JP2005288657A - ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 移動機構を有するロボットにおいて、前記ロボットが障害物を回避する際に、ロボットの回避動作がロボットに接近する障害物側に向かったり、不要にふらついたりすることを防止する。
【解決手段】 本体部２１と、本体部２１に設けられて本体部２１を移動させる車輪２２と、車輪２２を駆動させる駆動装置２３と、本体部２１に設けられて、本体部２１から所定の距離に存在する障害物を検知し、本体部２１と障害物との最短距離、本体部２１に対する障害物の相対速度を計測する非接触センサ２５と、本体部２１の移動状況を計測する計測装置２６と、非接触センサ２５により計測した本体部２１と前記障害物との最短距離、本体部２１に対する障害物の相対速度から障害物に応じた回避力を算出し、回避力と本体部２１の移動状況とに基づいて本体部２１と障害物とが接触するのを回避するための回避動作を算出する計算装置２７とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ロボットに関する。

従来、車輪などの移動機構を有するロボットにおいて、移動中のロボットと障害物との接触を回避する方法として、ロボットに障害物検出手段を設け、ロボットの移動中に、この障害物検出手段により障害物の有無を検出し、障害物があればロボットの走行を事前に停止させることで、ロボットと障害物との接触を回避するものがある（例えば、特許文献１参照）。これにより、移動時におけるロボットの安全性を確保している。

ここで、特許文献１に記載されたロボット１を、図９を用いて説明する。図９は、ロボット１の構成の概要を示す平面図である。
図９に示すように、ロボット１は、本体部２と、この本体部２を移動させるための移動機構としての四つの車輪３と、車輪３を駆動させる図示しない駆動装置と、本体部２の上部に設けられているマニピュレータ４と、超音波や赤外線などを用いて形成される検知領域５が本体部２の前方側、後方側、左方側、右方側のそれぞれの方向に向くように、かつ、本体部２やマニュピレータ４の可動範囲を含むように配置されている複数の障害物センサ６とを有する。

このような構成において、ロボット１の移動中に、障害物センサ６における検知領域５内に障害物７ａが進入したことを障害物センサ６が検知すると、この検知情報が駆動装置に送られ、ロボット１の走行が停止される。これにより、ロボットの安全性を確保することができる。なお、図９において、障害物７ｂは、ロボット１の周囲に存在するが、この障害物７ｂは障害物センサ６の検知領域５に進入しておらず、障害物センサ６には検知されない。

また、上記のロボット１とは異なる構成のものとして、例えば、特許文献２には、障害物センサが障害物の存在を検知したときに、そのときの障害物が検知領域内にどれだけ進入しているのかを表す進入量を算出し、この進入量に応じた仮想的な反発力（詳細は後述）を算出し、この反発力に基づいて、ロボットに回避動作をさせることが記載されている。

ここで、特許文献２に記載されたロボット１０を、図１０を用いて説明する。図１０（ａ）は、ロボット１０の構成の概要を示す平面図、図１０（ｂ）は、ロボット１０の回避動作の概要を示す図である。

図１０（ａ）に示すように、ロボット１０は、本体部１１と、この本体部１１を移動させる二つの車輪１２と、車輪１２を駆動させる駆動装置１３と、検知領域１４が本体部１１から所定の距離Ｚの範囲になるように設定されてこの検知領域１４内に進入した障害物を検知するとともに、この障害物の進入量とその進入方向すなわち本体部１１に対して障害物が存在する方向とを計測する複数の障害物センサ１５と、本体部１１の内部に配置されているとともに、障害物センサ１５が計測した情報１５ａに基づいて仮想的な反発力を算出し、この反発力をもとにロボット１０の回避動作を算出し、さらに算出した回避動作の情報１６ａを駆動装置１３に送る計算手段１６とを有する。検知領域１４は、バネ−ダンパ系のバンパとして想定されており、検知領域１４内に障害物が進入すると、その進入量だけ想定したバンパが窪むことになるので、これにより、計算手段１６によって、進入量に応じた仮想的な反発力が算出される。また、所定の距離Ｚの値はあらかじめ設定しておく。

このような構成において、図１０（ｂ）に示すように、ロボット１０の移動中に、障害物センサ１５における検知領域１４内に障害物７が進入したことを障害物センサ１５が検知すると、障害物センサ１５は、障害物７と本体部１１との距離および進入方向を計測し、所定の距離Ｚの値と、障害物７と本体部１１との距離の値との差により、障害物７の進入量Ｉｏａを計測する。そして、進入量Ｉｏａと進入方向との情報を計測情報１５ａとして計算手段１６に送る。

そして、計算手段１６において、計測情報１５ａとして送られた進入量Ｉｏａと進入方向との情報により、仮想的な反発力Ｆｏａを算出する。
このとき、質量がＭのロボット１０が速度Ｖｒ０で移動していたとすると、ロボット１０の運動量はＭＶｒ０となる。そこで、計算手段１６により、この移動状態のロボット１０に反発力Ｆｏａが外力として作用した後のロボット１０の運動量ＭＶｒ１を算出する（以下、外力が作用した後のロボットの運動量を算出することを、運動方程式を解くと記す）。

