JP2006107024A - Three-dimensional input device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三次元入力装置に関し、特に、三次元位置データを出力することができるセンサを有する装着部材を手に設け、この手の動きに沿う三次元位置データを演算して得た三次元の位置と方向を示すデータを用いてロボットの駆動、仮想ディスプレイの操作等を行うための新規な改良に関する。 The present invention relates to a three-dimensional input device, and in particular, a three-dimensional image obtained by providing a mounting member having a sensor capable of outputting three-dimensional position data in a hand and calculating three-dimensional position data along the movement of the hand. The present invention relates to a novel improvement for driving a robot, operating a virtual display, and the like using data indicating the position and direction of the robot.
従来、用いられていたこの種の座標を入力する装置としては、一般に、マウス、トラックボール、タブレット等が知られており、いずれも、三次元平面上の座標を逐次入力することができるため、広く利用されている。 Conventionally, as a device for inputting this kind of coordinates used conventionally, a mouse, a trackball, a tablet, and the like are generally known, and any of them can sequentially input coordinates on a three-dimensional plane. Widely used.
また、三次元の座標を機械的に入力する手段としては、例えば、特許文献1に開示されているように、回転可動する部分に取付けられた回転センサからの入力値によって演算することで座標を求める方法がある。 As a means for mechanically inputting the three-dimensional coordinates, for example, as disclosed in Patent Document 1, the coordinates are calculated by calculating with input values from a rotation sensor attached to a rotationally movable portion. There is a way to ask.
また、三次元の動作を入力する装置としては、例えば、特許文献2に開示されているように、身体に取り付けたマーカを外部にある複数のセンサで追従する方法があり、これは、複数のセンサからの二次元情報から三次元の動作を演算によって復元する方法である。 In addition, as a device for inputting a three-dimensional motion, for example, as disclosed in Patent Document 2, there is a method of following a marker attached to the body with a plurality of external sensors. This is a method of restoring a three-dimensional operation by calculation from two-dimensional information from a sensor.
さらに、例えば、特許文献3に示されるように、空中マウスは、三次元のセンサ自体を手に持つことで、センサ自身を動かして入力する装置である。
Furthermore, for example, as shown in
従来の二次元及び三次元の入力装置は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、前述のマウスやトラックボール等のデバイスでは、二次元の座標のみ入力可能であり、三次元の動作としては入力することができなかった。
また、前述の三次元の座標を機械的に入力する装置では、機械の大きさや可動範囲によって動作が著しく制限されることになっていた。
Since the conventional two-dimensional and three-dimensional input devices are configured as described above, the following problems exist.
That is, in the above-described devices such as a mouse and a trackball, only two-dimensional coordinates can be input, and it cannot be input as a three-dimensional operation.
In addition, in the above-described apparatus that mechanically inputs the three-dimensional coordinates, the operation is remarkably limited by the size of the machine and the movable range.
また、前述の身体に取り付けたマーカを周辺に配置したセンサで追従する装置では、周辺のセンサなどの装置が必要で、大掛かりなシステムとなり、スペース的にも、コスト的にも問題があった。
さらに、前述の空中マウスは、それ自体を手で持つ必要があるため、手や指を自由に動かすことができず、使い勝手が良好ではなかった。
In addition, the above-described device that follows the sensor attached to the body with the sensor attached to the periphery requires a device such as a peripheral sensor, which is a large-scale system and has a problem in terms of space and cost.
Furthermore, since the aerial mouse described above needs to be held by hand, the hand and fingers cannot be moved freely, and the usability is not good.
