JP2002065641A - System for measuring finger movement - Google Patents

System for measuring finger movement

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JP2002065641A
JP2002065641A JP2000267147A JP2000267147A JP2002065641A JP 2002065641 A JP2002065641 A JP 2002065641A JP 2000267147 A JP2000267147 A JP 2000267147A JP 2000267147 A JP2000267147 A JP 2000267147A JP 2002065641 A JP2002065641 A JP 2002065641A
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JP
Japan
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finger
light sources
attached
light source
speed camera
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Application number
JP2000267147A
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Japanese (ja)
Inventor
Seiji Aoyanagi
誠司 青柳
Masaharu Takano
政晴 高野
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Kansai University
Original Assignee
Kansai University
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Publication date
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
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  • Image Analysis (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system for measuring an available movement of fingers in high accuracy and high sampling grade. SOLUTION: This system of measuring the movements of fingers 1 is equipped with plural light sources 11 attached to the fingers, a high-speed camera 12 for photographing the light sources 11 and a device for processing signals 13 for calculating a three-dimensional position of a finger by processing the signals outputted from the high-speed camera 12. The light source 11 is provided with a fixing member 111 that sandwiches the finger for fixing it, a pin member 112 extending toward the top side of finger and an LED 113 covered with a spherical glass cover, and plural light sources 11 attached to each one of fingers are sequentially lighted by pair as a group. The high-speed camera 12 photographs the light sources sequentially lit by a group one after another, and the device for processing signals 13 calculates an image data of each finger from the signals outputted from the high-speed camera 12, thereby determining a three-dimensional position of each finger.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、指の動作計測シス
テムに関し、特に、指の動作を高精度、高サンプリング
レートで計測するべく、市販の光学式モーションキャプ
チャ装置の利点を生かしつつ、該装置に改良を施して実
現し得る指の動作計測システムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a finger movement measuring system, and more particularly to a finger movement measuring system for measuring finger movement with high accuracy and a high sampling rate, while taking advantage of a commercially available optical motion capture device. The present invention relates to a finger movement measurement system that can be realized by improving the above.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、人間の指の動作を観察する手法と
して、以下に述べるような手法が提案されており、その
一部は商品化されている。
2. Description of the Related Art Hitherto, as a method for observing the movement of a human finger, the following methods have been proposed, some of which have been commercialized.

【0003】即ち、第1の手法として、人間の指の動作
を目視、連続写真又はビデオカメラ等で観察し、基本的
な動作パターンを抽出する手法が提案されている(例え
ば、(1)岡田徳次:指の運動と手作業の分析,バイオメ
カニズム3,東京大学出版会,東京,(1975)133頁や、
(2)小俣透:多指ハンドによる軸回転プリミティブ物体
操作,日本ロボット学会誌,Vol.14,No.6(1996)853
頁)。
That is, as a first technique, a technique has been proposed in which the movement of a human finger is visually observed, a continuous photograph or a video camera is used to extract a basic movement pattern (for example, (1) Okada Tokutsuji: Analysis of finger movement and manual work, Biomechanism 3, University of Tokyo Press, Tokyo, (1975) 133 pages,
(2) Toru Omata: Manipulation of Primitive Object Rotating with Multi-Fingered Hand, Journal of the Robotics Society of Japan, Vol.14, No.6 (1996) 853
page).

【0004】また、第2の手法として、グローブを装着
し、該グローブに敷設された光ファイバの光量変化や歪
みゲージの信号等から指の関節角を検出する手法(例え
ば、(1)岩田洋夫:バーチャルリアリティーへの応用,
計測と制御,第36巻,第9号(1997)639頁や、(2)http://
www.virtex.com)が提案されている。
As a second technique, a glove is worn, and a joint angle of a finger is detected from a change in the amount of light of an optical fiber laid on the glove, a signal from a strain gauge, or the like (for example, (1) Hiroo Iwata : Application to virtual reality,
Measurement and Control, Vol. 36, No. 9, (1997) p. 639, (2) http: //
www.virtex.com) has been proposed.

【0005】さらに、第3の手法として、指の甲側に先
端が発光する短いピンを取り付け、その光点(マーカ)
を2台のCCDカメラで追跡して座標を得る手法(伊佐
治真,高野政晴,佐々木健:人間の指による操り動作計
測システムの開発,精密工学会誌,Vol.64,No.8(1998)
1127頁)が提案されている。斯かる第3の手法は、指の
重なりによるマーカの隠れ(オクルージョン)を防止す
るべく、ピンを用いて指から離れた位置にマーカを設置
することに特徴を有するものである。
Further, as a third technique, a short pin whose tip emits light is attached to the back side of the finger, and the light spot (marker)
Method of tracking coordinates with two CCD cameras to obtain coordinates (Harumasa Isa, Masaharu Takano, Ken Sasaki: Development of a measurement system for manipulating human fingers, Journal of the Japan Society of Precision Engineering, Vol.64, No.8 (1998)
1127) has been proposed. Such a third technique is characterized by using a pin to place a marker away from the finger in order to prevent the marker from being hidden (occlusion) due to overlapping of fingers.

【0006】一方、指のような狭い計測範囲ではなく、
人体全体の動作を観察・解析する装置として、所謂モー
ションキャプチャシステムが市販されており、病院、リ
ハビリ施設、スポーツ研究機関、放送・映像スタジオ等
に一般的に導入され始めている。斯かる装置の計測手法
としては、以下に述べる第4の手法及び第5の手法が挙
げられる。
On the other hand, instead of a narrow measurement range like a finger,
A so-called motion capture system is commercially available as a device for observing and analyzing the motion of the entire human body, and has begun to be generally introduced into hospitals, rehabilitation facilities, sports research institutes, broadcasting / video studios, and the like. As a measuring method of such a device, there are a fourth method and a fifth method described below.

【0007】即ち、第4の手法として、多数の反射マー
カを人体に貼り付け、斯かるマーカの動きを多方向から
高速度CCDカメラで撮影する手法が知られている(例
えば、(1)持丸正明:身体の運動計測技術の動向,計測
と制御,第36巻,第9号(1997)609頁,(2)福井一夫:モ
ーションキャプチャ,映像情報メディア学会誌,Vol.5
1,No.8(1997)1120頁,(3)小川弘晃:モーションキャプ
チャ最新動向,NIKKEI COMPUTER GRAPHICS,3(1999)60
頁や(4)A.Macleod,J.R.W.Morris and M.Lyster:High
Accurate Video Coordinate Generation for Automatic
3D Trajectory Calculation,SPIE Vol.1356 Image-Ba
sed Motion Measurement,(1990)12頁)。斯かる第4の
手法は、マーカを撮影した画素データをサンプリングタ
イム毎にメモリに記憶しておき、マーカの対応付け及び
3次元位置の計算は測定終了後にオフラインで行うた
め、リアルタイムの計測は困難であるが、計測のサンプ
リングレートは高速度CCDカメラのサンプリングレー
トと一致するという特徴を有するものである。
That is, as a fourth technique, a technique is known in which a large number of reflection markers are attached to a human body, and the movement of the markers is photographed by a high-speed CCD camera from multiple directions (for example, (1) Mochimaru Masaaki: Trends in body movement measurement technology, measurement and control, Vol. 36, No. 9 (1997) p. 609, (2) Kazuo Fukui: Motion Capture, Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, Vol.5
1, No. 8 (1997) p. 1120, (3) Hiroaki Ogawa: Latest Trend of Motion Capture, NIKKEI COMPUTER GRAPHICS, 3 (1999) 60
Page and (4) A.Macleod, JRW Morris and M.Lyster: High
Accurate Video Coordinate Generation for Automatic
3D Trajectory Calculation, SPIE Vol.1356 Image-Ba
sed Motion Measurement, (1990) p. 12). In the fourth method, pixel data obtained by capturing a marker is stored in a memory for each sampling time, and the association of the marker and the calculation of the three-dimensional position are performed offline after the measurement is completed. Therefore, real-time measurement is difficult. However, the characteristic is that the sampling rate of the measurement coincides with the sampling rate of the high-speed CCD camera.

