JP7478393B2

JP7478393B2 - 自律移動ロボット、並びに、その制御装置及び制御プログラム

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Publication number: JP7478393B2
Application number: JP2020168491A
Authority: JP
Inventors: 允啓亀▲崎▼; 喬介斎藤; 太郎濱田; 重樹菅野
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2020-10-05
Filing date: 2020-10-05
Publication date: 2024-05-07
Anticipated expiration: 2040-10-05
Also published as: JP2022060801A

Description

本発明は、自律移動ロボット、並びに、その制御装置及び制御プログラムに係り、更に詳しくは、所定の目的地まで歩行者等の移動対象を先導し、また、荷物運搬や警護等のために移動対象に追従するタスクを行うための自律移動ロボット、並びに、その制御装置及び制御プログラムに関する。

近時において、人間との共存環境下で自律的に移動可能となる様々な自律移動ロボットが出現している。当該自律移動ロボットとしては、多くの産業・生活分野において、人間の作業を支援するサービスタスクを行えるものの需要が高まっており、その適用環境としては、駅や空港等の狭小で混雑した空間も含まれる。このような空間でロボットが自律移動する場合には、人間の動作を優先した迂回や停止が都度要求される。そこで、所定のスタート地点からゴール地点まで自律移動する際に、周囲の人間を含む障害物の状況をセンシングし、当該障害物との将来的な干渉を回避しながら移動するロボットがある。特に、混雑環境下においては、単に一方的に人間を避けるだけではなく、人間の動きや他の障害物等に配慮し、干渉を効果的に避けるための人間との協調的な動作が有用となる。すなわち、当該混雑環境下での移動時には、干渉回避動作や停止動作等、人間の動作に対して受動的な動作に加え、当該動作を通じてロボットの行動意図を人間に伝達し、人間自身の干渉回避行動を能動的に働きかけることが有用となる。そこで、本発明者らは、自身の研究成果として、前述の働きかけを踏まえた経路計画による自律移動を可能にするロボットを種々提案している（特許文献１、２等参照）。

ところで、前述のサービスタスクとしては、様々な種類が存在するが、最も基本的なものとして、サービスを受ける対象者を連れて所定の目的地までロボットが先導する先導行動、或いは、対象者の荷物の運搬や警護等を行うために、対象者に続いてロボットが移動する追従行動を伴うタスクがある。特許文献３には、先導行動を行えるロボットが開示され、特許文献４には、追従行動を行えるロボットが開示されている。特許文献３のロボットでは、対象者（被案内者）との離間距離を検出し、ロボットが対象者に対し、予め設定した所定距離以上離れないように、ロボットの歩行速度を制御し、必要に応じてスピーカーから声掛けを行うようになっている。特許文献４のロボットでは、対象者（追従目標物体）の位置及び速度を検出し、その検出結果に応じて、対象者を追従可能に移動制御するようになっている。

特開２０１９－８４６４１号公報特開２０２０－４６７５９号公報特開２００３－３４０７６４号公報特開２００６－１４６４９１号公報

しかしながら、前記特許文献３、４のロボットでは、混雑した空間内において想定される様々な不測の事態に対応しながら、サービスタスクを継続させることが難しい。例えば、前記特許文献３、４には、その移動時に対象者と異なる他の歩行者との干渉を回避するための具体的な軌道生成方向が明示されていないが、移動スペースが限られた混雑空間内でのタスク遂行時の軌道生成は重要となる。そこで、この点を重視して、他の歩行者との干渉を確実に回避するための軌道生成を行うと、ロボットが対象者からより離れ易くなってしまい、ロボットによる先導行動や追従行動を途中で行えなくなる可能性がある。例えば、混雑空間内でのロボットの先導行動において、対象者が、他の多くの歩行者の存在や周囲の環境に気を取られてしまう等の原因により、ロボットを見失う場合がある。この場合、前記特許文献３のロボットは、対象者との相対距離が所定距離以上になったときに減速するのみで、対象者がロボットを発見して対象者自らがロボットに近づかない限り、その後のタスクの遂行が不能になる。また、前記特許文献３のロボットでは、対象者との相対距離が前記所定距離未満の場合には、そのままの状態で目的地までの自律移動が継続される。しかしながら、この場合において、対象者がロボットの移動方向と違う方向に移動しようとしているとき、タスクを将来的に遂行できなくなる可能性が高く、そのような状況を事前に察知して対策を講じることができない。更に、前記特許文献３、４のロボットでは、対象者の内面的な行動意図に基づいて移動制御がなされるものでなく、当該行動意図に応じて、移動状態を変えずに様子見をしたり、対象者の行動を先読みした移動ができない。更に、前記特許文献３、４のロボットでは、例えば、先導行動において、ロボットを見失って離れた対象者を追いかけて、タスクを継続させるような行動はできない。

本発明は、このような課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、不測の事態が生じても、先導行動や追従行動を伴うタスクを継続して遂行できる自律移動ロボット、並びに、その制御装置及び制御プログラムを提供することにある。

