JPH0736616A - 三次元座標入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】入力するべき座標位置を指示する指示点を有す
る座標指示部と、座標指示部を三次元的に移動可能に支
持する関節付の腕機構を有する三次元座標入力装置にお
いて、腕機構の駆動はパルスモータ１１とパルスモータ
１１の回転速度を減速する減速機構により行われ、座標
指示部は三軸方向の軸力を検出するセンサを有すること
を特徴とする三次元座標入力装置１。 【効果】計算機に三次元座標を入力するとともに、計算
機の演算によって設定される力を操作者に伝える三次元
座標入力装置が、簡略な装置および制御方法で実現可能
になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は三次元座標の入力装置に
係り、特に、計算機に三次元座標を入力するとともに、
計算機の演算によって設定される力を操作者に伝える三
次元座標入力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、操作者の動作から直接三次元座標
を計算機に入力する装置は、特開平4−182722号公報に
記載のように、操作者が指示装置を移動させ、指示点の
三次元座標位置を光学的に読み取る方法が提案されてい
る。また、指示点の三次元座標位置を読み取る装置に
は、他に磁気センサを用いたものや、超音波センサを用
いた装置が提案されている。

【０００３】しかし、このような装置は、指示装置を空
中で操作するため、操作に対する触覚，抵抗感，反力等
がなく、微妙な位置調整が困難であった。

【０００４】そこで、指示点の移動時に、たとえば、計
算機のディスプレイに表示される指示点の投影キャラク
タ図が、画像上でなんらかの物体図に当たった場合、指
示点の操作者に触覚あるいは反力を伝えることにより、
三次元座標の入力操作をより正確に行う装置が提案され
ている。

【０００５】たとえば、特開平2−27418号公報に記載の
ように、座標指示点に磁気的な三次元位置センサを備
え、操作者に伝達するべき力の生成を超音波モータで行
う方式が提案されている。また、マスタースレイブマニ
ピュレータでは、特開昭63−28580 号公報に記載のよう
に、各腕関節の駆動軸に設けられた角度センサによる位
置決めを行い、トルクセンサとサーボモータにより、操
作者に力を伝達する方式が提案されている。

【０００６】また、指示点を移動させるための指示部は
特開平2−27418号公報に記載のように、手で握れるよう
に円柱状の形状である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、指
示点を検出するために三次元位置センサ、あるいは各腕
関節ごとに角度センサが必要で、装置および位置制御方
法が複雑になっていた。

【０００８】また、指示点から離れた関節部でトルク検
知を行い、あるいは、指示点の位置から判断し、モータ
のトルクを制御しているため、操作者へ指示点に作用す
る反力の微妙な差を伝達することは困難であった。

【０００９】また、指示部が手全体で握る形状であるた
め、指示点がにぎりのどこに位置するか分かりにくかっ
た。

【００１０】本発明の目的は簡略な装置および制御方法
で、計算機に三次元座標を入力するとともに、計算機の
演算によって設定される力を操作者に伝える三次元座標
入力装置を提供することにある。

【００１１】さらに、操作者に指示点作用する微妙な反
力の差を伝達可能にする三次元座標入力装置を提供する
ことにある。

【００１２】さらに、指示点の位置が操作者に判り易
く、より正確な座標入力が可能な三次元座標入力装置を
提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】入力するべき座標位置を
指示する座標指示部と、該座標指示部を三次元的に移動
可能に支持する関節付の腕機構を有する三次元座標入力
装置において、前記腕機構の駆動はパルスモータと前記
パルスモータの減速機構により行われ、前記座標指示部
は三軸方向の軸力を検出するセンサを有するようにす
る。

【００１４】また、前記座標指示部は指示点を中心に回
動可能な指示棒を有し、前記指示棒は手でペンを握るよ
うに把握可能にする。

【００１５】

【作用】操作者の操作によって移動する指示点に作用す
る軸力を、その位置に応じて計算機で計算し、その軸力
を維持するように各パルスモータを駆動する。そして、
パルスモータの回転角は計算機から出力されるパルス数
によって制御されるため、そのパルス数をカウントする
ことにより、パルスモータの回転角が明らかになり、座
標指示位置を求めることが可能になる。

