JP2000181618A - ４軸のフォースフィードバックを有する力覚インタフェース装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 操作性を改善し、且つ長時間操作による疲労
を軽減させる、３軸の回転運動及び１軸の直線運動の合
計４軸に関してフォースフィードバックを有する力覚イ
ンタフェース装置を提供すること。 【解決手段】 本発明の力覚インタフェース装置は、ベ
ースと、ベースに取り付けられた三本のリンクセットに
よって支持されている第一可動部と、第一可動部に取り
付けられ且つ第一可動部に対して一つの軸線方向に移動
可能である第二可動部と、制御部とを備える。各リンク
セットは第一可動部がある一点を中心とする回転運動、
すなわち３軸の回転運動をするように構成されている。
各リンクセットに力を伝達するアクチュエータがベース
上に取り付けられ、各リンクセット及び第二可動部に力
を伝達するアクチュエータが第一可動部の姿勢及び第二
可動部の位置を検出するセンサの信号に基づいて制御部
によって独立に制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ユーザに触覚又は
力覚を瞬間的に知覚させる機能であるフォースフィード
バックを３軸の回転運動及び１軸の直線運動の合計４軸
に関して有する力覚インタフェース装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】機械、特にその制御部又はコンピュータ
と人間とを結ぶインタフェース手段は操作性及び情報伝
達性の上で非常に重要である。人間とコンピュータの情
報及び操作に関する対話の方法は、コンピュータからの
出力であるモニター上の画像を見ながらマウス、ジョイ
スティック、キーボード等の入力装置を使用して入力す
ることが代表的である。しかしながら、現実の生活にお
いて人間が環境に対する意志表示（出力）を行ったり、
環境からの知覚情報（入力）を得る手段としてはしばし
ば手、すなわち力覚又は触覚が使用される。このように
手からの触覚又は力覚といった情報を模擬して人間の感
覚を刺激する装置は「力覚（ハプティック）インタフェ
ース手段又は装置」と呼ばれる。本明細書においては、
このようなユーザに触覚又は力覚を瞬時的に知覚させる
機能を「フォースフィードバック」と呼称する。

【０００３】このような装置は、機械が何かに接触した
感覚を瞬時的に操作者へ伝達する機能、すなわち、フォ
ースフィードバックによって、遠隔から機械を精密且つ
正確に制御することを可能にする。また、近年発達して
きたバーチャルリアリティ（仮想現実）の分野において
は、仮想現実空間において仮想物体に触れ、仮想物体の
例えば形状や硬さ等の幾何学的物理的情報入力を体験す
るために、このような力覚インタフェース装置が不可欠
なものとなっている。

【０００４】内視鏡、腹腔鏡、カテーテルなどを使用す
る低侵襲手術用の訓練シミュレータにおいては、回転３
軸と直動１軸の計４軸のフォースフィードバックを有す
る力覚インタフェース装置が使用されるが、このような
装置としては、米国特許第５６２３５８２号において開
示されている装置が公知となっている。この力覚インタ
フェース装置は、２軸の回転運動を可能とさせるジンバ
ル機構上に１軸の直線運動と１軸の回転運動を可能とさ
せる機構が具備されたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の力覚イン
タフェース装置は、後者の２軸を駆動するための駆動装
置及びセンサがユーザと接続するための操作機器の運動
と共に動く部分に装備されており、その質量が操作部分
に付加されるために、操作に伴う操作部分の慣性力を増
加させる。この操作部分の質量及び慣性力の増加は、長
時間操作による疲労の増大を招き、且つ、操作性を悪化
させる。

【０００６】本発明の目的は、表示装置とコンピュータ
とによって作りだされる３次元の仮想現実空間において
仮想物体に触れ、仮想物体の例えば形状や硬さ等の幾何
学的物理的情報入力を体験するための力覚インタフェー
ス装置に関して、操作性を改善し、且つ長時間操作によ
る疲労を軽減させ得る、３軸の回転運動及び１軸の直線
運動の合計４軸に関してフォースフィードバックを有す
る力覚インタフェース装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ベースと、同
ベースに複数のリンクセットにより取り付けられた第一
可動部と、同第一可動部に取り付けられ且つ該第一可動
部に対して第一軸線方向に移動可能である第二可動部
と、制御部とを備える、４軸のフォースフィードバック
を有する力覚インタフェース装置を提供する。

【０００８】各リンクセットは、第二軸線のまわりで回
転可能にベースに取り付けられたシャフトと、同シャフ
トに取り付けられた第一リンク部材と、その一方の端部
で同第一リンク部材に第三軸線のまわりで回転可能に枢
着され且つその他方の端部で上記第一可動部に第四軸線
のまわりで回転可能に取り付けられた第二リンク部材
と、上記シャフトに力を供給する第一力供給手段と、上
記シャフトの回転角度を検出するための第一センサとを
備え、第二軸線、第三軸線及び第四軸線が一点で交わる
ように構成されている。さらに、上記第二可動部は、可
動部材と、同可動部材に力を供給する第二力供給手段
と、該可動部材の上記第一可動部に対する第一軸線方向
の量を検出するための第二センサと、該可動部材に取り
付けられるユーザが操作するための操作機器とを備え
る。また、制御部は第一センサ及び第二センサからの信
号に基づいて第一力供給手段及び第二力供給手段によっ
て供給される力を独立に制御する。

【０００９】このように第一可動部を独立した複数のリ
ンクセットによって並列に支持する構成は、「パラレル
機構」と称される。また、本願において使用される用語
「フォースフィードバック」は、ユーザに触覚又は力覚
を瞬時に知覚させる機能を意味する。本発明において
は、第一可動部には好適には三つのリンクセットが取り
付けられる。第二軸線、第三軸線、及び第四軸線が全て
一点で交差するように構成することによって、第一可動
部はその交差する点を中心とする３軸（直交座標系にお
けるｘ、ｙ、及びｚ軸）に関する回転運動をするように
なる。このような機構は「球殻機構」と称され、第一可
動部のｘ、ｙ、及びｚ軸に関する回転位置、すなわち、
姿勢が、限定された運動範囲においては、同第一可動部
を支持している三つのリンクセットのそれぞれの第一リ
ンク部材の回転角度、すなわち姿勢情報によって確定さ
れる。本発明においては、これらの回転に関する３自由
度を与える三つのリンクセットの各シャフトに加えられ
る力がそれぞれ独立して制御されることによって、ユー
ザに３軸のフォースフィードバックが呈示伝達され、第
二可動部を第一可動部に対して第一軸線方向に移動可能
とさせる直線運動機構によってさらに１軸の直線運動に
関するフォースフィードバックが呈示伝達されて、操作
機器を介してユーザに対して合計４軸のフォースフィー
ドバックが呈示伝達される。

【００１０】さらに、本発明は、第一力供給手段が、回
転アクチュエータと、リンクセットのシャフトに取り付
けられているプーリと、回転アクチュエータとプーリと
の間で回転及び力を相互に伝達するためのワイヤとを備
える、４軸のフォースフィードバックを有する力覚イン
タフェース装置を提供する。上記のような本発明によれ
ば、リンクセットのシャフトに接続される第一力供給手
段がベースに支持されることにより、第一力供給手段の
質量が、操作機器と第一可動部とリンクセットとからな
る可動の操作部分に付加されることを回避することがで
きるので、同操作部分の軽量化を図ることができ、した
がって操作部分の慣性力が低減され、ユーザが長時間操
作を行ったときの疲労が軽減される。さらに、上記のプ
ーリとワイヤを使用し、特に最近開発されたケブラー
（商標）繊維のようなアラミド繊維等の非伸長性のワイ
ヤ素材を用いたワイヤを備えた伝動機構を採用すること
により、位置センサ及び回転アクチュエータの分解能と
伝動効率とを向上させることができる。

【００１１】本発明はさらに、ベースと、同ベースに複
数のリンクセットにより取り付けられた第一可動部と、
同第一可動部に取り付けられ且つ該第一可動部に対して
第一軸線方向に移動可能である第二可動部とを備え、各
リンクセットは、第二軸線のまわりで回転可能にベース
に取り付けられたシャフトと、同シャフトに取り付けら
れた第一リンク部材と、その一方の端部で同第一リンク
部材に第三軸線のまわりで回転可能に枢着され且つその
他方の端部で上記第一可動部に第四軸線のまわりで回転
可能に取り付けられた第二リンク部材と、上記シャフト
の回転角度を検出するための第一センサとを備え、第二
軸線、第三軸線及び第四軸線が一点で交わり、上記第二
可動部は、可動部材と、同可動部材の上記第一可動部に
対する第一軸線方向の移動量を検出するための第二セン
サと、該可動部材に取り付けられるユーザが操作するた
めの操作機器とを備えることを特徴とする所望の４軸操
作入力を印加するための入力装置を提供する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例に関して図
面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明による４
軸のフォースフィードバックを有する力覚インタフェー
ス装置１０の一つの実施形態を示す。本発明のフォース
フィードバックを有する力覚インタフェース装置１０
は、ベース１２と、ベース１２に複数のリンクセット１
４により取り付けられている第一可動部１６と、第一可
動部１６に取り付けられている第二可動部１８と、制御
部１００とからなる。第二可動部１８は第一可動部１６
に対して第一軸線２０方向に移動可能な部分を備えてい
る。

【００１３】図１に示されるように、ベース１２は、環
状支持部材２２と、ベース１２の環状支持部材２２から
半径方向に延びる複数の支持板２４とを備える。ベース
１２がさらに環状支持部材２２から下方に延びる脚２６
を備え、この脚２６を支持台２８に回転可能に支持して
もよい。このようにベース１２を支持台２８に回転可能
に支持することによって、本発明の力覚インタフェース
装置１０はユーザに対して直立、倒立、横置き等の所望
の姿勢をとることが可能となる。支持台２８は別の装置
に取り付けられてもよく、他の装置と一体に形成された
ものであってもよい。また、制御部１００が支持台２８
と一体化されていてもよい。

【００１４】図２に示されるように、各リンクセット１
４は、第二軸線３０のまわりで回転可能にベース１２に
取り付けられたシャフト３２と、同シャフト３２に取り
付けられた第一リンク部材３４と、第二リンク部材３６
と、シャフト３２に力を供給する第一力供給手段３８と
を備える。第二リンク部材３６は、その一方の端部で第
三軸線４２のまわりで回転可能に第一リンク部材３４に
枢着され、その他方の端部で第四軸線４４のまわりで回
転可能に第一可動部１６に取り付けられる。第二軸線３
０、第三軸線４２及び第四軸線４４が一点で交わるよう
に構成されている。このように構成されることによっ
て、第一可動部１６が、その交差する点を中心とする３
軸、すなわち直交座標系のｘ、ｙ、及びｚ軸に関する回
転運動をするようになる。

【００１５】第一リンク部材３４と第二リンク部材３６
の接続、及び、第二リンク部材３６と第一可動部１６と
の接続は、公知の回転可能な接続方法によってなされ
る。例えば、図１に示される如く、第一リンク部材３４
及び第二リンク部材３６の両端部に円形貫通孔を設け、
第一リンク部材３４の一方の円形貫通孔と第二リンク部
材３６の一方の円形貫通孔とを一本の円形シャフトによ
って枢着し、同様に第二リンク部材３６の他方の円形貫
通孔と第一可動部１６に穿設された円形穴とを円形シャ
フトによって枢着する。

【００１６】各リンクセット１４の第一リンク部材３４
及び第二リンク部材３６は円弧状に湾曲している。この
ように湾曲している第一リンク部材３４及び第二リンク
部材３６を図１に示されるように枢着することで、第一
リンク部材３４及び第二リンク部材３６は、第二軸線３
０及び第三軸線４２のまわりで回転するときに、互いと
干渉しないようになり、さらに、環状支持部材２２とも
干渉しないようにすることができる。しかしながら、第
一リンク部材３４と第二リンク部材３６、さらには環状
支持部材２２とが互いに干渉しないように構成されてい
るのであれば、第一リンク部材３４及び第二リンク部材
３６は必ずしも湾曲している必要はない。

【００１７】第一可動部１６は複数のリンクセット１４
によって支持されており、好適には図１に示されるよう
に３つのリンクセット１４によって支持される。しかし
ながら、第一可動部１６が４つ以上のリンクセット１４
によって支持されてもよい。また、第一可動部１６は円
形状であり、第一リンク部材３４及び第二リンク部材３
６と干渉しないようにされている。

【００１８】第一可動部１６が図１に示されるように３
つのリンクセット１４によって支持される場合には、好
適には、各リンクセット１４は、各リンクセット１４に
取り付けられたシャフト３２の第二軸線３０が互いに１
２０°の角度をなすように配置される。また、図１に示
されるように、好適には、各リンクセット１４の第一リ
ンク部材３４同士の長さは等しく、第二リンク部材３６
同士の長さもまた等しい。上記のように、各リンクセッ
ト１４に関して、配置及び構成を対称的にすることによ
って、制御部１００が第一可動部１６の姿勢（回転位
置）を計算するときの計算アルゴリズムが単純化され、
計算の負担が軽減される。

【００１９】独立して動作する複数のリンクセット１４
によって第一可動部１６を支持する構成は、「パラレル
機構」と称される。第一可動部１６が前記のように構成
された３つのリンクセット１４によって支持される場合
には、限定された範囲内においては、第一可動部１６の
姿勢がシャフト３２の回転角度によって定められるよう
になる。このように構成することにより、機構が簡単化
され、インタフェース装置を小型化することが可能とな
ると共に、第一可動部１６を含む操作部分の動きを滑ら
かにし、操作時に必要となる力を軽減することが可能と
なる。

【００２０】第一力供給手段３８はベース１２の環状支
持部材２２から半径方向に延びる複数の支持板２４上に
設置される。シャフト３２の回転軸線、すなわち、第二
軸線３０は、図１に示されるように、環状支持部材２２
を含む平面に対して角度をなしている。第一力供給手段
３８は好適には回転アクチュエータ４０を備える。回転
アクチュエータ４０としては、好適には回転モータが使
用され、より好適にはＤＣサーボモータが使用される。
第一力供給手段は回転アクチュエータ４０の代わりに摩
擦式又は電磁式の制動装置のような他の形式の力を供給
する装置を備えてもよい。また、第一力供給手段３８は
伝動又は減速歯車等の歯車を備えて、歯車（不図示）を
介してシャフト３２に接続されてもよく、図１に示され
るように、直接シャフト３２に接続されてもよい。

【００２１】各リンクセット１４はさらにシャフト３２
の回転角度を検出するための第一センサ４６を備える。
第一センサ４６からの信号は任意の公知の信号伝達手段
によって制御部１００に伝達される。第一センサ４６
が、シャフト３２又は（第一力供給手段３８が回転アク
チュエータ４０を備える場合には）回転アクチュエータ
４０のシャフト４８に取り付けられる。第一センサ４６
としては、好適には光学式エンコーダを使用するが、電
気的エンコーダや磁気センサのような他の形式のセンサ
を使用してもよい。

【００２２】第一センサ４６が具備されている図１のよ
うな場合には、制御部１００は各第一センサ４６から制
御部１００へ送られる信号から第一可動部１６の回転位
置を計算し、各第一力供給手段３８によって各リンクセ
ット１４を介してその位置において適切な力を第一可動
部１６へ伝達させる。このように第一力供給手段３８及
び第一センサ４６がベース１２に支持されることによ
り、第一力供給手段３８及び第一センサ４６の質量が第
一可動部１６に付加されることが回避されるので、第一
可動部１６を含む操作部分が軽量化され、操作部分の慣
性力が低減されて、ユーザが長時間操作を行ったときの
疲労が軽減される。さらに、操作部分の操作性が向上す
る。

【００２３】第二可動部１８は、可動部材５０と、同可
動部材５０に力を供給する第二力供給手段５２と、前記
可動部材５０に取り付けられるユーザが操作するための
操作機器５６とを備える。図２に示されるように、第二
可動部１８が第一可動部１６に対して着脱可能に取り付
けられる。第二力供給手段５２は好適には回転アクチュ
エータ５４を備える。回転アクチュエータ５４として
は、好適には回転モータが使用され、より好適にはＤＣ
サーボモータが使用される。第二力供給手段は回転アク
チュエータ５４の代わりに摩擦式又は電磁式の制動装置
のような他の力を供給する装置を備えてもよい。第二力
供給手段５２は力を公知の任意の直動機構によって直線
方向の力又は運動に変換して可動部材５０に伝達する。
例えば、第二力供給手段５２が回転アクチュエータ５４
を備える図１に示される場合には、第二力供給手段５２
は、回転アクチュエータ５４のシャフト５８に取り付け
られる歯車６０をさらに備え、この歯車６０が第一軸線
２０に沿って可動部材５０に設けられた歯に係合して、
可動部材５０を第一軸線２０方向に移動させる又は可動
部材５０に力を伝達する。

【００２４】第二可動部１８はさらに可動部材５０の第
一軸線２０方向への移動量を検出するための第二センサ
６２を備える。第二センサ６２からの信号は公知の任意
の信号伝達手段によって制御部１００に伝達される。第
二力供給手段５２が回転アクチュエータ５４を備える図
１に示される場合には、回転アクチュエータ５４のシャ
フト５８に同シャフト５８の回転角度を検出する第二セ
ンサ６２が取り付けられる。第二センサ６２としては、
好適には光学式エンコーダを使用するが、電気的エンコ
ーダや磁気センサのような他の形式のセンサを使用して
もよい。

【００２５】第二センサ６２が具備されている図１のよ
うな場合には、制御部１００は第二センサ６２から制御
部１００へ送られる信号から第二可動部１８の可動部材
５０の位置を計算し、各第二力供給手段５２によってそ
の位置において適切な力を可動部材５０へ伝達させる。
図１においては、操作機器５６は腹腔鏡の操作ハンドル
部を模擬したものであるが、内視鏡、カテーテルなどの
他の装置の操作部を模擬したものであってもよい。操作
機器５６は、図２に示されるように、第二可動部１８の
可動部材５０に着脱可能に取り付けられる。

【００２６】図３は、図１と異なる第一力供給手段３８
からシャフト３２への伝動機構を採用している、本発明
による４軸のフォースフィードバックを有する力覚イン
タフェース装置１０の一つの実施形態を示しており、図
４は図３に示されている伝動機構をより詳細に説明する
図である。手からの触覚又は力覚といった情報を模擬
し、人間の感覚を刺激するために使用される力覚インタ
フェース装置１０は物体からの反力などを正確に再現す
ることを必要とするため、力供給手段からの力及び回転
を伝える伝動機構においては、摩擦を最小限に抑えるこ
とが求められる。伝動機構として一般に使用される歯車
は、ガタ及び摩擦が大きいため力覚インタフェース装置
１０としては好ましくないことがある。

【００２７】この問題を解決するための方法の一つが、
第一力供給手段３８からリンクセット１４のシャフト３
２へ力を伝達する機構として、図４に詳細に示されるプ
ーリ／ワイヤ伝動機構を採用することである。プーリ／
ワイヤ伝動機構は、回転アクチュエータ等の力及び回転
をワイヤを介してプーリに伝える機構であり、伝動効率
がよく、摩擦及びガタが少ないという特徴を有する。し
かしながら、伝動機構として歯車機構を採用することも
可能である。

【００２８】図３において、第一力供給手段３８は、制
御部からの信号に応じて力を発生させる回転アクチュエ
ータ４０と、回転アクチュエータ４０のシャフト４８
と、第一リンク部材３４のシャフト３２と連動するよう
に取り付けられているプーリ６４と、回転アクチュエー
タ４０のシャフト４８とプーリ６４の間で相互に回転及
び力を伝達するためのワイヤ６６とを備える。第一力供
給手段３８は回転アクチュエータ４０のシャフト４８に
取り付けられる小型プーリ６８をさらに備えてもよい。

【００２９】プーリ６４は図３及び図４に示されるよう
に概略半円形であってもよく、円形であってもよい。さ
らに、第一リンク部材３４の可動範囲に応じた中心角を
有する扇形状であってもよい。また、軽量化のために扇
形状の側面部に開口が設けられてもよい。ワイヤ６６
は、図４に示されるように、その両端がプーリ６４に固
定されて、プーリ６４の外周に沿って延在し、その中間
では回転アクチュエータ４０のシャフト４８に巻き付け
られている。ワイヤ６６はある程度の張力がかかるよう
にプーリ６４に取り付けられる。ワイヤ６６には好適に
はケブラー（商標）繊維のような高強度高弾性を有する
アラミド繊維が使用される。

【００３０】回転アクチュエータ４０は上述と同様に好
適には回転モータであり、さらに好適にはＤＣサーボモ
ータである。回転アクチュエータ４０のシャフト４８又
は（シャフト４８に小型プーリ６８が取り付けられてい
るなら）小型プーリ６８がプーリ６４の外周に隣接して
且つ第一リンク部材３４に取り付けられたシャフト３２
の第二軸線３０と平行になるように配置される。

【００３１】各第一センサ４６、例えば、光学式エンコ
ーダの回転子が、好適には、シャフト３２ではなく、回
転アクチュエータのシャフト４８に装着される。こうす
ることにより、例えば光学式エンコーダである第一セン
サ４６の分解能が向上されて回転角度信号の精度が向上
される。さらに、シャフト３２の回転摩擦力が低減され
得る。

【００３２】第一力供給手段３８にプーリ／ワイヤ伝動
方式を採用することにより、高い伝動効率、少ないバッ
クラッシュ、低摩擦の伝動機構が達成される。さらに、
プーリ／ワイヤ伝動機構により、回転アクチュエータ４
０の発生トルクを増幅させ、例えば、光学式エンコーダ
である第一センサ４６の分解能を向上させることができ
る。しかしながら、図１に示されるように、第一リンク
部材３４に取り付けられたシャフト３２が回転アクチュ
エータ４０のシャフト４８に直接又は伝動又は減速歯車
等の歯車を介して接続されてもよい。

【００３３】上述した４軸のフォースフィードバックを
有する力覚インタフェース装置は主として人と機械の制
御部との間に介在して人間の力覚を同時的に知得、認識
させ得るものであるから、同装置から、第一力供給手段
及び第二力供給手段を省除した装置、すなわち、ベース
と、同ベースに複数のリンクセットにより取り付けられ
た第一可動部と、同第一可動部に取り付けられ且つ第一
可動部に対して第一軸線方向に移動可能である第二可動
部とを備え、各リンクセットは、第二軸線のまわりで回
転可能にベースに取り付けられたシャフトと、同シャフ
トに取り付けられた第一リンク部材と、その一方の端部
で同第一リンク部材に第三軸線のまわりで回転可能に枢
着され且つその他方の端部で上記第一可動部に第四軸線
のまわりで回転可能に取り付けられた第二リンク部材
と、上記シャフトの回転角度を検出するための第一セン
サとを備え、第二軸線、第三軸線及び第四軸線が一点で
交わり、上記第二可動部は、可動部材と、同可動部材の
上記第一可動部に対する第一軸線方向の移動量を検出す
るための第二センサと、該可動部材に取り付けられるユ
ーザが操作するための操作機器とを備える装置は、所望
の４軸操作入力を印加するための入力装置として使用す
ることができる。このように構成することにより機構が
簡単化され、入力装置を小型化することが可能となると
共に、操作部分の動きを滑らかにし、操作時に必要とな
る力を軽減することが可能となる。さらに、第一センサ
がベースに支持されることにより、第一センサの質量が
第一可動部に付加されることが回避されるので操作部分
が軽量化され、操作部分の慣性力が低減されて、ユーザ
が長時間操作を行ったときの疲労が軽減される。

【００３４】図５は、本発明の力覚インタフェース装置
１０を利用したシステム構成の実施例を示しており、こ
のシステムは、本発明の力覚インタフェース装置１０
と、それに接続されている外部のホストコンピュータ１
０２と、画像表示部１０４とからなる。力覚インタフェ
ース装置１０は、ベース１２とリンクセット１４と第一
可動部１６と第二可動部１８とを含む操作部１０６と制
御部１００とを備える。制御部１００は、３つの各リン
クセット１４それぞれに一つずつ備えられた３つの第一
センサ４６から第一可動部１６の姿勢を検出するための
信号と、第二可動１８に備えられた一つの第二センサ６
２からの可動部材５０の第一可動部１６に対する移動量
を検出するための信号とを受け取り、これらの姿勢情報
信号を処理して、外部に接続されているホストコンピュ
ータ１０２に信号を伝達する。ホストコンピュータ１０
２はこの姿勢情報信号から、操作機器５６の位置及び姿
勢と、必要であればその位置及び姿勢における反力とを
計算する。ホストコンピュータ１０２からの信号によ
り、操作機器５６の位置又はその位置における仮想現実
空間が画像表示部１０４に表示される。反力を指示する
命令信号がホストコンピュータ１０２から制御部１００
に伝達され、制御部１００はこの命令信号に応じて本発
明のフォースフィードバックを有する力覚インタフェー
ス装置１０の３つの第一力供給手段３８と一つの第二力
供給手段５２を独立して駆動させ、第二可動部１８に取
り付けられた操作機器５６を通じてユーザへ力覚又は触
覚を瞬時的に伝達する。従って、ユーザは画像表示され
る操作の過程で力覚又は触覚を認識し、このような認識
を介して実機の操作感覚を得ることができるのである。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
パラレル機構を使用することで、３軸の回転に関してフ
ォースフィードバックを与えるためのセンサ及びアクチ
ュエータといった付加的な部材を操作部分ではなく、支
持部分に設け、操作部分には１軸の直線運動に関してフ
ォースフィードバックを与えるためのセンサ及びアクチ
ュエータのみを設けることが可能となり、操作部分の質
量を軽減させ、操作性の向上及び長時間操作時のユーザ
の疲労の軽減が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による４軸のフォースフィードバックを
有する力覚インタフェース装置の斜視図である。

