JP4036132B2 - 人工手とその人工手を備える管楽器演奏ロボット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動物（典型的にはヒト）の手を模して人工的につくられた手（本明細書では人工手という）に関する技術である。本発明に係る人工手は、隣接する２以上のピストンを有する管楽器を自動演奏するロボットに好適に用いることができる。
なお、本明細書では、動物の指を模して人工的につくられた指のことを人工指という。
【０００２】
【従来の技術】
下記特許文献１には、人工手を有するピアノ演奏ロボットが開示されている。特許文献１に記載のロボットは、ピアノの鍵盤を人工指が押すことによってピアノを自動演奏する。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８―１５６２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
現在、隣接する２以上のピストンを有する管楽器（例えばトランペット）を自動演奏するロボットは存在しない。この種のロボットは、本願出願人によって開発されているところである。そこで本発明は、隣接する２以上のピストンを有する管楽器を自動演奏するロボットに好適に用いられる人工手を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段と作用と効果】
請求項１の発明は、隣接する２以上のピストンを有する管楽器の当該各ピストンを押し下げることができる人工手である。この人工手は、ピストン毎に設けられており、そのピストンを押し下げる人工指と、人工指毎に設けられており、その人工指を駆動するアクチュエータとを有する。一方の人工指と他方の人工指は、ピストン側から反ピストン側に向けて同じ方向に伸びている。そして、この人工手は、アクチュエータの径が隣接するピストン間の距離以上あり、人工手の甲を平面視したときに各人工指が平行に見えるように各アクチュエータを配置していることを特徴とする。
例えばトランペットのピストンを上死点から下死点まで押し下げるためには、それだけのピストンストロークを確保できるように人工指を大きく駆動する必要がある。従って、人工指を駆動するアクチュエータの小型化には限界があり、管楽器の隣接するピストン間距離よりもアクチュエータの径が大きくなる場合がある。この場合、各アクチュエータを単に並列的に配置するだけでは、両端に配置されているピストン間距離よりもアクチュエータ全体の幅が大きくなってしまう。こうなると、各人工指が人工手の手首側に広がるように配置されることになる。例えばトランペットをヒトが演奏するときは人差指と中指と薬指が平行になるのに、それを実現することができず、不恰好な人工手になってしまう。
請求項１の人工手は、各アクチュエータの配置を工夫することによって、人工手の甲を平面視したときに各人工指が平行に見えるようにしている。即ち、一つのアクチュエータを他のアクチュエータと段違いに配置することによって、各人工指を平行に配置できる。本発明によると、見た目がヒトの手に近い人工手を提供することができる。
なお、本発明が管楽器演奏ロボットに用いられる場合、その管楽器演奏ロボットは、管楽器のピストンを人工指が押すことによって音階を変えるものでもよいし、ピストンを押して音階を変えているようにみせかけるものでもよい。
【０００６】
上記した人工手が、前記した各人工指が揺動することによって前記の各ピストンを押し下げるものである場合は、各人工指の指先をローラーで構成することが好ましい。
人工指が揺動することによって楽器のピストンを押し下げると、ピストンを押す過程でピストンと人工指が擦れてしまう。これにより、ピストンがこじるので、ピストンがスムーズに下がらない。本発明は、指先をローラーで構成しているので、人工指とピストンとの間の摩擦を極めて小さくすることができる。
【０００７】
上記した人工手において、前記した各アクチュエータが自己保持型ソレノイドであることが好ましい。
自己保持型ソレノイドを用いると少ない電力で大きな駆動力を与えることができる。
【０００８】
上記の人工手には、前記の管楽器を保持する手段を設けることが好ましい。
例えばトランペットをヒトが演奏する際には、左手でトランペットを保持しながら右手でピストンを押し下げる。この動作を管楽器演奏ロボットにさせると、右手と左手との動きが合わないことがあり、右手でピストンをうまく押せない場合がある。本発明のようにピストンを押す方の人工手（典型的には右手）に管楽器を保持させると、左手と右手の動きを合わせる必要がなく、ピストンをうまく押すことができる。
