JPH04210393A - 手話ロボット - 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〕 本発明は、手部を中心とした身体表現による非言語情報
伝達機能を有するロボットに係るものであり、特にロボ
ットの形状、動作機能を人間に近づけた手話ロボットに
関するものである。

〔従来技術〕

従来、工場における物体の移動作業や溶接作業等の物理
的な仕事において、人間の作業を代行する産業用ロボッ
トは、数多く開発されている。

しかし、ホームロボット、サービスロボット等の直接的
あるいは生産的な作業を行わないロボットが求められる
傾向にある。

そこで、近年、動作そのものを目的とする、例えば、受
付用ロボット、玩具用ロボットなどが開発されている。

〔発明が解決しようとする課題：・ しかし、いずれのロボ・７トも特定の簡単な表現動作を
するに過ぎず、人間の手振り、身振りなどの身体表現に
よる非言語情報伝達については設計上あまり考慮されて
いない。

また、従来のロボットでは、自由度が少なく、身体表現
を可能とする円滑な動作が行えず、形状も大きく身体表
現による情報伝達には適さない。

そこで、本発明は表現形式の確立した手話に着目し、生
活空間における人間行動のロボット化の要請に応じて、
手話を可能にする自由度と動作速度をもち、かつロボッ
トの形状、寸法を人間に近づけるためメカニズムを限ら
れたスペースに収めた手話ロボットを提供することを目
的とする。

〔課題を解決するた約の手段〕 請求項（１）記載の手話ロボットの発明は、宇部と、一
端が関節を介して宇部と連結され他端が関節を介して胴
部と連結される腕部と、宇部と腕部とに各々設けられる
関節及び宇部と腕部との関節を作動させる複数のワイヤ
と、これらのワイヤへ引張力を伝達するモータと、この
モータを駆動させる駆動回路と、手話パターンの登録さ
れたデータによりモータの動作を制御する制御手段と、
を有することを特徴としている。

請求項（２）記載の発明は、宇部の関節に設けられエン
ドプレートを有するモータ側ジヨイントと指先側部分を
支持する指先側ジヨイントと、この両ジヨイントを軸支
する関節シャフトと、この関節シャフトへ支持され指先
側ジヨイントへ固定されるプーリと、中央に形成された
コイル部が前記両ジヨイント結合部に支持され両端が両
ジヨイントのエンドプレートに取付けられてこの関節を
伸びる状態に付勢するねじりコイルばねと、一端がモー
タの駆動力を受け中間部がモータ側ジヨイントのエンド
プレートを貫通し他端が前記プーリに固定されて引張力
で前記プーリを回転させるワイヤと、を有することを特
徴としている。

〔作用〕

請求項（１）に記載された発明の作用について説明する
。

本発明の手話ロボットは、手話パターンの登録されたデ
ータに基づき、制御手段によりモータの駆動が制御され
る。モータの駆動は駆動回路で行われ、モータの駆動力
がワイヤにより、宇部、腕部の各関節に伝達され、宇部
、腕部の各関節の協調動作により手話表現が行われる。

請求項（２）に記載された発明では、指屈伸関節はモー
タの正回転でワイヤに与えられる引張力により、ねじり
コイルばねの付勢力に抗して、関節に設けられたプーリ
を指先側ジヨイントと一体に正回転させることで曲げら
れる。次にモータの反回転により、ワイヤを弛緩させる
と伴に各関節に取付けらえれたねじりコイルばねの復元
力で、関節側に設けられたプーリを反回転させることで
関節は元の状態に戻される。

〔実施例〕

第１図乃至第１４図には本考案の実施例に係る手話ロボ
ットの実施例が示されている。

第１図は本発明実施例に係る手話ロボットの本体を示す
ものである。

手話ロボットは宇部１０、腕部１２及び胴部１４から構
成される。

腕部１２の両端は、後述する関節を介して宇部１０及び
胴部１４の上端部に連結されており、宇部１０、腕部１
２及び胴部１４の位置関係は人間の形状に近づけて構成
されている。

胴部１４には、一部しか図示されていないが後述するス
テッピングモータが備えられ、駆動力が伝わる各関節の
動きを目視しながら、ステッピングモータの動きを調整
できるようにしている。

