JP4940698B2 - 自律移動型ロボット - Google Patents

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Description

本発明は、特定人物に随伴して移動可能な自律移動型ロボットに関するものである。
近年、走行装置や歩行装置により自律的に移動して各種の作業を行うロボットの研究開発が盛んに行われており、その成果として各種の自律移動型ロボットが提案されている(例えば特許文献1、2参照)。
ここで、特許文献1には、特定の被案内者の歩行状態に応じて自律的に移動することで特定の被案内者を所定の案内先まで案内するロボットが提案されている。また、特許文献2には、移動開始地点から移動終了地点に至る複数の移動ルートから最適な移動ルートを決定して自律的に移動するロボットが提案されている。
特開2003−340764号公報 特開2004−98233号公報
ところで、特許文献1に記載された従来の自律移動型ロボットにおいては、特定の被案内者(特定人物)の歩行状態に応じて自律的に移動することはできても、特定人物の視野域と共通する視野域が得られる位置に自律的に移動することができないため、特定人物が得る視覚情報と共通する視覚情報を取得できない場合がある。特許文献2に記載された自律移動型ロボットにおいても同様の問題がある。
そこで、本発明は、特定人物に随伴して移動する際、特定人物の視野域と共通する視野域が得られる位置に自律的に移動することができる自律移動型ロボットを提供することを課題とする。
本発明に係る自律移動型ロボットは、特定人物を含む周辺状況を観測しつつその観測情報に基づき特定人物に随伴して移動可能な自律移動型ロボットにおいて、周辺状況を観測する観測手段と、特定人物の視線を観測可能な位置を視線観測位置として算出する視線観測位置算出手段と、視線観測位置算出手段により算出された視線観測位置に向けて自律移動型ロボットを移動させる視線観測位置移動手段と、視線観測位置移動手段により移動した視線観測位置にて特定人物の視線方向を検出する視線方向検出手段と、視線方向検出手段により検出された特定人物の視線方向に基づいて特定人物の視野域を推定する視野域推定手段と、視野域推定手段により推定された特定人物の視野域を観測手段により観測できる位置を視野域可視位置として算出する視野域可視位置算出手段と、視野域可視位置算出手段により算出された視野域可視位置に向けて自律移動型ロボットを移動させる視野域可視位置移動手段とを備えていることを特徴とする。
本発明に係る自律移動型ロボットでは、特定人物に随伴して移動する際、特定人物の視線を観測可能な位置を視線観測位置算出手段が視線観測位置として算出し、その視線観測位置に向けて視線観測位置移動手段が自律移動型ロボットを移動させる。その後、視線観測位置にて視線方向検出手段が特定人物の視線方向を検出し、その視線方向に基づいて視野域推定手段が特定人物の視野域を推定する。そして、推定された特定人物の視野域を観測手段により観測できる位置を視野域可視位置算出手段が視野域可視位置として算出し、その視野域可視位置に向けて視野域可視位置移動手段が自律移動型ロボットを移動させる。
この場合、視野域可視位置は、視野域推定手段により推定された特定人物の視野域と少なくとも一部が共通する視野域が得られる位置であることが好ましい。
また、観測手段が観測した観測情報から障害物を検出する障害物検出手段を更に備え、
視野域可視位置算出手段は、障害物の無い位置を視野域可視位置として算出することが好ましい。
本発明に係る自律移動型ロボットでは、特定人物に随伴して移動する際、特定人物の視線を観測可能な視線観測位置を視線観測位置算出手段が算出し、その視線観測位置に向けて視線観測位置移動手段が自律移動型ロボットを移動させる。その後、視線方向検出手段が特定人物の視線方向を検出し、視野域推定手段が特定人物の視野域を推定する。そして、推定された特定人物の視野域と共通する視野域が得られる視野域可視位置を視野域可視位置算出手段が算出し、その視野域可視位置に向けて視野域可視位置移動手段が自律移動型ロボットを移動させる。従って、本発明に係る自律移動型ロボットによれば、特定人物に随伴して移動する際、特定人物の視野域と共通する視野域が得られる位置に自律的に移動することができ、特定人物が得る視覚情報と共通する視覚情報を取得することが可能となる。
