(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示ユニットに表されるシナリオと相互作用するように構成されている操作者が把持することができるハンドピース（３）を有する関節アーム（２）を備える多次元入力デバイス（１）であって、前記ハンドピース（３）は、磁気連結球状ジョイント（４）を通じて前記関節アーム（２）の末端セクション（２ｄ）に取り外し可能に関連付けることができ、前記ハンドピース（３）は：
−加速度を計測する加速度計（１１）、角度を計測するジャイロスコープ（１２）、及び、磁気計（１３）を備える慣性プラットフォーム；
−操作者に提供されるグリッパ（１４）
を備え、
前記球状ジョイント（４）は、前記関節アーム（２）の前記末端セクション（２ｄ）又は前記ハンドピース（３）に属する球状ヘッド（５）を備え、該球状ヘッド（５）は、前記ハンドピース（３）又は前記関節アーム（２）の前記末端セクション（２ｄ）に属する対応する球状座部（６）に取り外し可能に連結されるように構成されており、前記球状ヘッド（５）及び／又は前記球状座部（６）は磁化され、
前記球状座部（６）は、前記ハンドピース（３）に関連付けられる環状体（７）に属し、該球状座部（６）は、前記環状体（７）に存在する貫通孔（７ａ）の境界を定める周縁であり、
前記ハンドピース（３）は：
−前記ハンドピース（３）を把持する操作者に向かって面するように構成されている第１の端（８）；
−前記環状体（７）を受け入れるように構成されている第２の端（９）
をさらに含み、
前記ハンドピース（３）はモジュール式ケーシング（１５）によって画定され、該モジュール式ケーシング（１５）には、
−前記加速度計（１１）、前記ジャイロスコープ（１２）及び前記磁気計（１３）の磁気センサ（１３ａ）であって、前記磁気計（１３）は、操作者が前記グリッパ（１４）を作動すると前記磁気センサ（１３ａ）と協働する、前記グリッパ（１４）に関連付けられる永久磁石（１３ｂ）も備える、前記加速度計（１１）、前記ジャイロスコープ（１２）及び前記磁気計（１３）の磁気センサ（１３ａ）；
−スイッチ（１８）；
−前記モジュール式ケーシング（１５）から突出する操縦ボタン（２１）が設けられる、前記スイッチ（１８）の制御ロッド（２０）の回転ピン（１９）
を収容するように構成されている骨組み（１７）が存在し、
前記球状ヘッド（５）を前記球状座部（６）に対して値π以上の範囲の角度を回転可能に構成することができることを特徴とする、多次元入力デバイス。
【請求項２】
デバイス（１）であって、前記グリッパ（１４）は、横方向に及び前記ハンドピース（３）の反対側に配置される一対のレバー（２２、２３）を備え、該レバーのそれぞれは、弾性手段（２６、２７）が設けられる回転ピン（２４、２５）によって前記ケーシングに接続される端、及び、前記グリッパ（１４）の作動のために操作者に提供される自由な反対端を有することを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
デバイス（１）であって、前記レバー（２２、２３）は、歯付き部分（２８、２９）を通じて互いに回転可能に連結され、該歯付き部分のそれぞれは、前記レバー（２２、２３）のうちの一方に属し、それぞれの前記回転ピン（２４、２５）に外側から連結されることを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
デバイス（１）であって、前記関節アーム（２）は：
−第１の回転軸（Ｚ）を画定するように構成されている第１のジョイント（３０）を通じて支持構造部（Ａ）に関連付けられる第１のセクション（２ａ）；
−第２の回転軸（Ｙ）を画定するように構成されている第２のジョイント（４０）を通じて前記第１のセクション（２ａ）に関連付けられる第２のセクション（２ｂ）；
−第３の回転軸（Ｘ）を画定するように構成されている第３のジョイント（５０）を通じて前記第２のセクション（２ｂ）に関連付けられる第３のセクション（２ｃ）；
−前記第３のセクション（２ｃ）に関連付けられるように構成されている端、及び、前記球状ジョイント（４）を通じて前記ハンドピース（３）に関連付けられる反対端を有する末端セクション（２ｄ）
を備えることを特徴とする、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
