JP2008521733A - ケーブルによる触覚インタフェース - Google Patents
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Abstract
ケーブルによる触覚インタフェース。触覚インタフェースは、ベース(2)と、ベース(2)から距離をおいたプラットホーム(24)と、プラットホームに固定される第1の端とケーブル(32)に張力を加えるように設計されたプーラーアクチュエータ(36)に接続される第2の端とを有する少なくとも2本のケーブル(32)とを備える。スラスト手段は、関節(50)によってベース(2)に取り付けられる。スラスト手段は、プラットホーム(24)と接触している第1の端部と、スラストロッド(40)をプラットホーム(24)の方に押すプッシャアクチュエータに接続された第2の端部とを備えたスラストロッド(40)を有する。アクチュエータ(36,44)は、システムに関連する情報を表す力をプラットホームに加える。プラットホームは制御装置を備える。
Description
本発明は、例えばシステムが遭遇する抵抗力(反力(force return))を表す情報やシステムに関連する他の情報などの、情報フィードバックを提供する実システムまたは仮想システム用の制御インタフェースに関する。このタイプのインタフェースは、触覚インタフェース(haptic interface)と呼ばれる。
より正確には、本発明は、ベースと、ベースから距離をおいたプラットホームと、プラットホームに固定される第1の端とケーブルに張力を加えるように設計されたプーラーアクチュエータ(puller actuator)に接続される第2の端とを有する少なくとも2本のケーブルと、関節によってベースに取り付けられ、プラットホームと接触する第1の端部とスラストロッドをプラットホームの方に押すプッシャアクチュエータ(pusher actuator)に接続された第2の端部とを有するスラストロッドを含むスラスト手段とを備え、これらのアクチュエータがシステムに関連する情報を表す力をプラットホームに加える、触覚システムを制御するインタフェースに関する。
2つのベース間に配置されケーブルによって接続されたプラットホームは既知である。そのようなプラットホームは、きわめて単純であるため、プラットホームのコストを削減することができるとともに、その慣性とケーブルの摩擦がきわめて小さくパスバンド(passband)を高めることができる。
しかしながら、制御可能な作業スペース、すなわち任意の力ベクトルをプラットホームに加えることができる容積は、2つのベース上のケーブルの取り付け箇所を通る多面体容積に限定される。これは、ケーブルに厳密な正の力をかける上で必然的な結果である。続いて、動く距離を最適化するために、ケーブル取り付け箇所がプラットホームを取り囲む球体上に分散され、このため、オペレータの手のためのスペースはほとんど残らない。
また、オペレータが片手で掴むハンドルを構成する能動部品を備えた触覚インタフェースが開示されており(特許文献1)、このハンドルには、能動部品に取り付けられその能動部品に対して自由に動くことができる1つまたはいくつかの情報フィードバック部品と共にシステムを制御するための動作センサが取り付けられている。これにより、オペレータは、自分の手の一部分で情報フィードバックを受ける。
このようなシステムは、スチュワートプラットホーム(Stewart's platform)の原理を用いていない。情報フィードバックをプラットホームに伝えるために使用されるケーブルアクチュエータは、システムを制御するためには使用されない。その一方で別個の動作センサが使用される。プラットホームの移動距離は、ハンドルの寸法が小さいことを考えれば極めて小さい。更に、プラットホームケーブルのアクチュエータは、ベースを構成する固定部品に取り付けられるのではなく、シース内で摺動するケーブルによってハンドルに接続された、遠隔の支持体に取り付けられている。その結果摩擦力が生じ、これは生じる力が小さいことを考えると許容できない。
また、ベースと、ベースから距離をおいた、ツールや類似の装置が取り付けられるように設計されるプラットホームとを備えるマニピュレータが開示されている(特許文献2)。ケーブルはベースをプラットホームに接続する。ベースに取り付けられたモータによってケーブルに加えられる張力を中央ポストが受けている。
この装置は、触覚インタフェースを構成しない。この装置を使用して、システムを制御したり、このシステムから返された情報を受け取ったりすることはできない。このタイプの応用例で伝えられる力は、触覚インタフェースで伝えられる力より大きい。従って、ケーブルで伝達する方法は適切でない。
