JP5113762B2 - ３次元モーション入力器 - Google Patents

Description

この発明は３次元モーション入力器の構造に関する。

特許文献１(特公平4-57202)は、リングにスリットを設けて、スリットを通過した光を検出することにより、スリットの向きを検出することを開示している。そしてリングをベースに対して３次元的にモーション可能にすると、リングの６軸の３次元モーションを６個のスリットで検出し、３次元モーションを入力できる。しかしながらリングに対して６軸を意識しながらモーションを入力することは難しい。例えば対象を回転させずに水平移動させようとする場合、回転に対応する運動をリングに加えずに、水平移動に対応する運動のみを加えるのは難しい。そこで発明者は、６軸のモーションの入力が容易な３次元モーション入力器を検討し、この発明に到った。

特公平4-57202

この発明の課題は、３次元モーションの入力を容易にすることにあり、特に所定の面内の運動と、この面外の運動もしくは前記面内の回転とを別々に入力できるようにすることにある。

この発明は、ベースにバネで支えられ、かつユーザが操作自在なリングと、前記リングのベースに対する４軸の変位を検出するための３次元モーション検出手段と、前記リングの中央部に設けられた２次元並進モーションを入力するための２次元入力手段、とを備えた、３次元モーション入力器にある。以下、３次元モーションを３Ｄモーション、３次元を３Ｄ、２次元を２Ｄと略記する。

好ましくは、前記２Ｄ入力手段をトラックボールとする。
また好ましくは、前記３Ｄモーション検出手段は、ベースに対するリングの押し引きから前記２Ｄモーション以外の並進を、ベース上面に対するリングの傾斜から２軸分の回転を、リングの中心軸回りの回転から３Ｄ空間での残る１軸分の回転を検出する。

好ましくは、前記２Ｄ入力手段からの入力を禁止するためのスイッチを設ける。

また好ましくは、前記３Ｄモーション検出手段は、リングとベースの一方に磁石を、他方にホール素子を設けて、該磁石に対するホール素子の位置関係から、ベースに対するリングの変位を検出する。

この発明では、６軸の３Ｄモーションの内、１つの面内での２Ｄ並進を２Ｄ入力手段から入力し、他の４軸の運動を２Ｄ入力手段の周囲のリングから入力する。１つのリングから６軸の運動を入力しないので入力が容易で、特に回転のない単なる並進を入力するのが容易になる。また２Ｄモーションの入力はリング中央の２Ｄ入力手段から行えるので、同じ位置で手を大きく動かさずに、２Ｄモーションの入力と他の入力とを行うことができる。

ここで２Ｄ入力手段をトラックボールとすると、リング中のボールを例えば手のひらで回転させて２Ｄモーションを入力できる。
４軸の３Ｄモーションの割り当てでは、ベースに対するリングの押し引きを２Ｄモーション以外の並進に割り当てると、並進操作で残る１軸の並進を入力できる。またベース上面に対するリングの傾斜から２軸分の回転を検出すると、ベースに平行な２軸に対する回転から２軸分の回転を検出できる。そしてリングの中心軸回りの回転を用いると、リングの回転を３Ｄ空間での回転に自然に割り当てることができる。

リングを操作している過程で２Ｄ入力手段に触れることがあるが、２Ｄ入力を禁止するためのスイッチを設けると、リングの操作中に２Ｄ入力手段に触れても、トラブルが生じない。
３Ｄモーション検出手段としては、公知のようにＬＥＤとスリットとＰＳＤ（位置検出器）の組み合わせを用いても良いが、リングやその周囲のＬＥＤ等をコンパクトに配置すると、３Ｄモーションの分解能が粗くなる。そこでリングとベースの一方にホール素子を、他方に磁石を設けると、リングとベースの間隔の変化等を高い分解能で検出できる。

実施例のモーションコマンダーの平面図 実施例のモーションコマンダーの側面図 実施例のモーションコマンダーのIII−III方向断面図 実施例のモーションコマンダーの底面図 実施例のモーションコマンダーの使用状態を模式的に示す図 変形例のモーションコマンダーの要部平面図 第２の変形例のモーションコマンダーの要部平面図 実施例のモーションコマンダーでの３Ｄ入力部の要部平面図 実施例のモーションコマンダーでの垂直モーションの検出機構を模式的に示す図 実施例のモーションコマンダーでの２Ｄモーションの検出機構を模式的に示す図 垂直モーションと２Ｄモーションを同時に検出する変形例を模式的に示す図 垂直モーションの検出機構の変形例を模式的に示す図 ２Ｄモーションの検出機構の変形例を模式的に示す図 実施例でのトラックボールを模式的に示す図 実施例でのモーションコマンダーと外部の付帯回路とを示す図 実施例でのγ補正を模式的に示す図 実施例のモーションコマンダーを用いたニットデザイン装置のブロック図

