JP2003200366A

JP2003200366A - ロボット

Info

Publication number: JP2003200366A
Application number: JP2001395265A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Igarashi; 健五十嵐; Gen Endo; 玄遠藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2003-07-15

Abstract

(57)【要約】【課題】首部の自由度が高く，表現力が豊かであり，
頭部に搭載された撮像装置により広範囲にわたり撮像す
ることが可能なロボットを提供すること。【解決手段】本発明によれば，頭部を胴部に対して回
動可能に連結する首部を有するロボットであって，首部
は，ロール軸方向に回動する第１の回動軸と，ピッチ軸
方向に回動する第２の回動軸と，ヨー軸方向に回動する
第３の回動軸と，ピッチ軸方向に回動する第４の回動軸
と，を具備することを特徴とする，ロボットが提供され
る。さらに，上記頭部は外界を撮像する撮像装置を備え
ているよう構成してもよい。かかる構成により，首部の
関節は４自由度を有するので，ロボットの表現力を高め
ることができる。また，撮像装置の視野角が制限される
ことがなく，足下を好適に撮像できる

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，ロボットにかか
り，特に，撮像装置を頭部に搭載したロボットに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年，脚式移動ロボットの研究開発が進
み，犬などの動作を表現可能なペット型ロボットや，人
間の形態や動作を模した２足歩行が可能なロボット（ヒ
ューマノイド・ロボット）などが提案されている。

【０００３】かかる脚式移動ロボットは，アクチュエー
タの小型化や制御技術の進歩などに伴い，脚部，腕部，
胴部，首部などに複数のリンク機構（関節）を有し，複
雑な動作やより実物に近い自然な動作が可能になってき
ている。例えば，首部に，直行する２軸方向にそれぞれ
回動可能なリンク機構を備え，頭部を前後または左右方
向に回動できるロボットなどがある。

【０００４】また，カメラを頭部に搭載し，撮像した画
像情報を処理して，周辺環境を視覚的に認識可能な脚式
移動ロボットも提案されている。かかるロボットは，例
えば，足下の凹凸の状況や障害物の位置などに応じて自
律的に移動したり，認知した所定の物体や人物に反応し
て所定の動作を行うこともできる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，上記従
来のロボットでは，スペース的な制約等により首部に複
数のリンク機構を設けることができないため，首部の自
由度が低いとう問題があった。このため，頭部の可動範
囲が狭く，また，動作表現が不自然であり，表現力に欠
けるという問題があった。

【０００６】また，バッテリの設置や処理機能追加によ
る制御装置の増大などが原因で，胴部に大きな容積を必
要とするロボットが増えている。このため，２足歩行ロ
ボットの場合，人間でいう腹部に該当する部分が前方に
張り出してしまうことが多い。従って，単に１軸のリン
ク機構のみで頭部を前後に振る構成では，頭部に備えた
カメラにより足下を撮像する際に，張り出した胴部によ
り視野角が制限される。これにより，足下の状況を把握
することができず，歩行制御が困難になるという問題が
ある。また，２足歩行ロボットが上方を仰ぎ見る際に
は，後方に転倒しないようバランスをとる必要があり，
首部の可動範囲にも限界があるので，仰角が制限されて
しまうという問題もある。

【０００７】本発明は，従来のロボットが有する上記問
題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，首
部の自由度が高く，表現力を豊かにすることの可能な，
新規かつ改良されたロボットを提供することである。

【０００８】また，本発明の別の目的は，頭部に搭載さ
れた撮像装置により広範囲にわたり撮像することが可能
な，新規かつ改良されたロボットを提供することであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め，本発明の第１の観点によれば，頭部を胴部に対して
回動可能に連結する首部を有するロボットであって，首
部は，ロール軸方向に回動する第１の回動軸と，ピッチ
軸方向に回動する第２の回動軸と，ヨー軸方向に回動す
る第３の回動軸と，ピッチ軸方向に回動する第４の回動
軸と，を具備することを特徴とする，ロボットが提供さ
れる。

【００１０】ここで，頭部は，動物・人間の頭のごとき
意匠を施した部分であって，操作者等がそのロボットと
のコミュニケーションをとるにあたって，注意をする部
分としての違和感がなくなるよう作用する。また，胴部
は，動物・人間の胴のごとき意匠を施した部分であっ
て，前記頭部を設置する基台となるように作用する。さ
らに，第１〜４の回動軸は，首部の４つリンク機構の回
動方向をそれぞれ決定するよう作用する。かかる４つの
回動軸により，首部の関節の自由度は，ロール軸方向に
１自由度，ピッチ軸方向に２自由度，ヨー軸方向に１自
由度となり，合計４自由度を有することができる。

【００１１】また，上記第１の回動軸は，頭部にリンク
されている，如く構成すれば，第１の回動軸を頭部に近
い位置に配することができるので，頭部を大きく振るこ
となく，首部の略上部で頭部をロール軸方向に回動でき
る。また，首部のスペースを有効活用できるので，首部
の全体形状を細くすることができる。

【００１２】さらに，上記第１の回動軸は，頭部の略質
量中心（重心）またはその近傍を通るように配される，
如く構成すれば，頭部の重量によって第１の回動軸をロ
ール軸方向に回動させるために要する負荷を低減するこ
とができる。このため，頭部を迅速かつ容易にロール軸
方向に回動させることができる。

【００１３】また，上記第１〜４の回動軸は，頭部から
胴部にかけて，第１の回動軸，第２の回動軸，第３の回
動軸，第４の回動軸の順に配されている，如く構成すれ
ば，上記４つの回動軸を効率的に配設できるので，首部
のスペースを有効活用できる。また，首部の関節を効果
的に形成できるので，ロボットの表現力をより向上させ
ることができ，例えば，ロボットがあごを突き出す様な
仕草や，首をすくめる様な仕草などが可能になる。

【００１４】さらに，頭部は，外界を撮像する撮像装置
を備えている，如く構成すれば，例えば胴部の前面が張
り出しているロボットであっても，撮像装置の視野角が
制限されることがなく，足下を好適に撮像できる。従っ
て，足下の状況を十分に把握できるので，確実な歩行制
御を行うことができる。また，首部の可動範囲が広いた
め，撮像装置も例えば上下・左右方向など多様な方向を
撮像することができ，ロボットの視界が広まる。

