JP2003266363A

JP2003266363A - ロボット装置

Info

Publication number: JP2003266363A
Application number: JP2002073767A
Authority: JP
Inventors: Masaki Nagatsuka; 正樹永塚; Takeshi Igarashi; 健五十嵐
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2003-09-24

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】外力による衝撃を受けても、正確な測距を実
施するロボット装置及びロボット装置のカメラ支持機構
を提供する。【解決手段】内部状態に応じて自律的に行動するロボ
ット装置において、対象物体を撮像する少なくとも２つ
の撮像手段と、撮像手段を所定の位置に固定する固定部
材２２５と、撮像手段の各々において取得された画像の
差分から被写体との距離を算出する演算手段を備え、固
定部材２２５は頭部シャーシ２２４に弾性部材２５１を
介して連結されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステレオビジョン
を用いて対象物体との距離を計測するロボット装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、周囲の物体との距離を把握し自律
的に行動するロボット装置が存在する。このようなロボ
ット装置が周囲の物体との距離を把握する方法として
は、ステレオビジョンを用いた測距方法がある。

【０００３】ステレオビジョンとは、三角測量の原理に
より、物体の３次元空間における位置を検出する手法で
あり、複数のカメラを用いてステレオ画像を撮像し、各
カメラが撮像した画像のずれと各カメラの位置関係とに
基づいて撮像した物体との距離を算出する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ロボット装
置は、人間とのコミュニケーションや障害物との接触の
ために様々な衝撃を受けることがある。ロボット装置に
衝撃が与えられると、カメラを固定するフレームにも衝
撃が加わりカメラの配置がずれてしまい正確な測距がで
きなくなる恐れがある。特に、ＣＣＤカメラを用いて画
像のずれを検出する場合、各画像間に１ラインのずれが
生じただけでもずれの検出が不正確になってしまう。

【０００５】本発明の目的は、このような問題を鑑みて
提案されたものであり、外力を受けても正確な測距を実
施するロボット装置およびロボット装置のカメラ支持機
構を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明に係るロボット装置は、内部状態に応じ
て自律的に行動するロボット装置において、対象物体を
撮像する少なくとも２つの撮像手段と、上記少なくとも
２つの撮像手段を所定の位置に固定する固定部材と、上
記撮像手段の各々において取得された画像の差分を用い
て被写体との距離を算出する演算手段とを備え、上記固
定部材は、弾性部材を介して当該ロボット装置の所定位
置に取り付けられる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一構成例として示
す２足歩行タイプのロボット装置について、図面を参照
して詳細に説明する。この人間型のロボット装置は、住
環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動
を支援する実用ロボットであり、内部状態（怒り、悲し
み、喜び、楽しみ等）に応じて行動できるほか、人間が
行う基本的な動作を表出できるエンターテインメントロ
ボットである。

【０００８】図１に示すように、ロボット装置１は、体
幹部ユニット２の所定の位置に頭部ユニット３が連結さ
れるとともに、左右２つの腕部ユニット４Ｒ／Ｌと、左
右２つの脚部ユニット５Ｒ／Ｌが連結されて構成されて
いる（但し、Ｒ及びＬの各々は、右及び左の各々を示す
接尾辞である。以下において同じ。）。

【０００９】このロボット装置１が具備する関節の自由
度を図２に模式的に示す。頭部ユニット３を支持する首
関節は、首関節ヨー軸１０１と、首関節ピッチ軸１０２
と、首関節ロール軸１０３という３自由度を有してい
る。

【００１０】また、上肢を構成する各々の腕部ユニット
４Ｒ／Ｌは、肩関節ピッチ軸１０７と、肩関節ロール軸
１０８と、上腕ヨー軸１０９と、肘関節ピッチ軸１１０
と、前腕ヨー軸１１１と、手首関節ピッチ軸１１２と、
手首関節ロール軸１１３と、手部１１４とで構成され
る。手部１１４は、実際には、複数本の指を含む多関節
・多自由度構造体である。但し、手部１１４の動作は、
ロボット装置１の姿勢制御や歩行制御に対する寄与や影
響が少ないので、本明細書ではゼロ自由度と仮定する。
したがって、各腕部は７自由度を有するとする。

【００１１】また、体幹部ユニット２は、体幹ピッチ軸
１０４と、体幹ロール軸１０５と、体幹ヨー軸１０６と
いう３自由度を有する。

【００１２】また、下肢を構成する各々の脚部ユニット
５Ｒ／Ｌは、股関節ヨー軸１１５と、股関節ピッチ軸１
１６と、股関節ロール軸１１７と、膝関節ピッチ軸１１
８と、足首関節ピッチ軸１１９と、足首関節ロール軸１
２０と、足部１２１とで構成される。本明細書中では、
股関節ピッチ軸１１６と股関節ロール軸１１７の交点
は、ロボット装置１の股関節位置を定義する。人体の足
部１２１は、実際には多関節・多自由度の足底を含んだ
構造体であるが、ロボット装置１の足底は、ゼロ自由度
とする。したがって、各脚部は、６自由度で構成され
る。

【００１３】以上を総括すれば、ロボット装置１全体と
しては、合計で３＋７×２＋３＋６×２＝３２自由度を
有することになる。但し、エンターテインメント向けの
ロボット装置１が必ずしも３２自由度に限定されるわけ
ではない。設計・制作上の制約条件や要求仕様等に応じ
て、自由度すなわち関節数を適宜増減することができる
ことはいうまでもない。

【００１４】上述したようなロボット装置１がもつ各自
由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装される。
外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似
させること、２足歩行という不安定構造体に対して姿勢
制御を行うことなどの要請から、アクチュエータは小型
且つ軽量であることが好ましい。

【００１５】次に、ロボット装置１の頭部ユニット３に
ついて、図３〜図６を用いて詳細に説明する。図３は、
頭部ユニット３の正面外観を示し、図４は、頭部ユニッ
トの側面外観を示す。また、図５及び図６は、頭部ユニ
ットをロボット装の頭頂部方向からみた平面図を示して
いる。

