(57)【要約】　　　（修正有）【課題】移動体の走行状態にかかわらず常に正しく自己位置を同定することができる移動体の自己位置同定装置を提供する。【解決手段】部屋の内部で使用されるロボット本体の位置を同定するロボット本体の自己位置同定装置であって、前記ロボット本体に前記部屋の天井方向に向けて搭載された全方位カメラ９と、該全方位カメラ９又はロボット本体１の傾斜角度にかかわらず、前記全方位カメラ９で撮影した天井画像を画像処理して前記ロボット本体の適正な位置を特定するコントローラ２０と、を備えた。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部屋の内部で使用される移動体の位置を同定する移動体の自己位置同定装置であって、
前記移動体に前記部屋の天井方向に向けて搭載されたカメラと、
前記カメラ又は移動体の傾斜角度にかかわらず、前記カメラで撮影した天井画像を画像処理して前記移動体の適正な位置を特定する位置特定手段と、
を備えたことを特徴とする移動体の自己位置同定装置。
【請求項２】
前記位置特定手段は、
前記カメラ又は移動体の傾斜角度を検出する傾斜角度検出手段と、
前記カメラで撮影した天井画像により算出した自己位置を、前記カメラ又は移動体の傾斜角度と天井高さから算出した位置の補正量を用いて補正する演算手段と、
を有することを特徴とする請求項１記載の移動体の自己位置同定装置。
【請求項３】
前記天井高さを測定する測定器を前記移動体に備えたことを特徴とする請求項２記載の移動体の自己位置同定装置。
【請求項４】
前記位置特定手段は、
前記カメラを移動体の傾きにかかわらず、常に水平に保持する保持手段を有することを特徴とする請求項１記載の移動体の自己位置同定装置。
【請求項５】
前記保持手段は、前記カメラを液体に浮遊させた状態で前記移動体に固定してなることを特徴とする請求項４記載の移動体の自己位置同定装置。
【請求項６】
前記保持手段は、胴部に設置した傾斜計により検出した傾斜角度から頭部に設置した全方位カメラを水平に保つよう首部分のアクチュエータを制御する制御手段であることを特徴とする請求項４記載の移動体の自己位置同定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体の自己位置同定装置に係り、一層詳細には、部屋の天井が撮像された撮像画像を用いて自己の位置を同定する移動体の自己位置同定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
室内で使用される室内移動体の自律制御のために、自己の位置（及び姿勢）を同定する技術の開発が進められている。かかる技術の開発は、介護ロボットや家事ロボットのような、屋内で使用されるロボットの実用化の上で重要である。
【０００３】
室内移動体の位置（及び姿勢）の同定のために、天井を撮像した天井画像を用いる手法が広く用いられている。天井は、人や障害物が室内に存在しても移動体から隠れにくい。天井を撮像した天井画像の利用は、自己の位置（及び姿勢）を確実に同定することを可能にする。
【０００４】
例えば、特開平６−４１２７号公報には、天井画像から天井に設けられた蛍光灯の位置を算出し、算出された蛍光灯の位置を元に自己の位置を算出する屋内移動体の自己位置測定装置が開示されている。
【０００５】
更に、特開平１０−１７７４１４号公報には、移動体に搭載されたカメラによって撮像された天井画像から、該移動体の進行方向及び該移動体の位置を検出する走行状態認識装置が開示されている。該走行状態認識装置は、該天井画像から該移動体が進行すべき方向の直線成分を取り出し、更に、該直線成分から該移動体の進行方向及び該移動体が走行する通路上の横方向の位置を算出する。該走行状態認識装置は、更に、天井に設けられたマーカを用いて、該移動体の位置を算出する。
【０００６】
更に、“天井画像列を用いた屋内ナビゲーション”（紙　弘和他，第１８回日本ロボット学会学術講演会予稿集ｐｐ．３３１−３３２）には、天井画像列を利用したナビゲーション手法が開示されている。該ナビゲーション手法では、先ず、移動体の教示走行が行われ、該教示走行の間に画像列が記録される。記録された画像と、該移動体の現在の画像との単純な比較を行うことで、該移動体の自己位置同定とナビゲーションとが行われる。
【０００７】
