JP3173653B2

JP3173653B2 - ロボット装置

Info

Publication number: JP3173653B2
Application number: JP30760598A
Authority: JP
Inventors: 俊広西沢
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2001-06-04
Anticipated expiration: 2018-10-28
Also published as: JP2000135690A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はロボット装置に関
し、特に生物の動作を模倣できるロボット装置（ここで
は単にロボットともいう）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】住宅内で使用されるホームロボットや、
娯楽を目的としたアミューズメントロボットなどでは、
生物の動作を模倣して、できるだけ豊かな表現力を備え
ていることが要求される。このような表現力に関連して
種々の動作を模倣させることが考えられるが、例えば頭
部を左または右に傾倒させるという動作は、生物が首を
傾げる動作を模倣するもので、可愛らしさを表現する上
で特に有用である。

【０００３】ここで、まず従来のロボットの頭部周辺の
機構について説明する。一般に、従来のロボットでは、
撮像装置を頭部に搭載してロボット周辺の環境を認識す
るため、頭部の左右方向の揺動や、前後方向の揺動を可
能にする首部機構が設けられている。例えば、床面走行
型自動監視ロボット（特開平２−２７７１０５号公報）
では、頭部にテレビカメラを搭載し、このテレビカメラ
を左右に揺動させるべく、頭部が垂直な仮想旋回軸線を
中心に左右に揺動可能な構造となっている。図６は、こ
の種の頭部が左右方向および前後方向に揺動可能な従来
のロボット装置の一例を示す側面図、図７は従来のロボ
ット装置が頭部を右に揺動させ、かつ若干前後に揺動さ
せた状態を示す正面斜視図である。図６、図７に示した
ロボット装置１０２では、胴部１０４の上面に首に相当
する１対の支持部材１０６が相互に間隔をおいて垂直に
立設され、１対の支持部材１０６は、それらの中央に延
在する垂直な仮想旋回軸線１０８を中心に揺動可能な状
態で胴部１０４上に支持されている。

【０００４】頭部１１０は、１対の支持部材１０６の間
に配置されて支持部材１０６の上部に支軸１１２を介し
て取着され、１対の支持部材１０６の上部を結ぶ仮想軸
線を中心に揺動することで前後方向に揺動可能となって
いる。そして、支持部材１０６が仮想旋回軸線１０８を
中心に揺動すると頭部１１０は左右に揺動し、頭部１１
０に搭載されたテレビカメラ１１４も同様に揺動する。
また、頭部１１０が支軸１１２を中心に揺動するとテレ
ビカメラ１１４は頭部１１０と共に前後方向に揺動す
る。

【０００５】また、ロボットに搭載可能な、駆動機構を
備えたパンチルト装置（特開平８−２４８４８３号公
報）についても、上記仮想旋回軸線に相当するパン回転
軸は垂直となっている。さらに、パラレルリンクにより
頭部を駆動するロボットの首・胴機構装置（特開平８−
２２９８７１号公報）では、６台の油圧アクチュエータ
を設けて、頭部の左右への揺動および前後への揺動が可
能となっており、さらに左右への傾倒および頭部の３次
元空間での位置決めも行えるようになっている。

【０００６】また、図６、図７に示した従来の床面走行
型のロボット装置１０２では、ロボット装置１０２の移
動のために、胴部１０４の下部前方の左右に１対の車輪
１１６が設けられ、胴部１０４の下部後方には１つのキ
ャスタ１１８が設けられている。そして、車輪１１６
が、胴部１０４内に設けられた不図示の駆動手段により
回転駆動されることでロボット装置１０２が前進する構
成となっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図６、図７に
示したような従来のロボット装置１０２では、頭部は、
上記仮想旋回軸線１０８を中心にして左右に揺動する
か、あるいは支軸１１２を中心に前後に揺動するのみで
あるから、首を傾げるといった動作を模倣することはで
きない。さらに、パラレルリンクによる首機構を有する
上記ロボット装置では、上述のように６台の油圧アクチ
ュエータによりさまざまに頭部を動かすことができ、頭
部を左右に傾倒させることも可能であるから、生物が首
を傾げる動作を模倣することができる。しかし、構造お
よび制御が共に複雑であるという欠点がある。

