JPH04129682A - 多軸ジョイスティック - 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】

本発明はジョイスティックの改良に係り、特に操作変換
軸数を多くして高い制御操作ができるようにし、マニピ
ュレータ等の多軸の操作対象物の制御が容易にできるよ
うにした多軸ジョイスティックに関する。

【従来の技術】

従来、一般に使用されているジョイスティックは操作ス
ティックをボール軸受は等により支持して揺動回転がで
きるようにし、この揺動回転を平面直交座標上の２軸方
向の移動量に分解し、この移動量を更に各軸回りの回転
量としてエンコーダなどにより検出するようにしていた
。この検出信号は合成されてスレーブ側に比例出力して
いる。 したがって、ジョイスティックを手で任意方向に揺動操
作することにより、スレーブを平面移動させることがで
きるようになっている。

【発明が解決しようとする課題】

従来のジョイスティックでは、操作スティックの操作を
通常平面直交座標軸の回転量として検出するので、スレ
ーブに平面上の制御動作を指令できるだけであった。こ
のため、三次元的なスレーブ動作を行わせる場合には、
スレーブ移動平面をスイッチ等によって多面的に切換え
る必要があった。しかし、このような方法では、切換え
のためのスイッチ操作が煩雑となるのに加えて、ジョイ
スティックの操作方向とスレーブの制御方向が一致せず
、操作性が非常に悪化する問題があった。 特に、マニピュレータ等の多軸機械をマニュアル制御す
る場合には困難となっていた。 本発明は、上記従来の問題点に着目し、マスク側での多
様な操作を検出する軸数を拡張することができ、ジョイ
スティックの操作方向を三次元直交座標軸方向に一致さ
せる移動ができ、三次元空間での位置および姿勢データ
を生成することができる多軸ジョイスティックを提供す
ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、本発明に係る多軸ジョイス
ティックは、腕を載せることができる伸縮可能なアーム
の一端を直交する２つの回転軸を有する基端ブラケット
を介して基台に取り付け、前記アームの伸縮先端側には
グリップを取り付け、当該グリップを前記アームに対し
直交する２つの回転軸を有する先端ブラケットを介して
取り付けることにより、５自由度の構造が可能であり、
各回転軸部には中立点に復帰する機構を取り付けてなり
、かつ各要素間の回転節および摺動節にはその変位を検
出するセンサを取り付けて回転および伸縮変位を検出可
能としたものである。 上記構成において、更に１軸追加し、６軸構造とするた
めには、前記先端ブラケットにはその直交２軸の交点を
通る軸芯線に沿う回転軸を有する第２ブラケットを取り
付け、この第２ブラケットに対して前記グリップを回転
可能に取り付けるようにすればよい。 更に、操作性を良好にするため、前記先端ブラケットの
直交回転軸をその交点が人間の手首の中心に位置するよ
うに取り付ける。

【作用】

上記構成によれば、アーム上に腕を載せてグリップを握
った状態で、手の動作と肘を中心とした腕の動作をスレ
ーブの制御指令として伝達することができる。すなわち
、手で握られるグリップが先端ブラケットを介してアー
ムに連結されているので、手首を中心にしてグリップ単
体を上下左右に回動させることができる。また、アーム
自身は基台に直交２軸を有する基端ブラケットを介して
取り付けられているので、肘を中心にしてアームを水平
回転および俯仰回転させることができる。 しかも、アーム自身は伸縮できるので、グリップを握っ
たままで前後に移動させればアーム前後方向の伸縮量と
移動速度を指令することができる。 そして、各要素の節には回転角や摺動移動量の変位を測
定するセンサを取り付けているので、各要素に対応した
スレーブの位置および速度制御ができ、三次元空間での
位置および姿勢制御が可能となる。 特に、アーム先端のグリップを直交２軸を有する先端ブ
ラケットに更に第２ブラケットを取り付けて回転軸を直
交３軸とすれば、ブリップをアーム先端で３軸回りの回
転を与えることができ、検出軸を増すことができる。更
に、アーム先端の直交３軸の交点を人間の手首の中心に
位置するように取り付けることによって、操作者の手首
部の並進運動を、アームの基台側の３軸の検出器によっ
て、また、操作者の手首部を中心とした回転運動をアー
ムの先端側３軸の検出器によって、より忠実に検出する
ことが可能である。第２ブラケットに代え、あるいは併
用してグリップに反転切換えスイッチを設けるようにす
れば、各要素の作業モードを二段階に切換えることや、
更にもう１軸の正回転、逆回転の指令を行うことができ
る。 また、上記構成を椅子における肘掛アームに適用するこ
とによって、作業者が椅子に座りながら、任意に腕およ
び手を操作することができ、作業性が向上する。

