JP2009537228A - 触覚デバイスを制御するための方法および装置 - Google Patents

触覚デバイスを制御するための方法および装置 Download PDF

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Abstract

触覚デバイスを制御するための方法および装置。一つの態様では、触覚デバイスは、アクチュエータと；アクチュエータ速度を示すアクチュエータ信号を生成するアクチュエータセンサと；負荷と；負荷位置を示す負荷出力信号を生成する負荷出力センサと；負荷出力センサ、アクチュエータセンサおよびアクチュエータと電気的に通信するコントローラとを含む。コントローラは、ユーザに触覚応答を提供するために、アクチュエータ信号および負荷出力信号に応じてアクチュエータを制御する。一つの態様では、触覚デバイスのアクチュエータを制御するための方法は、アクチュエータの速度を示すアクチュエータ信号を生成する段階；負荷の位置を示す位置信号を生成する段階；およびユーザへの触覚応答を生成するために、アクチュエータ信号および負荷出力位置信号に応じてアクチュエータを制御する段階を含む。

Description

発明の分野
本発明は、全体として触覚デバイスの分野に、より具体的には触覚デバイスコントローラの分野に関する。
発明の背景
ケーブル駆動触覚デバイスは、近位(または駆動)端および遠位(または負荷)端を有するケーブル伝動器を組み込んでいる。その近位端は、伝動器を駆動して、それによって遠位端の終端に負荷を伝えるアクチュエータ(モータなど、しかしそれに限定されない)を含む。通常、触覚デバイスの終端は物理的な空間に配され、触覚提示アルゴリズムが、物理的な空間に配置された仮想触覚表面(あるいは触覚対象物)を生成する。触覚デバイスの終端が触覚表面に出会うと、触覚デバイスは、伝動器の遠位端へ負荷を伝えるために、例えばアクチュエータを制御することによって、ユーザが仮想触覚表面と相互作用することを可能にする。ユーザは通常、触覚デバイスの遠位端あるいは触覚デバイスの遠位端に取り付けられたツールまたは装置を握る。このようにして触覚デバイスは、ユーザが触覚表面を「感じる」ことを可能にする。
従来のケーブル駆動触覚デバイスは、ケーブル伝動器の近位端において、アクチュエータに装着されたセンサ(例えばエンコーダなどの位置センサ)を含む場合がある。アクチュエータセンサからのデータ(例えばモータ角度)が順運動学プロセスに入力されて、終端の位置が計算される。この方式は、触覚デバイスの良好な触覚性能を可能にするが、一つの欠点は、物理的な空間中の終端の計算された位置、したがって触覚表面が、ケーブル伝動器のコンプライアンスおよびヒステリシスのために、終端の実際の位置と一致しない可能性があることである。例えば、ユーザが触覚デバイスの遠位端に力を加えた場合、ケーブル伝動器が曲がり、その結果、たとえコントローラがアクチュエータ出力位置を維持しても、終端の移動が起こる可能性がある。即ち、アクチュエータが所望の位置を維持するように応答しようとしても、ケーブル伝動器のケーブルのコンプライアンスが、終端のいくらかの移動を許す。この移動によって、実際の終端の場所と、アクチュエータ出力場所に基づいてコントローラによって算出された終端の場所との間に、誤差が生ずる結果となる。
触覚デバイスの応用で、ユーザが仮想環境と相互作用する場合に、例えば従来のケーブル駆動触覚デバイスを用いて仮想CADモデルを改変するような、触覚デバイスによってユーザが仮想CADモデルの表面を「感じる」ことができる場合は、触覚表面の場所を触覚デバイスの物理的な作業空間内に正確に決める必要がないため、触覚デバイスの実際の終端位置と計算された終端位置との間の不正確さは重要ではない。したがって、触覚表面を、最初に、ユーザの仮想環境との相互作用に影響を与えることなく、作業空間内の任意の便利な位置に決めることができる。この理由のために、従来型ケーブル駆動触覚デバイスの終端位置決定精度は、重要であると考えられることさえ稀である。さらに、そのような触覚デバイスは、一般にコンパクトで、最小の移動質量および慣性を有するように設計されるため、センサが触覚性能に対して大きな有害作用を及ぼさない場合には、通常は、特に伝動器の負荷端において、余分な位置センサを有しない。
