JP2009174898A - 移動体および環境情報作成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移動しつつ環境情報を作成する移動体において、移動中に生じる振動等の影響を受けずに、周囲の環境情報を正確に作成することを可能にすること。
【解決手段】移動体本体と、周囲に存在する物体の前記移動体本体からみた相対位置を示す計測値を取得するセンサと、前記移動体本体に作用する加速度を検出する加速度検出部とを備えた移動体において、センサの取得した計測値に基づいて、移動領域に存在する物体の形状や位置を示す環境情報を作成する際に、センサが計測を行ったときの移動体本体の目標加速度と、前記加速度検出部により検出された加速度との大きさとの差を算出し、算出した差に基づいてセンサにより得られた計測値の信頼性を決定するとともに、その決定された信頼性に基づいて前記計測値を修正し、修正後の計測値に基づいて環境情報を作成するようにした。
【選択図】図５

Description

本発明は、平面などの移動領域内を移動する移動体、および移動体の移動制御に利用可能な環境情報作成方法に関するものである。

近年、建物内部や屋外の広場などといった移動領域内において、人間の操作を要することなく、車輪や脚式歩行などの手段によって自律的に移動を行うような移動体が開発されつつある。

このような移動体は、移動する領域上の周囲の環境に関するマップを自律的に作成して記憶し、作成したマップ上に移動経路を自律的に作成し、作成した移動経路に沿った移動を行うものである。そして、このような移動体は、マップ情報を作成するためのカメラやセンサなどを備えており、これらのカメラやセンサを用いて移動体自体の周囲の環境情報を用いて連続的に取得する。このように、環境情報を連続的に更新することで、マップ情報上で作成した移動経路上に障害物が存在した場合や、人間が移動経路上を横切った場合においても、これらの障害物や人間を避けるように移動経路を修正することができる。（例えば特許文献１）

このような周囲の環境情報を取得しつつマップ情報を作成する移動体の一例として、例えば特許文献１において開示されているような、超音波センサを用いて環境情報を取得する移動体が知られている。このような移動体は、超音波センサにより得られる障害物の位置などの環境情報をマップ情報上に登録しつつ、エンコーダ積算によるオドメトリや移動領域上に設けられたランドマーク（特徴認識点）に基づく自己位置認識を行うことによって、自己位置と目標地点の間の移動経路を探索する。

しかしながら、このような移動体においては、超音波センサにより得られる移動領域のマップの精度が十分でないため、実環境に近い高精度なマップ情報を作成することが困難である。そのため、例えば特許文献２に記載のように、レーザ光を照射し、そのレーザ光が対象物で反射するまでの時間を計測することで、対象物までの距離を算出する、いわゆるｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔの原理を用いたレーザレンジファインダ（ＬＲＦ）のような高精度のセンサを用いるような技術が知られている。このようなレーザレンジファインダは、レーザ光の反射により距離を計測するセンサであり、移動体本体の周囲に存在する物体と、移動体本体との距離を測定することで、移動体本体の周囲に存在する物体の形状や移動体本体に対する相対的な位置関係を認識することが可能となる。

特開２００５−２１１４４２号公報 特開２００５−２２１０１２号公報

しかしながら、このような移動体は、移動中に比較的大きな振動が生じる場合が多く、その際に移動体本体に取り付けられたセンサも併せて振動してしまうため、周囲の物体の形状や移動体本体との相対的な位置関係が精度よく認識できない場合がある。特に、移動領域の平面検出に大きな誤差が含まれてしまうと、脚式移動型や車輪移動型の移動体においては、正確な環境情報を取得することができず、適切な移動動作が行えなくなる可能性が生じる。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、移動中に生じる振動等の影響を受けずに周囲の環境情報を正確に作成可能な移動体、および移動体の制御等に利用可能な環境情報作成方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる移動体は、移動体本体と、周囲に存在する物体の前記移動体本体からみた相対位置を示す計測値を取得するセンサと、前記移動体本体に作用する加速度を検出する加速度検出部とを備え、前記センサの取得した計測値に基づいて、移動領域に存在する物体の形状や位置を示す環境情報を作成する移動体であって、前記センサが計測を行ったときの移動体本体の目標加速度と、前記加速度検出部により検出された加速度との大きさとの差を算出し、算出した差に基づいてセンサにより得られた計測値の信頼性を決定するとともに、その決定された信頼性に基づいて前記計測値を修正し、修正後の計測値に基づいて環境情報を作成することを特徴とするものである。

上述のような移動体によれば、移動体本体に強い衝撃等が加えられ、振動などが生じた場合に、前記センサにより得た計測値の信頼性を考慮し、環境情報を作成することにより、振動などが生じていない場合の計測値を主として環境情報を作成することができる。したがって、移動中に生じた振動が、移動中に取得する環境情報に対して与える影響が小さくなる。

また、このような移動体においては、前記センサが計測を行った際の移動体本体の目標加速度と、加速度検出部により検出された加速度との差が所定の閾値を超える場合に、そのセンサにより得られた計測値を用いずに環境情報を作成するようにしてもよい。この場合、一定以上の大きさ（加速度）による振動などの影響を受けることなく、移動体本体の周囲に存在する環境情報を作成することができる。

また、このような環境情報としては、移動体本体の移動する領域上に存在する物体の形状および位置を３次元的に表すマップ情報を含むことが好ましい。すなわち、移動体本体の周囲に存在する物体の、前記移動体本体からみた相対位置を表す情報として、それらの物体の形状や位置を３次元的に表すことによって、障害物の認識や自己位置の認識等を容易に行うことが可能となる。

