JPH09272089A - 姿勢入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 各軸方向の機械的な干渉がなく、大きな偏角
を実現でき、装置を小型化かつ単純化できるとともに、
製作費用を低減することができる姿勢入力装置を提供す
る。 【解決手段】 ３自由度の回転支持手段である球面軸受
４と、球面軸受４により支持され、互いに直交する３軸
の非接触式の回転角速度検出手段である角速度センサー
７ａ，ｂ，ｃと、球面軸受４及び角速度センサー７ａ，
ｂ，ｃの外側に設けられ、球面軸受４を包囲するととも
に、３自由度方向に傾動可能で、操作者が握持可能な握
持殻８とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、遠隔操作装置に対
して姿勢を入力するための姿勢入力装置に関し、特に、
操作性を向上できるとともに、装置を小型化できるよう
にしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の姿勢入力装置の一例とし
て、いわゆるジョイスティックと呼ばれる姿勢入力装置
がある。このジョイスティックは、握持部をｘ軸あるい
はｙ軸の合成方向に傾け、握持部に連絡した可変抵抗器
の電圧変化に基づき、握持部のｘ軸方向及びｙ軸方向の
変位量を取り出している。また、握持部の中心線を回転
中心として握持部を回転させ、握持部に連絡した可変抵
抗器の電圧変化に基づき、握持部の回転変位量、すなわ
ちｚ軸方向の変位量を取り出している。このようにし
て、合計３自由度の変位量を取り出すことができ、この
変位量に応じて、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸方向の位置指令また
は速度指令を発生させて、遠隔操作装置を制御してい
る。

【０００３】また、他の姿勢入力装置の例として、力覚
型の姿勢入力装置がある。この力覚型の姿勢入力装置
は、操作者が握持部に伝えた力を歪み検出装置により歪
みとして検出し、この歪みが増幅信号処理された後、デ
ジタル信号に変換されて遠隔操作装置のコントローラに
送出される装置である。

【０００４】また、他の姿勢入力装置の例として、操作
者の力による入力方法と、操作者が操作する握持部等の
変位による入力方法との中間的な姿勢入力装置がある。
この姿勢入力装置は、例えば、特開平４−１７６５８１
号公報に「操作形マニピュレータ用操作装置」として開
示されている。この操作形マニピュレータ用操作装置
は、操作用グリップと、高剛性の力伝達部材と、基台
と、前記力伝達部材と操作用グリップとの間に挿設され
るバネ部材と、前記力伝達部材と基台との間に装着され
る力覚センサとを備え、この力覚センサは、前記グリッ
プに作用する操作力に基づいて出力し、この出力が操作
形マニピュレータに対する操作指令になるようにして構
成されている。

【０００５】また、他の姿勢入力装置の例として、外部
回転支持機構を有する姿勢入力装置がある。この外部回
転支持機構を有する姿勢入力装置は、握持部から離れて
回転支持部を設け、握持部と回転支持部との間を複数の
回転可能な関節部とリンク部材により連絡するととも
に、回転支持部には、重力バランスを取るためのウエイ
トを取り付けてある。

【０００６】また、他の姿勢入力装置の例として、握持
部の中心近傍が回転中心となるような外部回転支持機構
を有する姿勢入力装置がある。この姿勢入力装置は、例
えば、特開平６−２３８５８５号公報に「操作型ロボッ
トの指令発生装置」として開示されている。このオペレ
ータの操縦にしたがって動作する操作型ロボットの指令
発生装置は、オペレータが把持する把持部を回転中心の
延長線が上記把持部内の一点で交差するように設けた多
自由度リンク機構と、上記多自由度リンク機構の各回転
変位量を計測する変位量計測手段と、上記多自由度リン
ク機構を支持する支持部と、上記支持部を介して把持部
に作用するオペレータの並進力を検出する力覚センサ手
段と、動作させるロボットの姿勢指令を上記多自由度リ
ンク機構の変位量計測手段から、位置指令を上記力覚セ
ンサ手段から求める演算手段とを備えて構成されてい
る。

