(57)【要約】【課題】効率的に物体の３次元形状を計測すること。【解決手段】移動型ロボット１は、監視対象物体までの距離を計測する距離センサ１２１と、距離センサ１２１により計測された監視対象物体の注目点における法線方向を検出する法線検出器１１１と、法線検出器１１１で検出された法線に対し、法線に直交する方向から１つの方向を決定する接線方向決定器１１２と、接線方向決定器１１２で決定した接線方向に、前記距離センサ１２１を搭載した部位を移動させるよう制御する移動体制御部と１１３、距離センサ１２１による計測が完了したか否かを判定する計測完了判定器１１４と、距離センサ１２１が計測した距離情報と、距離センサ１２１が距離情報を計測した位置を記憶する計測情報記憶部１１５と、計測情報記憶部１１５に記憶された情報から、計測対象物体全体の距離情報を構築する距離情報統合部１１６と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
監視対象物体までの距離を計測する距離センサと、
前記距離センサにより計測された監視対象物体の注目点における法線方向を検出する法線検出器と、
前記法線検出器で検出された法線に対し、法線に直交する方向から１つの方向を決定する接線方向決定器と、
前記接線方向決定器で決定した接線方向に、前記距離センサを搭載した部位を移動させるよう制御する移動体制御部と、
前記距離センサによる計測が完了したか否かを判定する計測完了判定器と、
前記距離センサが計測した距離情報と、前記距離センサが距離情報を計測した位置を記憶する計測情報記憶部と、
前記計測情報記憶部に記憶された情報から、計測対象物体全体の距離情報を構築する距離情報統合部と、
を備える移動型ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は移動型ロボットに関するものであり、特に、物体の３次元情報を計測する移動型ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、駆動機構を有し、物体を把持して移動する移動型ロボットが開発されている。この種のロボットは事前に対象物の３次元モデルを持っていない。したがって、移動型ロボットが未知の物体を把持して操作するためには、未知の物体の３次元情報を計測することが必要である。
【０００３】
特許文献１には、ロボットの視覚探索方法が開示されている。これによると、ロボットは環境の３次元モデルを生成し、認識物の投影面積、視点からの距離から、物体に遮蔽されている領域を検出し、遮蔽物除去の優先順位を決定する。
【０００４】
特許文献２には、移動型ロボットが開示されている。これによると、ロボット頭部のカメラとは別に、アーム手先等にもカメラを配置し、アーム動作時にアームで遮蔽される領域を手先カメラでカバーすることで、常に環境全域をカメラで捉える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２４１６４４号公報
【特許文献２】特開２００７−２１６３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ステレオカメラなどの距離センサは、２．５次元距離センサと呼ばれ、センサに対して物体の裏側の情報は計測することができない。特許文献１に開示された技術では、ある物体を把持して移動させるためには、物体自身の裏側などの物体に遮蔽されている空間の情報も計測して把持する必要があるが、その点は考慮されていない。また、特許文献２に開示された技術では、アーム動作時にアームによって遮蔽される頭部カメラの視野領域をカバーするために、アーム手先カメラを利用することで、ある視点からアームに遮蔽されずに環境全体を見渡すことは可能となるが、その視点に対して物体の裏側の情報まで計測することはできない。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、効率的に物体の３次元形状を計測することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる移動型ロボットは、監視対象物体までの距離を計測する距離センサと、前記距離センサにより計測された監視対象物体の注目点における法線方向を検出する法線検出器と、前記法線検出器で検出された法線に対し、法線に直交する方向から１つの方向を決定する接線方向決定器と、前記接線方向決定器で決定した接線方向に、前記距離センサを搭載した部位を移動させるよう制御する移動体制御部と、前記距離センサによる計測が完了したか否かを判定する計測完了判定器と、前記距離センサが計測した距離情報と、前記距離センサが距離情報を計測した位置を記憶する計測情報記憶部と、前記計測情報記憶部に記憶された情報から、計測対象物体全体の距離情報を構築する距離情報統合部と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
効率的に物体の３次元形状を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１にかかる移動型ロボットの機能ブロック図である。
