JP4635398B2

JP4635398B2 - ロボット装置

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Publication number: JP4635398B2
Application number: JP2001268129A
Authority: JP
Inventors: 遊広野; 亘小久保
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-09-04
Filing date: 2001-09-04
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2021-09-04
Also published as: JP2003071773A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本体部に対して可動する可動部を有し、該可動部を介して信号を伝達するロボット装置に関し、可撓性回路基板を用いて信号を可動部に伝導するロボット装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気的又は磁気的な作用を用いて人間（生物）の動作に似た運動を行う機械装置を「ロボット」という。我が国においてロボットが普及し始めたのは、１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化等を目的としたマニピュレータや搬送ロボット等の産業用ロボット（Industrial Robot）であった。
【０００３】
最近では、人間のパートナーとして生活を支援する、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動を支援する実用ロボットの開発が進められている。このような実用ロボットは、産業用ロボットとは異なり、人間の生活環境の様々な局面において、個々に個性の相違した人間、又は様々な環境への適応方法を自ら学習する能力を備えている。例えば、犬、猫のように４足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模した「ペット型」ロボット、或いは、２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間型」又は「人間形」ロボット（Humanoid Robot）等の脚式移動ロボットは、既に実用化されつつある。これらの脚式移動ロボットは、動物や人間の容姿にできるだけ近い外観形状を有し、産業用ロボットと比較して動物や人間の動作に近い動作を行うことができ、さらにエンターテインメント性を重視した様々な動作を行うことができるため、エンターテインメントロボットと呼称される場合もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のロボット装置は、肩、肘、脚等の部位にアクチュエータを搭載することで可動とされ、より動物や人間に近い動作が表出できるようになっている。
【０００５】
図２０に従来のロボット装置の肩部分のアクチュエータの例を示す。アクチュエータ１５０は、胸部１５１と上腕部１５２とを備えており、両者が肩関節の周りを回って胸部にあるコネクタと接続された電線（ハーネス）１５３によって接続されていた。
【０００６】
この方式では、ハーネス１５３の変形しやすさから、線材をロボット装置の構造材の隙間に自由に配置できるという利点がある反面、上腕部の繰り返し動作等によって、ロボット装置内におけるハーネス１５３の位置が所定位置に決まらない場合があった。この場合は、多くの固定部材を必要としていた。
【０００７】
また、回転駆動部分では、変形する姿勢が一定に決まらず、組み立て時に生じるロボット装置毎のばらつきによって、局所的に過負荷が加わったり、湾曲した際の最小の曲率半径が小さくなり過ぎることで断線したりするおそれがあった。さらに線材としては、特殊な高可撓性線材を用いるため、製造コストが嵩んでいた。
【０００８】
そこで本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、信号伝達線のアクチュエータ動作による変形を設計時に制御し、断線等の不具合を防止するロボット装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の説明に供するロボット装置は、本体部に対して可動する可動部を有し、該可動部を介して信号を伝達するロボット装置において、可動部と本体部との間で信号を伝達する可撓性回路基板と、可動部の動きに応じて可撓性回路基板が完全に折れ曲がることなく湾曲する空間を確保する領域と、可撓性回路基板の最小曲率半径を規定する構造材とを備える。
【００１０】
本発明の説明に供するロボット装置において、可撓性回路基板は、矩形薄板形状を呈し、可撓性回路基板は、可動部を駆動する駆動手段に対して信号を伝達するために用いられる。
【００１１】
上述した目的を達成するために、本発明に係るロボット装置は、本体部に対して可動する可動部を有し、該可動部を介して信号を伝達するロボット装置において、可動部と本体部との間で信号を伝達する複数の可撓性回路基板と、複数の可撓性回路基板を重ね合わせて固定する留め部材とを備え、上記複数の可撓性回路基板は、片端が位置決めされ、円弧状に湾曲され、位置決め及び抜け止め用係合部を備え、上記留め部材は、被係合部を備え、上記複数の可撓性回路基板を重ね合わせて円弧状に湾曲した際に、上記位置決め及び抜け止め用係合部と上記被係合部とが係合することにより、上記円弧の内側に位置する可撓性回路基板の曲率半径が外側に位置する可撓性回路基板の曲率半径よりも小となるように固定する。
【００１３】
