JP3343565B2 - Force feedback input / output device - Google Patents

Force feedback input / output device

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JP3343565B2
JP3343565B2 JP16945699A JP16945699A JP3343565B2 JP 3343565 B2 JP3343565 B2 JP 3343565B2 JP 16945699 A JP16945699 A JP 16945699A JP 16945699 A JP16945699 A JP 16945699A JP 3343565 B2 JP3343565 B2 JP 3343565B2
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mouse
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input
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博久 比留川
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、情報処理装置に使
用する力フィードバック入出力装置に関し、特に通常の
パソコン(パーソナルコンピュータ)用マウスと同様に
操作ができるようにした力フィードバック入出力装置に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force feedback input / output device used for an information processing apparatus, and more particularly to a force feedback input / output device which can be operated in the same manner as a normal personal computer (personal computer) mouse.

【0002】[0002]

【従来の技術】力フィードバック機能を有する入出力装
置は、シミュレーション操作において生じる物体の接触
時に生じるリアクションをフィードバックとして受信し
た際、これを入出力装置でユーザに提示することによ
り、感性により合致した感覚で入力操作するように臨場
感を持たせ、操作を効率よくおこなうものである。表示
画面に描いた仮想世界を基に、ロボットのオンライン,
オフライン教示を効率良く行うために、又、ゲーム,シ
ミュレーション動作等の入力操作を臨場感向上のため等
に使用される。
2. Description of the Related Art An input / output device having a force feedback function receives a reaction generated at the time of contact with an object generated in a simulation operation as feedback and presents the reaction to a user with the input / output device, thereby providing a sense that is more matched to the senses. This allows the user to have a sense of presence as if performing an input operation, and to perform the operation efficiently. Based on the virtual world drawn on the display screen, robot online,
For efficient offline teaching, input operations such as games and simulation operations are used to improve the sense of reality.

【0003】力フィードバック機能を有する従来の入出
力装置として(1)ジョイスティック方式、(2)マウ
ス方式がある。図8のジョイスティック例は、Microsof
t Side Winder(商標)フォースフィードバックプロ(F
orce Feedback Pro,製品名)の外観写真である。ジョ
イスティックはジョイスティックを前後左右に倒して2
自由度の信号を発生させる入出力装置である。従って、
ジョイスティックへの力フィードバックは前後左右の動
き2自由度もしくは前後左右のどちらかの動きの1自由
度となる。
Conventional input / output devices having a force feedback function include (1) a joystick system and (2) a mouse system. The joystick example in Fig. 8 is Microsof
t Side Winder (trademark) Force Feedback Pro (F
orce Feedback Pro (product name). Joystick 2
It is an input / output device that generates a signal with a degree of freedom. Therefore,
The force feedback to the joystick is two degrees of freedom in front-back and left-right movements or one degree of freedom in front-back and left-right movements.

【0004】図9のマウス例はControl Advancements社
のVirtual Reality Mouse(製品名)の外観写真であ
る。101はマウス、102は力発生リンク、103は
制御部等を収納するケース、104はケース開口であ
る。マウスの球(ボール)回転のX,Y軸方向回転成分
が計測され、回転計測量は力発生リンク101を介して
ケース103内の制御部に伝達され、マウス101の移
動量が制御部103で演算され、情報処理装置に送信さ
れる。情報処理装置から力フィードバック信号がある場
合、前記制御部の駆動装置は力発生リンク102を介し
てマウスの球をX,Y軸方向に回転駆動させて、マウス
を操作するユーザに力フィードバックを呈示するもので
ある。
FIG. 9 shows an example of the appearance of a virtual reality mouse (product name) manufactured by Control Advancements. 101 is a mouse, 102 is a force generating link, 103 is a case for accommodating a control unit and the like, and 104 is a case opening. The X and Y axis rotation components of the rotation of the mouse sphere (ball) are measured, and the measured rotation amount is transmitted to the control unit in the case 103 via the force generating link 101, and the movement amount of the mouse 101 is controlled by the control unit 103. It is calculated and transmitted to the information processing device. When there is a force feedback signal from the information processing device, the driving device of the control unit drives the ball of the mouse to rotate in the X and Y-axis directions via the force generating link 102 and presents the force feedback to the user operating the mouse. Is what you do.

【0005】[0005]

【発明の解決しようとする課題】従来の前記ジョイステ
ィックでは、力フィードバックをジョイスティックに出
力できる自由度は2以下に限定される。また、パソコン
等の情報処理装置の入力装置としてはマウスが一般的に
使用されているので、通常のマウスと構造が著しく異な
るジョイスティックの操作に不慣れなユーザが多いとい
う難点がある。
In the conventional joystick, the degree of freedom for outputting force feedback to the joystick is limited to two or less. Further, since a mouse is generally used as an input device of an information processing apparatus such as a personal computer, there is a drawback that many users are not accustomed to operating a joystick whose structure is significantly different from that of a normal mouse.

