JP4572308B2 - Force display device - Google Patents
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Description
この発明は力覚提示装置に関し、特にたとえば、コンピュータインターフェイスとして用いられるディジタルデスクのようなデスクトップ装置を利用した、力覚提示装置に関する。 The present invention relates to a force sense presentation device, and more particularly to a force sense presentation device using a desktop device such as a digital desk used as a computer interface.
従来技術の一例が特許文献1に開示される。この特許文献1の仮想デスクトップ装置は、たとえば、互いに直交する2つのリニアインダクションモータ(LIM)を有する。ただし、LIMは一般的な回転誘導モータを切り開いた構造である。具体的には、単一のLIMは、磁束を発生させるコイル群からなる1次側の固定子と、力が生起される2次側の移動子とによって構成される。たとえば、盤面(デスクプレート)上に置かれた導電体の移動子に対して、任意の1次元方向の力を発生されることが可能である。このようなLIMを直交配置させることにより、合成的な2次元方向の力を生起することができる。つまり、従来技術の仮想デスクトップ装置では、1自由度のLIMを2台直交させた構造であるため、X軸方向のLIMとY軸方向のLIMとを駆動すると、図10(A)およびそのΔt秒後の状態を示す図10(B)から分かるように、各LIMの平行波が直交し、重畳された波が形成(生起)される。ただし、いずれか一方のLIMのみを駆動すると、当該一方のLIMの平行波が形成される。たとえば、X軸方向のLIMのみを駆動した場合には、図11(A)およびそのΔt秒後の状態を示す図11(B)から分かるように、X軸方向に向けて磁界が進行する。つまり、2次元平面上に、1次元(X軸方向またはY軸方向)に進行する磁界が生起される。
しかし、この従来技術の仮想デスクトップ装置は、2つのLIMを重ねて配置した構造であるため、力を提示するデスクプレートまでの距離が上段と下段とで異なり、各LIMの性能が等しくならない。このため、各LIMの駆動制御が面倒である。また、いずれか一方のLIMのみを駆動したとしても、盤面全体に一様な進行磁界が生起するため、磁界内に複数の導電体を置いた場合であっても、同一の方向および大きさの力を提示できるに過ぎなかった。これを回避するため、特許文献1では、各固定子コアに個別に固定子コイルを巻いて、複数の導電体を用いて異なる方向および/または大きさの力を提示する仮想デスクトップ装置を提案しているが、具体的な制御方法は不明である。
However, since this prior art virtual desktop apparatus has a structure in which two LIMs are stacked, the distance to the desk plate that presents the force differs between the upper and lower stages, and the performance of each LIM is not equal. For this reason, the drive control of each LIM is troublesome. Even if only one of the LIMs is driven, a uniform traveling magnetic field is generated on the entire board surface. Therefore, even when a plurality of conductors are placed in the magnetic field, they have the same direction and size. I could only show my strength. In order to avoid this,
それゆえに、この発明の主たる目的は、種類の異なる力を同時に提示できる、力覚提示装置を提供することである。 Therefore, a main object of the present invention is to provide a force sense presentation device capable of simultaneously presenting different types of forces.
請求項1の発明は、デスクプレート上に設けられる少なくとも1つの導電体、当該デスクプレート下に設けられる複数の固定子コア、および複数の固定子コアの各々に巻かれる複数の固定子コイルを備えるリニアインダクションモータを用いた力覚提示装置において、少なくとも進行磁界に関する基準点および当該進行磁界の方向を含む指令情報を出力する指令情報出力手段、および指令情報出力手段からの指令情報を受けて、当該指令情報に含まれる基準点と、複数の固定子コイルのうち、当該基準点を含み進行磁界の方向との関係で決定される一定範囲内に属する1または複数の固定子コイルの各々との距離に基づいて、少なくとも当該1または複数の固定子コイルの各々に付与する駆動電圧を制御して、当該1または複数の固定子コイルの各々に流れる交流電流の位相を制御する固定子コイル駆動制御手段を備えることを特徴とする、力覚提示装置である。
The invention of
請求項1の発明では、力覚提示装置は、リニアインダクションモータを備える。このリニアインダクションモータは、デスクプレート上に設けられる少なくとも1つの導電体を2次側とし、デスクプレート下に設けられる複数の固定子コアに個別に固定子コイルを巻いた固定子を1次側とする。指令情報出力手段は、少なくとも進行磁界に関する基準点および当該進行磁界の方向を含む指令情報を出力する。固定子コイル駆動制御手段は、指定情報出力手段から出力された指令情報を受けて、当該指令情報に含まれる基準点と、複数の固定子コイルのうち、当該基準点を含み進行磁界の方向との関係で決定される一定範囲内に属する1または複数の固定子コイルの各々との距離に基づいて、少なくとも当該1または複数の固定子コイルの各々に付与する駆動電圧を制御して、当該1または複数の固定子コイルの各々に流れる交流電流の位相を制御する。たとえば、固定子コイルの有無に拘わらず、基準点に存在すると仮定される固定子コイルに流れる交流電流の位相を基準として、固定子コイル駆動制御手段が制御する固定子コイルに流れる交流電流の基準からの相対的な位相差を算出する。そして、算出された位相差を持つ交流電流を流すための駆動電圧を生成するのである。このとき、印加する駆動電圧のパルス幅変調方式(PWM)で制御される。 