JP2000321013A - 圧力検出による形状認識装置及びこれを用いたモーションキャプチャー装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 人体表面のように滑らかな曲面形状の認識に
適した形状認識装置を提供する。 【解決手段】 対象の表面圧の検出に基づいて形状を認
識する形状認識装置１において、対象に巻き付けたり装
着して当該対象の表面圧力を検出する圧力検出手段１ａ
を設ける。形状認識にあたっては、圧力検出手段１ａに
よって得られる検出情報と表面形状との関係を予め取得
しておいてこれらをデータテーブル又は関数式として記
憶手段１ｂに格納しておき、その後に圧力検出手段１ａ
を対象に巻き付け又は装着した状態で圧力検出情報を得
るとともに、形状認識手段１ｃが当該情報に対応する表
面形状データを記憶手段１ｂからの情報に基づいて算出
してデータ出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人体や動物の体表
面のように比較的滑らかな曲面状をした対象についてそ
の形状を認識する技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】対象者（あるいは対象物）の形状認識装
置としては、ステレオ（式）カメラやレンジファインダ
ーが知られている。

【０００３】例えば、２台のステレオカメラを使用した
形状認識方法においては、撮影対象を、異なる視線方向
をもって配置した基準カメラ及び検出カメラによって撮
影（動画又は静止画撮影）し、両カメラ間の視差に応じ
た撮影画像から対象の形状を算出することができ、エピ
ポラーライン（Ｅｐｉｐｏｌａｒ Ｌｉｎｅ）を用いた
エリアベースマッチング法等が知られている。

【０００４】また、レンジファインダーでは、例えば、
レーザー照射によって得られるスリット光をガルバノミ
ラーで反射させるとともに、その反射方向を徐々に変化
させて対象者への光走査を行い、そのときの反射光を受
光手段（例えば、シリコンレンジファインダ用検出チッ
プ等）で読み取ることで形状情報を取得している。

【０００５】この他、仮想現実（バーチャルリアリテ
ィ）や遠隔現実（テレリアリティ）等の分野では、コン
ピュータによって創出される仮想空間（あるいは仮想世
界）や操作者からは隔絶した遠隔世界（あるいは遠隔環
境や微小世界等）に関して、操作者を模擬した人物像、
あるいは架空の人物像を動画処理で現出させるにあたっ
て、当該人物のモデルとなる現実の人体や体の一部の形
状あるいはその動きをコンピュータ処理に適したデータ
として取得するための入力装置（所謂モーションキャプ
チャー）が知られている。例えば、人体の形状や動きの
認識方法には、光学的、磁気的な検出手段を用いた方法
や、人体に付設される外骨格構造と位置や動きの検出手
段（ポテンシオメーター等）を用いた方法等が知られて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
装置にあっては、下記に示すような問題がある。

【０００７】（１）対象の形状について大雑把に分類す
ると、角張った形状と、角のとれた滑らかな曲面を有す
る形状とに分けられるが、後者のような形状やその動き
の認識にあたっては、前者の形状認識と比較した場合
に、より細かな情報が含まれるために形状等の微妙な認
識を行うのが困難である。例えば、人体表面における筋
肉の隆起に伴う形状や形状変化等についてのデータを取
得したい場合に、上記ステレオ（式）カメラやレンジフ
ァインダーを用いた方法は不向きである。

【０００８】（２）光学式あるいは機械式のモーション
キャプチャーを人体又はその一部に装着してデータ取得
を行う方法では、そのためのシステム構成が複雑化する
（構成部品の数が多くなるとともに、それに伴うデータ
処理が複雑になるため。）傾向がある。

【０００９】そこで、本発明は、人体表面のように滑ら
かな曲面形状の認識に適した形状認識装置の提供を課題
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した課題を
解決するために、対象物に巻き付け又は装着して当該対
象物の表面における圧力を検出する圧力検出手段と、圧
力検出手段によって得られる検出情報と表面形状との関
係を予め取得しておいてこれらをデータテーブル又は関
数式として格納する記憶手段と、対象物に巻き付けられ
又は装着された圧力検出手段からの検出情報を受けて、
当該情報に対応する表面形状データを記憶手段からの情
報に基づいて算出して出力する形状認識手段とを設けた
ものである。

【００１１】従って、本発明によれば、対象物の表面に
おける圧力を検出するとともに、圧力検出情報と表面形
状との関係を予め取得してこれらをデータテーブル又は
関数式として記憶させておいた情報を参照して表面形状
データを求めることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の基本構成を示す概
念図であり、形状認識装置１は、圧力検出手段１ａ、記
憶手段１ｂ、形状認識手段１ｃを備えている。

【００１３】圧力検出手段１ａは、対象物（図では人体
の前腕部を示す。）に巻き付けたり又は装着して当該対
象物の表面における圧力を検出するものであり、表面の
圧力分布に応じたデータ群を後段の形状認識手段１ｃに
送出する。

【００１４】記憶手段１ｂは、圧力検出手段１ａによっ
て得られる検出情報と表面形状との関係を予め取得して
おいてこれらをデータテーブル又は関数式として格納す
るものである。つまり、形状認識装置１の使用に際して
は、圧力検出情報と表面形状との間の対応関係を、キャ
リブレーションによって予め取得した上でそのデータを
記憶手段１ｂに格納しておく必要がある。

【００１５】形状認識手段１ｃは、対象物に巻き付けら
れ又は装着された圧力検出手段１ａからの検出情報を受
けて、当該情報に対応する表面形状データを上記記憶手
段１ｂからの情報に基づいて算出して出力するものであ
る。例えば、表面圧Ｐと形状Ｓ（面の法線方向における
位置変化）との間の数値的関係（これを関数式「Ｓ＝Ｆ
（Ｐ）」で表す。）が、ある自由曲線（スプライン曲線
やベジェ曲線等）を用いて近似できる場合に、当該自由
曲線を特定するために必要な情報を記憶手段１ｂに格納
しておけば、ある特定位置での表面圧がＰ＝Ｐａであっ
たときに、「Ｓ＝Ｓａ＝Ｆ（Ｐａ）」として形状データ
を算出することができる。尚、関数式の代わりに関数関
係をデータテーブルとしてデータベース化しておいて圧
力検出後にデータ参照を行う方法等、既知の参照方法や
補間方法を用いることができることは勿論である。

