JP5550671B2

JP5550671B2 - 自律走行ロボット及び自律走行ロボットの走行制御方法

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Publication number: JP5550671B2
Application number: JP2012075715A
Authority: JP
Inventors: 敬祐宇土
Original assignee: Denso IT Laboratory Inc
Current assignee: Denso IT Laboratory Inc
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: JP2013206237A

Description

本発明は、自律走行ロボット及び自律をボットの走行を制御する方法に関する。

外部環境を認識しながら環境地図を作成するとともに、当該環境地図に基づいて自律的に移動し動作するロボットが知られている。このような自律移動ロボットは、人間の移動と異なり外部環境を把握できる範囲が限られているため、完全に自律的に移動することは難しく、当該ロボットを外部から遠隔操作する必要が生じる。

例えば、特許文献１では、複数のロボットと当該ロボットを遠隔操作可能な操作端末から構成されるシステムが開示されており、当該ロボットが自律制御だけでは対応困難な状況になった場合に、ロボットからオペレータを呼び出す信号が出力され、適切な操作端末が選択され、当該選択された操作端末においてロボットの遠隔操作を行う。

特開２００７−１９０６５９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の遠隔制御システムでは、自律走行が困難な場合に遠隔操作を行うことでロボットを確実に走行させることは可能であるものの、人物が絶えず存在する場所を移動する場合などは、当該人物に衝突する等の理由で自律走行が困難になる頻度が高い。かかる場合に、常に自律走行ロボットの遠隔操作が要求されると、遠隔操作を行うオペレータは常にロボットを監視する必要が生じるため、操作が煩雑となってしまう。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、遠隔操作を行うオペレータの監視負担を軽減することのできる自律走行ロボット、及びかかる自律走行ロボットの走行を制御する方法を提供することを目的とする。

本発明に係る自律走行ロボットは、所定の経路に沿って移動するための駆動部と、外部環境の情報を取得する外部環境取得部と、前記外部環境の情報に基づき生成された環境地図を記憶する環境地図記憶部と、現在位置から目的地までの移動経路を設定する経路設定部と、外部環境取得部において前記移動経路内の障害物が検出されたときに、当該障害物を回避するよう前記駆動部を制御するか、あるいは遠隔操作を促す信号を出力するかを決定する行動選択部と、前記遠隔操作を促す信号を外部端末に送信するとともに、遠隔操作を指示する信号を前記外部端末から受信する送受信部とを備えた構成を有する。

かかる構成により、自律走行ロボットは、例えば周囲の状況に応じて、障害物を回避するか遠隔操作を要求するかを選択するようになるため、常に遠隔操作を要求することはなく、遠隔操作を行うオペレータの監視負担を軽減することができる。

本発明に係る自律走行ロボットは、障害物を遠隔操作により回避した際の回避行動の情報を記憶する回避行動記憶部をさらに備え、前記行動選択部は、前記移動経路内の障害物を回避する場合には、前記回避行動記憶部に記憶された過去の回避行動の情報に基づき回避行動を選択する構成を有する。かかる構成により、過去の回避行動の履歴に応じた回避行動を選択することができるから、障害物を効率よく回避することができる。

また、遠隔操作により障害物を回避したときに、前記回避行動記憶部に記憶された回避行動の情報を更新することが好ましく、これにより、回避行動の内容を蓄積することで以後の自律移動を改良することが可能となる。

また、前記回避行動記憶部は、回避行動のタイプを示す情報と、障害物のタイプを示す情報とを対応付けて記憶しており、前記行動選択部は、前記移動経路内の障害物を回避する場合には、前記障害物に対応する回避行動の情報を前記回避行動記憶部から抽出して回避行動を選択することが好ましい。これにより、障害物のタイプに応じた回避行動を選択することが可能となる。

本発明にかかる自律走行ロボットの走行制御方法は、所定の経路に沿って自律走行ロボットを移動するための駆動ステップと、外部環境の情報を取得する外部環境取得ステップと、前記外部環境の情報に基づき生成された環境地図を記憶する環境地図記憶ステップと、現在位置から目的地までの移動経路を設定する経路設定ステップと、前記移動経路内の障害物が検出されたときに、当該障害物を回避するよう駆動制御を行うか、あるいは遠隔操作を促す信号を出力するかを決定する行動選択ステップと、前記遠隔操作を行う場合に、前記遠隔操作を促す信号を外部端末に送信するとともに、遠隔操作を指示する信号を前記外部端末から受信するステップと、を備えた構成を有する。かかる構成によっても、常に遠隔操作を要求することはなく、遠隔操作を行うオペレータの監視負担を軽減するという効果を有する。

