(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
床面に対し、同時に複数のスリット光を発光するスリット光発光手段と、
前記スリット光発光手段からの距離が短い位置に配置され、測定対象物体における前記スリット光の反射光を撮像する第１の画像撮像手段と、
前記スリット光発光手段からの距離が長い位置に配置され、前記測定対象物体における前記スリット光の反射光を撮像する第２の画像撮像手段と、
第１の画像撮像手段によって得られた画像における前記スリット光の反射光に基づいて反射面までの距離を算出し、前記床面の形状及び障害物を検出する検出手段と、
前記検出手段における検出結果に基づいて行動計画を策定する行動計画策定手段と、
前記第２の画像撮像手段によって得られた画像における前記スリット光の反射光に基づいて反射面までの距離を算出し、距離の算出結果と前記行動計画策定手段によって策定された行動計画とに基づいて、踏み出す脚の位置を決定する位置決定手段と、
を備えたことを特徴とする歩行ロボット。
【請求項２】
前記位置決定手段は、脚の踏み出す方向と、脚を上げる高さと、歩幅とを決定することによって前記着地位置を決定することを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット。
【請求項３】
床面に対し、同時に複数のスリット光を発光するスリット光発光手段と、前記スリット光発光手段からの距離が短い位置に配置され、測定対象物体における前記スリット光の反射光を撮像する第１の画像撮像手段と、前記スリット光発光手段からの距離が長い位置に配置され、前記測定対象物体における前記スリット光の反射光を撮像する第２の画像撮像手段と、を備える歩行ロボットが、
前記第１の画像撮像手段によって撮像して得られた画像における前記スリット光の反射光に基づいて反射面までの距離を算出し、前記床面の形状及び障害物を検出する検出過程と、
検出結果に基づいて行動計画を策定する行動計画策定過程と、
前記第２の画像撮像手段によって撮像して得られた画像における前記スリット光の反射光に基づいて反射面までの距離を算出し、距離の算出結果と策定された行動計画とに基づいて、踏み出す脚の位置を決定する位置決定過程と、
を実行することを特徴とする歩行ロボット制御方法。
【請求項４】
前記位置決定過程は、脚の踏み出す方向と、脚を上げる高さと、歩幅とを決定することによって前記着地位置を決定することを特徴とする請求項３に記載の歩行ロボット制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自己が発したスリット光の反射光を撮像し、スリット光の発光位置と撮像位置の位置関係から物体までの距離を測定する距離測定装置、及び距離測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＣＤカメラやコンピュータ画像処理の発展に伴って画像を使用した３次元計測が一般的になってきている。ＣＣＤカメラとコンピュータ画像処理を用いた３次元計測の一つとして光切断法がある。この光切断法は、測定対象物体に対してスリット光を投影し、あたかも光の帯で物体を切断するかのようにして、別の方向からその光による切断面を観察するものである。また、レーザの出現により非常に細かく高輝度な光束が得られるようになったため、光切断法による３次元計測は、自由曲面を有している物体であっても高速で高精度な計測が行えるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
光切断法は、自己が発したスリット光を自己に備えられたＣＣＤカメラによって物体の表面におけるスリット光の反射光を撮像し、スリット光を発した方向、光源の位置、及びＣＣＤカメラの位置から、自己と物体との間の距離を測定するものである。したがって、対象物体の全体を計測しようとする場合、スリット光を物体表面で少しずつ移動させながら、その都度反射光を撮像することによって対象物体の全体を計測するのが一般的である。この方法は、スリット光を移動させながら撮像を行うために全体像を測定するのに時間がかかるという問題がある。この問題を解決するために、スリット光を物体表面上で移動させずに自己が発するスリット光の数を複数にして、一度の撮像動作で対象物体の全体像を計測する方法がある。この方法は、一部のスリット光が撮像できなかった場合に、どのスリット光が撮像できなかったかを特定するために、スリット光に固有の幅やパターンを持たせたり、さらには色分けするなどして撮像されたスリット光を特定している。
【０００４】