仏国特許発明第9313248号明細書
米国特許第4666362号明細書
本発明の目的は、先行技術の欠点を克服する能動インタフェースである。このためには、従来型よりもケーブルプラットホームの制御可能な作業スペースを大きくし、またケーブルで妨げられることなくオペレータがプラットホームに入力可能でなければならない。また、低コストで製造できるように単純生産が可能でなければならない。さらに、回転時の移動距離を最適化できなければならない。
これらの目的は、プラットホームが制御装置を備えることにより達成される。
本発明のインタフェースは、単純で慣性が小さい利点を維持し、従ってスチュワートプラットホームの大きなパスバンドを維持する。ケーブルを引っ張るアクチュエータとスラストロッドを押すアクチュエータとを含むアクチュエータは、システムへの制御信号とこのシステムからの情報フィードバックとの両方を伝送する。更に、スラストロッドの存在により、制御可能な作業スペースは、ベース上のケーブル取り付け箇所より外に拡がる。
ある好ましい実施形態では、各アクチュエータは、センサに取り付けられたケーブル長さを表す信号を出力することができるセンサを有しており、スラスト手段は、プラットホームと接触しているスラストロッドの端部とベース上のそれらの関節との間の距離を表わす信号を出力することができるセンサを有しており、これらの信号はすべてシステムを制御するために使用される。
ある特定の実施形態では、プッシャアクチュエータは、ケーブルに張力を加えるプーラーアクチュエータと、ケーブル張力をスラストロッド上の推力に変換する動作反転機構とからなる。
この特徴により、ケーブルアクチュエータとスラストロッドアクチュエータを含むすべてのアクチュエータに同じ技術を使用することができる。更に、ケーブルアクチュエータは、低コストで慣性の小さい伝達システムを保証する。
動作反転機構が滑車を備えると有利である。
滑車は、スラストロッドアクチュエータから必要トルクを減少させることができる。
一実施形態では、動作反転機構はジャッキに収容される。
スラストロッドのアクチュエータは、このジャッキに取り付けられてもよく、ベースに取り付けられてもよい。
ある特定の実施形態では、スラストロッドのアクチュエータは、スラスト手段の関節の下に配置される。
この構成は、関節の各面に質量を分散させることによってスラスト手段の静釣合いを可能にする。
スラスト手段は、自在継手によってプラットホームに関節接続されると有利である。
スラストロッドは、自在継手のほぼ中心と交わる縦軸を有することが好ましい。
また、スラストロッドの端がプラットホームと接触し、玉継手によってプラットホームに関節接続されていることが好ましい。
プラットホームは、その中心が玉継手の中心と一致し、オペレータのグリップが玉継手の中心にくるように作成されることが好ましい。
この特徴により、ケーブルの動きを最小にしかつ作業スペースを大きくする純粋な回転運動が可能となる。
本発明によるインタフェースは、自由度6を持つことができる。この場合、このインタフェースは6本のケーブルを有し、この6本のケーブルが3対のケーブルに分配されて前記プラットホーム上に三角に配置された端部に対で固定されることが有利である。
本発明の他の特徴と利点は、添付図面を参照して説明のために提供された例示的な実施形態の以下の説明を読んだ後で明らかになるであろう。
図1と図2に示した触覚インタフェースは、全体を参照番号2で示したベースを備える。ベースは、2つの長辺4と2つの短辺6からなる矩形フレームからなる。矩形フレームには、参照番号8、10、12、14、16および18が付された水平アームが固定されている。これらのアームにはそれぞれ、ケーブルガイドを構成する貫通孔22が開けられている。また、長辺4のうちの1つには、他の6本のアームより短いアーム20が固定され、フレームの内側に突出している。アーム20には、ケーブルガイドを構成する貫通孔23が開けられている。
本発明のインタフェースはプラットホーム24を備える。示した特定の例において、プラットホーム24は球体の形状であるが、この実施形態は必須ではなく、他の形状でもよいことは明らかである。球体24にはロッド26が固定されている。ロッド26それぞれの端部30に2本のケーブル32が固定されている(単純にするために図1と図2には2本のケーブルだけを示す)。ケーブルのもう一方の端において、ケーブル32は、アーム8〜18の端部の貫通孔22を通り、電動機によって駆動されるアクチュエータ36のプーリ34に巻き付けられている。各アクチュエータは、図1と図2に長方形38で示されたセンサを備える。モータの位置は、ケーブル長から導きうる。
