JP6393991B2 - ロボット、及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、自律的に動作するロボット、及びその制御方法に関するものである。

障害物領域とロボットの移動可能領域とが特定された環境地図を生成する地図生成方法であって、旧環境地図において移動可能領域とされた領域を統合して新環境地図を生成する地図生成方法が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００８−１９７８８４号公報

上記地図生成方法においては、常時、環境地図を更新しており、また、移動可能領域全体に関して環境地図の更新を行っている。このため、その処理時間及び記憶容量の増加を招く虞がある。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、処理時間及び記憶容量を低減できるロボット、及びその制御方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、当該ロボットの移動環境内の物体との距離を計測する距離センサを備え、該距離センサ及び前記移動環境内に設けられた距離センサのうち少なくとも一方により計測された距離情報に基づいて自律的に動作するロボットであって、当該ロボットが動作を行う際に該ロボットが通過する動作領域を取得する取得手段と、前記取得手段により取得された動作領域を前記距離センサの計測領域によってカバーするための前記距離センサの計測位置を設定する設定手段と、前記設定手段により設定された計測位置で前記距離センサにより計測された距離情報に基づいて、前記ロボットが動作するように制御する制御手段と、を備える、ことを特徴とするロボットである。これにより、ロボットの動作が必要な時だけ、その動作に必要な動作領域のみを確認する。したがって、その処理時間及び記憶容量を低減できる。
この一態様において、前記制御手段は、前記計測位置で前記距離センサにより計測された距離情報に基づいて、前記動作領域内において障害物と接触せずに動作可能と判断したとき、前記距離センサの計測方向を当該ロボットの進行方向に向けることなく、前記動作を実行してもよい。これにより、ロボットは、動作領域内であれば、距離センサにより障害物の検知を行うことなく、安全かつ迅速に所定動作を行うことができる。
この一態様において、前記設定手段は、前記ロボットを路面に投影したとき該ロボットの投影面積が最小となるように、前記距離センサの計測位置を設定してもよい。これにより、ロボットが動作した場合でも、移動環境内の未知領域の障害物との接触を確実に防止できる。
この一態様において、前記距離センサが取付られた頭部と、該頭部が回転可能に設けらた胴体部と、を更に備え、前記設定手段は、前記頭部を回転させた位置、あるいは前記頭部及び胴体部のうち少なくとも一方を昇降させた位置、に前記距離センサの計測位置を設定してもよい。これにより、移動環境内の未知領域の障害物との接触を確実に防止しつつ、距離センサの計測位置を適切に設定できる。
この一態様において、前記設定手段により設定された計測位置で前記距離センサにより計測された距離情報に基づいて、前記動作領域の環境地図を生成する生成手段を更に備えていてもよい。これにより、ロボットは、動作領域の環境地図を用いて動作を高精度に行うことができる。
この一態様において、前記設定手段により設定された距離センサの計測位置を前記動作毎に記憶する記憶手段を更に備えていてもよい。これにより、動作実行時に、その動作に対応した距離センサの計測位置を記憶手段から読出し、短時間で動作領域の確認ができる。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、当該ロボットの移動環境内の物体との距離を計測する距離センサを備え、該距離センサ及び前記移動環境内に設けられた距離センサのうち少なくとも一方により計測された距離情報に基づいて自律的に動作するロボットの制御方法であって、当該ロボットが動作を行う際に該ロボットが通過する動作領域を取得するステップと、前記取得された動作領域を前記距離センサの計測領域によってカバーするための前記距離センサの計測位置を設定するステップと、前記設定された計測位置で前記距離センサにより計測された距離情報に基づいて、前記ロボットが動作するように制御するステップと、を含む、ことを特徴とするロボットの制御方法であってもよい。

本発明によれば、処理時間及び記憶容量を低減できるロボット、及びその制御方法を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係るロボットの概略的構成を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係るロボットの概略的なシステム構成を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態に係る制御装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 冷蔵庫の開動作の際にロボットの胴体部及びアーム部が通過する領域のグリッド群を示す図である。 本発明の一実施の形態に係るロボット制御方法の制御フローを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係るロボットの概略的構成を示す斜視図である。図２は、本実施の形態に係るロボットの概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施の形態に係るロボット１は、例えば、自律的に移動し、物体の移動、ドア、冷蔵庫の開閉などの所定作業を行う自律型ロボットとして構成されている。ロボット１は、略円柱状に形成された胴体部１１と、胴体部１１に回転可能に設けられた頭部１２と、胴体部１１に設けられたアーム部１３と、を備えている。