本発明によれば、障害物を回避するために自律走行ロボットの遠隔操作を行うオペレータの監視負担を軽減することのできるという効果を奏する。

本発明の実施形態に係る自律走行ロボットと操作端末の構成を示すブロック図環境地図の一例を示す説明図環境地図上に現在位置と目的地が設定された状態を示す説明図回避行動記憶部に記憶された情報の一例を示す説明図回避行動の一例を示す説明図自律走行ロボットの移動動作の一例を示すフローチャート

本発明の好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る自律走行ロボット１０と操作端末５０の構成を示すブロック図である。自律走行ロボット１０と操作端末５０とは、周知の無線通信回線によって、直接あるいはインターネット回線を介して接続されている。また、操作端末５０には、複数の自律走行ロボット１０が接続されていても良い。

自律走行ロボット１０は、外部環境取得部１２、駆動部１４、環境地図生成部１６、地図記憶部１８、経路設定部２０、回避行動記憶部２２、行動選択部２４及び送受信部２６を備える。

外部環境取得部１２は、少なくとも撮像部３０、距離検出部３２、位置検出部３４及び方向検出部３６を備えており、自律走行ロボット１０の位置情報及び外部環境に関する情報（環境情報）を取得する。

撮像部３０は、例えばＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラであり、自律走行ロボット１０の前方の物体を撮像して、当該物体に対応する画像データとして出力する。距離検出部３２は、自律走行ロボット１０の前方に存在する物体までの距離を計測するものであり、例えばレーザレンジファインダ、超音波センサといった各種のセンサを用いることができる。

位置検出部３４は、自律走行ロボット１０の現在位置を検出するものであり、例えばレーザレンジファインダから得られる対象物との距離情報を後述の環境地図と照合することで、現在位置情報を取得する。あるいは、位置検出部３４としてＧＰＳ受信機を用いても良い。方向検出部３６は、例えばジャイロセンサであり、自律走行ロボット１０の進行方向（ロボットが向いている方向）を検出する。

駆動部１４は、自律走行ロボット１０の頭部、手、足、胴体等の各部に取り付けられた複数のモータ及びこれらモータを駆動する駆動回路から構成され、外部環境取得部１２で得られた各種の環境情報に基づき、あるいは、操作端末５０を介した遠隔操作に応答して、自律走行ロボット１０を移動する。

環境地図生成部１６は、外部環境取得部１２で取得された環境情報に基づいて環境地図を生成する。環境地図としては、例えば自律走行ロボット１０の移動環境を示すエリアを２次元格子で区切ったグリッド上の地図を用いることができ、位置情報と自律走行ロボット１０が移動可能か否かを示す情報が、個々のグリッドに対応して設けられる。環境地図は、例えばＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping）を適用して作成することができる。生成された環境地図情報は、環境地図記憶部１８に格納される。環境地図記憶部１８としては、例えば不揮発性メモリやハードディスクといった記憶媒体を用いることができる。

図２は、自律走行ロボット１０によって生成された環境地図の一例を示したものである。環境地図６０は、自律走行ロボット１０が走行済みのエリア６２（図２で斜線が引かれていない部分）と、未走行のエリア６４と（図２の斜線部分）、壁を示すエリア６６を含む。

走行済みエリア６２は、自律走行ロボット１０が過去に走行したことがある、あるいは、外部環境取得部１２により障害物がないことが検出されたグリッドに対応しており、自律走行ロボット１０が走行可能なエリアであることを示す。未走行エリア６４は、自律走行ロボット１０が走行していない、あるいは、障害物がないことが検出されていないエリアを示し、自律走行ロボット１０が走行できないエリアであることを示す。壁エリア６６は、外部環境取得部１２により、自律走行ロボット１０が走行できないことが検出されたグリッドに対応する。

