JP2012117833A - 画像認識装置、装着型ロボット、及び画像認識プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】カメラ位置22には、前方斜め下に向けた画像認識装置用の撮像カメラ5が設置されており、その上方の光源位置21には、撮像カメラ5の画面フレーム31の内部に投影像26を投影する光源装置4が設置されている。装着型ロボットに搭載された画像認識装置は、画面フレーム31の下端と投影像26の下端との距離である投影像オフセットx2を画像データで計測し、投影像オフセットx2とカメラ高さy2を対応させた対応データマップや、あるいは計算によりカメラ高さy2を取得する。このようにして得られたカメラ高さy2は、パラメータとして記憶装置に記憶され、画像認識装置で段差などの認識するのに使用される。
【選択図】図2
Description
そのような技術の一例として、特許文献1の「ロボット」がある。
この技術は、ロボットの周囲に円環状のパターン光を投光して撮像し、当該撮像した画像に基づいて障害物(段差など)を検出するものである。
ところで、画像解析で周囲の障害物の高さを検出する場合、パラメータとしてカメラの高さが必要である。
そのため、従来は、カメラの高さを予め測定して記憶媒体に記憶するなどしていた。
例えば、装着型ロボットにカメラを設置して段差を検出させる場合、装着者によって身長差があり、装着者が変更となるたびにカメラの高さを手動で計測して入力するのは効率的でなかった。
(2)請求項2記載の発明では、前記カメラ高さ取得手段は、前記撮像領域の端部から前記像までの距離を用いて前記カメラの高さを取得することを特徴とする請求項1に記載の画像認識装置を提供する。
(3)請求項3記載の発明では、前記端部が前記撮像領域にない場合、前記端部が前記撮像領域に位置するように前記照射方向、又は前記撮像方向のうちの少なくとも一方を変更する方向変更手段を具備したことを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の画像認識装置を提供する。
(4)請求項4記載の発明では、請求項1、請求項2、又は請求項3に記載の画像認識装置と、前記画像認識装置による認識結果を用いて歩行制御を行う歩行制御手段と、を具備したことを特徴とする装着型ロボットを提供する。
(5)請求項5記載の発明では、所定パターンの光を光源から所定の照射方向に照射して、当該光による像を基準面に投影する投影機能と、所定の撮像方向に向けたカメラによって、前記投影された像を撮像する撮像機能と、前記光源と前記カメラの配置関係、及び前記カメラで撮像された撮像領域における前記像の位置を用いて、前記基準面に対する前記カメラの高さを取得するカメラ高さ取得機能と、をコンピュータで実現する画像認識プログラムを提供する。
図2(a)に示したように、カメラ位置22には、前方斜め下に向けた画像認識装置用の撮像カメラ5が設置されており、その上方の光源位置21には、撮像カメラ5の画面フレーム31の内部に投影像26を投影する光源装置4が設置されている。
装着型ロボット1(図1(a))に搭載された画像認識装置は、画面フレーム31の下端と投影像26の下端との距離である投影像オフセットx2を画像データで計測し、投影像オフセットx2とカメラ高さy2を対応させた対応データマップや、あるいは計算により、カメラ高さy2を取得する。
このようにして得られたカメラ高さy2は、パラメータとして記憶装置に記憶され、画像認識装置で段差などを認識するのに使用される。
本実施の形態では、一例として、画像認識装置を装着型ロボットに設置する場合について説明する。
図1(a)は、装着型ロボット1の装着状態を示した図である。
装着型ロボット1は、ユーザの腰部及び下肢に装着し、ユーザの歩行を支援(アシスト)するものである。なお、例えば、上半身、下半身に装着して全身の動作をアシストするものであってもよい。
腰部装着部7は、装着型ロボット1をユーザの腰部に固定する固定装置である。腰部装着部7は、ユーザの腰部と一体となって移動する。
また、腰部装着部7は、図示しない歩行アクチュエータを備えており、ユーザの歩行動作に従って連結部8を前後方向などに駆動する。
歩行アシスト部2は、ユーザの下肢に装着され、歩行アクチュエータにより前後に駆動されてユーザの歩行運動を支援する。
なお、腰部装着部7、連結部8、歩行アシスト部2による歩行支援は、一例であって、更に多関節の駆動機構によって歩行支援するなど、各種の形態が可能である。
