JP2005267174A - ボール型触覚デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】操作者が操作指令値を生成できるとともに、操作者に形状の提示や力の提示を可能とし、力の提示が６自由度でできるボール型の触覚デバイスを提供することができる。
【解決手段】ボール型の触覚デバイス１は、触覚デバイス本体２と制御装置３とから成り、触覚デバイス本体２は、ボール部４と触覚センサ１６とを備えており、ボール部４は、弾性を有する表皮で形成されたボール５、伸縮機構６及び圧力センサ７とを備えており、伸縮機構６は、ボール５の中心部から前記表皮に向けて放射状に形成された複数のアクチュエータを有し、圧力センサ７は、複数の伸縮機構６に対応して、アクチュエータの外端が表皮に取り付けられている部分に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンピュータ等の情報処理装置やロボット等の遠隔装置として用いられるボール型触覚デバイスに関するものである。

従来、コンピュータの操作やロボットを遠隔操作する際には、ジョイスティック、マスタアーム、触覚装置等が使用されている（特許文献１、２、３参照）。特に、接触時の力提示のできる触覚デバイス（例えば、「PHANTOM」（商品名）など）が有望視されている。

しかしながら、従来のジョイスティック等では、グリップ部を握り、グリップを動かすことにより指令値を生成する方法は、操作者が常に腕を動かし続ける必要があり、長時間の運用は、多大な疲労を引き起こす。さらに、設置スペースもある程度の大きさが必要となる。

また、ジョイスティックは、コンパクトであるが、力提示ができない。さらに、コンピュータで使用するマウスは、2次元の位置を指定することはできるが、3次元 CADなどで使用するには、不適である。

ところで、上記従来の触覚デバイスは、ＰＨＡＮＴＯＭのようにグリップ部を握り、グリップを動かすことにより指令値を生成したり、グリップ部を制御することにより硬さや柔らかさ（力を含む）を提示している。これらは長時間の運用で操作者が非常に疲れるだけでなく、ある程度大きなスペースも必要となる。さらにジョイスティックでは力の提示が６自由度でできず、さらに形状の提示ができない。

又、従来の形状を提示できる触覚デバイスは、ワイヤー駆動が主であり、非常に複雑で大掛かりである。

本発明は、上記従来の問題を解決することを目的とし、コンパクトでありながら力提示のできる、さらに、マウスとしても利用できるボール型触覚デバイスを実現するものである。

本発明は上記課題を解決するために、人からの入力デバイスとして、反力を提示できるボール型の触覚デバイスであって、人がボール部を握りそのボール部に力を加えることにより、指令値が生成され、前記ボール部は自由に変形することができるため、形状の提示や力の提示が可能となることを特徴とするボール型の触覚デバイスを提供する。

本発明は上記課題を解決するために、触覚デバイス本体と制御装置とから構成され、反力を提示できる入力装置であるボール型の触覚デバイスであって、前記触覚デバイス本体は、ボール部と触覚センサとを備えており、前記ボール部は、弾性を有する表皮で形成されたボール、伸縮機構及び圧力センサとを備えていることを特徴とするボール型の触覚デバイスを提供する。

前記伸縮機構は、前記ボールの中心部から前記表皮に向けて放射状に形成された複数のアクチュエータを有することを特徴とする。

前記圧力センサは、前記複数の伸縮機構に対応して、前記アクチュエータの外端が前記表皮に取り付けられている部分に設けられていることを特徴とする。

本発明は、弾力性を有するボールを握り、そのボール部に力を加えることにより、指令値が生成されるとともに、ボール部は自由に変形することができるため、形状の提示や力の提示が可能となることを特徴とするボール型の触覚デバイスを提供することができる。さらに、力の提示が６自由度でできる等の効果が生じる。

本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面等を参照として以下説明する。

本発明のボール型触覚デバイス１は、図1に示すように、触覚デバイス本体２と制御装置３から構成される。触覚デバイス本体２は、ボール部４と触覚センサ５とを備えている。ボール部４は、弾性を有する表皮（弾性体）で形成されたボール５、伸縮機構６及び圧力センサ７とを備えている。