【００１６】頭部ユニット３は、頭部２０１と頸部２０
２とからなる。頭部２０１には、ＣＣＤカメラ２０３
と、前方に位置する物体までの距離を測定するための距
離センサ２０４と、外部音を集音するためのマイクロフ
ォン２０５と、音声を出力するためのスピーカ２０６な
どがそれぞれ所定位置に配置されている。

【００１７】本具体例では、特に、このロボット装置１
の親近感を増すとともにエンターテインメント性を高め
るため、外部の状況を撮影するためのＣＣＤカメラ２０
３は、ヒトでいう「眼」の位置に設け、マイクロフォン
２０５は、ヒトでいう「耳」の位置に設け、音声を出力
するためのスピーカ２０６は、ヒトの「口」に相当する
位置に設けている。

【００１８】頭部２０１は、頭部外装筐体２０７によっ
て保護されており、この頭部外装筐体２０７は、眼用開
口部２０８、センサ用開口部２０９、マイクロフォン取
付部２１０、スピーカ用開口部２１１所定の位置に有し
ており、ユーザに「ヒト」を想起させる頭部形状となっ
ている。

【００１９】頭部外装筐体２０７には、頭頂部に開口部
２１２が設けられている（以下、頭頂開口部２１２と記
す。）。頭頂開口部２１２は、このロボット装置１の頭
頂部の一部をなすように湾曲球面状に加工された頭頂部
カバー２１３で覆われている。頭頂部カバー２１３は、
その輪郭を該頭頂開口部２１２の開口形状と略同形状で
あるが若干小になるような形状に加工され、図示しない
取付用爪部が頭頂開口部２１２に設けられた取付孔２１
４と係合されることによって、頭頂開口部２１２を覆っ
ている。

【００２０】頭頂開口部２１２には、図６に示すよう
に、所定箇所にセンサ２１５ａ〜２１５ｄが設けられて
いる。このセンサ２１５は、例えば、所定の押圧を受け
るとこれを電気的に検出する押圧検出センサであり、頭
頂部カバー２１３は、これらのセンサと接触して取り付
けられている。

【００２１】したがって、このような頭頂部センサ２１
５を備えることにより、ロボット装置１は、ユーザから
の働きかけ、例えばロボット装置１の頭部を「撫でる」
「叩く」「軽く叩く」等を検出することができ、これに
応じた内部状態の変化を動作として表出することができ
る。

【００２２】なお、ここでのセンサとは、所定圧の接触
を検出できるものであればよく、汎用のセンサが適用で
きる。例えば、機械式スイッチのオンオフによって、押
圧を検出するものであってもよい。

【００２３】また頭部２０１は、この頭部２０１を駆動
するための頭部駆動機構２２１を備えており、頸部２０
２は、この頸部を駆動するための頸部駆動機構２２２を
備えている。頭部ユニット３の頭部外装筐体２０７及び
頸部外装筐体２１６を取り外した外観図７及び８に基づ
いて、頭部２０１及び頸部２０２をさらに詳細に説明す
る。図７は、ロボット装置１の正面外観を示し、図８
は、ロボット装置１の側面外観を示している。

【００２４】頭部２０１は、頭部駆動機構２２１と一体
化された頭部碗状部材２２３と、頭部碗状部材２２３に
対して頭部駆動機構２２１を介して回動自在に取り付け
られた頭部シャーシ２２４とから構成されている。頭部
碗状部材２２３は、内部に配設された回路等を保護する
役割を果たすとともに、ロボット装置１の顔・顎部の一
部を構成している。

【００２５】ここで、頭部駆動機構２２１は、図示しな
いが回転駆動モータと歯車機構とから構成されており、
特にロボット装置頭部のロール方向の動き、すなわち
「傾げ」の動作を創出するために設けられている。

【００２６】頸部駆動機構２２２は、頭部ユニット３の
体幹部ユニット２に対する動作を表出するための駆動機
構である。頸部駆動機構２２２は、後述する頸部主駆動
部２３４と、この頸部主駆動部２３４によって駆動され
る頸部円筒部材２３５とからなる。頸部主駆動部２３４
には、ヒトの「頸椎」に相当する頸部円筒部材２３５を
駆動するための第１の駆動モータを備えている。そし
て、頸部駆動機構２２２が頸部主駆動部２３４の一部で
体幹部ユニット２の骨格構造に取り付けられることによ
って、頭部ユニット３全体が体幹部ユニット２に固定さ
れている。

【００２７】頭部シャーシ２２４には、顔前面に相当す
る位置に、カメラ固定部材２２５が取り付けられてい
る。図９はカメラ固定部材２２５を正面から見た平面
図、図１０はカメラ固定部材２２５を裏面からみた斜視
図である。カメラ固定部材２２５は、このカメラ固定部
材２２５の歪み、変形を防止するための補強フレーム２
４０を備えている。補強フレーム２４０は、カメラ取付
部２２７を形成する円形フレーム２４１と、カメラ固定
部材２２５の外縁を構成する外縁フレーム２４２と、外
縁フレーム２４２と円形フレーム２４１を固定し、外力
に対する耐性を向上する補助フレーム２４３とから構成
されている。

【００２８】また、カメラ固定部材２２５には、測距セ
ンサ取付部２２６が設けられている。測距センサ取付部
２２６に取り付けられる測距センサ２０４は、２つのＣ
ＣＤカメラ２０３と同一平面上に配置され、測距センサ
２０４とＣＣＤカメラ２０３の相対位置が変化しない。
そのため、測距センサ２０４とＣＣＤカメラ２０３の相
対誤差を補正するための演算を省略することができる。

【００２９】円形フレーム２４１の内部には、ＣＣＤカ
メラ２０３を装着するためのカメラ固定部２２７が形成
されている。カメラ取付部２２７には開口部が形成され
ており、ＣＣＤカメラ２０３のレンズは開口部に挿入さ
れ開口部を通じて画像を取り込む。カメラ取付部２２７
に取り付けられるＣＣＤカメラ２０３の光軸は一致する
ように配置されており、カメラ取付部２２７に取り付け
られたＣＣＤカメラ２０３はステレオ画像を取得する。