なお、x軸の周りの角度をロール角、y軸の周りの角度をヨー角、z軸の周りの角度をピッチ角とする。
撮像ユニット9には、光源装置4と撮像カメラ5が固定されており、3軸アクチュエータ6を駆動すると、光源装置4の照射方向(光源装置4の光軸の方向)と撮像カメラ5の撮像方向(撮像カメラ5の光軸の方向)は、相対角度を保ったまま、ロール角、ヨー角、ピッチ角を変化させる。
光源装置4が所定の形状パターンで照射した光による投影像は、照射方向と歩行基準面の成す角度や、歩行基準面に存在する障害物(段差など)により円形から変形した形状となるが、この形状を解析することにより歩行基準面の状態や障害物を検知することができる。
即ち、撮像ユニット9を3軸アクチュエータ6で駆動することにより、光源装置4と撮像カメラ5の相対的な位置を固定したまま、光源装置4と3軸アクチュエータ6の腰部装着部7に対するロール角、ヨー角、ピッチ角を変化させることができる。
装着ロボットシステム15は、歩行支援機能を発揮するように装着型ロボット1を制御する電子制御システムである。
なお、この図では、撮像カメラ5の高さを検知するのに用いる部分を示しており、歩行支援を行うのに用いる部分は省略してある。
CPUは、光源装置4、撮像カメラ5、3軸アクチュエータ6、3軸センサ3とインターフェースを介して接続しており、光源装置4からの照射をオンオフしたり、撮像カメラ5から撮像データを取得したり、3軸アクチュエータ6を駆動したり、3軸センサ3から検出値を取得したりする。
RAMは、読み書きが可能なメモリであって、CPUが演算処理などを行う際のワーキングメモリを提供する。本実施の形態では、撮像カメラ5の撮像データや3軸センサ3の検出値を記憶したり、撮像カメラ5の高さを計算するためのワーキングメモリを提供する。
この図では、ユーザが直立した状態で、ユーザの足下の位置を原点とし、歩行基準面をx軸(ユーザの前進方向を正とする)、ユーザの頭上方向をy軸としている。
光源装置4の基準となる位置を光源位置21とし、撮像カメラ5の基準となる位置をカメラ位置22とし、カメラ位置22の歩行基準面からの高さをy2とする。
光源位置21は、カメラ位置22の鉛直上方にあり、光源位置21から歩行基準面に照射された投影像26(投影物)の全体が撮像カメラ5の画面フレーム31内に存在するようになっている。
なお、光源装置4の光軸28と撮像カメラ5の光軸29は何れもxy平面内にあるものとする。
また、照射光の下端の延長線と、画面フレーム31の下端の延長線の交点25からカメラ位置22までの距離を交点位置y1とする。
換言すると、交点25は、歩行基準面が存在しない場合に、照射光の下端と画面フレーム31の下端が一致する点である。
光源装置4は、円形断面の光を照射するが、歩行基準面に対して斜め前に照射されるため、投影像26は、ユーザの前進方向を長軸とする楕円形となる。
撮像カメラ5の画面フレーム31は、ユーザの前進方向を短辺、ユーザの体側方向を長辺とする矩形形状を有しており、下端から投影像26までの距離が投影像オフセットx2となる。
そこで、本実施の形態では、予めy2とx2の対応データマップを作成して記憶装置に記憶しておき、これを用いてx2からy2を求めることとした。
以下の処理は、ECU16の備えるCPUが所定のプログラムに従って行うものである。
まず、ユーザが装着型ロボット1を装着して直立し、装着型ロボット1を操作してカメラ高さy2の計測を開始させる。
次に、CPUは、RAMに記憶したこれら角度から歩行基準面に対する腰部装着部7の傾きを計算し、歩行基準面に対して光源装置4、及び撮像カメラ5の方向が図2(a)で規定されている方向となるように3軸アクチュエータ6で撮像ユニット9を駆動して照射方向、及び撮像方向を補正する(ステップ10)。
次に、CPUは、撮像カメラ5を駆動して歩行基準面に投影された投影像26を撮像し、画像データをRAMに記憶する(ステップ20)。
次に、CPUは、RAMから画像データを読み出し、画面フレーム31の下端から投影像26の下端までのピクセル数を数えて投影像オフセットx2を取得してRAMに記憶する(ステップ25)。
次に、CPUは、カメラ高さy2を記憶装置にパラメータとして記憶する。
また、本実施の形態では、ユーザが直立している状態でカメラ高さy2を測定したが、カメラ高さy2をリアルタイムで連続して行うことにより、歩行によるユーザの腰部の上下運動に追随してカメラ高さy2を補正することもできる。
(1)画像認識用の撮像カメラ5の設置高さを自動的に検出することができる。
