(57)【要約】【課題】打面を叩いたときの衝撃によるアーム等への負荷を減少させ、ロボットの消費電力を低減させる。【解決手段】本発明の一態様に係る打楽器演奏マニピュレータ１０は、スティック３１を動作させるための掌部２３ｆと、スティック３１の先端が打楽器３０の打面３０ａに向かう回転力を掌部２３ｆに付与する電動機１３とを備え、電動機１３は、打面３０ａとの衝突で跳ね返されたスティック３１の打面３０ａと反対方向へ向かう回転力を電力として回収し、スティック３１を制動する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スティックを動作させるための動作部と、
前記スティックの先端が打楽器の打面に向かう回転力を前記動作部に付与する電動機、
とを備え、
前記電動機は、前記打面との衝突で跳ね返された前記スティックの前記打面と反対方向へ向かう回転力を電力として回収し、前記スティックを制動する打楽器演奏マニピュレータ。
【請求項２】
前記電力を蓄電する蓄電部を備える請求項１に記載の打楽器演奏マニピュレータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の打楽器演奏マニピュレータと、
前記電動機を駆動する駆動部とを備える打楽器演奏ロボット。
【請求項４】
前記動作部は、掌部又は足部であることを特徴とする請求項３に記載の打楽器演奏ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、打楽器を演奏するためのマニピュレータ及びそのマニピュレータを備えたロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、テーマパークのアトラクション等で、打楽器を演奏するロボットが活躍している。このロボットは、スティックを持ったマニピュレータを備えており、演奏する曲にあわせてマニピュレータを動作させることによって、スティックの先端を打楽器の打面に打ち下ろして演奏する。このような実際の打楽器をロボットに演奏させる技術として、例えば、特許文献１又は特許文献２がある。
【０００３】
特許文献１に記載の打楽器演奏ロボットは、掌部に回転軸を支点として回転可能に連結されているスティックを有している。スティックと掌部の間にはバネが圧縮状態で挿入されており、このバネの復元力を利用して、スティックを動かすことにより演奏を行うことができる。また、掌部にはストッパが設けられており、スティックがストッパと衝突することにより回転の勢いが減殺され回転が停止する。
【０００４】
特許文献２に記載の打楽器演奏ロボットでは、スティックがＤＣモータの回転軸に連結されている。ＤＣモータの回転により、スティックをドラムの打面に打ち下ろすことにより演奏を行う。また、振動周波数制御装置によりスティックを上下方向から挟持して、スティックの振動を制御している。
【０００５】
なお、特許文献３には、モータ駆動のハンマで弦楽器を叩く電子ピアノが記載されている。ハンマを止め具に衝突させることにより、ハンマの動きを止めることができる。また、電動機の回生エネルギーを利用する技術として特許文献４又は特許文献５がある。
【特許文献１】特開２００６−１５９２９５号公報
【特許文献２】特開２００２−２５８８３６号公報
【特許文献３】特表平９−５００４５５号公報
【特許文献４】特開２００５−５３６９３号公報
【特許文献５】特開平９−１３７６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の打楽器演奏ロボットでは、依然として改善すべき点が残されている。従来の打楽器演奏ロボットでは、スティックは、演奏時に常に固定された状態でロボットの掌で保持されている。スティックで打楽器の打面を叩いたときのスティック先端にかかる力は、１０〜３０Ｎである。この力を受けてもスティック保持を維持しつつ、ドラム演奏に支障をきたすようなスティックずれを押さえるために、スティックで打楽器の打面を叩いたときの衝撃を掌で緩和し、ロボットハンド・アームの全体でスティックを押さえている。このため、ロボットのハンド及びアームには、打面を叩いたときの衝撃による負荷がかかる。また、従来技術ではスティックで打面を叩いたときの力による反力を利用することができなかった。
【０００７】
