(57)【要約】【課題】  重量およびエネルギー消費量の増加を抑制し、旋回時の駆動トルクを低減するのに好適な脚車輪型ロボットを提供する。【解決手段】  脚車輪型ロボット１００は、基体１０と、基体１０にヨー軸回りの自由度を有して連結された脚部１２と、脚部１２に回転可能に設けられた駆動輪２０と、ヨー軸回りの自由度の範囲で脚部１２を駆動するための動力を付与する関節モータ４０とを備え、障害物回避時における脚部１２の駆動制御および走行時における駆動輪２０の操舵制御を、関節モータ４０を共通に用いて行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、前記基体に対して少なくともヨー軸回りの自由度を有して連結された脚部と、前記脚部に回転可能に設けられた車輪と、前記ヨー軸回りの自由度の範囲で前記脚部を駆動するための動力を付与するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御手段とを備え、前記脚部の駆動および前記車輪の回転により移動する脚車輪型ロボットであって、
前記制御手段は、障害物回避時における前記脚部の駆動制御および走行時における前記車輪の操舵制御を、前記アクチュエータを共通に用いて行うことを特徴とする脚車輪型ロボット。
【請求項２】
基体と、前記基体に対してヨー軸回りの自由度およびピッチ軸またはロール軸回りの自由度を有して連結された脚部と、前記脚部に回転可能に設けられた車輪と、前記ヨー軸回りの自由度の範囲で前記脚部を駆動するための動力を付与する第１アクチュエータと、前記ピッチ軸またはロール軸回りの自由度の範囲で前記脚部を駆動するための動力を付与する第２アクチュエータと、前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータを制御する制御手段とを備え、前記脚部の駆動および前記車輪の回転により移動する脚車輪型ロボットであって、
前記制御手段は、障害物回避時における前記脚部の駆動制御を、前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータを用いて行うとともに、走行時における前記車輪の操舵制御を、前記第１アクチュエータを用いて行うことを特徴とする脚車輪型ロボット。
【請求項３】
請求項２において、
複数の前記脚部と、前記各脚部に回転可能に設けられた複数の前記車輪とを備え、
前記制御手段は、旋回時に、前記各車輪の接地点から構成される多角形と前記基体の重心の投影点との位置関係が一定となるように、前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータを制御することを特徴とする脚車輪型ロボット。
【請求項４】
請求項３において、
前記制御手段は、旋回時に、前記各車輪の接地点から構成される多角形の中心と前記基体の重心の投影点とが一致するように、前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータを制御することを特徴とする脚車輪型ロボット。
【請求項５】
請求項３および４のいずれか１項において、
前記制御手段は、旋回時に、前記車輪が、当該車輪が設けられた脚部のうち前記ヨー軸回りの自由度を有する部分の当該軸上に位置するように、前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータを制御することを特徴とする脚車輪型ロボット。
【請求項６】
請求項２ないし５のいずれか１項において、
前記制御手段は、前記基体を上下方向に変位させるときは、前記各車輪の接地点から構成される多角形と前記基体の重心の投影点との位置関係が一定となるように、前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータを制御することを特徴とする脚車輪型ロボット。
【請求項７】
請求項２ないし６のいずれか１項において、
前記制御手段は、前記基体の向きを一定方向に保ちながら、自脚車輪型ロボットの進行方向と、前記各車輪の進行方向とが一致するように、前記第１アクチュエータを制御することを特徴とする脚車輪型ロボット。
【請求項８】
請求項２ないし７のいずれか１項において、
前記基体に対して、複数の、前記脚部、前記車輪、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータから構成される脚車輪機構部を備え、
