JP2005169509A - ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットに「ぬくもり」（温度）を与えることで、使用者がロボットの「体温」を感じ取ることができ、その結果、動物に接触している感覚に近いロボットを提供する。
【解決手段】ロボット（１）は、電気的動作をすることで発熱する発熱源（６１）を内部に備える。また、ロボット（１）は、発熱源（６１）の発熱を吸収する熱吸収部（７１）と、ロボット（１）の外装部に放熱する複数の放熱部（７３）と、熱吸収部（７１）から各放熱部（７３）へ熱を伝導する熱伝導部（７２）とで構成される熱伝導手段（７０）を備える。熱伝導部（７２）を、熱伝導部（７２）の断面積が、熱吸収部（７１）から放熱部（７３）に至る熱伝導部（７２）の経路長が長い程大きくなるように形成した。
【選択図】図６

Description

本発明は、ロボットセラピーなどに使用されると好適な癒し系のロボットに関するものである。

従来から、アニマルセラピーの効果を衛生的かつ安全に実現するため、ロボットセラピーの研究が進んでいる。また、高齢者の癒しなどにロボットセラピーが実際に導入され始めている。そして、ロボットセラピーの効果を上げるためには、ロボットのもつ「ぬくもり」（肌触りと温度）が大切になっている。

一方、ロボットの温度を制御する技術については、従来から提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平６−１２６６７２号公報

しかしながら、上記のような従来の温度制御技術は、ロボットの関節を待機温度から動作可能温度まで短時間で昇温させる宇宙用ロボットについてのものであり、ロボットセラピーなどに使用される癒し系のロボットに必要な「ぬくもり」（肌触りと温度）とは無縁のものである。

また、従来の癒し系のロボットには、肌触りを良くするため、人工的な毛皮などが使われているものがある。このようなロボットは、肌触りとしては良好なものであるが、ロボットの「体温」は全く管理されていない。

そのため、このような従来のロボットの場合、その表面のほぼ全域が冷たくて、使用者がロボットの「体温」を感じ取ることができないという問題がある。

また、従来のロボットの中には、ロボット内部の発熱源による影響で、表面のごく一部が熱く感じられる程度まで温度上昇してしまう場合もある。

いずれにしても、従来のロボットは、外見的には動物に擬態させてあっても、使用者が動物のもつ体温を感じ取ることができないものであり、したがって、動物に接触している感覚とはほど遠いものであった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ロボットに「ぬくもり」（温度）を与えることで、使用者がロボットの「体温」を感じ取ることができ、その結果、動物に接触している感覚に近いロボットを提供することにある。

本発明は上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、電気的動作をすることで発熱する発熱源を内部に備えたロボットにおいて、前記発熱源の発熱を吸収する熱吸収部と、前記ロボットの外装部に放熱する複数の放熱部と、前記熱吸収部から前記各放熱部へ熱を伝導する熱伝導部とで構成される熱伝導手段を備え、前記熱伝導部を、該熱伝導部の断面積が、前記熱吸収部から前記放熱部に至る前記熱伝導部の経路長が長い程大きくなるように形成したロボットである。

請求項２に係る発明は、電気的動作をすることで発熱する発熱源を内部に備えたロボットにおいて、前記発熱源の発熱をロボットの外装部に直接伝導する熱伝導手段と、前記ロボットの外装部の温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段により測定された温度が所定の温度以上になったとき、前記ロボットの動作を通常動作から前記発熱源の発熱量の低減につながる動作に切り換える手段とを備えたロボットである。

本発明は以上のように、電気的動作をすることで発熱する発熱源を内部に備えたロボットにおいて、前記発熱源の発熱を吸収する熱吸収部と、前記ロボットの外装部に放熱する複数の放熱部と、前記熱吸収部から前記各放熱部へ熱を伝導する熱伝導部とで構成される熱伝導手段を備え、前記熱伝導部を、該熱伝導部の断面積が、前記熱吸収部から前記放熱部に至る前記熱伝導部の経路長が長い程大きくなるように形成したので、ロボット内部に備えた発熱源の発熱をロボットの外装部に放熱することができ、しかも、各放熱部で放熱される熱量にバラツキが少ないため、ロボットに「ぬくもり」（温度）を与えることができて、使用者がロボットの「体温」を感じ取ることができる効果がある。