本発明は、主として、所定の移動対象を先導する先導行動や移動対象に追従する追従行動を伴う所定のタスクを実行可能に動作する動作部を含み、前記移動対象に同行しながら自律移動するロボットにおいて、前記移動対象の位置情報及び速度情報を検出する検出装置と、当該検出装置の検出結果から、前記動作部の動作を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記移動対象との相対位置関係及び相対速度関係から前記タスクの実効性を判断し、当該タスクを継続させるための行動計画を行う行動計画手段と、当該行動計画を加味した自律移動を実行するように、前記動作部を動作させる動作実行手段とを備え、前記行動計画手段は、ロボットと前記移動対象の相対距離とそれらの相対速度の大きさ及び方向を総合した同行関係性を評価する同行関係性評価部と、ロボットに対する前記移動対象の意識に関する同行意思を評価する同行意思判断部と、前記同行関係性及び前記同行意思を総合することにより、前記タスクを継続させるための行動内容を決定する行動内容決定部とを備える、という構成を採っている。

本発明によれば、先導行動や追従行動を伴うタスクの遂行時に、ロボットに対する移動対象の物理的な相対関係に加え、ロボットに対する移動対象の意識を総合して、ロボットに対する移動対象の動向を推定することができる。つまり、ロボットと移動対象との単なる相対距離のみならず、相対速度の大きさや方向を総合した同行関係性と、移動対象のロボットに対する意識に関する同行意思とも総合的に考慮しながら、将来的なタスクの継続性を事前に判断し、その状況に応じて様々なロボットの動作制御が行われる。従って、ロボットと移動対象の相対距離が想定以上に離れても、タスクの継続性が確保できると判断されると、ロボットの動作を変えずに一旦様子見することも可能になる。また、移動対象がロボットから離れるような不測の事態が生じても、先導行動や追従行動を伴うタスクを継続して遂行するロボットの動作が可能になる。更に、ロボットに対する移動対象の同行意思を推定することで、移動対象の意識がロボットから離れているような場合に、ロボットが移動対象を追いかけて連れ戻すようなロボットの動作もでき、タスクの実効性をより向上させることができる。

本実施形態に係る自律移動ロボットの移動制御に関連する構成のみを概略的に表したブロック図である。（Ａ）は、同行関係性モデルを説明するための概念図であり、（Ｂ）は、ロボット相対座標系と径方向相対速度を説明するための概念図である。（Ａ）は、先導行動の際の相対角度を説明するための概念図であり、（Ｂ）は、追従行動の際の相対角度を説明するための概念図である。（Ａ）は、先導行動時において、同行関係性と同行意思に対する行動内容の関係を示す表であり、（Ｂ）は、追従行動時において、同行関係性と同行意思に対する行動内容の関係を示す表である。ロボットの自律移動制御に関する処理手順を表すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施形態に係る自律移動ロボット１０（以下、「ロボット１０」と称する）の移動制御に関連する構成のみを概略的に表したブロック図が示されている。この図において、前記ロボット１０は、移動対象に同行しながら自律移動を行うことで、次の行動を伴うサービスタスクを実行可能となっている。このロボット１０では、所望の目的地に向かって、移動対象となるサービス対象者（以下、単に「対象者」と称する）を連れて移動することで対象者を先導する先導行動と、対象者の荷物運搬や警護等の目的で対象者に続いて移動することで対象者に追従する追従行動とをシームレスに接続可能となっている。

前記ロボット１０には、図１に示されるように、各種動作を可能に構成された機構や機器からなる動作部１１と、ロボット１０の周囲の環境情報を検出する検出装置１２と、検出装置１２の検出結果に基づき、動作部１１の動作を制御する制御装置１３とが設けられている。

前記動作部１１は、所定範囲内を自律移動させるための機構やその動力源からなる移動装置１４と、所定の音声を発生するスピーカー１６とを含む。これら移動手段１４及びスピーカー１６は、全て公知の部材、機構、装置類等からなり、本発明の本質部分でないため、各構成についての詳細な図示説明を省略する。

前記検出装置１２は、ロボット１０の周囲に存在する物体の位置情報を検出する位置検出部１８と、位置検出部１８での検出結果に基づき、前記物体の速度情報を検出するコンピュータからなる速度検出部１９とを備えており、所定の時間（フレーム）毎に前記位置情報及び前記速度情報を取得可能となっている。この検出装置１２では、物体として、前記対象者と、移動空間内の障害物とに関する位置情報及び速度情報が移動情報として検出される。なお、ここでの障害物としては、ロボット１０の移動経路の周辺に存在する壁や設置物等、環境中で常時静止した状態の固定障害物と、人間、動物、ロボット等、環境中で移動可能となる各種の移動体からなる移動障害物とがある。

前記位置検出部１８は、特に限定されるものではないが、ロボット１０からその周囲へのレーザ光の照射による人間を含む物体の反射状態に基づいて、ロボット１０の周囲の物体の各表面部分の位置情報を検出する公知のレーザレンジファインダ等の測域センサにより構成される。この測域センサでは、人間等の表面部分を構成する点群における各点の平面視での２次元位置座標が所定時間毎に検出され、各時刻における検出結果から、公知の手法を利用して人間等の仮想体幹の当該時刻における位置が特定され、当該仮想体幹における位置情報を観測値とするようになっている。ここで、時系列データでの仮想体幹の位置情報の変位が所定の閾値未満である場合には、同一の人間等であるとし、同一のＩＤが割り当てられる。そして、当該各人間等について、取得した時系列の位置情報の変化から、速度検出部１９で速度情報が求められることになる。

