JP3768957B2

JP3768957B2 - 移動ロボットの経路設定方法

Info

Publication number: JP3768957B2
Application number: JP2002379537A
Authority: JP
Inventors: 義秋坂上; 政宣武田; 太郎横山
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP2004209562A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自律的に移動する移動ロボットの経路設定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
外部からの遠隔操作によらずに自律的に移動するロボットの移動手段として、車輪を用いるものや複数の脚の交互運動によるものなど、様々な方式が提案されている。このような自律移動ロボットを目標対象へ向けて移動させた上で、例えば、ドアの開閉、壁に設置されたスイッチの操作、あるいは２足歩行による階段の昇降など、何らかの作業動作を行わせる場合、先ず、目標対象にロボットを正対させる必要がある。
【０００３】
このような観点に立脚し、目標対象に対するロボット自身の向きを認識する方法として、光センサの検出部をロボットの足の両側に設けると共に、床面とは明度が異なる所定幅の直線をランドマーカーとして床面に予め描いておき、このランドマーカーと検出部との相対位置関係から、目標対象に対するロボットの向きを判断するようにした移動ロボットの位置検知制御が、特開平７−２０５０８５号公報に提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２０５０８５号公報（図３、図４並びに段落番号００１８、００２１、００２３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記従来の技術によると、目標対象に到達した時点でランドマーカーに対するロボット自身の向きを判断した後、その場で方向修正を行う必要があるが、このようなその場での方向転換の実行は、その制御の難易度の如何に関わらず、動作の円滑感を阻害する一因となる。またランドマーカーを床面に設けることが前提のため、床面構築物以外の目標対象には適用し得ない。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、ランドマーカーなどを予め設ける必要がなく、目標対象に円滑に正対することのできる移動ロボットの経路設定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】
このような目的を果たすために、本発明の請求項１においては、環境内の情報を参照して自律的に移動する移動ロボットの経路設定方法として、ロボットの現在地点並びに現在姿勢を検出する過程と、ロボットが到達すべき目標地点並びにその地点での目標姿勢を決定する過程（ステップ１）と、前記目標地点（Ｐ）を通り、且つ前記目標姿勢の方位軸線（Ｄ２）を接線とする所定半径寸法以上の仮想旋回円（Ｓ１）を設定する過程（ステップ４）と、ロボットの初期位置（Ｏ）である出発地点を通り、且つ該出発地点での初期姿勢の方位軸線（Ｄ１）を接線とする所定半径寸法以上の円弧（Ｓ２）を設定する過程と、前記仮想旋回円と前記円弧とに同時に接する仮想接線（Ｌ１）を設定する過程（ステップ５）と、前記仮想旋回円および前記仮想接線上に経路を設定する過程とを有し、前記経路を設定する過程において、移動中のロボットの現在地点と前記目標地点とを結ぶ直線と移動中のロボットの現在姿勢の方位軸線とのなす角度が所定値を超えることのない経路を設定し得る仮想旋回円及び仮想接線を選択する（ステップ６）ことを特徴とする経路設定方法を提供することとした。
【０００８】
このようにすれば、移動ロボットに設けた視覚センサの視線の向きを変化させずに常に目標を捕捉することができると共に、移動途中で急激な方向転換をせずに円滑に目標地点に到達可能な経路を設定することができる。
【０００９】
また、請求項２においては、前記経路を設定する過程は、移動中のロボットの現在地点と前記目標地点とを結ぶ直線と移動中のロボットの現在姿勢の方位軸線とのなす角度が所定値を超えることのある第２の仮想旋回円（Ｓ３）と前記円弧（Ｓ２）とこれら第２の仮想旋回円と円弧とに同時に接する第２の仮想接線（Ｌ２）上に経路を設定せざるを得ない場合の処理として、前記第２の仮想旋回円上で前記目標地点と結んだ直線との角度が前記所定角度以下となる方位軸線（Ｄ４）を設定し、且つ該方位軸線の前記第２の仮想旋回円に対する接点（Ｑ）を仮の目標地点と定める過程と、前記仮の目標地点に到達した時点に出発当初に設定した目標地点に目標地点を置き換える過程とを含ませることとした。