【００１６】このように、指示点を検出するために三次
元位置センサ、あるいは各関節ごとに角度センサが不要
になり、さらにこのようなセンサの動作装置，センサの
出力をデジタル化し計算機に入力する装置等が不要にな
り装置を簡略化することが可能になる。

【００１７】また、指示点に作用する軸力を直接測定し
制御を行うため、微妙な反力の制御が可能になる。

【００１８】また、操作者は指示棒をペンのように握っ
て操作し、操作に対する反力が指示棒の先端の一点から
伝わるため、操作者は指示点の認識がしやすくなる。

【００１９】

【実施例】図１に本発明の一実施例の装置の側面図を示
す。図２は本発明の一実施例のモータユニットの側面図
である。

【００２０】三次元座標入力装置１は、支持台６によっ
て机等の上に固定される。旋回台５１はモータユニット
２ｃにより、机上面と平行に図中矢印Ａ方向に回動す
る。指示アーム５はモータユニット２ｂによってモータ
ユニット２ｃの駆動軸を中心に図中矢印Ｂ方向に回動す
る。平行リンク４は、モータユニット２ｂおよびモータ
ユニット２ｃの駆動軸を中心に図中矢印Ｃ方向に回動す
る。

【００２１】指示アーム３の先端には、ペン状の指示棒
７が取り付けられる。指示棒７の先端は、ボール支持材
９が取り付けられ、指示点８を回動中心として三軸の回
動が可能に支持される。このため、指示アーム５の装置
設置面に対する角度が変化しても、操作者は常に操作し
易い形で指示棒７を握ることが可能になる。

【００２２】モータユニット２は、パルスモータ１１と
減速機１２により構成される。ここで、減速機の駆動軸
の回転角を３６０°以下とすることで歪ゲージから直接
出力配線を引出すことが可能になり、構成が簡略化され
る。

【００２３】パルスモータ１１の回転を減速して伝える
ため、１パルスあたりの回転角が小さくなり、微小な位
置決めが可能になると共に、パルスモータ１１の静止ト
ルクを増し、外力によってパルスモータが回転し、位置
ずれが発生するのを防ぐ。

【００２４】図３は本発明の一実施例の三次元座標入力
装置の軸力センサを示す斜視図である。

【００２５】軸力検知部１３は、ボール支持材９を支持
するボール受け３４を、図中ｚ方向に撓む二つのばね材
３５と、ｘ方向に撓むばね材３６と、ｙ方向に撓むばね
材３８を介して支持材１０に支持して構成される。そし
て、各ばね材に歪ゲージ３８を貼り付け、歪を検知して
三軸方向の軸力を検知し、操作に対する反力の制御を行
う。

【００２６】腕関節にトルクセンサを取付け、関節の回
転軸に作用するトルクから指示点の反力を制御する方式
より、指示点に作用する軸力を直接測定して制御するた
め、操作者への微妙な反力の伝達が可能になる。

【００２７】図４は本発明の一実施例の三次元座標入力
装置のシステム図である。

【００２８】三次元座標入力装置１は、軸力検知部１
３，減速機構１２とパルスモータ１１を有する。モータ
ドライバ２４は計算機からの信号によりパルスモータ１
１を駆動する。軸力検知部１３の出力は、増幅機２５と
軸力波形の高周波成分を取り除くためのローパスフィル
タ２６を介して計算機１７の入出力制御部２２に入力さ
れる。

【００２９】計算機１７は、主制御部２１と、三次元座
標入力装置１を動作させるための入出力制御部２２と、
三次元座標入力装置１の操作に応じた画像をディスプレ
イ１４に表示するための画像制御部２３等を有する。

【００３０】図５は入出力制御部２２の制御動作を示す
ものである。

【００３１】まず、ある動作によって駆動したパルス数
を各モータについてカウントすることで計算機で設定さ
れた座標内の現在の指示点８の位置を求める。そして、
計算機で設定された物体との干渉を計算し、それに対し
て指示点８に発生する軸力をを求める。