第２図に示されるように、宇部１０は、親指１１、人差
指１３、中指１５、薬指１７、小指１９　　　−及び掌
部２１で構成されている。

人差指１３、中指１５、薬指１７及び小指１９は、それ
ぞれ第１屈伸関節２２、第２屈伸関節２４、第３屈伸関
節２６及び第３開閉関節２８と、これらの関節によって
たがいに連結される略円筒状の第−指２３、第二指２５
、及び第三指２７で一本の指が構成されている。

従って、第１屈伸関節２２、第２屈伸関節２４、第３屈
伸関節２６及び第３開閉関節２８は、各々第４図の矢印
Ａ、　Ｂ、　Ｃ，Ｄ方向及びこれと反対方向へ旋回する
。

親指１１は、第１親指屈伸関節３０、第２親指屈伸関節
３２、第３親指開閉関節３４及び親指内外転関節３６と
、これらの関節によって互いに連結される略円筒状の第
１指３１、第２指３３及び第３指３５で一本の指が構成
されている。

従って、第１親指屈伸関節３０．第２親指屈伸関節３２
、第３親指開閉関節３４及び親指内外転関節３６が各々
矢印Ｅ、　　Ｆ、　Ｇ、　Ｈ方向及びこれと反対方向へ
旋回する。

また各第１指２３の先端には、発砲スチロール製で略半
球状の指先部２３Ａが固定されている。

これらの第−指２３、第二指２５、第三指２７第−指３
１第二指３３及び第３指３５はジュラルミン製の薄肉筒
板で形成され、軽量化が図られている。

本部２１は、第４図に示されるように略台形状の薄板の
手の平２１Ａとして作用する板材と、手の甲２１Ｂとし
て作用する板材を互いに平行に固定して構成され、これ
らの手の平２１Ａと手の甲２１Ｂの間には第３指開閉２
８の端部が収納される。また、親指１１部では親指内外
転関節３６に設けられるモータ側ジヨイントのエンドプ
レートが本部２１に収容支持されている。

腕部１２は、手首部１６、打部１８及び肩部２０により
構成されている。

手首部１６は、矢印■方向及びこれと反対方向へ旋回す
る手首屈伸関節３８及び矢印Ｊ方向及びこれと反対方向
へ旋回する手首屈伸関節４０を備え、本部２１と前腕３
７を連結している。

打部１８は、前腕３９の一端が矢印に方向及びこれと反
対方向に旋回する耐回転関節４２を介して前腕３７へ連
結され、他端が矢印り方向及びこれと反対方向に旋回す
る肘屈伸関節４４を介して上腕４１と連結されている。

肩部２０は、上腕４３の一端が矢印Ｍ方向及びこれと反
対方向に旋回する肩回転関節４６を介して上腕４１へ連
結され他端が矢印Ｎ方向及びこれと反対方向に旋回する
頁内外転関節４８を介して上腕４５に連結されている。

なお、上腕４５内へ収容される肩振上げ関節５０は、上
腕４５を関節シャツ）５０Ａに旋回可能（矢印０方向及
びこれと反対方向）としている。

この関節シャツ）５０Ａの先端は胴部１４に収容される
ステッピングモータ５２の出力軸５２Ａとダイレクトに
連結されている。　これによって、片側の手部１０及び
腕部１２は２３自由度を有している。

なお、以上説明した手部１０及び腕部１２は、ジュラル
ミン製で、加工性、軽量性及び適度の剛性を備えている
。

また第２指２５、及びこれに続く第１指２３゜第３指２
７の指向側端部には切欠２５Ａが各々形成され、指向側
への屈曲時に指部が干渉しないようになっている。

胴部１４は、長方形状の箱体で両側の手部１０及び腕部
１２の４６自由度に対応して４６個のステッピングモー
タ５２と定電流駆動回路５４が内蔵されている。

これらのステッピングモータ５２は出力軸５２Ａで直接
駆動される肩振上げ関節５０を除き、各関節に備えられ
たプーリにワイヤを介してモータの回転力を伝達してい
る。

次に、第３Ａ、３Ｂ図、及び第４図に示されるように第
１屈伸関節２２及び第２屈伸関節２４は、指先側部分を
支持する指先側ジヨイント１５０、モータ側ジヨイント
１４６、中間ジヨイント１５４及びリンクシャフト１５
２で構成されている各ジヨイントは、エンドプレート及
びこれから延長される一対のブラケットを有している。