【０００８】また、図６、図７に示したような従来の床
面走行型のロボットでは、工場内のような段差のない整
備された床面上を移動することを前提とした設計となっ
ているため、図８の要部側面図に示したように、床に段
差１２０やゴミ等が存在すると、胴部１０４の前端部１
０４Ａとこれらの障害物とが干渉する可能性が高く、し
たがって住宅内のようにな環境では円滑に移動すること
は困難である。

【０００９】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、その目的は、簡単な機構で生物の動き
を模倣することができ、さらにある程度の障害物が床に
存在しても円滑に移動できるロボット装置を提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、胴部と、その上に配置された頭部と、頭部の
駆動手段とを含み、前記頭部が、前記胴部に対して前後
に揺動可能で、かつ概ね上下方向に延在する仮想旋回軸
線を中心に左右に揺動可能な状態で取り付けられ、前記
頭部の駆動手段により駆動されて前後に揺動すると共に
前記仮想旋回軸線を中心に左右に揺動するロボット装置
において、前記仮想旋回軸線は前方に傾倒し、前記頭部
に搭載されて周囲を撮影する撮像手段をさらに含み、前
記頭部が左右に揺動している場合に、前記撮像手段が撮
影した第１の画像情報が、前記仮想旋回軸線がほぼ垂直
であると仮定した場合にその状態で前記撮像手段が撮影
する第２の画像情報と等価な画像情報となるように、前
記第１の画像情報に対して座標変換処理を施す座標変換
手段を備えたことを特徴とする。

【００１１】すなわち、本発明のロボット装置では、頭
部は、前方に傾倒した仮想旋回軸線を中心にして左右に
揺動するので、人間が斜め上から見下ろしてロボット装
置の頭部を見ている状態で、頭部を左または右に揺動さ
せると、この動作は首を傾げる動作に見える。そして、
首を傾げる動作は頭部を単に左右に揺動させるのみのき
わめて簡単な動作により実現でき、したがって複雑な機
構はいっさい不要である。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態例につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明によるロボッ
ト装置の一例を示す側面図、図２は図１のロボット装置
と人間との位置関係を示す側面図、図３は図１のロボッ
ト装置が首を傾げる動作をした場合を示す正面斜視図で
ある。本実施の形態例のロボット装置は、例えばホーム
ロボットやアミューズメントロボットであるとし、何ら
かの形で人間との間で対話が可能であり、また、全体の
大きさは人間よりも小さいものとする。図１などに示し
たように、本実施の形態例のロボット装置２は、胴部４
と、その上に配置された頭部６と、頭部６の駆動手段と
を含み、頭部６は、胴部４に対して前後に揺動可能で、
かつ概ね上下方向に延在する仮想旋回軸線８を中心に左
右に揺動可能な状態で取り付けられ、頭部６の上記駆動
手段により駆動されて前後に揺動すると共に仮想旋回軸
線８を中心に左右に揺動する構成となっており、特に本
実施の形態例のロボット装置２では、仮想旋回軸線８が
前方に傾倒していることが特徴である。

【００１３】そして、ロボット装置２は、相互に間隔を
おいて胴部４の上面に立設された１対の支持部材１０
（首に相当）と、支持部材１０の上端部に支持され１対
の支持部材１０の上端部を結ぶ仮想軸線と平行に延在す
る支軸１２とを含み、頭部６は１対の支持部材１０の間
に配置されて支軸１２により前後に揺動可能に支持され
ている。また、胴部４内の上部の箇所には、仮想旋回軸
線８を中心に揺動可能な状態で胴部４に支持された頭部
支持手段１４が配設され、上記１対の支持部材１０はこ
の頭部支持手段１４上に立設され、主要部が胴部４の上
面より上方に突出している。頭部６の上記駆動手段は、
頭部６内に収容されて頭部６を上記支軸１２の回りに揺
動させる不図示の前後駆動手段と、胴部４内に収容され
て頭部支持手段１４を仮想旋回軸線８の回りに揺動させ
る不図示の左右駆動手段とから成る。