【００１６】図２は形状認識装置１を構成するにあたっ
ての構成例を概略的に示すブロック図である。

【００１７】本例では、圧力検出手段１ａとして、可撓
性を有するシート状基材及び該シート状基材上に多数配
置される圧力検出素子群を有する構成（以下、「圧力検
出用シート」という。）が採用されており、シート状基
材に配置される電極パターンによってそれらの交点とし
て形成される各格子点に圧力検出素子のそれぞれが位置
されている（その詳細については、後述する。）。

【００１８】そして、制御中枢であるＣＰＵ（中央演算
ユニット）と、圧力検出手段１ａとの間には、Ｉ／Ｏ
（入出力）インターフェース部（図には「Ｉ／Ｏ−Ｉ
Ｆ」と略記する。）が介在されており、圧力検出用シー
トによって得られた情報はこのＩ／Ｏインターフェース
部を介して装置内に取得される。例えば、シート状基材
の上にＸ−Ｙの２次元直交（あるいは斜交）座標系を設
定したときに、各圧力検出素子に関して格子点のそれぞ
れの位置座標で指定される素子がマトリックス要素に予
め対応付けられている場合には、当該マトリックス要素
の選択回路（Ｘ、Ｙの各座標値又は各座標の指標値によ
って格子点での各要素を指定する回路）がＩ／Ｏインタ
ーフェース部に含まれる。

【００１９】ＣＰＵに対して設けられるＲＡＭ（ランダ
ム・アクセス・メモリ）やＲＯＭ（リード・オンリー・
メモリ）は上記記憶手段１ｂに相当するものであり、デ
ータの一時的あるいは永続的な記憶保持のために使用さ
れる。尚、本例において、上記した表面圧Ｐと形状Ｓと
の数値的関係はＲＯＭ化されたデータとして取り扱われ
るが、これをハードディスクや光磁気ディスク等を用い
た補助記憶（固定記憶）装置（図示せず。）にファイル
化して保存しておき、必要に応じてＲＡＭ上に展開して
使用しても良いことは勿論である。

【００２０】図３乃至図１４は、力触覚呈示装置への適
用においてこれを構成する効果器（上記した圧力検出用
シートを含む。）の一例を示したものである。尚、「力
触覚呈示装置」とは、力触覚（力覚と触覚）や温度感覚
を対象者に体感させることができるようにするためのマ
ン・マシンインターフェースを提供する装置であり、力
触覚グローブ等を使った装置が知られている。つまり、
力触覚呈示装置は、主に視覚や聴覚によって認知される
仮想現実感をさらに力学的な感覚（力触覚）にまで拡張
したり、あるいは遠隔世界や微小世界における操作感覚
に臨場感を与えるため等に導入されるもので、本例で
は、筋肉への電気刺激を利用して人間の手や腕等に作用
を及ぼす方法、即ち、皮膚表面や筋肉への電気刺激によ
って力触覚呈示を実現するために機能的電気刺激を利用
した方法が採用されている（「機能的電気刺激」（Ｆｕ
ｎｃｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｔｉｍｕｌａ
ｔｉｏｎ、略してＦＥＳ」とは、明確な目的意識と作用
機序の理解の上に立って生体機能の補助又は制御を行お
うとする電気刺激法を意味し、主として運動麻痺患者に
対して電極を介して目的の末梢神経や筋に電気的刺激を
与えることにより麻痺肢を動かすといったことに用いら
れる。）。

【００２１】また、効果器については人体の皮膚に接触
して使用するために、人体の手足、体の一部等の形状に
適合する形状をもって作成される。例えば、その形態に
は、グローブ、ボディスーツ、アームバンド、指サッ
ク、ソックス等が挙げられるが、以下では、人体の腕に
取り付けて使用する効果器を例にして説明を行うことに
する（∵本発明に関する限り効果器の取り付けをどの場
所にしようと、発明の本質に何等の影響を与えることは
ないため。）。尚、生体への電極の取り付け方に関して
は表面電極法を採用している。その理由は、当該方法が
人体を傷付けることなく使用できること及び経皮電極法
や埋め込み電極法では電極や配線の破損や感染等の問題
があることに依る。

【００２２】この表面電極法に適した効果器の構成例を
図示したものが図３乃至図１４であり、多数の電極２、
２、・・・（電極アレイ）を有する電極シート３の一例
を示している。

【００２３】電極シート３は人体の皮膚表面に付設して
使用され、例えば、図３に簡略化して示すように、前腕
Ａに巻着して使用される。尚、本例では、電極シート３
が矩形状に形成されており、一方の辺の長さが前腕Ａの
長さとほぼ同じで、他方の辺の長さが前腕Ａの周方向の
長さとほぼ同じになっている。これにより、電極シート
３を前腕Ａに巻き付けると、前腕Ａはそのほぼ周面を電
極シート３で覆われることになる。

【００２４】図４は電極シート３の積層構造について概
略的に示すものであり、４層構成の電極層３Ａの上に４
層構成の感圧層３Ｂ（上記圧力検出用シートに相当す
る。）を形成し、さらにその上に絶縁層３Ｃを積層形成
した例を示している。

