JP5358961B2

JP5358961B2 - 移動ロボット及びレーザレンジセンサの走査速度制御方法

Info

Publication number: JP5358961B2
Application number: JP2008015941A
Authority: JP
Inventors: 悠介熊坂; 豊高岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2028-01-28
Also published as: JP2009175066A

Description

本発明は、脚リンクや車輪等の移動機構と、外界認識のためのレーザレンジセンサを備える移動ロボットに関する。

脚歩行型や車輪走行型の移動ロボットが、移動経路、歩容等を自ら計画して自律移動を行なうためには、外界情報の認識が不可欠である。このため、レーザレンジセンサを移動ロボットに搭載することが行なわれている。レーザレンジセンサは、レーザ光を照射し、対象物による反射光を受光することによって対象物までの距離を計測可能なセンサである。レーザレンジセンサによるレーザ光の照射方向を走査することによって、広範囲にわたって距離情報を得ることができる。レンジセンサによって得られる距離データは、移動可能領域の検出、段差・障害物の検出、目的物の検出などの多様な目的に利用される。

レーザレンジセンサの計測分解能は、レーザ光の走査速度に依存する。すなわち、レーザ光の走査速度を大きくするほど広範囲を短時間で計測可能となるが、計測分解能は低下する。逆に、レーザ光の走査速度を小さくするほど広範囲の計測に時間を要することになるが、計測分解能は向上する。

ところで、特許文献１には、レーザ光を水平走査して、大気中の浮遊粒子の濃度分布を計測する装置が開示されている。特許文献１の装置は、計測分解能を略一定に保つために、遠距離の計測が必要な方角にレーザ光を照射する際にはレーザ光の走査速度を小さくし、近距離の計測を行う方角にレーザ光を照射する際にはレーザ光の走査速度を大きくする。

また、特許文献２には、航空機用の障害物探知装置が開示されている。この障害物探知装置は、航空機の航行速度に応じて、障害物探知用レーザの走査速度を変更する。具体的には、航空機の航行速度が大きいときにはレーザの走査速度を大きくし、いち早く障害物を検出できるようにする。

また、特許文献３には、自動車や航空機等の移動体に搭載して使用され、レーザ光を照射して障害物を検出する検出装置が開示されている。この検出装置は、レーザ光を目標領域内で走査することで目標領域内の障害物を検出するものであり、レーザ光の走査パターンを移動体の移動状態に応じて変化させることを特徴としている。具体的には、移動体の進行速度が大きくなるにつれて、進行方向の中心部分に偏ってレーザ光が走査されるように走査パターンを変更する。また、移動体の進行方向の変化する場合に、進行方向の変化方向（例えば右折時には右方向）に偏ってレーザ光が走査されるように走査パターンを変更する。また、障害物が検出された場合に、障害物の近傍に偏ってレーザ光が走査されるように走査パターンを変更する。
特開２００２−１９６０７５号公報特開平１１−２３７１１号公報特開２００６−２５８６０４号公報

移動ロボットが床面上を移動するためには、床面形状を正確に認識する必要がある。これは、車輪走行型の移動ロボットに比べて脚歩行型の移動ロボットの場合に顕著である。移動ロボットに外界を正確に認識させるためには、レーザレンジセンサによる高分解能の距離計測を常時行なうことが理想的である。しかしながら、高分解能の距離計測を行なうためにはレーザ光の走査速度を低下させる必要があるため、必然的に距離計測に要する時間が長くなってしまう。さらに、高分解能の距離計測を行なうと計測される距離データ量（距離データ点数）が増大する。このため、これらの距離データを用いた平面認識、段差認識、障害物認識などの外界認識処理に要する演算量及び演算時間も増大する。したがって、レーザレンジセンサによる高分解能の距離計測を常時行なうと、距離計測時間及び外界認識処理時間の増大によって、移動ロボットの移動速度が制約されるという問題がある。

さらに、特に脚歩行型の移動ロボットの場合には、歩行制御処理に大きな演算リソース（ＣＰＵ（Central Processing Unit）時間及びメモリ使用量等）を優先的に割り当てる必要がある。このため、移動ロボットが歩行中であるときには、距離データを用いた外界認識処理に必要な演算リソースは小さいほど望ましい。

