JP2008276664A - 検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度かつシンプルな構造で、指等の関節の曲げ伸ばしを検出することが可能な検出装置を提供する。
【解決手段】検出装置は、指の曲げ伸ばしを検出する、可撓性を有したケーブル状の圧電センサを使用した検出手段２０を手の指に沿って取り付け、検出手段２０の出力信号をもとに演算を行い、指の曲げ伸ばし状態を判定する演算手段２１とを備え、関節の曲げ伸ばしを確実に検出し、シンプルで精度の高い検出装置を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、指等の曲げ伸ばしを検出する検出装置に関するものである。

従来、この種の検出装置としては、姿勢センサや関節角度センサ等を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図６は特許文献１に記載された従来の検出装置の図である。図６は手の指に姿勢センサを装着し、この姿勢センサの出力に基づいてコマンドを生成する入力装置であり、指の各関節に姿勢センサが取り付けられている。これらの構成により、各指の曲げを検出している。

また、手の指の関節部分に１つのストレインゲージを配設して、指の屈伸運動を検出しているものもあった（例えば特許文献２参照）。
特開２００１−３４４０５３号公報 特開平９−６２４３７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、手の指の曲げ伸ばしを検出するためには、関節毎にセンサを取り付ける必要があり、例えば、指１本に対して、指の第１関節から第３関節にセンサが必要であった。また、センサを指１本に対して、１つしか付けない場合であると、指の曲げ伸ばしを検出する精度が悪くなり、指を大きく曲げ伸ばさないと検出がしにくくなるという課題があった。また、バーチャルリアリティで使用した入力装置等では、指の曲げ伸ばしの検出は可能であるが、構造が複雑になり過ぎるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、指の曲げ伸ばしを確実に検出し、様々な使用者や用途に応じて上記の課題を適応的に解決し、シンプルで精度の高い検出装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の検出装置は、可撓性を有したケーブル状の曲げ伸ばし検出手段を手の指に沿って取り付け、検出手段の出力信号をもとに演算を行い、指の曲げ伸ばし状態を判定する演算手段とを備え、関節の曲げ伸ばしを確実に検出し、シンプルで精度の高い検出を行う。

本願発明の検出装置では、指の曲げ伸ばしを確実に検出し、構成はシンプルで検出精度の高い検出装置とすることができる。

第１の発明は、手の指に沿って取り付け、指の曲げ伸ばしを検出する可撓性を有したケーブル状の検出手段と、検出手段の出力信号をもとに演算を行い、指の曲げ伸ばし状態を判定する演算手段とを備え、曲げ伸ばしの判定を行うことを特徴とした。

これにより、指に取り付ける検出手段が可撓性のあるケーブル状であるため、指に沿って配設することができ、指の曲げ伸ばしを確実に検出することができ、小さな動きに対し
ても精度の高い曲げ伸ばし検出を行うことが可能となる。

第２の発明は、第１の発明の検出手段において、手の指１本に対して１つの検出手段が配設されていることを特徴とした。

これにより、検出手段一つで、指の第１関節から第３関節の曲げ伸ばしを検出することが可能となり、複数の検出手段を指の各関節取り付ける必要がなくなる。

第３の発明は、第１または第２の発明の演算手段において、検出手段からの出力信号の信号レベルあるいは極性を判別することで、例えば検出手段を指に取り付けた場合、指の曲げ伸ばし方によって、検出手段からの出力が異なるが、出力信号の信号レベルや極性を判別することで、指がどのように動かされたかを判別することが可能となる。

第４の発明は、第１から第３の発明の検出手段において、指に直接貼り付けられることを特徴とした。

これにより、可撓性を有したケーブル状の曲げ伸ばし検出手段は指の動きと連動し、高精度で指の曲げ伸ばしを検出することが可能となる。

第５の発明は、第１から第３の検出手段において、手袋に取り付けられていることを特徴とした。

これにより、手袋を手に装着して使用することで、誰にでも簡単に検出手段を取り付けることができる。

第６の発明は、第１から５の発明において、検出手段および演算手段を、他機器への入力装置として使用することで、コンピュータのカーソルを動かすマウスを使わずに、手の動きをマウスによるカーソルの動きに対応させたりすることができる。