【００１４】顔に相当する頭部６の前面１６の内側には
撮像手段としてテレビカメラ１８が搭載され、頭部６の
前方を撮影可能となっている。そして、頭部６には座標
変換装置２０が装備されており、この座標変換装置２０
は、頭部６が左右に揺動している場合に、テレビカメラ
１８が撮影した第１の画像情報が、仮想旋回軸線８がほ
ぼ垂直であると仮定した場合にその状態でテレビカメラ
１８が撮影する第２の画像情報と等価な画像情報となる
ように、第１の画像情報に対して座標変換処理を施す。

【００１５】ロボット装置２はまた、胴部４の下部前方
に配設されて胴部４を支持する第１の車輪２２と、胴部
４の下部後方に配設されて第１の車輪２２と共に胴部４
を支持する第２の車輪、具体的にはキャスタ２４とを備
え、第１の車輪２２の前端部２６は胴部４の前端部２８
より前方に突出している。なお、第１の車輪２２は胴部
４の左右に配設された１対の車輪から成り、胴部４に組
み込まれた不図示の駆動手段により回転駆動される。

【００１６】このように構成されたロボット装置２にお
いて、首を傾げる動作をさせる場合には、上記左右駆動
手段により頭部支持手段１４を左右いずれかの方向に、
数十度程度揺動させればよい。これにより、１対の支持
部材１０が仮想旋回軸線８を中心に同じ角度だけ頭部６
と共に揺動し、図２に示したように、人間３０が斜め上
から見下ろしてロボット装置２の頭部６を見ている場
合、人間３０にとってこの頭部６を左または右に揺動さ
せる動作は、首を傾げる動作に見える。なお、その際、
図２に示したように、上記前後駆動手段により頭部６を
支軸１２を中心にして上方に揺動させ、顔に相当する頭
部６の前面１６が人間３０の顔の方に向いた状態にして
おくことで、人間３０にとって上記首を傾げる動作はよ
り明瞭となる。

【００１７】図３は人間３０からロボット装置２を見た
状態を示しており、この場合には、頭部支持手段１４
（図１、図２）を右に（上から見て時計回り方向に）若
干揺動させることで、頭部６が仮想旋回軸線８を中心に
その方向に揺動して頭部６の左端部３２が右端部より下
がり、首を左に傾げた状態となっている。

【００１８】そして、本実施の形態例では、この首を傾
げる動作は頭部６を単に左右に揺動させるのみのきわめ
て簡単な動作により行え、この動作を実現するために必
要な要件は頭部６を左右に揺動させる場合の中心となる
仮想旋回軸線８を前方に傾倒させておくことだけである
から、複雑な機構はいっさい不要であり、きわめて容易
に実現できる。

【００１９】なお、ロボット装置２が移動するような場
合、ロボット装置２の頭部６を左右に揺動させてテレビ
カメラ１８で周囲を撮影し、環境を把握することになる
が、頭部６が左右に揺動している状態でテレビカメラ１
８が撮影した画像情報は、仮想旋回軸線８が前方に傾倒
しているため従来とは異なったものとなり、そのため座
標変換装置２０はテレビカメラ１８が撮影した画像情報
の補正を行う。