また、前記センサとしては、周囲に存在する物体が、移動体本体からどれだけ離れた位置に存在するかを計測する距離計測部であることが好ましい。すなわち、前述のような、レーザ光を照射し、そのレーザ光が対象物で反射するまでの時間を計測することで、対象物までの距離を算出するレーザレンジファインダ（ＬＲＦ）のような高精度のセンサを用いると、より正確な環境情報を作成することが可能となる。このようなレーザレンジファインダを用いて、移動体本体の周囲に存在する物体と、移動体本体との距離を測定することで、前述のような、移動体本体の移動する領域上に存在する物体の形状および位置を３次元的に表すマップ情報を容易に作成することが可能となる。また、距離計測部としては、このようなレーザレンジファインダなどのセンサだけではなく、超音波を照射し、照射した超音波の反射に基づいて環境情報を取得する超音波センサであってもよい。このような超音波センサは、比較的広域な領域を同時にセンシングできるとともに、ある程度の精度が得られるため、移動体の移動領域のマップ情報を得るセンサとして、好適に用いられる。

また、このような移動体は、操作者が搭乗することにより移動する搭乗型の移動体であってもよいが、作成された環境情報に基づいて自律的に移動経路を作成し、作成した移動経路に基づいて自律的に移動動作を行うような自律移動型の移動体であってもよい。このような自律移動型の移動体の場合、作成する環境情報の精度が向上しているため、段差などの移動上の障害物を適切に回避した移動経路を確実に作成することができる。

なお、移動体本体の移動する領域としては、特に限定されるものではないが、このような移動領域として、床面などの平面である場合に本発明は好適に用いることが可能となる。この場合、移動領域としての平面の形状を環境情報として取得する。このようにすると、移動体本体が移動を行う際に、移動する領域の表面形状を考慮した移動を行うことが可能となる。

また、前述のような平面上を移動する移動体本体の例としては、作成された環境情報から歩容データを取得し、取得した歩容データに従って移動動作を行う、例えば２足歩行型の移動体などが上げられる。このような移動体本体の場合、移動領域としての平面上に存在する凹凸を正確に認識することで、脚部を移動させる位置を適切に選択することができるため、安定した歩行動作を行うことが可能となる。

また、前記移動体本体が、前記平面上に接触する車輪を駆動して移動する車輪駆動型の移動体である場合においても、移動領域としての平面上に存在する凹凸や障害物などを避けるように移動経路を作成することができるため、同じく安定した移動動作を行うことが可能となる。

また、このような移動体は、移動する領域内において自己位置を認識する機能を備えていることが好ましい。例えば、移動領域における周囲の環境を視覚的に認識するカメラをさらに備え、移動領域内において特定の場所に設けられたランドマークを前記カメラにより視覚的に認識することで自己位置を算出する機能を備えていると、より好ましい。この場合、ランドマークにより移動領域内における自己位置の認識に、作成した周囲の環境情報を加えることで、周囲の情報をより正確に認識することが可能となる。例えば、予め移動領域内における障害物（壁や家具など）が設置されている場合、その移動領域内においてこれらの障害物を認識した際に、これらの障害物との相対的な位置関係から自己位置を正確に求めることができる。また、これらの障害物以外の物体を認識した場合は、この物体が新たに設置された障害物もしくは人間などの一時的に存在する移動対象であるといった判別を行うことも可能となる。

なお、移動体の自己位置を認識する手段としては、これに限られるものではなく、移動体の外部に設けられたＧＰＳ等の設備から送信される位置情報を受信することで、移動体の自己位置を取得するものや、移動領域内において移動した方向および距離から自己位置を算出するものであってもよい。このような自己位置を認識する手段としては、例えば移動体が車輪の回転駆動により移動するものである場合は、移動する際に得られる車輪の回転数や回転方向、車輪の向き等に基づいて、移動した地点の位置を算出する、いわゆるエンコーダ積算によるオドメトリ法などが用いられる。

また本発明は、移動体の制御等に利用可能な環境情報作成方法をも提供するものであり、この環境情報作成方法は、周囲に存在する物体の、移動体からみた相対位置を示す計測値を取得し、取得した計測値に基づいて移動体の周囲における環境情報を作成するものであって、前記相対位置の計測時における加速度を検出し、検出された加速度の大きさと、目標加速度との差を算出し、算出した差の大きさに基づいて計測された相対位置の信頼性を決定するとともに、決定した信頼性に基づいて取得した計測値を修正し、修正後の計測値に基づいて環境情報を作成することを特徴としている。

上述のような環境情報作成方法によれば、移動体に強い衝撃等が加えられ、振動などが生じた場合に、前記センサにより得た計測値の信頼性を考慮し、環境情報を作成することにより、振動などが生じていない場合の計測値を主として環境情報を作成することができる。したがって、移動体の移動中に生じた振動が、移動中に取得する環境情報に対して与える影響が小さくなる。

なお、このような環境情報作成方法を利用する移動体としては、必ずしも自律的に移動するものに限定されず、人が搭乗し、移動する方向や速度を操作により制御するものについてもよい。すなわち、このような環境情報作成方法を利用することによって、移動体の周囲の環境情報が正確に作成できるため、操作者による操作または自律的な動作により適切な移動を行うことが可能となる。

以上、説明したように、本発明によると、移動中に生じる振動等の影響を受けずに周囲の環境情報を正確に作成可能な移動体、および移動体の制御等に利用可能な環境情報作成方法を提供することができる。

発明の実施の形態１．
以下に、図１から図８を参照しつつ本発明の実施の形態１にかかる移動体（以下、単に移動体という）について説明する。この実施の形態においては、脚式歩行型の移動体を操縦する操縦者が移動体に搭乗し、操縦者自身の移動手段として用いる例を示すものとする。

図１は、移動体１０を側方（移動体の移動する方向を向いて右方向）から見た様子を概略的に表す概略図であり、移動体１０に操縦者７５が搭乗している様子を表している。そして図２は、図１に示す移動体１０を後方から見た様子を表している。なお、図１および図２においては、説明の便宜上、移動体１０が進行する向き（前後方向）をｘ軸、移動体１０が進行する方向について水平方向に直交する向き（左右方向）をｙ軸、移動体の鉛直方向に延びる向き（上下方向）をｚ軸とし、これらの３軸からなる座標系を用いて説明する。

図１に示すように、移動体１０は、操縦者７５が搭乗する移動体本体としての搭乗部１００と、この搭乗部１００に結合された腰部６４と、腰部６４に対して回動自在に固定される脚部１２と、を備えた２足歩行型のロボットであり、操縦者７５の操作によってその移動が制御されるものである。以下、詳細に説明する。