詳しく説明すると、指先側ジヨイント１５０は、円筒状
の第１指の内周面に嵌まり合うエンドプレート１５０Ａ
と、そのエンドプレート ら、関節シャフト１４９を支持する貫通孔が形成された
対向する１対のブラケット１５０Ｂが延長されている。

なお、モータ側ジヨイント１４６も同様に形成されてい
る。

中間ジヨイント１５４は、エンドプレート１５４Ａが第
２指２５内に固定され、そのエンドプレー）１５４Ａの
両面から、関節シャフト１４９を支持する貫通孔が形成
された対向する１対のブラケット１５４Ｂがモータ側ジ
ヨイント１４６及び指先側ジョイン）１５０へ向けて各
々延長されている。

ここで、指先側ジヨイント１５０Ｂが、関節シャフト１
４９で一方のブラケッ）１５４Ｂへ軸支され、他方のブ
ラケッ）１５４Ｂが関節シャフト１４８でブラケッ）１
４６Ｂに軸支されている。

従って、第１指２３が第２指２５に対して旋回し、第２
指２５が第３指２７に対して旋回可能となっている。

リンクシャフト１５２は、ピアノ線で構成されモータ側
ジヨイント１４６におけるブラケット１４６Ｂの先端部
付近と指先側ジヨイント１５０のブラケット１５０Ｂの
関節シャフト１４９の付近とを連結している。

従って、モータ側ジヨイント１４６に対して中間ジヨイ
ント１５４が回転すると、指先側ジヨイント１５０も中
間ジヨイント１５４に対して連動回転するようになって
いる。

また、関節シャフト１４８には同軸的にプーリ６４を軸
支し、プーリ６４はブラケット１５４Ｂに固着され、イ
ンナワイヤ１５１の先端が固定されている。

第５図に示されるようにこのインナワイヤ１５１の他端
は胴部１４内のステッピングモータ５２の出力軸へ固着
されたプーリ７４に固着されて引張力を受けるようにな
っている。

なお、インナワイヤ１５１の中間部はアウターチューブ
８４へ収容されている。

第５図に示されるように、第２屈伸関節２４には、ねじ
りコイルばね７２が設けられて復帰用となっている。

また、ねじりコイルばね７２は、中央に形成されたコイ
ル部が両ジヨイント１４６．１５４のエンドプレートに
取り付けられ、矢印Ｂ方向と反対方向に指先側ジヨイン
ト１５４を若干付勢している。

上記の如く構成された指関節の作動を説明するモータ側
ジヨイントの関節シャフト１４８に軸支されるプーリ６
４が、インナワイヤ１５１の引張りにより矢印Ｂ方向に
回転し、その回転力がリンクシャフト１５２を介してブ
ラケット１５０Ｂに伝達され、ブラケッ）１５０Ｂが矢
印へ方句に回転することにより、第１屈伸関節２２と第
２屈伸関節２４は連動して作動する。

このため第１屈伸関節２２の動作がほぼ人間と同程度と
なるとともに、ジヨイント１４６．１５４を別個に駆動
する場合に比べて、製作や保守が非常に楽で制御を単純
化することができる。

また、第２屈伸関節２４の両方向回転をワイヤで駆動す
る場合に比べて、メカニズムの内蔵スペースを小さくで
き、またワイヤをモータ側プーリに巻掛けるのと異なり
、ワイヤ本数を減らすことができるため、メカニズムを
簡素化、軽量化できる。

なお、第１親指屈伸関節３０にも第６図と同一の構造が
適用される。

次に、第４図及び第６図に示されるように第３屈伸関節
２６は、指先側部分を支持する指先側ジヨイント９０、
モータ側ジヨイント９２、関節シャフト８８、関節側プ
ーリ８６及引張りばね９４から構成されている。

この第３屈伸関節２Ｇは、引張りばね９４を除き、他は
第２屈伸関節２４と同様の構造となっている。

関節側プーリ８６には、モータ側プーリ９６から、エン
ドプレー）９２Ａの貫通孔１０２を貫通してくるインナ
ワイヤ９８の中間部が巻掛けて一部が固定され、その先
端は引張りばね９４に連結される。

