JP2008276675A - 指示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】指示装置の指示する現在位置に拘らず***作対象の全ての可動範囲を指示可能としかつ***作対象からの力覚提示を可能とする指示装置を提供する。
【解決手段】***作対象の特定方向の操作量を操作し、***作対象の反力を操作者側にフィードバックさせる指示装置１であって、無限に回転可能に支持された回転体３と、回転体の回転数及び回転方向を検出するセンサ４と、***作対象からの反力を操作者に力覚提示するため回転体のトルクとして伝達するアクチュエータ５を備えた構成とし、回転体を回転させて回転数及び回転方向をセンサで検出することで***作対象の指示範囲を無限とし、***作対象からの反力を回転体のトルクとして操作者に力覚提示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハプティックデバイス等の指示装置に好適な指示装置に関する。

三次元的に移動可能な***作対象と操作者との関係において操作者の視覚情報に力覚情報を加えて***作対象が目的の物体に接触したときに***作対象から操作者の手に反力を伝えるようにしたハプティックデバイスが従来から知られている（例えば、非特許文献１参照）。
インターネット（URL：http://www.ddd.co.jp/tech_info/tech_phantom.htm）[平成１９年４月１０日検索]

しかしながら、従来のハプティックデバイスは、ハプティックデバイスの変位から***作対象への位置指令を行おうとすると、ハプティックデバイスの可動範囲が有限であり、ハプティックデバイスが可動限界に位置する場合はそれ以上変位させることができず、当然***作対象への指示もできない。従って、操作対象への指示範囲を広げる場合にはいわゆる「尺取虫」的な操作を繰り返して行う必要があり、操作性及び作業性が悪い。

本発明の目的は、指示装置の指示する現在位置に拘らず***作対象の全ての可動範囲を指示可能としかつ***作対象からの力覚提示を可能とする指示装置を提供する。

上述した課題を解決するために、本発明に係る指示装置は、
***作対象の特定方向の操作量を操作し、前記***作対象の反力を操作者にフィードバックさせる指示装置であって、
無限に回転可能に軸支された回転体と、
前記回転体の回転数及び回転方向を検出するセンサと、
前記***作対象からの反力を前記操作者に力覚提示するため前記回転体のトルクとして伝達するアクチュエータを備えたことを特徴としている。

***作対象の特定方向に応じて回転体を回転させることにより無限指示が可能となり、回転体の回転数及び回転方向をセンサで検出することにより、***作対象の特定方向の操作量を無限に操作することが可能となる。そして、***作対象からの反力をアクチュエータによりトルクを発生させ、そのトルクを、回転体を介して操作者に力覚提示する。

これにより、指示装置の指示する現在位置に拘らず***作対象の全ての可動範囲を指示可能としかつ***作対象からの力覚提示を可能とすることができる。即ち、ハプティックデバイスにおいて***作対象に相対位置指示（ハプティックデバイスの現在位置からの移動量より***作対象への位置指令値を求める）を行う場合、ハプティックデバイスの現在位置、ならびに***作対象の現在位置によらず、***作対象の可動範囲を全て指示可能とすることができる。

また、本発明の請求項２に記載の指示装置は、請求項１に記載の指示装置において、
***作対象の動きに与えられた自由度のうち各自由度毎に前記指示装置側を割り当て、前記各指示装置によって***作対象の動きに対応する自由度の方向及び操作量を操作するようにしたことを特徴としている。

***作対象の各自由度毎に指示装置を割り当てることにより***作対象の動きに対応する自由度を指示することが可能であり、かつ指示範囲を無限とすることができる。そして、基本が１自由度の構成となっているため複数を組合せて多軸のハプティックデバイスを構成した場合、操作するときに他軸への干渉が無い。そのため多軸のハプティックデバイス構成で１自由度のみの位置指示を行わせたい場合に干渉抑制装置のような新たな機構を必要としない。