本発明に係るロボット装置において、可撓性回路基板は、矩形薄板形状を呈し、可撓性回路基板は、可動部を駆動する駆動手段に対して信号、電力を伝達するために用いられる。本発明に係るロボット装置では、可撓性回路基板には、位置決め及び抜け止め用係合部が設けられ、留め部材には、被係合部が設けられていることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の具体例として示すロボット装置は、頭部と上肢と体幹部と下肢とを備え、上肢及び下肢、又は下肢のみを移動手段とする脚式移動ロボットである。脚式移動ロボットには、４足歩行の動物の身体メカニズムやその動きを模倣したペット型ロボットや、下肢のみを移動手段として使用する２足歩行の動物の身体メカニズムやその動きを模倣したロボット装置があるが、本実施の形態として示すロボット装置は、４足歩行タイプの脚式移動ロボットである。
【００１５】
そして、本発明の具体例として示すロボット装置は、本体部に対して可動するの動きを制御する制御回路と、該制御回路からの制御信号を頭部、上肢、下肢等へ伝達する可撓性回路基板と、可動部の動きに応じて可撓性回路基板が撓曲する空間を確保する撓曲領域と、可撓性回路基板の最小撓曲半径を規定する円弧形状部材とを備えることにより、アクチュエータ動作による制御信号の伝導線の変形を設計時に制御でき、断線等の不具合を防止できるロボット装置である。また、このロボット装置は、内部状態に応じて自律動作するロボット装置である。
【００１６】
このロボット装置は、住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動を支援する実用ロボットであり、内部状態（怒り、悲しみ、喜び、楽しみ等）に応じて行動できるほか、４足歩行の動物が行う基本的な動作を表出できるエンターテインメントロボットである。
【００１７】
このロボット装置は、特に、頭部、胴体部、上肢部、下肢部等を有している。
各部の連結部分及び関節に相当する部位には、運動の自由度に応じた数のアクチュエータ及びポテンショメータが備えられており、制御部の制御によって目標とする動作を表出できる。
【００１８】
さらに、ロボット装置は、周囲の状況を画像データとして取得するための撮像部や、外部から受ける作用を検出するための各種センサや、外部から受ける物理的な働きかけ等を検出するための各種スイッチ等を備えている。撮像部には、小型のＣＣＤ（Charge-Coupled Device）カメラを使用する。センサには、角速度を検出する角速度センサ、ＣＣＤカメラによって撮像された対象物までの距離を計測する距離センサ等がある。各種スイッチには、主としてユーザによる接触を検出する押下式スイッチ、ユーザからの操作入力が可能な操作スイッチ等がある。これら各種センサ及び各種スイッチは、ロボット装置外部又は内部の適切な箇所に設置されている。
【００１９】
以下、本発明の具体例として示すロボット装置について、図面を参照して説明する。
【００２０】
本実施の形態では、ロボット装置１は、図１に示すように、胴体部ユニット２の前後左右に脚部ユニット３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄが連結され、胴体部ユニット２の前端部に頭部ユニット４が連結されて構成されている。また、胴体部ユニット２の後端部には、尻尾部５が設けられている。
【００２１】
胴体部ユニット２には、図２に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）１１、フラッシュＲＯＭ（Read Only Memory）１２、ＰＣ（Personal Computer）カードインターフェイス回路１３及び信号処理回路１４が内部バス１５を介して相互に接続されることにより形成されたコントロール部１６と、このロボット装置１の動力源としてのバッテリ１７とが収納されている。また、胴体部ユニット２には、ロボット装置１の向きや動きの加速度を検出するための角速度センサ１８及び加速度センサ１９が収納されている。また、胴体部ユニット２には、鳴き声等の音声又はメロディを出力するためのスピーカ２０が設けられている。
【００２２】
また、胴体部ユニット２の尻尾部５には、外部（ユーザ）からの入力を検出する機能として、操作スイッチ２１が設けられている。本具体例では、例えば「誉める」、「叱る」等に対応する操作入力が予め決めらており、ユーザは、この操作スイッチ２１を介して、これらを入力できるようになっている。
【００２３】
頭部ユニット４には、外部の状況や対象物の色、形、動き等を撮像するためのＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ２２と、前方に位置する対象物までの距離を測定するための距離センサ２３と、外部音を集音するためのマイク２４と、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）を備えた発光部２５等が、図１に示すように所定位置にそれぞれ配置されている。ただし、発光部２５は、構成の説明等においては、必要に応じてＬＥＤ２５と示す。
【００２４】
また、頭部ユニット４内部には、図１には図示しないが、ユーザの頭部ユニット４に対する接触を間接的に検出するための検出機構として頭部スイッチ２６が備えられている。頭部スイッチ２６は、例えば、ユーザの接触によって頭部が動かされた場合、その傾き方向を検出できるスイッチであって、ロボット装置１は、頭部スイッチ２６によって検出される頭部の傾き方向に応じて、「誉められた」か「叱られた」かを認識している。
【００２５】
各脚部ユニット３Ａ〜３Ｄの関節部分、各脚部ユニット３Ａ〜３Ｄと胴体部ユニット２との連結部分、頭部ユニット４と胴体部ユニット２との連結部分には、自由度数分のアクチュエータ２８_１〜２８_ｎ及びポテンショメータ２９_１〜２９_ｎがそれぞれ配設されている。アクチュエータ２８_１〜２８_ｎは、例えば、サーボモータを備えている。サーボモータの駆動により、脚部ユニット３Ａ〜３Ｄが制御されて目標の姿勢、或いは動作に遷移する。各脚部ユニット３Ａ〜３Ｄの先端の「肉球」に相当する位置には、主としてユーザからの接触を検出する検出機構としての肉球スイッチ２７Ａ〜２７Ｄが設けられ、ユーザによる接触等を検出できるようになっている。
【００２６】
ロボット装置１は、このほかにも、ここでは図示しないが、該ロボット装置１の内部状態とは別の動作状態（動作モード）を表すための発光部や、充電中、起動中、起動停止等、内部電源の状態を表す状態ランプ等を、適切な箇所に適宜備えていてもよい。