【００２５】電極層３Ａは、同図の左側に示すように、
シート４、導通シート５、配線シート６、表面シート７
を積層した構成を有している。

【００２６】シート４は最も皮膚側に位置するシートで
あり、これには、多角形状（例えば、正方形や正六角形
等）をした小さな電極孔４ａ、４ａ、・・・（図５参
照。）がマトリックス状に多数形成され、該電極孔４
ａ、４ａ、・・・に導電ポリマーが充填されることで、
電極２、２、・・・がシート上に規則的に形成されてい
る。各電極孔４ａには、その周囲を取り囲む突条部４ｂ
がそれぞれ形成されており、該突条部４ｂはその厚み方
向における断面形状がほぼ台形状をしており、台形の短
辺に相当する端部が皮膚との接触部とされ、斜辺に相当
する部分が電極孔４ａの周囲に亘ってテーパー面を形成
している。尚、この突条部４ｂは電極２と皮膚との密着
性を良好にするために設けられる（図５、図１３参
照）。

【００２７】導通シート５は、シート４の表面側に積層
され、該導通シート５のうち、上記各電極２、２、・・
・に対応する位置には、該電極よりも充分に小さい相似
形の通電孔５ａ、５ａ、・・・（図６参照。）が形成さ
れ、これらの通電孔５ａに導電ポリマーを充填して、こ
れを通電部５ｂ、５ｂ、・・・としている。尚、導通シ
ート５は、配線シート６に形成された後述の各配線パタ
ーンと、シート４上の電極２、２、・・・とが短絡しな
いようにするために設けられるものである。

【００２８】配線シート６は導通シート５の表面側に積
層されるものであり（図７参照。）、端子部６ａ、６
ａ、・・・や配線パターン６ｂ、６ｂ、・・・が形成さ
れている。つまり、配線シート６には、上記通電部５
ｂ、５ｂ、・・・に対向してこれらと同じ大きさの端子
孔が形成され、該孔に導電ポリマーを充填することでこ
れらを端子部６ａ、６ａ、・・・としており、更に各端
子部６ａ、６ａ、・・・に対しては配線シート６の長手
方向に延びる配線パターン６ｂ、６ｂ、・・・が形成さ
れている。尚、これらの配線パターン６ｂ、６ｂ、・・
・は導電ポリマーにより形成されていて、各配線パター
ンは互いに接触しない配置となっている（配線の形成面
積をシート上に十分に確保するのが難しい場合には多層
構造の採用が望ましい。）。そして、各配線パターン６
ｂ、６ｂ、・・・のうち端子部６ａ、６ａ、・・・とは
反対側の端部は配線シート６の端縁近傍まで延び、これ
らが図示しない電気刺激信号の出力装置に接続されるよ
うになっている。

【００２９】表面シート７（図８参照。）には、他のシ
ート４乃至６と同じ大きさの（電気）絶縁シート、例え
ば、絶縁性のポリマー、ナイロン、ポリプロピレン（Ｐ
Ｐ）、シリコーン等の合成樹脂材料等が用いられ、上記
配線シート６に貼着される。

【００３０】尚、このような構造を有する電極層３Ａに
おいては、例えば、シルク印刷により、各電極２、通電
部５ｂ、端子部６ａ及び配線パターン６ｂ等を形成する
ことができる。

【００３１】次に、感圧層３Ｂの形成について説明する
（図９乃至図１２参照。）。

【００３２】図４に示すように、感圧層３Ｂは、皮膚に
近い方から行電極シート８、感圧シート９、列電極シー
ト１０、絶縁膜１１を積層した構成となっている。

【００３３】行電極シート８（図９参照。）は、ポリエ
ステル等のフィルム上に形成される電気絶縁膜の上に導
電性ポリマー製の平行電極８ａ、８ａ、・・・を所定の
方向、例えば、シートの長手方向に沿って形成されてお
り、これらの電極の間には電気絶縁膜が介在されること
によって各電極が絶縁分離されている。

【００３４】感圧シート９（図１０参照。）は、多角形
状（図では正方形）をした感圧部９ａ、９ａ、・・・が
一定の間隔をおいて配置された構成を有しており、これ
らと上記電極２、２、・・・とは互いの位置関係におい
て１対１に対応している。感圧部９ａに使用する材料と
しては、圧電性の高分子材料（フッ化ビニリデン等）、
比誘電率ポリマー等が挙げられる。尚、各感圧部９ａ同
士は絶縁材料によって隔絶されていることは勿論であ
る。

【００３５】列電極シート１０（図１１参照。）につい
ては、平行電極１０ａ、１０ａ、・・・の形成方向が異
なるだけで行電極シート８と同様の構造を有している。
つまり、導電性ポリマー製とされたこれらの電極１０ａ
は、上記行電極シート８の平行電極８ａの形成方向に対
して感圧シート９を挟んで互いに直交するように形成方
向が規定されており、両電極群の交点位置に上記感圧部
９ａ、９ａ、・・・が各別に配置される。これによっ
て、互いの電極群同士が直交した関係を有するマトリッ
クス配置（あるは格子状配置）とされ、「ｉ」、「ｊ」
の整数変数を指標として導入したとき第ｉ行第ｊ列の指
定によって該当する交点位置付近での圧力検出を行うこ
とができるようになっている。

【００３６】絶縁膜１１（図１２参照。）は電気絶縁材
料、例えば、絶縁性のシリコーン、高分子ゲル等を用い
て形成されるもので、感圧層３Ｂの最も表層に形成され
て列電極シート１０の絶縁を図っている。

【００３７】絶縁層３Ｃは、前腕Ａに貼着されたときに
最も表面に位置しており、これにはゴム材料等が使用さ
れる。

【００３８】しかして、このような電極シート３を、前
腕Ａに巻き付けてこれに干渉波による刺激を与えるとき
は、シート４の各電極２、２、・・・を前腕Ａの皮膚に
当ててから（皮膚との接触状態を図１３、図１４に示
す。）、一組の電極２、２、・・・（例えば、図１４に
「×」印を付して示す電極）に対して図示しない電気刺
激の出力部から所定の周波数電流を供給すると、前腕Ａ
の内部において干渉波が生じ、干渉により波が強め合う
ところの筋肉Ｍの部位を刺激することができる。例え
ば、４０００Ｈｚ（ヘルツ）の周波数電流と４０１０Ｈ
ｚの周波数電流を、各電極２、２、・・・にそれぞれ供
給すると、両電極間を結んだ線上の中心近傍で干渉が生
じ、干渉の部位に位置する筋肉Ｍが１０Ｈｚ程度の周波
数で刺激されて収縮する。また、皮膚表面の表層筋に対
する低周波の刺激を行う場合には、使用電極を２極とし
て、この一対の電極の各位置を特定した後、１００Ｈｚ
以下、例えば、１０〜６０Ｈｚ程度のパルス波形（負性
矩形波等）を用いて刺激を与えれば良い。

