JP3888689B2 - 並列型ハプティックジョイスティックシステム - Google Patents

Description

本発明は６自由度運動を具現するハプティックジョイスティックシステムに関し、さらに詳細には平面３自由度を具現する第１リンク機構を構成し、前記平面３自由度を取り除いた空間３自由度を具現する第２リンク機構を構成した後、前記第１及び第２リンク機構を直列に連結することにより、全体的に６自由度を具現する並列型ハプティックジョイスティックシステムに関するものである。

通常、ハプティック装置は使用者の身体と接続して使用者の動きをコンピューターに入力し、コンピューターの状況により適切な力、または触感等を使用者に出力する装置である。

キーボード、マウス、ジョイスティック、モニタ及びプリンタのような一般的コンピューター周辺器機が入力または出力の一方向にのみ作用するインターフェースを備えることとは異なり、前記ハプティック装置は使用者の身体の動きをコンピューターに伝達する入力装置の役割とコンピューターの命令により使用者の身体に適切な力、または触感等を伝達する出力装置の役割を全てすることが出来るように双方向インターフェースを備える。このような双方向インターフェースを備える特徴はコンピューターから具現される仮想環境との相互作用及びコンピューターに連結されたロボットの遠隔操縦等を容易にするだけでなく、コンピューター使用者の直観的な入力と出力とを可能にして既存の単方向インターフェースを備える周辺器機に取って代わる新しいパラダイムとして注目されている。

図１にはハプティック装置の概略的な構成が示されている。図１に示されたようにハプティック装置（１）においては使用者が前記ハプティックシステムのハプティック装置（１）に身体を接触し、これを操作することにより、使用者のＰＣ（パーソナルコンピューター）（４０）に身体の動きを直観的に入力することが出来る。この際に、ハプティック装置（１）の機構部（５０）は一般的なロボットのようにセンサとアクチュエータ（図示せず）が付着された形態で、ロボットのエンドエフェクターに該当する部分が使用者が接触し操作するハンドル（３）になる。前記ハプティック装置（１）の制御部（３０）は、機構部（５０）に付着されたセンサで検知された情報から機構学的計算を行い、その結果を前記コンピューター（４０）に伝達する役割と、前記コンピューター（４０）で生成した力の命令を受け入れて力学的に解析し、前記機構部（５０）に付着された各アクチュエータを制御する役割をする。このような前記制御部（３０）は一つのモジュールで構成し、前記機構部（５０）に備えられることも出来るし、必要により前記コンピューター（４０）に統合し具現されることも出来る。

上記のように、機構部（５０）、制御部（３０）及びコンピューター（４０）で構成されたハプティック装置（１）は多様な分野に適用可能である。最近注目される仮想環境に適用されて直観的な入力を可能にし、コンピューター（４０）から生成された結果に従って使用者に力を反映することにより現実感を高めることが出来る。この際、比較的簡単な仮想環境の場合は前記コンピューター（４０）によって直接具現されることができ、複雑で精密な仮想環境の場合にはこれらを処理するための専用のＰＣとその他の要素から構成された仮想現実システムを通じて視覚及びその他の仮想環境が独立的に構築されることが出来る。前記ハプティック装置（１）は前記仮想現実システムに有無線通信を通して下位システムとして接続することになる。異なる適用分野としては遠隔操縦を用いた遠隔手術または遠隔ロボット制御などを挙げることが出来る。この場合、前記ハプティック装置（１）をマスターにして遠隔手術道具または遠隔ロボット（２１０）、ハプティック装置と通信し、遠隔手術道具または遠隔ロボットを制御する専用ＰＣ（２４０）で構成されるスレーブシステム（２００）を遠隔地で使用者の意図により操作することが出来る。

ハプティック装置は、エンドエフェクターが外乱に容易に揺れないように逆駆動性が低くなるように設計する一般的なロボットとは異なり、ハプティック装置の身体接触部分を使用者が何の抵抗もなく容易に動けるように設計しなければならない。従って、ハプティック装置は一般的なロボットとは異なり、その設計仕様がずっとややこしく、制御方法においてもずっと高い水準の技術を求める。

初期のハプティック装置は一般的な直列機構を使用した。直列機構の場合、作業空間が広く解析が容易な長所を有することになるが、各関節の誤差が累積され精密度が落ち、かつ剛性が低く、反映できる力の大きいさが小さくなる短所を有する。何よりも各関節に付着されたセンサとアクチュエータの慣性が機構の動きを妨害することになり、機構の逆駆動性を低下させ、エネルギーの使用において効率を落とす。３自由度以下のハプティック装置を開発する場合、前記した短所がそれ程大きく表れないので構造が簡単で、解析及び制御が易しい直列型機構を使用する場合が多い。しかし、３自由度以上を具現するハプティック装置を開発するに当たってはアクチュエータの数が増加し、誤差の累積が加重されて直列型機構で具現することは好ましくない。