つまり、移動ロボットが安定した移動を行なうためには、高分解能の距離計測に基づく正確な外界認識が要求される一方、移動中にあるときには外界認識処理に割り当て可能な演算リソースが相対的に小さいという移動ロボットに特有の事情がある。

なお、上述した特許文献１は、計測分解能を略一定に保つために、レーザ光の走査速度を変更することを開示するのみであり、移動ロボットに特有の上記の問題を解決できるものではない。

また、特許文献２は、移動体の移動速度が大きくなるにつれて、レーザ光の走査速度を大きくすることを開示するのみであり、移動ロボットに特有の上記の問題を解決できるものではない。

また、特許文献３は、移動体の移動状態に基づいて、レーザ光の走査速度を変更することは開示しておらず、移動ロボットに特有の上記の問題を解決できるものではない。

本発明は上述した知見に基づいてなされたものであって、移動ロボットの状態に応じてレーザレンジセンサが照射するレーザ光の走査速度を適切に変更することが可能な移動ロボット、及びレーザ光の走査速度の制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、移動機構を有する移動ロボットである。当該移動ロボットは、外界の対象物までの距離を計測するためのレーザレンジセンサと、前記レーザレンジセンサから前記外界に向けて照射されるレーザ光の走査速度を制御する走査速度制御部とを備える。さらに、前記走査速度制御部は、前記移動機構によって移動中の前記移動ロボットが前記外界に存在する障害物に接近したことに応じて、前記走査速度を第１の速度から前記第１の速度より低速の第２の速度に変更する。

本発明の第２の態様は、移動ロボットに搭載されるレーザレンジセンサから距離計測のために照射されるレーザ光の走査速度を制御する制御方法である。当該制御方法は、以下のステップ（ａ）及び（ｂ）を含む。
前記移動ロボットが前記移動機構によって移動中であるときに、前記走査速度を第１の速度に設定するステップ（ａ）、及び
前記移動機構によって移動中の前記移動ロボットが前記外界に存在する障害物に接近したことに応じて、前記走査速度を第１の速度から前記第１の速度より低速の第２の速度に変更するステップ（ｂ）。

上述した本発明の第１及び第２の態様によれば、移動ロボットが通常の移動状態にあるときは、第２の速度に比べて相対的に高速である第１の速度でレーザ光を走査する。これにより、移動ロボットの移動に大きな演算リソースが必要とされる状況下では、小さな演算リソースによる高速な外界認識が可能となる。一方、移動ロボットが障害物に接近した状態にあるときは、第１の速度に比べて相対的に低速である第２の速度でレーザ光を走査する。これにより、移動ロボットを安定的に移動させるために高精度の外界認識が要求される状況下では、高分解能の距離計測結果に基づく正確な外界認識が可能となる。

なお、上述した本発明の第１及び第２の態様において、前記移動機構による移動開始前に前記移動ロボットの移動計画を作成するための距離計測を実行する際には、前記走査速度を前記第１の速度と前記第２の速度の間の第３の速度に設定してもよい。これにより、移動ロボットの足元を含めて広範囲わたる距離データの取得が必要とされる移動開始前の外界認識処理に要する時間が増大することを防止できる。

なお、上述した本発明の第１及び第２の態様において、一定速度で水平走査を行なう前記レーザレンジセンサを水平方向の回転軸の周りで往復回転させるモータをロボットに搭載してもよい。そして、前記走査速度の変更は前記モータの回転速度の調節により行なうとよい。これにより、一定速度による１次元の走査機能を有するレーザレンジセンサを用いて、走査速度可変の２次元走査を簡単に実現することができる。

本発明により、移動ロボットの状態に応じてレーザレンジセンサが照射するレーザ光の走査速度を適切に変更することが可能な移動ロボット、及びレーザ光の走査速度の制御方法を提供できる。

