(57)【要約】【課題】障害物と自機との相対速度を考慮してポテンシャル場を生成し、障害物に衝突することのない経路を生成して移動する自律移動体において、対処を要する緊急度が種々異なる様々な問題に柔軟かつ適切に対応可能な移動制御を実現する。また、安全の余裕を見込んだ回避行動を生成し、障害物への衝突を確実に回避する。【解決手段】ロボットが備える走行制御コントローラは、検知した障害物に関する仮想斥力を計算する際に、設定される予測スパンＴiに相当する時間が経過した後のロボット１１及び障害物１６の予測位置から得られる予測最近傍距離ρTiと、ロボット１１と障害物１６との相対速度と、ロボット１１と障害物１６との許容最小距離ρ0と、を少なくとも考慮するように構成されている。【選択図】図６
2009288930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自機を移動させる移動部と、
障害物を検知可能な検知部と、
前記検知部の検知結果に基づいて前記移動部に移動指令を送信する移動制御部と、
を備え、
前記移動制御部は、
自機を移動させるべき目標位置を記憶可能な目標位置記憶部と、
前記検知部からの信号に基づいて障害物の位置及び速度を取得可能な障害物情報取得部と、
前記目標位置へ向かう仮想引力と、前記障害物に関する仮想斥力と、を合成した仮想力ベクトルの方向及び大きさに基づいて、前記移動部に移動指令を送信する移動指令送信部と、
を備え、
前記仮想斥力は少なくとも、
設定される予測時間後の自機及び障害物の予測位置と、
自機と障害物との相対速度と、
自機と障害物との許容最小距離と、
を考慮して、ポテンシャル法に基づいて計算されることを特徴とする自律移動体。
【請求項２】
請求項１に記載の自律移動体であって、
前記仮想斥力は、前記相対速度と前記予測時間の積に前記許容最小距離を加算したものの逆数を用いて計算されることを特徴とする自律移動体。
【請求項３】
請求項２に記載の自律移動体であって、
前記仮想斥力を求めるための式には、
自機及び障害物の前記予測位置から得られる両者間の予測最近傍距離の逆数から、前記相対速度と前記予測時間の積に前記許容最小距離を加算したものの逆数を減算し、更に予測スパンの逆数乗した項が含まれることを特徴とする自律移動体。
【請求項４】
自機を移動させる移動部と、
障害物を検知可能な検知部と、
前記検知部の検知結果に基づいて前記移動部に移動指令を送信する移動制御部と、
を備える自律移動体の移動制御方法であって、
前記検知部からの信号に基づいて障害物の位置及び速度を取得する第１ステップと、
設定された目標位置へ向かう仮想引力と、前記障害物に関する仮想斥力と、を合成した仮想力ベクトルを求める第２ステップと、
前記仮想力ベクトルの方向及び大きさに基づいて、前記移動部に移動指令を送信する第３ステップと、
を含み、
前記第２ステップにおいて、前記仮想斥力は少なくとも、
設定される予測時間後の自機及び障害物の予測位置と、
自機と障害物との相対速度と、
自機と障害物との許容最小距離と、
を考慮して、ポテンシャル法に基づいて計算されることを特徴とする自律移動体の移動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主要には、ロボット及び搬送体等の自律移動体における移動制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、オフィス及び工場等、人間の存在する実環境で様々なサービスを提供するロボットが提案され、開発が行われている。このようなロボットには種々の機能が要求されるが、中でも重要な機能の１つに、目的地への自律的な移動がある。
【０００３】
ロボットが目的地まで移動する場合、人間を含めた障害物への衝突を回避しつつ、目的地まで短時間で移動できることが要請される。ロボットに適用可能な障害物回避制御としては、例えば非特許文献１に開示される仮想ポテンシャル法が知られている。この仮想ポテンシャル法では、ある目的地点に対する引力ポテンシャル場と、回避すべき障害物に対する斥力ポテンシャル場を生成し、重ね合わせることで、障害物に衝突することのない目的地点までの経路が生成される。