２足歩行を行うための脚部１２は、右脚１４と左脚１５から構成されている。詳細には、右脚１４は右股関節１６、右上腿１８、右膝関節２０、右下腿２２、右足首関節２４、右足先２６を備え、同様に、左脚１５は左股関節１３、左上腿１７、左膝関節２５、左下腿１９、左足首関節２１、左足先２３を備えている。右脚１４と左脚１５とはほぼ同様の構成を備えたものであるため、右脚１４についてのみの説明を行い、左脚１５についての説明は省略する。

図１および図２に示すように、右脚１４は、右股関節１６、股ヨーク２８、股クロスシャフト３０、股ｘ軸回り駆動機構３２、股ｙ軸回り駆動機構３３、股ｚ軸回り駆動機構３４等を備えている。股ヨーク２８は、下方に向かって開いた略コ字状に形成されている。図３に示すように、股クロスシャフト３０は、十字状に形成され、股ヨーク２８と右上腿１８は、股クロスシャフト３０を介して接続されている。また、股クロスシャフト３０は、股ヨーク２８と右上腿１８に対して回転可能に構成されており、その結果、右上腿１８は、股ヨーク２８に対して、ｘ軸回りとｙ軸回りの角度が可変となるように構成されている。

股ｘ軸回り駆動機構３２は、股ｘ軸モータ４０、股ｘ軸モータ側プーリ３８、股関節側ｘ軸プーリ４３、ベルト３９を備えている。股ｘ軸モータ４０は、ヨーク２８に固定されている。股ｘ軸モータ側プーリ３８は、股ｘ軸モータ４０の駆動軸４０ａに取付けられている。股関節側ｘ軸プーリ４３は、股クロスシャフト３０に固定されている。ベルト３９は、股ｘ軸モータ側プーリ３８と股関節側ｘ軸プーリ４３に巻付けられている。股ｘ軸モータ４０が回転して股ｘ軸モータ側プーリ３８が回転すると、ベルト３９を介して股関節側ｘ軸プーリ４３も回転する。股関節側ｘ軸プーリ４３が回転すると、それに固定されている股クロスシャフト３０のｘ軸回りの角度が変化する。このため、右股関節１６のｘ軸回りの関節角が変化する。股ｘ軸モータ４０を正転したり逆転したりすることにより、右上腿１８が右側に持ち上げられたり、左側に持ち上げられたりする。

股ｙ軸回り駆動機構３３は、股ｙ軸モータ４６、股ｙ軸モータ側プーリ４９、股関節側ｙ軸プーリ５０、ベルト５２を備えている。股ｙ軸モータ４６は右上腿１８に固定されるとともに、股ｙ軸モータ側プーリ４９は股ｙ軸モータ４６の駆動軸に取付けられている。また、股関節側ｙ軸プーリ５０は、股クロスシャフト３０に固定されており、ベルト５２は、股ｙ軸モータ側プーリ４９と股関節側ｙ軸プーリ５０に巻付けられている。このような構成によって、股ｙ軸モータ４６が回転すると、股ｙ軸モータ側プーリ４９が回転し、股ｙ軸モータ側プーリ４９が回転すると、ベルト５２を介して股関節側ｙ軸プーリ５０が回転する。さらに、股関節側ｙ軸プーリ５０の回転にともなって、股クロスシャフト３０のｙ軸回りの角度、すなわち、右股関節１６のｙ軸回りの関節角を変化させることができる。このように、股ｙ軸モータ４６を正転したり逆転したりすることにより、右上腿１８を右股関節１６回りに前方側に持ち上げたり、後方側に持ち上げたりすることができる。

また、図３に詳細に示すように、股ｚ軸回り駆動機構３４は、股ｚ軸モータ５４、股ｚ軸モータ側プーリ５６、股関節側ｚ軸プーリ５８、ベルト６０等を備えている。股ｚ軸モータ５４はブラケット６２を介して腰部６４に固定されている。詳しくは省略するが、腰部６４は、座席部１００と結合されている。股ｚ軸モータ側プーリ５６は、股ｚ軸モータ５４の駆動軸に取付けられている。股関節側ｚ軸プーリ５８は、シャフト６６によって股ヨーク２８と連結されている。このため、股ヨーク２８は、股関節側ｚ軸プーリ５８とともにｚ軸回りに回転する。シャフト６６は、腰部６４内に設けられているベアリング（図示省略）によって、回転可能に支持されている。ベルト６０は、股ｚ軸モータ側プーリ５６と股関節側ｚ軸プーリ５８に巻付けられている。股ｚ軸モータ５４が回転すると、股ｚ軸モータ側プーリ５６が回転する。股ｚ軸モータ側プーリ５６が回転すると、ベルト５２を介して股関節側ｚ軸プーリ５８が回転する。股関節側ｚ軸プーリ５８の回転にともなって股ヨーク２８は回転し、それとともに右股関節１６のｚ軸回りの関節角が変化する。股ｚ軸モータ５４が正転したり逆転したりすると、右股関節１６のｚ軸回りの関節角が一方向に変化したり、他方向に変化したりする。右股関節１６のｚ軸回りの関節角が一方向に変化したり、他方向に変化したりすると、右脚１４が内股になったり、外股になったりする。

右膝関節２０は、シャフト７０と膝関節駆動機構７２を備えている。シャフト７０は、右上腿１８と右下腿２２をｙ軸回りに回転可能に接続している。膝関節駆動機構７２は、膝モータ７４、膝モータ側プーリ７８、膝関節側プーリ７６、ベルト７９を有している。膝モータ７４は、右上腿１８に固定されている。膝モータ側プーリ７８は、膝モータ７４の駆動軸に取付けられている。膝関節側プーリ７６は、右下腿２２に固定されている。ベルト７９は、膝モータ側プーリ７８と膝関節側プーリ７６に巻付けられている。膝モータ７４が回転すると、膝モータ側プーリ７８が回転する。膝モータ側プーリ７８が回転すると、ベルト７９を介して膝関節側プーリ７６が回転する。膝関節側プーリ７６が回転すると、右膝関節２０のｙ軸回りの関節角が変化する。このように、膝モータ７４を正転したり逆転したりすることにより、右下腿２２を右膝関節２０回りに前方側に持ち上げたり、後方側に持ち上げたりすることができる。