【0006】又、従来の前記マウス101も並進2自由
度(X軸,Y軸方向)構造なので、前記ジョイスティッ
クと同様、マウスの力フィードバックは2自由度以下で
ある。また、操作中に前記マウス101を力発生リンク
102から切り離すことができないため、その操作範囲
が力発生リンク102の可動範囲に制限されるという難
点がある。
Further, the conventional mouse 101 also has a translational two-degree-of-freedom (X-axis, Y-axis direction) structure, so that the force feedback of the mouse is less than two degrees of freedom, similarly to the joystick. In addition, since the mouse 101 cannot be separated from the force generating link 102 during operation, there is a disadvantage that the operation range is limited to the movable range of the force generating link 102.

【0007】情報処理装置によるシミュレーション等の
入力操作及び操作者への力リアクションは操作の自由度
が多く、実環境に近い感覚のものが好都合である。本発
明は、力フィードバック入出力装置の自由度を並進、回
転の3自由度も可能にし、通常のマウスと同様簡単に操
作できる入出力装置を提供することを目的とする。
An input operation such as a simulation by the information processing apparatus and a force reaction to the operator have a large degree of freedom in operation, and it is convenient to use a feeling similar to a real environment. An object of the present invention is to provide an input / output device that enables three degrees of freedom of translation and rotation of a force feedback input / output device and can be easily operated like a normal mouse.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、入出力装置の移動検出機構に接地面にお
いて円周方向には確実に推進力を伝え、その垂直方向つ
まり回転軸方向には力が伝わらない摩擦零に近い車輪を
使用した全方向移動機構を使用し、全方向移動機構の各
車輪に回転検出手段、駆動装置とを連結し、回転検出手
段の出力を基に並進、回転の変位量を算出し、情報処理
装置に送信し、又情報処理装置から受信した力リアクシ
ョン信号の並進、回転成分信号を基に駆動装置で各車輪
を駆動し、操作者に並進、回転の3自由度の力フィード
バックを呈示させるものである。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention reliably transmits a propulsion force to a movement detection mechanism of an input / output device in a circumferential direction on a grounding surface, and in a vertical direction, that is, a rotation axis. Using an omnidirectional moving mechanism using wheels near zero friction in which no force is transmitted in the direction, connecting rotation detection means and a driving device to each wheel of the omnidirectional moving mechanism, based on the output of the rotation detecting means Calculate the amount of translation and rotation displacement, transmit it to the information processing device, and drive each wheel with the driving device based on the translation and rotation component signal of the force reaction signal received from the information processing device, translate to the operator, It provides force feedback with three degrees of freedom of rotation.

【0009】前記車輪は横滑り機構を有するバレル型コ
ロからなる複数のオムニホイルであり、バレル型コロは
オムニホイルの周辺に配置される。
The wheels are a plurality of omni-wheels comprising a barrel-type roller having a side-slip mechanism, and the barrel-type rollers are arranged around the omni-wheel.

【0010】[0010]

【発明の実施の態様】以下、図面を参照して本発明を実
施例により説明する。図1は本発明に係る力フィードバ
ック入出力装置の一実施例を示す概略図である。図1の
実施例は全方向移動機構として3個のオムニホイル(0m
ni-Wheel)を用いた例である。1はマウス本体、2a,
2b,2cはオムニホイル、3はギア付きモータ(出力
軸に歯車減速機を内蔵したモータ、以下単にモータ)
を、4a,4b,4cはスイッチ、5はコントローラ、
6は接続ケーブル、7は入出力装置で、8は演算処理装
置であるコンピュータ、8aは表示装置、8bはCP
U、8はキーボード、10はマウス本体1から発信する
ロータリエンコーダ信号とスイッチ4a,4b,4cの
スイッチ情報とを含む信号、11はマウス本体に帰還さ
れるフィードバック(モータ駆動)信号、12はコント
ローラ5とコンピュータ8との間のシリアル通信信号で
ある。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a force feedback input / output device according to the present invention. The embodiment of FIG. 1 uses three omni wheels (0 m
ni-Wheel). 1 is a mouse body, 2a,
2b, 2c are omni wheels, 3 is a motor with a gear (motor with a built-in gear reducer on the output shaft, hereinafter simply motor)
, 4a, 4b, 4c are switches, 5 is a controller,
6 is a connection cable, 7 is an input / output device, 8 is a computer as an arithmetic processing device, 8a is a display device, and 8b is a CP.
U and 8 are keyboards, 10 is a signal including a rotary encoder signal transmitted from the mouse body 1 and switch information of the switches 4a, 4b and 4c, 11 is a feedback (motor drive) signal fed back to the mouse body, and 12 is a controller. 5 is a serial communication signal between the PC 5 and the computer 8.

