JP3243770B2 - 回転運動入力方法 - Google Patents

回転運動入力方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は例えばコンピュータ、制
御装置への入力機器等として用いる触覚情報をもちいた
6自由度ポインティング装置における回転運動の入力方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、コンピュータ、制御装置のポイン
ティング装置における回転運動入力方法としては以下の
ような機器がある。
【0003】(1)マウス、トラックボール、ジョイス
ティック等の専ら2次元の平行移動量を入力するための
ポインティング装置を用いて、入力された平行移動量
を、あらかじめ固定された回転軸のまわりの回転量に変
換することにより回転運動を入力する方法。
【0004】(2)1自由度のダイヤルを複数用いて、
各ダイヤルの回転量を、あらかじめ固定された回転軸の
まわりの回転量に変換することにより回転運動を入力す
る方法。
【0005】(3)キーボード上のキー等、オンオフを
入力できる装置を複数用いて、各キーが押されていた
(オン状態である)時間の長さを、あらかじめ固定され
た回転軸のまわりの回転量に変換することにより回転運
動を入力する方法。
【0006】(4)磁気や超音波等を用いたセンサによ
り、3次元の絶対姿勢を求め、一定時間間隔における姿
勢変位により回転運動を入力する方法。
【0007】(5)球表面の2接触点の位置から回転軸
の姿勢を定めることにより回転運動を入力する方法(特
願平4−117716号)。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】3次元CADシステム
など3次元の位置や姿勢を操作するシステムでは、6自
由度の支持が必要である。
【0009】従来ある磁気を利用した6自由度ポインテ
ィング装置には、操作のために広い空間が必要となる欠
点があった。
【0010】また、1ないし2自由度のポインティング
装置を組み合わせた装置は、自由度毎に指示する必要が
あり、操作性が悪いという問題があった。
【0011】また、平行移動量を回転運動量に変換する
装置は、操作する人間が本来の回転運動量を平行移動量
に換算して入力する必要があり、操作性が悪いという問
題があった。
【0012】また、従来の方法では回転軸の位置を入力
することができないという問題があった。
【0013】そこで、本発明は上記の事情に鑑みてなさ
れたもので、任意の回転軸まわりの任意の回転量を入力
可能であり、広さの限られた操作空間や磁気的な変動の
ある操作空間でも使用可能であり、かつ、操作するもの
にとって入力したい回転運動を直観にあった方法で指示
することができる3次元6自由度ポインティング装置に
おける回転運動入力方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は固定された球形もしくは円筒形の装置表面
に接触を検知するセンサを取り付け、指を用いて前記装
置表面に触ったときの、この装置表面に対する1点また
は複数点の接触位置を検出する。そして、検出された接
触点位置情報または接触点位置の移動情報から、回転軸
と回転運動量を求める。このとき、移動のための指の動
作と、解釈された回転運動の関係は3次元の実世界にお
いて物体を指先で握持し、回転させる動作と一致させ
る。
【0015】
【作用】本発明は、球形もしくは円筒形の表面に装着さ
れた接触したことを感知するセンサからの接触位置情報
から、3次元世界における任意の回転運動の情報を検出
可能である。従って、電磁場の変化する環境、設置スペ
ースの限られた所で、任意の姿勢制御が可能になる。
【0016】また、請求項1、2の方法によれば、セン
サの上での指先の動作は、実世界で物体をつまみ、ひね
る動作と類似したものとなるため、操作性を高めること
が可能になる。
【0017】請求項3の方法によれば、回転軸の姿勢だ
けでなく、回転軸の位置も入力可能となる。
【0018】
【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。
