(57)【要約】【課題】  ギア直結型のアクチュエータ・モータにより頭部の関節自由度を実現し、頭部の小型化と可動範囲を考慮した関節アクチュエータの配置を行なう。【解決手段】  ロボット装置は少なくとも頭部と胴体部で構成される。頭部は、互いに直交するピッチ軸及びヨー軸を中心にそれぞれ回動する少なくとも２つの関節自由度を備えている。頭部にはモータなどの動力源を持たず、関節可動軸から離間した場所に駆動源を配置する。また、頭部の２つ関節自由度を同時に駆動する機構を備えており、胴体部側の単一のモータだけでこれら２つの関節を同時に作動させる。２つの回転軸の回転角の比率を自由に設定することができる。【選択図】  図１
2006102898.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも頭部と胴体部で構成されるロボット装置であって、
前記頭部における、互いに直交する２軸を中心にそれぞれ回動する少なくとも２つの頭部関節自由度と、
単一の駆動源に基づいて、前記２つの頭部関節自由度を同時に駆動する駆動手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置。
【請求項２】
前記駆動源は、前記２つの頭部関節自由度の関節可動軸から離間した場所に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項３】
前記駆動源は、前記胴体側に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項４】
前記２つの頭部関節自由度は、互いに直交するピッチ軸及びヨー軸からなる、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項５】
前記駆動手段は、前記駆動源からの駆動力を前記ピッチ軸の頭部関節可動軸まで伝達するＮ段のギア列と、前記ギア列の最終段のピッチ軸回転をヨー軸回転に直交変換する傘歯車を備える、
ことを特徴とする請求項４に記載のロボット装置。
【請求項６】
前記ピッチ軸及びヨー軸の２つの頭部関節回転軸の回転角の比率を自由に設定する、
ことを特徴とする請求項５に記載のロボット装置。
【請求項７】
ピッチ軸回りの回転に対しヨー軸回りの回転がキャンセルするように、ピッチ軸回りのＮ段のギア列における合計の減速比と傘歯車における減速比の比率を設定する、
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１以上の可動部を備えたロボット装置に係り、特に、各関節の自由度をアクチュエータ・モータにより実現したロボット装置に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、頭部の関節自由度を実現したロボット装置に係り、特に、頭部の小型化と可動範囲を考慮した関節アクチュエータの配置を行なったロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の“ＲＯＢＯＴＡ（奴隷機械）”に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ）であった。
【０００４】
最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行なう動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている（例えば、特許文献１を参照のこと）。２足直立による脚式移動は、クローラ式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【０００５】
従来、ロボットの主な用途として、産業活動・生産活動等における各種の難作業の代行が挙げられる。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける清掃、火災現場その他における救助といったような危険作業・難作業の代行などである。この種の産業利用を主体としたロボットは、特定の用途若しくは機能を実現することが設計・製作上の命題であり、動物が本来持つ身体メカニズムや動作を機械装置として忠実に再現する必要は必ずしもない。例えば、特定用途を実現するために手先の自由度や動作機能を強化する一方で、用途には比較的関係が低いとされる頭部や腰部などの自由度を制限し又は省略される。