According to the first aspect of the present invention, the force sense presentation device includes a linear induction motor. In this linear induction motor, at least one electric conductor provided on a desk plate is a secondary side, and a stator in which a stator coil is individually wound around a plurality of stator cores provided under the desk plate is a primary side. To do. The command information output means outputs command information including at least a reference point related to the traveling magnetic field and the direction of the traveling magnetic field . Stator coil drive control means receives the instruction information output from the specified information output means, a reference point included in the instruction information, among the plurality of stator coils, the direction of progress magnetic field includes the reference point And controlling at least the drive voltage applied to each of the one or more stator coils based on the distance to each of the one or more stator coils belonging to a certain range determined by the relationship between The phase of the alternating current flowing through each of the one or more stator coils is controlled. For example, with reference to the phase of the alternating current flowing through the stator coil assumed to exist at the reference point regardless of the presence or absence of the stator coil, the reference of the alternating current flowing through the stator coil controlled by the stator coil drive control means The relative phase difference from is calculated. Then, a drive voltage for flowing an alternating current having the calculated phase difference is generated. At this time, it is controlled by a pulse width modulation method (PWM) of the drive voltage to be applied.
請求項1の発明によれば、基準点を含み進行磁界の方向との関係で決定される一定範囲内に属する固定子コイルを駆動させるので、デスクプレート上の複数の小領域(局所的)に、進行磁界を発生(生起)させることができる。したがって、各進行磁界により導電体を移動させれば、これを把持したり、触れたりしているユーザに少なくとも場所(位置)の異なる力を提示することができる。このため、利便性の高いインターフェイスとして使用することができる。 According to the first aspect of the present invention, since the stator coil that includes the reference point and falls within a certain range determined by the relationship with the direction of the traveling magnetic field is driven , a plurality of small regions (locally) on the desk plate are driven. A traveling magnetic field can be generated (occurred). Therefore, if the conductor is moved by each traveling magnetic field, it is possible to present at least forces having different positions (positions) to the user who holds or touches the conductor. For this reason, it can be used as a highly convenient interface.
請求項2の発明は請求項1に従属し、指令情報は、進行磁界の強度をさらに含み、固定子コイル駆動制御手段は、指令情報に含まれる強度に基づいて、パルス幅変調方式で印加する駆動電圧のパルス幅を制御する。
The invention of
請求項2の発明では、指令情報を進行磁界の強度をさらに含む。これにより、固定子コイル駆動制御手段は、パルス幅変調方式印加する駆動電圧(PWM電圧)のパルス幅を制御する。
In the invention of
請求項2の発明によれば、進行磁界の強度を制御できるので、力の強さもパラメータとして、ユーザに情報を提供することができる。 According to the second aspect of the present invention, since the intensity of the traveling magnetic field can be controlled, it is possible to provide information to the user using the strength of the force as a parameter.
請求項3の発明は請求項1または2に従属し、固定子コイル駆動制御手段は、複数の固定子コイルのうち、一定範囲外の固定子コイルを駆動しない。
The invention of
請求項3の発明では、固定子コイル駆動制御手段は、複数の固定子コイルのうち、一定範囲外の固定子コイルを駆動しない。つまり、一定範囲内に存在する固定子コイルのみが駆動される。
In the invention of
請求項3の発明によれば、一定範囲内に存在する固定子コイルのみを制御するので、当該一定範囲のような小領域に進行磁界を生起することができる。
According to the invention of
この発明によれば、局所的に固定子コイルを駆動して、少なくとも異なる場所に進行磁界を生起させることができるので、その進行磁界によって異なる場所に配置された導電体を移動させることができる。したがって、この導電体を把持したり触れたりしているユーザに異なる種類の力を提示することができる。つまり、利便性の高いインターフェイスを提供することができるのである。 According to the present invention, the stator coil can be driven locally to generate a traveling magnetic field at least in a different location, and therefore the conductors arranged in different locations can be moved by the traveling magnetic field. Therefore, different types of forces can be presented to the user holding or touching the conductor. In other words, a highly convenient interface can be provided.
