(57)【要約】  回転する球形シェル７、１９を有する眼球、及び前記球形シェル７、１９をその眼球の中心の周りを回転させる駆動手段を持つ少なくとも１つの眼球ユニット２、３を有する人工眼球システムである。前記駆動手段は、磁気部材１１及び電気コイル１２、１３、１４、１５を有する。前記磁気部材１１及び前記電気コイル１２、１３、１４、１５は、前記回転する球形シェル７、１９の内部に置かれる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する球形シェル有する眼球、及び前記球形シェルをその眼球の中心の周りを回転させるための駆動手段を持つ少なくとも１つの眼球ユニットを有する人工眼球システムであり、前記駆動手段は、磁気部材及び電気コイルを有する人工眼球システムにおいて、前記磁気部材及び前記電気コイルは、前記回転する球形シェルの内部に置かれることを特徴とする人工眼球システム。
【請求項２】
２つの前記電気コイルの軸は、前記眼球ユニットのビューの主方向に対し略垂直な面において互いに略垂直に向けられることを特徴とする請求項１に記載の人工眼球システム。
【請求項３】
前記磁気部材は、前記回転する球形シェルを坦持する構造体に固定され、前記電気コイルは、前記球形シェルに固定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の人工眼球システム。
【請求項４】
前記電気コイルは、前記球形シェルの中心に置かれることを特徴とする請求項３に記載の人工眼球システム。
【請求項５】
前記電気コイルは、前記回転する球形シェルを坦持する前記構造体に固定され、前記磁気部材は、前記球形シェルに固定され、前記球形シェルの中心に置かれることを特徴とする請求項１又は２に記載の人工眼球システム。
【請求項６】
１個の強磁性材料は、前記電気コイルの少なくとも１つに対し同軸であり、前記電気コイルに対して前記磁気部材の反対側に位置決められることを特徴とする請求項５に記載の人工眼球システム。
【請求項７】
２つの同軸の前記電気コイルの軸は、２つの他の同軸の前記電気コイルの軸に対し略垂直であり、それにより前記磁気部材は、前記２つの同軸の電気コイルの両方の間に置かれることを特徴とする請求項５に記載の人工眼球システム。
【請求項８】
前記回転する球形シェルは、ジンバルマウントを介して前記回転するシェルを坦持する前記構造体に取り付けられ、それにより前記ジンバルマウントは、前記球形シェルの内部に置かれることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の人工眼球システム。
【請求項９】
前記ジンバルマウントはジンバルリングを有し、それにより前記ジンバルリングは、前記回転する球形シェルを坦持する前記構造体に対して第１の軸の周りを回転し、それにより前記ジンバルリングは、前記回転する球形シェルに対して第２の軸の周りを回転し、それにより両方の軸は、前記ジンバルリングの面において互いに垂直に延在することを特徴とする請求項８に記載の人工眼球システム。
【請求項１０】
少なくとも１つのカメラは、前記回転する球形シェルに固定されることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の人工眼球システム。
【請求項１１】
前記回転する球形シェルの位置を検出するための手段は、前記回転する球形シェルを坦持する前記構造体に固定され、各々が凹状の球面を持つ４つの固定子センサ部を有すると共に、前記眼球の後側で前記回転する球形シェルに固定され、凸状の球面を持つ回転子センサ部を有し、前記凸状の球面は、前記４つの固定子センサ部の前記球面の部分に沿って動くことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の人工眼球システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工眼球システムに関する。このシステムは、回転する球形シェルを有する眼球、及び前記球形シェルをその眼球の中心の周りを回転させるための駆動手段を持つ少なくとも１つの眼球ユニットを有する。"球形"という表現は、少なくとも一部が球体又は略球体の形状、すなわち局所的にずれている、正確な球体から外れている球体の形状を意味する。
【背景技術】
【０００２】
