JP2011115898A - ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】少ない自由度の首関節で、歩行時に頭部を下向ける必要なく、足元等左右周辺の床面状況を素早く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、垂直軸Ｌ２回りに回動する第２の回動部２２とを備え、水平軸Ｌ１の上方に垂直軸Ｌ２が位置する。そして、頭部３０が当該ロボット１００の正面を向いた状態で撮像装置４０の撮像方向が下向きに傾斜している。
【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することにより、外界環境を視覚的に認識（視認）しており、足元やその進行方向前方（以下、合わせて「足元等」という）の階段や障害物の有無などの床面状況に応じた歩行を行うことができる。

従来、このような人型ロボットは、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の回動部が位置する首関節を備えて、頭部が動作可能に構成されており、頭部が正面を向いた状態では、撮像方向は正面を向いており、正面の外界を撮像している。

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、ロボットの歩行時、足元等の床面状況を視認することが必須となる。さらに、足元等に障害物が存在した場合などにおいて、足元等周辺の床面状況を素早く認識する必要が生じる。

しかしながら、上記特許文献１及び２に開示されたような従来のロボットにおいては、足元等の床面状況を視認するためには頭部を下向ける必要がある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では、ジンバルロック現象が、頭部を真下を傾け状状態（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状況で生じる。そのため、前記状態から足元等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、時間がかかるという問題があった。

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、歩行時に頭部を下向ける必要なく、足元等左右周辺の床面状況を素早く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、垂直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し、前記頭部が当該ロボットの正面を向いた状態で前記撮像装置の撮像方向が下向きに傾いていることを特徴とする。

なお、撮像装置の撮像方向が下向きに傾いているとは、撮像装置から当該撮像装置の撮像範囲中央へ向う方向が水平より下方に傾斜していることを意味する。

本発明のロボットによれば、頭部が当該ロボットの正面を向いた状態で撮像装置の撮像方向が下向きに傾いている。そのため、頭部が正面を向いた状態で足元等の床面状況を視認することが可能となるので、歩行時に頭部を下向ける必要がない。

さらに、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、垂直軸回りに回動し、頭部を左右方向に回動させる第２の回動部の回動軸（垂直軸）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のように、頭部を真下に傾けた状況で、ジンバルロック現象が生じない。従って、前記状況から垂直軸を回動させることにより、そのまま頭部を左右方向に回動させることが可能であり、足元等左右周辺の床面状況を素早く認識することができる。

また、本発明のロボットにおいて、前記第２の回動部の回動軸は、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していることが好ましい。この場合、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。

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。 本発明の他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。 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。

さらに、ロボット１００は、図示しないが、胴部１０の下部に連結された脚部を備えている。ここでは、脚部は、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。

また、図示しないが、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１００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、垂直軸（Ｚ軸方向軸）Ｌ２回り（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（垂直軸）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。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が胴部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垂直軸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。アクチュエータによって回転駆動されることにより、パン部２４がチルト部２３に対して垂直軸Ｌ２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、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、垂直軸Ｌ２は、その軸心が垂直であるものに限定されず、略垂直であってもよい。

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、適宜駆動回転することにより、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、左右一対の望遠レンズ（標準レンズ）を備えたカメラなどから構成されている。撮像装置４０は、頭部３０がロボット１００が正面を向いた状態で、正面下方を中心とした外界を撮像可能なように、下向きに固定されている。具体的には、撮像装置４０の撮像方向が水平方向に対して角度αだけ下向きとなるように固定されている。このように、撮像装置４０は、下向きにオフセットするように固定されて頭部３０に搭載されている。

なお、レンズ等を備えるため重量物となる撮像装置４０が垂直軸Ｌ２より前方に配置されているので、イナーシャを低減させるため、これも重量物であるサーボモータ２５を垂直軸Ｌ２より後方に配置している。

以上のように、ロボット１００は、頭部３０が正面を向いた状態で撮像装置４０の撮像方向が下向きに傾いている。そのため、視野が広い魚眼レンズなどを備えた撮像装置を搭載することなく、頭部３０が正面を向いた状態で足元等の床面状況を視認することが可能となる。よって、足元等の床面状況を視認するために、歩行時等に頭部３０を下向ける必要がない。