【００３０】ＣＣＤカメラ２０３は、頭部碗状部材２２
３の内部に設けられた画像処理回路と接続されており、
撮像したステレオ画像を画像処理回路に出力する。画像
処理回路は、例えば、ステレオマッチング処理などのス
テレオビジョンを用いた処理を実行するための距離検出
用信号処理モジュール６４を内蔵し、このモジュールに
記載したプログラムに従ってロボット装置１と周囲の物
体との距離を算出する。

【００３１】上述のように、本具体例におけるロボット
装置１は、ステレオビジョンの原理を用いて測距を行う
ため、ＣＣＤカメラ２０３の位置関係は固定されていな
ければならない。しかしながら、このロボット装置１
は、ユーザとコミュニケーションをとるエンターテイメ
ント性の高いロボット装置であるため、ユーザとの接触
によってロボット装置の頭部２０１に衝撃が加わる場合
がある。また、このロボット装置は、頭部駆動機構２２
１および頸部駆動機構２２２により頭部２０１を駆動
し、「頷き」や「傾げ」のような行動を行う。このよう
な行動により、頭部シャーシ２２４に取り付けられたカ
メラ固定部材２２５は移動し、カメラ固定部材２２５の
歪みを引き起こす。そのため、本具体例におけるロボッ
ト装置１は、上述したように、補強フレーム２４０を用
いてカメラ固定部材２２５の強度を高め、ＣＣＤカメラ
２０３の位置関係がずれない構造になっている。

【００３２】また、本具体例では、カメラ固定部材２２
５と頭部シャーシ２２４の連結部に弾性部材を使用する
ことにより、カメラ固定部材２２５に加わる力を緩衝し
ている。図１１は、カメラ固定部材２２５と頭部シャー
シ２２４の連結部分を示す断面図である。カメラ固定部
材２２５と頭部シャーシ２２４は、弾性部材としてのゴ
ムブッシュ２５１とねじ２５２によって連結される。ゴ
ムブッシュ２５１は、外周面に沿って溝が掘られてお
り、この溝はカメラ固定部材２２５の厚さと略同一にな
っている。また、カメラ固定部材２２５には弾性部材取
付口が形成されており、この弾性部材取付口はゴムブッ
シュ２５１の外周に設けられた溝とはめ合わされるよう
になっている。ねじ２５２は、頭部２０１が比較的大き
く、ゴムブッシュ２５１の内側にねじ２５２を挿入し、
頭部シャーシ２２４に設けられたねじ穴に挿入すると、
ねじ２５２の頭部２０１と頭部シャーシ２２４に挟まれ
たカメラ固定部材２２５は、ゴムブッシュ２５１を介し
て頭部シャーシ２２４に固定される。

【００３３】また、カメラ固定部材２２５と頭部シャー
シ２２４は２点で連結されている。これは、ＣＣＤカメ
ラ２０３の光軸をずらすことなくカメラ固定部材２２５
を取り付けるためである。すなわち、カメラ固定部材２
２５と頭部シャーシ２２４を１点で連結すると、カメラ
固定部材２２５は連結部を中心として回動する。カメラ
固定部材２２５が回動すると、ＣＣＤカメラ２０３の位
置関係が変化し、ＣＣＤカメラ２０３の光軸がずれてし
まう。また。カメラ固定部材２２５と頭部シャーシ２２
４を３点以上で連結すると、カメラ固定部材２２５の頭
部シャーシ２２４に対する変位量が制限され、弾性部材
の緩衝力が低下する。そのため、本具体例では、カメラ
固定部材２２５と頭部シャーシ２２４を２点で連結して
いる。なお、本具体例では、カメラ固定部材２２５を連
結する最適な場合として２点で連結すると記述したが、
連結部の個数はカメラ固定部材２２５と頭部シャーシ２
２４の連結部の個数が２点に限定されることはない。

【００３４】また、頭部外装筐体２０７は、頭部に装着
される際に、ＣＣＤカメラ２０３及び距離センサ２０４
に対応する箇所にそれぞれ眼用開口部２０８、距離セン
サ用開口部２０９が設けられているため、ここからＣＣ
Ｄカメラ２０３及び距離センサ２０４が外部に露呈され
る。

【００３５】図１２には、ロボット装置１の制御システ
ム構成を模式的に示している。同図に示すように、ロボ
ット装置１は、ヒトの四肢を表現した体幹部ユニット
２，頭部ユニット３，腕部ユニット４Ｒ／Ｌ，脚部ユニ
ット５Ｒ／Ｌと、各ユニット間の協調動作を実現するた
めの適応制御を行う制御ユニット１０とで構成される。

【００３６】ロボット装置１全体の動作は、制御ユニッ
ト１０によって統括的に制御される。制御ユニット１０
は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）や、ＤＲＡ
Ｍ、フラッシュＲＯＭ等の主要回路コンポーネント（図
示しない）で構成される主制御部１１と、電源回路やロ
ボット装置１の各構成要素とのデータやコマンドの授受
を行うインターフェイス（何れも図示しない）などを含
んだ周辺回路１２とで構成される。

【００３７】本発明を実現するうえで、この制御ユニッ
ト１０の設置場所は、特に限定されない。図１２では体
幹部ユニット２に搭載されているが、頭部ユニット３に
搭載してもよい。或いは、ロボット装置１外に制御ユニ
ット１０を配備して、ロボット装置１の機体とは有線又
は無線で交信するようにしてもよい。

【００３８】図２に示したロボット装置１内の各関節自
由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実
現される。すなわち、頭部ユニット３には、首関節ヨー
軸１０１、首関節ピッチ軸１０２、首関節ロール軸１０
３の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータＡ_２、
首関節ピッチ軸アクチュエータＡ_３、首関節ロール軸ア
クチュエータＡ_４が配設されている。

