JP2018199257A - ロボット用皮膚の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的容易に時間をかけずに雄型を作成でき、人間のような不均一な厚みを有するロボット用皮膚を製造することのできるロボット用皮膚の製造方法を提供する。【解決手段】人の顔の静止画像データを取得する工程と、人の顔の立体形状データを生成する工程と、人の顔の立体形状を再現した第１の三次元物体を作成する工程と、第１の三次元物体を原型として、これに基づき雌型を作成する工程と、人の顔の立体形状を第１の三次元物体よりも小さな縮尺で再現した第２の三次元物体を作成する工程と、第２の三次元物体を加工して、雄型を作成する工程と、雌型と雄型を組み合わせることで両者の間に生じる空間に皮膚材料を注入して成形を行う工程とを備え、第２の三次元物体の表面のうち、作成される皮膚の厚みが薄い部位に対応する領域は突出するよう加工され、皮膚の厚みが厚い部位に対応する領域は陥没するよう加工されることを特徴とする。【選択図】図８

Description

本発明は、ロボット用皮膚の製造方法に関し、より詳細には、人間型ロボットの顔面を覆うロボット用の皮膚の製造方法に関する。

近年、人間そっくりの外観を有する人間型のロボットが開発され、ホテルやデパートの受付等様々な場面で活用されている。これらのロボットは、人間と同様の外観を有するように、頭部（顔面）が人工の皮膚（ロボット用皮膚）で覆われている。そして、皮膚の下にあるアクチュエータが駆動されることで、皮膚が伸縮され、人間のような表情が生み出されるようになっている。

人間型ロボットの顔面を覆うロボット用皮膚は、人間の顔面の形状を基に作成された成形用の雌型と雄型の間に皮膚材料を流し込み、これを硬化させることにより製造される。この際用いられる雌型と雄型は、同じ原型から作成されるため、両者の形状は完全に対応する。そのため、製造される皮膚は均一な厚みを有することになる。しかし、人間の皮膚は、目の周辺は薄く、口周辺は厚いなど厚みが不均一なものである。そのため、厚みが均一な皮膚を人間型ロボットの顔面に装着してアクチュエータを駆動させて皮膚を伸縮させた場合、人間のような表情を生み出すことができない（表情が不自然になる）という問題があった。

そこで、従来は、作成される皮膚が薄くなる部分に対応する領域を突出させる加工又は作成される皮膚が厚くなる部分に対応する領域を陥没させる加工を雄型に施し、この加工の施された雄型を雌型と組み合わせて用いることで、薄い部分と厚い部分を有する皮膚を作成していた。

特許文献１には、モデル（人）の静止画像データから立体データを生成し、この立体データに基づき、立体造形手段によりモデルの顔面の複製物（原型）を作成することが記載されている。そして、原型を用いて雌型を作成し、雌型を用いて雄型を作成し、この雄型に合成樹脂シートを密着させ硬化させることで、お面の素体を作成することが記載されている。

特許文献２には、外側金型と内側金型とからなり、凹凸により顔面の口、鼻、目、額及び顎等の輪郭部分が形成された簡易金型が記載されている。そして、外側金型と内側金型の間の空間に加熱により軟化した第２の部材の素材を充填し、第１部材と第２部材とからなるスキン部材を製造することが記載されている。

特許第３９８４５８５号公報 特開２０１２−８２２７号公報

しかしながら、同じ原型から作成される雌型と雄型を用いて皮膚を作成する場合、雌型と雄型との間に隙間を確保する必要があるため、作成される皮膚は全体的に不自然に分厚くなる。そのため、厚みが不均一な人間のような皮膚を作成するには、単に雄型の特定の箇所を突出するよう加工する又は陥没するよう加工するだけではなく、全体のバランスを考えた雄型全体の加工が必要となる。そのため、雄型を加工する職人には高度の技能が要求され、加工にはかなりの手間が掛かるという問題が有った。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、比較的容易に時間をかけずに雄型を作成でき、人間のような不均一な厚みを有するロボット用皮膚を製造することのできるロボット用皮膚の製造方法を提供する。

