JP2804033B2 - Man-machine interface - Google Patents
Man-machine interfaceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の目的〕
（産業上の利用分野）
この発明は、ロボットなどの操縦に使用するコンピュ
ータの２次元的な信号入力装置に係るマンマシンインタ
ーフェースに関するものである。
（従来の技術）
現在、ロボットなどコンピュータで制御される機械を
人間がリアルタイムで操縦するには、いくつかの方法が
あり、一つは、スイッチなどを操作して必要な情報を入
力することがある。これは、操作対象が目的の位置に達
したり、目的の動作が完了したことを目視などによって
確認してスイッチを操作する。この方法は、いわゆるON
−OFF信号で情報の入力を行なうものであり目的の操作
が複雑であるほど繁雑で操作時間がかかるうえ、微妙な
制御を行うためには分離検出能力が不十分であった。
一方、ON−OFFに対してアナログ量の情報を入力でき
るインターフェースには、第５図に示すような可変抵抗
素子を使ったジョイスティック９あるいはスライド形の
ボリウムが使われることがある。これらの操作は、操縦
者が手や指でレバーやつまみを動かすことで行う。一例
として、ジョイスティック９の場合はレバーを倒す方向
と倒す角度でx,yそれぞれの位置情報10が変わるので操
縦する意思の方向とその強さをベクトル的に表すことに
なる。しかし、手首を曲げたりひねったりする動きや、
レバーやつまみを操作する動きが大きくなり、やはり目
的の操作が複雑であるほど繁雑になるうえ操作速度を速
くすることが困難である。また、位置などを指し示すた
めのインターフェースとしては、マウスやトラックボー
ルがポインンティングデバイスとして用いられることが
ある。しかし、これらも操縦するための手や指の動きが
比較的大きく、上述したような、手や指の動きが大きく
なって操作速度が低下することの欠点は避けられない。
（発明が解決しようとする問題点）
この発明は、ロボットの操縦に使用するコンピュータ
の信号入力装置のうち、人間からの信号入力に際して
の、上述した手や指の動きが大きくなって操作速度が低
下するといった不都合な点を改善し、操縦者の意思が速
く効率よく入力できるマンマシンインターフェースを提
供することを目的とする。
〔発明の構成〕
（問題点を解決するための手段）
この発明のマンマシンインターフェースは、第１図に
示すように、少なくとも３個以上の複数個の、圧力に応
じて電気的特性が変化する圧力−電気変換素子１の感圧
部をこれら３個以上の圧力−電機変換素子１を操縦者が
指で触ることのでき平面（インターフェース面）に沿っ
て一体的に配置した多点の触覚センサ２とこの触覚セン
サ２を操縦者が任意の１本の指の指先で押せるように配
置することと、この触覚センサの出力信号８を受けてア
ナログ−デジタル変換するためのADコンバータ３と、こ
のADコンバータの出力する圧力情報４を受けて圧力を算
出し圧力分布の状況を２次元的にベクトル演算して、制
御方向情報と制御量情報を求める演算処理部部５とから
構成される。
（作 用）
この発明のマンマシンインターフェースの作用を第１
図を用いて説明する。触覚センサ２は少なくとも３個以
上の圧力−電機変換素子１から構成されている。この圧
力−電気変換素子１の感圧面は相互に数ミリメートル間
隔で平面上に配列され操縦者の任意の１本の指で押され
るよう構成されている。触覚センサ２の出力８はＡ−Ｄ
コンバータ３によって各圧力−電気変換素子１の出力ご
とにＡ−Ｄ変換され各出力−電気信号変換素子１ごとの
圧力情報４を得る。この圧力情報４は演算処理部部５に
よって圧力−電気信号変換素子１ごとの特性をリニアラ
イズしたり、複数個の分布点ごとのデータの差分の演算
などをデジタル信号処理されて方向情報６と制御量情報
７とを得る。
例えば、触覚センサ２が、第１の圧力−電気変換素子
11と第２の圧力−電気変換素子12と第３の圧力−電気変
換素子13とから構成されて、その配列が第２図のように
正三角形になっているとする。もし、操縦者の指先によ
って第１の圧力−電気変換素子11だけが押されていれ
ば、方向情報６は第２図（１）のように、正三角形の重
心を中心として第１の圧力−電気変換素子11の方向を示
すベクトルとして表され、制御量情報７は第１の圧力−
電気変換素子11からの圧力情報４を絶対値をとったもの
になる。
また、第１の圧力−電気変換素子11と第２の圧力−電
気変換素子12が押されているとすると方向情報６は第２
図（２）に示すように第１の圧力−電気変換素子11と第
２の圧力−電気変換素子12へ向かう２つのベクトルを合
成した方向になり、制御量情報７は第１の圧力−電気変
換素子11と第２の圧力−電気変換素子12からの圧力情報
４の絶対値を加算するように演算処理部５は作用する。
これらの方向情報６と制御量情報７とは第５図の従来
のジョイスティック９のレバーの倒れる方向とその倒れ
る角度に相当することになる。このため、この発明のマ
ンマシンインターフェースはジョイスティックの置き換
えとしても使用できる。
（実施例）
第１図に、この発明の第１の実施例を示す。触覚セン
サ２は、３つの圧力−電気変換素子で構成される多点の
平面型で、その３つの圧力−電気変換素子の圧力検出部
は数ミリメートル間隔で正三角形状で同一平面に配列し
てあり、人間の指先で任意の圧力配分で押さるようなイ
ンターフェース形状にする。圧力−電気変換素子１は、
半導体膜厚をダイヤフラム上に構成したものから成って
いる。そして、基準電圧を印加しておいて、圧力に応じ
て抵抗値など電気的特性が変化することを出力とする。
触覚センサ２の出力信号８は、ADコンバータで、３つの
圧力−電気変換素子ごとに個々にＡ−Ｄ変換されたデジ
タル信号になる。演算処理部５はこの個々の圧力信号
を、必要に応じてリニアライズなどセンサの特性上の補
正などを施して、比較・絶対値検出などの演算をデジタ
ル信号で処理して、操縦者が触覚センサを押した状態を
平面上における圧力分布として求め、圧力の方向ベクト
ルと全体を押す圧力の絶対値を出力する。ｘ−ｙ座標系
を適用するならば第２図に示すように正三角形の重心を
中心としてｘ−ｙ平面を当てはめ、圧力−電気変換素子
11〜13の圧力信号をベクトルP11〜P13とすると圧力のx,
y成分PX,PYは次式で求める。 さらに、圧力の絶対値PABSは次式のように各圧力−電
気変換素子11〜13の圧力信号ベクトルP11〜P13の大きさ
の和として求める。
これらより、方向ベクトル（PX,PY）と全体を押す圧
力の総和の絶対値PABSを求めることができる。
つぎに、この発明の第２の実施例を第３図に示す。こ
の例は、触覚センサに、２×２のマトリックス構成にし
た圧力−電気変換素子１を用いている。第４図に示すよ
うにマトリックスの重心を中心としてｘ−ｙ平面を当て
はめ、圧力−電気変換素子11〜14の圧力信号をベクトル
P11〜P14とすると圧力のx,y成分PX,PYは次式で求める。
さらに、圧力の絶対値値PABSは次式のように各圧力−
電気変換素子11〜14の圧力信号ベクトルP11〜P14の大き
さの和として求める。
これらより、方向ベクトル（PX,PY）と全体を押す圧
力の絶対値PABSを求めることができる。
また、これ以上の多点の触覚センサであってもセンサ
の重心からどの方向に２次元的な圧力分布が広がってい
るのか演算可能なので、この発明の請求範囲では触覚セ
ンサの圧力検出点の数とその分布構成は問わない。
〔発明の効果〕
本発明によれば、半導体からなる圧力−電気変換素子
を、インターフェース面に沿って少なくとも３個以上を
一体的に配置してなる触覚センサを用いたことにより、
複雑な操縦でも容易にコンピュータに入力することがで
