JP2009011421A

JP2009011421A - 人型機械

Info

Publication number: JP2009011421A
Application number: JP2007173858A
Authority: JP
Inventors: Tomokichi Ibe; 智吉井邉; Yasunori Goto; 泰徳後藤; Yuki Iwasaki; 佑紀岩崎; Yukinobu Nakagawa; 志信中川
Original assignee: PINOCCHIO KK; Hyogo Prefectural Government
Current assignee: PINOCCHIO KK; Hyogo Prefectural Government
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2009-01-22

Abstract

【課題】マネキンや人形、ロボットなど人型機械に対し、人の情動を呼び起こす魅力的で美しい胴体の動作制御を行うこと。
【解決手段】胸部２０１と腰部２０２から成る胴体を持つマネキンやロボットなどの人型機械で、肩と腰が連動する美しい動きの表現方法と機構を持たせる。胸部２０１と腰部２０２が捻れる動きと同時に、胸部と腰部の左右体側の肩２０３・２０４と股関節２０５・２０６との距離が交互に開く揺動が同期して連動することで、胴体の美しい表現を可能にした。
【選択図】図２

Description

本発明は、肩と腰が連動するマネキンや人形、ロボットなど人型機械に関する。

関節可動型マネキンは衣服を着て動かす過程を美しく見せる必要があり、人型ロボットはより美しい動きで人の情動を呼び起こすことができる。そのような例は、たとえば下記の特許文献１に記載されている。

国際特許ＷＯ２００４／０１９７３６

従来の関節可動型マネキンや、人型ロボット等人型機械は歩行や手の動きといった四肢を動かすものであった。上記特許文献１に記載のマネキン人形も同様である。

四肢の動きは自然な動きをするものがあるが、胴体部分の動きがぎこちないので、どうしても自然な美しさを表現することができなかった。本発明はこのような人型機械に対し、より人間に近い自然な動きを持たせるため、胸部と腰部が連動することで、ファッションモデルの歩行のような魅力的な胴体の動きを有する人型機械を提供しようとするものである。

以上の課題を解決するために、第一発明は、人間の動作時に肩の上下運動や、腰の捻りの動作が連動していることに着目し、人型機械胴体の動きのぎこちなさを解消し、自然に美しく動作させるため、胴体を胸部と腰部に分離し、胸部と腰部が体幹中心で捻れる動きと、胸部と腰部の左右体側の肩と股関節との距離が交互に開く揺動が同期して連動することを特徴とする人型機械である。

また、第二発明は、ボディラインを強調してより美しく情動的に人型機械を動作させるため、右肩が前に出るように胸部が回転する時、左股関節が前に出るよう腰部が回転するとともに、右体側において肩と股関節との距離が広がり、左体側において肩と股関節との距離が狭まる一方、左肩が前に出るように胸部が回転する時、各部が上記と逆に動作することを特徴とする人型機械である。

また、第三発明は、第一、二発明を実現するための骨格機構である。胴体内部に人体の脊柱にあたる支柱があり、この支柱は胸部を支える胸部支柱と腰部を支える腰部支柱から構成される。胸部支柱と腰部支柱は連結部によって連結しており、胸部支柱と腰部支柱が連結部を介して逆方向に回転する。これにより、胸部支柱に連結する横木に架かる胸部外装と、腰部支柱に連結する横木に架かる腰部外装も互いに逆方向に回転する。胸部支柱に連結する横木と腰部支柱に連結する横木が、各々を繋ぐ連結材（ベルト、ワイヤー、チェーン等）によって、左右交互に上下に互いに逆方向に揺動する。同様に胸部支柱に連結する横木に架かる胸部外装と、腰部支柱に連結する横木に架かる腰部外装も左右交互に上下に互いに逆方向に揺動する。上記胸部と腰部の回転と揺動動きが同期して連動することを特徴とする人型機械である。

また、第四発明は、第三発明の胸部と腰部の回転と揺動を制御し、第二発明の情動的な動きを実現するため、上記回転のためのモータと、上記揺動のためのモータとをそれぞれステッピングモータとし、共通の制御手段が発する同期信号によって、各モータの回転を制御することを特徴とする人型機械である。

