(57)【要約】      （修正有）【課題】進行方向の前方に凹みを検知した場合に進行方向を変更するなどの走行制御をおこなうための距離計測システムおよび当該システムを具備する自律走行型ロボットを提供する。【解決手段】清掃ロボット１は、駆動輪２と、近距離用の距離画像センサ２０ａおよび遠距離用の距離画像センサ２０ｂと、これらの距離画像センサの測定結果に基づいて駆動輪２を駆動する駆動部を制御する制御装置１０と、を少なくとも備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行路面を走行するために駆動輪を駆動する駆動部と、
上記走行路面から垂直に所定距離離間した位置に配設されている測距センサであって、走行方向前方にある測距対象物までの距離を測定する測距センサと、
上記測距センサによる測定値を得た上記測距対象物が、上記走行路面よりも下にある凹みであるか否かを判定する判定部と、
上記判定部によって上記凹みであると判定されると、当該凹みに進入しないように上記駆動部を制御する制御部と、
を備えていることを特徴とする距離計測システム。
【請求項２】
上記測距センサは、上記走行路面に対して所定の傾斜角度を有して斜め下向きに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の距離計測システム。
【請求項３】
上記測距センサは、第一の測距センサ部と、当該第一の測距センサ部が測定する第一の測距対象物の位置よりも上記走行方向前方に更に遠く離れた第二の測距対象物までの距離を測定する第二の測距センサ部とを有していることを特徴とする請求項１または２に記載の距離計測システム。
【請求項４】
上記測距センサは、赤外線投射方式のセンサであることを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載の距離計測システム。
【請求項５】
上記測距センサは、距離画像を出力する距離画像センサであることを特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記載の距離計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離計測システムに関し、より詳細には、清掃ロボット、荷物を搬送する搬送ロボット、デパート等の施設を案内するガイドロボット等、様々な種類の自律走行型ロボットとしての距離計測システムが、障害物および窪み（凹み）の有無を検知して、障害物および窪み（凹み）を検知した場合には進行方向を変更するなどの走行制御をおこなう距離計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、室内を掃除する掃除ロボット、荷物を搬送する搬送ロボット、デパート等の施設を案内するガイドロボット等、様々な種類の自立（自律）走行型ロボットがあった。これらのロボットの多くは、超音波方式や赤外方式による視覚装置を有し、視覚装置から取得される情報に基づいて動きを制御する機能を有している。
【０００３】
例えば特許文献１には、走行型ではないものの、物体を撮影し、画像処理によってその物体の位置を検出する視覚装置を用いて、箱内に積み重ねられて収納されている工作物をロボットハンドにより取り出す視覚装置付きロボットが開示されている。この視覚装置付きロボットは、ロボットハンドに取り付けられた距離センサを用いて、箱内に積み重ねられた工作物の高さの分布を測定し、最も高い位置に存在する工作物を選出してロボットハンドによって取り出すという一連の動作をおこなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−３０９９１号公報（１９９２年２月３日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
走行型のロボットは、駆動モータによって回転駆動される駆動輪などが設けられ、視覚装置を具備して障害物の有無や障害物までの距離を検出し、走行方向などを制御する。しかしながら、これまでの走行型のロボットでは、走行路面に形成された凹み（窪み）を検知して、その凹みへの走行（進入）を回避することはできない。つまり、従前の走行型のロボットは、凹みに進入し、駆動輪が落輪して、走行困難（任務遂行が困難）に陥ったり、横転したりするなどの事態を招く虞がある。
【０００６】
近年、無人の環境下で作業する自律型ロボットへの注目が益々高まるなか、上述のような事態を回避する手段の開発が渇望されている。例えば、家庭用の清掃ロボットが、階段から落下したり、玄関や窓から屋外に出て行ったりすることを回避する機能の開発が進められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、凹みを検知した場合には進行方向を変更するなどの走行制御をおこなうための距離計測システムを提供することにある。
【０００８】
すなわち、上記の課題を解決するために、本発明に係る距離計測システムは、
走行路面を走行するために駆動輪を駆動する駆動部と、
