JP2011115897A

JP2011115897A - ロボット

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Publication number: JP2011115897A
Application number: JP2009275644A
Authority: JP
Inventors: Chiaki Aoyama; 千秋青山; Yusuke Yamamoto; 裕介山本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2029-12-03
Also published as: JP5378966B2

Abstract

【課題】少ない自由度の首関節で、視野を基体に遮られることなく下方を視認可能なロボットを提供する。
【解決手段】ロボット１００は、胴部１０と、胴部１０の上部と首関節２０を介して連結される頭部３０と、頭部３０に搭載されて外界を撮像する撮像装置４０とを備える。首関節２０は、水平軸Ｌ１回りに回動する第１の回動部２１と、頭部３０が当該ロボット１００の正面を向いた状態で垂直方向から前方に傾斜する回動軸Ｌ２回りに回動する第２の回動部２２とを備える。そして、第１の回動部２１の回動軸Ｌ１の上方に第２の回動部２２の回動軸Ｌ２が位置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボット、特に首関節を介して頭部が基体に連結されたロボットに関する。

基体である胴部と、胴部の上部と首関節を介して連結された頭部と、頭部に搭載されて外界を撮像する撮像装置とを備えた人型ロボットが知られている。このような人型ロボットは、撮像装置で撮像した画像を処理して、外界環境を視覚的に認識（視認）することが可能であり、例えば、足元の床面状況（階段や障害物の有無）に応じた移動や、手元の器具や装置の操作、運搬を行うことができる。

従来、このような人型ロボットの首関節においては、一般的に、頭部を前後方向に傾斜させる第１の回動部の上方に、頭部を左右方向に回動させる第２の回動部が位置している。例えば、特許文献１には、胴部に取り付けられる下方リンクと、左右連結リンクを介して下方リンクと連結される上方リンクとによって、胴部と頭部を連結する頭部支持機構が開示されている。下方リンクは胴部に対して垂直軸回りに回動可能に構成され、上方リンクは左右連結リンクによって前後方向に傾斜可能に構成されている。

また、特許文献２には、首部が、ロール軸方向に回動する第１の回動軸と、ピッチ軸方向に回動する第２の回動軸と、ヨー軸方向に回動する第３の回動軸と、ピッチ軸方向に回動する第４の回動軸とを備え、頭部から胴部にかけて、第１の回動軸、第２の回動軸、第３の回動軸、第４の回動軸の順に配置された人型ロボットが開示されている。

特許第４３１９９７４号公報特開２００３−２００３６６号公報

ところで、胴部には制御ユニットやバッテリ等の大容積の構成要素が搭載されるため、一般的に胴部、特に胸部や腹部が頭部に対して前方に大きく突出する形態となる。そのため、上記特許文献１に開示されたような従来のロボットにおいては、胴部に視野が遮られ、足元近くの床面や胴部近傍の手元（ハンド付近）を視認することができないという問題があった。

さらに、上記特許文献１に開示されたような従来のロボットにおいては、ジンバルロック現象が、頭部を真下に傾けたような頭部を最大限前方に傾斜させた状態から、頭部を左右に振らせる状況で生じる。そのため、前記状態から胸部等の左右周辺を視認しようとするとき、そのまま頭部を左右に振ることができず、頭部を大きく移動させる必要が生じるので、時間がかかるという問題がある。

一方、特許文献２に開示されたロボットにおいては、４つの回動軸が存在するので、首関節の構成が複雑になるという問題があった。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、少ない自由度の首関節で、視野を基体に遮られることなく下方を視認可能なロボットを提供することを目的とする。

本発明のロボットは、かかる目的を達成するために、基体と、該基体の上部と首関節を介して連結される頭部と、該頭部に搭載されて外界を撮像する撮像装置とを備えたロボットであって、前記首関節は、水平軸回りに回動する第１の回動部と、前記頭部が当該ロボットの正面を向いた状態で垂直方向から前方に傾斜する回動軸回りに回動する第２の回動部とを備え、前記第１の回動部の回動軸の上方に前記第２の回動部の回動軸が位置することを特徴とする。

本発明のロボットによれば、水平軸回りに回動し、頭部を前後方向に傾斜させる第１の回動部の回動軸（水平軸）の上方に、頭部が当該ロボットの正面を向いた状態で垂直方向から前方に傾斜する回動軸回りに回動し、頭部を左右方向に回動させる第２の回動部の回動軸が位置している。

そのため、上記特許文献１に開示されたような従来のロボットと比べて、頭部の前方への傾斜角度が同じ場合、撮像装置が搭載された頭部がより前方に移動するので、基体に遮られる視野が少なくなり、下方の視認性が向上する。

