ロボットアーム、ロボット及び制御方法
【課題】打楽器の演奏だけでなく他の作業も可能とするロボットアームを提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係るロボットアームは、動作部と、前記動作部が回動自在に連結された支持部と、前記動作部の回動運動を直線運動に変換して、移動部材に伝達する変換機構と、前記移動部材の移動距離を検出する距離センサと、前記距離センサで検出された前記移動部材の移動距離に基づいて、前記動作部の動作を制御する制御部とを備えるものである。
【解決手段】本発明の一態様に係るロボットアームは、動作部と、前記動作部が回動自在に連結された支持部と、前記動作部の回動運動を直線運動に変換して、移動部材に伝達する変換機構と、前記移動部材の移動距離を検出する距離センサと、前記距離センサで検出された前記移動部材の移動距離に基づいて、前記動作部の動作を制御する制御部とを備えるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、楽器の演奏や他の作業を行うロボットアーム、ロボット及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、テーマパークのアトラクション等で、打楽器を演奏するロボットが活躍している。このロボットは、スティックを持ったハンドを備えており、演奏する曲にあわせてハンドを動作させることによって、スティックの先端を打楽器の打面に打ち下ろして演奏する。このような実際の打楽器をロボットに演奏させる技術として、例えば特許文献１〜５がある。
【０００３】
従来のロボットでは、打楽器の演奏を行うために、スティックを加工してハンドに固定していた。例えば、特許文献４に記載の打楽器演奏ロボットでは、ドラムの演奏を行うため、スティックが掌部に回転軸を支点として回転可能に連結されている。また、スティックと掌部の間にはスプリングが圧縮状態で挿入されており、このバネの復元力を利用して、スティックを動かすことにより演奏を行う。
【特許文献１】特開２００４−１７７６８６号公報
【特許文献２】特開２００２−２５８８３６号公報
【特許文献３】特開２００７−４１１６８号公報
【特許文献４】特開２００６−１５９２９５号公報
【特許文献５】特開２００４−３５４６１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の打楽器演奏ロボットのハンドは、打楽器の演奏専用となっており、汎用性を有しない構成となっている。近年、家庭内アシスタントや器用な動作を可能にするロボットアームのニーズが高まっている。この中で、打楽器の演奏に用いるロボットアームについても打楽器の演奏専用ではなく、他の楽器を演奏したり、他の作業にも使用できる汎用化が求められている。
【０００５】
本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、打楽器の演奏だけでなく、他の作業も可能とする汎用性のあるロボットアーム、ロボット及び制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様に係るロボットアームは、動作部と、前記動作部が回動自在に連結された支持部と、前記動作部の回動運動を直線運動に変換して、移動部材に伝達する変換機構と、前記移動部材の移動距離を検出する距離センサと、前記距離センサで検出された前記移動部材の移動距離に基づいて、前記動作部の動作を制御する制御部とを備えるものである。これにより、汎用性のあるロボットアームを実現することが可能である。
【０００７】
本発明の第２の態様に係るロボットアームは、上記のロボットアームにおいて、前記距離センサは、前記移動部材との間の静電容量の変化により、前記移動部材の移動距離を検出するものである。これにより、低コストで汎用性のあるロボットアームを実現することが可能である。
【０００８】
本発明の第３の態様に係るロボットアームは、上記のロボットアームにおいて、前記動作部は手部であり、掌部と、前記掌部に連結された複数の指部と、前記指部を屈曲させる関節部とを有し、前記指部を屈曲させることで把持対象を把持するものである。これにより、さらに汎用性を向上させることができる。
【０００９】
本発明の第４の態様に係るロボットアームは、上記のロボットアームにおいて、前記指部は、第１指部と第２指部を含み、前記第１指部と前記第２指部との間で挟み込むように把持対象を把持するものである。このような場合に、好適に打楽器の演奏を行うことができる。
【００１０】
本発明の第５の態様に係るロボットアームは、上記のロボットアームにおいて、前記複数の指部の少なくとも１箇所に、前記把持対象の把持状態を検出する把持検出センサを備えるものである。これにより、把持状態を確認することができ、安全に人と共生することができる。
【００１１】
本発明の第６の態様に係るロボットアームは、上記のロボットアームにおいて、前記指部は、第３指部を含み、前記掌部に設けられ、前記把持対象の接触を検出する接触検出センサをさらに備え、前記接触検出センサの検出結果に基づいて、前記掌部と前記第３指部の距離を制御するものである。これにより、所望の演奏動作を行うことが可能となる。
【００１２】
本発明の第７の態様に係るロボットは、上記いずれかに記載のロボットアームを備えるものである。
【００１３】
本発明の第８の態様に係るロボットの制御方法は、動作部の回動運動を変換して、移動部材に伝達するステップと、前記移動部材の移動距離を検出するステップと、前記移動部材の移動距離に基づいて、前記動作部の動作を制御するステップとを有する。これにより、ロボットの汎用性を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、打楽器の演奏だけでなく、他の作業も可能とする汎用性のあるロボットアーム、ロボット及び制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略する。
【００１６】
本発明に係るロボットは、打楽器の演奏だけではなく、他の楽器の演奏や、他の作業も行うことができる。本発明では、打楽器演奏において、従来のように打力の制御を行うための専用の機構（スプリングや、スティック固定部品等）を使用せずに、複数の指部を備えるハンドの打力制御を可能にするシステムを構成して汎用性の向上を行うものである。なお、以下の説明では、スティックを把持した状態での打楽器の演奏動作について説明するが、これに限定されるものではない。
【００１７】
なお、本発明による汎用性向上とは、例えば、下記に掲げる物の把持や、各動作の制御への応用をさす。本発明に係るロボットが行うことができる動作として、例えば、（１）タンバリン等の打楽器の演奏や人の肩たたき等、物を把持しない状態での打力制御、（２）ヴァイオリンの弓や打楽器全般のスティック等、棒状物体の把持制御及びこれらを用いた楽器への打力制御等の動作制御、（３）包丁を使用した食品を切断する動作等の柄をもつ物体の把持とその動作制御等が挙げられる。また、物の把持だけであれば、掌サイズの物体なら対応可能である。
【００１８】
本発明の実施の形態に係るロボットアーム及びこれを備えるロボットについて、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係るロボット１００の構成を示す図である。図２は、図１に示すロボットの手部２０の構成を示す図である。図３は、本実施の形態に係るロボット１００の動作を説明するための図である。図４は、図３のＡ部の構成を示す図である。本実施の形態に係るロボット１００は、打楽器を演奏する際に、１回のストロークで打楽器の打面を単発的に叩く単打演奏と、１回のストロークで打楽器の打面を複数回連続的に叩くロール演奏を含む複数の演奏法を行うことができる。
【００１９】
