JP2013111737A - ロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザーに過度の負担を掛けることなくユーザーと物体授受インタラクションを行なうロボット装置を提供する。
【解決手段】ロボット装置１００は、ユーザーの利き腕、片麻痺、骨折などで、ユーザーが右半身又は左半身のどちらの動作し易いか（若しくは得意か）を判定し、さらにユーザーの身長などの身体特性並びにユーザーの現在の姿勢（ソファに座っている、ベッドに寝ている、など）に基づいて、ユーザーが物体を取り易い方向、ユーザーの手の届く、物体を取り易い高さを考慮した物体の受け渡しを行なう。
【選択図】 図４

Description

本明細書で開示する技術は、例えばユーザーの身の回りで活動して、家事や福祉、介護、介助などの生活支援を行なうロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムに係り、特に、ユーザーと物体授受インタラクションを行なうロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムに関する。

固定的なタスクを遂行するように設計され、工場などに設置されるロボット装置は従来から知られている。近年では、さまざまな作業を行えるロボット装置が実現しつつある。後者のロボット装置は、例えば福祉や介護、介助の分野に適用され、身体の不自由な人などに対して所望の物体を取ってきて手渡してくれる。

しかしながら、ロボット装置がユーザーの身体特性をほとんど考慮せずにユーザーに物体を手渡す動作を行なうと、物体を受け取るユーザーにかなりの負担を強いることになる。例えば、左半身が不自由なユーザーに対して、ユーザーの右半身側以外から物体の受け渡しを行おうとすると、ユーザーに負担を掛ける。最悪の場合、ユーザーは物体を受け取ることができない。

また、ユーザーが健常者であっても、利き腕ではない腕の側から、ロボット装置が物体の受け渡しを行おうとすると、ユーザーにストレスを与える。ユーザーが物体を受け取り損ね、物体を落として破損するおそれもある。

さらに付言すれば、ロボット装置が、物体を受け取るユーザーの手の位置や高さを考慮しないで受け渡しを行おうとすると、背の高いユーザーは屈まないと受け取れず、ユーザーに身体的な苦痛を与えてしまう。

例えば、ユーザーとの距離やユーザーと視線が合った時間などに基づいてユーザーとの親密度を検出して、インタラクションを最適化するようにインタラクションパラメーターを更新するコミュニケーション・ロボットについて提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。しかしながら、このコミュニケーション・ロボットは、ユーザーが立っているか座っているかなどの姿勢や、ユーザーの利き腕など、ユーザーの身体特性を考慮してコミュニケーションパラメーターを更新するものではない。したがって、コミュニケーション・ロボットがユーザーとの信頼関係を確立していく過程では有効であっても、信頼関係が確立した以降によりユーザーの負担のかからない快適なインタラクションを行なうものではない。

また、ユーザーの動作と同調するとともに、さらに同調関係を変化させるロボット装置について提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。しかしながら、同調とは引き込み合うことを意味するものであって、ユーザーの身体特性を考慮することや、ユーザーに負担を与えないようにインタラクションを行なうこととは本質的に相違するものである。

また、無線タグや赤外線タグを用いてユーザー及びユーザーの方向を認識して、そのユーザーに適したサービス、コンテンツを提供する対話ロボットについて提案がなされている（例えば、特許文献３を参照のこと）。しかしながら、この対話ロボットは、ユーザーがロボットの正面にいないがロボットの方向を向いて興味を示している場合やユーザーがロボットの方を向いてない場合でも、ユーザーに適したサービス、コンテンツを提供するものであって、ユーザーの方を向くなどユーザーの身体特性を考慮してインタラクションを行なうこととは本質的に相違するものである。

特開２００６−２４７７８０号公報 特開２００５−３４２８７３号公報 特開２００７−２６８６９６号公報

本明細書で開示する技術の目的は、ユーザーに過度の負担を掛けることなく、ユーザーと物体授受インタラクションを行なうことができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムを提供することにある。

本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項１に記載の技術は、
ユーザーの右腕又は左腕のうち前記物体の受け渡しに用いる受取腕を判定する受取腕判定部と、
前記受取腕の現在の手の位置を算出する手の位置算出部と、
前記手の位置算出部が算出した前記受取腕の手の位置に前記物体の受け渡し動作を行なう受け渡し動作部と、
を具備するロボット装置である。

本願の請求項２に記載の技術によれば、請求項１に記載のロボット装置の受取腕判定部は、ユーザーの利き腕、腕の障害の有無、又は、物体を受け取る動作をし易い方の腕に関する身体特性情報に基づいて、ユーザーの前記受取腕を判定するように構成されている。

本願の請求項３に記載の技術によれば、請求項２に記載のロボット装置は、ユーザー毎の利き腕、腕の障害の有無、又は、物体を受け取る動作をし易い方の腕に関する身体特性情報を、事前知識としてユーザー身体特性データベース内に有している。そして、前記受取腕判定部は、前記ユーザー身体特性データベースを参照して、物体の受け渡しを行なうユーザーの利き腕、腕の障害の有無、又は、物体を受け取る動作をし易い方の腕に関する身体特性情報を取得するように構成されている。

本願の請求項４に記載の技術によれば、請求項１に記載のロボット装置は、ユーザーの身長に関する情報を取得するユーザー身長情報取得部と、ユーザーの現在の姿勢を判定するユーザー姿勢判定部をさらに備えている。そして、前記手の位置算出部は、ユーザーの身長とユーザーの現在の姿勢に基づいて、前記受取腕の現在の手の位置を算出するように構成されている。

本願の請求項５に記載の技術によれば、請求項４に記載のロボット装置は、ユーザー毎の身長に関する身体特性情報を、事前知識としてユーザー身体特性データベース内に有している。そして、前記手の位置算出部は、前記ユーザー身体特性データベースを参照して、物体の受け渡しを行なうユーザーの身長に関する身体特性情報を取得するように構成されている。

