JP3127059B2 - 座標入力装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、仮想現実感を実現する
ための座標入力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、架空の空間内で手を動かしたと
き、手の動きの座標を入力する方法としては、各関節の
動きをセンサによって検出し、この検出に基づき座標を
算出して入力するものが知られている。

【０００３】また、各関節の動きに従って動作させる関
節手段の構造としては、図１１に示すように、アーム７
３とアーム７４とにより構成される自由度１の関節手段
の表面に沿って、水平状態にしたときのアーム７３、７
４の上の面から下にでないように弧状のレール７５を設
け、アーム７１、７２をそれに係合させ、図１２に示す
ように、関節手段の屈曲に応じて、そのレール７５に沿
ってアーム７２を動かすものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のこの種の座標入
力装置においては、コンピュータによる仮想空間上で物
をつかんでも、架空の空間に合わせ手の動きを抑制する
ようにフィードバックがかからないため、十分な実感が
得られないという欠点があった。

【０００５】また、架空の空間に合わせ手の動きを抑制
するための人体の動作に追従可能な関節手段は、アーム
の動作角度を図１１に示すアーム７３，７４の上の面よ
り下に出さない条件のもとで、９０度以上確保すること
ができないという欠点があった。

【０００６】本発明は上記の点に鑑みなされたものであ
り、その主たる目的は、仮想空間内に物体があった場
合、その物体の材質に合わせて手の動きに反作用がかか
るようにすることによって、よりリアルな手の動きの入
力を可能とする座標入力装置を提供することにある。

【０００７】また、本発明の他の目的は、ヒンジの動作
角度を９０度以上確保することができる、架空の空間に
合わせ手の動きを抑制するための、人体の動作に追従可
能な関節手段を備えた座標入力装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、前記主
たる目的は、人体の動作を検出するための検出手段と、
人体の動作に追従可能であって駆動手段を内蔵した関節
手段と、前記検出手段の検出結果に基づき座標入力を行
なうとともに、前記関節手段にフィードバック指令を下
して前記関節手段を駆動する制御手段とを備える座標入
力装置であって、関節手段が、図２、図３に示すよう
に、鋭角を構成する２つの辺を備える１対のアーム１
１、１２と、ロッド１６と、前記アームの先端を前記ロ
ッド１６に、スライド可能で回転可能なように取り付け
るための接続部１１１、１２１と、前記アームの間にあ
り、前記ロッドに取り付けられた接続ブロック１５と、
前記アームと接続ブロックとを接続しており、それぞれ
の接続点で回転可能になっている補助アーム１３、１４
と、前記ロッド１６を回転させることによって前記関節
手段を駆動するための駆動モータとを備えることを特徴
とする座標入力装置によって達成される。

【０００９】

【００１０】

【作用】本発明の座標入力装置では、指先につけた圧力
センサーにかかる圧力の方向に従い、指の動きに合わせ
てアームを動かすことによって座標入力を行い、仮想空
間内に物体があった場合、その物体の材質に合わせて手
の動きに反作用がかかるように、圧力センサのデータを
もとにアームの動きを制御するので、よりリアルな手の
動きの入力を可能とする。

【００１１】また、本発明に係わる関節手段では、鋭角
を構成する２つの辺を備える１対のアームの先端に取り
付けられた接続部が、ロッド上をスライドすることによ
って、前記１対のアームが接続ブロックの回りを回転で
きるので、ヒンジの動作角度を９０度以上確保すること
ができる。

【００１２】以下、本発明に係わる関節手段の動作原理
について、図７、及び図８を用いて説明を行う。

【００１３】直線ＧＨを底辺の一部とし、互いに頂点の
一つＥ点を共有する合同形である二等辺三角形ＤＢＥ、
及び二等辺三角形ＦＥＣを形成する（ＤＢ＝ＤＥ＝ＦＥ
＝ＦＣ）。

