JPWO2013121469A1 - 脚式ロボット - Google Patents

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Abstract

脚式ロボットにおいて、犬などの動物の感情表現と紐付けされるしぐさを簡単な構成で実現することを目的とする。胴体部（１０）と、胴体部（１０）に連結される脚部とを備える脚式ロボットであって、胴体部（１０）は、ロール軸回りに可動である第１の回転関節（１１）によって連結された第１のリンク（１４）および第２のリンク（１５）と、ヨー軸回りに可動である第２の回転関節（１２）によって第１の回転関節（１１）に連結された第３のリンク（１６）と、ヨー軸回りに可動である第３の回転関節（１３）によって第１の回転関節（１１）に連結された第４のリンク（１７）とを備え、脚部は、第３のリンク（１６）および第４のリンク（１７）のうち少なくとも一方に連結される。

Description

本発明は、可動である頭部、脚部、および胴体部の機構を用いて感情表現をする脚式ロボットに関する。
近年、家庭用ロボットが国内外のメーカーから発売されており、一般の家庭内で見かける機会が多くなってきている。その中でも、人からの呼びかけに反応するような生活密着型のコミュニケーションロボットが実現され始めている。この種のコミュニケーションロボットは、人型または比較的知性の高い犬などの愛玩動物型の外見を持ち、頭部や四肢を備えた構造によって全身で感情表現を行うことが多い（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−７１７６３号公報 特開２０１０−５７１８号公報
上記のようなコミュニケーションロボットにおいて、感情表現を豊かにするために、哺乳類動物と同じ背骨の関節数（２４個）を有する複雑な軸構成を用いるのは、小型化や、機構的強度などの面で実現が難しい。また、たくさんの関節を有する構成は、ロボットの製作コスト面においても現実的でない。
本発明はこのような課題に鑑みなされたもので、簡単な構成で感情表現の豊かなロボットを実現することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明の一態様に係る脚式ロボットは、胴体部と、前記胴体部に連結される脚部とを備える脚式ロボットであって、前記胴体部は、ロール軸回りに可動である第１の回転関節によって連結された第１のリンクおよび第２のリンクと、ヨー軸回りに可動である第２の回転関節によって前記第１のリンクと連結された第３のリンクと、ヨー軸回りに可動である第３の回転関節によって前記第２のリンクと連結された第４のリンクとを備え、前記脚部は、前記第３のリンクおよび前記第４のリンクのうち少なくとも一方に連結されることを特徴とする。
本発明によれば、簡単な構成で、感情表現豊かな脚式ロボットを実現することができる。
図１は、本発明の実施の形態に係る脚式ロボットの外観図である。 図２は、胴体部の関節機構を示す原理図である。 図３は、胴体部の関節機構の一例を示す斜視図である。 図４は、脚式ロボットの機能構成を表すブロック図である。 図５は、脚部の機構の一例を示す斜視図である。 図６は、「安心感」や「甘え」の感情表現として、脚式ロボットが人の足に寄りかかるように横座りするしぐさを説明するための説明図である。 図７は、「服従」の感情表現として、脚式ロボットが仰向けになるしぐさを説明するための説明図である。 図８は、「高揚」の感情表現として、脚式ロボットが背中を床にこすり付けるしぐさを説明するための説明図である。 図９は、「不安」や「ストレス」の感情表現として、脚式ロボットが自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させるしぐさを説明するための説明図である。 図１０は、胴体部の関節機構の他の例を示す斜視図である。
（本発明の基礎となった知見）
従来、ロボットの関節に関する様々な技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、胴体部に股関節と膝関節とを有する可動脚を配置することで歩行が可能であり、可動する頭部の動きと脚部を折り畳むまたは広げる動きとの組み合わせで、座る、伏せるといったいくつかのしぐさによって感情表現する四足ロボットが提案されている。
また、例えば、特許文献２には、機体を大型化せずに段差越えに必要な可動域を増やす工夫の一つとして、胴体部の一箇所にロール、ピッチ、またはヨー軸のいずれかを追加した構成のロボットが提案されている。
ユーザに癒しを与え、かつユーザとの双方向コミュニケーションを目的とした脚式ロボットにおいて、特に、動物型の外見を持つロボットにおいては、より動物の動作に近いしぐさによる感情表現が求められる。
具体的には、犬の感情表現と紐付けされる代表的なしぐさとして、「安心感」や「甘え」の感情表現として、人の足や壁などに寄りかかるように横座りするしぐさがある。また、「服従」の感情表現としての仰向けになるしぐさや、「高揚」の感情表現としての背中を床にこすり付けるしぐさ、「不安」や「ストレス」の感情表現としての自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させて歩くしぐさなどがある。
一方、上記のような感情表現が可能な、哺乳類動物と同じ背骨の関節数（２４個）を有する軸構成の脚式ロボットは、機構面においても制御面においても複雑となるため、実現が困難である。また、このように多くの関節を有する脚式ロボットは、製作コストの面においても現実的ではないという課題があった。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る脚式ロボットは、胴体部と、前記胴体部に連結される脚部とを備える脚式ロボットであって、前記胴体部は、ロール軸回りに可動である第１の回転関節によって連結された第１のリンクおよび第２のリンクと、ヨー軸回りに可動である第２の回転関節によって前記第１のリンクと連結された第３のリンクと、ヨー軸回りに可動である第３の回転関節によって前記第２のリンクと連結された第４のリンクとを備え、前記脚部は、前記第３のリンクおよび前記第４のリンクのうち少なくとも一方に連結されることを特徴とする。
このような胴体部において、例えば、胴体部分のうち第３のリンクに対応して胸部を設け、第４のリンクに対応して腰部を設ける。これにより、胸部は、腰部に対して第２の回転関節によるヨー軸回りの自由度と、第１の回転関節によるロール軸回りの自由度とを有する。同様に、腰部は、胸部に対して第３の回転関節によるヨー軸回りの自由度と、第１の回転関節によるロール軸回りの自由度とを有する。よって、脚式ロボットは、これらの自由度を利用してさまざまなポーズを取り、感情表現をすることができる。
また、前記脚式ロボットは、前記第３のリンクに連結される前記脚部である、左前脚部および右前脚部と、前記第４のリンクに連結される前記脚部である、左後脚部および右後脚部とを備え、前記左前脚部、前記右前脚部、前記左後脚部、および前記右後脚部によって歩行面を歩行してもよい。
また、さらに、前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節の駆動を制御する制御部を備えてもよい。
また、前記脚式ロボットが前記歩行面に立った状態において、前記制御部は、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクを動かすように前記第１の回転関節を駆動して前記左後脚部および前記右後脚部を前記歩行面に横たえることで、前記脚式ロボットが横座りの状態になるように制御し、前記脚式ロボットが前記横座りの状態において、前記第３のリンクのヨー軸回りの向きは、前記第２の回転関節が駆動されることによって可変であり、前記歩行面から前記第４のリンクまでの距離は、前記第３の回転関節が駆動されることによって可変であってもよい。
つまり、脚式ロボットは、図６に示されるような横座りのポーズをとることができる。
また、前記脚式ロボットが前記左後脚部および前記右後脚部を前記歩行面に横たえた横座りの状態において、前記制御部は、前記第２のリンクに対して前記第１のリンクを動かすように前記第１の回転関節を駆動することによって、前記左前脚部および前記右前脚部を前記横たえた前記左後脚部および前記右後脚部と同じ方向に横たえることで、前記脚式ロボットの前記胴体部が前記歩行面に横たわった横向きの状態になるように制御してもよい。
つまり、脚式ロボットは、横向きのポーズをとることができる。
また、前記脚式ロボットの前記胴体部が前記歩行面に横たわった横向きの状態において、前記制御部は、前記第１の回転関節を駆動することによって、横たわった前記左前脚部および前記右前脚部を前記歩行面から離れる方向に動かした場合の慣性力によって、または、前記第１の回転関節を駆動することによって、横たわった前記左後脚部および前記右後脚部を前記歩行面から離れるように動かした場合の慣性力によって、前記脚式ロボットが前記歩行面に立った状態における前記胴体部の上面が、前記歩行面に接した仰向けの状態になるように制御してもよい。
つまり、脚式ロボットは、図７に示されるような仰向けのポーズをとることができる。
また、前記脚式ロボットが前記歩行面に立った状態における前記胴体部の上面が、前記歩行面に接した仰向けの状態において、前記歩行面に垂直な方向から見て、前記第３のリンクが前記第１のリンクに対して右回りに回転するような前記第２の回転関節の回転方向と、前記第２のリンクが前記第４のリンクに対して右回りに回転するような前記第３の回転関節の回転方向とを正方向とした場合に、前記制御部は、前記第２の回転関節が前記正方向への回転駆動と、前記正方向とは逆の方向への回転駆動とを交互に繰り返し、前記第３の回転関節が前記第２の回転関節と同一の回転速度で回転方向が逆になるように連動して回転駆動するように制御してもよい。
つまり、脚式ロボットは、図８に示されるように「服従」の感情表現として、背中をこすりつけるしぐさをすることができる。
また、前記脚式ロボットが前記歩行面に立った状態において、前記歩行面に垂直な方向から見て、前記第３のリンクが前記第１のリンクに対して右回りに回転するような前記第２の回転関節の回転方向と、前記第２のリンクが前記第４のリンクに対して右回りに回転するような前記第３の回転関節の回転方向とを正方向とした場合に、前記制御部は、前記第２の回転関節および前記第３の回転関節を前記正方向に駆動した状態で、または前記第２の回転関節および前記第３の回転関節を前記正方向とは逆の方向に駆動した状態で、前記脚式ロボットが歩行するように制御してもよい。
つまり、脚式ロボットは、図９に示されるように「不安」や「ストレス」の感情表現として、自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させるしぐさをすることができる。
また、前記制御部は、前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節にそれぞれ対応して設けられた駆動部を制御することで前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節を駆動し、前記第２の回転関節を駆動する駆動部は、前記第３のリンクに設けられ、前記第３の回転関節を駆動する駆動部は、前記第４のリンクに設けられてもよい。