【０００６】
最近では、ロボットの他の用途として、難作業の代行などの生活支援というよりも、生活密着型、すなわち人間との「共生」という用途が挙げられる。この種のロボットは、ヒトやサルなどの２足の直立歩行を行う動物が本来持つ、全身協調型の動作メカニズムを忠実に再現し、四肢を用いた動作の表現力が豊かであることが望ましい。例えば、産業用途では省略されることの多かった頭部は、生活密着型のロボットにおいては、さまざまなリアクションを表現する手段として機能することも可能であり、より親密でエンターテインメント性のあるものとなる。
【０００７】
例えば、頭部に感情表現やその他のリアクションを表出するための目ランプ、角ランプを装備するとともに、ＣＣＤカメラなどの撮像装置を搭載し（例えば、特許文献２を参照のこと）、入力画像を基にユーザ認識や外部環境の変化の検出を行なって行動制御に反映させることができる。
【０００８】
ロボットは、一般に、多数の関節自由度を備えている。例えば、人間形のロボットであれば３２個又はその前後の自由度で構成することができる（例えば、特許文献１を参照のこと）。また、各関節の動きをアクチュエータ・モータで実現することができる。そして、各モータの回転位置、回転量などを取り出して、回転位置又は角速度の制御を行なうことにより、所望の動作パターンを再現するとともに、姿勢制御を行なうようになっている。
【０００９】
脚式移動ロボットは一般に多数の関節で構成されている。したがって、関節自由度を構成するサーボ・モータを小型且つ高性能に設計・製作しなければならない。例えば、脚式移動ロボットの関節アクチュエータとして適用することができる、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ・モータなどが既に存在する（例えば、特許文献３を参照のこと）。ここで、アクチュエータ・モータの直結ギアとして低減速ギアを採用することにより、人間との物理的インタラクションを重視するタイプのロボットに求められている駆動系自身の受動的特性を得ることができる。
【００１０】
ここで、直結ギアによるギアード・モータを用いて関節アクチュエータを構成する場合、アクチュエータを関節の可動軸の近傍に配置することが一般的である。
【００１１】
ところが、頭部において自由度を実現しようとした場合、その関節アクチュエータを配置すると、頭部が重量物となり、これを駆動する首関節のアクチュエータの負荷が高くなり、首部アクチュエータを巨大化しなければならなくなる。
【００１２】
また、小型ロボットにおいて小さい頭部を実現したい場合においても、頭部の関節アクチュエータを頭部に配置すると、小型化の障害となる。
【００１３】
【特許文献１】特開平１３−１５０３７１
【特許文献２】特開２００３−７１７６３
【特許文献３】特開２０００−２９９９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、各関節の自由度をアクチュエータ・モータにより実現した、優れたロボット装置を提供することにある。
【００１５】
本発明のさらなる目的は、頭部の関節自由度を実現した、優れたロボット装置を提供することにある。
【００１６】
本発明のさらなる目的は、頭部の小型化と可動範囲を考慮した関節アクチュエータの配置を行なった優れたロボット装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、少なくとも頭部と胴体部で構成されるロボット装置であって、前記頭部における、互いに直交する２軸を中心にそれぞれ回動する少なくとも２つの頭部関節自由度と、単一の駆動源に基づいて、前記２つの頭部関節自由度を同時に駆動する駆動手段とを具備することを特徴とするロボット装置である。
【００１８】