【0011】コンピュータ(パソコン)8とコントロー
ラ5との間は接続ケーブルで接続され、RS232CやUSB
(汎用直列バス、Universal Serial Bus)等のシリアル
通信が行われる。コントローラ5からマウス本体1のモ
ータ3a,3b,3cにモータの駆動電圧11が送ら
れ、マウス本体からコントローラ5には各オムニホイル
のロータリエンコーダ信号とスイッチ4a,4b,4c
のON-OFFスイッチ情報がハイスピード・リンク・システ
ム(HLS,Hi-speed Link System,ステップテクニカ社
製品)を通して送られる。
A computer (personal computer) 8 and the controller 5 are connected by a connection cable, and are connected by RS232C or USB.
(Universal serial bus). The motor drive voltage 11 is sent from the controller 5 to the motors 3a, 3b, 3c of the mouse body 1, and the mouse body sends the controller 5 a rotary encoder signal of each omni wheel and the switches 4a, 4b, 4c.
ON-OFF switch information is sent through a high-speed link system (HLS, Hi-speed Link System, a product of Step Technica).

【0012】オムニホイルとは、接地面において円周方
向には確実に推進力を伝え、その垂直方向つまり回転軸
方向には力が伝わらない摩擦零に近い車輪である。図2
にオムニホイル例の分解斜視図を示す。21,21aは
回転軸方向の抵抗を減らすために、円周上に配置された
バレル型コロである。22,22aはフレーム、23は
オムニホイルの回転軸で、バレル型コロ21,21aの
回転軸を辺とする正多角形面の中心と直角に交差してい
る。図2のオムニホイルは回転軸23に対して60度ず
らし一体化した2層の車輪構造のものであるが、3個の
バレル型コロ21で1層構造のものでも良い。また、バ
レル型コロは3個以上でもよい。
An omni-wheel is a wheel with almost zero friction that transmits a propulsive force reliably in the circumferential direction on the ground contact surface and does not transmit a force in the vertical direction, that is, the direction of the rotation axis. FIG.
Fig. 2 shows an exploded perspective view of an omni foil example. 21 and 21a are barrel-type rollers arranged on the circumference to reduce the resistance in the rotation axis direction. Reference numerals 22 and 22a denote frames, and reference numeral 23 denotes a rotation axis of the omni-wheel, which intersects at right angles with the center of a regular polygonal surface having the rotation axis of the barrel type rollers 21 and 21a as a side. The omni wheel shown in FIG. 2 has a two-layer wheel structure integrated with the rotary shaft 23 shifted by 60 degrees, but may have a one-layer structure with three barrel-type rollers 21. The number of barrel type rollers may be three or more.

【0013】オムニホイル2a,2b,2cは、各々の
回転軸23でモータ3a,3b,3c内蔵の歯車減速機
にそれぞれ結合し、各モータにより減速された所定速度
で、高トルクに駆動される。各回転軸が水平であれば6
個のバレル型コロのどれかが接地し、接地点においてオ
ムニホイルは円周方向のモータ駆動力を環境側に与え
る。回転軸方向に外力を加えようとしてもコロが空転す
ることによりオムニホイルは回転軸方向に自由に移動す
るので力はゼロとなる。つまり外部の力で抵抗少なく動
かすことができる。モータ3a,3b,3cの回転変位
量はギア減速器と反対側に設けられたロータリエンコー
ダなどの検出器で計測される。
The omni wheels 2a, 2b, 2c are respectively connected to gear reducers built in the motors 3a, 3b, 3c by respective rotating shafts 23, and are driven at high speed at a predetermined speed reduced by each motor. 6 if each rotation axis is horizontal
Any one of the barrel-type rollers contacts the ground, and at the contact point, the omni-wheel provides a circumferential motor driving force to the environment. Even if an external force is to be applied in the direction of the rotation axis, the omni wheel moves freely in the direction of the rotation axis due to idling of the rollers, so that the force becomes zero. That is, it can be moved with little resistance by an external force. The amount of rotational displacement of the motors 3a, 3b, 3c is measured by a detector such as a rotary encoder provided on the side opposite to the gear reducer.

【0014】力フィードバックマウス(以下マウスと呼
ぶ)は3個のオムニホイルで3点接地する。接地点での
滑りがないものとすると、マウスの基準点の並進及び回
転速度(または微小変位量)と3個のモータの回転速度
との間に線形関係が成立する。この関係を利用して計測
された各モータの回転速度からマウスの基準点の並進及
び回転速度を算出することにより、情報処理システムは
情報処理装置の表示画面においてマウスでカーソルなど
の操作を行うことができる。
A force feedback mouse (hereinafter referred to as a mouse) is grounded at three points with three omni wheels. Assuming that there is no slip at the ground contact point, a linear relationship is established between the translation and rotation speed (or minute displacement) of the mouse reference point and the rotation speeds of the three motors. By calculating the translation and rotation speed of the reference point of the mouse from the rotation speed of each motor measured using this relationship, the information processing system can operate the cursor and the like with the mouse on the display screen of the information processing device. Can be.

