(57)【要約】      （修正有）【課題】低重量、低コストで信頼性があり、簡素な機構部品により眼球の開閉操作を行なう。【解決手段】上瞼部材１０１の周縁に複数本の形状記憶合金からなるワイヤ・アクチュエータ１０２をほぼ放射状に取り付け、これらの伸縮の組み合わせを変えることで、開閉や傾き動作を実現する。各ワイヤ・アクチュエータ１０２の移動側を電気的に接続することで、任意の２本のワイヤを移動側で通電用の配線を接続することなしに駆動することができる。瞼開閉の駆動機構からはみ出したワイヤ部分を耐熱性の絶縁チューブで覆い、ワイヤを頭蓋フレームに沿って曲線的に実装する。【選択図】図５
2005161468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
頭部を備えたロボット装置であって、
１以上の視覚手段と、
前記視覚手段の開口部を有する頭蓋フレームと、
前記開口部を閉成する瞼と、
前記瞼を前記頭蓋フレームの内周にほぼ沿って開閉操作可能に支持する瞼支持部と、
線状の伸縮部材を備え、該伸縮作用により前記瞼を開閉方向に駆動する瞼駆動部と、
を具備することを特徴とするロボット装置。
【請求項２】
頭部を備えたロボット装置であって、
１以上の眼球と、
前記眼球部を外界に露出する眼球開口部を有する頭蓋フレームと、
前記眼球開口部を閉成する瞼と、
前記瞼を前記頭蓋フレームの内周にほぼ沿って開閉操作可能に支持する瞼支持部と、
前記瞼を開閉方向に駆動する瞼駆動部を備え、
前記瞼駆動部は、加熱により形状回復温度に到達すると形状回復力により記憶しておいた長さを復元する形状記憶合金ワイヤの通電に伴う加熱及び収縮作用と通電停止に伴う冷却及び伸張作用を利用したワイヤ・アクチュエータで構成される、
ことを特徴とするロボット装置。
【請求項３】
外部環境又は内部状態に変化に応じて現在のロボット装置の感情を決定する感情制御部と、
前記感情制御部により決定された感情に応じて感情の表出動作を制御する感情表出部をさらに備え、
前記感情表出部は、感情に応じて瞼の駆動操作を制御する、
ことを特徴とする請求項２に記載のロボット装置。
【請求項４】
前記ワイヤ・アクチュエータは、
前記ワイヤの長手方向に引張力を印加するバイアスばねと、
前記ワイヤに連結され、前記ワイヤの形状回復作用に基づいて動作する駆動体と、
前記ワイヤの少なくとも一部を収容する絶縁性のチューブを備え、
前記ワイヤへの通電に伴う加熱により形状回復温度に到達したことに応答して前記ワイヤが前記バイアスばねの引張力に抗して収縮し、前記ワイヤの通電停止とともに冷却され形状回復力が失われ前記バイアスばねの引張力により伸張する、
ことを特徴とする請求項２に記載のロボット装置。
【請求項５】
前記ワイヤの一端は前記チューブとともに導電性の端子に接合された固定側端とされ、他端は前記ワイヤのみが導電性の端子に接合された駆動側端とされ、
前記の固定側及び駆動側の各端子は前記ワイヤへの給電端子を兼ねる、
ことを特徴とする請求項２に記載のロボット装置。
【請求項６】
前記瞼駆動部は、前記瞼の周縁に複数本の前記ワイヤ・アクチュエータをほぼ放射状に取り付け、各ワイヤ・アクチュエータの伸縮の組み合わせを変えて作動させることにより前記瞼の開閉動作並びに傾き動作を実現する、
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】
前記ロボット装置の現在の感情に応じて前記瞼の開閉動作並びに傾き動作を制御し、前記感情を表出する、
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
【請求項８】
前記のほぼ放射状に取り付けられた各ワイヤ・アクチュエータは、それぞれの駆動側端子同士が結線され、
前記瞼駆動部は、各ワイヤ・アクチュエータの固定側端子間における通電状態の切り替えにより各ワイヤ・アクチュエータの伸縮の組み合わせを変えて作動させる、
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
【請求項９】
前記瞼は前記眼球に対する上瞼を構成し、
少なくとも前記上瞼の上側２箇所及び下側２箇所に左右略均等にそれぞれ前記ワイヤ・アクチュエータが取り付けられ、且つそれぞれの駆動側端子が結線され、
前記瞼駆動部は、
前記上側２箇所に取り付けられた各ワイヤ・アクチュエータの固定側端子間で通電を行なうことにより前記瞼を開成し、
前記下側２箇所に取り付けられた各ワイヤ・アクチュエータの固定側端子間で通電を行なうことにより前記瞼を閉成し、
左右交差する上側及び下側各１箇所に取り付けられた各ワイヤ・アクチュエータの固定側端子間で通電を行なうことにより前記瞼を傾き動作する、
ことを特徴とする請求項８に記載のロボット装置。
【請求項１０】
前記瞼の開閉動作の可動範囲外となるワイヤ部分を前記チューブで収容するとともに、前記チューブを前記頭蓋フレームの内周に沿って実装する、
