JP3813816B2 - 反力制御システム - Google Patents
反力制御システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP3813816B2 JP3813816B2 JP2000399979A JP2000399979A JP3813816B2 JP 3813816 B2 JP3813816 B2 JP 3813816B2 JP 2000399979 A JP2000399979 A JP 2000399979A JP 2000399979 A JP2000399979 A JP 2000399979A JP 3813816 B2 JP3813816 B2 JP 3813816B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- reaction force
- signal
- command signal
- input unit
- external force
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Manipulator (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、入力部への、人の操作力等の外力の入力に対し、その入力部に反力を与える反力制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上述の如きシステムとしては従来、例えば特公平７−１１１６１３号公報にて開示されたものが知られており、このシステムは、模擬操縦装置に用いられているもので、操縦訓練を受ける人が操作する模擬操縦機能部（模擬操縦桿）に連結された入力部としてのテイク・オフ・アームに駆動結合されたボールナットとそのボールナットに螺合するねじ軸とを持つボールねじ機構と、そのボールねじ機構のねじ軸を回転させるサーボモータとを有し、そのサーボモータの作動によって上記テイク・オフ・アームを変位させつつそのテイク・オフ・アームに反力を与える操舵反力発生機能部と、上記テイク・オフ・アームに加えられた外力としての操作力を検出してその操作力の大きさを示す操作力信号を出力するロード・セルと、上記テイク・オフ・アームの位置を検出してその位置を示す位置信号を出力する非接触位置センサとを具えている。
【０００３】
そして上記従来のシステムはさらに、上記非接触位置センサからの位置信号に基づく現在位置に所定のスプリング係数を乗じて得たスプリング力および後述する等価速度に所定の摩擦係数を乗じて得た摩擦力等を加算して操舵反力を求めるとともに、その操舵反力から、上記ロード・セルからの操作力信号に基づく操作力を減算して駆動力を求めて、その駆動力を積分することで等価速度を求め、その等価速度に基づく駆動信号を上記サーボモータに出力する制御機能部を具えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来のシステムによれば、所定のスプリング係数や所定の摩擦係数等のパラメータに応じた反力をテイク・オフ・アームに与えることができるものの、それらのバラメータの値を任意に設定したり瞬時にあるいは随時に変更したりすることができないという問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
この発明は、上記課題を有利に解決したシステムを提供することを目的とするものであり、請求項１記載のこの発明の反力制御システムは、ボールナットとそのボールナットに螺合するねじ軸とを持つボールねじ機構と、そのボールねじ機構の前記ねじ軸を回転させるサーボモータとを有し、前記サーボモータの作動による前記ねじ軸と前記ボールナットとの相対移動によりに入力部を変位させつつその入力部に反力を与える反力付与手段と、前記入力部に加えられた外力を検出してその外力の大きさを示す外力信号を出力する外力検出手段と、前記入力部の位置を検出してその入力部の位置を示す位置信号を出力する入力部位置検出手段と、位置指令信号と前記位置信号との差がなくなるように前記サーボモータを作動させるサーボモータ制御手段と、反力／変位勾配指令信号に基づき大きさを調節可能にした前記位置信号と、その位置信号から微分処理によって求めるとともに減衰率指令信号に基づき大きさを調節可能とした速度信号と、定常反力指令信号とを加えた信号と、前記外力信号との差に応じて前記位置指令信号を発生させて、その位置指令信号を出力する反力制御手段と、任意に設定された反力−変位関係に基づく前記反力／変位勾配指令信号と、任意に設定された減衰率に基づく前記減衰率指令信号と、任意に設定された定常反力に基づく前記定常反力指令信号とを出力する反力特性設定手段と、を具えてなるものである。
【０００６】
かかる反力制御システムにあっては、反力付与手段が、サーボモータの作動によりボールねじ機構のねじ軸を回転させてねじ軸とそれに螺合するボールナットとを相対移動させることで入力部を変位させつつその入力部に反力を与え、外力検出手段が、前記入力部に加えられた外力を検出してその外力の大きさを示す外力信号を出力し、入力部位置検出手段が、前記入力部の位置を検出してその入力部の位置を示す位置信号を出力し、サーボモータ制御手段が、位置指令信号と前記位置信号との差がなくなるように前記サーボモータを作動させ、反力制御手段が、反力／変位勾配指令信号に基づき大きさを調節可能にした前記位置信号と、その位置信号から微分処理によって求めるとともに減衰率指令信号に基づき大きさを調節可能とした速度信号と、定常反力指令信号とを加えた信号と、前記外力信号との差に応じて前記位置指令信号を発生させてその位置指令信号を出力し、反力特性設定手段が、任意に設定された反力−変位関係に基づく前記反力／変位勾配指令信号と、任意に設定された減衰率に基づく前記減衰率指令信号と、任意に設定された定常反力に基づく前記定常反力指令信号とをそれぞれ出力する。
【０００７】
また請求項２記載のこの発明の反力制御システムは、入力部に駆動結合された回転軸と、その回転軸を回転させるサーボモータとを有し、前記サーボモータの作動による前記回転軸の回転により入力部を回転変移させつつその入力部に回転反力を与える反力付与手段と、前記入力部に加えられた外力を検出してその外力の大きさを示す外力信号を出力する外力検出手段と、前記入力部の回転位置を検出してその入力部の回転位置を示す位置信号を出力する入力部位置検出手段と、位置指令信号と前記位置信号との差がなくなるように前記サーボモータを作動させるサーボモータ制御手段と、反力／変位勾配指令信号に基づき大きさを調節可能にした前記位置信号と、その位置信号から微分処理によって求めるとともに減衰率指令信号に基づき大きさを調節可能とした速度信号と、定常反力指令信号とを加えた信号と、前記外力信号との差に応じて前記位置指令信号を発生させて、その位置指令信号を出力する反力制御手段と、任意に設定された反力−変位関係に基づく前記反力／変位勾配指令信号と、任意に設定された減衰率に基づく前記減衰率指令信号と、任意に設定された定常反力に基づく前記定常反力指令信号とを出力する反力特性設定手段と、を具えてなるものである。
【０００８】
かかる反力制御システムにあっては、反力付与手段が、サーボモータの作動により回転軸を回転させることで、その回転軸に駆動結合した入力部を回転変位させつつその入力部に反力を与え、外力検出手段が、前記入力部に加えられた外力を検出してその外力の大きさを示す外力信号を出力し、入力部位置検出手段が、前記入力部の位置を検出してその入力部の位置を示す位置信号を出力し、サーボモータ制御手段が、位置指令信号と前記位置信号との差がなくなるように前記サーボモータを作動させ、反力制御手段が、反力／変位勾配指令信号に基づき大きさを調節可能にした前記位置信号と、その位置信号から微分処理によって求めるとともに減衰率指令信号に基づき大きさを調節可能とした速度信号と、定常反力指令信号とを加えた信号と、前記外力信号との差に応じて前記位置指令信号を発生させてその位置指令信号を出力し、反力特性設定手段が、任意に設定された反力−変位関係に基づく前記反力／変位勾配指令信号と、任意に設定された減衰率に基づく前記減衰率指令信号と、任意に設定された定常反力に基づく前記定常反力指令信号とをそれぞれ出力する。
