JPH096830A - コンピュータ設計支援システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 設計支援システムにおける３次元の形状入力
に関するものである。 【構成】 本発明のコンピュータ設計支援システムは、
操作者が直接つかんで操作するマニピュレータ１の先端
の操作棒３に把握力センサ４を設け、この出力に基づい
てシステムの機械応答特性を変化させるようにしたこと
を特徴とするものである。すなわち、強い握力で握って
操作しているときは、手の剛性も高いので、マニピュレ
ータ側の剛性をあげるように制御し、また、軽く握って
いるときは、手の剛性が低いので、マニピュレータ側の
剛性も低く抑えておくものである。何も形状に触れてい
ない空間を横切る場面等では、軽く握ることにより、マ
ニピュレータ側の剛性は低くなるので、軽快な操作感を
実現できる。また、注意深く形状変更したいときは、強
く握ることにより、マニピュレータの剛性は高くなり、
同じ外力を加えても精密な細かな動きが実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】形状デザインが重要な要素となる
工業製品の外形、各種モールド型設計等の設計には、コ
ンピュータ支援設計システム（ＣＡＤシステム）が用い
られている。本発明は、このような設計支援システムに
おける３次元の形状入力に関するものであり、さらに詳
しくは、形状入力のための触覚フィードバック機構を備
えたコンピュータ設計支援システムにおける制御安定性
の同上に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のコンピュータ設計支援システム
（ＣＡＤシステム）では、自由曲線、自由曲面をもつ形
状をコンピュタに３次元計測機等で入力したあと、細か
な修正を行う場合には画面上でマウスなどを用いて対話
的に行うのが一般的である。しかし、この作業は目の負
担が大きすぎるので、操作する手にも接触情報や材質の
硬さ、柔らかさ情報などの形状情報を与えることによ
り、より容易に、また、より正確に形状修正などの作業
が行えるような改良が提案されている（特公平６−４０
３３９号）。

【０００３】しかし、この方式ではコンピュータ内に定
義された形状に接触して、操作手指で面に力を加えてい
るときは挙動は安定しているが、たとえば何も形状が定
義されていない空間を自由に移動させるような場合で
は、手が加えた力をゼロにするような方向に操作ヘッド
部は制御されるのであるが、このときの応答性が遅いと
操作者は非常に重く感じられ、操作性能は落ち、また反
対に応答性が早いと、操作手指の非線形的機械特性のた
め、不快な振動現象がヘッド部で自然発生して制御性能
が落ち、ともに不都合が生じる。応答性が早い場合の振
動発生のメカニズムは、機械側の振動特性は一定である
が、その機械を操作する操作者の手の機械振動特性が一
定でないために、機械と人間との特性の不整合性のため
に生しているものである。すなわち、操作する手は、機
械側から見れば、質量、減衰項をもつ一種のバネとみな
せるが、このバネの機械特性が操作者の力の入れ具合等
で変化するからである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、上述したコンピュータ設計支援システムにおいて、
人間の手による操作が、仮想面に力を加えて操作してい
る場合でも、自由な空間を動かすように力のかからない
ような場合においても、きわめて忠実に操作者の動きに
迫従するような自然な操作感を得られるように、人間と
機械との間で機械特性の整合性を上げることによって、
操作性能や制御性能を向上させることを目的としてい
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のコンピュータ設計支援システムは、操作者
が直接つかんで操作するマニピュレータ先端の操作棒位
置に把握力センサを設け、この出力に基づいてシステム
の機械応答特性を変化させるようにしたことを特徴とす
るものである。すなわち、強い把握力で握って操作して
いるときは、手の剛性も高いので、マニピュレータ側の
剛性をあげるように制御し、また、軽く握っているとき
は、手の剛性が低いので、マニピュレータ側の剛性も低
く抑えておくものである。

【０００６】

【作用】コンピュータ支援設計システムに３次元の形状
を入力し、その後入力した３次元の形状を修正すること
がある。この場合、既にシステム内に定義されている形
状をなぞったり、その形状の一部を修正するなどの作業
場面では、常に定義済み形状に押しつけて力を加えた状
態で接線方向に動かすことになり、サーボ偏差により発
生する反発力と手により加えた力とが釣り合って安定な
動きをする。