並列型機構は解析し難く、作業空間が狭小した短所を有しているが、多自由度の具現が容易で、構造的に剛性に優れて大きい力を反映することが出来、誤差が相殺されて精密度が高い長所を有している。何より全てのアクチュエータをベースに装着することが可能なので機構の動きからアクチュエータの慣性を排除することができ、結果的には逆駆動性を向上させうる長所を有する。従って、ハプティック装置を開発するに当たって３自由度以上を具現する場合には並列型機構を用いるのが好ましい。

使用者と接触する身体部位によりハプティック装置はハプティックシミュレーター、ハプティックアムマスター、ハプティックジョイスティック（ハプティックハンド制御機）、ハプティックハンドマスター、ハプティック触覚装置等に分類することが出来る。

使用者が装置に搭乗するようにして全身に運動感を伝達する装置をシミュレーターと言い、使用者の腕に装着して腕の動きを入力して力を反映する装置をハプティックアムマスターと言い、使用者の手でハンドルを取って手の位置を入力して力を反映する装置をハプティックジョイスティックと言い、使用者の手に手袋形態の装置を着用して指の動きを入力して形状感及び量感を反映する装置をハプティックハンドマスターと言い、使用者の皮膚と接触して振動や温度感、材質感等の触感を再現する装置をハプティック触覚装置と言う。特に、ハプティックジョイスティックは使用者の手と接触して手の位置を反映して力を伝達する装置として、その使用性に優れて適用できる分野が多様であるので、一番多く開発され利用されるハプティック装置である。

一般に機構学またはロボット工学において６自由度を区分する際、位置３自由度、即ち、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸方向の並進運動と回転３自由度、即ち、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸中心の回転運動に分けることが一般的である。従って、ハプティックジョイスティックを開発するに当たってもポインティング装置、即ち、位置３自由度を具現することを最優先目標として考慮する場合が多い。

図２においては従来の位置３自由度ハプティックジョイスティックの概略図が示されている。図２に示されたように、従来の位置３自由度ハプティックジョイスティックは直列型機構部を用いて位置３自由度を具現する装置である。使用者はハプティックジョイスティック（１′）のハンドルと接触し、これを操作して位置３自由度に対する入力を行うことが出来、前記ハプティックジョイスティックから力が反映されることを感知することが出来る。

しかし、３自由度だけで具現できる運動が制限される短所がある。

図３においては従来の６自由度ハプティックジョイスティックの概略図が示されている。図３に示されたように、従来の６自由度（１″）は位置３自由度ハプティックジョイスティックを基盤とし、ここに回転３自由度を具現できる回転機構（２）を使用者のハンドル部分に付加して全体的に６自由度を具現できる機構部を採用する。前記装置の例として、最初の常用化されたハプティック装置で有名なファントム（Ｐｈａｎｔｏｍ）と筑波大学のハプティックマスターが挙げられる。ファントムは４節リンクを用いて位置３自由度を具現するよう開発されたハプティック装置で、回転３自由度を具現するためのｘ軸、ｙ軸及びｚ軸中心の回転機構を装置の末端に装着して全体的に６自由度を具現するようにした。

筑波大学のハプティックマスターは下部機構の終端に上部機構を直列に連結し構成したが、下部機構で使用されたマリランド（Ｍａｒｙｌａｎｄ）並列機構は位置３自由度を具現し、上部機構は空間５節リンクを用いたジンバル（ｇｉｍｂａｌｓ）機構からなって回転３自由度を具現するようにした。従って、全体的に６自由度を具現することが出来る。

しかし、この場合には直列型に機構部が構成されてアクチュエータとセンサが関節部に装着され、これにより機構部の動きがアクチュエータとセンサの慣性により影響を受けるしかない短所がある。

ハプティックジョイスティックは主に仮想現実または遠隔操縦等の分野に適用される。仮想現実の大部分のアプリケーションは構築された仮想環境の中をナビゲージョンしてから必要な位置で客体と相互作用するシナリオを有する。遠隔操縦の場合、原子炉、深海潜水艦、宇宙船等のように人が作業し難い環境で人に代えられる多様なスレーブロボットを操縦するに用いられる。後者の例で、危険物除去のために産業、または軍事用で用いられる モビール・マニピュレータ（ｍｏｂｉｌｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）（マニピュレータが装着された移動ロボット）の遠隔操縦がある。