【００２７】
ロボット装置１において、操作スイッチ２１、頭部スイッチ２６、肉球スイッチ２７等の各種スイッチ、角速度センサ１８、加速度センサ１９、距離センサ２３等の各種センサ、スピーカ２０、マイク２４、発光部２５、各アクチュエータ２８_１〜２８_ｎ、各ポテンショメータ２９_１〜２９_ｎは、それぞれ対応するハブ３０_１〜３０_ｎを介してコントロール部１６の信号処理回路１４と接続されている。一方、ＣＣＤカメラ２２及びバッテリ１７は、それぞれ信号処理回路１４と直接接続されている。
【００２８】
信号処理回路１４は、上述の各種スイッチから供給されるスイッチデータ、各種センサから供給されるセンサデータ、画像データ及び音声データを順次取り込み、これらをそれぞれ内部バス１５を介してＤＲＡＭ１１内の所定位置に順次格納する。また信号処理回路１４は、これらデータとともにバッテリ１７から供給されるバッテリ残量を表すバッテリ残量データを順次取り込み、ＤＲＡＭ１１内の所定位置に格納する。
【００２９】
このようにしてＤＲＡＭ１１に格納された各スイッチデータ、各センサデータ、画像データ、音声データ及びバッテリ残量データは、ＣＰＵ１０が当該ロボット装置１の動作制御を行う際に使用される。
【００３０】
ＣＰＵ１０は、ロボット装置１の電源が投入された初期時において、フラッシュＲＯＭ１２に格納された制御プログラムを読み出して、ＤＲＡＭ１１に格納する。又は、ＣＰＵ１０は、図１に図示しない胴体部ユニット２のＰＣカードスロットに装着された半導体メモリ装置、例えば、メモリカード３１に格納された制御プログラムをＰＣカードインターフェイス回路１３を介して読み出してＤＲＡＭ１１に格納する。
【００３１】
ＣＰＵ１０は、上述のように信号処理回路１４よりＤＲＡＭ１１に順次格納される各センサデータ、画像データ、音声データ、及びバッテリ残量データに基づいて自己及び周囲の状況や、ユーザからの指示及び働きかけの有無を判断している。
【００３２】
さらに、ＣＰＵ１０は、この判断結果とＤＲＡＭ１１に格納した制御プログラムとに基づく行動を決定する。ＣＰＵ１０は、当該決定結果に基づいてアクチュエータ２８_１〜２８_ｎの中から必要とするアクチュエータを駆動することによって、例えば頭部ユニット４を上下左右に振らせたり、各脚部ユニット３Ａ乃至３Ｄを駆動して歩行させたりする。また、ＣＰＵ１０は、必要に応じて音声データを生成し、信号処理回路１４を介してスピーカ２０に供給する。また、ＣＰＵ１０は、上述の発光部２５におけるＬＥＤの点灯及び消灯を指示する信号を生成し、ＬＥＤを点灯したり消灯したりする。
【００３３】
このように、ロボット装置１は、自己及び周囲の状況や、ユーザからの指示及び働きかけに応じて自律的に行動するロボット装置である。
【００３４】
続いて以下に、本発明の第１の具体例として示すロボット装置１の各脚部アクチュエータの構成を詳細に説明する。図３に、脚部ユニット３の内部の主要な構成を示す。
【００３５】
脚部アクチュエータ構造１００には、ロボット装置１の肩部分を駆動するアクチュエータと、肘部分を駆動するアクチュエータとが含まれる。胴体部ユニット２に設けられた回路基板１０１から各駆動部分に対する信号及び駆動のための電力をフレキシブルプリント回路基板（以下、ＦＰＣと記す）によって伝達している。
【００３６】
回路基板１０１から導出されるＦＰＣには、肩部及び肘部分を駆動するアクチュエータに対する信号及び電力が含まれるため、ここでは、肩肘部モータ用ＦＰＣ１０２と表す。肩肘部モータ用ＦＰＣ１０２は、一端が胴体部ユニット２部に格納される回路基板に接続され、後述する肩部及び肘部モータに延長されている。回路基板１０１から延長された肩肘部モータ用ＦＰＣ１０２は、胸部出力軸１０３の周囲を周回した後、肩部ヒンジ１０４内に設けられたスリット１０５を通過し、肩部ヒンジ１０４内の肩部回動時に肩肘部モータ用ＦＰＣ１０２が湾曲する空間を確保するためのＦＰＣ湾曲領域１０６内を周回している。
【００３７】
肩肘部モータ用ＦＰＣ１０２は、ＦＰＣ湾曲領域１０６内を周回した後、ここでは図示しないが、肩部構造材に搭載された肩部回路基板１０８に接続コネクタ１０７ａを介して接続されている。
【００３８】
肩部回路基板１０８は、肩部モータ１０９及び肩部回動角度検出器１１０に接続されている。
【００３９】
肩肘部モータ用ＦＰＣ１０２は、ここでは図示されていないが、後述するＦＰＣホルダ１２４に保持されているため、胸部出力軸１０３によって脚部全体が回動運動する際には、胸部出力軸１０３の周囲の空間で締まり及び緩みの動作をする。すなわち、胸部出力軸１０３に巻回された肩肘部モータ用ＦＰＣ１０２は、肩部の回動運動に伴って、その湾曲度合い（曲率）が小さくなったり大きくなったり変化する。
【００４０】
肩部回路基板１０８からは、接続コネクタ１０７ｂを介して肘部モータ用ＦＰＣ１１１が導出されている。肘部モータ用ＦＰＣ１１１は、肩部回路基板１０８と接続され、肘部ヒンジ１１１内のスリット１１２を通過し、肘部ヒンジ１１１内の肘部が回動する際に肩部モータ用ＦＰＣ１１１が湾曲するための空間を確保するＦＰＣ湾曲領域１１３内を周回した後、図示しない肘部構造材に搭載された肘部回路基板１１４に接続されている。また、肘部回路基板１１４は、肘部モータ１１５及び肘部回動角度検出器１１６と接続されている。
【００４１】
次に、肩部ヒンジ１０４内の回動時のＦＰＣ湾曲領域１０６における肩肘部モータ用ＦＰＣ１０２の様子を図４、図５及び図６を用いて説明する。
【００４２】
肩部ヒンジ１０４内のスリット１０５を通過した肩肘部モータ用ＦＰＣ１０４は、肩部ヒンジ軸１１８の周りを周回した後、肩部構造材１１９に設けられたスリット１２０を紙面裏から表方向に通過して、肩部回路基板１０８に接続されている。ここでは、ＦＰＣ肩部ヒンジ軸１１８には、円弧形状部材１２１が設けられている。
【００４３】
図５（ａ）は、ロボット装置１の脚部ユニット３を胴体部ユニット２に対して内側方向に回動した場合の肩肘部モータ用ＦＰＣ１０２の形状を表し、