きる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Field of Industrial Application) The present invention relates to a man-machine interface related to a two-dimensional signal input device of a computer used for controlling a robot or the like. (Prior art) At present, there are several methods for human beings to control a machine controlled by a computer such as a robot in real time. One method is to input necessary information by operating a switch or the like. is there. In this case, the switch is operated after visually confirming that the operation target has reached the target position or that the target operation has been completed. This method is called ON
The information input is performed by the -OFF signal, and the more complicated the target operation is, the more complicated the operation becomes and the longer the operation time becomes. In addition, the separation detection ability is insufficient for performing delicate control. On the other hand, a joystick 9 using a variable resistance element or a slide-type volume as shown in FIG. 5 may be used as an interface capable of inputting information of an analog amount for ON-OFF. These operations are performed by the operator moving a lever or a knob with a hand or finger. As an example, in the case of the joystick 9, since the position information 10 of each of x and y changes depending on the direction in which the lever is tilted and the angle at which the lever is tilted, the direction of the intention to steer and the strength thereof are expressed in a vector. However, the movement of bending and twisting the wrist,
The movement of operating the levers and knobs increases, and the more complicated the target operation becomes, the more complicated the operation becomes, and it is difficult to increase the operation speed. As an interface for indicating a position or the like, a mouse or a trackball may be used as a pointing device. However, in these cases, the movements of the hands and fingers for steering are relatively large, and the drawbacks described above that the movements of the hands and fingers are increased and the operation speed is reduced are unavoidable. (Problems to be Solved by the Invention) According to the present invention, among the signal input devices of a computer used for controlling a robot, the movement of the above-described hand or finger at the time of inputting a signal from a human becomes large and the operation speed is reduced. It is an object of the present invention to provide a man-machine interface capable of improving inconveniences such as lowering and inputting a driver's intention quickly and efficiently. [Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) In the man-machine interface of the present invention, as shown in FIG. 1, at least three or more of the plurality of electrical characteristics change according to the pressure. A multi-point tactile sensor in which the pressure-sensitive part of the pressure-electric conversion element 1 is arranged integrally along a plane (interface surface) where the operator can touch the three or more pressure-electric conversion elements 1 with a finger. An AD converter 3 for receiving an output signal 8 of the tactile sensor and performing an analog-digital conversion; An arithmetic processing unit 5 receives the pressure information 4 output from the AD converter, calculates the pressure, performs a two-dimensional vector operation on the state of the pressure distribution, and obtains control direction information and control amount information. (Operation) First, the operation of the man-machine interface of the present invention will be described.