以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略される。

<発明の実施の形態１>
本実施の形態にかかる自律移動ロボット１００（以下、単にロボット１００と呼ぶ）の自律移動に関する制御系の構成を図１に示す。ロボット１００は、脚歩行型の移動ロボットであり、移動機構１５として脚リンク１５１及びこれを駆動するアクチュエータ１５０を有する。

図１において、レーザレンジセンサ１０は、ロボット１００の外界に関する距離画像データを取得する。ここで距離画像データとは、レーザ光の照射方向を２次元走査することによって得られる複数点の距離データの集合である。

地図生成部１１は、レーザレンジセンサ１０により取得された距離画像データを用いて、環境地図を生成する。脚歩行型のロボットの場合、環境地図は、床面の３次元形状を示す地図として作成すればよい。具体例を示すと、地図生成部１１は、距離画像データから平面を検出し、複数の平面の集合としての環境地図を生成するとよい。また、地図生成部１１は、各グリッドにその地点の高さ情報が格納された２次元グリッド地図を作成してもよい。

歩容計画部１２は、地図生成部１１によって作成された環境地図を参照して目標位置を決定し、決定した目標位置に到達するための脚リンク１５１の軌道、具体的には、脚リンク先端に設けられた足平の着地位置を算出する。

動作生成部１３は、歩容計画部１２によって生成された足平の着地位置を実現するための動作データを生成する。ここで、動作データは、例えば、ロボット１００のＺＭＰ位置、重心位置、足平の位置及び姿勢等を含む。

移動制御部１４は、動作生成部１３によって生成された動作データを入力し、逆運動学演算によって各関節の目標関節角度を算出する。さらに、移動制御部１４は、算出された目標関節角度等の制御目標値とエンコーダ１６によって計測される現在の関節角度をもとに各関節を駆動するためのトルク制御値を算出する。移動制御部１４によって算出されたトルク制御値に従って、アクチュエータ１５０が脚リンク１５１に設けられた関節を駆動することにより、ロボット１００の歩行が行われる。

走査速度制御部１７は、レーザレンジセンサ１０が距離計測のために照射するレーザ光の走査速度を、ロボット１００の状態に応じて変更する。走査速度変更の具体的手順については後述する。

続いて以下では、レーザレンジセンサ１０の走査速度を変更するための機構について、図２及び３を用いて具体的に説明する。図２（ａ）は、レーザレンジセンサ１０の配置の一例を示すロボット１００の側面図である。図２（ａ）の例では、レーザレンジセンサ１０は、ロボット１００の体幹部２０からロボット１００の前方に延出したベース２１の先端に配置されている。

図２（ｂ）は、ベース２１の先端部分を示す拡大図である。モータ２２は、回転軸Ｒ１が水平方向となるよう、ベース２１に固定されている。レーザレンジセンサ１０は、モータ２２の回転軸Ｒ１に固定されたステージ２３上に配置されている。レーザレンジセンサ１０によるレーザ光の照射方向は、モータ２２の回転によってピッチ方向に走査される。また、走査速度制御部１７の制御に基づいてモータ２２の回転速度を変更することによって、レーザ光のピッチ方向の走査速度を変更することができる。ピッチ方向のレーザ光の照射範囲を図２（ａ）に矢印Ａ１で示す。矢印Ａ１に示すように、ピッチ方向の照射範囲は、床面に接地する足平１５１１の近傍から遠方までとするとよい。

図２（ａ）及び（ｂ）に示したように、レーザレンジセンサ１０自体を揺動させる場合、レーザレンジセンサ１０は水平方向の１次元走査を行うものでもよい。図３に示すように、水平走査するレーザレンジセンサ１０をモータ２２によりピッチ方向に揺動させることによって、レーザ光の２次元走査が可能となる。図３において、符号３０は障害物を示し、符号３１は、レーザレンジセンサ１０の水平方向の走査ラインを示す。

走査ライン３１のライン間隔Ｐ_Ｌは、モータ２２の回転速度を変更するによって変更可能である。ピッチ方向の回転速度を低速にすることによってライン間隔Ｐ_Ｌは密になる。つまり、レーザレンジセンサ１０のピッチ方向の計測分解能を向上させることができる。逆に、ピッチ方向の回転速度を高速にすることによってライン間隔Ｐ_Ｌは疎となる。これにより、レーザレンジセンサ１０のピッチ方向の計測分解能は低下するが、所定の走査範囲の全体走査に要する時間は短縮されるため、床面の認識速度は高速化される。