図５（ｂ）は、脚部ユニット３を胴体部ユニット２に対して外側方向に回動した場合の肩肘部モータ用ＦＰＣ１０２の形状を表している。
【００４４】
脚部ユニット３が胴体部ユニット２に対して、内側方向に回動した場合、図５（ａ）に示すように、肩肘部モータ用ＦＰＣ１０２は、スリット１０５によってずれが制限されているため、脚部ユニット３の回動動作に伴って、ロボット装置の肩部ヒンジ軸１１８を締め付けることになる。このとき、円弧形状部材１２１は、その湾曲部の曲率半径が、ＦＰＣの折れ曲がりによる破損に耐えうる最小の曲率半径以下にならないよう変形形状を規定することができる。
【００４５】
したがって、ＦＰＣの折れ曲がりによる破損を防止できる構造を設けることにより、ロボット装置１の信号及び電力供給にＦＰＣを用いることができる。
【００４６】
また、軽量で適度な可撓性を有するＦＰＣを用いることによって、伝導線の変形が設計時に制御できる。そのため、動作中に断線等の不具合が発生することが防止されるとともにＦＰＣの動きのコントロールが可能となり、電線を用いた場合と比べて耐久性が増し、電線を構造体に対して位置決めするような部品も大幅に減らすことが可能となる。
【００４７】
続いて、２枚のＦＰＣを重ねる場合について、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示す。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、肩部ヒンジ１０４とその中を通過する肩肘部モータ用ＦＰＣ１０２を示している。両図は、互いに眺めている角度が異なっている。
【００４８】
フレキシブルプリント回路基板は、設計上の自由度を増すために図中のＷ寸法、すなわち幅寸法を小さくする必要がある。しかし、一方、肩部及び肘部のアクチュエータを制御するには、ある程度制限された幅寸法のＦＰＣでは、間に合わない場合がある。そのため、所定幅のＦＰＣを複数枚重ね合わせて信号を導通する必要がある。そこで、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、ロボット装置１に、複数枚のＦＰＣを重ね合わせて固定するＦＰＣホルダ１２４を適用する。ＦＰＣホルダ１２４は、胴体部ユニット２の外筐体に固定されている。
【００４９】
以下では、２枚のＦＰＣを用いる場合について説明する。肩肘部モータ用ＦＰＣ１０２は、具体的に肩部モータ用ＦＰＣ１０２ａと肘部モータ用ＦＰＣ１０２ｂとを含むがここでは、ＦＰＣ１０２ａ、ＦＰＣ１０２ｂと表記する。
【００５０】
ロボット装置１に用いられるＦＰＣの展開図を図７に示す。通常、本発明の具体例として示すロボット装置１の肩部分の配線をＦＰＣで行うことを考慮すると、ＦＰＣは、図７（ａ）に示すように、略コ字形状として形成する必要がある。しかし、この形状のＦＰＣを量産することは、ＦＰＣの取り数が減少するため、非効率的であり、製造にかかるコストが高騰する。
【００５１】
そのため、ＦＰＣを図７（ｂ）に示すような略Ｌ字形状とし、図７（ｃ）のように湾曲部１２５によって湾曲させることで、図７（ａ）に示す略コ字形状ＦＰＣと同様の機能を有するＦＰＣを得る。
【００５２】
予め複雑な略コ字形状に成形する場合と異なり、略Ｌ字形状の一部を湾曲させて使用することで、安価に製作することができる。しかし、この湾曲作業を重ねられたＦＰＣに施すと、図８に示すように、湾曲部１２５において、ＦＰＣがずれるため、湾曲部分においてＦＰＣの湾曲形状に不具合が生じる場合がある。図９は、肩部分が図４に示した状態になっている場合、すなわち関節の全可動範囲の中間にある場合のＦＰＣの湾曲形状を示している。また、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、肩部分が図５（ａ）に示した状態、すなわち肩関節が内側に回動する場合を示している。図１０（ａ）は、内側のＦＰＣが設計値より短く、図１０（ｂ）は、内側のＦＰＣが設計値より長い場合を示している。図１０（ｂ）のように内側のＦＰＣが長くなると、回動の際に、行き場を失ったＦＰＣが予期しない形状に変形し、ＦＰＣの破壊許容曲率半径以下になる場合が生じる。
【００５３】
そこで、２つのＦＰＣ１０２ａ及びＦＰＣ１０２ｂを湾曲部において内側に位置するＦＰＣの曲率半径が外側に位置するＦＰＣの曲率半径を超えないように、ＦＰＣホルダ１２４によって位置決めする。そのために、ＦＰＣ１０２ａ、１０２ｂに、位置決めのため及びＦＰＣ１０２ａ、１０２ｂが後述するＦＰＣホルダ１２４から抜け出すのを防止するための係合箇所を設ける。
【００５４】
図１１を用いて、ＦＰＣホルダ１２４の形状を説明する。ＦＰＣホルダ１２４は、各ＦＰＣとの係合部として、ＦＰＣホルダ１２４は、ＦＰＣ１０２ａ、１０２ｂと略同長の幅寸法を有し、ＦＰＣを挟持するように一対の係合凹部１２６ａと一対の係合凹部１２６ｂとを有した把持部を備えている。
【００５５】
また、ＦＰＣ１０２ａは、ＦＰＣホルダ１２４と係合するためのホルダ係合部１２７に、係合ＦＰＣホルダ１２４の係合凹部１２６ａと係合するための係合凸部１２８ｂを備え、ＦＰＣ１０２ｂは、ＦＰＣホルダ１２４の係合凹部１２６ｂと係合するための係合凸部１２８ａを備えている。
【００５６】
ＦＰＣ１０２ａのホルダ係合部１２７に設けられた係合凸部１２８ｂは、ＦＰＣ１０２ａを図中矢印方向にスライドすることによって、ＦＰＣホルダ１２４に設けられた係合凹部１２６ａと係合する。
【００５７】
図１２に、重ねられたＦＰＣ１０２ａ、１０２ｂとＦＰＣホルダ１２４とＦＰＣとの係合状態を示す。具体的に、図１２（ａ）は、ＦＰＣ１０２ａを係合凸部１２８ａと係合凹部１２６ｂとを係合することでＦＰＣホルダ１２４に固定した場合を示し、図１２（ｂ）は、ＦＰＣ１０２ｂを係合凸部１２８ｂと係合凹部１２６ａとを係合することでＦＰＣホルダ１２４に固定した場合を示す。これらＦＰＣ１０２ａとＦＰＣ１０２ｂとを組み合わせて固定した様子を図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示す。
【００５８】
この構造により、円弧状に曲げられる２枚のＦＰＣの内側の長さを外側より短くすることができ、ＦＰＣが耐え得る許容曲げ半径より小さく座屈することによる破損を防ぐことができる。
