WO2012160659A1

WO2012160659A1 - ロボットの頭部構造及びその頭部駆動方法

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Publication number: WO2012160659A1
Application number: PCT/JP2011/061933
Authority: WO
Inventors: 梓網野; 亮介中村; 泰士上田
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2012-11-29
Also published as: US9016158B2; US20140060224A1; DE112011105269B4; JPWO2012160659A1; DE112011105269T5; JP5728081B2

Abstract

　本発明のロボットの頭部構造（１０）は、出力軸（９Ｌ，９Ｒ）が互いに同軸上に位置するようにロボットの頭部（２）内に並んで支持される第１モータ（２０Ｌ）及び第２モータ（２０Ｒ）と、前記第１モータ（２０Ｌ）で駆動されて前記出力軸（９Ｌ）周りに回動可能なようにその一端が取り付けられると共に、前記出力軸（９Ｌ）から垂直方向に延出するその他端が前記ロボットの胴部に支持される左弾性フレーム（２１Ｌ）と、前記第２モータ（２０Ｒ）で駆動されて前記出力軸（９Ｒ）周りに回動可能なようにその一端が取り付けられると共に、前記出力軸（９Ｒ）から前記左弾性フレーム（２１Ｌ）と並んで延出するその他端が前記胴部に支持される右弾性フレーム（２１Ｒ）と、を備えることを特徴とする。

Description

ロボットの頭部構造及びその頭部駆動方法

　本発明は、胴部に対して相対的に動作するように取り付けられた頭部を備えるロボットの頭部構造及びその頭部駆動方法に関する。

　従来の人型のロボットの頭部構造としては、胴部に対して左右一対の４節リンク機構を介して接続された頭部を有するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。これらの一対の４節リンク機構のそれぞれは左右対称構造を有している。具体的には、ロボットの胴部側で水平に配置される矩形板体の前後左右の四隅に設けられる下部ジョイントと、頭部側で水平に配置される矩形枠体の前後左右の四隅に設けられる上部ジョイントと、左右のそれぞれで交差するように配置される二つのリンク（左右で合計四つのリンク）であって左前の上部ジョイント及び左後の下部ジョイント同士に架け渡されるリンク、左前の下部ジョイント及び左後の上部ジョイント同士に架け渡されるリンク（以下、このリンクを「駆動リンク」ということがある）、右前の上部ジョイント及び右後の下部ジョイント同士に架け渡されるリンク、並びに右前の下部ジョイント及び右後の上部ジョイント同士に架け渡されるリンクと、を備えて左右一対の４節リンク機構が構成されている。

　また、左側の４節リンク機構においては、左後の上部ジョイントと同軸にその出力軸を有する駆動モータが配置されており、この駆動モータは、前記した「駆動リンク」を、前記矩形枠体の左側一辺に対して所定の角度をなすように出力軸周りに回動させるようになっている。その結果、左右一対の４節リンク機構では、この「駆動リンク」の回動動作に連動して、胴部側の矩形板体の上方に配置される頭部側の矩形枠体を、前記矩形板体に対して前後方向に移動させるようになっている。また、左右一対の４節リンク機構は、この「駆動リンク」の回動動作に連動して、胴部側の矩形板体に対してなす頭部側の矩形枠体の角度を変化させることとなる。つまり、このロボットの頭部構造によれば、頭部の前後方向の移動に連動して頭部の仰俯角を変化させる、いわゆる頷き動作が可能となっている。

特開２００６－１６７８３２号公報

　しかしながら、従来のロボットの頭部構造（例えば、特許文献１参照）における頭部は、左右一対の４節リンク機構で頷き動作を行うものであり、これらの左右一対の４節リンク機構は、合計で８つのジョイントと８つのリンクを構成要素としている。そのため、この４節リンク機構を介して頭部に頷き動作を行わせるためには、比較的大きな出力の駆動モータが必要となる。また、この従来のロボットの頭部構造では、頭部に前記した頷き動作に加えて左右首振り動作を行わせようとすると、前記した「駆動リンク」を回動駆動させる駆動モータに加えてロボットの頭部をその垂直軸周りに回動駆動する駆動モータが更に必要となる。そして、ロボットの頭部に視聴覚装置やその付属物からなる重量物が搭載されると、更に大きな出力の駆動モータが必要となって、ロボット自体の重量が増大する問題がある。
　したがって、このような従来のロボットの頭部構造と比較して簡素化された駆動機構で頭部の首振り動作と頷き動作とを実行することができるロボットの頭部構造が望まれている。

　そこで、本発明の課題は、従来のロボットの頭部構造と比較して簡素化された駆動機構で、頭部の首振り動作と頷き動作とを実行することができるロボットの頭部構造及びその頭部駆動方法を提供することにある。