前者のように仮想現実で平面をナビゲージョンする場合、直観的に平面自由度を具現するハプティック装置を使用することが適合で、客体と相互作用する際にはさらに高い自由度を具現するハプティック装置を使用すればするほどその現実感が高くなる。

後者のように、モビ−ル・マニピュレータを遠隔操縦する場合、モビールロボットを操縦して危険物に接近してマニピュレータを使用して危険物を除去する作業をすることになるが、モビールロボットは平面３自由度を持ち動くので、同一な自由度を具現できるハプティック装置を用いて使用者がより直観的に操縦できるようにすることが好ましい装置である。

前記した代表的なアプリケーションを調べてみるとき、常に全体的に６自由度運動を具現する機構を使用するのがエネルギー面においてもアクチュエータ効率面においても、なお、機構の制御側面においても好ましくないことがわかる。

ハプティックジョイスティックに関わる最近の研究動向として、並列機構を導入して一度に６自由度を具現する方法が多く開発されている。このような装置は大部分優秀な精密度と高い逆駆動性を具現して性能面において直列型機構を採用する場合の限界を克服した。このような装置の例として、ロングとコルリンスが開発したカルフォルニア州立大学の５節リンク並列ハンド制御機と、ＫＡＩＳＴによって開発された５節リンク並列型ハプティックマスター、成均館大学によって開発されたハプティックマスターなどがある。

図４には、並列機構を用いて６自由度を具現する並列型ハプティックジョイスティック（１）の概略図が示されている。図４に示されたように、並列型ハプティックジョイスティックのハンドル（３）は多岐筋のリンク（１１、１２）を通してベース（１４）に連結される。それぞれのリンクを駆動するためのアクチュエータとリンクの動きを測定するためのセンサを全てベースに装着することになり、各リンクの複合的動きの結果としてハンドル（３）が６自由度で運動することになる。

従って、前記並列型６自由度ハプティックジョイスティックの客観的な性能に優れるとしても、上で例示したハプティックアプリケーションを考慮する際に好ましい装置とは判断できない。なぜならば、前記で説明したように、多岐筋のリンクの動きが複合的に作用して６自由度を具現することになるので、１自由度の力のフィードバックのためにも全体６個のアクチュエータを全て使用しなければならないためである。上で言及した代表的なハプティックアプリケーションは常に６自由度を求めることではなく、主に３自由度以下を使用することになり、必要により暫く６自由度を用いることが一般的であるとの事実を考慮する際、六つのアクチュエータを常に使用することは制御が難しいだけでなく、エネルギー使用面においても極めて非効率的とも言える。使用しない自由度のために多数のアクチュエータを常に制御することより、かえって機構学的に拘束することが力のフィードバックの現実感を高めることが出来る。従って、よく用いられる自由度を把握し、これらを優先的に具現し、残りは機構学的に拘束するようにすることが制御と効率性側面においてより好ましいと言えるし、必要により自由度を拡張する方法を考慮する必要がある。

本発明は前記のような従来の問題点を解決するために開発されたものとして、本発明の目的は、平面運動の３自由度に基づいたリンク機構を基盤に、前記リンク機構が具現できない残りの３自由度を補完できる他のリンク機構を結合して全体的に６自由度を具現する機構部を採用する並列型ハプティックジョイスティックシステムを開発するものである。

前記のような本発明の目的は、コンピューターに連結され使用されるハプティックジョイスティックシシテムにおいて、所定の自由度を有する機構部と、使用者が前記機構部を操作することにより発生される位置、方位に関する情報をコンピューターに入力し、同時に前記コンピューターから所定の力、トルクの演算結果を出力されて使用者が感知できるように前記機構部を操作する制御部からなるハプティックシステムとして、前記機構部は第１リンク機構と第２リンク機構が直列に連結され構成され、前記第１リンク機構は基底面を構成するベースフレーム、一端が前記ベースフレームに所定の角度を成しながら、ピンジョイントで連結される複数の第１基部リンク、一端がそれぞれの前記第１基部リンクの他端にピンジョイントで連結される第１端部リンク、及び前記第１端部リンクの他端とピンジョイントで連結される第１プラットホームからなり、前記第１プラットホームがｘ軸とｙ軸方向の並進運動と、前記平面に垂直のｚ軸中心への回転運動の３自由度の運動が可能で、前記第２リンク機構は、一端が前記第１リンク機構のプラットホームにピンジョイントで連結される所定個数の第２基部リンク、それぞれ前記第２基部リンクの他端にピンジョイントで連結される第２端部リンク、及び前記第２端部リンクの他端がボールジョイントで連結される第２プラットホームからなり前記第２プラットホームが前記第１プラットホームに対してｚ軸方向の並進運動、ｘ軸及びｙ軸中心の回転運動の３自由度運動が可能であることにより、全体的に前記機構部が６自由度運動を具現できる並列型ハプティックジョイスティックシステム、を提供することにより達成される。