【００１４】ただし、この二等辺三角形は底辺の長さが
可変できるものとする。

【００１５】ここで、二等辺三角形ＤＢＥ、及び二等辺
三角形ＦＥＣの辺ＢＤ、及び辺ＣＦからまっすぐに直線
を延ばし、その直線の交わる点を点Ａとする。

【００１６】この点Ａを頂点の一つとする三角形ＡＤＦ
を考える。

【００１７】まず、三角形ＤＢＥ、及び三角形ＦＥＣの
頂点Ｄ、及び頂点Ｆから直線ＧＨに対して垂線を引き、
それが直線ＧＨと交わる点を点Ｉ、及び点Ｊとする。

【００１８】この時点で、三角形ＤＢＥ、及び三角形Ｆ
ＥＣが合同な二等辺三角形であることから、直線ＤＩ、
及び直線ＦＪの長さが同じである。

【００１９】ここで、これらの直線は共に直線ＧＨと垂
直であることから、点Ｄと点Ｆを結ぶ直線は直線ＧＨと
平行である。

【００２０】よって、∠ＤＢＥ、∠ＡＤＦ、∠ＦＣＥ、
及び∠ＡＦＤの角度がすべて同じである。

【００２１】また、点Ｉ、及び点Ｊは辺ＢＥ、及び辺Ｅ
Ｃの中点であることから、辺ＢＥ＝辺ＥＣ＝辺ＤＦとな
る。

【００２２】よって、三角形ＤＢＥ、三角形ＦＥＣ、及
び三角形ＡＤＦは合同三角形であるといえる。これらの
ことより、点Ｄ、及び点Ｆは底辺の長さを変えることに
より、点Ａを中心とする半径ＡＤ、もしくは半径ＡＦの
円弧に沿って移動する点であり、辺ＤＢ、及び辺ＦＣは
円弧の中心点Ａから円弧のＤ点、及びＦ点に対して延ば
した直線の延長線となる。

【００２３】ここで、この図７、及び図８の点Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは図２、及び図３の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、
Ｅ、Ｆに対応しており、辺ＢＤに対して一定角度で取り
付けられているアーム１１は、アーム１７に対して常に
平行となり、辺ＣＦに対して一定角度で取り付けられて
いるアーム１２は、アーム１８に対して常に平行とな
る。

【００２４】以上により、回転の中心の点Ａにまでその
構造を及ぼすことのない関節手段を構成できる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に従って詳細
に説明する。

【００２６】図６は、本発明による座標入力装置を指の
動きのみに対応するように取り付けた状態であり、圧力
センサ４４、４５、４６が各指の関節と関節との間に取
り付けられており、関節手段４１、４２、４３が各指の
関節の部分に取り付けられている。

【００２７】図６において、圧力センサ４４は関節手段
４１の動きに対応する。上側の圧力センサ４４に圧力が
かかると、関節手段４１はそれに対応し、仮想空間のそ
の位置に障害物がない場合には、関節を延ばす方向に動
作する。下側の圧力センサ４４に圧力がかかった場合に
は、関節手段４１は仮想空間のその位置に障害物がなけ
れば、関節を曲げる方向に動作する。

【００２８】つまり仮想空間のその位置に障害物がない
限り、圧力センサ４４の上下にかかる圧力がバランスの
取れるように関節手段４１の操作を行い、仮想空間に障
害物があった際に、その障害物に対応した反力を生じる
ように、関節手段４１の動きを制御するようになってい
る。

【００２９】他の関節に関しても同様に動作を行い、関
節手段４２には圧力センサ４５が対応し、関節手段４３
には圧力センサ４６が対応するようになっており、この
ような装置が入力に用いる各指に取り付けてある。

【００３０】これらの動作により、仮想空間に対する指
の動きの入力をよりリアルに行うことができる。

【００３１】次に関節手段の構造についての説明を行
う。

【００３２】関節手段は、図１に示すように、夫々鋭角
を構成する２つの辺を有する主アーム１、２とそれらを
屈曲自在に結合する関節部分とからなり、関節部分は補
助アーム３、４、ロッド５、接続ブロック８から構成さ
れる。

【００３３】ロッド５と主アーム１との接続は、アーム
１の先端部に回転自在に取り付けられた接続部６を介し
て行われ、この接続部６によってアーム１はロッド５に
沿ってスライドできるようになっており、また図３に示
すようにロッド１５とアーム１１との接続角度が変わっ
た際、図１の接続部６が回転してそれに追従できるよう
になっている。

【００３４】ロッド５と主アーム２との接続は、アーム
２の先端部に回転自在に取り付けられた接続部７を介し
て行われ、この接続部７によってアーム２はロッド５に
沿ってスライドできるようになっており、また図３に示
すようにロッド１５とアーム１２との接続角度が変わっ
た際、図１の接続部７が回転してそれに追従できるよう
になっている。

【００３５】主アーム１と補助アーム３とは、アーム１
の折れ曲がり部分とアーム３の先端部において回動自在
に接続されており、図１に示すようにアーム１に対して
アーム３が、接続点を中心として回転できるようになっ
ている。

【００３６】主アーム２と補助アーム４とは、アーム２
の折れ曲がり部分とアーム４の先端部において回動自在
に接続されており、図１に示すようにアーム２に対して
アーム４が、接続点を中心として回転できるようになっ
ている。

【００３７】接続ブロック８と補助アーム３とは、接続
ブロック８の側面とアーム３の先端部において回動自在
に接続されており、図１に示すように接続ブロック８に
対してアーム３が、接続点を中心として回転できるよう
になっている。