なお、前記位置検出部１８としては、前述のレーザレンジファインダやその他の測域センサに限定されるものではなく、物体の位置情報を検出できる限りにおいて、様々なセンサや装置類によって構成することもできる。

前記速度検出部１９では、本発明者らが既に提案した手法（特開２０２０－９１２３５号公報）により、対象者とともにロボット１０周囲の移動障害物の位置情報を取得した時刻毎に、当該位置情報から対象者や移動障害物の速度情報が算出される。なお、当該速度情報を導出するアルゴリズムについては、本発明の本質要素ではないため、詳細な説明を省略する。また、本発明においては、位置検出部１８で検出した物体の位置情報からその速度情報を求めることができれば、前述の手法に限定されるものではなく、他の公知手法等により前記速度情報を導出可能な他のセンサ類、装置類、システム類等を適用することができる。

以上のように、対象者やその他の歩行者等の障害物の位置情報及び速度情報を含む移動情報は、所定フレーム毎に検出装置１２で逐次検出され、その検出タイミングで制御装置１３に伝送されるとともに、当該検出タイミング毎に制御装置１３で以下の各処理が行われる。

この制御装置１３は、ロボット１０に一体的に或いは別体として設けられており、ＣＰＵ等の演算処理装置及びメモリやハードディスク等の記憶装置等からなるコンピュータによって構成されている。当該コンピュータには、以下の各手段として機能させるためのプログラムがインストールされている。

前記制御装置１３は、対象者との相対位置関係及び相対速度関係からサービスタスクの実効性を判断し、サービスタスクを継続させるための働きかけを含む関係性維持行動の行動計画を行う行動計画手段２１と、当該行動計画を加味した自律移動を実行するように、動作部１１を動作させる動作実行手段２２とを備えている。

前記行動計画手段２１は、ロボット１０と対象者の相対距離とそれらの相対速度の大きさ及び方向を総合した同行関係性を評価する同行関係性評価部２４と、ロボット１０に対する対象者の意識に関する同行意思を評価する同行意思判断部２５と、同行関係性評価部２４及び同行意思判断部２５での評価結果を総合することにより、サービスタスクを継続させるための行動内容を決定する行動内容決定部２６とを備えている。

前記同行関係性評価部２４は、ロボット１０と対象者の疑似的な相互作用力である発生力を同行関係性の評価指標として算出する発生力算出部２８と、発生力算出部２８で求めた発生力を予め設定されたレベル毎に分類するレベル分類部２９とを備えている。

前記発生力算出部２８では、バネ、マス、ダンパ系をベースにした仮想の力学モデル（図２（Ａ）参照）による同行関係性評価モデルを用いて、検出装置１２で対象者Ｈの移動情報が検出されるタイミング毎に、予め記憶された数式により発生力が算出される。この同行関係性評価モデルでは、対象者Ｈとロボット１０の離間距離に応じて定まるバネ要素Ｓに相当するバネ成分（第１成分）と、ロボット１０から見た対象者の径方向相対速度に応じて定まるダンパ要素Ｄに相当するダンパ成分（第２成分）とを合算することで、発生力が求められる。

ここでの演算を含む以降の処理では、ロボット１０の位置を原点Ｏとしたロボット相対座標系（図２（Ｂ）参照）が用いられ、検出装置１２での位置情報及び速度情報から、ロボット相対座標系における情報が求められる。当該情報としては、ロボット１０に対する対象者Ｈの相対位置情報となる相対位置ベクトルＸ_ＲＨ（図２（Ｂ）参照）と、絶対座標系におけるロボット１０と対象者Ｈの速度ベクトル（Ｖ_Ｒ、Ｖ_Ｈ）（同図（Ａ）、（Ｂ）参照）から、ロボット１０に対する対象者Ｈの相対速度情報である相対速度ベクトルＶ_ＲＨ（同図（Ｂ）参照）とが求められる。また、ロボット１０から見た対象者Ｈの径方向における相対速度ベクトルＶ_ＲＨの成分、すなわち、ロボット１０（ロボット相対座標系の原点Ｏ）と対象者Ｈを結ぶ直線及びその延長線となる径方向線Ｌにおける相対速度ベクトルＶ_ＲＨの分解成分である径方向相対速度ベクトルＶ_ＲＨ０も求められる。