【非特許文献１】Ｏ．Ｋｈａｔｉｂ：“Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ  Ｏｂｓｔａｃｌｅ  Ａｖｏｉｄａｎｃｅ  ｆｏｒ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｒｏｂｏｔｓ，”  Ｉｎｔ．  Ｊ．  ｏｆ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，  ｖｏｌ．  ５，  ｎｏ．  １，  ｐｐ．９０−９８，  １９８６．
【０００４】
なお、ロボットの目的地までの移動の過程においては、目的地への到達、障害物の回避、死角から突然現れた障害物の緊急回避等、移動制御に関して考慮すべき様々な問題が複合的に発生し得る。これらの問題は、移動効率のために目的地までの過程の全体にわたって考慮すべきものから、衝突回避のために即時に対処すべきものまで、対応に要求される緊急度（時間スケール）が様々に異なる。
【０００５】
この点に関し非特許文献２は、サービスロボットにおいて、異なる行動の時間スケールを考慮した移動制御方法を開示する。非特許文献２の移動制御方法は、各時間スケールを考慮したポテンシャル場を発生させるモジュールを階層的に構成し、それぞれのポテンシャル場から求まる仮想的な力を合成し、これを基に速度指令を決定する。前記ポテンシャル場の計算にあたっては、時間スケールＴ後のロボットと障害物との予測相対位置と、ロボットと障害物との相対速度と、が考慮される。非特許文献２は、この方法により、考慮する時間スケールの異なる行動を生成でき、安全かつ効果的な移動を実現できるとする。
【非特許文献２】高橋正樹，多田欣雅，吉田和夫，「行動の時間スケールを考慮した自律移動ロボットの階層型行動制御手法」，第２５回日本ロボット学会学術講演会予稿集（ＲＳＪ２００７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この種のサービスロボットを実際に稼動させる場合、周囲の障害物をレーザレンジファインダ、ステレオカメラ等の適宜の検知手段を用いて検知することになるが、状況によっては周囲の障害物の（相対）移動速度を正確に取得できない場合も考えられる。この点、上記非特許文献２の構成では、障害物の移動速度の検出に失敗した場合に適切な斥力ポテンシャル場を生成できないことがあり、この場合、十分な回避行動を行うことができずに障害物と衝突してしまうおそれがあった。従って、従来の制御方法は、障害物との衝突をより確実に回避する観点から改善の余地が残されていた。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００７】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
【０００８】
本発明の第１の観点によれば、以下の構成の自律移動体が提供される。即ち、この自律移動体は、移動部と、検知部と、移動制御部と、を備える。前記移動部は、自機を移動させる。前記検知部は、障害物を検知可能に構成されている。前記移動制御部は、前記検知部の検知結果に基づいて前記移動部に移動指令を送信する。前記移動制御部は、目標位置記憶部と、障害物情報取得部と、移動指令送信部と、を備える。前記目標位置記憶部は、自機を移動させるべき目標位置を記憶可能である。前記障害物情報取得部は、前記検知部からの信号に基づいて障害物の位置及び速度を取得可能に構成されている。前記移動指令送信部は、前記目標位置へ向かう仮想引力と、前記障害物に関する仮想斥力と、を合成した仮想力ベクトルの方向及び大きさに基づいて、前記移動部に移動指令を送信する。前記仮想斥力は少なくとも、設定される予測時間後の自機及び障害物の予測位置と、自機と障害物との相対速度と、障害物との許容最小距離と、を考慮して、ポテンシャル法に基づいて計算される。
【０００９】
この構成により、予測のスパンを状況に応じて設定することで、対処を要する緊急度が種々異なる様々な問題に柔軟かつ適切に対応可能な移動制御を実現することができる。また、仮想斥力を計算する際に許容最小距離を考慮することによって安全の余裕を見込んだ回避行動を生成することができるので、障害物への衝突の可能性を低減することができる。
【００１０】
前記の自律移動体においては、前記仮想斥力は、前記相対速度と前記予測時間の積に前記許容最小距離を加算したものの逆数を用いて計算されることが好ましい。
【００１１】
