(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体と、
前記胴体の上部に連結された首関節機構と、
前記首関節機構により支持された頭部と、
前記頭部の前面に配置された認識部と、
移動機能を実現する機構と、を具備するロボット装置であって、
前記首関節機構は、前記胴体の上面に対する水平方向を長軸とし、前記胴体の上面に対する垂直方向を短軸とする楕円形の軌道に沿って、ロボット正面を前記認識部の可視領域とする位置から、ロボット足元直下を含む、足元前方を前記認識部の可視領域とする位置へと、前記頭部を移動させる
ことを特徴とするロボット装置。
【請求項２】
前記首関節機構は、
ロボット正面を前記認識部の可視領域とする位置から、ロボット足元前方を前記認識部の可視領域とする位置へと、前記楕円形の軌道に沿って前記頭部を移動させる
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】
前記首関節機構は、
前記胴体の上部に固定して設けられた支持部と、
前記支持部に固定して配置された第１の歯車と、
一端が前記第１の歯車の回転軸と一致する位置に配置された第１のリンクと、
前記第１のリンクを介して前記支持部に支持され、回転軸が前記第１のリンクの他端に配置されて、前記第１の歯車と噛み合って当該第１の歯車の回りを回転する第２の歯車と、
一端が前記第２の歯車の回転軸と一致する位置に配置された第２のリンクと、
前記第２のリンクを介して前記第１のリンクに支持され、回転軸が前記第２のリンクの他端に配置されて、前記第２の歯車と噛み合って当該第２の歯車の回りを回転する第３の歯車と、
一端が前記第３の歯車の回転軸と一致する位置に配置され、他端が前記頭部を支持する第３のリンクと、を備え、
前記第１のリンクを回転駆動させることで、前記頭部を移動させる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット装置。
【請求項４】
前記首関節機構は、
前記胴体の上部に固定して設けられた第４のリンクと、
一端が第１の支点を介して前記第４のリンクに支持されると共に、他端が前記頭部を支持する第３のリンクと、
前記胴体の上面に対する垂直方向に前記第１の支点をスライドさせる第１のスライダと、
前記胴体の上部に対して固定された第２の支点と、
前記第２の支点により支持され、前記第３のリンクをスライドさせる第２のスライダと、を備え、
前記第１の支点を直動運動させることで、前記頭部を移動させる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット装置。
【請求項５】
前記認識部は、カメラを用いて構成される
ことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項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、首関節機構を備えたロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、移動機能（車輪など）や認識機能（カメラなど）を備え、自律移動や自律マニピレーションを行うロボットや、或いは、カメラ画像によって操縦操作を行うロボットなどが開発されている。このようなロボットでは、搭載した認識部に関して、広い認識領域を確保することが要求される。
【０００３】
なお、本発明に関連する技術として、例えば特許文献１には、カメラなどの認識部を備えた作業機器が開示されている。そして、作業機器が備えるアーム機構により、認識部を移動させる構成が開示されている。具体的には、特許文献１には、カメラを備えた作業機器を、支持台の上下及び左右に移動可能とする首振り機構が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−１０５０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
認識部の可視領域として、ロボットの正面からロボットの台車前面部までの範囲を想定する場合、認識部を移動させるための首機構としては、例えば、図６に示すような機構を採用することが考えられる。
【０００６】