【0008】また、第5の手法として、多数のLEDを
人体に貼り付け、これらを1個ずつ順次点灯させてPS
Dカメラで撮影する手法が知られている(Technical Pr
oduct Description OPTOTRAK,Northen Digital Inc,O
ntario,(1991)第1頁)。斯かる第5の手法は、画像上
の光点と実際のマーカとの対応付けが不要になるため、
確実な光点識別を行うことができるという特徴を有する
ものである。
[0008] As a fifth technique, a large number of LEDs are attached to a human body, and these LEDs are sequentially turned on one by one to form a PS.
A method of shooting with a D camera is known (Technical Pr
oduct Description OPTOTRAK, Northen Digital Inc, O
ntario, (1991) p.1). Such a fifth method eliminates the need for associating a light spot on an image with an actual marker.
The feature is that reliable light spot identification can be performed.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の第1〜第5の手法には、それぞれ以下のような問題
点がある。即ち、第1の手法では、観察方向から隠れた
指の観察ができず、また定性的なデータしか得られない
という欠点を有する。
However, the above-mentioned first to fifth conventional techniques have the following problems, respectively. That is, the first method has a disadvantage that a finger hidden from the observation direction cannot be observed and only qualitative data can be obtained.

【0010】また、第2の手法は、グローブを装着しな
ければならないため、被験者に拘束感を与え、自然な動
きを阻害すると共に、力覚・触覚が阻害されるという欠
点を有する。また、操る物体の位置・姿勢を同時に計測
することができない等の問題もある。特に、人間の手に
よる作業の50%以上が力感覚を必要とするとの報告も
あり、力覚・触覚が阻害されるのは重大な欠点であると
言える。
[0010] The second technique has a drawback that the glove must be worn, giving the subject a sense of restraint, hindering natural movement, and hindering the sense of force and touch. There is also a problem that the position and orientation of the object to be manipulated cannot be measured at the same time. In particular, it has been reported that 50% or more of the work performed by human hands requires a force sensation, and it is a serious disadvantage that the force and tactile sensations are disturbed.

【0011】また、第3の手法は、汎用のCCDカメラ
を使用するため、画像のサンプリングレートが30Hz
に制限される上、画像処理ボード上のフレームメモリに
保存された白黒256階調のデータを逐次処理しては廃
棄していく手法のため、光点追跡に関する画像処理を行
っている間は次の画像が取り込めないという欠点を有す
る。従って、全光点の3次元位置計測のサンプリングレ
ートは1Hz程度となり、遅い操り動作しか観察できな
いことが最大の問題点である。また、カメラの台数が2
台であることと、光点として先端を円錐状に削った光フ
ァイバを使用するため光量、指向性の限界により撮影可
能範囲(撮影可能な手の姿勢)が制限されるという問題
点も有する。以上の問題点を考慮すれば、第3の手法を
突き進めて実用的な性能レベルにするためには、3台以
上の高速度カメラ及び高速な画像処理ボード等を使用し
たシステムをユーザが独自に開発する必要があり、その
ための開発時間、コスト等が多大になると考えられる。
In the third method, since a general-purpose CCD camera is used, the image sampling rate is 30 Hz.
In addition to the above, a method of sequentially processing and discarding the data of 256 gray scales stored in the frame memory on the image processing board and discarding the data, the following processing is performed during the image processing related to the light spot tracking. Has the drawback that the image cannot be captured. Therefore, the biggest problem is that the sampling rate of the three-dimensional position measurement of all the light spots is about 1 Hz, and that only slow steering operation can be observed. If the number of cameras is 2
Since it is a table and an optical fiber whose tip is cut into a conical shape is used as a light spot, there is also a problem that the photographable range (posture of a photographable hand) is limited by the limit of light quantity and directivity. In consideration of the above problems, in order to push the third method to a practical level of performance, a user using a system using three or more high-speed cameras and a high-speed image processing board is required. It is necessary to develop, and it is considered that the development time, cost, and the like for that need become large.

【0012】さらに、第4の手法は、高速なサンプリン
グレートで指の計測を行い得る可能性があるものの、人
間の全身運動や歩行解析を主要な用途としているため、
指の計測のように撮影範囲が狭い場合にはオクルージョ
ンが頻繁に生じてしまい、マーカの入れ替わりや飛びと
いった誤認識が生じてしまうという問題がある。このた
め、斯かる第4の手法を指の計測に利用したという報告
はなされていない。
Further, the fourth technique has a possibility that the measurement of a finger can be performed at a high sampling rate.
When the photographing range is narrow as in the measurement of a finger, occlusion frequently occurs, and there is a problem that erroneous recognition such as replacement of a marker or jumping occurs. For this reason, there is no report that such a fourth technique was used for finger measurement.

【0013】最後に、第5の手法は、画像上の光点と実
際のマーカとの対応付けが不要になるという利点を有す
るものの、3台のPSDカメラの相対位置が直線上に固
定されている上、使用するLEDの指向性が正面に対し
て±60°に制限されているため、姿勢が複雑に変化す
る指の計測においては、PSDカメラがLEDの光点を
検出できない場合が頻繁に生じてしまうという問題があ
る。
Finally, the fifth method has an advantage that it is not necessary to associate a light spot on an image with an actual marker, but the relative positions of the three PSD cameras are fixed on a straight line. In addition, since the directivity of the LED used is limited to ± 60 ° with respect to the front, when measuring a finger whose posture changes in a complicated manner, the PSD camera often cannot detect the light spot of the LED. There is a problem that it occurs.

【0014】本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決
するべくなされたもので、指の動作を高精度、高サンプ
リングレートで計測し得る指の動作計測システムを提供
することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the related art, and has as its object to provide a finger movement measuring system capable of measuring finger movement with high accuracy and a high sampling rate. .

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】斯かる課題を解決するべ
く、本発明は、指に取り付けられた複数の光源と、該光
源を撮像する高速度カメラと、該高速度カメラからの出
力信号を処理して指の3次元位置を算出する信号処理装
置とを備えた計測システムであって、前記光源は、指を
挟持して該光源を固定する固定部材と、該固定部材から
指の甲側に向かって延びるピン部材と、該ピン部材の端
部に取り付けられ、球状のガラスカバーで覆われたLE
Dとを備え、各指に取り付けられた複数の光源を一組と
して各組毎に順次点灯され、前記高速度カメラは、前記
各組毎に順次点灯された光源を順次撮像し、前記信号処
理装置は、前記高速度カメラの出力信号から、各指毎の
画像データを算出し、各指毎の3次元位置を算出するこ
とを特徴とする指の動作計測システムを提供するもので
ある。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a plurality of light sources attached to a finger, a high-speed camera for imaging the light sources, and an output signal from the high-speed camera. A signal processing device for processing to calculate a three-dimensional position of the finger, wherein the light source comprises: a fixing member for holding the finger to fix the light source; and a back side of the finger from the fixing member. And a LE attached to an end of the pin and covered with a spherical glass cover.
D, and a plurality of light sources attached to each finger are sequentially turned on as a set, and the high-speed camera sequentially captures images of the light sources sequentially turned on for each set, and performs the signal processing. The apparatus provides a finger movement measurement system, wherein image data of each finger is calculated from an output signal of the high-speed camera, and a three-dimensional position of each finger is calculated.

【0016】斯かる発明によれば、指を固定部材で狭持
することにより光源が固定されるため、従来のようにグ
ローブを装着する必要が無く、指の自然な動きを阻害す
ることが無いと共に、力覚・触覚も阻害されないという
利点を有する。また、固定部材から指の甲側に向かって
延びるピン部材の端部にLEDが取り付けられているた
め、指の重なりによるオクルージョンを防止することが
可能である。また、LEDが球状の拡散ガラスカバーで
覆われているので、略無指向性の光源となり、指の姿勢
が複雑に変化してもカメラで撮像することが可能にな
り、計測可能範囲が拡大される。さらに、各指に取り付
けられた複数の光源を一組として各組毎に順次点灯さ
れ、該各組毎に順次点灯された光源を高速度カメラで順
次撮像する構成であるため、全光源を一度に撮像する場
合に比べてオクルージョンを防止し得ると共に、各光源
を1つずつ点灯する場合に比べて高サンプリングレート
での計測が可能となる。なお、本明細書において「高速
度カメラ」の語句は、30Hzより高いサンプリング周
波数を有するカメラを意味するものとして使用する。
According to the invention, since the light source is fixed by holding the finger with the fixing member, there is no need to wear gloves as in the related art, and the natural movement of the finger is not hindered. In addition, there is an advantage that the force sense and the tactile sense are not hindered. Further, since the LED is attached to the end of the pin member extending from the fixing member toward the back side of the finger, occlusion due to overlapping of the fingers can be prevented. In addition, since the LED is covered with a spherical diffusion glass cover, it becomes a substantially omnidirectional light source, and even if the posture of the finger changes complicatedly, it becomes possible to take an image with a camera, and the measurable range is expanded. You. Further, since a plurality of light sources attached to each finger are set as one set and sequentially turned on for each set, and the light sources sequentially turned on for each set are sequentially imaged by a high-speed camera, all the light sources are turned on once. Occlusion can be prevented as compared with the case where the image is picked up at the same time, and measurement at a higher sampling rate can be performed as compared with the case where each light source is turned on one by one. In this specification, the phrase "high-speed camera" is used to mean a camera having a sampling frequency higher than 30 Hz.

