JPH0438507A - ジョイスティックコントロール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

ｒ産業上の利用分野】 本発明はジョイスティックコントロール装置に係り、特
にデイスプレィ中の操作対象（カーソル等）が他の表示
物との間で起こる力の作用力をジョイスティック側にフ
ィードバックさせて操作臨場感を現すことができるよう
にしたジョイスティックコントロール装置に関する。

【従来の技術】

従来、コンピュータに接続されるジョイスティックは、
そのスティックの操作量を直交する２軸回りの回転角と
して検出し、その合成値として、デイスプレィ上のカー
ソル等の移動対象物の平面画像移動量に変換し、移動対
象物をステイ・ツク操作により移動させるようにしてい
る。この場合、ジョイスティックの操作量を一方的に移
動対象カーソル等に対して指令するだけであった。

【発明が解決しようとする課題】

したがって、上記従来の方法では、ジョイスティック側
からの一方的な指令出力のみができるだけであるため、
デイスプレィ上の操作対象物と他の表示物との間で起こ
る力の作用力を感じ取ることができず、操作の臨場感が
得られないという問題があった。 また、力の作用力をフィードバックする装置として、パ
イラテラル・マスク・スレーブ・マニピュレータのマス
ク・アームが知られている。この主のマスク・アームは
スレーブ・アームと同等の軸数と共に力センサを装着し
、臨場感を達成するためにマスクの機構とその制御シス
テムおよびソフトは複雑なものとなる。しかしながら、
マスク側すなわちオペレータの操作装置の占有空間、重
量、電源容量に制限がある場合、あるいは、同時に必要
なカフィードバックが２自由度以内に限定される作業を
中心とするロボット作業用のシステムにとっては、上記
のような複雑なシステムは不要であり、より小型・軽量
・簡便で汎用的な装置が望ましい。ロボット・マニピュ
レータの手動装置として従来のジョイスティックはまさ
に小型・軽量・簡便で汎用的ではあるが、カフィードバ
ック装置が付加されたものはなかった。 本発明は、上記従来の問題点に着目し、カフィードバッ
クの可能なジョイスティックであって、マスク等の操作
側に力センサ等を取り付けなくてもよい構造とした汎用
性のあるジョイスティックコントロール装置を提供する
ことを目的とする。

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、本発明に係るジョイスティ
ックコントロール装置は、操作スティックを揺動回転可
能に枢支するとともに、当該操作スティックの動作を直
交座標軸芯回りの回転量に変換する機構を備え、この変
換機構には回転角検出手段およびトルク制御可能なモー
タを連結し、前記操作スティックの操作に基づく回転角
検出手段の検出変位信号からターゲット装置の移動体移
動量を演算してターゲット装置に出力するとともに、タ
ーゲット装置からのコマンドおよび前記回転角検出手段
からの検出信号に基づき前記モータへの指令トルクを演
算して回転トルクの制御信号を出力する演算手段を備え
た構成としたものである。

【作用】

上記構成によれば、操作スティックを揺動回転操作する
ことにより、その操作量は回転角検出手段により検知さ
れ、これが演算手段によってターゲット装置における移
動体の移動量として算出し、ターゲット装置に出力する
。一方、ターゲット装置から前記移動体が他の構成体と
の間で生じる力の作用力をコマンドとして直接あるいは
間接的に前記演算手段に送出される。このコマンドは直
接トルク指令として、あるいは作用力に対応する間接コ
マンドとして入力される。これを入力した演算手段は前
記操作スティックの操作角の情報を基にして制御トルク
を算出してモータに制御電流を出力し、操作スティック
に操作力をフィードバックすることができる。これによ
って操作スティックの操作感覚はターゲット装置におけ
る移動体が受ける作用力が反映されたものとなり、臨場
感のある操作性が発揮されるのである。