また、第五発明は薄肉化した胸部外装と腰部外装が、第三発明等の骨格機構に各々が梁だしによって架かる構造にすることで、胸部外装と腰部外装の薄肉化による胴体軽量化と同時に、各々の第一、二発明の情動的動作にあった任意の外装表面の造形を可能にする。別個に造形し薄肉化した胸部外装内側から伸びる梁が、胸部支柱に連結する横木に架かり、薄肉化した腰部外装内側から伸びる梁が、腰部支柱に連結する横木に架かる構造を有することを特徴とする人型機械である。

また、第六発明は、上記の胸部の胸部支柱と腰部の腰部支柱が連結部を介し、逆方向に回転するための伝達手段を具備するものである。胸部横木と腰部横木とに、各々一体に取り付けた各滑車間に８の字状に架けた連結材によって、胸部横木の上下回転運動が逆回転方向に腰部横木に伝達し、胸部内に渡る横木と腰部内に渡る横木が左右交互に上下に互いに逆方向に揺動する動きを特徴とする人型機械である。

また、第七発明は、第三発明等における胸部支柱と腰部支柱が連結部を介し、逆方向に回転するための伝達手段を具備するものである。胸部支柱底部と腰部支柱頂上部に取り付けた各滑車と、連結部左右に取り付けた各滑車間に架けた連結材によって、胸部横木の軸回転運動が逆回転方向に腰部支柱に伝達する機構を持つことを特徴とする人型機械である。

また、第八発明は、第三発明等における胸部支柱と腰部支柱が連結部を介し、逆方向に回転するためのもう一つの伝達手段を具備するものである。胸部支柱の軸回転運動を、胸部支柱底部と腰部支柱頂上部に取り付けた歯車によって、逆回転方向に腰部支柱に伝達される機構を有することを特徴とする人型機械である。

第一発明によれば、マネキンや人形、ロボットなど人型機械の胴体の動きに対し、人間の歩行時に見られるような自然な動きの表現を付与することができ、人の情動を呼び起こす動作制御が可能になる。

第二発明によれば、人型機械の胴体に対し、ファッションモデルの歩行のようにボディラインを強調した情動に訴求する美しい動きの表現を付与することができ、人の情動を呼び起こす動作制御が可能になる。

第三発明によれば、胸部と腰部を回転と揺動動作させることができるので、第一、二発明のような動きの表現を人型機械の胴体に付与することができ、人の情動を呼び起こす動作制御が可能になる。

第四発明によれば、胸部と腰部の回転と揺動を同期して連動制御できるので、第一、二発明のように、情動的な動きの表現を人型機械の胴体に付与することが可能になる。

第五発明によれば、第三、四発明の人型機械の胴体内部の機構に対し、胸部外装と腰部外装を別個に制作し固定することができるので、第一、二発明のような情動的な動きをより強調するような外観の造形が可能になる。

第六発明によれば、胸部横木の上下回転運動を腰部横木へ逆回転方向に伝達することで、胸部と腰部が左右交互に上下に互いに逆方向に揺動することを可能にする。これにより、情動的な動きである胸部と腰部の回転と揺動動作の連動において、揺動動作を人型機械の胴体に付与し、人の情動を呼び起こす動作制御が可能になる。

第七、八発明によれば、胸部横支柱の軸回転運動を腰部支柱に逆回転方向に伝達することで、胸部と腰部の逆方向に回転運動することを可能にする。これにより、情動的な動きである胸部と腰部の回転と揺動動作の連動において、回転動作を人型機械の胴体に付与し、人の情動を呼び起こす動作制御が可能になる。

情動に訴求する美しい胴体の動きとは、胸部と腰部が捻れるような動きと同時に、体側の一方にある肩を前方に出したとき、出した肩と股関節の距離が拡がり、もう一方の体側の肩と股関節の距離が狭まる動きである。これにより、図１のファッションモデルの歩行時と同様な胴体の動きになる。捻れと同時に体側を狭めることで、バストから腹にかけての曲線１０１、背からヒップにかけての曲線１０２のように、曲率を上げて曲線美を強調する。図１（ａ）と（ｂ）を交互に繰り返すことで、バストからヒップにかけての曲線が交互に緩急し、繰り返し曲線美を強調するので、情動的な美しい動きを表現することが可能になる。

