JPH09501111A - 能動ハンドコントローラの合成摩擦アルゴリズム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 合成摩擦力アルゴリズムは静摩擦力並びに動摩擦力のシミュレートを実行する。ハンドコントロール要素の基準位置の両側に狭い静摩擦ゾーンを確定する。ハンドコントロールエレメントがこの静摩擦ゾーンの中にある限り、基準位置は一定のままであり、コントロールエレメント駆動モータは基準位置からハンドコントロールエレメントまでの距離に比例するセンタリング力、すなわち、ハンドコントロールエレメントを基準位置に向かわせる力を発生する。ハンドコントロールエレメントの相対位置が静摩擦ゾーンの縁に到達するか又はそれを越えたとき、ハンドコントロールエレメントは動摩擦ゾーンに入る。モータはハンドコントロールエレメントを基準位置に向かって押出す一定の動摩擦力を加え、基準位置は、静摩擦ゾーンの縁が現在ハンドコントロールエレメント位置へ並進移動するように並進移動される。

Description

【発明の詳細な説明】 能動ハンドコントローラの合成摩擦アルゴリズム 発明の背景 関連出願の相互参照 本出願は次の出願に関連している。 １．１９９３年１０月２９日出願、名称「Ａｃｔｉｖｅ Ｈａｎｄ Ｃｏｎｔ ｒｏｌｌｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ Ｌｏｏｐ」の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９３／１ ０４５８。 ２．１９９２年６月１１日出願、名称「Ｒａｔｅ Ｍｏｄｅ Ｗｉｔｈ Ｆｏ ｒｃｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ」の欧州特許出願Ｓｅｒｉａｌ Ｎｕｍｂｅｒ９ ２／０９７９０．３。 ３．１９９３年１０月２９日出願、名称「Ｐｏｓｉｔｌｏｎ Ｄｅｐｅｎｄｅ ｎｔ Ｒａｔｅ Ｄａｍｐｅｎｉｎｇ ｉｎ ａｎ Ａｃｔｉｖｅ Ｈａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ」の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９３／１０４５９。発明の分野 本発明は改良された能動、位置モードハンドコントローラに関し、さらに特定 すれば、静止コントローラ及び準静止コントローラと共に使用するのに適する合 成摩擦アルゴリズムを伴う位置モードハンドコントローラに関する。本発明は単 独で使用可能であるが、たとえば、先に引用した同時係属出願のハンドコントロ ーラシステムのような他のハンドコントローラシステムと組合わせても使用でき る。 ここで説明する発明はＮＡＳＡ Ｃｏｎｔｒａｃｔ Ｎｏ．ＮＡＳ９−１８２ ００に従った作業を実施する中でなされたものであり、１９５８年のＮａｔｉｏ ｎａｌ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ｓｐａｃｅ（ＮＡＳＡ）のＳｅｃｔ ｉｏｎ ３０５の規定（４２Ｕ．Ｓ．Ｃ．２４５７）に従っている。ここで説明 する発明はＮＡＳＡのＷａｉｖｅｒ Ｃａｓｅ Ｎｏ．Ｗ−２８８７を認可され ている。従来の技術の説明 位置モードハンドコントローラは、グリップとも呼ばれるハンドコントロール エレメントをオペレートが移動させるのに従って遠隔ツール、すなわち、オブジ ェクトの位置を制御するために使用される。位置モードハンドコントローラの所 望の特徴の１つは、ハンドコントロールエレメントをそれに力が加えられない位 置にとどまらせることである。同様に、ハンドコントロールエレメントが２つ以 上の軸に沿って移動自在であるにもかかわらず、オペレートがエレメントの運動 を１つの軸に沿った運動に容易に制限できることも望ましい。 従来の技術においては、ハンドコントロールエレメントを力が加えられない休 止位置に保持しようとする力を供給すると共に、単一軸入力の力に応答してエレ メントを１つの軸に沿って移動させ続けるために、コントローラシステムに摩擦 を導入していた。 従来の技術の受動ハンドコントローラにおいては、通常は機械的に摩擦を発生 させる（図ＩＡ及び図ＩＢを参照）。図ＩＡに示すように、ハンドコントローラ エレメント（１０）の（＋）方向又は（−）方向への運動は、機械的手段を介し て被制御要素に作用するロボット型コントローラに入力される電気信号を発生す る位置変換器（１４）に機械的に連係している。このようなハンドコントローラ の機械化方式では、図ＩＢに示す感覚特性を与える摩擦メカニズムを設ける場合 が多い。数多くの文献の中に記載されている従来の技術であるこの摩擦モデルは 静摩擦（ブレークアウェイ摩擦と呼ばれることもある）と、すべり要素間の速度 の公称定数に対する関数として減少する動摩擦とを定義している。