JPH07325620A

JPH07325620A - 知能ロボット装置及び知能ロボットシステム

Info

Publication number: JPH07325620A
Application number: JP6120895A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Ouchi; 敏大内; Kiyuuichirou Nagai; 究一郎長井; Takuya Imaide; 宅也今出; Hiroshi Akai; 寛赤井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-06-02
Filing date: 1994-06-02
Publication date: 1995-12-12

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】知能ロボットが常に自分の位置と存在する地
域の形体を絶対座標で認識し、状況の変化にも的確な認
識変化を行う。【構成】付随装置がなくてもロボット装置の移動方向
と移動距離をロボット本体１内の演算機で積算的に計算
し、原点位置からの座標を記憶しておく機能を設ける。
また、３つ以上の知覚センサーを設ける。また、知能ロ
ボット本体１にはエネルギー残量認識装置を設け、かつ
原点位置にはロボット装置のエネルギー充填装置１９を
設ける。さらには、原点位置に通信手段２２と、知能ロ
ボットにも通信手段１６を設け、かつ知能ロボット側に
は、原点座標補正手段を設ける構成とする。【効果】知能ロボットが何時でも基準となる場所に帰
還し、エネルギーを充填したり、かつ障害物を避けなが
ら移動し、基準場所との情報交換等を行って、ユーザの
手間の削減および効率良い時間配分で知能ロボットが駆
動できエネルギーの無駄な消費を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、学習機能付知能ロボッ
ト装置及びそのシステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、プログラマブルロボット装置とし
ては、ユーザが直接ロボット装置の記憶装置に記憶させ
て動作させるか、無線装置あるいは、レールや地図等の
平面座標認識手段によってロボット装置の移動位置を認
識していた。

【０００３】この種のロボット装置としては、例えば特
開平４−５０１６６８号公報に記載されている様な構成
が挙げられる。上記記載の方式は、ロボット本体にユー
ザが直接に記憶させるキーボード等の記憶手段とこれに
より入力されたプログラムデータを記憶する記憶回路が
組み込まれており、ロボットの位置は、ユーザのプログ
ラムによって認識できる。これは、複雑なプログラムを
継続して行うと、常に過去のプログラムを組み直さない
と、絶対原点の位置に戻れなくなってしまう。

【０００４】また、特開昭６０−３６０８０号公報に記
載されている様に、１単位当り正六角形で３色に色分け
された座標認識模様で埋め尽くされた地図板上におい
て、移動するロボット装置は、出発点からの地図上の移
動量と移動方向をフォトセンサを介して測定し、コント
ロールセンターを介して、積算して位置を認識する構成
となっている。

【０００５】しかしながら、上記記載のロボット装置で
は、回動範囲が地図上なため、限界があるだけでなく、
常にロボット本体の絶対原点を基準とした位置を把握す
ることは困難である。すなわち、プログラムに従って移
動するロボットは、移動開始点からの座標を積算で記憶
していくので、次にプログラムが実行されると、この時
の移動開始点からの座標にリセットされ、最初の絶対座
標の位置は認識不可能となる。また、障害物に対して衝
突せずに事前に回避する機能が無いので、常にロボット
本体の絶対座標位置を把握する事を達成する上で大きな
障壁となっていた。また、ロボット装置の電源切れを回
避できない構成となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
従来技術の問題点を解決し、常に絶対座標位置を認識す
ることを達成できる知能ロボット装置システムを提供す
ることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明では、付随装置がなくてもロボット装置の移
動方向と移動距離をロボット本体内の演算機で積算し、
原点位置からの座標を記憶する機能、センサで認識した
障害物、周囲状況を記憶する機能を設ける。また、３つ
以上の知覚センサを所定方向に設ける。また、知能ロボ
ット本体にはエネルギー残量認識装置を設け、かつ原点
位置にはロボット装置のエネルギー充填装置を設ける。
さらには、原点位置に通信手段と、知能ロボットにも通
信手段を設け、かつ知能ロボット側には、原点補正手段
を設ける。