この構成により、相対速度、予測スパン、及び許容最小距離の何れをも考慮した仮想斥力を、簡単な計算で求めることができる。
【００１２】
前記の自律移動体においては、前記仮想斥力を求めるための式には、自機及び障害物の前記予測位置から得られる両者間の予測最近傍距離の逆数から、前記相対速度と前記予測時間の積に前記許容最小距離を加算したものの逆数を減算し、更に予測スパンの逆数乗した項が含まれることが好ましい。
【００１３】
この構成により、予測スパンが小さい場合は、許容最小距離に基づき生成される仮想斥力も増大することになる。従って、移動体が障害物を検知してから短時間でしか予測できない場合には大きなマージンを確保すべく制御が行われるので、障害物への衝突を一層確実に回避することができる。
【００１４】
本発明の第２の観点によれば、以下の自律移動体の移動制御方法が提供される。即ち、この移動制御方法によって制御される自律移動体は、移動部と、検知部と、移動制御部と、を備える。前記移動部は、自機を移動させる。前記検知部は、障害物を検知可能である。前記移動制御部は、前記検知部の検知結果に基づいて前記移動部に移動指令を送信する。そして、当該移動制御方法は、第１ステップと、第２ステップと、第３ステップと、を含む。前記第１ステップでは、前記検知部からの信号に基づいて障害物の位置及び速度を取得する。前記第２ステップでは、設定された目標位置へ向かう仮想引力と、前記障害物に関する仮想斥力と、を合成した仮想力ベクトルを求める。前記第３ステップでは、前記仮想力ベクトルの方向及び大きさに基づいて、前記移動部に移動指令を送信する。前記第２ステップにおいて、前記仮想斥力は少なくとも、設定される予測時間後の自機及び障害物の予測位置と、自機と障害物の相対速度と、自機と障害物との許容最小距離と、を考慮して、ポテンシャル法に基づいて計算される。
【００１５】
この方法により、予測のスパンを状況に応じて設定することで、対処を要する緊急度が種々異なる様々な問題に柔軟かつ適切に対応可能な移動制御を実現することができる。また、仮想斥力を計算する際に許容最小距離を考慮することによって安全の余裕を見込んだ回避行動を生成することができるので、障害物への衝突の可能性を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係るサービスロボット１１の全体的な構成を模式的に示した側面図である。
【００１７】
図１に示す自律移動体としてのサービスロボット１１は、本体１２と、オムニホイール機構（移動部）１３と、レーザレンジファインダ（検知部）１４と、走行制御コントローラ（移動制御部）１５と、を備えている。
【００１８】
前記本体１２は縦方向に細長く形成されており、その下端部に、ロボットを自走させるためのオムニホイール機構１３が取り付けられている。オムニホイール機構１３は、周方向に９０°の間隔で並べて配置された４つのオムニホイール２１と、このオムニホイール２１に対応して設置される４つのモータ２２と、を備えている。
【００１９】
以下、図２を参照して、オムニホイール機構１３の構成を具体的に説明する。図２はオムニホイール機構１３を示す底面図である。
【００２０】
このオムニホイール機構１３は図２に示すように、前記本体１２の底面に配置された４つのホイール駆動ユニット２３を備えている。このホイール駆動ユニット２３は、枠組状に形成されたモータ支持フレーム２４と、このモータ支持フレーム２４に固定されたモータ２２と、を備えている。前記モータ支持フレーム２４の一端部は、本体１２の底面にブラケット２５を介して固定されている。
【００２１】
モータ２２は、図略のロータを回転可能に支持するハウジング２６を備え、このハウジング２６は前記モータ支持フレーム２４の内部に配置されている。モータ２２の出力軸２７はモータ支持フレーム２４から外側へ突出しており、この出力軸２７の端部に前記オムニホイール２１が取り付けられている。それぞれのホイール駆動ユニット２３におけるオムニホイール２１は、その回転軸がロボット１１の正面方向に対してなす角が４５°又は１３５°となるように配置されている。
【００２２】
それぞれのオムニホイール２１は、前記モータ２２の出力軸２７に固定されるローラ状の本体３１と、この本体３１の外周に並べて配置された複数のフリーローラ３２と、を備えている。フリーローラ３２は回転可能となるように本体３１に支持され、当該フリーローラ３２の外周面は床面に接触可能となっている。また、前記フリーローラ３２の回転軸は、本体３１の回転軸に対して垂直に向けられている。