さらに、本発明のロボットにおいては、上記特許文献１に開示されたような従来のロボットと異なり、頭部を最大限前方に傾斜させた状態から、頭部を左右に振ることができないというジンバルロック現象が生じない。そのため、前記状態からそのまま頭部を左右に振ることができる。なお、本発明のロボットにおいて、ジンバルロック現象は、頭部を最大限左右に回動させた状態から頭部を前後方向に傾斜させる状況で生じる。しかし、一般的にロボットの肩部は広いので、前記状態から下方を覗き込む場合、肩部が視野を遮っており、下方を視認することは元々不可能である。また、頭部を左右に回動させる替わりに、胴部の胴関節を左右に回動させれば、ジンバルロック現象を回避することが可能となる。これらにより、本発明のロボットにおいては、ジンバルロック現象が生じることによる不都合が少ない。

さらに、本発明のロボットにおいて、第２の回動部の回動軸は、頭部が当該ロボットの正面を向いた状態で垂直方向から前方に傾斜している。そのため、重量物である撮像装置の重心を第２の回動軸の近傍に位置させることが可能となるので、頭部を左右方向に傾斜させる際のイナーシャが小さくなり、より高速に頭部を左右に振ることができる。

なお、本発明のロボットにおいて、視野角度が広く足元を視認可能な魚眼レンズを備えた撮像装置と、視野角度が狭く高精度で視認可能な望遠レンズ（標準レンズ）を備えた撮像装置とが存在する場合、魚眼レンズを備えた撮像装置の上方に望遠レンズを備えた撮像装置が位置することが好ましい。この場合、当初設計時に想定したよりも長い望遠レンズを使用しても、当該望遠レンズを備える撮像装置が魚眼レンズを備える撮像装置の下方の視野を遮らないので、下方の視認性が悪化しない。

また、本発明のロボットにおいて、前記首関節は、さらに、前後軸回りに回動する第３の回動部を備え、該第３の回動部は前記第１の回動部の下方に位置することが好ましい。この場合、ロボットは首を傾げた表現を行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係るロボットの頭部付近を示す概略構成を示す側面図。視野角度範囲を示す説明図であり、（ａ）は本実施形態に係るロボットの場合を、（ｂ）は比較例に係るロボットの場合を示す。頭部の重心位置とその前後移動距離を示す説明図であり、（ａ）は本実施形態に係るロボットの場合を、（ｂ）は比較例に係るロボットの場合を示す。本発明の実施形態の変形に係るロボットの首関節を示す模式的に示す説明図。

以下、本発明の一実施形態に係るロボット１００を図面を参照して説明する。

図１を参照して、ロボット１００は、基体である胴部１０と、胴部１０の上部と首関節２０を介して連結される頭部３０と、頭部３０に搭載されて外界の画像を撮像する撮像装置４０とを備えている。胴部１０は、胴部ハウジング１１に内部が覆われており、図示しないが、その内部に、撮像装置４０等に電力を供給するバッテリやロボット１００の動作制御を行う制御ユニットが格納されている。また、胴部１０は、腰関節によって、その上胴部と下胴部とが相対的に左右回動動作可能に構成されている。

ロボット１００は、さらに、胴部１０の下部に連結された脚部５０（図２（ａ）参照）を備えている。ここでは、脚部５０は、左右一対の脚体から構成されており、各脚体は、複数の関節（股関節、膝関節、足首関節など）によって、動作可能に構成されている。

なお、図示は省略するが、胴部１０の上部の両側部には左右一対の腕体が取り付けられている。各腕体は、その先端にハンドを備え、複数の関節（肩関節、肘関節、手首関節など）によって、動作可能に構成されている。このようにして、ロボット１００は、２本の脚体と２本の腕体との備えた人型ロボットとなっている。ただし、ハンドや腕体を具備しないロボットであってもよい。

なお、本実施形態の説明では、Ｘ軸方向はロボット１００の前後方向（ロール軸方向）、Ｙ軸方向はロボット１の左右方向（ピッチ軸方向）に相当する。また、Ｚ軸方向は鉛直方向（重力方向）であり、ロボット１００の上下方向（ヨー軸方向）に相当する。

首関節２０は、胴部１０と頭部３０とを連結しており、２自由度を有している。首関節２０は、水平軸（Ｙ軸方向軸）Ｌ１回り（チルト方向）に回動する第１の回動部２１と、頭部３０が当該ロボット１００の正面（Ｘ軸正方向）を向いた状態で垂直方向（Ｚ軸方向）から前方に傾斜する回動軸Ｌ２回り（略パン方向）に回動する第２の回動部２２とから構成されている。そして、第１の回動部２１の回動軸（水平軸）Ｌ１の上方に第２の回動部２２の回動軸Ｌ２が位置している。なお、首関節２０は首カバーで覆われていてもよい。