なお、右下腿２２を右膝関節２０回りに前方側に持ち上げると、右上腿１８と右下腿２２は前方側に向かって開いた状態（右上腿１８の延長線よりも前方側に、右下腿２２が右膝関節２０回りに回転した状態）、いわゆる「鳥足状態」をとることができる。なお、本実施の形態では、移動体１０としてこのような「鳥足状態」を取り得るものを例示しているが、本発明はこれに限られたものではなく、人間のように、右上腿１８と右下腿２２が後方側に向かって開いた状態（右上腿１８の延長線よりも後方側に、右下腿２２が右膝関節２０回りに回転した状態）を取り得るものであってもよい。

右足首関節２４は、足首ヨーク８０、足首クロスシャフト８２、足首ｘ軸回り駆動機構８３、足首ｙ軸回り駆動機構８４を備えている。足首ヨーク８０は、上方に向かって開いた略コ字状に形成されている。足首クロスシャフト８２は、股クロスシャフト３０と同様に十字状に形成されている。足首ヨーク８０と右下腿２２は、足首クロスシャフト８２を介して接続されている。足首ヨーク８０には、右足先２６が固定されている。このように右下腿２２と右足先２６が右足首関節２４を介して接続されているので、右足先２６は右下腿２２に対して、ｘ軸回りとｙ軸回りの角度が可変となる。

足首ｘ軸回り駆動機構８３は、足首ｘ軸モータ８８、足首ｘ軸モータ側プーリ８５、足首関節側ｘ軸プーリ８７、ベルト８６を備えている。足首ｘ軸モータ８８は、右下腿２２に固定されている。足首ｘ軸モータ側プーリ８５は、足首ｘ軸モータ８８の駆動軸に取付けられている。足首関節側ｘ軸プーリ８７は、足首クロスシャフト８２に固定され、ベルト８６は、足首ｘ軸モータ側プーリ８５と足首関節側ｘ軸プーリ８７に巻付けられている。このような構成により、足首ｘ軸モータ８８が回転すると、足首ｘ軸モータ側プーリ８５が回転し、足首ｘ軸モータ側プーリ８６が回転すると、ベルト８６を介して足首関節側ｘ軸プーリ８７が回転する。そして、足首関節側ｘ軸プーリ８７が回転することによって、足首クロスシャフト８２とともに足首ヨーク８０のｘ軸回りの角度が変化する。すなわち、足首ｘ軸モータ８８を正転させたり逆転させたりすることで、右足先２６のつま先の向きを上下に制御することができる。

足首ｙ軸回り駆動機構８４は、足首ｙ軸モータ８９、足首ｙ軸モータ側プーリ９０、足首関節側ｙ軸プーリ９１、ベルト９２を備えている。足首ｙ軸モータ８９は右下腿２２に固定されている。足首ｙ軸モータ側プーリ９０は、足首ｙ軸モータ８９の駆動軸に取付けられている。足首関節側ｙ軸プーリ９１は、足首クロスシャフト８２に対して固定され、ベルト９２は、足首ｙ軸モータ側プーリ９０と足首関節側ｙ軸プーリ９１に巻付けられている。したがって、足首ｙ軸モータ８９が回転すると、足首ｙ軸モータ側プーリ９０が回転し、足首ｙ軸モータ側プーリ９０が回転すると、ベルト９２を介して足首関節側ｙ軸プーリ９１が回転する。そして、足首関節側ｙ軸プーリ９１が回転すると、足首クロスシャフト８２とともに右足首ヨーク８０のｙ軸回りの角度が変化する。足首ｙ軸モータ８９を正転させたり逆転させたりすることで、右足先２６のつま先の向きを左右に制御することができる。

また、図１および図２に示すように、左脚１５は、左股関節１３、左上腿１７、左膝関節２５、左下腿１９、左足首関節２１、左足先２３を備えるものであり、この左脚１５の構成は前述した右脚１４の構成とほぼ同様であるため、詳細な説明は省略する。

次に、脚部１２に載置された搭乗部１００について図１および図２および図４を参照しつつ説明する。搭乗部１００は、操縦者７５が着座するための座席１０６と、操縦者により操作される操作部１０８（右操作部１０８ａ、左操作部１０８ｂ）と、脚部１２の近傍領域を撮像するレーザレンジセンサ１５０と、レーザレンジセンサ１５０により得られる前記脚部近傍の領域を表示する表示部１６０と、撮像部１７０とを備えている。また、図１、図２に示されるように、搭乗部１００は第１フレーム１０２および第２フレーム１０４を備え、第１フレーム１０２は座席１０６の座面の下面と、背当ての後面に沿う形状に形成されており、第２フレーム１０４は、第１フレーム１０２と結合され、座席１０６の左右と前方下部に配置される。また、図２に示されるように、第１フレーム１０２は、座席１０６の下方で、ブラケット１１２を介して腰部６４と結合されている。座席１０６は、結合部材１１４を介してブラケット１１２と結合されている。

また、座席１０６の背当て後方には、第１フレーム１０２に固定されて、箱状の収容部１２０ａ、１２０ｂが設けられており、収容部１２０ａには、ロボット１０の動作を制御する制御部１３０が、収容部１２０ｂには図示しないバッテリー等が収容されている。

