JP3199130B2 - ３次元座標入力装置 - Google Patents

３次元座標入力装置

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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、３次元ＣＧ（コンピュ
ータグラフィックス）による立体画を使って、３次元Ｃ
Ｇの物体を自由に操るための３次元座標データを得る３
次元座標入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、３次元ＣＧによる立体画を使っ
て、人間が使いやすいインタフェースを作るＶＲ（バー
チャルリアリティ：仮想現実感）に関心が集められてい
る。
【０００３】このようなＶＲは、オペレータの周囲に人
工の空間を生み出し、その世界の物体をあたかも現実の
物体のように動かす技術であり、設計や研究開発、シュ
ミレーション等多方面への応用が期待される。またこれ
を利用して、ゲームセンター用ゲーム機、ショールーム
用の擬似体験システム、組立作業の指示を出す補助装置
等の開発も始まっている。
【０００４】図１は、従来の３次元座標入力装置の一例
としてデータグローブを示すもので、このデータグロー
ブ１の表面には手の姿勢を検出するための光ファイバ２
が貼付けられている。またデータグローブ１の手の甲に
当たる部分には、手の位置を検出するための磁気センサ
３が取付けられている。
【０００５】このような構成の３次元座標入力装置で
は、データグローブ１を手に嵌め、更にアイフォン等を
装着し、実空間における手や指を任意に動かすことによ
り、データグローブ１によって手の位置及び姿勢を示す
データが得られる。これらのデータに基づき、アイフォ
ン等のディスプレイに表示される３次元ＣＧの手の像の
位置及び姿勢が変えられるので、画面内の像を実際に掴
んだり移動させたりすることができる。
【０００６】図２は、従来の３次元座標入力装置の他の
例としてタッチグローブを示すもので、この例における
タッチグローブ４には上記の光ファイバ（図示省略）及
び磁気センサ３による手の動きや指の動きの検出に加
え、空気圧によって触覚感をある程度フィードバックさ
せる機能が備わっている。
【０００７】このように、触覚感をある程度与えること
が可能となることにより、三次元空間における擬似体験
がより現実的なものとされる。
【０００８】図３は、触覚感をある程度与えることが可
能とされた３次元座標入力装置の例としてのマニプュレ
ータを示すもので、手の動きに追従させるために支持台
５の下方にて６自由度が与えられている。また、指の動
きに追従させるために３つのアクチュエータである第１
指部（図示省略）、第２指部６及び第３指部７が設けら
れている。
【０００９】なお、図示省略の第１指部は親指の動きを
検出し、第２指部６は人差し指の動きを検出し、第３指
部７は中指、薬指及び小指の動きを検出するようになっ
ている。
【００１０】また、３つのアクチュエータの回動軸は、
支持台５に取付けられているジョイント軸８と同軸に設
けられている。
【００１１】そして、たとえば画面内のボールを同じく
画面内の手の像によって握った場合、ボールの弾力性が
手の指にフィードバックされるようになっている。
【００１２】このようなマニプュレータは、主に手首の
動きに対応させたものであるが、腕全体の動きに追従す
るシリアルリンクを用いたマスタマニピュレータも開発
されている。
【００１３】更には、画像処理によって直接、手や指の
動きを検出する方法も提案されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の各３次元座標入力装置では、手の動きを示す位
置検出を、データグローブ１に取付けた磁気センサ３に
よって基準位置に対する手全体の位置と方位とを測定し
ており、応答性が悪く画面内の手の動きが緩慢となって
しまうという不具合がある。また、各３次元座標入力装
置では、データグローブ１やタッチグローブ４を手に嵌
めたり、マニピュレータの各第１指部、第２指部６及び
第３指部７にそれぞれ対応する指を嵌め合せたりする必
要があることから、これら嵌めたり嵌め合せたりするこ
とが煩わしいばかりか、違和感があるといった不具合も
ある。
【００１５】更に、画像処理によって直接、手や指の動
きを検出する方法では、これらの動きの認識精度が余り
良くないために、グラフィックデータの生成に手間取
り、高速応答性に欠けてしまうばかりか、システムが大
