JP2006224202A - 移動体の転倒防止装置及び移動体を支える方法並びにプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 ヒューマノイドロボットを演技させる際に、その転倒を防止する。
【解決手段】 ワイヤを繰り出したり引き込むためのワイヤ伸縮機構１乃至３を備え、これらはそれぞれ異なる位置に設けられる。さらに、複数の前記ワイヤ伸縮機構からの複数のワイヤに接続された交点部と、前記交点部に設けられてその下方を撮影する撮像部５１と、一端が前記交点部に接続され、他端が前記交点部の下方に位置する移動体に接続された移動体吊り上げ用ワイヤと、複数の前記ワイヤ伸縮機構を制御する制御部１００とを備える。前記撮像部で撮影した前記移動体の画像に基づき前記移動体と前記撮像部の相対位置関係を求め、求めた相対位置関係に基づき複数の前記ワイヤ伸縮機構を駆動して、前記交点部を前記移動体の動きに追従させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ヒューマノイドロボット、２足歩行ロボットを含む移動体の転倒防止のための装置及び移動体を支える方法並びに当該方法をコンピュータに実行させるためのプログラムに関する。

特開２００４−９０１２６号公報 特開２００４−２６７５４４公報

特許文献１は、移動ロボットの上部を、該移動ロボットの上方に設置された走行レールに沿って走行するホイストに繰り出し巻き取り自在に巻回されたワイヤの下端部に連結し、前記移動ロボットとホイストとが前記ワイヤを介して連携移動せしめるようにした移動ロボットの転倒防止方法において、前記移動ロボットを２軸方向に移動せしめ、前記ホイストを、前記移動ロボットの移動検知信号あるいは移動設定信号により該移動ロボットの移動に追従させて前記２軸方向に走行させることを特徴とするホイストにワイヤを介して連携移動される移動ロボットを該移動ロボットに無用な外力を加えることなく正確に連携移動せしめ得るとともに、該移動ロボットの転倒予知を正確に成し得るようにして、移動ロボットの転倒の発生を防止できる移動ロボットの転倒防止方法及びその装置を開示する。

特許文献２は、移動式一点吊装置において、移動部のリール中心からフック先端までの長さを変化させることなくフックの吊り下げ位置を移動できるようにする装置を開示する。

しかしながら、上記従来の技術は、いずれも巻き上げリールが水平方向に移動し、高さ方向はリールでフックを巻き上げる構造のものである。これらの構造は古典的なＸ軸とＹ軸の水平移動とＺ軸での巻き上げ垂直移動制御である。

２足歩行自律動作（歩行、屈伸、お辞儀、階段昇降等）を行うヒューマノイドロボットを演技させるにおいて、現状ではその稼動条件が厳しく、しかもその動作が不安定で、床に塵があるだけでも転倒することがある。転倒を防止するため、ロボットの移動にクレーンを追従させてロボットの転倒を防止する必要がある。

特許文献１や２に記載された従来の技術は、古典的なＸ軸とＹ軸の水平移動とＺ軸での巻き上げ垂直移動制御方式のクレーンである。ヒューマノイドロボットのような先端技術のロボットを演技させる場合、顧客によってはこのような古典的な制御方法でなされた装置は先端技術のロボットには不釣合いで好まないため、先進的で斬新なロボットの転倒防止装置制御システムが求められる。

また、古典的なＸ軸とＹ軸の水平移動とＺ軸での巻き上げ垂直移動制御システムはいわゆる天井クレーンのように天井に大掛かりな駆動レール等が必要であり、舞台の演出上または建造物の構造的にそのような天井クレーン様の装置が設置不可能な場合がある。

本発明は、このような要望に応えることのできる制御システムである。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、本発明は、舞台上の空間の任意の位置座標ＸＹＺが３固定点からの距離が分かれば算出できることを利用し少なくとも３本のワイヤを制御するものであり、天井に大掛かりな駆動レール等を必要とせず、しかも従来に無い先進的で斬新なものである。具体的には、天井の３点を基準点として３本のワイヤの長さを制御し、ワイヤの交点をＸＹＺの３次元で同時に空間移動制御させるシステムであり、ワイヤの交点部分に取り付けた撮像部で取得した画像を処理することによりヒューマノイドロボット等の追従対象物（移動体）を認識し、撮像部からのＸＹＺの偏差求め、対象物への追従制御を行う。