(2)装着型ロボット1を複数のユーザが装着する場合に、個々のユーザの体型に合わせて自動的に撮像カメラ5の高さを補正することができる。
(3)ユーザによって腰部装着部7の取り付け位置が異なっても、装着時にその都度、手動で較正する必要がない。
(4)ユーザが装着し、投影像26の形状を撮像カメラ5で撮像して段差を検出するシステムにおいて、画面フレーム31と投影像26との位置相関を測定することにより、姿勢が毎回変わっても、3次元ジャイロなどの姿勢センサや3軸モータなどを用いて光源装置4と撮像カメラ5を較正することができる。
先に説明した実施の形態では、光源装置4と撮像カメラ5の角度が固定されているため、例えば、身長の高いユーザが装着型ロボット1を装着した場合、交点25(図2(a))が歩行基準面よりも上となり、投影像オフセットx2が形成されない(即ち、投影像26の下端が画面フレーム31の下端からはみ出す)場合がある。
このため、変形例1では、撮像カメラ5の撮像方向を可変とし、投影像26の下端が画面フレーム31からはみ出す場合に、撮像カメラ5の撮像方向を補正して、投影像26が画面フレーム31の内部に位置するように調節する。
図4(a)、(b)に示したように、カメラ位置22と光源位置21の距離を光源カメラ間距離y3(y3は既知とする)、照射光の下端がy軸と成す角を光源角度α2、画面フレーム31の下端を形成する線とy軸のなす角をα1とする。また、θ1=90°−α1、θ2=90°−α2、とする。
このように設定すると次の式が成り立つ。
x1=y3/tanθ2 …(4)
=y1×(x1−x2) …(5)
=tanθ1・(y3−x2tanθ2)/(tanθ2−tanθ1) …(6)
変形例1では、撮像ユニット9が撮像カメラ5の撮像方向のピッチ角を調節するアクチュエータを備えているものとする。
すると、CPUは、3軸センサ3から腰部装着部7のヨー角、ピッチ角、及びロール角の角度を取得してRAMに記憶する(ステップ40)。
次に、CPUは、歩行基準面に対して光源装置4の方向が図4(a)で規定されている方向となるように3軸アクチュエータ6で撮像ユニット9を駆動して照射方向を補正する(ステップ45)。
次に、CPUは、撮像カメラ5を駆動して投影像26を撮像し、画像データをRAMに記憶する(ステップ55)。
ここで、投影像オフセットx2が0より大きい所定値以上の場合に下端が画面フレーム31の内部に存在すると判断するように構成してもよい。
より詳細には、CPUは、投影像26の上端、下端のうち、画面フレーム31の内部に存在しない方に、撮像カメラ5のピッチ角を所定角度だけ変化させる。
なお、撮像カメラ5のロール角は、3軸アクチュエータ6で撮像ユニット9を駆動することにより補正されている。
3軸センサ3の角度により歩行基準面に対する腰部装着部7の配置が分かり、3軸センサ3の駆動角度から腰部装着部7に対する光源装置4の配置が分かるため、これらの値からα2を算出することができる。
3軸センサ3の角度により歩行基準面に対する腰部装着部7の配置が分かり、3軸センサ3の駆動角度から腰部装着部7に対する撮像ユニット9の配置が分かり、撮像カメラ5の駆動角度から撮像ユニット9に対する撮像方向が分かるため、これらの値からカメラ角度α1を算出することができる。
次に、CPUは、予めパラメータとして記憶されている光源カメラ間距離y3を記憶装置から読み出し、また、RAMからθ1、θ2を読み出し、これらを式(3)に代入して交点位置y1を算出してRAMに記憶する(ステップ85)。
次に、CPUは、RAMから画像データを読み出し、画面フレーム31の下端から投影像26の下端までのピクセル数を数えて投影像オフセットx2を取得する(ステップ95)。
そして、CPUは、カメラ高さy2をRAMから読み出して、記憶装置にパラメータとして格納する。
あるいは、撮像カメラ5と光源装置4の双方のピッチ角を変更するように構成することもできる。
(1)投影像26が画面フレーム31の内部にない場合に、投影像26が画面フレーム31の内部に位置するように自動補正することができる。
(2)腰部の低いユーザから腰部の高いユーザまで、幅広いユーザに対応することができる。
(3)歩行によるユーザの腰部の上下運動に追随してカメラ高さy2を自動補正する場合、上下運動の範囲で投影像26が画面フレーム31の内部に存在するように投影像26の位置を設定することができる。
図6(a)、(b)は、変形例2を説明するための図である。