【図２】本発明による４軸のフォースフィードバックを
有する力覚インタフェース装置の分解斜視図である。

【図３】プーリ／ワイヤ伝動機構を使用した、図１と類
似の４軸のフォースフィードバックを有する力覚インタ
フェース装置の斜視図である。

【図４】図３の装置で使用されるプーリ／ワイヤ伝動機
構の詳細斜視図である。

【図５】本発明による４軸のフォースフィードバックを
有する力覚インタフェース装置を使用したシステム構成
を示す線図である。

【符号の説明】

１０…力覚インタフェース装置 １２…ベース １４…リンクセット １６…第一可動部 １８…第二可動部 ２０…第一軸線 ３０…第二軸線 ３２…シャフト ３４…第一リンク部材 ３６…第二リンク部材 ３８…第一力供給手段 ４２…第三軸線 ４４…第四軸線 ４６…第一センサ ５０…可動部材 ５２…第二力供給手段 ５６…操作機器 ６２…第二センサ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ベースと、 前記ベースに複数のリンクセットにより取り付けられた
   第一可動部と、 前記第一可動部に取り付けられ且つ前記第一可動部に対
   して第一軸線方向に移動可能である第二可動部と、 制御部とを備え、 各リンクセットは、第二軸線のまわりで回転可能にベー
   スに取り付けられたシャフトと、該シャフトに取り付け
   られた第一リンク部材と、その一方の端部で該第一リン
   ク部材に第三軸線のまわりで回転可能に枢着され且つそ
   の他方の端部で前記第一可動部に第四軸線のまわりで回
   転可能に取り付けられた第二リンク部材と、前記シャフ
   トに力を供給する第一力供給手段と、前記シャフトの回
   転角度を検出するための第一センサとを備え、第二軸
   線、第三軸線及び第四軸線が一点で交わり、 前記第二可動部は、可動部材と、該可動部材に力を供給
   する第二力供給手段と、前記可動部材の前記第一可動部
   に対する第一軸線方向の移動量を検出するための第二セ
   ンサと、前記可動部材に取り付けられるユーザが操作す
   るための操作機器とを備え、 前記制御部は前記第一センサ及び第二センサからの信号
   に基づいて前記第一力供給手段及び前記第二力供給手段
   によって供給される力を独立的に制御することを特徴と
   する、４軸のフォースフィードバックを有する力覚イン
   タフェース装置。
2. 【請求項２】 前記第一及び第二力供給手段はシャフト
   を備える回転アクチュエータを備え、前記第一センサ及
   び第二センサはそれぞれ前記第一及び第二力供給手段の
   前記シャフトに取り付けられる、請求項１に記載の４軸
   のフォースフィードバックを有する力覚インタフェース
   装置。
3. 【請求項３】 前記各リンクセットを構成する前記第一
   リンク部材同士及び第二リンク部材同士の長さがそれぞ
   れ等しい、請求項１に記載の４軸のフォースフィードバ
   ックを有する力覚インタフェース装置。
4. 【請求項４】 前記ベースに取り付けられているリンク
   セットの数は三つである、請求項１に記載の４軸のフォ
   ースフィードバックを有する力覚インタフェース装置。
5. 【請求項５】 前記各リンクセットの前記第二軸線は互
   いに１２０度の角度を成すようになっている、請求項４
   に記載の４軸のフォースフィードバックを有する力覚イ
   ンタフェース装置。
6. 【請求項６】 前記第一力供給手段は、回転アクチュエ
   ータと、前記リンクセットの前記シャフトに取り付けら
   れているプーリと、前記回転アクチュエータと前記プー
   リとの間で回転及び力を相互に伝達するためのワイヤと
   を備える、請求項１に記載の４軸のフォースフィードバ
   ックを有する力覚インタフェース装置。
7. 【請求項７】 ベースと、 前記ベースに複数のリンクセットにより取り付けられた
   第一可動部と、 前記第一可動部に取り付けられ且つ前記第一可動部に対
   して第一軸線方向に移動可能である第二可動部とを備
   え、 各リンクセットは、第二軸線のまわりで回転可能にベー
   スに取り付けられたシャフトと、該シャフトに取り付け
   られた第一リンク部材と、その一方の端部で該第一リン
   ク部材に第三軸線のまわりで回転可能に枢着され且つそ
   の他方の端部で前記第一可動部に第四軸線のまわりで回
   転可能に取り付けられた第二リンク部材と、前記シャフ
   トの回転角度を検出するための第一センサとを備え、第
   二軸線、第三軸線及び第四軸線が一点で交わり、 前記第二可動部は、可動部材と、該可動部材の前記第一
   可動部に対する第一軸線方向の移動量を検出するための
   第二センサと、前記可動部材に取り付けられるユーザが
   操作するための操作機器とを備えることを特徴とする、
   所望の４軸操作入力を印加するための入力装置。