JP6648021B2 - 多方向力フィードバックを有する制御装置、触覚インタフェース、マスタロボット及びスレーブロボットシステム、及び、協力ロボット - Google Patents

Description

本発明は、触覚インタフェース、マスタ・スレーブシステムのマスタアーム、又は協力ロボットの駆動装置として実装されうる多方向力フィードバックを有する制御装置に関する。

触覚インタフェース、遠隔操作用マスタアーム、及び協力ロボットは、ユーザが握る１つ以上のハンドルに固定又は可動ベースを接続する受動又は動力化関節によって結合された幾つかの可動体を含む多関節機械チェーンからなる。ユーザはそのハンドルを握って動かし、その動きがロボットの全ての本体に伝達され、その動きは一般にジョイントセンサ又はモータに配置されたセンサによって測定される。この測定は、仮想現実におけるアバタ又は遠隔操作における遠隔ロボット用の制御信号を生成するか、コボティクスにおける動力支援モードを活動化するために使用される。アバタ又は遠隔ロボットがそれらの環境と接触したとき、又は動力支援モードが活動化されたとき、ロボットのモータが、ユーザの手に力フィードバック又はガイディングを加えることが可能である。それらの存在が「希薄」なほど、インタフェースは直感的かつ効率的になり、即ち、ユーザが、その存在を感じず、仮想現実という環境又は遠隔操作用の環境において直接操作を行っている印象を持つ。ユーザは、特に、自由空間内でできるだけ自由に動くことができ、かつ環境との接触を明確に感じることができなければならない。そのためには、特にロボットの摩擦と慣性を最小にする特別の設計が必要である。

更に、ハンドル（例えば、標準的なハンドル又はペン）は、本体自体が接続されるロボットに永久的に接続される。したがって、ユーザが、ハンドルを動かして自分のアバタ又は遠隔ロボットを制御するとき、ユーザは、ロボット全体を同時に動かす。これが、できるだけ感じさせないように最適化された場合でも、ユーザは、ロボット全体の摩擦と慣性を感じることになる。したがって、自由空間が、真に自由なものとして知覚されない。更に、ユーザの感覚（触覚及び運動感覚）が常に求められ、また環境の変化に敏感でない。詳細には、自由空間から接触への遷移が、現実世界よりも明瞭に感じられなくなる。

非特許文献１は、エフェクタとロボットが別の装置の例を示す。この装置は、Ｗａｃｏｍ（登録商標）型のグラフィックタブレットとオペレータによって操作されるスタイレットを含む。タブレットは、パラレルロボットの端部に取り付けられ、スタイレットは、空間内で光学システムによって位置が正確に特定される。次に、タブレットは、スタイレットの前でスタイレットの動きの関数として動かされる。力フィードバックは、パラレルロボットのアクチュエータによって、スタイレットによってタブレットに加えられタブレットによって捕捉される圧力の関数として管理される。スタイレットがタブレットから離れているので、自由空間内で存在感の希薄さが保証される。しかしながら、スタイレットに加えられる力フィードバックは、タブレットに垂直な単一方向しかない。更に、この力フィードバックは、一方向であり、したがって、スタイレット（対応するタブレット）が、タブレット（対応するスタイレット）を押すことのみ可能で、引っ張ることができない。

Motoki Takagi, Jumpei Arata, Akihiro Sano, Hideo Fujimoto, A new desktop encounter-type haptic device with an actively driven pen-tablet LCD panel, J. Advanced Robotics, Vol.27, No.6, February 2013, pp.407-415

したがって、本発明の目的は、改善された力フィードバックを提供しながら、自由空間内できわめて高い又は完全な存在感の希薄さを提供する力フィードバックを有する制御装置を提供することである。

前述の目的は、オペレータによって操作され接触端を備えた要素（相互作用要素とも呼ばれる）と、前記接触端が接触できる接触部分を備えたロボットであって、前記接触端が、制御装置の動作の一部分の間に接触部分に対して動くことが可能なロボットと、前記ロボットに対する前記要素の相対配置を測定する手段と、コントローラとを有する制御装置とによって実現される。コントローラは、接触なしの従動と、ロボットと前記要素の接触と、ロボットと要素が接触した後の力フィードバックとを管理する。ロボット、接触部分、操作される要素、及び接触端は、制御装置が多方向力フィードバックを保証できるものである。

換言すると、制御装置は、接触部分が接触端に少なくとも２つの相異なる方向に力を加えることができる形状の接触端と接触部分を協働させる間欠接触装置である。

好ましくは、力フィードバックは、少なくとも１つの方向の双方向である。「双方向力フィードバック」は、所定の方向に沿った両方の方向に力を加えることが可能な力フィードバックを意味するように解釈される。

ロボットに対する被操作要素の相対配置を測定する手段は、好ましくは、ロボットの端に位置決めされ接触部分を含む本体に組み込まれてもよい。更に、ハンドルとこの接触部分に、エミッタとセンサが配置されてもよい。これにより、ロボットに対するハンドルの相対位置の測定値が簡単かつ正確に分かる。

別の実施形態では、接触部分と接触端の間に一時的固定手段が提供されてもよい。その場合、力フィードバックは、多方向、両方向、及び接触の遊びなしでよい。

別の実施形態では、接触部分は、接触したときに接触端と接触部分の間のギャップが幾つかの方向で同時に減少するように変形可能である。したがって、穴の両側に連続接触する微細な挿入をきわめてリアルにシミュレートすることが可能である。

実現例では、被操作要素は、接触部分を支持するロボットから完全に分離されている。接触部分は、例えば、キャビティによって構成され、要素は、一端がキャビティの形状に対応する形状を有するスタイレットの形状を有する。スタイレットの接触端がキャビティと接触するとき、幾つかの方向の力フィードバック（例えば、スタイレットに関する軸方向力フィードバック、横方向力フィードバック）が、スタイレットに加えられることがある。

別の実現例では、被操作要素の接触端は、接触部分によって取り囲まれ、被操作要素は、接触部分から、少なくとも１つの所定の方向の遊びだけ離れる。したがって、被操作要素は、所定の遊びに等しいストロークで自由に動くことができ、この遊びを所定の方向に動かしたとき、力フィードバックを加えることができる接触部分と接触する。例えば、被操作要素は、その接触端は球体であり、接触部分は内径が球体のものより大きい球状ハウジングを構成し、球体は球状ハウジング内に作動中に分離できない方式で取り付けられる。したがって、公称の遊びは、球体の外径とハウジングの内径の間のものであり、力フィードバックが、球体と球状ハウジングの接触によって得られる。この装置は、全方向の並進方向（translation）と全方向の双方向（bilateral）の力フィードバックを可能にする。

本発明の内容は、力フィードバックを有する制御装置であって、
−ユーザによって操作されるように意図され、ユーザによって保持される少なくとも１つの掴み部分と、制御装置の動作の少なくとも一部分の間に掴み部分に固定される少なくとも１つの接触端とを有するハンドルと、
−少なくとも１つの接触部分を有する少なくとも１つの末端部品を備えたロボットであって、前記接触部分が、ハンドルの接触端と接触可能なロボットと、
−末端部品に対するハンドルの相対配置を測定する手段と、
−接触なしの動作状態と、接触部分と接触端を接触している動作状態と、接触端を介して力フィードバックをハンドルに入力可能な接触した動作状態とで、接触端に対する接触部分の動きを管理できるコントローラとを有し、
−接触端が、制御装置の動作の少なくとも一部分の間に接触部分に対して動くことができ、
−接触端と接触部分は、接触部分が、少なくとも２つの相異なる方向に接触端に力を加えることができるように形成され、その結果、ロボットが、ハンドルに力フィードバックを前記少なくとも２つの相異なる方向に加える、力フィードバックを有する制御装置である。

実現例によれば、接触端又は接触部分はキャビティを構成してもよく、接触部分又は接触端は前記キャビティ内に少なくとも部分的に収容されるように形成される。接触端と接触部分の相対運動が全方向で限定されるように、接触端又は接触部分の前記キャビティの内側面と接触部分又は接触端の外側面との間に遊びが存在してもよい。

例えば、接触端が球形であり接触部分がこれに対応する球形であるか、接触端が平行六面体形状であり接触部分がこれに対応する平行六面体形状であってもよい。

別の実現例によれば、接触部分又は接触端は、接触端又は接触部分が出ることが自由なキャビティを構成する。接触端は円筒状の側壁と半球状の端壁を有し、接触部分はこれと対応する形状を有してもよく、あるいは、接触端は円錐状又は円錐台状の側壁を有し、接触部分はこれに対応する形状を有してもよい。

一実施形態では、接触端及び／又は接触部分は、規定の形状を有してもよい。

別の実施形態では、ハンドル及び／又は末端部品は、変形されたときに末端部品及び／又はハンドルとそれぞれ接触する変形可能な要素を有する。

好ましくは、接触部分及び／又は接触端が変形可能である。

接触部分及び／又は接触端は、例えば、少なくとも１つ面が他の面に対して移動可能な幾つかの面によって区切られている。

実現例では、接触部分及び／又は接触端は、柔軟な壁によって少なくとも部分的に形成され、接触部分と接触端の間の接触は柔軟な壁の変形によって少なくとも部分的に保証される。柔軟な壁は、閉じたチャンバを区切り、前記装置は、微粉末の形の材料のリザーバと、コントローラの命令で、閉じたチャンバに供給する手段とを含む。

測定手段は、ハンドルと末端部品を撮影するように配置されたカメラ又は距離画像カメラと、カメラによって供給される画像を処理する手段と、好ましくは照明装置とを含んでもよい。例えば、ハンドル及び／又は末端部品は、少なくとも１つの位置決めターゲットを含む。

追加の特徴によれば、１つ以上のターゲットは、それらを他のターゲットと区別することを可能にする信号を発してもよい。

別の追加の特徴によれば、測定手段はハンドル及び末端部品上に配置されてもよく、前記測定手段は、ハンドル又は末端部品上の位置決め要素と、前記位置決め要素のセンサとを含む。

例えば、位置決め要素は発光ダイオードであり、センサはフォトトランジスタである。

別の追加の特徴によれば、力フィードバックを備えた制御装置は、ハンドルと末端部品を一時的に固定する手段を含む。好ましくは、一時的固定手段は、接触端に十分な力が加えられたときに固定されなくなるものである。例として、一時的固定手段は、磁気又は機械的手段である。

あるいは、一時的固定手段は、命令に基づいて固定の中止を可能にするように制御可能であり、例えば電磁気型のものである。

好ましくは、力フィードバックを有する制御装置は、ハンドルとロボットの末端部品との向きの相対配置を自動的に修正する少なくとも１つのアライメントシステム（例えば、磁気型）を含む。

別の追加の特徴によれば、力フィードバックを有する制御装置は、接触端と接触部分との接触を検出する手段を含んでもよい。

別の追加の特徴によれば、力フィードバックを有する制御装置は、少なくとも２つの接触部分と少なくとも２つの接触端を含んでもよく、２つの接触部分は相対変位可能でかつ／又は２つの接触端は相対変位可能である。

ロボットは、６つの自由度を有するシリアルロボット、６つの自由度を有するハイブリッドロボット、３つの自由度を有するパラレルロボット、又は２つ又は３つの自由度を有するパラレルロボットでよい。

また、本発明の内容は、本発明とシミュレーションソフトウェアによる力フィードバックを有する制御装置を含む触覚インタフェースである。

本発明の内容は、また、本発明による力フィードバックを有する制御装置とスレーブロボットを有するマスタロボット及びスレーブロボットシステムであり、マスタロボットは、制御装置のロボットによって構成される。

また、本発明の内容は、本発明による力フィードバックを有する制御装置と、環境に作用し末端部品上又は別個の本体上に取り付けられたエフェクタとを有する協力ロボットである。