上記走行路面から垂直に所定距離離間した位置に配設されている測距センサであって、走行方向前方にある測距対象物までの距離を測定する測距センサと、
上記測距センサによる測定値を得た上記測距対象物が、上記走行路面よりも下にある凹みであるか否かを判定する判定部と、
上記判定部によって上記凹みであると判定されると、当該凹みに進入しないように上記駆動部を制御する制御部と、
を備えていることを特徴としている。
【０００９】
上記の構成によれば、走行路面に設けられた凹みを判定することができ、凹みがあると判定されると、当該凹みに進入しないように駆動部を制御することができる。これにより、従前の走行型ロボットにおいて問題となっていた、凹みへの駆動輪の落輪や、それに伴う走行困難（任務遂行困難）や、横転などの事態を招くことがない。
【００１０】
なお、凹みのみでなく、障害物を検知することも可能である。
【００１１】
また本発明に係る距離計測システムの一形態は、測距センサが上記走行路面に対して所定の傾斜角度を有して斜め下向きに取り付けられていることを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、測距センサの視野外となることで発生する近距離の計測不能領域を狭め、走行方向前方において奥行き方向に広い範囲を計測することができる。
【００１３】
また本発明に係る距離計測システムの一形態は、上記の構成に加えて、
上記測距センサは、第一の測距センサと、当該第一の測距センサが測定する第一の測距対象物の位置よりも上記走行方向前方に更に遠く離れた第二の測距対象物までの距離を測定する第二の測距センサとから構成されていることが好ましい。
【００１４】
上記の構成によれば、走行方向前方において更に奥行き方向に広い範囲を計測することができる。そのため、走行方向前方の広範囲にわたって凹みを検出することができ、凹みへの進入の回避が容易になり、安定した走行が可能である。
【００１５】
また、仮に超広角のレンズを用いれば１つの測距センサによって近距離から遠距離まで計測可能であるが、この場合、レンズに起因する歪みのために距離の計測誤差が大きくなる虞があるため、上記のように少なくとも２種類の測距センサ（部）を用いることにより、誤差のない信頼性の高い計測が可能となる。
【００１６】
また本発明に係る距離計測システムの一形態は、上記の構成に加えて、
上記測距センサは、赤外線投射方式のセンサであることが好ましい。
【００１７】
上記の構成によれば、超音波方式など他の方式の測距センサと比較して近距離から遠距離まで比較的高精度に計測することができ、精度の良い凹みマップおよび凹みデータを生成することが可能になる。
【００１８】
また本発明に係る距離計測システムの一形態は、上記の構成に加えて、
上記測距センサは、距離画像を出力する距離画像センサであることが好ましい。
【００１９】
上記の構成によれば、広い範囲の距離情報を含む距離画像を一度に生成して出力できるため、例えば光切断方式など、対象物をスキャンしながら距離を計測する測距センサと比較して迅速に距離画像を更新でき、距離計測システムの応答性能を高めることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、障害物および凹みを検知した場合には進行方向を変更するなどの走行制御をおこなうための距離計測システムおよび当該システムを具備する自律走行型ロボットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明における距離計測システムの一実施形態である自律走行型の清掃ロボットの構成を示す図である。
【図２】図１に示す清掃ロボットに具備された制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す清掃ロボットにおいて、距離画像センサの取付角度と視野外領域との関係を示す図である。
【図４】距離画像上の任意の点について、その距離から座標値を導出する方法を示す図である。
【図５】図１に示す清掃ロボットにおいて生成される凹みマップおよび凹みデータの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係る距離計測システムの一実施形態について、図１および図２に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
【００２３】
図１は、本発明に係る距離計測システムの一実施形態である自律走行型の清掃ロボットの図である。図１において、１は清掃ロボット（自律走行型ロボット、距離計測システム）であり、２は清掃ロボット１底部の左右に配置された２つの駆動輪であり、３は清掃ロボット１底部に回転自在に取り付けた従輪であり、４は清掃ロボット１に動作電源を供給するバッテリである。また、５は洗浄液を貯留するタンクに連結された洗浄液吐出部であり、６は清掃ロボット１内部に吸い込んだ廃液（塵や埃等を含む）を溜める廃液タンク、７は清掃ロボット１底部に設けられた廃液を吸い込む吸引口、８は吸引口７と廃液タンク６とを接続するパイプ、９は吸引口７に設けられたブラシである。なお、上記した各構成のほかにも、各種モードの設定やスタート／ストップを行なうための操作パネル、手動走行時の走行方向を決定する走行スイッチ、および、非常時に停止させるための非常停止スイッチボタン等を備える（いずれも不図示）。