【００３９】皮膚表面の圧力分布に関する検出にあたっ
ては、上記行電極シート８及び列電極シート１０のうち
の所望の電極、つまり、整数変数ｉ、ｊについて第ｉ行
第ｊ列に相当する電極（行電極シート８のｉ番目の電極
及び列電極シート１０のｊ番目の電極）を選択した場合
に、該電極の交点付近における圧力に応じて感圧材料が
圧迫されると、その静電容量の変化を検出することがで
きる。即ち、行電極シート８におけるｉ番目の電極と列
電極シート１０におけるｊ番目の電極との間には感圧部
９ａを含むコンデンサ（これが上記圧力検出素子に相当
する。）が形成され、その等価静電容量値Ｃがその場所
での圧力Ｐの関数となるので、等価静電容量値Ｃから逆
算して圧力Ｐに係る情報を得ることができる（つまり、
第ｉ行第ｊ列の検出データについてのマトリックス処理
によって所望の位置での局部的な圧力や対象範囲を特定
した圧力分布データを取得することができる。）。

【００４０】尚、このような圧力検出手段が人体に着用
して使用される形状を有している場合には、力触覚呈示
装置への適用において、例えば、ウェットスーツ形状を
採用することで装着や着脱が容易になり、衣服を着替え
るのに要する程度の準備時間で済むという利点がある。

【００４１】また、上記例では電極層３Ａの上に感圧層
３Ｂを形成したが、単に圧力検出だけを目的する場合に
は電極層３Ａが不要となり、よってシート状基材の上に
感圧層だけを形成すれば良い（これが上記圧力検出用シ
ートそのものである。）ことは勿論である。

【００４２】上記したように圧力検出を利用した形状認
識においては、表面圧Ｐと形状Ｓとの数値的関係を予め
取得しておく必要があり、そのための初期学習の過程を
図１５乃至図１９に従って説明する。

【００４３】図１５は圧力検出用シート１２を円筒状
（あるいは円錐台状）に丸めて端部同士をシリコーンや
ゴム材料、布等を用いて接着した状態を示している（図
の斜線部が接着部分１３を示す。）。また、これに限ら
ず図１６に示すように、円筒（圧力検出用シート１２）
の側面全体を覆うように接着領域１４を形成しても良い
（図に斜線を付して示す部分を参照。）。尚、円筒側面
の母線に沿うように縦糸（例えば、麻等の丈夫な工業
糸）を接着部あるいはシート状基材の内部又は外表面に
設けることが好ましい（円筒軸に平行な方向におけるシ
ート状基材の形状変化を良好なものにするため。）が、
圧力検出用シートの伸張時において電極シートや感圧シ
ートが変形したときに抵抗値や誘電率等が変化する場合
があるので、変形に伴う物理量の変化率を予め測定して
おき、当該変化率を考慮してデータ補正を行うことが好
ましい。

【００４４】図１７は圧力検出用シート上における各圧
力検出素子を選択するための構成を概略的に示したもの
であり、マトリックス選択回路１５は、上記した行電極
群８ａ、８ａ、・・・に接続される接続線群「Ｘ」と、
列電極群１０ａ、１０ａ、・・・に接続される接続線群
「Ｙ」を有しており、また、ＣＰＵ１６やメモリ１７
（ＲＡＭ又はＲＯＭ）に関するアドレスバス１８及びデ
ータバス１９に接続されている。即ち、ＣＰＵ１６から
マトリックス選択回路１５に対するアドレス指定によ
り、圧力検出素子群についての番地指定が為されると、
当該番地に対応する行電極群、列電極群のうちの対応す
る電極がそれぞれ選択され、圧力検出素子の位置が特定
される。そして、選ばれた圧力検出素子の検出情報が返
されて、データバス１９を介してＣＰＵ１６やメモリ１
７において利用されることになる。

【００４５】図１８は初期学習時に使用する基準円柱
（円筒でも良いが、これを圧力検出用シートに挿入した
ときに当該シートから受ける力によって形状が容易に変
化しないことが必要である。）を示しており、この例で
は、半径を異にする３つの円柱α、β、γが用意されて
おり、円柱αの半径「ｒ＿α」が最も小径とされ、その
次の円柱βの半径「ｒ＿β」が円柱αの半径よりも大き
く、円柱γの半径「ｒ＿γ」が最も大径とされている。

【００４６】これらの基準円柱をそれぞれ圧力検出用シ
ート１２（図では円錐台の筒形状をしている。）に挿入
した上で圧力分布と形状（基準円柱の半径）との間の数
値的関係をキャリブレーションにより取得する。つま
り、基準円柱の径が大きいもの程これを筒状の圧力検出
用シートに挿入したときの圧迫が大きくなる（表面圧が
大きくなる）ことが明らかであり、そのときの圧力検出
情報（正確には各圧力検出素子により得られるデータ
群）と形状との対応関係を数値情報として得ることがで
きる。

【００４７】尚、この例では説明を簡単にするために基
準円柱を３個としたので、上記自由曲線を決める上での
点の数が少ないが、半径の異なる数多くの基準円柱を用
意するか又は１個の基準円柱においてその半径を連続的
に可変するための機構を設ける（例えば、空圧や電磁機
構等を使った人工筋肉を基準円柱に付設する。）ことに
よって、補間に必要なデータ数を確保できることは勿論
である。また、基準円柱の形状については、円柱の他に
４角柱あるいは多角柱、円錐台、角錐台等を用いても良
い。