本願の請求項６に記載の技術によれば、請求項４に記載のロボット装置は、直立、仰臥、着座の各姿勢の身体モデルを有している。そして、前記手の位置算出部は、前記ユーザー姿勢判定部が判定したユーザーの現在の姿勢に対応する身体モデルに、前記ユーザー身長情報取得部が取得したユーザーの身長を当て嵌めて、前記受取腕の現在の手の位置を算出するように構成されている。

本願の請求項７に記載の技術によれば、請求項４に記載のロボット装置は、ユーザーの顔の位置を算出する顔位置算出部をさらに備えている。そして、前記ユーザー姿勢判定部は、前記ユーザー身長情報取得部が取得したユーザーの身長とユーザーの顔の位置を比較して、ユーザーが直立した姿勢か否かを判定するように構成されている。

本願の請求項８に記載の技術によれば、請求項７に記載のロボット装置は、ユーザーの顔の姿勢を検出する顔姿勢検出部をさらに備えている。そして、前記ユーザー姿勢判定部は、ユーザーが直立姿勢でないときには、前記顔姿勢検出部が検出したユーザーの顔の姿勢に基づいて、ユーザーが仰臥又は着座のいずれの姿勢であるかを判定するように構成されている。

本願の請求項９に記載の技術によれば、請求項１に記載のロボット装置は、前記ロボット装置の居場所を移動させる移動部と、前記物体を把持することができる腕部をさらに備えている。そして、前記受け渡し動作部は、前記移動部によりユーザーの前記受取腕の方に移動する動作を行なうとともに、前記腕部を用いて把持した前記物体を前記受取腕の手の位置に差し出す動作を行なうように構成されている。

本願の請求項１０に記載の技術によれば、請求項４に記載のロボット装置は、前記ロボット装置の周囲の環境に関する環境マップをさらに備えている。そして、前記ユーザー姿勢判定部は、ユーザーのいる場所の環境を前記環境マップで参照して、ユーザーの現在の姿勢を判定するように構成されている。

また、本願の請求項１１に記載の技術は、
ユーザーの右腕又は左腕のうち前記物体の受け渡しに用いる受取腕を判定する受取腕判定ステップと、
前記受取腕の現在の手の位置を算出する手の位置算出ステップと、
前記手の位置算出ステップで算出した前記受取腕の手の位置に前記物体の受け渡し動作を行なう受け渡し動作ステップと、
を有するロボット装置の制御方法である。

また、本願の請求項１２に記載の技術は、
ユーザーの右腕又は左腕のうち前記物体の受け渡しに用いる受取腕を判定する受取腕判定部、
前記受取腕の現在の手の位置を算出する手の位置算出部、
前記手の位置算出部が算出した前記受取腕の手の位置に前記物体の受け渡し動作を行なう受け渡し動作部、
としてコンピューターを機能させて、ロボット装置を制御するようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラムである。

本願の請求項１２に係るコンピューター・プログラムは、コンピューター上で所定の処理を実現するようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラムを定義したものである。換言すれば、本願の請求項１２に係るコンピューター・プログラムをコンピューターにインストールすることによって、コンピューター上では協働的作用が発揮され、本願の請求項１に係るロボット装置と同様の作用効果を得ることができる。

本明細書で開示する技術によれば、ユーザーの身体特性を考慮することによって、ユーザーに過度の負担を掛けることなくユーザーと物体授受インタラクションを行なうことができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムを提供することができる。

本明細書で開示する技術によれば、ロボット装置は、ユーザーの利き腕、片麻痺、骨折などで、ユーザーが右半身又は左半身のどちらの動作し易いか（若しくは得意か）を判定し、さらにユーザーの身長などの身体特性並びにユーザーの現在の姿勢（ソファに座っている、ベッドに寝ている、など）に基づいて、ユーザーが物体を取り易い方向、ユーザーの手の届く、物体を取り易い高さを考慮した物体の受け渡しが可能となる。

本明細書で開示する技術によれば、ユーザーは、無理のない姿勢で（疲れずに）物体を受け取ることができる。すなわち、ユーザーは、ロボット装置から物体を受け取る際の負担が軽減されるとともに、ロボット装置との間で自然なインタラクションが可能となる。

本明細書で開示する技術のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

図１は、本明細書で開示する技術を適用可能なロボット装置１００の外観を示した図である。 図２は、本明細書で開示する技術を適用可能なロボット装置１００の関節自由度構成を模式的に示した図である。 図３は、図１に示したロボット装置１００の制御システムの構成を模式的に示した図である。 図４は、ロボット装置１００が物体授受インタラクションを実現するための機能的構成を模式的に示した図である。 図５は、ロボット装置１００が物体授受インタラクションを実現するための処理手順（ユーザーから物体授受の指示を受け付けてからユーザーに近づくまで）を示したフローチャートである。 図６は、ロボット装置１００が物体授受インタラクションを実現するための処理手順（ユーザーの姿勢推定）を示したフローチャートである。 図７は、ロボット装置１００が物体授受インタラクションを実現するための処理手順（ユーザーの手の位置を推定してから物体の受け渡しを行なうまで）を示したフローチャートである。 図８は、ユーザー身体特性データベース４０４の構成例を示した図である。 図９Ａは、ユーザーが仰臥しているときのユーザーの顔の姿勢を示した図である。 図９Ｂは、ユーザーが直立又は着座しているときのユーザーの顔の姿勢を示した図である。 図１０Ａは、人の直立身体モデルを示した図である。 図１０Ｂは、人の仰臥身体モデルを示した図である。 図１０Ｃは、人の着座身体モデルを示した図である。 図１１は、ロボット装置１００が立っているユーザーの利き腕の手の位置に物体を差し出す様子、並びに、ロボット装置１００が着座しているユーザーの利き腕の手の位置に物体を差し出す様子を示した図である。 図１２は、ロボット装置１００が立っているユーザーの怪我をしていない方（受け取り易い方）の手の位置に物体を差し出す様子を示した図である。