しかしながら、自律移動ロボット等の視覚センサとして光切断法を応用して床面及び床面に存在する障害物を検出する場合、測定対象の物体までの距離や物体形状は未知であるために、スリット光に固有の幅やパターンを持たせてその反射光を撮像して計測を行うと、画像処理の負荷が増大するという問題がある。また、色分けされた複数のスリット光を特定するには、カラーのカメラを用いて得られたカラー画像を対象にして画像処理を行う必要があるため装置が高価になるとともに、カラー画像の処理は複雑になるため画像処理の負荷が増大し、結果的に処理時間が長くなるという問題がある。さらに、スリット光に固有の幅やパターンを持たせたり、色分けされたスリット光を発光するにはスリット光を発光する機構が複雑になるという問題もある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、スリット光に対して特徴を付与せずに短時間で対象物体の全体像を測定することができる光切断法を用いた距離測定装置及び距離測定方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、床面に対し、同時に複数のスリット光を発光するスリット光発光手段と、前記スリット光発光手段からの距離が短い位置に配置され、前記測定対象物体における前記スリット光の反射光を撮像する第１の画像撮像手段と、前記スリット光発光手段からの距離が長い位置に配置され、前記測定対象物体における前記スリット光の反射光を撮像する第２の画像撮像手段と、第１の画像撮像手段によって得られた画像における前記スリット光の反射光に基づいて反射面までの距離を算出し、前記床面の形状及び障害物を検出する検出手段と、前記検出手段における検出結果に基づいて行動計画を策定する行動計画策定手段と、前記第２の画像撮像手段によって得られた画像における前記スリット光の反射光に基づいて反射面までの距離を算出し、距離の算出結果と前記行動計画策定手段によって策定された行動計画とに基づいて、踏み出す脚の位置を決定する位置決定手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記位置決定手段は、脚の踏み出す方向と、脚を上げる高さと、歩幅とを決定することによって前記着地位置を決定することを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、床面に対し、同時に複数のスリット光を発光するスリット光発光手段と、前記スリット光発光手段からの距離が短い位置に配置され、前記測定対象物体における前記スリット光の反射光を撮像する第１の画像撮像手段と、前記スリット光発光手段からの距離が長い位置に配置され、前記測定対象物体における前記スリット光の反射光を撮像する第２の画像撮像手段と、を備える歩行ロボットが、前記第１の画像撮像手段によって撮像して得られた画像における前記スリット光の反射光に基づいて反射面までの距離を算出し、前記床面の形状及び障害物を検出する検出過程と、検出結果に基づいて行動計画を策定する行動計画策定過程と、前記第２の画像撮像手段によって撮像して得られた画像における前記スリット光の反射光に基づいて反射面までの距離を算出し、距離の算出結果と策定された行動計画とに基づいて、踏み出す脚の位置を決定する位置決定過程と、を実行することを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、前記位置決定過程は、脚の踏み出す方向と、脚を上げる高さと、歩幅とを決定することによって前記着地位置を決定することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態による距離測定装置を図面を参照して説明する。
初めに、図３を参照して、距離測定装置が取り付けられる２足歩行ロボットについて説明する。図３において、符号１は、自律型の２足歩行ロボット（以下、単にロボットと称する）である。符号２は、ロボット１の腰の高さに取り付けられた距離測定装置の光学系装置である。符号３は、距離測定装置２が照射するレーザ光の照射範囲であり、レーザ光を一方向に６０°拡散し、スリット光にして床面４に照射する。さらに、このスリット光がロボット１のつま先から前方の床面を照射するように光学系装置２の向きを調整する。
【００１１】
図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、符号１１は、測定対象の物体に対して照射するレーザ光を発するレーザ光源である。符号１２は、レーザ光源１１との配置距離が短い短基線長カメラであり、インタレース走査のＣＣＤカメラで構成される。この短基線長カメラ１２は、基線長が短いために、距離測定精度が低い代わりにロボット１の前方を広い距離範囲で見渡すことができるという特徴を有している。符号１３は、レーザ光源１１との配置距離が長い長基線長カメラであり、インタレース走査のＣＣＤカメラで構成される。この長基線長カメラ１３は、基線長が長いために距離測定精度が高い代わりにロボット１の前方を見渡す距離範囲が制限されるという特徴を有している。また、短基線長カメラ１２、及び長基線長カメラ１３は、外部から同期信号を入力して動作可能なカメラである。
【００１２】
符号２は、図３に示す光学系装置であり、レーザ光源１１、短基線長カメラ１２、及び長基線長カメラ１３からなる。符号１４は、レーザ光源１１に対して、レーザ光の発光を制御する制御信号を出力してレーザ光源を制御する発光制御部であり、短基線長カメラ１２及び長基線長カメラ１３に対して垂直同期信号を出力する。符号１５は、２台のカメラから出力される画像信号を取り込むための２つの画像メモリ１５ａ、１５ｂを備えた画像取り込み部である。画像取り込み部１５は、２台の短基線長カメラ１２、長基線長カメラ１３の画像をそれぞれ２つの画像メモリへ格納する。
【００１３】