【００３８】接続ブロック８と補助アーム４とは、接続
ブロック８の側面とアーム４の先端部において回動自在
に接続されており、図１に示すように接続ブロック８に
対してアーム４が、接続点を中心として回転できるよう
になっている。

【００３９】接続ブロック８とロッド５との接続は、ロ
ッド５が接続ブロックを、常にロッド５のアーム１、２
間の中央が接続ブロック８の中央にくるように貫くこと
によって行われ、ロッド５のアーム１、２間の中央が接
続ブロック８の中央から左右にずれないようになってい
る。

【００４０】ここで重要なのは、接続ブロック８の中央
からロッド５とアーム１の接続部までの距離と、接続ブ
ロック８の中央からロッド５とアーム２の接続部までの
距離とが、関節部の曲げ伸ばしに係わらず常に等しくな
るような機構を設ける必要があることであり、これには
既存の方法がいくつかあろうが、本実施例においては、
使用目的に合わせロッド５に接続ブロック８を境にして
左右逆螺子をきってやり、アーム１，２との接続部６、
７にもそれに対応した螺子山をきっておくことでその動
作を実現させる。

【００４１】関節手段を動作させるには、図４に示すよ
うに接続ブロック３０、３１の上に駆動用モータ３４、
３５を設け、駆動ギア３２、３３を介してロッド２８、
２９を駆動用モータ３４、３５によって回転させること
により行う。

【００４２】また、動力の伝達にリードスクリューを用
いることで、保持力が殆どいらない構造となっている。
なお、この構造の関節手段を指に合わせて取り付ける際
には、ロッド２８、２９が邪魔になるため、図４、及び
図５のように、となりの関節手段のロッド２８とロッド
２９とが干渉しないように、関節手段のセンターをずら
して互い違いにする必要がある。

【００４３】そして座標位置の検出については、駆動用
モータ３４、３５の回転方向と回転数により行う。

【００４４】次に、本発明に係わる座標入力装置の構成
を図９のブロック図を参照しながら説明する。

【００４５】図に示される座標入力装置は３つの関節手
段５１、５２、５３を備えており、関節手段の各々には
圧力センサ、ＤＣモータ、ロータリーエンコーダが取り
付けてあり、例えば関節手段５１には、圧力センサ５
８、ＤＣモータ６１、ロータリーエンコーダ６４が、関
節手段５２には、圧力センサ５９、ＤＣモータ６２、ロ
ータリーエンコーダ６５が、関節手段５３には、圧力セ
ンサ６０、ＤＣモータ６３、ロータリーエンコーダ６６
が取り付けられている。

【００４６】また、座標入力装置はＡ／Ｄコンバータ／
セレクタ５５、モータコントローラ５６、ポジションデ
ィテクタ５７、ＭＰＵ５４を備えている。各圧力センサ
５８、５９、６０は、Ａ／Ｄコンバータ／セレクタ５５
によって制御され、各ＤＣモータ６１、６２、６３は、
モータコントローラ５６によって制御される。

【００４７】各ＤＣモータ６１、６２、６３の回転方向
と回転数は、それぞれロータリーエンコーダ６４、６
５、６６によって検出され、ポジションディテクタ５７
によって、座標位置の検出が行われる。

【００４８】Ａ／Ｄコンバータ／セレクタ５５、モータ
ーコントローラ５６、ポジションディテクタ５７からの
信号は、全体を制御するＭＰＵ５４に送られている。次
に、本発明の座標入力装置の一連の制御の流れを図１０
のフローチャートを参照しながら説明する。

【００４９】図６に示すように、本発明の座標入力装置
を指に取り付けた状態で、指を任意の方向に動かす（Ｓ
１）。

【００５０】次に、図９に示す圧力センサ５８、５９、
６０によって、指の動きの方向及び強さを検出し、さら
にＤＣモータ６１、６２、６３に接続されているロータ
リーエンコーダ６４、６５、６６によって、現在の座標
の位置を検出する（Ｓ２）。

【００５１】次に、指を動かそうとしている方向の仮想
空間上に障害物があるかどうかの判定を行い（Ｓ３）、
障害物がない場合は、指の動きを妨げないようにして指
の動きに対応するように、関節手段に取り付けてある図
９のＤＣモータ６１、６２、６３の制御を行い（Ｓ
４）、障害物がある場合は、仮想空間上の物体の堅さと
指の圧力バランスが取れるように、関節手段に取り付け
てある図９のＤＣモータ６１、６２、６３の制御を行う
（Ｓ５）。 以上のこと
を繰り返して、座標入力を行う。ここでステップＳ２か
らＳ５は予め、マイクロプログラム等によりＭＰＵ５４
にプログラムされているものであり、また仮想空間の障
害物等の情報は、仮想空間を構築するシステムから受け
渡されるものであるが、勿論、ＭＰＵ５４が仮想空間を
構築するシステム自体のＭＰＵであってもよいことは言
うまでもない。

