JP2009291502A5

JP2009291502A5 -

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Publication number: JP2009291502A5
Application number: JP2008150027A
Authority: JP
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2011-08-11

Description

人型機械

本発明は、腰部と脚部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。

関節駆動型マネキンは衣服を着て動かす過程をファッションモデルのように美しく見せる必要がある。また、人型ロボットにより美しい動きを与えることで人の情動を呼び起こすことが可能になる。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ＷＯ−Ａ１−２００４０１９７３６

従来の関節可動マネキンや、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、腰部から脚部にかけて部位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に、腰部と脚部が連動することで、ファッションモデルのような魅力的な下肢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。

以上の問題を解決するために、以下の観点から発明した。ファッションモデルがポーズをとる時、左右脚の交差動作時に、前方に振り出す脚側の股関節が振り出す脚に追随して前方に移動する動作に着目し、脚部の側方回転動作と、股関節の前後揺動が同期して連動するようにした。

また、ファッションモデルがポーズをとる時、立脚に対し遊脚を股関節中心に側方外転しながら外旋する動作時に、立脚側の股関節が上方移動する動作に着目し、脚の旋回動作と、股関節の上下揺動が同期して連動するようにした。

また、骨格機構としては、腰内部に人体の腰椎にあたる腰部支柱があり、この腰部支柱背部の上下に２本の横木を緊結して、股関節から腹部中央に渡るＬ字型リンク機構を、蝶番を介して左右に連結する。Ｌ字型リンク機構の底部は人体の股関節に相当し、底部下面に脚部が堅結する。このＬ字型リンク機構の両端に電動シリンダー両端を連結し、電動シリンダー内部のモータ駆動による伸縮運動によって、Ｌ字型リンク機構の内角を拡狭して、リンク機構底部に連結した脚部の側方回転動作を行う。

また、腰部支柱背面の下部横木に左右対称に２つの回転モータを設置し、このモータ軸と股関節から腹部中央に渡るＬ字型リンク機構を小型リンク機構によって連結する。これにより回転モータの回転運動を逆方向に変換してＬ字型リンク機構に伝達し、Ｌ字型リンク機構全体の回旋運動を行う。左右のＬ字型リンク機構を交互に内外旋することで、人体の股関節に相当する左右Ｌ字型リンク機構底部の前後揺動運動を実現する。前記腰部は、左右脚部の各旋回運動の中心軸を左右ともに各股関節ではなく各股関節より背骨側に各々ずらして設定する機構とした。右股関節３０４に対し、右脚部の回転軸は蝶番４１２上にある。人の場合、股関節を中心として脚部の旋回運動を行うのに対し、当該人型機械の場合、左右脚部の旋回運動の回転軸が左右とも体幹内部側にずれているため、外力に対し、上体が安定なように移動する自動調芯機能を有する。取り付けモータの回転力をフリーにすることにより、安定的に自立することを特徴とする人型機械である。

電動シリンダーと回転モータは多軸同時制御システムの制御基盤に通信線で接続されており、運動データが送信される。これにより、脚部の側方回転動作と股関節の前後揺動運動を連動する。

また、骨格機構として、腰部支柱背面の下部横木に固定した回転モータによる回転運動を、モータ軸に連結した小型リンク機構によって逆方向に変換し、股関節から腹部中央に渡るＬ字型リンク機構全体を旋回運動する。これにより、Ｌ字型リンク機構底部に堅結する脚を旋回運動する。

また、Ｌ字型リンク機構の両端に連結した電動シリンダーの伸縮運動によって、左右のＬ字型リンク機構の内角を交互に拡狭して、人体の股関節に相当する左右Ｌ字型リンク機構底部の上下揺動運動を実現する。

電動シリンダーと回転モータは多軸同時制御システムの制御基盤に通信線で接続されており、運動データが送信される。これにより、脚部の回旋動作と股関節の上下揺動運動を連動する。

