肘掛型遠隔操縦装置
【課題】長時間使用しても疲れないように手首を含む肘をのせたまま操縦できる遠隔操縦装置を開発すること。
【解決手段】肘掛部材（１０）、第１、２連結部材（３１、３２）、ベース連結部材（４０）が平行四辺形をなし第１連結部材の垂直軸に対する傾斜角度を検出する第１角度検出手段とベース連結部材の第３連結軸まわりの角度を検出する第２角度検出手段とベース部材の垂直軸部材まわりの角度を検出する第３角度検出手段と、第１連結部材の傾斜角に応じて復元力を生成する第１のバネ機構と肘掛部材の傾斜角に応じて復元力を生成する第２のバネ機構とを備える。バネ（１２，１３，３３，３４）の端部に取り付けたワイヤ（１６，３８）がバネ機構を含む肘掛部材の重量と肘掛部材に載置されたオペレータの手首を含む肘の重量とバランスするように非円形プーリ（２３、４３）に巻張されている。
【解決手段】肘掛部材（１０）、第１、２連結部材（３１、３２）、ベース連結部材（４０）が平行四辺形をなし第１連結部材の垂直軸に対する傾斜角度を検出する第１角度検出手段とベース連結部材の第３連結軸まわりの角度を検出する第２角度検出手段とベース部材の垂直軸部材まわりの角度を検出する第３角度検出手段と、第１連結部材の傾斜角に応じて復元力を生成する第１のバネ機構と肘掛部材の傾斜角に応じて復元力を生成する第２のバネ機構とを備える。バネ（１２，１３，３３，３４）の端部に取り付けたワイヤ（１６，３８）がバネ機構を含む肘掛部材の重量と肘掛部材に載置されたオペレータの手首を含む肘の重量とバランスするように非円形プーリ（２３、４３）に巻張されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はロボットや仮想現実下の操縦対象を、手首を含む肘を載置したまま遠隔操縦することのできる肘掛型遠隔操縦装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットや仮想現実下の操縦対象の遠隔操縦がすでにいろいろな分野で使用されている。例えば、災害地や危険地区、あるいは、極限環境、宇宙空間での作業、物の移動等のために遠隔操縦が行われており、また、医療等の分野では手術トレーニング装置、遠隔手術のための遠隔操縦の研究が進められている。また、アミューズメント分野においては仮想現実下の操縦対象の遠隔操縦の開発が進められている。
【０００３】
ロボットの遠隔操縦をおこなうということは、ロボットのオペレータの操作情報（通常は手の動き）を検出してロボットに送り、ロボットが送られた操作情報にもとづき操作をおこなうということである。最近では、より適確な操作がおこなうことができるように力覚のフィードバックをおこなうものもあり、それも含めて多くの研究、開発が行われている。
【０００４】
また、仮想現実下の遠隔操縦をおこなうということは、仮想現実下において計算機上に表現された操縦対象を操縦装置の情報をもとに動作させるということである。ロボットの場合と同様に仮想現実下で表現された操縦対象に接触した場合には、対象に接触した場合に操縦対象が感じるであろう感覚を擬似的に創出し、操縦装置にフィードバックするような研究も数多くおこなわれている。
【０００５】
ところで、操縦対象の遠隔操縦は必ずしも屋内で行われるものではなく、例えば、災害現場においてレスキュー隊が屋外でロボットを遠隔操縦しなければならないことがある。
その際には、机等の大きな付随物を必要とせず災害現場まで容易に運搬できること、長時間操縦しても疲れないこと等が要求される。
【０００６】
これまで良く使われる遠隔操縦装置としては、ジョイスティックがあるが、これは最大３自由度の限られた角度の指令しか出来ない。また机に置く必要があった。
特許文献１の装置は球面リンク機構をもちいており比較的コンパクトな構造を有するものであるが、力覚を与えようとすると動き回る関節部分にモータ等の駆動系を取り付けねばならず、その分大きな質量を動かさねばならず軽快な操作感が得られない恐れがある。
特許文献２、特許文献３は１つの回転中心周りに３軸方向のモーメントを生成する手術シュミレータである。しかし、赤道部、南極部に複雑な機構を配設する必要があり、大きなスペースを要する。
【０００７】
非特許文献１の図４の装置は球座標型の５節リンク機構を用いているが軸回転部Ａ，Ｂが離間しており経度方向の可動範囲が大きくとれない。
非特許文献２の装置は力覚フィードバックをおこなう装置であるが装置が多数のリンクを含み構造が複雑であり、かつ大型であり、台上に設置して使用することが必要と思われ使用範囲が限定される。
非特許文献３の装置も非特許文献１の装置と同様に台上に設置して使用することが必要と思われ使用範囲が限定される。
【０００８】
机を必要としない方式としては、非特許文献４のように操作者の背中にバックパックを背負いそこから操縦桿を伸ばす方式の操縦桿も開発されているが、どうしても重くなり、立位姿勢で長期間操縦しなければならない。また、操作者に力感覚を与えようとすると、操作者にその力が働くためうまく作動しない。ゲーム用のWii（登録商標）コントローラのような操縦桿では手を常に空中に浮かして指令値を生成するため、長時間の操作では疲れやすく、また精密な指令はし難い、などの問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−２７４２００
【特許文献２】米国特許出願公開２００５／０１６２３８３
【特許文献３】米国特許出願公開２００４／０１４５５６３Ａ９
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Bernard D. Adelstein et al, "KINEMATIC DESIGN OF A THREE DEGREE OF FREEDOM PARALLEL HAND CONTROLLER MECHANISM, Proceedings of the ASME Dynamic Systems and Control Division, DSC-Vol. 58, pp.539-546, 1996
【非特許文献２】Y.Tsumaki et al. "Design of Compact 6-DOF Haptic Interface
【非特許文献３】荒田他「パラレルリンク機構を用いた力覚提示装置 ＤＥＬＴＡ−４の開発」、日本ロボット学会誌２７巻８号
【非特許文献４】Ingo Kossyk et al. "Design and evaluation of a wearable haptic interface for large workspaces", The 2010 IEEE/RSJ International Robots and Systems October 18-22, 2010, Taipei, Taiwan
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記問題に鑑み、長時間使用しても疲れないように、手首を含む肘を載置したまま遠隔操縦できる肘掛型遠隔操縦装置を開発することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明によれば、肘掛型遠隔操縦装置であって、
オペレータの手首を含む肘を載せるための肘掛部材であって、第１連結軸を介して第１連結部材の上端が回動自在に取り付けられ、第２連結軸を介して第２連結部材の上端が回動自在に取り付けられている肘掛部材と、
ベース連結部材であって、第１連結部材の下端が第３連結軸を介して回動自在に連結され、第２連結部材の下端が第４連結軸を介して回動自在に連結されている、ベース連結部材と、
第３連結軸が固定されたベース部材であって、地面に立設される垂直軸部材に回動自在に取り付けられるベース部材と、を具備し、
第１連結軸と第２連結軸の距離と第３連結軸と第４連結軸との距離が等しく、第１連結軸と第３連結軸の距離と第２連結軸と第４連結軸の距離が等しくされ、肘掛部材、第１連結部材、第２連結部材、ベース連結部材が平行四辺形をなしており、
第１連結部材の第３連結軸周りの回転角度を検出可能な第１角度検出手段と、ベース連結部材の第３連結軸まわりの回転角度を検出可能な第２角度検出手段と、ベース部材の垂直軸部材まわりの角度を検出可能な第３角度検出手段と、を備えて、肘掛部材の状態を検出し、かつ、
第１連結部材の基準角度からの傾斜角に応じて第３連結軸周りの復元力を生成する第１のバネ機構と、ベース連結部材に平行な肘掛部材の基準角度からの傾斜角に応じて第１連結軸周りの復元力を生成する第２のバネ機構と、を備えて、肘掛部材の状態に応じた復元力を提供する、