しかし、いくつかの触覚デバイスの応用では、高い終端位置決定精度が必要な場合がある。例えば、外科医が触覚デバイスを用いて外科切断手術を行なうコンピュータ支援外科手術では、触覚表面は、触覚デバイスに取り付けられた切断器具の切断境界を定めるので、患者の物理的な空間中で正確に位置決定されなければならない。十分な終端位置決定精度を与えるために、ギア伝動器などの剛性伝動器を備えた触覚デバイスを用いることができる。しかしながら、剛性伝動器の一つの欠点は、それらが、逆駆動が可能ではなく、および／または触覚デバイスでの使用に適していないかもしれない可能性があることである。従来のケーブル駆動触覚デバイスは、逆駆動が可能であるが、上記の終端位置決定精度問題を有する。終端位置決定精度を改善するための一つの可能性は、センサをアクチュエータからジョイントへ再配置するような、センサをケーブル伝動器の近位(または駆動)端から遠位(または負荷)端へ再配置することである。これが、終端位置のより高精度な決定を可能にする。しかし、センサをケーブル伝動器の負荷端へ再配置すると、センス部とアクチュエーション部が同じ所に配置されず、両者はコントローラによって励起され得る動力学を有する剛性でない伝動器によって接続されるので、コントローラに不安定性を示させる可能性がある。さらに、触覚デバイスがケーブル伝動器の片側面にのみセンサを含む場合は、コントローラが触覚制御の安定性を改善する(それが触覚壁の剛性を増大させる)ために役立つ追加情報を欠く。触覚デバイスをコンピュータ支援外科手術で用いる場合は、触覚表面は、外科医に実際の組織表面に対する手術具の場所を十分に伝えなければならないので、触覚壁の剛性の増大は重要である。
他の従来の位置決定装置および産業用ロボットもまた、正確な終端位置決定を必要とする可能性があるが、触覚デバイスと異なり、これらの装置は通常、剛性の伝動器を有しており、制御をアクチュエータ位置センサのみに頼っている。ある場合には、位置決定システムは、駆動端位置センサおよび負荷端位置センサの両方を用いるが、これらのシステムは通常位置決定に用いられ、ユーザとの相互作用または触覚対象物の提示には用いられない。
したがって、ケーブル伝動器のコンプライアンスおよびヒステリシスを補正して、物理的な空間の正確な場所に、ユーザの行動を高精度かつ確実に導くために十分な壁剛性を持って触覚表面を提示することができるケーブル駆動触覚デバイスに対する必要性が存在する。アクチュエータ位置センサおよび負荷位置センサの両方を使用することによって、触覚壁剛性が二つの点で改善される。第1に、負荷位置センサが無い場合、ユーザが装置の端に力を加えると伝動器が曲がって、たとえコントローラがアクチュエータ出力位置を維持しても終端は移動する。即ち、アクチュエータが触覚位置を維持するように応答しようとしても、システムのケーブルのコンプライアンスによって、いくらか移動することが可能となる。終端のこの移動により、アクチュエータ出力位置に基づいてコントローラによって算出される先端の場所に対して、先端場所の誤差を生じる。
第2に、アクチュエータ出力位置および負荷出力位置の両方を使用することによって、触覚制御の安定性を改善するためにコントローラが用いることができる追加情報が得られ、触覚壁剛性を増大させる。二つの入力センサを用いて触覚制御出力を算出する多くの方法が存在するが、制御アルゴリズムに対して、アクチュエータ出力位置センサを用いて速度信号を供給し、負荷出力位置センサを用いて負荷出力位置信号を供給することが、単一センサの解決法と比較して、装置の安定性および精度を高める単純で速い方法である。触覚壁の剛性の増大は、例えば、コンピュータ支援外科手術において触覚デバイスを用いる場合には、触覚表面が外科医に実際の組織表面に対する手術具の場所を高精度かつ確実に伝えなければならないので、特に重要である。本発明は、これらの必要性に取り組む。
発明の概要
本発明は、触覚デバイスを制御するための方法および装置に関する。
一つの局面では、本発明は、触覚デバイスに関する。一つの態様では、触覚デバイスは、アクチュエータと；アクチュエータと通信し、アクチュエータ速度を示すアクチュエータ信号を生成するアクチュエータセンサと；負荷と；負荷と通信し、負荷位置を示す負荷信号を生成する負荷センサと；負荷センサ、アクチュエータセンサ、およびアクチュエータと電気的に通信するコントローラとを含む。コントローラは、ユーザに触覚応答を提供するためにアクチュエータ信号および負荷信号に応じてアクチュエータを制御する。
別の態様では、触覚デバイスは、アクチュエータおよび負荷と通信するケーブル駆動伝動器を含む。さらに別の態様では、コントローラは、負荷信号に応じて重力補正トルクおよびデカルトの終端位置を決定する。さらにまた別の態様では、コントローラは、フィルタリングされたアクチュエータ速度を形成するためにアクチュエータ信号をフィルタリングし、かつフィルタリングされたアクチュエータ速度にヤコビアンを掛け合わせることにより終端速度を算出することによって、アクチュエータを制御する。