具体的には、第１の回動部２１は、頭部３０を前後方向に傾斜させるチルト機構であり、胴部１０の上部に配置された水平軸Ｌ１に対してチルト部２３が回動可能に支持されている。チルト部２３は、アクチュエータによって回転駆動されることにより、胴部１０に対して水平軸Ｌ１回りに回動するように構成されている。ここでは、アクチュエータは、図示しないが、減速機を備えたサーボモータであり、シャフトを介してチルト部２３を回転駆動させる。なお、水平軸Ｌ１は、その軸心が水平であるものに限定されず、略水平であってもよい。

第２の回動部２２は、頭部３０を左右方向に振るパン機構であり、チルト部２３の先端部に配置された回動軸Ｌ２に対して、撮像装置４０が固定されたパン部２４が回動可能に支持されている。パン部２４は、アクチュエータによって回転駆動されることにより、チルト部２３に対して回動軸Ｌ２回りに回動するように構成されている。そして、回動軸Ｌ２は、頭部３０がロボット１００の正面を向いた状態で垂直方向から前方に傾斜している。ここでは、アクチュエータは、減速機を備えたサーボモータ２５であり、図示しないベルトを介してパン部２４を回転駆動させる。

なお、各サーボモータは、前記制御ユニットによって個別に駆動制御されており、適宜回転駆動することにより、頭部３０を所望の方向に回動させることができる。各サーボモータにロータリエンコーダなどの回転角度、回転角速度などを検出するセンサを設けておき、フィードバック制御することが好ましい。

頭部３０は、頭部カバー３１によって内部が覆われており、その内部に撮像装置４０が配置されている。撮像装置４０は、パン部２４の前側部の撮像装置固定部材に固定されている。撮像装置４０は、ここでは、魚眼レンズを備えた第１の撮像装置４１と望遠レンズ（標準レンズ）を備えた第２の撮像装置４２とから構成されており、第１の撮像装置４１は第２の撮像装置４２の下方に配置されている。そして、各撮像装置４１，４２は左右一対のカメラなどから構成されている。

視野角度が広く足元を視認可能な魚眼レンズを備えた第１の撮像装置４１の上方に、視野角度が狭く高精度で視認可能な望遠レンズを備えた第２の撮像装置４２が位置しているので、当初設計時に想定したよりも長い望遠レンズを使用しても、当該望遠レンズを備える第２の撮像装置４２が第１の撮像装置４１の下方の視野を遮らないので、第１の撮像装置による下方の視認性が悪化しない。

各撮像装置４１，４２は、頭部３０がロボット１００が正面を向いた状態で、正面前方を中心とした外界を撮像可能なように、正面を向いて固定されており、第２の回動軸Ｌ２の傾斜角θと同じ、又は略同じだけ、第２の回動軸Ｌ２の軸方向と直交する方向から後方に角度θｃだけ傾斜して固定されている（図３（ａ）参照）。即ち、撮像装置４０は、第２の回動軸Ｌ２に対して上向きにオフセットするように固定されている。

そして、レンズ等を有するため重量物となる撮像装置４０は、その重心が第２の回動軸Ｌ２の軸心、又はその延長上、あるいはそれらの近傍に位置するように配置されている。ここでは、撮像装置４０の重心は、第２の回動軸Ｌ２の軸心より前方近傍に配置されている。そこで、頭部３０の重心を第２の回動軸Ｌ２の軸心に対して後方寄りにするため、これも重量物であるサーボモータ２５を、その重心が第２の回動軸Ｌ２の軸心に対して後方に位置するように配置している。

以下、本発明の一実施形態に係るロボット１００と比較例に係るロボット２００の視野について図面を参照して説明する。なお、図２及び図３では、第１及び第２の撮像装置４４１，４２（図１参照）を、１つの撮像装置４０で代表させている。

図２（ｂ）を参照して、比較例のロボット２００においては、首関節が、垂直軸Ｌ１回りに回動する第１の回動部６１と、この第１の回動部６１の上方に位置し、水平軸Ｌ２回りに回動する第２の回動部６２とから構成されている。