本発明による三次元入力装置は、手に装着するための装着部材と、前記装着部材に設けられ三次元位置を測定できるセンサとからなり、前記センサからの三次元位置データを得る構成であり、また、前記センサは、三次元の三軸加速度計で構成されている構成であり、また、前記センサは、三次元の三軸ジャイロで構成されている構成であり、また、前記装着部材は、手首部と、前記手首部と一体の甲部と、前記甲部と一体の複数の指部とからなる手袋型よりなる構成であり、また、前記指部には、曲げを感知するための曲げセンサが設けられている構成であり、また、前記センサからの出力信号を入力し、三次元の位置と方向を出力するための演算装置を有する構成であり、また、前記センサからの出力信号を前記演算装置に無線で送受信する無線装置を有する構成であり、また、前記演算装置は、前記装着部材に設けられている構成であり、また、前記センサからの出力信号を前記演算装置にケーブルで送信するようにした構成である。 A three-dimensional input device according to the present invention comprises a mounting member for mounting on a hand and a sensor provided on the mounting member and capable of measuring a three-dimensional position, and is configured to obtain three-dimensional position data from the sensor, The sensor is configured with a three-dimensional three-axis accelerometer, the sensor is configured with a three-dimensional three-axis gyro, and the mounting member is It is composed of a glove shape comprising a wrist part, an upper part integral with the wrist part, and a plurality of finger parts integral with the upper part, and the finger part is bent to sense bending. A sensor is provided, and an output signal from the sensor is input, and a calculation device is provided for outputting a three-dimensional position and direction. The output signal from the sensor is Wireless transmission to and from the computing device And a configuration in which the computing device is provided on the mounting member, and an output signal from the sensor is transmitted to the computing device via a cable. is there.
本発明による三次元入力装置は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、手に装着した手袋型の装着部材に三次元検出型のセンサが設けられているため、手の動き自体が正確にかつリアルタイムでセンサで検出され、三次元位置データを演算することにより、行動に制限のない自由な手と指の動作を三次元の位置及び方向の情報として得ることができる。
また、三次元検出型のセンサが手に装着する手袋型の装着部材の甲部に設けられ、この装着部材の各指部に曲げセンサが設けられているため、手の動きが各指の動きを高精度に得ることができると共に、手に対する取付け及び取外しが極めて容易に行われる。
Since the three-dimensional input device according to the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
That is, since a three-dimensional detection type sensor is provided on the glove-type wearing member attached to the hand, the movement of the hand itself is detected accurately and in real time by calculating the three-dimensional position data, It is possible to obtain free hand and finger movements with no action restrictions as three-dimensional position and direction information.
In addition, a three-dimensional detection type sensor is provided on the back of a glove-type attachment member that is attached to the hand, and each finger part of the attachment member is provided with a bending sensor, so that the movement of the hand is the movement of each finger. Can be obtained with high accuracy, and attachment and removal to and from the hand can be performed very easily.
本発明は、手袋型の装着部材に各種センサを設け、この装着部材を手に装着して手の動きを自由に検出して三次元データの入力を高精度に行うことを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide various sensors on a glove-type wearing member, wear the wearing member on a hand, freely detect the movement of the hand, and input three-dimensional data with high accuracy.
以下、図面と共に本発明による三次元入力装置の好適な実施の形態について説明する。
図1において、符号100で示されるものは、全体形状が手袋型をなす装着部材であり、この装着部材100には手首部102、手の甲に相当する甲部103及び複数の指部104が一体に形成されると共に、ゴム、樹脂、布、皮等の柔軟部材で形成されている。
Hereinafter, preferred embodiments of a three-dimensional input device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
In FIG. 1, what is indicated by reference numeral 100 is an attachment member whose overall shape is a glove shape, and a wrist portion 102, an upper portion 103 corresponding to the back of the hand, and a plurality of finger portions 104 are integrally formed on the attachment member 100. In addition to being formed, it is formed of a flexible member such as rubber, resin, cloth, or leather.
前記甲部103には、三次元の三軸加速度計65あるいは三次元の三軸ジャイロ66等の何れか又は両者からなる三次元検出型のセンサ105が設けられ、前記各指部104には、周知の歪センサ等のように曲げることによって出力電圧が変化するような構造により構成された曲げセンサ106が設けられている。
The upper part 103 is provided with a three-dimensional
前記センサ5は、例えば、図4から図7で示されるように、シリコン基板を周知のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて製作した三軸加速度計65及び三軸ジャイロ66の何れか又は両者によって構成されている。 For example, as shown in FIGS. 4 to 7, the sensor 5 is one of a three-axis accelerometer 65 and a three-axis gyro 66 manufactured by using a well-known MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technique or a silicon substrate, or It consists of both.