【実施例】

以下に、本発明に係るジョイスティックコントロール装
置の具体的実施例を図面を参照して詳細に説明する。 第１図は実施例に係るジョイスティックコントロール装
置の構成図であり、第２図はその外観構成図である。こ
の図に示すように、当該装置はジョイスティック操作部
１０と、コントローラ１２とを備えている。 まず、ジョイスティック操作部１０は筐体１４の上面か
ら握り柄１６を突出させた操作スティック１８を有して
いる。この操作スティック１８は筐体１４に垂直に立設
されているか、筐体１４の内部にてボール軸受け２０に
支持されており、ボール軸受け２０を中心に揺動回転操
作ができるように取り付けられている。また、筺体１４
の内部には、一対のトルク制御モータ２２８．２２．が
設置されている。このモータ２２８．２２．の回転軸は
、前記操作スティック１８に直交する平面上にあって前
記ボール軸受け２０の中心を通る直交２軸（Ｘ軸、ｙ軸
）に沿うように配置されている。 また、両モータ２２８．２２．の回転軸２４．．２４、
には前記ボール軸受け２０を中心とする仮想球面に倣っ
て弧状に形成された円弧レバー２６１、２６、が取り付
けられ、これには前記操作スティック１８が貫通される
長大２８がそれぞれ形成されている。したがって、操作
スティック１８をボール軸受け２０の回りに回転操作す
ることにより、その操作量が、円弧レバー２６．．２６
．によってモータ２２１．２２アの回転軸２４８．２４
．の回転量に変換され、Ｘ軸あるいはｙ軸回りの回転角
として取込まれる。すなわち、前記ボール軸受け２０と
円弧レバー２６．．２６．は、操作ステイ・ツク１８の
動作を直交座標軸芯回りの回転量に変換する機構を構成
しているのである。 また、前記モータ２２．．２２．の後端部にはポテンシ
ョメータやロータリエンコーダからなる回転角検出器３
０８．３０アが取り付けられ、これは回転軸２４ｘ、２
４アに連結されてその回転角を検出するようにしている
。 一方、コントローラ１２は前記回転角検出器３０８．３
０．からの検出信号をＡ／Ｄ変換器３２を介して入力す
る中央処理装置（ＣＰＵ）３４、および処理プログラム
が記憶格納されたＲＯＭあるいはＳＲＡＭからなるメモ
リ３６を有している。 ＣＰＵ３４は操作スティック１８の傾斜角を回転角検出
器３０．．３０．から取込むとともに、メモリ３６のプ
ログラムによりモニタやロボット等のターゲット装置３
８における移動体の移動量に変換演算するようにしてい
る。この演算結果はインターフェース４０を介して接続
されたＲ８２３２Ｃ等の通信ケーブル４２を通じてター
プ・ソト装置３８に出力され、移動体をモニタ上等で移
動させるのである。 またコントローラ１２におけるＣＰＵ３４にはターゲッ
ト装置３８から出力される移動体の位置移動データが入
力されるとともに、当該移動体が現在位置で受ける任意
に設定された作用力をコマンドあるいはそのトルク指令
として入力されるようになっている。この入力を受けた
ＣＰＵ３４は、メモリ３６に格納されている変換プログ
ラムを読み出し、入力コマンドあるいはトルク指令に対
応する制御値を演算し、Ｄ／Ａ変換器４４に出力するよ
うにしている。コントローラ１２には電流制御用アンプ
４６が設けられ、Ｄ／Ａ変換器４４からの出力信号は電
流制御用アンプ４６に入力され、ここで前記トルク制御
モータ２２．．２２．に制御電流を出力し、対応トルク
となるようにモータ２２、．２２．を制御駆動するよう
にしている。すなわち、ＣＰＵ３４は操作スティック１
８の操作力に移動体が受ける作用力、例えば移動抵抗や
粘性力、弾発力といった設定指令によって定められたモ
ードに対応する制御電流を演算出力し、各モータ２２．
．２２．を制御駆動するのである。なお、コントローラ
１２には電源ユニット４８が搭載され、必要電源を供給
するようにしている。 上記コントローラ１２の作用を、操作スティック１８に
ばね力をフィードバックする場合について説明する。第
３図に示すように、ジョイスティックコントロール装置
の電源を投入し、初期設定を行なった後（ステップ１０
０．１０２）、ターゲット装置３８から通信ケーブル４
２を介してモード設定コマンドやカフィードバックの値
のデータを取込む（ステップ１０４）。また、スティッ
ク操作部１０の回転角検出器３０．．３０．から操作ス
ティック１８のポテンショ角を入力する（ステップ１０
６）。そして、ＣＰＵ３４はメモリ３６からプログラム
を読み出し、出力トルクを演算するようにしている（ス