【0017】好ましくは、前記3次元位置算出の際の校
正用治具を更に備え、該校正用治具は、第1部材と該第
1部材の略中央から延びる第2部材とにより略T字状に
形成されたロッドと、前記第1部材の両端部に取り付け
られた反射マーカとを備えるように構成される。
Preferably, the apparatus further comprises a calibration jig for calculating the three-dimensional position, wherein the calibration jig is substantially T-shaped by a first member and a second member extending from a substantially center of the first member. And a reflection marker attached to both ends of the first member.

【0018】斯かる発明によれば、第2部材を把持して
回転運動させながら、ロッド全体を並進移動させること
が可能であり、より高精度な校正が可能である。
According to such an invention, the entire rod can be translated while the second member is gripped and rotated, and more accurate calibration can be performed.

【0019】また、本発明は、略無指向性を有するよう
に球状の拡散ガラスカバーで覆われたLEDから形成さ
れていることを特徴とする光源を提供する。
Further, the present invention provides a light source characterized by being formed from an LED covered with a spherical diffusion glass cover so as to have a substantially non-directional property.

【0020】本発明に係る光源は、略無指向性の光源と
するべく、LEDが球状のガラスカバーで覆われてい
る。従って、斯かる光源を指の動作計測用に使用すれ
ば、指の姿勢が複雑に変化してもカメラで撮像すること
が可能になり、計測可能範囲が拡大されるという利点を
有する。
In the light source according to the present invention, the LED is covered with a spherical glass cover so as to be a substantially non-directional light source. Therefore, if such a light source is used for measuring the movement of a finger, it is possible to take an image with a camera even if the posture of the finger changes in a complicated manner, and there is an advantage that the measurable range is expanded.

【0021】また、本発明は、力覚・触覚を阻害しない
ように復元力によって指を挟持するように形成された板
バネと、該板バネから指の甲側に向かって延びるピン部
材と、該ピン部材の端部に取り付けられた光源とを備え
ることを特徴とする固定具付き光源を提供する。
According to the present invention, there is provided a leaf spring formed so as to pinch a finger by a restoring force so as not to hinder the sense of force and touch, a pin member extending from the leaf spring toward the back side of the finger, A light source attached to an end of the pin member.

【0022】本発明に係る固定具付き光源によれば、板
バネの復元力によって指を挟持することにより光源が固
定されることになる。従って、斯かる光源を指の動作計
測用に使用すれば、指の自然な動きを阻害することが無
いと共に、力覚・触覚も阻害されないという利点を有す
る。また、ピン部材の端部に光源が取りつけられている
ため、指の重なりによるオクルージョンを防止すること
が可能である。
According to the light source with the fixture according to the present invention, the light source is fixed by pinching the finger by the restoring force of the leaf spring. Therefore, if such a light source is used for measuring the movement of the finger, there is an advantage that the natural movement of the finger is not hindered and the force sense and the tactile sense are not hindered. Further, since the light source is attached to the end of the pin member, occlusion due to overlapping of fingers can be prevented.

【0023】また、本発明は、指に取り付けられた複数
の光源と、該光源を撮像する高速度カメラとを備え、該
高速度カメラは、各指に取り付けられた複数の光源を一
組として各組毎に順次点灯された光源を順次撮像するこ
とを特徴とする撮像システムを提供する。
Further, the present invention includes a plurality of light sources attached to a finger, and a high-speed camera for imaging the light sources. The high-speed camera includes a plurality of light sources attached to each finger as a set. An imaging system is provided, which sequentially captures images of light sources sequentially turned on for each set.

【0024】本発明に係る撮像システムを指の動作計測
用に使用すれば、全光源を一度に撮像する場合に比べて
オクルージョンを防止し得ると共に、各光源を1つずつ
点灯する場合に比べて高サンプリングレートでの計測が
可能となる。
When the imaging system according to the present invention is used for measuring the movement of a finger, occlusion can be prevented as compared with the case where all light sources are imaged at once, and compared with the case where each light source is turned on one by one. Measurement at a high sampling rate becomes possible.

【0025】また、本発明は、各指に取り付けられた複
数の光源を一組として各組毎に順次点灯された光源を順
次撮像して得られた画像データを基にして、各指に対応
する画像データ毎に分割した後、各指毎に対応する画像
データを接続することを特徴とする信号処理装置を提供
する。
Further, the present invention provides a method for controlling each finger based on image data obtained by sequentially imaging a plurality of light sources attached to each finger as a set and sequentially lighting the light sources for each set. The present invention provides a signal processing device wherein, after dividing image data for each finger, image data corresponding to each finger is connected.

【0026】本発明に係る信号処理装置によれば、各指
毎の画像データが接続された状態で提供される。従っ
て、斯かる各指毎の画像データを市販の光学式モーショ
ンキャプチャ装置に容易に適用することができ、各指毎
の3次元位置の変動を計測することが可能である。
According to the signal processing device of the present invention, the image data of each finger is provided in a connected state. Therefore, such image data of each finger can be easily applied to a commercially available optical motion capture device, and it is possible to measure a change in the three-dimensional position of each finger.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しつつ、本
発明の一実施形態について説明する。図1は、本発明の
一実施形態に係る指の動作計測システムの概略構成図で
ある。図1に示すように、本実施形態に係る計測システ
ム1は、各指(本実施形態では、小指を除く4本の指)
に取り付けられた複数(各指に4個ずつ計16個)の光
源11と、光源11を撮像するサンプリング周波数20
0Hzの高速度CCDカメラ12と、高速度CCDカメ
ラ12からの出力信号を処理して指の3次元位置を算出
する信号処理装置13とを備えている。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a finger motion measurement system according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the measurement system 1 according to the present embodiment includes four fingers (in the present embodiment, four fingers excluding the little finger).
(A total of 16 light sources, 4 for each finger) attached to the light source 11 and a sampling frequency 20 for imaging the light source 11
A high-speed CCD camera 12 of 0 Hz and a signal processing device 13 for processing an output signal from the high-speed CCD camera 12 to calculate a three-dimensional position of the finger are provided.

【0028】光源11は、図2に示すように、板バネか
ら形成され、該板バネの復元力で指を挟持して光源11
を固定するための固定部材111と、固定部材111か
ら指の甲側に向かって延びるピン部材112と、ピン部
材112の端部に取り付けられ、球状の拡散ガラスカバ
ーで覆われたLEDマーカ113とを備えている。この
ように、本実施形態に係る光源11は、指の重なりによ
るオクルージョンを防止するため、ピン部材112を介
して指から離れた位置(30〜65mm)にLEDマー
カが設置されており、さらにピン部材112によるオク
ルージョンを防ぐため、ピン部材112の径はφ1mm
と極力細く設定している。また、配線は柔軟で細いもの
を採用し、被験者への影響が少なくなるように留意して
いる。固定部材111は、板バネの復元力で指を挟持し
て固定するため、ある程度の拘束感は免れないものの、
指の表面が覆われないので、指の触覚、力覚は損なわれ
ないという利点を有する。
As shown in FIG. 2, the light source 11 is formed of a leaf spring.
A pin member 112 extending from the fixing member 111 toward the back of the finger, an LED marker 113 attached to an end of the pin member 112 and covered with a spherical diffusion glass cover. It has. As described above, in the light source 11 according to the present embodiment, in order to prevent occlusion due to overlapping of fingers, the LED marker is installed at a position (30 to 65 mm) away from the finger via the pin member 112, and furthermore, In order to prevent occlusion by the member 112, the diameter of the pin member 112 is φ1 mm.
And set as thin as possible. In addition, the wiring is flexible and thin, and attention is paid so that the influence on the subject is reduced. Since the fixing member 111 holds and fixes the finger with the restoring force of the leaf spring, although a certain degree of restraint feeling is inevitable,
Since the surface of the finger is not covered, there is an advantage that the sense of touch and force of the finger is not impaired.