【００２３】
この構成で、モータ２２が駆動されて本体３１が回転すると、フリーローラ３２は本体３１と一体的に回転し、その駆動力を床面に伝達する。一方、接地しているフリーローラ３２が回転することにより、オムニホイール２１は、その本体３１の回転軸に平行な方向にも容易に移動することができる。以上の構成により、ロボット１１の全方位移動が実現される。
【００２４】
４つのホイール駆動ユニット２３が備えるモータ２２は、走行制御コントローラ１５からの走行指令（移動指令）に基づき、４つのオムニホイール２１の回転方向及び回転速度をそれぞれ独立して制御する。これにより、ロボット１１を任意の方向に移動させる制御（全方位移動制御）を実現している。
【００２５】
図１に示すレーザレンジファインダ１４は、図略のトランスミッタから照射したレーザを回転ミラーで反射させることで、ロボット１１の正面側を平面視で扇状に走査することができる。そして、照射されたレーザが物体で反射して戻ってくるまでの時間を計測することにより、物体までの距離を測定することができる。このレーザレンジファインダ１４はロボット１１の視覚を実現する手段として使用され、静止又は移動している物体（障害物）の検知等に用いられる。
【００２６】
次に、図３を参照して走行制御コントローラ１５について説明する。図３はロボット１１の移動制御のための電気的構成を示すブロック図である。
【００２７】
走行制御コントローラ１５はマイクロコンピュータとして構成されており、図示しないが、演算部としてのＣＰＵと、記憶部としてのＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えている。また、前記ＲＯＭには、ロボット１１の自律的な移動を実現するための制御プログラムが記憶されている。
【００２８】
図３に示すように、走行制御コントローラ１５は、マップ記憶部５１と、目標位置記憶部５２と、自機情報取得部５３と、障害物情報取得部５４と、予測スパン記憶部５５と、を備える。また、走行制御コントローラ１５は、仮想引力計算部６１と、仮想斥力計算部６２と、ベクトル合成部６３と、走行指令送信部（移動指令送信部）６４と、を備えている。これらの各部は、上述したハードウェアとソフトウェアの組合せにより構築されている。
【００２９】
マップ記憶部５１は、ロボット１１の行動範囲における静的障害物を示すマップを記憶可能に構成されている。ここで静的障害物とは、消えたり位置が変化したりすることのない障害物をいい、具体的には壁、柱等の静的構造物及び重量物等である。このマップを作成するには、人間等の動的障害物を全て取り除いた状態で、当該ロボット１１を移動させつつ、レーザレンジファインダ１４で障害物を走査する。すると、ロボット１１は静的障害物の位置及び形状を認識してマップを自動的に作成し、適宜のメモリに記憶することができる。
【００３０】
目標位置記憶部５２は、ロボット１１を移動させるべき目標位置の情報を記憶可能に構成されている。この目標位置は、オペレータがロボット１１を適宜操作することにより指定され、前記マップにおける座標の形で記憶される。
【００３１】
自機情報取得部５３は、自機の位置及び速度を計算して取得する。この自機情報は、レーザレンジファインダ１４から得られた周囲の障害物の情報と前記マップとを照合した結果と、オムニホイール機構１３の各モータ２２の出力軸２７の回転角度の情報と、を総合的に考慮して決定される。なお、モータ２２の出力軸２７の回転角度は、当該出力軸２７に取り付けられた図略のエンコーダにより取得することができる。
【００３２】
障害物情報取得部５４は、レーザレンジファインダ１４から得られた、ロボット動作中にロボットが所有している環境地図上にない静止又は移動している障害物を検出し、その位置及び速度を取得する。
【００３３】
予測スパン記憶部５５は、予め定められた複数の予測スパンＴi（ｉ＝１，２，・・・）の値を記憶している。この予測スパンＴiは、自機の周囲環境の変化の何秒先を見据えて行動を決定するかを示す指標である。
【００３４】
仮想引力計算部６１は、自機情報取得部５３で得られた自機の位置に基づいて、前記目標位置へ向かうための仮想引力を計算する。
【００３５】