【０００９】
従って、請求項１，２記載のこの発明の反力制御システムによれば、反力−変位関係と、減衰率と、定常反力とを任意に設定して反力特性設定手段に与えることで、入力部に与える反力の特性を任意に設定し得るとともに、その反力の特性を周囲の状況の変化に対応させて瞬時にあるいは随時にかつ容易に変更することができる。
【００１０】
なお、この発明の反力制御システムは、請求項３に記載のように、前記位置信号と前記外力信号とを入力されて、前記入力部の実際の変位とその時の実際の反力との大きさを表示する実変位・実反力表示手段を具えていても良く、このようにすれば、当該システムの実際の動作状況を容易に監視することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明の反力制御システムの一実施例を示す構成図であり、この実施例のシステムは、反力発生アクチュエータ１と、反力制御ユニット２と、反力−変位関係指示コンピュータ３とを具えてなる。
【００１２】
ここにおける反力発生アクチュエータ１は、図２（ａ），（ｂ）の平面図および側面図と、図３の斜視図と、図４の断面図とに示すように、作業装置４に設けられており、この作業装置４は、図示しない架台に支持された上腕部４ａと、その上腕部４ａの下端部に基端部を揺動自在に支持された下腕部４ｂと、その下腕部４ｂの先端部の側面から水平に突出するように配置された棒状の、入力部としてのグリップ４ｃと、そのグリップ４ｃ内に収容されてそのグリップ４ｃと上記下腕部４ｂの先端部とを連結するとともにそのグリップ４ｃに加えられた外力の大きさを検出する、外力検出手段としてのロードセル４ｄと、上記下腕部４ｂの先端部に揺動自在に支持された器具取付け部４ｅと、上記下腕部４ｂの先端部にその器具取付け部４ｅを連結する緩衝材としての板ばね４ｆと、上記下腕部４ｂの基端部と上記上腕部４ａの下端部とにそれぞれ揺動自在に連結されるとともに互いに揺動自在に連結されてそれら下腕部４ｂの基端部と上腕部４ａの下端部とともに四節リンクを構成する二つのリンク部材４ｇ，４ｈとを有している。
【００１３】
そして上記反力発生アクチュエータ１は、上腕部４ａに揺動自在に支持された基部１ａと、その基部１ａ内に収容されてその基部１ａに回転自在に支持されたねじ軸１ｂと、そのねじ軸１ｂと平行に配置されて基部１ａに支持されたサーボモータ１ｃと、上記基部１ａ内に収容されてそのサーボモータ１ｃの出力軸と上記ねじ軸１ｂとを駆動結合する歯車列１ｄと、上記ねじ軸１ｂに螺合されてボールねじ機構を構成するボールナット（ボール循環式ナット）１ｅと、一端部にそのボールナット１ｅを固定されて上記ねじ軸１ｂを摺動自在に収容するとともに上記基部１ａにそのねじ軸１ｂの軸線方向に進退移動自在に支持された筒状の作動ロッド１ｆと、上記基部１ａに固定されてその基部１ａに対する上記作動ロッド１ｆの進退移動位置を検出する直線作動型のポテンショメータ１ｇとを有しており、その作動ロッド１ｆの先端部は、上記二つのリンク部材４ｇ，４ｈ相互の連結部に揺動自在に連結されている。
【００１４】
この反力発生アクチュエータ１は、サーボモータ１ｃの作動によってねじ軸１ｂを回転させてボールナット１ｅとともに作動ロッド１ｆを基部１ａに対しねじ軸１ｂの軸線方向に進退移動させることで、図５に作動ロッド１ｆが進出した状態について示すように、その作動ロッド１ｆに連結されたリンク部材４ｇを上腕部４ａに対して揺動させるとともに、その作動ロッド１ｆに連結されたもう一つのリンク部材４ｈを移動させて、そのリンク部材４ｈに連結された下腕部４ｂを上腕部４ａに対して揺動させ、これにより、上記グリップ４ｃを上腕部４ａに対して揺動変位させるとともに、上記器具取付け部４ｅを上腕部４ａに対して揺動変位させ、さらに、後述の如くしてサーボモータ１ｃの作動を制御されてグリップ４ｃに反力を与えることから、反力付与手段として機能する。そして上記ポテンショメータ１ｇは、下腕部４ｂおよびリンク部材４ｈを介してグリップ４ｃの位置を検出することから、入力部位置検出手段として機能する。
【００１５】
また、ここにおける反力制御ユニット２は、図１および図６に示すように、アクチュエータ位置制御ドライバ２ａと、反力コントローラ２ｂとを有しており、アクチュエータ位置制御ドライバ２ａは、反力コントローラ２ｂからの位置指令信号Ｓｐｃと上記ポテンショメータ１ｇからの位置フィードバック信号Ｓｐｆとに基づき、それらの信号差がなくなるまで、それらの信号差がなくなる方向のモータ駆動電流Ｉｍｄをサーボモータ１ｃに出力するとともに、反力コントローラ２ｂに上記ポテンショメータ１ｇからの位置フィードバック信号Ｓｐｆを送る。なお、かかるアクチュエータ位置制御ドライバ２ａは通常のものゆえ、その回路構成の詳細は省略する。
【００１６】
そして反力コントローラ２ｂは、図７にその回路構成を示すように、上記ロードセル４ｄ内の歪ゲージのブリッジ回路からの、グリップ４ｃに加えられた外力Ｆの大きさに応じた反力歪信号Ｓｆｓを増幅して外力信号としての反力フィードバック信号Ｓｆｆを出力する動歪アンプ２ｃと、アクチュエータ位置制御ドライバ２ａからの位置フィードバック信号Ｓｐｆを微分して速度信号Ｓｓを出力する微分回路２ｄと、上記位置フィードバック信号Ｓｐｆを反力−変位関係指示コンピュータ３からの反力／変位勾配指令信号Ｓａｃに対応したゲインで増幅する可変ゲイン増幅回路２ｅと、上記速度信号Ｓｓをこれも反力−変位関係指示コンピュータ３からの減衰率信号Ｓｄｃに対応したゲインで増幅する可変ゲイン増幅回路２ｆと、それら可変ゲイン増幅回路２ｅ，２ｆの出力信号とこれも反力−変位関係指示コンピュータ３からの定常反力指令信号Ｓｓｆｃとを加算して得た反力指令信号Ｓｆｃから上記動歪アンプ２ｃで増幅した反力フィードバック信号Ｓｆｆを減算した出力信号を積分して後述する反力／変位勾配と定常反力と減衰率とに基づく所定の反力を与えるような位置指令信号Ｓｐｃを得る積分増幅回路２ｇとを有している。
【００１７】
なお、ここにおける反力コントローラ２ｂは、具体的には、ＩＣ１（Ａ部，Ｃ部，Ｄ部使用）、ＩＣ２（Ａ部〜Ｄ部使用）、ＩＣ３（Ａ部，Ｂ部使用）、ＩＣ４（Ａ部〜Ｄ部使用）の四つのＩＣを用いたアナログ回路でコンパクトに構成されており、それらのＩＣには、図８（ａ）に示す電源回路から直接、および同図（ｂ）に示す平滑回路を介して電源供給し、また上記ロードセル４ｄ内の歪ゲージのブリッジ回路には、図８（ｃ）に示す電源回路から電源供給している。
【００１８】
さらに、ここにおける反力−変位関係指示コンピュータ３は、通常のパーソナルコンピュータにて構成され、あらかじめ与えられたプログラムに基づき作動して、図１に示すように、グリップ４ｃの変位（位置）とグリップ４ｃに与える反力の大きさとの関係を示すデータ（例えば関係式や表形式のデータ等）と、グリップ４ｃに与える定常反力の大きさと、反力の減衰率の大きさとをそれぞれ変更可能に記憶するとともに、ユーザの操作によってそれら変位と反力との関係と定常反力の大きさと減衰率の大きさとを適宜変更し、また、上記変位と反力との関係から求まる各位置での反力の勾配（増加率）と上記反力コントローラ２ｂから送られる位置フィードバック信号Ｓｐｆとから、現在位置での反力の増加率を指示する反力／変位勾配指令信号Ｓａｃを計算して、その反力／変位勾配指令信号Ｓａｃを反力コントローラ２ｂに出力するとともに、現在記憶している上記定常反力および減衰率の大きさをそれぞれ示す定常反力指令信号Ｓｓｆｃおよび減衰率信号Ｓｄｃを反力コントローラ２ｂに出力する。
【００１９】