上記システムは、米国特許公開公報US-A-2003/0178901に開示されている。この公報は、カメラシステムを開示し、それによりカメラユニットは、球体の一部を囲んでいる凹状の支持面を持つソケット内において回転することができる球体を有する。この球体の回転運動を駆動させるために、前記球体の表面は、公報ではポジショナー(positioner)と示される磁気部材を備える。前記ソケットの前記凹状の支持面は、多数の電気コイルを備える。前記球体の回転運動は、前記ポジショナー、すなわち磁気部材の変位を引き起こす電力を１つ以上の前記コイルに供給することにより達成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
人工眼球システムは、玩具（例えば人形）若しくはロボット（例えば家庭向けのロボット）、又は１つ以上の運動する目、すなわち回転する眼球が必要とされる如何なる他の装置における目として使用されることができる。多くの応用において、前記回転する眼球を坦持する構造体（支持構造体）に対する眼球の回転運動は、特に前記支持構造体自身も動く場合、比較的早いことが望ましい。人間の目の回転運動は非常に早く、ロボット若しくは人形、又は娯楽用途の動物の目の回転運動が実際の人間の目の運動と同じくらい早いことがしばしば望まれる。例えば、このような素早い運動は、人工眼球が人を目で追う及び／又は注視している印象を与えるのに必要である。
【０００４】
目の運動は、カメラの視覚範囲（視野）において動いている"関心物体"を検出するカメラを用いて制御されることができる。この関心物体は、ユーザの要求に従って選ばれることができ、例えば人間の顔、人間の手、外形、車等のようなある色及び又はある形状を持つ物体である。カメラは、回転する眼球を坦持する支持構造体に固定され、それによりカメラは関心物体の方向を検出する。これにより前記眼球の駆動手段は、眼球の前側が前記検出した関心物体の方向に維持され続けるように制御される。
【０００５】
他の応用において、前記カメラは、前記回転する眼球に実装され、それにより前記眼球の駆動手段は、前記関心物体がカメラの視野の中央に保たれるように制御される。例えば米国特許公開公報US-A-2005/0185945に開示されるようなこの応用のためのソフトウェアが利用可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、回転する球形シェルを備える眼球、並びに磁気部材及び電気コイルを有する駆動手段を持つ少なくとも１つの眼球ユニットを有する人工眼球システムであり、それにより前記眼球の球形シェルは、前記支持構造体に対して比較的早く回転することができる。
【０００７】
本発明の他の目的は、回転する球形シェルを備える眼球、及びこの眼球を支持構造体に対して回転させるための駆動手段を持つ少なくとも１つの眼球ユニットを有する人工眼球システムであり、それにより前記駆動手段を含む前記眼球ユニットの大きさは比較的小さい。
【０００８】
これら目的の一方又は両方を達成するために、前記磁気部材及び電気コイルは、前記回転する球形シェルの内部、すなわちこの球形シェルで一部が境界付けされる眼球の内部に置かれる。これにより前記球形シェルを回転させるのに効率的な駆動が達成され、それにより前記駆動手段の全部品が互いに近接して置かれるので、駆動手段は比較的小さくすることができるのだが、それにもかかわらず、素早い運動を行わせるために、十分な駆動力を生成する。
【０００９】
好ましくは、２つの電気コイルの軸は、眼球ユニットのビューの主方向に対し略垂直な面において互いに略垂直に向けられている。これにより前記電気コイルは、これらコイルに印加される電流に依存して、所望の磁場を生じさせることができ、前記磁気部材は、前記磁場に従って電気コイルに対して動く。このようにして、前記コイルに対する前記磁気部材の相対的な運動が制御されることができる。
【００１０】
好ましい実施例において、前記磁気部材は、前記回転する球形シェルを坦持する構造体、すなわち眼球を坦持する構造体に固定され、前記電気コイルは、前記球形シェルに固定される。これにより眼球の回転部分は、一般に電気コイルの重量は磁気部材の重量よりも軽いので、比較的小さな重量である。これにより好ましくは、前記電気コイルは、前記球形シェルの中心、すなわち眼球の中心に置かれるので、前記眼球の回転部分の慣性モーメントは比較的低い。
【００１１】