【0019】図1は本発明の一実施例を示す構成説明図
である。球形もしくは円筒形の表面に、接触を検知する
接触位置検出器(センサ)1を配設し、この表面に触る
ことにより、位置と姿勢の入力を行なう3次元6自由度
ポインティング装置を用い、前記接触位置検出器1は、
球形もしくは円筒形の表面上で接触があったことを検出
し、接触位置の個数および各々の接触位置座標を回転運
動量変換方法2へと伝達する。この回転運動量変換方法
2は、以下の実施例1、2、3において述べられるよう
な方法により、回転軸の位置姿勢および、回転軸まわり
の回転運動量を求め、これらを計算機3に伝達する。
【0020】時刻tに球面上のnケ所の点が触れられて
いるとき、接触点Pi(i=0,…,n−1)の位置
を(xi,yi,zi)と書く。簡単のため(x
i,yi,zi)は単位ベクトルとする。なお、3
次元CADシステムやロボット技術など3次元の位置や
姿勢を操作するシステムでは、位置と姿勢の入力を行な
う3次元6自由度ポインティング装置が必要である。位
置はx,y,zの3自由度を、姿勢は例えばx軸周り,
y軸周り,z軸周りの3つの角度(ピッチ角、ロール
角、ヨー角)の自由度を持ち、全部で6自由度となる。
この6自由度という表現は3次元CADシステムやロボ
ット技術、あるいは一般的に空間内の物体の位置姿勢を
扱う理論または技術において、物体の位置姿勢を決定す
る基本パラメータとして、たとえば位置を示す座標とい
う表現と同等に広く一般的に使用されている。空間内の
位置姿勢すべてを指定し、物体の状態を一義的に決定す
る場合に、位置だけを示す座標という表現と区別して使
用される。 さらに、姿勢の表現方法は、x軸周り,y軸
周り,z軸周りの3つの角度で表す方法のほかに、任意
の姿勢の回転軸と、その回転軸の周りの回転角度で表す
方法、3×3の回転行列で表す方法などがある。これら
の表現は互いに変換可能であり、いずれの表現方法を用
いても物体の姿勢を一意に決定することが可能である。
【0021】(実施例1)図2は1接触点を移動させる
回転運動入力方法の説明図である。
【0022】球表面上1点の接触位置の移動を回転運動
量に変換するには以下のように行なう。時刻tj におい
て1点P0 tj(x0 tj,y0 tj,z0 tj)4に触れ、時
刻ti+1 において1点P0 tj+1(x0 tj+1,y0 tj+1
0 tj+1)5に移動したとする。このとき、時刻tj か
らtj+1 の間に、P0 tj4をP0 tj+15に一致させるよ
うな回転運動が入力されたものと解釈する。このような
解釈の一例は、回転軸6はP0 tjとP0 tj+1の両方に直
交するベクトルとし、回転量はP0 tjとP0 tj +1の為す
角度とすることによって実現できる。このような回転運
動によりP0 tj4をP0 tj+15に一致させることができ
る。
【0023】(実施例2)図3はn接触点を移動させる
回転運動入力方法の説明図である。
【0024】球表面上複数点の接触位置の移動を回転運
動量に変換するには以下のように行なう。時刻tj にお
いてn点Pi tj(xi tj,yi tj,zi tj)(i =0,
…,n−1)に触れ、時刻tj+1 においてn点Pi tj+1
(xi tj+1,yi tj+1,zi tj+1)に移動したとする。
このとき、時刻tj からtj+1 の間に、Pi tjをPi
tj+1対応させるような回転運動が入力されたものと解釈
する。
【0025】この方法は、はじめに接触した複数点の位
置がどこにあっても、その後の移動操作によって任意の
回転運動が入力可能であるという特徴を持つ。
【0026】図4は、2接触点を移動させる回転運動入
力方法の説明図である。
【0027】ここでは、接触点が2点の場合の回転運動
の求め方の一例を示す。
【0028】まず、2つの接触点から求められる、接触
位置、および接触姿勢を以下のように定義する。接触位
置を表すベクトル(接触位置ベクトルと呼ぶ)は、P0
tjとP1 tjの平均を求め、これを正規化したものとす
る。接触姿勢を表すベクトル(接触姿勢ベクトルと呼
ぶ)は、上記接触位置ベクトルに対し、P0 tjの直交成
分を求め、これを正規化したものとする。