経路設定部２０は、操作端末５０からの操作入力に応答して、環境地図上での自律走行ロボット１０の目的地を設定するとともに、当該目的地に至る経路を設定する。図３に示すように、環境地図６０上で、自律走行ロボット１０の現在位置６８と目的地７０が定められると、経路設定部２０は、当該目的地７０に至る経路７２を設定する。目的地に至る設定経路は、目的地と出発地とを直線で結ぶことで生成しても良く、あるいは、グリッド毎に移動コストを示すパラメータを設定しておき、移動コストの合計が最小となる経路を設定経路として定めても良い。

回避行動記憶部２２は、操作端末５０からの遠隔操作により自律走行ロボット１０の移動がなされた場合に、当該操作の内容と、自律走行ロボット１０の前方の物体の情報と、当該操作がなされた時間とを記憶する。遠隔操作時の前方の物体については、例えば撮像部３２における撮像で得られた画像データに対し、所定のパターンマッチングを行うことで推定することができる。

図４は、回避行動記憶部２２に記憶されたデータの一例を示したものである。遠隔操作がなされた日時と、その際に検出された障害物（自律走行ロボット１０の前方の物体）と、回避行動（遠隔操作の内容）が示されている。例えば、３月４日の１５時２５分に、障害物としてテーブルが検出され、その際に右方向へ移動（右側に９０度進路を変更して走行）したことが記録されている。また、３月４日の１６時３分には、障害物として人物が検出され、その際に待機（動かない）したことが記録されている。このようにして、障害物が検出されて遠隔操作が行われたときの回避行動が記録される。

なお、図４の例では、障害物及び回避行動が具体的な文章で記載されているが、障害物及び回避行動のタイプを示すコードを設けておき、回避行動記憶部２２には特定の障害物及び特定の回避行動に対応したコードを記憶するようにしても良い。

行動選択部２４は、設定経路を走行中の自律走行ロボット１０が障害物を検出するなどして、走行することができない場合に、回避行動記憶部２２に記憶された回避情報を用いて、当該障害物を回避するよう自律走行ロボット１０の移動を制御するか、あるいは、操作端末５０に対して遠隔操作を促す信号を出力する。

図５に示すように、自律走行ロボット１０が設定経路７２を走行中に、当該設定経路内に障害物７４が存在すると、自律走行ロボット１０はそのままでは走行できなくなる。このような場合に、行動選択部２４は、撮像部を用いて当該障害物を撮像し、周知のパターンマッチングにより障害物のタイプを識別する。そして、行動選択部２４は、回避行動記憶部２２に記憶された過去の回避行動のデータから、同じタイプの障害物に対応する回避行動のデータを抽出し、抽出された回避行動の中から最も頻度の高い回避行動を選択する。あるいは、直近の一定時間における全ての回避行動のデータを抽出し、同じタイプの障害物に対応するデータに対しては重み付けの値を高くするなどして、最もスコアの高い回避行動を選択しても良い。さらに、直近の回避行動に対する重み値を高くするようにしても良い。

そして、行動選択部２４は、選択された回避行動に従って、自律走行ロボット１０を移動させる（図５の例ではもとの進行方向に対して右方向に移動する）。その後、経路設定部２２により、新たな走行経路７６が設定され、当該走行経路７６に従って自律走行ロボット１０を移動させる。

行動選択部２４は、かかる回避行動に従っても自律走行ロボット１０が移動できない場合、または、自律走行ロボット１０の位置が検出できない場合には、自律での移動が困難と判断して、操作端末５０に対して遠隔操作を促す信号（遠隔操作指示信号）を出力する。

送受信部２６は、撮像部３２で得られた画像データ、自律走行ロボット１０の現在位置を示す現在位置データ、環境地図データ、遠隔操作指示データといった各種データを操作端末５０に送信し、また、遠隔操作が行われる場合には、操作端末５０から操作指示の内容を示す指示内容データを受信する。

操作端末５０は、例えば汎用のコンピュータ装置であり、送受信部５２、操作入力部５４と表示部５６を備えている。送受信部５２は、自律走行ロボット１０より、撮像で得られた画像データ、現在位置データ、環境地図データ、遠隔操作指示データといった各種データを受信するとともに、遠隔操作の内容を示す指示内容データを送信する。操作入力部５４は、例えばキーボードやマウスといった入力デバイスであり、自律走行ロボット１０の目的地の設定、遠隔操作の入力等を行う際にオペレータによって操作される。

