JPH0227418A - Three-dimensional coordinate input controller - Google Patents

Three-dimensional coordinate input controller

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JPH0227418A
JPH0227418A JP63177495A JP17749588A JPH0227418A JP H0227418 A JPH0227418 A JP H0227418A JP 63177495 A JP63177495 A JP 63177495A JP 17749588 A JP17749588 A JP 17749588A JP H0227418 A JPH0227418 A JP H0227418A
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dimensional
arm
piezoelectric
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stator
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Akira Tomono
明 伴野
Haruo Takemura
竹村 治雄
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A T R TSUSHIN SYST KENKYUSHO KK
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A T R TSUSHIN SYST KENKYUSHO KK
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Abstract

PURPOSE:To input three-dimensional coordinates with high accuracy and at high speed by constituting a holding mechanism of an arm mechanism having plural joints, controlling one of joints with a piezoelectric type rotation force control mechanism, and controlling the action of an arm. CONSTITUTION:A coordinate detecting part 52 to detect the three-dimensional coordinates of an input operation part, a holding mechanism to hold movably a three-dimensional coordinate input operation part with three-dimensional space and a coordinate converting part 53 to convert it to a coordinate system to display the detected result of the coordinate detecting part 52 are provided. The holding mechanism is composed of the arm mechanism having joints and for at least one out of the joints, the action of the arm is controlled by piezoelectric type turning force control mechanisms 21-23. For the holding mechanism, the arm mechanism having plural joints is desirable. Consequently, the holding mechanism of a sensor, the improvement of the instruction accuracy due to suppressing the unstable action of a hand, the improvement of the instruction speed, the reduction of the operation fatigue and the dynamical feedback function from a system to an operator can be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は三次元座標入力制御装置に関し、特に、計算
機などのシステムと人間とのインタフェースにおいて、
三次元座標を高速にかつ正確に入力するとともに、入力
に対するシステムからの力学的なフィードバックを実現
するための三次元座標入力制御装置に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] This invention relates to a three-dimensional coordinate input control device, and in particular, in an interface between a system such as a computer and a human,
The present invention relates to a three-dimensional coordinate input control device for inputting three-dimensional coordinates quickly and accurately and for realizing dynamic feedback from the system in response to the input.

[従来の技術] 仮想の空間に居るかごと(感覚で三次元物体を設計した
り、あるいは宇宙、海底など人が容易に立ち入れないよ
うな空間において人に代わって作業するロボットを臨場
感で遠隔操作する、などに代表される人工臨場感空間で
の各種操作は、古くから夢の技術として考えられてきた
。このようなマンマシン・インタフェースを実現するた
めに必要な技術としては、三次元画像表示技術、三次元
座標入力技術1機械と操作者の間の相互作用制御技術が
挙げられる。このうち、画像表示技術は、該インタフェ
ースにおいて最も基本的なものであり、従来から各種の
方式が検討されてきたが、制約条件が多いため、長い間
実用化には至らなかった。
[Conventional technology] Robots in virtual space (designing three-dimensional objects with sense, or robots working on behalf of humans in spaces where humans cannot easily enter, such as space or the ocean floor) with a sense of reality. Various operations in artificial immersive spaces, such as remote control, have long been considered a dream technology.The technology necessary to realize such a man-machine interface is three-dimensional Image display technology, three-dimensional coordinate input technology 1. Interaction control technology between the machine and the operator.Among these, image display technology is the most basic for this interface, and various methods have been used to date. Although it has been considered, it has not been put into practical use for a long time due to many constraints.

しかしながら、最近において高速、高輝度デイスプレィ
の出現とともに、時分割眼鏡、偏光眼鏡などを用いた実
用的な両眼立体視表示が開発されるに至り、該インタフ
ェースは現実的なものとして考えられるようになった。
However, in recent years, with the advent of high-speed, high-brightness displays, practical binocular stereoscopic displays using time-sharing glasses, polarized glasses, etc. have been developed, and this interface has come to be considered as a realistic one. became.

上述のインタフェースに関する動向は、上述のごとく、
やっと三次元画像表示技術が開発された状況にあるため
、該三次元表示環境における座標入力、さらには操作者
との相互作用制御技術は課題として残されており、した
がって、従来このような三次元指示入力装置、さらには
システムと操作者との相互作用を制御する装置に関する
発明例は少ない。
As mentioned above, the trends regarding the above-mentioned interfaces are as follows:
Although three-dimensional image display technology has finally been developed, coordinate input in the three-dimensional display environment and interaction control technology with the operator remain issues. There are few inventions related to instruction input devices, and furthermore, devices for controlling interaction between a system and an operator.

三次元指示入力装置としては、マウスなどの二次元入力
装置を改良して使用する方法も考えられるが、本願発明
者等の実験によると、この場合、奥行き方向を指示する
ためにたとえばマウスのスイッチを操作しなければなら
ず、奥行き方向の指示と奥行を含まない方向の指示との
比較において、指示時間に異方性が見られるなど、操作
特性上望ましくない結果が得られる。このように、X軸
As a three-dimensional indication input device, it is possible to use an improved two-dimensional input device such as a mouse, but according to the experiments of the present inventors, in this case, for example, a mouse switch is used to indicate the depth direction. This results in undesirable results in terms of operational characteristics, such as anisotropy in the instruction time when comparing instructions in the depth direction and instructions in a direction that does not include depth. In this way, the X axis.

y軸、z軸の移動方法がすべて同一でない場合には、操
作特性が劣化する傾向にある。
If the y-axis and z-axis movement methods are not all the same, the operating characteristics tend to deteriorate.