【0015】一方、3個のオムニホイルの回転力とマウ
スの基準点における並進力(X,Y軸方向2成分)及び
回転力(θ方向成分)との間にも線形関数が成り立つ。
この線形変換を利用して情報処理装置が演算した力リア
クションの各成分から各モータの必要トルクを算出し、
このトルクで各モータを駆動して、力リアクション成分
に対応した並進力(X,Y軸方向2成分)及び回転力
(θ方向成分)をマウスでユーザに呈示することができ
る。
On the other hand, a linear function is also established between the rotational force of the three omni wheels, the translational force (two components in the X and Y axes) and the rotational force (the θ direction component) at the reference point of the mouse.
Using this linear transformation, the necessary torque of each motor is calculated from each component of the force reaction calculated by the information processing device,
By driving each motor with this torque, a translational force (two components in the X and Y-axis directions) and a rotational force (a component in the θ direction) corresponding to the force reaction component can be presented to the user with a mouse.

【0016】図3は図1のマウス本体を裏側から見た構
造を示した図である。31はモータ軸に取り付けられた
スリット円盤、32は発光ダイオード(LED)、33
はフォトセルで、これらでロータリエンコーダを構成し
ている。34はモータ支持具で、35はHLSサテライト
用IC、36マウス本体フレーム、37はスイッチ4
a,4b,4cのON-OFFスイッチ情報信号、38は各オ
ムニホイル系の検出UP/DOWN回転パルス信号(ロータリ
エンコーダ信号)である。
FIG. 3 is a diagram showing the structure of the mouse main body of FIG. 1 as viewed from the back side. 31 is a slit disk attached to the motor shaft, 32 is a light emitting diode (LED), 33
Is a photocell, and these constitute a rotary encoder. 34 is a motor support, 35 is an HLS satellite IC, 36 is a mouse body frame, and 37 is a switch 4
Reference numeral 38 denotes ON / OFF switch information signals of a, 4b, and 4c, and a detection UP / DOWN rotation pulse signal (rotary encoder signal) of each omni wheel system.

【0017】オムニホイル3個2a,2b,2cはお互
いに120度の角度をなすように配置され、各オムニホ
イルは各モータの歯車減速機を介してモータ軸23に結
合されている。オムニホイル、モータ、ロータリエンコ
ーダの回転系はロータリエンコーダを中心側に、オムニ
ホイルを外側に配置している。モータの入力端子にはコ
ントローラ5から送られる駆動電圧11が印加される。
The three omni wheels 2a, 2b, 2c are arranged at an angle of 120 degrees to each other, and each omni wheel is connected to the motor shaft 23 via a gear reducer of each motor. In the rotation system of the omni wheel, the motor and the rotary encoder, the rotary encoder is disposed on the center side and the omni wheel is disposed on the outside. The drive voltage 11 sent from the controller 5 is applied to the input terminal of the motor.

【0018】図4はコントローラ5の機能図を示してい
る。51はマイクロコンピュータ(マイコン)、52は
HLSセンター用IC、53はD/Aコンバータ、54は各モ
ータ3a,3b,3cそれぞれに駆動電圧を供給する3
個の増幅器からなる駆動増幅部で、55はオムニホイル
回転信号及びスイッチ情報信号である。
FIG. 4 shows a functional diagram of the controller 5. 51 is a microcomputer, 52 is
HLS center IC, 53 a D / A converter, 54 a drive voltage for supplying a drive voltage to each of the motors 3a, 3b, 3c
Reference numeral 55 denotes an omni-wheel rotation signal and a switch information signal.

【0019】コントローラ5はマウス本体1内に内蔵し
ても良いが、マウスを軽くして操作性を向上するために
別体で構成される。接続ケーブル6(又はシリアル通信
信号12を伝送する接続ケーブル)は可撓性なので、本
発明のマウスは通常のパーソナルコンピュータ用マウス
と同じように、可動範囲に制限されることなく操作でき
る。
The controller 5 may be built in the mouse main body 1, but is separately provided to reduce the weight of the mouse and improve operability. Since the connection cable 6 (or the connection cable for transmitting the serial communication signal 12) is flexible, the mouse of the present invention can be operated without being limited to the movable range, like a mouse for a general personal computer.

