(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部と、支持部に支持されているユーザの操作を位置情報信号に変換するための操作部とからなる３次元空間座標入力装置において、
操作部は、３つのリンクセットと、３つのリンクセットに回転可能に支持されている運動プラットフォームと、前記運動プラットフォームに着脱自在に取付けられる操作機器とを備え、
各リンクセットは、第一リンク部材と、第二リンク部材と、前記第一リンク部材と前記第二第リンク部材とを回転可能に結合する第一ジョイントと、前記第二リンク部材と前記運動プラットフォームとを回転可能に結合する第二ジョイントと、前記第一リンク部材の回転角度情報を検出するための位置センサとを備え、前記３つのリンクセットが前記各第一リンク部材においてそれぞれ前記支持部に一つの回転軸を有するように回転可能に接続され、運動プラットフォームが前記第一ジョイント及び前記第二ジョイントにより並進運動をするようにされている３次元空間座標入力装置。
【請求項２】
前記各リンクセットを構成する前記第一リンク部材同士及び第二リンク部材同士の長さがそれぞれ等しい、請求項１に記載の３次元空間座標入力装置。
【請求項３】
前記第一リンク部材が前記支持部周りに１２０度毎に配置され、前記各第一リンク部材と前記支持部との回転軸は互いに６０度の角度を成すようになっている、請求項１に記載の３次元空間座標入力装置。
【請求項４】
前記第二リンク部材が２つのロッドから構成され、前記第一及び第二ジョイントが前記支持部と前記第一リンク部材の回転軸と平行な回転軸を有し、これら２つの回転軸を形成する部材のそれぞれ両端に、前記第二リンク部材の２つのロッドがこれら２つの回転軸と前記第二リンク部材の長手方向軸との両方に垂直な回転軸を有するように接続され、それによって、前記運動プラットフォームが並進運動をするようにした、請求項１に記載の３次元空間座標入力装置。
【請求項５】
前記操作機器に少なくとも１つの操作信号入力手段が設けられて、前記運動プラットフォームと前記操作機器とが電気的に接続され、さらに前記運動プラットフォームから前記リンクセット及び前記支持部を介して外部に前記操作信号を伝達できるように電気通信手段が配設されている、請求項１に記載の３次元空間座標入力装置。
【請求項６】
前記位置センサが前記各第一リンク部材と前記支持部との回転軸に取付けられている、請求項１に記載の３次元空間座標入力装置。
【請求項７】
支持部と、支持部に支持されているユーザの操作を位置情報信号に変換するための操作部と、ユーザ及び操作部に触覚又は力覚を瞬時的に知覚させる機能としてフォースフィードバックを付加するための駆動部と、操作部から伝達される位置信号を処理して駆動部を制御するための制御部とからなるフォースフィードバック付き３次元空間座標入力装置において、
操作部は、３つのリンクセットと、３つのリンクセットに回転可能に支持されている運動プラットフォームと、前記運動プラットフォームに着脱自在に取付けられる操作機器とを備え、
各リンクセットは、第一リンク部材と、第二リンク部材と、前記第一リンク部材と前記第二第リンク部材とを回転可能に結合する第一ジョイントと、前記第二リンク部材と前記運動プラットフォームとを回転可能に結合する第二ジョイントと、前記第一リンク部材の回転角度情報を検出するための位置センサとを備え、前記３つのリンクセットが前記各第一リンク部材においてそれぞれ前記支持部に一つの回転軸を有するように回転可能に接続され、前記運動プラットフォームが前記第一ジョイント及び前記第二ジョイントにより並進運動をするように適合されており、
前記駆動部が前記第一リンク部材と前記支持部との回転軸に対してそれぞれ設けられている、フォースフィードバック付き３次元空間座標入力装置。
【請求項８】
前記駆動部は、前記支持部と前記第一リンク部材との回転軸に取付けられ且つ前記第一リンク部材と連動するように取付けられているプーリと、前記制御部からの制御信号に応じて力を発生させ且つ前記プーリを回転させるための回転アクチュエータと、前記アクチュエータと前記プーリとの間で回転及び力を相互に伝達するためのワイヤとを備える、請求項７に記載のフォースフィードバック付き３次元空間座標入力装置。
【請求項９】
前記アクチュエータはモータである、請求項８に記載のフォースフィードバック付き３次元空間座標入力装置。
【請求項１０】
