(57)【要約】【課題】ＸＹ軸とＺ軸の操作が干渉しない五節リンク型ハプティックデバイスを提供する。【解決手段】五節リンク機構２を有する五節リンク型ハプティックデバイスにおいて、五節リンク機構２の所定位置に設けられ五節リンク機構２を操作する操作部３と、Ｚ軸方向を指示する回転型指示機構４とを備え、操作部３の姿勢を五節リンク機構２の姿勢によらず一定にするための平行リンク機構５とを備えた構成とすることで、ＸＹ軸とＺ軸の操作が干渉しないようにする。。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
五節リンク機構を有する五節リンク型ハプティックデバイスにおいて、
前記五節リンク機構の所定位置に設けられ当該五節リンク機構を操作する操作部と、
前記操作部の姿勢を、前記五節リンク機構の変位に関わらず常に同じ姿勢に保持するための姿勢制御機構と、
前記五節リンク機構の指示する方向とは別の軸の指示を行うための回転型指示機構とを備え、
前記回転型指示機構が、前記操作部に設置され、
前記五節リンク機構の操作と、前記回転型指示機構の操作を独立に行えることを特徴とする五節リンク型ハプティックデバイス。
【請求項２】
前記姿勢制御機構は、前記五節リンク機構に対して平行に設けられた平行リンク機構により構成され、前記五節リンク機構の変位に関わらず前記操作部が常に同じ姿勢を保持するように支持されていることを特徴とする、請求項１に記載の五節リンク型ハプティックデバイス。
【請求項３】
前記回転型指示機構はローラとローラの回転角度を検出するセンサとローラにトルクを発生させるアクチュエータからなり、前記ローラの回転軸が前記五節リンク機構の指示する方向とは別の軸の指示を行うために配置されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の五節リンク型ハプティックデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、五節リンク機構を有しかつ該五節リンク機構の指示する方向とは別の軸の指示を行うことが可能なハプティックデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータグラフィック等の仮想空間或いはロボットの遠隔操作等において何か物を操作するための操作装置としてハプティックデバイスが従来から知られている。この従来型のハプティックデバイスとして、例えば２つの五節リンク機構を上下２段に配置し、これら上下２つの五節リンク機構の形成する平面（以下「ＸＹ平面」という）を全方向に変位（移動）自在な各１つの連結部をクランクシャフトで繋いでこれら上下２つの連結部を格別に変位可能としている。クランクシャフトの上端部に設けられたノブを操作して、位置指示を行う。例えば、前記ＸＹ平面上のＸ方向及びＹ方向の位置を指示する場合には、クランクシャフトを回転させずに、前記五節リンク機構を操作する。また、前記ＸＹ平面とは別な軸線方向（以下「Ｚ軸方向」という）の位置を指示する場合には、ノブを操作してクランクシャフトが回転させ、上下二つの五節リンク機構の示す位置の差から、クランクシャフトの回転量を求め、Ｚ軸方向の位置指示とする。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】ＵＳＰ６３３９９６９号公報（Ｆｉｇ．１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１に開示されているハプティックデバイスの構造では、一つのノブでＸＹ平面の指示とＺ軸方向の指示を行うため、ＸＹ平面上の所定の位置に操作しようとする際、操作者の手の姿勢が変化する。この変化によりクランクシャフトが回転し、Ｚ軸の指示値も変化する、つまりＸＹ平面の操作がＺ軸の操作に干渉するという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、ＸＹ平面の操作とＺ軸の操作が干渉せず独立に指示を行うことが可能な五節リンク型ハプティックデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するために、本発明に係る五節リンク型ハプティックデバイスは、