まず、図１を参照して、本実施の形態に係るロボット１００の構成について説明する。ロボット１００は、ヒトを模して作成されたヒューマノイド・ロボットである。ここでは、ロボット１００は、打楽器の一例であるドラム４０を演奏する場合について説明する。図１に示すように、ロボット１００は、腕部１０、頭部３０、胴体部３１、制御部３２、車輪３３等を備えている。
【００２０】
胴体部３１は、略直方体形状を有している。胴体部３１には、ロボット１００の動作を統括的に制御する制御部３２が収納されている。胴体部３１には、右腕部、左腕部として、２本の腕部１０が接続されている。右腕部と、左腕部とは略同一の構成を有している。腕部１０は、肩関節１１、上腕部１２、肘関節１３、前腕部１４、手首関節１５、手部２０を有している。胴体部３１には、上腕部１２の一端が、肩関節１１を介して揺動自在に取り付けられている。
【００２１】
上腕部１２の他端には、肘関節１３を介して、前腕部１４の一端が接続されている。前腕部１４は肘関節１３を支点として揺動可能である。また、上腕部１２の内部には前腕部１４を揺動させるアクチュエータ１６ａが設けられている。アクチュエータ１６ａとしては、例えば、ソレノイドやモータ等を用いることができる。このアクチュエータ１６ａは、制御部３２から出力される制御信号により駆動される。
【００２２】
前腕部１４の他端には、手首関節１５を介して手部２０が連結されている。手部２０は、手首関節１５を支点として揺動可能である。前腕部１４の内部には、手部２０を揺動させるアクチュエータ１６ｂが設けられている。アクチュエータ１６ｂとしては、ソレノイドやモータ等を用いることができる。このアクチュエータ１６ｂもまた、制御部３２から出力される制御信号により駆動される。手部２０には、ドラム４０を演奏する（叩く）ためのスティック４１が把持されている。手部２０がスティック４１を用いて、打楽器を演奏する動作部である。また、本実施の形態では、前腕部１４が支持部となる。手部２０によるスティックの把持の様子については、後に詳述する。
【００２３】
また、胴体部３１の下側には、車輪３３が接続されている。ロボット１００は、車輪３３を回転させることによって、前進／後退をする。本実施の形態に係るロボット１００は、ヒトがドラム４０を叩きながら行進するように、車輪３３を回転させて移動しながらドラム４０の演奏を行う。
【００２４】
ここで、図２を参照して、手部２０の構成について説明する。手部２０は、複数の指部を有する。図２に示すように、手部２０は、人間の手と同様に、親指部２１、人差し指部２２、中指部２３、薬指部２４、小指部２５の５本の指部を備えている。これらの指部は、掌部２６に連結されている。もちろん、指部の本数は、４本以下でもよく６本以上でもよい。
【００２５】
親指部２１は、第１関節２１ａ、第２関節２１ｂ、第３関節２１ｃを備える。第１関節２１ａは、親指部２１を内外転させ、各指部間の間隔の調整を行う。第２関節２１ｂ、第３関節２１ｃは、親指部２１を屈曲させる。第２関節２１ｂは、第１関節２１ａよりも指先のほうに設けられている。また、第３関節２１ｃは、第２関節２１ｃよりも指先のほうに設けられている。
【００２６】
人差し指部２２、中指部２３、薬指部２４、小指部２５は、略同一の構成を有している。そこで、小指部２５を代表して、その構成について説明する。小指部２５は、第１関節２５ａ、第２関節２５ｂ、第３関節２５ｃ、第４関節２５ｄを有している。第１関節２５ａは、小指部２５を内外転させ、各指部間の間隔の調整を行う。第２関節２５ｂ、第３関節２５ｃ、第４関節２５ｄは、小指部２５を屈曲させる。第２関節２５ｂは、第１関節２５ａよりも指先のほうに設けられている。また、第３関節２５ｃは、第２関節２５ｂよりも指先のほうに設けられている。第４関節２５ｄは、第３関節２５ｃよりも指先のほうに設けられている。
【００２７】
掌部２６には、接触検出センサ２７が設けられている。接触検出センサ２７は、スティック４１を把持して、ドラム４０の演奏を行ったときのスティック４１の接触状態を検出するセンサである。接触検出センサ２７としては、例えば圧力センサ等を用いることができる。打面４０ａを叩くと、スティック４１から接触検出センサ２７に力が加わる。従って、接触検出センサ２７により、打面４０ａを叩いたことを認識することができる。
【００２８】
また、人差し指部２２の第３関節と第４関節との間には、把持検出センサ２８ａが設けられている。また、親指部２１の第３関節２１ｃよりも指先の部分にも把持検出センサ２８ｂが設けられている。把持検出センサ２８ａ、２８ｂとしては、圧力センサ等を用いることができる。本実施の形態においては、親指部２１の第３関節２１ｃよりも指先の部分、及び、人差し指部２２の第３関節と第４関節との間で、スティック４１を把持する。把持検出センサ２８ａ、２８ｂは、スティック４１を把持しているかどうかを検出する。なお、把持検出センサは、把持対象を把持したときに、複数の指部の把持対象が接触する部分のうち、少なくとも１ヶ所に設けられていればよい。これにより、把持対象を把持していることを検出でき、安全にヒトとの共生が可能となる。
【００２９】
ここで、図３を参照して、手部２０によるスティック４１の把持の様子について説明する。本実施の形態においては、ロボット１００は、手部２０に設けられた各関節部を駆動して、複数の指部を屈曲させることによりスティック４１を把持する。スティック４１は親指部２１及び掌部２６と、人差し指部２２、中指部２３、薬指部２４及び小指部２５との間に保持される。具体的には、スティック４１を親指部２１と、人差し指部２２の第３関節−第４関節の間の指節で挟み込むように把持し、残りの中指部２３、薬指部２４、小指部２５をスティック４１に添える。中指部２３、薬指部２４、小指部２５は、スティック４１のストッパの役割を果たす。この状態でスティック４１を振り上げて、ドラム４０の打面４０ａに向かって振り落とすことにより、ドラム４０の演奏を行うことできる。なお、ドラム４０を叩いたときの衝撃によりスティック４１が落ちないように、各指部を駆動するモータに、減速機を設けてもよい。これにより、減速比に比例したトルクを得ることで把持力が増加し、スティック４１を落とさないようにすることができる。
【００３０】
図４を参照して、図３のＡ部の構成を示す。図４に示すように、手首関節１５には、距離センサ１７、基準部材１８、変換機構１９が設けられている。変換機構１９としては、例えば、ピニオン１９ａとラック１９ｂとを備えるラックアンドピニオンギアを用いることができる。ピニオン１９ａは、円形の歯車である。ラック１９ｂは、ピニオン１９ａの歯にあわせて歯切りされた平板である。掌部２６の可動軸に、ピニオン１９ａの回転軸が固定されている。掌部２６をモータ等により回動させることにより、掌部２６の回動角度と連動してピニオン１９ａが回転する。掌部２６を回動させるとピニオン１９ａが回転し、ラック１９ｂが水平方向に動く。すなわち、変換機構１９は、掌部２６の回動運動を直線運動に変換して、移動部材であるラック１９ｂに伝達する。
【００３１】
距離センサ１７は、ラック１９ｂの移動距離を検出する。距離センサ１７としては、例えば、浮遊静電容量センサを用いることができる。距離センサ１７として浮遊静電容量センサを用いることにより、構成部品が少なく、構成をシンプルにすることができ、コストを低減することができる。ラック１９ｂの距離センサ１７側の端には、距離センサ１７の検知面と平行に導体からなる基準部材１８が設けられている。距離センサ１７は、基準部材１８との間の静電容量の変化によりラック１９ｂの移動距離を検出する。なお、距離センサ１７としては、超音波センサやレーザーセンサ等を用いることも可能である。この場合には、基準部材１８は導体に限定されない。また、レーザーセンサを用いた場合には、他の距離センサと比較して、計測精度をより向上させることができる。
【００３２】
掌部２６の角度の変化は、距離センサ１７で検出される浮遊静電容量の変化、すなわち、距離センサ１７の検知面と基準部材１８との距離（センサ間距離とする）の変化となる。例えば、図４に示すように、センサ間距離がｄ１の時には図３のスティック位置１まで振り上げられる。また、センサ間距離がｄ１よりも短いｄ２の時には、スティック位置１よりも打面４０ａに近いスティック位置２となる。なお、センサ間距離ｄ２のときのスティック位置２は、打面４０ａの当接する位置とする。
