JP2012128795A - 側面設置型力覚提示インターフェイス - Google Patents
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Abstract
操作空間が広く、人間の指へそれぞれ3次元の力覚及び仮想物体の重量感を提示でき、さらに、圧迫感や装置の重量感を与えることがなく、安全で、小さな仮想物体を扱うことが可能な側面設置型力覚提示インターフェイスを提供する。
【解決手段】
力覚提示インターフェイスは操作者Hの手の指の運動に追従可能な複数の触覚指21〜25を有する触覚指ベース16と、触覚指ベースの空間運動を可能とするアーム機構110と、操作者Hの手の位置及び姿勢に連動させてアーム機構110を駆動制御するとともに、指の動きに連動させて触覚指を駆動制御するコントローラを有する。力覚提示インターフェイスは触覚指ベース16を操作者Hの手の甲側において甲から離間した状態で、触覚指に対して前記操作者の指に取付けするための指フォルダ26が設けられている。
【選択図】図1
Description
非特許文献1では、2台のシリアルリンク型の力覚提示デバイスが設置されて、2本の指先に力覚を提示するように構成されている。又、非特許文献2では、3台のシリアルリンク型力覚提示デバイスが設置されることで、3本の指先に力覚の提示を可能にしている。
請求項4の発明は、請求項1乃至請求項3のうちいずれか1項において、前記指取付手段には、前記操作者の指の腹の部分が接触する部位を備え、前記指の腹の部分が接触する部位には、前記指の腹の部分に集中して力が作用するように凸部が形成されていることを特徴とする。
請求項7の発明は、請求項6において、前記吸着手段が、前記関節球を磁力により吸着保持する磁力発生手段であることを特徴とする。
請求項4の発明によれば、操作者の指の腹の部分に、指取付手段に設けられた凸部が当接して、指の腹の部分に集中して力が作用することにより、操作者の指の腹の部分に対して明確な3次元の力覚提示を行うことができる。
請求項6の発明によれば、触覚指には前記関節球を吸着保持する吸着手段が設けられている。この結果、吸着手段により、関節球が吸着されて保持され、操作者の指に過度の引っ張り力が作用すると、自動的に関節球は触覚指から離脱し、操作者の指に引っ張り力が生じない。このため、触覚指と指取付手段との接続が解除できるため安全であり、操作者は安心して力覚提示インターフェイスを扱うことができる。
請求項8の発明によれば、操作者の両側面から、側面設置型力覚提示インターフェイスを2台設置することで、両手指に3次元の力覚提示ができる。又、これにより、遠隔操作や仮想環境において、両手指を使った繊細・精巧・巧みな作業を行える力覚提示デバイスを提供できる。
図1に示すように、インターフェイス100A,100Bは、インターフェイスハンド120の構成が、若干異なるだけであるため、以下では、右手用のインターフェイス100Aを図1〜7を参照して具体的に説明する。左手用のインターフェイス100Bの構成については、インターフェイス100Aの構成と同一構成又は相当する構成に同一符号を付する。
本実施形態ではアーム機構110は、ベース10に接続された第1アーム11に対し、第1関節17を介して第2アーム12が接続されている。第1関節17は、第1アーム11と同軸の軸a1の周りで能動回転する。なお、図1は概略図であるため、アーム機構110はいくつかのアームが省略されて、簡略化されて図示されている。
また、第1関節17〜第6関節20Cの駆動モータ(図示しない)には、回転角度を検出する第2検出手段としての後述するロータリエンコーダARE1〜ロータリエンコーダARE6が設けられている。これらのロータリエンコーダARE1〜ロータリエンコーダARE6により、前記各軸a1〜a6の周りの回転角度が検出される。
次に、右手用のインターフェイスハンド120について説明する。
図4に示すように、インターフェイスハンド120の触覚指ベース16は、人の右手の甲を覆う大きさに形成されている。触覚指ベース16には、触覚指ベース16を人の右手に対して甲側から配置したとき、前記右手の第1指(親指)に対応する側部からは、延出部16aが形成されている。延出部16aの先端には、第1触覚指21が連結されている。又、触覚指ベース16の先端には、4本の第2触覚指22〜第5触覚指25が連結されている。前記第1触覚指21〜第5触覚指25は、それぞれ人の右手の第1指〜第5指に対して甲側から取付け可能に、触覚指ベース16に対して配置されている。
第1触覚指21〜第5触覚指25は全て同一構成であるため、第1触覚指21について説明する。
次にインターフェイス100Aに関する装置の電気的構成を、図8を参照して説明する。
コントローラ200Aは、コンピュータにより構成され、CPU40a(中央処理装置)、ROM40b、RAM40cを備えている。ROM40bには、インターフェイス100Aを制御するための制御プログラムを始め各種制御プログラムが格納されている。RAM40cは、CPU40aが演算処理する際の作業用メモリとなり、各種制御プログラムを実行したときの、各種演算結果や、検出値を格納する。