五節リンク機構を有する五節リンク型ハプティックデバイスにおいて、
前記五節リンク機構の所定位置に設けられ当該五節リンク機構を操作する操作部と、前記操作部の姿勢を、前記五節リンク機構の変位に関わらず常に同じ姿勢に保持するための姿勢制御機構と、
前記五節リンク機構の指示する方向とは別の軸の指示を行うための回転型指示機構とを備え、
前記回転型指示機構が、前記操作部に設置され、
前記五節リンク機構の操作と、前期回転型指示機構の操作を独立に行えることを特徴としている。
【０００６】
また、本発明の請求項２に記載の五節リンク型ハプティックデバイスは、請求項１に記載の五節リンク型ハプティックデバイスにおいて、
前記姿勢制御機構は前記五節リンク機構に対して平行に設けられた平行リンク機構から構成され、前記五節リンク機構の変位に関わらず前記操作部を常に同じ姿勢に保持することを特徴としている。
【０００７】
五節リンク機構を操作して当該五節リンク機構の変位方向に平行な平面（ＸＹ平面）上の位置を指示すると共に、回転型指示機構を回転させることによりこの平面とは別の軸線方向（Ｚ軸方向）を指示することができる。
【０００８】
また、本発明の請求項３に記載の五節リンク型ハプティックデバイスは、請求項１又は請求項２に記載の五節リンク型ハプティックデバイスにおいて、
前記回転型指示機構はローラとローラの回転角度を検出するセンサとローラにトルクを発生させるアクチュエータからなり、前記ローラの回転量をＺ軸方向の位置指示量とする。
【０００９】
前記操作部を介して五節リンク機構を作動させてＸＹ平面上の位置を指示する。また、前記操作部に取り付けられた前記ローラを回転操作することによりＺ軸方向の指示を行う。このとき、前記操作部は前記姿勢制御機構により前記五節リンク機構の変位に関わらず常に同じ姿勢に保持されるため、操作者の手の姿勢も変わらず前記五節リンクの操作と前記ローラの操作を独立に行うことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、五節リンク機構によりＸＹ平面上の位置を指示し回転型指示機構を回転させてＺ軸方向の指示を行う。このために五節リンク機構の操作と、回転型指示機構の操作は独立しておりＸＹ平面上の位置指示とＺ軸方向の位置指示を独立に行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態に係る五節リンク型ハプティックデバイスについて図面に基づいて説明する。図１に示すように五節リンク型ハプティックデバイス１は、五節リンク機構２と、五節リンク機構２を操作する操作部３と、五節リンク機構２に対して平行に設けられ五節リンク機構２の変位に係わらず操作部３を常に同じ姿勢に支持する平行リンク機構５と、操作部３に設置された五節リンク機構２の形成するＸＹ平面とは別の軸線方向であるＺ軸方向（例えば、ロボットであれば高さ方向）を指示する回転型指示機構としてのローラ４と、操作者側からスレーブ側例えばロボット側に位置を指示すると共にロボット側が何かに当たった場合にその力を操作者側に反力としてフィードバックするための駆動装置６，７，８等により構成されている。
【００１２】
五節リンク機構２は、例えば水平方向に変位可能とされており、五節リンク機構２の内の１つのリンクを構成する２つの軸受ブロック２１，２１は、図示しないフレームに垂設された支柱１１にブラケット１２を介して水平かつ上下に間隔を存して対向して固定されている。そして、上下に対向する２つの軸受ブロック２１，２１の両端部間に第１リンク２２、第４リンク２５の各一端部が水平に収容され、下側の軸受ブロック２１の両端部下面に垂設されたモータ１４，１５の回転軸１４ａ，１５ａの先端部に固定されている。
【００１３】
モータ１４，１５の回転軸１４ａ，１５ａは、上下の軸受ブロック２１，２１の両端部に垂直に回転自在に軸支され、本体部は、下側の軸受ブロック２１の下面に固定されている。このようにして、第１リンク２２、第４リンク２５が軸受ブロック２１の両端部に水平に回動自在に支持されている。また、これらのモータ１４，１５の下端部に位置検出機としてのエンコーダ（センサ）１６，１７が取り付けられており、各回転軸がそれぞれモータ１４，１５の回転軸１４ａ，１５ａの下端部に連結されている。
【００１４】
