弦楽器演奏システム、及び弦楽器演奏ロボット
【課題】簡便にビブラート奏法を行なうことができる弦楽器用マニピュレータ、及びそれを用いた弦楽器演奏ロボットを提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係る弦楽器演奏システムは、弦楽器と弦楽器を演奏する弦楽器演奏ロボットとを有する弦楽器演奏システムである。弦楽器演奏ロボット１００が、指板５２に対して弦５１を押し当てる指部を有する左手部１１と、弦５１を指板５２に押し当てるように、指板５２と指部４０との距離を変化させる左手用アクチュエータ１３と、左手部１１を移動させて、弦の押し当て位置を変化させる腕用アクチュエータ１７と、有し、指板５２の弦側側面が円筒の側面形状であり、腕用アクチュエータ１７が左手部１１を円筒の中心軸５７と平行に移動させている。
【解決手段】本発明の一態様に係る弦楽器演奏システムは、弦楽器と弦楽器を演奏する弦楽器演奏ロボットとを有する弦楽器演奏システムである。弦楽器演奏ロボット１００が、指板５２に対して弦５１を押し当てる指部を有する左手部１１と、弦５１を指板５２に押し当てるように、指板５２と指部４０との距離を変化させる左手用アクチュエータ１３と、左手部１１を移動させて、弦の押し当て位置を変化させる腕用アクチュエータ１７と、有し、指板５２の弦側側面が円筒の側面形状であり、腕用アクチュエータ１７が左手部１１を円筒の中心軸５７と平行に移動させている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弦楽器を演奏する弦楽器演奏システム、及び弦楽器演奏ロボットに関する。
【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、楽器を演奏するロボットが活躍している。例えば、トランペット等の管楽器を演奏するためのロボットが開示されている（特許文献１参照）。このロボットでは、ピストンを押し下げるための人口指がピストン毎に設けられている。また、バイオリンを演奏するロボットも開発されている（非特許文献１、２）
【特許文献１】特開２００４−３１４１８７号公報
【非特許文献１】龍谷大学ホームページ 理工学研究科 機械システム工学専攻 下条・明研究室 「平成１９年１０月１６日検索」 インターネット〈ＵＲＬ：http://mec3342.mecsys.ryukoku.ac.jp/sibuya/jindex.html〉
【非特許文献２】電気通信大学ホームページ 電気通信学研究科 知能機械工学専攻 渋谷研究室 ［平成１９年１０月１６日検索］ インターネット〈ＵＲＬ：http://www.rm.mce.uec.ac.jp/research/mubot/mubot_index.html〉
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
バイオリンを演奏する場合、弦を指板に押し付けて音階を調整する。演奏ロボットでは、指先で弦を押し付けるために、３自由度の位置決めが必要とされる。例えば、図１１に示すように、バイオリンネック部を基準に、（１）ネック軸（長軸）方向への平行移動、（２）ネック軸に対する回転移動、（３）ネック軸に垂直な方向に分解して動作させる方法が一般的に用いられる。（１）の駆動は音階調整のために行われ、（２）の駆動は別弦に移動するために行われ、（３）の駆動は弦の押し付け、放しを切換えるために行われる。
【０００４】
非特許文献１のロボットでは、運指用の左手は、楽器に対して固定されており、ネック軸に対して垂直方向にのみ指を運動させて演奏している。また、非特許文献２のロボットでは、左ハンドは、平行レールに沿って移動し、手首に該当する回転部を有している。そして、ネック軸に垂直方向の運動について、指先は力制御ベースで駆動されている。
【０００５】
バイオリンのネック及び指板は、複雑な形状をしており、各音階のポジションによって高低の違いがある。すなわち、ネック軸に垂直方向における移動距離が、音階のポジションによって異なっている。したがって、図１１に示すように、左手部１１の運動をネック軸に対する平行運動と、回転運動に分解した後も、軸垂直方向の高低差を吸収する必要があるため、指部４０の軸垂直運動の制御を位置制御ベースにすることができず、力制御ベースで行う必要がある。ネック軸垂直方向への指部４０の制御が力制御ベースであるため、細かなタイミング制御が難しいという問題点がある。特に、別弦に移動する場合等、最適な経路計画が難しく、素早い演奏ができない。そのため、微細な押さえ付け、放しのタイミングのコントロールが難しいという問題点がある。
【０００６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、本発明の目的は、簡便な制御で、弦を指板に押し当てることができる弦楽器演奏システム、及び弦楽器用マニピュレータ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】
【０００７】
本発明の第１の態様に係る弦楽器演奏システムは、弦楽器と前記弦楽器を演奏する弦楽器演奏ロボットとを有する弦楽器演奏システムであって、前記弦楽器演奏ロボットが、前記弦楽器の指板に対して弦を押し当てる指部を有するロボットハンドと、前記弦を前記指板に押し当てるように、前記指板と前記指部との距離を変化させる第１のアクチュエータと、前記ロボットハンドを移動させて、弦の押し当て位置を変化させる第２のアクチュエータと、有し、前記指板の弦側側面が円筒の側面形状であり、前記第２のアクチュエータが前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸と平行に移動させるものである。これにより、音階を変えるためにロボットハンドを移動させても、指部から指板までの距離が変わらないため、容易に制御することができる。
【０００８】
本発明の第２の態様に係る弦楽器演奏システムは、上記の弦楽器演奏システムであって、前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸に沿って移動させるためのリニアガイドが前記ロボットハンドと前記弦楽器との間に設けられているものである。これにより、精度よく、ロボットハンドを移動することができる。
【０００９】
本発明の第３の態様に係る弦楽器演奏システムは、上記の弦楽器演奏システムであって、前記第２のアクチュエータが、前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸を回転軸として駆動するものである。これにより、別弦に移動するためにロボットハンドを移動させても、指部から指板までの距離が変わらないため、容易に制御することができる。
【００１０】
本発明の第４の態様に係る弦楽器演奏システムは、上記の弦楽器演奏システムであって、前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸を回転軸として回転させるための軸受が前記ロボットハンドと前記弦楽器と間に設けられているものである。これにより、精度よく、ロボットハンドを移動することができる。
【００１１】
本発明の第５の態様に係る弦楽器演奏システムは、上記の弦楽器演奏システムであって、弦楽器と前記弦楽器を演奏する弦楽器演奏ロボットとを有する弦楽器演奏システムであって、前記弦楽器演奏ロボットが、前記弦楽器の指板に対して弦を押し当てる指部を有するロボットハンドと、前記弦を前記指板に押し当てるように、前記指板と前記指部との距離を変化させる第１のアクチュエータと、前記ロボットハンドを移動させて、弦の押し当て位置を変化させる第２のアクチュエータと、有し、前記指板の弦側側面が円筒の側面形状であり、前記第２のアクチュエータが、前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸を回転軸として回転駆動させるものである。これにより、別弦に移動するためにロボットハンドを移動させても、指部から指板までの距離が変わらないため、容易に制御することができる。
【００１２】
本発明の第６の態様に係る弦楽器演奏システムは、上記の弦楽器演奏システムであって、前記第１のアクチュエータを位置制御によって駆動するものである。これにより、制御が容易になり、細かな動作を精度よく行うことができる。
【００１３】
本発明の第７の態様に係る弦楽器演奏ロボットは、弦楽器の指板に対して弦を押し当てる指部を有するロボットハンドと、前記弦を前記指板に押し当てるように、前記指板と前記指部との距離を変化させる第１のアクチュエータと、前記ロボットハンドを移動させて、弦の押し当て位置を変化させる第２のアクチュエータと、前記ロボットハンドに設けられたリニアガイドと、を有するものである。これにより、音階を変えるためにロボットハンドを移動させても、指部から指板までの距離が変わらないため、容易に制御することができる。
【００１４】
本発明の第８の態様に係る弦楽器演奏ロボットは、前記ロボットハンドに設けられ、前記リニアガイドを軸支する軸受をさらに備え、前記軸受の軸を回転中心として、前記ロボットハンドが回転するものである。これにより、別弦に移動するためにロボットハンドを移動させても、指部から指板までの距離が変わらないため、容易に制御することができる。
【００１５】
