JPH07129237A - 移動ロボットの環境内位置認識方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 長距離の移動が必要となるような環境内を複
数のロボットが行動して環境地図作成を行なう場合に
も、各ロボットが自己の位置を正しく認識する。 【構成】 ２台の移動ロボット３１，３２が、たがいの
位置を計測することができるほど近接した位置関係にあ
り、かつその時点において、ロボット３１が推定する自
己の位置認識が含む誤差が、ロボット３２が推定する自
己の位置認識の誤差よりも小さい。このとき、ロボット
３２はロボット３１に対して自己の位置を計測するよう
に指示を与える。ロボット３１はこの指示にしたがって
ロボット３２の位置を計測して、得られた計測値をロボ
ット３２に伝える。ロボット３２はこの計測値を自己の
位置認識と置き換える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の移動ロボット
（以下、単にロボットと呼ぶ）が種々の物体が存在する
環境内を行動して、協調的にその環境地図を作成する場
合に、デッド・レコニングに基づいて自己の環境内位置
を認識する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】まず、ロボットについて説明する。本明
細書においてロボットとは、特殊な入力装置と特殊な出
力装置を備えた計算機のことを指す。ここで、特殊な入
力装置とは、例えばテレビカメラやソナーセンサなどの
ように、計算機の周囲の状況を検出する機能を有する入
力装置のことである。また、特殊な出力装置とは、例え
ば電気モータによって駆動されるマニピュレータや車輪
など、計算機の外部にある物体に対して物理的な作用を
およぼすことができる出力装置のことである。さらに、
計算機の主要な構成要素の１つである記憶装置には、前
記の入力装置と出力装置を用いて一連の特殊な動作をロ
ボットが自動的に行なうことを可能にするプログラムが
記憶されているものとする。ここで、一連の特殊な動作
とは、任意のタスクが与えられた時点からそのタスク
（タスクについては後に説明する）を達成する時点まで
にロボットが行なう一連の動作のすべてを指す。また、
以上に説明したロボットのうち、出力装置として電気モ
ータなどによって駆動される車輪またはキャタピラを少
なくとも備え、これによって移動することが可能なロボ
ットのことを、特に移動ロボットと呼ぶ。以後の記述に
おいては、ロボットとは常に移動ロボットのことを指す
ものとする。

【０００３】多くの場合、ロボットにはある特定の作業
目標が与えられる。例えば産業用ロボットの場合、その
オペレータは、Ａ地点からＢ地点まで部品Ｃを移動する
ことなどをロボットに対して指示する。このような、ロ
ボットに与えられた作業目標のことをタスクと呼ぶ。な
お、ロボットにタスクを与えるとは、ロボットを擬人化
した表現であり、ロボットのオペレータが実際に行なう
操作を正しく表わしたものではない。しかし以後は簡単
のため、このようにロボットを擬人化した表現を用いる
ことにする。例えばロボットの記憶装置に記憶されてい
る情報のことをロボットの知識と呼び、ロボットが入力
装置から入力された新たな情報にもとづいて知識を増大
させることを、ロボットが学習すると称する。

【０００４】さて、タスクの中には、そのタスクを直接
達成することが困難であり、副次的な作業を段階的に実
行することによってのみ達成することが可能になるもの
がある。このようなタスクが与えられたとき、必要とな
る副次的な作業やその作業手順を自ら案出して実行する
ロボットは、特に知能ロボットと言われている。知能ロ
ボットは、例えば工場の中において距離が隔たった２地
点間を移動して部品を運搬する作業などに必要である。
工場内には種々の障害物が存在するので、多くの場合、
ロボットがこの２地点間を直線的に移動することは不可
能である。したがって、このようなタスクが与えられた
場合、ロボットは移動に先だってまず工場内に存在する
障害物に関する知識を基にして出発点と目標点を結ぶ複
数の移動経路を案出し、それらのうち最短のものを特定
し、さらにその最短経路に沿って移動する行動手順を案
出しなければならない。この場合、知能ロボットが移動
経路を案出する過程において重要なものは、工場内の障
害物に関する知識である。このように、移動能力を持つ
知能ロボットが、その移動能力が要求されるタスクを達
成しようとする場合、周囲に存在する障害物などに関す
る知識をあらかじめ有している必要がある。多くの場
合、ロボットをとりまく環境は時間と共に変化する。し
たがって、この環境に関する知識はロボット自身が自ら
周囲を探索して適宜収集することが望ましい。ロボット
が、それをとりまく環境に関する情報を自ら収集するこ
とを、ロボットの環境学習と呼ぶ。また、以下ロボット
とは知能ロボットを言う。

