JP2004151924A - 自律移動ロボット及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動用電池の充電を自律的に行い、より完全な自律性を発揮する。
【解決手段】自律移動ロボットにおいて、内蔵バッテリの電力が消費され、充電が必要になった場合に、人間の手を介さずして、ロボットが自動的に充電ステーションに移動し、充電作業を行う。移動目標に移動する場合に、移動目標にＬＥＤ等を光源とする光点滅信号源（例えば光変調装置等）を設け、自律移動ロボット側には、光点滅信号源が発光する位置と、その点滅パターンを読み取る手段を設けることで移動方向を導出する。この際、基本的な移動動作では、光切断法による三角測量の原理で移動目標物までの距離を計算し、移動目標の近傍まで移動する。そして、移動目標の近傍まで移動した後は、光切断法による立体表面形状測定により、移動目標物の形状と位置を認識し、正確に目標物の所定の箇所に対して移動する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自律的に目的の場所に移動して所定の作業を行う自律移動ロボット及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、各種産業上の用途で用いられる自律移動ロボットが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
また、この種の自律移動ロボットにおいて、対象物を認識する手段としては、光切断法による三角測量の原理を用いて三次元距離計測を行うものが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００３】
また、最近では、例えば犬猫の行動を真似した飼育型（愛玩用）ロボットや、学習支援、老人痴呆防止などの学習介護型ロボット、掃除機等の機能型ロボット等の家庭で使用可能なロボットが提案され、徐々に商品化されつつある。
ところで、産業用のロボットの場合には、通常はメンテナンスが行きとどいており、電源供給方法についてもケーブル等の手段を介して十分な管理の下におかれ、常時円滑な作業を継続できるようになっている。
一方、上述した愛玩用や家庭用のロボットでは、駆動電源に内蔵電池を用いることが一般的であり、電池が消耗した場合には、電池交換や充電等の作業を行うことが必要となる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１４８９８号公報
【特許文献２】
特開平７−１３４６１７号公報
【特許文献３】
特開平９−４２９３１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実在のペット等に疑似化した愛玩用の自律ロボットが電池交換や充電が必要となるのでは、完全な自律型と言えず、従来の玩具の域を出ず、ペットとしてのリアリティがなくなり、また、使用者の手間もかかるという問題がある。
また、介護等の用途では、身体の不自由な使用者を助けるためのロボットであるにもかかわらず、電池交換や充電等の作業を定期的に必要とすることになり、使用者の負担を要し、介護等の目的を実質的に達成できないものとなる。
【０００６】
そこで本発明の第１の目的は、駆動用電池の充電を自律的に行い、より完全な自律性を発揮することが可能な自律移動ロボット及びその制御方法を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、特定の移動目標を有効に認識し、移動方向を正確に判定して移動を行うことができ、所望の作業を適正に行うことが可能な自律移動ロボット及びその制御方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、自律的に目的の場所に移動して所定の作業を行う自律移動ロボットであって、駆動用電力を供給するための充電可能な電源と、前記電源を監視する電源監視手段と、予めロボット外に設置される所定の充電ステーションを用いて前記電源への充電作業を行う充電処理手段と、移動目標への自律的な移動を制御する移動制御手段と、前記電源監視手段によって電源の消耗が検知された場合に、前記移動制御手段によって前記充電ステーションの位置まで移動し、前記充電処理手段によって充電作業を行う行動決定手段とを有することを特徴とする。