ボール５は基台８の支柱９に固定されている。ボール５の内部は、3次元、360度全ての方向に変形できるように、伸縮機構６が採用されており、伸縮機構６に作用する力を検出する圧力センサ７が設置される。さらに、ボール５の表面は弾力性のある材料で覆われている。

伸縮機構６は、ボール５の中心に位置する球状の中心支持体１０と、この中心支持体１０から放射方向に伸びる複数の伸縮具１１とから成る。この伸縮具１１は、本実施例では、リニアアクチュエータ（直動型アクチュエータ）が利用される。もちろん、油圧機構等のその他のアクチュエータを利用してもよい。

図６は、本実施例の伸縮具１１の例であるリニアアクチュエータ（直動型アクチュエータ）の具体的な構造を示す図である。図６に示すように、支持軸１２を有する小型のモータ１３、モータ１３のねじ付き回転軸１３’（中心孔の内面にねじが形成されている回転軸）に螺合するねじ棒１４から成り、モータ１３の回転軸１３の’回転運動を直線運動に変える機構である。ねじ棒１４の内端は中心支持体１０に固定し、モータ１３から支持軸１２を放射方向に延ばしてその外端をボール５の内面に適宜、固定する。

モータ１３が回転するとねじ棒１４が放射中心方向に引き込んだり、放射外側方向に引き出されたりする。ボール５を把持している操作者に、抵抗力を増やしたり減らしたりする感覚を与える。

圧力センサ７は、複数の伸縮具１１のそれぞれに対応する歪みゲージ１５を複数個設ける。各歪みゲージ１５は、伸縮具１１の外端（ねじ棒１４の外端）がボール５内面に固定されている箇所の直近に設ける。各歪みゲージ１５には、検出出力を取り出すように出力線（図示しない）が接続されており、支柱９を通して外部に導出され制御装置３に接続されている。

歪みゲージ１５は、操作者によるボール５の把持力に応じた圧力を検出してこの検出出力を制御装置３に送る。制御装置３では、各歪みゲージ１５の検出圧力に対応した時間モータ１３を駆動することにより、ねじ棒１４をボール５内で内外に移動させて、ボール５表面の把持抵抗力を変える。

触覚センサ１６は、ボール５を支持する支柱９に取り付けられている。この触覚センサ１６は、６軸の力、トルクデータを取得できるように、複数の歪みゲージが貼られており、各歪みゲージには検出出力を取り出すように出力線が接続され、触覚センサ１６を介して外部に導出され、制御装置３に接続されている。

圧力センサ７は伸縮具１１と一対となっているため、伸縮具１１の設置されていない場所のトルクデータを圧力センサ７で検出することはできない。そこで、触覚センサ１６を利用してそのデータを検出する。

（作用）
以上の構成から成る本発明に係るボール型触覚デバイス１の作用を説明する。まず、操作者は、図２に示すように、ボール５を把持する。この状態が初期状態である。この状態で力を加えると、圧力センサ７が力を検出する。

圧力センサ７で検出された検出圧力のデータは、制御装置３に送られる。制御装置３では、制御装置３内に構築しているモデルの変形を計算する。この制御装置３内でモデルの変形に基づいた伸縮機構６の動作を計算する。この計算結果に基づき、制御装置３は動作出力をモータ１３に送り、伸縮機構６が動作し、ボール５型触覚デバイスが変形する。

図２に示すように、操作者が単にボール型触覚デバイス１を把持し、力を付与しない状態では、圧力センサ７は力を検出しないので、伸縮機構６が変形しないので、操作者は、あたかも球状の剛体を把持した感覚を得る。

例えば、図３に示すように、人指し指で手首方向に力を加える。その力を、力を加えた箇所における圧力センサ７で検出する。この検出圧力し、圧力センサ７に応じて制御装置３からの信号で伸縮機構６に作用する。このように、加えた力に添って本装置が変形しようとするする場合には、操作者は弾性のある表皮（弾性体）で形成されたボール５を把持し、ボール５に力を負荷していると感じる。