【００２０】図４はテレビカメラ１８が撮影した画像情
報の補正動作に係わるフローチャートである。頭部６が
左右に揺動している場合に、テレビカメラ１８が周囲を
撮影し（ステップＳ１）、取得した画像情報を出力する
と（ステップＳ２）、座標変換装置２０は、テレビカメ
ラ１８が撮影したこの第１の画像情報が、仮想旋回軸線
８がほぼ垂直であると仮定した場合にその状態でテレビ
カメラ１８が撮影する第２の画像情報と等価な画像情報
となるように、第１の画像情報に対して座標変換処理を
施す（ステップＳ３）。したがって、座標変換後に座標
変換装置２０が出力する画像情報（ステップＳ４）は、
頭部６が左または右に揺動している状態で撮影されたも
のであっても、仮想旋回軸線８が垂直な状態で取得した
画像情報と等価であり、この画像情報を用いて従来どう
りに周囲の環境を把握してロボット装置２の移動を制御
することができる（ステップＳ５）。

【００２１】また、本実施の形態例のロボット装置２で
は、第１の車輪２２の前端部２６が胴部４の前端部２８
より前方に突出しているので、図５の要部側面図に示し
たように、例えば床に段差部３４が存在するような場合
でも、第１の車輪２２の先端部が胴部４の前端部より先
に段差部３４に当接する。したがって、第１の車輪２２
の駆動手段に、必要な駆動トルクさえ持たせれば、段差
部３４や同種の障害物を容易に乗り越えることができ、
床上を円滑に移動することができる。

【００２２】

【実施例】次に本発明のロボット装置の実施例について
説明する。［実施例１］まず、仮想旋回軸線８の傾きは例えば次の
ようにして決めることができる。仮想旋回軸線８と、人
間３０が頭部６を斜め下に見下ろした場合の人間３０の
視線３６（図２）とがほぼ平行となるように仮想旋回軸
線８を傾倒させたとすると、顔に相当する頭部６の前面
１６を人間３０の顔に向けた状態のとき、人間３０は頭
部６の左右への揺動、すなわち首を傾げる動作をもっと
も大きく、かつ自然な傾げ動作として観察することがで
きる。

【００２３】そして、人間３０とロボット装置２との水
平距離をＬ、床から頭部６までの高をＨ↓ｒ、人間３０
の目の高さをＨ↓ｈ、垂直線を基準にした仮想旋回軸線
８の傾倒角度をθ↓ｂ度として、仮想旋回軸線８の傾倒
角度θ↓ｂが、

【００２４】

【数１】Ｌ＝（Ｈ↓ｈ−Ｈ↓ｒ）／ｔａｎ（９０−θ↓ｂ）を満たすように設定すれば上述の状態となる。例えば、
仮想旋回軸線８の傾倒角度θ↓ｂを先に３０度と設定
し、ロボット装置２の高さＨ↓ｒを６０ｃｍ、人間３０
の目の高さＨ↓ｈを１６０ｃｍとすると、人間３０とロ
ボット装置２の水平距離Ｌは［数１］より５７．７ｃｍ
と計算できる。すなわち人間３０とロボット装置２との
距離が６０ｃｍ程度で、仮想旋回軸線８の傾倒角度が３
０度程度のとき、仮想旋回軸線８を中心にした頭部６の
揺動は、もっとも効果的に首を傾げる動作に見えること
になる。

【００２５】なお、ホームロボットやアミューズメント
ロボットとしてのロボット装置２と人間３０との水平距
離約６０ｃｍは、対話が可能な距離として適切な距離と
考えられ、したがって仮想旋回軸線８の傾倒角度を３０
度程度に設定することは有効である。ただし、この数値
はあくまでも一例であり、ロボット装置２の使用環境や
ロボット装置２の構造などに応じて種々に設定し得るこ
とはいうまでもない。また、図３では人間３０とロボッ
ト装置２との間の距離が長めであるため、視線３６と仮
想旋回軸線８とは完全には平行になっていない。このよ
うな状態でも、頭部６を仮想旋回軸線８を中心に揺動さ
せる動作は十分に頭部８を傾げる動作として観察され
る。