【００５９】
ところで、本実施の形態として示すロボット装置１は、内部状態に応じて自律的に行動できるロボット装置である。ロボット装置１を制御する制御プログラムのソフトウェア構成の一例は、図１４に示すようになる。この制御プログラムは、上述したように、予めフラッシュＲＯＭ１２に格納されており、ロボット装置１の電源投入初期時において読み出される。
【００６０】
図１４において、デバイス・ドライバ・レイヤ２００は、制御プログラムの最下位層に位置し、複数のデバイス・ドライバからなるデバイス・ドライバ・セット２０１から構成されている。この場合、各デバイス・ドライバは、ＣＣＤカメラ２２（図２）やタイマ等の通常のコンピュータで用いられるハードウェアに直接アクセスすることを許されたオブジェクトであり、対応するハードウェアからの割り込みを受けて処理を行う。
【００６１】
また、ロボティック・サーバ・オブジェクト２０２は、デバイス・ドライバ・レイヤ２００の最下位層に位置し、例えば上述の各種センサやアクチュエータ２８_１〜２８_ｎ等のハードウェアにアクセスするためのインターフェイスを提供するソフトウェア群でなるバーチャル・ロボット２０３と、電源の切換えなどを管理するソフトウェア群でなるパワーマネージャ２０４と、他の種々のデバイス・ドライバを管理するソフトウェア群でなるデバイス・ドライバ・マネージャ２０５と、ロボット装置１の機構を管理するソフトウェア群でなるデザインド・ロボット２０６とから構成されている。
【００６２】
マネージャ・オブジェクト２０７は、オブジェクト・マネージャ２０８及びサービス・マネージャ２０９から構成されている。オブジェクト・マネージャ２０８は、ロボティック・サーバ・オブジェクト２０２、ミドル・ウェア・レイヤ２１０、及びアプリケーション・レイヤ２１１に含まれる各ソフトウェア群の起動や終了を管理するソフトウェア群であり、サービス・マネージャ２０９は、メモリカード３１（図２）に格納されたコネクションファイルに記述されている各オブジェクト間の接続情報に基づいて各オブジェクトの接続を管理するソフトウェア群である。
【００６３】
ミドル・ウェア・レイヤ２１０は、ロボティック・サーバ・オブジェクト２０２の上位層に位置し、画像処理や音声処理などのこのロボット装置１の基本的な機能を提供するソフトウェア群から構成されている。また、アプリケーション・レイヤ２１１は、ミドル・ウェア・レイヤ２１０の上位層に位置し、当該ミドル・ウェア・レイヤ２１０を構成する各ソフトウェア群によって処理された処理結果に基づいてロボット装置１の行動を決定するためのソフトウェア群から構成されている。
【００６４】
なお、ミドル・ウェア・レイヤ２１０及びアプリケーション・レイヤ２１１の具体的なソフトウェア構成をそれぞれ図１５に示す。
【００６５】
ミドル・ウェア・レイヤ２１０は、図１５に示すように、騒音検出用、温度検出用、明るさ検出用、音階認識用、距離検出用、姿勢検出用、接触検出用、操作入力検出用、動き検出用及び色認識用の各信号処理モジュール２２０〜２２９並びに入力セマンティクスコンバータモジュール２３０などを有する認識系２５０と、出力セマンティクスコンバータモジュール２４７並びに姿勢管理用、トラッキング用、モーション再生用、歩行用、転倒復帰用、ＬＥＤ点灯用及び音再生用の各信号処理モジュール２４０〜２４６等を有する出力系２５１とから構成されている。
【００６６】
認識系２５０の各信号処理モジュール２２０〜２２９は、ロボティック・サーバ・オブジェクト２０２のバーチャル・ロボット２０３によりＤＲＡＭ１１（図２）から読み出される各スイッチデータ、各センサデータ、画像データ及び音声データのうちの対応するデータを取り込み、当該データに基づいて所定の処理を施して、処理結果を入力セマンティクスコンバータモジュール２３０に与える。ここで、例えば、バーチャル・ロボット２０３は、所定の通信規約によって、信号の授受或いは変換をする部分として構成されている。
【００６７】
入力セマンティクスコンバータモジュール２３０は、これら各信号処理モジュール２２０〜２２８から与えられる処理結果に基づいて、「うるさい」、「暑い」、「明るい」、「ドミソの音階が聞こえた」、「障害物を検出した」、「転倒を検出した」、「叱られた」、「誉められた」、「動く物体を検出した」又は「ボールを検出した」等の自己及び周囲の状況や、ユーザからの指令及び働きかけを認識し、認識結果をアプリケーション・レイヤ２１１に出力する。
【００６８】
アプリケーション・レイヤ２１１は、図１６に示すように、行動モデルライブラリ２６０、行動切換モジュール２６１、学習モジュール２６２、感情モデル２６３及び本能モデル２６４の５つのモジュールから構成されている。
【００６９】
行動モデルライブラリ２６０には、図１７に示すように、「バッテリ残量が少なくなった場合」、「転倒復帰する場合」、「障害物を回避する場合」、「感情を表現する場合」、「ボールを検出した場合」などの予め選択されたいくつかの条件項目にそれぞれ対応させて、それぞれ独立した行動モデルが設けられている。
【００７０】
そして、これら行動モデルは、それぞれ入力セマンティクスコンバータモジュール２３０から認識結果が与えられたときや、最後の認識結果が与えられてから一定時間が経過したときなどに、必要に応じて後述のように感情モデル２６３に保持されている対応する情動のパラメータ値や、本能モデル２６４に保持されている対応する欲求のパラメータ値を参照しながら続く行動をそれぞれ決定し、決定結果を行動切換モジュール２６１に出力する。
【００７１】
なお、本具体例として示すロボット装置１の場合、各行動モデルは、次の行動を決定する手法として、図１８に示すような１つのノード（状態）ＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎから他のどのノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎに遷移するかを有限確率オートマトンと呼ばれるアルゴリズムを用いて次の行動を決定している。有限確率オートマトンとは、ノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎのうちの１つのノードから他のどのノードに遷移するか否かを各ノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎの間を接続するアークＡＲＣ_１〜ＡＲＣ_ｎー１に対してそれぞれ設定された遷移確率Ｐ_１〜Ｐ_ｎに基づいて確率的に決定するアルゴリズムである。