すなわち、径方向相対速度ベクトルＶ_ＲＨ０は、相対位置ベクトルＸ_ＲＨ及び相対速度ベクトルＶ_ＲＨから、次式により算出される。

また、前記発生力Ｆは次式により求められる。

上式において、Ｌ_０は、仮想バネの自然長に相当する項であり、ロボット１０と対象者Ｈとの相対距離がＬ_０のときは、それらの間に仮想的な引力や斥力が発生しないと定義される。このＬ_０は、容易に接触でき、通常の会話が可能となる最大の個人距離（例えば、１．５ｍ）に設定される。
また、ｋ、ｃは、以下のように、予め設定される各種の条件値により特定される係数であり、仮想の力学モデルにおけるバネ係数、ダンパ係数に対応する。すなわち、想定される発生力の最大値Ｆ_ｍａｘから、バネ成分とダンパ成分の分配比率ｗ_ｓｐ、ｗ_ｄｍを予め設定し、各成分が最大になる条件から、逆算的に各係数が設定される。また、Ｌ_１は、ロボット１０と対象者Ｈの相対距離について、前記個人距離Ｌ_０よりも大きな各距離、すなわち、初対面の人との会話が行われる社会距離と、直接的なかかわりのない人との距離である公共距離との境界値（例えば、３ｍ）である。更に、ｖ_Ｈ０は、人間の最適歩行速度（例えば、２０代健常者）、ｖ_Ｒ０は、ロボット１０の通常設定速度（定常速度）である。

なお、相対速度ベクトルＶ_ＲＨが、ロボット１０と対象者Ｈを結ぶ径方向線Ｌ（図２（Ｂ）参照）に直交する向きになる場合には、対象者Ｈの歩行速度がどんなに速くても、径方向線Ｌにおける成分がなく、径方向相対速度ベクトルＶ_ＲＨＯがゼロになり、上式から、発生力Ｆのダンパ成分がゼロになってしまう。この場合、対象者Ｈの歩行速度に対応するダンパ成分を残すために、対象者Ｈの進行方向に向かって位置を所定量僅かにシフトさせた状態で、径方向相対速度ベクトルＶ_ＲＨＯを生じさせる例外的な処理を行うと良い。

以上のように、ロボット１０と対象者Ｈの同行関係性は、それらの相対距離に関する要素がバネ成分として模擬され、ロボット１０に対する前後何れかの領域での対象者の移動速度に関する要素がダンパ成分として模擬され、それらを合算した発生力Ｆとして定量的に評価可能となる。つまり、ロボット１０と対象者Ｈの相対距離が同一であっても、対象者Ｈの相対速度ベクトルＶ_ＲＨに応じて、発生力Ｆの値が変化し、同行関係性が一定として評価されないことになる。この同行関係性に関する発生力Ｆは、ロボット１０と対象者Ｈの離間接近状況を表し、対象者Ｈがロボット１０から離れようとする状況である程、大きな値となる。

前記レベル分類部２９では、発生力算出部２８で求めた発生力Ｆが、その大きさに応じて、３段階の力閾値により区分されたレベル０～３の４段階に分類される。つまり、ここでは、発生力Ｆが、第１の力閾値Ｆ^ｔｈ１未満のときは、レベル０とされ、第１の力閾値Ｆ^ｔｈ１以上で第２の力閾値Ｆ^ｔｈ２未満のときは、レベル１とされ、第２の力閾値Ｆ^ｔｈ２以上で第３の力閾値Ｆ^ｔｈ３未満のときは、レベル２とされ、第３の力閾値Ｆ^ｔｈ３以上のときは、レベル３とされる。第１～第３の力閾値Ｆ^ｔｈ１、Ｆ^ｔｈ２、Ｆ^ｔｈ３は、前述した各係数ｋ，ｃ、個人距離Ｌ_０、及びロボット１０の定常速度ｖ_Ｒ０を使って、次式により、それぞれ一定値として予め設定される。なお、次式において、Ｌ_ｍａｘは、前記社会距離の上限値となる定数である。

前記同行意思判断部２５は、検出装置１２の検出結果に基づいて算出された対象者Ｈとロボット１０の相対角度に基づき、対象者Ｈにおける同行意思の判定用の速度閾値を求める速度閾値導出部３１と、ロボット１０から見た対象者の径方向相対速度ベクトルＶ_ＲＨＯの大きさと速度閾値とを対比することにより、同行意思の状態を判定する対比判定部３２とを備えている。

前記速度閾値導出部３１では、対象者Ｈとロボット１０の相対角度θ、予め設定された速度閾値の下限値ｖ_ｍｉｎ、及び、ロボット１０の定常速度ｖ_Ｒ０から、次式により速度閾値ｖ^ｔｈが求められる。ここで、前記相対角度θは、ロボット１０及び対象者Ｈのうち先行する一方の速度方向を０（ｄｅｇ）とし、当該速度方向と、ロボット１０と対象者Ｈを結んだ直線との間でなす角度とされる。すなわち、図３（Ａ）の先導行動の場合には、先行するロボット１０の進行方向が０（ｄｅｇ）となり、同図（Ｂ）の追従行動の場合は、先行する対象者Ｈの進行方向が０（ｄｅｇ）となる。

従って、速度閾値ｖ^ｔｈは、ロボット１０と対象者の現時点の相対角度θに応じて変化する値として、フレーム毎に算出される。上式により、速度閾値ｖ^ｔｈは、先導行動、追従行動の遂行上、前方に位置すべき移動体（先導行動時のロボット１０、追従行動時の対象者Ｈ）に対し、後方に位置すべき移動体（先導行動時の対象者Ｈ、追従行動時のロボット１０）が真後ろに位置する程、大きい値を取る。