【００３３】
図５に、本実施の形態に係るロボット１００に用いられる距離センサ１７の検知面と基準部材１８との距離（センサ間距離）と浮遊静電容量の関係を示す。掌部２６を打面４０ａから離れる方向に回動させるとセンサ間距離は長くなり、距離センサ１７により検出される浮遊静電容量は小さくなる。一方、掌部２６を打面４０ａに近づく方向に回動させるとセンサ間距離は短くなり、距離センサ１７により検出される浮遊静電容量は大きくなる。図４に示す例では、センサ間距離ｄ１の時には浮遊静電容量の値はＣ１である。また、センサ間距離がｄ１よりも短いｄ２の時には浮遊静電容量の値はＣ１より大きいＣ２となる。
【００３４】
制御部３２は、距離センサ１７で検出されたラック１９ｂの移動距離に基づいて、手部２０の動作を制御する。ここで、制御部３２について、図６を参照して詳細に説明する。図６は、本実施の形態に係る制御部３２の構成を示すブロック図である。図６に示すように、制御部３２は、演奏データ記憶部３４、データ処理動作制御部３５、マップ記憶部３６、検出値記憶部３７を備えている。演奏データ記憶部３４は、外部から入力される、演奏曲に合わせて作成されたピッチや時間、音量のデータを含む演奏データが記憶される。
【００３５】
マップ記憶部３６には、打音量マップ３６ａ、音の響きマップ３６ｂ、テンポマップ３６ｃ、ロール演奏テンポマップ３６ｄが記憶されている。打音量マップ３６ａには、スティック４１の振り上げ量や、スティック４１を打面４０ａに振り下ろすスピード等に対応する打音量が記憶されている。音の響きマップ３６ｂには、スティック４１を打面４０ａに振り下ろし、打面４０ａを叩いた後に、スティック４１をどの位置で待機させるか、待機する時間等に対応する音の響きの長さ、大きさが記憶されている。テンポマップ３６ｃには、スティック４１の振り上げ量や、スティック４１を打面４０ａに振り下ろすスピードに対応するテンポが記憶されている。ロール演奏テンポマップ３６ｄには、ロール演奏を行う際のロボットに必要な動作に対応するテンポが記憶されている。なお、ロール演奏テンポマップ３６ｄについては、後に詳述する。
【００３６】
検出値記憶部３７は、手部２０に設けられた距離センサ１７、接触検出センサ２７、把持検出センサ２８ａ、２８ｂからの検出値を記憶する。データ処理動作制御部３５は、検出値記憶部３７に記憶された各センサの検出値を参照して、マップ記憶部３６に記憶された各種のマップ、及び、演奏データ記憶部３４に記憶された演奏データを用いてロボット１００の動作を指令する。すなわち、検出値記憶部３７は、所望の打音量、テンポ、響きを実現するための、スティック４１の振り上げ量や、振り下ろすスピード、スティック４１で打面４０ａを叩き終わった後の、スティック４１を待機させる位置等の演奏動作を決定し、各部を駆動するアクチュエータに出力する。
【００３７】
ここで、本実施の形態に係るロボット１００の制御方法について説明する。ここでは、まず、単打演奏を行う場合について説明する。本実施の形態に係るロボット１００は、振り上げ量による打音量等の制御、及び、打面４０ａを叩いた後の待機位置による打音量等の制御が可能である。なお、打音量は、スティック４１の振り下ろし開始位置、及び振り下ろしスピードに関係する。音の響きは、スティック４１の打面４０ａを叩いた後の待機位置、及び待機時間（打面４０ａに接触する位置にスティック４１が保持される時間）に関係する。テンポは、振り下ろし開始位置及びスティック４１の動作スピードに関係する。
【００３８】
まず、振り上げ量による打音等の制御について説明する。最初に、上述のように、スティック４１を把持した状態で、あらかじめ定められた動作でスティック４１を１度振り上げ、ドラム４０の打面４０ａを叩く。そして、このときの打面４０ａを叩いた衝撃による力を、掌部２６に設けられた接触検出センサ２７により検出する。さらに、距離センサ１７によりラック１９ｂとの浮遊静電容量Ｃ１を計測し、これを基準値として検出値記憶部３７に記憶させる。なお、センサ間距離ｄ１を検出値記憶部３７に記憶させてもよい。
【００３９】
そして、所望の打音量、音の響き具合、テンポとなるように、検出値記憶部３７に記憶された検出値と、打音量マップ３６ａ、音の響きマップ３６ｂ、テンポマップ３６ｃを用いて、データ処理動作制御部３５により、スティック４１の振り上げ位置、手部２０の動作スピードを決定して、各アクチュエータを制御することで打楽器演奏を実現する。
【００４０】
次に、打面４０ａを叩いた後の待機位置による打音量の制御について説明する。まず、上述と同様に、スティック４１を把持した状態で、あらかじめ定められた動作でスティック４１を１度振り上げ、ドラム４０の打面４０ａを叩く。そして、このときの打面４０ａを叩いた衝撃による力を、掌部２６に設けられた接触検出センサ２７により検出する。そして、打面４０ａに当接する位置の浮遊静電容量Ｃ２又はセンサ間距離ｄ２を基準値として記憶する。
【００４１】
そして、所望の打音量、音の響き具合、テンポとなるように、マップ記憶部３６の各マップを用いて、基準値に±した値を目標値として、打面４０ａを叩いた後のスティック４１の待機位置及び待機時間を決定する。具体的には、基準値より＋側に目標値を設定した場合、すなわち、打面４０ａよりも下側の位置を待機位置とした場合、スティック４１で打面４０ａを叩いた後に、スティック４１と打面４０ａとの接触時間が増加する。これにより、打面４０ａの振動が抑えられ、打音量が低下し、響きがなくなる。一方、基準値より−側に目標値を設定した場合、すなわち、打面４０ａよりも上側の位置を待機位置とした場合、スティック４１で打面４０ａを叩いた後に、スティック４１は打面４０ａからすぐに離れ、接触時間が減少する。これにより、打音量が増加し、響きが大きくなる。
【００４２】
このように、本発明によれば、検出値記憶部３７に記憶された検出値と、マップ記憶部３６に記憶されたマップを用いて、所望の打音量、音の響き具合、テンポとなるように、スティックの振り上げ位置、手部２０の動作スピード、待機位置、待機時間等を制御するができる。
【００４３】
なお、本実施の形態においては、手首関節１５に距離センサ１７及び変換機構１９を設ける構成について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、肘関節１３や、肩関節１１に同様の構成を設けてもよい。図７に、肩関節１１、肘関節１３、手首関節１５に、距離センサ１７及び変換機構１９を設けた場合の、打楽器を演奏する際のロボットアームの動作の例を示す。図７に示すように、手首関節１５に設けた場合と比較すると、肘関節１３に設けた場合には、振り上げ位置をさらにドラム４０の打面４０ａから離れた位置にすることができる。また、肩関節１１に設けた場合には、さらに振り上げ位置を高くすることができる。このように、腕部１０の各関節に同様の機構を設けることにより、打音量の変化レンジを広げることが可能となる。
【００４４】
次に、図８を参照してロール演奏を行う場合について説明する。図８は、本実施の形態に係るロボット１００において、ロール演奏を行う際のロボットアームの動作を説明する図である。上述したように、ロール演奏を行う場合においても、スティック４１を親指部２１と、人差し指部２２の第３関節−第４関節の間の指節で挟み込むように把持し、残りの中指部２３、薬指部２４、小指部２５をスティック４１に添える。中指部２３、薬指部２４、小指部２５は、スティック４１のストッパの役割を果たす。掌部２６と中指部２３、薬指部２４、小指部２５との間には、所定の距離ｄ３の間隙が設けられている。スティック４１は、親指部２１と、人差し指部２２の第３関節−第４関節の間の指節で把持された点を支点として、掌部２６と中指部２３、薬指部２４、小指部２５との間で、回動自在に支持されている。
【００４５】