【０００５】ロボットが、その周囲をとりまく環境に関
する地図を自らその環境内を行動して作成することを、
ロボットの環境地図作成と呼ぶ。ロボットが環境地図作
成を行なう場合、まず座標系（初期座標系と呼ぶ）を設
定する。次に、環境内をくまなく行動し、その過程にお
いて周囲の物体をテレビカメラなどを用いて観測し、初
期座標系上にそれらの物体の輪郭線を記入してゆく。し
たがって、ロボットが環境内を行動して環境地図作成を
行なう際、その環境における自己の位置（すなわち初期
座標系における自己の座標値）を常に認識している必要
がある。

【０００６】この認識を可能にする方法としては従来、
デッド・レコニングがある。デッド・レコニングとは、
ロボットがある基準点を出発して移動する際、例えば車
輪によって移動するならば、その車輪の回転数に車輪の
円周を乗じた値を移動距離とみなして、基準点に対する
自己の位置を認識する方法である。移動の途中で方向転
換があれば、例えば左右の車輪の回転数の差をもとにし
て回転角度を知ることができる。ロボットは、方向転換
の度にその回転角度と移動距離を積算してゆくことによ
り、常に自己の位置を認識することが可能になる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、デッド・レコ
ニングに基づく位置認識には、ロボットの移動にともな
って誤差が増大する点に問題がある。すなわち、デッド
・レコニングにおいてはまず車輪の円周値をあらかじめ
測定する必要があるが、その測定値自体が誤差を含むう
えに、ロボットが移動する際に移動面に対して車輪がス
リップする場合がある。これらの原因によって生ずる位
置認識の誤差は、移動距離が短ければ微小な値にとどま
るが、移動距離が長くなれば次第に累積されて無視でき
ない誤差となる。 したがって、特に長距離の移動が必
要となるような広大な環境内をロボットが行動して環境
地図作成を行なう場合、自己の位置をデッド・レコニン
グに基づいて認識しようとすれば、長距離の移動の結果
位置認識が不正確になり、環境地図の作成が困難になる
という問題がある。

【０００８】この問題の解決を目的として、「移動ロボ
ットの環境学習方法」（特願平４−６６３１７号）が発
明された。この発明においては、２台のロボットが互い
の位置を交互に測定し、測定値を伝え合うことによっ
て、２台のロボットが常に自己の位置を認識しながら環
境内を移動する方法が示されている。この発明に示され
た方法によれば、デッド・レコニングを用いた場合に比
べてロボットの位置認識の誤差を減少させることができ
る。しかし、この方法を用いた場合でも、ロボットが長
距離の移動を行なった場合には、位置認識の誤差が累積
して無視できない値に達することを避けることができな
い。

【０００９】本発明の目的は、ロボットの自己位置認識
に関する従来の方法に起因する上記の問題点を解決し、
特に長距離の移動が必要となるような広大な環境内をロ
ボットが行動して環境地図作成を行なう場合において
も、自己の位置を常に正しく認識し、この結果として環
境地図の作成を可能にする、移動ロボットの自己位置認
識方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の、移動ロボット
の自己位置認識方法は、複数の移動ロボットのうち、２
台の移動ロボットが、たがいの位置を計測することがで
きるほど近接した位置関係にあり、かつその時点におい
て、一方の移動ロボットが推定する自己の位置認識が含
む誤差が、他方の移動ロボットが推定する自己の位置認
識の誤差よりも小さいとき、他方の移動ロボットは一方
の移動ロボットに対して自己の位置を計測するように指
示を与え、一方の移動ロボットはこの指示にしたがって
他方の移動ロボットの位置を計測して、得られた計測値
を他方の移動ロボットに伝え、他方の移動ロボットはこ
の計測値を自己の位置認識と置き換えることを特徴とす
る。