【0029】時刻tにおける接触位置ベクトル7を時刻
t+1 における接触位置ベクトル8に一致させ、かつ、時
刻t における接触姿勢ベクトル9を時刻t+1 における接
触姿勢ベクトル10に一致させるような回転運動は一意
に決定でき、この回転運動が入力されたものと解釈す
る。
【0030】図5は2接触点を移動させる回転運動入力
方法に基づいた回転運動量変換方法2の処理の流れ図で
ある。即ち、先ず初期化して旧接触点位置がない状態に
おいて、現時点での接触による新接触点位置を取得した
が、一瞬の接触等のため新接触点位置がないと判断され
ると、旧接触点位置なしとして再度新接触点位置を取得
する。一方、新接触点位置がありと判断されたが、旧接
触点位置がないと、新接触点位置を旧接触点位置として
次の時点での新接触点位置を取得する。次の時点での新
接触点位置がありと判断され且つ旧接触点位置がある
と、図4の2接触点を移動させる回転運動入力方法に基
づいて新,旧接触点位置より回転軸,回転量を求め、こ
の回転軸,回転量を計算機3に出力する。計算機3に出
力した後は、新接触点位置が旧接触点位置となり、次の
時点での新接触点位置を取得する。
【0031】(実施例3)図6は2接触点により回転軸
を指定する回転運動入力方法の説明図である。
【0032】球表面上2点の接触位置を回転軸とし、回
転運動量に変換するには以下のように行なう。まず、2
点11、12に同時に触れることにより、回転軸13を
入力する。回転軸13は2接触点11と12を結ぶ直線
とする。次いで、2点11,12のうち一方を放す。回
転方向はどちらの1点を放したかによって決定し、回転
量の指示は、接触時間、接触の強さに応じて行なわれ
る。
【0033】図7は2接触点により回転軸を指定する回
転運動入力方法に基づいた回転運動量変換方法2の処理
の流れ図である。即ち、先ず、回転軸が未定義の状態に
おいて、2点接触があり、2点より回転軸が決定される
が、2点を連続的に接触すると、2点接触と、2点より
の回転軸決定を繰り返す。一方、2点接触の1点を放
し、1点接触とし、且つ先の2点接触より回転軸が決定
済であると、図6の2接触点により回転軸を指定する回
転運動入力方法に基づいて回転軸,回転量を計算機3に
出力する。計算機3に出力した後は、次の2点接触の有
無を判断する。又、2点接触の2点を放したり、回転軸
が未決定のときには、回転軸が未定義の状態に戻る。
【0034】図8は2接触点により回転軸を指定する回
転運動入力方法において、2点のうち一方を放した後、
他方の接触したままの点を移動することにより、回転動
作中に回転軸を修正することを可能とする回転運動入力
方法の説明図である。2点14,15のうち点14を放
し、点15を接触したままである場合を例にとって説明
する。点14が放された時点で点14と点15を結ぶ回
転軸16が決定され、回転軸16を中心に回転動作を開
始する。このとき点14の位置を記憶しておく。回転動
作中に点15が点17の位置へと移動された場合には、
記憶されている点14の位置と移動された後の点17を
結ぶ直線を新しい回転軸18とし、新しい回転軸18の
まわりの回転運動量を求める。
【0035】図9は1接触点の位置を検出し、この1点
と球もしくは円筒の中心とを結ぶ直線を回転軸とするこ
とにより回転軸を指定する回転運動入力方法の説明図で
ある。即ち、表面上1点の接触点19を検出し、この1
点と球もしくは円筒の中心20とを結ぶ直線を回転軸2
1とする。回転量の指示は、接触時間、接触の強さに応
じて行なわれる。この場合は、回転方向は接触点19か
ら中心20に至るベクトルに対して、右(又は左)まわ
りに決めておく。1接触点により回転軸を指定する方法
においても、回転動作中に回転軸を修正することが可能
である。即ち、回転動作中に1接触点19を点22へと
移動することにより、移動後の点22と中心20を結ぶ
ベクトルを新しい回転軸23とすることによって、新し
い回転軸23のまわりの回転運動量を求める。
【0036】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、球形
もしくは円筒形の表面上で接触点を検出するセンサを用
いることにより、指で触れる操作で、3次元空間におけ
