JP5916320B2

JP5916320B2 - 遠隔操縦装置

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Publication number: JP5916320B2
Application number: JP2011189163A
Authority: JP
Inventors: 廣瀬　茂男; 茂男廣瀬; 悠朗石田
Original assignee: Hibot KK
Current assignee: Hibot KK
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: JP2013049121A

Description

本発明はロボットや仮想現実下の操縦対象を遠隔操縦するための遠隔操縦装置に関する。

ロボットや仮想現実下の操縦対象の遠隔操縦がすでにいろいろな分野で使用されている。例えば、災害地や危険地区、あるいは、極限環境、宇宙空間での作業、物の移動等のために遠隔操縦が行われており、また、医療等の分野では手術トレーニング装置、遠隔手術のための遠隔操縦の研究が進められている。また、アミューズメント分野においては仮想現実下の操縦対象の遠隔操縦の開発が進められている。
ロボットの遠隔操縦をおこなうということは、ロボットのオペレータの操作情報（通常は手の動き）を検出してロボットに送り、ロボットが送られた操作情報にもとづき操作をおこなうということである。最近では、より適確な操作がおこなうことができるように力覚のフィードバックをおこなうものもあり、それも含めて多くの研究、開発が行われている。
また、仮想現実下の遠隔操縦をおこなうということは、仮想現実下において計算機上に表現された操縦対象を操縦装置の情報をもとに動作させるということである。ロボットの場合と同様に仮想現実下で表現された操縦対象に接触した場合には、対象に接触した場合に操縦対象が感じるであろう感覚を擬似的に創出し、操縦装置にフィードバックするような研究も数多くおこなわれている。

操作情報を検出するものとしては例えばジョイスティックが一般的に多く使われている。しかしこのタイプのものはそもそもジョイスティックの動作が手首の運動と対応していないために、操縦に違和感が生じる場合がある。

SensAble Technologies 社のPhantom Omni Deviceや、特許文献１の装置は、小型のマニピュレータの先端を指でつかんで作動させることで手首の動きを計測すると同時に、小型のマニピュレータの駆動系の生成力で指に力覚を返すものであるが小型のマニピュレータを机などに固定した状態で使用する必要があり、使用条件が制限され、またシステム全体の構成をコンパクトにできないという問題がある。
特許文献２の装置は球面リンク機構をもちいており比較的コンパクトな構造を有するものであるが、力覚を与えようとすると動き回る関節部分にモータ等の駆動系を取り付けねばならず、その分大きな質量を動かさねばならず軽快な操作感が得られない恐れがある。
特許文献３、特許文献４は１つの回転中心周りに３軸方向のモーメントを生成する手術シミュレータである。しかし、赤道部、南極部に複雑な機構を配設する必要があり、大きなスペースを要する。
非特許文献１の図４の装置は球座標型の５節リンク機構を用いているが軸回転部Ａ，Ｂが離間しており経度方向の可動範囲が大きくとれない。
非特許文献２の装置は力覚フィードバックをおこなう装置であるが装置が多数のリンクを含み構造が複雑であり、かつ大型であり、台上に設置して使用することが必要と思われ使用範囲が限定される。
非特許文献３の装置も非特許文献１の装置と同様に台上に設置して使用することが必要と思われ使用範囲が限定される。
CyberGlove Systems 社のCyberGrasp は指先に力覚フィードバックをおこなうものであるが手の甲にかさばる機構を取り付ける必要があり、軽快に操作することが難しい。Force Dimension 社のOmega シリーズも力覚フィードバックをおこなう装置であるが複雑、大型である。
特許文献５，特許文献６は指の動きを検出し、また、力覚フィードバックをおこなうための機構である。しかし、手の甲の部分にかさばる機構を装備する必要があり軽快に操作することができず、装着にも手間がかかるという問題がある。

米国特許６９４６８１２Ｂ１特開２００９−２７４２００米国特許出願公開２００５／０１６２３８３米国特許出願公開２００４／０１４５５６３Ａ９米国特許６０４２５５５米国特許６２７５２１３

Berbard D. Adelstein et al, "KINEMATIC DESIGN OF A THREE DEGREE OF FREEDOM PARALLEL HAND CONTROLLER MECHANISM, Proceedings of the ASME Dynamic Systems and Control Division, DSC-Vol. 58, pp.539-546, 1996 Y.Tsumaki et al. "Design of Compact 6-DOF Haptic Interface 荒田他「パラレルリンク機構を用いた力覚提示装置ＤＥＬＴＡ−４の開発」、日本ロボット学会誌２７巻８号