【００１１】

【作用】本発明は、複数の移動ロボットが、種々の物体
が存在する環境内を行動して協調的にその環境地図を作
成を行なう場合を対象としている。そしてこのとき各ロ
ボットは自己の位置認識をデッド・レコニングに基づい
て行なうものとする。

【００１２】次に、本発明の原理を図面により説明す
る。

【００１３】図４は、ロボット群の中の２台のロボット
３１および３２が互いに近接した位置にあり、かつロボ
ット３１の位置認識の推定誤差がロボット３２の位置認
識の推定誤差を下回っているとき、ロボット３１がロボ
ット３２の位置を計測する様子を上方から見た模式図で
ある。各ロボット３１、３２は初期座標系３３における
座標値として自己の位置を認識する（図においては便宜
上、この座標値をベクトルによって表わす）。

【００１４】

【外１】 がロボット３１の位置認識を表わし、

【００１５】

【外２】 がロボット３２の位置認識を表わす。ロボット３１は、
例えば２台のテレビカメラによるステレオ視などの方法
によって、ロボット３２の自己に対する相対的な位置
（距離および方向、以後は相対位置と呼ぶ）を測定す
る。得られた相対位置を、図中に

【００１６】

【外３】 で表わす。相対位置の測定には測定誤差が伴うが、この
誤差はロボット３１がロボット３２に接近して測定すれ
ば減少する。したがって、ロボット３１を中心とするあ
る領域３４が存在し、ロボット３２がこの領域３４の中
に位置しているならば相対位置の測定誤差が無視できる
ほど微小になる。ロボット３１は、

【００１７】

【外４】 を測定した時点でロボット３２が領域３４の中に位置し
ていることを確認する（もしロボット３２が領域３４の
外に位置しているならば、ロボット３２に対してさらに
接近し、

【００１８】

【外５】 を再び測定する）。

【００１９】ロボット３１は、ロボット３２の相対位置
を測定した結果得られたベクトル

【００２０】

【外６】 を自己の位置認識

【００２１】

【外７】 に加える。この結果得られたベクトル

【００２２】

【外８】 が、ロボット３２の位置を表わす。ロボット３１は、こ
のベクトル

【００２３】

【外９】 をロボット３２に伝える。前述したように、ベクトル

【００２４】

【外１０】 の導出に用いたベクトル

【００２５】

【外１１】 が含む誤差は無視することができる。したがって、ベク
トル

【００２６】

【外１２】 が含む誤差はベクトル

【００２７】

【外１３】 が含む誤差に等しい。前述したように、ロボット３２の
推定誤差がロボット３１の推定誤差を上回っているの
で、ロボット３２の位置認識

【００２８】

【外１４】 が含む誤差はロボット３１の位置認識

【００２９】

【外１５】 が含む誤差より大きい。以上の理由から、ロボット３２
はロボット３１から伝えられたベクトル

【００３０】

【外１６】 を自己の位置認識

【００３１】

【外１７】 と置き換えることにより、自己の推定誤差をロボット３
１の推定誤差にまで減少させることができる。

【００３２】以上述べた本発明が有効に働く条件とし
て、２台のロボットの推定誤差が、両ロボットが近接し
た時点において異なっている必要がある。この条件は、
以下の理由により保証される。すなわち、各ロボットは
デッドレコニングに基づいて自己の位置を認識する。デ
ッドレコニングによる位置認識の誤差は、ロボットの移
動にともなって積算されるので、ロボットの移動距離に
ほぼ比例して増大する。この理由から、各ロボットは自
己の推定誤差を、移動距離に対してある比例係数を乗ず
ることにより求める。したがって、２台のロボットが環
境地図を作成する過程において異なった行動をとってい
る限り（例えば、物体を観測する際の停止回数が異なる
など）、両ロボットの移動距離は異なり、各々の推定誤
差には差異が生ずる。さらに、各々のロボットの移動速
度をそれぞれ異なった値に設定するなどの方法により、
移動距離に意図的に差異を生じさせることも可能であ
る。

【００３３】本発明を実現するためには、環境地図の作
成を行なうロボット群のうちの全部または一部のロボッ
トが、近傍に存在する他のロボットの位置を計測する機
能および計測した位置を含む情報を他のロボットに伝え
る機能を有する必要がある。