【００１０】
これにより、障害物との干渉の関係から、第２の仮想旋回円上に経路をとらざるを得ない場合にも、比較的単純な処理で障害物を回避可能な経路を設定することができる。
【００１１】
（削除）
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００１３】
本発明が適用されるロボット１には、図１に示すように、スピーカ２、マイクロフォン３、及び左右一対のビデオカメラ４が設けられており、ビデオカメラ４からの画像信号が画像入力部５を介して画像認識部６に入力され、マイクロフォン３からの音信号が音源定位部７並びに音声認識部８に入力され、発話生成部９で生成された合成音声信号がスピーカ２から出力されるようになっている。そして発話生成部９からの発話信号が音声認識部８に入力され、音声認識部８からの音声認識信号が発話生成部９にフィードバックされるようになっている。
【００１４】
ビデオカメラ４は、モノクロまたはカラーの撮像素子を備えており、パン（左右方向）及びチルト（上下方向）動作がモータによって行われる。このビデオカメラ４からの画像出力は、フレームグラバーによってディジタル化されて画像入力部５に取り込まれ、ここで連続または任意の間隔の２フレーム間の差分から動体が抽出される。そして画像認識部６において、左右一対のビデオカメラ４の画像から立体視して距離情報を求めると共に、ロボット１の移動範囲の環境地図が作成される。また画像情報からオプティカルフローに基づいて人の輪郭や移動体の位置を求め、人の顔を識別するための画像処理が行われる。
【００１５】
音源定位部７では、複数のマイクロフォン３間の音圧差及び音の到達時間差に基づいて音源位置を特定する。また、音の立ち上がり部分から、人が発する音声であるか、何らかの物体同士がぶつかり合う衝撃音であるかを推定する。
【００１６】
音声認識部８では、予め登録された語彙を参照してマイクロフォン３からの音声信号を認識し、人の命令や意図を認識する。
【００１７】
発話生成部９では、後記する人応答部１０からの指示もしくは発話生成部９の内部での音声認識の結果により、人に伝える内容を音声合成してスピーカに出力する言語処理を行う。
【００１８】
このロボット１には、予め登録された地図情報の更新およびロボットの定型進行ルートの設定やタスクの設定を行うための地図データベースが格納された地図管理部１１と、ＩＤ・氏名・性別・生年月日・血液型などの一般情報および会社名・所属・役職・電話番号・メールアドレス・端末情報などの職業情報が格納された個人情報データベースと、顔認識のための顔データベースとを備える個人情報管理部１２とが設けられたロボット支援サーバ１３からの情報が与えられるようになっている。
【００１９】
人応答部１０は、画像、音、言語、地図、および個人の情報を基に、ロボット１の周囲の人情報（例えばオペレータと来訪者とを区別する）を管理すると共に、人とのコミュニケーションを支援する人情報マップと、人とのコミュニケーションにおけるロボットの行動様式を定義し、条件によって遂行する行動を制御管理するシナリオ管理部とを備えている。
【００２０】
画像認識部６には、ロボット支援サーバ１３に設けられた地図管理部１１に格納されている地図情報が入力される。また画像認識部６では、ロボット支援サーバ１３に設けられた個人情報管理部１２に格納されている顔データベースを参照して個人の顔を識別する。
【００２１】
移動計画部１４では、接近したい対象（人や物体）から視線を外さずに移動できるように、ロボット１の移動経路を設定し、歩行指示値を移動指示部１５に出力する。また、移動計画部１４には、画像認識部６の画像処理信号が直接入力され、地図管理部１１からの地図情報を参照しつつロボットの周辺の障害物の有無をチェックし、移動中に現れた障害物あるいは人などに衝突しないように、移動速度や移動経路の変更指示を移動指示部１５に発する。
【００２２】
行動指示部１６では、非同期で入力される移動指示部１５からの移動指示値と人応答部１０からのアクション指示値とに基づいた行動指示値を生成し、これを移動制御部１７並びに手腕制御部１８に与え、ロボット１の運動を制御する。ここで移動制御部１７は、脚あるいは車輪などの移動機構部１９を制御し、歩行型（脚式）であれば歩幅および歩数の指示を受け、車輪型であれば車輪回転速度および回転数の指示を受け、それに基づいて移動機構部１９の制御を行う。また手腕制御部１８は、手・腕に設けられたアクチュエータなどの手腕機構部２０を、行動指示部１６が発する所定の動作指令に基づいて制御する。また、移動計画部１４並びに行動指示部１６は、人応答部１０との間で互いに信号の授受が行われる。
【００２３】
自己位置推定部２１は、ロボット１の方向転換角度や移動距離を移動制御部１７から入力し、これとジャイロコンパス、地磁気センサ、或いはガスレートセンサを用いた位置補正装置、もしくはＤＰＳ等による自己位置検知装置の検出値から、最新の自己位置及び姿勢を推定し、これを行動指示部１６を介して移動計画部１４にフィードバックする。これによって目標地点と自己位置とを比較し、進路や姿勢の補正を行う。
【００２４】
一方、ビデオカメラ４は、その視線の向きを自由に変えられるようになっており、画像認識部６で得られた目標対象の位置情報をパン・チルト角度に変換し、それらの値に基づいてビデオカメラ４の動きを制御することにより、目標対象を注視することができるようになっている。また、音源定位部７から得られた音の種別および音源位置の情報に基づいてその音源方向を注視させることもできるし、人応答部１０並びに移動計画部１４からの情報に基づいて視線を任意位置に向けさせることもできる。
【００２５】
ロボット支援サーバ１３には、キーボードやタッチパネルなどのユーザ操作部２２およびディスプレーパネルなどのモニタ２３が接続され、各種情報の新規・更新登録をユーザーが任意に行うことができるようになっている。なお、ユーザ操作部２２は、ロボット１の起動・停止・原点復帰などをオペレータが指示してロボット１を遠隔操作するためのユーザインターフェースとしても用いられ、モニタ２３は、マイクロフォン３からの音やビデオカメラ４の映像をオペレータが監視し得るようになっている。
【００２６】
次に、２足歩行を行う脚式ロボットの場合の移動経路設定に関するアルゴリズムについて、図２及び図３を参照して説明する。
【００２７】
移動経路の設定に必要な情報は、現在地点の座標情報、現在の姿勢情報、目標地点の座標情報、目標に正対するのに要する姿勢（目標姿勢）情報である。ここで予め設定された環境地図上でのロボット１の初期位置の座標、並びに姿勢（前進方向の方位軸線）は、待機位置並びに待機姿勢を予め規定しておくか、あるいは初期状態の情報をオペレータが始動時に入力するようにすれば良く、ここでは、ロボット１の初期位置をＯ点とし、その前進方向の方位軸線はＹ軸上にあって図３における真上を向いているものとする。
【００２８】
先ず、ロボット１の初期位置Ｏ（出発地点）を基点とした目標地点ＰまでのＸ軸上、Ｙ軸上（Ｘ、Ｙは、地図情報上に予め定めた方位）での距離ｘ、ｙを２眼立体視で計測する。そしてロボット１の前進方向の方位軸線Ｄ１と目標地点Ｐに存在する目標対象の正面の方位軸線Ｄ２との角度偏差、つまり初期位置にあるロボットが目標対象に正対するのに要する初期位置からの方向転換角度θを計算する（ステップ１）。
【００２９】
基点Ｏから目標地点Ｐまでの直線距離ＯＰ、或いは方向転換角度θを所定の基準値と比較し、これらから本制御によって円滑に正対することが可能か否かを判断する（ステップ２）。その結果、不能と判断された場合はその旨の表示を出して本制御をキャンセルし（ステップ３）、本制御が有効と判断された場合は次の処理に進む。
【００３０】
例えば、図３に示した位置関係の場合、最も制御が簡単なのは、ロボット１が初期位置ＯからＹ軸上を前進し、ロボットの前進方位軸線Ｄ１および目標地点Ｐ上で目標対象の正面に正対する方位軸線Ｄ２を接線とする円弧Ｓ上を進行させることである。他方、ロボット１は、経路上での障害物の存否を常時確認しつつ前進する必要があるが、ロボット１のビデオカメラ４をパンさせながらの進行は、機械的な応答速度や画像処理速度の関係に鑑み、処理が過度に複雑化することが予想されるのであまり好ましいとは言えない。つまりビデオカメラ４の向きを進行方向に固定したままの視野角内に目標対象を捉えて前進できるように移動経路を設定することが好ましい。魚眼レンズの如き超広角レンズを用いればこの問題は解消可能であるが、過度な広角レンズは歪みが大きいため、立体視を行う上でのキャリブレーションが困難である。
【００３１】
このような観点に立ち、最大視野角を、前進方位に対して例えば片側９０度（左右１８０度）と設定すると、上記の円弧Ｓを通る経路では、Ｙ軸上での前進距離がｙを超えると、目標地点Ｐがロボット１の背後になってしまい、固定された視野角内に目標対象を捉えたまま前進できないことになってしまう。そこで本発明においては、この角度、つまりロボット上のある点から目標地点を向く方位軸線（移動中のロボットの現在地点と目標地点とを結ぶ直線）とロボットの進行方向の方位軸線（移動中のロボットの現在姿勢の方位軸線）とのなす角度が、所定値（本実施例においては９０度）を超えないように経路設定を行うこととした。
【００３２】
具体的には、ロボット１が２足歩行でたどれる円弧の最大曲率（最小半径）はロボット１の機械的な仕様で決まるので、それ以上の適宜な半径寸法であり、且つ目標地点Ｐ上で目標対象に正対する方位軸線Ｄ２を接線とする仮想旋回円候補Ｓ１を、幾何学的計算により設定する（ステップ４）。ここで仮想旋回円の半径寸法は、固定値としても良いが、移動する環境や目標地点までの距離や現在姿勢と目標姿勢との角度偏差に応じて決定することも考えられる。例えば、姿勢の角度偏差θが大きいほど小回りさせるように、角度偏差に対応して直線的に、または段階的に変化する係数を予め定めておくことが考えられる。
【００３３】
次に、ロボット１の初期位置Ｏを通りＹ軸（＝方位軸線Ｄ１）を接線とする半径寸法が所定値以上の円弧Ｓ２と、上記仮想旋回円候補Ｓ１とに同時に接する直線Ｌ１（仮想接線）を引き（ステップ５）、この直線Ｌ１上の前進方向方位軸線Ｄ３と仮想旋回円候補Ｓ１との接点Ｔ１から目標地点Ｐを向く方位軸線とのなす角度αが９０度以下か否かを判別する（ステップ６）。この角度が９０度以上ならば、半径寸法を変えて仮想旋回円候補の設定をやり直し、９０度以下ならば、ロボットの初期位置Ｏを基点とし、目標地点Ｐに達する経路Ｏ〜Ｔ１〜Ｐを設定する。
【００３４】
このようにして設定された予定経路を歩行するのに最適な歩幅を経路の曲率および総延長に応じて計算し、最終的に目標対象に正対できるように、仮想経路点列数ｎおよびその座標（＊ｖｘ、＊ｖｙ）を設定する（ステップ７）。この際、円弧部分は、変曲点間の距離を最大歩幅以内の値で等分割し、直線部分は、主に最大歩幅で移動し、円弧部分に接続する直前で歩幅を減ずるようにすれば、高効率に移動することができる。また、歩行速度による慣性力を加味し、減速・停止時は歩幅を徐々に減ずるようにすると良い。
【００３５】
そして環境地図を参照し、＊ｖｘ、＊ｖｙが移動可能領域にあるか否かのチェックを行い（ステップ８）、この経路上に固定障害物が認められる場合は半径寸法を変えて仮想旋回円候補の設定をやり直し、固定障害物が認められない時は、これを経路と決定してこの座標に従って歩を進めるものとする（ステップ９）。
【００３６】
ここで仮想旋回円や仮想接線を決定するために様々の要素が考えられ、例えば図３に示す位置関係の場合、目標地点Ｐの姿勢方位軸線Ｄ２を接線とする仮想旋回円候補は、Ｓ１の他にＳ３が描けるが、円弧Ｓ２と第２の仮想旋回円候補Ｓ３との接する直線Ｌ２と、この直線Ｌ２の第２の仮想旋回円候補Ｓ３との接点Ｔ２から目標地点Ｐを向く直線との角度α′は９０度を超えており、このままでは目標地点Ｐを視野角内に捉えたままでこの円弧Ｓ３に進路を接続することはできない。
【００３７】
この点を加味し、移動経路上の障害物との干渉を避けることを最重要項目とし、もしも障害物がなくて経路設定の自由度が高い場合は、経路の延長距離、目標地点に到達するまでに要する方向転換回数、或いは歩数などについて、経路決定上の優先順位を適宜に定めておくと良い。
【００３８】
障害物との干渉の関係から、第２の仮想旋回円候補Ｓ３上に経路をとらなければならない場合は、第２の仮想旋回円候補Ｓ３上で目標地点Ｐを視野角内に捉えることのできる方位軸線Ｄ４となるＱ点を仮の目標地点と定めて上述の処理を行い、Ｑ点に到達した時点で目標地点をＰ点に置き換えて第２の仮想旋回円候補Ｓ３上を進行するようにすると良い。また、仮の目標地点を定めつつ順次進行する制御を適用すれば、障害物を避けるための比較的複雑な経路設定が単純な処理の繰り返しで実行することが可能である。
【００３９】
なお、当初から正対方位軸線をＤ４とするＱ点が目標地点の場合は、障害物との干渉がなければ、Ｏ〜Ｔ２〜Ｑを経路とすれば良いことは言うまでもない。
【００４０】
次に歩幅調整に関わる制御について図４を参照して説明する。先ず、目標地点までの距離Ｌを測定し（ステップ１１）、現在位置が停止指令発信範囲に入ったか否かを判断する（ステップ１２）。停止指令発信範囲外であれば、目標地点までの距離Ｌが最大歩幅Ｓの２倍以上か否かを判断する（ステップ１３）。ここで２倍以上と判断された場合は、歩幅Ｓを最大に設定して（ステップ１４）次の一歩を進む。またステップ１３で最大歩幅Ｓの２倍より小さいと判断された場合は、目標地点までの距離の半分Ｌ／２に歩幅Ｓを設定して（ステップ１５）次の一歩を進む（ステップ１６）。
【００４１】
この一歩を進めたことにより、現在位置が停止指令発信範囲に入ったとステップ１２で判断されたならば、停止指令を出力する（ステップ１７）。すると目標地点までの距離の半分に設定された歩幅が停止指令の出力時に反映され、最後の一歩で目標地点に丁度到達することとなる（ステップ１８）。
【００４２】
例えば、最大歩幅を５０cmとした場合、ある地点での目標地点までの距離が１４０cmあったならば、これは最大歩幅の２倍以上なので、次の一歩は最大歩幅と設定して５０cm進む。この状態で再び目標地点までの距離を計測すると、残り９０cmとなる。これは最大歩幅の２倍以下なので、これ以降の歩幅を残りの距離の１／２、つまり４５cmと設定すれば、制御の応答遅れがあったとしても、目標地点での停止誤差を極めて小さくすることができる。
【００４３】
目標地点までの距離の計測は、スタート時に計測した値からの残りがある所定値以下となってから一歩進める都度行うようにすれば良く、また残りの距離を判断するための最大歩幅の倍数も、上に例示した２倍に限らず、最大歩幅の整数倍であれば、計測精度や応答速度を補償できる距離を勘案して適宜に定めれば良い。
【００４４】
なお、ある曲率の円弧上を進む際の最大歩幅も直線上を進む際の最大歩幅と同様に機械的な仕様で定まるので、屈曲路を歩行する場合も、また斜め前方へ脚を踏み出して斜行する場合も、上記の手法によって同様に制御可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述した通り本発明によれば、床上構築物や人に自律型移動ロボットを正対させる必要がある場合に、移動ロボットに設けた視覚センサの視線の向きを変化させずに目標を常に捕捉可能であり、しかも移動途中で急激な方向転換をせずに円滑に目標地点に到達可能なように移動経路を設定することができるので、情報処理を簡略化し、制御に要する負荷を軽減する上に多大な効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるロボットの制御構成ブロック図
【図２】本発明による経路設定に係わるフロー図
【図３】経路設定に係わる説明図
【図４】目標地点への到達直前の歩幅調整制御に係わるフロー図
【符号の説明】
１ロボット
４ビデオカメラ
６画像認識部
１１地図管理部
１４移動計画部
１７移動制御部
１９移動機構部
２１自己位置推定部

Claims

環境内の情報を参照して自律的に移動する移動ロボットの経路設定方法であって、
ロボットの現在地点並びに現在姿勢を検出する過程と、
ロボットが到達すべき目標地点並びにその地点での目標姿勢を決定する過程と、
前記目標地点を通り、且つ前記目標姿勢の方位軸線を接線とする所定半径寸法以上の仮想旋回円を設定する過程と、
ロボットの初期位置である出発地点を通り、且つ該出発地点での初期姿勢の方位軸線を接線とする所定半径寸法以上の円弧を設定する過程と、
前記仮想旋回円と前記円弧とに同時に接する仮想接線を設定する過程と、
前記仮想旋回円および前記仮想接線上に経路を設定する過程とを有し、
前記経路を設定する過程において、移動中のロボットの現在地点と前記目標地点とを結ぶ直線と移動中のロボットの現在姿勢の方位軸線とのなす角度が所定値を超えることのない経路を設定し得る仮想旋回円及び仮想接線を選択することを特徴とする移動ロボットの経路設定方法。
前記経路を設定する過程は、移動中のロボットの現在地点と前記目標地点とを結ぶ直線と移動中のロボットの現在姿勢の方位軸線とのなす角度が所定値を超えることのある第２の仮想旋回円と前記円弧とこれら第２の仮想旋回円と円弧とに同時に接する第２の仮想接線上に経路を設定せざるを得ない場合の処理として、
前記第２の仮想旋回円上で前記目標地点と結んだ直線との角度が前記所定角度以下となる方位軸線を設定し、且つ該方位軸線の前記第２の仮想旋回円に対する接点を仮の目標地点と定める過程と、
前記仮の目標地点に到達した時点に出発当初に設定した目標地点に目標地点を置き換える過程とを含むことを特徴とする請求項１に記載の移動ロボットの経路設定方法。