この算出結果より、現在移動中のロボット１０の運動量ＭＶｒ０が、反発力Ｆｏａが作用した後のロボット１０の運動量ＭＶｒ１となるように、ロボット１０の速度及び移動方向をＶｒ０からＶｒ１に変更することを回避動作として算出する。算出された回避動作の情報１６ａは、計算手段１６から駆動手段１３に送られる。そして、駆動手段１３が回避動作の情報１６ａに基づいてロボット１０を移動させることで障害物７の回避動作を行う。
特許第３３０７２８８号公報 特開平７−１１０７１１号公報

しかしながら、人ごみなどのような障害物が多く存在する環境で作業を行う移動ロボットとして、図９および図１０に示した構成のロボットを使用する場合、以下のような課題を有している。

図９に示したロボット１の場合、障害物センサ６が障害物７を検知するとロボット１の走行が停止されるため、上記のような、障害物が多く存在する環境においては、障害物センサ６が常に反応し、結果としてロボット１が動けなくなる可能性がある。また、障害物７がロボット１に接近してくる場合、ロボット１の走行を停止させることによって、かえって危険な状況が生じる可能性がある。

また、図１０に示したロボット１０の場合、回避動作が障害物７と本体部１１との距離に基づいて決定されるため、例えば、ロボット１０から離れていく障害物と、ロボット１０に接近する障害物とが検知領域１４内に同時に、かつ、ロボット１０を挟んだ状態で存在し、ロボット１０から離れていく障害物の方が、ロボット１０に接近する障害物よりもロボット１０の本体部１１に近い場合には、ロボット１０が、ロボット１０に接近する障害物に向かって動くといった、不自然な回避動作を行う可能性がある。

また、図１０に示したロボット１０において、例えば、ロボット１０の本体部１１における上部にマニピュレータを有する場合、マニピュレータのみの動作により障害物の回避が可能な状況であっても、ロボット全体で回避動作を行ってしまうため、人ごみなどの多数の障害物が存在する環境においてはロボット１０の回避動作の数が多くなり、ロボット１０に不必要なふらつきが発生する可能性がある。

ここで、上記において述べた図１０に示すロボット１０が有する課題の例を、図１１を用いて説明する。なお、図１１（ａ）は、ロボット１０に速度Ｖｏｃで接近する障害物１７ｂに向かってロボット１０が回避動作を行う例、図１１（ｂ）は、マニピュレータ１８を有する場合に、ロボット１０全体で回避動作を行ってしまう例を示している。

図１１（ａ）に示すように、ロボット１０の本体部１１から速度Ｖｏｂで離れていく障害物１７ａと、ロボット１０の本体部１１に速度Ｖｏｃで接近する障害物１７ｂが検知領域１４内に、例えば、ロボット１０を挟んだ状態で同時に存在し、かつ、本体部１１から離れていく障害物１７ａの方がロボット１０に接近する障害物１７ｂよりも本体部１１に近い場合、ロボット１０から離れていく障害物１７ａが検知領域１４内に進入していることにより算出される仮想的な反発力Ｆｏｂが、ロボット１０に接近する障害物１７ｂが検知領域１４内に進入していることにより算出される仮想的な反発力Ｆｏｃより大きくなるため、ロボット１０には、反発力Ｆｏｂと反発力Ｆｏｃとの合力である、反発力Ｆｏｂと同方向の反発力Ｆｏｂ´が作用することになる。その結果、ロボット１０の回避動作が、不自然にも障害物１７ａ側に向かう動作になる。

また、図１１（ｂ）に示すように、ロボット１０がマニピュレータ１８を有する場合、マニピュレータ１８が本体部１１の前方側に突出している分だけ障害物センサ１５の検知領域１４が拡張されており、検知領域１４におけるこの拡張された部分１４ａに障害物１７が進入すると、マニピュレータ１８を仮想線で示す位置まで移動させればロボット１０全体で回避動作を行う必要がない場合においても、障害物１７が拡張部分１４ａに進入することで算出される反発力Ｆｏｄによってロボット全体が反発力Ｆｏｄを受けたように回避動作を行う。したがって、人ごみなどの多数の障害物が存在する環境においては、ロボット１０全体で回避動作を行う数が多くなり、ロボット１０全体の不要なふらつきの原因となることがある。

そこで本発明はこのような問題を解決するもので、移動機構を有するロボットの移動時において、前記ロボットが障害物を回避する際に、ロボットの回避動作がロボットに接近する障害物側に向かう動作になることや、回避動作によりロボットが不要にふらついた状態になるのを防止することを目的とする。