本発明は、以下の説明と図面の支援でよりよく理解されよう。

本発明による制御装置の全体的概略図である。 第１の実施形態による制御装置の第１の例の斜視図である。 第１の実現例による相互作用要素における斜視で表した図２の装置の詳細図である。 第１の実現例による相互作用要素における部分断面で表した図２の装置の詳細図である。 相互作用要素における斜視で表した図３Ａの装置の変形物の詳細図である。 相互作用要素における部分断面で表した図３Ｂの装置の変形物の詳細図である。 相互作用要素における斜視で表した、第２の実現例による制御装置の詳細図である。 相互作用要素における部分断面で表した、第２の実現例による制御装置の詳細図である。 図５Ａの装置の変形物の相互作用要素における詳細図である。 図５Ｂの装置の変形物の相互作用要素における部分断面図である。 図６Ａの装置の変形物の相互作用要素の部分断面図である。 図６Ｂの装置の変形物の相互作用要素の部分断面図である。 図６Ａの制御装置の別の変形物の相互作用要素における詳細な斜視図である。 図６Ｂの制御装置の別の変形物の相互作用要素における部分断面図である。 図８Ａの制御装置の別の変形物の相互作用要素における詳細な斜視図である。 図８Ｂの制御装置の別の変形物の相互作用要素における部分断面図である。 ハンドルと末端部品を位置合わせする手段を含む、図８Ａと図８Ｂの装置の変形物の部分断面図である。 図６Ａと図６Ｂの実現変形物の斜視図であり、ハンドルは、互いに対して回転可能に関節接続された２つの要素を含む。 第１の実現例によるトラッキングシステムを含む、図６Ａと図６Ｂの制御装置の斜視図である。 図１２のトラッキングシステムの変形物を含む、図３Ａと図３Ｂの制御装置の概略斜視図である。 トラッキングシステムの第２の例を含む、図８Ａと図８Ｂの制御装置の概略斜視図である。 図１４のトラッキングシステムの変形物を含む、図５Ａと図５Ｂの制御装置の概略斜視図である。 一時的固定手段を含む第２の実施形態による制御装置の斜視図である。 一時的固定手段の別の例を含む第２の実施形態による制御装置の斜視図である。 一時的固定手段の別の例を含む第２の実施形態による制御装置の斜視図である。 ６つの自由度を有するハイブリッドロボットを含む制御装置の斜視図である。 ３つの自由度を有するパラレルロボットを含む制御装置の斜視図である。 ２つの自由度を有するパラレルロボットを含む制御装置の斜視図である。 ２つの自由度を有するパラレルロボットを含む制御装置の部分断面図である。 変形可能な接触部分を含む第３の実施形態による制御装置の第１の例の斜視図である。 変形可能な接触部分を含む第３の実施形態による制御装置の第１の例の部分断面図である。 図２３と図２４の装置の変形物の斜視図である。 第３の実施形態による制御装置の第２の例の部分断面図である。 パラレルロボットを含む第３の実施形態による制御装置の斜視図である。 パラレルロボットを含む第３の実施形態による制御装置の斜視図である。 本発明の動作原理を示すフローチャートである。

本発明による制御装置は、ユーザによって直接操作される要素を含み、この要素は、一般に、「ハンドル」と呼ばれる。このハンドルは、マスタアーム、触覚インタフェース又は「コボット」と呼ばれる協力ロボットでよいロボットのハンドルである。このロボット上に位置決めされたセンサは、ハンドルの動き及び／又はそこに加えられる力を測定可能である。その測定値はロボットのコントローラに伝達され、コントローラは、ユーザの動きに従いかつ／又は力フィードバックを、ロボットが駆動する装置とその環境の相互作用及び／又はロボットとハンドルの構成の関数として適用するために、ロボットの様々な軸に適用する位置又は力制御を計算する。

被制御装置は、例えば、遠隔操作の場合、スレーブロボットである。一般に、スレーブアーム（好ましくはグリッパ（例えばクランプ）を備えた）は、マスタアームの動きに従うように駆動され、一方、マスタアームは、スレーブの動きに従うように駆動される。これは、当業者に周知で本明細書では詳述されない双方向位置結合として知られる。また、やはり詳述されない他の結合モードも可能である。スレーブロボットは、自由空間内にあるとき、マスタアームの動きに従う。この場合、マスタアームは、ユーザの動きだけによって動かされる。これは、マスタアーム自体が自由空間内にある。スレーブロボット及び特にそのグリッパが、それらの環境と接触するとき、スレーブロボットは阻止される（又は、少なくともその動きが制限される）。この場合、マスタロボットは、その位置がスレーブの位置に基づいてスレーブ化され、やはり阻止される（又は、少なくともその動きが制限される）。これは、接触している。オペレータは、前記ハンドルが自由に動かない状態でハンドルに力を加えることがある。オペレータは、そのような力を感じる。これは、力フィードバックとして知られる。

更に、被制御装置は、仮想現実内では触覚インタフェースのハンドルのアバタでよい。動作は、遠隔操作で観察されるものと類似する。アバタは、触覚インタフェースのハンドルの動きに従うように駆動され、一方、触覚インタフェースは、そのハンドルがアバタの動きに従うように駆動される。ここで、双方向位置結合、又は他の結合モードも有利に使用されうる。アバタは、自由空間内にあるとき、ハンドルの動きに従う。これは、アバタが自由空間内にあると言われる。アバタがその環境と接触するとき、アバタは阻止される（又は、少なくともその動作が制限される）。触覚インタフェースは、その位置がアバタの位置にスレーブ化され、やはり動きが制限される。これは、接触している。

そのような装置は、協力ロボット又はコボットとして使用されることもある。この場合、ロボットは、オペレータが操作できるハンドルと、環境上で動作できるエフェクタ（例えば、ツールを支持するクランプ）を両方とも備える。ハンドルとエフェクタは両方とも、コボットの末端器に配置されるか、コボットの別個の胴体上に配置されることがある。エフェクタが自由空間内で動くときと、コボットの動力支援が活動化されないとき、コボットの位置は、オペレータによって指定される。これは、自由空間内にある前述の事例と類似している。他方、移動するエフェクタ又は物体が環境と接触する場合は、コボットの動きが制限され、したがって、ハンドルの動きも制限される。これは、接触している前述の事例と類似している。同じように、動力支援が、例えばコボットの位置又は特定の制御ボタンの押下げの関数として連動される場合、そのような動力支援は、例えば所定の軌跡に沿った排斥領域又はガイディングであり、ハンドルの動きを抑制することになる。これは、ハンドルが「接触している」とも言われる。

動力支援及びガイディング機能が、マスタアームと触覚インタフェース上に実装されてもよいことに注意されたい。また、それらの動力支援がそのハンドルの動きを抑制するときには、これらの装置が接触している。

図１は、本発明の原理の概略図である。

制御装置は、ユーザによって操作されるように意図されたハンドル１と、ハンドル１と接触するように意図された接触部分４０２を備えたロボット２と、ハンドル１と接触部分４０２の相対配置を測定、即ち接触部分に対するハンドルの位置及び／又は向きを測定する手段３と、制御手段５を含む。制御手段５は、接触なしの従動と、接触領域におけるロボットとハンドルの接触と、ロボットとハンドルが接触した後の力フィードバックとを管理する制御則を実現する。

前述のように、制御装置は、仮想現実シミュレーション、遠隔操作ロボット、又はコボティクスにおける動力支援モードを管理するための装置（ここでは、全体が６で示された）と関連付けられてもよく、この情報項目は、ロボット及びハンドルとの接触を管理するためにコントローラによって使用される。

本明細書では、同じ参照符号は、類似の機能を有する要素を示すために使用される。更に、図示されず、よって分かりやすくするために表されていない特定の要素は、それでも説明を容易にするために参照数字によって示される。

次に、本発明による制御装置の第１の実施形態について述べる。

図２は、第１の実施形態による制御装置の第１の実現例を示し、図３Ａと図３Ｂは図２の装置の詳細を示す。

図２に、コントローラなしに表された制御装置を示す。

図示した例では、ロボット２（Ｒ１とも示される）は、直列構造を有する。ロボット２は、固定式でも可動式でもよい台座２００を含む。台座２００が可動な事例では、その動きを測定する手段が提供される。可動式の本体２０１、２０２、２０３、２０４、２０５及び２０６は、連続運動学的連鎖によって台座に関節接続される。
本体２０１は、台座２００に対して軸Ａ１回りに回転可能である。その動きは、台座２００に固定され位置センサＣ１を備えたアクチュエータＭ１によって、駆動機構Ｐ１１と、本体２０１が接続された被駆動機構Ｐ１２プーリとからなる減速機を介して、軸Ａ１のまわりで制御されうる。
本体２０２は、本体２０１に対して軸Ａ２のまわりに回転可能である。その動きは、本体２０１に固定され位置センサＣ２を備えたアクチュエータＭ２によって、駆動機構Ｐ２１（不図示）と、本体２０２が接続された被駆動機構Ｐ２２プーリとからなる減速機を介して、軸Ａ２回りに制御されうる。
連接棒２０７は、本体２０１に対して軸Ａ３のまわりに回転可能である。図示の例では、軸Ａ３は、軸Ａ２と結合されている。その動きは、この軸のまわりに本体２０１に固定され位置センサＣ３（不図示）を備えたアクチュエータＭ３（不図示）によって、駆動機構Ｐ３１（不図示）と、本体２０７が接続された被駆動機構Ｐ３２プーリとからなる減速機を介して、軸Ａ３回りに制御されうる。
本体２０３は、軸Ａ２と平行な軸回りに本体２０２に対して回転可能である。その動きは、本体２０２及び２０３、連接棒２０７及びスレーブ連接棒２０８からなる平行四辺形機構によって、モータＭ３によって制御される。この装置は、当業者に知られているので詳述しない。
本体２０４は、軸Ａ４回りに本体２０３に対して回転可能である。その動きは、本体２０３に固定され位置センサＣ４を備えたアクチュエータＭ４によって、駆動機構Ｐ４１と、本体２０４が接続された被駆動機構Ｐ４２プーリとからなる減速機を介して、軸Ａ４回りに制御されうる。
本体２０５は、本体２０４に対して、軸Ａ４と平行でなくかつ好ましくは軸Ａ４と同一点で交わりかつ垂直な軸Ａ５回りに回転可能である。その動きは、この軸回りに、本体２０４に固定され位置センサＣ５を備えたアクチュエータＭ５によって、駆動機構Ｐ５１と、本体２０５が接続された被駆動機構Ｐ５２プーリとからなる減速機を介して制御されうる。
本体２０６は、本体２０５に対して、軸Ａ５と平行でなくかつ好ましくは軸Ａ５と同一点で交わり垂直かつ軸Ａ４と同一点で交わる軸Ａ６回りに回転可能である。その動きは、この軸回りに、本体２０５に固定され位置センサＣ６を備えたアクチュエータＭ６によって、駆動機構Ｐ６１（不図示）と、本体２０６が接続された被駆動機構Ｐ６２プーリとからなる減速機を介して制御されうる。
接触部分４０２は、部品２０６に設けられている。

接触部分４０２は、ハンドル１の動きの関数として動かされるように意図される。

モータＭ１〜Ｍ６は、センサＣ１〜Ｃ６及び減速機Ｐ１１〜Ｐ１２からＰ６１〜Ｐ６２と連携して、特にオペレータが自由空間内で動くとき、接触部分４０２が位置決めされたロボットの末端部品２０６の位置を制御し、特にユーザがハンドル１を接触部分４０２に接触させるかハンドルを接触した状態で動かすときに、ユーザの動きを導くか又は妨げることを可能にする。

これらのモータ、センサ及び減速機は、任意の適切なタイプのものでよい。したがって、モータは、好ましくは、アイアンレスロータを有する直流モータ又はブラシレスモータでよいが、非限定的には、従来の直流モータ、形状記憶合金、圧電アクチュエータ、空気圧又は油圧アクチュエータでよい。

あるいは、１つ以上の軸上で、全て又は一部のモータの代わりにブレーキが使用されてもよく、そのようなブレーキは、特に、非網羅的に、ディスクブレーキ、パウダーブレーキ、磁性流体又は電気粘性流体ブレーキでよい。ブレーキの１つ以上の軸が実装される場合、装置は、ユーザの動きを妨げるだけで、ユーザに積極的に作用できない。

