JP5784027B2 - ソーシャルロボット - Google Patents

Description

本発明は、個人用の家庭用ロボット工学プラットホームに関し、その周りの環境と相互作用して学習することができるソーシャルロボットを提案する。

用語「ロボット」は、移動し、物体を取り扱い、作業し、同時にその周りの環境と相互作用するようにプログラムされたあらゆるコンピュータ制御機械として理解される。

ロボット工学は当初、仕事場で人間が実施しなければならない産業労働を手助けする機械的動作を生み出すことを目的とし、主に反復的、退屈及び危険であるそのような作業のすべてを事前にプログラムされた方法で実行した。

近年、特に、マイクロエレクトロニクスの進歩、コンピュータ開発、制御理論の発展、並びに電気機械式及び液圧機械式サーボ機構を利用できることは、ロボット工学進化の重要な要因となっており、ソーシャルロボットと呼ばれる新世代のオートマトンを生み出している。

ソーシャルロボットは、感情的及び認知的活動を展開し、一連の行動、パターン及び社会規範に従った簡単かつ好ましい方法で、人々と相互作用及び意思疎通することができるものである。

この点で、ロボット工学の分野における前進は、相互関係を促進する人間的外観を備えるとともに、特定の物理的移動及び作業技能をそれらに与える精密な機械構造を備えた二足歩行ロボットの開発に注力されており、これはホンダの既知のロボット“Ａｓｉｍｏ”（登録商標）がそうであり、この意味で、ペットに似ているがやはり複雑な機械構造を有するソニーのロボット“Ａｉｂｏ” （登録商標）もまた、知られている。

たとえこの種のロボットが、その周りの環境を感知する感覚システムを有して人間と相互作用することができるとしても、それらの自己表現は限られており、それらの性能は、使用者の行為に対する単純な応答に限られている。したがって、適切な表現システムによって人間及び他のロボットと効率的に関わることができ、さらにそれらの相互関係から学習することができるインテリジェントソーシャルロボットを開発することが必要である。

本発明は、その周りの環境と効果的に関わることを可能にする適切な手段を有し、同時にそれらの相互関係から学習する個人用のソーシャルロボットを提案する。

本発明のロボット物体は、その上部のヘッドで構成されており、そのヘッドには、目の形態の２個のウェブ画像カメラから構成された人工視覚システムと、三角配置の３個のマイクロフォンによって形成された音声認識システムと、ＬＥＤアレイ及び目の形態のウェブ画像カメラの周りに配置されたまぶたから構成された表現システムとが配置されている。

ロボットの下部にはボディが配置されており、それには、ボディの両側に配置された２個のスピーカから構成された音声合成システムと、超音波センサから構成された障害物検出システムと、２個の側部の作動輪及び中央の小形のガイド車輪から構成されたロボットを移動させるためのシステムとが配置されている。

ロボットは、ユニット全体を制御するオープンソースオペレーティングシステムを備えたマザーボードを有しており、このマザーボードは、コントローラボードと接続されている。コントローラボードは、人工視覚システムから信号を受信し、音声合成システム、障害物検出システム、移動用システム、及び表現システムのまぶたを制御する。このコントローラボードはさらに、マザーボードと音声認識システムから信号を受信して表現システムのＬＥＤアレイを制御する別のコントローラボードとを接続する接続ブリッジの働きをする。

このようにして、その構成的及び機能的特徴により、その意図する用途を果たし、適切にその周りの環境と関係してその相互関係から学習するのに極めて有利である、完全に自律的な汎用ロボット工学プラットホームが得られる。

本発明のソーシャルロボット物体の前方斜視図である。 上図に関する後方斜視図である。 ロボットの内部の前方斜視図である。 ロボットの内部の後方斜視図である。 ロボットの表現システムの一方のまぶたの詳細図である。 ロボットの表現システムのＬＥＤアレイの詳細図を示す。 ロボットのヘッドの動きを駆動する２個のサーボモータの斜視図を示す。 ロボットの機能ユニットの中の一方のコントローラボードの概略図である。 機能ユニットの中の他方のコントローラボードの概略図である。 ロボットの種々の装置とコントローラボードとの接続の全体略図である。

本発明の目的は、その周りの環境と相互関係を持つための適切な手段を有する、完全に自律的でありオープンソースでプログラムされたソーシャルロボットの形態の汎用ロボット工学プラットホームに関する。