【図２】実施の形態１にかかるロボットハンドと計測対象物体の正面方向から見た図である。
【図３】実施の形態１にかかるロボットハンドと計測対象物体の上から見た図である。
【図４】実施の形態１にかかる移動型ロボットの動作フローチャートである。
【図５】実施の形態２にかかる移動型ロボットの機能ブロック図である。
【図６】実施の形態２にかかる移動型ロボットと計測対象物体の図である。
【図７】実施の形態２にかかる移動型ロボットの大周りでの距離測定を示す図である。
【図８】実施の形態３にかかる移動型ロボットの機能ブロック図である。
【図９】実施の形態３にかかる移動型ロボットと計測対象物体の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明にかかる移動型ロボット１のブロック図である。
【００１２】
移動型ロボット１は、体幹部１１と、ロボットハンド１２と、を備える。なお、以下では移動型ロボット１を、移動体と記載する場合がある。
【００１３】
体幹部１１は、法線検出器１１１と、接線方向決定器１１２と、移動体制御部１１３と、計測完了判定器１１４と、計測情報記憶部１１５と、距離情報統合部１１６と、を有する。また体幹部１１には、ロボットハンド１２が接続されている。
【００１４】
ロボットハンド１２は、物体を把持可能なロボットハンドである。ロボットハンド１２は、距離センサ１２１を備える。典型的には、ロボットハンド１２は、ロボットアームを介して体幹部１１に接続されており、物体を把持するための複数のリンク機構と、複数の関節と、関節を動作させるモータを有する。なお体幹部１１に接続しているロボットハンド１２は、複数であっても良い。
【００１５】
距離センサ１２１は、例えばステレオセンサやレーザセンサ、ＴＯＦカメラなどである。距離センサ１２１は、計測対象物体４０までの距離情報を取得する。
【００１６】
法線検出器１１１は、距離センサ１２１で取得した距離点群のうち、注目点における法線を検出する。ここで注目点とは、距離センサ１２１により距離測定が行われた、対象物上の点である。
ここで図２及び図３は、計測対象物体４０と、その周囲の動きながら計測を行うロボットハンド１２の図である。図２は、計測対象物体４０の正面側から見た図であり、図３は計測対象物体４０の上から見た図である。法線検出器１１１は、図２及び図３において、計測対象物体４０上に記載された実線の矢印が示すような法線を検出する。
【００１７】
接線方向決定器１１２は、法線検出器１１１で検出された法線に対し、法線に直交する１つの方向を決定する。言い換えると、接線方向決定器１１２は、法線検出器１１１で検出された面の接線方向３６０°から１つの方向を決定する。例えば接線方向決定器１１２は、最初の１回目は任意の方向に決定し、それ以降は、前回決定した接線方向と同様の方向となるよう接線方向を決定する。
例えば接線方向決定器１１２は、図２及び図３において、計測対象物体４０上に記載された破線の矢印が示すような接線方向を決定する。
【００１８】
移動体制御部１１３は、接線方向決定器１１２で決定した接線方向へ、距離センサ１２１が移動するよう制御する。具体的には、移動体制御部１１３は、距離センサ１２１が接線方向に移動するよう、ロボットハンド１２の動作を制御する。また移動体制御部１１３は、移動型ロボット１に設けられた車輪などを駆動制御し、移動型ロボット１を移動させても良い。
すなわち移動体制御部１１３は、図２及び図３において、ロボットハンド１２に記載された破線の矢印が示す方向に、ロボットハンド１２を移動させる。
【００１９】
計測完了判定器１１４は、計測を開始した時の距離センサ１２１の位置と、現在の距離センサ１２１の位置から、計測が完了したか否かを判定する。例えば、計測完了判定器１１４は、計測方向が３６０°であり、かつ、現在の計測位置が計測開始位置とほぼ同じ位置であれば、計測が完了したものと判定する。
【００２０】
計測情報記憶部１１５は、距離センサ１２１で計測した距離情報と、距離センサ１２１が計測を行ったときの位置情報を記憶する。
【００２１】
距離情報統合部１１６は、計測情報記憶部１１５に記憶された情報から、計測対象物体４０の全体の距離情報を構築する。言い換えると、距離情報統合部１１６は、距離センサ１２１で計測した距離情報と、距離センサ１２１が計測を行ったときの位置情報に基づいて、対象物全体の形状情報を構築する。
【００２２】
次に、移動型ロボット１の動作について説明する。図４は、移動型ロボット１が計測対象物体４０の３次元情報を取得するための動作フローチャートである。
【００２３】
計測する物体の計測始点を指定する（ステップＳ１）。計測始点の指定は、ユーザによる、ヒューマンマシンインターフェースを用いた画面指示入力などにより行う。
【００２４】
移動体制御部１１３は、移動型ロボット１の移動を制御し、距離センサ１２１を計測始点に近づける（ステップＳ２）。
【００２５】
距離センサ１２１は距離情報を計測する。計測情報記憶部１１５は、距離センサ１２１で計測された距離情報と、計測位置情報を保存する（ステップＳ３）。