この発明の上述の目的,その他の目的,特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。 The above object, other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of embodiments with reference to the drawings.
この発明の一実施例である力覚提示装置10はデスクトップ装置12を含み、デスクトップ装置12はデスクプレート14およびリニアインダクションモータ(以下、「LIM」という。)16を備える。
A force
なお、図面では分かり易く示すために、デスクプレート14とLIM16の1次側(後述する固定子コアと固定子コイルとが設けられる側)との間に隙間があるように表現してあるが、実際には、デスクプレート14はLIM16の1次側の上に載置される。
In the drawing, for the sake of easy understanding, the
また、図示は省略するが、デスクプレート14には、たとえばプロジェクタを用いて、所望の画像(静止画像や動画像)を表示することが可能である。
Although illustration is omitted, a desired image (a still image or a moving image) can be displayed on the
図2はデスクトップ装置12の構成を示す図解図である。この図2からも分かるように、デスクプレート14の下側には、LIM16の1次側が設けられる。デスクプレート14としては、たとえば、2mm厚のテフロン(登録商標)板を使用することができる。LIM16は、複数(この実施例では、81個)の固定子コア16aおよびヨーク(継鉄)16bを含み、複数の固定子コア16aは、横(X)方向および縦(Y)方向に等間隔(たとえば、10mm)で、所定個数(たとえば、9個)ずつ並んでマトリクス状に配置される。図3に示すように(図2では省略)、各固定子コア16aには、固定子コイルL(L1,L2,L3,…,L79,L80,L81)が個別に巻かれている。
FIG. 2 is an illustrative view showing a configuration of the
なお、この実施例の固定子コイルLは、櫛形のケイ素鋼板を積層した鉄芯(10mm角、10mm高)を固定子コア16aとして、0.26mm径の絶縁導線が1520回巻きにされたもの(直流抵抗値は約28Ω)である。
In addition, the stator coil L of this example is obtained by winding an insulating lead wire having a diameter of 0.26 mm in 1520 turns using an iron core (10 mm square, 10 mm height) laminated with comb-shaped silicon steel plates as a
図1に戻って、力覚提示装置10はポインティング装置18を含み、ポインティング装置18はデスクプレート14上に載置される。図1では、簡単のため、ポインティング装置18を1つ設けるように示してあるが、2つ以上設けるようにしてもよい。ポインティング装置18には、たとえば、円盤状に形成された銅,アルミ或いは真ちゅうのような非磁性体の導電体18aが設けられる。導電体18aの形状はこれに限定されるべきではなく、四角形(正方形、長方形)の板状に形成するようにしてもよい。この導電体18aがLIM16の2次側の移動子である。また、ポインティング装置18には、ユーザの手指に装着或いは手指で把持可能な把持部(以下、「ペン入力部」という。)18bが設けられ、このペン入力部18bは、上述の導電体18aに連結される。ただし、把持部18bの形状は、ペン形状に限定される必要はなく、コンピュータマウス形状であってもよい。さらに、ペン入力部18bには、赤外LED18cが設けられる。一例として、赤外LED18cは、導電体18aとペン入力部18bとの連結部の近傍に設けられる。ただし、赤外LED18cは、その赤外光を後述する検出装置(この実施例では、検出装置26)によって検出できる位置であれば、導電体18a或いはペン入力部18bの任意の位置に設けることも可能である。
Returning to FIG. 1, the force
なお、赤外LED18cを、導電体18aとペン入力部18bとの連結部の近傍に設けるようにしてあるのは、導電体18aの中心またはほぼ中心をユーザが指示している位置として認識(検出)するようにしてあるためであり、当該連結部が導電体18aのほぼ中心に位置するためである。
Note that the
また、図示は省略するが、ポインティング装置18は、たとえば、電池(1次電池或いは2次電池)で駆動するものであり、図示しないスイッチをオンすることにより、赤外LED18cが点灯される。
Although not shown, the
このような構成のポインティング装置18は、ユーザによってペン入力部18bを把持され、ユーザの操作に従って、デスクプレート14を移動される。また、上述したLIM16が駆動すると、固定子(固定子コア16a,ヨーク16b,固定子コイルL)上(ここでは、デスクプレート14上)を移動する磁束の波(進行磁界)が発生(生起)される。このため、導電体18aが進行磁界に従ってデスクプレート14上を移動され、これにより、ペン入力部18bを把持したユーザの手指に任意の力をかけることができる。
The
なお、進行磁界を発生(生起)させる方法については、後で詳細に説明するため、ここでは詳細な説明は省略する。 Note that a method of generating (generating) a traveling magnetic field will be described in detail later, and thus detailed description thereof is omitted here.