図3〜6および図7からも分かるように、球体24は、玉継手42によってスラストロッド(thrust rod)40の端に関節接続されている。更に、玉継手42の中心は球体24の中心と一致していることが分かる。その結果、プラットホーム24が回転すると、ロッド26の端部の変位が最小になり、その結果6本のケーブル32の変位が最小になる。そのため、プラットホーム24を操作するオペレータのグリップは、玉継手42上のプラットホームの関節の中心にある。
スラストロッド40の玉継手42を支持する端と反対側である下端において、剛性スラストロッド40は、プッシャアクチュエータ(pusher actuator)に接続され、プッシャアクチュエータの機能は、6本のプーラーアクチュエータ(puller actuator)36によって6本のケーブル32のそれぞれを介してプラットホーム24に加えられる張力を平衡させることである。
一般に、自由度nを有するスチュワートプラットホームは、(n+1)本のケーブルを備える。例えば、自由度6を有するプラットホームは、7本のケーブルを備える。ケーブルは張力しか伝達できないので、制御可能な作業スペース、すなわちプラットホーム上に任意の力ベクトルを生成することができる体積は、ベース上のケーブル取り付け箇所を通る多面体容積に限定される。制御可能なスペースは、7本のケーブルのうちの1本を剛性スラストロッド40と置き換えることにより、プッシャアクチュエータと反対側の多面体の外側でオフセットされる。
プッシャアクチュエータは、様々な方法で作成されてよい。プッシャアクチュエータは、油圧または空気圧ジャッキでもよく、ボールねじでもよい。例示的な実施形態では、プッシャアクチュエータは、プーラーアクチュエータ44と動作反転機構とからなる。図1及び図2では、動作反転機構は、自在継手によってベース2に関節接続されたブラケット48から成る。ブラケットの下端は、大きなU字形の構造物50に対してXX軸のまわりを枢動し、構造物50自体は、ベース2の長辺4のうち一辺上でYY軸のまわりを自由に枢動するように取り付けられている。互いに垂直なXX軸とYY軸は、アーム20のケーブルガイド孔23の中心で交差する。2本の平行な摺動ロッド52は、ブラケット48の上端で自由に摺動するように取り付けられている。2本の摺動ロッド52は、その下方端にヒンジピン53を備え、ヒンジピン53にはプーリ54が取り付けられている。2本のロッド52は、その上端が横断片56によって接続されている。ケーブル58の下端はアクチュエータ44のプーリ(図1と図2には示していない)に巻き付けられている。ケーブル58は、アーム20のケーブルガイド23内を通り、次にブラケットの上側部分に取り付けられた第1のプーリ60上を通り、次に摺動ロッド52の2つの下端を接続するヒンジピン53上に取り付けられた第2のプーリ54上を通る。最後に、ケーブル58の一端が、ブラケット48の上側部分に固定される。その結果、ケーブルがアクチュエータプーリに巻き付けられ、横断片56に固定されたスラストロッド40がベース2から遠ざかるときに、アクチュエータ44によってケーブル58の下端に加えられる張力を滑車が二等分にする。ケーブル32は同時に伸び、各アクチュエータ36は、必要なケーブル長を繰り出す。
図1に示した触覚インタフェースの異なる状態を、図2に示す。図2では、プラットホーム24は、図1で占めていた位置から移動している。U字形支持体50がその関節軸YYのまわりに枢動し、またブラケット48が支持体50上の関節軸XXのまわりに枢動したことが分かる。更に、プラットホーム24は、スラストロッド40によって実現された回転軸ZZのまわりに回転している(図3を参照)。最後に、2本の案内ロッド52が上方に移動し、その結果、ロッド26の端部30をアーム8、10、12、14、16および18の孔22に接続するケーブル32の長さが変化した。これらのケーブルの何本か(例えば、図1と図2に示した2本のケーブル32)は、この変化によって長さが長くなる。他のケーブルは、プラットホーム24の位置変化によって長さが短くなった。特に、スラストロッド40の中央アクチュエータ44によって駆動されるケーブル58に、このことが当てはまる。
周辺のアクチュエータ36と中央のアクチュエータ44のそれぞれと関連付けられるセンサ38は、ケーブルの様々な変化を記録し、それらの変化を示す程度を、プラットホーム24の新しい位置を計算するコンピュータに送る。この新しい位置が実システムまたは仮想システムを制御する。その代わりに、アクチュエータ36と中央のアクチュエータ44は情報を受ける。この情報は、システムが遭遇した力のフィードバックでも別の情報でもよい。ケーブル32と58に張力を加えるために、アクチュエータ36によってこの戻り情報が使用され、その結果、オペレータがプラットホーム24上に手を置くと、オペレータは遭遇した力を表わす感覚を感知することができる。
