JP6036647B2 - ロボット - Google Patents

Description

本発明は、ロボットに関し、特にアームの軌道を制御する技術に関する。

特許文献１には、対象物を認識しながらアームを対象物まで近づけることができるロボットが開示されている。このロボットは、頭部に設けられたカメラの位置情報と、把持対象物の位置情報とに基づいて、アームの侵入を抑制する認識空間を算出する。ここで、認識空間とは、アームが侵入することにより、把持対象物の認識の妨げとなる空間を意味する。そして、このロボットは、認識空間への侵入を回避したアーム軌道を算出し、アームを制御する。

特開２０１２−５１０８０号公報

本願出願人は、上述したようにカメラ等のセンサによって周辺の物体を認識してアームで把持する技術において、以下に説明する課題を見出した。以下、その課題について説明する。なお、以下に説明する内容は、本願出願人が新たに検討した内容であって、従来技術を説明するものではない。

特許文献１に開示されるように、頭部にカメラが設けられ、アームを有するロボットでは、環境によってはセンサに対して隠れた領域が、観測できていない未観測領域として残ってしまう場合がある。例えば、図６に示すように、凹状の入れ物を外部から観測する場合には、入れ物の内部のうち、センサに対して周壁によって隠れた領域は未観測領域となる。しかしながら、ロボットは、目的を達成するために、未観測領域であってもアームを侵入させる必要がある場合がある。例えば、図６に示すように、把持対象物体（把持物体）が未観測領域に存在するような場合である。

この場合、未観測領域に観測できてない障害物が存在していると、把持対象物体をアームで把持しようとして未観測領域にアームを侵入させたときに、図７に示すように、アームが障害物とぶつかってしまう可能性がある。このように、アームが障害物にぶつかってしまうと、アーム（特に指のような繊細な部分）が破損してしまう可能性がある。

そこで、本願出願人は、このような環境では手先（アームの先端）に、別途、センサを設けて、頭部のセンサでは未観測領域となる領域を観測することが有効であると考えた。図８に、手先にセンサを設けた場合の様子を示している。ここでは、手先に設けられるセンサの観測範囲は、図８に示すように、一定範囲に限られているものとする。これによれば、手先のセンサによって、頭部のセンサでは未観測領域となる領域の一部を観測領域とすることができ、図７に示す場合には観測できていなかった障害物も観測することができようになる。その結果、ロボットは、手先のセンサの観測結果に基づいて、障害物に接触する前に事前にアームを停止させたり、アームの軌道を障害物を避けるように修正することが可能となる。

しかしながら、アームの手先にセンサを設けた場合であっても、未観測領域へのアームの侵入経路によっては、手先のセンサで未観測領域の観測を十分に行うことができず、アームの衝突を招いてしまうケースがある。

図９に、衝突可能性を低減できるケース（図９の「ケース１」）と、衝突可能性を低減することができないケース（図９の「ケース２」）を示している。図９の矢印は、アームの移動方向を示している。

ケース１では、手先のセンサで観測可能な方向に向かうように、アームを未観測領域に侵入させている。よって、ケース１では、アームを侵入させる方向について、未観測領域を観測することができるため、アームの侵入経路における未観測領域の障害物を事前に観測することができ、障害物と衝突する可能性を低減することができる。

しかしながら、ケース２では、手先のセンサで観測できない方向に向かうように、アームを未観測領域に侵入させている。よって、ケース２では、アームを侵入させる方向について、未観測領域を観測することができないため、アームの侵入経路における未観測領域の障害物を事前に観測することができず、障害物と衝突する可能性が高い。

ここで、対策の１つとして、手先に搭載するセンサを、観測範囲が所定範囲に制限されず、全方位について周辺の物体が観測可能なセンサとすることも考えられる。しかしながら、センサの観測範囲とコストはトレードオフの関係にある。すなわち、全方位について周辺の物体を観測可能とするためには、そのような機能を有する高価なセンサを搭載する、又は、観測範囲が制限されたセンサを全方位を計測可能となるように多数搭載する必要があり、非常に高コストとなってしまうという問題がある。