他の好ましい実施例において、前記電気コイルは、前記回転する球形シェルを坦持する構造体に固定され、前記磁気部材は、前記球形シェルに固定され、この球形シェルの中心、すなわち眼球の中心に置かれるので、前記コイルへ電流を印加するための電線は、静止素子を相互に連結させる。好ましくは、前記磁気部材は球形である。これにより前記磁気部材は球形シェルと共に回転するが、この磁気部材はその中心の周りを回転するので、慣性モーメントは小さい。
【００１２】
これにより好ましくは、１個の強磁性材料は、前記電気コイルの少なくとも１つに対し同軸であり、前記電磁コイルに対して前記磁気部材の反対側に位置決められる。上記１個の強磁性材料は、磁気部材が存在している位置での電気コイルの磁場を増大させる。もちろん、磁場に影響を及ぼすために、複数個の強磁性材料が別の位置で使用されることも可能である。
【００１３】
他の好ましい実施例において、２つの同軸の電気コイルの軸は、２つの他の同軸の電気コイルの軸に対し略垂直であり、それにより前記磁気部材は、前記２つの同軸の電気コイルの両方の間に置かれる。前記磁気部材が眼球の前記シェルの中心に置かれる場合、２つの小さな同軸の電気コイルは、前記磁気部材の位置に適切な磁場を作成するために、前記シェルの内部にある前記磁気部材の両側に存在する。
【００１４】
前記眼球の回転する球形シェルは、別々の軸の周りを回転することができるように、前記支持構造体に取り付けられなければならない。上記球形シェルを固定する様々な構造体が利用可能であるが、しかしながら好ましい実施例において、前記回転する球形シェルは、ジンバルマウント(gimbal mount)を用いて前記回転するシェルを坦持する支持構造体に取り付けられ、それにより前記ジンバルマウントは、球形シェルの内部、すなわち眼球の内部に置かれる。
【００１５】
好ましくは、前記ジンバルマウントはジンバルリングを有し、それによりこのジンバルリングは、前記回転する球形シェルを坦持する構造体、すなわち眼球を坦持する構造体に対して第１の軸の周りを回転し、それにより前記ジンバルリングは、前記回転する球形シェルに対して第２の軸の周りを回転し、それにより両方の軸は、前記ジンバルリングの面において互いに垂直に延在している。これにより前記回転する球形シェルを支持するジンバルマウント及びこの球形シェルを回転させるための駆動手段は、眼球の内部に置かれる。前記ジンバルマウントは、本発明の実施例を説明するとき、以下にさらに説明される。
【００１６】
眼球システムの前方にある関心物体を検出するためのカメラは、眼球ユニットを坦持する支持構造体に固定される。これにより前記関心物体の位置が検出され、電気制御システムは、前記眼球ユニットが関心物体に向けられるように、眼球の球形シェルを回転させることができる。しかしながら好ましくは、少なくとも１つのカメラが前記眼球の前記回転する球形シェルに固定され、それにより前記球形シェルは、前記カメラが前記関心物体をその視野の中心に保つように、回転することができる。比較的小さなカメラが利用可能であるので、２つのカメラが眼球の内部に搭載されることも可能である。好ましくは、１つのカメラは広角のカメラであり、もう一方のカメラは望遠のカメラである。眼球システムにおいて上記２つのカメラの使用及び制御機能は、米国特許公開公報US-A-2005/0185945に開示されている。
【００１７】
好ましい実施例において、前記回転する球形シェルの位置を検出するための手段は、前記回転する球形シェルを坦持する構造体に固定され、各々が凹状の球面を持つ４つの固定子センサ部を有すると共に、眼球の後側で前記回転する球形シェルに固定され、凸状の球面を持つ回転子センサ部を有する。この凸状の球面は、前記４つの固定子センサ部の球面の部分に沿って動くことができる。これにより前記４つの固定子センサ部の各々は、固定子センサ部の凸状面の近くに前記回転子センサ部が存在する度合いを検出することができ、それに基づいて、前記眼球の前記球形シェルの正確な回転位置が測定されることができる。
【００１８】
前記眼球の回転位置は、その眼球の中心辺りで釣り合いが取られ、それによりこの眼球の前にあるカメラの重量は、前記球形シェルの後側にある回転子センサ部の重さと釣り合いが取られている。
【００１９】
回転する眼球に電流を印加するための電線を収納するために、前記回転子センサ部及び４つの固定子センサ部の中心部分に開口が存在し、この開口は比較的大きな寸法であるため、これら開口は眼球の各々の回転位置において互いに重なり合っている。