別の態様では、コントローラは、終端速度差を形成するために終端速度から基準速度を引き、かつ終端速度差に制動利得を掛け合わせることによって、制動力を算出する。さらに別の態様では、コントローラは制動力に応じて所望の触覚力を算出する。
さらにまた別の態様では、負荷センサは、光エンコーダ、電気エンコーダ、磁気エンコーダおよびポテンショメータを含む群より選択される。
別の局面では、本発明は、触覚デバイスのアクチュエータを制御するための方法に関する。一つの態様では、方法は、アクチュエータの速度を示すアクチュエータ信号を生成する段階；負荷の位置を示す負荷信号を生成する段階；ならびにユーザへの触覚応答を生成するために、アクチュエータ信号および負荷信号に応じてアクチュエータを制御する段階を含む。
別の態様では方法は、負荷信号に応じて重力補正トルクおよびデカルトの終端位置を決定する段階を含む。別の態様では、アクチュエータの制御には、フィルタリングされたアクチュエータ速度を形成し、アクチュエータ信号をフィルタリングし、かつフィルタリングされたアクチュエータ速度にヤコビアンを掛け合わせることによって、終端速度を算出する段階が含まれる。さらにまた別の態様では、方法には、終端速度差を形成するために終端速度から基準速度を引き、かつ終端速度差を制動利得と掛け合わせることによって制動力を算出する段階が含まれる。別の態様では、方法には、制動力に応じて所望の触覚力を算出する段階を含む。
さらに別の態様では、本発明は、アクチュエータと；アクチュエータと通信し、アクチュエータ速度を示すアクチュエータ信号を生成するアクチュエータセンサと；負荷と；負荷と通信し、負荷位置を示す負荷信号を生成する負荷センサと；負荷センサ、アクチュエータセンサおよびアクチュエータと電気的に通信し、ユーザに触覚応答を提供するために、アクチュエータ信号および負荷信号に応じてアクチュエータを制御する、コントローラとを含む、触覚デバイスである。
さらにまた別の態様では、本発明は、入力側および出力側を有する伝動器と；入力側と通信するアクチュエータと；アクチュエータと通信し、アクチュエータ速度を示すアクチュエータ信号を生成するアクチュエータセンサと；出力側と通信し、出力側の位置を示す位置信号を生成する位置センサと；位置センサ、アクチュエータセンサおよびアクチュエータと電気的に通信し、ユーザに触覚応答を供給するために、アクチュエータ信号および位置信号に応じてアクチュエータを制御する、コントローラとを含む、触覚デバイスである。
本発明は、添付した特許請求の範囲に詳細に示される。上述された本発明の長所は、さらなる長所と共に、添付図面と関連した以下の説明を参照することによって、さらによく理解されると考えられる。図面では、異なる図の全体にわたって、同じ参照記号は一般に同一の部品を指す。図面は、必ずしも原寸に比例せず、一般に、本発明の原理を説明することにむしろ重点が置かれる。
好ましい態様の説明
図1を参照すると、本発明のケーブル駆動触覚デバイスの一部の態様が示されている。ケーブル駆動触覚デバイスは、すべて逆駆動可能であるケーブル駆動伝動器114、124、134、144を含むアーム100を含む。各伝動器114、124、134、144に対して、回転アクチュエータ110、120、130、140が、各伝動器の一端(即ち近位端または駆動端)に配置され、各伝動器の他端(即ち遠位端または負荷端)に、ジョイントリンク116、126、136、146が配置される。アーム100は、回転アクチュエータ110、120、130、140に設置された4個の駆動端センサ112、122、132、142、ならびにジョイントリンク116、126、136、146に設置された4個の負荷端センサ118、128、138、148を装備している。
この態様では、ケーブル駆動伝動器はギア減速を提供し、それによってバックラッシュ、摩擦その他の、制御を困難にする非線形効果を導入することなく、小さなアクチュエータを用いることができる。しかし、ケーブルは、いくらかのコンプライアンスおよびヒステリシスを導入するので、十分な終端位置決定精度を与えるために、各伝動器114、124、134、144の負荷端にセンサ118、128、138、148を含むことが好都合である。センサとアクチュエータが同じ位置に配置されない場合におこる制御問題のため、各伝動器114、124、134、144の駆動端に、センサ112、122、132、142をさらに含むことが好都合である。
