JPH09300251A - マニピュレータ操作装置 - Google Patents

マニピュレータ操作装置

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JPH09300251A
JPH09300251A JP12033396A JP12033396A JPH09300251A JP H09300251 A JPH09300251 A JP H09300251A JP 12033396 A JP12033396 A JP 12033396A JP 12033396 A JP12033396 A JP 12033396A JP H09300251 A JPH09300251 A JP H09300251A
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electrorheological fluid
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Taketoshi Nakao
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 自由度が多く、可動範囲の広いマニピュレー
タ操作装置を提供すること。 【解決手段】 作業対象物に外力を加えるマニピュレー
タ4と、マニピュレータ4を操作するためのフロントエ
ンド部1と、フロントエンド部1の操作に応じた動作信
号104をマニピュレータ4に入力する中央制御部2と
を備える。マニピュレータ4は、作業対象物との接触面
に圧力検出手段としての圧力センサ43を備える。フロ
ントエンド部1は、外部から入力される制御信号101
に応じて操作者に抵抗感を付与する抵抗感ユニットとし
ての電気粘性流体ユニット12を備える。そして、中央
制御部2が、マニピュレータ4に装備された圧力センサ
43の出力106に応じてフロントエンド部1の抵抗感
ユニット12から操作者に付与される抵抗感を制御す
る。特に、フロントエンド部1の抵抗感ユニット12
は、外部信号101に応じその粘度を変化可能な電気粘
性流体を含むものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、マニピュレータ操
作装置に係り、特に、力感覚フィードバック型のマニピ
ュレータ操作装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図4に従来例を示す。これは、「199
5年3月22日、電気学会研究会資料システム・制御研
究会 SC−95−15」に示されたものであり、人
が、画面50に表示されたスレーブマニピュレータ51
及び作業対象物52の位置関係を視覚的に確認しなが
ら、マスタマニピュレータ53を操作すると、当該マス
タマニピュレータの動作をまねるようにスレーブマニピ
ュレータ51が動作するようになっている。
【0003】また、他の従来例を図5に示す。図5
(a)は、現実空間で作業対象物に直接接触する多関節
マニピュレータである。一方、図5(b)の符号55
は、仮想現実空間を作り出すために操作者の手指に取り
付けられた複数のアクチュエータを示す。アクチュエー
タ55は、電気、空気圧、油圧等により人間の指の動き
に抵抗感を与えるものであって、図5(a)に示す多関
節マニピュレータと作業対象物との間に生じる圧力を人
間の手にフィードバックさせる目的で用いられる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
従来例にあっては、マニピュレータ操作を行うオペレー
タは、作業対象物を破壊、損傷しないよう、視覚情報だ
けを頼りにスレーブマニピュレータの操作量を類推して
作業しなければならず、よほど熟練した経験者でなけれ
ば操作が困難であるという不都合があった。この点は、
「ロボット工学入門 中野栄二 77項」でも取り上げ
られたところである。
【0005】一方、後者では、マニピュレータの関節数
が多くなるほど、これに応じて操作者の手指に装着する
アクチュエータ数も多くする必要があるので、アクチュ
エータ同士が干渉し合い、オペレータの動きの自由度が
小さくなってしまう不都合があった。
【0006】
【発明の目的】本発明は、かかる従来例の有する不都合
を改善し、特に、自由度が多く、可動範囲の広いマニピ
ュレータ操作装置を提供することを、その目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1記載の発明では、作業対象物に外力を加え
るマニピュレータと、このマニピュレータを操作するた
めのフロントエンド部と、このフロントエンド部の操作
に応じた動作信号をマニピュレータに入力する中央制御
部とを備えている。このうち、マニピュレータは、作業
対象物との接触面に圧力検出手段を備えている。一方、
フロントエンド部は、外部から入力される制御信号に応
じて操作者に抵抗感を付与する抵抗感ユニットを備えて
いる。そして、中央制御部が、マニピュレータに装備さ
れた圧力検出手段の出力に応じてフロントエンド部の抵
抗感ユニットから操作者に付与される抵抗感を制御する
ようになっている。特に、フロントエンド部の抵抗感ユ
ニットが、外部信号に応じてその粘度を変化可能な電気
粘性流体を含むものである、という構成を採っている。
【0008】本発明では、マニピュレータが動作し作業
対象物に接触すると、作業対象物との間に生じた内力が
圧力検出手段から検出され、中央制御部に入力される。
中央制御部は、圧力検出手段の出力に応じて抵抗感ユニ
ットに含まれた電気粘性流体の粘度を変化させることに
より操作者に加えられる抵抗感を制御する。これによ