ここで、前記第１基部リンクは前記ベースフレーム上でのそれぞれ１２０°の角度を成しながら三つが配置され、前記第２基部リンクは前記第１プラットホーム上でそれぞれ１２０°の角度を成しながら三つが配置されるのが好ましい。

ここで、それぞれの前記第１基部リンクが前記ベース平面上でのｚ軸中心に回転運動できるようにする第１アクチュエータと、それぞれの前記第１基部リンクが回転する角度を測定できる第１センサが前記ベースフレームにそれぞれ備えられることが好ましい。

ここで、それぞれの前記第２基部リンクが前記第１プラットホーム上でのｘ、ｙ平面に平行した軸中心に回転運動できるようにする第２アクチュエータと、それぞれの前記第２基部リンクが回転する角度を測定できる第２センサが前記ベースフレームにそれぞれ備えられ、前記第２アクチュエータの動力が前記第２基部リンクに伝達されうるように、前記第１基部リンク及び前記第１端部リンクのピンジョイント下段に前記第１基部リンク及び前記第１端部リンクの回転と独立的に回転できる回転滑車が備えられ、前記回転滑車はケーブルその他動力伝達手段を用いて互いに連結され、前記第１端部リンクと前記第１プラットホームが連結されるピンジョイントに動力伝達軸を備え、前記動力伝達軸と前記第２基部リンクを傘歯車を用い連結するのが好ましい。

また、ここで、前記制御部は前記並列型ハプティックジョイスティックシステムが連結されるコンピューターに備えられることが出来る。

本発明の前述した目的及び特徴は添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明することにより、さらに明確になるであろう。

図５には本発明による並列型ハプティックジョイスティックシステムの構成図が示されている。図５に示されたように、本発明による並列型ハプティックジョイスティックシステム（１００）は、６自由度運動の具現が可能な機構部（５０）と、使用者が前記機構部（５０）を操作することにより発生される位置、方位に関する情報をコンピューター（４０）に入力し、同時にコンピューター（４０）から所定の力、トルクの演算結果を出力されて使用者が感知できるように、前記機構部（５０）を操作する制御部（３０）からなりコンピューター（４０）に連結され使用される。

前記機構部（５０）はそれぞれが３自由度運動を具現できる第１リンク機構（１０）と第２リンク機構（２０）が直列に連結され構成されることにより、全体的に６自由度を具現できる。６自由度を有する前記機構部（５０）から空間上で表現できる全ての動きを具現することが可能である。

平面３自由度を具現する第１リンク機構部（１０）、平面３自由度以外の空間３自由度を具現する空間機構部（２０）、前記平面機構部（１０）と前記空間機構部（２０）の動きから発生された信号を受け入れて演算を行い、リンク機構に付着されたセンサの情報を解析して使用者の手の動きを計算し、リンク機構に付着されたアクチュエータを制御する制御部（３０）と、前記制御部（３０）と連動するコンピューター（４０）からなるハプティックジョイスティックシステム（１）を構成する方法と作動原理及び運用方法を詳しく説明することにする。まず、本発明を通して考案された並列型リンク機構部（５０）に対して詳細に説明し、制御部（３０）及びコンピューター（４０）と連動し動作する原理を提示し、システムの運用方法を提供するようにする。

図６には本発明による並列型ハプティックジョイスティックシステムを構成する第１リンク機構（１０）が示されている。図６に示されたように、前記第１リンク機構（１０）は、基底面を構成するベースフレーム（１４）、一端が前記ベースフレーム（１４）に所定の角度を成しながら、ピンジョイントに連結される複数の第１基部リンク（１１）、一端がそれぞれの前記第１基部リンク（１１）の他端にピンジョイントで連結される第１端部リンク（１２ ）、及び前記第１端部リンク（１２）の他端とピンジョイントで連結される第１プラットホーム（１３）からなり、前記第１プラットホーム（１３）がｘ軸とｙ軸方向の並進運動と、前記平面に垂直のｚ軸中心への回転運動の３自由度の運動が可能である。

それぞれの前記第１基部リンク（１１）が前記ベース平面上においてのｚ軸中心に回転運動できるようにする第１アクチュエータ（１５）と、それぞれの前記第１基部リンク（１１）が回転する角度を測定できる第１センサ（１６）が前記ベースフレーム（１４）にそれぞれ備えられる。