前記対比判定部３２では、ロボット１０から見た対象者Ｈの径方向の径方向相対速度ベクトルＶ_ＲＨＯの大きさから、速度閾値ｖ^ｔｈによって対象者Ｈの同行意思の有無が判定される。つまり、径方向相対速度ベクトルＶ_ＲＨＯの絶対値である大きさ（速さ）が速度閾値ｖ^ｔｈ未満のときは、「同行意思あり」と判定される一方、同大きさ（速さ）が速度閾値ｖ^ｔｈ以上のときは、「同行意思なし」と判定される。

前記行動内容決定部２６では、同行関係性評価部２４で特定される発生力のレベルと、同行意思判断部３２で特定される同行意思の有無とにより、先導行動、追従行動でそれぞれ設定される図４のテーブルに従って、タスクを継続させるためのロボット１０と対象者双方の関係性を維持する関係性維持行動の内容が決定される。

具体的に、先ず、ロボット１０の先導行動の際には、図４（Ａ）に示されるパターンでの行動内容とされる。

（先導行動の際に「同行意思あり」の場合）
同行意思判断部２５で「同行意思あり」とされた場合には、対象者Ｈがロボット１０の後を付いてくる意識が有る状態と推定される。そこで、予め設定された案内場所に対象者Ｈを先導するよう、ロボット１０の目的地を案内場所とし、ロボット１０の移動方向は、案内場所方向となる。

この際、発生力がレベル０のときには、ロボット１０に対する対象者Ｈの追従状態が想定内であるとして、ロボット１０の行動内容は、定常速度での移動とされる。

一方、発生力がレベル１以上になると、ロボット１０に対する対象者Ｈの追従状態が想定外であり、このままでは、ロボット１０の先導行動によるサービスタスクが将来的に継続不能になる可能性があると判断される。従って、これらレベルのときのロボット１０の行動内容としては、対象者がロボット１０から離れないような働きかけがなされる。この働きかけとしては、対象者の追従状態の程度に応じた移動速度での移動と、スピーカー１６からの音声による対象者Ｈへの声かけとが行われる。

つまり、発生力がレベル１のときには、定常速度でのロボット１０の移動のまま、弱い声掛けが行われる。この弱い声掛けとしては、対象者Ｈを気に掛けるような指示、例えば、「こちらですよ」、「どうかしましたか」等が挙げられる。

また、発生力がレベル２のときには、定常速度よりも低速となる所定の低速度によるロボット１０の低速度移動と、中程度の声かけとが行われる。当該中程度の声かけとしては、対象者Ｈに対し、ロボット１０の速度に合わせるような指示、例えば、「もうすこしゆっくり歩いて下さい」等が挙げられる。

更に、発生力がレベル３のときには、ロボット１０の移動を停止する停止待機と、前述の中程度の声掛けとが行われる。

（先導行動の際に「同行意思なし」の場合）
一方、同行意思判断部２５で「同行意思なし」とされた場合には、対象者Ｈが何等かの理由でロボット１０の後を付いてくる意識が無い状態であると推定される。この場合には、ロボット１０を一旦対象者Ｈに向かって移動させるように、対象者Ｈの位置がロボット１０の目的地として決定され、ロボット１０の移動方向は、対象者Ｈの位置方向とされる。

ここで、発生力がレベル０のときには、ロボット１０と対象者Ｈの相対関係から、同行意思判断部２５での判定結果に拘わらず、前述の「同行意思あり」でのレベル０と同一の処理が行われ、案内場所を目的地とした定常速度での移動とされる。

また、発生力がレベル１のときには、対象者Ｈを目的地とした定常速度による移動と、前述した中程度の声かけとが行われる。

更に、発生力がレベル２、３のときには、対象者Ｈを目的地とし、定常速度よりも高速となる所定の高速度による高速度移動と、次の強い声かけとが行われる。強い声かけとしては、対象者Ｈに対して移動の停止を促すような指示、例えば、「お待ち下さい」等が挙げられる。

次に、ロボット１０の追従行動の際には、図４（Ｂ）に示されるパターンでの行動内容とされる。

（追従行動の際に「同行意思あり」の場合）
同行意思判断部２５で「同行意思あり」とされた場合には、後行するロボット１０に対する対象者Ｈの意識がある状態と推定される。そこで、ロボット１０の目的地を対象者Ｈとし、且つ、対象者Ｈの速度方向（移動方向）に沿って追従するようにロボット１０の移動が決定される。

この際、発生力がレベル０のときには、対象者Ｈに対するロボット１０の追従状態が想定内であり、対象者Ｈと同一の速度ベクトルでの移動とされる。

一方、発生力がレベル１以上のときには、対象者Ｈに対するロボット１０の追従状態が想定外であり、このままでは、ロボット１０の追従行動によるサービスタスクが将来的に継続不能になる可能性があると判断される。従って、従って、これらレベルのときのロボット１０の行動内容としては、対象者がロボット１０から離れないような働きかけがなされる。この働きかけとしては、前述の先導行動と同様に、対象者の追従状態の程度に応じた移動速度での移動と、スピーカー１６からの音声による対象者Ｈへの声かけとが行われる。