また、前記制御部は、前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節にそれぞれ対応して設けられた駆動部を制御することで前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節を駆動し、前記第２の回転関節を駆動する駆動部は、前記第１のリンクに設けられ、前記第３の回転関節を駆動する駆動部は、前記第２のリンクに設けられてもよい。
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態に係る脚式ロボットについて説明する。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
本実施の形態では、脚式ロボットの一例として、犬の外観をなす動物型ロボットについて図面を参照して説明する。
図１は、犬の外観をなす動物型の脚式ロボットの構成を示す外観図である。
なお、以下の実施の形態において、特に断りのない限り、脚式ロボットが歩行面（床面）に脚部によって立った状態を基準として方向を規定する。例えば、前方とは、脚式ロボットの歩行する向きを表す。つまり、脚式ロボットの頭部側が前方である。反対に、脚式ロボットの尻尾側が後方である。
同様に、上側は、歩行面に対して重力上方向を意味し、下側は、歩行面に対して重力下方向を意味する。左側、および右側とは、脚式ロボットの歩行する向きに対して左側、および右側の意味である。
また、同様にロール軸、ピッチ軸、およびヨー軸についても、脚式ロボットが歩行面に脚部によって立った基準姿勢における軸を意味する。すなわち、ロール軸は、脚式ロボットの歩行する方向の軸であり、ヨー軸は、脚式ロボットが歩行する歩行面に垂直な方向の軸である。
図１に示すように、動物型の脚式ロボット１００は、胴体部１０と、胴体部１０の前側に設けられた胸部２０と、胴体部１０の後側に設けられ、尻尾３１を有する腰部３０と、胸部２０の上側に連結された頭部４０と、胸部２０の左右および腰部３０の左右にそれぞれ連結された４つの脚部５０とで構成されている。
頭部４０は、ロール軸、ピッチ軸およびヨー軸の各軸方向の自由度を持つ首関節４１によって、胸部２０の前側かつ上側に連結されている。
また、胸部２０と腰部３０とは、胴体部１０の前側および後側のそれぞれに設けられる。
脚部５０は、股関節５３と、大腿部５１と、膝関節５４と、脛部５２とからなる。
大腿部５１は、ロール軸およびピッチ軸の各軸方向の自由度を持つ股関節５３によって胸部２０の左右端位置または腰部３０の左右端位置に連結される。大腿部５１と脛部５２とは、ピッチ軸方向の自由度を持つ膝関節５４によって連結される。
脚式ロボット１００は、胸部２０の左右端位置または腰部３０の左右端位置に連結された４つの脚部５０によってロボットの胴体部１０を支えることで、「立ち」の姿勢をとることができる。
なお、頭部４０には、脚式ロボット１００の各回転関節に配置したモータや歯車機構などのアクチュエータ（駆動部）を制御することで全身動作を統括する制御部（制御回路）が格納される。また、腰部３０には、脚式ロボット１００に電力を供給するためのバッテリが格納されている。
次に、胴体部１０の軸構成、すなわち胴体機構について説明する。
図２は、本発明の脚式ロボット１００において、胴体部１０の軸構成を示す原理図である。
図２は、脚式ロボットの上方（背面）から胴体部１０を見た場合の図である。図２では、左側が頭部４０側を示し、矢印の＋（プラス）および−（マイナス）は、正逆の回転方向を示す。
図２に示すように、胴体部１０は、ロール軸回りの自由度を有する第１の回転関節１１と、第１の回転関節１１の両側に機械的に連結されたヨー軸回りの自由度を有する第２の回転関節１２、およびヨー軸回りの自由度を有する第３の回転関節１３とを備える。第１の回転関節１１と、第２の回転関節１２とは、内部リンク１４（第１のリンク）によって連結されている。第１の回転関節１１と、第３の回転関節１３とは、内部リンク１５（第２のリンク）によって連結されている。
また、胴体部１０の一端、つまり、第２の回転関節１２の内部リンク１４に連結されない側には、外部リンク１６（第３のリンク）が連結される。同様に、胴体部１０の他端、つまり、第３の回転関節１３の内部リンク１５に連結されない側には、外部リンク１７（第４のリンク）が連結されている。
ここで、図３では、リンクは、一つの部材として説明されるが、リンクは、必ずしも部材を意味しない。例えば、関節部材同士が直接接合されるような場合、リンクは、関節部材の接合面を意味する。また、関節部材同士が当該関節部材が有するモータの軸で連結されているような場合、リンクは、当該モータの軸を意味する。
このように、胴体部１０は、第２の回転関節１２によるヨー軸回りの自由度、第１の回転関節によるロール軸回りの自由度、および第３の回転関節１３によるヨー軸回りの自由度の３つの自由度を備えている。
図３は、図２に示す原理図に基づく、胴体部の関節機構の一例を示す斜視図である。なお、図３においては、図２の原理図に示す部分と対応する箇所については、同一の符号が付されている。また、図３では、左側が脚式ロボット１００の頭部４０側（前側）である。
図３に示すように、第１の回転関節１１の一端には、内部リンク１４が連結され、第１の回転関節１１の他端には、内部リンク１５が連結される。言い換えれば、内部リンク１４と内部リンク１５とは第１の回転関節によって連結される。
これにより、内部リンク１４は、内部リンク１５に対してロール軸回りに可動である。言い換えれば、内部リンク１５は、内部リンク１４に対してロール軸回りに可動である。つまり、内部リンク１４と内部リンク１５とはロール軸回りの相対的な回転角度を変えることが可能となる。
内部リンク１４の第１の回転関節１１に連結されない側の端部には、第２の回転関節１２が連結される。また、第２の回転関節１２には、外部リンク１６が連結される。言い換えれば、内部リンク１４と外部リンク１６とは、第２の回転関節１２によって連結される。
これにより、内部リンク１４は、外部リンク１６に対してロール軸回りに可動である。言い換えれば、外部リンク１６は、内部リンク１４対してロール軸回りに可動である。つまり、内部リンク１４と、外部リンク１６とのヨー軸回りの相対角度は、変更可能である。
一方、内部リンク１５の第１の回転関節１１に連結されない側の端部には、第３の回転関節１３が連結される。また、第３の回転関節１３には、外部リンク１７が連結される。言い換えれば、内部リンク１５と外部リンク１７とは、第３の回転関節１３によって連結される。
これにより、内部リンク１５は、外部リンク１７に対してロール軸回りに可動である。言い換えれば、外部リンク１７は、内部リンク１５対してロール軸回りに可動である。つまり、内部リンク１５と、外部リンク１７とのヨー軸回りの相対角度は、変更可能である。
なお、外部リンク１６は、脚式ロボット１００の胸部２０に相当するリンクであり、外部リンク１７は、腰部３０に相当するリンクである。つまり、胸部２０は、腰部３０に対して、第２の回転関節１２によるヨー軸回りの自由度と、第１の回転関節１１によるロール軸回りの自由度と、第３の回転関節１３によるヨー軸回りの自由度を有する。言い換えれば、腰部３０は、胸部２０に対して、第２の回転関節１２によるヨー軸回りの自由度と、第１の回転関節１１によるロール軸回りの自由度と、第３の回転関節１３によるヨー軸回りの自由度を有する。つまり、胸部２０と、腰部３０とは、上記３つの軸回りの相対角度は、変更可能である。
ここで、第１の回転関節１１、第２の回転関節１２、および第３の回転関節１３のそれぞれには、モータや歯車機構などのアクチュエータ（駆動部）が配置されており、頭部４０に搭載した制御部（制御回路）により独立して駆動される。
図４は、脚式ロボット１００の機能構成を表すブロック図である。
脚式ロボット１００は、制御部１１０と、機構部１２０と、入出力部１３０と、バッテリ１４０とを備える。本実施の形態に係る脚式ロボット１００は、制御部１１０が所定の制御プログラムを実行することによって、自律的な動作を行うことができる。また、脚式ロボット１００は、映像入力部（撮像部１３０ａ）、音声入力部（マイク１３０ｃ）など、人間や動物の五感に相当する入力装置を備えるとともに、これら外部入力に応答して理性的または感情的な行動を実行するインテリジェンスを備えている。
制御部１１０は、ＣＰＵ１１０ａと、ＲＯＭ１１０ｂと、ＲＡＭ１１０ｃとからなるコンピュータシステムである。
ＣＰＵ１１０ａは、例えば、ＲＯＭ１１０ｂに格納された制御プログラムを実行するプロセッサである。
ＲＯＭ１１０ｂは、制御プログラム等を保持する読み出し専用メモリである。
ＲＡＭ１１０ｃは、ＣＰＵ１１０ａが制御プログラムを実行するときに使用するワークエリアとして用いられる揮発性の記憶領域で、読み書き可能なメモリである。また、ＲＡＭ１１０ｃは、例えば、撮像部１３０ａが撮影した映像データなどを一時的に保持する。
制御部１１０は、機構部１２０、および入出力部１３０を制御する。
機構部１２０は、脚式ロボット１００の有する複数の関節と、当該複数の関節を制御部１１０の制御に基づいてそれぞれ駆動する複数の駆動部とを備える。例えば、駆動部１２１は、第１の回転関節１１を駆動し、駆動部１２２は、第２の回転関節１２を駆動し、駆動部１２３は、第３の回転関節１３を駆動する。上述の首関節４１、股関節５３、および膝関節５４など、第１、第２、および第３の回転関節以外の関節は、図４のブロック図では、第１関節１０４〜第ｎ関節１０５に相当する。このような第１関節１０４〜第ｎ関節１０５には、駆動部１２４〜駆動部１２５がそれぞれ対応する。
撮像部１３０ａは、脚式ロボット１００が、任意の物体の形状や色彩を認識するために用いられる。撮像部１３０ａは、頭部４０に設けられる。
スピーカ１３０ｂは、脚式ロボット１００が、制御部１１０の制御に基づき、音声を発するために用いられる。例えば、撮像部１３０ａによって撮影した映像の中にユーザを認識した場合に、脚式ロボット１００は、スピーカ１３０ｂから鳴き声を発する。なお、スピーカ１３０ｂは、頭部４０に設けられる。
マイク１３０ｃは、脚式ロボット１００が、周囲の音声を認識するために用いられる。マイク１３０ｃは、頭部４０に設けられる。
バッテリ１４０は、腰部３０に格納されている充放電可能な蓄電池であり、制御部１１０に電力を供給する。バッテリ１４０は、例えば、リチウムイオンバッテリーである。
以上、脚式ロボット１００の機能構成について説明したが、これらは、機能構成の一例を示すものである。つまり、脚式ロボット１００の機能構成は、図４で示される機能構成に限定されない。
次に、脚部５０の機構について説明する。
図５は、脚部５０の機構の一例を示す斜視図である。
図５において、脚部５０は、ロール軸回りの自由度を有する回転関節７３と、ピッチ軸回りの自由度を有する回転関節７４、およびピッチ軸回りの自由度を有する回転関節７６とを備える。また、脚部５０は、第１脚部リンク７５と、第２脚部リンク７１、第３脚部リンク７２および第４脚部リンク７７とで構成されている。なお、図中において、矢印の＋（プラス）および−（マイナス）は正逆の回転方向を示す。
図５に示すように、第１脚部リンク７５と、第２脚部リンク７１とは、回転関節７３によって連結される。
また、第２脚部リンク７１と、第３脚部リンク７２とは、回転関節７４によって連結される。つまり、第２脚部リンク７１の回転関節７３に連結されない側の端には、回転関節７４が連結される。