また、本発明の請求項３に記載の指示装置は、請求項１に記載の指示装置において、
各自由度毎に指示装置を割り当てる代わりに単一の指示装置と、前記指示装置と対応する自由度を選択する切換装置とを備えたことを特徴としている。

単一の指示装置を使用し、切換装置により指示装置を選択的に切り替えて***作対象の自由度に対応させる。これにより、単一の指示装置により***作対象の複数の自由度に容易に対応することが可能となり、指示装置自体の小型化を図れる。

位置指示の場合だけでなく、その他の物理量を操作したい場合にも適用が可能である。例えば、相対力指示を行う場合では、ハプティックデバイスの現在位置からの移動量より***作対象への力指令値を求める。このときに本発明を用いればハプティクデバイスの現在位置によらず、ならびに***作対象の現在出力している力の値によらず、***作対象の出力可能な力の範囲を全て指示可能とすることができる。

本発明によると、***作対象の特定方向に応じて回転体を回転させることにより無限指示が可能となり、指示装置の指示する現在位置に拘らず***作対象の全ての可動範囲を指示可能としかつ***作対象からの力覚提示を可能とすることができる。これにより、「尺取虫」的な操作の繰り返しが不要となり、操作性及び作業性の向上が図られる。

また、***作対象の各自由度毎に指示装置を割り当てることにより***作対象の動きに対応する自由度を指示することが可能となる。そして、基本が１自由度の構成となっているため複数を組合せて多軸のハプティックデバイスを構成した場合、操作するときに他軸への干渉が無い。そのため多軸のハプティックデバイス構成で１自由度のみの位置指示を行わせたい場合に干渉抑制装置のような新たな機構を必要としない。

更に、切換装置により指示装置を選択的に切り替えて***作対象の自由度に対応させることにより、単一の指示装置により***作対象の複数の自由度に容易に対応することが可能であり、指示装置の部品点数の削減と、これに伴うコストの低減及び小型化が可能となる。

以下、本発明の一実施形態に係る指示装置について図面に基づいて説明する。図１に示すように指示装置１は、ブラケット２と、回転体３と、センサ４と、アクチュエータ５により構成されている。ブラケット２は、側面から見て略Ｌ字状をなし垂直部２ａに対して直角をなす一側端（図中上端）の水平部が支持板２ｂとされ、支持板２ｃが垂直部２ａの他側端（図中下端）に支持板２ｂと平行に対向して配設固定され、支持板２ｄがこれらの支持板２ｂ，２ｃとの間に平行に対向して配設されて垂直部２ａに固定されている。そして、これらの支持板２ｂ，２ｃ，２ｄの略中央位置に図示しない軸穴が一直線上に形成されている。

回転体３は、操作者が回転させることにより***作対象の位置を指示するためのもので、円柱状をなすローラ（以下「ローラ３」という）とされ、外周面３ａに滑り止め用のローレット目が形成されている。このローラ３は、支持板２ｂの外側（図中上側）に配置され、回転軸３ｂが支持板２ｂの前記軸穴に図示しない軸受けを介して回転自在に軸支されている。そして、回転軸３ｂは、支持板２ｂを貫通して支持板２ｄ側に延在している。

センサ４は、ローラ３の回転方向及び回転数を検出して前記***作対象の位置決めを行うためのもので、例えばエンコーダ（以下「エンコーダ４」という）が使用されている。このエンコーダ４は、ブラケット２の支持板２ｃの外側（図中下側）に配設固定されており、回転軸４ａが当該支持板２ｃの前記軸穴を遊貫して支持板２ｄ側に突出している。

アクチュエータ５は、前記***作対象からの反力を、ローラ３を介してフィードバックして操作者に力覚として提示（伝達）するためのもので、例えばＤＣモータ等の電気モータ（以下「モータ５」という）で構成されている。このモータ５は、ブラケット２の支持板２ｄと支持板２ｃとの間に配置されて支持板２ｄに固定され、回転軸５ａの一側端部が前記軸穴を遊貫して支持板２ｂ側に突出している。そして、モータ５は、回転軸５ａの一側端がローラ３の回転軸３ｂと対向し、他側端がエンコーダ４の回転軸４ａと対向している。