【００１０】
上記した人工手は、隣接する２以上のピストンを有する管楽器を自動演奏するロボットに具現化することができる。このロボットは、上記の人工手と、管楽器の唇接触部に装着されており、管楽器から音を発生させる演奏用アクチュエータとを備える。
ヒトが管楽器を演奏する際には、管楽器の唇接触部から空気を吹き込む。この動作をロボットにさせると、ロボットの口と管楽器の唇接触部とを管楽器の演奏中に常に合わせておかなければならない。これがなかなか難しい。
本発明に係る管楽器演奏ロボットは、管楽器の唇接触部に演奏用アクチュエータを装着しているので、ロボットの口の位置と管楽器の唇接触部の位置とを合わせる必要がない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
上記各請求項に記載の発明は、下記の形態で好適に実施することができる。
（形態１）各請求項に記載の人工指は、第１位置と第２位置との間を移動する移動部材と、その移動部材に接続されるとともに固定物に揺動可能に保持されている揺動部材等によって構成される。移動部材が第１位置から第２位置に移動することによって、揺動部材は所定方向に揺動して楽器のピストンを押し下げる。移動部材が第２位置から第１位置に移動することによって、揺動部材は上記の所定方向と反対方向に揺動して元の位置に戻る。
（形態２）形態１において、自己保持型ソレノイド（請求項のアクチュエータに相当する）が移動部材を移動させる。
（形態３）形態１又は２において、揺動部材の楽器側の端部にローラを取り付ける。
【００１２】
【実施例】
（第１実施例）図面を参照して、本発明の実施例を説明する。図１は、管楽器演奏ロボット１５０の概略構成を示したものである。管楽器演奏ロボット１５０は、ロボットの動作を制御する制御部１２０と、ロボットを進行させる機構１７０（例えば車輪を用いた機構）と、人工手１０（ヒトの右手に相当する）と、演奏用アクチュエータ１９０等から構成される。この管楽器演奏ロボット１５０は、ヒトが行進しながらトランペットを演奏するように、移動機構１７０によって移動しながらトランペット５０を演奏する（即ちヒューマノイドロボットといえる）。管楽器演奏ロボット１５０は、図示される構成以外にも、人工的につくられた顔やもう一方の人工手（左手）等を備えている。
制御部１２０は、人工手１０、移動機構１７０、及び演奏用アクチュエータ１９０等に対して電気信号を出力し、各装置１０，１７０，１９０等の動作を統括的に制御する。
【００１３】
演奏用アクチュエータ１９０は、トランペット５０の唇接触部５６に装着されている。この演奏用アクチュエータ１９０は、本出願人によって出願された特願２００３−５０５１１号の明細書に記載されているものである。詳しくは説明しないが、演奏用アクチュエータ１９０は、唇接触部５６を覆って配置されている可撓性の膜と、その膜を振動させる振動装置を備えている（これらは図示省略している）。そして、振動数を変えながら膜を振動させることによって音階を変えながらトランペット５０から音を出すことが実現される。
【００１４】
図１における符号５２ａ，５２ｂ，５２ｃは、トランペット５０の演奏用ピストンである。各演奏用ピストン５２ａ，５２ｂ，５２ｃを押して、その突出長さを変えてやることで、トランペット５０から発せられる音階を変化させることができる。上記したように、本実施例における演奏用アクチュエータ１９０は、それ自体で音階を変えることができる。従って、トランペット５０の各ピストン５２ａ等を押す必要はないが、ヒトが演奏している姿に近づけるために人工手１０で各ピストン５２ａ等を押し下げるようにしている。
【００１５】
人工手１０は、自己保持型ソレノイド３０，３２，３４と、人工指１００，１０２，１０４等から構成される。人工手１０の各人工指１００，１０２，１０４によって、トランペット５０の各ピストン５２ａ，５２ｂ，５４ｃが押し下げられる。図２から図４を参照して、人工手１０の構造を詳しく説明する。図２は、管楽器演奏ロボット１５０の人工手１０の斜視図である。図３には、人工手１０がトランペット５０を保持する様子が示されている。図４は、人工手１０の平面図である。