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１１】
ロボットの眼球開口を閉成する瞼の動作装置であって、
線状の伸縮部材の伸縮作用により前記瞼を開閉方向に駆動する、
ことを特徴とする瞼の動作装置。
【請求項１２】
ロボットの眼球開口を閉成する瞼の動作装置であって、
加熱により形状回復温度に到達すると形状回復力により記憶しておいた長さを復元する形状記憶合金ワイヤの通電に伴う加熱及び収縮作用と通電停止に伴う冷却及び伸張作用を利用したワイヤ・アクチュエータで構成される、
ことを特徴とする瞼の動作装置。
【請求項１３】
前記ワイヤ・アクチュエータは、
前記ワイヤの長手方向に引張力を印加するバイアスばねと、
前記ワイヤに連結され、前記ワイヤの形状回復作用に基づいて動作する駆動体と、
前記ワイヤの少なくとも一部を収容する絶縁性のチューブを備え、
前記ワイヤへの通電に伴う加熱により形状回復温度に到達したことに応答して前記ワイヤが前記バイアスばねの引張力に抗して収縮し、前記ワイヤの通電停止とともに冷却され形状回復力が失われ前記バイアスばねの引張力により伸張する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の瞼の動作装置。
【請求項１４】
前記ワイヤの一端は前記チューブとともに導電性の端子に接合された固定側端とされ、他端は前記ワイヤのみが導電性の端子に接合された駆動側端とされ、
前記の固定側及び駆動側の各端子は前記ワイヤへの給電端子を兼ねる、
ことを特徴とする請求項１３に記載の瞼の動作装置。
【請求項１５】
前記瞼の周縁に複数本の前記ワイヤ・アクチュエータをほぼ放射状に取り付け、
各ワイヤ・アクチュエータの伸縮の組み合わせを変えて作動させることにより前記瞼の開閉動作並びに傾き動作を制御する瞼動作制御部をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１４に記載の瞼の動作装置。
【請求項１６】
前記瞼動作制御部は、前記ロボットの現在の感情に応じて前記瞼の開閉動作並びに傾き動作を制御し、前記感情を表出する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の瞼の動作装置。
【請求項１７】
前記のほぼ放射状に取り付けられた各ワイヤ・アクチュエータは、それぞれの駆動側端子同士が結線され、
前記瞼動作制御部は、各ワイヤ・アクチュエータの固定側端子間における通電状態の切り替えにより各ワイヤ・アクチュエータの伸縮の組み合わせを変えて作動させる、
ことを特徴とする請求項１５に記載の瞼の動作装置。
【請求項１８】
前記瞼は前記眼球に対する上瞼を構成し、
少なくとも前記上瞼の上側２箇所及び下側２箇所に左右略均等にそれぞれ前記ワイヤ・アクチュエータが取り付けられ、且つそれぞれの駆動側端子が結線され、
前記瞼動作制御部は、
前記上側２箇所に取り付けられた各ワイヤ・アクチュエータの固定側端子間で通電を行なうことにより前記瞼を開成し、
前記下側２箇所に取り付けられた各ワイヤ・アクチュエータの固定側端子間で通電を行なうことにより前記瞼を閉成し、
左右交差する上側及び下側各１箇所に取り付けられた各ワイヤ・アクチュエータの固定側端子間で通電を行なうことにより前記瞼を傾き動作する、
ことを特徴とする請求項１７に記載の瞼の動作装置。
【請求項１９】
前記瞼の開閉動作の可動範囲外となるワイヤ部分を前記チューブで収容するとともに、前記チューブを前記ロボットの頭蓋フレームの内周に沿って実装する、
ことを特徴とする請求項１３に記載の瞼の動作装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の関節自由度を備え自律的な動作を行なうロボット装置に係り、特に、外部環境や内部状態の変化などに応じて感情をコントロールし、感情表現によりユーザと高度な意思疎通を行なうことができるロボット装置に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、感情を表出してユーザに通知する手段を備えたロボット装置に係り、特に、瞼の動作により感情の表出を行なうロボット装置並びに瞼の動作装置に関する。
【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、イヌやネコ、クマのように４足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボット、あるいは、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作を模した「人間形」若しくは「人間型」のロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ）など、脚式移動ロボットの構造やその安定歩行制御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。これら脚式移動ロボットは、クローラ式ロボットに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、階段の昇降や障害物の乗り越えなど、柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で優れている。