【００３４】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００３５】図１は移動ロボットの一例を示す構成図で
ある。

【００３６】このロボットは、テレビカメラ１と、その
支持台２と、計算機３と、無線通信機４と、車輪５と、
車輪５の駆動機構６と、フレーム７と、信号ケーブル
８，９，１０からなる。テレビカメラ１は支持台２に任
意の方向に向けられるように設置されている。無線通信
機４は、他のロボットと情報の交信を行なう。車輪５は
フレーム７に固定され、計算機３が指示する任意の方向
に駆動機構６によって、当該ロボットを移動させる。信
号ケーブル８は、計算機３の撮影指示をテレビカメラ１
に伝え、テレビカメラ１が生成した画像信号、およびテ
レビカメラ１の回動方向と角度とを計算機３に伝達する
信号路である。信号ケーブル９は計算機３と無線通信機
４との信号路である。信号ケーブル１０は計算機３が出
力する移動情報を駆動機構６に伝達する信号路である。
計算機３は記憶装置を含み、本移動ロボットの動作を実
現するプログラムが格納されており、該プログラムによ
りテレビカメラ１、無線通信機４、駆動機構６を制御す
る。

【００３７】図２は図１に示したような構成の２台のロ
ボット１１，１２からなるロボット群が、種々の物体が
存在する環境１３内を行動して協調的に環境地図の作成
を行なう様子を上方から見た模式図である。

【００３８】ロボット１１は、まず地点１４に位置して
初期座標系を設定する。同時に地点１５に位置するロボ
ット１２の位置（初期座標系における座標値）をテレビ
カメラ１により計測し、得られた計測値を無線通信機４
でロボット１２に伝える。ロボット１１は、次に経路１
６に沿って移動しながら周囲の物体（ハッチングを施し
たブロック）を観測して地図を作成する。ロボット１２
は、同様に経路１７に沿って移動しながら周囲の物体を
観測して地図を作成する。２台のロボット１１，１２の
移動距離に変化を与え、この結果として各時点における
両ロボット１１，１２の推定誤差に差異を生じさせるこ
とを目的として、ロボット１１の移動速度をロボット１
２の移動速度に比べて小さく設定してある。したがっ
て、経路１６上のロボット１１の推定誤差は、同じ時刻
における経路１７上のロボット１２の推定誤差より常に
小さい。

【００３９】両ロボット１１，１２は、まず地点１８
（ロボット１１）および１９（ロボット１２）、次に地
点２０（ロボット１１）および２１（ロボット１２）に
おいて接近する。両ロボット１１，１２は、それぞれの
経路上においてデッド・レコニングに基づいて自己の位
置を認識しており、この認識が含む誤差は移動距離に比
例して増大することを既に述べた。したがって、地点１
８におけるロボット１１の推定誤差は地点１９における
ロボット１２の推定誤差より小さい。ロボット１２はこ
のことを地点１９において知り、ロボット１１に対して
自己の位置を計測するよう無線通信機４を経て指示す
る。ロボット１１はこの指示にしたがってロボット１２
の位置をテレビカメラ１により計測し、ロボット１２に
伝える。ロボット１２は、得られた計測値を自己の位置
認識と置き換える。この結果、ロボット１２の地点１９
における推定誤差は、ロボット１１の地点１８における
推定誤差にまで減少する。両ロボット１１，１２は、同
様の操作を地点２０および２１において繰り返し、この
結果地点２１におけるロボット１２の推定誤差は地点２
０におけるロボット１１の推定誤差にまで減少する。

