JP2015158720A - 路面検出装置及び路面検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構成を簡略化しコストを低減すること。【解決手段】路面検出装置は、ロボットが移動する路面に対して光を発光する発光部と、発光部により発光され光が路面で反射された反射光を受光する受光部と、受光部の受光量が閾値以上となるとき前記ロボットが移動可能な路面を検出する検出部と、を備えている。発光部及び受光部の先端には、外乱光を遮断するための筒状の遮断部が設けられている。下記パラメータＭ、Ｓ、Ｃ、Ｌ、Ｐ、Ａ、Ｄ及びＢが下記関係式を満たすように夫々設定されている。Ｈ＝Ｍ・ｔａｎ（Ｂ）、Ｂ≰Ｃ、Ｐ／ｓｉｎ（Ａ／２）≰Ｓ、かつ（Ｄ／２）・１／ｓｉｎ（Ａ／２）＝Ｍ【選択図】図５

Description

本発明は、ロボットが移動可能な路面を検出する路面検出装置及び路面検出方法に関するものである。

路面に対して光を発光する発光素子と、路面からの反射光を検出する受光素子と、を備え、移動装置の速度に応じて一定時間間隔毎に発光素子と路面との距離を計測し、路面形状を検出する路面検出装置が知られている（特許文献１参照）。

特開平０７−２２９７２８号公報

上記路面検出装置は、路面までの距離を計測し、路面を検出する。この距離計測のための構成が複雑化し、コスト増加を招く虞があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、構成を簡略化しコストを低減した路面検出装置及び路面検出方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、ロボットが移動する路面に対して光を発光する発光部と、該発光部により発光され光が路面で反射された反射光を受光する受光部と、前記受光部の受光量が閾値以上となるとき前記ロボットが移動可能な路面を検出する検出部と、を備える路面検出装置であって、前記発光部及び受光部の先端には、外乱光を遮断するための筒状の遮断部が設けられており、下記パラメータＭ、Ｓ、Ｃ、Ｌ、Ｐ、Ａ、Ｄ及びＢが下記関係式を満たすように夫々設定されている、ことを特徴とする路面検出装置である。
Ｈ＝Ｍｔａｎ（Ｂ）、Ｂ≦Ｃ、Ｐ／ｓｉｎ（Ａ／２）≦Ｓ、かつ（Ｄ／２）・１／ｓｉｎ（Ａ／２）＝Ｍ
但し、上記関係式において、前記発光部が光を発光する路面上の発光点から前記ロボットまでの距離をＭとし、前記ロボットが回避すべき路面の凹状の段差高さをＳとし、前記ロボットが回避すべき路面のスロープ傾斜角をＣとし、前記筒状の遮断部の長手方向の長さをＬとし、前記筒状の遮断部の内径をＰとし、前記筒状の遮断部の外径をＤとし、前記発光部の遮断部の長手方向中心線に対する前記受光部の遮断部の長手方向中心線の相対角度をＡとし、前記発光部の遮断部の長手方向中心線と前記受光部の遮断部の長手方向中心線との中心線と、水平線と、が成す角度をＢとし、路面から前記中心線までの高さをＨとする。
上記関係式を満たすように各パラメータを設定することで、路面までの距離を計測することなく、ロボットが移動可能な路面を検出できる。従がって、構成を簡略化しコストを低減できる。
この一態様において、前記発光部は、所定周期で前記光を発光し、前記検出部は、前記受光部が前記所定周期の反射光を受光しかつ受光量が閾値以上となるとき、前記ロボットが移動可能な路面を検出してもよい。これにより、非周期的な外乱光による路面の誤検出を防止でき、外乱光に対するロバスト性をより向上させることができる。
この一態様において、前記検出部は、前記ロボットの移動環境に応じて前記所定周期及び閾値のうち少なくとも一方を変更してもよい。これにより、ロボットの移動環境変化に対する路面検出のロバスト性を向上させることができる。
この一態様において、前記検出部は、前記ロボットが屋内を移動する場合よりも前記ロボットが屋外を移動する場合の方が前記閾値を大きく設定してもよい。外乱光がより強い屋外の閾値を大きく設定することで、外乱光の影響を低減し、路面誤検出を低減できる。
この一態様において、前記発光部及び検出部は、前記ロボットの移動速度が増加するに従がって、前記所定周期を短くしてもよい。これにより、計算コストの増加を抑えつつ、ロボットの移動速度が変動しても検出精度を良好な状態に維持できる。
この一態様において、前記受光部の遮断部の内面には、反射防止用の塗料が塗布されていてもよい。これにより、受光部に対する外乱光の影響をより低減できるため、路面誤検出をより低減できる。
この一態様において、前記発光部及び受光部の遮断部は鉛直方向に並んだ状態で前記ロボットに設けられており、前記受光部の遮断部の上方に前記発光部の遮断部が設けられていてもよい。これにより、路面変化に対する受光部の感度をより向上させ、路面検出精度を向上させることができる。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、ロボットが移動する路面に対して光を発光するステップと、該発光され光が路面で反射された反射光を受光するステップと、前記受光量が閾値以上となるとき前記ロボットが移動可能な路面を検出するステップと、を含む路面検出方法であって、発光部及び受光部の先端には、外乱光を遮断するための筒状の遮断部が設けられており、下記パラメータＭ、Ｓ、Ｃ、Ｌ、Ｐ、Ａ、Ｄ及びＢが下記関係式を満たすように夫々設定されている、ことを特徴とする路面検出方法であってもよい。
Ｈ＝Ｍｔａｎ（Ｂ）、Ｂ≦Ｃ、Ｐ／ｓｉｎ（Ａ／２）≦Ｓ、かつ（Ｄ／２）・１／ｓｉｎ（Ａ／２）＝Ｍ
但し、上記関係式において、前記発光部が路面に対して光を発光する路面上の発光点から前記ロボットまでの距離をＭとし、前記ロボットが回避すべき路面の凹状の段差高さをＳとし、前記ロボットが回避すべき路面のスロープ傾斜角をＣとし、前記筒状の遮断部の長手方向の長さをＬとし、前記筒状の遮断部の内径をＰとし、前記筒状の遮断部の外径をＤとし、前記発光部の遮断部の長手方向中心線に対する前記受光部の遮断部の長手方向中心線の相対角度をＡとし、前記発光部の遮断部の長手方向中心線と前記受光部の遮断部の長手方向中心線との中心線と、水平線と、が成す角度をＢとし、路面から前記中心線までの高さをＨとする。

