JP2009064053A - 操作入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡潔な構成と演算処理で、構造体の高精度な形状検出を行い、多様な操作入力方法を可能とする操作入力装置を提供すること。
【解決手段】一方と他方の部位のそれぞれに配する、傾斜検出素子及び磁気検出素子を有する複合検出素子と、傾斜検出素子から出力される傾斜情報に応じて、当該傾斜情報を用いるか、又は磁気検出素子から出力される磁気情報を用いるかを選択する分岐判定手段と、分岐判定手段で選択された傾斜情報、又は磁気情報のいずれかの情報により、複合検出素子間の相対的な屈曲角度情報を算出する相対角度算出手段と、相対角度算出手段により得られた一方と他方の部位の屈曲角度情報に基づいて、構造体の形状を推定して構造体形状情報を出力する構造体形状推定手段と、構造体形状推定手段より出力された構造体形状情報を、操作入力情報へ変換する操作入力解析手段とを備える構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、相対的に変形をする一方の部位と他方の部位のそれぞれに複数の機能を有する複合検出素子を配し、これら一方と他方の部位を含む構造体の形状を検出する装置に関するものであり、更に詳しくは、当該装置を構造体である人体等の一部へ装着することにより、当該人体の形状を簡潔且つ高精度に検出し、情報端末機器への多様な操作入力手段を可能とする操作入力装置に関するものである。

近年では、ゲーム機やパソコンなど情報端末機器の高性能化に伴い、こうした機器に不可欠な操作入力装置への機能要求が高まりつつある。とりわけ、人体そのものの複雑な運動動作に直接対応した姿勢情報である操作入力情報の出力を可能とした操作入力装置の開発が進んでいる（例えば、特許文献１を参照）。

ここで、従来の操作入力装置の構成および動作原理について説明する。図５は、従来の操作入力装置の構成を示す概念図である。また、図６は、その操作入力装置を人体の手に装着した状態を示す模式図である。

図５、図６で示すように、この操作入力装置４２は、直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれに傾斜検出素子を配した三軸の傾斜検出素子１ｃと、直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれに角速度検出素子を配した三軸の角速度検出素子２５ａ〜２５ｃから成る手甲検出手段２６と、一軸の角速度検出素子２５ｄから成る指姿勢検出手段２７と、手甲検出手段２６からの電気的信号を、傾斜座標情報２８および角速度座標情報２９へと変換する空間座標演算手段４とを有して構成される。またこの装置は、指姿勢検出手段２７からの角速度情報に基づいて指の屈曲角度を推定する指形状推定手段３０と、指の屈曲角度情報１１から手の構造体形状情報１２を推定する手形状推定手段３１と、この構造体形状情報１２を操作入力情報１３へ変換解析する操作入力解析手段８とを更に有する。なお、本図中で一点鎖線で囲まれた領域は、全て演算処理手段１４である事を意味している。

次に、この操作入力装置４２を人体の手２０に装着した状態を図６で示すと、手甲検出手段２６である三軸の傾斜検出素子１ｃ、および三軸の角速度検出素子２５ａ〜２５ｃが、互いの座標系が重なり合うように手甲の上部へ載置接着され、更に指姿勢検出手段２７である角速度検出素子２５ｄが、その角速度検出軸が指の屈曲軸（Ｙ軸）と重なるような方向で、人差指の端部へ載置接着された構成となっている。尚、図５および図６では図示しないが、他の複数の指を同時に検出する場合も、この角速度検出素子を同様の方向で取り付けるものとする。

このような構成において、人差指を曲げると、まず指端部にある指姿勢検出手段２７（即ち角速度検出素子２５ｄ）において、指の屈曲運動に応じて生じるＹ軸回りの回転角速度が信号として検出される。続いて、この信号が指形状推定手段３０（図５参照）で時間積分処理される事により、その都度の指の形状、即ち屈曲角度情報１１が推定される。それと平行して、手甲検出手段２６における三軸の傾斜検出素子１ｃの傾斜信号および三軸の角速度検出素子２５ａ〜２５ｃの角速度信号が、空間座標演算手段４を介した処理により、手全体の三次元的な傾斜座標情報２８および角速度座標情報２９に変換される。

そして指の屈曲角度情報１１、傾斜座標情報２８、および角速度座標情報２９に基づき、手形状推定手段３１にて、最終的な手の構造体形状情報１２が演算により推定され、操作入力解析手段８を経て、現在の手の姿勢情報に相当する操作入力情報１３を出力する事
ができる。