また、第３脚部リンク７２と、第４脚部リンク７７とは、回転関節７６によって連結される。つまり、第３脚部リンク７２の回転関節７４に連結されない側の端には、回転関節７６が連結され、ピッチ軸回りの回転関節７６の第３脚部リンク７２に連結されない側の端には、第４脚部リンク７７が連結される。
このような機構を有する脚部５０は、脚式ロボットの胴体部１０（胸部２０または腰部３０）に連結される。ピッチ軸回りの回転関節７４、７６を連動して動かす（回転させる）ことにより、脚式ロボット１００は、動物の足の屈伸動作と同様の、脚部５０の曲げ伸ばし動作をすることができる。また、ロール軸回りの回転関節７３を回転させることにより、脚式ロボット１００は、動物の足の開脚、閉脚と同様の、脚部５０の開閉動作をすることができる。そして、４つの脚部５０のすべての回転関節を連動させることで、動物の４足歩行と同様に、脚式ロボット１００は、歩行することができる。
以上説明したように、脚式ロボット１００は、首関節４１を構成するロール軸、ピッチ軸およびヨー軸の各軸回りの自由度を持つ３つの関節と、第１、第２、第３の回転関節と、回転関節７３、７４、７６との、少なくとも１８個の回転関節を備える。制御部１１０からの指令に基づいて、各回転関節のアクチュエータを駆動することによって、脚式ロボット１００は、複雑なしぐさを表現することができる。
以下、図６〜図９を用いて脚式ロボット１００の感情表現について説明する。
本発明の脚式ロボット１００は、「安心感」や「甘え」の感情表現として、人の足に寄りかかるように横座りするしぐさ、および「服従」の感情表現として、仰向けになるしぐさを表現することが可能である。また、脚式ロボット１００は、「高揚」の感情表現として、背中を床にこすりつけるしぐさ、および「不安」や「ストレス」の感情表現として、自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させるしぐさを表現することができる。
図６は、「安心感」や「甘え」の感情表現としての人の足や壁などに寄りかかるように横座りする脚式ロボット１００のしぐさを示した図である。図６の（ａ）は、横座り姿勢における脚式ロボット１００の外見を示す正面図である。図６の（ｂ）は、横座り姿勢における脚式ロボット１００の内部の軸構成を透視した正面図である。図６の（ｃ）は、横座り姿勢における脚式ロボット１００の内部の軸構成を透視した側面図である。
図６の（ａ）に示されるように、犬に代表される動物の「横座り」は、両前足を伸ばして床面に突いたまま、両後足を深く曲げて腰を床に降ろした、いわゆる「お座り」の状態から、両後足を横方向に放り出して座った姿勢をとるしぐさである。脚式ロボット１００は、この横座りの姿勢をとるだけでなく、さらに、横座りの姿勢から、両前足を曲げ伸ばしすることで、上半身を上下方向に傾けた姿勢をとったり、上半身を正面以外の左右方向に向けた姿勢をとったりすることができる。
図６の（ｂ）に示されるように、まず、制御部１１０は、第１の回転関節１１を約９０度回転させる（駆動させる）ことで、胸部２０と腰部３０とを相対的に９０度捻る。これにより、腰部３０に連結されている２つの脚部５０を脚式ロボットの胴体部１０の横方向に配置する。つまり、制御部１１０は、腰部３０に連結されている２つの脚部５０を床面に横たえる。
また、図６の（ｂ）に示すように、２つの脚部５０を床面に横たえた状態から、第２の回転関節１２の回転量を制御することにより、胸部２０（外部リンク１６）の向きを変化させることができる。
さらに、図６の（ｃ）に示すように、制御部１１０は、胸部２０に接続される２つの脚部５０の曲げ伸ばし量をピッチ軸回りの回転関節７４、７６の回転量を制御することによって調整することが可能である。また、制御部１１０は、第３の回転関節１３の回転量を制御することによって腰部３０（外部リンク１７）の床面からの高さを調整することもできる。
以上のように、脚式ロボット１００は、胸部２０を含む上半身の上下方向の傾きを自在に変化させた多様な横座り姿勢をとることができる。つまり、脚式ロボット１００は、「安心感」や「甘え」の感情表現ができる。
また、脚式ロボット１００は、対象物に対する関心の度合いを表す関心度を、姿勢によって表現することもできる。
例えば、図６の（ｂ）に示されるような「横座り」姿勢から、脚式ロボット１００が人または物体といった対象物に視線を向ける姿勢をとる場合がある。対象物への関心度が低い場合は、制御部１１０は、首関節４１のみを駆動して頭部４０を対象物に向ける。対象物への関心度が高い場合は、制御部１１０は、首関節４１に加えて、第２の回転関節１２を首関節４１に連動させて駆動することで、頭部４０および胸部２０を対象物へ向ける。これにより、脚式ロボット１００の対象物への関心度を、より自然に表現できる。
なお、脚式ロボット１００は、例えば、撮像部１３０ａによって撮影した映像に基づいて対象物を認識する。例えば、撮像部１３０ａによって撮影した映像にデジタルカメラ等で用いられる顔認識機能を適用することで、制御部１１０は、対象物として人を認識することができる。また、上述の制御プログラムによって、制御部１１０は、人を認識した場合には、脚式ロボット１００が関心度の高い姿勢をとり、人以外の対象物を認識した場合には、脚式ロボット１００が関心度の低い姿勢をとるように制御してもよい。
次に、脚式ロボット１００の「服従」の感情表現について説明する。
図７は、「服従」の感情表現として、仰向けになる脚式ロボット１００のしぐさを示した図である。図７の（ａ）は、仰向けの姿勢における脚式ロボット１００の外見を示す上面図である。図７の（ｂ）は、横向きの姿勢における脚式ロボット１００の内部の軸構成を透視した上面図である。図７の（ｃ）は、仰向けの姿勢における脚式ロボット１００の内部の軸構成を透視した上面図である。
犬に代表される動物は、まず、図６の（ａ）に示される「横座り」の姿勢から体の側面を床面に接する「横向き」の姿勢をとる。さらに、犬に代表される動物は、床面を足で押し付けたときの反力と、体軸を捻るときの勢いとの一方または両方を利用して、図７の（ａ）に示されるような、背中が床面に接した「仰向け」の姿勢へと移行する。脚式ロボット１００は、このような仰向けの姿勢をとることができる。
図７の（ｂ）に示されるように、制御部１１０は、まず、図６の（ａ）の「横座り」の姿勢から、腰部３０に接続された２つの脚部５０が床面に接地した状態のまま、横座りの姿勢に移行する際に約９０度回転させた第１の回転関節１１を０度に戻す。これにより、制御部１１０は、胸部２０に連結された２つの脚部５０を、腰部３０に連結された２つの脚部５０と同じ方向に横たえる。結果として、図７（ｂ）に示されるように脚式ロボットの胴体部１０の側面、つまり胸部２０、腰部３０、および脚式ロボットの右前足および右後足に相当する右側の２つの脚部５０の右側の側面が床面に接した横向きの姿勢に移行する。
さらに、図７の（ｃ）に示すように、制御部１１０は、横向きの姿勢からロール軸回りの回転関節７３を駆動することによって、床面に接した２つの脚部５０が床面を押し付けられる方向に回転させる。これによって生じた反力を利用することで、脚式ロボット１００は、背面、つまり胴体部１０（胸部２０および腰部３０）の上面が床面に接した「仰向け」の姿勢をとることができる。つまり、脚式ロボット１００は、「服従」の感情表現ができる。
なお、脚式ロボット１００が横向きの姿勢から仰向けの姿勢に移行するときには、制御部１１０は、腰部３０に連結された２つの脚部５０が床面に接した状態から胴体部１０の第１の回転関節１１をすばやく回転させることで生じるモーメント力（慣性力）を利用してもよい。つまり、制御部１１０は、第１の回転関節１１を、腰部３０に連結された２つの脚部５０が床面から離れるように勢いよく回転させ、胸部２０の上面が床面に接するように制御する。ただしこの場合は、「仰向け」の姿勢をとるために、制御部１１０は、胸部２０の上面が床面に接した時点で第１の回転関節１１の回転を元に戻すことによって腰部３０の上面も床面に接するように制御する必要がある。なお、制御部１１０は、第１の回転関節１１を、胸部２０に連結された２つの脚部５０が床面から離れるように勢いよく回転させ、腰部３０の上面が床面に接するように制御してもよい。
次に、脚式ロボット１００の「高揚」の感情表現について説明する。
図８は、「高揚」の感情表現としての背中を床にこすりつける脚式ロボット１００のしぐさを示した図である。図８の（ａ）は、脚式ロボット１００の外見を示す正面図である。図８の（ｂ）は、脚式ロボット１００の内部の軸構成を透視した正面図である。
図８の（ａ）に示されるように、犬に代表される動物の「背中のこすりつけ」は、床面に仰向けに寝た姿勢で床面から背中を離さずに、胸部と腰部とを左右方向において交互に大きく傾けることを繰り返すしぐさである。脚式ロボット１００は、このような背中のこすりつけ動作をすることができる。
図８の（ｂ）に示されるように、制御部１１０は、図７の（ａ）の「仰向け」の姿勢から、胸部２０近傍のヨー軸回りの第２の回転関節１２と、腰部３０近傍のヨー軸回りの第３の回転関節１３とを連動して回転させる。制御部１１０は、歩行面に垂直な方向から見た場合に第２の回転関節１２および第３の回転関節１３の回転方向が逆方向となり、かつ第２の回転関節１２および第３の回転関節１３の回転量（回転角度、回転速度）が同じになるように連動させて、第２の回転関節１２および第３の回転関節１３が正回転と逆回転を繰り返すように制御する。なお、ここで第２の回転関節１２の回転方向は、図３で図示されるように、歩行面に垂直な方向において脚式ロボットを上方から見た場合に、胴体部１０（内部リンク１４および内部リンク１５）に対して胸部２０（外部リンク１６）が左回りに回転する方向が正の回転方向である。一方、第３の回転関節の回転方向は、腰部３０（外部リンク１７）に対して胴体部１０（内部リンク１４および内部リンク１５）が左回りに回転する方向が正の回転方向である。
この場合、見かけ上は、胸部２０に対して腰部３０が横方向（左右方向）に平行移動を繰り返す。したがって、脚式ロボット１００は、腰部３０を横方向に大きく突き出すような「背中のこすりつけ」のしぐさをとることにより、「高揚」の感情表現ができる。
また、上述のように第２の回転関節１２および第３の回転関節１３が連動して正回転と逆回転を繰り返す場合、胸部２０に対して腰部３０が大きく傾く動きが繰り返される。このため、脚式ロボット１００は、「高揚」の度合いが高いことを、胴体部１０を深く屈曲させて「背中のこすりつけ」のしぐさをより大きな動きで見せることで、より自然に表現できる。
次に、脚式ロボット１００の「不安」や「ストレス」の感情表現について説明する。
図９は、「不安」や「ストレス」の感情表現として、自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させる脚式ロボット１００のしぐさを示した図である。図９の（ａ）は、脚式ロボット１００の外見を示す上面図である。図９の（ｂ）は、脚式ロボット１００の内部の軸構成を透視した上面図である。
図９の（ａ）に示されるように、犬に代表される動物の「尻尾の追いかけ」は、自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させながら歩くことで、同じ場所を円を描くように歩行するしぐさである。
