はじめに世の中、ロボットブームといえるでしょう。ここ最近では動くものは何でもロボットと称している位浸透率が高いキーワードです。マンガの世界だけでなくニュースとして新聞やテレビでも紹介される事も珍しくありません。世間では子供からお年寄りまで、お茶の間でロボットコンテストの番組を楽しんでいる光景も今や珍しいものではなくなりました。暗いイメージは微塵のかけらも無いのではないでしょうか。そんな状況において、どの位の音響という観点から注視されて人々がいるのでしょうか。それが素早く動作している様子はどういうイメージを与えているのでしょう。正確無比な動きを実践していると思います。それよりその縦横無尽に、無人の工場内で、お互いに協調しながら黙々と仕事をする姿の方が、確かに、俄然インパクトがある様にも思えます。ヒューマノイドロボットと言われる人間型のタイプならばどうでしょう?今や2本の足で走り回るパフォーマンスをニュースやイベントなどで見聞きもされているはずです。前述の産業用ロボットとは違い、彼らには頭部があり人間の目や耳の様に機能する視聴覚センサを備えています。人間型であるならば少しだけ感情移入しやすいかもしれません。その時、自身が発している音とどう区別しているのでしょう・・・。ロボットが音響情報を正確に取得することをサポートさせて頂いたメカトロニクス技術をご紹介しようと思います。「音声を正確に聞き取る能力」を実現する事を目的としてこれまで活発な研究活動が行われています。までその裾野は大変幅広いと今さらながら実感しています。その盛況ぶりを通じて改めて思いました。サーボオンモータにはたくさんの種類がありますが、ロボットに使用されるものはクローズドループであるサーボモータが多く見られます。見ることであり、サーボモータは通常、偏差がゼロになるように制御されます。偏差が小さくなるような正転逆転動作を頻繁に繰返するようになり、最悪の場合発振してしまいます。慣性負荷の大きさと機構の剛性にあわせて最適なクローズドループ制御を行う調整を我々はゲイン調整と呼んでいます。この調整を上手く行わないと、動作中だけでなく停止中の状態でさえも振動と異音だらけの使い物にならない状態になってしまいます。このゲイン調整で導かれたロボットに瞬時にして魂を注入する最初のスイッチがこのサーボオンという操作です。静音駆動確認時にはこの時点でダメ出しをする事も多々あり、関係者一同肝を冷やしつつ、操作前には一時的に身構えてしまう事もあります。その散々たる結果に実験室で落胆に打ち果ててしまう事もまれではありません。4.動きながら聞く前述の「1.はじめに」の項での設問の続きです。自分自身がヒューマノイドロボットに乗り移ってしまった状況を想像してみてください。サーボオンしてアプリケーションは起動しています。何のエラーも起こりません。ゲイン調整も最高の出来です。おかげで手足が敏速に動き、とても快調です。おや、何か聞こえてきます。かすかであるが、自分に問いかけている様です。自身の機構が発する騒音や振動が邪魔してどこから声がするのか理解出来ません。誰が発しているのだろう。言葉の意味は何だろうと、皆目見当がつきません。どこ・・うるさくて聞こえない・・。呼びかけた方からみれば無視されたという状況を演出した事になりムードは最悪です。それでは、サーボオンを解除(サーボオフ)してモータを停止させて機構を一時的にブレーキロックしてみたらどうでしょう。静かにはなりましたが、自分の視野からは誰も見あたりません。誰かが呼んでいると思います。サーボオンして振り向いてみるか・・・。この操作は明らかにミスマッチですし、迅速なコミュニケーションとは言えません。何回呼んでもそっぽを向かれてしまうのでは、お互いに悲しい思いをするだけかもしれません。前置きが長くなりましたが、「動きながら聞く」という行為に、大変大きな意味合いがあることに気付かされます。前述の「ロボット聴覚」ではロボットを対象に、まさしく人の様に積極的に動作する事を取り入れてその聴覚の向上を目指す研究が行われています。その分野でも着目されているという、頭部の自発的な動きが聞こえに対する前後方向の判断や音像定位の向上に寄与するという緻密な研究成果がNTTコミュニケーション科学基礎研究所(神奈川県厚木市)より発表されます。今思い起こせば、そう長くは時間がかかりませんでした。新しい機運の風が世間を回り始めていたのではないでしょうか・・・。テレヘッドが聞く音響情報をヘッドホンを介してバイノーラル再生します。ここで積極的に頭部を動かすという概念がポイントになります。動かなければ通常のダミーヘッド収録・再生と変わりは無いのですから。