胴体部１１には、該胴体部１１を上下方向へ伸縮させる伸縮機構が設けれている。胴体部１１の下端には、ロボット１を移動させる移動装置５が設けられている。移動装置５は、車輪を回転駆動してロボット１を前後左右方向に移動させる。アーム部１３は、複数の関節１３１及びリンク１３２を有する多関節型アームとして構成されている。アーム部１３の先端には物体などを把持できる把持部１３３が設けれている。各関節１３１及び把持部１３３には、各関節１３１及び把持部１３３を駆動するサーボモータなどのアクチュエータ６が設けられている。なお、上記ロボット１の構成は一例であり、これに限らず、自律的に移動し、所定作業を行うことができれば任意の構成が適用可能である。

本実施の形態に係るロボット１は、距離センサ２と、センサ駆動装置３と、制御装置４と、移動装置５と、アクチュエータ６と、を備えている（図２）。

距離センサ２は、例えば、カメラ、超音波センサ、レーザセンサ、レーザレンジファインダー、距離画像センサ（ＲＧＢカメラ、深度センサー、マルチアレイマイクロフォンなどを含むセンサ）、である。

センサ駆動装置３は、距離センサ２を移動させ、距離センサ２の位置、及び方向を調整する。センサ駆動装置３は、例えば、胴体部１１の伸縮機構を駆動し胴体部１１を伸縮させることで、あるいは、首関節を駆動し頭部１２を回転又は昇降せさることで、距離センサ２の位置及び方向を調整する。

制御装置４は、センサ駆動装置３、アーム部１３の各関節１３１のアクチュエータ６、及び移動装置５を制御する。制御装置４は、ロボット１が移動する環境（障害物の位置、形状、移動経路など）を示す環境地図に基づいて、アーム部１３の各関節１３１のアクチュエータ６、及び移動装置５を制御することで、ロボット１を自律的に移動させ所定作業を実行させる。

制御装置４は、例えば、制御処理、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）４ａ、ＣＰＵ４ａによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）４ｂ、処理データ等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）４ｃ、等からなるマイクロコンピュータを中心にしてハードウェア構成されている。

ところで、ロボットが所定作業を行う場合、事前に環境地図を作成し保持しておくことができる。しかしながら、障害物が新たに出現するなど実環境は時々刻々と変化し得る。そのため、環境地図を常時更新する必要が生じるが、その処理時間及び記憶容量の増加が問題となる。

これに対し、本実施の形態に係る制御装置４は、ロボット１が動作を行う際にロボット１が通過する動作領域を取得し、動作領域を距離センサ２の計測領域によりカバーするための距離センサ２の計測位置を設定し、設定された計測位置に距離センサ２を移動させ、移動した計測位置で距離センサ２により計測された距離情報に基づいて、動作領域の環境地図を生成する。そして、制御装置４は、生成した環境地図に基づいてロボット１が動作するように制御する。

これにより、環境地図を常時更新することなく、ロボット１の動作が必要な時だけ、環境地図全体を更新することなく、その動作に必要な動作領域の環境地図のみを更新する。したがって、処理時間及び記憶容量を効果的に低減できる。

図３は、本実施の形態に係る制御装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る制御装置４は、動作領域取得部４１と、計測領域取得部４２と、計測位置設定部４３と、制御部４４と、環境地図生成部４５と、を備えている。

動作領域取得部４１は、取得手段の一具体例であり、ロボット１が所定動作を行う際にロボット１の胴体部１１、頭部１２及びアーム部１３が通過する動作領域を取得する。動作領域取得部４１は、例えば、ロボット１が所定動作を行う際の胴体部１１の移動位置及びアーム部１３の軌道と、ロボット１の寸法と、に基づいて、所定動作に対する動作領域を算出する。動作領域取得部４１は、周知のＲＲＴ（Rapidly exploring Random Tree）法などを用いてロボット１の動作計画（胴体部１１、頭部１２、アーム部１３などの軌道計画）を算出し動作領域を高速に算出する。

例えば、ロボット１の動作が冷蔵庫の開動作である場合を想定する。この場合、動作領域取得部４１は、３次元グリッド空間において、図４に示す如く、冷蔵庫の開動作の際にロボット１の胴体部１１、頭部１２及びアーム部１３が通過する領域のグリッド群（斜線部）を、動作領域として取得する。

