JP2009140520A - 多軸ジョイスティックおよびそのためのトランスデューサー手段 - Google Patents
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-
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- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
- G05G9/00—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously
- G05G9/02—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only
- G05G9/04—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously
- G05G9/047—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks
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Abstract
【解決手段】変位測定手段は、好ましくは、平らな六角形アレイをなして取り付けられた1つ以上の発光体4と1つ以上の光検出器5a−5fとを含むことができる。隣接する可動反射器アセンブリー2の相対位置を、検出された光量の変化により自由度6で測定することができる。トランスデューサ手段のコンパクトな設計により容易にされ得る種々の人間工学的構成の6軸ジョイスティック実施態様が開示される。建設機械制御のための座標変換を動的に調整する手段も開示される。
【選択図】図1
Description
I. 技術分野
本発明は、コンピュータの制御、コンピュータ援用設計の分野におけるコンピュータ・グラフィックス・アプリケーションの制御、コンピュータ・ゲームの制御、及び建設機器、ロボット・マニピュレータ、車両等の機械の制御(これらに限定されない)に用いられるジョイスティック等の多軸入力装置に関する。ここに開示される多軸光学式位置トランスデューサは、特に小サイズ或いは低コストが重要である他の多くの分野に応用され得るものである。
商業的に成立し得る6軸ジョイスティックを開発するために多くの試みが為されてきた。従来技術のデザインは複雑であったので、コンピュータ援用設計や他の高価値の産業アプリケーション或いは商業アプリケーションに限って手ごろであるに過ぎないような高価な製品がもたらされた。“SpaceOrb(登録商標)”は、スペーステックIMC社(Spacetec IMC Corporation)により開発されて1990年代後半の数年間にわたってコンピュータゲーミング周辺装置として販売されたものであるが、おそらくは複雑であること、及びおよそ50ドルから100ドルの小売価格に比べての製造コストの故に、結局は中止されてしまった。刊行日付けでスペーステックIMC社に譲渡されたスペーステックのSpaceOrb(登録商標)に関連する特許は、ヒルトン(Hilton)の米国特許第5,591,924号、ヒルトンらの米国特許第5,706,027号、ヒルトンらの米国特許第5,798,748号を含む。ヒルトンには、刊行日付けでスペーシャルシステムズPty社(Spatial Systems Pty
Limited)に譲渡された同じ分野の前の特許、米国特許第4,811,608号、も与えられた。ロジテック(Logitech)(これはスペーステックIMC社を買収したかも知れない)により現在提供されている6軸装置は、Spaceball(登録商標)及びSpacemouse(登録商標)を含むが、これらの2002年1月の小売価格はそれぞれ500ドルであった。
ker)の米国特許第5,767,840号とは、歪みゲージの使用が開示されている従来技術の例である。この様な歪みゲージの使用は、温度誘起されるエラー及び低いゲージ率によって複雑となる可能性があり、これら両方が信号処理及び信号シールドの困難度をいっそう高めかねない。更に、おそらく、許容可能な歪みはオペレータにとっては殆ど知覚できないであろうし、有益で望ましい曲げ撓みフィードバックがオペレータに与えられることはないであろう。更に、歪みが小さいので、おそらく、歪みゲージの過負荷を防止するために機械的ストップを用いることはできないであろう。歪みゲージは、負荷に関して安全係数を包含するようなサイズにされ得るけれども、それは、おそらく、既に悪いゲージ率をいっそう悪くするであろう。歪みゲージを使用する装置は、たとえ安全係数を持っているとしても、子供が床に落とすことが良くあるコンピュータ・ゲームなどのアプリケーションには向いていないであろう。