図９の（ｂ）に示されるように、図１の「立ち」の姿勢から、制御部１１０からの指令に基づいて、４つの脚部５０を連動させて動作させることで、脚式ロボット１００は、「歩行」の動作に移行する。なお、歩行動作は、予め制御プログラムに記録された歩行パターンに倣って行われる。このとき、制御部１１０は、胸部２０近傍のヨー軸回りの第２の回転関節１２および腰部３０近傍のヨー軸回りの第３の回転関節１３を、歩行面に垂直な方向から見た場合に同じ回転方向に同じ回転量（角度）で回転させて胴体部１０を深く屈曲させる。ここで同じ回転方向とは、図３の＋（プラス）および−（マイナス）で図示される同一の極性に内部リンク１５および外部リンク１６が動くような方向を意味する。
さらに、制御部１１０は、尻尾３１に頭部４０が近づくように首関節４１の回転を加え、頭部４０と尻尾３１とを接近させた状態で歩行させる。これにより、脚式ロボット１００は、「尻尾の追いかけ」のしぐさをすることで、「不安」や「ストレス」の感情表現ができる。
以上説明したように、本発明の脚式ロボット１００は、簡単な構成で、犬の感情表現と紐付けされる代表的なしぐさを表現することができる。具体的には、脚式ロボット１００は、人の足や壁などに寄りかかるように横座りするしぐさ、仰向けになるしぐさ、背中を床にこすり付けるしぐさ、自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させて歩くしぐさを表現することができる。
なお、本実施の形態では、第１の回転関節１１、第２の回転関節１２、および第３の回転関節１３は、１つの部材として説明したが、本発明において関節とはリンクとリンクとの接合部分を意味する。つまり、本発明における関節は、図３のように１つの部材として設けられる必要はない。
また、胴体部１０の関節機構は、図３で示されるものに限定されない。
図３で図示される関節機構において、第２の回転関節をリンク１２（第３のリンク）と内部リンク１４（第１のリンク）との接合部分であるとした場合、第２の回転関節を駆動する駆動部は、リンク１２に設けられているといえる。しかしながら、第２の回転関節を駆動する駆動部は、内部リンク１４に設けられてもよい。同様に、図３で図示される関節機構において、第３の回転関節をリンク１３（第４のリンク）と内部リンク１５（第２のリンク）との接合部分であるとした場合、第３の回転関節を駆動する駆動部は、リンク１３に設けられているといえる。しかしながら、第３の回転関節を駆動する駆動部は、内部リンク１５に設けられてもよい。
図１０は、本発明において、胴体部の関節機構の他の例を示す斜視図である。
この図１０に示す例においては、胴体部６０は、ロール軸回りの自由度を有する第１の回転関節６１、ヨー軸回りの自由度を有する第２の回転関節６２、およびヨー軸回りの自由度を有する第３の回転関節６３を備える。矢印の＋（プラス）および−（マイナス）は正逆の回転方向を示す。
図１０において、第１の回転関節６１の一端には、第２の回転関節６２が設けられた内部リンク６４が連結される。第１の回転関節６１の他端には、第３の回転関節６３が設けられた内部リンク６５が連結される。これにより、内部リンク６４と、内部リンク６５との、ロール軸回りの相対角度は、変更可能である。
なお、第２の回転関節６２の内部には、第２の回転関節６２を駆動する駆動部が設けられている。
また、第２の回転関節６２に連結された内部リンク６４の、第２の回転関節６２に連結されない側の端に外部リンク６６が連結されることで、内部リンク６４と、外部リンク６６とのヨー軸回りの相対角度は、変更可能である。
なお、第３の回転関節６３の内部には、第３の回転関節６３を駆動する駆動部が設けられている。
さらに、第３の回転関節６３に連結された内部リンク６５の、第３の回転関節６３に連結されない側の端に外部リンク６７が連結されることで、内部リンク６５と外部リンク６７とのヨー軸回りの相対角度は、変更可能である。
そして、外部リンク６６に胸部２０を設け、外部リンク６７に腰部３０を設けることで、胸部２０は、腰部３０に対して、第２の回転関節６２によるヨー軸回り、第１の回転関節６１によるロール軸回り、および第３の回転関節６３によるヨー軸回りの３つの自由度で相対角度を変えることが可能である。
なお、図１０においても、リンクは、必ずしも部材を意味しない。例えば、図１０において、内部リンク６４が設けられず、第１の回転関節６１と第２の回転関節６２が直接接合されるような場合、リンクは、第１の回転関節６１と第２の回転関節６２との接合面を意味する。
以上のように、図１０で図示される関節機構において、第２の回転関節をリンク６２（第１のリンク）と外部リンク６６（第３のリンク）との接合部分であるとした場合、第２の回転関節を駆動する駆動部は、リンク６２に設けられている。同様に、図１０で図示される関節機構において、第３の回転関節をリンク６３（第２のリンク）と外部リンク６７（第４のリンク）との接合部分であるとした場合、第３の回転関節を駆動する駆動部は、リンク６３に設けられる。
なお、図１０に示すような関節機構を用いても、上記実施の形態と同様の動作、および感情表現が可能であることは言うまでもない。
以上のように本発明の脚式ロボットは、簡単な構成で、犬の感情表現と紐付けされる代表的なしぐさとして、人の足や壁などに寄りかかるように横座りするしぐさ、仰向けになるしぐさ、背中を床にこすり付けるしぐさ、および自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させて歩くしぐさを表現することができる。
なお、上記実施の形態においては、両端部の外部リンクそれぞれに合計４つの脚部を備えた脚式ロボットについて説明したが、少なくとも一方の外部リンクに２つの脚部を備えた脚式ロボットにも適用可能である。つまり人型の脚式ロボットにも適用可能である。また、本発明の脚式ロボットは、四つん這いで歩行する人間の赤ちゃん型ロボットとしても、もちろん良い。また、このような場合、胸部、腰部については、脚式ロボットの形態に応じて適宜設ければよい。
なお、本発明は、これらの実施の形態またはその変形例に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態またはその変形例に施したもの、あるいは異なる実施の形態またはその変形例における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
本発明によれば、簡単な構成で感情表現豊かな脚式ロボットを実現することができ、本発明に係る脚式ロボットは、動物型コミュニケーションロボット等として有用である。
１０、６０ 胴体部
１１、６１ 第１の回転関節
１２、６２ 第２の回転関節
１３、６３ 第３の回転関節
１４、１５、６４、６５ 内部リンク
１６、１７、６６、６７ 外部リンク
２０ 胸部
３０ 腰部
４０ 頭部
４１ 首関節
５０ 脚部
５１ 大腿部
５２ 脛部
５３ 股関節
５４ 膝関節
７１ 第２脚部リンク
７２ 第３脚部リンク
７３、７４、７６ 回転関節
７５ 第１脚部リンク
７７ 第４脚部リンク
１００ 脚式ロボット
１０４ 第１関節
１０５ 第ｎ関節
１１０ 制御部
１１０ａ ＣＰＵ
１１０ｂ ＲＯＭ
１１０ｃ ＲＡＭ
１２０ 機構部
１２１、１２２、１２３、１２４、１２５ 駆動部
１３０ 入出力部
１３０ａ 撮像部
１３０ｂ スピーカ
１３０ｃ マイク
本発明は、可動である頭部、脚部、および胴体部の機構を用いて感情表現をする脚式ロボットに関する。
近年、家庭用ロボットが国内外のメーカーから発売されており、一般の家庭内で見かける機会が多くなってきている。その中でも、人からの呼びかけに反応するような生活密着型のコミュニケーションロボットが実現され始めている。この種のコミュニケーションロボットは、人型または比較的知性の高い犬などの愛玩動物型の外見を持ち、頭部や四肢を備えた構造によって全身で感情表現を行うことが多い（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−７１７６３号公報 特開２０１０−５７１８号公報
上記のようなコミュニケーションロボットにおいて、感情表現を豊かにするために、哺乳類動物と同じ背骨の関節数（２４個）を有する複雑な軸構成を用いるのは、小型化や、機構的強度などの面で実現が難しい。また、たくさんの関節を有する構成は、ロボットの製作コスト面においても現実的でない。
本発明はこのような課題に鑑みなされたもので、簡単な構成で感情表現の豊かなロボットを実現することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明の一態様に係る脚式ロボットは、胴体部と、前記胴体部に連結される脚部とを備える脚式ロボットであって、前記胴体部は、ロール軸回りに可動である第１の回転関節によって連結された第１のリンクおよび第２のリンクと、ヨー軸回りに可動である第２の回転関節によって前記第１のリンクと連結された第３のリンクと、ヨー軸回りに可動である第３の回転関節によって前記第２のリンクと連結された第４のリンクとを備え、前記第１のリンクおよび前記第２のリンクには、可動部分が設けられず、前記脚部は、前記第３のリンクおよび前記第４のリンクのうち少なくとも一方に連結されることを特徴とする。
本発明によれば、簡単な構成で、感情表現豊かな脚式ロボットを実現することができる。
図１は、本発明の実施の形態に係る脚式ロボットの外観図である。 図２は、胴体部の関節機構を示す原理図である。 図３は、胴体部の関節機構の一例を示す斜視図である。 図４は、脚式ロボットの機能構成を表すブロック図である。 図５は、脚部の機構の一例を示す斜視図である。 図６は、「安心感」や「甘え」の感情表現として、脚式ロボットが人の足に寄りかかるように横座りするしぐさを説明するための説明図である。 図７は、「服従」の感情表現として、脚式ロボットが仰向けになるしぐさを説明するための説明図である。 図８は、「高揚」の感情表現として、脚式ロボットが背中を床にこすり付けるしぐさを説明するための説明図である。 図９は、「不安」や「ストレス」の感情表現として、脚式ロボットが自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させるしぐさを説明するための説明図である。 図１０は、胴体部の関節機構の他の例を示す斜視図である。
（本発明の基礎となった知見）
従来、ロボットの関節に関する様々な技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、胴体部に股関節と膝関節とを有する可動脚を配置することで歩行が可能であり、可動する頭部の動きと脚部を折り畳むまたは広げる動きとの組み合わせで、座る、伏せるといったいくつかのしぐさによって感情表現する四足ロボットが提案されている。
また、例えば、特許文献２には、機体を大型化せずに段差越えに必要な可動域を増やす工夫の一つとして、胴体部の一箇所にロール、ピッチ、またはヨー軸のいずれかを追加した構成のロボットが提案されている。
ユーザに癒しを与え、かつユーザとの双方向コミュニケーションを目的とした脚式ロボットにおいて、特に、動物型の外見を持つロボットにおいては、より動物の動作に近いしぐさによる感情表現が求められる。
具体的には、犬の感情表現と紐付けされる代表的なしぐさとして、「安心感」や「甘え」の感情表現として、人の足や壁などに寄りかかるように横座りするしぐさがある。また、「服従」の感情表現としての仰向けになるしぐさや、「高揚」の感情表現としての背中を床にこすり付けるしぐさ、「不安」や「ストレス」の感情表現としての自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させて歩くしぐさなどがある。
