(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に配置された回転板と、該回転板に取り付けられたモータと、該回転板上に位置し且つ該モータによって駆動される第１のギアと、固定的に配置され且つ該第１のギアと係合する第２のギアとを備え、該回転板は該モータの駆動力によって該第１のギアを介して該第２のギアの回りを回転することができるようになっており、該第２のギアの内側には筒が配置され、該回転板上に配置されたモータを含む電気部品に接続されたケーブルが該筒の上部から該筒の内部に通され、該筒の上部に該筒に対して回転可能に回転リングを設け、複数のケーブル固定用の手段が該回転リングに周方向に間隔をあけて配置されることを特徴とするロボットの首振り回転機構。
【請求項２】
該モータはエンコーダ付きモータであり、さらに該モータのエンコーダとは別のエンコーダを有することを特徴とする請求項１に記載のロボットの首振り回転機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、映像情報を提示するためのディスプレイと、映像情報を入力するためのカメラと、音声情報を入力するためのマイクと、音声情報を出力するためのスピーカとを備えたロボットの首振り回転機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記したようなロボットの首振り回転機構は、人間の頭部に相当する部分であり、本発明が対象とするロボットの首振り回転機構は、ロボット本体に対して回転可能に形成されている。このロボットの首振り回転機構は、操作者又はロボットの周囲に居る者が情報の入出力を可能にするために、映像情報を提示するためのディスプレイと、映像情報を入力するためのカメラと、音声情報を入力するためのマイクと、音声情報を出力するためのスピーカとを備えている。
【０００３】
ロボットの首振り回転機構の回転運動を可能にするために、モータと、回転板と、モータから回転板へ駆動力を伝達する駆動伝達装置と、モータの回転位置を検出するエンコーダと、モータコントローラとが使用されている。従来は、モータやエンコーダおよびモータコントローラは回転板の外側に配置され、回転板をベルト又はギアによって駆動する方式をとっている。この方式のよい点は、機構的に簡単であり、モータ制御が安定していることである。また、モータやエンコーダに接続されたケーブルの配線は単純である。
【０００４】
しかし、モータやエンコーダを回転板の外側に設置すると、それを設置するためのスペースが必要であり、コンパクトなデザインにできないという問題がある。また設置場所によりモータ等の取り付け条件が左右されるため、ロボット本体に合わせて製作する必要がでてくる。
そこで、モータやエンコーダ等をリング状の回転板の内側の空間に設置する構成がある。例えば、モータを回転板の回転中心の位置に配置し、モータの軸線上にある減速器の出力軸と回転板とをアームにより接続する。減速器の出力軸の回転はアームを介して回転板に伝達される。こうすれば、モータによって回転板を回転させることができ、且つスペースの問題はかなり改善される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、モータや、減速器やエンコーダは固定のベース上に配置されるが、ディスプレイやスピーカ及びカメラなどは回転テーブルの上に配置されている。ディスプレイやスピーカ及びカメラなどは人間の顔の役割を果たす部材であり、回転テーブルの上に比較的にかたまって配置される。このために、回転板の上の重量が局部的に偏り、重量バランスが崩れて滑らかな回転ができないという問題がある。特に、回転速度が上がってくると装置が振動してしまう問題がある。
【０００６】
