JPH039780A - 人体形ロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、人体形状を有するロボット、特にロボットの
各構成部材が各関節部を中心に動作する人体形ロボット
に関するものである。

［従来の技術］ 従来、人間の各種機能を代替する自動化機械である産業
用ロボット、あるいは子供向けの玩具用ロボット等の各
種ロボットが種々開発されている。

このような各種ロボットは、それぞれの機能を向上させ
るために種々の改良が行われ、例えば産業用ロボットに
あっては、各作業をより正確に行うために、シーケンス
ロボットやプレイバ１．クロポット、さらに数値制御ロ
ボット等が開発されている。

また、玩具用ロボットにあっては、簡単な構造により多
種類の動作を行い得るような種々の改良がなされている
。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような産業用ロボットにおける改良は、動作の正
確性や安全性に関するものであり、その動作をより人間
の動作に近づけるという方向の改良ではない。また、玩
具用ロボットにおいてもその動作の改良は、子供などの
興味をひくような動きの追及という方向に向けられてい
る。

従って、上記のような従来のロボットにおいては、動作
の機能面においては人間の動作と共通性を見出だせる。

しかし、その動作を見る者にとってその運動自体の外部
的な現れ、例えば、動作中のモータ駆動音、液圧システ
ム等による動作速度、さらに動作経路等は、人間の動き
との近似性を見出だすことができない。すなわち、その
モータ駆動音や動作の開始時および終了時における急な
動作、あるいはメカ的な定速かつ一定経路の動作は、そ
のロボットの動作を非人間的な動作としている。

また、例えば、玩具用ロボット等において、ソレノイド
により構成部の動作を行わせる場合には、動作の初期に
は力が弱く、動作終了時点において最も大きな力が加え
られることとなり、人間の実際の動作がその動きの初期
において大きな力が加えられるという動作と異なったも
のとなる。

従って、本願発明のロボットのように、人体を模した外
形上を有し、構成各部の動作をより人間の動作に近い動
作とすることを指向するロボットにあっては、従来の駆
動機構をそのまま応用することはできなかった。

従って、人間の動作に近い動きを行うことを指向する人
体形ロボットにおいては、各構成部材の動作をより人間
の動作に近いものとするための駆動機構を開発しなけれ
ばならないという課題があった。

発明の目的 本発明は、上記課題を達成するためになされたものであ
り、その目的は各関節部におけるロボットの構成部の動
きをより人間の動作に近いものとした人体形ロボットを
提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明に係る人体形ロボッ
トは、人体を模した外形状を有するロボットであって、
ロボットの各構成部材を回動自在に連結した複数の関節
部を備えた人体形ロボットにおいて、前記関節部にて連
結された各構成部材間に掛け渡され、加熱又は加熱停止
によって収縮し、前記各構成部材の所定方向への回動動
作を行わせる形状記憶合金線と、該形状記憶合金線への
電圧印加又は印加停止を行うことにより加熱又は加熱停
止を行う電圧印加手段と、を含み、前記電圧印加又は印
加停止による形状記憶合金線の収縮と復帰伸長によって
ロボット構成各部の動作を行うようにしたことを特徴と
する。

［作用］ 本発明に係る人体形ロボットは、加熱によって収縮し、
加熱停止によって復帰伸張する形状記憶合金あるいは加
熱時に伸張状態にあり、加熱停止によって収縮する形状
記憶合金の収縮・伸張動作が生物的動作であること、す
なわち、筋肉の収縮・伸張動作に類似する柔らかい動き
であることに着目して構成されたものである。

本発明における人体形ロボットは、加熱または加熱停止
によって収縮する形状記憶合金線を電圧印加によるジュ
ール加熱を用いて収縮・復帰伸張させ、この形状記憶合
金線の掛け渡されたロボットの各構成部材を各関節部に
おいて回動動作させるようにしている。