機械的摩擦は いわゆる能動位置モードハンドコントローラ（すなわち、モータ駆動ハンドコン トロールエレメントを伴うコントローラ）においても得られる。能動ハンドコン トローラでは、機械的摩擦の導入はいくつかの理由により不利である。能動位置 モードコントローラの機械的摩擦は電力消費を増加させるので、効率が悪い。さ らに、摩擦を導入するために機械的方式をとる場合には、余分の機械的部品が必 要になり、その結果、コントローラの大きさと重量が増し且つその信頼性は低下 する。 能動、位置モード、ハンドコントローラに関わる従来の技術では、ハンドコン トロールエレメント駆動モータによって摩擦をシミュレートすることも提案され ている。それらの従来の技術で提案された方式は、一般に、摩擦が速度に抗する 一定の力であると想定するモデルに基づいている。この場合、ハンドコントロー ルエレメントの速度ベクトルを確定し、速度ベクトルとは逆の方向に一定の力を 発生する（又はそうでない場合に指令される力に一定の力を追加する）ようにモ ータを制御する。これは電子ハードウェアで実行されるか、あるいはソフトウェ アによって実行される。この方式は、ハンドコントロールエレメントが常に運動 している動的ハンドコントローラに適用されるときには申し分ない。ところが、 ハンドコントロールエレメントが多くの場合にゼロ又はゼロに近い速度にある静 止ハンドコントローラ又は準静止ハンドコントローラに適用する場合には十分で はない。 発明の概要 本発明の目的は、静止システム及び準静止システム並びに動的システムにおい て運動に対抗する摩擦シミュレート力を供給する合成摩擦アルゴリズムを伴う能 動位置モードハンドコントローラを提供することである。 簡単にいえば、本発明は、静摩擦力並びに動摩擦力のシミュレートを実行する 合成摩擦力アルゴリズムを企図している。基準位置の両側に、基準位置を中心と する一定の幅の狭い静摩擦ゾーンを確定する。ハンドコントロールエレメントの 位置がこの静摩擦ゾーンの中に入っている限り、基準位置は一定のままであり、 コントロールエレメント駆動モータは基準位置からハンドコントロールエレメン トまでの距離に比例するセンタリング力（たとえば、ハンドコントロールエレメ ントを基準位置に向かって押出す力）を発生する。ハンドコントロールエレメン トの相対位置が静摩擦ゾーンの縁に到達するか又はそれを越えたとき、ハンドコ ントロールエレメントは動摩擦ゾーンに入り、モータはハンドコントロールエレ メントに基準位置に向かって一定の動摩擦力を加える。ハンドコントロールエレ メントが静摩擦ゾーンの縁に到達するか又はそれを越えたときに、最も近い静摩 擦ゾーンの縁をハンドコントロールエレメントの現在測定位置へ移動させるよう に、基準位置を規定し直す。これにより、ハンドコントロールエレメントの位置 は静摩擦ゾーンの位置を制御する。 図面の簡単な説明 上記の目的、面及び利点並びにその他の目的、面及び利点は、図面を参照する 本発明の好ましい一実施例の以下の詳細な説明からさらに良く理解されるであろ う。図面中： 図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、従来の受動ハンドコントローラのブロック線 図と、そのようなコントローラについて望まれる摩擦「感覚」のグラフである。 図２は、能動、位置モード、ハンドコントロールシステムのブロック線図であ る。 図３Ａは、本発明の教示の一実施例に従った合成摩擦力とハンドコントロール エレメントの変位との関係のグラフである。 図３Ｂは、本発明の別の実施例に従った図３Ａに類似するグラフである。 図４は、ハンドコントロールエレメントの基準位置の直進移動と、ハンドコン トロールエレメントの変位との関係を示す図である。 図５は、本発明の教示に従った合成摩擦カアルゴリズムの動作を示す流れ図で ある。 図６は、本発明の一実施例の機能ハードウェア線図である。 発明の好ましい実施例の詳細な説明 次に図２を参照すると、ハンドコントロールエレメント１０は制御用モータ１ ２と、位置変換器１４とに機械的に結合している。図示を容易にするために、示 されているシステムは＋，−双方向直進Ｘ軸に沿って１つの自由度しか有してい ない。しかしながら、当業者には理解されるであろうが、典型的なハンドコント ロールシステムは自由度を６つまで有することができると考えられ、本発明の教 示はそのような多軸ハンドコントロールシステムに容易に適用可能である。 位置変換器１４の出力端子は、当該技術では従来から行われているようにハン ドコントロールエレメント１０により位置を制御されるリモートエレメント１８ の位置制御システム１６に結合している。