触覚デバイスのセンサは、例えば光エンコーダ、電気エンコーダ、リゾルバ、磁気スケールセンサ、磁歪センサ、ポテンショメータ、RVDT、シンクロなどの、位置センサでもよい。一つの態様では、駆動端センサはアクチュエータエンコーダであり、負荷端センサはジョイントエンコーダである。センサは、インクリメント式であり、ホーミングプロセスを必要とする場合がある。周知のように、ホーミングプロセスはセンサ(例えばエンコーダ)を初期化して、センサの初期位置が分かるようにする。例えば、基準位置までまたはセンサの指標マーカーを読み取れるまで、センサを手動で回転させることによって、ホーミングを行ってもよい。基準位置または指標マーカーは、センサの既知の絶対位置に関連している。一旦センサがホーミングされると、既知の絶対位置およびそれに続くセンサの変位に基づいて、後続のセンサ位置を算出する。代替的には、センサは、ホーミングプロセスを必要としない絶対センサ(例えば絶対エンコーダ)であってもよい。
位置センサは位置測定値を与える。所望の場合には、位置の微分である速度を、位置センサからの位置データに基づいて計算することができる。代替的には、速度を、例えばタコメーターなどの速度センサを用いて直接測定することができる。特定のセンサを用いて速度のみを測定する態様では、絶対センサ、またはホーミングプロセスに関連して上述した基準位置または指標マーカーを有するセンサを用いる必要はない。しかし、安全目的のためにそのようなセンサを用いることが好ましいため、センサは、速度を測定するために用いることに加えて、位置測定も重複して提供することができる。
触覚デバイスは、使用中に、触覚デバイスを触っているユーザに振動または力フィードバックなどの触感フィードバックを与える。例えば、触覚デバイスは、アクチュエータを活性化して、ユーザが触覚デバイスを操作するときにユーザに加えられる力および／またはトルクを(例えば、触覚提示アルゴリズムに基づいて)生成することができる。この力フィードバックは、ユーザによって仮想拘束(例えば仮想壁)として感受されて、ユーザがある方向へ触覚デバイスを動かすことを抑制する。したがって、仮想壁は実行中の操作に好ましくない方向への移動を防ぐことができる。例えば、ユーザが骨を除去するために触覚デバイスに連結されたバーを用いる外科医である場合には、その外科医が一定の深さを越えて骨へバーを動かすのを防ぐ力を触覚デバイスが生成するように、仮想壁を設定できる。好ましい態様では、触覚デバイスは、2006年2月21日に出願された米国特許出願第11/357,197号(公開番号US2006/0142657)に述べられ、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる触覚デバイス、および／またはMAKO SURGICAL CORP (登録商標) Ft. Lauderdale, Floridaによって作製されたHAPTIC GUIDANCE SYSTEM (商標)である。
仮想拘束は、操作者を1〜6の自由度で制限することができる。図2では、自由度1の仮想壁210のモデルは、剛性リンクマニピュレータに対して仮想ばね214および仮想ダンパ218を備え、剛性リンクマニピュレータの遠位端に配置されたツールが禁制壁222へ侵入するのを防ぐ。この場合は、アクチュエータとセンサが同じ場所に配置されており、その結果良好な触覚安定特性が得られる。しかし、(ケーブル駆動伝動システムのような)柔軟な負荷システムについては、触覚性能が低下するだけでなく、触覚提示が不安定になる。さらに、図2はアクチュエータとセンサが同じ場所に配置されている場合であるが、アクチュエータとセンサが同じ場所にない場合には、柔軟な伝動システムでは、弾性伝動器部品による動力学が、さらに触覚制御の困難さをもたらす。この結果、非最小位相応答がもたらされる。
図2Aを参照すると、物理的コンプライアンスが伝動器220に存在する場合について、仮想壁モデルの好ましい実施についての図解が示されている。位置センサを近位（または駆動)端に置く。近位センサを、例えばアクチュエータセンサと呼ぶこともできる。同様に、位置センサを遠位(または負荷)端に置く。遠位センサを負荷センサまたはジョイントセンサと呼ぶこともできる。例えば、遠位端に設置されたエンコーダ(例えばジョイントエンコーダ)が位置情報データを提供する一方、近位端に装着されたエンコーダ(例えばアクチュエータエンコーダ)の信号から速度が算出される。仮想ばね214には遠位センサからの位置情報が与えられ、仮想ダンパ218には近位センサからの算出された速度情報が与えられる。近位センサを触覚コントローラの速度項を算出するために用い、遠位センサを触覚コントローラの位置項を算出するために用いることは、遠位センサを位置項ならびに速度項を算出するために用いる場合よりも安定である。この図2Aの「二重センサ」触覚制御を、直列マニピュレータなどの多軸マニピュレータに、または弾性負荷部材を有する並列マニピュレータに、容易に拡張することができる。