上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、本体部と、前記本体部に設けられて前記本体部を移動させる移動装置と、前記本体部に設けられて、前記本体部から所定の距離に存在する障害物を検知し、前記本体部と前記障害物との距離、前記本体部に対する前記障害物の相対速度を計測するセンサと、前記本体部の移動状況を計測する計測装置と、前記センサにより計測した前記本体部と前記障害物との距離、前記本体部に対する前記障害物の相対速度から前記障害物に応じた回避力を算出し、前記回避力と前記本体部の移動状況とに基づいて前記本体部と前記障害物とが接触するのを回避するための回避動作を算出する計算装置とを有し、前記計算装置により算出された前記回避動作の情報により前記移動装置にて前記本体部に前記回避動作を行わせるものである。

このような構成によれば、センサにより、障害物に対して、本体部に対する相対速度を計測し、この障害物の相対速度に基づいて本体部の回避力を算出するので、本体部に接近する障害物に対して回避動作の対象とし、本体部から離れていく障害物に対して回避動作の対象としないようにすることができるので、ロボットの回避動作がロボットに接近する障害物側に向かう動作になることを防止することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のロボットにおいて、本体部に設けられたマニピュレータと、前記マニピュレータを駆動してその位置を変更させるマニピュレータ駆動装置とを有し、前記マニピュレータに、前記マニピュレータから所定の距離に存在する障害物を検知するとともに、前記マニピュレータと前記障害物との距離、前記マニピュレータに対する前記障害物の相対速度を計測するセンサが設けられ、計測装置が前記本体部に対する前記マニピュレータの動作状況を計測し、計算装置が、前記センサにより計測した前記マニピュレータと前記障害物との距離、前記マニピュレータに対する前記障害物の相対速度から前記障害物に応じた前記マニピュレータの回避力を算出し、前記回避力と、前記本体部に対するマニピュレータの動作状況とに基づいて、前記マニピュレータが前記障害物との接触を回避するための回避動作を算出し、前記回避動作の情報を前記マニピュレータ駆動装置に送り、前記マニピュレータ駆動装置が前記回避動作の情報により前記マニピュレータに前記回避動作を行わせるものである。

このような構成によれば、マニピュレータにおけるセンサが計測した障害物に対して、マニピュレータの回避動作を算出するので、本体部とマニピュレータとの回避動作を別々にすることができ、マニピュレータに近づく障害物はマニピュレータが回避動作を回避動作を行って回避することができる。これにより、ロボットと障害物との接触を本体部だけの回避動作により回避する場合に比べて、ロボットの本体部の回避動作の数を減らすことができるので、ロボット全体が不要にふらついた状態になるのを防止することができる。

請求項３記載の発明は、請求項２記載のロボットにおいて、計算装置が算出したマニピュレータについての回避力のうちの前記マニピュレータが回避不能な方向の成分を、前記計算装置により、本体部の回避力に加えることが可能とされているものである。

このような構成によれば、マニピュレータについての回避力のうちのマニピュレータが回避不能な方向の成分を、計算装置により、本体部の回避力に加えることで、マニピュレータが回避不能な方向成分を解消することができ、障害物とマニピュレータとの接触を防止することができる。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項記載のロボットにおいて、本体部に設けられたセンサ、マニピュレータに設けられたセンサのうち少なくともどちらか一方のセンサが、相対速度における障害物との距離の方向で、かつ接近する成分である相対接近速度を計測可能とされているものである。

このような構成によれば、回避動作を算出する際に、障害物が接近する速度を把握することができ、効果的な回避動作を算出することができる。
請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項記載のロボットにおいて、本体部に設けられたセンサ、マニピュレータに設けられたセンサのうち少なくともどちらか一方のセンサが、所定の距離の範囲で障害物を検知する検知領域を形成可能とされ、計算装置が、前記検知領域に進入した障害物のうち、相対的に接近する障害物を回避動作の対象とすることが可能とされているものである。

このような構成によれば、検知領域に進入した障害物のうち、相対的に接近する障害物に対して回避動作の対象とすることができるので、不要な回避動作を減少させることができる。

請求項６記載の発明は、請求項１〜５の何れか１項記載のロボットにおいて、本体部からの距離の長短に応じた複数の検知領域が設けられ、前記それぞれの検知領域に、障害物の相対速度の閾値がそれぞれ設定され、前記それぞれの検知領域に進入した障害物のうち、前記それぞれの閾値よりも大きい相対速度の障害物が回避動作の対象とされるものである。

このような構成によれば、本体部からの距離の長短に応じた複数の検知領域が設けられ、前記それぞれの検知領域に、障害物の相対速度の閾値がそれぞれ設定され、前記それぞれの検知領域に進入した障害物のうち、前記それぞれの閾値よりも大きい相対速度の障害物が回避動作の対象とされることで、回避動作の対象となる障害物を選別することができるので、不要な回避動作を減少させることができる。

請求項７記載の発明は、請求項１〜６の何れか１項記載のロボットにおいて、計算装置が、障害物が検知領域に進入した進入量と前記障害物の相対速度とに基づく大きさで、かつ、前記障害物と最短距離となる位置を起点とする回避力を算出可能とされているものである。