また、力覚提示装置10はコンピュータ20を含み、コンピュータ20はPC或いはワークステーションのような汎用のコンピュータである。このコンピュータ20はホストコンピュータとして機能し、ポインティング装置18を介してユーザに提示する力の大きさ(進行磁界の強度)および方向、厳密に言うと、後述する基準位相点Pおよびそれを中心とする力のベクトル(以下、「指令情報」と言うことがある。)を、CAN(Controller Area Network)バスのようなインターフェイス22を介して複数のコントローラ24に指示する。
The force
ただし、この実施例では、指令情報としては、基準位相点Pを示す座標(説明の便宜上、「第1座標」という。)と、力のベクトルを決定するための座標(説明の便宜上、「第2座標」という。)とを指定するようにしてある。力のベクトルは、第1座標を始点とし、第2座標を終点とするベクトルである。 However, in this embodiment, the command information includes coordinates indicating the reference phase point P (referred to as “first coordinates” for convenience of description) and coordinates for determining a force vector (for convenience of explanation, “first 2 coordinates ")). The force vector is a vector having a first coordinate as a start point and a second coordinate as an end point.
コントローラ24は、たとえばマイクロコンピュータで構成され、固定子コイルLの駆動を制御する。このコントローラ24は、定電圧(たとえば、135V)のPWM方式の駆動回路であり、PWM電圧を固定子コイルLに付与する。これにより、当該固定子コイルLに交流電流が流れる。図示は省略するが、1の固定子コイルLに対して、1のコントローラ24が接続される。また、図示は省略するが、コントローラ24は、CPUのようなプロセサおよびドライバ(アンプ)を備え、コンピュータ20から与えられる指示(指令情報)に従って、固定子コイルLの駆動電圧を生成し、付与する。ただし、後述するように、コントローラ24は、固定子コイルLに駆動電流を流すタイミング、駆動電流の大きさ(実効値)および駆動電流の位相を適切に制御するための駆動電圧を生成し、当該固定子コイルLに付与するのである。
The
さらに、力覚提示装置10は検出装置26を含み、検出装置26は、上述したように、ポインティング装置18(赤外LED18c)の位置を検出するために用いられる。この実施例では、検出装置26として、AKAtech社製の高速CMOSカメラ(品番:iMVS−155)が用いられる。このように、検出装置として、CMOSカメラを用いるのは、一般的なCCDカメラとPCとを用いた画像処理では、30Hzのフレームレートによる処理が限界だからである。これに対して、実施例で使用するCMOSカメラは、カメラ側にプログラマブルなDSPが搭載され、画素単位で撮像が取得可能である。
Furthermore, the force
ポインティング装置18(赤外LED18c)の検出処理は、検出装置26で行われ、
検出結果すなわち赤外LEで18cの位置情報のみがコンピュータ20に送信される。これにより、比較的高速な位置追跡が実現可能である。具体的には、図4(A)に示す初期探索処理と図4(B)に示す光点追跡処理とが実行される。詳細な説明は省略するが、これらのアルゴリズムが上述した検出装置26のDSPに実装されるのである。ここで、初期探索処理は、光点追跡処理の前段階として、或いは一部の光点を見失った際に適時実行される。具体的には、初期探索処理では、デスクプレート14の面(盤面)全体を探索領域(たとえば、320mm×320mm)として撮影された2値画像をラスタスキャンすることにより、必要な個数の光点が検出される。検出された光点の座標は、次の光点追跡処理の初期座標として利用される。
The detection process of the pointing device 18 (
Only the detection result, that is, the position information of 18c in the infrared LE is transmitted to the
光点追跡処理では、図4(B)に示すように、前時刻(Δt前)の座標周辺の小領域(たとえば、20mm×20mm)のみを撮影し、たとえば、前時刻の座標を中心とする一定範囲のみを撮影し、現時刻の座標を取得する(求める)。これは、光点追跡処理が十分に高速であるとすると、Δtの時間内では光点(赤外LED18c)は距離Δdしか移動しないため、前時刻の座標を中心として高々2Δd角超の窓領域について探索処理(スキャン)を実行すればよいことになる。そして、求められた座標は、コンピュータ20に送信された後、次時刻の窓領域の中心座標として用いられる。ただし、このような光点追跡処理は、各光点(赤外LED18c)について実行される。
In the light spot tracking process, as shown in FIG. 4B, only a small area (for example, 20 mm × 20 mm) around the coordinates of the previous time (Δt before) is photographed, and for example, the coordinates of the previous time are the center. Only a certain range is photographed and the coordinates of the current time are acquired (obtained). Assuming that the light spot tracking process is sufficiently fast, the light spot (
以下、LIM16の制御方法について説明する。図5は、図3に示した固定子コイルL(固定子コア16a)の配列を示す図解図である。各固定子コイルLには、識別情報(ID番号)が付与される。図5から分かるように、左上隅の固定子コイルLには、ID番号として、「00」が割り当てられる。この実施例では、各固定子コイルLを行列の要素と同様に考えて、各固定子コイルLにID番号が割り当てられる。したがって、ID番号により、固定子コイルLを認識することが可能である。