位置変換器１４の出力端子はモータコ ントローラ２０の入力端子にも結合しており、このモータコントローラ２０の出 力は、たとえば、制御用モータ１２の両端電圧、従って、ハンドコントロールエ レメント１０の運動と力を国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９３／１０４５８に類似す る方式で制御するために制御用モータ１２によりハンドコントロールエレメント １０に加えられる力を制御する。 次に図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、各図は、制御用モータ１２により加えら れる合成摩擦力と、基準位置（図３Ａ及び図３Ｂの点Ａ）に対するハンドコント ロールエレメントの位置との関係のグラフを示す。静摩擦ゾーンは基準位置の両 側に点線２４まで短い距離にわたって広がっている。点線２４を越えると動摩擦 のゾーンである。図３Ａに示す本発明の実施例では、ハンドコントロールエレメ ントが基準位置である点Ａから静摩擦ゾーンの境界まで動くにつれて、合成摩擦 力は直線的に増加する。ハンドコントロールエレメントが静摩擦ゾーンの境界を 通過した後、モータにより加えられる力（合成動摩擦）は、基準位置に向かう方 向に静摩擦ゾーンで加えられる最大力に等しい一定の値に保持される。図３Ｂの 実施例においては、動摩擦力は最大静摩擦力より小さいが、これは機械的静摩擦 力と機械的動摩擦力との共通する関係を復元した状態である。当業者には理解さ れるであろうが、制御用モータ（１２）に加えられる電圧を静摩擦ゾーンでは基 準点からの距離の関数として制御して、且つ動摩擦ゾーンでは制御用モータ（１ ２）に一定の電圧を加えることにより、制御用モータ１２によりハンドコントロ ールエレメント１０に加えられる力を制御するのが好ましい。 次に図４を参照すると、基準位置Ａは当初はハンドコントロールエレメント１ ０の静止位置であり、これは図４の位置１として示されている。ハンドコントロ ールエレメントの位置Ｂが静摩擦ゾーンにとどまっている限り、ゾーン境界２４ と、基準位置Ａは変わらないままであり、この状況は図４の位置２に示されてい る。ハンドコントロールエレメントの位置Ｂが図４の位置３で動摩擦ゾーンに入 ると、最も近いゾーン境界が２４からハンドコントロールエレメントの今度の現 在位置Ｂの２４′へ移動し、基準位置Ａは点Ａ′に再定義される。静摩擦ゾーン の再定義後にハンドコントロールエレメントからオペレートが加える力を取り除 くと、モータはハンドコントロールエレメントを静摩擦ゾーンの縁から新たな基 準位置へ押し出す。 次に図５を参照すると、モータコントローラ２０をマイクロプロセッサ利用コ ントローラとして実現できると好都合であることが理解されるてあろう。図５は 、 本発明の教示に従って合成摩擦を規定するプロセスステップの流れ図である。プ ロセスはブロック３０でハンドコントロールエレメントの位置を測定することに よって始まる。ブロック３２では、ハンドコントロールエレメントについて基準 位置Ａを確定する。ブロック３４では、プログラムは基準位置の両側に所定の短 い距離をおいた静摩擦ゾーン境界の場所を確定する。ブロック３６では、ハンド コントロールエレメントの位置を測定し、決定ブロック３８においては、測定さ れた位置が静ゾーンの中にあるか否かに関して判定を実行する。 エレメントが静摩擦ゾーンの中にあるならば、ブロック４０で、基準位置から エレメントまでの距離を確定する。ブロック４２では、モータ１２が基準からの 距離に比例する出力の力を基準位置の方向に発生するようにモータ１２に指令す る出力信号を発生する。その後、プロセスはブロック３６から始めて動作を繰り 返す。 決定ブロック３８においてハンドコントロールエレメントが静摩擦ゾーンの外 にあるならば、ブロック４４で、モータ１２が基準位置に向かう一定の出力の力 を発生するようにモータ１２に指令する出力信号を発生する。図３Ａに示す本発 明の実施例では、この電圧はハンドコントロールエレメントがゾーン境界を越え たときにモータに結合する電圧と等しい。図３Ｂの実施例においては、一定の動 摩擦電圧は静摩擦ゾーン境界における電圧よりわずかに低い。同時に、ブロック ４６では基準位置を移動し、ブロック４８では、最も近い静摩擦ゾーン境界がハ ンドコントロールエレメントの現在位置となるように、新たな静摩擦ゾーン境界 を確定する。 次に図６を参照すると、図６は、本発明の教示に従った合成摩擦の動作実現形 態を示す。端子５０の現在の測定ハンドコントロール位置と、端子５２の静摩擦 ゾーン幅の二分の一に相当する信号とは機能ブロック５４に入力され、機能ブロ ック５４は測定位置が静摩擦ゾーンの外に出るたびに基準位置を更新する。