このような構成によれば、計算装置が、障害物が検知領域に進入した進入量と前記障害物の相対速度とに基づく大きさで、かつ、前記障害物と最短距離となる位置を起点とする回避力を算出可能とされているので、回避力の算出を容易に行うことができる。

請求項８記載の発明は、請求項１〜７の何れか１項記載のロボットにおいて、計算装置が、障害物との最短距離の方向で、かつ、前記最短距離が開く向きの回避力を算出可能とされているものである。

このような構成によれば、計算装置が、障害物との最短距離の方向で、かつ、前記最短距離が開く向きの回避力を算出することができるので、ロボットの正確な回避動作を算出することができる。

請求項９記載の発明は、請求項１〜８の何れか１項記載のロボットにおいて、計算装置が複数の障害物に応じた複数の回避力を算出するとともに、前記複数の回避力を合成して一つの回避力を算出することが可能とされているものである。

このような構成によれば、計算装置が複数の障害物に応じた複数の回避力を算出するとともに、複数の回避力を合成して一つの回避力を算出することで、不要な回避動作を減少させることができる。

本発明によれば、センサにより、障害物に対して、本体部に対する相対速度を計測し、この障害物の相対速度に基づいて本体部の回避力を算出するので、本体部に接近する障害物に対して回避動作の対象とし、本体部から離れていく障害物に対して回避動作の対象としないようにすることができるので、ロボットの回避動作がロボットに接近する障害物側に向かう動作になることを防止することができる。

また、マニピュレータにおけるセンサが計測した障害物に対して、マニピュレータの回避動作を算出するので、本体部とマニピュレータとの回避動作を別々にすることができ、マニピュレータに近づく障害物はマニピュレータが回避動作を回避動作を行って回避することができる。これにより、ロボットと障害物との接触を本体部だけの回避動作により回避する場合に比べて、ロボットの本体部の回避動作の数を減らすことができるので、ロボット全体が不要にふらついた状態になるのを防止することができる。

また、マニピュレータについての回避力のうちのマニピュレータが回避不能な方向の成分を、計算装置により、本体部の回避力に加えることで、マニピュレータが回避不能な方向成分を解消することができ、障害物とマニピュレータとの接触を防止することができる。

また、回避動作を算出する際に、障害物が接近する速度を把握することができ、効果的な回避動作を算出することができる。
また、検知領域に進入した障害物のうち、相対的に接近する障害物に対して回避動作の対象とすることができるので、不要な回避動作を減少させることができる。

また、本体部からの距離の長短に応じた複数の検知領域が設けられ、前記それぞれの検知領域に、障害物の相対速度の閾値がそれぞれ設定され、前記それぞれの検知領域に進入した障害物のうち、前記それぞれの閾値よりも大きい相対速度の障害物が回避動作の対象とされることで、回避動作の対象となる障害物を選別することができるので、不要な回避動作を減少させることができる。

また、計算装置が、障害物が検知領域に進入した進入量と前記障害物の相対速度とに基づく大きさで、かつ、前記障害物と最短距離となる位置を起点とする回避力を算出可能とされているので、回避力の算出を容易に行うことができる。

また、計算装置が、障害物との最短距離の方向で、かつ、前記最短距離が開く向きの回避力を算出することができるので、ロボットの正確な回避動作を算出することができる。
さらに、計算装置が複数の障害物に応じた複数の回避力を算出するとともに、複数の回避力を合成して一つの回避力を算出することで、不要な回避動作を減少させることができる。

（実施の形態１）
本発明のロボットの実施の形態１を、図１〜図６を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態１のロボット２０を示しており、図２は、センサとしての非接触センサ２５により障害物２８とロボット２０との距離、およびロボット２０に対する障害物２８の相対接近速度（詳細は後述）を計測する方法を示しており、図３は、ロボット２０が回避動作を行うための条件を示している。また、図４は、ロボット２０が回避動作を行うための図３とは異なる条件を示している。図５は、回避動作を算出するための回避力を決定する方法を示しており、図６は、ロボット２０に複数の障害物が接近した際の回避力の決定方法を示している。

実施の形態１で説明するロボット２０は、図１に示すように、本体部２１と、本体部２１の左右両側に設けられて本体部２１を移動させる移動装置としての四つの車輪２２と、この車輪２２を駆動させる駆動装置２３と、本体部２１にこの本体部２１の周りに沿って所定の間隔をあけて設けられている複数の非接触センサ２５と、駆動装置２３などの駆動軸に設けられているエンコーダ（図示は省略）からのパルスに基づいて、本体部２１の移動状況として、本体部２１の移動方向や移動速度などを計測する計測装置２６と、非接触センサ２５による計測結果（詳細は後述）と計測装置２６による計測結果とに基づいて本体部２１と障害物とが接触するのを回避するための回避動作を算出し、この回避動作の情報を駆動装置２３に送ることで、駆動装置２３により車輪２２に回避動作を行わせる計算装置２７とを有している。

