JP7012040B2 - 動作領域制限方法、及びロボット制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、動作領域制限方法、ロボット制御装置、及び報知体に関する。
従来、3次元距離センサにより周囲の環境を観測して、人が行う作業を代行する生活支援ロボットが知られている(例えば、特許文献1参照)。上記生活支援ロボットは、3次元距離センサにより障害物の有無が観測できていない未観測領域とアームとがオーバーラップした場合に、アームの速度を減少させている。
また、移動ロボットの作業環境内に、移動ロボットが視覚的に識別可能なランドマークを設置することにより、移動ロボットに対して、障害物や作業場所の所在を視覚的に通知する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2007-283450号公報 特開2002-149240号公報
上記特許文献1、2に記載されたロボットはいずれも、障害物或いはランドマークといった特定の対象物の位置を認識して、特定位置へのロボットの接近を制限している。しかしながら、ロボットの利用者が、特定位置ではなく、任意の立体的なエリアについてロボットの動作を制限したいと考える場合もある。
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、ロボットの動作を制限する立体的なエリアを容易に設定することができる動作領域制限方法、ロボット制御装置、及び報知体を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための第1態様として、ロボットの動作領域を制限する動作領域制限方法であって、所定長さを有して情報表示が付された報知体について、前記所定長さと前記情報表示を認識することによって、高さを有する所定の制限エリアの範囲を含むエリア設定情報を取得するエリア設定情報取得ステップと、前記エリア設定情報に基づいて、前記制限エリアの範囲を認識するエリア制限条件認識ステップと、前記エリア制限条件認識ステップにより認識された前記制限エリアの範囲の情報を、メモリに保存するステップと、前記制限エリアに対する前記ロボットの動作を制限する動作制限ステップと、を含み、前記動作制限ステップにおいて、前記報知体が除去された後も、前記メモリに保存された前記制限エリアの範囲の情報に基いて、前記制限エリアに対する前記ロボットの動作を制限し、制限解除を示すマークを認識したときに前記制限エリアによる前記ロボットの動作の制限を解除する動作領域制限方法が挙げられる
上記動作領域制限方法において、前記エリア設定情報取得ステップにおいて、前記ロボットの動作可能範囲内に着脱可能に配置された前記報知体から報知される前記エリア設定情報を取得する構成としてもよい。
上記動作領域制限方法において、前記エリア設定情報取得ステップにおいて、前記報知体の前記所定長さと前記情報表示を、カメラによる前記報知体の撮影画像に基づいて認識することにより取得する構成としてもよい。
上記動作領域制限方法において、前記エリア設定情報取得ステップにより取得された前記エリア設定情報に、第1高さ及び前記第1高さと異なる第2高さが含まれる場合に、前記エリア制限条件認識ステップにおいて、前記第1高さから前記第2高さまでの範囲を、前記制限エリアの高さ範囲として認識する構成としてもよい。
上記動作領域制限方法において、前記エリア設定情報取得ステップにより取得された前記エリア設定情報に、高さと奥行きが含まれる場合に、前記エリア制限条件認識ステップにおいて、前記高さと前記奥行きとにより前記制限エリアの範囲を認識する構成としてもよい。
上記動作領域制限方法において、前記エリア設定情報取得ステップにおいて、前記制限エリアにおける前記ロボットの動作条件を含む前記エリア設定情報を取得し、前記エリア制限条件認識ステップにおいて、前記エリア設定情報に基づいて前記動作条件を認識し、前記動作制限ステップにおいて、前記動作条件に基づいて、前記制限エリアに対する前記ロボットの動作を制限する構成としてもよい。
上記動作領域制限方法において、前記エリア制限条件認識ステップにより認識された前記動作条件に、前記ロボットにより使用され、前記制限エリア内での使用が許可又は禁止される用具の情報が含まれる場合に、前記動作制限ステップにおいて、前記ロボットの全体又は一部が前記用具を持った状態で前記制限エリアから退出すること又は前記制限エリアに進入することを制限する構成としてもよい。