【０００８】
また本発明は、自律的に目的の場所に移動して所定の作業を行う自律移動ロボットであって、移動目標に設けられた点滅光源からの光点滅信号を受光して、その発光位置と点滅パターンを読み取る検出手段と、前記検出手段による検出結果に基づいて移動方向を算出する演算手段と、前記演算手段による演算結果に基づいて前記移動目標への自律的な移動を制御する移動制御手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、駆動用電力を供給するための充電可能な電源を有し、自律的に目的の場所に移動して所定の作業を行う自律移動ロボットの制御方法であって、前記電源を監視する電源監視ステップと、予めロボット外に設置される所定の充電ステーションを用いて前記電源への充電作業を行う充電処理ステップと、移動目標への自律的な移動を制御する移動制御ステップと、前記電源監視ステップによって電源の消耗が検知された場合に、前記移動制御ステップによって前記充電ステーションの位置まで移動し、前記充電処理ステップによって充電作業を行う行動決定ステップとを有することを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、自律的に目的の場所に移動して所定の作業を行う自律移動ロボットの制御方法であって、移動目標に設けられた点滅光源からの光点滅信号を受光して、その発光位置と点滅パターンを読み取る検出ステップと、前記検出ステップによる検出結果に基づいて移動方向を算出する演算ステップと、前記演算ステップによる演算結果に基づいて前記移動目標への自律的な移動を制御する移動制御ステップとを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の自律移動ロボット及びその制御方法では、電源の消耗が検知された場合に、自律的に充電ステーションの位置まで移動し、充電作業を行うことから、使用者の手を煩わすことなく、駆動状態を継続でき、より完全な自律性を発揮することが可能となる。
また、本発明の自律移動ロボット及びその制御方法では、移動目標に設けられた点滅光源からの光点滅信号によって移動目標の位置と点滅パターンを読み取り、その情報に基づいて移動方向を算出し、移動目標への自律的な移動を制御することから、特定の移動目標を有効に認識し、移動方向を正確に判定して移動を行うことができ、所望の作業を適正に行うことが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による自律移動ロボット及びその制御方法の実施の形態例について説明する。
本実施の形態例は、自律移動ロボットにおいて、内蔵バッテリの電力が消費され、充電が必要になった場合に、人間の手を介さずして、ロボットが自動的に充電ステーションに移動し、充電作業を行うようにしたものである。
また本実施の形態例は、例えば充電ステーション等の移動目標に移動する場合に、移動目標にＬＥＤ等を光源とする光点滅信号源を設け、自律移動ロボット側には、光点滅信号源が発光する位置と、その点滅パターンを読み取る手段を設けることで移動方向を導出するようにしたものである。この際、基本的な移動動作では、光切断法による三角測量の原理で移動目標物までの距離を計算し、移動目標の近傍まで移動する。また、移動目標の近傍まで移動した後は、光切断法による立体表面形状測定により、移動目標物の形状と位置を認識し、正確に目標物の所定の箇所に対して移動するような動作を行う。
【００１３】
図１は本実施の形態例における自律移動ロボットの制御系の構成例を示すブロック図である。
この自律移動ロボットは、自律移動ロボットの全体的な制御を実行する制御部１００と、移動目標物を検出するためのセンサ部１１０と、駆動電源を得るための内蔵バッテリ部１２０と、各種駆動系を制御して自律移動ロボットの動作全般を実行する駆動制御部１３０と、音声出力や音声入力を行うための音声入出力部１４０とを有する。
また、自律移動ロボットの外部には、予め充電ステーション（充電機）２００が設置されている。この充電ステーション２００には、例えばいわゆる光ビーコンと呼ばれる光変調装置２１０が設けられ、この光変調装置２１０による光点滅被信号の発光源が設けられている。