This will be described with reference to the drawings. The tactile sensor 2 includes at least three or more pressure-electric machine conversion elements 1. The pressure-sensitive surfaces of the pressure-electric conversion element 1 are arranged on a plane at intervals of several millimeters from each other, and are configured to be pressed by an arbitrary one finger of the operator. The output 8 of the tactile sensor 2 is AD
The converter 3 performs AD conversion for each output of each pressure-electric conversion element 1 to obtain pressure information 4 for each output-electric signal conversion element 1. The pressure information 4 is subjected to digital signal processing such as linearization of characteristics of each pressure-electrical signal conversion element 1 by a processing unit 5 or calculation of a difference between data for each of a plurality of distribution points. Control amount information 7 is obtained. For example, the tactile sensor 2 is a first pressure-electric conversion element.
It is assumed that the arrangement is composed of 11, a second pressure-electricity conversion element 12, and a third pressure-electricity conversion element 13, and the arrangement is an equilateral triangle as shown in FIG. If only the first pressure-electrical conversion element 11 is pressed by the operator's fingertip, the direction information 6 becomes the first pressure-electrical force centering on the center of gravity of the equilateral triangle as shown in FIG. It is expressed as a vector indicating the direction of the electric conversion element 11, and the control amount information 7 is the first pressure-
The pressure information 4 from the electric conversion element 11 is an absolute value. If the first pressure-electric conversion element 11 and the second pressure-electric conversion element 12 are pressed, the direction information 6
As shown in FIG. 2B, the direction becomes a direction in which two vectors directed to the first pressure-electric conversion element 11 and the second pressure-electric conversion element 12 are combined, and the control amount information 7 is the first pressure-electric conversion element. The arithmetic processing unit 5 operates to add the absolute value of the pressure information 4 from the conversion element 11 and the second pressure-electric conversion element 12. The direction information 6 and the control amount information 7 correspond to the direction and angle at which the lever of the conventional joystick 9 in FIG. 5 falls. For this reason, the man-machine interface of the present invention can be used as a joystick replacement. (Embodiment) FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. The tactile sensor 2 is a multi-point planar type composed of three pressure-electrical conversion elements, and the pressure detection units of the three pressure-electrical conversion elements are arranged on the same plane in a regular triangular shape at intervals of several millimeters. Yes, with an interface shape that can be pressed with an arbitrary pressure distribution with a human fingertip. The pressure-electric conversion element 1 is
The semiconductor film is formed on a diaphragm. Then, a reference voltage is applied, and a change in electrical characteristics such as a resistance value according to the pressure is output.