前記位置センサが前記アクチュエータの回転軸に取付けられている、請求項８に記載のフォースフィードバック付き３次元空間座標入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元空間における座標を入力するための３次元空間座標入力装置及び触覚又は力覚を操作者に瞬時的に知覚させる機能としてフォースフィードバックを有する３次元空間座標入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の座標入力においては２次元が主であり、一般的な２次元座標入力装置としては、マウス、トラックボール、ジョイスティックのような現在位置からの相対座標を読み取る座標入力装置と、タブレットやディジタイザのような絶対座標を読み取る座標入力装置とがある。３次元座標の入力の際には、これらの装置を使用して疑似的に座標入力を行ってきた。
【０００３】
しかしながら、近年のコンピュータ技術の発達によりコンピュータ又はＣＡＤ等の分野において、又はバーチャルリアリティの分野において、３次元の視覚データを取り扱う機会が増加してきた。これに伴い、このような３次元データを取り扱う際に３次元座標を入力する要求が増加してきている。３次元の座標入力装置としては、３次元ディジタイザ、３次元マウス等が既に知られている。３次元マウスの機構には、アームを持った機械を使用し、リンク部の変位で座標を読み取る方式、超音波を利用する方式、発振コイルと計測コイルを用いて磁界の磁束の変化を測定する磁気センサ方式などがある。
【０００４】
バーチャルリアリティの分野等においては、触覚又は力覚を操作者に瞬時的に知覚させる機能としてフォースフィードバックを有する座標入力装置が所望されるが、その際には、リンクを使用した方式が有利となる。ここで、用語「フォースフィードバック」は触覚又は力覚を操作者に瞬時的に知覚させる機能を意味する。このようなフォースフィードバック付き座標入力装置としては、２次元では、２自由度を有するパラレル機構であるパントグラフ機構を用いた、２次元用フォースフィードバック付き空間座標入力装置が知られており、３次元では、パラレル機構とシリアル機構を複合した機構を用いた６自由度を有し且つ６自由度を与える６つの軸の内の３つの軸にフォースフィードバック機能が付加された空間座標入力装置が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
３次元座標入力において、手持ちの操作部を使用して座標入力をする際には、マウスなどのような２次元座標入力装置と異なり、操作部を下方から支持する平面がないことから３次元特有の問題が発生する。これは、操作部の操作に関して、摩擦及び反動が大きいことはユーザが長時間操作したときの疲労感を２次元座標入力の際に比べて増大させることである。フォースフィードバックをする必要があるバーチャルリアリティの分野においては、摩擦及び反動は、ユーザの疲労の問題を引き起こすのみならず、現実感を損なわせるため、特に問題となる。反動は操作部の慣性により引き起こされることから、操作部の軽量化が所望される。
【０００６】
フォースフィードバック付きの座標入力装置として公知である上記の装置については、前出のパントグラフ機構を用いたフォースフィードバック付き２次元用座標入力装置では３次元においてはフォースフィードバック自由度が一つ不足しており、前出の３次元用座標入力装置では、フォースフィードバック機能の付加された２自由度を与える軸に関するセンサ及びアクチュエータが操作部に配置されなくてはならないため、操作部の質量が重くなり、その分慣性力、すなわち反動が大きくなる。
【０００７】
さらに他の問題としては、フォースフィードバック付き３次元座標入力装置が一般に高価であることがある。
本発明の目的は、３次元空間における座標入力を容易にし、且つ、手に反力を知覚させることができる、卓上形の、安価な、フォースフィードバック付き３次元空間座標入力装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、支持部と、支持部に支持されているユーザの操作を位置情報信号に変換するための操作部とからなり、操作部は、３つのリンクセットと、３つのリンクセットに回転可能に支持されている運動プラットフォームと、運動プラットフォームに着脱自在に取付けられる操作機器とを備え、各リンクセットは、第一リンク部材と、第二リンク部材と、第一リンク部材と第二第リンク部材とを回転可能に結合する第一ジョイントと、第二リンク部材と運動プラットフォームとを回転可能に結合する第二ジョイントと、第一リンク部材の回転角度情報を検出するための位置センサとを備え、３つのリンクセットが各第一リンク部材においてそれぞれ支持部に一つの回転軸を有するように回転可能に接続され、運動プラットフォームが第一ジョイント及び第二ジョイントにより並進運動をするように適合されている３次元空間座標入力装置を提供する。