　前記課題を解決する本発明のロボットの頭部構造は、出力軸が互いに同軸上に位置するようにロボットの頭部内に並んで支持される第１モータ及び第２モータと、前記第１モータで駆動されて前記出力軸周りに回動可能なようにその一端が取り付けられると共に、前記出力軸から垂直方向に延出するその他端が前記ロボットの胴部に支持される第１弾性ビーム部材と、前記第２モータで駆動されて前記出力軸周りに回動可能なようにその一端が取り付けられると共に、前記出力軸から前記第１弾性ビーム部材と並んで延出するその他端が前記胴部に支持される第２弾性ビーム部材と、を備えることを特徴とする。
　また、前記課題を解決する本発明は、ロボットの頭部に規定される左右軸と、前記左右軸が通る前記頭部の両側のそれぞれからロボットの胴部に向かって延設されると共に、それらの先端が前記胴部にそれぞれ軸支される一対の弾性ビーム部材と、を備えるロボットの頭部構造の頭部駆動方法であって、前記頭部に対して一対の前記弾性ビーム部材を個別に前記左右軸周りで互いに同方向又は逆方向に回動させることを特徴とする。

　本発明によれば、従来のロボットの頭部構造と比較して簡素化された駆動機構で、頭部の首振り動作と頷き動作とを実行することができるロボットの頭部構造及びその頭部駆動方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る頭部構造を備えるロボットの全体構成を説明するための斜視図である。本発明の実施形態に係るロボットの頭部構造の構成説明図であり、（ａ）は頭部構造を左斜め後方から見下ろした様子を示す斜視図、（ｂ）は頭部構造を左斜め後方から見上げた様子を示す斜視図である。ロボットの頭部に頷き動作を行わせる際の、本発明の実施形態における第１モータ及び第２モータの動作例を示す斜視図である。ロボットの頭部に左右首振り頷き動作を行わせる際の、本発明の実施形態における第１モータ及び第２モータの動作例を示す斜視図である。本発明の実施形態における差動機構の動作を説明するための、第１弾性ビーム部材としての左弾性フレーム、及び第２弾性ビーム部材としての右弾性フレームの動作例を示す斜視図である。本発明の実施形態におけるロボットの頭部の動作変形例を示す図であり、（ａ）は頭部の動作変形例を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の動作変形例における第１モータ及び第２モータの動作例を示すグラフである。本発明の変形例に係るロボットの頭部構造の説明図であり、（ａ）は頭部が右前方を見るように首を振った際の、頭部構造の様子を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の頭部構造を左前方から見下ろした斜視図、（ｃ）は（ａ）の頭部構造の左側面図、（ｄ）は（ａ）の頭部構造の平面図である。本発明の他の変形例に係るロボットの頭部構造の説明図であり、（ａ）は頭部が右前方を見るように首を振った際の、頭部構造の様子を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の頭部構造を左前方から見下ろした斜視図、（ｃ）は（ａ）の頭部構造の左側面図、（ｄ）は（ａ）の頭部構造の平面図である。

　次に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
　本実施形態においては、本発明の頭部構造を備えるロボットの全体構成について説明した後に、この頭部構造について詳しく説明する。なお、以下の説明において、前後上下左右の方向は、水平面にロボットが立脚する通常の状態に一致させた図１の前後上下左右の方向を基準とし、頭部の前後上下左右の方向は、このように立脚したロボットが正視している状態の図１に示す前後上下左右の方向を基準とする。

＜ロボットの全体構成＞
　図１は、本発明の実施形態に係る頭部構造を備えるロボットの全体構成を説明するための斜視図である。
　本実施形態でのロボット１は、図１に示すように、左脚６と右脚７とからなる２本の脚部と、この脚部の上方に設けられた胴部３と、この胴部３の左右両側にそれぞれ取り付けられた左腕４及び右腕５と、胴部３の上部に左弾性フレーム２１Ｌ及び右弾性フレーム２１Ｒを介して取り付けられる頭部２と、を備えている。なお、左弾性フレーム２１Ｌは、請求の範囲にいう「第１弾性ビーム部材」に相当し、右弾性フレーム２１Ｒは、請求の範囲にいう「第２弾性ビーム部材」に相当する。また、これらの左弾性フレーム２１Ｌ（第１弾性ビーム部材）及び右弾性フレーム２１Ｒ（第２弾性ビーム部材）、並びに頭部２は、本発明の「ロボットの頭部構造」（以下、単に「頭部構造１０」と称することがある）を構成している。

　左脚６及び右脚７は、ロボット１の移動に用いられる。つまり、本実施形態でのロボット１は、いわゆる二足歩行により移動する人型のロボット１である。
　左腕４及び右腕５は、物体の把持等の作業に用いられる。
　胴部３は、このロボット１の各部の動作を制御する制御装置（図示省略）、この制御装置に検出信号を出力する各種センサ（図示省略）等を備えている。ちなみに、前記センサとしては、例えば、重力方向に対する胴部３の傾斜角度を検出するセンサ、胴部３が傾斜する際の角速度を検出するセンサ、ロボット１とその周囲の構造物（図示省略）との距離を検出するセンサ、ロボット１の周囲の光、音、温度等を検出するセンサ等が挙げられる。
　なお、図１中、Ｘ軸は、ロボット１の前進方向の水平成分を示し、Ｙ軸は、水平面内でＸ軸と直交する方向の成分を示し、Ｚ軸は、水平面に対して直交する成分を示している。また、Ｘ軸周りの矢印ｒｏｌｌはロボット１のロール方向を示し、Ｙ軸周りの矢印ｐｉｔｃｈはロボット１のピッチ方向を示し、Ｚ軸周りの矢印ｙａｗはロボット１のヨー方向を示している（以下の説明において同じ）。言い換えれば、本実施形態においては、Ｘ軸は前後軸を示し、Ｙ軸は左右軸を示し、Ｚ軸は上下軸を示している。