動く事で音源位置同定能力が向上するのですからバイノーラル再生との組合せでリアルな音場再生が可能になります。ここで大変興味深いのは、信号処理等の複雑な処理を行わないという点です。アウトプットがロボット自身の認識力ではなく人の耳・感性である事からも十二分に判断出来ます。テレヘッドの開発の矛先のひとつが音情報を正確に伝えるネットワーク構築であるという事も素直にうなずけます。テレビやインターネットの2次元的な映像情報配信よりきっとおもしろいはずです。テレへッドを別名:聴覚プレゼンスロボット等と呼称されている辺りは、さすがと言わざるを得ません。ダミーヘッドの製作テレヘッドにはオペレータの頭部を正確に再現したダミーへッドが必要です。市販の頭部形状の平均値に基づいたダミーヘッドを使うのではなく、軽量で、個々のオペレータの頭部形状再現を施した物を要求されていました。時間の許す限りその製作手法と業者の模索にあけくれる事になりました。金型、木型設計屋さんから3次元プロッタを使用した加工屋さんまでたずね歩きました。エンジニアリングより美術系なのかなと思いはじめたところに、光造形という手法を教えて頂きました。単品を短時間で製作する事が要求される試作の現場で大変重宝がられている立体モデル製作法です。この時点で整いつつありましたので、このデータをそのまま利用出来ると聞き、即飛びつきました。非常に小さい凹凸のある形状は後処理による形状データ修正に少し時間が必要で、重要な耳介部の再現までには至りませんでした。その後ダミーヘッド製作時の寸法チェックと完成時のモデルとの差異計測に利用させて頂きました。応用範囲は大変広いと思います。今回その最新技術に触れることが出来て大変勉強になりました。2号機は都内)にお願いする事になりました。実作業は、モデルの写真撮影から始まり、やはりモデルの型取りの工程を踏んでいきます。近年は石膏ではなく「アルジネイト」という歯医者さんが歯の型取りに使用している素材と同じものを使用します。石膏は熱いというイメージですがこの「アルジネイト」はヒンヤリとしていて、型取り当日、耳栓をして頭からスッポリ覆われて硬化するまで待つこと20分位。眼が虚ろなモデルさんは口々に「何も聞こえない深海の中にたたずんで居たみたい」と言われます。耳は左、右別々に型取りを行います。その後の工程は図示のとおりですが、このダミーへッド製作仕様の中で重要なポイントが数点ありましたので記述致します。モデルの寸法・形状の忠実な再現これらの内、1)と3)の項目はその後の騒音・振動低減の作業の中で十分な役目を果たすことになります。ライフマスク(生きている人間の顔型)を利用するダミーへッドを製作するに辺り、そのコツも少し付記させて頂きます。」等、型取りによる製作方法に勝るものはないと思われます。型取りの段階では多数写真撮影をしてもらい容姿の模写だけでなく寸法の照合にも利用してもらう様相談しておいた方が良いです。重要な位置の寸法は巻尺や長い定規などを利用してこの時点で測定しておいてもらいます。可能であれば非接触による計測方法により頭部形状のデータを持ち合わせておく。MRI、CT、3Dスキャニング等。良い参考資料になると思います。外皮(人口皮膚)については業者の方に相談。シリコーンゴムひとつとっても多種にわたり、調合方法もさまざま。音響インピーダンスや制振という観点からも小さいサンプルを製作してもらい判断した方が良い。重量は、2kg前後がベター。軽すぎると、その材質上形状が変形し易すくなる傾向にあり再現性に問題が生じます。逆にこれ以上重くなるとテレヘッドの構造上、制御面から不利。ちなみに市販のダミーヘッドは4kgを越えているものが多く見受けられる様です。ダミーヘッドが完成したら、最大限の情報を使い、モデルとの寸法の差異測定を行います。どのデータにも何らかの誤差が含まれていると思われますので、その基準指針を当初より関係者が共有していた方がスムーズかと思われます。ロボットの接続方法は、業者間調整が必要です。ダミーへッド側は、正確な基準点がないので数値だけでは追い込めない場合があります。金具側でその位置出しを補正するような策が必要だと思います。テレへッドの基本要求仕様ロボット本体部分は当初より胸部まで製作することになっていました。機構部をこの胸部を型取ったいわゆるボディ型の箱で多い隠すことで遮音効果と視覚的なデザイン効果を狙う為です。2号機にいたってはシャツも着用しています。自由度は、ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸の3つです。これはオペレータの頭部に着用するへッドトラッカ(Palhmus社製のFastrak)との連携も考慮しており、頭部運動の再現に必要な最低限の軸数でもあります。