(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標に向かって移動する移動ロボットにおいて、
当該移動ロボットを駆動する駆動装置と、
周囲の人間に接触したときにその接触力を検出する接触力検出手段と、
前記接触力が所定値内に入る条件の下で前記目標に向かって当該移動ロボットを移動させるように前記駆動装置を制御する制御装置と、
前記周囲の人間の体重を表す情報を入力する手段と、
前記接触力の前記所定値を前記周囲の人間の体重に応じて決める手段と、
当該移動ロボットの位置との関係における前記目標位置を検出する目標位置検出手段と、
を有する移動ロボットであって、
前記制御装置は、
前記目標位置と当該移動ロボットの位置との距離が所定の範囲内に入るように当該移動ロボットの速度を制御する一定距離保持用速度制御手段と、
前記接触力を入力とするインピーダンスモデル動作で速度ベクトルを生成する速度ベクトル生成手段と、
前記一定距離保持用速度制御手段の出力と速度ベクトル生成手段の出力とを合成する移動速度合成手段と、
前記接触力検出手段で検出された接触力が前記所定値を超えたときに前記インピーダンスモデルのバネ定数をより小さい値に切り換える接触力緩和手段と、
を具備すること、を特徴とする移動ロボット。
【請求項２】
前記制御装置は、前記接触力が前記所定値より大きな第１閾値より大きいときに当該移動ロボットを停止させる手段と、前記接触力が前記第１閾値よりも大きな第２閾値よりも大きいときに当該移動ロボットにその接触力を生じさせる外力の方向へ当該移動ロボットを移動させる回避動作を行なわせる手段と、を有すること、を特徴とする請求項１に記載の移動ロボット。
【請求項３】
前記インピーダンスモデル動作は、インピーダンスモデル
Ｇ（ｓ）＝１／（Ｍｓ２＋Ｄｓ＋Ｋ）
に基づいて求められる事を特徴とする請求項１に記載の移動ロボット。
ここで、Ｍはマス（質量）、Ｄはダンパ、Ｋはバネ定数である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人混みの中などで周囲の人や障害物と安全に接触しながら目標に向かって移動することのできる移動ロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の移動ロボット（たとえば、特許文献１）では、目標物体に追従しようとしていても、ロボットの周りに人がいた場合には基本的に停止、あるいは人を大きく避けることにより人との接触を回避し、人の安全を守るという制御方法が取られていた。
【特許文献１】特開２００６−１４６４９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の従来技術では、たとえば、人混みをかき分けて人に追従するような店舗内案内ロボットは成立しない。
【０００４】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、移動ロボットと周囲の人間などの障害物との接触力を制御することによって、移動ロボットが周囲の障害物と安全に接触しながら目標に向かって移動することのできる、移動ロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明に係る移動ロボットは、目標に向かって移動する移動ロボットにおいて、当該移動ロボットを駆動する駆動装置と、周囲の人間に接触したときにその接触力を検出する接触力検出手段と、前記接触力が所定値内に入る条件の下で前記目標に向かって当該移動ロボットを移動させるように前記駆動装置を制御する制御装置と、前記周囲の人間の体重を表す情報を入力する手段と、前記接触力の前記所定値を前記周囲の人間の体重に応じて決める手段と、当該移動ロボットの位置との関係における前記目標位置を検出する目標位置検出手段と、を有する移動ロボットであって、前記制御装置は、前記目標位置と当該移動ロボットの位置との距離が所定の範囲内に入るように当該移動ロボットの速度を制御する一定距離保持用速度制御手段と、前記接触力を入力とするインピーダンスモデル動作で速度ベクトルを生成する速度ベクトル生成手段と、前記一定距離保持用速度制御手段の出力と速度ベクトル生成手段の出力とを合成する移動速度合成手段と、前記接触力検出手段で検出された接触力が前記所定値を超えたときに前記インピーダンスモデルのバネ定数をより小さい値に切り換える接触力緩和手段と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、移動ロボットと周囲の人間などの障害物との接触力を制御することによって、移動ロボットが周囲の障害物と安全に接触しながら目標に向かって移動するように移動ロボットを制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を用いて、本発明に係る移動ロボットとその制御装置の一実施形態について説明する。