【００４８】図１９は初期学習の手順例を示すフローチ
ャート図であり、先ず、ステップＳ１で基準円柱（ある
いは基準円筒、角柱等）のうちの１つを選択してこれを
筒状の圧力検出用シート１２に挿入する。

【００４９】次ステップＳ２では、圧力検出用シート１
２における各圧力検出素子を上記マトリックス選択回路
１５により走査してこれらによる圧力検出情報を取得し
てメモリ（上記ＲＡＭ）に格納する。

【００５０】尚、この場合、圧力検出素子の数が膨大な
数に亘ることに起因してデータ量が増えてしまうという
不都合に対処するためには、人体に関する力学的構造の
数値モデルを活用して、人体構造を考慮することで必要
最小限の数の圧力検出点を選定すると、データ量を大幅
に低減することができる。つまり、データ量を削減する
ために圧力検出素子の数を予め必要最小限にまで少なく
しておくことが考えられるが、これでは対象者の個体差
（体格差や四肢の長さの違い等）によって圧力検出ポイ
ントを適正な位置に選択できないことになってしまうか
らである。そこで、対象者の人体モデル（人体に関する
力学的構造の数値モデル）をデータベース化したものを
利用することで圧力検出ポイントを各個人について適正
な位置に設定することができる。この人体モデルの構築
方法については、本願出願人が、既に特願平１０−２６
６号にて提案した方法を踏襲することができ、本モデル
には、骨格モデル、筋肉モデル、神経（運動神経や感覚
神経等。）モデル、皮膚モデル、脂肪や内臓のモデルが
含まれるが、圧力検出ポイントの設定を行う上で必要な
のは主に骨格モデルと筋肉モデルである。

【００５１】人体構造の数値モデルの構成にあたって
は、体型の分類（痩せ型「ａｓｔｈｅｎｉｃｕｓ」、闘
士型「ａｔｈｅｔｉｃｕｓ」、肥満型「ｐｉｋｎｉｃｕ
ｓ」等）を行うとともに、分類された各基準体型につい
て全ての骨や筋肉の形状、長さや重量を含む人体データ
（基準データ）を予め用意しておき、対象者に関する身
長、体重、外形形状のデータを入力する。そして、入力
データから対象者の体型を特定し、各基準体型の人体デ
ータに基づいて補間計算を行い、対象者に係る骨格や筋
肉についてのデータの換算比率を算出する。その後、こ
の換算比率及び対象者の身長や重量に基づいて対象者の
骨や筋肉の長さや重量を決定して数値モデルを作成する
（対象者に関する外形形状のデータ取得方法、体型の特
定にあたって使用する座標空間や補間等についての詳細
な説明は省略する。）。

【００５２】選択された各圧力検出ポイントに対応する
圧力検出素子によってその場所での圧力検出情報を得る
ことができるが、前ステップＳ１において基準円柱を選
んだ場合と基準角柱（あるいは多角柱）を選んだ場合と
では当然に圧力分布に差がでる。即ち、前者の場合に
は、圧力分布がほぼ一様に得られるが、後者の場合には
角部に対応する圧力検出ポイントで検出値のピークが出
ることを考慮する必要がある（換言すれば、圧力検出値
の分布において変化の顕著な場所が対象物の形状的特徴
を表す特有の部分であると言える。）。

【００５３】次ステップＳ３では、用意した基準円柱等
について、これらを筒状の圧力検出用シート１２に挿入
して圧力分布データを取得する作業が終了したか否かを
判断し、終了時には次ステップＳ４に進むが、そうでな
ければステップＳ１に戻る。

【００５４】ステップＳ４では圧力検出ポイント毎に形
状Ｓと圧力Ｐとの間の関数関係を得るために、自由曲線
や２次曲線等を用いて近似処理を行う。例えば、自由曲
線には、ラグランジェの補間曲線、ファーグソン曲線、
スプライン補間曲線、べジェ多項式曲線、Ｂ（べジェ）
−スプライン曲線等が挙げられ、補間ポイントの数に応
じて使い分けることが好ましい。尚、補間処理について
は既知の方法を踏襲すれば良いのでその説明を省略す
る。

【００５５】次ステップＳ５では、前ステップで得られ
た関数関係を１タイムでＲＯＭにデータとして登録する
ことで初期学習が完了するが、ＥＰＲＯＭ（消去可能プ
ログラム可能なＲＯＭ）やＥＥＰＲＯＭ（電気的消去書
き込み可能なＲＯＭ）等を使用することによってその後
のデータ補正に容易に対処することができるし、また、
前記したようにデータをファイル化して補助記憶装置に
保存しても良いことは勿論である。

【００５６】図２０は圧力検出用シートを対象物に巻き
付けた状態で得られる圧力分布情報から形状を認識する
手順を示すフローチャート図であり、先ず、ステップＳ
１では対象物を筒状の圧力検出用シートに挿入する。例
えば、対象者の腕に圧力検出用シートを巻き付ける。

【００５７】次ステップＳ２では、圧力検出ポイントの
選定後に各ポイントに対応する圧力検出素子によって圧
力検出情報を取得した後、次ステップＳ３では、得られ
た情報をＲＯＭデータと比較する。

【００５８】そして、次ステップＳ４では、取得した圧
力検出情報に対応する形状データをＲＯＭデータから求
めるが、正確に符合するデータがＲＯＭ内にあるとは限
らないので、圧力検出情報に近いＲＯＭデータを検索し
てこれに基づいて予想形状データを算出する。尚、圧力
情報から形状を特定するためには多種多様な形状に係る
データを数多く所有してこれをデータベース化しておく
ことが認識の可否や精度を決定する上で重要である。