ロール演奏を行う場合、スティック４１を振り上げてドラム４０の打面４０ａに向かって振り落とすと、打面４０ａとの衝突により、スティック４１の先端が跳ね上げられる。そして、スティック４１の先端は打面４０ａから離れる方向に上記の支点を中心として回転する。掌部２６と中指部２３、薬指部２４、小指部２５との間には所定の距離ｄ３の間隙が設けられており、スティック４１の回動範囲が制限されている。このため、打面４０ａで跳ね上げられたスティック４１の後ろ側が、中指部２３、薬指部２４、小指部２５に衝突し、スティック４１の先端は再度打面４０ａに向かって振り下ろされる。
【００４６】
これにより、スティック４１の先端がドラム４０の打面４０ａに再度衝突し、２打目の打音が発生する。このように、掌部２６と中指部２３、薬指部２４、小指部２５との間に間隙を設けることによって、スティック４１の可動範囲を規定することにより、１回のストロークで複数の打音を発生するロール演奏を実現することができる。なお、本実施の形態においては、ストッパとして、中指部２３、薬指部２４、小指部２５の３本の指部を備える構成としたが、少なくとも１本あればよい。
【００４７】
掌部２６と中指部２３、薬指部２４、小指部２５との間の距離ｄ３を変化させることによって、スティック４１の回動範囲を制御することができる。すなわち、距離ｄ３を短くすればスティック４１の回動範囲が狭くなり、速いテンポでロール演奏することが可能となる。一方、距離ｄ３を長くすれば、スティックの回動範囲が広くなり、テンポを遅くすることができる。距離ｄ３は、中指部２３、薬指部２４、小指部２５を掌部２６側に屈曲させることにより変更することができる。
【００４８】
接触検出センサ２７は、スティック４１の後ろ側の接触を検知する。すなわち、接触検出センサ２７は、ロール演奏の打撃間隔、すなわち、テンポを検出することができる。ロール演奏テンポマップ３６ｄには、ロール演奏を行う際のロボットに必要な動作に対応するテンポが記憶されている。具体的には、掌部２６と中指部２３、薬指部２４、小指部２５との間の距離ｄ３に対応するテンポが記憶されている。
【００４９】
ロール演奏を行う場合には、ロール演奏テンポマップ３６ｄを用いて所望のテンポとなるように、掌部２６と各指部との間の距離ｄ３を制御することにより、スティック４１の回動範囲を変更し、スティック４１の打面４０ａからの反力を利用して演奏することができる。また、接触検出センサ２７により検出されたロール演奏の打撃間隔を参照して、距離ｄ３を変更することも可能である。
【００５０】
なお、上述の実施の形態では、打楽器の一例としてドラム４０を用いた例について説明したが、これに限定されるものではない。これ以外にも、例えば、バスドラム、メロディックタム、フロアタム、ティンパニ、和太鼓といった膜鳴打楽器、シンバル、トライアングル、ゴング、釣鐘、木魚等の体鳴打楽器でもよい。さらに、シロフォン、マリンバを含む木琴や、グラッケンシュピール、ヴィブラフォンを含む鉄琴といった鍵盤打楽器でもよい。さらに、膜面の振動をセンサによって検知し、膜面の振動を信号によって送信し、他の音源で音を生成する電子ドラムであってもよい。
【００５１】
複数の打楽器を演奏する場合には、それぞれの楽器について、あらかじめ定められた動作でドラム４０の打面４０ａを叩き、距離センサ１７によりラック１９ｂとの浮遊静電容量Ｃ１を計測し、これを基準値として検出値記憶部３７に記憶させる。そして、所望の打音量、音の響き具合、テンポとなるように、スティックの振り上げ位置、手部２０の動作スピードを決定することで打楽器演奏を実現することができる。なお、打楽器の打面位置の認識については、あらかじめ打面の位置を設定しロボットに記憶させてもよいし、カメラ等を設けて形状認識を行ってもよい。
【００５２】
また、本発明は、打楽器の演奏を行うロボットに限定されない。例えば、ヴァイオリンの弓を弦に当接させた状態で、掌部２６の角度を変更することにより、ヴァイオリンの演奏にも応用することが可能である。もちろん、ヴァイオリンに限定されず、他の弦楽器、例えば、ビオラ、チェロ、コントラバス、ウッドベースなどの擦弦楽器について応用することができる。また、腕部１０の振り上げ位置、振り下ろしスピードの制御は、タンバリン等の打楽器の演奏や人の肩たたき等物を把持しない状態での打力制御、包丁を使用した食品を切断する動作等に応用することができる。
【００５３】
このように、本発明によれば、打力制御を行うための専用機構（スプリングやスティック固定部品等）をなくし、楽器演奏ロボットによる打楽器演奏を実現することができるとともに、ロボットアームの汎用性向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】実施の形態に係るロボットの構成を説明する図である。
【図２】実施の形態に係るロボットの手部の構成を示す図である。
【図３】打楽器を演奏する際のロボットアームの動作を説明する図である。
【図４】図３に示すＡ部の構成を示す図である。
【図５】実施の形態に係るロボットに用いられる距離センサの基準部材との距離と浮遊静電容量の関係を示すグラフである。
【図６】実施の形態に係るロボットの制御部の構成を示すブロック図である
【図７】打楽器を演奏する際のロボットアームの動作の他の例を説明する図である。
【図８】打楽器をロール演奏する際のロボットアームの動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 腕部
１１ 肩関節
１２ 上腕部
１３ 肘関節
１４ 前腕部
１５ 手首関節
１６ａ、１６ｂ アクチュエータ
１７ 距離センサ
１８ 基準部材
１９ 変換機構
１９ａ ピニオン
１９ｂ ラック
２０ 手部
２１ 親指部
２２ 人差し指部
２３ 中指部
２４ 薬指部
２５ 小指部
２６ 掌部
２７ 接触検出センサ
２８ａ、２８ｂ 把持検出センサ
３０ 頭部
３１ 胴体部
３２ 制御部
３３ 車輪
３４ 演奏データ記憶部
３５ データ処理動作制御部
３６ マップ記憶部
３６ａ 打音量マップ
３６ｂ 音の響きマップ
３６ｃ テンポマップ
３６ｄ ロール演奏テンポマップ
３７ 検出値記憶部
４０ ドラム
４０ａ 打面
４１ スティック
１００ ロボット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、楽器の演奏や他の作業を行うロボットアーム、ロボット及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、テーマパークのアトラクション等で、打楽器を演奏するロボットが活躍している。このロボットは、スティックを持ったハンドを備えており、演奏する曲にあわせてハンドを動作させることによって、スティックの先端を打楽器の打面に打ち下ろして演奏する。このような実際の打楽器をロボットに演奏させる技術として、例えば特許文献１〜５がある。
【０００３】
従来のロボットでは、打楽器の演奏を行うために、スティックを加工してハンドに固定していた。例えば、特許文献４に記載の打楽器演奏ロボットでは、ドラムの演奏を行うため、スティックが掌部に回転軸を支点として回転可能に連結されている。また、スティックと掌部の間にはスプリングが圧縮状態で挿入されており、このバネの復元力を利用して、スティックを動かすことにより演奏を行う。
【特許文献１】特開２００４−１７７６８６号公報
【特許文献２】特開２００２−２５８８３６号公報
【特許文献３】特開２００７−４１１６８号公報
【特許文献４】特開２００６−１５９２９５号公報
【特許文献５】特開２００４−３５４６１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の打楽器演奏ロボットのハンドは、打楽器の演奏専用となっており、汎用性を有しない構成となっている。近年、家庭内アシスタントや器用な動作を可能にするロボットアームのニーズが高まっている。この中で、打楽器の演奏に用いるロボットアームについても打楽器の演奏専用ではなく、他の楽器を演奏したり、他の作業にも使用できる汎用化が求められている。