そして、ローラ３の回転軸３ｂとモータ５の回転軸５ａの一側端がカップリング６により連結され、回転軸５ａの他側端とエンコーダ４の回転軸４ａがカップリング７により連結されている。これにより、ローラ３を回転することによりモータ５とエンコーダ４が一体に回転可能とされている。

以下に上記指示装置１の作用を説明する。操作者が***作対象（例えば、ロボット）に指示を与える際にはローラ３を回転させる。このときモータ５は自由回転し、エンコーダ４がローラ３の回転方向及び回転数（回転角度）を計測し、その計測値を、***作対象への指示値とする。ローラ３は、無限に回転可能であり、従って、***作対象の指示範囲を無限とすることが可能となり、指示装置の現在位置によらず、***作対象の可動範囲全域が指示可能となる。***作対象が何かに当たった場合、その反力を図示しない力センサや圧力センサ等により検出してフィードバックしてモータ５にトルクを発生させて操作者に力覚提示する。即ち、操作者は、ローラ３を介してモータ５のトルクを受けることにより***作対象が何かに当たったことを力覚することができる。

図２は、図１に示した指示装置１を無限回転可能にした構造に加えて作業性を向上させた変形例を示している。図１に示した指示装置１と同一部材には同一の符号を付し、対応する部材に対応する符号を付して詳細な説明を省略する。指示装置１’は、回転体としてのローラ３’の外周面３ａ’の形状を、上部３ｃ’を小径に、下部３ｄ’を大径にしてテーパ状をなす円錐台形状としたものである。ローラ３’の回転軸３ｂ’は、カップリング6を介してモータ5の回転軸５ａに連結されている。

ローラ３’をこのような形状とすることにより図１に示した指示装置の作用に加えてローラ３’の回転を調節することが可能となる。即ち、ローラ３’を速く回転させたい場合には小径の上部３ｃ’を回転操作し、遅く回転させたい場合には大径の下部３ｄ’を回転操作する。例えば、***作対象を所定位置に指示する場合、操作者がローラ３’の上部３ｃ’を回転させることにより前記所定位置近傍まで迅速に指示し、次いでローラ３’の下部３ｄ’を回転させて微調節して所定位置に正確に指示する。これにより、作業性の向上が図られる。

図３は本発明に係る指示装置の第１の適用例を示し、***作対象の動きに与えられた自由度のうち各自由度毎に指示装置を割り当て、各指示装置によって***作対象の動きに対応する自由度の方向及び操作量を操作し、かつ指示範囲を無限にする構成としたものである。指示装置１１は、***作対象を例えばＸ軸、Ｙ軸、及びこれらのＸ軸、Ｙ軸により形成されるＸＹ平面とは別の軸線方向であるＺ軸方向（例えば、ロボットであれば高さ方向）の３軸分の位置指示をすると共に指示範囲を無限にするもので、側面から見て逆Ｌ字形状のブラケット１２と、ブラケット１２の垂直部１２ａに一列に横並びに配設固定された３個の指示装置１３，１４，１５からなる。

指示装置１３は、図１に示した指示装置１と基本的な構成は同じであり、回転体としてのローラ２１と、センサ（エンコーダ）とアクチュエータ（モータ）を一体に構成した検出部２２と、ローラ２１の回転軸２１ｂと検出部２２の回転軸２２ａとを連結するギヤ機構２３により構成されている。ローラ２１の回転軸２１ｂと検出部２２の回転軸２２ａは直交して配置されており、ギヤ機構２３により連結されている。