加えて、反力−変位関係指示コンピュータ３は、上記反力コントローラ２ｂから送られる反力フィードバック信号Ｓｆｆおよび位置フィードバック信号Ｓｐｆから現在時点でのグリップ４ｃの実際の位置（変位）と実際の反力の大きさとを計算して、それらのデータを当該コンピュータ３の画面表示装置の画面上に表示する。
【００２０】
従って、この実施例の反力制御システムによれば、反力−変位関係ひいては仮想スプリング係数と、変位速度に応じた反力の減衰率と、定常反力ひいては仮想プリテンション値とをそれぞれ任意に設定して反力−変位関係指示コンピュータ３に与えることで、グリップ４ｃに与える反力の特性を任意に設定することができるので、仮想スプリングおよび仮想ダンパ付きの反力発生装置を実現することができ、しかも、その反力の特性を周囲の状況の変化に対応させて瞬時にかつ容易に変更することができる。
【００２１】
さらに、この実施例の反力制御システムによれば、反力−変位関係指示コンピュータ３がその画面表示装置の画面上に現在時点でのグリップ４ｃの実際の位置（変位）と実際の反力の大きさと表示するので、当該システムの実際の動作状況を容易に監視することができる。
【００２２】
そして、この実施例の反力制御システムによれば、例えば作業装置４の器具取付け部４ｅに荷物保持具等を取り付けて、グリップ４ｃを人が手で操作して荷物の持ち上げを行う場合に、ある程度の高さまで持ち上げる間は反力発生アクチュエータ１で荷物の荷重に近い持ち上げ力を下腕部４ｂに与えてグリップ４ｃから手に与える反力（操作力）を荷物の荷重よりも大幅に軽くし、ある程度以上の高さまで持ち上げるとその反力（操作力）を除々に増加させて高く持ち上げ過ぎないようにする、といった反力制御を行うことができる。
【００２３】
図９〜図１４は、この発明の反力制御システムの他の一実施例を示すもので、この実施例の反力制御システムは、二つの反力発生アクチュエータ５，６と、先の実施例におけるものと同様の構成の反力制御ユニット２および反力−変位関係指示コンピュータ３とを具えており、ここにおける二つの反力発生アクチュエータ５，６は、図９の側面図に示すように、運転シミュレーション装置７に設けられている。
【００２４】
この運転シミュレーション装置７は、車両の運転席を模して、インストルメントパネル７ａと、人が座れるシート７ｂと、入力部としてのステアリングホイール７ｃと、これも入力部としてのブレーキペダル７ｄ（図１３，１４参照）と、図示しないアクセルペダルとを具えるとともに、インストルメントパネル７ａの下側に支持部材７ｅを具えており、上記二つの反力発生アクチュエータ５，６のうちの反力発生アクチュエータ５は、ステアリングホイール７ｃに結合されてそのステアリングホイール７ｃに操舵反力を与え、もう一つの反力発生アクチュエータ６は、ブレーキペダル７ｄに結合されてそのブレーキペダル７ｄに踏込反力を与える役割を果たす。そして上記反力−変位関係指示コンピュータ３はその画面表示装置を、上記インストルメントパネル７ａに設置されている。
【００２５】
すなわち、反力発生アクチュエータ５は、図９、図１０の側面図、図１１のステアリングホイール７ｃの装着状態での正面図および、図１２の上方から見た断面図に示すように、支持部材７ｅに傾斜角度調節可能に固定支持された基部５ａと、その基部５ａ内に収容されてその基部５ａに回転自在に支持されるとともに互いにカップリング５ｂおよび外力検出手段としてのロードセル５ｃを介して同一軸線上で結合された二本の回転軸５ｄ，５ｅと、それらの回転軸５ｄ，５ｅと平行に配置されて基部５ａに支持された減速機付サーボモータ５ｆと、上記基部５ａ内に収容されてそのサーボモータ５ｆの出力軸と上記一方の回転軸５ｅとを駆動結合するベルト式伝動機構５ｇと、上記他方の回転軸５ｄに駆動結合されてその回転軸５ｄの回転を１／２に減速するとともにその減速した回転を略１回転だけ可能なようにストッパで規制する回転規制機構５ｈと、上記基部５ａに固定されてその基部５ａに対する上記一方の回転軸５ｅの回転位置（回転角度）を検出するロータリ式ポテンショメータ５ｈとを有しており、上記他方の回転軸５ｄの先端部は、上記ステアリングホイール７ｃに結合されている。
【００２６】
この反力発生アクチュエータ５は、サーボモータ５ｆの作動によって回転軸５ｄ，５ｅを回転させてステアリングホイール７ｃを回転させるとともに、先の実施例と同様にして反力制御ユニット２および反力−変位関係指示コンピュータ３によりサーボモータ５ｆの作動を制御されて、ステアリングホイール７ｃに反力を与えることから、反力付与手段として機能する。そして上記ポテンショメータ５ｈは、回転軸５ｄ，５ｅを介してステアリングホイール７ｃの回転位置を検出して反力制御ユニット２に入力することから、入力部位置検出手段として機能する。
【００２７】
また、もう一方の反力発生アクチュエータ６は、図１３のブレーキペダル７ｄの装着状態での正面側から見た斜視図および、図１４の同じくブレーキペダル７ｄの装着状態での、図９と反対の側から見た側面図に示すように、支持部材７ｅの底板部分に固定支持された基部６ａと、その基部６ａ内に収容されてその基部６ａに回転自在に支持された図示しないねじ軸と、そのねじ軸と平行に配置されて基部６ａに支持されたサーボモータ６ｂと、上記基部６ａ内に収容されてそのサーボモータ６ｂの出力軸と上記ねじ軸とを駆動結合する図示しないベルト式伝動機構と、上記ねじ軸に螺合されてボールねじ機構を構成する図示しないボールナット（ボール循環式ナット）と、そのボールナットを固定されるとともに上記基部６ａにそのねじ軸の軸線方向に進退移動自在に支持された図示しない作動部材と、上記基部６ａに固定されてその基部６ａに対する上記作動部材の進退移動位置を検出する直線作動型のポテンショメータ６ｃとを有しており、上記作動部材の側部には、上記ブレーキペダル７ｄが、外力検出手段としてのロードセル６ｄを介して角度調節可能に固定されている。
【００２８】
この反力発生アクチュエータ６は、サーボモータ６ｂの作動によって上記ねじ軸を回転させて上記ボールナットとともに上記作動部材を基部６ａに対しねじ軸の軸線方向に進退移動させることでブレーキペダル７ｄを直線移動させるとともに、先の実施例と同様にして反力制御ユニット２および反力−変位関係指示コンピュータ３によりサーボモータ６ｂの作動を制御されて、ブレーキペダル７ｄに反力を与えることから、反力付与手段として機能する。そして上記ポテンショメータ６ｃは、上記作動部材を介してブレーキペダル７ｄの進退位置を検出して反力制御ユニット２に入力することから、入力部位置検出手段として機能する。
【００２９】
従って、この実施例の反力制御システムによれば、反力−変位関係ひいては仮想スプリング係数と、変位速度に応じた反力の減衰率と、定常反力ひいては仮想プリテンション値とをそれぞれ任意に設定して反力−変位関係指示コンピュータ３に与えることで、ステアリングホイール７ｃおよびブレーキペダル７ｄに与える反力の特性をそれぞれ任意に設定することができるので、仮想スプリングおよび仮想ダンパ付きの反力発生装置を実現することができ、しかも、その反力の特性を周囲の状況の変化に対応させて瞬時にあるいは随時にかつ容易に変更することができる。
【００３０】
さらに、この実施例の反力制御システムによれば、反力−変位関係指示コンピュータ３が、上記インストルメントパネル７ａに設置された画面表示装置の画面上に現在時点でのステアリングホイール７ｃおよびブレーキペダル７ｄの各々の実際の位置（変位）と実際の反力の大きさとを表示するので、当該システムの実際の動作状況を容易に監視することができる。
【００３１】
そして、この実施例の反力制御システムによれば、例えば当該運転シミュレーション装置７を使用する人の運転能力や好みに応じて、あるいは実際の種々の車種における特性に応じてステアリングホイール７ｃおよびブレーキペダル７ｄに与える反力の特性を任意に設定することができるとともに、シミュレートしている車両の走行中の路面状況の変化（例えば雨の降り出し）等に応じてステアリングホイール７ｃおよびブレーキペダル７ｄに与える反力の特性を瞬時にかつ随時に変化させ得るので、実際の運転状況に極めて近い状況を模擬的に実現することができる。