前記制御手段は、旋回時に、前記基体を所定の回転中心位置でヨー軸周りに自転運動させたときの前記各車輪の操舵時の回転中心の描く円弧軌道と前記操舵時の回転中心との接点位置における該回転中心の運動方向と、前記各車輪の進行方向とが一致するように、前記第１アクチュエータを制御することを特徴とする脚車輪型ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、段差を乗り越えて移動できる脚車輪型ロボットに係り、特に、重量およびエネルギー消費量の増加を抑制し、旋回時の駆動トルクを低減するのに好適な脚車輪型ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットの移動機構は、車輪型、クローラ型、脚型またはこれらを組み合わせた機構に分類される。一般に、車輪型ロボットは、平地での移動性は高いが、段差への適応性が低いという問題がある。また、クローラ型ロボットは、不整地に適し、多少の段差であれば乗り越えられるが、積極的な重心移動ができないために急な階段への適応性が低く、平地における移動性が車輪型ロボットより低いという問題があった。また、脚型ロボットは、階段への適応性が最も優れているが、平地での移動性が極端に低いという問題がある。
【０００３】
車輪型、クローラ型および脚型の問題を解決するため、脚型と車輪型を組み合わせた脚車輪型ロボットが提案されている。脚車輪型ロボットとしては、例えば、特許文献１記載の技術が知られている。
特許文献１には、サーボモータによって駆動される４本の脚部を自在に駆動しての歩行移動と、４本の脚部の内の後ろ側の２本の脚部に備えられた２つの駆動輪と、前側の２本の脚部に備えられた２つの従動輪とによる車輪移動と、さらに歩行移動と車輪移動を組み合わせたハイブリッド移動を行う脚式移動ロボット装置が開示されている（同文献［０１２３］および図３１（ａ））。
【０００４】
脚部を構成する各脚部ユニットは、上部リンクと下部リンクをアクチュエータによって駆動される第２連結部によって連結し、胴体部に対して上部リンクが第１連結部で連結している。また、前側の左脚部ユニットと右脚部ユニットの第１連結部と第２連結部との間には、従動輪をヨー軸回りに回転させるためのステアリング機構である回転部が設けられている。したがって、回転部のステアリング機構により前の左右脚部ユニットの下部が進む方向に向けられるので、脚式移動ロボット装置は左または右方向への回転、旋回が可能となる（同文献［０１２４］〜［０１２６］）。
【特許文献１】特開２００４−３４１６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、脚車輪型ロボットの走行時の操舵機構として、ヨー軸回りに回転する回転関節およびこれを回転駆動するための動力を付与するアクチュエータを脚先に設け、このアクチュエータを用いて操舵制御を行う機構が考えられる。
しかしながら、回転関節およびアクチュエータを脚先に設けるため、重量およびエネルギー消費量がともに増大する。
【０００６】
また、特許文献１記載の技術にあっても、走行時の操舵制御のために専用のステアリング機構が設けられているため、同様の問題があるとともに、単にステアリング機構を制御するのでは、旋回時の重心移動等によりステアリング機構の駆動トルクが大きくなるという問題もあった。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、重量およびエネルギー消費量の増加を抑制し、旋回時の駆動トルクを低減するのに好適な脚車輪型ロボットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
〔発明１〕  上記目的を達成するために、発明１の脚車輪型ロボットは、基体と、前記基体に対して少なくともヨー軸回りの自由度を有して連結された脚部と、前記脚部に回転可能に設けられた車輪と、前記ヨー軸回りの自由度の範囲で前記脚部を駆動するための動力を付与するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御手段とを備え、前記脚部の駆動および前記車輪の回転により移動する脚車輪型ロボットであって、前記制御手段は、障害物回避時における前記脚部の駆動制御および走行時における前記車輪の操舵制御を、前記アクチュエータを共通に用いて行う。