【0029】図3に、LEDマーカ113の外観を示
す。LEDマーカ113は、LEDを光点として使用
し、そのガラスカバーを球状に加工して略無指向性とし
ている。前記加工は、やすりを使用して手作業で概形を
作成した後、前面部は砥粒を入れた半球状の型(表面粗
さRa=60μm〜200μm)に押し付けながら回転
させて仕上げ、後面部は端子ピンを有するため実体顕微
鏡下で紙やすりによる手作業で仕上げを行っている。さ
らに、光の拡散性を高めるべく、ガラスカバー表面に白
色塗料を塗布している。
FIG. 3 shows the appearance of the LED marker 113. The LED marker 113 uses an LED as a light spot, and its glass cover is processed into a spherical shape to make it substantially non-directional. In the above-mentioned processing, after making a rough shape by hand manually using a file, the front part is finished by rotating while pressing against a hemispherical mold (surface roughness Ra = 60 μm to 200 μm) containing abrasive grains. Since the surface portion has terminal pins, it is finished by hand using sandpaper under a stereoscopic microscope. Furthermore, a white paint is applied to the surface of the glass cover in order to enhance the light diffusivity.

【0030】図4に、LEDマーカ113の指向性を評
価した際の測定条件を示す。図4に示すように、LED
マーカ113を5°毎に回転させ、これを高速度CCD
カメラ12で2値化レベルを一定にして撮影し、撮影可
能な角度範囲より指向性を評価した。また、本実施形態
に係るLEDマーカ113との比較のため、同条件で加
工前のLED、光ファイバによるマーカの指向性も算出
し、相対的な評価を行った。評価結果を表1に示す。
FIG. 4 shows measurement conditions when the directivity of the LED marker 113 is evaluated. As shown in FIG.
The marker 113 is rotated every 5 °, and this is
Images were taken with the camera 12 at a constant binarization level, and the directivity was evaluated from the angle range in which images could be taken. Further, for comparison with the LED marker 113 according to the present embodiment, the directivity of the marker by the LED and the optical fiber before processing was calculated under the same conditions, and the relative evaluation was performed. Table 1 shows the evaluation results.

【表1】 表1に示すように、球状加工を施した本実施形態のLE
Dマーカ113は、他のマーカに比べて指向が広く、図
4に示す測定条件下では略完全な無指向性が実現されて
いる。斯かる無指向性LEDマーカ113を使用するこ
とにより、指の姿勢が複雑に変化しても、高速度CCD
カメラ12がマーカ113を確実に撮像することが可能
となり、計測可能範囲(計測可能な指の姿勢)が拡大さ
れる。
[Table 1] As shown in Table 1, LE of this embodiment subjected to spherical processing
The D marker 113 has a wider directivity than the other markers, and substantially complete nondirectionality is realized under the measurement conditions shown in FIG. By using such an omnidirectional LED marker 113, a high-speed CCD
The camera 12 can reliably image the marker 113, and the measurable range (measurable finger posture) is expanded.

【0031】本実施形態に係る高速度CCDカメラ12
及び信号処理装置13は、市販の光学式モーションキャ
プチャ装置を利用し、これに改良を施して構成されてい
る。すなわち、本実施形態では、光学式モーションキャ
プチャ装置として代表的なOxford Metrics社製Vicon370
システムの高速度CCDカメラ、マーカ対応付け機能、
3次元位置計算機能等はそのまま利用し、マーカの飛び
や隠れが生じやすい人間の指の動作を計測するために、
そのハードウェア及びソフトウェアを追加改良してい
る。
High-speed CCD camera 12 according to this embodiment
The signal processing device 13 is configured by using a commercially available optical motion capture device and improving it. That is, in the present embodiment, a typical Oxford Metrics Vicon370 as an optical motion capture device.
System high-speed CCD camera, marker association function,
In order to measure the movement of the human finger, which is likely to cause jumping or hiding of markers, using the 3D position calculation function etc. as it is,
Its hardware and software are additionally improved.

【0032】ここで、前述した第5の手法のように、L
EDマーカ113を1個ずつ順次点灯させ、画像上の光
点と実際のマーカとの対応付けを不要にして確実な光点
識別を行う方式(完全順次点灯方式)をVicon370システ
ム(画像処理による光点識別方式)にそのまま適用する
と、各LEDマーカ113のサンプリング周波数は、カ
メラのサンプリング周波数200HzをLEDマーカ数
16で除した12.5Hzとなり、高速度CCDカメラ
12を使用する有利性が損なわれることになる。このた
め、本実施形態では、各指に取り付けられた4個のLE
Dマーカ113を一組とし、各組毎(指毎)に順次点灯
させてタイムシェアリングを行う方式としている。これ
により、高速度CCDカメラ12の1フレームには、各
指の4個のLEDマーカ113のみが撮像されることに
なり、全マーカ(16個)を1フレームで撮像する場合
に比べて、マーカ113同士の重なり(隠れ)に起因す
るマーカ113の入れ替わりや飛びが格段に防止され
る。各マーカ113のサンプリング周波数は、200H
zをマーカ113を取り付けた指の本数4で除した50
Hzに低下するものの、人間の日常的な指の動作を観察
する上ではこれで十分である。なお、上記LEDマーカ
113を各組毎に順次点灯させるにあたり、図1に示す
ように、信号処理装置13を構成するVicon370システム
のデータステーション131から出力されている各高速
度CCDカメラ12への同期信号を利用し、これを各指
のLED駆動回路に順次分配する回路132を設けてい
る。
Here, as in the fifth method described above, L
The Vicon 370 system (light by image processing) is used to turn on the ED markers 113 one by one and perform reliable light spot identification by eliminating the need to associate light spots on an image with actual markers. If applied directly to the point identification method), the sampling frequency of each LED marker 113 will be 12.5 Hz, which is the sampling frequency of the camera 200 Hz divided by the number 16 of LED markers, and the advantage of using the high-speed CCD camera 12 will be lost. become. For this reason, in this embodiment, four LEs attached to each finger are used.
The D marker 113 is set as one set, and is turned on sequentially for each set (each finger) to perform time sharing. As a result, only four LED markers 113 of each finger are imaged in one frame of the high-speed CCD camera 12, so that all markers (16) are imaged in one frame. Switching and jumping of the markers 113 caused by overlapping (hiding) between the 113 are significantly prevented. The sampling frequency of each marker 113 is 200H
50 obtained by dividing z by the number of fingers 4 to which the marker 113 is attached.
Although reduced to Hz, this is sufficient for observing daily human finger movements. When the LED markers 113 are sequentially turned on for each set, as shown in FIG. 1, synchronization with each high-speed CCD camera 12 output from the data station 131 of the Vicon 370 system constituting the signal processing device 13 is performed. A circuit 132 is provided which utilizes a signal and sequentially distributes the signal to the LED driving circuit of each finger.

【0033】図1に示すように、信号処理装置13を構
成するVicon370システムでは、マーカの画素情報データ
(TVDファイル)133を専用ソフトウェア134で
処理してマーカの3次元位置座標データ(C3Dファイ
ル)135を作成している。本実施形態では、前記TV
Dファイルを1コマ(フレーム)毎に分割した後、4コ
マおきに接続して各指毎の4個のTVDファイルを再構
築する(図5参照)ソフトウェア136を開発し、これ
を使用している。再構築した4個のTVDファイルを改
めて前記専用ソフトウェア134で処理することによ
り、各指毎の4個のC3Dファイル135を得ることが
できる。このようにして、市販のモーションキャプチャ
装置(Vicon370システム)が有するマーカ対応付け機
能、3次元位置計算機能をそのまま有効利用している。
As shown in FIG. 1, in the Vicon 370 system constituting the signal processing device 13, the pixel information data (TVD file) 133 of the marker is processed by the dedicated software 134, and the three-dimensional position coordinate data (C3D file) of the marker is processed. 135 has been created. In the present embodiment, the TV
After dividing the D-file for each frame (frame), software 136 is developed which connects every four frames and reconstructs four TVD files for each finger (see FIG. 5). I have. By processing the reconstructed four TVD files with the dedicated software 134 again, four C3D files 135 for each finger can be obtained. In this way, the marker association function and the three-dimensional position calculation function of the commercially available motion capture device (Vicon370 system) are effectively used as they are.

