JP2003191188A - ロボットにおける腕による表現方法および肘関節機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 肘関節の軸数を低減して小型化、軽量化、経
済化を図りながら種々の表現動作を可能とするロボット
における腕による表現方法および肘関節機構を提供す
る。 【解決手段】 ロボットの肩に可動自在に取り付けられ
た上腕１３に対して肘関節１５を介して連結されている
前腕１７を上腕に対して所定の角度固定的に捻って連結
し、この捻られた固定角度を維持した状態で前腕が肘関
節を中心に上腕に対して接離し得るように可動とし、ま
た前腕の捻りと逆方向に手先の手２１を前腕に対して所
定の角度固定的に捻って連結し、前腕を肘関節を中心に
上腕に接近させて顔面に近づけ手を顔面に接近させるこ
とにより悲しみを表現し、上腕を上方に持ち上げながら
肘関節を中心に前腕を広げるように動かすことにより歓
喜を表現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人間を模擬したロ
ボットにおいて腕の動きによって感情を表現するロボッ
トにおける腕による表現方法および肘関節機構に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】人間を模擬したロボットでは、喜びや悲
しみなどの種々の表現動作を行うために、人間の手に相
当する部位、すなわちロボットの手を動作させている
が、このような手の動作で種々の表現を行うためにはロ
ボットの手を自在に動かせるように構成することが必要
である。

【０００３】そのため、従来のロボットでは、前腕を上
腕に連結している肘関節を回転と曲げができるように２
軸で構成し、また肩関節も回転と曲げができるように２
軸で構成し、これにより肩関節を中心に自在に動かせる
上腕に対して前腕を肘関節を中心に自在に動かせるよう
にして、種々の表現動作を可能としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のロボットでは種々の表現動作を可能とするために、肩
関節に回転と曲げの２軸および肘関節に回転と曲げの２
軸を設け、それぞれの軸を中心に回転や曲げを可能とす
るように各軸毎にモータなどの作動機構を設け、合計４
個の作動機構を必要とするため、構造が大きくなって、
重量も増大し、非経済的であるという問題がある。

【０００５】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、肘関節の軸数を低減して小型
化、軽量化、経済化を図りながら種々の表現動作を可能
とするロボットにおける腕による表現方法および肘関節
機構を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の本発明は、人間を模擬したロボット
において腕の動きによって感情を表現する表現方法であ
って、ロボットの肩に可動自在に取り付けられた上腕に
対して肘関節を介して連結されている前腕を上腕に対し
て所定の角度固定的に捻って連結し、この捻られた固定
角度を維持した状態で前腕が肘関節を中心に上腕に対し
て接離し得るように可動とし、前腕が上腕に対して固定
角度で捻られた状態で前腕を肘関節を中心に上腕に接近
させて顔面に近づけるように動かして前腕の先端の手を
顔面に接近させることにより悲しみを表現し、上腕を上
方に持ち上げながら上腕に対して肘関節を中心に前腕を
上腕から離して広げるように動かすことにより歓喜を表
現することを要旨とする。

【０００７】請求項１記載の本発明にあっては、上腕に
対して肘関節を介して前腕を所定の角度固定的に捻って
連結し、この捻られた状態で前腕が肘関節を中心に上腕
に対して接離し得るように可動とし、前腕を肘関節を中
心に上腕に接近させて先端の手を顔面に接近させること
により悲しみを表現し、上腕を上方に持ち上げながら前
腕を広げるように動かすことにより歓喜を表現するた
め、表現の質を低下させることなく、肘関節を曲げのみ
の１軸で種々の表現動作を行うことができ、構造の簡素
化、小型化を図り、低価格化を達成することができる。

【０００８】また、請求項２記載の本発明は、請求項１
記載の発明において、前腕に対して手首関節を介して連
結されている手先を前腕に対して前記前腕の捻りと逆方
向に所定の角度固定的に捻って連結することを要旨とす
る。

【０００９】請求項２記載の本発明にあっては、前腕の
捻りと逆方向に手先を前腕に対して所定の角度固定的に
捻って連結するため、例えばロボットと握手し易くなる
などのようにインタラクション性能を確保することがで
きる。

【００１０】更に、請求項３記載の本発明は、上腕に対
して前腕を動かすための肘関節機構であって、ロボット
の肩に可動自在に取り付けられた上腕に対して前腕を接
離し得るように前腕を上腕に対して可動自在に連結する
ための肘関節と、この肘関節を介して上腕に連結されて
いる前腕を上腕に対して所定の角度固定的に捻って連結
するように前腕を上腕に対して固定する捻り固定手段と
を有することを要旨とする。

