JP2000246680A - ３次元入力用マニピュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置の軽量化、操作性の向上を課題とする。 【解決手段】 入力用の操作グリップ１１と、この操作
グリップを複数自由度で同時に支持する第一及び第二の
操作入力手段２，２Ａと、操作グリップ１１の状態変化
量検出用のグリップ変位量検出手段５と、複数自由度で
各操作入力手段を保持し搬送する移動付勢機構４と、そ
の状態変化量を検出する保持位置変位量検出手段と、動
作制御を行う制御手段３とを備え、操作グリップ１１を
棒状にし、その一端部を握り部１１１とし、他端部を各
操作入力手段２，２Ａの先端部と連結し、制御手段３
が、操作グリップ１１の入力位置座標データ及び姿勢デ
ータを算出する入力座標算出部と、入力位置座標データ
に基づいて第一及び第二の操作入力手段２，２Ａの搬送
先を決定する保持位置算出部と、各操作入力手段２，２
Ａの搬送を行う移動付勢機構の動作制御を行う作業空間
拡張部とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータ等の
上位装置に情報入力或いは、このような上位装置を用い
たシミュレーション等に使用する場合に好適な３次元入
力用マニピュレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の３次元入力用マニピュレータ１１
００を模式的に図１４に示す。かかる３次元入力用マニ
ピュレータ１１００は、例えば、ディスプレイに表示さ
れた仮想空間内において、仮想の人間の手の先端を示す
仮想ポインタを３次元方向に移動させる場合に、この仮
想ポインタの位置情報を入力するのに使用される。

【０００３】この３次元入力用マニピュレータ１１００
は、一定範囲の作業空間内の任意の位置に手動により移
動させて入力を行う単一の棒状の操作グリップ１１１０
と、この操作グリップ１１１０の一端部を、６自由度の
状態変化を自在とした状態で支持する第一の操作入力手
段１１２０と、操作グリップ１１１０の他端部を、６自
由度の状態変化を自在とした状態で支持する第二の操作
入力手段１１３０と、操作グリップ１１１０の位置及び
向きの変化を検出するグリップ変位量検出手段（図示
略）とを備えている。

【０００４】各操作入力手段１１２０，１１３０はいず
れも、複数のリンク部材とこれらを回転自在に連結する
六つの関節とを有し、かかる構成により、操作グリップ
１１１０の６自由度の状態変化（操作グリップ１１１０
の位置変化及び姿勢変化）を自在としている。

【０００５】操作グリップ１１１０の状態変化は、当該
操作グリップ１１１０を移動させ又はその向きを変化さ
せることにより生じる各関節ごとの回転角度の変化をグ
リップ変位量検出手段により検出し、これらを総合的に
演算することにより、算出される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、少なくともいずれか一方の操作入力手段の可
動範囲を大きくしなければ成らず、このため、操作グリ
ップの可動範囲に比べて装置全体が大型化するという不
都合があった。これは、この従来の３次元入力用マニピ
ュレータが、上述の如く、棒状の操作グリップの両端部
をそれぞれ二つの操作入力手段が個別に支持しているこ
とに起因する。

【０００７】即ち、通常、棒状の操作グリップに対して
操作を行う場合には、そのオペレータは、当該操作グリ
ップの中間部分を手に持ち、一方の端部を目標位置に向
けて移動させる、或いは操作グリップの傾斜角度を変化
させる等の操作が行われる。操作グリップの姿勢変化
（傾斜角度の変化）の入力が行われると、操作グリップ
には一方の端部を中心として、或いは手にしている部分
を中心として、操作グリップの他方又は双方の端部に位
置変化が生じる。

【０００８】このとき、操作グリップの一端部に対して
他端部は相対的に、少なくとも操作グリップ以上の長さ
を半径とする球面に沿った運動を行うため、操作入力手
段の先端部がかかる運動に対応可能な可動範囲を有して
いなければならず、結果として操作入力手段の大型化を
生じることとなる。

【０００９】また、上述の理由により、操作グリップの
可動範囲の拡大のためには、各リンク部材を過大に設計
しなければならず、これにより各リンク部材の質量が大
きくなることが不可避であった。そして、かかる構成で
操作グリップに大きく移動操作を加えると、各操作入力
手段自体の重量により大きな慣性力が作用し、かかる慣
性力の影響で、操作性が低下し、微細な位置決め等を行
う場合にズレが生じ易く、また、オペレータに対しても
操作による負担が生じ易いという不都合があった。

【００１０】

【発明の目的】本発明の目的は、かかる従来例の有する
不都合を改善し、特に、操作入力手段の小型化を図り、
操作グリップの動作範囲が大きく，且つその入力動作が
大きい場合でも慣性力の発生を有効に抑制する３次元入
力用マニピュレータを提供することを、その目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、上位装置に接続され，３次元上の位置座標入力を行
う３次元入力用マニピュレータにおいて、一定範囲の作
業空間内の任意の位置に移動させて入力を行う単一の操
作グリップと、この操作グリップを、複数自由度の状態
変化を自在とした状態で同時に支持する第一及び第二の
操作入力手段と、操作グリップに生じる状態変化量を各
操作入力手段から検出するグリップ変位量検出手段と、
複数自由度の状態変化を自在とした状態で各操作入力手
段を一体的に保持すると共に，当該各操作入力手段を３
次元空間内にて自在に搬送する移動付勢機構と、各操作
入力手段の保持位置に生じる状態変化量を移動付勢機構
から検出する保持位置変位量検出手段と、各部の動作制
御を行う制御手段とを備えている。

【００１２】そして、操作グリップの形状を棒状に設定
すると共に、当該操作グリップの一端部側を外力を加え
るための握り部とし、操作グリップの他端部近傍であっ
て当該他端部からの距離が異なる二つの位置で、第一の
操作入力手段と第二の操作入力手段とがそれぞれ操作グ
リップの支持を行っている。

【００１３】さらに、制御手段が、グリップ変位量検出
手段及び保持位置変位量検出手段の出力に基づいて操作
グリップの入力位置座標データ及び姿勢データを算出す
る入力座標算出部と、この操作グリップの入力位置座標
データに基づいて第一及び第二の操作入力手段の搬送先
を決定する保持位置算出部と、これにより決定された搬
送先に各操作入力手段を搬送させる移動付勢機構の動作
制御を行う作業空間拡張部とを備えるという構成を採っ
ている。

【００１４】上記の構成では、オペレータが操作グリッ
プを手にして当該操作グリップを任意の複数自由度方向
に移動させる。このとき、操作グリップは各操作入力手
段の自由度に応じた状態変化が可能である。

【００１５】また、操作グリップは、握り部を構成する
範囲を除く、他端部近傍の範囲内で上記いずれの操作入
力手段も当該操作グリップを支持しているため、操作グ
リップの移動又は姿勢変化の操作を行う際に、第一の操
作入力手段と第二の操作入力手段それぞれのグリップ支
持側の端部の相対的な運動は、それぞれのグリップ支持
位置の離間距離を半径とする球面の範囲で行われる。

【００１６】そして、操作グリップによる入力操作に伴
い、各操作入力手段の保持位置における状態変位量が保
持位置変位量検出手段により検出されると共に、かかる
保持位置からの操作グリップの状態変位量がグリップ変
位量検出手段により検出される。