一方、上記のような感情表現が可能な、哺乳類動物と同じ背骨の関節数（２４個）を有する軸構成の脚式ロボットは、機構面においても制御面においても複雑となるため、実現が困難である。また、このように多くの関節を有する脚式ロボットは、製作コストの面においても現実的ではないという課題があった。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る脚式ロボットは、胴体部と、前記胴体部に連結される脚部とを備える脚式ロボットであって、前記胴体部は、ロール軸回りに可動である第１の回転関節によって連結された第１のリンクおよび第２のリンクと、ヨー軸回りに可動である第２の回転関節によって前記第１のリンクと連結された第３のリンクと、ヨー軸回りに可動である第３の回転関節によって前記第２のリンクと連結された第４のリンクとを備え、前記第１のリンクおよび前記第２のリンクには、可動部分が設けられず、前記脚部は、前記第３のリンクおよび前記第４のリンクのうち少なくとも一方に連結されることを特徴とする。
このような胴体部において、例えば、胴体部分のうち第３のリンクに対応して胸部を設け、第４のリンクに対応して腰部を設ける。これにより、胸部は、腰部に対して第２の回転関節によるヨー軸回りの自由度と、第１の回転関節によるロール軸回りの自由度とを有する。同様に、腰部は、胸部に対して第３の回転関節によるヨー軸回りの自由度と、第１の回転関節によるロール軸回りの自由度とを有する。よって、脚式ロボットは、これらの自由度を利用してさまざまなポーズを取り、感情表現をすることができる。
また、前記脚式ロボットは、前記第３のリンクに連結される前記脚部である、左前脚部および右前脚部と、前記第４のリンクに連結される前記脚部である、左後脚部および右後脚部とを備え、前記左前脚部、前記右前脚部、前記左後脚部、および前記右後脚部によって歩行面を歩行してもよい。
また、さらに、前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節の駆動を制御する制御部を備えてもよい。
また、本発明の一態様に係る脚式ロボットは、胴体部と、前記胴体部に連結される脚部とを備え、前記脚部によって歩行面を歩行する脚式ロボットであって、前記胴体部は、ロール軸回りに可動である第１の回転関節によって連結された第１のリンクおよび第２のリンクと、ヨー軸回りに可動である第２の回転関節によって前記第１のリンクと連結された第３のリンクと、ヨー軸回りに可動である第３の回転関節によって前記第２のリンクと連結された第４のリンクと、前記第３のリンクに連結される前記脚部である、左前脚部および右前脚部と、前記第４のリンクに連結される前記脚部である、左後脚部および右後脚部と、前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節の駆動を制御する制御部とを備え、前記脚式ロボットが前記歩行面に立った状態において、前記制御部は、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクを動かすように前記第１の回転関節を駆動して前記左後脚部および前記右後脚部を前記歩行面に横たえることで、前記脚式ロボットが横座りの状態になるように制御し、前記脚式ロボットが前記横座りの状態において、前記第３のリンクのヨー軸回りの向きは、前記第２の回転関節が駆動されることによって可変であり、前記歩行面から前記第４のリンクまでの距離は、前記第３の回転関節が駆動されることによって可変であってもよい。
つまり、脚式ロボットは、図６に示されるような横座りのポーズをとることができる。
また、本発明の一態様に係る脚式ロボットは、胴体部と、前記胴体部に連結される脚部とを備え、前記脚部によって歩行面を歩行する脚式ロボットであって、前記胴体部は、ロール軸回りに可動である第１の回転関節によって連結された第１のリンクおよび第２のリンクと、ヨー軸回りに可動である第２の回転関節によって前記第１のリンクと連結された第３のリンクと、ヨー軸回りに可動である第３の回転関節によって前記第２のリンクと連結された第４のリンクと、前記第３のリンクに連結される前記脚部である、左前脚部および右前脚部と、前記第４のリンクに連結される前記脚部である、左後脚部および右後脚部と、前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節の駆動を制御する制御部とを備え、前記脚式ロボットが前記左後脚部および前記右後脚部を前記歩行面に横たえた横座りの状態において、前記制御部は、前記第２のリンクに対して前記第１のリンクを動かすように前記第１の回転関節を駆動することによって、前記左前脚部および前記右前脚部を前記横たえた前記左後脚部および前記右後脚部と同じ方向に横たえることで、前記脚式ロボットの前記胴体部が前記歩行面に横たわった横向きの状態になるように制御してもよい。
つまり、脚式ロボットは、横向きのポーズをとることができる。
また、本発明の一態様に係る脚式ロボットは、胴体部と、前記胴体部に連結される脚部とを備え、前記脚部によって歩行面を歩行する脚式ロボットであって、前記胴体部は、ロール軸回りに可動である第１の回転関節によって連結された第１のリンクおよび第２のリンクと、ヨー軸回りに可動である第２の回転関節によって前記第１のリンクと連結された第３のリンクと、ヨー軸回りに可動である第３の回転関節によって前記第２のリンクと連結された第４のリンクと、前記第３のリンクに連結される前記脚部である、左前脚部および右前脚部と、前記第４のリンクに連結される前記脚部である、左後脚部および右後脚部と、前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節の駆動を制御する制御部とを備え、前記脚式ロボットの前記胴体部が前記歩行面に横たわった横向きの状態において、前記制御部は、前記第１の回転関節を駆動することによって、横たわった前記左前脚部および前記右前脚部を前記歩行面から離れる方向に動かした場合の慣性力によって、または、前記第１の回転関節を駆動することによって、横たわった前記左後脚部および前記右後脚部を前記歩行面から離れるように動かした場合の慣性力によって、前記脚式ロボットが前記歩行面に立った状態における前記胴体部の上面が、前記歩行面に接した仰向けの状態になるように制御してもよい。
つまり、脚式ロボットは、図７に示されるような仰向けのポーズをとることができる。
また、本発明の一態様に係る脚式ロボットは、胴体部と、前記胴体部に連結される脚部とを備え、前記脚部によって歩行面を歩行する脚式ロボットであって、前記胴体部は、ロール軸回りに可動である第１の回転関節によって連結された第１のリンクおよび第２のリンクと、ヨー軸回りに可動である第２の回転関節によって前記第１のリンクと連結された第３のリンクと、ヨー軸回りに可動である第３の回転関節によって前記第２のリンクと連結された第４のリンクと、前記第３のリンクに連結される前記脚部である、左前脚部および右前脚部と、前記第４のリンクに連結される前記脚部である、左後脚部および右後脚部と、前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節の駆動を制御する制御部とを備え、前記脚式ロボットが前記歩行面に立った状態における前記胴体部の上面が、前記歩行面に接した仰向けの状態において、前記歩行面に垂直な方向から見て、前記第３のリンクが前記第１のリンクに対して右回りに回転するような前記第２の回転関節の回転方向と、前記第２のリンクが前記第４のリンクに対して右回りに回転するような前記第３の回転関節の回転方向とを正方向とした場合に、前記制御部は、前記第２の回転関節が前記正方向への回転駆動と、前記正方向とは逆の方向への回転駆動とを交互に繰り返し、前記第３の回転関節が前記第２の回転関節と同一の回転速度で回転方向が逆になるように連動して回転駆動するように制御してもよい。
つまり、脚式ロボットは、図８に示されるように「服従」の感情表現として、背中をこすりつけるしぐさをすることができる。
また、本発明の一態様に係る脚式ロボットは、胴体部と、前記胴体部に連結される脚部とを備え、前記脚部によって歩行面を歩行する脚式ロボットであって、前記胴体部は、ロール軸回りに可動である第１の回転関節によって連結された第１のリンクおよび第２のリンクと、ヨー軸回りに可動である第２の回転関節によって前記第１のリンクと連結された第３のリンクと、ヨー軸回りに可動である第３の回転関節によって前記第２のリンクと連結された第４のリンクと、前記第３のリンクに連結される前記脚部である、左前脚部および右前脚部と、前記第４のリンクに連結される前記脚部である、左後脚部および右後脚部と、前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節の駆動を制御する制御部とを備え、前記脚式ロボットが前記歩行面に立った状態において、前記歩行面に垂直な方向から見て、前記第３のリンクが前記第１のリンクに対して右回りに回転するような前記第２の回転関節の回転方向と、前記第２のリンクが前記第４のリンクに対して右回りに回転するような前記第３の回転関節の回転方向とを正方向とした場合に、前記制御部は、前記第２の回転関節および前記第３の回転関節を前記正方向に駆動した状態で、または前記第２の回転関節および前記第３の回転関節を前記正方向とは逆の方向に駆動した状態で、前記脚式ロボットが歩行するように制御してもよい。
つまり、脚式ロボットは、図９に示されるように「不安」や「ストレス」の感情表現として、自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させるしぐさをすることができる。
また、前記制御部は、前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節にそれぞれ対応して設けられた駆動部を制御することで前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節を駆動し、前記第２の回転関節を駆動する駆動部は、前記第３のリンクに設けられ、前記第３の回転関節を駆動する駆動部は、前記第４のリンクに設けられてもよい。
また、前記制御部は、前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節にそれぞれ対応して設けられた駆動部を制御することで前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節を駆動し、前記第２の回転関節を駆動する駆動部は、前記第１のリンクに設けられ、前記第３の回転関節を駆動する駆動部は、前記第２のリンクに設けられてもよい。
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態に係る脚式ロボットについて説明する。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
本実施の形態では、脚式ロボットの一例として、犬の外観をなす動物型ロボットについて図面を参照して説明する。
図１は、犬の外観をなす動物型の脚式ロボットの構成を示す外観図である。
なお、以下の実施の形態において、特に断りのない限り、脚式ロボットが歩行面（床面）に脚部によって立った状態を基準として方向を規定する。例えば、前方とは、脚式ロボットの歩行する向きを表す。つまり、脚式ロボットの頭部側が前方である。反対に、脚式ロボットの尻尾側が後方である。
同様に、上側は、歩行面に対して重力上方向を意味し、下側は、歩行面に対して重力下方向を意味する。左側、および右側とは、脚式ロボットの歩行する向きに対して左側、および右側の意味である。