【００１１】請求項３記載の本発明にあっては、上腕に
対して肘関節を介して前腕を所定の角度固定的に捻って
連結し、この捻られた状態で前腕が肘関節を中心に上腕
に対して接離し得るように可動としているため、前腕を
肘関節を中心に上腕に接近させて先端の手を顔面に接近
させることにより悲しみを表現でき、上腕を上方に持ち
上げながら前腕を広げるように動かすことにより歓喜を
表現できるというように表現の質を低下させることな
く、肘関節を曲げのみの１軸で種々の表現動作を行うこ
とができ、構造の簡素化、小型化を図り、低価格化を達
成することができる。

【００１２】請求項４記載の本発明は、請求項３記載の
発明において、前腕に対して手首関節を介して連結され
ている手先を前腕に対して前記上腕に対する前腕の捻り
と逆方向に所定の角度固定的に捻って連結する捻り連結
手段を更に有することを要旨とする。

【００１３】請求項４記載の本発明にあっては、前腕の
捻りと逆方向に手先を前腕に対して所定の角度固定的に
捻って連結するため、例えばロボットと握手し易くなる
などのようにインタラクション性能を確保することがで
きる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る
腕による表現方法を実施するロボットの外観全体を示す
斜視図である。同図に示すロボットは、種々の表現動作
を行い得る右腕１Ｌおよび左腕１Ｒを有する。この腕１
は、図２に示すように、肩関節１１を介して図示しない
ロボットの本体である肩に可動自在に連結されている。
この肩関節１１には上腕１３が連結され、上腕１３には
肘関節１５を介して前腕１７が連結され、前腕１７には
手首関節１９を介して手先、すなわち手２１が連結され
ている。

【００１５】上腕１３は、肩関節１１により矢印１０１
で示すように第１の肩軸を中心に回転自在に図示しない
ロボットの肩に連結されるとともに、矢印１０２で示す
ように第２の肩軸を中心に上下に動作し得るように連結
されている。

【００１６】また、前腕１７は、肘関節１５により矢印
１０３で示すように肘軸を中心に上腕１３に対して接離
し得るように曲げ動作すべく連結されているとともに、
更に前腕１７は上腕１３に対して所定の角度固定的に捻
られ、この固定捻り角度で連結されている。すなわち、
前腕１７は、上腕１３に対して図２から上腕１３と前腕
１７の両方の軸が互いに異なって変化していることから
わかるように、腕の長さ方向に対して前腕１７が上腕１
３に対して所定角度固定的に捻られて連結され、これに
より捻られた固定角度を維持した状態で前腕１７が肘関
節１５を中心に上腕１３に対して接離し得るように可動
的に連結されている。

【００１７】この結果、前腕１７は肘関節１５に対して
矢印１０３で示す方向には自在に曲げ動作することがで
きるが、肘関節１５を中心として回転動作は不可能とさ
れ、これにより肘関節１５は曲げのみの１軸となってい
るものである。従って、従来の２軸に比較して、駆動源
や作動機構の削減、関節数の削減、制御部位の削減によ
る簡素化を達成することに加えて、前腕１７が肘関節１
５を介して固定的に捻られていることにより、肘関節１
５の移動空間がロボットの正面まで広げることができ、
表現行動の質を確保しているものである。

【００１８】更に、手先である手２１は、手首関節１９
により可動自在に連結されているが、この場合手２１は
図２からわかるように、手２１が前腕１７に対して所定
角度固定的に捻られて連結されている。この捻られてい
る方向は、前腕１７が上腕１３に対して捻られている方
法と逆方向である。このように手２１を固定的に捻るこ
とにより、ロボットの手を人が握り易い角度に設定で
き、インタラクション性能を確保しているものである。

【００１９】すなわち、上述したように、前腕１７を肘
関節１５を介して上腕１３に対して固定的に捻っただけ
で、手先の手２１の角度も捻られた方向に向いてしま
い、ロボットの手を握る動作がやりにくくなるが、本実
施形態のように手首の手２１を手首関節１９を介して前
腕１７に対して逆方向に固定的に捻ることにより、手２
１を握り易い角度に戻すことができ、インタラクション
性能を確保することができる。

【００２０】図３は、図２に示した上腕１３に対して前
腕１７、手２１の可動する空間的な軌跡を示す図であ
り、前腕１７が上腕１３に対して捻られている捻る角が
図示されている。

