補足的な回転コントローラを有する３Ｄ入力装置

本発明は、請求項1の前提部に記載のオブジェクトの位置を空間内で制御するための3D入力装置に関する。

以下に記載する手動操作可能な入力装置は、CADプログラムなどのソフトウェアアプリケーショの制御、又は携帯型装置もしくはロボット、工具、輸送手段などの機械の制御、あるいはその他の装置の制御に使用される。典型的な入力装置は、例えば、仮想又は現実のオブジェクトを空間内で制御するためのマウス、ジョイスティック、キーボード、トラックボール又は3D入力装置などである。

特許文献1から例えば3D入力装置が公知であり、同装置は3D制御素子及び補足的な回転コントローラを備えている。3D制御素子に関してユーザは、並進及び回転の制御パラメータを例えば3つの空間軸上又は空間軸周りで(つまり6自由度で)入力できる。回転コントローラを操作することによってこれ以外の機能を実行できる。そのため、回転コントローラを回転させることによって、例えば3D制御の感度を変化させたり、画面の明るさを調整したり、画面のズーム範囲を規定したりでき、図示した素子では回転方向に応じて拡大又は縮小できる。

特許文献2には、並進及び回転の制御パラメータを合計6自由度で設定できる3D入力装置が記載されている。そのためにこの3D入力装置は、3つの別々の入力素子、すなわちトラックボール、回転コントローラ及びボールを備え、このそれぞれに対して制御パラメータを1つ又は複数の自由度で設定できる。1つのオブジェクトを合計6自由度で動かすことができる。

その他の3D入力装置が例えば特許文献3で知られている。

公知の3D入力装置は通常、速度制御を実行する。つまり、3D入力素子の特定の偏位が、オブジェクトが空間内を移動する特定の速度に変換される。その際、3D入力素子の特定の位置がオブジェクトの特定の速度に相当する。ユーザがオブジェクトを停止したいときは、3D入力素子をニュートラル位置に戻さなければならない。そのようなシステムでは、当然ながらオブジェクトを比較的大まかにしか制御できない。ロボットのようなオブジェクトを正確に制御するために速度を制御する方法は不適切である。なぜなら、ピンポイントで位置決めするほど正確ではなく、極めて高度なスキルが必要だからである。その理由はとりわけ、ユーザが3D入力素子をまだニュートラル位置に戻している間にロボットがさらに動くことにある。ロボットを的確に制御するためにユーザは、あらゆる操作状態でのロボットの挙動を把握して手動で調整しなければならない。

独国特許第10 2008 019 144 明細書

米国特許第5 561 445A 明細書

国際公開第02/065269号 パンフレット

したがって、本発明の目的は、オブジェクトの位置を空間内で制御するための3D入力装置であって、手動操作が可能で、オブジェクトを容易かつ正確に空間内で制御できる装置を達成することである。

この課題は、独立請求項に記載の特徴を通して本発明によって解決される。本発明のその他の形態は、従属請求項から明らかになる。

本発明によれば、オブジェクトの位置を空間内で制御するための3D入力装置であって、並進及び/又は回転の制御パラメータを少なくとも3つの(デカルト)空間座標上あるいは空間座標周りに設定でき、手動操作可能な3D入力素子を備えるとともに、回転を操作した際に回転角度に応じて出力信号を生成する補足的な回転コントローラをさらに備える、3D入力装置が提供される。本発明によれば、制御ユニットは、回転コントローラによって実行される回転運動に応じてオブジェクトを空間内で並進移動させるように想定されている。つまり、被制御オブジェクトは、回転コントローラを操作した際に、開始点から目的点まで直線的な、具体的には一直線の動きをする。したがって、本発明による入力装置は、3D入力素子だけでなく回転コントローラも用いてオブジェクトを制御又は位置決めする可能性を提供する。回転コントローラの感度が3D入力装置よりも低い場合、回転コントローラを用いる方が3D入力素子を用いるよりも正確にオブジェクトを制御できる。感度に応じてオブジェクトは、特定の制御パラメータを受けた際に、様々な速度で、あるいは様々な範囲を動き、より高い感度を用いた場合に、オブジェクトは比較的速く又は大きく動く。

「オブジェクト」とは、本明細書の枠組みではあらゆる機械又は装置を指し、このオブジェクトは、例えば電動モータなどのアクチュエータを1つ以上用いて動かせるものである。このほか、本発明の場合、「オブジェクト」は仮想のオブジェクトのことでもあり、これは、例えば画面に表示され、ユーザがソフトウェアアプリケーションを用いて制御できるものである。