【0034】なお、市販のモーションキャプチャ装置
(Vicon370システム)では、計測前に予め図6に示すよ
うに反射マーカ21が配置された付属のキャリブレーシ
ョンユニット2を測定空間の中央付近に設置し、これに
よりワールド座標系を定義している。斯かるキャリブレ
ーションユニット2を撮影した後に、図6に示すような
2個の反射マーカ31を既知の一定距離(500mm)を隔
てて固定したマーカロッド3を把持して測定空間内で万
遍なく振り回し、このときの反射マーカ31の動きを撮
影する。以上の操作により、2個の反射マーカ31間の
距離が既知の値に算出されるよう、カメラパラメータ
(カメラの画面内に撮像された反射マーカの画像位置か
ら、反射マーカの3次元空間内における座標を計算する
座標変換式における係数)を校正している。Vicon370シ
ステムに付属のこれらキャリブレーションツール2、3
は、人体全体の動作を計測対象としているため、反射マ
ーカ21、31の直径及びロッド3のマーカ31間距離
は、共に大きな値に設定されている。このため、指の計
測のように、500mm立方程度の小さな測定空間を対
象とした場合、カメラパラメータの推定誤差が大きくな
るおそれがある。
In the case of a commercially available motion capture device (Vicon370 system), before measurement, an attached calibration unit 2 in which a reflection marker 21 is arranged in advance as shown in FIG. 6 is installed near the center of the measurement space. Defines the world coordinate system. After photographing such a calibration unit 2, the marker rod 3 in which two reflective markers 31 as shown in FIG. 6 are fixed at a known constant distance (500 mm) is gripped and uniformly placed in the measurement space. It swings around and captures the movement of the reflection marker 31 at this time. By the above operation, the camera parameters (from the position of the image of the reflection marker imaged on the screen of the camera, the position of the reflection marker in the three-dimensional space are calculated so that the distance between the two reflection markers 31 is calculated to a known value. (Coefficients in the coordinate conversion formula for calculating the coordinates) are calibrated. These calibration tools 2 and 3 included with the Vicon370 system
Since the movement of the entire human body is to be measured, the diameters of the reflection markers 21 and 31 and the distance between the markers 31 of the rod 3 are both set to large values. For this reason, when targeting a small measurement space of about 500 mm 3, such as a finger measurement, the estimation error of the camera parameter may increase.

【0035】そこで、本実施形態では、指の計測のよう
な小さな測定空間でも精度良く校正可能とするべく、図
7に示すように、直径5mmの小さな反射マーカ41、
51を作成し、これを用いて、キャリブレーションユニ
ット4及びマーカロッド5を構成している。ここで、反
射マーカ41、51は、市販のガラスビーズに、住友3
M(株)製の「Scotchlite高輝度反射シートwhite」を
細かく短冊状(両先端が細く中央部が膨らんだ形状)に
切り刻んで貼付し形成している。また、マーカロッド5
は、第1部材52と該第1部材52の略中央から延びる
第2部材53とにより略T字状に形成されたロッドと、
第1部材52の両端部に取り付けられた反射マーカ51
とを備えている。したがって、第2部材53を把持して
回転運動させながら、マーカロッド5全体を並進移動さ
せることが可能であり、より高精度な校正が可能であ
る。
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 7, a small reflective marker 41 having a diameter of 5 mm is used to enable accurate calibration even in a small measurement space such as the measurement of a finger.
51, and the calibration unit 4 and the marker rod 5 are configured using the 51. Here, the reflection markers 41 and 51 are provided on commercially available glass beads,
"Scotchlite high-brightness reflective sheet white" manufactured by M. Co., Ltd. is cut into small strips (both ends are thin and the central part swells) and cut and attached. Marker rod 5
A rod formed in a substantially T-shape by a first member 52 and a second member 53 extending from a substantially center of the first member 52;
Reflection markers 51 attached to both ends of first member 52
And Therefore, it is possible to translate the entire marker rod 5 while gripping and rotating the second member 53, thereby enabling more accurate calibration.

【0036】[0036]

【実施例】以下、実施例を示すことにより、本発明の特
徴とするところをより一層明らかにする。
The characteristics of the present invention will be further clarified by showing examples.

【0037】(実施例1)前述した本発明に係る指の動
作計測システム1の静的位置及び角度の計測精度を検証
した。図8にカメラの配置条件を示す。まず、ノギスを
校正基準として2個のLEDマーカを一定距離間隔に設
置し、本システム1で前記2個のマーカの位置を測定
し、その距離を算出した。また、3個のLEDマーカを
半径50mmの円の中心に1個、円周上に2個設置し、
それらのマーカが形成する扇形の中心角度を分度器を校
正基準として一定角度に設置した後、本システム1で前
記3個のマーカの位置を測定することにより、前記中心
角度を算出した。ここで、測定は、各設定距離、設定角
度毎に250×250×150mmの空間内で場所を変
えながら50回繰り返した。距離及び角度の測定結果を
それぞれ表2及び表3に示す。
Example 1 The accuracy of measuring the static position and angle of the finger motion measuring system 1 according to the present invention described above was verified. FIG. 8 shows the camera arrangement conditions. First, two LED markers were set at a fixed distance interval using a caliper as a calibration reference, and the system 1 measured the positions of the two markers and calculated the distance. In addition, three LED markers are placed one at the center of a circle with a radius of 50 mm and two on the circumference,
After the center angle of the sector formed by these markers was set at a fixed angle using the protractor as a calibration reference, the system 1 measured the positions of the three markers to calculate the center angle. Here, the measurement was repeated 50 times while changing the location in a space of 250 × 250 × 150 mm for each set distance and set angle. Tables 2 and 3 show the measurement results of the distance and the angle, respectively.

【表2】 [Table 2]

【表3】 表2及び表3に示すように、本システム1の測定値と校
正基準とした測定器(ノギス、分度器)の測定値とは、
それぞれ0.2mm以内、0.1°以内の差で一致して
おり、本システム1が比較的高い位置及び角度計測精度
を有していることが分かる。これにより、本発明によっ
て指の計測用に開発した球状LEDマーカ及び小空間用
キャリブレーションツールの有効性を確認することがで
きた。
[Table 3] As shown in Tables 2 and 3, the measured values of the system 1 and the measured values of the measuring instruments (calipers, protractor) used as the calibration standards are as follows.
The agreement is within 0.2 mm and within 0.1 °, respectively, indicating that the system 1 has relatively high position and angle measurement accuracy. Thus, the effectiveness of the spherical LED marker and the small space calibration tool developed for finger measurement according to the present invention could be confirmed.

【0038】(実施例2)図9に示すように、第2リン
ク及び第3リンクの長さL2、L3が既知であり、第3関
節の角度θ3の変化をエンコーダ(分解能0.025
°)によって検出し得る擬似指リンクモデルを作成し
た。なお、マーカとリンクとの相対位置関係のキャリブ
レーションを行なうため、第3リンクの先端にマーカP
33を設置した。斯かる擬似指リンクモデルにおいて、第
2リンクを固定した状態で第3リンクを回転させ、マー
カP31、P32、P33の描く軌跡を計測すれば、リンク長
3をキャリブレーションすることができる。このよう
にして、4種類の長さのL3を推定した結果を表4に示
す。
(Embodiment 2) As shown in FIG. 9, the lengths L 2 and L 3 of the second link and the third link are known, and the change in the angle θ 3 of the third joint is encoded by an encoder (resolution of 0.1). 025
A pseudo finger link model that can be detected by (°) was created. Note that, in order to calibrate the relative positional relationship between the marker and the link, the marker P
33 were installed. In such a pseudo finger link model, if the third link is rotated while the second link is fixed, and the trajectories drawn by the markers P 31 , P 32 , and P 33 are measured, the link length L 3 can be calibrated. it can. Table 4 shows the results of estimating L 3 having four lengths in this manner.