本発明のロボット用皮膚の製造方法は、人間型ロボットの顔面を被覆し、部位によって異なる厚みを有するロボット用皮膚の製造方法であって、撮影により、人の顔の静止画像データを取得する工程と、前記静止画像データに基づき、前記人の顔の立体形状データを生成する工程と、前記立体形状データに基づき、前記人の顔の立体形状を再現した第１の三次元物体を作成する工程と、前記第１の三次元物体を原型として、これに基づき成形用の雌型を作成する工程と、前記立体形状データに基づき、前記人の顔の立体形状を前記第１の三次元物体よりも小さな縮尺で再現した第２の三次元物体を作成する工程と、前記第２の三次元物体を、その表面が突出又は陥没するように加工して、成形用の雄型を作成する工程と、前記雌型と前記雄型を組み合わせることで両者の間に生じる空間に皮膚材料を注入して成形を行う工程とを備え、前記第２の三次元物体の表面のうち、作成される皮膚の厚みが薄い部位に対応する領域は突出するよう加工され、前記皮膚の厚みが厚い部位に対応する領域は陥没するよう加工されることを特徴とする。

また、前記第２の三次元物体は、前記第１の三次元物体の９０％〜９５％の縮尺であるよう構成することができる。
さらに、前記第１の三次元物体及び前記第２の三次元物体の作成には、３Ｄプリンタが用いられるよう構成することができる。

本発明では、雄型の元となる第２の三次元物体が雌型の作成に用いられる第１の三次元物体よりも小さな縮尺で作成されている。そのため、雄型と雌型が同一の原型から作成される場合と比べて、雄型をより雌型に接近させることができ、皮膚が全体的に不自然に分厚くなるのを防ぐことができる。そのため、第２の三次元物体を加工して雄型を作成するには、作成される皮膚が薄くなる部分に対応する領域を突出させる加工又は作成される皮膚が厚くなる部分に対応する領域を陥没させる加工をするだけで良く、第２の三次元物体全体を加工する必要はない。その結果、比較的容易に時間をかけずに雄型を作成でき、人間のような不均一な厚みを有するロボット用皮膚を製造することができる。

本発明の一実施例であるロボット用皮膚の製造方法において用いられる、ロボット用皮膚製造システム１００を示すブロック図。 図１のロボット用皮膚製造システム１００のビデオカメラ１１〜１５を用いて人Ｍを撮影する際の様子を示す図。 本発明の一実施例であるロボット用皮膚の製造方法におけるロボット用皮膚の製造のフロー図。 図１のロボット用皮膚製造システム１００により作成される第１の三次元物体４０の上面図。 図４の第１の三次元物体４０を用いて作成される雌型５０を示す斜視図。 図１のロボット用皮膚製造システム１００により作成される第２の三次元物体６０と第１の三次元物体４０との大きさを比較した図。 図６の第２の三次元物体６０を加工することにより作成される雄型７０を雌型５０と組み合わせた様子を示す図。 図７のＡ−Ａ線断面図。 本発明の一実施例であるロボット用皮膚の製造方法により製造されるロボット用皮膚Ｓを、図７のＡ−Ａ線の位置で切断した際の断面図。

まず、本発明の一実施例であるロボット用皮膚の製造方法の概要を説明する。本発明の一実施例であるロボット用皮膚の製造方法では、ロボット用皮膚製造システム１００（図１）を用いて、成形用の型の元となる第１の三次元物体４０（図４）及び第２の三次元物体６０（図６）を作成し、第１の三次元物体４０から成形用の雌型５０（図５）、第２の三次元物体６０から成形用の雄型７０（図７）を作成する（図３のステップＳ１〜ステップＳ８）。そして、この雌型５０と雄型７０を用いてロボット用皮膚Ｓ（図９）を製造する（図３のステップＳ９〜ステップＳ１０）。

次に、本発明の一実施例であるロボット用皮膚の製造方法で用いられる各構成について説明する。本実施例で用いられるロボット用皮膚製造システム１００は、人（モデル）Ｍを撮影するためのビデオカメラ１１〜１５と、撮影された画像データを基に立体形状データを生成するコンピュータ手段２０と、コンピュータ手段２０から送信されるデータに基づき第１の三次元物体４０及び第２の三次元物体６０を作成する３Ｄプリンタ３０とを有する。

ビデオカメラ１１〜１５は、人Ｍの前後（ビデオカメラ１１、１２）、左右（ビデオカメラ１３、１４）及び上部（ビデオカメラ１５）に配置され（図２）、それぞれ人Ｍの動作を撮影する。そして、撮影後に作業者が選択した同一時刻における静止画像データをコンピュータ手段２０へと送信するようになっている。