ギヤ機構２３は、直交するローラ２１の回転軸２１ｂと検出部２２の回転軸２２ａとを連結するためのもので、ブラケット２４と、直角に噛合する２つのベベルギヤ２５，２６からなる。このギヤ機構２３は、ブラケット１２の水平部１２ｂの直ぐ下方位置に配置され、ブラケット２４が垂直部１２ａに固定されている。

ローラ２１は、回転軸２１ｂがブラケット１２の水平部１２ｂと平行（水平）に配置されてギヤ機構２３のブラケット２４の両側壁２４ａを貫通して回転自在に軸支され、かつベベルギヤ２５に固定されている。そして、ローラ２１は、外周面２１ａの上部がブラケット１２の水平部１２ｂに形成された窓１２ｃから露出しており、操作者が指先を外周面２１ａに当てて回転操作可能とされている。また、検出部２２は、ギヤ機構２３の下方位置に配置されており、回転軸２２ａがギヤ機構２３のベベルギヤ２６の図示しない回転軸にカップリング２７で連結されている。

指示装置１４，１５は、指示装置１３と同様に構成されており、詳細な説明を省略する。尚、指示装置１４，１５は、指示装置１３のローラ２１、検出部２２と対応させてローラ２１’、ローラ２１”及び検出部２２’、検出部２２”で示してある。そして、指示装置１３が***作対象の動きに与えられたＸ軸、指示装置１４がＹ軸、指示装置１５がＺ軸方向の位置を指示するようになっている。これにより、***作対象の動きに与えられたＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の自由度に対して指示装置１３、指示装置１４、指示装置１５によって***作対象の動きに対応する自由度の方向に指示範囲を無限に操作することができ、指示装置の現在位置によらず、***作対象の可動範囲全域が指示可能となる。

図４は、本発明に係る指示装置の第２の適用例を示し、指示装置１１’は、各自由度毎に指示装置を割り当てる代わりに１個の指示装置１３と、この指示装置１３と対応する自由度を選択する切換装置１６とを備えた構成としたものである。尚、図３に示した指示装置１１と同一又は対応する部材には同一又は対応する符号を付して詳細な説明を省略する。

切換装置１６は、ブラケット１２の水平部１２ｂにローラ２１と並んで設けられており、指示装置１３と電気的に接続されており、摘み部１６ａにより指示装置１３を***作対象のＸ軸方向に切り換えるＸ軸切換位置と、Ｙ軸方向に切り換えるＹ軸切換位置と、Ｚ軸方向に切り換えるＺ軸切換位置が設けられており、任意の切換位置に切り換え可能とされている。これにより、１個の指示装置１３と１個の切換装置１６とにより３軸方向の指示を行うことが可能となり、部品点数の低減及びこれに伴うコストの低減、指示装置の小型化を図ることが可能となる。

図５は、本発明に係る指示装置の第３の適用例を示し、***作対象の自由度が６の場合における指示装置を示し、３個の指示装置と１個の切換装置を備えた構成としたものである。尚、図３に示した指示装置１１と同一又は対応する部材には同一又は対応する符号を付して詳細な説明を省略する。

指示装置１１”は、***作対象の動きに与えられたＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３つの自由度、及びＸ軸における回転方向α、Ｙ軸における回転方向β、Ｚ軸における回転方向γの３つの自由度を同時にかつ指示範囲を無限に操作することができ、***作対象の姿勢を指示することが可能とされている。指示装置１３、指示装置１４、指示装置１５は、前述したように***作対象のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の動きに対応する指示範囲を無限に操作することができ、指示装置の現在位置によらず、***作対象の可動範囲全域が指示可能となる。

切換装置１７は、***作対象のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の指示と、Ｘ軸における回転方向α、Ｙ軸における回転方向β、Ｚ軸における回転方向γの指示とを切り換えるためのものである。切換装置１７は、ブラケット１２の水平部１２ｂにローラ２１，２１’，２１”と並んで設けられており、指示装置１３，１４，１５と電気的に接続されている。切換装置１７は、指示装置１３，１４，１５を***作対象のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に指示するための第１の切換位置と、これらの指示装置１３，１４，１５をＸ軸における回転方向α、Ｙ軸における回転方向β、Ｚ軸における回転方向γに指示するための第２の切換位置が選択可能に設けられている。これにより、***作対象の自由度が６の場合における指示装置１１”を３個のセンサと３個のアクチュエータと１個の切換装置により構成することができる。