図２によく示されるように、人工手１０は、三本の人工指１００，１０２，１０４を有している。以下では、右の人工指１００を右人工指と記載し、真ん中の人工指１０２を中人工指と記載し、左の人工指１０４を左人工指と記載する。人工手１０は、三本の人工指１００，１０２，１０４を支えるための基台１２，１４を有している。以下では、基台１２のことを第１基台と記載し、基台１４のことを第２基台と記載する。第１基台１２と第２基台１４は、相互に接続されることによって、一枚の板状に形成されている。
【００１６】
まず、右人工指１００の構成を説明していく。右人工指１００は、板状部材２０と棒状部材４０とＬ字状部材６０とローラ７０等から構成されている。この右人工指１００は、自己保持型ソレノイド３０によって駆動される。第２基台１４には板状部材２０が接続されている。板状部材２０は、第２基台１４に対して垂直になるように接続されている。板状部材２０は、第１基台１２の上方を伸びている。板状部材２０に、自己保持型ソレノイド３０の箱体３０ａが固定されている。箱体３０ａは、略直方体形状を有しているとともに、四角形の孔が貫通している。箱体３０ａの内部（四角形の孔の部分）には、コイル、磁石、バネ（これらは図示省略している）、及び可動鉄心３０ｃを収納しているケーシング３０ｂが固定されている。ケーシング３０ｂは円柱形状を有している。可動鉄心３０ｃは、その一部がケーシング３０ｂの外にはみ出ている（はみ出た部分が各図で視認できるのである）。図３によく示されるように、箱体３０ａのトランペット５０側の面には円形の孔３０ｄが設けられている。この孔３０ｄはケーシング３０ｂと連通している。可動鉄心３０ｃは、ケーシング３０ｂに収納される方向とその反対方向に移動可能である。
【００１７】
本実施例では公知の自己保持型ソレノイドを用いているために、自己保持型ソレノイドに関しての詳しい説明を省略する。ここでは、本実施例における自己保持型ソレノイド３０について簡単に説明しておく。自己保持型ソレノイド３０は、コイルの励磁により移動する可動鉄心３０ｃを有している。この可動鉄心３０ｃは、コイルに流す電流の向きによって、ケーシング３０ｂ側に移動したり、反ケーシング３０ｂ側に移動したりする。自己保持型ソレノイド３０は、可動鉄心３０ｃを移動させるときにだけコイルに通電すればよく、可動鉄心３０ｃをどちらかの移動端に維持させる間は通電しなくてよい。このために、非常に小さい電力量で可動鉄心３０ｃを駆動することができる。
管楽器演奏ロボット１５０は、移動機構１７０等の多くの部材を駆動する必要があるために大電力を必要とする。従って、管楽器演奏ロボット１５０には、小さい電力で人工指を駆動できる自己保持型ソレノイドが好適である。
【００１８】
自己保持型ソレノイド３０の可動鉄心３０ｃには、棒状部材４０の一端が接続されている。棒状部材４０の他端はＬ字状部材６０に接続されている。Ｌ字状部材６０は、板状部材２０の端部にピン６０ａを介して回転可能に取り付けられている。即ち、ピン６０ａがＬ字状部材６０の揺動支点になる。このピン６０ａの部分がヒトの指の関節に相当する。Ｌ字状部材６０の反棒状部材４０側の端部には、ローラ７０が接続されている。このローラ７０の構成は後で詳しく説明する。なお、図３では、Ｌ字状部材６０、ピン６０ａ、及びローラ７０を図示省略している。
【００１９】
中人工指１０２と左人工指１０４も、上記した右人工指１００と同様の構成をしている。即ち、符号２２，２４は右人工指１００の板状部材２０に相当し、符号４２，４４は棒状部材４０に相当し、符号６２，６４はＬ字状部材６０に相当し、符号７２，７４（図４参照）はローラ７０に相当する。また、符号３２，３４は自己保持型ソレノイド３０に相当する。各人工指１００，１０２，１０４の間で異なる構成といえば、中人工指１０２の板状部材２２が第１基台１２と第２基台１４の双方にわたって接続されていることである。また、図２によく示されるように、自己保持型ソレノイド３２が、他の２つの自己保持型ソレノイド３０，３４と異なる高さに位置している（即ち、自己保持型ソレノイド３２が、他の２つの自己保持型ソレノイド３０，３４と段違いに配置されている）。図３に示されるように、自己保持型ソレノイド３０の径Ｔ２は、トランペット５０の隣接するピストン間の距離Ｔ１よりも大きい。本実施例では、自己保持型ソレノイド３２を段違いに配置することによって、自己保持型ソレノイド３２と自己保持型ソレノイド３０（又は自己保持型ソレノイド３４）とを重ねて配置することを可能にしている。これにより、人工手１０の甲を平面視したときに各人工指１００，１０２，１０４が平行になっている（この様子は図４の平面図をみるとよくわかる）。
【００２０】