【表4】 表4に示すように、本発明に係る計測システム1は、高
い軌跡計測制度を有し、その結果、全マーカが同一平面
内を動く条件下では1mm以内の高いキャリブレーショ
ン精度が実現できることが分かった。
[Table 4] As shown in Table 4, it is found that the measurement system 1 according to the present invention has a high trajectory measurement accuracy, and as a result, a high calibration accuracy of 1 mm or less can be realized under the condition that all the markers move in the same plane. Was.

【0039】また、図9に示す擬似指モデルの第3リン
クを糸で引っ張って回転させ、その際のマーカP31、P
32、P2の位置を本システム1で測定し、既知であるマ
ーカとリンクとの相対位置関係を用いてT、J3、J2
位置を求め、TJ3とJ32の成す角度から関節角度θ3
を算出した。斯かる関節角度θ3の変化を、エンコーダ
によって得られた角度変化と比較した結果を図10に示
す。図10に示すように、両者は回転速度が比較的早い
場合(約48rpm)は0.1°、遅い場合(約7.6
rpm)は0.3°程度の精度で一致しており、本発明
に係る計測システム1が高い動的関節角計測精度を有し
ていることが確認された。なお、前述した従来の第2の
手法に係るグローブ式計測装置の角度分解能は、公称で
0.5°であり、外部からの計測によりこれと同等以上
の動的精度が得られることは、オクルージョンの防止と
共に、本発明に係る計測システム1の重要な特徴の一つ
である。
Further, the third link of the pseudo finger model shown in FIG. 9 is pulled with a thread and rotated, and the markers P 31 , P
32, the position of P 2 measured by the present system 1, T, the position of J 3, J 2 determined using the relative positional relationship between the marker and the link is known, the angle formed by the TJ 3 and J 3 J 2 From the joint angle θ 3
Was calculated. FIG. 10 shows the result of comparing the change in the joint angle θ 3 with the change in angle obtained by the encoder. As shown in FIG. 10, when the rotation speed is relatively high (about 48 rpm), the rotation speed is 0.1 ° and when the rotation speed is low (about 7.6).
rpm) with an accuracy of about 0.3 °, confirming that the measurement system 1 according to the present invention has high dynamic joint angle measurement accuracy. The angular resolution of the glove-type measuring device according to the second conventional technique described above is nominally 0.5 °, and it can be confirmed that an external measurement can provide a dynamic accuracy equal to or higher than that of the occlusion measurement. This is one of the important features of the measurement system 1 according to the present invention, as well as the prevention of the measurement.

【0040】(実施例3)本発明に係る計測システム1
を用いて実際に人間の箸の操り動作を計測した。箸の操
り動作には複雑な指の協調が要求され、高度な制御能力
が無ければ達成できない。従って、このような動作を速
いサンプリングレートで定量的に解析できれば、ロボッ
トハンドの機構や制御の研究に将来的に寄与し得る可能
性がある。また、4本の指が使用され、2つの対象物
(箸)が同時に動くので、オクルージョンが生じやす
く、箸の操り動作を定量的に計測した例は見当たらな
い。従って、箸の操り動作の計測は、本発明に係る計測
システム1の計測能力を検証する格好のテストベンチに
なると考えられる。また、前述した実施例2では、本発
明に係るシステム1の多指に関する計測制度、指の姿勢
変化への対応可能性、オクルージョンの防止能力等につ
いては検証できなかったので、これらを総合的に検討す
ることも本実施例の目的の一つである。
(Embodiment 3) Measurement system 1 according to the present invention
Was used to measure the human chopstick movements. Manipulating chopsticks requires complex finger coordination and cannot be achieved without advanced control capabilities. Therefore, if such an operation can be quantitatively analyzed at a high sampling rate, there is a possibility that it will contribute to research on the mechanism and control of the robot hand in the future. In addition, since four fingers are used and two objects (chopsticks) move simultaneously, occlusion is likely to occur, and no example of quantitatively measuring the operation of chopsticks is found. Therefore, the measurement of the chopstick operation is considered to be a good test bench for verifying the measurement ability of the measurement system 1 according to the present invention. In the second embodiment described above, the measurement system for the multi-fingers of the system 1 according to the present invention, the possibility of coping with changes in the posture of the fingers, the ability to prevent occlusion, and the like could not be verified. Investigation is also one of the objects of the present embodiment.

【0041】本実施例におけるカメラ配置条件は、図8
で示すものと同様にした。また、箸は長さ223mm、
直径4mmのものを使用した。さらに、各箸の両端に1
個ずつ合計4個のLEDマーカを取り付け、箸の位置・
姿勢(但し、軸周りの回転は除く)も同時に計測可能と
した。斯かる構成の箸を使用し、手首は動かさないよう
にして箸の開閉動作を連続して行ない、その際の各指と
箸の運動を本計測システム1により計測した。また、各
指を円筒(直径は指の実測値を用いる)と仮定し、計測
された指の先端位置、関節位置、箸の位置・姿勢に基づ
いてこれらの運動をCG表示するソフトウェアをPCワ
ークステーション上で作成した。図11に、CG表示画
面と、汎用のビデオカメラ(サンプリング周波数30H
z)の生画像を時間軸を合わせて比較した結果の一例を
示す。図11に示すように、定性的ではあるが、本計測
システム1がオクルージョンに妨げられることなく、ま
た指の複雑な姿勢変化に影響されることなしに、多指及
び対象物の運動を確実に計測できていることが分かっ
た。
The camera arrangement condition in the present embodiment is shown in FIG.
It was the same as that shown in. The chopsticks are 223mm long,
The one having a diameter of 4 mm was used. In addition, one on each end of each chopstick
Attach four LED markers in total,
Attitude (excluding rotation around the axis) can be measured at the same time. Using the chopsticks having such a configuration, the chopsticks were continuously opened and closed without moving the wrist, and the movement of each finger and the chopsticks at that time was measured by the measurement system 1. Also, assuming that each finger is a cylinder (diameter uses the measured value of the finger), software that displays CG of these movements on the basis of the measured finger tip position, joint position, and chopstick position / posture is a PC work. Created on the station. FIG. 11 shows a CG display screen and a general-purpose video camera (sampling frequency 30H).
An example of the result of comparing the raw image of z) with the time axis is shown. As shown in FIG. 11, although qualitative, the measurement system 1 reliably moves the multi-finger and the object without being hindered by occlusion and without being affected by a complicated posture change of the finger. It turned out that measurement was possible.

