JP2002144278A - 脚式移動ロボット - Google Patents
脚式移動ロボットInfo
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Abstract
マニピュレータが測定に干渉せず、常に適切な状態で周
囲の物体、特に下方の物体を検出し、距離の計測等を行
うことのできる脚式移動ロボットを提供する。 【解決手段】 人間型ロボット21は、上腕部22a、
下腕部22b、手部22c、腰部24、脚部25などか
ら成り、関節の回転軸31〜34を中心とした回転など
により多自由度の運動を行う。上腕部22aと下腕部2
2bと手部22cなどによってマニピュレータが構成さ
れる。腰部24には外部センサ27が設けられており、
この外部センサ27は、マルチスリット光を床面20な
どに照射する発光手段と、照射された床面などを撮像す
る撮像手段とを有している。外部センサ27はマニピュ
レータの干渉を受けずに床面20などを検知するため、
床面までの距離や床面形状の計測を常に安定的に行うこ
とができる。
Description
を備えた脚式移動ロボットに関し、特に、頭部、腕部、
胴部、腰部、脚部などによって構成される人間型の脚式
移動ロボットに関する。
面や壁面や障害物などを検知するための装置が設けられ
ている。例えば、特開平6−43935号公報には、走
行方向とは交差する所定パターンのスリット光を照射す
る手段と、このスリット光による照射部分を撮像する手
段と、撮像されたスリット光のパターンを解析して走行
方向前方の障害物の有無を判定する手段とを備えた走行
ロボットが開示されている。また、特開平6−8344
2号公報には、光切断法を用いて、スリット光の照射に
より障害物表面に形成される光切断線を基に三次元座標
データを算出し、この三次元座標データに基づいてロボ
ットの走行を制御する技術が開示されている。
や傾斜が既知であることを前提に歩行パターンを決定し
ていた。また、若干の高さ推定誤差はコンプライアンス
制御によって吸収し、ロボットが転倒しないで歩行でき
るようにしていた。また、事前に床面を測定できない場
合や、歩行経路を正確に補正できない場合や、未知の障
害物などが出現した場合には、コンプライアンス制御だ
けでは不充分であり転倒につながるため、これにそなえ
て外部センサを持つ二足歩行ロボットも研究されてい
る。脚および腕を備えている人間型ロボットにおいて
は、上記のような外部センサは頭部に設けられていた。
ュレータを備えたロボット、特に人間型ロボットの外部
センサを頭部に設けた場合には、次のような問題があ
る。
に対する干渉である。例えば、移動方向の床面を計測し
ようとする場合、頭部に設けられた光源から前方の床面
を照射することになるが、マニピュレータによって照射
光が遮られてしまうと、床面の充分な範囲を照射できな
い。また、例えば、人間型ロボットが腕に大きな荷物を
抱えながら移動する場合などは、広い範囲にわたって照
射光が遮られてしまう。
間型ロボットでは、首関節部分の動きにより頭部を前後
方向あるいは左右方向に傾けたり頭部の向きを変えたり
する場合がある。また、胴部分の動きにより、ロボット
の上半身を前後方向あるいは左右方向に傾けたり向きを
変えたりする場合がある。これらの動きによって頭部に
設けられた外部センサの向きが変わってしまうため、常
に前方の床面の状態を適切に検出することができない。
されたものであり、マニピュレータを有するロボットに
おいても、マニピュレータが測定に干渉せず、常に適切
な状態で周囲の物体、特に下方の物体を検出し、距離の
計測等を行うことのできる脚式移動ロボットを提供する
ことを目的とする。
成る人間型の脚式移動ロボットにおいて、腕が測定に干
渉することがなく、かつ各関節部分を動かした場合にも
常に良好な状態で進行方向の床面、壁面、障害物などを
検出して距離を測定することのできる脚式移動ロボット
を提供することを目的とする。
めに、本発明は、移動を目的として本体に結合されてい
る脚部と、対象物を空間内で移動させるために前記本体
に結合されているマニピュレータとを有し、前記マニピ