【００２１】上述したように上腕１３に対して固定的捻
りを持っている前腕１７の上腕１３に対する動作の投影
軌跡は、ロボットの前面から見た投影軌跡が図４に示さ
れ、またロボットの右横から見た投影軌跡が図５に示さ
れているようになる。図４、図５において、（ａ）では
肘関節１５を介して曲げられた前腕１７が上腕１３に近
接している状態を示し、この曲げられた前腕１７が
（ｂ），（ｃ）に示すように上腕１３から離れて開きな
がら、（ｄ）では前腕１７は上腕１３に対して真っ直ぐ
になっている。

【００２２】上述した図４、図５で示したように上腕１
３に対して固定的捻りを持っている前腕１７の動作に対
して、捻りを持っていない場合には、すなわち本実施形
態と異なる従来の場合には、上腕１３に対する前腕１７
の動作の投影軌跡は、図６、図７に示すようになり、明
からに図４、図５に示した本実施形態の場合と異なるこ
とがわかる。

【００２３】図８は、図２で説明したように上腕１３に
対する前腕１７の捻りおよび前腕１７に対する手２１の
捻りを実施する手段としてねじ３１，３３を用いて実現
していることを示しているものである。

【００２４】すなわち、前腕１７は、上腕１３に対する
前記捻りをねじ３１で肘関節１５の所で固定し、これに
より前腕１７が上腕１３に対して所定角度固定的に捻ら
れて連結され、この捻られた固定角度を維持した状態で
前腕１７が肘関節１５を中心に上腕１３に対して接離し
得るように可動的に連結されている。また、手２１は、
前腕１７に対する前記捻りをねじ３３で手首関節１９の
所で固定し、これにより手２１が前腕１７に対して所定
角度固定的に捻られて連結されているものである。

【００２５】以上のように構成される右腕１Ｒおよび左
腕１Ｌを有する図１に示すようなロボットにおいて歓喜
や悲しみを腕１で表現する場合について説明する。

【００２６】歓喜の表現は、図９に示すように、腕１を
上方に大きく上げることにより、具体的には右腕１Ｒの
前腕１７を肘関節１５で曲げて少し上方に上げるととも
に、左腕１Ｌの前腕１７を肘関節１５を介して上腕１３
と同方向に伸ばして大きく上方に上げることにより行う
ことができる。

【００２７】また、悲しみの表現は、図１０に示すよう
に、両腕１を肘関節で曲げて手先を顔に近づけることに
より、すなわち右腕１Ｒと左腕１Ｌの両方の前腕１７を
肘関節１５で上腕１３に近づく方向に大きく曲げて、手
先の手２１を顔に近づけることにより行うことができ
る。

【００２８】なお、本説明では、歓喜と悲しみの表現の
みを図示しているが、上述したように構成することによ
り従来の４軸に比較して、少ない３軸で種々の表現動作
を行うことができるものである。

【００２９】一般的に人が感情などを表現する場合の行
動は、体前体での動作が主となるため、腕１の移動空間
をロボットの前面に拡張できるようにすることにより、
種々の表現を行うことが可能となる。また、感情を表現
する場合には、実際には各軸の可動範囲が制限されるの
で、本実施形態の可動範囲上の表現が多くなる。従っ
て、肘関節１５の回転軸を削減しても、表現力の大幅な
ダウンとはならない。

【００３０】なお、上記実施形態では、本発明を腕１に
適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定
されるものでなく、脚部にも同様に適用し得るものであ
る。

【００３１】また、前記捻り角の設定角度により腕の動
作範囲が変化し、表現自体を変化させることができ、こ
れによりロボットのキャラクタを変化させることが可能
である。更に、腕軸の捻り角度を変更し得るように構成
することにより、ロボットの表現力を自由に設定可能と
し、ユーザ独自のキャラクタ設定を実現することができ
る。

【００３２】また、手首の軸に肘の捻りとは逆方向に捻
りを加えて、手先の軸を元の軸方向に戻すことにより、
重要なインタラクションであるロボットと人とが手を握
るインタラクションを行い易くすることができる。