本発明の第９の態様に係る弦楽器演奏ロボットは、前記第１のアクチュエータを位置制御によって駆動するものである。これにより、制御が容易になり、細かな動作を精度よく行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、簡便な制御で、弦を指板に押し当てることができる弦楽器演奏システム、及び弦楽器演奏ロボット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】
【００１７】
本実施の形態にかかる弦楽器用システムは、弦楽器と弦楽器を演奏する弦楽器演奏マニピュレータとを有している。そして、弦楽器演奏マニピュレータが、弦楽器の指板に対して弦を押し当てる指部を有するロボットハンドと、弦を指板に押し当てるように、前記指板と前記指部との距離を変化させる第１のアクチュエータと、ロボットハンドを移動させて、弦の押し当て位置を変化させる第２のアクチュエータと、有している。さらに、指板の弦側側面が円筒の側面形状であり、第２のアクチュエータがロボットハンドを円筒の中心軸に沿って移動させている。
【００１８】
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。
【００１９】
本実施の形態に係る弦楽器演奏ロボットについて、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態にかかる弦楽器演奏ロボット１００の概略構成を示す図である。弦楽器演奏ロボット１００は、胴体部１０、左手部１１、右手部１２、左手用アクチュエータ１３、右手用アクチュエータ１４、左腕部１５、右腕部１６、腕用アクチュエータ１７、センサ１８、及び制御部１９を備えている。弦楽器演奏ロボット１００は、例えば、図示しない頭部と脚部とを有する人型のヒューマイノイドロボットであってもよい。弦楽器演奏ロボット１００は、両腕、及び両手を駆動して、バイオリン５０を演奏する。このバイオリン５０は、通常のバイオリンに限らず、電子バイオリンであってもよい。そして、弦楽器演奏ロボット１００及びバイオリン５０によって、弦楽器演奏システムが構成される。
【００２０】
胴体部１０には、左腕部１５、及び右腕部１６が接続されている。左腕部１５、及び右腕部１６は、例えば、６自由度や７自由度のロボットアームである。左腕部１５、及び右腕部１６は、肩関節を介して胴体部１０に取り付けられている。左腕部１５、及び右腕部１６には、肘関節が設けられている。この肘関節は、左腕部１５、及び右腕部１６の上腕と前腕とを連結している。左腕部１５の先端には左手部１１が接続され、右腕部１６の先端には、右手部１２が接続されている。左手部１１、及び右手部１２は、手首関節を介して、左腕部１５、及び右腕部１６にそれぞれ接続されている。
【００２１】
さらに、胴体部１０には、左腕部１５、及び右腕部１６の各関節を駆動する腕用アクチュエータ１７が設けられている。腕用アクチュエータ１７によって、肘関節、肩関節、手首関節が駆動する。腕用アクチュエータ１７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。ここでは、腕用アクチュエータ１７として、サーボモータを用いている。なお、腕用アクチュエータ１７を配置する場所は、胴体部１０に限らず、各関節の近傍でもよい。もちろん、自由度の数に応じた数の腕用アクチュエータ１７が設けられている。
【００２２】
左手部１１、及び右手部１２は、複数の指を有するロボットハンドである。例えば、左手部１１、及び右手部１２はそれぞれ、人間の手と同様に、五指を有する。左手部１１には、五指に設けられた指関節を駆動するための左手用アクチュエータ１３が設けられている。同様に、右手部１２には、五指に設けられた指関節を駆動するための右手用アクチュエータ１４が設けられている。なお、１本の指の指関節は１以上であればよい。左手用アクチュエータ１３は、例えば、左手部１１の手の平部に収容され、右手用アクチュエータ１４は、右手部１２の手の平部に収容される。左手用アクチュエータ１３は、左手部１１の指関節を駆動し、右手用アクチュエータ１４は右手部１２の指関節を駆動する。左手用アクチュエータ１３、及び右手用アクチュエータ１４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。ここでは、左手用アクチュエータ１３、及び右手用アクチュエータ１４として、サーボモータを用いている。
【００２３】
なお、腕用アクチュエータ１７、左手用アクチュエータ１３、及び右手用アクチュエータ１４は自由度に応じた数のモータ等を有している。例えば、左腕部１５、及び右腕部１６が６自由度のロボットアームである場合、それぞれの腕には、６つのモータが設けられる。また、両腕、及び両手の各関節には、サーボモータの動力を伝達するギヤやベルトやプーリなどが設けられていてもよい。
【００２４】
左手部１１、及び右手部１２は、バイオリン５０を演奏する弦楽器演奏マニピュレータを構成する。左手部１１は、バイオリン５０の指板５２部分を把持する。すなわち、左手部１１がバイオリン５０のネック部分を把持して、バイオリン５０を持ち上げる。そして、バイオリン５０のボディーを胴体部１０で保持する。例えば、人間と同様に、頭部の顎部と肩部とでバイオリンのあご当てを挟み込む。これにより、バイオリン５０を安定して保持することができる。もちろん、上記以外の方法で、バイオリン５０を保持してもよい。例えば、弦楽器演奏ロボット１００に、バイオリン保持機構を設けてもよい。
【００２５】
右手部１２は、バイオリン５０の演奏に用いる弓５３を把持する。すなわち、右手部１２で弓５３を操作する。右手部１２が弓５３を把持した状態で、腕用アクチュエータ１７を駆動する。これにより、右腕部１６の関節が駆動し、音を奏でるための弓５３の往復動作が行なわれる。バイオリン５０には、４本の弦５１が設けられている。そして、左手部１１の指の先端が、それぞれの弦５１を指板５２に対して押し当てる。例えば、４本の弦５１が人差指、中指、薬指、親指で、それぞれ押さえられる。これにより、弦５１の振動部分の長さが変化して、音程を調整することができる。左手部１１によって弦５１を指板５２に押し当てた状態で、右手部１２が弓５３によって弦５１を振動させる。具体的には、右手部１２が弓５３のヘアーを弦５１に当接させた状態で、弓５３を弦方向から傾いた方向に移動させる。例えば、弓５３を把持した右手部１２を図１の矢印方向に駆動する。弦５１と弓５３とがこすれ、弦５１が振動する。これにより、弦５１の振動部分の長さに応じた音階の音が奏でられる。
【００２６】
胴体部１０には、各関節の駆動を制御するための制御部１９が設けられている。制御部１９は、腕用アクチュエータ１７、左手用アクチュエータ１３、及び右手用アクチュエータ１４の駆動を制御する。制御部１９は、例えば、エンコーダなどのセンサ１８からの出力に応じて、フィードバック制御する。制御部１９による制御は、公知の制御方法を用いることができる。これにより、右手部１２、及び左手部１１が上述のように駆動して、音を奏でることができる。
【００２７】
ここで、制御部１９について詳細に説明する。制御部１９は、演算処理部であるＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶領域であるＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、通信用のインターフェースなどを有し、ロボット１００の各種動作を制御する。例えば、ＲＯＭには、制御するための制御プログラムや、各種の設定データ等が記憶されている。そして、ＣＰＵは、このＲＯＭに記憶されている制御プログラムを読み出し、ＲＡＭに展開する。そして、設定データや、センサ等からの出力に応じてプログラムを実行する。
【００２８】
制御部１９は、演奏する曲に応じて、腕用アクチュエータ１７、左手用アクチュエータ１３、及び右手用アクチュエータ１４の駆動を制御する。例えば、演奏曲に応じて、押し当て位置のパターンを生成する。そして、押し当て位置のパターンに基づいて左手部１１を移動させる。これにより、所定のタイミングで、押し当て位置が所定の位置に変化する。また、演奏曲に応じて、弓５３を移動するタイミングのパターンを生成する。そして、このタイミングパターンに応じて弓５３の往復動作を制御する。これにより、所定の音程が所定のタイミングで奏でられていき、演奏することができる。なお、本実施の形態において、弦楽器演奏ロボット１００が行なう演奏とは、完全な曲の演奏に限らず、少なくとも１つの音階の音が奏でられるものであればよい。また、弓５３の動作は、物理的に異なるロボットや、人間が行ってもよい。
【００２９】
次に、本実施の形態にかかるロボット演奏システムの特徴部分である、指板５２、及び左手部１１の構成について、図２〜図４を用いて説明する。図２は、指板５２の構成を示す図である。図３は、指板５２が取り付けられたバイオリン５０の構成を示す側面図である。図４は、バイオリン５０を把持する左手部１１の構成を示す図である。
【００３０】
まず、指板５２の形状について、説明する。図２に示すように、指板５２は、円筒５６から切り出された形状を有している。すなわち、図２において、円筒５６内で交差する実線で円筒５６を切断することによって、指板５２が形成される。したがって、指板５２の側面は円筒５６の側面形状になっている。すなわち、指板５２の表面が円筒側面で形成されるように、円筒５６をカットする。また、円筒５６の軸方向位置に応じて、指板５２の厚みが変化している。
【００３１】
