JP2000246679A - Manipulator for three-dimensional input - Google Patents

Manipulator for three-dimensional input

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JP2000246679A
JP2000246679A JP11055728A JP5572899A JP2000246679A JP 2000246679 A JP2000246679 A JP 2000246679A JP 11055728 A JP11055728 A JP 11055728A JP 5572899 A JP5572899 A JP 5572899A JP 2000246679 A JP2000246679 A JP 2000246679A
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JP
Japan
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grip
input means
input
freedom
dimensional
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP11055728A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshitaka Adachi
▲吉▼隆 足立
Nobuhiro Kumano
宜弘 熊野
Akio Ikemoto
明夫 池本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzuki Motor Corp
Original Assignee
Suzuki Motor Corp
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Filing date
Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To miniaturize a manipulator for three-dimensional input by supporting an operation grip with a first operation input means in the condition that the operation can be changed at least specified degree of freedom, and supporting the operation grip with a second operation input means in the condition that operation can be changed at least specified degree of freedom. SOLUTION: An operation grip 1 is supported by a first operation input means 2 in the condition that the operation can be changed in five or more, for example, six-degree of freedom, and supported by a second operation input means 2A in the condition the operation can be changed in six or more, for example, six-degree of freedom. With this structure, relative displacement of any one of the operation input means in relation to the other thereof to be generated by change of posture of the operation grip 11 goes in a range of a spherical surface having a radius corresponding to a distance between two constant points on the operation grip 11 supported by the operation input means 2, 2A. Range of the relative change of the operation input means 2, 2A can be reduced, and the device can be miniaturized.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータ等の
上位装置に情報入力或いは、このような上位装置を用い
たシミュレーション等に使用する場合に好適な3次元入
力用マニピュレータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional input manipulator suitable for inputting information to a higher-level device such as a computer or for use in a simulation or the like using such a higher-level device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の3次元入力用マニピュレータ11
00を模式的に図12に示す。かかる3次元入力用マニ
ピュレータ1100は、例えば、ディスプレイに表示さ
れた仮想空間内において、仮想の人間の手の先端を示す
仮想ポインタを3次元方向に移動させる場合に、この仮
想ポインタの位置情報を入力するのに使用される。
2. Description of the Related Art Conventional three-dimensional input manipulator 11
00 is schematically shown in FIG. The three-dimensional input manipulator 1100 inputs position information of the virtual pointer, for example, when moving a virtual pointer indicating the tip of a virtual human hand in a three-dimensional direction in a virtual space displayed on a display. Used to do.

【0003】この3次元入力用マニピュレータ1100
は、一定範囲の作業空間内の任意の位置に手動により移
動させて入力を行う単一の棒状の操作グリップ1110
と、この操作グリップ1110の一端部を、6自由度の
状態変化を自在とした状態で支持する第一の操作入力手
段1120と、操作グリップ1110の他端部を、6自
由度の状態変化を自在とした状態で支持する第二の操作
入力手段1130と、操作グリップ1110の位置及び
向きの変化を検出するグリップ変位量検出手段(図示
略)とを備えている。
The three-dimensional input manipulator 1100
Is a single rod-shaped operation grip 1110 that is manually moved to an arbitrary position within a certain range of a work space to perform input.
And a first operation input means 1120 for supporting one end of the operation grip 1110 in a state in which the state change of six degrees of freedom can be freely performed, and a state change of six degrees of freedom for the other end of the operation grip 1110. A second operation input unit 1130 supported in a freely movable state, and a grip displacement amount detection unit (not shown) for detecting a change in the position and orientation of the operation grip 1110 are provided.

【0004】各操作入力手段1120,1130はいず
れも、複数のリンク部材とこれらを回転自在に連結する
六つの関節とを有し、かかる構成により、操作グリップ
1110の6自由度の状態変化(操作グリップ1110
の位置変化及び姿勢変化)を自在としている。
Each of the operation input means 1120 and 1130 has a plurality of link members and six joints for rotatably connecting the link members. With this configuration, the state of the operation grip 1110 in six degrees of freedom (operation change). Grip 1110
Position change and posture change).

【0005】操作グリップ1110の状態変化は、当該
操作グリップ1110を移動させ又はその向きを変化さ
せることにより生じる各関節ごとの回転角度の変化をグ
リップ変位量検出手段により検出し、これらを総合的に
演算することにより、算出される。
A change in the state of the operation grip 1110 is detected by a grip displacement amount detecting means by detecting a change in the rotation angle of each joint caused by moving or changing the direction of the operation grip 1110, and comprehensively detecting these changes. It is calculated by calculation.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、少なくともいずれか一方の操作入力手段の可
動範囲を大きくしなければ成らず、このため、装置の大
型化が不可避であるという不都合があった。これは、こ
の従来の3次元入力用マニピュレータが、上述の如く、
棒状の操作グリップの両端部をそれぞれ二つの操作入力
手段が個別に支持していることに起因する。
However, in the above-mentioned conventional example, the movable range of at least one of the operation input means must be increased, and therefore, there is an inconvenience that the size of the apparatus must be increased. Was. This is because the conventional three-dimensional input manipulator, as described above,
This is because two operation input means individually support both ends of the rod-shaped operation grip.

【0007】即ち、通常、棒状の操作グリップに対して
操作を行う場合には、そのオペレータは、当該操作グリ
ップの中間部分を手に持ち、一方の端部を目標位置に向
けて移動させる、或いは操作グリップの傾斜角度を変化
させる等の操作が行われる。操作グリップの姿勢変化
(傾斜角度の変化)の入力が行われると、操作グリップ
には一方の端部を中心として、或いは手にしている部分
を中心として、操作グリップの他方又は双方の端部に位
置変化が生じる。
[0007] That is, when an operation is normally performed on a rod-shaped operation grip, the operator holds an intermediate portion of the operation grip in his hand and moves one end of the operation grip toward a target position. An operation such as changing the inclination angle of the operation grip is performed. When the change in the attitude of the operation grip (change in the inclination angle) is input, the operation grip is attached to the other end or both ends of the operation grip with one end as the center or the part being held as the center. A position change occurs.

【0008】このとき、操作グリップの一端部に対して
他端部は相対的に、少なくとも操作グリップ以上の長さ
を半径とする球面に沿った運動を行うため、操作入力手
段の先端部がかかる運動に対応可能な可動範囲を有して
いなければならず、結果として操作入力手段の大型化を
生じることとなる。
At this time, the other end of the operation grip relatively moves at least along the spherical surface having a radius equal to or longer than the operation grip. It must have a movable range that can cope with the movement, and as a result, the operation input means becomes large.

【0009】[0009]

【発明の目的】本発明の目的は、かかる従来例の有する
不都合を改善し、特に、小型化に適した3次元入力用マ
ニピュレータを提供することを、その目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a three-dimensional input manipulator which can improve the disadvantages of the prior art, and is particularly suitable for miniaturization.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
上位装置に接続され,3次元上の座標入力を行う3次元
入力用マニピュレータであって、一定範囲の3次元空間
内の任意の位置に移動させて入力を行う単一の操作グリ
ップと、この操作グリップを、少なくとも5以上の自由
度の状態変化を自在とした状態で支持する第一の操作入
力手段と、操作グリップを、少なくとも六以上の自由度
の状態変化を自在とした状態で、当該操作グリップの第
一の操作入力手段と異なる位置で支持する第二の操作入
力手段と、操作グリップの位置及び向きの変化を検出す
るグリップ変位量検出手段と、を備えている。
According to the first aspect of the present invention,
A three-dimensional input manipulator that is connected to a higher-level device and performs three-dimensional coordinate input, a single operation grip that moves to an arbitrary position in a predetermined range of three-dimensional space and performs input, and a single operation grip. A first operation input means for supporting the grip in a state in which the state can be freely changed in at least five degrees of freedom, and an operation in which the operation grip can be freely changed in the state in at least six or more degrees of freedom. There is provided second operation input means for supporting the grip at a position different from the first operation input means, and grip displacement amount detection means for detecting a change in the position and orientation of the operation grip.

【0011】そして、操作グリップの形状を棒状に設定
すると共に、当該操作グリップの一端部側を外力を加え
るための握り部とし、操作グリップの他端部近傍であっ
て当該他端部からの距離が異なる二つの位置で、第一の
操作入力手段と第二の操作入力手段とがそれぞれ操作グ
リップを支持するという構成を採っている。
The operating grip is set to have a rod shape, and one end of the operating grip is used as a grip for applying an external force, and is located near the other end of the operating grip and at a distance from the other end. In two different positions, the first operation input means and the second operation input means respectively support the operation grip.

【0012】上記の構成では、オペレータが操作グリッ
プを手にして当該操作グリップを任意の複数自由度方向
に移動させる。このとき、第一の操作入力手段は5自由
度以上であり、第二の操作入力手段は6自由度以上であ
るため、操作グリップは少なくとも5自由度以上の状態
変化が可能である。従って、例えば、操作グリップの3
次元空間上の移動及びその長手方向をあらゆる方向に傾
けさせるような姿勢変化運動を行うことができる。
In the above configuration, the operator holds the operation grip and moves the operation grip in any of a plurality of degrees of freedom. At this time, since the first operation input means has five degrees of freedom or more and the second operation input means has six degrees of freedom or more, the operation grip can change the state at least five degrees of freedom or more. Therefore, for example, the operation grip 3
It is possible to perform a movement in a three-dimensional space and a posture changing movement in which the longitudinal direction is inclined in all directions.

【0013】そして、操作グリップによる入力操作に伴
い、移動変位量がグリップ変位量検出手段により検出さ
れる。そして、グリップ変位量検出手段から上位装置に
移動変位量に応じた検出信号が出力され、当該上位装置
ではこの検出信号に基づいて操作グリップの3次元上の
位置座標を入力位置座標データとして算出する。
[0013] With the input operation by the operation grip, the amount of movement displacement is detected by the grip displacement amount detecting means. Then, a detection signal corresponding to the moving displacement amount is output from the grip displacement amount detecting means to the host device, and the host device calculates three-dimensional position coordinates of the operation grip as input position coordinate data based on the detection signal. .

【0014】このとき、操作グリップは、握り部を構成
する範囲を除く、他端部近傍の範囲内で上記いずれの操
作入力手段も当該操作グリップを支持しているため、操
作グリップの移動又は姿勢変化の操作を行う際に、第一
の操作入力手段と第二の操作入力手段それぞれのグリッ
プ支持側の端部の相対的な運動は、それぞれのグリップ
支持位置の離間距離を半径とする球面の範囲で行われ
る。
At this time, since the operation grip supports any of the operation input means in a range near the other end, excluding the range constituting the grip portion, the movement or posture of the operation grip is controlled. When performing the change operation, the relative movement of the grip support side end of each of the first operation input means and the second operation input means is a spherical movement having a radius of the separation distance between the respective grip support positions. Done in a range.

【0015】ここで、上記操作グリップの握り部は、少
なくとも当該操作グリップの長手方向の長さの半分以上
に設定することが望ましい(請求項2記載の構成)。こ
れにより、各操作入力手段は、操作グリップの長手方向
の半分以下の長さ範囲で当該操作グリップを支持するこ
ととなり、これら操作入力手段の支持を行う先端部の相
対的な運動範囲は、操作グリップの長さの半分未満の半
径の球面内に縮小される。
Here, it is desirable that the grip portion of the operation grip is set to at least half of the length of the operation grip in the longitudinal direction. As a result, each operation input means supports the operation grip in a range of not more than half the length of the operation grip in the longitudinal direction. Reduced into a sphere with a radius less than half the length of the grip.