上記目的を達成するための第2態様として、ロボットの作動を制御するロボット制御装置であって、所定長さを有して情報表示が付された報知体について、前記所定長さと前記情報表示を認識することによって、高さを有する所定の制限エリアの範囲を含むエリア設定情報を取得するエリア設定情報取得部と、前記エリア設定情報に基づいて、前記制限エリアの範囲を認識するエリア制限条件認識部と、前記制限エリアに対する前記ロボットの動作を制限する動作制限部と、を備え、前記エリア制限条件認識部は、前記制限エリアの範囲の情報をメモリに保存し、前記動作制限部は、前記報知体が除去された後も、前記メモリに保存された前記制限エリアの範囲の情報に基づいて、前記制限エリアに対する前記ロボットの動作を制限し、制限解除を示すマークを認識したときに前記制限エリアによる前記ロボットの動作の制限を解除するロボット制御装置が挙げられる。
上記動作領域制限方法によれば、エリア設定情報取得ステップにより、報知体によって報知されるエリア設定情報が取得され、エリア制限条件認識ステップにより、エリア設定情報に基づいて制限エリアの範囲が認識される。そして、動作制限ステップにより、制限エリアに対するロボットの動作が制限される。そのため、ロボットの利用者は、報知体を配置するという簡易な作業により、ロボットの動作を制限するエリアを容易に設定することができる。
ロボット、及びロボット管理サーバーの構成の説明図。 ロボットの動作領域を制限するエリアの設定態様の説明図。 制限エリアの設定、及び制限エリアに対するロボットの動作制限の処理のフローチャート。 調理台に制限エリアを設定する例の説明図。 複数段の棚の一部に制限エリアを設定する例の説明図。
[1.ロボット、及びロボット管理サーバーの構成]
図1、図2を参照して、本発明の動作領域制限方法による制限エリアの設定と制限エリアに対する動作制限を実行するロボット1、及びロボット管理サーバー50の構成について説明する。図1、2に示したように、ロボット1は、利用者Uの活動エリアと重複するエリアを移動して種々の作業を行う自律走行型のロボットである。図2では、ロボット1が、調理台110に置かれたまな板111に調理物113を載せて、包丁112でカットする作業を行っている状況を示している。
本実施形態では、ロボット1の動作領域を制限する制限エリアが、利用者Uにより床等に貼られたエリア設定シール(本発明の報知体に相当する)によって設定され、図2は、二つの制限エリアAr1、Ar2が設定されている状況を示している。制限エリアAr1は、まな板111の四隅に貼られたエリア設定シールS11、S12、S13、S14(S12、S13については、図4を参照して後述する)により設定されている。また、制限エリアAr2は、部屋のコーナーの床に貼られたエリア設定シールS21、S22により設定されている。
エリア設定シールS11、S12、S13、S14、S21、S22は、高さの情報を有しており、そのため、制限エリアAr1、Ar2は、高さを有する直方体のエリアとなっている。エリア設定シールS11、S12、S13、S14、S21、S22は、ロボット1の動作可能範囲内に、着脱可能に貼り付けられて配置される。制限エリアの設定の詳細については後述する。
ロボット1は、ロボット1の作動を制御するロボット制御装置2、ロボット1の周囲を撮影するカメラ3、ロボット1の周囲の音を集音するマイク4、各種情報を表示する表示器5、及び利用者Uにより使用される利用者端末90等との間で通信を行うための通信部6を備えている。カメラ3はステレオカメラであり、ロボット制御装置2は、左右一対のステレオカメラの視差に基づいて、対象物の実空間位置を図2に示したx-y-zの3次元の実空間座標によって認識する。
ロボット制御装置2は、CPU(Central Processing Unit)10、メモリ20、図示しないインターフェース回路等により構成された電子回路ユニットである。CPU10は、メモリ20に保存されたロボット1の制御用プログラム21を実行することによって、エリア設定情報取得部11、エリア制限条件認識部12、及び動作制限部13として機能する。