【００１５】また，上記撮像装置は，左撮像装置と右撮
像装置からなり，この左撮像装置および右撮像装置は，
双方の光軸の中点が，第１の回動軸の略中心またはその
近傍にあるように配される，如く構成すれば，頭部が両
撮像装置（両目）の略中点を中心としてロール軸方向に
回動するので，ロボットが首を傾げる様相が自然にな
る。

【００１６】さらに，上記頭部には，撮像装置により撮
像された画像情報を処理する頭部電子基板を設ける，如
く構成すれば，撮像装置に近い位置で画像情報を例えば
一次的に処理した上で，メインの画像処理装置に送信で
きる。このため，画像情報のデータ量が低減し，処理の
迅速化と装置の簡素化を図ることができる。

【００１７】また，上記首部は，頭部が第１の回動軸を
中心に所定角度以上回動することを制限すべく，ストッ
パを具備してもよい。

【００１８】また，上記ロボットは，二足歩行ロボット
であってもよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照しながら，
本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。な
お，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構
成を有する構成要素については，同一の符号を付するこ
とにより重複説明を省略する。

【００２０】（第１の実施の形態）まず，本発明にかか
る第１の実施の形態について説明する。なお，本実施形
態にかかるロボットとして，以下では，ヒューマノイド
・ロボットの例を挙げて説明するが，本発明はかかる例
に限定されない。また，本実施形態にかかる撮像装置と
して，カメラの例を挙げて説明するが，本発明はかかる
例に限定されない。

【００２１】まず，図１に基づいて，本実施形態にかか
るロボットの概要について説明する。なお，図１は，本
実施形態にかかるロボット１の全体構成を示す斜視図で
ある。

【００２２】図１に示すように，ロボット１は，２足歩
行が可能なヒューマノイド・ロボット（人間型脚式移動
ロボット）であり，全長が例えば５０〜６０ｃｍであ
る。かかるロボット１は，上端に配される頭部１０と，
全身の略中央部に位置する胴部２０と，頭部１０を胴部
２０とを連結する首部３０と，胴部１０の左右両側に設
けられた左腕部４０および右腕部５０と，胴部２０から
下方に延設され脚式移動を行う左脚部６０および右脚部
７０とを具備する。

【００２３】頭部１０は，首部３０の関節により胴部２
０に対して回動可能に連結される。かかる頭部１０は，
頭部外装１２に覆われた内部には，外界を撮像するカメ
ラ１４，外部からの音声等を収音するマイク１６が搭載
されており，首部３０との間に電子音声等を発音するス
ピーカ１８を具備する。

【００２４】胴部２０は，胸部２１と，腰部２２と，胸
部２１と腰部２２を連結する胴関節２３とから構成され
る。かかる胴部２０は，内部に比較的大きな容積を確保
することができるので，電源部や後述する中央制御装置
（図示せず）などが配置される。電源部は，後述するア
クチュエータ，制御装置およびカメラ１４などの各部が
消費する電力を供給するバッテリであり，例えばニッケ
ル水素電池などである。さらに，胴部２０には，ロボッ
ト１の姿勢を制御するための姿勢制御用センサ（図示せ
ず）が設けられる。この姿勢制御用センサは，ロボット
１の加速度や回転運動の角速度を検出することができ，
例えばジャイロセンサなどである。なお，かかる姿勢制
御用センサは，頭部１０など胴部２０以外の箇所に設置
することも可能である。

【００２５】左腕部４０および右腕部５０は，肩関節４
１，５１と，上腕４２，５２と，肘関節４３，５３と，
下腕４４，５４と，手首関節４５，５５と，手先部４
６，５６とから構成され，肩関節４１，５１によって胴
部２０の上部の両側に連結されている。

【００２６】左脚部６０および右脚部７０は，股関節６
１，７１と，大腿部６２，７２と，膝関節６３，７３
と，脛部６４，７４と，足首関節６５，７５と，足平部
６６，７６とから構成され，股関節６１，７１によって
胴部２０の下部に連結されている。さらに，両脚部６
０，７０の足平部６６，７６には，地面の状態やそこか
ら受ける圧力を検出するセンサとして例えば圧力センサ
（図示せず）が設けられている。また，かかる圧力セン
サを手先部４６，５６などのロボット１が外部と接触し
うる箇所に設けて，各部における接触状態を検出できる
ようにしてもよい。

【００２７】以上のように，ロボット１は，各部に複数
の関節（リンク機構）を有しており，回動軸を中心に各
関節を好適な角度だけ回動させることで，２足歩行や各
種の動作が可能である。かかる各関節は，１または２以
上のアクチュエータから構成されている。アクチュエー
タは，例えば減速機を備えたサーボモータなどからな
り，中央制御装置からの指示信号に基づいて，関節を所
定の回動速度で回動させ，所定の回動角度で維持するこ
とができる。サーボモータは，例えば小型のＡＣサーボ
モータまたはＤＣサーボモータなどであり，モータの駆
動を的確にフィードバック制御することができる。さら
に，かかるサーボモータには，その回転角度，角速度，
角加速度などを検出するためのセンサとして，例えばロ
ータリエンコーダが設けられている。また，減速機は，
サーボモータから大きなトルクを取り出すための機構で
あり，例えばハーモニック減速機等が用いられる。

【００２８】各関節は，例えば設置されるアクチュエー
タおよび回動軸等の数に応じて所定の自由度を有してお
り，例えば，図１に示したロボット１では，肩関節４
１，５１および股関節６１，７１が３自由度，足首関節
６５，７５および胴関節２３が２自由度，手首関節４
５，５５，肘関節４３，５３および膝関節６３，７３が
１自由度を有する。

【００２９】ここで，図２に基づいて，本実施形態の特
徴である首部３０の関節自由度について説明する。な
お，図２は，本実施形態にかかる首部３０の回動軸の構
成を模式的に示す斜視図である。

