JP3914928B2 - ロボット - Google Patents

Description

本発明はロボットに関し、特に目玉や瞼が設けられた顔を有するロボットの表情を任意に変化させて、例えば人間のように豊かな表情を表現可能にするロボットに関する。

最近、ロボットは、種々の分野で使用されている。単に作業者に代わって、高温、高湿、有害ガスその他の劣悪な環境で又は単純な作業を反復する場合にも多数のロボットが使用されている。これらの単純作業ロボットは、一般に人間の如き顔を備えることなく、単に要求される作業に合致する機能のみを追及した表情のない又は機械的なものであるのが普通である。

しかし、幼児に与えられる玩具、人間に代わって人間と同様に、例えば案内作業や展示品の解説等を行うロボット、身体不自由者や老人等の介護を行う介護ロボット又は年齢に関係なく多くの人に安らぎを与えるペットとしての機能を有する愛玩用ロボット等の多数のロボットが開発され広く市販されている。

斯かるロボットの中には、人工知能や各種センサを備えているものがある。それらのロボットは、一般に人間や動物（例えば、犬等）の外見を有し、それらのユーザの声や手等による接触に応答して種々の表情を表現可能なものがある。表情を表現するには、体全体の動きやそれが発する声と共に顔に設けられた目玉や瞼が重要な働きをすることが経験的に知られている。

従来、目玉や瞼を動作させて表情を表現するロボットや人形が知られている。例えば、起き上がらせ又は抱きかかえると目を開け、寝かせると瞼を閉じる人形が知られている。更に、人形玩具の頭部に取り付けられた眼球体を任意の方向に回転可能にする眼球駆動装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、人形に取り付けられた目玉と瞼を、カム機構を使用して連動させる人形の目玉と瞼の連動装置および目玉と瞼が連動する人形玩具が開示されている（例えば、特許文献２および３参照。）。更に、人間との高い親和性を確保すると共に小型軽量でメンテナンス性を向上する眼球駆動機構、眼瞼部駆動機構および眉毛部駆動機構を備えるロボットの目・眉機構が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。
特開平５-２８５２７４号公報（第３-４頁、第５図） 特開平６−３０４３３８号公報（第２-３頁、第１図） 特開平６−３０４３３９号公報（第４頁、第３図） 特開２００３-２６５８６９号公報（第３頁、第１-３図）

上述の如き従来技術は、人形やロボットに姿勢に拘わらず目玉や瞼を自由に変化することができないか、瞼の開閉および目玉の上下左右の回転移動を独立して制御する機構がない又は機構が複雑になり、ロボットの表情の自由な表現が困難であるという課題があった。

本発明は、従来技術の上述した課題に鑑みなされたものであり、簡単な構成で目玉および瞼を独立して動作させることにより人間の顔のように豊かな表情を表現可能なロボットを提供することを目的とする。

前述の課題を解決するため、本発明によるロボットは、次のような特徴的な構成を採用している。

（１）目玉および該目玉を覆う瞼を設けた顔を有し、前記目玉の回転および前記瞼を開閉することにより前記顔の表情を変化させるロボットにおいて、
前記目玉を連続的に回転駆動する駆動源と、
該駆動源と並行して動作でき、前記目玉を少なくとも２つの方向へ向かせる目玉の向き変動手段と、
前記目玉および前記瞼の対向部に前記目玉の特定の回転駆動により係合する係合部を有し、前記目玉の回転駆動に連動して前記目玉および前記瞼を係合させて前記瞼を開閉動作させる瞼駆動手段と、
を備えるロボット。

（２）前記駆動源は前記目玉毎に設けられたモータであり、前記変動手段は前記モータとギアを介して連結されたロータリーソレノイドであり、前記瞼駆動手段の有する前記係合部は、前記瞼の内側に形成されたガイド部および前記目玉に形成されたピン部である上記（１）に記載のロボット。