そして、本発明では、ファッション用マネキンとしての美観を維持することを目的に、足首をより細く見せるため、脚骨格を構成する大腿の平行リンクと下腿の平行リンクを膝部で連結し、大腿と下腿の運動を司る２台の電動シリンダーを全て大腿平行リンクの両脇に配置することで、股屈曲・屈伸と膝屈曲・屈伸の運動性能と、脚足首を細く見せる美観を両立した機構を有することを特徴とした。具体的には、腰部と脚部とを備え、前記脚部は大腿と下腿とこれら大腿及び下腿を互いに連結する膝とで構成される人型機械であって、前記大腿を構成する平行リンクと、この大腿用平行リンクを駆動するシリンダー７１７と、前記下腿を構成する平行リンクとこの下腿用平行リンクを駆動するためのシリンダー７１８とを備え、前記大腿用平行リンクは骨格部材７０１、７０２、７０３、７０４により構成され、前記下腿用平行リンクは骨格部材７０９、７１０、７１１・７１２により構成されるとともに、前記大腿用の骨格部材７０２と前記下腿用の骨格部材７０９とが互いに堅結されて前記膝を構成し、前記大腿用のシリンダーは前記大腿に沿わせて配設されて、大腿用の平行リンクを前後方向の動きである股屈曲・屈伸させるように大腿用の平行リンクの上・下各位置に連結され、前記下腿用のシリンダ７１８は、前記大腿に沿わせて配設されて、下腿用の平行リンクを膝屈曲・屈伸させるようにシリンダ上端部分が大腿の骨格部材７０４に連結される一方、シリンダー下端部が下腿用の骨格部材７１２の上端側位置に連結されていることを特徴とする人型機械である。

大腿平行リンクの両脇に配置する２台の電動シリンダーのうち、内側は股屈曲・屈伸を担い、外側は膝屈曲・屈伸を担う。２台の電動シリンダーとも上端部は大腿背部の平行リンク構成部材の上部付近を体側方向に貫通するシャフトに連結している。内側の電動シリンダーの下端部は大腿を構成する平行リンクの対角上に、大腿底部の平行リンク構成部材を貫通する金属製シャフトに連結している。電動シリンダーの伸縮により、大腿を構成する平行リンクが内角を拡狭することで、脚を前後に振る動作を行う。

外側の電動シリンダーの下端部は、下腿背部の平行リンク構成部材上部付近から延長した部材を貫通するシャフトに連結している。外側の電動シリンダー伸縮により、下腿を構成する平行リンクの内角が拡狭することで、膝の曲げや伸びを行う。

電動シリンダーは多軸同時制御システムの制御基盤に通信線で接続されており、運動データが送信される。これにより、脚部の股屈曲・屈伸と膝屈曲・屈伸を連動する。

マネキンや人形、ロボットなど人型機械に対し、ファッションモデルが地面の一線上に足先を揃えてポーズをとる時に必要な脚部の側方回転動作と股関節の前後揺動が同期して連動することを付与することができる。

マネキンや人形、ロボットなど人型機械に対し、ファッションモデルが片足を開いて決めのポーズをとる時に必要な脚の旋回動作と股関節の上下揺動が同期して連動する動きを付与することができる。

人型機械の腰部と脚部の機構に対し、脚部の側方回転動作と左右股関節の前後揺動を同期して連動させることができるので、ファッションモデルのような動きを人型機械の腰部と脚部に付与することが可能になる。

人型機械の腰部と脚部の機構に対し、脚部の回旋動作と左右股関節の上下揺動を同期して連動させることができるので、ファッションモデルのような動きを人型機械の腰部と脚部に付与することが可能になる。

下腿骨格部材７１７と大腿骨格部材７０４を電動シリンダ７１８でピンにて回転自在に結合しているので、大腿の電動シリンダ７１７だけで、下腿も連動して動き、脚全体で人の歩行動作に近い動きをするため、大腿・下腿の高度な同期制御をしなくても滑らかな歩行動作を実現できる。また、人型機械の脚部に対し、脚足首を細く見せる美観を維持しながら、股屈曲・屈伸と膝屈曲・屈伸を同期して連動する動きを人型機械の脚部に付与することが可能になる。