この発明の実施形態の表現原理を図２に示す。図２（ａ）に示す人型機械は、胸部２０１と腰部２０２によって構成する。人が立位で弛緩した時の中立的な同様の状態で、右肩２０３、左肩２０４と右股関節２０５、左股関節２０６が胸部２０１と腰部２０２の結節点２０７を中心とする基準線２０８上に在る。同時に右肩２０３と右股関節２０５の距離２０９と左肩２０４と左股関節２０６の距離２１０が同一距離である。

図２（ｂ）は右肩を前に出して胸部を回転した状態である。図２（ａ）に比較し、図２（ｂ）では、結節点２０７を中心として、右肩２０３と左股関節２０６が前方に在り、体側左肩２０４と右股関節２０５は後方にある。この時、２０９の距離は、２１０より拡がっている。

図２（ｃ）は、左肩２０４を前に出して胸部を回転した結果、図２（ｂ）の状態から、胸部と腰部が結節点２０７を中心に捻れ、左肩２０４と右股関節２０５が、結節点２０７より前方に、右肩２０３と左股関節２０６が後方に移動すると同時に、右肩と右股関節の距離２０９が狭まり、左肩と左股関節の距離２１０が拡がった状態である。

図２（ｂ）から（ｃ）の動作と、その逆の動作とを交互に繰り返すことで、胸部と腰部が捻れるような動きと同時に、前に出した肩と股関節の距離が拡がり、もう一方の体側の肩と股関節の距離が狭まる美しい胴体の動きの表現を可能にした。

この胴体の動きを表現するための実施形態の三面図を図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。（ｄ）は実施形態のうち、機構を明瞭にするために、外装を取り除いた基本骨格機構の正面図である。図３の人型機械は、上記の動きを再現する基本骨格機構３０１と、身体表皮を再現する薄肉化した外装によって構成する。外装は胸部外装３０２と腰部外装３０３によって構成する。これにより、胸部と腰部を別々に作動できる。

この胴体の動きを表現するための実施形態の機構構成斜視図を図４に示す。前に出した肩と股関節の距離が拡がり、もう一方の体側の肩と股関節の距離が狭まる動きを交互に繰り返す骨格機構に、薄肉化した胸部と腰部の外装を取り付ける仕組みになっている。

胸部外装３０２は実装作業を考慮して、胸前部外装４０１と胸後部外装４０２に前後２分割する。腰部外装３０３は、腰前部外装４０３、腰後部外装４０４に前後２分割する。胸前部外装４０１は梁出し４０５によって、胸後部外装４０２は梁出し４０６により骨格機構の胸部横木４０７に架かり固定される。腰前部外装４０３は梁出し４０８、腰後部外装４０４は梁出し４０９により骨格機構の腰部横木４１０に架かり固定される。

基本骨格機構３０１は胸部骨格ユニット４１１、腰部骨格ユニット４１２と各骨格ユニットを繋ぐ連結ユニット４１３の３つのから成る。胸部骨格ユニット４１１は胸前部外装４０１、胸後部外装４０２が架かる胸部横木４０７が連結し、胸部横木４０７は胸部主軸４１４に連結される。

腰部骨格ユニット４１２は、腰前部外装４０３、腰後部外装４０４が架かる腰部横木４１０が連結する。腰部横木４１０は腰部主軸４１５に連結される。

連結ユニット４１３に固定されたパイプ４１６が丸穴４１７、４１８、４１９、４２０を貫通して連結し、基本骨格機構３０１を構成する。

この実施形態の機構における左右体側の肩と股関節の距離を交互に拡狭する動作制御の仕組みを図５に示す。この制御は、胸部外装が架かる胸部横木４０７と腰部外装が架かる腰部横木４１０の連動した運動によって行う。図５で、胸部横木４０７は胸部骨格ユニット４１１の主軸４１４に対し、回転するように連結されている。腰部横木４１０は腰部骨格ユニット４１２の主軸４１５に回転するように連結されている。図５で、胸部横木４０７に接合固定した滑車５０１と腰部横木４１０に接合固定した滑車５０２の間にはベルト５０３が８の字状に架けられている。これにより胸部横木４０７の回転運動が腰部横木４１０に逆方向に伝達される。