つまり、レベル１、２のときには、対象者Ｈの位置を目的地とした定常速度によるロボット１０の移動と、前述した中程度の声かけとが行われる。

また、レベル３のときには、対象者Ｈの位置を目的地とした前述のロボット１０の高速度移動と、前述の強い声かけとが行われる。

（追従行動の際に「同行意思なし」の場合）
同行意思判断部２５で「同行意思なし」とされた場合には、後行するロボット１０に対する対象者Ｈの意識がない状態と推定される。この場合には、対象者Ｈに向かってロボット１０をより早く近づけるように、ロボット１０の目的地を対象者Ｈの位置のままとされ、ロボット１０の移動方向は、対象者Ｈの移動方向に関係なく対象者Ｈの位置方向とされる。

ここで、発生力がレベル０のときには、ロボット１０と対象者Ｈの相対関係から、同行意思判断部２５での判定結果に拘わらず、前述の「同行意思あり」でのレベル０と同一の処理が行われ、対象者Ｈと同一の速度ベクトルによる移動が行われる。

また、発生力がレベル１のときには、対象者Ｈの位置を目的地とした定常速度によるロボット１０の移動と、前述した中程度の声かけとが行われる。

更に、発生力がレベル２、３のときには、対象者Ｈの位置を目的地とした前述の高速度による高速度移動と、前述した強い声かけとが行われる。

以上の先導行動及び追従行動については、以下の特殊判断処理が設定されている。

第１の特殊判断処理としては、前回のタイミング（フレーム）において、同行関係性評価部２４で特定された発生力がレベル１以上で、且つ、現時点のタイミングで特定された発生力がレベル１以上の場合において、同行関係性評価部２４でレベルが前回のフレームよりも低下すると判断されたときには、その判断結果に拘わらず、前回のレベルが維持される。換言すると、前回フレームでのレベルが１以上のときに、現時点でのレベルが０になるまでは、レベルが前回フレームでの値以上になった際に、そのレベルに対応した行動内容が決定される一方、現時点でのレベルが前回フレームより低下しても、前回フレームと同一のレベルでの行動内容とされる。

第２の特殊判断処理としては、先導行動について、「同行意思あり」で発生力がレベル３のときに適用されるロボット１０の停止待機が、予め設定された制限時間以上続いた場合には、「同行意思なし」として、当該「同行意思なし」のときの行動内容として決定される。

前記動作実行手段２２では、行動計画手段２１で決定したロボット１０の速度情報による目的地への移動途中で、他の歩行者や壁等の障害物との将来的な干渉が予測される場合に、当該障害物を避けながら効率的に進行可能となる移動経路を探索し、当該移動経路に沿って移動するように、また、前述の声かけを適宜行うように動作部１１を制御する。

この動作実行手段２２は、図１に示されるように、ロボット１０の現在地から目的地までの間の直線経路において、障害物との干渉を判定する干渉判定部３４と、干渉判定部３４での結果を考慮して現在地から目的地までの間のロボット１０の軌道計画を行う軌道計画部３５と、軌道計画部３５で計画された軌道でロボット１０を自律移動させるように、また、行動内容決定部２６で決定された声掛けを行うように動作部１１に動作指令する動作指令部３６とを備えている。

前記干渉判定部３４では、本発明者らが既に提案した特開２０２０－４６７５９号公報等に開示されているように、検出装置１２での検出結果から障害物の現在の移動状況を取得し、ロボット１０が将来的に障害物に干渉する可能性の有無が判定される。ここで、障害物が他の歩行者等の移動障害物の場合には、ロボット１０と移動障害物の周囲に所定のサイズのパーソナルエリアが設定され、将来的に、これらパーソナルエリア同士が少なくとも一部でも重なり合うと予測される場合には、干渉の可能性が有ると判定され、そうでない場合には、干渉の可能性が無いと判定される。

前記軌道計画部３５では、本発明者らが既に提案した特開２０２０－４６７５９号公報等に開示された手法等を用い、ロボット１０の候補経路を複数生成するようになっている。すなわち、干渉判定部３４での判定により障害物との間での干渉が将来的に生じ得る場合には、障害物の左右両側となる横に、障害物との干渉を回避する経路の通過点（ＷａｙＰｏｉｎｔ：以下、「ＷＰ」と称する）が設定される。更に、当該ＷＰと目的地とを直線で結んだ別の直線経路上において、他の障害物との間での干渉が将来的に生じ得る場合に、当該他の障害物の左右両側となる横に同様にして次のＷＰが設定され、この処理が繰り返し行われる。最後に、このような手順で設定された各ＷＰを順に通過する候補経路が複数生成される。そして、候補経路の中から最もエネルギ効率の良い最適経路がロボット１０の軌道として決定される。

次に、前記ロボット１０の先導行動時、若しくは追従行動時における自律移動制御に関する処理手順について、図５のフローチャートを用いながら説明する。

先ず、ロボット１０が行うサービスタスクの種類が図示しない入力装置を通じて指定され、サービスを受ける対象者Ｈが特定される。その状態から、サービスを開始すると、検出装置１２によるセンシングが行われ、対象者Ｈや他の歩行者を含む環境中の障害物に関する位置情報や速度情報等の環境情報が所定時間毎に取得される（ステップＳ１０１）。そして、当該取得時間（フレーム）毎に次の処理が順に行われる。