仮想斥力計算部６２は、自機情報取得部５３で得られた自機の位置及び速度、障害物情報取得部５４で得られた障害物の位置及び速度、並びに予測スパン記憶部５５に設定されている予測スパンＴiに基づいて、障害物を回避するための仮想斥力を計算する。なお、本実施形態では、予測スパン記憶部５５に記憶された複数の予測スパンＴiの値を使用して並列的に計算することにより複数通りの仮想斥力を求め、これらの計算結果に対し選択等の処理を適宜行うことで適切な速度指令を生成するようになっている。
【００３６】
ベクトル合成部６３は、仮想引力計算部６１で得られた仮想引力と、仮想斥力計算部６２で得られた仮想斥力とをベクトル合成することにより、仮想力ベクトルを計算する。
【００３７】
走行指令送信部６４は、ベクトル合成部６３で得られた仮想力ベクトルに基づいて走行指令を生成し、オムニホイール機構１３に対し送信することにより、ロボット１１を走行させる。
【００３８】
次に、前記仮想引力計算部６１、仮想斥力計算部６２、及びベクトル合成部６３による仮想力の計算について、図４に示される数式を参照して詳細に説明する。
【００３９】
即ち、本実施形態の走行制御コントローラ１５では、障害物を回避しながらロボット１１を目標位置へ移動させるための制御方法として仮想ポテンシャル法を採用している。前述したように、この仮想ポテンシャル法は、目標位置に対する仮想的な引力ポテンシャル場と、回避すべき障害物に対する仮想的な斥力ポテンシャル場と、をそれぞれ生成して重ね合わせることで、障害物に衝突することのない目標位置までの経路を生成する方法である。そして本実施形態では、この仮想ポテンシャル法の斥力を決定するパラメータの１つとして、予測スパンＴiを採用している。
【００４０】
以下、具体的に説明する。仮想ポテンシャル関数Ｕは、目標位置ｘdに対する引力ポテンシャル関数Ｕxdと、障害物に対する斥力ポテンシャル関数ＵOとを加算したものであり、図４の式（１）で表される。
【００４１】
引力ポテンシャル関数Ｕxdは、ロボットと目標位置との距離ρdに比例する関数として定められており、定数ｋaを用いて図４の式（２）のように表される。
【００４２】
斥力ポテンシャル関数ＵOは、予測スパンＴiを考慮して、図４の式（３）のように定められる。この式で示すように、予測スパンをＴiとしたときの斥力ポテンシャル関数ＵTijを各障害物（ｏj）について計算し、得られた斥力ポテンシャル関数ＵTijの総和を求めることにより、斥力ポテンシャル関数ＵOを得ることができる。
【００４３】
斥力ポテンシャル関数ＵTijは図４の式（４）で定義され、この式においてρ0とηは定数である。ρ0は、最低限の斥力ポテンシャル場の範囲を示すものである。また、ｖr,oj はロボットの障害物に対する相対速度ベクトルであり、当該相対速度ベクトルｖr,ojは図５に示すように、ロボット１１の速度ベクトルｖと、障害物ｏjの速度ベクトルｖojとの差として求められる。
【００４４】
式（４）のρTiは、現在から予測スパンＴiに相当する時間が経過した時点における、ロボット１１と障害物１６との予測最近傍距離を意味する。この予測最近傍距離ρTiは、図６に示すように、予測スパンＴiの時間が経過した後のロボット１１及び障害物１６の予測位置を求めることで算出することができる。なお、予測スパンＴiが経過した後のロボット１１の予測位置は、現在時点でのロボット１１の位置ｘ及び速度ｖに基づいて求めることができる（ｘ＋Ｔiｖ）。また、予測スパンＴiが経過した後の障害物１６の予測位置は、現在時点での障害物１６の位置ｘoj及び速度ｖojに基づいて求めることができる（ｘoj＋Ｔiｖoj）。
【００４５】
また、予測最近傍距離ρTiとは、ロボット１１及び障害物１６との間で最も近接している部分の距離を意味する。本実施形態の制御では、ロボット１１及び障害物１６を閉曲面とみなし、それぞれの曲面上にとった任意の点同士の距離が最小となるときの当該最小距離を予測最近傍距離ρTiとしている。なお、予測最近傍距離ρTiの説明を単純にするために、図６においてはロボット１１及び障害物１６の形状を円筒面とみなした場合を図示している。
【００４６】
図４の式（４）における１／（‖Ｔiｖr,oj‖＋ρ0）の項は、斥力ポテンシャル場の及ぶ範囲を決定するものである。本実施形態では、この斥力ポテンシャル場の及ぶ範囲を、ロボットと障害物との相対速度ｖr,ojに予測スパンＴiを乗じた値（Ｔiｖr,oj）と、最低限の斥力ポテンシャル場の範囲を示す距離（許容最小距離、ρ0）と、の双方を考慮して定めている。