以上の考え方によると、三次元指示装置には、入力操作
部が位置する三次元座標を検出するセンサを用いる方法
が有望と言える。すなわち、磁気センサ、光センサなど
を三次元センサとし、これを手で直接操作することによ
り、座標を選択して入力する方法である。本願発明者等
は、磁気センサを用いてこれを実験し、指示時間の異方
性が減少するなど操作性が向上することを確認した。し
かし、この実験では、同時に手によるセンサの保持は不
安定であるため、小さな目標の指示には適さず、また長
時間の使用は腕の疲労の点から難しいなどの問題も明ら
かになった。さらに、この方法では、システムから操作
者に対して力学的なフィードバックを与えることができ
ないため、システムと操作者との相互作用が必要な処理
には向かないなどの問題も指摘される。
According to the above concept, it can be said that a method using a sensor that detects the three-dimensional coordinates where the input operation section is located is promising for the three-dimensional pointing device. That is, this is a method in which coordinates are selected and input by using a three-dimensional sensor such as a magnetic sensor or an optical sensor and directly operating the sensor with the hand. The inventors of the present application experimented with this using a magnetic sensor and confirmed that the anisotropy of the instruction time was reduced and the operability was improved. However, this experiment also revealed problems such as holding the sensor in the hand is unstable, making it unsuitable for indicating small targets, and using it for long periods of time is difficult due to arm fatigue. Furthermore, this method is not suitable for processing that requires interaction between the system and the operator, as it is not possible to provide dynamic feedback from the system to the operator.

[発明が解決しようとする課a] それゆえに、この発明の主たる目的は、三次元センサを
指示入力装置に適用する際に必要とされる、該センサの
保持機能1手の不安定な動きを抑制することによる指示
精度の向上、指示速度の向上、操作疲労の減少およびシ
ステムから操作者への力学的フィードバック機能などを
実現できる三次元座標入力制御装置を提供することであ
る。
[Problem A to be Solved by the Invention] Therefore, the main purpose of the present invention is to solve the holding function of the sensor, which is necessary when applying the three-dimensional sensor to an instruction input device, to prevent the unstable movement of one hand. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional coordinate input control device that can improve instruction accuracy, increase instruction speed, reduce operation fatigue, and realize a mechanical feedback function from the system to an operator by suppressing the input speed.

[課題を解決するための手段] 第1請求項に係る発明は、入力操作部分の三次元座標を
検出するための三次元座標検出部と、三次元座標入力操
作部分を三次元空間で移動可能に保持するための保持機
構と、三次元座標検出部の検出結果を表示のための座標
系に変換する座標変換部とを含み、保持機構ζ塙関節を
持つ腕機構によって構成され、その関節のうちの少なく
とも1つは圧電式回転力制御機構によって腕の動きが制
御されるように構成したものである。ここで、より好ま
しくは、保持機構は複数の関節を持つ腕機構が望ましい
[Means for Solving the Problem] The invention according to the first claim includes a three-dimensional coordinate detection section for detecting three-dimensional coordinates of an input operation portion, and a three-dimensional coordinate input operation portion that is movable in three-dimensional space. The holding mechanism includes a holding mechanism for holding the 3D coordinate detector, and a coordinate conversion unit for converting the detection results of the three-dimensional coordinate detection unit into a coordinate system for display. At least one of them is configured so that the movement of the arm is controlled by a piezoelectric rotational force control mechanism. Here, more preferably, the holding mechanism is an arm mechanism having a plurality of joints.

第2請求項に係る発明は、圧電式回転力制御機構として
、円形ステータとそのステータに対向して設けられたロ
ータとからなり、ステータは一方の腕要素に固定されて
超音波振動子によって励振され、ロータは他方の腕要素
に固定されて構成される。
The invention according to claim 2 is a piezoelectric rotational force control mechanism that includes a circular stator and a rotor provided opposite to the stator, and the stator is fixed to one arm element and excited by an ultrasonic vibrator. and the rotor is configured to be fixed to the other arm element.

より好ましくは、ステータに少なくとも定在波を発生さ
せることにより、ロータとの間の相互力を制御できる。
More preferably, the mutual force between the stator and the rotor can be controlled by generating at least a standing wave in the stator.

[作用] この発明に係る三次元座標入力制御装置は、三次元位置
検出部と該検出部を保持する機構を分離して構成してい
るため、それぞれについて信頼性の高い設計が容品とな
る。また、保持部は関節を持つ腕機構により構成され、
関節は超音波振動子を用いた円形の圧電式回転力制御機
構により制御されるため、以下の作用が得られる。
[Function] Since the three-dimensional coordinate input control device according to the present invention has a three-dimensional position detecting section and a mechanism for holding the detecting section separated, a highly reliable design for each can be achieved. . In addition, the holding part is composed of an arm mechanism with joints,
Since the joint is controlled by a circular piezoelectric rotational force control mechanism using an ultrasonic vibrator, the following effects can be obtained.

■ 圧電式回転力制御機構は、通常(OF F)の状態
で保持トルクが極めて高いため、検出部およびこれを握
っている手を空間に容易に保持できる。
(2) Since the piezoelectric rotational force control mechanism has an extremely high holding torque in the normal (OFF) state, the detection unit and the hand holding it can be easily held in space.

■ 圧電式回転力制御機構の摩擦力(保持トルク)は振
動子を励振することにより、自在に制御可能である。た
とえば、定在波を発生させると保持トルクは減少するた
め、腕機構は手の動きに自在に追随する。このように保
持トルクを制御することにより、手の不安定な動きを抑
制できるため、指示精度および入力速度を向上できる。
■ The frictional force (holding torque) of the piezoelectric rotational force control mechanism can be freely controlled by exciting the vibrator. For example, when a standing wave is generated, the holding torque is reduced, so the arm mechanism can freely follow the movement of the hand. By controlling the holding torque in this manner, unstable movements of the hand can be suppressed, thereby improving instruction accuracy and input speed.

■ より好ましくは、振動子に進行波を発生させること
により、回転力を発生させることが可能であり、かつこ
の発生力は進行波の振幅を変化させることにより制御で
きるため、操作者への力学的フィードバックが容易とな
る。
■ More preferably, by generating a traveling wave in the vibrator, it is possible to generate a rotational force, and this generated force can be controlled by changing the amplitude of the traveling wave, so that it is possible to improve the dynamics for the operator. This makes it easier to provide feedback.

■ 圧電式回転力制御機構は、構造が簡単なため、過度
な衝撃が加わっても破壊されにくく、したがって信頼性
を高めることができる。また、保持機構を小型、軽量に
設計できる。
■ Since the piezoelectric rotational force control mechanism has a simple structure, it is less likely to be destroyed even if an excessive impact is applied, and therefore reliability can be improved. Furthermore, the holding mechanism can be designed to be small and lightweight.

■ 圧電式回転力制御機構は応答性が速いので、操作者
に違和感を与えない。すなわち、高い臨場感での保持制
御およびフィードバック制御が可能となる。
■ The piezoelectric rotational force control mechanism has a quick response, so it does not cause any discomfort to the operator. In other words, holding control and feedback control with a high sense of realism are possible.