続いて以下では、レーザレンジセンサ１０の走査速度の変更手順について詳細に説明する。図４は、走査速度変更の具体例を示すフローチャートである。ステップＳ１００では、走査速度制御部１７が、ロボット１００の状態を判定する。本実施の形態では、ロボット１００の状態を予め３つに分類しておく。"状態１"は、移動スタート時の状態である。"状態２は"、移動を開始した後のロボット１００が直進している状態である。"状態３"は、移動中のロボット１００が外界に存在する障害物に接近した状態である。

走査速度制御部１７は、ロボット１００の状態に応じて走査速度を変更する。すなわち、走査速度制御部１７は、ロボット１００が"状態１（スタート時）"である場合に、走査速度を"中速"に設定する（ステップＳ１０１）。また、走査速度制御部１７は、ロボット１００が"状態２（直進時）"である場合に、走査速度を"高速"に設定する（ステップＳ１０２）。また、走査速度制御部１７は、ロボット１００が"状態３（障害物接近時）"である場合に、走査速度を"低速"に設定する（ステップＳ１０３）。なお、走査速度の変更は、図２（ｂ）に示したモータ２２の回転速度を変更することにより行えばよい。

ステップＳ１０４では、レーザレンジセンサ１０が、ステップＳ１００〜Ｓ１０３にて設定された走査速度でレーザ光を走査し、距離画像データを取得する。ステップＳ１０５では、地図生成部１１が、平面検出処理によって床面を認識し、環境地図を生成する。

ステップＳ１０６〜Ｓ１１０では、走査速度制御部１７が、ロボット１００の状態検出を行う。ステップＳ１０６では、走査速度制御部１７が、ロボット１００が歩行中であるか否かを判定する。ここで、歩行中か否かは、例えば、ロボット１００の現在速度がゼロであるか否かにより判定すればよい。ロボット１００が歩行中であれば、ステップＳ１０８に進む。一方、ロボット１００が歩行中でない、つまり停止しているときには、"状態１"であると判定する（ステップＳ１０７）。

ステップＳ１０８では、ロボット１００が障害物に接近しているか否かを判定する。例えば、ロボット１００の足平が接地している平面とは異なる平面（つまり段差）を障害物とみなし、障害物の距離が予め定められた距離閾値より近づいた場合に、障害物に接近したと判定すればよい。ロボット１００が障害物に接近していれば、"状態３"であると判定する（ステップＳ１１０）。一方、ロボット１００が障害物に接近していなければ、"状態２"であると判定する（ステップＳ１０９）。

上述したステップＳ１００〜Ｓ１１０を繰り返し行なうことにより、歩行するロボット１００の状態に応じてレーザレンジセンサ１０の走査速度を変更することができる。図５は、ロボット１００の状態とレーザレンジセンサ１０の走査速度の対応関係を示す一覧表である。

ロボット１００が"状態２（直進時）"であるときは、走査速度が"高速"に設定される。これにより、レーザレンジセンサ１０の計測分解能は低下するが、床面認識の速度は向上する。また、距離データ数が少なくなるため、床面認識に要する演算リソースは少なくて済む。つまり、ロボット１００の歩行制御に大きな演算リソースが必要とされるロボット１００の直進時には、小さな演算リソースによる外界認識が可能となる。また、高速な外界認識によって障害物の素早い検出が可能となり、障害物の認識遅れによるロボット１００の転倒等の不具合を防止できる。

また、ロボット１００が"状態３（障害物接近時）"であるときは、走査速度が"低速"に設定される。これにより、レーザレンジセンサ１０の計測分解能が向上し、障害物の正確な認識が可能となる。なお、このときは、床面認識速度が低速となり、必要な演算リソースも大きくなるため、ロボット１００の歩行速度を低下させるとよい。