本発明による3D入力装置は、原則として、3D入力素子又は回転コントローラを操作した際に、それぞれが位置制御か速度制御かのいずれかを実行するように構成されてよい。本発明の好適な実施形態によれば、回転コントローラを操作した際に位置制御が実行され、この位置制御によってオブジェクトは、回転コントローラの回転運動に対応して空間内を動く。位置制御を利用することによって、ユーザは通常、速度制御したときよりも遙かに速く正確に所望の目的点を制御でき、そのため長期にわたって練習する必要はない。

「位置制御」とは、ユーザが回転コントローラで実行する制御パラメータを、被制御オブジェクトの適切な位置変更に変換するという制御又は調節のことである。回転運動の範囲によって、被制御オブジェクトが開始点から終了点まで進む距離が決まり、その場合にユーザの制御パラメータは、所定のスケールファクタによって被制御オブジェクトの適切な運動に変換される。

本発明の特定の実施形態によれば、3D入力装置は、ユーザが3D入力素子で実行する制御パラメータにより、被制御オブジェクトが適切な速度に変わるように構成される。回転コントローラを回転操作した際に位置制御を実現することが好ましい。このようにする代わりに、3D入力素子で実行される制御パラメータで、例えば位置制御を起こすこともできる。この場合、3D入力素子の感度が回転コントローラの感度よりも高いことが好ましい。

本発明の一実施形態では、両方の入力手段(3D入力素子と回転コントローラ)で速度制御を実行した場合にも同じことが当てはまる。

本発明によれば、オブジェクトは、回転コントローラを回転運動させた際に、オブジェクトのそれまでの移動行程に応じてさらに動くようになっている。それまでの移動行程が例えば直線に沿って伸びていれば、オブジェクトは直線に沿ってさらに動くことが好ましい。一方、湾曲している場合、オブジェクトは、曲率半径がほぼ同じである曲線に沿ってさらに動くことが好ましい。特定の実施形態によれば、それまでの移動行程の一点、特に終了点では、例えば漸近線も算出でき、オブジェクトはこの漸近線に沿ってさらに動くことができる。

本発明の好適な実施形態によれば、3D入力装置は、1つ又は複数のその他の入力素子を備え、例えばそれは、回転コントローラを回転させた際にオブジェクトが従うはずの特定の移動方向を設定するためのボタンなどである。その他の入力素子を用いて、例えばx方向、y方向又はz方向への移動、あるいは該軸のうちの1つの軸周りの回転を設定できる。これらの補足的な入力素子の1つを操作し、回転コントローラを手動で回転させると、オブジェクトは所望の方向に動く。そのため、補足的な入力素子及び回転コントローラを用いると、オブジェクトを所望の各空間方向に動かし、及び/又はオブジェクトをそれぞれの空間軸周りに回転させることが可能である。任意選択で、移動方向をソフトウェアに基づいて構成することもできる。

被制御オブジェクトによって実行される動きは、回転コントローラの回転方向に対応することが好ましい。好適な実施形態によれば、3D入力装置は、オブジェクトが、回転コントローラを第1の回転方向に操作した際に第1の移動方向に動き、回転コントローラをもう一方の回転方向に操作した際は逆方向に動くように形成される。

本発明の一実施形態によれば、制御方法(つまり位置制御又は速度制御)及び/又はそれぞれの入力装置(3D入力素子又は回転コントローラ)の感度は、被制御オブジェクトが存在する位置に応じてよい。そのため、例えば、回転コントローラを操作する際に、被制御オブジェクトが設定された領域の内部にあれば第1の感度で位置制御を実行し、オブジェクトが領域の外部にあれば第2の感度で位置制御を実行するように想定できる。領域内部の感度は、領域外部よりも低いことが好ましい。任意選択で、同じことが3D入力素子を操作する場合にも当てはまる。

このようにする代わりに、本発明による3D入力装置は、回転コントローラを操作する際に、被制御オブジェクトが設定した空間領域の内部にあれば位置制御を実行し、オブジェクトが1つ又は複数の別の空間領域の外部にあれば速度制御を実行するように設計されてもよい。任意選択で、同じことが3D入力素子を操作する場合にも当てはまる。

前述の領域は、回転コントローラが完全に一回転した際に、制御すべきオブジェクトが空間領域の端からその領域の中間点まで動けるように規定されることが好ましい。領域は、例えば球体形状をした空間領域であることが好ましい。このようにする代わりに、前述したように、より細かい又は粗い変換を選択することもできる。

空間領域の大きさ及び/又は場所、制御技術及び/又は感度を、空間領域の内部又は外部で、例えば適切なソフトウェアメニューを用いてユーザが希望に応じて設定できることが好ましい。したがって、経験の浅いユーザは、熟練のユーザよりも、例えば大きめの領域及び/又は低めの感度を選択できる。

