JP7397425B2 - 動作表現機構 - Google Patents

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。

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。

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。

特開２０１６－１４４５４５号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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１記載の動作表現機構。
3. 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１または２に記載の動作表現機構。
4. 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１～３の何れか一項に記載の動作表現機構。
5. 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１～４の何れか一項に記載の動作表現機構。

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