【００３０】図２（ａ）に示すように，本実施形態にか
かる首部３０の関節は，４つの回動軸を有しているの
で，首部３０全体として４自由度を有する。具体的に
は，第１の回動軸３１は，首部３０の上部（即ち，頭部
１０側）に配置され，ロール軸方向に回動する。また，
第２の回動軸３２は，第１の回動軸３１の例えば直下に
配置され，ピッチ軸方向に回動する。さらに，第３の回
動軸３３は，第２の回動軸３２の下方に配置され，ヨー
軸方向に回動する。加えて，第４の回動軸３４は，第３
の回動軸３３の下方で首部３０の下部（即ち，胴部２０
側）に配置され，ピッチ軸方向に回動する。このよう
に，首部３０の関節は，ピッチ軸方向に２自由度，ロー
ル軸方向およびヨー方向にそれぞれ１自由度という合計
４自由度を有する。

【００３１】このような構成により，首部３０の関節
は，図２（ｂ）に示すように，頭部１０を胴部２０に対
して３方向に駆動させることが可能である。具体的に
は，首部３０の関節は，第１の回動軸３１を用いて頭部
１０を左右に傾けること（首を傾げる動作）ができる。
また，第２の回動軸３２および第４の回動軸３４を用い
て，頭部１０を前後に傾けること（頷く動作）ができ
る。さらに，第３の回動軸３３を用いて，頭部１０を回
動させること（首を横に振る動作）ができる。また，首
部３０の関節は，このような３方向の駆動を複合的に組
み合わせることにより，頭部３０に多様な運動をさせる
こともできる。

【００３２】次に，図３に基づいて，以上のような４自
由度を有する関節を実現するための首部３０の機構につ
いて説明する。なお，図３（ａ）および図３（ｂ）は，
本実施形態にかかる首部３０の側面図および正面図であ
る。なお，図３では，首部３０と隣接する胴部２０の胴
部基台２００と，頭部１０の頭部基台１００も示し，簡
単のためスピーカボックスの図示は省略する。

【００３３】以下に，首部３０の主な構成要素と首部３
０が有する４つの回動軸の位置について説明する。図３
（ａ）および図３（ｂ）に示すように，首部３０は，主
に，首下ハウジング３００と，首中ハウジング３１０
と，首上ハウジング３２０とから構成されている。また
首部３０は，下端で胴部２０の胴部基台２００と，上端
で頭部１０の頭部基台１００と接続されている。

【００３４】第１の回動軸３１は，首部３０の略上端で
ロー軸（Ｘ軸）方向に延長された回動軸であり，頭部基
台１００と首上ハウジング３２０をリンクしている。か
かる第１の回動軸３１は，第１のサーボモータＭ１の駆
動により，頭部基台１００を首上ハウジング３２０に対
しロー軸方向に回動させることができる。

【００３５】第２の回動軸３２は，ピッチ軸（Ｙ軸）方
向に延長された回動軸であり，首上ハウジング３２０と
首中ハウジング３１０をリンクしている。かかる第２の
回動軸３２は，第２のサーボモータＭ２の駆動により，
首上ハウジング３２０から上部を首中ハウジング３１０
に対しピッチ軸方向に回動させることができる。

【００３６】第３の回動軸３３は，ヨー軸（Ｚ軸）方向
に延長された回動軸であり，首中ハウジング３１０と首
下ハウジング３００をリンクしている。かかる第３の回
動軸３３は，第３のサーボモータＭ３の駆動により，首
中ハウジング３１０から上部を首下ハウジング３００に
対しヨー軸方向に回動させることができる。

【００３７】第４の回動軸３４は，ピッチ軸（Ｙ軸）方
向に延長された回動軸であり，首下ハウジング３００と
胴部基台２００をリンクしている。かかる第４の回動軸
３４は，第４のサーボモータＭ４の駆動により，首下ハ
ウジング３００から上部（即ち，首部３０および頭部１
０）を胴部基台２００に対しピッチ軸方向に回動させる
ことができる。

【００３８】次に，上記のような首部３０の構成要素と
それらを相互に連結させる態様について，図４に基づい
て，より詳細に説明する。なお，図４は，本実施形態に
かかる首部３０を分解して示した分解組立図である。

【００３９】図４に示すように，首下ハウジング３００
は，首部３０の下端に配されるハウジングであり，例え
ば，その中部から上部にかけては略中空円筒形状を有
し，下部が略半球面形状を有する。この首下ハウジング
３００の両側には，ピッチ軸方向に回動する第４の回動
軸３４が軸止され，その一側の先端には首プーリ３０１
が設けられる。かかる首下ハウジング３００は，胴部２
０の略上端に位置する胴部基台２００の上方に配置さ
れ，第４の回動軸３４を胴部基台２００にリンクさせる
ことにより，首部３０を胴部２０に対し回動可能に連結
する機能を有する。

【００４０】また，上記の胴部基台２００の内部には，
第４のサーボモータＭ４が設置されている。この第４の
サーボモータＭ４は，その駆動軸に胴プーリ２０１を備
えており，胴プーリ２０１を回動させる駆動力を発生す
る。さらに，この胴プーリ２０１と上記の首プーリ３０
１との間にはベルト３０２が懸架されており，第４のサ
ーボモータＭ４の駆動力を第４の回動軸３４に伝達する
ことができる。このため，第４のサーボモータＭ４を駆
動させると，第４の回動軸３４がピッチ軸方向に回動す
るので，首下ハウジング３００を第４の回動軸３４を中
心に回動させて前後に傾けることができる。この際，首
下ハウジング３００は，その下部が略半球面形状を有す
るので，胴部２０に干渉されることなく円滑に回動でき
る。なお，上記第４のサーボモータＭ４を例えば胴部基
台２００の上面に配設し，その駆動軸と第４の回動軸３
４を一体に形成して，首下ハウジング３００に駆動力を
直接伝達できるように構成してもよい。