前記三つの第１基部リンク（１１）は前記ベースフレーム（１４）上でそれぞれ１２０度の角度をなしながら三つが配置され、前記ベース平面（５１）上で回動するようそれぞれの連結部位のピンジョイントの回転軸（５２）を前記ベース平面（５１）に垂直の方向に一致させる。それぞれの第１基部リンク（１１）の他端には第１端部リンク（１２）が連結されるが、この際、それぞれの第１端部リンク（１２）またそれぞれの第１基部リンク（１１）と同一なベース平面（５１）で回動するようピンジョイントの回転軸（５３）を前記ベース平面（５１）に垂直の方向に一致させる。それぞれの第１端部リンク（１２ ）の他端は第１プラットホーム（１３）の互いに異なる地点に連結されるが、それぞれのピンジョイントの回転軸（５４）も前記ベース平面（５１）に垂直の方向に一致させる。

逆駆動性を考慮して前記それぞれの連結部位は前述したように連結部位ではピンジョイントが使用されるのが好ましい。また、逆駆動性を考慮する際、機構の動きにより前記第１センサ（１６）及び前記第１アクチュエータ（１５）が運動しないようにし、その慣性を排除するのが好ましいので、前記第１センサ（１６）と前記第１アクチュエータ（１５）を前記ベースフレーム（１４）と前記第１基部リンク（１１）が連結されるジョイント部位で前記ベースフレーム（１４）に固定することが好ましい。

前記のような構成を有する第１リンク機構（１０）の第１プラットホーム（１３）で使用者が操作しやすくようハンドルを備えると、使用者の操作により、または前記第１アクチュエータ（１５）を制御することにより、ベース平面（５１）に対して前記第１プラットホーム（１３）のｘ軸及びｙ軸方向の並進運動とｚ軸中心の回転運動の３自由度運動を得ることが出来る。

図７には本発明による並列型ハプティックジョイスティックシステムを構成する第２リンク機構が示されている。図７に示されたように、前記第２リンク機構（２０）は、一端が前記第１リンク機構（１０）のプラットホームにピンジョイントに連結される所定個数の第２基部リンク（２１）、それぞれ前記第２基部リンク（２１）の他端にピンジョイントで連結される第２端部リンク（２２）、及び前記第２端部リンク（２２）の他端がボールジョイントで連結される第２プラットホーム（２３）からなり、前記第２プラットホーム（２３）が前記第１プラットホーム（１３）に対してｚ軸方向の並進運動、ｘ軸及びｙ軸中心の回転運動の３自由度運動が可能である。

前記第２基部リンク（２１）は前記第１プラットホーム（１３）上でそれぞれ１２０°の角度を成しながら三つが配置されるのが好ましい。

前記第２基部リンク（２１）が運動する平面（５９）が前記第１プラットホーム（１３）が位置する平面（５６）に垂直となるように、前記第２基部リンク（２１）が前記第１プラットホーム（１３）に連結されるピンジョイントの回転軸（５７）は前記平面（５６）に平行に配置される。また、それぞれの第２端部リンク（２２）がそれぞれの第２基部リンク（２１）と同一な平面（５９）で回動するように、それぞれの第２基部リンク（２１）とそれぞれの第２端部リンク（２２）が連結されるピンジョイントの回転軸（５８）は前記ピンジョイントの回転軸（５７）と平行に配置される。

それぞれの第２端部リンク（２２）の他端と第２プラットホームが連結されるジョイント部位にはボールジョイントまたはユニバーサルジョイントを用いて連結しなければならない。

前記それぞれの第２基部リンク（２１）の回転角度を測定するための第２センサ（２６）と、前記それぞれの第２基部リンク（２１）を駆動するための第２アクチュエータ（２５）は前記第１プラットホーム（１３）上に備えられてセンサやアクチュエータがリンクの関節部位に設けられてリンクとともに運動することにより生成されうる慣性の影響を減らすことが可能である。

また、逆駆動性を考慮する際、機構の動きにより前記第２センサ（２６）及び前記第２アクチュエータ（２５）が運動しないようにし、その慣性を排除することが好ましいので、前記第２センサ（２６）と前記第２アクチュエータ（２５）とを前記ベースフレーム（１４）に固定することがより好適である。このように連結する方法に対しては後にさらに詳細に説明する。

前記のような構成を有する第２リンク機構（２０）の第２プラットホームに使用者が操作しやすいようにハンドルを備え、使用者の操作により、または前記第２アクチュエータ（２５）を制御することにより、前記平面（５６）に対して前記第２プラットホームのｘ軸及びｙ軸中心の回転運動とｚ軸方向の並進運動の３自由度運動が得られる。