【００３９】また、頭部ユニット３には、外部の状況を
撮像するためのＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメ
ラが設けられているほか、前方に位置する物体までの距
離を測定するための測距センサ２０４、外部音を集音す
るためのマイク、音声を出力するためのスピーカ２０
６、使用者からの「撫でる」や「叩く」といった物理的
な働きかけにより受けた圧力を検出するためのタッチセ
ンサ等が配設されている。

【００４０】また、体幹部ユニット２には、体幹ピッチ
軸１０４、体幹ロール軸１０５、体幹ヨー軸１０６の各
々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータＡ_５、体幹ロ
ール軸アクチュエータＡ_６、体幹ヨー軸アクチュエータ
Ａ_７が配設されている。また、体幹部ユニット２には、
このロボット装置１の起動電源となるバッテリを備えて
いる。このバッテリは、充放電可能な電池によって構成
されている。

【００４１】また、腕部ユニット４Ｒ／Ｌは、上腕ユニ
ット４_１Ｒ／Ｌと、肘関節ユニット４_２Ｒ／Ｌと、前腕
ユニット４_３Ｒ／Ｌに細分化されるが、肩関節ピッチ軸
１０７、肩関節ロール軸１０８、上腕ヨー軸１０９、肘
関節ピッチ軸１１０、前腕ヨー軸１１１、手首関節ピッ
チ軸１１２、手首関節ロール軸１１３の各々表現する肩
関節ピッチ軸アクチュエータＡ_８、肩関節ロール軸アク
チュエータＡ_９、上腕ヨー軸アクチュエータＡ_１０、肘
関節ピッチ軸アクチュエータＡ_１１、肘関節ロール軸ア
クチュエータＡ_１２、手首関節ピッチ軸アクチュエータ
Ａ_１３、手首関節ロール軸アクチュエータＡ_１４が配備
されている。

【００４２】また、脚部ユニット５Ｒ／Ｌは、大腿部ユ
ニット５_１Ｒ／Ｌと、膝ユニット５ _２Ｒ／Ｌと、脛部ユ
ニット５_３Ｒ／Ｌに細分化されるが、股関節ヨー軸１１
５、股関節ピッチ軸１１６、股関節ロール軸１１７、膝
関節ピッチ軸１１８、足首関節ピッチ軸１１９、足首関
節ロール軸１２０の各々を表現する股関節ヨー軸アクチ
ュエータＡ_１６、股関節ピッチ軸アクチュエータ
Ａ_１７、股関節ロール軸アクチュエータＡ_１８、膝関節
ピッチ軸アクチュエータＡ_１９、足首関節ピッチ軸アク
チュエータＡ_２０、足首関節ロール軸アクチュエータＡ
_２１が配備されている。各関節に用いられるアクチュエ
ータＡ_２，Ａ_３・・・は、より好ましくは、ギア直結型で
旦つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット
内に搭載したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータ
で構成することができる。

【００４３】体幹部ユニット２、頭部ユニット３、各腕
部ユニット４Ｒ／Ｌ、各脚部ユニット５Ｒ／Ｌなどの各
機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御部の副制御
部２０，２１，２２Ｒ／Ｌ，２３Ｒ／Ｌが配備されてい
る。さらに、各脚部ユニット５Ｒ／Ｌの足底が着床した
か否かを検出する接地確認センサ３０Ｒ／Ｌを装着する
とともに、体幹部ユニット２内には、姿勢を計測する姿
勢センサ３１を装備している。

【００４４】接地確認センサ３０Ｒ／Ｌは、例えば足底
に設置された近接センサ又はマイクロ・スイッチなどで
構成される。また、姿勢センサ３１は、例えば、加速度
センサとジャイロ・センサの組み合わせによって構成さ
れる。

【００４５】接地確認センサ３０Ｒ／Ｌの出力によっ
て、歩行・走行などの動作期間中において、左右の各脚
部が現在立脚又は遊脚何れの状態であるかを判別するこ
とができる。また、姿勢センサ３１の出力により、体幹
部分の傾きや姿勢を検出することができる。

【００４６】主制御部１１は、各センサ３０Ｒ／Ｌ，３
１の出力に応答して制御目標をダイナミックに補正する
ことができる。より具体的には、副制御部２０，２１，
２２Ｒ／Ｌ，２３Ｒ／Ｌの各々に対して適応的な制御を
行い、ロボット装置１の上肢、体幹、及び下肢が協調し
て駆動する全身運動パターンを実現できる。

【００４７】ロボット装置１の機体上での全身運動は、
足部運動、ＺＭＰ（Zero Moment Point）軌道、体幹運
動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これ
らの設定内容にしたがった動作を指示するコマンドを各
副制御部２０，２１，２２Ｒ／Ｌ，２３Ｒ／Ｌに転送す
る。そして、各々の副制御部２０，２１，・・・等で
は、主制御部１１からの受信コマンドを解釈して、各ア
クチュエータＡ_２，Ａ_３・・・等に対して駆動制御信号
を出力する。ここでいう「ＺＭＰ」とは、歩行中の床反
力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであ
り、また、「ＺＭＰ軌道」とは、例えばロボット装置１
の歩行動作期間中にＺＭＰが動く軌跡を意味する。な
お、ＺＭＰの概念並びにＺＭＰを歩行ロボットの安定度
判別規範に適用する点については、Miomir Vukobratovi
c著“LEGGED LOCOMOTION ROBOTS”（加藤一郎外著『歩
行ロボットと人工の足』（日刊工業新聞社））に記載さ
れている。

【００４８】以上のように、ロボット装置１は、各々の
副制御部２０，２１，・・・等が、主制御部１１からの
受信コマンドを解釈して、各アクチュエータＡ_２，Ａ_３
・・・に対して駆動制御信号を出力し、各ユニットの駆
動を制御している。これにより、ロボット装置１は、目
標の姿勢に安定して遷移し、安定した姿勢で歩行でき
る。