al)の米国特許第6,033,309号に開示されているように6軸制御を達成するために2つの3軸コントローラを結合することである。この様な方法は、おそらく、本発明よりは高価で、また直感的な6軸インターフェースを欠くであろう。
又はグリップの延長部として配置するためにキーボード又は手持ち式コンピュータに組み込んだり、或いはサリナス(Salinas)の米国特許第Des.381,701号に開示されているジョイスティックなどの在来のジョイスティックの中にユーザーの手の中心付近で囲い込むなどの多くのアプリケーションのためには一般に物理的に大きすぎたり重過ぎたりするであろう。
上記目的を達成するように設計された種々の実施態様は次のように要約される。
マブルなインターフェース・コントローラ又はその他の信号変換装置において必要とされるアナログ・ディジタル変換チャネルの数を1つだけに減らすことができる。この様な構成は、普通のコンポーネントと公知の電子工学原理を用いて達成することができるものである。
のミラーであって良い。
離原理の結果として、対応する逆反射器までの距離が増大するに連れて減少して良い。
できる。本発明の別の側面によれば、オペレータの意図を最も厳密に満たすために選択された係数と共に比例/積分/微分制御方式を使用することができる。
サー又は角速度センサーであって良い所要のセンサーは、例えば無線ネットワークによって無線で接続される。
6軸制御で選択し、その後に作孔中にドリル軸を固定しておく作孔や、フォークの位置及びアラインメントを6軸制御で最善に達成し得るけれども積み荷を持ち上げるために直進前向き運動及びその後の直進上向き運動が望ましいフォークリフト操作などの産業アプリケーションでは重要であろう。
回りの捻り運動は、“ピストル”又は“ゲーミング・ジョイスティック”グリップを有するマウスでより人間工学的に達成可能であり、これを用いればユーザーのとう骨及び尺骨の手首端部が垂直に整列する。この様な方位ではユーザーの手首は約90度回転できるのに対して、ユーザーの手が普通のマウスを掴んでいるときには約30度である。この実施態様では、“ピストル”或いは“ゲーミング・ジョイスティック”グリップは、ユーザーの親指、人差し指及び中指がボタン及び/又は追加されている(小型)ジョイスティックを自由に作動させ得る状態に留めておいて小指及び薬指で該グリップをユーザーの手のひらに圧迫し得るという更なる利点を有する。この様なグリップは、小指及び薬指だけを用いてユーザーの手のひらに快適に且つ確実に圧迫できるように最適化され得る。本発明の数個のトランスデューサ手段は、人差し指、中指及び親指だけを用いる操作のために充分に小型であって且つ第1ジョイスティック又はマウスに取り付けるために充分に小型であるジョイスティックを作るために従来技術のそれより適しているであろう。希望どおりに大きな運動範囲を与えそうな従来技術ジョイスティックのデザインのうちの幾つかは、頑丈な形に小型化するのが特に困難であろう。
方位などの基準の何らかの組み合わせにより決まる外部座標に関連しても良い。この様な携行可能な実施態様は、方位センサー、加速度計、ジャイロスコープなどの他の装置を取り入れても良い。
ことは、そうでなければ必要とされる換気に起因して圧力差や汚染を引き起こすこと無くZ軸運動を容易にするために重要である。
され得る磁束構造に対して複数(例えば6)の自由度で移動し得る単一の印刷回路基板に組み込むことができる。前記実施態様は、磁束センサーの回りに任意の所要方向に沿う磁束通路(外部から加わる磁場のために)を提供することのできる磁束伝導磁気グリップ又はその部分によって磁束センサーを周囲の磁場から保護することができる。磁束センサーにおいて容易に測定し得る磁束勾配を確立し、これにより検出器に対する磁束通路の変位を検出可能にするように磁束の向きを決めるために例えば強磁性磁極片を用いることができる。磁束は、例えば、3つの通路に沿って向けられ、その各磁束通路は2つの磁束検出器を遮る。運動感知軸、即ち磁束と変位に対する最大磁束検出器感度の軸との交差積の導関数が最大となる方向、磁束センサーを磁束通路に対して相対的に配置し向きを決めることができる。