＜ロボットの頭部構造＞
　本実施形態に係る頭部構造１０は、図１に示すように、前記した頭部２、左弾性フレーム２１Ｌ（第１弾性ビーム部材）及び右弾性フレーム２１Ｒ（第２弾性ビーム部材）、並びに後記する第１モータ２０Ｌ及び第２モータ２０Ｒ（図２（ａ）及び（ｂ）参照）を備えて構成されている。
　頭部２は、略半球状の前半体８ａと後半体８ｂとが合わせられて形成された略球形のケーシング８でその外観が形成されている。そして、前半体８ａの前方にはＣＣＤカメラ等が配置される眼部ｅが形成されており、この前半体８ａの前面は意匠面を構成している。

　次に参照する図２（ａ）は頭部構造を左斜め後方から見下ろした様子を示す斜視図、（ｂ）は頭部構造を左斜め後方から見上げた様子を示す斜視図である。なお、図２（ａ）及び（ｂ）に示す頭部２は、その内部構造を示すために、前半体８ａから後半体８ｂが取り外された様子を示している。
　頭部２は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、ケーシング８内に、頭部フレーム１１と、第１モータ２０Ｌと、第２モータ２０Ｒと、を備えている。

　頭部フレーム１１は、ケーシング８を構成する前半体８ａと後半体８ｂとの間に配置される板体で形成されており、前半体８ａと後半体８ｂとを相互に一体に組み付ける支持部材であると共に、次に説明する第１モータ２０Ｌと、第２モータ２０Ｒとを、ケーシング８内で支持する支持部材である。ちなみに、本実施形態での頭部フレーム１１は、平面視で略Ｈ形状の板体で形成されている。

　第１モータ２０Ｌ及び第２モータ２０Ｒは、前記した頭部フレーム１１によって、図２（ａ）及び（ｂ）中、隠れ線（破線）で示す出力軸９Ｌ，９Ｒが互いに同軸上に位置するようにケーシング８内に並んで支持されている。これらの出力軸９Ｌ，９Ｒが位置する、図２（ａ）及び（ｂ）中、符号４０で示される軸は、Ｙ軸に沿うように規定され、以下に頭部ピッチ軸４０と称することがある。

　そして、本実施形態での第１モータ２０Ｌ及び第２モータ２０Ｒは、ロボット１（図１参照）の前後方向に対して左右対称となるように配置されている。具体的には、第１モータ２０Ｌは、その出力軸９Ｌが、頭部２の左側に配置される左弾性フレーム２１Ｌ（第１弾性ビーム部材）の一端と接続されるように配置される。そして、第２モータ２０Ｒは、その出力軸９Ｒが、頭部２の右側に配置される右弾性フレーム２１Ｒ（第２弾性ビーム部材）の一端と接続されるように配置される。
　なお、本実施形態では、駆動源としての第１モータ２０Ｌ及び第２モータ２０Ｒの他に、図示しないが、減速機、角度検出器（例えば、ロータリエンコーダ、ポテンショメータ等）を備えるアクチュエータを構成することができる。

　第１弾性ビーム部材としての左弾性フレーム２１Ｌは、前記したように、第１モータ２０Ｌの出力軸９Ｌ周りに回動可能なようにその一端が取り付けられると共に、この出力軸９Ｌから垂直方向に延出する、一方向に長い部材で形成されている。ちなみに、本実施形態での左弾性フレーム２１Ｌは、上下方向に細長い板体で形成されている。

　また、第２弾性ビーム部材としての右弾性フレーム２１Ｒは、前記したように、第２モータ２０Ｒの出力軸９Ｒ周りに回動可能なようにその一端が取り付けられると共に、この出力軸９Ｒから垂直方向に延出する、つまり前記した左弾性フレーム２１Ｌと並んで延出する一方向に長い部材で形成されている。ちなみに、本実施形態での右弾性フレーム２１Ｒは、前記した左弾性フレーム２１Ｌと同様に、上下方向に細長い板体で形成されている。

　そして、第１モータ２０Ｌの出力軸９Ｌから垂直方向に延出する左弾性フレーム２１Ｌの他端、及び第２モータ２０Ｒの出力軸９Ｒから垂直方向に延出する右弾性フレーム２１Ｒの他端のそれぞれは、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、胴部３（図１参照）の内側の適所で支持されることとなる後記する胴部フレーム１２に軸支されている。つまり、これらの左弾性フレーム２１Ｌ及び右弾性フレーム２１Ｒは、胴部３と頭部２とを繋ぐ首部として機能し、胴部フレーム１２は、首部の根元（首元）に位置している。

　このような左弾性フレーム２１Ｌ及び右弾性フレーム２１Ｒは、弾性を有する公知の材料で形成することができるが、中でも可撓性や捻り弾性に富むステンレス鋼等の金属材料やエンプラ等の樹脂材料で形成されたものが望ましい。また、左弾性フレーム２１Ｌ及び右弾性フレーム２１Ｒとしては、複数の材料からなる複合材、例えば積層材を使用することもできる。