【０００８】

【作用】前記絶対座標位置の認識装置は、知能ロボット
がどの場所に位置するかを、常に認識している。また、
３つ以上の知覚センサにより、目標物や障害物の位置お
よび方向を認識し、かつ、これを地図データとして記憶
する。。また、知能ロボットが内蔵するバッテリー電源
の消費量を認識し、知能ロボットが他の作業を行ってい
ない場合等の空き時間に、原点に帰還して、常にバッテ
リー源の充填を行う。さらには、原点の通信手段は、知
能ロボット本体の通信手段とデータ交換し、知能ロボッ
トのリアルタイムな絶対位置座標を通信データの強弱や
遅延時間等にて認識し、知能ロボット本体内部の絶対位
置座標認識装置の座標データとの誤差を記憶回路上の座
標で補正する。

【０００９】

【実施例】以下、図１〜図１１を用いて、本発明を用い
た知能ロボット装置および知能ロボットシステムにつき
説明する。まず図１〜図１０により本発明の概略を説明
する。図１は、本発明を適用した知能ロボット本体を示
す正面図、図２は平面図。図３は知能ロボットシステム
を示す全体概略図であり、また、図４は本発明を適用し
た絶対座標認識装置のブロック図、図５は本発明を適用
した知能ロボットシステムを示す全体説明図であり、図
６，図７はカメラセンサの説明図、図８は本発明を適用
したバッテリー電源消費量認識装置のブロック図を示し
ており、さらに図９は本発明の絶対座標誤差評価装置の
ブロック図であり、図１０は本発明を適用した知能ロボ
ットシステムの他の実施例を示している。

【００１０】まず始めに本実施例の知能ロボットの概要
を図１〜図３により説明する。図１(ａ)において、知能
ロボット１は、カメラ認識センサあるいは、フォトセン
サ、音声認識センサ、赤外線センサ、紫外線センサ、光
センサ、放射線センサ、超音波センサおよび、臭いセン
サ等の数種から成る知覚センサ群２を、進行方向に対し
て９０°間隔で正面と左右側面に３個以上配置してい
る。これにより、知能ロボット１がどの場所にいても、
人３や目標物および、障害物の大きさ、奥行き、幅、形
状、温度、音、色、臭い等を知覚し、知覚認識回路４に
て位置座標、高さ方向形状等を認識し、制御部５を介し
て、駆動部６を駆動して障害物を避けながら、人３に接
近したり、目標物に対し作業を行う。

【００１１】この知覚センサ群２と知覚認識回路４が知
覚手段である。この時の知覚認識したデータを記憶す
る、すなわち移動軌跡に沿った周囲の状況および目標物
の状況を記憶する学習手段は、学習回路９であり、ま
た、知能ロボット装置の原点からの絶対位置座標、角度
を記憶する記憶手段は記憶回路８等で、どちらも半導体
ＲＡＭ或はＩＣメモリ等、或はＣＤまたはフロッピーデ
ィスクまたは磁気テープ等の記録媒体等で構成される。
このとき、あらかじめ記録媒体に制御命令を入力してお
けば、演算回路１０を通して、ロボット外部からの動作
制御が可能となり得る。

【００１２】上記、知覚センサー群２および、知覚認識
回路４は、一例として、フォトセンサとツインビーム赤
外線あるいはＴＴＬ方式のフォトセンサ等により目標物
までの距離、奥行きを測定でき、あるいは、マイクから
抽出した様々な音声の内、登録ユーザの声を判別し、そ
の音の強弱により、ユーザの存在方向を確定することが
可能である。角度の基準は初期位置での進行方向を０°
として知能ロボット１の進んだ方向の累積角度を演算し
て常にロボット自身の向きを認識している。あるいは、
赤外線センサにより物体の温度から、人の位置を判断す
ることも可能である。

【００１３】あるいは、超音波センサにより、発射した
超音波と対象物で反射した反射波がセンサに戻って来る
時間を測定することにより、対象物までの距離と奥行き
方向の形状(凹凸)の詳細を測定し座標値に変換すること
も可能である。あるいは、カメラ認識センサによる、フ
ォーカス動作と撮像素子からの映像信号識別(色差、明
度差、フォーカス等)による特定の物体の抽出により、
物体までの距離と進行方向に対する物体の幅方向の大き
さを認識することも可能である。