【実施例】

以下に、本発明に係る多軸ジョイスティックの具体的実
施例を図面を参照して詳細に説明する。 第１図は実施例に係る多軸ジョイスティックの斜視図を
示し、第２図はそのスケルトン図を示す。 図示のように、このジョイスティック１０はほぼ腕長さ
に相当する長さを有するアーム１２を有しており、この
上に腕を載せることができるようになっている。アーム
１２はメインアーム１２Ａとサブアーム１２Ｂとからな
り、両者は相互に摺動可能に連結されて伸縮動作を可能
としている。これは実施例の場合アリとアリ溝による摺
動機構によってアーム１２の長手方向に伸縮できるよう
に形成されている。サブアーム１２Ｂはメインアーム１
２Ａの下面側に配置されて腕を載せた際にサブアーム１
２Ｂが手による伸縮動作時の障害にならないように配慮
している。なお、前記摺動機構に代えてシリンダ機構や
その他のガイド機構を採用することもできる。 このような伸縮可能なアーム１２は固定基台１４に取り
付けられており、メインアーム１２Ａの基端を直交する
２つの回転軸を有するブラケット１６を介して水平回転
と俯仰回転ができるように取り付けられている。すなわ
ち、基端ブラケット１６は、基台１４の表面に垂直軸心
をもつように形成された円筒ボス１８に挿通される垂直
回転軸１６Ａと、その上端に一体的に形成されたＵ字型
ブラケット部１６Ｂからなり、円筒ボス１８に垂直回転
軸１６Ａを差込むことにより、Ｕ字型ブラケット部１６
Ｂが垂直回転軸１６Ａを中心として水平回転が自在にで
きるように取り付けられている。また、Ｕ字型ブラケッ
ト部１６Ｂは、メインアーム１２Ａの基端両側部を挟み
込んで保持するようにされ、両者を貫通するとともにア
ーム１２の長手方向と直交する方向に沿って配置された
水平回転軸２０によってメインアーム１２Ａが俯仰回転
できるように連結している。したがって、アーム１２は
基台１４との連結部分を中心として全体を水平回転させ
、またアーム１２（サブアーム１２Ｂ）の先端を上下方
向に揺動させるいわゆる俯仰動作が自由にできるように
なっている。 また、伸縮移動できるサブアーム１２Ｂの先端には操作
グリップ２２が取り付けられているが、これは前記基端
ブラケット１６とほぼ同様な構成の先端ブラケット２４
を介して取り付けられている。すなわち、先端ブラケッ
ト２４はサブアーム１２Ｂの先端に軸心を垂直方向に向
けて一体的に形成された円筒ボス２６に差込まれる垂直
軸２４Ａと、当該垂直軸２４Ａの先端に一体形成された
Ｕ字型ブラケット部２４Ｂとから形成され、サブアーム
１２Ｂの先端位置でアーム軸心と直交する垂直軸心回り
に回転ができるようになっている。 このような先端ブラケット２４には前記グリップ２２が
取り付けられるが、これはグリップ２２の側面を挟み込
むようにするとともに、この挟着部に貫通した水平軸２
８によって上下方向に揺動できるように連結されている
。これによりグリップ２２はアーム１２の位置を座標中
心として水平回転と上下揺動回転ができるものとなって
いる。 一方、操作グリップ２２は前記水平軸２８に回転自在に
取り付けられるが、これは一定の厚みのある平板上に形
成され、指先を曲げた状態で水平にした手で掴むことが
できるようになっている。 また、グリップ２２から操作時に手が離れないように、
手の中側に回り込むように湾曲された押え板３０がグリ
ップ２２に一体的に取り付けられている。更に、グリッ
プ２２の指掛部分にはスイッチ３２が配置設定され、操
作時の各モードにおける正逆切換えをなすことができる
ようにしている。 上述のように回転節および摺動節をもつジョイスティッ
ク１０には、更に各要素の動作ストロークの途中に定め
た中立点への自動復帰手段が設けられている。これはス
プリングによって構成され、各回転軸１６Ａ、２０，２
４Ａ、２８には渦巻きコイルスプリング等の回転を規制
するスプリングを取り付け、またメインアーム１２Ａと
サブアーム１２Ｂの伸縮部位には圧縮あるいは引張りコ
イルスプリング等を取り付けたものである。また、アー
ム１２の基端の俯仰動作部等の重量支持部には重力バラ
ンサを取り付けるようにすればよい。 このため、腕や手による操作力が加わらなかった場合に
各要素は定められた中立点に自動復帰される。また、各
可動部には要素間の中立点からの変位を検出するセンサ
が取り付けられている。これは回転節にはポテンショメ
ータやロータリエンコーダを配置することによって、ま
た、伸縮部にはリニアスケールや超音波距離計等を配置
することによって構成されている。 このように構成された多軸ジョイスティック１０では、
腕をアーム１２に載せ、手をグリップ２２と押え板３０
の間から差込んでグリップ２２を握ることで操作準備が
できる。そして、肘を中心として腕を移動させることに
よりアーム１２が基端ブラケット１６を中心として任意
の位置に移動することができる。また腕を前後に移動さ
せることにより、メインアーム１２Ａが伸縮移動しアー
ム１２の長さを変更することができる。このような操作
によりアーム１２の先端位置を決定しながら、グリップ
２２部分を手首の動作により水平あるいは上下に振るこ
とによって、先端グリ・ノブ２２を従来のジョイスティ
ックと同様に扱うことができる。このような各要素の動
きはそれらの節に設けられたセンサによって取込まれ、
図示しないコントローラを経てマニピュレータ先端のス
レーブを比例的に動作させることができる。すなわち、
先端グリップ２２を操作することにより、各軸の中立点
よりの偏差に比例した速度をマニピュレータの作業座標
系において指令を与え、マニピュレータ先端の位置・姿
勢を制御することができるのである。 第３図は上記実施例の多軸ジョイスティックを椅子の肘
掛アームに適用した操作状態を示す。すなわち、椅子３
４の本体部側面に前記基台１４を取り付け、アーム１２
が肘掛の高さになるように設定したものである。斯かる
例によれば、操作する者が椅子３４に座った状態で操作
することができる。 次に第４図には第２実施例の要部構成を示す。 これはグリップを棒状グリップ３６とし、アーム１２の
先端に二つのブラケット３８．４０によって直交３軸回
りに回転できるように構成したものである。すなわち、
サブアーム１２Ｂの先端に形成した円筒ボス２６には挿
通される垂直軸４２を中心として水平回転できるＬ字型
に曲げられた第１ブラケット３８が取り付けられている
。このブラケット３８の垂直板部には前記垂直軸４２と
直交する第１水平軸４４が取り付けられ、これに平面り
字型に曲げられた第２ブラケット４０を取り付けたもの
となっている。したがって、第２ブラケット４０はアー
ム１２の前方位置で上下揺動可能とされる。第２ブラケ
ット４０の一片はアーム１２の前方を横断するように屈
曲されているが、これにはアーム１２の軸線に沿う第２
水平軸４６を取り付けており、当該第２水平軸４６に前
記棒状グリップ３６をいわゆるローリング回転ができる
ように取り付けられている。 このような実施例では、グリップ３６はアーム１２の先
端側で直交３軸の回りに回転することができ、先の実施
例の場合に比較して回転軸を増すことができる。これに
より当該ジョイスティックによって操作されるマニピュ
レータ三次元空間での位置・姿勢のデータ（６次元）を
生成することができるものとなる。 第５図は第３実施例を示し、これは上記第２実施例にお
いて、人間の手首の中心に対し、アーム１２の先端に設
けたグリップ３６の直交回転軸の中心が一致するように
各回転軸４２．４４．４６を配置したものである。すな
わち、腕５０を載せるアーム１２をリニアガイド５２に
よって伸縮可能にし、アーム１２の全体を基端側の直交
３軸５４．５６．５８によって三次元動作を可能とし、
更にアーム１２の先端部においてグリップ３６も直交３
軸４２．４４．４６を中心として三次元動作ができるよ
うにしている。そし、特に先端グリップ３６の各回転軸
４２．４４．４６の回転中心線の交点が手首６０の中心
に一致するように設定しているのである。なお、腕５０
をアーム１２上に固定するように、バンド６２を設けて
いる。 これにより、操作者の手首部の並進運動と回転運動を忠
実にアームの関節の回転および並進軸の運動に伝達させ
ることができる。