　本実施形態での胴部フレーム１２は、左右方向に長い板体１２ａと、この板体の両端から上方に向かって屈曲して延びる一対のフランジ部１２ｂとで構成されている。そして、それぞれのフランジ部１２ｂには、左弾性フレーム２１Ｌの他端、及び右弾性フレーム２１Ｒの他端を軸支する軸支部１５Ｌ，１５Ｒが設けられている。これらの軸支部１５Ｌ，１５Ｒは、Ｙ軸に沿うように規定された軸４１上に配置されている。この軸４１は、以下に首元ピッチ軸４１と称することがある。また、この首元ピッチ軸４１は、請求の範囲にいう「胴部の左右方向に沿うように規定された所定の軸」に相当する。
　なお、図２（ａ）中、符号１２ｃは、次に説明する差動機構２７（図２（ｂ）参照）の構成部材である連結リンク１３の軸支部１３ｂを、胴部フレーム１２に対して回動自在に支持する支持孔である。

　本実施形態に係る頭部構造１０は、図２（ｂ）に示すように、差動機構２７を更に備えている。この差動機構２７は次に説明するリンク機構を含んで構成され、軸支部１５Ｌ，１５Ｒ周りの左弾性フレーム２１Ｌ、及び右弾性フレーム２１Ｒの回動方向を互いに逆方向とするように構成されている（図５参照）。
　本実施形態での差動機構２７は、図２（ｂ）に示すように、左首元リンク２２Ｌと、右首元リンク２２Ｒと、連結リンク１３と、軸支部１３ｂとを備えている。

　左首元リンク２２Ｌは、左弾性フレーム２１Ｌの他端から更に下方に延出するように左弾性フレーム２１Ｌと一体に形成された板体で構成されている。この板体には、連結リンク１３の一端が嵌挿される上下方向に長い長孔２６Ｌが形成されている。
　右首元リンク２２Ｒは、右弾性フレーム２１Ｒの他端から更に下方に延出するように右弾性フレーム２１Ｒと一体に形成された板体で構成されている。この板体には、連結リンク１３の他端が嵌挿される上下方向に長い長孔２６Ｒが形成されている。

　連結リンク１３は、左首元リンク２２Ｌと左弾性フレーム２１Ｌとを連結するものであり、胴部フレーム１２の下方で胴部フレーム１２の長手方向に沿うように延設されている。この連結リンク１３の両端には、球形状のジョイント部１３ａを有している。ちなみに、図２（ａ）及び（ｂ）においては、左側のジョイント部１３ａのみを記し、右側のジョイント部１３ａはその記載を省略している。これらのジョイント部１３ａのそれぞれは、前記したように、左首元リンク２２Ｌの長孔２６Ｌ、及び右首元リンク２２Ｒの長孔２６Ｒのそれぞれに嵌挿されて、後に詳しく説明するように、軸支部１５Ｌ，１５Ｒ周りに左弾性フレーム２１Ｌ、及び右弾性フレーム２１Ｒが回動する際に、長孔２６Ｌ及び長孔２６Ｒ内でその長手方向に移動するようになっている。

　本実施形態での差動機構２７の一要素である軸支部１３ｂは、図２（ｂ）に示すように、連結リンク１３の中央部に取り付けられている。この軸支部１３ｂは、連結リンク１３が軸線４３周りに回動可能となるように支持孔１２ｃに挿通されると共に胴部フレーム１２に図示しない止輪で支持されている。なお、本実施形態での前記軸線４３は、首元ピッチ軸４１に対して連結リンク１３の中央部から延びる垂線上に規定することができる。言い換えれば、胴部フレーム１２の板面（上面又は下面）が水平となるように胴部３が配置される場合には、軸線４３は、鉛直線上（Ｘ軸に沿って）で延びることとなる。つまり、連結リンク１３は、ヨー方向ｙａｗ（図１参照）に回動することとなる。

　次に、本実施形態に係る頭部構造１０の動作について適宜図面を参照しながら頭部駆動方法について説明する。
　本実施形態での頭部駆動方法は、後記するように、頭部２に規定される頭部ピッチ軸４０（請求の範囲にいう「左右軸」）周りで互いに同方向又は逆方向に回動させることを特徴とする。
　参照する図３は、ロボットの頭部に頷き動作を行わせる際の、本発明の実施形態における第１モータ及び第２モータの動作例を示す斜視図である。図４は、ロボットの頭部に左右首振り頷き動作を行わせる際の、本発明の実施形態における第１モータ及び第２モータの動作例を示す斜視図である。
　図３及び図４において、符号１０は頭部２を動作させる本実施形態に係る頭部構造であり、符号９Ｌは左弾性フレーム２１Ｌの一端が取り付けられる第１モータ２０Ｌの出力軸であり、符号９Ｒは右弾性フレーム２１Ｒの一端が取り付けられる第２モータ２０Ｒの出力軸であり、符号１２は左弾性フレーム２１Ｌの他端及び右弾性フレーム２１Ｒの他端を、軸支部１５Ｌ及び軸支部１５Ｒを介して取り付ける胴部フレームであり、符号４０は頭部ピッチ軸であり、符号４１は首元ピッチ軸である。