【０００７】本発明では、このような場面や何も形状に
触れていない空間を横切る場面等では、軽く握ることに
より、マニピュレータ側の剛性は低くなるので、軽快な
操作感を実現できる。また、注意深く形状変更したいと
きは、強く握ることにより、マニピュレータの剛性は高
くなり、同じ外力を加えても精密な細かな動きが実現で
きる。

【０００８】そして、たとえば空間内を自由に動かすと
きに、動き易くなりすぎて振動を起こしそうになると、
強く操作棒を握ることにより、剛性を上げることができ
るので振動を抑えることが可能となる。しかも、これら
の場合に操作棒を強く握る場合と、軽く握る場合は自然
な操作感覚に一致するため、特段に難しいという印象を
持たなくて操作が行える特徴がある。

【０００９】従って、本発明においては、単に操作者の
手の力を検出してその力がゼロになるような方向に動か
す制御だけでなく、そのときの見かけの剛性（機械的応
答特性）を把握力という操作者の意志を加味した操作量
で変化させることにより、より容易に、かつ忠実に操作
者の意図を反映した操作が可能とすることができる。

【００１０】

【実施例】図面を用いて本発明の実施例の説明する。

【００１１】図１は、本発明の３次元形状入力を行うコ
ンピュータ支援設計システムの一例を示している。図１
において、１は６自由度マニピュレータ、２は６軸力セ
ンサ、３は操作棒、４は把握力センサで、これらで３次
元形状入力装置を構成している。５は制御装置で、コン
ピュータ支援設計システムの全体の制御を行っている。
制御装置５は、ワークステーションやパーソナルコンピ
ュータ等で構成されている。６はディスプレイでコンピ
ュータ支援設計の結果等を表示している。

【００１２】この図１に示す設計システムでは、空間内
での６自由度（３つの並進運動と３軸まわりの回転運
動）の運動を実現できるようなマニピュレータ１の先端
部に、６軸の力センサ２を介して操作棒３をとりつけて
いる。さらに操作棒３はそこを握る把握力も測定できる
把握力センサ４が付設されている。マニピュレータ１の
先端部にとりつけられた力センサ２、操作棒３はマニピ
ュレータの駆動機構によって６自由度の動きを制御装置
５の制御下でとることができる。従って、操作棒３の取
り付け部（力センサ部２）の位置は制御装置５で管理さ
れ、その位置はディスプレイ６上にカーソルとして表示
できる。操作者が把握力センサ４とともに操作棒を握っ
て任意の方向に力を加えると、その力の方向と大きさを
力センサ２が検出する。この情報は、制御装置５に送ら
れる。制御装置５内部では、力センサの出力を加速度に
変換して力センサ２の位置を更新する手続きをとる。

【００１３】そして、更新が許される場合には、新しい
位置情報がマニピュレータ１に送られ、その位置に力セ
ンサ２がくるように、マニピュレータ１は移動回転運動
を発生させることになる。すなわち、力センサの位置と
そこで検出された力の方向が、既に定義された形状に近
くでそれを横切る方向でなければ、力センサの出力がゼ
ロになるまで力の加わった方向に力センサとともに操作
棒を移動させるような制御信号を算出してマニピュレー
タ１に送る。その結果、操作手の動きに対して反力が生
じないようにサーボ系を追従させ、その軌跡情報から形
状が定義される。

【００１４】一方、力センサ部２が既に定義されている
形状に十分に接近し、しかも、力の方向が既に定義され
た形状を横切る方向に操作する場合、力の加わった方向
にマニピュレータ１により操作棒を移動させるにして
も、ある程度マニピュレータ１の動きをある程度抑制す
るような制御信号が制御装置５により算出され、それが
マニピュレータ１に出力される。

【００１５】制御装置５の内部機能をさらに詳しく説明
したのが図２である。６軸力センサから出るエンコード
された信号は、デコーダ５２で各６軸成分に分解され
る。一方、把握力センサ４からの把握力信号は関数変換
器５１に入力され、把握力が大きいほど小さな出力にな
るようなレベル変換が行われる。この関数変換器５１か
らの出力はデコーダから出た各６軸の力センサの出力と
ともに、乗算器５３に入力され、そこで２種類の信号の
乗算結果を電圧周波数変換器５４に入力される。この出
力はパルス頻度が変調されたもので、サーボアンプ（サ
ーボドライバ）５５に入力され、サーボアンプ５５の出
力は各６軸に対応したサーボモーダを駆動する電流とな
る。