【００５９】圧力検出用シートを用いて人体の表面形状
を認識するにあたっては、関節を如何にして判別するか
が問題となるが、圧力検出用シート（圧力検出手段）に
よって検出される表面圧の変化が大きい範囲を形状認識
手段により関節部として認識し、形状モデルとしてのワ
イヤーフレームモデルの構成データを出力する構成を採
用することが好ましい。

【００６０】図２１乃至図２４は、上肢を例にしてその
形状認識について説明するためのものである。

【００６１】図２１は形状認識の手順例を示したフロー
チャート図であり、スタート時点において前記した初期
学習が終了していることが前提となる。

【００６２】先ず、ステップＳ１では圧力検出用シート
を上肢表面の全体に亘って巻き付けた状態で各検出ポイ
ントにおける圧力情報を取得する。

【００６３】次ステップＳ２では、対象者に一定の動作
を実行してもらい、その動作が安定して行われるように
する。このためには対象者（の頭部）にヘッドマウント
ディスプレイ（ＨＭＤ）等の視覚表示装置を装着して、
当該装置上に模倣すべき上肢の動きを映し出す。

【００６４】図２２は画面Ｗ内にカメラ撮影で得られる
画像情報を動画像として映し出した映像ＲＨ（実際の上
肢画像であり、これを実線で示す。）と、模倣すべき上
肢の動きを示す仮想映像ＶＨ（仮想の手を示す画像であ
り、これを２点鎖線で示す。）を概略的に示したもので
あり、対象者は実際の手を示す映像ＲＨが、仮想映像Ｖ
Ｈに重なり合うように自分の手を仮想の手に追従させる
ことで動作の模倣を容易に行うことが可能となる。尚、
このような模倣動作が困難とされる人体の他の部位につ
いては、口頭での説明や指示者の動作をまねることで対
象者に一定の動作を倣ってもらうようにすれば良い。

【００６５】ステップＳ３では、各圧力検出ポイントの
うち、予め規定した基準値以上の圧力が検出される領域
を選択した後、次ステップＳ４で関節部の判別処理を行
う。つまり、図２３に示すように、上肢では手首、肘、
肩の部分で対偶動作に伴う圧力の変化が大きいための、
この部分に対応する検出ポイントでの圧力情報から関節
部を認識することができる。尚、図中に「＋」の丸印で
示す位置が関節部を概念的に示しており、また、矢印
「Ｒａ」で示す範囲が手首部で圧力変化の顕著な範囲、
矢印「Ｒｂ」で示す範囲が肘部で圧力変化の顕著な範
囲、矢印「Ｒｃ」で示す範囲が肩部で圧力変化の顕著な
範囲をそれぞれ示している。

【００６６】次ステップＳ５では、各関節部の認識結果
から関節間の長さを求めることでボーンワイヤーモデル
（骨格構造をワイヤーフレームモデルで表現したもの）
を作成して、形状データを取得する。尚、上肢形状につ
いての認識結果については、例えば、ポリゴンデータ
（ポリラインからなる形状データ）として出力すること
ができる。また、説明は省略するが、脚等の他の部位に
ついても同様の方法を踏襲できることは勿論である。

【００６７】関節角度の認識にあたっては、上記のよう
に関節部を認識する際に、対偶の動作に対して圧力変化
が新たに加わるポイント又は範囲を探して、当該ポイン
ト又は範囲における圧力検出情報から関節角度を求める
ことが好ましい。つまり、上記したように関節部周囲の
表面は対偶の動作に伴う圧力変化が顕著な場所であり、
関節の屈曲角度が大きくなるにつれて次第に圧力が他の
場所に比べて大きくなるからである。

【００６８】尚、対偶位置の認識にあたっては、図２４
に示すいくつかの圧力変化のパターンを満たす検出ポイ
ントを探し出して、その圧力変化から位置を求めること
が好ましい。図２４（ａ）乃至（ｃ）に示すグラフ図は
横軸に時間ｔ（図２１のステップＳ２で説明した一定動
作の開始時点を時間軸の起点とする。）をとり、縦軸に
検出された圧力Ｐをとってその時間的変化を概略的に示
したものである。

【００６９】図２４（ａ）は、グラフ線ｇで示すように
動作開始からほぼ一定の傾斜をもって圧力Ｐが上昇して
いく様子を示しており、また、図２４（ｂ）では、グラ
フ線ｇ１に示すように、ある検出ポイントでの圧力が最
初の立ち上がって飽和した後、別の検出ポイントでの圧
力がグラフ線ｇ２に示すように立ち上がって飽和する様
子を示している。

【００７０】図２４（ｃ）では、複数の検出ポイントで
の各圧力を示すグラフ線ｇｉ（ｉ＝１、２、・・・）に
示されるように、ある遅延時間をもって次々に圧力が立
ち上がった後に飽和していく様子が分かる。

【００７１】このような圧力の時間的変化に特徴的なパ
ターンが認められる場所を捉えることによって対偶の位
置を認識することができ、例えば、手や指、肘、肩等の
認識にとって有用である。

【００７２】また、捻り動作によって形状が変化する関
節部を形状認識手段によって認識する際には、圧力検出
手段を構成するシート状基材において捻れに伴って生じ
る圧力変化から関節角度を求めることが好ましい。例え
ば、首や腰の回転や前腕の回内・回外動作等において筋
肉の捻れを捉えることで形状変化の認識が可能になる。

【００７３】体表面の回転運動に伴うシート状基材の捻
れにより、当該基材が体表面から離れることに起因して
形成される皺の認識については、急激な圧力変化が２点
以上の検出ポイントに亘って連続的に生じた場所を皺と
みなすことで処理することができる。尚、形状データ
を、例えばポリゴンデータとして作成する場合には、多
数の皺データを含むことになるため形状が複雑化し、ま
たデータ量の増加を余儀なくされることになるので、皺
データを除去した表面形状データだけを得たい場合に
は、ポリゴンデータに関する結合処理を用いる（これは
ポリゴンメッシュを簡単化して点やラインを間引くこと
でデータ圧縮を行う時に使用される定番処理であり、エ
ッジのもつ重要度や形状的特徴にどれだけの寄与を持つ
要素であるかを考慮した方法や、エッジ除去後の体積変
化あるいはエッジ除去後に設定した新頂点と元の三角パ
ッチの頂点との距離和等を評価量として用いる方法等、
各種の方法が知られている。）。