【０００７】また、他の姿勢入力装置の例として、位置
と姿勢の情報を得るための演算量を減少させるととも
に、位置と姿勢が互いに干渉しないようにした姿勢入力
装置がある。この姿勢入力装置は、例えば、特開平６−
２９７３６７号公報に「マニュピレータ操作装置」とし
て開示されている。このマニュピレータ操作装置は、姿
勢検出用ジャイロを内蔵するグリップと、操作者の操作
により前記グリップの姿勢を３方向に回転自在に支持す
るグリップ支持部と、操作者の操作により前記グリップ
支持部の位置が可動するように前記グリップ支持部を少
なくとも２つの地点から、モータによる巻取制御でワイ
ヤを張架することにより前記グリップ支持部を空中に保
持する手段と、前記各モータの回転をそれぞれ検出する
角度検出器と、前記ジャイロの出力に基づいた姿勢デー
タおよび、前記角度検出器の出力に基づいた位置データ
をマニュピレータの操作指令とする手段とを備えて構成
されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、遠隔操作装
置を操作するための姿勢入力に際しては、３自由度の角
度をマスター装置上で角度変位で入力することが、最も
直感的で操作性がよい。しかし、上記した従来の姿勢入
力装置では、レバー等からなる握持部の角度変位を機械
的に各軸方向に分解して、１軸毎の角度変位としてか
ら、単軸の回転角検出手段、例えば、ポテンショメータ
やエンコーダで入力角を計っている。このような方法で
は、各軸が互いに干渉し合うため、回転可能な角度範囲
が機械的に制約を受けやすいという問題点がある。具体
的には、各軸の回転可能な角度範囲は、例えば、プラス
マイナス３０度程度である。

【０００９】また、スレーブとなるロボットの手先等で
は、手首の回転可能角は、レバー等からなる握持部の回
転可能角の約２〜１０倍程度ある。このため、機械的な
回転角度の分解機構を用いることは、大きな角度入力に
は不向きである。

【００１０】また、上記したように操作者が加えた力に
より姿勢入力を行う力覚型の姿勢入力装置では、装置を
小型化することができるものの、姿勢入力の指令が速度
指令に限定されてしまい、指令した角度や角速度の大き
さを直感的に把握しにくいという問題点があった。

【００１１】また、上記した外部回転支持機構を有する
姿勢入力装置では、外部に回転中心を設けているため、
装置全体が大型化して重くなってしまう。すなわち、特
に、位置の３自由度と、姿勢の３自由度とを片手で入力
するような装置、例えば、６自由度マスターアームにお
いては、一般に姿勢３軸機構を位置３軸機構の入力機構
に上乗せするので、装置全体が大型化するという問題点
があった。

【００１２】また、上記した姿勢検出用ジャイロを内蔵
するグリップを備えた姿勢入力装置では、位置と姿勢の
情報を得るための演算量を減少させるとともに、位置と
姿勢が互いに干渉しないようにすることができる。しか
し、グリップ支持部をグリップ外部に構成するので、装
置が大きくなる。また、グリップ支持部はワイヤーによ
り張架しているため、握り部の安定性を確保するには、
ワイヤー支持点間の距離を大きくとる必要があり、やは
り大きな装置となってしまう問題点があった。

【００１３】そこで、本発明は、上記した従来の技術の
有する問題点に鑑み提案されたもので、各軸方向の機械
的な干渉がなく、大きな偏角を実現でき、装置を小型化
かつ単純化できるとともに、製作費用を低減することが
できる姿勢入力装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記した目的
を達成するためのものであり、以下にその内容を説明す
る。請求項１記載の発明は、３自由度の回転支持手段
と、上記回転支持手段により支持され、互いに直交する
３軸の非接触式の回転角速度検出手段と、上記回転支持
手段及び上記回転角速度検出手段の外側に設けられ、上
記回転支持手段を包囲するとともに、３自由度方向に傾
動可能で、操作者が握持可能な握持殻とを備えて姿勢入
力装置を構成した。

【００１５】請求項２記載の発明は、上記した請求項１
記載の発明の構成に加えて、握持殻は、操作者の掌中に
収まる。

【００１６】したがって、上記した発明によれば、次の
ような作用を奏する。すなわち、請求項１記載の発明で
は、姿勢入力装置を操作するには、握持殻を掌で包み込
むようにして握持し、握持殻に対して所望の操作を加え
る。握持殻の操作に伴い、回転支持手段で支持された回
転角速度検出手段により、各軸の回転変位角が検出され
る。そして、回転角速度検出手段により検出した各軸の
回転変位角に基づいて、遠隔装置に対する姿勢入力が行
われる。

【００１７】回転角速度検出手段により各軸の回転変位
角を検出しているので、各軸方向の機械的な干渉がな
く、大きな偏角を実現でき、装置を小型化かつ単純化で
きるとともに、製作費用を低減することができる。握持
殻は、回転支持手段の回転中心を包囲しているため、高
い即応性を備えるとともに、入力の忠実性を損なうこと
がない。

【００１８】請求項２記載の発明では、姿勢入力装置を
操作する際に、握持殻が操作者の掌中に収まっているた
め、指令した角度や角速度の大きさを直感的に把握でき
る等、さらに操作性を高めることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて、本発明の
実施の形態の一例を説明する。図１から図３は、本発明
に係る姿勢入力装置の第１実施例を示したもので、図１
は、姿勢入力装置の斜視図、図２は、姿勢入力装置の概
略構成を示した断面図、図３は、回転角速度検出手段の
機能を説明したブロック図である。