がかりなものになってしまうという不具合がある。
【００１６】本発明は、このような事情に対処してなさ
れたもので、簡単な構成で実空間における手や指の動き
を、正確且つ容易に検出するとともに、実空間における
手や指の動きに対して違和感を与えない３次元座標入力
装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】 本発明は、上記目的を達
成するために、３次元座標データを入力する３次元座標
入力装置において、手の位置又は姿勢を検出する手検出
手段と、指の位置又は姿勢を検出する指検出手段と、前
記手検出手段を水平及び垂直方向に移動させる手検出移
動手段と、前記指検出手段を回動させる回動手段と、前
記手検出手段又は指検出手段を手又は指から離間した状
態でその移動に追従させる追従手段と、前記指検出の近
傍にて前記指が曲げられたとき、この指の曲げ状態に応
じて前記指検出手段を曲げる指検出曲げ手段と、前記手
検出手段及び指検出手段による前記実空間における手及
び指の位置や姿勢の検出結果に基づき、これら手及び指
の前記３次元座標データを生成して出力する座標データ
生成出力手段と、を具備することを特徴とする。また、
前記の特徴を前提として、前記手検出手段は、手の平を
かざして手の動きを検知する手検知板を備えること、或
いは、前記手検出移動手段は、水平方向に移動自在の台
車と垂直方向に伸縮自在の駆動軸とを備えることを特徴
とする。 また更に、前記の特徴を前提として、前記指検
出手段を前記指に押圧させて触覚感を与える感覚供与手
段とを具備することを特徴とする。
【００１８】本発明の３次元座標入力装置では、簡単な
構成で実空間における手や指の動きを、正確且つ容易に
検出するとともに、実空間における手や指の動きに対し
て違和感を与えないようにしたものである。
【００１９】
【実施例】以下、本発明の実施例の詳細を図面に基づい
て説明する。図４は、本発明の３次元座標入力装置の一
実施例を示すもので、ｙ方向に移動自在とされた移動台
車１０が備えられている。移動台車１０の上部には、ｘ
方向に移動自在とされた支持台車２０が載置されてい
る。支持台車２０の上部には、ｚ方向に伸縮自在とされ
た駆動軸３０を介して手の動きや指の動きを検知する手
検知部４０が取付けられている。
【００２０】移動台車１０にはキャスター１１が取付け
られている。キャスター１１への駆動力は、図示省略の
ＤＣモータによって得られるようになっている。
【００２１】支持台車２０には、上記同様にキャスター
２１が取付けられている。キャスター２１への駆動力
は、図示省略のＤＣモータによって得られるようになっ
ている。
【００２２】なお、移動台車１０及び支持台車２０の
ｘ，ｙ方向への移動に際しては、キャスター１１，２１
に限らずリニアモータ等の他の駆動手段を用いてもよ
い。駆動軸３０には、支持軸３１に支持されｚ方向に伸
縮自在とされるとともに、θz 方向に回転自在とされた
可動軸３２が備えられている。
【００２３】手検知部４０には、可動軸３２の端部に支
持棒４１を介して取付けられたリング体４２が備えられ
ている。このリング体４２は、支持棒４１を介してθy
方向に回動自在とされている。
【００２４】リング体４２の外周には、支持棒４３を介
して実空間における手の動きを検知するための手検知板
４４が取付けられている。手検知板４４は支持棒４３の
回動によってθx 方向に回動自在とされている。
【００２５】これにより、手検知板４４は、支持棒４
１，４３及びリング体４２によるジンバル構成及び上記
の可動軸３２の回動動作が組み合わされることにより、
θx ，θy ，θz 方向に回動自在となる。
【００２６】手検知板４４の縁部には、実空間における
指の動き（姿勢）を検知したり、指に対して触覚感を与
える５つの指検知部４５〜４９が取付けられている。
【００２７】各指検知部４５〜４９には、それぞれの軸
４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂ，４７ａ，４７ｂ，４
８ａ，４８ｂ，４９ａ，４９ｂ，４９ｂにより２自由度
がもたせられている。また、各指検知部４５〜４９に
は、それぞれの指検知部４５〜４９の上部にかざした指
の横方向の位置を検出するための指位置横方向検出部４
５ｃ，４６ｃ，４７ｃ，４８ｃ，４９ｃが設けられてい
る。更に、各指検知部４５〜４９の先端部が上方に曲げ
られ、指先検出部４５ｄ，４６ｄ，４７ｄ，４８ｄ，４
９ｄとされており、実空間におけるそれぞれの指頭の位