デバイス（１）であって、前記ハンドピース（３）は７つの自由度を有し、該７つの自由度は：
−前記第１の回転軸（Ｚ）に従う前記第１のセクション（２ａ）の回転によって画定される第１の自由度；
−前記第２の回転軸（Ｙ）に従う前記第２のセクション（２ｂ）の回転によって画定される第２の自由度；
−前記第３の回転軸（Ｘ）に従う前記第３のセクション（２ｃ）の回転によって画定される第３の自由度；
−前記球状ジョイント（４）の回転によって画定される第４、第５及び第６の自由度；
−前記グリッパ（１４）を画定する前記レバー（２２、２３）を近づけるとともに離す相互の移動によって画定される第７の自由度
を含むことを特徴とする、請求項４に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示ユニットに表されるシナリオと相互作用するように構成されるとともに、実際の又は仮想の装置の遠隔操作に使用される多次元入力デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明のデバイスは、手術器具の使用をシミュレートするための使用において特に有用である。
【０００３】
しかし、本発明のデバイスを、任意の遠隔の操作状況において使用することができることが観察されるはずである。
【０００４】
既知のように、市場には、遠隔操作の作業を行うために表示ユニットと相互作用するように使用される利用可能なデバイスがある。
【０００５】
そのようなデバイスは本質的に、操作者が入力デバイスを使用して相互作用するシナリオが表示されるモニタが接続される処理ユニットを備える。
【０００６】
表示されるシナリオは、例えば、１つの地点から別の地点に取って移動されるオブジェクトを表すことができ、操作者はそのようなシナリオと相互作用し、関節式の多関節アームに関連付けられるハンドピースを概して備える上述した入力デバイスを操縦する。
【０００７】
従来技術によると、ハンドピースは、手首の動きをシミュレートする機械的な接合手段を通じて擬人化アームの末端部分に接続される。
【０００８】
ユーザは、異なるツール又は器具の使用をそれぞれシミュレートする幾つかのハンドピースを有し、そのようなハンドピースは、迅速かつ容易に交換可能であるべきである。
【０００９】
しかし、既知のタイプの機械的な接合手段は、ハンドピースの迅速な交換を可能としないという欠点を明らかにしており、これは、特にシミュレーションが幾つかのハンドピースの交換を必要とするときに、シミュレーション時間を増大させる。
【００１０】
加えて、手首をシミュレートするジョイントにおける３つの対向するデカルト軸に従ったハンドピースの動きが、手首に収容され、したがってハンドピースの上流のセンサによって制御される。
【００１１】
これは、アームと手首のハンドピースとの間の擬人化ジョイントの取得における更に高い複雑さを示唆する。
【００１２】
関節アームによるハンドピースの接続及び分離を容易かつ迅速にする磁気連結球状ジョイントを通じて関節アームに関連付けられるハンドピースを記載する、特許文献１が既知である。
【００１３】
ハンドピースの加速及び角運動、並びに、ハンドピースの周りの磁場を測定するように適合されているセンサが関連付けられる、ロボット式手術器具の形状を有するハンドピースを記載する、特許文献２も既知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０１４６８９８号
【特許文献２】国際公開第２０１２／１５３１５２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上述した欠点を克服することを意図する。
【００１６】
特に、本発明の第１の目的は、従来技術の均等なデバイスのハンドピースに比してより優れた操縦性を有するハンドピースを備える多次元入力デバイスを提供することである。
【００１７】
本発明の別の目的は、従来技術の均等なデバイスのハンドピースに比して、ハンドピースをより容易に交換することができることにある。
【００１８】
最後に大切なことは、本発明の目的は、ハンドピースが、ハンドピースの手首をシミュレートするジョイントにおける３つの対向するデカルト軸に従ったハンドピースの動きを検出するセンサを含むことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記で挙げた目的は、参照するべきである独立項に記載の特徴を有する多次元入力デバイスによって達成される。