【００２０】本発明の第１実施例に係る姿勢入力装置１
は、図１に示すように、基台２から上方に向かって突出
して設けた固定支柱３と、この固定支柱３の上部に設け
た球面軸受４と、球面軸受４から上方に向かって突出し
て設けた回転支柱５と、この回転支柱５の上部に設けた
支持テーブル６と、この支持テーブル６上に配置され、
それぞれ軸方向が直交する３個の角速度センサー７ａ，
ｂ，ｃと、球面軸受４及び支持テーブル６上の角速度セ
ンサー７ａ，ｂ，ｃの外側を覆うとともに、下面が開放
した球状の握持殻８とを備えている。

【００２１】上記した球面軸受４は、図１，図２に示す
ように、固定支柱３の上部に設けられた上向き凹状の固
定側軸受４ａと、回転支柱５の下部に設けられ、固定側
軸受４ａ内に嵌まり込んで、３自由度方向に回転する球
状の回転側軸受４ｂとから構成されている。この球面軸
受４は、回転支持手段として機能する部材で、支持テー
ブル６上に配置された各角速度センサー７ａ，ｂ，ｃを
３自由度方向に回転させることができる。

【００２２】上記した角速度センサー７ａ，ｂ，ｃは、
回転角速度検出手段として機能する部材で、ｚ軸方向の
回転角速度を角速度センサー７ａにより検出し、ｙ軸方
向の回転角速度を角速度センサー７ｂにより検出し、ｘ
軸方向の回転角速度を角速度センサー７ｃにより検出す
る。この角速度センサー７ａ，ｂ，ｃは、具体的には、
例えば、サーボ角速度センサー，ジャイロ，光ファイバ
ージャイロ等により構成されている。そして、このよう
な装置からなる角速度センサー７ａ，ｂ，ｃは、重力を
基準として機構的に独立しているので、支持テーブル６
上の空間に自由に配置することができ、装置全体を小型
化することができる。

【００２３】図３に示すように、各角速度センサー７
ａ，ｂ，ｃは、積分器９と連絡し、積分器９は、マスタ
ー・スレーブ制御装置１０と連絡していて、マスター・
スレーブ制御装置１０では、角速度センサー７ａ，ｂ，
ｃにより検出した３自由度方向の角速度変化に基づき、
ロボットマニピュレータ等を操作することができる。

【００２４】上記した握持殻８は、図１に示すように、
支持テーブル６の外側に固定されていて、支持テーブル
６と一体となって、３自由度方向に回転することができ
る。すなわち、握持殻８を３自由度方向に回転させる
と、支持テーブル６も一体となって回転し、各角速度セ
ンサー７ａ，ｂ，ｃにより、握持殻８の角速度変化を検
出することができる。

【００２５】また、この握持殻８は、操作者の掌中に収
まる大きさとなっている。具体的には、直径約６０ｍｍ
の球の下面を開放して構成されている。尚、握持殻８の
形状は、操作者が掌中に収めて握持できる形状であれば
他の形状であってもよく、例えば、円筒状であってもよ
い。

【００２６】次に、図４に基づき、本発明に係る姿勢入
力装置の第２実施例を説明する。図４は、本発明に係る
姿勢入力装置の第２実施例の概略構成を示した断面図で
ある。

【００２７】第２実施例に係る姿勢入力装置２０は、回
転支持手段を、ユニバーサルジョイント２１と回転軸受
２２により構成したものである。この姿勢入力装置２０
は、基台２３から上方に向かって突出して設けた固定支
柱２４と、この固定支柱２４の上部に設けたユニバーサ
ルジョイント２１と、このユニバーサルジョイント２１
から上方に向かって突出して設けた回転支柱２５と、こ
の固定支柱３の上部に回転軸受２２を介して回転可能に
設けた支持テーブル２６と、この支持テーブル６上に配
置され、それぞれ軸方向が直交する３個の角速度センサ
ー７ａ，ｂ，ｃとを備えている。

【００２８】上記したユニバーサルジョイント２１によ
り、支持テーブル２６をｘ軸方向及びｙ軸方向に傾動さ
せることができ、上記した回転軸受２２により、支持テ
ーブル２６をｚ軸方向に回転させることができる。

【００２９】また、図示していないが、ユニバーサルジ
ョイント２１及び支持テーブル２６上の角速度センサー
７ａ，ｂ，ｃの外側を覆うように、下面が開放した球状
の握持殻を支持テーブル２６の外側に固定してある。
尚、握持殻は、直径約６０ｍｍの球の下面を開放して構
成されている。また、その形状は、円筒状であってもよ
い。この握持殻は、支持テーブル２６の外側に固定され
ていて、支持テーブル２６と一体となって、３自由度方
向に回転することができる。すなわち、握持殻を３自由
度方向に回転させると、支持テーブル２６も一体となっ
て回転し、各角速度センサー７ａ，ｂ，ｃにより、握持
殻の角速度変化を検出することができる。