Hereinafter, the control method of LIM16 is demonstrated. FIG. 5 is an illustrative view showing an arrangement of the stator coil L (
また、上述したように、固定子コイルLは縦方向(Y軸方向)および横方向(X軸方向)に9個ずつ並んで格子状に配置される。たとえば、隣接する固定子コイルL(固定子コア16a)の距離は、便宜的に「1」としてある。ただし、単位はhである。このように、隣接する固定子コイルLの距離を「1」と仮定し、この固定子コイルL上の平面をXY座標系で考えると、或る基準となる点から各軸方向にi,j個離れた固定子コイルLの座標は、L=(i,j)と表記される。たとえば、隣接する固定子コイルLa=(i,j)と固定子コイルLb=(i+1,j)の距離‖Lb−La‖は、数1で示される。
In addition, as described above, nine stator coils L are arranged in a lattice in a row in the vertical direction (Y-axis direction) and the horizontal direction (X-axis direction). For example, the distance between adjacent stator coils L (
なお、或る基準となる点は、後述する基準位相点Pであり、固定子コイルLが配置される座標と一致させる必要はない。 A certain reference point is a reference phase point P to be described later, and does not need to coincide with the coordinates where the stator coil L is arranged.
[数1]
‖Lb−La‖=√{(i+1−i)2+(j−j)2}=1
ただし、1自由度のLIMのような平行波(図11参照)すなわち1次元の方向に進行する磁界を作るためには、隣接する固定子コイルLに流す交流電流に一定の位相差を持たせる必要がある。そこで、隣接する固定子コイルL間に流すべき交流電流の位相差をφ0とすると、位相差φ0がn個目毎に0(=2π)になる場合、数2の関係が成り立つ。
[Equation 1]
‖Lb−La‖ = √ {(i + 1−i) 2 + (j−j) 2 } = 1
However, in order to generate a parallel wave (see FIG. 11) such as a one-degree-of-freedom LIM, that is, a magnetic field traveling in a one-dimensional direction, the alternating current flowing in the adjacent stator coil L has a certain phase difference. There is a need. Therefore, when the phase difference of the alternating current to flow between the adjacent stator coils L and phi 0, if the phase difference phi 0 is every n-th to 0 (= 2π), the
[数2]
φ0=2π/n
ここで、この実施例では、図6(A)に示すように、n=6としてあるため、隣接する固定子コイルLに流れる交流電流の位相差φ0はπ/3である。ただし、図6(A)では、空間的な位相角の関係が示される。したがって、基準位相(図6(A)の円の中心位置の位相)をαとすると、各相の位相と基準位相との関係は数3のように示される。
[Equation 2]
φ 0 = 2π / n
Here, in this embodiment, as shown in FIG. 6A, since n = 6, the phase difference φ 0 of the alternating current flowing in the adjacent stator coil L is π / 3. However, in FIG. 6A, a spatial phase angle relationship is shown. Therefore, if the reference phase (the phase at the center position of the circle in FIG. 6A) is α, the relationship between the phase of each phase and the reference phase is expressed as in
[数3]
u=α
v=α−2π/3
w=α+2π/3
u´=−α
v´=−α+2π/3
w´=−α−2π/3
また、隣接する固定子コイルL間の距離は1と仮定してあるので、距離d離れた固定子コイルL間の位相差はdφ0となる。したがって、各固定子コイルL間の位相差φは、進行軸へ投影した座標系での距離を求めればよいことが分かる。
[Equation 3]
u = α
v = α-2π / 3
w = α + 2π / 3
u ′ = − α
v ′ = − α + 2π / 3
w ′ = − α−2π / 3
Further, since the distance between the adjacent stator coils L is assumed to be 1, the phase difference between the stator coils L separated by the distance d is dφ 0 . Therefore, it can be understood that the phase difference φ between the stator coils L may be obtained by calculating the distance in the coordinate system projected onto the traveling axis.