置を検出するようになっている。
【００２８】また、上記の手検知板４４には、実空間に
おける手の位置及び手との距離を検出するためのたとえ
ば後述の赤外線センサ４４Ａが用いられている。一方、
各指検知部４５〜４９には、指との距離を検知するため
に、たとえば後述の超音波センサ４５Ａが用いられてい
る。
【００２９】なお、実空間における手の位置及び手との
距離を検出するセンサにあっては、手の平が近づいたこ
とを検知したり、手や指との距離が検出されるセンサで
あればよく、これら赤外線センサ４４Ａや超音波センサ
４５Ａ等に限らず、たとえば光センサやメカニカルセン
サ等の他のセンサを用いてもよい。
【００３０】図５は、図４の３次元座標入力装置の各構
成部の動作を制御するための制御系の構成を簡単に示す
ものであり、制御部５０のＡ／Ｄ変換器５１，５２は赤
外線センサ４４Ａ及び超音波センサ４５Ａからの検出信
号をディジタル信号に変換して制御部５３に出力する。
【００３１】制御部５３は、赤外線センサ４４Ａの検出
結果に基づき、移動台車駆動モータドライバ５６及び支
持台車駆動モータドライバ５７を介して移動台車１０及
び支持台車２０をそれぞれｘ，ｙ方向に移動させる。
【００３２】また、制御部５３は、超音波センサ４５Ａ
の検出結果に基づき、可動軸駆動モータドライバ５４及
び手検知板駆動モータドライバ５５に制御信号を出力
し、可動軸３２をｚ方向及びθz 方向に駆動させたり、
平板４４をθx ，θy ，θz 方向に回動させたりする。
【００３３】更に、制御部５３は超音波センサ４５Ａの
検出結果に基づき、指部駆動モータドライバ５８を介し
て指検知部４５をθy 方向に、指検知部４４〜４９をθ
x 方向にそれぞれ回動させる。指検知部４５〜４９の回
動に際しては、各軸４５ａ，４５ｂ〜４９ａ，４９ｂを
支点として行われ、実空間における指の姿勢に合せられ
る。
【００３４】更にまた、制御部５３は、画面内にてコン
ピュータグラフィックの手が像を掴んだりした際の触覚
感を与えるために、手検知板４４を実空間における手の
平に押し付けたり、指検知部４５〜４９をθx ，θy 方
向に回動させて実空間における指に押圧力を与えたりす
る。
【００３５】グラフィックデータ生成部５９は、赤外線
センサ４４Ａ及び超音波センサ４５Ａの検出結果に基づ
き、手の位置及び指の姿勢等を示すグラフィックデータ
を生成して出力する。
【００３６】続いて、このような構成の３次元座標入力
装置の動作について説明する。まず、手検知部４０の手
検知板４４に手の平をかざすと、赤外線センサ４４Ａに
よって手の位置が検知される。手の位置が検知される
と、可動軸駆動モータドライバ５４の駆動により、可動
軸３２が矢印ｚ方向に伸縮動作し、手検知板４４が手の
平に対して所定の距離に達するまで移動される。
【００３７】この状態で実空間における手を前後左右上
下のいずれかに移動させると、移動台車１０及び／又は
支持台車２０及び／又は駆動軸３０が駆動され、手検知
板４４が手の動きに追従して移動する。このとき、手検
知板４４は、上記のように手の平に対して所定の距離を
保った状態で移動する。
【００３８】またこのとき、グラフィックデータ生成部
５９は赤外線センサ４４Ａ及び超音波センサ４５Ａの検
出結果に基づき、手の位置及び姿勢を示すグラフィック
データを出力する。これにより、画面内の手の像は、実
空間における手の動きに合せて移動する。
【００３９】この状態で、画面内の任意の物を掴むよう
に実空間における指を動かすと、超音波センサ４５Ａに
よって指の曲げ状態等が検出される。また、超音波セン
サ４５Ａの検出結果に応じ、指検知部４５〜４９が実空
間における指に対して所定の間隔をおいてθx ，θy ，
θz 方向に回動する。
【００４０】このとき、グラフィックデータ生成部５９
は赤外線センサ４４Ａ及び超音波センサ４５Ａの検出結
果に基づき、手や指の位置及び姿勢を示すグラフィック
データを出力する。これにより、画面内の手の像は、実
空間における手の指の動きに合せて画面内の任意の物を
掴むように動く。
【００４１】このようにして、画面内のたとえばボール
を同じく画面内の手の像によって握った場合、このボー
ルの弾力性たる触覚感を与えるためのデータが制御部５
３に取り込まれる。制御部５３は指部駆動ドライバ５８
を介して指検知部４５〜４９をそれぞれの軸４５ａ〜４
９ｂのいずれかを支点とし各リンク回動軸方向に回動さ
せる。これにより、指検知部４５〜４９の上方に離れて
位置している実空間における指に指検知部４５〜４９に