　この頭部構造１０においては、図３に示すように、第１モータ２０Ｌの出力軸９Ｌと第２モータ２０Ｒの出力軸９Ｒとが、頭部ピッチ軸４０上で同じ方向に回転すると、頭部２は、左弾性フレーム２１Ｌ及び右弾性フレーム２１Ｒの一端側で頭部ピッチ軸４０を中心に回動する。そして、左弾性フレーム２１Ｌ及び右弾性フレーム２１Ｒの他端側が胴部フレーム１２を介して胴部３（図１参照）に支持されているので、この頭部構造１０では頭部２を胴部３に対して上下に振って頷き動作を行う。

　次に、第１モータ２０Ｌの出力軸９Ｌと第２モータ２０Ｒの出力軸９Ｒとが、頭部ピッチ軸４０上で互いに異なる方向に回転する場合を想定する。
　例えば、図４に示すように、頭部構造１０を左側面から見て、第１モータ２０Ｌの出力軸９Ｌが頭部ピッチ軸４０上で左回転すると共に、第２モータ２０Ｒの出力軸９Ｒが頭部ピッチ軸４０上で右回転すると、出力軸９Ｌに一端が取り付けられた左弾性フレーム２１Ｌは、出力軸９Ｌを中心に左回りに回動しようとすると共に、出力軸９Ｒに一端が取り付けられた右弾性フレーム２１Ｒは、出力軸９Ｒを中心に右回りに回動しようとする。その一方で、左弾性フレーム２１Ｌの他端及び右弾性フレーム２１Ｒの他端は、軸支部１５Ｌ及び軸支部１５Ｒを介して胴部フレーム１２に支持されているので、左弾性フレーム２１Ｌはそれ自体に捻りを加えながら、軸支部１５Ｌを中心に左弾性フレーム２１Ｌの一端側が前側に移動するように回動すると共に、右弾性フレーム２１Ｒはそれ自体に捻りを加えながら、軸支部１５Ｒを中心に右弾性フレーム２１Ｒの一端側が後側に移動するように回動する。その結果、頭部２は、胴部フレーム１２が支持される胴部３（図１参照）上で、右側を向くように首を振る。

　また、頭部構造１０を左側面から見て、第１モータ２０Ｌの出力軸９Ｌが頭部ピッチ軸４０上で、図４に示す左回転とは逆方向に右回転すると共に、第２モータ２０Ｒの出力軸９Ｒが頭部ピッチ軸４０上で、図４に示す右回転とは逆方向に左回転すると、図示しないが、頭部２は左側を向くように首を振る。
　したがって、この頭部構造１０では、このように出力軸９Ｌ及び出力軸９Ｒの回転方向を交互に変えることで、連続左右首振り動作を行う。また、この頭部構造１０の左右首振り動作時においては、左首振り位置又は右首振り位置から、正視位置（正面向き）へと頭部２が移動する際に、左弾性フレーム２１Ｌ及び右弾性フレーム２１Ｒの前記した捻り変形の復元力が利用されるが、第１モータ２０Ｌ及び第２モータ２０Ｒの回転力を併せて利用することもできる。
　なお、頭部２の首振り角度（ヨー角）は、第１モータ２０Ｌの出力軸９Ｌ及び第２モータ２０Ｒの出力軸９Ｒの回転角度を変えることで調節することができる。

　次に、差動機構２７（図２（ｂ）参照）の動作について説明する。この差動機構２７は、本実施形態に係る頭部構造１０における頭部２の左右首振り動作に必須の構成要素ではないが、この差動機構２７によれば、頭部２の左右首振り動作を更に円滑に行わせることができる。図５は、本発明の実施形態における差動機構の動作を説明するための、第１弾性ビーム部材としての左弾性フレーム、及び第２弾性ビーム部材としての右弾性フレームの動作例を示す斜視図である。

　まず、軸支部１５Ｌ，１５Ｒ周りの左弾性フレーム２１Ｌ、及び右弾性フレーム２１Ｒの回動動作について図２（ｂ）及び図５を参照しながら説明する。
　例えば、図５に示すように、左弾性フレーム２１Ｌの一端側が、後方に傾倒するように、軸支部１５Ｌに軸支されたその他端側を中心に回動する場合を想定する。
　この場合、左弾性フレーム２１Ｌに一体に形成された左首元リンク２２Ｌは、その先端が前方に向かうように軸支部１５Ｌ周りに回動する。そして、このように左首元リンク２２Ｌの先端が前方に向かうと、図２（ｂ）に示す左首元リンク２２Ｌの長孔２６Ｌ内に嵌挿された連結リンク１３のジョイント部１３ａが前方に向かう。その一方で、連結リンク１３はその中央部が軸支部１３ｂで軸支されているので、対偶動作を行って、右首元リンク２２Ｒの長孔２６Ｒ内に挿通された連結リンク１３のジョイント部（図示省略）が右首元リンク２２Ｒを後方に向けて押圧する。その結果、図５に示すように、右首元リンク２２Ｒの先端が後方に向かうように、軸支部１５Ｒを中心に回動することで、右弾性フレーム２１Ｒの一端側は、前方に傾倒するように、軸支部１５Ｒに軸支されたその他端側を中心に回動する。
　つまり、図５に示すように、左弾性フレーム２１Ｌが、仮に右弾性フレーム２１Ｒとは別に独立して回動しようとすると、図２（ｂ）に示す差動機構２７により、右弾性フレーム２１Ｒは、左弾性フレーム２１Ｌに連動してこれとは逆方向に回動することとなる。