レーザレンジセンサ１５０は、座席１０６の底面近傍において移動体１０の進行方向および左右方向について各々回動自在に固定され、移動体１０の前方に位置する外部環境の環境情報を取得するために用いられる。なお、レーザレンジセンサ１５０は、図示は省略するが、レーザ光を照射するレーザ光源と、反射したレーザ光を受光する受光部とを備えており、ｘ軸、ｙ軸方向の２軸について、アクチュエータを介して回動可能に構成されている。そして、レーザレンジセンサ１５０を回動しつつ移動し、脚部１２の足先付近前方領域に存在する物体と、このレーザレンジセンサの取り付け位置までの距離を計測することにより、これらの物体と移動体１との相対的な位置関係を取得することができる。なお、このレーザレンジセンサ１５０により得られた計測値は、前述の制御部１３０に送信され、制御部１３０において、距離を測定した物体の形状および位置を３次元的に表すマップ情報を含む環境情報の作成に用いられる。このマップ情報を作成する手順の詳細については後述する。

表示部１６０は、座席１０６近くの、操縦者７５が視認可能な位置に固定的または可動的に取り付けられたディスプレイであり、レーザレンジセンサ１５０により測定された物体を３次元的に表されたマップ情報を表示する。また、操作部１０８は、一般的なジョイスティックなどの操作子を備えた操縦手段であり、前後左右を含む任意の方向について、操作子を角度を無段階的に傾斜可能に構成されるものである。そして、操作部１０８は、右操作部１０８ａおよび左操作部１０８ｂとから構成されており、操縦者７５の操作により傾斜した各操作部の操作子の傾斜角度に応じて、脚部１２の駆動量や駆動パターンを変更し、移動体１０の動きを制御するものである。

また、撮像部１７０は、座席１０６の底面に取り付けられ、平面上における脚部１２の足先（右足先２６、左足先２３）付近を撮像する。この撮像部１７０により撮像された映像は、前述の表示部１６０において、前述のマップ情報と併せて表示される。

なお、撮像部１７０によって撮像される位置は、操縦者７５から死角となっている領域（死角領域）に設定されることが好ましい。この死角領域としては、操縦者７５の姿勢や視線の高さ等によっても異なるが、概ね平面上の脚部１２付近で、座席１０６の鉛直下方に位置する領域付近が該当する。

また、搭乗部１００を構成する座席の背当て付近に設けられた収容部１２０ａの内部には、操縦者７５が操作部１０８を操作した結果に基づいて脚部１２を駆動させるための制御部１３０と、加速度検出部としての加速度センサ１４０が組み込まれている。図４に示すように、制御部１３０は、脚部１２を駆動し、移動体１０を動かすための歩容データを記憶する記憶領域１３１と、この記憶領域１３１に記憶された歩容データを読み出す演算処理部１３２と、脚部１２に含まれるモータを駆動するモータ駆動部１３２と、を備えている。これらの各構成要素は、収容部１２０ｂの内部に設けられたバッテリー（図示せず）から電力を供給されることで動作する。

記憶領域１３１に記憶された歩容データは、操作部１０８から送られる信号で特定される脚部１２の移動量に対応づけて、脚部１２の足先（右足先２６、左足先２３）の位置と移動体本体（本実施の形態においては搭乗部１００）の位置とを、移動体の移動する空間を定める座標系（例えばｘｙｚ座標系）において経時的に指示するものである。

演算処理部１３２は、操作部１０８からの信号に基づいて変化する歩容データを読み出すとともに、読み出した歩容データによって特定される移動体１０の姿勢を実現するために必要な脚部１２の関節角を算出し、算出した関節角に基づく信号をモータ駆動部１３３に送信する。モータ駆動部１３３は、演算処理部１３２より送信された信号に基づいて、各モータ（股ｘ軸モータ４０、股ｙ軸モータ４６、股ｚ軸モータ５４、膝モータ７４、足首ｘ軸モータ８８、足首ｙ軸モータ８９など）の駆動量を特定し、これらの駆動量でモータを駆動させるためのモータ駆動信号を各モータに送信する。これによって脚部１２の駆動量が変更され、移動体１０の動きが制御される。

また、演算処理部１３２は、読み出した歩容データに基づいてモータの駆動を行うように指令するほか、レーザレンジセンサ１５０により計測された計測値に基づいて、移動体１０の足先付近前方領域に存在する物体の形状および位置を３次元的に表すマップ情報を作成する。さらに、演算処理部１３２は、加速度センサ１４０からの信号を受け、レーザレンジセンサ１５０で計測した際の移動体１０に作用する加速度の大きさを得る。詳細には、レーザレンジセンサ１５０の計測周期と、加速度センサ１４０で検出した加速度値の取得遅れ時間を考慮し、レーザレンジセンサ１５０で計測を行った瞬間の加速度値を算出する。そして、各計測値にそれぞれ加速度の大きさに関する情報を付与し、計測値の信頼性を判断する基準とする。すなわち、計測時の加速度を所定の閾値と比較し、閾値を上回る加速度が検出された際の計測値については、信頼性が低いと判断する。

また、演算処理部１３２は、加速度センサ１４０からの信号を受けて、モータの駆動量を調整する。すなわち、加速度センサ１４０により検出した加速度に基づいて移動体１０に作用する外力の大きさを判定し、外力を受けた際の移動体１０の姿勢などに応じて脚部１２の関節角を調整する。このような制御を、操縦者７５の操作とは無関係に自律的に行うことで、移動体１０は安定した状態を維持することができる。

次に、演算処理部１３２において、レーザレンジセンサ１５０によって計測された、移動領域としての平面（床面）上における移動体１０の前方領域の物体等の形状や位置を表す計測値を用いて３次元的なマップ情報を作成する手順について説明する。このマップ情報を作成する過程においては、レーザレンジセンサ１５０により得られた計測値から、平面と推定される部分を検出する処理が行われる。この平面検出を行う手順について、図５に示すフローチャートおよび図６、７、８に示す図を用いて詳細に説明する。

まず、レーザレンジセンサ１５０により計測を行い、移動体１０の前方領域に存在する物体等の形状や位置を表す計測値を取得する（ＳＴＥＰ１０１）。このとき、各計測値は、演算処理部１３２の記憶領域１３１に記憶される際に、計測時の加速度の大きさに関する情報が付与されて記憶される。図６は、レーザレンジセンサ１５０によって計測された、移動領域としての平面上における移動体１０の前方領域の物体等の形状や位置を表す計測値を示しており、これらの計測値は、３次元座標上の座標として表されている。

