JP2008521733A - ケーブルによる触覚インタフェース - Google Patents

Abstract

ケーブルによる触覚インタフェース。触覚インタフェースは、ベース（２）と、ベース（２）から距離をおいたプラットホーム（２４）と、プラットホームに固定される第１の端とケーブル（３２）に張力を加えるように設計されたプーラーアクチュエータ（３６）に接続される第２の端とを有する少なくとも２本のケーブル（３２）とを備える。スラスト手段は、関節（５０）によってベース（２）に取り付けられる。スラスト手段は、プラットホーム（２４）と接触している第１の端部と、スラストロッド（４０）をプラットホーム（２４）の方に押すプッシャアクチュエータに接続された第２の端部とを備えたスラストロッド（４０）を有する。アクチュエータ（３６，４４）は、システムに関連する情報を表す力をプラットホームに加える。プラットホームは制御装置を備える。

Description

本発明は、例えばシステムが遭遇する抵抗力（反力（force return））を表す情報やシステムに関連する他の情報などの、情報フィードバックを提供する実システムまたは仮想システム用の制御インタフェースに関する。このタイプのインタフェースは、触覚インタフェース（haptic interface）と呼ばれる。

より正確には、本発明は、ベースと、ベースから距離をおいたプラットホームと、プラットホームに固定される第１の端とケーブルに張力を加えるように設計されたプーラーアクチュエータ（puller actuator）に接続される第２の端とを有する少なくとも２本のケーブルと、関節によってベースに取り付けられ、プラットホームと接触する第１の端部とスラストロッドをプラットホームの方に押すプッシャアクチュエータ（pusher actuator）に接続された第２の端部とを有するスラストロッドを含むスラスト手段とを備え、これらのアクチュエータがシステムに関連する情報を表す力をプラットホームに加える、触覚システムを制御するインタフェースに関する。

２つのベース間に配置されケーブルによって接続されたプラットホームは既知である。そのようなプラットホームは、きわめて単純であるため、プラットホームのコストを削減することができるとともに、その慣性とケーブルの摩擦がきわめて小さくパスバンド（passband）を高めることができる。

しかしながら、制御可能な作業スペース、すなわち任意の力ベクトルをプラットホームに加えることができる容積は、２つのベース上のケーブルの取り付け箇所を通る多面体容積に限定される。これは、ケーブルに厳密な正の力をかける上で必然的な結果である。続いて、動く距離を最適化するために、ケーブル取り付け箇所がプラットホームを取り囲む球体上に分散され、このため、オペレータの手のためのスペースはほとんど残らない。

また、オペレータが片手で掴むハンドルを構成する能動部品を備えた触覚インタフェースが開示されており（特許文献１）、このハンドルには、能動部品に取り付けられその能動部品に対して自由に動くことができる１つまたはいくつかの情報フィードバック部品と共にシステムを制御するための動作センサが取り付けられている。これにより、オペレータは、自分の手の一部分で情報フィードバックを受ける。

このようなシステムは、スチュワートプラットホーム（Stewart's platform）の原理を用いていない。情報フィードバックをプラットホームに伝えるために使用されるケーブルアクチュエータは、システムを制御するためには使用されない。その一方で別個の動作センサが使用される。プラットホームの移動距離は、ハンドルの寸法が小さいことを考えれば極めて小さい。更に、プラットホームケーブルのアクチュエータは、ベースを構成する固定部品に取り付けられるのではなく、シース内で摺動するケーブルによってハンドルに接続された、遠隔の支持体に取り付けられている。その結果摩擦力が生じ、これは生じる力が小さいことを考えると許容できない。

また、ベースと、ベースから距離をおいた、ツールや類似の装置が取り付けられるように設計されるプラットホームとを備えるマニピュレータが開示されている（特許文献２）。ケーブルはベースをプラットホームに接続する。ベースに取り付けられたモータによってケーブルに加えられる張力を中央ポストが受けている。

この装置は、触覚インタフェースを構成しない。この装置を使用して、システムを制御したり、このシステムから返された情報を受け取ったりすることはできない。このタイプの応用例で伝えられる力は、触覚インタフェースで伝えられる力より大きい。従って、ケーブルで伝達する方法は適切でない。
仏国特許発明第９３１３２４８号明細書 米国特許第４６６６３６２号明細書

本発明の目的は、先行技術の欠点を克服する能動インタフェースである。このためには、従来型よりもケーブルプラットホームの制御可能な作業スペースを大きくし、またケーブルで妨げられることなくオペレータがプラットホームに入力可能でなければならない。また、低コストで製造できるように単純生産が可能でなければならない。さらに、回転時の移動距離を最適化できなければならない。