さらに、モータやエンコーダ、並びにディスプレイやスピーカ及びカメラなどの電気部品からケーブルが延びる。モータとエンコーダは回転しないので、モータやエンコーダから延びるケーブルはそのまま下方に延ばすことができる。しかし、回転板上のディスプレイやスピーカ及びカメラなどの電気部品から延びるケーブルは、１つの束に束ねられ、ある電気部品の頂部から中央のモータへアーチ状に渡され、モータ及びエンコーダ等の固定部品に沿って下方に延びる。この場合、ケーブルを束ねてアーチ状にして装置中央に通す方法では、回転板の回転に伴って、ケーブルが固定されている根元の部分がひねられてしまい、捩じれ応力がかかり、ケーブルの寿命に大きな影響を与える。このため、装置全体の信頼性の低下を招くことになる。また、ケーブルの通し方もモータやブロック等にしばりつけながら下方へ通している。ケーブルを通すところを一つ一つ考えながら作業しなければならない。もちろんメンテナンス上の問題も出てくる。
【０００７】
本発明の目的は、モータの配置のためのスペースの問題を解決でき、且つ回転板がスムーズに回転できるようにしたロボットの首振り回転機構を提供することである。
本発明の他の目的は、モータ及びエンコーダ並びにディスプレイやスピーカ及びカメラなどの電気部品から延びるケーブルが捩じれないようにしたロボットの首振り回転機構を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によるロボットの首振り回転機構は、回転可能に設けられた回転板と、該回転板に取り付けられたモータと、該回転板上に位置し且つ該モータによって駆動される第１のギアと、固定的に配置され且つ該第１のギアと係合する第２のギアとを備え、該回転板は該モータの駆動力によって該第１のギアを介して該第２のギアの回りを回転することができるようになっており、該第２のギアの内側には筒が配置され、該回転板上に配置されたモータを含む電気部品に接続されたケーブルが該筒の上部から該筒の内部に通され、該筒の上部に該筒に対して回転可能に回転リングを設け、複数のケーブル固定用の手段が該回転リングに周方向に間隔をあけて配置されることを特徴とするものである。
【０００９】
この構成によれば、回転運動する回転板上にモータとモータコントローラ、及びエンコーダ等の回転駆動手段と、ディスプレイや、カメラや、あるいはその他の例えばスピーカが搭載されている。回転板は、モータにつながる第１のギアを介して第２のギアの回りを回転し、カメラにより周囲の状況を、マイクにより音声状況を認識しながら、ディスプレイにより映像情報を、スピーカにより音声を出力する。これらの部材は、回転板上に重量のバランスよく配置され、回転板はスムーズに回転することができる。しかも、モータを回転板の外側に配置する必要がないので、余分なスペースを必要としない。
【００１０】
そして、該第２のギアの内側には筒が配置され、該回転板上に配置されたモータを含む電気部品に接続されたケーブルが該筒の上部から該筒の内部に通される。モータとモータコントローラ、及びエンコーダ等の回転駆動手段を回転板上に配置したので、第２のギアの内側のスペースが空き、このスペースにケーブルを通すための筒を配置することができる。各部品から延びるケーブルはこの筒に通され、回転運動によるケーブルの捩じれが小さくなる。ベースは、回転板の支持部材の取り付け穴とケーブルを通す穴だけが必要になり、非常に簡単になる。
【００１１】
該筒の上部に該筒に対して回転可能に回転リングを設けた。こうすれば、各部品から延びるケーブルは各部品とともに回転するので、ケーブル間のからみなどが生じない。
該回転リングにケーブル固定用の手段が配置される。全てのケーブルは回転によるずれをなくすために筒の上部で一旦固定され、該筒を通してその下方に出す。こうすれば、ケーブルの処理方法が簡単であり、しかも装置内部で捩じれを吸収しているので、装置外へ出たケーブルの配線を安定して行える。
【００１２】
該モータはエンコーダ付きモータであり、さらに該モータのエンコーダとは別のエンコーダを有する。このように、エンコーダ付きモータによりモータの回転制御を行い、別のエンコーダで装置の回転角度を計測することにより、安定した回転運動を実現する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例によるロボットの首振り回転機構をもったロボットを示す斜視図である。ロボット１０は、ロボット本体部分１２と、ヘッド部分１４とを有する。ヘッド部分１２はベース１６に回転可能に取り付けられ、ベース１６はロボット本体部分１２に固定されている。本発明の首振り回転機構はベース１６とヘッド部分１４とからなる。
【００１４】
ロボット本体部分１２は図示しない移動手段（例えば走行輪や走行足など）を有し、図示しない軌道に沿ってあるいは遠隔操作に従って移動可能である。ロボット本体部分１２は例えばロボットハンド１８及び物品収納部２０を有し、ロボットハンド１８を使用して物品２２を物品収納部２０に積み込み、あるいは物品２２を物品収納部２０から下ろすことができる。
【００１５】
ヘッド部分１４は、情報を提示するディスプレイ２４と、情報入力用カメラ２６と、音声出力用スピーカ２８とを有する。さらに音声入力用マイク３０がベース１６に取り付けられている。ディスプレイ２４と、カメラ２６と、スピーカ２８とは、ヘッド部分１４の正面部分（顔の部分）に配置され、ヘッド部分１４はカバー３２で覆われている。
【００１６】
図２は図１のヘッド部分１４の正面部分を示す正面図である。ディスプレイ２４と、カメラ２６と、スピーカ２８とは門形の実装フレーム３４に配置されている。ディスプレイ２４は実装フレーム３４の中央に位置し、５台のカメラ２６はディスプレイ２４の両側及び上部に位置し、２台のスピーカ２８はディスプレイ２４の両側に位置している。４台のマイク３０はベース１６の正面と後面及び両側に配置されている。
【００１７】
ディスプレイ２４はタッチパネルとして形成されており、人がタッチパネルの表示の一部をタッチすることにより情報を入力することができる。ディスプレイ２４と、カメラ２６と、スピーカ２８と、マイク３０とによって、ヘッド部分１４は目の前にいる人と会話及び情報の交換を行うことができる。これらの会話及び情報の交換は、無線等の手段によって図示しない遠隔の部位にあるセンターに送られる。
【００１８】
図３はベース１６を示す平面図である。ベース１６は平坦な板材であり、短辺に沿った中央部に貫通穴３６を有し、貫通穴３６の周囲に取り付け穴３８を有する。
図４は図１のカバー３２を取り外したヘッド部分１４を示す平面図である。実装フレーム３４が貫通穴３６の前方の位置に配置される。そして、実装フレーム３４及び次に述べる部材が貫通穴３６の周りに配置されている。すなわち、モータブロック４０、モータコントローラ４２、エンコーダ４４、カメラ信号分配器及びスピーカ制御基板４６、カメラ基板４８、及びファン５０が、貫通穴３６の周りに配置されている。
【００１９】
また、図４には回転板５２及びケーブル挿通用円筒５４が示されている。回転板５２はリング状の板である。実装フレーム３４、モータユニット４０、モータコントローラ４２、エンコーダ４４、カメラ信号分配器及びスピーカ制御基板４６、カメラ基板４８、及びファン５０は、回転板５２に重量のバランスよく配置される。すなわち、これらの部材の重量が回転板５２の全周に沿ってバランスよく分布するようになっている。
【００２０】
ケーブル挿通用円筒５４は貫通穴３６の上に貫通穴３６に対して共軸上に配置され、上記した電気部材から延びるケーブルをケーブル挿通用円筒５４及び貫通穴３６を通ってロボット本体部分１２に引き出すことができるようになっている。また、回転板５２の内縁部には検出突起片５５が設けられている。一方、第１のセンサ５６及び第２のセンサ５８が配置され、さらに、第１のメカストッパ６０及び第２のメカストッパ６２が配置されている。
【００２１】
図５は図４の線Ｖ−Ｖに沿った断面図である。図６は図５の支持部材及び回転駆動部材の分解斜視図である。図６の部材は簡略化して示されている。図５及び図６を参照すると、環状の内フランジ６４がベース１６にねじ６６によって固定される。環状の外フランジ６８がベアリング７０を介して内フランジ６４に取り付けられる。回転板５２は外フランジ６８に取り付けられ、従って、回転板５２はベース１６に対して回転可能である。
【００２２】
モータユニット４０は回転板５２に取り付けられている。図７はモータユニット４０を示している。図５及び図７において、モータユニット４０は、エンコーダ７１付きモータ７２と、減速器７４と、減速器７４の出力軸に取り付けられた第１のギア７６とを有する。これらの部品はモータブロック７５に取りつけられている。一方、図５及び図６に示されるように、第２のギア７８が内フランジ６４の頂部にねじ８０によって固定され、第１のギア７６は第２のギア７８に係合する。内フランジ６４、外フランジ６８、ベアリング７０、及び第２のギア７８は、ケーブル挿通用円筒５４及び貫通穴３６に対して共軸上に配置されている。
【００２３】
第２のギア７８は固定の大きなリングギアであり、第１のギア７６は第２のギア７８に沿って動く小さな可動ギアである。従って、モータ７２を駆動すると、第１のギア７６が回転し、第１のギア７６は第２のギア７８に沿って動きながら、回転板５２を回転させる。なお、図７において、ケーブル８２がモータ７２から上向きに延びている。
【００２４】
図５にはさらに回転板５２の内縁部に設けられた検出突起片５５及び第２のセンサ５８が示されている。第１及び第２のセンサ５６、５８は固定の位置に配置された光透過型のセンサであり、検出突起片５５の下向き舌片が第１及び第２のセンサ５６、５８の光進路を遮断することにより、回転板５２が所定の限界位置に達したことを検出する。図示しない制御手段は、回転板５２が第１及び第２のセンサ５６、５８によって定められる角度範囲（例えば１２０度）内で回転されるようにモータ７２を制御する。この検出突起片５５はさらに第１及び第２のメカストッパ６０、６２と当接するように配置されている。第１及び第２のメカストッパ６０、６２は回転板５２が第１及び第２のセンサ５６、５８によって定められる角度範囲よりも少し大きい角度範囲（例えば１３５度）内で回転されるのを許容する。すなわち、回転板５２が第１及び第２のセンサ５６、５８によって定められる角度範囲を越えて回転する場合に、検出突起片５５が第１及び第２のメカストッパ６０、６２のいずれかに当接して、モータ７２が暴走するのを防止する。
【００２５】
図８及び図９はケーブル挿通用円筒５４及び実装フレーム３４を示している。実装フレーム３４は回転板５２に固定される。ケーブル挿通用円筒５４は第２のギア７８の内側にあってブラケット８６及びねじ８８によってベース１６に固定される。図７に示したモータ７２から延びるケーブル８２、及びその他の電気部材（例えばディスプレイ２４、カメラ２６、スピーカ２８、モータブロック４０のモータ７２及びエンコーダ、モータコントローラ４２、エンコーダ４４、カメラ信号分配器及びスピーカ制御基板４６、カメラ基板４８、及びファン５０）から延びるケーブル８２は、それぞれの部材の上方位置からケーブル挿通用円筒５４の頂部を跨いでケーブル挿通用円筒５４内へ通される。ケーブル８２はケーブル挿通用円筒５４及びベース１６の貫通項３６を通ってロボット本体部分１２へ延びる。従って、各ケーブル８２を束ねたり、どこかに縛ったり、何かの部材に沿わせたりする必要がない。
【００２６】
回転リング９０がケーブル挿通用円筒５４の頂部に回転可能に取り付けられる。回転リング９０はケーブル挿通用円筒５４の頂部に固定された固定フランジ９２にベアリング９４を介して取り付けられる。回転リング９０にはケーブル固定用のクランパ９６が取り付けられ、各ケーブル８２がクランパ９６によって回転リング９０に固定される。
【００２７】
このように、ケーブル挿通用円筒５４を設けることより、回転板５２の回転運動によるケーブル８２の捩じれを吸収しつつ、ケーブル８２を引き出すことができる。ケーブル８２をクランパ９６によって回転リング９０に一旦固定してから、円筒５４を通して装置の下に出すため、ケーブル８２のずれによるケーブル同志の摩擦や、円筒上部との摩擦によるケーブルの損傷がない。全てのケーブル８２を中央にまとめ、円筒５４に落としこむ方式はケーブル毎の配線経路を設ける必要がない。しかも装置内部で捩じれを全て吸収できるため、装置外に出たケーブルに回転運動によるねじれの影響がなく、配線を安定して行える。