【００１４】また、知能ロボット１内には移動してきた
道程を測定する移動方位および移動距離計７、移動開始
点(原点)からの移動点までの道程を座標の形で記憶し、
かつ累積角度を記憶する前述の記憶回路８、知能ロボッ
ト１が人３まで移動した道程において、知覚センサー２
によって大きさと絶対座標位置が認識された障害物や部
屋の壁等の地図データを蓄える学習回路９、前述の記憶
回路８で記憶された絶対座標値と、学習回路９の障害物
等の地図データとを組合せて、障害物や壁に衝突せずに
回避し、かつ原点あるいは目標座標位置までの最短行路
を計算する演算手段すなわち演算回路１０を装填してい
る。これにより、知能ロボット１は自分の位置をリアル
タイムで十分に認識し、障害物を避けながら最短距離で
目標に進む能力を持つことが可能である。(詳細は図
５，図６，図７で説明する。)

【００１５】その他、人３との対話や命令された動作、
例えば、ロボットの名前を呼んだら、スピーカ１１から
返事を喋りながら近づいてくる動作や、ユーザのゲーム
の相手をする動作、等の基本機能を行わせる基本回路１
２、タイマー１３、バッテリー１４、バッテリー消費量
認識装置１５、さらにオプションとしての通信装置１
６、音声認識回路１７等も装備し、より人間に近い知能
ロボットを提供できる。

【００１６】次に、図３において本実施例の知能ロボッ
トシステムについて詳細に説明する。障害物２５を避
けながら、人３や目標座標に近づいていた知能ロボット
１は、所定時間命令なく放置されたり、駆動エネルギー
(バッテリー容量)が少なくなれば、原点に帰還する。例
えば、座標軸と原点位置を図３の様に設定し、原点位置
に知能ロボット格納用ステーション１８を設け、ここに
バッテリーチャージャー１９を設置する。帰還した知能
ロボット１は、バッテリーチャージャー１９のソケット
２０に磁石力等により都合良く、知能ロボット１本体の
プラグ２１を接続し、バッテリーの充填を行う。充填後
はソケット２０の磁石力が自動的解除され、知能ロボッ
ト１は、自由に移動可能となる。このソケット２０は、
ステーション１８の壁面あるいは床部に配置し、知能ロ
ボット１が格納されると同時に、左右の車輪や手足がプ
ラグ２１の変わりを行って接続したり、あるいは専用プ
ラグ等を設け、これがソケット２０に接続しバッテリー
充填をする形式でも良い。

【００１７】他に、ステーション１８は通信手段２２お
よび情報記憶回路２３を持ち、知能ロボット１に設けた
通信手段１６と互いに情報を交換し、データの蓄積を行
う。これにより、知能ロボット１の学習能力や問題解決
能力および状況判断能力を大幅に向上させる事が可能で
ある。また、光や電波による通信手段２２との交信によ
り、知能ロボット１は、知覚センサー２の情報と記憶回
路８の地図デー知能ロボットタ等の情報から確実に、ス
テーション１８の位置を再確認しながら帰還することが
できる。

【００１８】次に、前記した本発明によるところの絶対
座標認識装置のブロック図の構成について、図４を用い
て説明する。知能ロボット１内に装填された方位および
移動距離計７により、移動してきた道程を測定し、デー
タを移動開始点(原点)からの座標の形で記憶回路８に記
憶する。一方、知能ロボット１が人３まで移動した道程
における障害物や部屋の壁等は、知覚センサー２によっ
て大きさと絶対座標位置が認識されていて、地図データ
として学習回路９に記憶されている。