【０００５】
また、ロボットの用途として、従来は産業活動・生産活動などにおける作業支援や各種の難作業の代行が主だったものであるが、最近では、生活密着型、すなわち人間との「共生」あるいは「エンターテインメント」という用途が着目されてきている。
【０００６】
後者の場合、ロボットは、対話や機体動作などからなる行動を自律的に選択したり、オペレータに対してより高度でリアリスティックな反応を示したりする。この結果、ユーザはロボットに対して深い愛着や親しみを感じることができる。
【０００７】
例えば、ロボット外部又は内部の状況に応じて感情を生成するとともに、現在の感情の状態に応じて行動のパラメータを変化させ、変化したパラメータに基づいて行動を発現させることにより、エンタテインメント性を向上させたロボット装置について提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。
【０００８】
ここで、エンタテインメント・ロボットなどにおいて、感情を表出する手法としては一般的に、喜び、怒り、悲しみなどの感情を表す眼の形状を点灯させたり、目の周囲でさまざまな色の光を点滅させたりすることが行なわれているが必ずしも満足のいく表現ができているとは言えない。
【０００９】
そこで、実際に機構的に目や瞼などを動かすことも行なわれている。
【００１０】
例えば、顔部分に眼球や瞼、下顎などの器官があり、表面全体がゴム皮膜により被覆され、ゴム皮膜を押し付けたり引き付けたりして顔の表情を自在に変化させるコミュニケーション・ロボットについて提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。
【００１１】
また、眼球部を開閉する瞼機構を備えたロボット人形について提案がなされている（例えば、特許文献３を参照のこと）。この瞼機構は、眼球部を支持する支持部材に、水平に軸支された所定形状の瞼部と、この瞼部に接続される開閉軸と、この開閉軸に中間ヒンジ部材を介して接続され、瞼部を開閉駆動するエア・シリンダで構成される。
【００１２】
また、人物の顔を模した顔面模型を備え、目の上瞼及び下瞼がそれぞれ上下動して目を開閉することにより表情を表出するようにした表情表出ロボットについて提案がなされている（例えば、特許文献４を参照のこと）。
【００１３】
また、人間との高い親和性を確保するとともに、さらなる機能向上、小型・軽量化、メンテナンス性の向上を図ったロボットの目・眉機構について提案がなされている（例えば、特許文献５を参照のこと）。この場合、眼球部駆動機構は左右共通の無端伸張伝動手段によってピッチ軸回りの駆動を行ない、眼瞼部駆動機構は眼球ピッチ軸回りに眼球が動くにつれて左右の上側眼瞼部材が協調して駆動するようになっており、眉毛部駆動機構は線状部材の引張りによる上下双方向変形駆動機構となっている。
【００１４】
しかしながら、瞼の開閉操作にはモータや電磁石などの動力源、動かすための機構部品が必要であり、装置構成が複雑になるとともに、重量、コスト、信頼性などにも問題がある。例えば、瞼の動作装置のために頭部の重量が増すと、２足直立歩行のロボットの姿勢安定制御にも大きな影響を及ぼす。
【００１５】
【特許文献１】特開２００３−１９１１８７号公報
【特許文献２】特開平６−２６１９８２号公報
【特許文献３】特開平１０−３２８４２３号公報
【特許文献４】特開２００３−２３０７７０号公報
【特許文献５】特開２００３−２６５８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、瞼の動作により感情の表出を行なうことができる、優れたロボット装置並びに瞼の動作装置を提供することにある。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、低重量、低コストで信頼性があり、簡素な機構部品により眼球の開閉操作を行なうことができる、優れたロボット装置並びに瞼の動作装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、頭部を備えたロボット装置であって、
１以上の眼球と、
前記眼球部を外界に露出する眼球開口部を有する頭蓋フレームと、
前記眼球開口部を閉成する瞼と、
前記瞼を前記頭蓋フレームの内周にほぼ沿って開閉操作可能に支持する瞼支持部と、
前記瞼を開閉方向に駆動する瞼駆動部を備え、
前記瞼駆動部は、加熱により形状回復温度に到達すると形状回復力により記憶しておいた長さを復元する形状記憶合金ワイヤの通電に伴う加熱及び収縮作用と通電停止に伴う冷却及び伸張作用を利用したワイヤ・アクチュエータで構成される、
ことを特徴とするロボット装置である。