これらの目的は、プラットホームが制御装置を備えることにより達成される。

本発明のインタフェースは、単純で慣性が小さい利点を維持し、従ってスチュワートプラットホームの大きなパスバンドを維持する。ケーブルを引っ張るアクチュエータとスラストロッドを押すアクチュエータとを含むアクチュエータは、システムへの制御信号とこのシステムからの情報フィードバックとの両方を伝送する。更に、スラストロッドの存在により、制御可能な作業スペースは、ベース上のケーブル取り付け箇所より外に拡がる。

ある好ましい実施形態では、各アクチュエータは、センサに取り付けられたケーブル長さを表す信号を出力することができるセンサを有しており、スラスト手段は、プラットホームと接触しているスラストロッドの端部とベース上のそれらの関節との間の距離を表わす信号を出力することができるセンサを有しており、これらの信号はすべてシステムを制御するために使用される。

ある特定の実施形態では、プッシャアクチュエータは、ケーブルに張力を加えるプーラーアクチュエータと、ケーブル張力をスラストロッド上の推力に変換する動作反転機構とからなる。

この特徴により、ケーブルアクチュエータとスラストロッドアクチュエータを含むすべてのアクチュエータに同じ技術を使用することができる。更に、ケーブルアクチュエータは、低コストで慣性の小さい伝達システムを保証する。

動作反転機構が滑車を備えると有利である。

滑車は、スラストロッドアクチュエータから必要トルクを減少させることができる。

一実施形態では、動作反転機構はジャッキに収容される。

スラストロッドのアクチュエータは、このジャッキに取り付けられてもよく、ベースに取り付けられてもよい。

ある特定の実施形態では、スラストロッドのアクチュエータは、スラスト手段の関節の下に配置される。

この構成は、関節の各面に質量を分散させることによってスラスト手段の静釣合いを可能にする。

スラスト手段は、自在継手によってプラットホームに関節接続されると有利である。

スラストロッドは、自在継手のほぼ中心と交わる縦軸を有することが好ましい。

また、スラストロッドの端がプラットホームと接触し、玉継手によってプラットホームに関節接続されていることが好ましい。

プラットホームは、その中心が玉継手の中心と一致し、オペレータのグリップが玉継手の中心にくるように作成されることが好ましい。

この特徴により、ケーブルの動きを最小にしかつ作業スペースを大きくする純粋な回転運動が可能となる。

本発明によるインタフェースは、自由度６を持つことができる。この場合、このインタフェースは６本のケーブルを有し、この６本のケーブルが３対のケーブルに分配されて前記プラットホーム上に三角に配置された端部に対で固定されることが有利である。

本発明の他の特徴と利点は、添付図面を参照して説明のために提供された例示的な実施形態の以下の説明を読んだ後で明らかになるであろう。

図１と図２に示した触覚インタフェースは、全体を参照番号２で示したベースを備える。ベースは、２つの長辺４と２つの短辺６からなる矩形フレームからなる。矩形フレームには、参照番号８、１０、１２、１４、１６および１８が付された水平アームが固定されている。これらのアームにはそれぞれ、ケーブルガイドを構成する貫通孔２２が開けられている。また、長辺４のうちの１つには、他の６本のアームより短いアーム２０が固定され、フレームの内側に突出している。アーム２０には、ケーブルガイドを構成する貫通孔２３が開けられている。

本発明のインタフェースはプラットホーム２４を備える。示した特定の例において、プラットホーム２４は球体の形状であるが、この実施形態は必須ではなく、他の形状でもよいことは明らかである。球体２４にはロッド２６が固定されている。ロッド２６それぞれの端部３０に２本のケーブル３２が固定されている（単純にするために図１と図２には２本のケーブルだけを示す）。ケーブルのもう一方の端において、ケーブル３２は、アーム８〜１８の端部の貫通孔２２を通り、電動機によって駆動されるアクチュエータ３６のプーリ３４に巻き付けられている。各アクチュエータは、図１と図２に長方形３８で示されたセンサを備える。モータの位置は、ケーブル長から導きうる。

図３〜６および図７からも分かるように、球体２４は、玉継手４２によってスラストロッド（thrust rod）４０の端に関節接続されている。更に、玉継手４２の中心は球体２４の中心と一致していることが分かる。その結果、プラットホーム２４が回転すると、ロッド２６の端部の変位が最小になり、その結果６本のケーブル３２の変位が最小になる。そのため、プラットホーム２４を操作するオペレータのグリップは、玉継手４２上のプラットホームの関節の中心にある。