図８には３自由度だけを有するリンク機構を使用して自由度を拡張することにより６自由度ハプティックジョイスティックシステムを具現する方法を説明する概念図が示されている。図８に示したように、第１リンク機構（１０）のような平面３自由度運動機構で、前記第１リンク機構（１０）の第１プラットホーム（１３）部分に異なるリンク機構（２０′）を付着して自由度を拡張することが出来る。即ち、第１リンク機構（１０）の第１プラットホーム（１３）に、前記第１リンク機構（１０）が具現出来ない自由度を有するリンク機構（２０′）を付着することにより自由度が拡張された機構部（５０′）を構成することが出来る。

このような拡張方法を適用すれば、６自由度を有する本発明による並列型ハプティックジョイスティックシステム（１００）は、前記第１リンク機構（１０）と前記第２リンク機構（２０）とを直列に連結することにより得ることが出来る。

図９には本発明による並列型ハプティックジョイスティックシステムの斜視図が示されている。図９に示したように、前述したようにそれぞれ異なる３自由度を具現できる第１リンク機構（１０）及び第２リンク機構（２０）をそれぞれ下部機構と上部機構にしてこれらを直列に連結することにより、６自由度を具現する並列型ハプティックジョイスティックシステムの機構部（５０）を構成することが出来る。

そして、使用者が操作するハンドルは前記第２リンク機構（２０）の第２プラットホーム（２３）上に設ける。前記のような機構部（５０）は下部の第１リンク機構（１０）と上部の第２リンク機構（２０）とが独立的に作動するために、ベース平面（５１）に対する平面３自由度を具現する場合には下部機構に付着された第１センサ（１６）及び第１アクチュエータ（１５）だけ使用でき、ベース平面（５１）に対する平面３自由度を取り除いた３自由度を具現する場合には上部機構に付着された第２センサ（２６）と第２アクチュエータ（２５）だけ使用することが出来る。従って、必要な自由度に対して効率的に装置を活用できるといった特徴を有する。

図１０には本発明による並列型ハプティックジョイスティックシステムにおいて、第２リンク機構を駆動する第２アクチュエータをベースフレームに設ける場合に、前記第２アクチュエータから前記第２リンク機構に動力を伝達するための構造を説明する図面が示されている。

それぞれの前記第２基部リンク（２１）が前記第１プラットホーム（１３）上でのｘ、ｙ平面に平行した軸中心に回転運動できるようにする第２アクチュエータ（２５）と、それぞれの前記第２基部リンク（２１）が回転する角度を測定できる第２センサ（２６）が前記ベースフレーム（１４）にそれぞれ備えられるものがアクチュエータやセンサの慣性による影響を排除し、逆駆動性を向上させることに役立つ。

この場合、前記第２アクチュエータ（２５）の動力が前記第２基部リンク（２１）に伝達されうるようにし、前記第２センサ（２６）で前記第２基部リンク（２１）の回転角度を感知するためには、適切な動力伝達手段が必要である。本発明では回転滑車、ケーブル、そして傘歯車からなる動力伝達手段を例にあげて説明することにする。

図１０に示されたように、前記第１基部リンク（１１）及び前記第１端部リンク（１２ ）のピンジョイント下端に前記第１基部リンク（１１）及び前記第１端部リンク（１２ ）の回転と独立的に回転できる回転滑車（２７）が備えられ、前記回転滑車（２７）はケーブル、ベルト、チェーン（２８）等を用いて互いに連結され、前記第１端部リンク（１２）と前記第１プラットホーム（１３）が連結されるピンジョイント部に動力伝達軸（２９）を備え、前記動力伝達軸（２９）と、前記第２基部リンク（２１）を傘歯車（３１、３２）を用いて連結することにより第２アクチュエータ（２５）の動力を第２基部リンク（２１）に伝達することが出来る。本実施例では傘歯車（３１、３２）を用いて前記動力伝達軸（２９）と前記第２基部リンク（２１）とを連結することを例えて説明したが、本発明を具現するに用いられる動力伝達手段はこれに限定されない。

また、第２センサ（２６）とベースフレーム（１４）に設け、第２アクチュエータに連結された回転滑車（２７）の回転角度を測定できるように構成することが出来る。

第１センサと第２センサで測定される第１基部リンク（１１）と第２基部リンク（２１）の回転角度から前記制御部では前記第１プラットホーム（１３）及び前記第２プラットホーム（２３）の位置、運動方向、速度、加速度等の運動状態を全て計算することが出来る。

図１１においては本発明による並列型ハプティックジョイスティックシステムの作動原理を説明するブロックダイアグラムが示されている。図面の太い矢印は運動の伝達を示し、細い矢印は信号の伝達を示す。