【００２４】
なお、清掃ロボットの形態は、洗浄液を使用するタイプに限定されるものではなく、ファン、集塵室、吸込口などを備えたいわゆる家庭用掃除機のような態様のロボットであってもよい。
【００２５】
更に、清掃ロボット１には、距離画像センサ２０と、図１に示すように清掃ロボット１を制御する制御装置１０とが搭載されている。
【００２６】
距離画像センサ２０（測距センサ）は、近距離用の距離画像センサ２０ａ（測距センサ、第一の測距センサ部）と、遠距離用の距離画像センサ２０ｂ（測距センサ、第二の測距センサ部）とを有している。ここで、図１に示す清掃ロボット１は、紙面左方向が基本的な進行（走行）方向である。「基本的」というのは、状況またはユーザーの操作（遠隔操作も含む）によって、紙面右方向への走行（後退）、あるいは、紙面手前または奥方向への移動の可能性があるからである。なお、以降では、基本的な進行（走行）方向を単に進行方向と記載する。
【００２７】
図１に示すように、近距離用の距離画像センサ２０ａおよび遠距離用の距離画像センサ２０ｂは、清掃ロボット１が清掃対象とする床面（走行路面）から垂直に所定距離離間した位置に配設されている。具体的には、清掃ロボット１の上部における進行方向の前側に取り付けられている。
【００２８】
図３（ａ）に示すように、距離画像センサの光軸を床面に対して水平に配置した場合、距離画像センサの画角から外れることによる視野外領域が広く存在する。そのため、清掃ロボット本体の近距離の比較的広い範囲が計測不能になってしまう。これに対し、同図（ｂ）に示すように水平よりも下向きに取り付けると視野外領域を小さくすることができ、距離画像センサの画角を有効に活用して清掃ロボット本体の比較的近距離まで計測することが可能になる。但し、床面と光軸とが平行でないため、距離画像センサから出力される距離画像センサ基準の座標系で表した距離と清掃ロボット本体から床面に沿って計測した距離との間にズレが発生する。そのため、正確な距離を求めるためには、後述する座標変換を行うことが必要になる。
【００２９】
近距離用の距離画像センサ２０ａは、近距離用の距離画像センサ２０ａに入射する光軸中心と、床面に対して垂直である軸との間の角度が、遠距離用の距離画像センサ２０ｂに入射する光軸中心と床面に対して垂直である軸との間の角度よりも小さい。これにより、近距離用の距離画像センサ２０ａは清掃ロボット１の進行方向前方の比較的近距離（例えば０．１〜０．９メートル）の撮像対象物（測距対象物）を捉えることができる。一方、遠距離用の距離画像センサ２０ｂは清掃ロボット１の進行方向前方の比較的遠距離（例えば０．９〜３メートル）の撮像対象物（測距対象物）を捉えることができる。このような近距離用の距離画像センサ２０ａおよび遠距離用の距離画像センサ２０ｂが進行方向前方の状況をセンシングすることにより、走行を予定している経路の床面に凹み６０および／または障害物５０が存在した場合に、これを走行前（つまり、その領域に進入する前）に検知し、進入することによって走行が滞る事態になることが予測される場合には、走行経路を変更するなどの対策をとることができる。検知および対策については、以下においても説明する。
【００３０】
近距離用の距離画像センサ２０ａおよび遠距離用の距離画像センサ２０ｂは、赤外線投射方式のセンサによって構成することができる。近距離用の距離画像センサ２０ａおよび遠距離用の距離画像センサ２０ｂは共に、図示しない赤外線出射部と、床面、凹み６０および障害物５０に反射した当該赤外線出射部から出射した赤外線をとらえるセンサ部とを有している。
【００３１】
なお、距離画像センサは、上述の２つに限らず、上述の２つに加えて、清掃ロボット１の前面にさらに別のセンサを配設することができ、更に、清掃ロボット１の側面、底部、後方側などにも配設されていてもよい。ただし、以下に説明する制御装置１０の機能は、走行を予定している経路の床面に凹み６０および／または障害物５０の有無を事前に検知してその領域への進入を回避することを目的としているので、この目的に副わないセンサは、別の用途に用いられる。
【００３２】
制御装置１０は、上述の各構成を制御するための装置である。制御装置１０について、図２を用いて説明する。図２は、制御装置１０の構成を示すブロック図である。なお、説明の便宜上、上記距離画像センサ２０も図示している。
【００３３】
制御装置１０は、計測判定部１１、データ変換部１２、走行制御部１３を有している。
【００３４】
計測判定部１１は、距離画像センサ２０（近距離用の距離画像センサ２０ａおよび遠距離用の距離画像センサ２０ｂのそれぞれ）を原点とした座標系（ｘｙｚ）での床面に関するパラメータ（具体的には、平面の方程式：ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＋ｄ＝０のパラメータａ，ｂ，ｃ，ｄ）を記憶保持している。この床面データは、距離画像センサの機械的な取付位置から予め求めておいても良いし、距離画像センサ２０からの出力データに基づいてリアルタイムで計算することもできる。