り、操作者には、マニピュレータと作業対象物との間に
生じている圧力と同等の圧力感が取得される。
【0009】請求項2記載の発明では、抵抗感ユニット
は、操作者の指の関節部分に装着可能である、という構
成を採っている。例えば、手袋部材の関節位置に取り付
けるもの、関節部分に張り付けるもの等が考えられる。
本発明では、操作者の指の動きに抵抗感が付与されるこ
とで、マニピュレータと作業対象物との間の圧力が操作
者に感ぜられる。
【0010】請求項3記載の発明では、抵抗感ユニット
は、電気粘性流体を袋状部材に封入し、該袋状部材を一
対の電極板で挟み込んで成る、という構成を採ってい
る。本発明では、一対の電極板に電圧が印加されること
により、電気粘性流体の粘度が変化される。
【0011】これらにより、前述した目的を達成しよう
とするものである。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図1
乃至図3に基づいて説明する。
【0013】図1に示すマニピュレータ操作装置は、作
業対象物に外力を加えるマニピュレータ4と、このマニ
ピュレータ4を操作するためのフロントエンド部1と、
このフロントエンド部1の操作に応じた動作信号104
をマニピュレータ4に入力する中央制御部2とを備えて
いる。このうち、マニピュレータ4は、作業対象物との
接触面に圧力検出手段としての圧力センサ43を備えて
いる。一方、フロントエンド部1は、外部から入力され
る制御信号101に応じて操作者に抵抗感を付与する抵
抗感ユニットとしての電気粘性流体ユニット12を備え
ている。そして、中央制御部2が、マニピュレータ4に
装備された圧力センサ43の出力106に応じてフロン
トエンド部1の抵抗感ユニット12から操作者に付与さ
れる抵抗感を制御するようになっている。特に、フロン
トエンド部1の電気粘性流体ユニット12は、外部信号
101に応じてその粘度を変化可能な電気粘性流体を含
むものである。電気粘性流体ユニット12は、電気粘性
流体を袋状部材に封入し、該袋状部材を一対の電極板で
挟み込んで成り、操作者の指の関節部分に装着可能な構
成となっている。
【0014】これを更に詳述すると、本実施形態におい
て、フロントエンド部1は、上述した電気粘性流体ユニ
ット12の他、操作者の手指の動きを検出する動き検出
手段A11を備えている。以下、図2を参照して説明す
る。
【0015】図2はフロントエンド部1の構成を示す斜
視図である。本実施形態において、動き検出手段A11
は、データグローブであり、操作者がこのデータグロー
ブを動かすと、指先の位置情報103が中央制御部2に
入力されるようになっている。データグローブの指部分
には、関節に対応する位置にそれぞれ電気粘性流体ユニ
ット12が取り付けられている。以下、図3に基づいて
説明する。
【0016】一つの電気粘性流体ユニット12は、容器
122と、一対の電極板121とで構成されており、こ
の容器122内に電気粘性流体を入れて密封し、この容
器122を挟むように一対の電極板121をサンドイッ
チ状に配置してある。一対の電極板121は容器122
に密着し、容器122と一緒にフレキシブルに動作する
ことが可能となっている。電気粘性流体ユニット12
は、フロントエンド部1を操作者の身体に装着した時
に、丁度、操作者の関節部分に位置するようになってい
る。
【0017】図1に戻り、中央制御部2は、マイクロコ
ンピュータで構成され、予め準備された制御プログラム
を逐次実行することにより、各種の制御機能を実現する
ようになっている。例えば、中央制御部2は、フロント
エンド部1の動きに合わせてマニピュレータ4を動か
し、マニピュレータ4が物体に接したかどうかの判定を
行うと共に、接したときの力の大きさの判定を行い、フ
ロントエンド部1に与える力感覚の大きさを決定し、フ
ロントエンド部1の動きの判定結果を位置情報として電
気粘性流体制御手段3の動作と同期させる制御を実行す
る。
【0018】中央制御部2には、フロントエンド部1を
制御する電圧101を発生する電気粘性流体制御部3が
併設されている。この電気粘性流体制御部3は、D/A
変換器を備え、中央制御部2から出力されるデジタル信
号で表された操作量をアナログ信号として電気粘性流体
ユニット12に印加する。
【0019】一方、マニピュレータ4は、人間の手に似
せた多関節マニピュレータ(図5(a))を本体とし、
中央制御部2から出力される動作信号104に応じてマ
ニピュレータ本体の手指部分を動作させる駆動部41
と、このマニピュレータ本体の手指の動きを位置情報1
05として中央制御部2に入力する動き検出手段B42
と、マニピュレータ本体の指部分に取り付けられた圧力
センサ43とを備えている。ここで、駆動部41は、例
えばステッピングモータであり、動き検出手段B42
は、例えばポテンショメータであり、圧力センサ43
は、例えば圧電素子である。
【0020】次に、本実施形態の全体動作を説明する。
ここで、マニピュレータ本体は、作業対象物上に予め位
置決めされているものとする。
【0021】操作者は、電気粘性流体ユニットが取り付
けられたデータグローブを手にはめ、肉眼又は画像によ
りマニピュレータの状態を遠隔的に監視しながら、作業
対象物をつかむような仕草を行う。この動作によるデー
タグローブの変形は、該データグローブの各部に配設さ
れたセンサにより検出され、手指の位置情報103とし
て動き検出手段A11から中央制御部2に入力される。
中央制御部2は、フロントエンド部1から取得したデー
タグローブの位置情報103に応じてマニピュレータ4
の操作量を算出し、駆動部41に動作信号104を入力
する。これにより、マニピュレータ本体の指部分が操作
者の動きをまねて動作するように制御される。即ち、マ