次に、これらの計測値について、計測時の加速度と目標加速度との差が所定の閾値を上回るものを信頼性が低いデータとして除去する（ＳＴＥＰ１０２）。これにより、移動体１０に外力や衝撃等が加わった際に計測されたデータを用いずに平面検出を行うことができる。

そして、信頼性の低いデータが除去された後の計測値を示す座標のうち、２点からなる一対の座標の組み合わせをランダムに複数抽出し、それらの２点により特定される形状を示すベクトルを各々生成する（ＳＴＥＰ１０３）。そして、生成されたベクトルのうち、法線として特定される基準ベクトル（例えば鉛直方向）に直交するベクトル群を選択し、これらのベクトル群により特定される平面を算出する（ＳＴＥＰ１０４）。詳細には、選択されたベクトルのうち、同じ法線を持つ平面を切り出し、切り出された平面の、基準となる平面（床面）からの距離を各々算出することで、これらの平面を表す平面式を求める。

そして、求められた平面式により特定される平面上に、計測した計測値により表される各座標の関連付け（ラベリング）を行う（ＳＴＥＰ１０５）。このラベリングにより、計測値としての座標群が特定の平面式により表される平面付近にそれぞれ関連付けられる。このように、特定の平面上に関連付けられた座標群の様子を、図７および図８に示す。図７および図８は、図６に示した計測値群から、床面上に存在する段差と推定される部分を拡大して表示したものであり、図７はレーザレンジセンサ１５０から見た相対的な位置関係を斜視的に示した様子、図８は段差を示す座標点群を床面に水平から見た様子を表している。

最後に、これらの関連付けされた座標点群について、各々最小二乗フィッティングを行うことで平面を算出する（ＳＴＥＰ１０６）。そして、算出された平面を含む環境情報をマップ情報として表示部１６０に表示する（ＳＴＥＰ１０７）。操縦者７５は、これらの環境情報を参照しつつ、移動体１０の移動する方向などを決定するとともに、演算処理部１３２においては、環境情報により得られた床面情報に基づいて、足裏を接地させるための歩容データを適宜修正する。

本実施形態においては、計測したデータにより表される座標の中から一対の組み合わせをランダムに抽出し、平面検知を行うため、計測したデータにより示される座標の信頼性が平面検知の精度に大きく影響を与える。したがって、前述のように、移動体前方に存在する物体の形状および位置を示す計測値群の中から、信頼性の低いデータが除去することによって、作成された平面検知を含む環境情報の精度が向上し、この環境情報を参照しつつ移動を行うことによって安定した移動を行うことができる。特に、本実施形態のような歩行動作により移動を行う移動体においては、足裏を接地させる床面上の場所を正確に求めることができるため、確実に安定した歩行を行うことができる。

なお、この実施の形態においては、レーザレンジセンサで計測する領域として、移動体前方に限定された例を挙げて説明しているが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、移動体の後方や側方など、移動体の移動領域（床面）について、移動体近傍を中心とした移動する範囲について、広く計測を行うようにしてもよい。

なお、本発明における移動体は、前述の実施形態のような、操縦者の操作により移動動作が決定されるものに限られるものではなく、自律的に移動するものであってもよい。以下に、自律的に移動を行う自律型移動体に本発明を適用した例を挙げて説明する。

発明の実施形態２．
図９は、略水平状の床部上の限られた移動領域Ｐ（破線に囲まれた領域）内を、車両型の移動体２００が移動する一実施形態を概略的に示すものである。図９においては、移動領域Ｐ内には特に物体が載置されていない状態を示すものとし、移動体２００が移動領域Ｐ内を任意に移動することができるものとする。なお、本実施形態における移動体の各構成のうち、前述の実施形態と同様の構成については、同一または同様の符号を付してその説明を省略するものとする。

図１０に示すように、移動体２００は、箱型の移動体本体２００ａと、1対の対向する車輪２１１、２１１と、キャスタ２１２を備える対向２輪型の移動体であり、これらの車輪２１１、２１１、キャスタ２１２とで移動体本体２００ａを水平に支持するものである。さらに、移動体本体２００ａの内部には、車輪２１１、２１１をそれぞれ駆動する駆動部（モータ）２１３、２１３と、車輪の回転数を検出するためのカウンタ２１４と、車輪を駆動するための制御信号を作成し、駆動部２１３、２１３にその制御信号を送信する演算処理部２１５、およびこれらの構成要素に電力を供給するためのバッテリー２１６が備えられている。そして、演算処理部２１５内部に備えられた記憶部としてのメモリなどの記憶領域２１５ａには、制御信号に基づいて移動体２００の移動速度や移動方向、移動距離などを制御するためのプログラムとともに、移動領域Ｐの形状および大きさ、および移動領域Ｐ内（床面上）に予め配置された物体の大きさや配置などの基本マップ情報が記憶されている。

さらに、移動体本体２００の前面には、移動する方向（前方）にレーザ光を照射し、そのレーザ光が対象物で反射するまでの時間を計測するセンサとしてのレーザレンジファインダ２１７を備えている。このレーザレンジファインダ２１７は、前述の実施形態において用いたものと同様であるため、その詳細な説明については省略する。なお、図１０においてはレーザレンジファインダ２１７が移動体本体２００ａの前面に２つ設けられた例が示されているが、本発明はこれに限られるものではなく、単一または３つ以上のレーザレンジファインダを用いた計測を行ってもよい。

また、移動体２００は、その移動した方向および距離から、自己位置を取得することができる。すなわち、前述したカウンタ２１４で検知された車輪２１１、２１１の回転数を演算処理部２１５において積算することで、移動体２００の移動した距離や方向などの情報を求め、これらの情報から、移動領域内における移動体２００の自己位置（オドメトリ位置）を算出する。

