JP2006085369A - 移動体装置及びその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 移動手段を備え、障害物を検出して障害物を回避しながら移動やその他の自律的な動作を行なうことができるロボット装置を提供する。
【解決手段】 ロボット装置は、独立並行して駆動される２輪からなる移動手段を備えており、両輪を逆回転させることにより自分中心の回転動作を行なうことができる。また、ロボット装置は、前方の障害物を検出するセンサを備えており、両輪の逆回転により１回転させながら、障害物検出センサを作動させ、周囲の障害物の有無を判断する。そして、障害物がないと判断できた領域を自由に動き回ることができる領域と判断する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、脚式ロボット又は車輪型ロボットのように移動手段を持つ移動体装置及びその制御方法に係り、特に、移動手段を用い自律的な移動作業を行なう移動体装置及びその制御方法に関する。
さらに詳しくは、本発明は、障害物を検出して障害物を回避しながら移動やその他の自律的な動作を行なう移動体装置及びその制御方法に係り、特に、障害物を確実に検出し効率よい回避動作を行なう移動体装置及びその制御方法に関する。
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の“ＲＯＢＯＴＡ（奴隷機械）”に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ）であった。
例えば、車輪や可動脚などの移動手段を備えたロボット装置は、住環境下で人間と共存し、移動やその他の自律的な動作を行なうことができる。
車輪型のロボット装置は、移動速度や効率の面で優れている。車輪を利用した移動ロボットとして、例えば、災害現場への進入を行なう極限作業用の６脚走行車（例えば、非特許文献１を参照のこと）や移動体（例えば、非特許文献２を参照のこと）、またクローラも連続的な無限軌道を用いるという観点から広義の車輪と捉えれば、地雷撤去を目的として開発されたＣＯＭＥＴ−ＩＩＩ（例えば、非特許文献３を参照のこと）などが挙げられる。
一方、脚式移動ロボットは、高い対地適応性を備えており、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現することができる。最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行なう動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている（例えば、特許文献１を参照のこと）。
ところで、上述したような移動型のロボット装置が自律的に動作し、人間との共存することを考えた場合、人間の住環境下に散在するさまざまな衝突物を検出し、これらを回避しながら移動やその他の作業を行なう必要がある。
障害物の回避のために、例えば超音波センサや赤外線センサなどからなる障害物検出手段を自律移動装置に設けるのが一般的である。
例えば、検出した障害物の回避動作を行ないつつ目的地への移動を行なう自律移動装置について提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。この自律移動装置は、進行方向の水平面内をスキャンして障害物の位置を検知するスキャン型センサと、スキャン面と異なる空間の障害物を検出する非スキャン型障害物センサを備えており、常時はスキャン型センサの出力に基づいて障害物を検出し、スキャン型センサによる障害物検出出力により非スキャン型センサを可動状態として両センサの出力に基づいて障害物の位置若しくは存在領域を推定し、障害物検出出力に基づいて目的物への走行制御を行なうことができる。
しかしながら、障害物の検出並びに回避を行なう移動ロボットの多くは、進行方向のみを障害物の検出を行なう領域としている。
例えば、２足の脚式移動ロボットは、左右の脚を交互に支持脚・遊脚に切り替えていくことで歩行による移動動作を実現することができるが、基本的には、その進行方向が前方となるように、左右の各脚の股関節、膝関節、及び足首関節にはピッチ軸回りの自由度がそれぞれ与えられている。このような場合、進行方向のみを障害物の検出領域としても、何ら問題はないであろう。