図６の左図に示すロボット３１は、認識部３５の可視領域を変更する首機構を備えている。首機構は、胴体３２の上面に配置された１軸（ピッチ軸）関節３３と、関節３３の駆動により回転されるリンク３４と、リンク３４により支持されたカメラなどの認識部３５と、を備え、関節３３を回転駆動することで、認識部３５の可視領域を変更する。このような首機構は、自由度数が最も少なく簡素なものとして実現できるというメリットを有するが、台車前面部までの視野を確保するためには、リンク３４を長くする必要が生じる（すなわち、図６の中央図に示すように、台車前面部を可視領域に含むように、リンク３４の長さを確保する必要がある）。
【０００７】
従って、このような構成を採用すると、ロボット３１の正面を認識する場合には胴体３２に対してリンク３４が倒立し、ロボット３１の台車部底面から認識部３５（頭部）までの全長が高くなる。このため、以下のような問題が生じる。
【０００８】
まず、図６の右図に例示する机３６の下部などの高さ制限のある空間に進入する際には、ロボット３１の正面に認識部３５を向けて進入することができない。このため、作業性の低下や、作業環境に制約が生じてしまう。
【０００９】
また、首機構のリンク３４及び頭部がロボット３１から突出しているため、ロボット３１の正面に認識部３５を向けて進入する際には、人や環境との衝突或いは引っ掛けをおこしかねず、安全性が低下してしまう。
【００１０】
さらにまた、首機構のリンク３４が長いため、首機構の関節３３が必要とする主力が大きくなり、関節の体格増加、コスト増加、安全性低下などをもたらしてしまう。
また、図６に例示したような首機構では、意匠性の悪化をもたらしてしまう。
【００１１】
このような問題が発生する理由として、以下のような点が挙げられる。
まず、首機構のリンク３４の倒立時と屈曲時とで、首機構の関節３３から認識部３５までの距離が一定であり、認識部３５の移動する軌跡が、首機構の関節３３の関節軸を中心として円軌道を描くものであることが挙げられる。
【００１２】
また、首機構のリンク３４の倒立時には認識部３５までの距離が短く、屈曲時には認識部３５までの距離が長いことが好ましいが、首機構のリンク３４の倒立時と屈曲時とで、首機構の関節３３から認識部３５までの距離を可変とする首機構が存在しないことが挙げられる。
【００１３】
従って、本発明は、上述した課題を解決して、頭部の高さを低く抑えたままで広い認識可視領域を確保可能なロボット装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る第一の態様のロボット装置は、胴体と、前記胴体の上部に連結された首関節機構と、前記首関節機構により支持された頭部と、前記頭部の前面に配置された認識部と、移動機能を実現する機構と、を具備するロボット装置であって、前記首関節機構は、前記胴体の上面に対する水平方向を長軸とし、前記胴体の上面に対する垂直方向を短軸とする楕円形の軌道に沿って、ロボット正面を前記認識部の可視領域とする位置から、ロボット足元直下を含む、足元前方を前記認識部の可視領域とする位置へと、前記頭部を移動させることを特徴とするものである。
【００１５】
これにより、頭部の高さを低く抑えたままで広い認識可視領域を確保することができる。
【００１６】
また、前記首関節機構は、ロボット正面を前記認識部の可視領域とする位置から、ロボット足元前方を前記認識部の可視領域とする位置へと、前記楕円形の軌道に沿って前記頭部を移動させるようにしてもよい。
【００１７】
さらにまた、前記首関節機構は、前記胴体の上部に固定して設けられた支持部と、前記支持部に固定して配置された第１の歯車と、一端が前記第１の歯車の回転軸と一致する位置に配置された第１のリンクと、前記第１のリンクを介して前記支持部に支持され、回転軸が前記第１のリンクの他端に配置されて、前記第１の歯車と噛み合って当該第１の歯車の回りを回転する第２の歯車と、一端が前記第２の歯車の回転軸と一致する位置に配置された第２のリンクと、前記第２のリンクを介して前記第１のリンクに支持され、回転軸が前記第２のリンクの他端に配置されて、前記第２の歯車と噛み合って当該第２の歯車の回りを回転する第３の歯車と、一端が前記第３の歯車の回転軸と一致する位置に配置され、他端が前記頭部を支持する第３のリンクと、を備え、前記第１のリンクを回転駆動させることで、前記頭部を移動させるようにしてもよい。
【００１８】