【００２６】［実施例２］また、座標変換装置２０は、
具体的には次のような座標変換を行うものとすることが
できる。すなわち、テレビカメラ１８によって撮影した
画像は、仮想旋回軸線８が前方に傾倒しているため頭部
６の左右方向での揺動量に応じて傾いたものとなる。頭
部６が正面を向いたとき、すなわち左右に揺動していな
いときを揺動量０度として、頭部６の左右への揺動量を
θ↓ＬＲとする。このとき、テレビカメラ１８によって
得られる画像の傾きθ↓Ｓ度は次の式によって表され
る。

【００２７】

【数２】θ↓Ｓ＝ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎθ↓ｂ×ｓｉｎ
θ↓ＬＲ）なお、式中、θ↓ｂは仮想旋回軸線８の垂直線を基準に
した傾倒角度を表している。したがって、テレビカメラ
１８が撮影した画像情報を−θ↓Ｓ度回転させる座標変
換処理を画像情報に対して施せば、テレビカメラ１８が
撮影した画像の傾きを補正することができる。

【００２８】［実施例３］また、第１の車輪２２が障害
物を乗り越えるためには、第１の車輪２２の駆動手段は
十分な駆動トルクを持っている必要があるが、必要な駆
動トルクは次のようにして決めることができる。図５の
側面図に示したように、第１の車輪２２の前端部２６
が、第１の車輪２２の半径より、高さが低い床の段差部
３４に当接し、第１の車輪２２が床に接している箇所３
８から第１の車輪２２が段差部３４に当接している箇所
４０までの水平距離をＬ↓ｃ、第１の車輪２２にかかる
荷重をＷとした場合、駆動トルクＦは、

【００２９】

【数３】Ｆ＞Ｗ×Ｌ↓ｃを満たす必要がある。そして、第１の車輪２２の中心軸
４２を中心に、第１の車輪２２の地面との接触箇所３８
と段差部３４との当接箇所４０との成す角度θ↓ｃは、
ｃを段差部３４の高さ、Ｄを第１の車輪２２の半径とし
てｃｏｓθ↓ｃ＝１−ｃ／Ｄを満たすので、この式から
角度θ↓ｃを求め、そして水平距離Ｌ↓ｃを求めること
ができる。したがって、駆動トルクＦは第１の車輪２２
の半径Ｄに左右され、具体的には第１の車輪２２の半径
Ｄが大きいほど駆動トルクＦは小さくてもよいことにな
る。

【００３０】一例として、ロボット装置２の本体重量が
５ｋｇの場合、高さが３ｃｍの段差部３４を乗り越える
ためには、第１の車輪２２の直径が１５ｃｍなら、第１
の車輪２２の駆動手段として駆動トルクが５．８８Ｎｍ
のものを用いればよい。また、第１の車輪２２は、段差
部３４への当接箇所４０が、胴部４の前端部２８より前
方に例えば１ｃｍ程度突出させておけば、胴部４の前端
部の下端４４が段差部３４に従来のように当接すること
はなく、段差部３４を円滑に乗り越えることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、胴部と、
その上に配置された頭部と、頭部の駆動手段とを含み、
前記頭部が、前記胴部に対して前後に揺動可能で、かつ
概ね上下方向に延在する仮想旋回軸線を中心に左右に揺
動可能な状態で取り付けられ、前記頭部の駆動手段によ
り駆動されて前後に揺動すると共に前記仮想旋回軸線を
中心に左右に揺動するロボット装置において、前記仮想
旋回軸線は前方に傾倒し、前記頭部に搭載されて周囲を
撮影する撮像手段をさらに含み、前記頭部が左右に揺動
している場合に、前記撮像手段が撮影した第１の画像情
報が、前記仮想旋回軸線がほぼ垂直であると仮定した場
合にその状態で前記撮像手段が撮影する第２の画像情報
と等価な画像情報となるように、前記第１の画像情報に
対して座標変換処理を施す座標変換手段を備えたことを
特徴とする。

