(57)【要約】【課題】操作部の操作に対して操作部への力覚の付与がタイミング良く行われ、力覚の制御が安定した力覚付与型入力装置を提供する。【解決手段】現在位置ｘに現在速度ｄｘ／ｄｔの係数ｎ倍を加算し、これに弾性係数ｋを乗算してアクチュエータ駆動信号τの現在位置ｘに応じたトルク成分τｅを算出する。また、現在速度ｄｘ／ｄｔに粘性摩擦係数Ｃｍを乗算して、現在速度ｄｘ／ｄｔに応じたトルク成分τｆを算出する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作部と、当該操作部の操作状態を検出する位置センサと、前記操作部に外力を付与するアクチュエータと、前記位置センサより出力される位置信号に基づいたアクチュエータ駆動信号を出力して前記アクチュエータの駆動を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記位置信号より前記操作部の現在位置及び現在速度を算出し、算出された現在位置に算出された現在速度を係数倍して加算したものに弾性係数を乗算して前記アクチュエータ駆動信号の算出された現在位置に応じた成分を算出することを特徴とする力覚付与型入力装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記アクチュエータ駆動信号の算出された現在位置に応じた成分に、算出された現在速度に粘性摩擦係数を乗算することにより算出される前記アクチュエータ駆動信号の算出された現在速度に応じた成分を加算して、前記アクチュエータ駆動信号を算出することを特徴とする請求項１に記載の力覚付与型入力装置。
【請求項３】
操作部と、当該操作部の操作状態を検出する位置センサと、前記操作部に外力を付与するアクチュエータと、前記位置センサより出力される位置信号に基づいたアクチュエータ駆動信号を出力して前記アクチュエータの駆動を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記位置信号より前記操作部の現在位置及び現在速度を算出し、算出された現在位置に弾性係数を乗算して前記アクチュエータ駆動信号の算出された現在位置に応じた成分を算出すると共に、粘性摩擦係数に弾性係数の係数倍を加算したものに算出された現在速度を乗算して前記アクチュエータ駆動信号の算出された現在速度に応じた成分を算出し、これらの各成分を加算することにより前記アクチュエータ駆動信号を算出することを特徴とする力覚付与型入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、手動操作される操作部に電気制御された力覚を付与する力覚付与型入力装置に係り、特に、操作部の操作速度に関わりなく操作部に対する力覚の付与タイミングを最適化する手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、操作部の操作状態を機械的な機構を介して被制御部に伝達する機械式の入力装置に代えて、操作部の操作状態を電気信号に変換して被制御部に伝達すると共に、電動モータなどのアクチュエータの駆動を制御することにより操作部に所要の力覚を付与する力覚付与型バイワイヤ方式の入力装置（本明細書においては、これを「力覚付与型入力装置」という。）が提案され、応用範囲を広げつつある。この力覚付与型入力装置には、操作部を一方向にのみ往復移動操作可能なスライド形又はレバー形、操作部を一軸の廻りにのみ往復回転操作可能なロータリ形及び操作部を任意の方向に操作可能なジョイスティック形などがある。
【０００３】
従来より、この種の力覚付与型入力装置においては、予め定められた操作部の操作位置で操作部に予め定められた力覚を付与する場合、操作部に対する力覚付与のタイミングが操作部の操作位置の関数で制御されている。例えば、力覚付与型入力装置に付設された表示装置に１乃至複数個のシンボルとカーソルとを表示し、カーソルの移動を操作部によって制御し、カーソルが１のシンボルの中点に対して所定の半径位置内まで移動されたとき、カーソルを当該１のシンボルの中点に引き込むような力覚を操作部に付与する場合においては、操作部の操作量及び操作方向をエンコーダなどの位置センサにて検出し、位置センサより出力される位置信号が前記１のシンボルの中点より前記所定の半径位置に相当するものに達したとき、制御部より所定のアクチュエータ駆動信号を出力して、操作部にカーソルを当該１のシンボルの中点に引き込む方向の外力を付与するという方法がとられる。