ロール軸(側屈方向)は片側45°、ヨー軸(回旋方向)は片側69°との事で、この数値を参考に本体の可動領域仕様として設計に組み込まれることになりました。頭部運動速度についても同様に実測されたデータを頂戴する事が出来たのですが、その数値が驚きです。何と回旋方向だけでも、最大速度382°/秒、加速度は5644°/秒2という計測結果なのです。人間のメカニズムに感心させられてしまいました。(皆さん、首を振ってみましょう!)。1号機の段階で約1kg、2号機の段階では約2.2kg以上)。大変な重量物だなと印象を受けました。その仕様に加えて前述の可動領域及び最大運動速度。課された目標値の動作音NC-45以下&オペレータの頭部運動に追従しなければいけない速度が80ms。機構部はヒューマンボディラインから決して突出・露出してはいけないなど・・・。計画の時点で「これは無茶だ」と直感的に思いました。経験したことのない事ばかりの内容につい言葉を失い考え込んでいたところ、当時の責任者の方に声をかけて頂きました。「この研究を単年度で終わらせるつもりはありません。仕様の軽減や改良・改造も視野に入れています。実現に向けてぜひ協力して頂きたい」勿論、これが発奮剤となり筆者のチャレンジ精神に火が点いたのは言うまでもありません。テレへッド1号機ギヤレスは設計以前の重要ファクターです。最初の機構選定には相当に時間がかかりました。アイデアとしては江戸時代のからくり人形をモチーフにしています。Drive)モータと呼ばれるギヤレスモータを使用する事を念頭に入れていました。医療の分野で、運動刺激装置として使用されている回転椅子を過去に見聞していたのがその理由です。1号機のベース部にはこの回転椅子の機構を利用したかったのです。一方でこの発案が最後まで尾を引くことになります。ロール軸を積み重ねて大きなトルクをもつこのDD(ヨー軸)で上部を支えるという思想から離れることが出来ませんでした。ピッチ&ロール軸の駆動機構の構造はラジコンヘリコプターのスワッシュ・プレートという部品をヒントにしました。同軸上に傾きを生み出す機構に引き付けられました。組み構造は人の骨や筋肉を連想させる大変スマートな形でしたので、勇んでラジコン屋さんに駆け込みました。大量生産ならともかくリンク機構を一から製作するには手間がかかりすぎるという事で、その模擬は断念しました。方々にたずね回りました。弊社のマイクロホンローテータMR-1000の設計・製作で御世話になっている東京精機株式会社の片桐社長です。ロボットの手足等ワイヤーで駆動させる機構を大変コンパクトに収めている数々の実積とワイヤリングによる減速構造が想像以上に大変静かであった事が後押して1号機に採用する事に決めました。1号機の基本仕様は下記のとおりです。1号機から学んだこと・・・。期待をかなり下回るものになってしまいました。スマートな形にすることも出来ませんでした。ダミーへッドにおいても実頭との形状差が最大10%もあり両者の頭部伝達関数が多くの方向で一致しなかったと報告されています。我々はこの経験を生かして多くのことを学びとることが出来たと考えています。その時の主な反省点を下記に示してみました。長くなりましたが、今回はこれにて終了したいと思います。その騒音・振動対策を測定データをまじえながら解説出来ればと考えています。人間の頭部運動は慣性負荷が想像以上に大きい。多次にわたるねじれ構造を増長する様な軸の積み上げによる組合せや部品選定は避けなければならない。ガタでさえも極力抑えて、総合的に剛性をあげていく努力が必要である。DDモータでもベアリング音には注意を要する。ワイヤー駆動は静音に優れているが、そのものの伸縮もありトルク伝達が瞬時に行えない。ピッチ&ロール軸の交点の軸受けにオフセットが生まれてしまい、理想的なジンバル構造に出来なかった。部分的に堅さが生まれてしまい、滑らかに動作できない。円滑なパラレルメカニズムをサポートする軸支持機構(球面軸受けなど)が必要。安易なPWM駆動方式は高い周波数(約2KHz以上)成分の駆動音を増長する。その電磁ノイズの影響も考慮しておかなければならない。サーボオン起動時における停止状態、及び動作中のクローズドループ制御がモータ駆動音に与える影響は前述のPWM駆動と切り離してもかなり大きい。トルク負担の少ない重心位置に機構を集中できると軽減できる可能性がある。ベターな追従動作と静音駆動を導くには不十分。少なくとも、モータの振動を抑える周波数領域の補償法(フィルタ)を別途検討した方が良い。綿密な打合せと余裕のある作業工数を準備する必要がある。