もちろん、指板５２の表面が円筒側面で形成されていれば、実際に円筒状のブロックをカットしなくてもよい。すなわち、指板５２が円筒側面で形成されるように加工されていればよい。また、指板５２の表面は、厳密な円筒５６の側面でなくてもよく、実施の弦５１が押し当てられる部分のみが円筒５６の側面と一致していればよい。
【００３２】
図３に示すように、この指板５２をバイオリン５０のネック５４に固定する。ここでは、円筒５６の側面形状となっている指板５２の側面が弦側になるように配置されている。すなわち、弦５１が当接する面が円筒の側面形状になる。従って、円筒５６の切断面がネック側に配置される。また、バイオリン５０の駒に向かうにつれて、指板５２が高くなっている。
【００３３】
図４に示すように、指板５２が取り付けられたバイオリン５０が、左手部１１で把持される。そして、指部４０を駆動することで、弦が指板５２に対して押し当てることができる。すなわち、図１に示した左手用アクチュエータ１３で指部４０を駆動する。これにより、指部４０が指板５２に対して近づき、弦５１が指板５２に押し付けられる。反対に、指部４０を指板５２から離していくことで、弦５１の押し当てを解放することができる。また、腕用アクチュエータ１７を駆動することで、弦の押し当て位置を変えることができる。すなわち、肘関節や肩関節を駆動することで、バイオリン５０に対する左手部１１の位置を変える。
【００３４】
ここでは、図１１に示したように、弦の押し当て動作を３方向の運動に分解する。ネック軸に平行な平行運動、及びネック軸に対する回転運動は、腕用アクチュエータ１７によって行われる。また、ネック軸に垂直な垂直運動は、左手用アクチュエータ１３によって行われる。
【００３５】
図４に示すように、腕用アクチュエータ１７によって、左手部１１を矢印Ａの方向に回転駆動している。これにより、指板５２に対して押し当てる弦５１を選択することができ、押し当て位置を別弦に移動することができる。すなわち、Ａ方向に回転させると、指板５２の表面上において、各指の押し当て位置が弦５１と垂直な方向に変化する。したがって、指板５２に押し当てる弦５１が変わる。ここでは、回転駆動の回転中心を指板５２を構成する円筒の中心軸５７と一致させる。これにより、指板５２の表面に沿って、左手部１１が回転する。したがって、左手部１１を回転駆動させても、指部４０の先端から指板５２の表面までの距離が変化しない。すなわち、押し付ける弦を変えた場合でも、押し当て動作のために指部４０を駆動する距離が変化しない。このため、指部４０を位置制御によって駆動することができる。すなわち、左手用アクチュエータ１３を位置制御することで、指部４０が押し当て位置まで移動する。これにより、正確に制御することができ、微細な制御が可能になる。
【００３６】
さらに、腕用アクチュエータ１７によって、左手部１１を矢印Ｂの方向に直線駆動する。これにより、同一弦に対する押し当て位置が変わり、音階を調整することができる。すなわち、左手部１１をＢ方向にスライドさせると、それぞれの指の押し当て位置が弦と平行な方向に変化する。したがって、それぞれの弦での押し当て位置が移動して、音階を変えることができる。さらに、ここでは、直線駆動の駆動軸を円筒の中心軸５７と平行にしている。これにより、指板５２の表面に沿って、左手部１１がスライド移動する。したがって、左手部１１を直線駆動しても、指部４０の先端から指板５２の表面までの距離が変化しない。すなわち、音階を変えるために左手部１１をスライドさせた場合でも、押し当て動作のために指部４０を駆動する距離が変化しない。押し当て位置によって指部４０の垂直駆動距離が変化しないため、指部４０を位置制御によって駆動することができる。すなわち、左手用アクチュエータ１３を位置制御することで、指関節が回転して、指部４０の先端が押し当て位置まで移動する。これにより、精度よく制御することができ、微細な制御が可能になる。
【００３７】
なお、円筒５６の中心軸５７とは、図２に示したような指板５２を切り出す前の円筒５６を仮想的にバイオリン５０のネック５４に沿って配置したときの中心軸である。もちろん、仮想的に配置された円筒５６の側面は、実際に配置された指板５２の弦側の表面と一致している。
【００３８】
このように、指板５２の表面を円筒５６の側面形状とする。そして、円筒５６の中心軸５７と一致する駆動軸で左手部１１を駆動する。すなわち、スライド移動させるときのスライド軸を円筒５６の中心軸５７と平行にする。また、回転駆動するときの回転軸を円筒５６の中心軸５７と一致させる。このようにすることにより、押し当て位置によらず、指板５２表面までの高さが一定になる。腕用アクチュエータ１７を駆動することによって左手部１１を指板５２に対して移動させた場合でも、指板５２表面までの垂直距離を一定にすることができる。すなわち、指板５２のどの位置においてでも、指板５２に対して指部４０を一定距離だけ近づければ、指部４０が指板５２に接触する。よって、左手用アクチュエータ１３を位置制御で駆動することができる。これにより、３軸とも位置制御にすることができるため、最適な経路計画を容易に行なうことができる。
【００３９】
次に、図５、及び図６を用いて指板５２、及び左手部１１の構成を詳細に説明する。図５は、左手部１１がバイオリン５０を把持している構成全体を示す斜視図である。図６は、バイオリン５０のネック５４、及び左手部１１の構成を拡大して示す斜視図である。また、図５、図６では、左手部１１に設けられた五指を、親指４１、人差指４２、中指４３、薬指４４、小指４５として示している。すなわち、５つの指部４０を親指４１、人差指４２、中指４３、薬指４４、小指４５として、区別している。もちろん、指部４０の数は、４以下でよく、６以上でもよい。
【００４０】
図５、及び図６に示すように、左手部１１によって、バイオリン５０のネック５４が把持されている。具体的には、ネック５４の指板５２と反対側に、左手部１１の手の平部が配置されている。すなわち、左手部１１の手の平部の上方にネック５４が配置される。そして、人差指４２、中指４３、薬指４４、及び小指４５がネック５４の一方側に配置され、親指４１がネック５４の他方に配置されている。そして、手の平部分にバイオリン５０を載置した状態で、五指でネック５４を挟み込むように、バイオリン５０を保持する。
【００４１】
さらに、図６に示すように、バイオリン５０と左手部１１の間には、リニアガイド６０が設けられている。リニアガイド６０によって、バイオリン５０に対する左手部１１の移動方向が、ガイドされる。リニアガイド６０は、バイオリン５０に対する左手部１１の移動方向を制限する。リニアガイド６０が設けられている方向に沿って、バイオリン５０と左手部１１とが相対移動する。よって、バイオリン５０の指板５２に沿って、左手部１１が並進移動する。すなわち、指板５２を構成する円筒の中心軸と平行方向に、左手部１１が直進する。なお、円筒の中心軸とは、図２に示したような指板５２を切り出す前の円筒５６を仮想的にバイオリン５０のネック５４に沿って配置したときの中心軸である。もちろん、仮想的に配置された円筒の側面は指板５２の弦側の側面と一致している。
【００４２】
ここで、リニアガイド６０とその周辺の構成について、図７〜図１０を用いて説明する。図７は、リニアガイド６０とその周辺の構成を示す斜視図であり、図６のバイオリン５０を取り除いた状態を示している。図８は、左手部１１の構成を示す分解斜視図である。図９は、バイオリン５０を把持する左手部１１をネック５４側から見た図である。図１０は、バイオリン５０を把持する左手部１１をバイオリン５０の側方から見た図である。また、図７では、人差指４２、中指４３、薬指４４、小指４５を駆動する指関節をそれぞれ、指関節４２ａ、指関節４３ａ、指関節４４ａ、及び指関節４５ａとして示している。
【００４３】
図７、及び図８に示すように、リニアガイド６０は移動ブロック６１、及びガイドレール６２から構成されている。リニアガイド６０のガイドレール６２は、図１０に示すように、バイオリン５０に取り付けられ、リニアガイド６０の移動ブロック６１は、ロボットハンド１１に取り付けられる。例えば、ガイドレール６２は、ネック５４の裏側、すなわち、指板５２と反対側に固定される。また、移動ブロック６１は、左手部１１の親指４１の根元部分に取り付けられる。移動ブロック６１がガイドレール６２の長手方向に沿って移動する。ガイドレール６２の長手方向がネック５４方向に沿って配置されている。すなわち、ガイドレール６２の長手方向が、指板５２を構成する円筒の中心軸と平行になっている。そして、移動ブロック６１は、ガイドレール６２にスライド可能に嵌合支持される。従って、移動ブロック６１がガイドレール６２にガイドされ、移動ブロック６１が設けられている左手部１１が、ガイドレール６２に沿って移動する。すなわち、図１０の矢印Ｂの方向に左手部１１が移動する。
【００４４】
より具体的には、図８に示すように、直方体状のガイドレール６２には、凸部６２ａ、及び凸部６２ｂが形成されている。凸部６２ａと凸部６２ｂとは、ガイドレール６２の異なる側面に設けられている。凸部６２ａ、及び凸部６２ｂのそれぞれは、ガイドレール６２の長手方向に沿って形成されている。そして、移動ブロック６１には、溝６１ａ、及び溝６１ｂが形成されている。移動ブロック６１は、ガイドレール６２の長手方向において、ガイドレール６２よりも短くなっている。凸部６２ａを溝６１ａに嵌合挿入し、凸部６２ｂを溝６１ｂに嵌合挿入する。従って、凸部６２ａが溝６１ａ内を移動し、凸部６２ｂが溝６１ｂ内を移動する。これにより、ガイドレール６２が移動ブロック６１をスライド可能に支持する。
【００４５】
