JPH0227420A - 三次元座標入力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は三次元座標入力制御装置および三次元座標入
力方法に関し、特に、計算機などのシステムと人間との
インタフェースにおいて、三次元座標を高速かつ正確に
入力するための三次元座標入力制御装置および三次元座
標入力方法に関する。

［従来の技術］ 仮想の空間に居るがごとく感覚で三次元物体を設計する
、あるいは、宇宙、海底など人が容易に立ち入れないよ
うな空間において人に代わって作業するロボットを臨場
感で遠隔操作する、などに代表される人工臨場感空間で
の各種操作は古くから夢の技術として考えられてきた。

このようなマンマシン・インタフェースを実現するため
に必要な技術としては、三次元画像表示技術、三次元座
標入力技術１機械と操作者の間の相互作用制御技術が挙
げられる。

このうち、画像表示技術は、該インタフェースにおいて
最も基本的なものであり、従来から各種の方式が検討さ
れてきたが、制約条件が多いため、長い間実用化には至
らなかった。

しかしながら、最近になって高速、高輝度デイスプレィ
の出現とともに、時分割眼鏡、偏光眼鏡などを用いた実
用的な両眼立体視表示が開発されるに至り、該インタフ
ェースは現実的なものとして考えられるようになった。

該インタフェースに関する動向は、上述のごとく、やっ
と三次元画像表示技術が開発された状況にあるため、該
三次元表示環境における座標入力。

さらには操作者との相互作用制御技術は、課題として残
されており、したがって従来このような三次元指示入力
装置、さらにはシステムと操作者との相互作用を制御す
る装置に関する発明例は少ない。

三次元指示入力装置としては、マウスなどの二次元入力
装置を改良して使用する方法も考えられる。しかし、本
願発明者等の実験によると、この場合、奥行き方向を指
示するためにたとえばマウスのスイッチを操作しなけれ
ばならず、奥行き方向の指示と奥行を含まない方向の指
示との比較において、指示時間に異方性が見られるなど
、操作特性上望ましくない結果が得られる。このように
、Ｘ軸、ｙ軸、Ｚ軸の移動方法がすべて同一でない場合
には、操作特性が劣化する傾向にある。

以上の考え方によると、三次元指示装置には三次元座標
を検出するセンサを用いる方法が有望と言える。すなわ
ち、磁気センサ、光センサなどを三次元センサとし、こ
れを手で直接操作することにより、座標を選択して入力
する方法である。本願発明者等は、磁気センサを用いて
これを実験し、指示時間の異方性が減少するなど操作性
が向上することを確認した。しかし、この実験では、同
時に手によるセンサの保持が不安定であるため、小さな
目標の指示には適さず、また長時間の使用は腕の疲労の
点から難しいなどの問題も明らかになった。さらに、こ
の方法では、システムから操作者に対してフィードバッ
クを与えることができないため、システムと操作者との
相互作用は必要な処理には向かないなどの問題も指摘さ
れる。

［発明が解決しようとする課題］ それゆえに、この発明の主たる目的は、三次元指示入力
において、既存の二次元指示装置の改良では対応できな
いような操作性に係る問題点、すなわち、奥行き方向の
指示精度か悪い、指示が遅れる。さらにはこれらの指示
特性について異方性があるなどの問題点を解決し得る三
次元座標入力制御装置および三次元座標入力方法を提供
することである。

［課題を解決するための手段］ 第１請求項に係る発明は、操作者が三次元座標を入力す
るために操作する取手と、取手の近傍に設けられ、その
取手の三次元座標を検出するための三次元座標検出手段
と、複数の関節を含み、取手を三次元座標空間に保持す
るための腕機構と、三次元座標検出手段によって検出さ
れた三次元座標を任意の三次元座標系に変換するための
座標変換手段を備えて三次元座標入力制御装置が構成さ
れる。

第２請求項に係る発明は、第１請求項の発明と同様にし
て、取手と三次元座標検出手段と腕機構と座標変換手段
とを含み、さらに複数の関節のうちの少なくとも１つの
関節に回転力調節機構を設け、この回転力調節機構によ
り腕機構の自重による回転力を相殺するように構成した
ものである。

より好ましくは、複数の関節を持つ腕の１つ以上の関節
に座標変換装置からの帰還を受けて、関節に設けられた
腕に所定の回転力を与える駆動装置を付加することによ
り、保持力を増すことが考えられる。