【0020】発光ダイオード(LED)32の出力光はモ
ータ速度で回転するスリット円盤31のスリットを通過
させて、モータの回転に比例したUPパルス(正方向パル
ス)とDOWNパルス(負方向パルス)をフォトセル33の
出力側に生成する。このUP/DOWNパルスはHLSサテライト
用IC34内に組み込まれたUP/DOWNカウンタによりカウ
ントされ、各オムニホイルの回転変位量信号が生成され
る。
The output light of the light emitting diode (LED) 32 passes through the slit of the slit disk 31 rotating at the motor speed, and generates an UP pulse (positive pulse) and a DOWN pulse (negative pulse) proportional to the rotation of the motor. Generated at the output side of the photocell 33. The UP / DOWN pulse is counted by an UP / DOWN counter incorporated in the HLS satellite IC 34, and a rotational displacement signal of each omni wheel is generated.

【0021】マウスのスイッチ4a,4b,4cは通常
のマウスと同じくクリック,ダブルクリック,ドラッグ
操作によるメニュー選択,位置選択,操作等のON-OFF情
報を生成し、HLSサテライト用IC35に入力され、これ
らのスイッチ情報信号と回転パルスのカウント信号(回
転変位量信号)とはHLSサテライト用IC34で1チャン
ネルの直列信号10にまとめられてコントローラ5に送
信される。(なお、本明細書の図面で同じ参照数字で引
用したものは同じものか、相当するものを表わす。)
The mouse switches 4a, 4b, and 4c generate ON-OFF information such as menu selection, position selection, and operation by clicking, double-clicking, and dragging in the same manner as a normal mouse, and are input to the HLS satellite IC 35. The switch information signal and the rotation pulse count signal (rotational displacement amount signal) are combined into a one-channel serial signal 10 by the HLS satellite IC 34 and transmitted to the controller 5. (Note that the same reference numerals in the drawings of this specification denote the same or corresponding components.)

【0022】HLSのセンター用IC52はサテライト用IC
35から送られてくるシリアル情報10を復元し、スイ
ッチ情報とオムニホイルの回転変位量とを得て、マイク
ロコンピュータ51に送る。次に、マイクロコンピュー
タ51は次の式(1)の1次式を基に各オムニホイルの
回転変位量からマウス基準点の位置と姿勢(回転)の変
位量を算出し、スイッチ情報と併せてシリアル通信信号
12によりコンピュータ8に送信する。
The HLS center IC 52 is a satellite IC.
The serial information 10 sent from the controller 35 is restored, the switch information and the rotational displacement of the omni wheel are obtained, and sent to the microcomputer 51. Next, the microcomputer 51 calculates the displacement of the position and orientation (rotation) of the mouse reference point from the rotational displacement of each omni wheel based on the linear expression of the following equation (1), and serially calculates the displacement along with the switch information. The communication signal 12 is transmitted to the computer 8.

【0023】[0023]

【数1】 (Equation 1)

【0024】式(1)のΔX,ΔY,Δθはマウス基準
点の並進及び回転の移動量、Δθ1,Δθ2,Δθ3は
オムニホイル2c,2b,2aの回転変位量、rはオム
ニホイルの半径、Rはマウスの基準点からの接地点まで
の距離である(各量の定義は駆動系を上から見た図5参
照。同図のオムニホイルブロック内の矢印はオムニホイ
ルの上側の回転方向を示している。)。
In Equation (1), ΔX, ΔY, and Δθ are translation and rotation movement amounts of the mouse reference point, Δθ1, Δθ2, and Δθ3 are rotation displacement amounts of the omni wheels 2c, 2b, and 2a, r is the radius of the omni wheel, and R is It is the distance from the reference point of the mouse to the ground contact point (the definition of each amount is shown in FIG. 5 when the driving system is viewed from above. The arrow in the omni-wheel block in FIG. 5 indicates the direction of rotation of the omni-wheel above. .).

【0025】なお、図2のオムニホイル構造の場合、オ
ムニホイルの接地点は内側コロ、外側コロと接地点が変
動することになるが、式(1)のマウスの基準点からの
接地点までの距離Rはその平均値とする。これにより小
さな誤差は発生するが、人間の感覚は余り敏感でなく、
また表示装置を見ながらユーザが入力し、力フィードバ
ックをユーザに呈示するシステムには実用上支障はな
い。
In the case of the omni-foil structure shown in FIG. 2, the ground point of the omni-foil varies between the inner roller and the outer roller and the ground point, but the distance from the reference point of the mouse of the formula (1) to the ground point is determined. R is the average value. This causes small errors, but the human perception is not very sensitive,
Further, there is no practical problem in a system in which the user makes an input while looking at the display device and presents force feedback to the user.