インターフェイス100Bに関するコントローラ200Bは、コントローラ200Aと同一構成であるため説明を省略する。従って、コントローラ200Bは、コントローラ200Aと同様に、インターフェイス100Aと同一の構成を有するインターフェイス100Bを制御可能である。
次に、操作対象部300について説明する。操作対象部300は、人間型ハンドをもつスレーブロボットおよびそのスレーブロボットコントローラ(以後、ロボット制御器と呼ぶ)からなる。このスレーブロボットには駆動モータ等の駆動源、ロータリエンコーダ等の関節角度センサ、フィンガー先端には3軸力覚センサが取り付けられている。
次に、本実施形態の力覚提示インターフェイスの作用を説明する。
なお、下記の説明中、数式において、太文字で表した変数はベクトルあるいは行列であり、説明の中では通常の文字(太文字ででない文字)で引用して説明する。また、上付や下付の添え字については、適宜()で引用して記載する。さらに、式の表記において、変数上の1ドットは、1階の時間微分を表す。
両手に各インターフェイスハンド120を装着後、操作者Hが自由に両手を動かすと、操作対象部300はその手Haの位置・姿勢に対応した動作を行うよう、コントローラ200A,200Bで制御される。
以下、具体的に説明する。
コントローラ200A,200Bは、触覚指の制御とアーム機構110の制御を所定制御周期で行う。すなわち、コントローラ200A,200Bは、各ロータリエンコーダと、3軸力覚センサ28の検出信号等に基づいて、触覚指に搭載されている駆動モータのモータ動作指令値と、アーム機構110に搭載されている駆動モータのモータ動作指令値を計算し、算出したモータ動作指令値を各モータドライバ45,46に出力し、モータドライバ45,46は、この指令値に従って対応する駆動モータを駆動する。ここで、触覚指は、前記モータ動作指令値により、インターフェイスにより指の腹の部分に印加される指先力が目標力となるように制御されるとともに、アーム機構110の各アームは、前記モータ動作指令値により評価関数PIが最大となるように制御される。評価関数PIに関しては、後述する。
コントローラ200A,200Bは、下記の触覚指の制御則に従って、触覚指を、所定制御周期で制御する。
又、コントローラ200A,200Bは、下記のアーム機構の制御則に従って、前記触覚指の制御とともに所定制御周期でアーム機構110を制御する。
次に、評価関数PIについて説明する。
インターフェイス100A,100Bと操作者Hの干渉(または衝突)を避けるため、コントローラ200A,200Bは干渉回避制御法により、インターフェイス100A,100Bを制御する。ここで干渉回避制御法として、アームを位置制御し、位置・姿勢の目標値をインターフェイスハンドの可操作性と干渉のペナルティ関数の総和である評価関数PIを最大とするように逐次設定する。
操作対象部300を遠隔操作して何らかの対象物を操作するときは、操作対象部300にある図示しない3軸力覚センサにより、コントローラ200A,200Bは、操作対象部300から対象物の間に生じる干渉力(すなわち、力情報)を取得できる。
以上により、操作者Hは、力覚提示インターフェイスを用いて操作対象部300の遠隔操作を実現する。
(1) 本実施形態の力覚提示インターフェイスは、操作者Hの手の指の運動に追従可能な複数の触覚指21〜25を有する触覚指ベース16と、触覚指ベース16の空間運動を可能とするアーム機構110と、操作者Hの手の位置及び姿勢に連動させてアーム機構110を駆動制御するとともに、前記指先の動きに連動させて第1触覚指21〜25を駆動制御するコントローラ(制御手段)200A,200Bを有する。
(2) 本実施形態の力覚提示インターフェイスのコントローラ200A,200B(制御手段)は、3次元位置姿勢センサ42(第1検出手段)の検出結果と、アーム機構110の各アームの関節角度に基づいて、指フォルダ26(指取付手段)を除いて、アーム機構110の手首と、操作者Hの手首の干渉回避のための評価関数PIを演算し、評価関数PIの演算結果に基づいて、アーム機構110の制御を行う。この結果、算出された評価関数PIの結果に基づいて、アーム機構110と操作者Hの手Haの干渉を回避できる。すなわち、アーム機構110の手首と、操作者Hの手首の干渉回避のための評価関数PIを演算することにより、アーム機構110の手首と、操作者Hの手首の干渉が回避され、この結果、アーム機構と操作者の腕の干渉回避ばかりか、インターフェイス(アーム機構とハンドを含む)と操作者(手と腕を含む)の干渉回避を実現できる。
(4) 本実施形態の力覚提示インターフェイスによれば、操作者Hの指Yaの腹の部分Ybに、指フォルダ26に設けられた凸部26eが当接して、指Yaの腹の部分Ybに集中して力が作用する。このことにより、操作者Hの指Yaの腹の部分Ybに対して明確な3次元の力覚提示を行うことができ、指Yaの腹の部分Ybへの力覚がよりリアリティのあるものとなる。