この発明に係る移動体の転倒防止装置は、ワイヤを繰り出したり引き込むためのワイヤ伸縮機構を少なくとも３つ備え、複数の前記ワイヤ伸縮機構はそれぞれ異なる位置に設けられ、
さらに、複数の前記ワイヤ伸縮機構からの複数のワイヤに接続された交点部と、前記交点部に設けられてその下方を撮影する撮像部と、一端が前記交点部に接続され、他端が前記交点部の下方に位置する移動体に接続された移動体吊り上げ用ワイヤと、複数の前記ワイヤ伸縮機構を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記撮像部で撮影した前記移動体の画像に基づき前記移動体と前記撮像部の相対位置関係を求め、求めた相対位置関係に基づき複数の前記ワイヤ伸縮機構の全部又は一部を駆動して、前記交点部が前記移動体の動きに追従するように制御するものである。

好ましくは、複数の前記ワイヤ伸縮機構からの複数のワイヤの前記交点部への接続位置関係を、複数の前記ワイヤ伸縮機構の位置関係の相似形にする。

前記制御部は、
前記撮像部で取得した前記移動体の画像に基づき、前記移動体もしくはその一部の画像の重心位置を求め、これと予め与えられた前記撮像部から前記移動体までの距離及び前記撮像部の倍率に基づき、前記撮像部と前記移動体間の相対的な水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）を算出し、
複数の前記ワイヤ伸縮機構から前記交点部までの各ワイヤの線長と予め定められた各ワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）に基づき、前記撮像部の座標（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）を算出し、
算出された座標（Ｘｅ，Ｙｅ）に相対的な水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）を加算して目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）を求め、
目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）と各ワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）に基づき、目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）での各ワイヤの線長を算出し、
複数の前記ワイヤ伸縮機構から前記交点部までの各ワイヤの線長が、それぞれ算出された線長になるように複数の前記ワイヤ伸縮機構を制御するものである。

前記制御部は、前記撮像部で取得した前記移動体の画像の大きさと予め定められた前記撮像部の倍率に基づき、前記撮像部から前記移動体までの距離ｄｚを算出し、この距離ｄｚと前記撮像部のＺ座標Ｚｅに基づき、前記移動体と前記撮像部の間の距離を一定にするように、複数の前記ワイヤ伸縮機構を制御してもよい。

前記制御部は、前記撮像部の座標（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）、目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）、相対的な水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）及び前記撮像部から前記移動体までの距離ｄｚの全部又は一部がそれぞれ予め定められた範囲を超えたとき、前記移動体に停止命令又は減速命令を送るようにしてもよい。

前記制御部は、前記撮像部で取得した前記移動体の画像画像に基づき、前記移動体が転倒したと判断したとき、又は、外部から前記移動体の転倒を示す信号を受けたときの何れかの場合に、前記交点部の追従を停止させるか、又は、前記交点部を上昇させるように、複数の前記ワイヤ伸縮機構を制御するようにしてもよい。

この発明は、ワイヤを繰り出したり引き込むためのワイヤ伸縮機構を少なくとも３つ備え、複数の前記ワイヤ伸縮機構はそれぞれ異なる位置に設けられ、
さらに、複数の前記ワイヤ伸縮機構からの複数のワイヤに接続された交点部と、前記交点部に設けられてその下方を撮影する撮像部と、一端が前記交点部に接続され、他端が前記交点部の下方に位置する移動体に接続された移動体吊り上げ用ワイヤと、を備える装置により前記移動体を支える方法であって、
前記撮像部で取得した前記移動体の画像に基づき、前記移動体もしくはその一部の画像の重心位置を求め、これと予め与えられた前記撮像部から前記移動体までの距離及び前記撮像部の倍率に基づき、前記撮像部と前記移動体間の相対的な水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）を算出するステップと、
複数の前記ワイヤ伸縮機構から前記交点部までの各ワイヤの線長と予め定められた各ワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）に基づき、前記撮像部の座標（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）を算出するステップと、
算出された座標（Ｘｅ，Ｙｅ）に相対的な水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）を加算して目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）を求めるステップと、
目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）と各ワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）に基づき、目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）での各ワイヤの線長を算出するステップと、
複数の前記ワイヤ伸縮機構から前記交点部までの各ワイヤの線長が、それぞれ算出された線長になるように複数の前記ワイヤ伸縮機構を制御するステップと、を備えるものである。