【００１９】
本発明に係るロボット装置は、外部環境又は内部状態に変化に応じて現在のロボット装置の感情を決定する感情制御部と、前記感情制御部により決定された感情に応じて感情の表出動作を制御する感情表出部をさらに備え、前記感情表出部は、感情に応じて瞼の駆動操作を制御するようになっている。
【００２０】
ここで、前記ワイヤ・アクチュエータは、前記ワイヤの長手方向に引張力を印加するバイアスばねと、前記ワイヤに連結され前記ワイヤの形状回復作用に基づいて動作する駆動体と、前記ワイヤの少なくとも一部を収容する絶縁性のチューブを備えている。そして、前記ワイヤへの通電に伴う加熱により形状回復温度に到達したことに応答して前記ワイヤが前記バイアスばねの引張力に抗して収縮する一方、前記ワイヤの通電停止とともに冷却され形状回復力が失われ前記バイアスばねの引張力により伸張するようになっている。
【００２１】
また、前記ワイヤの一端は前記チューブとともに導電性の端子に接合された固定側端とされ、他端は前記ワイヤのみが導電性の端子に接合された駆動側端とされ、前記の固定側及び駆動側の各端子は前記ワイヤへの給電端子を兼ねている。
【００２２】
ワイヤの変形量は一般的に小さく、全体の５％程度でしかない。このため、十分な変位を得るためには長いワイヤが必要である。本発明によれば、ワイヤの少なくとも一部はチューブ内を貫挿している。このチューブ内ではワイヤの伸縮の経路が確保されていることから、任意の形状で屈曲可能とし、実装の自由度を与えることができる。すなわち、ロボットの頭部内のスペースに合わせて自由に屈曲させて実装することができるので、小型軽量化、設計の簡単化などを実現することができるという訳である。
【００２３】
また、前記ワイヤの一端は前記チューブとともに導電性の端子に接合された固定側端とされ、他端は前記ワイヤのみが導電性の端子に接合された駆動側端とされる。
【００２４】
そして、前記瞼駆動部は、前記瞼の周縁に複数本の前記ワイヤ・アクチュエータをほぼ放射状に取り付け、各ワイヤ・アクチュエータの伸縮の組み合わせを変えて作動させることにより前記瞼の開閉動作並びに傾き動作を実現することができる。
【００２５】
したがって、前記ロボット装置は、現在の感情に応じて前記瞼の開閉動作並びに傾き動作を制御し、感情を表出することができる。例えば、瞬きする、ウィンクする、あるいは瞼の傾きにより怒った表情や悲しい表情を表すことができる。
【００２６】
また、前記のほぼ放射状に取り付けられた各ワイヤ・アクチュエータの駆動側端子同士を結線するようにしてもよい。この場合、前記瞼駆動部は、各ワイヤ・アクチュエータの固定側端子間における通電状態の切り替えにより各ワイヤ・アクチュエータの伸縮の組み合わせを変えて作動させることができる。このように各ワイヤ・アクチュエータの移動側を電気的に接続することで、任意の２本のワイヤを移動側で通電用の配線を接続することなしに駆動することができる。
【００２７】
例えば、前記瞼が前記眼球に対する上瞼を構成し、少なくとも前記上瞼の上側２箇所及び下側２箇所に左右略均等にそれぞれ前記ワイヤ・アクチュエータを取り付け、且つそれぞれの駆動側端子を結線するようにしてもよい。
【００２８】
このような場合、前記瞼駆動部は、前記上側２箇所に取り付けられた各ワイヤ・アクチュエータの固定側端子間で通電を行なうことにより前記瞼を開成し、また、前記下側２箇所に取り付けられた各ワイヤ・アクチュエータの固定側端子間で通電を行なうことにより前記瞼を閉成し、また、左右交差する上側及び下側各１箇所に取り付けられた各ワイヤ・アクチュエータの固定側端子間で通電を行なうことにより前記瞼を傾き動作することができる。
【００２９】
また、前記瞼の開閉動作の可動範囲外となるワイヤ部分を前記チューブで収容するとともに、前記チューブを前記頭蓋フレームの内周に沿って実装するようにしてもよい。瞼開閉の駆動機構からはみ出したワイヤ部分は耐熱性の絶縁チューブで覆われているので、ワイヤ・アクチュエータを頭蓋フレームに沿って曲線的に実装することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、瞼の動作により感情の表出を行なうことができる、優れたロボット装置並びに瞼の動作装置を提供することができる。
【００３１】
また、本発明によれば、低重量、低コストで信頼性があり、簡素な機構部品により眼球の開閉操作を行なうことができる、優れたロボット装置並びに瞼の動作装置を提供することができる。
【００３２】
本発明に係るエンタテインメント・ロボットの瞼開閉装置によれば、例えば上瞼部材の周縁に、複数本の形状記憶合金からなるワイヤ・アクチュエータをほぼ放射状に取り付け、これらワイヤ・アクチュエータの伸縮の組み合わせを変えて作動させることによって、開閉や傾き動作を実現することができる。
【００３３】
ここで、各ワイヤ・アクチュエータの移動側を電気的に接続することで、任意の２本のワイヤを移動側で通電用の配線を接続することなしに駆動することができる。また、瞼開閉の駆動機構からはみ出したワイヤ部分を耐熱性の絶縁チューブで覆うことにより、ワイヤを頭蓋フレームに沿って曲線的に実装することができる。