更に、本発明者等による特願２００２−１７０５１３で、移動体に搭載されたカメラと、複数の事前撮像データを保持するテンプレート画像データベースと、カメラによって撮像された撮像画像と前記複数の事前撮像データとに基づいて前記撮像画像が撮像された時点における前記移動体の位置、及び／又は姿勢を同定する演算装置とを備えた自己位置／姿勢同定装置が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来手法の各々は、常に鉛直方向の天井画像を正確に取得できていると仮定して自己位置等を算出している。そのため、ロボット等移動体のタイヤが部屋の絨毯に沈み込んだ時や、障害物に乗り上げた時など、カメラが鉛直方向からずれた場合には正しい位置を算出できない。即ち、天井高さをｈ［ｍ］，カメラの傾き（延長方向からのずれ）をθ［ｒａｄ　］としたとき、従来手法では正しい位置からｈｔａｎ　θ［ｍ］ずれた位置が算出されるのである。
【０００９】
本発明は、このような実情に鑑み提案されたもので、移動体の走行状態にかかわらず常に正しく自己位置を同定することができる移動体の自己位置同定装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成するための本発明に係る移動体の自己位置同定装置は、部屋の内部で使用される移動体の位置を同定する移動体の自己位置同定装置であって、前記移動体に前記部屋の天井方向に向けて搭載されたカメラと、前記カメラ又は移動体の傾斜角度にかかわらず、前記カメラで撮影した天井画像を画像処理して前記移動体の適正な位置を特定する位置特定手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
前記位置特定手段は、前記カメラ又は移動体の傾斜角度を検出する傾斜角度検出手段と、前記カメラで撮影した天井画像により算出した自己位置を、前記カメラ又は移動体の傾斜角度と天井高さから算出した位置の補正量を用いて補正する演算手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
前記天井高さを測定する測定器を前記移動体に備えたことを特徴とする。
【００１３】
前記位置特定手段は、前記カメラを移動体の傾きにかかわらず、常に水平に保持する保持手段を有することを特徴とする。
【００１４】
前記保持手段は、前記カメラを液体に浮遊させた状態で前記移動体に固定してなることを特徴とする。
【００１５】
前記保持手段は、胴部に設置した傾斜計により検出した傾斜角度から頭部に設置した全方位カメラを水平に保つよう首部分のアクチュエータを制御する制御手段であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る移動体の自己位置同定装置を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
【００１７】
［第１実施例］
図１は本発明の第１実施例を示す生活支援ロボットの正面図、図２は同じく制御ブロック図、図３は同じく制御フロー図である。
【００１８】
図１において、１は生活支援ロボットのロボット本体（移動体）で、頭部２と胸部３と胴部４と左右の腕部５と脚部としての走行用車輪６及びボールキャスタ（ボールベア）７とから多関節多自由度ロボットを構成している。
【００１９】
そして、前記頭部２にはＣＣＤカメラ等の二つのカメラ８と魚眼レンズ等を用いた全方位カメラ９が装着されると共に、二つのマイクロホン１０が装着されている。また、胸部３に人検知センサ１１が装着されると共に、その下方にはモニタ１２が装着され、さらにその斜め下方には左右のスピーカ１３が装着されている。また、胴部４に二つの超音波式障害物センサ１４と同じく二つのレーザ式障害物センサ１５が装着されると共に傾斜計（傾斜角度検出手段）１６が装着されている。
【００２０】
また、胴部４にはマイクロコンピュータ等からなるコントローラ２０（前記傾斜計１６と共に位置特定手段を構成する、図２参照）と各種モータ及びバッテリ（図示せず）が内蔵される。そして、コントローラ２０には、前述したカメラ８、全方位カメラ９、マイクロホン１０、人検知センサ１１、モニタ１２、スピーカ１３、超音波式障害物センサ１４、レーザ式障害物センサ１５、傾斜計１６が接続されている。
【００２１】
この場合、カメラ８はユーザや室内を撮影し、全方位カメラ９は自己位置検出手段として室内の天井を主として撮影してその撮影画像をコントローラ２０に出力する。マイクロホン１０はユーザの音声や電話のベル、呼び鈴、テレビの音などの生活音を取り込み、コントローラ２０に出力する。人検知センサ１１は音量・音源方向センサと人の存在や活動量などを検出する焦電型赤外線センサとから構成され、検出結果をコントローラ２０に出力する。モニタ１２は必要な生活情報を表示してユーザに見せるためのものであり、スピーカ１３はこのモニタ１２に表示した情報の説明を行ったり、ユーザと話をしたりするためのものである。超音波式障害物センサ１４及びレーザ式障害物センサ１５は、ロボット本体１の移動時に前方の障害物を検出して衝突を防止するためのものであり、検出結果をコントローラ２０に出力する。傾斜計１６はロボット本体１の傾きを検出してコントローラ２０に出力する。