■ 圧電式回転力制御機構は電磁モータと異なり、電磁
雑音を発生しないので、三次元位置検出装置として磁気
センサを組合わせて用いることができる。
- Unlike an electromagnetic motor, a piezoelectric rotational force control mechanism does not generate electromagnetic noise, so it can be used in combination with a magnetic sensor as a three-dimensional position detection device.

[発明の実施例] 第1図はこの発明の一実施例を示す外観斜視図である。[Embodiments of the invention] FIG. 1 is an external perspective view showing an embodiment of the present invention.

第1図において、腕機構1は腕要索11゜12と関節1
11,112および113とを含む。
In FIG.
11, 112 and 113.

腕要素11と12は関節111によって上下方向に回動
自在に指示され、腕要素12は関節112によって上下
方向に回動自在に支持され、関節112は関節113に
よって水平方向に回動自在に支持されている。なお、関
節113は台座10に取付けられている。各関節111
.112および113には、それぞれ圧電式回転力制御
機構21゜22.23が設けられ、それぞれの回転力が
制御される。
Arm elements 11 and 12 are directed to be freely rotatable in the vertical direction by a joint 111, arm element 12 is supported by a joint 112 so as to be freely rotatable in the vertical direction, and joint 112 is supported by a joint 113 so as to be freely rotatable in the horizontal direction. has been done. Note that the joint 113 is attached to the pedestal 10. Each joint 111
.. 112 and 113 are respectively provided with piezoelectric rotational force control mechanisms 21, 22, and 23 to control their respective rotational forces.

また、腕要索11と12の間における保持力を制御する
ために、調圧機構3が設けられ、腕要素11の一端には
重り機構41が設けられ、腕要素12の一端にも重り機
構42が設けられている。
Further, in order to control the holding force between the arm ropes 11 and 12, a pressure regulating mechanism 3 is provided, a weight mechanism 41 is provided at one end of the arm element 11, and a weight mechanism is provided at one end of the arm element 12. 42 are provided.

腕要素11の他端には棒状部材が突出して設けられ、そ
の先端に球7が設けられている。そして、この球7によ
って取手6が支持される。取手6内には磁気検知コイル
9が内蔵され、外部には磁気ソースコイル8が設けられ
ている。また、腕機構1の回転を支持するために支持機
構5が設けられている。
A rod-shaped member is provided protruding from the other end of the arm element 11, and a ball 7 is provided at the tip thereof. The handle 6 is supported by this ball 7. A magnetic detection coil 9 is built into the handle 6, and a magnetic source coil 8 is provided outside. Further, a support mechanism 5 is provided to support the rotation of the arm mechanism 1.

次に、三次元座標検出部についてより具体的に説明する
。磁気ソースコイル8を構成する3つのコイルは所定の
位置に、それぞれ直交する向きに配置されており、図示
しない発振器により時分割的に順次励振され、このまわ
りに交流磁界を形成している。また、取手6の中に設け
られた磁気検知コイル9は、同様にして、それぞれ直交
する向きに配置された3つのコイルから構成されており
、磁気ソースコイル8によって形成される交流磁界の強
度を電圧として検出し、図示しない座標検出装置により
磁気ソースコイル8の座標系において、X、y、z成分
が計算される。これにより、磁気ソースコイル8を基準
にした場合の取手6の位置および向きが計測される。さ
らに、その位置および向きは図示しない三次元表示装置
の座標系に変換される。したがって、取手6を動かすと
、その位置は三次元表示装置の中で連動して表示される
Next, the three-dimensional coordinate detection section will be explained in more detail. The three coils constituting the magnetic source coil 8 are arranged at predetermined positions in orthogonal directions, and are sequentially excited in a time-sharing manner by an oscillator (not shown) to form an alternating current magnetic field around them. Similarly, the magnetic detection coil 9 provided in the handle 6 is composed of three coils arranged in orthogonal directions, and is configured to adjust the intensity of the alternating current magnetic field formed by the magnetic source coil 8. It is detected as a voltage, and the X, y, and z components are calculated in the coordinate system of the magnetic source coil 8 by a coordinate detection device (not shown). As a result, the position and orientation of the handle 6 with respect to the magnetic source coil 8 are measured. Furthermore, the position and orientation are converted to the coordinate system of a three-dimensional display device (not shown). Therefore, when the handle 6 is moved, its position is displayed in conjunction with the three-dimensional display.

なお、三次元磁気センサは所定の原点を基準にして絶対
座標を出力するだけでなく、前の位置との相対的な移動
量だjすを出力することもできる。
Note that the three-dimensional magnetic sensor can not only output absolute coordinates based on a predetermined origin, but also output the amount of movement relative to the previous position.

次に、取手6の動き自由度について説明する。Next, the degree of freedom of movement of the handle 6 will be explained.

取手6は中心部に設けられた穴機構が腕要素11に設け
られた棒状部材の先端部の球7に嵌合しているため、球
7を中心として自在に回転可能である。また、腕要f:
11.12は3つの関ml 11゜112および113
によって回動可能に支持されているため、取手6は三次
元空間を自在に移動可能である。すなわち、台座10を
基準にとると、関節11.1,112によって距離およ
び上下運動が調節可能であり、関節113により左右の
動きが調節可能である。このように、取手6は60由度
の動きが可能である。なお、この実施例では、三次元位
置検出系と腕機構の機械的設計を別々に行なうことが可
能である。
The handle 6 can freely rotate around the ball 7 because a hole mechanism provided in the center fits into a ball 7 at the tip of a rod-like member provided on the arm element 11. Also, arm requirement f:
11.12 is three functions ml 11°112 and 113
Since the handle 6 is rotatably supported by the handle 6, the handle 6 can freely move in three-dimensional space. That is, when the base 10 is taken as a reference, the distance and vertical movement can be adjusted by the joints 11.1 and 112, and the left and right movement can be adjusted by the joint 113. In this way, the handle 6 can move through 60 degrees of freedom. In this embodiment, the three-dimensional position detection system and the arm mechanism can be mechanically designed separately.

次に、関節111,112および113の動き制御機構
について説明する。腕要素11.12には、重力による
上下方向の回転力が常に加わるため、これを打消す逆方
向の回転力が必要となる。
Next, a motion control mechanism for joints 111, 112, and 113 will be explained. Since the arm elements 11, 12 are always subjected to a vertical rotational force due to gravity, a rotational force in the opposite direction is required to counteract this.