ガイドレール６２の上面にネック５４の裏面を対向配置して、ガイドレール６２をネック５４に固定する。すなわち、ガイドレール６２の凸部６２ａが設けられている面と反対側の面に、ネック５４を載置して、固定する。このようにすることで、移動ブロック６１が取り付けられている左手部１１の移動方向を、指板５２の円筒の中心軸に平行にすることができる。ここでは、腕用アクチュエータ１７を駆動することで、図１０に矢印Ｂの方向に、左手部１１が直進移動する。このように、リニアガイド６０を設けることによって、バイオリン５０に対する左手部１１の移動方向が、回転軸と平行な方向に規制される。リニアガイド６０を設けることで、スライド軸のバイオリン５０に対する位置が決まるため、確実にスライド軸を円筒の中心軸に平行にすることができる。
【００４６】
さらに、図７、８に示すように、左手部１１には、軸受６６が設けられている。軸受６６は、左手部１１の手の平側に取り付けられていた回転軸受である。軸受６６が、移動ブロック６１に設けられている軸６５を軸支する。すなわち、軸６５を軸受６６に挿入する。従って、移動ブロック６１の軸６５を回転軸として、軸受６６が回転する。軸受６６は、ボールベアリング等であり、左手部１１の駆動を機械的に拘束する。これにより、腕用アクチュエータ１７を駆動すると、軸受６６の軸６５を回転中心として、図９の左手部１１が矢印Ａに沿って、回転する。よって、左手部１１の回転運動の中心位置を特定することができる。軸受６６を設けることで、回転軸のバイオリン５０に対する位置が決まる。確実に回転中心を円筒の中心軸に一致させることができる。
【００４７】
このように、左手部１１とバイオリン５０との間には、リニアガイド６０が設けられている。さらに、リニアガイド６０は軸受６６を介して、左手部１１に取り付けられている。すなわち、リニアガイド６０と左手部１１の間には、軸受６６が配置されている。リニアガイド６０、及び軸受６６により、バイオリン５０に対する左手部１１の動きが機械拘束されている。これにより、バイオリン５０に対する左手部１１の移動精度を向上することができる。すなわち、バイオリン５０に対する左手部１１の移動を高い位置精度で、制御することができる。例えば、腕用アクチュエータ１７の制御による移動で位置誤差が生じてしまった場合でも、位置誤差がバイオリン５０の移動によって吸収される。具体的には、腕用アクチュエータ１７の位置誤差が生じた場合でも、バイオリン自体が、位置誤差を吸収するように移動する。従って、左手部１１のスライド方向と回転方向のバイオリン５０に対する軸の位置が不変となる。よって、左手部１１が指板５２の表面に沿って移動する。
【００４８】
本実施の形態では、指板５２の表面を円筒の側面形状にしている。従って、ハンド運動をネック軸に対する平行運動と回転運動に分解した場合、軸垂直方向の高低差を吸収することができる。よって、ネック軸に垂直に移動する指部４０を位置制御で駆動することができる。すなわち、左手用アクチュエータ１３のモータに対して、モータの回転角度を指令値として与えて、各指関節を駆動すればよい。指部４０を位置制御で駆動しているため、弦５１を押し当てるタイミングや放すタイミングを細かく制御することができる。また、弦５１の押し当て位置等を精度よく制御することができる。特に、別弦に移動する場合など、最適な経路計画を容易に行うことができ、素早い演奏が可能になる。このように、位置制御を行うことで、制御を容易に行うことができ、正確な演奏が可能になる。なお、親指４１でリニアガイド６０、及び軸受６６を隠すようにしてもよい。
【００４９】
上記の説明では、バイオリン５０に対する駆動軸を位置決めするために、リニアガイド６０、及び軸受６６を設けているが、腕用アクチュエータ１７を制御することで、駆動軸の位置を制御してもよい。すなわち、左腕の複数の関節を駆動することによって、バイオリン５０に対する左手部１１の移動方向を制御してもよい。この場合、リニアガイド６０、及び軸受６６が不要になる。
【００５０】
また、指部４０の先端に位置制御で動作するビブラート機構を設けてもよい。例えば、バネなどの弾性体を、指部４０の先端に設ける。そして、弾性体の弾性力を利用して、指部４０の先端を指板５２に対して押し当てる。また、弦を押し当てる押し当て部材の形状を扁平させ、指部４０に回転可能に取り付ける。押し当て部材が指板５２に接触している状態では、指部４０の垂直方向位置に応じて、弾性体が伸縮して、押し当て位置が弦方向に変化する。すなわち、指部先端の指板５２からの高さによって押し当て位置が変化する。このような場合、位置制御で指部４０を駆動することで、精度よくに制御することが可能になる。よって、ビブラート奏法を正確かつ容易に行うことができる。
【００５１】
なお、上記の例では、バイオリンを演奏する弦楽器演奏システムについて説明したが、他の弦楽器を演奏するものであってもよい。例えば、ビィオラ、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演奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本実施の形態に係る弦楽器演奏システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本実施の形態にかかる弦楽器演奏システムに用いられるバイオリンの指板の構成を示す図である。
【図３】図１の指板が取り付けられたバイオリンの構成を示す側面図である。
【図４】本実施の形態に係る弦楽器演奏システムにおいて、バイオリンを把持した左手部の構成を示す図である。
【図５】左手部がバイオリンを把持している構成全体を示す斜視図である。
【図６】図５の構成を拡大して示す斜視図である。
【図７】リニアガイドとその周辺の構成を示す斜視図である。
【図８】左手部の構成を示す分解斜視図である。
【図９】バイオリンを把持する左手部をネック側から見た図である。
【図１０】バイオリンを把持する左手部をバイオリンの側方から見た図である。
【図１１】バイオリンをロボットハンドで演奏するときの運動を説明する斜視図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 胴体部、１１ 左手部、１２ 右手部、１３ 左手用アクチュエータ
１４ 右手用アクチュエータ、１５ 右腕部、１６ 左腕部、
１７ 腕用アクチュエータ、１８ センサ、１９ 制御部、
４０ 指部、４１ 親指、４２ 人差指、４３ 中指、４４ 薬指、４５ 小指、
５０ バイオリン、５１ 弦、５２ 指板、５３ 弓、５４ ネック、
６０ リニアガイド、６１ 移動ブロック、６２ ガイドレール、
１００ 弦楽器演奏ロボット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弦楽器を演奏する弦楽器演奏システム、及び弦楽器演奏ロボットに関する。
【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、楽器を演奏するロボットが活躍している。例えば、トランペット等の管楽器を演奏するためのロボットが開示されている（特許文献１参照）。このロボットでは、ピストンを押し下げるための人口指がピストン毎に設けられている。また、バイオリンを演奏するロボットも開発されている（非特許文献１、２）
【特許文献１】特開２００４−３１４１８７号公報
【非特許文献１】龍谷大学ホームページ 理工学研究科 機械システム工学専攻 下条・明研究室 「平成１９年１０月１６日検索」 インターネット〈ＵＲＬ：http://mec3342.mecsys.ryukoku.ac.jp/sibuya/jindex.html〉
【非特許文献２】電気通信大学ホームページ 電気通信学研究科 知能機械工学専攻 渋谷研究室 ［平成１９年１０月１６日検索］ インターネット〈ＵＲＬ：http://www.rm.mce.uec.ac.jp/research/mubot/mubot_index.html〉
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
バイオリンを演奏する場合、弦を指板に押し付けて音階を調整する。演奏ロボットでは、指先で弦を押し付けるために、３自由度の位置決めが必要とされる。例えば、図１１に示すように、バイオリンネック部を基準に、（１）ネック軸（長軸）方向への平行移動、（２）ネック軸に対する回転移動、（３）ネック軸に垂直な方向に分解して動作させる方法が一般的に用いられる。（１）の駆動は音階調整のために行われ、（２）の駆動は別弦に移動するために行われ、（３）の駆動は弦の押し付け、放しを切換えるために行われる。
【０００４】
非特許文献１のロボットでは、運指用の左手は、楽器に対して固定されており、ネック軸に対して垂直方向にのみ指を運動させて演奏している。また、非特許文献２のロボットでは、左ハンドは、平行レールに沿って移動し、手首に該当する回転部を有している。そして、ネック軸に垂直方向の運動について、指先は力制御ベースで駆動されている。
【０００５】
バイオリンのネック及び指板は、複雑な形状をしており、各音階のポジションによって高低の違いがある。すなわち、ネック軸に垂直方向における移動距離が、音階のポジションによって異なっている。したがって、図１１に示すように、左手部１１の運動をネック軸に対する平行運動と、回転運動に分解した後も、軸垂直方向の高低差を吸収する必要があるため、指部４０の軸垂直運動の制御を位置制御ベースにすることができず、力制御ベースで行う必要がある。ネック軸垂直方向への指部４０の制御が力制御ベースであるため、細かなタイミング制御が難しいという問題点がある。特に、別弦に移動する場合等、最適な経路計画が難しく、素早い演奏ができない。そのため、微細な押さえ付け、放しのタイミングのコントロールが難しいという問題点がある。