本発明に係るロボット装置は少なくとも頭部と胴体部で構成される。そして、頭部は、互いに直交するピッチ軸及びヨー軸を中心にそれぞれ回動する少なくとも２つの関節自由度を備えている。頭部にはモータなどの動力源を持たず、関節可動軸から離間した場所、具体的には胴体側に駆動源としてもアクチュエータ・モータを配置する。すなわち、頭部のアクチュエータ配置を考慮し、モータなどの重量物をすべて胴体側に搭載することで、頭部の小型・軽量化を実現することができる。
【００１９】
また、頭部の２つ関節自由度を同時に駆動する機構を備えており、胴体部側の単一のモータだけでこれら２つの関節を同時に作動させるようになっている。この駆動手段は、例えば、前記駆動源からの駆動力を前記ピッチ軸の頭部関節可動軸まで伝達するＮ段のギア列と、前記ギア列の最終段のピッチ軸回転をヨー軸回転に直交変換する傘歯車で構成することができる。
【００２０】
ここで、上述したような２つの関節可動軸を同時に作動させる駆動手段を用いた場合、ピッチ軸を作動させて頭部のチルト回転を行なおうとした場合に、ヨー軸回りには固定させたくても、ピッチ軸回転に連動してヨー軸回りに首振り運動してしまう、という問題がある。
【００２１】
これに対し、本発明では、これら２つの回転軸の回転角の比率を設定することができる。したがって、ピッチ軸回りの回転に対しヨー軸回りの回転がキャンセルするように、ピッチ軸回りのＮ段のギア列における合計の減速比と傘歯車における減速比の比率を設定すればよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ギア直結型のアクチュエータ・モータにより頭部の関節自由度を実現した、優れたロボット装置を提供することができる。
【００２３】
本発明によれば、少なくとも頭部と胴体を備えたエンタテインメント・ロボットにおける頭部のアクチュエータ配置を考慮し、モータなどの重量物をすべて胴体側に搭載することで、頭部の小型・軽量化を実現することができる。また、１モータにより頭部２軸を駆動することができる。また、本体側の可動角が小さくても、頭部の撮像装置の視線方向に相当する部位を大きく動かすことができる。
【００２４】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００２６】
図１には、本発明の一実施形態に係るロボット装置の自由度構成を模式的に示している。ロボット装置１１１は、少なくとも頭部ユニット１２２と胴体部ユニット１２１を備えている。
【００２７】
頭部ユニット１２２は、頭部関節部１４１と、首部関節部１４３で構成される。頭部関節部１４１は、頭部ヨー軸１５１と、頭部ピッチ軸１５２という、ヨー軸及びピッチ軸の各関節回転軸回りの関節自由度を備えている。また、首部関節部１４３は、首部ピッチ軸１５３というピッチ軸回りの関節自由度を備えている。
【００２８】
参照番号１６１は、パン軸駆動用アクチュエータであり、連結部１４２を介してその駆動力が頭部関節部１４１に伝達され、頭部ヨー軸１５１を駆動する。また、参照番号１６２は、ピッチ軸駆動用アクチュエータであり、連結部１４２を介してその駆動力が頭部関節部１４１に伝達され、頭部ヨー軸１５１と頭部ピッチ軸１５２を同時に駆動することができる。本実施形態では、連結部１４２は、ピッチ軸駆動用アクチュエータ１６２からの駆動力を頭部ピッチ軸１５２まで伝達するＮ段のギア列と、パン軸駆動用アクチュエータ１６１からの駆動力を頭部ピッチ軸１５２まで伝達するＮ段のギア列と、このギア列の最終段のピッチ軸回転をヨー軸回転に直交変換して頭部ヨー軸１５１に伝達する傘歯車で構成で構成されるが、その詳細については後述に譲る。
【００２９】
ここでは、ロボットの頭部ユニット１２２は、互いに直交するピッチ軸１５３及びヨー軸１５１を中心に回動する少なくとも２自由度の関節自由度を持ち、モータ（例えば、図２のピッチ軸モータ２０１、又は図３のヨー軸モータ２１３）などにより駆動する頭部関節部１４１を備えている、という点に十分留意されたい。
【００３０】
図２及び図３には、本実施形態に係る頭部ユニット１２２における具体的な機構を図解している。
