JP3989698B2 - コミュニケーションロボット - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、コミュニケーションロボットに関し、特にたとえば、触覚を備えたコミュニケーションロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のロボットには、触覚を備えたものが存在した。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のロボットでは触覚を使って触られたことを知覚してもそれを人に伝える手段を備えておらず、せっかく触れても人はロボットが触られたことを知覚しているかどうか知ることができなかった。
【０００４】
それゆえに、この発明の主たる目的は、触られたことをロボットが知覚できたことを人に知らせることができる、コミュニケーションロボットを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、胴体、および胴体上に首関節を介して取り付けられた頭部を備え、アクションを用いてコミュニケーションを図るコミュニケーションロボットであって、コミュニケーションロボットの任意の箇所に設けられた複数のタッチセンサ、およびオン状態のタッチセンサが検出されたとき、当該タッチセンサの存在する方向に頭部を向ける制御データによって首関節を制御する頭部変位手段を備える、コミュニケーションロボットである。
【０００６】
【作用】
この発明においては、人がコミュニケーションロボットに触れると、タッチセンサがオン状態になって人が触れたことを検知する。すると、座標算出手段は肩関節や可動腕の位置およびロボットの各部位の大きさからオン状態のタッチセンサがある箇所、つまり人が触れた箇所の３次元座標を求める。そして、頭部変位手段は首関節を制御して座標算出手段が求めた３次元座標が示す箇所、つまり人が触れた箇所に頭部が向くようにする。
【０００７】
好ましい実施例では、タッチセンサがオン状態になると、腕変位手段が肩関節および肘関節を制御して、たとえば手を上げて上げた手を左右に振り、さらに音声発生手段が「なぁ〜に」という音声を発生させる。
【０００８】
【発明の効果】
この発明によれば、人がコミュニケーションロボットに触れると、タッチセンサがそれを検知し、触れられた箇所の方向に頭部が向く。したがって、コミュニケーションロボットが触れられたことを認識していることを人に伝えることができ、ロボットと人とのコミュニケーションが図れる。
【０００９】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１０】
【実施例】
図１は本発明の全体構成を示しており、同図を参照して、この実施例のコミュニケーションロボット（以下、単に「ロボット」ということがある。）１０は、台車１２を含み、この台車１２の下面には、このロボット１０を自律移動させる車輪１４が設けられる。この車輪１４は、車輪モータ（図３において参照番号「７０」で示す。）によって駆動され、台車１２すなわちロボット１０を前後左右任意の方向に動かすことができる。なお、図示しないが、この台車１２の前面には、衝突センサ（図３において、参照番号「７４」で示す。）が取り付けられ、この衝突センサは、台車１２への人や他の障害物の接触を検知する。そして、ロボット１０の移動中に障害物との接触を検知すると、直ちに車輪１４の駆動を停止してロボット１０の移動を急停止させて衝突を未然に防ぐ。
【００１１】
なお、ロボット１０の背の高さは、この実施例では、人、特に子供に威圧感をあたえることがないように、１００ｃｍ程度とされている。ただし、この背の高さは任意に変更可能である。
【００１２】
台車１２の上には、多角形柱のセンサ取付パネル１６が設けられ、このセンサ取付パネル１６の各面には、超音波距離センサ１８が取り付けられる。この超音波距離センサ１８は、取付パネル１６すなわちロボット１０の周囲の主として人との間の距離を計測するものである。
【００１３】