本願発明は、上記問題に鑑み、オペレータがロボット等の操縦対象を遠隔操縦するための遠隔操縦装置であって、可動範囲の広い手首の３自由度回転運動と、指の開閉運動の動きを、操作性を損なうことなく検出することができる簡潔な構造の遠隔操縦装置を提供することを目的とする。また、加えて力覚のフィードバックも行える遠隔操縦装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明では、操縦対象を遠隔操縦するための遠隔操縦装置であって、
それぞれ円弧状の右第１アームと右第２アームと、それぞれ円弧状の左第１アームと左第２アームと、を具備し、
右第１アームの基端と左第１アームの基端とが下部軸線まわりを回動可能にリンク連結されて下部メカボックスに同軸に取り付けられ、下部メカボックスには右第１アームの角度位置を検出する右第１アーム角度位置検出手段と、左第１アームの角度位置を検出する左第１アーム角度位置検出手段と、が備えられ、
右第１アームの先端に右第２アームの基部がそれぞれ右アーム連結軸線まわりを回動可能にリンク連結され、左第１アームの先端に左第２アームの基部がそれぞれ左アーム連結軸線まわりを回動可能にリンク連結され、
右第２アームの先端と左第２アームの先端が上部結合軸を介してリンク連結され、上部結合軸に対して上部メカボックスが上部結合軸の回りを回転できるように取り付けられていて、上部メカボックスにはオペレータが握るためのグリップが取り付けられ、
上部メカボックスには上部メカボックスの基準角度位置に対する角度位置の検出をする上部メカボックス角度位置検出手段と、少なくとも１つの指の動きに従動する指従動リンク機構と、指従動リンク機構の一部のリンクの角度位置の検出をする指従動リンク角度位置検出手段が取り付けられており、
右第１アーム角度位置検出手段、左第１アーム角度位置検出手段、上部メカボックス角度位置検出手段、および、指従動リンク角度位置検出手段の検出値にもとづき、オペレータの手先の姿勢、および、指先の情報を操縦対象に送ることができ、
上部結合軸の軸線と、下部軸線と、右アーム連結軸線と、左アーム連結軸線とのすべてが、手首の３自由度回転の回転中心の近傍の１点において交わる球面座標構造を形成するように、右第1アーム、右第２アーム、左第1アーム、左第２アーム、および、各リンク連結が設定されていて、前記グリップが前記球面座標構造の略中心に位置せしめられており、
上部メカボックスの角度位置を検出するための基準角度位置を生成する基準角度位置生成手段を具備し、
上部結合軸が右第２アームの先端または左第２アームの先端に対して固定されていて、基準角度位置生成手段は、上部メカボックスの角度位置の計算時に該右第２アームの先端または左第２アームの先端に対して固定された上部結合軸の外周上の予め定めた位置から計測した角度位置を、右第１アームと左第１アームの角度位置にもとづき修正する修正手段である、
ことを特徴とする遠隔操縦装置が提供される。

請求項２の発明では、基準角度位置生成手段は、右第２アームの先端に固定された右先端歯車および左第２アームの先端に固定された左先端歯車と、上部結合軸に対して回転可能に取り付けられた円板と、該円板に回転可能に取り付けられ右先端歯車とのみ係合する右係合歯車および左先端歯車とのみ係合する左係合歯車とを具備し、右先端歯車と左先端歯車とを互いに係合せしめて前記円板を姿勢一定に保持してなり、該姿勢一定に保持された円板に基準角度位置が設定される。
請求項３の発明では、基準角度位置生成手段は、右第２アームの先端および左第２アームの先端から延長された互いに等長の右第１延長部および左第１延長部と、基部が右第１延長部と左第１延長部のそれぞれの先端にリンク連結され、先端部が先端軸を介して互いにリンク連結されている、右第２延長部と左第２延長部と、上部結合軸に対して回転可能に取り付けられた円板と、該円板に固定され前記先端軸が係合する長穴と、を具備し、前記円板を姿勢一定に保持してなり、該姿勢一定に保持された円板に基準角度位置が設定される。

請求項４の発明では、指従動リンク機構は、２つの連結軸で連結された３つのリンク片を具備し、連結された３つのリンク片の一端が上部メカボックスに固定された第１固定部に回動自在に連結され、他端が上部メカボックスに固定された第２固定部に取り付けられたクランクアームの先端に回動自在に取り付けられ、第１固定部が指のＭＰ関節部に、第１固定部に回動自在に連結されているリンク片の反第１固定部側の端部が指のＰＩＰ関節部に合うようにリンク片の長さが選択され、
クランクアームが取り付けられている回転軸は第２固定部を介して角度検出手段に連結されていて、検出されたアームの角度位置にもとづき、指の開閉を検出する。
請求項５の発明では、指従動リンク機構は、指の開き側と閉じ側の動きに追従可能な指開閉追従手段を含む。
請求項６の発明では、指開閉追従手段は、前記３つのリンク片のうちの中間のリンク片を指の末節骨、中節骨部分に密着せしめる密着手段である。
請求項７の発明では、指開閉追従手段は、前記第１固定部および第２固定部に設けられ３つのリンク片の一端と他端に付勢力を与える一対の付勢手段である。