エリア設定情報取得部11は、カメラ3による撮影画像から、エリア設定シールの画像部分を抽出し、エリア設定シールにより示されるエリア設定情報を取得する。エリア制限条件認識部12は、エリア設定情報取得部11により取得されたエリア設定情報に基づいて、制限エリアの範囲を示す境界情報と、制限エリアにおけるロボット1の動作条件を示す作業情報とを認識する。動作制限部13は、エリア制限条件認識部12により認識された境界情報及び作業情報に基づいて、制限エリアにおけるロボット1の動作を制限する。
メモリ20には、制御用プログラム21の他に、エリア設定シールが報知するエリア設定情報と、制限エリアの境界情報及び作業情報とを対応付けた制限条件テーブル22が保存されている。さらに、メモリ20には、ロボット1が把握している3次元の実空間座標による各制限エリアの位置を登録した制限エリアマップ23が保存されている。
また、エリア設定情報の取得、制限エリアの境界情報と作業情報の認識、及び制限エリアにおけるロボット1の動作の制限の処理を、ロボット制御装置2ではなく、通信ネットワーク500を介してロボット1と通信を行うロボット管理サーバー50により行う構成としてもよい。ロボット管理サーバー50は、CPU60、メモリ70等により構成されたコンピュータシステムである。CPU60は、メモリ70に保存されたロボット管理サーバー50の制御用プログラム71を実行することにより、エリア設定情報取得部61、エリア制限条件認識部62、及び動作制限部63として機能する。メモリ70には、メモリ20と同様に、制限条件テーブル72と、制限エリアマップ73とが保存されている。
エリア設定情報取得部61、エリア制限条件認識部62、及び動作制限部63の機能は、上述したロボット制御装置2のエリア設定情報取得部11、エリア制限条件認識部12、及び動作制限部13と、それぞれ同様である。但し、エリア設定情報取得部61は、ロボット1のカメラ3により撮影された画像Piを、ロボット1から受信することによって取得し、取得した画像からエリア設定シールの画像部分を抽出する。制限エリア情報を抽出して取得する。また、動作制限部63は、ロボット1から送信されるロボット1の現在位置情報を受信して、ロボット1の現在位置をリアルタイムで認識する。そして、動作制限部13は、制限エリアにおけるロボット1の動作の制限を指示する動作制限指示情報Criを、ロボット1に送信する。
このように、ロボット管理サーバー50による場合、ロボット1とロボット管理サーバー50との間で、カメラ3による撮影画像と、ロボット1の現在位置情報との送受信が必要となるが、この点以外は、ロボット制御装置2による場合と同様である。そのため、以下では、ロボット制御装置2により、制限エリアの設定とロボット1の動作制限の処理を行う場合について説明する。
ここで、エリア設定情報取得部11又はエリア設定情報取得部61により実行される処理は、本発明の動作領域制限方法におけるエリア設定情報取得ステップに相当する。また、エリア制限条件認識部12又はエリア制限条件認識部62により実行される処理は、本発明の動作領域制限方法におけるエリア制限条件認識ステップに相当する。また、動作制限部13又は動作制限部63により実行される処理は、本発明の動作領域制限方法における動作制限ステップに相当する。
[2.制限エリアの制限条件の認識とロボットの動作制限処理]
図3に示したフローチャートに従って、図2に示した状況で、ロボット制御装置2により実行される一連の処理について説明する。図3のステップS1~S3は、エリア設定情報取得部11による処理である。ステップS1で、エリア設定情報取得部11は、カメラ3によりロボット1の周囲を撮影し、撮影画像からエリア設定シールの画像部分を探索する。撮影画像から認識されるエリア設定シールの部分は、本発明のロボットによる視覚認識が可能な態様でエリア設定情報を表示するエリア設定情報表示部に相当する。
次のステップS2で、エリア設定情報取得部11は、撮影画像からエリア設定シールの画像部分が抽出されたときはステップS4に処理を進め、撮影画像からエリア設定シールの画像部分が抽出されなかったときにはステップS6に処理を進める。ステップS4からステップS5は、エリア制限条件認識部12による処理である。
ステップS5で、エリア制限条件認識部12は、制限条件テーブル22を参照して、ステップS3で画像部分が抽出されたエリア設定シール応じた制限エリアの境界情報と作業情報とを認識する。境界情報は、1つのエリア設定シールにより規定される場合と、複数のエリア設定シールにより規定される場合がある。