伸縮機構６の伸縮度合いは、制御装置３によりきめ細かくコントロールされるため、操作者に対して、剛体から非常に柔らかい弾性体のような感覚まで様々な力提示が可能となる。このように、伸縮機構６の伸縮度合いは、あたかもボール５を形成する弾性の表皮（弾性体）の弾性係数を模擬するように作用することとなる。

さらに、図４、５に示すように、本発明のボール５は、操作者の把持の仕方により、全ての放射方向に変形するため、全ての方向に対する圧力の検出を可能とするとともに、その検出圧力に対応した全ての方向に対する動作のための指令値を生成可能であり、この動作指令信号に該当する箇所の伸縮具１１に送って動作させ、この結果操作者に対して全ての放射方向にへの力提示が可能となる。

本発明に係るボール５型触覚デバイスは、ロボットアームの遠隔操作の入力装置として利用することもできる。即ち、操作者は、遠隔地から本ボール５型触覚デバイスを利用してロボットアームを操作可能である。ボール５は全ての方向に変形するために、全ての方向に操作のための指令信号を生成可能であり、全ての方向に指令値を提示可能である。

ロボットアーム側にも圧力センサが設けられていれば、この検出圧力データが遠隔地の制御装置３に送られて、本ボール型触覚デバイス１の伸縮機構６を動作させる。これにより、遠隔地の操作者に力提示可能な入力装置となり、6自由度に指令値も生成可能である。

ロボットアームを自由空間で動かし、対象物や障害物に接触しない場合には、ロボットアームは圧力を検出しないので、伸縮機構６への動作信号、即ち力提示はない。しかし、ロボットアームが対象物に接触した場合は、ロボットアームに外力が作用することとなるので、接触による受ける圧力データが検出され、検出データが遠隔値の制御装置３に送信され、その情報を基に伸縮機構６を制御することにより、ロボットアームに作用した力を操作者に提示することができる。

本発明に係るボール型触覚デバイスは、マウスとして使用する場合、従来のマウスでは2次元しか表現できなかったが３次元の表現が可能となる。特に、３次元ＣＡＤに有効である。また、コンピュータ内で構築された３次元の対象物を、本装置を介して触ることも可能となる。

本発明は以上の構成であるから、通常のコンピュータの入力装置としてのマウスやジョイスティックとして、さらにロボットの遠隔操作のための操作手段であるジョイスティック、３次元マウス等として適用可能である。

本発明に係るボール型触覚デバイスの構成を説明する図である。 本発明に係るボール型触覚デバイスの作用を説明する図である。 本発明に係るボール型触覚デバイスの作用を説明する図である。 本発明に係るボール型触覚デバイスの作用を説明する図である。 本発明に係るボール型触覚デバイスの作用を説明する図である。 本発明に係るリニアアクチュエータの構成を説明する図である。

符号の説明

１ ボール型触覚デバイス
２ 触覚デバイス本体
３ 制御装置
４ ボール部
５ ボール
６ 伸縮機構
７ 圧力センサ
８ 基台
９ 支柱
１０ 中心支持体
１１ 伸縮具
１２ 支持軸
１３ モータ
１３’ モータの回転軸
１４ ねじ棒
１５ 歪みゲージ
１６ 触覚センサ

Claims (4)

1. 人からの入力デバイスとして、反力を提示できるボール型の触覚デバイスであって、
   人がボール部を握りそのボール部に力を加えることにより、指令値が生成され、前記ボール部は自由に変形することができるため、形状の提示や力の提示が可能となることを特徴とするボール型の触覚デバイス。
2. 触覚デバイス本体と制御装置とから構成され、反力を提示できる入力装置であるボール型の触覚デバイスであって、
   前記触覚デバイス本体は、ボール部と触覚センサとを備えており、
   前記ボール部は、弾性を有する表皮で形成されたボール、伸縮機構及び圧力センサとを備えていることを特徴とするボール型の触覚デバイス。
3. 前記伸縮機構は、前記ボールの中心部から前記表皮に向けて放射状に形成された複数のアクチュエータを有することを特徴とするボール型の触覚デバイス。
4. 前記圧力センサは、前記複数の伸縮機構に対応して、前記アクチュエータの外端が前記表皮に取り付けられている部分に設けられていることを特徴とするボール型の触覚デバイス。