別の態様では、本発明は、触覚デバイスのエンドエフェクタまたは他の部分を追跡する追跡システム(例えば広域GPS、RF、レーザ追跡、高速度カメラなど)を用いる。この追跡システムは、触覚デバイス中に、質量、大きさ、および複雑さを加えずに、設計するのは困難である場合がある負荷センサの必要性をなくする。しかし、性能を低下させずに負荷センサを置き換えるためには、追跡システムは十分に速く(触覚速度)、また低遅延のおよび良好な動的な性能を有しなければならない。
さらに別の態様では、一つまたは複数の独立した機械的アームを触覚デバイスの部分に取り付け、一体化された負荷センサの代わりに用いて、伝動器の負荷側の位置測定を行ってもよい。機械的アームは、機械的アームの端部の位置を決定するかまたは追跡できる位置センサを含む、関節リンク機構であってもよい。したがって、機械的アームの追跡端を触覚デバイスの負荷端に連結することによって、負荷端の位置を決定することができる。一つの態様では、機械的アームは、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる米国特許第6,322,567号に開示された関節リンク機構を含む。代替的には、リンク機構を備えた機械的アームの代わりに、一つまたは複数のストリングポテンショメータ(string potentiometer)または光ファイバー位置検出装置を用いてもよい。これらの他の技術を用いて触覚デバイスの端部エフェクタまたは終端を追跡することは、負荷センサで装置の個々のジョイントを検出するよりも利点がある。特に、そのような技術は、負荷センサを装着する位置と触覚デバイスの終端との間のデバイスの構造からの、任意の物理的コンプライアンスも測定する。その結果、制御システムが伝動器コンプライアンスを補正するのと同じ方法で、このコンプライアンスを制御システムが補正することができる。
特にセンサは伝動比の利益を受けないので、負荷端センサは、その選ばれた型にかかわらず、十分な分解能を有さなければならない。例えば、伝動比30が与えられると、1回転当たり10,000カウントであるアクチュエータエンコーダと比較して、負荷エンコーダが等価な終端の精密さを有するためには、負荷エンコーダは1回転当たり300,000カウントを有する必要がある。高分解能の位置センサは、エンコーダディスク上の物理行に10倍〜100倍の補間をすることができる読取りヘッドを備えた光エンコーダ；補間型読取りヘッドと組み合わされるであろう多くの行を有する大直径エンコーダ；および関心対象のジョイントの回転部の外径に適用することができるテープスケールと共に用いられる補間型読取りヘッドを含む。大直径またはテープスケールエンコーダは、シャフト、ブレーキ、車軸、またはケーブル経路穴の外側に装着することができる点で、パッケージ上の利点を有する場合がある。
図3を参照すると、一つの態様では、デカルト空間に制御ループが描かれている。制御ループを、例えば、MAKO SURGICAL CORP. (登録商標) Ft. Lauderdale, Floridaによって作製されたHAPTIC GUIDANCE SYSTEM (商標)、および／または上に参照した公開番号US2006/0142657に開示された触覚デバイス(それぞれが、ケーブル駆動伝動器を組み込んだロボットアームを含む)と組み合わせて用いることができる。ツールをアームの遠位端に設置する。この態様では、アクチュエータエンコーダ即ちセンサ410が、アクチュエータ出力位置を測定する。この出力位置は、速度フィルタ414によってアクチュエータ出力位置の単位時間当たりの変化量が測定されることによって、速度に変換される。この速度は、ヤコビアンプロセス418によって操作され、終端速度が計算される。この計算された終端速度は、伝動効果および機械的効果を考慮に入れていないので、実際の終端速度とは異なる。
一つの態様では、速度フィルタ414はウォッシュアウトフィルタである。ウォッシュアウトフィルタは、微分関数と平滑化関数を一つのフィルタ中へ組み合わせる。ウォッシュアウトフィルタを以下の式で表わすことができる。
Figure 2009537228
式中、pはポールの場所を決定するが、一般に、最も速いシステムポールより2〜3倍速く場所決めされるべきである。