よる押付け力が作用し、画面内の手の像によるボールの
触覚感がフィードバックされる。
【００４２】また指検知部４５〜４９による触覚感のフ
ィードバックに際しては、指検知部４５〜４９のそれぞ
れの少なくとも１関毎に伸縮機構を備え、指頭に対して
押戻し力を作用させるようにしてもよい。
【００４３】なお、このような触覚感を示すデータは、
画面内のソリッドモデルと手の像による相互作用によっ
て決定されるものであり、たとえばインダストリアルデ
ザインで用いられるような一眼レフカメラの１／１モデ
ルに相当する仮想立体を手にとれるようなプログラムに
よって得られる。
【００４４】このようにこの実施例では、手検知板４４
及び指検知部４５〜４９を手や指に対して非接触状態と
し、手や指の動きに合わせて手検知板４４及び指検知部
４５〜４９を移動させたり動かしたりすることによって
グラフィックデータを得るようにしたので、従来のよう
にデータグローブ１やタッチグローブ４等を手に嵌めた
り嵌め合せたりすることがなくなり、手や指の動きに対
して違和感を与えることがなくなる。
【００４５】また、３次元コンピュータグラフィックス
の物体を３次元座標データに基づくグラフィックスの手
が掴んだ際に、指検知部４５〜４９を実空間における指
に押圧させて触覚感を与えるようにしたので、擬似体験
をより現実的なものとすることができる。
【００４６】更に、手の動きを赤外線センサによって極
めて近距離で検出するようにしたので、従来の３次元座
標入力装置における磁気センサ３に比べて検出精度が高
く応答性を高めることができる。
【００４７】図６は、図４の３次元座標入力装置の構成
を変えた場合の他の実施例を示すものであり、この例で
は手検知部４０の上面に上記の実空間における手の位置
を検出するための赤外線センサ４４Ａ及び手の姿勢等を
検出するための圧電フィルム４０Ａが設けられている。
【００４８】図７は、図６の３次元座標入力装置の各構
成部の動作を制御するための制御系の構成を簡単に示す
ものであり、図５に示す超音波センサ４５Ａに代え、圧
電フィルム４０Ａの圧電効果によって発生する電圧を検
出するための電圧検出部５０Ａが設けられている。
【００４９】このような構成の３次元座標入力装置で
は、上記同様に手検知部４０の手検知板４４に手の平を
かざすと、赤外線センサ４４Ａによって手の位置が検出
され、手検知板４４が手の平に近づく。
【００５０】また、赤外線センサ４４Ａによって手の位
置が検出された後、その手を左右前後のいずれかに移動
させると、手検知板４４がこの手に追従して移動する。
【００５１】このとき、グラフィックデータ生成部５９
は赤外線センサ４４Ａの検出結果に基づき、手の位置を
示すグラフィックデータを出力する。これにより、画面
内の手の像は、実空間における手の動きに合せて移動す
る。
【００５２】次いで、手検知部４０の手検知板４４及び
指検知部４５〜４９に手の平及び指を当接させる。この
とき、ｚ方向に手の自重をキャンセルさせるように駆動
軸３０にバイアス力を作用させるようにしてもよい。
【００５３】この状態で、画面内の任意の物を掴むよう
に実空間における指を動かすと、指検知部４５〜４９が
指の動きに合せてθx ,θy 方向に回動する。このと
き、指検知部４５〜４９に設けられている圧電フィルム
４０Ａに指からの圧が掛かり、その圧電効果によって圧
に応じた電圧が発生する。
【００５４】電圧検出部５０Ａがその電圧を検出するこ
とにより、制御部５３は指の曲げ角等を認識し、グラフ
ィックデータ生成部５９を介して手や指の位置及び姿勢
を示すグラフィックデータを出力する。これにより、画
面内の手の像は、実空間における手の指の動きに合せて
画面内の任意の物を掴むように動く。
【００５５】このようにして、画面内のたとえばボール
を同じく画面内の手の像によって握った場合、上記同様
に、指検知部４５〜４９による押付け力が指に作用し、
画面内の手の像によるボールの触覚感がフィードバック
される。
【００５６】このように、この実施例においては、手検
知部４０に設けられた電圧検出部５０Ａによって手や指
の動きを検出するようにしたので、手や指の細部にわた
る動きの検出が可能となるので、より高精度の３次元座
標データを得ることができる。
【００５７】なお、この実施例では、手検知部４０に圧
電フィルム４０Ａを設けた場合について説明したが、こ
の例に限らず、たとえば手の平の検出を圧電フィルム４
０Ａ等の接触センサで行い、指の動き等の検出を上述し
た超音波センサ等の非接触センサで行うように各センサ