非接触センサ２５は、図２に示すように、超音波や赤外線などを用いて本体部２１から所定の距離Ｄの範囲に検知領域２４を形成し、この検知領域２４内に存在する障害物２８を検知して、本体部２１と障害物２８との距離、本体部２１に対する障害物２８の相対接近速度、本体部２１に対して障害物２８が存在する方向を計測する。

詳細には、非接触センサ２５は、図２における領域Ａの要部を拡大して表示した領域Ａ´に示すように、ロボット２０（本体部２１）と検知した障害物２８とが最も接近する点であるロボット２０側の点２９ａと、障害物２８側の点２９ｂとを設定し、この２点間を結んだ直線２９の長さである最短距離Ｌを、ロボット２０と障害物２８との距離として計測し、また、障害物２８のロボット２０（本体部２１）に対する相対速度Ｖにおける最短距離Ｌ方向の成分Ｖｖを、障害物２８の相対接近速度として計測する。なお、ロボット２０と障害物２８との距離を計測した時に設定したロボット２０側の点２９ａを、詳細は後述するが、回避動作を決定する際の参照点として設定しておく。

このような構成において、例えば、移動中のロボット２０が非接触センサ２５により検知した障害物２８を回避する場合を説明する。なお、移動中のロボット２０においては、計測装置２６により、ロボット２０（本体部２１）の移動方向や移動速度などが計測されており、また、計測装置２６により計測された結果は、計算装置２７に送られている。

図２に示すように、移動中のロボット２０において、ロボット２０における非接触センサ２５が、その検知領域２４内に進入した障害物２８を検知すると、この非接触センサ２５は、上述のようにして、ロボット２０（本体部２１）と検知した障害物２８との距離、およびロボット２０（本体部２１）に対する障害物２８の相対接近速度Ｖｖを計測する。このとき、上述したように、ロボット２０側に設定した点２９ａを、参照点として設定しておく。

そして、非接触センサ２５の計測結果を、計算装置２７に送り、計算装置２７において、非接触センサ２５の計測結果から、障害物２８の相対接近速度が正の障害物２８に対してのみ回避動作の対象とするように設定する。すなわち、例えば、図３に示すように、ロボット２０の周囲に、検知領域２４内に存在していてロボット２０に接近してくる障害物２８ａ（相対接近速度＝Ｖｖａ）と、検知領域２４内に存在していてロボット２０から離れていく障害物２８ｂ（相対接近速度＝Ｖｖｂ）と、検知領域２４外にある障害物２８ｃとが存在する場合であって、ロボット２０から離れていく障害物２８ｂが、ロボット２０に接近してくる障害物２８ａよりも、ロボット２０から近い場合であっても、非接触センサ２５の計測結果より、検知した障害物２８ａ、２８ｂのうち、相対接近速度が正である障害物２８ａのみを回避動作（詳細は後述）の対象と設定することができ、検知領域２４内に存在しているが相対接近速度が負でロボット２０から離れていく障害物２８ｂおよび検知領域２４内に存在しておらず検知できない障害物２８ｃについては、回避動作の対象としないようにできる。

これにより、ロボット２０が、ロボット２０に接近する障害物２８ａを対象にした回避動作を行うので、この回避動作が、ロボット２０に接近する障害物２８ａ、すなわち回避動作の対象である障害物２８ａに向かうような不自然な動作になることを防止することができる。また、このように、検知領域２４内に障害物が存在しても、ロボット２０から離れていく障害物２８ｂに対しては回避動作の対象としないことから、ロボット２０の回避動作の回数を減らすことができ、ロボット２０の回避動作を安定させることができる。

また、図３では、検知領域２４内に存在して、かつ、相対接近速度が正である障害物２８ａのみを回避動作の対象としたが、図４に示すように、検知領域２４を、例えば、本体部２１から所定の距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３（Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＝Ｄ）の三つの警戒領域２４ａ、２４ｂ、２４ｃに区分し、それぞれの警戒領域２４ａ、２４ｂ、２４ｃにおいて、回避動作の対象とする障害物２８の相対接近速度の大きさの閾値を別々に設定し、障害物２８の相対接近速度がこの閾値以上の場合にのみこの障害物２８を回避動作の対象とすることもできる。例えば、ロボット２０に最も近い警戒領域２４ａにおける相対接近速度の閾値を０として、その外側の警戒領域２４ｂ、２４ｃへ行くほど相対接近速度の閾値を大きく設定する。

このようにすると、ロボット２０に対して相対的に停止している状態の障害物２８ｈ（相対速度Ｖｈ＝０、相対接近速度Ｖｖｈ＝０）を回避動作の対象と設定するのは、障害物２８ｈが警戒領域２４ａ内に入り込んだ時だけにすることができる。また、ロボット２０に対して同じ相対接近速度Ｖｖｅ、Ｖｖｆ、Ｖｖｇで接近する三つの障害物２８ｅ、２８ｆ、２８ｇがあり、障害物２８ｅが警戒領域２４ａに進入し、障害物２４ｂが警戒領域２８ｆに進入し、障害物２８ｇが警戒領域２４ｃに進入している場合に、それぞれの警戒領域２４ａ、２４ｂ、２４ｃによって設定している閾値によっては、障害物２８ｅを回避動作の対象とするが、障害物２８ｆ、２８ｇについては回避動作の対象としないようにすることができる。これにより、ロボット２０の近くに存在する障害物２８ｈや２８ｅに対しては過敏に対応しながらも、ロボット２０から離れた位置に存在する障害物２８ｆ、２８ｇに対しては過敏な対応をしないようにすることができ、ロボット２０の回避動作を安定させることができる。