第３請求項に係る発明は、取手と三次元座標検出手段と
、保持機構と、座標変換手段とを備えた三次元座標入力
制御装置を用いて、三次元座標を入力するための三次元
座標入力方法であって、三次元座標検出手段の検出出力
に応じて、表示装置に指標を表示し、その指標と表示装
置に表示された対象画像との相互作用に基づいて、保持
機構に所定の駆動力を与えるようにしたものである。

より好ましくは、保持機構に与える駆動力が取手に作用
する力は、対象画像中にあって、指標に加わる仮想的な
力を模擬するような力とする三次元座標入力方法が考え
られる。

〔作用〕

第１請求項に係る発明は取手と三次元座標検出手段と腕
機構と座標変換手段とから構成され、検出部とこれを保
持する部分を分離しているために、それぞれについて信
頼性の高い設計が容易となり、座標検出精度が腕機構の
機械精度による制約を受けることがない。しかも、保持
部を複数の関節を持つ腕機構で構成しているため、保持
特性を改善する様々な機構を関節および腕に付加するこ
とが容易となる。

第２請求項に係る発明では、関節部に回転力調節機構を
設けることにより、操作者の動作を補助する力を与える
ことができ、必要なときにのみ検出部を自在に操作し、
不要なときには腕を固定するなどの工夫ができ、操作者
の疲労防止、細部の指示などが可能となる。

第３請求項に係る発明は、表示装置に表示された対象画
像と、指標との相互作用に基づく所定の駆動力を与える
ことにより、入力三次元座標を対象画像の表面上、内部
、外部などに限定できる。

［発明の実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示す図である。

第１図において、腕機構１は腕要素１１．１２と、第１
ないし第６の関節２１〜２６と、バランス重り機構３０
と磁界検出コイル４０と取手７０とから構成される。よ
り具体的に説明すると、第１の関節２１は腕固定機構８
０に取付けられるとともに、第２の関節２２に連結され
ている。第２の関節２２には腕要素１１の一端が取付け
られ、腕要素１１の他端には第３の関ｆｉｉ２３が取付
けられている。関節２３には摩擦を調整するための調圧
機構に代表される回転力調節機構６０が取付けられてい
る。また、第３の関節２３には腕要素１２が取付けられ
、腕要素１２の一端には第４の関節２４が連結されてお
り、他端にはバランス重り機構３０が取付けられている
。第４の関節２４は第５の関節２５に連結され、この第
５の関節２５には第６の関節２６が連結されている。そ
して第６の関節には取手７０が連結されている。取手７
０内には磁界検出コイル４０が内蔵されている。また、
腕機構１から離れた位置に磁界発生コイル５０が設けら
れている。

磁界発生コイル５０を構成する３つのコイルは所定の位
置に、それぞれ直交する向きに配置されており、図示し
ない発振器により時分割で順次励振され、その周囲に交
流磁界を形成する。また、取手７０に内蔵された磁気検
知コイル４０は、同様にして、それぞれ直交する向きに
配置された３つのコイルからなり、磁界発生コイル５０
によって形成される交流磁界の強度を電圧として検出し
、図示しない座標検出装置により磁界発生コイル５０の
座標系において、ｘｒ　　ｙ＋　　ｚ成分が計算される
。それによって、磁界発生コイル５０を基準にした場合
の取手７０の位置および向きが計測される。

さらに、その位置および向きは図示しない三次元表示装
置の座標系に変換される。したがって、取手７０を動か
すと、その位置は三次元表示装置に表示されている画像
と連動する。なお、三次元磁気センサは所定の原点を基
準にして、絶対座標を出力するだけでなく、前の位置と
のｔ■対的な移動量だけを出力することもできる。

次に、取手７０の動き自由度について説明する。

関節２１，２．２および２３の動きによって関節２４は
関節２２を中心として腕要素１１と１２の長さの和を半
径とする半球内の任意に位置に移動可能である。さらに
、取手７０は関節２４．２５および２６の動きにより、
関節２４に対して任意の回転角を持つことができる。し
たがって、取手７０は腕固定機構８０に対して、任意の
位置に任意の回転角で位置することができる。それによ
って、この実施例による保持機構は取手７０に対して６
自由度を持つことになる。

次に腕要素１２の自重による回転力を相殺する機構につ
いて説明する。それぞれの関節にバランス機構を設け、
関節の回転軸上に重心を設定することで、関節から先の
腕の自重による回転力を相殺することが可能である。第
１図に示した例では、第３の関節２３にバランス重り機
構３０が設けられ、第３の関節２３のまわりの回転力を
相殺する。