この実施例では、この機構を担う例として、圧電式回転
力制御機構21.22を用いる場合と、重り機構41.
42を用いる場合を示している。重り機構41.42と
しては、関節111,112を介して各腕要素11.1
2の反対側に回転力がほぼ同じになるような重りが設け
られる。圧電式回転力制御機構21.22としては、調
圧機構3により2つの腕要素がそれぞれ回転しない程度
に摩擦力が設定される。重り機構41.42として大き
なものを用いると、取手6の動きが重くなるため、この
実施例では、圧電式回転力制御機構21.22の補助と
して位置づけており、省略することも可能である。
In this embodiment, piezoelectric rotational force control mechanisms 21.22 are used as examples of this mechanism, and weight mechanisms 41.22 are used.
42 is used. As the weight mechanism 41.42, each arm element 11.1 is connected via the joints 111, 112.
A weight is provided on the opposite side of 2 so that the rotational force is almost the same. In the piezoelectric rotational force control mechanisms 21 and 22, a frictional force is set by the pressure regulating mechanism 3 to such an extent that the two arm elements do not rotate. If a large weight mechanism is used as the weight mechanism 41, 42, the movement of the handle 6 will be heavy, so in this embodiment, it is positioned as an auxiliary to the piezoelectric rotational force control mechanism 21, 22, and may be omitted.

第2図は圧電式回転力制御機構を示す図であり、第3図
はその一部を拡大して示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing the piezoelectric rotational force control mechanism, and FIG. 3 is an enlarged diagram of a part thereof.

次に、第2図および第3図を参照して、圧電式回転力制
御機構を用いた関節の構造と駆動方法について説明する
。圧電式回転力制御機構は第2図に示すように、円形ス
テータ21とこの円形ステータ21に対向して設けられ
たロータ22とから構成されている。円形ステータ21
およびロータ22はそれぞれ腕要素11.12の一部を
なしている。また、円形ステータ21とロータ22との
間には、ばねなどの調圧機構3により所定の圧力が組立
て時に加えられている。ステータ21は第3図に示すよ
うに、弾性体25とこれに接着剤などで固定された圧電
素子24とこの圧電素子24に固定された緩衝部材23
により構成される。弾性体25には一定間隔でスリット
26が形成されている。
Next, with reference to FIGS. 2 and 3, the structure and driving method of a joint using a piezoelectric rotational force control mechanism will be described. As shown in FIG. 2, the piezoelectric rotational force control mechanism is composed of a circular stator 21 and a rotor 22 provided opposite to the circular stator 21. Circular stator 21
and rotor 22 each form part of the arm element 11.12. Further, a predetermined pressure is applied between the circular stator 21 and the rotor 22 by a pressure regulating mechanism 3 such as a spring during assembly. As shown in FIG. 3, the stator 21 includes an elastic body 25, a piezoelectric element 24 fixed to the elastic body 25 with adhesive or the like, and a buffer member 23 fixed to the piezoelectric element 24.
Consisted of. Slits 26 are formed in the elastic body 25 at regular intervals.

第4図はステータを駆動するための圧電素子の構成を示
す図であり、第5図は圧電素子の電界の方向と分極方向
を示す図であり、第6図は圧電素子の屈曲振動を説明す
るための図であり、第7図はステータの励振状態を示す
図である。
Fig. 4 is a diagram showing the configuration of a piezoelectric element for driving the stator, Fig. 5 is a diagram showing the electric field direction and polarization direction of the piezoelectric element, and Fig. 6 is a diagram explaining the bending vibration of the piezoelectric element. FIG. 7 is a diagram showing an excitation state of the stator.

次に、第2図ないし第7図を参照して、圧電式回転力制
御機構を用いた関節の駆動方法について説明する。圧電
素子は連続した1枚の圧電板で作られ、一方面には共通
の電極(図示せず)が形成され、他方面には第4図に示
すように区分A、  Bに2つの711ti241,2
42が形成されている。
Next, a method for driving a joint using a piezoelectric rotational force control mechanism will be described with reference to FIGS. 2 to 7. The piezoelectric element is made of one continuous piezoelectric plate, with a common electrode (not shown) formed on one side, and two 711ti241 plates in sections A and B on the other side, as shown in FIG. 2
42 is formed.

また、各区分の圧電体は円周に沿ってλ/2(λ:駆動
電圧の波長)ごとに、矢印c、dに示すように分極の方
向が交互になるように予め分極されている。
Furthermore, the piezoelectric bodies in each section are polarized in advance at intervals of λ/2 (λ: wavelength of the drive voltage) along the circumference so that the directions of polarization alternate as shown by arrows c and d.

このような圧電素子24の区分AまたはBのいずれかに
、第4図に示すように高周波電圧を印加すると、第5図
に示すように、電界の方向が分極と同じ部分は縮み、異
なる部分は伸びようとする。
When a high frequency voltage is applied to either section A or B of the piezoelectric element 24 as shown in FIG. 4, as shown in FIG. tries to grow.

ここで、駆動周波数をステータ21の固有周波数に設定
すると、ステータ21は屈曲振動する。ステータ21の
励振状態を第7図に示す。
Here, when the drive frequency is set to the natural frequency of the stator 21, the stator 21 undergoes bending vibration. The excitation state of the stator 21 is shown in FIG.

第7図においては、円周を9λとしであるため、9カ所
に定在波が生じる。この定在波の振幅は印加電圧により
変化する。ロータ22はステータ21に対向して設けら
れており、調圧機構3により所定の摩擦力が設定されて
いるが、上述のごとく定在波を発生させ、この振幅を大
きくしていくと摩擦力は徐々に減少する。
In FIG. 7, since the circumference is 9λ, standing waves are generated at nine locations. The amplitude of this standing wave changes depending on the applied voltage. The rotor 22 is provided facing the stator 21, and a predetermined frictional force is set by the pressure regulating mechanism 3. As mentioned above, when a standing wave is generated and the amplitude of this wave is increased, the frictional force is gradually decreases.