【００１７】これらの検出信号に基づいて、入力座標算
出部において、操作グリップの入力位置座標データ及び
姿勢データが算出される。そして、グリップ位置保持部
では、算出された位置座標データが予めきめられた範囲
を越える場合に、操作グリップの移動に追従させる搬送
先を決定し、さらに、作業空間拡張部により、かかる搬
送先に各操作入力手段が移動するように、移動付勢機構
を作動させる。

【００１８】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
発明と同様の構成を備えると共に、操作グリップの位置
に変位を生じさせる駆動力発生手段を各操作入力手段に
装備し、制御手段が、移動付勢機構の作動の際に、当該
作動直前の位置に操作グリップを維持する動作制御を駆
動力発生手段に対して行うグリップ位置保持部を備える
という構成を採っている。

【００１９】かかる構成にあっては、請求項１記載の構
成の動作において、移動付勢機構により各操作入力手段
が搬送されると同時に、かかる搬送により操作グリップ
の絶対的な位置が変化しないように、移動付勢機構によ
る搬送方向と逆の方向に同変位で移動付勢機構に対する
相対的な変位を駆動力発生手段に生じさせる。

【００２０】請求項３記載の発明では、請求項１又は２
記載の発明と同様の構成を備えると共に、制御手段に、
入力位置座標データに対応する反力データの入力を上位
装置から受けて，この反力データに基づく駆動指令信号
を駆動力発生手段に出力する反力発生制御部を設けると
いう構成を採っている。

【００２１】上記の構成では、オペレータにより移動さ
れる操作グリップの現在位置が、入力座標算出部によ
り、３次元上の入力位置座標データとして上位装置に出
力される。これを受けて上位装置では、入力位置座標デ
ータに対応する反力データを算出すると共に，３次元入
力用マニピュレータ側に出力する。反力発生制御部は、
この反力データを受けてこれに対応する反力（例えば、
オペレータにより操作グリップに加えられた移動力と異
なる方向に向けられた力）が発生するように駆動力発生
手段を駆動させる。これにより、オペレータには、操作
グリップの操作に対する反動或いは抵抗力が生じたよう
な感触が伝達される。

【００２２】さらに、上記各構成にあっては、第一の操
作入力手段，第二の操作入力手段及び移動付勢機構のい
ずれについても、少なくとも４自由度以上の状態変化が
自在であることが望ましい。

【００２３】特に、第一の操作入力手段については、６
自由度以上の状態変化を自在とした状態で操作グリップ
を支持することが望ましい（請求項４記載の構成）。同
様にして、第二の操作入力手段が、６自由度以上の状態
変化を自在とした状態で前記操作グリップを支持するこ
とが望ましい（請求項５記載の構成）。さらにこれに伴
い、移動付勢機構が、６自由度以上の状態変化を自在と
した状態で各操作入力手段を支持することが望ましい
（請求項６記載の構成）。

【００２４】これにより、操作グリップの空間上の移動
が自在となり、同時にその姿勢変化も自在となる。

【００２５】本発明は、上記各構成により、前述した不
都合を改善しようとするものである。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図１乃至図
１３に基づいて説明する。この実施形態は、３次元上の
座標入力を行う３次元入力用マニピュレータ１０を、３
次元入力システム１０００に装備した場合を示してい
る。

【００２７】この３次元入力システム１０００は、図１
に示すように、３次元入力用マニピュレータ１０と、こ
の３次元入力用マニピュレータ１０の上位装置である演
算処理装置としてのグラフィックワークステーション１
０１０と、このグラフィックワークステーション１０１
０の出力データに基づく映像を表示するディスプレイ１
００１とから主に構成される。

【００２８】上記３次元入力用マニピュレータ１０は、
図１及び図２に示すように、一定範囲の作業空間内の任
意の位置に移動させて入力を行う単一の操作グリップ１
１と、この操作グリップ１１を、６自由度の状態変化を
自在とした状態で同時に支持する第一及び第二の操作入
力手段２，２Ａ（図１では自由度を確保する関節を実際
より少なく示している）と、操作グリップ１１に生じる
状態変化量を各操作入力手段２，２Ａから検出するグリ
ップ変位量検出手段５（図１３では図示略）と、グラフ
ィックワークステーション１０１０からの出力に応じた
大きさの駆動力を操作グリップ１１の操作時における仮
想の反力として当該操作グリップ１１に付勢する駆動力
発生手段６（後述する駆動力発生手段６１，６１，６
２，６２，６３，６３を総じて符号６で示す）と、７自
由度の状態変化を自在とした状態で各操作入力手段２，
２Ａを一体的に保持すると共に，当該各操作入力手段
２，２Ａを３次元空間内にて自在に搬送する移動付勢機
構４と、各操作入力手段２，２Ａの保持位置に生じる状
態変化量を移動付勢機構４から検出する保持位置変位量
検出手段（図示略）と、各部の動作制御を行う制御手段
３とを備えている。

【００２９】以下各部を説明する。符号１２３は、上記
各操作入力手段２，２Ａが装備される平板状の支持板で
ある。かかる支持板１２３は、移動付勢機構４の支持先
端部に固定装備されており、移動付勢機構４では、かか
る支持板１２３を介して各操作入力手段２，２Ａを支持
している。

【００３０】次に、第一の操作入力手段２及び第二の操
作入力手段２Ａについて説明する。ここで、第一の操作
入力手段２と第二の操作入力手段２Ａとは、図２に示す
ように、支持板１２３上における配置が異なる点を除い
て、ほぼ同一の部材から形成されているため、このよう
な同一の部材については同符号を付して重複する説明は
省略するものとする。

【００３１】各操作入力手段２，２Ａは、操作グリップ
１１を３次元空間上の任意の位置に移動自在に支持する
入力位置支持機構２１，２１と、かかる任意の位置で操
作グリップ１１の向きを可変自在として当該操作グリッ
プ１１を支持する状態可変支持機構２２，２２Ａとを有
している。これらの入力位置支持機構２１と状態可変支
持機構２２，２２Ａとは、いずれも３自由度の状態変化
が自在となっている。

【００３２】さらに、入力位置支持機構２１と状態可変
支持機構２２，２２Ａとは、各自由度に個別に対応する
三つの関節をそれぞれ有しており、これにより３自由度
の状態変化を自在としている。第一の操作入力手段２及
び第二の操作入力手段２Ａの入力位置支持機構２１の合
計六つの関節には、その状態変化量を個別に検出する六
基のセンサとしてのエンコーダ５１，５１，５２，５
２，５３，５３が装備されており、かかる六基のエンコ
ーダ５１，５１，５２，５２，５３，５３と後述するも
う一基のエンコーダ５４が、前述したグリップ変位量検
出手段５を構成している。

【００３３】また、各入力位置支持機構２１の各自由度
に基づいて状態変化する方向について駆動力を生じる駆
動力発生手段６は、当該入力位置支持機構２１の各関節
に対応して合計六基装備されている。

【００３４】第一の操作入力手段２及び第二の操作入力
手段２Ａの上記構成について、図３乃至図５に基づいて
さらに詳説する。

【００３５】図３は、第一の操作入力手段２を図２にお
ける左側方から見た側面図であって、図２における状態
から垂直方向を軸として当該操作入力手段２を約４５度
時計方向に回転させた状態を示している（第二の操作入
力手段２Ａは図示略）。また、図４は、第一の操作入力
手段２を図３における右側方から見た正面図であって、
一部省略すると共に一部を切り欠いている。