【０００９】
このようなリンクセットと運動プラットフォームとの配置は「パラレル機構」と呼ばれ、このパラレル機構を採用することにより、運動プラットフォームの位置は３つの第一リンク部材の回転角度によって決定されるので、位置センサによって測定される３つの回転角度によって運動プラットフォームの位置が確定されることが可能となる。
【００１０】
さらに、本発明は、ユーザ及び操作部にフォースフィードバックを付加する駆動部と、操作部から伝達される位置信号を処理して駆動部を制御するための制御部とをさらに備え、駆動部が第一リンク部材と支持部との回転軸に対してそれぞれ設けられているフォースフィードバック付き３次元空間座標入力装置を提供する。
【００１１】
さらに、本発明は、この駆動部が、支持部と第一リンク部材との回転軸に取付けられ且つ第一リンク部材と連動するように取付けられているプーリと、制御部からの制御信号に応じて力を発生させ且つプーリを回転させるための回転アクチュエータと、回転アクチュエータとプーリとの間で回転及び力を相互に伝達するためのワイヤとを備える３次元空間座標入力装置を提供する。
【００１２】
上記のような本発明によれば、位置を検出するための位置センサ及び選択的にはリンク部材を駆動させる手段とを操作部ではなく、支持部に配設することができるため、操作部の質量が軽減され、制御性を向上させ、ユーザが長時間操作を行うときに発生する疲労を軽減させる。さらに、上述のプーリとワイヤを使用した伝動機構を採用することにより、位置センサの精度を向上させることができ、且つ、操作部に伝動する力の精度を高めることができ、安価な３次元空間座標入力装置を実現することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例に関して図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明によるフォースフィードバックを有しない３次元空間座標入力装置１０の斜視図を示す。フォースフィードバックを有しない３次元空間座標入力装置１０は、支持部１２と、支持部１２に支持されるユーザの操作を位置信号に変換するための操作部１４とからなる。
【００１４】
図１においては、支持部１２は、支持台１６と、支持台１６から垂直に延びる支持棒１８と、支持棒１８に例えば固定ねじ２２によって移動可能に取付けられている取付けブラケット２０と、取付けブラケット２０によって支持棒１８に取り付けられている固定プラットフォーム２４とを備えている。しかしながら、固定プラットフォーム２４が取付けブラケット２０によって他の装置又は任意の所望の場所に直接取付けられてもよい。
【００１５】
操作部１４は、３つのリンクセット２６と、３つのリンクセット２６に回転可能に支持された運動プラットフォーム３８と、運動プラットフォーム３８に着脱自在に取付けられる操作機器４０とを備える。各リンクセット２６は、第一リンク部材２８と、第二リンク部材３０と、第一リンク部材２８と第二第リンク部材３０とを回転可能に結合する第一ジョイント３２と、第二リンク部材３０と運動プラットフォーム３６とを回転可能に結合する第二ジョイント３４と、第一リンク部材２８の回転角度情報を検出するための位置センサ３６とを備える。さらに、３つのリンクセットが各第一リンク部材２８においてそれぞれ固定プラットフォーム２４に一つの回転軸４２を有するように回転可能に接続され、運動プラットフォーム３６が第一ジョイント３２及び第二ジョイント３４により並進運動をするように適合されている。
【００１６】
好適には、各リンクセット２６の第一リンク部材２８同士の長さは等しく、第二リンク部材３０同士の長さもまた等しい。さらに、好適には、各リンクセット２６が固定プラットフォーム２４周りに１２０度毎に配置され、各第一リンク部材２８と固定プラットフォーム２４との回転軸４２は互いに６０度の角度をなす。このようにリンクセットの構成及び配置を対称的にすることにより、位置センサからの位置情報信号の処理時の負担が軽減される。