符号の説明

２ モーションコマンダー ４ ケース ５ 上ケース ６ 下ケース
８ パームレスト １０ 溝 １２ 窪み １２ａ〜ｄ 傾斜面
１３ａ〜ｃ 平坦面 １４ リング １６ トラックボール
１８ 周辺部 ２０，２２ キーボード ２６ バネ ２８ ピン
３０ 基板 ３２ リング ３４ パッド ３５ 孔 ３６ ＬＥＤ
３８，３９ スリット ４０ ＰＳＤ ４１ スリット
５０，５１ ホール素子 ５２ 磁石 ５６，５７ ローラ
６０ 付帯回路 ６１ モーション計算部 ６２ γ補正部
６３ インターフェース ７０ ニットデザイン装置 ７１ キーボード
７２ カラーモニタ ７３ プリンタ ８０ ニットデザイン部
８１ データ変換部 ８２ ３Ｄシミュレーション部

以下にこの発明を実施するための最良の形態を示すが、これに限るものではない。

図１〜図１７に、実施例のモーションコマンダー２とその変形とを示す。モーションコマンダー２は３Ｄモーションの入力に用い、４はケースで、上ケース５と下ケース６とから成り、以下図１の下側を手前、上側を先端、図１の左右を左右という。モーションコマンダー２は手前から先端へと高くなるように傾斜しており、手前側には手前の縁から立ち上がる傾斜面があり、これをパームレスト８とする。パームレスト８に続いて、ケース上面中央部に環状の溝１０があり、下ケース６の両側面に窪み１２がある。１２ａ〜１２ｄは窪み１２の傾斜面で、下ケース６の底面は例えば図４に示すように平坦面１３ａ〜１３ｃから成り、このうち平坦面１３ｂは設けなくても良い。

１４はリングで、その上面は上ケース５の上面と平行で、１６はトラックボール、１８は周辺部で、これらは溝１０内に例えば同心に存在し、溝１０に対して周辺部１８が立ち上がり、周辺部１８に対してリング１４が立ち上がり、さらにトラックボール１６の頂面はリング１４の上面よりも高い位置にある。またリング１４の上面は、周辺の上ケース５の上面とほぼ同じ高さにある。なお図３の右側に示すように、溝１０を設けずリング１４が周囲のケース上面から直接立ち上がるようにしても良い。

２０，２２はそれぞれキーボードで、それぞれ一群のキーを配列したもので、キーボード２０は溝１０を取り巻くように、キーボード２２は上ケース５の先端側に、配置してある。キーボード２０はリング１４やトラックボール１６の操作に直結した指令を入力し、例えばトラックボール１６からの入力の禁止、リング１４からの入力の禁止、直前の入力の取消、トラックボール１６やリング１４の感度の変更などのキーを含んでいる。これらのキーは、リング１４やトラックボール１６から３Ｄモーションを入力する過程で常用するキーである。これに対してキーボード２２には使用頻度の低いキーや、トラックボール１６やリング１４の入力とは直結しないメニュー表示や機能呼び出しなどのキーを配置する。

モーションコマンダー２の使用状態を図５に例示すると、パームレスト８で手のひらを支え、溝１０に指の先端を配置して、リング１４を指で、トラックボール１６を例えば手のひらで操作する。そしてキーボード２０に対しては、指を僅かに伸ばすだけでタッチすることができる。またリング１４の周囲に溝１０があるので、この中に指を入れてリング１４を操作できる。これによりトラックボール１６やリング１４の高さを低く抑えることができ、キーボード２０から指令を入力する際には、手のひら等がトラックボール１６やリング１４に触れないようにできる。なお図５では、人の手をやや小さめに表示してある。

モーションコマンダー２を持ち運ぶ場合、下ケース６の両側面に窪み１２があり、この部分に指を当てることにより、落とさずに簡単に運ぶことができる。

実施例でのトラックボール１６は所定の面内の並進モーション、即ちｘ方向モーションとｙ方向モーションを入力するためのもので、トラックボール１６の場合、溝１０に指先を置いた同じ位置で手のひらを用いて操作したりできる。ここで所定の面とは、例えば図１７のニットデザイン装置のカラーモニタ７２の画面である。しかしながら２Ｄモーションの入力手段自体は他のものも使用可能で、例えば図６のパッド３４の場合、パッドの前後左右の４箇所に触れることにより、２Ｄ並進モーションを入力できる。リング１４はここでは円状にしてあるが、図７のリング１４’のように多角形状などにしてもよい。

リング３２による、４軸分の３Ｄモーションの検出を図８〜図１１に示す。プラスチックのリング１４の下部に基板のリング３２が取り付けてあり、ケース４に固定の基板３０に対し、例えば３箇所でバネ２６により支持されている。２８はピンで、基板３０に一端を固定され、リング３２の長孔２９を通過して、リング３２の変位範囲を制限する。また基板３０には孔３５を設けてトラックボール１６を収容できるようにする。リング３２の周囲に、ＬＥＤ３６とＰＳＤ（位置検出器）４０とを対向するように、基板３０の例えば４箇所に設け、その間に位置するようにスリット３８，３９をリング３２に設ける。

図９に示すように、スリット３８は３Ｄモーションの検出用で、リング３２が運動すると、ＬＥＤ３６からスリット３８を通過したビームが上下に移動し、これをＰＳＤ４０で検出する。スリット３９は高さ方向を表すｚ軸回りの回転θの検出用で、図１０に示すように、リング３２がｚ軸回りに回転すると、スリット３９を通過したＬＥＤ光のビームがＰＳＤ４０に対して左右動するので、θ方向の運動を検出できる。

スリット３８を３箇所に、スリット３９を１箇所に設けることにより、合計３Ｄの４軸のモーションを検出できる。４個のＰＳＤ４０の信号と、４軸の運動との対応付けは任意であるが、例えばリング３２をｚ軸方向に引っ張りもしくは押し込むことをｚ軸方向の運動に対応させる。リング３２をｚ軸回りに回動させることをｚ軸回りの回転θに対応させる。リング３２がｘ軸方向に沿って傾斜することを、ｙ軸を中心とする回転φに対応させ、ｙ軸に沿って傾斜することをｘ軸回りの回転ψに対応させると、リング３２の操作と入力する運動の種類を自然に対応させることができる。そして２Ｄモーション、即ちｘｙ方向の運動はトラックボール１６で検出できる。以上によって３Ｄモーションの６軸の運動を検出できる。

実施例ではＬＥＤ３６を４個用いたが、１個のＬＥＤからの光を例えば光ファイバーで４個のスリット３８，３９に供給しても良い。またスリットの形状は任意で、例えば図１１のスリット４１のように、ピンホールを備えたスリット４１を用い、１個のスリット４１で２方向の運動を検出するようにしても良い。

モーションコマンダー２をコンパクトにするため、スリット３８，３９とＬＥＤ３６の間隔を縮めると、リング３２を僅かに変位させても、ＰＳＤ４０ではビームの位置が大きく変化する。このため細かな３Ｄモーションを入力することが難しい。この点を改良した例を図１２，図１３に示す。図１２，図１３の５０，５１はホール素子、５２は磁石で、永久磁石でも電磁石でも良い。図１２でホール素子５０を磁石５２に近づけあるいは遠ざけると、ホール素子５０が受ける磁界が変化し、これから磁石５２に対する高さを検出できる。また図１３でホール素子５１の一部が磁石５２の上部にあるようにすると、リング３２をｚ軸回りに回動させると、ホール素子５１のうちで磁石５２と重なる部分の面積が変化し、これからｚ軸回りの回転角θを検出できる。なおホール素子とＬＥＤとを併用しても良く、例えばリング３２のｚ軸周りの回転角θを図１０のスリット３９とＬＥＤ３６，ＰＳＤ４０で検出し、それ以外のリング３２の傾斜（ｘ軸回りやｙ軸回りの回転）や、ｚ軸方向の並進運動（ケース４の上面に直角な運動）を図１２のホール素子５０で検出しても良い。

図１４に、トラックボール１６によるｘ，ｙ方向モーションの検出を示す。５６，５７はローラで、トラックボール１６のｘ方向やｙ方向の回転を検出する。

図１５にモーションコマンダー２の付帯回路６０を示す。６１はモーション計算部で、リング１４からｚ，θ，φ，ψ方向のモーションが入力され、トラックボール１６からはｘ，ｙ方向のモーションが入力される。またキーボード２０からは例えばトラックボール１６をロックしてｘ方向やｙ方向の入力を無効にする、リング１４をロックしてリングからの４軸の入力を無効にする、トラックボール１６やリング１４に対する感度を変更する等の信号が入力される。これらの信号に基づき、モーション計算部６１は三角法により、ｘ，ｙ，ｚ，θ，φ，ψの６軸の座標変化を検出する。特にトラックボール１６の入力を無効にするキーをキーボード２０に設けると、リング１４を操作するためにトラックボール１６に誤って触れてもトラブルが生じない。