この発明は、上記方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。
この発明に係るプログラムは、例えば、記録媒体に記録される。
媒体には、例えば、ＥＰＲＯＭデバイス、フラッシュメモリデバイス、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光磁気ディスク、ＣＤ（ＣＤ−ＲＯＭ、Ｖｉｄｅｏ−ＣＤを含む）、ＤＶＤ（ＤＶＤ−Ｖｉｄｅｏ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭを含む）、ＲＯＭカートリッジ、バッテリバックアップ付きのＲＡＭメモリカートリッジ、フラッシュメモリカートリッジ、不揮発性ＲＡＭカートリッジ等を含む。

媒体とは、何等かの物理的手段により情報（主にデジタルデータ、プログラム）が記録されているものであって、コンピュータ、専用プロセッサ等の処理装置に所定の機能を行わせることができるものである。

現在実現されている大型二足歩行ロボット（移動体）は基本的に二足歩行が可能な製品であるが、何らかのトラブルによって転倒する可能性は皆無では無い。万一転倒した場合、装置そのものが受けるダメージが問題となる。そこで、ロボットが転倒しかかった時に、その状態を認識して防止する仕組みを備えることが好ましい。実際には、転倒しかかった時にロボット本体に取り付けたワイヤを上方から吊下げる方式が最も望ましいと考えられる。ワイヤの天井側吊り元を固定位置として検討すると、ロボットにとってはワイヤを引っ張って歩く事は外力を受ける事となり、歩行ためのバランス制御に支障を来たすことがある。また、吊り元（装置）が水平方向に可動式だとしてもロボットの歩行移動に連れて引っ張られるパッシブな方式では吊り元固定と同様に支障を来たす事が分かった。その点、本発明によれば上記のような問題は生じない。

以下、本発明の実施の形態に係わる移動体の転倒を防止する制御システムについて説明する。本発明の実施の形態は、天井の３点を基準点とし、３本のワイヤの長さを制御し、ワイヤの交点をＸＹＺの３次元で制御し、適宜空間移動させるシステムである。

図１は本システムの全体構成及びその使用状況を示す説明図である。本システムは、例えば博物館等に設置されロボットの操作を疑似体験できるものである。博物館等の広いホールに設けられたステージＳ上をロボット（移動体）７が自在に歩き、要求に応じて人形を抱きかかえたり、物品を取り上げ指定の場所に置いたりする。これらの動作は一種のデモンストレーションである。そのため、ロボット７の移動範囲は円形のステージＳの中だけに限定されている。これに伴い本システムの作用範囲も限定されるが、上記用途では問題とはならない。

ステージＳの全範囲をロボット７が移動できるように、ステージＳの外側に３つのワイヤ伸縮機構１乃至３が設けられている。ワイヤ伸縮機構１乃至３は、これらとステージＳの中心を結ぶ線であって隣接する線の角度が概ね１２０度（等間隔）になるように設置されている。本発明はそのような角度に限定されないが、安定した制御を行うために１２０度が好ましい。ワイヤ伸縮機構１乃至３の高さはロボット７よりも十分高い位置（しかも観客に触れない程度の十分な高さ、例えば３乃至４ｍ）である。

ワイヤ伸縮機構１乃至３は、それぞれワイヤ１２１，２２１，３２１を伸ばしたり引っ込めたりすることができる（例えば、ワイヤを巻き取るリールを含む）。ワイヤ１２１，２２１，３２１の端は円盤４に結び付けられている。円盤４をワイヤの交点部と呼ぶことがある。ワイヤ伸縮機構１乃至３でワイヤ１２１，２２１，３２１を適宜伸ばしたり引っ込めたりすることで円盤４の位置及び高さを調整することができる。例えば、ワイヤ１２１，２２１，３２１を巻き取ることで適当な張力を与えれば円盤４の位置は高くなり（最高でワイヤ伸縮機構１乃至３の取り付け位置）、逆にワイヤ１２１，２２１，３２１を繰り出して緩めると円盤４の位置は低くなる（ステージＳに触れるまで下げることができる）。また、ワイヤ１２１，２２１，３２１の一部を巻き取り、残りを繰り出すようにすれば、円盤４は巻き取った方のワイヤ伸縮機構に向かって移動する。

円盤４にはロボット吊り上げ用ワイヤ６１，６２が取り付けられている。その他端はロボット７に接続されていて、ロボット７が転倒しそうになったときにそれを支えるように機能する。前述のように、円盤４の位置は制御可能であるので、ロボット７がステージＳ内を移動する限り追従可能である。しかも、円盤の高さも制御可能であるので、ロボット７がかがんだり、座ったり、立ったりといった動きにも追従可能である。