先に説明した実施の形態や変形例1では、画面フレーム31の下端と投影像26の下端の距離を投影像オフセットx2としたが、変形例2では、カメラ位置22の位置を光源位置21の上側とし、画面フレーム31の上端と投影像26の上端の距離を投影像オフセットx2とする。
このように設定した投影像オフセットx2からも光源高さy2を計算することができ、かつ、光源カメラ間距離y3をy2に加えることによりカメラ高さを算出することが可能である。
カメラ高さによって投影像26の長径が変化するため、実施の形態、変形例1、及び変形例2において、図6(c)に示したように、投影像26の下端側の下端位置34、及び上端側の上端位置33からカメラ高さを計算することも可能である。
例えば、車両に画像認識装置を設置する場合、撮像カメラ5を所定位置に所定姿勢で正確に取り付けるのは時間と労力を要する。特に、車両周辺の障害物までの距離や、駐車スペース等を認識する場合に、画像認識装置を設置する基準高さhが予め決められていて、基準面(道路等)から画像認識装置までの高さが正確に基準高さhとなるように取り付ける必要がある。このような、正確な基準高さhの位置に画像認識装置を取り付ける作業に時間や労力が掛かることになる。
そこで、説明した各実施形態の画像認識装置を使用し、投影像26と画面フレーム31の相関から撮像カメラ5の高さy2を正確に測定したり、撮像カメラ5等の角度を調節することで、測定した正確な高さy2を基準高さhに換算することが可能になる。
このように本実施形態の画像認識装置によれば、正確なカメラ高さを自動的に測定し基準高さhに変換することができるので、おおよその位置・姿勢で画像認識装置(撮像カメラ5等)を取り付ければ充分であり、取り付け作業を効率化することが可能である。
装着型ロボット1が備える画像認識装置は、光源装置4によって所定の形状パターンの光を照射して歩行基準面上に投影像26を投影し、これを撮像カメラ5によって撮像するため、所定パターンの光を光源から所定の照射方向に照射して、当該光による像を基準面に投影する投影手段と、所定の撮像方向に向けたカメラによって、前記投影された像を撮像する撮像手段を備えている。
また、装着型ロボット1が備える画像認識装置は、光源位置21とカメラ位置22の位置関係や画面フレーム31(撮像領域)における投影像26の位置関係を用いてカメラ高さy2を計測するため、前記光源と前記カメラの配置関係、及び前記カメラで撮像された撮像領域における前記像の位置を用いて、前記基準面に対する前記カメラの高さを取得するカメラ高さ取得手段を備えている(第1の構成)。
2 歩行アシスト部
3 3軸センサ
4 光源装置
5 撮像カメラ
6 3軸アクチュエータ
7 腰部装着部
8 連結部
9 撮像ユニット
15 装着ロボットシステム
16 ECU
21 光源位置
22 カメラ位置
25 交点
26 投影像
28、29 光軸
31 画面フレーム
33 上端位置
34 下端位置
Claims (5)
- 所定パターンの光を光源から所定の照射方向に照射して、当該光による像を基準面に投影する投影手段と、
所定の撮像方向に向けたカメラによって、前記投影された像を撮像する撮像手段と、
前記光源と前記カメラの配置関係、及び前記カメラで撮像された撮像領域における前記像の位置を用いて、前記基準面に対する前記カメラの高さを取得するカメラ高さ取得手段と、
を具備したことを特徴とする画像認識装置。 - 前記カメラ高さ取得手段は、前記撮像領域の端部から前記像までの距離を用いて前記カメラの高さを取得することを特徴とする請求項1に記載の画像認識装置。
- 前記端部が前記撮像領域にない場合、前記端部が前記撮像領域に位置するように前記照射方向、又は前記撮像方向のうちの少なくとも一方を変更する方向変更手段を具備したことを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の画像認識装置。
- 請求項1、請求項2、又は請求項3に記載の画像認識装置と、
前記画像認識装置による認識結果を用いて歩行制御を行う歩行制御手段と、
を具備したことを特徴とする装着型ロボット。 - 所定パターンの光を光源から所定の照射方向に照射して、当該光による像を基準面に投影する投影機能と、
所定の撮像方向に向けたカメラによって、前記投影された像を撮像する撮像機能と、
前記光源と前記カメラの配置関係、及び前記カメラで撮像された撮像領域における前記像の位置を用いて、前記基準面に対する前記カメラの高さを取得するカメラ高さ取得機能と、
をコンピュータで実現する画像認識プログラム。
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