【0042】また、図12(a)〜(d)に、本計測シ
ステム1で得られた各指の第2、第3関節角θ2、θ
3(図1参照)の時間推移の一例を示す。図12に示す
ように、(1)4本の指は周期的な協調運動を行なって
いること、(2)人差し指のθ2、θ3、中指のθ2、親
指のθ3の動きが他の指の関節に比べて大きく、これら
の関節が箸の操りに重要な役割を果たしていること、
(3)薬指のθ2の動きは小さいものの、静止せずにわ
ずかに動いていること等の知見がこの被験者に関して得
られた。これらの知見は、目視等の観察でも得られる
が、関節角度の定量的なデータが各指について共通の時
間軸で得られるのが本計測システム1の特徴であり、将
来多数の被験者について数値データを採取して統計処理
等を行えば、複雑な操り動作における普遍的なコツのよ
うなものが得られる可能性もあると言える。
FIGS. 12A to 12D show the second and third joint angles θ 2 , θ 2 of each finger obtained by the present measurement system 1.
3 shows an example of a time transition (see FIG. 1). As shown in FIG. 12, (1) the four fingers perform a periodic cooperative movement, (2) the movement of the index finger θ 2 , θ 3 , the middle finger θ 2 , and the movement of the thumb θ 3 are different. That these joints play an important role in chopstick manipulation,
(3) Although the movement of θ 2 of the ring finger was small, knowledge such as slight movement without standing still was obtained for this subject. These findings can be obtained by visual observation or the like, but it is a feature of the measurement system 1 that quantitative data of joint angles can be obtained on a common time axis for each finger. It can be said that there is a possibility that a universal knack in a complicated maneuvering operation can be obtained by collecting statistical data and performing statistical processing.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上に説明したように、本発明に係る指
の計測動作システムによれば、指を固定部材で狭持する
ことにより光源が固定されるため、従来のようにグロー
ブを装着する必要が無く、指の自然な動きを阻害するこ
とが無いと共に、力覚・触覚も阻害されないという利点
を有する。また、固定部材から指の甲側に向かって延び
るピン部材の端部にLEDが取り付けられているため、
指の重なりによるオクルージョンを防止することが可能
である。また、LEDが球状の拡散ガラスカバーで覆わ
れているので、略無指向性の光源となり、指の姿勢が複
雑に変化してもカメラで撮像することが可能になり、計
測可能範囲が拡大される。さらに、各指に取り付けられ
た複数の光源を一組として各組毎に順次点灯され、該各
組毎に順次点灯された光源を高速度カメラで順次撮像す
る構成であるため、全光源を一度に撮像する場合に比べ
てオクルージョンを防止し得ると共に、各光源を1つず
つ点灯する場合に比べて高サンプリングレートでの計測
が可能となる。
As described above, according to the finger measuring operation system of the present invention, the light source is fixed by holding the finger with the fixing member, so that the glove is worn as in the prior art. There is an advantage that there is no necessity, the natural movement of the finger is not hindered, and the force sense and tactile sense are not hindered. Also, since the LED is attached to the end of the pin member extending from the fixing member toward the back of the finger,
It is possible to prevent occlusion due to overlapping of fingers. In addition, since the LED is covered with a spherical diffusion glass cover, it becomes a substantially omnidirectional light source, and even if the posture of the finger changes complicatedly, it becomes possible to take an image with a camera, and the measurable range is expanded. You. Further, since a plurality of light sources attached to each finger are set as one set and sequentially turned on for each set, and the light sources sequentially turned on for each set are sequentially imaged by a high-speed camera, all the light sources are turned on once. Occlusion can be prevented as compared with the case where the image is picked up at the same time, and measurement at a higher sampling rate can be performed as compared with the case where each light source is turned on one by one.

【0044】このように、本発明に係る計測システムに
よれば、指の動作を高精度、高サンプリングレートで計
測し得るため、さらに、以下のような効果を奏すること
が期待できる。
As described above, according to the measurement system of the present invention, since the movement of the finger can be measured with high accuracy and a high sampling rate, the following effects can be expected.

【0045】即ち、第1に、人間と同程度の器用さ、柔
軟性を有するロボットハンドの機構設計、制御系設計の
指針を導出し得ることが期待される。今後ロボットは、
工場内のみでなく、家庭内や病院内等の人間と共存する
環境で、人間の行う作業を代行することを期待されてい
る。このため、人間の手と同様に多様な環境に対する汎
用性を有し、器用で柔軟な作業を行える多指ロボットハ
ンドの研究が機構、制御の観点から数多く行われてきて
いる。このうち、制御に関する研究分野では、運動学・
力学解析を理論的に行いそれから制御則を導く手法と、
人間の指の動作を観察してそれから制御則を抽出する手
法に大別される。前者の場合、理論モデルの妥当性を人
間の指の運動と比較して検証することが今後必要であ
る。一方、後者の場合、人間の手の動作を目視、連続写
真、ビデオカメラ等で観察して基本的な動作パターンを
抽出することが一般的に行われてきたが、観察方向から
隠れた指の観察ができず、また定性的なデータしか得ら
れないことが問題となっている。このような背景から、
人間の指の定量的な動作計測が現在重要な課題となって
いる。本発明は、斯かる課題を解決するものであり、ロ
ボットハンドの分野の研究において強力なツールとなる
ことが期待される。
That is, first, it is expected that a guideline for designing a mechanism and a control system of a robot hand having the same level of dexterity and flexibility as humans can be derived. In the future, robots
It is expected to perform work performed by humans in environments that coexist with humans, such as in homes and hospitals, as well as in factories. For this reason, many researches on multi-fingered robot hands, which have versatility in various environments like human hands and can perform dexterous and flexible work, have been carried out from the viewpoint of mechanism and control. Among them, in the field of research on control, kinematics and
A method of theoretically conducting a dynamic analysis and then deriving a control law,
The method is broadly classified into a method of observing the motion of a human finger and extracting a control law therefrom. In the former case, it is necessary to verify the validity of the theoretical model in comparison with the movement of the human finger. On the other hand, in the latter case, it has been common practice to extract the basic movement pattern by observing the movement of the human hand with visual observation, a continuous photograph, a video camera, or the like. The problem is that observations cannot be made and only qualitative data can be obtained. Against this background,
Quantitative measurement of human finger motion is currently an important issue. The present invention solves such a problem, and is expected to be a powerful tool in research in the field of robot hands.

【0046】また、第2に、医学やリハビリテーション
の分野において、手指の運動疾患の重篤度や治癒状況を
正確に且つ容易に把握し得ることが期待される。医学、
リハビリテーションの分野において、大腿部や膝部等に
比較的大きなマーカを付与し、モーションキャプチャ装
置でそれを撮影することにより、人間の歩行解析を行う
ことは一般に行われている。しかしながら、医学やリハ
ビリテーションの分野で手指の定量的な運動解析を行っ
た報告例は見当たらない。これは、手指の計測をモーシ
ョンキャプチャ装置で行う場合、計測範囲が狭くマーカ
の集中が生じ易いため、マーカの入れ替わりや飛びが生
じ易く、正確なデータを得ることが困難なためである。
本発明によれば、人間の手指の定量的な動作解析が可能
となり、手指の運動疾患に対する医学、リハビリテーシ
ョンの分野における臨床治療及び基礎研究のレベルが大
幅に増進することが期待される。
Second, in the field of medicine and rehabilitation, it is expected that the severity and healing status of finger movement disorders can be accurately and easily grasped. Medicine,
In the field of rehabilitation, it is common practice to provide a relatively large marker to a thigh, a knee, or the like, and to photograph it with a motion capture device to analyze human walking. However, there are no reports of quantitative movement analysis of fingers in the fields of medicine and rehabilitation. This is because when a finger is measured with a motion capture device, the measurement range is narrow and markers are easily concentrated, so that the markers are easily replaced or jumped, and it is difficult to obtain accurate data.
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the quantitative motion analysis of a human finger is attained, and it is expected that the level of clinical treatment and basic research in the fields of medicine and rehabilitation for finger movement disorders will be greatly increased.

【0047】さらに、第3に、科学的トレーニングに基
づく人間のスポーツ技能や演奏技能の向上を図り得るこ
とが期待できる。最近のスポーツトレーニング法とし
て、モーションキャプチャ装置を用いて人体動作をコン
ピュータに取り込み、関節に発生するトルクや床反力等
を理論的に解析し、どのようにフォームを改善すれば更
に良い記録が得られるかを科学的に検討する方法が広く
採り入れられている。しかしながら、おおよそ手指を全
く使用しないスポーツ種目は無いにもかかわらず、手指
の正確な動作計測が困難なため、その解析対象は、腕、
脚、胴体に制限されているのが実状である。本発明は、
この現状を打破し、手指も含めた総合的な運動解析に基
づく科学的スポーツトレーニング法の確立に貢献するこ
とが期待される。また、芸術の分野においても、バイオ
リン、ピアノ等の楽器演奏において、本発明により人間
の手指の動作が観察・解析できるようになれば、科学的
な演奏技術向上のためのトレーニング法の実現が将来的
に期待できる。
Third, it can be expected that human sports skills and performance skills can be improved based on scientific training. As a recent sports training method, using a motion capture device to capture the human body motion into a computer, theoretically analyze the torque and floor reaction force generated at the joints, and how to improve the form to obtain better records Scientific considerations have been made to see if it is possible. However, despite the fact that there is no sporting event that does not use fingers at all, accurate measurement of finger movements is difficult, so the analysis targets are arms,
In fact, it is limited to legs and torso. The present invention
It is expected to break this situation and contribute to the establishment of a scientific sports training method based on comprehensive motion analysis including fingers. Also, in the field of art, if the present invention makes it possible to observe and analyze the movements of human fingers in playing musical instruments such as violins and pianos, the realization of training methods to improve scientific performance techniques will be realized in the future. Can be expected.