図２（ａ）と図２（ｂ）との比較から明らかなように、ロボット１００は、首関節２０の基部の第１の回動軸Ｌ１を中心として頭部３０が前方に傾斜する（下を向く）が、ロボット２００は、首関節の上部の第２の回動軸Ｌ２を中心として頭部６０が前方に傾斜する。そのため、頭部３０，６０を同じ角度だけ前方に傾斜させた場合、頭部３０は、頭部６０より前方に移動するので、胴部１０に遮られる視野角度範囲が少なくなり、下方の視認性が優れる。

なお、比較例のロボット２００において、頭部６０を前方に傾斜させる角度を大きくしても、撮像装置４０の前端が胴部１０の前面より前方に位置しなければ、胴部１０に遮られずに足元を視認することはできない。そして、このように、撮像装置４０を前方に位置するように配置すると、頭部６０が前方に突出するという形態上の不都合が生じると共に、イナーシャが大きくなるので、頭部６０を前後方向に傾斜させる動作（チルト動作）や左右方向に回動させる動作（パン動作）を高速で行うことが困難になる。

また、ロボット１００においては、魚眼レンズを備えた第１の撮像装置４１（図１参照）を具備していなくとも、頭部３０を前方に傾斜さえすれば、望遠レンズを備えた第２の撮像装置４２だけで足元を視認することが可能となる。

このように、ロボット１００は、比較例のロボット２００と同じ２自由度と少ない自由度で、視認角度範囲が広くなり、胴部１０に遮られることなく足元を視認することが可能となる。そのため、ロボット１００は、比較例のロボット２００と類似の上記特許文献１に開示されたロボットと比較して、下方の視認性が良好となる。また、ロボット１００は、上記特許文献２に開示された４自由度の首関節を有するロボットと比較して、簡易な構成で、同等の下方の視認性を確保することが可能となる。

さらに、比較例のロボット２００では、頭部６０が左右方向が真っ直ぐで前方に最大限傾斜した状態から頭部６０を前後方向に傾斜させる状況で、ジンバルロック現象が生じる。そのため、例えば、胴部１０の前方近傍に位置するテーブル面を視認しながらハンドで細かな作業をする場合、前記状態から左右近傍を視認しようとするとき、そのまま頭部６０を左右方向に回動させることができない。従って、頭部６０を大きく移動させる必要が生じ、時間がかかるので、前記作業を行うことは困難である。

一方、ロボット１００は、前記状況ではジンバルロック現象が生じず、前記状態からそのまま頭部３０を左右方向に回動させることができるので、前記作業を容易に行うことができる。ロボット１００において、ジンバルロック現象は、頭部３０が左右両方向に最大限回動させた状態から頭部３０を前後方向に傾斜させる状況で生じる。しかし、一般的にロボット１００の肩部は広いので、前記状況で下方を覗き込む場合、肩部が視野を遮っており、下方を視認することは元々不可能である。また、頭部３０を左右方向に回動させる替わりに、胴部１０の胴関節を左右方向に回動させれば、ジンバルロック現象を回避することが可能となる。これらにより、ロボット１００においては、ジンバルロック現象が生じることによる不都合が少ない。

さらに、比較例のロボット２００では、頭部６０の前後方向の傾斜角度範囲を確保するために、頭部カバー６３に大きな切欠きを形成し、第２の回動軸Ｌ２と頭部カバーとの間に大きな隙間を設ける必要がある。一方、ロボット１００の頭部カバー３１には、第２の回動軸Ｌ２が挿通可能な穴のみを形成すればよい。よって、ロボット１００では、頭部カバー３１の構造が簡素化すると共に、頭部３０の形状自由度が大きくなり、人間頭部類似の形状を実現することが可能となる。なお、第１の回動軸Ｌ１との間に隙間を設けるために、胴部ハウジング１１（図１参照）に切欠きを形成する必要があるが、このような切欠きは樹脂カバー等によって隠すことも可能であり、大きな問題は生じない。

なお、頭部３０が左右方向に回動して振れたとき、ロボット１００の撮像装置４０が撮像して得た水平線の画像は、ロボット２００とは異なり、水平でなくなる。しかし、この画像は人間が視認するものでなく、コンピュータ等を用いて画像を数値処理するので、問題はない。

さらに、図３（ｂ）を参照して、別の比較例に係るロボット３００においては、首関節が、水平軸Ｌ１回りに回動する第１の回動部７１と、この第１の回動部７１の上方に位置し、頭部３０が正面を向いている状態で垂直軸Ｌ２回りに回動する第２の回動部７２とから構成されている。

そして、図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照して、本実施形態に係るロボット１００と比較例のロボット３００において、第１の回動軸Ｌ１の中心から撮像装置４０の前端までの水平距離Ｘｃ、及び第１の回動軸Ｌ１の中心から撮像装置４０までの高さｈが同一となるように構成している。これら水平距離Ｘｃ及び高さｈは、頭部３０（図１及び図２（ａ）参照）が前方に傾斜したときに胴部１０，７０に遮られることなく、足元を視認することが可能なように設定されている。