例えば、図2の制限エリアAr2の境界情報は、2つのエリア設定シールS21、S22により、x方向(幅方向)についてはエリア設定シールS21の長さx2、y方向(奥行方向)についてはエリア設定シールS22の長さy2、z方向(高さ方向)については、エリア設定シールS21に付加されたマークQ1により規定して、制限エリアAr2を設定している。マークQ1は、z方向の長さ(高さ)を数字により直接示してもよく、QRコード(登録商標)やバーコード等の記録コードであってもよい。或いは、エリア設定シールS21、S22の色の違いによってz方向の長さを指定してもよい。マークQ1は、利用者Uがエリア設定シールS21に描いてもよい。
また、制限エリアAr2の作業情報も、マークQ1により示される。作業情報には、例えば以下のa~dが含まれる。
a:制限エリアへの進入禁止。
b:制限エリアからの退出禁止。
c:所定作業を制限エリア内でのみ許可。
d:所定用具を使った作業を、制限エリア内でのみ許可し、所定用具を持ったままで制限エリアから退出することを禁止。
e:所定作業を制限エリア外でのみ許可。
f:所定用具を使った作業を、制限エリア外でのみ許可し、所定用具を持ったままで制限エリアに進入することを禁止。
マークQ1は、上記aの「制限エリアへの進入禁止」を示す表示を含み、これにより、ロボット1が制限エリアAr2内に進入して、保護対象物130に接触することを防止している。
また、制限エリアAr1は、図4に示したように、調理台110に置かれたまな板111の四隅に貼られたエリア設定シールS11、S12、S13、S14により、x方向についてはエリア設定シールS11とS13の間隔x1、y方向についてはエリア設定シールS13とS14の間隔y1、z方向については、エリア設定シールS11、S12、S13、S14のいずれかに示される「H」マークにより指定された長さz1により、それぞれ規定して、設定されている。「H」マークによる指定長さは、制限条件テーブル22に記録されている。
また、「H」マークは、制限エリアAr1内でのみ包丁112による作業を許可する作業情報を示しており、包丁112には、制限エリアAr1内でのみ使用が可能であることを示す使用制限マークM1が付されている。また、「H」マークは、制限エリアAr1内での殺虫スプレー115の使用を禁止する作業情報を示しており、殺虫スプレー115には、制限エリアAr1内での使用を禁止する使用制限マークM2が付けられている。
動作制限部13は、制限エリアAr1に対して、使用制限マークMが付された包丁112の使用を制限エリアAr1内でのみ許可し、ロボット1が、包丁112を持った状態で制限エリアAr1から退出することを禁止する。また、動作制限部13は、制限エリアAr1に対して、使用制限マークM2が付された殺虫スプレー115の制限エリアAr1内での使用を禁止する。なお、包丁112及び殺虫スプレー115を、使用制限マークM1,M2ではなく、包丁112及び殺虫スプレー115の画像部分の形状認識によって、認識するようにしてもよい。
また、図5は、一つのエリア設定シールS31により、エリア設定シールから離れたz方向の範囲を指定して、制限領域Ar3を設定する場合を例示している。図5は、上棚201、中棚202、及び下棚203を有する3段棚200について、中棚202へのロボット1の腕1aの進入を禁止するために、エリア設定シールS31により、中棚202の前面に仮想壁の制限エリアAr3を設定している。
エリア設定シールS31には、第1高さz31と第2高さz32の情報を示すマークQ3が付けられており、エリア制限条件認識部12は、第1高さz31から第2高さz32までの範囲を、制限エリアAr3のz方向の範囲として認識する。また、マークQ3は、3段棚200の正面側から制限エリアAr3を超えて中棚202に、進入することを禁止する作業情報を示している。そのため、動作制限部13は、ロボット1の腕1aが、3段棚200の正面側から制限エリアAr3を超えて中棚202内に進入することを禁止する。
図3のフローチャートに戻り、ステップS5で、エリア制限条件認識部12は、認識した制限エリアの境界情報と作業情報を、以下のコード情報の形式により制限エリアマップ23に登録する。
コード情報=(x1,X2,y1,y2,z1,z2,Wcd)
但し、x1,x2:x座標の範囲、y1,y2:y座標の範囲、z1,z2:z座標の範囲、Wcd:作業情報。