【００１９】知能ロボット１は、記憶回路８で記憶され
た絶対座標値から、原点あるいは目標までの最短コース
である直線コースを座標と方位のデータによって求める
が、学習回路９の障害物等の地図データとを組合せて、
原点までの帰路や目標位置までの最短道程を演算回路１
０で常に計算し、最適移動コースをリアルタイムで求め
ている。これに従って、制御命令を発信し、制御部を通
して駆動部を動作させ目的地に到達する。あるいは、人
３との対話や命令された動作が終了し、所定時間命令な
く放置されたり、バッテリー電源消費量認識装置１５に
より、バッテリー残量が所定量より少なくなった時等に
最適な道程をたどって原点に帰還する。

【００２０】もし、帰還途中で新たな障害物が生じた
ら、知覚センサー２により、大きさと絶対座標位置が再
度認識されて地図データに記憶され、これを回避しなが
ら原点もしくは、目標位置まで移動していく。また、知
能ロボット１は、次回移動中に障害物等がなくなってい
たら、再度学習して地図データを再構築する。こうし
て、移動範囲限度内の地図データをリアルタイムで学習
し、知能ロボット１本体の絶対座標位置を常に認識して
いるため、いつでも、最適行路をたどって原点または目
標に移動することが可能である。

【００２１】一例として本発明の知能ロボット１の行動
を図５，図６，図７を用いて説明する。部屋に入ってき
たあるいは、原点より移動してきて、位置(i)に存在す
る知能ロボット１は、原点あるいは部屋の入口に自分で
設定した基準点からの移動座標とセンサ２により測定し
た部屋壁等の座標、長さ、奥行き方向の座標データを記
憶しながら移動し(ii）の位置に到達する。この座標デ
ータ記憶は、それぞれセンサで測定した部屋壁等迄の距
離、移動による幅(長さ)を座標数値範囲で記憶させ、自
分の進んで行くポジション座標が、所定数値(例えば、
この数値＋自分の大きさ/２＋接触しない余裕分)範囲外
なら、知能ロボット１の行動に制約は加わらない。

【００２２】しかし、(iii）の位置に到達し、センサ２
により壁や障害物に近づいていると判断した場合、すな
わち知能ロボット１から障害物２５までの測定距離が、
障害物２５に知能ロボット１が衝突する様な所定間隔内
入った場合は、この範囲内に入らない様に、知能ロボッ
ト１の進行方向を変化させる。このとき、一例として、
移動目標座標が人３ならば、目標までの最短経路を２点
(iii、ｖ)を通る直線式で求め、移動していく段階で自
分の位置座標が、この直線式を所定誤差内で満たす様に
移動していく。このとき、進行方向とは別のセンサによ
って常に障害物２５を認識し、移動中(iv)に、障害物２
５に接触する間隔内に入らない様に、障害物２５との距
離をチェックしている。

【００２３】もし、所定間隔内に入りそうな場合、上記
直線式を満たせなくなるので、知能ロボット１の進行方
向を障害物２５の外周から一定距離離れた線に沿った方
向へ変化させ、新たに目標座標までの最短経路を算出
し、上記線と比較して障害物２５に接触しない直線また
は、線に従って移動する。この動作を繰返して障害物２
５を避けながら(ｖ)の位置に到達する。同時に、記憶回
路には、障害物２５の外周線を所定サンプリングで記憶
し、図では座標(Ｘ₂，Ｙ₄)および(Ｘ₄，Ｙ₂)を通貨する
線を１/１０ずつ測定しながら記憶し地図データとして
蓄積する。

【００２４】また、目標(人３)までの最短経路を移動
中、障害物２５が存在した場合、図６の様に、前方側の
センサ２は障害物２５の頂点座標(Ｘ₄，Ｙ₂)と知能ロボ
ット１との距離が所定距離内に入ったことを認識したと
同時に、目標に近い方へ進行方向を変化させる(目標へ
の近さが同じなら左優先)。この所定距離内に入らない
(障害物２５に接触しない)様に側面センサ２で確認しな
がら移動し、再度、目標までの最短経路を計算し移動し
ていく。この時、障害物２５に接触しない事が優先事項
であるが、この可能性が無ければ目標までの最短経路に
従って移動する。