【００２０】
本発明のデバイスの他の特徴は、従属項に記載される。
【００２１】
有利には、本発明のデバイスは、ハンドピースのより高い操縦性、及び、より交換しやすいことを考慮して、従来技術の均等なデバイスの使用に比して、表示ユニットに表されるシナリオとの相互作用の動作を迅速にする。
【００２２】
上述した目的及び利点を、添付の図面を参照して以下で提供される本発明のデバイスの好ましい実施形態の記載において概説するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のデバイスの不等角投影図である。
【図２】部分的に分解された図１のデバイスを示す図である。
【図３】図２の拡大した細部を示す図である。
【図４】図２の拡大した細部を示す図である。
【図５】図２の拡大した細部を示す図である。
【図６】図１及び図２に示されている細部の拡大及び分解不等角投影図である。
【図７】組み立てられた図６の細部の断面不等角投影図である。
【図８】組み立てられた図６の細部の不等角投影図である。
【図９】ある動作位置における図８の細部の縦断面図である。
【図１０】図９とは異なる動作位置における図８の細部の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の入力多次元デバイスの主題は、図１及び図２に不等角投影図で示されており、図１及び図２ではその全体が１で示されている。入力多次元デバイスが、表示ユニットに表されるシナリオと相互作用するように構成されている操作者が把持することができるハンドピース３を有する関節アーム２を備えることが観察されるはずであり、上記シナリオ及び上記表示ユニットは、図面自体をかなり単純にするために図面によって示されていない。
【００２５】
表示ユニットは、表示のシナリオの主題が仮想のシナリオであるものとすることができる既知のタイプのモニタによって構成され、本発明の多次元入力デバイスは、教育及び訓練の目的で、又は実際のシナリオで使用されるものとし、デバイスは、遠隔の場所に配置されるロボットの遠隔制御に使用されるものとする。
【００２６】
関節アーム２に関して、第１の回転軸Ｚを画定するように構成されている第１のジョイント３０を通じて支持構造部Ａに関連付けられる第１のセクション２ａ、及び、第２の回転軸Ｙを画定するように構成されている第２のジョイント４０を通じて第１のセクション２ａに関連付けられる第２のセクション２ｂを備えることが観察されるはずである。
【００２７】
関節アーム２は、第３の回転軸Ｘを画定するように構成されている第３のジョイント５０を通じて第２のセクション２ｂに関連付けられる第３のセクション２ｃ、並びに、第３のセクション２ｃに関連付けられるように構成されている端、及び、以下でより良く画定される球状ジョイント４を画定する構造に従って、ハンドピース３に関連付けられる反対端を有する末端セクション２ｄも備える。
【００２８】
したがって、関節アーム２に関連付けられるハンドピース３の移動方法を特定する擬人化タイプの名称に従って、第１のジョイント３０は「胴部ジョイント」と称され、第２のジョイント４０は「肩部ジョイント」と称され、第３のジョイント５０は「肘ジョイント」と称され、球状ジョイント４は「手首」と称される。
【００２９】
本発明によると、ハンドピース３は、磁気連結式である球状ジョイント４を通じて関節アーム２の末端セクション２ｄに取り外し可能に関連付けることができる。
【００３０】
磁気連結球状ジョイント４に関して、特に図２〜図１０において、ハンドピース３に属する球状座部６に取り外し可能に連結されるように構成されている関節アーム２の末端セクション２ｄに属する球状ヘッド５を備えることが観察される。
【００３１】
特に、球状座部６が、ハンドピース３に関連付けられる環状体７に属し、球状座部６が、環状体７において得られる貫通孔７ａの境界を定める周縁によって構成されることが観察される。
【００３２】
異なる実施形態では、球状ヘッド５が、ハンドピース３に属することができ、関節アーム２の末端セクション２ｄに属する対応する球状座部６に取り外し可能に連結されるように構成することができることが明らかである。