その他の変形物では、前述の全てのタイプ又は他のモータとブレーキを連携させる複合アクチュエータが使用されてもよい。

また、変形物では、対抗作用装置及び／又は「直列弾性アクチュエータ」若しくは「並列弾性アクチュエータ」型の可変剛性を有する装置の１つ以上の軸上で使用可能である。

減速機（ここでは概略的に表された）は、好ましくはワイヤキャプスタンでよいが、非網羅的に、シンプルな減速機、遊星歯車を有する減速機、１つ以上の段を有する減速機、「ハーモニックドライブ（登録商標）」型の減速機、又はボールスクリュー減速機でよい。変形物では、ホイール及びウォームねじ減速機などの不可逆減速機が使用されてもよい。全ての事例において、詳細には、低効率を有しかつ／又は大きな摩擦を有するか又はほとんど可逆的でないモータ及び／又は減速機を使用する全ての事例において、好ましくは、モータ、ロボットの関節、又はその台座又はその終端に力センサを使用可能である。力センサの信号は、そのような欠陥を補償し、ロボットを可逆的及び／又は透過的にするために使用されうる。

センサは、任意の適切なタイプ、詳細かつ非網羅的には、光学エンコーダ、ホール効果センサ、ポテンショメータ又は磁気光学エンコーダのものでよい。そのようなセンサは、絶対的（マルチターン）でも相対的でもよい。

詳細には、図２では、センサは、モータ上に表される。それらの全て又は一部分が、ロボットの関節上に配置されてもよい。更に、モータ上と関節上の両方に１つ以上の軸センサを備えてもよい。

図２及び他の図では、運動学的リンクが、概略的に表されていることに注意されたい。これは、好ましくは、玉軸受、ジャーナル軸受、磁気軸受又は当業者に知られた任意の他の解決法によって実現されうる。同じように、リンクは、片持ちされるように単純化されて表されている。Ｕリンクを、即ち、本発明の範囲を超えないリンクの各側での力の吸収によって、詳細には、減速機のプーリの回転案内のために実現すると有利なことがあり、この力は、プーリの、モータとは反対の側で軸受又は玉軸受によって吸収される。これらの要素は、当業者に知られているので表現も説明もされない。減速機も概略的に表される。歯車の歯又はキャプスタンワイヤは、図を分かりやすくするために表されない。キャプスタンを使用する事例では、プーリに螺旋断面形状を機械加工し、ガイド及びワイヤ張力システムを提供すると有利である。これらの要素はよく知られているので本明細書では詳述されない。更に、図では、ロボットとハンドルの様々な部品が一体的に表されている。この表現が単に概略的なものであることはよく理解される。これは、図の読み出しを容易にするように意図されている。実際には、これらの部分は、組み立てられた幾つかの要素から成ることが好ましいことがある。

図３Ａと図３Ｂは、第１の実施形態を実現する第１の例によるハンドルと接触部分４０２を詳細に示している。

ハンドルは、ユーザによって手で保持されるように意図された掴みシャフト１０１と、ロボット２の末端部品２０６によって支持される接触部分４０２と接触するように意図された部分とを有する。

図示の例では、ハンドルは、長手方向Ｘ軸のスタイレットの形状を有し、長手方向端４０１は、「接触端４０１」と呼ばれ、接触部分４０２と接触するように意図される。

本発明による接触部分４０２は、接触端４０１が貫入するように意図されたキャビティ４０３の内側面によって形成される。

第１の実現例では、ハンドル１は、ロボットから完全に独立しており、ユーザが望む距離だけＸ軸の方向に接触部分４０２から動かされる。

接触端４０１と接触部分４０２は、好ましくは、スケールファクタ内で類似の形状を有する。図示の例では、接触端は、半球で終端した円筒部分を有し、キャビティの内側は、一端が半球で閉じられた円筒部分によって範囲が定められる。

したがって、装置は、公称構成では接触前に有効な距離が全方向で同じなので、全方向に均質の挙動を有する。領域４０１と４０２の距離は、好ましくは、ユーザのいかなる動きでもロボットが自由空間内でハンドルと決して接触しないほど十分に大きく、必要なときに接触が行われるほど十分に小さくなるように選択される。ユーザのいかなる動きでも接触しないことは、所定の範囲の動きに対して使用の機能と見なされることを理解されよう。

例えば、シミュレーション中又はある部分を別の部分に挿入する際に、挿入される部分の各側で連続接触が起こることが多い。本発明によれば、十分に小さい距離を選択することによって、接触部分４０２が、端部４０１の一方の側から他方の側に素早く移動でき、そのような挿入力が効率的に回復される。

図示の例では、ハンドル１は、また、ボタン１０２（例えば３個）を備え、ボタンは、例えば、物体の掴み、移動、仮想ガイドの活動化などの特定の操作モードを開始する働きをする。

ハンドルは、更に、フェールセーフ型装置を備えてもよい。ボタンと安全装置の状態を測定するために、ハンドルは、配線によってロボットのコントローラに接続されてもよい。ハンドルは、そのような情報項目をコントローラに送信するために、例えばＷｉＦｉ又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ型の無線送信システム備えた特定の電子回路、及びバッテリ又は電池を装備してもよい。これらの要素は、当業者に知られているので本明細書では詳細に述べられない。

末端部品２０６に対するハンドル１の相対位置と、接触部分４０２に対する接触端４０１の相対位置とを任意の瞬間に知ることを可能にする測定手段３については後述される。

この相対位置の取得によって、コントローラによって装置を駆動することを可能にし、その結果、ロボットは、所望の瞬間に接触端４０１と接触部分４０２の所望の位置で接触するために、接触を回避するか反転を終了するように自由空間内でハンドルからある一定の距離にとどまるか、最終的に接触したままになる。

図３Ａと図３Ｂの装置のハンドルが回転しているので、モータＭ６とセンサＣ６は省略されている。

次に、図３Ａと図３Ｂの制御装置を内蔵するシステムの動作原理を、図２９のフローチャートを参照して述べる。

ユーザは、ハンドル１を掴む。ロボットのセンサＣは、ＣＯＮＦ２で示された空間内の末端部品２０６の任意の瞬間における絶対配置を知ることを可能にする。この情報は、ＩＮＦ２で示される。測定手段３は、ＣＯＮＦ１で示されたハンドルの実際の構成を測定し、空間内のハンドルの絶対配置とロボットに対するハンドルの相対配置とを知ることを可能にする。それぞれの情報項目は、それぞれＩＮＦ１とＩＮＦ３で示される。図２９に表された例では、測定手段３は、ロボットに対するハンドルの相対配置を測定することを可能にし、これは、特に、いわゆる「内部」測定手段が使用されるときの事例であり、後述される。この情報をロボットの端部の絶対位置の情報と組み合わせることによって、ハンドルの絶対配置が得られる。測定手段３が、また、本発明の範囲を超えることなく、空間内のハンドルの絶対配置を測定することを可能することはよく理解され、これは、特に、いわゆる「外部」測定手段が使用されるときの事例であり、後述される。この事例では、この情報をロボットの端部の絶対位置の情報と組み合わせることによって、ロボットに対するハンドルの相対配置が得られる。

これらの情報項目は、スレーブロボットＢ、触覚インタフェースの事例ではシミュレーションソフトウェアＢ、又はコボットの事例では動力支援管理装置Ｂに送信される。更に、シミュレーションソフトウェア又はスレーブロボット若しくはコボットのセンサによって、各瞬間におけるアバタ又はスレーブロボット又はコボットのエフェクタの絶対配置を知ることが可能であり、この情報は、ＩＮＦ４と示され、周囲の現実又は仮想物体までのその距離に関する情報は、ＩＮＦ５と示される。これらの情報項目は、ロボットのコントローラの一部を構成するコレクタＲに送られ、コレクタＲは、これらを結合し処理して、ロボットのモデルＥの関数として、末端部品２０６の現実構成ＣＯＮＦ２を制御することを可能にするロボットのモータＭを制御し、シミュレーションソフトウェア又はスレーブロボット若しくはコボットのモータは、アバタ又はスレーブロボット又はコボットのエフェクタそれぞれのＣＯＮＦ４と示された配置を修正することを可能にする。

装置は、次の３つの動作状態を有することがある。

−自由空間内の動作状態：アバタ又はスレーブロボット若しくはコボットが、それらの環境からある距離にあるときと、その動きが、動力支援によって抑制されず、系が自由空間内と呼ばれるとき。この場合、被制御装置の配置は、ハンドル１の配置と、被制御装置の配置上のロボット２の配置にスレーブ化される。したがって、ロボット２は、これらの系の力学的範囲内で、ユーザによって加えられたハンドルの動きに従う。接触端４０１と接触部分４０２は、互いからある一定距離にとどまる。

−自由空間−接触遷移：アバタ又はスレーブロボット又はコボットがそれらの環境と接触するとき及び／又はその動きを抑制する動力支援が活動化されそれらの動きが制限又は阻止されるとき。ロボット２は、被制御装置の動きに従うようにスレーブ化されており、したがってロボット２自体の動きが制限又は阻止されるように見える。その場合、ユーザによって操作され一部分が自由なハンドル１は、ロボットに近づいており、接触端４０１と接触部分４０２が接触しようとしている。面４０１と面４０２との距離が小さいときに連続し迅速な接触を必要とする挿入などのタスクでは、この遷移はより迅速になり、したがって接触がより現実的になる。しかしながら、距離は、自由空間内で接触しないほど十分に大きい。被制御装置は、その環境との接触が阻止されるので、ロボットと接触するまでのハンドルの動きは、環境への侵入か、アバタ、スレーブロボット又はコボットに対するハンドルの突出と見なされることを理解されよう。この突出は、接触端４０１と接触部分４０２との距離が小さいときに小さくなる。

−接触中の動作：ハンドルは、ロボットの末端部品と接触した後、位置又は力が制御されてもよい。位置制御の場合、その配置は、スレーブの配置にスレーブ化される。これは阻止され、ロボット２は、ロボットに接触しているので、ハンドルと同様に阻止される。力制御の場合、ロボットは、直接スレーブ化されて、ハンドルに、アバタに適用されシミュレーションソフトウェアによって供給されるか、ロボットに適用され、センサによって測定されスレーブコントローラによって供給される力と同じ力を加える。いずれの場合も、ユーザは、接触の力フィードバックを感じる。

また、第２の状態（自由空間−接触遷移）は、システムが接触自由空間遷移の間じゅうに自分に気づくことであり、即ち、ユーザが、ハンドルを動かしてアバタ又はスレーブロボットをその環境と反対方向に動かすとき、アバタ又はスレーブロボットは、最初、アバタ又はスレーブが、環境内に位置決めされたように見えるハンドル上の位置でまだスレーブ化されているので、環境に対するハンドルの突出がゼロに戻らない限り、その環境と接触したままになる。その場合、アバタ又はスレーブは、ハンドルの動きに従い、その環境と接触しない。次に、システムは、自由空間内で自分自身を見つける。ハンドルの動きとロボットの動きの時間的推移が小さくなるには、面４０１と４０２の距離は小さくなければならない。

図２９に表された例では、コレクタＲは、情報項目ＩＮＦ１、ＩＮＦ２、ＩＮＦ４及びＩＮＦ５を使用する。また、本発明の範囲を超えることなく情報項目ＩＮＦ１〜ＩＮＦ５の他の組み合わせも使用可能である。これらの３つの動作状態を管理可能にすることにより、ロボット及び／又は被制御装置の他のタイプの制御も使用可能である。例えば、ハンドルと被制御装置の間の位置及び／又は力増幅係数を導入できる。特に自由空間内で速度制御が使用されてもよく、あるいは、制御によって、位置と速度制御をハンドルの動きの関数として切り換えられる。更に、特定の動きが、例えば仮想ガイドによって抑制されることがある。これらの要素は全て知られており、詳述されない。