ここに、図１は本発明に係る移動ロボットの制御装置の一実施形態を示すブロック図である。また、図２は本発明に係る移動ロボットの一実施形態の接触力検出機構の配置例を示す模式的立面図であり、図３は図２における接触力検出機構の構造を示す模式的平断面図である。また、図４は本発明に係る移動ロボットの一実施形態における目標人間追従動作と接触力倣い動作を示す概念図である。さらに、図５は図１の制御装置において、周囲の人間に接触した時の移動ロボットの動特性を与えるインピーダンスモデルの説明図であり、図６は本発明に係る移動ロボットの一実施形態における追従動作と接触力倣い動作を合成する動作を示すフローチャートである。
【０００９】
ここに説明する実施形態では、店舗内などにおいて、移動ロボットが、ある一定の距離を持って先導する人間を追従することを例として想定する。この移動ロボットはカートになっており、人間は、歩きながら購入する品物を手に取ってロボットに載せる、というような状況が考えられる。
【００１０】
図２に示すように、移動ロボット１は、ロボット胴体２に車輪３が取り付けられて構成され、床面上を任意の方向に移動できるようになっている。ロボット胴体２の周囲に接触力検出機構４が配置されている。接触力検出機構４は、接触する人間の身長の高低に対応できるように、ロボット胴体２の上下方向複数箇所に取り付けられていることが好ましい。車輪３は、接触力検出機構４の出力に基づいて、制御装置３０によってその駆動が制御される。
【００１１】
なお、車輪３は全方向移動できるものでなくてもよい。
【００１２】
接触力検出機構４の構造を図３に示す。接触力検出機構４の中心には、ロボット胴体２の中心軸に固定された３軸力センサ５が配置され、３軸力センサ５から径方向に延びる４本の放射状部材６が配置されている。放射状部材６の先端を円周方向に連絡するように環状のリング部材７が配置されている。環状のリング部材７はロボット胴体２の外周から突出するように配置されている。放射状部材６はロボット胴体２を貫通し、リング部材７で受けた接触力を、貫通部開口でロボット胴体２から干渉されずに３軸力センサ５に伝達することができる。
【００１３】
３軸力センサ５は、平面方向の２次元の力ＦＸ、ＦＹと中心軸周りのモーメントＭＺを測定できる３軸力センサであって、たとえば、ニッタ株式会社から市販されている６軸力覚センサシステム（商品名）を利用することができる。
【００１４】
また、リング部材７の全周囲には、人間との接触力ｆ１〜ｆ６を測定できる触覚力センサ（図示せず）が貼り巡らされている。ここで、３軸力センサ５は、移動ロボット１にかかる合力を測定し、触覚力センサは、移動ロボットのどこで、どのくらいの力で人間と接触しているかを測定するものである。ここで、移動ロボット１にかかる合力については、車輪３の駆動軸に設けたトルクセンサの情報を用いて求めることもできる。
【００１５】
図４に、移動ロボット１が先導する目標人間を追従する様子を示す。通常、移動ロボット１は目標人間（先導する人間）２０と一定距離を保つように速度制御されているが、人混みに入り、目標方向に移動ロボット１が移動できる空間を見出せない場合は、周囲の人間２１との接触力を検出し、適切な接触力を発生しながら進む。
【００１６】
図１に、移動ロボット１の制御装置３０の制御ブロック図を示す。まず、メインのフィードバックループによって、先導する目標人間２０との距離を測定し、この距離が一定の範囲に保持されるように速度制御されている。周囲の人間２１と接触する場合は、接触力を軽減させるような倣い動作（インピーダンスモデル制御）を実現する速度ベクトルが発生し、前記の一定距離保持用の速度制御系に合成される。
【００１７】
周囲の人間２１の体格に合わせて、あらかじめ定めておいた接触力の目標値を設定するとともに、接触時の動特性を与えるインピーダンス（バネ・マス・ダンパ）モデル制御による倣い動作に基づいて、周囲の人間に安定に接触しながら進む。
【００１８】
図５に接触時の動特性を与えるインピーダンスモデルを示す。具体的には、式（１）のような２次の伝達関数で示されるフィルタＧ（ｓ）として実現すれは良い。
【００１９】
Ｇ（ｓ）＝１／（Ｍｓ２＋Ｄｓ＋Ｋ）          （１）
ここで、Ｍはマス（質量）、Ｄはダンパ、Ｋはバネ定数を表している。
【００２０】
このフィルタに対し、式（２）のような外力Δｆを入力したときの出力を、一定距離保持制御系に合成し、移動ロボットへの速度指令を生成すれば良い。