ュレータと前記本体との結合部が前記脚部と前記本体と
の結合部よりも上に配置されている脚式移動ロボットに
おいて、前記マニピュレータと前記本体との結合部より
も下でありかつ前記脚部と前記本体との結合部よりも上
に、計測対象物体を検出する外部センサを備えているこ
とを特徴とする脚式移動ロボットを要旨とする。
を有する人間型ロボットであり、前記外部センサは、前
記腰部にまたは前記腰部周辺に配置されていることを特
徴とする。
は、前記外部センサは、スリット光を照射する発光手段
と該スリット光が前記計測対象物体上に形成する光切断
線を撮像する撮像手段とを備えていることを特徴とす
る。
撮像手段によって撮像された画像を基に前記計測対象物
体までの距離を算出する距離算出手段を備えていること
を特徴とする。
距離算出手段によって算出された距離の情報を基に前記
脚部の動きを制御する脚制御手段を備えていることを特
徴とする。
撮像手段によって撮像された画像を基に光切断法を用い
て周囲を監視することを特徴とする。
は、前記撮像手段は少なくとも2個のカメラで構成さ
れ、これらのカメラで撮像された各画像の中の同一の物
体を対応付け、この対応付けられた物体の視差を用いて
当該物体までの距離を算出することを特徴とする。
実施形態について説明する。図1は、同実施形態による
脚式移動ロボットの要部構成を示すブロック図である。
この構成は、ロボットの移動経路上およびその周辺の床
面や壁面や障害物などを計測対象物体としてその距離を
測定し、二足歩行時の足の着地位置が適切になるように
ロボットの脚を制御することを目的とするものである。
(床面など)に対してマルチスリット光を照射するレー
ザ光源(発光手段)である。また、2aおよび2bは、
それぞれレーザ光源1によるスリット光が照射された計
測対象物体を撮像する狭基線長カメラ(撮像手段)およ
び広基線長カメラ(撮像手段)である。狭基線長カメラ
2aは相対的にレーザ光源1の近くに設け、広基線長カ
メラ2bは相対的にレーザ光源1から離れた位置に設け
られている。つまり、本実施形態では、少なくとも2つ
のカメラを備え、第1のカメラとレーザ光源との距離
が、第2のカメラと当該レーザ光源との距離と異なるよ
うに、カメラおよびレーザ光源を配置している。また、
3は、レーザ光源1に対するタイミング信号を出力する
ことにより、レーザ光源1の発光のタイミングおよび狭
基線長カメラ2aと広基線長カメラ2bとによる撮像の
タイミングとを制御する発光制御部(発光制御手段)で
ある。
像を取り込みA/D変換(アナログ/デジタル変換)し
て画像メモリに記憶する画像取り込み部であり、5は画
像取り込み部4によって取り込まれた画像を基に計測対
象物体までの距離を算出する距離推定部(距離算出手
段)である。また、8はロボットの移動経路を決定する
移動経路決定部、6は移動経路決定部8が決定した経路
情報と距離推定部5による距離算出結果とを基にロボッ
トの足の着地位置を決定する着地位置決定部、7は着地
位置決定部6が決定した着地位置に足を持っていくよう
にロボットのバランスを取りながらロボットの脚を駆動
するモータを制御する脚制御部(脚制御手段)である。
法の原理を示す断面図である。図2において、符号90
1は三次元計測装置に設けられたスリット光源、902
は前記三次元計測装置に設けられている撮像のためのレ
ンズ、903はレンズ902による像の結像面、905
は結像面903の中心点であり、この中心点905は結
像面903と撮像方向軸との交点である。また、901
aはスリット光源901から照射されるスリット光面、
910は測定対象物体、911はスリット光面901a
が測定対象物体を照射している照射点の一つである。
2の中心との距離をL(基線長)とする。また、図上の
基準線は、スリット光源901とレンズ902とを結ぶ
線を含む測定面(図6の断面に垂直な面)に垂直な方向
を示している。また、スリット光の測定面に対する角度
をθ、レンズ902の中心と照射点911とを結ぶ線の
測定面に対する角度をφとする。ここで、測定面から測
定対象物体910までの距離Zを求めるためには、次式
のような計算を行えば良い。
(tan(θ)+tan(φ)) ただし、「tan()」は正接関数を表わす。