さらに、ロボット１００は、上記特許文献１に開示されたロボットなどの従来のロボットのように、頭部３０を真下に傾けた状態（水平軸２１を回動限度まで前回りに回動させた状態）で、ジンバルロック現象が生じない。そのため、前記状態から垂直軸Ｌ２を回動させることにより、そのまま頭部３０を左右に振ることが可能であるので、足元等左右周辺の床面状況を素早く認識することができる。

このように、ロボット１００は、上記特許文献１に開示されたロボットなどの従来のロボットと同じ２自由度と少ない自由度で、足元等左右周辺の床面状況を素早く認識することができる。また、ロボット１００の首関節２０は、上記特許文献２に開示されたロボットの４自由度を有する首関節と比較して、非常に簡易な構成である。

なお、ロボット１００において、ジンバルロック現象は、頭部３０を左右両方向に限界まで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、前記状態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、上記従来のロボットでは、頭部の前後方向の傾斜角度範囲を確保するために、頭部カバーに大きな切欠きを形成し、チルト用の回動軸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、人間類似の頭部形状を実現することが可能となる。なお、水平軸Ｌ１との間に隙間を設けるために、胴部ハウジング１１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、上記従来のロボットとは異なり、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。

以下、本発明の他の実施形態に係るロボット１００Ａを図面を参照して説明する。ロボット１００Ａは、ロボット１００と類似するので、異なる点についてのみ説明する。

図２を参照して、ロボット１００Ａの首関節２０Ａ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１００Ａ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２２Ａとから構成されている。そして、第１の回動部２１Ａの回動軸（水平軸）Ｌ１の上方に第２の回動部２２Ａの回動軸Ｌ２が位置している。

具体的には、第２の回動部２２Ａは、頭部３０を左右方向に振るパン機構であり、チルト部２３Ａ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２４Ａが回動可能に支持されている。アクチュエータによって回転駆動されることにより、パン部２４Ａがチルト部２３Ａ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１００Ａの正面を向いた状態で垂直方向から前方に角度θだけ傾斜している。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２４Ａを回転駆動させる。

ロボット１００Ａは、以上のように構成されているので、ロボット１００と同様に、歩行時に頭部３０を下向ける必要がなく、上記特許文献１に開示されたロボットなどの従来のロボットと同じ２自由度と少ない自由度で、足元等左右周辺の床面状況を素早く認識することができる。また、ロボット１００Ａ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、非常に簡易な構成である。

また、第２の回動部２２Ａの回動軸Ｌ２が撮像装置４０が位置する前方に傾斜しているので、ロボット１００Ａの撮像装置４０の重心は、ロボット１００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１００Ａは、頭部３０を左右方向に傾斜させる際のイナーシャがロボット１００に比べて小さくなるので、より高速に頭部３０を左右に振ることが可能となる。

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

図３を参照して、ロボット１００Ｂの首関節２０Ｂは、前記ロボット１００，１００Ａの首関節２０，２０Ａ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１００Ｂ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，１００Ｂは、２本の脚体からなる脚部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，１００Ｂの撮像装置４０は、左右一対の望遠レンズを備えたカメラ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、望遠レンズ以外の形式のレンズを備えたもの、１又は３以上のカメラを備えたものであってもよい。

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，１００Ｂ…ロボット、１０…胴部（基体）、２０，２０Ａ，２０Ｂ…首関節、２１…第１の回動部、２２，２２Ａ…第２の回動部、２６…第３の回動部、３０…頭部、４０…撮像装置、Ｌ１…回動軸、水平軸、Ｌ２…垂直軸、回動軸。

Claims (3)

1. 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、垂直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し、前記頭部が当該ロボットの正面を向いた状態で前記撮像装置の撮像方向が下向きに傾いていることを特徴とするロボット。
2. 前記第２の回動部の回動軸は、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していることを特徴とする請求項１に記載のロボット。
3. 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。

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