【００２２】
一方、コントローラ２０は、上述したように前記モニタ１２に画像信号またスピーカ１３に音声信号を出力すると共に、前記頭部２と腕部５と走行用車輪６を移動させるモータ等の駆動装置（図２のモータ２５参照）への動作信号（駆動信号）を出力する。
【００２３】
更に、本実施例では、前記コントローラ２０は、図２に示すように、前記ロボット本体１の走行状態（ロボット本体１の走行用車輪６又はボールキャスタ７が部屋の絨毯に沈み込んだ時や、障害物に乗り上げた時のように傾いた状態）にかかわらず、前記全方位カメラ９で撮影した天井画像を画像処理して前記移動体の適正な位置を特定し得るようになっている。
【００２４】
即ち、コントローラ２０は、前記全方位カメラ９によって取得した画像を画像処理する画像処理手段２１と、前記全方位カメラ９による複数の事前撮像データを保持するテンプレート画像データベースを有した記憶手段２２と、前記全方位カメラ９によって撮像された撮像画像と前記複数の事前撮像データとに基づいて前記撮像画像が撮像された時点における前記ロボット本体１の位置を同定する演算手段２３とを備えると共に、前記傾斜計１６から取得したロボット本体１の傾斜角度と天井高さ（既定値）から前記ロボット本体１の位置の補正量を算出する補正量算出手段２４を備え、前記演算手段２３はこの算出した位置の補正量を用いて前記位置を補正し得るようにもなっている。また、演算手段２３の演算結果は走行用車輪６を駆動するモータ２５へ出力される。
【００２５】
このように構成されるため、次に、前記コントローラ２０によるロボット本体１の自己位置同定制御の動作を図３に基づいて説明する。
【００２６】
先ず、ステップＰ１で、全方位カメラ９から部屋の天井の画像を取得した後、ステップＰ２で２値化等により画像処理を行う。この画像処理の具体的な方法は、本発明者等が特願２００２−１７０５１３で開示した自己位置／姿勢同定装置と同様なので、これを参照してここでは詳しい説明は省略する。
【００２７】
次に、ステップＰ３で、前記全方位カメラ９によって撮像された撮像画像と前述した複数の事前撮像データとに基づいて前記撮像画像が撮像された時点における前記ロボット本体１の位置を特定（算出）し、ステップＰ４でこの位置を仮位置（Ｘ，Ｙ）として決定する。前記ロボット本体１の位置を算出する具体的な方法は、本発明者等が特願２００２−１７０５１３で開示した自己位置／姿勢同定装置と同様なので、これを参照してここでは詳しい説明は省略する。
【００２８】
次に、ステップＰ５で、傾斜計１６によりロボット本体１（全方位カメラ９）の傾斜角θ［ｒａｄ　］（鉛直方向からのずれ角度）を計測し（具体的には、Ｘ方向の傾きθＸ　，Ｙ方向の傾きθＹ　を計測する）、この傾斜角θが所定のしきい値以下か否かを判断する。
【００２９】
前記ステップＰ５で可であれば、ステップＰ６で前記位置（Ｘ，Ｙ）を確定する。一方、ステップＰ５で否であれば、ステップＰ７で前記位置（Ｘ，Ｙ）を補正する。即ち、ロボット本体１（全方位カメラ９）の傾斜角θ［ｒａｄ　］と天井高さｈ［ｍ］から、前記位置の補正量Ｌ＝ｈｔａｎ　θ［ｍ］を算出し（具体的には、Ｘ方向の補正量ＬＸ　＝ｈｔａｎ　θＸ　［ｍ］，Ｙ方向の補正量ＬＹ　＝ｈｔａｎ　θＹ　［ｍ］を算出する）、この補正量を用いて前記位置（Ｘ，Ｙ）を補正するのである。そして、ステップＰ８で、前記補正した位置を補正位置（Ｘ−ＬＸ　，Ｙ−ＬＹ　）として決定した後、ステップＰ６で前記補正位置（Ｘ−ＬＸ　，Ｙ−ＬＹ　）を確定する。
【００３０】
次に、ステップＰ９で、前記補正位置（Ｘ−ＬＸ　，Ｙ−ＬＹ　）を目標位置と比較演算し、その比較偏差を目標位置までロボット本体１を移動させるに必要な移動量とした後、ステップＰ１０で前記比較結果に従った適切な駆動（移動）指令を走行用車輪６を駆動するモータ２５へ出力する。
以後、この制御動作を繰り返すのである。
【００３１】
このようにして本実施例では、ロボット本体１の走行状態にかかわらず常に正しく自己位置を同定することができる。
【００３２】
尚、上記実施例において、天井高さｈ［ｍ］を既定値としたが、天井高さｈ［ｍ］が変化する場合は、前記天井高さｈ［ｍ］を測定する測定器（超音波センサ，レーザ測距計等）を前記ロボット本体１に装備すれば良い。
【００３３】
また、ロボット本体１（全方位カメラ９）の傾斜角度が大きい場合には、天井画像の歪みは大きく、画像のマッチング計算で最も類似度の高いテンプレートを算出できない可能性が高い。この場合は、ロボット本体１（全方位カメラ９）の傾斜角θ［ｒａｄ　］と天井高さｈ［ｍ］を用いて、撮影した天井画像の歪みを補正し、この補正した画像を用いて前述した自己位置同定計算を行い、自己位置を算出し、その後前述した位置の補正を行うようにすれば良い。
【００３４】
［第２実施例］