第７の発明は、第１から６の発明において、検出手段として可撓性をもつケーブル状の圧電センサを使用した検出装置となる。これにより、圧電センサが指の曲げ伸ばしによる変位を受けて撓むことにより発生する出力信号に基づき指の曲げ伸ばしの判定を行うものである。また、圧電センサは可撓性を有しているので、指の曲げ伸ばしに対して抑制をかけることなく、圧電センサを取り付けていても自然な動きを行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態における検出装置を手の指に直接取り付けた構成の場合についての動作を説明する。図１は、検出手段を手の各指に取り付けた構成図である。図１において、２０は検出手段であり、本実施の形態では、可撓性をもつケーブル状の圧電センサを使用している。２１は演算手段であり、２２は演算手段と外部機器２３を接続する信号線である。ここで検出手段２０は手の指に直接取り付けられた構成としているが取り付け方法については、各指の関節部分に固定できればよく、指の曲げ伸ばしと連動して、検出手段も撓めばよい。固定方法としては、テープ等で固定してもよいし、面ファスナーのバンドで手に固定してもよい。また、演算手段２１の固定方法も検出手段２０と同様の固定方法でよいが、演算手段２１を手には固定せずに、検出手段２０をシールド線等の信号線で中継し、演算手段２１に接続するようにしてもよい。また、演算手段２１と外部機器２３は有線で接続しているが、これは無線通信でもよい。

図２（ａ）は圧電センサ２０と演算手段２１の構成図である。図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ位置における断面図を示すものである。図２（ａ）において、圧電センサ２０は電極の断線・ショート検出用の抵抗体が内蔵された先端部１４１を備えている。図２（ｂ）において、圧電センサ１４は導体からなる中心電極１４２、圧電体層１４３、導体からなる外側電極１４４、弾性体からなる被覆層１４５を備えている。圧電体層１４３はポリフッ化ビニリデン等の樹脂系の高分子圧電体を用いることも考えられるが、耐熱温度が上限で８０℃程度であり、高分子圧電体を用いることは好ましくない。圧電体層１４３としては特定の樹脂基材中に圧電セラミックスの粉体を混合した複合圧電体を用いると１００℃以上の高温耐久性を有することができ、このような複合圧電体を使用することが好ましい。

図３は、本発明の第１の実施の形態における演算手段２１のブロック図である。図３において、２１１は、フィルタで圧電センサ２０からの出力信号を所定の濾波特性で濾波する。２１２は、所定の増幅度で増幅を行うアンプ、２１３は、フィルタの特性や増幅率を変更できる検出レベル調整部である。フィルタ２１１の濾波特性としては、手の曲げ伸ばし時の周波数はだいたい１０Ｈｚ以下であり、特に３〜８Ｈｚの範囲が多く、濾波特性としては例えば、３〜８Ｈｚの信号成分を通過させるバンドパスフィルタとする。２１４は初期判定部、２１５はピーク値検出手段、２１６は閾値調整部、２１７は判定部、２１８は外部機器である。

以上のように構成された検出装置について、以下その動作、作用について図４を用いて説明する。図４は、指に圧電センサ２０を取り付けて、関節の曲げ伸ばしを行った時の圧電センサ２０の出力電圧をフィルタ部２１１、アンプ２１２を通して出力された信号Ｖと、出力信号Ｖのピーク値を検出した値と、ピーク値が閾値を超えた場合に、判定部２１７から外部機器２３に出力される出力信号Ｋの経時変化を示す特性図である。指の曲げ伸ばしにより、圧電センサ２０も連動して、撓んでいく。圧電センサ２０は可撓性を有しているため、容易に変形する。図４の時刻ｔ_０で圧電センサ２０の変形が開始し、圧電センサ２０からは圧電効果により圧電センサ２０の変形の加速度に応じた信号が出力される。