【００７２】
具体的に、各行動モデルは、それぞれ自己の行動モデルを形成するノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎにそれぞれ対応させて、これらノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎ毎に図１９に示すような状態遷移表２７０を有している。
【００７３】
この状態遷移表２７０では、そのノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎにおいて遷移条件とする入力イベント（認識結果）が「入力イベント名」の行に優先順に列記され、その遷移条件についてのさらなる条件が「データ名」及び「データ範囲」の行における対応する列に記述されている。
【００７４】
したがって、図１９の状態遷移表２７０で表されるノードＮＯＤＥ_１００では、「ボールを検出（ＢＡＬＬ）」という認識結果が与えられた場合に、当該認識結果とともに与えられるそのボールの「大きさ（ＳＩＺＥ）」が「０から１０００」の範囲であることや、「障害物を検出（ＯＢＳＴＡＣＬＥ）」という認識結果が与えられた場合に、当該認識結果とともに与えられるその障害物までの「距離（ＤＩＳＴＡＮＣＥ）」が「０から１００」の範囲であることが他のノードに遷移するための条件となっている。
【００７５】
また、このノードＮＯＤＥ_１００では、認識結果の入力がない場合でも、行動モデルが周期的に参照する感情モデル２６３及び本能モデル２６４にそれぞれ保持された各情動及び各欲求のパラメータ値のうち、感情モデル２６３に保持された「喜び（Joy）」、「驚き（Surprise）」若しくは「悲しみ（Sadness）」のいずれかのパラメータ値が「５０から１００」の範囲であるときには他のノードに遷移することができるようになっている。
【００７６】
また、状態遷移表２７０では、「他のノードヘの遷移確率」の欄における「遷移先ノード」の列にそのノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎから遷移できるノード名が列記されているとともに、「入力イベント名」、「データ名」及び「データの範囲」の行に記述された全ての条件が揃ったときに遷移できるほかの各ノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎへの遷移確率が「他のノードヘの遷移確率」の欄内の対応する箇所にそれぞれ記述され、そのノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎに遷移する際に出力すべき行動が「他のノードヘの遷移確率」の欄における「出力行動」の行に記述されている。なお、「他のノードヘの遷移確率」の欄における各行の確率の和は１００［％］となっている。
【００７７】
したがって、図１９の状態遷移表２７０で表されるノードＮＯＤＥ_１００では、例えば「ボールを検出（ＢＡＬＬ）」し、そのボールの「ＳＩＺＥ（大きさ）」が「０から１０００」の範囲であるという認識結果が与えられた場合には、「２００［％］」の確率で「ノードＮＯＤＥ_１２０（node 120）」に遷移でき、そのとき「ＡＣＴＩＯＮ１」の行動が出力されることとなる。
【００７８】
各行動モデルは、それぞれこのような状態遷移表２７０として記述されたノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎが幾つも繋がるようにして構成されており、入力セマンティクスコンバータモジュール２３０から認識結果が与えられたときなどに、対応するノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎの状態遷移表を利用して確率的に次の行動を決定し、決定結果を行動切換モジュール２６１に出力するようになされている。
【００７９】
図１７に示す行動切換モジュール２６１は、行動モデルライブラリ２６０の各行動モデルからそれぞれ出力される行動のうち、予め定められた優先順位の高い行動モデルから出力された行動を選択し、当該行動を実行すべき旨のコマンド（以下、これを行動コマンドという。）をミドル・ウェア・レイヤ２１０の出力セマンティクスコンバータモジュール２４７に送出する。なお、この実施の形態においては、図１９において下側に表記された行動モデルほど優先順位が高く設定されている。
【００８０】
また、行動切換モジュール２６１は、行動完了後に出力セマンティクスコンバータモジュール２４７から与えられる行動完了情報に基づいて、その行動が完了したことを学習モジュール２６２、感情モデル２６３及び本能モデル２６４に通知する。
【００８１】
学習モジュール２６２は、入力セマンティクスコンバータモジュール２３０から与えられる認識結果のうち、「叱られた」や「誉められた」等、ユーザからの働きかけとして受けた教示の認識結果を入力する。そして、学習モジュール２６２は、この認識結果及び行動切換モジュール２６１からの通知に基づいて、「叱られた」ときにはその行動の発現確率を低下させ、「誉められた」ときにはその行動の発現確率を上昇させるように、行動モデルライブラリ２６０における対応する行動モデルの対応する遷移確率を変更する。
【００８２】
また、感情モデル２６３は、「喜び（Joy）」、「悲しみ（Sadness）」、「怒り（Anger）」、「驚き（Surprise）」、「嫌悪（Disgust）」及び「恐れ（Fear）」の合計６つの情動について、各情動毎にその情動の強さを表すパラメータを保持している。そして、感情モデル２６３は、これら各情動のパラメータ値を、それぞれ入力セマンティクスコンバータモジュール２３０から与えられる「叱られた」及び「誉められた」などの特定の認識結果と、経過時間及び行動切換モジュール２６１からの通知となどに基づいて周期的に更新する。