【００３６】上述した入力位置支持機構２１は、まず第
一の関節２１１と、この第一の関節２１１を介して支持
板１２３と連結される第一のリンク部材２１２と、第二
の関節２１３と、この第二の関節２１３を介して第一の
リンク部材２１２とと連結される第二のリンク部材２１
４と、第三の関節２１５と、この第三の関節２１５を介
して第二のリンク部材２１４と連結される第三のリンク
部材２１６とを有している。

【００３７】上記第一の関節２１１は、支持板１２３に
対して垂直に貫通して装備された回転軸２１１ａと、こ
の回転軸２１１ａを支持板１２３に対して回転自在に支
持させる軸受け２１１ｂとを有している。

【００３８】さらに、回転軸２１１ａの上端部は、後述
する第一の駆動力発生手段６１が係合しており、下端部
は第一のリンク部材２１２が固定連結されている。従っ
て、第一のリンク部材２１２は、回転軸２１１ａと共
に、支持板１２３に対して垂直となる方向を中心に自在
に回転できるようになっている。なお、第一の操作入力
手段２（第二の操作入力手段２Ａ）は、全体の構成がこ
の回転軸２１１ａのみにより支持板１２３に連結され
る。

【００３９】第一のリンク部材２１２の平面図を図５に
示す。この第一のリンク部材２１２は、その内部に、後
述する第二及び第三の駆動力発生手段６２，６３の駆動
モータ６２１，６３１及び後述するグリップ変位量検出
手段であるエンコーダ５２，５３を保持する略平板状の
筐体である。そして、その下部には第二の関節２１３の
回転軸２１３ａを支持する支持突起２１２ａを有してい
る。

【００４０】第二の関節２１３は、前述の回転軸２１１
と直交する方向沿って支持突起２１２ａに貫通して装備
された回転軸２１３ａと、この回転軸２１３ａを回転自
在に支持させる軸受け２１３ｂとを有している。

【００４１】第二のリンク部材２１４は、長手棒状に形
成され、その一端部が第二の関節２１３の回転軸２１３
ａと固定連結され、また、その他端部は、第三の関節２
１５を介して第三のリンク部材２１６と連結されてい
る。

【００４２】第三の関節２１５は、上述の第二のリンク
部材２１４に対して第二の関節２１３の回転軸２１３ａ
と平行な方向に沿って配設された回転軸２１５ａと、こ
の回転軸２１５ａを第二のリンク部材２１４の他端部に
対して当該回転軸２１５ａの配設方向を中心として回転
自在に支持させる軸受け２１５ｂとを有している。

【００４３】第三のリンク部材２１６は、長手棒状に形
成され、長手方向中間部近傍の位置で、第三の関節２１
５の回転軸２１５ａと固定連結され、また、その一端部
には、状態可変支持機構２２（第二の操作入力手段２Ａ
については状態可変支持機構２２Ａ）が装備されると共
に、当該状態可変支持機構２２（２２Ａ）を介して操作
グリップ１１を支持している。従って、第三のリンク部
材２１６は、両端部が、第二のリンク部材２１４に対し
て、第三の関節２１５の回転軸２１５ａと平行な方向を
中心として回動自在となっている。また、第三のリンク
部材２１６はその一端部に装備された状態可変支持機構
２２（２２Ａ）を、第一〜第三の関節２１１，２１３，
２１５の協動により、支持板１２３に対して、３次元空
間内のいずれの位置にも自在に移動させることができ、
３自由度の状態変化を可能としている。

【００４４】また、第三のリンク部材２１６の他端部
は、後述する第３の駆動力発生手段６３と係合してい
る。

【００４５】かかる構成により、入力位置支持機構２１
では、第二の関節２１３を中心として第二、第三のリン
ク部材２１４，２１６の回動可能範囲内に状態可変支持
機構２２（２２Ａ）を３自由度移動方向について移動さ
せることが可能である。

【００４６】次に、状態可変支持機構２２（２２Ａ）に
ついて説明する。図６は、図３における上方からこの状
態可変支持機構２２（２２Ａ）を見た図である。この状
態可変支持機構２２（２２Ａ）は、第三のリンク部材２
１６の他端部に、その一端部で連結された第四のリンク
部材２２２（２２２Ａ）と、第三のリンク部材２１６と
第四のリンク部材２２２（２２２Ａ）との間に介挿さ
れ、これらの間で相対的な回転動作を自在とする第四の
関節２２１と、第四のリンク部材２２２（２２２Ａ）の
他端部に、その一端部で連結され他端部で操作グリップ
１１を保持する第五のリンク部材２２４（２２４Ａ）
と、第四のリンク部材２２２（２２２Ａ）と第五のリン
ク部材２２４（２２４Ａ）との間に介挿され、これらの
間で相対的な回転動作を自在とする第五の関節２２３
と、第五のリンク部材２２４（２２４Ａ）と操作グリッ
プ１１の間に介挿された第六の関節２２５を含んだ構成
となっている。

【００４７】まず、第四の関節２２１は、第三のリンク
部材２１６の他端部から当該第三のリンク部材２１６の
長手方向に沿って突設された支軸２２１ａと、この支軸
２２１ａを中心に回転自在の軸受け２２１ｂとを有して
いる。

【００４８】第四のリンク部材２２２（２２２Ａ）は、
その一端部で上記軸受け２２１ｂを保持し、これにより
第三のリンク部材２１６に対して当該第三のリンク部材
２１６の長手方向を中心とする回転運動を自在としてい
る。さらに、第四のリンク部材２２２（２２２Ａ）の他
端部は、第五の関節２２３を介して第五のリンク部材２
２４（２２４Ａ）と連結されている。

【００４９】なお、状態可変支持機構２２Ａの第四のリ
ンク部材２２２Ａは、状態可変支持機構２２の第四のリ
ンク部材２２２よりも、一端部から他端部までの長さが
長く設定されている。

【００５０】第五の関節２２３は、第五のリンク部材２
２４（２２４Ａ）の一端部に突設された支軸２２３ａ
と、この支軸２２３ａを中心に回転自在の軸受け２２３
ｂとを有している。この第五の関節２２３の支軸２２３
ａと、前述した第四の関節２２１の支軸２２１ａとは、
第四のリンク部材２２２（２２２Ａ）により、双方の支
軸２２１ａ，２２３ａが、その延長線上で互いに直交す
るように保持されている。

【００５１】第五のリンク部材２２４（２２４Ａ）は、
その他端部において、第六の関節２２５である軸受けを
介して回転自在に操作グリップ１１を保持している。か
かる操作グリップ１１は棒状であり、第六の関節２２５
は、当該操作グリップ１１の長手方向を中心として第五
のリンク部材２２４（２２４Ａ）に対して回転を自在と
させている。この操作グリップ１１の回転動作の中心線
は、第四の関節２２１及び第五の関節２２３の双方の回
転中心線と直交するように設定されている。