とレンズ902の中心とを結ぶ方向)の撮像面に対する
角度φ0と撮像方向に対する照射点911の変位角φ1
とを用いて、次式で表わされる。
面903との間の距離lと、結像面903における照射
点911の像の中心点905からの変位Δxを用いて、
次式で表わされる。
ト光は当該断面だけではなく、測定対象物体910の表
面に線状の切断線を形成するように照射されるため、測
定面からその切断線上の各箇所までの距離を測定するこ
とができる。本実施形態では、レーザ光源1はマルチス
リット光を照射するため、その各々が形成する光切断線
を用いて、照射される範囲の測定を行うことが可能であ
る。
トの外見的構造を示す側面図である。この図において、
符号20は床面、20aは床面20上に存在している突
起面、21は人間型ロボットである。また、この人間型
ロボット21は、上腕部22a、下腕部22b、手部2
2c、胴部23(本体)、腰部24(本体)、脚部25
などの各部から成っている。なお上腕部22aと下腕部
22bと手部22cとそれらをつなぐ関節によって、対
象物を空間内で移動させるための多関節マニピュレータ
が構成される。
各部をつなぐ関節の回転軸である。例えば、上腕部22
aは、関節を介して胴部23に取り付けられており、回
転軸31を中心として図示する矢印破線(A)のような
運動を行う。例えば、この人間型ロボット21が荷物を
運搬するときには、肘関節を曲げて上腕部22aと下腕
部22bとがほぼ90度の角度をなすようにしてそこに
荷物を抱えることが可能である。
センサ27には、少なくとも図1に示したレーザ光源1
と狭基線長カメラ2aと広基線長カメラ2bとが組み込
まれており、レーザ光源1によって符号28で示す範囲
にマルチスリット光を照射するとともに、照射された床
面20や突起面20aを狭基線長カメラ2aと広基線長
カメラ2bとのいずれかあるいは両方によって撮像す
る。そして前述の原理によって各光切断線形成位置まで
の距離を計測し、足の着地位置を決定し、脚の移動を制
御する。
3に示したように腰部に外部センサを設ける場合と、従
来技術のように頭部に外部センサを設ける場合とでは、
以下に述べるような違いが生じることが、実験等によっ
て判明している。
頭部に設ける場合よりも腰部に設ける場合のほうが広く
とることができる。例えば、頭部に設ける場合の最大基
線長が7センチメートル(cm)程度であるのに対し
て、腰部に設ける場合には20cm程度とすることがで
きる。
りも腰部に設ける場合のほうが小さい。例えば、頭部に
設ける場合は150cm程度であるのに対して、腰部に
設ける場合には80cm程度である。
に設ける場合より腰部に設ける場合のほうが高精度な計
測をすることができる。例えば、同じタイプのカメラお
よびレンズを用いた撮影を行う場合、頭部に設けられた
外部センサの計測精度が±55ミリメートル(mm)程
度であるのに対して、腰部に設けられた場合の計測制度
は±5mm程度であり、絶対値において10倍以上の精
度差が生じる。
を実現するためには光切断線の撮像に望遠レンズを用い
る必要があるが、二足歩行を行うロボットの頭部にこの
ように画角の狭い望遠レンズを設けて安定的な計測を行
うためには、移動に伴って生じる振動の影響を受けにく
くするための防震機能や、撮像対象を追従する追従機能
を設ける必要が生じる。腰部に外部センサを設ける場合
には、特にこれらの機能を付加せずに±5mmの精度を
実現することができる。よって、ロボットの構成の複雑
さやコストの観点からは、腰部に外部センサを設ける方
が有利である。
とにより、上下左右の広い範囲を視野に捉えることがで
きる。一方、腰部に外部センサを設ける場合には、基本
的には視野は前方だけであり、腰をある程度左右に回す
ことができる場合にもその視野範囲は限定的である。
境の認識の処理と床面等までの距離計測の処理とを時分
割で行う必要があり、制御が複雑になる。一方、腰部に
設けられる外部センサは、床面等の計測を行うのみであ
るため、比較的容易に環境認識/遠隔操縦と共存するこ
とができる。
メラに入射するレーザ光の強度は0.29倍であるのに
