JP2005512223A - 緊張ケーブルを備えたコントロールユニット - Google Patents

Abstract

本発明は、シース（２０）内をスライドするアーム（２１）を備えたコントロール部材に関する。シース（２０）の傾きは変更でき、かつそれは、三角形に配されしかも力フィードバックモーター（１６；１７；１８）から抵抗を伴って巻き戻される３本の緊張ケーブル（２５；２６；２７）によって支持されている。コントロール部材のハンドル（２３）は、ケーブルと接触するリスクを伴わずに、少なくとも３自由度に沿って平行に変位できる。このコントロール部材は、簡素で、廉価で、しかも適当な剛性を有する。摩擦を発生される手段（他のモーター駆動緊張ケーブルを形成することが可能）は、シース（２０）とアーム（２１）との間に配置される。上記部材は、遠隔マニピュレーション、遠隔外科手術、コンピューター支援設計、ゲームのために使用できる。

Description

本発明の対象は、その一つの主要な要素が緊張ケーブルのセットであるコントロールユニットである。

さまざまな分野で使用される公知のコントロールユニットあるいはマスターアームは、それぞれに異なる機構に頼っている。それゆえ、連続的に連結されたセクションからなるアームが提案されている。しかしながらそれは、かなりの程度の複雑さ、かなり大きな度合いの慣性、およびそれに課すことができる動作を制限する運動学的特異点を持っている。こういうわけで、他のタイプのユニットがたびたび提案されてきた。

たとえば、公知のコントロールユニットは、ユーザーが末端指骨を挿入するシンブル(thimble)形状の操作装置を具備する。それは（創造者によって提案された形態では）正四面体の頂点から巻き戻された４本の緊張ケーブルによって、さもなければ立方体の四つの頂点（立方体の面上で常に互いに正反対に対向する）を通って巻き戻された４本の緊張ケーブルによって吊られている。力フィードバックモーター（これがケーブルの緊張状態を確保する）が上記頂点に配置されている。シンブルを動かすことで、ユーザーはケーブルの巻き戻し長さを変化させ、そしてこれに対応する計測が所望のコントロールの実現を可能とする。この機構は簡単で使用が容易であるが、嵩張るという欠点があり、ケーブルはシンブルからあらゆる方向に延びている。

本発明は、構造が簡単で、かつ廉価であり、簡単に十分な程度の剛性を持たせることができる新規なコントロールユニット構造を提案する。

そのさらに一般的な形態においては、緊張ケーブルを備えるタイプのコントロールユニット（おおむね静止したベースと可動リストとの間に配置され、かつオペレーターによって把持される要素を備える）は、ダブルジョイントによってベースに連結されたシースと；シースとベースとの間にあって、かつシースを取り囲む同数の連結ポイントにおいてベースにつながる３本の作動ケーブルと；シース内へスライドする、リストを支持するアームと；アームとシースとの間の作動手段と、を具備することを特徴とする。本発明の趣旨の範囲内で、ケーブルと作動手段は、ユニット動作の能動的なコントロールを保証する。すなわち、それらの自由長、あるいはさらに一般的にはそれらの状態は可変であるが、さらに好ましく、しかも正確なコントロールを可能にする剛性度合いをユニットに付与するため、それらはユニットを静止した固定ポジションに維持し、かつユーザーによって強いられるユニットの動きにある程度の抵抗を加える。この技術における慣例的手段は、いわゆる力フィードバックモーターから構成される。この力フィードバックモーターはたいてい、その動きを計測するエンコーダーを備え、やはりコントロールに寄与するため、それをユニットによってコントロールされる機械に伝達する。

ここで、添付図面を用いて本発明を詳細に説明する。

図１には、正四面体の角に配置されかつ全てが静止ベース（図示せず）上に位置させられた各自のモーター５〜８から巻き戻された４本の類似のケーブル１〜４が示されている。ケーブル１〜４は、オペレーターが自身の指を挿入し、かつケーブル１〜４の巻き戻し長さを変えることによりオペレーターが所望のポジションへと移動させるシンブル(thimble)９に向かって収束している。こうしたシステムは、ジャーナル「Presence」（Volume3、Number1、Winter1994、81〜86ページ）に発表された、IshiiおよびSatoによる論文「A 3D Spatial Interface Device Using Tensed Strings」においてさらに詳しく説明されている。著者はまた、システムを同一空間内で二つに分割し、そして、そのケーブルが立方体の使用されていない四つの頂点に配置されたモーターから巻き戻されることになり、しかもその中にオペレーターが自分の手の他の指、特に親指を挿入することになる別のシンブルを設けることにより、このシステムを改良することが可能であると言及している。

４個のモーターの構造は同じである。すなわち、この場合、モーター６（一つだけが完全に示されている）は、その内部にケーブル３が巻回されたプーリー１１を回転させる出力シャフト１０を具備する。ケーブル３は、それに固定ポイントを付与するダイ(die)１２を（四面体の頂点において）通っており、しかも角度エンコーダー１３が、シャフト１０の動きに追従し、かつ本ユニットによってコントロールされる機械にその動きを伝えるために出力シャフト１０に接続されている。