表示部５６は、例えば液晶ディスプレイであり、自律走行ロボット１０より受信した画像データに基づき、自律走行ロボット１０の前方の画像を表示する。また、表示部５６は、操作端末５０が自律走行ロボット１０から遠隔操作指示データを受信したときに、操作端末のオペレータに対して遠隔操作を促すためのメッセージを出力する。なお、操作端末５０が複数の自律走行ロボット１０と接続されている場合には、遠隔操作を指示すべき自律走行ロボットの識別情報もあわせて表示される。さらに、表示部５６は、自律走行ロボット１０より受信した現在位置データ及び環境地図データに基づき、自律走行ロボット１０の位置を示した環境地図を表示しても良い。

以下、上記構成による自律走行ロボット１０の移動動作の一例について、図６のフローチャートを用いて説明する。自律走行ロボット１０の目的地への自律移動を行うにあたり、自律走行ロボット１０は、例えばオペレータによる外部操作を受けて、走行経路を含む一定のエリアを事前に走行し、当該走行エリアに対応する環境地図を予め作成しておく。あるいは、図示しない外部のサーバーから環境地図を予めダウンロードし、これを地図記憶部１８に記憶しても良い。

自律走行ロボット１０は、操作端末５０より目的地の位置情報を受信すると、経路設定部２０は、環境地図に目的地を設定するとともに、環境情報取得部１２より取得した現在位置の情報より走行経路を設定する（Ｓ１１）。

走行経路が設定されると、自律走行ロボット１０は、駆動部１４を駆動して、設定された走行経路に従って移動する（Ｓ１２）。そして、撮像部３０で得られた画像、あるいは、距離検出部３２で検出された物体までの距離に基づき、走行経路上に障害物が存在するか否かを判定する（Ｓ１３）。障害物があることが検出されると（Ｓ１３で「Ｙ」）、行動選択部２４は、回避行動記憶部２０に記憶された過去の回避行動の情報に基づき、回避行動を選択する（Ｓ１４）。

回避行動の結果、障害物が回避できたか否か（自律走行ロボット１０が移動しているか否か、または、自律走行ロボット１０の位置が検出できたか否か）を判定する（Ｓ１５）。障害物が回避できない場合（Ｓ１５で「Ｎ」）、行動選択部２４は遠隔操作要求信号を出力する（Ｓ３６）。遠隔操作要求信号は、送受信部２６を介して操作端末５０に送信される。

その後、自律走行ロボット１０は、操作端末５０からの遠隔操作指示を受信し、当該指示内容に従い駆動部１４を駆動して、自律走行ロボット１０を移動する（Ｓ３７）。障害物が回避されると、操作端末５０のオペレータから遠隔操作を解除する信号が受信され、遠隔操作が解除される（Ｓ３８）。

このとき、自律走行ロボット１０は、操作端末からの遠隔操作の内容を、操作がなされた日時及び障害物のタイプと関連づけて、回避行動記憶部２０に記憶する（Ｓ３９）。これにより、遠隔操作による障害物の回避内容が自律走行ロボット１０に蓄積され、以後に障害物を検出した場合に過去の回避内容を参照しつつ、効果的に障害物を回避することが可能となる。

ステップＳ１３で障害物が検出されなかった場合、ステップＳ１５で障害物が回避できた場合、あるいは、遠隔操作がなされた場合に、自律走行ロボット１０は現在位置を検出して目的地に到達したか否かを判定する（Ｓ２０）。そして、目的地に到達した場合には自律走行を終了し、そうでない場合にはステップＳ１２に戻り、再び同様の処理を行う。

このように、過去になされた遠隔操作の内容を記憶しておき、障害物が検出された場合に適切な回避行動を選択することにより、遠隔操作の頻度を減らすことができ、オペレータの負担を軽減することができる。したがって、自律移動ロボットの動作制御の効率化を図ることが可能となる。

上記実施形態では、障害物を検出したときに、まず障害物を回避するように移動し、それでも障害物を回避できなかった場合に遠隔操作を指示する信号を出力するようにしているが、本発明はこれに限られることはなく、例えば、障害物のタイプが検出できなかった場合、障害物のサイズが基準値よりも大きい場合、障害物が自律走行ロボットに接近する場合には、直ちに遠隔操作を促すようにしても良い。また、障害物を検出してから一定時間が経過しても当該障害物を回避できなかった場合に、遠隔操作を指示する信号を出力する用にしてもよい。

