(57)【要約】      （修正有）【課題】利用者が車椅子に乗る時、および車椅子に座っているとき利用者の身体の一部がビデオカメラの視野に入ることがないようにビデオカメラを取り付ける構造を提供する。【解決手段】ビデオカメラ６により周囲の環境を撮像・処理するとともに、センサ７，１２により障害物を検出しながら自律移動する車椅子ロボットであって、前記ビデオカメラ６が前記車椅子ロボットの左右いずれかのフロントパイプ１に添設されたポール４の地上高120ｃｍ〜140ｃｍの範囲で取り付けられていることを特徴とする。【選択図】図２
2007143859.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビデオカメラにより周囲の環境を撮像・処理するとともに、センサにより障害物を検出しながら自律移動する車椅子ロボットであって、
前記ビデオカメラが前記車椅子ロボットの左右いずれかのフロントパイプに添設されたポールの地上高120ｃｍ〜140ｃｍの範囲で取り付けられていることを特徴とする自律移動型車椅子ロボット。
【請求項２】
前記センサが、前記ビデオカメラの上部に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の自律移動型車椅子ロボット。
【請求項３】
車椅子のフットプレートが、左右いずれかのフロントパイプの下側に片支持構造により跳ね上げ可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の自律移動型車椅子ロボット。
【請求項４】
前記センサが前記フットプレートの下側に取り付けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の自律移動型車椅子ロボット。
【請求項５】
ビデオカメラにより周囲の環境を撮像・処理するとともに、センサにより障害物を検出しながら自律移動する車椅子ロボットに着脱可能に取り付けられた前記ビデオカメラと前記センサの取り付け位置の調整方法であって、
あらかじめ定められたビデオカメラとセンサとの正規の取り付け位置関係と、前記ビデオカメラの取り付け時における、前記ビデオカメラにより撮像した前記センサを含む画像と、前記正規の取り付け位置関係とから、前記ビデオカメラの取り付け位置及び／又はセンサの取り付け位置を調整することを特徴とする車椅子ロボットに着脱可能に取り付けられたビデオカメラとセンサの取り付け位置の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、障害者または高齢者を乗せて自律で移動する車椅子ロボットに取り付けるビデオカメラおよびセンサの取り付け構造およびその取り付け調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車椅子タイプのロボットではビデオカメラやセンサを何処に取付けたら良いかが問題になる。車椅子に屋根をつけて屋根の上にビデオカメラを設置したロボットが研究されているが、大きくなり過ぎてロボットの収納に不便を来たす。また、背中のフレームにポールを立てその先端にビデオカメラを付けたロボットが研究されているが、乗る人の頭や肩が視野に入り環境認識に支障を来たす。また、前方の障害物を検出するセンサを、車椅子の座席の手前に置いたりフットプレートに置いたりするロボットでは、センサが乗降りの邪魔になる。
【０００３】
従来、車椅子タイプのロボットではビデオカメラまたは障害物検出センサが走行環境を検知するとき、利用者の身体または衣服の一部がカメラやセンサの視野に入り邪魔になるという問題があった（特許文献１）。
【０００４】
また、視覚障害者が車椅子ロボットに乗らずに後ろのハンドルにつかまって歩く時、何かの理由でバックの必要が生じる場合がある。その場合、視覚障害者の身体または衣服に邪魔されずに背後の障害物を検出する必要があるが、かかる場合にも利用者の身体または衣服の一部がカメラやセンサの視野に入り邪魔になるという問題があった。
【０００５】
更に、車椅子がクロスパイプで組み立てられているために車椅子のフレームが柔軟構造となっている。そのために車椅子のフレームとビデオカメラおよび障害物検出センサの相対的位置関係が変動し、ビデオカメラと障害物検出センサの位置決めデータが一致しないという問題があった。
【０００６】
また、ロボットを運搬するとき、ビデオカメラと障害物検出センサを取外し、到着してから元のように組立てる必要があるが、このときビデオカメラと障害物検出センサの位置との方位が狂い、環境の認識に誤差が生ずる問題があった。