以下、図面を参照しながら本明細書で開示する技術の実施形態について詳細に説明する。

図１には、本明細書で開示する技術を適用可能なロボット装置１００の外観を示している。ロボット装置１００は、複数のリンクを関節で接続されたリンク構造体であり、各関節はアクチュエーターによって動作する。また、図２には、このロボット装置１００の関節自由度構成を模式的に示している。図示のロボット装置１００は、家庭内など時々刻々、動的に変化する周囲環境に設置され、家事や介護などの生活支援を行なうが、工場などに設置されて固定的なタスクを遂行することも可能である。

図示のロボット装置１００は、双腕型であり、また、移動手段として、ベース部に対向する２輪の駆動輪１０１Ｒ及び１０１Ｌを備えている。各駆動輪１０１Ｒ及び１０１Ｌは、それぞれピッチ回りに回転する駆動輪用アクチュエーター１０２Ｒ及び１０２Ｌによって駆動する。なお、図２中において、参照番号１５１、１５２、１５３は、実在しない劣駆動関節であり、ロボット装置１００の床面に対するＸ方向（前後方向）の並進自由度、Ｙ方向（左右方向）の並進自由度、並びに、ヨー回りの回転自由度にそれぞれ相当し、ロボット装置１００が仮想世界を動き回ることを表現したものである。

移動手段は、腰関節を介して上体に接続される。腰関節は、ピッチ回りに回転する腰関節ピッチ軸アクチュエーター１０３によって駆動する。上体は、左右２肢の腕部と、首関節を介して接続される頭部で構成される。左右の腕部は、それぞれ肩関節３自由度、肘関節２自由度、手首関節２自由度の、計７自由度とする。肩関節３自由度は、肩関節ピッチ軸アクチュエーター１０４Ｒ／Ｌ、肩関節ロール軸アクチュエーター１０５Ｒ／Ｌ、肩関節ヨー軸アクチュエーター１０６Ｒ／Ｌによって駆動する。肘関節２自由度は、肘関節ピッチ軸アクチュエーター１０７Ｒ／Ｌ、肘関節ヨー軸アクチュエーター１０８Ｒ／Ｌによって駆動する。手首関節２自由度は、手首関節ロール軸アクチュエーター１０９Ｒ／Ｌ、手首関節ピッチ軸アクチュエーター１１０Ｒ／Ｌによって駆動する。また、首関節２自由度は、首関節ピッチ軸アクチュエーター１１１、首関節ヨー軸アクチュエーター１１２によって駆動する。また、左右の腕部の先端の手関節１自由度は、手関節ロール軸アクチュエーター１１３Ｒ／Ｌによって駆動する。本実施形態では、手関節ロール軸アクチュエーター１１３Ｒ／Ｌを駆動することによって、手先による物体の把持動作を実現することができるものとする。

なお、図示のロボット装置１００は、対向２輪式の移動手段を備えているが、本明細書で開示する技術の要旨は、対向２輪式の移動手段に限定されるものではない。例えば、脚式の移動手段を備えたロボット装置１００であっても、同様に本明細書で開示する技術を適用することができる。

各軸のアクチュエーターには、関節角を計測するためのエンコーダー、トルクを発生するためのモーター、モーターを駆動するための電流制御型モーター・ドライバーの他、十分な発生力を得るための減速機が取り付けられている。また、アクチュエーターには、アクチュエーターの駆動制御を行なうマイクロコンピューターが併設されている（いずれも図２には図示しない）。

ロボット装置１００のダイナミクス演算は、ホスト・コンピューター上で実行され、各関節アクチュエーターのトルク又は関節角度の制御目標値を生成する。制御目標値は、アクチュエーターに併設された制御用マイコンに送信され、制御用マイコン上で実行されるアクチュエーターの制御に用いられる。また、各関節アクチュエーターは、力制御方式又は位置制御方式により制御される。

図３には、図１に示したロボット装置１００の制御システムの構成を模式的に示している。ロボット装置１００は、全体の動作の統括的制御やその他のデータ処理を行なう制御ユニット３１０と、入出力部３２０と、駆動部３３０とを備えている。以下、各部について説明する。

入出力部３２０は、入力部として、ロボット装置１００の目に相当するカメラ３２１、距離センサー３２２、ロボット装置１００の耳に相当するマイクロフォン３２３などを備えている。また、入出力部３２０は、出力部として、ロボット装置１００の口に相当するスピーカー３２４などを備えている。ここで、カメラ３２１は、ステレオカメラであり、測位が可能であるとする。また、距離センサー３２２は、例えば、レーザー・レンジ・ファインダーなどの空間センサーで構成される。また、ロボット装置１００は、例えばマイクロフォン３２３からのユーザーの音声入力により、タスクの指示を受けることができる。但し、ロボット装置１００は、有線、無線、あるいは記録メディアなどを介した他のタスクの指示の入力手段（図示しない）を備えていてもよい。

また、入出力部３２０は、無線通信部３２５を備えている。ロボット装置１００は、無線通信部３２５により、Ｗｉ−Ｆｉなどの通信路を介してユーザーのタブレット端末（図示しない）などとデータ通信を行なうことができる。

駆動部３３０は、ロボット装置１００の各関節における自由度を実現するための機能モジュールであり、それぞれの関節におけるロール、ピッチ、ヨーなど軸毎に設けられた複数の駆動ユニットで構成される。各駆動ユニットは、所定軸回りの回転動作を行なうモーター３３１と、モーター３３１の回転位置を検出するエンコーダー３３２と、エンコーダー３３２の出力に基づいてモーター３３１の回転位置や回転速度を適応的に制御するドライバー３３３の組み合わせで構成される。