スラストロッド４０の玉継手４２を支持する端と反対側である下端において、剛性スラストロッド４０は、プッシャアクチュエータ（pusher actuator）に接続され、プッシャアクチュエータの機能は、６本のプーラーアクチュエータ（puller actuator）３６によって６本のケーブル３２のそれぞれを介してプラットホーム２４に加えられる張力を平衡させることである。

一般に、自由度ｎを有するスチュワートプラットホームは、（ｎ＋１）本のケーブルを備える。例えば、自由度６を有するプラットホームは、７本のケーブルを備える。ケーブルは張力しか伝達できないので、制御可能な作業スペース、すなわちプラットホーム上に任意の力ベクトルを生成することができる体積は、ベース上のケーブル取り付け箇所を通る多面体容積に限定される。制御可能なスペースは、７本のケーブルのうちの１本を剛性スラストロッド４０と置き換えることにより、プッシャアクチュエータと反対側の多面体の外側でオフセットされる。

プッシャアクチュエータは、様々な方法で作成されてよい。プッシャアクチュエータは、油圧または空気圧ジャッキでもよく、ボールねじでもよい。例示的な実施形態では、プッシャアクチュエータは、プーラーアクチュエータ４４と動作反転機構とからなる。図１及び図２では、動作反転機構は、自在継手によってベース２に関節接続されたブラケット４８から成る。ブラケットの下端は、大きなＵ字形の構造物５０に対してＸＸ軸のまわりを枢動し、構造物５０自体は、ベース２の長辺４のうち一辺上でＹＹ軸のまわりを自由に枢動するように取り付けられている。互いに垂直なＸＸ軸とＹＹ軸は、アーム２０のケーブルガイド孔２３の中心で交差する。２本の平行な摺動ロッド５２は、ブラケット４８の上端で自由に摺動するように取り付けられている。２本の摺動ロッド５２は、その下方端にヒンジピン５３を備え、ヒンジピン５３にはプーリ５４が取り付けられている。２本のロッド５２は、その上端が横断片５６によって接続されている。ケーブル５８の下端はアクチュエータ４４のプーリ（図１と図２には示していない）に巻き付けられている。ケーブル５８は、アーム２０のケーブルガイド２３内を通り、次にブラケットの上側部分に取り付けられた第１のプーリ６０上を通り、次に摺動ロッド５２の２つの下端を接続するヒンジピン５３上に取り付けられた第２のプーリ５４上を通る。最後に、ケーブル５８の一端が、ブラケット４８の上側部分に固定される。その結果、ケーブルがアクチュエータプーリに巻き付けられ、横断片５６に固定されたスラストロッド４０がベース２から遠ざかるときに、アクチュエータ４４によってケーブル５８の下端に加えられる張力を滑車が二等分にする。ケーブル３２は同時に伸び、各アクチュエータ３６は、必要なケーブル長を繰り出す。

図１に示した触覚インタフェースの異なる状態を、図２に示す。図２では、プラットホーム２４は、図１で占めていた位置から移動している。Ｕ字形支持体５０がその関節軸ＹＹのまわりに枢動し、またブラケット４８が支持体５０上の関節軸ＸＸのまわりに枢動したことが分かる。更に、プラットホーム２４は、スラストロッド４０によって実現された回転軸ＺＺのまわりに回転している（図３を参照）。最後に、２本の案内ロッド５２が上方に移動し、その結果、ロッド２６の端部３０をアーム８、１０、１２、１４、１６および１８の孔２２に接続するケーブル３２の長さが変化した。これらのケーブルの何本か（例えば、図１と図２に示した２本のケーブル３２）は、この変化によって長さが長くなる。他のケーブルは、プラットホーム２４の位置変化によって長さが短くなった。特に、スラストロッド４０の中央アクチュエータ４４によって駆動されるケーブル５８に、このことが当てはまる。

周辺のアクチュエータ３６と中央のアクチュエータ４４のそれぞれと関連付けられるセンサ３８は、ケーブルの様々な変化を記録し、それらの変化を示す程度を、プラットホーム２４の新しい位置を計算するコンピュータに送る。この新しい位置が実システムまたは仮想システムを制御する。その代わりに、アクチュエータ３６と中央のアクチュエータ４４は情報を受ける。この情報は、システムが遭遇した力のフィードバックでも別の情報でもよい。ケーブル３２と５８に張力を加えるために、アクチュエータ３６によってこの戻り情報が使用され、その結果、オペレータがプラットホーム２４上に手を置くと、オペレータは遭遇した力を表わす感覚を感知することができる。