多軸入力トランスデューサ装置は、少なくとも5個の基準座標系に関して入力可能な少なくとも5連入力エレメントと、結局は反射エレメントに入射する放射を発することのできる放射源からの放射に応答する反射エレメントと、前記反射エレメントからの放射に応答する少なくとも1つの反射放射検出器とを含むことができる。反射という用語は、前記放射の屈折を含むように広く使われる。図1a(平面図)、1b(断面立面図)、1c(切り欠き透視図)、1d(立面図)、及び1e(分解図)を参照すると、本発明に従う6軸ジョイスティックの好ましい実施態様が示されている。アクティブ・グリップ1は、反射ファセット2a、2b、2c、2d、2e及び2fを組み込むことができる。前記反射ファセット又は反射器は、それぞれ光源又は放射源4(これは発光ダイオードであって良い)からの光を1つの特定の箇所の光検出エレメント又は他の反射放射センサーへ反射するように整列させられて良い。前記光検出エレメントは、フォトダイオード、フォトトランジスター、光抵抗器又はその他の適切な光検出手段、又は例えばASIC(アプリケーション専用集積回路チップ)などの他の箇所にあるその様な検出手段に通じる光ファイバー・ポートであって良い。アクティブ・グリップ1は、コイルバネ10などの復元エレメントにより定位置に保持され得るものであり、これは凹所11によりアクティブ・グリップ内に且つ凹所12によりベース3に、角度的に位置決めされ得る。光バッフル6等の手段を用いて、光源4による検出器5a,5b,5c,5d,5e及び5fの直接照明を防止することができる。前記光バッフル6は、例えばはんだ付け中に前記光源4及びおそらく光検出器5a,5b,5c,5d,5e及び5fを位置決めし、向きを決める上で役立つように構成されても良い。前記バッフル6を用いてネジ7により印刷回路基板13を定位置に保つことができる。おそらくアクティブ・グリップ1内の反射エレメント及び光源4と関連する光検出器5a,5b,5c,5d,5e及び5f等の光学エレメントの測定範囲の中にアクティブ・グリップ1の最大行程がとどまるように、又おそらくバネ10等の復元手段の弾性域内に且つ可動コンポーネント及び不動コンポーネントの間の種々の機械的クリアランスの中に前記最大行程がとどまるように、アクティブ・グリップの行程を制限するために、ネジ8又はピン等の何らかの保持手段を設けることができる。前記保持手段8と、関連するレセプタクル9との接触特性は、摩擦減少エレメント及び/又はコーティング或いはブッシュ等のエネルギー吸収エレメントにより最適化され得る。図1a及び1dを参照すると、光路14は、放射平面内にあってはならなくて、種々のミラー・ファセットの位置及び方位により制御され得る経路をたどることができる。この構成により、6個の光検出器への光路の長さ及びアライメントは、x、y、z、Θx、Θy、及びΘz自由度におけるアクティブ・グリップの位置を一義的に定めることができる。一般に、輝度も、実効光路距離の逆二乗として変化するであろう。ミラー・ファセット位置に関し
ての輝度の感度は、ミラー・ファセットの、前記ミラー・ファセットの表面に対して垂直な軸に沿う運動について最大であろう。前記ミラー・ファセットに対して垂直な前記軸は、仮想八面体ヘキサポッド或いは“スチュワート・プラットフォーム”を含むことができる。前記第1軸に対して垂直などの軸に沿う運動も光路長さ又は輝度に対して影響を全く与えないであろう。極端な運動は、もちろん、前記ミラー・ファセットを前記光路外へ移す可能性があるけれども、その様な極端な運動は不要であろうし、実際には機械的ストップによって防止されるであろう。前記ミラー・ファセットに対して垂直な軸の回りの角運動は、前記光路に対して影響を与えないであろう。前記ミラー・セグメントの平面内にある軸の回りの角運動は、単に前記光路の反射箇所を横に移動させるだけであって、光路距離に対しては無視し得る二次的影響を及ぼすに過ぎない。
から信号はコンピュータ又はロボットなどの受信装置17に行くことができる。6自由度の軸は図3の上部に明示されている。
の間の垂直クリアランスは、所定量の垂直移動を提供することができる。従って、部分1a,1b及び1cから構成されるアクティブ・グリップ・アセンブリーは、6自由度における許容可能な移動範囲に限定されるであろう。アクティブ・グリップ部分1aは、アクティブ・グリップ部分1aのバネ保持溝47によってバネ10に固定され得る。バネ10は、溝48によってモノリシック・トランスデューサ・パッケージ21に固定され得る。前記モノリシック・トランスデューサ・パッケージ21は、外へ向かって放射状に広がってスペーサー21及びネジ23に係合し得る回路基板13を取り入れることができる。或いは、トランスデューサ・パッケージ21を搭載してスペーサー21及びネジ23などの何らかの取り付け手段に係合する付加的な別の部材を用いても良い。