　そして、図５に示す左弾性フレーム２１Ｌの回動方向とは逆に、この左弾性フレーム２１Ｌの一端側が前方に傾倒するように、軸支部１５Ｌに軸支されたその他端側を中心に回動する場合には、図示しないが、右弾性フレーム２１Ｒの一端側が後方に傾倒するように、軸支部１５Ｒに軸支されたその他端側を中心に回動することとなる。
　つまり、本実施形態に係る差動機構２７（図２（ｂ）参照）によれば、軸支部１５Ｌ，１５Ｒ周りの左弾性フレーム２１Ｌ、及び右弾性フレーム２１Ｒの回動方向を互いに逆方向とする。
　その結果、本実施形態に係る頭部構造１０においては、図４に示すように、第１モータ２０Ｌ及び第２モータ２０Ｒが左弾性フレーム２１Ｌ及び右弾性フレーム２１Ｒを互いに逆方向に回動させることで左右首振り動作を行う際に、差動機構２７（図２（ｂ）参照）がこれらの左弾性フレーム２１Ｌ及び右弾性フレーム２１Ｒの動きをアシストするように左弾性フレーム２１Ｌ及び右弾性フレーム２１Ｒを互いに逆方向に回動させる。したがって、この頭部構造１０によれば、この差動機構２７の無いものよりも、更に頭部２の左右首振り動作を円滑に行うことができる。

　次に、本実施形態に係る頭部構造１０の動作変形例について説明する。
　参照する図６は、本発明の実施形態におけるロボットの頭部の動作変形例を示す図であり、（ａ）は頭部の動作変形例を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の動作変形例における第１モータ及び第２モータの動作例を示すグラフである。
　前記した頭部構造１０の動作例では、首振り動作を行わせる際に（図４参照）、第１モータ２０Ｌの出力軸９Ｌの回転角度と、第２モータ２０Ｒの出力軸９Ｒの回転角度とが略同じ場合（但し回転方向が互いに逆方向）を想定しているが、次に説明する動作変形例では、出力軸９Ｌの回転角度と出力軸９Ｒの回転角度とに差分を設けた場合の頭部２の首振り動作について説明する。

　図６（ａ）中、符号１０は頭部２を動作させる本実施形態に係る頭部構造であり、符号２０Ｌは左弾性フレーム２１Ｌの一端が取り付けられる第１モータであり、符号２０Ｒは右弾性フレーム２１Ｒの一端が取り付けられる第２モータであり、符号１２は左弾性フレーム２１Ｌの他端及び右弾性フレーム２１Ｒの他端を、軸支部１５Ｌ及び軸支部１５Ｒを介して取り付ける胴部フレームであり、符号４０は頭部ピッチ軸であり、符号４１は首元ピッチ軸である。

　図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、この動作変形例では、第１モータ２０Ｌの回転角度が第２モータ２０Ｒの回転角度よりも大きくなるように差分を設けている。この動作変形例によれば、第1モータ２０Ｌの回転角度と第２モータ２０Ｒの回転角度との平均値に見合った仰角で頭部２が上を向く（ピッチ動作を行う）。そして、第１モータ２０Ｌの回転角度と第２モータ２０Ｒの回転角度との平均値からの第1モータ２０Ｌの回転角度又は第２モータ２０Ｒの回転角度の差分に見合った角度で頭部２が右に首を振る（ヨー動作を行う）。また、図６（ｂ）に示す第２モータ２０Ｒの回転角度を維持したままで、第１モータ２０Ｌの回転角度を第２モータ２０Ｒの回転角度に一致させると、図示しないが、見上げたままで頭部２は首ふり動作をやめる。

　また、図６（ｂ）に示す第２モータ２０Ｒの回転角度となるように第１モータ２０Ｌの回転角度を変更すると共に、図６（ｂ）に示す第１モータ２０Ｌの回転角度となるように第２モータ２０Ｒの回転角度を変更すると、図示しないが、頭部２は、仰角を保ったまま、左を向くように首を振る（ヨー動作を行う）こととなる。つまり、第１モータ２０Ｌの回転角度と第２モータ２０Ｒの回転角度の平均値に応じてピッチ動作を行い、第１モータ２０Ｌと第２モータ２０Ｒの回転角度の平均値からの差分に応じた角度でヨー動作を行う。