【００２６】
法線検出器１１１は、距離センサ１２１で距離計測を行った計測対象物体４０上の注目点における法線を検出する（ステップＳ４）。
【００２７】
接線方向決定器１１２は、法線検出器１１１で検出された法線方向と、前回の計測で定めた接線方向と、前回の計測時の移動体位置と、に基づいて、今回の接線方向を決定する（ステップＳ５）。例えば、移動型ロボット１が計測対象物体４０に対向した状態において、前回の計測で定めた接線方向が右方向であり、前回の計測時の移動体の位置から移動型ロボット１が右方向に移動している場合には、法線検出器１１１で検出された法線方向のうち、前回の計測で定めた接線方向に近い右方向、及び、移動型ロボット１の移動方向と同様の右方向を接線方向として決定する。ここで典型的には、決定する接線方向は地面と水平方向とする。
【００２８】
移動体制御部１１３は、ステップＳ５で決定した接線方向にロボットハンド１２を動かす（ステップＳ６）。より具体的には、移動体制御部１１３は、接線方向に距離センサ１２１が移動するよう、ロボットハンド１２を制御する。
【００２９】
計測完了判定器１１４は、計測完了したか否かを判定する（ステップＳ７）。計測の終了条件を満たしていなければ（ステップＳ７で未完）、ステップＳ３に戻り処理を繰り返す。計測の終了条件を満たしていれば（ステップＳ７で完了）、ステップＳ８に進む。例えば計測の終了条件は、計測方向が３６０°かつ、現在計測位置が計測開始位置とほぼ同じ位置であるか否かとする。
【００３０】
距離情報統合部１１６は、計測情報記憶部１１５に記憶された距離情報と計測位置情報を用いて、計測対象物体４０の全体の距離情報を算出する（ステップＳ８）。
【００３１】
これにより、ある計測対象物体４０の大きさが事前に判らない場合であっても、物体面の接線方向をなぞる形で距離センサを移動させ、計測対象物体４０の全体形状を効率的に計測することができる。
【００３２】
また、例えば移動型ロボット１の体幹部１１の位置に距離センサ１２１を設け距離測定を行う場合に、計測対象物体４０の反対側の面などの距離情報が疎となり計測不可能となるような領域についても、距離情報を取得することができる。
さらに、図２及び図３に示すように、計測対象物体４０において前方から見えない位置に突起形状が存在する場合であっても、距離センサ１２１により突起部を検出することができる。したがって、ロボットハンド１２と突起部が衝突することなく、把持できる場所を検出することができる。
【００３３】
なお、移動型ロボット２は、計測対象物体４０における把持可能な箇所を検出することを目的とする場合には、計測対象物体４０の全周を計測せず、把持可能な箇所を検出した時点で計測を終了しても良い。
【００３４】
実施の形態２
図５は、実施の形態２にかかる移動型ロボット２のブロック図である。実施の形態１に示した移動型ロボット１の構成物品と同様の機能を奏する構成物品については、同一の符号を付し説明を省略する。
【００３５】
移動型ロボット２は、体幹部１３と、ロボットハンド１４を備える。
【００３６】
体幹部１３は、法線検出器１１１と、接線方向決定器１１２と、移動体制御部１１３と、計測完了判定器１１４と、計測情報記憶部１１５と、距離情報統合部１１６と、距離センサ１３１を備える。
【００３７】
距離センサ１３１は、例えばステレオセンサやレーザセンサ、ＴＯＦカメラなどである。距離センサ１３１は、対象物までの距離点群を取得する。図６は、頭部に距離センサ１３１を搭載した移動型ロボット２が、計測対象物体である家具の周囲を走行して距離計測を行う図である。
【００３８】
ロボットハンド１４は、物体を把持可能なロボットハンドである。典型的には、ロボットハンド１４は体幹部１３に接続されており、複数のリンク機構と、複数の関節と、関節を動作させるモータを有する。ここでロボットハンド１４には、距離センサは搭載されていないものとする。
【００３９】
次に、移動型ロボット２の動作について説明する。
【００４０】
移動型ロボット２は、距離センサ１３１を用いて距離計測を行う。また移動型ロボット２は、法線検出器１１１により法線方向を検出し、接線方向決定器１１２により、計測対象物体４０の接線方向を決定する。移動体制御部１１３は、移動型ロボット２に設けられた車輪等の移動機構の動作を制御することで、移動型ロボット２の動作を制御する。距離情報統合部１１６は、距離センサ１３１が行った距離計測結果を統合し、計測対象物体４０の３次元情報を算出する。
【００４１】
これにより計測対象物体４０の全周を距離センサで計測し、３次元モデルを構築することができる。
【００４２】
ここで図７に示すように、例えばロボットハンド１２に距離センサ１２１を有する移動型ロボット１が、計測対象物体の周囲の移動経路を大周りにする場合であっても全周を計測できるが、移動時間がかかり非効率的である上に距離精度が落ちてしまう。しかし本実施の形態に示したように、接線方向を探索して移動型ロボット２を移動させることにより、移動型ロボット２は計測物体になるべく近い経路を移動することが可能となり、総移動時間を短縮することができる。