【００３２】この計算上の軸力と軸力センサが読み取っ
た指示点８の軸力を比較し、値が異なる場合は軸力セン
サの測定値が計算上の軸力に近づくようにパルスモータ
１１の回転方向を決め、パルスを発生させパルスモータ
１１を回転させる。この時、軸力の差がある一定値を超
えた場合は、パルスモータ１１の駆動周波数を高めるよ
うにする。これは、軸力差が大きくなる状態は、たとえ
ば操作者が指示点８の位置を急速に移動させようとする
場合と考えられ、そのような状況でも即座に支持点８の
移動が可能になる。

【００３３】そして、入出力制御部２２から出力される
駆動パルス２０により駆動回路２４が動作し、各パルス
モータ１１が回動し、指示点８に作用する反力を制御す
る。

【００３４】この動作を数パルスごとに行い、三次元座
標位置の入力とそれに対する力の生成を行う。

【００３５】本実施例では指示点８の位置をパルスモー
タ１１を駆動するパルス数で計算するため、三次元座標
センサ等の位置検知装置が不要になり装置の簡略化が可
能になる。

【００３６】図６は本実施例の装置の使用例を示すもの
である。

【００３７】机上に置かれた三次元座標入力装置１の指
示棒７を握り、操作することでディスプレイ１５に表示
されるカーソル１６が移動し、三次元座標の入力および
計算機１７の操作が可能になる。画面上の物体にカーソ
ル１６が触れると、反力が手に伝わりカーソル１６の移
動動作の確認が容易になり、三次元座標の入力および画
面からの計算機の操作がより容易になる。特に、指示棒
７が指示点８を中心に回動可能で、常に指示棒７の先端
の指示点８から反力が伝わるため、操作者は指示点の位
置をより認識しやすくなる。

【００３８】本図では従来の二次元表示のディスプレイ
を示したが、視覚的に三次元表示が可能な立体ディスプ
レイを用いることがより好ましい。

【００３９】図７は本発明の一実施例を示す装置の拡大
図である。

【００４０】指示棒７はボール支持材９を介して支持材
１０に、図中矢印のように三軸方向の回動が可能に支持
され、指示点８の移動により支持アーム３と操作者の腕
の角度が変化しても指示棒７を持ちかえる必要がない。

【００４１】指示棒７の先端部の握り部にはスイッチ３
３が配置され、人差指等でオン，オフすることで、計算
機の操作指示を行う。

【００４２】

【発明の効果】計算機に三次元座標を入力するととも
に、計算機の演算によって設定される力を操作者に伝え
る三次元座標入力装置が、簡略な装置および制御方法で
実現可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す側面図。

【図２】本発明の一実施例を示すモータユニットを示す
側面図。

【図３】本発明の一実施例を示す軸力検知部の斜視図。

【図４】本発明の一実施例のシステム説明図。

【図５】本発明の一実施例の制御動作図。

【図６】本発明の一実施例の使用状態を示す斜視図。

【図７】本発明の一実施例の斜視図。

【符号の説明】

１…三次元座標入力装置、２…モータユニット、３…指
示アーム、７…指示棒、８…指示点、１１…パルスモー
タ、１７…計算機。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力するべき座標位置を指示する指示点を
   有する座標指示部と、前記座標指示部を三次元的に移動
   可能に支持する関節付の腕機構とを有する三次元座標入
   力装置において、前記腕機構の駆動はパルスモータと前
   記パルスモータの回転速度を減速する減速機構により行
   われ、前記座標指示部は三軸方向の軸力を検出するセン
   サを有することを特徴とする三次元座標入力装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記腕機構は複数の関
   節からなり、前記関節の回転角は３６０°以下である三
   次元座標入力装置。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記座標指示
   部は指示点を中心に回動可能な指示棒を有し、前記指示
   棒は手でペンを握るように把握可能である三次元座標入
   力装置。
4. 【請求項４】請求項３において、前記指示棒の握り部は
   スイッチを有し、前記スイッチの信号は計算機に伝えら
   れる三次元座標入力装置。
5. 【請求項５】請求項１，２，３または４において、前記
   座標指示部の指示点と前記軸力センサに作用する力に応
   じて、前記パルスモータを駆動する駆動パルスの周波数
   を変化させる三次元座標入力装置。
6. 【請求項６】請求項１，２，３，４または５において、
   前記軸力センサにより検知されたトルクおよび軸力波形
   は、ローパスフィルタを介して制御部に出力される三次
   元座標入力装置。