すなわち、図6(B)に示すように、基準となる位相を持つ点(以下、「基準位相点」という。)Pを考慮すると、当該基準位相点Pと固定子コイルLc(説明の便宜上、図6(B)においては「C」と表記する。)の位置(任意の座標)との位相差φCPは、磁界の進行方向(力の方向)を示す軸と、固定子コイルLcの位置と基準位相点Pとを結ぶ直線CPとがなす角をθとおくと、数4に従って求められる。
That is, as shown in FIG. 6B, considering a point having a reference phase (hereinafter referred to as “reference phase point”) P, the reference phase point P and the stator coil Lc (for convenience of explanation) In FIG. 6B, the phase difference φ CP from the position (arbitrary coordinates) of “C”) is the axis indicating the magnetic field traveling direction (force direction) and the position of the stator coil Lc. And the angle formed by the straight line CP connecting the reference phase point P is θ, it can be obtained according to
[数4]
φCP=‖C−P‖×φ0×cosθ
各固定子コイルLには、基準位相点Pに与えるべき交流電流と同じ周波数であり、かつ数4に従って算出した位相差φCPを保つ交流電流が与えられ、進行磁界が生起される。したがって、図1に示した導電体18aが進行磁界に従う方向に移動され、これを把持するユーザに力が与えられる。
[Equation 4]
φ CP = ‖C−P‖ × φ 0 × cos θ
Each stator coil L is supplied with an alternating current having the same frequency as the alternating current to be applied to the reference phase point P and maintaining the phase difference φ CP calculated according to
なお、基準位相点Pはコンピュータ20から指示されるが、この基準位相点Pはコンピュータ20によって実行されるアプリケーション等によって適宜決定される。たとえば、ユーザが指示している位置或いはその近傍にアイコンやボタンのような画像を表示し、その画像を触っているような感触を与えたい場合には、当該位置或いはその近傍をたとえば基準位相点Pに決定することができる。かかる場合には、感触の与え方により、力の方向(磁界の進行方向)は任意に決定される。また、たとえば、そのような画像を指示させたくない場合には、当該画像から斥力が働くように、当該画像の中心ないしその近傍を基準位相点Pに決定し、力の方向は当該基準位相点Pからユーザの指示位置(ポインティング装置18)に向かう方向に決定すればよい。ただし、これらは単なる例示であり、基準位相点Pはコンピュータ20が決定したり、コンピュータ20のオペレータが決定(指定)したりすることができる。このように基準位相点Pを決定するために、ユーザの指示位置すなわちポインティング装置18(赤外LED18c)の位置情報を検出するようにしてある。
The reference phase point P is instructed from the
ここで、この実施例のLIM16では、固定子コイルLの各々にコントローラ24が接続され、別個独立に駆動される。したがって、複数の小領域毎(局所的)に進行磁界を席されるためには、各小領域毎に基準位相点Pを定義し、各固定子コイルLが基準位相点Pからの距離に基づいて、どの小領域に属するかを決定する。この小領域は、後述する数6で定義される条件(一定範囲)である。
Here, in the
たとえば、任意の座標に在るk番目の基準位相点Pkから進行方向の前後に半周期分、幅方向に距離2hの領域に在る固定子コイルLの組で進行磁界を生起すると定義して、任意の座標に配置される固定子コイルLの位置(座標)を数5で表わすと、数6で示す条件を満たす固定子コイルLが駆動すべき固定子コイルLとなる。
For example, it is defined that a traveling magnetic field is generated by a set of stator coils L located in a region having a distance of 2h in the width direction by a half cycle before and after the traveling direction from the kth reference phase point Pk at an arbitrary coordinate. When the position (coordinates) of the stator coil L arranged at an arbitrary coordinate is expressed by
[数5]
C={(x,y)|x∈M,y∈N}
[数6]
d=‖C−Pi‖
|dcosθ|≦3φ0
|dsinθ|≦h
たとえば、コンピュータ20からは、基準位相点Pおよびそれを中心とする力のベクトルすなわち指令情報を、インターフェイス20を介して各コントローラ24に与える。各コントローラ24では、自身が駆動制御する固定子コイルLの座標(ID番号)を把握しており、コンピュータ20から送信された指令情報に基づいて、当該固定子コイルLを駆動すべきか否かを判断する。つまり、基準位相点Pを中心とする一定範囲に属するか否かを、数6の条件を満たすか否かで判断するのである。数6の条件を満たす場合には、コントローラ24は、固定子コイルLを駆動すると判断して、駆動電流の実効値および位相を制御すべく、アンプに与えるべきパルス電圧(PWM電圧)を算出(生成)し、アンプに与える。一方、数6の条件を満たさない場合には、コントローラ24は固定子コイルLを駆動しない。
[Equation 5]
C = {(x, y) | x∈M, y∈N}
[Equation 6]
d = ‖C-Pi‖
| D cos θ | ≦ 3φ 0
| Dsinθ | ≦ h
For example, a reference phase point P and a force vector around the reference phase point P, that is, command information, are supplied from the
ただし、一定範囲(条件)を満たすか否かの判断は、数6の式で実行される必要はなく、数7に示すような円の式を用いて実行することもできる。 However, the determination as to whether or not a certain range (condition) is satisfied does not have to be performed using the equation (6), and can be performed using a circle equation as shown in the equation (7).