以上の機構はステッピングモータ５０４によって駆動する。ステッピングモータ５０４は胸部主軸４１４に接合固定する。ステッピングモータ５０４と胸部横木４０７は連結部材５０５に共に連結され、リンク機構を構成している。ステッピングモータ５０４の回転方向を正負方向交互に回転制御することで、図６（ａ）、（ｂ）のように、左右体側の肩と股関節の距離を交互に拡狭する動作制御を実現する。

この実施機構の胸部と腰部の捻れの動作制御は、図４で、胸部骨格ユニット４１１の主軸４１４と腰部骨格ユニット４１２の主軸４１５を逆方向に回転することで実現する。

図４で、胸部を支える胸部骨格ユニット４１１と、腰部を支える腰部骨格ユニット４１２は、連結ユニット４１３を介し、パイプ４１６を中心に回転可能になっている。
図４の胸部骨格ユニット４１１の底部は、図７で、水平な滑車７０１が接合用部材７０２に接合固定、接合用部材７０２は胸部主軸４１４に固定されている。図４の腰部骨格ユニット４１２の上部は、図７で、水平な滑車７０３が接合用部材７０４に接合固定、接合用部材７０４は腰部主軸４１５に固定されている。

図４の連結ユニット４１３は、図７の箱７０５の両脇に連結された垂直な滑車７０６、７０７が連結する。滑車７０６、７０７、７０１、７０３にはベルト７０８が架かる。これにより、図４の腰部骨格ユニット４１２の縦軸中心回転運動が胸部骨格ユニット４１１に逆方向に伝達され、胸部と腰部が捻れるような動きを実現する。

以上の機構は図５で、機構外部のステッピングモータ５０６によって駆動する。ステッピングモータ５０６の回転は押し引き方式のワイヤー５０７、５０８に伝達され、腰部主軸４１５を押し方向、引き方向交互に回転する。押し方向、引き方向交互の回転は、モータを正負方向交互に回転制御することで、図７（ａ）、（ｂ）のように、胸部と腰部の捻れの動きを交互に繰り返す動作制御を実現する。

図５で、胸部と腰部の捻れの動きを交互に繰り返す動作を駆動するステッピングモータ５０６と、左右体側の肩と股関節の距離を交互に拡狭する動作制御を駆動するモータ５０４は、制御装置５０９の発する同期信号によって各々の回転が連動するように制御される。

胸部と腰部が捻れるような動きを実現する図７に代わるもう一つの機構を、図８に示す。図８（ａ）は全体外観図で、（ｂ）は歯車部分拡大詳細図である。胸部骨格ユニット８０１の胸部主軸８０２の底部に接合固定した歯車８０３と、腰部骨格ユニット８０４の腰部主軸８０５の上部に接合固定した歯車８０６は、双方の歯車８０３・８０６間に設けた歯車８０７、８０８によって逆方向に回転し、胸部と腰部が捻れるような動きを実現する。

以上の機構は機構外部のステッピングモータ８０９によって駆動する。図８で、ステッピングモータの回転は押し引き方式のワイヤー８１０、８１１に伝達され、胸部主軸８０２を押し方向、引き方向交互に回転する。ステッピングモータの回転方向を正負方向交互に回転制御することで、図９（ａ）、（ｂ）を交互に繰り返す胸部と腰部の捻れの動作制御を実現する。

図８で、胸部と腰部の捻れの動きを交互に繰り返す動作を駆動するステッピングモータ８０９と、左右体側の肩と股関節の距離を交互に拡狭する動作制御を駆動するステッピングモータ５０４は、制御装置５０９の発する同期信号によって各々の回転を連動するように制御される。この連動制御により、美しくなる胴体の動きを図１０に示す。