対して、腰部に外部センサを設ける場合のそれは3.5
倍である。これら両者間では約12倍の開きがあり、腰
部に外部センサを設ける場合のほうが光切断線を確実に
認識して安定的な計測を行うことができる。
方に出した状態において床面の一部が遮られ、計測可能
な範囲が狭まる。また、胴部より前方で、荷物を腕部で
抱えたり手に持ったりした場合には、さらに計測範囲が
狭まり、まったく計測できなくなってしまう場合もあ
る。 一方、腰部に外部センサを設ける場合には、腕部
や手による床面の隠蔽は全くなくなるか、あるいは圧倒
的に少なくなり、ロボットの動作中も安定的に床面等を
計測することができる。
の間の運動自由度があるため、この間の幾何補正が必要
になるとともに、位置決め精度が低くなる。一方、腰部
に外部センサを設ける場合には、腰と外部センサが直結
しており、ロボットの動作中も一体となっているため位
置決め精度が高い。
部センサを設ける場合に比べて、本実施形態のように腰
部に設ける場合のほうが、計測精度や、コストや、計測
方向の維持や、マニピュレータによる隠蔽の影響などの
点において有利である。
使い分けについて説明する。図1にも示したように、本
実施形態によるロボットは狭基線長カメラ2aと広基線
長カメラ2bとを備えている。狭基線長カメラ2aと広
基線長カメラ2bの画角が互いに等しい場合、狭基線長
カメラ2aで撮った画像は、広基線長カメラ2bで撮っ
た画像に比べて、より広い距離レンジに存在する測定対
象物体を捉えることができる。一方、光切断法の原理か
ら明らかなように、広基線長カメラ2bで撮った画像を
用いることにより、狭基線長カメラ2aで撮った画像を
用いる場合よりも高精度な距離測定を行うことができ
る。つまり、狭基線長カメラ2aと広基線長カメラ2b
とを適宜使い分けることにより、より広い範囲の測定対
象物体までの距離をより高精度に測定することが可能と
なる。つまり、例えば、まず狭基線長カメラ2aを用い
て測定対象物体までの距離を大まかな精度で測定し、こ
の距離測定結果に応じて必要な場合には広基線長カメラ
2bの撮像方向を調整し、次に広基線長カメラ2bを用
いて測定対象物体までの距離を高精度で測定するように
する。これにより、広い距離レンジの測定対象物体を高
精度に測定することが可能となる。
体視を行うことによって、床面を高精度で検出するとと
もに、遠方の障害物を高精度で検出することができる。
このような二眼立体視を行うためには、例えば、両カメ
ラで撮像した画像をそれぞれA/D変換(アナログ/デ
ジタル変換)して画像メモリに取り込み、対応処理手段
によって、これら複数の画像にそれぞれ含まれる同一の
撮像物体の対応付けを行い、対応のとれた撮像物体まで
の距離を三角測量の原理に基づいて当該物体の視差を用
いて算出するようにする。このような二眼立体視を用い
た計測の詳細は、例えば本出願人の出願による「車両用
環境認識装置」(特開平9−159442号公報))な
どに記載されている。
カメラ2aと広基線長カメラ2bの2台のカメラを用い
ることとしたが、カメラの台数は任意であり、1台であ
っても良いし3台以上であっても良い。
センサを設けることとしたが、腰部に限らず、例えば腰
部周辺など、縦方向において脚部とマニピュレータとの
間の任意の位置に外部センサを設けるようにしても良
い。また、人間型ロボットに限らず、脚部より上方に配
置されたマニピュレータを有する脚式移動ロボットにお
いて、縦方向において脚部とマニピュレータとの間の任
意の位置に外部センサを設けるようにした場合にも、同
様の効果が得られる。
下に設ける理由は、前述のように床面計測の際のマニピ
ュレータによる干渉を避けるためである。また、外部セ
ンサを脚部より上に設ける理由は、必要な範囲を広く計
測できるようにするためである。仮に、例えば脚部に外
部センサを設けた場合には、以下に説明するような不具
合が生じる。
サを設けた場合のマルチスリット光照射範囲を示す側面
図である。図4において、符号21は人間型ロボット、
40は床面、40aは床面40上に存在している障害物
の上面、40bは同障害物の側面、47は人間型ロボッ
ト21の脚部に設けられた外部センサ、48は外部セン
