(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
前記基体に対して、異なる複数の回転軸を中心として回転する可動部と、
前記可動部に設けられ、異なる方向の複数の線形マイクロホンアレイを構成する、３つ以上のマイクロホンと、
前記可動部が回転する際に、複数の前記線形マイクロホンアレイの中から、前記可動部の回転軸と最も平行に近い線形マイクロホンアレイを、受音を行う線形マイクロホンアレイとして選択する選択部と、
を備えるロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、頭部、胴体、手足を有し、聴覚、視覚、触覚等に相当する各種センサを備える人型ロボットが開発されている。このようなロボットに音声認識を行わせる場合、ロボットに対して任意の方向から与えられる音声を適切に取得できるようにすることが望まれている。
【０００３】
特許文献１には、マイクロホンアレイを用いて音源方向を推定し、マイクロホンアレイによるビームフォーミングを用いて高い指向性（強い受音感度）を持つ方向を変化させる技術が記載されている。特許文献１では、音声認識の際にロボットの動きが自然になるように、音源からの音声信号に基づき推定した音源方向とロボットの注目方向が一致するように、ロボットの視線、姿勢又はその双方が制御される。そして、ロボットの注目方向とマイクロホンアレイの指向方向を一致させて、音声認識が実行される。
【０００４】
特許文献２には、頭部に設けられ、その顔の正面方向に向けられた指向性マイクと、胴体に設けられ、その首の周りの前方に一定間隔を置いて配置された複数個のマイクにより構成されたアレイマイクと、を備えるロボットが記載されている。特許文献２では、アレイマイクにより検出した音源方向に頭部を回転させ、音源に向けられた指向性マイクで音声が取得される。
【０００５】
また、特許文献３には、受音装置の受音方向（高い指向性を有する方向）を周囲に知らせる技術が開示されている。特許文献３に記載の受音装置は、高い指向性を持つ方向を調整可能なマイクを備えている。マイクで受音した音の伝搬方向が、受音装置を基準にして検出され、検出された方向が受音装置の周囲から視認可能に表示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３６６１９１号公報
【特許文献２】特開２００７−２２１３００号公報
【特許文献３】特開２００７−３２９７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、音源方向が既知の場合や、目的とする方向(例えば、カメラの向いている方向)の音を取得したいという場合には、マイクロホンアレイによるビームフォーミングという技術が利用される。ビームフォーミングでは目的方向の受音感度を確保しつつ、目的方向以外の受音感度を低下させる。
【０００８】
しかしながら、ロボットが首ふり動作等を行うと、マイクロホンアレイの高い指向性を持つ方向が変化して、音声が適切に取得できなくなる恐れがある。この場合、マイクロホンアレイの高い指向性を持つ方向を、正しい目的方向に再構成する必要がある。マイクロホンアレイの指向性の再構成には、ユーザ位置（音源位置）の取得、取得した位置に合わせた指向性の再計算が必要となる。ロボットが高速かつ連続的に動作する場合（例えば、首ふりやうなずきを行う場合)、マイクロホンアレイの指向性の再構成をロボットの動作に追従させることは困難である。
【０００９】
本発明は、上記のような問題点を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、ロボットの動作に追従して、マイクロホンアレイの指向性を再構成することなく、目的方向の指向性を維持する技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施の形態に係るロボットは、基体と、前記基体に対して、異なる複数の回転軸を中心として回転する可動部と、前記可動部に設けられ、異なる方向の複数の線形マイクロホンアレイを構成する、３つ以上のマイクロホンと、前記可動部が回転する際に、複数の前記線形マイクロホンアレイの中から、前記可動部の回転軸と最も平行に近い線形マイクロホンアレイを、受音を行う線形マイクロホンアレイとして選択する選択部とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ロボットの動作に追従して、マイクロホンアレイの指向性を再構成することなく、目的方向の指向性を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係るロボットの概略構成を示す図である。