【００１６】この構成により、既に定義されている形状
表面の法線方向にはサーボ系の動きを一定割合で制御
し、それによりあたかも実際に形状表面に触っているか
のような触覚のフィードバック感覚が操作する手に与え
られる。

【００１７】このように、空間内を自由に動かすとき
と、既に定義された形状表面に沿ってなぞっていくよう
な場合では、制御状態が若干異なり、それに応して制御
性も変わる。すなわち、既に定義されている形状表面に
沿ってなぞる動作の場合は、常に手に反力が加わってい
る状態で使っているので、安定した動きが実現できる
が、何も定義されていない空間内を自由に動かす場合
は、反力が生じないような方向に力センサ部２や操作棒
３を動かすために、動作が不安定になりやすい。かとい
って、このような場合に応答速度を下げると動作は安定
するが、操作が重くなる。

【００１８】そこで、本発明においては、形状入力を行
う操作棒に取り付けられた把握力センサ４で、操作して
いるときの操作者の把握力を常にモニターしている。そ
して、軽く握って動かしているときは、マニピュレータ
１を動かしているサーボ系の応答速度を上げ、強く握っ
て操作しているときはサーボ系の応答速度を落とすよう
に、サーボ系の応答特性を実時間で変更する。このよう
に、把握力センサ４から操作者の入力操作の際の把握力
によって装置の応答利得を変化させるようにしたので、
操作者の感覚に合うように、軽く、または、慎重にシス
テムを操作することができるという特徴をもたせること
ができる。

【００１９】このことを示したのが図３である。図３に
示したグラフの縦軸は自励振動振幅で、これは、人間と
マニピュレータとの自励による振動振幅を示している。
そして、横軸は把握量を示している。図３（ａ）に示す
従来の装置では、把握力が大きくなると少しの人間の手
のゆらぎでも敏感に反応し、そのため振動振幅が大きく
なる様子を示している。本発明では、把握力が大きくな
るとサーボ系の応答速度を落すので、図３（ｂ）に示す
ように、把握力が大きくなっても振動振幅は大きくなっ
ていない。このことは、人間の手が握っているマニピュ
レータが安定していることを意味している。

【００２０】このようにして、操作者の感覚に合うよう
に、操作者の把握力を常にモニターして、これによりマ
ニピュレータの応答特性を実時間で変更しているので、
自由に空間内をカーソルを動かす場合も、また、既に定
義された形状にそってなぞり動作などのように、常に力
を受けながら移動する場合も、軽く、また、不必要な振
動も発生させないで、形状の入力作業、または、修正作
業を行うことができる。

【００２１】

【発明の効果】以上に詳述したように本発明の設計シス
テムによれば、自由に空間内をカーソルを動かす場合
も、また、既に定義された形状にそってなぞり動作など
のように、常に力を受けながら移動する場合も、軽く、
また、不必要な振動も発生させないで、形状の入力作
業、または、修正作業を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるコンピュータ支援設計システムの
全体ブロック図を示す。

【図２】制御装置の内部機能を説明するブロック図であ
る。

【図３】自励振動振幅と把握力との関係を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１ ６自由度マニピュレータ ２ ６軸力センサ ３ 操作棒 ４ 把握力センサ ５ 制御装置 ６ ディスプレイ ５１ 関数変換器 ５２ デコーダ ５３ 乗算器 ５４ 電圧周波数変換器 ５５ サーボアンプ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３次元形状入力装置と、前記形状入力装
   置に接続されたマニピュレータと、表示装置と、全体の
   制御を行う制御装置とを有し、形状入力装置からの入力
   でマニピュレータをサーボ系により制御し３次元形状情
   報を入力するコンピュータ設計支援システムにおいて、 前記形状入力装置に把握力センサを備え、 操作する際の把握力を検出し、その把握力によってサー
   ボ系の応答利得を変化させるようにしたことを特徴とす
   る３次元形状情報を入力できるコンピュータ設計支援シ
   ステム。
2. 【請求項２】 前記形状入力装置は、操作制御棒をそな
   え、その先端に把握力センサを設置することを特徴とす
   る請求項１記載の３次元形状情報を入力できるコンピュ
   ータ設計支援システム。