続くステップS6は、動作制限部13による処理であり、動作制限部13は、制限エリアマップ23を参照して、制限エリアの範囲を認識し、作業情報により設定された動作条件に従って、制限エリアに対するロボット1の動作を制限する。図2の例では、動作制限部63は、制限エリアAr2内へのロボット1の進入を禁止する。また。動作制限部63は、制限エリアAr1内でのみ、ロボット1による包丁112を使用した調理の作業を許可し、ロボット1が包丁112を持ったままで、制限エリアAr1から退出することを禁止する。
[3.他の実施形態]
上記実施形態において、エリア設定シールにより設定された制限エリアの境界情報及び作業情報が制限エリアマップ23に登録された後、利用者がエリア設定シールを剥がしても、登録済みの境界情報及び作業情報に基づいて、ロボット1の動作の制限を継続して行うようにしてもよい。これにより、制限エリアを設定するときにだけ、エリア設定シールを貼ればよいので、エリア設定シールが貼られることで部屋の美観が損なわれることを回避することができる。
この場合、所定の設定期間の経過により、或いは制限解除を示すマークをロボット1に認識させることによって、制限エリアによる動作範囲の制限を解除することができる。また、利用者端末90の操作により、制限エリアによる動作範囲の制限を解除してもよい。
上記実施形態では、本発明の報知体として、表示により制限エリアの設定情報を報知するエリア設定シールを示したが、無線信号(電波、光、音等による信号)により制限エリアの設定情報を報知する報知体を用いてもよい。例えば、RFID(Radio Frequency Identifier)による無線通信により、ロボット1に制限エリアの設定情報を送信する構成を採用することができる。
上記実施形態では、ロボット1のカメラ3は、ロボット1の頭部に設けられたが、ロボット1の腕1aの先端部等の他の箇所に設けてもよい。また、カメラ3としてステレオカメラを用いたが、単眼カメラを用いてもよい。単眼カメラを用いる場合には、ロボット1の頭部を左右に移動させて二つの位置から撮影することにより、二つの位置での撮影画像間の画像部分の視差と移動距離とに基づいて対象物の実空間位置を認識することができる。
上記実施形態では、エリア設定シールを床、或いはまな板に貼る例を示したが、エリア設定シールは、ロボット1がカメラ3により撮影可能な箇所に貼ればよい。例えば、エリア設定シールを天井に貼ることにより、床に置かれた物によってエリア設定シールが隠れてしまうことを回避することができる。
上記実施形態では、本発明の報知体として、エリア設定シールを示したが、粘着性を有しないテープ等であってもよい。また、境界情報や作業情報を示すマークやコードは、予め報知体に示されていてもよく、利用者が自由に追記できるようにしてもよい。境界情報や作業情報を示すマークやコードが予め示された報知体を市販することにより、利用者は、希望するエリア設定条件が付された報知体を購入して使用することで、制限エリアの範囲と制限内容を容易に設定することができる。
上記実施形態では、自律走行型のロボット1を示したが、工場内で組み立て作業を行うロボット等の固定ロボットについても、本発明の適用が可能である。固定ロボットの場合は、ロボットの全体ではなく、例えば工作ツールを掴んでいるアームのようなロボットの一部が、制限エリア内に進入すること又は制限エリアから退出することを制限する態様となる。
なお、図1は、本願発明の理解を容易にするために、ロボット1及びロボット管理サーバー50の機能構成を、主な処理内容により区分して示した概略図であり、ロボット1及びロボット管理サーバー50の構成を、他の区分によって構成してもよい。また、各構成要素の処理は、1つのハードウェアユニットにより実行されてもよいし、複数のハードウェアユニットにより実行されてもよい。また、図1に示した各構成要素の処理は、1つのプログラムにより実行されてもよいし、複数のプログラムにより実行されてもよい。
1…ロボット、2…ロボット制御装置、3…カメラ、4…マイク、5…表示器、6…通信部、10…CPU、11…エリア設定情報取得部、12…エリア制限条件認識部、13…動作制限部、20…メモリ、21…制御用プログラム、22…制限条件テーブル、23…制限エリアマップ、50…ロボット管理サーバー、60…CPU、61…エリア設定情報取得部、62…エリア制限条件認識部、63…動作制限部、70…メモリ、71…制御用プログラム、72…制限条件テーブル、73…制限エリアマップ、80…通信部、90…利用者端末、Ar1,Ar2,Ar3…制限エリア、S11,S12,S13,S14,S21,S22,S31…エリア設定シール(報知体)、Q1,Q3…マーク、U…利用者。

