JP4319618B2

JP4319618B2 - 移動ロボット装置

Info

Publication number: JP4319618B2
Application number: JP2004378817A
Authority: JP
Inventors: 広和佐藤; 文夫尾崎; 英昭橋本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2024-12-28
Also published as: JP2006185240A

Description

本発明は、自律的に移動する移動ロボット装置に関する。

家庭やオフィス、公共施設などでは、作業の代替・エンターテイメント・セキュリティなど様々な目的でロボットの実用化が強く望まれている。そのようなロボットでは自律移動機能が必須となるが、自身の移動経路を決めていく際にはロボット自身の位置を正確に検出する必要がある。

自己位置を検出・補正する一つの方法として、移動環境内に予め設置したマーカ標識を検出し、マーカと自身との相対位置計測を行うことによって自己位置を補正・校正する方法が知られている（例えば、特許文献１）。マーカには、灯台のように位置だけを示す点情報マーカだけでなく、バーコードなどにより識別子や配置情報などを組み込んだ２次元的なマーカも最近出てきている。

従来、マーカは単に自己位置補正用として用いられ、マーカを検出・認識する位置も予め定められており固定したものだった。
特開平９−１２８０４１号公報

従来、移動環境内に配置したマーカの検出・認識位置は、ロボットの視覚情報入力機器であるカメラと、マーカの相対位置関係から、マーカの認識性が良いと思われる位置に、人間がマーカ毎に手動で設定していた。この手法だと、マーカ敷設の多い場所や、家庭などのように個々の部屋に応じて設定することは、大変な労力を必要とする。

また、同じ移動環境の中に複数台の移動ロボットがある場合、各ロボットのカメラ高さが違えば、マーカの見え方も異なり、従ってマーカ検出・認識位置はロボット毎に別々の設定が必要となる。

さらに、自己位置誤差の大きさに応じて、マーカ検出・認識位置を自動的に変更・更新出来ないため、生成された移動目標経路には無駄な経路が含まれる場合が多く、時間とエネルギーの浪費に繋がっていた。

本発明は、マーカの指向特性という概念を導入することによって、目標地点へ到達するまでの途中の移動地点を自動的・動的にロボット自身が決定することができる移動ロボット装置を提供するものである。

本発明は、互いに他と識別可能に配置された複数のマーカを画像検出しながら移動する移動ロボット装置であって、移動可能な領域の地図情報と、前記各マーカの前記地図情報上の位置を示すマーカ配置情報と、前記各マーカそれぞれの指向の特性を示す指向特性情報とを記憶する記憶手段と、目標地点を入力する入力手段と、前記目標地点へ移動するための中間地点である第１の移動地点に移動させる移動手段と、前記移動手段によって移動した位置で、前記記憶手段に記憶される地図情報及び指向特性情報を参照し、現在の自己の位置を示す現在位置情報を取得する取得手段と、前記記憶手段に記憶される地図情報と、該地図情報上の前記移動地点が示す位置と、前記取得手段にて取得した現在位置情報とに基づいて、前記移動手段による移動による誤差を算出する算出手段と、前記記憶手段に記憶される地図情報、マーカ配置情報、及び、指向特性情報と、前記入力手段で入力された目標地点と、前記取得手段にて取得された現在位置情報と、前記算出された誤差とに基づいて、第２の移動地点を決定する決定手段とを備え、前記決定手段は、前記第２の移動地点を前記目標地点とするか否かについて、繰り返し決定することを特徴とする。

本発明によれば、ロボット装置で生成される経路を意識することなく、ユーザは、２次元マーカを配置することができる。また、ロボット装置は、そのようにして配置された２次元マーカの指向特性を利用して経路生成するから、自律的に効率よく移動することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

本実施の形態のロボット装置は、人間と類似した形状であって、外界の状態や内部の状態、等に応じて、自律的に行動を決定する、即ち自律型のロボット装置を想定している。図1は、本実施の形態のロボット装置の外観を示しており、（ａ）は正面から見た図であり、（ｂ）が側面から見た図である。図１中、１は首を含む顔部、２は胴部、３はアーム部、４は移動部を示している。

顔部１は、音声を出力するスピーカ１１を含む口部５と、音声を入力するマイク１２を含む２つの耳部６と、外部の映像を入力するカメラ１３を含む２つの目部７とを備えている。アーム部３は、手や、幾つかの関節を備え、人間の型、腕、手に相当する動きを行うものである。移動部４は、タイヤ８を４つ備えており、ロボット装置が移動する床面に対し、ロボット装置（の全体）を直進・後退したり左右へ移動（カーブ）をおこなったりするもので、人間の足に相当する。胴部２は、ロボット装置の中心的な部位であり、顔部１（の首）、アーム部３、移動部４とそれぞれ回転機構を介して接続されており、また、胴部２の内部には、ロボット装置の動作や情報処理などの制御全般を行うロボットシステム１０が内蔵されている。

図２は、ロボットシステム１０のシステム構成を示している。

ロボットシステム１０は、ロボット装置自身の動作や処理を決定するためのシステム制御部２１と、システム制御部２１で動作や処理を決定するための情報（以下、制御入力情報と称す）を入力したり、全体制御部２１で決定された動作や処理の指示情報（以下、制御出力情報と称す）を受けて実行するための各種サブシステム２２・・・２７とに大別される。

音声処理サブシステム２２は、Ａ／Ｄ変換やＤ／Ａ変換、音声認識、音声合成などの音声処理全般を行うものであって、マイク１１を介して入力された外界の音声のうち、システム制御部２１で必要とされる制御入力情報をシステム制御部２１へ供給したり、システム制御部２１や音声処理サブシステム２２の内部で生成したロボット装置が外界へ発する言葉、等をスピーカ１２を介して音声出力するための処理を行ったりするものである。また、音声処理サブシステム２２は、例えば、入力した音声認識が上手く出来なかった時に、システム制御部２１を介すことなく、音声合成を介して聞き返すといった音声出力を自動的に行う（音声処理サブシステム２２の内部で閉じて処理される）ような処理を含んでいても良い。

画像処理サブシステム２３は、カメラ１３から入力された画像を画像認識し、画像認識された情報のうちシステム制御部２１で必要とされる制御入力情報を全体制御部２１へ供給するものである。また、画像処理サブシステム２３は、二つのカメラ１３を用いた三角測量法による撮像対象物の距離測定を行なう処理を含む。

アームサブシステム２４は、システム制御部２１から制御出力情報を受け取って、アーム部３の各関節の物理駆動量を決定しアーム部３を動作させるものである。胴回転サブシステム２５は、システム制御部２１から制御出力情報を受け取って、移動部４に対する胴部２の物理回転量を決定し胴部２を回転動作させるものである。首回転サブシステム２６は、システム制御部２１から制御出力情報を受け取って、胴部２に対する顔部１（の首）の物理回転駆動量を決定し、顔部１（の首）を回転動作させるものである。移動サブシステム２７は、システム制御部２１から制御出力情報を受け取って、各タイヤ８の回転数を決定（直進の場合は単一に決定しても良い）し、各タイヤ８を回転動作させるものである。

システム制御部２１は、ロボット自身の動作や処理を決定するものであり、外界の状態や内部の状態（例えば、バッテリー残量、等）を制御入力情報として受け取って、例えば、予め定めたルールなどに従って一以上の動作や処理を決定し、それら動作や処理が可能な一以上のサブシステムへ制御出力情報を出力する。なお、処理、例えば計算処理などの静的な処理は、サブシステムへさせることなくシステム制御部２１で処理するようにしても良いことは勿論である。

移動用情報記憶部２８は、少なくともシステム制御部２１、画像処理サブシステム２２、および、移動サブシステム２７から参照可能なように接続されており、ロボット装置の移動に係る制御の際に用いる移動環境地図情報、マーカ配置情報、および、マーカ特性情報を記憶する（詳細には後述する）。

なお、本実施の形態のロボット装置は、上記のサブシステム２２〜２７を備えるようにしたが、これらに限らず他に、無線機能、表示機能などが必要なロボット装置を提供する場合には、無線通信処理を行う無線サブシステムや、別途取り付けた表示装置に対し、表示制御を行う表示サブシステム、等を備えるようにすればよいことは勿論である。

次に、移動用情報記憶部２８に記憶される各情報について順に説明する。まず、移動環境地図情報３１について、説明する。

ロボット装置が移動する移動環境内（例えば、特定の室内）には、一般に移動できる領域（障害物のない領域）と移動できない領域（障害物のある近辺を含む領域）とを含んでいる。移動環境地図情報は、ロボット装置がこのような移動環境内の正確な物理位置を把握するためのものであり、ロボット装置の移動面（床面）の実測値をグリッド化したものである。

ここで移動環境地図情報の一例を図３に示す。この例では、移動環境範囲は実線のｘ−ｙ軸上の矩形領域の内部であり、この矩形領域の内部は、ｘ軸およびｙ軸上に３０ｃｍごとに区切られた、ｘ軸３００ｃｍ、ｙ軸４２０ｃｍの部屋３１を想定している。

また、矩形線上はＺ軸方向に壁があり、塗りつぶし部分は、柱やゴミ箱などの短期的には移動しない障害物３２を想定している。つまり、ロボット装置は、障害物を除く部屋内は自由に移動することができる。

このような移動環境地図情報３１のもと、ロボット装置は自己の現在の位置をｘ−ｙ座標として表し、また移動先の目標地点もｘ−ｙ座標で把握できる。なお、移動環境地図情報３１は、一般には、図３のようなイメージをそのまま記憶しておくものではなく、一般には部屋の形状や、障害物、各グリッドの交点などの座標値をデジタルデータとしたものを記憶している。

次に、移動用情報記憶部２８に記憶されるマーカ配置情報について説明する。

本実施の形態のロボット装置は、環境内に複数の互いに異なる２次元マーカ３３を配置し、これら２次元マーカを利用して移動を行うものを想定している。２次元マーカとは、平面形状に図柄・模様などが描かれ、互いのマーカ同士は視覚により識別できるものである。２次元マーカの一例を図４に示す。これら２次元マーカは、ロボット装置の移動環境内に、ロボット装置のカメラから容易に撮像できるように、ロボット装置が移動する床面に垂直な壁の上部または、天井などに貼り付けられる。これら２次元マーカの配置は、ロボット装置を利用するユーザが予め配置する。マーカ配置情報とは、これら２次元マーカの何れが、何れの位置に配置されているか（貼られているか）を示す情報であり、２次元マーカの識別子と、先に説明した移動環境地図情報のｘ−ｙ座標および高さ方向のＺ座標とを対応付けて備えている。マーカ配置情報の一例を図５に示す。

次に、移動用情報記憶部２８に記憶される、マーカ特性情報について説明する。

図６は、２次元マーカ３４が、その見る方向によってどう変化するか示した図である。横から２次元マーカを見たときはマーカ横歪みが大きく、下から望んだときは上下方向が歪む。２次元マーカ３４自身、及びマーカ内のコードを正確に認識するためには、２次元マーカ３４は、入力画像中で適度な大きさで、かつ縦横歪みが小さいことが要求される。そのために、ロボット装置のカメラ１３が、２次元マーカ３４を正確に認識するため、２次元マーカ３４が認識し易いような、適切な範囲内にあることが重要となる。

図７は、２次元マーカ３４を正確に認識できる範囲を示したマーカ指向特性を模式的に示した図であり、（ａ）は２次元マーカを正面方向から見た時の図、（ｂ）は２次元マーカを側面方向から見た時の図を示している。

２次元マーカ３４の２次元の面に対しては、３次元の上では、その２次元の面の中心に対し垂直な線方向が最も指向特性が良く、その線から角度が離れた線方向ほど指向特性が悪くなる。また、同一線上では、２次元の面全体が見える程度の距離が最も指向特性が高く、２次元の面から離れるほど指向特性が悪くなる。ある２次元マーカに対し、これらの指向特性を考慮し、一定以上の指向特性を有した３次元上の空間領域を、ここでは３次元特性空間３５と呼んでいる。

この３次元特性空間３５内であれば２次元マーカは認識できるが、この空間３５の周辺部（２次元マーカからより離れた部位）ほどマーカ認識の精度が低く、空間の中心部ほどマーカ認識の精度が高くなる。もし、２次元マーカの認識精度を高めて（後述する）２次元マーカの検出を行う必要がある場合、例えばその２次元マーカの持つ情報が重要である場合、ロボットは２次元マーカの指向特性の中心位置まで移動し２次元マーカの検出を行うような、移動経路を生成する必要がある。

また、ロボット装置が、２次元マーカを用いて、（後述する）自己位置同定や誤差補正を行う場合にも、ロボット装置（のカメラ１３）自身と２次元マーカとの相対位置の測定を行うが、この際にも相対位置の測定の精度は、一般に２次元マーカとの距離が近いほど良好である。従って、自己位置同定の精度も２次元マーカとカメラ１３との相対位置関係に応じて変化し、その特性は２次元マーカに近い位置ほど高い精度が得られる。

以上説明した２次元マーカの認識精度や、マーカによる自己位置同定の精度には共通した特性が存在し、この特性を本実施の形態では３次元マーカ特性と呼ぶ。

ところで、多くの移動ロボット装置は、２次元平面上を移動しているから、ロボット装置にとって必要なマーカ指向特性は２次元情報で十分な場合が多い。従って、各２次元マーカ３４の３次元マーカ特性と、ロボットのカメラの高さ平面との交差２次平面を、該当ロボットに対する各２次元マーカ３４のマーカ指向特性とすることができ、これをここでは２次元マーカ特性３６と呼ぶ。そして、各２次元マーカそれぞれに対し、マーカ識別子と、該マーカの正面図（形状）と、先に説明した２次元マーカ指向特性３６とを対応付けたマーカ特性情報として、移動用情報記憶部２８に記憶しておく。なお、マーカ指向特性を複数の小さな格子状の領域に分割し、各格子にマーカ指向特性の程度を持たせると、実装上扱いやすい。２次元マーカ特性３６の一例（ａ）と、その実装上のデータの一例（ｂ）を図８に示す。

次に、図９を用い、上記で説明してきた本実施の形態のロボット装置における移動動作に係るフローチャートを説明する。

本実施の形態の移動方法は、移動環境地図情報上の移動目標の位置情報と、該移動目標へ移動した後に、マーカを確認することによって得られる移動環境地図情報上の実際の位置情報と、これらの位置の差から得られる位置誤差情報とに基づき、次に移動する移動環境地図上の移動目標の位置情報を決定することを繰り返し実行することによって、最終目標点へ到達する。

まず、システム制御部２１は、移動先の目標地点（ゴール）の指定を受ける（Ｓ１０１）。この指定の受け方は、例えば、ユーザから目標地点を音声により入力し目標地点の指定を受けることとすればよい。なお、他に、例えばユーザが移動先の目標地点に立って画像認識させて目標位置を測定して目標地点の指定を受けるようにしても良いし、移動環境地図情報から表示化された地図情報に対して直接キーボードやタッチパネルなどで移動先の目標地点の指定を受けるようにしても良い。

次に、ロボットは、現在の自己位置を取得する（Ｓ１０２）。この自己位置の確認は、ここでは、説明を簡略化するために、環境地図上の所定地点をスタート地点とし決定しておき、本処理動作を開始する前には、ロボットを所定地点に配置してあるものとする。つまり、環境地図上のスタート地点を自己の現在位置とし、これにより、スタート地点を取得するようにすればよい。また、スタート時以外は、２次元マーカを測定し、移動環境地図情報による環境地図上の自己の位置を同定することによって取得する。

次に、移動環境地図情報、現在の地点（スタート地点）、目標地点（ゴール）、各マーカのマーカ配置情報、及び、誤差量（初期は０）を参照し、所定のルールに基づいて次に移動する移動先（サブゴール）を決定する（Ｓ１０３）。この決定の方法（ルール）の例としては、例えば、逐次最も近い２次元マーカを経由するや、更に経由する２次元マーカのマーカ指向特性の周辺部を経由し、最短経路で移動するなどがある。これらの組み合わせたルールに基づいた経路例を図１０に示している。

また、決定の方法（ルール）の別の例としては、例えば、移動による誤差を十分補正することにより、誤差の累積を小さくし、一度で移動できる距離（マーカから別のマーカを利用するまでに移動する距離）を大きくする等もある。この例を示したものが図１１であって、ロボット装置の最初の移動地点をマーカ指向特性の高い位置とすることにより、自己の位置誤差を十分補正できる。つまり、潜在的な誤差が小さいので、次にかなり長い距離を移動できるようになる。そこで、次に近いマーカの指向特性内を目標とすることなく、直接目標地点へ移動できるようになることを示している。なお、次に移動する移動先の決定方法にかかるルールはこれに限るものではない。

フローチャートの説明に戻る。システム制御部２１は、決定した移動先までの経路を生成する（Ｓ１０４）。その生成した経路に従って移動先へ移動する旨を移動サブシステムへ指示を行う（Ｓ１０５）。

そして、システム制御部２１は、移動が終了すると移動サブシステムから移動が終了した旨の通知を受け取る（Ｓ１０６）。

ここで、移動先がゴールであれば処理を終了し、そうでなければ以下の処理を続ける（Ｓ１０７）。

システム制御部２１は、マーカを確認するために、環境地図、移動先（サブゴール）の位置（目標位置）、移動先から見るマーカのマーカ配置情報に基づいて、そのマーカを検出し、マーカに対するロボット（カメラ）の相対位置を、例えばよく知られる三角測量法により測定し、相対位置情報を得る旨の指示を画像処理サブシステムへ通知する（Ｓ１０８）。

システム制御部は、画像処理サブシステムから相対位置情報を得て、この相対位置情報と、移動用情報記憶部２８からのマーカ配置情報と、移動環境地図情報とから現在の自己の実位置を求める（自己位置同定）（Ｓ１０９）。

求めた自己位置と目標であった移動先の位置とから、実際の移動において生じた誤差量を求める（Ｓ１１０）。その後ステップＳ１０３へ戻る。なお、自己位置同定によって得られた現在の地点と求めた誤差量とは、ステップ１０３にて次の移動先を決定する際に利用される。

以上説明した本実施の形態によれば、２次元マーカの形態が決まれば、３次元マーカ特性が決まり、ロボット装置の視点高さ（カメラの高さ位置）が決まればマーカ特性情報も自動的に生成することが出来る。従って、マーカ特性情報をロボット装置の移動用情報記憶部に記憶しておけば、ロボット装置自身を手作業によりマーカ検出・認識位置に逐次配置しなくても、地図情報より自動的に決めることが可能となる。

本実施の形態のロボット装置の外観を示す図。本実施の形態のロボットシステム１０のシステム構成図。本実施の形態に係る移動環境地図情報の一例。本実施の形態に係る２次元マーカの一例。本実施の形態に係るマーカ配置情報の一例。２次元マーカ３４が、その見る方向によってどう変化するか示した図。マーカ指向特性を模式的に示した図。２次元マーカ特性の一例と、その実装上のデータ構成の一例。本実施の形態のロボット装置における移動動作に係るフローチャート。本実施の形態の経路例を示した図。本実施の形態の別の経路例を示した図。

符号の説明

１・・・顔部２・・・胴部３・・・アーム部４・・・移動部
５・・・口部６・・・耳部７・・・目部８・・・タイヤ
１０・・・ロボットシステム１１・・・スピーカ１２・・・マイク
１３・・・カメラ
２１・・・システム制御部２２・・・音声処理サブシステム
２３・・・画像処理サブシステム２４・・・アームサブシステム
２５・・・胴回転サブシステム２６・・・首回転サブシステム
２７・・・移動サブシステム２８・・・移動用情報記憶部
３１・・・部屋３２・・・障害物３４・・・２次元マーカ
３５・・・３次元特性空間３６・・・２次元特性空間

Claims

互いに他と識別可能に配置された複数のマーカを画像検出しながら移動する移動ロボット装置であって、
移動可能な領域の地図情報と、前記各マーカの前記地図情報上の位置を示すマーカ配置情報と、前記各マーカそれぞれの指向の特性を示す指向特性情報とを記憶する記憶手段と、
目標地点を入力する入力手段と、
前記目標地点へ移動するための中間地点である第１の移動地点に移動させる移動手段と、
前記移動手段によって移動した位置で、前記記憶手段に記憶される地図情報及び指向特性情報を参照し、現在の自己の位置を示す現在位置情報を取得する取得手段と、
前記記憶手段に記憶される地図情報と、該地図情報上の前記移動地点が示す位置と、前記取得手段にて取得した現在位置情報とに基づいて、前記移動手段による移動による誤差を算出する算出手段と、
前記記憶手段に記憶される地図情報、マーカ配置情報、及び、指向特性情報と、前記入力手段で入力された目標地点と、前記取得手段にて取得された現在位置情報と、前記算出された誤差とに基づいて、第２の移動地点を決定する決定手段とを備え、
前記決定手段は、前記第２の移動地点を前記目標地点とするか否かについて、繰り返し決定することを特徴とする移動ロボット装置。
前記決定手段は、前記誤差が所定値より小さい場合に、前記第２の移動地点を前記目標地点と決定することを特徴とする請求項１に記載の移動ロボット装置。