ことを特徴とする肘掛型遠隔操縦装置が提供される。
【００１３】
請求項２の発明によれば、第１のバネ機構のバネは第１連結部材に取り付けられ、バネの端部から延伸されたワイヤが第３連結軸に対して固定されている下部非円形プーリの外周に巻張された後に下部非円形プーリに対して固定されており、前記第３連結軸に対して固定されている下部非円形プーリは、第１連結部材の垂直軸に対する傾きに係らず、肘掛部全体の重量と肘掛部材に載置されたオペレータの手首を含む肘の重量とバランスするバネ力を第１のバネ機構に発生せしめる形状とされている。
請求項３の発明によれば、第２のバネ機構のバネは肘掛部材に取り付けられ、バネの端部から延伸されたワイヤが第１連結軸に対して固定されている上部非円形プーリの外周に巻張された後に上部非円形プーリに対して固定されており、
前記第１連結軸に対して固定されている上部非円形プーリは、肘掛部材の水平軸に対する傾きに係らず、第２のバネ機構を含む肘掛部材の重量と肘掛部材に載置されたオペレータの手首を含む肘の重量とバランスするバネ力を第２のバネ機構に発生せしめる形状とされており、第１連結軸と第３連結軸が連結手段を介して連結されていて、一方の連結軸の回動と同じ回動が他方の連結軸に伝達される。
請求項４の発明によれば、第２のバネ機構のバネは肘掛部材に取り付けられ、バネの端部から延伸されたワイヤが第２連結軸に対して固定されている円形プーリ、第４連結軸に対して固定されている円形プーリを経由して第３連結軸に対して固定されている第２の下部非円形プーリの外周に巻張されてから第２の下部非円形プーリに対して固定されている。
請求項５の発明によれば、第１のバネ機構と第２のバネ機構は、バネ力を調整可能である。
請求項６の発明によれば、第３連結軸部材まわりの回転に対してトルクを与えることで手先部に前後方向の力覚を与える駆動手段と、
ベース連結部材の第３連結軸まわりの回転に対してトルクを与えることで手先部に上下方向の力覚を与える駆動手段と、
ベース部材の垂直軸部材まわりの回転に対してトルクを与えることで手先部に左右方向の力覚を与える駆動手段と備える。
請求項７の発明によれば、垂直軸部材が、折りたたみ椅子の後脚とされる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の肘掛型遠隔操縦装置は手首を含む肘を載置したまま遠隔操縦でき、かつ、肘の位置に応じて保持力が生成されるので長時間使用しても疲れない。
特に請求項７のようにすれば持ち運び、設置が容易であり、どのようなところでも遠隔操縦をおこなうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】折りたたみ椅子に取り付けられている本発明の第１の実施形態の肘掛型操縦装置が椅子に腰掛けたオペレータにより操縦されている様子を示す図である。
【図２】図１の肘掛型操縦装置を斜め後方から見た図である。
【図３】図１の肘掛型操縦装置の主要部の外観の拡大図である。
【図４】肘掛部材１０、第１連結部材３１、第２連結部材３２の内部を示す図である。
【図５】肘掛部材１０、第１連結部材３１、第２連結部材３２の内部を拡大して示す図である。
【図６】第１連結部材３１、第２連結部材３２、ベース部材１００を下方から見た図である。
【図７】ベース部材１００の下部の拡大図である。
【図８】ベース部材１００の内部を示す図である。
【図９】肘掛部材１０の前端を上に引き上げたときの肘掛部材１０、第１連結部材３１、第２連結部材３２の内部を示す図である。
【図１０】肘掛部材１０の前端を下に押し下げたときの肘掛部材１０、第１連結部材３１、第２連結部材３２の内部を示す図である。
【図１１】図４（ニュートラル状態）、図８（肘掛部材１０の前端を上に引き上げたとき）、図９（肘掛部材１０の前端を下に押し下げたとき）の場合における上部非円形カム２３と第２ワイヤ１６と第１水平バネ１２の状態を示す比較図である。
【図１２】肘掛部材１０を前方に押し出したときの肘掛部材１０、第１連結部材３１、第２連結部材３２の内部を示す図である。
【図１３】肘掛部材１０を後方に引いたときの肘掛部材１０、第１連結部材３１、第２連結部材３２の内部を示す図である。
【図１４】第２の実施形態の肘掛型操縦装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。まず、第１の実施形態について説明意する。
図１は椅子に取り付けられている本発明の第１の実施形態の肘掛型操縦装置が椅子に腰掛けたオペレータにより操縦されている様子を示す図である。図２は椅子に取り付けられている肘掛型操縦装置を斜め後方から見た図である。図３は本発明の肘掛型操縦装置の主要部の外観の拡大図であり、図４は主要部の内部を示す図である。図５は肘掛部材１０、第１連結部材３１を取り除いて示す図である。
肘掛部材１０に第１連結部材３１と第２連結部材３２が、それぞれ第１連結軸２１と第２結軸２２を介して、連結されている。第１連結部材３１と第２連結部材３２はそれぞれ第３連結軸４１と第４連結軸４２を介してベース連結部材４０に連結されている。
【００１７】
第１連結軸２１と第２連結軸２２との間の軸間距離Ｘ１と第３連結軸４１と第４連結軸４２との間の軸間距離Ｘ２は等しく、第１連結軸２１と第３連結軸４１との間の軸間距離Ｙ１は第１連結軸２１と第４連結軸４２との間の軸間距離Ｙ２は等しくされており、第１連結軸２１と第２結軸２２と第３連結軸４１と第４連結軸４２を連節点とする変形可能な平行四辺形が形成されている。参照符号１００で示されるのはベース部材である。
【００１８】
図４、５に示されるように肘掛部材１０の内部には、水平バネ取り付け部材１１が取り付けられており、水平バネ取り付け部材１１には第１水平バネ１２と第２水平バネ１３が取り付けられている。第２ワイヤ１６が第１水平バネ１２と第２水平バネ１３の内部を通って配置され、第１水平バネ１２と第２水平バネ１３の水平バネ取り付け部材１１とは反対側の端部において、それぞれ第１水平バネストッパ１４と第２水平バネストッパ１５が第２ワイヤ１６に取り付けられている。
【００１９】
第１連結部材３１の内部には、垂直バネ取り付け部材３５が取り付けられており、垂直バネ取り付け部材３５には第１垂直バネ３３と第２垂直バネ３４が取り付けられている。第１ワイヤ３８が第１垂直バネ３３と第２垂直バネ３４の内部を通って配置され、第１垂直バネ３３と第２垂直バネ３４の垂直バネ取り付け部材３５とは反対側の端部において、それぞれ第１垂直バネストッパ３６と第２垂直バネストッパ３７が第１ワイヤ３８に取り付けられている。
【００２０】
第１連結軸２１には上部非円形プーリ２３と上部円形プーリ２４が固定されており、第２ワイヤ１６は上部非円形プーリ２３に巻張され、かつ、１点において上部非円形プーリ２３に固定されている。第３連結軸４１には下部非円形プーリ４３と下部円形プーリ４４が固定されており、第２ワイヤ１６は上部非円形プーリ２３に巻張され、かつ、１点において下部非円形プーリ４３に固定されている。
上部円形プーリ２４と下部円形プーリ４４は第３ワイヤ４５で連動回転するように連結されている。
【００２１】
第１連結部材３１の内部には、第１モータ取り付け部材３９が取り付けられており、第１モータ取り付け部材３９には第１モータ５１が固定されている。第１モータ５１の軸には第２傘歯車４７が取り付けられており、第２傘歯車４７は第３連結軸４１に取り付けられている第１傘歯車４６と噛合っている。
【００２２】
第１連結部材３１と同様に第２連結部材３２の内部には第２モータ５２が第２モータ取り付け部材５５に取り付けられており、第２モータ５２の軸に取り付けられた第４傘歯車５４が第４連結軸４２に取り付けられた第３傘歯車５３と噛合している。
【００２３】
図６は第１連結部材３１、第２連結部材３２、ベース部材１００を下方から見た図であるが、この図６において、参照符号１０１で示されるのはベース部材１００の内部に固定される第３モータ取り付け部材であって、第３モータ取り付け部材１０１には図８において参照符号５８でしめされている第３モータが取り付けられている。
また、参照符号１０２で示されるのは第３連結軸４１をベース部材１００の内部に固定する固定部材である。
【００２４】
図７はベース部材１００の下部の拡大図であるが、この図７に示されるように、ベース部材１００の外側にベース部材１００を参照符号２で示される椅子の後脚に取り付けるための第１装着部材１０４、第２装着部材１０５が固定されている。第１装着部材１０４、第２装着部材１０５は椅子の脚部１に対しては回動可能である。