【０００８】
このような構成であれば、平地等の障害物が存在しないところでは、車輪走行で移動しながら、制御手段により、アクチュエータを用いて車輪の操舵制御が行われる。アクチュエータが駆動すると、脚部に動力が付与され、ヨー軸回りの自由度の範囲で脚部が駆動し、車輪の操舵が行われる。したがって、車輪型ロボットと同様に平地での移動性が高い。
また、段差等の障害物が存在するところでは、制御手段により、アクチュエータを用いて脚部の駆動制御が行われる。アクチュエータが駆動すると、脚部に動力が付与され、ヨー軸回りの自由度の範囲で脚部が駆動し、段差を乗り越えることができる。したがって、脚型ロボットと同様に段差への適応性が高い。
【０００９】
〔発明２〕  さらに、発明２の脚車輪型ロボットは、基体と、前記基体に対してヨー軸回りの自由度およびピッチ軸またはロール軸回りの自由度を有して連結された脚部と、前記脚部に回転可能に設けられた車輪と、前記ヨー軸回りの自由度の範囲で前記脚部を駆動するための動力を付与する第１アクチュエータと、前記ピッチ軸またはロール軸回りの自由度の範囲で前記脚部を駆動するための動力を付与する第２アクチュエータと、前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータを制御する制御手段とを備え、前記脚部の駆動および前記車輪の回転により移動する脚車輪型ロボットであって、前記制御手段は、障害物回避時における前記脚部の駆動制御を、前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータを用いて行うとともに、走行時における前記車輪の操舵制御を、前記第１アクチュエータを用いて行う。
【００１０】
このような構成であれば、平地等の障害物が存在しないところでは、車輪走行で移動しながら、制御手段により、第１アクチュエータを用いて車輪の操舵制御が行われる。アクチュエータが駆動すると、脚部に動力が付与され、ヨー軸回りの自由度の範囲で脚部が駆動し、車輪の操舵が行われる。したがって、車輪型ロボットと同様に平地での移動性が高い。
【００１１】
また、段差等の障害物が存在するところでは、制御手段により、第１アクチュエータおよび第２アクチュエータを用いて脚部の駆動制御が行われる。アクチュエータが駆動すると、脚部に動力が付与され、ヨー軸回りの自由度の範囲およびピッチ軸またはロール軸回りの自由度の範囲で脚部が駆動し、段差を乗り越えることができる。したがって、脚型ロボットと同様に段差への適応性が高い。
【００１２】
〔発明３〕  さらに、発明３の脚車輪型ロボットは、発明２の脚車輪型ロボットにおいて、複数の前記脚部と、前記各脚部に回転可能に設けられた複数の前記車輪とを備え、前記制御手段は、旋回時に、前記各車輪の接地点から構成される多角形と前記基体の重心の投影点との位置関係が一定となるように、前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータを制御する。
【００１３】
このような構成であれば、旋回時は、制御手段により、各車輪の接地点から構成される多角形と基体の重心の投影点との位置関係が一定となるように、第１アクチュエータおよび第２アクチュエータが制御される。
【００１４】
〔発明４〕  さらに、発明４の脚車輪型ロボットは、発明３の脚車輪型ロボットにおいて、前記制御手段は、旋回時に、前記各車輪の接地点から構成される多角形の中心と前記基体の重心の投影点とが一致するように、前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータを制御する。
このような構成であれば、旋回時は、制御手段により、各車輪の接地点から構成される多角形の中心と基体の重心の投影点とが一致するように、第１アクチュエータおよび第２アクチュエータが制御される。
【００１５】
〔発明５〕  さらに、発明５の脚車輪型ロボットは、発明３および４のいずれか１の脚車輪型ロボットにおいて、前記制御手段は、旋回時に、前記車輪が、当該車輪が設けられた脚部のうち前記ヨー軸回りの自由度を有する部分の当該軸上に位置するように、前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータを制御する。