【００８３】
具体的には、感情モデル２６３は、入力セマンティクスコンバータモジュール２３０から与えられる認識結果と、そのときのロボット装置１の行動と、前回更新してからの経過時間となどに基づいて所定の演算式により算出されるそのときのその情動の変動量を△Ｅ［ｔ］、現在のその情動のパラメータ値をＥ［ｔ］、その情動の感度を表す係数をｋ_ｅとして、（１）式によって次の周期におけるその情動のパラメータ値Ｅ［ｔ＋１］を算出し、これを現在のその情動のパラメータ値Ｅ［ｔ］と置き換えるようにしてその情動のパラメータ値を更新する。また、感情モデル２６３は、これと同様にして全ての情動のパラメータ値を更新する。
【００８４】
【数１】

【００８５】
なお、各認識結果や出力セマンティクスコンバータモジュール２４７からの通知が各情動のパラメータ値の変動量△Ｅ［ｔ］にどの程度の影響を与えるかは予め決められており、例えば「叱られた」といった認識結果は「怒り」の情動のパラメータ値の変動量△Ｅ［ｔ］に大きな影響を与え、「誉められた」といった認識結果は「喜び」の情動のパラメータ値の変動量△Ｅ［ｔ］に大きな影響を与えるようになっている。
【００８６】
ここで、出力セマンティクスコンバータモジュール２４７からの通知とは、いわゆる行動のフィードバック情報（行動完了情報）であり、行動の出現結果の情報であり、感情モデル２６３は、このような情報によっても感情を変化させる。これは、例えば、「吠える」といった行動により怒りの感情レベルが下がるといったようなことである。なお、出力セマンティクスコンバータモジュール２４７からの通知は、上述した学習モジュール２６２にも入力されており、学習モジュール２６２は、その通知に基づいて行動モデルの対応する遷移確率を変更する。
【００８７】
なお、行動結果のフィードバックは、行動切換モジュール２６１の出力（感情が付加された行動）によりなされるものであってもよい。
【００８８】
また、本能モデル２６４は、「運動欲（exercise）」、「愛情欲（affection）」、「充電欲（以下、食欲（appetite）と記す。）」及び「好奇心（curiosity）」の互いに独立した４つの欲求について、これら欲求毎にその欲求の強さを表すパラメータを保持している。そして、本能モデル２６４は、これらの欲求のパラメータ値を、それぞれ入力セマンティクスコンバータモジュール２３０から与えられる認識結果や、経過時間及び行動切換モジュール２６１からの通知などに基づいて周期的に更新する。
【００８９】
具体的には、本能モデル２６４は、「運動欲」、「愛情欲」及び「好奇心」については、認識結果、経過時間及び出力セマンティクスコンバータモジュール２４７からの通知などに基づいて所定の演算式により算出されるそのときのその欲求の変動量をΔＩ［ｋ］、現在のその欲求のパラメータ値をＩ［ｋ］、その欲求の感度を表す係数ｋ_ｉとして、所定周期で（２）式を用いて次の周期におけるその欲求のパラメータ値Ｉ［ｋ＋１］を算出し、この演算結果を現在のその欲求のパラメータ値Ｉ［ｋ］と置き換えるようにしてその欲求のパラメータ値を更新する。また、本能モデル２６４は、これと同様にして「食欲」を除く各欲求のパラメータ値を更新する。
【００９０】
【数２】

【００９１】
なお、認識結果及び出力セマンティクスコンバータモジュール２４７からの通知などが各欲求のパラメータ値の変動量△Ｉ［ｋ］にどの程度の影響を与えるかは予め決められており、例えば出力セマンティクスコンバータモジュール２４７からの通知は、「疲れ」のパラメータ値の変動量△Ｉ［ｋ］に大きな影響を与えるようになっている。
【００９２】
なお、本実施の形態においては、各情動及び各欲求（本能）のパラメータ値がそれぞれ０から１００までの範囲で変動するように規制されており、また係数ｋ_ｅ、ｋ_ｉの値も各情動及び各欲求毎に個別に設定されている。
【００９３】
ミドル・ウェア・レイヤ２１０の出力セマンティクスコンバータモジュール２４７は、図１５に示すように、上述のようにしてアプリケーション・レイヤ２１１の行動切換モジュール２６１から与えられる「前進」、「喜ぶ」、「鳴く」又は「トラッキング（ボールを追いかける）」といった抽象的な行動コマンドを出力系２５１の対応する信号処理モジュール２４０〜２４６に与える。
【００９４】
そしてこれら信号処理モジュール２４０〜２４６は、行動コマンドが与えられると当該行動コマンドに基づいて、その行動をするために対応するアクチュエータ２８_１〜２８_ｎ（図２）に与えるべきサーボ指令値や、スピーカ２０（図２）から出力する音の音声データ及び／又は発光部２５のＬＥＤに与える駆動データを生成し、これらのデータをロボティック・サーバ・オブジェクト２０２のバーチャル・ロボット２０３及び信号処理回路１４（図２）を介して対応するアクチュエータ２８_１〜２８_ｎ、スピーカ２０、発光部２５に順次送出する。
【００９５】
このようにしてロボット装置１は、制御プログラムに基づいて自己（内部）及び周囲（外部）の状況や、ユーザからの指示及び働きかけに応じた自律的な行動ができる。
【００９６】
また、上述したようなロボット装置１を制御する制御プログラムは、予めフラッシュＲＯＭ１２に格納されているものとして説明したが、ロボット装置が読取可能な形式で記録媒体に記録して提供してもよい。制御プログラムを記録する記録媒体としては、磁気読取方式の記録媒体（例えば、磁気テープ、磁気ディスク、磁気カード）、光学読取方式の記録媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ）等が考えられる。記録媒体には、半導体メモリ（（矩形型、正方形型等の形状は問わない。）、ＩＣカード）等の記憶媒体も含まれる。また、制御プログラムは、いわゆるインターネット等の情報ネットワークを介して提供されてもよい。
【００９７】