【００３３】
他の実施形態では、球状ヘッド５を、球状座部６の代わりに磁化することができるか、又は、双方を異なる極性で磁化することができる。
【００３４】
球状ジョイントが１つ又は他の記載される実施形態に従って得られることに関係なく、球状ヘッド５と球状座部６との間の連結が磁気式であり、ハンドピース３の迅速な連結及び関節アーム２からの分離が、市販されている既知のタイプの均等なデバイスではむしろ必要である連結用球状ジョイントを取り付け及び取り外しする長く労力のかかる動作を進める必要なく可能であるのであれば；球状座部６が、環状体７から貫通孔７ａの境界を定める周縁によって構成され、球状座部６が球状ヘッド５の表面の一部にのみ連結され、これが、図９及び図１０において観察可能であるように、幅が値πに達し得る立体角に従う、関節アーム２の末端セクション２ｄに対するハンドピース３の相互の回転を可能にするのであれば、本発明によって規定される双方の主題を得ることを可能にする。
【００３５】
末端セクション２ｄの直径と球状ヘッド５の直径とを好適に比較することで、値πよりも更に大きい幅を有する立体角に従った回転を得ることが可能である構造も可能である。
【００３６】
ハンドピース３に関して、特に図６〜図１０において、ユーザに向かって面するように構成されている第１の端８、及び、反対端に配置される、環状体７を受け入れるように構成されている第２の端９を含むことが観察される。ハンドピース３において、加速度計１１、ジャイロスコープ１２及び磁気計１３を備える慣性プラットフォームを支持するように構成されている骨組み１７が存在する。
【００３７】
加えて、本明細書において以下で詳細に記載されるように、その開口が磁気計１３によって測定される、操作者に提供されるグリッパ１４も、ハンドピース３の一部である。
【００３８】
ハンドピース３は、モジュール式ケーシング１５によっても画定され、モジュール式ケーシング１５には、加速度計１１、ジャイロスコープ１２、及び、磁気計１３の磁気センサ１３ａを支持するように構成されている骨組み１７のハウジング１６が存在し、磁気計１３は、グリッパ１４に関連付けられるとともに、操作者がグリッパ１４を作動すると磁気センサ１３ａと協働するように構成されている永久磁石１３ｂも備える。
【００３９】
グリッパ１４は、ハンドピース３の反対側に横方向に配置される一対の操縦レバー２２、２３を含み、操縦レバー２２、２３のそれぞれは、弾性手段２６、２７が関連付けられる回転ピン２４、２５によってケーシング１５に接続される端を有する。
【００４０】
各レバー２２、２３は、グリッパ１４を作動するために操作者の配置側に配置される自由な反対端を有する。
【００４１】
そのような目的で、グリッパ１４のレバー２２、２３が、２つの歯付き部分２８、２９を通じて互いに回転可能に連結されることが観察されるはずであり、歯付き部分２８、２９のそれぞれは、上述したレバー２２、２３のうちの一方に属し、それぞれの回転ピン２４、２５に外側から連結される。
【００４２】
上述したレバーのうちの一方、例えば、図６において観察されるレバー２２には、レバー２２、２３の端を操作する操作者がレバー２２、２３を相互に近づけて磁気計１３を作動すると磁気計１３の磁気センサ１３ａと協働する磁石１３ｂが関連付けられる。
【００４３】
したがって、ハンドピース３は、慣性プラットフォームに関連付けられる磁気計１３によって測定される更なる自由度をとる。
【００４４】
したがって、本発明のデバイスは、７つの自由度の総数を有し：
−第１、第２及び第３の自由度は、第１のジョイント３０、第２のジョイント４０及び第３のジョイント５０によってそれぞれ可能となる関節アーム２の回転によって構成され；
−第４、第５及び第６の自由度は、球状ジョイント４によってハンドピース３に与えられ；
−第７の自由度は、同じハンドピース３に属し、グリッパ１４及び磁気計１３によって与えられる。
【００４５】
スイッチ１８、及び、孔２１ａを通して図９及び図１０において観察可能であるようにモジュール式ケーシング１５から突出する、操作者に提供される操縦ボタン２１が設けられる、スイッチ１８を制御するためのロッド２０の回転ピン１９も、骨組み１７に関連付けられる。
【００４６】