【００４１】また，首下ハウジング３００の内部には第
３のサーボモータＭ３が固設される。この第３のサーボ
モータＭ３の駆動軸が第３の回動軸３３であり，かかる
第３の回動軸３３は，首中ハウジング３１０の下面に接
続されている。従って，第３のサーボモータＭ３は，首
中ハウジング３１０を首下ハウジング３００に対しヨー
軸方向に回動させるように，駆動力を発生させる。

【００４２】また，首中ハウジング３１０は，例えば略
中空円筒形状を有し，その下面は第３の回動軸３３に接
続されている。また，上部には，前後２箇所に例えば略
方形のスピーカボックス用切込３１１が形成されてお
り，後述するスピーカボックス３３０が，このスピーカ
ボックス用切込３１１に収まるようになっている。

【００４３】また，首上ハウジング３２０は，例えば略
直方体形状を有するハウジングであり，頭部１０を搭載
する部材として機能する。この首上ハウジング３２０
は，例えば左右側面から突出して配された第２の回動軸
３２により，首中ハウジング３１０に回動可能に軸着さ
れる。この第２の回動軸３２は，一側端３２ａが第１の
ベアリング３２４を介して首中ハウジング３１０に回動
自在に連結され，他側端３２ｂが首中ハウジング３１０
に固着される。さらに，首上ハウジング３２０の内部に
は第２のサーボモータＭ２が固設されており，この第２
のサーボモータＭ２の駆動軸は上記第２の回動軸３２の
他側端３２ｂと一体形成されている。このため，首上ハ
ウジング３２０は，第２のサーボモータＭ２の駆動によ
って，首中ハウジング３１０に対しピッチ軸方向に回動
できるようになっている。

【００４４】また，首上ハウジング３２０の下部には，
内部にスピーカ１８を備えるスピーカボックス３３０が
首中ハウジング３１０との間に挟まるようにして設置さ
れる。このスピーカボックス３３０は，例えば下面が略
曲面となるような例えば略半円筒形状を有しており，首
上ハウジング３２０の回動に伴いピッチ軸方向に円滑に
回動できる。

【００４５】次に，かかる首上ハウジング３２０に頭部
基台１００をリンクさせる機構について説明する。首上
ハウジング３２０は，減速器３２１，第１のサーボモー
タＭ１および第２のベアリング３２２を介して，頭部基
台１００に連結される。なお，これら減速器３２１，第
１のサーボモータＭ１および第２のベアリング３２２の
各回動軸は，全体として第１の回動軸３１を構成する。

【００４６】頭部基台１００は，頭部１０の例えば略中
央部に配置されて各種装置が設置される板状部材であっ
て，ロボット１の進行方向前方および後方にそれぞれ基
台前面部材１００ａと基台後面部材１００ｂを具備す
る。

【００４７】減速機３２１は，例えばハーモニックドラ
イブなどの減速機構であって，入力軸３１ｂの回動が減
速されて，出力軸３１ａの回動を招くような構造を有す
る。この減速機３２１の入力軸３１ｂは，第１のサーボ
モータＭ１の駆動軸３１ｃに軸着されており，出力軸３
１ａは，頭部基台１００の基台後面部材１００ｂに固着
されている。また，減速機３２１は，入力軸３１ｂと出
力軸３１ａが同一軸方向に延長形成されている。かかる
構成により，減速機３２１として例えば遊星ギアなどを
用いることができ，より耐久性に優れた構造を実現でき
る。加えて，かかる遊星ギアなどの機構は，入手容易か
つ安価であるので，生産コストの低減を図ることもでき
る。また，このような減速機３２１を，上述した第２〜
４のサーボモータＭ２〜４に適用してもよい。

【００４８】第１のサーボモータＭ１は，上記のように
駆動軸３１ｃが減速機３２１の入力軸３１ｂに軸着され
ているので，その駆動力によって減速機３２１の出力軸
３１ａの回動を招くような構成である。また，第１のサ
ーボモータＭ１の本体は，首上ハウジング３２０の例え
ば後面に固着されている。従って，第１のサーボモータ
Ｍ１を駆動させることにより，減速機３２１の出力軸３
１ａを，首上ハウジング３２０を基準としてロール軸方
向に回動させることができる。

【００４９】第２のベアリング３２２は，ベアリング軸
受部３２２ａと，ベアリング軸受部３２２ａに対し回動
自在に付設されたベアリング軸３１ｄとを備えた軸受で
ある。このベアリング軸３１ｄは，上記減速機３２１の
出力軸３１ａと同一軸線（即ち，第１の回動軸３１）上
となるように配設されており，その一側端が首上ハウジ
ング３２０の前面に固着される。また，ベアリング軸受
部３２２ａは，頭部基台１００の基台前面部材１００ａ
に固着されている。かかる構成により，第２のベアリン
グ３２２は，頭部基台１００を首上ハウジング３２０に
対しロール軸方向に回動自在に支持することができる。

【００５０】以上のような構成により，頭部基台１００
を第１の回動軸３１を介して首上ハウジング３２０にリ
ンクさせることができる。また，第１のサーボモータＭ
１を駆動することにより，頭部基台１００を第１の回動
軸３１を中心にロール軸方向に回動させ，首上ハウジン
グ３２０に対して所定角度傾けることができる。

【００５１】この際，第１のサーボモータＭ１にかかる
負荷は，頭部基台１００に連接された各種装置の重量に
依存するので，他のサーボモータＭ２〜４にかかる負荷
と比して小さい。また，上記のような構成により，第１
の回動軸３１を頭部１０の質量中心に近い位置に配置で
きるので，第１の回動軸３１を回動させても頭部１０を
大きく振ることがない。このため，頭部１０の重量が及
ぼす第１のサーボモータＭ１の負荷は，低減される。従
って，第１のサーボモータＭ１は，迅速かつ低負荷で頭
部基台１００を回動させることができる。これにより，
第１のサーボモータＭ１として小型のモータを用いるこ
とも可能になる。