【００４９】また、ロボット装置１における制御ユニッ
ト１０では、上述したような姿勢制御のほかに、加速度
センサ、タッチセンサ、接地確認センサ等の各種セン
サ、及びＣＣＤカメラ２０３からの画像情報、マイクか
らの音声情報等を統括して処理している。制御ユニット
１０では、図示しないが加速度センサ、ジャイロ・セン
サ、タッチセンサ、測距センサ２０４、マイク、スピー
カ２０６などの各種センサ、各アクチュエータ、ＣＣＤ
カメラ２０３及びバッテリが各々対応するハブを介して
主制御部１１と接続されている。

【００５０】主制御部１１は、上述の各センサから供給
されるセンサデータや画像データ及び音声データを順次
取り込み、これらをそれぞれ内部インターフェイスを介
してＤＲＡＭ内の所定位置に順次格納する。また、主制
御部１１は、バッテリから供給されるバッテリ残量を表
すバッテリ残量データを順次取り込み、これをＤＲＡＭ
内の所定位置に格納する。ＤＲＡＭに格納された各セン
サデータ、画像データ、音声データ及びバッテリ残量デ
ータは、主制御部１１がこのロボット装置１の動作制御
を行う際に利用される。

【００５１】主制御部１１は、ロボット装置１の電源が
投入された初期時、制御プログラムを読み出し、これを
ＤＲＡＭに格納する。また、主制御部１１は、上述のよ
うに主制御部１１よりＤＲＡＭに順次格納される各セン
サデータ、画像データ、音声データ及びバッテリ残量デ
ータに基づいて自己及び周囲の状況や、使用者からの指
示及び働きかけの有無などを判断する。

【００５２】さらに、主制御部１１は、この判断結果及
びＤＲＡＭに格納した制御プログラムに基づいて自己の
状況に応じて行動を決定するとともに、当該決定結果に
基づいて必要なアクチュエータを駆動させることにより
ロボット装置１に、いわゆる「身振り」、「手振り」と
いった行動をとらせる。

【００５３】このようにしてロボット装置１は、制御プ
ログラムに基づいて自己及び周囲の状況を判断し、使用
者からの指示及び働きかけに応じて自律的に行動でき
る。

【００５４】ところで、このロボット装置１は、内部状
態に応じて自律的に行動することができる。そこで、ロ
ボット装置１における制御プログラムのソフトウェア構
成例について、図１３〜図１４を用いて説明する。な
お、この制御プログラムは、上述したように、予めフラ
ッシュＲＯＭ１２に格納されており、ロボット装置１の
電源投入初期時において読み出される。

【００５５】図１３において、デバイス・ドライバ・レ
イヤ４０は、制御プログラムの最下位層に位置し、複数
のデバイス・ドライバからなるデバイス・ドライバ・セ
ット４１から構成されている。この場合、各デバイス・
ドライバは、ＣＣＤカメラ２０３やタイマ等の通常のコ
ンピュータで用いられるハードウェアに直接アクセスす
ることを許されたオブジェクトであり、対応するハード
ウェアからの割り込みを受けて処理を行う。

【００５６】また、ロボティック・サーバ・オブジェク
ト４２は、デバイス・ドライバ・レイヤ４０の最下位層
に位置し、例えば上述の各種センサやアクチュエータ２
８_１〜２８_ｎ等のハードウェアにアクセスするためのイ
ンターフェイスを提供するソフトウェア群でなるバーチ
ャル・ロボット４３と、電源の切換えなどを管理するソ
フトウェア群でなるパワーマネジャ４４と、他の種々の
デバイス・ドライバを管理するソフトウェア群でなるデ
バイス・ドライバ・マネジャ４５と、ロボット装置１の
機構を管理するソフトウェア群でなるデザインド・ロボ
ット４６とから構成されている。

【００５７】マネジャ・オブジェクト４７は、オブジェ
クト・マネジャ４８及びサービス・マネジャ４９から構
成されている。オブジェクト・マネジャ４８は、ロボテ
ィック・サーバ・オブジェクト４２、ミドル・ウェア・
レイヤ５０、及びアプリケーション・レイヤ５１に含ま
れる各ソフトウェア群の起動や終了を管理するソフトウ
ェア群であり、サービス・マネジャ４９は、メモリカー
ドに格納されたコネクションファイルに記述されている
各オブジェクト間の接続情報に基づいて各オブジェクト
の接続を管理するソフトウェア群である。

【００５８】ミドル・ウェア・レイヤ５０は、ロボティ
ック・サーバ・オブジェクト４２の上位層に位置し、画
像処理や音声処理などのこのロボット装置１の基本的な
機能を提供するソフトウェア群から構成されている。ま
た、アプリケーション・レイヤ５１は、ミドル・ウェア
・レイヤ５０の上位層に位置し、当該ミドル・ウェア・
レイヤ５０を構成する各ソフトウェア群によって処理さ
れた処理結果に基づいてロボット装置１の行動を決定す
るためのソフトウェア群から構成されている。

【００５９】なお、ミドル・ウェア・レイヤ５０及びア
プリケーション・レイヤ５１の具体なソフトウェア構成
をそれぞれ図１４に示す。

【００６０】ミドル・ウェア・レイヤ５０は、図１４に
示すように、騒音検出用、温度検出用、明るさ検出用、
音階認識用、距離検出用、姿勢検出用、タッチセンサ
用、動き検出用及び色認識用の各信号処理モジュール６
０〜６８並びに入力セマンティクスコンバータモジュー
ル６９などを有する認識系７０と、出力セマンティクス
コンバータモジュール７８並びに姿勢管理用、トラッキ
ング用、モーション再生用、歩行用、転倒復帰用、ＬＥ
Ｄ点灯用及び音再生用の各信号処理モジュール７１〜７
７などを有する出力系７９とから構成されている。

【００６１】認識系７０の各信号処理モジュール６０〜
６８は、ロボティック・サーバ・オブジェクト４２のバ
ーチャル・ロボット４３によりＤＲＡＭから読み出され
る各センサデータや画像データ及び音声データのうちの
対応するデータを取り込み、当該データに基づいて所定
の処理を施して、処理結果を入力セマンティクスコンバ
ータモジュール６９に与える。ここで、例えば、バーチ
ャル・ロボット４３は、所定の通信規約によって、信号
の授受或いは変換をする部分として構成されている。