請求項８の発明では、右第１アーム角度位置検出手段の検出した右第１アーム角度位置と、左第１アーム角度位置検出手段の検出した左第１アーム角度位置とにもとづき、オペレータの手先のヨー変移、ピッチ変移を検出し、上部メカボックス角度位置検出手段の検出した上部メカボックス角度位置にもとづきオペレータの手先のロール変移を検出する。
請求項９の発明では、ロボットが反力を受けたときにその反力に応じた力覚をオペレータに与えるために駆動装置を備える。

本発明の遠隔操縦装置では、右第１アーム角度位置検出手段、左第１アーム角度位置検出手段、上部メカボックス角度位置検出手段、および、指従動リンク角度位置検出手段の検出値にもとづき、オペレータの手先の姿勢、および、指先の姿勢の情報をロボット等の操縦対象に送ることができ、少ない検出手段で多くの情報を操縦対象に送ることが可能である。また、オペレータが操縦をおこなうために握るグリップが球座標構造の略中心に位置せしめられ、装置の回転運動の中心が手首の運動の中心に近接しているので操縦するときの違和感が少なく、また全体がコンパクトである。

右手用の本発明の装置の全体構成を後左上方向から見た斜視図である。下部メカボックスの内部の構造を示す図である。上部メカボックスの内部の構造を示す図である。手先（手首よりも先のグリップを握った部分）が腕に対していずれの方向にも傾斜していない中立状態のときの装置を側方から見た図である。図４を前方から見た図である。図４を上方から見た図である。図４，５，６に示される中立状態における４つのアームの連結の様子を模式的に示したものである。（Ａ）は前方から、（Ｂ）は上方から、（Ｃ）は側方から、見た図である。手先を腕に対して上向きにピッチ変移したときの装置を側方から見た図である。手先を腕に対して下向きにピッチ変移したときの装置を側方から見た図である。図８の状態における４つのアームの連結の様子を図７と同様に模式的に示したものである。図９の状態における４つのアームの連結の様子を図７と同様に模式的に示したものである。手先を腕に対して内向きにヨー変移させたときの装置を上方から見た図である。手先を腕に対して外向きにヨー変移させたときの装置を上方から見た図である。図１２の状態における４つのアームの連結の様子を図７と同様に模式的に示したものである。図１３の状態における４つのアームの連結の様子を図７と同様に模式的に示したものである。手の甲が上になるようにロール変移させた（捻った）ときの装置を前方から見た図である。図１６の状態を上方から見た図である。手の甲が下になるようにロール変移させた（捻った）ときの装置を前方から見た図である。図１８の状態を上方から見た図である。ヒトの右手の指の骨の構造を示す図である。指従動リンク機構の構成をしめす図であって、（Ａ）第２指（ひとさし指）がほぼまっすぐな場合をしめしている。（Ｂ）第２指（ひとさし指）を少し曲げた場合をしめしている。（Ｃ）第２指（ひとさし指）を、物を掴めるほど大きく曲げた場合をしめしている。上部メカボックスの内部を示す図である。右第１アームの角度αと左第１アームの角度βを説明する図である。ヨー角θｙと右第１アームの角度αと左第１アームの角度βの関係を示す図である。ピッチ角の検出を説明するための図である。ロール角の検出のずれの補正を説明するための図である。ロール角の検出のずれが発生しないようにした第１の変形例の構造を示す図であって、（Ａ）は完成図であり、（Ｂ）は分解組み立て図である。ロール角の検出のずれが発生しないようにした第２の変形例の構造を示す図であって、（Ａ）は完成図であり、（Ｂ）は分解組み立て図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の操作情報検出再現装置の実施形態を説明する。
図１は右手用の本発明の装置の全体構成を示す図であって後左上方向から見た斜視図である。左手用も同じように構成される。
下部メカボックス１００に、円弧状の右第１アーム１１０の右第１アーム基端部材１１１と円弧状の左第１アーム２１０の左第１アーム基端部材２１１が同軸的に回動可能に連結されている。

そして右第１アーム１１０に取り付けられた右第１アーム先端部材１１２が円弧状の右第２アーム１２０に取り付けられた右第２アーム基端部材１２１と相互に回動可能に連結されている。
同様に、左第１アーム２１０に取り付けられた左第１アーム先端部材２１２が円弧状の左第２アーム２２０に取り付けられた左第２アーム基端部材２２１と相互に回動可能に連結されている。右第２アーム１２０に取り付けられた右第２アーム先端部材１２２と左第２アーム２２０に取り付けられた左第２アーム先端部材２２２が相互に回動可能に連結されている。