これにより、平行構造を有するケーブルによる触覚インタフェースが得られ、そのプラットホーム２４は、制御装置と、情報を返すために利用される装置の両方を構成する。このインタフェースは、ケーブル伝送経路が単純なので慣性が小さく、それによりパスバンドが広くなる。更に、ケーブル伝送は、伝達される力が小さいこのタイプの応用例に十分に適合されている。

図３〜図６に、動作反転手段と、スラストロッド４０のアクチュエータ４４の固定についての様々な変形実施形態を示す。図３では、動作反転手段は、単にケーブル５８のリターンプーリ６０からなり、このリターンプーリ６０の端部６５は、スラストロッド４０の下側部分６７に固定されている。スラストロッド４０の上端６９は、プラットホーム２４が関節接続された玉継手４２に固定されている。前述のように、プラットホーム２４は、オペレータのグリップの中心が玉継手４２の中心と一致するように構成されており、そのようにしてインタフェースは、プラットホームが玉継手４２に対して回転される場合のケーブルの変位を最小にする。

リターンプーリ６０は、ケーブルジャッキを構成するシリンダ７０の内壁に取り付けられる。スラストロッド４０は、ジャッキ７０の接触面７２を摺動する。スラストロッドのアクチュエータ４４は、ジャッキの下側部分に取り付けられている。ジャッキの下端は、図示された自在継手７４を介してベース２に関節接続されている。この自在継手は、図１と図２に示したものと同じように製造してよい。

この実施形態では、動作反転手段は滑車を含まない。それゆえ、アクチュエータ４４は、他のプーラーアクチュエータ３６の６個それぞれによってケーブル３２に加えられる張力を減衰させることなく、十分に平衡させることができるほど強力である必要がある。

図４に、動作反転手段の変形実施形態を示す。この実施形態は、シリンダ７０の内壁に取り付けられた第１のプーリ６０と、スラストロッド４０の下端６７に垂直なヒンジピンに取り付けられた第２のプーリ５４とを備える。ケーブル５８の端７７は、ジャッキ７０の上側壁に固定される。アクチュエータ４４は、シリンダ７０の内側に完全に収容されている。更に、ジャッキ７０の下端は、図３の実施形態と同じように、図示した自在継手７４によってベース２に関節接続されている。

図１と図２について説明した実施形態と機能的には同一であるこの実施形態では、動作反転手段は、張力を二等分することによってケーブル６８に必要な張力を小さくする滑車を有する。このようにして、アクチュエータ４４の出力を二分することができる。その一方、スラストロッド４０の平行移動変位が同じ場合に、アクチュエータ４４は２倍のケーブル長を巻き付けたり巻き出したりしなければならない。

動作反転手段の第３の変形実施形態を、図５に示す。この動作反転手段は、ジャッキ７０内に取り付けられた大きい径のプーリ８０を含む。２個のプーリ６０が、シリンダ７０の内壁に固定されている。スラストロッド４０の下端６７に第４のプーリ５４が取り付けられている。プーラーアクチュエータ４４のケーブル５８は、大きい径のプーリ８０の回転軸に接続されている。さらに、機構は、プーリ８０、６０および５４上を交互に通る第２の閉じたケーブル８２を備える。この実施形態では、アクチュエータ４４は、ジャッキ７０の下端に取り付けられているが、ジャッキ７０をベース２に関節接続するのに利用される自在継手７４の下に配置される。その結果に、アクチュエータ４４は、スラスト手段の静釣り合わせを行う。この実施形態では、質量は、自在継手７４によって構成された関節軸の各側で適切に平衡され、アクチュエータ４４の質量は、スラスト手段の残りの部分の質量を部分的に平衡させる。

図６に、スラスト手段の第４の変形実施形態を示す。この変形例では、アクチュエータ４４は、前述の実施形態と同じようにジャッキ７０の下側部分に固定されるのではなく、ベース２に取り付けられている。アクチュエータ４４のケーブル５８は、シリンダ７０の下側壁に固定されたプーリ６０上と、スラストロッド４０の下端６７に垂直な回転軸に取り付けられたプーリ５４上を通る。その結果、図４と図５の実施形態で使用された滑車と同等の、ケーブル５８に加えられる張力を二等分する滑車がある。また、ケーブル５８の下側部分は、ジャッキの内壁に固定されたガイドプーリ８６上を、自在継手７４とほぼ同じ位置の、ジャッキ下端に配置された２個のリターンプーリ８８によってガイドされる。ジャッキ７０の下側壁は、ケーブルが通ることができるように開いている。