（３）前記モータ、前記ギア、前記ロータリーソレノイドおよび前記目玉は、基部に一体的に取り付けられて目玉回転機構を構成する上記（２）に記載のロボット。

（４）前記瞼は、前記顔の内面に取り付けられ、前記目玉回転機構の前面に組み立てられる上記（３）に記載のロボット。

（５）目玉および該目玉の前面に配置され前記目玉の前面を選択的に開閉する瞼が設けられた顔を有し、前記目玉を回転および前記瞼を開閉することにより前記顔の表情を変化させるロボットにおいて、
前記瞼は前記顔の裏側に固定された取付部に回転軸を介して回転可能に取り付けられ、前記目玉は前記瞼の裏側に前記目玉を連続的に回転させながら前記目玉の方向を少なくとも２つの方向に向かせる目玉回転機構により取り付けられ、前記瞼および前記目玉の対向部に係合部が形成され、前記目玉回転機構の特定の回転移動で前記係合部が係合して前記瞼を開閉させるロボット。

（６）前記目玉回転機構は、基部と、該基部に取り付けられた回転駆動源と、該回転駆動源にギアを介して設けられ前記目玉の方向を変動するロータリーソレノイドとにより構成される上記（５）に記載のロボット。

（７）前記係合部は、前記瞼の内側に形成されたガイド部および前記目玉に形成されたピン部である上記（５）又は（６）に記載のロボット。

本発明によると、次の如き実用上の顕著な効果が得られる。先ず、左右の目玉および瞼をそれぞれ独立して動作させたい場合に、従来６個のアクチュエータ（駆動装置）が必要であったが、本発明によると４個のアクチュエータで人間の顔の如き多彩な表情を表現可能であり、構成が簡単且つ安価となる。

また、回転自由度分の駆動源を使用する必要がなく、４個のアクチュエータのうち、２個は安価且つ軽量なものを使用可能であるので、消費電力の低減が可能である。更に、必要な部品点数が少なく且つ構成が簡単であるので、ロボット全体を軽量化が図れ、ロボットの運動特性を向上させることが可能である。

以下、本発明によるロボットの好適実施例の構成および動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。

先ず、図１は、本発明によるロボットの第１実施例の主要部である顔の基本構成を示すロボットの裏側から見た図である。このロボットのプレート（板）状の顔２の内面には、左右１対の瞼１がそれぞれ瞼用の回転軸１ａにより取付部２ａに回転可能に取り付けられている。後述する如く、これら１対の瞼１の裏側には１対の目玉（眼球）が回転可能に取り付けられている。

次に、図１乃至図４を参照して、本発明によるロボットの第１実施例の構成を更に詳細に説明する。図２は、図１に示すロボットの顔２に設けられる１対の瞼１の内側形状を示す拡大図である。図３は、ロボットの顔２に設けられた瞼１の背後に配置される目玉回転機構の斜視図である。また、図４は、図３に示す目玉回転機構と瞼１を有する顔２の組立状態を示す斜視図である。

図１に示す如く、ロボットの顔２の裏側に、１対の瞼１が、例えば顔２の裏面に設けられたリブ等の瞼支持部（取付部）２ａに取り付けられている。１対の瞼１は瞼回転軸１ａを回転中心として、回転して瞼１の開閉動作を行うことが可能である。また、図２に示す如く、１対の瞼１の内側には、図３を参照して後述する如く１対の目玉３のピン部３ａと係合して、目玉３の特定方向への回転により瞼１を開閉する瞼開閉手段を構成するガイド部１ｂが形成されている。

次に、図３を参照する。目玉回転機構は、例えば断面が倒立した略Ｕ字状の基部４、１対の回転駆動源（モータ）５、ギア７、８、ギア取付板９および１対のロータリーソレノイド１０により構成される。ここで、基部４は、適当な強度を有する、例えばアルミニウム等の金属板を折り曲げて形成され、ロボット本体の頭部（図示せず）に取り付けられる。駆動源５は、例えばこの基部４に一定間隔で取り付けられるモータである。このモータ（駆動源）５の回転軸に第１ギア７がそれぞれ取り付けられ、この第１ギア７に第２ギア８がそれぞれかみ合わされ、駆動源５の回転速度を希望する速度に速度変換する。ギア８は、それぞれギア取付板９により基部４に取り付けられている。また、各ギア８には、それぞれ目玉３が取り付けられたロータリーソレノイド１０が固定されている。

