JPH0593778U - 視覚センサを備えた脚式移動ロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ２足歩行の脚式移動ロボットにおいて、筐体
と左右の脚部足平とに複眼の視覚センサをそれぞれ取り
付ける。 【効果】 ロボットで比較的揺れの少ない筐体に取り付
けるので、画像ブレの比較的小さい情報を得ることがで
きると共に、障害物と干渉し易い足平に取り付けるの
で、段差などを直接的に認識できて歩行が破綻すること
がない。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は視覚センサを備えた脚式移動ロボットに関し、より具体的にはその 視覚センサの配置レイアウトに関する。

【０００２】

【従来の技術】

ロボットは車輪式、クローラ式、脚式に大別することができるが、いずれの形 態をとるものであれ、作業環境を自律移動するときは、視覚センサを備えて外界 を認識する必要がある。視覚センサを備えた自律移動ロボットとして、車輪式の ものは特開昭５９−７９３７７号公報で、クローラ式のものは「日立評論」、Ｖ ＯＬ．６６．Ｎｏ．１０（１９８４年１０月）で提案されている。しかし、脚式 移動ロボットについては未だ提案されていない。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

脚式移動ロボットは脚部リンクを駆動して歩行することから、車輪式やクロー ラ式と比較すると、高い環境適応性を持つ反面、支持多角形の変化が大きいため に姿勢が不安定であるのが特徴である。特に人間型の２足歩行ロボットの場合に は移動の際に揺れが甚だしく、これは視覚処理を行うときに大きな障害となる。 即ち、ロボットと連動して取りつけた視覚装置も揺れるため、画像のブレが起こ りやすく、また目標点を追っているときなど、それを見失うこともある。また脚 式移動ロボットは、車輪式など他の形態のロボットが使用することが困難な階段 などが点在する複雑な構造の３次元空間で作業することが期待されるが、その様 な３次元空間を自由に移動するためには、外界を正確に認識して段差などの障害 物を回避することができなければならない。

【０００４】 従って、この考案の目的は前記した不都合を解消することにあり、階段などの 構造物を備えた３次元空間においても正確に外界を認識して移動できる様に視覚 センサを取り付けた脚式移動ロボットを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

上記した課題を解決するためにこの考案は例えば請求項１項に示す如く、基体 と複数本の脚部とからなる脚式移動ロボットにおいて、外界を認識する視覚セン サを少なくとも前記基体と脚部とにそれぞれ取り付ける様に構成した。

【０００６】

【作用】

視覚センサをロボットの構造の中で重心に近くて比較的揺れの少ない基体に取 り付けたことから画像のブレが少なく、また目標点を追うときも見失うことが少 ない。更に、脚部にも取り付けたことから、例えば階段を昇降するときや段差を 超えるときも対象物との距離を直接的に認識することができ、歩行に破綻を来す ことがない。

【０００７】

【実施例】

以下、脚式移動ロボットとして２足歩行のロボットを例にとって、この考案の 実施例を説明する。図１はそのロボット１を全体的に示す説明スケルトン図であ り、左右それぞれの脚部リンク２に６個の関節を備える（理解の便宜のために各 関節をそれを駆動する電動モータで示す）。該６個の関節は上から順に、腰の脚 部回旋用（ｚ軸まわり）の関節１０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、左側をＬとする。以 下同じ）、腰のロール方向（ｘ軸まわり）の関節１２Ｒ，１２Ｌ、同ピッチ方向 （ｙ軸まわり）の関節１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ方向の関節１６Ｒ，１６Ｌ 、足首部のピッチ方向の関節１８Ｒ，１８Ｌ、同ロール方向の関節２０Ｒ，２０ Ｌとなっており、その下部には足平２２Ｒ，２２Ｌが取着されると共に、最上位 には筐体（基体）２４が設けられ、その内部には制御ユニット２６が格納される 。また足平Ｒ（Ｌ）の上部には荷重を検出する６軸力センサ２８が設けられると 共に、筐体２４には筐体の重力方向に対する絶対角度ないしは絶対角速度を検出 する傾斜センサ３０が設けられる。上記において腰関節は関節１０Ｒ（Ｌ），１ ２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から構成され、また足関節は、関節１８Ｒ（Ｌ），２ ０Ｒ（Ｌ）から構成される。また、腰関節と膝関節との間は大腿リンク３２Ｒ， ３２Ｌで、膝関節と足関節との間は下腿リンク３４Ｒ，３４Ｌで連結される。こ こで、脚部リンク２は左右の足についてそれぞれ６つの自由度を与えられ、歩行 中にこれらの６×２＝１２個の関節（軸）をそれぞれ適宜な角度に駆動すること で、足全体に所望の動きを与えることができ、任意に３次元空間を歩行すること ができる。