【０００５】
本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、打楽器の演奏だけでなく、他の作業も可能とする汎用性のあるロボットアーム、ロボット及び制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様に係るロボットアームは、動作部と、前記動作部が回動自在に連結された支持部と、前記動作部の回動運動を直線運動に変換して、移動部材に伝達する変換機構と、前記移動部材の移動距離を検出する距離センサと、前記距離センサで検出された前記移動部材の移動距離に基づいて、前記動作部の動作を制御する制御部とを備えるものである。これにより、汎用性のあるロボットアームを実現することが可能である。
【０００７】
本発明の第２の態様に係るロボットアームは、上記のロボットアームにおいて、前記距離センサは、前記移動部材との間の静電容量の変化により、前記移動部材の移動距離を検出するものである。これにより、低コストで汎用性のあるロボットアームを実現することが可能である。
【０００８】
本発明の第３の態様に係るロボットアームは、上記のロボットアームにおいて、前記動作部は手部であり、掌部と、前記掌部に連結された複数の指部と、前記指部を屈曲させる関節部とを有し、前記指部を屈曲させることで把持対象を把持するものである。これにより、さらに汎用性を向上させることができる。
【０００９】
本発明の第４の態様に係るロボットアームは、上記のロボットアームにおいて、前記指部は、第１指部と第２指部を含み、前記第１指部と前記第２指部との間で挟み込むように把持対象を把持するものである。このような場合に、好適に打楽器の演奏を行うことができる。
【００１０】
本発明の第５の態様に係るロボットアームは、上記のロボットアームにおいて、前記複数の指部の少なくとも１箇所に、前記把持対象の把持状態を検出する把持検出センサを備えるものである。これにより、把持状態を確認することができ、安全に人と共生することができる。
【００１１】
本発明の第６の態様に係るロボットアームは、上記のロボットアームにおいて、前記指部は、第３指部を含み、前記掌部に設けられ、前記把持対象の接触を検出する接触検出センサをさらに備え、前記接触検出センサの検出結果に基づいて、前記掌部と前記第３指部の距離を制御するものである。これにより、所望の演奏動作を行うことが可能となる。
【００１２】
本発明の第７の態様に係るロボットは、上記いずれかに記載のロボットアームを備えるものである。
【００１３】
本発明の第８の態様に係るロボットの制御方法は、動作部の回動運動を変換して、移動部材に伝達するステップと、前記移動部材の移動距離を検出するステップと、前記移動部材の移動距離に基づいて、前記動作部の動作を制御するステップとを有する。これにより、ロボットの汎用性を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、打楽器の演奏だけでなく、他の作業も可能とする汎用性のあるロボットアーム、ロボット及び制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略する。
【００１６】
本発明に係るロボットは、打楽器の演奏だけではなく、他の楽器の演奏や、他の作業も行うことができる。本発明では、打楽器演奏において、従来のように打力の制御を行うための専用の機構（スプリングや、スティック固定部品等）を使用せずに、複数の指部を備えるハンドの打力制御を可能にするシステムを構成して汎用性の向上を行うものである。なお、以下の説明では、スティックを把持した状態での打楽器の演奏動作について説明するが、これに限定されるものではない。
【００１７】
なお、本発明による汎用性向上とは、例えば、下記に掲げる物の把持や、各動作の制御への応用をさす。本発明に係るロボットが行うことができる動作として、例えば、（１）タンバリン等の打楽器の演奏や人の肩たたき等、物を把持しない状態での打力制御、（２）ヴァイオリンの弓や打楽器全般のスティック等、棒状物体の把持制御及びこれらを用いた楽器への打力制御等の動作制御、（３）包丁を使用した食品を切断する動作等の柄をもつ物体の把持とその動作制御等が挙げられる。また、物の把持だけであれば、掌サイズの物体なら対応可能である。
【００１８】
本発明の実施の形態に係るロボットアーム及びこれを備えるロボットについて、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係るロボット１００の構成を示す図である。図２は、図１に示すロボットの手部２０の構成を示す図である。図３は、本実施の形態に係るロボット１００の動作を説明するための図である。図４は、図３のＡ部の構成を示す図である。本実施の形態に係るロボット１００は、打楽器を演奏する際に、１回のストロークで打楽器の打面を単発的に叩く単打演奏と、１回のストロークで打楽器の打面を複数回連続的に叩くロール演奏を含む複数の演奏法を行うことができる。
【００１９】
まず、図１を参照して、本実施の形態に係るロボット１００の構成について説明する。ロボット１００は、ヒトを模して作成されたヒューマノイド・ロボットである。ここでは、ロボット１００は、打楽器の一例であるドラム４０を演奏する場合について説明する。図１に示すように、ロボット１００は、腕部１０、頭部３０、胴体部３１、制御部３２、車輪３３等を備えている。
【００２０】
胴体部３１は、略直方体形状を有している。胴体部３１には、ロボット１００の動作を統括的に制御する制御部３２が収納されている。胴体部３１には、右腕部、左腕部として、２本の腕部１０が接続されている。右腕部と、左腕部とは略同一の構成を有している。腕部１０は、肩関節１１、上腕部１２、肘関節１３、前腕部１４、手首関節１５、手部２０を有している。胴体部３１には、上腕部１２の一端が、肩関節１１を介して揺動自在に取り付けられている。
【００２１】
上腕部１２の他端には、肘関節１３を介して、前腕部１４の一端が接続されている。前腕部１４は肘関節１３を支点として揺動可能である。また、上腕部１２の内部には前腕部１４を揺動させるアクチュエータ１６ａが設けられている。アクチュエータ１６ａとしては、例えば、ソレノイドやモータ等を用いることができる。このアクチュエータ１６ａは、制御部３２から出力される制御信号により駆動される。
【００２２】
前腕部１４の他端には、手首関節１５を介して手部２０が連結されている。手部２０は、手首関節１５を支点として揺動可能である。前腕部１４の内部には、手部２０を揺動させるアクチュエータ１６ｂが設けられている。アクチュエータ１６ｂとしては、ソレノイドやモータ等を用いることができる。このアクチュエータ１６ｂもまた、制御部３２から出力される制御信号により駆動される。手部２０には、ドラム４０を演奏する（叩く）ためのスティック４１が把持されている。手部２０がスティック４１を用いて、打楽器を演奏する動作部である。また、本実施の形態では、前腕部１４が支持部となる。手部２０によるスティックの把持の様子については、後に詳述する。
【００２３】
また、胴体部３１の下側には、車輪３３が接続されている。ロボット１００は、車輪３３を回転させることによって、前進／後退をする。本実施の形態に係るロボット１００は、ヒトがドラム４０を叩きながら行進するように、車輪３３を回転させて移動しながらドラム４０の演奏を行う。
【００２４】
ここで、図２を参照して、手部２０の構成について説明する。手部２０は、複数の指部を有する。図２に示すように、手部２０は、人間の手と同様に、親指部２１、人差し指部２２、中指部２３、薬指部２４、小指部２５の５本の指部を備えている。これらの指部は、掌部２６に連結されている。もちろん、指部の本数は、４本以下でもよく６本以上でもよい。
【００２５】