【００３２】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、外力を検出するロードセルは先の実施例では反力発生アクチュエータの作動ロッド等に設けても良い。また、入力部に加えられる外力は人の操作力に限られず、車両の走行によって車輪からサスペンション装置に加わる力等でも良い。
【００３３】
また、この発明の反力制御システムは、例えば、ロボット等の遠隔操縦システムにおけるオペレータへの反力フィードバックにも適用し得て、正確な作業を可能にするとともに荷重の体感的な把握を可能にすることができ、また、プレス機械等で、負荷の変化にかかわらず一定の推力を維持する必要がある場合や、仮想スプリングと仮想ダンパとの制御による可変特性サスペンション装置にも適用することができる。
【００３４】
さらに、この発明の反力制御システムは、トレーニングマシンにも適用でき、訓練する人に応じて、あらかじめ設定された大きさから任意に変化させながら負荷を加えることができる。
【００３５】
そして、この発明の反力制御システムは、体感ゲーム機器等にも適用し得て、あらかじめ設定された力を操作者に加えることができ、また上記の可変特性サスペンション装置を応用して、種々の乗り物をシミュレーションするように体感ゲーム機器を制御することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の反力制御システムの一実施例を示す構成図である。
【図２】 （ａ），（ｂ）は、上記実施例の反力制御システムの反力発生アクチュエータが設けられた作業装置を示す平面図および側面図である。
【図３】 上記実施例の反力制御システムの反力発生アクチュエータが設けられた作業装置を操作者のモデルとともに示す斜視図である。
【図４】 上記実施例の反力制御システムの反力発生アクチュエータが設けられた作業装置を示す断面図である。
【図５】 上記実施例の反力制御システムの反力発生アクチュエータおよびそれが設けられた作業装置の動作状態を示す側面図である。
【図６】 上記実施例の反力制御システムの反力制御ユニットの構成を示すブロック線図である。
【図７】 上記実施例の反力制御システムの反力制御ユニットの反力コントローラの回路構成を示す構成図である。
【図８】 （ａ），（ｂ），（ｃ）は上記実施例の反力制御システムの反力制御ユニットおよびロードセルに電源を供給する電源回路を示す構成図である。
【図９】 この発明の反力制御システムの他の一実施例が設けられた運転シミュレーション装置を操作者のモデルとともに示す側面図である。
【図１０】 上記実施例の反力制御システムの、一方の反力発生アクチュエータを、ステアリングホイールを装着した状態で示す側面図である。
【図１１】 上記一方の反力発生アクチュエータを、ステアリングホイールを装着した状態で示す正面図である。
【図１２】 上記一方の反力発生アクチュエータを、ステアリングホイールを装着した状態で示す断面図である。
【図１３】 上記実施例の反力制御システムの、他方の反力発生アクチュエータを、ブレーキペダルを装着した状態で示す、正面側から見た斜視図である。
【図１４】 上記実施例の反力制御システムの、他方の反力発生アクチュエータを、ブレーキペダルを装着した状態で示す、図９と反対の側から見た側面図である。
【符号の説明】
１，５，６ 反力発生アクチュエータ
１ｃ，５ｆ，６ｂ サーボモータ
１ｇ，５ｉ，６ｃ ポテンショメータ
２ 反力制御ユニット
２ａ アクチュエータ位置制御ドライバ
２ｂ 反力コントローラ
３ 反力−変位関係指示コンピュータ３
４ 作業装置
４ａ，５ｃ，６ｄ ロードセル
７ 運転シミュレーション装置
７ａ インストルメントパネル
７ｂ シート
７ｃ ステアリングホイール
７ｄ ブレーキペダル
７ｅ 支持部材
【発明の属する技術分野】
この発明は、入力部への、人の操作力等の外力の入力に対し、その入力部に反力を与える反力制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上述の如きシステムとしては従来、例えば特公平７−１１１６１３号公報にて開示されたものが知られており、このシステムは、模擬操縦装置に用いられているもので、操縦訓練を受ける人が操作する模擬操縦機能部（模擬操縦桿）に連結された入力部としてのテイク・オフ・アームに駆動結合されたボールナットとそのボールナットに螺合するねじ軸とを持つボールねじ機構と、そのボールねじ機構のねじ軸を回転させるサーボモータとを有し、そのサーボモータの作動によって上記テイク・オフ・アームを変位させつつそのテイク・オフ・アームに反力を与える操舵反力発生機能部と、上記テイク・オフ・アームに加えられた外力としての操作力を検出してその操作力の大きさを示す操作力信号を出力するロード・セルと、上記テイク・オフ・アームの位置を検出してその位置を示す位置信号を出力する非接触位置センサとを具えている。
【０００３】
そして上記従来のシステムはさらに、上記非接触位置センサからの位置信号に基づく現在位置に所定のスプリング係数を乗じて得たスプリング力および後述する等価速度に所定の摩擦係数を乗じて得た摩擦力等を加算して操舵反力を求めるとともに、その操舵反力から、上記ロード・セルからの操作力信号に基づく操作力を減算して駆動力を求めて、その駆動力を積分することで等価速度を求め、その等価速度に基づく駆動信号を上記サーボモータに出力する制御機能部を具えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来のシステムによれば、所定のスプリング係数や所定の摩擦係数等のパラメータに応じた反力をテイク・オフ・アームに与えることができるものの、それらのバラメータの値を任意に設定したり瞬時にあるいは随時に変更したりすることができないという問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
この発明は、上記課題を有利に解決したシステムを提供することを目的とするものであり、請求項１記載のこの発明の反力制御システムは、ボールナットとそのボールナットに螺合するねじ軸とを持つボールねじ機構と、そのボールねじ機構の前記ねじ軸を回転させるサーボモータとを有し、前記サーボモータの作動による前記ねじ軸と前記ボールナットとの相対移動によりに入力部を変位させつつその入力部に反力を与える反力付与手段と、前記入力部に加えられた外力を検出してその外力の大きさを示す外力信号を出力する外力検出手段と、前記入力部の位置を検出してその入力部の位置を示す位置信号を出力する入力部位置検出手段と、位置指令信号と前記位置信号との差がなくなるように前記サーボモータを作動させるサーボモータ制御手段と、反力／変位勾配指令信号に基づき大きさを調節可能にした前記位置信号と、その位置信号から微分処理によって求めるとともに減衰率指令信号に基づき大きさを調節可能とした速度信号と、定常反力指令信号とを加えた信号と、前記外力信号との差に応じて前記位置指令信号を発生させて、その位置指令信号を出力する反力制御手段と、任意に設定された反力−変位関係に基づく前記反力／変位勾配指令信号と、任意に設定された減衰率に基づく前記減衰率指令信号と、任意に設定された定常反力に基づく前記定常反力指令信号とを出力する反力特性設定手段と、を具えてなるものである。
【０００６】