ところが、ロボットが後退するような場合、後向きでは障害物の検出処理を行なうことができない。このため、ロボットを１８０度旋回させて進行方向を変更し、進行方向と障害物の検出方向を一致させなければならない。
また、最近では、ダンスのようなさまざま形態の全身協調運動などを実現するロボット装置について提案がなされている（例えば、特許文献３を参照のこと）。このような場合、前後左右の任意の方向が進行方向に切り替わるため、３６０度周囲の障害物を認識する必要がある。ところが、単一の進行方向でのみ障害物の検出を行なうシステムにおいては、衝突回避のための十分な情報が得られない可能性が高い。
特開平１３−１２９７７５号公報 特開２００２−２０２８１５号公報 特開２００４−１８１６１３号公報 N.Kimura, T.Kamigaki, N.Suzuki, A.Nishikawa and N.Yamamoto: "Locomotion Mechanism and Control Architecture for Disaster Preventing Robot" '91 ISART pp.375-380(1991) H.Adachi, N.Koyachi, T.Arai, A.SHimizu and Y.Nogami: "Mechanism and Control of a Leg-Wheel Hybrid Mobile Robot", International Conference on Intelligent Robots and Systems Proc., pp.1792-1797(1999) http://mec2.tm.chiba-u.jp/~nonami/
本発明の目的は、脚式ロボット又は車輪型ロボットのように移動手段を備え、自律的な移動作業を行なうことができる、優れた移動体装置及びその制御方法を提供することにある。
本発明のさらなる目的は、障害物を検出して障害物を回避しながら移動やその他の自律的な動作を行なうことができる、優れた移動体装置及びその制御方法を提供することにある。
本発明のさらなる目的は、障害物を確実に検出して、効率よい回避動作を行なうことができる、優れた移動体装置及びその制御方法を提供することにある。
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、前後を含めた移動動作を行なう移動手段と、周囲の障害物を検出する障害物検出手段と、障害物がないと判断できた領域を自由に動き回ることができる自由領域と判断して前記移動手段による移動動作を制御する制御手段とを具備することを特徴とする移動体装置である。
ここで、前記移動手段は、例えば、複数の可動脚や車輪などで構成することができる。例えば、独立並行して駆動される左右の車輪からなる独立駆動輪型の移動手段であってもよい。この場合、該左右の車輪の等速回転により直進し、該左右の車輪の回転速度差に基づいた旋回動作を行ない、該左右の車輪の逆回転により自分中心の回転運動を行なうことができる。
移動体装置は、例えば、前方の障害物を検出するための、超音波センサや赤外線センサなどのセンサを備えている。そして、前記障害物検出手段は、前記移動手段の動作により自分中心の回転動作を行なっているときに、前記センサを作動させ、周囲の障害物の有無を判断することができる。
勿論、移動体装置は全方位の障害物を検出するために複数のセンサを搭載するようにしてもよいが、この場合はセンサ数に応じてコストが増大する。これに対し、上述したように自分中心の回転動作を利用して周囲の障害物検出を行なうようにすれば、移動体装置は自らの前方の障害物を検出するセンサだけを備えていれば十分である。
本発明に係る移動体装置によれば、障害物がないと判断できた領域を自由に動き回ることができる自由領域と判断する。そして、このようにして獲得した自由領域では、障害物検出手段による動作を起動することなく、移動やその他の所定の動作を実行する。すなわち、一旦自由領域を確保した後は、障害物を検出するセンサを使わず、自由に前後左右に移動することができる。
前記障害物検出手段は、自分中心の回転動作を行なって周囲の障害物を検出する場所を移動させ、場所毎に周囲の障害物の認識を行なうことができる。そして、前記制御手段は、各場所で検出した障害物を地図情報として管理するようにしてもよい。
本発明によれば、脚式ロボット又は車輪型ロボットのように移動手段を備え、自律的な移動作業を行なうことができる、優れた移動体装置及びその制御方法を提供することができる。