そして、これらの自己位置取得部より得られた位置情報は、前述したレーザレンジファンダ２１７により得られる環境情報に基づいて適宜修正される。この位置情報を修正する手法については、詳細な説明は省略するが、レーザレンジファインダにより得られた移動領域内に存在する物体の位置情報と、記憶領域２１５ａにおいて予め記憶された基本マップ情報とをマッチングし、マッチングの結果、移動領域内において認識した移動体の自己位置を修正する。

また、移動体本体２００ａの内部には、加速度センサ２１８が内蔵されており、移動体本体２００ａが移動する際に生じた加速度や、移動体本体２００ａに加えられた衝撃により生じる加速度の大きさを検出する。すなわち、移動体本体２００ａが段差等を乗り越えた場合や障害物に接触した際に生じる加速度の大きさを検出することができる。この加速度センサ２１８で検出された加速度は、演算処理部２１５に送信され、演算処理部２１５においては、レーザレンジファインダ２１７の計測する周期と、加速度センサ２１８の加速度を取得する時間差遅れとを考慮して、レーザレンジファインダ２１７が計測した瞬間の加速度を検出する。

このように構成された移動体２００は、1対の車輪２１１、２１１の駆動量をそれぞれ独立に制御することで、直進や曲線移動（旋回）、後退、その場回転（両車輪の中点を中心とした旋回）などの移動動作を行うことができる。そして、移動体２００は、移動領域Ｐ内の指定された目標地点までの移動経路を自律的に作成し、その移動経路に追従するように移動することで、目標地点に到達する。なお、このような目標地点は、人間からの指示や外部に設けられたサーバ等（図示せず）からの指令にしたがって定められる。

さらに、移動体２００は、その車輪の駆動量を制御することで、移動時の目標加速度を算出しつつ移動する。すなわち、加速時や減速時における目標速度および目標加速度を算出しつつ、車輪の駆動量を制御することで、目標地点までの経路に沿って適切な速度や加速度で移動を行う。

次に、記憶領域２１５ａの内部に記憶された、移動領域Ｐの形状や、その内部に含まれる物体（壁などの障害物）に基づいて作成されるグリッドマップについて説明する。

演算処理部２１５内部に備えられた記憶領域２１５ａに記憶された基本マップ情報には、床部１上の移動領域Ｐ全体の形状を外枠として、その内部に略一定間隔ｍ（例えば１０ｃｍ）に配置された格子点を結ぶグリッド線を仮想的に描写することで得られるグリッドマップが含まれている。このグリッドマップは、移動領域Ｐの形状を模した外枠の内部を、略一定間隔ｍに配置された格子点を結ぶグリッド線を描写したものであり、このグリッド線で囲まれたグリッド単位を用いて、移動体２００の自己位置に相当する場所や目標地点である移動終了点を特定するとともに、移動領域内に予め配置された物体の位置などが登録されている。なお、間隔ｍは、移動体２００の移動可能な曲率や絶対位置を認識する精度などの条件に応じて適宜変更可能である。

また、演算処理部１５は、グリッドマップ上において特定された自己位置を移動始点とし、この移動始点から目標地点である移動終点までの移動経路を作成することができる。さらに移動体２００は、前述のように自己位置をリアルタイムに求めつつ（例えば１０［ｍｓｅｃ］毎にマップ情報上における自己の位置情報を取得）、作成された移動経路に沿って移動を行う。詳細には、移動体１０は移動始点を認識し、この移動始点から目的とする移動終点までの移動経路を、所定の間隔で単一または複数の中間点をグリッドマップ上に定め、これらの中間点をつなぎ合わせることでグリッドマップ上に移動経路を作成する。また、演算処理部２１５は、後述するように、マップ情報上に存在する障害物を検知すると、この障害物を避けるように移動経路を修正し、修正した移動経路を新しい移動経路として特定する。この移動経路の特定手法の詳細については説明を省略するが、マップ情報上に追加された障害物の位置等を考慮した上で、現在位置から目標地点点までの新たな移動経路を作成する等の手法が好適に用いられる。

このように構成された移動体２００は、移動領域Ｐ内に移動を行いつつ、前述したレーザレンジファインダ２１７を用いて移動体１０の前面の環境情報を作成する。この環境情報を作成する手法については、前述の実施形態において説明した手順と同様であるため、ここでは説明を省略する。

このように構成された移動体２００が、自律移動を行うための経路を作成する手順について、図１１に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、移動体２００は移動開始地点である自己位置をグリッドマップ上に認識し、記憶領域２１５ａ上に記憶する（ＳＴＥＰ２０１）。そして、外部からの情報などにしたがって目標地点を定め（ＳＴＥＰ２０２）、現在の自己位置から目標地点までの移動経路を作成する（ＳＴＥＰ２０３）。

次に、周囲の環境情報を作成するためにレーザレンジファインダ２１７により周囲に存在する物体の形状や位置を認識するための計測を行い（ＳＴＥＰ２０４）、その計測値に基づいて、計測した領域に存在する物体の形状の平面検知などを行うことによって３次元的に示すマップ情報を作成する（ＳＴＥＰ２０５）。このマップ情報を作成するための詳細な手順は、前述の実施形態において説明したものと同様であるため詳細な説明は省略するが、加速度センサ２１８により得られた加速度と、目標加速度との差が所定の閾値よりも大きい時に得られた計測値を採用しないことで、精度のよいマップ情報が得られる。

そして、作成された周囲の環境情報、例えば新たに生じた障害物や人間などの移動対象などの情報に基づいて、移動経路の修正が必要か否かを判断する（ＳＴＥＰ２０６）。移動経路の修正が必要であれば作成された環境情報により新たな移動経路を作成し（ＳＴＥＰ２０７）、新たに作成された移動経路に沿って移動を行う（ＳＴＥＰ２０８）。なお、ＳＴＥＰ２０６において移動経路の修正が不要と判断されれば、ＳＴＥＰ２０８に進んで元の移動経路に沿って移動動作を継続する。