親指部２１は、第１関節２１ａ、第２関節２１ｂ、第３関節２１ｃを備える。第１関節２１ａは、親指部２１を内外転させ、各指部間の間隔の調整を行う。第２関節２１ｂ、第３関節２１ｃは、親指部２１を屈曲させる。第２関節２１ｂは、第１関節２１ａよりも指先のほうに設けられている。また、第３関節２１ｃは、第２関節２１ｃよりも指先のほうに設けられている。
【００２６】
人差し指部２２、中指部２３、薬指部２４、小指部２５は、略同一の構成を有している。そこで、小指部２５を代表して、その構成について説明する。小指部２５は、第１関節２５ａ、第２関節２５ｂ、第３関節２５ｃ、第４関節２５ｄを有している。第１関節２５ａは、小指部２５を内外転させ、各指部間の間隔の調整を行う。第２関節２５ｂ、第３関節２５ｃ、第４関節２５ｄは、小指部２５を屈曲させる。第２関節２５ｂは、第１関節２５ａよりも指先のほうに設けられている。また、第３関節２５ｃは、第２関節２５ｂよりも指先のほうに設けられている。第４関節２５ｄは、第３関節２５ｃよりも指先のほうに設けられている。
【００２７】
掌部２６には、接触検出センサ２７が設けられている。接触検出センサ２７は、スティック４１を把持して、ドラム４０の演奏を行ったときのスティック４１の接触状態を検出するセンサである。接触検出センサ２７としては、例えば圧力センサ等を用いることができる。打面４０ａを叩くと、スティック４１から接触検出センサ２７に力が加わる。従って、接触検出センサ２７により、打面４０ａを叩いたことを認識することができる。
【００２８】
また、人差し指部２２の第３関節と第４関節との間には、把持検出センサ２８ａが設けられている。また、親指部２１の第３関節２１ｃよりも指先の部分にも把持検出センサ２８ｂが設けられている。把持検出センサ２８ａ、２８ｂとしては、圧力センサ等を用いることができる。本実施の形態においては、親指部２１の第３関節２１ｃよりも指先の部分、及び、人差し指部２２の第３関節と第４関節との間で、スティック４１を把持する。把持検出センサ２８ａ、２８ｂは、スティック４１を把持しているかどうかを検出する。なお、把持検出センサは、把持対象を把持したときに、複数の指部の把持対象が接触する部分のうち、少なくとも１ヶ所に設けられていればよい。これにより、把持対象を把持していることを検出でき、安全にヒトとの共生が可能となる。
【００２９】
ここで、図３を参照して、手部２０によるスティック４１の把持の様子について説明する。本実施の形態においては、ロボット１００は、手部２０に設けられた各関節部を駆動して、複数の指部を屈曲させることによりスティック４１を把持する。スティック４１は親指部２１及び掌部２６と、人差し指部２２、中指部２３、薬指部２４及び小指部２５との間に保持される。具体的には、スティック４１を親指部２１と、人差し指部２２の第３関節−第４関節の間の指節で挟み込むように把持し、残りの中指部２３、薬指部２４、小指部２５をスティック４１に添える。中指部２３、薬指部２４、小指部２５は、スティック４１のストッパの役割を果たす。この状態でスティック４１を振り上げて、ドラム４０の打面４０ａに向かって振り落とすことにより、ドラム４０の演奏を行うことできる。なお、ドラム４０を叩いたときの衝撃によりスティック４１が落ちないように、各指部を駆動するモータに、減速機を設けてもよい。これにより、減速比に比例したトルクを得ることで把持力が増加し、スティック４１を落とさないようにすることができる。
【００３０】
図４を参照して、図３のＡ部の構成を示す。図４に示すように、手首関節１５には、距離センサ１７、基準部材１８、変換機構１９が設けられている。変換機構１９としては、例えば、ピニオン１９ａとラック１９ｂとを備えるラックアンドピニオンギアを用いることができる。ピニオン１９ａは、円形の歯車である。ラック１９ｂは、ピニオン１９ａの歯にあわせて歯切りされた平板である。掌部２６の可動軸に、ピニオン１９ａの回転軸が固定されている。掌部２６をモータ等により回動させることにより、掌部２６の回動角度と連動してピニオン１９ａが回転する。掌部２６を回動させるとピニオン１９ａが回転し、ラック１９ｂが水平方向に動く。すなわち、変換機構１９は、掌部２６の回動運動を直線運動に変換して、移動部材であるラック１９ｂに伝達する。
【００３１】
距離センサ１７は、ラック１９ｂの移動距離を検出する。距離センサ１７としては、例えば、浮遊静電容量センサを用いることができる。距離センサ１７として浮遊静電容量センサを用いることにより、構成部品が少なく、構成をシンプルにすることができ、コストを低減することができる。ラック１９ｂの距離センサ１７側の端には、距離センサ１７の検知面と平行に導体からなる基準部材１８が設けられている。距離センサ１７は、基準部材１８との間の静電容量の変化によりラック１９ｂの移動距離を検出する。なお、距離センサ１７としては、超音波センサやレーザーセンサ等を用いることも可能である。この場合には、基準部材１８は導体に限定されない。また、レーザーセンサを用いた場合には、他の距離センサと比較して、計測精度をより向上させることができる。
【００３２】
掌部２６の角度の変化は、距離センサ１７で検出される浮遊静電容量の変化、すなわち、距離センサ１７の検知面と基準部材１８との距離（センサ間距離とする）の変化となる。例えば、図４に示すように、センサ間距離がｄ１の時には図３のスティック位置１まで振り上げられる。また、センサ間距離がｄ１よりも短いｄ２の時には、スティック位置１よりも打面４０ａに近いスティック位置２となる。なお、センサ間距離ｄ２のときのスティック位置２は、打面４０ａの当接する位置とする。
【００３３】
図５に、本実施の形態に係るロボット１００に用いられる距離センサ１７の検知面と基準部材１８との距離（センサ間距離）と浮遊静電容量の関係を示す。掌部２６を打面４０ａから離れる方向に回動させるとセンサ間距離は長くなり、距離センサ１７により検出される浮遊静電容量は小さくなる。一方、掌部２６を打面４０ａに近づく方向に回動させるとセンサ間距離は短くなり、距離センサ１７により検出される浮遊静電容量は大きくなる。図４に示す例では、センサ間距離ｄ１の時には浮遊静電容量の値はＣ１である。また、センサ間距離がｄ１よりも短いｄ２の時には浮遊静電容量の値はＣ１より大きいＣ２となる。
【００３４】
制御部３２は、距離センサ１７で検出されたラック１９ｂの移動距離に基づいて、手部２０の動作を制御する。ここで、制御部３２について、図６を参照して詳細に説明する。図６は、本実施の形態に係る制御部３２の構成を示すブロック図である。図６に示すように、制御部３２は、演奏データ記憶部３４、データ処理動作制御部３５、マップ記憶部３６、検出値記憶部３７を備えている。演奏データ記憶部３４は、外部から入力される、演奏曲に合わせて作成されたピッチや時間、音量のデータを含む演奏データが記憶される。
【００３５】
マップ記憶部３６には、打音量マップ３６ａ、音の響きマップ３６ｂ、テンポマップ３６ｃ、ロール演奏テンポマップ３６ｄが記憶されている。打音量マップ３６ａには、スティック４１の振り上げ量や、スティック４１を打面４０ａに振り下ろすスピード等に対応する打音量が記憶されている。音の響きマップ３６ｂには、スティック４１を打面４０ａに振り下ろし、打面４０ａを叩いた後に、スティック４１をどの位置で待機させるか、待機する時間等に対応する音の響きの長さ、大きさが記憶されている。テンポマップ３６ｃには、スティック４１の振り上げ量や、スティック４１を打面４０ａに振り下ろすスピードに対応するテンポが記憶されている。ロール演奏テンポマップ３６ｄには、ロール演奏を行う際のロボットに必要な動作に対応するテンポが記憶されている。なお、ロール演奏テンポマップ３６ｄについては、後に詳述する。
【００３６】
検出値記憶部３７は、手部２０に設けられた距離センサ１７、接触検出センサ２７、把持検出センサ２８ａ、２８ｂからの検出値を記憶する。データ処理動作制御部３５は、検出値記憶部３７に記憶された各センサの検出値を参照して、マップ記憶部３６に記憶された各種のマップ、及び、演奏データ記憶部３４に記憶された演奏データを用いてロボット１００の動作を指令する。すなわち、検出値記憶部３７は、所望の打音量、テンポ、響きを実現するための、スティック４１の振り上げ量や、振り下ろすスピード、スティック４１で打面４０ａを叩き終わった後の、スティック４１を待機させる位置等の演奏動作を決定し、各部を駆動するアクチュエータに出力する。