コンピュータ手段２０は、ビデオカメラ１１〜１５から送信された５つの静止画像データを基に、周知のソフトウェアを用いて人Ｍの顔面Ｆ部分の立体形状データを生成する。立体形状データは、例えば、３Ｄ−ＣＡＤデータ、３Ｄ−ＣＧデータ等である。そして、コンピュータ手段２０は、立体形状データから３Ｄプリンタ入力用データを生成する。３Ｄプリンタ入力用データは、例えば、ＳＴＬ形式データ、ＶＲＭＬ形式データ等のポリゴンデータである。また、コンピュータ手段２０では、３Ｄプリンタ入力用データを生成する際にその設定値を変更することで、３Ｄプリンタ３０から出力される三次元物体の、実際の人Ｍの顔面Ｆの立体形状に対する縮尺を、自由に調整することができるようになっている。

コンピュータ手段２０で３Ｄプリンタ入力用データを生成する際には、設定値の異なる二つの３Ｄプリンタ入力用データを生成するようになっている。このうち、一方の３Ｄプリンタ入力用データ（第１の３Ｄプリンタ入力用データ）は、３Ｄプリンタ３０から出力される三次元物体（第１の三次元物体４０）が、実際の人Ｍの顔面Ｆの形状と同等の縮尺を有するように、その設定値が設定されている。また、他方の３Ｄプリンタ入力用データ（第２の３Ｄプリンタ入力用データ）は、３Ｄプリンタ３０から出力される三次元物体（第２の三次元物体６０）が、実際の人Ｍの顔面Ｆの形状の９０％の縮尺（すなわち、第１の三次元物体４０の９０％の縮尺）となるように、その設定値が設定されている。

３Ｄプリンタ３０は、コンピュータ手段２０により生成された３Ｄプリンタ入力用データ（第１の３Ｄプリンタ入力用データ及び第２の３Ｄプリンタ入力用データ）を受信する。そして、受信した第１の３Ｄプリンタ入力用データに基づき、第１の三次元物体４０を、第２の３Ｄプリンタ入力用データに基づき第２の三次元物体６０を作成（出力）する。

ロボット用皮膚製造システム１００により作成される第１の三次元物体４０は、人Ｍの顔面Ｆの立体形状を再現したものであり、目４１と、眉毛４２と、鼻４３と、唇４４とを有している。本実施例では、第１の三次元物体４０は、実際の人Ｍの顔面Ｆの立体形状と同等の縮尺を有する。

ロボット用皮膚製造システム１００により作成される第２の三次元物体６０は、人Ｍの顔面Ｆの立体形状を、第１の三次元物体４０よりも小さな縮尺で再現したものであり、目６１と、眉毛６２と、鼻６３と、唇６４とを有している。第２の三次元物体６０は、第１の三次元物体４０の９０％の縮尺になっている。

雌型５０は、第１の三次元物体４０を用いて作成されるものである。具体的には、図示しない容器内に液状の熱硬化性樹脂を流し込み、そこに第１の三次元物体４０を押し付ける。そして、樹脂を硬化させた後、第１の三次元物体４０を取り除くことにより作成される（第１の三次元物体４０がセットされた図示しない容器内に、液状の樹脂を流し込んで硬化させた後、第１の三次元物体４０を取り除いて雌型５０を作成しても良い）。雌型５０は、第１の三次元物体４０の目４１に対応する凹部（目凹部）５１と、眉毛４２に対応する凹部（眉毛凹部）５２と、鼻４３に対応する凹部（鼻凹部）５３と、唇４４に対応する凹部（唇凹部）５４とを有する。

雄型７０は、ロボット用皮膚Ｓ製造の際、雌型５０と対になって使用される成形用の型であり、第２の三次元物体６０を加工して作成される。雄型７０は、目７１と、突出部Ｐと、眉毛７２と、鼻７３と、陥没部Ｄとを有する。突出部Ｐは、第２の三次元物体６０の目６１周辺（作成される皮膚の厚みが薄い部位に対応する領域）が突出するように加工された部分である。陥没部Ｄは、第２の三次元物体６０の唇６４周辺（作成される皮膚の厚みが厚い部位に対応する領域）が陥没されるように加工された部分である。