【００２０】
本発明は、回転する球形シェルを有する眼球及びこの球形シェルを回転させるための駆動手段を持つ人工眼球システムの実施例の記載を介してさらに説明され、それにより概略的な透視図を有する図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
これら図面は、眼球システムの実施例の単なる概略的な説明であり、これにより、本発明の説明の一因であるこれら部品だけが示される。
【００２２】
図１は、２つの眼球ユニット２、３を坦持する支持構造体１を有する眼球システムを示す。眼球ユニット２は、支持リング４を有し、この支持リング４はボルト（図示せず）等を用いて前記支持構造体１に固定される。環状部２４は、前記支持リング４に固定され、固定された眼球カバー５は、前記環状部２４に取り付けられる。この固定された眼球カバー５は、眼球ユニット２の前側に比較的大きな開口６を持つ球形シェルである。眼球ユニット２の前側に比較的小さな開口８を持つ回転する球形シェル７がこの眼球カバー５の内部にある。前記開口８を介し眺めるカメラ９は、前記回転する球形シェルの内部にあり、そのシェルに固定されている。前記固定された眼球カバー５の内部にある前記球形シェル７を回転させることにより、眼球ユニット２は固定されたまぶたに回転する眼球を持つ人間の目のように見える。
【００２３】
眼球ユニット２の図に示されるような固定された眼球カバー５及び回転する球形シェル７を持たない眼球ユニット３が図１に示される。これにより、眼球ユニット３の眼球の回転する球形シェルの内部の部品が図示される。前記眼球の回転部分は、前側にカメラ１０を有し、前記眼球の回転する球形シェルがこのカメラ１０に取り付けられている。後側では、カメラ１０は眼球の中心に置かれた磁気部材１１に固定される。この磁気部材１１は、球面を持ち、眼球の中心の周りを回転するので、カメラ１０は、（眼球ユニット３には表されていない）球形シェルと一緒に所望の位置へ回転する。
【００２４】
前記球形の磁気部材１１の回転運動は、４つの電気コイル１２、１３、１４、１５により駆動される。図１には、３つのコイル１２、１３及び１４だけが見ることができ、電気コイル１５は、カメラ１０の後ろに隠されている。４つの電気コイル１２、１３、１４、１５は全て支持部材１６に実装され、この支持部材１６は環状部２４を介して支持リング１７に固定される。２つの電気コイル１２及び１３は、前記磁気部材１１を挟んで向き合うように同軸に位置決めされ、２つの電気コイル１４及び１５にも同じことが適用される。２つの同軸の電気コイル１２及び１３の軸は、２つの同軸の電気コイル１４及び１５の軸と垂直に位置決めされ、両方の軸は、カメラ１０のビューの主方向に垂直な面に置かれている。これら４つの電気コイル１２、１３、１４、１５に電流を供給することにより、前記磁気部材１１の回転位置が制御されるので、カメラ１０のビューの方向は、このカメラ１０に固定される（眼球ユニット３には示されていない）球形シェルと一緒に変化されることができる。
【００２５】
前記磁気部材１１は、いわゆるジンバルマウント、すなわちジャイロスコープ又は航海用コンパスに使用されるような２つの垂直な軸の周りを回転する自由を与える構造体を用いて前記支持部材１６に接続される。このジンバルマウントは、ジンバルリング１８を有する。このジンバルリング１８は、前記支持部材１６に接続され、それにより前記リングは前記支持部材１６に対して第１の軸の周りを回転することができる。前記ジンバルリング１８は、磁気部材１１に接続されると共に、前記回転する球形シェルにも接続され、それにより前記リングは前記磁気部材１１に対して第２の軸の周りを回転することができる。前記両方の軸は互いに垂直に交差している。
【００２６】
図２は、図１に示されるような眼球ユニット３を示し、それにより前記球形シェル１９がカメラ１０に取り付けられている。図１の眼球ユニット２に示される前記固定された眼球カバー５は図２には示されていない。図２はさらに支持リング１７と支持部材１６との連結部である環状部２４も示す。
【００２７】
図３は、図１の眼球ユニット３を別の透視図で示す。この図は、支持リング１７を示し、支持部材１６が前記環状部２４を介して前記支持リング１７に固定される。前記支持部材１６は、４つの電気コイル１２、１３、１４、１５を坦持し、図３において３つの電気コイル１２、１３、１５だけが見ることができる。これら４つの電気コイル１２、１３、１４、１５に電流を供給するための電線はこれら図には示されない。さらにカメラ１０への電線も示されない。