図４は本発明の第２実施例を示す生活支援ロボットの頭部の切欠き断面図である。
【００３５】
これは、前述した位置特定手段として、第１実施例のようにロボット本体１の傾きをセンシングして、検出位置計算結果の補正を行う代わりに、全方位カメラ９を液体容器３０内に浮体３１を介して浮遊させた状態で球面軸受３２により支持して、前記全方位カメラ９をロボット本体１の傾きにかかわらず、常に水平に保持するようにした例である。
【００３６】
これによれば、コントローラ２０において、前記全方位カメラ９によって撮像された撮像画像と複数の事前撮像データとに基づいて、簡単に（第１実施例のように補正演算することなく）前記ロボット本体１の位置を、特願２００２−１７０５１３と同じようにして同定することができ、コントローラ２０の簡素化が図れる。
【００３７】
尚、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、各種変更が可能であることはいうまでもない。例えば、全方位カメラ９による天井画像を用いて自己位置を同定する手段は、特願２００２−１７０５１３の技術に限らず、特開平６−４１２７号公報及び特開平１０−１７７４１４号公報等の技術を採用しても良い。また、全方位カメラ９をロボット本体１の傾きにかかわらず、常に水平に保持する手段として、胴部４に設置した傾斜計１４により検出した傾斜角度から頭部２に設置した全方位カメラ９を水平に保つよう首部分のアクチュエータを制御する制御手段を設けるようにしても良い。
【００３８】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて詳細に説明したように、本発明の請求項１に係る発明は、部屋の内部で使用される移動体の位置を同定する移動体の自己位置同定装置であって、前記移動体に前記部屋の天井方向に向けて搭載されたカメラと、前記カメラ又は移動体の傾斜角度にかかわらず、前記カメラで撮影した天井画像を画像処理して前記移動体の適正な位置を特定する位置特定手段と、を備えたことを特徴とするので、移動体の走行状態にかかわらず常に正しく自己位置を同定することができる。
【００３９】
また、本発明の請求項２に係る発明は、前記位置特定手段は、前記カメラ又は移動体の傾斜角度を検出する傾斜角度検出手段と、前記カメラで撮影した天井画像により算出した自己位置を、前記カメラ又は移動体の傾斜角度と天井高さから算出した位置の補正量を用いて補正する演算手段と、を有することを特徴とするので、マイクロコンピュータ等による演算で精度良く自己位置を補正することができる。
【００４０】
また、本発明の請求項３に係る発明は、前記天井高さを測定する測定器を前記移動体に備えたことを特徴とするので、天井高さが変わる場合でも容易に対応することができる。
【００４１】
また、本発明の請求項４に係る発明は、前記位置特定手段は、前記カメラを移動体の傾きにかかわらず、常に水平に保持する保持手段を有することを特徴とするので、移動体の傾きを機械的手段により吸収することができ、マイクロコンピュータ等による制御の簡素化が図れる。
【００４２】
また、本発明の請求項５に係る発明は、前記保持手段は、前記カメラを液体に浮遊させた状態で前記移動体に固定してなることを特徴とするので、簡単な構造で移動体の傾きを機械的手段により吸収することができる。
【００４３】
また、本発明の請求項６に係る発明は、前記保持手段は、胴部に設置した傾斜計により検出した傾斜角度から頭部に設置した全方位カメラを水平に保つよう首部分のアクチュエータを制御する制御手段であることを特徴とするので、移動体の傾きを簡単な演算手段と機械的手段により吸収することができ、マイクロコンピュータ等による制御の簡素化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す生活支援ロボットの正面図である。
【図２】同じく制御ブロック図である。
【図３】同じく制御フロー図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す生活支援ロボットの頭部の切欠き断面図である。
【符号の説明】
１　ロボット本体
２　頭部
３　胸部
４　胴部
５　腕部
６　走行用車輪
７　ボールキャスタ（ボールベア）
８　カメラ
９　全方位カメラ
１０　マイクロホン
１１　人検知センサ
１２　モニタ
１３　スピーカ
１４　超音波式障害物センサ
１５　レーザ式障害物センサ
１６　傾斜計
２０　コントローラ
２１　画像処理手段
２２　記憶手段
２３　演算手段
２４　補正量算出手段
２５　モータ
３０　液体容器
３１　浮体
３２　球面軸受
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004034272.tif 000006