図２の本発明の第１実施形態においては、コントロールユニットのベースに符号１５が付されている。それは平面状であって、しかもシース２０に連結されたダブルジョイント１９と同様、既出のモーターに類似の、３個の作動モーター１６，１７，１８を保持する。アーム２１はシース２０内へスライドし、かつその開放端部２２を経てシース２０から延出する。開放端部２２は、ダブルジョイント１９と反対の位置にある。アーム２０の自由端は、リスト２３を、すなわちオペレーターによってペンのように保持された要素２４をいかなる方向にも傾けることを可能とし、そしてそれを可能な限り回転させることを可能とするダブルあるいはトリプルジョイントを支持する。ケーブル２５，２６および２７はモーター１６，１７および１８に関係付けられ、それらはベース１５における連結ポイント（たとえば１２のような公知のダイによって形成可能）からシース２０の開放端部２２まで張られており、そこで、ピラミッド稜のネットワークを形成すると同時に掛止されている。シース２０内に収容されかつアーム２１に沿って延びる第４ケーブル２８が存在する。ケーブル２８はアーム２１に、その端部が掛止されている。しかしながらケーブル２８は、シース２０にその外面において固定された第４モーター２９のプーリーの周囲に巻回される位置においてループをなしており、同時に、この位置にあけられたシース２０のスロット３０を挿通している。シース２０とアーム２１との間に張られた第４ケーブル２８とそのモーター２９は共に、シース２０とアーム２１との間の作動手段を形成していると見なされる。滑材(skids)３１あるいは他の適当な手段（図２Ｂに見ることができる）は、ガイドされたスライド動作を可能とするためシース２０とアーム２１との間に配置されている。

シース２０とアーム２１とのケーブルからなる本システムは、３自由度を持つコントロールユニットである。すなわち、それはリスト２３を作動空間のいかなるポイントに位置させることをも可能とする。モーター１６〜１８および２９、そしてケーブル２５〜２８は、コントロールユニットが到達したポジションでそれを維持することを可能にすると同時に、動作中、ユーザーに十分な剛性を与えることを可能とする。３本の第１ケーブル２５，２６，および２７は、シース２０およびアーム２１を、ベース１５上で、本ユニットの二つの第１自由度によりそれらに付与される角度で維持する。そして第４ケーブル２８は、本ユニットの第３自由度によりシース２０内のアーム２１に付与される挿入度合いを維持する。上述したように、リスト２３はさらに、ペン２４の角度に関する付加的な自由度のコントロールを可能とする力フィードバックモーターを備えていてもよい。アーム２１を回転可能とすることもまた有用である。ダブルカルダンジョイント１９（これはベース１５上のシース２０の角度調整のみを可能とする）をトリプルボールジョイントで置き換えることで、シース２０をアーム２１と共に回転可能としてもよい。シース２０内でのアーム２１の回転動作およびケーブル２８へのダメージを抑止するため、それらに図２Ｂに示されるような多角形断面を付与することも考えられる。

一方、図２Ａは、シース２０およびアーム２１が、アームを回転可能とするために円形同心断面を有する別の実施形態を示す。この回転に依存して、力フィードバックが望まれる場合、第４ケーブル２８は、少なくとも一端において、滑材３１の前方でアーム２１の周囲に巻回されてもよい。ケーブル２８はこの位置に少なくとも一つの屈曲部２８’を具備する。この方法では、１自由度が付加される。並進および回転力フィードバック動作もまた追加的なモーターを使用することによって得られる。

この実施形態では、ユーザーのために用意された空間は非常に開放的であるが、これは全てのケーブルがその下方に延びているからである。しかしながらコントロール剛性はいくらか劣る。これが図３の、ある程度異なる構造を正当化する。この場合、ダブルジョイント１９（あるいはボールジョイント）および３本の第１ケーブル２５，２６および２７をシース２０に掛止するためのポイントが入れ替えられている。すなわち、ここでは、ダブルジョイント１９はシース（ベース１５のガローズ(gallows)のようなサポート３２に吊るされる）の開放端部２２の近傍にあり、そしてシース２０の下側端部３３はケーブル２５，２６および２７のための連結ポイント３４を支持する。これらケーブルは、ここでは実質的に同じ平面上に存在する。レバーアームはアーム２１の自由長にまで縮減されているので、ユーザーによってリスト２３に加えられる応力は、より小さなモーメントを生み出し、かつモーター１６〜１８の抵抗に打ち勝つのが一層困難であることは直ちに明らかになる。さらに、シース２０およびケーブル２５〜２７の角度は、概して、先の実施形態のそれよりも大きくなる。その結果、ケーブル張力はより大きなモーメントを作用させる。これら二つの差異が、本コントロールユニットにより大きな剛性度合いを付与する。より大きな角度傾斜動作はリスト２３に可能な限り伝達されてもよく、しかも３本の第１ケーブル２５〜２７とリスト２３との間のより大きな離間距離によって作業空間が一層開放的なものとなることにも留意すべきである。モーター１６〜１８を端部３３の上方に配置することもまた可能である。これは、全体寸法がより大きくなる代価として、より大きな回転移動を可能とする。