【００１４】
制御部１００には、センサ部１１０から得られた情報に基づいて移動目標物の位置や距離、形状を算出するための各種演算を行う演算手段と、内蔵バッテリ部１２０における電源の消耗を監視する電源監視手段と、電源の消耗時に、その時点で実行している処理を認識し、電源の充電処理を実行するタイミングを判定する判定手段と、充電作業を行う際に、その処理ルーチンを起動する充電処理手段、充電作業を行うことを使用者に通知する通知手段等が設けられている。
なお、充電作業を行う場合の通知方法としては、例えば擬人型のロボットなら音声メッセージで通知し、また、ペット動物型のロボットなら動物の特定のしぐさや鳴き声等によって表すものとする。
【００１５】
センサ部１１０は、充電ステーション２００からの光点滅被信号を検出する検出機能と、移動目標物の画像を撮影する撮像機能（測距機能を含む）とを有するものであり、本例では共通のＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子によって検出機能と撮像機能とを実現するようになっている。
また、センサ部１１０には、光切断法の測距動作に用いるレーザ光等の発光源やそのスキャナ機構を具備しているものとする。
なお、本例では、１つの撮像素子を検出機能と撮像機能に共用しているが、検出機能と撮像機能とを別つの素子によって実現することも可能である。
【００１６】
内蔵バッテリ部１２０は、充電可能な充電池であり、電源の残量を示す信号を制御部１００に出力するものである。
駆動制御部１３０は、そのロボットの機能に応じた各種の機械的な駆動制御を統一的に行うものである。例えば、擬人型あるいはペット動物型ロボットの場合には、四肢の駆動系を制御して歩行や身振り等の動作を行わせ、車輪移動型のロボットの場合には、車輪による走行系の動作を行わせ、さらに介護等の各種作業を実行させるための動作を行わせる。
音声入出力部１４０は、使用者との間でコミュニケーションをとるための音声出力や音声入力を行うものである。
【００１７】
次に、以上のような本実施の形態例における自律移動ロボットが物体の位置を認識して移動する場合の原理について説明する。
例えば、ロボットの内部電池の残量が少なくなってくると、ロボットは空間内の種々の方向にセンサ部を向けてＩＤを発光する光点滅光源（光変調装置）を探し、その光点滅信号がセンサによって検出されたら、その方向にロボットは移動を始める。なお、この際、進行中の作業内容によっては、すぐに充電動作に移行することが不適切な場合もあるため、その作業の終了や中断処理を行った後、以下のような充電動作に移行する。また、この充電動作に移行する際には、使用者に対して何らかの通知を行い、使用者に不安や混乱を与えないような処置をとるものとする。
【００１８】
ここで、光変調装置によるＩＤの認識原理について説明する。
図２は、光変調装置からの点滅パターンをセンサ部で検出する様子を示す説明図である。
光変調装置（いわゆる光ビーコン）１１は、マイクロコントローラで点滅を制御したＬＥＤであり、ＬＥＤの点滅によって所定のＩＤコードを出力するものである。なお、ＩＤコードは例えば８ｂｉｔで２５５通りの識別が可能である。したがって、本例のシステムでは、理論上、２５５種類の移動目標の識別が可能となる。
光変調装置１１は、８ｂｉｔのＩＤを４ＫＨｚのキャリアでマンチェスタ符号化し、２２ｂｉｔのパケットとして送信する。これにより、光変調装置１１が障害物などによってパケットを送信中に隠れても、センサ側では、パケット単位でデータを受信可能である。
【００１９】
また、センサ１３は、上述したセンサ部１２０に含まれるイメージセンサであり、レンズ１２を通して光変調装置１１からの光点滅信号を受光する。なお、１４は、光変調装置１１が撮影されるセンサ１３上の１画素を表している。
本例で用いるセンサ１３は、１２ＫＨｚのサンプリングレートで光変調装置が送信するキャリア周波数４ＫＨｚの８ｂｉｔのＩＤを画素全てにおいてデコードし、１５ｆｐｓ でＩＤ画像を作成する。一方、センサ１３は通常の撮像機能も備えており、距離画像と通常画像を交互に撮影して合成することにより、７．５ｆｐｓ の速度で動作する。