【0016】また、各操作入力手段はいずれも、6自由
度の状態変化を自在として操作グリップを支持する構成
としても良い(請求項3記載の構成)。この場合、例え
ば、操作グリップは、3次元空間内の移動と長手方向の
自在な傾動と当該長手方向を軸とする回転運動を行うこ
とが可能となり、これらの各要素の入力が自在に行われ
る。
Further, each of the operation input means may be configured to be capable of freely changing the state with six degrees of freedom and to support the operation grip (a third aspect of the invention). In this case, for example, the operation grip can perform movement in a three-dimensional space, free tilting in the longitudinal direction, and rotational movement about the longitudinal direction, and input of these elements can be performed freely. .

【0017】請求項4記載の発明は、請求項1,2又は
3記載の発明と同様の構成を備えると共に、各操作入力
手段は、操作グリップを3次元空間上の任意の位置に移
動自在に支持する入力位置支持機構と、任意の位置で操
作グリップの向きを可変自在として当該操作グリップを
支持する状態可変支持機構とを有する。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the same configuration as the first, second or third aspect of the present invention, and each operation input means is capable of moving an operation grip to an arbitrary position in a three-dimensional space. It has an input position support mechanism for supporting, and a state variable support mechanism for supporting the operation grip by freely changing the direction of the operation grip at an arbitrary position.

【0018】上記構成の場合、前述した各構成と同様の
動作が行われると共に、各操作入力手段は、入力位置支
持機構により、その支持先端部の3次元空間上の任意の
位置への自在な移動が確保され、状態可変支持機構によ
り、操作グリップの姿勢の自在な変化動作(例えば、傾
動,回転等)が確保される。
In the case of the above configuration, the same operation as each of the above-described configurations is performed, and each operation input means can be freely moved to an arbitrary position on the three-dimensional space of the support tip by the input position support mechanism. Movement is ensured, and the state-variable support mechanism ensures a free change operation (for example, tilt, rotation, etc.) of the posture of the operation grip.

【0019】さらにまた、上記各操作入力手段は、複数
の自由度の状態変化を自在とする関節を当該自由度と同
数有する構成としても良い(請求項5記載の構成)。こ
の場合、関節には、当該関節により連結される一方の部
材に対して他方の部材が所定の直線方向に沿って相対的
に移動する直動式の関節,関節により一方の部材に連結
される他方の部材の長手方向とその回動軸とがほぼ垂直
を成す回動式の関節,関節により一方の部材に連結され
る他方の部材の長手方向とその回動軸とが平行となる回
転式の関節が挙げられる。そして、これらの関節を各自
由度の状態変化を可能とするために適宜組み合わせて使
用することが望ましい。
Furthermore, each of the operation input means may have the same number of joints that allow a plurality of degrees of freedom to change the state (the configuration according to claim 5). In this case, the joint is connected to one member by a direct-acting joint in which the other member moves relatively along a predetermined linear direction with respect to one member connected by the joint. A rotary joint in which the longitudinal direction of the other member and the rotation axis thereof are substantially perpendicular to each other, and a rotary type in which the longitudinal direction of the other member connected to one member by the joint is parallel to the rotation axis. Joints. It is desirable to use these joints in an appropriate combination in order to enable a state change of each degree of freedom.

【0020】また、前述したグリップ変位量検出手段と
しては、上述の関節の状態変化量を検出するセンサを、
関節の総個体数に応じた個体数だけ各操作入力手段に装
備する構成としても良い(請求項6記載の構成)。この
場合、全ての関節についてセンサを設ける必要はない
が、関節の個体数が多くなればセンサの必要な個体数も
増加する。
The above-mentioned grip displacement amount detecting means includes a sensor for detecting the above-mentioned joint state change amount.
A configuration may be adopted in which each operation input means is provided with the number of individuals corresponding to the total number of joints (the configuration according to claim 6). In this case, it is not necessary to provide sensors for all the joints, but if the number of joints increases, the number of sensors required increases.

【0021】請求項7記載の発明は、請求項4記載の発
明と同様の構成を有すると共に、各操作入力手段の入力
位置支持機構はいずれも3自由度の状態変化を自在と
し、各操作入力手段の状態可変支持機構はいずれも3自
由度の状態変化を自在として、操作グリップを支持する
という構成を採っている。
The invention according to claim 7 has the same configuration as the invention according to claim 4, and the input position support mechanism of each operation input means can freely change the state with three degrees of freedom. Each of the state variable support mechanisms of the means has a configuration in which the state of the three degrees of freedom can be freely changed and the operation grip is supported.

【0022】請求項7記載の発明では、請求項4記載の
発明と同様の動作が行われると共に、各入力位置支持機
構は3自由度であるため、各々の支持先端部の3次元空
間上の任意の位置への自在な移動が確保され、状態可変
支持機構が3自由度であるため、操作グリップの姿勢の
自在な変化動作(例えば、傾動及び回転等)が確保され
る。
According to the seventh aspect of the present invention, the same operation as that of the fourth aspect of the present invention is performed, and each input position support mechanism has three degrees of freedom. Since free movement to any position is ensured and the state variable support mechanism has three degrees of freedom, a freely changing operation (for example, tilting and rotation, etc.) of the posture of the operation grip is ensured.

【0023】請求項8記載の発明では、各操作入力手段
の入力位置支持機構と状態可変支持機構とは、それぞれ
自由度の状態変化を自在とする関節を自由度と同数有
し、グリップ変位量検出手段が、各入力位置支持機構の
全ての関節の状態変化量をそれぞれ検出する六基のセン
サを含む構成とするという構成を採っている。
In the invention according to claim 8, the input position support mechanism and the state variable support mechanism of each operation input means have the same number of joints as the degrees of freedom for freely changing the state of the degrees of freedom, and the amount of grip displacement. The configuration is adopted in which the detection means includes six sensors that respectively detect the state change amounts of all the joints of each input position support mechanism.

【0024】即ち、この構成では、各操作入力手段の入
力位置支持機構がそれぞれ3つの関節を有しており、各
関節の共同によりその支持先端部を3次元空間内の任意
の位置に位置決めすることを自在としている。第一及び
第二の操作入力手段の各入力位置支持機構の関節の全て
に対応して個別にセンサが設けられるため、各センサ出
力によって、各操作入力手段により入力される任意の位
置が特定が可能となる。これにより第一と第二の操作入
力手段のそれぞれの支持先端部の位置が特定されること
になり、これらの相対的な位置関係から、操作グリップ
の姿勢(傾斜方向)が特定される。
That is, in this configuration, the input position support mechanism of each operation input means has three joints, and the joints of the joints position the support tip at an arbitrary position in the three-dimensional space. You can do that freely. Since sensors are individually provided corresponding to all the joints of the input position support mechanisms of the first and second operation input means, any position input by each operation input means can be specified by each sensor output. It becomes possible. As a result, the positions of the respective support distal ends of the first and second operation input means are specified, and the posture (inclination direction) of the operation grip is specified from the relative positional relationship.

【0025】請求項9記載の発明では、上述した各発明
と同様の構成に加えて各操作入力手段を保持する基台を
有し、各操作入力手段がいずれも、一方の端部で操作グ
リップを支持すると共に他方の端部に回転自在の関節を
有している。そして、各操作入力手段の他方の端部の関
節が有する回転軸を介して基台と各操作入力手段とを連
結すると共に、これら各回転軸を、基台を水平面上に設
置したときに、垂直方向を向く方向で基台に設定装備す
るという構成を採っている。
According to a ninth aspect of the present invention, in addition to the same configuration as the above-mentioned inventions, a base for holding each operation input means is provided, and each operation input means has an operation grip at one end. And a rotatable joint at the other end. Then, the base and each operation input means are connected via a rotation axis of the joint at the other end of each operation input means, and when each of these rotation axes is installed on a horizontal surface, The base is set and installed in the vertical direction.

【0026】かかる構成にあっては、基台を水平面上に
設置することを前提としており、この場合上述のよう
に、各操作入力手段の基台側の関節の回転軸は、垂直方
向に沿った状態となる。この操作入力手段において、上
記回転軸は、当該操作入力手段の全ての重量を支えるこ
ととなるが、上記回転軸は垂直方向を向いているため、
操作入力手段の重力による荷重は、ほとんど全て、軸の
長手方向に対する圧縮又は引っ張り荷重となる。軸にお
けるかかる方向の強度は、横方向からの曲げ荷重よりも
一般に高いため、操作入力手段の自重による影響は低減
される。ここで、関節は、前述した回転式の関節である
ことが望ましい。
In such a configuration, it is assumed that the base is installed on a horizontal plane. In this case, as described above, the rotation axis of the joint on the base side of each operation input means extends along the vertical direction. State. In this operation input means, the rotation axis supports all the weight of the operation input means, but since the rotation axis is oriented vertically,
Almost all loads due to the gravity of the operation input means are compressive or tensile loads in the longitudinal direction of the shaft. Since the strength of the shaft in this direction is generally higher than the bending load from the lateral direction, the influence of the own weight of the operation input means is reduced. Here, the joint is desirably the above-mentioned rotary joint.

【0027】請求項10記載の発明では、前述した各構
成の発明と同様の構成を備えると共に、各操作入力手段
に、複数自由度のいずれかに対応する方向について上位
装置からの出力に応じた大きさの駆動力を操作グリップ
に付勢する複数の駆動力発生手段を装備するという構成
を採っている。
According to a tenth aspect of the present invention, each of the operation input means has an arrangement similar to that of each of the above-described arrangements and responds to an output from a higher-level device in a direction corresponding to one of a plurality of degrees of freedom. A configuration is employed in which a plurality of driving force generating means for urging a large driving force to the operation grip are provided.

【0028】上記の構成では、オペレータにより移動さ
れる操作グリップの現在位置が、3次元上の入力位置座
標データとして上位装置に出力される。これを受けて上
位装置では、入力位置座標データに対応する反力データ
を算出すると共に,3次元入力用マニピュレータ側に出
力する。この反力データを受けてこれに対応する反力
(例えば、オペレータにより操作グリップに加えられた
移動力と異なる方向に向けられた力)が発生するように
駆動力発生手段は駆動を行う。これにより、オペレータ
には、操作グリップの操作に対する反動或いは抵抗力が
生じたような感触が伝達される。
In the above configuration, the current position of the operation grip moved by the operator is output to the host device as three-dimensional input position coordinate data. In response to this, the host device calculates the reaction force data corresponding to the input position coordinate data and outputs it to the three-dimensional input manipulator side. Upon receiving this reaction force data, the driving force generation means drives so as to generate a corresponding reaction force (for example, a force directed in a direction different from the moving force applied to the operation grip by the operator). As a result, a feeling as if a reaction or opposition to the operation of the operation grip is generated is transmitted to the operator.

【0029】請求項11記載の発明では、請求項8記載
の発明と同様の構成を備えると共に、各操作入力手段
に、各入力位置支持機構の各々の自由度に応じた方向に
ついて、上位装置からの出力に応じた大きさの駆動力を
操作グリップに個別に付勢する三つの駆動力発生手段を
装備するという構成を採っている。
According to the eleventh aspect of the present invention, in addition to the same configuration as the eighth aspect of the present invention, each operation input means is provided with a direction corresponding to each degree of freedom of each input position support mechanism from the host device. Is provided with three driving force generating means for individually biasing a driving force of a magnitude corresponding to the output of the operating grip to the operation grip.

【0030】上記構成では、請求項10記載の発明と同
様に、操作グリップの入力位置に応じた駆動力(例え
ば、仮想の反力)が操作グリップに付勢される。そし
て、このとき、第一の操作入力手段と第二の操作入力手
段とがそれぞれの支持している操作グリップ上の各位置
を移動させるように駆動力が付勢されるため、操作グリ
ップの一定方向の移動に対してのみ成らず、操作グリッ
プの傾斜動作についても傾斜方向に応じた駆動力(例え
ば、仮想の反力)が付勢される。
In the above configuration, a driving force (for example, a virtual reaction force) corresponding to the input position of the operation grip is urged to the operation grip as in the tenth aspect. At this time, the driving force is urged to move the respective positions on the operation grips supported by the first operation input means and the second operation input means. Not only for the movement in the direction, but also for the tilting operation of the operation grip, a driving force (for example, a virtual reaction force) corresponding to the tilt direction is urged.