[数7]
d=√(Pi−C)2
d>3φ0 …一定範囲外(条件を満たさない)
d≦3φ0 …一定範囲内(条件を満たす)
ここで、図7(A)に示すように、固定子コイルLを駆動したときに流れる交流電流の基準波形(1周期分の正弦波)は、予め決定されている。この基準波形を所望の位相で再現するように、固定子コイルLは駆動される。ただし、厳密には、図7(B)に示すようなPWM電圧が固定子コイルLに与えられる。このため、図示は省略するが、たとえば、各コントローラ24のメモリには、アンプから出力されるPWM電圧が周期に対応して記憶される。また、図7(A)からも分かるように、この実施例では、1周期(2πrad(ラジアン))は、0〜255の数値(1バイトの数値データ)で表わされる。また、図示は省略するが、コントローラ24に設けられるアンプの出力は、0〜100%で表わされ、この出力も0〜255の数値(1バイトの数値データ)で表わされる。このアンプの出力は、固定子コイルLを流れる交流電流の実効値に対応する。また、アンプの出力に応じて、PWM電圧のパルス幅が変化される。この実施例では、図7(B)に示す基準となるPWM電圧のパルス幅を50%(127)に設定し、アンプの出力に合わせてパルス幅を変化させるようにしてある。
[Equation 7]
d = √ (Pi−C) 2
d> 3φ 0 ... out of a certain range (does not satisfy the condition)
d ≦ 3φ 0 ... Within a certain range (conditions are met)
Here, as shown in FIG. 7A, the reference waveform (one sine wave for one cycle) of the alternating current that flows when the stator coil L is driven is determined in advance. The stator coil L is driven so that this reference waveform is reproduced with a desired phase. However, strictly speaking, a PWM voltage as shown in FIG. 7B is applied to the stator coil L. For this reason, although illustration is omitted, for example, the PWM voltage output from the amplifier is stored in the memory of each
ただし、この実施例では、コンピュータ20からの指令情報は、40Hzの周期(25msec)で送られてくるが、各コントローラ24の動作周波数は30Hz(33msec=1波長分の時間)である。したがって、図7(C)に示すように、コンピュータ20からの指令情報に従って、コントローラ24は、固定子コイルLの駆動電流(駆動電圧)の位相(rad)および出力(%)を算出すると、25msec(0.75波長)分の駆動電流を流すように、PWM電圧を固定子コイルLに与える。ただし、PWM電圧は、算出された位相(rad)に対応する位置(波形再生開始位置)から付与を開始される。たとえば、位相が「34」であり、出力が「255」である場合には、図7(D)に示すように、位相「34」で示される波形再生開始位置から0.75波長分のPWM電圧が固定子コイルLに付与される。
However, in this embodiment, command information from the
図8は、コントローラ24が固定子コイルLを制御する場合に、当該固定子コイルLに流れる交流電流の波形および当該固定子コイルLに与えられるPWM電圧の波形を示す図解図である。ただし、コントローラ24は、インターフェイス22(CANバス)を介して一定時間(40Hz=25msec)毎に指令情報(力の発生コマンド)を受信する。たとえば、コントローラ24は、一定時間毎に送信される指令情報を受信し、当該指令情報に基づいて、位相および出力を算出する。位相および出力の算出方法は、上述したとおりである。位相および出力を算出すると、PWM電圧のパルス幅を出力に応じて調整(設定)し、算出した位相が示す波形再生開始位置から一定時間(25msec)分のPWM電圧を、図8に示すように、次の指令情報の読み出しタイミングで、固定子コイルLに付与する。したがって、図8における左から2番目の指令情報を受信するタイミングで、図8において最初(1番目)の指令情報に基づくPWM電圧(位相34,出力50%)が与えられる。また、図8における左から3番目の指令情報を受信するタイミングで、図8における左から2番目の指令情報に基づくPWM電圧(位相67,出力100%)が与えられる。さらに、図8における左から4番目の指令情報を受信するタイミングで、図8における左から3番目の指令情報に基づくPWM電圧(位相172,出力80%)が固定子コイルLに与えられる。
FIG. 8 is an illustrative view showing a waveform of an alternating current flowing through the stator coil L and a waveform of a PWM voltage applied to the stator coil L when the
なお、図8に示す波形は、対応するPWM電圧を固定子コイルLに付与した場合に、当該固定子コイルLを流れる電流の理想的な波形であり、実際には、アンプの特性等により多少変化すると考えられる。 Note that the waveform shown in FIG. 8 is an ideal waveform of the current flowing through the stator coil L when the corresponding PWM voltage is applied to the stator coil L. It will change.