上記形状記憶合金線は、電圧印加によってジュール加熱
され、また、電圧印加停止によって非加熱状態となり、
収縮または伸張を行うように形状記憶処理が施されてい
る。従って、この形状記憶合金線への電圧印加制御を行
うことによって、筋肉の収縮伸張による人体動作に近い
ロボットの各構成部材の動作を行わせることができる。

このように、産業用ロボットや、玩具用のロボットと異
なり、その動きをより人間の動作に近いものとした人体
形ロボットによって、これを見る者に強い印象を与える
ことができ、産業用や玩具用とは異なる芸能面における
利用価値、あるいは、個人の趣味的対象としての利用価
値に優れた作用を奏する。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明に係る人体形ロボットの好
適な実施例について説明する。

第１図は、本発明に係る人体形ロボットの手の部分を示
す斜視図であり、表皮部１０は図示の簡略化のため、人
指指の部分のみを取り付けたものを表示している。この
表皮部１０の材質は、外形状を維持することのできる所
定の硬度をもったプラスチック等によって構成されてい
る。

手指１２は、３つの指構成部材１２ａ、１２ｂ。

１２ｃとから構成されている。各指構成部材は、それぞ
れ関節１及び関節２にて回動自在に連結されている。そ
して、指の付は根部分にあたる指構成部材１２ｃは、関
節３にて回動自在に連結されている。

第２図は、上記指の各関節１〜３の構成を示す一部抜き
出し図であり、第１図のＸの部分の構成を示している。

指構成部材１２ｂと１２ｃとは、接続軸によって回動自
在に連結されている。そして、この接続軸には関節金具
１４及びセラミックプーリー１６が回動可能に軸支され
ている。関節金具１４は断面コ字形状を有し、両脚部１
４ａ及び１４ｂの間にセラミックプーリー１６が配設さ
れている。

関節１及び関節３においてもこの第２図に示したものと
同様の部材が設けられている。そして、各セラミックプ
ーリー１６には形状記憶合金線１８が巻回され、順次掛
け渡されている。

なお、関節金具１４はセラミックプーリー１６の横擦れ
防止や手指１２がその背側に所定範囲以上反ることを防
止する作用を果たしている。

セラミックプーリー１６は電気的絶縁及び耐熱性に優れ
ており、形状記憶合金線１８への電圧印加や、その形状
記憶合金線１８の収縮伸張動作をスムーズに行うことが
できるようにするものである。

次に、形状記憶合金線１８の配線について説明する。

第３図（Ａ）は手指１２が伸張している状態を側部から
見た図が示されている。手指１２の内部には、各指構成
部材１２　ａ、　　１２　ｂ、　　１２　ｃ全体にわた
り付勢手段としてのピアノ線ばね２０が内蔵されている
。このピアノ線ばね２０は手指１２を常に伸張させる方
向に付勢している。

そして、手指１２全体に掛け渡される形状記憶合金線１
８の一端１８ａは指先側の一端をピアノ線ばね２０の先
端部分２０ａに接続固定している。

そして、関節１．関節２．及び関節３の各セラミツクプ
ーリー１６に順次１回ずつ巻回して手指１２全体に掛け
渡されている。そして、その他端は更に第１図に示すよ
うに表皮部１０の手のひら側に設けられたセラミックプ
ーリー２２ａ及び２２ｂ間で巻回されている。そして、
この形状記憶合金線１８への電圧の印加は、ピアノ線ば
ね２０の尾端部２０ｂとセラミックプーリー２２ａ及び
２２ｂに巻回された側の形状記憶合金線１８の端部１８
ｂとの間に図示していない電圧印加手段によって行われ
る。

本実施例において用いた形状記憶合金線１８は加熱する
ことによって収縮するように形状記憶処理がなされてお
り、その収縮率はその全長に対して約４パーセント前後
であり、十分な収縮長を得るためにプーリー２２ａ及び
２２ｂに巻回して全長を長くしている。

次に、本実施例の指屈伸動作について説明する。

まず、第３図（Ａ）に示した状態において、ピアノ線ば
ね２０の尾端部２０ｂ（接続線２４を介する）と形状記
憶合金線１８の他端１８ｂとの間に所定電圧を印加する
と、形状記憶合金線１８はジュール加熱され、一定の収
縮率で収縮する。この収縮作用によって、手指１２は第
３図（Ｂ）に示すように屈曲する。すなわち、ピアノ線
ばね２０の付勢力は、形状記憶合金線１８の収縮力より
も弱く設定されており、手指１２はピアノ線ばね２０の
付勢力に抗して形状記憶合金線１８の収縮によって屈曲
される。この屈曲角度は、形状記憶合金線１８の長さを
調節することによって調節でき、また、セラミックプー
リー１６の径の大きさによっても調節することができる
。すなわち、セラミックプーリー１６の径を小さくする
ことによって大きな屈曲角を得ることができる。また、
印加する電圧を調整することによって、ジュール熱を調
節し、手指１２の屈曲速度を調整することができる。

次に、電圧印加を停止すると、ジュール熱が低下し、形
状記憶合金線１８は復帰伸張し、これにより手指１２は
ピアノ線ばね２０の付勢力によって伸張状態に復帰する
。この伸張動作は、形状記憶合金線１８の温度の低下に
従って行われるが、この温度下降を急激なものとするこ
とによって手指１２の伸張動作の速度を早くすることが
可能である。例えば、本実施例では示されていないが、
表皮部１０の内側に小型のファンを設けることなどによ
り、形状記憶合金線１８の冷却を早めることが可能であ
る。

第４図は、このような形状記憶合金線１８の収縮による
手指の自動屈伸動作を行うことのできる人体形ロボット
の動作制御を行うだめの制御装置の主要構成を示してい
る。ロボットの各構成部材に掛け渡され、関節部を中心
に各構成部材の動作を行わせる形状記憶合金線１８には
、それぞれの形状記憶合金線１８に対して別個に所定電
圧の印加または印加停止を行うことのできる電圧印加部
２６が接続されている。そして、電圧印加部２６にはＣ
ＰＯ２ｇからの制御信号に基づき、電圧印加部２６に対
して駆動信号を供給する電圧印加制御部３０が接続され
ている。

ＣＰＵ２８にはメモリ３２が接続されており、メモリ３
２は電圧印加部２６による電圧印加によって行われた人
体形ロボットの所定動作を記憶し、その動作データをＣ
ＰＵに供給するものである。

操作指示部３４は、操作者の指示に基づき、ロボットの
動作指示信号をＣＰＵ２８に供給するものである。

この制御装置の動作は、操作者が操作指示部３４の操作
によって、所定の動作の指示をＣＰＵ２８に対して行う
と、ＣＰＵ２８では、この指示信号に基づきメモリ３２
からの動作データを処理し、制御信号を電圧印加制御部
３０に供給する。そして、電圧印加制御部３０は、電圧
印加部２６に対してロボットの各形状記憶合金線１８に
対し、選択的に所定電圧を印加させるための駆動信号を
供給する。この駆動信号に基づいて電圧印加が行われ、
該当する形状記憶合金線１８の収縮動作によって、操作
者の指示した手指１２が指示した所定の速度でかつ所定
の角度に屈曲動作を行う。更に指示に従い、電圧の印加
が停止されることによって、手指１２は復帰伸張動作す
る。

次に、頭部の動作機構の実施例について説明する。

第５図は、頭部を首部に対して任意の方向に傾斜させる
頭部傾斜機構４０の斜視図を示しており、第６図の人体
形ロボット頭部及び首部の斜視図に示すように、人体形
ロボットの頭部４０内に配置される。

この頭部傾斜機構４０は、２つの連結される部材を３次
元的に任意の方向に傾斜可能とするいわゆるユニバーサ
ルジヨイント部４４と、このユニバーサルジヨイント部
４４の一方（上部）の連結部材に固定される頭部側傾動
部４６及びユニバーサルジヨイント部４４の他方（下部
）の連結部材に固定される首部側基部４８によって構成
されている。

頭部傾動部４６は、ユニバーサルジヨイント部４４の一
方の連結部材に直接固定されたセンター支柱５０と、こ
のセンター支柱５０から四方に突出形成された４対のポ
ール状プーリー５２を有しており、ポール状プーリー５
２は、上下に対向配置されたプーリーで対（以下ｒ５２
ａＪとする）をなし、それぞれ隣接するプーリ一対（５
２ａ）とはほぼ９Ｇ’の角をなすように形成されている
。

そして、ポール状プーリー５２の突出側端部にはそれぞ
れの対ごとに固定プレート５４が取り付けられている。

この固定プレート５４によってそれぞれのプーリ一対５
２ａのポール状プーリー５２の間隔を常に一定に保持し
ている。

なお、このポール状プーリー５２は、絶縁性、耐熱性に
優れたセラミック製のものが使用され、巻回される形状
記憶合金線６０の巻回位置の位置ずれを防止するために
、表面には、凹凸（図示せず）が形成されている。

首部側基部４８は、ユニバーサルジヨイント部４４の他
方の連結部材に固定された基台５６及びこの基台５６に
固定され下方へ延びる支軸５８から構成されている。

そして、ユニバーサルジヨイント部４４を挟んで頭部側
傾動部４６と首部側基部４８には、頭部４２を首部に対
して傾斜させるための第１の形状記憶合金線６０が掛け
渡されている。すなわち、この形状記憶合金線６０の収
縮動作によってユニバーサルジヨイント部４４を中心と
して頭部側傾動部４６を首部側基部４８に対して傾斜動
作させるようにするものである。

頭部側傾動部４６は、第６図に示すようにセンター支柱
５０の上端に取り付けられた結合部材６２によって頭部
４２の上部内側面に固定結合されている。

一方、首部側基部４８は、首部６４側内部で固定されて
いる。そして、ユニバーサルジヨイント部４４の配設位
置は、実際の人間の頭部の傾斜動作の中心位置となるよ
うに設計されている。

形状記憶合金線６０の掛け渡しは、基台５６の四方の側
面にそれぞれ設けられた４つのビン６６からそれぞれ対
応するプーリ一対５２ａ方向に引き延ばされ、そのプー
リ一対５２ａに巻回される。

この巻回は、各ビン６６から形状記憶合金線６０を２本
引き延ばし、第７図に示すようにポール状プーリー５２
のほぼ中央から両サイド方向へ順次巻回されている。そ
して、ビン６６側の形状記憶合金線６０の引き出し線６
０ａは、図示されていない電圧印加手段の負極側に接続
され、形状記憶合金線６０の各ポール状プーリー５２側
の２本の引き出し線６０ｂは、電圧印加手段の正極側に
接続されている。なお、負極側引き出し線６０ａは、４
つのビン６６毎にそれぞれ別個に引き出され、電圧印加
手段に接続されるが正極側の引き出し線６０ｂは、各プ
ーリ一対５２ａ毎にそれぞれ２本ずつ計８本が全て接続
され、１本の引きだし線６０Ｃとして電圧印加手段の正
極側に接続される。

このような形状記憶合金線６０の掛け渡しは、各プーリ
一対５２ａに複数回巻回することによって、形状記憶合
金線６０の全長を長くし、十分な収縮長を得ることがで
きる。そして、第７図に示したように、１つのプーリ一
対５２ａに対して２本の形状記憶合金線６０を巻回する
方式を採ったので、形状記憶合金線６０の収縮の収縮力
も大きいものとすることができる。従って、電圧印加手
段によって所望の形状記憶合金線６０に電圧の印加が行
われると、その電圧印加により収縮する形状記憶合金線
６０の方向に頭部４２が傾斜する。

また、各形状記憶合金線６０への電圧印加制御によりそ
の傾斜方向は３６０’任意の方向とすることができる。

この形状記憶合金線６０の収縮による頭部４２の傾斜動
作は、上記第１の実施例（手指の屈伸機構）の場合と同
様に、印加する電圧調整及び電圧印加停止後の形状記憶
合金線６０の冷却によって、その傾斜動作の速度を種々
調整することも可能である。また、傾斜角は、形状記憶
合金線の全長を調整することにより調節可能である。

次に、頭部４２の首部６４に対する水平方向の回転機構
について説明する。

第８図（Ａ）は、頭部水平回転機構６８の斜視図であり
、頭部傾斜機構４０に用いられた基台５６及び基台５６
の下面側Ｃ′こ固定された支軸５８に形成された回転結
合部７０．更にこの回転結合部７０の下部に設けられた
プーリー保持体７２にて構成されている。このプーリー
保持体７２の両側面には、それぞれ３個のプーリー７４
ａ、７４ｂ及び７４ｃがそれぞれ取り付けられている。

この各プーリー７４は絶縁性、耐熱性に優れたセラミッ
クプーリーが使用されている。

そして、回転結合部７０を挟んで、支軸５８から上部に
位置する頭部傾斜機構４０を、回転結合部７０より下方
に位置する構成部材に対して水平方向に回転させるため
、基台５６とプーリー保持体７２との間に第２の形状記
憶合金線７６が掛け渡される。

この形状記憶合金線７Ｇの掛け渡しは、基台５６の２つ
の側面にそれぞれ設けられたピン７８からプーリー保持
体７２の最上部のプーリー７４ａに引き延ばされ、この
プーリー７４ａとプーリー７４ｂとの間で巻回され、更
にプーリー７４ｂとプーリー７４ｃとの間で複数回巻回
され引き出されている。

ピン７８が形成された基台５６の２つの側面は、それぞ
れ頭部４２の側部に沿った方向の２面であり、両側面の
形状記憶合金線７６が通常状態にあるときには、頭部４
２が正面を向くように設置されている。

形状記憶合金線７６への電圧印加は、ピン７８側の形状
記憶合金線７６の端部と、プーリー保持体７２側で引き
出された端部との間に印加することによって行われる。

プーリー７４は、電圧印加による形状記憶合金線７６の
収縮長を十分にとるためにその全長を長くするように設
けられるものである。

次に、頭部水平回転機構６８の動作について第８図ＣＢ
）に基づいて説明する。

同図は、頭部水平回転機構６８を上方から見た場合の概
略図を示しており、矢印１００方向に頭部４２を回転さ
せる場合、基台５６及びプーリー保持体７２の両側面に
掛け渡された形状記憶合金線７６ａ及び７６ｂのうち、
図上右側に記された形状記憶合金線７６ａ側に電圧印加
が行われる。

すなわち、この形状記憶合金線７６ａへの電圧印加が行
われ、収縮動作が行われると、基台５６は形状記憶合金
線７６Ｈの収縮動作によって矢印２００方向に引っ張ら
れ、回転結合部７０の回転動作によって基台５６は矢印
１００方向に回転し、これに伴い頭部４２も矢印１００
方向に回転する。

この回転速度は、印加する電圧の大きさによって調整す
ることができ、回転角度は形状記憶合金線７６の長さに
よって調整することができる。

このように、頭部傾斜機構４０による任意の方向への傾
斜動作と、頭部水平回転機構６８による水平方向への回
転動作の組み合わせにより、頭部４２を３次元方向に任
意に動作させることができる。

なお、本実施例の頭部駆動機構を駆動制御するための駆
動制御装置は、第４図に示した手指の屈伸制御の場合と
同様の構成の制御装置によって行うことができる。すな
わち、ロボットの各形状記憶合金線１８の部分に頭部４
２の傾斜のための形状記憶合金線６０及び水平方向への
回転のための形状記憶合金線７６が相当する。

以上説明したように、上記実施例によれば、各手指の屈
伸動作を筋肉の収縮に近い生物的な動作を行う形状記憶
合金線の収縮動作によって、その屈曲角度及び屈伸速度
を制御しつつ行うことができる。