なお、ステータ21は摩擦力を与えるリングを圧電リン
グの外側に設け、二重リング構造にしてもよい。このよ
うにして、保持トルクの大きさは定在波を発生させる印
加電圧の大きさで制御することができる。したがって、
三次元センサおよび手を空101に保持する場合には電
圧を印加せず、入力の際など、センサを動かす必要が生
じた場合には、電圧を印加して摩擦力を制御することに
より、自在な動きが可能となる。
Note that the stator 21 may have a double ring structure by providing a ring that provides frictional force on the outside of the piezoelectric ring. In this way, the magnitude of the holding torque can be controlled by the magnitude of the applied voltage that generates the standing wave. therefore,
When the three-dimensional sensor and the hand 101 are kept empty, no voltage is applied, but when it is necessary to move the sensor, such as during input, a voltage is applied to control the frictional force. movements are possible.

次に、フィードバック制御について説明する。Next, feedback control will be explained.

操作者の入力に対して、システムが操作者に力学的フィ
ードバックをかける場合、関節は操作者の動きに対向し
て高速で大きなトルクを発生する必要がある。この場合
の圧電素子24の駆動方法については、第4図に示すよ
うに区分Aと区分Bを3/4λずらして形成しておき、
これら相互に時間的位相が90°異なる高周波電圧Φ0
.Φ9゜を印加することにより可能である。
When the system applies mechanical feedback to the operator in response to the operator's input, the joints need to generate large torques at high speeds in opposition to the operator's movements. Regarding the method of driving the piezoelectric element 24 in this case, as shown in FIG.
These high frequency voltages Φ0 whose temporal phases differ by 90° from each other
.. This is possible by applying Φ9°.

すなわち、このような電圧を圧電素子24に印加すると
、両方の区分で生成される波が相互に干渉を起こして合
成され、弾性体25の表面では進行波が生ずる。この様
子を第6図に示す。区分Bの位相を+90’ または−
90′にすることにより、正逆の回転を制御できる。回
転速度は印加電圧または駆動周波数により制御可能であ
るが、比較的低速(毎秒数回転)であり、取手6を動か
すための制御に適している。
That is, when such a voltage is applied to the piezoelectric element 24, waves generated in both sections interfere with each other and are combined, and a traveling wave is generated on the surface of the elastic body 25. This situation is shown in FIG. Set the phase of section B to +90' or -
By setting it to 90', forward and reverse rotation can be controlled. Although the rotation speed can be controlled by applied voltage or drive frequency, it is relatively slow (several rotations per second) and is suitable for controlling the movement of the handle 6.

第8図は保持トルク調整用の圧電リングと駆動トルク発
生用の圧電リングを同心円上に2組設けた圧電式回転力
制御機構を示す図である。第8図において、ステータ2
1は円形の緩衝部材23の上にリング状の圧電索子24
1と242とを同心上に配置し、圧電素子241の上に
スリットの形成された弾性体251を配置し、圧電索子
242の上に弾性体252を配置したものである。tし
て、外側の圧電索子241と弾性体251とによって駆
動トルク発生用圧電リング31が構成され、内側の圧電
素子242と弾性体252とによって保持トルク調整用
圧電リング32が構成される。
FIG. 8 is a diagram showing a piezoelectric rotational force control mechanism in which two sets of piezoelectric rings for adjusting holding torque and piezoelectric rings for generating driving torque are provided concentrically. In FIG. 8, stator 2
1 is a ring-shaped piezoelectric cord 24 on a circular buffer member 23.
1 and 242 are arranged concentrically, an elastic body 251 in which a slit is formed is placed above the piezoelectric element 241, and an elastic body 252 is placed above the piezoelectric cord 242. t, the piezoelectric ring 31 for generating driving torque is constituted by the piezoelectric cord 241 on the outside and the elastic body 251, and the piezoelectric ring 32 for adjusting the holding torque is constituted by the piezoelectric element 242 and the elastic body 252 on the inside.

これらの駆動トルク発生用圧電リング31と保持トルク
調整用圧電リング32を切換えるかあるいは組合わせる
ことによって取手6の保持力およびフィードバック駆動
力を様々に変化させることができる。なお、圧電式回転
力制御機構は、上述のごとく電圧で動作するものである
がゆえに、磁気センサと干渉することはない。
By switching or combining these driving torque generation piezoelectric ring 31 and holding torque adjustment piezoelectric ring 32, the holding force and feedback driving force of the handle 6 can be varied in various ways. Note that since the piezoelectric rotational force control mechanism operates using voltage as described above, it does not interfere with the magnetic sensor.

第9図はこの発明の一実施例を用いて三次元座標を入力
するシステムの構成を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing the configuration of a system for inputting three-dimensional coordinates using an embodiment of the present invention.

第9図において、入力操作部である取手6には第1の親
指スイッチ58と第2の親指スイッチ59と指示入力ス
イッチ60が設けられている。第1および第2の親指ス
イッチ58.59と指示入力スイッチ60のそれぞれが
操作されたとき、指示入力信号が主制御装置j!t54
に与えられる。取手6には振動子61が設けられている
。この振動子61は取手6を振動させることにより、操
作者にフィードバックするためのものであり、主制御装
置54からの制御信号に応答して、振動子駆動装置62
によって駆動される。
In FIG. 9, the handle 6, which is an input operation section, is provided with a first thumb switch 58, a second thumb switch 59, and an instruction input switch 60. When the first and second thumb switches 58, 59 and the instruction input switch 60 are operated, an instruction input signal is sent to the main controller j! t54
given to. A vibrator 61 is provided on the handle 6. This vibrator 61 is for providing feedback to the operator by vibrating the handle 6, and in response to a control signal from the main controller 54, the vibrator drive device 62
driven by.

磁界検知コイル9の検出出力は三次元座標・移動量検出
装置52に与えられる。三次元座標・移動量検出装置5
2は磁界検知コイル9によって磁気ソースコイル8を基
準としたときの三次元座標および移動量を検出するもの
であって、検出出力を主制御装置54に与える。圧電式
回転力制御機構21.22および23は主制御装置54
からの制御信号に応答して、駆動装置51によって駆動
される。主制御装置54には、表示画面の座標に対する
座標変換を行なう座標変換部53が内蔵されるとともに
、三次元データベース57が接続されている。この三次
元データベース57は三次元図形を表示するためのデー
タを蓄積している。
The detection output of the magnetic field detection coil 9 is given to a three-dimensional coordinate/movement amount detection device 52. Three-dimensional coordinate/movement detection device 5
Reference numeral 2 detects the three-dimensional coordinates and movement amount using the magnetic field detection coil 9 with respect to the magnetic source coil 8, and provides a detection output to the main controller 54. The piezoelectric rotational force control mechanisms 21, 22 and 23 are connected to the main controller 54.
The drive unit 51 is driven by a drive device 51 in response to a control signal from the drive unit 51 . The main control device 54 has a built-in coordinate conversion section 53 that performs coordinate conversion on the coordinates of the display screen, and is connected to a three-dimensional database 57. This three-dimensional database 57 stores data for displaying three-dimensional figures.