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、低コストで障害物との接触の可能性を低減することができるロボットを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係るロボットは、ロボット本体と、前記ロボット本体に取り付けられたアームと、前記ロボット本体に取り付けられ、周辺を観測する第１のセンサと、前記アームの先端部に取り付けられ、所定範囲に制限された観測範囲において周辺を観測する第２のセンサと、前記第１のセンサ及び前記第２のセンサの観測結果に基づいて、前記アームの軌道を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１のセンサによる未観測領域に前記アームを侵入させる場合、前記第２のセンサの観測方向のベクトルと前記アームの前記未観測領域への侵入方向のベクトルとの内積が、より小さくなるように、前記アームの前記未観測領域への軌道を決定するものである。

上述した本発明の各態様によれば、低コストで障害物との接触の可能性を低減することができるすることができるロボットを提供することができる。

実施の形態１に係るロボットの外部構成図である。 実施の形態１に係るロボットの内部構成図である。 実施の形態１における領域の分類を示す図である。 侵入観測度の高い場合におけるアームの軌道を示す図である。 侵入観測度の低い場合におけるアームの軌道を示す図である。 ロボットの一例を示す図である。 ロボットの一例を示す図である。 手先にセンサを備えたロボットの一例を示す図である。 衝突可能性が低いケースと衝突可能性が高いケースを示す図である。

以下に図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。以下の実施の形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、それに限定されるものではない。また、以下の記載及び図面では、説明の明確化のため、当業者にとって自明な事項等については、適宜、省略及び簡略化がなされている。

＜発明の実施の形態＞
まず、本実施の形態１に係るロボット１について説明する。図１を参照して、本実施の形態１に係るロボット１の外部構成について説明する。図１は、本実施の形態１に係るロボット１の外部構成図である。

ロボット１は、ロボット本体１０、移動台車２０、アーム３０、及び頭部４０を有している。ロボット１は、典型的には、家庭内において人が行う作業を、人に代わり実行するための生活支援ロボットである。ロボット１は、例えば、任意の場所に移動し、物を拾い人に届ける、窓を開ける等の作業を実行する。

移動台車２０は、その上方でロボット本体１０を支持するように、その上部がロボット本体１０の下部に連結されている。移動台車２０は、その下部に設けられた車輪（図示せず）を駆動することでロボット１を移動させる。

アーム３０は、ロボット本体１０の前方に突出するように、ロボット本体１０の前部に接続されている。アーム３０は、多関節のアームである。アーム３０は、その先端部（アーム３０の最先端のリンク）に、任意の物体を把持できるハンド（把持部）６０が取り付けられている。これにより、ロボット１は、アーム３０の各関節の角度を調整することで、ハンド６０を所望の位置に移動させ、その位置に存在する物体を把持することができる。

また、アーム３０は、ハンド６０の前方を観測可能となるように、その先端部にセンサ７０が取り付けられている。センサ７０は、ロボット１の周辺の環境を観測し、観測した環境を示す環境情報を生成する。センサ７０は、観測可能な角度範囲が所定の角度に制限されている。しかしながら、センサ７０は、全方位について観測可能なセンサと比較して安価である。

ここで、センサ７０がアーム３０に取り付けられる態様は、図１に示す態様のみに限定されるものではない。しかしながら、好ましくは、センサ７０は、図１に示すように、ハンド６０の開閉部分の前方（ハンド６０のアーム３０への取り付け側とはハンド６０を挟んで反対方向）が、その観測範囲に含まれるようにアーム３０に取り付けられるようにするとよい。物体を把持する場合には、最終的に、ハンド６０を開いて、ハンド６０をその前方に進めて物体を把持することになる。そのため、上記のようにセンサ７０を取り付けることで、物体を把持する際に障害物を観測する可能性を向上することができる。

頭部４０は、ロボット本体１０の上方でロボット本体１０に支持されるように、ロボット本体１０の上部に連結されている。頭部４０は、その前方を観測可能となるように、その前部にセンサ５０が取り付けられている。センサ５０は、ロボット１の周辺の環境を観測し、観測した環境を示す環境情報を生成する。なお、センサ５０は、例えばロボット１の２つの目のそれぞれに取り付けることでロボット１に２つ備えるようにしてもよく、３つ以上備えるようにしてもよい。ここでは、説明の簡略化のため、センサ５０を１つだけ有する場合について説明する。