また、前記首関節機構は、前記胴体の上部に固定して設けられた第４のリンクと、一端が第１の支点を介して前記第４のリンクに支持されると共に、他端が前記頭部を支持する第３のリンクと、前記胴体の上面に対する垂直方向に前記第１の支点をスライドさせる第１のスライダと、前記胴体の上部に対して固定された第２の支点と、前記第２の支点により支持され、前記第３のリンクをスライドさせる第２のスライダと、を備え、前記第１の支点を直動運動させることで、前記頭部を移動させるようにしてもよい。
【００１９】
さらにまた、前記認識部は、カメラを用いて構成されるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、頭部の高さを低く抑えたままで広い認識可視領域を確保可能なロボット装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態１に係るロボットと従来のロボットとの比較図である。
【図２】実施の形態１に係るロボットの首関節機構の詳細図である。
【図３】実施の形態１に係るロボットの首関節機構の動作を説明するための図である。
【図４】実施の形態１に係るロボットと従来のロボットとの比較図である。
【図５】実施の形態２に係るロボットの首関節機構の詳細図である。
【図６】従来技術の問題点を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
実施の形態１．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下では、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２３】
図１は、本実施の形態に係るロボットと従来のロボットとの比較図である。図１（ａ）は、胴体に対して首機構を倒立させた状態を示し、図１（ｂ）は、胴体に対して首機構を屈曲させた状態を示している。また、図１（ａ）及び（ｂ）では、右側に本実施の形態に係るロボットを示し、左側に従来のロボットを示している。
【００２４】
図１（ａ）の右側に例示するように、本実施の形態に係るロボット１は、移動機能や認識機能を備え、自律移動、自律マニピレーション、カメラ画像を用いた操縦操作などを行うことができる。本実施の形態に係るロボット１は、頭部５（認識部６）を移動させる首関節機構４を備えていることを特徴としている。
【００２５】
ロボット１は、胴体２と、胴体２に接続された手腕部３と、胴体２の上部に連結された首関節機構４と、首関節機構４により支持された頭部５と、頭部５の前面に配置された認識部６と、を備えている。なお、図に示す例では、ロボット１は、移動機能を実現する一手段としての車輪を備えている。また、本実施の形態では、ロボット１が手腕部３を備えた構成を図に示したが、ロボット１は手腕部３を備えていなくてもよい。
【００２６】
図１（ｂ）の右側に示すように、首関節機構４は、胴体２の上面に対する水平方向を長軸とし、胴体２の上面に対する垂直方向を短軸とする楕円形の軌道に沿って、頭部５（認識部６）を移動させる。首関節機構４は、ロボット１の正面を可視領域とする位置から、ロボット１の足元前方を可視領域とする位置へと、認識部６を移動させる。楕円軌道は、首関節機構４が倒立状態にある場合に短径となり、首関節機構４が屈曲状態にある場合に長径となる。
【００２７】
なお、本実施の形態では、楕円とは、平面上のある２定点からの距離の和が一定となるような点の集合から作られる曲線を指すが、２定点が一致する場合（円になる場合）は含んではいない。また、楕円内部の２定点を通る直線を長軸と称し、長軸の長さを長径と称する。また、長軸の垂直二等分線を短軸と称し、短軸の長さを短径と称する。
【００２８】
首関節機構４は、１自由度により構成される。なお、楕円軌道に沿って認識部６を移動可能とする機構としては様々な構成を採用することができ、後述する具体的な機構に限定されず、他の機構を採用してもよい。
【００２９】
従って、図１（ａ）に比較して示すように、本実施の形態に係る首関節機構４によれば、従来の首関節機構７と比較して、頭部の高さをより低く抑えることができる。このため、机の下など高さ制限のある空間に進入する場合であっても、ロボット１の正面に認識部６を向けたまま進入することができ、ロボット１の作業領域を拡大することができる。
【００３０】
