(57)【要約】【課題】人間に近いアーム型で、知能対戦卓球遊戯装置の実現。【解決手段】複数の視覚センサーと複数機械アームを有するロボットを提案する。ボールの軌道と打撃位置の早期予測、初期位置からミラー位置、そして打撃位置まで連続曲線軌道の動的構築によって、アームの低トルク、滑らか制御を実現する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の視覚センサーと複数の機械アームを持つロボットはプレイヤー役として知能対戦型卓球遊戯装置を請求する。
【請求項２】
請求項１に述べたシステムにおいて、複数視覚センサーにより人間プレイヤー発球直後に、卓球の位置と軌道を最低２フレームの画像データから空気力学によって早期予測とこれによる使用するアームの早期決定、アーム軌道制御方法。又、複数フレームデータのウェイトつき平均値から時間と共に、卓球の位置と軌道予測精度向上する方法。
【請求項３】
アーム（ラケット）のボールのあるミラー位置向け始動し、ミラー位置、打撃位置までの連続平滑軌道を、請求項２に述べた方法からのデータを利用し動的に生成する。ボールのミラー位置を上記曲線に連続マッピングすることによって、アーム待機位置からボール打つ位置までの位置、速度連続変化させる動作軌道制御方法（“スムーズ・プリズム法則”）。
【請求項４】
複数眼球を持つロボットである。ロボットプレイヤーの目線を卓球に追跡するように、座標変換を利用し連動させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、複数の視覚センサーと複数機械アームを有するロボット、知能対戦型卓球遊戯装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  卓球は人気スポーツの一つである。試合は、卓球台の両側のプレイヤーが、ピンポンボールをサーブし、打ち返し、ラリーして進められる。しかしながら、時としてプレイヤーは、対戦相手人間無しに卓球をプレイしたいと思うことがある。そのために、数々の卓球用サーブ装置、ロボット或いはゲーム機が開発されてきた。それらの装置は、ボールをプレイヤーに対してサーブすることにより、プレイヤーがロボットに向かって打ち返すことが可能になっている。しかし、公知の装置の多くは、プレイヤーにより打ち返されたボールを捕球し、ロボット  サーバーにボールを再供給するというような人間プレイヤーの球技を反応しない、非インタラクティブな仕組みである（特許文献１）。【０００３】  卓球ボールの速度は速く、軌道の測定と予測はリアルタイム性が要求される。既に研究開発されているテーマーですがが、一般的に高価な装置が必要（特許文献２）。打撃動作を行うために許される時間は短いため、アーム型のロボットは実現困難とされている（特許文献３、４、５）。【０００４】  近年、人間とインタラクティブ対戦できるロボットの研究は報告された（非特許文献１）。この代表的な構成は、Ｘ，Ｙリニアモータアクチュエータとラケットピッチ、ヨー角度をあわせて４自由度で卓球打つ動作を実現されている。２台のカメラで、飛ぶ卓球の位置を判断し、その結果を学習されたデータベースと照合する。経験データによってラケットの４自由度を制御し、ボールを一定の位置に打ち返す事が実現されている。【０００５】  しかし、このような装置は産業用直交座標ロボット的なイメージが強く、面白さと実用性に乏しかった。【０００６】  また、このようなシステムは一般的に高性能アクチュエータと専用ハードウェア画像処理装置等が使用され、ゲーム機器としてのシステムは高価になる課題もあった。
【特許文献１】特願平４−３５５２７６
【特許文献２】特願２０００−２３４４５２
【特許文献３】特願平１１−１１６５６５
【特許文献４】特願２００１−２９０００８
【特許文献５】特開平０６−０５２３１６
【非特許文献１】日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１、ｐｐ．８１−８６（２００３）
【非特許文献２】「コンピュータビジョン」、佐藤淳、コロナ社、１９９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、娯楽性の高いものを提供することである。Ｘ，Ｙリニアモータアクチュエータから離れ、人間に近いアーム型で、知能対戦型卓球遊戯装置を目指している。また、近年著しく発展して来たパーソナルコンピューター（ＰＣ）の並列計算能力をフールに生かし、複数のイメージセンサからのデータを汎用ＰＣで処理させ、低価格実用ゲームシステムを目標とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本発明では、複数の視覚センサーと複数の機械アームが有する知能型ロボットを特徴とする。【０００９】  アームは胴体に固定し、スカラ構造をとり、アームの先端はラケットが装着できる。アームは肩、肘２自由度とラケットの左右、上下回転２自由度に合わせて最低４自由度から構成される。ラケットの中心は卓球テーブル面の上に一定の距離Ａに離れた並行面内自由に移動できる。卓球ボールは卓球テーブルに衝突し、この面に通過する、再通過する或いはラケットサイズより短い距離範囲に到達する。この際、卓球の存在位置は“打撃位置”と定義する。【００１０】  複数の視覚センサーは事前に校正されている為、センサーの内部パラメータと外部パラメータは記録されている（非特許文献２）。各センサーの２次元情報から、卓球の３次元座標が得られる。連続した２フレームの３次元座標差分と時間差分からボールの位置と速度が計算できる。空気力学の計算によって、ボールの軌道と打撃位置が予測できる。相手（人間プレイヤー）がボールを打つ直後に測定することによって、ロボートアーム移動時間に余裕が増え、急加速等によるアクチュエータの負荷が低減される。最低２フレームの情報から予測された軌道と打撃位置は高精度のものではない。しかし、打球アームの初期運動は精度要求が低いため、この方法は有効である。【００１１】  ロボットは複数アームの中、打撃位置に最も到達し易いアームを早期決定することができる。【００１２】  上記視覚センサーから多数フレームのデータが得られる。同じく空気力学の計算によって、新たなボールの軌道と打撃位置が予測できる。連続平均した結果、打撃位置等の精度は時間と共に向上できる（下記数式）。【００１３】