特開２０００−１３２３０５号公報（第３−４頁、第１図、第６図）

しかしながら、上述した特許文献１に示されている操作入力装置４２では、角速度信号を時間積分して指の屈曲角度を求めるという演算方法を採用している為、検出時間の経過に伴って積分誤差が累積的に増大してしまうという本質的な難点があり、指の屈曲角度、即ち手の形状を正確に求める事が困難であるという問題があった。

こうした積分計算による累積的演算誤差を回避する為に、指の端部へ載置接着する素子を角速度検出素子ではなく、二軸以上の傾斜検出素子に代えて構成し、手甲部の傾斜検出素子の傾斜座標情報と、この指端部の傾斜検出素子の傾斜座標情報と、両座標系の相対角度を比較算出する事で、指の屈曲角度を推定する方法も考えられている。

しかし、この方法でも、指の屈曲軸が重力加速度方向と重なるか、それに近くなる場合においては、両座標系の相対角度を算出するのに必要となる傾斜座標情報の大きさ（ベクトル長）が小さくなるために、基準となる部位に対する屈曲部位の相対角度を検出する事ができなくなるという問題がある。

そこで本発明は、上述したような問題を解決し、簡潔な構成と演算処理で、構造体の高精度な形状検出を行い、多様な操作入力方法を可能とする操作入力装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の操作入力装置は、下記記載の構成を採用する。

本発明の操作入力装置は、基準部位である一方の部位に対して他方の部位を屈曲させる変形機構に、検出素子を配する操作入力装置であって、この一方と他方の部位のそれぞれに配する、傾斜検出素子及び磁気検出素子を有する複合検出素子と、傾斜検出素子から出力される傾斜情報に応じて、この傾斜情報を用いるか、又は磁気検出素子から出力される磁気情報を用いるかを選択する分岐判定手段と、分岐判定手段で選択された、傾斜情報又は磁気情報のいずれかの情報により、複合検出素子間の相対的な屈曲角度情報を算出する相対角度算出手段と、相対角度算出手段により得られた一方と他方の部位の屈曲角度情報に基づいて、構造体の形状を推定して構造体形状情報を出力する構造体形状推定手段と、構造体形状推定手段より出力された構造体形状情報を操作入力情報へ変換する操作入力解析手段とを更に備えることを特徴とするものである。

また、本発明の操作入力装置は、前述した分岐判定手段では、傾斜情報が、予め設定した閾値以下である場合に、傾斜情報を優先的に使用し、傾斜情報がこの閾値より大きいときには、磁気情報を優先的に使用することを特徴とするものである。

本発明による操作入力装置では、上述した構成により、時間経過に伴う累積的な計算誤差無しに、その形状を簡潔かつ高精度に検出することができる操作入力装置を提供することができる。また、本発明の装置を情報端末機器等へ搭載することで、多様な操作入力手段を実現する事ができる様になる。

また更に、本発明の構成によれば、基準となる部位と屈曲部位との関係において、相対
角度が検出できなくなるという場合があった従来の問題点も解消され、対象となる構造体がどの様な姿勢であっても、その形状を検出することが可能となる。

以下、本発明の実施例における操作入力装置の構成及び処理手順について説明する。尚、本発明の構成における同部分については背景技術と同符号を用いて説明する。

本発明における操作入力装置の実施例について説明する。図１は、本発明の実施例における操作入力装置の構成例と処理手順例を示す概念図である。
図１の概念図に示すように、本発明による操作入力装置４１は、三軸の傾斜検出素子１ａ、および三軸の磁気検出素子２ａから成る複合検出素子３ａと、三軸の傾斜検出素子１ｂ、および三軸の磁気検出素子２ｂから成る複合検出素子３ｂと、両複合検出素子３ａ、３ｂからの信号を座標情報へ変換する空間座標演算手段４とを有して構成される。この傾斜検出素子１ａ、１ｂからは傾斜座標情報９ａ、９ｂが出力され、磁気検出素子２ａ、２ｂからは磁気座標情報１０ａ、１０ｂが出力される。

また、この装置は、操作入力装置４１が搭載される構造体全体の傾斜度に相当する分岐判断情報１５に基づき、傾斜座標情報９ａ、９ｂ、又は磁気座標情報１０ａ、１０ｂの内から、傾斜座標情報９ａ、９ｂを選択するのか、あるいは磁気座標情報１０ａ、１０ｂを選択するのかを分岐的に選択する分岐判定手段６を有する。この分岐判定情報１５の詳細については、後述する。