図８はベース部材１００の内部を示す図であって、第３モータ取り付け部材１０１に取り付けられた第３モータ５８が示されている。
【００２５】
以下、上記のように構成された肘掛型操縦装置の作動について説明する。
図４はニュートラルな状態で、オペレータが肘掛部材１０を上下、前後、左右のいずれにも動かしていない状態を示しているが、図９はオペレータが肘掛部材１０の前端を上方に移動せしめたときの状態を示し、図１０はオペレータが肘掛部材１０の前端を下方に移動せしめたときの状態を示し、図１１はオペレータが肘掛部材１０を前方に移動せしめたときの状態を示し、図１２はオペレータが肘掛部材１０を後方に移動せしめたときの状態を示している。
【００２６】
図９に示す状態では、肘掛部材１０は前端が上方に傾斜し第１水平バネ１２が伸び、第２水平バネ１３が縮み、第１垂直バネ３３と第２垂直バネ３４はニュートラルな状態と同じ長さを保っている。肘掛部材１０の水平軸に対する傾斜角をθ１とするとθ１はベース連結部材４０の水平軸に対する傾斜角に等しく、この傾斜角θ１は第２連結部材３２内に配設されている第２モータ５２に隣接して配設されている図示しない角度検出部材によって検出される。
【００２７】
すなわち、ベース連結部材４０に第４連結軸４２が固定されており、第２連結部材３２が回動すると第４連結軸４２が公転回転するのでそれにより第３傘歯車５３が回転してそれに噛合している第４傘歯車５４が回転し、第４傘歯車５４が取り付けられている第２モータ５２の軸が回転し、その第２モータ５２の軸に取り付けられているギヤ５６に噛合しているギヤ５７が回転し、このギヤ５７が取り付けられている軸の回転の角度が第２モータ取り付け部材５５の裏側の図示されない角度検出部材によって検出されるのである（図６参照）。この角度検出部材が特許請求の範囲の記載における第２角度検出手段に相当する。
【００２８】
図１０に示す状態では、肘掛部材１０は前端が下方に傾斜し第１水平バネ１２が縮み、第２水平バネ１３が伸び、第１垂直バネ３３と第２垂直バネ３４はニュートラルな状態と同じ長さを保っている。肘掛部材１０の水平軸に対する傾斜角θ１は図８の場合とは逆に水平軸より下方に向かうが上述の図示されない角度検出部材によって同様に検出される。
【００２９】
上記の図４、図９、図１０に示される状態における第１水平バネ１２、第２水平バネ１３の作用について図１１を参照して説明する。
図１１において、第１水平バネ１２が上部非円形プーリ２３の真横に記載されているのが図４に示される状態であり、第１水平バネ１２が上部非円形プーリ２３の斜め上方に記載されているのが図１０に示される状態であり、第１水平バネ１２が上部非円形プーリ２３の斜め下方に記載されているのが図１１に示される状態である。
【００３０】
上部非円形プーリ２３上に仮想基準点Ａを仮定する。また、図４、図９、図１０に示される状態における第１バネストッパ１４の位置をそれぞれＷH，ＷM，ＷLと仮定し、図４、図９、図１０に示される状態におけるワイヤ１６が上部非円形プーリ２３から離れる点をそれぞれＳH，ＳM，ＳLと仮定する。そして、図４、図９、図１０に示される状態における上部非円形プーリ２３の中心から離れる点上部非円形プーリ２３から離れる点ＳH，ＳM，ＳLとから垂直バネ取り付け部材１１の外側面までの距離をＬH，ＬM、ＬLとする。
【００３１】
ＡからＷHまでの距離＝ＡからＷMまでの距離＝ＡからＷLまでの距離であり、
ＡからＳHまでの距離＜ＡからＳMまでの距離＜ＡからＳLまでの距離であり、
ＬH＞ＬM＞ＬＬである。
したがって、図４、図９、図１０に示される状態における第１水平バネ１２の長さをそれぞれＢH，ＢM，ＢLとすれば、ＢH＞ＢM＞ＢLである。
【００３２】
したがって、図４、図９、図１０に示される状態における第１水平バネ１２のバネ力をＦH，ＦM，ＦLとすると、このバネは圧縮されると伸びようとする力を発生するものであり、縮められて短くされるほど大きい力を発生するものであるのでＦH＜ＦM＜ＦLとなる。
そして、このバネ力は垂直バネ取り付け部材１１を上部非円形プーリ２３側に押しやろうとする力である。
一方、図４、図９、図１０に示される状態における上部非円形プーリ２３の中心から離れる点上部非円形プーリ２３から離れる点ＳH，ＳM，ＳLまでの距離をＲH，ＲM、ＲLとすると、ＲH＞ＲM＞ＲLである。
【００３３】
図４、図９、図１０に示される状態においては、それぞれ、第１連結軸２１には、ＦH×ＲH、ＦM×ＲM、ＦL×ＲLの反時計回りのトルクがかかる。
ここで、上述のようにＦH＜ＦM＜ＦLであり、ＲH＞ＲM＞ＲLである。
したがって、ＦH×ＲH、ＦM×ＲM、ＦL×ＲLの値を一定にすることができる。
すなわち、ＦH×ＲH、ＦM×ＲM、ＦL×ＲLの値が一定になるように上部非円形プーリ２３のプーリの外周形状が決められている。
その際、オペレータの肘（手首を含む）の重量と肘掛部材１０の重量（内部の機構の重量を含む）を補償できる、すなわち上記重量を感じさせない、ようにバネが設定される。
【００３４】
図１２、図１３に示されるように肘掛部材１０が前方、あるいは、後方に移動せしめられ第１水平バネ１２、第２水平バネ１３が伸縮しない状態では、第１垂直バネ３３、第２垂直バネ３４が上述の第１水平バネ１２、第２水平バネ１３と同様な動きと作用をおこなう。
そして、第１連結部材３１の垂直軸線からの傾斜θ２は第１連結部材３１内に配設されている第１モータ５１に付設されている図示しない角度検出部材によって検出される。
【００３５】
すなわち、ベース連結部材４０に第３連結軸４１が固定されており、第１連結部材３１が回動すると第３連結軸４１が公転回転するのでそれにより第１傘歯車４６が回転してそれに噛合している第２傘歯車４７が回転し、第２傘歯車４７が取り付けられている第１モータ５１の軸が回転し、その第１モータ５１の軸に取り付けられているギヤ４８に噛合しているギヤ４９が回転し、このギヤ４９が取り付けられている軸の回転の角度が第１モータ取り付け部材３９の裏側の図示されない角度検出部材によって検出されるのである（図６参照）。この角度検出部材が特許請求の範囲の記載における第１角度検出手段に相当する。
【００３６】
肘掛部材１０およびが上または下に傾斜せしめられ、第１連結部材３１（および第２連結部材３２）も前方または後方に移動せしめることも可能である。前述のように、上部円形プーリ２４と下部円形プーリ４４は第３ワイヤ４５で連動回転するように連結されているので、例えば、肘掛部材１０およびが上に傾斜せしめられ、第１連結部材３１（および第２連結部材３２）が前方に移動せしめられた場合には、上部非円形プーリ２３、下部非円形プーリ４３は、図９に示した場合よりも、時計回り方向に回転しており、その結果、バネ力はより小さくなる。
【００３７】
次に、垂直軸線まわりの回動の角度θ３の検出について説明する。
図８において、参照符号１１１で示されるのは図示しない第３モータの軸に取り付けられている歯車であり、歯車１１１は半円形のセクター歯車１１２と噛合している。セクター歯車１１２は脚部１に対して固定される第１位置決め部材１０６に固定されている。一方、第２装着部材１０５の上側には同様に脚部１に対して固定される第２位置決め部材１０７が配置される。
【００３８】
第１位置決め部材１０６と第２位置決め部材１０７でベース部材１００に取り付けられている第１装着部材１０４と第２装着部材１０５を上下方向から挟むようにして全体の取り付け高さが決められるが、前述のように第１装着部材１０４、第２装着部材１０５は椅子の脚部１に対して固定されていないのでベース部材１００を介して全体が脚部１の周りを回動することができる。
【００３９】
図７に示されるように、第３モータの軸にはセクター歯車１１２と噛合する歯車１１１の他に歯車１１３が取り付けられており、この歯車１１３はより小径の歯車１１４と噛合している。そしてこの歯車１１４の取り付けられている軸の回転の角度が垂直軸線まわりの回動の角度θ３として第３モータ取り付け部材１０１の裏側の図示されない角度検出部材によって検出されるのである。この角度検出部材が特許請求の範囲の記載における第３角度検出手段に相当する。
【００４０】
次に、図１４を参照して、第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態は第１の実施形態と同様な、肘掛部材１０、ベース連結部材４０、第１連結部材３１、第２連結部材３２を含み、第１連結軸２１と第２連結軸２２と第３連結軸４１と第４連結軸４２を連節点とする変形可能な平行四辺形を形成している。
【００４１】