かかる反力制御システムにあっては、反力付与手段が、サーボモータの作動によりボールねじ機構のねじ軸を回転させてねじ軸とそれに螺合するボールナットとを相対移動させることで入力部を変位させつつその入力部に反力を与え、外力検出手段が、前記入力部に加えられた外力を検出してその外力の大きさを示す外力信号を出力し、入力部位置検出手段が、前記入力部の位置を検出してその入力部の位置を示す位置信号を出力し、サーボモータ制御手段が、位置指令信号と前記位置信号との差がなくなるように前記サーボモータを作動させ、反力制御手段が、反力／変位勾配指令信号に基づき大きさを調節可能にした前記位置信号と、その位置信号から微分処理によって求めるとともに減衰率指令信号に基づき大きさを調節可能とした速度信号と、定常反力指令信号とを加えた信号と、前記外力信号との差に応じて前記位置指令信号を発生させてその位置指令信号を出力し、反力特性設定手段が、任意に設定された反力−変位関係に基づく前記反力／変位勾配指令信号と、任意に設定された減衰率に基づく前記減衰率指令信号と、任意に設定された定常反力に基づく前記定常反力指令信号とをそれぞれ出力する。
【０００７】
また請求項２記載のこの発明の反力制御システムは、入力部に駆動結合された回転軸と、その回転軸を回転させるサーボモータとを有し、前記サーボモータの作動による前記回転軸の回転により入力部を回転変移させつつその入力部に回転反力を与える反力付与手段と、前記入力部に加えられた外力を検出してその外力の大きさを示す外力信号を出力する外力検出手段と、前記入力部の回転位置を検出してその入力部の回転位置を示す位置信号を出力する入力部位置検出手段と、位置指令信号と前記位置信号との差がなくなるように前記サーボモータを作動させるサーボモータ制御手段と、反力／変位勾配指令信号に基づき大きさを調節可能にした前記位置信号と、その位置信号から微分処理によって求めるとともに減衰率指令信号に基づき大きさを調節可能とした速度信号と、定常反力指令信号とを加えた信号と、前記外力信号との差に応じて前記位置指令信号を発生させて、その位置指令信号を出力する反力制御手段と、任意に設定された反力−変位関係に基づく前記反力／変位勾配指令信号と、任意に設定された減衰率に基づく前記減衰率指令信号と、任意に設定された定常反力に基づく前記定常反力指令信号とを出力する反力特性設定手段と、を具えてなるものである。
【０００８】
かかる反力制御システムにあっては、反力付与手段が、サーボモータの作動により回転軸を回転させることで、その回転軸に駆動結合した入力部を回転変位させつつその入力部に反力を与え、外力検出手段が、前記入力部に加えられた外力を検出してその外力の大きさを示す外力信号を出力し、入力部位置検出手段が、前記入力部の位置を検出してその入力部の位置を示す位置信号を出力し、サーボモータ制御手段が、位置指令信号と前記位置信号との差がなくなるように前記サーボモータを作動させ、反力制御手段が、反力／変位勾配指令信号に基づき大きさを調節可能にした前記位置信号と、その位置信号から微分処理によって求めるとともに減衰率指令信号に基づき大きさを調節可能とした速度信号と、定常反力指令信号とを加えた信号と、前記外力信号との差に応じて前記位置指令信号を発生させてその位置指令信号を出力し、反力特性設定手段が、任意に設定された反力−変位関係に基づく前記反力／変位勾配指令信号と、任意に設定された減衰率に基づく前記減衰率指令信号と、任意に設定された定常反力に基づく前記定常反力指令信号とをそれぞれ出力する。
【０００９】
従って、請求項１，２記載のこの発明の反力制御システムによれば、反力−変位関係と、減衰率と、定常反力とを任意に設定して反力特性設定手段に与えることで、入力部に与える反力の特性を任意に設定し得るとともに、その反力の特性を周囲の状況の変化に対応させて瞬時にあるいは随時にかつ容易に変更することができる。
【００１０】
なお、この発明の反力制御システムは、請求項３に記載のように、前記位置信号と前記外力信号とを入力されて、前記入力部の実際の変位とその時の実際の反力との大きさを表示する実変位・実反力表示手段を具えていても良く、このようにすれば、当該システムの実際の動作状況を容易に監視することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明の反力制御システムの一実施例を示す構成図であり、この実施例のシステムは、反力発生アクチュエータ１と、反力制御ユニット２と、反力−変位関係指示コンピュータ３とを具えてなる。
【００１２】
ここにおける反力発生アクチュエータ１は、図２（ａ），（ｂ）の平面図および側面図と、図３の斜視図と、図４の断面図とに示すように、作業装置４に設けられており、この作業装置４は、図示しない架台に支持された上腕部４ａと、その上腕部４ａの下端部に基端部を揺動自在に支持された下腕部４ｂと、その下腕部４ｂの先端部の側面から水平に突出するように配置された棒状の、入力部としてのグリップ４ｃと、そのグリップ４ｃ内に収容されてそのグリップ４ｃと上記下腕部４ｂの先端部とを連結するとともにそのグリップ４ｃに加えられた外力の大きさを検出する、外力検出手段としてのロードセル４ｄと、上記下腕部４ｂの先端部に揺動自在に支持された器具取付け部４ｅと、上記下腕部４ｂの先端部にその器具取付け部４ｅを連結する緩衝材としての板ばね４ｆと、上記下腕部４ｂの基端部と上記上腕部４ａの下端部とにそれぞれ揺動自在に連結されるとともに互いに揺動自在に連結されてそれら下腕部４ｂの基端部と上腕部４ａの下端部とともに四節リンクを構成する二つのリンク部材４ｇ，４ｈとを有している。
【００１３】
そして上記反力発生アクチュエータ１は、上腕部４ａに揺動自在に支持された基部１ａと、その基部１ａ内に収容されてその基部１ａに回転自在に支持されたねじ軸１ｂと、そのねじ軸１ｂと平行に配置されて基部１ａに支持されたサーボモータ１ｃと、上記基部１ａ内に収容されてそのサーボモータ１ｃの出力軸と上記ねじ軸１ｂとを駆動結合する歯車列１ｄと、上記ねじ軸１ｂに螺合されてボールねじ機構を構成するボールナット（ボール循環式ナット）１ｅと、一端部にそのボールナット１ｅを固定されて上記ねじ軸１ｂを摺動自在に収容するとともに上記基部１ａにそのねじ軸１ｂの軸線方向に進退移動自在に支持された筒状の作動ロッド１ｆと、上記基部１ａに固定されてその基部１ａに対する上記作動ロッド１ｆの進退移動位置を検出する直線作動型のポテンショメータ１ｇとを有しており、その作動ロッド１ｆの先端部は、上記二つのリンク部材４ｇ，４ｈ相互の連結部に揺動自在に連結されている。
【００１４】
この反力発生アクチュエータ１は、サーボモータ１ｃの作動によってねじ軸１ｂを回転させてボールナット１ｅとともに作動ロッド１ｆを基部１ａに対しねじ軸１ｂの軸線方向に進退移動させることで、図５に作動ロッド１ｆが進出した状態について示すように、その作動ロッド１ｆに連結されたリンク部材４ｇを上腕部４ａに対して揺動させるとともに、その作動ロッド１ｆに連結されたもう一つのリンク部材４ｈを移動させて、そのリンク部材４ｈに連結された下腕部４ｂを上腕部４ａに対して揺動させ、これにより、上記グリップ４ｃを上腕部４ａに対して揺動変位させるとともに、上記器具取付け部４ｅを上腕部４ａに対して揺動変位させ、さらに、後述の如くしてサーボモータ１ｃの作動を制御されてグリップ４ｃに反力を与えることから、反力付与手段として機能する。そして上記ポテンショメータ１ｇは、下腕部４ｂおよびリンク部材４ｈを介してグリップ４ｃの位置を検出することから、入力部位置検出手段として機能する。
【００１５】
また、ここにおける反力制御ユニット２は、図１および図６に示すように、アクチュエータ位置制御ドライバ２ａと、反力コントローラ２ｂとを有しており、アクチュエータ位置制御ドライバ２ａは、反力コントローラ２ｂからの位置指令信号Ｓｐｃと上記ポテンショメータ１ｇからの位置フィードバック信号Ｓｐｆとに基づき、それらの信号差がなくなるまで、それらの信号差がなくなる方向のモータ駆動電流Ｉｍｄをサーボモータ１ｃに出力するとともに、反力コントローラ２ｂに上記ポテンショメータ１ｇからの位置フィードバック信号Ｓｐｆを送る。なお、かかるアクチュエータ位置制御ドライバ２ａは通常のものゆえ、その回路構成の詳細は省略する。
【００１６】
