JP2006107024A - 三次元入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、手に装着した装着部材に三次元検出型のセンサを設け、手の動作に応じた三次元位置データを取得して高精度の三次元入力を行うことを目的とする。
【解決手段】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(100)と、前記装着部材(100)に設けられ三次元位置を測定できるセンサ(105)とからなり、前記センサ(105)からの三次元位置データ(300)を得る構成である。
【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

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。

特開２００３−２９６０１３号公報 特開２００３−３５５１５号公報 特開２００２−２８７８９０号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明による三次元入力装置を示す構成図である。 図１の三次元入力装置の使用状態図である。 図１の三次元入力装置の使用状態図である。 図１のセンサの一部を示す断面図である。 図４の斜視図である。 図１のセンサを示す平面図である。 図６の断面図である。

符号の説明

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

Claims (9)

1. 手(402)に装着するための装着部材(100)と、前記装着部材(100)に設けられ三次元位置を測定できるセンサ(105)とからなり、前記センサ(105)からの三次元位置データ(300)を得ることを特徴とする三次元入力装置。
2. 前記センサ(105)は、三次元の三軸加速度計(65)で構成されていることを特徴とする請求項１記載の三次元入力装置。
3. 前記センサ(105)は、三次元の三軸ジャイロ(66)で構成されていることを特徴とする請求項１記載の三次元入力装置。
4. 前記装着部材(100)は、手首部(102)と、前記手首部(102)と一体の甲部(103)と、前記甲部(103)と一体の複数の指部(104)とからなる手袋型よりなることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の三次元入力装置。
5. 前記指部(104)には、曲げを感知するための曲げセンサ(106)が設けられていることを特徴とする請求項４記載の三次元入力装置。
6. 前記センサ(105)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(301)を有することを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の三次元入力装置。
7. 前記センサ(105)からの出力信号を前記演算装置(301)に無線で送受信する無線装置(302)を有することを特徴とする請求項６記載の三次元入力装置。
8. 前記演算装置(301)は、前記装着部材(100)に設けられていることを特徴とする請求項６又は７記載の三次元入力装置。
9. 前記センサ(105)からの出力信号を前記演算装置(301)にケーブルで送信するように構成したことを特徴とする請求項６又は８記載の三次元入力装置。

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