上記実施形態では、障害物が検出された場合に、過去の回避行動のデータに基づいて回避行動の内容を決定しているが、本発明はこれに限られることはなく、自律走行ロボット１０の周囲のグリッドにおける移動コストを算出し、コストが最も小さい経路を選択するようにしても良い。あるいは、過去の回避行動の結果に応じて大まかな移動方向（左右どちらに移動するか）を決定した後に、移動コストが最も小さい経路を選択するようにしても良い。

以上説明したように、本発明によれば、障害物が検出されたときに、過去の遠隔操作の内容に基づき、当該障害物を回避する行動をとるようにしたから、遠隔操作の頻度を減らすことができ、自律走行ロボットとして有用である。

１０自律走行ロボット
１２外部環境取得部
１６環境地図生成部
１８地図記憶部
２０経路設定部
２２回避行動記憶部
２４行動選択部
３０撮像部
３２距離検出部
３４位置検出部
３６方向検出部
５０操作端末
６０環境地図
６２走行可能エリア
６４走行不能エリア
７２走行経路

Claims

所定の経路に沿って移動するための駆動部と、
外部環境の情報を取得する外部環境取得部と、
前記外部環境の情報に基づき生成された環境地図を記憶する環境地図記憶部と、
現在位置から目的地までの移動経路を設定する経路設定部と、
外部環境取得部において前記移動経路内の障害物が検出されたときに、当該障害物を回避するよう前記駆動部を制御するか、あるいは遠隔操作を促す信号を出力するかを決定する行動選択部と、
前記遠隔操作を促す信号を外部端末に送信するとともに、遠隔操作を指示する信号を前記外部端末から受信する送受信部と、
遠隔操作により障害物を回避した際の回避行動の情報を記憶するとともに、回避行動のタイプを示す情報と、障害物のタイプを示す情報とを対応付けて記憶する回避行動記憶部を備え、
前記行動選択部は、前記移動経路内の障害物を回避する場合には、前記障害物に対応する回避行動の情報を前記回避行動記憶部から抽出して回避行動を選択することを特徴とする自律走行ロボット。
遠隔操作により障害物を回避したときに、前記回避行動記憶部に記憶された回避行動の情報を更新することを特徴とする、請求項１記載の自律走行ロボット。
前記行動選択部は、前記回避行動記憶部に記憶された過去の回避行動のデータから、同じタイプの障害物に対応する回避行動のデータを抽出し、抽出された回避行動の中から最も頻度の高い回避行動を選択することを特徴とする、請求項１又は２記載の自律走行ロボット。
前記行動選択部は、前記回避行動記憶部に記憶された過去の回避行動のデータから、直近の一定時間における回避行動のデータを抽出して、回避行動のタイプ毎に重み付け演算により算出されたスコアが最も高い回避行動を選択するとともに、同じタイプの障害物に対応する重み付け値を高くすることを特徴とする、請求項１又は２記載の自律走行ロボット。
所定の経路に沿って自律走行ロボットを移動するための駆動ステップと、
外部環境の情報を取得する外部環境取得ステップと、
前記外部環境の情報に基づき生成された環境地図を記憶する環境地図記憶ステップと、
現在位置から目的地までの移動経路を設定する経路設定ステップと、
前記移動経路内の障害物が検出されたときに、当該障害物を回避するよう駆動制御を行うか、あるいは遠隔操作を促す信号を出力するかを決定する行動選択ステップと、
前記遠隔操作を行う場合に、前記遠隔操作を促す信号を外部端末に送信するとともに、遠隔操作を指示する信号を前記外部端末から受信するステップと、
遠隔操作により障害物を回避した際の回避行動の情報を記憶するとともに、回避行動のタイプを示す情報と、障害物のタイプを示す情報とを対応付けて記憶する回避行動記憶ステップとを備え、
前記移動経路内の障害物を回避する場合には、前記障害物に対応する回避行動の情報を抽出して回避行動を選択することを特徴とする自律走行ロボットの走行制御方法。