本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、打面を叩いたときの衝撃によるアーム等への負荷を減少させ、ロボットの消費電力を低減させることが可能な打楽器演奏マニピュレータ及びこれを備える打楽器演奏ロボット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】
【０００８】
本発明の第１の態様に係る打楽器演奏マニピュレータは、スティックを動作させるための動作部と、前記スティックの先端が打楽器の打面に向かう回転力を前記動作部に付与する電動機とを備え、前記電動機は、前記打面との衝突で跳ね返された前記スティックの前記打面と反対方向へ向かう回転力を電力として回収し、前記スティックを制動するものである。これにより、演奏時にスティックで打面を叩いたときの衝撃（反力）を発電用動力とすることで衝撃を緩和し、アーム等への負荷を減少させることができる。
【０００９】
本発明の第２の態様に係る打楽器演奏マニピュレータは、上記の打楽器演奏マニピュレータにおいて、前記電力を蓄電する蓄電器を備えるものである。これにより、演奏時にスティックで打面を叩いたときの衝撃（反力）を発電用動力として電気エネルギーを得て、ロボットのエネルギー効率を向上させることができる。
【００１０】
本発明の第３の態様に係る打楽器演奏ロボットは、上記いずれかの打楽器演奏マニピュレータと、前記電動機を駆動する駆動部とを備えるものである。これにより、演奏時にスティックで打面を叩いたときの衝撃（反力）を発電用動力とすることで、衝撃を緩和し、アーム等への負荷を減少させることができる。
【００１１】
本発明の第４の態様に係る打楽器演奏ロボットは、上記の打楽器演奏ロボットにおいて、前記動作部は、掌部又は足部であることを特徴とするものである。本発明は、このような場合に有効である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、打面を叩いたときの衝撃によるアーム等への負荷を減少させ、ロボットの消費電力を低減させることが可能な打楽器演奏マニピュレータ及びこれを備える打楽器演奏ロボットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略する。
【００１４】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る打楽器演奏ロボットの構成について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る打楽器演奏マニピュレータを備えた打楽器演奏ロボット２０の構成を示す図である。図２は、掌部２３ｆによるスティック３１の支持状態を説明するための図である。
【００１５】
まず、図１を参照して、本実施の形態に係る打楽器演奏ロボット２０の構成について説明する。打楽器演奏ロボット２０は、ヒトを模して作成されたヒューマノイド・ロボットである。ここでは、打楽器演奏ロボット２０は、打楽器の一例であるドラム３０を演奏する場合について説明する。図１に示すように、打楽器演奏ロボット２０は、頭部２１、胴体部２２、右腕部２３、左腕部２４、車輪２５、制御部２６等を備えている。
【００１６】
胴体部２２は、略直方体形状を有している。胴体部２２には、打楽器演奏ロボット２０の動作を統括的に制御する制御部２６が収納されている。胴体部２２には、右腕部２３、左腕部２４が接続されている。右腕部２３は、肩関節２３ａ、上腕部２３ｂ、肘関節２３ｃ、前腕部２３ｄ、手首関節２３ｅ、掌部２３ｆを有している。左腕部２４は、右腕と同様に、肩関節、上腕部、肘関節、前腕部、手首関節、掌部を有している。なお、右腕部２３と、左腕部２４とは略同一の構成を有しているため、左腕部２４については説明を省略し、以下、右腕部２３の構成のみについて詳細に説明する。
【００１７】
胴体部２２には、上腕部２３ｂの一端が、肩関節２３ａを介して揺動自在に取り付けられている。上腕部２３ｂの他端には、肘関節２３ｃを介して、前腕部２３ｄの一端が接続されている。前腕部２３ｄは肘関節２３ｃを支点として揺動可能である。また、上腕部２３ｂの内部には前腕部２３ｄを揺動させるアクチュエータ２７が設けられている。アクチュエータ２７としては、例えば、ソレノイドやモータ等を用いることができる。このアクチュエータ２７は、制御部２６から出力される制御信号により駆動される。