以上のようにして、回避動作の対象となる障害物２８を設定すると、次に、回避動作の対象となる障害物２８についての回避力を算出する。
詳細には、例えば、図５に示すように、相対速度Ｖｉで検知領域２４に進入する障害物２８ｉの相対接近速度がＶｖｉ（＞０）である場合に、障害物２８ｉについての回避力の大きさＦｖｉは、障害物２８ｉにおける検知領域２４への進入量Ｉｖｉと障害物２８の相対接近速度Ｖｖｉとを用いた関係式Ｆｖｉ＝Ｋｐ・Ｉｖｉ＋Ｋｖ・Ｖｖｉによって算出する。ここで、Ｋｐ、Ｋｖはゲインの定数であり、あらかじめ設定可能な任意の定数である。また、進入量Ｉｖｉは、検知領域２４が設定されている所定の距離Ｄの値と非接触センサ２５により計測したロボット２０と障害物２８との距離との差により算出している。

また、回避力Ｆｖｉの起点は、上記において設定しておいたロボット２０側の参照点２９ａとしている。また、回避力Ｆｖｉの方向は、ロボット２０と障害物との（最短）距離の方向とし、その向きを、障害物２８との最短距離が広がる方向へ向く向きとしている。

このようにして、回避力Ｆｖｉを算出すると、計算装置２７は、計測装置２６から送られるロボット２０（本体部２１）の移動方向や移動速度などの計測結果に基づいて、例えば、現在のロボット２０の運動量ＭＶｒ２を算出し、この運動量ＭＶｒ２のロボット２０に、回避力Ｆｖｉが外力として作用した後のロボット２０の運動量ＭＶｒ３を算出、すなわち、回避力Ｆｖｉと運動量ＭＶｒ２とから運動方程式を解き、回避動作を算出する。

そして、図１に示すように、算出した回避動作の情報を計算装置２７から駆動装置２３に送り、駆動装置２３により、車輪２２に回避動作を行わせることで、ロボット２０と障害物２８との接触を事前に回避することができる。

なお、上記においては、回避動作の対象となる障害物２８が一つの場合における回避力の算出方法を説明したが、図６に示すように、例えば、回避動作の対象となる障害物が、２８ｊ、２８ｋ、２８ｌように同時に三つ存在した場合においては、計算装置２７により、それぞれの障害物２８ｊ、２８ｋ、２８ｌについての回避力Ｆｖｊ、Ｆｖｋ、Ｆｖｌを算出し、これらの回避力の合成を、ロボット２０における一つの回避力Ｆｒとして算出し、この回避力Ｆｒを用いて回避動作を算出する。また、これらの回避力Ｆｖｊ、Ｆｖｋ、Ｆｖｌによりロボット２０に作用するモーメントを合成することで、ロボット２０に作用するモーメントＭｒを算出し、このモーメントＭｒを用いて回避動作を算出することもできる。

これにより、回避動作の対象となる障害物が同時に複数存在しても、ロボット２０がそれぞれの障害物に対して個別に回避動作を行うことを防止できる。
なお、上記において説明したロボット２０は、計算装置２７によって算出された回避動作に従って、車輪２２を駆動することで障害物２８の回避を実現するものである。
（実施の形態２）
本発明のロボットの実施の形態２を、図７および図８を参照して説明する。図７は、本発明の実施の形態２のロボット３０を示しており、図８は、実施の形態２における回避力の算出方法を示している。

実施の形態２で説明するロボット３０は、実施の形態１において説明したロボット２０における本体部２１に、マニピュレータ３１と、マニピュレータ３１を駆動するマニピュレータ駆動装置３２とが設けられ、かつ、このマニピュレータ３１に、マニピュレータ３１用の複数の非接触センサ３３が設けられた構成とされている。したがって、実施の形態１において説明したものと同様のものについては同じ符号を付すことで、その詳細な説明を省略する。なお、本実施の形態２では、本体部２１に設けられた非接触センサ２５、マニピュレータ３１に設けられた非接触センサ３３の両者が、障害物の相対接近速度を計測し、かつ、検知領域を形成する場合を説明する。