制御ユニット３１０は、認識部３１１と、駆動制御部３１２と、環境マップ３１３を備えている。

認識部３１１は、入出力部３２０のうちカメラ３２１や距離センサー３２２といった入力部から得られる情報に基づいて、周囲の環境の認識を行なう。例えば、認識部３１１は、カメラ３２１の位置を推定する自己位置推定処理により得られる、カメラ３２１の位置姿勢情報と、カメラ３２１の撮像画像から物体を検出する画像認識処理により得られる物体情報から、環境マップ３１３を事前に構築したり更新したりする。

駆動制御部３１２は、入出力部３２０のうち出力部や、駆動部３３０の駆動を制御する。例えば、駆動制御部３１２は、ロボット装置１００がタスクを実現するための、駆動部３３０の制御を行なう。ここで言う、ロボット装置１００が実現するタスクには、ユーザーが指示した物体の受け渡しなどのユーザーとの物理的なインタラクションが含まれ、インタラクションを実現するために、駆動輪用アクチュエーター１０２Ｒ及び１０２Ｌや腕部の各関節アクチュエーターを駆動させる。

ロボット装置１００がユーザーの身体特性をほとんど考慮せずに物体授受のインタラクションを行なうと、物体を受け取るユーザーにかなりの負担を強いることになる。最悪の場合、ユーザーに物体を受け渡すことができなくなる。そこで、本実施形態では、ロボット装置１００は、物体授受インタラクションの際に、ユーザーの身体特性を考慮することによって、ユーザーに過度の負担を掛けないようにしている。

図４には、ロボット装置１００が物体授受インタラクションを実現するための機能的構成を模式的に示している。図示の各機能ブロックは、基本的には、上述した認識部３１１並びに駆動制御部３１２が実行する処理として実現される。

ユーザー認識部４０１は、カメラ３２１の撮影画像を顔認識することによりユーザーを認識して、ユーザーの識別情報（ユーザーＩＤ）を、ユーザー身長情報取得部４０２と利き腕判定部４０３に出力する。変形例として、ユーザーがＲＦＩＤタグを身に付けており、ユーザー認識部４０１がタグ・リーダーを装備して、ＲＦＩＤタグからユーザーＩＤを読み取るようにしてもよい。

ユーザー身体特性データベース４０４は、各ユーザーの身体特性をユーザーＩＤで管理している。ユーザー身体特性データベース４０４で管理している身体特性の詳細については後述に譲る。ユーザー身長情報取得部４０２は、ユーザー認識部４０１から受け取ったユーザーＩＤをユーザー身体特性データベース４０４に問い合わせて、ユーザーの身長情報を取得する。また、利き腕判定部４０３は、ユーザー認識部４０１から受け取ったユーザーＩＤをユーザー身体特性データベース４０４に問い合わせて、ユーザーの利き腕を判定する。なお、ユーザー身体特性データベース４０４は、ロボット装置１００内部に装備する他、通信路を介して外部に設置されていてもよい。

移動経路計画部４０５は、利き腕判定部４０３で判定したユーザーの利き腕まで近づくための移動経路を計画する。そして、移動制御部４０６は、移動経路計画部４０５が計画した移動経路に従って移動するよう、駆動輪用アクチュエーター１０２Ｒ及び１０２Ｌの駆動を制御する。

顔姿勢検出部４０７は、カメラ３２１の撮影画像を顔検出処理して、ユーザーの顔の姿勢を検出する。また、顔位置算出部４０８は、カメラ３２１の撮影画像を顔検出処理して、ユーザーの顔の位置（高さ）を算出する。

ユーザー姿勢判定部４０９は、ユーザー身長情報取得部４０２で取得したユーザーの身長情報と、顔姿勢検出部４０７が検出した顔の姿勢と、顔位置算出部４０８が算出した顔位置とから、現在のユーザーの姿勢を判定する。ユーザーの身長に対する現在の顔の位置（高さ）により、ユーザーが立っているかいないかを判定することができる。また、ユーザーが立っていないときには、仰臥している場合と着座している場合が考えられるが、顔の姿勢に基づいてこれらのうちいずれであるかを判定することができる。

なお、ロボット装置１００は、自己位置推定を行なうと同時に、環境マップ３１３の生成及び更新を行なっている（前述）。ユーザー姿勢判定部４０９は、この環境マップ３１３の情報を用いて、ユーザーの姿勢を推定するように構成することもできる。例えば、ユーザーの顔がベッドの上にあるときには、ユーザーは寝ている可能性が高いと判断することができる。

ユーザーの手の位置算出部４１０は、ユーザー姿勢判定部４０９が判定したユーザーの姿勢から、ユーザーの利き腕の現在の手の位置を算出する。後述するように、直立、仰臥、着座の各姿勢についての身体モデルに、ユーザー身長情報取得部４０２で取得したユーザーの身長情報を当て嵌めることによって、ユーザーの手の位置を算出することができる。

腕部軌道計画部４１１は、ユーザーの手の位置算出部４１０が算出したユーザーの手の位置で物体の授受を行なうための、左右いずれかの腕部の軌道を計画する。そして、腕部制御部４１２は、腕部軌道計画部４１１が計画した腕部の軌道に従って腕部が移動するよう、腕部の各関節アクチュエーターの駆動を制御する。

図５〜図７には、ロボット装置１００が物体授受インタラクションを実現するための処理手順をフローチャートの形式で示している。このうち、図５は、ユーザーから物体授受の指示を受け付けてからユーザーに近づくまでの処理手順を示し、図６は、ユーザーの姿勢を推定する処理手順を示し、図７は、ユーザーの手の位置を推定してから物体の受け渡しを行なうまでの処理手順を示している。