【００２５】一方、図７の様に、前方側のセンサ２はカ
メラ抽出等により、障害物２５までの距離(iii〜(Ｘ₄，
Ｙ₂)の距離)から大きさ(幅Ｘ₂〜Ｘ₃、高さ０〜Ｚ₁)を座
標にて算出し、目標(人３)に近い方で、ロボット自身の
幅を考慮し、障害物２５に接触しない距離Ｌ離れた座標
点(vi)を算出する。そして現在の位置座標(ii)と、(vi)
を通過する最短経路の直線を求め、常に自分の位置座標
が、この直線式を所定誤差内で満たす様に移動してい
く。その後、障害物２５の最接近を側面センサで確認し
た時点で、再度、目標までの最短経路を計算し、障害物
２５との接触を回避しながら移動する。これにより、ロ
ボットのより円滑な移動が可能となる。

【００２６】次に、前記した本発明によるところのバッ
テリー電源消費量認識装置のブロック図の構成につい
て、図８を用いて説明する。知能ロボット１は、バッテ
リー電源消費量認識装置１５により、バッテリー残量が
所定量より少なくなった時あるいは、ユーザに放置され
た状態以後のバッテリー消費時間をタイマー１３で測定
し、所定時間を超えた場合等に最適な道程をたどって原
点に帰還する命令を出す。これにより、ユーザの手間を
掛けることなく、知能ロボット１のバッテリー充電を行
い、バッテリー切れにより、ユーザ使用のタイミングを
外すことなく、即座に知能ロボット１を使用できる体制
を保持することが可能である。

【００２７】次に、前記した本発明によるところの絶対
座標誤差評価装置のブロック図の構成について、図９を
用いて説明する。光、電磁波等による原点の通信手段
は、知能ロボット１本体の通信手段とデータ交換し、知
能ロボット１のリアルタイムな絶対位置座標や方向およ
び距離等を通信データの強弱や遅延時間等にて認識す
る。この方法は、例えば、知能ロボット１本体に装備さ
れている、３課所の知覚センサー２が、ステーション１
８の光通信手段による光発信を受光し、それぞれの知覚
センサー２に届いた発信から受光までの時間差と、ある
いは左右の知覚センサー２の受光時間の遅延差を演算回
路１０にて処理し、部屋の地図データと照合しながら絶
対原点からの座標位置や方向等を算出する。

【００２８】上記の様に算出された座標データと知能ロ
ボット１本体内部の絶対座標誤差評価装置１６Ａ内で、
従来、知能ロボット１が記憶回路８で所持していた座標
データとを、演算回路１０を介して比較し、誤差が生じ
ている場合は、記憶回路８上の座標データを補正する。
この補正した座標データは再度、記憶回路８に記憶され
直し、知能ロボット１の移動は、このデータを参考に行
われる。これにより、ロボットは、より精度の高い位置
把握が可能となる。

【００２９】図１０は本発明の知能ロボットシステムの
他の実施例を示している。知能ロボット１の駆動エネル
ギーは、必ずしも、バッテリー電源から供給されるもで
はなく、太陽電池の様な自家発電様式２０でも良い。こ
の場合、ステーション１１への帰還回数はユーザが知能
ロボット１を不必要とした場合のみとなり、極力減少す
るので、ユーザとのゲーム途中で、バッテリー充電する
場合等が無くなり、より使い勝手が向上できる。

【００３０】図１１は本発明の知能ロボットの他の実施
例を示す。上述の実施例においては、知能ロボットに設
けられる知能センサー２をロボットの進行方向に１個、
他の知覚センサーを進行方向のセンサーから９０度の位
置に配設したものであるが、本実施例においては、進行
方向の知覚センサーに対して他の知覚センサーを１２０
度の位置に配設したものである。なお、知覚センサーの
個数、配設位置等は、上述したものにかえて適宜に選択
することができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、前記絶対座標位置の認
識装置は、知能ロボットがどの場所に位置するかを、常
に認識しており、いつでも障害物を避けながら原点もし
くは目標位置に最短経路を辿って移動することが可能で
ある。また、知能ロボットが内蔵するバッテリー電源の
消費量を認識し、知能ロボットが他の作業を行っていな
い場合等の空き時間に、原点に帰還して、常にバッテリ
ー源の充填を完了しておくので、バッテリーが切れが無
く、ユーザのバッテリー充填の手間が省ける。さらに
は、原点の通信手段は、知能ロボット本体の通信手段と
データ交換し、知能ロボットのリアルタイムな絶対位置
座標を通信データの強弱や遅延時間等にて認識し、知能
ロボット本体内部の絶対位置座標認識装置の座標データ
との誤差を最小限に抑える様に、知能ロボットを駆動
し、座標上で補正することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した知能ロボット本体を示す正面
図。