【００１７】
図１の実施例においては、第二リンク部材３０は平行に配置されている２つのロッドから構成されている。第一ジョイント３２及び第二ジョイント３４が固定プラットフォーム２４と第一リンク部材２８との回転軸４２と平行な回転軸４４、４６を有し、これら２つの回転軸４４、４６を形成する部材のそれぞれ両端に、第二リンク部材３０の２つのロッドがこれらの２つの回転軸４４，４６と前記第二リンク部材との長手方向軸との両方に垂直な回転軸４８、５０を有するように接続され、それによって、前記運動プラットフォーム３８が並進運動をするようにされている。
【００１８】
位置センサ３６として、好適には光学式エンコーダを使用するが、電気的エンコーダや磁気センサのような他の形式の位置センサが使用されてもよい。
３つのリンクセット２６、詳細にはその第一リンク部材２８が、固定プラットフォーム２４周りに１２０度毎に配置され且つそれぞれ固定プラットフォーム２４に回転可能に接続されており、図１に示されるように各第一リンク部材２８の回転軸４２が互いに６０度の角度を成すように配置されている。第一リンク部材２８の角度情報を検出するために、位置センサ３６がこの回転軸４２に取付けられる。第二リンク部材３０が、第一ジョイント３２によって第一リンク部材２８と回転可能に結合され、第二ジョイント３４によって運動プラットフォーム３８と回転可能に結合される。好適には、３つの第二リンク部材３０は運動プラットフォーム３８の周りに１２０度毎に配置される。このように各リンクセット２６を配置することにより、運動プラットフォーム３８は空間において３自由度を有するようになることが分かっている。このようなリンクセット２６と運動プラットフォーム３８との配置は「パラレル機構」と呼ばれ、この機構を採用することにより、運動プラットフォーム３８の位置は３つの第一リンク部材２８の３つの回転角度によって決定される、すなわち運動プラットフォームは空間における位置に関して３自由度を有するようになり、運動プラットフォーム３８の位置を３つの回転角度で表現できるようになる。したがって、位置センサ３６を固定プラットフォーム２４と第一リンク部材２８との回転軸４２に取付けることにより、操作部１４に位置センサ３６の質量が付加されないようにして、操作部１４を軽量化し、操作部１４の慣性力を低減させることができる。
【００１９】
操作者と接続するため且つ操作性を向上させるために、操作機器が運動プラットフォーム３８に備えられる。図１に示される実施例においては、操作機器４０は、固定板５２と、固定板５２から延びる柄５４と、柄５４の他方の端部に接続されているグリップ５６とを備えている。この操作機器４０が運動プラットフォーム３８に着脱自在に取付けられており、必要に応じて他の形態の操作機器と交換することが可能である。操作機器４０が運動プラットフォーム３８と一体的に形成されてもよい。グリップ５６にはボタン又はダイヤルのような少なくとも１つの操作信号入力手段５８が設けられてもよい。操作信号入力手段５８が設けられる場合には、運動プラットフォーム３８と操作機器４０とが電気的に接続され、さらに運動プラットフォーム３８からリンクセット２６及び固定プラットフォーム２４を介して外部に操作信号を伝達できるように電気通信手段が配設される。
【００２０】
図２は操作機器の第二実施例の斜視図である。本実施例においては、操作機器６０は、固定板６２と、固定板６２から下方に延び且つ直角に曲がった柄６４と、柄６４の他方の端部に接続されているグリップ６６とを備えている。この操作機器６０は、グリップ６６を物体に接触させて使用する場合に、固定板６２が物体に接触して操作を妨げることを防止する。図１に示される操作機器４０の実施例に関して前述されたように、グリップ６６に操作信号入力手段６８が設けられてもよい。この場合には、操作部１４及び固定プラットフォーム２４に上述されたような外部に操作信号を伝達できるようにする電気通信手段が配設される。
【００２１】
図３は操作機器の第三実施例の斜視図である。本実施例においては、操作機器７０は、固定板７２と、固定板７２からある立体角を成して延びるペン型グリップ７４とを備える。図１に示される操作機器４０の実施例に関して前述されたように、グリップ７４に操作信号入力手段７６が設けられてもよい。この場合には、操作部１４及び固定プラットフォーム２４に上述されたような外部に操作信号を伝達できるようにする電気通信手段が配設される。