台車１２の上には、さらに、下部が上述の取付パネル１６に囲まれて、ロボット１０の胴体が直立するように取り付けられる。この胴体は下部胴体２０と上部胴体２２とから構成され、これら下部胴体２０および上部胴体２２は、連結部２４によって、連結される。連結部２４には、図示しないが、昇降機構が内蔵されていて、この昇降機構を用いることによって、上部胴体２２の高さすなわちロボット１０の高さを変化させることができる。昇降機構は、後述のように、腰モータ（図３において参照番号「６８」で示す。）によって駆動される。上で述べたロボット１０の身長１００ｃｍは、上部胴体２２をそれの最下位置にしたときの値である。したがって、ロボット１０の身長は１００ｃｍ以上にすることができる。
【００１４】
上部胴体２２のほぼ中央には、１つの全方位カメラ２６と、１つのマイク２８とが設けられる。全方位カメラ２６は、ロボット１０の周囲を撮影するもので、後述の眼カメラ４６と区別される。マイク２８は、周囲の音、とりわけ人の声を取り込む。
【００１５】
上部胴体２２の両肩には、それぞれ、肩関節３０Ｒおよび３０Ｌによって、上腕３２Ｒおよび３２Ｌが取り付けられる。肩関節３０Ｒおよび３０Ｌは、それぞれ３軸の自由度を有する。すなわち、肩関節３０Ｒは、Ｘ軸，Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれの軸廻りにおいて上腕３２Ｒの角度を制御できる。Ｙ軸は、上腕３２Ｒの長手方向（または軸）に並行な軸であり、Ｘ軸およびＺ軸は、そのＹ軸に、それぞれ異なる方向から直交する軸である。肩関節３０Ｌは、Ａ軸，Ｂ軸およびＣ軸のそれぞれの軸廻りにおいて上腕３２Ｌの角度を制御できる。Ｂ軸は、上腕３２Ｌの長手方向（または軸）に並行な軸であり、Ａ軸およびＣ軸は、そのＢ軸に、それぞれ異なる方向から直交する軸である。
【００１６】
上腕３２Ｒおよび３２Ｌのそれぞれの先端には、肘関節３４Ｒおよび３４Ｌを介して、前腕３６Ｒおよび３６Ｌが取り付けられる。肘関節３４Ｒおよび３４Ｌは、それぞれ、Ｗ軸およびＤ軸の軸廻りにおいて、前腕３６Ｒおよび３６Ｌの角度を制御できる。
【００１７】
なお、上腕３２Ｒおよび３２Ｌならびに前腕３６Ｒおよび３６Ｌ（いずれも図１）の変位を制御するＸ，Ｙ，Ｚ，Ｗ軸およびＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ軸では、「０度」がホームポジションであり、このホームポジションでは、上腕３２Ｒおよび３２Ｌならびに前腕３６Ｒおよび３６Ｌは下方向に向けられる。
【００１８】
また、図示しないが、上部胴体２２の肩関節３０Ｒおよび３０Ｌを含む肩の部分や上述の上腕３２Ｒおよび３２Ｌならびに前腕３６Ｒおよび３６Ｌには、それぞれ、タッチセンサが設けられていて、これらのタッチセンサは、人がロボット１０のこれらの部位に接触したかどうかを検知する。これらのタッチセンサも図３において参照番号７２で包括的に示す。
【００１９】
前腕３６Ｒおよび３６Ｌのそれぞれの先端には、手に相当する球体３８Ｒおよび３８Ｌがそれぞれ固定的に取り付けられる。なお、この球体３８Ｒおよび３８Ｌに代えて、この実施例のロボット１０と異なり指の機能が必要な場合には、人の手の形をした「手」を用いることも可能である。
【００２０】
上部胴体２２の中央上方には、首関節４０を介して、頭部４２が取り付けられる。この首関節４０は、３つの自由度を有し、Ｓ軸，Ｔ軸およびＵ軸の各軸廻りに角度制御可能である。Ｓ軸は首から真上に向かう軸であり、Ｔ軸およびＵ軸は、それぞれ、このＳ軸に対して異なる方向で直交する軸である。頭部４２には、人の口に相当する位置に、スピーカ４４が設けられ、目に相当する位置に眼カメラ４６が設けられる。スピーカ４４は、ロボット１０が、それの周囲の人に対して音声または声によってコミュニケーションを図るために用いられる。眼カメラ４６は、ロボット１０に接近した人の顔や他の部分を撮影してその映像信号を取り込む。ただし、スピーカ４４は、ロボット１０の他の部位たとえば胴体に設けられてもよい。
【００２１】
なお、上述の全方位カメラ２６および眼カメラ４６のいずれも、たとえばＣＣＤやＣＭＯＳのように個体撮像素子を用いるカメラであってよい。
【００２２】
図２は図１のロボット１０とは異なる構成のロボット１０の主要部の上面を示しており、上部胴体２２は、前面２２ａ，背面２２ｂ，右側面２２ｃ，左側面２２ｄ，上面２２ｅおよび底面２２ｆを含み、右側面２２ｃおよび左側面２２ｄは表面が斜め前方に向くように形成してもよい。つまり、前面２２ａの横幅が背面２２ｂの横幅よりも短く、上部胴体２２を上から見た形状が台形になるように形成される。このような場合、ロボット１０の腕は肩関節３０Ｒおよび３０Ｌが支持部８０Ｒおよび８０Ｌを介して右側面２２ｃおよび左側面２２ｄに取り付けられる。なお、支持部８０Ｒおよび８０Ｌの表面はそれぞれ右側面２２ｃおよび左側面２２ｄと平行である。上述したように上腕３２ＲはＹ軸廻りに回動可能であり、上腕３２ＬはＢ軸廻りに回動が可能であるが、上腕３２Ｒおよび上腕３２Ｌの回動範囲は、支持部８０Ｒおよび８０Ｌの表面（取り付け面）によって規制される。このため、上腕３２Ｒおよび３２Ｌが取り付け面を超えて回動することはない。
【００２３】
図２から分かるように、上腕３２Ｒの基端である肩関節３０Ｒと上腕３２Ｌの基端である肩関節３０Ｌとを結ぶ線Ｌ１と右側面２２ｃ（取り付け面）とがなす角度θ１は、０°＜θ１＜９０°の条件を満たす。上述の結線Ｌ１と左側面２２ｄとがなす角度θ２もまた、０°＜θ２＜９０°の条件を満たす。結線Ｌ１はロボット１０の前方向と直交しているため、右側面２２ｃに垂直なＸ軸と前方向とがなす角度θ３は“１８０°−θ１”に等しく、左側面２２ｄに垂直なＡ軸と前方向とがなす角度θ４も“１８０°−θ２”に等しい。なお、角度θ１およびθ２の各々は、好ましくは３０°≦θ１≦７０°および３０°≦θ２≦７０°の条件を満たすのがよい。さらに、上腕３２Ｒおよび３２Ｌの各々の長さを２３０ｍｍとし、前腕３６Ｒおよび３６Ｌの長さを２３５ｍｍとし、そしてＹ軸とＢ軸との間の距離を５１８ｍｍとした場合、角度θ１およびθ２は６０°とすることが好ましい。このとき、角度θ３およびθ４は１２０°となる。
【００２４】
このようにすれば、上腕３２Ｒおよび３２Ｌは前方を越えてより内側まで回動できるので、たとえＷ軸およびＤ軸による腕の自由度がなくてもロボット１０の腕は前方で交差できる。したがって、腕の自由度が少ない場合でも正面に位置する人と抱き合うなどの密接なコミュニケーションを図ることができる。
【００２５】
図１に示すロボット１０の制御系の構成が図３のブロック図に示される。図３に示すように、このロボット１０は、全体の制御のためにマイクロコンピュータまたはＣＰＵ５０を含み、このＣＰＵ５０には、バス５２を通して、メモリ５４，モータ制御ボード５６，センサ入力／出力ボード５８および音声入力／出力ボード６０が接続される。
【００２６】
メモリ５４は、図示しないが、ＲＯＭやＲＡＭを含み、ＲＯＭにはこのロボット１０の制御プログラムが予め書き込まれているとともに、スピーカ４４から発生すべき音声または声の音声データが格納されている。ＲＡＭは、一時記憶メモリとして用いられるとともに、ワーキングメモリとして利用され得る。
【００２７】
モータ制御ボード５６は、たとえばＤＳＰ(Digital Signal Processor)で構成され、各腕や頭部の各軸モータを制御する。すなわち、モータ制御ボード５６は、ＣＰＵ５０からの制御データを受け、右肩関節３０ＲのＸ，ＹおよびＺ軸のそれぞれの角度を制御する３つのモータと右肘関節３４Ｒの軸Ｗの角度を制御する１つのモータとの計４つのモータ（図３ではまとめて、「右腕モータ」として示す。）６２の回転角度を調節する。また、モータ制御ボード５６は、左肩関節３０ＬのＡ，ＢおよびＣ軸のそれぞれの角度を制御する３つのモータと左肘関節３４ＬのＤ軸の角度を制御する１つのモータとの計４つのモータ（図３ではまとめて、「左腕モータ」として示す。）６４の回転角度を調節する。モータ制御ボード５６は、また、頭部４２のＳ，ＴおよびＵ軸のそれぞれの角度を制御する３つのモータ（図３ではまとめて、「頭部モータ」として示す。）６６の回転角度を調節する。モータ制御ボード５６は、また、腰モータ６８、および車輪１４を駆動する２つのモータ（図３ではまとめて、「車輪モータ」として示す。）７０を制御する。
【００２８】
なお、この実施例の上述のモータは、車輪モータ７０を除いて、制御を簡単化するためにそれぞれステッピングモータまたはパルスモータであるが、車輪モータ７０と同様に、直流モータであってよい。
【００２９】
センサ入力／出力ボード５８も、同様に、ＤＳＰで構成され、各センサやカメラからの信号を取り込んでＣＰＵ５０に与える。すなわち、超音波距離センサ１８の各々からの反射時間に関するデータがこのセンサ入力／出力ボード５８を通して、ＣＰＵ５０に入力される。また、全方位カメラ２６からの映像信号が、必要に応じてこのセンサ入力／出力ボード５８で所定の処理が施された後、ＣＰＵ５０に入力される。眼カメラ４６からの映像信号も、同様にして、ＣＰＵ５０に与えられる。なお、この図３では、図１で説明したタッチセンサは、まとめて「タッチセンサ７２」として表され、それらのタッチセンサ７２からの信号がセンサ入力／出力ボード５８を介して、ＣＰＵ５０に与えられる。
【００３０】
なお、スピーカ４４には音声入力／出力ボード６０を介して、ＣＰＵ５０から、合成音声データが与えられ、それに応じて、スピーカ４４からはそのデータに従った音声または声が出力される。そして、マイク２８からの音声入力が、音声入力／出力ボード６０を介して、ＣＰＵ５０に取り込まれる。
【００３１】
この実施例のロボット１０は、触覚機能を備えておりボディーを触られると、その触られた箇所の方向に頭部を向けることによって、ロボット１０が触られたことを認識していることを人に伝える。この動作を図４に示すフローを用いて説明する。
【００３２】
まず、ステップＳ１において、ＣＰＵ５０は、タッチセンサからの信号をセンサ入力／出力ボード５８から読み込み、ステップＳ３においてタッチセンサからの値が「タッチセンサのオン」を示しているタッチセンサが存在するかどうか判断する。ステップＳ３でオン状態のタッチセンサが存在しないと判断すると処理を終了する。一方、ステップＳ３でオン状態のタッチセンサが存在すると判断するとステップＳ５に進む。
【００３３】
ステップＳ５では、ロボット１０の各部位の関節の角度データをモータ制御ボード５６から読み出し、続くステップＳ７ではロボット１０の各部位の大きさデータをメモリ５４から読み出す。
【００３４】
そして、ステップＳ９では、大きさデータおよび関節の角度データからオン状態のタッチセンサがある３次元座標（α，β，γ）を算出する。続くステップＳ１１ではロボット１０の頭部４２が首関節４０を用いてオン状態のタッチセンサがある３次元座標（α，β，γ）の方向を向くような図１のＳ軸廻りの回転角度ｓ、Ｔ軸廻りの回転角度ｔ、Ｕ軸廻りの回転角度ｕを算出する。
【００３５】
ステップＳ１３では、ロボット１０の頭部を人の触った箇所を見るように傾ける。具体的には、Ｓ軸の回転角度を調整するモータに角度「ｓ」を与え、Ｔ軸の回転角度を調整するモータに角度「ｔ」を与え、Ｕ軸の回転角度を調整するモータに角度「ｕ」を与え、残りのモータにはすべて角度「０」を与える。したがって、このステップＳ１３では、ロボット１０の頭部４２がＳ軸を中心として角度ｓだけ、Ｔ軸を中心として角度ｔだけ、Ｕ軸を中心として角度ｕだけそれぞれ回転され、オン状態のタッチセンサがある方向を向く。
【００３６】
つぎに、ステップＳ１５からステップＳ１９では、ロボットが右手を上げて手を左右に振る。つまり、まず、ステップＳ１５では、Ｘ軸の回転角度を調整するモータに角度「１８０」を与え、残りのモータにはすべて角度「０」を与える。したがって、ステップＳ１５では、ロボット１０の右手がＸ軸を中心として角度「１８０」だけ回転され、右手を上に上げる。つぎに、ステップＳ１７では、Ｘ軸の回転角度を調整するモータに角度「１８０」を与え、Ｚ軸の回転角度を調整するモータに角度「３０」を与え、残りのモータにはすべて角度「０」を与える。したがって、ステップＳ１７では、ロボット１０の右手がＸ軸を中心として角度「１８０」だけ回転され、かつＺ軸を中心として角度「３０」だけ回転され、右手を上に上げた状態で右手を右に振る。そして、ステップＳ１９では、Ｘ軸の回転角度を調整するモータに角度「１８０」を与え、Ｚ軸の回転角度を調整するモータに角度「−３０」を与え、残りのモータにはすべて角度「０」を与える。したがって、ステップＳ１７では、ロボット１０の右手がＸ軸を中心として角度「１８０」だけ回転され、かつＺ軸を中心として角度「−３０」だけ回転され、右手を上に上げた状態で右手を左に振る。
【００３７】
最後にステップＳ２１において、ＣＰＵ５０は、メモリ５４から、音声入出力ボード６０へ音声データを送る。したがって、スピーカ４４から合成音声「なぁ〜に」が出力される。
【００３８】
このように、人がロボット１０に触れると、ロボット１０の頭部４２が人の触れた箇所を見て、右手を振るとともに「なぁ〜に」と応えるという行動をする。このようにして、人がロボット１０に触れると、ロボット１０が触れられたことを認識していることを伝えることができるので、人とのコミュニケーションをより深めることができる。
【００３９】
また、ロボット１０が、触れたものを壊さないようにする機構を備えていれば、ロボット１０が触れた方向を見ることによって、人はロボット１０が触れた物を回避することが予測できるので、ロボット１０の非常停止ボタンなどを不用意に押さなくても済むようになる。
【００４０】
なお、この発明の実施の形態は種々に変更して適用してもよい。たとえば、上述の実施例では、タッチセンサは上部胴体２２の肩関節３０Ｒおよび３０Ｌを含む肩の部分，上腕３２Ｒおよび３２Ｌ，前腕３６Ｒおよび３６Ｌ，ならびに台車１２の前面に設けることとしたが、上部胴体２２の肩の部分，肩関節３０Ｒおよび３０Ｌ，上腕３２Ｒおよび３２Ｌ，前腕３６Ｒおよび３６Ｌ，台車１２のいずれかひとつにタッチセンサを設けるようにしてもよい。また、上部胴体２２の全体にタッチセンサを設けるようにしてもよく、台車１２の全面にタッチセンサを設けるようにしてもよい。さらに言えば、肘関節３４Ｒおよび３４Ｌなど、ロボット１０のどの部位にタッチセンサを設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例の全体構成を示す正面図である。
【図２】この発明の一実施例の全体構成を示す上面図である。
【図３】図１の実施例のブロック図である。
【図４】図１の実施例における動作の一部を説明するフロー図である。
【符号の説明】
１０ …コミュニケーションロボット
２０ …下部胴体
２２ …上部胴体
３０Ｒ、３０Ｌ …肩関節
３２Ｒ、３２Ｌ …上腕
３４Ｒ、３４Ｌ …肘関節
３６Ｒ、３６Ｌ …前腕
４０ …首関節
４２ …頭部
４４ …スピーカ
５０ …ＣＰＵ
５４ …メモリ
５６ …モータ制御ボード
５８ …センサ入出力ボード
６０ …音声入出力ボード
６２ …右腕モータ
６４ …左腕モータ
６６ …頭部モータ

Claims (4)

1. 胴体、および前記胴体上に首関節を介して取り付けられた頭部を備え、アクションを用いてコミュニケーションを図るコミュニケーションロボットであって、
   前記コミュニケーションロボットの任意の箇所に設けられた複数のタッチセンサ、および
   オン状態の前記タッチセンサが検出されたとき、当該タッチセンサの存在する方向に前記頭部を向ける制御データによって前記首関節を制御する頭部変位手段を備える、コミュニケーションロボット。
2. オン状態の前記タッチセンサが存在する３次元座標を算出する座標算出手段をさらに備え、
   前記頭部変位手段は前記座標算出手段によって算出された前記３次元座標に基づいて前記制御データを算出し、当該制御データによって前記首関節を制御する、請求項１記載のコミュニケーションロボット。
3. 前記胴体上に肩関節を介して取り付けられた上腕、前記上腕に肘関節を介して取り付けられた前腕、および前記タッチセンサのいずれかがオン状態になったときに、前記肩関節および前記肘関節の少なくとも一方を制御して前記上腕および前記前腕の少なくとも一方を変位させる腕変位手段をさらに備える、請求項１または２記載のコミュニケーションロボット。
4. 前記タッチセンサのいずれかがオン状態になったときに、音声を発生する音声発生手段をさらに備える、請求項１ないし３のいずれかに記載のコミュニケーションロボット。

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