図２に下部メカボックス１００の内部構造が示されており、右第１アーム基端部材１１１に軸１１３が取り付けられ、軸１１３の下端部には右アームプーリ１１４が取り付けられている。左第１アーム基端部材２１１に軸２１３が取り付けられ、軸２１３の下端部には左アームプーリ２１４が取り付けられている。
右アームプーリ１１４は右アームベルト１１６を介して右アームモータ１１５の軸に取り付けられた右アームモータプーリ１１７と連結されている。同様に、左アームプーリ２１４は左アームベルト２１６を介して左アームモータ２１５の軸に取り付けられた左アームモータプーリ２１７と連結されている。

図３に上部メカボックス３００および、右第２アーム先端部材１２２、左第２アーム先端部材２２２の内部構造が示されている。左第２アーム先端部材２２２には軸２３０が固定されている。右第２アーム先端部材１２２はこの軸２３０に対して自由に回転できる。軸２３０は上部メカボックス３００内に延伸し、その端部にはプーリ２３１が取り付けられている。このプーリ２３１はベルト３４２を介して上部メカボックス３００内に配置されたロールモータ３４０の軸に取り付けられたロールモータプーリ３４１と連結されている。

右アームモータ１１５、左アームモータ２１５、ロールモータ３４０には、図示しないが、それぞれ、右第１アーム１１０、左第１アーム２１０、上部メカボックス３００の基準角度位置に対する角度変移量を検出できる角度検出センサが取り付けられている。角度検出センサは、例えば、ポテンシオメータ式のものとされる。

右第１アーム１１０の右第１アーム基端部材１１１と左第１アーム２１０の左第１アーム基端部材２１１が同軸的に回動可能に連結されているので４リンク４節構造を成しているが、右第１アーム１１０の右第１アーム基端部材１１１と左第１アーム２１０の左第１アーム基端部材２１１を離間してそれぞれ独立に下部メカボックス１００に回動可能に連結すれば５リンク５節構造となる。

図示されるように、本発明の操縦装置は右第１アーム１１０の右第１アーム基端部材１１１と左第１アーム２１０の左第１アーム基端部材２１１の共通軸線Ｘ０、右第１アーム１１０の右第１アーム先端部材１１２と右第２アーム１２０の右第２アーム基端部材１２１との共通軸線Ｘ１、左第１アーム２１０の左第１アーム先端部材２１２が左第２アーム２２０の左第２アーム基端部材２２１の共通軸線Ｘ２、右第２アーム１２０の右第２アーム先端部材１２２と左第２アーム２２０の左第２アーム先端部材２２２の共通軸線Ｘ３は１つの点で交わる球座標構造を有している。

図４は手先（手首よりも先のグリップを握った部分）が腕に対していずれの方向にも傾斜していない中立状態のときの装置を側方から見た図であり、図５は前方から見た図であり、図６は上方から見た図である。図７は図４，５，６に示される中立状態における４つのアームのリンク結合の様子を模式的に示したものである。（Ａ）は前方から、（Ｂ）は上方から、（Ｃ）は側方から、見た図である。

右第１アーム基端部材１１１と左第１アーム基端部材２１１の結節点をＪ０、右第１アーム先端部材１１２と右第２アーム基端部材１２１の結節点をＪ１、左第１アーム先端部材２１２と左第２アーム基端部材２２１の結節点をＪ２，右第２アーム先端部材１２２と左第２アーム先端部材２２２の結節点をＪ３で示してある。

次に、ピッチ運動させたときについて説明する。
図８は手先を、ピッチ運動により、中立状態から腕に対して上向きに傾斜させたときの装置を側方から見た図であり、図９は手先を、ピッチ運動により、中立状態から腕に対して下向きに傾斜させたときの装置を側方から見た図である。図１０は図８の状態における４つのアームのリンク結合の様子を図７と同様に模式的に示したものであり、図１１は図９の状態における４つのアームのリンク結合の様子を図７と同様に模式的に示したものである。

次に、ヨー運動させたときについて説明する。
図１２は手先を、ヨー運動により、中立状態から腕に対して内向きに傾斜させたときの装置を側方から見た図であり、図１３は手先を、ヨー運動により、中立状態から腕に対して内向きに傾斜させたときの装置を側方から見た図である。図１４は図１２の状態における４つのアームのリンク結合の様子を図７と同様に模式的に示したものであり、図１５は図１３の状態における４つのアームのリンク結合の様子を図７と同様に模式的に示したものである。

次に、ロール運動させたときについて説明する。
図１６はロール運動により、中立状態から、手の甲が上になるように腕を捻ったときの装置を側方から見た図であり、図１７は上方から見た図である。同様に、図１８はロール運動により、中立状態から、手の甲が下になるように腕を捻ったときの装置を側方から見た図であり、図１９は上方から見た図である。