【００２８】
以上の構成において、回転運動する回転板５２上に、モータ７２とモータコントローラ４２、及びエンコーダ等の回転駆動手段、並びに、情報を提示するディスプレイ２４や、音声出力用のスピーカ２８や、情報入力用のカメラ２６を配置し、音声認識用のマイク３０をベース１６の周囲に配置している。また、円板５２上に、モータ７２に接続された減速器７４や、モータ内蔵のエンコーダとは別のエンコーダ４４や、カメラ信号分配器及びスピーカ制御基板４６等が配置される。
【００２９】
モータについているエンコーダを使用してモータ７２の回転制御、加速度の制御を行い、また装置の回転の精度を高くするために、別に設けたエンコーダ４４で回転板５２の回転量を検出している。このエンコーダ４４は、バックラッシュの少ないギアを介して第２のギア７８にくみこまれていて、モータ７２についているエンコーダの回転量と比較し、装置の回転量を修正するために用いられる。こうして、装置の回転制御を安定して行える。
【００３０】
モータ７２についているエンコーダは第１のギア７６と減速器７４のバックラッシュ、モータ７２の機械的な誤差、モータ７２の回転に伴うトルクが第１のギア７６に作用するため、駆動系の捩じれによる誤差も累積される。しかし、別に設けたエンコーダ４４は歯車を２枚重ねてばねで第２のギア７８を挟みこむバックラッシュレスギアを使用しており、機械的な誤差を最小にしている。バックラッシュレスギアには、回転に伴うトルクが作用しないために、捩じれによる誤差が少ない。
【００３１】
このエンコーダ４４はバッテリでバックアップされているため、何らかの原因で装置の電源が切れてしまった場合でも、装置は自分の回転位置を覚えているため、装置を復旧させた後の原点出しをする必要がなく、止まった位置から再び回転を開始することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、モータ及びその他の部材を回転板上にバランスよく配置し、回転板が滑らかな回転ができる。ケーブル挿通用の筒を設けることによって、ケーブルの捩じれがないロボットの首振り回転機構を得ることができる。広い範囲の回転域をもち、滑らかで高速回転が可能な、コンパクトな構造で、信頼性の高いロボットの首振り回転機構を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるロボットの首振り回転機構をもったロボットを示す斜視図である。
【図２】図１のヘッド部分（首振り回転機構）の正面部分を示す正面図である。
【図３】図１のヘッド部分のベースを示す平面図である。
【図４】図１のカバーを取り外したヘッド部分を示す平面図である。
【図５】図４の線Ｖ−Ｖに沿った断面図である。
【図６】図５の支持部材及び回転駆動部材の分解斜視図である。
【図７】図４のモータブロックの側面図である。
【図８】図４の矢印ＶIII から見た側面図である。
【図９】図４のケーブル挿通用円筒を示す断面図である。
【符号の説明】
１４…ヘッド部分
１６…ベース
２４…ディスプレイ
２６…カメラ
２８…スピーカ
３０…マイク
４０…モータユニット
４２…モータコントローラ
４４…エンコーダ
５２…回転板
５４…ケーブル挿通用円筒
７２…モータ
７４…減速器
７６…第１のギア
７８…第２のギア
８２…ケーブル
９０…回転リング
９６…クランパ
【図１】
0003652143.tif 000002
【図２】
0003652143.tif 000003
【図３】
0003652143.tif 000004
【図４】
0003652143.tif 000005
【図５】
0003652143.tif 000006
【図６】
0003652143.tif 000007
【図７】
0003652143.tif 000008
【図８】
0003652143.tif 000009
【図９】
0003652143.tif 000010