【００３４】
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】
【００３５】
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。
【００３６】
本発明に係るエンタテインメント・ロボットは、瞼の開閉駆動を行なうために、形状記憶合金のワイヤからなるアクチュエータ装置を適用する。このワイヤ・アクチュエータは、電流を流すことで発熱し、形状記憶効果で長さが短くなる形状記憶合金の直径０．１ミリ程度の細いワイヤ、あるいはそれを用いた巻径数ミリ以下のばねを用いて構成される。これにより、重量、コスト、信頼性などにも問題を解決することができる。また、このワイヤ・アクチュエータによれば、動作音のない、滑らかで生物的な動きを実現することができる。
【００３７】
まず、ワイヤ・アクチュエータの動作原理について説明する。本発明では、ロボットの頭蓋骨に沿って開閉動作する瞼のような湾曲的な動作機構の駆動力として、形状記憶合金（例えばニッケル・チタン合金）からなる微小径（例えばφ１５０マイクロメータ）のワイヤからなるアクチュエータ装置を適用する。この種のワイヤは、通電に伴う加熱により形状回復温度に到達すると形状回復力により収縮することから、通電のオン・オフに伴うワイヤの伸縮をアクチュエータの駆動力として利用することができる。
【００３８】
ワイヤの変形量は一般的に小さく、全体の５％程度でしかない。このため、十分な変位を得るためには長いワイヤが必要で、アクチュエータとして装置内に組み込むには、例えば図１（ａ）のように直線的に張るか、あるいは図１（ｂ）のように滑車などを用いてワイヤを折り返す構造とし装置内のスペースに合わせて実装する必要がある。
【００３９】
しかしながら、前者の場合、ワイヤ全長に相当する構造体でなければアクチュエータ装置を収容することはできない。また、後者の場合、部品点数が必要で、組み立ても複雑化し、コスト、信頼性などの面でも問題がある。いずれの場合も、ワイヤ自身は細く省スペースであるにもかかわらず、実装スペースは大きくなってしまう。
【００４０】
そこで、本発明では、ワイヤをチューブで被わせる構造とすることで実装が容易で自由度を持つ形状記憶ワイヤ式アクチュエータ装置を実現する。本発明に係るアクチュエータ装置は、ワイヤの冷却や断熱についても併せて効果を持つ。
【００４１】
図２には、形状記憶ワイヤ式アクチュエータ装置の基本構造を示している。図示のアクチュエータ装置は、ワイヤ１と、駆動部材３と、バイアスばね４が略直線状に連結され、両端が固定部材５ａ及び５ｂによって固定されている。また、図示の例では、ワイヤ１は左右の両端に端子２を持ち、それぞれ駆動部材３並びに固定部材５ｂに係止されている。
【００４２】
ワイヤ１は、例えばニッケル・チタン合金などの形状記憶合金を素材としており、通電に伴う加熱により形状回復温度に到達すると、形状回復力により記憶しておいた形状に復元する作用を持つ。図示の例では、ワイヤ１には、バイアスばね４によって引張力が常時印加されている。
【００４３】
非通電すなわち冷却時のワイヤ１は形状回復力を失うことから、バイアスばね４の引張力によって伸展し、この結果、駆動部材３は、バイアスばね４の引張力が作用していない状態に対し、紙面左方向に移動している格好となる。
【００４４】
ここで、図示しない電源装置によってワイヤ１に所定の電圧が印加されると、通電に伴う温度上昇により形状回復温度に到達すると、ワイヤ１は形状回復力により記憶しておいた形状を復元する作用を得る。この復元力により、ワイヤ１はバイアスばね４の引張力に対抗して収縮する。この結果、駆動部材３は、ワイヤ１の冷却時すなわちバイアスばね４によって引っ張られている初期状態に対し、紙面右方向に駆動する。
【００４５】
そして、ワイヤ１への電圧印加を停止すると、ワイヤ１の冷却に伴い形状回復力が失われる。この結果、バイアスばね４の引張力によってワイヤ１は再び伸展し、駆動部材３は、バイアスばね４の引張力が作用していない状態に対し、紙面左方向に移動している格好となる。
【００４６】
このようにワイヤ１を駆動源とするアクチュエータ装置の駆動側にバイアスばね４を設けることにより、装置の小型化・簡素化に有利な構造となる。また、ワイヤの形状回復力などの特性に応じたバイアスばねを容易に実装することができるとともに、被駆動側の構造も簡略化される。
【００４７】
形状記憶合金からなるワイヤ１の変形量は一般的に小さく、全体の５％程度でしかない。このため、十分な変位を得るためには長いワイヤが必要である。本実施形態では、このような長いワイヤ１の実装を容易にするために、ワイヤをチューブで被わせている。チューブ内ではワイヤ１の伸縮の経路が確保され、任意の形状で屈曲可能とし、実装の自由度を与えることができる。すなわち、装置内部のスペースに合わせて自由に屈曲させて実装することができるので、小型軽量化、設計の簡単化などを実現することができる。