【００２１】
Δｆ  ＝  目標接触力ｆｒ−接触力ｆ      （２）
ここで、接触力や加速度が（あらかじめ設定しておいた）上限を超えたら、インピーダンスモデルのバネ定数をゼロ（または小さな値）に切り換えて、人混みに身を任す安全な制御を行なう。接触力の上限やインピーダンスモデルのマス定数（加速度の上限）を接触する人物の体重によって変化させ、複数の人間と接触する場合は、一番軽い人間の体重を基準とする。
【００２２】
目標人間２０の位置は、たとえば、無線タグやカメラ画像、距離センサなど（図示せず）から得る。周囲の人間２１の体格（体重や体表剛性など）は、無線タグやロボットによるオンライン測定データなどから得ることができる。
【００２３】
また、接触力が第１閾値を超えたときに移動ロボット１を停止させ、接触力がさらに大きくなって第２閾値（第１閾値＜第２閾値）よりも大きくなったら、その接触力を生じさせる外力の方向へ移動ロボット１を移動させる回避動作を行なわせるような制御を行なうこともできる。これにより、移動ロボット１の安全を高めることができる。
【００２４】
さらに、移動ロボット１の加速度を検出または算出し、この加速度が第１閾値を超えたときに移動ロボット１を停止させ、加速度がさらに大きくなって第２閾値（第１閾値＜第２閾値）よりも大きくなったら移動ロボット１を外力方向へ駆動する回避動作を行なわせることもできる。これにより、移動ロボット１の暴走を抑え、また、移動ロボット１に加わる外力を緩和して移動ロボット１の破壊を免れることができる。
【００２５】
図６に、上述の追従動作と接触力倣い動作を合成し、移動ロボット１への速度指令を生成するためのフローチャートを示す。すなわち、目標人間の位置を検出し（ステップＳ１）、この位置に基づいて一定距離保持速度制御演算を行なう（ステップＳ２）。ここで速度合成が不要の場合は、速度指令が出される（ステップＳ３）。速度合成が必要な場合は、接触力を検出し（ステップＳ４）、バネ・マス・ダンパ定数を入力し（ステップＳ５）、接触力制限値を入力して（ステップＳ６）、インピーダンスモデル（フィルタ）演算を行なう（ステップＳ７）。その結果に基づいて速度ベクトル演算を行ない（ステップＳ８）、さらに、一定距離保持速度制御演算結果との速度合成を行なう（ステップＳ９）。この結果に基づいて、移動ロボット１への速度指令が出される（ステップＳ１０）。
【００２６】
基本的には、３軸力センサ５で検出した並進の２次元の力を並進の速度指令に重畳し、回転の１次元のモーメントを回転の速度指令に重畳すれば良いが、３軸力センサで測定できるのは合力であるから、実際には、周囲の触覚センサで測定された移動ロボット１と周囲の人間２１との力で速度指令が制限されることになる。
【００２７】
以上説明した実施の形態は単なる例示であって、本発明はこれに限定されるものではない。たとえば、移動ロボットが自ら店舗内地図を持ち、目標に向かって人混みの中をかき分けながら人間を先導する場合についても同様な形態が考えられる。また、屋外の人混みの中において、人間に追従したり、人間を先導したりする場合にも適用できる。さらに、目標や周囲の障害物は人間に限らず、動かないものや動くもの、たとえば、他の移動ロボットであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る移動ロボットの制御装置の一実施形態を示すブロック図。
【図２】本発明に係る移動ロボットの一実施形態の接触力検出機構の配置例を示す模式的立面図。
【図３】図２における接触力検出機構の構造を示す模式的平断面図。
【図４】本発明に係る移動ロボットの一実施形態における目標人間追従動作と接触力倣い動作を示す概念図。
【図５】図１の制御装置において、周囲の人間に接触した時の移動ロボットの動特性を与えるインピーダンスモデルの説明図。
【図６】本発明に係る移動ロボットの一実施形態における追従動作と接触力倣い動作を合成する動作を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００２９】
１：  移動ロボット
２：  ロボット胴体
３：  車輪
４：  接触力検出機構
５：  ３軸力センサ
６：  放射状部材
７：  リング部材
２０：  目標人間
２１：  周囲の人間
３０：  制御装置
【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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【図６】
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