図１、２は、本発明のロボット物体を図示しており、それは、その上部の球体ヘッド（１）と、その下部のボディ（２）と、目に似ているウェブ画像カメラ（３）から構成された人工視覚システムと、三角形状に配置されたマイクロフォン（４）によって形成された音声認識システムと、ロボットの鼻及び口に似ているＬＥＤアレイ（５）から構成された表現システムと、ヘッド（１）の内部に配置された目の形態のウェブ画像カメラ（３）の周りに配置されたまぶた（６）とから構成される。

ロボットのボディ（２）には、ボディ（２）の両側に配置されたスピーカ（７）から構成された音声合成システムと、数個の超音波センサ（８）から構成された障害物検出システムと、小形の中央車輪（１０）によって案内される２個の作動輪（９）によって形成されたロボットを移動させるためのシステムとが組み込まれている。

ロボットのボディ（２）の内部には、ロボットを制御するための全ての機能を実行するオープンソースオペレーティングシステムを備えたマザーボード（１１）と、このマザーボード（１１）と接続し、ロボットのボディ（２）内部においてその前部に配置されたコントローラボード（１２）が配置されており、このコントローラボード（１２）は、ロボットのヘッド（１）の後方内部に配置された別のコントローラボード（１３）と接続するための接続ブリッジの働きをする。

図５．１に見られるように、表現システムのまぶた（６）は、はめ歯歯車（６．２）に連結された三日月形部片（６．１）によって形成され、はめ歯歯車（６．２）は、駆動ホイール（６．３）によってそれぞれのサーボモータ（１４、１５）と噛み合っている。三日月形部片（６．１）の位置に応じて、ロボットの顔を様々な表情にすることができ、それゆえに三日月形部片（６．１）が上部位置にある場合、ロボットは幸せな表情をし、下部位置にある場合、ロボットは悲しい表情し、そして例えば中間位置にある場合、ロボットは無表情となる。

ＬＥＤアレイ（５）は、複数のＬＥＤ（５．１）とステータスＬＥＤ（５．２）とによって形成されており、ＬＥＤ（５．１）は、それらの選択的点灯によってロボットの感情状態を表し、ステータスＬＥＤ（５．２）は、例えば、赤色の場合にエラー状態を示し、オレンジの場合に充電中状態を示し、白色の時にはロボットが更新をダウンロードしている（図５．２参照）ことを示す。

一方で、目に似ているウェブ画像カメラ（３）は、人間の視覚の感覚を与えるために約７センチメートル離れており、それにより、人間との相互作用を促進する、より親しみやすいロボットの表情が、まぶた（６）、ＬＥＤアレイ（５）及びウェブ画像カメラ（３）の配置によって得られる。

音声認識システムは、３個のマイクロフォン（４）を有しており、それらは三角形状に配置されており、２個がロボットのヘッド（１）の両側の下部位置に、もう１個が上部位置において他の２個から等距離に位置する。

ロボットのヘッド（１）は、中心シャフトによって互いに取り付けられた２個のサーボモータ（１６、１７）によって駆動され、サーボモータ（１６）は、ヘッド（１）の横方向の動きを実行し、サーボモータ（１７）は、垂直方向の動きを実行する。人間の振る舞いでのより良好な感覚を与えるために、サーボモータ（１６）は１８０°の横方向の動きに制限され、サーボモータ（１７）は７０°の垂直方向の動きに制限される（図６参照）。

ロボットが相互作用を待っている作動状態にある時、３個のマイクロフォン（４）は、例えば５０ｄＢのレベルといった音の特定のしきい値をすぐに検出できる状態にある。従って、音のしきい値を超えたことを側部のマイクロフォンの１個が検出した場合、ロボットのヘッド（１）は、サーボモータ（１６）によって横方向に回転して信号を受信した領域の方へ向けられ、その時点でウェブ画像カメラ（３）が起動し、ヘッド（１）は、話しかけている人の顔にカメラ（３）の焦点が合うまでサーボモータ（１７）によって垂直方向に向きを合わせる。その時点でロボットは、上部のマイクロフォン（４）によって音声データを受信するとともに、ウェブ画像カメラ（３）によって画像を受像する状態にある。上部のマイクロフォン（４）が音のしきい値を検出した場合、ヘッド（１）は横方向に回転せず、話しかけている人の顔をウェブ画像カメラ（３）が検出するまで、サーボモータ（１７）に駆動されて垂直方向のみに回転する。

障害物検出システムは、６個の超音波センサ（８）を有し、そのうちの３個はボディ（２）の前部に、２個はその後部に、そしてもう１個は下部に配置されている。それにより、前部センサのうちの２個がロボットの両側の障害物を検出し、他の前部センサは、ロボットが移動する時に障害物又は高さの変化を検出するために下方に向けられており、下部センサは、ロボットが地上から持ち上げられたかどうかを検出し、２個の後部センサは、ロボットの後部周辺全体の障害物を検出する。

本発明の別の実施形態によれば、障害物検出システムは４個の超音波センサ（８）を有し、それらのうちの２個はボディ（２）の前部に、他の２個はその後部に配置されており、地表面に対して４５°の角度で向けられた赤外線センサが、前部の超音波センサ（８）の間に配置されている。それにより、２個の前部の超音波センサ（８）は、ロボットの前方及び両側の障害物を検出し、２個の後部の超音波センサ（８）は、ロボットの後部周辺全体の障害物を検出し、赤外線センサは、ロボットが転倒したか、又は地上から持ち上げられたかどうかを検出する。

ロボットの下部に位置する移動用システムの各車輪（９）は、エンコーダを備えるそれぞれのモータ（１８、１９）に、その車軸への直接伝動によって連結されている。

図７に見られるように、コントローラボード（１２）は、表現システムのまぶた（６）の操作及びヘッド（２）の動きの駆動をするサーボモータ（１４、１５、１６、１７）を制御するための４個のコネクタ（１２．１、１２．２、１２．３、１２．４）と、移動用システムのモータ（１８、１９）のエンコーダを制御するための２個の入出力装置（１２．５、１２．６）と、ＷＩＦＩ装置及び人工視覚システムのウェブ画像カメラ（３）に接続するための好ましくはＵＳＢ形式ポート（１２．７、１２．８、１２．９）である３個のポートと、マザーボード（１１）とのオーディオ接続のための装置（１２．１０）と、音声合成システムのスピーカ（７）のためのオーディオ出力（１２．１１）と、コントローラボード（１３）からの音のためのオーディオ入力（１２．１２）と、電力供給点（１２．１３、１２．１４、１２．１５）とを有する。

同じく、図８に見られるように、コントローラボード（１３）は、音声認識システムのマイクロフォン（４）のための３個のオーディオ入力（１３．１、１３．２、１３．３）と、得た音声をボード（１２）の入力（１２．１２）に送る出力（１３．４）とを有する。それはまた、表現システムのＬＥＤアレイ（５）のためのマルチコネクタ（１３．５）と、電力供給点（１３．６）とを有する。

マザーボード（１１）とコントローラボード（１２）との間の通信、及びコントローラボード（１２、１３）の間の通信は、Ｉ２Ｃプロトコルによって実行される。ボード（１２）のコネクタ（１２．１６）とボード（１３）の別のコネクタ（１３．７）との間にデータバスが配置され、このデータバスに障害物検出システムの超音波センサ（８）、液晶ディスプレイ（１８）及びデジタルコンパス（１９）が接続されている。これらの装置の信号は、コントローラボード（１２）によって制御され、同様にＩ２Ｃ通信によって処理のためにマザーボード（１１）に送られる。

液晶ディスプレイ（１８）は、ロボットのボディ（２）の後部に配置されており、特にバッテリレベル、ロボット工学プラットホームのエラー及びファームウェアバージョンといった変化するものに関し、その状態を知るために使用される。

デジタルコンパス（１９）は、その環境におけるロボットの概略位置を知ることを可能にする測位システムであり、ロボットがローバッテリ状態にある時にそれを充電プラットホーム（図示せず）に可能な限り近くまで来させる役割を担っている。コネクタ（１３．８）によってコントローラボード（１３）と接続された赤外線受信機（２０）と対応する赤外線ＬＥＤが、ロボットの充電プラットホームとの正確な結合のために充電プラットホームに配置されている。

両方のコントローラボード（１２、１３）は、基本的な制御機能が実行されるプロセッサ（Ｕ１２、Ｕ１３）を有しており、それぞれのコネクタ（ＩＣＳＰ）が、各コントローラボードのプロセッサをプログラムするために直列に配置されている。

コントローラボード（１２）は、ロボットをオン及びオフする役割を担っており、それは、電力を通常は１２Ｖで電力供給点（１２．１３）から受け、電力供給点（１２．１４、１２．１５）によってマザーボード（１１）及びコントローラボード（１３）に電力を供給する。そのため、電源オフコマンドがマザーボード（１１）から送られると、コントローラボード（１２）は、ＬＥＤアレイ（５）をオフにする役割を担い、コントローラボード（１３）はマザーボード（１１）自体をオフにして、最後にそれ自体をオフにする。

ロボットは、ヘッド（１）の後部に、遠隔位置にある人工ニューラルネットワークと接続するためのＷＩＦＩ通信技術を備えたアンテナ（２１）を有しており、異なるロボットが人工ニューラルネットワークに接続され、それによりそのロボットの全てが、受信した情報を共有して、それらの学習を促進することができる。

ロボットは、ＷＩＦＩ装置によって外部と接続されることができ、それにより情報共有、ニューラルネットワークデータ記憶又はソフトウェア更新が実行され得る。ロボットはまた、ロボットを携帯電話、ＰＤＡ又はその他のような様々な装置と接続するために、ブルートゥース（登録商標）装置も有する。

ロボットは、ボディ（２）の後部に、例えばブルートゥース（登録商標）装置、オペレーティングシステムが配置され得るメモリカードなどのような様々な装置と接続するためのＵＳＢポートを有する。

上述のように、そして図９の全体略図に見られるように、マザーボード（１１）は、ロボットの動作を制御し、ロボットの環境のリアルタイムデータを常に有するコントローラボード（１２、１３）と通信する。コントローラボード（１２）は、人工視覚システムのウェブ画像カメラ（３）と通信してそこから信号を受信し、障害物検出システムの超音波センサ（８）から信号を受診し、デジタルコンパス（１９）によるロボットの位置を受信し、ステータス情報を液晶ディスプレイ（１８）に送る。それはまた、表現システムのまぶた（６）、ヘッド（２）の動き、音声合成システムのスピーカ（７）、及び移動用システムの車輪（９、１０）を制御する。一方、コントローラボード（１３）は、音声認識システムのマイクロフォン（４）と通信してそこから信号を受信し、表現システムのＬＥＤアレイ（５）を制御し、さらに赤外線受信機（２０）から情報を受信する。

オペレーティングシステムがオープンソースで設定されるので、すべての使用者は、ロボットが使用者によって必要とされる機能を実行するように、上述のロボットの全てのハードウェア構成要素の種々のデータを、プログラム、相互作用及び／又は修正する機会を有する。

１ ヘッド
２ ボディ
３ ウェブ画像カメラ
４ マイクロフォン
５ ＬＥＤアレイ
５．１ 複数のＬＥＤ
５．２ ステータスＬＥＤ
６ まぶた
６．１ 三日月形部片
６．２ はめ歯歯車
６．３ 駆動ホイール
７ スピーカ
８ 超音波センサ
９ 作動輪
１０ 中央車輪
１１ マザーボード
１２、１３ コントローラボード
１２．１、１２．２、１２．３、１２．４ コネクタ
１２．５、１２．６ 入出力装置
１２．７、１２．８、１２．９ ＵＳＢポート
１２．１０ オーディオ接続のための装置
１２．１１ オーディオ出力
１２．１２ オーディオ入力
１２．１３、１２．１４、１２．１５ 電力供給点
１２．１６ コネクタ
１３．１、１３．２、１３．３ オーディオ入力
１３．４ 音声出力
１３．５ マルチコネクタ
１３．６ 電力供給点
１３．７ コネクタ
１３．８ コネクタ
１４、１５、１６、１７ サーボモータ
１８、１９ モータ
１８ 液晶ディスプレイ
１９ デジタルコンパス
２０ 赤外線受信機
２１ アンテナ
Ｕ１２、Ｕ１３ プロセッサ

Claims (10)