先ず、対象者Ｈの位置情報及び速度情報と、ロボット１０自身で把握するその位置情報及び速度情報とに基づき、行動計画手段２１において、指定したサービスタスクを継続させるためのロボット１０の行動内容が検討される。すなわち、ここでは、同行関係性評価部２４において、発生力を算出して当該発生力のレベル分類を行う同行関係性の評価がなされる（ステップＳ１０２）。更に、同行意思判断部２５において、対象者Ｈがロボット１０に同行する意思の有無に関する同行意思の判断がなされる（ステップＳ１０３）。その上で、行動内容決定部２６において、ロボット１０の移動速度及び目的地と、声かけの必要性の有無とが行動内容として決定される（ステップＳ１０４）。

その後、動作実行手段２２により、行動内容決定部２６で決定された行動内容を踏まえた目的地へのロボット１０の移動が行えるように、動作部１１に対し動作指令がなされる。この際、先ず、ロボット１０が、行動内容決定部２６で決定された速度で現在位置と目的地の位置との間の直線経路を移動した場合に、他の歩行者や壁等の障害物に干渉する可能性が有るか否かが干渉判定部３４で判定される（ステップＳ１０５）。そこで、干渉可能性が有ると判定された場合には、軌道計画部３５において、当該干渉を回避するための最適な軌道を探索する回避軌道計画が行われる（ステップＳ１０６）。一方、干渉可能性が無いと判定された場合には、ロボット１０の現在位置と目的地の位置との間の直線経路がロボット１０の軌道として決定される。そして、行動内容決定部２６で決定したロボット１０の移動情報と軌道計画部３５で決定したロボット１０の軌道に沿ってロボット１０が移動可能となるように、また、必要に応じた声かけがスピーカー１６からなされるように、動作指令部３６からの指令により、動作部１１の動作が制御される（ステップＳ１０７）。以上の処理は、サービスが終了するまで、フレーム毎に繰り返し行われる（ステップＳ１０８）。

以上の実施形態によれば、次の効果を得る。

本実施形態によれば、ロボット１０と対象者Ｈとの相対距離のみならず、それらの相対的な速度の大きさ及び方向を考慮して、サービスタスクを遂行するための先導行動及び追従行動の将来的な継続可能性が、同行関係性評価モデルで評価可能となる。また、先導サービスや追従サービスを提供するロボット１０に対する対象者Ｈの意識となる同行意思の有無を評価することができる。

従って、これらの評価結果を総合することで、サービスタスクが不能になる前に、その兆候を推測して、ロボット１０と対象者Ｈとの関係性を維持するための対象者Ｈへの働きかけを早めに行うことができる。例えば、先導行動では、単にロボット１０と対象者との相対距離のみの評価でなく、「対象者Ｈがロボット１０の指示下にあるのか」、「対象者Ｈがロボット１０から離れようとしているのか」等まで推定可能になる。これにより、それらが多少離れていてもそのまま先導行動を続けたり、対象者Ｈがロボット１０の近くにいても早めに声掛け等を行う注意喚起等を行うことができる。その結果、ロボット１０の移動環境の不確実性や移動空間の混雑等に対して、より柔軟な対応が可能となり、先読み行動を行うことで、対象者Ｈやロボット１０がそれら他方を見失うことなくより確実にサービスタスクを実行可能となる。また、ロボット１０と対象者Ｈとの関係性維持の不成立が予見される場合には、その程度に応じた行動、すなわち、声かけや、低速先導や停止待機の他、対象者をロボット１０追いかけて連れ戻すような高速追従が実行され、それらの同行関係性を復帰させることも可能となる。

なお、本実施形態では、先導行動と追従行動とをシームレスに接続可能な構成となっているが、本発明では、制御装置１３として、先導行動と追従行動の何れか一方のみの行動内容を前述したアルゴリズムで決定可能な構成としてもよい。

また、本発明は、自動車両、船舶、飛行体等、所定の空間内を自律的に移動可能な移動体に対しても、一種の自律移動ロボットとして適用可能である。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

１０自律移動ロボット
１１動作部
１２検出装置
１３制御装置
１６スピーカー
２０働きかけ実行手段
２１行動計画手段
２２動作実行手段
２４同行関係性評価部
２５同行意思判断部
２６行動内容決定部
２８発生力算出部
２９レベル分類部
３１速度閾値導出部
３２対比判定部
Ｈサービス対象者（移動対象）