センサ５０は、測定可能な角度範囲が所定の角度に制限されている。一方で、頭部４０とロボット本体１０との連結部は、頭部４０を動作可能となるように多自由度の関節構造となっている。例えば、関節構造として少なくとも２自由度以上を有するようにすることで、頭部４０は、少なくとも上下左右に動作させることが可能とされている。これにより、センサ５０の測定可能な角度範囲が限られていても、頭部４０を動作させることで広範囲を観測することを可能としている。

センサ５０は、ロボット１の周辺の物体を観測可能なセンサであれば、３次元距離センサ及びカメラ等のセンサのうち、任意のセンサを利用するようにしてよい。センサ５０として３次元距離センサを用いる場合、センサ５０は、ロボット１からロボット１の周辺の物体までの距離を測定して、ロボット１の周辺の物体までの距離を示す距離情報を環境情報として生成する。ここで、３次元距離センサは、光学式、超音波式、及びレーザ光線式等の各種方式のうち、任意の方式のものを使用するようにしてよい。また、センサ５０にカメラを用いる場合、センサ５０は、ロボット１の周辺を撮像して、ロボット１の周辺の画像を示す画像情報を環境情報として生成する。ここで、カメラは、ステレオカメラ及びＲＧＢＤカメラ等のうち、カメラを使用するようにしてよい。すなわち、カメラとして、ＲＧＢＤカメラのように、画像情報に加えて、物体までの距離（深度）を示す距離情報も環境情報として生成するカメラを使用するようにしてもよい。

操作端末９は、ロボット１と無線又は有線によって通信可能な情報処理端末である。本実施の形態では、操作端末９とロボット１とが無線によって通信する例について説明する。操作端末９は、デスクトップＰＣのような据え置き型の情報処理端末であってもよいが、好ましくは、ユーザが生活空間において制限なくロボット１を操作可能とするために、携帯型の情報処理端末であるとよい。携帯型の情報処理端末は、スマートフォン、又はタブレット端末等である。

ユーザは、操作端末９によってロボット１に対して、上述したような人が行う作業を指示することができる。ロボット１は、ユーザから指示された作業をユーザに代わり実行する。このようにして、ロボット１によってユーザの生活が支援される。

上述した構成により、ロボット１は、ユーザから指示された作業を実行するにあたり、センサ５０によってロボット１の周辺の環境を観測し、観測した環境における障害物を避けて行動する。

続いて、図２を参照して、本実施の形態１に係るロボット１の内部構成について説明する。図２は、本実施の形態１に係るロボット１の内部構成図である。

ロボット１は、制御部１１、記憶部１２、通信部１３、アクチュエータ２１ａ、２１ｂ、車輪２２ａ、２２ｂ、アクチュエータ３１ａ、３１ｂ、角度センサ（ポテンショメータ）３２ａ、３２ｂ、及びアクチュエータ４１を有する。制御部１１、記憶部１２、及び通信部１３は、ロボット本体１０に含まれる。アクチュエータ２１ａ、２１ｂ及び車輪２２ａ、２２ｂは、移動台車２０に含まれる。アクチュエータ３１ａ、３１ｂ及び角度センサ３２ａ、３２ｂは、アーム３０に含まれる。アクチュエータ４１は、頭部４０に含まれる。

制御部１１は、ロボット１を統括的に制御する。制御部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有しており、そのＣＰＵが記憶部１２に格納されたプログラムを実行することで、制御部１１としての各種処理を実現する。すなわち、このプログラムは、制御部１１が有するＣＰＵに制御部１１としての各所処理を実行させるためのコードを含んでいる。

記憶部１２は、上記プログラムや、その他の制御部１１が使用する各種情報が格納される。記憶部１２は、上記プログラムや各種情報を格納可能な記憶装置の少なくとも１つを含む。記憶装置として、例えば、メモリ及びハードディスク等の少なくとも１つを任意に使用してよい。

通信部１３は、操作端末９に送信するために制御部１１から出力された情報を、無線信号に変換し、操作端末９に送信する。通信部１３は、操作端末９から受信した無線信号を、制御部１１で処理可能な情報となるように電気信号に変換し、制御部１１に出力する。