このような構成の力覚提示装置10は、図9に示すようなシステム100に適用することができる。このシステム100は、たとえば、本件出願人が先に出願し、既に出願公開された特開2005−141331号公報に開示されているデスクトップシステムとLIM16の構成および駆動方法が異なる以外はほぼ同じである。ただし、検出装置26は、上述したように、CMOSカメラが用いられる。また、このシステム100では、2台のコンピュータを設けられるが、第1コンピュータ20が上述の実施例で示したコンピュータ20である。このようなシステム100を構成することにより、従来のデスクトップシステムでは、デスクプレート14上に複数の異なる進行磁界を発生させることができる。つまり、異なる場所で異なる方向に異なる大きさの力を提示することができる。ただし、異なる場所で、同じ方向または/および同じ大きさの力を提示することができるのは言うまでもない。
The force
この実施例によれば、固定子コアの各々に固定子コイルを巻き、基準となる点を中心とする一定領域に1次元の進行磁界を生起させ、複数の導電体を移動させることができるので、方向、大きさ、場所の少なくとも1つが異なる力を同時に提示することができる。つまり、種類の異なる力を提示することができる。 According to this embodiment, a stator coil can be wound around each of the stator cores, a one-dimensional traveling magnetic field can be generated in a fixed region centered on a reference point, and a plurality of conductors can be moved. , Direction, size, and location can present different forces simultaneously. That is, different types of forces can be presented.
10 …力覚提示装置
12 …デスクトップ装置
14 …デスクプレート
16 …リニアモータ
18 …ポインティング装置
20 …コンピュータ
22 …インターフェイス(CANバス)
24 …コントローラ
26 …検出装置(CMOSカメラ)
DESCRIPTION OF
24 ...
Claims (3)
少なくとも進行磁界に関する基準点および当該進行磁界の方向を含む指令情報を出力する指令情報出力手段、および
前記指令情報出力手段からの前記指令情報を受けて、当該指令情報に含まれる前記基準点と、前記複数の固定子コイルのうち、当該基準点を含み前記進行磁界の方向との関係で決定される一定範囲内に属する1または複数の固定子コイルの各々との距離に基づいて、少なくとも当該1または複数の固定子コイルの各々に付与する駆動電圧を制御して、当該1または複数の固定子コイルの各々に流れる交流電流の位相を制御する固定子コイル駆動制御手段を備えることを特徴とする、力覚提示装置。 A linear induction motor including at least one conductor provided on a desk plate, a plurality of stator cores provided under the desk plate, and a plurality of stator coils wound around each of the plurality of stator cores was used. In the haptic device,
Command information output means for outputting command information including at least a reference point relating to the traveling magnetic field and the direction of the traveling magnetic field, and the command information from the command information output means, and the reference point included in the command information; Based on the distance from each of the one or more stator coils belonging to a certain range including the reference point and determined in relation to the direction of the traveling magnetic field among the plurality of stator coils. or more by controlling the drive voltage to be applied to each of the stator coils, characterized in that it comprises a stator coil drive control means for controlling the phase of the AC current flowing through each of the one or more stator coils , Force sense presentation device.
前記固定子コイル駆動制御手段は、前記指令情報に含まれる前記強度に基づいて、パルス幅変調方式で印加する前記駆動電圧のパルス幅を制御する、請求項1記載の力覚提示装置。 The command information further includes the strength of the traveling magnetic field,
It said stator coil drive control means, based on said intensity included in the instruction information, to control the pulse width of the drive voltage applied by the pulse width modulation method, force-feedback device according to claim 1.
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