図４の実施形態では、図３の総体的設計が再度採用されている。しかしながら、第４モーター２９はもはやシース２０には配置されておらず、サポート３２の上に配置されている。そして第４ケーブル２８の一端のみがアーム２１の上に延びており、かつそれに掛止されている。すなわち、ケーブルの付属部分２８”がサポート３２上で、それが巻き戻されるモーター２９まで延在している。さらに、３本の第１ケーブルのうちの１本、たとえばケーブル２７は締結装置３３を越えて延在しており、かつシース２０内に挿入されており、そしてその端部はアーム２１に掛止されている。ゆえに、アーム２１の延出の際、剛性はこのケーブル２７のモーター１８によってもたらされ、かつアーム２１の挿入剛性は第４ケーブル２８のモーター２９によってもたらされる。先と同様、モーター１８もまた、モーター１６および１７のように、シース２０の回動動作に反応するよう機能する。

図示していない他の実施形態では、図２および図３のように、その両端においてアーム２４に取り付けられたケーブルを、図４のようにサポート３２上に中心を外れてセットされたモーターと共に使用する。

図５には、本発明のコントロールユニット（たとえば図４のような）の対からなる複合ユニットが示されている。二つのアーム２１は実質的に平行で、かつそれらのリスト２３はペン２４を保持する連結ロッド３４によって接続されている。このように構成されたコントロールユニットは、複雑な構造のリストを使用することなく、先の実施形態に関して５自由度を有する。二つの基本ユニットが、特異点に関する大きなリスクを冒すことなく、相互にかなり近接できることに留意すべきである。

それゆえ、ここに提案したコントロールユニットは、特に簡単な構造を提供する。それは、たとえば遠隔マニピュレーション、遠隔外科手術、ゲーム、コンピューター支援設計、その他のようなマスターアームコントロールの、主要な伝統的分野あるいは発展途上の分野に応用できる。

先に説明した、ケーブルを備える公知のコントロールユニットを示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 代替的実施形態による、図２の実施形態のユニットを通る断面図である。 代替的実施形態による、図２の実施形態のユニットを通る断面図である。 本発明の別な実施形態を示す図である。 本発明のさらに別な実施形態を示す図である。 本発明のまたさらに別な実施形態を示す図である。

符号の説明

１〜４ ケーブル
５〜８ モーター
９ シンブル
１０ 出力シャフト
１１ プーリー
１２ ダイ
１３ 角度エンコーダー
１５ ベース
１６，１７，１８ 作動モーター
１９ ダブルジョイント
２０ シース
２１ アーム
２２ 開放端部
２３ リスト
２４ 要素
２５，２６，２７ ケーブル
２８ 第４ケーブル
２８’ 屈曲部
２８” ケーブルの付属部分
２９ 第４モーター
３０ スロット
３１ 滑材
３２ サポート

Claims (8)

1. ベース（１５）と可動リスト（２３）との間に配された緊張ケーブルを備えるタイプのコントロールユニットであって、
   ダブルジョイント（１９）によって前記ベースに連結されたシース（２０）と、
   前記シースと前記ベースとの間にあって、かつ前記シースを取り囲む同数の連結ポイントにおいて前記ベースにつながる３本の作動ケーブル（２５，２６，２７）と、
   前記シース内にスライドする、前記リスト（２３）を支持するアーム（２１）と、
   前記アームと前記シースとの間の作動手段（２８，２９）と、を具備してなることを特徴とするコントロールユニット。
2. 前記作動手段は、前記シース（２０）と前記アーム（２１）との間に張られ、かつモーター（２９）によってコントロールされるケーブル（２８）を具備すると共に、前記シース（２０）と前記ベース（１５）との間に張られた３本の前記ケーブルは、各自のモーター（１６，１７，１８）によってコントロールされることを特徴とする請求項１に記載のコントロールユニット。
3. 前記作動手段は、前記アーム（２１）と前記ベース（３２）との間に張られ、かつ前記ベース上に配置されたモーターによってコントロールされるケーブル（２８）を具備すると共に、前記シースと前記ベースとの間に張られた３本の前記ケーブルは各自のモーターによってコントロールされ、しかも３本の前記ケーブルのうちの１本は、前記シースを越えて前記アーム上の定着ポイントまで延在していることを特徴とする請求項１に記載のコントロールユニット。
4. ３本の前記ケーブル（２５，２６，２７）はピラミッドの稜のように配置されており、かつ前記ダブルジョイント（１９）は前記ケーブルの前記ベースに対する連結ポイントによって取り囲まれていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のコントロールユニット。
5. ３本の前記ケーブルは実質的に同じ平面上にあり、かつ前記ダブルジョイント（１９）は、前記シース（２０）における前記アーム（２１）が延出する位置に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のコントロールユニット。
6. 前記ダブルジョイントはボールジョイントであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のコントロールユニット。
7. 前記アームは前記シース内で回転可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のコントロールユニット。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のユニットの対を具備し、前記ベースは前記ユニットに共有されており、前記アームはボールジョイントによって共有リストに連結されていることを特徴とする複合コントロールユニット。
   
   

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