【００３５】
計測判定部１１は、距離画像センサ２０で計測して得られた進行方向前方の点（測距対象物）の（距離画像センサ基準での）座標値と、床面の方程式（パラメータ）とから、その点が床面より高いか低いかを判別し、床面より低ければその点が凹み６０であると判定する。
【００３６】
距離画像センサ２０から得られる距離画像を座標値に変換する方法について以下で説明する。
【００３７】
図４のように、距離画像センサの光学系の光学中心をＰとする。進行方向前方の点Ｑから出た光は、Ｐを通り、距離画像センサの撮像素子上の点Ｒに結像する。光の直進性より、下記の比例関係が成立する。
【００３８】
ｘ：ｚ＝（ｘｓ−ｃｘ）：ｆ
ここで、ｘ：光軸と点Ｑとのｘ軸方向の距離、ｚ：光学中心から点Ｑまでの光軸方向（ｚ軸方向）の距離、ｘｓ：光軸と点Ｒとのｘ軸方向の距離、ｃｘ：撮像素子中心と光軸とのｘ軸方向のずれ量、ｆ：光学系の焦点距離  である。このうち、ｃｘ、ｆの値は、事前に光学系のキャリブレーションを行うことで計算することができる。ｘｓは、距離画像上の点Ｑのピクセル座標と画素ピッチから計算できる。従って、距離画像に含まれる任意の点Ｑについて、その光軸方向の距離即ちｚが分かればｘを求めることができる。
【００３９】
同様に、ｙ軸方向について下式が成立する。
【００４０】
ｙ：ｚ＝（ｙｓ−ｃｙ）：ｆ
ここで、ｙ：光軸と点Ｑとのｙ軸方向の距離、ｚ：光学中心から点Ｑまでの光軸方向（ｚ軸方向）の距離、ｙｓ：光軸と点Ｒとのｙ軸方向の距離、ｃｙ：撮像素子中心と光軸とのｙ軸方向のずれ量、ｆ：光学系の焦点距離  であり、ｘ軸方向の場合と同様に、距離即ちｚからｙを求めることができる。
【００４１】
これらの式より、距離画像上の任意の点（画素）について、センサの光学中心Ｐ基準での座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を求めることができる。
【００４２】
具体的には、座標値Ａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）に対し、ｆ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）＝ａｘａ＋ｂｙａ＋ｃｚａ＋ｄを計算する一方、障害物も凹みもない床面である場合に相当するしきい値ｔ（−ｔ）を設けて、ｆ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）がしきい値ｔ（所定値）より大である場合〔ｆ（ｘａ，ｙａ，ｚａ） ＞ ｔ〕にはその点が床面より高い位置にある、つまり障害物５０があると判定する。一方、ｆ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）がしきい値ｔ以下である場合であって且つしきい値−ｔ以上である場合〔ｔ ≧ ｆ（ｘａ，ｙａ，ｚａ） ≧ −ｔ〕にはその点が床面と（ほぼ）同じ高さ、つまり床面（障害物ではなく凹みでもない）であると判定する。一方、ｆ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）がしきい値−ｔ未満である場合〔−ｔ ＞ ｆ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）〕である場合にはその点が床面より低い、つまり凹み６０があると判定する。
【００４３】
ここで、上記しきい値ｔ（−ｔ）の値は、清掃ロボット１が乗り越えられる段差や障害物の高さ、距離画像センサの計測精度などを考慮して決定する。
【００４４】
そして、計測判定部１１は、距離画像センサ２０で計測した全ての点（測距対象物）に対して上記の障害物５０／床面／凹み６０の判定を行い、凹みマップを作成する。凹みマップは、清掃する部屋のどこに凹みがあるかを、距離画像センサ基準の座標系で示すマップである。後述するように、凹みマップ作成後に床面基準の座標系に変換することで、近距離用と遠距離用のデータを同じ座標系で統合し、統合した一つの凹みデータとすることができる。なお、距離画像センサを一つしか搭載しておらず、かつ生成した凹みマップをすぐにロボットの制御（障害物の回避など）に使用するような場合は、座標変換を行わずに凹みマップからそのまま凹みデータを生成することも可能である。
【００４５】
次に、データ変換部１２は、凹みマップを床面基準の座標系（ＸＹＺ）に変換し、清掃ロボット１本体に最も近い凹み６０までの距離を抽出して、凹みデータとして走行制御部１３に出力する。本実施形態のように複数の距離画像センサ（近距離用の距離画像センサ２０ａおよび遠距離用の距離画像センサ２０ｂ）を搭載している場合は、距離画像センサごとに独立に上記の判定を行い、同じ座標系（ＸＹＺ）に変換した後、データを統合して一つの凹みデータとして出力する。