また、同様にロール軸、ピッチ軸、およびヨー軸についても、脚式ロボットが歩行面に脚部によって立った基準姿勢における軸を意味する。すなわち、ロール軸は、脚式ロボットの歩行する方向の軸であり、ヨー軸は、脚式ロボットが歩行する歩行面に垂直な方向の軸である。
図１に示すように、動物型の脚式ロボット１００は、胴体部１０と、胴体部１０の前側に設けられた胸部２０と、胴体部１０の後側に設けられ、尻尾３１を有する腰部３０と、胸部２０の上側に連結された頭部４０と、胸部２０の左右および腰部３０の左右にそれぞれ連結された４つの脚部５０とで構成されている。
頭部４０は、ロール軸、ピッチ軸およびヨー軸の各軸方向の自由度を持つ首関節４１によって、胸部２０の前側かつ上側に連結されている。
また、胸部２０と腰部３０とは、胴体部１０の前側および後側のそれぞれに設けられる。
脚部５０は、股関節５３と、大腿部５１と、膝関節５４と、脛部５２とからなる。
大腿部５１は、ロール軸およびピッチ軸の各軸方向の自由度を持つ股関節５３によって胸部２０の左右端位置または腰部３０の左右端位置に連結される。大腿部５１と脛部５２とは、ピッチ軸方向の自由度を持つ膝関節５４によって連結される。
脚式ロボット１００は、胸部２０の左右端位置または腰部３０の左右端位置に連結された４つの脚部５０によってロボットの胴体部１０を支えることで、「立ち」の姿勢をとることができる。
なお、頭部４０には、脚式ロボット１００の各回転関節に配置したモータや歯車機構などのアクチュエータ（駆動部）を制御することで全身動作を統括する制御部（制御回路）が格納される。また、腰部３０には、脚式ロボット１００に電力を供給するためのバッテリが格納されている。
次に、胴体部１０の軸構成、すなわち胴体機構について説明する。
図２は、本発明の脚式ロボット１００において、胴体部１０の軸構成を示す原理図である。
図２は、脚式ロボットの上方（背面）から胴体部１０を見た場合の図である。図２では、左側が頭部４０側を示し、矢印の＋（プラス）および−（マイナス）は、正逆の回転方向を示す。
図２に示すように、胴体部１０は、ロール軸回りの自由度を有する第１の回転関節１１と、第１の回転関節１１の両側に機械的に連結されたヨー軸回りの自由度を有する第２の回転関節１２、およびヨー軸回りの自由度を有する第３の回転関節１３とを備える。第１の回転関節１１と、第２の回転関節１２とは、内部リンク１４（第１のリンク）によって連結されている。第１の回転関節１１と、第３の回転関節１３とは、内部リンク１５（第２のリンク）によって連結されている。
また、胴体部１０の一端、つまり、第２の回転関節１２の内部リンク１４に連結されない側には、外部リンク１６（第３のリンク）が連結される。同様に、胴体部１０の他端、つまり、第３の回転関節１３の内部リンク１５に連結されない側には、外部リンク１７（第４のリンク）が連結されている。
ここで、図３では、リンクは、一つの部材として説明されるが、リンクは、必ずしも部材を意味しない。例えば、関節部材同士が直接接合されるような場合、リンクは、関節部材の接合面を意味する。また、関節部材同士が当該関節部材が有するモータの軸で連結されているような場合、リンクは、当該モータの軸を意味する。
このように、胴体部１０は、第２の回転関節１２によるヨー軸回りの自由度、第１の回転関節によるロール軸回りの自由度、および第３の回転関節１３によるヨー軸回りの自由度の３つの自由度を備えている。
図３は、図２に示す原理図に基づく、胴体部の関節機構の一例を示す斜視図である。なお、図３においては、図２の原理図に示す部分と対応する箇所については、同一の符号が付されている。また、図３では、左側が脚式ロボット１００の頭部４０側（前側）である。
図３に示すように、第１の回転関節１１の一端には、内部リンク１４が連結され、第１の回転関節１１の他端には、内部リンク１５が連結される。言い換えれば、内部リンク１４と内部リンク１５とは第１の回転関節によって連結される。
これにより、内部リンク１４は、内部リンク１５に対してロール軸回りに可動である。言い換えれば、内部リンク１５は、内部リンク１４に対してロール軸回りに可動である。つまり、内部リンク１４と内部リンク１５とはロール軸回りの相対的な回転角度を変えることが可能となる。
内部リンク１４の第１の回転関節１１に連結されない側の端部には、第２の回転関節１２が連結される。また、第２の回転関節１２には、外部リンク１６が連結される。言い換えれば、内部リンク１４と外部リンク１６とは、第２の回転関節１２によって連結される。
これにより、内部リンク１４は、外部リンク１６に対してロール軸回りに可動である。言い換えれば、外部リンク１６は、内部リンク１４対してロール軸回りに可動である。つまり、内部リンク１４と、外部リンク１６とのヨー軸回りの相対角度は、変更可能である。
一方、内部リンク１５の第１の回転関節１１に連結されない側の端部には、第３の回転関節１３が連結される。また、第３の回転関節１３には、外部リンク１７が連結される。言い換えれば、内部リンク１５と外部リンク１７とは、第３の回転関節１３によって連結される。
これにより、内部リンク１５は、外部リンク１７に対してロール軸回りに可動である。言い換えれば、外部リンク１７は、内部リンク１５対してロール軸回りに可動である。つまり、内部リンク１５と、外部リンク１７とのヨー軸回りの相対角度は、変更可能である。
なお、外部リンク１６は、脚式ロボット１００の胸部２０に相当するリンクであり、外部リンク１７は、腰部３０に相当するリンクである。つまり、胸部２０は、腰部３０に対して、第２の回転関節１２によるヨー軸回りの自由度と、第１の回転関節１１によるロール軸回りの自由度と、第３の回転関節１３によるヨー軸回りの自由度を有する。言い換えれば、腰部３０は、胸部２０に対して、第２の回転関節１２によるヨー軸回りの自由度と、第１の回転関節１１によるロール軸回りの自由度と、第３の回転関節１３によるヨー軸回りの自由度を有する。つまり、胸部２０と、腰部３０とは、上記３つの軸回りの相対角度は、変更可能である。
ここで、第１の回転関節１１、第２の回転関節１２、および第３の回転関節１３のそれぞれには、モータや歯車機構などのアクチュエータ（駆動部）が配置されており、頭部４０に搭載した制御部（制御回路）により独立して駆動される。
図４は、脚式ロボット１００の機能構成を表すブロック図である。
脚式ロボット１００は、制御部１１０と、機構部１２０と、入出力部１３０と、バッテリ１４０とを備える。本実施の形態に係る脚式ロボット１００は、制御部１１０が所定の制御プログラムを実行することによって、自律的な動作を行うことができる。また、脚式ロボット１００は、映像入力部（撮像部１３０ａ）、音声入力部（マイク１３０ｃ）など、人間や動物の五感に相当する入力装置を備えるとともに、これら外部入力に応答して理性的または感情的な行動を実行するインテリジェンスを備えている。
制御部１１０は、ＣＰＵ１１０ａと、ＲＯＭ１１０ｂと、ＲＡＭ１１０ｃとからなるコンピュータシステムである。
ＣＰＵ１１０ａは、例えば、ＲＯＭ１１０ｂに格納された制御プログラムを実行するプロセッサである。
ＲＯＭ１１０ｂは、制御プログラム等を保持する読み出し専用メモリである。
ＲＡＭ１１０ｃは、ＣＰＵ１１０ａが制御プログラムを実行するときに使用するワークエリアとして用いられる揮発性の記憶領域で、読み書き可能なメモリである。また、ＲＡＭ１１０ｃは、例えば、撮像部１３０ａが撮影した映像データなどを一時的に保持する。
制御部１１０は、機構部１２０、および入出力部１３０を制御する。
機構部１２０は、脚式ロボット１００の有する複数の関節と、当該複数の関節を制御部１１０の制御に基づいてそれぞれ駆動する複数の駆動部とを備える。例えば、駆動部１２１は、第１の回転関節１１を駆動し、駆動部１２２は、第２の回転関節１２を駆動し、駆動部１２３は、第３の回転関節１３を駆動する。上述の首関節４１、股関節５３、および膝関節５４など、第１、第２、および第３の回転関節以外の関節は、図４のブロック図では、第１関節１０４〜第ｎ関節１０５に相当する。このような第１関節１０４〜第ｎ関節１０５には、駆動部１２４〜駆動部１２５がそれぞれ対応する。
撮像部１３０ａは、脚式ロボット１００が、任意の物体の形状や色彩を認識するために用いられる。撮像部１３０ａは、頭部４０に設けられる。
スピーカ１３０ｂは、脚式ロボット１００が、制御部１１０の制御に基づき、音声を発するために用いられる。例えば、撮像部１３０ａによって撮影した映像の中にユーザを認識した場合に、脚式ロボット１００は、スピーカ１３０ｂから鳴き声を発する。なお、スピーカ１３０ｂは、頭部４０に設けられる。
マイク１３０ｃは、脚式ロボット１００が、周囲の音声を認識するために用いられる。マイク１３０ｃは、頭部４０に設けられる。
バッテリ１４０は、腰部３０に格納されている充放電可能な蓄電池であり、制御部１１０に電力を供給する。バッテリ１４０は、例えば、リチウムイオンバッテリーである。
以上、脚式ロボット１００の機能構成について説明したが、これらは、機能構成の一例を示すものである。つまり、脚式ロボット１００の機能構成は、図４で示される機能構成に限定されない。
次に、脚部５０の機構について説明する。
図５は、脚部５０の機構の一例を示す斜視図である。
図５において、脚部５０は、ロール軸回りの自由度を有する回転関節７３と、ピッチ軸回りの自由度を有する回転関節７４、およびピッチ軸回りの自由度を有する回転関節７６とを備える。また、脚部５０は、第１脚部リンク７５と、第２脚部リンク７１、第３脚部リンク７２および第４脚部リンク７７とで構成されている。なお、図中において、矢印の＋（プラス）および−（マイナス）は正逆の回転方向を示す。
図５に示すように、第１脚部リンク７５と、第２脚部リンク７１とは、回転関節７３によって連結される。
また、第２脚部リンク７１と、第３脚部リンク７２とは、回転関節７４によって連結される。つまり、第２脚部リンク７１の回転関節７３に連結されない側の端には、回転関節７４が連結される。
また、第３脚部リンク７２と、第４脚部リンク７７とは、回転関節７６によって連結される。つまり、第３脚部リンク７２の回転関節７４に連結されない側の端には、回転関節７６が連結され、ピッチ軸回りの回転関節７６の第３脚部リンク７２に連結されない側の端には、第４脚部リンク７７が連結される。
このような機構を有する脚部５０は、脚式ロボットの胴体部１０（胸部２０または腰部３０）に連結される。ピッチ軸回りの回転関節７４、７６を連動して動かす（回転させる）ことにより、脚式ロボット１００は、動物の足の屈伸動作と同様の、脚部５０の曲げ伸ばし動作をすることができる。また、ロール軸回りの回転関節７３を回転させることにより、脚式ロボット１００は、動物の足の開脚、閉脚と同様の、脚部５０の開閉動作をすることができる。そして、４つの脚部５０のすべての回転関節を連動させることで、動物の４足歩行と同様に、脚式ロボット１００は、歩行することができる。
以上説明したように、脚式ロボット１００は、首関節４１を構成するロール軸、ピッチ軸およびヨー軸の各軸回りの自由度を持つ３つの関節と、第１、第２、第３の回転関節と、回転関節７３、７４、７６との、少なくとも１８個の回転関節を備える。制御部１１０からの指令に基づいて、各回転関節のアクチュエータを駆動することによって、脚式ロボット１００は、複雑なしぐさを表現することができる。
以下、図６〜図９を用いて脚式ロボット１００の感情表現について説明する。