アクチュエータ２１ａ、２１ｂは、ロボット１の車輪２２ａ、２２ｂを駆動する。アクチュエータ２１ａは、制御部１１からの制御によって駆動され、車輪２２ａを回転させる。アクチュエータ２１ｂは、制御部１１からの制御によって駆動され、車輪２２ｂを回転させる。

車輪２２ａ及び車輪２２ｂは、上述した移動台車２０の下部に取り付けられた車輪に該当する。すなわち、制御部１１は、アクチュエータ２１ａ、２１ｂを制御して、車輪２２ａ、２２ｂを回転させることでロボット１を移動させる。

アクチュエータ３１ａ、３１ｂは、ロボット１のアーム３０を駆動する。アクチュエータ３１ａ、３１ｂは、制御部１１からの制御によって駆動され、アーム３０を動作させる。アクチュエータ３１ａ、３１ｂのそれぞれは、アーム３０の関節として設けられている。なお、ここでは、アーム３０が、アクチュエータ３１ａとアクチュエータ３１ｂとの２つの関節を有する例について説明するが、アーム３０の関節数は、これに限られない。

角度センサ３２ａ、３２ｂのそれぞれは、アーム３０の各関節の角度を検出するセンサである。角度センサ３２ａは、アクチュエータ３１ａに取り付けられており、アクチュエータ３１ａの角度を検出する。角度センサ３２ａは、検出した角度を示す角度信号を制御部１１に出力する。角度センサ３２ｂは、アクチュエータ３１ａに取り付けられており、アクチュエータ３１ｂの角度を検出する。角度センサ３２ｂは、検出した角度を示す角度信号を制御部１１に出力する。これにより、制御部１１は、角度センサ３２ａ、３２ｂのそれぞれから出力された角度信号が示す角度に基づいて、アーム３０の状態を認識することが可能となる。

アクチュエータ４１は、ロボット１の頭部４０を駆動する。アクチュエータ４１は、制御部１１からの制御によって駆動され、頭部４０を動作させる。アクチュエータ４１は、例えば、多自由度（２自由度以上の所定自由度）のアクチュエータとして、頭部４０を上下左右に動作可能としてよい。また、頭部４０を駆動するアクチュエータ４１を複数有するようにして、頭部４０の多自由度での駆動を実現するようにしてもよい。また、アクチュエータ４１として１自由度のアクチュエータを１つだけ有するようにして、頭部４０が上下又は左右のみに動作するようにされていてもよい。

ハンド６０は、制御部１１からの制御によって駆動され、物体を把持もしくは解放する。ここで、制御部１１は、ハンド６０によって把持対象物体を把持しようとする場合、センサ５０、７０から出力された環境情報に基づいて認識した物体（障害物）と、角度センサ３２ａ、３２ｂのそれぞれから出力された角度信号が示す角度に基づいて認識するアーム３０の状態とに基づいて、アーム３０が障害物と接触しないように、各アクチュエータ３１ａ、３１ｂ、２１ａ、２１ｂを駆動し、ハンド６０を把持対象物体まで導く。

続いて、図３を参照して、本実施の形態に係るロボット１の領域分類方法について説明する。図３は、本実施の形態における領域の分類を示す図である。

図３に示すように、ロボット１は、センサ５０及びセンサ７０によって観測した環境となるロボット１の周辺の空間を、次の３つの領域のうちのいずれかの領域に分類する。

禁止領域 ：障害物があることを観測できている領域
未観測領域 ：障害物があるか否かが観測できていない領域
自由領域 ：障害物がないことを観測できている領域

具体的には、制御部１１は、ロボット１の周辺の空間において、センサ５０又はセンサ７０によって観測されており、かつ、障害物を検出した領域を禁止領域として判定する。例えば、制御部１１は、観測したセンサ５０又はセンサ７０に対して奥行き方向に、障害物を検出した位置から所定の距離の範囲となる領域を禁止領域として判定する。これにより、例えば、図６に示すように、凹状の入れ物を外部から観測した場合には、そのセンサ５０又はセンサ７０側の周壁が禁止領域として決定される。