を組合せるようにしてもよい。
【００５８】また、以上の各実施例においては、本発明
を仮想的なグラフィックデータを得るための３次元座標
入力装置に適用した場合について説明したが、この例に
限らず遠隔操作によって離れた位置にあるロボットやマ
ニピュレータのための操作データを得るものに適用して
もよい。
【００５９】
【００６０】
【発明の効果】本発明によれば、簡単な構成で実空間に
おける手や指の動きを、正確且つ容易に検出することが
でき、しかも実空間における手や指の動きに対して違和
感を与えることもなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の３次元座標入力装置の一例としてのデー
タグローブを示す斜視図である。
【図２】従来の３次元座標入力装置の他の例としてのタ
ッチグローブを示す斜視図である。
【図３】従来の３次元座標入力装置の他の例としてのマ
ニプュレータを示す斜視図である。
【図４】本発明の３次元座標入力装置の一実施例を示す
斜視図である。
【図５】図４の３次元座標入力装置の動作を制御するた
めの制御系の構成を示すブロック図である。
【図６】図４の３次元座標入力装置の構成を変えた場合
の他の実施例を示す斜視図である。
【図７】図６の３次元座標入力装置の動作を制御するた
めの制御系の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 移動台車 ２０ 支持台車 ３０ 駆動軸 ４０ 手検知部 ４２ リング体 ４４ 手検知板 ４５〜４９ 指検知部 ４４Ａ 赤外線センサ ４５Ａ 超音波センサ ５０ 制御部 ５９ グラフィックデータ生成部 ４０Ａ 圧電フィルム

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ３次元座標データを入力する３次元座標
    入力装置において、手の位置を検出する手検出手段と、
    指の位置を検出する指検出手段と、前記手検出手段を水
    平及び垂直方向に移動させる手検出移動手段と、前記指
    検出手段を回動させる回動手段と、前記手検出手段又は
    指検出手段を手又は指から離間した状態でその移動に追
    従させる追従手段と、前記指検出の近傍にて前記指が曲
    げられたとき、この指の曲げ状態に応じて前記指検出手
    段を曲げる指検出曲げ手段と、前記手検出手段及び指検
    出手段による前記実空間における手及び指の位置や姿勢
    の検出結果に基づき、これら手及び指の前記３次元座標
    データを生成して出力する座標データ生成出力手段と、
    を具備することを特徴とする３次元座標入力装置。
  2. 【請求項２】 ３次元座標データを入力する３次元座標
    入力装置において、手の姿勢を検出する手検出手段と、
    指の姿勢を検出する指検出手段と、前記手検出手段を水
    平及び垂直方向に移動させる手検出移動手段と、前記指
    検出手段を回動させる回動手段と、前記手検出手段又は
    指検出手段を手又は指から離間した状態でその移動に追
    従させる追従手段と、前記指検出手段の近傍にて前記指
    が曲げられたとき、この指の曲げ状態に応じて前記指検
    出手段を曲げる指検出曲げ手段と、前記手検出手段及び
    指検出手段による前記実空間における手及び指の位置や
    姿勢の検出結果に基づき、これら手及び指の前記３次元
    座標データを生成して出力する座標データ生成出力手段
    と、を具備することを特徴とする３次元座標入力装置。
  3. 【請求項３】 前記手検出手段は、手の平をかざして手
    の動きを検知する手検知板を備えることを特徴とする請
    求項１又は２に記載の３次元座標入力装置。
  4. 【請求項４】 前記手検出移動手段は、水平方向に移動
    自在の台車と垂直方向に伸縮自在の駆動軸とを備えるこ
    とを特徴とする請求項１又は２に記載の３次元座標入力
    装置。
  5. 【請求項５】 前記指検出手段を前記指に押圧させて触
    覚感を与える感覚供与手段とを具備することを特徴とす
    る請求項１又は２に記載の３次元座標入力装置。
JP10555892A 1992-03-31 1992-03-31 ３次元座標入力装置 Expired - Fee Related JP3199130B2 (ja)

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