本発明は、3D入力装置を用いてオブジェクトを空間内で制御する方法でもあって、3D入力装置が、3つの(デカルト)空間座標上又は空間座標周りに制御パラメータを入力できる手動操作可能な3D入力素子と、回転コントローラとを備え、回転コントローラが、回転操作の際に回転角度に応じた出力信号を生成し、以下のステップからなる方法である。すなわち、3D入力素子を操作に応答して、3D入力素子で実行される制御パラメータに応じて、かつ、回転コントローラの操作に対する応答で、被制御オブジェクトを動かすステップ、及び回転コントローラで実行される回転運動に応じて制御対象のオブジェクトを動かすステップ。

このようにするために、3D入力素子及び回転コントローラの出力信号は制御装置によって処理され、その際に制御装置は、被制御オブジェクトの1つ又は複数のアクチュエータ、又はソフトウェアアプリケーションを適切に制御する。

以下に本発明を添付の図面に基づいて具体例を挙げてさらに詳細に説明していく。

補足的な回転コントローラを有する先行技術による公知の3D入力装置の斜視図である。

図1の3D入力装置を用いて制御されるロボットを有するロボットシステムの図である。

器具のエンドエフェクタによって進んだ様々な移動行程を示す図である。

図1は、図2に具体的に示したようなロボット(8)を制御するための3D入力装置(1)の実施例を示している。3D入力装置は、他の任意の機械又はCADソフトウェアなどのソフトウェアアプリケーションを制御するために使用することもできる。入力装置(1)は、全3つのデカルト空間軸上あるいは空間軸周りで、並進及び/又は回転の制御パラメータを適切な電気制御信号に変換できる。

図1に示した3D入力装置(1)は、3D入力素子(3)を有する基体(2)を備え、この入力素子は、ここでは基体(2)と可動式に連結しているキャップの形態に形成されている。3D入力素子(3)は、x方向、y方向及びz方向に動かせるとともに、前記軸周りに旋回あるいは回転でき、3Dセンサの一部を形成し、このセンサの本来のセンサ素子は基体(2)の内部に配置されている。3Dセンサは、例えば独国特許第10 2006 058 805号に記載されている3D測定システムであってよい。

3D入力素子(3)の領域には、リング形態の回転コントローラ(4)がさらに設けられ、このコントローラには他の制御パラメータを入力できる。回転コントローラ(4)は、ここでは3D入力素子(3)と同じくz軸周りに回転できる。基体(2)には、その上さらに、例えばボタン(6)及び/又はディスプレイ(7)のようなその他の操作部材を配置できる。

3D入力装置(1)は、例えば図2に示したロボット(8)のような被制御オブジェクトが、3D入力素子(3)を用いても回転コントローラ(4)を用いても空間内で移動できるように構成される。本発明の好適な実施形態によれば、3D入力装置(1)は、回転コントローラ(4)が操作されたときにオブジェクトの位置が制御されるように形成される。つまり、被制御オブジェクトの位置は、回転コントローラ(4)にかけられた回転角度による。

3D入力素子(3)の操作も回転コントローラ(4)の操作も、原則的には被制御オブジェクト(8)又は(14)の速度制御か位置制御のいずれかに変換できる。本発明の好適な実施形態によれば、3D入力素子(3)を操作する際は速度制御を実行し、回転コントローラ(4)を操作する際は位置制御を実行することが好ましい。その際、3D入力素子(3)又は回転コントローラ(4)に入力された制御パラメータは、特定の変速比又はスケールファクタによって適切な速度あるいは位置に変換される。

入力素子(3、4)が両方とも位置制御を実行する場合、又は入力素子(3、4)が両方とも速度制御を実行する場合、回転コントローラ(4)の感度は3D入力素子(3)の感度よりも低いことが好ましい。したがって、ユーザはオブジェクトを、3D入力素子(3)を用いて大まかに制御でき、回転コントローラ(4)を用いてきめ細やかに制御できる。