まず、図５を参照しながら、ロボット装置１００がユーザーから物体授受の指示を受け付けてからユーザーに近づくまでの処理手順について説明する。

まず、ロボット装置１００は、ユーザーから物体を持ってくるよう指示を受ける（ステップＳ５０１）。ユーザーからの指示方法に関しては、図示していないが、音声によるもの、タブレット端末などからの通信によるものなどを挙げることができる。また、ユーザーから指示を受けた時点で、ロボット装置１００は、ユーザーの大まかな位置は取得できているものとする（指示が音声による場合は、音源方位推定技術などで位置情報を取得できる。また、ユーザーがタブレット端末から指示する場合は、通信により位置情報を取得できる）。

次いで、ユーザー認識部４０１が、指示したユーザーが既知のユーザーであるかどうかを判別する（ステップＳ５０２）。

ここで、指示したユーザーが未知の場合には（ステップＳ５０２のＮｏ）、ロボット装置１００は、ユーザーの近くに移動する（ステップＳ５０３）。そして、ユーザー認識部４０１は、カメラ３２１の撮影画像を用いた顔認識や、無線タグによる個人認識を行ない、ユーザーＩＤを特定する（ステップＳ５０４）。

次いで、利き腕判定部４０３は、ユーザー認識部４０１から渡されたユーザーＩＤをユーザー身体特性データベース４０４に問い合わせて、ユーザーの利き腕情報を取得して（ステップＳ５０５）、利き腕を判定する（ステップＳ５０６）。なお、ここで言う「利き腕」は、本来の意味での利き腕に限定されない（後述）。

そして、ユーザーが右利きであれば（ステップＳ５０６のＹｅｓ）、移動経路計画部４０５は、ユーザーの右腕に近づくための移動経路を計画し、移動制御部４０６は、この移動経路に従ってロボット装置１００をユーザーの右腕側に移動させる（ステップＳ５０７）。また、ユーザーが左利きであれば（ステップＳ５０６のＮｏ）、移動経路計画部４０５は、ユーザーの左腕に近づくための移動経路を計画し、移動制御部４０６は、この移動経路に従ってロボット装置１００をユーザーの右腕側に移動させる（ステップＳ５０８）

図８には、ユーザー身体特性データベース４０４の構成例を示している。図示のユーザー身体特性データベース４０４は、ユーザーを識別するためのユーザーＩＤと、そのユーザーに関する身体特性データへのポインターを対応付けたユーザー・データ８０１と、ユーザー毎の身体特性データ８０２で構成される。

ユーザー毎の身体特性データ８０２は、ユーザーの利き腕に関する利き腕情報と、そのユーザーの身長に関する身長情報から構成される。

利き腕情報は、本来の意味での利き腕に限定されない。例えば、障害や麻痺などにより身体動作に制限があるユーザーにとって自由に動かせる側の腕と解釈してもよい。また、骨折やけがなどのために一時的に身体動作に制限があるユーザーにとって自由に動かせる側の腕、物体を受け取るのに適した側の腕、物体を受け取り易い方の腕、と解釈してもよい。図８中では利き腕情報を「右 ｏｒ 左」と簡素化して描いているが、「右利きだが左手でも持てる」、あるいは「左手に障害があるので右手でしか持てない」、などのように、利き腕と反対側の腕が使えるかどうかの情報を、利き腕情報に付加する構成にしてもよい。例えば、環境内の障害物などにより、ユーザーの右半身側からの手渡しが困難な場合などに、この情報を基にユーザーの左半身側からアプローチしてもよいかどうか判断する、などの応用が可能であろう。

身長情報は、ユーザーの身長そのものの情報に限定されない。すなわち、ユーザーの手の位置を推定するのに有用な、ユーザーの身体の大きさ、特に高さに関連した情報であればよい。例えば、大人、子供の２種類のカテゴリーに分類して管理するという簡素な構成にしてもよい。

図５〜図７に示した処理手順を実行する上では、利き腕情報並びに身長情報は、事前にユーザー身体特性データベース４０４に登録しておくものとする。但し、本明細書で開示する技術の要旨はこれに限定されるものではなく、例えば、ユーザーとの音声インタラクションなどと組み合わせることにより、ユーザーが利き腕情報、身長情報に相当する情報を教示し、ロボットが情報を獲得してユーザー身体特性データベース４０４を更新するようにしてもよい。

なお、ステップＳ５０１において指示を入力したユーザーが新規のため、顔認識や無線タグによりユーザー認識部４０１がユーザーを特定できない場合がある。このような場合、ユーザー身体特性データベース４０４上に、例えば「右利き、１７０ｃｍ」などのデフォルト・ユーザーの設定を用意しておき、それに基づいてユーザーに移動するように構成してもよい。

続いて、図６を参照しながら、ロボット装置１００がユーザーの姿勢を推定する処理手順について説明する。

顔姿勢検出部４０７は、カメラ３２１の撮影画像を顔認識し、この認識処理の過程において、顔の姿勢を同時に算出する（ステップＳＳ６０１）。例えば、本出願人に既に譲渡されている特開２００５−２８４４８７号公報には、顔認識処理と同時に顔の姿勢を算出する方法について開示している。

また、顔位置算出部４０８は、世界座標でのユーザーの顔の位置を、ステレオカメラなどにより算出する（ステップＳ６０２）。

さらに、ユーザー身体情報取得部４０２は、ユーザー認識部４０１から渡されたユーザーＩＤをユーザー身体特性データベース４０４に問い合わせて、ユーザーの身体情報を取得する（ステップＳ６０３）。

続いて、ユーザー姿勢判定部４０９は、ユーザー身体情報取得部４０２が取得したユーザーの身体情報を基に、ユーザーの現在の姿勢が、立っている、寝ている、座っている、の３状態のいずれに相当するかを判断する。このため、まず、ステップＳ６０２で取得した顔の位置（高さ）がユーザーの身長とほぼ一致するかどうかをチェックする（ステップＳ６０４）。