【００３０】次に、図５に基づき、本発明に係る姿勢入
力装置の第３実施例を説明する。図５は、本発明に係る
姿勢入力装置の第３実施例の概略構成を示した断面図で
ある。

【００３１】第３実施例に係る姿勢入力装置３０は、回
転支持手段を、弾性支柱３１と回転軸受３２により構成
したものである。この姿勢入力装置３０は、基台３３か
ら上方に向かって突出して設けた固定支柱３４と、この
固定支柱３４の上部に設けた弾性支柱３１と、この弾性
支柱３１の上部に、回転軸受３２を介して回転可能に設
けた支持テーブル３５と、この支持テーブル３５上に配
置され、それぞれ軸方向が直交する３個の角速度センサ
ー７ａ，ｂ，ｃとを備えている。

【００３２】上記した弾性支柱３１は、例えば、ゴムや
合成樹脂等の弾性体から形成されている。そして、この
弾性支柱３１により、支持テーブル３５をｘ軸方向及び
ｙ軸方向に傾動させることができ、上記した回転軸受３
２により、支持テーブル３５をｚ軸方向に回転させるこ
とができる。

【００３３】また、図示していないが、弾性支柱３１及
び支持テーブル３５上の角速度センサー７ａ，ｂ，ｃの
外側を覆うように、下面が開放した球状の握持殻を支持
テーブル３５の外側に固定してある。尚、握持殻は、直
径約６０ｍｍの球の下面を開放して構成されている。ま
た、その形状は、円筒状であってもよい。この握持殻
は、支持テーブル３５の外側に固定されていて、支持テ
ーブル３５と一体となって、３自由度方向に回転するこ
とができる。すなわち、握持殻を３自由度方向に回転さ
せると、支持テーブル３５も一体となって回転し、各角
速度センサー７ａ，ｂ，ｃにより、握持殻の角速度変化
を検出することができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明は、上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。

【００３５】請求項１記載の発明では、姿勢入力装置の
回転変位角は、非接触式の回転角速度検出手段により検
出されている。したがって、重力を基準として角速度で
姿勢を検出しているので、多軸の計測においても、各軸
方向の干渉を機構的に考慮する必要がない。このため、
各軸方向の機械的な干渉がなく、大きな偏角を実現で
き、装置を小型化かつ単純化できるとともに、製作費用
を低減することが可能な姿勢入力装置を提供することが
できる。

【００３６】請求項２記載の発明では、握持殻は、操作
者の掌中に収まっている。したがって、指令した角度や
角速度の大きさを直感的に把握でき、さらに操作性を高
めた姿勢入力装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例に係る姿勢入力装置の斜視図であ
る。

【図２】第１実施例に係る姿勢入力装置の概略構成を示
した断面図である。

【図３】回転角速度検出手段の機能を説明したブロック
図である。

【図４】第２実施例に係る姿勢入力装置の概略構成を示
した断面図である。

【図５】第３実施例に係る姿勢入力装置の概略構成を示
した断面図である。

【符号の説明】

１〜１０ 第１実施例 １ 姿勢入力装置 ２ 基台 ３ 固定支柱 ４ 球面軸受 ４ａ 固定側軸受 ４ｂ 回転側軸受 ５ 回転支柱 ６ 支持テーブル ７ 角速度センサー ７ａ ｚ軸 ７ｂ ｙ軸 ７ｃ ｘ軸 ８ 握持殻 ９ 積分器 １０ マスター・スレーブ制御装置 ２０〜２６ 第２実施例 ２０ 姿勢入力装置 ２１ ユニバーサルジョイント ２２ 回転軸受 ２３ 基台 ２４ 固定支柱 ２５ 回転支柱 ２６ 支持テーブル ３０〜３５ 第３実施例 ３０ 姿勢入力装置 ３１ 弾性支柱 ３２ 回転軸受 ３３ 基台 ３４ 固定支柱 ３５ 支持テーブル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３自由度の回転支持手段と、 上記回転支持手段により支持され、互いに直交する３軸
   の非接触式の回転角速度検出手段と、 上記回転支持手段及び上記回転角速度検出手段の外側に
   設けられ、上記回転支持手段を包囲するとともに、３自
   由度方向に傾動可能で、操作者が握持可能な握持殻と、
   を備えたことを特徴とする姿勢入力装置。
2. 【請求項２】握持殻は、操作者の掌中に収まることを特
   徴とする請求項１記載の姿勢入力装置。