テップ１０８）。 ばね力を実現するために、第４図に示すように、操作ス
ティック１８の直交軸ｘＳＹに沿う傾斜角をθ８、θ、
とし、Ｘ軸およびｙ軸回りの対応出力トルクをτ８、τ
、とすると、両者の関係を第４図に示すように設定でき
る。したがって、ステップ１０８で出力トルクτを算出
するための関数は、τ、＝　ｆ　、（０Ｍ） τ、＝　ｆ　ｙ（θ、） として求められる。したがって、出力トルクτは設定さ
れた関数により（１）式により簡単な演算ルーチンで処
理することができる′。この出力トルクが算出されると
、コントローラ１２はターゲット装置３８における移動
体の移動位置の指令値を算出する（ステップ２００）。 これは前記ステップ１０６にて取込まれた値θ８、θ、
からタープ・ント装置に有用なデータＸ、ｙを出力する
。 例えば、ｘ＝ｋｅいｙ＝４θ。 として算出しく一般にはＸ　＝　ｇ　ｘ　（θ、、θ、
）、ｙ”ｇｙ（θ８．θ、））、ターゲット装置３８側
からのコマンドによって、有用な演算式を適用し、設定
する。 このようにして出力トルクτが算出され、同時に操作ス
テイク１８によって移動されるべき位置ａ　［ｘ、ｙ］
が算出されると前記出力トルクτはＤ／Ａ変換器４４を
介して電流制御アンプ４６に出力され（ステップ２０２
）、一方、位置指令値ａはＲ３２３２Ｃインターフエー
ス４０を介してターゲット装置３８に出力されるのであ
る（ステップ２０４）。 このようなコントローラ１２からの信号を入力したトル
ク制御モータ２２□、２２．には各々設定トルクτ８、
τ、に対応した制御電流が供給されるので、操作スティ
ック１８には制御電流に対応した力のオフセットやばね
力、あるいは粘性力、あるいは慣性力といった力がフィ
ードバックされることになる。この結果、ターゲット装
置３８の移動体の操作時に当該移動体に作用する力が操
作スティック１８側に反映されるため、非常に臨場感の
ある遠隔操作が可能となるのである。 また、実施例に係るジョイスティックコントロール装置
は、例えばテレビゲームが搭載されたコンピュータをタ
ーゲット装置３８として接続し、ゲームプログラムにて
設定された移動体を例えば第５図に示す車両とみなして
コントロールすることもできる。この場合には、車両の
推進力をＦ。 ［＝にθ８］としてターゲット装置３８に出力する。一
方で車両の進行を妨げる抵抗力をステイ・ツク１８のＸ
軸方向に沿う操作抵抗力として、τ、＝αＴ０をモータ
２２！に出力する。また、車両が上下方向に受ける衝撃
力をスティック１８のｙ軸方向に沿う操作力として、τ
、＝βＴ、をモータ２２ｙに出力する。このとき車両は
、ｍα＝　Ｆ　ｘ−Ｔ、で推進され、ターゲット装置３
８でその推進力によって移動される様子を画像出力する
のである。 なお、前記Ｔ！、Ｔ、は車両の位置、速度、加速度の関
数で、Ｔ＝Ｃ（ｘ、ｄｘ／ｄｘＳｄ″ｘ／ｄｘ”）とな
る。これはターゲット装置３８のコンピュータ側で演算
され、コントローラ１２に取込まれるものである。 次に、上記実施例装置をロボットの手先の力と位置の制
御に適用する場合の処理を第６図を参照して説明する。 これは同図（１）に示したように、ロボットアーム５０
にペン５２を持たせ、曲面５４上に線を書く場合に適用
したものである。この種の倣い制御にはＸ方向に位置制
御、Ｘ方向（特に負の向き）に力制御を協調させること
で達成できる。ペン５２の水平直線移動を操作スティッ
ク１８のＸ軸方向に沿う傾斜角に対応させるようにし、
また、ペン５２の鉛直方向の移動量を操作スティック１
８のｙ軸方向に沿う傾斜角に対応させるようにしたもの
である。 すなわち、操作スティック１８のＸ軸は通常のジョイス
ティックと同様な関数として処理し、操作スティック１
８のＸ軸トルクは、第６図（２）による関数、 τヨ＝　ｆ　１（θ、） ペン先の水平直線移動速度としてのアームのコントロー
ラへの出力は、 Ｘ＝にθ。 としてトルクの演算（ステップ１０８）、および出力指
令値の演算（ステップ２００）を行なう。 一方、操作スティック１８のｙ軸トルクは、アーム５０
に取付けた力センサ５６によって検出されたペン先にか
かる鉛直方向の反力Ｆ、を一定に比例割合した値をフィ
ードバックするとして、τ、＝αＦ。 ペン先の鉛直方向の移動変位としてのアームのコントロ
ーラへの出力は、 Ｙ＝にθ。 としてトルクの演算（ステップ１０８）、および出力指
令値の演算（ステップ２００）を行なう。 ペン先の力のフィードバック値τ、によってオペレータ
はペン圧を感じながらペン先の上下位置を調整できる。