図１の例では、ステージＳの一部に設けられたコックピットＣでロボット７の動きを操作することができる。当該動きに併せて本システムの円盤４は自動的にロボット７に追従する。その具体的な処理は後述する。

図２に円盤４の斜視図を示す。３本のワイヤ１２１，２２１，３２１及びロボット吊り上げ用ワイヤ６１，６２が結合されているのは前述した。円盤４の略中心に下に向けてデジタルカメラなどの撮像部５１が設けられている。撮像部５１は撮影可能範囲Ａ内の画像を取得するものであるが、特にロボット７の画像を取得するためのものである。円盤４にはロボット吊り上げ用ワイヤ６１，６２が結合されているので円盤４の下にはロボット７が常に位置している。もっとも、円盤４の位置が低いときはロボット吊り上げ用ワイヤ６１，６２がたるみ、ロボット７は円盤４から多少離れることができるようになる。

図３に本発明の実施の形態に係るシステムのブロック図を示す。５１は前述の撮像部、５１ａは撮像部５１の取得した画像を無線などで送信する画像送信部、５２は画像受信部、５３は受信した画像を処理する画像処理部（具体的な処理内容は後述する）、１００はＣＰＵ、１００１はＣＰＵの制御の基づきサーボモータの指令信号（指令パルス）を出力する指令パルス演算部である。

本システムは、３つのワイヤ伸縮機構１，２，３を備え、それぞれを独立して制御している。

ワイヤ伸縮機構１のために、第１サーボモータ制御部１０１１、第１サーボモータ１１、第１ワイヤ伸張部１２、第１線長検出器１３が設けられている。第１サーボモータ１１、第１ワイヤ伸張部１２及び第１線長検出器１３は、ワイヤ伸縮機構１を構成する。

ワイヤ伸縮機構２のために、第２サーボモータ制御部１０１２、第２サーボモータ２１、第２ワイヤ伸張部２２、第２線長検出器２３が設けられている。第２サーボモータ２１、第２ワイヤ伸張部２２及び第２線長検出器２３は、ワイヤ伸縮機構２を構成する。

ワイヤ伸縮機構３のために、第３サーボモータ制御部１０１３、第３サーボモータ３１、第２ワイヤ伸張部３２、第３線長検出器３３が設けられている。第３サーボモータ３１、第２ワイヤ伸張部３２及び第３線長検出器３３は、ワイヤ伸縮機構３を構成する。

上記サーボモータ制御部、サーボモータ及びワイヤ伸張部はいずれも公知のものであり、制御信号により指定の長さのワイヤを巻き取り又は繰り出す。線長検出器も公知のものであり繰り出しているワイヤの線長を検出する（例えば、図１でワイヤ伸縮機構から円盤４までのワイヤの線長を検出する）。

図４は発明の実施の形態に係る方法の処理フローチャートである。
図５は発明の実施の形態に係る方法を説明するための座標系の説明図である。
図６は発明の実施の形態に係る方法を説明するための図である。

図４乃至図６を参照して発明の実施の形態に係る処理を説明する。

図４のＳ１：撮像部５１でロボットもしくはその一部の画像を取得する。例えば、図６（ａ）に示すように、画像Ｐ内にロボット７が存在する。なお、座標軸Ｘ’，Ｙ’やこれに付された記号は理解を助けるために示したもので、実際の画像Ｐには示されなくてもよいものである。なお、Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’座標系は撮像部５１を中心とするものである。Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’座標系は図５のＸＹＺ座標系を移動させたものであるが、各軸、すなわちＸ’軸とＸ軸と、Ｙ’軸とＹ軸、Ｚ’軸とＺ軸は平行であって、座標系は回転していないことが好ましい。このようにすれば、撮像部５１の回転の補正を行わなくてすむ。

次に、撮像部５１とロボット７間の相対的な水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）を算出するステップＳ２と撮像部５１からロボット７までの距離ｄｚを算出するステップについて説明を加える。なお、以下の説明においてＳ２からＳ３の順番で処理を行うように記載されているが、これは説明の便宜上の順序であり、実際にはＳ２とＳ３に順序をつける必要はない。
同Ｓ２：ロボットもしくはその一部の画像の重心位置、撮像部からロボットまでの距離及び撮像部の倍率に基づき、撮像部とロボット間の相対的な水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）を算出する。