【００２８】
回転する磁気部材１１は、前記電気コイル１２、１３、１４、１５の間にあり、ジンバルリング１８を有するジンバルマウントを介して前記支持部材１６と接続される。このジンバルリング１８は、２つの同軸なピン２０、２１を介して前記磁気部材１１に接続され、この磁気部材１１に対してこれらピン２０、２１の周りを回転することができる。ジンバルリング１８は、２つの同軸なピン２２、２３を用いて前記支持部材１６に接続され、それにより図３においてピン２２の端部だけが見ることができる。前記ジンバルリング１８は、前記支持部材１６に対してこれらピン２２、２３の周りを回転することができる。このジンバルマウントのため球形の磁気部材１１は、この磁気部材１１に固定されるカメラ１０のビューの主方向に垂直に位置決めされた面に置かれる２つの垂直な軸の周りを前記支持部材１６に対して回転することができる。
【００２９】
図４は、図３に示されるのと同じ眼球ユニット３であるが、別の透視図で示し、それにより支持リング１７は削除されている。支持部材１６は、環状部２４に取り付けられ、この環状部２４は、支持リング１７に取り付けられている（図３参照）。図４は、前記支持部材１６に固定され、前記球形の磁気部材１１を囲んでいる４つの電気コイル１２、１３、１４、１５を全て示す。その上、カメラ１０を前記磁気部材１１に接続する接続部材２５が示される。
【００３０】
図４に示されるように、眼球ユニット３の回転部分は、傘の形状を持ち、磁気部材１１の後側、すなわちカメラが取り付けられる前側とは反対側に固定される回転子センサ部２６を有する。この回転子センサ部２６は、磁気部材１１と同じ中心を持つ凸状の球形の外面２７を有する。磁気部材１１が回転するとき、回転子センサ部２６の前記凸状の球形の外面は、環状部２４に固定される４つの固定子センサ部２８、２９、３０の凹状の球面に沿って動く。図４には２つの固定子センサ部２８、２９だけが示される。
【００３１】
図５は、前記ピン２１を受け入れるための穴３１を備える球形の磁気部材１１を示している（図３参照）ので、この磁気部材１１は前記ピン２１の軸の周りを回転することができる。傘形状の回転子センサ部２６は、球形の磁気部材１１に固定されているので、前記回転子センサ部２６の凸状の外面２７は、前記固定子センサ部２８、２９、３０の凹状面の近くに置かれる。これにより、４つの固定子センサ部の各々は、回転子センサ部２６が存在している度合いを検出するので、前記回転する球形シェルの回転位置である回転子センサ部２６の回転位置が測定されることができる。図５は、４つの固定子センサ部のうち３つ２８、２９、３０を示しているが、略半球の凹状の球面を形成するために、第４の固定子センサ部が示されている固定子センサ部２８、３０間に嵌合することは明白である。
【００３２】
図６は、図５に示されるのと同じ部品を示しているが、反対側から示される。前記固定子センサ部２８、２９、３０が後側から示され、回転子センサ部２６の凸状の外面２７は、第４の固定子センサ部が削られた位置に見ることができる。４つの固定子センサ部２８、２９、３０は、環状部２４に固定され、この環状部２４は、支持リング１７に取り付けられる（図２及び図３参照）。
【００３３】
説明される人工眼球システムの実施例は、本発明による眼球システムの単なる一例であり、多くの他の実施例が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】２つの眼球ユニットを有する眼球システムの透視図。
【図２】回転する球形シェルを備える支持構造体を示す。
【図３】眼球の球形シェルにおける別の部品を示す。
【図４】眼球の部品の他の図を示す。
【図５】球形シェルの回転位置を検出するためのセンサを示す。
【図６】前記センサの後側を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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2009542176.tif 000010
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