【発明の効果】 以上説明したように、本発明によれば、操作スティック
を揺動回転可能に枢支するとともに、当該操作スティッ
クの動作を直交座標軸芯回りの回転量に変換する機構を
備え、この変換機構には回転角検出手段およびトルク制
御可能なモータを連結し、前記操作スティックの操作に
基づく回転角検出手段の検出変位信号からターゲット装
置の移動体移動量を演算してターゲット装置に出力する
とともに、ターゲット装置からのコマンドおよび前記回
転角検出手段からの検出信号に基づき前記モータへの指
令トルクを演算して回転トルクの制御信号を出力する演
算手段を備えたので、カフィードバックの可能なジョイ
スティックであって、汎用性のあるジョイスティックコ
ントロール装置とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例に係るジョイスティックコントロール装
置の全体構成図、第２図はその外観構成図、第３図は処
理の流れを示すフローチャート、第４図は操作スティッ
クの操作角と制御トルクの関係図、第５図はターゲット
装置がテレビゲームの表示車両を移動体とした場合のフ
ィードバック説明図、第６図はロボットアームの手先の
位置を制御する場合に適用した場合の説明図である。 １０・・・・・・ジョイスティック操作部、１２・・・
・・・コントローラ、１８・・・・・・操作スティック
、２０・・・・・・ボール軸受け、２２．．２２．・・
・・・・トルク制御モータ、２６８．２６．・・・・・
・円弧レバー　３０１．３０゜・・・・・・回転角検出
器、３４・・・・・・中央処理装置、３６・・・・・・
メモリ、３８・・・・・・ターゲット装置。 代理人　弁理士　村　上　友　− 第２図 第４ 図 第３図 第５図 くＸ軸〉

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）、操作スティックを揺動回転可能に枢支するととも
   に、当該操作スティックの動作を直交座標軸芯回りの回
   転量に変換する機構を備え、この変換機構には回転角検
   出手段およびトルク制御可能なモータを連結し、前記操
   作スティックの操作に基づく回転角検出手段の検出変位
   信号からターゲット装置の移動体移動量を演算してター
   ゲット装置に出力するとともに、ターゲット装置からの
   コマンドおよび前記回転角検出手段からの検出信号に基
   づき前記モータへの指令トルクを演算して回転トルクの
   制御信号を出力する演算手段を備えてなることを特徴と
   するジョイスティックコントロール装置。