【００５２】また、第六の関節２２５による操作グリッ
プ１１の回転中心線は、第四の関節２２１と第五の関節
２２３の相互の回転中心線が直交する点を通過するよう
に、当該操作グリップ１１が第五のリンク部材２２４
（２２４Ａ）に保持されている。このため、操作グリッ
プ１１は、入力位置支持機構２１に対して、第四の関節
２２１と第五の関節２２３の相互の回転中心線が直交す
る点を中心として、あらゆる方向に自在に傾動し、且
つ、当該操作グリップ１１の長手方向を中心として自在
に回転させることができ、３自由度の状態変化を自在と
している。

【００５３】なお、状態可変支持機構２の第五のリンク
部材２２４は、図３に示すように、その下部で、グリッ
プ変位量検出手段５の一つであるエンコーダ５４を保持
している。かかるエンコーダ５４は、第五のリンク部材
２２４に対して第六の関節２２５によって回転する操作
グリップ１１の回転角度を検出する。

【００５４】ここで、図３に示すように、第一の操作入
力手段２は、第五のリンク部材２２４により、操作グリ
ップ１１のほぼ下端部において当該操作グリップ１１を
支持している。また、第二の操作入力手段２Ａは、第五
のリンク部材２２４Ａにより、操作グリップ１１の下端
部近傍であって第五のリンク部材２２４より幾分上部に
おいて当該操作グリップ１１を支持している。

【００５５】一方、操作グリップ１１は、上端部から、
その全体の長さの半分以上（およそ全体の七割）を、オ
ペレータが手で保持するための握り部１１１としてい
る。そして、各々の第五のリンク部材２２４，２２４Ａ
の保持位置は、いずれも握り部１１１よりも下端部寄り
に設定されている。

【００５６】なお、符号１１２は、押圧式のスイッチで
あり、これにより、予め設定された指示入力を行う。

【００５７】次に、各操作入力手段２，２Ａに併設され
た駆動力発生手段６及びグリップ変移量検出手段５につ
いて説明する。

【００５８】各操作入力手段２，２Ａには、各々に第一
の駆動力発生手段６１，第二の駆動力発生手段６２及び
第三の駆動力発生手段６３が装備されており、これらは
同一の構成から成るものであるため、第一の操作入力手
段２についてのみこれらの説明を行う。

【００５９】まず、第一の駆動力発生手段６１は、第一
の関節２１１により支持板１２３に対する回転を自在に
行う第一のリンク部材２１２に、回転トルクを付勢する
ものである。かかる第一の駆動力発生手段６１は、指示
板１２３に固定装備された駆動モータ６１１と、この駆
動モータ６１１の駆動軸に装備された主動プーリ６１２
と、第一の関節２１１の回転軸２１１ａの上端部に固定
装備された従動プーリ６１３と、主動プーリ６１２のト
ルクを従動プーリ６１３に伝達する伝達ベルト６１４と
を備えている。回転軸２１１ａと第一のリンク部材２１
２とは固定連結されているため、駆動モータ６１１から
出力されたトルクは、この回転軸２１１ａを介して当該
第一のリンク部材２１２に付勢される。

【００６０】また、駆動モータ６１１には、グリップ変
位量検出手段５の一つであるエンコーダ５１が併設され
ており、駆動モータ６１１の駆動軸の回転量が検出され
る。即ち、操作グリップ１１の手動操作に伴い生じる第
一のリンク部材２１２の回転量に比例する回転角度変位
が、従動プーリ６１３，伝達ベルト６１４及び主動プー
リ６１２を介して駆動モータ６１１の駆動軸に生じるた
め、このエンコーダ５１がこれを検出することにより、
結果的に支持板１２３に対する第一のリンク部材２１２
の回転変位量を算出することができる。

【００６１】次に、第二の駆動力発生手段６２について
図４及び図７に基づいて説明する。図７は、図４のＸ−
Ｘ線に沿った断面図である。これらに示すように、第二
の駆動力発生手段６２は、第二の関節２１３により第一
のリンク部材２１２に対する回動を自在に行う第二のリ
ンク部材２１４に、回動トルクを付勢するものである。
かかる第二の駆動力発生手段６２は、第一のリンク部材
２１２に固定装備された駆動モータ６２１と、この駆動
モータ６２１の駆動軸に装備された主動プーリ６２２
と、第二の関節２１３の回転軸２１３ａの左端部に固定
装備された従動プーリ６２３と、主動プーリ６２２のト
ルクを従動プーリ６２３に伝達する伝達ベルト６２４と
を備えている。回転軸２１３ａと第二のリンク部材２１
４とは固定連結されているため、駆動モータ６２１から
出力されたトルクは、この回転軸２１３ａを介して当該
第二のリンク部材２１４に付勢される。

【００６２】また、駆動モータ６２１には、グリップ変
位量検出手段５の一つであるエンコーダ５２が併設され
ており、駆動モータ６２１の駆動軸の回転量が検出され
る。即ち、操作グリップ１１の手動操作に伴い生じる第
二のリンク部材２１４の回動量に比例する回動角度変位
が、従動プーリ６２３，伝達ベルト６２４及び主動プー
リ６２２を介して駆動モータ６２１の駆動軸に生じるた
め、このエンコーダ５２がこれを検出することにより、
結果的に第一のリンク部材２１２に対する第二のリンク
部材２１４の回動角度変位量を算出することができる。

【００６３】次に、第三の駆動力発生手段６３につい
て、図３，４，７，８及び９に基づいて説明する。この
第三の駆動力発生手段６３は、第三の関節２１５により
第二のリンク部材２１４に対する回動を自在に行う第三
のリンク部材２１６に、回動トルクを付勢するものであ
る。

【００６４】かかる第三の駆動力発生手段６３は、図４
及び図７に示すように、第一のリンク部材２１２に固定
装備された駆動モータ６３１と、この駆動モータ６３１
の駆動軸に装備された主動プーリ６３２と、第二の関節
２１３の回転軸２１３ａの図４における右端部に回転自
在に装備された従動プーリ６３３と、主動プーリ６３２
のトルクを従動プーリ６３３に伝達する伝達ベルト６３
４と、回転軸２１３ａの中央部に回転自在に装備され従
動プーリ６３３と連動するカム部材６３５と、このカム
部材６３５の回転動作を第３のリンク部材２１６の他端
部（状態可変支持機構２２が装備されていない方の端
部）に伝達する伝達部材６３６とを備えている。

【００６５】カム部材６３５及び伝達部材６３６の一部
を図８に示す。図８（Ａ）は、カム部材６３５を図４に
おける右側から見た図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）
のＹ−Ｙ線に沿った断面図を示す。このカム部材６３５
は、中央に軸受けを介して回転軸２１３ａが挿通される
挿通穴６３５ａを有し、ここから所定距離離間した位置
に回転軸２１３ａと平行な方向を中心に回動自在に伝達
部材６３６の一端部が連結されている。

【００６６】伝達部材６３６の他端部は、第三の関節２
１５の回転軸２１５ａと平行な方向を中心に回動自在に
第三のリンク部材２１６の他端部に連結されている（図
３参照）。カム部材６３５における回転軸２１３ａから
伝達部材６３６の一端部の回動中心までの距離と、第三
のリンク部材２１６における回転軸２１５ａから伝達部
材６３６の他端部の回動中心までの距離とは、等しく設
定されており、また同時に、伝達部材６３６と第二のリ
ンク部材２１４の長さ（正確には、それぞれの部材の両
端部における回動中心軸間距離）は等しく設定されてい
る。