【００３７】
ここで、本実施の形態に係るロボット１００の制御方法について説明する。ここでは、まず、単打演奏を行う場合について説明する。本実施の形態に係るロボット１００は、振り上げ量による打音量等の制御、及び、打面４０ａを叩いた後の待機位置による打音量等の制御が可能である。なお、打音量は、スティック４１の振り下ろし開始位置、及び振り下ろしスピードに関係する。音の響きは、スティック４１の打面４０ａを叩いた後の待機位置、及び待機時間（打面４０ａに接触する位置にスティック４１が保持される時間）に関係する。テンポは、振り下ろし開始位置及びスティック４１の動作スピードに関係する。
【００３８】
まず、振り上げ量による打音等の制御について説明する。最初に、上述のように、スティック４１を把持した状態で、あらかじめ定められた動作でスティック４１を１度振り上げ、ドラム４０の打面４０ａを叩く。そして、このときの打面４０ａを叩いた衝撃による力を、掌部２６に設けられた接触検出センサ２７により検出する。さらに、距離センサ１７によりラック１９ｂとの浮遊静電容量Ｃ１を計測し、これを基準値として検出値記憶部３７に記憶させる。なお、センサ間距離ｄ１を検出値記憶部３７に記憶させてもよい。
【００３９】
そして、所望の打音量、音の響き具合、テンポとなるように、検出値記憶部３７に記憶された検出値と、打音量マップ３６ａ、音の響きマップ３６ｂ、テンポマップ３６ｃを用いて、データ処理動作制御部３５により、スティック４１の振り上げ位置、手部２０の動作スピードを決定して、各アクチュエータを制御することで打楽器演奏を実現する。
【００４０】
次に、打面４０ａを叩いた後の待機位置による打音量の制御について説明する。まず、上述と同様に、スティック４１を把持した状態で、あらかじめ定められた動作でスティック４１を１度振り上げ、ドラム４０の打面４０ａを叩く。そして、このときの打面４０ａを叩いた衝撃による力を、掌部２６に設けられた接触検出センサ２７により検出する。そして、打面４０ａに当接する位置の浮遊静電容量Ｃ２又はセンサ間距離ｄ２を基準値として記憶する。
【００４１】
そして、所望の打音量、音の響き具合、テンポとなるように、マップ記憶部３６の各マップを用いて、基準値に±した値を目標値として、打面４０ａを叩いた後のスティック４１の待機位置及び待機時間を決定する。具体的には、基準値より＋側に目標値を設定した場合、すなわち、打面４０ａよりも下側の位置を待機位置とした場合、スティック４１で打面４０ａを叩いた後に、スティック４１と打面４０ａとの接触時間が増加する。これにより、打面４０ａの振動が抑えられ、打音量が低下し、響きがなくなる。一方、基準値より−側に目標値を設定した場合、すなわち、打面４０ａよりも上側の位置を待機位置とした場合、スティック４１で打面４０ａを叩いた後に、スティック４１は打面４０ａからすぐに離れ、接触時間が減少する。これにより、打音量が増加し、響きが大きくなる。
【００４２】
このように、本発明によれば、検出値記憶部３７に記憶された検出値と、マップ記憶部３６に記憶されたマップを用いて、所望の打音量、音の響き具合、テンポとなるように、スティックの振り上げ位置、手部２０の動作スピード、待機位置、待機時間等を制御するができる。
【００４３】
なお、本実施の形態においては、手首関節１５に距離センサ１７及び変換機構１９を設ける構成について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、肘関節１３や、肩関節１１に同様の構成を設けてもよい。図７に、肩関節１１、肘関節１３、手首関節１５に、距離センサ１７及び変換機構１９を設けた場合の、打楽器を演奏する際のロボットアームの動作の例を示す。図７に示すように、手首関節１５に設けた場合と比較すると、肘関節１３に設けた場合には、振り上げ位置をさらにドラム４０の打面４０ａから離れた位置にすることができる。また、肩関節１１に設けた場合には、さらに振り上げ位置を高くすることができる。このように、腕部１０の各関節に同様の機構を設けることにより、打音量の変化レンジを広げることが可能となる。
【００４４】
次に、図８を参照してロール演奏を行う場合について説明する。図８は、本実施の形態に係るロボット１００において、ロール演奏を行う際のロボットアームの動作を説明する図である。上述したように、ロール演奏を行う場合においても、スティック４１を親指部２１と、人差し指部２２の第３関節−第４関節の間の指節で挟み込むように把持し、残りの中指部２３、薬指部２４、小指部２５をスティック４１に添える。中指部２３、薬指部２４、小指部２５は、スティック４１のストッパの役割を果たす。掌部２６と中指部２３、薬指部２４、小指部２５との間には、所定の距離ｄ３の間隙が設けられている。スティック４１は、親指部２１と、人差し指部２２の第３関節−第４関節の間の指節で把持された点を支点として、掌部２６と中指部２３、薬指部２４、小指部２５との間で、回動自在に支持されている。
【００４５】
ロール演奏を行う場合、スティック４１を振り上げてドラム４０の打面４０ａに向かって振り落とすと、打面４０ａとの衝突により、スティック４１の先端が跳ね上げられる。そして、スティック４１の先端は打面４０ａから離れる方向に上記の支点を中心として回転する。掌部２６と中指部２３、薬指部２４、小指部２５との間には所定の距離ｄ３の間隙が設けられており、スティック４１の回動範囲が制限されている。このため、打面４０ａで跳ね上げられたスティック４１の後ろ側が、中指部２３、薬指部２４、小指部２５に衝突し、スティック４１の先端は再度打面４０ａに向かって振り下ろされる。
【００４６】
これにより、スティック４１の先端がドラム４０の打面４０ａに再度衝突し、２打目の打音が発生する。このように、掌部２６と中指部２３、薬指部２４、小指部２５との間に間隙を設けることによって、スティック４１の可動範囲を規定することにより、１回のストロークで複数の打音を発生するロール演奏を実現することができる。なお、本実施の形態においては、ストッパとして、中指部２３、薬指部２４、小指部２５の３本の指部を備える構成としたが、少なくとも１本あればよい。
【００４７】
掌部２６と中指部２３、薬指部２４、小指部２５との間の距離ｄ３を変化させることによって、スティック４１の回動範囲を制御することができる。すなわち、距離ｄ３を短くすればスティック４１の回動範囲が狭くなり、速いテンポでロール演奏することが可能となる。一方、距離ｄ３を長くすれば、スティックの回動範囲が広くなり、テンポを遅くすることができる。距離ｄ３は、中指部２３、薬指部２４、小指部２５を掌部２６側に屈曲させることにより変更することができる。
【００４８】
接触検出センサ２７は、スティック４１の後ろ側の接触を検知する。すなわち、接触検出センサ２７は、ロール演奏の打撃間隔、すなわち、テンポを検出することができる。ロール演奏テンポマップ３６ｄには、ロール演奏を行う際のロボットに必要な動作に対応するテンポが記憶されている。具体的には、掌部２６と中指部２３、薬指部２４、小指部２５との間の距離ｄ３に対応するテンポが記憶されている。
【００４９】
ロール演奏を行う場合には、ロール演奏テンポマップ３６ｄを用いて所望のテンポとなるように、掌部２６と各指部との間の距離ｄ３を制御することにより、スティック４１の回動範囲を変更し、スティック４１の打面４０ａからの反力を利用して演奏することができる。また、接触検出センサ２７により検出されたロール演奏の打撃間隔を参照して、距離ｄ３を変更することも可能である。
【００５０】