ロボットは、検出した光変調装置１１の位置と、センサ１３に対する移動駆動部の方向を計算し、光変調装置１１の位置に向かって移動を開始する。
この際、ロボットから光変調装置までの距離を認識することはできないため、ここで光切断法による距離検出を行う。
【００２０】
次に、光切断法による距離検出の原理を説明する。
光切断法では、レーザ光などを被写体に照射して反射光をセンサで検出することにより、三角測量の原理にて距離を計測する。なお、距離検出のセンサとしては、上述した光変調装置を読み取るセンサを共用する。
図３は、光切断法の原理を示す説明図である。
レーザ光源２１から発光されたレーザ光（波長７８０ｎｍ）はシリンドリカルレンズ２２によって線状に集光される。そして、この線状のレーザ光は、３０Ｈｚの周期で振り角θでスキャンするレーザスキャナミラー２３により、被写体１１に照射される。
そして、被写体１１から反射したレーザ光をレンズ１２を介してセンサ１３が捕らえ、被写体のある一点からの反射と、センサの単一画素１４に入光する位置が一対一対応する。
ここでレーザスキャンミラーとセンサの距離が既知であり、センサがレーザ光の反射によるピークを検出したときのミラーの角度が既知であると、三角測量の原理により被写体までの距離が計算される。
【００２１】
以上のような原理によって、ロボットは移動先の対象物の方向とそこまでの距離を認識することが可能になるため、正確に目標物に向かって移動することができる。
さらに、本例のセンサ部では移動目標までの距離だけでなく、形状を認識することができる。これは一般的に３Ｄモデリングと呼ばれているものであり、画像処理により形状を認識する。
これにより、例えば充電ステーションの所定の電極位置までも認識することができるので、正確に目標物の所定の箇所に到達することが可能となる。
【００２２】
次に、以上のような原理を用いた具体的な動作例について説明する。
図４は、本例における自律移動ロボットの動作例を示す説明図である。
まず、図４（Ａ）において、ロボット３１の内部バッテリが消費し、充電が必要なレベルになったとする。ここでロボット３１は、充電処理を開始し、充電ステーション３２の位置をサーチする。ここで、充電ステーション３２は光変調装置３３を有しており、常時点滅し、ＩＤコードを送信している。
そこで、ロボット３１は、センサの向きを空間上の様々な角度に振り、光変調装置の位置を検出する。
そして、位置が検出されたら、その方向に移動を開始する。すなわち、最初に認識した位置Ｈ１からＨ２を経て、Ｈ３へと直線的に移動する。
【００２３】
また、移動開始直後から、目標物までの距離を光切断法により計測を開始する。そして、目標物までの距離を計算しながら、ロボット３１がＨ３の位置まで移動する。
ここで、Ｈ３は、予め設定した３Ｄモデリング開始位置の範囲に入ったところの位置であり、図４（Ｂ）において、目標物の形状の特徴を確認する。本例では、充電ステーション３２の上部に左右一対の突起物３４を設けており、これを確認することで、充電ステーション３２の形状を認識するものとする。なお、ロボット内には、ＩＤと対応して各目標物の特徴となる形状情報が記憶されており、この情報に基づいて判定を行うものとする。
【００２４】
そして、目標物（充電ステーション）の形状が認識されると、図４（Ｃ）に示すように、電極位置３５を目標としてＨ４の位置に移動する。
なお、電極位置は一箇所でも良いが、これを複数箇所（図示の例では表裏２箇所）とすることで、いずれか一方の電極を用いて充電を行えるようにすることも可能である。
次に、ロボット３１は、図４（Ｄ）に示すように、Ｈ４からＨ５の位置に直線的に移動し、充電ステーションにドッキングされる。この後は、所定の時間、充電を行い、満充電になったら、再び充電ステーション３２から離れて自律行動を開始する。
このようにして自律的にバッテリの充電を行うことができ、よりリアルなロボットを構成することが可能である。特に、移動目標への方向、距離、形状を順次認識することが可能であるので、従来不可能であった充電ステーションへの自分自身での移動と、電極へのドッキング、充電が人間の手をかけずに実行することが可能になり、自律移動ロボットとしての性能が高まる。
【００２５】