本発明によれば、構成を簡略化しコストを低減した路面検出装置及び路面検出方法を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る路面検出装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態に係る発光部及び受光部の配置を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る路面検出装置がロボット設けられた状態の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る路面検出方法の処理フローを示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態に係る発光部及び受光部に対するパラメータの設定方法を説明するための図である。 本発明の一実施の形態に係る発光部及び受光部に対するパラメータの設定方法を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
本発明の一実施の形態に係る路面検出装置は、ロボットに搭載され、ロボットが移動する路面を検出するものである。

図１は、本実施の形態に係る路面検出装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る路面検出装置１は、路面に対して光を発光する発光部２と、路面で反射された反射光を受光する受光部３と、ロボット１０が移動可能な路面を検出する検出部４と、を備えている。

路面検出装置１は、例えば、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによって実行される演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）、処理データ等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、等からなるマイクロコンピュータを中心にしてハードウェア構成されている。

発光部２は、ロボット１０が移動する路面に対して光を発光する。発光部２は、例えば、発光ダイオード、レンズなどから構成されている。

受光部３は、発光部２の光が路面で反射された反射光を受光する。受光部３は、例えば、フォトダイオード、レンズなどから構成されている。受光部３は、反射光を受光するとその受光量に応じた受光信号を検出部４に出力する。

検出部４は、受光部３から出力された受光信号に基づいて、受光部３の受光量が閾値以上であると判断したとき、ロボット１０が移動可能な路面を検出する。一方、検出部４は、受光部３の受光量が閾値より小さいと判断したとき、ロボット１０が移動不能な凹状段差及びスロープを検出する。検出部４は、例えば、ロボット１０が移動可能な路面、あるいは、移動不能な凹状段差及びスロープを検出すると、その検出信号をロボット１０の制御装置１１に出力する。制御装置１１は、検出部４からの検出信号に応じてロボット１０の移動を制御（路面を走行、減速停止、回避など）する。

なお、発光部２は、所定周期で光を発光してもよい。検出部４は、受光部３から出力された受光信号に基づいて、受光部３が所定周期の反射光を受光しかつ受光量が閾値以上であると判断したとき、ロボット１０が移動可能な路面を検出する。

一般に、外乱光は散発的かつ非周期的となっている。このため、本実施の形態において、発光部２が周期的な光を発光し、検出部４が受光部３における周期的な反射光の受光を判断する。したがって、外乱光による路面の誤検出を防止でき、外乱光に対する路面検出のロバスト性をより向上させることができる。