【００３１】
図３を参照すると、ピッチ軸駆動用モータ２１３を回転させると、ピッチ軸初段ギア２０２が回り、順にピッチ軸２段ギア２０３、ピッチ軸３段ギア２０４、ピッチ軸４段ギア２０５、ピッチ軸５段ギア２０６と駆動力を伝達させる。ピッチ軸５段ギア２０６は部材２２３と連結されており、ピッチ軸５段ギアがピッチ軸周りに正転すると、部材２２３もピッチ軸回りに正転する。
【００３２】
このとき、部材２２３に取り付けられているピッチ２軸初段ギア２０７は、部材２１１の先端のギアに噛み合いながら、ピッチ軸５段ギアの中心を回動する。部材２１１は、胴体部ユニット１２１（図１を参照のこと）に固定されているので、ピッチ２軸初段ギア２０７は遊星ギアのようにピッチ軸５段ギア２０６の中心を回転中心とし回りながら、自身の中心を回転中心とし回転している。
【００３３】
この回転が順にピッチ２軸２段ギア２０８、ピッチ２軸３段ギア２０９に伝達される。図３に示すように、ピッチ２軸３段ギア２０９は部材２２４と連結されている。このような構成では、ピッチ軸５段ギア２０６がピッチ軸回りに正転すると、これに連動して、部材２２４もピッチ２軸３段ギア２０９の中心を回転中心としピッチ軸回りに正転する。
【００３４】
図２からも判るように、ヨー軸駆動用モータ２０１を回転させると、ヨー軸初段ギア２１４が回り、これに応じて、ヨー軸２段ギア２１５、ヨー軸３段ギア２１６、ヨー軸４段ギア２１７、ヨー軸５段ギア２１８、ヨー軸６段ギア２１９、ヨー軸７段ギア２２０、第１のヨー軸マイタギア２２１、第２のヨー軸マイタギア２２２へと駆動力を順次伝達させる。第２のピッチ軸マイタギア２と頭部の外装などが繋がっており、ヨー軸駆動用モータ２０１が回動することにより頭部が回動する。このとき、ピッチ２軸３段ギア２０９の中心と、第１のヨー軸マイタギア２２１は同一直線状にある。
【００３５】
本実施形態では、頭部のピッチ軸回りとヨー軸回りという２つの関節回転軸回りの動作を同時に実現させている。すなわち、頭部のピッチ軸回りの駆動を伝達するギア列の最終段であるピッチ２軸３段ギア２０９は、第１のヨー軸マイタギア２２１と回転軸を共有しており、さらにこの第１のヨー軸マイタギア２２１は、回転軸が直交する第２のヨー軸マイタギア２２２と噛み合っており、ピッチ軸回転がヨー軸回転に直交変換されるようになっている。このため、ピッチ１軸回りに回動させたとき、頭部に相当する部材２２４（図３を参照のこと）がピッチ２軸３段ギア２０９（図２を参照のこと）の中心を回転中心としピッチ２軸回りに回動する。
【００３６】
これにより、部材２２４に載っている第２のヨー軸マイタギア２２２もピッチ２軸３段ギア２０９の中心と同一直線状にある第１のヨー軸マイタギア２２１の中心を回転中心としピッチ軸回りに回動する。ところが、このことは、ピッチ１軸及び２軸回りに回動させると勝手にヨー軸回りに頭部が回動してしまうことを意味する。すなわち、ピッチ軸を作動させて頭部のチルト回転を行なおうとした場合に、ヨー軸回りには固定させたくても、ピッチ軸回転に連動してヨー軸回りに首振り運動してしまう。
【００３７】
本実施形態では、この点を解決するため、チルト１及びチルト２を同時に回動させるための機構を応用している。すなわち、ピッチ軸回りの回転に対しヨー軸回りの回転がキャンセルするように、部材２２３がピッチ１軸周りに回動することにより生じるピッチ２軸周りの回動の元となる減速比、つまり部材２１１の先端のギアからピッチ２軸３段ギア２０９までの減速比と、部材２２３がピッチ１軸周りに回動することにより生じるヨー軸周りの回転の元となる減速比、つまりヨー軸５段ギア２１８からヨー軸マイタギア２２２までの減速比を等しく設定し、しかも部材２１１からギア２０９までの段数とギア２１８からギア２２２までの段数をＮ段（Ｎは奇数）違いになるように設定している。
【００３８】