次に発明の実施の形態を説明する。
ファッションモデルのように魅力的な下肢の動きを有する腰部と脚部の動きとは、一つは、脚部が側方回転と股関節の前後揺動が連動することである。これにより、左右脚つま先が交差すると同時に、前方に振り出す脚側の股関節が振り出す脚に追随していくモデルの決めのポーズをとることができる。

もう一つは、脚の旋回動作と股関節の上下揺動が連動することである。これにより、立脚に対し、遊脚を股関節中心に側方外転しながら外旋すると同時に、立脚側の股関節が上方移動するモデルの決めのポーズをとることができる。この発明における実施形態の下肢姿勢の平面図と正面図を図１に示す。

図１（ａ）は、人が立位で弛緩した時の中立的な状態で、股関節１０１、１０２が股関節１０１、１０２を結ぶ基準線１０５上に在る。同時につま先１０３、１０４が中心線１０６から等距離である。

図１（ｂ）は図１（ａ）の状態から、つま先１０４を前方に踏み出した時のファッションモデルのポーズである。この時、左脚と右脚は交差し、つま先１０３とつま先１０４は中心線１０６上に並ぶ。同時に前方に踏み出した脚に追随して股関節１０２は前方に移動する。

図１（ｃ）は図１（ａ）の状態から、右脚を軸足とし、左脚を側方外転しながら外旋して、膝を少し曲げた時のファッションモデルのポーズである。この時、股関節１０２は左脚に追随し、下方に移動する。

この腰部と脚部の動きを表現における実施形態の機構構成の斜視図を図２（ａ）に示す。この機構は腰部モジュール２０１と右脚部モジュール２０２、左脚部モジュール２０３によって構成される。腰部モジュールと左右脚部モジュールはボルトとナットで堅結される。

図２（ｂ）は図２（ａ）の腰部・脚部モジュールに胸部モジュール２１３、腕部モジュール２１５・２１６、頭部モジュール２１４を組み込んだ全身タイプの関節駆動型マネキンの平面図と右側面図である。頭部モジュール２１４が多軸同時制御システムである。各々のモジュールに組み込まれている回転、外旋、屈伸等の運動を駆動する各アクチュエータ（電動シリンダー、直流回転モータ等）に、通信線２１７を経由して動作データを送信する。また、各アクチュエータにはポテンショメータが設置されており、アクチュエータの動作量を検知して多軸同時制御システムにフィードバックする。多軸同時制御システムには電線２１８により、電力を供給する。

ファッションモデルの代表的なポーズと同様の動作を行う時の機構を図３（ａ）、（ｂ）の平面図と正面図に示す。図３（ａ）は、右脚つま先３０１と左脚つま先３０２が地面の線３０３上で交差すると同時に、前方に振り出す脚側の股関節３０４が振り出す脚に追随する時の機構を示している。図３（ｂ）は立脚に対し、遊脚３０５を股関節３０４中心に側方外転しながら外旋すると同時に、立脚側の股関節３０５が上方移動する時の機構を示している。

この実施形態の機構における腰部モジュールの構成を図４に示す。図４（ａ）は右上前方視点での斜視図で、図４（ｂ）は図４（ａ）同一物の左上後方視点での斜視図である。また、脚の側方回転時における腰部モジュールの状態を表す正面図を図５に示す。さらに、脚の旋回時における腰部モジュールの状態を表す平面図と斜視図を図６に示す。