三次元表示装置55は両眼立体視やフォログラフィなど
によって構成されており、主制御装置54からの制御信
号に応じて、表示制御装置56によって表示制御される
The three-dimensional display device 55 is configured using binocular stereoscopic vision, holography, or the like, and its display is controlled by a display control device 56 in response to a control signal from the main control device 54.

次に、第9図に示した三次元座標入力システムの動作に
ついて説明する。通常、圧電式回転力制御機構21.2
2および23はOFF状態にあり、関節111.112
および113は摩擦力により固定され、したがって取手
6は空間に保持されている。ここで、操作者が取手6だ
けを移動しようとする場合には、第1図の親指スイッチ
58のみをONする。また、三次元表示装置55におけ
る表示画面中のカーソル65を移動しようとする場合に
は第2の親指スイッチ59をONにする。
Next, the operation of the three-dimensional coordinate input system shown in FIG. 9 will be explained. Usually, piezoelectric rotational force control mechanism 21.2
2 and 23 are in the OFF state, joints 111.112
and 113 are fixed by frictional force, so that the handle 6 is held in space. Here, if the operator intends to move only the handle 6, only the thumb switch 58 shown in FIG. 1 is turned on. Furthermore, when attempting to move the cursor 65 on the display screen of the three-dimensional display device 55, the second thumb switch 59 is turned on.

主制御装置54は、第1の親指スイッチ58または第2
の親指スイッチ59がONされたことに応じて、駆動装
置51に対して関節111,112および113の保持
トルクを減少させるように指令する。応じて、駆動装置
51は圧電式回転力;1.す御機構21.22および2
3に対して定在波駆動を行ない、保持トルクを低減させ
る。これによって、腕機構1は三次元空間での運動が自
在となる。
The main controller 54 has a first thumb switch 58 or a second thumb switch 58 .
In response to the thumb switch 59 being turned on, the driving device 51 is commanded to reduce the holding torque of the joints 111, 112, and 113. Accordingly, the drive device 51 generates a piezoelectric rotational force;1. Control mechanism 21, 22 and 2
Standing wave drive is applied to 3 to reduce the holding torque. This allows the arm mechanism 1 to move freely in three-dimensional space.

磁界検知コイル9の検知出力は三次元座標・移動量検出
装置52に与えられ、三次元座標および移動量が検出さ
れて主制御装置54に与えられる。
The detection output of the magnetic field detection coil 9 is given to a three-dimensional coordinate/movement amount detection device 52, where the three-dimensional coordinates and the amount of movement are detected and given to the main controller 54.

主制御装置54の座標変換部53は取手6の移動量およ
び方向に基づいて、三次元表示装置55の表示座標に変
換する。そして、主制御装置54は変換された表示座標
に基づいて、表示制御装置56に対して、三次元表示装
置55のカーソル65の位置を所定の位置に表示するよ
うに指定する。
The coordinate conversion unit 53 of the main control device 54 converts the movement amount and direction of the handle 6 into display coordinates of the three-dimensional display device 55. Based on the converted display coordinates, the main control device 54 then instructs the display control device 56 to display the position of the cursor 65 on the three-dimensional display device 55 at a predetermined position.

ここで、三次元表示装置55には、三次元データベース
57から与えられたデータに基づいて、物体63.64
が表示されている。今、取手6の動きに連動したカーソ
ル65が物体63に衝突する状況を考える。この場合、
主制御装置54は、カーソル65が物体63の内部に入
らないように、駆動装置51に対して圧電回転力制御機
構21゜22.23の定在波駆動を停+Lするように指
令し、腕機構1が物体63の形状で決まる所定の方向に
移動できないようにフィードバックをかける。
Here, the three-dimensional display device 55 displays objects 63 and 64 based on data given from the three-dimensional database 57.
is displayed. Now, consider a situation in which the cursor 65 that is linked to the movement of the handle 6 collides with the object 63. in this case,
The main controller 54 instructs the drive device 51 to stop the standing wave drive of the piezoelectric rotational force control mechanism 21, 22, 23 so that the cursor 65 does not enter the inside of the object 63, and Feedback is applied so that the mechanism 1 cannot move in a predetermined direction determined by the shape of the object 63.

表示物体64が、たとえばばねであって、カーソル65
を用いてこれを操作する作業では、ばねを伸ばす、縮め
るなどの動きに対して、この反力を取手6に加える必要
がある。このため、主制御装置54は駆動装置51に対
して、圧電回転力制御機構21,22.23を進行波駆
動し、正または逆の回転力を腕機構1に与えるように指
令する。
The display object 64 is, for example, a spring, and the cursor 65
When operating this using a spring, it is necessary to apply this reaction force to the handle 6 against movements such as extending or contracting the spring. Therefore, the main controller 54 instructs the drive device 51 to drive the piezoelectric rotational force control mechanisms 21, 22, 23 in a traveling wave and apply a forward or reverse rotational force to the arm mechanism 1.

また、主制御装置54はカーソル65が物体63に衝突
したことをフィードバックするために、振動子61を振
動させる。
The main controller 54 also causes the vibrator 61 to vibrate in order to provide feedback that the cursor 65 has collided with the object 63.

第9図において、このシステムが効果的に作用する他の
操作例としては、磁場の中に磁性体を入れたとき、磁性
体に働く力を操作者に知覚させるような用途が考えられ
る。この場合には、圧電回転力側go機構21.22お
よび23を適宜進行波駆動することにより、三次元表示
vtri155の画面の中で磁性体を摘んだ操作者の手
は磁界に引き寄せられたり、反発を受けたり、その磁界
空間に居るがごとく感覚を体験できる。
In FIG. 9, another example of operation in which this system works effectively is a use in which when a magnetic body is placed in a magnetic field, the operator is made to perceive the force acting on the magnetic body. In this case, by appropriately driving the piezoelectric rotational force side go mechanisms 21, 22 and 23 with traveling waves, the hand of the operator who has picked up the magnetic material on the screen of the three-dimensional display vtri 155 is attracted to the magnetic field. You can receive repulsion and experience the sensation of being in that magnetic field space.