【数１】
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【００１４】  ロボットアームは上記データを利用し最終的に精度の高い打撃位置に到達する。【００１５】  又、ボールを相手に返す際、同じ方法で軌道予測可能のため、予め落下位置、速度設定によって、相手のレベルに応じてロボットプレイヤーの打球能力調整機能も実現できる。【００１６】  ロボットアームの軌道制御に関して、公知方法の一つとして”ミラー法則”がある。打球する際、打撃位置に鏡（ミラー）が存在するように、ボールとラケットは対面方向に動く。即ち、ボールと打撃位置を利用し、ラケット（アーム）を制御することができる。公知方法の詳細はここで省略する（非特許文献１）。【００１７】  しかし、アーム型のロボットの場合、アームの初期位置が存在する。相手のボール軌道によって、上記ミラー位置まで移動することは困難である。本発明は初期位置からミラー位置、そして打撃位置まで連続曲線軌道の構築によって、アームの滑らかな制御を実現する（図１）。本発明は、これを“スムーズ・プリズム法則”と命名する。【００１８】  スムーズ・プリズム法則は曲線長さλを計算するために、“ミラー法則”を利用し、ボールの像（ミラー）位置を算出。この位置をラケット制御に直接利用するではなく、上記λへマッピングする連続関数を構築する。【００１９】
【数２】
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【００２０】  図１のように、ラケットはボールのあるミラー位置に向かって始動し、スプライン曲線或は円等スムーズ関数（２次導関数まで連続）を経てミラー位置、打撃位置まで位置と速度共に連続変化させる。打撃位置近辺曲線の接線はボール軌道方向と一致する。打撃位置近辺のラケット速度は“ミラー法則”に従う。変数λをパラメータとして、曲線軌道の方程式は以下に表現することができる：
【数３】
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【００２１】  上記式のラケット２Ｄ座標を利用し、“スムーズ・プリズム法則”によるロボットアームの制御ができる。【００２２】  ロボットの目線は卓球を追跡するように連動させ、娯楽性を向上する。上記卓球軌道のデータはアーム制御として利用されると同時に、眼球の駆動にも役に立つ。計算方法として以下のように示す。ある時間Ｔに卓球のワールド座標は（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とする。眼球の中心を原点とした座標系に変換すると、（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）になる。眼球の中心位置は固定且つ既知の為、この変換は唯一且つ可能である。次に、同じく眼球の中心を原点とした球座標系に変換し、（ρ’、θ’、φ’）となる。眼球は上記（θ’、φ’）に従って２次元空間の可動範囲内に回転（或は移動）する。複数眼球の中心位置は少し異なる為、回転量と方向は微妙な差が生じる。【００２３】  尚、この様な眼球は外形上人間或動物の目に類似するものの、光信号を感知する装置ではない。卓球の飛行軌道の計算精度を確保するため、複数の視覚（画像）センサーはロボット胴体外に左右離れた距離で設置しても構わない。
【発明の効果】
【００２４】  本発明のロボットは複数アーム、複数視覚センサーを持つ人間型を特徴とする。ボール軌道の早期予測、アームの使い分け、連続低トルク軌道生成することによって、複雑なボール打つタスクを実現する。本発明によれば低価格実用的な卓球対戦ロボットが構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例１】
【００２５】  図１は、本発明第１の実施の形態に関わる胴体（レールに載って移動可能）、双腕、双眼を持つ人間型ロボット卓球遊戯装置を上方と側方から見たときの構成図を示す。【００２６】  図２において、▲８▼は卓球テーブルであり、その両端に人間プレイヤー▲９▼とロボットプレイヤー▲１▼がいる。ロボットは双腕▲５▼と▲６▼を持つ、胴体をレール▲２▼に載って移動できる、複数視覚センサー▲３▼と▲４▼をロボット体に着装着しても可能とする。本例では、球の飛行軌跡の計算精度を確保するため、胴体外に左右離れた距離で設置する。
る、複数視覚センサー▲３▼と▲４▼をロボット体に着装着しても可能とする。本例では、球の飛行軌跡の計算精度を確保するため、胴体外に左右離れた距離で設置する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】アーム打球軌道−スムーズ・プリズム法則。
【図２】本発明のシステム構成例図を示した説明図である。
【図３】制御ブロック図。
【符号の説明】
【００２８】  １  ロボット本体
２  移動レール
３  左側視覚センサー
４  右側視覚センサー
５  ロボット左側アーム
６  ロボット右側アーム
７  飛行中の卓球
８  卓球テーブル
９  人間プレイヤー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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