なお、以上の例は、充電ステーションを移動目標物とした場合について説明したが、本発明の自律移動ロボット及びその制御方法は、これに限定されるものではなく、種々の物体に点滅光源を設けて移動目標物とすることが可能である。
また、具体的な応用例として、以下のようなシステムを構成できる。
（１）ロボットのサッカーゲーム
サッカーボールにＩＤ発光用の光変調装置を搭載させて、光変調装置を頼りにロボットがボールの位置を認識し、蹴ってゲームを進める。
（２）ロボット同士の協調認識
飼育型ロボットにおいて、ロボットにＩＤ発光用の光変調装置を搭載させて、そのＩＤにより、ロボットが感情表現を行う。例えば、０１というコード番号のロボットには協調性を示し、寄り添うなどの行為を表現する。また、０２というコードに対しては嫌悪感を示し、吼えたり、対象ロボットから遠く離れるなどの行為を表現する。
その他、目標物の位置を正確に検出可能であることから、種々のアプリケーションにより様々な応用が可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の自律移動ロボット及びその制御方法によれば、電源の消耗が検知された場合に、自律的に充電ステーションの位置まで移動し、充電作業を行うことから、使用者の手を煩わすことなく、駆動状態を継続でき、より完全な自律性を有するロボットを提供できる効果がある。
また、本発明の自律移動ロボット及びその制御方法によれば、移動目標に設けられた点滅光源からの光点滅信号によって移動目標の位置と点滅パターンを読み取り、その情報に基づいて移動方向を算出し、移動目標への自律的な移動を制御することから、特定の移動目標に対して迅速な移動を実現でき、効率的に各種の作業を行えるロボットを提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例における自律移動ロボットの制御系の構成例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す自律移動ロボットにおいて光変調装置からの点滅パターンをセンサ部で検出する様子を示す説明図である。
【図３】図１に示す自律移動ロボットで用いる光切断法の原理を示す説明図である。
【図４】図１に示す自律移動ロボットの具体的動作例を示す説明図である。
【符号の説明】
１１、３３……光変調装置（ＬＥＤ）、１２……レンズ、１３……センサ、１４……センサ上の１画素、２１……レーザ光源、２２……シリンドリカルレンズ、２３……スキャナミラー、３１……ロボット、３２、２００……充電ステーション、３４……突起物、３５……充電電極、１００……制御部、１１０……センサ部、１２０……内蔵バッテリ部、１３０……駆動制御部、１４０……音声入出力部。

Claims (22)

1. 自律的に目的の場所に移動して所定の作業を行う自律移動ロボットであって、
   駆動用電力を供給するための充電可能な電源と、
   前記電源を監視する電源監視手段と、
   予めロボット外に設置される所定の充電ステーションを用いて前記電源への充電作業を行う充電処理手段と、
   移動目標への自律的な移動を制御する移動制御手段と、
   前記電源監視手段によって電源の消耗が検知された場合に、前記移動制御手段によって前記充電ステーションの位置まで移動し、前記充電処理手段によって充電作業を行う行動決定手段と、
   を有することを特徴とする自律移動ロボット。
2. 前記行動決定手段は、前記電源監視手段によって電源の消耗が検知された場合に、現在進行中の作業と充電の必要性とを比較判定し、その判定結果に基づいて作業順を決定することを特徴とする請求項１記載の自律移動ロボット。
3. 前記充電作業を行うことを使用者に通知する通知手段を有することを特徴とする請求項１記載の自律移動ロボット。
4. 自律的に目的の場所に移動して所定の作業を行う自律移動ロボットであって、
   移動目標に設けられた点滅光源からの光点滅信号を受光して、その発光位置と点滅パターンを読み取る検出手段と、
   前記検出手段による検出結果に基づいて移動方向を算出する演算手段と、
   前記演算手段による演算結果に基づいて前記移動目標への自律的な移動を制御する移動制御手段と、
   を有することを特徴とする自律移動ロボット。