【図２】本発明を適用した知能ロボット本体を示す平面
図。

【図３】本発明を適用した知能ロボットシステムを示す
全体の概略図。

【図４】本発明を適用した絶対座標認識装置のブロック
図。

【図５】本発明を適用した知能ロボットシステムの移動
経路詳細図。

【図６】本発明を適用した知能ロボットシステムの移動
経路詳細図。

【図７】本発明を適用した知能ロボットシステムの移動
経路詳細図。

【図８】本発明を適用したバッテリー電源消費量認識装
置のブロック図。

【図９】本発明を適用した絶対座標誤差評価装置のブロ
ック図。

【図１０】本発明を適用した知能ロボット装置の他の実
施例。

【図１１】本発明を適用した知能ロボット装置の他の実
施例を示す上面図。

【符号の説明】

１知能ロボット２知覚センサー４知覚認識回路５制御部６駆動部７移動方位および移動距離計８記憶回路９学習回路１０演算回路１１スピーカ１２基本回路１３タイマー１４バッテリー１５バッテリー消費量認識装置１６通信装置１７音声認識回路１８ステーション

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０５Ｄ 1/02 ＺＢ２５Ｊ 5/00 Ｇ０５Ｂ 19/4155 19/4093 (72)発明者赤井寛神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所ＡＶ機器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筐体と、マイコン等のハードウェア或は
ソフトウェアサーボによる制御手段と、周囲の状況を認
識する知覚手段と、ロボット装置の移動軌跡を記憶する
記憶手段と、ロボット装置を移動せしめるモータ等の動
作源により駆動される車輪或は、駆動脚等による駆動手
段と、バッテリー等の動作源貯蓄手段を具備する知能ロ
ボット装置において、制御手段は、原点から移動したロボットの累積座標と角
度の算出手段と、ロボットが現在位置から該原点位置へ
帰還或は、目標座標へ移動する最短経路を算出する演算
手段とを備えたことを特徴とする知能ロボット装置。
【請求項２】前記知覚手段は、データを記憶する学習
手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の知能ロボ
ット装置。
【請求項３】前記知覚手段を少なくとも所定方向に各
々３つ以上備えたことを特徴とする請求項１または２記
載の知能ロボット装置。
【請求項４】原点位置と知能ロボットとを有する知能
ロボットシステムにおいて、原点位置は、バッテリーチャージャーを備え、知能ロボット装置は、筐体と、マイコン等のハードウェ
ア或はソフトウェアサーボによる制御手段と、周囲の状
況を認識する知覚手段と、ロボット装置の移動軌跡を記
憶する記憶手段と、ロボット装置を移動せしめるモータ
等の動作源により駆動される車輪或は、駆動脚等による
駆動手段と、動作源であるバッテリー電源と、該バッテ
リー電源のエネルギー量を確認する手段を備えたことを
特徴とする知能ロボットシステム。
【請求項５】原点位置と知能ロボットとを有する知能
ロボットシステムにおいて、原点位置は、該知能ロボット装置と通信可能な通信手段
を備え、知能ロボット装置は、筐体と、マイコン等のハードウェ
ア或はソフトウェアサーボによる制御手段と、周囲の状
況を認識する知覚手段と、ロボット装置の移動軌跡を記
憶する記憶手段と、ロボット装置を移動せしめるモータ
等の動作源により駆動される車輪或は、駆動脚等による
駆動手段と、通信手段と、通信手段により通信された通
信データから原点位置と絶対位置座標を比較して補正す
る位置補正手段とを備えたことを特徴とする知能ロボッ
トシステム。