【０００６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、本発明の目的は、簡便な制御で、弦を指板に押し当てることができる弦楽器演奏システム、及び弦楽器用マニピュレータ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】
【０００７】
本発明の第１の態様に係る弦楽器演奏システムは、弦楽器と前記弦楽器を演奏する弦楽器演奏ロボットとを有する弦楽器演奏システムであって、前記弦楽器演奏ロボットが、前記弦楽器の指板に対して弦を押し当てる指部を有するロボットハンドと、前記弦を前記指板に押し当てるように、前記指板と前記指部との距離を変化させる第１のアクチュエータと、前記ロボットハンドを移動させて、弦の押し当て位置を変化させる第２のアクチュエータと、有し、前記指板の弦側側面が円筒の側面形状であり、前記第２のアクチュエータが前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸と平行に移動させるものである。これにより、音階を変えるためにロボットハンドを移動させても、指部から指板までの距離が変わらないため、容易に制御することができる。
【０００８】
本発明の第２の態様に係る弦楽器演奏システムは、上記の弦楽器演奏システムであって、前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸に沿って移動させるためのリニアガイドが前記ロボットハンドと前記弦楽器との間に設けられているものである。これにより、精度よく、ロボットハンドを移動することができる。
【０００９】
本発明の第３の態様に係る弦楽器演奏システムは、上記の弦楽器演奏システムであって、前記第２のアクチュエータが、前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸を回転軸として駆動するものである。これにより、別弦に移動するためにロボットハンドを移動させても、指部から指板までの距離が変わらないため、容易に制御することができる。
【００１０】
本発明の第４の態様に係る弦楽器演奏システムは、上記の弦楽器演奏システムであって、前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸を回転軸として回転させるための軸受が前記ロボットハンドと前記弦楽器と間に設けられているものである。これにより、精度よく、ロボットハンドを移動することができる。
【００１１】
本発明の第５の態様に係る弦楽器演奏システムは、上記の弦楽器演奏システムであって、弦楽器と前記弦楽器を演奏する弦楽器演奏ロボットとを有する弦楽器演奏システムであって、前記弦楽器演奏ロボットが、前記弦楽器の指板に対して弦を押し当てる指部を有するロボットハンドと、前記弦を前記指板に押し当てるように、前記指板と前記指部との距離を変化させる第１のアクチュエータと、前記ロボットハンドを移動させて、弦の押し当て位置を変化させる第２のアクチュエータと、有し、前記指板の弦側側面が円筒の側面形状であり、前記第２のアクチュエータが、前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸を回転軸として回転駆動させるものである。これにより、別弦に移動するためにロボットハンドを移動させても、指部から指板までの距離が変わらないため、容易に制御することができる。
【００１２】
本発明の第６の態様に係る弦楽器演奏システムは、上記の弦楽器演奏システムであって、前記第１のアクチュエータを位置制御によって駆動するものである。これにより、制御が容易になり、細かな動作を精度よく行うことができる。
【００１３】
本発明の第７の態様に係る弦楽器演奏ロボットは、弦楽器の指板に対して弦を押し当てる指部を有するロボットハンドと、前記弦を前記指板に押し当てるように、前記指板と前記指部との距離を変化させる第１のアクチュエータと、前記ロボットハンドを移動させて、弦の押し当て位置を変化させる第２のアクチュエータと、前記ロボットハンドに設けられたリニアガイドと、を有するものである。これにより、音階を変えるためにロボットハンドを移動させても、指部から指板までの距離が変わらないため、容易に制御することができる。
【００１４】
本発明の第８の態様に係る弦楽器演奏ロボットは、前記ロボットハンドに設けられ、前記リニアガイドを軸支する軸受をさらに備え、前記軸受の軸を回転中心として、前記ロボットハンドが回転するものである。これにより、別弦に移動するためにロボットハンドを移動させても、指部から指板までの距離が変わらないため、容易に制御することができる。
【００１５】
本発明の第９の態様に係る弦楽器演奏ロボットは、前記第１のアクチュエータを位置制御によって駆動するものである。これにより、制御が容易になり、細かな動作を精度よく行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、簡便な制御で、弦を指板に押し当てることができる弦楽器演奏システム、及び弦楽器演奏ロボット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】
【００１７】
本実施の形態にかかる弦楽器用システムは、弦楽器と弦楽器を演奏する弦楽器演奏マニピュレータとを有している。そして、弦楽器演奏マニピュレータが、弦楽器の指板に対して弦を押し当てる指部を有するロボットハンドと、弦を指板に押し当てるように、前記指板と前記指部との距離を変化させる第１のアクチュエータと、ロボットハンドを移動させて、弦の押し当て位置を変化させる第２のアクチュエータと、有している。さらに、指板の弦側側面が円筒の側面形状であり、第２のアクチュエータがロボットハンドを円筒の中心軸に沿って移動させている。
【００１８】
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。
【００１９】
本実施の形態に係る弦楽器演奏ロボットについて、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態にかかる弦楽器演奏ロボット１００の概略構成を示す図である。弦楽器演奏ロボット１００は、胴体部１０、左手部１１、右手部１２、左手用アクチュエータ１３、右手用アクチュエータ１４、左腕部１５、右腕部１６、腕用アクチュエータ１７、センサ１８、及び制御部１９を備えている。弦楽器演奏ロボット１００は、例えば、図示しない頭部と脚部とを有する人型のヒューマイノイドロボットであってもよい。弦楽器演奏ロボット１００は、両腕、及び両手を駆動して、バイオリン５０を演奏する。このバイオリン５０は、通常のバイオリンに限らず、電子バイオリンであってもよい。そして、弦楽器演奏ロボット１００及びバイオリン５０によって、弦楽器演奏システムが構成される。
【００２０】
胴体部１０には、左腕部１５、及び右腕部１６が接続されている。左腕部１５、及び右腕部１６は、例えば、６自由度や７自由度のロボットアームである。左腕部１５、及び右腕部１６は、肩関節を介して胴体部１０に取り付けられている。左腕部１５、及び右腕部１６には、肘関節が設けられている。この肘関節は、左腕部１５、及び右腕部１６の上腕と前腕とを連結している。左腕部１５の先端には左手部１１が接続され、右腕部１６の先端には、右手部１２が接続されている。左手部１１、及び右手部１２は、手首関節を介して、左腕部１５、及び右腕部１６にそれぞれ接続されている。
【００２１】
さらに、胴体部１０には、左腕部１５、及び右腕部１６の各関節を駆動する腕用アクチュエータ１７が設けられている。腕用アクチュエータ１７によって、肘関節、肩関節、手首関節が駆動する。腕用アクチュエータ１７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。ここでは、腕用アクチュエータ１７として、サーボモータを用いている。なお、腕用アクチュエータ１７を配置する場所は、胴体部１０に限らず、各関節の近傍でもよい。もちろん、自由度の数に応じた数の腕用アクチュエータ１７が設けられている。
【００２２】
左手部１１、及び右手部１２は、複数の指を有するロボットハンドである。例えば、左手部１１、及び右手部１２はそれぞれ、人間の手と同様に、五指を有する。左手部１１には、五指に設けられた指関節を駆動するための左手用アクチュエータ１３が設けられている。同様に、右手部１２には、五指に設けられた指関節を駆動するための右手用アクチュエータ１４が設けられている。なお、１本の指の指関節は１以上であればよい。左手用アクチュエータ１３は、例えば、左手部１１の手の平部に収容され、右手用アクチュエータ１４は、右手部１２の手の平部に収容される。左手用アクチュエータ１３は、左手部１１の指関節を駆動し、右手用アクチュエータ１４は右手部１２の指関節を駆動する。左手用アクチュエータ１３、及び右手用アクチュエータ１４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。ここでは、左手用アクチュエータ１３、及び右手用アクチュエータ１４として、サーボモータを用いている。
【００２３】