【0026】コンピュータ8の表示画面8aの仮想空間
でスイッチ情報信号37により選択された部品はマウス
1の並進、回転操作量に対応した変位量ΔX,ΔY,Δ
θに対応して移動される。コンピュータ8はシミュレー
ションの変動の結果生じるリアクションも実環境に対応
してシミュレート演算し、出力する。
The components selected by the switch information signal 37 in the virtual space of the display screen 8a of the computer 8 are the displacement amounts ΔX, ΔY, Δ corresponding to the translation and rotation operation amounts of the mouse 1.
Moved corresponding to θ. The computer 8 also simulates and outputs the reaction resulting from the fluctuation of the simulation according to the real environment.

【0027】マイクロコンピュータ(マイコン)51は
シリアルI/O通信信号12を通じてコンピュータ8から
ユーザに力感覚を提示するための力ベクトル信号と回転
力信号を受け取り、次の式(2)の1次式によりこれら
の信号量からで各モータ3a,3b,3cのトルクを算
出する。ただし、T1,T2,T3はモータ3c,3b,
2aのトルク、Fx,Fy,Mはマウスに発生させるX軸,
Y軸方向成分の力と回転力、rはオムニホイルの半径、
Rはマウス基準点から接地点までの距離(図2のオムニ
ホイル構造を使用する場合は前記と同様内側、外側接地
点の平均値)である。次に、マイクロコンピュータ51
は前記各モータのトルク出力に対応する駆動電圧11を
演算し、D/Aコンバータ53、駆動増幅部54を通して
マウス本体上の各モータ3a,3b,3cを駆動して、
マウスで並進方向(力ベクトル方向)及び回転方向の力
感覚をユーザに提示する。
A microcomputer (microcomputer) 51 receives a force vector signal and a rotational force signal for presenting a force sensation to the user from the computer 8 through the serial I / O communication signal 12, and obtains a linear expression of the following expression (2). From these signal amounts, the torque of each of the motors 3a, 3b, 3c is calculated. However, T1, T2, T3 are motors 3c, 3b,
2a torque, Fx, Fy, M are the X axis generated by the mouse,
Y-axis component force and rotational force, r is the radius of the omni foil,
R is the distance from the mouse reference point to the ground point (in the case of using the omni-foil structure of FIG. 2, the average value of the inner and outer ground points as described above). Next, the microcomputer 51
Calculates the drive voltage 11 corresponding to the torque output of each motor, drives each motor 3a, 3b, 3c on the mouse body through the D / A converter 53 and the drive amplifier 54,
The user is presented with a force sensation in the translation direction (force vector direction) and the rotation direction with the mouse.

【0028】[0028]

【数2】 (Equation 2)

【0029】次に、ロボットのコンピュータ教示に本発
明の入出力装置を適用した例を説明する。コンピュータ
により処理されるシステムは、マウスによりロボットの
位置姿勢を操作し、壁との干渉がある場合、反力をフィ
ードバックする操作システムである。図6はコンピュー
タの表示装置に表示された仮想環境を表している。71
はロボットの把持機構、72は物体、73は床である。
コンピュータ側のシミュレータはマウスからのスイッチ
情報及び変位量情報に基づきロボットの位置(把持機構
71)を管理する。
Next, an example in which the input / output device of the present invention is applied to the teaching of a computer of a robot will be described. The system processed by the computer is an operation system in which the position and orientation of the robot is operated by a mouse and, when there is interference with a wall, a reaction force is fed back. FIG. 6 shows a virtual environment displayed on a display device of a computer. 71
Is a gripping mechanism of the robot, 72 is an object, and 73 is a floor.
The computer-side simulator manages the position (grasping mechanism 71) of the robot based on the switch information and the displacement information from the mouse.

【0030】又、壁、床は弾性体でできているものと仮
定し、それらの距離を常に計算し、壁、床への食い込み
が生じた場合、食い込み量に比例した反力をコンピュー
タは演算し、マウスに出力する。この操作システムで
は、ロボットが自由空間にあるときは食い込みがゼロな
ので、力のフィードバックはなく軽いタッチで、ロボッ
トの位置(X,Y)と姿勢(θ)を同時に操作できる。
一方ロボットと壁、床が接触すると、反力が生成され、
あたかもロボットが壁にぶっつかっている感覚が得られ
る。
Also, assuming that the walls and floor are made of an elastic material, the distance between them is always calculated, and when a bite occurs in the wall or floor, the computer calculates a reaction force proportional to the amount of bite. And output to the mouse. In this operation system, when the robot is in free space, the bite is zero, so that the position (X, Y) and posture (θ) of the robot can be simultaneously operated with a light touch without force feedback.
On the other hand, when the robot contacts the wall or floor, a reaction force is generated,
You can feel as if the robot is hitting a wall.