【００６７】このため、カム部材６３５の回転角度と第
二のリンク部材２１４に対する第三のリンク部材２１６
の回動角度を等しく変移させることが可能である。

【００６８】かかる構成により、この第三の駆動力発生
手段６３の駆動モータ６３１の駆動時には、第二の関節
２１３の中心軸２１３ａの回転とは無関係にカム部材６
３５に回転トルクを付勢することができ、伝達部材６３
６を介して第三のリンク部材２１６に、第二のリンク部
材２１４に対する回動トルクを伝達することができる。

【００６９】また、駆動モータ６３１には、グリップ変
位量検出手段５の一つであるエンコーダ５３が併設され
ており、駆動モータ６３１の駆動軸の回転量が検出され
る。例えば、図９に示すように、操作グリップ１１の手
動操作に伴い第三のリンク部材２１６が第二のリンク部
材２１４に対して回動する場合、伝達部材６３６が第三
のリンク部材２１６の回動変移角度と等しい角度でカム
部材６３５の回転動作を付勢し、カム部材６３５の回転
角度に比例する回転角度変位が、従動プーリ６３３，伝
達ベルト６３４及び主動プーリ６３２を介して駆動モー
タ６３１の駆動軸に生じるため、このエンコーダ５３が
これを検出することにより、結果的に第二のリンク部材
２１４に対する第三のリンク部材２１６の回動角度変位
量を算出することができる。

【００７０】一方、移動付勢機構４も、操作入力手段２
と同様にして複数のリンク部材が回転関節を介して連結
され、その連結端部に操作入力手段２が装備されること
により、当該操作入力手段２の複数自由度方向の移動を
実現している。

【００７１】これを詳述すると、移動付勢機構４は、図
１０の如く、水平面上に置かれ，全体を支持する基台４
１と、この基台４１上に垂直方向を軸とする第一の回転
関節４０１及び水平方向を軸とする第二の回動関節４０
２を介して連結されたリンク部材４２と、このリンク部
材４２の先端部に当該リンク４２に沿った方向を軸とす
る第三の回転関節４０３及び当該リンク部材４２と直交
する方向を軸とする第四の回動関節４０４を介して連結
されたリンク部材４３と、このリンク部材４３の先端部
に当該リンク４３に沿った方向を軸とする第五の回転関
節４０５を介して連結されたリンク部材４４と、このリ
ンク部材４４の先端部に装備され当該リンク部材４４と
直交する方向を軸とする第六の回動関節と、リンク部材
４４の先端部に装備され第六の回転関節４０６の回動軸
と直交する方向を軸とする第七の回転関節４０７とを備
えている。

【００７２】さらに、第七の回転関節４０７は、支持板
１２３を介して第一及び第二の操作入力手段２，２Ａを
支持している。ここで、上述の「回転関節」とは、並列
された二つの部材の間において当該二つの部材を連結す
ると共に、それらの二つの部材の並んでいる方向を軸と
して一方の部材に対して他方の部材を回転自在とする関
節（ジョイント）をいい、「回動関節」とは、並列され
た二つの部材の間において当該二つの部材を連結すると
共に、それらの二つの部材の並んでいる方向と直交する
方向を軸として一方の部材に対して他方の部材を回動自
在とする関節（ジョイント）をいうものとする。

【００７３】さらに、それぞれの回転関節又は回動関節
４０１〜４０７には、その回転又は回動角度を検出する
保持位置変位量検出手段としてのエンコーダ（図示略）
と、その回転又は回動を付勢する駆動モータ（図示略）
とが装備されている。

【００７４】かかる構成において、各駆動モータの駆動
により、この移動付勢機構４は、第一及び第二の操作入
力手段２，２Ａを、各リンク部材４２，４３，４４の合
計長さを半径とし，基台４１を中心とする半球体の内部
空間におけるほぼ全域にを搬送し、かかる搬送位置にお
いてあらゆる姿勢で支持する（あらゆる方向に傾動させ
且つ回転させる）ことが可能である。

【００７５】ここで、移動付勢機構４及び操作入力手段
２の各回転関節に装備された各エンコーダは、各リンク
部材間の回転又は回動の角度に比例した回数だけパルス
を発信するものであり、これら各エンコーダにはパルス
を計数し出力する図示しないカウンタが併設されている
ものとする。

【００７６】また、移動付勢機構４及び前述した操作入
力手段２の各回転関節に装備された各駆動モータは、そ
れぞれ、制御手段３からの動作指令信号又は駆動指令信
号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、このＤ／
Ａ変換器からの信号を増幅する電流増幅アンプと、駆動
モータの回転数調整用の減速機（いずれも図示略）とを
備えているものとする。

【００７７】次に、制御手段３について、図２に基づい
て説明する。この制御手段３は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，Ａ／
Ｄ変換器を含む演算装置で構成され、後述する動作制御
を実行するプログラムが入力されている。

【００７８】この制御手段３は、図２に示すように、第
一及び第二の操作入力手段２，２Ａの動作制御を行う力
制御ＣＰＵ３１と、移動付勢機構４の動作制御を行う位
置制御ＣＰＵ３２と、グラフィックワークステーション
と接続されるシステムＣＰＵ３３とを備え、各ＣＰＵ３
１，３２，３３は、ＶＭＥバス３４上で各データを共有
している。

【００７９】上記力制御ＣＰＵ３１は、まず、第一及び
第二の操作入力手段２，２Ａに装備された各エンコーダ
５１，５２，５３，５４及び移動付勢機構４のエンコー
ダの検出する検出角度信号に基づいて操作グリップ１１
の入力位置座標データ及び姿勢データを算出してグラフ
ィックワークステーション１０１０に出力する入力座標
算出部として機能する。

【００８０】即ち、各操作入力手段２，２Ａに装備され
た各エンコーダ５１，５２，５３の出力と、各リンク部
材の長さから、支持板１２３の任意の一点（以下、各操
作入力手段２，２Ａの基準点とする）に対する第一の操
作入力手段２と第二の操作入力手段２Ａのそれぞれによ
る操作グリップ１１の支持位置の位置座標を算出するこ
とができる。そして、これら二点の支持位置が特定され
ることにより、操作グリップ１１上における任意の一点
の座標（例えば、操作グリップ１１の先端座標）を入力
位置座標データとして特定する。

【００８１】また、操作グリップ１１の二点の支持位置
が特定されることにより、当該操作グリップ１１の傾き
を特定することができる。また、操作グリップ１１にそ
の長手方向を中心とする回転が生じている場合には、エ
ンコーダ５４の出力により、その回転角度が検出される
ため、かかる操作グリップ１１の回転角度と傾きとが姿
勢データとして特定される。

【００８２】システムＣＰＵ３３では、上述の入力位置
座標データ及び姿勢データをグラフィックワークステー
ション１０１０に出力し、これらのデータに基づいて算
出された反力データを当該グラフィックワークステーシ
ョン１０１０から受信する。

【００８３】力制御ＣＰＵ３１は、システムＣＰＵ３３
で受けた反力データに基づく駆動指令信号をサーボドラ
イバ３５に出力する反力発生制御部としても機能する。
即ち、反力データによる反力がいずれの方向にどの程度
の力で生じるかに応じて、各操作入力手段２，２Ａに装
備された各駆動モータ６１１，６２１，６３１の出力ト
ルクを算出し駆動指令信号としてサーボドライバ３５に
出力する。