【００４６】
床面より低い凹み６０だけでなく、床面より高い障害物５０の情報も、同様に障害物データとして出力することができる。また、これらの凹みデータや障害物データを、他のＬＲＦ(レーザレンジファインダ)や近接センサなどによって得られる障害物５０に関するデータと統合することで、データの精度を高めることも可能である。
【００４７】
図５に凹みマップおよび凹みデータの一例を示す。（ａ）に示す遠距離用の距離画像センサの凹みマップと近距離用の距離画像センサの凹みマップを統合し、（ｂ）に示す床面基準の一つのマップとする。このデータから、最も近い凹みおよび障害物の情報を抽出し、（ｃ）に示す凹みデータを生成する。なお、凹みデータは同図に示す極座標（Ｒ−θ）形式の他、Ｘ−Ｚ形式でも構わない。
【００４８】
走行制御部１３は、この凹みデータおよび障害物データに基づき、凹み６０や障害物５０を回避するように走行制御を行う。具体的には、図１に示す駆動輪２をその方向や速度を制御しつつ駆動する駆動部３０などを制御する。これにより、前方の凹み６０や障害物５０を回避しながら安定した走行を行うことができる。
【００４９】
以上の本実施形態の清掃ロボットの構成によれば、図１に示す駆動輪２が凹み６０に進入することがなく安定した走行が可能であるので、長時間に渡って自律走行による清掃を行なうことが可能である。
【００５０】
すなわち、上記の構成によれば、走行路面に設けられた凹みを判定することができ、凹みがあると判定されると、当該凹みに進入しないように駆動部を制御することができる。これにより、従前の走行型ロボットにおいて問題となっていた、凹みへの駆動輪の落輪や、それに伴う走行困難（任務遂行困難）や、横転などの事態を招くことがない。
【００５１】
また上記の構成によれば、距離画像センサ２０（測距センサ）は、近距離用の距離画像センサ２０ａと、遠距離用の距離画像センサ２０ｂ（測距センサ、第二の測距センサ部）とを有している。そのため、走行方向前方において更に奥行き方向に広い範囲を計測することができる。したがって、走行方向前方の広範囲にわたって凹みを検出することができ、凹みへの進入の回避が容易になり、安定した走行が可能である。また、仮に超広角のレンズを用いれば１つの測距センサによって近距離から遠距離まで計測可能であるが、この場合、レンズに起因する歪みのために距離の計測誤差が大きくなる虞があるため、上記のように少なくとも２種類の測距センサを用いることにより、誤差のない信頼性の高い計測が可能となる。
【００５２】
（付記事項）
本発明は、以下の点を特徴としていると換言することができる。
【００５３】
すなわち、本発明に係る距離計測システムは、当該距離計測システムの頭部（比較的上部）に測距センサを搭載し、当該測距センサは距離計測システムの進行方向斜め下方の床面との距離を測定し、上記距離が延びた物体までの距離を測定し、物体のうち床面より下にある個所を凹みと判断し、走行（落輪）を回避することを特徴としていると換言することができる。また、上記構成において、上記測距センサは近距離用（例えば０．１〜０．９メートル）、遠距離用（例えば０．９〜３メートル）の２つを搭載することが好ましい。また、上記の構成において、測距センサは赤外線投射方式のセンサであることが好ましく、更には距離画像を出力することができる距離画像センサであることが好ましい。
【００５４】
なお、本発明に係る距離計測システムは、自律走行システム、あるいは、走行制御システムと換言することができる。
【００５５】
なお、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれの技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、清掃ロボット、荷物を搬送する搬送ロボット、デパート等の施設を案内するガイドロボット等、様々な種類の自律走行型ロボットが障害物および窪み（凹み）の有無を検知して、障害物および窪み（凹み）を検知した場合には進行方向を変更するなどの走行制御をおこなうための距離計測システムおよび当該システムを具備する自律走行型ロボットに好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１  清掃ロボット（距離計測システム）
２  駆動輪
３  従輪
４  バッテリ
５  洗浄液吐出部
６  廃液タンク
７  吸引口
８  パイプ
９  ブラシ
１０  制御装置
１１  計測判定部（判定部）
１２  データ変換部（判定部、制御部）
１３  走行制御部（制御部）
２０  距離画像センサ（測距センサ）
２０ａ  近距離用の距離画像センサ（測距センサ、第一の測距センサ）
２０ｂ  遠距離用の距離画像センサ（測距センサ、第二の測距センサ）
３０  駆動部
５０  障害物（測距対象物）
６０  凹み（測距対象物）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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