引張ばね９４は一端を上記インナワイヤ９８の先端にも
う一端が本部２１に設けられた固定端１０６にそれぞれ
固定される。アウタチューブ１０８は、一端がエンドプ
レー）９２Ａに他端が胴部１４に固定されている。

引張りばね９４は、矢印Ｃ方向と反対に指先側ジヨイン
ト９０を若干付勢して取り付けられる。

上記の如く構成された指関節の作動を説明するモータ５
２が正転すると、モータ側プーリ９６がインナワイヤ９
８に引張力を与える。

このインナワイヤ９８は、関節側プーリ８Ｇに連結され
ているので、プーリ８６は引張りばね９４の付勢力に抗
して矢印Ｃ方向に回転し、関節の屈曲が始まる。

次に、モータ９７が反転または停止すると、インナワイ
ヤ９８は弛緩し、引張りばね９４の付勢力によりプーリ
８６は矢印Ｃ方向と反対方向に回転し、関節が伸び始緬
る。

これは、メカニズムの内蔵スペースの比較的余裕のある
指関節で用いられ、引張ばねを使用することで復元力を
一定に保ち易くなる。

なお、第２親指屈伸関節３２も第６図と同一構造になっ
てる。

第４図に示すように、第３開閉関節２６はエンドプレー
ト９２Ａに貫通孔２０１を有する第３屈伸関節のモータ
側ジヨイント９２と、エンドプレー）９２Ａに固着され
るプーリ９２と、前記貫通孔２０１へ挿入される関節シ
ャツ）２００により構成されている。関節シャフト２０
０の両端は、本部２１の手の甲と手の平で支持されてい
る。

プーリ２０４は、図示しないモータ側プーリとの間が、
エンドレスのインナワイヤ２０６で巻掛けて連結され、
インナワイヤ２０６は一端がこのモータ側プーリ及びプ
ーリ２０４の一部にそれぞれ固定されている。

アウタチューブ２０８は本部２１内に設けられたエンド
プレート２０２に一端が固定され他端は胴部１４内に固
定されている。

従って、モータ側プーリの正逆の回転力がインナワイヤ
２０６を介してプーリ２０４に伝達され、プーリ２０４
が第３屈伸関節のモータ側ジヨイントと一体となって矢
印り方向及び逆方向に回転することにより関節の開閉動
作が行われる。

このように、プーリ２０４をエンドプレート９２Ａに直
接固定したので、関節の軸間距離を近づけ、指の動きを
滑らかにすることができる。

第７図に示されるように、第３親指開閉関節３４は指先
側部分を支持する指先側ジヨイント１２０、関節シャフ
ト１１８、関節側プーリ１１６及び本部２１内に設けら
れるエンドプレート１３０Ａで構成されている。

関節側プーリ１１６は、ブラケッ）１２０Ｂに固着され
、関節側プーリ１１６を固着支持する関節シャフト１１
８の両端は本部２１に軸支されている。

関節側プーリ１１６は、第３屈伸関節２６と同様にモー
タ側プーリ１１０の、インナワイヤ１２４で巻掛けて連
結されている。アウタチューブ１２６は胴部１４内のエ
ンドプレート１２８及び本部２１内のエンドプレー）１
３０Ａに固定されている。

従って、第３親指開閉関節３４の矢印Ｇ方向及び逆方向
の開閉は、モータ５２の正逆の回転力が直接関節側プー
リ１１６にインナワイヤ１２４により伝達されることで
行われる。

第４図に示されるように第３親指内外転関節３６は、指
先側部分を支持する指先側ジヨイント３００、関節シャ
フト３０２、プーリ３０４及び本部２１内にエンドプレ
ー）３０６Ａが固着されているモータ側ジヨイント３０
６で構成されているプーリ３０４は、ブラケッ）３０［
）Ｂに固着され、プーリ３０４を支持する関節シャフト
３０２の両端は、本部２１内にエンドプレート３０６Ａ
が固定されたブラケッ）３０６Ｂに軸支される。