ピッチ１軸及びピッチ２軸回りにだけ動かす場合には、図３に示すように、ピッチ軸モータ２１３を回動させると部材２２３がピッチ軸回りに回動する。その際、部材２２３は、ヨー軸５段ギア２１８とは連結されていない。このため、ヨー軸モータ２０１が回動していなければ、ヨー軸５段ギア２１８は動かない。しかし、ヨー軸６段ギア２１９は、部材２２３と一緒に動くため遊星ギアのようにヨー軸５段ギア２１８の中心を回転中心としながら、ピッチ軸回りに回動しつつ自身の中心回りでも回動する。この回転が順にヨー軸７段ギア２２０、第１のヨー軸マイタギア２２１、第２のヨー軸マイタギア２２２に伝わる。この結果、ピッチ軸回りに回動するときに起こる頭部がヨー軸周りに回動してしまうのを打ち消す方向に働くようになっている。
【００３９】
図２及び図３に示したような機構を用いることにより、ロボット頭部において省スペースでの多自由度を実現することができる。
【００４０】
この場合、頭部にアクチュエータなどの重量物がなくなるので、同じアクチュエータを用いてもその負荷が軽くなり、その分だけロボット装置は俊敏な動作が可能となるので、ロボットとしての表現力が向上する。
【００４１】
また、頭部にアクチュエータなどの構造物がないので、それを動かす首部のアクチュエータの負荷を軽減でき結果小型なアクチュエータで駆動することができ、ロボット装置全体の小型化にも貢献する。
【００４２】
また、頭部における構造物が少ないので、ロボット装置のデザインを妨げる物が少なく、デザインの自由度もあがる。
【００４３】
また、１つのモータで２つの関節自由度（本実施形態ではピッチ軸１及びピッチ軸２）を駆動することにより、１つの可動角を多く取らなくてもその軸回りの可動角が大きくとることができるので、この意味でもロボットの表現力が増す。
【００４４】
頭部又は撮像装置を取り付けた先端からハーネスを引き回す際、図２及び図３に示した構成によれば、部材２２３の中心にハーネスを通すことができるので、ハーネスを通すための余計なスペースが要らず、省スペース化を実現することができる。また、１モータで２つの関節自由度を可動するのでコストダウンになる。
【００４５】
本発明をカメラなどの撮像装置に応用すれば、ピッチ軸の小さな回転角でもピッチ２軸の大きな回転角を得られるので、広い視野角と本体の小型化を実現できる。また、ピッチ軸とピッチ２軸の回転角の相対関係を任意に設定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
【００４７】
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置あるいはその他一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
【００４８】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るロボット装置の自由度構成を模式的に示した図である。
【図２】図２は、頭部ユニット１２２における具体的な機構を示した図である。
【図３】図３は、頭部ユニット１２２における具体的な機構を示した図である。
【符号の説明】
【００５０】
１１１…骨格部
１２１…胴体部ユニット
１２２…頭部ユニット
１３１…メイン・コントロール部
１４１…頭部関節部
１４２…連結部
１４３…首部関節部
１５１…頭部ヨー軸
１５２…頭部ピッチ軸
１５３…首部ピッチ軸
１６１…パン軸駆動用アクチュエータ
１６２…ピッチ軸駆動用アクチュエータ
２０１…ヨー軸モータ
２０２…ピッチ軸初段ギア
２０３…ピッチ軸２段ギア
２０４…ピッチ軸３段ギア
２０５…ピッチ軸４段ギア
２０６…ピッチ軸５段ギア
２０７…ピッチ２軸初段ギア
２０８…ピッチ２軸２段ギア
２０９…ピッチ２軸３段ギア
２１０…ピッチ角度センサ
２１１〜２１２…部材
２１３…ピッチ軸モータ
２１４…ヨー軸初段ギア
２１５…ヨー軸２段ギア
２１６…ヨー軸３段ギア
２１７…ヨー軸４段ギア
２１８…ヨー軸５段ギア
２１９…ヨー軸６段ギア
２２０…ヨー軸７段ギア
２２１…第１のヨー軸マイタギア
２２２…第２のヨー軸マイタギア
２２３〜２２４…部材
２２５…ヨー軸角度センサ
【図１】
2006102898.tif 000003
【図２】
2006102898.tif 000004
【図３】
2006102898.tif 000005