52は3つの極、52a(磁束センサー50a及び50bの間に位置する)、52b((磁束センサー50e及び50fの間に位置する)及び52c(磁束センサー50c及び50dの間に位置する)を有することができる。前記極は、中立位置では、Z軸に関して角度的に正確にそれぞれの磁束センサーの間に位置する。立面図では、前記極はそれぞれ前記磁束センサーの中の磁気応答エレメントの位置により画定される平面の上に位置することができる。この様にして、局所磁束と前記磁束センサーの各々の最大感度軸とのベクトル点乗積は前記バネ懸架アセンブリーの位置を一義的に表わす信号のパターンを作り出すことができる。最大感度(それぞれの極の位置の変化に対する個々の磁束センサーの信号の最大変化)の6個のベクトルは、ヘキサポッド又はスチュワート・プラットフォームに類似する形状を空間内に画定することができる。スペーサー21と極片52とは、該水平面内又はZ軸の回りでの前記バネ取り付けアセンブリーの移動を制限するように形成され得る。スタッド55の端部が印刷回路基板13に係合するので(Z軸に沿っての)下方への移動は制限され得る。極片52がバネ・プラットフォーム51に係合するので、前記バネ取り付けアセンブリーの上方への移動は制限され得る。極片52、スペーサー21、回路基板13及びバネ・プラットフォーム51の各接触表面は、もちろん、無摩耗性衝撃吸収材料で適切に覆われて良い。これは、例えば、極片52のゴム・コーティングと、回路基板13の上部に取り付けられたナイロン・ウエアプレートと関連させて滑らかなエーコーンナットをナット54として用いることとによって、達成されるであろう。軟質ゴム・スリーブ等の快適なグリップ材料をグリップ1の外側に付けることができる。各前記磁束センサーは、好ましくはアレグロマイクロシステムズ社(Allegro Microsystems,Inc)によって製造されているタイプ3503比率計線形ホール効果センサー等の集積回路であって良く、このタイプは後の信号処理を容易にする増幅器を含んでいる。信号処理は、アナログ・ディジタル変換基板又はマイクロチップ社(Microchip Corporation)によって製造されているチップ等のプログラマブルなインターフェース・チップ(PIC(登録商標))を用いるなどの多数の公知方法のうちの任意の方法で達成され得る。任意に、望ましくない前の磁化を減少させるためにデガウシング・コイル(de−Gaussing coil)を該アセンブリーに付け加えることができる。
れ得る。感知エレメント60の上端に電気端子61a,61b及び61cを取り付けることができる。エラストマー感知エレメント60の下端に電気端子62a,62b及び62cを取り付けることができる。前記電気端子は、グリップ#1及びペデスタル63のエラストマー感知エレメント63への機械的取り付けのためにも使用されて良い。下側印刷回路基板67と上側印刷回路基板66とを、エラストマー感知エレメント60への電気的接続を容易にするために用いて良い。上側回路基板66をファスナー68によってエラストマー感知エレメント60に固定することができ、又、ファスナー69によってグリップ1に固定することもできる。回路基板62をファスナー65によってペデスタル63とエラストマー感知エレメント60の間にクランプすることができる。ファスナー65は、ペデスタル63をベース部分64に取り付けるためにも役立つであろう。図16を参照すると、上側回路基板66はグリップ1への取り付けのための複数のファスナー69の使用を容易にするように構成されて良い。再び図15aから15dまでを参照すると、上側電気端子61a,61b及び61cは、好ましくは、等間隔に120度離されて配置される。電気端子62a,62b及び62cも、好ましくは等間隔に120度離されて、また好ましくは上側電気端子から角度的に60度オフセットされる。この様にして、電気伝導性エラストマー感知エレメント60は、前記電気端子と共同して、図17に示されているように可変抵抗回路として機能することができる。図17は、電気端子61,61b,61c,62a,62b及び62cを切る円形又は六角形のパターンに沿って切られた図15aから15eまでのエラストマー感知エレメント60の横断面と見なし得る3次元電気回路の平坦表示であることに注意しなければならない。再び図17を参照すると、例えば可変抵抗器70aは、エラストマー感知エレメント60が変形されるときに変化し得る電気端子61a及び62a間の可変抵抗を表わすことができる。前記3次元電気回路は、スチュワート・プラットフォームのアクチュエータ・ジオメトリーの一般的形状であって良い。重要なことに、エラストマー感知エレメント60の偏向の6個の自由度は電気端子61a,61b,61c,62a,62b及び62c間の抵抗電気特性によって一義的に表わされ得る。エラストマー感知エレメント60は、数個の部類の多様な材料から作られて良い。本発明の一実施態様では、エラストマー材料は、チャンら(Chiang et al.)