これにより、平行構造を有するケーブルによる触覚インタフェースが得られ、そのプラットホーム24は、制御装置と、情報を返すために利用される装置の両方を構成する。このインタフェースは、ケーブル伝送経路が単純なので慣性が小さく、それによりパスバンドが広くなる。更に、ケーブル伝送は、伝達される力が小さいこのタイプの応用例に十分に適合されている。
図3〜図6に、動作反転手段と、スラストロッド40のアクチュエータ44の固定についての様々な変形実施形態を示す。図3では、動作反転手段は、単にケーブル58のリターンプーリ60からなり、このリターンプーリ60の端部65は、スラストロッド40の下側部分67に固定されている。スラストロッド40の上端69は、プラットホーム24が関節接続された玉継手42に固定されている。前述のように、プラットホーム24は、オペレータのグリップの中心が玉継手42の中心と一致するように構成されており、そのようにしてインタフェースは、プラットホームが玉継手42に対して回転される場合のケーブルの変位を最小にする。
リターンプーリ60は、ケーブルジャッキを構成するシリンダ70の内壁に取り付けられる。スラストロッド40は、ジャッキ70の接触面72を摺動する。スラストロッドのアクチュエータ44は、ジャッキの下側部分に取り付けられている。ジャッキの下端は、図示された自在継手74を介してベース2に関節接続されている。この自在継手は、図1と図2に示したものと同じように製造してよい。
この実施形態では、動作反転手段は滑車を含まない。それゆえ、アクチュエータ44は、他のプーラーアクチュエータ36の6個それぞれによってケーブル32に加えられる張力を減衰させることなく、十分に平衡させることができるほど強力である必要がある。
図4に、動作反転手段の変形実施形態を示す。この実施形態は、シリンダ70の内壁に取り付けられた第1のプーリ60と、スラストロッド40の下端67に垂直なヒンジピンに取り付けられた第2のプーリ54とを備える。ケーブル58の端77は、ジャッキ70の上側壁に固定される。アクチュエータ44は、シリンダ70の内側に完全に収容されている。更に、ジャッキ70の下端は、図3の実施形態と同じように、図示した自在継手74によってベース2に関節接続されている。
図1と図2について説明した実施形態と機能的には同一であるこの実施形態では、動作反転手段は、張力を二等分することによってケーブル68に必要な張力を小さくする滑車を有する。このようにして、アクチュエータ44の出力を二分することができる。その一方、スラストロッド40の平行移動変位が同じ場合に、アクチュエータ44は2倍のケーブル長を巻き付けたり巻き出したりしなければならない。
動作反転手段の第3の変形実施形態を、図5に示す。この動作反転手段は、ジャッキ70内に取り付けられた大きい径のプーリ80を含む。2個のプーリ60が、シリンダ70の内壁に固定されている。スラストロッド40の下端67に第4のプーリ54が取り付けられている。プーラーアクチュエータ44のケーブル58は、大きい径のプーリ80の回転軸に接続されている。さらに、機構は、プーリ80、60および54上を交互に通る第2の閉じたケーブル82を備える。この実施形態では、アクチュエータ44は、ジャッキ70の下端に取り付けられているが、ジャッキ70をベース2に関節接続するのに利用される自在継手74の下に配置される。その結果に、アクチュエータ44は、スラスト手段の静釣り合わせを行う。この実施形態では、質量は、自在継手74によって構成された関節軸の各側で適切に平衡され、アクチュエータ44の質量は、スラスト手段の残りの部分の質量を部分的に平衡させる。
図6に、スラスト手段の第4の変形実施形態を示す。この変形例では、アクチュエータ44は、前述の実施形態と同じようにジャッキ70の下側部分に固定されるのではなく、ベース2に取り付けられている。アクチュエータ44のケーブル58は、シリンダ70の下側壁に固定されたプーリ60上と、スラストロッド40の下端67に垂直な回転軸に取り付けられたプーリ54上を通る。その結果、図4と図5の実施形態で使用された滑車と同等の、ケーブル58に加えられる張力を二等分する滑車がある。また、ケーブル58の下側部分は、ジャッキの内壁に固定されたガイドプーリ86上を、自在継手74とほぼ同じ位置の、ジャッキ下端に配置された2個のリターンプーリ88によってガイドされる。ジャッキ70の下側壁は、ケーブルが通ることができるように開いている。