そして、***作対象の姿勢を指示する場合、切換装置１７の摘み部１７ａを第１の切換位置に切り換えて各指示装置１３，１４，１５のローラ２１，２１’，２１”を回転操作して***作対象のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の位置決めを行った後、切換装置１７を第２の切換位置に切り換えて各指示装置１３，１４，１５のローラ２１，２１’，２１”を回転操作して前記***作対象の姿勢、即ちＸ軸における回転方向α、Ｙ軸における回転方向β、Ｚ軸における回転方向γ姿勢を指示する。これにより、前記***作対象のＸ，Ｙ，Ｚ空間における姿勢を指示することができる。尚、上述と反対に切換装置１７の切換位置を先に第２の切換位置に切り換えて***作対象の姿勢、即ちＸ軸における回転方向α、Ｙ軸における回転方向β、Ｚ軸における回転方向γを指示し、次いで第１の切換位置に切り換えて前記***作対象のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸空間における位置を指示するようにしても良い。

また、図４に示した指示装置１１’において、切換装置１６をＸ軸方向の切換位置、Ｙ軸方向の切換位置、Ｚ軸方向の切換位置に加えてＸ軸における回転方向αの切換位置、Ｙ軸における回転方向βの切換位置、Ｚ軸における回転方向γの切換位置を設定し、１個の指示装置１３と１個の切換装置１６により***作対象の６つの自由度を指示することも可能である。

図６は、本発明に係る指示装置の第４の適用例を示し、指示装置３１は、周知の直動型指示装置に本発明に係る指示装置を適用したもので、図示しないメインテーブル上に載置されて矢印Ｘ−Ｘ’方向に移動可能なＸ軸ステージ３２と、Ｘ軸ステージ３２上に載置されてＸ−Ｘ’方向と直交するＹ―Ｙ’方向に移動可能なＹ軸ステージ３３と、Ｙ軸ステージ３３上に載置固定されてＺ軸方向の指示装置３４により構成されている。

Ｘ軸ステージ３２は、Ｙ―Ｙ’方向に長い長方形状をなし、一側端部に固定されたスライダ３５と前記メインテーブル上にＸ−Ｘ’方向に沿って配設されているガイドロッド３６によりＸ−Ｘ’方向に移動可能とされている。

ガイドロッド３６の両側にセンサとしてのエンコーダ４１とアクチュエータとしてのモータ４２が配設されており、各回転軸に歯付プーリ４３，４４が固定されている。歯付ベルト４５は、歯付プーリ４３、４４に掛けられかつスライダ３５に固定されており、Ｘ軸ステージ３２の移動に応じてエンコーダ４１とモータ４２を回転させる。

Ｙ軸ステージ３３は、一側部に固定されたスライダ３７とＸ軸ステージ３２上にＹ−Ｙ’方向に沿って配設されているガイドロッド３８によりＹ−Ｙ’方向に移動可能とされている。また、Ｙ軸ステージ３３のスライダ３７と反対側に操作用のハンドル５４が設けられている。従って、操作者は、ハンドル５４によりＸ軸ステージ３２、Ｙ軸ステージ３３を容易に移動操作することが可能となる。尚、ハンドル５４は、本発明においては必ずしも必要とはしない。

ガイドロッド３８の両側にセンサとしてのエンコーダ４６とアクチュエータとしてのモータ４７が配設されており、各回転軸に歯付プーリ４８，４９が固定されている。歯付ベルト５０は、歯付プーリ４８，４９に掛けられかつスライダ３７に固定されており、Ｙ軸ステージ３３の移動に応じてエンコーダ４６とモータ４７を回転させる。