以下、図面を参照して本発明に係る自律移動型ロボットの実施形態を説明する。参照する図面において、図1は一実施形態に係る自律移動型ロボットとしてのモビルロボットおよびその主人としての特定人物を模式的に示す平面図、図2は図1に示したモビルロボットの構造を示す側面図、図3は図2に示した制御装置の構成を示すブロック図である。
一実施形態に係る自律移動型ロボットは、図1に示すように、主人としての特定人物Mに随伴して移動可能なモビルロボットRとして構成されている。このモビルロボットRは、特定人物Mの近傍において、特定人物Mおよびその周辺状況を観測しつつその観測情報に基づいて特定人物Mを先導し、あるいは特定人物Mに追従する。
図2に示すように、モビルロボットRは、走行装置1により移動可能なボディR1と、このボディR1に対して回転可能に接続されたヘッドR2とを備えており、ボディR1には、各種のメッセージを画像や文字により表示可能なディスプレイ2が設置されている。そして、このボディR1には、電源としてのバッテリ3、ヘッドR2を回転駆動するためのヘッド駆動モータ4の他、走行装置1、ディスプレイ2、ヘッド駆動モータ4などを制御するための制御装置5が内蔵されている。
一方、モビルロボットRのヘッドR2の顔面に相当する部分には、特定人物Mおよびその周辺に存在する障害物(他の人物や動物、構造物、設置物、車両等)などを含む視野域VR内の周辺状況をステレオ画像として観測するための左右一対のCCDカメラ(または赤外線カメラ)6A,6Bと、各種の音声メッセージを発声可能なスピーカ7とが設置されている。
図1および図2に示すように、走行装置1は、例えば、ホイールインモータ1A,1Bにより回転方向および回転速度が左右独立に制御される左右一対の駆動車輪1C,1Dと、360度の旋回が可能なキャスタ車輪1Eとを有する。
この走行装置1は、左右一対の駆動車輪1C,1Dが同方向に前転駆動または後転駆動されることでモビルロボットRを前進または後退させる。その際、左右一対の駆動車輪1C,1Dの回転速度が同速度であればモビルロボットRを直進させ、左右一対の駆動車輪1C,1Dの回転速度に差があれば駆動車輪1C,1Dのうち回転速度の遅い側にモビルロボットRを旋回させる。そして、この走行装置1は、左右一対の駆動車輪1C,1Dが同速度で相互に逆方向に回転駆動されると、モビルロボットRをその場で左右の何れかに回転させる。
ここで、制御装置5は、ECU(Electric Control Unit)等のマイクロコンピュータのハードウェアおよびソフトウェアを利用して構成されている。この制御装置5は、ホイールインモータ1A,1Bやヘッド駆動モータ4の駆動回路、ディスプレイ2、CCDカメラ6A,6B、スピーカ7等との間の入出力インターフェースI/OおよびA/Dコンバータの他、プログラムおよびデータを記憶したROM(ReadOnly Memory)、入力データ等を一時記憶するRAM(Random Access Memory)、プログラムを実行するCPU(CentralProcessing Unit)等をハードウェアとして備えている。
そして、この制御装置5には、図3に示すように、画像生成部5A、特定人物検出部5B、ヘッド駆動モータ制御部5C、障害物検出部5D、ホイールインモータ制御部5E、視線観測位置算出部5F、視線方向検出部5G、視野域推定部5H、視野域可視位置算出部5J、メッセージ出力部5Kがソフトウェアとして構成されている。
画像生成部5Aには、モビルロボットRの視野域VR(図1参照)内を撮影するCCDカメラ6A,6Bから左右の撮影データが所定時間毎に計測時刻情報と共に入力される。この画像生成部5Aは、所定時間毎に入力された左右の撮影データに基づいて各計測時刻におけるモビルロボットRの視野域VR内のステレオ画像を順次生成し、その画像データを計測時刻情報と共に特定人物検出部5B、障害物検出部5D、視線観測位置算出部5Fおよび視線方向検出部5Gへ所定時間毎に繰り返して出力する。
特定人物検出部5Bは、画像生成部5Aから所定時間毎に順次入力される画像データに基づいて撮影画像のエッジ処理を行い、予め記憶されている特定人物Mの輪郭モデルとのマッチング処理により特定人物Mを検出する。そして、この特定人物検出部5Bは、検出された特定人物Mのステレオ画像をステレオマッチング処理することにより、特定人物Mの3次元位置を三角測量の原理で所定時間毎に推測する。