The output signal 8 of the tactile sensor 2 is a digital signal that has been A / D converted individually for each of the three pressure-electric conversion elements by an AD converter. The arithmetic processing unit 5 subjects the individual pressure signals to corrections on sensor characteristics such as linearization as necessary, and processes digital signals for operations such as comparison and absolute value detection, so that the operator can feel tactile sensation. The state in which the sensor is pressed is determined as a pressure distribution on a plane, and the direction vector of the pressure and the absolute value of the pressure for pressing the whole are output. If an xy coordinate system is applied, as shown in FIG. 2, the xy plane is fitted around the center of gravity of the equilateral triangle, and the pressure-electric conversion element is applied.
If the pressure signals of 11 to 13 are vectors P11 to P13, the pressure x,
The y components P X and P Y are obtained by the following equations. Further, the absolute value of the pressure P ABS is obtained as the sum of the magnitudes of the pressure signal vectors P 11 to P 13 of the respective pressure-electric conversion elements 11 to 13 as in the following equation. From these, the absolute value P ABS of the sum of the direction vector (P X , P Y ) and the pressure for pressing the whole can be obtained. Next, a second embodiment of the present invention is shown in FIG. In this example, a pressure-electric conversion element 1 having a 2 × 2 matrix configuration is used as a tactile sensor. As shown in FIG. 4, the xy plane is applied around the center of gravity of the matrix, and the pressure signals of the pressure-electric conversion elements 11 to 14 are vectorized.
Assuming that P 11 to P 14 , the x and y components P X and P Y of the pressure are obtained by the following equations. Further, the absolute value of the pressure P ABS is calculated as follows:
Determined as the sum of the magnitude of the pressure signal vector P 11 to P 14 of the electromechanical transducer 11 to 14. From these, the direction vector (P X , P Y ) and the absolute value P ABS of the pressure for pressing the whole can be obtained. Even in the case of a tactile sensor having more points than this, since it is possible to calculate in which direction the two-dimensional pressure distribution spreads from the center of gravity of the sensor, the number of pressure detection points of the tactile sensor And its distribution configuration does not matter. [Effects of the Invention] According to the present invention, by using a tactile sensor in which at least three or more pressure-electric conversion elements made of a semiconductor are integrally arranged along an interface surface,
Even complex maneuvers can be easily input to the computer.
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の構成を説明するブロック図、第２図
は触覚センサの圧力検出の方法を説明する概念図、第３
図はこの発明の第２の実施例を示すブロック図、第４図
は第２の実施例の触覚センサの圧力検出の方法を説明す
る概念図、第５図は従来の可変抵抗素子を使ったジョイ
スティックの場合のブロック図である。
１……圧力−電気変換素子
２……触覚センサ
３……Ａ−Ｄコンバータ
４……圧力情報
５……演算処理部分
６……方向情報
７……制御量情報
８……触覚センサ出力信号
９……ジョイスティック
10……x,y位置情報
11,12,13,14……圧力−電気変換素子BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of the present invention, FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a method of detecting pressure of a tactile sensor, and FIG.
FIG. 4 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention, FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining a method of detecting pressure of a tactile sensor of the second embodiment, and FIG. 5 uses a conventional variable resistance element. It is a block diagram in case of a joystick. 1 pressure-electric conversion element 2 tactile sensor 3 AD converter 4 pressure information 5 arithmetic processing part 6 direction information 7 control amount information 8 tactile sensor output signal 9 … Joystick 10… x, y position information 11, 12, 13, 14… Pressure-electric conversion element
Claims (1)
ェース面に沿って少なくとも３個以上を一体的に配置し
てなる触覚センサと、 前記触覚センサの前記インターフェース面に作用する圧
力状態の変化をベクトル演算して制御方向情報と制御量
情報を求める信号処理装置とを備え、 前記信号処理装置からの出力を操作者の入力情報として
処理することを特徴とするマンマシンインターフェー
ス。 ２．前記圧力−電気変換素子は前記インターフェース面
にマトリックス配置してなることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載のマンマシンインターフェース。(57) [Claims] A tactile sensor in which at least three or more pressure-electric conversion elements made of a semiconductor are integrally arranged along an interface surface, and a change in a pressure state acting on the interface surface of the tactile sensor is vector-operated. A man-machine interface comprising: a signal processing device that obtains control direction information and control amount information; and processes an output from the signal processing device as input information of an operator. 2. 2. The man-machine interface according to claim 1, wherein the pressure-electric conversion elements are arranged in a matrix on the interface surface.
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| JP25962387A JP2804033B2 (en) | 1987-10-16 | 1987-10-16 | Man-machine interface |
Publications (2)
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