なお、腕用アクチュエータ１７、左手用アクチュエータ１３、及び右手用アクチュエータ１４は自由度に応じた数のモータ等を有している。例えば、左腕部１５、及び右腕部１６が６自由度のロボットアームである場合、それぞれの腕には、６つのモータが設けられる。また、両腕、及び両手の各関節には、サーボモータの動力を伝達するギヤやベルトやプーリなどが設けられていてもよい。
【００２４】
左手部１１、及び右手部１２は、バイオリン５０を演奏する弦楽器演奏マニピュレータを構成する。左手部１１は、バイオリン５０の指板５２部分を把持する。すなわち、左手部１１がバイオリン５０のネック部分を把持して、バイオリン５０を持ち上げる。そして、バイオリン５０のボディーを胴体部１０で保持する。例えば、人間と同様に、頭部の顎部と肩部とでバイオリンのあご当てを挟み込む。これにより、バイオリン５０を安定して保持することができる。もちろん、上記以外の方法で、バイオリン５０を保持してもよい。例えば、弦楽器演奏ロボット１００に、バイオリン保持機構を設けてもよい。
【００２５】
右手部１２は、バイオリン５０の演奏に用いる弓５３を把持する。すなわち、右手部１２で弓５３を操作する。右手部１２が弓５３を把持した状態で、腕用アクチュエータ１７を駆動する。これにより、右腕部１６の関節が駆動し、音を奏でるための弓５３の往復動作が行なわれる。バイオリン５０には、４本の弦５１が設けられている。そして、左手部１１の指の先端が、それぞれの弦５１を指板５２に対して押し当てる。例えば、４本の弦５１が人差指、中指、薬指、親指で、それぞれ押さえられる。これにより、弦５１の振動部分の長さが変化して、音程を調整することができる。左手部１１によって弦５１を指板５２に押し当てた状態で、右手部１２が弓５３によって弦５１を振動させる。具体的には、右手部１２が弓５３のヘアーを弦５１に当接させた状態で、弓５３を弦方向から傾いた方向に移動させる。例えば、弓５３を把持した右手部１２を図１の矢印方向に駆動する。弦５１と弓５３とがこすれ、弦５１が振動する。これにより、弦５１の振動部分の長さに応じた音階の音が奏でられる。
【００２６】
胴体部１０には、各関節の駆動を制御するための制御部１９が設けられている。制御部１９は、腕用アクチュエータ１７、左手用アクチュエータ１３、及び右手用アクチュエータ１４の駆動を制御する。制御部１９は、例えば、エンコーダなどのセンサ１８からの出力に応じて、フィードバック制御する。制御部１９による制御は、公知の制御方法を用いることができる。これにより、右手部１２、及び左手部１１が上述のように駆動して、音を奏でることができる。
【００２７】
ここで、制御部１９について詳細に説明する。制御部１９は、演算処理部であるＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶領域であるＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、通信用のインターフェースなどを有し、ロボット１００の各種動作を制御する。例えば、ＲＯＭには、制御するための制御プログラムや、各種の設定データ等が記憶されている。そして、ＣＰＵは、このＲＯＭに記憶されている制御プログラムを読み出し、ＲＡＭに展開する。そして、設定データや、センサ等からの出力に応じてプログラムを実行する。
【００２８】
制御部１９は、演奏する曲に応じて、腕用アクチュエータ１７、左手用アクチュエータ１３、及び右手用アクチュエータ１４の駆動を制御する。例えば、演奏曲に応じて、押し当て位置のパターンを生成する。そして、押し当て位置のパターンに基づいて左手部１１を移動させる。これにより、所定のタイミングで、押し当て位置が所定の位置に変化する。また、演奏曲に応じて、弓５３を移動するタイミングのパターンを生成する。そして、このタイミングパターンに応じて弓５３の往復動作を制御する。これにより、所定の音程が所定のタイミングで奏でられていき、演奏することができる。なお、本実施の形態において、弦楽器演奏ロボット１００が行なう演奏とは、完全な曲の演奏に限らず、少なくとも１つの音階の音が奏でられるものであればよい。また、弓５３の動作は、物理的に異なるロボットや、人間が行ってもよい。
【００２９】
次に、本実施の形態にかかるロボット演奏システムの特徴部分である、指板５２、及び左手部１１の構成について、図２〜図４を用いて説明する。図２は、指板５２の構成を示す図である。図３は、指板５２が取り付けられたバイオリン５０の構成を示す側面図である。図４は、バイオリン５０を把持する左手部１１の構成を示す図である。
【００３０】
まず、指板５２の形状について、説明する。図２に示すように、指板５２は、円筒５６から切り出された形状を有している。すなわち、図２において、円筒５６内で交差する実線で円筒５６を切断することによって、指板５２が形成される。したがって、指板５２の側面は円筒５６の側面形状になっている。すなわち、指板５２の表面が円筒側面で形成されるように、円筒５６をカットする。また、円筒５６の軸方向位置に応じて、指板５２の厚みが変化している。
【００３１】
もちろん、指板５２の表面が円筒側面で形成されていれば、実際に円筒状のブロックをカットしなくてもよい。すなわち、指板５２が円筒側面で形成されるように加工されていればよい。また、指板５２の表面は、厳密な円筒５６の側面でなくてもよく、実施の弦５１が押し当てられる部分のみが円筒５６の側面と一致していればよい。
【００３２】
図３に示すように、この指板５２をバイオリン５０のネック５４に固定する。ここでは、円筒５６の側面形状となっている指板５２の側面が弦側になるように配置されている。すなわち、弦５１が当接する面が円筒の側面形状になる。従って、円筒５６の切断面がネック側に配置される。また、バイオリン５０の駒に向かうにつれて、指板５２が高くなっている。
【００３３】
図４に示すように、指板５２が取り付けられたバイオリン５０が、左手部１１で把持される。そして、指部４０を駆動することで、弦が指板５２に対して押し当てることができる。すなわち、図１に示した左手用アクチュエータ１３で指部４０を駆動する。これにより、指部４０が指板５２に対して近づき、弦５１が指板５２に押し付けられる。反対に、指部４０を指板５２から離していくことで、弦５１の押し当てを解放することができる。また、腕用アクチュエータ１７を駆動することで、弦の押し当て位置を変えることができる。すなわち、肘関節や肩関節を駆動することで、バイオリン５０に対する左手部１１の位置を変える。
【００３４】
ここでは、図１１に示したように、弦の押し当て動作を３方向の運動に分解する。ネック軸に平行な平行運動、及びネック軸に対する回転運動は、腕用アクチュエータ１７によって行われる。また、ネック軸に垂直な垂直運動は、左手用アクチュエータ１３によって行われる。
【００３５】
図４に示すように、腕用アクチュエータ１７によって、左手部１１を矢印Ａの方向に回転駆動している。これにより、指板５２に対して押し当てる弦５１を選択することができ、押し当て位置を別弦に移動することができる。すなわち、Ａ方向に回転させると、指板５２の表面上において、各指の押し当て位置が弦５１と垂直な方向に変化する。したがって、指板５２に押し当てる弦５１が変わる。ここでは、回転駆動の回転中心を指板５２を構成する円筒の中心軸５７と一致させる。これにより、指板５２の表面に沿って、左手部１１が回転する。したがって、左手部１１を回転駆動させても、指部４０の先端から指板５２の表面までの距離が変化しない。すなわち、押し付ける弦を変えた場合でも、押し当て動作のために指部４０を駆動する距離が変化しない。このため、指部４０を位置制御によって駆動することができる。すなわち、左手用アクチュエータ１３を位置制御することで、指部４０が押し当て位置まで移動する。これにより、正確に制御することができ、微細な制御が可能になる。
【００３６】
さらに、腕用アクチュエータ１７によって、左手部１１を矢印Ｂの方向に直線駆動する。これにより、同一弦に対する押し当て位置が変わり、音階を調整することができる。すなわち、左手部１１をＢ方向にスライドさせると、それぞれの指の押し当て位置が弦と平行な方向に変化する。したがって、それぞれの弦での押し当て位置が移動して、音階を変えることができる。さらに、ここでは、直線駆動の駆動軸を円筒の中心軸５７と平行にしている。これにより、指板５２の表面に沿って、左手部１１がスライド移動する。したがって、左手部１１を直線駆動しても、指部４０の先端から指板５２の表面までの距離が変化しない。すなわち、音階を変えるために左手部１１をスライドさせた場合でも、押し当て動作のために指部４０を駆動する距離が変化しない。押し当て位置によって指部４０の垂直駆動距離が変化しないため、指部４０を位置制御によって駆動することができる。すなわち、左手用アクチュエータ１３を位置制御することで、指関節が回転して、指部４０の先端が押し当て位置まで移動する。これにより、精度よく制御することができ、微細な制御が可能になる。
【００３７】
なお、円筒５６の中心軸５７とは、図２に示したような指板５２を切り出す前の円筒５６を仮想的にバイオリン５０のネック５４に沿って配置したときの中心軸である。もちろん、仮想的に配置された円筒５６の側面は、実際に配置された指板５２の弦側の表面と一致している。
【００３８】