脚部の側方外転・内転を行うのが、骨格部材４０１・４０２と電動シリンダー４０３のグループである。電動シリンダー４０３の両端が骨格部材４０１・４０２と連結しており、図５（ａ）のように、電動シリンダー４０３が縮むと骨格部材４０１が側方外転する。この時、骨格部材４０１に堅結している左脚部モジュール全体も側方外転する。図５（ｂ）のように、電動シリンダー４０３が伸びると骨格部材４０１が側方内転する。この時、骨格部材４０１に堅結している左脚部モジュール全体も側方内転する。

腰部モジュールの背骨にあたるのが支柱４０４である。支柱４０４には骨格部材４０５・４０６が堅結一体化している。４０４、４０５、４０６のグループと４０１，４０２，４０３のグループは蝶番４０７によって連結されている。骨格部材４０６には直流回転モータ４０７、４０８が堅結する。モータの回転運動はモータのシャフトに連結したリンク部材４０９・４１０・４１１から成るリンク機構によって伝達され、リンク部材４１１に結合した骨格部材４０２に対し、蝶番４１２を中心に逆回転運動に変換される。

これにより、図６（ａ）のように、直流回転モータ４０７のシャフトの内側への回転が、リンク機構を介して骨格部材４０１・４０２と電動シリンダー４０３のグループ全体を外側へ旋回させる。骨格部材４０１には左脚部モジュールが堅結しているので、左脚全体を外旋させる。

また、図６（ｂ）のように、直流回転モータ４０７のシャフトの外側への回転が、リンク機構を介して骨格部材４０１・４０２と電動シリンダー４０３のグループ全体を内側へ旋回させので、左脚全体を内旋させる。

この実施形態の機構における脚部モジュールの構成を図７に示す。図７（ａ）は脚部モジュールの左下後方視点での斜視図で、図７（ｂ）は図７（ａ）と同一物の左上前方視点からの斜視図である。また、脚の股屈曲・屈伸時における脚部モジュールの状態を表す左側面図と正面図を図８に示す。さらに、脚の膝屈曲・屈伸時における脚部モジュールの状態を表す正面図と右側面図を図９に示す。

このモジュールは大腿の平行リンクを構成するグループと下腿の平行リンクを構成するグループに大別される。大腿の平行リンクは骨格部材７０１・７０２・７０３、７０４がシャフト７０５・７０６・７０７・７０８によって連結される。下腿の平行リンクは骨格部材７０９・７１０・７１１、７１２がシャフト７１４・７１５・７１６・７１３によって連結される。大腿下部の骨格部材７０２と下腿上部の骨格部材７０９はボルトとナットによって堅結している。

股屈曲・屈伸を行う電動シリンダー７１７と膝屈曲・屈伸を行う電動シリンダー７１８を大腿に組み込む。これにより下腿にアクチュエータを組み込む必要がなくなり、細い足首を実現できる。
電動シリンダー７１７・７１８の上端部はシャフト７１９によって大腿背部の骨格部材７０４の上方に連結している。電動シリンダー７１７の下端部は大腿下部の骨格部材７０２に連結している。

図８（ａ）のように、電動シリンダー７１７が縮むと脚全体が股関節を中心に後方に移動する（股屈曲）。図８（ｂ）のように、電動シリンダー７１７が伸びると脚全体が股関節を中心に前方に振り出される（股屈伸）。

電動シリンダー７１８の下端部は部材７２０に連結している。部材７２０は部材７２１に、部材７２１は部材７２２に、部材７２２は下腿用骨格部材７１２に緊結している。図９（ａ）のように、電動シリンダー７１８が縮むと膝が伸びる（膝屈伸）。図９（ｂ）のように、電動シリンダー７１８が伸びると膝が曲がる（膝屈曲）。

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、ファッションモデルのように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、左右脚が交差すると同時に前方に振り出す脚側の股関節が追随する連動や、立脚側の股関節が上方移動すると同時に、遊脚を股関節中心に側方外転しながら外旋する連動を可動制御できるので、ファッションモデルのようなポーズをとることが可能になる。