【００７４】図２５はそのような結合処理のうち比較的
理解が容易な処方について説明するためのものである。

【００７５】ｕ軸、ｖ軸で示す直線座標系（あるいは曲
線座標系）において、ａライン、ｂラインで示す曲線
（皺のピークを代表的に示す。）は体表面において圧力
変化が高い場所を繋いでできるものである。尚、ａライ
ン上には「ａ０」乃至「ａ９」の検出ポイントが位置し
ており、またｂライン上には「ｂ０」乃至「ｂ９」の検
出ポイントが位置している。

【００７６】今、ポイント「ａ１」に着目した場合に、
ｂライン上において最も近い点は「ｂ１」であり、よっ
て、ａ１とｂ１とを結合して新しい点を設定することで
点や線や削減する。

【００７７】即ち、同図の楕円内に示す部分を拡大する
とともにこの部分を下方に取り出して示すように、「ａ
０」乃至「ａ２」を含む三角パッチ群と、「ｂ０」乃至
「ｂ２」を含む三角パッチ群とがある場合に、「ａ１」
と「ｂ１」とを移動により新頂点ｃ１で結合させること
で、「ａ１」と「ｂ１」の各点及び線分ａ０ａ１、ａ１
ａ２、ｂ０ｂ１、ｂ１ｂ２が削減されるので、新しくで
きた三角パッチ群は７頂点と１０本の線分によって構成
されることになる（新頂点ｃ１を通って新たに生成され
る曲線が図のｃラインである。）。

【００７８】しかして、上記した形状認識装置をモーシ
ョンキャプチャー装置、つまり、対象者（狭義には人間
を含むが、動物でも良いし、また人体や生物を模倣した
ロボット、マニピュレータ等であっても構わない。）の
体表面の形状や動きを認識するための装置として用いる
にあたっては、対象者に巻き付け又は装着して当該対象
者の表面における圧力を検出する圧力検出手段と、圧力
検出手段によって得られる検出情報と体表面形状との関
係を予め取得しておいてこれらをデータテーブル又は関
数式として格納する記憶手段と、対象者に巻き付けられ
又は装着された圧力検出手段からの検出情報を受けて、
当該情報に対応する体表面形状データを記憶手段からの
情報に基づいて算出して出力する形状認識手段とを設け
た構成を採用する。

【００７９】その際、圧力検出手段については、前述し
たように、可撓性を有するシート状基材と、該シート状
基材上に多数配置される圧力検出素子群を有する構成と
し、シート状基材に配置される電極パターンによってそ
れらの交点として形成される各格子点に圧力検出素子の
それぞれが位置された構成を用いることが好ましい。

【００８０】尚、体表面のうち圧力変化が認められる部
位又は当該圧力変化が予め規定した基準値以上である部
位に対してのみ圧力検出素子群を配置して当該圧力検出
素子を体表面に密着させ、当該部位以外の場所には圧力
検出素子を設けることなくシート状基材が体表面に密着
されるように構成する（但し、発汗に対する通気性や放
熱性を考慮して圧力検出素子を設けていない場所には、
通気性や放熱性に優れた繊維材料を使用したり、あるい
は通気孔や放熱孔を形成することが好ましい。）と、必
要最小限の数の圧力検出素子をシート状基材上に配置す
ることができる。

【００８１】

【発明の効果】以上に記載したところから明らかなよう
に、請求項１に係る発明によれば、対象物の表面におけ
る圧力を検出するとともに、圧力検出情報と表面形状と
の関係を予め取得しておいて、これらをデータテーブル
又は関数式として記憶させた情報を参照して表面形状デ
ータを求めることができるので、滑らかな表面形状を有
する対象についての形状認識を詳細に得ることができ、
しかもこれを装置構成の複雑化を伴うことなく実現する
ことができる。

【００８２】請求項２や請求項８に係る発明によれば、
可撓性を有するシート状基材上に多数の圧力検出素子群
を格子状に配置した構成を採用することによって、圧力
検出位置の選択を容易に行うことができるようになり、
また、対象物の表面に対して圧力検出素子群を密着させ
易い構成を得ることができる。

【００８３】請求項３に係る発明によれば、人体の表面
形状をより詳細にかつリアルタイムで取得することがで
きる。

【００８４】請求項４に係る発明によれば、表面圧の変
化が著しい範囲を関節部として認識した後、ワイヤーフ
レームモデルの構成データを出力することによって、複
雑なデータ処理を要することなく関節構造の認識が可能
となる。

【００８５】請求項５に係る発明によれば、関節部を認
識する際に、対偶の動作に対して圧力変化が新たに加わ
るポイント又は範囲を探知して、当該ポイント又は範囲
における圧力検出情報から関節角度を容易に求めること
ができる。

【００８６】請求項６に係る発明によれば、捻り動作に
よって形状が変化する関節部を認識する際には、圧力検
出手段を構成するシート状基材において捻れに伴って生
じる圧力変化から関節角度を容易に求めることができ
る。

【００８７】請求項７に係る発明によれば、対象者の動
きをリアルタイムで捉えることができ、しかも装着し易
いモーションキャプチャー装置を提供することが可能と
なる。

【００８８】請求項９に係る発明によれば、圧力検出素
子の数を必要最小限に減らすことができるとともに、シ
ート状基材のうち圧力検出素子が設けられていない場所
には別の機能（放熱や通気等）を付与することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的構成を示す概念図である。