次に、指先の動きの検出、力覚付与をおこなうための指従動リンク機構４００について説明するが、それに関して図２０に、手先部分の骨、関節の名称を記載した。
図２１は指従動リンク機構４００の構成、作動を説明する図であって、（Ａ）は第２指がほぼまっすぐに伸びている状態を示し、（Ｃ）は第２指と第１指で物を掴める状態を示し、（Ｂ）はその中間の状態を示している。

指従動リンク機構４００は順次リンク連結されている第１指レバー４１０、第２指レバー４２０、第３指レバー４３０を有している。第１指レバー４１０と第２指レバー４２０は第１連結部４１５で連結され、第２指レバー４２０と第３指レバー４３０は第２連結部４２５で連結されている。
そして、第１指レバー４１０の始端側は上部メカボックス３００に固定されている第１固定部４０５に回動自在に取り付けられている。第３指レバー４３０の終端側は第３連結部４３５で上部メカボックス３００に固定されている第２固定部４４５からのびるクランクアーム４４０と回動自在に連結されている。

第１指レバー４１０は第２指（ひとさし指）の基節骨部分の親指側の側面に添接され、第２指レバー４２０は第２指の中節骨、末節骨の部分の内側（手のひら側）の面に沿って延伸する。第２指レバー４２０を面ファスナー等を用いて指に係止することも可能である。

使用時には、第１固定部４０５は概ね第２指のＭＰ関節部に位置する。そして、第１指レバー４１０と第２指レバー４２０を連結する第１連結部４１５が第２指のＰＩＰ関節にくるように第１指レバー４１０、第２指レバー４２０の長さが選択されるが、好ましくは長さが調節可能にされる。クランクアーム４４０は第２固定部４４５を介して指先制御モータ４５０と連結されている。

図２２は上部メカボックス３００のカバーを外して内部を説明する図である。
（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）いずれもニュートラルな状態のものであるが、（Ａ）は斜め上方から見た図、（Ｂ）は上から見た図、（Ｃ）は側方から見た図である。
指従動リンク機構４００の第１固定部４０５は上部メカボックス３００のベース板３０１を貫通して上部メカボックス３００の内部に延伸しており、そこでバネ４０６によって上から見て時計回り方向に付勢されている。

指従動リンク機構４００の第２固定部４４５は上部メカボックス３００のベース板３０１を貫通して上部メカボックス３００の内部に延伸しており指先制御モータ４５０と連結されている。また、バネ４４６によって上から見て時計回り方向に付勢されている。
指先制御モータ４５０の内部には図示しないが、第４指レバー４４０の基準角度位置に対する角度変移量（ロール角）を検出できる角度検出センサ、負荷を検出する負荷検出センサが取り付けられている。

以下、ピッチ角、ヨー角、ロール角の検出について説明する。
まず、図２３に示すように、各結節点、角度を以下のように定義する。
Ｊ０：右第１アーム１１０と左第１アーム２１０の結節点
Ｊ１：右第１アーム１１０と右第２アーム１２０の結節点
Ｊ２：左第１アーム２１０と左第２アーム２２０の結節点
Ｊ３：右第２アーム１２０と左第２アーム２２０の結節点
また、右第１アーム１１０のＸ軸から半時計周りに計測した角度をαと定義し、左第１アーム２１０のＸ軸から半時計周りに計測した角度をβと定義する。

先ず、ヨー角θｙについて説明する。
ヨー角θＹは図１のＺ方向から見たときのＪ３の角度である。そして、Ｊ３は右第１アーム１１０、左第1アーム２１０の角度に係らず常にαとβの二等分線上にある。(図２４参照）。したがって、以下の関係を有する。
ヨー角θｙ＝（α＋β）／２

次に、ピッチ角θｐについて説明する。
図２５の（Ａ）はＪ０、Ｊ３を通る球面リンクをＹ方向から見た図である。
Ｊ３の座標Ｘ３、Ｚ３は以下のように表される。
Ｘ３_(α、β)＝（Ｒ²−（Ｚ３−Ｒ）²）^1/2
Ｚ３_(α、β)＝(Ａ±Ｂ）／４（Ｄ²＋Ｅ²）
そして、ピッチ角θｐは以下のように表される。
θｐ＝ｔａｎ^-1（Ｘ３_(α、β)／（Ｒ−Ｚ３_(α、β)）

ここで、
Ｒ：球面リンクの回転半径
Ｌ１：Ｊ０とＪ１（Ｊ２）の間の直線距離
Ｌ２：Ｊ１（Ｊ２）とＪ３の間の直線距離
Ｄ＝Ｒ−Ｌ１Ｖ
Ｅ＝Ｌ１Ｈ・ｃｏｓ（（β−α）／２）
Ａ＝−２(Ｆ×Ｄ−２Ｒ×Ｅ²））
Ｂ＝２×Ｅ×（４Ｒ²×Ｅ²−（Ｆ²＋４Ｒ×Ｆ×Ｄ））^1/2 であって、
また、図２５の（Ｂ）に示されるように、
Ｌ１Ｖ：Ｊ０とＪ１（Ｊ２）の間の垂直直線距離
Ｌ１Ｈ：Ｊ０とＪ１（Ｊ２）の間の水平直線距離
であり、また、
Ｆ＝Ｌ１²−Ｌ２² である。