そして、第１の実施形態とは異なり、第１連結軸２１に上部円形プーリ２４が取り付けられておらず、第３連結軸に下部円形プーリ４４が取り付けられておらず、その代わりに、第２連結軸２２に上部円形プーリ２５が、第４連結軸４２には下部円形プーリ２５が取り付けられている。そして、第３連結軸４１には第１の実施形態の下部非円形プーリ４３に加えて、同様な第２下部非円形プーリ２７が取り付けられている。第２下部非円形プーリ２７は図中下左部分で半径変化による効果を発揮するようにされている。
【００４２】
水平バネ取り付け部材１１には、第１の実施形態と同様に、第１水平バネ１２と第２水平バネ１３が取り付けられている。第１の実施形態の第２ワイヤ１６よりも長い第１ロングワイヤ６１が第１水平バネストッパ１４のところを始点として図中反時計回りに上部円形プーリ２５と下部円形プーリ２６に部分周接してから第２下部非円形プーリ２７に達しその第２下部非円形プーリ２７の半径変化による効果を発揮しない部分、例えば、図中右中間部分、に固定されている。
【００４３】
一方、第２ロングワイヤ６２が第２水平バネストッパ１５のところを始点として上部円形プーリ２５に第１ロングワイヤ６１とは反対に時計周りに部分周接し、下部円形プーリ２６にも時計周りに部分周接してから第２下部非円形プーリ２７に達しその第２下部非円形プーリ２７の半径変化による効果を発揮しない部分、例えば、図中右中間部分、に固定されている。
【００４４】
上述のように、上部円形プーリ２５と下部円形プーリ２６は第１ロングワイヤ６１と第２ロングワイヤ６２が周接するのでそれぞれ２個づつ形成されている。なお、ニュートラル状態から変移せしめられたときに第１ロングワイヤ６１と第２ロングワイヤ６２は、上部円形プーリ２５、下部円形プーリ２６、および、第２下部非円形プーリ２７を互いに逆方向に回転せしめようとする。
【００４５】
この第２の実施形態においては、第１連結軸２１に上部円形プーリ２４が取り付けられておらず、第３連結軸に下部円形プーリ４４が取り付けられておらず、もちろん、第３ワイヤ４５もない。したがって、第１連結部材３１の内部に構成部品が集中的に配置されることが防止され、組み立てが容易になるという利点がある。
【００４６】
前述した第１モータ５１、第２モータ５２、および、第３モータ５８に付設された角度検出センサの検出した信号によって肘掛部材の位置、姿勢を含む状態を特定することができる。この信号は、図示しない、適切な、有線または無線の伝達手段によりロボット等の操縦対象に伝達され、伝達された信号にもとづきロボット等の操縦対象の対応する部位が動いて所望の操作が行われる。
ここで、ロボット等の操縦対象が何らかの対象物に接触し反力を受けるとその反力はロボット等にあらかじめ備えられたセンサにより検出され、その信号が本発明の遠隔操縦装置に伝達される。
【００４７】
すると、伝達された信号にもとづいて第１モータ５１、第２モータ５２、および、第３モータ５８が作動せしめられてオペレータに力覚が与えられるが、その際に力覚が目標値になるようにモータにはその力に相当する電流が供給される。なお、力覚はあらかじめ定めた倍力比によりロボットが検出した力に対して倍力されるが、倍力比は１より小さい場合もあれば、１より大きい場合もある。
上記のような信号の送受、倍力比の設定、および、前述したロール角の検出値の補正等のためにベース部材１００内に、図示しないが制御装置が設けられている。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明はロボットや仮想現実下の操縦対象を遠隔操縦するための遠隔操縦装置であり、遠隔操縦をおこなうロボットや仮想現実を利用するアミューズメント装置等に広く適用できる。
特にはレスキュー隊等が屋外で使用するロボットを遠隔操縦する場合に適している。
【符号の説明】
【００４９】
１ 椅子
２ 後脚
１０ 肘掛部材
１１ 水平バネ取り付け部材
１２ 第１水平バネ
１３ 第２水平バネ
１６ 第２ワイヤ
１７ グリップ
２１ 第１連結軸
２２ 第２連結軸
２３ 上部非円形プーリ
２４ 上部円形プーリ
２５ 上部円形プーリ
２６ 下部円形プーリ
２７ 第２下部非円形プーリ
３１ 第１連結部材
３２ 第２連結部材
３３ 第１垂直バネ
３４ 第２垂直バネ
３５ 垂直バネ取り付け部材
３８ 第１ワイヤ
４０ ベース連結部材
４１ 第３連結軸
４２ 第４連結軸
４３ 下部非円形プーリ
４４ 下部円形プーリ
４５ 第３ワイヤ
５１ 第１モータ
５２ 第２モータ
５８ 第３モータ
１００ ベース部材
１１２ セクター歯車
【技術分野】
【０００１】
本発明はロボットや仮想現実下の操縦対象を、手首を含む肘を載置したまま遠隔操縦することのできる肘掛型遠隔操縦装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットや仮想現実下の操縦対象の遠隔操縦がすでにいろいろな分野で使用されている。例えば、災害地や危険地区、あるいは、極限環境、宇宙空間での作業、物の移動等のために遠隔操縦が行われており、また、医療等の分野では手術トレーニング装置、遠隔手術のための遠隔操縦の研究が進められている。また、アミューズメント分野においては仮想現実下の操縦対象の遠隔操縦の開発が進められている。
【０００３】
ロボットの遠隔操縦をおこなうということは、ロボットのオペレータの操作情報（通常は手の動き）を検出してロボットに送り、ロボットが送られた操作情報にもとづき操作をおこなうということである。最近では、より適確な操作がおこなうことができるように力覚のフィードバックをおこなうものもあり、それも含めて多くの研究、開発が行われている。
【０００４】
また、仮想現実下の遠隔操縦をおこなうということは、仮想現実下において計算機上に表現された操縦対象を操縦装置の情報をもとに動作させるということである。ロボットの場合と同様に仮想現実下で表現された操縦対象に接触した場合には、対象に接触した場合に操縦対象が感じるであろう感覚を擬似的に創出し、操縦装置にフィードバックするような研究も数多くおこなわれている。
【０００５】
ところで、操縦対象の遠隔操縦は必ずしも屋内で行われるものではなく、例えば、災害現場においてレスキュー隊が屋外でロボットを遠隔操縦しなければならないことがある。
その際には、机等の大きな付随物を必要とせず災害現場まで容易に運搬できること、長時間操縦しても疲れないこと等が要求される。
【０００６】
これまで良く使われる遠隔操縦装置としては、ジョイスティックがあるが、これは最大３自由度の限られた角度の指令しか出来ない。また机に置く必要があった。
特許文献１の装置は球面リンク機構をもちいており比較的コンパクトな構造を有するものであるが、力覚を与えようとすると動き回る関節部分にモータ等の駆動系を取り付けねばならず、その分大きな質量を動かさねばならず軽快な操作感が得られない恐れがある。
特許文献２、特許文献３は１つの回転中心周りに３軸方向のモーメントを生成する手術シュミレータである。しかし、赤道部、南極部に複雑な機構を配設する必要があり、大きなスペースを要する。
【０００７】
非特許文献１の図４の装置は球座標型の５節リンク機構を用いているが軸回転部Ａ，Ｂが離間しており経度方向の可動範囲が大きくとれない。
非特許文献２の装置は力覚フィードバックをおこなう装置であるが装置が多数のリンクを含み構造が複雑であり、かつ大型であり、台上に設置して使用することが必要と思われ使用範囲が限定される。
非特許文献３の装置も非特許文献１の装置と同様に台上に設置して使用することが必要と思われ使用範囲が限定される。
【０００８】
机を必要としない方式としては、非特許文献４のように操作者の背中にバックパックを背負いそこから操縦桿を伸ばす方式の操縦桿も開発されているが、どうしても重くなり、立位姿勢で長期間操縦しなければならない。また、操作者に力感覚を与えようとすると、操作者にその力が働くためうまく作動しない。ゲーム用のWii（登録商標）コントローラのような操縦桿では手を常に空中に浮かして指令値を生成するため、長時間の操作では疲れやすく、また精密な指令はし難い、などの問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−２７４２００
【特許文献２】米国特許出願公開２００５／０１６２３８３
【特許文献３】米国特許出願公開２００４／０１４５５６３Ａ９