【発明の効果】

以上説明したように、本発明に係る多軸ジョイスティッ
クによれば、検出軸数を６軸まで拡張することができ、
ジョイスティックのグリップの操作方向を３軸直交座標
軸方向にほぼ一致する移動を行なわせつつ、各位置・姿
勢のデータを生成することができるという優れた効果か
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例に係る多軸ジョイスティックの斜視
図、第２図はそのスケルトン図、第３図は同多軸ジョイ
スティックを椅子の肘掛は部に適用した例の斜視図、第
４図は第２実施例のジョイスティックの部分斜視図、第
５図（１）、（２）は第３実施例の多軸ジョイスティッ
クの平面図と側面図である。 １０・・・・・・ジョイスティック、１２・・・・・・
アーム、１４・・・・・・基台、１６・・・・・・基端
ブラケット、１６Ａ・・・・・・垂直回転軸、２０・・
・・・・水平回転軸、２２・・・・・・操作グリップ、
２４・・・・・・先端ブラケット、２４Ａ・・・・・・
垂直軸、２８・・・・・・水平軸。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）、腕を載せることができる伸縮可能なアームの一端
   を直交する２つの回転軸を有する基端ブラケットを介し
   て基台に取り付け、前記アームの伸縮先端側にはグリッ
   プを取り付け、当該グリップを前記アームに対し直交す
   る２つの回転軸を有する先端ブラケットを介して取り付
   けてなり、前記回転軸部には中立点に復帰する機構を設
   け、かつ各要素間の回転節および摺動節にはその変位を
   検出するセンサを取り付けて回転および伸縮変位を検出
   可能としたことを特徴とする多軸ジョイスティック。 ２）、前記先端ブラケットにはその直交２軸の交点を通
   る軸芯線に沿う回転軸を有する第２ブラケットを取り付
   け、この第２ブラケットに対して前記グリップを回転可
   能に取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の多軸
   ジョイスティック。 ３）、前記先端ブラケットの直交回転軸をその交点が人
   間の手首の中心に位置するように取り付けたことを特徴
   とする請求項１または２に記載の多軸ジョイスティック
   。