本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明のロボットの一実施形態を示す斜視図、図２はその駆動基体を示す斜視図であり、このロボット１は、図１に示すように、猿の形態をした癒し系のロボットである。

図２に示すように、ロボット１の駆動基体は、胴体部１０、頭部２０および４本の脚部３０，４０（前脚３０ａ，３０ｂおよび後脚４０ａ，４０ｂ）で構成される。

頭部２０の目に相当する部位には、ＣＣＤカメラ２１ａ，２１ｂが取り付けられている。また、頭部２０は、胴体部１０に取り付けられる首に相当する部位が、ヨー（回動する）とピッチ（前後に動く）の２自由度に構成されている。

各前脚３０は、胴体部１０に取り付けられる肩に相当する部位が、ピッチ（前後に動く）とロール（左右に動く）の２自由度に構成され、また、肘に相当する部位が、胴体部１０の内側に曲がるようなロール方向の１自由度に構成されている。

各後脚４０は、胴体部１０に取り付けられる脚の付け根に相当する部位が、ピッチ（前後に動く）とロール（左右に動く）の２自由度に構成され、また、膝に相当する部位が、ピッチ方向の１自由度に構成されている。

このような各関節に相当する部位の自由度は、例えばモータなどの適宜のアクチュエータを用いることで実現可能であり、この種のアクチュエータ（モータ）およびその駆動機構は周知のものが利用可能であるから、その説明は省略する。

また、前脚３０ａ，３０ｂの先部（手先）および後脚４０ａ，４０ｂの先部（足先）には、表面がゴムで覆われたタッチセンサ３１ａ，３１ｂ，４１ａ，４１ｂが取り付けられ、手（前脚３０ａ，３０ｂ）や足（後脚４０ａ，４０ｂ）が床等に接触しているか否かを調べることが可能である。

このような構造をなす駆動基体に外装を施すことで、図１に示すようなロボット１の外見形態が形成される。すなわち、頭部２０の顔に相当する部位や、胴体部１０の腹に相当する部位は、柔らかいゴムで覆われている。また、頭部２０および胴体部１０のこれ以外の部位や、前脚３０ａ，３０ｂの手首および後脚４０ａ，４０ｂの足首から先を除く部位は、毛皮のような毛足の長い繊維で覆われている。

図３は、ロボット１の制御装置を示すブロック図であり、この制御装置５０は、全体の制御を行うメインＣＰＵ５１を備えている。メインＣＰＵ５１には、フラッシュメモリ５２およびサブＣＰＵ５３が接続され、サブＣＰＵ５３にはシリアルバス５４を介して、１４自由度の各モータ制御ユニット５５が接続されている。

ここで、「１４自由度」とは、頭部２０のヨーとピッチの２自由度、各前脚３０の肩に相当する部位のピッチとロールの２自由度および肘に相当する部位のロール方向の１自由度、各後脚４０の脚の付け根に相当する部位のピッチとロールの２自由度および膝に相当する部位のピッチ方向の１自由度、を合わせたものである。

各モータ制御ユニット５５は、モータ制御ＣＰＵ５６と、モータ制御ＣＰＵ５６に接続された駆動モータ５７および角度センサ５８とを備える。このようなモータ制御ユニット５５は、１４自由度にそれぞれ１個ずつ合計１４個設けることもできるが、例えば、頭部２０の２自由度に１つ、各前脚３０の３自由度に１つずつ、各後脚４０の３自由度に１つずつ、の合計５個で構成することができる。