【００８４】サーボドライバ３５では、駆動指令信号に
応じた出力及び回転変位量で各操作入力手段２，２Ａに
装備された各駆動モータ６１１，６２１、６３１を駆動
させる。これにより、操作グリップ１１の操作の際に、
オペレータに対して操作グリップ１１の入力位置，入力
姿勢又は入力方向に応じた仮想の反力を体感させること
ができる。

【００８５】一方、位置制御ＣＰＵ３２は、力制御ＣＰ
Ｕ３１で算出された入力位置座標データに基づいて、各
操作入力手段２，２Ａの搬送先を決定する保持位置算出
部として機能する。

【００８６】即ち、位置制御ＣＰＵ３２では、操作グリ
ップ１１の操作範囲（作業空間）が当該操作グリップ１
１から一定の距離範囲内の空間に予め設定されており、
かかる空間から操作グリップ１１が外部に出そうになる
と、そのときの操作グリップ１１の現在位置を中心とし
て新たな作業空間を設定する。このときの、もとの作業
空間から更新された作業空間までの方向及び距離と等し
くなるように、各操作入力手段２，２Ａの搬送先が決定
される。

【００８７】また、位置制御ＣＰＵ３２では、かかる搬
送先に移動付勢機構４の維持先端部（支持板１２３の支
持位置）を移動させる駆動指令信号をサーボドライバ３
６に出力する作業空間拡張部としても機能する。即ち、
その移動方向及び距離に応じて、移動付勢機構４に装備
された各駆動モータの回転角度を算出し駆動指令信号と
してサーボドライバ３６に出力する。

【００８８】サーボドライバ３６では、駆動指令信号に
応じた回転角度で移動付勢機構４の各駆動モータを駆動
させる。

【００８９】一方、グラフィックワークステーション１
０１０は、予め定義された仮想物体１０５１及び仮想ポ
インタ１０５０（図１参照）の形状データを記憶する形
状データ記憶部１０１１と、仮想空間を設定し，当該仮
想空間に前述した形状データに基づく仮想物体１０５１
及び仮想ポインタ１０５０を配置すると共にディスプレ
イ１００１に出力制御する表示制御部１０１２を備えて
いる。

【００９０】形状データ記憶部１０１１に記憶された形
状データについては、予め定義されている仮想物体の接
平面を算出できる形式であればどのようなものであって
も良い。ここでは、パラメトリック関数による形状定義
や、分布関数による定義形状を用いている。

【００９１】表示制御部１０１２は、３次元入力用マニ
ピュレータ１０のシステムＣＰＵ３３から出力された入
力位置座標データに基づいて仮想空間内における仮想ポ
インタ１０５０の位置決めを行い，仮想物体１０５１と
仮想ポインタ１０５０とが接触したときに物体から受け
る仮想の反力の大きさと方向を算出する反力算出機能１
０１３を備えている。この反力算出機能１０１３により
算出された反力データは、前述したように、３次元入力
用マニピュレータ１０の反力発生制御部３３に出力され
る。

【００９２】次に、上記構成からなる３次元入力システ
ム１０００の動作について図１及び図１１乃至図１４に
基づいて説明する。図１２は、３次元入力システム１０
００の動作の流れを示す流れ図である。

【００９３】オペレータによる操作入力開始前において
は、３次元入力用マニピュレータ１０は、各操作入力手
段２，２Ａ及び移動付勢機構４が図１３（Ａ）に示すよ
うに、予めそれぞれ設定された基本姿勢が採られる。こ
の基本姿勢については図示の如く限定するものではない
が、操作グリップ１１がそれぞれ周囲の全ての方向に移
動させることが可能な姿勢を基本姿勢とすることが望ま
しい。

【００９４】各操作入力手段２，２Ａ及び移動付勢機構
４が基本姿勢を採ることにより、位置制御ＣＰＵ３２で
は、操作グリップ１１の先端部１１ａを中心とする空間
座標系が展開され、かかる座標系の一定範囲内が作業空
間Ａとされる。

【００９５】そして、この状態からオペレータは、操作
グリップ１１の移動操作を開始する。かかる移動操作に
より、各操作入力手段２，２Ａの各エンコーダ５１，５
２，５３，５４から検出角度信号が出力され、力制御Ｃ
ＰＵ３１では、これらに基づいて入力位置座標データ及
び姿勢データを算出する。（ステップＳ１）。

【００９６】位置制御ＣＰＵ３２では、算出される入力
位置座標データ及び姿勢データにより、操作グリップ１
１の先端部１１ａが作業空間Ａの内側にあるかを判定す
る（ステップＳ２）。

【００９７】姿勢検出部５１が作業空間Ａの外側と判定
されると、位置制御ＣＰＵ３２によって、移動付勢機構
４の駆動モータが駆動され、また同時に、力制御ＣＰＵ
３１により各操作入力手段２，２Ａの各駆動モータ６１
１，６２１，６３１が駆動される。このときの動作を図
１３に示す。

【００９８】図１３（Ａ）は、前述したように操作グリ
ップ１１の操作前の状態を示している。かかる状態で
は、各操作入力手段２，２Ａ及び移動付勢機構４のいず
れも基本姿勢が採られており、この基本姿勢において、
操作グリップ１１の先端部１１ａは、支持板１２３に対
して一定の位置関係を保持している。

【００９９】かかる状態からオペレータの操作により操
作グリップ１１の先端部１１ａが入力範囲Ａの外に移動
してしまうと（図１３（Ｂ））、当該先端部１１ａの現
在位置座標に基づいて移動付勢機構４の各駆動モータが
駆動し、各操作入力手段２，２Ａを移動させる。

【０１００】即ち、移動付勢機構４では、各駆動モータ
４２２，４２４，４３２，４４２の駆動制御が行われて
当該操作グリップ１１の先端部１１ａに対して元の位置
関係となるように支持板１２３を搬送する。また、この
とき、同時に、各操作入力手段２，２Ａの駆動モータ６
１１，６２１，６３１に対して、当該各操作入力手段
２，２Ａが基本姿勢となるように駆動制御が行われる。

【０１０１】従って、図１３（Ｃ）に示すように、移動
付勢機構４が姿勢を変えても、各操作入力手段２，２Ａ
は基本姿勢に戻り、操作グリップ１１の先端部１１ａ
は、現在位置を維持することができる。そして、力制御
ＣＰＵ３１では、この操作グリップ１１の先端部１１ａ
の現在位置を中心とする作業空間Ａが新たに設定される
（ステップＳ３）。

【０１０２】また、算出された入力位置座標データ及び
姿勢データがグラフィックワークステーション１０１０
の表示制御部１０１２の表示制御部１０１２に出力され
る（ステップＳ４）。

【０１０３】表示制御部１０１２では、ディスプレイ１
００１に表示された仮想空間上の入力位置座標データに
対応する位置に仮想ポインタ１０５０の先端位置を移動
させると共に、仮想ポインタ１０５０を姿勢データに基
づく姿勢に変化させる（ステップＳ５）。そして、反力
算出機能１０１３により、仮想物体１０５１と仮想ポイ
ンタ１０５０の指先位置の相対位置からこれらが干渉し
ているかを判定する（ステップＳ６）。