る任意の回転運動を入力できる。従って、電磁場の変化
する環境、設置スペースの限られたところで、任意の回
転運動の入力が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図2】本発明に係る、1接触点を移動させる回転運動
入力方法の説明図である。
【図3】本発明に係る、n接触点を移動させる回転運動
入力方法の説明図である。
【図4】本発明に係る、2接触点を移動させる回転運動
入力方法の説明図である。
【図5】本発明に係る、2接触点を移動させる回転運動
入力方法に基づいた回転運動量変換方法の処理の流れ図
である。
【図6】本発明に係る、2接触点により回転軸を指定す
る回転運動入力方法の説明図である。
【図7】本発明に係る、2接触点により回転軸を指定す
る回転運動入力方法に基づいた回転運動量変換方法の処
理の流れ図である。
【図8】本発明に係る、2接触点により回転軸を指定す
る回転運動入力方法において、2点のうち一方を放した
後、他方の接触したままの点を移動することにより、回
転動作中に回転軸を修正することを可能とする回転運動
入力方法の説明図である。
【図9】本発明に係る、1接触点の位置を検出し、この
1点と球もしくは円筒の中心とを結ぶ直線を回転軸とす
ることにより回転軸を指定する回転運動入力方法の説明
図である。
【符号の説明】
1…接触位置検出器(センサ)、2…回転運動量変換方
法、3…計算機。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06F 3/033 G05D 3/12 G06F 3/03

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 球形もしくは円筒形の表面に、接触を検
    知するセンサを配し、この表面に触ることにより、x,
    y,zの3自由度をもつ位置とx軸周り,y軸周り,z
    軸周りの3つの角度の自由度をもつ姿勢の入力を行なう
    3次元6自由度ポインティング装置において、表面上1
    点の接触位置の移動を検出し、この動きを回転運動量に
    変換することを特徴とする回転運動入力方法。
  2. 【請求項2】 球形もしくは円筒形の表面に、接触を検
    知するセンサを配し、この表面に触ることにより、x,
    y,zの3自由度をもつ位置とx軸周り,y軸周り,z
    軸周りの3つの角度の自由度をもつ姿勢の入力を行なう
    3次元6自由度ポインティング装置において、表面上複
    数点の接触位置の移動を検出し、この動きを回転運動量
    に変換することを特徴とする回転運動入力方法。
  3. 【請求項3】 球形もしくは円筒形の表面に、接触を検
    知するセンサを配し、この表面に触ることにより、x,
    y,zの3自由度をもつ位置とx軸周り,y軸周り,z
    軸周りの3つの角度の自由度をもつ姿勢の入力を行なう
    3次元6自由度ポインティング装置において、表面上2
    点の接触位置を検出し、この2点を結ぶ直線を回転軸と
    するという方法で、回転軸の位置と回転量よりなる姿勢
    を定め、回転方向はどちらの1点を放したかによって決
    定し、回転量の指示は接触時間、接触の強さに応じて行
    われることを特徴とする回転運動入力方法。
  4. 【請求項4】 球形もしくは円筒形の表面に、接触を検
    知するセンサを配し、この表面に触ることにより、x,
    y,zの3自由度をもつ位置とx軸周り,y軸周り,z
    軸周りの3つの角度の自由度をもつ姿勢の入力を行なう
    3次元6自由度ポインティング装置において、表面上1
    点の接触位置を検出し、この1点と球もしくは円筒の中
    心とを結ぶ直線を回転軸とするという方法で、回転軸の
    位置と回転量よりなる姿勢を定め、回転量の指示は接触
    時間、接触の強さに応じて行われ、回転方向は接触点か
    ら中心に至るベクトルに対して右(又は左)まわりに決
    めておくことを特徴とする回転運動入力方法。
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