また、本発明によれば、障害物を検出して障害物を回避しながら移動やその他の自律的な動作を行なうことができる、優れた移動体装置及びその制御方法を提供することができる。
また、本発明によれば、障害物を確実に検出して、効率よい回避動作を行なうことができる、優れた移動体装置及びその制御方法を提供することができる。
本発明に係るロボット装置は、独立並行して駆動される２輪からなる移動手段を備えており、両輪を逆回転させることにより自分中心の回転動作を行なうことができる。また、ロボット装置は、前方の障害物を検出するセンサを備えており、両輪の逆回転により１回転させながら、障害物検出センサを作動させ、周囲の障害物の有無を判断する。そして、障害物がないと判断できた領域を自由に動き回ることができる領域と判断する。
本発明に係る移動体装置における障害物検出に基づく障害物の回避動作は、例えばダンスのように前後左右に細かく移動や回転をする動作を行なうために、３６０度周囲の障害物を認識する必要があるときに、特に有効である。
本発明によれば、移動体装置はあらかじめ障害物のない領域を把握しておくので、一度把握してしまえば、以後は前後左右に細かく移動や回転をする度に障害物検出の処理を行なう必要がないので、移動などの所定の動作を円滑に行なうことかできる。
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
本発明は、移動手段を備え、自律的な移動作業を行なうことができるロボット装置に関する。ここで言う移動手段は、例えば、複数の可動脚や車輪などで構成することができる。本明細書では、独立並行して駆動される左右の車輪からなる独立駆動輪型の移動手段を持つロボット装置を具体的な実施例として説明する。勿論、脚式移動ロボットに対しても同様に本発明を適用することができる。
図１には、本発明の一実施形態に係るロボット装置１００の機能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１００は、全体の動作の統括的制御やその他のデータ処理を行う制御部１２０と、入出力部１４０と、駆動部１５０と、電源部１６０とで構成される。以下、各部について説明する。
入出力部１４０は、外部環境を検出する入力部としてロボット装置１００の目に相当するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ１１５や、耳に相当するマイクロフォン１１６、触感に相当するタッチセンサ１１８、あるいは五感に相当するその他の各種のセンサを含む。また、ユーザ・フィードバックを行う出力部として、口に相当するスピーカ１１７、あるいは点滅の組み合わせや点灯のタイミングにより顔の表情を形成するＬＥＤインジケータ１１９などを装備している。これら出力部は、四肢などによる機械運動パターン以外の形式でロボット装置１００からのユーザ・フィードバックを表現することができる。
ロボット装置１００は、カメラ１１５を含むことで、作業空間上に存在する任意の物体の形状や色彩、さらには障害物を認識することができる。また、ロボット装置１００は、カメラのような視覚手段の他に、赤外線、音波、超音波、電波などの発信波を受信するタイプの障害物検出センサ１１４をさらに備えていてもよい。この場合、各伝送波を検知するセンサ出力に基づいて発信源からの位置や向きを計測し、伝送波の進行方向に存在する障害物を認識することができる。
駆動部１５０は、制御部１２０が指令する所定の運動パターンに従って移動ロボット１の機械運動を実現する機能ブロックであり、例えば独立駆動車輪における車輪毎の駆動ユニットで構成される。あるいは、脚式移動ロボット装置であれば、首関節や、股関節、膝関節などのそれぞれの関節におけるロール、ピッチ、ヨーなど関節回転軸毎に設けられた駆動ユニットで構成される。図示の例では、ロボット装置１００はｎ個の関節自由度を有し、したがって駆動部１５０はｎ個の駆動ユニットで構成される。各駆動ユニットは、所定軸回りの回転動作を行なうモータ１５１と、モータ１５１の回転位置を検出するエンコーダ１５２と、エンコーダ１５２の出力に基づいてモータ１５１の回転位置や回転速度を適応的に制御する駆動制御回路１５３の組み合わせで構成される。
電源部１６０は、ロボット装置１００内の各電気回路などに対して給電を行なう機能モジュールである。本実施形態に係るロボット装置１００は、バッテリを用いた自律駆動式であり、電源部１６０は、充電バッテリ１６１と、充電バッテリ１６１の充放電状態を管理する充放電制御部１６２とで構成される。