【００３２】すなわち、本発明のロボット装置では、頭
部は、前方に傾倒した仮想旋回軸線を中心にして左右に
揺動するので、人間が斜め上から見下ろしてロボット装
置の頭部を見ている状態で、頭部を左または右に揺動さ
せると、この動作は首を傾げる動作に見える。そして、
首を傾げる動作は頭部を単に左右に揺動させるのみのき
わめて簡単な動作により実現でき、したがって複雑な機
構はいっさい不要である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるロボット装置の一例を示す側面図
である。

【図２】図１のロボット装置と人間との位置関係を示す
側面図である。

【図３】図１のロボット装置が首を傾げる動作した場合
を示す正面斜視図である。

【図４】テレビカメラにより撮影した画像情報の補正動
作に係わるフローチャートである。

【図５】図１のロボット装置の要部側面図である。

【図６】頭部が左右方向および前後方向に揺動可能な従
来のロボット装置の一例を示す側面図である。

【図７】従来のロボット装置が頭部を右に揺動させ、か
つ前後に揺動させた状態を示す正面斜視図である。

【図８】図６のロボット装置の要部側面図である。

【符号の説明】

２……ロボット装置、４……胴部、６……頭部、８……
仮想旋回軸線、１０……支持部材、１２……支軸、１４
……頭部支持手段、１６……前面、１８……テレビカメ
ラ、２０……座標変換装置、２２……第１の車輪、２４
……キャスタ、２６……前端部、２８……前端部、３０
……人間、３２……左端部、３４……段差部、３６……
視線、３８……箇所、４０……箇所、４２……中心軸、
４４……下端、１０２……ロボット装置、１０４……胴
部、１０６……支持部材、１０８……仮想旋回軸線、１
１０……頭部、１１２……支軸、１１４……テレビカメ
ラ、１１６……車輪、１１８……キャスタ、１２０……
段差。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 13/08 A63H 11/00 B25J 5/00 A63H 11/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】胴部と、その上に配置された頭部と、頭
部の駆動手段とを含み、前記頭部は、前記胴部に対して
前後に揺動可能で、かつ概ね上下方向に延在する仮想旋
回軸線を中心に左右に揺動可能な状態で取り付けられ、
前記頭部の駆動手段により駆動されて前後に揺動すると
共に前記仮想旋回軸線を中心に左右に揺動するロボット
装置において、前記仮想旋回軸線は前方に傾倒し、前記頭部に搭載されて周囲を撮影する撮像手段をさらに
含み、前記頭部が左右に揺動している場合に、前記撮像手段が
撮影した第１の画像情報が、前記仮想旋回軸線がほぼ垂
直であると仮定した場合にその状態で前記撮像手段が撮
影する第２の画像情報と等価な画像情報となるように、
前記第１の画像情報に対して座標変換処理を施す座標変
換手段を備えたことを特徴とするロボット装置。
【請求項２】相互に間隔をおいて前記胴部の上面に立
設された１対の支持部材と、支持部材の上端部に支持さ
れ前記１対の支持部材の上端部を結ぶ仮想軸線と平行に
延在する支軸とを含み、前記頭部は前記１対の支持部材
の間に配置されて前記支軸により前後に揺動可能に支持
されていることを特徴とする請求項１記載のロボット装
置。
【請求項３】前記仮想旋回軸線を中心に揺動可能な状
態で前記胴部に配設されて前記１対の支持部材を支持
し、前記駆動手段により駆動され揺動する頭部支持手段
を含むことを特徴とする請求項２記載のロボット装置。
【請求項４】前記座標変換手段は、前記仮想旋回軸線
を中心にした前記頭部の揺動角度をθ↓ＬＲ度、垂直線
を基準にした前記仮想旋回軸線の傾倒角度をθ↓ｂ度と
して、前記第１の画像情報を、−ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ
θ↓ｂ×ｓｉｎθ↓ＬＲ）度だけ回転させる座標変換処
理を前記第１の画像情報に対して施すことを特徴とする
請求項１記載のロボット装置。
【請求項５】前記撮像手段はテレビカメラであること
を特徴とする請求項１記載のロボット装置。