三角法で求めた運動では、リング１４やトラックボール１６の変位と、３Ｄモーションの程度が比例する。これに対して、リング１４やトラックボール１６を僅かに操作した場合には感度を小さくして、不用意にトラックボール１６やリング１４に触れた際の誤差を除き、かつ微細な３Ｄモーションの入力を可能にすることが好ましい。またトラックボール１６やリング１４を大きく操作した場合には、大きな３Ｄモーションが入力されたものとして、大きなモーションを簡単に入力できるようにすることが好ましい。このような補正をγ補正部６２で行い、三角法計算により３Ｄ座標がΔＰだけ変化した場合、ΔＰが小さな領域では出力を小さく、図１６に示すように、ΔＰが大きな領域では出力を大きくするように非線形化する。インターフェース６３はキーボード２０，２２からの入力と、γ補正部６２からの出力とを外部に出力する。例えばキーボード２０には直前の入力を取り消すなどのキーがあり、これが操作された場合、その旨をインターフェース６３から出力する。

図１７にモーションコマンダー２を用いたニットデザイン装置７０を示す。７１はキーボード，７２はカラーモニタ、７３はプリンタである。ニットデザイン部８０はモーションコマンダー２からの入力やキーボード７１等からの入力により、ニット製品、特に衣類をデザインする。ニット製品のデザインデータはデータ変換部８１により、編成データと２Ｄや３Ｄのシミュレーションデータとの間で変換され、３Ｄシミュレーション部８２はニットデータをシミュレーションした３Ｄ画像をマネキン等に着装させる。３Ｄシミュレーションでは、ニット製品の着装状態に対し、カラーモニタでの視点を変える、マネキンを動作させる、マネキンの姿勢を変える、等のことが行えると便利である。このためには３Ｄモーションの入力が必要で、これをモーションコマンダー２で行い、得られた３Ｄシミュレーション画像をリアルタイムにカラーモニタ７２に表示し、プリンタ７３でハードコピーする。

実施例では以下の効果が得られる。
(1) ２Ｄ並進モーションはトラックボール１６で、２Ｄ並進モーションを除く４軸の３Ｄモーションはリング１４で入力するので、３Ｄモーションの入力が容易になる。特に１つのリング１４のみを用いて６軸の運動を入力する際の煩わしさがない。
(2) トラックボール１６はｘｙ方向のモーションの入力には極めて適した道具である。またリング１４に対してｘ方向の傾斜、ｙ方向の傾斜、リング１４の押し引き、リング１４の回動の４種類の運動を、３Ｄモーションの４軸の運動と対応させると、簡単に４軸のモーションを入力できる。
(3) モーションコマンダー２を操作する場合、手のひらをパームレスト８で支持し、指先を溝１０内に保持し、ここから手のひらでトラックボール１６を操作できる。また指を縮めてリング１４を掴むことにより、簡単に３Ｄモーションを入力できる。さらに指を伸ばすと、キーボード２０を操作でき、これによって３Ｄモーションの入力と密接な関係のある、トラックボール１６のロックや直前の入力の取消、感度の変更などを入力できる。
(4) 下ケース６の両側面に窪み１２を設けたので、モーションコマンダー２を簡単に持つことができる。
(5) トラックボール１６の上面は上ケース５の上面から僅かに突き出す程度なので、トラックボール１６が妨げとなってキーボード２０へのアクセスが難しくなることがない。

実施例では、モーションコマンダー２の応用としてニットデザイン装置７０を示したが、これ以外の適宜のＣＡＤや３Ｄシミュレーションなどに用いることができる。

Claims (4)

1. ベースにバネで支えられ、かつユーザが操作自在なリングと、
   ベースに対するリングの押し引きから前記ベースに垂直な方向の並進を、ベース上面に対するリングの傾斜から２軸分の回転を、リングの中心軸回りの回転から３次元空間での残る１軸分の回転を検出するための３次元モーション検出手段と、
   前記リングの中央部に設けられた２次元並進モーションを入力するための２次元入力手段、とを備えた、３次元モーション入力器。
2. 前記２次元入力手段がトラックボールであることを特徴とする、請求項１の３次元モーション入力器。
3. 前記２次元入力手段からの入力を禁止するためのスイッチを設けたことを特徴とする、請求項１の３次元モーション入力器。
4. 前記３次元モーション検出手段は、リングとベースの一方に磁石を、他方にホール素子を設けて、該磁石に対するホール素子の位置関係から、ベースに対するリングの変位を検出することを特徴とする、請求項１の３次元モーション入力器。

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