Claims

所定の移動対象を先導する先導行動や移動対象に追従する追従行動を伴う所定のタスクを実行可能に動作する動作部を含み、前記移動対象に同行しながら自律移動するロボットにおいて、
前記移動対象の位置情報及び速度情報を検出する検出装置と、当該検出装置の検出結果から、前記動作部の動作を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記移動対象との相対位置関係及び相対速度関係から前記タスクの実効性を判断し、当該タスクを継続させるための行動計画を行う行動計画手段と、当該行動計画を加味した自律移動を実行するように、前記動作部を動作させる動作実行手段とを備え、
前記行動計画手段は、ロボットと前記移動対象の相対距離とそれらの相対速度の大きさ及び方向を総合した同行関係性を評価する同行関係性評価部と、ロボットに対する前記移動対象の意識に関する同行意思を評価する同行意思判断部と、前記同行関係性及び前記同行意思を総合することにより、前記タスクを継続させるための行動内容を決定する行動内容決定部とを備え、
前記同行意思判断部は、前記移動対象とロボットの相対角度に基づき、前記同行意思の判定用の速度閾値を求める速度閾値導出部と、ロボットから見た前記移動対象の径方向相対速度の大きさと前記速度閾値を対比することにより、前記同行意思の状態を判定する対比判定部とを備えたことを特徴とする自律移動ロボット。
前記同行関係性評価部は、ロボットと前記移動対象の疑似的な相互作用力である発生力を前記同行関係性の評価指標として算出する発生力算出部を備え、
前記発生力算出部では、予め記憶された数式により、前記移動対象とロボットの相対距離に応じて定まる第１成分と、ロボットから見た前記移動対象の径方向相対速度に応じて定まる第２成分とを合算することで、前記発生力が求められ、
前記発生力は、前記移動対象がロボットから離れようとする状況である程、大きな値となることを特徴とする請求項１記載の自律移動ロボット。
前記動作部は、所定範囲内を自律移動させるための機構やその動力源からなる移動装置と、所定の音声を発出するスピーカーとを含み、
前記同行関係性評価部は、前記発生力の大きさに応じて予め複数に区分されたレベルの何れかに前記発生力を分類するレベル分類部を更に備え、
前記行動内容決定部では、前記レベルが増大する程、前記タスクの継続性が低くなると推定され、前記行動内容として、前記移動装置によるロボットの速度調整と前記スピーカーでの音声の発出による対象者への声かけとが、前記レベル毎に適宜選択されることを特徴とする請求項２記載の自律移動ロボット。
前記相対角度は、ロボット及び前記移動対象のうち先行する一方の速度方向をゼロとし、当該速度方向と、ロボットと前記移動対象を結んだ直線との間でなす角度とされ、
前記速度閾値は、ロボットの所定速度をベースにして、前記相対角度の増大に伴って増大する所定の関係式を用い、前記検出装置の検出結果により特定された前記相対速度に応じて算出されることを特徴とする請求項１記載の自律移動ロボット。
前記対比判定部では、前記径方向相対速度の大きさが前記速度閾値より小さいときには、同行意思ありと判定され、前記径方向相対速度の大きさが前記速度閾値以上のときには、同行意思なしと判定され、
前記行動内容決定部では、前記同行意思ありの場合に、前記先導行動時にロボットの目的地方向に移動させる行動と、前記追従行動時に前記移動対象の速度方向に移動させる行動とが決定され、前記同行意思なしの場合に、前記先導行動時及び前記追従行動時ともに、前記移動対象の位置方向に移動させる行動が決定されることを特徴とする請求項４記載の自律移動ロボット。
所定の移動対象を先導する先導行動や移動対象に追従する追従行動を伴う所定のタスクを実行可能に前記移動対象に同行しながら自律移動するロボットの動作を制御する制御装置において、
前記移動対象との相対位置関係及び相対速度関係から前記タスクの実効性を判断し、当該タスクを継続させるための行動計画を行う行動計画手段と、当該行動計画を加味した自律移動を実行するように、ロボットを動作させる動作実行手段とを備え、
前記行動計画手段は、ロボットと前記移動対象の相対距離とそれらの相対速度の大きさ及び方向を総合した同行関係性を評価する同行関係性評価部と、ロボットに対する前記移動対象の意識に関する同行意思を評価する同行意思判断部と、前記同行関係性及び前記同行意思を総合することにより、前記タスクを継続させるための行動内容を決定する行動内容決定部とを備え、
前記同行意思判断部は、前記移動対象とロボットの相対角度に基づき、前記同行意思の判定用の速度閾値を求める速度閾値導出部と、ロボットから見た前記移動対象の径方向相対速度の大きさと前記速度閾値を対比することにより、前記同行意思の状態を判定する対比判定部とを備えたことを特徴とする自律移動ロボットの制御装置。
所定の移動対象を先導する先導行動や移動対象に追従する追従行動を伴う所定のタスクを実行可能に前記移動対象に同行しながら自律移動するロボットの動作を制御する制御プログラムにおいて、
前記移動対象との相対位置関係及び相対速度関係から前記タスクの実効性を判断し、当該タスクを継続させるための行動計画を行う行動計画手段と、当該行動計画を加味した自律移動を実行するように、ロボットを動作させる動作実行手段としてコンピュータを機能させ、
前記行動計画手段は、ロボットと前記移動対象の相対距離とそれらの相対速度の大きさ及び方向を総合した同行関係性を評価する同行関係性評価部と、ロボットに対する前記移動対象の意識に関する同行意思を評価する同行意思判断部と、前記同行関係性及び前記同行意思を総合することにより、前記タスクを継続させるための行動内容を決定する行動内容決定部とを備え、
前記同行意思判断部は、前記移動対象とロボットの相対角度に基づき、前記同行意思の判定用の速度閾値を求める速度閾値導出部と、ロボットから見た前記移動対象の径方向相対速度の大きさと前記速度閾値を対比することにより、前記同行意思の状態を判定する対比判定部とを備えたことを特徴とする自律移動ロボットの制御プログラム。