・ 前記実施形態では、力覚提示システムを、一対のインターフェイス100A,100B及び一対のコントローラ200A,200Bを含むようにしたが、いずれか一方のインターフェイスとコントローラにより力覚提示システムを構成してもよい。この場合は、人の右手用、又は左手用の力覚提示システムとなるが、これでもよい。
・ 前記実施形態では、触覚指は4関節3自由度としたが、限定されるものではなく、4自由度以上となるように構成してもよい。
14…第4アーム、15…第5アーム、16…触覚指ベース、16a…延出部、
17…第1関節、18…第2関節18、19…第3関節、
20…関節部、20A…第4関節、20B…第5関節、20C…第6関節、
21…第1触覚指、22…第2触覚指、23…第3触覚指、24…第4触覚指、
25…第5触覚指、26…指フォルダ(指取付手段)、
26a…フォルダ部、26d…関節球、26e…凸部、
27…締付けバンド、28…3軸力覚センサ、
29…第3リンクの先端部、
30…凹部、31…第1リンク、32…第2リンク、
33…第3リンク、34…関節部、インターフェイス
34A…第1の関節、34B…第2の関節、
35…第3の関節、36…第4の関節、
40a…CPU、42…3次元位置姿勢センサ(第1検出手段)、
45…第1触覚指駆動装置
100A,100B…インターフェイス、
120…インターフェイスハンド、
200a,200B…コントローラ(制御手段)、
300…操作対象部
ARE1〜6…ロータリエンコーダ(第2検出手段)、
URE1〜3…ロータリエンコーダ(検出手段)。
Claims (8)
- 操作者の指の運動に追従可能な5本以下の触覚指を有する触覚指ベースと、前記触覚指ベースの空間運動を可能とするアーム機構と、前記操作者の手の位置及び姿勢に連動させて前記アーム機構を駆動制御するとともに、前記操作者の指の動きに連動させて前記触覚指を駆動制御する制御手段を有する側面設置型力覚提示インターフェイスにおいて、
前記触覚指と触覚指ベースを前記操作者の手の甲側において前記甲から離間した状態で、前記触覚指に対して前記操作者の指に取付けするための指取付手段が設けられていることを特徴とする側面設置型力覚提示インターフェイス。 - 前記操作者の手首の位置姿勢を検出するための第1検出手段と、
前記アーム機構の手首の位置姿勢を検出するための第2検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記第1検出手段の検出結果と、前記第2検出手段の検出結果に基づいて、前記指取付手段を除いて、前記アーム機構の手首と、前記操作者の手首の干渉回避のための評価関数を演算し、前記評価関数の演算結果に基づいて、前記アーム機構の制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。 - 前記制御手段は、前記評価関数が最大となる前記アーム機構の制御を行うことを特徴とする請求項2に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
- 前記指取付手段には、前記操作者の指の腹の部分が接触する部位を備え、前記指の腹の部分が接触する部位には、前記指の腹の部分に集中して力が作用するように凸部が形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のうちいずれか1項に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
- 前記指取付手段は、前記触覚指の先端側に転動自在に設けた関節球と、同関節球に連結されるとともに操作者の指先を連結する指フォルダを含むことを特徴とする請求項1乃至請求項4のうちいずれか1項に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
- 前記触覚指には前記関節球を吸着保持する吸着手段が設けられていることを特徴とする請求項5に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
- 前記吸着手段が、前記関節球を磁力により吸着保持する磁力発生手段であることを特徴とする請求項6に記載の側面設置型力覚提示インターフェイス。
- 請求項1乃至請求項7のいずれか1項の側面設置型力覚提示インターフェイスが、操作者の左手に取り付けられる触覚指を有する側面設置型力覚提示インターフェイスと、前記操作者の右手に取り付けられる触覚指を有する側面設置型力覚提示インターフェイスとを含み、両側面設置型力覚提示インターフェイスが組み合わせてなることを特徴とする側面設置型力覚提示インターフェイス。
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