【００１８】
前腕部２３ｄの他端には、手首関節２３ｅを介して動作部である掌部２３ｆが連結されている。掌部２３ｆは、手首関節２３ｅを支点として揺動可能である。前腕部２３ｄの内部には、掌部２３を揺動させるアクチュエータ２８が設けられている。アクチュエータ２８としては、ソレノイドやモータ等を用いることができる。このアクチュエータ２８もまた、制御部２６から出力される制御信号により駆動される。掌部２３ｆには、ドラム３０を演奏する（叩く）ためのスティック３１が支持されている。従って、掌部２３ｆがスティック３１を支持する支持部である。掌部２３ｆによるスティックの支持については、後に詳述する。
【００１９】
また、胴体部２２の下側には、車輪２５が接続されている。打楽器演奏ロボット２０は、車輪２５を回転させることによって、前進／後退をする。本実施の形態に係る打楽器演奏ロボット２０は、ヒトがドラム３０を叩きながら行進するように、車輪２５を回転させて移動しながらドラム３０の演奏を行う。
【００２０】
ここで、図２を参照して、掌部２３ｆによるスティック３１の支持の様子について説明する。図２に示すように、スティック３１は、スティック固定部１１に貫入されている。スティック固定部１１は、シャフト１２に固定されている。また、シャフト１２は、掌部２３ｆ内に設けられた電動機１３の回転軸に連結されている。すなわち、電動機１３は、スティック３１の回転軸Ａと同軸上に設けられている。従って、スティック３１は、回転軸Ａを中心として回転自在に支持されている。
【００２１】
本実施の形態で用いられる電動機１３は、電動機と発電機とが可逆であり兼用されるものである。通常ドラム３０の演奏を行う際には、電動機１３は電力を回転力に変換する。電動機１３の回転軸を回転させることにより、シャフト１２が回転する。これにより、スティック固定部１１に貫入されたスティック３１が回転軸Ａを中心として回転する。従って、図３に示すように、先端３１ａをドラム３０の打面３０ａに向かって振り下ろし、演奏を行うことができる。
【００２２】
一方、ドラム３０の打面３０ａにスティック３１の先端３１ａが衝突すると、打面３０ａからの反力により、図３中矢印で示すように、スティック３１の先端３１ａが打面３０ａから遠ざかる方向に跳ね返される。これにより、スティック３１は、回転軸Ａを中心として、演奏を行うときと逆回りに回転する。このとき、電動機１３を発電機として作動させ、回転力を電力に変換して回収する。また、発電時の回転抵抗を制動力として利用して、スティック３１の回転を制動することができる。すなわち、電動機１３は、回生ブレーキとして機能する。
【００２３】
ここで、図４を参照して、本実施の形態に係る打楽器演奏マニピュレータについて説明する。図４に示すように、打楽器演奏マニピュレータは、上述の掌部２３ｆを有する可動発電部１４、蓄電部１５、電源部１６を備えている。ここでは、電動機１３として、サーボアンプ１７を備えるサーボモータを用いる例について説明する。
【００２４】
可動発電部１４は、スティック３１で打面３０ａを叩いたときの反力を電動機１３に伝えて発電し、かつ、発電によるブレーキ効果で反力による衝撃を緩和する。なお、可動発電部１４の構成としては、この例に限定されるものではなく、電動機１３として使用するモータごとに構成が多少異なる。
【００２５】
蓄電部１５は、スイッチ素子ＳＷ１・・・ＳＷ６、コンデンサＣ１、・・・、Ｃｎを有する。サーボアンプ１７の（＋）端子とバッテリー回路１８の（＋）端子とは、スイッチ素子ＳＷ１及びＳＷ２を介して接続されている。また、サーボアンプ１７の電源端子（−）とバッテリー回路１８の（−）端子とは、スイッチ素子ＳＷ４及びＳＷ５を介して接続されている。スイッチ素子ＳＷ１とＳＷ２との接続点には、コンデンサＣ１、・・・、Ｃｎの一端が、スイッチ素子ＳＷ３を介して接続されている。また、スイッチ素子ＳＷ４とＳＷ５との接続点には、コンデンサＣ１、・・・、Ｃｎの他端が、スイッチ素子ＳＷ６を介して接続されている。
【００２６】
スイッチ素子ＳＷ１、・・・、ＳＷ６を切替えることにより、バッテリー回路１８とコンデンサＣ１、・・・、Ｃｎの接続／遮断を実現することができる。コンデンサＣ１、・・・、Ｃｎは、回生電力の蓄電・放電をする。なお、電動機１３で発電した電力を電源部１６のバッテリー回路１８に返す場合、電源部１６以上の電圧が必要となる。電動機１３で発電した電力の電圧が電源電圧以下の場合、回生失効となるからである。蓄電部１５は、電動機１３で発電した電力をコンデンサＣ１、・・・、Ｃｎに蓄電し、電源電圧以上になった後にバッテリー回路１８への放電、充電を行う。なお、使用するモータ、電源によっては、アンプやバッテリー回路に組み込まれている場合もある。