より詳細には、負荷エンコーダ即ちセンサ422は、順運動学プロセス426 (アームのデカルトの終端位置を負荷位置の関数として算出する)および重力補正プロセス430 (アームリンクへの重力負荷を打ち消すために必要なアクチュエータトルクまたは力(アクチュエータの型によって決定される)を負荷位置の関数として算出する)への入力値である負荷位置を決定する。代替的には、重力補正プロセス430はジョイントトルクを算出し、それを次にアクチュエータトルクに変換し、その後アクチュエータに送ることができる。それは触覚デバイスアーム動力学プロセス470 の一部であり、それによってアクチュエータはシステムにトルクを加える。現在のツール先端場所である順運動学プロセス426の出力値は、触覚コントローラ即ち触覚力算出器432への入力値である。ヤコビアンプロセス418から得られる速度が、触覚コントローラ432への第2の入力である。触覚コントローラ432の出力は触覚力(F触覚)である。触覚力(F触覚)は、ヤコビアン転置プロセス462への入力であり、そのヤコビアン転置プロセス462の出力は、触覚アクチュエータトルクおよび／または力(τ触覚)である。代替的には、その出力は触覚ジョイントトルクおよび／または力であって、それが触覚アクチュエータトルクおよび／または力に変換された後に、ブロック470に供給される。
図3Aを参照すると、一つの態様では、触覚コントローラ432は、触覚提示プロセスまたはアルゴリズム434および加算器438の両方を含む。基準ツール先端場所である触覚提示プロセス434の出力は、加算器438への入力の一つである。加算器438への他の入力は順運動学プロセス426からの位置情報である。加算器438の出力は、現在のツール先端場所(x)と基準ツール先端場所(xd)との間の差、即ち位置偏差(dx)である。触覚提示プロセス434は、例えば、それぞれが参照によりその全体が本明細書に組み入れられる、2006年12月27日に出願された米国特許出願第11/646,204号；2007年5月18日出願の米国特許出願、タイトル「Method and Apparatus for Controlling a Haptic Device」(代理人整理番号第051892-0248号)；2007年5月18日出願の米国特許出願、タイトル「Method and Apparatus for Controlling a Haptic Device」(代理人整理番号第051892-0250号)；および／または2007年5月18日出願の米国特許出願、タイトル「Method and Apparatus for Controlling a Haptic Device」(代理人整理番号第051892-0253号)に開示されている触覚提示プロセスであってもよい。
触覚提示アルゴリズム434からの基準ツール場所(xd)はさらに、微分器即ち微分演算器442への入力でもある。微分器442の出力(xd)は、基準ツール先端場所の速度である。微分器442からの基準ツール先端場所の速度が加算器446へ入力され、ヤコビアンプロセス418からの算出された終端速度(x)がそれから引き算される。二つの速度間の差が速度偏差(dv)である。
位置偏差(dx)にばね定数(Kp) 450を掛け合わせて、ばね力(Fばね)を得て、速度偏差(dv)に制動定数(Kd) 454を掛け合わせて、制動力(F制動)を得る。加算器458が制動力(F制動)とばね力(Fばね)を加えて、触覚力(F触覚)を生成する。
加算器466が、触覚トルクおよび／または力(τ触覚)を、重力補正プロセス430の出力である重力補正トルクまたは力(τ重力_補正)に加えて、アクチュエータが生成するべき全トルクまたは力(τ合計)を得る。この全トルクまたは力(τ合計)は、ブロック470のアーム動力学プロセスへの入力であり、それは次に、ユーザ相互作用、解剖相互作用およびアクチュエータ力に応答し、それがアクチュエータを動かす。アクチュエータの運動は、再びアクチュエータエンコーダ410および負荷エンコーダ422によって検出される変化を引き起こし、制御ループが閉じる。
さらに別の態様では、負荷エンコーダ422は終端場所の直接測定法と置き換えられる。この態様では、ブロック422 (負荷エンコーダ)および426 (順運動学)は必要ではなく、終端センサからの直接信号がブロック432に供給される。重力補正プロセス430は、その入力をブロック410からのアクチュエータ位置出力から取り入れ、それはここでは、重力補正プロセス430によってジョイント角度に変換されなければならない。
図4を参照すると、一つの態様では、前図の制御ループがジョイント空間に描かれている。この態様では、アクチュエータエンコーダ即ちセンサ510が、アクチュエータ出力位置を測定する。速度フィルタ514が単位時間当たりの出力位置変化量を測定することによって、このアクチュエータ出力位置を速度(qM)に変換する。