図１０で、立位で弛緩した時の中立的な状態を、平面図（ａ）、立面図（ｂ）、斜視図（ｃ）で表示している。右肩が前に出るように胸部が回転する時の状態を、平面図（ｄ）、立面図（ｅ）、斜視図（ｆ）で表示している。左肩が前に出るように胸部が回転する時の状態を、平面図（ｇ）、立面図（ｈ）、斜視図（ｉ）で表示している。右肩と左肩を交互に前に出るように胸部が回転する動作を繰り返すことで、ボディラインを強調し、情動的な美しさを表現する。

なお、図１０は、外装と機構の状態認知を容易にするため、胸部と腰部の前部外装を取り外した状態で図示している。

実施形態の効果
この発明の実施形態における表現原理によれば、マネキンや人形、ロボットなど人型機械に対し、情動に訴求する美しい動きをさせることができる。

この発明の実施形態における機構構成と仕組によれば、体側の肩と股関節の距離が狭まる動きを実現する機構と、胸部と腰部が捻れるような動きを実現する機構を同時に可動制御できる。

他の実施形態
図３、４、５、６の実施形態では、滑車間に８の字状に架けたベルトによって、胸部横木の上下回転運動が逆回転方向に腰部横木に伝達するが、図１１のように、ベルトのかわりにワイヤーでも良い。すなわち、胸部横木１１０１の右側から腰部横木１１０２の左側にかけてワイヤー１１０３を連結し、胸部横木１１０１の左側から腰部横木１１０２の右側にかけてワイヤー１１０４を連結することで、胸部横木の上下回転運動が逆回転方向に腰部横木に伝達し、図１１（ａ）、（ｂ）を交互に繰り返すような左右体側の肩と股関節の距離を交互に拡狭する動作制御を実現する。

本発明の肩と腰が連動する人型機械は、胴体が動くことで、着衣した服をより現実的に見せられるため、ファッション産業でのマネキンに適用できる。図１２（ａ）のように、スタンド１２０１に設置固定すれば、トルソー型マネキンとして活用できる。また、図１２（ｂ）のように上腕の一部１２０２や、大腿の一部１２０３を付加する場合や、図１２（ｃ）のように、上腕１２０４や前腕１２０５、手１２０６を装着し、手１２０６を腰部外装に連結固定しても、付加した四肢の部は胸部や腰部の動きに追随して動く。

また、図１２の（ｄ）のように、歩行制御機能をもつ下肢１２０７を装着すれば、人型ロボットへも適用できる。

ファッションモデルの歩行時の胴体の動きを表した斜視図である。この発明の実施形態について、動作の過程を表した平面図と正面図と斜視図である。この発明の実施機構を表した三面図である。この発明の実施機構の構成を表した斜視図である。この発明の実施機構の仕組みを表した斜視図である。この発明の実施機構の仕組みを表した斜視図である。この発明の実施機構の仕組みを表した斜視図である。この発明の実施機構の仕組みを表した斜視図である。この発明の実施機構の仕組みを表した斜視図である。この発明の実施動作の過程を表した平面図と正面図と斜視図である。この発明の他の実施形態を表した正面図である。この発明の実施上の展開事例を表した正面図と側面図である。