【００２７】
電源部１６は、打楽器演奏ロボット２０にロボット用電源を供給する。電源部１６は、バッテリー回路１８、電源電圧安定化回路（不図示）等で構成される。電源部１６は、打楽器演奏ロボット２０に安定した電圧で電流を供給する。また、電源部１６は、電圧異常やバッテリー異常を感知して回路遮断できる。上述したように、電動機１３で発電した電力でバッテリー回路１８を充電することにより、次に電動機１３を駆動させる際に、充電した電力を用いてロボットを駆動することができる。このように、本発明によれば、打面３０ａを叩いたときの衝撃によるアーム等への負荷を減少させることができ、また、ロボットの消費電力を低減させることが可能となるスティック３１を回転させて演奏を行う際に再利用することができる。
【００２８】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る打楽器演奏ロボット２０'の構成について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、本実施の形態に係る打楽器演奏ロボット２０Ａ'の構成を示す図である。図６は、本実施の形態に係る打楽器演奏マニピュレータの構成を示す図である。図５、６において、図４を同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を適宜省略する。
【００２９】
図５に示すように、本実施の形態に係る打楽器演奏ロボット２０'は、実施の形態１の車輪２５の代わりに脚部４０を備えている。脚部４０は、足部４１、足首関節４２、下腿部４３、膝関節４４、大腿部４５等を備えている。胴体部２２には、大腿部の一端が揺動自在に取り付けられている。大腿部４５の他端には、膝関節４４を介して下腿部４３の一端が接続されている。下腿部４３は、膝関節４４を支点として搖動可能である。なお、ここでは図示していないが、下腿部４３を駆動するためのモータ等からなるアクチュエータが、例えば大腿部４５の内部に設けられている。
【００３０】
下腿部４３の他端には、足首関節４２を介して足部４１が連結されている。足部４１は、足首関節４２を支点として搖動可能である。なお、例えば、下腿部４３の内部には、足部４１を駆動するためのモータ等からなるアクチュエータが設けられている。本実施の形態においては、打楽器演奏ロボット２０'は、椅子６０に腰掛けた状態で、足部４１を足首関節４２の回転軸Ａを中心として回転させ、ドラムセットのバスドラム５０を演奏する際に使用するバスドラムペダル５１を踏む。これにより、バスドラムペダル５１に設けられたバスドラム用スティック５２が回転軸Ｂを中心に回転して、バスドラム５０の打面５０ａに振り下ろされ、演奏が行われる。すなわち、バスドラム用スティック５２は、足部４１を回転させることにより、回転軸Ｂを中心として回転する。
【００３１】
バスドラム５０の打面５０ａにバスドラム用スティック５２の先端が衝突すると、打面５０ａからの反力により、バスドラム用スティック５２の先端が打面５０ａから遠ざかる方向に跳ね返される。これにより、バスドラム用スティック５２は、回転軸Ｂを中心として、演奏を行うときと逆回りに回転する。これに起因して、打楽器演奏ロボット２０'の足部４１が回転軸Ａを中心として、逆周りに回転する。このとき、電動機１３を発電機として作動させ、回転力を電力に変換して回収する。また、発電時の回転抵抗を制動力として利用して、スティック３１の回転を制動することができる。すなわち、電動機１３は、回生ブレーキとして機能する。
【００３２】
ここで、図６を参照して、本実施の形態に係る打楽器演奏マニピュレータについて説明する。図６に示すように、打楽器演奏マニピュレータは、上述の足部４１を有する可動発電部１４、蓄電部１５、電源部１６を備えている。なお、本実施の形態に用いられる打楽器演奏マニピュレータとしては、実施の形態１で用いたものと略同一の構成を有するものを使用することができる。図６に示すように、足部４１は、シャフト１２に固定されている。また、シャフト１２は、足部４１内に設けられた電動機１３の回転軸に連結されている。すなわち、電動機１３は、足部４１の回転軸Ａと同軸上に設けられている。