【００４７】
これにより、障害物１６が遠方にあっても、ロボット１１との相対速度ｖr,ojが大きいために短時間でロボット１１に接近する可能性がある場合は、相対速度ｖr,ojが小さい場合よりも斥力を受け易くすることができる。従って、オムニホイール機構１３が備えるモータ２２の加減速の限界等により急激な速度変化が困難な場合でも、障害物１６に対する回避行動を早い段階から開始することで衝突を適切に回避することができる。
【００４８】
また、予測スパンＴiを適宜変化させることで、より遠方の対象を考慮するために長期的な予測を行う必要がある場合と、近傍の対象を考慮するべく短期的な予測を行う必要がある場合と、の双方に適切に対応することができる。言い換えれば、遠方から現れる障害物には余裕を持って対応し、死角から突発的に現れる障害物には瞬間的に対処するというように、状況に応じて適切な移動制御を行うことができる。
【００４９】
また、式（４）では予測スパンＴiの逆数（１／Ｔi）をポテンシャル関数の指数部としており、この結果、対象物に対して設定できる予測の時間が短くなるほど大きな斥力が発生することになる。従って、ロボット１１が障害物１６を検知してから短時間でしか予測できず、衝突の可能性を回避すべく即座に対応する必要性が高い場面において、効果的（反射的）な回避行動を行うことができる。
【００５０】
なお、実際の運用ではロボット１１が障害物１６の相対速度ｖr,ojの認識に失敗し、ｖr,ojの項がゼロになる可能性も考えられる。しかしながら、本実施形態における斥力ポテンシャル場の計算式（式（４））は、予測最近傍距離ρTiが許容最小距離ρ0より小さくなると、障害物の相対速度ｖr,ojが仮にゼロとなっても斥力がゼロにならない（何らかの大きさの斥力が必ず発生する）ように定められている。従って、許容最小距離ρ0が衝突を回避するためのマージンとして働くので、安全の余裕を見込んだ回避行動を生成でき、衝突の可能性を低減することができる。
【００５１】
上記の仮想ポテンシャル場において、ロボットの位置ｘが受ける力は、合成した仮想ポテンシャルＵの偏微分として、図４の式（５）により与えられる。
【００５２】
従って、ロボットの位置ｘが受ける目標位置への仮想引力Ｆxdは、式（２）と式（５）により、式（６）のように与えられる。一方、ロボットが障害物から受ける仮想斥力ＦOは、式（４）と式（５）により、式（７）のように与えられる。
【００５３】
次に、上記の計算で得られた仮想引力Ｆxdと仮想斥力ＦOをベクトル合成することにより、仮想力ベクトルＦを得る（式（８））。そして、この仮想力ベクトルＦの向きと、当該ベクトルＦの大きさに比例する速度とを、オムニホイール機構１３に対し速度指令として与える。
【００５４】
なお、ポテンシャル法には、速度の大きさと制御周期の粗さに起因する振動的な応答が生じる問題がある。これを回避するために本実施形態では、仮想斥力から求められる速度指令に、予測スパンＴiの逆数をカットオフ周波数とするローパスフィルタを適用することで、振動的な応答を抑制している。
【００５５】
次に、本実施形態のロボット１１を用いて本願発明者が行った実験について説明する。この実験で用いられたロボット１１の大きさは、前後長さが０．５５ｍ、左右幅が０．７５ｍ、高さ１．２５ｍであり、重量は約６０キログラムである。当該ロボット１１が備えるレーザレンジファインダ１４は、半径約４メートル、ロボット正面から角度±１２０°の範囲の扇形の領域を走査することができる。
【００５６】
このロボット１１を、図７に示すように、両脇に障害物としての壁が形成された廊下に配置する（なお、図７においてロボット１１は円で簡略的に示されている）。この廊下の幅は２．２ｍで一定であり、ロボット１１は廊下の幅中央の位置から移動をスタートする。
【００５７】
図７において、ロボット１１のスタート位置を原点とし、廊下の幅方向がｘ軸、長手方向がｙ軸となる座標系を定義する。ロボット１１のスタート位置は（０ｍ，０ｍ）に設定され、目標位置は（０ｍ，５．０ｍ）に設定される。また、この廊下の（０．５ｍ，２．０ｍ）の位置に、長さ０．２ｍ、幅０．３３ｍ、高さ０．５０ｍの大きさの、ほぼ直方体状の障害物１６が配置される。ロボット１１の最大速度は０．５ｍ／ｓ、最大加速度は０．５ｍ／ｓ2に設定される。以上の条件で、前述の予測スパンＴiの値を０．１、０．５、０．９、１．２に設定した場合の回避行動をそれぞれ調べた。なお、各実験において、壁からの斥力はＫｈａｔｉｂの斥力ポテンシャル関数（非特許文献１を参照）を用いた。