制御の技術(つまり位置制御又は速度制御)及び/又は感度は、後にさらに説明するように、被制御オブジェクトの実際の位置に応じてもよい。

3D入力素子(3)及び/又は回転コントローラ(4)のセンサは、例えば光学センサ素子、磁気センサ素子、圧電センサ素子又はその他の任意の公知のセンサ素子を備えることができる。本発明の一実施形態によれば、回転コントローラ(4)は、例えば回転運動する際に一連のインパルスを生成し、その際このインパルスから回転角度などの様々な運動量を算出できる。3D入力素子(3)及び/又は回転コントローラ(4)のセンサの出力信号は、評価用電子機器(21)によってさらに処理され、被制御オブジェクト(8)の1つ又は複数のアクチュエータを制御するのに適した制御信号に変換される。評価用電子機器(21)は、本明細書の範囲内では「制御装置」又は「制御ユニット」(21)とも呼び、通常はハードウェア構成要素とソフトウェア構成要素とで構成される。制御ユニット(21)は、外部装置のように例えば基体(2)の内部又は基体(2)の外部に配置されてよい。

図2は、ロボット(8)を有するロボットシステムを示し、このロボットは、例えば低侵襲手術用に使用できるものである。ロボット(8)は2つのアーム部材(11a、11b)を備え、このアーム部材はジョイント(12a)を介して互いに連結している。下側のアーム部材(11a)は、ジョイント(12c)を介してベース(9)と連結している。個々のジョイント(12a、12c)は、それぞれ電動モータ(図示せず)で駆動され、仕様に応じてアーム部材(11a、11b)が旋回する動き及び/又は回転する動きをもたらすことができる。

ロボット(8)は、1つの自由端を有し、この自由端はロボットヘッドとも呼ばれ、この自由端にはもう1つのジョイント(12b)が設けられている。最後に、ロボットヘッドには器具(13)が固定されている。手術にロボットを使用する場合、そのロボットは、例えば内視鏡、腹腔鏡、切断器具、把持器具、保持器具、接続器具、縫合器具又はその他の低侵襲手術用の手術器具であってよい。例えば外科用メス、ハサミ、針、スクレーパ、やすり、グリッパのような器具(13)の実際のエンドエフェクタは、符号(14)で示している。同じく、手術以外に使用する工具も可能である。

図2に示したロボットシステムは、3D入力装置(1)を用いて制御される。その際、3D入力装置(1)の出力信号は、ベース(9)に組み込まれた制御ユニット(21)に伝達され、制御ユニットは、入力装置(1)が受信した制御信号を、ロボット(8)の個々のアクチュエータに対して適切な制御信号に変換し、それによってロボット(8)あるいは器具(13)は、ユーザに指定された方法で動く。図示した実施例では、点(A)を制御するための基準点は、器具(13)の自由端にある。任意選択で、別の基準点を指定してもよい。

ロボットアーム8又は器具(13)の動きは、固定(例えばデカルト)座標系(17)に関連付けて正確に描写できる。その場合、座標系(17)は、典型的には工具(13)の遠位端、いわゆるエンドエフェクタ(14)に示され、エンドエフェクタは、ロボットアーム8の最も外側に示すことができる点(A)を表している。点(A)の位置は、座標系17では、3次元ベクトルによって一義的に定義できる。

3D入力素子(3)を垂直に押すことで、例えばエンドエフェクタ(14)がz軸に沿って下方に動くようにできる。3D入力素子(3)を傾けることで、例えばエンドエフェクタ(14)が例えばy軸などの軸周りに旋回するようにできる。

エンドエフェクタ(14)を用いて空間内で任意の運動曲線がくまなく動くように、制御パラメータとロボット(8)の動きとを合わせることができる。例えば、エンドエフェクタの最も外側の点(A)が点(B)の方へ動くようにエンドエフェクタ(14)を操ることができる。点(A)から点(B)への動きは、例えば3次元ベクトル(15)によって描くことができる。

図示した実施例では、個々のジョイント(12a)〜(12c)は、それぞれが回転運動と同様に、旋回運動もできるように形成される。したがって、ロボット(8)は合計で6自由度を有するため、器具(13)は、ロボットアームの到達範囲内で空間内を自由に動くことができる。

図3は、様々な移動行程(18)、(19)、(22)〜(24)の概略図を示しており、この移動行程に沿って器具(13)又は器具のエンドエフェクタ(14)は目的点(B)まで動く。動作の開始時、エンドエフェクタ(14)は図示した領域(16)の外部にある。第1の事例(矢印(18)及び(24)を参照)では、エンドエフェクタ(14)は、3D入力素子(3)によってまず移動行程(18)に沿って点Cまで動く。その際3D入力装置1は、速度制御か位置制御のいずれかを実行できる。点Cでは、3D入力素子は再びニュートラル位置にある状態である。その際、制御装置(21)は、それまでの移動行程(18)に関するデータを算出でき、それによって、3D入力素子(3)が作動していたオブジェクトのそれまでの移動行程(18)が保存される。このときにオブジェクト(8)又はエンドエフェクタ(14)を目的点(B)までさらに動かすためには、回転コントローラ(4)を操作する。それによってエンドエフェクタ(14)は、それまでの運動方向(18)に沿って目的点(B)までさらに動く。これに関連する移動行程をここでは破線矢印(24)で示している。その際にエンドエフェクタ(14)によって後方に移った道程は、回転コントローラ(4)に設定された回転角度に対応し、その際この道程は回転角度に比例することが好ましい。