ニピュレータ本体の指部分には、作業対象物をつかむ動
作が付勢される。この際、マニピュレータ本体の位置偏
差105が動き検出手段B42により検出され、中央制
御装置7にフィードバックされる。
【0022】そして、マニピュレータ本体の指部分が作
業対象物に接触すると、当該指部分と作業対象物との間
に生じた内力が圧力センサ43によって検出されると共
に、作業対象物と接触した位置が動き検出手段B42に
よって検出され、それぞれ中央制御部2に入力される。
中央制御部2は、作業対象物に触れたかどうかの判定と
触れた場合の力感覚の大きさを電気粘性流体制御部3に
入力する。これらの情報102を得た電気粘性流体制御
部3は、中央制御装置2で決定された力感覚の大きさの
電圧を電極板121に印加することで容器122に封入
されている電気粘性流体に電場をかけ、粘度を高めるよ
うに成っている。この結果、身体の関節部分に装着され
ている電気粘性流体ユニット12により関節の動きが抑
制されマニピュレータ4の動きの結果が力感覚のフィー
ドバックとして操作者に得られる。
【0023】これによると、電気粘性流体を用いて抵抗
感ユニットを構成することから、該ユニットを小型化す
ることができ、これを高密度に配置した場合でも、従来
例のような機械的アクチュエータに比べ、自由度が高く
可動範囲の広い操作感覚を実現することができる。ま
た、抵抗感ユニットを従来よりも高密度に配置すること
ができるので、フィードバックされる力感覚もより詳細
にシミュレートすることが可能となり、実際に作業対象
物に触れているかのように操作性の向上を図ることも可
能となる。
【0024】ここで、電気粘性流体ユニットは、操作者
の指の関節に取り付けるものでなくても、マニピュレー
タの種類に応じて最適位置に取付可能なものであれば良
い。また、その構成も電気粘性流体を封入した袋を電極
板により挟み込んだものでなくても良い。
【0025】
【発明の効果】本発明は、以上のように構成され機能す
るので、これによると、電気粘性流体を用いて抵抗感ユ
ニットを構成することから、該ユニットを小型化するこ
とができ、これを高密度に配置した場合でも、従来例の
ような機械的アクチュエータに比べ、自由度が高く可動
範囲の広い操作感覚を実現することができる。また、抵
抗感ユニットを従来よりも高密度に配置することができ
るので、フィードバックされる力感覚もより詳細にシミ
ュレートすることが可能となり、実際に作業対象物に触
れているかのように操作性の向上を図ることも可能とな
る、という従来にない優れたマニピュレータ操作装置を
提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示すブロック図である。
【図2】フロントエンド部の構成を示す斜視図である。
【図3】フロントエンド部の要部構成を示す要部拡大図
である。
【図4】第1の従来例を示す説明図である。
【図5】第2の従来例を示す概略構成図であり、図5
(a)が多関節マニピュレータを示し、図5(b)が機
械的アクチュエータを取り付けた状態を示す。
【符号の説明】
1 フロントエンド部 2 中央制御部 4 マニピュレータ 12 電気粘性流体ユニット(抵抗感ユニット) 43 圧力センサ(圧力検出手段) 101 制御信号 104 動作信号

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 作業対象物に外力を加えるマニピュレー
    タと、このマニピュレータを操作するためのフロントエ
    ンド部と、このフロントエンド部の操作に応じた動作信
    号を前記マニピュレータに入力する中央制御部とを有
    し、 前記マニピュレータは、前記作業対象物との接触面に圧
    力検出手段を備え、 前記フロントエンド部は、外部から入力される制御信号
    に応じて操作者に抵抗感を付与する抵抗感ユニットを備
    え、 前記中央制御部が、前記マニピュレータに装備された圧
    力検出手段の出力に応じてフロントエンド部の前記抵抗
    感ユニットから前記操作者に付与される抵抗感を制御す
    るマニピュレータ操作装置において、 前記フロントエンド部の抵抗感ユニットが、外部信号に
    応じてその粘度を変化可能な電気粘性流体を含むもので
    あることを特徴としたマニピュレータ操作装置。
  2. 【請求項2】 前記抵抗感ユニットは、前記操作者の指
    の関節部分に装着可能であることを特徴とした請求項1
    記載のマニピュレータ操作装置。
  3. 【請求項3】 前記抵抗感ユニットは、前記電気粘性流
    体を袋状部材に封入し、該袋状部材を一対の電極板で挟
    み込んで成ることを特徴とした請求項1又は2記載のマ
    ニピュレータ操作装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012515048A (ja) * 2009-01-15 2012-07-05 イマージョン コーポレーション 器具のハンドルへの触覚フィードバックの提供
JP2013091114A (ja) * 2011-10-05 2013-05-16 Kyokko Denki Kk インタラクション操作システム
JP5270764B2 (ja) * 2009-09-28 2013-08-21 トヨタ自動車株式会社 触覚ディスプレイ及びcadシステム
WO2017033381A1 (ja) * 2015-08-25 2017-03-02 川崎重工業株式会社 ロボットシステム

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Effective date: 19980908