ロボットは、自由空間内と接触中に位置制御されてもよい。また、ロボットは、自由空間内で位置又は速度制御され、接触中に力制御されてもよい。この場合、自由空間内と遷移中の位置制御と、接触中の力制御との間で切り換えが行われる。これらの制御モードがきわめて異なるので、ハンドルとロボットの末端部品の位置の相対配置の測定における誤差又は不正確さのために、面４０１及び４０２がちょうど接触するときに切り換えが行われないと、不安定性が生じることがある。その場合、ハンドルとロボットの間で接触検出装置を使用すると有利なことがあり、この情報によって、その配置で測定されたギャップがゼロでない場合でも遷移をトリガして、ある制御モードから別の制御モードに変更する際の不安定性の発生を回避できる。そのような接触検出装置は、図１４と関連して後でより詳細に述べられる。

本発明により、接触部分の包絡形状のために、ロボットによってハンドルに適用される力フィードバックは多方向性である。接触部分は、幾つかの方向のハンドルの動きと反対の力を加えうる。

この実現例は、更に、ハンドルのＸ軸に対して実質的に横方向の相互力フィードバックを可能にする。

図４Ａと図４Ｂに、接触端の形状と接触部分の形状が異なる第１の実現例の制御装置の変形物を示す。この変形物では、接触端４０１は円錐台形状であり、キャビティ４０３はこれに対応する同じ寸法の円錐台形状を有する。したがって、図３Ａと図３Ｂによって示された場合と異なり、ハンドルと末端部品２０６は、接触後に接触端４０１と接触部分４０２の周囲全体にわたって接触している。この場合、これらの相対距離はゼロであり、挿入を更に容易にシミュレートできる。

ハンドルが末端部品に対してある程度自由に動く第１の実現例は、ツールをきわめて容易に変更可能であるという利点を有する。図示の例は、ボタンの１つを押してツールを変更することをコントローラに示した後に使用されたハンドルを取り出して別のツールを掴み、その新しいツールの接触端４０１を接触部分４０２に向けるか接触させ、最後に、例えば、制御ボタンを押すことによって新しいツールが使用可能な状態であることを示すシステムである。

様々なツールは、好ましくは、例えば、非網羅的に、バーコード、フラッシュコード、バブルタグ、アクティブ又はパッシブＲＦＩＤタグ、ローカルカラーコード、又は任意の他の認識手段などの認識手段を備え、ロボットは、好ましくは、これらの要素を読み取るための装置を備える。これらの装置及びその読み出し手段は、当業者に知られているので本明細書では述べない。使用されるハンドルタイプに関する情報は、図２９にＩＮＦ６として示されている。この情報は、ロボットのモデルを自動的に更新し、例えば様々な形状及び／又は長さのハンドルを考慮し、使用されるハンドルに関係なく力フィードバックがユーザの手において常に適正であることを保証するために使用されてもよい。

また、掴み部分１０１又は掴み部分１０１及びボタン１０２が一義的に交換可能であることがよく分かる。この場合、これらの要素は、好ましくは、端部４０１から分離でき、前述の認識手段を備える。掴み部分１０１又はハンドル１全体を他の例又は変形物又は実施形態と交換できることは明らかである。

また、図７Ａに示したように、接触端４０１が、接触部分４０２が挿入されるキャビティを構成できることはよく理解される。

図５Ａと図５Ｂに、本発明の第１の実施形態による制御装置の第２の実現例を示した。この例は、ハンドルと末端部品の相対運動が全方向（図５Ａと図５Ｂの例では、Ｘ軸回りの回転を除く）で限定されるという点が、第１の例と異なる。

図５Ａと図５Ｂのハンドルは、更に、スタイレット形状を有し、対応する球形のキャビティに収容された球形の接触端４０１を含む。したがって、接触部分４０２も球状である。球体４０１の外径と球体４０２の内径は、自由空間内の存在感を感じさせない動作を可能にするために、ハンドルと末端部品の相対運動を可能にするように選択される。

より詳細には、ハンドルは、掴みシャフト１０１と、細い部分１０３によってシャフトに接続された球状接触端部４０１とを有する。キャビティ４０３は、接触端４０１の保持手段を構成するために、細い部分１０３が通るのに十分に大きく、かつ接触端４０１がキャビティ４０３から外れるのを防ぐのに十分に小さい直径の開口２０９を有する。

キャビティ４０３の直径に対する球状端４０１の直径は、自由空間内の所望の動きにより選択される。接触端４０１と接触部分４０２の間で望まれる相対運動が大きいほど直径の差が大きくなり、反対に、接触端４０１と接触部分４０２の間で望まれる相対運動が小さいほど直径の差が小さくなる。

図３Ａと図３Ｂの装置に関して、ハンドルが回転するので、モータＭ６とセンサＣ６が省略されることがある。

図５Ａと図５Ｂの第２の実現例の操作は、図３Ａと図Ｂの制御装置のものと類似している。多方向力フィードバックが可能になる。更に、ハンドルの接触端がキャビティ４０３から外れないので、第１の実現例よりかなり有利に全ての移動方向の相互力フィードバックが可能になる。その場合、ロボットは、図３Ａと図３Ｂ及び図４Ａと図４Ｂの装置ができない両方の感覚でＸ軸方向の力フィードバックを適用できる。

このロボットを使用して、固有の並進方向に（in translation）力を与えることができる。この場合、モータＭ４〜Ｍ６は、部品２０６をスタイレット１と同じ向きにするために使用される。また、ロボットは、並進と最大２つの回転自由度の方向に力を印加するために使用されてもよい（その幾何学形状を考慮すると、このロボットは、Ｘ軸のまわりに回動力を印加できない）。この場合、モータＭ４〜Ｍ６は、一方で端４０１と領域４０２の間と、他方で細い部分１０３と開口２０９の間の接触力によってスタイレット１にトルクを加えるために使用される。

図６Ａと図６Ｂに、接触端４０１が、対応する形状を有するキャビティに収容された直方体形状を有する第２の実現例の変形物を示した。

ハンドルのシャフト１０１は、細い部分１０３によって接触端の１つの面に接合される。

動作は、図３Ａ〜図５Ｂの装置のものと類似している。この装置は、並進と回転の両方の全ての方向に相互力フィードバックを提供するという利点を持つ。図５Ａと図５Ｂの装置に比較して、接触端と接触部分が接触すると、並進と回転の全ての方向で、ユーザの手に力を加えるかオペレータの力に対抗できる。接触は、面で行われてもよいが、エッジ又は角の組み合わせで行われてもよい。

前述のように、このロボットを使用して、固有の並進方向に力を加えうる。この場合、モータＭ４〜Ｍ６は、部品２０６をスタイレット１と同じ向きにするために使用される。また、並進と最大３つの回転自由度の方向に力を加えるために使用されてもよい。この場合、モータＭ４〜Ｍ６は、端４０１と部分４０２の間の接触力によってスタイレット１にトルクを加えるために使用される。

図７Ａは図６Ａと図６Ｂの装置の変形物を示し、接触端４０１が接触部分４０２を取り囲んでいる。末端部品２０６は、その上流部分を接触部分４０２に接続する細い部分２１０を有し、キャビティ４０３は、細い部分２１０が通過するのに十分に大きくかつ接触部分４０２がキャビティ４０３から外れるのを防ぐのに十分に小さい直径のハンドル１に開けられた開口１０４を有する。図７Ａの装置の動作は、図６Ａと図６Ｂの装置の動作と類似している。

図７Ｂに、図５Ａと図５Ｂの装置の幾つかの要素と図６Ａと図６Ｂの装置の他の要素を組み合わせた、本発明の第１の実施形態による制御装置の第２の実現例の別の変形物を示す。接触端４０１は球形であり、キャビティ４０３と接触部分４０２は、直方体形状、好ましくは立方体形状を有し、それにより、系の挙動は全方向で同じである。したがって、立方体の各面上の球体の接触は、必要に応じて変化し、図６Ａと図６Ｂの装置より操作し易い。

図８Ａと図８Ｂに、図６Ａと図６Ｂの装置とは別の代替を示し、この場合、接触端４０１が立方形のものであり、キャビティ４０３がこれに対応する立方形を有し、シャフトは、立方体の角部で細い部分１０３によって接触端に接続されている。

この装置の操作は、図６Ａと図６Ｂの装置のものと類似している。

図３Ａ〜図８Ｂに示された形状が、非限定的な例として示され、様式的に表されることを理解されよう。接触が空間の少なくとも１つの方向（並進及び／又は回転）に双方向であるという条件で、接触部分の他の形状は本発明の範囲内にある。図３Ａ〜図７Ａ及び図８Ａと図８Ｂに示された例では、接触端と接触部分は、対応する形状を有する。また、図７Ｂの例のように、接触端と接触部分は対応する形状がなくてもよい。

更に、接触端と接触部分が、例えば図４Ａと図４Ｂの変形物のように、異なるサイズ又は同じサイズを有してもよいことを理解されよう。

また、同一サイズの端部分と接触部分が、それらの表面の一部分に提供され、図４Ａと図４Ｂの変形例のように特定の方向に動いてもよく、異なるサイズの端分部と接触部分が、それらの表面の他の部分に提供され、装置の他の変形例のように他の方向に動いてもよい。

好ましくは、図３Ａ〜図８Ｂの装置のように、接触端と接触部分は、軸Ａ４，Ａ５，Ａ６のほぼ交点のまわりに位置決めされた領域を占有する。この構成は、接触端と接触部分において並進及び回転方向に生成された力を容易に分離できるという利点を有する。一方、例えば掴み部分１０１に純粋な力を加えることができるように、接触端と接触部分に力とモーメントの両方を加えなければならないことに注意されたい。

図９Ａと図９Ｂでは、第２の実現例の更に別の実現変形物が示される。図９Ａと図９Ｂの装置は、ハンドルが完全にキャビティ４０３内にあるという点が、既に述べた装置と異なる。図９Ａと図９Ｂでは、末端部品２０６は単体要素として表されているが、実際には末端部品はハンドルの接触端のまわりに取り付けられた幾つかの部分で機械加工されてもよいことを理解されよう。

この変形物では、ハンドル１のシャフト又は掴み部分が、その中心が軸Ａ４，Ａ５，Ａ６の交点の近くになるように配列される。したがって、手に対する並進及び回転方向の力フィードバックが分離される。

図示の例では、接触端が立方体であり立方体キャビティに収容される。シャフトは、立方体の２つの角部の間に延在する。したがって、接触端とキャビティは、１本以上の指や片手又は両手を入れてハンドルを操作するのに十分な開口を有する。前述の装置と同じように、シャフト１０１は、制御ボタン１０２を備えてもよい。

接触部分によって規定された体積内のハンドルのシャフトのこの構成が、第１と第２の実施形態の全ての変形物に適用されうることを理解されよう。例えば、接触部分と接触端は、球状でもよく欠けた球体でもよい。

図２のようなロボットを含む前述の装置の例では、軸Ａ１〜Ａ６が動力化される。このような条件では、ハンドルに対して、したがってユーザの手に対して、又はユーザの動きに対して、並進又は回転方向に、場合によって特定の方向又は全ての方向に力を加えることができる。したがって、この事例には、力フィードバックと共に最大６つの自由度を有する装置が含まれる。また、軸Ａ４〜Ａ６を動力化しなくてもよい。この事例では、装置は、並進力フィードバックを有する３つの自由度を有し、回転はない。次に、ロボットの末端部品は、ハンドルが部品２０６に接触しているときに駆動することによって、ハンドルの回転運動に単純にしたがってもよい。しかしながら、回転方向が変化する場合は、ユーザが、表面４０２の各側に表面４０１の連続接触を感じ、これは、自由空間内の動きの感触に悪影響を及ぼすことがある。自由空間内の動きの感触を改善するために、６つの自由度を有するシステムが実施されてもよく、モータＭ４〜Ｍ６は、末端部品２０６の向きがハンドルの向きに従うように末端部品２０６を制御するために使用される。部品２０６がハンドルの動きに従うように軸Ａ４、Ａ５及びＡ６をステッピングモータによって動力化できる。これらのモータは、トルク制御モータより一般に軽量で、小型で、制御しやすいという利点を持つ。