最後に、図3のスラスト手段の変形実施形態を図7に示す。この変形例は、プーラーアクチュエータ36のケーブル32のまわりに圧縮ばね92が取り付けられている点以外は、すべての点で図3のものと同一である。各コイルばね92は、ベース2に固定された下側スラスト面94と、プラットホーム24に固定された上側スラスト面96の間に巻き付けられている。ばね92があるため、ケーブル32に加えられる張力の平衡がとられ、その結果中央アクチュエータ44に加わる力が減少する。またこれにより、中央静止位置が実現しやすくなる。
Claims (13)
- システムを制御するための触覚インタフェースであって、前記触覚インタフェースが、
ベース(2)と、
前記ベース(2)から距離をおいたプラットホーム(24)と、
前記プラットホーム(24)に固定された第1の端と、ケーブル(32)に張力を加えるように設計されたプーラーアクチュエータ(36)に接続された第2の端と、をそれぞれ有する少なくとも2本のケーブル(32)と、
前記プラットホーム(24)と接触している第1の端部(42)と、スラストロッド(40)を前記プラットホーム(24)の方に押すプッシャアクチュエータに接続された第2の端(67)と、を有するスラストロッド(40)を有する、関節(50,74)によって前記ベース(2)に取り付けられたスラスト手段と、を備え、
前記アクチュエータ(36,44)が前記システムに関連する情報を表す力を前記プラットホーム(24)に加え、前記プラットホーム(24)が制御装置を備えることを特徴とする触覚インタフェース。 - 前記アクチュエータ(36,44)のそれぞれが、センサ(38)に取り付けられた前記ケーブル(32,58)の長さを表す信号を出力することができるセンサ(38)を備え、
前記スラスト手段が、前記プラットホーム(24)と接触している前記スラストロッド(40)の端とそれらの関節(50,74)との間の距離を表わす信号を前記ベース(2)に出力することができるセンサ(38)を備え、これらの信号がすべて前記システムを制御するために使用されることを特徴とする請求項1に記載のインタフェース。 - 前記プッシャアクチュエータが、ケーブル(58)に張力を加えるプーラーアクチュエータ(44)と、前記張力を前記スラストロッド(40)の推力に変換する動作反転機構(54,60)とから構成されることを特徴とする請求項1または2に記載のインタフェース。
- 前記動作反転機構が、滑車(54,60)を備えることを特徴とする請求項3に記載のインタフェース。
- 前記動作反転機構が、ジャッキ(70)に収容されていることを特徴とする請求項3または4に記載のインタフェース。
- 前記スラストロッド(40)の前記アクチュエータ(44)が、前記ジャッキ(70)に取り付けられていることを特徴とする請求項5に記載のインタフェース。
- 前記スラストロッド(40)の前記アクチュエータ(44)が、前記ベース(2)に取り付けられていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のインタフェース。
- 前記スラストロッド(40)の前記アクチュエータ(44)が、前記ベース(2)上の前記スラスト手段の関節(74)の下に配置されることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のインタフェース。
- 前記スラスト手段が、自在継手によって前記プラットホームに関節接続されることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載のインタフェース。
- 前記スラストロッド(40)が、前記自在継手の中心(23)とほぼ同一点で交わる縦軸(ZZ)を有することを特徴とする請求項9に記載のインタフェース。
- 前記プラットホームと接触する前記スラストロッド(40)の端が、玉継手(42)によって前記プラットホームと関節接続されることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載のインタフェース。
- 前記プラットホーム(24)の中心が前記玉継手の中心と一致し、オペレータのグリップが前記玉継手(42)の中心にくるように作成されたことを特徴とする請求項11に記載のインタフェース。
- 6本のケーブルを備え、前記6本のケーブルが3対のケーブルに分配されて前記プラットホーム(24)上に三角に配置された端部(30)に対で固定されることを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載のインタフェース。
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