そして反力コントローラ２ｂは、図７にその回路構成を示すように、上記ロードセル４ｄ内の歪ゲージのブリッジ回路からの、グリップ４ｃに加えられた外力Ｆの大きさに応じた反力歪信号Ｓｆｓを増幅して外力信号としての反力フィードバック信号Ｓｆｆを出力する動歪アンプ２ｃと、アクチュエータ位置制御ドライバ２ａからの位置フィードバック信号Ｓｐｆを微分して速度信号Ｓｓを出力する微分回路２ｄと、上記位置フィードバック信号Ｓｐｆを反力−変位関係指示コンピュータ３からの反力／変位勾配指令信号Ｓａｃに対応したゲインで増幅する可変ゲイン増幅回路２ｅと、上記速度信号Ｓｓをこれも反力−変位関係指示コンピュータ３からの減衰率信号Ｓｄｃに対応したゲインで増幅する可変ゲイン増幅回路２ｆと、それら可変ゲイン増幅回路２ｅ，２ｆの出力信号とこれも反力−変位関係指示コンピュータ３からの定常反力指令信号Ｓｓｆｃとを加算して得た反力指令信号Ｓｆｃから上記動歪アンプ２ｃで増幅した反力フィードバック信号Ｓｆｆを減算した出力信号を積分して後述する反力／変位勾配と定常反力と減衰率とに基づく所定の反力を与えるような位置指令信号Ｓｐｃを得る積分増幅回路２ｇとを有している。
【００１７】
なお、ここにおける反力コントローラ２ｂは、具体的には、ＩＣ１（Ａ部，Ｃ部，Ｄ部使用）、ＩＣ２（Ａ部〜Ｄ部使用）、ＩＣ３（Ａ部，Ｂ部使用）、ＩＣ４（Ａ部〜Ｄ部使用）の四つのＩＣを用いたアナログ回路でコンパクトに構成されており、それらのＩＣには、図８（ａ）に示す電源回路から直接、および同図（ｂ）に示す平滑回路を介して電源供給し、また上記ロードセル４ｄ内の歪ゲージのブリッジ回路には、図８（ｃ）に示す電源回路から電源供給している。
【００１８】
さらに、ここにおける反力−変位関係指示コンピュータ３は、通常のパーソナルコンピュータにて構成され、あらかじめ与えられたプログラムに基づき作動して、図１に示すように、グリップ４ｃの変位（位置）とグリップ４ｃに与える反力の大きさとの関係を示すデータ（例えば関係式や表形式のデータ等）と、グリップ４ｃに与える定常反力の大きさと、反力の減衰率の大きさとをそれぞれ変更可能に記憶するとともに、ユーザの操作によってそれら変位と反力との関係と定常反力の大きさと減衰率の大きさとを適宜変更し、また、上記変位と反力との関係から求まる各位置での反力の勾配（増加率）と上記反力コントローラ２ｂから送られる位置フィードバック信号Ｓｐｆとから、現在位置での反力の増加率を指示する反力／変位勾配指令信号Ｓａｃを計算して、その反力／変位勾配指令信号Ｓａｃを反力コントローラ２ｂに出力するとともに、現在記憶している上記定常反力および減衰率の大きさをそれぞれ示す定常反力指令信号Ｓｓｆｃおよび減衰率信号Ｓｄｃを反力コントローラ２ｂに出力する。
【００１９】
加えて、反力−変位関係指示コンピュータ３は、上記反力コントローラ２ｂから送られる反力フィードバック信号Ｓｆｆおよび位置フィードバック信号Ｓｐｆから現在時点でのグリップ４ｃの実際の位置（変位）と実際の反力の大きさとを計算して、それらのデータを当該コンピュータ３の画面表示装置の画面上に表示する。
【００２０】
従って、この実施例の反力制御システムによれば、反力−変位関係ひいては仮想スプリング係数と、変位速度に応じた反力の減衰率と、定常反力ひいては仮想プリテンション値とをそれぞれ任意に設定して反力−変位関係指示コンピュータ３に与えることで、グリップ４ｃに与える反力の特性を任意に設定することができるので、仮想スプリングおよび仮想ダンパ付きの反力発生装置を実現することができ、しかも、その反力の特性を周囲の状況の変化に対応させて瞬時にかつ容易に変更することができる。
【００２１】
さらに、この実施例の反力制御システムによれば、反力−変位関係指示コンピュータ３がその画面表示装置の画面上に現在時点でのグリップ４ｃの実際の位置（変位）と実際の反力の大きさと表示するので、当該システムの実際の動作状況を容易に監視することができる。
【００２２】
そして、この実施例の反力制御システムによれば、例えば作業装置４の器具取付け部４ｅに荷物保持具等を取り付けて、グリップ４ｃを人が手で操作して荷物の持ち上げを行う場合に、ある程度の高さまで持ち上げる間は反力発生アクチュエータ１で荷物の荷重に近い持ち上げ力を下腕部４ｂに与えてグリップ４ｃから手に与える反力（操作力）を荷物の荷重よりも大幅に軽くし、ある程度以上の高さまで持ち上げるとその反力（操作力）を除々に増加させて高く持ち上げ過ぎないようにする、といった反力制御を行うことができる。
【００２３】
図９〜図１４は、この発明の反力制御システムの他の一実施例を示すもので、この実施例の反力制御システムは、二つの反力発生アクチュエータ５，６と、先の実施例におけるものと同様の構成の反力制御ユニット２および反力−変位関係指示コンピュータ３とを具えており、ここにおける二つの反力発生アクチュエータ５，６は、図９の側面図に示すように、運転シミュレーション装置７に設けられている。
【００２４】
この運転シミュレーション装置７は、車両の運転席を模して、インストルメントパネル７ａと、人が座れるシート７ｂと、入力部としてのステアリングホイール７ｃと、これも入力部としてのブレーキペダル７ｄ（図１３，１４参照）と、図示しないアクセルペダルとを具えるとともに、インストルメントパネル７ａの下側に支持部材７ｅを具えており、上記二つの反力発生アクチュエータ５，６のうちの反力発生アクチュエータ５は、ステアリングホイール７ｃに結合されてそのステアリングホイール７ｃに操舵反力を与え、もう一つの反力発生アクチュエータ６は、ブレーキペダル７ｄに結合されてそのブレーキペダル７ｄに踏込反力を与える役割を果たす。そして上記反力−変位関係指示コンピュータ３はその画面表示装置を、上記インストルメントパネル７ａに設置されている。
【００２５】
すなわち、反力発生アクチュエータ５は、図９、図１０の側面図、図１１のステアリングホイール７ｃの装着状態での正面図および、図１２の上方から見た断面図に示すように、支持部材７ｅに傾斜角度調節可能に固定支持された基部５ａと、その基部５ａ内に収容されてその基部５ａに回転自在に支持されるとともに互いにカップリング５ｂおよび外力検出手段としてのロードセル５ｃを介して同一軸線上で結合された二本の回転軸５ｄ，５ｅと、それらの回転軸５ｄ，５ｅと平行に配置されて基部５ａに支持された減速機付サーボモータ５ｆと、上記基部５ａ内に収容されてそのサーボモータ５ｆの出力軸と上記一方の回転軸５ｅとを駆動結合するベルト式伝動機構５ｇと、上記他方の回転軸５ｄに駆動結合されてその回転軸５ｄの回転を１／２に減速するとともにその減速した回転を略１回転だけ可能なようにストッパで規制する回転規制機構５ｈと、上記基部５ａに固定されてその基部５ａに対する上記一方の回転軸５ｅの回転位置（回転角度）を検出するロータリ式ポテンショメータ５ｈとを有しており、上記他方の回転軸５ｄの先端部は、上記ステアリングホイール７ｃに結合されている。
【００２６】
この反力発生アクチュエータ５は、サーボモータ５ｆの作動によって回転軸５ｄ，５ｅを回転させてステアリングホイール７ｃを回転させるとともに、先の実施例と同様にして反力制御ユニット２および反力−変位関係指示コンピュータ３によりサーボモータ５ｆの作動を制御されて、ステアリングホイール７ｃに反力を与えることから、反力付与手段として機能する。そして上記ポテンショメータ５ｈは、回転軸５ｄ，５ｅを介してステアリングホイール７ｃの回転位置を検出して反力制御ユニット２に入力することから、入力部位置検出手段として機能する。
【００２７】
また、もう一方の反力発生アクチュエータ６は、図１３のブレーキペダル７ｄの装着状態での正面側から見た斜視図および、図１４の同じくブレーキペダル７ｄの装着状態での、図９と反対の側から見た側面図に示すように、支持部材７ｅの底板部分に固定支持された基部６ａと、その基部６ａ内に収容されてその基部６ａに回転自在に支持された図示しないねじ軸と、そのねじ軸と平行に配置されて基部６ａに支持されたサーボモータ６ｂと、上記基部６ａ内に収容されてそのサーボモータ６ｂの出力軸と上記ねじ軸とを駆動結合する図示しないベルト式伝動機構と、上記ねじ軸に螺合されてボールねじ機構を構成する図示しないボールナット（ボール循環式ナット）と、そのボールナットを固定されるとともに上記基部６ａにそのねじ軸の軸線方向に進退移動自在に支持された図示しない作動部材と、上記基部６ａに固定されてその基部６ａに対する上記作動部材の進退移動位置を検出する直線作動型のポテンショメータ６ｃとを有しており、上記作動部材の側部には、上記ブレーキペダル７ｄが、外力検出手段としてのロードセル６ｄを介して角度調節可能に固定されている。