【0031】本発明は、上記各構成により、前述した不
都合を改善しようとするものである。
The present invention is intended to solve the above-mentioned disadvantages by the above-mentioned respective constitutions.

【0032】[0032]

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図1乃至図
11に基づいて説明する。図1は、本実施形態である3
次元上の座標入力を行う3次元入力用マニピュレータ1
0を装備した3次元入力システム1000を示してい
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 illustrates a third embodiment.
3D input manipulator 1 for inputting 3D coordinates
0 shows a three-dimensional input system 1000 equipped with a zero.

【0033】この3次元入力システム1000は、3次
元入力用マニピュレータ10と、この3次元入力用マニ
ピュレータ10の上位装置である演算処理装置1010
と、この演算処理装置1010の出力データに基づく映
像を表示するディスプレイ1001とから主に構成され
る。
The three-dimensional input system 1000 includes a three-dimensional input manipulator 10 and an arithmetic processing unit 1010 which is a higher-level device of the three-dimensional input manipulator 10.
And a display 1001 for displaying an image based on the output data of the arithmetic processing unit 1010.

【0034】図2は、上記の3次元入力用マニピュレー
タ10の斜視図である。この3次元入力用マニピュレー
タ10は、複数のリンク部材が回動又は回転自在の関節
を介して連結され、最端部のリンク部材の回動端部に操
作グリップ11が装備されることにより、当該操作グリ
ップ11の複数自由度方向の移動を実現している。
FIG. 2 is a perspective view of the three-dimensional input manipulator 10 described above. In the three-dimensional input manipulator 10, a plurality of link members are connected via a rotatable or rotatable joint, and the operation grip 11 is provided at the rotation end of the link member at the extreme end. The movement of the operation grip 11 in a plurality of degrees of freedom is realized.

【0035】即ち、この3次元入力用マニピュレータ1
0は、一定範囲の3次元空間内の任意の位置に移動させ
て入力を行う単一の操作グリップ11と、この操作グリ
ップ11を、6自由度の状態変化を自在とした状態で支
持する第一の操作入力手段2と、操作グリップ11を、
6自由度の状態変化を自在とした状態で支持する第二の
操作入力手段2Aと、これら各操作入力手段2,2Aを
同時に保持する基台12と、操作グリップ11の位置及
び向きの変化を検出するグリップ変位量検出手段5(図
2では図示略)と、演算処理装置1010からの出力に
応じた大きさの駆動力を操作グリップ11の操作時にお
ける仮想の反力として当該操作グリップ11に付勢する
複数の駆動力発生手段6(後述する駆動力発生手段6
1,61,62,62,63,63を総じて符号6で示
す)と、上記各部の動作制御を行う制御手段3(図2で
は図示略)とを備えている。
That is, the three-dimensional input manipulator 1
Reference numeral 0 denotes a single operation grip 11 that moves to an arbitrary position in a three-dimensional space within a certain range and performs input, and a second operation grip 11 that supports the operation grip 11 in a state where six degrees of freedom can be freely changed. One operation input means 2 and the operation grip 11
The second operation input means 2A which supports the state change with six degrees of freedom freely, the base 12 which holds these operation input means 2 and 2A simultaneously, and the change of the position and the direction of the operation grip 11 are described. A grip displacement amount detecting means 5 (not shown in FIG. 2) for detecting, and a driving force having a magnitude corresponding to an output from the arithmetic processing unit 1010 are applied to the operation grip 11 as a virtual reaction force when the operation grip 11 is operated. A plurality of energizing driving force generating means 6 (a driving force generating means 6 described later)
1, 61, 62, 62, 63, and 63 are indicated by reference numeral 6), and control means 3 (not shown in FIG. 2) for controlling the operation of each unit.

【0036】以下各部を説明する。まず基台12は、平
板状の底板121と、これに立設された支柱122と、
支柱122の上端部に装備された上記各操作入力手段
2,2Aが装備される平板状の支持板123とから構成
されている。この基台12は、図2における右側方から
みてコ字状を呈しており、底板121を水平面上に載置
したときに、支持板123の下面が同時に水平面と平行
になるように支柱122で連結されている。そして、こ
の支持板123の下面側に、前述した各操作入力手段
2,2Aが垂設される。
The components will be described below. First, the base 12 includes a flat bottom plate 121, a support 122 erected on the bottom plate 121,
And a flat support plate 123 provided with the operation input means 2 and 2A provided at the upper end of the support column 122. The base 12 has a U-shape as viewed from the right side in FIG. 2, and is supported by the columns 122 such that when the bottom plate 121 is placed on a horizontal plane, the lower surface of the support plate 123 is simultaneously parallel to the horizontal plane. Are linked. On the lower surface side of the support plate 123, the operation input means 2 and 2A described above are vertically provided.

【0037】次に、第一の操作入力手段2及び第二の操
作入力手段2Aについて説明する。ここで、第一の操作
入力手段2と第二の操作入力手段2Aとは、図1に示す
ように、基台12上における配置が異なる点を除いて、
ほぼ同一の部材から形成されているため、このような同
一の部材については同符号を付して重複する説明は省略
するものとする。
Next, the first operation input means 2 and the second operation input means 2A will be described. Here, the first operation input means 2 and the second operation input means 2A are different from each other in the arrangement on the base 12, as shown in FIG.
Since these members are formed from substantially the same members, the same members will be denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.

【0038】各操作入力手段2,2Aは、操作グリップ
11を3次元空間上の任意の位置に移動自在に支持する
入力位置支持機構21と、かかる任意の位置で操作グリ
ップ11の向きを可変自在として当該操作グリップ11
を支持する状態可変支持機構22とを有している。これ
らの入力位置支持機構21と状態可変支持機構22と
は、いずれも3自由度の状態変化が自在となっている。
Each of the operation input means 2 and 2A has an input position support mechanism 21 for movably supporting the operation grip 11 at an arbitrary position in a three-dimensional space, and the direction of the operation grip 11 can be changed at the arbitrary position. As the operation grip 11
And a state variable support mechanism 22 for supporting the Each of the input position support mechanism 21 and the state variable support mechanism 22 can freely change the state with three degrees of freedom.

【0039】さらに、入力位置支持機構21と状態可変
支持機構22とは、各自由度に個別に対応する三つの関
節をそれぞれ有しており、これにより3自由度の状態変
化を自在としている。第一の操作入力手段2及び第二の
操作入力手段2Aの入力位置支持機構21の合計六つの
関節には、その状態変化量を個別に検出する六基のセン
サとしてのエンコーダ51,51,52,52,53,
53が装備されており、かかる六基のエンコーダ51,
51,52,52,53,53と後述するもう一基のエ
ンコーダ54が、前述したグリップ変位量検出手段5を
構成している。
Further, the input position support mechanism 21 and the state variable support mechanism 22 have three joints respectively corresponding to the respective degrees of freedom, thereby enabling a state change of three degrees of freedom. Encoders 51, 51, 52 as six sensors for individually detecting the state change amount are provided on a total of six joints of the input position support mechanism 21 of the first operation input means 2 and the second operation input means 2A. , 52, 53,
53, and the six encoders 51,
51, 52, 52, 53, and 53 and another encoder 54 described later constitute the grip displacement amount detecting means 5 described above.

【0040】また、各入力位置支持機構21の各自由度
に基づいて状態変化する方向について駆動力を生じる駆
動力発生手段6は、当該入力位置支持機構21の各関節
に対応して合計六基装備されている。
The driving force generating means 6 for generating a driving force in the direction of state change based on each degree of freedom of each input position supporting mechanism 21 has a total of six driving force generating means 6 corresponding to each joint of the input position supporting mechanism 21. Equipped.

【0041】第一の操作入力手段2及び第二の操作入力
手段2Aの上記構成について、図3乃至図5に基づいて
さらに詳説する。
The above-described configuration of the first operation input means 2 and the second operation input means 2A will be described in more detail with reference to FIGS.

【0042】図3は、第一の操作入力手段2を図2にお
ける左側方から見た側面図であって、図2における状態
から約45度時計方向に回転させた状態を示している
(第二の操作入力手段2Aは図示略)。また、図4は、
第一の操作入力手段2を図3における右側方から見た正
面図であって、一部省略すると共に一部を切り欠いてい
る。
FIG. 3 is a side view of the first operation input means 2 as viewed from the left side in FIG. 2, and shows a state in which the first operation input means 2 is rotated clockwise by about 45 degrees from the state in FIG. The second operation input means 2A is not shown). Also, FIG.
FIG. 4 is a front view of the first operation input means 2 as viewed from the right side in FIG. 3, with some parts omitted and some parts cut away.

【0043】上述した入力位置支持機構21は、まず第
一の関節211と、この第一の関節211を介して基台
12の支持板123と連結される第一のリンク部材21
2と、第二の関節213と、この第二の関節213を介
して第一のリンク部材212とと連結される第二のリン
ク部材214と、第三の関節215と、この第三の関節
215を介して第二のリンク部材214と連結される第
三のリンク部材216とを有している。
The input position support mechanism 21 described above includes a first joint 211 and a first link member 21 connected to the support plate 123 of the base 12 via the first joint 211.
2, a second joint 213, a second link member 214 connected to the first link member 212 via the second joint 213, a third joint 215, and the third joint 215. And a third link member 216 connected to the second link member 214 via the second link member 215.

【0044】上記第一の関節211は、支持板123に
対して垂直に貫通して装備された回転軸211aと、こ
の回転軸211aを支持板123に対して回転自在に支
持させる軸受け211bとを有している。かかる配置に
より、基台21を水平面上に設置したときに、回転軸2
11aは垂直方向を向くことになる。
The first joint 211 has a rotating shaft 211a vertically penetrating the support plate 123 and a bearing 211b for rotatably supporting the rotary shaft 211a with respect to the support plate 123. Have. With this arrangement, when the base 21 is installed on a horizontal plane, the rotation shaft 2
11a will be in the vertical direction.

【0045】さらに、回転軸211aの上端部は、後述
する第一の駆動力発生手段61が係合しており、下端部
は第一のリンク部材212が固定連結されている。従っ
て、第一のリンク部材212は、回転軸211aと共
に、支持板123に対して垂直となる方向を中心に自在
に回転できるようになっている。なお、第一の操作入力
手段2(第二の操作入力手段2A)は、全体の構成がこ
の回転軸211aのみにより基台12に連結される。
Further, the upper end of the rotating shaft 211a is engaged with first driving force generating means 61 described later, and the lower end is fixedly connected to a first link member 212. Accordingly, the first link member 212 can freely rotate together with the rotation shaft 211a around a direction perpendicular to the support plate 123. The first operation input means 2 (second operation input means 2A) is entirely connected to the base 12 only by the rotating shaft 211a.

【0046】第一のリンク部材212の平面図を図5に
示す。この第一のリンク部材212は、その内部に、後
述する第二及び第三の駆動力発生手段62,63の駆動
モータ621,631及び後述するグリップ変位量検出
手段であるエンコーダ52,53を保持する略平板状の
筐体である。そして、その下部には第二の関節213の
回転軸213aを支持する支持突起212aを有してい
る。
FIG. 5 is a plan view of the first link member 212. FIG. The first link member 212 holds therein drive motors 621 and 631 of second and third drive force generation means 62 and 63 described later and encoders 52 and 53 which are grip displacement amount detection means described later. This is a substantially flat casing. The lower portion has a support projection 212a that supports the rotation shaft 213a of the second joint 213.

【0047】第二の関節213は、上述の支持突起21
2aに対して水平方向(基台12を水平面上に設置した
場合)に貫通して装備された回転軸213aと、この回
転軸213aを回転自在に支持させる軸受け213bと
を有している。
The second joint 213 is connected to the support projection 21 described above.
The rotating shaft 213a is provided so as to penetrate in a horizontal direction (when the base 12 is installed on a horizontal plane) with respect to the rotating shaft 213a, and a bearing 213b for rotatably supporting the rotating shaft 213a.

【0048】第二のリンク部材214は、長手棒状に形
成され、その一端部が第二の関節213の回転軸213
aと固定連結され、また、その他端部は、第三の関節2
15を介して第三のリンク部材216と連結されてい
る。従って、第二のリンク部材214はその他端部が、
第一のリンク部材212に対して水平方向を中心として
回動自在となっている。
The second link member 214 is formed in a long rod shape, and one end of the second link member 214 has a rotation shaft 213 of the second joint 213.
a and the other end is connected to the third joint 2
15 and is connected to the third link member 216. Therefore, the other end of the second link member 214 is
The first link member 212 is rotatable about a horizontal direction.

【0049】第三の関節215は、上述の第二のリンク
部材214に対して第二の関節213の回転軸213a
と平行な方向に沿って装備された回転軸215aと、こ
の回転軸215aを第二のリンク部材214の他端部に
対して当該回転軸215aの配設方向を中心として回転
自在に支持させる軸受け215bとを有している。
The third joint 215 is connected to the rotation shaft 213 a of the second joint 213 with respect to the second link member 214.
And a bearing for rotatably supporting the rotating shaft 215a relative to the other end of the second link member 214 about the direction in which the rotating shaft 215a is disposed. 215b.

【0050】第三のリンク部材216は、長手棒状に形
成され、長手方向中間部近傍の位置で、第三の関節21
5の回転軸215aと固定連結され、また、その一端部
には、状態可変支持機構22(第二の操作入力手段2A
については状態可変支持機構22A)が装備されると共
に、当該状態可変支持機構22(22A)を介して操作
グリップ11を支持している。従って、第三のリンク部
材216は、両端部が、第二のリンク部材214に対し
て、第三の関節215の回転軸215aと平行な方向を
中心として回動自在となっている。また、第三のリンク
部材216はその一端部に装備された状態可変支持機構
22を、第一〜第三の関節211,213,215の協
動により、基台12の支持板123に対して、3次元空
間内のいずれの位置にも自在に移動させることができ、
3自由度の状態変化を可能としている。
The third link member 216 is formed in the shape of a long rod, and the third link member 216 is located near the middle portion in the longitudinal direction.
5 is fixedly connected to the rotation shaft 215a, and one end thereof is connected to the state variable support mechanism 22 (the second operation input means 2A).
Is equipped with a state variable support mechanism 22A) and supports the operation grip 11 via the state variable support mechanism 22 (22A). Therefore, both ends of the third link member 216 are rotatable with respect to the second link member 214 about a direction parallel to the rotation axis 215 a of the third joint 215. In addition, the third link member 216 uses the state variable support mechanism 22 provided at one end thereof with the support plate 123 of the base 12 by the cooperation of the first to third joints 211, 213 and 215. , Can be freely moved to any position in three-dimensional space,
State change of three degrees of freedom is possible.

【0051】また、第三のリンク部材216の他端部
は、後述する第3の駆動力発生手段63と係合してい
る。
The other end of the third link member 216 is engaged with third driving force generating means 63 described later.

【0052】かかる構成により、入力位置支持機構21
では、第二の関節213を中心として第二、第三のリン
ク部材214,216の回動可能範囲内に状態可変支持
機構22(22A)を3自由度移動方向について移動さ
せることが可能である。
With this configuration, the input position support mechanism 21
Then, the state variable support mechanism 22 (22A) can be moved in the three-degree-of-freedom movement direction within the rotatable range of the second and third link members 214 and 216 around the second joint 213. .

【0053】次に、状態可変支持機構22(22A)に
ついて説明する。図6は、図3における上方からこの状
態可変支持機構22(22A)を見た図である。この状
態可変支持機構22(22A)は、第三のリンク部材2
16の他端部に、その一端部で連結された第四のリンク
部材222(222A)と、第三のリンク部材216と
第四のリンク部材222(222A)との間に介挿さ
れ、これらの間で相対的な回転動作を自在とする第四の
関節221と、第四のリンク部材222(222A)の
他端部に、その一端部で連結され他端部で操作グリップ
11を保持する第五のリンク部材224(224A)
と、第四のリンク部材222(222A)と第五のリン
ク部材224(224A)との間に介挿され、これらの
間で相対的な回転動作を自在とする第五の関節223
と、第五のリンク部材224(224A)と操作グリッ
プ11の間に介挿された第六の関節225を含んだ構成
となっている。
Next, the state variable support mechanism 22 (22A) will be described. FIG. 6 is a view of the state variable support mechanism 22 (22A) viewed from above in FIG. This state variable support mechanism 22 (22A)
A fourth link member 222 (222A) connected to the other end of the second link 16 at one end thereof, and a third link member 216 and a fourth link member 222 (222A) interposed therebetween. And a fourth joint 221 that allows relative rotation between the other and the other end of the fourth link member 222 (222A), which is connected at one end to the operation grip 11 at the other end. Fifth link member 224 (224A)
And a fifth joint 223 interposed between the fourth link member 222 (222A) and the fifth link member 224 (224A) to allow relative rotation between them.
And a sixth joint 225 inserted between the fifth link member 224 (224A) and the operation grip 11.

【0054】まず、第四の関節221は、第三のリンク
部材216の他端部から当該第三のリンク部材216の
長手方向に沿って突設された支軸221aと、この支軸
221aを中心に回転自在の軸受け221bとを有して
いる。
First, the fourth joint 221 connects a support shaft 221a protruding from the other end of the third link member 216 along the longitudinal direction of the third link member 216, and a support shaft 221a. A rotatable bearing 221b is provided at the center.

【0055】第四のリンク部材222(222A)は、
その一端部で上記軸受け221bを保持し、これにより
第三のリンク部材216に対して当該第三のリンク部材
216の長手方向を中心とする回転運動を自在としてい
る。さらに、第四のリンク部材222(222A)の他
端部は、第五の関節223を介して第五のリンク部材2
24(224A)と連結されている。
The fourth link member 222 (222A)
One end of the bearing 221b holds the bearing 221b, thereby enabling the third link member 216 to freely rotate about the longitudinal direction of the third link member 216. Further, the other end of the fourth link member 222 (222A) is connected to the fifth link member 2 via the fifth joint 223.
24 (224A).

【0056】なお、状態可変支持機構22Aの第四のリ
ンク部材222Aは、状態可変支持機構22の第四のリ
ンク部材222よりも、一端部から他端部までの長さが
長く設定されている。
The length from the one end to the other end of the fourth link member 222A of the variable state support mechanism 22A is set longer than the fourth link member 222 of the variable state support mechanism 22. .

【0057】第五の関節223は、第五のリンク部材2
24(224A)の一端部に突設された支軸223a
と、この支軸223aを中心に回転自在の軸受け223
bとを有している。この第五の関節223の支軸223
aと、前述した第四の関節221の支軸221aとは、
第四のリンク部材222(222A)により、双方の支
軸221a,223aが、その延長線上で互いに直交す
るように保持されている。
The fifth joint 223 is connected to the fifth link member 2.
24 (224A) has a support shaft 223a protruding from one end thereof.
And a bearing 223 rotatable about the support shaft 223a.
b. The shaft 223 of the fifth joint 223
a and the support shaft 221a of the fourth joint 221 described above,
By the fourth link member 222 (222A), the both support shafts 221a and 223a are held so as to be orthogonal to each other on an extension line thereof.

【0058】第五のリンク部材224(224A)は、
その他端部において、第六の関節225である軸受けを
介して回転自在に操作グリップ11を保持している。か
かる操作グリップ11は棒状であり、第六の関節225
は、当該操作グリップ11の長手方向を中心として第五
のリンク部材224(224A)に対して回転を自在と
させている。この操作グリップ11の回転動作の中心軸
は、第五の関節223の回転軸と直交するように設定さ
れている。
The fifth link member 224 (224A)
At the other end, the operation grip 11 is rotatably held via a bearing serving as the sixth joint 225. The operation grip 11 is rod-shaped, and has a sixth joint 225.
Is rotatable around the longitudinal direction of the operation grip 11 with respect to the fifth link member 224 (224A). The center axis of the rotation of the operation grip 11 is set to be orthogonal to the rotation axis of the fifth joint 223.

【0059】また、第六の関節225による操作グリッ
プ11の回転軸は、第四の関節221と第五の関節22
3の回転軸とが直交する点を通過するように、当該操作
グリップ11が第五のリンク部材224(224A)に
保持されている。このため、操作グリップ11は、入力
位置支持機構21に対して、第四の関節221と第五の
関節223の回転軸とが直交する点を中心として、あら
ゆる方向に自在に傾動し、且つ、当該操作グリップ11
の長手方向を中心として自在に回転させることができ、
3自由度の状態変化を自在としている。
The rotation axis of the operation grip 11 by the sixth joint 225 is different from the fourth joint 221 and the fifth joint 22.
The operation grip 11 is held by the fifth link member 224 (224A) so that the third rotation axis passes through a point orthogonal to the rotation axis. For this reason, the operation grip 11 freely tilts in all directions with respect to the input position support mechanism 21 around a point where the rotation axis of the fourth joint 221 and the fifth joint 223 is orthogonal, and The operation grip 11
Can be freely rotated around the longitudinal direction of the
The state can be freely changed with three degrees of freedom.

【0060】なお、状態可変支持機構2の第五のリンク
部材224は、図3に示すように、その下部で、グリッ
プ変位量検出手段5の一つであるエンコーダ54を保持
している。かかるエンコーダ54は、第五のリンク部材
224に対して第六の関節225によって回転する操作
グリップ11の回転角度を検出する。
As shown in FIG. 3, the fifth link member 224 of the state variable support mechanism 2 holds an encoder 54, which is one of the grip displacement amount detecting means 5, at its lower part. The encoder 54 detects the rotation angle of the operation grip 11 rotated by the sixth joint 225 with respect to the fifth link member 224.

【0061】ここで、図3に示すように、第一の操作入
力手段2は、第五のリンク部材224により、操作グリ
ップ11のほぼ下端部において当該操作グリップ11を
保持している。また、第二の操作入力手段2Aは、第五
のリンク部材224Aにより、操作グリップ11の下端
部近傍であって第五のリンク部材224より幾分上部に
おいて当該操作グリップ11を保持している。
Here, as shown in FIG. 3, the first operation input means 2 holds the operation grip 11 at a substantially lower end portion of the operation grip 11 by the fifth link member 224. Further, the second operation input means 2A holds the operation grip 11 near the lower end of the operation grip 11 and slightly above the fifth link member 224 by the fifth link member 224A.

【0062】一方、操作グリップ11は、上端部から、
その全体の長さの半分以上(およそ全体の七割)を、オ
ペレータが手で保持するための握り部111としてい
る。そして、各々の第五のリンク部材224,224A
の保持位置は、いずれも握り部111よりも下端部寄り
に設定されている。
On the other hand, the operation grip 11 is
More than half of the entire length (approximately 70% of the entire length) is a grip portion 111 for the operator to hold by hand. Then, each fifth link member 224, 224A
Are set closer to the lower end than the grip portion 111.

【0063】なお、符号112は、押圧式のスイッチで
あり、これにより、予め設定された指示入力を行う。
Reference numeral 112 denotes a push-type switch, which is used to input a preset instruction.

【0064】次に、各操作入力手段2,2Aに併設され
た駆動力発生手段6及びグリップ変移量検出手段5につ
いて説明する。
Next, a description will be given of the driving force generating means 6 and the grip displacement amount detecting means 5 provided alongside the operation input means 2 and 2A.

【0065】各操作入力手段2,2Aには、各々に第一
の駆動力発生手段61,第二の駆動力発生手段62及び
第三の駆動力発生手段63が装備されており、これらは
同一の構成から成るものであるため、第一の操作入力手
段2についてのみこれらの説明を行う。
Each of the operation input means 2 and 2A is provided with a first driving force generating means 61, a second driving force generating means 62 and a third driving force generating means 63, which are the same. Therefore, only the first operation input means 2 will be described.

【0066】まず、第一の駆動力発生手段61は、第一
の関節211により支持板123に対する回転を自在に
行う第一のリンク部材212に、回転トルクを付勢する
ものである。かかる第一の駆動力発生手段61は、基台
12の指示板123に固定装備された駆動モータ611
と、この駆動モータ611の駆動軸に装備された主動プ
ーリ612と、第一の関節211の回転軸211aの上
端部に固定装備された従動プーリ613と、主動プーリ
612のトルクを従動プーリ613に伝達する伝達ベル
ト614とを備えている。回転軸211aと第一のリン
ク部材212とは固定連結されているため、駆動モータ
611から出力されたトルクは、この回転軸211aを
介して当該第一のリンク部材212に付勢される。
First, the first driving force generating means 61 applies a rotational torque to the first link member 212 which rotates freely with respect to the support plate 123 by the first joint 211. The first driving force generating means 61 includes a driving motor 611 fixedly mounted on the indication plate 123 of the base 12.
And a driven pulley 612 mounted on the drive shaft of the drive motor 611, a driven pulley 613 fixedly mounted on the upper end of the rotating shaft 211a of the first joint 211, and the torque of the driven pulley 612 to the driven pulley 613. And a transmission belt 614 for transmitting. Since the rotating shaft 211a and the first link member 212 are fixedly connected, the torque output from the drive motor 611 is urged to the first link member 212 via the rotating shaft 211a.

【0067】また、駆動モータ611には、グリップ変
位量検出手段5の一つであるエンコーダ51が併設され
ており、駆動モータ611の駆動軸の回転量が検出され
る。即ち、操作グリップ11の手動操作に伴い生じる第
一のリンク部材212の回転量に比例する回転角度変位
が、従動プーリ613,伝達ベルト614及び主動プー
リ612を介して駆動モータ611の駆動軸に生じるた
め、このエンコーダ51がこれを検出することにより、
結果的に支持板123に対する第一のリンク部材212
の回転変位量を算出することができる。
The drive motor 611 is provided with an encoder 51 which is one of the grip displacement amount detection means 5 and detects the rotation amount of the drive shaft of the drive motor 611. That is, a rotational angular displacement proportional to the amount of rotation of the first link member 212 caused by the manual operation of the operation grip 11 occurs on the drive shaft of the drive motor 611 via the driven pulley 613, the transmission belt 614, and the driven pulley 612. Therefore, when the encoder 51 detects this,
As a result, the first link member 212 to the support plate 123
Can be calculated.

【0068】次に、第二の駆動力発生手段62について
図4及び図7に基づいて説明する。図7は、図4のX−
X線に沿った断面図である。これらに示すように、第二
の駆動力発生手段62は、第二の関節213により第一
のリンク部材212に対する回動を自在に行う第二のリ
ンク部材214に、回動トルクを付勢するものである。
かかる第二の駆動力発生手段62は、第一のリンク部材
212に固定装備された駆動モータ621と、この駆動
モータ621の駆動軸に装備された主動プーリ622
と、第二の関節213の回転軸213aの左端部に固定
装備された従動プーリ623と、主動プーリ622のト
ルクを従動プーリ623に伝達する伝達ベルト624と
を備えている。回転軸213aと第二のリンク部材21
4とは固定連結されているため、駆動モータ621から
出力されたトルクは、この回転軸213aを介して当該
第二のリンク部材214に付勢される。
Next, the second driving force generating means 62 will be described with reference to FIGS. FIG.
It is sectional drawing along X-ray. As shown in these figures, the second driving force generating means 62 urges the second link member 214 that freely rotates with respect to the first link member 212 by the second joint 213 to apply a rotating torque. Things.
The second driving force generating means 62 includes a driving motor 621 fixedly mounted on the first link member 212 and a driving pulley 622 mounted on a driving shaft of the driving motor 621.
And a driven pulley 623 fixedly mounted on the left end of the rotation shaft 213a of the second joint 213, and a transmission belt 624 for transmitting the torque of the driven pulley 622 to the driven pulley 623. Rotation shaft 213a and second link member 21
4, the torque output from the drive motor 621 is urged to the second link member 214 via the rotating shaft 213a.

【0069】また、駆動モータ621には、グリップ変
位量検出手段5の一つであるエンコーダ52が併設され
ており、駆動モータ621の駆動軸の回転量が検出され
る。即ち、操作グリップ11の手動操作に伴い生じる第
二のリンク部材214の回動量に比例する回動角度変位
が、従動プーリ623,伝達ベルト624及び主動プー
リ622を介して駆動モータ621の駆動軸に生じるた
め、このエンコーダ52がこれを検出することにより、
結果的に第一のリンク部材212に対する第二のリンク
部材214の回動角度変位量を算出することができる。
Further, the drive motor 621 is provided with an encoder 52 which is one of the grip displacement amount detecting means 5, and detects the rotation amount of the drive shaft of the drive motor 621. That is, the rotation angle displacement proportional to the rotation amount of the second link member 214 caused by the manual operation of the operation grip 11 is applied to the drive shaft of the drive motor 621 via the driven pulley 623, the transmission belt 624, and the driven pulley 622. Because the encoder 52 detects this,
As a result, the rotation angle displacement of the second link member 214 with respect to the first link member 212 can be calculated.

【0070】次に、第三の駆動力発生手段63につい
て、図3,4,7,8及び9に基づいて説明する。この
第三の駆動力発生手段63は、第三の関節215により
第二のリンク部材214に対する回動を自在に行う第三
のリンク部材216に、回動トルクを付勢するものであ
る。
Next, the third driving force generating means 63 will be described with reference to FIGS. 3, 4, 7, 8 and 9. The third driving force generating means 63 urges the third link member 216 that can freely rotate with respect to the second link member 214 by the third joint 215 to apply a rotating torque.

【0071】かかる第三の駆動力発生手段63は、図4
及び図7に示すように、第一のリンク部材212に固定
装備された駆動モータ631と、この駆動モータ631
の駆動軸に装備された主動プーリ632と、第二の関節
213の回転軸213aの図4における右端部に回転自
在に装備された従動プーリ633と、主動プーリ632
のトルクを従動プーリ633に伝達する伝達ベルト63
4と、回転軸213aの中央部に回転自在に装備され従
動プーリ633と連動するカム部材635と、このカム
部材635の回転動作を第3のリンク部材216の他端
部(状態可変支持機構22が装備されていない方の端
部)に伝達する伝達部材636とを備えている。
The third driving force generating means 63 corresponds to FIG.
As shown in FIG. 7, a drive motor 631 fixed to the first link member 212 and a drive motor 631
4, a driven pulley 633 rotatably mounted on the right end of the rotation shaft 213 a of the second joint 213 in FIG. 4, and a driven pulley 632.
Transmission belt 63 for transmitting the torque of driven roller 633 to driven pulley 633
4, a cam member 635 rotatably mounted at the center of the rotary shaft 213a and interlocking with the driven pulley 633, and rotating the cam member 635 at the other end of the third link member 216 (the state variable support mechanism 22). And a transmission member 636 for transmitting the transmission member 636 to the end (the end portion not provided with).

【0072】カム部材635及び伝達部材636の一部
を図8に示す。図8(A)は、カム部材635を図4に
おける右側から見た図であり、図8(B)は図8(A)
のY−Y線に沿った断面図を示す。このカム部材635
は、中央に軸受けを介して回転軸213aが挿通される
挿通穴635aを有し、ここから所定距離離間した位置
に回転軸213aと平行な方向を中心に回動自在に伝達
部材636の一端部が連結されている。
FIG. 8 shows a part of the cam member 635 and the transmission member 636. FIG. 8A is a diagram of the cam member 635 viewed from the right side in FIG. 4, and FIG. 8B is a diagram of FIG.
Is a cross-sectional view taken along line YY of FIG. This cam member 635
Has an insertion hole 635a in the center through which the rotation shaft 213a is inserted via a bearing. One end of the transmission member 636 is rotatable around a direction parallel to the rotation shaft 213a at a position separated by a predetermined distance therefrom. Are connected.

【0073】伝達部材636の他端部は、第三の関節2
15の回転軸215aと平行な方向を中心に回動自在に
第三のリンク部材216の他端部に連結されている(図
3参照)。カム部材635における回転軸213aから
伝達部材636の一端部の回動中心までの距離と、第三
のリンク部材216における回転軸215aから伝達部
材636の他端部の回動中心までの距離とは、等しく設
定されており、また同時に、伝達部材636と第二のリ
ンク部材214の長さ(正確には、それぞれの部材の両
端部における回動中心軸間距離)は等しく設定されてい
る。
The other end of the transmission member 636 is connected to the third joint 2
The third link member 216 is connected to the other end of the third link member 216 so as to be rotatable about a direction parallel to the 15 rotation shafts 215a (see FIG. 3). The distance from the rotation shaft 213a of the cam member 635 to the rotation center of one end of the transmission member 636 and the distance from the rotation shaft 215a of the third link member 216 to the rotation center of the other end of the transmission member 636 are as follows. , And at the same time, the length of the transmission member 636 and the length of the second link member 214 (more precisely, the distance between the rotation center axes at both ends of each member) are set to be equal.

【0074】このため、カム部材635の回転角度と第
二のリンク部材214に対する第三のリンク部材216
の回動角度を等しく変移させることが可能である。
For this reason, the rotation angle of the cam member 635 and the third link member 216 with respect to the second link member 214
Can be shifted equally.

【0075】かかる構成により、この第三の駆動力発生
手段63の駆動モータ631の駆動時には、第二の関節
213の中心軸213aの回転とは無関係にカム部材6
35に回転トルクを付勢することができ、伝達部材63
6を介して第三のリンク部材216に、第二のリンク部
材214に対する回動トルクを伝達することができる。
With this configuration, when the driving motor 631 of the third driving force generating means 63 is driven, the cam member 6 is driven irrespective of the rotation of the center shaft 213a of the second joint 213.
35 can be energized with a rotational torque,
6, the rotation torque of the second link member 214 can be transmitted to the third link member 216.

【0076】また、駆動モータ631には、グリップ変
位量検出手段5の一つであるエンコーダ53が併設され
ており、駆動モータ631の駆動軸の回転量が検出され
る。例えば、図9に示すように、操作グリップ11の手
動操作に伴い第三のリンク部材216が第二のリンク部
材214に対して回動する場合、伝達部材636が第三
のリンク部材216の回動変移角度と等しい角度でカム
部材635の回転動作を付勢し、カム部材635の回転
角度に比例する回転角度変位が、従動プーリ633,伝
達ベルト634及び主動プーリ632を介して駆動モー
タ631の駆動軸に生じるため、このエンコーダ53が
これを検出することにより、結果的に第二のリンク部材
214に対する第三のリンク部材216の回動角度変位
量を算出することができる。
The drive motor 631 is provided with an encoder 53, which is one of the grip displacement amount detection means 5, and detects the amount of rotation of the drive shaft of the drive motor 631. For example, as shown in FIG. 9, when the third link member 216 rotates with respect to the second link member 214 due to the manual operation of the operation grip 11, the transmission member 636 rotates the third link member 216. The rotational movement of the cam member 635 is urged at an angle equal to the dynamic transition angle, and the rotational angular displacement proportional to the rotational angle of the cam member 635 causes the rotation of the drive motor 631 via the driven pulley 633, the transmission belt 634, and the driven pulley 632. Since this occurs on the drive shaft, the encoder 53 detects this, and as a result, the rotation angle displacement of the third link member 216 with respect to the second link member 214 can be calculated.

【0077】ここで、入力手段移動付勢機構4及び前述
した操作入力手段2の各回転関節に装備された各エンコ
ーダは、各リンク部材間の回転又は回動の角度に比例し
た回数だけパルスを発信するものであり、これら各エン
コーダにはパルスを計数し出力する図示しないカウンタ
が併設されているものとする。
Here, the input means moving urging mechanism 4 and the encoders provided at each of the rotary joints of the operation input means 2 described above generate pulses in a number of times proportional to the rotation or rotation angle between the link members. It is assumed that each of these encoders is provided with a counter (not shown) for counting and outputting pulses.

【0078】また、入力手段移動付勢機構4及び前述し
た操作入力手段2の各回転関節に装備された各駆動モー
タは、それぞれ、制御手段3からの動作指令信号又は駆
動指令信号をアナログ信号に変換するD/A変換器と、
このD/A変換器からの信号を増幅する電流増幅アンプ
と、駆動モータの回転数調整用の減速機(いずれも図示
略)とを備えているものとする。
The input means moving urging mechanism 4 and the drive motors provided at the rotary joints of the operation input means 2 convert the operation command signal or the drive command signal from the control means 3 into analog signals, respectively. A D / A converter for converting;
It is assumed that a current amplification amplifier for amplifying a signal from the D / A converter and a speed reducer (both not shown) for adjusting the rotation speed of the drive motor are provided.

【0079】次に、制御手段3について説明する。この
制御手段3は、図10に示すように、操作入力手段2の
エンコーダ221,231,241の検出する検出角度
信号(移動変位量)に基づいて操作グリップ11の入力
位置座標データを算出して演算処理装置1010に出力
する入力座標算出部31と、演算処理装置1010から
出力された入力位置座標データに対応する反力データを
受けて,この反力データに基づく駆動指令信号を操作入
力手段2の各駆動モータ222,232,242に出力
する反力発生制御部33とを備えている。
Next, the control means 3 will be described. As shown in FIG. 10, the control means 3 calculates input position coordinate data of the operation grip 11 based on detection angle signals (movement displacement amounts) detected by the encoders 221, 231, 241 of the operation input means 2. Upon receiving an input coordinate calculating unit 31 that outputs to the arithmetic processing unit 1010 and reaction force data corresponding to the input position coordinate data output from the arithmetic processing unit 1010, a drive command signal based on the reaction force data is input to the operation input unit 2. And a reaction force generation control unit 33 that outputs a signal to each of the drive motors 222, 232, and 242.

【0080】一方、演算処理装置1010は、同図10
に示すように、予め定義された仮想物体1051及び仮
想ポインタ1050の形状データを記憶する形状データ
記憶部1011と、仮想空間を設定し,当該仮想空間に
前述した形状データに基づく仮想物体1051及び仮想
ポインタ1050を配置すると共にディスプレイ100
1に出力制御する表示制御部1012を備えている。
On the other hand, the arithmetic processing unit 1010
As shown in FIG. 7, a shape data storage unit 1011 for storing shape data of a predefined virtual object 1051 and a virtual pointer 1050, a virtual space is set, and a virtual object 1051 and a virtual object based on the shape data described above are set in the virtual space. The pointer 100 and the display 100
1 is provided with a display control unit 1012 for controlling the output.

【0081】形状データ記憶部1011に記憶された形
状データについては、予め定義されている仮想物体の接
平面を算出できる形式であればどのようなものであって
も良い。ここでは、パラメトリック関数による形状定義
や、分布関数による定義形状を用いている。
The shape data stored in the shape data storage unit 1011 may be of any format as long as it can calculate a tangent plane of a virtual object defined in advance. Here, a shape definition using a parametric function and a definition shape using a distribution function are used.

【0082】表示制御部1012は、3次元入力用マニ
ピュレータ10の入力座標算出部31から出力された入
力位置座標データに基づいて仮想空間内における仮想ポ
インタ1050の位置決めを行い,仮想物体1051と
仮想ポインタ1050とが接触したときに物体から受け
る仮想の反力の大きさと方向を算出する反力算出機能1
013を備えている。この反力算出機能1013により
算出された反力データは、前述したように、3次元入力
用マニピュレータ10の反力発生制御部33に出力され
る。
The display control unit 1012 positions the virtual pointer 1050 in the virtual space based on the input position coordinate data output from the input coordinate calculation unit 31 of the three-dimensional input manipulator 10, and the virtual object 1051 and the virtual pointer Reaction force calculation function 1 for calculating the magnitude and direction of a virtual reaction force received from an object when it comes into contact with 1050
013. The reaction force data calculated by the reaction force calculation function 1013 is output to the reaction force generation control unit 33 of the three-dimensional input manipulator 10 as described above.

【0083】反力発生制御部33では、反力データから
操作入力手段2の各駆動モータ222,232,242
の出力トルクを算出すると共にこれに基づく駆動指令信
号を出力する。
The reaction force generation control unit 33 calculates each drive motor 222, 232, 242 of the operation input means 2 from the reaction force data.
And outputs a drive command signal based on the output torque.

【0084】まず、入力座標算出部31では、グリップ
変位量検出手段5を構成する各操作入力手段2,2Aに
装備されたエンコーダ51,52,53の検出角度と、
各リンク部材の長さから各操作入力手段2,2Aの先端
位置座標を算出する。そして、これらから操作グリップ
11における二定点が特定されるため、当該操作グリッ
プ11の入力位置座標データ及び姿勢データを特定す
る。
First, in the input coordinate calculating section 31, the detection angles of the encoders 51, 52, 53 provided in the operation input means 2, 2A constituting the grip displacement amount detecting means 5,
The coordinates of the tip position of each of the operation input means 2 and 2A are calculated from the length of each link member. Then, since two fixed points on the operation grip 11 are specified from these, input position coordinate data and attitude data of the operation grip 11 are specified.

【0085】これら操作グリップ11の入力位置座標デ
ータ及び姿勢データが特定されると、演算処理装置10
10の表示制御部1012に出力される。演算処理装置
1010の表示制御部1012では、入力位置座標デー
タに基づく操作グリップ11の現在位置座標を仮想空間
上の座標系に写像変換し、この変換された新たな現在位
置座標を仮想ポインタ1050の先端位置座標として当
該仮想ポインタ1050を仮想空間内に配置すると共に
ディスプレイ1001に表示する。
When the input position coordinate data and the posture data of the operation grip 11 are specified, the arithmetic processing unit 10
It is output to ten display control units 1012. The display control unit 1012 of the arithmetic processing device 1010 maps the current position coordinates of the operation grip 11 based on the input position coordinate data to a coordinate system in the virtual space, and uses the converted new current position coordinates of the virtual pointer 1050 as the virtual pointer 1050. The virtual pointer 1050 is arranged in the virtual space as the tip position coordinates and displayed on the display 1001.

【0086】また、表示制御部1012では、反力算出
機能1013により、仮想ポインタ1050の先端位置
座標と仮想物体1051の表面位置座標との関係により
反力データの算出が行われる。かかる反力データには、
x,y,z軸方向における反力及び各軸周りのモーメン
トが含まれており、これが3次元入力用マニピュレータ
10に出力される。
In the display control unit 1012, the reaction force calculation function 1013 calculates reaction force data based on the relationship between the coordinates of the tip position of the virtual pointer 1050 and the coordinates of the surface position of the virtual object 1051. Such reaction force data includes:
A reaction force in the x, y, and z-axis directions and a moment around each axis are included, and are output to the three-dimensional input manipulator 10.

【0087】制御手段3の反力発生制御部33では、上
述の反力データから、各操作入力手段2,2Aに装備さ
れた各動力発生手段61,62,63の駆動モータの出
力トルクが算出される。そして、反力発生制御部33
は、これら各駆動トルクに応じた駆動指令信号を各駆動
モータに出力する。
The reaction force generation control section 33 of the control means 3 calculates the output torque of the drive motor of each of the power generation means 61, 62, 63 provided in each of the operation input means 2, 2A from the above-mentioned reaction force data. Is done. And the reaction force generation control unit 33
Outputs a drive command signal corresponding to each drive torque to each drive motor.

【0088】以上の各手法に基づいて、制御手段3及び
演算処理装置1010では、動作制御が行われる。
The control means 3 and the arithmetic processing unit 1010 control the operation based on each of the above methods.

【0089】次に、上記構成からなる3次元入力システ
ム1000の動作について図10及び図11に基づいて
説明する。図11は、3次元入力システム1000の動
作の流れを示す流れ図である。
Next, the operation of the three-dimensional input system 1000 having the above configuration will be described with reference to FIGS. FIG. 11 is a flowchart showing the operation flow of the three-dimensional input system 1000.

【0090】本実施形態では、操作入力の際に、オペレ
ータが操作グリップ11を手にして当該操作グリップ1
1を任意の複数自由度方向に移動させる。このとき、第
一の操作入力手段2及び第二の操作入力手段2Aは、共
に6自由度であるため、操作グリップ11は、6自由度
の状態変化が可能である。従って、操作グリップ11の
3次元空間上の移動並びにその長手方向をあらゆる方向
に傾けさせるような傾動動作及びその長手方向を中心と
する回転動作等の姿勢変化運動が行われる。
In this embodiment, at the time of operation input, the operator holds the operation grip 11 in his hand, and
1 is moved in arbitrary plural degrees of freedom. At this time, since both the first operation input unit 2 and the second operation input unit 2A have six degrees of freedom, the operation grip 11 can change the state with six degrees of freedom. Accordingly, a movement of the operation grip 11 in a three-dimensional space, a tilting operation for tilting the longitudinal direction in all directions, and a posture changing motion such as a rotating operation about the longitudinal direction are performed.

【0091】そして、操作グリップ11による入力操作
に伴い、各入力位置支持機構21に装備された各エンコ
ーダ51,52,53,54により、各々の角度変位量
が検出される(ステップS1)。
Then, in accordance with the input operation by the operation grip 11, each of the encoders 51, 52, 53, 54 provided in each of the input position support mechanisms 21 detects the amount of angular displacement (step S1).

【0092】そして、これら検出された角度変移量か
ら、制御手段3の入力座標算出部31において、操作グ
リップ11の入力位置座標データ及び姿勢データを算出
する(ステップS2)。そして、これらを演算処理装置
1010の表示制御部1012に出力する(ステップS
3)。
Then, the input position coordinate data and the posture data of the operation grip 11 are calculated in the input coordinate calculation section 31 of the control means 3 from the detected angle shift amounts (step S2). Then, these are output to the display control unit 1012 of the arithmetic processing unit 1010 (Step S
3).

【0093】表示制御部1012では、ディスプレイ1
001に表示された仮想空間上の入力位置座標データに
対応する位置に仮想ポインタ1050を配置する(ステ
ップS4)。そして、反力算出機能1013により、仮
想物体1051と仮想ポインタ1050の相対位置から
これらが干渉しているかを判定する(ステップS5)。
The display control unit 1012 controls the display 1
The virtual pointer 1050 is arranged at a position corresponding to the input position coordinate data on the virtual space displayed at 001 (step S4). Then, the reaction force calculation function 1013 determines from the relative positions of the virtual object 1051 and the virtual pointer 1050 whether they interfere with each other (step S5).

【0094】上記判定において、干渉がないと判断され
た場合には、再び継続される操作グリップ11の移動動
作について、入力位置座標の検出が行われ、同様の動作
(ステップS1〜S4)が繰り返される。
In the above determination, when it is determined that there is no interference, the input position coordinates are detected for the continued movement of the operation grip 11, and the same operation (steps S1 to S4) is repeated. It is.

【0095】一方、上記判定において、干渉すると判断
された場合には、反力計算が行われる。そして、算出さ
れた反力データが3次元入力用マニピュレータ10の反
力発生制御部33に出力される(ステップS6)。
On the other hand, if it is determined in the above determination that interference occurs, a reaction force calculation is performed. Then, the calculated reaction force data is output to the reaction force generation control unit 33 of the three-dimensional input manipulator 10 (step S6).

【0096】反力発生制御部33では、反力データに基
づいて操作入力手段2,2Aの各駆動力発生手段61,
62,63の各駆動モータ611,612,613の駆
動トルクを算出し且つ当該各駆動トルクに基づく出力が
生じるように各駆動モータ611,612,613の駆
動制御を行う(ステップS7)。これにより、オペレー
タは、ディスプレイ1001を見ながら、これに表示さ
れる仮想ポインタ1050と仮想物体1051とが接触
する場合に、仮想物体からの反力を受ける感触を仮想的
に体感することとなる。
In the reaction force generation control section 33, the driving force generation means 61 of the operation input means 2 and 2A based on the reaction force data.
The drive torque of each of the drive motors 611, 612, and 613 is calculated, and drive control of each of the drive motors 611, 612, and 613 is performed so that an output based on the drive torque is generated (step S7). Thus, when the virtual pointer 1050 displayed on the display 1001 and the virtual object 1051 come into contact with each other while watching the display 1001, the operator virtually feels the feeling of receiving the reaction force from the virtual object.

【0097】そして、再び継続される操作グリップ11
の移動動作について、入力位置座標の検出が行われ、同
様の動作(ステップS1〜S7)が繰り返される。
Then, the operation grip 11 continued again.
Is detected, the input position coordinates are detected, and the same operation (steps S1 to S7) is repeated.

【0098】本実施形態では、操作グリップ11の一端
部から半分以上の範囲までを握り部111に設定し、各
操作入力手段2,2Aは、この握り部111を除く他端
部近傍の範囲内における異なる二定点で操作グリップ1
1を支持する構成としている。
In the present embodiment, the grip portion 111 extends from one end of the operation grip 11 to at least a half of the range, and each of the operation input means 2 and 2A is in the range near the other end excluding the grip portion 111. Operating grip 1 with two different fixed points in
1 is supported.

【0099】このため、操作グリップ11の姿勢変化に
より生じるいずれか一方の操作入力手段に対する他方の
操作入力手段の相対的な変移が、それぞれの操作入力手
段2,2Aが支持する操作グリップ11上の二定点の離
間距離を半径とする球面の範囲内に納められることとな
る。従って、従来のように操作グリップの両端部を支持
する場合と比較すると、各操作入力手段の支持先端部の
相対的な変移の範囲を縮小化することができ、操作グリ
ップ11の操作領域を従来と同一範囲内に設定した場
合、各操作入力手段2,2Aの小型化とこれに伴う軽量
化を図ることができる。従って、これに伴い3次元入力
用マニピュレータ10全体の小型化及び軽量化を図るこ
とも可能となる。
For this reason, the relative change of one of the operation input means with respect to one of the operation input means caused by the change of the attitude of the operation grip 11 is caused on the operation grip 11 supported by the respective operation input means 2 and 2A. It will fall within the range of the spherical surface whose radius is the separation distance between the two fixed points. Therefore, as compared with the conventional case where both ends of the operation grip are supported, the range of relative displacement of the support tip of each operation input means can be reduced, and the operation area of the operation grip 11 can be reduced. When set within the same range as above, it is possible to reduce the size of each of the operation input means 2 and 2A and the weight associated with it. Accordingly, the size and weight of the entire three-dimensional input manipulator 10 can be reduced accordingly.

【0100】また、各操作入力手段2,2Aは、基台1
2を水平面上に配置したときに、支持板123上におい
て垂直方向に向けて装備された第一の関節211の回転
軸211aにより、当該基台12の支持板123に支持
されているため、基台12の支持板123と各操作入力
手段2,2Aとを連結する回転軸211aに生じる重量
付加が当該回転軸211aの長手方向に沿って生じるこ
ととなり、曲げ応力が加わる場合と比較して当該各回転
軸211aへの負担を軽減し、装置の長寿命化を図るこ
とが可能となる。
Each of the operation input means 2 and 2A is
2 is arranged on a horizontal plane, and is supported by the support plate 123 of the base 12 by the rotation shaft 211a of the first joint 211 mounted vertically on the support plate 123. The weight added to the rotating shaft 211a connecting the support plate 123 of the table 12 and each of the operation input means 2 and 2A is generated along the longitudinal direction of the rotating shaft 211a, and the weight is increased as compared with the case where bending stress is applied. The load on each rotating shaft 211a can be reduced, and the life of the device can be extended.

【0101】さらに、各操作入力手段2,2Aの各駆動
モータ611,621,631により反力データに基づ
く反力をオペレータに体感させる構成のため、3次元入
力用マニピュレータ10を3次元入力システム1000
に装備し、疑似的な反力フィードバックを受ける作業環
境下での使用において、オペレータはより正確な反力を
受けることができ、即ち、これにより、よりリアルな疑
似感覚を体感することができる。
Furthermore, since the driving motors 611, 621 and 631 of the operation input means 2 and 2A allow the operator to feel the reaction force based on the reaction force data, the three-dimensional input manipulator 10 is connected to the three-dimensional input system 1000.
The operator can receive more accurate reaction force in use in a work environment receiving pseudo reaction force feedback, that is, thereby, can experience a more realistic pseudo feeling.

【0102】なお、上記実施形態では、3次元入力用マ
ニピュレータ10の制御手段3を、上位装置である演算
処理装置1010が兼ねる構成としても良い。また、或
いは、3次元入力用マニピュレータ10にの制御手段2
が、演算処理装置210の機能を表示制御部211が全
て行う構成としても良い。以下に述べる他の実施形態に
ついても同様である。
In the above-described embodiment, the control unit 3 of the three-dimensional input manipulator 10 may be configured to also serve as the arithmetic processing unit 1010 as a higher-level device. Alternatively, the control means 2 for the three-dimensional input manipulator 10
However, a configuration in which the display control unit 211 performs all the functions of the arithmetic processing device 210 may be adopted. The same applies to other embodiments described below.

【0103】また、本実施形態では、図1に示されるよ
うなポインタ及び仮想物体を例示しているが、特にこれ
に限定されるものではない。例えば、身体の治療を行う
手術のシミュレーションを想定し、ポインタを手術用の
メス、仮想物体を治療の対象となる身体の一部とする等
のように、必要に応じたポインタ及び仮想物体を設定す
ることにより、種々のシミュレーションに好適に対応す
ることが可能である。
Although the present embodiment exemplifies the pointer and the virtual object as shown in FIG. 1, the present invention is not particularly limited thereto. For example, assuming a simulation of a surgery for treating a body, setting a pointer and a virtual object as necessary, such as setting a pointer to a surgical scalpel and setting a virtual object to be a part of a body to be treated. By doing so, it is possible to suitably cope with various simulations.

【0104】[0104]

【発明の効果】本願発明では、操作グリップを支持する
第一の操作入力手段は5自由度以上であり、第二の操作
入力手段は6自由度以上であるため、操作グリップは少
なくとも5自由度以上の状態変化が可能となる。これに
より、例えば、操作グリップの3次元空間上の移動及び
その長手方向をあらゆる方向に傾けさせるような姿勢変
化運動を行い、かかる位置情報及び姿勢情報の入力が可
能となる。
According to the present invention, the first operation input means for supporting the operation grip has at least 5 degrees of freedom, and the second operation input means has at least 6 degrees of freedom. The above state changes are possible. Thus, for example, a movement of the operation grip in a three-dimensional space and a posture changing movement for tilting the longitudinal direction in all directions are performed, and input of such position information and posture information becomes possible.

【0105】さらに、本願発明では、操作グリップの一
端部側を握り部に設定し、各操作入力手段は、この握り
部を除く他端部近傍の範囲内における異なる二つの位置
で操作グリップを支持する構成としているため、操作グ
リップを上記のような姿勢変化をさせることにより生じ
るいずれか一方の操作入力手段に対する他方の操作入力
手段の相対的な変移が、それぞれの操作入力手段が支持
する操作グリップ上の二つの位置の離間距離を半径とす
る球面の範囲内に納められることとなる。
Further, in the present invention, one end side of the operation grip is set as the grip portion, and each operation input means supports the operation grip at two different positions within a range near the other end portion excluding the grip portion. Therefore, the relative movement of the other operation input means with respect to one of the operation input means caused by changing the attitude of the operation grip as described above can be controlled by the operation grips supported by the respective operation input means. It will fall within the range of a spherical surface whose radius is the distance between the above two positions.

【0106】従って、従来のように操作グリップの両端
部を支持する場合と比較すると、各操作入力手段の支持
先端部の相対的な変移の範囲を縮小化することができ、
操作グリップの操作領域を従来と同一範囲内に設定した
場合、各操作入力手段の小型化とこれに伴う軽量化を図
ることができる。従って、これに伴い3次元入力用マニ
ピュレータ全体の小型化及び軽量化を図ることも可能と
なる。
Therefore, as compared with the conventional case where both ends of the operation grip are supported, the range of relative displacement of the support tip of each operation input means can be reduced.
When the operation area of the operation grip is set within the same range as that of the related art, it is possible to reduce the size and weight of each operation input means. Accordingly, the size and weight of the entire three-dimensional input manipulator can be reduced accordingly.

【0107】また、換言すると、各操作入力手段を従来
と同じ大きさに設定することにより、操作グリップの作
業範囲の拡大を図ることが可能となる。
In other words, by setting each operation input means to the same size as the conventional one, the working range of the operation grip can be expanded.

【0108】特に、上記操作グリップの握り部を、少な
くとも当該操作グリップの長手方向の長さの半分以上に
設定することにより、各操作入力手段は、操作グリップ
の長手方向の半分以下の長さ範囲で当該操作グリップを
支持することとなり、これら操作入力手段の支持を行う
先端部の相対的な運動範囲は、操作グリップの長さの半
分未満の半径の球面内に縮小される。
In particular, by setting the grip portion of the operation grip to at least half of the length of the operation grip in the longitudinal direction, each operation input means can have a length range of less than half of the length of the operation grip. To support the operation grip, and the relative movement range of the distal end supporting the operation input means is reduced to a spherical surface having a radius less than half the length of the operation grip.

【0109】また、各操作入力手段を保持する基台を有
する構成とし、基台を水平面上に配置したときに垂直方
向を向く関節の回転軸によりいずれの操作入力手段も支
持されている構成とすることにより、基台と操作入力手
段とを連結する回転軸に生じる重量付加が当該回転軸の
長手方向に沿って生じることとなり、曲げ応力が加わる
場合と比較して当該各回転軸への負担を軽減し、装置の
長寿命化を図ることが可能となる。
[0109] Further, a configuration having a base for holding each operation input means is provided, and when the base is arranged on a horizontal plane, any operation input means is supported by a rotation axis of a joint pointing vertically. By doing so, the weight added to the rotating shaft connecting the base and the operation input means is generated along the longitudinal direction of the rotating shaft, and the load on each rotating shaft is compared with the case where bending stress is applied. , And the life of the device can be extended.

【0110】また、各操作入力手段に、複数自由度のい
ずれかに対応する方向、或いは入力位置支持機構の各関
節による状態変化方向について、上位装置からの出力に
応じた大きさの駆動力を操作グリップに付勢する複数の
駆動力発生手段を装備する構成とすることにより、操作
グリップの入力操作に際して、操作の意志とは異なる方
向に駆動力による抵抗感を発生させることができる。従
って、上位装置により、操作入力位置に応じた反力が操
作グリップの操作時に発生するように設定する場合のよ
うに、種々のシミュレーションにおける操作入力に好適
な3次元入力用マニピュレータを提供することが可能で
ある。
Further, a driving force of a magnitude corresponding to an output from a higher-level device is applied to each operation input means in a direction corresponding to any one of a plurality of degrees of freedom or a state change direction by each joint of the input position support mechanism. By providing a plurality of driving force generating means for biasing the operation grip, it is possible to generate a resistance due to the driving force in a direction different from the intention of the operation when inputting the operation grip. Therefore, it is possible to provide a three-dimensional input manipulator suitable for operation input in various simulations, such as a case where a higher-level device is set so that a reaction force corresponding to an operation input position is generated when an operation grip is operated. It is possible.

【0111】本発明は以上のように構成され機能するの
で、これにより、従来にない優れた3次元入力システム
を提供することができる。
Since the present invention is constructed and functions as described above, it is possible to provide an excellent three-dimensional input system which has not been achieved conventionally.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施形態を示す概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of the present invention.

【図2】図1に開示した3次元入力用マニピュレータの
全体構成を示す斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing the overall configuration of the three-dimensional input manipulator disclosed in FIG.

【図3】図2に開示した3次元入力用マニピュレータの
操作入力手段の左側面図である。
FIG. 3 is a left side view of an operation input unit of the three-dimensional input manipulator disclosed in FIG. 2;

【図4】図3に開示した操作入力手段の一部を省略し一
部を切り欠いた正面図である。
4 is a front view in which a part of the operation input means disclosed in FIG. 3 is omitted and a part is cut away.

【図5】図3に開示した操作入力手段の入力位置支持機
構の第一のリンク部材の平面図である。
FIG. 5 is a plan view of a first link member of the input position support mechanism of the operation input unit disclosed in FIG. 3;

【図6】図3に開示した操作入力手段の状態可変支持機
構を示す平面図である。
FIG. 6 is a plan view showing a state variable support mechanism of the operation input means disclosed in FIG. 3;

【図7】図4のX−X線に沿った断面図である。FIG. 7 is a sectional view taken along line XX of FIG. 4;

【図8】図3に開示した第三の駆動力発生手段のカム部
材を示し、図8(A)は正面図を示し、図8(B)は図
8(A)におけるY−Y線に沿った断面図である。
8A and 8B show a cam member of the third driving force generating means disclosed in FIG. 3, FIG. 8A shows a front view, and FIG. 8B shows a cam member taken along line YY in FIG. 8A. It is sectional drawing along.

【図9】図3に開示した第二,第三の駆動力発生手段の
動作を説明する説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating the operation of the second and third driving force generating means disclosed in FIG. 3;

【図10】図1の3次元入力システムを示すブロック図
である。
FIG. 10 is a block diagram showing the three-dimensional input system of FIG. 1;

【図11】第1の実施形態の動作を示すフローチャート
である。
FIG. 11 is a flowchart showing an operation of the first embodiment.

【図12】従来例を示す概略構成図である。FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 第一の操作入力手段 2A 第二の操作入力手段 21 入力位置支持機構 22,22A 状態可変支持機構 5 グリップ変位量検出手段 51,52,53,54 エンコーダ(センサ) 6 駆動力発生手段 61 第一の駆動力発生手段 62 第二の駆動力発生手段 63 第三の駆動力発生手段 10 3次元入力用マニピュレータ 11 操作グリップ 111 握り部 12 基台 211 第一の関節 213 第二の関節 215 第三の関節 221 第四の関節 223 第五の関節 225 第六の関節 1010 演算処理装置(上位装置) Reference Signs List 2 first operation input means 2A second operation input means 21 input position support mechanism 22, 22A state variable support mechanism 5 grip displacement amount detection means 51, 52, 53, 54 encoder (sensor) 6 driving force generation means 61 One driving force generating means 62 Second driving force generating means 63 Third driving force generating means 10 Manipulator for three-dimensional input 11 Operating grip 111 Gripping part 12 Base 211 First joint 213 Second joint 215 Third Joint 221 Fourth joint 223 Fifth joint 225 Sixth joint 1010 Arithmetic processing unit (upper device)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池本 明夫 神奈川県横浜市都筑区桜並木2番1号 ス ズキ株式会社技術研究所内 Fターム(参考) 3F059 AA10 BA02 BA05 BC03 BC04 BC09 DA08 DD01 FA01 FA07 FC03  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Akio Ikemoto 2-1 Sakuranamiki, Tsuzuki-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture F-term in the Suzuki R & D Center (reference) 3F059 AA10 BA02 BA05 BC03 BC04 BC09 DA08 DD01 FA01 FA07 FC03

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 上位装置に接続され,3次元上の座標入
力を行う3次元入力用マニピュレータであって、 一定範囲の3次元空間内の任意の位置に移動させて入力
を行う単一の操作グリップと、 この操作グリップを、少なくとも5以上の自由度の状態
変化を自在とした状態で支持する第一の操作入力手段
と、 前記操作グリップを、少なくとも6以上の自由度の状態
変化を自在とした状態で支持する第二の操作入力手段
と、 前記操作グリップの位置及び向きの変化を検出するグリ
ップ変位量検出手段と、 を備え、 前記操作グリップの形状を棒状に設定すると共に、当該
操作グリップの一端部側を外力を加えるための握り部と
し、 前記操作グリップの他端部近傍であって当該他端部から
の距離が異なる二つの位置で、前記第一の操作入力手段
と第二の操作入力手段とがそれぞれ前記操作グリップを
支持することを特徴とする3次元入力用マニピュレー
タ。
1. A three-dimensional input manipulator which is connected to a higher-level device and performs three-dimensional coordinate input, wherein a single operation of inputting by moving to an arbitrary position in a predetermined range of three-dimensional space A grip, first operation input means for supporting the operation grip in a state in which the state of at least 5 degrees of freedom can be freely changed, and a state change of the operation grip in at least 6 degrees of freedom. A second operation input unit that supports the operation grip, and a grip displacement amount detection unit that detects a change in the position and orientation of the operation grip. One end side of the grip as a grip portion for applying an external force, near the other end of the operation grip and at two different distances from the other end, the first operation input means and Three-dimensional input manipulator, characterized in that the second operation input means for supporting said operation grip respectively.
【請求項2】 前記操作グリップの握り部は、少なくと
も当該操作グリップの長手方向の長さの半分以上に設定
することを特徴とする請求項1記載の3次元入力用マニ
ピュレータ。
2. The three-dimensional input manipulator according to claim 1, wherein the grip portion of the operation grip is set to at least a half of a length of the operation grip in a longitudinal direction.
【請求項3】 前記各操作入力手段はいずれも、6自由
度の状態変化を自在として前記操作グリップを支持する
ことを特徴とする請求項1又は2記載の3次元入力用マ
ニピュレータ。
3. The three-dimensional input manipulator according to claim 1, wherein each of the operation input means supports the operation grip so as to freely change a state with six degrees of freedom.
【請求項4】 前記各操作入力手段は、前記操作グリッ
プを3次元空間上の任意の位置に移動自在に支持する入
力位置支持機構と、前記任意の位置で前記操作グリップ
の向きを可変自在として当該操作グリップを支持する状
態可変支持機構とを有することを特徴とする請求項1,
2又は3記載の3次元入力用マニピュレータ。
4. Each of the operation input means includes an input position support mechanism for movably supporting the operation grip at an arbitrary position in a three-dimensional space, and a variable direction of the operation grip at the arbitrary position. 2. A variable state support mechanism for supporting the operation grip.
The three-dimensional input manipulator according to 2 or 3.
【請求項5】 前記各操作入力手段は、複数の前記自由
度の状態変化を自在とする関節を当該自由度と同数有す
ることを特徴とする請求項1,2,3又は4記載の3次
元入力用マニピュレータ。
5. The three-dimensional apparatus according to claim 1, wherein each of the operation input means has the same number of joints that allow a plurality of the degrees of freedom to change the state. Input manipulator.
【請求項6】 前記グリップ変位量検出手段として、前
記関節の状態変化量を検出するセンサを、前記関節の総
個体数に応じた個体数だけ前記各操作入力手段に装備す
ることを特徴とする請求項5記載の3次元入力用マニピ
ュレータ。
6. The operation input means is provided with a sensor for detecting a state change amount of the joint as the grip displacement amount detecting means, the number of which corresponds to the total number of the joints. The three-dimensional input manipulator according to claim 5.
【請求項7】 前記各操作入力手段の入力位置支持機構
はいずれも3自由度の状態変化を自在とし、前記各操作
入力手段の前記状態可変支持機構はいずれも3自由度の
状態変化を自在として、前記操作グリップを支持するこ
とを特徴とする請求項4記載の3次元入力用マニピュレ
ータ。
7. The input position support mechanism of each of the operation input means can freely change the state with three degrees of freedom, and the variable state support mechanism of each of the operation input means can freely change the state with three degrees of freedom. The three-dimensional input manipulator according to claim 4, wherein the operation grip is supported.
【請求項8】 前記各操作入力手段の入力位置支持機構
と状態可変支持機構とは、それぞれ前記自由度の状態変
化を自在とする関節を自由度と同数有し、 前記グリップ変位量検出手段が、前記各入力位置支持機
構の全ての関節の状態変化量をそれぞれ検出する六基の
センサを含む構成としたことを特徴とする請求項7記載
の3次元入力用マニピュレータ。
8. The input position support mechanism and the state variable support mechanism of each of the operation input means have the same number of joints as the degrees of freedom for freely changing the state of the degrees of freedom. 8. The three-dimensional input manipulator according to claim 7, wherein said input position support mechanism includes six sensors for respectively detecting state change amounts of all joints.
【請求項9】 前記各操作入力手段を保持する基台を有
し、 前記各操作入力手段がいずれも、一方の端部で前記操作
グリップを支持すると共に他方の端部に回転自在の関節
を有し、 前記各操作入力手段の他方の端部の関節が有する回転軸
を介して前記基台と前記各操作入力手段とを連結すると
共に、 これら各回転軸が、前記基台を水平面上に設置したとき
に、垂直方向を向く方向で前記基台に設定装備したこと
を特徴とする請求項1,2,3,4,5,6,7又は8
記載の3次元入力用マニピュレータ。
9. A base for holding the operation input means, wherein each of the operation input means supports the operation grip at one end and has a rotatable joint at the other end. And connecting the base and each of the operation input means via a rotation shaft of a joint at the other end of each of the operation input means, and each of these rotation axes moves the base on a horizontal plane. 9. The apparatus according to claim 1, wherein said base is set on said base in a vertical direction when installed.
The three-dimensional input manipulator according to claim 1.
【請求項10】 前記各操作入力手段に、 前記複数自由度のいずれかに対応する方向について前記
上位装置からの出力に応じた大きさの駆動力を前記操作
グリップに付勢する複数の駆動力発生手段を装備したこ
とを特徴とする請求項1,2,3,4,5,6,7,8
又は9記載の3次元入力用マニピュレータ。
10. A plurality of driving forces for urging the operation grip to apply a driving force of a magnitude corresponding to an output from the host device in a direction corresponding to any of the degrees of freedom to the operation input means. A generating means is provided.
Or the three-dimensional input manipulator according to 9.
【請求項11】 前記各操作入力手段に、 前記各入力位置支持機構の各々の前記自由度に応じた方
向について、前記上位装置からの出力に応じた大きさの
駆動力を前記操作グリップに個別に付勢する三つの駆動
力発生手段を装備したことを特徴とする請求項8記載の
3次元入力用マニピュレータ。
11. A driving force having a magnitude corresponding to an output from the host device in a direction corresponding to the degree of freedom of each of the input position support mechanisms is individually applied to the operation grip. 9. The three-dimensional input manipulator according to claim 8, further comprising three driving force generating means for urging the manipulator.
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DE10010626A DE10010626A1 (en) 1999-03-03 2000-03-03 Three-dimensional input manipulator has rod-shaped handle with two operation input devices holding one end, while other end receives external forces

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003145455A (en) * 2001-11-12 2003-05-20 Kawasaki Heavy Ind Ltd Wrist mechanism for master arm
JP2004520176A (en) * 2000-05-18 2004-07-08 コミツサリア タ レネルジー アトミーク Parallel control arm with two branches
JP2009279659A (en) * 2008-05-19 2009-12-03 Nagoya Institute Of Technology Force sense presenting manipulator

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