【0048】最後に、第4として、コンピュータグラフ
ィクス(CG)の分野において、人物動作データのコン
ピュータへの入力が容易となることが期待される。コン
ピュータゲームにおけるCG画像の製作、SFX映画に
おける特殊画像の製作等において、最近では、モーショ
ンキャプチャ装置で人間の実際の動作を計測し、その動
作データをコンピュータに取り込んで種々の加工を施す
ことにより、あたかも実際の人間がそこに居るかのよう
な感覚を視聴者に想起させるようなリアルな画像を作成
することが常識となりつつある。しかしながら、手指の
動作の計測が行えないため、その部分に関しては従来通
りCG製作者のイマジネーションに頼って作画されてい
るのが現状である。本発明によれば、リアルな手指の部
分のCG製作が容易となり、結果としてゲームや映画等
のアミューズメント分野の技術レベルの向上が将来的に
期待できる。
Finally, fourth, in the field of computer graphics (CG), it is expected that input of human motion data to a computer will be facilitated. In the production of CG images in computer games, the production of special images in SFX movies, etc., recently, actual motions of human beings are measured with a motion capture device, and the motion data is taken into a computer to perform various processings. It is becoming common sense to create realistic images that remind viewers of the sensation of a real human being there. However, since the measurement of the movement of the finger cannot be performed, the current state is that the part is drawn as before, relying on the imagination of the CG maker. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, CG production of a real finger part becomes easy, As a result, improvement of the technical level of the amusement field, such as a game and a movie, can be expected in the future.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 図1は、本発明の一実施形態に係る指の動作
計測システムの概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a finger motion measurement system according to an embodiment of the present invention.

【図2】 図2は、図1に示す動作計測システムの光源
を示す概略構成図である。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a light source of the motion measurement system shown in FIG.

【図3】 図3は、図1に示す動作計測システムのLE
Dマーカの外観を示す。
FIG. 3 is an LE of the motion measuring system shown in FIG. 1;
3 shows the appearance of a D marker.

【図4】 図4は、図3に示すLEDマーカの指向性を
評価した際の測定条件を示す。
FIG. 4 shows measurement conditions when the directivity of the LED marker shown in FIG. 3 is evaluated.

【図5】 図5は、図1に示す動作計測システムにおけ
るTVDファイルの再構築の概念を示す概念図である。
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a concept of reconstructing a TVD file in the motion measurement system shown in FIG.

【図6】 図6は、従来のキャリブレーションツールを
示す。
FIG. 6 shows a conventional calibration tool.

【図7】 図7は、図1に示す動作計測システムのキャ
リブレーションツールを示す。
FIG. 7 shows a calibration tool of the motion measurement system shown in FIG.

【図8】 図8は、実施例におけるカメラの配置条件を
示す。
FIG. 8 shows a camera arrangement condition in the embodiment.

【図9】 図9は、実施例2に使用した擬似指リンクモ
デルの概略構成図である。
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a pseudo finger link model used in the second embodiment.

【図10】 図10は、実施例2の実験結果の一例を示
す。
FIG. 10 shows an example of an experimental result of Example 2.

【図11】 図11は、実施例3の実験結果の一例を示
す。
FIG. 11 shows an example of an experimental result of Example 3.

【図12】 図12は、実施例3の実験結果の他の例を
示す。
FIG. 12 shows another example of the experimental results of Example 3.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 指の動作計測システム 11 光源 12 高速度CCDカメラ 13 信号処理装置 111 固定部材 112 ピン部材 113 LEDマーカ Reference Signs List 1 finger movement measurement system 11 light source 12 high-speed CCD camera 13 signal processing device 111 fixing member 112 pin member 113 LED marker

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA04 AA31 BB05 BB29 CC16 DD00 DD06 EE00 FF04 FF61 GG07 GG13 HH02 JJ03 JJ05 JJ26 LL19 LL49 NN02 QQ00 SS02 SS13 4C038 VA04 VB13 VC01 5B057 AA05 BA02 CA12 CA16 CB12 CB16 DA07  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2F065 AA04 AA31 BB05 BB29 CC16 DD00 DD06 EE00 FF04 FF61 GG07 GG13 HH02 JJ03 JJ05 JJ26 LL19 LL49 NN02 QQ00 SS02 SS13 4C038 VA04 VB13 VC01 5B012 CA16CB

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 各指に取り付けられた複数の光源と、該
光源を撮像する高速度カメラと、該高速度カメラからの
出力信号を処理して指の3次元位置を算出する信号処理
装置とを備えた計測システムであって、 前記光源は、指を挟持して該光源を固定する固定部材
と、該固定部材から指の甲側に向かって延びるピン部材
と、該ピン部材の端部に取り付けられ、球状の拡散ガラ
スカバーで覆われたLEDとを備え、各指に取り付けら
れた複数の光源を一組として各組毎に順次点灯され、 前記高速度カメラは、前記各組毎に順次点灯された光源
を順次撮像し、 前記信号処理装置は、前記高速度カメラの出力信号か
ら、各指毎の画像データを算出し、各指毎の3次元位置
を算出することを特徴とする指の動作計測システム。
1. A plurality of light sources attached to each finger, a high-speed camera that images the light sources, and a signal processing device that processes an output signal from the high-speed camera to calculate a three-dimensional position of the finger. A measurement system comprising: a light source, a fixing member that clamps the finger to fix the light source, a pin member extending from the fixing member toward the back of the finger, and an end of the pin member. LED, which is attached and covered with a spherical diffusion glass cover, and is sequentially turned on for each set as a plurality of light sources attached to each finger, and the high-speed camera is sequentially set for each set. The light source is sequentially imaged, the signal processing device calculates image data for each finger from an output signal of the high-speed camera, and calculates a three-dimensional position for each finger. Motion measurement system.
【請求項2】 前記3次元位置算出の際の校正用治具を
更に備え、 該校正用治具は、第1部材と該第1部材の略中央から延
びる第2部材とにより略T字状に形成されたロッドと、
前記第1部材の両端部に取り付けられた反射マーカとを
備えることを特徴とする請求項1に記載の指の動作計測
システム。
2. A calibration jig for calculating the three-dimensional position, wherein the calibration jig is substantially T-shaped by a first member and a second member extending from a substantially center of the first member. A rod formed on the
The finger movement measurement system according to claim 1, further comprising: reflection markers attached to both ends of the first member.
【請求項3】 略無指向性を有するように球状の拡散ガ
ラスカバーで覆われたLEDから形成されていることを
特徴とする光源。
3. A light source comprising an LED covered with a spherical diffusion glass cover so as to have a substantially non-directional property.
【請求項4】 力覚・触覚を阻害しないように復元力に
よって指を挟持するように形成された板バネと、該板バ
ネから指の甲側に向かって延びるピン部材と、該ピン部
材の端部に取り付けられた光源とを備えることを特徴と
する固定具付き光源。
4. A leaf spring formed so as to pinch a finger by a restoring force so as not to disturb the sense of force and touch, a pin member extending from the leaf spring toward the back side of the finger, And a light source attached to the end.
【請求項5】 指に取り付けられた複数の光源と、該光
源を撮像する高速度カメラとを備え、該高速度カメラ
は、各指に取り付けられた複数の光源を一組として各組
毎に順次点灯された光源を順次撮像することを特徴とす
る撮像システム。
5. A light source comprising: a plurality of light sources attached to a finger; and a high-speed camera for imaging the light sources, wherein the high-speed camera includes a plurality of light sources attached to each finger as a set. An imaging system, which sequentially captures images of sequentially lit light sources.
【請求項6】 各指に取り付けられた複数の光源を一組
として各組毎に順次点灯された光源を順次撮像して得ら
れた画像データを基にして、各指に対応する画像データ
毎に分割した後、各指毎に対応する画像データを接続す
ることを特徴とする信号処理装置。
6. Image data corresponding to each finger based on image data obtained by sequentially photographing light sources sequentially lit for each group with a plurality of light sources attached to each finger as a set. A signal processing device for connecting the image data corresponding to each finger after the division.
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