【0031】ロボットが把持している物体72は直方体
なので、ロボットが受ける反力は図6のFA,FBの合
力として容易に計算できる。図6中で直方体と床は線分
で接しているので、Y軸周りの回転を入力すると同じ軸
の周の回転力がフィードバックされる。この機能によ
り、拘束を利用してロボットの位置姿勢を決めることが
でき、操作者による細かい位置調整が不要になる効果を
有する。
Since the object 72 held by the robot is a rectangular parallelepiped, the reaction force received by the robot can be easily calculated as the resultant force of FA and FB in FIG. In FIG. 6, since the rectangular parallelepiped and the floor are in contact with each other with a line segment, when a rotation about the Y axis is input, a rotational force around the same axis is fed back. With this function, the position and orientation of the robot can be determined using the constraint, and there is an effect that the operator does not need to perform fine position adjustment.

【0032】更に、パソコンゲーム機に本発明の入出力
装置を適用した例を説明する。テニスゲーム、滑降回転
スキーゲーム、カーレースゲーム等、表示画面の物体を
並進、回転操作の3自由度で入力操作し、画面上の物体
が接触した際の力リアクション成分も並進力、回転力で
あるゲームでは好都合である。
Further, an example in which the input / output device of the present invention is applied to a personal computer game machine will be described. Translate and rotate objects on the display screen, such as tennis games, downhill rotation ski games, car racing games, etc., with three degrees of freedom of rotation operation. The force reaction component when the object on the screen comes into contact is also translated and rotated. In some games this is convenient.

【0033】図7はテニスゲーム機例を模式的に表した
図である。81はゲーム機本体、82は表示装置、83
a,83bはプレイヤーが操作する本発明の3自由度マ
ウス、84はテニスコート、85はテニスボール、86
a,86bはプレイヤーのラケットである。例えば、テ
ニスボール85が来る位置に合わせてプレーヤがマウス
83aを並進操作して、ラケット86aの中心位置に当
たる位置にまでラケット86a移動(ΔX,ΔY)さ
せ、マウス83aを回転して、ラケット86aを回転
(Δθ)させ、テニスボール85を打つ。そのときの打
撃音及び反力をゲーム機本体にあるパソコンで演算し、
スピーカで音を発生させ、マウス83aに回転方向の反
力(M)等の力を呈示させると、プレイヤーには臨場感
をよりよく感じさせることができる。
FIG. 7 is a diagram schematically showing an example of a tennis game machine. 81 is a game machine main body, 82 is a display device, 83
Reference numerals a and 83b denote a three-degree-of-freedom mouse operated by the player according to the present invention; 84, a tennis court; 85, a tennis ball;
a and 86b are rackets of the player. For example, the player translates the mouse 83a in accordance with the position where the tennis ball 85 comes, moves the racket 86a (ΔX, ΔY) to a position corresponding to the center position of the racket 86a, and rotates the mouse 83a to move the racket 86a. Rotate (Δθ) and hit the tennis ball 85. Calculate the impact sound and reaction force at that time with a personal computer in the game machine body,
When sound is generated by the speaker and the mouse 83a is presented with a force such as a reaction force (M) in the rotational direction, the player can feel more realistic.

【0034】本発明の前記適用例では、仮想空間で発生
する力リアクションが反力である場合で、従って入出力
装置への力フィードバックにより駆動される駆動装置の
トルクはオムニホイルの回転力と逆でユーザに抵抗力感
覚を呈示している。力リアクションがオムニホイルと同
方向である(ヨットの追い風、水流のリアクション)場
合は力フィードバックにより駆動される駆動装置のトル
クはオムニホイルの回転力と同方向でユーザに軽くなる
力感覚を呈示する。
In the above application example of the present invention, the force reaction generated in the virtual space is a reaction force. Therefore, the torque of the driving device driven by the force feedback to the input / output device is opposite to the rotational force of the omni wheel. The user is presented with a sense of resistance. When the force reaction is in the same direction as the omni wheel (yacht tailwind, water flow reaction), the torque of the driving device driven by the force feedback presents a force sensation to the user in the same direction as the omni wheel rotational force.

【0035】[0035]

【発明の効果】全方向移動機構を用いた力提示方式によ
り、従来不可能であった次のような入出力装置が実現で
きる。 (1)並進2自由度、回転1自由度、合計3自由度の力
フィードバックができる。 (2)パソコン用マウスと同様の操作方法を持つ力フィ
ードバックマウスができる。 (3)パソコン用マウスと同様に接地面を離して操作す
ることにより、操作範囲が拡大できる。
According to the force presenting method using the omnidirectional moving mechanism, the following input / output device, which has been impossible in the past, can be realized. (1) Two degrees of freedom for translation and one degree of rotation are available for a total of three degrees of freedom. (2) A force feedback mouse having the same operation method as a mouse for a personal computer can be obtained. (3) The operation range can be expanded by operating the computer with the ground surface separated as in the case of a mouse for a personal computer.