また、制御部１１は、ロボット１の周辺の空間において、センサ５０及びセンサ７０によって観測していない領域を未観測領域として判定する。例えば、制御部１１は、センサ５０及びセンサ７０によって観測していない領域や、禁止領域よりもさらにセンサ５０及びセンサ７０に対して奥行き方向となる領域を未観測領域として判定する。これにより、例えば、図６に示すように、凹状の入れ物を外部から観測した場合には、センサ５０及びセンサ７０に対して周壁の後方にあたる領域が未観測領域として判定される。なお、過去の観測で、禁止領域か自由領域かが判定されている領域については、その判定結果を維持するようにしてもよい。

また、制御部１１は、ロボット１の周辺の空間において、センサ５０及びセンサ７０によって観測されており、かつ、障害物が検出されなかった領域を自由領域として判定する。例えば、制御部１１は、障害物が検出される位置までの空間を自由領域として判定する。これにより、例えば、図６に示すように、凹状の入れ物を外部から観測した場合には、その周壁までの空間が自由領域として判定される。

ここで、制御部１１は、ロボット１の周辺の空間を分割した領域のそれぞれが、上記３つの分類のいずれの領域に属するかを示す情報を空間情報として記憶部１２に記憶することで、ロボット１の周辺の空間の観測結果を管理する。例えば、単純には、空間情報として三次元配列を記憶部１２に用意してもよい。この場合、この三次元配列の各要素は、ロボット１の周辺の空間を格子状に分割した領域のそれぞれに対応する。そして、制御部１１は、ロボット１の周辺の空間を分割した複数の領域において、ある領域が上記３つの分類におけるいずれの領域となるかを判定した場合、その領域に対応する三次元配列の要素に、判定結果となる分類を示す値を格納する。この値は、禁止領域、未観測領域、及び自由領域のうちのいずれの領域であるかを一意に特定することができる値であれば、任意の値を予め定めるようにしてよい。

これにより、制御部１１は、ロボット１を、ロボット１の周辺の空間を分割した複数の領域のうち、ある領域に侵入しようとする場合、空間情報のその領域に対応する値を参照することで、その領域が、禁止領域、未観測領域、及び自由領域のうちのいずれの領域であるかを認識することができる。

続いて、図４及び図５を参照して、本実施の形態に係るロボット１の動作方法について説明する。図４は、侵入観測度の高い場合におけるアームの軌道を示す図である。図５は、侵入観測度の低い場合におけるアームの軌道を示す図である。

図４及び図５では、頭部４０のセンサ５０での観測結果として、禁止領域、未観測領域、及び自由領域と、未観測領域中に存在する把持対象物体（目標物体）を示している。すなわち、ここでは、図４及び図５に示すように、未観測領域中に存在する把持対象物体を、ロボット１が把持しに行く場合について説明する。

まず、把持対象物体を把持しに行く場合、制御部１１は、複数の侵入経路を候補として算出する。この複数の侵入経路の候補は、一般的に考えられる任意の方法によって算出するようにしてよい。次に、制御部１１は、算出した複数の侵入経路について、図４及び図５に示すように侵入時観測度ｆを評価し、侵入時観測度ｆの最も高い侵入経路を、アーム３０の未観測領域への侵入経路として決定する。侵入時観測度ｆとは、アーム３０をセンサ５０の未観測領域に侵入させる場合に、アーム３０の侵入経路について未観測領域をセンサ７０で観測可能な度合となる。すなわち、侵入時観測度ｆが高い侵入経路ほど、その侵入経路に障害物が存在する場合に、その障害物を発見できる可能性が高くなる。そして、制御部１１は、決定した侵入経路でアーム３０を未観測領域に侵入させて、把持対象物体を把持するように、アクチュエータ３１ａ、３１ｂ、２１ａ、２１ｂを駆動する。

ここで、侵入時観測度ｆは、次式（１）で示すように、センサ５０の未観測領域にアーム３０が侵入するときにおけるセンサ７０の観測方向のベクトルｖｉと、センサ５０の未観測領域にアーム３０が侵入するときにおけるアーム３０の侵入方向のベクトルｖｃとの内積として算出する。