さらに、関節２３に滑り摩擦を持たせ、この摩擦を回転
力調節機構６０で調整することにより、各関節を固定で
きる。

この実施例の他に、三次元座標検出装置としては、光セ
ンサや超音波発音体と超音波マイクロホンの組合わせな
どを用いることもできる。関節の腕の自重による回転力
を相殺する回転力調節機構として、この実施例のバラン
ス重り機構３０や摩擦を調節する調圧機構の他に、電磁
クラッチやステップモータなどを関節２３に用いること
ができる。関節部分に能動装置を用いた回転力調節機構
の場合、関節制御装置を用いて制御すればよい。

この場合、関節制御装置は、座標検出装置から得られる
座標値をもとに゛して、腕の関節を制御することにより
、動き補助が可能である。

具体的には、取手７０部分の移動方向を検出し、その方
向への移動を相殺するように駆動装置を制御することに
より、腕の自重による取手７０の移動を相殺する動き補
助、取手７０の移動速度と加速度を検出して、加速度が
移動方向に正の値をとる場合、移動を助ける力を関節に
与え、加速度が負の場合移動を抑制する力を関節に与え
るように駆動装置を制御することによって、小さな力で
取手７０を移動させることができるようにする動き補助
などがある。

第２図はこの発明の他の実施例を示す図である。

この第２図に示した実施例は、取手７０の回転角を定め
る関節を球状体の継手９０を用い実現したものであって
、これにより第１図に示した関節２４．２５および２６
を不要にでき、取手７０の動き６自由度はそのままであ
る。なお、この実施例では、腕要素１１にもバランス重
り機構３１が設けられる。

第３図はこの発明の一実施例の三次元座標入力制御装置
を用いた応用例を示すブロック図である。

第３図において、関節制御装置１００は第１図に示した
腕機構１の関節２１ないし２６を制御するものである。

三次元座標検出装置ｆｔ１ｌＯは第１図に示した磁界検
出コイル４０の検出出力に基づいて、三次元座標を検出
するものである。なお、取手７０には座標を選択するた
めのスイッチ１７０が設けられており、このスイッチ１
７０の操作に応じて発生されるスイッチ信号は三次元座
標検出装置１１０に与えられる。主制御装置１３０は全
体の制御をつかさどるものであり、座標変換部１２０は
三次元座標検出装置１１０によって検出された三次元座
標を後述の三次元画像データベース１８０に含まれる座
標系に変換するものである。

立体画像生成装置１４０は主制御装置１３０からの制御
信号に基づいて、座標変換部１２０によって変換された
三次元座標データと、三次元座標画像データベース１８
０から出力された画像データをもとにして、立体画像に
よる指標画像として左右の画像対を生成する。表示制御
装置１５０は立体画像生成装置１４０において生成され
た画像を立体視できるように画像対を表示画面１６０に
表示させるためのものである。表示画面１６０は時分割
眼鏡を用いた立体表示、鏡を用いた表示の合成およびハ
ーフミラ−と偏光眼鏡を用いた表示器によって構成され
る。

次に、三次元座標画像データベース中での座標値入力例
について説明する。取手７０を操作すると、三次元座標
検出装置１１０は磁界検出コイル４０の検出出力に基づ
いて三次元座標を検出し、主制御装置１３０に与える。

主制御装置１３０は、三次元座標検出装置１１０から出
力された三次元座標を座標変換部１２０によって三次元
画像データベース１８０中の座標に変換させる。立体画
像生成装置１４０は座標変換部１２０によって変換され
た三次元画像データと三次元画像データベース１８０か
ら出力された画像データをもとにして、三次元座標物体
象と指標画像を立体視できるように左右の画像対を生成
する。表示制御装置１５０は生成された画像を表示画面
１６０に立体表示させる。

ここで、利用者は表示されている指標画像を、取手７０
を動かすことにより画面中で移動させ、三次元画像デー
タベース１８０中の座標を選択し、スイッチ１７０を操
作する。このスイッチ１７０が操作された時点での座標
変換部１２０の出力が入力された座標として得られる。

さらに、取手７０の移動方向を主制御装置１３０が判別
し、その方向への取手７０の移動を関節制御装置１００
が補助するように、関節２１ないし２６の駆動装置を制
御することによって、取手７０を動かすのに必要な力を
補助することができる。