5. 前記移動制御手段によって移動目標に移動した後、前記移動目標において所定の作業を行う処理手段を有することを特徴とする請求項４記載の自律移動ロボット。
6. 前記点滅光源がＬＥＤ光源であることを特徴とする請求項４記載の自律移動ロボット。
7. 前記点滅光源がマイクロコントローラによってＬＥＤ光源を点滅制御する光変調装置であることを特徴とする請求項４記載の自律移動ロボット。
8. 前記光点滅信号は移動目標のＩＤコードを含むことを特徴とする請求項４記載の自律移動ロボット。
9. 前記検出手段及び演算手段は、光切断法による三角測量の原理によって移動目標までの距離を計算することを特徴とする請求項４記載の自律移動ロボット。
10. 前記検出手段及び演算手段は、前記移動目標の接近位置に移動した後、光切断法による立体表面形状測定により、移動目標物の形状と位置を認識し、前記移動制御手段によって移動目標物の所定の部位に対して微細な移動制御を行うことを特徴とする請求項９記載の自律移動ロボット。
11. 前記移動目標は予めロボット外に設置される所定の充電ステーションであり、前記充電ステーションを用いて電源への充電作業を行うことを特徴とする請求項４記載の自律移動ロボット。
12. 駆動用電力を供給するための充電可能な電源を有し、自律的に目的の場所に移動して所定の作業を行う自律移動ロボットの制御方法であって、
    前記電源を監視する電源監視ステップと、
    予めロボット外に設置される所定の充電ステーションを用いて前記電源への充電作業を行う充電処理ステップと、
    移動目標への自律的な移動を制御する移動制御ステップと、
    前記電源監視ステップによって電源の消耗が検知された場合に、前記移動制御ステップによって前記充電ステーションの位置まで移動し、前記充電処理ステップによって充電作業を行う行動決定ステップと、
    を有することを特徴とする自律移動ロボットの制御方法。
13. 前記行動決定ステップは、前記電源監視ステップによって電源の消耗が検知された場合に、現在進行中の作業と充電の必要性とを比較判定し、その判定結果に基づいて作業順を決定することを特徴とする請求項１２記載の自律移動ロボットの制御方法。
14. 前記充電作業を行うことを使用者に通知する通知手段を有することを特徴とする請求項１２記載の自律移動ロボットの制御方法。
15. 自律的に目的の場所に移動して所定の作業を行う自律移動ロボットの制御方法であって、
    移動目標に設けられた点滅光源からの光点滅信号を受光して、その発光位置と点滅パターンを読み取る検出ステップと、
    前記検出ステップによる検出結果に基づいて移動方向を算出する演算ステップと、
    前記演算ステップによる演算結果に基づいて前記移動目標への自律的な移動を制御する移動制御ステップと、
    を有することを特徴とする自律移動ロボットの制御方法。
16. 前記移動制御ステップによって移動目標に移動した後、前記移動目標において所定の作業を行う処理ステップを有することを特徴とする請求項１５記載の自律移動ロボットの制御方法。
17. 前記点滅光源がＬＥＤ光源であることを特徴とする請求項１５記載の自律移動ロボットの制御方法。
18. 前記点滅光源がマイクロコントローラによってＬＥＤ光源を点滅制御する光変調装置であることを特徴とする請求項１５記載の自律移動ロボットの制御方法。
19. 前記光点滅信号は移動目標のＩＤコードを含むことを特徴とする請求項１５記載の自律移動ロボットの制御方法。
20. 前記検出ステップ及び演算ステップは、光切断法による三角測量の原理によって移動目標までの距離を計算することを特徴とする請求項１５記載の自律移動ロボットの制御方法。
21. 前記検出ステップ及び演算ステップは、前記移動目標の接近位置に移動した後、光切断法による立体表面形状測定により、移動目標物の形状と位置を認識し、前記移動制御手段によって移動目標物の所定の部位に対して微細な移動制御を行うことを特徴とする請求項２０記載の自律移動ロボットの制御方法。
22. 前記移動目標は予めロボット外に設置される所定の充電ステーションであり、前記充電ステーションを用いて電源への充電作業を行うことを特徴とする請求項１５記載の自律移動ロボットの制御方法。

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