ヘッド駆動モータ制御部5Cには、特定人物検出部5Bから特定人物Mの3次元位置データが所定時間毎に入力される。このヘッド駆動モータ制御部5Cは、入力された特定人物Mの3次元位置データに基づき、特定人物Mが画像中央に位置するようにヘッド駆動モータ4の回転を制御してモビルロボットRのヘッドR2を回転させる。
障害物検出部5Dは、画像生成部5Aから所定時間毎に順次入力された画像データに基づいて撮影画像のエッジ処理を行うことにより、撮影画像中に存在する障害物(モビルロボットRの走行の障害となる他の人物や動物、構造物、設置物、車両等)を検出する。そして、この障害物検出部5Dは、検出された障害物のステレオ画像をステレオマッチング処理することにより、障害物の3次元位置を三角測量の原理で所定時間毎に推測する。
ホイールインモータ制御部5Eには、特定人物検出部5Bから特定人物Mの3次元位置データが所定時間毎に入力されると共に、障害物検出部5Dから障害物の3次元位置データが所定時間毎に入力される。このホイールインモータ制御部5Eは、入力された特定人物Mおよび障害物の3次元位置データに基づき、モビルロボットRが特定人物Mの近傍において障害物を避けつつ特定人物Mを先導し、あるいは特定人物Mに追従するように、ホイールインモータ1A,1Bの回転を個別に制御して走行装置1の駆動車輪1C,1Dの回転方向および回転速度を個別に制御する。
視線観測位置算出部(本発明の視線観測位置算出手段)5Fは、画像生成部5Aから所定時間毎に順次入力される画像データに基づいて撮影画像のエッジ処理を行うことにより、その撮影画像中から特定人物Mの頭部の画像を抽出する。また、視線観測位置算出部5Fは、抽出した特定人物Mの頭部のステレオ画像から特定人物Mの顔面の向きを検出すると共に、特定人物Mの頭部のステレオ画像をステレオマッチング処理することにより、特定人物Mの頭部の3次元位置を三角測量の原理で算出する。そして、この視線観測位置算出部5Fは、算出した特定人物Mの頭部の3次元位置に基づき、特定人物Mの顔面をCCDカメラ6A,6Bにより撮影可能な位置を特定人物Mの視線を観測可能な視線観測位置として算出し、その算出位置の3次元位置データをホイールインモータ制御部5Eに出力する。
視線方向検出部(本発明の視線検出手段)5Gは、画像生成部5Aから所定時間毎に順次入力される画像データに基づいて撮影画像中から特定人物Mの両眼の画像を抽出し、その画像にエッジ処理を施すことで両眼の黒目の位置を検出する。そして、この視線方向検出部5Gは、検出した黒目の位置を予め記憶されている眼球モデルと比較することで特定人物Mの両眼の視線方向を検出し、その視線方向のベクトルデータを視野域推定部5Hへ出力する。
なお、視線方向検出部5Gは、画像生成部5Aから所定時間毎に順次入力される画像データに基づいて撮影画像中から特定人物Mの頭部の画像を抽出し、その画像処理により特定人物Mの頭部の中心位置および両眼の中間位置の3次元座標を算出すると共に、その頭部の中心位置を始点として両眼の中間位置へ向かう方向ベクトルを特定人物Mの視線方向として検出するように構成されていてもよい。
視野域推定部(本発明の視野域推定手段)5Hは、視線方向検出部5Gにより検出された特定人物Mの両眼の視線方向のベクトルデータに基づき、特定人物Mの視野域VM(図1および図4参照)を推定する。
視野域可視位置算出部(本発明の視野域可視位置算出手段)5Jには、視野域推定部5Hから特定人物Mの視野域の推定データが入力されると共に、障害物検出部5Dから障害物の3次元位置データが所定時間毎に入力される。この視野域可視位置算出部5Jは、入力された特定人物Mの視野域VMの推定データおよび障害物の3次元位置データに基づき、特定人物Mの視野域VMと共通する視野域がモビルロボットRの視野域VRとして得られる位置、すなわち、図4に示す特定人物Mの視野域VMをモビルロボットRがCCDカメラ6A,6Bにより撮影できる位置であって障害物の無い位置を視野域可視位置として算出する。そして、この視野域可視位置算出部5Jは、算出した視野域可視位置の3次元位置データをホイールインモータ制御部5Eに出力する。