【００５８】
図８（ａ）〜図８（ｄ）は、それぞれＴi＝０．１、０．５、０．９、１．２の場合のロボットの移動軌跡を示したものである。なお、図示された移動軌跡には、ロボットが回避行動を開始した時刻と、目標位置に到達した時刻が併せて示されている。Ｔiに小さい値（０．１）を設定した場合は、図８（ａ）に示すように、ロボット１１は他の場合よりも障害物１６に接近している。一方で、Ｔiに大きい値（１．２）を設定した場合は、図８（ｄ）に示すように、ロボット１１が早い段階で回避行動を開始していることが判る。
【００５９】
このように、予測スパンＴiが大きいほど障害物１６に対して遠方から回避行動を行い、その結果、緩やかな軌道を描いていることが観察される。これは、障害物との相対速度と予測時間の積の値（Ｔiｖr,oj）が大きくなり、予測最近傍距離ρTiが小さくなることに起因していると考えることができる。
【００６０】
一方で、予測スパンＴiが小さいほど反射的な回避行動が観察され、ロボットは鋭い方向転換を行っている。この結果から、例えばレーザレンジファインダ１４の死角から突然障害物が現れた場合等は、予測スパンＴiを小さくすることによって反射的な回避行動を実現できると考えられる。
【００６１】
以上の実験結果に示すように、予測スパンＴiを変更することで、障害物との相対速度を考慮したロボットの異なる回避行動を生成でき、様々な状況に柔軟に対応して障害物を回避できることが判る。
【００６２】
以上に示すように、本実施形態のサービスロボット１１は、オムニホイール機構１３と、レーザレンジファインダ１４と、走行制御コントローラ１５と、を備える。オムニホイール機構１３は、自機を移動させる。レーザレンジファインダ１４は、障害物１６を検知可能に構成されている。走行制御コントローラ１５は、レーザレンジファインダ１４の検知結果に基づいてオムニホイール機構１３に走行指令を送信する。また、前記走行制御コントローラ１５は、目標位置記憶部５２と、障害物情報取得部５４と、走行指令送信部６４と、を備える。目標位置記憶部５２は、ロボット１１を移動させるべき目標位置ｘdを記憶可能である。障害物情報取得部５４は、レーザレンジファインダ１４からの信号に基づいて障害物１６の位置ｘoj及び速度ｖojを取得可能である。走行指令送信部６４は、目標位置ｘdへ向かう仮想引力Ｆxdと、前記障害物１６に関する仮想斥力ＦOと、を合成した仮想力ベクトルＦの方向及び大きさに基づいて、オムニホイール機構１３に走行指令を送信する。そして、前記仮想斥力ＦOは図４の式（７）に示すように、予測スパンＴiに相当する時間が経過した後のロボット１１及び障害物１６の予測位置から求めた予測最近傍距離ρTiと、ロボット１１と障害物１６との相対速度ｖr,ojと、ロボット１１と障害物１６との許容最小距離ρ0と、を考慮して、ポテンシャル法に基づいて計算される。
【００６３】
また、本実施形態のロボット１１においては、以下のステップを含む方法によって移動制御が行われている。即ち、第１ステップでは、レーザレンジファインダ１４からの信号に基づいて障害物１６の位置ｘoj及び速度ｖojを取得する。第２ステップでは、ロボット１１を移動させるべき目標位置ｘdへ向かう仮想引力Ｆxdと、前記障害物１６に関する仮想斥力ＦOと、を合成した仮想力ベクトルＦを求める。第３ステップでは、仮想力ベクトルＦの方向及び大きさに基づいて、オムニホイール機構１３に走行指令を送信する。そして、前記第２ステップにおいて、前記仮想斥力ＦOは、予測スパンＴiに相当する時間が経過した後のロボット１１及び障害物１６の予測位置から求めた予測最近傍距離ρTiと、ロボット１１と障害物１６との相対速度ｖr,ojと、ロボット１１と障害物１６との許容最小距離ρ0と、を考慮して、ポテンシャル法に基づいて計算される。
【００６４】
これにより、予測のスパンを状況に応じて設定することで、対処を要する緊急度が種々異なる様々な問題に柔軟かつ適切に対応可能な移動制御を実現することができる。また、仮想斥力ＦOを計算する際に許容最小距離ρ0を考慮することによって安全の余裕を見込んだ回避行動を生成することができるので、障害物への衝突の可能性を低減することができる。