なお、上述の実施例においては、圧電式回転力制御機構
21.22および23の適用箇所として、関節111,
112および113を示したが、圧電式回転力制御機構
21,22.23は小型、軽量および構造が簡単などの
特徴があるため、関節111.112および113以外
のたとえば取手6の回転機構である球7の部分にも適用
できる。
In the above embodiment, the piezoelectric rotational force control mechanisms 21, 22 and 23 are applied to the joints 111,
112 and 113 are shown, the piezoelectric rotational force control mechanisms 21, 22, and 23 have features such as being small, lightweight, and simple in structure, so they are suitable for rotating mechanisms other than the joints 111, 112, and 113, for example, the handle 6. This can also be applied to the ball 7 part.

また、三次元センサとしては、腕の先端に設けられた磁
界検知コイル9に代えて、光センサを用いてもよい。さ
らに、三次元センサは腕機構1の先端だけでなくて各関
節111.112および113に角度センサを付けるよ
うに構成してもよい。
Further, as the three-dimensional sensor, an optical sensor may be used instead of the magnetic field detection coil 9 provided at the tip of the arm. Furthermore, the three-dimensional sensor may be configured such that an angle sensor is attached not only to the tip of the arm mechanism 1 but also to each joint 111, 112, and 113.

第10図はこの発明の他の実施例の構成を示す図である
。第10図において、X、ymmツタブレット502腕
521の先端によって支持されており、腕521の他端
は関@522によって回動可能に支持されている。関節
522には圧電式回転力制御機構520が設けられてお
り、腕521の回転角度を検出するために、角度センサ
511が設けられている。
FIG. 10 is a diagram showing the configuration of another embodiment of the invention. In FIG. 10, the X, ymm tablet 502 is supported by the tip of an arm 521, and the other end of the arm 521 is rotatably supported by a gate 522. A piezoelectric rotational force control mechanism 520 is provided at the joint 522, and an angle sensor 511 is provided to detect the rotation angle of the arm 521.

さらに、タブレット502にはX方向およびy方向に移
動riJiなようにマウス入力装置501が設けられて
いる。このマウス入力装置501の出力はX方向、y方
向位置検出装置503に接続されている。このX方向、
y方向位置検出装置503はマウス入力装置501の出
力に基づいて、X。
Further, the tablet 502 is provided with a mouse input device 501 for movement in the X and Y directions. The output of this mouse input device 501 is connected to an X-direction and y-direction position detection device 503. This X direction,
The y-direction position detection device 503 detects the X position based on the output of the mouse input device 501.

y方向の位置を検出するものである。また、角度センサ
511の出力はZ方向位置検出装置512に与えられる
。2方向位置検出装置512は角度センサ511の出力
に基づいて、2方向の位置を検出する。そして、X方向
、X方向位置検出装置503および2方向位置検出装置
512によって三次元座標検出部が構成される。ここで
、入力操作部はマウス入力装置501とタブレット50
2に相当する。X方向、X方向位置検出装置503およ
び2方向位置検出装置512のそれぞれの出力は座標変
換部530に与えられ、この座標変換部530によって
三次元表示装置55の座標系に変換される。
This detects the position in the y direction. Further, the output of the angle sensor 511 is given to a Z-direction position detection device 512. The two-direction position detection device 512 detects positions in two directions based on the output of the angle sensor 511. The X-direction, X-direction position detecting device 503, and two-direction position detecting device 512 constitute a three-dimensional coordinate detecting section. Here, the input operation unit includes a mouse input device 501 and a tablet 50.
Corresponds to 2. The respective outputs of the X-direction, X-direction position detection device 503 and two-direction position detection device 512 are given to a coordinate conversion section 530, and converted into the coordinate system of the three-dimensional display device 55 by this coordinate conversion section 530.

上述のごとく構成することによって、タブレット502
は腕521と関節522によって三次元空間に保持され
る。そして、X方向およびX方向の操作は、通常のマウ
スと同様であるので、その詳細な説明は省略する。2方
向の操作については、圧電式回転力制御機構520が通
常高い保持力をHするため、任意の高さ(2方向の位置
)でX方向およびX方向の入力が可能となる。タブレッ
ト502を下方向に移動させるためには、圧電式回転力
制御機構520を定在波駆動し、保持力を下げればよい
。また、タブレット502を上方向に移動するためには
、第10図において、右回りの回転力を発生されるよう
にすればよい。
By configuring as described above, the tablet 502
is held in three-dimensional space by arms 521 and joints 522. Since the operations in the X direction and the X direction are similar to those of a normal mouse, detailed explanation thereof will be omitted. Regarding operations in two directions, since the piezoelectric rotational force control mechanism 520 normally exerts a high holding force H, inputs in the X direction and the X direction are possible at arbitrary heights (positions in two directions). In order to move the tablet 502 downward, the piezoelectric rotational force control mechanism 520 may be driven by a standing wave to lower the holding force. Furthermore, in order to move the tablet 502 upward, a clockwise rotational force may be generated in FIG. 10.

上述のごとく、この発明では、三次元座標検出部は各種
の構成が考えられ、保持機構は1つの関節を持つ腕機構
であってもよい。
As described above, in the present invention, the three-dimensional coordinate detection section may have various configurations, and the holding mechanism may be an arm mechanism having one joint.

また、この発明の一実施例では、三次元座標入力装置を
三次元表示装置55のインタフェースに適用しているが
、二次元表示装置において、奥行き感が与えられる表示
方法でも同様に有効である。
Further, in one embodiment of the present invention, a three-dimensional coordinate input device is applied to the interface of the three-dimensional display device 55, but a display method that gives a sense of depth in a two-dimensional display device is equally effective.