また、図１（ｂ）に比較して示すように、本実施の形態に係る首関節機構４によれば、従来の首関節機構７と比較して、首関節機構７の屈曲時にはより前方へと認識部６を移動させることができるため、足元前方の認識可能領域をより拡大することができる。
【００３１】
また、首関節の出力低下、胴体からの首・頭部の突出量の低下を図ることができ、衝突・引っ掛けをおこす可能性を抑制することができる。このため、安全性を向上させることができる
【００３２】
さらに、自由度を追加することで関節の折り畳み機構や伸縮機構を搭載するような場合と比較して、本実施の形態に係る首関節機構４では１自由度で構成するものであるため、関節の体格やコスト面などで優位である。
【００３３】
次に、図２乃至４を参照して、首関節機構４の詳細について説明する。
図２は、首関節機構４の詳細図である。
図２に示すように、首関節機構４は、支持部１１と、アクチュエータ１２と、平歯車１３と、リンク１４と、平歯車１５と、リンク１６と、平歯車１７と、リンク１８と、を備えている。
【００３４】
支持部１１は、胴体２の上面に固定して設けられている。支持部１１には、軸Ｃ２を中心として、リンク１４を回転させる回転手段（軸Ｃ１周りの回転力を発生するアクチュエータ１２と、アクチュエータ１２の動力を伝達するプーリー及びベルトなど）が備えられている。平歯車１３は、その中心位置が軸Ｃ２上に位置するように、支持部１１に対して固定して配置されている。
【００３５】
リンク１４の一端は、軸Ｃ２を中心として回転可能となるように、支持部１１に対して配置されている。また、リンク１４の他端は、軸Ｃ３を中心として回転可能となるように、リンク１６を支持している。平歯車１５は、その中心位置が軸Ｃ３上に位置するように、リンク１４に対して配置されている。また、平歯車１５は、平歯車１３と歯が噛み合うように配置されている。これにより、平歯車１５は、軸Ｃ２を中心とする円軌道に沿って、平歯車１３と噛み合いながら移動する。
【００３６】
リンク１６の一端は、軸Ｃ３を中心として回転可能となるように、リンク１４に対して配置されている。また、リンク１６の他端は、軸Ｃ４を中心として回転可能となるように、平歯車１７及びリンク１８を支持している。平歯車１７は、その中心位置が軸Ｃ４上に位置するように、リンク１６に対して配置されている。また、平歯車１７は、平歯車１５と歯が噛み合うように配置されている。これにより、平歯車１７は、軸Ｃ３を中心とする円軌道に沿って、平歯車１５と噛み合いながら移動する。
【００３７】
リンク１８の一端は、平歯車１７に対して固定して配置されている。また、リンク１８の他端は、頭部５を固定して支持している。これにより、平歯車１７の回転に応じて、頭部５も移動する。
【００３８】
従って、アクチュエータ１２が回転力を発生することで、平歯車１５が軸Ｃ２を中心として回転すると共に、平歯車１７が回転軸Ｃ３を中心として回転し、同時に、頭部５が移動することになる。例えば、アクチュエータ１２が時計回り方向に回転することで、平歯車１５が軸Ｃ２を中心として時計回り方向に回転し、同時に、平歯車１５が回転することで、平歯車１７が回転軸Ｃ３を中心として反時計周り方向に回転する。このとき、平歯車１７が回転軸Ｃ３を中心として反時計周り方向に回転することで、頭部５が倒立状態へと移動される。
【００３９】
なお、歯数１３、１５、１７の歯数、リンク１４、１６の長さや初期の組み付け角度などについては、頭部５を移動させる軌道が楕円形となるように、適当な値が設定される。本実施の形態では、例えば、歯数については、平歯車１３の歯数を、平歯車１７の２倍の歯数とすることができる。また、平歯車１５の歯数を、中間歯車と、リンク１４、リンク１６の長さと、によって決めることができる。さらに、リンク１４、１６、１８の長さは、必要とする長径及び短径によって決めることができる。また、リンク１４、１６の初期の組付角度は、頭部５の軌道が、首倒立時に短径をとり、首屈曲時に長径をとるように設定することができる。
【００４０】
図３は、首関節機構の動作を説明するための図である。
ロボット１は、首関節機構４を駆動することで、胴体２の上面に対する垂直方向に沿った位置（倒立状態）と、胴体２の上面に対する水平方向に沿った位置（屈曲状態）との間で、楕円軌道に沿って頭部５を移動させることができる。
【００４１】