これも、第７図で示したように第３親指内外転関節３６
の矢印Ｈ方向及び逆方向の旋回は、モータ５２の正逆の
回転力が直接プーリ３０４にインナワイヤ３０８により
伝達されることで行われるなお、手首の屈伸関節３８、
内外転関節４０、打部の屈伸関節４４及び頁内外転関節
４８もこの第３親指内外転関節３６と同一構造となって
いるこれにより、駆動させる部分の重量が大きい手首部
、打部及び肩部の関節について必要な駆動力が少なくて
済む。

第８図に示されるように肘回転関節４２は、前腕３９の
先端へラジアルベアリング１３８の外レース１３８Ａが
固着され、ラジアルベアリング１３８の内レース１３８
Ｂには、環状のプーリ１３４が固着され、これが前腕３
７へ固定され前腕３９と同軸上で回転するようになって
いる。

モータ側から前腕３９の中心軸と平行に導かれるエンド
レスのインナワイヤ１４０を方向転換ブー　ＩＪ　１４
２で角度を変え、前記プーリ１３４に巻掛けて連結させ
である。

従って、モータの正逆の回転力が、方向転換ブー’Ｊ１
４２を介し、環状のプーリ１３４にインナワイヤ１４０
により伝達されることで前腕３７が回転されるようにな
っている。

このように、ラジアルベアリング１３８を設けるので駆
動させる部分の重量が大きい関節について必要な駆動力
が少なくて済む。

なお、肩回転関節４６も肘回転関節４２と同一構造とさ
れている。

第９図には第２屈伸関節２４または第３屈伸関節２６に
適用されるインナワイヤの巻掛は変形例が示されている
。

モータ側から導かれるアウタチューブ１５６は第３指２
７の軸心Ｓと平行でなく斜必にしてエンドフレート１６
１１）Ａに固定され、そのインナワイヤ１６２はモータ
側ジヨイント１６０のエンドプレート１６０Ａを貫通し
、プーリ１６４に固定されるようになっている。

このようにアウタチューブ１５６を斜めに取付けること
でプーリ１６４の径をジヨイントのエンドプレート１６
０Ａの幅寸法まで大きくでき、インナワイヤ１６２にか
かる駆動張力を小さくし、インナワイヤ１６２の伸びを
減らすことで動作誤差が軽減できる。

第１０Ａ、Ｂ、Ｃ図に示されるように関節側プーリ１７
０に固定されるインナワイヤ１６６は、インナワイヤ１
６６に通した銅バイブ１６８　（第１１Ａ図）を圧着し
く第１１Ｂ図）、Ｕ字型の切欠１７１を設けたプーリ１
７９へ圧入される（第１１Ｃ図）。

これにより、プーリの円周面から固定端が突出しないた
約、インナワイヤが損傷することもなく、また小さいス
ペースにコンパクトにまと釣ることができる。

第１１図に示されるようにモータ側プーリ１７２に固定
されるインナワイヤ１７６は、プーリ１７２の円周面上
の一端をプーリ１７２の支軸と平行に切断した形に加工
する。その切断面と同じ大きさのインナワイヤ止板１７
４をプーリ１７２にネジ１７８止約してインナワイヤ１
７Ｇを挟持する。

これにより、ワイヤの位置調整が容易となり、簡単にイ
ンナワイヤを固定できる。

第１２図はアウターチューブ１８０の固定構造が示され
ている。

アウターチューブ１８０の先端部に黄銅ワッシャ１８４
をハンダ１８６により溶着し、前記黄銅ワッシャ１８４
がはまり合いインナワイヤ１８８が貫通する貫通孔１９
０をもつ座ぐり穴１９２を設けたエンドプレート１８２
に、矢印Ｒ方向へ圧入して固定する。

これにより、アウタチューブの装着が容易となり、また
インナワイヤにテンションがかがったときにも充分な固
定力が得られる。

手話動作は、第１３図に示されるような手順で行われる
。

胴体に内蔵されたステッピングモータ５２は、リミット
スイッチ５８により、モータ回転の原点を把持し、正転
、逆転の行き過ぎを防止するようになっている。

肩、肘、手首の大きな駆動トルクが必要とするモータは
図示されていない減速装置を設けている。

ステッピングモータ５２の駆動は２相励磁で定電流駆動
回路５４で行い、コンピュータ６０で４６個のステッピ
ングモータ５２を制御し、多関節の同時制御を容易にし
ている。