【図２】図１のロボットのシステム構成及び処理の流れを示す図である。
【図３Ａ】マイクロホンの配置例と、当該配置例において形成可能な線形マイクロホンアレイを説明する図である。
【図３Ｂ】マイクロホンの配置例と、当該配置例において形成可能な線形マイクロホンアレイを説明する図である。
【図３Ｃ】マイクロホンの配置例と、当該配置例において形成可能な線形マイクロホンアレイを説明する図である。
【図４Ａ】ロボットが動作したときの、マイクロホンアレイの高い指向性を有する方向の変化を説明する図である。
【図４Ｂ】ロボットが動作したときの、マイクロホンアレイの高い指向性を有する方向の変化を説明する図である。
【図４Ｃ】ロボットが動作したときの、マイクロホンアレイの高い指向性を有する方向の変化を説明する図である。
【図５】マイクロホンアレイの各マイクロホンが観測する音の遅延を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する構成要素には同じ符号を付している。なお、各図における寸法関係は実際の寸法関係を反映するものではない。
【００１４】
実施の形態は、マイクロホンアレイを用いて音声認識を行うロボットに関する。実施の形態に係るロボットは、例えば、ユーザから発せられる音声を収音し、収音した音声を利用した処理（音声対話等）を行うことが可能である。
【００１５】
図１は、実施の形態に係るロボットの概略構成を示す図である。図１に示すように、ロボット１０は、胴体１１、頭部１２、マイク装置２０を備えている。図２は、図１のロボットのシステム構成及び処理の流れを示す図である。図２に示すように、ロボット１０は、さらに、動作制御部１３、アクチュエータ１４、回転軸計算部１５、マイクロホン選択部２１、指向性形成部２２を備える。
【００１６】
胴体１１には、頭部１２が回転可能に取り付けられている。頭部１２は、胴体１１に対して異なる複数の回転軸を中心として回転する。すなわち、実施の形態では、胴体１１が「基体」に相当し、頭部１２が「可動部」に相当する。
【００１７】
図１に示す例では、頭部１２は、４つの回転軸３０ａ〜３０ｄを中心としてそれぞれ回転可能である。回転軸３０ａは、ロボット１０が左右首ふり動作をする場合の回転軸である。回転軸３０ｂは、ロボット１０が上下首ふり動作をする場合の回転軸である。回転軸３０ｃは、ロボット１０が左下又は右上を向く動作をする場合の回転軸である。回転軸３０ｄは、ロボット１０が右下又は左上を向く動作をする場合の回転軸である。
【００１８】
頭部１２には、マイク装置２０が設けられている。マイク装置２０は、３つ以上の複数のマイクロホンを有している。図１に示す例では、マイク装置２０には、４つのマイクロホン２０ａ〜２０ｄが設けられている。マイクロホン２０ａ〜２０ｄは、ユーザ位置（音源位置）に対向する平面上で正方形を形成するように、該正方形の頂点の位置にそれぞれ配置されている。
【００１９】
図１に示す例では、マイクロホン２０ａ、２０ｂは、該正方形の同一の上辺上に配置されている。マイクロホン２０ａ、２０ｄは、該正方形の同一の左辺上に配置されている。マイクロホン２０ｂ、２０ｃは、該正方形の同一の右辺上に配置されている。マイクロホン２０ｃ、２０ｄは、該正方形の同一の下辺上に配置されている。マイクロホン２０ａと２０ｃ、マイクロホン２０ｂと２０ｄは、該正方形のそれぞれの対角線上に配置されている。
【００２０】
回転軸３０ａは、該正方形の上辺及び下辺の中点を通っている。すなわち、回転軸３０ａは、該正方形の左辺及び右辺に平行である。回転軸３０ｂは、該正方形の上辺及び下辺と平行に配置されている。回転軸３０ｃは、マイクロホン２０ａ、２０ｃを通る対角線と平行に配置されている。回転軸３０ｄは、マイクロホン２０ｂ、２０ｄを通る対角線と平行に配置されている。
【００２１】