【００３３】更に、手先の軸の捻り角度を変更すること
も可能である。すなわち、肘の捻り角度を可変にした場
合、手先の捻り角度が固定であると、手先の軸を元に戻
せないが、手首の捻り角度も変更可能にすることによ
り、手先の軸を元に戻すことができるようにすることが
できる。また、肘の捻り角度を固定とし、手首の捻り角
度を可変とすることにより、インタラクションし易い手
首角度を設定することが可能となる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
上腕に対して肘関節を介して前腕を所定の角度固定的に
捻って連結し、この捻られた状態で前腕が肘関節を中心
に上腕に対して接離し得るように可動としているので、
前腕を肘関節を中心に上腕に接近させて先端の手を顔面
に接近させることにより悲しみを表現でき、上腕を上方
に持ち上げながら前腕を広げるように動かすことにより
歓喜を表現できるというように表現の質を低下させるこ
となく、肘関節を曲げのみの１軸で種々の表現動作を行
うことができ、構造の簡素化、小型化を図り、低価格化
を達成することができる。

【００３５】また、本発明によれば、前腕の捻りと逆方
向に手先を前腕に対して所定の角度固定的に捻って連結
するので、例えばロボットと握手し易くなるなどのよう
にインタラクション性能を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る腕による表現方法を
実施するロボットの外観全体を示す斜視図である。

【図２】図１に示すロボットの腕の構造を示す斜視図で
ある。

【図３】図２に示した腕の上腕に対する前腕、手の可動
する空間的な軌跡を示す図である。

【図４】図２に示す腕の上腕に対して固定的捻りを持っ
ている前腕の上腕に対する動作をロボットの前面から見
た投影軌跡を示す図である。

【図５】図２に示す腕の上腕に対して固定的捻りを持っ
ている前腕の上腕に対する動作をロボットの右横から見
た投影軌跡を示す図である。

【図６】上腕に対する前腕の固定的捻りがない場合の前
腕の上腕に対する動作をロボットの前面から見た投影軌
跡を示す図である。

【図７】上腕に対する前腕の固定的捻りがない場合の前
腕の上腕に対する動作をロボットの右横から見た投影軌
跡を示す図である。

【図８】図２で示したように上腕に対する前腕の捻りお
よび前腕に対する手の捻りを実施する手段としてねじを
用いた場合の構造を示す図である。

【図９】図１に示す本実施形態を適用したロボットによ
る歓喜の表現を示す図である。

【図１０】図１に示す本実施形態を適用したロボットに
よる悲しみの表現を示す図である。

【符号の説明】

１ 腕 １１ 肩関節 １３ 上腕 １５ 肘関節 １７ 前腕 １９ 手首関節 ２１ 手

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2C150 CA01 CA02 CA04 DA24 DA26 DA27 DA28 ED09 ED10 ED11 ED42 ED52 EF07 EF16 EF17 EF22 EF23 EF29 EF33 EF36 EH06 EH07 EH08 EH16 EH21 EH24 EH25 3C007 AS36 BS27 CS08 MT14 WA03 WA16 WB27

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人間を模擬したロボットにおいて腕の動
   きによって感情を表現する表現方法であって、 ロボットの肩に可動自在に取り付けられた上腕に対して
   肘関節を介して連結されている前腕を上腕に対して所定
   の角度固定的に捻って連結し、 この捻られた固定角度を維持した状態で前腕が肘関節を
   中心に上腕に対して接離し得るように可動とし、 前腕が上腕に対して固定角度で捻られた状態で前腕を肘
   関節を中心に上腕に接近させて顔面に近づけるように動
   かして前腕の先端の手を顔面に接近させることにより悲
   しみを表現し、 上腕を上方に持ち上げながら上腕に対して肘関節を中心
   に前腕を上腕から離して広げるように動かすことにより
   歓喜を表現することを特徴とするロボットにおける腕に
   よる表現方法。
2. 【請求項２】 前腕に対して手首関節を介して連結され
   ている手先を前腕に対して前記前腕の捻りと逆方向に所
   定の角度固定的に捻って連結することを特徴とする請求
   項１記載のロボットにおける腕による表現方法。
3. 【請求項３】 上腕に対して前腕を動かすための肘関節
   機構であって、 ロボットの肩に可動自在に取り付けられた上腕に対して
   前腕を接離し得るように前腕を上腕に対して可動自在に
   連結するための肘関節と、 この肘関節を介して上腕に連結されている前腕を上腕に
   対して所定の角度固定的に捻って連結するように前腕を
   上腕に対して固定する捻り固定手段とを有することを特
   徴とする肘関節機構。
4. 【請求項４】 前腕に対して手首関節を介して連結され
   ている手先を前腕に対して前記上腕に対する前腕の捻り
   と逆方向に所定の角度固定的に捻って連結する捻り連結
   手段を更に有することを特徴とする請求項３記載の肘関
   節機構。