前記三軸加速度計65及び三軸ジャイロ66は、本出願人の出願による特開2001−330622号公報に開示された構成について説明する。
すなわち、図4及び図5において符号1で示されるものは平面形状で四角状の枠体をなす外枠部であり、この外枠部1は下層シリコン基板11aと、絶縁酸化物11bと、上層シリコン薄膜11cと、貼り合わせシリコン基板11dとからなる周知のSOIウェハ半導体ウェハ11で構成されている。
The three-axis accelerometer 65 and the three-axis gyro 66 will be described with respect to the configuration disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-330622 filed by the present applicant.
That is, what is denoted by reference numeral 1 in FIGS. 4 and 5 is an outer frame portion that forms a rectangular frame body in a planar shape, and this outer frame portion 1 includes a lower layer silicon substrate 11a, an insulating oxide 11b, and an upper layer. It is composed of a well-known SOI
前記外枠部1は、ガラス製の上部パッケージ5aと下部パッケージ5bとによって挟持されて積層された状態に構成されている。
前記上部パッケージ5aの内面には、複数の上部検出電極4a,4bが形成されていると共に、前記下部パッケージ5bの内面には、複数の下部検出電極5A,5Bが形成されている。
The outer frame portion 1 is configured to be sandwiched and stacked between a glass
A plurality of
前記各上部検出電極4a,4bには、ワイヤボンディングによる各々上部電極取り出し部8a,8bが接続されて上部パッケージ5aで保持され、前記各下部検出電極5A,5Bには、ワイヤボンディングによる各々下部電極取り出し部10a,10bがセンサが接続されている。
The
前記外枠部1を介して上部及び下部パッケージ5a,5bにより形成された空間部20内には、前記外枠部1である半導体ウェハ11をエッチング処理して得られた重錘体3が前記半導体ウェハ11の一部の保持された複数の梁部2a,2bによって上下に移動できるように構成されている。
前記梁部2a,2bには、ワイヤボンディングによる各々重錘体電極取り出し部9が共通接続されている。
In the space 20 formed by the upper and
A weight electrode lead-out
前記重錘体3は、前記梁部2a,2bを挟持するように同じ重量の第1、第2重錘片3a,3bが貼付けて設けられており、この重錘体3の重心Gは前記梁2a,2bの長手方向の延長線上に位置している。
なお、前記第1重錘片3aは前記下層シリコン基板11aよりなり、前記各梁部2a,2bは前記絶縁酸化膜11bと上層シリコン薄膜11cとからなり、前記第2重錘片3bは前記貼り合わせシリコン基板11dより構成されている。
The
The
なお、前述の半導体ウェハ11は、約600μm厚の単結晶シリコン基板上に、1μm厚の絶縁酸化膜11bを挟んで20〜40μm厚の上層シリコン薄膜11cを有する3層構造で構成されている。この上下2層のシリコンをドライエッチングする際に中間の絶縁酸化膜11bをマスクに利用することにより寸法精度の優れた重錘体3及び梁部2a,2bを形成しており、他軸感度が発生しないように、各重錘片3a,3bの質量は同一となるように構成されている。
また、前述のシリコン同志の貼り合わせは、酸素雰囲気中、約1100℃にてアニール処理することにより可能であり、これによって梁部の長手方向の延長線上に重錘体3の重心が配置され、他軸感度の発生を抑えることができる。
The
Further, the bonding of the silicon members can be performed by annealing at about 1100 ° C. in an oxygen atmosphere, whereby the center of gravity of the
また、前述の他軸感度を発生させる要因としては、前述の重錘体3の構成とは別に、重錘体3の中心軸まわりに回転が加わった場合が考えられるが、特に問題となるのは梁部2a,2bの長手方向の回転であるが、この現象を抑えるために重錘体3の上下すなわち各パッケージ5a,5bの上部検出電極4a,4b及び下部検出電極5A,5Bを各々独立して一対構成とし、回転が加わった時の重錘体3の偏り(すなわち静電容量の変化)を検出し、図示しない電子回路で処理することにより、回転による他軸感度の発生を抑えることができる。また、この電子回路によりサーボループを組んで周知のフィードバック制御を行うことにより、高精度な加速度センサを実現している。
In addition to the above-described configuration of the
図6及び図7で示されるように、前述の図4及び図5で示される検出素子30を3個用いて三軸構成とすることにより、X,Y,Z軸加速度計65a〜65cからなる三軸加速度計65及びX,Y,Z軸ジャイロ66a〜66cからなる三軸ジャイロ66が箱状の本体200内に配設されている。