【００５２】また，首上ハウジング３２０は，例えば両
側面の上端にメカニカルストッパ３２３ａ，３２３ｂ
（以下，メカニカルストッパ３２３という場合もあ
る。）が付設されている。かかるメカニカルストッパ３
２３は，首上ハウジング３２０と頭部基台１００とのな
す角度（即ち，頭部基台１００の回動角度）が所定範囲
内に収まるように，頭部基台１００の回動を物理的に制
限する機能を有する。さらに，このメカニカルストッパ
３２３は，頭部基台１００の接触の有無を検出するリミ
ッタスイッチを兼ねていることが好ましい。かかる構成
により，頭部基台１００がメカニカルストッパ３２３
ａ，３２３ｂのいずれか一方と接触した際に，頭部基台
１００の回動角度が限界角度に達したことを中央制御装
置（図示せず）に対し通知できる。

【００５３】次に，図５に基づいて，本実施形態にかか
るロボット１の頭部１０について詳細に説明する。な
お，図５は本実施形態にかかる頭部１０を分解して示す
分解組立図である。

【００５４】図５に示すように，頭部１０は，主に，頭
部基台１００と，外界を撮像するカメラ１４と，カメラ
固定部１０４と，頭部外装１２とを有する。

【００５５】頭部基台１００は，上記のように第１の回
動軸３１を介して首上ハウジング３２０に回動可能にリ
ンクされる板状部材である。この頭部基台１００には，
頭部１０を構成する各種装置が設置されており，頭部基
台１００がロール軸方向に回動することにより頭部１０
全体を左右に傾けることができる。また，頭部基台１０
０を回動させるための駆動機構の全てが，頭部基台１０
０の下方に配されているので，頭部基台１００上のスペ
ースを広く活用することができる。このため，本実施形
態では，頭部基台１００の例えば上面には，電子回路を
形成する頭部電子基板４３０が搭載されている。

【００５６】カメラ１４は，例えばステレオカメラであ
り，ロボット１の左目に相当する左カメラ１４ａと，右
目に相当する右カメラ１４ｂの２つを有する。この左カ
メラ１４ａおよび右カメラ１４ｂは，例えばＣＣＤカメ
ラであり，外界を撮像して得た画像情報データを，頭部
電子基板４３０に送信する。

【００５７】カメラ固定部１０４は，左カメラ１４ａお
よび右カメラ１４ｂを固定的に支持する例えば平板状の
部材であり，両カメラ１４ａ，１４ｂを設置する位置に
開口部１０４ａ，１０４ｂがそれぞれ設けられている。
かかる構成により，一枚板であるカメラ固定部１０４に
より，両カメラ１４ａ，１４ｂの視線を略同一の方向
（例えば前方）に合わせて安定的に固定できるので，両
カメラ１４ａ，１４ｂの光軸が安定し，撮像精度が向上
する。

【００５８】また，カメラ固定部１０４は，カメラ固定
部取付板１０６を介して，頭部基台１００に例えばねじ
止めして固定される。かかる構成により，カメラ固定部
取付板１０６の大きさや形状を変更するだけで，頭部基
台１００に対するカメラ１４の位置を容易に調整するこ
とができる。

【００５９】なお，かかるカメラ固定部取付板１０６を
用いて，左カメラ１４ａと右カメラ１４ｂの光軸の中点
が，上記第１の回動軸３１の略中心となるように調整す
ることが好ましい。かかる構成により，ロボット１の頭
部１０が両目の中点を略中心として左右に回動するの
で，ロボット１の首を傾げる様相が，これを見る人間に
とってより自然に感じられ，親近感を抱かせるることが
できる。

【００６０】なお，上記カメラ固定部取付板１０６は，
必ずしも具備されなくともよく，例えば，図６に示すよ
うに，頭部基台１００とカメラ固定部１０４を一体形成
してもよい。

【００６１】また，頭部外装１２は，例えばプラスチッ
ク等で形成され，上記のような頭部１０の各装置を覆う
ようにして配設される。この頭部外装１２は，例えば前
側には，左右のカメラ１４ａ，１４ｂに対応する位置に
カメラ孔１２ａ１２ｂが形成されており，また，例えば
両側には，マイク１６ａ，１６ｂが設置される。かかる
頭部外装１２は，頭部基台１００に装着されており，首
部３０の関節によって頭部基台１００とともに例えば前
後，左右等に回動することができる。

【００６２】次に，図７に基づいて，本実施形態にかか
るロボットの制御システムについて説明する。なお，図
７は，本実施形態にかかるロボット１の制御システム４
００の全体構成を示すブロック図である。

【００６３】図７に示すように，制御システム４００
は，ロボット１全体を統括的に制御する中央制御装置４
１０と，各関節のサーボモータＭに対応してそれぞれ設
けられた複数の関節制御回路４２０と，頭部基台１００
上に設けられ画像情報などを処理する頭部電子基板４３
０と，各種のセンサ（姿勢制御用センサ，圧力センサ，
メカニカルストッパ３２３のリミッタスイッチなど）４
４０とから構成される。

【００６４】中央制御装置４１０は，各関節の動作状況
（即ち，関節の回動角度等）や，カメラ１４により撮像
された画像情報等の外部情報データ，各センサ４４０の
検出信号，外部からのロボット動作の指令情報等に基づ
いて，ロボット１に歩行などの所定の動作を起こさせる
べく，各関節のサーボモータＭの駆動を指示するなど，
ロボット１全体を統括的に制御する機能を有し，例えば
胴部２０に設けられる。

【００６５】かかる中央制御装置４１０は，図８に示す
ように，上記のような各種の入力情報に基づいて演算処
理を行い，各関節の回動角度や回動速度を指示する信号
等の制御信号を作成する制御演算部４１１と，各種セン
サ４４０や関節制御回路４２０および頭部電子基板４３
０との間で各種のデータを送受信する内部入出力部４１
３と，有線または無線により接続したコントローラその
他の外部装置（図示せず）との間で通信処理を行う外部
通信部４１５と，頭部電子基板４３０から入力された画
像情報データの解析処理を行う画像処理部４１７と，頭
部電子基板４３０から入力された音声情報データの解析
処理を行う音声処理部４１９から構成される。また，上
記以外にも，中央制御装置４１０は，例えば予め設定さ
れたロボット１の動作パターン等を格納しているハード
ディスクドライブなどの記憶装置からなる記憶部（図示
せず）を具備していてもよい。