【００６５】
また、本実施形態において前記仮想斥力ＦOは、図４の式（７）に示すように、ロボット１１と障害物１６との相対速度ｖr,ojと予測スパンＴiの積に前記許容最小距離ρ0を加算したものの逆数（１／（‖Ｔiｖr,oj‖＋ρ0））を用いて計算される。
【００６６】
これにより、相対速度ｖr,oj、予測スパンＴi、及び許容最小距離ρ0の何れをも考慮した仮想斥力ＦOを、簡単な計算で求めることができる。
【００６７】
また、本実施形態において前記仮想斥力ＦOを求めるための式（図４の式（７））には、ロボット１１及び障害物１６の前記予測位置から得られる両者間の予測最近傍距離ρTiの逆数（１／ρTi）から、前記相対速度ｖr,ojと前記予測スパンＴiの積に前記許容最小距離ρ0を加算したものの逆数（１／（‖Ｔiｖr,oj‖＋ρ0））を減算し、更に予測スパンＴiの逆数乗した項が含まれている（式（７）の破線によるアンダーライン部分を参照）。
【００６８】
これにより、予測スパンＴiが小さい場合は、許容最小距離ρ0に基づき生成される仮想斥力も増大することになる。従って、ロボット１１が障害物１６を検知してから短時間でしか予測できない場合には大きなマージンを確保すべく制御が行われるので、障害物１６への衝突を一層確実に回避することができる。
【００６９】
以上に本発明の好適な実施形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
【００７０】
レーザレンジファインダ１４に代えて、又はそれに加えて、ステレオカメラ、単眼カメラ、超音波センサ、赤外線センサ等をロボット１１に備え、これらによって障害物を検知する構成に変更することができる。
【００７１】
上記実施形態では、予測スパン記憶部５５で記憶された複数の予測スパンＴiから複数通りの仮想斥力を並列的に計算して速度指令を生成するように構成されている。しかしながらこの構成に代えて、複数の予測スパンＴiから周囲の状況に応じて適宜の値を１つ選択し、それに基づいて仮想斥力を計算して速度指令を生成するように変更することができる。また、周囲の状況に応じて予測スパンの値を（段階的でなく）連続的に変化させながら仮想斥力を計算するように変更することもできる。
【００７２】
ロボット１１を移動させるためのオムニホイール機構１３は、オムニホイール２１が４つのものに代えて、例えば６つ又は３つ配置される構成に変更することができる。また、オムニホイールによる走行部に代えて、例えば二足歩行を行う歩行部に変更することができる。
【００７３】
上記実施形態の制御はサービスロボット１１に限らず、例えば自走式搬送台車の自律的な移動制御に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の一実施形態に係るサービスロボットの全体的な構成を模式的に示した側面図。
【図２】オムニホイール機構を示す底面図。
【図３】ロボットの移動制御のための電気的構成を示すブロック図。
【図４】仮想ポテンシャル法による移動制御で用いられる数式を示す図。
【図５】ロボットの障害物に対する相対速度ｖr,ojを説明する図。
【図６】予測スパンＴiが経過した後のロボット及び障害物の予測位置と、予測最近傍距離ρTi及び許容最小距離ρ0の関係を説明する図。
【図７】本実施形態のロボットの障害物回避実験を説明する平面図。
【図８】障害物回避実験の結果を示す説明図。
【符号の説明】
【００７５】
１１  サービスロボット（自律移動体）
１３  オムニホイール機構（移動部）
１４  レーザレンジファインダ（検知部）
１５  走行制御コントローラ（移動制御部）
５２  目標位置記憶部
５４  障害物情報取得部
６４  走行指令送信部（移動指令送信部）
Ｆxd  仮想引力
ＦO  仮想斥力
Ｆ  仮想力ベクトル
Ｔi  予測スパン
ρ0  許容最小距離
ρTi  予測最近傍距離
【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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【図７】
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【図８】
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