第４図はこの発明の一実施例の三次元座標入力制御装置
を用いて三次元座標を入力する方法の他の例を示す図で
ある。

この第４図に示した実施例は、立体画像生成装置２４０
が立体画像での表示画像と指標との関係を主制御装置２
３０に帰還させ、それに基づいて、関節制御装置２００
が取手７０の移動を補助したり制限するように関節２１
ないし２６を制御するようにしたものであって、それ以
外の構成および動作は第３図に示した実施例と同じであ
る。

この実施例では、・入力される座標を三次元画像の内外
部および表面などに制限することができる。

すなわち、この実施例の特徴は、指標と表示画像との関
係をもとに、取手７０の移動に制限を加えたり、仮想的
な力を模擬する点である。仮想的な力の例としては、表
示画像および指標はともに磁石のような磁性体であると
仮定して、その間に働く磁力が挙げられる。この場合、
利用者は取手７０を通じた２つの物体の位置とその間の
磁力強度の関係を体験することができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、取手と三次元座標検
出手段と腕機構と座標変換手段とによって三次元座標入
力制御装置を構成したことによって、高い精度で高速に
三次元座標を入力できる。

また、操作者の疲労が少なく、操作者への力学的なフィ
ードバックを与えることが容易などの数々の特徴がある
ため、三次元画像の作成、三次元データベースの操作、
ロボットの臨場感遠隔操作および模擬体験などのインタ
フェース応用分野に使用できる。また、腕機構の自重に
より回転力を相殺するための回転力調節機構を少なくと
も１つの関節に設けることにより、操作者の動作を補助
する力を腕機構に与えることができる。さらに、三次元
座標入力制御装置を用いて、表示装置に表示された対象
画像と指標との相互作用に基づく所定の駆動力を与える
ことにより、入力三次元座標を対象画像の表面上、内部
および外部などに入力座標を限定することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す図である。 第２図はこの発明の他の実施例を示す図である。 第３図は三次元座標入力制御装置を用いて三次元座標を
入力する方法の応用例を示す図である。第４図は三次元
座標入力方法の他の応用例を示す図である。 図において、１は腕機構、１１．１２は腕要素、２１な
いし２６は関節、３０．３１はバランス重り機構、４０
は磁界検出コイル、５０は磁界発生コイル、６０は回転
力調節機構、７０は取手、１００．２００は関節制御装
置、１１０は三次元座標検出装置、１２０は座標変換部
、１３０，２３０は主制御装置、１４０，２４０は立体
画像生成装置、１５０は表示制御装置、１６０は表示画
面、１８０は三次元画像データベースを示す。 特許出願人　株式会社エイ・ティ・アール通信第２図 第１

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）操作者が三次元座標を入力するために操作する取
   手、 前記取手の近傍に設けられ、該取手の三次元座標を検出
   するための三次元座標検出手段、複数の関節を含み、前
   記取手を三次元座標空間に保持するための腕機構、およ
   び 前記三次元座標検出手段によって検出された三次元座標
   を任意の三次元座標系に変換するための座標変換手段を
   備えた、三次元座標入力制御装置。
2. （２）さらに、前記座標変換手段の帰還出力に応じて、
   前記腕機構の少なくとも１つの関節に設けられた腕に所
   定の回転力を与える駆動手段を含むことを特徴とする、
   請求項１に記載の三次元座標入力制御装置。
3. （３）操作者が三次元座標を入力するために操作する取
   手、 前記取手の近傍に設けられ、該取手の三次元座標を検出
   するための三次元座標検出手段、複数の関節を含み、前
   記取手を三次元空間に保持するための腕機構、 前記複数の関節のうちの少なくとも１つの関節に設けら
   れ、前記腕機構の自重による回転力を相殺するための回
   転力調節機構、および 前記三次元座標検出手段によって検出された三次元座標
   を任意の三次元座標に変換するための座標変換手段を備
   えた、三次元座標入力制御装置。
4. （４）操作者が三次元座標を入力するために操作する取
   手、 前記取手の近傍に設けられ、該取手の三次元座標を検出
   するための三次元座標検出手段、前記取手を三次元空間
   に保持するための保持機構、および 前記三次元座標検出手段によって検出された三次元座標
   を任意の三次元座標に変換するための座標変換手段を備
   えた三次元座標入力制御装置を用いて三次元座標を入力
   するための三次元座標入力方法であって、 前記三次元座標検出手段の検出出力に応じて、表示装置
   に指標を表示し、該指標と前記表示装置に表示された対
   象画像との相互作用に基づいて、前記保持機構に所定の
   駆動力を与えることを特徴とする、三次元座標入力方法
   。