次にロール角θｒの検出について説明する。
前述したように上部メカボックス３００内のロールモータ３４０には上部メカボックス３００の基準角度位置に対する角度変移量（ロール角）を検出できる角度検出センサが設けられている。この角度検出センサは左第２アーム先端部材２２２に固定された軸２３０の周面上の基準位置に対する角度を検出するものである。しかし、この軸２３０の周面上の基準位置はピッチ変移していると移動してしまう。

図２６の（Ａ）が上記を説明する図である。
θｒが絶対座標系における上部メカボックス３００の傾きである。軸２３０がγだけ傾いていることを示し、角度検出センサが検出したδはγの値を含んでいる。
したがって、θｒ＝δ−γという補正をおこなう必要がある。

以下、上記の補正について説明する。
図２６の（Ａ）はロール軸方向から右第２アーム１２０と左第２アーム２２０のリンク連結部を見たものである。
γ＝ｓｉｎ^-1（Ｌｒ／Ｌ２Ｈ）
Ｌ２Ｈは図２６（Ｂ）に示されるものである。
図２６（Ｃ）はＬｒを説明する図であって、ＬｒはＺ方向から見た場合のＬ１Ｈ（図２５(Ｂ)参照）にｓｉｎ（（β−α）／２）を乗じた値に等しい。
したがって、γ＝ｓｉｎ^-1（（Ｌ１Ｈ・ｓｉｎ（（β−α）／２）／Ｌ２Ｈ）である。
よって、θｒ＝δ−ｓｉｎ^-1（（Ｌ１Ｈ・ｓｉｎ（（β−α）／２）／Ｌ２Ｈ）

上記の補正は、軸２３０がピッチ変移にともなって絶対座標系上では回転してしまうことによって発生する。そこで、変形例として、基準角度位置が回転しないようにした変形例を２つ説明する。一方は、リンク機構を用いたものであり、他方は歯車を利用したものである。

図２７はリンク機構を用いた第１の変形例を示す図であって、（Ａ）は全体図、（Ｂ）は分解組み立て図である。互いにリンク連結されている右第２アーム１２０、左第２アーム２２０の先に、互いに等長な右第２アーム第１延長部１３０、左第２アーム延長部２３０が延長されている。右第２アーム第１延長部１３０、左第２アーム第１延長部２３０の先には、さらに、それぞれ等長な右第２アーム第２延長部１４０、左第２アーム第２延長部２４０がリンク連結されている。右第２アーム第２延長部１４０の先端と左第２アーム第２延長部２４０の先端が先端軸３６５を介してリンク連結されている。

一方、参照符号３６０で示されるのは上部メカボックス結合軸３１０を保持するするとともにロール角の基準角度位置を生成するための基準角度位置生成部材である。基準角度位置生成部材３６０は円形の基部３６１と基部３６１に一体に形成された突出部３６２からなり、基部３６１の中央には穴３６３が形成され、突出部３６２には長穴３６４が形成されている。基部３６１にはベルト３４２が係合されるプーリ３６５が固定されている。ベルト３４２は図２で示したものと同じであり、プーリ３４１と係合している。

穴３６３には上部メカボックス結合軸３１０が相互回動可能に配置されている。一方、長穴３６４には先端軸が係合せしめられる。上部メカボックス結合軸３１０には上部メカボックス３００が回動可能に取り付けられている。また、上部メカボックス結合軸３１０は右第２アーム１２０と左第２アーム２２０の先端のリンク連結ための軸としても利用されている。

上記のような構成により基準角度位置生成部材３６０は絶対座標において回動せず常に一定の姿勢を保っている。このように一定の姿勢を保つ基準角度位置生成部材３６０に基準角度位置を設定することにより前述のように検出された上部メカボックス３００の角度位置を修正する必要がない。
なお、グリップ５００は図２に示されるように上部メカボックス３００の下面に取り付けるのではなくて、上部メカボックス３００の下方延長部に取り付けられている。

図２８は歯車を用いた第２の変形例を示す図であって、（Ａ）は全体図、（Ｂ）は分解組み立て図である。
互いにリンク連結されている右第２アーム１２０、左第２アーム２２０の先端部分に半月形の右先端歯車１５０、左先端歯車２５０が付設されている。参照符号３７０で示されるのは上部メカボックス結合軸を保持するするするとともにロール角の姿勢の基準角度位置を生成するための基準角度位置生成部材である。基準角度位置生成部材３７０には右先端歯車１５０と噛合う右歯車３７１と左先端歯車２５０と噛合う左歯車３７２が固定されていて、右歯車３７１と左歯車３７２は相互に噛合っている。