【００６６】また，関節制御回路４２０は，ロボット１
の各関節が具備する複数のサーボモータＭに対応してそ
れぞれ配設されており，中央制御装置４１０から受信し
た指示信号に基づいて，サーボモータＭの回動角度や回
動速度を制御する機能を有する。サーボモータＭには，
上述のようにロータリエンコーダ４２１が設けられてお
り，サーボモータＭの実際の回動角度や回動速度を検出
できる。従って，関節制御回路４２０は，ロータリエン
コーダ４２１の検出値に基づいて，サーボモータＭをフ
ィードバック制御するとともに，かかる検出値を中央制
御装置４１０に送信することができる。

【００６７】また，頭部電子基板４３０は，上記のよう
に頭部基台１００上に配される電子回路であり，例えば
カメラ１４からの画像信号や，マイク１６からの音声情
報を入力するコネクタなどの各種電子部品も搭載されて
いる。かかる頭部電子基板４３０は，例えばマイクロコ
ンピュータなどからなる演算処理装置を具備しており，
カメラ１４やマイク１６などにより得た外部情報データ
を一次的に処理して，データ量を減少させた上で，中央
制御装置４１０に送信することができる。また，頭部電
子基板４３０は，中央制御装置４１０からの制御信号に
基づいて，例えば音声系アンプにより増幅された所定の
音声信号などをスピーカ１８から発音するように制御す
ることもできる。

【００６８】以上のような構成の制御システム４００に
より，ロボット１の動作を好適に制御できる。例えば，
ロボット１が，障害物のある空間を歩行する場合を例に
あげて説明する。ロボット１の歩行中に，頭部１０に搭
載したカメラ１４が，進路上にある障害物を撮像する
と，撮像された障害物を含む画像情報は，頭部電子基板
４３０で一時的に処理された後，中央制御装置４１０の
画像処理部４１７に入力され，その障害物の大きさや距
離などが解析処理される。かかる障害物の解析データに
基づいて，制御演算部４１３はロボット１が障害物を回
避して歩行するように，各関節の回動角度の指示信号を
作成して，各関節制御回路４２０に送信する。かかる制
御信号に基づいて，各関節制御回路４２０が各サーボモ
ータＭを所定角度回動させることにより，ロボット１が
障害物を回避するように進路を変えて歩行する。以上の
ような工程を定期的に繰り返すことにより，ロボット１
は障害物に衝突することなく，歩行を続けることができ
る。

【００６９】次に，図９および図１０に基づいて，本実
施形態にかかるロボットの首部の特徴的な動作について
説明する。なお，図９および図１０は，本実施形態にか
かるロボット１の首部３０の特徴的な動作を示すための
頭部１０および首部３０の側面図および正面図である。
なお，図９および図１０における二重丸◎は，首部３０
の回動軸の位置を模式的に表している。

【００７０】ロボット１の首部３０は，上述したよう
に，４自由度を有する関節を有しており，頭部１０を多
様な方向に回動させることができる。これを利用して，
ロボット１は，以下に例示するような多彩な仕草を表現
することができる。

【００７１】図９（ａ）は，ロボット１が，首部３０の
４つの関節をいずれも回動させることなく，真っ直ぐ正
面を向いている状態を示す。

【００７２】これに対し，図９（ｂ）に示すように，第
４の回動軸３４をピッチ軸方向前側に所定角度αだけ回
動させるとともに，第２の回動軸３２をピッチ軸方向後
側に所定角度αだけ回動させることにより，頭部１０を
略平行に保ったまま首部３０に対して前方に移動させる
ことができる。このようにして，ロボット１は，例えば
人間が驚いた時に行うような，顎を突き出す仕草を表現
できる。

【００７３】また，図９（ｃ）に示すように，第４の回
動軸３４をピッチ軸方向後側に所定角度βだけ回動させ
るとともに，第２の回動軸３２をピッチ軸方向前側に所
定角度βだけ回動させることにより，頭部１０を略平行
に保ったまま首部３０に対して後方に移動させることが
できる。このようにして，ロボット１は，例えば人間が
怒られた時に行うような，首をすくめる仕草を表現でき
る。

【００７４】また，図１０（ａ）に示すように，第１の
回動軸３１をロール軸方向に所定角度回動させることに
より，頭部１０を傾けることができる。このようにし
て，ロボット１は，例えば人間が困った時に行うよう
な，首を傾げる仕草を表現できる。この際，上記のよう
に，ロボット１の頭部１０が両目（左カメラ１４ａおよ
び右カメラ１４ｂ）の中点を略中心として回動するの
で，首を傾げる様相がより自然に感じられる。

【００７５】また，４つの回動軸３１〜３４の回動を組
み合わせることにより，ロボット１は，図１０（ｂ）に
示すように，斜め上方を仰ぎ見るような仕草や，図１０
（ｃ）に示すように，斜め下方を覗き込むような仕草を
表現することもできる。

【００７６】以上のように，本実施形態にかかる首部３
０が４軸構成を有することにより，ロボット１の表現力
を高めることができる。さらに，図９（ｂ）および図９
（ｃ）に示したように，ロボット１を歩行させることな
くその場で，頭部１０を前後に移動させることができ
る。このため，頭部１０に備えたカメラ１４により対象
物を，例えば，頭部１０を突き出した状態と，引っ込め
た状態で，例えば２回撮像できる。従って，双方の状態
で撮像した対象物の画像情報データを処理することによ
り，例えば単眼のカメラ１４であっても，当該対象物ま
での距離を測定することができる。

【００７７】次に，図１１および図１２に基づいて，本
実施形態にかかるロボットの頭部に搭載されたカメラの
視界について説明する。なお，図１１は，本実施形態に
かかるロボット１の頭部１０に搭載されたカメラ１４の
視野角を示す説明図であり，また，図１２は，本実施形
態にかかるロボット１の頭部１０に搭載されたカメラ１
４の仰角を示す説明図である。なお，図１１（ａ）およ
び図１２（ａ）には，比較のために従来のロボット１’
の視界を示してある。