図３（ａ）と図３（ｂ）との比較から明らかなように、ロボット１００の撮像装置４０の重心は、比較例のロボット３００の撮像装置４０の重心よりも、第２の回動軸Ｌ２の軸心の近傍に位置する。そして、撮像装置４０はレンズ等を備えた重量物であるので、頭部３０のイナーシャに大きな影響を及ぼす。そのため、ロボット１００は、比較例のロボット３００に比べてイナーシャが小さいので、より高速に頭部３０を左右方向に傾斜させることが可能となる。

さらに、図３（ａ）と図３（ｂ）との比較から明らかなように、ロボット１００の頭部３０の重心Ｇ１は、比較例のロボット３００の頭部の重心Ｇ２よりも、第１の回動軸Ｌ１の軸心から前方に位置する。そのため、頭部３０を同じ角度αだけ前後方向にそれぞれ傾斜させた場合、重心Ｇ１の前後移動量ＤＧ１（重心Ｇ１ｆと重心Ｇ１ｒとの水平距離）は、重心Ｇ２の前後移動量ＤＧ２（重心Ｇ２ｆと重心Ｇ２ｒとの水平距離）よりも小さくなる。そのため、頭部３０を前後方向に傾斜させたときの、頭部３０の重心Ｇ１の前後移動距離ＤＧ１が小さくなり、ロボット１００の前後の重心移動量が減少するので、ロボット１００の歩行が安定する。

以下、本発明の実施形態の変形に係るロボット１００Ａを図面を参照して説明する。

図４を参照して、ロボット１００Ａの首関節２０Ａは、前記ロボット１００の首関節２０に対して、さらに、前後軸回り（ロール方向）に回動する第３の回動部２６を備えており、３自由度を有している。そして、第１の回動部２１の回動軸（水平軸）Ｌ１の下方に第３の回動部２６の回動軸が位置している。

これにより、ロボット１００Ａは、首部を傾げる表現を行うことが可能となる。

なお、本実施形態に係るロボット１００，１００Ａは、２本の脚体からなる脚部５０を備えたものとした。しかしながら、脚部が１又は３以上の脚体を備えるものであってもよい。さらに、脚部の代わりに、車輪、ローラ、無限軌道、クローラ等から構成された移動機構を備えたものであってもよい。さらに、脚部５０などの移動手段を具備しない固定式ロボットであってもよい。

また、ロボット１００，１００Ａの撮像装置４０は、左右一対のカメラをそれぞれ備えた撮像装置４１．４２から構成されるものとした。しかしながら、撮像装置４０はこれに限定されない。例えば、撮像装置４１，４２の何れか一方のみからなるもの、撮像装置４１，４２が１又は３以上のカメラを備えたものであってもよい。さらに、頭部３０がロボット１００，１００Ａの正面を向いた状態で、撮像装置４１，４２が正面を向いていないものであってもよい。例えば、撮像装置４１，４２の撮像中心方向が正面方向から左右方向や上下方向に傾斜していてもよい。

また、首関節２０は、胴部１０と頭部３０を連結するものであり、首関節２０の一部又は全部が胴部ハウジング１１や頭部カバー３１の内部に格納されていてもよい。

１００，１００Ａ…ロボット、１０…胴部（基体）、２０，２０Ａ…首関節、２１…第１の回動部、２２…第２の回動部、２６…第３の回動部、３０…頭部、４０…撮像装置、４１…第１の撮像装置（魚眼レンズを備えた撮像装置）、４２…第２の撮像装置（望遠レンズを備えた撮像装置），Ｌ１…第１の回動軸、Ｌ２…第２の回動軸。

Claims

基体と、該基体の上部と首関節を介して連結される頭部と、該頭部に搭載されて外界を撮像する撮像装置とを備えたロボットであって、
前記首関節は、水平軸回りに回動する第１の回動部と、前記頭部が当該ロボットの正面を向いた状態で垂直方向から前方に傾斜する回動軸回りに回動する第２の回動部とを備え、前記第１の回動部の回動軸の上方に前記第２の回動部の回動軸が位置することを特徴とするロボット。
前記撮像装置は複数存在し、魚眼レンズを備えた撮像装置の上方に望遠レンズを備えた撮像装置が位置することを特徴とする請求項１に記載のロボット。
前記首関節は、さらに、前後軸回りに回動する第３の回動部を備え、該第３の回動部は前記第１の回動部の下方に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット。