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JP7397425B2 - Action expression mechanism - Google Patents
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JP7397425B2 - Action expression mechanism - Google Patents

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JP7397425B2 JP2019103572A JP2019103572A JP7397425B2 JP 7397425 B2 JP7397425 B2 JP 7397425B2 JP 2019103572 A JP2019103572 A JP 2019103572A JP 2019103572 A JP2019103572 A JP 2019103572A JP 7397425 B2 JP7397425 B2 JP 7397425B2
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Description

本発明は、たとえば人型ロボットなどの多数の関節を有する動作体に用いられる動作表現機構に関する。 The present invention relates to a motion expression mechanism used for a motion body having a large number of joints, such as a humanoid robot.

従来より、人間の想像性に訴えかける動きを有する人形として、文楽人形が知られている。文楽人形は、日本の伝統芸能である文楽に用いられるものであり、腕、首、胴体が伸縮するなどの特殊な表現が可能である。このため、実際の人間には無い動きでありながらも、動作を誇張することで感情等を相手に印象的に伝えることができる。 Bunraku dolls have been known as dolls with movements that appeal to human imagination. Bunraku dolls are used in Bunraku, a traditional Japanese performing art, and are capable of special expressions such as expanding and contracting arms, necks, and bodies. For this reason, even though the movements are not seen in real humans, by exaggerating the movements, it is possible to impressively convey emotions, etc. to the other person.

近年、かかる文楽人形の動作に注目し、文楽人形の動作をロボットで実現する試みがなされている(例えば、特許文献1参照)。このロボットによれば、たとえば介護産業などにおいて、豊かな感情表現によって人との親和性を維持しながら生活支援を行うことができる。 In recent years, attention has been paid to the movements of Bunraku dolls, and attempts have been made to realize the movements of Bunraku dolls with robots (for example, see Patent Document 1). According to this robot, for example in the nursing care industry, it is possible to provide daily life support while maintaining affinity with people through rich emotional expression.

特開2016-144545号公報Japanese Patent Application Publication No. 2016-144545

しかしながら、上述のロボットにおいては、動作を誇張することで豊かな感情表現がなされているものの、感情表現はまだ十分とは云えず、まだ改良の余地があった。また、女性の持つしなやかさなど、人間の有する微妙なプロポーションはいまひとつ再現できていないなどの課題があった。 However, although the above-mentioned robots are able to express rich emotions by exaggerating their movements, the expression of emotions is not yet sufficient and there is still room for improvement. Additionally, there were issues such as the fact that the delicate proportions of humans, such as the suppleness of women, could not be reproduced very well.

本発明の目的は、誇張した動作による豊かな感情表現と共に人間の有する微妙なプロポーションを再現することのできる動作表現機構を提供することである。
ところで、本発明に係る動作表現機構は、上述の文楽人形に着想を得たものである。このため、次に文楽人形について簡単に説明をする。文楽人形は、首(かしら)、鬘(かつら)、衣裳、手足、胴、小道具等で成り立っている。図9は文楽人形の首と胴、手足の例で、首にモーションキャプチャ用のマーカーを付けている状態である。これらが組み合わせられると、人間の形に似た人形となる。ここで、文楽人形は、首と手足の間が綿の入った比較的厚手の衣裳で繋がれており、衣裳が柔軟に変形することにより、人形の様々な姿勢が形作られるという特徴を有している。人形の首(かしら)の動きと右手の動きは主遣いの左手と右手によりそれぞれ精密に制御されるが、人形の肩や上腕に相当する部分は衣裳の重量と、首や両手の位置と角度、引いたり押したりの力加減で受動的に形が作られる。人形により異なるが、人間の肋骨から下の部分から膝に至るまでは、やはり同じように首(かしら)と両足の位置関係や角度等によって受動的に形作られるようになっている。
An object of the present invention is to provide a motion expression mechanism that can reproduce delicate human proportions as well as rich emotional expression through exaggerated motion.
By the way, the motion expression mechanism according to the present invention was inspired by the above-mentioned Bunraku dolls. For this reason, I will next briefly explain Bunraku dolls. Bunraku dolls are made up of a neck, a wig, a costume, limbs, a torso, and props. Figure 9 shows an example of the neck, torso, and limbs of a Bunraku doll, with markers for motion capture attached to the neck. When these are combined, they form a doll that resembles a human. Bunraku dolls have a relatively thick costume made of cotton that connects the neck and limbs, and the costume can flexibly deform, allowing the doll to take on a variety of postures. ing. The movements of the doll's neck and right hand are precisely controlled by the master's left and right hands, respectively, but the parts corresponding to the doll's shoulders and upper arms are controlled by the weight of the costume and the position and angle of the neck and hands. , the shape is created passively by adjusting the force of pulling or pushing. Although it differs from doll to doll, the human body from the ribs to the knees is passively shaped by the positional relationship and angle of the neck and legs in the same way.

文楽人形はこのように特殊な自由度を持つ故に、腕が伸びたり縮んだり、首(くび)が伸びたり縮んだり、胴体が伸びたり縮んだり、といった表現が可能であり、これを積極的に用いると、感情を表現する誇張動作として表れるようになる。首(かしら)は、図9の肩に相当する部材の中心に開けられている溝に嵌められて、この溝の先端の丸い穴部分を基点として、ピッチ、ロール、ヨーおよび伸び縮みの動きを実現することができる。さらに、この丸い穴部分と首(かしら)の支柱との間にはあそびがあって、両肩を結ぶ面に対して、前後左右の僅かな移動が起きる、あるいは意図的に起こせる構造となっている。このあそびが、実に人間らしい動きを作り出しているようにも見える。 Because Bunraku dolls have this special degree of freedom, it is possible to express things like the arms extending and contracting, the neck extending and contracting, and the torso extending and contracting. When used, it appears as an exaggerated movement expressing emotion. The neck is fitted into a groove drilled in the center of the member corresponding to the shoulder in Figure 9, and uses the round hole at the tip of this groove as a reference point to perform pitch, roll, yaw, and expansion/contraction movements. It can be realized. Furthermore, there is a play between this round hole and the neck support, so that slight movement forward, backward, left, and right relative to the plane that connects both shoulders can occur, or can be caused intentionally. There is. This play seems to produce movements that are truly human-like.

人形遣いは、通常3人で構成されており、主遣い(おもづかい)が首(かしら)と右手、左遣いが左手、足遣いが両足を担当している。図10は動作研究のために、人形にマーカーを付し、左遣いと足遣いも頭巾を付けずに演じている様子である。主遣いの両手の位置関係と、3人の手の相対的な位置関係により、人形の関節間の距離は変化させる二とができる構造となっている。一方で、3人の息が完全に合っていないと、人形の姿勢や動作すら成立しないという難しさがある。 The puppeteer is usually made up of three people, with the main puppeteer in charge of the neck and right hand, the left puppeteer in charge of the left hand, and the foot puppeteer in charge of both legs. In Figure 10, markers are attached to the puppets for movement research, and the left-handed and foot-handed puppets are also performed without a hood. The structure is such that the distance between the doll's joints can be changed depending on the relative position of the hands of the main handler and the relative positions of the three hands. On the other hand, if the three people are not in perfect sync with each other, the doll's posture and movements cannot be achieved.

主遣いは左手で人形の首を持ち、右手で人形の右手を操る。左手の指の関節を使って、肩の板と首の相対角度や位置を変えたりすることも行っている。図10では、人形が宙に浮いた状態が示されているが、実際の文楽の舞台では、手摺(てすり)と呼ばれる板が設けられていて、この板の上端を人形にとっての地面に見立てて演じられる。文楽人形が座ったり立ったりする動作や、胴体が伸び縮みする場合、主遣いの左腕の上下動には限りがあり、むしろ足が下に伸びる印象を受ける。しかしながら、本発明に係るロボットは、人間の形に近づけるため、胴体の伸び縮みを可能としつつも、足は実際の地面を基点として膝や股関節の屈曲が可能である必要がある。このため、胴体の伸び縮みは腰から上で伸縮される必要があり、上体が膝の屈曲により上下する機構として設計しなければならない。 The master handler holds the puppet's neck with his left hand and controls the puppet's right hand with his right hand. He also uses the knuckles of his left hand to change the relative angle and position of his shoulder plate and neck. In Figure 10, the puppets are shown floating in the air, but in an actual Bunraku stage, a board called a handrail is installed, and the top of this board is used as the ground for the puppets. It is played. When a Bunraku puppet sits or stands, or when its torso expands and contracts, there is a limit to the vertical movement of the main performer's left arm, and rather the impression is that the legs extend downward. However, in order to approximate the shape of a human, the robot according to the present invention needs to be able to extend and contract its torso, while also being able to bend its legs and knees and hip joints based on the actual ground. For this reason, the torso must be expanded and contracted from the waist up, and a mechanism must be designed in which the upper body moves up and down by bending the knees.

本発明の動作表現機構は、
複数の関節を有する動作体に用いられる動作表現機構であって、
前記動作体の首部、胸部、および腰部に配置され、少なくともピッチ軸回り、ロール軸回り、ヨー軸回りの3自由度を有す自由度構成部と、
前記胸部と前記腰部の間に位置するリンク部と、
前記リンク部に接続される腕部と
を備えることを特徴とする
The motion expression mechanism of the present invention is
A motion expression mechanism used for a motion body having multiple joints,
placed on the neck, chest, and waist of the operating body,It has at least three degrees of freedom around the pitch axis, roll axis, and yaw axis.RuDegrees of freedom componentand,
a link portion located between the chest and the waist;
an arm connected to the link;
characterized by comprising.

これにより、実際の人間には無い誇張した動作による豊かな感情表現と共に、人間の有する微妙なプロポーションを再現することができる。また、正面から視た姿勢においてS字を描くような女性らしさに訴えかける微妙なプロポーションを再現することができる。
また、腕部を胸部と腰部の間に接続することにより、体幹部(腕部を除く胴体部分)の質量の軽減や重心の高さの低下、腰部や胸部のアクチュエータが必要とするモーメント量の大幅な軽減ができるとともに、腕部の自由度を駆動するモーターの出力を大きくすることが容易になるため、上半身や腕部を早い周期で振動させることができ、たとえば号泣するときなどの細かな動きを実際よりも大げさに再現することができる
This makes it possible to reproduce rich emotional expressions through exaggerated movements that are not present in real humans, as well as delicate human proportions . In addition, when viewed from the front, it is possible to reproduce subtle proportions that appeal to femininity, such as drawing an S-shape.
In addition, by connecting the arms between the chest and waist, we can reduce the mass of the trunk (body part excluding the arms), lower the height of the center of gravity, and reduce the amount of moment required by the actuators in the waist and chest. Not only can this be significantly reduced, but it also makes it easier to increase the output of the motor that drives the degree of freedom in the arms, making it possible to vibrate the upper body and arms at a faster frequency, making it possible to vibrate small movements such as when crying, for example. It is possible to reproduce movements more exaggerated than they actually are .

また、本発明の動作表現機構は、
前記首部が前記胸部よりも前面側または背面側にずらして配置されていることを特徴とする。
Furthermore, the motion expression mechanism of the present invention is
It is characterized in that the neck portion is disposed shifted toward the front side or the back side with respect to the chest portion.

これにより、バランスが取れた状態で実際の人間とは異なる姿勢を維持でき、浮遊感を演出できる。
また、本発明の動作表現機構は、
前記胸部が、上下方向に伸縮する胸リンク部を備えることを特徴とする。
This allows the robot to maintain a well-balanced posture that differs from that of a real human, creating the feeling of floating.
Furthermore, the motion expression mechanism of the present invention is
The chest is characterized in that it includes a chest link that expands and contracts in the vertical direction.

これにより、人間の動作をデフォルメし、かつ誇張することができる。
また、本発明の動作表現機構は、
前記首部は、上下方向に伸縮する首リンク部を備えることを特徴とする。
This allows human motion to be deformed and exaggerated.
Furthermore, the motion expression mechanism of the present invention is
The neck portion is characterized in that it includes a neck link portion that expands and contracts in the vertical direction.

これにより、人間の動作をデフォルメし、かつ誇張することができる This allows human motion to be deformed and exaggerated .

また、本発明の動作表現機構は、
前記首部を前後にスライドさせるスライド機構を備えることを特徴とする。
これにより、会話をしている雰囲気をリアルに実現することができる。また、首を前後させることができるようにすることで、S字を描くようなプロポーションに加えて、人間の機能美をもリアルに実現することができる。
Furthermore, the motion expression mechanism of the present invention is
It is characterized by comprising a slide mechanism that slides the neck back and forth.
This makes it possible to realistically create the atmosphere of a conversation. In addition, by allowing the head to move forward and backward, it is possible to realistically achieve not only an S-shaped proportion but also the functional beauty of a human being.

本発明によれば、誇張した動作による豊かな感情表現と共に人間の有する微妙なプロポーションを再現することのできる動作表現機構を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a motion expression mechanism that can reproduce delicate human proportions as well as rich emotional expression through exaggerated motion.

実施の形態に係る動作表現機構のリンク部が伸長していない状態を上方から視た斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the motion expression mechanism according to the embodiment in a state where the link portion is not extended, viewed from above. 実施の形態に係る動作表現機構のリンク部が伸長した状態を上方から視た斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the motion expression mechanism according to the embodiment in a state where the link portion is extended, viewed from above. 実施の形態に係る動作表現機構を使用したロボットを正面から視た図である。1 is a front view of a robot using a motion expression mechanism according to an embodiment; FIG. 実施の形態に係る動作表現機構を使用したロボットを側面から視た図である。1 is a side view of a robot using a motion expression mechanism according to an embodiment; FIG. 実施の形態に係る動作表現機構において8の字状の軌跡を描く動きを実現する場合を説明するための概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining a case where a motion drawing a figure-eight trajectory is realized in the motion expression mechanism according to the embodiment. 他の実施の形態に係る動作表現機構を上方から視た斜視図である。FIG. 7 is a perspective view of a motion expression mechanism according to another embodiment viewed from above. 他の実施の形態に係る動作表現機構を上方から視た斜視図である。FIG. 7 is a perspective view of a motion expression mechanism according to another embodiment viewed from above. 他の実施の形態に係る動作表現機構を上方から視た斜視図である。FIG. 7 is a perspective view of a motion expression mechanism according to another embodiment viewed from above. モーションキャプチャ用のマーカーを付けた文楽人形の首、および文楽人形の胴と手足を示す写真である。This photo shows the neck of a Bunraku doll with markers for motion capture, and the torso and limbs of the Bunraku doll. 動作研究のために文楽人形にマーカーを付し、左遣いと足遣いが頭巾を付けずに文楽を演じている様子である。Markers were attached to the bunraku puppets to study their movements, and the left-hander and foot-player were seen performing Bunraku without wearing hoods.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る動作表現機構について説明する。図1は、実施の形態に係る動作表現機構を上方から視た斜視図である。なお、以下の説明においてはXYZ直交座標系を設定し、このXYZ直交座標系を参照して説明する。XYZ直交座標系は、図1に示すように、XY平面が動作表現機構2を載置する水平面に平行な面に設定され、Z軸が鉛直上方向に設定される。また、以下の説明において、回動を表す場合、X軸をロール軸、Y軸をピッチ軸、Z軸をヨー軸として設定する。回動を説明する際には、ロール軸回り、ピッチ軸回り、ヨー軸回りの用語を用いて説明する。 Hereinafter, a motion expression mechanism according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of the motion expression mechanism according to the embodiment viewed from above. In the following description, an XYZ orthogonal coordinate system is set, and the description will be made with reference to this XYZ orthogonal coordinate system. In the XYZ orthogonal coordinate system, as shown in FIG. 1, the XY plane is set to be parallel to the horizontal plane on which the motion expression mechanism 2 is placed, and the Z axis is set in the vertically upward direction. In the following description, when representing rotation, the X axis is set as a roll axis, the Y axis is set as a pitch axis, and the Z axis is set as a yaw axis. When explaining rotation, terms such as around a roll axis, around a pitch axis, and around a yaw axis will be used.

図1に示すように、動作表現機構2は、複数の関節を有する動作体である人型の機構であり、複数の自由度構成部(頭部4、首部6、胸部8、腕部10、腰部12、膝部14、および足部16)とこれらの自由度構成部同士を連結するリンク部(第1リンク部22、第2リンク部24、第3リンク部26、および第4リンク部28)を備えている。 As shown in FIG. 1, the motion expression mechanism 2 is a humanoid mechanism that is a motion body having a plurality of joints, and has a plurality of degree-of-freedom components (a head 4, a neck 6, a chest 8, an arm 10, waist part 12, knee part 14, and foot part 16) and link parts (first link part 22, second link part 24, third link part 26, and fourth link part 28) that connect these degree-of-freedom constituent parts. ).

ここで、リンク部には、たとえば金属製の角パイプ材などが用いられる。また、自由度構成部に含まれる関節部では、モーターを用いて自由度方向への回動が実現されている。体幹部(腕部10を除く胴体部分)の関節部がそれぞれ複数のモーターで構成される場合には、出力軸が互いに一点で直交するようにモーターを配置することにより、関節らしい違和感のない動作を表現できる。 Here, for example, a metal square pipe material is used for the link portion. Further, in the joint portion included in the degree of freedom configuration section, rotation in the direction of the degree of freedom is realized using a motor. If the joints of the trunk (the body part excluding the arms 10) are each composed of multiple motors, the motors can be arranged so that their output axes are orthogonal to each other at one point, so that the joints can move without the discomfort of a joint. can be expressed.

頭部4は、XY平面において直交する方向に回動する二つのモーターから成る関節部であり、ロール軸回りおよびピッチ軸回りに回動することが可能である。すなわち、頭部4は、ロール軸回りおよびピッチ軸回りの回動の2自由度を有している。 The head 4 is a joint made up of two motors that rotate in orthogonal directions in the XY plane, and can rotate around a roll axis and a pitch axis. That is, the head 4 has two degrees of freedom: rotation around the roll axis and rotation around the pitch axis.

首部6は、XYZ空間においてそれぞれ直交する方向に回動する三つのモーターから成る首関節部6aと、頭部4を支持し、Z軸方向に伸縮することが可能な首リンク部6bを備えている。すなわち、首部6は、ロール軸回り、ピッチ軸回り、ヨー軸回りの回動と、Z軸方向への伸縮の4自由度を有している。なお、首リンク部6bの伸縮は、たとえば、大径の角パイプの中に小径の角パイプを配置し、Z軸方向にスライドさせることなど、公知の技術によって実現される。また、三つのモーターの出力軸は互いに一点で直交している。なお、首関節部6aの動きは、文楽人形の人形遣いの指先の動きに相当する動きを実現するものである。 The neck part 6 includes a neck joint part 6a made up of three motors that rotate in directions orthogonal to each other in the XYZ space, and a neck link part 6b that supports the head 4 and can expand and contract in the Z-axis direction. There is. That is, the neck portion 6 has four degrees of freedom: rotation around the roll axis, around the pitch axis, around the yaw axis, and expansion and contraction in the Z-axis direction. The expansion and contraction of the neck link portion 6b is realized by a known technique such as, for example, arranging a small-diameter square pipe within a large-diameter square pipe and sliding it in the Z-axis direction. Furthermore, the output shafts of the three motors are orthogonal to each other at one point. Note that the movement of the neck joint 6a realizes a movement corresponding to the movement of the fingertips of a puppeteer of a Bunraku puppet.

また、首部6を支持する第1リンク部22は、XZ平面において略Z字形状を有し、首部6は、胸部8よりも背面側に後退して配置されている。このように、首部6を胸部8よりも背面側にオフセットして配置することにより、バランスが取れた状態で、実際の人間とは異なる姿勢を維持でき、浮遊感を演出できる。 Further, the first link part 22 that supports the neck part 6 has a substantially Z-shape in the XZ plane, and the neck part 6 is arranged so as to be retreated from the chest 8 toward the back side. In this way, by arranging the neck 6 offset to the back side of the chest 8, it is possible to maintain a balanced posture, which is different from that of an actual human being, and create a floating feeling.

胸部8は、第1リンク部22を支持する胸関節部8aと胸関節部8aを支持する胸リンク部8bを備えている。胸関節部8aは、出力軸が互いに一点で直交するように配置された三つのモーターから成り、ロール軸回り、ピッチ軸回り、ヨー軸回りに回動することが可能である。また、胸リンク部8bは、Z軸方向に伸縮することが可能である。このため、胸部8は、ロール軸回り、ピッチ軸回り、ヨー軸回りの回動と、Z軸方向への伸縮の4自由度を有している。ここで、胸リンク部8bの伸縮もまた、首リンク部6bと同様に公知の技術によって実現される。なお、胸関節部8aの動きは、文楽人形の人形遣いの手首の動きに相当する動きを実現するものである。 The chest 8 includes a chest joint part 8a that supports the first link part 22, and a chest link part 8b that supports the chest joint part 8a. The thoracic joint part 8a is composed of three motors arranged such that their output axes are orthogonal to each other at one point, and can rotate around a roll axis, a pitch axis, and a yaw axis. Further, the chest link portion 8b can expand and contract in the Z-axis direction. Therefore, the chest 8 has four degrees of freedom: rotation around the roll axis, around the pitch axis, around the yaw axis, and expansion and contraction in the Z-axis direction. Here, the expansion and contraction of the chest link part 8b is also realized by a known technique in the same way as the neck link part 6b. The movement of the thoracic joint 8a corresponds to the movement of the wrist of a bunraku puppeteer.

図2は、動作表現機構2において、首リンク部6bおよび胸リンク部8bをZ軸方向に伸長した状態を示す図である。このように、頭部4や胸部8が伸縮する動きは実際の人間の動作にはありえないことであるが、人型ロボットに動作表現機構2を使用した場合には、かかる伸縮を通じて人間の動作をデフォルメすることができる。 FIG. 2 is a diagram showing a state in which the neck link part 6b and the chest link part 8b are extended in the Z-axis direction in the motion expression mechanism 2. In this way, the movement of the head 4 and the chest 8 to expand and contract cannot occur in actual human movements, but when the motion expression mechanism 2 is used in a humanoid robot, it is possible to express human movements through such expansion and contraction. Can be deformed.

また、首や胴体が上下に動いたり伸縮することで、ロボットが話している状態を対話者だけでなく、周囲の人々にも伝えることができるため、人とロボットのコミュニケーション時の関係性を良好となり親和性を増大させることができる。さらに、ロボットの感情表現が人々に伝わりやすくなることで、ぎこちなくなりがちなロボットの欠点を補うことができる。 In addition, by moving the neck and torso up and down and expanding and contracting, the robot is able to convey the state of the conversation not only to the interlocutor but also to the people around it, improving the relationship when communicating between humans and robots. This can increase affinity. Furthermore, by making it easier for people to understand the robot's emotional expressions, it can compensate for the robot's tendency to be clumsy.

腕部10は、それぞれ略コの字形状を有し、関節部として基部10a、内肩部10b、外肩部10c、肘部10d、手首部10eを備えている。また、それぞれの関節部は、リンク部材によって接続されている。ここで、基部10aは、胸部8と腰部12の間に位置する第2リンク部24に接続されている。基部10aは、ロール軸回り、ピッチ軸回りに回動することが可能であり、2自由度を有している。なお、内肩部10b、外肩部10c、手首部10eは、それぞれロール軸回りのみに回動する関節部のみから形成され、1自由度を有している。また、肘部10dは、ロール軸回り、ピッチ軸回り、ヨー軸回りに回動することが可能であり、3自由度を有している。すなわち、腕部10は、それぞれ片腕で合計8自由度を有している。 The arm portions 10 each have a substantially U-shape and include a base portion 10a, an inner shoulder portion 10b, an outer shoulder portion 10c, an elbow portion 10d, and a wrist portion 10e as joint portions. Moreover, each joint part is connected by a link member. Here, the base portion 10a is connected to a second link portion 24 located between the chest portion 8 and the waist portion 12. The base portion 10a can rotate around the roll axis and around the pitch axis, and has two degrees of freedom. Note that the inner shoulder portion 10b, the outer shoulder portion 10c, and the wrist portion 10e are each formed only from joint portions that rotate only around the roll axis, and have one degree of freedom. Further, the elbow portion 10d can rotate around a roll axis, a pitch axis, and a yaw axis, and has three degrees of freedom. That is, each arm portion 10 has a total of eight degrees of freedom in one arm.

上述したように、胸部8と腰部12の間に位置する第2リンク部24に腕部10を接続することにより、一般の人間型ロボットのよう肩に相当する部分(胸部8の上方に位置する上体部)に腕部10が接続されないため、体幹部の質量の軽減や重心の高さの低下を実現することができる。このため、胸部8や腰部12のアクチュエータに加わる慣性モーメント量を大幅に軽減することに加え、より大型の高出力、高応答なモーターを腕部10に用いることができる。よって、上半身や腕部10を早い周期で振動させることができ、たとえば号泣するときなどの細かな動きを実際よりも大げさに再現することができる。 As described above, by connecting the arm 10 to the second link 24 located between the chest 8 and the waist 12, the arm 10 is connected to the second link 24 located between the chest 8 and the waist 12. Since the arm portion 10 is not connected to the upper body portion, it is possible to reduce the mass of the trunk and lower the height of the center of gravity. Therefore, in addition to significantly reducing the amount of inertia applied to the actuators of the chest 8 and waist 12, a larger, high-output, high-response motor can be used in the arm 10. Therefore, it is possible to vibrate the upper body and the arm 10 at a faster frequency, and it is possible to reproduce minute movements such as when crying, for example, in a more exaggerated manner than in reality.

腰部12は、第2リンク部24を支持する関節部のみから形成され、出力軸が互いに一点で直交するように配置された三つのモーターから成る。このため、腰部12は、ロール軸回り、ピッチ軸回り、ヨー軸回りに回動することが可能であり、3自由度を有している。なお、動作表現機構2は、ピッチ軸回り、ロール軸回り、ヨー軸回りの3自由度の関節部を有する自由度構成部を体幹部に3か所(首部6、胸部8、および腰部12)備えている。このため、たとえば、図3に示すように、動作表現機構2を女性のロボットの骨格などに使用した場合には、首部6、胸部8、および腰部12を屈折させることにより、正面から視た姿勢においてS字を描くような女性らしさに訴えかける微妙なプロポーションを再現することができる。また、図4に示すように、側面から視た姿勢においても、首部6、胸部8、および腰部12を屈折させることにより、微妙なプロポーションを再現することができる。なお、腰部12の動きは、文楽人形の人形遣いの肘の動きに相当する動きを実現するものである。 The waist part 12 is formed only from a joint part that supports the second link part 24, and consists of three motors arranged so that their output shafts are orthogonal to each other at one point. Therefore, the waist portion 12 can rotate around the roll axis, the pitch axis, and the yaw axis, and has three degrees of freedom. The motion expression mechanism 2 has three degree-of-freedom components in the trunk (neck 6, chest 8, and waist 12) that have joints with three degrees of freedom around the pitch axis, roll axis, and yaw axis. We are prepared. For this reason, for example, as shown in FIG. 3, when the motion expression mechanism 2 is used for the skeleton of a female robot, the neck 6, the chest 8, and the waist 12 are refracted to improve the posture seen from the front. It is possible to reproduce subtle proportions that appeal to femininity, such as drawing an S-shape. Further, as shown in FIG. 4, delicate proportions can be reproduced by bending the neck 6, chest 8, and waist 12 even when viewed from the side. The movement of the waist 12 corresponds to the movement of the elbows of a Bunraku puppeteer.

膝部14は、第3リンク部26を支持する関節部のみから形成されている。この膝部14は、ピッチ軸回りに回動する一つのモーターから成り、1自由度を有している。
足部16は、第4リンク部28を支持する関節部のみから形成されている。この足部16は、ロール軸回り、ピッチ軸回りに回動する二つのモーターから成り、2自由度を有している。また、足部16は、平板状の足面部18上に固定されている。動作表現機構2は、この足面部18によってXY平面に転倒しないように載置され、転倒せずに極端な姿勢をとることができるため、観者を魅了することができる。
The knee portion 14 is formed only from a joint portion that supports the third link portion 26. This knee portion 14 is composed of one motor that rotates around the pitch axis and has one degree of freedom.
The foot portion 16 is formed only from a joint portion that supports the fourth link portion 28. This foot portion 16 is composed of two motors that rotate around a roll axis and a pitch axis, and has two degrees of freedom. Further, the foot portion 16 is fixed onto a flat foot surface portion 18. The motion expression mechanism 2 is placed on the XY plane by the foot surface portion 18 so as not to fall over, and can take an extreme posture without falling over, thereby attracting viewers.

この実施の形態に係る動作表現機構2によれば、首部6、胸部8、および腰部12の3か所にピッチ軸回り、ロール軸回り、ヨー軸回りの3自由度の関節部を有する自由度構成部を備えることにより、実際の人間には無い誇張した動作による豊かな感情表現と共に、人間の有する微妙なプロポーションを再現することができる。 According to the motion expression mechanism 2 according to this embodiment, the degrees of freedom include joints with three degrees of freedom around the pitch axis, around the roll axis, and around the yaw axis at three locations: the neck 6, the chest 8, and the waist 12. By providing these components, it is possible to reproduce rich emotional expressions through exaggerated movements that are not found in real humans, as well as delicate human proportions.

また、動作表現機構2の動きは、図5に示すように、胸部8を中心として首部6、胸部8、および腰部12を8の字状の軌跡を描くように蛇行させると共に、肩27の関節や肘29の関節をくねらせることができる。このため、複雑なダンスなどの動きを比較的忠実に再現することができる。 Furthermore, as shown in FIG. 5, the movement of the motion expression mechanism 2 causes the neck 6, the chest 8, and the waist 12 to meander in a figure-8-shaped trajectory centering on the chest 8, and also causes the shoulder 27 joints to meander. He can bend the joints of his elbows and elbows. Therefore, complex movements such as dance can be reproduced relatively faithfully.

また、首部6を胸部8よりも背面側にオフセットして配置することにより、体幹部の中心軸に対して、美しいS字の曲線を誇張して表現できる。また、図4に示すように、首部6を前に傾け、うなじのラインを協調した姿勢をとった場合にも美しい曲線を維持することができる。 Furthermore, by arranging the neck 6 offset to the back side of the chest 8, a beautiful S-shaped curve can be exaggerated with respect to the central axis of the trunk. Furthermore, as shown in FIG. 4, a beautiful curve can be maintained even when the neck 6 is tilted forward and the nape line is aligned.

また、頭部4と胸部8に、実際の人間の動作にはありえないZ軸方向へ伸縮する自由度を追加することにより、人間の動作をデフォルメすることができる。
また、自由度構成部において、出力軸が互いに一点で直交するようにモーターを配置して関節部を構成することにより、違和感のない動作を表現できる。特に、腰部12のロール軸とピッチ軸を一つの関節部とすることにより違和感を無くすことができる。さらに、ヨー軸を関節部に加えることにより、腰部12の上のお腹の部分が回動するので、女性らしいイメージを実現できる。
Further, by adding a degree of freedom to the head 4 and the chest 8 to expand and contract in the Z-axis direction, which is not possible in actual human motion, human motion can be deformed.
In addition, in the degree of freedom configuration section, by configuring the joint section by arranging the motors so that the output axes are orthogonal to each other at one point, it is possible to express motion without any discomfort. In particular, by making the roll axis and the pitch axis of the waist portion 12 into one joint, the sense of discomfort can be eliminated. Furthermore, by adding a yaw axis to the joints, the abdomen above the waist 12 rotates, making it possible to achieve a feminine image.

なお、上述の実施の形態において、図6に示すように、首部6の近傍にX軸方向およびY軸方向に並進する自由度を構成する並進部30を設けてもよい。この並進部30は、第1リンク部22の後方にさらにL字リンク30aを接続し、その上にロール軸回りに回動するロール部30bを配置し、さらにそのY軸方向両側に水平リンク部30cを延設し、双方の水平リンク部30cの先端にX軸方向およびY軸方向に十字部30dを配置して成る。十字部30dは、Y軸方向に伸縮する第1伸縮部30yとX軸方向に伸縮する第2伸縮部30xとを備えている。第2伸縮部30xは、第1伸縮部30yに固定されており、X-Yプロッタのように、第1伸縮部30yの伸縮に伴ってY軸方向の位置を変化させる。もちろん、第1伸縮部30yが第2伸縮部30xに固定され、第2伸縮部30xの伸縮に伴ってX軸方向の位置を変化させるようにしてもよい。これにより、両肩(30d、30d)を結ぶ面に対する首部6の相対位置を微細に変化させる繊細な表現が可能になる。なお、並進部30の動作は、特に柔軟な衣裳を外装とする場合に有効である。 In addition, in the above-mentioned embodiment, as shown in FIG. 6, a translation part 30 may be provided in the vicinity of the neck part 6, which constitutes a degree of freedom to translate in the X-axis direction and the Y-axis direction. This translation part 30 further connects an L-shaped link 30a to the rear of the first link part 22, arranges a roll part 30b that rotates around a roll axis on it, and furthermore has horizontal link parts on both sides in the Y-axis direction. 30c is extended, and cross portions 30d are arranged in the X-axis direction and the Y-axis direction at the tips of both horizontal link portions 30c. The cross portion 30d includes a first elastic portion 30y that expands and contracts in the Y-axis direction and a second elastic portion 30x that expands and contracts in the X-axis direction. The second stretchable section 30x is fixed to the first stretchable section 30y, and changes its position in the Y-axis direction as the first stretchable section 30y expands and contracts, like an XY plotter. Of course, the first stretchable section 30y may be fixed to the second stretchable section 30x, and the position in the X-axis direction may be changed as the second stretchable section 30x expands and contracts. This enables delicate expression by minutely changing the relative position of the neck 6 with respect to the plane connecting both shoulders (30d, 30d). Note that the operation of the translation unit 30 is particularly effective when a flexible costume is used as an exterior.

また、上述の実施の形態において、ピッチ軸回り、ロール軸回り、ヨー軸回りの3自由度の関節部を有する自由度構成部は、首部6、胸部8、および腰部以外にも備えられていてもよい。すなわち、3自由度の関節部を有する自由度構成部が4か所以上備えられていてもよい。この場合、さらに豊かな感情表現を実現することができる。 Furthermore, in the above-described embodiment, the degree-of-freedom component having three degrees of freedom joints around the pitch axis, around the roll axis, and around the yaw axis is provided in areas other than the neck 6, the chest 8, and the waist. Good too. That is, four or more degree-of-freedom constituent parts having joint parts with three degrees of freedom may be provided. In this case, richer emotional expression can be realized.

また、上述の実施の形態においては、人型の機構を例に動作表現機構2を説明しているが、動作表現機構2は必ずしも人型の機構に限定されない。たとえば、動物などの生物の他、電子レンジ、テレビ、椅子などの無生物にも応用することができる。 Further, in the above-described embodiment, the motion expression mechanism 2 is explained using a humanoid mechanism as an example, but the motion expression mechanism 2 is not necessarily limited to a humanoid mechanism. For example, it can be applied to living things such as animals as well as inanimate objects such as microwave ovens, televisions, and chairs.

また、上述の実施の形態において、人の腕の部分(図3、4の符号20)が伸縮するようにしてもよい。これにより、さらに豊かな感情表現を実現することができる。
また、上述の実施の形態においては、モーターで関節部を形成しているが、モーターに代えてボールジョイントなどの球継手を用いてもよい。これにより、ロボット的な動きではなく本物の人間に近い繊細かつ柔軟な動きを実現することができる。また、自由度構成部において、複数の自由度を同じ高さで実現できるため、さらに違和感のない動作を表現できる。また、肩や肘の部分はモーターを用いると関節が肥大化するが、球継手を用いることにより、かかる関節の肥大化を防止することができる。なお、自由度構成部を動かすことによる動作表現機構2の動きは遠隔操作できるようにするのが好ましい。
Further, in the above-described embodiment, the arm portion of the person (reference numeral 20 in FIGS. 3 and 4) may be made to expand and contract. This allows for even richer emotional expression.
Further, in the above-described embodiment, the joint is formed by a motor, but a ball joint such as a ball joint may be used instead of the motor. This makes it possible to achieve delicate and flexible movements that are closer to those of a real human, rather than robot-like movements. In addition, since multiple degrees of freedom can be realized at the same height in the degree-of-freedom configuration section, it is possible to express motions that are more natural. Further, when a motor is used in the shoulders and elbows, the joints become enlarged, but by using a ball and socket joint, such enlargement of the joints can be prevented. Note that it is preferable that the movement of the motion expression mechanism 2 by moving the degrees of freedom component can be controlled remotely.

また、上述の実施の形態においては、首部6を胸部8よりも背面側にオフセットして配置しているが、図7に示すように、首部6を胸部8よりも前面側にずらして配置してもよい。動作表現機構2が人型の機構ではなく動物などの場合、この方が実物に近い感情表現ができる場合がある。なお、もちろん、首部6の位置をX軸方向にずらさず、首部6を胸部8の直上に配置してもよい。 In addition, in the above-described embodiment, the neck 6 is arranged offset to the back side from the chest 8, but as shown in FIG. 7, the neck 6 is arranged offset from the chest 8 to the front side. You can. If the motion expression mechanism 2 is not a humanoid mechanism but an animal, this may allow emotional expressions closer to the real thing. Note that, of course, the neck portion 6 may be placed directly above the chest 8 without shifting the position of the neck portion 6 in the X-axis direction.

また、上述の実施の形態において、図8に示すように、第1リンク部22に首部6を前後(X軸方向)にスライドさせるスライド機構22aを設けてもよい。このように首を前後させることができるようにすることで、会話をしている雰囲気をリアルに実現することができる。また、首を前後させることができるようにすることで、S字を描くようなプロポーションに加えて、人間の機能美をもリアルに実現することができる。 Further, in the above-described embodiment, as shown in FIG. 8, a slide mechanism 22a for sliding the neck portion 6 back and forth (in the X-axis direction) may be provided in the first link portion 22. By being able to move the head back and forth in this way, it is possible to realistically create the atmosphere of a conversation. In addition, by allowing the head to move forward and backward, it is possible to realistically achieve not only an S-shaped proportion but also the functional beauty of a human being.

2 動作表現機構
4 頭部
6 首部
6a 首関節部
6b 首リンク部
8 胸部
8a 胸関節部
8b 胸リンク部
10 腕部
10a 基部
10b 内肩部
10c 外肩部
10d 肘部
10e 手首部
12 腰部
14 膝部
16 足部
18 足面部
20 腕
22 第1リンク部
22a スライド機構
24 第2リンク部
26 第3リンク部
27 肩
28 第4リンク部
29 肘
30 並進部
30a L字リンク
30b ロール部
30c 水平リンク部
30d 十字部
30x 第2伸縮部
30y 第1伸縮部
2 Motion expression mechanism 4 Head 6 Neck 6a Neck joint 6b Neck link 8 Chest 8a Thoracic joint 8b Chest link 10 Arm 10a Base 10b Inner shoulder 10c Outer shoulder 10d Elbow 10e Wrist 12 Waist 14 Knee Section 16 Foot section 18 Foot section 20 Arm 22 First link section 22a Slide mechanism 24 Second link section 26 Third link section 27 Shoulder 28 Fourth link section 29 Elbow 30 Translation section 30a L-shaped link 30b Roll section 30c Horizontal link section 30d Cross section 30x Second elastic section 30y First elastic section

Claims (5)

複数の関節を有する動作体に用いられる動作表現機構であって、
前記動作体の首部、胸部、および腰部に配置され、少なくともピッチ軸回り、ロール軸回り、ヨー軸回りの3自由度を有する自由度構成部と、
前記胸部と前記腰部の間に位置するリンク部と、
前記リンク部に接続される腕部と
を備えることを特徴とする動作表現機構
A motion expression mechanism used for a motion body having multiple joints,
placed on the neck, chest, and waist of the operating body,Degree-of-freedom component having at least three degrees of freedom around the pitch axis, around the roll axis, and around the yaw axisand,
a link portion located between the chest and the waist;
an arm connected to the link;
An action expression mechanism characterized by comprising:.
前記首部が前記胸部よりも前面側または背面側にずらして配置されていることを特徴とする請求項記載の動作表現機構。 2. The motion expression mechanism according to claim 1 , wherein the neck portion is disposed to be shifted toward the front side or the back side with respect to the chest portion. 前記胸部は、上下方向に伸縮する胸リンク部を備えることを特徴とする請求項またはに記載の動作表現機構。 3. The motion expression mechanism according to claim 1 , wherein the chest includes a chest link part that expands and contracts in the vertical direction. 前記首部は、上下方向に伸縮する首リンク部を備えることを特徴とする請求項の何れか一項に記載の動作表現機構。 The motion expression mechanism according to any one of claims 1 to 3 , wherein the neck portion includes a neck link portion that expands and contracts in the vertical direction. 前記首部を前後にスライドさせるスライド機構を備えることを特徴とする請求項の何れか一項に記載の動作表現機構。 The motion expression mechanism according to any one of claims 1 to 4, further comprising a slide mechanism that slides the neck back and forth.
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