また、本装置は、分岐判定情報１５に基づき選択された、傾斜座標情報９ａ、９ｂ又は、磁気座標情報１０ａ、１０ｂを用いて演算して得られる差分角度から、屈曲角度情報１１を算出する相対角度算出手段５と、傾斜座標情報９ａと相対角度算出手段５からの屈曲角度情報１１に基づき、構造体の形状を演算で推定する構造体形状推定手段７と、ここで得られた構造体形状情報１２を操作入力情報１３へ変換して操作入力情報１３を出力する操作入力解析手段８とを有して構成されている。なお、本図中で一点鎖線で囲まれた領域は、全て演算処理手段１４である事を意味している。

本発明によるこの操作入力装置４１では、上述した構成の中でも特に、傾斜検出素子１ａ、１ｂと磁気検出素子２ａ、２ｂより成る複合検出素子３ａ、３ｂを採用している点、および構造体形状の推定に使用する座標情報を、傾斜座標情報９ａ、９ｂ、又は磁気座標情報１０ａ、１０ｂのいずれかを選択して判別する分岐判定手段６を採用している点が、背景技術における操作入力装置４２と大きく異なった特徴となっている。

ここで、本発明の特徴部分である複合検出素子３ａ、３ｂ、および分岐判定手段６を含めた操作入力装置４１の使用形態とその動作順序を説明する。図２は、本発明の操作入力装置を人体の手へ装着した使用状態を示す図であり、図４（ａ）は、この装置の複合検出素子から出力される重力加速度射影ベクトルおよび磁気方位射影ベクトルを示す図である。

図２で示すように、例えば図１に示した操作入力装置４１を、変形機構に相当する手２０に取り付けて使用する場合、基準部位（一方の部位）となる手甲の上部へ複合検出素子３ａを載置接着し、姿勢を検出したい人差指の端部（他方の部位）へ複合検出素子３ｂを載置接着した構成とする。この時、二つの複合検出素子３ａ、３ｂの座標系は、人差指が真っ直ぐな状態、即ち一方の部位に対する他方の部位の屈曲角度が０°である時に、互いの座標軸が重なり合うように調整されている。ここでは調整された座標系を、手甲の前方方向をＸ軸、左横方向をＹ軸、上方向をＺ軸と定める。

また、図中の点線矢印は重力加速度２１、一点鎖線矢印は地磁気の磁場２２を表している。尚、両ベクトルは一般的な場所では互いに平行とならないのが普通であり、本実施例においてもその様になっているものと仮定する。また更に、図２では図示しないが、背景技術で述べたのと同様に、他の複数の指を同時に検出する場合も、この複合検出素子３ａ、３ｂを同様の方向で取り付けるものとする。

上述したような構成において、図２で示しているように、手甲が斜め上を向いた状態で人差指を曲げると、他方の部位に載置した複合検出素子３ｂの座標系は、基準部位である一方の部位に載置した複合検出素子３ａの座標系に対し、他方の部位がその屈曲軸と平行なＹ軸回りで一方向に回転する事となる。

この時、二つの複合検出素子３ａ、３ｂで検出された重力加速度２１の傾斜信号と磁場２２の磁気信号を、Ｚ−Ｘ座標面へ射影表示したものが、図４（ａ）に示す重力加速度射影ベクトル２３ａ、２３ｂおよび磁気方位射影ベクトル２４ａ、２４ｂである。これらの重力加速度射影ベクトル２３ａ、２３ｂの差分角度Φ１と、磁気方位射影ベクトル２４ａ、２４ｂの差分角度Φ２は、複合検出素子３ａ、３ｂの両座標系の相対的な回転角度にそのまま対応している為、両方とも互いに等しく、且つ人差指の屈曲角度とも等しい角度を為している事が分かる。

続いて、図１に示した相対角度算出手段５で、分岐判定手段６から出力される分岐判定情報１５（構造体全体の傾斜度に相当する情報）に基づいて、これら差分角度Φ１、Φ２の何れかを選択し、ここで選択された差分角度によって指の屈曲角度情報１１が算出される。次の構造体形状推定手段７で、求められた屈曲角度情報１１とともに、基準部位（一方の部位）である手甲部の傾斜座標情報９ａに基づいて、構造体即ち手全体の形状を推定する。そして、ここで推定された構造体形状情報１２が、最終的に、操作入力解析手段８にて操作入力情報１３へと変換される。以上が、本発明における操作入力装置４１の一連の動作処理手順である。

そして、この操作入力装置４１を実際に稼働させる時は、上述した一連の動作処理手順を所定の時間間隔で繰り返し反復し、その都度の差分角度Φ１、Φ２から構造体形状情報１２を逐次に更新することで、構造体である手の形状変化に伴った操作入力情報１３を得ることができる。