　以上のような本実施形態に係るロボット１の頭部構造１０によれば、次のような効果を奏することができる。
　本実施形態に係る頭部構造１０は、基本的に、左弾性フレーム２１Ｌ（第１弾性ビーム部材）及び右弾性フレーム２１Ｒ（第２弾性ビーム部材）、並びに第１モータ２０Ｌ及び第２モータ２０Ｒで頭部２の駆動機構が構成されているので、従来のロボットの頭部構造（例えば、特許文献１参照）と比較して駆動機構が簡素化されている。
　したがって、この頭部構造１０によれば、ロボット１自体の重量の軽量化を達成することができる。
　また、この頭部構造１０によれば、頭部２の駆動機構が簡素化されているので、駆動機構が複雑な従来のロボットの頭部構造（例えば、特許文献１参照）と比較して動作中の機械的なトラブルの発生が少なく、ロボット１に対して外部から衝撃が加わった際にも破損し難い。
　また、この頭部構造１０によれば、頭部２の駆動機構が簡素化されているので、製造コストを低減することができる。
　また、この頭部構造１０によれば、頭部２の左右首振り動作を行う駆動源と、頷き動作を行う駆動源とを同じ駆動源（第１モータ２０Ｌ及び第２モータ２０Ｒ）で構成することができる。この際、第１モータ２０Ｌ及び第２モータ２０Ｒの回転角度に差分を設けることで、首振り動作と頷き動作とを個別に制御することができる。
　また、本実施形態に係るロボット１の頭部構造１０によれば、差動機構２７を有することによって、より円滑に首振り動作を行うことができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。
　前記実施形態では、リンク機構を含む差動機構２７について説明したが、本発明は、首元ピッチ軸４１周りで左弾性フレーム２１Ｌ（第１弾性ビーム部材）及び右弾性フレーム２１Ｒ（第２弾性ビーム部材）の回動方向を互いに逆方向とすることができる機構であれば差動機構２７の構成に特に制限はない。次に、参照する図７は、他の差動機構２７を有するロボットの頭部構造の説明図であり、（ａ）は頭部が右前方を見るように首を振った際の、頭部構造の様子を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の頭部構造を左前方から見下ろした斜視図、（ｃ）は（ａ）の頭部構造の左側面図、（ｄ）は（ａ）の頭部構造の平面図である。
　図７（ａ）から（ｄ）中、符号１０は頭部２を動作させる本実施形態に係る頭部構造であり、符号２０Ｌは左弾性フレーム２１Ｌの一端が取り付けられる第１モータであり、符号２０Ｒは右弾性フレーム２１Ｒの一端が取り付けられる第２モータであり、符号２３Ｌは左弾性フレーム２１Ｌの他端に取り付けられる左べベルギヤであり、符号２３Ｒは右弾性フレーム２１Ｒの他端に取り付けられる右べベルギヤであり、符号１４は左べベルギヤ２３Ｌ及び右べベルギヤ２３Ｒと噛み合う中央べベルギヤであり、符号１２は、回転可能に左べベルギヤ２３Ｌ、右べベルギヤ２３Ｒ及び中央べベルギヤを支承する胴部フレームであり、符号４０は頭部ピッチ軸であり、符号４１は首元ピッチ軸である。

　図７（ａ）から（ｄ）に示すように、ここでの差動機構２７は、首元ピッチ軸４１上で相互に向き合うように配置されると共に、左弾性フレーム２１Ｌの他端及び右弾性フレーム２１Ｒの他端にそれぞれ取り付けられる左べベルギヤ２３Ｌ及び右べベルギヤ２３Ｒと、これらの左右べベルギヤ２３Ｌ，２３Ｒと噛み合うように配置された中央べベルギヤ１４とで構成されている。
　この差動機構２７によれば、直線運動を回転運動に変えるリンク機構を含む前記実施形態での差動機構２７と異なって、左べベルギヤ２３Ｌ及び右べベルギヤ２３Ｒ、並びに中央べベルギヤ１４による回転運動のみで左弾性フレーム２１Ｌ及び右弾性フレーム２１Ｒを互いに逆方向に回動させるので、より円滑に首振り動作を行うことができる。なお、本実施形態での左べベルギヤ２３Ｌ及び右べベルギヤ２３Ｒ、並びに中央べベルギヤ１４は、歯数が同じになっている。

　また、前記実施形態では、差動機構２７を有する頭部構造１０について説明したが、本発明は差動機構２７を有しない構成とすることもできる。
　次に参照する図８は、差動機構２７を有しないロボットの頭部構造の説明図であり、（ａ）は頭部が右前方を見るように首を振った際の、頭部構造の様子を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の頭部構造を左前方から見下ろした斜視図、（ｃ）は（ａ）の頭部構造の左側面図、（ｄ）は（ａ）の頭部構造の平面図である。
　図８（ａ）から（ｄ）中、符号１０は頭部２を動作させる本実施形態に係る頭部構造であり、符号２０Ｌは左弾性フレーム２１Ｌの一端が取り付けられる第１モータであり、符号２０Ｒは右弾性フレーム２１Ｒの一端が取り付けられる第２モータであり、符号２５Ｌは胴部フレーム１２と左弾性フレーム２１Ｌの他端との間に介在する左ゴムブッシュ（弾性支持部材）であり、符号２５Ｒは胴部フレーム１２と右弾性フレーム２１Ｒの他端との間に介在する右ゴムブッシュ（弾性支持部材）であり、符号４０は頭部ピッチ軸であり、符号４１は首元ピッチ軸である。