【００７８】まず，図１１に基づいて，本実施形態にか
かるロボット１の足下方向の視野角について，従来のロ
ボット１’の場合と比較して説明する。

【００７９】図１１（ａ）に示すように，従来のロボッ
ト１’は，首部３０’にピッチ軸方向に回動可能な回動
軸を１つしか有していないので，所定の位置で頭部１
０’を上下方向に回動することしかできない。かかるロ
ボット１’が，頭部１０’に搭載されたカメラ１４’で
足下（移動する位置周辺）を撮像する場合には，上記回
動軸のみを中心に頭部１０’を俯かせる動作を行う。こ
の際，各種装置の設置スペースの確保等が原因で胴部２
０’の前面が張り出している場合には，カメラ１４’の
視界が，張り出した胴部２０’により制限されてしま
う。即ち，カメラ１４’の視野角が，本来有するθ度か
らγ度に減少し，足下側に死角が生じることとなる。従
って，ロボット１’は，頭部１０’を最大限に俯かせて
も，足下の障害物８０を撮像することができず，歩行に
支障を来すことになる。

【００８０】これに対し，図１１（ｂ）に示すように，
本実施形態にかかるロボット１は，首部３０にピッチ軸
方向に回動可能な回動軸を２つ有しているので，頭部１
０を胴部２０に対して前方に突き出して，のぞき込むよ
うな動作が可能である。従って，胴部２０の前面が張り
出している場合にも，カメラ１４の視野角が，張り出し
た胴部２０により制限されることなく，足下の障害物８
０を撮像することができる。このように，本実施形態に
かかるロボット１は，頭部１０のカメラ１４を用いて，
足下の状況を十分に把握できるので，好適に歩行制御を
行うことができる。

【００８１】続いて，図１２に基づいて，本実施形態に
かかるロボット１の上方の視界について，従来のロボッ
ト１’の場合と比較して説明する。

【００８２】図１２（ａ）に示すように，従来のロボッ
ト１’は，上記と同様に首部３０’にピッチ軸方向に回
動可能な回動軸を１つしか有していない。かかるロボッ
ト１は，上方を見上げる場合，例えば頭部１０’や胴部
３０’の設計上の制限などにより，首部３０’の可動範
囲が限定されている。このため，首部３０’の回動だけ
では，頭部１０’のカメラ１４’の最大仰角Ａが，比較
的小さい角度に制限されてしまい，例えば近くにいる人
の顔を直視することができない。また，かかるカメラ１
４’の最大仰角Ａを増加させるために，胴部２０’や脚
部６０’ピッチ軸方向の回動軸を利用したとしても，ロ
ボット１’の上半身が後方に仰け反ることとなり，バラ
ンスを崩して後側に転倒してしまう。

【００８３】これに対し，図１１（ｂ）に示すように，
本実施形態にかかるロボット１は，首部３０にピッチ軸
方向に回動可能な回動軸を２つ有しているので，首部３
０の２つの関節を利用して，カメラ１４の最大仰角Ｂを
比較的大きくすることができる。これにより，ロボット
１は，カメラ１４による撮像が可能な上方向の視界が広
くなる。例えば，身長が例えば０．６ｍのロボット１
は，例えば１ｍ離れた場所にいる身長が例えば１．７ｍ
の人の顔を直視することができる。また，ロボット１
は，上方を仰ぎ見る際に，胴部２０等をほとんど移動さ
せることなく，頭部１０だけを後方に移動させるので，
バランスを崩して転倒することもない。

【００８４】以上，添付図面を参照しながら本発明の好
適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に
限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載
された技術的思想の範疇内において各種の変更例または
修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについ
ても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解され
る。

【００８５】例えば，上記実施形態では，ロボット１と
して二足歩行型ロボットの例を挙げて説明したが，本発
明はかかる例に限定されず，例えば，４足歩行型ロボッ
ト，多足（例えば６足）歩行型ロボットなど，任意の脚
数を有する脚式移動ロボットであってもよい。また，ロ
ボット１の移動態様としては，脚式移動に限定されず，
例えば，クローラ式，タイヤ式の移動機構などを設けて
もよい。さらに，移動を行わない固定型のロボットであ
ってもよい。

【００８６】また，上記実施形態では，中央制御装置４
１０は，胴部２０の内部に設置されていたが，かかる例
に限定されず，例えば，胴部２０の背面に露出して配設
されたり，胴部２０以外の頭部１０などに設置されても
よい。また，中央制御装置４１０をロボット１の外部に
設けて，有線または無線でロボット１と接続可能に構成
してもよい。この際，ロボット１には，外部と各種情報
を伝達するために，例えばケーブル接続用のインターフ
ェースや通信アンテナといった通信装置などを設けるこ
ともできる。また，電源部（バッテリ）も外部に設け
て，外部から例えばケーブル等でロボット１に電力を供
給してもよい。

【００８７】また，中央制御装置４１０は，外部通信部
４１５，画像処理部４１７，音声処理部４１９を必ずし
も具備しなくともよく，また，上記実施形態以外にも，
ロボット１の動作やセンサから入力される情報に応じて
各種の処理を行う装置を有してもよい。

【００８８】また，上記実施形態では，頭部１００に頭
部電子基板４３０を設けて，所定の画像情報処理等を行
ったが，かかる例に限定されず，頭部電子基板４３０を
設けなくてもよい。

【００８９】また，上記実施形態では，ロボット１の関
節を駆動させるアクチュエータとしてサーボモータＭを
用いたが，かかる例に限定されず，通常のモータ，油圧
・空圧シリンダ，形状記憶合金等を用いてもよい。ま
た，アクチュエータの駆動力を各関節に伝達する機構
は，上記実施形態の例に限定されず，例えばギヤ，ベル
ト，ワイヤ，チェーン等を介すなど，多様な態様でアク
チュエータの駆動力を伝達してもよい。

【００９０】また，上記実施形態では，ロボット１は，
カメラ１４，マイク１６，スピーカ１８や，各種センサ
４４０を具備していたが，これらを必ずしも具備する必
要はない。また，圧力センサの代わりに，足裏の設置状
況を検出するオン／オフ式センサや，脚部が地面から受
ける圧力状態を詳細に検出する６軸力センサを設けても
よい。

