermined range for transmitting the movement of the predetermined part, and a predetermined neutral position by elastically supporting the other end of the transmission means The elastic means for waiting at the position, the displacement detecting means for detecting the displacement of the transmitting means, and the contact of the other part of the glove-type input device with the part corresponding to the predetermined part of the finger and / or the hand Contact detection means for detecting presence / absence of a plurality of coils that are AC-excited, and a contact detection signal specific to the contacted part is generated in response to the contact between the part where the coil is disposed and the other part. Output means The plurality of coils include coils that are excited at different frequencies according to the arranged parts, and based on determining the frequency of the contact detection signal output from the output means according to the contact, To identify the site And a data generation unit configured to generate data indicating a form of a finger and / or a hand made by a user based on an output of at least one of the displacement detection unit and the contact detection unit. It has.
[0011]
The displacement detection means is configured to be able to detect the amount of displacement of the transmission means that is displaced according to the bending and stretching of the finger or the movement of a predetermined part of the hand. 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 user's finger or a predetermined portion of the hand. An elastic means is attached to the tip on the opposite side of the transmission means, applies a predetermined tension to the transmission means, and relatively positions the transmission means and the detection means at a predetermined position. When the user begins to bend the fingers, the transmission means is displaced against the urging force of the elastic means according to the bending angle of each finger. That is, the relative position between the transmission means and the displacement detection means is displaced. The displacement detection means can detect the displacement of the transmission means and obtain a detection signal of hand movement such as finger bending. In addition, as described above, the contact detection means provided at a position corresponding to a predetermined part of the finger and / or hand can detect contact with another predetermined part such as the fingertip of each finger. Based on these detection signals and contact detection signals, the data generating means recognizes the finger and / or hand form that the user is making, for example, the sign language handprint, and the sign form recognition data corresponding to the recognized form or the sign handprint. Output.
[0012]
An adjusting means for variably adjusting the urging force of the elastic means according to a control signal may be further provided so that the feedback force can be controlled by controlling the urging force of the elastic means. In this way, the feedback force according to the movement of the predetermined part of the finger or hand can be reflected with a simple configuration.
[0013]
Furthermore, a pressure detection means may be provided, whereby the strength of pressure applied to a predetermined part of the user's fingertip and / or hand may be detected. As the application, it is possible to vary the information that can be transmitted in the form of the same finger and / or hand according to the detected pressure intensity, or the glove-type input device can be used as a capture glove. Can be used as a means for detecting information indicating the gripping pressure.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0015]
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-
[0016]
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
[0017]
The
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
[0018]
FIG. 2 is an overall schematic configuration diagram schematically showing an embodiment of a data input glove according to the present invention, mainly corresponding to a bending detection means of each finger. 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.
[0019]
The
[0020]
2 and 3 show an example in which only one
[0021]
In addition, the arrangement of the
The
[0022]
In the above example, the
Needless to say, the embodiment shown in FIGS. 2 and 4A described above and the embodiment shown in FIG. 4B may be appropriately combined.
[0023]
Returning to FIG. 3, the tip of the
[0024]
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
[0025]
In this embodiment, the
[0026]
The
[0027]
For example, the size of one
[0028]
Since the primary and secondary windings in the
[0029]
The end of the
[0030]
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
[0031]
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
[0032]
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
[0033]
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
[0034]
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.
[0035]
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.
[0036]
FIG. 8 shows another embodiment of the
In this example, a
[0037]
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
[0038]
Thus, a magnetic saturation state occurs at a specific location of the
[0039]
The number and arrangement of the primary and secondary windings in the
[0040]
Next, an embodiment of a data input glove having a
In FIG. 9, the
[0041]
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
[0042]
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
[0043]
It should be noted that when the
[0044]
In each of the above-described embodiments, the
Further, the relationship between the primary and secondary windings PW, S1 to S4 and the
In addition, the
Further, the elastic biasing means is not limited to the
[0045]
Note that the
In this case, the above-described phase detection circuit 30 (see FIG. 7) may be provided for each of the
[0046]
Next, as one embodiment of the glove-type input device (data input glove) according to the present invention, it comprises contact detection means for detecting not only the bending and stretching of each finger but also the contact state and contact position of each finger, By taking into account the contact form of each finger and capturing the state (form) of the finger and / or hand, the sign language handprint made by the user can be detected more accurately and reliably. A glove-type handprint input device that can be used will be described. As touch detection means for that purpose, for example, a touch sensor having an appropriate configuration at a predetermined position such as a predetermined position of the user's fingertip or the user's hand, that is, the palm, the back of the hand, or the side of each finger (that is, the side of the finger). It is preferable that the sign language handprint formed by the user can be discriminated in accordance with the combination of the contact detection signal from each touch sensor and the bending extension detection signal of each finger. FIG. 12 is a schematic view showing an embodiment of a glove-type input device according to the present invention having such contact detection means. However, even when the glove-type input device according to the present invention is configured as a glove-type hand input device for inputting a sign language handprint, etc., it relates to a bending detection means for detecting the bending and stretching of each finger, a means for giving force feedback, etc. The configuration shown in FIG. 12 may be the same as the configuration shown in each of the above-described embodiments, or other appropriate configuration may be used. Therefore, in the embodiment shown in FIG. Only the contact detection means is shown.