従来の構成では、指の関節毎にセンサを取り付けないと、指の曲げ伸ばしを検出できなく、センサの配設数を減らすために、指の先端部だけ等にセンサを取り付けた場合は、センサ出力が充分に得られないことがあった。本実施の形態１の検出装置の構成では、指に沿ってセンサを取り付け、センサ１本で指１本の関節の曲げ伸ばしの検出をカバーできるため、シンプルな構成で、高精度の検出が可能である。

圧電センサ２０の出力信号は、フィルタ部２１１により手の曲げ伸ばしの周波数帯域である３〜８Ｈｚの信号を通過させ、他の周波数帯の信号は除去される。手の曲げ伸ばし時には、Ｖに基準電位Ｖ_０より大きな信号成分が現れる。初期判定部２１４は、圧電センサ２０からの出力電圧ＶのＶ_０からの振幅｜Ｖ−Ｖ_０｜がＤ_０（初期判定閾値）を超えると、これは、指の曲げ伸ばしが始まったとして、時刻ｔ１でピーク値検出部２１５はセンサ出力のピーク値検出を開始する。次に、ピーク値を検出している際に、判定閾値（図４の点線）を超えた場合、本実施の形態１ではＰ_０が検出された時点で、指の曲げ伸ばしを検出したとして、判定部２１７は時刻ｔ_１で判定出力としてＬｏ→Ｈｉ→Ｌｏのパルス信号を出力する。本実施の形態では、判定出力としての信号をパルス信号としたが外部機器に合わせて設定を行えばよい。

また、検出レベル調整部２１３により、圧電センサ２０からの検出レベルが調整可能であり、配設状況や用途に応じて使用者が調整することが可能である。また、閾値調節部２１６により、判定のための各種閾値を変更できるようになっている。

また、本実施の形態１では、各指に取り付けた圧電センサ２０を一つの演算手段２１で出力信号を処理しているが、どの指が曲げ伸ばしを行ったかを検出する場合には、演算手段２１をセンサ毎に取り付けることにより、どの指が曲げ伸ばしを行ったかを特定することが可能となる。この時、例えば人差し指を曲げ伸ばした場合は、同時に中指がわずかながら動いてしまう場合があるが、人差し指に取り付けたセンサの出力信号に対して、中指に取り付けたセンサの出力信号は小さく、センサの出力レベルでどの指を曲げ伸ばしたか判別することが可能である。

また、本実施の形態１では、指にセンサを直接取り付けているが、手袋の指の部分にあらかじめセンサを取り付けておけば、複数の人が使用する場合においても、簡単に取替えを行うことができる。

図５（ａ）は中指に圧電センサ２０と演算手段２１を取り付けた構成図であり、図５（ｂ）と図５（ｃ）は中指をＥ方向、Ｆ方向に動かした場合の圧電センサ２０の出力信号を示した図である。中指をＥ方向に動かした場合は、１波目は、図５（ｂ）で示すように、基準電位Ｖ_０より大きな信号成分が現れる。逆にＦ方向に動かした場合の１波目は、図５（ｃ）で示すように、基準電位Ｖ_０より小さな信号成分が現れる。これにより、基準電位Ｖ_０に対して、センサ出力信号の極性を判定することにより、指の動かした方向（指を曲げたか伸ばしたか）を特定することが可能となる。これらの判別をことにより、適宜、検出目的に合わせて信号レベルや信号の極性判定の設定をすることができ、きめ細かく曲げ伸ばしの検出をすることができる。

また、本実施の形態の検出装置を使用して、他機器への入力装置として使用することも可能である。

ゲーム機のコントローラとして使用する場合、各指の曲げ伸ばしに対応して、画面上のキャラクターを動作させたりすることができる。例えば、右手の人差し指の曲げ伸ばしを検出した場合は、キャラクターを上方向に、右手の親指を動かした場合は、下方向に動かす等することができる。また、センサの出力信号レベルに合わせて、キャラクターを動かすことも可能で、出力信号が大きい場合は、キャラクターの動きを大きくしたり、出力信号が小さい場合は、キャラクターの動きを小さくしたりすることも可能である。また、センサ出力信号の極性を判定することにより、指の動かした方向に対応してキャラクターを動かすことも可能である。