ジョイントエンコーダ即ちセンサ522は、順運動学プロセス526、重力補正プロセス530および加算器538への入力値であるジョイント(負荷)位置(qL)を決定する。現在のツール先端場所である順運動学プロセス526の出力値は、触覚提示プロセスまたはアルゴリズム534への入力値である。基準ツール先端場所である触覚提示プロセス534の出力は逆運動学プロセス536への入力であり、逆運動学プロセス536の出力、基準ジョイント角度(qLd)は、加算器538への第2の入力および微分器即ち微分演算器542への入力の両方である。加算器538の出力は、現在のジョイント位置と基準ジョイント位置との間の差、即ちジョイント位置偏差(dq)である。
微分器542の出力は、所望のジョイント速度である。微分器542からのジョイント速度(qL)は加算器546へ入力され、速度フィルタ514からのジョイントの速度(qM)がそれから引き算される。二つの速度の間の差がジョイント速度偏差(dqv)である。
ジョイント位置偏差(dq)にばね定数(Kp) 550を掛け合わせて、ばねトルク(τばね)を得て、ジョイント速度偏差に制動定数(Kd) 554を掛け合わせて制動トルク(τ制動)を得る。加算器558が、制動トルク(τ制動)とばねトルク(τばね)を加えて、触覚トルク(τ触覚)を生成する。加算器566は、触覚トルク(τ触覚)を重力補正プロセス530の出力である重力補正トルク(τ重力_補正)に加え、アクチュエータが生成するべき全トルク(τ合計)を得る。この全トルク(τ合計)は、アーム動力学プロセス570への入力であり、それによってアクチュエータがシステムにトルクを加える。トルクが、アクチュエータエンコーダ510およびジョイントエンコーダ522によって検出される運動を引き起こし、制御ループが閉じる。図4の態様では、利得KpおよびKdには、図3の場合のツール先端場所ではなく、ジョイント角度を掛け合わせることに注意すること。異なる型のアクチュエータをシステムに用い、利得KpおよびKdを個々のジョイントについて調整しなければならない場合には、この実施が好都合である可能性がある。図4では、自由度1のシステムに対する単一のトルクまたは力について記述しているが、多自由度システムでは、プロセスを繰り返し、複数のトルクまたは力を加えて、システムに対する全トルクまたは力を生成すればよいことに、注目するべきである。
図4Aを参照すると、図4のシステムのさらに別の態様が示される。この態様では、重力補正ブロック530が、その入力値をアクチュエータエンコーダ510の出力から得る。さらに、順運動学プロセス526および逆運動学プロセス536は除かれている。この場合、触覚提示アルゴリズム534はジョイント空間触覚対象物を提示するために用いられ、ツール先端場所ではなく所望のジョイント角度を出力する。例えば、ジョイントの物理的ハードウェアを変更せずに、ソフトウェアによって作成されたジョイント止めまたは移動止めを用いて、ユーザから見たジョイントの物理的な動作を変更することができる。図3および図4に示した複数のコントローラからのτ触覚出力を、加算器566に供給する前に加えることによって、これらのジョイント空間触覚対象物を他の触覚対象物と組み合わせることもできる。
本発明の二重センサ制御の長所の一つは、駆動端および負荷端位置センサの両方の使用によって、コントローラが触覚制御の安定性を改善するために用いることができる追加の情報が提供されることであり、それによって触覚壁の剛性が増大する。本発明の二重センサ制御のもう一つの長所は、負荷端センサからのデータを駆動端センサからのデータと比較して、センサまたは伝動器の欠陥を検出できることであり、それによってシステムの安全性が高められる。二重センサを用いて、任意の適当な方法で触覚制御出力を算出できるが、駆動端出力位置センサ(例えばアクチュエータエンコーダ)を用いて速度信号を、負荷端出力位置センサ(例えばジョイントエンコーダ)を用いて負荷出力位置信号を制御アルゴリズムに提供することが、従来の単一センサ解決法と比較して、触覚デバイスの安定性および精度を高める単純で速い方法である。本発明の二重センサ制御のさらに別の長所は、負荷端センサからのデータを駆動端センサからのデータと比較して、ケーブル伝動器のコンプライアンスおよびヒステリシスの影響を測定し、修正することができることである。その結果、終端位置の決定精度が改善される。
このように、本発明は触覚デバイスを制御し、ケーブル伝動器のコンプライアンスおよびヒステリシスを補正して、高精度かつ確実にユーザの行動を誘導するために十分な壁剛性をもって、物理的な空間の正確な場所に触覚表面を提示することを可能にする。