充電バッテリ１６１は、例えば、複数本のニッケル・カドミウム電池セルをカートリッジ式にパッケージ化した「バッテリ・パック」の形態で構成される。
また、充放電制御部１６２は、バッテリ１６１の端子電圧や充電／放電電流量、バッテリ１６１の周囲温度などを測定することでバッテリ１６１の残存容量を把握し、充電の開始時期や終了時期などを決定するようになっている。充放電制御部１６２が決定する充電の開始及び終了時期は制御部１２０に通知され、脚式移動ロボット１００が充電オペレーションを開始したり終了したりするためのトリガとなる。
制御部１２０は、「頭脳」に相当し、例えばロボット装置１００の頭部ユニットあるいは胴体部ユニットに搭載される。
既に述べたように、本発明に係るロボット装置１００は、独立並行して駆動される左右の車輪からなる独立駆動輪型の移動手段を持つ。この場合、該左右の車輪の等速回転により直進し、該左右の車輪の回転速度差に基づいた旋回動作を行ない、該左右の車輪の逆回転により自分中心の回転運動を行なうことができる。
図２には、独立駆動輪型の移動手段の構成を模式的に示している。以下、同図を参照しながら、ロボット装置が旋回する場合の回転半径について考察してみる。
左右の車輪の回転数をそれぞれ与えると、ロボット装置の進行方向の速度ｖと回転角速度ωを得ることができ、これから回転半径あるいは曲率を導出することができる。ここで、左右の車輪の回転角速度をそれぞれωl及びωrとし、左右の動輪の間隔をＴとし、動輪の半径をＲwとすると、以下の式が成立する。
Figure 2006085369
なお、独立駆動輪型の舵取り機構については、例えば、米田外著「はじめてのロボット創造設計」（講談社、１５頁、２００１年９月２０日発行）を参照されたい。
上述したように、左右の車輪の逆回転により自分中心の回転運動を行なうことができる。ロボット装置は、前方の障害物を検出するための、超音波センサや赤外線センサなどで構成される障害物検出センサ１１４を備えている。そして、自分中心の回転動作を行なっているときに、障害物検出センサ１１４を作動させ、周囲３６０度にわたり障害物の有無を判断することができる。
勿論、ロボット装置１００は全方位の障害物を検出するために複数のセンサを搭載するようにしてもよいが、この場合はセンサ数に応じてコストが増大する。これに対し、上述したように自分中心の回転動作を利用して周囲の障害物検出を行なうようにすれば、移動体装置は自らの前方の障害物を検出するセンサだけを備えていれば十分である。
制御部１２０は、障害物検出センサ１１４に基づいて、現在位置の周囲３６０度にわたり障害物の有無を判断する。そして、障害物がないと判断できた領域を自由に動き回ることができる領域と判断し、以後はこのようにして得られた障害物の位置情報に基づいて移動手段による移動動作を制御する。
図３には、ロボット装置が自分中心の回転動作により周囲の障害物を検出する様子、並びに障害物の検出結果に基づいて障害物の回避動作を行なう様子を示している。
また、図４には、障害物の検出結果に基づいて障害物の回避動作を行なうための動作手順をフローチャートの形式で示している。
まず、独立駆動車輪などの移動手段を駆動して、ロボット装置１００は自分中心に回転動作を行なう。そして、１回転しながら障害物検出センサ１１４の出力に基づいて障害物の検出を行なう（ステップＳ１）。
ここで、障害物を検出した場合には（ステップＳ２）、ロボット装置１００は現在位置から少し移動する（ステップＳ３）。例えば、数センチから数十センチ程度移動する。そして、ステップＳ１に戻り、新しい場所で障害物の検出を改めて行なう。
このような障害物の検出及び移動動作を、ロボット装置１００が周囲で障害物を検出できなくなるまで繰り返し行なう。そして、障害物か検出しない領域を自由領域と判断して、ダンスなど所定の動作を開始する（ステップＳ４）。この自由領域では、ロボット装置１００は、障害物を検出するセンサを使わず、自由に前後左右に移動することができる。
なお、上述したフローチャートのステップＳ１〜Ｓ３で構成されるループにおいて、ロボット装置１００が自分中心の回転動作を行なって周囲の障害物を検出する場所を移動させ、場所毎に周囲の障害物の認識を行なうときに、各場所で検出した障害物を地図情報として管理するようにしてもよい。