顔の位置（高さ）がユーザーの身長とほぼ一致するときには（ステップＳ６０４のＹｅｓ）、ユーザー姿勢判定部４０９は、ユーザーが現在立っている姿勢であると判定する。

他方、顔の位置（高さ）がユーザーの身長と一致しないときには（ステップＳ６０４のＮｏ）、ユーザー姿勢判定部４０９は、ユーザーが現在寝ている、座っている、の２状態のいずれであるかを判定するために、ステップＳ６０１で取得した顔の姿勢を所定の閾値と大小比較する（ステップＳ６０５）。

顔の姿勢に関して、ロール、ピッチ、ヨーの３自由度があるが、ここではカメラ画像中の回転角θ（ロール角）の絶対値を用いる。回転角θの絶対値｜θ｜がある閾値θ_thを超えるときには（ステップＳ６０５のＹｅｓ）、ユーザー姿勢判定部４０９は、図９Ａに示すように、ユーザーが仰臥していると判定することができる。あるいは、ユーザー姿勢判定部４０９は、環境マップ３１３を参照して、ユーザーがベッドにいることからユーザーが仰臥していると判定することができる。ユーザーの顔がベッドの上にあるときには、ユーザーは寝ている可能性が高いと判断することができるからである。

また、回転角θの絶対値｜θ｜がある閾値θ_th以下であるときには（ステップＳ６０５のＮｏ）、ユーザー姿勢判定部４０９は、図９Ｂに示すように、ユーザーが直立又は着座しているときである。顔の位置（高さ）が身長と一致せず（ステップＳ６０４のＮｏ）、直立でないことが既に判明しているので、ここでは着座していると判定する。あるいは、ユーザー姿勢判定部４０９は、環境マップ３１３を参照して、ユーザーがソファにいることからユーザーが着座していると判定することができる。

続いて、図７を参照しながら、ロボット装置１００がユーザーの手の位置を推定してから物体の受け渡しを行なうまでの処理手順について説明する。

図６に示した処理手順を経て、ユーザーが立っていることが分かったときには（ステップＳ７０１）、ユーザーの手の位置算出部４１０は、図１０Ａに示すような人の直立身体モデルと、ステップＳ６０３で取得したユーザーの身長情報から、ステップＳ５０６で判定したユーザーの利き腕の現在の手の位置、すなわち、直立しているユーザーが物体を取り易い方向、ユーザーの手の届く、物体を取り易い高さを算出する（ステップＳ７０２）。

また、図６に示した処理手順を経て、ユーザーが仰臥していることが分かったときには（ステップＳ７０３）、ユーザーの手の位置算出部４１０は、図１０Ｂに示すような人の仰臥身体モデルと、ステップＳ６０３で取得したユーザーの身長情報から、ステップＳ５０６で判定したユーザーの利き腕の現在の手の位置、すなわち、仰臥しているユーザーが物体を取り易い方向、ユーザーの手の届く、物体を取り易い高さを算出する（ステップＳ７０４）。

また、図６に示した処理手順を経て、ユーザーが着座していることが分かったときには（ステップＳ７０５）、ユーザーの手の位置算出部４１０は、図１０Ｃに示すような人の着座身体モデルと、ステップＳ６０３で取得したユーザーの身長情報から、ステップＳ５０６で判定したユーザーの利き腕の現在の手の位置、すなわち、着座しているユーザーが物体を取り易い方向、ユーザーの手の届く、物体を取り易い高さを算出する（ステップＳ７０６）。

ユーザーの手の位置算出部４１０が算出したユーザーの利き腕の手の位置を、ステップＳ６０２で算出した、世界座標におけるユーザーの顔の位置姿勢を用いて座標変換する。腕部軌道計画部４１１は、この手の位置でユーザーと物体の授受を行なうための、左右いずれかの腕部の軌道を計画する。そして、腕部制御部４１２は、腕部軌道計画部４１１によって計画した腕部の軌道に従って腕部が移動するように利き腕部の各関節アクチュエーターの駆動を制御して、物体を差し出す（ステップＳ７０７）。

ここで、ステップＳ７０２、Ｓ７０４、Ｓ７０６で行なわれる、ユーザーの手の位置の算出方法について説明する。

ロボット装置１００と物体授受インタラクションを行なうときのユーザーの基本的な姿勢を、立っている、寝ている、座っている、の３状態に分類し、これらに相当する人の身体モデルをそれぞれ図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃのように考える。そして、各々のモデルに対し、ユーザーから見て、前方向ｘ、左方向ｙ、上方向ｚとなるような座標系を設定する。

図１０Ａに示した人の直立身体モデルにおける、顔の位置を基準としたときの手の位置（Δｘ，Δｙ，Δｚ）_standingは、下式（１）として定義できる。

但し、上式（１）において、Ｌは人の身長である。また、α、βは、人体の寸法を計測して得られるパラメーターである。身長に依存するパラメーターαと身長に依存しないパラメーターβから、利き腕の手の位置を算出している。

同様にして、図１０Ｂに示した人の仰臥身体モデルにおける、顔の位置を基準としたときの手の位置（Δｘ，Δｙ，Δｚ）_lyingは、下式（２）として定義できる。

また、図１０Ｃに示した人の着座身体モデルにおける、顔の位置を基準としたときの手の位置（Δｘ，Δｙ，Δｚ）_sitingは、下式（３）として定義できる。

図１１（Ａ）には、ロボット装置１００が、ユーザーが立っていると判定されたときに、人の直立身体モデルとユーザーの身長情報から、利き腕と判定されたユーザーの手の位置に物体を差し出す様子を示している。

上述したように、ユーザーの本来の利き腕が骨折や怪我などにより一時的に身体動作に制限がある場合には、その反対側の腕が利き腕として判定される。図１２には、ロボット装置１００が、立っているユーザーの怪我をしていない方（受け取り易い方）の手の位置に物体を差し出す様子を示している。