【０００８】 ここで、この考案の特徴は、視覚センサを筐体と足平とに配置したことにある 。即ち、図２ないし図４は図１に示したロボット１の構成をより具体的に示すも のであって、図２はロボット１の正面図、図３はロボット１の側面図、および図 ４は図２の要部拡大図（脚部リンク２の図示省略）であるが、それらに良く示す 如く、筐体２４の下部にはパイプ３６が突設され、ロボット１の前面においては そのパイプ３６に平行してプレート３８が配置される。図４に示す様に、パイプ ３６とプレート３８からは断面Ｉ字状の突起４０が突設されると共に、それと係 合する断面ほぼＣ字状の連結体４２が対向配置されており、両者はピン（図示せ ず）で連結されてプレート３８が軸線４４を中心に揺動できる様に構成される。 プレート３８にはＣＣＤ（固体映像素子）カメラからなる視覚センサ４６が並列 して２個固定される。上記した構成により、視覚センサ４６は制御ユニット２６ の指令に応じて図示しない機構を通じて前記した軸線４４を中心にｙ軸まわりに 揺動して視界を変えることができる。また左右の足平２２Ｒ（Ｌ）のそれぞれの 前端には同様の構造を備えた第２の組の視覚センサ４８が２個並列して固定され る。第２の組の視覚センサ４８は、筐体２４に配置された第１の組の視覚センサ ４６と異なってｙ軸まわりに回動することなく、図３に示す如くマウント５０を 介して図示の位置に固着される。これらの出力は図５に示す様に、マイクロ・コ ンピュータからなる画像処理ユニット５２に送られる。尚、図２ないし図４にお いて符号５４は視覚センサ４６を脚部リンク２から保護するバンパである。

【０００９】 図５は制御ユニット２６の詳細を示すブロック図であり、同様にマイクロ・コ ンピュータを備える。そこにおいて傾斜センサ３０などの出力はＡ／Ｄ変換器６ ２でデジタル値に変換され、その出力はバス６４を介してＲＡＭ６６に送られる 。また各電動モータに隣接して配置されるエンコーダの出力は可逆カウンタ６８ を介してＲＡＭ６６内に入力される。制御ユニット内にはＣＰＵからなる演算装 置７０が設けられており、ＲＯＭ７２に格納されている歩行パターンを読み出し て目標関節角度を算出し、その目標値と検出された実測値とから各関節の駆動に 必要な制御値を算出し、Ｄ／Ａ変換器７４とサーボアンプを介して各関節を駆動 する電動モータに出力する。また、インタフェース８０、演算装置８２、ＲＯＭ ８４，ＲＡＭ８６からなる知識処理用の第２のマイクロ・コンピュータが設けら れており、画像処理ユニット５２の出力は、インタフェース８０を介してその中 に取り込まれる。

【００１０】 続いて、動作を説明する。

【００１１】 図６は図１に示したロボット１が歩行する状態を左右方向から見た図である。 実施例に示した如き２足歩行のロボットは、脚部を振る反力に耐えられる慣性モ ーメントと質量の筐体がないと、歩行が難しい。人間の場合は、脚部自体の質量 が小さく、また腕を振ることで脚部の反力を打ち消すことができるが、図示の様 な腕を持たないロボットの場合には筐体２４に比較的大きな慣性モーメントと質 量とを与えている。その結果、筐体２４はロボット各部の中で歩行中の揺れが全 方向に亘って最も少なくなる。従って、その様な筐体２４に視覚センサ４６を取 り付けることで、揺れの少ない良好な視覚情報を得ることができる。また、脚式 移動ロボットが使用される環境は先にも触れた通り、階段などがある複雑な構造 の３次元空間が考えられるが、その様なときでも視覚センサをロボット各部の中 で比較的高い位置にある筐体に取り付けることにより、良好な視覚情報を得るこ とができる。図７はロボット１が段差を乗り越えて移動しようとしている状態を 示す説明図であるが、センサ取り付け位置が高いため、段差の末端まで視野に入 れることができる。またロボット１をほぼ成人と同様の大きさに製作するとき、 このセンサ取り付け位置は人間の視覚位置に近いため、人間用にある多くの標識 や物体の認識に効果が大きい。

【００１２】 また足平に取り付けることによって障害物との干渉を未然に防止することがで きる。即ち、図８に示す様に足平２２Ｒ（Ｌ）が障害物に接近したとき、足平２ ２Ｒ（Ｌ）と障害物との水平距離は、視覚センサと障害物との間の距離を水平面 に投影するだけで求まる。この効果は図９に示す様に、視覚センサが筐体２４の みに取り付けられている場合と比較すれば明らかである。即ち、筐体２４に設け た視覚センサ４６を通じて足平と障害物との距離Ｌを求めるためには、Ｌ＝Ｌ２ −Ｌ３を算出することとなるが、視覚センサ４６から足平２２Ｒ（Ｌ）に至るま での多くのリンクを介して位置関係を求める場合、一般的にリンクや歯車の撓み など誤差要因となる因子が多くあって計算精度も高くなく、また実施例に示した ロボットの様に多くのリンクを備えるとき、計算時間も長くなってリアルタイム に対応しきれない場合が生ずる。それに対し、視覚センサ４８を足平２２Ｒ（Ｌ ）にも配置するとき、図８に示す様にセンサと障害物との距離Ｌ１を測定すれば 足りる。この様に、視覚センサを足平に取り付けることは、足先の障害物との距 離関係を知る上で大きな効果がある。