このように、指板５２の表面を円筒５６の側面形状とする。そして、円筒５６の中心軸５７と一致する駆動軸で左手部１１を駆動する。すなわち、スライド移動させるときのスライド軸を円筒５６の中心軸５７と平行にする。また、回転駆動するときの回転軸を円筒５６の中心軸５７と一致させる。このようにすることにより、押し当て位置によらず、指板５２表面までの高さが一定になる。腕用アクチュエータ１７を駆動することによって左手部１１を指板５２に対して移動させた場合でも、指板５２表面までの垂直距離を一定にすることができる。すなわち、指板５２のどの位置においてでも、指板５２に対して指部４０を一定距離だけ近づければ、指部４０が指板５２に接触する。よって、左手用アクチュエータ１３を位置制御で駆動することができる。これにより、３軸とも位置制御にすることができるため、最適な経路計画を容易に行なうことができる。
【００３９】
次に、図５、及び図６を用いて指板５２、及び左手部１１の構成を詳細に説明する。図５は、左手部１１がバイオリン５０を把持している構成全体を示す斜視図である。図６は、バイオリン５０のネック５４、及び左手部１１の構成を拡大して示す斜視図である。また、図５、図６では、左手部１１に設けられた五指を、親指４１、人差指４２、中指４３、薬指４４、小指４５として示している。すなわち、５つの指部４０を親指４１、人差指４２、中指４３、薬指４４、小指４５として、区別している。もちろん、指部４０の数は、４以下でよく、６以上でもよい。
【００４０】
図５、及び図６に示すように、左手部１１によって、バイオリン５０のネック５４が把持されている。具体的には、ネック５４の指板５２と反対側に、左手部１１の手の平部が配置されている。すなわち、左手部１１の手の平部の上方にネック５４が配置される。そして、人差指４２、中指４３、薬指４４、及び小指４５がネック５４の一方側に配置され、親指４１がネック５４の他方に配置されている。そして、手の平部分にバイオリン５０を載置した状態で、五指でネック５４を挟み込むように、バイオリン５０を保持する。
【００４１】
さらに、図６に示すように、バイオリン５０と左手部１１の間には、リニアガイド６０が設けられている。リニアガイド６０によって、バイオリン５０に対する左手部１１の移動方向が、ガイドされる。リニアガイド６０は、バイオリン５０に対する左手部１１の移動方向を制限する。リニアガイド６０が設けられている方向に沿って、バイオリン５０と左手部１１とが相対移動する。よって、バイオリン５０の指板５２に沿って、左手部１１が並進移動する。すなわち、指板５２を構成する円筒の中心軸と平行方向に、左手部１１が直進する。なお、円筒の中心軸とは、図２に示したような指板５２を切り出す前の円筒５６を仮想的にバイオリン５０のネック５４に沿って配置したときの中心軸である。もちろん、仮想的に配置された円筒の側面は指板５２の弦側の側面と一致している。
【００４２】
ここで、リニアガイド６０とその周辺の構成について、図７〜図１０を用いて説明する。図７は、リニアガイド６０とその周辺の構成を示す斜視図であり、図６のバイオリン５０を取り除いた状態を示している。図８は、左手部１１の構成を示す分解斜視図である。図９は、バイオリン５０を把持する左手部１１をネック５４側から見た図である。図１０は、バイオリン５０を把持する左手部１１をバイオリン５０の側方から見た図である。また、図７では、人差指４２、中指４３、薬指４４、小指４５を駆動する指関節をそれぞれ、指関節４２ａ、指関節４３ａ、指関節４４ａ、及び指関節４５ａとして示している。
【００４３】
図７、及び図８に示すように、リニアガイド６０は移動ブロック６１、及びガイドレール６２から構成されている。リニアガイド６０のガイドレール６２は、図１０に示すように、バイオリン５０に取り付けられ、リニアガイド６０の移動ブロック６１は、ロボットハンド１１に取り付けられる。例えば、ガイドレール６２は、ネック５４の裏側、すなわち、指板５２と反対側に固定される。また、移動ブロック６１は、左手部１１の親指４１の根元部分に取り付けられる。移動ブロック６１がガイドレール６２の長手方向に沿って移動する。ガイドレール６２の長手方向がネック５４方向に沿って配置されている。すなわち、ガイドレール６２の長手方向が、指板５２を構成する円筒の中心軸と平行になっている。そして、移動ブロック６１は、ガイドレール６２にスライド可能に嵌合支持される。従って、移動ブロック６１がガイドレール６２にガイドされ、移動ブロック６１が設けられている左手部１１が、ガイドレール６２に沿って移動する。すなわち、図１０の矢印Ｂの方向に左手部１１が移動する。
【００４４】
より具体的には、図８に示すように、直方体状のガイドレール６２には、凸部６２ａ、及び凸部６２ｂが形成されている。凸部６２ａと凸部６２ｂとは、ガイドレール６２の異なる側面に設けられている。凸部６２ａ、及び凸部６２ｂのそれぞれは、ガイドレール６２の長手方向に沿って形成されている。そして、移動ブロック６１には、溝６１ａ、及び溝６１ｂが形成されている。移動ブロック６１は、ガイドレール６２の長手方向において、ガイドレール６２よりも短くなっている。凸部６２ａを溝６１ａに嵌合挿入し、凸部６２ｂを溝６１ｂに嵌合挿入する。従って、凸部６２ａが溝６１ａ内を移動し、凸部６２ｂが溝６１ｂ内を移動する。これにより、ガイドレール６２が移動ブロック６１をスライド可能に支持する。
【００４５】
ガイドレール６２の上面にネック５４の裏面を対向配置して、ガイドレール６２をネック５４に固定する。すなわち、ガイドレール６２の凸部６２ａが設けられている面と反対側の面に、ネック５４を載置して、固定する。このようにすることで、移動ブロック６１が取り付けられている左手部１１の移動方向を、指板５２の円筒の中心軸に平行にすることができる。ここでは、腕用アクチュエータ１７を駆動することで、図１０に矢印Ｂの方向に、左手部１１が直進移動する。このように、リニアガイド６０を設けることによって、バイオリン５０に対する左手部１１の移動方向が、回転軸と平行な方向に規制される。リニアガイド６０を設けることで、スライド軸のバイオリン５０に対する位置が決まるため、確実にスライド軸を円筒の中心軸に平行にすることができる。
【００４６】
さらに、図７、８に示すように、左手部１１には、軸受６６が設けられている。軸受６６は、左手部１１の手の平側に取り付けられていた回転軸受である。軸受６６が、移動ブロック６１に設けられている軸６５を軸支する。すなわち、軸６５を軸受６６に挿入する。従って、移動ブロック６１の軸６５を回転軸として、軸受６６が回転する。軸受６６は、ボールベアリング等であり、左手部１１の駆動を機械的に拘束する。これにより、腕用アクチュエータ１７を駆動すると、軸受６６の軸６５を回転中心として、図９の左手部１１が矢印Ａに沿って、回転する。よって、左手部１１の回転運動の中心位置を特定することができる。軸受６６を設けることで、回転軸のバイオリン５０に対する位置が決まる。確実に回転中心を円筒の中心軸に一致させることができる。
【００４７】
このように、左手部１１とバイオリン５０との間には、リニアガイド６０が設けられている。さらに、リニアガイド６０は軸受６６を介して、左手部１１に取り付けられている。すなわち、リニアガイド６０と左手部１１の間には、軸受６６が配置されている。リニアガイド６０、及び軸受６６により、バイオリン５０に対する左手部１１の動きが機械拘束されている。これにより、バイオリン５０に対する左手部１１の移動精度を向上することができる。すなわち、バイオリン５０に対する左手部１１の移動を高い位置精度で、制御することができる。例えば、腕用アクチュエータ１７の制御による移動で位置誤差が生じてしまった場合でも、位置誤差がバイオリン５０の移動によって吸収される。具体的には、腕用アクチュエータ１７の位置誤差が生じた場合でも、バイオリン自体が、位置誤差を吸収するように移動する。従って、左手部１１のスライド方向と回転方向のバイオリン５０に対する軸の位置が不変となる。よって、左手部１１が指板５２の表面に沿って移動する。
【００４８】
本実施の形態では、指板５２の表面を円筒の側面形状にしている。従って、ハンド運動をネック軸に対する平行運動と回転運動に分解した場合、軸垂直方向の高低差を吸収することができる。よって、ネック軸に垂直に移動する指部４０を位置制御で駆動することができる。すなわち、左手用アクチュエータ１３のモータに対して、モータの回転角度を指令値として与えて、各指関節を駆動すればよい。指部４０を位置制御で駆動しているため、弦５１を押し当てるタイミングや放すタイミングを細かく制御することができる。また、弦５１の押し当て位置等を精度よく制御することができる。特に、別弦に移動する場合など、最適な経路計画を容易に行うことができ、素早い演奏が可能になる。このように、位置制御を行うことで、制御を容易に行うことができ、正確な演奏が可能になる。なお、親指４１でリニアガイド６０、及び軸受６６を隠すようにしてもよい。
【００４９】
上記の説明では、バイオリン５０に対する駆動軸を位置決めするために、リニアガイド６０、及び軸受６６を設けているが、腕用アクチュエータ１７を制御することで、駆動軸の位置を制御してもよい。すなわち、左腕の複数の関節を駆動することによって、バイオリン５０に対する左手部１１の移動方向を制御してもよい。この場合、リニアガイド６０、及び軸受６６が不要になる。
【００５０】
また、指部４０の先端に位置制御で動作するビブラート機構を設けてもよい。例えば、バネなどの弾性体を、指部４０の先端に設ける。そして、弾性体の弾性力を利用して、指部４０の先端を指板５２に対して押し当てる。また、弦を押し当てる押し当て部材の形状を扁平させ、指部４０に回転可能に取り付ける。押し当て部材が指板５２に接触している状態では、指部４０の垂直方向位置に応じて、弾性体が伸縮して、押し当て位置が弦方向に変化する。すなわち、指部先端の指板５２からの高さによって押し当て位置が変化する。このような場合、位置制御で指部４０を駆動することで、精度よくに制御することが可能になる。よって、ビブラート奏法を正確かつ容易に行うことができる。