第２リンク２３、第３リンク２４は、各一端部がそれぞれ第１リンク２２、第４リンク２５の各他端部に連結ピン２６，２７により水平に回動自在に連結されており、第２リンク２３の他端部に第３リンク２４の他端部が連結ピン２８により水平に回動自在に連結されている。そして、第２リンク２３と第３リンク２４との連結部、即ち連結ピン２８の位置が五節リンク機構２の形成面（ＸＹ平面）を全方向に移動自在とされている。
【００１５】
第１リンク２２と第４リンク２５は同じ長さとされ、回転軸１４ａと連結ピン２６、回転軸１５ａと連結ピン２７との間の距離が同一距離とされている。また、第２リンク２３と第３リンク２４は同じ長さとされ、連結ピン２６と連結ピン２８、連結ピン２７と連結ピン２８との間の距離が同一距離とされている。なお、第１リンク２２乃至第４リンク２５の４本のリンクを同じ長さとし、前記距離も同じ距離にしても良い。このようにして、五節リンク機構２が構成されている。
【００１６】
操作部３は、操作ステージ３１、操作ステージ３１の上板３１ａに固定された取手３２、ローラ４等を有している。操作ステージ３１は、五節リンク機構２の形成するＸＹ平面と平行をなして配置され、上板３１ａと下板３１ｂとの間に第２リンク２３と第３リンク２４との連結部が回動自在に収容されている。そして、上板３１ａと下板３１ｂが連結ピン２８の上下両端部に回動自在に軸支されている。上板３１ａと下板３１ｂは連結板３１ｃを介して連結されている。
【００１７】
ローラ４は、円板状をなし外周面に滑り止め用のローレット目が形成され、上板３１ａの先端近傍に固定された支持台３３上に回転方向が五節リンク機構２の形成するＸＹ平面と平行に配置されており、上板３１ａの下面に下方に向けて垂設されたモータ１８の回転軸１８ａの上端部に固定されている。モータ１８の回転軸１８ａは、操作ステージ３１の上板３１ａ及び支持台３３の軸穴を遊貫し、本体部は、上板３１ａの下面に垂直に固定されている。
【００１８】
モータ１８の下端部にはエンコーダ（センサ）１９が取り付けられており、その回転軸がモータ１８の回転軸１８ａの下端部に連結されている。ローラ４は、取手３２の先端部近傍位置に配置されていることで、片手で取手３２を掴んだ状態のまま何れかの指先で容易に回転操作することが可能とされている。
【００１９】
モータ１４，１５及び１８は、ロボットが何かに当たった場合にその力がロボットに設けられている圧力センサにより検出され、当該圧力センサからの信号によりトルクを発生して五節リンク機構２の操作者に反力としてフィードバックする。エンコーダ１６，１７は、五節リンク機構２の第１リンク２２と第２リンク２３との連結部、即ち連結ピン２８の位置を指示する。また、エンコーダ１９は、五節リンク機構２が形成するＸＹ平面とは別の軸線方向であるＺ軸方向の位置（例えば、ロボットであれば高さ方向）を指示するためのものである。エンコーダ１９は、ローラ４により回転可能であり、従って、Ｚ軸方向の指示範囲を指示することが可能である。
【００２０】
そして、モータ１４とエンコーダ１６により1組の駆動装置６が構成され、モータ１５とエンコーダ１７により1組の駆動装置７が構成され、モータ１８とエンコーダ１９により１組の駆動装置８が構成されている。このようにして、五節リンク型ハプティックデバイス１が構成されている。
【００２１】
平行リンク機構５は、丸棒状の２本のリンク３５，３６と、両端部３７ａと３７ｂからなるプレート（以下「中継プレート」という）３７及び４個の継手３８等により構成されている。中継プレート３７は、連結ピン２６の下端部に回動自在に軸支されている。そして、これらのリンク３５、リンク３６は、五節リンク機構２の一側の第１リンク２２、第２リンク２３と平行に配置され、かつ、第１リンク２２、第２リンク２３と同じ長さである。
【００２２】
リンク３５は、第１リンク２２と平行に配置され、一端部が継手３８を介して軸受ブロック２１に連結され、他端部が継手３８を介して中継プレート３７の端部３７ａに連結されている。また、リンク３５の長さは第１リンク２２の長さと同一である。リンク３６は、第２リンク２３と平行に配置され、一端部が継手３８を介して中継プレート３７の端部３７ｂに連結され、他端部が継手３８を介して操作ステージ３１の下板３１ｂに連結されている。また、リンク３６の長さは第２リンク２３の長さと同一である。