最後に、図３のスラスト手段の変形実施形態を図７に示す。この変形例は、プーラーアクチュエータ３６のケーブル３２のまわりに圧縮ばね９２が取り付けられている点以外は、すべての点で図３のものと同一である。各コイルばね９２は、ベース２に固定された下側スラスト面９４と、プラットホーム２４に固定された上側スラスト面９６の間に巻き付けられている。ばね９２があるため、ケーブル３２に加えられる張力の平衡がとられ、その結果中央アクチュエータ４４に加わる力が減少する。またこれにより、中央静止位置が実現しやすくなる。

本発明による触覚インタフェースの斜視図である。 図１と類似の斜視図であり、インタフェースが異なる位置で示されている。 スラスト手段の４つの異なる変形実施形態のうち１つを示す図である。 スラスト手段の４つの異なる変形実施形態のうち１つを示す図である。 スラスト手段の４つの異なる変形実施形態のうち１つを示す図である。 スラスト手段の４つの異なる変形実施形態のうち１つを示す図である。 ケーブルにばねを備えるスラスト手段の実施形態の概略断面図である。

Claims (13)

1. システムを制御するための触覚インタフェースであって、前記触覚インタフェースが、
   ベース（２）と、
   前記ベース（２）から距離をおいたプラットホーム（２４）と、
   前記プラットホーム（２４）に固定された第１の端と、ケーブル（３２）に張力を加えるように設計されたプーラーアクチュエータ（３６）に接続された第２の端と、をそれぞれ有する少なくとも２本のケーブル（３２）と、
   前記プラットホーム（２４）と接触している第１の端部（４２）と、スラストロッド（４０）を前記プラットホーム（２４）の方に押すプッシャアクチュエータに接続された第２の端（６７）と、を有するスラストロッド（４０）を有する、関節（５０，７４）によって前記ベース（２）に取り付けられたスラスト手段と、を備え、
   前記アクチュエータ（３６，４４）が前記システムに関連する情報を表す力を前記プラットホーム（２４）に加え、前記プラットホーム（２４）が制御装置を備えることを特徴とする触覚インタフェース。
2. 前記アクチュエータ（３６，４４）のそれぞれが、センサ（３８）に取り付けられた前記ケーブル（３２，５８）の長さを表す信号を出力することができるセンサ（３８）を備え、
   前記スラスト手段が、前記プラットホーム（２４）と接触している前記スラストロッド（４０）の端とそれらの関節（５０，７４）との間の距離を表わす信号を前記ベース（２）に出力することができるセンサ（３８）を備え、これらの信号がすべて前記システムを制御するために使用されることを特徴とする請求項１に記載のインタフェース。
3. 前記プッシャアクチュエータが、ケーブル（５８）に張力を加えるプーラーアクチュエータ（４４）と、前記張力を前記スラストロッド（４０）の推力に変換する動作反転機構（５４，６０）とから構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のインタフェース。
4. 前記動作反転機構が、滑車（５４，６０）を備えることを特徴とする請求項３に記載のインタフェース。
5. 前記動作反転機構が、ジャッキ（７０）に収容されていることを特徴とする請求項３または４に記載のインタフェース。
6. 前記スラストロッド（４０）の前記アクチュエータ（４４）が、前記ジャッキ（７０）に取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載のインタフェース。
7. 前記スラストロッド（４０）の前記アクチュエータ（４４）が、前記ベース（２）に取り付けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のインタフェース。
8. 前記スラストロッド（４０）の前記アクチュエータ（４４）が、前記ベース（２）上の前記スラスト手段の関節（７４）の下に配置されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のインタフェース。
9. 前記スラスト手段が、自在継手によって前記プラットホームに関節接続されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のインタフェース。
10. 前記スラストロッド（４０）が、前記自在継手の中心（２３）とほぼ同一点で交わる縦軸（ＺＺ）を有することを特徴とする請求項９に記載のインタフェース。
11. 前記プラットホームと接触する前記スラストロッド（４０）の端が、玉継手（４２）によって前記プラットホームと関節接続されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のインタフェース。
12. 前記プラットホーム（２４）の中心が前記玉継手の中心と一致し、オペレータのグリップが前記玉継手（４２）の中心にくるように作成されたことを特徴とする請求項１１に記載のインタフェース。
13. ６本のケーブルを備え、前記６本のケーブルが３対のケーブルに分配されて前記プラットホーム（２４）上に三角に配置された端部（３０）に対で固定されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のインタフェース。

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