実施の形態２において、計測装置２６は、駆動装置２３などの駆動軸に設けられているエンコーダ（図示は省略）からのパルスに基づいて、本体部２１の移動方向や移動速度などを計測することができるとともに、マニピュレータ駆動装置３２の駆動軸に設けられているエンコーダ（図示は省略）からのパルスに基づいて、本体部２１に対するマニピュレータ３１の動作状況として、マニピュレータ３１の位置、姿勢、動作などを計測することができる。また、マニピュレータ３１に設けられているマニピュレータ３１用の非接触センサ３３は、その検知領域３４（図８参照）に進入した障害物３５に対して、マニピュレータ３１と障害物３５との距離およびマニピュレータ３１に対する障害物３５の相対接近速度を計測し、この計測結果を計算装置２７に送ることができる。

このような構成において、例えば、図８に示すように、移動中のロボット３０に対して、本体部２１に障害物３５ａが接近し、かつ、マニピュレータ３１に障害物３５ｂが接近したときに、ロボット３０が、障害物３５ａ、障害物３５ｂとの接触を回避する方法を説明する。なお、移動中のロボット３０においては、計測装置２６により計測された本体部２１の移動方向や移動速度、マニピュレータ３１の位置、姿勢、動作などの情報が計算装置２７に送られている。

図８に示すように、移動中のロボット３０に対して、本体部２１に障害物３５ａが接近し、かつ、マニピュレータ３１に障害物３５ｂが接近した場合、障害物３５ａが検知領域２４に進入することから、本体部２１における非接触センサ２５が障害物３５ａを検知し、この障害物３５ａに対して、本体部２１と障害物３５ａとの距離、および本体部２１に対する障害物３５ａの相対接近速度を計測する。そして、この計測結果を計算装置２７に送り、計算装置２７において、実施の形態１と同様にして、本体部２１についての回避力Ｆｖｍを算出する。

また、障害物３５ｂが検知領域３４に進入することから、マニピュレータ３１における非接触センサ３３が障害物３５ｂを検知し、この障害物３５ｂに対して、マニピュレータ３１と障害物３５ｂとの距離、およびマニピュレータ３１に対する障害物３５ｂの相対接近速度を計測する。そして、この計測結果を計算装置２７に送り、計算装置２７において、実施の形態１と同様にして、マニピュレータ３１についての回避力Ｆｖｎを算出する。

このとき、計測装置２６から送られる本体部２１に対するマニピュレータ３１の位置、姿勢、動作などの計測結果に基づいて、マニピュレータ３１の姿勢や自由度などの状況から、算出した回避力Ｆｖｎに、マニピュレータ３１が回避不能な方向の成分がある場合には、回避力Ｆｖｎを、回避可能な方向の成分Ｆｖｎｍと、回避不能な方向の成分Ｆｖｎｒとに分離する。そして、回避可能な方向の成分Ｆｖｎｍを、マニピュレータ３１の回避力と設定し、回避不能な方向の成分Ｆｖｎｒについては、本体部２１とマニピュレータ３１との接続部３６を起点とする回避力として、算出した本体部２１の回避力Ｆｖｍに合成し、Ｆｖｍ＋Ｆｖｎｒ（＝Ｆｒ）を本体部２１の回避力と設定する。なお、算出した回避力Ｆｖｎに、マニピュレータ３１が回避不能な方向の成分が無い場合には、回避力Ｆｖｎを上記のように分離しなくてもよい。

このようにして、本体部２１、マニピュレータ３１の回避力Ｆｖｍ＋Ｆｖｎｒ、Ｆｖｎｍを算出すると、計算装置２７により、本体部２１の回避力Ｆｖｍ＋Ｆｖｎｒと、計測装置２６から送られる本体部２１の移動方向や移動速度などの計測結果とに基づいて、実施の形態１と同様にして、本体部２１の回避動作を算出する。また、この計算装置２７により、マニピュレータ３１の回避力Ｆｖｎｍと、計測装置２６から送られるマニピュレータ３１の位置、姿勢、動作などの計測結果とに基づいて、実施の形態１と同様にして、マニピュレータ３１の回避動作を算出する。また、回避動作を算出する際には、実施の形態１と同様に、回避力Ｆｖｍ＋Ｆｖｎｒにより本体部２１に作用するモーメントＭｒを算出し、これに基づいて本体部２１の回避動作を算出しても良い。さらに、回避力Ｆｖｎｍによりマニピュレータ３１に作用するモーメントＭｍを算出し、これに基づいてマニピュレータ３１の回避動作を算出しても良い。

計算装置２７により、本体部２１とマニピュレータ３１との回避動作を算出し、それぞれの回避動作の情報を、駆動装置２３、マニピュレータ駆動装置３２に送り、車輪２２およびマニピュレータ３１を駆動させることで、本体部２１およびマニピュレータ３１に、障害物３５ａ、３５ｂを回避させることができる。

以上のように、本体部２１の非接触センサ２５が検知した障害物３５ａについては本体部２１が回避することができ、マニピュレータ３１における非接触センサ３３が検知した障害物３５ｂについてはマニピュレータ３１が回避することができるので、ロボット３０全体としての回避動作の数を減らすことができ、ロボット３０と障害物３５ａ、３５ｂとの接触を本体部２１だけの回避動作により回避する場合に比べて、回避動作によりロボット３０全体が不要にふらついた状態になるのを防止することができる。