符号１６は、画像メモリ１５ａに取り込まれた短基線長カメラ１２の画像データに基づいて、前景の測定対象物体の高さを推定する高さ推定部である。符号１７は、高さ推定部１６において推定された物体の状態に応じて、ロボット１の行動計画を策定する行動計画策定部である。ここでいう行動計画とは、高さ推定部１６において推定された測定対象物体の高さに基づいて、移動経路を決定する場合に、障害物を避けて歩行するのか、障害物を跨いで避けるのか等のロボット１の行動を予め決めることである。符号１８は、行動計画策定部１７において策定された行動計画と高さ推定部１６において推定された物体高さとからロボット１の脚をどのように上げてどの位置に着地されるかを決定する着地位置決定部である。符号１９は、着地位置決定部１８において決定された着地位置へ脚を着地させるため、脚の駆動部の制御を行う脚制御部である。
【００１４】
次に、図２を参照して、図１に示すレーザ光源１１の詳細な構成を説明する。図２は、図１に示すレーザ光源１１の構成を示すブロック図である。図２において、符号２１は、レーザ光を発光するレーザ発光部である。符号２２は、レーザ発光部２１から発せられたレーザ光を集光して細いビームする集光レンズである。符号２３は、集光レンズ２２によって細いビームにされたレーザ光を複数のビームに分ける回折格子であり、図２の紙面に垂直な方向へビームを分けるものである。符号２４は、シリンドリカルレンズ等で構成されるビーム拡散レンズであり、レーザ光のビームを１方向に拡散してスリット光を生成するものである。このビーム拡散レンズ２４によって、複数のビームのそれぞれは、拡散の角度が６０°になるようにする。
【００１５】
なお、図２において、床面の位置関係を示すと、符号４で示す直線が床面となり、符号Ａの地点が、ロボット１のつま先の位置となる。また、光学系装置２をロボット１の腰の位置に取り付け、レーザ光を発光した状態を図４の模式図で示す。図４において、符号１１はレーザ光源である。符号３は、床面４におけるレーザ光源から発せられたレーザ光の照射範囲を示している。ここでは、回折格子２３によって、５つのビームに分けられており、さらにビーム拡散レンズ２４によって５つのビームが６０°に拡散されている。これらのレーザ光は、床面４に対して照射され、その反射光が基線長カメラ１２及び長基線長カメラ１３によって撮像される。図４においては、図を分かり易くするために回折格子２３によって分けるビームの数を「５」としたが、実際には、図４に示す角度Ｂが３２°であり、角度Ｃが１.６°である。したがって、ビームの数は「２１」となる。
【００１６】
次に、図５、６を参照して、測定動作について説明する。図５は、レーザ光源１１、短基線長カメラ１２、及び長基線長カメラ１３の位置関係を示す図である。この図において、符号３は、レーザ光の照射範囲を示している。ここでは、図を分かり易くするために５つのビームのみを図示する。また符号Ｌ１、Ｌ２は各カメラの基線長である。基線長とは、レーザ光の発光位置とその反射光を撮像する撮像位置との距離である。長基線長カメラ１３の基線長は、短基線長カメラ１２の基線長より長くなるように配置されている。光切断法は、いわゆる三角測量の原理で距離を求めるのが一般的である。三角測量は、既知の２点を基準として、任意の他の地点を結ぶ三角形を作り、その角度を測ることによってその地点の位置を求めるものである。したがって、その原理から既知の２点の距離（基線長に相当）が長いほど距離精度は向上する。
【００１７】
図５に示すように、基線長Ｌ２を長くするほど長基線長カメラ１３の向きを決める角度（図５に示す角度Ｄ）を大きくしなければスリット光の反射光を撮像することが困難となる。しかし、基線長Ｌ２を長くして、角度Ｄを大きくするということは、各スリット光の識別が困難になってくる。
【００１８】
一方、基線長Ｌ１を短くすれば、短基線長カメラ１２の向きを決める角度（図５に示す角度Ｅ）を小さくすることができるため、測定可能距離範囲を長くすることができるとともに、各スリット光の識別が容易になるという利点がある。しかし、前述した理由から求められる距離精度は低下してしまう。
【００１９】
このような特徴を利用して、距離を正確に測定し、ロボット１の歩行制御を行なえるようにする為には、それぞれの利点のみを使用して測定を行うようにすればよい。すなわち、距離精度の低い短基線長カメラ１２によって、測定対象を広い距離範囲で測定し、大まかな距離の推定を行った後に、距離精度の高い長基線長カメラ１３によって必要な測定対象の物体までの距離を確定する。
【００２０】
この動作を図６を参照して説明する。図６は、距離測定の動作を示すフローチャートである。まず、画像取り込み部１５は、短基線長カメラ１２及び長基線長カメラ１３で撮像した画像を取り込み、それぞれの画像を画像メモリ１５ａ、１５ｂに格納する（ステップＳ１）。
【００２１】
次に、高さ推定部１６は、短基線長カメラ１２によって撮像され、画像メモリ１５ａに格納された画像データを処理して、床全体の形状及び障害物を検出する（ステップＳ２）。この検出は、前述した三角測量の原理によって、スリット光の反射光が映っている画素のそれぞれについて距離を求めることによって行われる。
【００２２】