【００４８】
図３には、形状記憶合金ワイヤ１１を、その外径に合わせた内径を持ったチューブ１２に貫挿させて構成される様子を模式的に示している。
【００４９】
チューブ１２は、耐熱性と絶縁性があり、長手方向に収縮しにくい材質が好ましく、本実施形態ではポリイミドを用いている。
【００５０】
ワイヤ１１の一端はワイヤ１１の端部自身が端子１３に接合され、他端はチューブ１２の端部とともに端子１４に接合されている。ワイヤ１１の伸縮に伴い、チューブ１２の一端はワイヤ１１の端部から離れ、他端はワイヤ１１の端部とともに作動する。チューブ１２の一端を「駆動側」と呼び、他端を「固定側」と呼ぶことにする。
【００５１】
図４には、チューブ１２の固定側における端子１４との嵌合部分１５の断面構造を示している。端子１４は、屈曲性に富む金属材質で構成され、例えば打ち抜き・曲げ加工により製作される。端子１４の一端は係止用の開口部が形設されている。また、端子１４の他端はワイヤ１１とチューブ１２（駆動側端子１３側ではワイヤ１１のみ）を挿通する管部が形設されており、ワイヤ１１とチューブ１２の固定側端部をこの管部に収容した状態で圧着される。端子１４は、ワイヤ１１の通電端子と、チューブ１２とワイヤ１１の固定端子、という双方の役割を兼ねている。
【００５２】
端子１３並びに端子１４を介してワイヤ１１に電圧を印加することができる。電流を流すと、ワイヤ１１は、加熱されて形状回復温度に到達して形状回復効果を呈し、記憶しておいた形状への復元力が生成され、バイアス・バネ４により伸展していた状態から収縮が開始する。この結果、チューブ１２の開口部１６から出現しているワイヤ１１の駆動端は、図中矢印方向にチューブ１２内部に引き込まれる。また、ワイヤ１１への電圧の印加を停止すると、ワイヤ１１は冷却に伴い復元力を失い、初期の状態すなわちバイアス・バネ４により伸展している状態へと回復し、チューブ１２に引き込まれていた部分は逆に出現してくる。
【００５３】
このような構造では、固定はチューブの長手方向のどの部分でも良い。また、ワイヤの伸縮の経路が確保されることから、任意の形状で屈曲可能である。例えば、アクチュエータ全体を屈曲させて実装することができるので、装置のスペースに合わせることができる。さらに、しなやかで疲労しにくいチューブを利用した場合には、関節などのさまざまな方向に常に屈伸する部分を通過して実装することもできる。
【００５４】
図５には、上述したようなワイヤ・アクチュエータを用いて構成される瞼の開閉動作装置の動作原理を示している。図示の通り、瞼１０１の周囲には、４本の形状記憶合金のワイヤ・アクチュエータ１０２ａ〜１０２ｄがほぼ放射状に取り付けられている。そして、各ワイヤ・アクチュエータ１０２ａ〜１０２ｄの伸縮の組み合わせを変えて作動させることにより、瞼１０１の開閉動作並びに傾き動作を実現することができる。したがって、例えばロボットの現在の感情に応じて前記瞼の開閉動作並びに傾き動作を制御し、感情を表出することができる。例えば、瞬きする、ウィンクする、あるいは瞼の傾きにより怒った表情や悲しい表情を表すことができる。
【００５５】
図示の例では、瞼１０１は、眼球を上方から下方に向かって覆うことができる上瞼を構成し、瞼の上側２箇所左右にワイヤ・アクチュエータ１０２ａ及び１０２ｂが取り付けられ、また、下側２箇所の左右にワイヤ・アクチュエータ１０２ｃ及び１０２ｄが取り付けられている。
【００５６】
形状記憶合金からなるこれら４本のワイヤ・アクチュエータ１０２ａ〜１０２ｄの駆動側は瞼１０１側に向けられ、それぞれの駆動側端子は配線１０３によって電気的に接続されている。この場合、任意の２本のワイヤを駆動側で通電用の配線を接続することなしに駆動することができる。そして、図５には示していない瞼駆動コントローラは、任意の２本の固定側端子で通電用の配線を切り替えて通電を行ない、選択的に伸縮動作を行なわせることにより、瞼１０１を開成したり、閉成したり、傾き動作を行なったりする。
【００５７】
例えば、図５（ａ）の矢印に示す方向に電流を流せば、瞼１０１の下側の左右に取り付けられたワイヤ・アクチュエータ１０２ｃ及び１０２ｄがともに収縮し、瞼１０１が下方向に移動する。つまり目が閉じる。
【００５８】
また、例えば目が閉じている状態で、図５（ｂ）の矢印に示す方向に電流を流せば、瞼１０１の上側の左右に取り付けられたワイヤ・アクチュエータ１０２ａ、及び１０２ｂがともに収縮し、瞼１０１が上方向に移動する。つまり目が開く。
【００５９】
さらに、図５（ｃ）の矢印に示す方向に電流を流せば、瞼１０１の上側及び下側に左右交差するように取り付けられたワイヤ・アクチュエータ１０２ａ及び１０２ｄがともに収縮し、瞼１０１を紙面時計回りに旋回させるような回転力が発生し、瞼１０１は右に傾く。また、図示しないが、瞼１０１の上側及び下側に左右交差するように取り付けられたワイヤ・アクチュエータ１０２ｂ及び１０２ｃの各ワイヤを通電すれば、これらワイヤ・アクチュエータ１０２ｂ及び１０２ｃがともに収縮し、瞼１０１を紙面反時計回りに旋回させるような回転力が発生し、瞼１０１は左に傾くことになる。