図３に示されるように、上記した人工手１０はトランペット５０を保持している。ここでは、どのようにしてトランペット５０を保持しているのかを簡単に説明しておく。第２基台１４には、第３基台９０が接続されている。第３基台９０は、長方形状の板状部材である。この第３基台９０の上面にトランペット５０の管５４が載置されている。また、第２基台１４には、トランペットクランプ機構８０が接続されている（これは図２や図４でもよく示されている）。トランペットクランプ機構８０は、トランペット５０の管５４を強固に挟持する。
本実施例では、トランペット５０のピストン５２ａ等を押す方の人工手（即ち右手）１０がトランペット５０を保持する。これにより、トランペット５０が人工手１０に対して位置決めされるために、各人工指１００，１０２，１０４と各ピストン５２ａ，５２ｂ，５２ｃとの位置がズレることがなく、各ピストン５２ａ，５２ｂ，５２ｃをうまく押すことができる。
【００２１】
図１や図３を見るとよくわかるが、人工指１００，１０２，１０４毎に、その人工指が押す演奏用ピストン５２ａ，５２ｂ，５４ｃが決められている。人工指１００は演奏用ピストン５２ａに対応しており、人工指１０２は演奏用ピストン５２ｂに対応しており，人工指１０４は演奏用ピストン５２ｃに対応している。各人工指１００，１０２，１０４が対応する演奏用ピストン５２ａ，５２ｂ，５４ｃを押し下げることができるように、トランペット５０を保持する位置が位置決めされている。
【００２２】
図５には、左人工指１０４の側面図が示されている。図５を参照して、左人工指１０４のローラ７４の構造について詳しく説明する。Ｌ字状部材６４の反棒状部材４４側の端部には、一対の接続部材７４ａ，７４ａが固定されている（対になっている様子は図４によく示されている）。接続部材７４ａ，７４ａには、ローラ本体７４ｂが回転可能に取り付けられている。接続部材７４ａ，７４ａとローラ本体７４ｂとによってローラ７４が構成されている。
【００２３】
ここでは、同じく図５を参照して左人工指１０４の動作について説明する。図５は、可動鉄心３４ｃが最も突出した位置（ケーシング３４ｂから最もはみ出た位置）を示している。この状態で自己保持型ソレノイド３４のコイルに通電すると、可動鉄心３４ｃが矢印Ｄ２方向に移動する。すると、可動鉄心３４ｃに接続されている棒状部材４４も矢印Ｄ２方向に移動する。これにより、Ｌ字状部材６４がピン６４ａを支点として矢印Ｄ３方向に揺動し、ローラ本体７４ｂが演奏用ピストン５２ｃを押し下げる。このとき、ローラ本体７４ｂが回転しながら演奏用ピストン５２ｃを押すことになるために、ローラ本体７４ｂと演奏用ピストン５２ｃとの間に摩擦がほとんど生じない。このために、ローラ本体７４ｂや演奏用ピストン５２ｃが傷みにくい。また、ピストン５２ｃがこじてしまってピストン５２ｃがうまく下がらないといった問題が起こらない。
演奏用ピストン５２ｃを下方に押し下げると、自己保持型ソレノイド３４の通電をやめる。通電をやめたとしても可動鉄心３４ｃはそのままの位置を保持するので、演奏用ピストン５２ｃは下方に押し下げられたままである。
下方に押された演奏用ピストン５２ｃを上方に戻すときは、自己保持型ソレノイド３４のコイルに逆方向の電流を供給する。すると、可動鉄心３４ｃが矢印Ｄ１方向に移動するので、Ｌ字状部材６４が矢印Ｄ４方向に揺動する。これにより、演奏用ピストン５２ｃを押え付ける力が解除されて演奏用ピストン５２ｃが上方に移動する。このときも、ローラ本体７４ｂと演奏用ピストン５２ｃとの間に摩擦がほとんど発生しないために、ローラ本体７４ｂや演奏用ピストン５２ｃが傷みにくい。
右人工指１００や中人工指１０２も、上記した左人工指１０４と同様に動作する。本実施例のロボット１５０は、各人工指１００，１０２，１０４を別々に駆動するために、ヒトがトランペットを演奏しているかのようにリアルに見える。
【００２４】
（第２実施例） ここでは第１実施例と異なる点を説明する。第１実施例では、人工指１００，１０２，１０４の指先をローラ７０，７２，７４で構成していた。本実施例では、人工指１００，１０２，１０４の指先をスポンジ材と低摩擦テープによって構成する。図６に、人工指１００の先端の断面図を示している。Ｌ字状部材６０にはスポンジ材１１０が接着している。そして、そのスポンジ材１１０を覆うようにして低摩擦テープ１１２が接着している。このようにしても第１実施例と同様の効果を得ることができる。即ち、人工指１００と演奏用ピストン５２ａが傷みにくい。