基準角度位置生成部材３７０の中央には穴３７３が形成され、また、ベルト３４２が係合されるプーリ３６５が固定されている。ベルト３４２は図２で示したものと同じであり、プーリ３４１と係合している。
穴３７３には上部メカボックス結合軸３１０が相互回動可能に配置されている。上部メカボックス結合軸３１０には上部メカボックス３００が回動不能に取り付けられている。また、上部メカボックス結合軸３１０は右第２アーム１２０と左第２アーム２２０の先端のリンク連結ための軸としても利用されている。

上記のような構成により基準角度位置生成部材３７０には右先端歯車１５０、左先端歯車２５０は常に逆方向の回転しか許容しないため、基準角度位置生成部材は回転しない。したがって、絶対座標において回動せず常に一定の姿勢を保っている。このように一定の姿勢を保つ基準角度位置生成部材３７０に基準角度位置を設定することにより前述のように検出された上部メカボックス３００の角度位置を修正する必要がない。

次に、指従動リンク機構４００の第２レバー４２０の先端（ひとさし指の先端部）の第２連結部４２５の位置の検出について説明する。
第１指レバー４１０は固定されていないが第１レバー４１０の自由端にある第１固定部４０５は概ね第２指のＭＰ関節部にあるようにされる。したがって、第１固定部４０５の位置はほぼ固定されている。したがって、第１固定部４０５、第２固定部４４５が固定された５節リンク機構を形成していることになる。
したがって、上部メカボックス３００内の指先制御モータ４５０の角度検出センサが検出する基準角度位置からの変移量を測定することにより第２連結部４２５の第２固定部４４５に対する位置をもとめることができる。

右アームモータ１１５、左アームモータ２１５、ロールモータ３４０、および、指先制御モータ４５０に設けられた角度検出センサの検出した信号は、図示しない、適切な、有線または無線の伝達手段によりロボット等の操縦対象に伝達され、伝達された信号にもとづきロボット等の操縦対象の対応する部位が動いて所望の操作が行われる。
ここで、ロボット等の操縦対象が何らかの対象物に接触し反力を受けるとその反力はロボット等の操縦対象にあらかじめ備えられたセンサにより検出され、その信号が本発明の操縦装置に伝達される。
すると、伝達された信号にもとづいて右アームモータ１１５、左アームモータ２１５、ロールモータ３４０、指先制御モータ４５０等の駆動装置が作動せしめられてオペレータに力覚が与えられるが、その際に力覚が目標値になるように駆動装置にはその力に相当する電流が供給される。より正確な力覚を与える場合には、ここに負荷検出センサを設けてもよい。なお、力覚はあらかじめ定めた倍力比によりロボットが検出した力に対して倍力されるが、倍力比は１より小さい場合もあれば、１より大きい場合もある。
上記のような信号の送受、倍力比の設定、および、前述したロール角の検出値の補正等のために下部メカボックス１００または上部メカボックス３００内に、図示しないが制御装置が設けられている。

本発明はロボットや仮想現実下の操縦対象を遠隔操縦するための遠隔操縦装置であり、遠隔操縦をおこなうロボットや仮想現実を利用するアミューズメント装置等に広く適用できる。

１００下部メカボックス
１１０右第１アーム
１１１右第１アーム基端部材
１１２右第１アーム先端部材
１２０右第２アーム
１２１右第２アーム基端部材
１２２右第２アーム先端部材
２１０左第１アーム
２１１左第１アーム基端部材
２１２左第１アーム先端部材
２２０左第２アーム
２２１左第２アーム基端部材
２２２左第２アーム先端部材
３００上部メカボックス
３１０上部メカボックス結合軸
３４０ロールモータ
３６０基準角度位置生成部材
３７０基準角度位置生成部材
４００指先動き検出装置
４０５第１固定部、
４１０第１指レバー
４１５第１連結部
４２０第２指レバー
４２５第２連結部
４３０第３指レバー
４３５第３連結部
４４０クランクアーム
４４５第２固定部
４５０指先制御モータ
５００グリップ