[0047]
The glove-type input device (data input glove) shown in this embodiment is a mechanism related to detection of bending and stretching of each finger using a wire or the like as already described, and a mechanism related to force feedback for each finger (in FIG. In addition, the
[0048]
The
[0049]
In addition, as described above, a series of processing from the determination of the positional relationship by the combination of the detection signal obtained from each finger bending / extension detection signal and the detection signal obtained from each
[0050]
Next, another embodiment of the contact detection means in the glove-type input device (data input glove) according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 13A is a schematic diagram illustrating an arrangement example of the contact detection means, and FIG. 13B is a circuit diagram illustrating a circuit configuration example for detection. FIG. 13A shows an example in which the touch sensor is configured by
[0051]
As shown in FIG. 13 (b), the transmitting
[0052]
As a modification of FIG. 13, instead of the receiving
[0053]
In recognition of a sign language handprint or the like, it is necessary to detect not only contact of the fingertip with the palm but also contact of the fingertips. For this purpose, as shown in FIG. 14A, receiving
[0054]
As another example of detecting contact between the fingertips, the transmission coils 23a to 23e and the reception coils 28a to 28e may not be provided separately in one fingertip, but may be shared. That is, in terms of configuration, only one
[0055]
In the configuration in which the coils of each finger are time-divisionally excited as shown in FIG. 16, when the coils of each finger are made to function as a transmission coil, they may be made common without making their excitation frequencies different. . That is. When each
[0056]
Needless to say, the number and arrangement positions of the transmission coil and the reception coil are not limited to those shown in the figure, and an appropriate number may be arranged at an appropriate position according to the type of sign language handprint to be detected. Further, the circuit configuration is not limited to the above-described embodiment.
[0057]
Further, in the embodiment in which the contact detecting means as shown in FIGS. 12 to 16 is provided, the strength of the pressure applied at the time of contact is detected together with the contact state of the fingertip and the like, and the strength of the pressure applied at the time of the detected contact is detected. May be used as an appropriate control signal, for example, a control signal for adding a reaction force from a virtual object or a virtual environment. In that case, the touch detection means such as the
[0058]
As shown in FIG. 17, the contact and
[0059]
In the embodiment shown in FIG. 17 described above, the contact and
[0060]
In FIG. 18, the pressure detection mechanism includes a
[0061]
In relation to the pressure detection mechanism as shown in FIG. 17 or FIG. 18, a pressure sense presentation (tactile feedback) mechanism to the fingertip may be further provided. The pressure sense presentation (tactile feedback) mechanism is a mechanism that returns a virtual pressure sensation to the fingertip when the
[0062]
As another example, by removing the
[0063]
As described above, the data input glove according to the present invention can be widely applied as a glove-type input device that can be used relatively inexpensively and easily in various technical 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 input interface with a force feedback function and / or a tactile feedback function 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 remote robot controllers in extreme environments such as nuclear power plants, outer space, I / O devices for R-cube projects, I / O interfaces for telesurgical operations, I / O interfaces for controlling microrobots for surgery, etc. .
[0064]
【Effect of the invention】
As described above, according to the present invention, it can be advantageously used as a sign language handwriting input interface in a sign language telephone or a computer system or as a glove type input interface with a force feedback function and / or a tactile feedback function, and the like. Can provide a glove-type input device having a simple and inexpensive configuration that can be used in various other technical and industrial fields.
[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 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.