【００６２】入力セマンティクスコンバータモジュール
６９は、これら各信号処理モジュール６０〜６８から与
えられる処理結果に基づいて、「うるさい」、「暑
い」、「明るい」、「ボールを検出した」、「転倒を検
出した」、「撫でられた」、「叩かれた」、「ドミソの
音階が聞こえた」、「動く物体を検出した」又は「障害
物を検出した」などの自己及び周囲の状況や、使用者か
らの指令及び働きかけを認識し、認識結果をアプリケー
ション・レイヤ４１に出力する。

【００６３】アプリケーション・レイヤ５１は、図１５
に示すように、行動モデルライブラリ８０、行動切換モ
ジュール８１、学習モジュール８２、感情モデル８３及
び本能モデル８４の５つのモジュールから構成されてい
る。

【００６４】行動モデルライブラリ８０には、図１６に
示すように、「バッテリ残量が少なくなった場合」、
「転倒復帰する」、「障害物を回避する場合」、「感情
を表現する場合」、「ボールを検出した場合」などの予
め選択されたいくつかの条件項目にそれぞれ対応させ
て、それぞれ独立した行動モデルが設けられている。

【００６５】そして、これら行動モデルは、それぞれ入
力セマンティクスコンバータモジュール６９から認識結
果が与えられたときや、最後の認識結果が与えられてか
ら一定時間が経過したときなどに、必要に応じて後述の
ように感情モデル８３に保持されている対応する情動の
パラメータ値や、本能モデル８４に保持されている対応
する欲求のパラメータ値を参照しながら続く行動をそれ
ぞれ決定し、決定結果を行動切換モジュール８１に出力
する。

【００６６】なお、この実施の形態の場合、各行動モデ
ルは、次の行動を決定する手法として、図１７に示すよ
うな１つのノード（状態）ＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎから
他のどのノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎに遷移するかを
各ノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎに間を接続するアーク
ＡＲＣ_１〜ＡＲＣ_ｎ１に対してそれぞれ設定された遷移
確率Ｐ_１〜Ｐ_ｎに基づいて確率的に決定する有限確率オ
ートマトンと呼ばれるアルゴリズムを用いる。

【００６７】具体的に、各行動モデルは、それぞれ自己
の行動モデルを形成するノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎ
にそれぞれ対応させて、これらノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯ
ＤＥ _ｎ毎に図１８に示すような状態遷移表９０を有して
いる。

【００６８】この状態遷移表９０では、そのノードＮＯ
ＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎにおいて遷移条件とする入力イベン
ト（認識結果）が「入力イベント名」の列に優先順に列
記され、その遷移条件についてのさらなる条件が「デー
タ名」及び「データ範囲」の列における対応する行に記
述されている。

【００６９】したがって、図１７の状態遷移表９０で表
されるノードＮＯＤＥ_１００では、「ボールを検出（Ｂ
ＡＬＬ）」という認識結果が与えられた場合に、当該認
識結果とともに与えられるそのボールの「大きさ（SIZ
E）」が「0から1000」の範囲であることや、「障害物を
検出（OBSTACLE）」という認識結果が与えられた場合
に、当該認識結果とともに与えられるその障害物までの
「距離（DISTANCE）」が「0から100」の範囲であること
が他のノードに遷移するための条件となっている。

【００７０】また、このノードＮＯＤＥ_１００では、認
識結果の入力がない場合においても、行動モデルが周期
的に参照する感情モデル８３及び本能モデル８４にそれ
ぞれ保持された各情動及び各欲求のパラメータ値のう
ち、感情モデル８３に保持された「喜び（Joy）」、
「驚き（Surprise）」又は「悲しみ（Sadness）」の何
れかのパラメータ値が「50から100」の範囲であるとき
には他のノードに遷移することができるようになってい
る。

【００７１】また、状態遷移表９０では、「他のノード
ヘの遷移確率」の欄における「遷移先ノード」の行にそ
のノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎから遷移できるノード
名が列記されているとともに、「入力イベント名」、
「データ名」及び「データの範囲」の列に記述された全
ての条件が揃ったときに遷移できるほかの各ノードＮＯ
ＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎへの遷移確率が「他のノードヘの遷
移確率」の欄内の対応する箇所にそれぞれ記述され、そ
のノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯＤＥ_ｎに遷移する際に出力す
べき行動が「他のノードヘの遷移確率」の欄における
「出力行動」の行に記述されている。なお、「他のノー
ドヘの遷移確率」の欄における各行の確率の和は１００
［％］となっている。

【００７２】したがって、図１７の状態遷移表９０で表
されるノードＮＯＤＥ_１００では、例えば「ボールを検
出（ＢＡＬＬ）」し、そのボールの「ＳＩＺＥ（大き
さ）」が「0から1000」の範囲であるという認識結果が
与えられた場合には、「30［％］」の確率で「ノードＮ
ＯＤＥ_１２０（node 120）」に遷移でき、そのとき「Ａ
ＣＴＩＯＮ１」の行動が出力されることとなる。

【００７３】各行動モデルは、それぞれこのような状態
遷移表９０として記述されたノードＮＯＤＥ_０〜ＮＯ
ＤＥ_ｎが幾つも繋がるようにして構成されており、入力
セマンティクスコンバータモジュール６９から認識結果
が与えられたときなどに、対応するノードＮＯＤＥ_０〜
ＮＯＤＥ_ｎの状態遷移表を利用して確率的に次の行動を
決定し、決定結果を行動切換モジュール８１に出力する
ようになされている。

【００７４】図１８に示す行動切換モジュール８１は、
行動モデルライブラリ８０の各行動モデルからそれぞれ
出力される行動のうち、予め定められた優先順位の高い
行動モデルから出力された行動を選択し、当該行動を実
行すべき旨のコマンド（以下、行動コマンドという。）
をミドル・ウェア・レイヤ５０の出力セマンティクスコ
ンバータモジュール７８に送出する。なお、この実施の
形態においては、図１４において下側に表記された行動
モデルほど優先順位が高く設定されている。