【００５１】
なお、上記の例では、バイオリンを演奏する弦楽器演奏システムについて説明したが、他の弦楽器を演奏するものであってもよい。例えば、ビィオラ、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演奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本実施の形態に係る弦楽器演奏システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本実施の形態にかかる弦楽器演奏システムに用いられるバイオリンの指板の構成を示す図である。
【図３】図１の指板が取り付けられたバイオリンの構成を示す側面図である。
【図４】本実施の形態に係る弦楽器演奏システムにおいて、バイオリンを把持した左手部の構成を示す図である。
【図５】左手部がバイオリンを把持している構成全体を示す斜視図である。
【図６】図５の構成を拡大して示す斜視図である。
【図７】リニアガイドとその周辺の構成を示す斜視図である。
【図８】左手部の構成を示す分解斜視図である。
【図９】バイオリンを把持する左手部をネック側から見た図である。
【図１０】バイオリンを把持する左手部をバイオリンの側方から見た図である。
【図１１】バイオリンをロボットハンドで演奏するときの運動を説明する斜視図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 胴体部、１１ 左手部、１２ 右手部、１３ 左手用アクチュエータ
１４ 右手用アクチュエータ、１５ 右腕部、１６ 左腕部、
１７ 腕用アクチュエータ、１８ センサ、１９ 制御部、
４０ 指部、４１ 親指、４２ 人差指、４３ 中指、４４ 薬指、４５ 小指、
５０ バイオリン、５１ 弦、５２ 指板、５３ 弓、５４ ネック、
６０ リニアガイド、６１ 移動ブロック、６２ ガイドレール、
１００ 弦楽器演奏ロボット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弦楽器と前記弦楽器を演奏する弦楽器演奏ロボットとを有する弦楽器演奏システムであって、
前記弦楽器演奏ロボットが、
前記弦楽器の指板に対して弦を押し当てる指部を有するロボットハンドと、
前記弦を前記指板に押し当てるように、前記指板と前記指部との距離を変化させる第１のアクチュエータと、
前記ロボットハンドを移動させて、弦の押し当て位置を変化させる第２のアクチュエータと、有し、
前記指板の弦側側面が円筒の側面形状であり、
前記第２のアクチュエータが前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸と平行に移動させる弦楽器演奏システム。
【請求項２】
前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸に平行移動させるためのリニアガイドが前記ロボットハンドと前記弦楽器との間に設けられている請求項１に記載の弦楽器演奏システム。
【請求項３】
前記第２のアクチュエータが、前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸を回転軸として駆動する請求項１、又は２に記載の弦楽器演奏システム。
【請求項４】
前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸を回転軸として回転させるための軸受が前記ロボットハンドと前記弦楽器と間に設けられている請求項３に記載の弦楽器演奏システム。
【請求項５】
弦楽器と前記弦楽器を演奏する弦楽器演奏ロボットとを有する弦楽器演奏システムであって、
前記弦楽器演奏ロボットが、
前記弦楽器の指板に対して弦を押し当てる指部を有するロボットハンドと、
前記弦を前記指板に押し当てるように、前記指板と前記指部との距離を変化させる第１のアクチュエータと、
前記ロボットハンドを移動させて、弦の押し当て位置を変化させる第２のアクチュエータと、有し、
前記指板の弦側側面が円筒の側面形状であり、
前記第２のアクチュエータが、前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸を回転軸として回転駆動させる弦楽器演奏システム。
【請求項６】
前記第１のアクチュエータを位置制御によって駆動する請求項１乃至５のいずれかに１項に記載の弦楽器演奏システム。
【請求項７】
弦楽器の指板に対して弦を押し当てる指部を有するロボットハンドと、
前記弦を前記指板に押し当てるように、前記指板と前記指部との距離を変化させる第１のアクチュエータと、
前記ロボットハンドを移動させて、弦の押し当て位置を変化させる第２のアクチュエータと、
前記ロボットハンドに設けられたリニアガイドと、を有する弦楽器演奏ロボット。
【請求項８】
前記ロボットハンドに設けられ、前記リニアガイドを軸支する軸受をさらに備え、
前記軸受の軸を回転中心として、前記ロボットハンドが回転する請求項５に記載の弦楽器演奏ロボット。
【請求項９】
前記第１のアクチュエータを位置制御によって駆動する請求項７、又は８に記載の弦楽器演奏ロボット。
【請求項１】
弦楽器と前記弦楽器を演奏する弦楽器演奏ロボットとを有する弦楽器演奏システムであって、
前記弦楽器演奏ロボットが、
前記弦楽器の指板に対して弦を押し当てる指部を有するロボットハンドと、
前記弦を前記指板に押し当てるように、前記指板と前記指部との距離を変化させる第１のアクチュエータと、
前記ロボットハンドを移動させて、弦の押し当て位置を変化させる第２のアクチュエータと、有し、
前記指板の弦側側面が円筒の側面形状であり、
前記第２のアクチュエータが前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸と平行に移動させる弦楽器演奏システム。
【請求項２】
前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸に平行移動させるためのリニアガイドが前記ロボットハンドと前記弦楽器との間に設けられている請求項１に記載の弦楽器演奏システム。
【請求項３】
前記第２のアクチュエータが、前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸を回転軸として駆動する請求項１、又は２に記載の弦楽器演奏システム。
【請求項４】
前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸を回転軸として回転させるための軸受が前記ロボットハンドと前記弦楽器と間に設けられている請求項３に記載の弦楽器演奏システム。
【請求項５】
弦楽器と前記弦楽器を演奏する弦楽器演奏ロボットとを有する弦楽器演奏システムであって、
前記弦楽器演奏ロボットが、
前記弦楽器の指板に対して弦を押し当てる指部を有するロボットハンドと、
前記弦を前記指板に押し当てるように、前記指板と前記指部との距離を変化させる第１のアクチュエータと、
前記ロボットハンドを移動させて、弦の押し当て位置を変化させる第２のアクチュエータと、有し、
前記指板の弦側側面が円筒の側面形状であり、
前記第２のアクチュエータが、前記ロボットハンドを前記円筒の中心軸を回転軸として回転駆動させる弦楽器演奏システム。
【請求項６】
前記第１のアクチュエータを位置制御によって駆動する請求項１乃至５のいずれかに１項に記載の弦楽器演奏システム。
【請求項７】
弦楽器の指板に対して弦を押し当てる指部を有するロボットハンドと、
前記弦を前記指板に押し当てるように、前記指板と前記指部との距離を変化させる第１のアクチュエータと、
前記ロボットハンドを移動させて、弦の押し当て位置を変化させる第２のアクチュエータと、
前記ロボットハンドに設けられたリニアガイドと、を有する弦楽器演奏ロボット。
【請求項８】
前記ロボットハンドに設けられ、前記リニアガイドを軸支する軸受をさらに備え、
前記軸受の軸を回転中心として、前記ロボットハンドが回転する請求項５に記載の弦楽器演奏ロボット。
【請求項９】
前記第１のアクチュエータを位置制御によって駆動する請求項７、又は８に記載の弦楽器演奏ロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１１】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１１】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１０１４５３（Ｐ２００９−１０１４５３Ａ）
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７４７６７（Ｐ２００７−２７４７６７）
【出願日】平成１９年１０月２３日（２００７．１０．２３）
【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５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２３日（２００７．１０．２３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]