【０００４】
なお、操作部の操作安定性を良好なものにするため、位置センサより出力される位置信号のみに基づいてアクチュエータの駆動を制御するのではなく、前記位置信号より操作部の操作速度を算出し、算出された操作速度が大きいほど操作部に大きな抵抗感を付与するようにアクチュエータの駆動を制御するものも従来より知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、操作部に対する力覚付与のタイミングを操作部の操作位置の関数で制御すると、制御部は、位置センサより出力される位置信号に基づいて操作部の操作位置を算出した後に、当該算出された操作部の操作位置に応じたアクチュエータ駆動信号を算出し、アクチュエータを起動しなくてはならないので、操作部の操作位置及び操作方向の算出タイミングに対して実際の操作部への力覚の付与タイミングに遅れを生じ、力覚の制御が不安定になり、人間が操作部を持っていないときにシンボルの中点で操作部が発振するという不都合がある。かかる不都合は、操作部の操作速度が高速になるほど顕著になる。
【０００６】
本発明は、かかる従来技術の不都合を解消するためになされたものであり、その目的は、操作部の操作に対して操作部への力覚の付与がタイミング良く行われ、力覚の制御が安定した力覚付与型入力装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の目的を達成するため、力覚付与型入力装置を、操作部と、当該操作部の操作状態を検出する位置センサと、前記操作部に外力を付与するアクチュエータと、前記位置センサより出力される位置信号に基づいたアクチュエータ駆動信号を出力して前記アクチュエータの駆動を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記位置信号より前記操作部の現在位置及び現在速度を算出し、算出された現在位置に算出された現在速度を係数倍して加算したものに弾性係数を乗算して前記アクチュエータ駆動信号の算出された現在位置に応じた成分を算出するという構成にした。
【０００８】
このように、単に操作部の現在位置に弾性係数を乗算してアクチュエータ駆動信号を算出するのではなく、操作部の現在位置に操作部の現在速度の係数倍を加算したものに弾性係数を乗算してアクチュエータ駆動信号の算出された現在位置に応じた成分（弾性力）を算出すると、操作部の現在速度を係数倍した値だけ実際の現在位置の算出タイミングよりも早いタイミングでアクチュエータ駆動信号の算出、ひいてはアクチュエータの駆動を開始することができるので、所定の操作位置への操作部の移動に合わせてタイミング良く操作部への力覚の付与を行うことができ、力覚の制御を安定なものにすることができる。
【０００９】
また、本発明は、前記の目的を達成するため、前記構成の力覚付与型入力装置において、前記制御部は、前記アクチュエータ駆動信号の算出された現在位置に応じた成分に、算出された現在速度に粘性摩擦係数を乗算することにより算出される前記アクチュエータ駆動信号の算出された現在速度に応じた成分を加算して、前記アクチュエータ駆動信号を算出するという構成にした。
【００１０】
このように、算出された現在位置に応じた成分（弾性力）に算出された現在速度に応じた成分（摩擦力）を加算してアクチュエータ駆動信号を算出すると、操作部の操作速度が速いほど操作部に大きな抵抗感を付与することができるので、操作部の操作安定性を高めることができ、力覚付与型入力装置の操作感をより良好なものにすることができる。
【００１１】
また、本発明は、前記の目的を達成するため、操作部と、当該操作部の操作状態を検出する位置センサと、前記操作部に外力を付与するアクチュエータと、前記位置センサより出力される位置信号に基づいたアクチュエータ駆動信号を出力して前記アクチュエータの駆動を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記位置信号より前記操作部の現在位置及び現在速度を算出し、算出された現在位置に弾性係数を乗算して前記アクチュエータ駆動信号の算出された現在位置に応じた成分を算出すると共に、粘性摩擦係数に弾性係数の係数倍を加算したものに算出された現在速度を乗算して前記アクチュエータ駆動信号の算出された現在速度に応じた成分を算出し、これらの各成分を加算することにより前記アクチュエータ駆動信号を算出するという構成にした。