更に、図３に示す如く、各ロータリーソレノイド１０の前面には、目玉３が固定されている。また、各目玉３には、瞼１を連動させるためのピン部３ａが設けられている。図４に示す如く、図３に示す目玉回転機構の前面に、図１に示すロボットの顔２を裏表反転して組み立てられる。即ち、１対の目玉３が顔２の１対の瞼１の裏側に位置するように目玉回転機構、１対の目玉３および１対の瞼１を有する顔２が組み立てられる。

次に、図５乃至図８を参照して、本発明によるロボットの目玉３および瞼１を回転移動させることによりロボットの表情を表現する動作を説明する。図５は、左右の目玉３の回転運動を示す図である。図６は、目玉による表情表現方法の説明図である。図７は、目玉と瞼の位置関係を説明する図である。また、図８は、左右の目玉の種々の回転動作を説明する図である。

先ず、図５を参照する。図３を参照して上述した１対のロータリーソレノイド１０は、ＯＮ又はＯＦＦ動作可能である。ロータリーソレノイド１０のＯＦＦ状態およびＯＮ状態を、それぞれ図５（Ａ）および（Ｂ）に示す。左右１対のロータリーソレノイド１０は、それぞれ独立してＯＮ／ＯＦＦ動作可能である。ロータリーソレノイド１０をＯＮ←→ＯＦＦ（又はＯＦＦ←→ＯＮ）させると、目玉３は図５（Ａ）および（Ｂ）に示す如く正面←→任意位置の動きをする。更に、駆動源５を動作させると、ギア７、ギア８、ロータリーソレノイド１０および目玉３が回転する。そして、目玉３に
設けられたピン部３ａが、図７に示す如く瞼１の内側のガイド部１ｂを通る場合には、瞼１が開閉する。

次に、本発明のロボットにおいて、上述した目玉回転機構を動作させて、左右の目玉３の向きを任意位置に回転する「目玉表現」および瞼１を動作させてロボットの種々の表情を表現する「瞼表現」について説明する。

（目玉表現）
先ず、図６を参照して目玉の表現方法について説明する。図６（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、
本発明によるロボットの顔２の目玉による異なる表情を示す。例えば、ロボットの顔２の目玉３が図６（Ａ）→図６（Ｃ）の如き動きをする場合には、
（１）図３における駆動源５を回転して目玉３を目標の向きに回転させる。
（２）ロータリーソレノイド１０をＯＮ（又はＯＦＦ）させて、目玉３が目標の向きを向くようにする。

また、ロータリーソレノイド１０をＯＮ（又はＯＦＦ）させたままで、図３における駆動源５により目玉３を回転すると、図８に示す如く目玉３が連続して回転する表現となる。尚、図８（Ａ）は、左右の目玉３が同一方向へ回転する場合を示す。即ち、図８（Ａ）は、左側に左右の目玉３が共に右（時計方向）回転する場合を示し、右側に左右の目玉３を左（反時計方向）回転する場合を示す。一方、図８（Ｂ）は、左右の目玉３を相互に逆回転して、大げさな驚き（又はひょうきんさ）を表現する。

（瞼表現）
図６を参照して、（Ａ）に示す向きが瞼１上のピン部３ａの中立点とする。図７において、目玉３が中立点から右回転する場合には、ピン部３ａが瞼１の内側のガイド部１ｂを通るため、瞼１が閉じる。一方、中立点から左回転する場合には、瞼１を動かすための部材が瞼１の内側にないため、瞼１は閉じない。つまり、目玉３が中立点から左回転する場合に、任意の向きでの目玉３の動きを表現する。このとき、目玉３が常に正面を向いた状態で、目玉３が中立点から右回転すれば、目玉３は動いていないように見え、瞼１のみが閉じる動きとなる。また、目玉３の回転は任意（自由）であるため、瞼１の開閉程度も任意となる。