また、図１１（Ｂ）には、ロボット装置１００が、ユーザーが着座していると判定されたときに、人の着座身体モデルとユーザーの身長情報から、利き腕と判定されたユーザーの手の位置に物体を差し出す様子を示している。図１１（Ａ）に示した、立っているユーザーに物体を差し出す場合と比較して、着座しているユーザーに物体を差し出すときにはロボット装置１００が上げる高さの位置が低くなることが分かる。

このように、ロボット装置１００は、ユーザーの利き腕、片麻痺、骨折などで、ユーザーが右半身又は左半身のどちらの動作し易いか（若しくは得意か）を判定し、さらにユーザーの身長などの身体特性並びにユーザーの現在の姿勢（ソファに座っている、ベッドに寝ている、など）に基づいて、ユーザーが物体を取り易い方向、ユーザーの手の届く、物体を取り易い高さを考慮した物体の受け渡しが可能となる。したがって、本明細書で開示する技術によれば、ユーザーは、無理のない姿勢で（疲れずに）物体を受け取ることができる。ユーザーは、ロボット装置から物体を受け取る際の負担が軽減されるとともに、ロボット装置との間で自然なインタラクションが可能となる。

なお、本明細書の開示の技術は、以下のような構成をとることも可能である。
（１）ユーザーの右腕又は左腕のうち前記物体の受け渡しに用いる受取腕を判定する受取腕判定部と、前記受取腕の現在の手の位置を算出する手の位置算出部と、前記手の位置算出部が算出した前記受取腕の手の位置に前記物体の受け渡し動作を行なう受け渡し動作部と、を具備するロボット装置。
（２）前記受取腕判定部は、ユーザーの利き腕、腕の障害の有無、又は、物体を受け取る動作をし易い方の腕に関する身体特性情報に基づいて、ユーザーの前記受取腕を判定する、上記（１）に記載のロボット装置。
（３）ユーザー毎の利き腕、腕の障害の有無、又は、物体を受け取る動作をし易い方の腕に関する身体特性情報を、事前知識としてユーザー身体特性データベース内に有し、前記受取腕判定部は、前記ユーザー身体特性データベースを参照して、物体の受け渡しを行なうユーザーの利き腕、腕の障害の有無、又は、物体を受け取る動作をし易い方の腕に関する身体特性情報を取得する、上記（２）に記載のロボット装置。
（４）ユーザーの身長に関する情報を取得するユーザー身長情報取得部と、ユーザーの現在の姿勢を判定するユーザー姿勢判定部をさらに備え、前記手の位置算出部は、ユーザーの身長とユーザーの現在の姿勢に基づいて、前記受取腕の現在の手の位置を算出する、上記（１）に記載のロボット装置。
（５）ユーザー毎の身長に関する身体特性情報を、事前知識としてユーザー身体特性データベース内に有し、前記手の位置算出部は、前記ユーザー身体特性データベースを参照して、物体の受け渡しを行なうユーザーの身長に関する身体特性情報を取得する、上記（４）に記載のロボット装置。
（６）直立、仰臥、着座の各姿勢の身体モデルを有し、前記手の位置算出部は、前記ユーザー姿勢判定部が判定したユーザーの現在の姿勢に対応する身体モデルに、前記ユーザー身長情報取得部が取得したユーザーの身長を当て嵌めて、前記受取腕の現在の手の位置を算出する、上記（４）に記載のロボット装置。
（７）ユーザーの顔の位置を算出する顔位置算出部をさらに備え、前記ユーザー姿勢判定部は、前記ユーザー身長情報取得部が取得したユーザーの身長とユーザーの顔の位置を比較して、ユーザーが直立した姿勢か否かを判定する、上記（４）に記載のロボット装置。
（８）ユーザーの顔の姿勢を検出する顔姿勢検出部をさらに備え、前記ユーザー姿勢判定部は、ユーザーが直立姿勢でないときには、前記顔姿勢検出部が検出したユーザーの顔の姿勢に基づいて、ユーザーが仰臥又は着座のいずれの姿勢であるかを判定する、上記（７）に記載のロボット装置。
（９）前記ロボット装置の居場所を移動させる移動部と、前記物体を把持することができる腕部をさらに備え、前記受け渡し動作部は、前記移動部によりユーザーの前記受取腕の方に移動する動作を行なうとともに、前記腕部を用いて把持した前記物体を前記受取腕の手の位置に差し出す動作を行なう、上記（１）に記載のロボット装置。
（１０）前記ロボット装置の周囲の環境に関する環境マップをさらに備え、前記ユーザー姿勢判定部は、ユーザーのいる場所の環境を前記環境マップで参照して、ユーザーの現在の姿勢を判定する、上記（４）に記載のロボット装置。
（１１）ユーザーの右腕又は左腕のうち前記物体の受け渡しに用いる受取腕を判定する受取腕判定ステップと、前記受取腕の現在の手の位置を算出する手の位置算出ステップと、前記手の位置算出ステップで算出した前記受取腕の手の位置に前記物体の受け渡し動作を行なう受け渡し動作ステップと、を有するロボット装置の制御方法。
（１２）ユーザーの右腕又は左腕のうち前記物体の受け渡しに用いる受取腕を判定する受取腕判定部、前記受取腕の現在の手の位置を算出する手の位置算出部、前記手の位置算出部が算出した前記受取腕の手の位置に前記物体の受け渡し動作を行なう受け渡し動作部、としてコンピューターを機能させて、ロボット装置を制御するようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラム。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本明細書で開示する技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本明細書で開示する技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本明細書では、時々刻々、動的に変化する生活環境下において活動する生活支援ロボットに適用することを想定した実施形態を中心に説明してきたが、本明細書で開示する技術の要旨はこれに限定されるものではない。勿論、工場内に配置され、なすべきタスクが事前に分かっているような産業用ロボットにも、同様に本明細書で開示する技術を適用することができる。

要するに、例示という形態により本明細書で開示する技術について説明してきたが、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本明細書で開示する技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