なお、動作対象物（冷蔵庫、ドアなど）を基準にして動作領域（動作対象物周囲でロボット１が通過する領域）を、予めグリッド群として上記ＲＯＭ４ｂやＲＡＭ４ｃに設定してもよい。この場合、動作領域取得部４１は、上記ＲＯＭ４ｂやＲＡＭ４ｃから、実行する所定動作に対応した動作領域を取得する。

計測領域取得部４２は、距離センサ２により計測される計測領域を取得する。距離センサ２の計測領域は、例えば、距離センサ２の垂直及び水平方向画角から予め算出され、ＲＯＭ４ｂやＲＡＭ４ｃに設定されている。計測領域取得部４２は、ＲＯＭ４ｂやＲＡＭ４ｃから、予め設定された距離センサ２の計測領域を取得する。

計測位置設定部４３は、設定手段の一具体例であり、動作領域取得部４１により取得された動作領域を、計測領域取得部４２により取得された距離センサ２の計測領域によってカバーするための距離センサの計測位置を単数又は複数設定する。

距離センサ２の計測位置は、例えば、動作対象物を原点とした３次元座標として特定されているが、これに限らず、例えば、動作対象物に対するロボット１の相対位置及びロボット１の関節角度（首関節角度など）で特定されてもよい。

例えば、計測位置設定部４３は、動作領域取得部４１により取得された動作領域のグリッド群に対して、距離センサ２の計測位置を任意に設定する。そして、計測位置設定部４３は、設定した計測位置において距離センサ２の計測領域と重複する動作領域のグリッドを排除する。続いて、計測位置設定部４３は、動作領域のグリッド群において、別の計測位置を設定し、距離センサ２の計測領域と重複する動作領域のグリッドを再度排除する。計測位置設定部４３は、このような、距離センサ２の計測位置の設定と、その計測領域と重複する動作領域のグリッド排除と、を繰り返す。計測位置設定部４３は、排除するグリッドが無くなる、あるいは、残りの動作領域のグリッド面積が閾値以下となる（動作領域が距離センサ２の計測領域によってカバーされる）まで、上記処理を繰り返す。なお、計測位置設定部４３は、距離センサ２の計測位置を点として設定しているが、これに限らず、連続する点（線）として設定してもよい。

上記のように距離センサの計測位置を設定することで、広範な動作領域を単一の距離センサの計測領域でカバーできる。したがって、多数の距離センサを用いる必要がないため、コスト低減に繋がる。

なお、距離センサ２が各計測位置に移動される際、移動装置５によるロボット１の移動を伴わないように、上記距離センサ２の各計測位置が設定されるのが好ましい。これにより、ロボット１が動作した場合でも、環境内の未知領域の障害物との接触を確実に防止できる。

そこで、計測位置設定部４３は、移動装置５によるロボット１の移動を伴わなうことなく、ロボット１を路面に投影したときロボット１の投影面積が最小となるように、距離センサ２の各計測位置を設定する。例えば、距離センサ２は、頭部１２に設けられており、計測位置設定部４３は、頭部１２を回転させた位置に、距離センサ２の計測位置を設定する。また、計測位置設定部４３は、頭部１２及び胴体部１１のうち少なくとも一方を昇降させた位置に、距離センサ２の計測位置を設定する。

制御部４４は、制御手段の一具体例であり、環境地図及び計測位置設定部４３により設定された距離センサ２の計測位置に基づいて、センサ駆動装置３、アーム部１３の各アクチュエータ６、及び移動装置５を制御する。制御部４４は、センサ駆動装置３を制御することで、計測位置設定部４３により設定された計測位置に距離センサ２を移動させる。距離センサ２は、移動した各計測位置で距離を夫々計測する。

環境地図生成部４５は、生成手段の一具体例であり、各計測位置で距離センサ２により計測された距離情報を統合し、動作領域の環境地図を生成する。環境地図生成部４５は、各計測位置で距離センサ２により計測された距離情報に基づいて、例えば、直方体群を生成し、生成した直方体群を用いて動作領域の３次元環境地図を生成する。

制御部４４は、環境地図生成部４５により生成された動作領域の３次元環境地図に基づいて、ロボット１が所定動作するように、アーム部１３及び移動装置５を制御する。このように、ロボット１が所定動作する動作領域を確実に把握し、その動作領域の環境地図のみを高精度に生成する。したがって、所定動作時におけるロボット１と障害物との衝突を確実に防止できるため、安全性向上に繋がる。