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置あるいはその他一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
また、本明細書では、独立２輪駆動型ロボットに本発明を適用した実施形態について説明してきたが、勿論、脚式移動ロボットに対して本発明を適用することも可能である。
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
図１は、本発明の一実施形態に係るロボット装置１００の機能構成を模式的に示した図である。 図２は、独立駆動輪型の移動手段の構成を模式的に示した図である。 図３は、ロボット装置が自分中心の回転動作により周囲の障害物を検出する様子、並びに障害物の検出結果に基づいて障害物の回避動作を行なう様子を示した図である。 図４は、障害物の検出結果に基づいて障害物の回避動作を行なうための動作手順を示したフローチャートである。
符号の説明
１００…脚式移動ロボット
１１４…障害物検出センサ
１１５…ＣＣＤカメラ
１１６…マイクロフォン
１１７…スピーカ
１１８…タッチセンサ
１１９…ＬＥＤインジケータ
１２０…制御部

Claims (10)

  1. 移動動作を行なう移動手段と、
    周囲の障害物を検出する障害物検出手段と、
    障害物がないと判断できた領域を自由に移動できる自由領域と判断して前記移動手段による移動動作を制御する制御手段と、
    を具備することを特徴とする移動体装置。
  2. 前記移動手段は、独立並行して駆動される左右の車輪を備え、該左右の車輪の等速回転により直進し、該左右の車輪の回転速度差に基づいた旋回動作を行ない、該左右の車輪の逆回転により自分中心の回転運動を行なう、
    ことを特徴とする請求項１に記載の移動体装置。
  3. 前方の障害物を検出するセンサを備え、
    前記障害物検出手段は、前記移動手段の動作により自分中心の回転動作を行なっているときに、前記センサを作動させ、周囲の障害物の有無を判断する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の移動体装置。
  4. 障害物検出手段による障害物の検出処理に基づいて獲得された自由領域内では、前記制御手段は、前記障害物検出手段を起動させずに、前記移動手段による所定の移動動作を実行させる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の移動体装置。
  5. 前記障害物検出手段は、自分中心の回転動作を行なって周囲の障害物を検出する場所を移動させ、
    前記制御手段は、各場所で検出した障害物を地図情報として管理する、
    ことを特徴とする請求項３に記載の移動体装置。
  6. 移動手段を備えた移動体装置の制御方法であって、
    周囲の障害物を検出する障害物検出ステップと、
    障害物がないと判断できた領域を自由に移動できる自由領域と判断して前記移動手段による移動動作を制御する制御ステップと、
    を具備することを特徴とする移動体装置の制御方法。
  7. 前記移動手段は、独立並行して駆動される左右の車輪を備え、該左右の車輪の等速回転により直進し、該左右の車輪の回転速度差に基づいた旋回動作を行ない、該左右の車輪の逆回転により自分中心の回転運動を行なう、
    ことを特徴とする請求項６に記載の移動体装置の制御方法。
  8. 前記移動体装置は前方の障害物を検出するセンサを備え、
    前記障害物検出ステップでは、前記移動手段の動作により自分中心の回転動作を行なっているときに、前記センサを作動させ、周囲の障害物の有無を判断する、
    ことを特徴とする請求項６に記載の移動体装置の制御方法。
  9. 障害物検出ステップにおいて障害物の検出処理に基づいて一旦獲得された自由領域内では、前記障害物検出ステップによる処理を起動させずに、前記移動手段による所定の移動動作を実行させる、
    ことを特徴とする請求項６に記載の移動体装置の制御方法。
  10. 前記障害物検出ステップでは、自分中心の回転動作を行なって周囲の障害物を検出する場所を移動させ、
    前記制御ステップでは、各場所で検出した障害物を地図情報として管理する、
    ことを特徴とする請求項８に記載の移動体装置の制御方法。
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