変形物において、また図１０に表されたように、ハンドルとロボットの末端部品の向きを自動的に合わせる受動システムが提供されてもよい。

表された例では、ガイドシステムＳＧは、接触端４０１の１つ以上の磁石１０５（その磁極（例えば、Ｎ極）が、接触部分４０２に向いて位置決めされた）と、接触部分４０２の１つ以上の磁石２１１（その磁極が、接触部分に向いている磁石１０５の極であり、ここでは、例えばＳ極）が、接触端４０１に向いて位置決めされる。したがって、磁石１０５，２１１の磁極は、互いに引き合い、接触端４０１と接触部分４０２を自動的に位置合わせし、したがってハンドルとロボットの末端部品を位置合わせしようとする。

磁石１０５，２１１は、好ましくは、部品１及び２０６内に中空に機械加工されたハウジングに入れられ、その結果、磁石１０５，２１１は、接触部分４０１，４０２の表面より突出せず、それらの部分との接触を妨げない。

変形物では、磁石１０５，２１１は、接触端４０１と接触部分４０２の外側でハンドル１と部品２０６上の位置決めされてもよい。例えば、キャビティが、その開口の側に磁石を備えてもよく、ハンドルが、キャビティの開口と支持磁石の側に向き半径方向に延在する要素を備えてもよい。

末端部品及び／又はハンドルの磁石が、電磁石と置き換えられてもよく、電磁石は、例えば接触端４０１と接触部分４０２の間の距離の関数として整合を行うことを可能にする。更に、この事例では、軸Ａ４、Ａ５及びＡ６は、動力化されていないが、末端部品の向きを知るために位置センサを備えてもよい。

自己整合システムのこの実施形態は、例示のために示したのであって、限定する意図はない。したがって、接触端４０１と接触部分４０２に異なる数の磁石又は電磁石を使用してもよい。更に、これらの磁石又は電磁石は、必ずしも互いに向かい合っておらず違うように配列されてもよい。更に同じ機能を持つ他の装置を使用してもよい。例えば、接触端４０１と接触部分４０２の間に、これらの表面が接触するときに実質的に抵抗がないが全く同じように自由空間内で部品２０６を押すことを可能にするきわめて軟質な発泡材を挿入することが考えられる。これらの解決策は、全ての実施形態と全ての実現変形物に適用されうることを理解されよう。

図１１に、ハンドルの形状の変形物を示す。この変形物は、図６Ａと図６Ｂの装置に適用されるが、全ての装置に適用できることを理解されよう。この変形物は、力フィードバックを有するクランプを構成する。

シャフトは、軸ＡＰ１のまわりで回転可能な２つの本体１ａ及び１ｂによって置き換えられた。本体１ａ及び１ｂはそれぞれ、それぞれ１０１ａと１０１ｂで示された掴み部分を備える。本体１ａは、キャビティに収容され接触部分（図示せず）と接触できる接触端（図示せず）を備える。軸ＡＰ１のまわりの追加の自由度は、位置センサＣＰ１を備えたモータＭＰ１を使用して動力化されると有利なことがあり、これらはそれぞれ、前述の全てのタイプのものでよい。

あるいは、２つは本体１ａ及び１ｂが、互いに対して並進するように取り付けられてもよい。

この変形物の場合、モータとエンコーダが、電気ジャンパケーブル又はロボットに沿って進むケーブルによって、コントローラに接続されてもよいことが分かる。ハンドルは、モータＭＰ１に電力供給する充電式バッテリ又は電池と、コントローラの指令を受け取り、位置センサの情報項目をコントローラに戻す無線送信機能を備えたカードとを備えると有利なことがある。ハンドルのこの変形物は、前述の全ての装置例で使用されうる。

本発明の範囲を超えることなく、接触端を有しそれぞれ接触部分に向いた本体１ａ及び１ｂを備えことができることを理解されよう。この事例では、ハンドル１とモータＭＰ１を動力化しなくてもよく、エンコーダＣＰ１が省略されてもよい。接触部分は、２つの異なるロボットの端本体上に位置決めされてもよく、代わりに単一のツリー構造ロボットの端本体上に位置決めされてもよい。

また、ハンドル１のペン又は鋏形状は単に例として示されていることを理解されよう。ハンドル１は、また、本発明の範囲を超えることなく、人間工学的な掴み又は取り扱いに適した任意の他の形状をとりうる。ハンドル１は、例えば、非限定的に、動力取出ハンドル、ジョイスティックハンドル、Ｔ字、ボール、マウス、ノブ、ステアリングホイール又はレバーの形状を有してもよい。また、ハンドル１は、例えば、１本以上の指、手のひら又は手全体を挿入できるダイやリングなど、変形可能又は変形不能な中空形状を有してもよい。また、例えば２本の脚を有するクランプなどの変形可能なものでもよい。これらの解決策は、全ての実施形態と全ての実現変形物に適用されうることを理解されよう。

次に、トラッキングシステムと呼ばれるハンドルの構成を測定するための手段について述べる。

トラッキングシステムの目的は、空間内のハンドルの絶対配置、又は、ロボット２に対する、詳細には末端部品２０６に対するハンドル１の相対配置を測定することである。また、このトラッキングシステムは、ハンドルの絶対配置を測定する場合に、ロボットの末端部品２０６の絶対配置、更にはロボットのＣ１〜Ｃ６のセンサによって分かる配置を測定できる。これらの情報項目（空間内のハンドルとロボットの絶対配置と、ロボットに対するハンドルの相対配置）は、マスタアーム、触覚インタフェース又はコボットを結合して本発明による装置をスレーブアームに一体化するためのコントローラによって、又は仮想現実におけるシミュレーション、若しくはその代わり動力支援モードの管理のために使用される。

図１２は、概略的に表された本発明で実現されうるトラッキングシステムの第１の実施形態を示し、このシステムは、「外部」として見なされる。

システムは、ハンドルと末端部品を視覚化するように構成されたカメラ３１を含む。カメラは、光スペクトルの任意の帯域、詳細には可視光又は赤外領域で動作可能である。このカメラによって得られた画像は、ハンドルの位置と向きの情報項目を取り出すために処理される。また、このカメラは、好ましくは、ロボットの末端部品２０６の位置と向きを同時に測定するために使用されてもよい。このシステムは、ハンドルとロボットに追加機器を必要としないという利点を持つ。

ハンドルと末端部品２０６が、画像処理アルゴリズムによって丸い形状より使い易い鋭いエッジ１１０，２２０を有すると有利なことがある。例えば、そのようなエッジは、機械加工により作成される。

好ましくは、カメラは、カメラの測定スペクトルにおける画像のコントラストを強化する照明装置３２とともに用いられ、照明装置によって提供される光は、例えば赤外線である。この照明装置は、図１２に示されたようにカメラから離れていてもよく、対象物のまわりに実装されてもよい。

ハンドルと部品２０６は、測定を容易にするように構成された光によって照明されると有利なことがある。

ロボットとハンドルのまわりに配置された幾つかのカメラ及び／又は照明装置を実装し、３次元測定を行ない、良好な分解能を有しかつ／又は代わりに死角及び視覚的オクルージョンを回避するように提供されてもよい。

それにより得られた画像は、当業者に周知で本明細書では詳述されない撮像技法及び関連画像処理アルゴリズムによって処理される。

図１３は図１２のシステムの変形物を示し、ハンドル１とロボットの末端部品２０６にターゲット３０１及び３０２が実装されている。これらのターゲットは、受動的でよく、照明装置３２のスペクトルにおいて逆反射であると有利である。あるいは、これらのターゲットは能動的でもよく、例えば赤外領域のそれ自体の照明を保証する。そのような能動ターゲットは、固有信号を、例えば所定の周波数でそれぞれ発して、ターゲットの位置の正確な特定と他のターゲットとの区別を容易にするように駆動されると有利なことがある。

能動ターゲットがハンドルに提供された場合、ハンドルは、電気供給に必要なバッテリ又は電池を含むことがある。そのようなターゲットは、位置を正確に特定し、システムの構成の測定を容易にする。ターゲットがハンドル上又は部品２０６上にだけ実装されてもよいことはよく理解される。更に、測定を行なうためにここで何台かのカメラが使用されてもよい。

また、受動ターゲットと能動ターゲット、例えば、ハンドル上にありしたがって電源を必要としない受動ターゲットと、ロボット上の能動ターゲットを使用するように提供されてもよい。

更に、ターゲットは、特に受動ターゲットの場合に、区別しやすくするために異なる形状とサイズを有してもよい。そのようなターゲットは、更に、異なる色のものでもよく、より区別しやすくできる幾何学パターンを有してもよい。

図１２と図１３に概略的に示されたようなトラッキングシステムにより、ハンドルとロボットの末端部品の絶対位置と向きが得られ、それから、ロボットに対するハンドルの相対配置を容易に推定できる。ロボットのセンサにより、ロボットの末端部品の絶対位置と向きも得られうる。したがって、トラッキングシステム３によってそれらを測定することは必ずしも有用ではなく、照明されるかターゲットが提供されたハンドルの配置だけを測定してもよい。

図１２と図１３によって示されたトラッキングシステムは、単に例として提供される。概して言えば、例えば、非網羅的に、ＡＲＴ ＴｒａｃｋやＶｉｃｏｎ Ｂｏｎｉｔａ装置などのターゲットを備えるか備えていないモーションキャプチャシステム、Ｐｏｌｈｅｍｕｓセンサなどの電磁気又は超音波センサ、Ｌｅｉｃａ Ｅｙｅ Ｔｒａｃｋｅｒ型のレーザトラッカ、Ｋｉｎｅｃｔ（登録商標）システム又はＬｅａｐ Ｍｏｔｉｏｎ（登録商標）装置などの視界又は距離画像カメラなどの任意の非接触測定システムが使用されうる。

図１４に、本発明に適したトラッキングシステムの第２の実施形態を概略的に示す。これは、「内部トラッキングシステム」と呼ばれる。

この実施形態では、ハンドル１とロボットの末端部品２０６は、ロボットに対するハンドルの相対配置を知ることを可能にする非接触センサが実装される。ロボットの末端部品の絶対配置が、ロボットのセンサの値を入力として使用する幾何学的モデルの支援により分かるので、それらの値からハンドルの絶対配置が容易に推定される。

図１４の例では、ハンドルは、接触部分４０１にエミッタ３３を備え、エミッタ３３は、例えば、赤外領域で発光し、好ましくはハンドルに組み込まれた電池又はバッテリによって電力供給される発光ダイオード（ＬＥＤ）でよい。これらのＬＥＤは、好ましくは、接触端４０１の周囲に規則的に分散される。接触端が立方体の実施形態では、各面にＬＥＤが提供される。変形物では、１面当たり何個かのＬＥＤが提供されるか、特定の面にＬＥＤがなくてもよく、ＬＥＤは、接触端４０１の特定の部分だけに集中される。接触部分４０２は、装備する部品のために、ＬＥＤ３３に向いており、ＬＥＤまでの距離及び／又は対向するＬＥＤの向きの変化に感応するセンサ３４、例えばフォトトランジスタを備える。表された例では、センサは６個あり（幾つかは見えない）、それぞれが部分４０２の面の１つに配置される。センサ３４の数及びその配置は、ＬＥＤの数及び接触端上のその分布に依存する。

好ましくは、ＬＥＤ３３とセンサ３４は、接触端４０１と接触部分４０２に機械加工された中空内に、それらの表面から突出せず、また自由空間内の動きの位相とそれらの表面の接触を妨げないように組み込まれる。様々なＬＥＤ−センサ対の測定値の組み合わせによって、末端部品２０６に対するハンドルの相対配置を計算できる。センサ３４がハンドル上に、末端部品２０６上のＬＥＤ３３と逆に位置決めされてもよいことを理解されよう。更に、ハンドル上に特定のセンサと部品２０６上に他のセンサを有し、ハンドル上に特定のＬＥＤと部品２０６上に他のＬＥＤを有しうる。

変形物では、フォトトランジスタ３４は、線形又は面ＰＳＤ（位置感応検出器）動作センサによって置き換えられてもよい。様々な数のＬＥＤとセンサがあってもよく、当業者に周知でありかつ動作が本明細書に詳述されない面ＰＳＤなどの特定のセンサが、幾つかの方向に沿った動きを測定できることを理解されよう。