また、Ｉ１０ボード６１を取付け、コンピュータ６０か
らのステッピングモータ５２への信号の出力及びリミッ
トスイッチ５８からの信号の入力を行っている。

コンピュータ６０への指示は図示されていないキーボー
ドで行い、互換装置として音声人力ターミナル６２を設
けている。

以上のように構成された手話ロボットの手話作動は次の
手順で行われる。

４６個ある関節ひとつひとつの回転方向及び回転角度を
目測で確認しながら人力し、動作の最小単位としてファ
イルに登録する。

次にこれらの単位動作のデータファイルをつなぎあわせ
、各動作の実行速度と順番を人力し、これを連続的な手
話動作のパターンとしてファイルに登録する。

最後に、コンピュータ６０に手話動作パターンをキーボ
ード人力または音声人力することで、ステッピングモー
タ５２が個別に駆動する。

その駆動力が動力伝達ワイヤにより各関節に伝わり、各
関節の屈伸、回転させることで手話動作が行われる。

〔発明の効果〕

本発明の手話ロボットは上記のような構成としたので、
メカニズムをコンパクトにまとめることがてき、軽量化
が図られている。また、動作範囲、動作速度、形状及び
大きさの点て人間並となり、人間が身振り手振りによっ
て行う様々な自己表現や情報伝達を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は手話ロボット本体の正面図、第２図は手部と腕
部の構成図、第３Ａ図及び、第３Ｂ図は第１指部屈伸関
節及び第２指部屈伸関節を示す第４図のＤＩ−ＩＩＩ線
断面図、第４図は手部の手の平側の平面図、第５図は第
２指部屈伸関節を示す第４図の■−Ｖ線断面図、第６図
は第３指部屈伸関節を示す第４図のＶｌ−ＶＩ線断面図
、第７図は第３開閉関節の断面図、第８図は肘回転関節
の斜視図、第９図はアウタチューブの取付状態の変形例
を示す第４図の■−Ｖ線断面図に対応した断面図、第１
０Ａ、ＩＯＢ、ＩＯＣ及び１１図はインナワイヤの固定
構造の斜視図、第１２図はアウタチューブの固定構造の
斜視図、第１３図は手話動作の制御を行うた約の各構成
要素の制御系統図である。 １０・・・・　　手部 １２・・・・　　腕部 １４・・・・　　胴部、 ５２　・　・　・　・　　　モータ、 ５４・・・・　　駆動回路、 ５Ｇ・・・・　　動力伝達ワイヤ、 ６０・・・・　　制御手段。 出願人　株式会社　社会構造研究所 第１図 １０ニーｆ−訃 １２、祝却 １４゛刀同　合旦 ５２：モ〜り 第３Ａ図 第３８図 第８図 第９図 第１０Ａ図　　　第１０Ｂ図 第１２図 第１３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）手部と、一端が関節を介して手部と連結され他端
   が関節を介して胴部と連結される腕部と、手部と腕部と
   に各々設けられる関節及び手部と腕部との間の関節を作
   動させる複数のワイヤと、これらのワイヤへの引張力を
   伝達するモータと、このモータを駆動させる駆動回路と
   、手話パターンの登録されたデータによりモータの動作
   を制御する制御手段と、を有する手話ロボット。
2. （２）前記手部の関節に設けられエンドプレートを有す
   るモータ側ジョイントと指先側部分を支持する指先側ジ
   ョイントと、この両ジョイントを軸支する関節シャフト
   と、この関節シヤフトへ支持され指先側ジヨイントへ固
   定されるプーリと、中央に形成されたコイル部が前記両
   ジョイント結合部に支持され両端がジョイントトのエン
   ドプレートに取付けられてこの関節を伸びる状態に付勢
   するねじりコイルばねと、一端がモータの駆動力を受け
   中間部がモータ側ジョイントのエンドプレートを貫通し
   他端が前記プーリに固定されて引張力で前記プーリを回
   転させるワイヤと、を有する請求項（１）記載の手話ロ
   ボット。