指示装置３４は、図１に示した指示装置１と同様回転体としてのローラ５１と、センサとしてのエンコーダ５２と、アクチュエータとしてのモータ５３とにより構成されており、詳細な説明を省略する。

操作者は、ハンドル５４により指示装置３１のＸ軸ステージ３２、Ｙ軸ステージ３３を移動操作する。指示装置３１は、Ｘ軸ステージ３２の移動操作により***作対象のＸ軸方向の位置を指示し、Ｙ軸ステージ３３の移動操作により***作対象のＹ軸方向の位置を指示し、指示装置３４のローラ５１により***作対象のＺ軸方向の位置を指示する。このとき、操作者は、ハンドル５４を握った状態で例えば人差し指の指先で指示装置３４のローラ５１を回転させてＺ軸方向の位置を指示することができる。このように、指示装置３１は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の指示範囲は有限であるが、Ｚ軸方向の指示範囲を無限とすることができ、指示装置の現在位置によらず、***作対象の可動範囲全域が指示可能となる。

本発明に係る指示装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１に示した指示装置の変形例を示す斜視図である。 本発明に係る指示装置の第１の適用例を示す斜視図である。 本発明に係る指示装置の第２の適用例を示す斜視図である。 本発明に係る指示装置の第３の適用例を示す斜視図である。 本発明に係る指示装置の第４の適用例を示す斜視図である。

符号の説明

１，１’ 指示装置
２ ブラケット
２ａ 垂直部
２ｂ，２ｃ，２ｄ 支持板
３ 回転体（ローラ）
３ａ 外周面
３ｂ 回転軸
３’ 回転体（ローラ）
３ａ’ 外周面
３ｂ’ 回転軸
３ｃ’ 外周面３ａ’の上部
３ｄ’ 外周面３ａ’の下部
４ センサ（エンコーダ）
４ａ 回転軸
５ アクチュエータ（モータ）
５ａ 回転軸
６，７ カップリング
１１，１１’，１１” 指示装置
１２ ブラケット
１２ａ 垂直部
１２ｂ 水平部
１２ｃ 窓
１３，１４，１５ 指示装置
１６，１７ 切換装置
１６ａ，１７ａ 摘み部
２１，２１’，２１” 回転体（ローラ）
２１ａ 外周面
２１ｂ 回転軸
２２，２２’，２２” 検出部
２２ａ 回転軸
２３ ギヤ機構
２４ ブラケット
２４ａ 側壁
２５，２６ ベベルギヤ
２７ カップリング
３１ 指示装置
３２ Ｘ軸ステージ
３３ Ｙ軸ステージ
３４ 指示装置
３５，３７ スライダ
３６，３８ ガイドロッド
４１，４６ センサ（エンコーダ）
４２，４７ アクチュエータ（モータ）
４３，４４，４８，４９ 歯付プーリ
４５，５０ 歯付ベルト
５１ 回転体（ローラ）
５２ センサ（エンコーダ）
５３ アクチュエータ（モータ）
５４ ハンドル

Claims (3)

1. ***作対象の特定方向の操作量を操作し、前記***作対象の反力を操作者にフィードバックさせる指示装置であって、
   無限に回転可能に軸支された回転体と、
   前記回転体の回転数及び回転方向を検出するセンサと、
   前記***作対象からの反力を前記操作者に力覚提示するため前記回転体のトルクとして伝達するアクチュエータを備えたことを特徴とする指示装置。
2. ***作対象の動きに与えられた自由度のうち各自由度毎に前記指示装置側を割り当て、前記各指示装置によって***作対象の動きに対応する自由度の方向及び操作量を操作するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の指示装置。
3. 各自由度毎に指示装置を割り当てる代わりに単一の指示装置と、
   前記指示装置と対応する自由度を選択する切換装置とを備えたことを特徴とする、請求項１に記載の指示装置。
   

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