有利には、回転コントローラ(4)の回転方向によって、エンドエフェクタ(14)の運動方向を移動行程(18)に沿って決定することができる。例えばエンドエフェクタ(14)は、回転コントローラ(4)を正の回転方向にすれば矢印方向(18)に動くが、負の回転方向にすれば矢印方向(18)とは逆に動く。

別の事例では、エンドエフェクタ(14)は、3D入力素子(3)の適切な操作によって、まず外部の場所(図示せず)から直線の移動行程(19)に沿って点Dまで動く。図3からわかるように、オブジェクトの動きは、移動行程(19)に沿って目的点(B)を通り過ぎて進む。そのため、それまでの移動行程(19)を単純に外挿することで目的点(B)に到達することは不可能である。目的点(B)に到達するためには、この場合、運動方向を変更しなければならない。そのようにするためにユーザは、回転コントローラ(4)を回転させた際に、制御すべきオブジェクト(8)又はエンドエフェクタ(14)を動かす様々な運動方向を自由に設定できるボタンのようないくつかの補足的な入力素子(6)を利用できる。第1のボタン(6)を操作することによって、ユーザは、例えばエンドエフェクタ(14)がz方向に動くように決定できる。別のボタン(6)を操作することによって、例えばx方向又はy方向、あるいは該軸のうちの1つの軸周りの回転運動を選択できる。図示した例では、ユーザはまずz方向を選択し、その結果、回転コントローラ(4)を操作した際にエンドエフェクタ(14)は移動行程(22)に沿ってz方向に動き、それに続いてy方向に動き、その結果、エンドエフェクタ(14)は移動行程(23)に沿って目的点(B)まで動く。

エンドエフェクタ(14)が負のy方向に動くようにするために、ユーザは、回転コントローラ(4)を例えば反時計回りに動かすことができる。個々のボタン(6)の機能性は、自由にプログラムできることが好ましい。そのため、例えばそれぞれの自由度に対して別々のボタン(6)を設けてもよいし、あるいはいくつかの自由度に対して単一のボタン(6)のみを設けてもよい。

前述したように、制御技術(つまり位置制御又は速度制御)及び/又は制御感度は、被制御オブジェクト(8)、(14)の実際の場所に対応してよい。本発明によれば、例えば、3D入力装置(1)の様々な操作方法に対する一種の限度を表す空間領域(16)を規定できる。この場合、3D入力素子(3)を操作する際に、領域(16)の外側で第1の感度を用いて速度制御を実行し、領域(16)の内側で第2の感度を用いて速度制御を実行するようにすることができ、このとき、第2の感度は第1の感度よりも低いことが好ましい。制御用のつまみ3をある程度ずらすと、それによって被制御オブジェクト(8)、(14)の速度が領域(16)の内側では領域(16)の外側よりも低くなる。3D入力装置(1)は、3D入力素子(3)を操作した際に、領域(16)の外側で速度制御を実行し、領域(16)の内側で位置制御を実行するように構成することもできる。

任意に、そのつど様々な感度で位置制御を実行することもできる。同じ原理が回転コントローラ(4)の操作についても適用される。

領域(16)は、目的点(B)が領域(16)の中央点と一致するとともに、回転コントローラ(4)を完全に回転させた際に、被制御オブジェクト(8)、(14)が領域(16)の端から領域(16)の中央点(B)まで移動できるように選択されることが好ましい。

ただし、このようにする代わりに、より細かい又は粗い変換要素を選択することもできる。そのためには、領域(16)を自由にパラメータで表示できることが有利である。

例えば領域(16)を、パラメータで表示できる半径を有する球体として規定でき、その結果、経験豊富なユーザは大きめの半径を選択し、経験の浅いユーザは小さめの半径を選択できる。パラメータは、制御装置(21)に格納できる。

制御技術及び調節技術の点では、制御(=開ループ)と調節(=閉ループ)とは通常、概念上は分かれている。本明細書では、これとは別に、概念及びその文法上の派生語のいずれについても、特に明記しない限り、制御あるいは制御装置のみに関することである。つまり、制御及び調節という概念は、同義語として用いている。当業者には、その時々の制御設備が制御装置又は調節装置として機能できることは明らかである。