メッセージ出力部5Kは、モビルロボットRの動作に伴う適宜のメッセージ、例えばモビルロボットRの移動方向の予告メッセージなどを生成し、その音声メッセージをスピーカ7に出力すると共に、その画像や文字のメッセージをディスプレイ2に出力する。
ここで、ホイールインモータ制御部5Eは、本発明の視線観測位置移動手段および視野域可視位置移動手段として機能する。すなわち、ホイールインモータ制御部5Eは、視線観測位置算出部5Fから視線観測位置の3次元位置データが入力されると、ホイールインモータ1A,1Bを適宜制御することにより、その視線観測位置に向けてモビルロボットRを移動させる。また、ホイールインモータ制御部5Eは、視野域可視位置算出部5Jから視野域可視位置の3次元位置データが入力されると、ホイールインモータ1A,1Bを適宜制御することにより、その視野域可視位置に向けてモビルロボットRを移動させる。
以下、図3に示した制御装置5を構成する画像生成部5A、障害物検出部5D、ホイールインモータ制御部5E、視線観測位置算出部5F、視線方向検出部5G、視野域推定部5Hおよび視野域可視位置算出部5Jによる処理手順を図5に示すフローチャートに沿って説明する。
まず、ステップS1では、モビルロボットRの視野域VR(図1参照)内を撮影するCCDカメラ6A,6Bから所定時間毎に計測時刻情報と共に入力される左右の撮影データに基づき、各計測時刻における特定人物Mを含む周辺状況のステレオ画像を画像生成部5Aが順次生成する。
つぎのステップS2では、画像生成部5Aから所定時間毎に順次入力される画像データに基づき、視線観測位置算出部5Fが特定人物Mの顔面の向きを検出する。そして、検出した特定人物Mの顔面の向きに応じ、特定人物Mの顔面をCCDカメラ6A,6Bにより撮影可能な位置を視線観測位置算出部5Fが特定人物Mの視線観測位置として算出する。
続くステップS3では、視線観測位置算出部5Fから入力される視線観測位置の3次元位置データに基づき、ホイールインモータ制御部5Eが走行装置1のホイールインモータ1A,1Bを適宜制御してモビルロボットRを視線観測位置に向けて移動させる。
つぎのステップS4では、モビルロボットRが視線観測位置への移動を完了したか否かが判定され、判定結果がNOであればステップS3に戻るが、判定結果がYESであれば続くステップS5へ進む。
ステップS5では、画像生成部5Aから所定時間毎に順次入力される画像データに基づき、視線検出部5Gが特定人物Mの両眼の黒目の位置を検出する。そして、検出した黒目の位置を予め記憶されている眼球モデルと比較することにより、視線検出部5Gが特定人物Mの両眼の視線方向を検出する。
続くステップS6では、視線検出部5Gから入力される視線方向のベクトルデータに基づき、視野域推定部5Hが特定人物Mの両眼の視野域Vmを推定する。
つぎのステップS7では、視野域推定部5Hにより推定された特定人物Mの両眼の視野域VMと共通する視野域がモビルロボットRの視野域VRとして得られる位置、すなわち、特定人物Mの視野域VMをモビルロボットRがCCDカメラ6A,6Bにより撮影できる視野域可視位置を視野域可視位置算出部5Jが算出する。
続くステップS8では、視野域可視位置算出部5Jから入力される視野域可視位置の3次元位置データに基づき、ホイールインモータ制御部5Eが走行装置1のホイールインモータ1A,1Bを適宜制御してモビルロボットRを図4の矢印に示すように視野域可視位置に向けて移動させる。
つぎのステップS9では、モビルロボットRが視野域可視位置への移動を完了したか否かが判定され、判定結果がNOであればステップS8に戻るが、判定結果がYESであれば一連の処理を終了する。
以上のように一実施形態の自律移動型ロボットとして構成されたモビルロボットR(図1、図2参照)は、特定人物Mを含む周辺状況をCCDカメラ6A,6Bにより撮影しつつ、その撮影画像のデータに基づき、制御装置5のホイールインモータ制御部5Eによりホイールインモータ1A,1Bを制御して走行装置1の左右一対の駆動車輪1C,1Dの回転方向および回転速度を左右独立に制御することにより、特定人物Mの近傍に随伴して障害物を避けつつ特定人物Mを先導し、あるいは特定人物Mに追従する。