【０１０４】上記判定において、干渉がないと判断され
た場合には、再び継続される操作グリップ１１及び姿勢
検出部５１からの入力情報の処理が行われる（ステップ
Ｓ１に戻る）。

【０１０５】一方、上記判定において、干渉すると判断
された場合には、反力計算が行われる。そして、算出さ
れた反力データが制御手段３のシステムＣＰＵ３３に出
力される（ステップＳ７）。

【０１０６】力制御ＣＰＵ３１では、反力データに基づ
いて各操作入力手段２，２Ａの各駆動モータ６１１，６
２１，６３１の駆動トルクを算出し、サーボドライバ３
５は、算出された各駆動トルクに基づく出力が生じるよ
うに各駆動モータ６１１，６２１，６３１の駆動制御を
行う（ステップＳ８）。これにより、オペレータは、デ
ィスプレイ１００１を見ながら、これに表示される仮想
ポインタ１０５０と仮想物体１０５１とが接触する場合
に、仮想物体からの反力を受ける感触を仮想的に体感す
ることとなる。

【０１０７】そして、再び継続される操作グリップ１１
及び姿勢検出部５１の移動動作について、入力位置座標
の検出が行われ、同様の動作が繰り返される（ステップ
Ｓ１に戻る）。

【０１０８】本実施形態では、操作グリップ１１の一端
部側を握り部１１１に設定し、各操作入力手段２，２Ａ
は、この握り部１１１を除く他端部近傍の範囲内におけ
る異なる二つの位置で操作グリップ１１を支持する構成
としているため、操作グリップ１１の姿勢変化により生
じるいずれか一方の操作入力手段に対する他方の操作入
力手段の相対的な変移が、それぞれの操作入力手段が支
持する操作グリップ１１上の二つの位置の離間距離を半
径とする球面の範囲内に納められることとなる。

【０１０９】従って、従来のように操作グリップ１１の
両端部を支持する場合と比較すると、各操作入力手段
２，２Ａの支持先端部の相対的な変移の範囲を縮小化す
ることができ、操作グリップ１１の操作領域を従来と同
一範囲内に設定した場合、各操作入力手段２，２Ａの小
型化とこれに伴う軽量化を図ることができる。

【０１１０】このため、操作グリップ１１に大きく移動
操作を加えても、各操作入力手段自体２，２Ａの重量に
より生じる慣性力を小さくすることが可能となる。

【０１１１】さらに、上記３次元入力用マニピュレータ
１０では、移動付勢機構４により操作グリップ１１の位
置に応じて各操作入力手段２，２Ａを移動させる構成の
ため、操作グリップ１１の操作範囲の拡大を図ることが
可能となる一方で、操作範囲が大きくなっても、各操作
入力手段２，２Ａ自体を操作方向に追従させることがで
き、これがため、操作時に生じる装置全体の慣性力を有
効に低減させることが可能である。また、上述したよう
に、各操作入力手段２，２Ａの軽量化が図られているた
め、操作時の慣性力をより低減することが可能となる。

【０１１２】そして、慣性力の低減により、操作グリッ
プ１１の操作性を向上させることが可能となり、また、
例えば、操作における微細な目標位置にも精度良く位置
決めを行うことが可能となり、同時に、操作による腕の
負担を軽減することが可能となり、オペレータによる長
時間の入力作業にも有効に対応するという効果をも有し
ている。

【０１１３】また、各操作入力手段２，２Ａに駆動力発
生手段６１，６２，６３を設け、グラフィックワークス
テーション１０１０からの反力データに基づく反力をオ
ペレータに体感させる構成のため、操作時に生じる３次
元入力用マニピュレータ１０全体の慣性力を有効に低減
させる効果と相まって、かかる反力データに基づく反力
を慣性力に干渉されることなく、正確にオペレータに伝
達させることが可能となる。

【０１１４】従って、３次元入力用マニピュレータ１０
を３次元入力システム１０００に装備し、疑似的な反力
フィードバックを受ける作業環境下での使用において、
オペレータはより正確な反力を受けることができ、即
ち、これにより、よりリアルな疑似感覚を体感すること
ができる。また同様に、より精度が高く且つ操作性の良
い入力作業を行うことが可能となる。

【０１１５】また、各操作入力手段２，２Ａに駆動力発
生手段６１，６２，６３を設け、制御手段３の力制御Ｃ
ＰＵ３１により、移動付勢機構４の作動時に操作グリッ
プ１１の現在位置を保持する構成とした場合には、操作
グリップ１１の入力操作に対する各操作入力手段２，２
Ａの搬送動作の影響を排除し、さらに、高い操作性及び
高精度位置決めを行うことが可能となる。

【０１１６】さらに、第一の操作入力手段２及び第二の
操作入力手段２Ａの双方が６自由度の状態変化を自在と
することにより、操作グリップ１１の３次元空間上の移
動及びその長手方向をあらゆる方向に傾けさせたり、そ
の長手方向を中心に回転自在とするような姿勢変化運動
を自在に行わせることができ、６自由度の情報入力が可
能となる。

【０１１７】また、移動付勢機構４も６以上の自由度の
状態変化を自在としているため、各操作入力手段２，２
Ａの状態変化に容易に対応して、これらを搬送すること
ができる。

【０１１８】なお、上記第１の実施形態では、３次元入
力用マニピュレータ１０の制御手段３を、上位装置であ
る演算処理装置１０１０が兼ねる構成としても良い。ま
た、或いは、３次元入力用マニピュレータ１０にの制御
手段２が、演算処理装置２１０の機能を表示制御部２１
１が全て行う構成としても良い。以下に述べる他の実施
形態についても同様である。

【０１１９】

【発明の効果】本発明では、操作グリップの一端部側を
握り部に設定し、各操作入力手段は、この握り部を除く
他端部近傍の範囲内における異なる二つの位置で操作グ
リップを支持する構成としているため、操作グリップの
姿勢変化により生じるいずれか一方の操作入力手段に対
する他方の操作入力手段の相対的な変移が、それぞれの
操作入力手段が支持する操作グリップ上の二つの位置の
離間距離を半径とする球面の範囲内に納められることと
なる。

【０１２０】従って、従来のように操作グリップの両端
部を支持する場合と比較すると、各操作入力手段の支持
先端部の相対的な変移の範囲を縮小化することができ、
操作グリップの操作領域を従来と同一範囲内に設定した
場合、各操作入力手段の小型化とこれに伴う軽量化を図
ることができる。

【０１２１】さらに、本願発明では、移動付勢機構によ
り操作グリップの位置に応じて各操作入力手段を移動さ
せる構成のため、操作グリップの操作範囲の拡大を図る
ことが可能となる一方で、操作範囲が大きくなっても、
各操作入力手段自体を操作方向に追従させることがで
き、これがため、操作時に生じる装置全体の慣性力を有
効に低減させることが可能である。また、上述したよう
に、各操作入力手段の軽量化が図られているため、操作
時の慣性力をさらに低減することが可能となる。

【０１２２】従って、本願発明により、慣性力の影響が
効果的に低減され、操作グリップの操作性を向上させる
ことが可能となり、また、例えば、操作における微細な
目標位置にも精度良く位置決めを行うことが可能とな
り、同時に、操作による腕の負担を軽減することが可能
となり、オペレータによる長時間の入力作業にも有効に
対応するという効果をも有している。