また、仮想楽器の操作にも使用可能である。例えば笛などで、指の動かした箇所によって音を出したりすることが可能である。

また、ここ数年、国内外の学者はよく指を動かすことにより脳細胞が刺激され、脳の活性化に繋がるという発表を行っており、リハビリテーションでも指の体操等が行われている。そのため、リハビリテーション用の指の曲げ伸ばし検出にも使用可能である。例えば画面の指示に合わせて指を動かす場合では、画面に指示が出てからどのくらいで反応ができるか、あるいは、正確に指示に合わせて指が動かせたか等のデータ測定も可能となる。これにより、反応時間が除々に短くなっていったりすることがわかり、効果的にリハビリテーションが行えるようになる。

また、コンピュータ等のＩＴ機器の入力操作を行うマウス相当の機能を、手の動きによって簡単に行うことも可能である。例えば人差し指がカーソルを上下、中指がカーソルを左右、親指がクリック等簡単に設定することが可能である。これによりマウスの設置場所が不要となり、狭い場所でのコンピュータ操作が簡単に行うことができる。また、プレゼ
ンテーション等の画面操作でも、いちいちコンピュータのある位置で操作を行う必要がなくなり、作業効率もあがる。

また、腕や膝等、指以外の関節の曲げ伸ばし検出にも使用することが可能である。これにより身体全体の動きを検出することができ、スポーツでのフォーム動作の確認等に使用することができる。また、人工関節用の曲げ伸ばし検出にも使用することができる。この場合は体内に埋め込めるように、センサの表皮を体内で使用可能な部材でコーティングを行ったり、部材自体に入れて使用する必要がある。これにより、関節をどの程度曲げるか伸ばすかを制御するためのセンサとして使用することができる。このように、多様な検出し得る構成であり、各種多様な曲げ伸ばし事象を判別することが可能である。そして、各種用途に応じた設定をすることで、利便性の高い検出装置とすることができる。

以上のように、本発明にかかる検出装置は、指の曲げ伸ばしや、各関節の曲げ伸ばしを精度よく、かつシンプルな構成で検出が可能である。加えて、本発明にかかる検出装置を用いた場合のバーチャルリアリティシステムでは、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可能である。

本発明の実施の形態における検出手段を手の各指に取り付けた構成図 （ａ）本発明の実施の形態における圧電センサと演算手段の構成図（ｂ）図２（ａ）のＢ−Ｂ位置における断面図 本発明の実施の形態における検出装置のブロック図 本発明の実施の形態における検出装置で、指を曲げ伸ばした時の出力信号Ｖと判定部の出力信号Ｋの経時変化を示す特性図 （ａ）本発明の実施の形態における検出手段と演算手段を指に取り付けた構成図（ｂ）指をＥ方向に動かした時の出力信号Ｖを示すグラフ（ｃ）指をＦ方向に動かした時の出力信号Ｖを示すグラフ 従来の他の侵入検出装置の断面図

符号の説明

２０ 圧電センサ（感圧手段）
２１ 演算手段
２１１ フィルタ
２１２ アンプ
２１３ 検出レベル調整部
２１４ 初期判定部
２１５ ピーク値検出部
２１６ 閾値調整部
２１７ 判定部
２３ 外部機器

Claims (7)

1. 手の指に沿って取り付け、指の曲げ伸ばしを検出する可撓性を有したケーブル状の検出手段と、前記検出手段の出力信号をもとに演算を行い、指の曲げ伸ばし状態を判定する演算手段とを備えた検出装置。
2. 前記検出手段は、手の指１本に対して１つ配設されていることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 前記演算手段は、前記検出手段からの出力信号の信号レベルあるいは極性を判別することを特徴とする請求項１または２に記載の検出装置。
4. 前記検出手段は、指に直接貼り付けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の検出装置。
5. 前記検出手段は、手袋に取り付けられ、前記手袋を装着した手の指の曲げ伸ばしを検出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の検出装置。
6. 前記検出手段および演算手段は、他機器の入力装置として使用することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の検出装置。
7. 検出手段として可撓性をもつケーブル状の圧電センサを使用した請求項１から６のいずれか１項に記載の検出装置。