なお、上述の実施の形態では、打楽器の一例としてドラム４０を用いた例について説明したが、これに限定されるものではない。これ以外にも、例えば、バスドラム、メロディックタム、フロアタム、ティンパニ、和太鼓といった膜鳴打楽器、シンバル、トライアングル、ゴング、釣鐘、木魚等の体鳴打楽器でもよい。さらに、シロフォン、マリンバを含む木琴や、グラッケンシュピール、ヴィブラフォンを含む鉄琴といった鍵盤打楽器でもよい。さらに、膜面の振動をセンサによって検知し、膜面の振動を信号によって送信し、他の音源で音を生成する電子ドラムであってもよい。
【００５１】
複数の打楽器を演奏する場合には、それぞれの楽器について、あらかじめ定められた動作でドラム４０の打面４０ａを叩き、距離センサ１７によりラック１９ｂとの浮遊静電容量Ｃ１を計測し、これを基準値として検出値記憶部３７に記憶させる。そして、所望の打音量、音の響き具合、テンポとなるように、スティックの振り上げ位置、手部２０の動作スピードを決定することで打楽器演奏を実現することができる。なお、打楽器の打面位置の認識については、あらかじめ打面の位置を設定しロボットに記憶させてもよいし、カメラ等を設けて形状認識を行ってもよい。
【００５２】
また、本発明は、打楽器の演奏を行うロボットに限定されない。例えば、ヴァイオリンの弓を弦に当接させた状態で、掌部２６の角度を変更することにより、ヴァイオリンの演奏にも応用することが可能である。もちろん、ヴァイオリンに限定されず、他の弦楽器、例えば、ビオラ、チェロ、コントラバス、ウッドベースなどの擦弦楽器について応用することができる。また、腕部１０の振り上げ位置、振り下ろしスピードの制御は、タンバリン等の打楽器の演奏や人の肩たたき等物を把持しない状態での打力制御、包丁を使用した食品を切断する動作等に応用することができる。
【００５３】
このように、本発明によれば、打力制御を行うための専用機構（スプリングやスティック固定部品等）をなくし、楽器演奏ロボットによる打楽器演奏を実現することができるとともに、ロボットアームの汎用性向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】実施の形態に係るロボットの構成を説明する図である。
【図２】実施の形態に係るロボットの手部の構成を示す図である。
【図３】打楽器を演奏する際のロボットアームの動作を説明する図である。
【図４】図３に示すＡ部の構成を示す図である。
【図５】実施の形態に係るロボットに用いられる距離センサの基準部材との距離と浮遊静電容量の関係を示すグラフである。
【図６】実施の形態に係るロボットの制御部の構成を示すブロック図である
【図７】打楽器を演奏する際のロボットアームの動作の他の例を説明する図である。
【図８】打楽器をロール演奏する際のロボットアームの動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 腕部
１１ 肩関節
１２ 上腕部
１３ 肘関節
１４ 前腕部
１５ 手首関節
１６ａ、１６ｂ アクチュエータ
１７ 距離センサ
１８ 基準部材
１９ 変換機構
１９ａ ピニオン
１９ｂ ラック
２０ 手部
２１ 親指部
２２ 人差し指部
２３ 中指部
２４ 薬指部
２５ 小指部
２６ 掌部
２７ 接触検出センサ
２８ａ、２８ｂ 把持検出センサ
３０ 頭部
３１ 胴体部
３２ 制御部
３３ 車輪
３４ 演奏データ記憶部
３５ データ処理動作制御部
３６ マップ記憶部
３６ａ 打音量マップ
３６ｂ 音の響きマップ
３６ｃ テンポマップ
３６ｄ ロール演奏テンポマップ
３７ 検出値記憶部
４０ ドラム
４０ａ 打面
４１ スティック
１００ ロボット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作部と、
前記動作部が回動自在に連結された支持部と、
前記動作部の回動運動を直線運動に変換して、移動部材に伝達する変換機構と、
前記移動部材の移動距離を検出する距離センサと、
前記距離センサで検出された前記移動部材の移動距離に基づいて、前記動作部の動作を制御する制御部と、
を備えるロボットアーム。
【請求項２】
前記距離センサは、前記移動部材との間の静電容量の変化により、前記移動部材の移動距離を検出する請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項３】
前記動作部は手部であり、
掌部と、
前記掌部に連結された複数の指部と、
前記指部を屈曲させる関節部とを有し、
前記指部を屈曲させることで把持対象を把持する請求項１又は２に記載のロボットアーム。
【請求項４】
前記指部は、第１指部と第２指部を含み、
前記第１指部と前記第２指部との間で挟み込むように把持対象を把持する請求項３に記載のロボットアーム。
【請求項５】
前記複数の指部の少なくとも１箇所に、前記把持対象の把持状態を検出する把持検出センサを備える請求項３又は４に記載のロボットアーム。
【請求項６】
前記指部は、第３指部を含み、
前記掌部に設けられ、前記把持対象の接触を検出する接触検出センサをさらに備え、
前記接触検出センサの検出結果に基づいて、前記掌部と前記第３指部の距離を制御する請求項４又は５に記載のロボットアーム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のロボットアームを備えるロボット。
【請求項８】
動作部の回動運動を変換して、移動部材に伝達するステップと、
前記移動部材の移動距離を検出するステップと、
前記移動部材の移動距離に基づいて、前記動作部の動作を制御するステップと、
を有するロボットの制御方法。
【請求項１】
動作部と、
前記動作部が回動自在に連結された支持部と、
前記動作部の回動運動を直線運動に変換して、移動部材に伝達する変換機構と、
前記移動部材の移動距離を検出する距離センサと、
前記距離センサで検出された前記移動部材の移動距離に基づいて、前記動作部の動作を制御する制御部と、
を備えるロボットアーム。
【請求項２】
前記距離センサは、前記移動部材との間の静電容量の変化により、前記移動部材の移動距離を検出する請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項３】
前記動作部は手部であり、
掌部と、
前記掌部に連結された複数の指部と、
前記指部を屈曲させる関節部とを有し、
前記指部を屈曲させることで把持対象を把持する請求項１又は２に記載のロボットアーム。
【請求項４】
前記指部は、第１指部と第２指部を含み、
前記第１指部と前記第２指部との間で挟み込むように把持対象を把持する請求項３に記載のロボットアーム。
【請求項５】
前記複数の指部の少なくとも１箇所に、前記把持対象の把持状態を検出する把持検出センサを備える請求項３又は４に記載のロボットアーム。
【請求項６】
前記指部は、第３指部を含み、
前記掌部に設けられ、前記把持対象の接触を検出する接触検出センサをさらに備え、
前記接触検出センサの検出結果に基づいて、前記掌部と前記第３指部の距離を制御する請求項４又は５に記載のロボットアーム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のロボットアームを備えるロボット。
【請求項８】
動作部の回動運動を変換して、移動部材に伝達するステップと、
前記移動部材の移動距離を検出するステップと、
前記移動部材の移動距離に基づいて、前記動作部の動作を制御するステップと、
を有するロボットの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２７９７２８（Ｐ２００９−２７９７２８Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３６３５２（Ｐ２００８−１３６３５２）
【出願日】平成２０年５月２６日（２００８．５．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２６日（２００８．５．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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