【００１２】
このように、粘性摩擦係数に弾性係数の係数倍を加算したものに算出された現在速度を乗算してアクチュエータ駆動信号の算出された現在速度に応じた成分（摩擦力）を算出すると、力覚の制御が不安定になりやすい弾性係数が大きいところのみ粘性摩擦が大きくなるので、操作部の操作感に与える悪影響が小さく、かつ、力覚の制御を安定にすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る力覚付与型入力装置の第１実施形態例を図１乃至図４に基づいて説明する。図１は第１実施形態例に係る力覚付与型入力装置の構成図、図２は第１実施形態例に係る力覚付与型入力装置の制御ブロック図、図３は第１実施形態例に係る力覚付与型入力装置の制御部に記憶されるトルクパターンを例示するグラフ図、図４は第１実施形態例に係る力覚付与型入力装置の動作を示す流れ図である。
【００１４】
図１に示すように、本例の力覚付与型入力装置は、回転軸１と、当該回転軸１の上端部に取り付けられた操作部２と、前記回転軸１の回転方向及び回転量を検出する位置センサ３と、前記回転軸１を介して操作部２に力覚を付与するアクチュエータ４と、位置センサ３から出力される位置信号ａを取り込んでアクチュエータ４の駆動信号ｂを生成する制御部５とから主に構成されている。
【００１５】
操作部２は、操作者によって操作可能な形状及びサイズに形成される。
【００１６】
位置センサ３は、回転軸１の回転方向と回転量とを検出し、それに応じた電気信号に変換して出力するものであって、例えばロータリエンコーダや回転型可変抵抗器などが用いられる。
【００１７】
アクチュエータ４は、回転軸１に外力としてのトルクを付与するものであって、モータやソレノイドなどの電動装置が用いられる。なお、アクチュエータ４としてリニアモータやソレノイドなどの直動装置を用いた場合には、回転軸１とアクチュエータ４との間に、アクチュエータ４の直線運動を回転軸１の回転運動に変換して伝達する所要の動力伝達機構が備えられる。
【００１８】
制御部５は、図１に示すように、位置センサ３から出力される位置信号ａを取り込む入力部１１と、位置信号ａに基づいて操作部２に所要の力覚を付与するためのアクチュエータ駆動信号ｂを算出する演算部１２と、演算の基礎となる関数及び係数並びにトルクパターンそれに演算の処理フローなどが記憶された記憶部１３と、演算部１２から出力されるアクチュエータ駆動信号ｂに応じた駆動電力ｃを出力してアクチュエータ４を駆動するドライバ回路１４と、これらの各部１１〜１４を制御するＣＰＵ１５とから構成されている。なお、本例のトルクパターンは、図３に示すように、表示装置に表示された複数個のシンボルの中点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにカーソルを引き込むためのものであって、図中の破線は操作部２に加えられる推力、実線は操作部２に加えられる反力を示しており、操作部２の現在位置ｘと現在速度ｄｘ／ｄｔの係数ｎ倍との加算値の関数として表されている。
【００１９】
ＣＰＵ１５は、記憶部１３に記憶された図４の処理フローに従ってアクチュエータ４の駆動信号を算出し、操作部２に所定の力覚を付与する。即ち、操作者によって操作部２が操作されると、位置センサ３から出力される位置信号ａより操作部２の現在位置ｘと現在速度ｄｘ／ｄｔとを算出する（手順Ｓ１）。次いで、算出された現在位置ｘに算出された現在速度ｄｘ／ｄｔの係数ｎ倍を加算し、アクチュエータ駆動信号を算出するための現在位置ｘ＋ｎ・ｄｘ／ｄｔを算出する（手順Ｓ２）。次に、図３のトルクパターンより、算出された現在位置ｘ＋ｎ・ｄｘ／ｄｔに応じたトルク成分τｅを算出する（手順Ｓ３）。また、手順Ｓ１で算出された操作部２の現在速度ｄｘ／ｄｔに粘性摩擦係数を乗算して、算出された現在速度ｄｘ／ｄｔに応じたトルク成分τｆを算出する（手順Ｓ４）。次いで、トルク成分τｅとトルク成分τｆとを加算し、アクチュエータ４より操作部２に付与されるトルクτを算出する（手順Ｓ５）。最後に、演算部１２よりドライバ回路１４にトルクτに相当するアクチュエータ駆動信号を出力し、アクチュエータ４を駆動して操作部２に所要の力覚を付与する（手順Ｓ６）。これにより、図２に示す制御ブロックが実行される。