また、変形物では、ＬＥＤフォトトランジスタ組立体の代わりにプロキシメータが使用されてもよい。これらの構成要素は、同一構成要素にエミッタとレシーバが実装され、ターゲットを上に固定することなく、向いている物体の距離の情報を直接供給する。この場合、それらのプロキシメータは全て、ハンドル又は全ての部品２０６に配置されるか、ハンドルと部品２０６の間に分散されてもよい。

別の変形によれば、更に、電流が流れるコイルが、ハンドルと部品２０６に配置されてもよく、コイルの相互インダクタンスが、それらの距離の関数として変化し、更に、ある特定のコイルは、永久磁石によって置き換えられてもよい。この場合、磁石は、好ましくは、ハンドルに配置され、コイルは部品２０６に配置される。

別の変形によれば、部分４０１，４０２に面する部分に導電性面を使用して、測定しようとする距離の関数としてキャパシタンスが変化するキャパシタを作成してもよい。

一般的に言って、トラッキングシステムは、例えば、非網羅的に、ターゲットがある場合又はない場合に電磁気、超音波又は光学技術、詳細には誘導若しくは容量センサ又は赤外線プロキシメータを使用して、ロボットの末端部品に対するハンドルの部分の距離又は接近を推定することを可能にする全てのタイプの非接触センサを実装してもよい。また、ハンドル１と部品２０６の間に、適切な移動性と十分な数のセンサを有する変形可能な構造を有する小型レプリカマスタなどの受動機械測定システムを実装してもよい。これらの装置は知られているので本明細書では詳述されない。しかしながら、この場合、自由空間内の透過性が、非接触システムより低下する。

例えば加速度計や光センサなどの幾つかのタイプのセンサを組み合わせるトラッキングシステムが、本発明の範囲を超えないことを理解されよう。更に、保持されるセンサに関係なく、実装されるセンサの数は、システムの自由度の数と、各センサが提供できる測定値の数に依存する。測定値の品質を改善するため、実装されるセンサの数は、厳密に必要とされるものより大きくてもよい。

図１５に、図１４のトラッキングシステムの変形物を見ることができる。この変形物では、測定装置３３〜３４が、接触端４０１と接触部分４０２の外部に配置され、装置の実現が単純化される。例えば、ハンドルは、縦軸に対して横方向に延在する要素１１１と、キャビティ４０３の開口の輪郭に向いて配置された支持ＬＥＤ３３とを有する。ＬＥＤに向いているキャビティの開口の輪郭には面センサＰＳＤ３４が設けられる。シャフトの軸のまわりに規則的な角度で分散された３本のアームで表された例では、横方向に延在する要素１１１が形成される。これらの構成要素は単に例として示され、前述のもののような任意の他の測定手段が使用されてもよい。また、より多くの測定システムを使用することもでき、それらをハンドルと部品２０６に異なる態様で配置することもできる。

前述のトラッキングシステムは、述べられた全ての制御装置に適用されうる。

ハンドル及び／又は部品２０６が、それらの間の接触を検出するための手段を備えてもよい。例えば、図１４に示されたように、柔軟配線３５、バッテリ又は電池３６、電流センサ３７、及び好ましくは導電材料薄層で覆われた接触部分と接触端４０１と４０２からなる電気回路を使用することが可能である。配線３５は、要素３６，３７を介して接触端４０１の導電材料から接触部分４０２の導電材料まで通る（ハンドルと部品２０６の内側を通る場所に点線で表されている）。したがって、面４０１，４０２が離されたときは回路が開かれ、センサ３７に電流が流れない。これと反対に、これらの面が接触したときが電流が流れ、センサ３７によって検出される。次にこの接触情報がコントローラによって使用されてもよい。

このきわめて単純な装置として、例えば、ハンドル及び／又は部品２０６に配置された接触器、スイッチ、又は圧力若しくは力センサなど、接触を確認するための任意の他の手段が使用されうる。変形物では、これらの接触検出手段は、補助的な光学、磁気、電磁気システム、歪みゲージや圧電材料などの１つ以上の接触又は力センサ、機械部品の動き及び／又は変形の１つ以上のセンサなどでよい。

次に、本発明の第２の実施形態について述べ、ハンドルを本体に一時的に固定するための手段が提供される。

図１６に、図４Ａと図４Ｂに表された第１の実施形態の例に近いこの第２の実施形態の第１の例を示す。接触端４０１は、円錐台形状を有し、そのキャビティ４０３は、接触部分４０２を構成し、やはり円錐台形状である。しかしながら、この実現例では、接触端の外側面と接触部分の外側面を規定する円錐の頂点の角度は、接触した後で分離するためにある特定の力を加えることが必要になるようなものである。円錐の勾配、材料の組み合わせ、及び領域４０１と４０２の表面状態は、好ましくは、２つの部分の分離に所定の既知の力が必要になるように選択されうる。したがって、この力によって、ハンドルが、ロボットに固定されると見なされることがあり、力は、全ての方向、並進と回転の両方に伝達されうる。

図１７に、第２の実施形態の変形物が示される。この変形物では、ハンドルと末端部品の固定は、２つの円錐台面の押し合いによってではなく、ハンドルと部品２０６に実装された固定装置によって得られ、この固定装置は、スレッショルド又は制御可能な装置であり、要素４３１，４３２を含む。キャビティ４０３の底に位置決めされた要素４３２は、例えば磁石でよく、接触端４０１の自由端に位置決めされた要素４３１は、金属材料で作成された少なくとも１つの部品を含んでもよい。したがって、接触端４０１と接触部分４０２が互いに近づくとき、要素４３１，４３２は、互いに引き合い、磁石４３２と部品４３１を離すのに十分な反対力が加えられない限り、ハンドルと部品２０６を固定する。このかわりに、磁石が、ハンドルに位置決めされ、磁性材料が部品２０６に位置されてもよい。更に、逆の磁極が互いに向かい合っている２つの磁石が使用されてもよい。この固定装置は、スレッショルド装置である。このスレッショルド現象が望ましくない場合、２つの状態を有する制御可能なシステムを実現できると有利である。容易に供給できるようにするために、例えば、好ましくはハンドルに配置された磁石４３１と、部品２０６に配置されたコイル４３２とを含むシステムが使用される。したがって、コイルに電流が流れない場合、ハンドルと部品２０６が自由に離れることができ、一方、コイルに電流が流れる場合、ハンドルと部品２０６が、磁石の磁界とコイルの相互作用によって生成された力によって接触が維持される。

変形物では、磁気吸収パッド装置が使用されてもよい。そのような装置は、当業者に知られているので本明細書では詳述されない。更に他の変形物では、米国特許公開公報ＵＳ２０１１／０７３１１８に記載された制御可能な固定装置が、本出願で実装されてもよい。

図１８は、装置の第２の実施形態の第２の変形物を示す。この変形物では、接触端と接触部分は平行六面体であり、幾つかの固定装置４３１，４３２はそれらの表面の周囲に実装される。したがって、部分４０１，４０２のいずれの部分が接触しているときであってもハンドル１とロボット２を固定することができる。前述の全てのタイプの固定装置が適用されうることを理解されよう。

非網羅的に、面の１つが滑らかで他の面が吸収パッド又は空気低圧システムを備えてもよく、２つの面がＶｅｌｃｒｏ（登録商標）ストリップを備えてもよく、面の少なくとも１つが接着剤又は接着ポリマで被覆されてもよいなどの固定装置の解決法が実現されうる。

駆動された固定装置を含む本発明による装置の動作中、アバタ、スレーブロボット又はコボットのその環境に対する距離の情報は、固定装置を制御して、アバタ、スレーブロボット又はコボットがその環境と接触している瞬間にハンドルとロボットを結合するために使用される。

次に、本発明による制御装置に実装できるロボットの例について述べる。

図１９に、本発明によるハンドルと協働する接触部分を支持する端本体を含む６自由度を有するハイブリッドロボットを見ることができる。

ロボットＲ２は、２つの脚２ａ，２ｂを有し、２つの脚２ａ，２ｂはそれぞれ、脚２ａの本体２００ａ〜２０８ａと、脚２ｂの本体２００ｂ〜２０８ｂとを有する。各脚は、脚２ａ用に４つのモータと脚２ｂ用に３つのモータを含む以外は前述のロボットに類似の構造を有するが、異なる構造を有してもよい。脚２ａ，２ｂは、平行に配置され、それらの末端機構２０６ａ及び２０６ｂを介して接続される。
部品２０６ａは、部品２０５ａに対して回転可能であり、部品２０６ｂは、部品２０５ｂに対して回転可能であり、部品２０６ａは、部品２０６ｂに対して回転可能である。これらのリンクの軸は、好ましくは、同一直線上にある。図示の例では、接触部分４０２は、部品２０６ａに位置決めされる。変形物では、脚２ｂが４つのモータを備え、脚２ａが３つのモータしか備えていない場合は、接触部分４０２が部品２０６ｂに位置決めされてもよい。ここで、接触部分並びにハンドル１は、図６Ａ及び図６Ｂのものと類似している。

脚２ａは、位置センサＣ１ａ〜Ｃ３ａを備えたモータＭ１ａ〜Ｍ３ａを有している。脚２ｂは、位置センサＣ１ｂ〜Ｃ３ｂを備えたモータＭ１ｂ〜Ｍ３ｂを有している。同じ方向に２本の脚の端を移動させかつ／又はこれらの端に力を加えることを可能にすることによって、これらのモータは、３つの並進自由度に関する力フィードバックを保証できる。反対方向に２本の脚の端を移動させかつ／又はこれらの端に力を加えることによって、部品２０６ａ，２０６ｂに垂直な軸のまわりに２つの回転自由度に関する力フィードバックを保証できる。センサＣ７Ａを備えた追加のモータＭ７ａが部品２０５ａに配置され、部品２０６ａ，２０６ｂの軸回りの力フィードバックを保証する。

図２０に、論文「Y. Tsumaki, H. Naruse, D. N. Nenchev, M. Uchiyama, Design of a compact 6-DOF haptic interface, Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Louvain, Belgium, May 1998」に記載された「改良デルタ」型の力フィードバックを有する３つの自由度を備えた平行アーキテクチャを有するロボットの別の例を示す。ロボットＲ３は、平行に配置され台座２００を可動プラットフォーム２０６に接続する３本の脚２ａ，２ｂ，２ｃを有する。脚２ａ，２ｂ，２ｃは、本体２０１ａ，２０２ａ，２０３ａ，２０４ａ，２０５ａ，２０１ｂ，２０２ｂ，２０３ｂ，２０４ｂ，２０５ｂ，２０１ｃ，２０２ｃ，２０３ｃ，２０４ｃ，２０５ｃを有する。力フィードバックは、位置センサＣ１ａ，Ｃ１ｂ，Ｃ１ｃを備えた脚２ａのモータＭ１ａ、脚２ｂのモータＭ１ｂ及び脚２ｃのモータＭ１ｃによって保証される（図２０では、脚２ｂのモータＭ１ｂと位置センサＣ１ｂを図示していない）。モータは、全部で３つであり、台座に固定され、明瞭さのために図示していない減速機によって本体２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃを作動させる。この構造は、当業者に周知であるのでその動作は本明細書では詳述されない。

この構造は、プラットフォーム２０６を並進方向に動かすことだけを可能にする。本体の間のリンクの特定の配置は、プラットフォーム２０６が回転方向に動くことができないものである。ユーザが自由空間内にあるとき、ロボットは、接触端と接触部分（相対配置がトラッキングシステムによって測定される）が、互いに接触しないように制御される。ユーザが接触するとき、コントローラはハンドルがロボットと接触するようにモータを制御する。最終的に、接触時にはこれらの２つの要素は互いに接触したままである。図２０に示した例では、ハンドル１の掴み部分は、好ましくは、システムを並進方向に制御するためのスタイレットより小型で人間工学的なボールの形状を有する。