以上、本発明によるロボットの好適実施例について詳述した。しかし、斯かる実施例は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。例えば、上述した好適実施例においては、図３において２個の駆動源５を使用していたが、これを１個としてベルトや歯車列等で左右の目玉および瞼を連結して駆動することにより、左右の動きを連動させることも可能である。但し、この場合には、ベルトや歯車列等の選定方法により、図８（Ａ）の左右同方向の回転又は図８（Ｂ）の左右逆回転の何れか一方しか、左右が独立した動きにはならないという制約がついてしまう。尚、ギア切替手段を使用する場合には、この限りではない。

また、ロータリーソレノイドは、物理的制約を受けない場合又は小型であれば、他の動力源と代替可能である。また、比例ロータリーソレノイド等の如く、２値のみでなくその制御値が任意にできるものであれば、ロボットに一層細かな表情を表現可能である。更に、上述した好適実施例においては、瞼と目玉はそれぞれ２個ずつであるが、本発明は瞼と目玉の数には制限されず、各々１個又は３個以上であっても適用可能である。

本発明によるロボットの主要部である顔の裏側から見た図である。 図１に示す瞼の内側を示す拡大図である。 本発明によるロボットの目玉回転機構の構成を示す斜視図である。 図３の目玉回転機構の前面に図１に示す顔を組み立てた組立状態の斜視図である。 本発明によるロボットの目玉回転機構のロータリーソレノイドの駆動状態を説明する図である。 本発明によるロボットの目玉表現の説明図である。 本発明によるロボットの目玉と瞼の関係を説明する図である。 本発明によるロボットの左右目玉の回転動作を説明する図である。

符号の説明

１ 瞼
１ａ 瞼の回転軸
１ｂ ガイド部
２ 顔
２ａ 瞼の取付部
３ 目玉
３ａ ピン部
４ 基部
５ 回転駆動源
７、８ ギア
９ ギア取付板
１０ ロータリーソレノイド

Claims (7)

1. 目玉および該目玉を覆う瞼を設けた顔を有し、前記目玉の回転および前記瞼を開閉することにより前記顔の表情を変化させるロボットにおいて、
   前記目玉を連続的に回転駆動する駆動源と、
   該駆動源と並行して動作でき、前記目玉を少なくとも２つの方向へ向かせる目玉の向き変動手段と、
   前記目玉および前記瞼の対向部に前記目玉の特定の回転駆動により係合する係合部を有し、前記目玉の回転駆動に連動して前記目玉および前記瞼を係合させて前記瞼を開閉動作させる瞼駆動手段と、
   を備えることを特徴とするロボット。
2. 前記駆動源は前記目玉毎に設けられたモータであり、前記変動手段は前記モータとギアを介して連結されたロータリーソレノイドであり、前記瞼駆動手段の有する前記係合部は、前記瞼の内側に形成されたガイド部および前記目玉に形成されたピン部であることを特徴とする請求項１に記載のロボット。
3. 前記モータ、前記ギア、前記ロータリーソレノイドおよび前記目玉は、基部に一体的に取り付けられて目玉回転機構を構成することを特徴とする請求項２に記載のロボット。
4. 前記瞼は、前記顔の内面に取り付けられ、前記目玉回転機構の前面に組み立てられることを特徴とする請求項３に記載のロボット。
5. 目玉および該目玉の前面に配置され前記目玉の前面を選択的に開閉する瞼が設けられた顔を有し、前記目玉を回転および前記瞼を開閉することにより前記顔の表情を変化させるロボットにおいて、
   前記瞼は前記顔の裏側に固定された取付部に回転軸を介して回転可能に取り付けられ、前記目玉は前記瞼の裏側に前記目玉を連続的に回転させながら前記目玉の方向を少なくとも２つの方向に向かせる目玉回転機構により取り付けられ、前記瞼および前記目玉の対向部に係合部が形成され、前記目玉回転機構の特定の回転移動で前記係合部が係合して前記瞼を開閉させることを特徴とするロボット。
6. 前記目玉回転機構は、基部と、該基部に取り付けられた回転駆動源と、該回転駆動源にギアを介して設けられ前記目玉の方向を変動するロータリーソレノイドとにより構成されることを特徴とする請求項５に記載のロボット。
7. 前記係合部は、前記瞼の内側に形成されたガイド部および前記目玉に形成されたピン部であることを特徴とする請求項５又は６に記載のロボット。

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