ここで、センサ７０の観測方向のベクトルｖｉの大きさは、所定の固定値とすればよい。また、センサ７０の観測方向（ベクトルｖｉの方向）は、センサ７０で観測可能な角度範囲のうち、任意の方向としてよいが、好ましくは、センサ７０で観測可能な角度範囲のうち、中心方向とするとよい。

アーム３０の侵入方向のベクトルｖｃの大きさは、所定の固定値とすればよいが、センサ５０の未観測領域にアーム３０が侵入するときにおけるアーム３０の速度に応じた可変値（例えば速度に比例又は反比例した値）としてもよい。また、アーム３０の侵入方向（ベクトルｖｃの方向）は、アーム３０のうち、最初に未観測領域に侵入する部分もしくは任意の部分が未観測領域に侵入する際におけるその部分の侵入方向としてよいが、好ましくは、アーム３０のうち、センサ７０が取り付けられる先端部（ハンド６０を含めてもよい）が未観測領域に侵入する際における先端部の侵入方向とするとよい。

これによれば、図４に示すように、センサ７０の観測方向のベクトルｖｉの方向と、アーム３０の侵入方向のベクトルｖｃの方向が近い場合には、侵入時観測度ｆが大きく算出される。一方、図５に示すように、センサ７０の観測方向のベクトルｖｉの方向と、アーム３０の侵入方向のベクトルｖｃの方向が全く異なる場合には、侵入時観測度ｆが小さく算出される。

よって、例えば、侵入経路の候補として、図４に示す侵入経路と図５に示す侵入経路がある場合には、図４に示す侵入経路が選択されることになる。これによれば、図４に示すように、図５と比較して、アーム３０の侵入経路（軌道）について、センサ５０の未観測領域をアーム３０の先端部のセンサ７０によって、より観測することができる侵入経路が選択されることになる。

以上に説明したように、本実施の形態に係るロボット１は、センサ５０（第１のセンサ）による未観測領域にアーム３０を侵入させる場合、センサ７０（第２のセンサ）の観測方向のベクトルとアーム３０の未観測領域への侵入方向のベクトルとの内積が、より小さくなるように、アーム３０の未観測領域への軌道を決定するようにしている。

これによれば、アーム３０の軌道として、センサ５０の未観測領域をアーム３０の先端部のセンサ７０によって、より観測することができる軌跡を決定することができる。

＜発明の他の実施の形態＞
上記実施の形態の説明では、侵入観測度ｆを複数の侵入経路から、障害物との接触の可能性を低減することができる侵入経路を選択するために使用する例について説明したが、これに限られない。例えば、アーム３０のオンライン軌道計画における指標の一つとして利用するようにしてもよい。

例えば、ポテンシャル法によって、アーム３０のオンライン軌道計画を行う場合には、侵入時観測度ｆが小さくなる方向のポテンシャル場の勾配よりも、侵入時観測度ｆが大きくなる方向のポテンシャル場の勾配の方が、急勾配となるようにポテンシャル場を算出するようにしてもよい。

なお、本発明は上記の実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ ロボット
９ 操作端末
１０ ロボット本体
２０ 移動台車
３０ アーム
４０ 頭部
５０、７０ センサ
６０ ハンド
１１ 制御部
１２ 記憶部
１３ 通信部
２１ａ、２１ｂ アクチュエータ
２２ａ、２２ｂ 車輪
２３ａ、２３ｂ 角度センサ
３１ａ、３１ｂ アクチュエータ
３２ａ、３２ｂ 角度センサ
４１ アクチュエータ

Claims (1)

1. ロボット本体と、
   前記ロボット本体に取り付けられたアームと、
   前記ロボット本体に取り付けられ、周辺を観測する第１のセンサと、
   前記アームの先端部に取り付けられ、所定範囲に制限された観測範囲において周辺を観測する第２のセンサと、
   前記第１のセンサ及び前記第２のセンサの観測結果に基づいて、前記アームの軌道を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記第１のセンサによる未観測領域に前記アームを侵入させる場合、前記第２のセンサの観測方向のベクトルと前記アームの前記未観測領域への侵入方向のベクトルとの内積が、より小さくなるように、前記アームの前記未観測領域への軌道を決定する、
   ことを特徴とするロボット。

Images