更に、３つの自由度を有するこのタイプの装置では、ハンドル１の接触端とプラットフォーム２０６の接触部分が、好ましくは、図５Ａと図５Ｂに示したような球形である。したがって、ユーザは、ここでは垂直な軸回りにハンドルを自由に回転させうる。また、ユーザは、ハンドルの細い部分１０３がキャビティ４０３の開口２０９の周囲と接触しない限り、ハンドルを任意の水平軸回りに自由に回転させてもよい。したがって、ユーザが、自由空間内でシステムを動かすことによってハンドルの向きを少し修正する場合でも、これにより、ハンドルとロボットの本体とが接触しない。

図２１と図２２は、本発明による装置で実現できる２つの自由度を有するロボットの別の例を示す。ロボットＲ４は、台座２００を可動式端部分２０６に接続する２本の脚２ａ，２ｂを有する。脚は、本体２０１ａ，２０２ａと、それぞれ対応する２０１ｂ，２０２ｂを有する。位置センサＣ１ａ，Ｃ１ｂを備えたモータＭ１ａ，Ｍ１ｂは、平面内で末端部品２０６に力を加えることを可能にする。５バー機構型の２つの自由度を有するこの平行構造は、当業者に周知であるのでその動作は本明細書では詳述されず、単に例として示す。２つの自由度を有する他の構造、詳細には、例えば平行四辺形型の直列構造又は並列構造を使用することもできる。

図２２に、図２１の装置のハンドルと接触部分の部分断面図を示す。ハンドルは、全体的に円筒形状を有し、平面内で動くように極めて優れた人間工学を提供する。例えばコンピュータのマウスの形状のような他の形状を使用することもできる。ハンドル１の接触端４０１とロボットの末端部品２０６の接触部分４０２は、その部分に関して、円筒形状と、それぞれ対応する雄形と雌形を有する。この例では、２つの円筒の高さは同じであるが、それらの直径が異なる。接触端４０１の直径は、接触部分４０２より僅かに小さい。したがって、ハンドルは、垂直軸回り以外の回転ができず、ユーザは、ハンドルを平面内だけしか動かすことができない。

接触部分４０１の下側４１１と上側４２１の平面と、接触部分４０２の下側４１２と上側４２２の平面は、好ましくは、接触する又は離れる際の平面内における末端部品に対するハンドルの相対運動の弱い抵抗に対抗するために、例えばＴｅｆｌｏｎ（登録商標）などの相互摩擦のほとんどない材料で作成される。

低摩擦を提供する材料の実施態様の代替又は組み合わせで、これらの表面は、摩擦を更に最小にするために油が塗布されてもよい。前述の手段の代替又はその手段との組み合わせで、これらの面の間にビードが挿入されてもよい。

あるいは、接触端４０１と接触部分４０２は平行六面体形状であってもよく、本体２０２ａ，２０２ｂは、部品２０６にトルクを加えることを可能にするモータを備えてもよい。この場合、ロボットＲ４は、平面内の力フィードバックを有する３つの自由度（並進方向に２つと、回転方向に１つ）を有する。

前述のロボットの例は、３〜６つが力フィードバックを有する６つの自由度（図２）、６つの自由度（図１９）、空間内で断続的に動作できる３つの自由度（図２０）、及び２〜３つが平面内で相互作用する力フィードバックを有する３つの自由度（図２１と図２２）を有する。しかし、ロボットは、６つを超える動力化された軸と直列構造を有する冗長でもよく、そうでなくてもよい。また、例えばゴフ・スチュアートプラットフォーム型の並列構造を有してもよい。また、例えば、論文「 F. Gosselin, F. Ferlay, S. Bouchigny, C. Megard, F. Taha, Specification and design of a new haptic interface for maxillo facial surgery, Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 9-13 May 2011, Shanghai, China, pp. 737-744」に提示されたような並列の２本の脚と直列の１つの軸を有するか、論文「Y. Tsumaki, H. Naruse, D. N. Nenchev, M. Uchiyama, Design of a compact 6-DOF haptic interface, Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Louvain, Belgium, Mai 1998」にあるようなデルタ型キャリア及び直列ハンドルを有する複合構造を有してもよい。更に、３Ｄ又は６Ｄ緊張ストリング構造は、論文「 M. Ishii, M. Sato, A 3D Spatial Interface Device Using Tensed Strings, Presence: Teleoperators and Virtual Environments, Vol. 3(1), pp. 81-86, 1994」、「S. Kim, Y. Koike, M. Sato, Tension based 7 DOFs force feedback device: SPIDAR-G, Trans. on Control, Automation and Systems Engineering, Vol. 4, No. 1, March 2002」及び「M. Ortega, S. Coquillart, Prop-based haptic interaction with co-location and immersion: an automotive application, Proc. IEEE Int. Workshop on Haptic Audio Visual Environments and their Applications, Ottawa, Canada, 1-2 Oct.2005」に記載されたような３Ｄ又は６Ｄ緊張ストリング構造が使用されてもよい。上側アームの装着装置として、擬人化構造が使用されてもよい。これらの例は、表示のために示され、限定ではない。

次に、接触部分が変形可能な本発明の第３の実施形態について述べる。

図２３に、第３の実施形態による制御装置の例を示し、ハンドル及び／又は部品２０６の少なくとも側面に接触部分が変形可能に作成されている。

この装置の構造と動作は、図２３の装置の部分断面図を表す図２４を参照することによってよりよく理解されよう。

ロボットの端部は、Ｃ字形状を有し、２つの部品２０６ａ，２０６ｂを有する。第１の部品２０６ａは、プーリＰ６２に固定され、モータＭ６によって駆動される。第２の部品２０６ｂは、部品２０６ａに対して並進できる。部品２０６ｂは、部品２０６ａ，２０６ｂを離すか近づけることができるようにモータ４０５によって駆動される。

部品２０６ａ，２０６ｂが両方とも、本発明の範囲を超えることなくプーリＰ６２に対して移動できることはよく理解される。この場合、部品２０６ａ，２０６ｂがそれぞれモータによって作動されてもよく、両方が同一モータによって同期的に作動されてもよい。

２つの部品２０６ａ，２０６ｂの構造は、それらの間にハンドルの接触端との接触部分を規定するものである。

接触端は、２つの部品２０６ａ，２０６ｂと協動する形状を有する。

第１の部品２０６ａは、４０２ａで示された全接触部分の第１の部分を規定し、第２の本体は、４０２ｂで示された接触部分の第２の部分を規定する。

接触端は、第１の部分４０２ａと協働できる第１の端４０１ａと、第２の部分４０２ｂと協働できる第２の端４０１ｂとを有する。

接触端は、部品２０６ａ，２０６ｂに対して、第１端４０１ａが第１の部分４０２ａを向き第２端４０１ｂが部分４０２ｂを向くように配置される。

したがって、自由空間内で、モータ４０５は、部品２０６ａ，２０６ｂが互いに相対的に離れるように制御される。したがって、第１の接触端４０１ａと第２の接触端４０１ｂは、第１の接触部分４０２ａ及び第２の接触部分４０２ｂと容易に接触することができない。ロボットが接触状態になったとき、モータ４０５は、部品２０６ａ，２０６ｂが互いに近づき、その結果、第１の接触端４０１ａと第１の接触部分４０２ａが近づき、第２の接点端４０１ｂと第２の接触部分４０２ｂも近づいて接触するように制御される。したがって、接触状態で、ハンドルはロボットに固定され、一方、自由空間では、これらの２つの要素が離される。図示の例では、モータ４０５はリニアモータであるが、回転モータでもよい。このモータは、好ましくは、位置センサ（図示せず）を備えてもよい。より一般には、モータ４０５及び部品２０６ａ，２０６ｂは、ハンドルの接触部分を取り囲みうるクランプを構成する。本発明の範囲を超えることなく、このクランプを実現する他の解決法が使用されうる。これらのクランプは、また、任意タイプの形状の接触部分に使用されうる。詳細には、第１の接触端４０１ａと第２の接触端４０１ｂと、第１の円錐接触部分４０２ａと第２の円錐接触部分４０２ｂが使用されうる。更に、接触端４０１ａ，４０１ｂと接触部分４０２ａ，４０２ｂは、平らであり、単純な締付けによって接触が維持されてもよい。接触部分は、更に、後述するような複数の第１と第２の接触部分を有しうる。

この実施形態は、自由空間と接触状態の間の移行をできるだけ最良に操作することを可能にし、その理由は、接触しようとしている面４０１と面４０２の距離を小さくでき、接触している状態の距離をゼロにでき、及び自由空間内のこれらの面の距離を大きくできるからである。

接触部分が変更可能なとき、駆動装置のその環境に対する距離の情報と、ハンドルのロボットに対する距離の情報は、接触部分の配置を変更するために使用される。したがって、図２３と図２４の装置では、例えば、被駆動装置が接触しようとすると、接触部分４０２ａ，４０２ｂと接触端４０１ａ，４０１ｂとの距離が、ロボットとその環境との距離と等しくなるように、モータ４０５を駆動できる。したがって、これにより、被駆動装置がその環境と接触するとすぐに、ハンドルとロボットとの距離がゼロになることが保証される。この制御ステップは、図２９のフローチャートにおいて点線で表される。

接触端の相対配置が修正でき、接触部分の相対配置が修正できないことを理解されよう。更に、接触端の相対配置と接触部分の相対配置が両方とも修正できることが可能である。更に、本発明の範囲を超えることなく、接触端と接触部分との距離の変更を可能にする有用な情報に基づく線形又は非線形の他の方法又は制御法則が使用されうる。また、接触部分及び／又は接触端が駆動可能な全ての変形例に類似の手法を使用できることが理解されよう。

図２５に、接触部分が、第１の接触部分４０２ａ、第２の接触部分４０２ｂ、第３の接触部分４０２ｃ、第４の接触部分４０２ｄから構成された第３の実施形態の別の実現例を示す。これらの４つの接触部分は、それぞれ示された例では、部品２０６に対して並進方向に移動できる平面によって構成され、モータ４０５ａ，４０５ｂ，４０５ｃ，４０５ｄによって、部分４０２ａ〜４０２ｄが適した条件により平行六面体であるが任意の他の形状をもとりうるハンドル１の接触端４０１までの距離を修正するように作動される。

この装置の動作は、図２３と図２４の装置の動作と類似している。自由空間内で、モータ４０５ａ〜４０５ｄは、表面４０２ａ〜４０２ｄが接触端４０１の面から離れるように制御される。接触時、これらの接触部分が接触端の面と接するように制御される。

一般的に言って、変形可能な接触部分を構成するこれらの面は、ハンドルの端部で閉じるダイアフラムを実現する。本発明の範囲を超えることなく、そのようなダイアフラムを実現する他の解決法、詳細には様々な可動部品の動きを同期させる原理を有する解決法を使用できる。また、接触部分の他の形状が可能である。例えば、ピラミッド又は変形可能な球体形状の接触部分は、本発明の範囲を超えない。

図２６に、部分断面で表された接触部分の第３の実施形態の別の変形物を示す。

末端部品２０６は、その内側面に、接触部分４０２として働く柔軟面を有する。部品２０６の内側面とこの面４０２の間に構成された容積は、好ましくは、例えば非限定的に、細砂、鉄くず、杏仁粉末、コーヒー出し殻などの微粉末が充填される。部品２０６に固定されるか、例えば更に遠くのロボットの台座に取り付けられたポンプ４０５とリザーバ（図示せず）は、命令に応じて、この容積の充填と排出を保証する。したがって、自由空間内で、ハンドルの接触部分４０１のまわりの空間を開放するために粉末が吸い上げられる。接触状態では、これと逆に、面４０２を面４０１の上まで下げるように粉末が注入される。あるいは、実質的に同一量の粉末が維持されかつ空気が注入されるか、これと逆に、粉末を変形可能にするか固体化するように真空が適用される。

また、ハンドルの接触面４０１が、面４０２と接触するために接触状態で変形可能（例えば、膨張する）でよいことを理解されよう。更に、変形可能な面が、面４０１，４０２の外側に位置決めされてもよい。例えば、変形面が、部品２０６に接続され、部分１０１の一部分を取り囲んでもよく、部分１０１に接続され、部品２０６の一部分を取り囲んでもよい。