[発明の効果] 以上のように、この発明によれば、複数の関節を持つ腕
機構によって保持機構を構成し、関節の少なくとも1つ
を圧電式回転力制御機構によって腕の動きが制御される
ように構成したので、高い精度で高速に三次元座標を入
力できる。また、電磁雑音を発生しないため、磁気セン
サによる座標検出の信頼性が高く、さらに操作者の疲労
が少なく、また操作者へ機械的なフィードバックを与え
ることが容易となる。したがって、三次元画像の作成や
三次元データベースの操作やロボットの臨場感遠隔操作
や模擬体験などのインタフェース応用分野に使用できる
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the holding mechanism is configured by an arm mechanism having a plurality of joints, and the movement of the arm is controlled by a piezoelectric rotational force control mechanism for at least one of the joints. With this configuration, three-dimensional coordinates can be input with high precision and at high speed. Further, since no electromagnetic noise is generated, the reliability of coordinate detection by the magnetic sensor is high, the fatigue of the operator is reduced, and it is easy to give mechanical feedback to the operator. Therefore, it can be used in interface application fields such as creation of three-dimensional images, operation of three-dimensional databases, realistic remote control of robots, and simulated experiences.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はこの発明の一実施例の外観斜視図である。第2
図は圧電式回転力制御機構を示す図である。第3図は圧
電式回転力制御機構の一部を拡大して示す図である。第
4図はステータを駆動するための圧電素子の構成を示す
図である。第5図は圧電素子の電界の方向と分極方向を
示す図である。 第6図は圧電素子の屈曲振動を説明するための図である
。第7図はステータの励振状態を示す図である。第8図
は保持トルク調整用の圧電リングと駆動トルク発生用の
圧電リングを同心円上に2m設けた圧電式回転力制御機
構を示す図である。第9図はこの発明の一実施例を用い
て三次元座標を入力するためのシステムの一例を示す図
である。 第10図はこの発明の他の実施例の構成を示す図である
。 図において、1は腕機構、3は調圧機構、6は取手、7
は球、8は磁気ソースコイル、9は磁界検知コイル、1
1.12は腕要素、21. 22゜23.520は圧電
式回転力制御機構、41,42は重り、51は駆動装置
、52は三次元座標・移動量検出装置、53.530は
座標変換部、54は主制御装置、55は三次元表示装置
、56は表示制御装置、57は三次元データベース、1
11.112,113,522は関節、501はマウス
入力装置、502はタブレット、503はX方向、X方
向位置検出装置、512は2方向位置検出装置、521
は腕を示す。 特許出願人 株式会社エイ・ティ・アール通信システム
研究所 地70 第8図 第4刀
FIG. 1 is an external perspective view of one embodiment of the present invention. Second
The figure shows a piezoelectric rotational force control mechanism. FIG. 3 is an enlarged view of a part of the piezoelectric rotational force control mechanism. FIG. 4 is a diagram showing the configuration of a piezoelectric element for driving the stator. FIG. 5 is a diagram showing the direction of the electric field and the direction of polarization of the piezoelectric element. FIG. 6 is a diagram for explaining bending vibration of a piezoelectric element. FIG. 7 is a diagram showing an excitation state of the stator. FIG. 8 is a diagram showing a piezoelectric rotational force control mechanism in which a piezoelectric ring for adjusting holding torque and a piezoelectric ring for generating driving torque are arranged concentrically for 2 m. FIG. 9 is a diagram showing an example of a system for inputting three-dimensional coordinates using an embodiment of the present invention. FIG. 10 is a diagram showing the configuration of another embodiment of the invention. In the figure, 1 is an arm mechanism, 3 is a pressure regulating mechanism, 6 is a handle, and 7
is a sphere, 8 is a magnetic source coil, 9 is a magnetic field detection coil, 1
1.12 is an arm element, 21. 22゜23.520 is a piezoelectric rotational force control mechanism, 41 and 42 are weights, 51 is a drive device, 52 is a three-dimensional coordinate/movement detection device, 53.530 is a coordinate conversion unit, 54 is a main control device, 55 1 is a three-dimensional display device, 56 is a display control device, 57 is a three-dimensional database, 1
11. 112, 113, 522 are joints, 501 is a mouse input device, 502 is a tablet, 503 is an X direction, an X direction position detection device, 512 is a two-direction position detection device, 521
shows the arm. Patent applicant: A.T.R. Communication Systems Research Institute, Ltd., 70 Figure 8, No. 4 Sword

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)入力操作部分が位置する三次元座標を検出するた
めの三次元座標検出部、 前記三次元座標入力操作部分を三次元空間で移動可能に
保持するための保持機構、および前記三次元座標検出部
の検出結果を表示のための座標系に変換するための座標
変換部とを含み、前記保持機構は関節を持つ腕機構によ
って構成され、該関節のうちの少なくとも1つは圧電式
回転力制御機構によって腕の動きが制御されることを特
徴とする、三次元座標入力制御装置。
(1) A three-dimensional coordinate detection unit for detecting the three-dimensional coordinates where the input operation part is located, a holding mechanism for holding the three-dimensional coordinate input operation part movably in three-dimensional space, and the three-dimensional coordinates. a coordinate conversion section for converting the detection result of the detection section into a coordinate system for display, and the holding mechanism is constituted by an arm mechanism having joints, and at least one of the joints has a piezoelectric rotation force. A three-dimensional coordinate input control device characterized in that arm movement is controlled by a control mechanism.
(2)前記圧電式回転力制御機構は、 円形のステータと、 前記ステータに対向して設けられたロータとを含み、 前記ステータは一方の腕要素に固定されて超音波振動子
によって励振され、前記ロータは他方の腕要素に固定さ
れることを特徴とする、請求項1項記載の三次元座標入
力制御装置。
(2) The piezoelectric rotational force control mechanism includes: a circular stator; and a rotor provided opposite to the stator; the stator is fixed to one arm element and excited by an ultrasonic vibrator; The three-dimensional coordinate input control device according to claim 1, wherein the rotor is fixed to the other arm element.
(3)前記圧電式回転力制御機構は、 円形のステータと、 前記ステータに対向して設けられたロータとを含み、 前記ステータに少なくとも定在波を発生させることによ
り、前記ロータとの相互力を制御することを特徴とする
、請求項1項記載の三次元座標入力制御装置。
(3) The piezoelectric rotational force control mechanism includes a circular stator and a rotor provided opposite to the stator, and generates at least a standing wave in the stator to generate a mutual force with the rotor. 2. The three-dimensional coordinate input control device according to claim 1, wherein the three-dimensional coordinate input control device controls:
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