操作者は、操縦ボタン２１に作用することによって、図９及び図１０を参照して観察可能であるように、制御ロッド２０を作動し、スイッチ１８を作動又は作動停止させるようにスイッチ１８に介入する。
【００４７】
スイッチ１８は、種々の機能を行うため、例えば、ハンドピース３を移動させるために使用することができ、モニタに固定される表示された状況を維持する。
【００４８】
本明細書及び図面において、ハンドピース３及びハンドピース３を形成する部品と、本発明のシミュレーションデバイスの主題に備える処理ユニットとの電気的接続がないことに言及することを指摘しておくべきである。
【００４９】
動作可能に、ユーザは、器具の使用をシミュレートすることを意図する場合、関節アーム２にハンドピース３を適用し、ハンドピース３の球状座部６を関節アーム２の末端セクション２ｄの球状ヘッド５に磁気的に接続する。
【００５０】
ハンドピース３を把持したまま保持するとともに、指を、グリッパ１４を操縦するためにレバー２２、２３に固定するベルクロ（登録商標）リング６０に挿入した後で、操作者は、ハンドピース３をモニタの前部において動かし、遠隔操作器具の使用をシミュレートする。
【００５１】
操縦中に、ユーザは、関節アーム２によって可能となる６つの自由度を使用することで加速度計１１及びジャイロスコープ１２を作動するとともに、グリッパ１４に介入する磁気計１３の作動によって可能となる第７の自由度を使用する。
【００５２】
操作者が、ハンドピース３を、異なる器具をシミュレートするように構成されている別のハンドピース３と交換する必要がある場合、ハンドピース３を関節アーム２の末端セクション２ｄの球状ヘッド５に拘束する磁力を克服するような牽引をハンドピース３に与えれば十分である。
【００５３】
ハンドピース３の分離時には、ハンドピース３を、異なる器具をシミュレートするように構成されている別のハンドピースと置き換えることができる。
【００５４】
これは全て、従来技術の同様のデバイスを使用する場合に生じるものとは対照的に、非常に迅速に行われる。
【００５５】
加えて、記載し、図９及び図１０に示されている特定の構造に起因して磁気的な球状ジョイント４を作る球状ヘッド５と球状座部６との連結は、値πに達し、更には時々は値πを超え得る幅の立体角だけ、関節アーム２の末端セクション２ｄに対するハンドピース３の回転を可能にする。
【００５６】
最後に、ハンドピースを関節アームに接続する手首をシミュレートするジョイントの代わりに、ハンドピースにおける磁気計、加速度計及びジャイロスコープのハウジングは、デバイスの構成のその全体を簡略化する。
【００５７】
上記の情報に従って、本発明のデバイスが、全ての予め規定された目的を達成することが明らかである。
【００５８】
特に、ハンドピースを関節アームに接続する磁気連結球状ジョイントは、既知のタイプのシミュレーションデバイスでその代わりに必要であった球状ジョイントの取り付け及び取り外し動作を行う必要なく、ハンドピースを迅速に取り付け及び取り外しすることを可能にする。
【００５９】
加えて、消磁された環状体の球状座部において連結される球状のヘッドから構成される球状ジョイントの特定の構造は、値πに等しいか又は更には値πよりも大きい幅を有する回転立体角に従う、接続される関節アームの末端セクションに対するハンドピースの回転を可能にする。
【００６０】
実行ステップにおいて、本発明のデバイスは、変更形態及び変形形態に供することができ、変更形態及び変形形態は、図示及び記載されていないが、以下の特許請求の範囲の内容に入るべきであり、本発明の保護範囲内にあるものとみなされるべきである。
【００６１】
特許請求の範囲において示される技術的な特徴には参照符号が付されるはずであるが、参照符号は、単に特許請求の範囲の理解度を高めるために示され、したがって、そのような参照符号は、参照符号によって例として特定される各要素の保護範囲に対して限定する効果を有しないものとする。
【図１】
0006459013.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006459013.tif 000008
【図８】
0006459013.tif 000009
【図９】
0006459013.tif 000010
【図１０】
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