このように、本発明による操作入力装置４１では、傾斜検出素子１ａ、１ｂと磁気検出素子２ａ、２ｂより成る複合検出素子３ａ、３ｂを用いて、屈曲角度情報１１により構造体の形状を逐次的に求めるという動作処理手順を採用していることで、その機能上、時間的な累積計算処理を必要とすることが無い。その為、背景技術の操作入力装置４２において問題となっていたような、角速度積分計算による累積誤差の増大、及びそれに伴う構造体形状情報１２の検出精度の低下を回避する事ができるようになる。

さて次に、従来の傾斜検出素子のみから構成された操作入力装置では検出できなかった特定の傾斜姿勢状態における構造体形状情報の検出原理について詳説する。図３は、手を手首回りに回転させ、複合検出素子３ａ、３ｂのＹ軸角度が、水平から急峻に傾いた状態となった姿勢を示す図であり、図４（ｂ）は、このときの装置の複合検出素子から出力される重力加速度射影ベクトルおよび磁気方位射影ベクトルを示す図である。

先の説明では、図１に示した操作入力装置図４１では、分岐判定情報１５に基づき選択される上記の差分角度Φ１、Φ２の何れかを利用して、相対角度算出手段５（図１参照）にて指の屈曲角度情報１１を算出すると説明した。ここで、本発明の装置は、傾斜検出素子１ａ、１ｂと磁気検出素子２ａ、２ｂより成る複合検出素子３ａ、３ｂを有しているの
で、重力加速度２１と磁場２２を常に同時検出できる。その為、構造体である手２０がどのような傾斜姿勢と方向を向いていようとも、図４（ａ）（ｂ）に示す様に、Ｚ−Ｘ座標面上の重力加速度射影ベクトル２３ａ、２３ｂおよび磁気方位射影ベクトル２４ａ、２４ｂのどちらかは、必ずある程度以上のベクトル長を持つ事になる。換言すれば、重力加速度２１と磁場２２（図３参照）の方向が、平行になる場所（即ち地磁気が完全に垂直方向なる場所）でない限り、両方の差分角度Φ１、Φ２が同時に認識できなくなるという現象は起こり得ない。

例えば、図３に示すように、手２０を手首回りに回転させ、複合検出素子３ａ、３ｂのＹ軸角度が、水平から急峻に傾いた状態とした姿勢では、図４（ｂ）で示すように、図４（ａ）における傾斜姿勢状態と比較して、重力加速度射影ベクトル２３ａ、２３ｂのベクトル長が小さくなってしまう。そして、更に傾けてＹ軸の為す角度を水平に対してほぼ垂直な状態にしてしまうと、そのベクトル長が殆どゼロとなり、相対角度算出装置５にて差分角度Φ１を認識できなくなってしまう。

しかし、これとは対照的に、図４（ａ）では比較的小さかった磁気方位射影ベクトル２４ａ、２４ｂのベクトル長は、重力加速度２１（図３参照）に対して磁場２２が有る程度以上の角度を為している為に、Ｙ軸の為す角度が急峻になったとしても、検出不可能な程には小さくはならず、今度はその差分角度Φ２を用いて指の屈曲角度情報１１を算出する事ができるようになる。

従って、図３に示した傾斜検出素子のみから成る従来の操作入力装置では検出できなかった傾斜姿勢状態においても、磁気座標情報１０ａ、１０ｂから差分角度Φ２、即ち屈曲角度情報１１を算出することができる。つまり、本発明による操作入力装置図４１では、構造体である手２０の傾斜姿勢状態に関わらず、その都度の指の屈曲角度情報１１（図１参照）を常に算出し続ける事ができるので、装置が稼動している間中、途切れること無く、手２０の構造体形状情報１２から正確な操作入力情報１３を得る事が可能となる。

続いて、図１に示した本発明における分岐判定手段６の特徴及び効能について説明する。図４に示すような物理的な検出信号を元とする重力加速度射影ベクトル２３ａ、２３ｂおよび磁気方位射影ベクトル２４ａ、２４ｂは、当然ながらその素子の検出精度に依存した誤差成分を持ってしまう事となる。この事は、重力加速度射影ベクトル２３ａ、２３ｂ、磁気方位射影ベクトル２４ａ、２４ｂのベクトル長が必ずしもゼロにない場合でも、より短くなるだけで差分角度Φ１、Φ２に含まれる誤差量が増大する事を意味する。従って、このような状態で屈曲角度情報１１の算出に使用する差分角度Φ１、Φ２を適当に選択してしまうと、結果として屈曲角度情報１１に含まれる誤差の大きさが不規則に増減する結果となる事は明白である。