なお、上記において説明したロボット３０は、計算装置２７によって算出された回避動作に従ってマニピュレータ３１および車輪２２を駆動することで、障害物３５ａ、３５ｂの回避を実現するものである。

本発明のロボットは、人ごみなどの障害物の多い環境においても、障害物との接触回避を安定して行い、安全性を確保することができるため、駅や空港、スーパーなどの公共の場で自立的に作業を行うロボットや、家庭用ロボットなどにも適応することができる。

本発明の実施の形態１のロボットを示している。 非接触センサにより、障害物とロボットとの距離、およびロボットに対する障害物の相対接近速度を計測する方法を示している。 ロボットが回避動作を行うための条件を示している。 ロボットが回避動作を行うための図３とは異なる条件を示している。 回避動作を算出するための回避力を決定する方法を示している。 ロボットに複数の障害物が接近した際の回避力の決定方法を示している。 本発明の実施の形態２のロボットを示している。 実施の形態２における回避力の算出方法を示している。 特許文献１に記載されたロボットの概要を示している。 特許文献２に記載されたロボットの概要を示している。 図１０に示したロボットにおける課題の例を示している。

符号の説明

２０ ロボット
２１ 本体部
２２ 車輪
２３ 駆動装置
２５ 非接触センサ
２６ 計測装置
２７ 計算装置

Claims (9)

1. 本体部と、前記本体部に設けられて前記本体部を移動させる移動装置と、前記本体部に設けられて、前記本体部から所定の距離に存在する障害物を検知し、前記本体部と前記障害物との距離、前記本体部に対する前記障害物の相対速度を計測するセンサと、前記本体部の移動状況を計測する計測装置と、前記センサにより計測した前記本体部と前記障害物との距離、前記本体部に対する前記障害物の相対速度から前記障害物に応じた回避力を算出し、前記回避力と前記本体部の移動状況とに基づいて前記本体部と前記障害物とが接触するのを回避するための回避動作を算出する計算装置とを有し、前記計算装置により算出された前記回避動作の情報により前記移動装置にて前記本体部に前記回避動作を行わせることを特徴とするロボット。
2. 本体部に設けられたマニピュレータと、前記マニピュレータを駆動してその位置を変更させるマニピュレータ駆動装置とを有し、前記マニピュレータに、前記マニピュレータから所定の距離に存在する障害物を検知するとともに、前記マニピュレータと前記障害物との距離、前記マニピュレータに対する前記障害物の相対速度を計測するセンサが設けられ、計測装置が前記本体部に対する前記マニピュレータの動作状況を計測し、計算装置が、前記センサにより計測した前記マニピュレータと前記障害物との距離、前記マニピュレータに対する前記障害物の相対速度から前記障害物に応じた前記マニピュレータの回避力を算出し、前記回避力と、前記本体部に対するマニピュレータの動作状況とに基づいて、前記マニピュレータが前記障害物との接触を回避するための回避動作を算出し、前記回避動作の情報を前記マニピュレータ駆動装置に送り、前記マニピュレータ駆動装置が前記回避動作の情報により前記マニピュレータに前記回避動作を行わせることを特徴とする請求項１記載のロボット。
3. 計算装置が算出したマニピュレータについての回避力のうちの前記マニピュレータが回避不能な方向の成分を、前記計算装置により、本体部の回避力に加えることが可能とされていることを特徴とする請求項２記載のロボット。
4. 本体部に設けられたセンサ、マニピュレータに設けられたセンサのうち少なくともどちらか一方のセンサが、相対速度における障害物との距離の方向で、かつ接近する成分である相対接近速度を計測可能とされていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載のロボット。
5. 本体部に設けられたセンサ、マニピュレータに設けられたセンサのうち少なくともどちらか一方のセンサが、所定の距離の範囲で障害物を検知する検知領域を形成可能とされ、計算装置が、前記検知領域に進入した障害物のうち、相対的に接近する障害物を回避動作の対象とすることが可能とされていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載のロボット。
6. 本体部からの距離の長短に応じた複数の検知領域が設けられ、前記それぞれの検知領域に、障害物の相対速度の閾値がそれぞれ設定され、前記それぞれの検知領域に進入した障害物のうち、前記それぞれの閾値よりも大きい相対速度の障害物が回避動作の対象とされることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載のロボット。
7. 計算装置が、障害物が検知領域に進入した進入量と前記障害物の相対速度とに基づく大きさで、かつ、前記障害物と最短距離となる位置を起点とする回避力を算出可能とされていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載のロボット。
8. 計算装置が、障害物との最短距離の方向で、かつ、前記最短距離が開く向きの回避力を算出可能とされていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項記載のロボット。
9. 計算装置が複数の障害物に応じた複数の回避力を算出するとともに、前記複数の回避力を合成して一つの回避力を算出することが可能とされていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項記載のロボット。

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