FIG. 12 is a schematic view showing an embodiment of a glove-type input device according to the present invention provided with contact detection means.
FIG. 13 is a schematic view showing another embodiment of the glove-type input device according to the present invention provided with contact detection means.
FIG. 14 is a schematic view showing still another embodiment of the glove-type input device according to the present invention provided with contact detection means.
FIG. 15 is a circuit diagram of an embodiment in which a transmitting coil of each fingertip is time-divisionally excited.
16 is a timing chart illustrating the time division timing in FIG.
FIG. 17 is a schematic diagram showing one embodiment of a coil-type touch sensor capable of detecting the strength of contact pressure simultaneously with contact detection.
FIG. 18 is a schematic diagram showing an embodiment of a pressure detection mechanism capable of detecting the strength of contact pressure independently of a touch sensor.
FIG. 19 is a schematic diagram showing one embodiment of a pressure sense presentation mechanism.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
指及び/又は手の所定部位に対応する箇所に設けられ、当該部位に対する該手袋型入力装置の他の部位の接触有無を検出する接触検知手段を少なくとも具備し、少なくとも該接触検知手段から得られた接触検知信号に基づき、使用者が為している指及び/又は手の形態を判定するものにおいて、
前記接触検知手段は、交流励磁される複数のコイルと、該コイルが配置された部位と前記他の部位との接触に応じて各コイル毎に固有の出力を生じる出力手段とを含み、
前記複数のコイルは、配置された部位に応じて異なる周波数で励磁されるコイルを含み、前記接触に応じて前記出力手段から出力される接触検知信号の周波数を判定することに基づき、接触が生じた部位を判別することを特徴とする手袋型入力装置。A glove-type input device for detecting a form of a finger and / or a hand worn on a user's hand,
Provided at a location corresponding to a predetermined location of a finger and / or hand, at least comprising contact detection means for detecting the presence / absence of contact of the other part of the glove-type input device with the location, and obtained from at least the contact detection means Based on the detected contact detection signal, the finger and / or hand form being used by the user is determined.
The contact detection means, seen including a plurality of coils which are AC excitation, in response to contact with the other portions as the coil is disposed in each coil and an output means for producing a specific output,
The plurality of coils include coils that are excited at different frequencies according to the arranged parts, and contact is generated based on determining the frequency of the contact detection signal output from the output means according to the contact. A glove-type input device characterized by discriminating a region that has been removed .
指又は手の所定部位に対応する箇所に一端が装着され、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して所定の中立位置で待機する弾性手段と、
前記伝達手段の変位を検出する変位検出手段と、
指及び/又は手の所定部位に対応する箇所に設けられ、当該部位に対する該手袋型入力装置の他の部位の接触有無を検出する接触検知手段であって、交流励磁される複数のコイルと、該コイルが配置された部位と前記他の部位との接触に応じて該接触した部位に固有の接触検知信号を生じる出力手段とを含み、前記複数のコイルは、配置された部位に応じて異なる周波数で励磁されるコイルを含み、前記接触に応じて前記出力手段から出力される接触検知信号の周波数を判定することに基づき、接触が生じた部位を判別する前記接触検知手段と、
前記変位検出手段及び前記接触検知手段の少なくともいずれか1つの出力に基づき、使用者が為している指及び/又は手の形態を示すデータを生成するデータ生成手段と
を具備した手袋型入力装置。A glove-type input device for detecting a form of a finger and / or a hand worn on a user's hand,
One end is attached to a part corresponding to a predetermined part of the finger or hand, and a transmission means extending over a predetermined range to transmit the movement of the predetermined part;
Elastic means for elastically supporting the other end of the transmission means and waiting at a predetermined neutral position;
Displacement detecting means for detecting displacement of the transmitting means;
A contact detection means provided at a location corresponding to a predetermined location of a finger and / or hand, and detecting the presence or absence of contact of the other portion of the glove-type input device with respect to the location; look including an output means for producing a natural contact detection signal at sites the contact in response to contact with the other portions as the coil is disposed, said plurality of coils, depending on the disposed sites The contact detection means for discriminating a portion where contact has occurred, based on determining a frequency of a contact detection signal output from the output means according to the contact, including a coil excited at a different frequency ;
A glove-type input device comprising: data generation means for generating data indicating the form of a finger and / or a hand made by a user based on the output of at least one of the displacement detection means and the contact detection means .
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