　前記実施形態で説明したとおり、差動機構２７（図２（ｂ）及び図７（ａ）参照）は、頭部構造１０における頭部２の左右首振り動作に必須の構成要素ではない。
　図８（ａ）から（ｄ）に示すように、ここでの頭部構造１０は、差動機構２７を有しておらず、左弾性フレーム２１Ｌの他端及び右弾性フレーム２１Ｒの他端のそれぞれは、胴部フレーム１２に取り付けられた左ゴムブッシュ２５Ｌ（弾性支持部材）及び右ゴムブッシュ２５Ｒ（弾性支持部材）に支持されている。

　このような頭部構造１０では、左ゴムブッシュ２５Ｌ及び右ゴムブッシュ２５Ｒは、首元ピッチ軸４１周りにねじりバネとして作用する。その結果、この頭部構造１０によれば、第１モータ２０Ｌと第２モータ２０Ｒの回転角度差による左弾性フレーム２１Ｌ及び右弾性フレーム２１Ｒの幾何的な変位を吸収することができる。その結果、この頭部構造１０によれば、これらの左ゴムブッシュ２５Ｌ及び右ゴムブッシュ２５Ｒを有しないものと比較して、より円滑に首振り動作を行うことができる。
　なお、これらの左ゴムブッシュ２５Ｌ（弾性支持部材）及び右ゴムブッシュ２５Ｒ（弾性支持部材）は、頭部２の左右首振り動作に必須の構成要素ではない。

　前記実施形態では、頭部構造１０を人型のロボット１に適用した例について説明したが、本発明は胴部３に見立てた構造物に対して頭部２に見立てた構造物が相対的に動作するあらゆる動作体に適用することができる。　　　

　１　　　ロボット
　２　　　頭部
　３　　　胴部
　４　　　左腕
　５　　　右腕
　６　　　左脚
　７　　　右脚
　８　　　ケーシング
　９Ｌ　　出力軸
　９Ｒ　　出力軸
　１０　　頭部構造
　１１　　頭部フレーム
　１２　　胴部フレーム
　１３　　連結リンク
　１４　　中央ベベルギヤ
　１５Ｌ　軸支部
　１５Ｒ　軸支部
　２０Ｌ　第１モータ
　２０Ｒ　第２モータ
　２１Ｌ　左弾性フレーム（第１弾性ビーム部材）
　２１Ｒ　右弾性フレーム（第２弾性ビーム部材）
　２２Ｌ　左首元リンク
　２２Ｒ　右首元リンク
　２３Ｌ　左ベベルギヤ
　２３Ｒ　右ベベルギヤ
　２５Ｌ　左ゴムブッシュ（弾性支持部材）
　２５Ｒ　右ゴムブッシュ（弾性支持部材）
　２７　　差動機構
　４０　　頭部ピッチ軸
　４１　　首元ピッチ軸

Claims

　出力軸が互いに同軸上に位置するようにロボットの頭部内に並んで支持される第１モータ及び第２モータと、
　前記第１モータで駆動されて前記出力軸周りに回動可能なようにその一端が取り付けられると共に、前記出力軸から垂直方向に延出するその他端が前記ロボットの胴部に支持される第１弾性ビーム部材と、
　前記第２モータで駆動されて前記出力軸周りに回動可能なようにその一端が取り付けられると共に、前記出力軸から前記第１弾性ビーム部材と並んで延出するその他端が前記胴部に支持される第２弾性ビーム部材と、
を備えることを特徴とするロボットの頭部構造。
　請求の範囲第１項に記載のロボットの頭部構造において、
　前記第１弾性ビーム部材の他端及び前記第２弾性ビーム部材の他端のそれぞれは、前記胴部の左右方向に沿うように規定された所定の軸周りに回動可能に軸支されていると共に、この所定の軸周りの前記第１弾性ビーム部材及び前記第２弾性ビーム部材の回動方向を互いに逆方向とする差動機構を更に備えることを特徴とするロボットの頭部構造。
　請求の範囲第２項に記載のロボットの頭部構造において、
　前記差動機構は、前記所定の軸周りの前記第１弾性ビーム部材及び前記第２弾性ビーム部材の回動方向を互いに逆方向とするリンク機構を含んで構成されていることを特徴とするロボットの頭部構造。
　請求の範囲第２項に記載のロボットの頭部構造において、
　前記差動機構は、前記所定の軸周りの前記第１弾性ビーム部材及び前記第２弾性ビーム部材の回動方向を互いに逆方向とするベヘルギヤ機構を含んで構成されていることを特徴とするロボットの頭部構造。
　請求の範囲第１項に記載のロボットの頭部構造において、
　前記第１弾性ビーム部材の他端及び前記第２弾性ビーム部材の他端のそれぞれは、前記胴部に対して弾性支持部材を介して支持されていることを特徴としたロボットの頭部構造。
　ロボットの頭部に規定される左右軸と、
　前記左右軸が通る前記頭部の両側のそれぞれからロボットの胴部に向かって延設されると共に、それらの先端が前記胴部にそれぞれ軸支される一対の弾性ビーム部材と、
を備えるロボットの頭部構造の頭部駆動方法であって、
　前記頭部に対して一対の前記弾性ビーム部材を個別に前記左右軸周りで互いに同方向又は逆方向に回動させることを特徴とするロボットの頭部構造の頭部駆動方法。