次に、行動計画策定部１７は、高さ推定部２６において検出された床や障害物を考慮して、ロボット１の行動計画を策定する（ステップＳ３）。この行動計画を策定して得られる結果は、例えば、「右に迂回して移動する」、「この先階段があるので階段の直前までこのまま移動して、階段の直前で一度停止し、階段を昇って移動する」などである。
【００２３】
次に、着地位置決定部１８は、長基線長カメラ１３によって撮像され、画像メモリ１５ｂに格納された画像データを処理して、踏み出す脚の位置を決定する（ステップＳ４）。このとき、着地位置決定部１８は、行動計画及び高さ推定部１６における障害物検出結果を参考にして着地位置を決定する。着地位置を決定するには、脚の踏み出す方向と脚を上げる高さを決定するとともに、歩幅を決定する必要がある。これらを決定するには、精度の高い距離計測データを必要とするために長基線長カメラ１３の画像を用いる。これによって、正確な脚の着地位置が決定できる。また、一部のスリット光が撮像できなかった場合であっても、短基線長カメラ１２によって得られた画像によって床の全体形状と障害物の検出が既にされているために、長基線長カメラ１３によって撮像されたスリット光は、距離の精度を向上させるために用いればよい。
【００２４】
次に、脚制御部１９は、着地位置決定部１８において決定された着地位置に脚が踏み出されるように脚の駆動部を制御して、ロボット１を移動する（ステップＳ５）。
【００２５】
このように、複数のスリット光を同時に発光して、短基線長カメラ１２によって得られた画像から大まかな距離推定を行い、その推定結果を参考にして、長基線長カメラ１３によって得られた画像から測定距離を確定するようにしたため、必要な領域において精度良く距離測定が可能となる。また、１つの光源（レーザ発光部２１）から複数のスリット光を生成するようにしたため、カラー画像を得る必要はなく、輝度情報が得られるカメラを用いて処理することが可能となる。さらに、複数のスリット光を回折格子２３とビーム拡散レンズ２４によって生成したため、レーザ光源１１の構成を簡単にすることができる。
【００２６】
なお、図５における基線長Ｌ１は、行動計画を策定するのに必要な距離精度が得られる最短距離とすればよい。また、角度Ｅは、行動計画を策定するのに必要な測定領域が使用するカメラの画角でも見渡せる最小角度とすればよい。
また、基線長Ｌ２は、脚の着地位置を決定するのに必要な距離とすればよい。また、角度Ｄは、脚の最大歩幅から決まる領域が見渡せる角度とすればよい。
【００２７】
また、２台のカメラから得られた２つの画像に対してステレオ立体視処理を施し、その結果に基づいて距離画像を生成して、この距離画像を着地位置を決定する処理に用いてもよい。このようにすることによって、さらに測定距離を確定する場合に、精度の向上を図ることができる。また、レーザ光源１１を短基線長カメラ１２と長基線長カメラ１３との間に配置したため、照射したスリット光を効率良く撮像することが可能となる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、自己が発したスリット光の反射光を撮像し、スリット光の発光位置と撮像位置の位置関係から物体までの距離を測定する場合に、複数のスリット光を同時に発光して、短基線長カメラによって得られた画像から大まかな距離推定を行い、その推定結果を参考にして、長基線長カメラによって得られた画像から測定距離を確定するようにしたため、必要な領域において精度良く短時間で距離測定が可能になるという効果が得られる。また、１つの光源（レーザ発光部）から複数のスリット光を生成するようにしたため、カラー画像を得る必要はなく、輝度情報が得られるカメラを用いて処理することが可能になるという効果が得られる。さらに、複数のスリット光を回折格子とビーム拡散レンズによって生成したため、レーザ光源の構成を簡単にすることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】  図１に示すレーザ光源１１の構成を示すブロック図である。
【図３】  ２足歩行ロボット１の外観を示す説明図である。
【図４】  光学系装置２からレーザ光を発光した状態を示す模式図である。
【図５】  レーザ光源１１、短基線長カメラ１２、及び長基線長カメラ１３の位置関係を示す説明図である。
【図６】  距離測定動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１・・・ロボット、
２・・・光学系装置、
３・・・レーザ照射範囲、
４・・・床面、
１１・・・レーザ光源、
１２・・・短基線長カメラ、
１３・・・長基線長カメラ、
１４・・・発光制御部、
１５・・・画像取り込み部、
１６・・・高さ推定部、
１７・・・行動計画策定部、
１８・・・着地位置決定部、
１９・・・脚制御部、
２１・・・レーザ発光部、
２２・・・集光レンズ、
２３・・・回折格子、
２４・・・ビーム拡散レンズ。
【図１】
0004298155.tif 000002
【図２】
0004298155.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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