【００２８】
この反力発生アクチュエータ６は、サーボモータ６ｂの作動によって上記ねじ軸を回転させて上記ボールナットとともに上記作動部材を基部６ａに対しねじ軸の軸線方向に進退移動させることでブレーキペダル７ｄを直線移動させるとともに、先の実施例と同様にして反力制御ユニット２および反力−変位関係指示コンピュータ３によりサーボモータ６ｂの作動を制御されて、ブレーキペダル７ｄに反力を与えることから、反力付与手段として機能する。そして上記ポテンショメータ６ｃは、上記作動部材を介してブレーキペダル７ｄの進退位置を検出して反力制御ユニット２に入力することから、入力部位置検出手段として機能する。
【００２９】
従って、この実施例の反力制御システムによれば、反力−変位関係ひいては仮想スプリング係数と、変位速度に応じた反力の減衰率と、定常反力ひいては仮想プリテンション値とをそれぞれ任意に設定して反力−変位関係指示コンピュータ３に与えることで、ステアリングホイール７ｃおよびブレーキペダル７ｄに与える反力の特性をそれぞれ任意に設定することができるので、仮想スプリングおよび仮想ダンパ付きの反力発生装置を実現することができ、しかも、その反力の特性を周囲の状況の変化に対応させて瞬時にあるいは随時にかつ容易に変更することができる。
【００３０】
さらに、この実施例の反力制御システムによれば、反力−変位関係指示コンピュータ３が、上記インストルメントパネル７ａに設置された画面表示装置の画面上に現在時点でのステアリングホイール７ｃおよびブレーキペダル７ｄの各々の実際の位置（変位）と実際の反力の大きさとを表示するので、当該システムの実際の動作状況を容易に監視することができる。
【００３１】
そして、この実施例の反力制御システムによれば、例えば当該運転シミュレーション装置７を使用する人の運転能力や好みに応じて、あるいは実際の種々の車種における特性に応じてステアリングホイール７ｃおよびブレーキペダル７ｄに与える反力の特性を任意に設定することができるとともに、シミュレートしている車両の走行中の路面状況の変化（例えば雨の降り出し）等に応じてステアリングホイール７ｃおよびブレーキペダル７ｄに与える反力の特性を瞬時にかつ随時に変化させ得るので、実際の運転状況に極めて近い状況を模擬的に実現することができる。
【００３２】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、外力を検出するロードセルは先の実施例では反力発生アクチュエータの作動ロッド等に設けても良い。また、入力部に加えられる外力は人の操作力に限られず、車両の走行によって車輪からサスペンション装置に加わる力等でも良い。
【００３３】
また、この発明の反力制御システムは、例えば、ロボット等の遠隔操縦システムにおけるオペレータへの反力フィードバックにも適用し得て、正確な作業を可能にするとともに荷重の体感的な把握を可能にすることができ、また、プレス機械等で、負荷の変化にかかわらず一定の推力を維持する必要がある場合や、仮想スプリングと仮想ダンパとの制御による可変特性サスペンション装置にも適用することができる。
【００３４】
さらに、この発明の反力制御システムは、トレーニングマシンにも適用でき、訓練する人に応じて、あらかじめ設定された大きさから任意に変化させながら負荷を加えることができる。
【００３５】
そして、この発明の反力制御システムは、体感ゲーム機器等にも適用し得て、あらかじめ設定された力を操作者に加えることができ、また上記の可変特性サスペンション装置を応用して、種々の乗り物をシミュレーションするように体感ゲーム機器を制御することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の反力制御システムの一実施例を示す構成図である。
【図２】 （ａ），（ｂ）は、上記実施例の反力制御システムの反力発生アクチュエータが設けられた作業装置を示す平面図および側面図である。
【図３】 上記実施例の反力制御システムの反力発生アクチュエータが設けられた作業装置を操作者のモデルとともに示す斜視図である。
【図４】 上記実施例の反力制御システムの反力発生アクチュエータが設けられた作業装置を示す断面図である。
【図５】 上記実施例の反力制御システムの反力発生アクチュエータおよびそれが設けられた作業装置の動作状態を示す側面図である。
【図６】 上記実施例の反力制御システムの反力制御ユニットの構成を示すブロック線図である。
【図７】 上記実施例の反力制御システムの反力制御ユニットの反力コントローラの回路構成を示す構成図である。
【図８】 （ａ），（ｂ），（ｃ）は上記実施例の反力制御システムの反力制御ユニットおよびロードセルに電源を供給する電源回路を示す構成図である。
【図９】 この発明の反力制御システムの他の一実施例が設けられた運転シミュレーション装置を操作者のモデルとともに示す側面図である。
【図１０】 上記実施例の反力制御システムの、一方の反力発生アクチュエータを、ステアリングホイールを装着した状態で示す側面図である。
【図１１】 上記一方の反力発生アクチュエータを、ステアリングホイールを装着した状態で示す正面図である。
【図１２】 上記一方の反力発生アクチュエータを、ステアリングホイールを装着した状態で示す断面図である。
【図１３】 上記実施例の反力制御システムの、他方の反力発生アクチュエータを、ブレーキペダルを装着した状態で示す、正面側から見た斜視図である。
【図１４】 上記実施例の反力制御システムの、他方の反力発生アクチュエータを、ブレーキペダルを装着した状態で示す、図９と反対の側から見た側面図である。
【符号の説明】
１，５，６ 反力発生アクチュエータ
１ｃ，５ｆ，６ｂ サーボモータ
１ｇ，５ｉ，６ｃ ポテンショメータ
２ 反力制御ユニット
２ａ アクチュエータ位置制御ドライバ
２ｂ 反力コントローラ
３ 反力−変位関係指示コンピュータ３
４ 作業装置
４ａ，５ｃ，６ｄ ロードセル
７ 運転シミュレーション装置
７ａ インストルメントパネル
７ｂ シート
７ｃ ステアリングホイール
７ｄ ブレーキペダル
７ｅ 支持部材
Claims (3)
- ボールナットとそのボールナットに螺合するねじ軸とを持つボールねじ機構と、そのボールねじ機構の前記ねじ軸を回転させるサーボモータとを有し、前記サーボモータの作動による前記ねじ軸と前記ボールナットとの相対移動によりに入力部を変位させつつその入力部に反力を与える反力付与手段と、
前記入力部に加えられた外力を検出してその外力の大きさを示す外力信号を出力する外力検出手段と、
前記入力部の位置を検出してその入力部の位置を示す位置信号を出力する入力部位置検出手段と、
位置指令信号と前記位置信号との差がなくなるように前記サーボモータを作動させるサーボモータ制御手段と、
反力／変位勾配指令信号に基づき大きさを調節可能にした前記位置信号と、その位置信号から微分処理によって求めるとともに減衰率指令信号に基づき大きさを調節可能とした速度信号と、定常反力指令信号とを加えた信号と、前記外力信号との差に応じて前記位置指令信号を発生させて、その位置指令信号を出力する反力制御手段と、
任意に設定された反力−変位関係に基づく前記反力／変位勾配指令信号と、任意に設定された減衰率に基づく前記減衰率指令信号と、任意に設定された定常反力に基づく前記定常反力指令信号とを出力する反力特性設定手段と、
を具えてなる、反力制御システム。 - 入力部に駆動結合された回転軸と、その回転軸を回転させるサーボモータとを有し、前記サーボモータの作動による前記回転軸の回転により入力部を回転変移させつつその入力部に回転反力を与える反力付与手段と、