また、上述したように、ロボット１００が"状態１（スタート時）"であるときは、走査速度を中速に設定するとよい。これにより、ロボット１００の足元を含めて広範囲わたる距離データの取得が必要とされる歩行開始前の外界認識処理に要する時間が増大することを防止できる。

<その他の実施の形態>
上述した発明の実施の形態１において、ロボット１００が"状態１（スタート時）"であるときは、走査速度を"状態３（障害物接近時）"と同程度の低速にしてもよい。

また、レーザレンジセンサ１０の走査速度を変更するための図２に示した構成は一例である。例えば、レーザレンジセンサ１０自体をモータ２２によりピッチ方向に揺動させる図２の構成に代えて、２次元走査可能なレーザレンジセンサ１０をロボット１００に固定的に取り付けてもよい。

また、発明の実施の形態１では、ロボット１００の状態を３つに分類する具体例を示したが、４つ以上に分類してもよい。また、少なくとも、"状態２（直進時）"と"状態３（障害物接近時）"の２つのロボット状態を識別し、この識別結果に応じてレーザレンジセンサ１０の走査速度を変更してもよい。

また、発明の実施の形態１では、脚歩行型のロボット１００に本願発明を適用した例を示した。しかしながら、移動ロボットの状態に応じてレーザレンジセンサ１０の走査速度を変更する本願発明は、車輪走行型などの他の移動機構を有する移動ロボットにも適用可能である。

さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

発明の実施の形態１にかかる自律移動ロボットの制御系を示すブロック図である。レーザレンジセンサの走査速度を変更するための機構を示す外観図である。レーザレンジセンサの走査速度の変更方法を説明するための概念図である。レーザレンジセンサの走査速度の変更手順を示すフローチャートである。ロボット状態とレーザレンジセンサの走査速度の対応関係を示す一覧表である。

符号の説明

１００自律移動ロボット
１０レーザレンジセンサ
１１地図生成部
１２歩容計画部
１３動作生成部
１４移動制御部
１５移動機構
１５０アクチュエータ
１５１脚リンク
１６エンコーダ
１７走査速度制御部
２０体幹部
２１ベース
２２モータ
２３ステージ
１５１１足平

Claims

移動機構を有する移動ロボットであって、
外界の対象物までの距離を計測するためのレーザレンジセンサと、
前記レーザレンジセンサから前記外界に向けて照射されるレーザ光の走査速度を制御する走査速度制御部とを備え、
前記走査速度制御部は、前記移動機構によって移動中の前記移動ロボットが前記外界に存在する障害物に接近したことに応じて、前記走査速度を第１の速度から前記第１の速度より低速の第２の速度に変更し、
前記走査速度制御部は、前記移動機構による移動開始前に前記移動ロボットの移動計画を作成するための距離計測が行われる際に、前記走査速度を前記第１の速度と前記第２の速度の間の第３の速度に設定する、
移動ロボット。
一定速度で水平走査を行なう前記レーザレンジセンサを水平方向の回転軸の周りで往復回転させるモータを備え、
前記走査速度制御部は、前記モータの回転速度を変更することにより前記走査速度を変更する、請求項１に記載の移動ロボット。
移動機構を有する移動ロボットに搭載されるレーザレンジセンサから距離計測のために照射されるレーザ光の走査速度を制御する制御方法であって、
前記移動ロボットが前記移動機構によって移動中であるときに、前記走査速度を第１の速度に設定するステップ（ａ）と、
前記移動機構によって移動中の前記移動ロボットが外界に存在する障害物に接近したことに応じて、前記走査速度を第１の速度から前記第１の速度より低速の第２の速度に変更するステップ（ｂ）と、
前記移動機構による移動開始前に前記移動ロボットの移動計画を作成するための距離計測を実行する際に、前記走査速度を前記第１の速度と前記第２の速度の間の第３の速度に設定するステップ（ｃ）と、
を含む制御方法。
前記ステップ（ａ）乃至（ｃ）における前記走査速度の設定又は変更は、一定速度で水平走査を行なう前記レーザレンジセンサを水平方向の回転軸の周りで往復回転させるモータの回転速度を調節することにより行なわれる請求項３に記載の制御方法。