そこで、本発明による操作入力装置４１では、屈曲角度情報１１の算出に、傾斜座標情報９ａ、９ｂ（差分角度Φ１）を利用するのか、それとも磁気座標情報１０ａ、１０ｂ（差分角度Φ２）を利用するのかという判断を、分岐的に選択する情報である分岐判定情報１５を出力する分岐判定手段６を設けて、その分岐判定情報１５に基づいて適切に屈曲角度情報１１を求める方法を採用している。具体的には、手甲部および人差指端部の傾斜座標情報９ａ、９ｂを解析し、分岐判定情報１５に相当する水平からのＹ軸の傾斜角度が所定の閾値以下であった場合には、相対角度算出手段５へ代入する座標情報を傾斜座標情報９ａ、９ｂとし、差分角度Φ１を算出する事で屈曲角度情報１１を求める。反対に水平からのＹ軸の傾斜角度が閾値以上の場合は、今度は磁気座標情報１０ａ、１０ｂの差分角度Φ２から屈曲角度情報１１を求める、という動作手順となっている。

分岐判定手段６でのこうした手法により、磁場２２と比較して外乱因子のより少ない重
力加速度２１を、通常の使用状態（即ち水平からのＹ軸の傾斜角度が所定の閾値以下）では主として利用し、その傾斜座標情報９ａ、９ｂから屈曲角度情報１１を求める事となる。

この様に動作させる事で、操作入力装置４１を使用し続ける上での誤差発生を極力軽減させた上で、より高精度な構造体形状情報１２を検出することができる様になる。従って、本発明の操作入力装置４１は、従来の操作入力装置４１や傾斜検出素子のみから成る操作入力装置と比較して、より正確な操作入力情報１３を得る事が可能となる。

本発明の操作入力装置の構成および処理手順を示した概念図である。 本発明の操作入力装置を、人体の手へ装着した使用状態を示す模式図である。 本発明の操作入力装置を、人体の手へ装着した使用状態を示す模式図である。 本発明の操作入力装置の処理手順において、複合検出素子が、検出した重力加速度射影ベクトルと磁場方位射影ベクトルを二次元座標面上に示した図である。 従来の操作入力装置の構成および処理手順を示した概念図である。 従来の操作入力装置を、人体の手へ装着した使用状態を示す模式図である。

符号の説明

１ａ〜１ｃ 傾斜検出素子
２ａ、２ｂ 磁気検出素子
３ａ、３ｂ 複合検出素子
４ 空間座標演算手段
５ 相対角度算出手段
６ 分岐判定手段
７ 構造体形状推定手段
８ 操作入力解析手段
９ａ、９ｂ 傾斜座標情報
１０ａ、１０ｂ 磁気座標情報
１１ 屈曲角度情報
１２ 構造体形状情報
１３ 操作入力情報
１４ 演算処理手段
１５ 分岐判定情報
２０ 手
２１ 重力加速度
２２ 磁場
２３ａ、２３ｂ 重力加速度射影ベクトル
２４ａ、２４ｂ 磁気方位射影ベクトル

Claims (2)

1. 基準部位である一方の部位に対して他方の部位を屈曲させる変形機構に、検出素子を配する操作入力装置であって、
   前記一方と他方の部位のそれぞれに配する、傾斜検出素子及び磁気検出素子を有する複合検出素子と、
   前記傾斜検出素子から出力される傾斜情報に応じて、当該傾斜情報を用いるか、又は前記磁気検出素子から出力される磁気情報を用いるかを選択する分岐判定手段と、
   前記分岐判定手段で選択された、前記傾斜情報又は前記磁気情報のいずれかの情報により、前記複合検出素子間の相対的な屈曲角度情報を算出する相対角度算出手段と、
   前記相対角度算出手段により得られた前記一方と他方の部位の前記屈曲角度情報に基づいて、前記構造体の形状を推定して構造体形状情報を出力する構造体形状推定手段と、
   前記構造体形状推定手段より出力された前記構造体形状情報を、操作入力情報へ変換する操作入力解析手段と、を備える
   ことを特徴とする操作入力装置。
2. 前記分岐判定手段では、前記傾斜情報が、予め設定された閾値以下である場合に、前記傾斜情報を優先的に使用し、前記傾斜情報が前記閾値より大きいときには、前記磁気情報を優先的に使用する
   ことを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。

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