本システムで３つのワイヤ伸縮機構１乃至３が同一水平面に設置され、ロボット７が円盤４から垂直に吊り下げられているとして、図５に示すように水平方向をＸＹ軸、垂直方向をＺ軸で表すことにする。図５（ａ）は本システムの上面図、同図（ｂ）は正面図である。同図（ｂ）ではワイヤ伸縮機構３の表示を省略している。

ここで、各ワイヤ１２１，２２１，３２１のワイヤの交点部４への接続位置が形成する三角形（Ｘ１１，Ｙ１１，Ｚ１１）（Ｘ２１，Ｙ２１，Ｚ２１）(Ｘ３１，Ｙ３１，Ｚ３１)を、各ワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）のＸ，Ｙ平面への写像（Ｘ１，Ｙ１）、（Ｘ２，Ｙ２）、（Ｘ３，Ｙ３)が形成する三角形の相似形にすると、交点部４の撮像部５１を常に一定方向に向かせることができる。すなわち、三角形（Ｘ１１，Ｙ１１，Ｚ１１）（Ｘ２１，Ｙ２１，Ｚ２１）(Ｘ３１，Ｙ３１，Ｚ３１)のワイヤの交点部４に設置する撮像部５１の撮像方向が常に一定方向を向くようになる。これにより、常に撮像部５１の撮像画像の座標軸方向を３つのワイヤ伸縮機構１乃至３の座標軸との方向を常に一定にすることができる。但し完全な相似形にしなくても、誤差に応じておおむね同一方向を向かすことはできる。またワイヤの交点部４の重量をワイヤの重量より十分に大きくし、ワイヤの交点部４の三角形を各ワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）のＸ，Ｙ平面への写像（Ｘ１，Ｙ１）、（Ｘ２，Ｙ２）、(Ｘ３，Ｙ３)が形成する三角形に比して十分に小さくすると、ワイヤの交点部４の高さを含んだ空間座標が変化してもワイヤの交点部４はほぼ水平に吊り下げられ、撮像部５１は常に下を向き撮像部５１のＺ軸方向も一定に保つことができる。

ロボットもしくはその一部の画像を撮像し、その画像の重心の位置と撮像部からロボットまでの距離（予め距離は設定されている。ロボット吊り上げ用ワイヤ６１、６２の長さよりも短い）と撮像部５１の倍率に基づき、Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’座標系における撮像部５１とロボットの相対的な水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）を算出する（図６（ａ））。ロボットまでの距離と撮像部５１の倍率が一定であれば、画像Ｐ上の画素ごとに水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）を予め決めておくことができる。あるいは、画像Ｐ上の画素の位置を、ロボットまでの距離と撮像部５１の倍率に基づき水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）に変換することができる。ロボットまでの基準距離と撮像部５１の倍率の情報は予め画像処理部５３やＣＰＵ１００に与えられている。このシーケンスでは、Ｚ方向の正確な距離が得られておらず、撮像部５１すなわちカメラとロボット７の間の予め想定した距離を元に計算している。そのため、ｄｘとｄｙは厳密には不正確なものであるが近似値としては十分に利用でき、その方向に移動するように制御すれば、その目的地に収束するようになる。

同Ｓ３：画像の大きさと撮像部の倍率に基づき撮像部からロボットまでの基準距離からの偏差ｄｚを算出する。（２台の撮像部で被写体の角度から偏差を求めても良い）ロボット吊り上げ用ワイヤ６１、６２がぴんと張っているときは、その長さと（ｄｘ，ｄｙ）からｄｚを求めることができる（図６（ｂ））。Ｓ４と同様に、画像の大きさと撮像部の倍率とから逆算して撮像部からロボットまでの基準距離からの偏差ｄｚを算出することも可能である。なお偏差ｄｚを用いなくても、以下のＳ４乃至Ｓ７の処理は可能である。

同Ｓ４：各ワイヤの線長Ｗ１ｅ，Ｗ２ｅ，Ｗ３ｅと各ワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）に基づき、撮像部の座標（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）を算出する。

各ワイヤ１２１，２２１，３２１の線長をそれぞれＷ１ｅ，Ｗ２ｅ，Ｗ３ｅ、各ワイヤの伸張部１２，２２，３２におけるそれぞれのワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）によりワイヤの交点部４に取り付けた撮像部５１の座標（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）を算出できる。なお、モデルの理解を容易にするため、各ワイヤ１２１，２２１，３２１の張力が無限大で、ワイヤの交点部４やワイヤ６１，６２の重量を無視すれば、ワイヤの交点部４はワイヤ伸縮機構１乃至３から半径Ｗ１ｅ，Ｗ２ｅ，Ｗ３ｅ、の円の交点として算出できる（Ｚｅ＝０と仮定した場合）。現実の立体空間に有っても、同様にワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）から半径Ｗ１ｅ，Ｗ２ｅ，Ｗ３ｅ、の球体の交点として交点部４に取り付けた撮像部５１の座標（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）を算出できる。