【００２２】
図４は、図１に示される３次元空間座標入力装置１０と同じ構造を備えるが、さらにフォースフィードバック機能を付加するための装置を備えている、フォースフィードバック付き３次元空間座標入力装置１００を示している。図４においては、図１と同様の要素に対しては同じ参照番号が使用されている。フォースフィードバック付き３次元空間座標入力装置１００は、支持部１０２と、支持部１０２に支持されているユーザの操作を位置信号に変換するための操作部１０４と、ユーザ及び操作部１０４にフォースフィードバックを付加する駆動部１０６と、操作部１０４から伝達される位置信号を処理して駆動を制御する制御部１０８とを備える。支持部１０２及び操作部１０４は図１に関して説明された支持部１２及び操作部１４と同様に構成される。駆動部１０６が第一リンク部材２８と固定プラットフォーム２４との回転軸４２に対してそれぞれ設けられる。
【００２３】
制御部１０８は支持台１６と一体化されてもよい。
リンクセット２６、詳細には第一リンク部材２８を駆動するための伝動方式として、本実施例においては、図５に示されるように、回転アクチュエータの回転をワイヤを介してプーリに伝えるプーリ／ワイヤ伝動方式を採用している。駆動部１０６は、固定プラットフォーム２４と第一リンク部材２８との回転軸４２に取付けられ且つ第一リンク部材２８と連動するプーリ１１０と、制御部１０８からの制御信号に応じて力を発生させ且つプーリ１１０を回転させるための回転アクチュエータ１１２と、アクチュエータ１１２とプーリ１１０との間で回転及び力を相互に伝達するためのワイヤ１１４と、回転アクチュエータの回転シャフト１１６とを備える。駆動部１０６は回転シャフトに取付けられている小型プーリ１１１をさらに備えてもよい。
【００２４】
パラレル機構を採用することにより、前述されたように、駆動部１０６、特にアクチュエータ１１２が固定プラットフォーム２４に支持され、アクチュエータ１１２の質量が操作部１０４に付加されないようにすることが可能となり、操作部１０４が軽量化され、操作部１０４の慣性力が低減され、ユーザが長時間操作を行う際の疲労が軽減される。
【００２５】
各第一リンク部材２８に対して一つのプーリ１１０が取付けられる。プーリ１１０は図４及び図５に示されるように半円形であってもよく、また第一リンク部材２８の可動範囲に応じた中心角を有する扇形状であってもよい。また軽量化のために扇形状の側面部に開口を設けてもよい。
各リンク及びプーリ１１０の組立体１つに対して１つのアクチュエータ１１２が取付けられ、これら３つのアクチュエータ１１２が制御部１０８により独立して制御される。回転アクチュエータ１１２は好適には回転モータであり、さらに好適にはＤＣサーボモータである。回転アクチュエータの回転シャフト１１６又は（回転シャフト１１６に小型プーリ１１１が取付けられているなら）小型プーリ１１１がプーリ１１０の外周に隣接して且つ回転シャフト１１６の回転軸とプーリ１１０の回転軸が平行になるように配置される。
【００２６】
ワイヤ１１４は、図４及び図５に示されるように、その両端部がプーリ１１０に固定されて、プーリ１１０の外周に沿って延在し、その中間では回転シャフト１１６又は小型プーリ１１１に巻き付けられている。ワイヤ１１４はある程度の張力がかかるようにプーリ１１０に取付けられる。ワイヤ１１０には好適にはケブラー（商標）繊維のような高強度高弾性を有するアラミド繊維が使用される。
【００２７】
図４に示されるように、フォースフィードバック付き３次元座標入力装置１００においては、各位置センサ３６、例えば光学式エンコーダの回転子を、固定プラットフォーム２４と第一リンク部材２８との回転軸４２にではなく、各アクチュエータ１１２の回転シャフト１１６に装着してもよい。こうすることで、例えば光学式エンコーダである位置センサ３６の分解能が向上されて位置情報信号の精度が向上され、さらに操作部１０４の回転摩擦力が低減される。
【００２８】
駆動部１０６にワイヤ／プーリ伝動方式を採用することにより、高い伝動効率、少ないバックラッシュ、低摩擦の伝動機構が達成される。さらに、ワイヤ／プーリ伝動機構により、モータ発生トルクを増幅させ、例えば光学式エンコーダである位置センサの分解能を向上させることができる。しかしながら、駆動部１０６に歯車方式を採用することも可能である。
【００２９】