その際、モビルロボットRが特定人物Mの視線を観測可能な視線観測位置を視線観測位置算出部5Fが算出し、その算出データに基づきホイールインモータ制御部5Eが走行装置1のホイールインモータ1A,1Bを制御してモビルロボットRを視線観測位置に向けて移動させる。その後、視線方向検出部5Gが特定人物Mの視線方向を検出し、視野域推定部5Hが特定人物Mの視野域を推定する。そして、推定された特定人物Mの視野域VMと共通する視野域が得られる視野域可視位置を視野域可視位置算出部5Jが算出し、その算出データに基づきホイールインモータ制御部5Eが走行装置1のホイールインモータ1A,1Bを制御してモビルロボットRを図4の矢印に示すように視野域可視位置に向けて移動させる。
従って、一実施形態の自律移動型ロボットとして構成されたモビルロボットRによれば、特定人物Mに随伴して移動する際、図4に示すように、特定人物Mの視野域VMと共通する視野域VRが得られる位置に自律的に移動することができ、特定人物Mが得る視覚情報と共通する視覚情報を取得することが可能となる。
本発明に係る自律移動型ロボットは、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、図2に示したモビルロボットRの走行装置1は、2足歩行が可能な歩行装置に変更することができる。
また、モビルロボットRのヘッドR2には、特定人物およびその周辺に存在する障害物までの距離やその表面の凹凸状態などを観測するためのミリ波レーダ(またはレーザレーダ)を設置してもよい。さらに、特定人物の周辺にいる他の人物や動物を観測するための赤外線センサ、特定人物の周辺の音を観測するための集音マイク、あるいは特定人物の周辺の温度を観測するための温度センサなどを設置してもよい。
本発明の一実施形態に係る自律移動型ロボットとしてのモビルロボットおよびその主人としての特定人物を模式的に示す平面図である。 図1に示したモビルロボットの構造を示す側面図である。 図2に示した制御装置の構成を示すブロック図である。 図1に示したモビルロボットの移動経路を示す平面図である。 図3に示した制御装置による処理手順の一部を示すフローチャートである。
符号の説明
1…走行装置、2…ディスプレイ、3…バッテリ、4…ヘッド駆動モータ、5…制御装置、5A…画像生成部、5B…特定人物検出部、5C…ヘッド駆動モータ制御部、5D…障害物検出部、5E…ホイールインモータ制御部、5F…視線観測位置算出部、5G…視線検出部、5H…視野域推定部、5J…視野域可視位置算出部、5K…メッセージ出力部、6A,6B…CCDカメラ、7…スピーカ、R…モビルロボット、M…特定人物、VM…特定人物の視野域、VR…モビルロボットの視野域。

Claims (3)

  1. 特定人物を含む周辺状況を観測しつつその観測情報に基づき特定人物に随伴して移動可能な自律移動型ロボットにおいて、
    周辺状況を観測する観測手段と、
    特定人物の視線を観測可能な位置を視線観測位置として算出する視線観測位置算出手段と、
    視線観測位置算出手段により算出された視線観測位置に向けて自律移動型ロボットを移動させる視線観測位置移動手段と、
    視線観測位置移動手段により移動した視線観測位置にて特定人物の視線方向を検出する視線方向検出手段と、
    視線方向検出手段により検出された特定人物の視線方向に基づいて特定人物の視野域を推定する視野域推定手段と、
    視野域推定手段により推定された特定人物の視野域を観測手段により観測できる位置を視野域可視位置として算出する視野域可視位置算出手段と、
    視野域可視位置算出手段により算出された視野域可視位置に向けて自律移動型ロボットを移動させる視野域可視位置移動手段とを備えていることを特徴とする自律移動型ロボット。
  2. 前記視野域可視位置は、前記視野域推定手段により推定された特定人物の視野域と少なくとも一部が共通する視野域が得られる位置であることを特徴とする請求項1に記載の自律移動型ロボット。
  3. 前記観測手段が観測した観測情報から障害物を検出する障害物検出手段を更に備え、
    前記視野域可視位置算出手段は、障害物の無い位置を前記視野域可視位置として算出することを特徴とする請求項1又は2に記載の自律移動型ロボット。
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