As shown in FIGS. 6 and 7, the three detection elements 30 shown in FIGS. 4 and 5 described above are used to form a three-axis configuration, thereby comprising X, Y, and Z-axis accelerometers 65a to 65c. A triaxial accelerometer 65 and a triaxial gyro 66 including X, Y, and Z axis gyros 66 a to 66 c are disposed in the box-shaped
前記三軸加速度計65及び三軸ジャイロ66には、電源部201から電源が供給されると共に、前記三軸加速度65及び三軸ジャイロ66からの出力信号は、この本体200内のX,Y,Z軸信号処理部102,103,104で周知の信号処理をされた後、三次元の位置データを示す三次元位置データ300として、前記本体200内のデータ送信部202から、図1の演算装置301に無線装置302を介して伝送されるように構成されている。尚、演算装置301は、装着部材に設けられる場合もあり、また、無線装置302の代わりにケーブルを使う場合もある。
The triaxial accelerometer 65 and the triaxial gyro 66 are supplied with power from the power supply unit 201, and output signals from the triaxial acceleration 65 and the triaxial gyro 66 are supplied to the X, Y, After performing known signal processing in the Z-axis signal processing units 102, 103, and 104, the three-
前記演算装置301では、周知の図示しないカルマンフィルタ、温度補正部及び静止ドリフト補正部等が内蔵され、この演算装置301で演算された三次元慣性データは、前記演算装置301から他の必要な機器に送られるように構成されている。 The arithmetic unit 301 includes a well-known Kalman filter, a temperature correction unit, a static drift correction unit, and the like (not shown), and the three-dimensional inertia data calculated by the arithmetic unit 301 is transferred from the arithmetic unit 301 to other necessary devices. It is configured to be sent.
前述の図1で示された本発明による三次元入力装置400は、実際に使う場合は、図2のように、操作者401の手402に装着部材100を介して装着し、この三次元入力装置400からの三次元位置データ300及び各曲げセンサ106からの出力信号が演算装置301で信号処理された後、操作者401のヘッドマウントディスプレイ403に入力され、頭部の動きに追従した仮想視点の映像404として手の動作が画像として合成表示されている。
尚、前記ヘッドマウントディスプレイ403には、姿勢角を検出するための姿勢センサ405が設けられ、この姿勢センサ405からの出力信号が映像404の画像再生に入力されて姿勢に合わせて画像が変化するように構成されている。
When the three-dimensional input device 400 according to the present invention shown in FIG. 1 is actually used, the three-dimensional input device 400 is mounted on the
The head mounted display 403 is provided with a posture sensor 405 for detecting a posture angle. An output signal from the posture sensor 405 is input to the image reproduction of the video 404, and the image changes according to the posture. It is configured as follows.
図3の場合は、操作者401の手402に設けられた三次元入力装置400からの三次元位置データ300は、ケーブル410を介して前記演算装置301を有する駆動装置500に入力され、この駆動装置500からの駆動信号501によってロボットハンド502が作動するように構成されているため、この三次元入力装置400を設けた手402の動作に応じてロボットハンド502が遠隔操作されるように構成されている。
In the case of FIG. 3, the three-
本発明は、ロボットの操作用に限ることなく、リハビリ等にも適用可能である。 The present invention is not limited to the operation of a robot but can be applied to rehabilitation and the like.
65 三軸加速度計
66 三軸ジャイロ
100 装着部材
102 手首部
103 甲部
104 指部
105 センサ
106 曲げセンサ
300 三次元位置データ
301 演算装置
302 無線装置
400 三次元入力装置
403 ヘッドマウントディスプレイ
404 映像
405 姿勢センサ
410 ケーブル
500 駆動装置
502 ロボットハンド
65 Three-axis accelerometer 66 Three-axis gyro 100 Mounting member 102 Wrist part 103 Back part 104
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