【００４０】本実施例における両ロボット１１，１２の
推定誤差の変化をグラフに表わし、図３に示す。横軸は
ロボット１１が初期座標系を設定した時点を基準とする
経過時間を表わし、縦軸が推定誤差を表わす。図３にお
いてロボット１１および１２がそれぞれ地点１８および
１９に到達した時刻を図中にｔ₁で示し、ロボット１１
および１２がそれぞれ地点２０および２１に到達した時
刻を図中にｔ₂で示す。ロボット１１および１２のそれ
ぞれの推定誤差を、２２および２３で示す。ロボット１
１の移動速度はロボット１２に比べて遅いので、ロボッ
ト１１の推定誤差２２の上昇はロボット１２の推定誤差
２３の上昇に比べて小さい。したがって、時刻ｔ₁ にお
けるロボット１１の推定誤差２２はロボット１２の推定
誤差２３を下回る。この時刻において（すなわち地点１
９において）、ロボット１２は、前記の操作により、推
定誤差を同時刻の（地点１８の）ロボット１１の推定誤
差にまで減少させる。この操作により減少したロボット
１２の推定誤差は、時間の経過とともに再び上昇する。
しかし時刻ｔ₂ （地点２１）において、再度ロボット１
１に自己の位置を計測させることにより、同じ時刻にお
ける（地点２０における）ロボット１１の推定誤差にま
で自己の推定誤差を減少させる。

【００４１】２台のロボット１１および１２は、以上の
操作を環境地図の作成が完了するまで繰り返し、最終的
に、ロボット１２はロボット１１に比べて長距離の移動
を行なったにもかかわらず、その位置認識の誤差はロボ
ット１１の位置認識の誤差程度に低くおさえられる。し
たがって、ロボット１１の推定誤差の上昇がロボット群
による環境地図作成の完了時点においても許容できるほ
どに、ロボット１１の移動速度を遅くしておけば、ロボ
ット１２の推定誤差も同様に許容することができる。こ
の結果、２台のロボット１１，１２による十分に正確な
環境地図の作成が可能となる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、複数の移
動ロボットのうち、２台の移動ロボットが、たがいの位
置を計測することができるほど近接した位置関係にあ
り、かつその時点において、一方の移動ロボットが推定
する自己の位置認識が含む誤差が、他方の移動ロボット
が推定する自己の位置認識の誤差よりも小さいとき、他
方の移動ロボットは一方の移動ロボットに対して自己の
位置を計測するように指示を与え、一方の移動ロボット
はこの指示にしたがって他方の移動ロボットの位置を計
測して、得られた計測値を他方の移動ロボットに伝え、
他方の移動ロボットはこの計測値を自己の位置認識と置
き換えることにより、特に長距離の移動が必要となるよ
うな広大な環境内をロボットが行動して環境地図作成を
行なう場合においても、ロボットが常に自己の位置を正
しく認識し、この結果として環境地図の作成が可能とな
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ロボットの構成の一例を示す図である。

【図２】図１に示したような構成の２台のロボット１
１，１２が、種々の物体が存在する環境内を行動して協
調的に環境地図の作成を行なう様子を上方から見た模式
図である。

【図３】図２における２台のロボット１１，１２の推定
誤差２２、２３の変化を表わしたグラフである。

【図４】本発明の原理を説明する図である。

【符号の説明】

１ テレビカメラ ２ 支持台 ３ 計算機 ４ 無線通信機 ５ 車輪 ６ 駆動機構 ７ フレーム ８，９，１０ 信号ケーブル １１，１２ ロボット １３ 環境 １４，１５，１８，１９，２０，２１ 地点 １６，１７ 経路 ２２，２３ 推定誤差 ３１，３２ ロボット ３３ 初期座標系 ３４ 領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｃ 21/00 Ｚ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の移動ロボットが、種々の物体が存
   在する環境内を行動して、協調的にその環境地図を作成
   する場合に、デッド・レコニングに基づいて自己の環境
   内位置を認識する、移動ロボットの環境内位置認識方法
   において、 複数の移動ロボットのうち、２台の移動ロボットが、た
   がいの位置を計測することができるほど近接した位置関
   係にあり、かつその時点において、一方の移動ロボット
   が推定する自己の位置認識が含む誤差が、他方の移動ロ
   ボットが推定する自己の位置認識の誤差よりも小さいと
   き、他方の移動ロボットは一方の移動ロボットに対して
   自己の位置を計測するように指示を与え、一方の移動ロ
   ボットはこの指示にしたがって他方の移動ロボットの位
   置を計測して、得られた計測値を他方の移動ロボットに
   伝え、他方の移動ロボットはこの計測値を自己の位置認
   識と置き換えることを特徴とする、移動ロボットの環境
   内位置認識方法。