ここで、雄型７０は、第１の三次元物体４０より小さい縮尺の第２の三次元物体６０を基に作成されているので、雌型と雄型が同一の原型から作成される場合に比べて、ロボット用皮膚Ｓの成形時に雄型７０をより雌型５０に接近させることができるようになっている。そのため、製造されるロボット用皮膚Ｓが不自然に分厚くなるのを防ぐことができるようになっている。また、雄型７０は、突出部Ｐ及び陥没部Ｄを有することで、雌型５０と組み合わせた際に、雌型５０との間の隙間が突出部Ｐの部分で狭く、陥没部Ｄの部分で広くなる。そのため、雌型５０と雄型７０の間の隙間に皮膚材料を注入してロボット用皮膚Ｓを製造すると、突出部Ｐが設けられた位置に対応するロボット用皮膚Ｓの目の周辺の領域は薄くなり（図９の薄肉部Ｓａ）、陥没部Ｄが設けられた位置に対応するロボット用皮膚Ｓの唇の周辺の領域は厚くなる（図９の肉厚部Ｓｂ）ようになっている。

仕切り板Ｂ１は、雄型５０と雌型７０を組み合わせた際に、雌型５０の目凹部５１と雄型７０の目７１との間に形成される隙間に挿入されるものである（図８）。仕切り板Ｂ１は、挿入箇所への皮膚材料の流れ込みを防ぎ、作成するロボット用皮膚Ｓの目に対応する位置に開口を形成する。また、仕切り板Ｂ２は、雌型５０の唇凹部５４と雄型７０の陥没部Ｄとの間に形成される隙間に挿入されるものである（図８）。仕切り板Ｂ２も、仕切り板Ｂ１と同様に、挿入箇所への皮膚材料の流れ込みを防ぎ、作成するロボット用皮膚Ｓの口に対応する位置に開口を形成する。

次に、本発明の一実施例であるロボット用皮膚の製造方法を各工程に沿って説明する。
まず、人Ｍを撮影場所に位置させ、ビデオカメラ１１〜１５により前後、左右及び上部から撮影する（ステップＳ１）。次いで、撮影されたデータから、作業者が選択した同一時刻における静止画像データをコンピュータ手段２０に送信する。

コンピュータ手段２０は、受信した５枚の静止画像データを基に、周知のソフトウェアにより、人Ｍの顔面Ｆ部分の立体形状データを生成する（ステップＳ２、Ｓ３）。そして、コンピュータ手段２０は、人Ｍの顔面Ｆ部分の立体形状データから、設定値の異なる二つの３Ｄプリンタ入力用データを生成する。このうち、一方の３Ｄプリンタ入力用データ（第１の３Ｄプリンタ入力用データ）は、３Ｄプリンタから出力される三次元物体（第１の三次元物体４０）が、実際の人Ｍの顔面Ｆの形状と同等の縮尺を有するように、その設定値が設定される（ステップＳ４−１）。また、他方の３Ｄプリンタ入力用データ（第２の３Ｄプリンタ入力用データ）は、３Ｄプリンタから出力される三次元物体（第２の三次元物体６０）が、実際の人Ｍの顔面Ｆの形状の９０％の縮尺（すなわち、第１の三次元物体４０の９０％の縮尺）となるように、その設定値が設定される（ステップＳ４−２）。

次いで、コンピュータ手段２０から、まず第１の３Ｄプリンタ入力用データを３Ｄプリンタ３０に送信する。３Ｄプリンタ３０は、第１の３Ｄプリンタ入力用データを受信するとこのデータに基づき、第１の三次元物体４０を作成する（ステップＳ５）。次いで、コンピュータ手段２０から、第２の３Ｄプリンタ入力用データを３Ｄプリンタ３０に送信する。３Ｄプリンタ３０は、第２の３Ｄプリンタ入力用データを受信するとこのデータに基づき、第１の三次元物体４０の９０％の縮尺の第２の三次元物体６０を作成する（ステップＳ６）。

次いで、図示しない容器内に液状の樹脂を注入し、そこに第１の三次元物体４０を押し付ける。そして、樹脂を硬化させて、第１の三次元物体４０を取り除くことで、雌型５０を作成する（ステップＳ７）。
次いで、第２の三次元物体６０の目６１の周辺を突出するよう加工するとともに、唇６４周辺を陥没するように加工する。これにより、突出部Ｐと陥没部Ｄを有する雄型７０を作成する（ステップＳ８）。