【００７５】また、行動切換モジュール８１は、行動完
了後に出力セマンティクスコンバータモジュール７８か
ら与えられる行動完了情報に基づいて、その行動が完了
したことを学習モジュール８２、感情モデル８３及び本
能モデル８４に通知する。

【００７６】一方、学習モジュール８２は、入力セマン
ティクスコンバータモジュール６９から与えられる認識
結果のうち、「叩かれた」や「撫でられた」など、使用
者からの働きかけとして受けた教示の認識結果を入力す
る。

【００７７】そして、学習モジュール８２は、この認識
結果及び行動切換えモジュール７１からの通知に基づい
て、「叩かれた（叱られた）」ときにはその行動の発現
確率を低下させ、「撫でられた（誉められた）」ときに
はその行動の発現確率を上昇させるように、行動モデル
ライブラリ７０における対応する行動モデルの対応する
遷移確率を変更する。

【００７８】他方、感情モデル８３は、「喜び（Jo
y）」、「悲しみ（Sadness）」、「怒り（Anger）」、
「驚き（Surprise）」、「嫌悪（Disgust）」及び「恐
れ（Fear）」の合計６つの情動について、各情動毎にそ
の情動の強さを表すパラメータを保持している。そし
て、感情モデル８３は、これら各情動のパラメータ値
を、それぞれ入力セマンティクスコンバータモジュール
６９から与えられる「叩かれた」及び「撫でられた」な
どの特定の認識結果や、経過時間及び行動切換モジュー
ル８１からの通知などに基づいて周期的に更新する。

【００７９】具体的には、感情モデル８３は、入力セマ
ンティクスコンバータモジュール６９から与えられる認
識結果と、そのときのロボット装置１の行動と、前回更
新してからの経過時間となどに基づいて所定の演算式に
より算出されるそのときのその情動の変動量を△Ｅ
［ｔ］、現在のその情動のパラメータ値をＥ［ｔ］、そ
の情動の感度を表す係数をｋ_ｅとして、（１）式によっ
て次の周期におけるその情動のパラメータ値Ｅ［ｔ＋
１］を算出し、これを現在のその情動のパラメータ値Ｅ
［ｔ］と置き換えるようにしてその情動のパラメータ値
を更新する。また、感情モデル８３は、これと同様にし
て全ての情動のパラメータ値を更新する。

【００８０】

【数１】

【００８１】なお、各認識結果や出力セマンティクスコ
ンバータモジュール７８からの通知が各情動のパラメー
タ値の変動量△Ｅ［ｔ］にどの程度の影響を与えるかは
予め決められており、例えば「叩かれた」といった認識
結果は「怒り」の情動のパラメータ値の変動量△Ｅ
［ｔ］に大きな影響を与え、「撫でられた」といった認
識結果は「喜び」の情動のパラメータ値の変動量△Ｅ
［ｔ］に大きな影響を与えるようになっている。

【００８２】ここで、出力セマンティクスコンバータモ
ジュール７８からの通知とは、いわゆる行動のフィード
バック情報（行動完了情報）であり、行動の出現結果の
情報であり、感情モデル８３は、このような情報によっ
ても感情を変化させる。これは、例えば、「叫ぶ」とい
った行動により怒りの感情レベルが下がるといったよう
なことである。なお、出力セマンティクスコンバータモ
ジュール７８からの通知は、上述した学習モジュール８
２にも入力されており、学習モジュール８２は、その通
知に基づいて行動モデルの対応する遷移確率を変更す
る。

【００８３】なお、行動結果のフィードバックは、行動
切換モジュール８１の出力（感情が付加された行動）に
よりなされるものであってもよい。

【００８４】一方、本能モデル８４は、「運動欲（exer
cise）」、「愛情欲（affection）」、「食欲（appetit
e）」及び「好奇心（curiosity）」の互いに独立した４
つの欲求について、これら欲求毎にその欲求の強さを表
すパラメータを保持している。そして、本能モデル８４
は、これらの欲求のパラメータ値を、それぞれ入力セマ
ンティクスコンバータモジュール６９から与えられる認
識結果や、経過時間及び行動切換モジュール８１からの
通知などに基づいて周期的に更新する。

【００８５】具体的には、本能モデル８４は、「運動
欲」、「愛情欲」及び「好奇心」については、認識結
果、経過時間及び出力セマンティクスコンバータモジュ
ール７８からの通知などに基づいて所定の演算式により
算出されるそのときのその欲求の変動量をΔＩ［ｋ］、
現在のその欲求のパラメータ値をＩ［ｋ］、その欲求の
感度を表す係数ｋ_ｉとして、所定周期で（２）式を用い
て次の周期におけるその欲求のパラメータ値Ｉ［ｋ＋
１］を算出し、この演算結果を現在のその欲求のパラメ
ータ値Ｉ［ｋ］と置き換えるようにしてその欲求のパラ
メータ値を更新する。また、本能モデル８４は、これと
同様にして「食欲」を除く各欲求のパラメータ値を更新
する。

【００８６】

【数２】

【００８７】なお、認識結果及び出力セマンティクスコ
ンバータモジュール７８からの通知などが各欲求のパラ
メータ値の変動量△Ｉ［ｋ］にどの程度の影響を与える
かは予め決められており、例えば出力セマンティクスコ
ンバータモジュール７８からの通知は、「疲れ」のパラ
メータ値の変動量△Ｉ［ｋ］に大きな影響を与えるよう
になっている。

【００８８】なお、本実施の形態においては、各情動及
び各欲求（本能）のパラメータ値がそれぞれ０から１０
０までの範囲で変動するように規制されており、また係
数ｋ _ｅ、ｋ_ｉの値も各情動及び各欲求毎に個別に設定さ
れている。