図４は、本実施の形態に係るロボットと従来のロボットとの比較図である。図４（ａ）は、胴体に対して首機構を倒立させた状態を示し、図４（ｂ）は、胴体に対して首機構を屈曲させた状態を示している。また、図４（ａ）及び（ｂ）では右側に本実施の形態に係るロボットを示し、左側に従来のロボットを示している。
【００４２】
図４（ａ）の右側に例示するように、本実施の形態に係る首関節機構４によれば、従来の首関節機構７と比較して、倒立時における頭部の高さをより低く抑えることができる。また、図４（ｂ）の右側に例示するように、本実施の形態に係る首関節機構４によれば、従来の首関節機構７と比較して、屈曲時には足元前方により広い認識可能領域を確保することができる。
【００４３】
実施の形態２．
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態では、上述した実施の形態１と比較して、首関節機構４の具体的な構成が異なる。このため、以下では、本実施の形態に係る首関節機構４の詳細な構成について説明し、その他の共通する説明は省略する。
【００４４】
図５は、本実施の形態に係る首関節機構４の詳細図である。
図５に示すように、首関節機構４は、リンク２１と、スライダ２２と、支点２３と、リンク２４と、スライダ２５と、支点２６と、を備えている。
【００４５】
リンク２１は、胴体２の上面に固定して設けられている。リンク２１は、胴体２の上面に対する垂直方向に支点２３をスライドさせるスライダ２２と、スライダ２２において支点２３を上下方向に直動運動させるアクチュエータ（不図示）と、を備えている。
【００４６】
リンク２４は、支点２３と、リンク２４をスライドさせるスライダ２５と、支点２６と、を備えている。リンク２４の一端に、支点２３が設けられている。支点２３は、リンク２１により支持されると共に、スライダ２２においてスライドされる。リンク２４の他端には、頭部５が設けられている。
【００４７】
スライダ２５は、支点２３と、頭部５と、の間に設けられている。支点２６は、スライダ２５及びリンク２４を支持する。支点２６は、胴体２の上面に対して固定して設けられている支持機構（不図示）により支持されている。すなわち、支点２６は、胴体２に対して固定されている。
【００４８】
リンク２４の一端に設けられた支点２３は、リンク２１のスライド２２において、上下方向に直動運動される。支点２３がスライドされると共に、リンク２４が前後方向にスライドされる。これにより、支点２３の直動運動に応じて、頭部５も移動する。
【００４９】
従って、例えば、支点２３がスライダ２２において胴体２の上面から離れる方向にスライドすることで、支点２４を中心としてリンク２４が時計回り方向に回転し、頭部５が屈曲状態へと移動される。また、支点２３がスライダ２２において胴体２の上面に近づく方向にスライドすることで、支点２４を中心としてリンク２４が反時計回り方向に回転し、頭部５が倒立状態へと移動される。
【００５０】
ここで、頭部５を移動させる際には、支点２６を中心としてリンク２４がスライドすることで、支点２から頭部５までの距離が変化する。このため、頭部５が移動する軌跡は、楕円軌道となる。
【００５１】
なお、支点２と、リンク１との間の距離を適当な値に設定することで、楕円軌道の長径・短径の比を決めることができる。
【００５２】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述した実施の形態では、認識部６としては、公知の手法を採用すればよく、カメラに限定されず、レーザレンジファインダなどを用いても良い。
【符号の説明】
【００５３】
１  ロボット、  ２  胴体、  ３  手腕部、  ４  首関節機構、  ５  頭部、
６  認識部、  ７  首関節機構、
１１  支持部、  １２  アクチュエータ、  １３  平歯車、  １４  リンク、
１５  平歯車、  １６  リンク、  １７  平歯車、  １８  リンク、
２１  リンク、  ２２  スライダ、  ２３  支点、  ２４  リンク、
２５  スライダ、  ２６  支点、
３１  ロボット、  ３２  胴体、  ３３  関節、  ３４  リンク、  ３５  認識部、
３６  机
【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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