符号の説明

１０１バストから腹にかけての曲線
１０２背からヒップにかけての曲線
２０１胸部
２０２腰部
２０３右肩
２０４左肩
２０５右股関節
２０６左股関節
２０７胸部と腰部の結節点
２０８基準線
２０９右肩と右股関節の距離
２１０左肩と左股関節の距離
３０１基本骨格機構
３０２胸部外装
３０３腰部外装
４０１胸前部外装
４０２胸後部外装
４０３腰前部外装
４０４腰後部外装
４０５梁出し
４０６梁出し
４０７胸部横木
４０８梁出し
４０９梁出し
４１０腰部横木
４１１胸部骨格ユニット
４１２腰部骨格ユニット
４１３連結ユニット
４１４胸部支柱
４１５腰部支柱
４１６パイプ
４１７丸穴
４１８丸穴
４１９丸穴
４２０丸穴
５０１滑車
５０２滑車
５０３ベルト
５０４ステッピングモータ
５０５連結部材
５０６ステッピングモータ
５０７押し引き方式のワイヤー
５０８押し引き方式のワイヤー
５０９制御装置
７０１滑車
７０２接合用部材
７０３滑車
７０４接合用部材
７０５箱
７０６滑車
７０７滑車
７０８ベルト
８０１胸部骨格ユニット
８０２胸部主軸
８０３歯車
８０４腰部骨格ユニット
８０５腰部主軸
８０６歯車
８０７歯車
８０８歯車
８０９ステッピングモータ
８１０押し引き方式のワイヤー
８１１押し引き方式のワイヤー
１１０１胸部横木
１１０２腰部横木
１１０３ワイヤー
１１０４ワイヤー
１２０１スタンド
１２０２上腕の一部
１２０３大腿の一部
１２０４上腕
１２０５前腕
１２０６手
１２０７下肢

Claims

胸部と腰部が体幹中心で捻れる動きと、胸部と腰部の左右体側の肩と股関節との距離が交互に開く揺動が同期して連動することを特徴とする人型機械。
右肩が前に出るように胸部が回転する時、左股関節が前に出るよう腰部が回転するとともに、右体側において肩と股関節との距離が広がり、左体側において肩と股関節との距離が狭まる一方、左肩が前に出るように胸部が回転する時、各部が上記と逆に動作することを特徴とする請求項１に記載の人型機械。
下記のａ）〜ｆ）を特徴とする請求項１または２に記載の人型機械。
ａ）胴体内部に人体の脊柱にあたる支柱があり、この支柱は胸部を支える胸部支柱と腰部を支える腰部支柱から構成される。
ｂ）胸部支柱と腰部支柱は連結部によって連結しており、胸部支柱と腰部支柱が連結部を介して逆方向に回転する。
ｃ）これにより、胸部支柱に連結する横木に架かる胸部外装と、腰部支柱に連結する横木に架かる腰部外装も互いに逆方向に回転する。
ｄ）胸部支柱に連結する横木と腰部支柱に連結する横木が、各々を繋ぐ連結材（ベルト、ワイヤー、チェーン等）によって、左右交互に上下に互いに逆方向に揺動する。
ｅ）同様に胸部支柱に連結する横木に架かる胸部外装と、腰部支柱に連結する横木
に架かる腰部外装も左右交互に上下に互いに逆方向に揺動する。
ｆ）上記胸部と腰部の回転と揺動動きが同期して連動することを特徴とする人型機械である。
上記回転のためのモータと、上記揺動のためのモータとをそれぞれステッピングモータとし、共通の制御手段が発する同期信号によって各モータの回転を制御することを特徴とする請求項３に記載の人型機械。
薄肉化した胸部外装内側から伸びる梁が胸部内に渡る横木に架かり、薄肉化した腰部外装内側から伸びる梁が、腰部内に渡る横木に架かる構造を有することを特徴とする請求項３または４に記載の人型機械。
胸部横木と腰部横木とに、各々一体に取り付けた各滑車間に８の字状に架けた連結材によって、胸部横木の上下回転運動が逆回転方向に腰部横木に伝達し、胸部内に渡る横木と腰部内に渡る横木が左右交互に上下に互いに逆方向に揺動する動きを特徴とする請求項３、４または５に記載の人型機械。
胸部支柱底部と腰部支柱頂上部に取り付けた各滑車と、両支柱間の連結部左右に取り付けた各滑車間に架けた連結材によって、胸部横木の軸回転運動が逆回転方向に腰部支柱に伝達する機構を持つことを特徴とする請求項６に記載の人型機械。
胸部支柱の軸回転運動を、胸部支柱底部と腰部支柱頂上部に取り付けた歯車によって、逆回転方向に腰部支柱に伝達される機構を有することを特徴とする請求項６に記載の人型機械。