1. ウェブ画像カメラ（３）から構成された人工視覚システムと、マイクロフォン（４）によって形成された音声認識システムと、表現システムとが配置されたヘッド（１）と、
   スピーカ（７）から構成された音声合成システムと、超音波センサ（８）から構成された障害物検出システムと、２個の作動輪（９）及び中央の小形のガイド車輪（１０）によって形成された移動用システムとが配置されたボディ（２）と、
   を備える形式のソーシャルロボットであって、
   前記表現システムは、複数のＬＥＤ（５．１）及びステータスＬＥＤ（５．２）によって形成されたＬＥＤアレイ（５）と、三日月形部片（６．１）によって形成されたまぶた（６）とから構成され、前記三日月形部片（６．１）は、駆動ホイール（６．３）によってそれぞれのサーボモータ（１４、１５）と噛み合っているはめ歯歯車（６．２）に連結され、前記音声認識システムは、３個の前記マイクロフォン（４）を有しており、それらは、２個が前記ヘッド（１）の両側の下部位置に配置され、残りの１個が上部位置に他の２個から等距離に配置されて、三角形状に配置されており、前記両側の下部位置の２個の前記マイクロフォン（４）のうちの１つがしきい値を超えた音を検出した場合、前記ヘッド（１）は前記音を検出した方向へ向けられ、話しかけている人の顔に前記ウェブ画像カメラ（３）の焦点が合うまで垂直方向に前記ヘッド（１）の向きを合わせ、前記上部位置の前記マイクロフォン（４）がしきい値を超えた音を検出した場合、前記ヘッド（１）は横方向に回転せず、話しかけている人の顔を前記ウェブ画像カメラ（３）が検出するまで垂直方向のみに回転し、前記２個の作動輪（９）及び前記中央の小形のガイド車輪はコントローラボード（１２）によって制御されることを特徴とする、ソーシャルロボット。
2. 前記ボディ（２）の内部にオープンソースオペレーティングシステムを備えたマザーボード（１１）が配置され、前記マザーボード（１１）は、前記ボディ（２）内部に配置された前記コントローラボード（１２）と接続されるとともに、前記ヘッド（１）の後方内部に配置されたコントローラボード（１３）と接続していることを特徴とする、請求項１に記載のソーシャルロボット。
3. 前記ウェブ画像カメラ（３）同士が、約７センチメートル離されていることを特徴とする、請求項１に記載のソーシャルロボット。
4. 前記障害物検出システムは６個の超音波センサ（８）を有し、それらのうちの３個が前記ボディ（２）の前部に、２個が後部に、もう１個が下部に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のソーシャルロボット。
5. 前記ヘッド（１）は、２個のサーボモータ（１６、１７）によって駆動され、前記サーボモータ（１６）は、１８０°に制限された前記ヘッドの横方向の動きを実行し、前記サーボモータ（１７）は、７０°に制限された垂直方向の動きを実行することを特徴とする、請求項１に記載のソーシャルロボット。
6. 前記ヘッド（１）の後部に、遠隔位置にある人工ニューラルネットワークと接続するためのアンテナ（２１）を有することを特徴とする、請求項１に記載のソーシャルロボット。
7. 前記コントローラボード（１２）は、サーボモータ（１４、１５、１６、１７）を制御するための４個のコネクタ（１２．１、１２．２、１２．３、１２．４）と、モータ（１８、１９）を制御するための２個の入出力装置（１２．５、１２．６）と、ＷＩＦＩ装置及び前記ウェブ画像カメラ（３）に接続するための３個のＵＳＢポート（１２．７、１２．８、１２．９）と、前記スピーカ（７）のためのオーディオ出力（１２．１１）と、オーディオ入力（１２．１２）と、電力分配点（１２．１３、１２．１４、１２．１５）とを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のソーシャルロボット。
8. コントローラボード（１３）が、前記マイクロフォン（４）のための３個のオーディオ入力（１３．１、１３．２、１３．３）と、オーディオ出力（１３．４）と、前記ＬＥＤアレイ（５）のためのマルチコネクタ（１３．５）と、電力供給点（１３．６）とを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のソーシャルロボット。
9. 充電プラットホームとの前記ソーシャルロボットの正確な結合のための赤外線受信機（２０）が、コントローラボード（１３）のコネクタ（１３．８）によって接続され、前記充電プラットホームには、前記赤外線受信機（２０）と対応する赤外線ＬＥＤが配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のソーシャルロボット。
10. 前記障害物検出システムは４個の超音波センサ（８）を有し、それらのうちの２個が前記ボディ（２）の前部に、他の２個が前記ボディ（２）の後部に配置されており、地表面に対して４５°の角度で向けられた赤外線センサが、前部の前記超音波センサ（８）間に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のソーシャルロボット。

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