JP4264391B2

JP4264391B2 - 自律型ロボット

Info

Publication number: JP4264391B2
Application number: JP2004200846A
Authority: JP
Inventors: 昭広岡崎; 圭祐原; 毅小河; 敏弘妹尾; 克嗣森本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2024-07-07
Also published as: JP2006021267A

Description

本発明は、障害物との接触を検知可能な自律型ロボットに属する。

従来、自己の所在位置を検知して、与えられた又はセンサによって検出した走行範囲を認識して自律的に走行し、所定の作業を行う自走式走行車等の自律型ロボットが開発されている。ロボットの自律的な走行に対しては、障害物の回避或いは乗越え走行等の自動的な対応のため、障害物の位置や性状の正確な検出が必要である。そこで、自律型ロボットにおいては、バンパー等の外装部材を介して障害物との接触を検知することが開発されている。走行可能な本体前面に半円状の接触検知部を備え、接触検知部を周方向に５分割することにより障害物の大まかな方向を知ることができることを図った自走式ロボットが提案されている（特許文献１）。
特開昭６２−２９３３２０号公報（第３頁上左欄第１２行〜同頁下左欄第７行、図２）

上記自走式ロボットにおける接触検知用のバンパーは、方位的には全方位でなく部分的なものであり、接触検知のために複数の素子を必要とする場合もあった。また、どこの部分で触れたかについては触ったところが大雑把に判るか、バンパーに当たったという程度の認識しかできないことが多く、接触・衝突が起こった方向を正確に検知するためには設置するセンサ数を増加するか、機構的に複雑にする必要があった。

そこで、衝突によって障害物の検出を行う自律型ロボットにおいて、衝突時に生じる衝突力に着目し、その衝突力に起因したモーメントを計測することで障害物との衝突の方向を検出する点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、障害物との衝突の方向を全方位について連続的に検出可能であり、また前後の進行方向にかかわらず障害物が乗り越え可能か否かを検出可能な自律型ロボットを提供することである。

上記課題を解決するため、この発明による自律型ロボットは、駆動走行可能な本体と、前記本体に対して前記本体の全周囲に延び且つ力覚センサを介して取り付けられた外装部とを備え、前記力覚センサの出力に基づいて前記外装部の障害物との衝突を検知することから成る自律型ロボットであって、前記力覚センサは前記障害物との衝突に基づく走行面に平行な面内における任意の軸線まわりのモーメントを当該平面における直交２軸のまわりのモーメントに分けて検出可能な２自由度以上の自由度を持つセンサであり、前記直交２軸のまわりの各モーメントの比に基づいて前記衝突の方向を検知することから成っている。

この自律型ロボットによれば、外装部が障害物と衝突するときにその衝突によって外装部に生じたモーメントが本体に伝達されるが、本体との間には力覚センサが介在されているので、力覚センサはそのモーメントを検知することで、障害物に衝突したことが判る。力覚センサは本体の全周囲に延びているので、本体がどの方向に走行してようとも障害物を見落とすことがない。しかも、力覚センサを直交２軸のまわりのモーメントに分けて検出可能な２自由度以上の自由度を持つセンサとして構成することにより、走行面に平行な面内における任意の軸線まわりのモーメントを当該平面における直交２軸のまわりに分解して検出した各モーメントの比に基づいて衝突の方向を検知することが可能になる。

この自律型ロボットにおいて、外装部を、本体を覆うことのできるドーム状外装部とすることができる。ドーム状外装部は、その外表面を力覚センサの取り付け位置を通る縦軸線を回転軸としたときの回転体の表面となるようにするのが好ましい。こうした形状を有する外装部によれば、障害物がどの方向から衝突しても、力覚センサに対する力学的な状況を等しくすることができる。また、ドーム状外装部は、力覚センサが取り付けられる位置より下の位置に最大径部分を有しているので、最大径部分の高さ以上の高さを持つ障害物がドーム状外装部と衝突するときにはその最大径部分に衝突する。そのときの力覚センサの出力に基づいて、障害物が基準高さ（最大径部分に対応した高さ）以上の高さを持つ乗り越え不可能な障害物と判断することができる。

ドーム状外装部が最大径部分を有している上記の自律型ロボットにおいて、ドーム状外装部は最大径部分から下方に延びる窄み部を有することができる。障害物が窄み部に衝突するときには、最大径部分に衝突する場合と比較して力覚センサの出力の正負が異なるので、力覚センサの出力に基づいて障害物が基準高さ未満の高さを持つ乗り越え可能な障害物と判断することができる。この場合、ロボットの前進・後進でも力覚センサの出力の正負が異なるが、ロボットの前後進は駆動輪の制御において認識可能であるので、前後進と力覚センサの出力との組み合わせによって、障害物の高さが乗り越え可能か否かを判断することができる。

本発明による自律型ロボットは、ロボットの外装部全体がバンパーの働きを奏しており、障害物が外装部のどの部分に衝突しても力覚センサが反応し、走行面に平行な面内における任意の軸線まわりのモーメントを当該平面における直交２軸のまわりに分解して検出した各モーメントの比に基づいて衝突の方向を検出することによって、ロボットの前進後進に依ることなく衝突の方向を連続的に検知することができる。この特徴は、自律型ロボットにおいて連続的な接触方向の情報から細やかな制御を可能にするものであり、例えば障害物回避運動のための情報として非常に有効である。また、外装部の形状に工夫をすることにより、障害物の高さが閾値より上か下か判断できるようになっている。

以下、図面を参照してこの発明による自律型ロボットの実施の形態について説明する。図１は本発明による自律型ロボットの一実施例を示す外観図であり、図１（ａ）はその側面図であり、同（ｂ）は斜め上方から見た斜視図である。また、図２は図１に示す自律型ロボットの断面図である。

図１及び図２に示すように、自律型ロボット（以下、「ロボット」と略す）１は本体２と外装部３とからなり、その連結部としての支点１４に２自由度の力覚センサ４が設けられている。ここでは、ロボット１の座標系Ｗと力覚センサ４の座標系は同一とする。図１に示す座標系Ｗはロボットに拘束された基準座標系であるが、図２に示す座標系はその方向だけを示したものである。図示の実施例では、外装部２は直径３００ｍｍであり、ロボット１の全高さは１６０ｍｍとする。

力覚センサ４は、図２において、少なくとも走行面に平行なｘ−ｙ平面内の任意の軸線まわりのモーメントを検出できるセンサであり、具体的には、ｘ−ｙ平面内の任意の軸線まわりのモーメントを、ｘ−ｙ平面を定めるｘ軸及びｙ軸まわりのモーメントに分解して検出することができる。本体２は、シャーシ部５、駆動輪６、従動輪７、及び駆動用モータ（図示しない）を備えており、そのコントロールを行う自律行動のための制御装置（図示しない）を持つ。制御装置は、Ａ／Ｄコンバータ等を介して力覚センサ４の情報を読み取り、その情報に基づいて駆動用モータひいては駆動輪６の制御を行う。

外装部３は、全体として本体２を上部から覆うことができるドーム状外装部をしている。外装部３は、その外表面を力覚センサ４の取り付け位置を通る縦軸線（図２のＢ−Ｂ線）を回転軸としたときの回転体（球）の表面とされている。表面は、例えば、球面の一部８であり、窓９の部分を除いて滑らかな連続面とされている。外装部３は、本体２の全周を囲っているので、どの方向からの障害物の衝突も力覚センサ４によってモーメントの形で検出することができる。外装部３を横（ｘ−ｚ平面）から見ると、力覚センサ４が取り付けられる高さ（「基準高さ」）よりも下方の高さで最大径部分１０となっており、最大径部分１０よりも下方は断面で見て斜めにカットされた窄み部１１となっている。

図１（ａ）に示すように。窄み部１１の寸法（床からの高さ）は障害物を区別する高さの基準に基づいている。本発明においては、障害物をその背丈に応じて、第１高さＨ１（５５ｍｍ）以上の障害物を乗り越え不可能な高背丈障害物、第１高さＨ１未満で第２高さＨ２（３５ｍｍ）以上の障害物であって制御により乗り越え可能な中背丈障害物、第２高さＨ２未満の障害物であってセンシングするまでもなく乗り越え可能な低背丈障害物に区分している。これを基に、最大径部分１０の高さは床面から第１高さＨ１とされ、窄み部１１の底側の高さは床面から第２高さＨ２とされている。

力覚センサ４のレイアウトについては、以下の通りとする。即ち、ｘ−ｙ平面上の取り付けはロボット１の前半分と後半分の境界線、右半分と左半分の境界線の交点とする。力覚センサ４のｚ方向の取付けについては、モーメントを検出する中心が最大径部分１０の高さＨ１より上とする。このレイアウトにより、第１高さＨ１以上の高背丈障害物と、第１高さＨ１未満で且つ第２高さＨ２以上の中背丈障害物とについては、区別した上で衝突が起こった方向について知ることが可能であるが、詳細については後述する。

図３は、ロボットが第１高さＨ１以上の高背丈障害物と衝突した時の状況を示す図である。図３では、ロボットは断面図で示してある。ロボット１の進行方向を座標系Ｗに示すｘ軸方向とし、高背丈障害物３１に衝突したとする。障害物３１の高さは仮定より第１高さＨ１以上であり、ロボット１は、外装部３において床からの第１高さＨ１に位置する最大径部分１０上の端縁１０ａにおいて障害物３１に衝突する。外装部３は、衝突に際して障害物３１から水平方向の反力１２を受ける。反力１２は、衝突点（端縁１０ａ）と支点１４とを結ぶ方向の分力１３ａとそれに直交する方向の分力１３ｂとに分解され、分力１３ｂに基づいて力覚センサ４の可動軸の支点１４まわりにモーメント１６が生じる。モーメント１６は、衝突点と支点１４間のベクトル１５と反力１２の外積であって、力覚センサ４の高さが第１高さＨ１よりも高いために図で白抜きの矢印で示す方向のモーメントとして現れ、力覚センサ４がこれを検知する。ｙ軸は紙面の奥側に向かう方向であるので、モーメント１６はｙ軸まわりに正のモーメント（図示の例では、頭下げの方向のモーメント）になる。障害物３１がロボット１の後方から衝突した場合は負のモーメントになるが、制御上ロボット１が前進していたか後退していたかは区別できるので、それも含めて判断することにより衝突の方向を一意に検出することができる。

図４は、図１及び図２に示す自律型ロボットが高さ第１高さＨ１未満で第２高さＨ２以上の障害物と衝突したときの状態を示す図である。図３に示す場合と同様、ロボット１の進行方向を座標系Ｗに示すｘ軸方向とし、第１高さＨ１未満で第２高さＨ２以上の中背丈障害物３２に衝突したとする。この場合、障害物３２の高さからすれば、ロボット１は障害物３２に対して窄み部１１の逆円錐上の点１１ａで衝突する。ロボット１の外装部３が障害物３２から受ける反力２２は、ロボット１が前進することに対する反力としての水平方向成分２０と、窄み部１１が障害物３２に乗り上げることにより発生するロボット１の自重による反力としての垂直方向成分２１（上向き）との合力である。反力２２は窄み部１１上の衝突点１１ａと支点１４とを結ぶベクトル２５の方向の分力２３ａとそれに直交する方向の分力２３ｂとに分解され、分力２３ｂに基づいて力覚センサ４の可動軸の支点１４まわりにモーメント２６が生じる。力覚センサ４まわりのモーメント２６は、反力２３ｂとベクトル２５の外積であり、ロボット１の重量が十分である場合、図で白抜きの矢印で示す方向のモーメントとして現れ、力覚センサ４がこれを検知する。モーメント２２は、ｙ軸まわりに負のモーメント（頭上げ）になる。図３に示す場合と同様、ロボット１の後方から衝突した場合はモーメントの方向は逆になるが、制御上ロボット１が後退していたか前進していたかは区別できるので、衝突の方向を一意に検出することができる。

衝突の方向については、ｘ軸まわり・ｙ軸まわりのモーメントの大きさの比で決定する。図５は、前進中のロボット１が高背丈障害物３１に衝突した様子を示す図であって、ｙ軸まわりのモーメントが正だった場合（図３で示す場合と同様）である。一般的に、ｘ軸まわりのモーメント１７をｘｍとし、ｙ軸まわりのモーメント１６をｙｍとすると、この場合、衝突の方向θは次の計算式で求められる。
θ＝ａｒｃｔａｎ（ｙｍ／ｘｍ）
結果として、ｙ軸まわりのモーメント（図３に示すモーメント１６）が正だったことから、「θ方向に乗り越えられない障害物あり」という情報を得たことになる。なお、図５に示す例では、符号３５，３６は、それぞれ外装部３の頂点Ａが受ける力のｘ成分、ｙ成分であり、また、ｘ軸まわりのモーメント１７は左倒れのモーメントであるので、負のモーメントである。

図６は、前進中の衝突の様子を示す図であって、ｙ軸周りのモーメントが負だった場合の図である。一般的に、ｘ軸周りのモーメント２７をｘｍ、ｙ軸周りのモーメント２６をｙｍとすると、この場合、衝突の方向θは次の計算式で求められる。
θ＝ａｒｃｔａｎ（ｙｍ／ｘｍ）＋π
結果として、ｙ軸まわりのモーメント（図４に示すモーメント２６）が負だったことを含めて、「θ方向に乗り越え可能な障害物あり」という情報を得たことになる。なお、図６に示す例では、符号３７，３８は、それぞれ外装部３の頂点Ａが受ける力のｙ成分、ｘ成分であり、また、ｘ軸まわりのモーメント２７は右倒れのモーメントであるので、正のモーメントである。

表１は、進行方向とｙ軸周りのモーメントの正負をパラメータとした衝突状態を示す表である。ロボットが前進中において衝突したことによるｙ軸まわりのモーメントが正の場合及び負の場合は、上記したとおりである。後退中において衝突したときは、前進中に衝突したときと逆になり、衝突したことによるｙ軸まわりのモーメントが正の場合には、窄み部１１で障害物に衝突したことを示しており、障害物は乗り越え可能な障害物であることが判る。障害物の存在方向は、ｘ軸まわりのモーメントとの比の逆三角関数からπを補正して求められる。また、後退中において衝突したことによるｙ軸まわりのモーメントが負の場合には、外装部３の最大径部分１０で障害物に衝突したことを示しており、障害物は乗り越え不可能な障害物であることが判る。障害物の存在方向は、ｘ軸まわりのモーメントとの比の逆三角関数から求めることができる。

以上、説明したように、外装部３は球面のような回転体表面の一部の形状を有するので、障害物がどの方向から衝突しても力覚センサ４に対する力学的な状況を等しくすることができる。また、ドーム状の外装部３は、力覚センサ４が取り付けられる位置より下の位置に最大径部分１０を有しているので、最大径部分１０の高さ以上の高さを持つ障害物（高背丈障害物）３１が外装部３と衝突するときにはその最大径部分１０に衝突する。そのときの力覚センサ４の出力に基づいて、障害物が基準高さ（最大径部分に対応した高さ）以上の高さを持つ乗り越え不可能な障害物と判断することができる。

（ａ）はその側面図であり、（ｂ）は斜め上方から見た斜視図。図１に示す自律型ロボットの断面図。図１及び図２に示す自律型ロボットが第１高さ以上の高背丈障害物と衝突した時の状況を示す図。図１及び図２に示す自律型ロボットが高さ第１高さ未満で第２高さ以上の障害物と衝突したときの状態を示す図。前進中のロボットが障害物に衝突した様子を示し、ｙ軸まわりのモーメントが正だった場合の図である前進中のロボットが障害物に衝突した様子を示し、ｙ軸まわりのモーメントが負だった場合の図である。

符号の説明

１自律型ロボット
２本体
３外装部
４力覚センサ
５シャーシ部
６駆動輪
７従動輪
８球表面
９窓
１０最大径部分
１０ａ衝突点
１１窄み部
１１ａ衝突点
１２反力
１３ａ，１３ｂ分力
１４支点
１５ベクトル
１６ｙ軸まわりのモーメント
２０，２１反力
２２合力
２３ａ，２３ｂ分力
２５ベクトル
２６ｙ軸まわりのモーメント
３１高背丈障害物
３２中背丈障害物
Ｈ１高背丈障害物の第１高さ
Ｈ２中背丈障害物の第２高さ

Claims

駆動走行可能な本体と、前記本体に対して前記本体の全周囲に延び且つ力覚センサを介して取り付けられた外装部とを備え、前記力覚センサの出力に基づいて前記外装部の障害物との衝突を検知することから成る自律型ロボットであって、
前記力覚センサは前記障害物との衝突に基づく走行面に平行な面内における任意の軸線まわりのモーメントを当該平面における直交２軸のまわりのモーメントに分けて検出可能な２自由度以上の自由度を持つセンサであり、前記直交２軸のまわりの各モーメントの比に基づいて前記衝突の方向を検知することから成る自律型ロボット。
前記外装部は、前記本体を覆い且つ前記力覚センサの取り付け位置を通る縦軸線を回転軸としたときの回転体の表面である外表面を備え前記力覚センサが取り付けられる位置より下の位置に最大径部分を有するドーム状外装部であり、前記障害物が前記最大径部分に衝突するときの前記力覚センサの出力に基づいて前記障害物が基準高さ以上の高さを持つ乗り越え不可能な障害物であると判断することから成る請求項１に記載の自律型ロボット。
前記外装部は前記最大径部分から下方に延びる窄み部を有しており、前記障害物が前記窄み部に衝突するときの前記力覚センサの出力に基づいて前記障害物が前記基準高さ未満の高さを持つ乗り越え可能な障害物であると判断することから成る請求項２に記載の自律型ロボット。