【特許文献１】特開2002-207516号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明の課題は、利用者が車椅子に乗る時、および車椅子に座っているとき利用者の身体の一部がビデオカメラの視野に入ることがないようにビデオカメラを取り付ける構造を提供することにある。また、利用者が車椅子に座っているときでも障害物検出用センサの邪魔にならず、かつ乗降に支障のないように障害物センサを取り付ける構造を提供することにある。  
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ビデオカメラにより周囲の環境を撮像・処理するとともに、センサにより障害物を検出しながら自律移動する車椅子ロボットであって、前記ビデオカメラが前記車椅子ロボットの左右いずれかのフロントパイプに添設されたポールの地上高120ｃｍ〜140ｃｍの範囲で取り付けられていることを特徴とする。前記ビデオカメラを左右に回転可能に取り付けることは、後方の走行環境が認識でき好ましい。
【０００９】
路面の穴及び／又は障害物を検出するセンサが、前記ビデオカメラの上部に取り付けられていることは好適である。ポールの先端に台座を設け、台座の上に穴検出用の２Ｄレンジセンサの走査平面を下方斜め４５度に向けて取付けることは好適である。
【００１０】
車椅子利用者が座ったときに足を置くフットプレートが、前記車椅子の左右いずれかのフロントパイプの下側に片支持構造により跳ね上げ可能に取り付けられていることは好ましい。これにより、利用者はより容易に車椅子を乗降できる。
【００１１】
路面の障害物を検出する障害物検出センサが前記フットプレートの下側に取り付けられていることは好ましい。車椅子の片支持のフットプレートをポールと同じ側のレッグパイプの先端のステップポストに取付け、その下に障害物検出センサを取付けることは好ましい。
【００１２】
本発明は、ビデオカメラにより周囲の環境を撮像・処理するとともに、センサにより障害物を検出しながら自律移動する車椅子ロボットに着脱可能に取り付けられた前記ビデオカメラと前記センサの取り付け位置の調整方法であって、あらかじめ定められたビデオカメラとセンサとの正規の取り付け位置関係と、前記ビデオカメラの取り付け時における、前記ビデオカメラにより撮像した前記センサを含む画像と、前記正規の取り付け位置関係とから、前記ビデオカメラの取り付け位置及び／又はセンサの取り付け位置を調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、利用者が車椅子に乗る時、および車椅子に座っているとき利用者の身体の一部がビデオカメラの視野に入ることがないため撮像の邪魔にならない。また、障害物検出用センサをフットプレートの下に取付けることにより、利用者が車椅子に座っているとき邪魔にならず、利用者の身体の一部が障害物検出用センサの視野に入ることがない。更に、片支持のフットプレートを跳ね上げることにより、利用者が車椅子に乗る時邪魔にならないという効果がある。
【００１４】
また、車椅子を運搬や車椅子の柔構造のために、ビデオカメラが取り付けとセンサの取り付け位置が変化しても、容易に正規の位置に調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に図１〜図４を参照しながら構造を説明する。図１と図２は車椅子の正面図と側面図である。共にシート類は省きフレームのみを示している。正面から見て右側のフロントパイプ１の上下２箇所に金具２、３を取付けポール４を固定する。このようにすることにより車椅子ロボットを運搬するときはポールを取外すことが出来る。ポールは左側のフロントパネルに取付けても良い。ポール先端の台座５に、下向きにパン・チルト・ズーム機構のビデオカメラ６を取付ける。台座は、ビデオカメラを左に回転すれば後方の走行環境が撮像できるように取付ける。台座の上に、走査面が斜め下方４５度になるように傾けて穴検出用の２Ｄレンジセンサ７を取付ける。左側レッグパイプ８の下端のステップポスト９に、片支持のフットプレート１０を取付ける。フットプレートにバンパーセンサ１１を取付ける。フットプレートの下面中央に、前方の障害物を検出するための２Ｄレンジセンサ１２を取付ける。利用者が乗るときは図３と図４のようにフットプレートを跳ね上げる。図３の13はフットプレートを下げたときのストッパーである。
【００１６】