サ47によるマルチスリット光照射範囲である。図示す
るように、この例では、外部センサ47の設置位置が低
すぎるために、障害物の側面40bの一部を計測するこ
とはできるものの、上面40aや障害物の向こう側の床
面を計測することができない。このように計測範囲が制
限されることによって、ある程度の高さの障害物ならば
跨いで通れるという脚式ロボットのメリットを活かせな
くなってしまう。
においても、外部センサの設置位置が低すぎると、床面
を照射する充分な角度が得られないために遠い方の計測
制度が悪くなったり、階段を降りる場合に階段面を計測
するのに必要な照射角度が得られなかったりという不都
合が生じる。
ば、脚式移動ロボットにおいて、下方の計測対象物体を
検出する外部センサを、脚部と本体との結合部よりも上
でありかつマニピュレータと本体との結合部よりも下に
設けているため、マニピュレータの干渉を受けずに計測
対象物体を検知・計測することが可能となる。
の腰部または腰部周辺に外部センサを配置しているた
め、首関節や胴部の動きによらず、常に前方つまり進行
方向の床面や障害物を容易かつ安定的に検知・計測する
ことが可能となる。
スリット光を照射する発光手段と該スリット光が前記計
測対象物体上に形成する光切断線を撮像する撮像手段と
を備えており、この撮像手段によって撮像された画像を
基に光切断法などを用いて計測対象物体までの距離を算
出するため、脚式移動ロボットは床面等までの距離を知
り、床面等の形状を検出できる。また、この算出された
距離および形状を基に、足の着地位置を決定し脚の動き
を制御することができる。
少なくとも2個のカメラで構成され、これらのカメラで
撮像された各画像の中の同一の物体を対応付け、この対
応付けられた物体の視差を用いて当該物体までの距離を
算出するため、二眼立体視を用いて、下方の床面を高精
度で計測するとともに遠方の障害物を高精度で検出する
ことができる。
トの要部構成を示すブロック図である。
示す断面図である。
構造を示す側面図である。
適切な場合の例を示す側面図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 移動を目的として本体に結合されている
脚部と、対象物を空間内で移動させるために前記本体に
結合されているマニピュレータとを有し、前記マニピュ
レータと前記本体との結合部が前記脚部と前記本体との
結合部よりも上に配置されている脚式移動ロボットにお
いて、 前記マニピュレータと前記本体との結合部よりも下であ
りかつ前記脚部と前記本体との結合部よりも上に、計測
対象物体を検出する外部センサを備えていることを特徴
とする脚式移動ロボット。 - 【請求項2】 前記脚式移動ロボットは、腰部を有する
人間型ロボットであり、 前記外部センサは、前記腰部にまたは前記腰部周辺に配
置されていることを特徴とする請求項1に記載の脚式移
動ロボット。 - 【請求項3】 前記外部センサは、スリット光を照射す
る発光手段と該スリット光が前記計測対象物体上に形成
する光切断線を撮像する撮像手段とを備えていることを
特徴とする請求項1または2に記載の脚式移動ロボッ
ト。 - 【請求項4】 前記撮像手段によって撮像された画像を
基に前記計測対象物体までの距離を算出する距離算出手
段を備えていることを特徴とする請求項3に記載の脚式
移動ロボット。 - 【請求項5】 前記距離算出手段によって算出された距
離の情報を基に前記脚部の動きを制御する脚制御手段を
備えていることを特徴とする請求項4に記載の脚式移動
ロボット。 - 【請求項6】 前記撮像手段によって撮像された画像を
基に光切断法を用いて周囲を監視することを特徴とする
請求項3から5までのいずれかに記載の脚式移動ロボッ
ト。 - 【請求項7】 前記撮像手段は少なくとも2個のカメラ
で構成され、これらのカメラで撮像された各画像の中の
同一の物体を対応付け、この対応付けられた物体の視差
を用いて当該物体までの距離を算出することを特徴とす
る請求項3から6までのいずれかに記載の脚式移動ロボ
ット。
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