【0036】又、本発明の入出力装置を操作システムに
適用した場合には、次のような効果を奏する。 (1)仮想空間モデルを用いた産業用ロボットの作業・
動作教示に利用すると、ロボットと作業環境の接触等に
よって発生する力を操作者にフィードバックすることに
より、実環境と同じ感覚で操作性できるので、操作効率
が向上する。 (2)ゲーム機のシミュレーション画面の操作におい
て、シミュレートの画面に生じる衝突力・接触力等を操
作者に力フィードバックを提示できるので、臨場感を向
上させことができる。
When the input / output device of the present invention is applied to an operation system, the following effects can be obtained. (1) Operation of industrial robot using virtual space model
When used for motion teaching, operability can be performed with the same feeling as in the real environment by feeding back to the operator the force generated by the contact between the robot and the working environment or the like, so that the operation efficiency is improved. (2) In the operation of the simulation screen of the game machine, force feedback can be presented to the operator on the collision force, contact force, and the like generated on the simulation screen, so that the sense of reality can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の力フィードバック入出力装置例の概略
図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of an example of a force feedback input / output device of the present invention.

【図2】図1のオムニホイル例を説明する図面である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the omni wheel of FIG. 1;

【図3】図1のマウス本体の構造を裏面から見た図であ
る。
FIG. 3 is a view of the structure of the mouse main body of FIG. 1 as viewed from the back.

【図4】コントローラの機能を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating functions of a controller.

【図5】全方向移動機構車輪の駆動系に関する量を定義
する図である。
FIG. 5 is a diagram defining an amount related to a drive system of an omnidirectional moving mechanism wheel.

【図6】本発明をロボット操作に適用した例である。FIG. 6 is an example in which the present invention is applied to a robot operation.

【図7】本発明をテニスゲーム機に適用した例である。FIG. 7 is an example in which the present invention is applied to a tennis game machine.

【図8】従来の力フィードバックジョイスチック例を説
明する写真である。
FIG. 8 is a photograph illustrating an example of a conventional force feedback joystick.

【図9】従来の力フィードバックマウス例を説明する写
真である。
FIG. 9 is a photograph illustrating an example of a conventional force feedback mouse.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 マウス本体 2a〜2c オムニホイル 3a〜3c ギア付きモータ 5 コントローラ 6 接続ケーブル 7 入出力装置 8 コンピュータ 8a 表示装置 31 スリット円盤 32 発光ダイオード(LED) 33 フォトセル DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Mouse main body 2a-2c Omni wheel 3a-3c Geared motor 5 Controller 6 Connection cable 7 I / O device 8 Computer 8a Display device 31 Slit disk 32 Light emitting diode (LED) 33 Photocell

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06F 3/033 B25J 13/02 A63F 13/06 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G06F 3/033 B25J 13/02 A63F 13/06

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 入出力装置本体を接地面において円周方
向には確実に推進力を伝え、その垂直方向つまり回転軸
方向には力が伝わらない摩擦零に近い車輪を使用した全
方向移動機構と、 前記全方向移動機構の各車輪駆動系に連結した車輪回転
検出手段と、 前記全方向移動機構の各車輪駆動系に連結した駆動装置
と、 前記車輪回転検出手段により検出された各車輪の回転を
入出力装置の並進移動量と回転移動量とに変換し、情報
処理装置に伝送し、情報処理装置からの並進力と回転力
とを前記各車輪の駆動力に変換し、各車輪の駆動装置に
駆動電圧を供給するコントローラとを具備することを特
徴とする力フィードバック入出力装置。
An omnidirectional moving mechanism using wheels near zero friction in which the input / output device main body reliably transmits a propulsive force in a circumferential direction on a ground contact surface and does not transmit a force in a vertical direction, that is, a rotational axis direction. A wheel rotation detecting means connected to each wheel drive system of the omnidirectional moving mechanism; a driving device connected to each wheel drive system of the omnidirectional moving mechanism; and each of the wheels detected by the wheel rotation detecting means. The rotation is converted into a translational movement amount and a rotational movement amount of the input / output device, transmitted to the information processing device, the translational force and the rotational force from the information processing device are converted into the driving force of each wheel, and the A force feedback input / output device, comprising: a controller for supplying a drive voltage to the drive device.
【請求項2】 請求項1の全方向移動機構の車輪がバレ
ル型コロを外周に配置した複数のオムニホイルであるこ
とを特徴とする請求項1の力フィードバック入出力装
置。
2. The force feedback input / output device according to claim 1, wherein the wheels of the omnidirectional moving mechanism according to claim 1 are a plurality of omni wheels each having a barrel type roller arranged on an outer periphery.
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