なお、環境地図生成部４５は、動作領域の環境地図を生成することなく、各計測位置で距離センサ２により計測された距離情報に基づいて、動作領域内に障害物が存在するか否かを識別し、その識別結果を制御部４４に出力してもよい。制御部４４は、識別結果に基づいて動作領域内に障害物が存在せず所定動作の実行が可能と判断したとき、動作計画に従って所定動作を実行する。これにより、処理が簡略化され計算コスト低減に繋がる。

さらに、制御部４４は、環境地図生成部４５により生成された動作領域の３次元環境地図に基づいて、動作領域内において障害物と接触せずに動作可能と判断したとき、距離センサ２の計測方向をロボット１の進行方向に向けることなく、所定動作を実行する。これにより、ロボット１は、動作領域内であれば、距離センサ２により障害物の検知を行うことなく、安全かつ迅速に動作を行うことができる。

例えば、ロボット１は、冷蔵庫のドアを開く動作を行う場合、通常、後方移動を行いつつ、ドアを開くこととなる（図４）。このとき、制御部４４は、その動作領域内において障害物と接触せずに動作可能と判断していれば、カメラ等の距離センサ２を後方に向けて障害物の確認することなく、そのままロボット１を後方に移動させることができる。一般に、ロボットが障害物を検知するための距離センサの計測方向と異なる方向に移動する場合、安全性の観点から困難を伴うこととなる。しかし、本実施の形態によれば、ロボット１は、冷蔵庫の開動作する際の動作領域内の障害物を、予め生成した環境地図より確認できる。このため、ロボット１は、距離センサ２の計測方向に関らず、そのまま後方に安全かつ迅速に移動することができる。

次に、本実施の形態に係るロボットの制御方法について詳細に説明する。図５は、本実施の形態に係るロボット制御方法の制御フローを示すフローチャートである。

制御装置４は、ロボット１に対する動作の実行指令を受けると（ステップＳ１０１）、制御装置４の動作領域取得部４１は、ロボット１が動作を行う際にロボット１が通過する動作領域を取得する（ステップＳ１０２）。計測領域取得部４２は、ＲＯＭ４ｂやＲＡＭ４ｃから、予め設定された距離センサ２の計測領域を取得する（ステップＳ１０３）。

計測位置設定部４３は、動作領域取得部４１により取得された動作領域を、計測領域取得部４２により取得された距離センサ２の計測領域によってカバーするための距離センサ２の計測位置を夫々設定する（ステップＳ１０４）。

制御部４４は、センサ駆動装置３を制御することで、計測位置設定部４３により設定された計測位置に距離センサ２を移動させる（ステップＳ１０５）。距離センサ２は、移動した各計測位置で距離を夫々計測する（ステップＳ１０６）。環境地図生成部４５は、各計測位置で距離センサ２により計測された距離情報を統合し、動作領域の環境地図を生成する（ステップＳ１０７）。

制御部４４は、環境地図生成部４５により生成された動作領域の環境地図に基づいて、環境内の障害物を回避しつつロボット１が動作するように、ＲＲＴ法などを用いて動作計画を算出し、その動作計画に従ってアーム部１３の各アクチュエータ６及び移動装置５を制御する（ステップＳ１０８）。

以上、本実施の形態において、ロボット１が動作を行う際にロボット１が通過する動作領域を取得し、動作領域を距離センサ２の計測領域によりカバーするための距離センサ２の計測位置を設定し、設定された計測位置に距離センサ２を移動させ、移動した計測位置で距離センサ２により計測された距離情報に基づいてロボット１が動作するように制御する。これにより、ロボット１の動作が必要な時だけ、その動作に必要な動作領域のみを確認する。したがって、その処理時間及び記憶容量を効果的に低減できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

上記実施の形態において、計測位置設定部４３は、予めロボット１の動作毎に、距離センサ２の各計測位置を設定し、ＲＯＭ４ｂやＲＡＭ４ｃ（記憶手段の一具体例）などに記憶させてもよい。