例えば、片方の前脚３０の３自由度に１つ設けたモータ制御ユニット５５を例に挙げて説明すると、図３に示すように、モータ制御ＣＰＵ５６には、肩ピッチギアモータとしての駆動モータ５７および肩ピッチ回転センサとしての角度センサ５８と、肩ロールギアモータとしての駆動モータ５７および肩ロール回転センサとしての角度センサ５８と、肘ロールギアモータとしての駆動モータ５７および肘ロール回転センサとしての角度センサ５８とが接続される。

制御装置５０を歩行に関して説明すると、メインＣＰＵ５１は、フラッシュメモリ５２に記憶してある歩行プログラムに基づいて、所定のタイミングで各関節の角度の目標値を生成し、これをサブＣＰＵ５３に送るものである。また、サブＣＰＵ５３は、メインＣＰＵ５１から送られた目標角度データをシリアル変換して各モータ制御ユニット５５のモータ制御ＣＰＵ５６に送るものである。

各モータ制御ユニット５５のモータ制御ＣＰＵ５６は、サブＣＰＵ５３から送られた目標角度データと、各関節に取り付けられた角度センサ５８の出力とを比較して、両者が同じになるように駆動モータ５７の回転を制御するものである。これにより、各関節は歩行プログラムに基づく所定の角度となるように制御される。

また、メインＣＰＵ５１には、ＣＣＤカメラ（撮像手段）２１ａ，２１ｂが接続され、ＣＣＤカメラ２１ａ，２１ｂで得られた画像データを取り込んでフラッシュメモリ５２に記録する。

また、メインＣＰＵ５１には、タッチセンサ３１ａ，３１ｂ，４１ａ，４１ｂが接続され、さらに、ロボット１の外装部材またはそれに近い位置に取り付けた外装温度センサ５９が接続され、この外装温度センサ５９の温度データを読み取ることで、メインＣＰＵ５１は、ロボット１表面の温度を検出できるようになっている。

図４は、ロボット１の胴体部１０内に設置されるＣＰＵボードを示す概略図であり、このＣＰＵボード６０は、胴体部１０の腹に相当する部位１１（図１参照）に近い内部に設置され、大きさは、胴体部１０の柔らかいゴムで覆われた腹面の約６０％の面積である。

ＣＰＵボード６０の中央には、ＣＰＵチップ６１が配置されている。通常、ＣＰＵは電流消費量が多く、発熱量も多い。従来はファンなどを内蔵させて冷やすことが多かったが、このロボット１では、熱伝導板を使ってＣＰＵの熱を有効利用する。

図５は、熱伝導板を示す概略図であり、この熱伝導板７０は、熱伝導率の良い金属材料で構成される。熱伝導板７０は、中央にＣＰＵチップ６１の発熱を吸収する熱吸収部７１を備え、熱吸収部７１から熱を伝導する熱伝導部７２が放射状に広がり、熱伝導部７２の先端には、ロボット１の外装部に放熱する放熱部７３を備えている。

各放熱部７３における温度がほぼ同じになるように、放熱部７３の位置が熱吸収部７１に近い場合の熱伝導部７２は細くしてその断面積を小さくし、また、放熱部７３の位置が熱吸収部７１から遠い場合の熱伝導部７２は太くしてその断面積を大きくして、熱を伝え易くしている。

すなわち、熱伝導部７２は、熱吸収部７１から放熱部７３に至る熱伝導部７２の経路長が長い程、熱伝導部７２の断面積が大きくなるように形成してあり、これにより、熱伝導経路長が長い熱伝導部７２である程、熱をより伝え易くしてある。

これとは別の方法として、熱伝導部７２の各部に熱伝導率の異なる材料を使用し、熱伝導経路長が長い熱伝導部７２である程、熱伝導率の良い材料を用いることで、熱伝導経路長が長い熱伝導部７２である程、熱をより伝え易くすることもできる。