前記入力部に加えられた外力を検出してその外力の大きさを示す外力信号を出力する外力検出手段と、
前記入力部の回転位置を検出してその入力部の回転位置を示す位置信号を出力する入力部位置検出手段と、
位置指令信号と前記位置信号との差がなくなるように前記サーボモータを作動させるサーボモータ制御手段と、
反力／変位勾配指令信号に基づき大きさを調節可能にした前記位置信号と、その位置信号から微分処理によって求めるとともに減衰率指令信号に基づき大きさを調節可能とした速度信号と、定常反力指令信号とを加えた信号と、前記外力信号との差に応じて前記位置指令信号を発生させて、その位置指令信号を出力する反力制御手段と、
任意に設定された反力−変位関係に基づく前記反力／変位勾配指令信号と、任意に設定された減衰率に基づく前記減衰率指令信号と、任意に設定された定常反力に基づく前記定常反力指令信号とを出力する反力特性設定手段と、
を具えてなる、反力制御システム。 - 前記位置信号と前記外力信号とを入力されて、前記入力部の実際の変位とその時の実際の反力との大きさを表示する実変位・実反力表示手段を具えることを特徴とする、請求項１記載の反力制御システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000399979A JP3813816B2 (ja) | 2000-12-28 | 2000-12-28 | 反力制御システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000399979A JP3813816B2 (ja) | 2000-12-28 | 2000-12-28 | 反力制御システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002202820A JP2002202820A (ja) | 2002-07-19 |
| JP3813816B2 true JP3813816B2 (ja) | 2006-08-23 |
Family
ID=18864649
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000399979A Expired - Fee Related JP3813816B2 (ja) | 2000-12-28 | 2000-12-28 | 反力制御システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3813816B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3579041B2 (ja) * | 2003-03-13 | 2004-10-20 | コナミ株式会社 | ゲームシステム、ゲーム装置、ゲーム制御方法、ならびに、プログラム |
| JP4334483B2 (ja) * | 2005-01-13 | 2009-09-30 | 学校法人金沢工業大学 | 飛行操縦ロボット |
| JP5213166B2 (ja) * | 2008-06-04 | 2013-06-19 | 国立大学法人信州大学 | 移動装置 |
-
2000
- 2000-12-28 JP JP2000399979A patent/JP3813816B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002202820A (ja) | 2002-07-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3264398B2 (ja) | バイラテラルマスタースレーブ操作方式の操縦装置 | |
| JP4875684B2 (ja) | 乗物の加速を制御するユーザ入力装置 | |
| US6394731B1 (en) | Work assist device | |
| EP1540642B1 (en) | Variable compliance joystick with compensation algorithms | |
| US8683628B2 (en) | Patient support table | |
| US5643087A (en) | Input device including digital force feedback apparatus | |
| CN101681180B (zh) | 用于机器的操作员控制装置 | |
| US8092402B2 (en) | Power assist control method, power assist control apparatus, and reduction apparatus | |
| JPH10500516A (ja) | マウス又はトラックボールの垂直移動による真の３次元入力の可能化 | |
| JP2003517808A (ja) | 動力補助車両 | |
| EP0704039B1 (en) | Manual control system for camera mountings | |
| US20050182609A1 (en) | Method and system for simulating a manual operating device | |
| JP2010066962A (ja) | 操作装置 | |
| JP3813816B2 (ja) | 反力制御システム | |
| JPH08248872A (ja) | 運転模擬試験装置 | |
| JPH0438507A (ja) | ジョイスティックコントロール装置 | |
| JP2014215241A (ja) | 車両試験システム | |
| KR100586533B1 (ko) | 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템 | |
| JP2005066752A (ja) | 超多自由度ロボット操縦装置 | |
| JP2587027B2 (ja) | 揺動台装置 | |
| GB2165664A (en) | Remote controller for motor vehicle | |
| JPH08292712A (ja) | ハンドル装置及びハンドル | |
| RU67754U1 (ru) | Тренажер для обучения вождению и имитатор транспортного средства | |
| JP2006159964A (ja) | 運転姿勢調節装置 | |
| KR20040016632A (ko) | 장애인의 자동차 운전을 위한 힘 반영 조이스틱 운전 시스템 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060509 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060601 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100609 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110609 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110609 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120609 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130609 Year of fee payment: 7 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |