JP4565229B2

JP4565229B2 - ロボット

Info

Publication number: JP4565229B2
Application number: JP2007318887A
Authority: JP
Inventors: 信之大野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2027-12-10
Also published as: JP2009136992A; US20090149992A1; US8463437B2

Description

本発明は、自律的に移動するロボットに関する。

従来、台車等の物体の代表点の位置を目標位置軌道に追従させ、かつ、この物体の姿勢を目標方位軌道に追従させるようにこの物体を動かしながら移動するようにロボットの動作を制御する技術的手法が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００７−１６０４２８号公報

しかし、ロボットが物体を円滑に動かしながら移動するためには、物体を通路の壁等に接触させることなく動かすとともに、自らも通路の壁等との接触を回避しながら移動する必要がある。

そこで、本発明は、物体および自らが一定領域からはみ出さないように、この物体を動かしながら移動することができるロボットを提供することを課題とする。

第１発明のロボットは、基体と、当該基体から延設されている腕部と、当該腕部の先端に設けられているハンドと、制御装置とを備え、前記制御装置により行動計画にしたがって動作が制御されることにより、前記ハンドで物体を把持した状態で当該物体を動かしながら移動するロボットであって、前記制御装置が、前記ロボットの目標位置軌道および目標姿勢軌道を定義する前記行動計画に基づいて前記ロボットの未来における予測位置および予測方位を認識し、前記行動計画に基づき、前記物体に対する前記ロボットの相対的な位置および姿勢が一定範囲に収まるという条件下で前記物体の未来における予測位置および予測方位を認識し、かつ、通行領域を認識する第１処理要素と、前記第１処理要素による認識結果と、前記ロボットの空間的広がりと、前記物体の空間的広がりとに基づき、未来において前記物体および前記ロボットの全部が前記通行領域に収まっているという通行要件が満たされているか否かを判定する第２処理要素と、前記第２処理要素により前記通行要件が満たされていないと判定されたことを要件として、前記行動計画を補正する第３処理要素とを備えていることを特徴とする。

第１発明のロボットによれば、このロボットおよび物体が通行領域に収まっているという「通行要件」が満たされていない場合、この通行要件が満たされるようにロボットの行動計画が補正される。そして、ロボットが補正後の行動計画にしたがって物体を動かしながら移動することにより、物体および自らがこの通行領域からはみ出さないように、この物体を動かしながら移動することができる。

第２発明のロボットは、第１発明のロボットにおいて、前記第３処理要素が前記ロボットの移動方向が変更されるように前記ロボットの行動計画を補正することを特徴とする。

第２発明のロボットによれば、補正前の行動計画により定義されるロボットの移動方向が、補正後の行動計画により定義される移動方向に変更される。これにより、ロボットは物体および自らがこの通行領域からはみ出さないように、この物体を動かしながら移動することができる。

第３発明のロボットは、第２発明のロボットにおいて、前記第２処理要素が前記ロボットの移動方向の変更により前記通行要件が満たされるか否かを判定し、前記第３処理要素が前記第２処理要素により前記ロボットの移動方向の変更後も前記通行要件が満たされないと判定したことを要件として、前記ロボットの移動速度を低下させるように前記ロボットの行動計画を補正することを特徴とする。

第３発明のロボットによれば、移動方向を変化させるだけでは物体および自らがこの通行領域からはみ出さないように、この物体を動かしながら移動することが困難である場合、移動速度が低下される。ロボットは移動速度を低下させることにより、移動速度を低下させない場合よりも移動方向を大きく変更することができる。したがって、移動方向を比較的大きく変化させることにより物体およびこのロボットが通行領域からはみ出すことを防止することができる。

本発明のロボットの実施形態について図面を用いて説明する。

図１に示されているロボットＲは脚式移動ロボットであり、人間と同様に、基体１０と、基体１０の上方に配置された頭部１１と、基体１０の上部に上部両側から延設された左右の腕部１２と、左右の腕部１２のそれぞれの先端に設けられているハンド１３と、基体１０の下部から下方に延設された左右の脚部１４とを備えている。ロボットＲはその動作を制御する制御装置２０を備えている。

基体１０はヨー軸回りに相対的に回動しうるように上下に連結された上部および下部により構成されている。頭部１１は基体１０に対してヨー軸回りに回動する等、動くことができる。腕部１２は第１腕リンク１２２と、第２腕リンク１２４とを備えている。基体１０と第１腕リンク１２１とは肩関節１２１を介して連結され、第１腕リンク１２２と第２腕リンク１２４とは肘関節１２３を介して連結され、第２腕リンク１２４とハンド１３とは手根関節１２５を介して連結されている。肩関節１２１はロール、ピッチおよびヨー軸回りの回動自由度を有し、肘関節１２３はピッチ軸回りの回動自由度を有し、手根関節１２５はロール、ピッチ、ヨー軸回りの回動自由度を有している。手根関節１２５付近には６軸力センサ１０６が設けられている。脚部１４は第１脚リンク１４２と、第２脚リンク１４４と、足部１５とを備えている。基体１０と第１脚リンク１４２とは股関節１４１を介して連結され、第１脚リンク１４２と第２脚リンク１４４とは膝関節１４３を介して連結され、第２脚リンク１４４と足部１５とは足関節１４５を介して連結されている。股関節１４１はロール、ピッチおよびロール軸回りの回動自由度を有し、膝関節１４３はピッチ軸回りの回動自由度を有し、足関節１４５はロールおよびピッチ軸回りの回動自由度を有している。ハンド１３は、手掌部から延設され、人間の手の親指、人差指、中指、薬指および小指のそれぞれに相当する５つの指機構１３１〜１３５を備えている。第１指機構１３１と、横並びの４つの指機構１３２〜１３５とが対向して配置されている。

第１指機構１３１は人間の手の第１中手骨、親指の基節および末節に相当する３つのリンク部材と、当該３つのリンク部材を覆う弾性カバーとを備えている。３つのリンク部材は手掌部から順に人間の手の第１中手骨の基部側の関節、親指の中手指節関節および指節間関節のそれぞれに相当する関節を介して連結されている。第１指機構１３１は、手掌部に収納されたモータから、減速機構等により構成される動力伝達機構を介して伝達される力に応じて各関節において曲がりうる。モータから第１指機構１３１に伝達される動力は制御装置２０によって制御される。指機構１３２〜１３５は、たとえば特開２００３−１８１７８７号公報に記載されている指機構と同様の構成とされ、また、それぞれがほぼ同様の構成とされている。たとえば、第５指機構１３５は、人間の手の小指の基節、中節および末節のそれぞれに相当する３つのリンク部材と、当該３つのリンク部材を覆う弾性カバーとを備えている。３つのリンク部材は手掌部から順に人間の手の小指の中手指節関節、近位指節間関節および遠位指節間関節のそれぞれに相当する関節を介して連結されている。第５指機構１３５は、動力源としてのモータ（図示略）から、動力伝達機構を介して伝達される動力に応じて、各関節において内側に曲がることができる。モータから第５指機構１３５に伝達される動力は、第１指機構１３１と同様に制御装置２００によって制御される。なお、指機構１３１〜１３５のうち、複数の指機構が共通の一のモータによって駆動されてもよく、本実施形態における第１指機構１３１のように一の指機構が一のモータによって駆動されてもよい。また、動力伝達機構は、前掲の特開２００３−１８１７８７号公報に記載されているようにワイヤやプーリ等によって構成されてもよく、各指機構を屈伸運動させるようにモータの動力を伝達しうるあらゆる構成が採用されてもよい。

制御装置２０はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等によって構成され、内部状態センサ群１０１の出力信号と、外部状態センサ群１０２の出力信号とに基づき、記憶装置に格納されている「行動計画」にしたがってアクチュエータ１０００の動作を制御することによりロボットＲの行動を制御する。「内部状態」には固定座標系におけるロボットＲの重心等の代表点の位置、ロボットＲの移動方向の方位、股関節１４１や膝関節１４３等の各関節の角度等により定まる姿勢、および、ロボットＲがハンド１３を介して外部から受ける力等が含まれている。「内部状態センサ群」には、ロボットＲの位置を定義する緯度および経度を表わす信号を人工衛星から受信するＧＰＳ受信機、ロボットＲのＺ軸まわりの角速度に応じた信号を出力するヨーレートセンサ、ロボットＲのＸ方向等の加速度に応じた信号を出力する加速度センサ、各関節の角度に応じた信号を出力するロータリーエンコーダ、および、ハンド１３に外部から作用する力に応じた信号を出力する６軸力センサ等が含まれている。ロボットＲの「外部状態」には固定座標系またはロボット座標系における物体Ｗの代表点の位置、物体Ｗの姿勢、通路の壁等により画定されている通行領域等が含まれている。「外部状態センサ群」には、頭部１１に搭載され、ロボットＲの前方を撮像範囲とするＣＣＤカメラ、赤外線カメラ等、種々の周波数帯域における光を感知しうる左右一対の頭カメラＣ₁および基体１０の下部に搭載され、ロボットＲの前方下方に向けて発せられた近赤外レーザー光の物体による反射光を検知することによりこの物体の位置や方位等を測定するための腰カメラＣ₂等が含まれている（図１参照）。なお、制御装置２０はロボットＲの内部ネットワークを通じて接続された主制御ユニットおよび一または複数の副制御ユニットより構成される分散制御装置であってもよい。

制御装置２０は第１処理要素２１、第２処理要素２２および第３処理要素２３を備えている。第１処理要素２１は「行動計画」に基づいてロボットＲおよびロボットＲにより動かされる物体Ｗのそれぞれの未来における予測位置および予測方位を認識し、かつ「通行領域」を認識する。第２処理要素２２は第１処理要素２１による認識結果に基づき、未来において物体ＷおよびロボットＲの全部が通行領域に収まっているという「通行要件」が満たされているか否かを判定する。第３処理要素２３は第２処理要素２２により通行要件が満たされていないと判定されたことを要件として「行動計画」を補正する。

なお、本発明の構成要素が情報を「認識する」とは、当該構成要素が情報をデータベースから検索すること、メモリ等の記憶装置から情報を読み取ること、センサ等の出力信号に基づき情報を測定、算定、推定、判定すること、測定等された情報をメモリに格納すること等、当該情報をさらなる情報処理のために準備または用意するために必要なあらゆる情報処理を実行することを意味する。

前記構成のロボットＲの機能、具体的には、物体としての台車Ｗを動かしながら移動する機能について説明する。固定座標系におけるロボットＲの位置および方位は、ロボット座標系（Ｘ_R，Ｙ_R，Ｚ_R）の原点（たとえばロボットＲの重心）Ｐ_Rの位置および＋Ｘ_R方向の方位により定義される（図４参照）。基体１０の前方向、右方向および上方向のそれぞれが＋Ｘ_R方向、＋Ｙ_R方向および＋Ｚ_R方向のそれぞれとして定義されている。台車Ｗは上下方向の軸まわりに方向変換可能な複数の車輪ＷＲを備え、車輪ＷＲが床に接した状態で回転かつ方向変換することによって適宜方向変換しながら移動することができる。固定座標系における台車Ｗの位置および方位は、物体座標系（Ｘ_W，Ｙ_W，Ｚ_W）の原点（たとえばハンドルＨの水平部分の中心）Ｐ_Wの位置および＋Ｘ_W方向の方位（固定座標系の＋Ｘ方向に対してなす角度）により定義される（図４参照）。台車Ｗの長手方向についてハンドルＨが取り付け部分を後側として台車Ｗの前方向、右方向および上方向のそれぞれが＋Ｘ_W方向、＋Ｙ_W方向および＋Ｚ_W方向のそれぞれとして定義されている。なお、物体は台車Ｗのほか、トレイ等、ロボットＲが一方または両方のハンド１３により把持されて動かされうるあらゆる物体であってもよい。

まず、ロボットＲの実行計画のうちロボットＲの移動方向の変更履歴を表わすフラグｆ_amが「０」にリセットされる（図３／Ｓ００１）。第１処理要素２１によりロボットＲの「行動計画」が認識される（図３／Ｓ００２）。ロボットＲの行動計画により、図４に二点鎖線で示されているような、固定座標系におけるロボット座標系の原点Ｐ_Rの目標位置の時系列的な変化態様を表わす目標位置軌道と、ロボット座標系の＋Ｘ_R方向の目標方位の時系列的な変化態様を表わす目標方位軌道とが定義される。ロボットＲの移動計画は、制御装置２０により内部状態センサ１０１および外部状態センサ１０２のそれぞれの出力信号等に基づいて生成されてもよく、サーバ（図示略）により通路形状等を表わすマップデータに基づいて生成され、このサーバからロボットＲに対して配信されてもよい。

また、第１処理要素２１によりロボットＲの移動計画に基づいてロボットＲの未来における予測位置および予測方位が認識される（図３／Ｓ００４）。制御装置２０により、ロボットＲの位置が目標位置軌道に追従し、かつ、方位が目標方位軌道に追従するようにロボットＲの行動が制御される。したがって、ロボットＲの目標位置軌道により定まる未来の各時点におけるロボットＲの位置が「予測位置」として認識される。また、ロボットＲの目標方位軌道により定まる未来の各時点におけるロボットＲの方位が「予測方位」として認識される。これにより、たとえば図５（ａ）に示されているように変化するロボットＲの予測位置および予測方位が認識される。

さらに、第１処理要素２１により台車Ｗの予測位置および予測姿勢が認識される（図３／Ｓ００６）。ロボットＲが行動計画にしたがって図１に示されているように左右のハンド１３によりハンドルＨを把持した状態で、台車Ｗに対する相対的な位置および方位が一定範囲に収まるように台車Ｗを動かしながら移動する。したがって、ロボットＲの目標位置軌道により定まる未来の各時点におけるロボットＲの位置に対して定まる台車Ｗの位置がその「予測位置」として認識される。また、ロボットＲの目標方位軌道により定まる未来の各時点におけるロボットＲの方位に対して定まる台車Ｗの方位がその「予測方位」として認識される。これにより、たとえば図５（ａ）に示されているように変化する台車Ｗの予測位置および予測方位が認識される。

また、第１処理要素２１により「通行領域」が認識される（図３／Ｓ００８）。これにより、たとえば図５（ａ）に示されているように途中で屈曲した通路が通行領域として認識される。通行領域は固定座標系における緯度（Ｘ成分）および経度（Ｙ成分）により定義される座標群により画定される。通行領域はロボットＲの記憶装置から読み出されてもよく、サーバとの通信によりデータベースから検索されてもよい。

さらに、第２処理要素２２により、第１処理要素２１による認識結果に基づき、未来において台車ＷおよびロボットＲの全部が通行領域に収まっているという「通行要件」が満たされているか否かが判定される（図３／Ｓ０１０）。この判定に際して、ロボットＲの代表点Ｐ_Rを基準とした形状（空間的な広がり）および台車Ｗの代表点Ｐ_Wを基準とした形状（空間的な広がり）が認識される。通行要件が満足されていると判定された場合（図３／Ｓ０１０‥ＹＥＳ）、引き続き行動計画にしたがってロボットＲの行動が制御される。一方、通行要件が満足されていないと判定された場合（図３／Ｓ０１０‥ＮＯ）、第３処理要素２３によりロボットＲの実行計画のうちロボットＲの移動方向の変更履歴を表わすフラグｆ_amが０であるか否かが判定される（図３／Ｓ０１２）。たとえば図５（ａ）に示されているように未来において台車Ｗの一部が通行領域からはみ出ていると予測される場合、通行要件が満足されていないと判定される。

フラグｆ_amが０であると判定された場合（図３／Ｓ０１２‥ＹＥＳ）、第３処理要素２３によりロボットＲの移動方向が変更されるように実行計画が補正され（図３／Ｓ０１４）、フラグｆ_amを「１」に変更する（図３／Ｓ０１６）。その上で、移動方向が変更されるように補正されたロボットＲの行動計画が認識される（図３／Ｓ００２）。そして、制御装置２０により補正後の行動計画にしたがってロボットＲの行動が制御され、前記の一連の処理が繰り返される（図３／Ｓ００４等参照）。なお、ロボットＲの移動方向が複数回にわたって逐次変更される場合、当該変更回数が所定回数以上になったことを要件としてフラグｆ_amが０から１に変更されてもよい。

一方、フラグｆ_amが０ではなく１であると判定された場合（図３／Ｓ０１２‥ＮＯ）、第３処理要素２３によりロボットＲの移動速度が低下されるように実行計画が補正され（図３／Ｓ０１８）。その上で、フラグｆ_amが「０」にリセットされ（図３／Ｓ００１）、移動速度が低下されるように補正されたロボットＲの行動計画が認識される（図３／Ｓ００２）。そして、制御装置２０により補正後の行動計画にしたがってロボットＲの行動が制御され、前記の一連の処理が繰り返される（図３／Ｓ００４等参照）。

前記機能を発揮するロボットＲによれば、このロボットＲおよび台車（物体）Ｗが通行領域に収まっているという「通行要件」が満たされていない場合、この通行要件が満たされるようにロボットの行動計画が補正される（図３／Ｓ０１０，Ｓ０１４，Ｓ０１８参照）。具体的には、ロボットＲの移動方向が変更されるようにロボットＲの行動計画が補正され（図３／Ｓ０１４参照）、必要に応じてロボットＲの移動速度が低下されるようにロボットＲの行動計画がさらに補正される（図３／Ｓ０１８参照）。そして、ロボットＲが補正後の行動計画にしたがって台車Ｗを動かしながら移動することにより、台車ＷおよびロボットＲがこの通行領域からはみ出さないように、台車Ｗを動かしながら移動することができる。たとえば図５（ｂ）に破線で示されている行動計画が、実線で示されている行動計画（目標位置軌道および目標姿勢軌道）に補正されることにより、ロボットＲおよび台車Ｗが通行領域からはみ出ることが確実に防止される。特に、ロボットＲは移動速度を低下させることにより、移動速度を低下させない場合よりも移動方向を大きく変更することができる。したがって、移動方向を比較的大きく変化させることにより物体およびこのロボットＲが通行領域からはみ出すことを防止することができる。

本発明のロボットの構成説明図本発明のロボットの制御装置の構成説明図本発明のロボットの機能説明図ロボットおよび物体のそれぞれの位置および方位に関する説明図本発明のロボットの行動計画の補正方法に関する説明図

符号の説明

Ｒ‥ロボット、２０‥制御装置、２１‥第１処理要素、２２‥第２処理要素、２３‥第３処理要素、Ｗ‥台車（物体）

Claims

基体と、当該基体から延設されている腕部と、当該腕部の先端に設けられているハンドと、制御装置とを備え、前記制御装置により行動計画にしたがって動作が制御されることにより、前記ハンドで物体を把持した状態で当該物体を動かしながら移動するロボットであって、
前記制御装置が、
前記ロボットの目標位置軌道および目標姿勢軌道を定義する前記行動計画に基づいて前記ロボットの未来における予測位置および予測方位を認識し、前記行動計画に基づき、前記物体に対する前記ロボットの相対的な位置および姿勢が一定範囲に収まるという条件下で前記物体の未来における予測位置および予測方位を認識し、かつ、通行領域を認識する第１処理要素と、
前記第１処理要素による認識結果と、前記ロボットの空間的広がりと、前記物体の空間的広がりとに基づき、未来において前記物体および前記ロボットの全部が前記通行領域に収まっているという通行要件が満たされているか否かを判定する第２処理要素と、
前記第２処理要素により前記通行要件が満たされていないと判定されたことを要件として、前記行動計画を補正する第３処理要素とを備えていることを特徴とするロボット。
請求項１記載のロボットにおいて、
前記第３処理要素が前記ロボットの移動方向が変更されるように前記ロボットの行動計画を補正することを特徴とするロボット。
請求項２記載のロボットにおいて、
前記第２処理要素が前記ロボットの移動方向の変更により前記通行要件が満たされるか否かを判定し、
前記第３処理要素が前記第２処理要素により前記ロボットの移動方向の変更後も前記通行要件が満たされないと判定したことを要件として、前記ロボットの移動速度を低下させるように前記ロボットの行動計画を補正することを特徴とするロボット。