ビデオカメラと２Ｄレンジセンサを取付けたポールは車椅子ロボットの運搬および格納のときはポールを取外し、使用するとき取付ける。ポールの取付け角、すなわちピッチ角、ロール角、ヨー角を画像処理を用いて調整するプログラムを用意する、このプログラムを調整プログラムと呼ぶ。
【００１７】
対象物上の点の位置を画像処理で検出する方法を図５により説明する。出発点に車椅子を置く。車椅子進行方向をX方向、左後輪の軸から右後輪の軸に向かう方向をY方向、垂直上方向をZ方向とする。XYZ座標系の原点は左右の後輪の軸中心を床面に投影した点とする。この点は車椅子回転中心である。XYZ座標系を世界座標系と呼ぶ。ビデオカメラをポールの先端に取付ける。レンズの光軸がX軸方向を向くように取付ける。レンズの中心を原点とし、光軸方向をx軸、x軸に垂直上方向をz軸、Y軸と同じ方向をy軸とする。この座標系をカメラ座標系と呼ぶ。レンズの焦点距離を画素単位で表しfとする。ビデオカメラの撮像面の中心を原点とし、垂直方向にv軸、水平方向にu軸をとる。u,vの単位は画素とする。カメラ座標系で表した点(x,y,z)と撮像面上の像(u,v)の関係は数式１で与えられる。
【００１８】
【数１】
2007143859.tif 000003
【００１９】
世界座標系で表した点(X,Y,Z)を撮像面上の点(u,v)に投影する数式を説明する。ポールを垂直に立てたとき、床面に投影した点を（X0,Y0,0）とする。ポールの先端の床面からの高さをHとする。Y軸を中心にポールを角度αだけ回転し、X軸を中心に角度βだけ回転し、Z軸を中心にγだけ回転するとする。α、β、γは微小角で、αはポールのピッチ角、βはロール角、γはヨー角である。この座標変換行列をГで表す。ポールの先端からX方向にΔX、Y方向にΔYだけ離れた点にビデオカメラのレンズ中心が来るように設置する。この座標変換行列をΣで表す。ビデオカメラをポールの軸を中心に角度θだけ水平右回りに回転する。次に垂直下向きに角度φだけ回転する。この座標変換行列をΦで表す。
【００２０】
世界座標系で表現した点（X,Y,Z）をカメラ座標系で表した点(x,y,z)への座標変換は数式２で表される。
【００２１】
【数２】
2007143859.tif 000004
【００２２】
【数３】
2007143859.tif 000005
【００２３】
【数４】
2007143859.tif 000006
【００２４】
【数５】
2007143859.tif 000007
【００２５】
ここで座標変換の公式から
【００２６】
【数６】
2007143859.tif 000008
【００２７】
【数７】
2007143859.tif 000009
【００２８】
【数８】
2007143859.tif 000010
【００２９】
【数９】
2007143859.tif 000011
【００３０】
ポールの傾きα、β、γは微小角なので、sin(α)=α、cos(α)=1とする。α、β、γについても同様である。αβ＝αγ＝βγ＝０とする。Гは数式１０で表される。
【００３１】
【数１０】
2007143859.tif 000012
【００３２】
次に調整プログラムでビデオカメラを正面に向けたときの画像処理について説明する。ビデオカメラの水平回転角θをゼロにし垂直回転角φもゼロにする。数式５にθ=φ=0を代入するとΦは単位行列になり、世界座標系の点（X,Y,Z）は数式１１によりカメラ座標系の点(x,y,z)で表される。
【００３３】
【数１１】
2007143859.tif 000013
【００３４】
数式１に数式１１から求めたx、y、zを代入すると世界座標系で表した点（X,Y,Z）の像（u,v）は数式１２で表される。
【００３５】
【数１２】
2007143859.tif 000014
【００３６】
ロボットから数メートル先の正面にある柱の垂直エッジはＸもＹも一定であり、Xの値は数メートルであるのに対しピッチ角αの角度は5度、すなわち0.09以下であるので、高さZが1m以下の垂直エッジに対して数式１１の分母の値はZの値によらず一定として良い。
【００３７】
出発点において前方に柱などの垂直エッジが見える場所に車椅子ロボットを置き、調整プログラムをスタートさせる。
【００３８】
調整プログラムはポールのロー角βを次のようにして調整しβ=０にする。画像処理で柱などのエッジを抽出し、撮像面上でエッジの下端と上端のu値が一定でないとき、柱などが左右どちらかに傾いていることになる。そこで警告音をならす。警告音はβの絶対値が大きいほど強い音を出す。オペレータは警告音がゼロになるようにポールの取付けを調整する。この操作によりβ=0にする。