【図２】形状認識装置の構成例の要部を示すブロック図
である。

【図３】図４乃至図１４とともに電極シートの要部構成
について説明するための図であり、本図は電極シートを
腕に巻き付ける様子を示す図である。

【図４】電極シートの分解斜視図である。

【図５】電極層３Ａを構成する最も皮膚側のシート４を
部分的に示す図である。

【図６】電極層３Ａを構成する導通シート５を部分的に
示す図である。

【図７】電極層３Ａを構成する配線シート６を部分的に
示す図である。

【図８】電極層３Ａを構成する表面シート７を部分的に
示す図である。

【図９】感圧層３Ｂを構成する行電極シート８を部分的
に示す図である。

【図１０】感圧層３Ｂを構成する感圧シート９を部分的
に示す図である。

【図１１】感圧層３Ｂを構成する列電極シート１０を部
分的に示す図である。

【図１２】感圧層３Ｂを構成する絶縁膜１１を部分的に
示す図である。

【図１３】電極シートの一部を拡大して示す断面図であ
る。

【図１４】腕に巻き付けた状態の電極シートを示す概略
的な断面図である。

【図１５】図１６乃至図２０とともに初期学習について
説明するための図であり、本図は筒状に巻いた圧力検出
用シートを示す。

【図１６】筒状に巻いた圧力検出用シートの別例を示す
図である。

【図１７】圧力検出用シートについての素子選択につい
て説明するための図である。

【図１８】圧力検出用シートに挿入して使用する基準円
柱の組みを示す図である。

【図１９】初期学習の手順例を示すフローチャート図で
ある。

【図２０】圧力検出用シートによる圧力分布情報から形
状を取得する手順例を示すフローチャート図である。

【図２１】図２２乃至図２４とともに、上肢の形状認識
について説明するためのものであり、本図は形状認識の
手順例を示したフローチャート図である。

【図２２】対象者に視覚表示装置を装着して当該装置上
に模倣すべき上肢の動きを映し出した状態を示す説明図
である。

【図２３】人体の上肢を概略的に示す図である。

【図２４】圧力パターンの数例を示すグラフ図である。

【図２５】皺データを除去することによって表面形状に
係るデータ量を削減する方法について説明するための図
である。

【符号の説明】

１…形状認識装置、１ａ…圧力検出手段、１ｂ…記憶手
段、１ｃ…形状認識手段

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物の表面形状あるいは形状変化を認
   識するための圧力検出による形状認識装置であって、 対象物に巻き付け又は装着して当該対象物の表面におけ
   る圧力を検出する圧力検出手段と、 圧力検出手段によって得られる検出情報と表面形状との
   関係を予め取得しておいてこれらをデータテーブル又は
   関数式として格納する記憶手段と、 対象物に巻き付けられ又は装着された圧力検出手段から
   の検出情報を受けて、当該情報に対応する表面形状デー
   タを上記記憶手段からの情報に基づいて算出して出力す
   る形状認識手段とを設けたことを特徴とする圧力検出に
   よる形状認識装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載した圧力検出による形状
   認識装置において、 圧力検出手段が、可撓性を有するシート状基材と、該シ
   ート状基材上に多数配置される圧力検出素子群を有する
   構成とされ、シート状基材に配置される電極パターンに
   よってそれらの交点として形成される各格子点に圧力検
   出素子のそれぞれが位置されていることを特徴とする圧
   力検出による形状認識装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載した圧力検出による形状
   認識装置において、 圧力検出手段が人体に着用して使用される形状を有して
   いることを特徴とする圧力検出による形状認識装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載した圧力検出による形状
   認識装置において、 圧力検出手段によって検出される表面圧の変化が著しい
   範囲を形状認識手段が関節部として認識し、形状モデル
   としてのワイヤーフレームモデルの構成データを出力す
   ることを特徴とする圧力検出による形状認識装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載した圧力検出による形状
   認識装置において、 形状認識手段が関節部を認識する際に、対偶の動作に対
   して圧力変化が新たに加わるポイント又は範囲を探知し
   て、当該ポイント又は範囲における圧力検出情報から関
   節角度を求めることを特徴とする圧力検出による形状認
   識装置。
6. 【請求項６】 請求項４に記載した圧力検出による形状
   認識装置において、 捻り動作によって形状が変化する関節部を形状認識手段
   によって認識する際には、圧力検出手段を構成するシー
   ト状基材において捻れに伴って生じる圧力変化から関節
   角度を求めることを特徴とする圧力検出による形状認識
   装置。
7. 【請求項７】 対象者の体表面の形状や動きを認識する
   ためのモーションキャプチャー装置であって、 対象者に巻き付け又は装着して当該対象者の表面におけ
   る圧力を検出する圧力検出手段と、 圧力検出手段によって得られる検出情報と体表面形状と
   の関係を予め取得しておいてこれらをデータテーブル又
   は関数式として格納する記憶手段と、 対象者に巻き付けられ又は装着された圧力検出手段から
   の検出情報を受けて、当該情報に対応する体表面形状デ
   ータを上記記憶手段からの情報に基づいて算出して出力
   する形状認識手段とを設けたことを特徴とするモーショ
   ンキャプチャー装置。
8. 【請求項８】 請求項７に記載したモーションキャプチ
   ャー装置において、 圧力検出手段が、可撓性を有するシート状基材と、該シ
   ート状基材上に多数配置される圧力検出素子群を有する
   構成とされ、シート状基材に配置される電極パターンに
   よってそれらの交点として形成される各格子点に圧力検
   出素子のそれぞれが位置されていることを特徴とするモ
   ーションキャプチャー装置。
9. 【請求項９】 請求項８に記載したモーションキャプチ
   ャー装置において、 体表面のうち圧力変化が認められる部位又は当該圧力変
   化が予め規定した基準値以上である部位に対してのみ圧
   力検出素子群を配置して当該圧力検出素子を体表面に密
   着させ、当該部位以外の場所には圧力検出素子を設ける
   ことなくシート状基材が体表面に密着されるようにした
   ことを特徴とするモーションキャプチャー装置。