【００３３】
可動発電部１４は、バスドラム用スティック５２で打面５０ａを叩いたときの反力を電動機１３に伝えて発電し、かつ、発電によるブレーキ効果で反力による衝撃を緩和する。蓄電部１５は、スイッチ素子ＳＷ１・・・ＳＷ６、コンデンサＣ１、・・・、Ｃｎを有する。蓄電部１３の構成としては、実施の形態１と同様のものを用いることができる。スイッチ素子ＳＷ１、・・・、ＳＷ６を切替えることにより、バッテリー回路１８とコンデンサＣ１、・・・、Ｃｎの接続／遮断を実現することができる。コンデンサＣ１、・・・、Ｃｎは、回生電力の蓄電・放電をする。
【００３４】
電源部１６は、打楽器演奏ロボット２０'にロボット用電源を供給する。上述したように、電動機１３で発電した電力でバッテリー回路１８を充電することにより、次に電動機１３を駆動させる際に、充電した電力を用いてロボットを駆動することができる。このように、本発明によれば、打面３０ａを叩いたときの衝撃によるアーム等への負荷を減少させることができ、また、ロボットの消費電力を低減させることが可能となるスティック３１を回転させて演奏を行う際に再利用することができる。
【００３５】
このように、バスドラム等を、脚部４０を用いて演奏をする打楽器演奏ロボット２０'においても衝撃による反力が発生するので、電動機１３により発電させることで衝撃力緩和と発電によるエネルギー効率向上が期待できる。さらに、脚部４０を用いて演奏を行う打楽器演奏ロボット２０'については、衝撃力、反力共に腕部でスティック３１を用いて演奏を行う場合よりも大きい力が作用するため、より大きな効果が望める。
【００３６】
なお、上述の実施の形態では、打楽器の一例としてドラム３０を用いた例について説明したが、これに限定されるものではない。これ以外にも、例えば、バスドラム、メロディックタム、フロアタム、ティンパニ、和太鼓といった膜鳴打楽器、シンバル、トライアングル、ゴング、釣鐘、木魚等の体鳴打楽器でもよい。さらに、シロフォン、マリンバを含む木琴や、グラッケンシュピール、ヴィブラフォンを含む鉄琴といった鍵盤打楽器でもよい。さらに、膜面の振動をセンサによって検知し、膜面の振動を信号によって送信し、他の音源で音を生成する電子ドラムであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施の形態１に係る打楽器演奏ロボットの構成を説明する図である。
【図２】実施の形態１に係る打楽器演奏ロボットの掌部によるスティックの支持状態を説明するための図である。打楽器演奏マニピュレータの構成を示す図である。
【図３】打楽器を演奏する際のマニピュレータの動作を説明する図である。
【図４】実施の形態１に係る打楽器演奏マニピュレータの構成を示す図である。
【図５】本実施の形態２に係る打楽器演奏ロボットの構成を説明する図である。
【図６】実施の形態１に係る打楽器演奏マニピュレータの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  打楽器演奏マニピュレータ
１１  スティック固定部
１２  シャフト
１３  電動機
１４  可動発電部
１５  蓄電部
１６  電源部
１７  サーボアンプ
１８  バッテリー回路
２０、２０'  打楽器演奏ロボット
２１  頭部
２２  胴体部
２３  右腕部
２４  左腕部
２３ａ  肩関節
２３ｂ  上腕部
２３ｃ  肘関節
２３ｄ  前腕部
２３ｅ  手首関節
２３ｆ  掌部
２５  車輪
２６  制御部
２７、２８  アクチュエータ
３０  ドラム
３０ａ、５０ａ  打面
３１  スティック
３１ａ  スティックの先端
４０  脚部
４１  足部
４２  足首関節
４３  下腿部
４４  膝関節
４５  大腿部
５０  バスドラム
５１  バスドラムペダル
５２  バスドラム用スティック
Ａ  回転軸
Ｂ  バスドラム用スティックの回転軸
ＳＷ１、・・・、ＳＷ６  スイッチ素子
Ｃ１、・・・、Ｃｎ  コンデンサ
【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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