の米国特許第5,898,057号、第6,063,499号、第6,111,051号又は6,184,331号に記載され、或いはミーサンプロダクツ社(Mearthane Products Corp.)から市販されているような、ポリマーに溶解した金属塩の固溶体であって良い。ポリマーに溶解した金属塩の前記固溶体の場合には、電気励起信号は好ましくは交番極性信号である。この様なエラストマーは、以降、イオン伝導性であると称されて良い。例えば、図45に示されているように、3相交流電流源を使用することができる。或いは、エラストマー感知エレメント60は、ジッパーリング・ケスラー社(Zipperling Kessler & Co.)により開発されたポリアニリン(PAni)(Polyaniline (PAni))又はその様なポリマーのブレンド等の“本質的に伝導性のポリマー”(ICP)であって良い。或いは、伝導性充填材を有するポリマーを使っても良いけれども、歪み−抵抗率関係が固定していなくて非線形であることが良くあるので、好ましくないであろう。
aから70fまでは、図18aから18dまでの場合と同じ名称の“脚”の抵抗を表わしている。
のうちの一例が示されている。
5は、広い視野を持つことができ、数個の発光体からの反射光にそれぞれ応答することができる。発光体が一度に1つ生かされるのであれば、全ての光検出器(例えばフォトダイオード)を電気的に並列に接続して、マイクロチップPCI(登録商標)デバイスなどの混合信号集積回路の単一のアナログ入力チャネルに接続することができる。この様なデバイスは、発光体4に電力を向け光検出器5から信号を得るために必要とされ得る他の電子コンポーネントと共に回路基板13に直接取り付けられて良い。図49a,49b,49c及び49dに示されている上側グリップ1aは、この例では、直径53mmで描かれている。
方を測定することができるけれども、2つの箇所のうちの一方のトランスデューサ・セットはx運動を測定するだけで良い。用語法の目的のために、該トランスデューサ・セットはy軸に平行な線に沿って位置する。第3マウス軸は、2つのxトランスデューサの差動出力を生じさせるマウスのz軸捻りから得られる。描かれている装置は9個の自由度を提供する。6軸ジョイスティックのベースの外周の回りにボタンを設けても良い。装置の上部に小型のテン・キー・パッドを付け加えることができる。
Electrical Systems))装置126c及びプラットフォーム128及び132に取り付けられたMEMS装置126b及び126dなどの別々のセンサーから推測されても良い。機械のリンケージ127の種々の部分に別のMEMS装置(これは例えば加速度計又は角速度センサーであって良い)127a及び129aを取り付けても良い。その様な装置は、磁気により取り付けられ、好ましくは無線で情報を送ることができる。
である。これは、多軸入力手法と、適切な方法を達成するための装置との両方を含む。この出願では、多軸入力手法は、記載されている種々の装置により達成されるということが示された結果の一部として、また、利用に付き物のステップとして、開示されている。それらは、単に、意図され記述されている装置を利用したことの自然な結果であるに過ぎない。更に、幾つかの装置が開示されているけれども、それは一定の方法を達成するだけではなくて、多様に変更され得るものでもあるということが理解されるべきである。重要なことに、上記の全てに関して、これらの面の全てがこの開示内容に含まれるということが理解されるべきである。
について取り入れられると解されるべきであり、ランダムハウスのウェブスターズ・アンアブリッジド・ディクショナリー第2版(Random House Webster’s Unabridged Dictionary, second edition)に含まれているような全ての定義、代替用語、及び同義語が参照により本書に取り入れられる。最後に、「特許出願に従って参照により取り入れられるべき参考文献のリスト」に列挙されている全ての参考文献又は本出願と共に提出された他の情報陳述又は参考文献のリストは本書に添付され、参照により本書に取り入れられるけれども、上記の各々について、参照により取り入れられるその様な情報又は陳述が本発明の特許と矛盾すると考えられ得る範囲においてその様な陳述は特に本出願人によってなされたと見なされるべきではない。
である。その様な用語は、法的に許される最も広い範囲を出願人に与えるために、該用語の最も広い形で解釈されるべきである。
VI. 参考文献のリスト
米国特許書類
Claims (1)
- 本願明細書に記載されている多軸入力トランスデューサ装置。
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