【００１３】 従って、図５に示した制御ユニット２６において演算装置７０は、揺れの少な い筐体に配置した視覚センサ４６からの画像情報を通じて作業環境を全体的に視 認しつつ移動すると共に、段差などの障害物に接近するなどの局部的な状況にお いては足平に配置した視覚センサ４８からの画像情報を得て障害物を回避しつつ 歩行を継続する。尚、距離の測定は複眼の視覚センサでステレオ視し、三角測量 の原理を用いて行うが、その手法は公知なものであるので、説明は省略する。

【００１４】 この実施例においては上記の如く、揺れの少ない筐体と障害物に干渉し易い足 平とにそれぞれ２個の視覚センサを設けてステレオ視可能としたので、両者から の視覚情報を使い分けて外界を全体的にも局部的にも認識することができ、階段 などが点在する複雑な構造の３次元空間にあっても支障なく移動することができ ると共に、足平が段差などの障害物に干渉して歩行が破綻することがない。

【００１５】 尚、上記において、脚部に視覚センサを選択する例として足平を選択したが、 それに限られるものではなく、下腿リンク、大腿リンクなど、種々の個所に配置 することができる。

【００１６】 また、上記において、複眼の視覚センサを用いてステレオ視する例を示したが 、視覚センサが単眼の場合であっても、誤差要因を減らし、計算時間を短縮する と言う意味では同様に有効である。

【００１７】 更に、上記において、歩行パターンを予め設定しておく場合を例にとったが、 それに限られるものではなく、歩行のときリアルタイムに歩行パターンを求める 技術に適用させても良い。

【００１８】 更に、上記において、２足歩行の脚式移動ロボットを例にとって説明してきた が、それに限られるものではなく、１足ないしは３足以上の脚式移動ロボットに も妥当するものである。

【００１９】

【考案の効果】

請求項１項にあっては、基体と複数本の脚部とからなる脚式移動ロボットにお いて、外界を認識する視覚センサを少なくとも前記基体と脚部とにそれぞれ取り 付ける様に構成したので、ロボット各部の中で比較的揺れが少なく画像のブレが 小さい筐体に取り付けた視覚センサを通じて外界の状況を全般的に認識すると共 に、障害物に干渉し易い脚部に取り付けた視覚センサを通じて外界の状況を局部 的に認識することが可能となり、階段などが点在する複雑な構造の３次元空間に おいても脚部が段差などの障害物に干渉して歩行を破綻させることなく移動する ことができる。

【００２０】 請求項２項の脚式移動ロボットにあっては、前記視覚センサを前記脚部の先端 付近に取り付ける様に構成したので、外界の局部的な状況を一層精緻に認識する ことができ、脚部先端と段差などの障害物との干渉を一層確実に回避することが でき、作業環境との適応性が一層向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案に係る視覚センサを備えた脚式移動ロ
ボットを全体的に示す説明スケルトン図である。

【図２】図１のロボットの構成を具体的に示す正面図で
ある。

【図３】図１のロボットの構成を具体的に示す側面図で
ある。

【図４】図２の要部拡大図である。

【図５】図１の制御ユニットの構成を詳細に示すブロッ
ク図である。

【図６】図１に示したロボットが移動する状態を示す説
明図である。

【図７】図１に示したロボットが筐体に取り付けた視覚
センサで外界を認識する状態を示す説明図である。

【図８】図１に示したロボットが足平に取り付けた視覚
センサで障害物との間の距離を測定する状態を示す説明
図である。

【図９】図６と同様の作業を筐体に取り付けた視覚セン
サで行う状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 脚式移動ロボット（２足歩行ロボ
ット） ２ 脚部リンク １０Ｒ，１０Ｌ 脚部回旋用の関節 １２Ｒ，１２Ｌ 腰部のロール方向の関節 １４Ｒ，１４Ｌ 腰部のピッチ方向の関節 １６Ｒ，１６Ｌ 膝部のピッチ方向の関節 １８Ｒ，１８Ｌ 足首部のピッチ方向の関節 ２０Ｒ，２０Ｌ 足首部のロール方向の関節 ２２Ｒ，２２Ｌ 足平 ２４ 筐体（基体） ２６ 制御ユニット ４６，４８ 視覚センサ

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体と複数本の脚部とからなる脚式移動
   ロボットにおいて、外界を認識する視覚センサを少なく
   とも前記基体と脚部とにそれぞれ取り付けたことを特徴
   とする脚式移動ロボット。
2. 【請求項２】 前記視覚センサを前記脚部の先端付近に
   取り付けたことを特徴とする請求項１項記載の脚式移動
   ロボット。