図４のようなフォースフィードバック付きの３次元入力装置１００により、３次元空間において、特にユーザが意識することなく、制限された作業範囲内で作業をすること、例えば、３次元空間内のある平面においてのみ作業することができるようにすることも可能となる。
図６は、本発明の３次元入力装置の別な実施例の斜視図である。本実施例の３次元空間座標入力装置１２０においては、図４に示されるような本発明の２つの３次元空間入力装置が対向して設けられており、各３次元空間座標入力装置は、支持部１２２と、支持部１２２に支持されているユーザの操作を位置信号に変換するための操作部１２４と、ユーザ及び操作部１２４にフォースフィードバックを付加する駆動部１２６と、操作部か１２４ら伝達される位置信号を処理して駆動を制御する制御部とを備える。操作機器は、図１〜図３に示される操作機器と類似であるが、グリップが概略円筒形状を有する指ホルダ１３０に置換されている。本装置は、手の２本の指、例えば親指と人差し指とで物を挟むといった動作を入力する際に、有効となる。
【００３０】
図７は  図４に示される本発明の３次元空間座標入力装置を使用したシステム構成の実施例を説明する図である。制御部１０８は、本発明の３次元空間座標入力装置１００の３つの位置センサ３６から運動プラットフォーム３８の位置を検出するための位置情報信号を受け取り、この位置情報信号を処理して、外部に接続されているホストコンピュータ１３２にその信号を伝達する。ホストコンピュータ１３２はこの信号から、運動プラットフォームの位置と必要であればその位置における反力を計算する。ホストコンピュータ１３２からの信号により、運動プラットフォーム３８の位置が画像表示部１３４に表示される。フォースフィードバックなしの場合には、以上が全体の流れとなる。フォースフィードバック付きの場合には、さらに、反力を指示する命令信号がホストコンピュータ１３２から制御部１０８に伝達され、制御部１０８が本発明の３次元座標入力装置の３つの回転アクチュエータ１１２を独立して駆動させ、運動プラットフォーム３８に反力を発生させる。
【００３１】
【発明の効果】
パラレル機構を使用することで、センサ及びアクチュエータといった付加的な部材を操作部ではなく、固定されている固定プラットフォームに設けることが可能となり、操作部の質量を軽減させ、制御性を向上させ、ユーザが操作する際の疲労を低減させる。
【００３２】
駆動機構として、プーリ／ワイヤ伝動方式を採用することで、位置情報信号の精度を向上させることが可能となる。
フォースフィードバック付きであれば、空間内で作業領域にある制限を付けて作業させることが可能である。例えば、三次元空間内のある平面でのみ入力作業を行わせることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフォースフィードバックなしの３次元空間座標入力装置の斜視図である。
【図２】図１に示される操作機器の第二実施例の斜視図である。
【図３】図１に示される操作機器の第三実施例の斜視図である。
【図４】図１の装置に類似の、本発明によるフォースフィードバック付き３次元空間座標入力装置の斜視図である。
【図５】本発明で使用されるプーリ／ワイヤ伝動機構を説明する図である。
【図６】図４に示される本発明のフォースフィードバック付き３次元空間座標入力装置の別な実施形態の斜視図である。
【図７】図４に示される本発明の３次元空間座標入力装置を使用したシステム構成の実施例を説明する図である。
【符号の説明】
１０…３次元空間座標入力装置
１２…支持部
１４…操作部
２６…リンクセット
２８…第一リンク部材
３０…第二リンク部材
３２…第一ジョイント
３４…第二ジョイント
３６…位置センサ
３８…運動プラットフォーム
４０…操作機器
４２…回転軸
１００…フィードバック付き３次元空間座標入力装置
１０２…支持部
１０４…操作部
１０６…駆動部
１０８…制御部
【図１】
0004155637.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004155637.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004155637.tif 000006
【図６】
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【図７】
0004155637.tif 000008