【００８９】一方、ミドル・ウェア・レイヤ５０の出力
セマンティクスコンバータモジュール７８は、図１６に
示すように、上述のようにしてアプリケーション・レイ
ヤ５１の行動切換モジュール８１から与えられる「前
進」、「喜ぶ」、「鳴く」又は「トラッキング（ボール
を追いかける）」といった抽象的な行動コマンドを出力
系７９の対応する信号処理モジュール７１〜７７に与え
る。

【００９０】そしてこれら信号処理モジュール７１〜７
７は、行動コマンドが与えられると当該行動コマンドに
基づいて、その行動をするために対応するアクチュエー
タに与えるべきサーボ指令値や、スピーカ２０６から出
力する音の音声データ及び又はＬＥＤに与える駆動デー
タを生成し、これらのデータをロボティック・サーバ・
オブジェクト４２のバーチャル・ロボット４３及び信号
処理回路を順次介して対応するアクチュエータ又はスピ
ーカ２０６又はＬＥＤに順次送出する。

【００９１】このようにしてロボット装置１は、上述し
た制御プログラムに基づいて、自己（内部）及び周囲
（外部）の状況や、使用者からの指示及び働きかけに応
じた自律的な行動ができる。

【００９２】このような制御プログラムは、ロボット装
置が読取可能な形式で記録された記録媒体を介して提供
される。制御プログラムを記録する記録媒体としては、
磁気読取方式の記録媒体（例えば、磁気テープ、フレキ
シブルディスク、磁気カード）、光学読取方式の記録媒
体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ）
等が考えられる。記録媒体には、半導体メモリ（いわゆ
るメモリカード（矩形型、正方形型など形状は問わな
い。）、ＩＣカード）等の記憶媒体も含まれる。また、
制御プログラムは、いわゆるインターネット等を介して
提供されてもよい。

【００９３】これらの制御プログラムは、専用の読込ド
ライバ装置、又はパーソナルコンピュータ等を介して再
生され、有線又は無線接続によってロボット装置１に伝
送されて読み込まれる。また、ロボット装置１は、半導
体メモリ、又はＩＣカード等の小型化された記憶媒体の
ドライブ装置を備える場合、これら記憶媒体から制御プ
ログラムを直接読み込むこともできる。

【００９４】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨を含む範囲での変形、改良は
本発明に含まれるものとする。例えば、カメラ固定部材
２２５を頭部シャーシ２２４に連結するゴムブッシュ２
５１は、必ずしもゴムを材料とする必要はなく、必要な
弾性を有し、力を緩衝する機能を有するその他の材料を
用いてもよい。

【００９５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るロボ
ット装置は、内部状態に応じて自律的に行動するロボッ
ト装置において、対象物体を撮像する少なくとも２つの
撮像手段と、上記少なくとも２つの撮像手段を所定の位
置に固定する固定部材と、上記撮像手段の各々において
取得された画像の差分を用いて被写体との距離を算出す
る演算手段とを備え、固定部材は弾性部材を介してロボ
ット装置に取り付けられることにより、ロボット装置を
介して固定部材に伝達される力を緩衝することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態におけるロボット装置の外観構成
を示す斜視図である。

【図２】同ロボット装置の自由度構成モデルを模式的に
示す図である。

【図３】頭部ユニットの正面外観を示す図である。

【図４】頭部ユニットの側面外観を示す図である。

【図５】頭部ユニットを頭頂部方向からみた平面図であ
る。

【図６】頭部ユニットを頭頂部方向からみた平面図であ
る。

【図７】ロボット装置の正面外観を示す図である。

【図８】ロボット装置の側面外観を示す図である。

【図９】カメラ固定部材の正面からみた図である。

【図１０】カメラ固定部材を裏面からみた斜視図であ
る。

【図１１】カメラ固定部材と頭部シャーシの連結部分を
示す断面図である。

【図１２】ロボット装置の回路構成を示すブロック図で
ある。

【図１３】ロボット装置のソフトウェア構成を示すブロ
ック図である。

【図１４】ロボット装置のソフトウェア構成におけるミ
ドル・ウェア・レイヤの構成を示すブロック図である。

【図１５】ロボット装置のソフトウェア構成におけるア
プリケーション・レイヤの構成を示すブロック図であ
る。

【図１６】アプリケーション・レイヤの行動モデルライ
ブラリの構成を示すブロック図である。

【図１７】ロボット装置の行動決定のための情報となる
有限確率オートマトンを説明する図である。

【図１８】有限確率オートマトンの各ノードに用意され
た状態遷移表を示す図である。

【符号の説明】

１ロボット装置、６４距離検出信号処理モジュー
ル、２０３ＣＣＤカメラ、２０４測距センサ、２２
４頭部シャーシ、２２５カメラ固定部材、２２６
測距センサ取付部、２５１ゴムブッシュ、２５２ね
じ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ａ６３Ｈ 11/18 Ａ６３Ｈ 11/18 ＡＦターム(参考） 2C150 CA01 CA02 CA04 DA04 DA24 DA25 DA26 DA27 DA28 DF03 DF04 DF06 DF33 EB01 EC03 EC15 EC16 ED10 ED42 ED52 EF07 EF09 EF13 EF16 EF17 EF22 EF23 EF28 EF29 EF33 EF36 2F065 AA06 AA20 BB05 CC14 CC16 DD14 FF05 FF09 JJ03 JJ05 JJ26 PP25 UU03 2F112 AC03 AC06 BA18 CA04 3C007 AS36 CS08 CY32 HT35 KS36 KT03 KT04 MS11 WA03 WA13 WC25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部状態に応じて自律的に行動するロボ
ット装置において、対象物体を撮像する少なくとも２つの撮像手段と、上記少なくとも２つの撮像手段を所定の位置に固定する
固定部材と、上記撮像手段の各々において取得された画像の差分を用
いて被写体との距離を算出する演算手段とを備え、上記固定部材は、弾性部材を介して当該ロボット装置の
所定位置に取り付けられることを特徴とするロボット装
置。
【請求項２】上記固定部材には、上記対象物体と当該
ロボット装置との距離を測定する測距センサを固定する
測距センサ固定部を有することを特徴とする請求項１記
載のロボット装置。