【０１２３】また、各操作入力手段に駆動力発生手段を
設け、制御手段のグリップ位置保持部により、移動付勢
機構の作動時に操作グリップの位置を保持する構成とし
た場合には、操作グリップの入力操作に対する各操作入
力手段の搬送動作の影響を排除し、さらに、高い操作性
及び高精度位置決めを行うことが可能となる。

【０１２４】さらに、反力発生制御部を制御手段に設
け、上位装置から入力される入力位置座標データに対応
した反力データに基づく反力を駆動力発生手段の駆動に
よりオペレータに体感させる構成とした場合には、操作
時に生じる３次元入力用マニピュレータ全体の慣性力を
有効に低減させる効果と相まって、かかる反力データに
基づく反力を慣性力に干渉されることなく、正確にオペ
レータに伝達させることが可能となる。従って、本願発
明により、疑似的な反力フィードバックを受けるシミュ
レーションの使用に好適な３次元入力用マニピュレータ
を提供することが可能である。

【０１２５】さらにまた、第一の操作入力手段、第二の
操作入力手段又はこれら双方とも６以上の自由度の状態
変化を自在とすることにより、操作グリップの３次元空
間上の移動又はその長手方向をあらゆる方向に傾けさせ
たり、その長手方向を中心に回転自在とするような姿勢
変化運動を自在に行い、このように高い自由度の情報入
力が可能となる。

【０１２６】また、移動付勢機構を６以上の自由度の状
態変化を自在とした場合には、各操作入力手段を少なく
とも６自由度以上の状態変化を自在として支持すること
ができる。これにより、各操作入力手段の姿勢変化に対
応してこれらを搬送することが可能となる。

【０１２７】本発明は以上のように構成され機能するの
で、これにより、従来にない優れた３次元入力用マニピ
ュレータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す概略構成図である。

【図２】図１に開示した各操作入力手段の全体構成を示
す斜視図である。

【図３】図２に開示した操作入力手段の左側面図であ
る。

【図４】図３に開示した操作入力手段の一部を省略し一
部を切り欠いた正面図である。

【図５】図３に開示した操作入力手段の入力位置支持機
構の第一のリンク部材の平面図である。

【図６】図３に開示した操作入力手段の状態可変支持機
構を示す平面図である。

【図７】図４のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。

【図８】図３に開示した第三の駆動力発生手段のカム部
材を示し、図８（Ａ）は正面図を示し、図８（Ｂ）は図
８（Ａ）におけるＹ−Ｙ線に沿った断面図である。

【図９】図３に開示した第二，第三の駆動力発生手段の
動作を説明する説明図である。

【図１０】図１に開示した移動付勢機構を示す斜視図で
ある。

【図１１】図１の３次元入力システムを示すブロック図
である。

【図１２】実施形態の動作を示すフローチャートであ
る。

【図１３】操作グリップの作業空間と移動付勢機構の動
作の関連を示す動作説明図であり、図１３（Ａ）は操作
グリップが作業空間内にある状態を示し、図１３（Ｂ）
は操作グリップが作業空間外に移動した瞬間を示し、図
１３（Ｃ）は移動付勢機構が各操作入力手段を搬送し，
操作グリップを中心とする新たな作業空間が設定された
状態を示す。

【図１４】従来例を示す概略構成図である。

【符号の説明】

２ 第一の操作入力手段 ２Ａ 第二の操作入力手段 ３ 制御手段 ３１ 力制御ＣＰＵ ３２ 位置制御ＣＰＵ ３３ システムＣＰＵ ５１，５２，５３，５４ エンコーダ（センサ） ６１ 第一の駆動力伝達手段 ６２ 第二の駆動力伝達手段 ６３ 第三の駆動力伝達手段 １０ ３次元入力用マニピュレータ １１ 操作グリップ １１１ 握り部 １０１０ グラフィックワークステーション（上位装
置）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 熊野 宜弘 神奈川県横浜市都筑区桜並木２番１号 ス ズキ株式会社技術研究所内 Ｆターム(参考） 3F059 BA02 BA05 BC03 BC04 BC09 CA06 DA08 DD01 FA01 FA07 FC03

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上位装置に接続され，３次元上の位置座
   標入力を行う３次元入力用マニピュレータにおいて、 一定範囲の作業空間内の任意の位置に移動させて入力を
   行う単一の操作グリップと、 この操作グリップを、複数自由度の状態変化を自在とし
   た状態で同時に支持する第一及び第二の操作入力手段
   と、 前記操作グリップに生じる状態変化量を前記各操作入力
   手段から検出するグリップ変位量検出手段と、 複数自由度の状態変化を自在とした状態で前記各操作入
   力手段を一体的に保持すると共に，当該各操作入力手段
   を３次元空間内にて自在に搬送する移動付勢機構と、 前記各操作入力手段の保持位置に生じる状態変化量を前
   記移動付勢機構から検出する保持位置変位量検出手段
   と、 前記各部の動作制御を行う制御手段とを備え、 前記操作グリップの形状を棒状に設定すると共に、当該
   操作グリップの一端部側を外力を加えるための握り部と
   し、 前記操作グリップの他端部近傍であって当該他端部から
   の距離が異なる二つの位置で、前記第一の操作入力手段
   と第二の操作入力手段とがそれぞれ前記操作グリップを
   支持すると共に、 前記制御手段が、前記グリップ変位量検出手段及び保持
   位置変位量検出手段の出力に基づいて前記操作グリップ
   の入力位置座標データ及び姿勢データを算出する入力座
   標算出部と、この操作グリップの入力位置座標データに
   基づいて前記第一及び第二の操作入力手段の搬送先を決
   定する保持位置算出部と、これにより決定された前記搬
   送先に前記各操作入力手段を搬送させる前記移動付勢機
   構の動作制御を行う作業空間拡張部とを備えることを特
   徴とする３次元入力用マニピュレータ。
2. 【請求項２】 前記操作グリップの位置に変位を生じさ
   せる駆動力発生手段を前記各操作入力手段に装備し、 前記制御手段が、前記移動付勢機構の作動の際に、当該
   作動直前の位置に前記操作グリップを維持する動作制御
   を前記駆動力発生手段に対して行うグリップ位置保持部
   を備えることを特徴とする請求項１記載の３次元入力用
   マニピュレータ。
3. 【請求項３】 前記制御手段に、前記入力位置座標デー
   タに対応する反力データの入力を前記上位装置から受け
   て，この反力データに基づく駆動指令信号を前記駆動力
   発生手段に出力する反力発生制御部を設けることを特徴
   とする請求項１又は２記載の３次元入力用マニピュレー
   タ。
4. 【請求項４】 前記第一の操作入力手段が、６自由度以
   上の状態変化を自在とした状態で前記操作グリップを支
   持することを特徴とする請求項１、２又は３記載の３次
   元入力用マニピュレータ。
5. 【請求項５】 前記第二の操作入力手段が、６自由度以
   上の状態変化を自在とした状態で前記操作グリップを支
   持することを特徴とする請求項１，２、３又は４記載の
   ３次元入力用マニピュレータ。
6. 【請求項６】 前記移動付勢機構が、６自由度以上の状
   態変化を自在とした状態で前記各操作入力手段を支持す
   ることを特徴とする請求項４又は５記載の３次元入力用
   マニピュレータ。