図２３〜図２６の装置は、単に例として提示する。ハンドルの接触端とロボットの末端部品の接触部分との距離を修正でき、それらが自由空間内で離れ接触状態で隣接するようにする他の装置が、本発明の範囲を超えることなく使用されうる。

前述したように、アバタ、スレーブロボット又はコボットのエフェクタは、その環境との接触が阻止されるので、ハンドルの動きは、ロボットと接触するまで、環境への侵入、又はアバタ、ロボット若しくはコボットに対するハンドルの突出と見なされることがある。この突出は、接触端４０１と接触部分４０２との距離が小さいときに小さくなる。修正可能な接触部分及び／又は接触端の実装のおかげで、接触中にこの距離をゼロにしながら全体の突出をなくすことが可能である。端部と接触部分との距離が修正できるので、ユーザの動作が限られる場合でもロボットがユーザの動きに従いうるように自由空間内で大きな距離を有しうる。

図２７と図２８に、幾つかの別個の接触部分を含む制御装置の例を示す。図２７のロボットは、２本の脚２ａ，２ｂを有する平行ロボット２であり、各脚２ａ、２ｂはそれぞれ接触部分４０２ａ，４０２ｂを支持する。ハンドル１は、２つの接触端４０１ａ，４０１ｂを有する。

図示の例では、接触部分４０２ａ，４０２ｂは互いに向かい合うように配置され、ハンドル１はこれらの２つの接触部分４０２ａ，４０２ｂの間に配置されるように意図され、ハンドルの各接触端４０１ａ，４０１ｂは接触部分に向いている。この例では、接触端４０１ａ，４０１ｂは、ピラミッド形のものであり、接触部分は、対応する形状を有する。多方向力フィードバックを適用できる任意の他の形状が適切なことがある。

図２７において、ロボットの２本の脚は、好ましくは全て作動される６つの自由度を有し、それにより、各脚が、自由空間内でハンドルの動きに従い、接触状態で力を加えることが可能である。脚２ａ，２ｂの手首の幾つか又は全ての軸が必ずしも作動されなくてもよい。この場合、２本の脚の末端部品は、ハンドルが傾けられたときにハンドルと接触することによって、又は好ましくはそれらの軸に図１０に示されたようなハンドルを有する自動整合装置を実装することによって、回転方向にハンドルに従うことになる。この構成は、２つのロボットを駆動することによって、脚２ａ，２ｂの端部とハンドル１との距離を容易に調整できるという利点を有する。

このロボット構成は、単に例として示され、様々なロボットを使用することができ、更に３つ以上の接触部分を使用できる。したがって、例えば、本発明の範囲を超えることなく３つの接触部分によってハンドルに並列接続された３本の脚を有するロボットを開発することが可能である。

本発明の範囲を超えることなく、ロボット、ハンドル、トラッキングシステム及び接触部分／接触端の様々な実施形態及び変形物を組み合わせるうることを理解されよう。

本発明は、自由空間内の完全に存在感の感じられない触覚インタフェースを実現することを可能にする。更に、接触状態で従来の方式で、詳細には６つの空間方向の双方向の力によって動作する触覚インタフェースを実現することを可能にする。更に、実現が単純であり、既存のインタフェースに適用されうる。

本発明による装置は、例えば非限定的に触覚インタフェース、コボット、外骨格、又はツール若しくはハンドルを介して人間と相互作用するロボットなど、存在感を感じさせずに複雑な動作を実行しなければならない装置の実現に適する。

これらのシステムは、例えば、特にシミュレータ及び手術トレーニングシステム及び医療界に適する。これらの用途は、実際には、我々の発明の特徴であるツール（メス、ドリルなど）の支援により行われる操作を伴う。

本発明のおかげで、外科医が望む接触状態で重要な力を維持しながら自由空間内で最小見掛け質量と最小見掛け摩擦を有する触覚インタフェースを実現できる。更に、幾つかのグリッパを装備するように提供されてもよい。その場合、グリッパがツールに接続されなくてもよいので、グリップの変更がきわめて容易である。したがって、幾つかのツールの連続使用を必要とする介入を容易にシミュレートすることが可能である。

１ ハンドル
１０１ 掴み部分
１０２ ボタン
２０６ 末端部品
４０１ 接触端
４０２ 接触部分
３ 測定手段

Claims (29)

1. 力フィードバックを有する制御装置であって、
   ユーザによって操作され、前記ユーザによって保持される少なくとも１つの掴み部分（１０１）と、前記制御装置の動作の少なくとも一部分の間に前記掴み部分に固定される少なくとも１つの接触端（４０１）とを有するハンドル（１）と、
   少なくとも１つの接触部分（４０２）を有する少なくとも１つの末端部品（２０６）を備えたロボット（２）であって、前記接触部分（４０２）が、前記ハンドル（１）の前記接触端（４０１）と接触しうるロボット（２）と、
   前記末端部品（２０６）に対する前記ハンドル（１）の相対配置を測定する手段（３）と、
   接触なしの動作状態と、前記接触部分（４０２）と接触端（４０１）を接触させている動作状態と、前記接触端（４０１）を介して前記ハンドル（１）に力フィードバックを入力可能な接触している動作状態とで、前記接触端（４０１）に対する前記接触部分（４０２）の動きを管理可能なコントローラ（５）と、を有し、
   前記接触端（４０１）が、前記制御装置の動作の少なくとも一部分の間に前記接触部分（４０２）に対して動くことができ、
   前記接触部分（４０２）が前記接触端（４０１）に少なくとも２つの相異なる方向に力を加えることができ、それにより前記ロボットが前記ハンドル（１）に前記少なくとも２つの相異なる方向に力フィードバックを加えられるように、前記接触端（４０１）と前記接触部分（４０２）が構成されている、制御装置。
2. 前記接触端（４０１）又は前記接触部分（４０２）がキャビティを構成し、
   前記接触部分（４０２）又は前記接触端（４０１）が、前記キャビティ内に少なくとも部分的に収容されるように構成されている、請求項１に記載の力フィードバックを有する制御装置。
3. 前記接触端（４０１）又は前記接触部分（４０２）の前記キャビティの内側面と、前記接触部分（４０２）又は前記接触端（４０１）の外側面との間に遊びが存在する、請求項２に記載の力フィードバックを有する制御装置。
4. 前記接触端（４０１）が球形であり、前記接触部分（４０２）がこれに対応する球形である、または、
   前記接触端（４０１）が平行六面体形状であり、前記接触部分（４０２）がこれに対応する平行六面体形状である、請求項３に記載の力フィードバックを有する制御装置。
5. 前記接触部分（４０２）又は前記接触端（４０１）が、前記接触端（４０１）又は前記接触部分（４０２）が自在に出ることができるキャビティを構成する、請求項１又は請求項２に記載の制御装置。
6. 前記接触端（４０１）が円筒形の側壁と半球形の端壁を有し、前記接触部分（４０２）がこれに対応する形状を有し、あるいは
   前記接触端（４０１）が円錐形又は円錐台形の側壁を有し、前記接触部分（４０２）がこれに対応する形状を有する、請求項５に記載の力フィードバックを有する制御装置。
7. 前記接触部分（４０２）及び／又は前記接触端（４０１）が固定形状を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の力フィードバックを有する制御装置。
8. 前記ハンドル（１）及び／又は前記末端部品（２０６）が、変形されたときに前記末端部品及び／又は前記ハンドルとそれぞれ接触するように変形可能な要素を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の力フィードバックを有する制御装置。
9. 前記接触部分及び／又は前記接触端が変形可能である、請求項１〜６のいずれかに記載の力フィードバックを有する制御装置。
10. 前記接触部分及び／又は前記接触端が、少なくとも１つの面が他の面に対して移動可能である複数の面（４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃ，４０２ｄ）によって区切られている、請求項９に記載の力フィードバックを有する制御装置。
11. 前記接触部分及び／又は前記接触端の少なくとも一部が柔軟な壁によって形成されており、前記接触部分と前記接触端との接触が前記柔軟な壁の変形によって少なくとも部分的に保証される、請求項９又は１０に記載の力フィードバックを有する制御装置。
12. 前記柔軟な壁が閉じたチャンバを区切り、
    前記装置が、微粉末で作成された材料のリザーバと、前記制御装置の命令で前記閉じたチャンバに供給する手段とを有する、請求項１１に記載の力フィードバックを有する制御装置。
13. 前記測定する手段（３）が、前記ハンドル（１）と前記末端部品（２０６）を撮影するように配置されたカメラ又は距離画像カメラ（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ ｃａｍｅｒａ）と、前記カメラと好ましくは照明装置とによって供給された画像を処理する手段とを含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の力フィードバックを有する制御装置。
14. 前記ハンドル（１）及び／又は前記末端部品（２０６）が、少なくとも１つの位置決めターゲット（３０１，３０２）を含む、請求項１３に記載の力フィードバックを有する制御装置。
15. １つ以上のターゲット（３０１，３０２）が、他のターゲットから区別することを可能にする信号を発する、請求項１４に記載の力フィードバックを有する制御装置。
16. 前記測定する手段（３）が前記ハンドルと前記末端部品上に配置され、前記測定する手段が、前記ハンドル（１）又は前記末端部品（２０６）上の位置決め手段（３３）と、前記位置決め要素のセンサ（３４）とを含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の力フィードバックを有する制御装置。
17. 前記位置決め要素（３３）が発光ダイオードであり、前記センサ（３４）がフォトトランジスタである、請求項１６に記載の力フィードバックを有する制御装置。
18. 前記ハンドルと前記末端部品の一時的固定手段（４３１，４３２）を含む、請求項１〜１７のいずれかの１つに記載の力フィードバックを有する制御装置。
19. 前記一時的固定手段が、前記十分な力が前記接触端に加えられたときに前記固定が除去されるものである、請求項１８に記載の力フィードバックを有する制御装置。
20. 前記一時的固定手段が、磁気又は機械的手段である、請求項１９に記載の力フィードバックを有する制御装置。
21. 前記一時的固定手段が、命令によって固定することを中止できるように制御可能である、請求項１８に記載の力フィードバックを有する制御装置。
22. 前記制御可能な固定手段が電磁気型のものである、請求項２１に記載の力フィードバックを有する制御装置。
23. 前記ハンドル（１）と前記ロボットの前記末端部品（２０６）の向きの相対配置を自動的に修正する少なくとも１つのアライメントシステム（ＳＧ）（例えば、磁気型）を含む、請求項１〜２２のいずれかに記載の力フィードバックを有する制御装置。
24. 前記接触端（４０１）と前記接触部分（４０２）の間の接触を検出する手段を含む、請求項１〜２３のいずれかに記載の力フィードバックを有する制御装置。
25. 少なくとも２つの接触部分（４０２ａ，４０２ｂ）と少なくとも２つの接触端（４０１ａ，４０１ｂ）とを含み、前記２つの接触部分（４０２ａ、４０２ｂ）が相対変位可能かつ／又は前記２つの接触端（４０１ａ，４０１ｂ）が相対変位可能である、請求項１〜２４のいずれか１項に記載の力フィードバックを有する制御装置。
26. 前記ロボットが、６つの自由度を有するシリアルロボット（Ｒ１）、６つの自由度を有するハイブリッドロボット（Ｒ２）、３つの自由度を有するパラレルロボット（Ｒ３）、２つ又は３つの自由度を有するパラレルロボット（Ｒ４）のいずれかである、請求項１〜２５のいずれか１項に記載の力フィードバックを有する制御装置。
27. 請求項１〜２６のいずれか１項による力フィードバックを有する制御装置とシミュレーションソフトウェアとを有する、触覚インタフェース。
28. 請求項１〜２６のいずれか１項による力フィードバックを有する制御装置とスレーブロボットとを有するマスタロボット及びスレーブロボットシステムであって、前記マスタロボットが、前記制御装置の前記ロボットによって構成されたマスタロボット及びスレーブロボットシステム。
29. 請求項１〜２６のいずれか１項による力フィードバックを有する制御装置と、前記末端部品又は別個の本体上に取り付けられて周囲環境に作用するエフェクタとを有する協力ロボット。

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