本発明を、ある例示的な好ましい態様によって記述してきたが、通常の技術を有する当業者は、本発明がそのように限定されるものではなく、特許請求される本発明の範囲内において、好ましい態様への多くの追加、削除および修飾を行うことができることを容易に理解し認識すると考えられる。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。
あるケーブル駆動システムの態様の透視図である。 一次元拘束モデルの態様の図解である。 本発明によって実施される一次元拘束モデルの態様の図解である。 デカルト空間における本発明のシステムおよびプロセスの態様のブロック図である。 図3の触覚力算出器ブロックのブロック図である。 ジョイント空間における本発明のシステムおよびプロセスの態様のブロック図である。 図4のシステムの、別の態様のブロック図である。

Claims (14)

  1. アクチュエータと；
    アクチュエータと通信し、アクチュエータ速度を示すアクチュエータ信号を生成するアクチュエータセンサと；
    負荷と；
    負荷と通信し、負荷位置を示す負荷出力信号を生成する負荷出力センサと；
    負荷出力センサ、アクチュエータセンサおよびアクチュエータと電気的に通信し、ユーザに触覚応答を提供するために、アクチュエータ信号および負荷出力信号に応じてアクチュエータを制御する、コントローラとを含む、
    触覚デバイス。
  2. アクチュエータおよび負荷と通信するケーブル駆動伝動器をさらに含む、請求項1記載の触覚デバイス。
  3. コントローラが、負荷出力信号に応じて重力補正トルクおよびデカルトの終端位置を決定する、請求項1記載の触覚デバイス。
  4. コントローラが、フィルタリングされたアクチュエータ速度を形成するためにアクチュエータ信号をフィルタリングし、かつフィルタリングされたアクチュエータ速度にヤコビアンを掛け合わせることにより終端速度を算出することによってアクチュエータを制御する、請求項1記載の触覚デバイス。
  5. コントローラが、終端速度差を形成するために終端速度から基準速度を引き、かつ終端速度差に制動利得を掛け合わせることによって制動力を算出する、請求項4記載の触覚デバイス。
  6. コントローラが制動力に応じて所望の触覚力を算出する、請求項5記載の触覚デバイス。
  7. 出力センサが、光エンコーダ、電気エンコーダ、磁気エンコーダおよびポテンショメータを含む群より選択される、請求項1記載の触覚デバイス。
  8. アクチュエータの速度を示すアクチュエータ信号を生成する段階；
    負荷の位置を示す負荷位置信号を生成する段階；ならびに
    ユーザへの触覚応答を生成するために、アクチュエータ信号および負荷位置信号に応じてアクチュエータを制御する段階を含む、
    触覚デバイスのアクチュエータを制御するための方法。
  9. 負荷位置信号に応じて重力補正トルクおよびデカルトの終端位置を決定する段階をさらに含む、請求項8記載の方法。
  10. アクチュエータの制御が、フィルタリングされたアクチュエータ速度を形成するためにアクチュエータ信号をフィルタリングし、かつフィルタリングされたアクチュエータ速度にヤコビアンを掛け合わせることによって終端速度を算出する段階を含む、請求項8記載の方法。
  11. 終端速度差を形成するために終端速度から基準速度を引き、かつ終端速度差に制動利得を掛け合わせることによって制動力を算出する段階をさらに含む、請求項10記載の方法。
  12. 制動力に応じて所望の触覚力を算出する段階をさらに含む、請求項11記載の方法。
  13. モータと；
    モータと通信し、モータ速度を示すモータ信号を生成するモータセンサと；
    ジョイントと；
    ジョイントと通信し、ジョイントの位置を示すジョイント位置信号を生成するジョイントセンサと；
    ジョイントセンサ、モータセンサおよびモータと電気的に通信し、ユーザに触覚応答を提供するためにモータ信号およびジョイント位置信号に応じてモータを制御する、コントローラとを含む、
    触覚デバイス。
  14. 入力側および出力側を有する伝動器と；
    入力側と通信するアクチュエータと；
    アクチュエータと通信し、アクチュエータ速度を示すアクチュエータ信号を生成するアクチュエータセンサと；
    出力側と通信し、出力側の位置を示す位置信号を生成する位置センサと；
    位置センサ、アクチュエータセンサ、およびアクチュエータと電気的に通信し、ユーザに触覚応答を提供するためにアクチュエータ信号および位置信号に応じてアクチュエータを制御する、コントローラとを含む、
    触覚デバイス。
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