マイクロホン２０ａ〜２０ｄは、異なる方向の複数の線形マイクロホンアレイを構成する。図３Ａは、マイクロホンの配置例と、当該配置例において形成可能な線形マイクロホンアレイを説明する図である。図３Ａは、図１と同様に、４つのマイクロホン２０ａ〜２０ｄがユーザ位置（音源位置）に対向する平面上で正方形を形成するように、該正方形の頂点の位置にそれぞれ配置されている例を示している。
【００２２】
図３Ａに示すように、４つのマイクロホン２０ａ〜２０ｄは、４つのマイクロホンアレイ４０ａ〜４０ｄを構成する。マイクロホンアレイ４０ａは、マイクロホン２０ｂ、２０ｃから構成される。マイクロホンアレイ４０ａは、回転軸３０ａに平行な直線上に配置されている。
【００２３】
マイクロホンアレイ４０ｂは、マイクロホン２０ｃ、２０ｄから構成される。マイクロホンアレイ４０ｂは、回転軸３０ｂに平行な直線上に配置されている。マイクロホンアレイ４０ｃは、マイクロホン２０ａ、２０ｃからなる構成される。マイクロホンアレイ４０ｃは、回転軸３０ｃに平行な直線上に配置されている。マイクロホンアレイ４０ｄは、マイクロホン２０ｂ、２０ｄから構成される。マイクロホンアレイ４０ｄは、回転軸３０ｄに平行な直線上に配置されている。
【００２４】
各マイクロホンアレイ４０ａ〜４０ｄは、ビームフォーミング技術を利用して、高い指向性をもつ方向（受音方向）を変更可能である。マイクロホンアレイ４０ａ〜４０ｄのいずれかが受音を行うマイクロホンアレイとして選択される。
【００２５】
なお、マイクロホン２０ｂ、２０ｃが形成する直線と、マイクロホン２０ａ、２０ｄが形成する直線とは平行であるため、マイクロホンアレイ４０ａは、マイクロホン２０ａ、２０ｃで構成されてもよい。また、マイクロホン２０ｃ、２０ｄが形成する直線と、マイクロホン２０ａ、２０ｂが形成する直線とは平行であるため、マイクロホンアレイ４０ｄは、マイクロホン２０ａ、２０ｂで構成されてもよい。
【００２６】
図２を参照すると、動作制御部１３は、ロボット１０の動作を制御する動作制御信号を生成し、アクチュエータ１４、回転軸計算部１５に入力する。アクチュエータ１４は、入力された動作制御信号に応じて、ロボット１０の各部を動作させる。例えば、アクチュエータ１４は、ロボット１０の頭部１２を回転軸３０ａ〜３０ｄのいずれか１つを中心として回転させることができる。
【００２７】
上述の通り、実施の形態では、マイク装置２０は、頭部１２に設けられている。このため、ロボット１０の頭部１２が回転すると、マイク装置２０の選択されているマイクロホンアレイの向きが変化し、ユーザ方向（目的方向）から外れることとなる。実施の形態では、ロボット１０が動作を行う前に、ロボット１０の頭部１２の回転軸を考慮して、適切なマイクロホンアレイ４０ａ〜４０ｄが選択される。マイクロホンアレイの選択方法については、後に詳述する。
【００２８】
そして、選択されたマイクロホンアレイの高い指向性を持つ方向がユーザ方向（目的方向）となるように、指向性が制御される。このように、ロボット１の動作の回転軸を考慮して指向性が制御されたマイクロホンアレイを用いることにより、ロボット１０の動作に追従して、マイクロホンアレイの指向性を再構成することなく、目的方向の指向性を維持することが可能となる。
【００２９】
回転軸計算部１５は、ロボット１０が動作を行う際に、あらかじめ入力された動作制御信号に基づきロボット１０の動作の回転軸を計算し、計算結果をマイクロホン選択部２１に入力する。マイクロホン選択部２１は、複数の線形マイクロホンアレイの中から、受音を行う線形マイクロホンアレイを選択する選択部である。頭部１２が回転する際には、マイクロホン選択部２１は、入力された計算結果に基づき、頭部１２の回転軸と最も平行に近い線形マイクロホンアレイを、受音を行う線形マイクロホンアレイとして選択する。すなわち、マイクロホン選択部２１が選択する線形マイクロホンアレイは、頭部１２の回転軸との平行度が最も小さく、より平行に近いものとなる。指向性形成部２２は、高い指向性を持つ方向がユーザ方向に向くように、再選択されたマイクロホンアレイに含まれる各マイクロホンの受音感度を制御し、指向性を形成する。
【００３０】
ここで、実施の形態に係るロボット１０の動作中の処理について説明する前に、図４Ａ〜４Ｃを参照して、ロボットが首ふり動作等を行ったときの、マイクロホンアレイの高い指向性を有する方向が変化する例について説明する。図４Ａ〜４Ｃでは、ロボット１が右を向く例が示されている。なお、マイクロホンアレイ３は直線状に一定間隔で配置される複数のマイクロホンを備えているものとする。また、この例では、複数のマイクロホンは、ロボット１の頭部に、左右首ふり動作を行う回転軸に垂直な方向に並ぶように設けられているものとする。マイクロホンアレイ３の高い指向性を持つ方向は、マイクロホンアレイの法線方向である。