図１１に示されたように、使用者が本発明による並列型ハプティックジョイスティックシステム（１）の第２プラットホームに備えられたハンドル（３）をとって前記機構部（５０）を操作する。機構部（５０）を操作することにより、ハンドル（３）から第２リンク機構（２０）、第１リンク機構（１０）の順に運動が伝達される。この際、動く前記第１及び第２基部リンク（１１、２１）の回転角度を前記第１及び第２センサ（１６、２６）がそれぞれ測定して所定の信号に変換して制御部（３０）に伝達する。前記制御部（３０）は前記信号を予め結定された機構学的解析式に代入してその計算結果を前記コンピューター（４０）に伝達する。

前記コンピューター（４０）はコンピューターで実行されるプログラムの内部状況に合せて使用者と接触したハンドルに加える力、トルクの大きさ及び方向を決めて前記制御部（３０）に伝送する。前記制御部（３０）は伝送された力やトルクに対する命令を前記ハンドル（３）で再現するために、前記機構部（５０）の各アクチュエータ（１５、２５）で発生すべきトルクを予め決定されている力学解析式を用いて算出する。前記制御部（３０）は算出されたトルクを追従するよう前記機構部（５０）に装着されたそれぞれのアクチュエータ（１５、２５）を所定の信号を通して制御する。前記機構部（５０）のそれぞれのアクチュエータ（１５、２５）から発生された力は第１及び第２リンク機構（１０，２０）を駆動し、第２リンク機構に連結された前記ハンドル（３）に伝達される。使用者は身体と接触した前記ハンドル（３）を通して前記コンピューター（４０）が伝達した力とトルクの命令に該当する力とトルクの大きさと方向を感じることになる。

また、本実施例においては前記制御部（３０）が別途の装置からなっているが、前記制御部（３０）は前記並列型ハプティックジョイスティックシステム（１００）が連結されるコンピューター（４０）に備えられることもある。

図１２は本発明による並列型ハプティックジョイスティックシステムの運用方法を示した順次図である。

図１２においてＦ１００は機構部の作動順序、Ｆ２００は制御部の作動順序、そしてＦ３００は本発明による並列型ハプティックジョイスティックシステムに連結されるコンピューターの作動順序を示す。

図１２に示されたように、使用者は前記制御部（３０）を初期化（Ｆ２０１）し、連動するコンピューター（４０）で所定のプログラムを初期化（Ｆ３０１）する。使用者（４００）が前記機構部（５０）のハンドル（３）を手で取って（Ｆ１０１）、前記ハンドルを動かすと各基部リンクの角度変位がセンサ（１６，２６）を通して測定され（Ｆ１０２）制御部に伝達される。前記制御部（３０）は前記信号を伝達されて（Ｆ２０２）、機構学を解析してハンドル（３）の位置または姿勢を計算し（Ｆ２０３）、これを前記コンピューター（４０）に伝達する（Ｆ２０４）。前記コンピューター（４０）は前記信号を入力され（Ｆ３０２）、所定のプログラムは入力されたハンドル（３）の位置または姿勢を用いてこれに相応する作業を行う（Ｆ３０３）。前記コンピューター（４０）で実行される所定のプログラムは状況により適切な力とトルクを使用者に提示するための命令を前記制御部（３０）に出力する（Ｆ３０４）。前記制御部（３０）は前記コンピューター（４０）から力フィードバック命令を伝達され（Ｆ２０５）、力学計算を通して前記機構部（５０）の各基部リンクのアクチュエータ（１５，２５）に必要なトルクを算出し（Ｆ２０６）、これを所定の制御信号に出力する（Ｆ２０７）。前記制御信号によりそれぞれのアクチュエータが駆動されて前記コンピューター（４０）で実行されるプログラムが出力された力のフィードバックに該当する力及びトルクが使用者の手に伝達される（Ｆ１０３）。前記した作業の流れは前記コンピューター（４０）で実行される所定のプログラムが終了されるまで反復され、使用者が所望する作業を済ませるとプログラムを終了し（Ｆ３０５）、前記ハプティックジョイスティックのハンドルと接触を解除する（Ｆ１０４）。

以上に説明したように、本発明による並列型ハプティックジョイスティックシステムを用いる場合、並列機構を使用するためにアクチュエータやセンサの慣性の影響を受けないように構成することが容易でるという長所がある。そして、全体的に６自由度を全て具現することが可能である。また、平面３自由度作業を主にしながら、必要により６自由度の作業を行うことが出来るので、エネルギー使用面において効率的で、かつ制御が容易なハプティックジョイスティックシステムを提供することが出来る。