その後、雌型５０と雄型７０を組み合わせる。この際、雌型５０の目凹部５１と雄型７０の目７１との間に形成される隙間に仕切り板Ｂ１を挿入するとともに、唇凹部５４と陥没部Ｄとの間に形成される隙間に仕切り板Ｂ２を挿入する。その後、雌型５０と雄型７０との隙間に皮膚材料（例えば、シリコーンゴム）を注入する（ステップＳ９）。そして、皮膚材料を硬化させ、雌型５０及び雄型７０から離型し、仕切り板Ｂ１、Ｂ２を取り除く（ステップＳ１０）。これにより、薄肉部Ｓａと肉厚部Ｓｂとを有するロボット用皮膚Ｓを製造する。

以上のように、本実施例では、雄型７０の元となる第２の三次元物体６０が雌型５０の作成に用いられる第１の三次元物体４０よりも小さな縮尺で作成されている。そのため、雄型と雌型が同一の原型から作成される場合と比べて、ロボット用皮膚Ｓの成形時に雄型７０をより雌型５０に接近させることができ、作成される皮膚が全体的に不自然に分厚くなるのを防ぐことができる。そのため、第２の三次元物体６０を加工して雄型７０を作成するには、作成される皮膚が薄くなる部分（薄肉部Ｓａ）に対応する領域を突出させる加工又は作成される皮膚が厚くなる部分（肉厚部Ｓｂ）に対応する領域を陥没させる加工をするだけで良く、第２の三次元物体６０全体を加工する必要はない。その結果、比較的容易に時間をかけずに雄型７０を作成でき、人間のような不均一な厚みを有するロボット用皮膚Ｓを製造することができる。

なお、本実施例では、人Ｍの顔面Ｆの立体形状が再現される第２の三次元物体６０は、人Ｍの顔面Ｆの立体形状が再現される第１の三次元物体４０の９０％の縮尺となっているが、第２の三次元物体の第１の三次元物体に対する縮尺は、９０％〜９５％の範囲で変更しても良い。
また、本実施例では、突出部Ｐを雄型７０の目７１の周辺の領域のみに、陥没部Ｄを口の領域にのみに設けているが、必要に応じて、突出部Ｐや陥没部Ｄを雄型の他の領域に設けても良い。
さらに、本実施例では、１台の３Ｄプリンタ３０で、第１の三次元物体４０と第２の三次元物体５０とを作成しているが、２台の３Ｄプリンタをコンピュータ手段２０に接続し、一方に第１の三次元物体４０を作成させ、他方に第２の三次元物体６０を作成させても良い。

以上に、本発明の一実施例であるロボット用皮膚の製造方法を説明したが、本発明は、上記の実施例に限定されることなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で、多様に変形して実施することが出来る。

１００ ロボット用皮膚製造システム
１１〜１５ ビデオカメラ
２０ コンピュータ手段
３０ ３Ｄプリンタ
４０ 第１の三次元物体
５０ 雌型
６０ 第２の三次元物体
７０ 雄型
Ｂ１〜Ｂ２ 仕切り板
Ｐ 突出部
Ｄ 陥没部
Ｍ 人
Ｆ 顔面
Ｓ ロボット用皮膚
Ｓａ 薄肉部
Ｓｂ 肉厚部

Claims (3)

1. 人間型ロボットの顔面を被覆し、部位によって異なる厚みを有するロボット用皮膚の製造方法であって、
   撮影により、人の顔の静止画像データを取得する工程と、
   前記静止画像データに基づき、前記人の顔の立体形状データを生成する工程と、
   前記立体形状データに基づき、前記人の顔の立体形状を再現した第１の三次元物体を作成する工程と、
   前記第１の三次元物体を原型として、これに基づき成形用の雌型を作成する工程と、
   前記立体形状データに基づき、前記人の顔の立体形状を前記第１の三次元物体よりも小さな縮尺で再現した第２の三次元物体を作成する工程と、
   前記第２の三次元物体を、その表面が突出又は陥没するように加工して、成形用の雄型を作成する工程と、
   前記雌型と前記雄型を組み合わせることで両者の間に生じる空間に皮膚材料を注入して成形を行う工程とを備え、
   前記第２の三次元物体の表面のうち、作成される皮膚の厚みが薄い部位に対応する領域は突出するよう加工され、前記皮膚の厚みが厚い部位に対応する領域は陥没するよう加工されることを特徴とするロボット用皮膚の製造方法。
2. 前記第２の三次元物体は、前記第１の三次元物体の９０％〜９５％の縮尺であることを特徴とする請求項１に記載のロボット用皮膚の製造方法。
3. 前記第１の三次元物体及び前記第２の三次元物体の作成には、３Ｄプリンタが用いられることを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット用皮膚の製造方法。

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