【００３１】
図４Ａに示すように、はじめは、ロボット１とユーザ２とは正対している。マイクロホンアレイ３の高い指向性を持つ方向は、図４Ａの矢印で示すように、正面のユーザ２の方向に向いている。すなわち、マイクロホンアレイ３の高い指向性を持つ方向と、マイクロホンアレイ３の中心からユーザ２に向かう方向とのなす角度は０度である。
【００３２】
ロボット１は、この状態でユーザ２から発せられる音声を収音する。マイクロホンアレイ３では、各マイクロホンへ到達する音の時間差を利用して、特定の方向の音を強調する又は減衰させるような指向性を形成して雑音抑圧を行う。
【００３３】
その後、ロボット１が首ふり動作を行い、図４Ｂに示すように右３０度の方向に向くものとする。マイクロホンアレイ３は、ロボット１の頭部の動作に合わせて右３０度の方向に向く。このとき、マイクロホンアレイ３の高い指向性を持つ方向は、図４Ｂの矢印で示すように、ロボット１の頭部ごと右３０度方向くこととなる。
【００３４】
このように、マイクロホンアレイ３の位置が音源であるユーザ２に対して相対的に動くと、今までの高い指向性を有する方向が音源からユーザ２の方向から外れてしまい、ユーザ２の音声を適切に収音できなくなる。
【００３５】
ユーザ２の音声を適切に収音するためには、高い指向性を持つ方向を再びユーザ方向に合わせる必要がある。この場合、何らかの手段で新たなユーザ方向を取得した後に、マイクロホンアレイ３の高い指向性を持つ方向がユーザ２の方向に向くように指向性を再計算して、マイクロホンアレイ３の指向性を新たに再構築する必要がある。
【００３６】
図５を参照して、ユーザ方向の取得方法の一例について説明する。図５は、マイクロホンアレイの各マイクロホンが観測する音の遅延を説明する図である。図５に示す例では、２つのマイクロホン３ａ、３ｂが直線Ａ−Ａ’上に配置されている。マイクロホン３ａ、３ｂの間の間隔はｄとする。ユーザ２は、マイクロホン３ａ、３ｂの法線に対し角度θの方向に配置されているものとする。
【００３７】
ユーザ２からマイクロホン３ａ、３ｂまでの距離が、間隔ｄに対して十分大きい場合、マイクロホン３ａ、３ｂに入射する音波は平面波となる。マイクロホン３ａで受音した音響信号をｘ１（ｔ）とすると、マイクロホン３ｂで受音する音響信号ｘ２（ｔ）は、次の式（１）で表わされる。
【００３８】
ｘ２（ｔ）＝ｘ１（ｔ−ｔｓ）  ・・・（１）
ここで、ｔｓは、ｘ１（ｔ）とｘ２（ｔ）との時間差である。
図５より、音速をｃとすると、時間差ｔｓは以下の式（２）となる。
ｔｓ＝（ｄ×ｓｉｎθ）／ｃ  ・・・（２）
【００３９】
従って、時間差ｔｓを測定することにより、以下の式（３）からユーザ方向θが求められる。
θ＝ｓｉｎ−１（ｃ×ｔｓ／ｄ）  ・・・（３）
このようにして求められたユーザ方向に、高い指向性を有する方向が向くように、マイクロホンアレイ３の指向性を形成することができる。なお、マイクロホンアレイ３の指向性は、３次元的にみると、直線Ａ−Ａ’について回転体を描くような指向性となる。
【００４０】
このように、図４Ａ〜４Ｃを用いて説明した例では、ロボットが高速かつ連続的に動作する場合、マイクロホンアレイの指向性の再計算に時間がかかり、ロボットの動作に追従させることは困難である。
【００４１】
次に、実施の形態にかかるロボット１０の処理について説明する。初期状態では、ユーザの位置が既知であり、ロボット１０は、ユーザ位置に応じて選択されたマイクロホンアレイの高い指向性を持つ方向をユーザ方向に向けて収音を行う。
【００４２】
ロボット１０が動作を行う際には、あらかじめ回転軸計算部１５において動作の回転軸が計算される。そして、マイクロホン選択部２１は、動作の回転軸と最も平行に近い線形マイクロホンアレイが構成できるように、マイクロホンを再選択する。すなわち、頭部１２の回転軸と最も平行度が小さい線形マイクロホンアレイが、受音を行う線形マイクロホンアレイとして選択される。
【００４３】