いずれの方法によっても、各放熱部７３における温度をほぼ同じにすることが可能である。

図６は、ロボット１の胴体部１０の腹部１１を示す断面図であり、ＣＰＵボード６０は腹部１１の外装近くに配置されている。ＣＰＵボード６０の中央にはＣＰＵチップ６１がマウントされ、熱伝導板７０の熱吸収部７１がＣＰＵチップ６１のパッケージに接触して配置されている。熱吸収部７１とＣＰＵチップ６１との間にはシリコングリスを塗布することで、熱伝導を良くする事が望ましい。

熱伝導板７０は、ＣＰＵチップ６１に接触した熱吸収部７１から、熱伝導部７２が腹部１１の外装に向けて屈曲して延び、熱伝導部７２の先端から放熱部７３が、腹部１１の外装に沿って屈曲してその外装に接触して配置されている。このような熱伝導板７０は、一部が接着やねじ止めされていると組み立てやすい。

図７は、ロボット１の腹部１１の外装部分の詳細を示す断面図であり、腹部１１の構造部材となる外装プラスチック１２の内側には、熱伝導板７０の放熱部７３から外装部分に均一的に熱を伝えるため、接着剤１４によってアルミシート１５が貼られている。接着剤１４は熱伝導率が高く、薄く塗布されていることが望ましい。

このアルミシート１５に熱伝導板７０の放熱部７３が接触してＣＰＵチップ６１の熱を伝える。アルミシート１５と放熱部７３の間にはシリコングリスを塗布することで、熱伝導を良くする事が望ましい。

外装プラスチック１２の外側には軟質の表面ゴム１３が張られている。これは接着でも良いが一体的に成型されている方が良い。この表面ゴム１３も熱伝導率が高い方が望ましい。この構造により、ぬくもりを持った柔らかい肌のような質感を出すことができる。

ここでは、発熱源としてＣＰＵチップ６１について説明したが、モータードライバＩＣなども発熱量が多いので、例えば、ロボット１の尻に相当する部位など他の部分に熱伝導板により熱を伝えることが可能である。

図８は、外装温度センサの温度データをもとにＣＰＵチップを制御するプログラムのフローチャートを示す。

まず、外装部に取り付けた外装温度センサ５９の出力をＣＰＵチップ６１に取り込む（ステップＳ１）。外装温度センサ５９はサーミスタなどでよく、その出力を増幅・オフセット調整してＡＤ変換してＣＰＵチップ６１に取り込む。

この温度データが所定値以下であれば（ステップＳ２のＮＯ）、通常動作を行わせる（ステップＳ３）。

一方、この温度データが所定値より高い場合には（ステップＳ２のＹＥＳ）、ぬくもり感より熱く感じてしまうので、ＣＰＵのクロック周波数を下げたり、一部の機能を停止させて駆動電流を下げる（ステップＳ４）。

このとき、使用者にはロボットが疲れたので少し休むイメージの表現をさせると動作を理解しやすく、違和感がない。“首を振ってからぐったりする”動作や音声出力が可能であれば、疲れたと発音させればよい。

図９は、外装温度センサの温度データをもとにモータドライバに関して全体の動作を制御するプログラムのフローチャートを示す。

まず、外装部に取り付けた外装温度センサ５９の出力をＣＰＵチップ６１に取り込む（ステップＳ１１）。

この温度データが所定値以下であれば（ステップＳ１２のＮＯ）、通常動作を行わせる（ステップＳ１３）。

一方、この温度データが所定値より高い場合には（ステップＳ１２のＹＥＳ）、ぬくもり感より熱く感じてしまうので、関節駆動動作のスピードを下げるか、動作そのものを停止させて駆動電流を下げる（ステップＳ１４）。

このとき、使用者にはロボットが疲れたので少し休むイメージの表現をさせると動作を理解しやすく、違和感がない。“首を振ってからぐったりする”動作や音声出力が可能であれば、疲れたと発音させればよい。