本発明の脚式ロボット１００は、「安心感」や「甘え」の感情表現として、人の足に寄りかかるように横座りするしぐさ、および「服従」の感情表現として、仰向けになるしぐさを表現することが可能である。また、脚式ロボット１００は、「高揚」の感情表現として、背中を床にこすりつけるしぐさ、および「不安」や「ストレス」の感情表現として、自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させるしぐさを表現することができる。
図６は、「安心感」や「甘え」の感情表現としての人の足や壁などに寄りかかるように横座りする脚式ロボット１００のしぐさを示した図である。図６の（ａ）は、横座り姿勢における脚式ロボット１００の外見を示す正面図である。図６の（ｂ）は、横座り姿勢における脚式ロボット１００の内部の軸構成を透視した正面図である。図６の（ｃ）は、横座り姿勢における脚式ロボット１００の内部の軸構成を透視した側面図である。
図６の（ａ）に示されるように、犬に代表される動物の「横座り」は、両前足を伸ばして床面に突いたまま、両後足を深く曲げて腰を床に降ろした、いわゆる「お座り」の状態から、両後足を横方向に放り出して座った姿勢をとるしぐさである。脚式ロボット１００は、この横座りの姿勢をとるだけでなく、さらに、横座りの姿勢から、両前足を曲げ伸ばしすることで、上半身を上下方向に傾けた姿勢をとったり、上半身を正面以外の左右方向に向けた姿勢をとったりすることができる。
図６の（ｂ）に示されるように、まず、制御部１１０は、第１の回転関節１１を約９０度回転させる（駆動させる）ことで、胸部２０と腰部３０とを相対的に９０度捻る。これにより、腰部３０に連結されている２つの脚部５０を脚式ロボットの胴体部１０の横方向に配置する。つまり、制御部１１０は、腰部３０に連結されている２つの脚部５０を床面に横たえる。
また、図６の（ｂ）に示すように、２つの脚部５０を床面に横たえた状態から、第２の回転関節１２の回転量を制御することにより、胸部２０（外部リンク１６）の向きを変化させることができる。
さらに、図６の（ｃ）に示すように、制御部１１０は、胸部２０に接続される２つの脚部５０の曲げ伸ばし量をピッチ軸回りの回転関節７４、７６の回転量を制御することによって調整することが可能である。また、制御部１１０は、第３の回転関節１３の回転量を制御することによって腰部３０（外部リンク１７）の床面からの高さを調整することもできる。
以上のように、脚式ロボット１００は、胸部２０を含む上半身の上下方向の傾きを自在に変化させた多様な横座り姿勢をとることができる。つまり、脚式ロボット１００は、「安心感」や「甘え」の感情表現ができる。
また、脚式ロボット１００は、対象物に対する関心の度合いを表す関心度を、姿勢によって表現することもできる。
例えば、図６の（ｂ）に示されるような「横座り」姿勢から、脚式ロボット１００が人または物体といった対象物に視線を向ける姿勢をとる場合がある。対象物への関心度が低い場合は、制御部１１０は、首関節４１のみを駆動して頭部４０を対象物に向ける。対象物への関心度が高い場合は、制御部１１０は、首関節４１に加えて、第２の回転関節１２を首関節４１に連動させて駆動することで、頭部４０および胸部２０を対象物へ向ける。これにより、脚式ロボット１００の対象物への関心度を、より自然に表現できる。
なお、脚式ロボット１００は、例えば、撮像部１３０ａによって撮影した映像に基づいて対象物を認識する。例えば、撮像部１３０ａによって撮影した映像にデジタルカメラ等で用いられる顔認識機能を適用することで、制御部１１０は、対象物として人を認識することができる。また、上述の制御プログラムによって、制御部１１０は、人を認識した場合には、脚式ロボット１００が関心度の高い姿勢をとり、人以外の対象物を認識した場合には、脚式ロボット１００が関心度の低い姿勢をとるように制御してもよい。
次に、脚式ロボット１００の「服従」の感情表現について説明する。
図７は、「服従」の感情表現として、仰向けになる脚式ロボット１００のしぐさを示した図である。図７の（ａ）は、仰向けの姿勢における脚式ロボット１００の外見を示す上面図である。図７の（ｂ）は、横向きの姿勢における脚式ロボット１００の内部の軸構成を透視した上面図である。図７の（ｃ）は、仰向けの姿勢における脚式ロボット１００の内部の軸構成を透視した上面図である。
犬に代表される動物は、まず、図６の（ａ）に示される「横座り」の姿勢から体の側面を床面に接する「横向き」の姿勢をとる。さらに、犬に代表される動物は、床面を足で押し付けたときの反力と、体軸を捻るときの勢いとの一方または両方を利用して、図７の（ａ）に示されるような、背中が床面に接した「仰向け」の姿勢へと移行する。脚式ロボット１００は、このような仰向けの姿勢をとることができる。
図７の（ｂ）に示されるように、制御部１１０は、まず、図６の（ａ）の「横座り」の姿勢から、腰部３０に接続された２つの脚部５０が床面に接地した状態のまま、横座りの姿勢に移行する際に約９０度回転させた第１の回転関節１１を０度に戻す。これにより、制御部１１０は、胸部２０に連結された２つの脚部５０を、腰部３０に連結された２つの脚部５０と同じ方向に横たえる。結果として、図７（ｂ）に示されるように脚式ロボットの胴体部１０の側面、つまり胸部２０、腰部３０、および脚式ロボットの右前足および右後足に相当する右側の２つの脚部５０の右側の側面が床面に接した横向きの姿勢に移行する。
さらに、図７の（ｃ）に示すように、制御部１１０は、横向きの姿勢からロール軸回りの回転関節７３を駆動することによって、床面に接した２つの脚部５０が床面を押し付けられる方向に回転させる。これによって生じた反力を利用することで、脚式ロボット１００は、背面、つまり胴体部１０（胸部２０および腰部３０）の上面が床面に接した「仰向け」の姿勢をとることができる。つまり、脚式ロボット１００は、「服従」の感情表現ができる。
なお、脚式ロボット１００が横向きの姿勢から仰向けの姿勢に移行するときには、制御部１１０は、腰部３０に連結された２つの脚部５０が床面に接した状態から胴体部１０の第１の回転関節１１をすばやく回転させることで生じるモーメント力（慣性力）を利用してもよい。つまり、制御部１１０は、第１の回転関節１１を、腰部３０に連結された２つの脚部５０が床面から離れるように勢いよく回転させ、胸部２０の上面が床面に接するように制御する。ただしこの場合は、「仰向け」の姿勢をとるために、制御部１１０は、胸部２０の上面が床面に接した時点で第１の回転関節１１の回転を元に戻すことによって腰部３０の上面も床面に接するように制御する必要がある。なお、制御部１１０は、第１の回転関節１１を、胸部２０に連結された２つの脚部５０が床面から離れるように勢いよく回転させ、腰部３０の上面が床面に接するように制御してもよい。
次に、脚式ロボット１００の「高揚」の感情表現について説明する。
図８は、「高揚」の感情表現としての背中を床にこすりつける脚式ロボット１００のしぐさを示した図である。図８の（ａ）は、脚式ロボット１００の外見を示す正面図である。図８の（ｂ）は、脚式ロボット１００の内部の軸構成を透視した正面図である。
図８の（ａ）に示されるように、犬に代表される動物の「背中のこすりつけ」は、床面に仰向けに寝た姿勢で床面から背中を離さずに、胸部と腰部とを左右方向において交互に大きく傾けることを繰り返すしぐさである。脚式ロボット１００は、このような背中のこすりつけ動作をすることができる。
図８の（ｂ）に示されるように、制御部１１０は、図７の（ａ）の「仰向け」の姿勢から、胸部２０近傍のヨー軸回りの第２の回転関節１２と、腰部３０近傍のヨー軸回りの第３の回転関節１３とを連動して回転させる。制御部１１０は、歩行面に垂直な方向から見た場合に第２の回転関節１２および第３の回転関節１３の回転方向が逆方向となり、かつ第２の回転関節１２および第３の回転関節１３の回転量（回転角度、回転速度）が同じになるように連動させて、第２の回転関節１２および第３の回転関節１３が正回転と逆回転を繰り返すように制御する。なお、ここで第２の回転関節１２の回転方向は、図３で図示されるように、歩行面に垂直な方向において脚式ロボットを上方から見た場合に、胴体部１０（内部リンク１４および内部リンク１５）に対して胸部２０（外部リンク１６）が左回りに回転する方向が正の回転方向である。一方、第３の回転関節の回転方向は、腰部３０（外部リンク１７）に対して胴体部１０（内部リンク１４および内部リンク１５）が左回りに回転する方向が正の回転方向である。
この場合、見かけ上は、胸部２０に対して腰部３０が横方向（左右方向）に平行移動を繰り返す。したがって、脚式ロボット１００は、腰部３０を横方向に大きく突き出すような「背中のこすりつけ」のしぐさをとることにより、「高揚」の感情表現ができる。
また、上述のように第２の回転関節１２および第３の回転関節１３が連動して正回転と逆回転を繰り返す場合、胸部２０に対して腰部３０が大きく傾く動きが繰り返される。このため、脚式ロボット１００は、「高揚」の度合いが高いことを、胴体部１０を深く屈曲させて「背中のこすりつけ」のしぐさをより大きな動きで見せることで、より自然に表現できる。
次に、脚式ロボット１００の「不安」や「ストレス」の感情表現について説明する。
図９は、「不安」や「ストレス」の感情表現として、自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させる脚式ロボット１００のしぐさを示した図である。図９の（ａ）は、脚式ロボット１００の外見を示す上面図である。図９の（ｂ）は、脚式ロボット１００の内部の軸構成を透視した上面図である。
図９の（ａ）に示されるように、犬に代表される動物の「尻尾の追いかけ」は、自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させながら歩くことで、同じ場所を円を描くように歩行するしぐさである。
図９の（ｂ）に示されるように、図１の「立ち」の姿勢から、制御部１１０からの指令に基づいて、４つの脚部５０を連動させて動作させることで、脚式ロボット１００は、「歩行」の動作に移行する。なお、歩行動作は、予め制御プログラムに記録された歩行パターンに倣って行われる。このとき、制御部１１０は、胸部２０近傍のヨー軸回りの第２の回転関節１２および腰部３０近傍のヨー軸回りの第３の回転関節１３を、歩行面に垂直な方向から見た場合に同じ回転方向に同じ回転量（角度）で回転させて胴体部１０を深く屈曲させる。ここで同じ回転方向とは、図３の＋（プラス）および−（マイナス）で図示される同一の極性に内部リンク１５および外部リンク１６が動くような方向を意味する。
さらに、制御部１１０は、尻尾３１に頭部４０が近づくように首関節４１の回転を加え、頭部４０と尻尾３１とを接近させた状態で歩行させる。これにより、脚式ロボット１００は、「尻尾の追いかけ」のしぐさをすることで、「不安」や「ストレス」の感情表現ができる。
以上説明したように、本発明の脚式ロボット１００は、簡単な構成で、犬の感情表現と紐付けされる代表的なしぐさを表現することができる。具体的には、脚式ロボット１００は、人の足や壁などに寄りかかるように横座りするしぐさ、仰向けになるしぐさ、背中を床にこすり付けるしぐさ、自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させて歩くしぐさを表現することができる。
なお、本実施の形態では、第１の回転関節１１、第２の回転関節１２、および第３の回転関節１３は、１つの部材として説明したが、本発明において関節とはリンクとリンクとの接合部分を意味する。つまり、本発明における関節は、図３のように１つの部材として設けられる必要はない。