以上では本発明の特定の好ましい実施例について図示し、また説明した。しかし、本発明は詳述した実施例に限定されることなく、特許の請求範囲で請求する本発明の要旨を外れずに、当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、だれでも多様な変形実施が可能であろう。

従来のハプティック装置の概略的構成を示した概略図である。 従来の位置３自由度ハプティックジョイスティックの概略図である。 従来の６自由度ハプティックジョイスティックの概略図である。 並列機構を用いた６自由度ハプティックジョイスティックの概略図である。 本発明によるハプティックジョイスティックのシステムの構成図である。 本発明による並列型ハプティックジョイスティックのシステムを構成する第１リンク機構の図面である。 本発明による並列型ハプティックジョイスティックのシステムを構成する第２リンク機構の図面である。 ３自由度だけを有するリンク機構を用いて自由度を拡張することにより６自由度ハプティックジョイスティックシステムを具現する方法を説明する概念図である。 本発明による６自由度並列型ハプティックジョイスティックシステムの斜視図である。 本発明による並列型ハプティックジョイスティックシステムにおいて第２リンク機構を駆動する第２アクチュエータをベースフレームに設ける場合に、前記第２アクチュエータから前記第２リンク機構に動力を伝達するための構造を説明する図面である。 本発明による並列型ハプティックジョイスティックシステムの作動原理を示すブロックダイアグラムである。 本発明による並列型ハプティックジョイスティックシステムの作動流れを示すフローチャートである。

Claims (5)

1. コンピューターに連結され使用されるハプティックジョイスティックシステムにおいて、
   所定の自由度を有する機構部と、使用者が前記機構部を操作することにより発生される位置、方位に関する情報をコンピューターに入力する機能、および、同時に前記コンピューターから所定の力またはトルクの演算結果を出力されて使用者が感知できるように前記機構部を操作する機能を有する制御部とからなるハプティックシステムとして、
   前記機構部は第１リンク機構と第２リンク機構とが直列に連結されて構成され、
   前記第１リンク機構が、基底面を構成するベースフレームと、一端が前記ベースフレームに所定の角度を成しながらピンジョイントで連結される複数の第１基部リンクと、一端がそれぞれの前記第１基部リンクの他端にピンジョイントで連結される第１端部リンクと、前記第１端部リンクの他端とピンジョイントで連結される第１プラットホームとからなり、
   前記第１プラットホームが、ｘ軸とｙ軸方向の並進運動と前記平面に垂直のｚ軸中心への回転運動との３自由度の運動が可能であり、
   前記第２リンク機構が、一端が前記第１リンク機構のプラットホームにピンジョイントで連結される所定個数の第２基部リンクと、それぞれ前記第２基部リンクの他端にピンジョイントで連結される第２端部リンクと、前記第２端部リンクの他端がボールジョイントで連結される第２プラットホームとからなり、
   前記第２プラットホームが、前記第１プラットホームに対してｚ軸方向の並進運動と、ｘ軸及びｙ軸中心の回転運動との３自由度運動が可能であることにより、全体的に前記機構部が６自由度運動を具現できることを特徴とする並列型ハプティックジョイスティックシステム。
2. 前記第１基部リンクは、前記ベースフレーム上で所定の角度を成しながら三つが配置され、前記第２基部リンクは、前記第１プラットホーム上で所定の角度を成しながら三つが配置されることを特徴とする請求項１記載の並列型ハプティックジョイスティックシステム。
3. それぞれの前記第１基部リンクが前記ベース平面上でのｚ軸中心に回転運動できるようにする第１アクチュエータと、それぞれの前記第１基部リンクが回転する角度を測定できる第１センサとが前記ベースフレームにそれぞれ備えられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の並列型ハプティックジョイスティックシステム。
4. それぞれの前記第２基部リンクが前記第１プラットホーム上でのｘ、ｙ平面に平行した軸を中心に回転運動ができるようにする第２アクチュエータと、それぞれの前記第２基部リンクが回転する角度を測定できる第２センサとが前記ベースフレームにそれぞれ備えられ、
   前記第２アクチュエータの動力を前記第２基部リンクに伝達しうるように、前記第１基部リンク及び前記第１端部リンクのピンジョイントの下段に前記第１基部リンク及び前記第１端部リンクの回転と独立的に回転できる回転滑車が備えられ、該回転滑車は動力伝達手段を用いて互いに連結され、前記第１端部リンクと前記第１プラットホームとが連結されるピンジョイントに動力伝達軸を備え、前記動力伝達軸と前記第２基部リンクとが連結されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の並列型ハプティックジョイスティックシステム。
5. 前記制御部は、前記並列型ハプティックジョイスティックシステムが連結されるコンピューターに備えられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の並列型ハプティックジョイスティックシステム

Images