【００２３】
これにより、操作部３は、五節リンク機構２の連結ピン２８の位置がＸＹ平面内の何れの方向に変位（移動）した場合でも軸受ブロック２１と対向した姿勢に保持される。即ち操作部３は、五節リンク機構２の変位に係わらず常に同じ姿勢に保持される。取手３２は、操作ステージ３１の上板３１ａに固定されており、従って、五節リンク機構２の変位に関わらず常に同じ姿勢に保持される。
【００２４】
以下に上記五節リンク型ハプティックデバイス１の作用を説明する。図１において取手３２を掴み、五節リンク機構２を操作し、図２に示すように連結ピン２８を指示位置に移動させる。五節リンク機構２は、前記操作に応じてＸＹ平面内で第１リンク２２、第２リンク２３、第３リンク２４、第４リンク２５が変移し、これに伴いモータ１４，１５の回転軸１４ａ，１４ａ及びエンコーダ１６，１７の回転軸が回転して連結ピン２８の位置（指示位置）を検出して図示しないスレーブ側のロボットに指示する。
【００２５】
五節リンク機構２の指示に応じて前記ロボットが作動し、当該ロボットが何かに当たった場合にモータ１４，１５がトルクを発生して五節リンク機構２の操作者に反力としてフィードバックされる。これにより、操作者はロボットを停止させることができる。このようにして、操作者は、前記ロボットを五節リンク機構２が形成するＸＹ平面と対応した平面(以下「Ｘ’Ｙ’平面」という)の所定の位置に移動させる。
【００２６】
そして、操作者は、前記ロボットをＸ’Ｙ’平面の所定位置に移動させた後、取手３２を掴んだままの状態で例えば人差し指でローラ４を回転させる。
【００２７】
ローラ４の回転に伴いモータ１８の回転軸１８ａ及びエンコーダ１９の回転軸が回転して前記連結ピン２８のＸＹ平面とは別の軸線方向（以下「Ｚ軸方向」という）の位置を検出して前記ロボットに指示する。本発明では、Ｚ軸方向の指示値は前記ロボットにおいて前記Ｘ’Ｙ’平面と垂直な軸線方向(以下「Ｚ'軸方向」という)の指示値として取り扱う。
【００２８】
ローラ４の指示に応じて前記ロボットがＸ’Ｙ’平面に対してＺ'軸方向に移動し、何かに当たった場合にモータ１８がトルクを発生して操作者に反力としてフィードバックされる。これにより操作者は、ロボットを停止させることができる。このようにして、前記ロボットを所定のＺ'軸方向位置に指示する。
【００２９】
なお、上記実施形態ではローラ４を五節リンク機構２の形成面（ＸＹ平面）に対して平行な面内で回転するように配置し、回転軸１８ａをＸＹ平面と直交するように配置したが、これに限るものではなく、図３に示すようにローラ４をＸＹ平面と直行する面内で回転するように配置し、その回転軸をＸＹ平面と平行となるように配置することもできる。なお、図３において図１に示した部材と同一部材には同一の符号を付してある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る五節リンク型ハプティックデバイスの斜視図である。
【図２】図１に示した五節リンク型ハプティックデバイスを操作した状態の一例を示す斜視図である。
【図３】ローラ４をＸＹ平面と直行する面内で回転するように配置した五節リンク型ハプティックデバイスの斜視図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    五節リンク型ハプティックデバイス
２    五節リンク機構
３    操作部
４    ローラ（回転型指示機構）
５    平行リンク機構
６，７，８    駆動装置
１１    支柱
１２    ブラケット
１４，１５，１８    モータ
１４ａ，１５ａ，１８ａ    回転軸
１６，１７，１９    エンコーダ
２１    軸受けブロック
２２    第１リンク
２３    第２リンク
２４    第３リンク
２５    第４リンク
２６，２７，２８    連結ピン
３１    操作ステージ
３１ａ    上板
３１ｂ    下板
３１ｃ    連結板
３２    取手
３３    支持台
３５，３６    リンク
３７    中継プレート
３７ａ，３７ｂ    端部
３８    継手
【図１】
2008173757.tif 000003
【図２】
2008173757.tif 000004
【図３】
2008173757.tif 000005