【００６０】
このように、ワイヤ・アクチュエータ１０２の駆動側を電気的に接続することにより、移動する部分に通電のための配線を接続することなく、任意の２本のワイヤに通電することができるので、ワイヤの伸縮による断線や駆動力の無駄、実装のスペースの問題が解決される。
【００６１】
図５では、説明の便宜上、瞼開閉機構を平面的に描いたが、実際にはロボット装置の頭部（頭蓋フレーム）は曲面で形成されることが多い。この場合、立方体形状の空間に収容する場合に比べ、瞼の開閉駆動の配置は複雑化する。しかし、本発明に係る瞼駆動装置はフレキシブル構造のワイヤ・アクチュエータ１０２で構成されることから、曲面上に実装することが容易となる。例えば、瞼１０１の開閉動作の可動範囲外となるワイヤ部分をチューブで覆うとともに、このチューブを頭蓋フレームの内周に沿って実装するようにしてもよい。瞼開閉の駆動機構からはみ出したワイヤ部分は耐熱性の絶縁チューブで覆われているので、ワイヤ・アクチュエータを頭蓋フレームに沿って曲線的に実装することができる。
【００６２】
図６には、ロボットの頭蓋フレームの断面により、瞼１０１の開閉駆動装置の構造を示している。
【００６３】
瞼１０１は、頭蓋フレーム１０５の内周にほぼ沿って開閉操作可能となるように、案内板１０６により支持されている。
【００６４】
瞼１０１の開成状態、閉成上体、あるいは傾き状態を維持するために、常にワイヤ・アクチュエータ１０２で引っ張ったままでいるのでは、電流を流し続けることになり、消費電力上好ましくない。そこで、図示の例では、フェルトなどの表面の摩擦抵抗が大きな素材からなる摩擦部材１０８でワイヤ・アクチュエータ１０２の駆動側を挟み込み、ワイヤの移動に対し一定の摩擦力を印加するようにしている。このため、瞼１０１が任意の位置に移動した時点で通電を停止しても、瞼１０１がその位置を保持するようにしている。
【００６５】
瞼１０１の移動量は一般的に大きいことが多く、ワイヤの変形（収縮）率の特性によっては、十分な移動量を得るには長いワイヤが必要になり、直線的に張ってロボットに内蔵することが困難な場合がある。この場合、図６に示したように、瞼１０１の開閉動作の可動範囲外、すなわち機構部分よりはみ出たワイヤ１０７を耐熱性の絶縁チューブ１０９に通し、頭蓋フレームの内周曲線上に実装するようにしてもよい。
【００６６】
ロボット装置は、内蔵されたマイコンにより各部分をコントロールするのが一般的である。本実施形態では、各ワイヤ・アクチュエータ１０２ａ〜１０２ｄに電流を流すだけで良いため、駆動回路も簡単になる。
【００６７】
図７には、各ワイヤ・アクチュエータ１０２ａ〜１０２ｄを結線並びに通電するための回路構造を示している。図示の通り、ワイヤ・アクチュエータ１０２ａ〜１０２ｄは駆動側端子で結線されるとともに、ワイヤ・アクチュエータ１０２ａの固定側端子はｐｎｐ型トランジスタＡを介して電源電圧に接続され、ワイヤ・アクチュエータ１０２ｂの固定側端子はｎｐｎ型トランジスタＢを介してグランドに接続され、ワイヤ・アクチュエータｃの固定側端子はｐｎｐ型トランジスタＣを介して電源電圧に接続され、ワイヤ・アクチュエータ１０２ｄの固定側端子はｎｐｎ型トランジスタＤを介してグランドに接続されている。
【００６８】
図示のように、トランジスタＡのベースにロー・レベルを、トランジスタＢのベースにハイ・レベルをそれぞれ入力すると、これらトランジスタＡ及びＢがともにオン状態になり、図中の矢印に示す方向に電流が流れる。この結果、ワイヤ・アクチュエータ１０２ａと１０２ｂが収縮することにより、瞼１０１が開成するという瞼動作を実現することができる。
【００６９】
また、図示しないが、トランジスタＣのベースにロー・レベルを、トランジスタＤのベースにハイ・レベルをそれぞれ入力すると、これらトランジスタＣ及びＤがともにオン状態になり、この結果、ワイヤ・アクチュエータ１０２ｃと１０２ｄが収縮することにより、瞼１０１が閉成するという瞼動作を実現することができる。
【００７０】
また、図示しないが、トランジスタＡのベースにロー・レベルを、トランジスタＤのベースにハイ・レベルをそれぞれ入力すると、これらトランジスタＡ及びＤがともにオン状態になり、この結果、ワイヤ・アクチュエータ１０２ａと１０２ｄが収縮することにより、瞼１０１が旋回し瞼の傾き動作を実現することができる。
【００７１】
上述したように、瞼１０１の周囲には、４本の形状記憶合金のワイヤ・アクチュエータ１０２ａ〜１０２ｄがほぼ放射状に取り付けら、各ワイヤ・アクチュエータ１０２ａ〜１０２ｄの伸縮の組み合わせを変えて作動させることにより、瞼１０１の開閉動作並びに傾き動作を実現する。
【００７２】
図８には、頭部の左右に瞳を持つロボット装置が瞼１０１の開閉及び傾き動作により表情を与えている例を示している。
【００７３】