【００２５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００２６】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 楽器演奏ロボットの概略構成を示す。
【図２】 楽器演奏ロボットの人工手の斜視図を示す。
【図３】 人工手がトランペットを保持している様子を示す。
【図４】 人工手の平面図を示す。
【図５】 左人工指の側面図を示す。
【図６】 第２実施例の右人工指の断面図を示す。
【符号の説明】
Ｄ１，Ｄ２・・可動鉄心の移動方向
Ｄ３，Ｄ４・・Ｌ字状部材の揺動方向
Ｔ１・・ピストン間の距離
Ｔ２・・自己保持型ソレノイド（アクチュエータ）の径
１０・・人工指
１２・・第１基台
１４・・第２基台
２０，２２，２４・・板状部材
３０，３２，３４・・自己保持型ソレノイド
３０ａ，３２ａ，３４ａ・・箱体
３０ｂ，３２ｂ，３４ｂ・・ケーシング
３０ｃ，３２ｃ，３４ｃ・・可動鉄心
３０ｄ，３２ｄ，３４ｄ・・箱体に設けられた孔
４０，４２，４４・・棒状部材
５０・・トランペット
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ・・演奏用ピストン
６０，６２，６４・・Ｌ字状部材
６０ａ，６２ｂ，６４ｃ・・ピン
７０，７２，７４・・ローラ
７０ａ，７２ａ，７４ａ・・接続部材
７０ｂ，７２ｂ，７４ｂ・・ローラ本体
８０・・トランペットクランプ機構
９０・・第３基台
１００・・右人工指
１０２・・中人工指
１０４・・左人工指
１１０・・スポンジ部材
１１２・・低摩擦テープ
１２０・・制御部
１５０・・楽器演奏ロボット
１７０・・移動機構

Claims (7)

1. 隣接する２以上のピストンを有する管楽器の当該各ピストンを押し下げることができる人工手であり、
   一方のピストンと他方のピストンのそれぞれに設けられており、そのピストンを押し下げる人工指と、
   一方の人工指と他方の人工指のそれぞれに設けられており、その人工指を駆動するアクチュエータとを有し、
   一方の人工指と他方の人工指は、ピストン側から反ピストン側に向けて同じ方向に伸びており、
   アクチュエータの径が隣接するピストン間の距離以上あり、
   人工手の甲を平面視する方向において一方のアクチュエータと他方のアクチュエータとが段違いに配置されていることにより、人工手の甲を平面視したときに一方の人工指と他方の人工指とが平行に見えることを特徴とする人工手。
2. 前記各人工指が揺動することによって前記各ピストンを押し下げる請求項１の人工手であり、
   前記各人工指の指先がローラーで構成されていることを特徴とする人工手。
3. 前記各アクチュエータが自己保持型ソレノイドであることを特徴とする請求項１又は２の人工手。
4. 前記管楽器を保持する手段を有する請求項１から３のいずれかの人工手。
5. 隣接する３つのピストンを有する管楽器の当該各ピストンを押し下げることができる請求項１から４のいずれかの人工手であり、
   ３つのピストンのそれぞれに人工指が設けられており、
   ３つの人工指のそれぞれにアクチュエータが設けられており、
   ３つの人工指は、ピストン側から反ピストン側に向けて同じ方向に伸びており、
   人工手の甲を平面視する方向において、両サイドの２つのアクチュエータは同じ高さに配置されているとともに、真ん中のアクチュエータが前記両サイドの２つのアクチュエータと段違いに配置されていることにより、人工手の甲を平面視したときに各人工指が平行に見えることを特徴とする人工手。
6. 各人工指は、対応するアクチュエータに接続されているとともに第１位置と第２位置との間を移動する移動部材と、その移動部材に接続されているとともに固定物に揺動可能に保持される揺動部材とを有し、
   移動部材が第１位置から第２位置に移動することによって、揺動部材が所定方向に揺動して管楽器のピストンを押し下げ、
   移動部材が第２位置から第１位置に移動することによって、揺動部材が前記所定方向と反対方向に揺動して元の位置に戻る
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれかの人工手。
7. 隣接する２以上のピストンを有する管楽器を自動演奏するロボットであり、
   請求項１から６のいずれかの人工手と、
   管楽器の唇接触部に装着されており、管楽器から音を発生させる演奏用アクチュエータとを備える管楽器演奏ロボット。

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