【００５２】以上、説明したように本実施例の座標入力
装置は、指を動かそうとしている方向の仮想空間上に障
害物がない場合には、指の動きを妨げることがないが、
障害物がある場合は、仮想空間上の物体の堅さと指の圧
力バランスが取れるように、関節手段に取り付けてある
図９のＤＣモータ６１、６２、６３の制御を行うので、
十分な実感が伴った、座標入力ができ、よりリアルな手
の動きの入力が可能となる。

【００５３】また、本実施例の座標入力装置は座標入力
装置自体が動力を持って自力で動くことができるため、
手に座標入力装置の重量を必要以上に感じさせることが
なく、またコンピュータから手に対して動きを指示する
ことも可能となる。

【００５４】

【発明の効果】本発明によれば、検出手段の検出結果に
基づき座標入力を行なうとともに、前記関節手段にフィ
ードバック指令を下して前記関節手段を駆動する制御手
段を備えているので、仮想空間上に障害物がある場合
は、仮想空間上の物体の堅さと指の圧力バランスが取れ
るように、関節手段に取り付けてある駆動手段を制御し
得、よりリアルな手の動きの入力が可能となる。

【００５５】更に、本発明に従い、関節手段を、鋭角を
構成する２つの辺を備える１対のアームと、ロッドと、
前記アームの先端を前記ロッドに、スライド可能で回転
可能なように取り付けるための接続部と、前記アームの
間にあり、前記ロッドに取り付けられた接続ブロック
と、前記アームと接続ブロックとを接続しており、それ
ぞれの接続点で回転可能になっている補助アームと、前
記ロッドを回転させることによって前記関節手段を駆動
するための駆動モータとから構成することにより、関節
の動作角度を９０度以上確保することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる座標入力装置に用いられる関節
手段の一実施例を示す斜視図である。

【図２】本発明にかかる座標入力装置の関節手段の一状
態を示す図である。

【図３】本発明にかかる座標入力装置の関節手段の他の
状態を示す図である。

【図４】本発明にかかる座標入力装置に用いられるの関
節手段の一実施例を示す側面図である。

【図５】本発明にかかる座標入力装置に用いられるの関
節手段の一実施例を示す上面図である。

【図６】本発明にかかる座標入力装置の一実施例を指に
装着したところを示す概略側面図である。

【図７】本発明にかかる座標入力装置に用いられる関節
手段の動作原理を説明するための説明図である。

【図８】本発明にかかる座標入力装置に用いられる関節
手段の動作原理を説明するための説明図である。

【図９】本発明にかかる座標入力装置の一実施例の構成
を表すブロック図である。

【図１０】本発明にかかる座標入力装置の一実施例の動
作を説明するためのフローチャートである。

【図１１】従来の座標入力装置の動作説明図である。

【図１２】従来の座標入力装置の動作説明図である。

【符号の説明】

１、２、１１、１２、２１〜２３ アーム ３、４、１３、１４、２４〜２７ 補助アーム ５、１６、２８、２９ ロッド ６、７、１１１、１２１ 接続部 ８、１５、３０、３１ 接続ブロック ３２、３３ 駆動ギア ３４、３５ モータ ４１〜４３ 関節手段 ４４〜４６ 圧力センサ ５１〜５３ 関節手段 ５４ ＭＰＵ ５５ Ａ／Ｄコンバータ／セレクタ ５６ モータコントローラ ５７ ポジションディテクタ ５８〜６０ 圧力センサ ６１〜６３ ＤＣモータ ６４〜６６ ロータリーエンコーダ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人体の動作を検出するための検出手段
   と、人体の動作に追従可能であって駆動手段を内蔵する
   関節手段と、前記検出手段の検出結果に基づき座標入力
   を行なうとともに、前記関節手段にフィードバック指令
   を下して前記関節手段を駆動する制御手段とを備える座
   標入力装置であって、 前記関節手段が、鋭角を構成する２つの辺を備える１対
   のアームと、ロッドと、前記アームの先端を前記ロッド
   に、スライド可能で回転可能なように取り付けるための
   接続部と、前記アームの間にあり、前記ロッドに取り付
   けられた接続ブロックと、前記アームと接続ブロックと
   を接続しており、それぞれの接続点で回転可能になって
   いる補助アームと、前記ロッドを回転させることによっ
   て前記関節手段を駆動するための駆動モータとを備える
   ことを特徴とする座標入力装置 。