さらに、検出部４は、誤検出した場合でも安全側に誤検出する。例えば、外乱光の輝度が発光部２の光の輝度よりも高い場合、その高輝度の非周期的な外乱光の影響により、受光部３は、周期的な反射光を受光できない。このため、検出部４は、ロボット１０の移動不能な凹状段差及びスロープを検出することになり、安全側に誤検出することになる。また、発光部２が故障して発光しない、あるいは、その発光輝度が低い場合でも、検出部４は、ロボット１０が移動不能な凹状段差及びスロープを検出することになり、安全側に誤検出することになる。このように、検出部４が路面の誤検出した場合でも、安全側に誤検出するため、安全性は確実に確保される。

図２は、本実施の形態に係る発光部及び受光部の配置を示す図である。
発光部２及び受光部３の先端には、外乱光を遮断するための筒状の遮断部２１、３１が設けられている。遮断部２１、３１は、円筒状に形成されているが、これに限らず、例えば、角柱状に形成されていてもよい。

各遮断部２１、３１に後端面に発光部２及び受光部３が夫々設けられている。各遮断部２１、３１の先端面には開口部２２、３２が形成されている。発光部２及び受光部３は、開口部２２、３２を介して光の受光及び発光を行う。受光部３の遮断部３１の内面には、反射防止用の黒塗料が塗布されているのが好ましい。これにより、受光部３に対する外乱光の影響をより低減できる。

発光部２及び受光部３の遮断部２１、３１は、鉛直方向に並んで配置されているがこれに限らず、例えば、水平方向に並んで配置されていてもよく、任意の方向に並んで配置することができる。なお、受光部３の遮断部３１の上方に発光部２の遮断部２１が設けられているのが好ましい。これにより、路面変化に対する受光部３の感度をより向上させることができる。

発光部２及び受光部３の遮断部２１、３１は、隣接し一体的に配置されている。この場合、キャリブレーションが不要となるため、ユーザの利便性が向上する。なお、発光部２及び受光部３の遮断部２１、３１は、一定の間隔を空けて並んで配置されていてもよい（発光部２の遮断部２１の長手方向中心線Ｌ１に対する受光部３の遮断部３１の長手方向中心線Ｌ２の相対角度Ａを所定角度以上に離間してもよい。）この場合、路面の変化に対する受光部３の感度をより向上させることができる。したがって、ユーザは、上述したキャリブレーションの利便性と、要求される受光部３の感度と、を比較考量して発光部２及び受光部３の遮断部２１、３１を配置できる。

発光部２及び受光部３の遮断部２１、３１の設置角度（発光部２の遮断部２１の長手方向中心線Ｌ１と受光部３の遮断部３１の長手方向中心線Ｌ２との中心線Ｌ３と、水平線Ｌ４と、が成す角度Ｂ）は、想定するスロープ（階段、傾斜面）の傾斜角より小さくなるように設定されている。これにより、想定するスロープを確実に検出することができる。

本実施の形態に係る路面検出装置は、例えば、ロボット１０の進行方向側（例えば、前後方向側）に夫々設けられている（図３）。路面検出装置１における発光部２及び受光部３の遮断部２１、３１の設置高さ及び方向は、例えば、路面検出装置１がロボット１０から制動距離以上離れた路面を検出するように設定される。

図４は、本実施の形態に係る路面検出方法の処理フローを示すフローチャートである。
発光部２は、所定周期で、ロボット１０が移動する路面に対して光を発光する（ステップＳ１０１）。受光部３は、発光部２の光が路面で反射された反射光を受光し、その受光量に応じた受光信号を検出部４に出力する（ステップＳ１０２）。

検出部４は、受光部３からの受光信号に基づいて、受光部３が所定周期の反射光を受光し且つその受光量が閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。検出部４は、受光部３が所定周期の反射光を受光しかつ受光量が閾値以上であると判断したとき（ステップＳ１０３のＹＥＳ）、ロボット１０が移動可能な路面を検出する（ステップＳ１０４）。検出部４は、受光部３が所定周期の反射光を受光しない、あるいは、受光量が閾値より小さいと判断したとき（ステップＳ１０３のＮＯ）、ロボット１０が移動不能な凹状段差及びスロープを検出する（ステップＳ１０５）。

ところで、従来の路面検出装置は、路面までの距離を計測し、路面を検出する。この距離計測のための構成が複雑化し、コスト増加を招く虞があった。これに対し、本実施の形態に係る路面検出装置１は、路面までの距離を計測することなく、ロボット１０が移動可能な路面を検出できる。これにより、構成を簡略化しコストを低減できる。

図５は、上記構成を実現するための本実施の形態に係る発光部及び受光部に対するパラメータの設定方法を説明するための図である。

ここで、発光部２が光を発光する路面上の発光点からロボット１０の前輪の接地点までの距離をＭとする。距離Ｍは、ロボット１０の制動距離に基づいて設定されており、例えば、制動距離に安全距離（安全に停止できる付加的な距離）を加算した値が設定されている。ロボット１０が回避すべき路面の凹状の段差高さをＳとする。段差高さＳは、例えば、ロボット１０の接地位置、重心高さなどに基づいてロボット１０が転倒すると予測される値が設定される。ロボット１０が回避すべき路面のスロープ傾斜角をＣとする。スロープ傾斜角Ｃは、例えば、ロボット１０の接地位置、重心高さなどに基づいて、ロボット１０が転倒すると予測される水平面に対する路面の傾斜角が算出され設定される。

発光部２及び受光部３の遮断部２１、３１の長手方向の長さをＬとする。発光部２及び受光部３の遮断部２１、３１の内径（角柱状の遮断部の場合は多角形の対角線の長さ）をＰとする。発光部２及び受光部３の遮断部２１、３１の外径をＤとする。発光部２の遮断部２１の長手方向中心線Ｌ１に対する受光部３の遮断部３１の長手方向中心線Ｌ２の相対角度をＡする。発光部２の遮断部２１の長手方向中心線Ｌ１と受光部３の遮断部３１の長手方向中心線Ｌ２との中心線Ｌ３と、水平線Ｌ４と、が成す角度をＢとする。路面から中心線Ｌ３の後端までの高さをＨとする。

本実施の形態に係る路面検出装置１において、上記パラメータＭ、Ｓ、Ｃ、Ｌ、Ｐ、Ａ、Ｄ及びＢが、下記関係式（最低の段差高さＳを求めるための式）を満たすように夫々設定されている（図６）。
Ｈ＝Ｍ・ｔａｎ（Ｂ）
Ｂ≦Ｃ
Ｐ／ｓｉｎ（Ａ／２）≦Ｓ、かつ
（Ｄ／２）・１／ｓｉｎ（Ａ／２）＝Ｍ

上記関係式を満たすように、パラメータＬ、Ｐ、Ａ、Ｈ、Ｂ、Ｄを設定し、設定したパラメータに従って、発光部２及び受光部３の遮断部２１、３１をロボット１０に設置する。これにより、路面までの距離を計測することなく、ロボット１０が移動可能な路面あるいは移動不能な凹状段差及びスロープを検出できる。したがって、構成を簡略化できセンサのコストを低減できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

上記一実施の形態において、検出部４は、ロボット１０の移動環境に応じて所定周期及び閾値のうち少なくとも一方を変更してもよい。ロボット１０の移動環境変化に対する路面検出のロバスト性を向上させることができる。

例えば、検出部４は、ロボット１０が屋内を移動する場合よりもロボット１０が屋外を移動する場合の方の閾値を大きく設定する。電気照明光が照射する屋内よりも太陽光が照射する屋外の方が、外乱光は強くなる。このため、ロボット１０が屋外を移動するときに閾値を大きく設定することで、この外乱光による影響を低減できる。したがって、外乱光による路面誤検出をより低減できる。なお、検出部４は、ロボット周囲の明度が増加するに従がって閾値を増加させて設定してもよい。

発光部２及び検出部４は、ロボット１０の移動速度が増加するに従がって所定周期を短くする。ロボット１０の移動速度が増加するに従がって、発光点の路面変化速度も増加する。ここで、路面変化速度よりも、発光及び検出周期を速くする必要が生じる。したがって、ロボット１０の移動速度の増加に追従して発光及び検出の所定周期を短くする。これにより、ロボット１０の移動速度が変動しても検出精度を良好な状態に維持できる。なお、発光及び検出の所定周期を短くすると計算コストの増加も増加する。しかしながら、上記のように発光及び検出の所定周期の短縮を検出精度の維持に必要な量に抑えることで、計算コストの増加を効率的に抑制できる。

１ 路面検出装置、２ 発光部、３ 受光部、４ 検出部、１０ ロボット、２１、３１ 遮断部

Claims (8)

1. ロボットが移動する路面に対して光を発光する発光部と、該発光部により発光され光が路面で反射された反射光を受光する受光部と、前記受光部の受光量が閾値以上となるとき前記ロボットが移動可能な路面を検出する検出部と、を備える路面検出装置であって、
   前記発光部及び受光部の先端には、外乱光を遮断するための筒状の遮断部が設けられており、
   下記パラメータＭ、Ｓ、Ｃ、Ｌ、Ｐ、Ａ、Ｄ及びＢが下記関係式を満たすように夫々設定されている、ことを特徴とする路面検出装置。
   Ｈ＝Ｍ・ｔａｎ（Ｂ）
   Ｂ≦Ｃ
   Ｐ／ｓｉｎ（Ａ／２）≦Ｓ、かつ
   （Ｄ／２）・１／ｓｉｎ（Ａ／２）＝Ｍ
   但し、上記関係式において、
   前記発光部が光を発光する路面上の発光点から前記ロボットまでの距離をＭとし、
   前記ロボットが回避すべき路面の凹状の段差高さをＳとし、
   前記ロボットが回避すべき路面のスロープ傾斜角をＣとし、
   前記筒状の遮断部の長手方向の長さをＬとし、
   前記筒状の遮断部の内径をＰとし、
   前記筒状の遮断部の外径をＤとし、
   前記発光部の遮断部の長手方向中心線に対する前記受光部の遮断部の長手方向中心線の相対角度をＡとし、
   前記発光部の遮断部の長手方向中心線と前記受光部の遮断部の長手方向中心線との中心線と、水平線と、が成す角度をＢとし、
   路面から前記中心線までの高さをＨとする。
2. 請求項１記載の路面検出装置であって、
   前記発光部は、所定周期で前記光を発光し、
   前記検出部は、前記受光部が前記所定周期の反射光を受光しかつ受光量が閾値以上となるとき、前記ロボットが移動可能な路面を検出する、ことを特徴とする路面検出装置。
3. 請求項２記載の路面検出装置であって、
   前記検出部は、前記ロボットの移動環境に応じて前記所定周期及び閾値のうち少なくとも一方を変更する、ことを特徴とする路面検出装置。
4. 請求項３記載の路面検出装置であって、
   前記検出部は、前記ロボットが屋内を移動する場合よりも前記ロボットが屋外を移動する場合の方が前記閾値を大きく設定する、ことを特徴とする路面検出装置。
5. 請求項３又は４記載の路面検出装置であって、
   前記発光部及び検出部は、前記ロボットの移動速度が増加するに従がって、前記所定周期を短くする、ことを特徴とする路面検出装置。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか１項記載の路面検出装置であって、
   前記受光部の遮断部の内面には、反射防止用の塗料が塗布されている、ことを特徴とする路面検出装置。
7. 請求項１乃至６のうちいずれか１項記載の路面検出装置であって、
   前記発光部及び受光部の遮断部は鉛直方向に並んだ状態で前記ロボットに設けられており、
   前記受光部の遮断部の上方に前記発光部の遮断部が設けられている、ことを特徴とする路面検出装置。
8. ロボットが移動する路面に対して光を発光するステップと、該発光され光が路面で反射された反射光を受光するステップと、前記受光量が閾値以上となるとき前記ロボットが移動可能な路面を検出するステップと、を含む路面検出方法であって、
   発光部及び受光部の先端には、外乱光を遮断するための筒状の遮断部が設けられており、
   下記パラメータＭ、Ｓ、Ｃ、Ｌ、Ｐ、Ａ、Ｄ及びＢが下記関係式を満たすように夫々設定されている、ことを特徴とする路面検出方法。
   Ｈ＝Ｍ・ｔａｎ（Ｂ）
   Ｂ≦Ｃ
   Ｐ／ｓｉｎ（Ａ／２）≦Ｓ、かつ
   （Ｄ／２）・１／ｓｉｎ（Ａ／２）＝Ｍ
   但し、上記関係式において、
   前記発光部が路面に対して光を発光する路面上の発光点から前記ロボットまでの距離をＭとし、
   前記ロボットが回避すべき路面の凹状の段差高さをＳとし、
   前記ロボットが回避すべき路面のスロープ傾斜角をＣとし、
   前記筒状の遮断部の長手方向の長さをＬとし、
   前記筒状の遮断部の内径をＰとし、
   前記筒状の遮断部の外径をＤとし、
   前記発光部の遮断部の長手方向中心線に対する前記受光部の遮断部の長手方向中心線の相対角度をＡとし、
   前記発光部の遮断部の長手方向中心線と前記受光部の遮断部の長手方向中心線との中心線と、水平線と、が成す角度をＢとし、
   路面から前記中心線までの高さをＨとする。

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