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Bernard D. Adelstein et al, "KINEMATIC DESIGN OF A THREE DEGREE OF FREEDOM PARALLEL HAND CONTROLLER MECHANISM, Proceedings of the ASME Dynamic Systems and Control Division, DSC-Vol. 58, pp.539-546, 1996
【非特許文献２】Y.Tsumaki et al. "Design of Compact 6-DOF Haptic Interface
【非特許文献３】荒田他「パラレルリンク機構を用いた力覚提示装置 ＤＥＬＴＡ−４の開発」、日本ロボット学会誌２７巻８号
【非特許文献４】Ingo Kossyk et al. "Design and evaluation of a wearable haptic interface for large workspaces", The 2010 IEEE/RSJ International Robots and Systems October 18-22, 2010, Taipei, Taiwan
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記問題に鑑み、長時間使用しても疲れないように、手首を含む肘を載置したまま遠隔操縦できる肘掛型遠隔操縦装置を開発することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明によれば、肘掛型遠隔操縦装置であって、
オペレータの手首を含む肘を載せるための肘掛部材であって、第１連結軸を介して第１連結部材の上端が回動自在に取り付けられ、第２連結軸を介して第２連結部材の上端が回動自在に取り付けられている肘掛部材と、
ベース連結部材であって、第１連結部材の下端が第３連結軸を介して回動自在に連結され、第２連結部材の下端が第４連結軸を介して回動自在に連結されている、ベース連結部材と、
第３連結軸が固定されたベース部材であって、地面に立設される垂直軸部材に回動自在に取り付けられるベース部材と、を具備し、
第１連結軸と第２連結軸の距離と第３連結軸と第４連結軸との距離が等しく、第１連結軸と第３連結軸の距離と第２連結軸と第４連結軸の距離が等しくされ、肘掛部材、第１連結部材、第２連結部材、ベース連結部材が平行四辺形をなしており、
第１連結部材の第３連結軸周りの回転角度を検出可能な第１角度検出手段と、ベース連結部材の第３連結軸まわりの回転角度を検出可能な第２角度検出手段と、ベース部材の垂直軸部材まわりの角度を検出可能な第３角度検出手段と、を備えて、肘掛部材の状態を検出し、かつ、
第１連結部材の基準角度からの傾斜角に応じて第３連結軸周りの復元力を生成する第１のバネ機構と、ベース連結部材に平行な肘掛部材の基準角度からの傾斜角に応じて第１連結軸周りの復元力を生成する第２のバネ機構と、を備えて、肘掛部材の状態に応じた復元力を提供する、
ことを特徴とする肘掛型遠隔操縦装置が提供される。
【００１３】
請求項２の発明によれば、第１のバネ機構のバネは第１連結部材に取り付けられ、バネの端部から延伸されたワイヤが第３連結軸に対して固定されている下部非円形プーリの外周に巻張された後に下部非円形プーリに対して固定されており、前記第３連結軸に対して固定されている下部非円形プーリは、第１連結部材の垂直軸に対する傾きに係らず、肘掛部全体の重量と肘掛部材に載置されたオペレータの手首を含む肘の重量とバランスするバネ力を第１のバネ機構に発生せしめる形状とされている。
請求項３の発明によれば、第２のバネ機構のバネは肘掛部材に取り付けられ、バネの端部から延伸されたワイヤが第１連結軸に対して固定されている上部非円形プーリの外周に巻張された後に上部非円形プーリに対して固定されており、
前記第１連結軸に対して固定されている上部非円形プーリは、肘掛部材の水平軸に対する傾きに係らず、第２のバネ機構を含む肘掛部材の重量と肘掛部材に載置されたオペレータの手首を含む肘の重量とバランスするバネ力を第２のバネ機構に発生せしめる形状とされており、第１連結軸と第３連結軸が連結手段を介して連結されていて、一方の連結軸の回動と同じ回動が他方の連結軸に伝達される。
請求項４の発明によれば、第２のバネ機構のバネは肘掛部材に取り付けられ、バネの端部から延伸されたワイヤが第２連結軸に対して固定されている円形プーリ、第４連結軸に対して固定されている円形プーリを経由して第３連結軸に対して固定されている第２の下部非円形プーリの外周に巻張されてから第２の下部非円形プーリに対して固定されている。
請求項５の発明によれば、第１のバネ機構と第２のバネ機構は、バネ力を調整可能である。
請求項６の発明によれば、第３連結軸部材まわりの回転に対してトルクを与えることで手先部に前後方向の力覚を与える駆動手段と、
ベース連結部材の第３連結軸まわりの回転に対してトルクを与えることで手先部に上下方向の力覚を与える駆動手段と、
ベース部材の垂直軸部材まわりの回転に対してトルクを与えることで手先部に左右方向の力覚を与える駆動手段と備える。
請求項７の発明によれば、垂直軸部材が、折りたたみ椅子の後脚とされる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の肘掛型遠隔操縦装置は手首を含む肘を載置したまま遠隔操縦でき、かつ、肘の位置に応じて保持力が生成されるので長時間使用しても疲れない。
特に請求項７のようにすれば持ち運び、設置が容易であり、どのようなところでも遠隔操縦をおこなうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】折りたたみ椅子に取り付けられている本発明の第１の実施形態の肘掛型操縦装置が椅子に腰掛けたオペレータにより操縦されている様子を示す図である。
【図２】図１の肘掛型操縦装置を斜め後方から見た図である。
【図３】図１の肘掛型操縦装置の主要部の外観の拡大図である。
【図４】肘掛部材１０、第１連結部材３１、第２連結部材３２の内部を示す図である。
【図５】肘掛部材１０、第１連結部材３１、第２連結部材３２の内部を拡大して示す図である。
【図６】第１連結部材３１、第２連結部材３２、ベース部材１００を下方から見た図である。
【図７】ベース部材１００の下部の拡大図である。
【図８】ベース部材１００の内部を示す図である。
【図９】肘掛部材１０の前端を上に引き上げたときの肘掛部材１０、第１連結部材３１、第２連結部材３２の内部を示す図である。
【図１０】肘掛部材１０の前端を下に押し下げたときの肘掛部材１０、第１連結部材３１、第２連結部材３２の内部を示す図である。
【図１１】図４（ニュートラル状態）、図８（肘掛部材１０の前端を上に引き上げたとき）、図９（肘掛部材１０の前端を下に押し下げたとき）の場合における上部非円形カム２３と第２ワイヤ１６と第１水平バネ１２の状態を示す比較図である。
【図１２】肘掛部材１０を前方に押し出したときの肘掛部材１０、第１連結部材３１、第２連結部材３２の内部を示す図である。
【図１３】肘掛部材１０を後方に引いたときの肘掛部材１０、第１連結部材３１、第２連結部材３２の内部を示す図である。
【図１４】第２の実施形態の肘掛型操縦装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。まず、第１の実施形態について説明意する。
図１は椅子に取り付けられている本発明の第１の実施形態の肘掛型操縦装置が椅子に腰掛けたオペレータにより操縦されている様子を示す図である。図２は椅子に取り付けられている肘掛型操縦装置を斜め後方から見た図である。図３は本発明の肘掛型操縦装置の主要部の外観の拡大図であり、図４は主要部の内部を示す図である。図５は肘掛部材１０、第１連結部材３１を取り除いて示す図である。
肘掛部材１０に第１連結部材３１と第２連結部材３２が、それぞれ第１連結軸２１と第２結軸２２を介して、連結されている。第１連結部材３１と第２連結部材３２はそれぞれ第３連結軸４１と第４連結軸４２を介してベース連結部材４０に連結されている。
【００１７】
第１連結軸２１と第２連結軸２２との間の軸間距離Ｘ１と第３連結軸４１と第４連結軸４２との間の軸間距離Ｘ２は等しく、第１連結軸２１と第３連結軸４１との間の軸間距離Ｙ１は第１連結軸２１と第４連結軸４２との間の軸間距離Ｙ２は等しくされており、第１連結軸２１と第２結軸２２と第３連結軸４１と第４連結軸４２を連節点とする変形可能な平行四辺形が形成されている。参照符号１００で示されるのはベース部材である。
【００１８】