【００２０】
本例の力覚付与型入力装置は、単に操作部２の算出された現在位置ｘの関数としてアクチュエータ駆動信号を算出するのではなく、操作部２の算出された現在位置ｘに操作部２の算出された現在速度ｄｘ／ｄｔの係数ｎ倍を加算したものの関数としてアクチュエータ駆動信号の算出された現在位置に応じた成分（弾性力）を算出するので、操作部２の算出された現在速度の係数倍ｎ・ｄｘ／ｄｔに比例した値だけ実際の現在位置の算出タイミングよりも早いタイミングでアクチュエータ駆動信号τの算出、ひいてはアクチュエータの駆動を開始することができる、所定の操作位置への操作部２の移動に合わせてタイミング良く操作部２への力覚の付与を行うことができて、力覚の制御を安定させることができる。また、算出された現在位置ｘに応じたトルク成分τｅに算出された現在速度ｄｘ／ｄｔに応じたトルク成分τｆを加算してアクチュエータ駆動信号τを算出するので、操作部２の操作速度が速いほど操作部２に大きな抵抗感を付与することができ、操作部の操作安定性を高めることができて、力覚付与型入力装置の操作感をより良好なものにすることができる。
【００２１】
次に、本発明に係る力覚付与型入力装置の第２実施形態例を図５に基づいて説明する。図５は第２実施形態例に係る力覚付与型入力装置の制御ブロック図である。
【００２２】
本例の力覚付与型入力装置は、図５に示すように、算出された現在位置ｘに弾性係数ｋを乗算してアクチュエータ駆動信号の算出された現在位置ｘに応じたトルク成分τｅを算出すると共に、粘性摩擦係数Ｃｍに弾性係数ｋの係数ｎ倍を加算したものに算出された現在速度ｄｘ／ｄｔを乗算してアクチュエータ駆動信号の算出された現在速度に応じたトルク成分τｆを算出し、これらの各成分τｅ，τｆを加算することによりアクチュエータ駆動信号τを算出することを特徴とする。その他については、第１実施形態例に係る力覚付与型入力装置と同じであるので、説明を省略する。
【００２３】
本例の力覚付与型入力装置は、第１実施形態例に係る力覚付与型入力装置と同一の作用効果を奏する。即ち、力覚の制御が不安定になりやすい弾性係数の大きいところのみ粘性摩擦が大きくなるので、操作部２の操作感に与える悪影響は小さく、力覚の制御の安定性を大幅に向上することができる。
【００２４】
なお、前記各実施形態例においては、ロータリ形の力覚付与型入力装置を例にとって説明したが、スライド形又はレバー形の力覚付与型入力装置やジョイスティック形の力覚付与型入力装置についても適用することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、単に操作部の現在位置の関数としてアクチュエータ駆動信号を算出するのではなく、操作部の現在位置と現在速度との関数としてアクチュエータ駆動信号を算出するので、操作部の現在速度に応じた値だけ実際の現在位置の算出タイミングよりも早いタイミングでアクチュエータ駆動信号の算出、ひいてはアクチュエータの駆動を開始することができ、所定の操作位置への操作部の移動に合わせてタイミング良く操作部への力覚の付与を行うことができて、力覚付与型入力装置の力覚の制御を安定なものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態例に係る力覚付与型入力装置の構成図である。
【図２】第１実施形態例に係る力覚付与型入力装置の制御ブロック図である。
【図３】第１実施形態例に係る力覚付与型入力装置の制御部に記憶されるトルクパターンを例示するグラフ図である。
【図４】第１実施形態例に係る力覚付与型入力装置の動作を示す流れ図である。
【図５】第２実施形態例に係る力覚付与型入力装置の制御ブロック図である。
【符号の説明】
１  回転軸
２  操作部
３  位置センサ
４  アクチュエータ
５  制御部
１１  入力部
１２  演算部
１３  記憶部
１４  ドライバ回路
１５  ＣＰＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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