１００…ロボット装置
１０１…駆動輪
１０２…駆動輪用アクチュエーター
１０３…腰関節ピッチ軸アクチュエーター
１０４…肩関節ピッチ軸アクチュエーター
１０５…肩関節ロール軸アクチュエーター
１０６…肩関節ヨー軸アクチュエーター
１０７…肘関節ピッチ軸アクチュエーター
１０８…肘関節ヨー軸アクチュエーター
１０９…手首関節ロール軸アクチュエーター
１１０…手首関節ピッチ軸アクチュエーター
１１１…首関節ピッチ軸アクチュエーター
１１２…首関節ヨー軸アクチュエーター
１１３…手関節ロール軸アクチュエーター
１５１、１５２、１５３…劣駆動関節
３１０…制御ユニット
３１１…認識部
３１２…駆動制御部
３１３…環境マップ
３２０…入出力部
３２１…カメラ
３２２…距離センサー
３２３…マイクロフォン
３２４…スピーカー
３２５…無線通信部
３３０…駆動部
３３１…モーター
３３２…エンコーダー
３３３…ドライバー
４０１…ユーザー認識部
４０２…ユーザー身長情報取得部
４０３…利き腕判定部
４０４…ユーザー身体特性データベース
４０５…移動経路計画部
４０６…移動制御部
４０７…顔姿勢検出部
４０８…顔位置算出部
４０９…ユーザー姿勢判定部
４１０…ユーザーの手の位置算出部
４１１…腕部軌道計画部
４２１…腕部制御部

Claims (12)

1. ユーザーの右腕又は左腕のうち前記物体の受け渡しに用いる受取腕を判定する受取腕判定部と、
   前記受取腕の現在の手の位置を算出する手の位置算出部と、
   前記手の位置算出部が算出した前記受取腕の手の位置に前記物体の受け渡し動作を行なう受け渡し動作部と、
   を具備するロボット装置。
2. 前記受取腕判定部は、ユーザーの利き腕、腕の障害の有無、又は、物体を受け取る動作をし易い方の腕に関する身体特性情報に基づいて、ユーザーの前記受取腕を判定する、
   請求項１に記載のロボット装置。
3. ユーザー毎の利き腕、腕の障害の有無、又は、物体を受け取る動作をし易い方の腕に関する身体特性情報を、事前知識としてユーザー身体特性データベース内に有し、
   前記受取腕判定部は、前記ユーザー身体特性データベースを参照して、物体の受け渡しを行なうユーザーの利き腕、腕の障害の有無、又は、物体を受け取る動作をし易い方の腕に関する身体特性情報を取得する、
   請求項２に記載のロボット装置。
4. ユーザーの身長に関する情報を取得するユーザー身長情報取得部と、
   ユーザーの現在の姿勢を判定するユーザー姿勢判定部と、
   をさらに備え、
   前記手の位置算出部は、ユーザーの身長とユーザーの現在の姿勢に基づいて、前記受取腕の現在の手の位置を算出する、
   請求項１に記載のロボット装置。
5. ユーザー毎の身長に関する身体特性情報を、事前知識としてユーザー身体特性データベース内に有し、
   前記手の位置算出部は、前記ユーザー身体特性データベースを参照して、物体の受け渡しを行なうユーザーの身長に関する身体特性情報を取得する、
   請求項４に記載のロボット装置。
6. 直立、仰臥、着座の各姿勢の身体モデルを有し、
   前記手の位置算出部は、前記ユーザー姿勢判定部が判定したユーザーの現在の姿勢に対応する身体モデルに、前記ユーザー身長情報取得部が取得したユーザーの身長を当て嵌めて、前記受取腕の現在の手の位置を算出する、
   請求項４に記載のロボット装置。
7. ユーザーの顔の位置を算出する顔位置算出部をさらに備え、
   前記ユーザー姿勢判定部は、前記ユーザー身長情報取得部が取得したユーザーの身長とユーザーの顔の位置を比較して、ユーザーが直立した姿勢か否かを判定する、
   請求項４に記載のロボット装置。
8. ユーザーの顔の姿勢を検出する顔姿勢検出部をさらに備え、
   前記ユーザー姿勢判定部は、ユーザーが直立姿勢でないときには、前記顔姿勢検出部が検出したユーザーの顔の姿勢に基づいて、ユーザーが仰臥又は着座のいずれの姿勢であるかを判定する、
   請求項７に記載のロボット装置。
9. 前記ロボット装置の居場所を移動させる移動部と、
   前記物体を把持することができる腕部と、
   をさらに備え、
   前記受け渡し動作部は、前記移動部によりユーザーの前記受取腕の方に移動する動作を行なうとともに、前記腕部を用いて把持した前記物体を前記受取腕の手の位置に差し出す動作を行なう、
   請求項１に記載のロボット装置。
10. 前記ロボット装置の周囲の環境に関する環境マップをさらに備え、
    前記ユーザー姿勢判定部は、ユーザーのいる場所の環境を前記環境マップで参照して、ユーザーの現在の姿勢を判定する、
    請求項４に記載のロボット装置。
11. ユーザーの右腕又は左腕のうち前記物体の受け渡しに用いる受取腕を判定する受取腕判定ステップと、
    前記受取腕の現在の手の位置を算出する手の位置算出ステップと、
    前記手の位置算出ステップで算出した前記受取腕の手の位置に前記物体の受け渡し動作を行なう受け渡し動作ステップと、
    を有するロボット装置の制御方法。
12. ユーザーの右腕又は左腕のうち前記物体の受け渡しに用いる受取腕を判定する受取腕判定部、
    前記受取腕の現在の手の位置を算出する手の位置算出部、
    前記手の位置算出部が算出した前記受取腕の手の位置に前記物体の受け渡し動作を行なう受け渡し動作部、
    としてコンピューターを機能させて、ロボット装置を制御するようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラム。
    

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