図２（ｂ）はこの発明を適用した関節駆動型マネキンの全身モデルである。この全身モデル機構に外装を施した上で、ディスプレイしたい衣服を着衣することで、より現実に近い状態で衣服を見せられるため、ファッション産業でのマネキンに適用できる。

この発明の実施動作の過程を平面と正面から表した図である。この発明の実施機構の構成を表した斜視図と平面図と正面図である。この発明の実施機構の動作を表した平面図と正面図である。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正面図である。この発明の実施機構の仕組みを表した平面図と斜視図である。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左側面から表した図と正面図である。この発明の実施機構の仕組みを右側面から表した図と正面図である。

１０１右股関節
１０２左股関節
１０３右つま先
１０４左つま先
１０５左右股関節を結ぶ線
１０６身体の中心線
２０１腰部モジュール
２０２右脚モジュール
２０３左脚モジュール
２１１左脚モジュールと台の固定部品
２１２台
２１３胸部モジュール
２１４頭部モジュール
２１５左腕モジュール
２１６右腕モジュール
２１７制御通信ケーブル
２１８電気コード
３０１右つま先
３０２左つま先
３０３身体の中心線
３０４右股関節
３０５左股関節
４０１Ｌ型リンク機構底部
４０２Ｌ型リンク機構垂直部
４０３電動シリンダー
４０４腰部支柱
４０５横木上
４０６横木下
４０７モータ
４０８モータ
４０９小型リンク機構部品
４１０小型リンク機構部品
４１１ヒンジベース
４１２蝶番
７０１大腿平行リンク上部
７０２大腿平行リンク下部
７０３大腿平行リンク前部
７０４大腿平行リンク背部
７０５シャフト
７０６シャフト
７０７シャフト
７０８シャフト
７０９下腿平行リンク上部
７１０下腿平行リンク下部
７１１下腿平行リンク前部
７１２下腿平行リンク背部
７１３シャフト
７１４シャフト
７１５シャフト
７１６シャフト
７１７電動シリンダー
７１８電動シリンダー
７１９シャフト
７２０電動シリンダー留め
７２１電動シリンダー留め固定具
７２２電動シリンダー留め固定具

Claims

腰部と脚部とを備え、前記脚部は大腿と下腿とこれら大腿及び下腿を互いに連結する膝とで構成される人型機械であって、前記大腿を構成する平行リンクと、この大腿用平行リンクを駆動するシリンダー７１７と、前記下腿を構成する平行リンクとこの下腿用平行リンクを駆動するためのシリンダー７１８とを備え、前記大腿用平行リンクは骨格部材７０１、７０２、７０３、７０４により構成され、前記下腿用平行リンクは骨格部材７０９、７１０、７１１・７１２により構成されるとともに、前記大腿用の骨格部材７０２と前記下腿用の骨格部材７０９とが互いに堅結されて前記膝を構成し、前記大腿用のシリンダーは前記大腿に沿わせて配設されて、大腿用の平行リンクを前後方向の動きである股屈曲・屈伸させるように大腿用の平行リンクの上・下各位置に連結され、前記下腿用のシリンダー７１８は、前記大腿に沿わせて配設されて、下腿用の平行リンクを膝屈曲・屈伸させるようにシリンダー上端部分が大腿の骨格部材７０４に連結される一方、シリンダー下端部が下腿用の骨格部材７１２の上端側位置に連結されていることを特徴とする人型機械。
請求項１に記載の人型機械であって、前記腰部は、左右脚部の各旋回運動の中心軸を左右ともに各股関節ではなく各股関節より背骨側に各々ずらして設定する機構とした。右股関節３０４に対し、右脚部の回転軸は蝶番４１２上にある。人の場合、股関節を中心として脚部の旋回運動を行うのに対し、当該人型機械の場合、左右脚部の旋回運動の回転軸が左右とも体幹内部側にずれているため、外力に対し、上体が安定なように移動する自動調芯機能を有する。取り付けモータの回転力をフリーにすることにより、安定的に自立することを特徴とする人型機械。