図１０は、燃料電池を発熱源とする実施形態についてのロボット１の腹部１１を示す断面図である。

燃料電池６２は発電時に熱を発生するので、発熱源として利用することができる。この場合は、燃料電池６２の発熱面に熱伝導板７０の熱吸収部７１を接触して配置し、その他は図６と同様に構成することができる。

本発明のロボット１は、上記のように構成されているので、下記のような各種の作用効果がある。

（１）ぬくもりのあるロボットを実現できるので癒し効果が高い。

（２）ＣＰＵやモータドライバの熱をロボットの体温に見立てて利用するので、発熱デバイスが不要であり、そのための電力も不要で効率が良い。

（３）熱伝導板の構造により、外装部の熱分布が比較的均一になる。

（４）毛皮質の部分には熱を伝えず、熱を利用する効率が良いし、ＣＰＵなどの冷却効果も上がる。

（５）毛皮質の部分の質感とぬくもりのある柔らか肌の質感を同時に表現できるので癒し効果が高い。

（６）センサとＣＰＵにより温度を制御できるので、熱くなったり冷えたりせず、良好な癒しロボットを実現できるし、熱くならないので安全である。

本発明のロボットの一実施形態を示す斜視図である。 ロボットの駆動基体を示す斜視図である。 ロボットの制御装置を示すブロック図である。 ロボットの胴体部内に設置されるＣＰＵボードを示す概略図である。 熱伝導板を示す概略図である。 ロボットの胴体部の腹部を示す断面図である。 ロボットの腹部の外装部分の詳細を示す断面図である。 外装温度センサの温度データをもとにＣＰＵチップを制御するプログラムを示すフローチャートである。 外装温度センサの温度データをもとにモータドライバに関して全体の動作を制御するプログラムを示すフローチャートである。 燃料電池を発熱源とする実施形態についてのロボットの腹部を示す断面図である。

符号の説明

１ ロボット
１０ 胴体部
１１ 腹部
１２ 外装プラスチック
１３ 表面ゴム
１４ 接着剤
１５ アルミシート
２０ 頭部
２１ａ，２１ｂ ＣＣＤカメラ（撮像手段）
３０（３０ａ，３０ｂ） 脚部（前脚）
３１ａ，３１ｂ タッチセンサ
４０（４０ａ，４０ｂ） 脚部（後脚）
４１ａ，４１ｂ タッチセンサ
５０ 制御装置
５１ メインＣＰＵ
５２ フラッシュメモリ
５３ サブＣＰＵ
５４ シリアルバス
５５ モータ制御ユニット
５６ モータ制御ＣＰＵ
５７ 駆動モータ
５８ 角度センサ
５９ 外装温度センサ
６０ ＣＰＵボード
６１ ＣＰＵチップ（発熱源）
６２ 燃料電池（発熱源）
７０ 熱伝導板（熱伝導手段）
７１ 熱吸収部
７２ 熱伝導部
７３ 放熱部

Claims (2)

1. 電気的動作をすることで発熱する発熱源を内部に備えたロボットにおいて、
   前記発熱源の発熱を吸収する熱吸収部と、前記ロボットの外装部に放熱する複数の放熱部と、前記熱吸収部から前記各放熱部へ熱を伝導する熱伝導部とで構成される熱伝導手段を備え、
   前記熱伝導部を、
   該熱伝導部の断面積が、前記熱吸収部から前記放熱部に至る前記熱伝導部の経路長が長い程大きくなるように形成したことを特徴とするロボット。
2. 電気的動作をすることで発熱する発熱源を内部に備えたロボットにおいて、
   前記発熱源の発熱をロボットの外装部に直接伝導する熱伝導手段と、
   前記ロボットの外装部の温度を測定する温度測定手段と、
   前記温度測定手段により測定された温度が所定の温度以上になったとき、前記ロボットの動作を通常動作から前記発熱源の発熱量の低減につながる動作に切り換える手段と、
   を備えたことを特徴とするロボット。

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