Claims

操縦対象を遠隔操縦するための遠隔操縦装置であって、
それぞれ円弧状の右第１アームと右第２アームと、それぞれ円弧状の左第１アームと左第２アームと、を具備し、
右第１アームの基端と左第１アームの基端とが下部軸線まわりを回動可能にリンク連結されて下部メカボックスに同軸に取り付けられ、下部メカボックスには右第１アームの角度位置を検出する右第１アーム角度位置検出手段と、左第１アームの角度位置を検出する左第１アーム角度位置検出手段と、が備えられ、
右第１アームの先端に右第２アームの基部がそれぞれ右アーム連結軸線まわりを回動可能にリンク連結され、左第１アームの先端に左第２アームの基部がそれぞれ左アーム連結軸線まわりを回動可能にリンク連結され、
右第２アームの先端と左第２アームの先端が上部結合軸を介してリンク連結され、上部結合軸に対して上部メカボックスが上部結合軸の回りを回転できるように取り付けられていて、上部メカボックスにはオペレータが握るためのグリップが取り付けられ、
上部メカボックスには上部メカボックスの基準角度位置に対する角度位置の検出をする上部メカボックス角度位置検出手段と、少なくとも１つの指の動きに従動する指従動リンク機構と、指従動リンク機構の一部のリンクの角度位置の検出をする指従動リンク角度位置検出手段が取り付けられており、
右第１アーム角度位置検出手段、左第１アーム角度位置検出手段、上部メカボックス角度位置検出手段、および、指従動リンク角度位置検出手段の検出値にもとづき、オペレータの手先の姿勢、および、指先の情報をロボットに送ることができ、
上部結合軸の軸線と、下部軸線と、右アーム連結軸線と、左アーム連結軸線とのすべてが、手首の３自由度回転の回転中心の近傍の１点において交わる球座標構造を形成するように、右第1アーム、右第２アーム、左第1アーム、左第２アーム、および、各リンク連結が設定されていて、前記グリップが前記球座標構造の略中心に位置せしめられており、
上部メカボックスの角度位置の検出をするための基準角度位置を生成する基準角度位置生成手段を具備し、
上部結合軸が右第２アームの先端または左第２アームの先端に対して固定されていて、基準角度位置生成手段は、上部メカボックスの角度位置の計算時に該右第２アームの先端または左第２アームの先端に対して固定された上部結合軸の外周上の予め定めた位置から計測した角度位置を、右第１アームと左第２アームの角度位置にもとづき修正する修正手段である、
ことを特徴とする遠隔操縦装置。
基準角度位置生成手段は、右第２アームの先端に固定された右先端歯車および左第２アームの先端に固定された左先端歯車と、上部結合軸に対して回転可能に取り付けられた円板と、該円板に回転可能に取り付けられ右先端歯車と係合する右係合歯車および左先端歯車と係合する左係合歯車とを具備し、右先端歯車と左先端歯車とを互いに係合せしめてする、前記円板を姿勢一定に保持してなり、該姿勢一定に保持された円板に基準角度位置が設定される、ことを特徴とする請求項１に記載の遠隔操縦装置。
基準角度位置生成手段は、右第２アームの先端および左第２アームの先端から延長された互いに等長の右第１延長部および左第１延長部と、基部が右第１延長部と左第１延長部のそれぞれの先端にリンク連結され、先端部が先端軸を介して互いにリンク連結されている、右第２延長部と左第２延長部と、に対して回転可能に取り付けられた円板と、該円板に固定され前記先端軸が係合する長穴と、を具備し、前記円板を姿勢一定に保持してなり、該姿勢一定に保持された円板に基準角度位置が設定される、ことを特徴とする請求項１に記載の遠隔操縦装置。
指従動リンク機構は、２つの連結軸で連結された３つのリンク片を具備し、連結された３つのリンク片の一端が上部メカボックスに固定された第１固定部に回動自在に連結され、他端が上部メカボックスに固定された第２固定部に取り付けられたクランクアームの先端に回動自在に取り付けられ、第１固定部が指のＭＰ関節部に、第１固定部に回動自在に連結されているリンク片の反第１固定部側の端部が指のＰＩＰ関節部に合うようにリンク片の長さが選択され、
クランクアームが取り付けられている回転軸は第２固定部を介して角度検出手段に連結されていて、検出されたアームの角度位置にもとづき、指の開閉を検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の遠隔操縦装置。
指従動リンク機構は、指の開き側と閉じ側の動きに追従可能な指開閉追従手段を含む、ことを特徴とする請求項４に記載の遠隔操縦装置。
指開閉追従手段は、前記３つのリンク片のうちの中間のリンク片を指の末節骨、中節骨部分に密着せしめる密着手段である、ことを特徴とする請求項５に記載の遠隔操縦装置。
指開閉追従手段は、前記第１固定部および第２固定部に設けられ３つのリンク片の一端と他端に付勢力を与える一対の付勢手段である、ことを特徴とする請求項５に記載の遠隔操縦装置。
右第１アーム角度位置検出手段の検出した右第１アーム角度位置と、左第１アーム角度位置検出手段の検出した左第１アーム角度位置とにもとづき、オペレータの手先のヨー変移、ピッチ変移を検出し、上部メカボックス角度位置検出手段の検出した上部メカボックス角度位置にもとづきオペレータの手先のロール変移を検出する、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の遠隔操縦装置。
ロボットが反力を受けたときにその反力に応じた力覚をオペレータに与えるために駆動装置を備える、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の遠隔操縦装置。