図１、３Ａに示すように、左右首ふり動作を行う場合、回転軸３０ａと平行な直線上に配置された、マイクロホン２０ｂ、２０ｃからなるマイクロホンアレイ４０ａが選択される。なお、左右首ふり動作を行う場合、マイクロホン２０ａ、２０ｄが受音を行うマイクロホンアレイとして選択されてもよい。
【００４４】
また、上下首ふり動作を行う場合、回転軸３０ｂと平行な直線上に配置された、マイクロホン２０ｃ、２０ｄからなるマイクロホンアレイ４０ｂが選択される。なお、上下首ふり動作を行う場合、マイクロホン２０ａ、２０ｂが受音を行うマイクロホンアレイとして選択されてもよい。
【００４５】
左下又は右上を向く動作を行う場合には、回転軸３０ｃと平行な直線上に配置された、マイクロホン２０ａ、２０ｃからなるマイクロホンアレイ４０ｃが選択される。右下又は左上を向く動作を行う場合には、回転軸３０ｄと平行な直線上に配置された、マイクロホン２０ｂ、２０ｄからなるマイクロホンアレイ４０ｄが選択される。
【００４６】
その後、ユーザ位置に高い指向性を持つ方向が向くように、再選択されたマイクロホンアレイの指向性が制御される。ロボット１０の動作中は、再選択されたマイクロホンアレイにより受音が行われる。上述のように、該回転軸と平行な線形マイクロホンアレイが選択されている。また、マイクロホンアレイの指向性は、マイクロホンアレイを成す直線に対して回転体状に形成される。このため、ロボット１０が該回転軸を中心に回転しても、該マイクロホンにおける高い指向性を持つ方向はユーザ方向からずれない。このため、ロボット動作中に指向性の再構成を行うことなく、ユーザ方向からの受音を維持しやすくなる。
【００４７】
以上説明したように、実施の形態によれば、ロボットの頭部などの動作する可動部に設置されるマイクロホンアレイにおいて、可動部が動作してマイクロホンアレイの方向が変更されても、マイクロホンアレイが形成する高い指向性を持つ方向をユーザに向けたまま収音することが可能となる。
【００４８】
なお、マイクロホンは、異なる方向の複数の線形マイクロホンアレイを構成することができるように搭載されていれば良く、マイクロホンの搭載位置は上述の例に限定されるものではない。
【００４９】
また、マイクロホンの配置例は、図３Ａの例に限定されるものではない。図３Ｂ、３Ｃにマイクロホンの他の配置例を示す。図３Ｂは、３つのマイクロホン２０ａ〜２０ｃがユーザ位置（音源位置）に対向する平面上で正三角形を形成するように、該正三角形形の頂点の位置にそれぞれ配置されている例を示している。図３Ｂに示すように、３つのマイクロホン２０ａ〜２０ｃは、３つのマイクロホンアレイ４０ａ〜４０ｃを構成する。
【００５０】
図３Ｃは、６つのマイクロホン２０ａ〜２０ｆがユーザ位置（音源位置）に対向する平面上で正六角形を形成するように、該正六角形の頂点の位置にそれぞれ配置されている例を示している。図３Ｃに示すように、６つのマイクロホン２０ａ〜２０ｆは、６つのマイクロホンアレイ４０ａ〜４０ｆを構成する。
【００５１】
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。実施の形態において示した各構成部材の形状や組み合せ等は一例であって、設計要求等に基づき種々変更可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０  ロボット
１１  胴体
１２  頭部
１３  動作制御部
１４  アクチュエータ
１５  回転軸計算部
２０  マイク装置
２０ａ〜２０ｆ  マイクロホン
２１  マイクロホン選択部
２２  指向性形成部
３０ａ〜３０ｆ  回転軸
４０ａ〜４０ｄ  マイクロホンアレイ
５０ａ〜５０ｃ  マイクロホンアレイ
６０ａ〜６０ｆ  マイクロホンアレイ
１  ロボット
２  ユーザ
３  マイクロホンアレイ
３ａ、３ｂ  マイクロホン
４  音源
【図１】
0006485370.tif 000002
【図２】
0006485370.tif 000003
【図３Ａ】
0006485370.tif 000004
【図３Ｂ】
0006485370.tif 000005
【図３Ｃ】
0006485370.tif 000006
【図４Ａ】
0006485370.tif 000007
【図４Ｂ】
0006485370.tif 000008
【図４Ｃ】
0006485370.tif 000009
【図５】
0006485370.tif 000010