【００９１】また，上記実施形態では，ロボット１は，
頭部１０，胴部２０，両腕部４０，５０，両脚部６０，
７０の各所に複数の関節を有しており，また，各関節が
１〜３の自由度を有していたが，本発明はかかる例に限
定されない。例えば，上記実施形態で示した場所以外に
も関節を設けてもよく，また，各関節の自由度は，ロボ
ット１の用途や設計条件などに応じて増減可能である。

【００９２】また，上記実施形態では，首部３０の関節
が有する４つの回動軸は，頭部１０側から順に，第１の
回動軸３１（ロール軸），第２の回動軸３２（ピッチ
軸），第３の回動軸３３（ヨー軸），第４の回動軸３４
（ピッチ軸）の順に配設されていたが，かかる例に限定
されず，かかる第１〜４の回動軸３１〜３４は，任意の
順で配設されてもよい。

【００９３】また，首部３０を構成する３つのハウジン
グ３１０，３２０，３３０の形状および配置は，上記実
施形態に示す例に限定されず，ロボットやアクチュエー
タの種類，回動軸の配置位置などに応じて，ハウジング
の形状や配置を適宜変更したり，新たなハウジングを追
加したりしてもよい。

【００９４】また，上記実施形態では，カメラ１４は左
カメラ１４ａと右カメラ１４ｂの２つから構成された
が，かかる例に限定されず，１または３以上のカメラを
具備してもよい。また，カメラ１４の配置は適宜変更可
能である。

【００９５】

【発明の効果】以上説明したように，本発明によれば，
４自由度を有する首部の関節により，頭部を胴部に対し
て多様に回動させることができるので，ロボットの表現
力を向上させることができる。また，４つの回動軸を効
果的に配置することにより，頭部の質量中心の近傍にリ
ンク機構を配設できるので，頭部を迅速かつ低負荷で回
動することができる。

【００９６】また，胴部の容積が大きいロボットであっ
ても，頭部に搭載した撮像装置の視野角が制限されにく
いので，足下の画像情報をより確実に取得することがで
きる。従って，ロボットは，足下の状況を十分に把握で
きるので，確実な歩行を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は，第１の実施形態にかかるロボットの全
体構成を示す斜視図である。

【図２】図２は，第１の実施形態にかかる首部の回動軸
の構成を模式的に示す斜視図である。

【図３】図３（ａ）は，第１の実施形態にかかる首部の
側面図である。図３（ｂ）は，第１の実施形態にかかる
首部の正面図である。

【図４】図４は，第１の実施形態にかかる首部を分解し
て示した分解組立図である。

【図５】図５は，第１の実施形態にかかる頭部を分解し
て示す分解組立図である。

【図６】図６は，頭部基台の別の態様を示す斜視図であ
る。

【図７】図７は，第１の実施形態にかかるロボットの制
御システムの全体構成を示すブロック図である。

【図８】図８は，第１の実施形態にかかる中央制御装置
の構成を示すブロック図である。

【図９】図９は，第１の実施形態にかかるロボットの首
部の特徴的な動作を示すための頭部および首部の側面図
である。

【図１０】図１０は，第１の実施形態にかかるロボット
の首部の特徴的な動作を示すための頭部および首部の正
面図である

【図１１】図１１は，第１の実施形態にかかるロボット
の頭部に搭載されたカメラの視野角を示す説明図であ
る。

【図１２】図１２は，第１の実施形態にかかるロボット
の頭部に搭載されたカメラの仰角を示す説明図である。

【符号の説明】

１：ロボット１０：頭部１４：カメラ１４ａ：左カメラ１４ｂ：右カメラ２０：胴部３０：首部３１：第１の回動軸３２：第２の回動軸３３：第３の回動軸３４：第４の回動軸１００：頭部基台１０４：カメラ固定部３００：首下ハウジング３１０：首中ハウジング３２０：首上ハウジング４００：制御システム４１０：中央制御装置４２０：関節制御回路４３０：頭部電子基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2C150 CA01 DA04 DA24 DA25 DA26 DA27 DA28 EB01 EB37 EC03 EC15 EC25 EC29 ED10 ED42 ED52 EF03 EF07 EF09 EF16 EF17 EF22 EF23 EF29 EF33 EF36 3C007 AS36 CS08 KS39 KT02 MT14 WA03 WA13 WB28 WC25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】頭部を胴部に対して回動可能に連結する
首部を有するロボットであって，前記首部は，ロール軸
方向に回動する第１の回動軸と，ピッチ軸方向に回動す
る第２の回動軸と，ヨー軸方向に回動する第３の回動軸
と，ピッチ軸方向に回動する第４の回動軸と，を具備す
ることを特徴とする，ロボット。
【請求項２】前記第１の回動軸は，前記頭部にリンク
されていることを特徴とする，請求項１に記載のロボッ
ト。
【請求項３】前記第１の回動軸は，前記頭部の略質量
中心またはその近傍を通るように配されることを特徴と
する，請求項２に記載のロボット。
【請求項４】前記第１〜４の回動軸は，前記頭部から
前記胴部にかけて，前記第１の回動軸，前記第２の回動
軸，前記第３の回動軸，前記第４の回動軸の順に配され
ていることを特徴とする，請求項２に記載のロボット。
【請求項５】前記頭部は，外界を撮像する撮像装置を
備えていることを特徴とする，請求項１に記載のロボッ
ト。
【請求項６】前記撮像装置は，左撮像装置と右撮像装
置からなり，前記左撮像装置および右撮像装置は，双方
の光軸の中点が，前記第１の回動軸の略中心またはその
近傍にあるように配されることを特徴とする，請求項５
に記載のロボット。
【請求項７】前記頭部には，前記撮像装置により撮像
された画像情報を処理する頭部電子基板を設けることを
特徴とする，請求項５に記載のロボット。
【請求項８】前記ロボットは，二足歩行ロボットであ
ることを特徴とする，請求項５に記載のロボット。