なお、本発明は、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。本実施の形態では、４足歩行の脚式移動ロボットに関して説明したが、ロボット装置は、内部状態に応じて動作するものであれば適用可能であって、移動手段は、４足歩行、さらには脚式移動方式に限定されない。
【０１００】
【発明の効果】
上述した目的を達成するために、本発明に係るロボット装置は、本体部に対して可動する可動部を有し、該可動部を介して信号を伝達するロボット装置において、可動部と本体部との間で信号を伝達する複数の可撓性回路基板と、複数の可撓性回路基板を重ね合わせて固定する留め部材とを備えている。留め部材は、複数の可撓性回路基板を重ね合わせて円弧状に湾曲した際に、円弧の内側に位置する可撓性回路基板の曲率半径が外側に位置する可撓性回路基板の曲率半径よりも小となるように複数の可撓性回路基板を固定することにより、可撓性回路基板の折れ曲がりによる破損を防止し、動作中の断線等の不具合の発生が防止される。
【０１０１】
また、可撓性回路基板は重ね合わせて使用する際でも、折れ曲がりによる破損、また、該可撓性回路基板の耐久性を著しく低下させる形状に変形することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体例として示すロボット装置の外観を示す外観図である。
【図２】本発明の具体例として示すロボット装置の構成を示す構成図である。
【図３】本発明の具体例として示すロボット装置の脚部アクチュエータ構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の具体例として示すロボット装置の脚部アクチュエータにおける肩部分の正面図である。
【図５】本発明の具体例として示すロボット装置の脚部アクチュエータにおける肩部分の正面図である。
【図６】本発明の具体例として示すロボット装置の脚部アクチュエータにおける肩部分の外観を示す斜視図である。
【図７】本発明の具体例として示すロボット装置に適用するＦＰＣの展開図である。
【図８】本発明の具体例として示すロボット装置に適用するＦＰＣの展開図である。
【図９】本発明の具体例として示すロボット装置の脚部アクチュエータにおける肩部分の回動に伴って変形するＦＰＣの様子を示す図である。
【図１０】本発明の具体例として示すロボット装置の脚部アクチュエータにおける肩部分の回動に伴って変形するＦＰＣの様子を示す図である。
【図１１】本発明の具体例として示すロボット装置に適用されるＦＰＣ及びＦＰＣホルダを説明する図である。
【図１２】本発明の具体例として示すロボット装置に適用されるＦＰＣ及びＦＰＣホルダを上面からみた平面図である。
【図１３】（ａ）は、本発明の具体例として示すロボット装置に適用されるＦＰＣ及びＦＰＣホルダを上面からみた平面図であり、（ｂ）は、本発明の具体例として示すロボット装置に適用されるＦＰＣ及びＦＰＣホルダの側面図である。
【図１４】本発明の具体例として示すロボット装置の制御プログラムのソフトウェア構成を示す構成図である。
【図１５】本発明の具体例として示すロボット装置の制御プログラムのうち、ミドル・ウェア・レイヤの構成を示す構成図である。
【図１６】本発明の具体例として示すロボット装置の制御プログラムのうち、アプリケーション・レイヤの構成を示す構成図である。
【図１７】本発明の具体例として示すロボット装置の制御プログラムのうち、行動モデルライブラリの構成を示す構成図である。
【図１８】本発明の具体例として示すロボット装置の行動を決定するためのアルゴリズムである有限確率オートマトンを説明する模式図である。
【図１９】本発明の具体例として示すロボット装置の行動を決定するための状態遷移条件を表す図である。
【図２０】従来のロボット装置のアクチュエータ構造の概略を説明した斜視図である。
【符号の説明】
１ロボット装置、２胴体部ユニット、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ脚部ユニット、４頭部ユニット、５尻尾部、１０ＣＰＵ、１１ＤＲＡＭ、１２フラッシュＲＯＭ、１３ＰＣカードインターフェイス回路、１４信号処理回路、１５内部バス、１６コントロール部、１７バッテリ、１８角速度センサ、１９加速度センサ、２０スピーカ、２１操作スイッチ、２２ＣＣＤカメラ、２３距離センサ、２４マイク、２５、発光部、２６頭部スイッチ、２７肉球スイッチ、２８_１〜２８_ｎアクチュエータ、２９_１〜２９_ｎポテンショメータ、３０_１〜３０_ｎハブ、３１メモリカード、１００脚部アクチュエータ構造、１０１回路基板、１０２肩肘部モータ用ＦＰＣ、１０３胸部出力軸、１０４肩部ヒンジ、１０５スリット、１０６ＦＰＣ湾曲領域、１０７ａ、１０７ｂ接続コネクタ、１０８肩部回路基板、１０９肩部モータ、１１０肩部回動角度検出器、１１１肘部モータ用ＦＰＣ、１１２スリット、１１３ＦＰＣ湾曲領域、１１４肘部回路基板、１１５肘部モータ、１１６肘部回動角度検出器、１１８肩部ヒンジ軸、１１９肩部構造材、１２０スリット、１２１円弧形状部材、１２２回動軸、１２３回動軸、１２４、ＦＰＣホルダ、１２５湾曲部、１２６ａ、１２６ｂ係合凹部、１２７ホルダ係合部、１２８係合凸部

Claims

本体部に対して可動する可動部を有し、該可動部を介して信号を伝達するロボット装置において、
上記可動部と上記本体部との間で信号を伝達する複数の可撓性回路基板と、
上記複数の可撓性回路基板を重ね合わせて固定する留め部材と
を備え、
上記複数の可撓性回路基板は、片端が位置決めされ、円弧状に湾曲され、位置決め及び抜け止め用係合部を備え、
上記留め部材は、被係合部を備え、上記複数の可撓性回路基板を重ね合わせて円弧状に湾曲した際に、上記位置決め及び抜け止め用係合部と上記被係合部とが係合することにより、上記円弧の内側に位置する可撓性回路基板の曲率半径が外側に位置する可撓性回路基板の曲率半径よりも小となるように固定する
ロボット装置。
上記可撓性回路基板は、矩形薄板形状を呈する請求項１記載のロボット装置。
上記可動部は、駆動手段を備え、
上記可撓性回路基板は、上記駆動手段に対して電力を供給する請求項１又は２記載のロボット装置。
上記位置決め及び抜け止め用係合部は、凸形状であり、上記被係合部は、凹形状である請求項１記載のロボット装置。