同Ｓ５：算出された座標Ｘｅ，ＹｅにＳ２で算出した（ｄｘ，ｄｙ）を加算して、ワイヤの交点部４がロボットの真上に移動するための目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）を求める。
このとき、Ｚｄに一定の数値を代入すると（Ｚｄが一定の数値になるように制御すると）撮像部５１が天井あるいは床から常に一定高さになるように追従する。
また、ＺｅにＺ軸方向の偏差ｄｚを加算してＺｄに代入すると、ロボットと一定距離になるように追従する。さらに、一定値にｄｚを加算してＺｄに代入するような制御等様々な制御が可能である。

目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）は、図６のｄｘ、ｄｙを図５のＸＹＺ座標系で表現したものである。なお、ロボット７の姿勢が変化しないためワイヤの交点部４の高さが変わらないとき、Ｚｄ＝Ｚｅである。

同Ｓ６：（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）と各ワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）に基づき、目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）での各ワイヤの線長Ｗ１ｃ，Ｗ２ｃ，Ｗ３ｃ（目的地の線長）を算出する。２つの座標間の距離は簡単な数式で算出することができる。

同Ｓ７：各ワイヤがそれぞれＷ１ｃ，Ｗ２ｃ，Ｗ３ｃ（目的地の線長）になるように、ＣＰＵ１００でサーボモータを制御する。

上記Ｓ１乃至Ｓ７の処理により、ロボット７の移動に合わせてワイヤの交点部４を追従させることができる。ロボット７が一定範囲内を移動する限り、ロボット７が倒れそうになったときにロボット吊り上げ用ワイヤ６１，６２で支え、ロボット７の転倒を防止することができる。

上記Ｓ１乃至Ｓ７の処理において、Ｚｄに常に一定の値にすると、垂直方向の基準から一定高さでの追従が可能である。

一方で、ｄｚとＺｅを利用してロボット７の高低が変動しても撮像部５１の距離を一定にするような追従制御も可能である。例えば、ｄｚがマイナスであれば（移動体が立ち上がって交点部４に近づいたら）、その分Ｚｅを増加させる（交点部４を上昇させる）。ｄｚがプラスであれば、逆にＺｅを減少させる。（但しプラスマイナスはＺ軸の定義により、反転する）

また、階段昇降や御辞儀、屈伸等の動作に応じて、外部からＺｄの値を制御してもよい。

また、（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）あるいは（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）、（ｄｘ，ｄｙ）やｄｚによりロボット７がある範囲を超える場合はロボットに停止命令や減速命令を出すことも可能である。例えば、図１のステージＳの領域をＸＹＺ座標系で予め定義しておき、（Ｘｅ、Ｙｅ）又は（Ｘｄ，Ｙｄ）が当該領域を外れたときにロボットに停止命令や減速命令を出す。または、（ｄｘ，ｄｙ）が予め定めた大きさよりも大きくなったら（ロボット７の移動速度が大きくなりすぎたような場合に）ロボットに停止命令や減速命令を出す。あるいは、ｄｚが予め定めた値よりも小さくなったら（ロボットが円盤４に近づきすぎたような場合に）ロボットに停止命令や減速命令を出す。

また、ロボット７の転倒の判断は画像認識、ロボット７からの信号、図示しない外部の撮像部、ロボット吊り上げ用ワイヤ６１、６２の張力を検知するセンサ等、各種の方法で判断可能であり、転倒時に本システムを停止させる、あるいは上昇させてロボット７を吊り上げることも可能である。画像部５１で取得した画像に基づきロボット７の転倒を判断するには、例えば、ロボット７の画像の大きさが予め定められた閾値よりも大きくなったことで判断する。ロボット７が転倒すると横向きになり、その結果、ロボット７の画像の面積が著しく増加する。またLED等の発光素子をロボット７の頭頂に複数設け、ロボット７を撮像し２値化処理したときに複数の発光素子により囲まれる画像が一定面積以下になった場合に転倒した判断するようにしてもよい。

本発明は、天井の３点を基準点として、３本のワイヤの巻き取り装置で、ワイヤの交点をＸＹＺの３次元で同時に空間移動制御させるシステムであるため、天井に大掛かりな駆動レール等を不用とし、従来設置不可能であった場所にも設置可能になった。