【００３９】
次にヨー角γをゼロにするために、ビデオカメラを真下に向ける。すなわち、φ=π/2、θ=0とする。世界座標系で表した点（X,Y,Z）は数式１３によりカメラ座標系の点（x,y,z）で表される。
【００４０】
【数１３】
2007143859.tif 000015
【００４１】
数式１に数式１３で求めたx、y、zを代入すると世界座標系で表した点（X,Y,Z）の像は数式１４により撮像面上の点（u,v）で表される。
【００４２】
【数１４】
2007143859.tif 000016
【００４３】
フットプレートはその長軸方向が車椅子の主軸に直交するように取り付けられている。調整プログラムは画像処理でフットプレートの長軸方向のエッジを抽出する。フットプレートのエッジのZ値は一定である。ポールの上のビデオカメラが正しく正面を向いていれば、すなわちγ=0ならば、数式１４からフットプレートのエッジの像（u,v）のvの値はXの値によってのみ決まり、Yの値に無関係で一定の値を示す。すなわちエッジの像は画面上で水平である。γの値が一定でないときは警告音を鳴らす。警告音はγの絶対値が大きいほど音を強くする。オペレータは警告音がゼロになるようにポールのヨー角を調整しγ=0にする。警告音がゼロにならないときはフットプレートの取付けを調整する。
【００４４】
調整プログラムの実行によりロー角βとヨー角γをゼロにすると数式１０のΓは数式１５式になる。
【００４５】
【数１５】
2007143859.tif 000017
【００４６】
ピッチ角αの計測を次のように行なう。ビデオカメラの光軸を水平に戻し右に９０度回転する、すなわちφ=0、θ＝π/２。次にロボットは次のような動作をして００４１で説明した正面の柱などの垂直エッジを検出する。点(X0,Y0,0)を中心にロボットを右に９０度スピンターン（その場回転）、すなわちRotZ(π/2)を行なう変換をΩとする。次にビデオカメラを左に９０度回転、すなわちRotZ(−π/２)を行なう。全体の逆変換は数式１６で表される。
【００４７】
【数１６】
2007143859.tif 000018
【００４８】
世界座標系で表した点（X,Y,Z）の像は、数式１７により撮像面上の点（u,v）で表される。
【００４９】
【数１７】
2007143859.tif 000019
【００５０】
数式１７により画面上で垂直エッジのv軸に対する勾配∂u/∂vは数式１８により−αになる。
【００５１】
【数１８】
2007143859.tif 000020
【００５２】
画像処理により垂直エッジのv軸に対する勾配の絶対値|α|を求め、その値の大きさに応じて警告音出す。警告音が最小になるようにポールの取付けを調整する。一般にフロントパイプは垂直でなく傾いているので、αをゼロにすることは難しい。その場合は画像処理で求めたαの値で撮像面上の点(u,v)から世界座標系で表した点(X,Y,Z)への逆変換を補正する。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】フットプレートを下ろしたときの車椅子ロボットの正面図である。
【図２】フットプレートを下ろしたときの車椅子ロボットの側面図である。
【図３】フットプレートを跳ね上げたときの車椅子ロボットの正面図である。
【図４】フットプレートを跳ね上げたときの車椅子ロボットの側面図である。
【図５】車椅子ロボットと世界座標系、撮像面の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  車椅子を正面から見て右側にあるフロントパイプ
２  ポールをフロントの上部に取付ける金具
３  ポールをフロントの下部に取付ける金具
４  ポール
５  ポール先端の台座
６  パン・チルト・ズーム機構のビデオカメラ
７  穴を検出するために走査面が斜め下方４５度になるように傾けて取付けた穴検出用２Ｄレンジセンサ
８  左側レッグパイプ
９  レッグパイプの下端にあるステップポスト
１０  ステップポストに取付けた片支持のフットプレート
１１  フットプレートの前面に取付けたバンパーセンサ
１２  前方の障害物を検出するためにフットプレートの下面中央に取付けた障害物検出用２Ｄレンジセンサ
１３  フットプレートを下げたときのストッパー
【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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