また、胴体部１０の関節機構は、図３で示されるものに限定されない。
図３で図示される関節機構において、第２の回転関節をリンク１２（第３のリンク）と内部リンク１４（第１のリンク）との接合部分であるとした場合、第２の回転関節を駆動する駆動部は、リンク１２に設けられているといえる。しかしながら、第２の回転関節を駆動する駆動部は、内部リンク１４に設けられてもよい。同様に、図３で図示される関節機構において、第３の回転関節をリンク１３（第４のリンク）と内部リンク１５（第２のリンク）との接合部分であるとした場合、第３の回転関節を駆動する駆動部は、リンク１３に設けられているといえる。しかしながら、第３の回転関節を駆動する駆動部は、内部リンク１５に設けられてもよい。
図１０は、本発明において、胴体部の関節機構の他の例を示す斜視図である。
この図１０に示す例においては、胴体部６０は、ロール軸回りの自由度を有する第１の回転関節６１、ヨー軸回りの自由度を有する第２の回転関節６２、およびヨー軸回りの自由度を有する第３の回転関節６３を備える。矢印の＋（プラス）および−（マイナス）は正逆の回転方向を示す。
図１０において、第１の回転関節６１の一端には、第２の回転関節６２が設けられた内部リンク６４が連結される。第１の回転関節６１の他端には、第３の回転関節６３が設けられた内部リンク６５が連結される。これにより、内部リンク６４と、内部リンク６５との、ロール軸回りの相対角度は、変更可能である。
なお、第２の回転関節６２の内部には、第２の回転関節６２を駆動する駆動部が設けられている。
また、第２の回転関節６２に連結された内部リンク６４の、第２の回転関節６２に連結されない側の端に外部リンク６６が連結されることで、内部リンク６４と、外部リンク６６とのヨー軸回りの相対角度は、変更可能である。
なお、第３の回転関節６３の内部には、第３の回転関節６３を駆動する駆動部が設けられている。
さらに、第３の回転関節６３に連結された内部リンク６５の、第３の回転関節６３に連結されない側の端に外部リンク６７が連結されることで、内部リンク６５と外部リンク６７とのヨー軸回りの相対角度は、変更可能である。
そして、外部リンク６６に胸部２０を設け、外部リンク６７に腰部３０を設けることで、胸部２０は、腰部３０に対して、第２の回転関節６２によるヨー軸回り、第１の回転関節６１によるロール軸回り、および第３の回転関節６３によるヨー軸回りの３つの自由度で相対角度を変えることが可能である。
なお、図１０においても、リンクは、必ずしも部材を意味しない。例えば、図１０において、内部リンク６４が設けられず、第１の回転関節６１と第２の回転関節６２が直接接合されるような場合、リンクは、第１の回転関節６１と第２の回転関節６２との接合面を意味する。
以上のように、図１０で図示される関節機構において、第２の回転関節をリンク６２（第１のリンク）と外部リンク６６（第３のリンク）との接合部分であるとした場合、第２の回転関節を駆動する駆動部は、リンク６２に設けられている。同様に、図１０で図示される関節機構において、第３の回転関節をリンク６３（第２のリンク）と外部リンク６７（第４のリンク）との接合部分であるとした場合、第３の回転関節を駆動する駆動部は、リンク６３に設けられる。
なお、図１０に示すような関節機構を用いても、上記実施の形態と同様の動作、および感情表現が可能であることは言うまでもない。
以上のように本発明の脚式ロボットは、簡単な構成で、犬の感情表現と紐付けされる代表的なしぐさとして、人の足や壁などに寄りかかるように横座りするしぐさ、仰向けになるしぐさ、背中を床にこすり付けるしぐさ、および自分の尻尾を追いかけるように体側を深く屈曲させて歩くしぐさを表現することができる。
なお、上記実施の形態においては、両端部の外部リンクそれぞれに合計４つの脚部を備えた脚式ロボットについて説明したが、少なくとも一方の外部リンクに２つの脚部を備えた脚式ロボットにも適用可能である。つまり人型の脚式ロボットにも適用可能である。また、本発明の脚式ロボットは、四つん這いで歩行する人間の赤ちゃん型ロボットとしても、もちろん良い。また、このような場合、胸部、腰部については、脚式ロボットの形態に応じて適宜設ければよい。
なお、本発明は、これらの実施の形態またはその変形例に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態またはその変形例に施したもの、あるいは異なる実施の形態またはその変形例における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
本発明によれば、簡単な構成で感情表現豊かな脚式ロボットを実現することができ、本発明に係る脚式ロボットは、動物型コミュニケーションロボット等として有用である。
１０、６０ 胴体部
１１、６１ 第１の回転関節
１２、６２ 第２の回転関節
１３、６３ 第３の回転関節
１４、１５、６４、６５ 内部リンク
１６、１７、６６、６７ 外部リンク
２０ 胸部
３０ 腰部
４０ 頭部
４１ 首関節
５０ 脚部
５１ 大腿部
５２ 脛部
５３ 股関節
５４ 膝関節
７１ 第２脚部リンク
７２ 第３脚部リンク
７３、７４、７６ 回転関節
７５ 第１脚部リンク
７７ 第４脚部リンク
１００ 脚式ロボット
１０４ 第１関節
１０５ 第ｎ関節
１１０ 制御部
１１０ａ ＣＰＵ
１１０ｂ ＲＯＭ
１１０ｃ ＲＡＭ
１２０ 機構部
１２１、１２２、１２３、１２４、１２５ 駆動部
１３０ 入出力部
１３０ａ 撮像部
１３０ｂ スピーカ
１３０ｃ マイク

Claims (10)

  1. 胴体部と、前記胴体部に連結される脚部とを備える脚式ロボットであって、
    前記胴体部は、
    ロール軸回りに可動である第１の回転関節によって連結された第１のリンクおよび第２のリンクと、
    ヨー軸回りに可動である第２の回転関節によって前記第１のリンクと連結された第３のリンクと、
    ヨー軸回りに可動である第３の回転関節によって前記第２のリンクと連結された第４のリンクとを備え、
    前記脚部は、前記第３のリンクおよび前記第４のリンクのうち少なくとも一方に連結される
    脚式ロボット。
  2. 前記脚式ロボットは、
    前記第３のリンクに連結される前記脚部である、左前脚部および右前脚部と、
    前記第４のリンクに連結される前記脚部である、左後脚部および右後脚部とを備え、
    前記左前脚部、前記右前脚部、前記左後脚部、および前記右後脚部によって歩行面を歩行する
    請求項１に記載の脚式ロボット。
  3. さらに、前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節の駆動を制御する制御部を備える
    請求項２に記載の脚式ロボット。
  4. 前記脚式ロボットが前記歩行面に立った状態において、
    前記制御部は、
    前記第１のリンクに対して前記第２のリンクを動かすように前記第１の回転関節を駆動して前記左後脚部および前記右後脚部を前記歩行面に横たえることで、前記脚式ロボットが横座りの状態になるように制御し、
    前記脚式ロボットが前記横座りの状態において、
    前記第３のリンクのヨー軸回りの向きは、前記第２の回転関節が駆動されることによって可変であり、
    前記歩行面から前記第４のリンクまでの距離は、前記第３の回転関節が駆動されることによって可変である
    請求項３に記載の脚式ロボット。
  5. 前記脚式ロボットが前記左後脚部および前記右後脚部を前記歩行面に横たえた横座りの状態において、
    前記制御部は、
    前記第２のリンクに対して前記第１のリンクを動かすように前記第１の回転関節を駆動することによって、前記左前脚部および前記右前脚部を前記横たえた前記左後脚部および前記右後脚部と同じ方向に横たえることで、前記脚式ロボットの前記胴体部が前記歩行面に横たわった横向きの状態になるように制御する
    請求項３または請求項４に記載の脚式ロボット。
  6. 前記脚式ロボットの前記胴体部が前記歩行面に横たわった横向きの状態において、
    前記制御部は、
    前記第１の回転関節を駆動することによって、横たわった前記左前脚部および前記右前脚部を前記歩行面から離れる方向に動かした場合の慣性力によって、
    または、前記第１の回転関節を駆動することによって、横たわった前記左後脚部および前記右後脚部を前記歩行面から離れるように動かした場合の慣性力によって、
    前記脚式ロボットが前記歩行面に立った状態における前記胴体部の上面が、前記歩行面に接した仰向けの状態になるように制御する
    請求項３〜５のいずれか１項に記載の脚式ロボット。
  7. 前記脚式ロボットが前記歩行面に立った状態における前記胴体部の上面が、前記歩行面に接した仰向けの状態において、
    前記歩行面に垂直な方向から見て、前記第３のリンクが前記第１のリンクに対して右回りに回転するような前記第２の回転関節の回転方向と、前記第２のリンクが前記第４のリンクに対して右回りに回転するような前記第３の回転関節の回転方向とを正方向とした場合に、
    前記制御部は、
    前記第２の回転関節が前記正方向への回転駆動と、前記正方向とは逆の方向への回転駆動とを交互に繰り返し、
    前記第３の回転関節が前記第２の回転関節と同一の回転速度で回転方向が逆になるように連動して回転駆動するように制御する
    請求項３〜６のいずれか１項に記載の脚式ロボット。
  8. 前記脚式ロボットが前記歩行面に立った状態において、
    前記歩行面に垂直な方向から見て、前記第３のリンクが前記第１のリンクに対して右回りに回転するような前記第２の回転関節の回転方向と、前記第２のリンクが前記第４のリンクに対して右回りに回転するような前記第３の回転関節の回転方向とを正方向とした場合に、
    前記制御部は、
    前記第２の回転関節および前記第３の回転関節を前記正方向に駆動した状態で、または前記第２の回転関節および前記第３の回転関節を前記正方向とは逆の方向に駆動した状態で、前記脚式ロボットが歩行するように制御する
    請求項３〜７のいずれか１項に記載の脚式ロボット。
  9. 前記制御部は、前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節にそれぞれ対応して設けられた駆動部を制御することで前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節を駆動し、
    前記第２の回転関節を駆動する駆動部は、前記第３のリンクに設けられ、
    前記第３の回転関節を駆動する駆動部は、前記第４のリンクに設けられる
    請求項１〜８のいずれか１項に記載の脚式ロボット。
  10. 前記制御部は、前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節にそれぞれ対応して設けられた駆動部を制御することで前記第１の回転関節、前記第２の回転関節、および前記第３の回転関節を駆動し、
    前記第２の回転関節を駆動する駆動部は、前記第１のリンクに設けられ、
    前記第３の回転関節を駆動する駆動部は、前記第２のリンクに設けられる
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の脚式ロボット。

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