しかも細い３本のワイヤの交点部を円盤状にするとあたかもロボットの頭上でUFOが飛んでいるようで、近未来的なヒューマノイドロボットに釣り合った斬新で画期的な転倒防止装置を提供できる。

また本発明により、従来天井に大掛かりな駆動レール等が取り付け不可能であった病院やリハビリセンターにおいても比較的容易で省スペースに設置可能であり、サーボモータを使用した場合吊り上げトルクを容易に一定にすることが可能で、ロボット吊り上げ用ワイヤ６１、６２のたるみをなくし、人を一定のトルクで若干体重を浮かすように制御可能である。その場合体重が足腰に掛かる負担を軽減し、部屋の中を自由に歩行訓練できるシステムも提供できる。

また上記人の体重の軽減に着目し、月面や、宇宙遊泳の疑似体験装置としての応用も可能である。

また本発明は上述のようにあたかもUFOが飛んでいるようであり、外部からの制御で自由に操縦可能であり、本装置事態をUFOに仕立てた遊戯装置として活用しても老若男女を問わず十分楽しめるものである。

また本発明は上述の天井クレーンに比して非常に静かである。
また本発明は上述の天井クレーンでは同一空間内で複数台のクレーンを用いた場合立体的に交差不能であるが本クレーンは交差可能である。
本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、例えば天井の４点を基準点として、４本のワイヤの巻き取り装置で構成しても良い。また巻き取りドラムにそれぞれ２本以上のワイヤを張っても良い。それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

発明の実施の形態に係るシステムの概略を示す全体図である。 発明の実施の形態に係る円盤（ワイヤの交点部）を示す斜視図である。 発明の実施の形態に係るシステムのブロック図である。 発明の実施の形態に係る方法の処理フローチャートである。 発明の実施の形態に係る方法を説明するための座標系の説明図である。 発明の実施の形態に係る方法を説明するための図である。

符号の説明

１、２、３ ワイヤ伸縮機構
１１、２１、３１ サーボモータ
１２、２２、３２ ワイヤ伸張部
１３，２３，３３ 線長検出器
１２１、２２１、３２１ ワイヤ
４ 円盤（ワイヤの交点部）
５１ 撮像部
５２ 画像受信部
５３ 画像処理部
６１、６２ ロボット吊り上げ用ワイヤ
７ ロボット
１００ CPU
１００１ 指令パルス演算部
１００１１、１００１２、１００１３ サーボモータ制御部
１００２ マンマシン・インターフェイス
１００３ インターフェイス
１００３１ 外部コントローラ

Claims (8)