制御部４４は、ロボット１の動作を実行させる際に、ロボット１の動作に対応する距離センサ２の各計測位置をＲＯＭ４ｂやＲＡＭ４ｃから読出す。そして、制御部４４は、センサ駆動装置３を制御することで、読み出した計測位置に距離センサ２を移動させる。距離センサ２は、移動した各計測位置で距離を夫々計測する。環境地図生成部４５は、各計測位置で距離センサ２により計測された距離情報を統合し、動作領域の環境地図を生成する。このように、動作実行時に、その動作に対応した距離センサ２の計測位置を読出し、短時間で動作領域の環境地図を生成できる。

上記実施の形態において、距離センサ２はロボット１に設けらているが、これに限らず、環境内に設けられていてもよい。計測位置設定部４３は、環境内に設けられた距離センサ２の計測位置を設定する。距離センサ２は、例えば、環境内に設けられた単数または複数の可動式監視カメラである。さらに、計測位置設定部４３は、ロボット１及び環境に設けられた距離センサ２の計測位置を設定してもよい。

本発明は、例えば、図５に示す処理を、ＣＰＵ４ａにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。

また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

１ ロボット、２ 距離センサ、３ センサ駆動装置、４ 制御装置、５ 移動装置、６ アクチュエータ、１１ 胴体部、１２ 頭部、１３ アーム部、４１ 動作領域取得部、４２ 計測領域取得部、４３ 計測位置設定部、４４ 制御部、４５ 環境地図生成部

Claims (4)

1. ロボットの移動環境内の物体との距離を計測する距離センサと、当該ロボットを該移動環境内で移動させる移動装置と、アーム部と、を備え、該距離センサ及び前記移動環境内に設けられた距離センサのうち少なくとも一方により計測された距離情報に基づいて自律的に動作するロボットであって、
   当該ロボットが動作を行う際に該ロボットが通過する動作領域を取得する取得手段と、
   前記取得手段により取得された動作領域を前記距離センサの計測領域によってカバーするための前記距離センサの計測位置を設定する設定手段と、
   前記設定手段により設定された計測位置で前記距離センサにより計測された距離情報に基づいて、前記動作領域の環境地図を生成する生成手段と、
   前記生成手段によって生成された環境地図に基づいて、前記ロボットが自律的に動作するように前記移動装置および前記アーム部を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記計測位置で前記距離センサにより計測された距離情報に基づいて、前記動作領域内において障害物と接触せずに動作可能と判断したとき、前記距離センサの計測方向を前記移動装置による前記ロボットの移動における進行方向に向けることなく、前記動作を実行する、ことを特徴とするロボット。
2. 請求項１記載のロボットであって、
   前記距離センサが取り付けられた頭部と、該頭部が設けられた胴体部と、を更に備え、
   前記頭部が前記胴体部に対して回転可能に構成されており、あるいは該頭部及び胴体部のうち少なくとも一方が昇降可能に構成されており、
   前記設定手段は、前記頭部を回転させた位置、あるいは前記頭部及び胴体部のうち少なくとも一方を昇降させた位置、に前記距離センサの計測位置を設定し、
   前記制御手段は、設定された計測位置に前記距離センサを移動させ、
   前記設定手段は、前記移動装置による前記ロボットの移動を伴わないように、前記ロボットの距離センサの計測位置を設定する、ことを特徴とするロボット。
3. 請求項１又は２記載のロボットであって、
   前記設定手段により設定された距離センサの計測位置を前記動作毎に記憶する記憶手段を更に備える、ことを特徴とするロボット。
4. ロボットの移動環境内の物体との距離を計測する距離センサと、当該ロボットを該移動環境内で移動させる移動装置と、アーム部と、を備え、該距離センサ及び前記移動環境内に設けられた距離センサのうち少なくとも一方により計測された距離情報に基づいて自律的に動作するロボットの制御方法であって、
   当該ロボットが動作を行う際に該ロボットが通過する動作領域を取得するステップと、
   前記取得された動作領域を前記距離センサの計測領域によってカバーするための前記距離センサの計測位置を設定するステップと、
   前記設定された計測位置で前記距離センサにより計測された距離情報に基づいて、前記動作領域の環境地図を生成するステップと、
   前記生成された環境地図に基づいて、前記ロボットが自律的に動作するように前記移動装置および前記アーム部を制御するステップと、を含み、
   前記計測位置で前記距離センサにより計測された距離情報に基づいて、前記動作領域内において障害物と接触せずに動作可能と判断したとき、前記距離センサの計測方向を前記移動装置による前記ロボットの移動における進行方向に向けることなく、前記動作を実行する、
   ことを特徴とするロボットの制御方法。

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