図４、５に示されるように肘掛部材１０の内部には、水平バネ取り付け部材１１が取り付けられており、水平バネ取り付け部材１１には第１水平バネ１２と第２水平バネ１３が取り付けられている。第２ワイヤ１６が第１水平バネ１２と第２水平バネ１３の内部を通って配置され、第１水平バネ１２と第２水平バネ１３の水平バネ取り付け部材１１とは反対側の端部において、それぞれ第１水平バネストッパ１４と第２水平バネストッパ１５が第２ワイヤ１６に取り付けられている。
【００１９】
第１連結部材３１の内部には、垂直バネ取り付け部材３５が取り付けられており、垂直バネ取り付け部材３５には第１垂直バネ３３と第２垂直バネ３４が取り付けられている。第１ワイヤ３８が第１垂直バネ３３と第２垂直バネ３４の内部を通って配置され、第１垂直バネ３３と第２垂直バネ３４の垂直バネ取り付け部材３５とは反対側の端部において、それぞれ第１垂直バネストッパ３６と第２垂直バネストッパ３７が第１ワイヤ３８に取り付けられている。
【００２０】
第１連結軸２１には上部非円形プーリ２３と上部円形プーリ２４が固定されており、第２ワイヤ１６は上部非円形プーリ２３に巻張され、かつ、１点において上部非円形プーリ２３に固定されている。第３連結軸４１には下部非円形プーリ４３と下部円形プーリ４４が固定されており、第２ワイヤ１６は上部非円形プーリ２３に巻張され、かつ、１点において下部非円形プーリ４３に固定されている。
上部円形プーリ２４と下部円形プーリ４４は第３ワイヤ４５で連動回転するように連結されている。
【００２１】
第１連結部材３１の内部には、第１モータ取り付け部材３９が取り付けられており、第１モータ取り付け部材３９には第１モータ５１が固定されている。第１モータ５１の軸には第２傘歯車４７が取り付けられており、第２傘歯車４７は第３連結軸４１に取り付けられている第１傘歯車４６と噛合っている。
【００２２】
第１連結部材３１と同様に第２連結部材３２の内部には第２モータ５２が第２モータ取り付け部材５５に取り付けられており、第２モータ５２の軸に取り付けられた第４傘歯車５４が第４連結軸４２に取り付けられた第３傘歯車５３と噛合している。
【００２３】
図６は第１連結部材３１、第２連結部材３２、ベース部材１００を下方から見た図であるが、この図６において、参照符号１０１で示されるのはベース部材１００の内部に固定される第３モータ取り付け部材であって、第３モータ取り付け部材１０１には図８において参照符号５８でしめされている第３モータが取り付けられている。
また、参照符号１０２で示されるのは第３連結軸４１をベース部材１００の内部に固定する固定部材である。
【００２４】
図７はベース部材１００の下部の拡大図であるが、この図７に示されるように、ベース部材１００の外側にベース部材１００を参照符号２で示される椅子の後脚に取り付けるための第１装着部材１０４、第２装着部材１０５が固定されている。第１装着部材１０４、第２装着部材１０５は椅子の脚部１に対しては回動可能である。
図８はベース部材１００の内部を示す図であって、第３モータ取り付け部材１０１に取り付けられた第３モータ５８が示されている。
【００２５】
以下、上記のように構成された肘掛型操縦装置の作動について説明する。
図４はニュートラルな状態で、オペレータが肘掛部材１０を上下、前後、左右のいずれにも動かしていない状態を示しているが、図９はオペレータが肘掛部材１０の前端を上方に移動せしめたときの状態を示し、図１０はオペレータが肘掛部材１０の前端を下方に移動せしめたときの状態を示し、図１１はオペレータが肘掛部材１０を前方に移動せしめたときの状態を示し、図１２はオペレータが肘掛部材１０を後方に移動せしめたときの状態を示している。
【００２６】
図９に示す状態では、肘掛部材１０は前端が上方に傾斜し第１水平バネ１２が伸び、第２水平バネ１３が縮み、第１垂直バネ３３と第２垂直バネ３４はニュートラルな状態と同じ長さを保っている。肘掛部材１０の水平軸に対する傾斜角をθ１とするとθ１はベース連結部材４０の水平軸に対する傾斜角に等しく、この傾斜角θ１は第２連結部材３２内に配設されている第２モータ５２に隣接して配設されている図示しない角度検出部材によって検出される。
【００２７】
すなわち、ベース連結部材４０に第４連結軸４２が固定されており、第２連結部材３２が回動すると第４連結軸４２が公転回転するのでそれにより第３傘歯車５３が回転してそれに噛合している第４傘歯車５４が回転し、第４傘歯車５４が取り付けられている第２モータ５２の軸が回転し、その第２モータ５２の軸に取り付けられているギヤ５６に噛合しているギヤ５７が回転し、このギヤ５７が取り付けられている軸の回転の角度が第２モータ取り付け部材５５の裏側の図示されない角度検出部材によって検出されるのである（図６参照）。この角度検出部材が特許請求の範囲の記載における第２角度検出手段に相当する。
【００２８】
図１０に示す状態では、肘掛部材１０は前端が下方に傾斜し第１水平バネ１２が縮み、第２水平バネ１３が伸び、第１垂直バネ３３と第２垂直バネ３４はニュートラルな状態と同じ長さを保っている。肘掛部材１０の水平軸に対する傾斜角θ１は図８の場合とは逆に水平軸より下方に向かうが上述の図示されない角度検出部材によって同様に検出される。
【００２９】
上記の図４、図９、図１０に示される状態における第１水平バネ１２、第２水平バネ１３の作用について図１１を参照して説明する。
図１１において、第１水平バネ１２が上部非円形プーリ２３の真横に記載されているのが図４に示される状態であり、第１水平バネ１２が上部非円形プーリ２３の斜め上方に記載されているのが図１０に示される状態であり、第１水平バネ１２が上部非円形プーリ２３の斜め下方に記載されているのが図１１に示される状態である。
【００３０】
上部非円形プーリ２３上に仮想基準点Ａを仮定する。また、図４、図９、図１０に示される状態における第１バネストッパ１４の位置をそれぞれＷH，ＷM，ＷLと仮定し、図４、図９、図１０に示される状態におけるワイヤ１６が上部非円形プーリ２３から離れる点をそれぞれＳH，ＳM，ＳLと仮定する。そして、図４、図９、図１０に示される状態における上部非円形プーリ２３の中心から離れる点上部非円形プーリ２３から離れる点ＳH，ＳM，ＳLとから垂直バネ取り付け部材１１の外側面までの距離をＬH，ＬM、ＬLとする。
【００３１】
ＡからＷHまでの距離＝ＡからＷMまでの距離＝ＡからＷLまでの距離であり、
ＡからＳHまでの距離＜ＡからＳMまでの距離＜ＡからＳLまでの距離であり、
ＬH＞ＬM＞ＬＬである。
したがって、図４、図９、図１０に示される状態における第１水平バネ１２の長さをそれぞれＢH，ＢM，ＢLとすれば、ＢH＞ＢM＞ＢLである。
【００３２】
したがって、図４、図９、図１０に示される状態における第１水平バネ１２のバネ力をＦH，ＦM，ＦLとすると、このバネは圧縮されると伸びようとする力を発生するものであり、縮められて短くされるほど大きい力を発生するものであるのでＦH＜ＦM＜ＦLとなる。
そして、このバネ力は垂直バネ取り付け部材１１を上部非円形プーリ２３側に押しやろうとする力である。
一方、図４、図９、図１０に示される状態における上部非円形プーリ２３の中心から離れる点上部非円形プーリ２３から離れる点ＳH，ＳM，ＳLまでの距離をＲH，ＲM、ＲLとすると、ＲH＞ＲM＞ＲLである。
【００３３】
図４、図９、図１０に示される状態においては、それぞれ、第１連結軸２１には、ＦH×ＲH、ＦM×ＲM、ＦL×ＲLの反時計回りのトルクがかかる。
ここで、上述のようにＦH＜ＦM＜ＦLであり、ＲH＞ＲM＞ＲLである。
したがって、ＦH×ＲH、ＦM×ＲM、ＦL×ＲLの値を一定にすることができる。
すなわち、ＦH×ＲH、ＦM×ＲM、ＦL×ＲLの値が一定になるように上部非円形プーリ２３のプーリの外周形状が決められている。
その際、オペレータの肘（手首を含む）の重量と肘掛部材１０の重量（内部の機構の重量を含む）を補償できる、すなわち上記重量を感じさせない、ようにバネが設定される。
【００３４】
図１２、図１３に示されるように肘掛部材１０が前方、あるいは、後方に移動せしめられ第１水平バネ１２、第２水平バネ１３が伸縮しない状態では、第１垂直バネ３３、第２垂直バネ３４が上述の第１水平バネ１２、第２水平バネ１３と同様な動きと作用をおこなう。
そして、第１連結部材３１の垂直軸線からの傾斜θ２は第１連結部材３１内に配設されている第１モータ５１に付設されている図示しない角度検出部材によって検出される。
【００３５】