1. ワイヤを繰り出したり引き込むためのワイヤ伸縮機構を少なくとも３つ備え、複数の前記ワイヤ伸縮機構はそれぞれ異なる位置に設けられ、
   さらに、複数の前記ワイヤ伸縮機構からの複数のワイヤに接続された交点部と、前記交点部に設けられてその下方を撮影する撮像部と、一端が前記交点部に接続され、他端が前記交点部の下方に位置する移動体に接続された移動体吊り上げ用ワイヤと、複数の前記ワイヤ伸縮機構を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記撮像部で撮影した前記移動体の画像に基づき前記移動体と前記撮像部の相対位置関係を求め、求めた相対位置関係に基づき複数の前記ワイヤ伸縮機構の全部又は一部を駆動して、前記交点部が前記移動体の動きに追従するように制御することを特徴とする移動体の転倒防止装置。
2. 複数の前記ワイヤ伸縮機構からの複数のワイヤの前記交点部への接続位置関係を、複数の前記ワイヤ伸縮機構の位置関係の相似形にしたことを特徴とする請求項１記載の移動体の転倒防止装置。
3. 前記制御部は、
   前記撮像部で取得した前記移動体の画像に基づき、前記移動体もしくはその一部の画像の重心位置を求め、これと予め与えられた前記撮像部から前記移動体までの距離及び前記撮像部の倍率に基づき、前記撮像部と前記移動体間の相対的な水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）を算出し、
   複数の前記ワイヤ伸縮機構から前記交点部までの各ワイヤの線長と予め定められた各ワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）に基づき、前記撮像部の座標（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）を算出し、
   算出された座標（Ｘｅ，Ｙｅ）に相対的な水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）を加算して目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）を求め、
   目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）と各ワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）に基づき、目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）での各ワイヤの線長を算出し、
   複数の前記ワイヤ伸縮機構から前記交点部までの各ワイヤの線長が、それぞれ算出された線長になるように複数の前記ワイヤ伸縮機構を制御することを特徴とする請求項１記載の移動体の転倒防止装置。
4. 前記制御部は、前記撮像部で取得した前記移動体の画像の大きさと予め定められた前記撮像部の倍率に基づき、前記撮像部から前記移動体までの距離ｄｚを算出し、この距離ｄｚと前記撮像部のＺ座標Ｚｅに基づき、前記移動体と前記撮像部の間の距離を一定にするように、複数の前記ワイヤ伸縮機構を制御することを特徴とする請求項３記載の移動体の転倒防止装置。
5. 前記制御部は、前記撮像部の座標（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）、目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）、相対的な水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）及び前記撮像部から前記移動体までの距離ｄｚの全部又は一部がそれぞれ予め定められた範囲を超えたとき、前記移動体に停止命令又は減速命令を送ることを特徴とする請求項３記載の移動体の転倒防止装置。
6. 前記制御部は、前記撮像部で取得した前記移動体の画像画像に基づき、前記移動体が転倒したと判断したとき、又は、外部から前記移動体の転倒を示す信号を受けたときの何れかの場合に、前記交点部の追従を停止させるか、又は、前記交点部を上昇させるように、複数の前記ワイヤ伸縮機構を制御することを特徴とする請求項３記載の移動体の転倒防止装置。
7. ワイヤを繰り出したり引き込むためのワイヤ伸縮機構を少なくとも３つ備え、複数の前記ワイヤ伸縮機構はそれぞれ異なる位置に設けられ、
   さらに、複数の前記ワイヤ伸縮機構からの複数のワイヤに接続された交点部と、前記交点部に設けられてその下方を撮影する撮像部と、一端が前記交点部に接続され、他端が前記交点部の下方に位置する移動体に接続された移動体吊り上げ用ワイヤと、を備える装置により前記移動体を支える方法であって、
   前記撮像部で取得した前記移動体の画像に基づき、前記移動体もしくはその一部の画像の重心位置を求め、これと予め与えられた前記撮像部から前記移動体までの距離及び前記撮像部の倍率に基づき、前記撮像部と前記移動体間の相対的な水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）を算出するステップと、
   複数の前記ワイヤ伸縮機構から前記交点部までの各ワイヤの線長と予め定められた各ワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）に基づき、前記撮像部の座標（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）を算出するステップと、
   算出された座標（Ｘｅ，Ｙｅ）に相対的な水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）を加算して目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）を求めるステップと、
   目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）と各ワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）に基づき、目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）での各ワイヤの線長を算出するステップと、
   複数の前記ワイヤ伸縮機構から前記交点部までの各ワイヤの線長が、それぞれ算出された線長になるように複数の前記ワイヤ伸縮機構を制御するステップと、を備える移動体を支える方法。
8. ワイヤを繰り出したり引き込むためのワイヤ伸縮機構を少なくとも３つ備え、複数の前記ワイヤ伸縮機構はそれぞれ異なる位置に設けられ、
   さらに、複数の前記ワイヤ伸縮機構からの複数のワイヤに接続された交点部と、前記交点部に設けられてその下方を撮影する撮像部と、一端が前記交点部に接続され、他端が前記交点部の下方に位置する移動体に接続された移動体吊り上げ用ワイヤと、を備える装置により前記移動体を支える方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
   前記撮像部で取得した前記移動体の画像に基づき、前記移動体もしくはその一部の画像の重心位置を求め、これと予め与えられた前記撮像部から前記移動体までの距離及び前記撮像部の倍率に基づき、前記撮像部と前記移動体間の相対的な水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）を算出するステップと、
   複数の前記ワイヤ伸縮機構から前記交点部までの各ワイヤの線長と予め定められた各ワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）に基づき、前記撮像部の座標（Ｘｅ，Ｙｅ，Ｚｅ）を算出するステップと、
   算出された座標（Ｘｅ，Ｙｅ）に相対的な水平位置関係（ｄｘ，ｄｙ）を加算して目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）を求めるステップと、
   目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）と各ワイヤの始点座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３，Ｚ３）に基づき、目的位置座標（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）での各ワイヤの線長を算出するステップと、
   複数の前記ワイヤ伸縮機構から前記交点部までの各ワイヤの線長が、それぞれ算出された線長になるように複数の前記ワイヤ伸縮機構を制御するステップと、を実行させるためのプログラム。

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