そして、人体形ロボットの頭部の傾斜及び回転による３
次元方向動作を形状記憶合金線の収縮動作によって滑ら
かに生物的に行うことができ、かつ手指の屈伸動作と動
揺にその傾斜角や、傾斜動作スピードを任意に調整する
ことも可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明に係る人体形ロボットによ
れば、ロボットの各構成部材の関節部を支点とする動作
を各構成部材に掛け渡された形状記憶合金線の収縮・伸
張動作によって人間の筋肉の収縮・伸張動作に基づく運
動と類似する動きとすることがｐきる。これにより、人
体形ロボットの各部の動作をより人間の動作に近い動き
とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、手指の駆動機構の説明図、 第２図は、手指部の部分説明図、 第３図（Ａ）は、手指の伸張した状態を示す説明図、 第３図（Ｂ）は、手指の屈曲した状態を示す説明図、 第４図は、実施例の屈伸動作を制御するだめの制御装置
のブロック図、 第５図は、頭部傾斜機構の斜視図、 第６図は、頭部及び首部の外観及び内部構造を示す概略
図、 第７図は、頭部傾斜機構への形状記憶合金線掛け渡し説
明図、 第８図（Ａ）は、頭部水平回転機１１■の斜視図、第８
図（Ｂ）は、頭部水１１回転機構の動作説明図である。 ０ ２ ４ １６゜ １８゜ ・・・　表皮部 ・・・　手指 ・・・　関節金具 ２２．７４　　・・・　セラミックプーリー６０．７６
　　・・・　形状記憶合金線ピアノ線ばね 頭部傾斜機構 頭部 ユニバーサルジヨイント部 センター支柱 ポール状プーリー 基台 支軸 頭部水平回転機構 回転結合部 プーリー保持体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）人体を模した外形状を有するロボットであって、
   ロボットの各構成部材を回動自在に連結した複数の関節
   部を備えた人体形ロボットにおいて、前記関節部にて連
   結された各構成部材間に掛け渡され、加熱又は加熱停止
   によって収縮し、前記各構成部材の所定方向への回動動
   作を行わせる形状記憶合金線と、 該形状記憶合金線への電圧印加又は印加停止を行うこと
   により加熱又は加熱停止を行う電圧印加手段と、 を含み、前記電圧印加又は印加停止による形状記憶合金
   線の収縮と復帰伸長によってロボット構成各部の動作を
   行うようにしたことを特徴とする人体形ロボット。
2. （２）人体を模した外形状を有し、各構成部材を回動自
   在に連結した複数の関節部を備えた人体形ロボットにお
   いて、 各手指の関節部で回動自在に連結されて各手指を構成す
   る複数の指構成部材と、 各手指毎に設けられ手指を伸張させる方向に付勢する付
   勢手段と、 前記指関節毎に設けられた絶縁部材を介して各手指の両
   端間に掛け渡され、加熱又は加熱停止されることによっ
   て収縮し前記付勢手段の付勢力に抗して各手指を屈曲さ
   せる形状記憶金属線と、前記各形状記憶金属線への電圧
   の印加又は印加停止により加熱又は加熱停止を行う電圧
   印加手段と、 を含み、前記電圧印加又は印加停止による前記形状記憶
   金属線の収縮・伸長によって各手指の屈伸を行うように
   したことを特徴とする人体形ロボット。
3. （３）人体を模した形状を有し、各構成部材を回動自在
   に連結した複数の関節部を備えた人体形ロボットにおい
   て、 頭部を首部に対して三次元的に運動自在に支持する頭部
   ジョイント部と、 加熱又は加熱停止により収縮する形状記憶金属線であっ
   て、収縮動作によって前記頭部を首部に対して任意の方
   向に傾斜させるように頭部と首部に掛け渡された第１の
   金属線及び収縮動作によって前記頭部を首部に対して水
   平方向に回転させるように頭部と首部に掛け渡された第
   ２の金属線と、前記第１及び第２の金属線への電圧の印
   加又は印加停止により各金属線の加熱又は加熱停止を行
   う電圧印加手段と、 を含み、前記電圧印加又は印加停止による前記各金属線
   の伸縮によって頭部の三次元的動作を行うようにしたこ
   とを特徴とする人体形ロボット。