すなわち、ベース連結部材４０に第３連結軸４１が固定されており、第１連結部材３１が回動すると第３連結軸４１が公転回転するのでそれにより第１傘歯車４６が回転してそれに噛合している第２傘歯車４７が回転し、第２傘歯車４７が取り付けられている第１モータ５１の軸が回転し、その第１モータ５１の軸に取り付けられているギヤ４８に噛合しているギヤ４９が回転し、このギヤ４９が取り付けられている軸の回転の角度が第１モータ取り付け部材３９の裏側の図示されない角度検出部材によって検出されるのである（図６参照）。この角度検出部材が特許請求の範囲の記載における第１角度検出手段に相当する。
【００３６】
肘掛部材１０およびが上または下に傾斜せしめられ、第１連結部材３１（および第２連結部材３２）も前方または後方に移動せしめることも可能である。前述のように、上部円形プーリ２４と下部円形プーリ４４は第３ワイヤ４５で連動回転するように連結されているので、例えば、肘掛部材１０およびが上に傾斜せしめられ、第１連結部材３１（および第２連結部材３２）が前方に移動せしめられた場合には、上部非円形プーリ２３、下部非円形プーリ４３は、図９に示した場合よりも、時計回り方向に回転しており、その結果、バネ力はより小さくなる。
【００３７】
次に、垂直軸線まわりの回動の角度θ３の検出について説明する。
図８において、参照符号１１１で示されるのは図示しない第３モータの軸に取り付けられている歯車であり、歯車１１１は半円形のセクター歯車１１２と噛合している。セクター歯車１１２は脚部１に対して固定される第１位置決め部材１０６に固定されている。一方、第２装着部材１０５の上側には同様に脚部１に対して固定される第２位置決め部材１０７が配置される。
【００３８】
第１位置決め部材１０６と第２位置決め部材１０７でベース部材１００に取り付けられている第１装着部材１０４と第２装着部材１０５を上下方向から挟むようにして全体の取り付け高さが決められるが、前述のように第１装着部材１０４、第２装着部材１０５は椅子の脚部１に対して固定されていないのでベース部材１００を介して全体が脚部１の周りを回動することができる。
【００３９】
図７に示されるように、第３モータの軸にはセクター歯車１１２と噛合する歯車１１１の他に歯車１１３が取り付けられており、この歯車１１３はより小径の歯車１１４と噛合している。そしてこの歯車１１４の取り付けられている軸の回転の角度が垂直軸線まわりの回動の角度θ３として第３モータ取り付け部材１０１の裏側の図示されない角度検出部材によって検出されるのである。この角度検出部材が特許請求の範囲の記載における第３角度検出手段に相当する。
【００４０】
次に、図１４を参照して、第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態は第１の実施形態と同様な、肘掛部材１０、ベース連結部材４０、第１連結部材３１、第２連結部材３２を含み、第１連結軸２１と第２連結軸２２と第３連結軸４１と第４連結軸４２を連節点とする変形可能な平行四辺形を形成している。
【００４１】
そして、第１の実施形態とは異なり、第１連結軸２１に上部円形プーリ２４が取り付けられておらず、第３連結軸に下部円形プーリ４４が取り付けられておらず、その代わりに、第２連結軸２２に上部円形プーリ２５が、第４連結軸４２には下部円形プーリ２５が取り付けられている。そして、第３連結軸４１には第１の実施形態の下部非円形プーリ４３に加えて、同様な第２下部非円形プーリ２７が取り付けられている。第２下部非円形プーリ２７は図中下左部分で半径変化による効果を発揮するようにされている。
【００４２】
水平バネ取り付け部材１１には、第１の実施形態と同様に、第１水平バネ１２と第２水平バネ１３が取り付けられている。第１の実施形態の第２ワイヤ１６よりも長い第１ロングワイヤ６１が第１水平バネストッパ１４のところを始点として図中反時計回りに上部円形プーリ２５と下部円形プーリ２６に部分周接してから第２下部非円形プーリ２７に達しその第２下部非円形プーリ２７の半径変化による効果を発揮しない部分、例えば、図中右中間部分、に固定されている。
【００４３】
一方、第２ロングワイヤ６２が第２水平バネストッパ１５のところを始点として上部円形プーリ２５に第１ロングワイヤ６１とは反対に時計周りに部分周接し、下部円形プーリ２６にも時計周りに部分周接してから第２下部非円形プーリ２７に達しその第２下部非円形プーリ２７の半径変化による効果を発揮しない部分、例えば、図中右中間部分、に固定されている。
【００４４】
上述のように、上部円形プーリ２５と下部円形プーリ２６は第１ロングワイヤ６１と第２ロングワイヤ６２が周接するのでそれぞれ２個づつ形成されている。なお、ニュートラル状態から変移せしめられたときに第１ロングワイヤ６１と第２ロングワイヤ６２は、上部円形プーリ２５、下部円形プーリ２６、および、第２下部非円形プーリ２７を互いに逆方向に回転せしめようとする。
【００４５】
この第２の実施形態においては、第１連結軸２１に上部円形プーリ２４が取り付けられておらず、第３連結軸に下部円形プーリ４４が取り付けられておらず、もちろん、第３ワイヤ４５もない。したがって、第１連結部材３１の内部に構成部品が集中的に配置されることが防止され、組み立てが容易になるという利点がある。
【００４６】
前述した第１モータ５１、第２モータ５２、および、第３モータ５８に付設された角度検出センサの検出した信号によって肘掛部材の位置、姿勢を含む状態を特定することができる。この信号は、図示しない、適切な、有線または無線の伝達手段によりロボット等の操縦対象に伝達され、伝達された信号にもとづきロボット等の操縦対象の対応する部位が動いて所望の操作が行われる。
ここで、ロボット等の操縦対象が何らかの対象物に接触し反力を受けるとその反力はロボット等にあらかじめ備えられたセンサにより検出され、その信号が本発明の遠隔操縦装置に伝達される。
【００４７】
すると、伝達された信号にもとづいて第１モータ５１、第２モータ５２、および、第３モータ５８が作動せしめられてオペレータに力覚が与えられるが、その際に力覚が目標値になるようにモータにはその力に相当する電流が供給される。なお、力覚はあらかじめ定めた倍力比によりロボットが検出した力に対して倍力されるが、倍力比は１より小さい場合もあれば、１より大きい場合もある。
上記のような信号の送受、倍力比の設定、および、前述したロール角の検出値の補正等のためにベース部材１００内に、図示しないが制御装置が設けられている。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明はロボットや仮想現実下の操縦対象を遠隔操縦するための遠隔操縦装置であり、遠隔操縦をおこなうロボットや仮想現実を利用するアミューズメント装置等に広く適用できる。
特にはレスキュー隊等が屋外で使用するロボットを遠隔操縦する場合に適している。
【符号の説明】
【００４９】
１ 椅子
２ 後脚
１０ 肘掛部材
１１ 水平バネ取り付け部材
１２ 第１水平バネ
１３ 第２水平バネ
１６ 第２ワイヤ
１７ グリップ
２１ 第１連結軸
２２ 第２連結軸
２３ 上部非円形プーリ
２４ 上部円形プーリ
２５ 上部円形プーリ
２６ 下部円形プーリ
２７ 第２下部非円形プーリ
３１ 第１連結部材
３２ 第２連結部材
３３ 第１垂直バネ
３４ 第２垂直バネ
３５ 垂直バネ取り付け部材
３８ 第１ワイヤ
４０ ベース連結部材
４１ 第３連結軸
４２ 第４連結軸
４３ 下部非円形プーリ
４４ 下部円形プーリ
４５ 第３ワイヤ
５１ 第１モータ
５２ 第２モータ
５８ 第３モータ
１００ ベース部材
１１２ セクター歯車
【特許請求の範囲】
【請求項１】
肘掛型遠隔操縦装置であって、
オペレータの手首を含む肘を載せるための肘掛部材であって、第１連結軸を介して第１連結部材の上端が回動自在に取り付けられ、第２連結軸を介して第２連結部材の上端が回動自在に取り付けられている肘掛部材と、
ベース連結部材であって、第１連結部材の下端が第３連結軸を介して回動自在に連結され、第２連結部材の下端が第４連結軸を介して回動自在に連結されている、ベース連結部材と、
第３連結軸が固定されたベース部材であって、地面に立設される垂直軸部材に回動自在に取り付けられるベース部材と、を具備し、
第１連結軸と第２連結軸の距離と第３連結軸と第４連結軸との距離が等しく、第１連結軸と第３連結軸の距離と第２連結軸と第４連結軸の距離が等しくされ、肘掛部材、第１連結部材、第２連結部材、ベース連結部材が平行四辺形をなしており、
第１連結部材の第３連結軸周りの回転角度を検出可能な第１角度検出手段と、ベース連結部材の第３連結軸まわりの回転角度を検出可能な第２角度検出手段と、ベース部材の垂直軸部材まわりの角度を検出可能な第３角度検出手段と、を備えて、肘掛部材の状態を検出し、かつ、