そして、ロボット装置は、現在の感情に応じて前記瞼の開閉動作並びに傾き動作を制御し、感情を表出することができる。例えば、瞬きする、ウィンクする、あるいは瞼の傾きにより怒った表情や悲しい表情を表すことができる。
【００７４】
図９には、ロボット装置が現在の感情に応じて瞼の動作を制御するシステムの構成を模式的に示している。
【００７５】
ロボットは、外部環境を検出する各種のセンサ２０１と、内部状態を遷移させる状態マシン２０２を備えている。感情コントローラ２０３は、これら外部環境や内部状態の変化に応じて、ロボットの現在の感情の決定を行なう。
【００７６】
瞼動作コントローラ２０４は、感情コントローラ２０３により決定された感情を受信すると、これに応じた瞼１０１の動作を割り出す。そして、瞼１０１の動作を実現するための、各ワイヤ・アクチュエータ１０２ａ〜１０２ｄの収縮状態の組み合わせを実現するために、トランジスタＡ〜Ｄの各ベース端子に対しロー／ハイ信号を出力する。
【００７７】
なお、ロボット装置は、多くの場合、眼球に相当する部位にＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）などで構成されるカメラを搭載している。この場合、瞼１０１の閉成動作により、視界を遮るすなわちカメラの撮像機能を不能にするという弊害が生じる。この対策として、瞼１０１を赤外線など少なくとも一部の波長成分の不可視光又は可視光を透過することができる透過型フィルムなどの素材で構成するとともに、瞼１０１の閉成時にはカメラの受光信号のうち透過成分を信号処理するように構成することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
以上、特定の実施例を参照しながら、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例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【００７９】
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、あるいは頭部を備えたタイプのその他の装置であるならば、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。
【００８０】
また、本明細書では、瞼を開閉操作する駆動手段として形状記憶合金の加熱に伴う形状回復力を利用しているが、本発明の要旨は必ずしもこれには限定されない。例えば、人工筋肉やその他の線状の伸縮部材の伸縮作用を利用して瞼を引張ることにより、同様に瞼の開閉動作を実現することができる。
【００８１】
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、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】図１は、形状記憶ワイヤからなるアクチュエータ装置の構成例を模式的に示した図である。
【図２】図２は、形状記憶ワイヤからなるアクチュエータ装置の構成例を模式的に示した図である。
【図３】図３は、形状記憶合金ワイヤ１１を、その外径に合わせた内径を持ったチューブ１２に貫通させて構成されるアクチュエータ装置を模式的に示した図である。
【図４】図４は、チューブ１２の固定側における端子１４との嵌合部分１５の断面構造を示した図である。
【図５】図５は、ワイヤ・アクチュエータを用いて構成される瞼の開閉動作装置の動作原理を示した図である。
【図６】図６は、ロボットの頭蓋フレームの断面により、瞼１０１の開閉駆動装置の構造を示した図である。
【図７】図７は、各ワイヤ・アクチュエータ１０２ａ〜１０２ｄを結線並びに通電するための回路構造を示した図である。
【図８】図８は、頭部の左右に瞳を持つロボット装置が瞼１０１の開閉及び傾き動作によりにより表情を与えている例を示した図である。
【図９】図９は、ロボット装置が現在の感情に応じて瞼の動作を制御するシステムの構成を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００８３】
１，１１，２７，３３…ワイヤ
３…駆動部材
４…バイアスばね
５ａ，５ｂ…固定部材
１２，２２，３４…チューブ
１３，１４…端子
１６…開口部
２３，３５…駆動側端子
２４，２６，３８…固定側端子
２５…電線
３１，４２…パイプ
４１…バイアスばね
４３…駆動用パイプ
１０１…瞼
１０２ａ〜１０２ｄ…ワイヤ・アクチュエータ
１０４…配線
１０５…頭蓋フレーム
１０６…案内板
１０７…ワイヤ
１０８…摩擦部材
１０９…絶縁チューブ
２０１…センサ
２０２…状態マシン
２０３…感情コントローラ
２０４…瞼動作コントローラ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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