Claims (8)

  1. ロボットの動作領域を制限する動作領域制限方法であって、
    所定長さを有して情報表示が付された報知体について、前記所定長さと前記情報表示を認識することによって、高さを有する所定の制限エリアの範囲を含むエリア設定情報を取得するエリア設定情報取得ステップと、
    前記エリア設定情報に基づいて、前記制限エリアの範囲を認識するエリア制限条件認識ステップと、
    前記エリア制限条件認識ステップにより認識された前記制限エリアの範囲の情報を、メモリに保存するステップと、
    前記制限エリアに対する前記ロボットの動作を制限する動作制限ステップと、を含み、
    前記動作制限ステップにおいて、前記報知体が除去された後も、前記メモリに保存された前記制限エリアの範囲の情報に基いて、前記制限エリアに対する前記ロボットの動作を制限し、制限解除を示すマークを認識したときに前記制限エリアによる前記ロボットの動作の制限を解除する
    作領域制限方法。
  2. 前記エリア設定情報取得ステップにおいて、前記ロボットの動作可能範囲内に着脱可能に配置された前記報知体から報知される前記エリア設定情報を取得する
    請求項に記載の動作領域制限方法。
  3. 前記エリア設定情報取得ステップにおいて、前記報知体の前記所定長さと前記情報表示を、カメラによる前記報知体の撮影画像に基づいて認識することにより取得する
    請求項1又は請求項2に記載の動作領域制限方法。
  4. 前記エリア設定情報取得ステップにより取得された前記エリア設定情報に、第1高さ及び前記第1高さと異なる第2高さが含まれる場合に、
    前記エリア制限条件認識ステップにおいて、前記第1高さから前記第2高さまでの範囲を、前記制限エリアの高さ範囲として認識する
    請求項1から請求項のうちいずれか1項に記載の動作領域制限方法。
  5. 前記エリア設定情報取得ステップにより取得された前記エリア設定情報に、高さと奥行きが含まれる場合に、
    前記エリア制限条件認識ステップにおいて、前記高さと前記奥行きとにより前記制限エリアの範囲を認識する
    請求項1から請求項のうちいずれか1項に記載の動作領域制限方法。
  6. 前記エリア設定情報取得ステップにおいて、前記制限エリアにおける前記ロボットの動作条件を含む前記エリア設定情報を取得し、
    前記エリア制限条件認識ステップにおいて、前記エリア設定情報に基づいて前記動作条件を認識し、
    前記動作制限ステップにおいて、前記動作条件に基づいて、前記制限エリアに対する前記ロボットの動作を制限する
    請求項1から請求項のうちいずれか1項に記載の動作領域制限方法。
  7. 前記エリア制限条件認識ステップにより認識された前記動作条件に、前記ロボットにより使用され、前記制限エリア内での使用が許可又は禁止される用具の情報が含まれる場合に、
    前記動作制限ステップにおいて、前記ロボットの全体又は一部が前記用具を持った状態で前記制限エリアから退出すること又は前記制限エリアに進入することを制限する
    請求項に記載の動作領域制限方法。
  8. ロボットの作動を制御するロボット制御装置であって、
    所定長さを有して情報表示が付された報知体について、前記所定長さと前記情報表示を認識することによって、高さを有する所定の制限エリアの範囲を含むエリア設定情報を取得するエリア設定情報取得部と、
    前記エリア設定情報に基づいて、前記制限エリアの範囲を認識するエリア制限条件認識部と、
    前記制限エリアに対する前記ロボットの動作を制限する動作制限部と、を備え、
    前記エリア制限条件認識部は、前記制限エリアの範囲の情報をメモリに保存し、
    前記動作制限部は、前記報知体が除去された後も、前記メモリに保存された前記制限エリアの範囲の情報に基づいて、前記制限エリアに対する前記ロボットの動作を制限し、制限解除を示すマークを認識したときに前記制限エリアによる前記ロボットの動作の制限を解除する
    ロボット制御装置。
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