第１連結部材の基準角度からの傾斜角に応じて第３連結軸周りの復元力を生成する第１のバネ機構と、ベース連結部材に平行な肘掛部材の基準角度からの傾斜角に応じて第１連結軸周りの復元力を生成する第２のバネ機構と、を備えて、肘掛部材の状態に応じた復元力を提供する、
ことを特徴とする肘掛型遠隔操縦装置。
【請求項２】
第１のバネ機構のバネは第１連結部材に取り付けられ、バネの端部から延伸されたワイヤが第３連結軸に対して固定されている下部非円形プーリの外周に巻張された後に下部非円形プーリに対して固定されており、
前記第３連結軸に対して固定されている下部非円形プーリは、第１連結部材の垂直軸に対する傾きに係らず、肘掛部全体の重量と肘掛部材に載置されたオペレータの手首を含む肘の重量とバランスするバネ力を第１のバネ機構に発生せしめる形状とされている、
ことを特徴とする請求項１に記載の肘掛型遠隔操縦装置。
【請求項３】
第２のバネ機構のバネは肘掛部材に取り付けられ、バネの端部から延伸されたワイヤが第１連結軸に対して固定されている上部非円形プーリの外周に巻張された後に上部非円形プーリに対して固定されており、
前記第１連結軸に対して固定されている上部非円形プーリは、肘掛部材の水平軸に対する傾きに係らず、第２のバネ機構を含む肘掛部材の重量と肘掛部材に載置されたオペレータの手首を含む肘の重量とバランスするバネ力を第２のバネ機構に発生せしめる形状とされており、第１連結軸と第３連結軸が連結手段を介して連結されていて、一方の連結軸の回動と同じ回動が他方の連結軸に伝達される、ことを特徴とする請求項１または２に記載の肘掛型遠隔操縦装置。
【請求項４】
第２のバネ機構のバネは肘掛部材に取り付けられ、バネの端部から延伸されたワイヤが第２連結軸に対して固定されている円形プーリ、第４連結軸に対して固定されている円形プーリを経由して第３連結軸に対して固定されている第２の下部非円形プーリの外周に巻張されてから第２の下部非円形プーリに対して固定されている、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の肘掛型遠隔操縦装置。
【請求項５】
第１のバネ機構と第２のバネ機構は、バネ力を調整可能である、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の肘掛型遠隔操縦装置。
【請求項６】
第１連結部材の第３連結軸まわりの回転に対してトルクを与えることで手先部に前後方向の力覚を与える駆動手段と、
ベース連結部材の第３連結軸まわりの回転に対してトルクを与えることで、手先部に上下方向の力覚を与える駆動手段と、
ベース部材の垂直軸部材まわりの回転に対してトルクを与えることで肘に左右方向の力覚を与える駆動手段と、を備え、
肘掛部材の状態に応じて力覚を与えることが可能である、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の肘掛型遠隔操縦装置。
【請求項７】
垂直軸部材が、折りたたみ椅子の後脚である、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の肘掛型遠隔操縦装置。
【請求項１】
肘掛型遠隔操縦装置であって、
オペレータの手首を含む肘を載せるための肘掛部材であって、第１連結軸を介して第１連結部材の上端が回動自在に取り付けられ、第２連結軸を介して第２連結部材の上端が回動自在に取り付けられている肘掛部材と、
ベース連結部材であって、第１連結部材の下端が第３連結軸を介して回動自在に連結され、第２連結部材の下端が第４連結軸を介して回動自在に連結されている、ベース連結部材と、
第３連結軸が固定されたベース部材であって、地面に立設される垂直軸部材に回動自在に取り付けられるベース部材と、を具備し、
第１連結軸と第２連結軸の距離と第３連結軸と第４連結軸との距離が等しく、第１連結軸と第３連結軸の距離と第２連結軸と第４連結軸の距離が等しくされ、肘掛部材、第１連結部材、第２連結部材、ベース連結部材が平行四辺形をなしており、
第１連結部材の第３連結軸周りの回転角度を検出可能な第１角度検出手段と、ベース連結部材の第３連結軸まわりの回転角度を検出可能な第２角度検出手段と、ベース部材の垂直軸部材まわりの角度を検出可能な第３角度検出手段と、を備えて、肘掛部材の状態を検出し、かつ、
第１連結部材の基準角度からの傾斜角に応じて第３連結軸周りの復元力を生成する第１のバネ機構と、ベース連結部材に平行な肘掛部材の基準角度からの傾斜角に応じて第１連結軸周りの復元力を生成する第２のバネ機構と、を備えて、肘掛部材の状態に応じた復元力を提供する、
ことを特徴とする肘掛型遠隔操縦装置。
【請求項２】
第１のバネ機構のバネは第１連結部材に取り付けられ、バネの端部から延伸されたワイヤが第３連結軸に対して固定されている下部非円形プーリの外周に巻張された後に下部非円形プーリに対して固定されており、
前記第３連結軸に対して固定されている下部非円形プーリは、第１連結部材の垂直軸に対する傾きに係らず、肘掛部全体の重量と肘掛部材に載置されたオペレータの手首を含む肘の重量とバランスするバネ力を第１のバネ機構に発生せしめる形状とされている、
ことを特徴とする請求項１に記載の肘掛型遠隔操縦装置。
【請求項３】
第２のバネ機構のバネは肘掛部材に取り付けられ、バネの端部から延伸されたワイヤが第１連結軸に対して固定されている上部非円形プーリの外周に巻張された後に上部非円形プーリに対して固定されており、
前記第１連結軸に対して固定されている上部非円形プーリは、肘掛部材の水平軸に対する傾きに係らず、第２のバネ機構を含む肘掛部材の重量と肘掛部材に載置されたオペレータの手首を含む肘の重量とバランスするバネ力を第２のバネ機構に発生せしめる形状とされており、第１連結軸と第３連結軸が連結手段を介して連結されていて、一方の連結軸の回動と同じ回動が他方の連結軸に伝達される、ことを特徴とする請求項１または２に記載の肘掛型遠隔操縦装置。
【請求項４】
第２のバネ機構のバネは肘掛部材に取り付けられ、バネの端部から延伸されたワイヤが第２連結軸に対して固定されている円形プーリ、第４連結軸に対して固定されている円形プーリを経由して第３連結軸に対して固定されている第２の下部非円形プーリの外周に巻張されてから第２の下部非円形プーリに対して固定されている、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の肘掛型遠隔操縦装置。
【請求項５】
第１のバネ機構と第２のバネ機構は、バネ力を調整可能である、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の肘掛型遠隔操縦装置。
【請求項６】
第１連結部材の第３連結軸まわりの回転に対してトルクを与えることで手先部に前後方向の力覚を与える駆動手段と、
ベース連結部材の第３連結軸まわりの回転に対してトルクを与えることで、手先部に上下方向の力覚を与える駆動手段と、
ベース部材の垂直軸部材まわりの回転に対してトルクを与えることで肘に左右方向の力覚を与える駆動手段と、を備え、
肘掛部材の状態に応じて力覚を与えることが可能である、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の肘掛型遠隔操縦装置。
【請求項７】
垂直軸部材が、折りたたみ椅子の後脚である、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の肘掛型遠隔操縦装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−８８８５２（Ｐ２０１３−８８８５２Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２５７８０（Ｐ２０１１−２２５７８０）
【出願日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 第２９回日本ロボット学会学術講演会 講演概要集（発行所：一般社団法人日本ロボット学会 発行日：平成２３年９月７日）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 第２９回日本ロボット学会学術講演会 講演概要集（発行所：一般社団法人日本ロボット学会 発行日：平成２３年９月７日）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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