そして、移動後の自己位置が目標地点か否かを判断し（ＳＴＥＰ２０９）、目標地点でなければＳＴＥＰ２０４に戻って再度環境情報の更新を行い、移動動作を継続する。なお、現在の自己位置が目標地点であると判断されれば、所定の移動動作を終了させる処理を行い（ＳＴＥＰ２１０）、移動を停止する（ＳＴＥＰ２１１）。このように、周囲の環境を認識する動作を所定の微小な周期で繰り返し行うことで、周囲の障害物や移動対象を確実に避けながら移動を行うことができる。

なお、前述の実施形態においては、レーザレンジファインダにより取得した環境情報と、予め記憶された基本マップ情報とをマッチングし、車輪の回転数などを用いたオドメトリ法により求めた自己位置を修正すると、より好適である。

また、このような実施形態の場合、オドメトリ法による自己位置認識に代えて、移動体にディジタルカメラなどの撮像手段を設け、移動領域内に設けられたランドマークを撮像し、視覚的に認識することによって、自己位置を求めるようにしてもよい。すなわち、撮像手段により撮像したランドマークの位置と、予め記憶された基本マップ情報に含まれるランドマークの位置とを比較することによって、相対的な自己位置を正確に求めることができる。

さらに、自己位置を求める手段としては、これらに限定されるものではなく、移動体の絶対位置を取得する外部の手段を設けてもよい。例えば、移動体を外部から認識し、認識した結果を移動体に送信することで自己位置を相対的に求めるようにすることもできる。このような自己位置を認識する手段としては、ＧＰＳなどの既知の手段や、移動体を外部から視覚的に撮像する手段などを用いることが可能である。

また、前述の実施形態においては、レーザレンジセンサにより計測した計測値を用いて環境情報を作成する例のみを示しているが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、超音波センサなどの計測値を用いて環境情報を作成するものについても利用可能である。すなわち、計測値が移動体に作用する加速度に影響を受けるセンサを用いるものであれば、本発明を適用することが可能である。

なお、以上に説明した本発明に係る移動体、移動体におけるマップ情報作成方法および移動体における移動経路特定方法の実施の形態については、あくまでも一例であり、本発明はこれに限られるものではない。 例えば、前述した実施形態においては、移動体が記憶するマップ情報として、グリッドマップを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えばマップ上の物体を特徴点（ノード）で表したトポロジーマップを用いることもできる。このようなマップを用いた場合、各特徴点（ノード）を結ぶリンクによって移動経路を作成すると好適である。

第１の実施の形態に係る移動体を側方から見た様子を概略的に表す図である。 図１に示す移動体を後方から見た様子を示す概略図である。 図１に示す移動体における上腿部の接続部分を拡大して示す図である。 図１に示す移動体に含まれる制御部と、制御される他の構成部との関連を示すブロック図である。 図１に示す移動体が環境情報の一部である平面検出を行う際の手順を示すフローチャートである。 図１に示す移動体のレーザレンジセンサによって計測された、平面上のある領域における物体等の形状や位置を表す計測値を示す一例である。 図６に示す計測値により作成された、レーザレンジセンサの位置から斜視的に計測領域上の物体等を見たマップ情報の一例を示す図である。 図６に示す計測値により作成された、段差を示す座標点群を床面に対して水平な方向から見たマップ情報の一例を示す図である。 第２の実施形態に係る移動体を上方から見た様子を概略的に表す図である。 図９に示す第２の実施形態に係る移動体の内部構成を概略的に示す概略図である。 図９に示す移動体が、自律移動を行うための経路を作成する手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０，２００・・・移動体
１２・・・脚部
１００・・・搭乗部（移動体本体）
１３０・・・制御部
１４０、２１８・・・加速度検出部（加速度センサ）
１５０、２１７・・・センサ（レーザレンジセンサ）
２００ａ・・・移動体本体
２１１・・・車輪
Ｐ・・・移動領域

Claims (9)

1. 移動体本体と、周囲に存在する物体の前記移動体本体からみた相対位置を示す計測値を取得するセンサと、前記移動体本体に作用する加速度を検出する加速度検出部とを備え、前記センサの取得した計測値に基づいて、移動領域に存在する物体の形状や位置を示す環境情報を作成する移動体であって、
   前記センサが計測を行ったときの移動体本体の目標加速度と、前記加速度検出部により検出された加速度との大きさとの差を算出し、算出した差に基づいてセンサにより得られた計測値の信頼性を決定するとともに、その決定された信頼性に基づいて前記計測値を修正し、修正後の計測値に基づいて環境情報を作成することを特徴とする移動体。
2. 前記センサが計測を行った際の移動体本体の目標加速度と、加速度検出部により検出された加速度との差が所定の閾値を超える場合に、そのセンサにより得られた計測値を用いずに環境情報を作成することを特徴とする請求項１に記載の移動体。
3. 前記環境情報が、移動する領域上に存在する物体の形状および位置を３次元的に表すマップ情報を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の移動体。
4. 前記センサが、周囲に存在する物体が、移動体本体からどれだけ離れた位置に存在するかを計測する距離計測部であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の移動体。
5. 作成された環境情報に基づいて移動経路を作成し、作成した移動経路に基づいて自律的に移動動作を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の移動体。
6. 前記移動体本体が、作成された環境情報から歩容データを取得し、取得した歩容データに従って移動動作を行う歩行型等の移動体であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の移動体。
7. 前記移動体本体が、前記平面上に接触する車輪を駆動することにより移動する車輪駆動型の移動体であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の移動体。
8. 移動領域における周囲の環境を視覚的に認識するカメラをさらに備え、移動領域内において特定の場所に設けられたランドマークを前記カメラにより視覚的に認識することで自己位置を算出することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の移動体。
9. 周囲に存在する物体の、移動体からみた相対位置を示す計測値を取得し、取得した計測値に基づいて移動体の周囲における環境情報を作成する環境情報作成方法であって、
   前記相対位置の計測時における加速度を検出し、検出された加速度の大きさと、目標加速度との差を算出し、算出した差の大きさに基づいて計測された相対位置の信頼性を決定するとともに、決定した信頼性に基づいて取得した計測値を修正し、修正後の計測値に基づいて環境情報を作成することを特徴とする環境情報作成方法。

Images