機能 ブロック５４から出力される基準位置５５は加算ブロック５６及び５８に一方の 入力として結合するが、それらの加算ブロックの他方の入力は端子５２からの静 摩擦ゾーン幅の二分の一に相当する信号である。基準位置信号に静ゾーン半幅信 号を加えたものは静摩擦ゾーンの上限を形成し、基準位置信号から静ゾーン半幅 信号を減じたものは静摩擦ゾーンの下限を形成する。機能ブロック６０は、測定 位置がその限界内にあるか否かを判定し、ノード６２で離散的信号を出力する。 すなわち、限界内にあれば、ノードはローに設定され、限界の外にあるならば、 ノードはハイに設定される。ノード６２の状態は機能ブロック５４にフィードバ ックされて、機能ブロック５４はノード６２がハイになるたびに基準位置を更新 する。比較器６４はノード６６で離散的出力、すなわち、基準位置が測定位置よ り大きい場合はハイの出力、基準位置が測定位置より小さい場合にはローの出力 を供給する。ノード６６がハイであれば、ノート５５の基準位置出力信号は端子 ５０の測定位置信号と、端子５２の静ゾーン半幅信号との和となり、ノード６６ がローであるならば、基準位置信号は測定位置信号から静ゾーン半幅信号を減じ たものと等しくなるようにするために、ノード６６は機能ブロック５４にも結合 している。 加算ブロック６８は測定位置信号から基準位置信号を減じ、基準位置と測定位 置との差に比例する信号を出力する。この比例信号は機能ブロック７０に結合し 、機能ブロック７０はその比例信号を線形スケーリングして、７２で静摩擦出力 信号を発生する。スイッチ７４は測定位置が限界内にある（すなわち、ノード６ ２がローである）場合はその静摩擦出力信号をモータ１２に結合し、測定位置が 限界の外にある（すなわち、ノード６２がハイである）場合には動摩擦入力７６ をモータに結合する。 動摩擦の所望の量に相当する端子７８の信号は単位利得増幅器８０と、インバ ータ８２とに入力として結合する。スイッチ８４は基準位置が測定位置より大き い（すなわち、ノード６６がハイである）場合は増幅器８２の出力を選択し、基 準位置が測定位置より小さい（すなわち、ノード６６がローである）場合には増 幅器８０の出力を選択する。 本発明を好ましい一実施例に関して説明したが、添付の請求の範囲の趣旨の範 囲内で本発明を変形を伴って実施できることは当業者には認められるであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ハンドコントロールエレメントと、前記ハンドコントロールエレメントに 結合するモータとを含む能動、位置モードハンドコントローラで摩擦力をシミュ レートする方法において、 基準位置を確定する過程と、 前記基準位置の両側に短い距離をおいて広がる静摩擦ゾーンを確定する過程と 、 前記ハンドコントロールエレメントが前記静摩擦ゾーンの中で前記基準位置か ら離れるにつれて、前記モータにより前記コントロールエレメントに加えられる 前記基準位置に向かう力を直線的に増加させる過程と、 前記ハンドコントロールエレメントが前記静摩擦ゾーンの外で前記基準位置か ら離れて移動するとき、前記モータにより前記コントロールエレメントに加えら れる前記基準位置に向かう一定の力を維持する過程とから成る方法。 ２．前記一定の力は、前記ハンドコントロールエレメントが前記静摩擦ゾーン の境界に到達したときの前記基準位置に向かう前記直線的に増加する力と等しい 請求項１記載の能動、位置モードハンドコントローラで摩擦力をシミュレートす る方法。 ３．前記基準位置に向かう前記一定の力は、前記ハンドコントロールエレメン トが前記静摩擦ゾーンの境界に到達したときの前記基準位置に向かう前記直線的 に増加する力より小さい請求項１記載の能動、位置モードハンドコントローラで 摩擦力をシミュレートする方法。 ４．前記コントロールエレメントの位置が静ゾーン境界を越えたとき、前記ハ ンドコントロールエレメントの前記位置に最も近い前記静ゾーン境界が前記ハン ドコントロールエレメントの前記位置にあるように、前記基準位置を移動させる 別の過程を含む請求項１記載の能動、位置モードハンドコントローラで摩擦力を シミュレートする方法。 ５．前記コントロールエレメントの位置が静ゾーン境界を越えたとき、前記ハ ンドコントロールエレメントの前記位置に最も近い前記静ゾーン境界が前記ハン ドコントロールエレメントの前記位置にあるように、前記基準位置を移動させる 別の過程を含む請求項２記載の能動、位置モードハンドコントローラで摩擦力を シミュレートする方法。 ６．前記コントロールエレメントの位置が静ゾーン境界を越えたとき、前記ハ ンドコントロールエレメントの前記位置に最も近い前記静ゾーン境界が前記ハン ドコントロールエレメントの前記位置にあるように、前記基準位置を移動させる 別の過程を含む請求項３記載の能動、位置モードハンドコントローラで摩擦力を シミュレートする方法。