【００４３】
また、移動型ロボット２の経路を小回りの経路とした場合には、椅子とソファーなどのように家具の大きさにばらつきがあるため、未知の計測対象物体と移動型ロボット２が衝突してしまう恐れがある。しかし本実施の形態に示したように、接線方向を探索して移動型ロボット２を移動させることにより、計測対象物体４０とは一定の距離を保ちつつ、計測対象物体４０を計測することができる。
【００４４】
実施の形態３
図８は、実施の形態３にかかる移動型ロボット３のブロック図である。実施の形態１に示した移動型ロボット１、及び実施の形態２に示した移動型ロボット２の構成物品と同様の機能を奏する構成物品については、同一の符号を付し説明を省略する。
【００４５】
移動型ロボット３は、体幹部１５と、ロボットハンド１６と、を備える。
【００４６】
体幹部１５は、法線検出器１１１と、接線方向決定器１１２と、移動体制御部１１３と、計測完了判定器１１４と、計測情報記憶部１１５と、距離情報統合部１１６と、大域監視センサ１５１と、を備える。
【００４７】
大域監視センサ１５１は、移動型ロボット３の頭部に設けた距離センサである。大域監視センサ１５１は、計測対象物体４０がある領域を大域的に監視し、障害物の存在を検出する。
図９は、大域監視センサ１５１を搭載した移動型ロボット３に接続したロボットハンド１６が、障害物を避けて動作する状態を示した図である。
【００４８】
ロボットハンド１６は、ロボットアームを介して体幹部１５に接続されており、複数のリンク機構と、複数の関節と、関節を動作させるモータを有する。ロボットハンド１６は、距離センサ１６１を備える。
【００４９】
距離センサ１６１は、例えばステレオセンサやレーザセンサ、ＴＯＦカメラなどである。距離センサ１６１は、計測対象物体４０までの距離情報を取得する。
【００５０】
次に、移動型ロボット３の動作について説明する。
【００５１】
大域監視センサ１５１は、移動型ロボット３の周囲の環境を取得する。次に、移動型ロボット３は、距離センサ１６１を用いて距離計測を行う。移動型ロボット３は、法線検出器１１１により法線方向を検出し、接線方向決定器１１２により、計測対象物体４０の接線方向を決定する。移動体制御部１１３は、接線方向に基づきロボットハンド１６を動作させるよう制御する。
【００５２】
このとき移動体制御部１１３は、大域監視センサ１５１による障害物検出に基づき、接線方向にロボットハンド１６を動かしたときに、ロボットハンド１６が障害物にぶつかる場合には、図９のように、障害物にロボットハンド１６が当たらないよう、ロボットアームの動作を制御する。
【００５３】
距離情報統合部１１６は、距離センサ１６１が行った距離計測結果を統合し、計測対象物体４０の３次元情報を算出する。
【００５４】
これにより、移動型ロボット３は、監視対象領域内に計測対象物体４０以外の障害物が存在する場合であっても、障害物を避けながらロボットハンド１６に搭載した距離センサ１６１を用いて、計測対象物体４０の３次元情報を取得することができる。
【００５５】
なお、本発明は上記の実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態２において、ロボットハンド１４には距離センサが搭載されていないものとしたが、距離センサが搭載されていても良い。
図９では、障害物がある位置までロボットハンド１６が移動したときに、それまでと同様の方向に動きつつ障害物を避け距離計測を再開しているが、障害物がある位置までロボットハンド１６が到達した場合に、ロボットハンド１６を逆方向に進行させるようロボットアームを動作制御することとしても良い。
また実施の形態３では、移動体制御部１１３はロボットアームの動作により障害物を避けることとしたが、移動型ロボット３に備える車輪などの動作を制御し、移動型ロボット３自身を移動させることで障害物を避けることとしても良い。
【符号の説明】
【００５６】
１    移動型ロボット
２    移動型ロボット
３    移動型ロボット
１１    体幹部
１２    ロボットハンド
１３    体幹部
１４    ロボットハンド
１５    体幹部
１６    ロボットハンド
４０    計測対象物体
１１１    法線検出器
１１２    接線方向決定器
１１３    移動体制御部
１１４    計測完了判定器
１１５    計測情報記憶部
１１６    距離情報統合部
１２１    距離センサ
１３１    距離センサ
１５１    大域監視センサ
１６１    距離センサ
【図１】
2013094921.tif 000003
【図２】
2013094921.tif 000004
【図３】
2013094921.tif 000005
【図４】
2013094921.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2013094921.tif 000009
【図８】
2013094921.tif 000010
【図９】
2013094921.tif 000011