このような構成であれば、旋回時は、制御手段により、車輪が、その車輪が設けられた脚部のうちヨー軸回りの自由度を有する部分のその軸上に位置するように、第１アクチュエータおよび第２アクチュエータが制御される。
【００１６】
〔発明６〕  さらに、発明６の脚車輪型ロボットは、発明２ないし５のいずれか１の脚車輪型ロボットにおいて、前記制御手段は、前記基体を上下方向に変位させるときは、前記各車輪の接地点から構成される多角形と前記基体の重心の投影点との位置関係が一定となるように、前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータを制御する。
このような構成であれば、基体を上下方向に変位させるときは、制御手段により、各車輪の接地点から構成される多角形と基体の重心の投影点との位置関係が一定となるように、第１アクチュエータおよび第２アクチュエータが制御される。
【００１７】
〔発明７〕  さらに、発明７の脚車輪型ロボットは、発明２ないし６のいずれか１の脚車輪型ロボットにおいて、前記制御手段は、前記基体の向きを一定方向に保ちながら、自脚車輪型ロボットの進行方向と、前記各車輪の進行方向とが一致するように、前記第１アクチュエータを制御する。
このような構成であれば、自脚車輪型ロボットの移動時において、脚車輪型ロボットの基体の向きを一定方向に保ちながら、自脚車輪型ロボットの進行方向と各車輪の進行方向とが一致するように第１アクチュエータが制御される。
【００１８】
〔発明８〕  さらに、発明８の脚車輪型ロボットは、発明２ないし７のいずれか１の脚車輪型ロボットにおいて、前記基体に対して、複数の、前記脚部、前記車輪、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータから構成される脚車輪機構部を備え、前記制御手段は、旋回時に、前記基体を所定の回転中心位置でヨー軸周りに自転運動させたときの前記各車輪の操舵時の回転中心の描く円弧軌道と前記操舵時の回転中心との接点位置における該回転中心の運動方向と、前記各車輪の進行方向とが一致するように、前記第１アクチュエータを制御する。
このような構成であれば、旋回時は、制御手段により、基体をヨー軸（垂直軸）周りに自転運動させたときの各車輪の操舵時の回転中心の描く円弧軌道と操舵時の回転中心との接点位置における該回転中心の運動方向と、各車輪の進行方向とが一致するように、第１アクチュエータが制御される。
【００１９】
〔発明９〕  一方、上記目的を達成するために、発明９の物体認識装置は、物体上の面または面の境界を認識する物体認識装置であって、物体上の測定点までの距離を測定する測距センサと、前記測距センサを走査する走査手段と、前記走査手段の走査範囲で測定可能な前記測定点について前記測距センサの測定結果を取得する測定結果取得手段と、前記測定結果取得手段で取得した測定結果を直交座標系の座標に変換する座標変換手段と、前記座標変換手段で変換された少なくとも２つの前記測定点の座標に基づいてハフ変換により前記直交座標系における線分を検出する線分検出手段と、前記線分検出手段で検出した線分に基づいて物体上の面または面の境界を認識する認識手段とを備える。
【００２０】
このような構成であれば、走査手段により、測距センサが走査可能となる。したがって、物体の少なくとも平面的な形状を把握することができる。そして、測定結果取得手段により、走査手段の走査範囲で測定可能な測定点について測距センサの測定結果が取得され、座標変換手段により、取得された測定結果が直交座標系の座標に変換される。
次いで、線分検出手段により、変換された少なくとも２つの測定点の座標に基づいてハフ変換により直交座標系における線分が検出される。
【００２１】
複数の測定点に基づいて線分を検出する他の方法として、最小二乗法が知られている。
しかしながら、最小二乗法では、１つ１つの測定点を辿って線分を検出するため、測定解像度が低い領域では、物体上の面とは沿わない線分を検出してしまうことがある。これに対し、ハフ変換では、測定解像度の影響を受けにくく、測定解像度が低い領域を含んでいても、物体上の面に比較的沿った線分を検出することができる。
【００２２】
また、最小二乗法では、１つ１つの測定点を辿って線分を検出するため、測定面の光沢等の影響により測定結果にばらつきが生じたときは、ばらつきが生じた測定点およびその近傍領域（以下、誤差領域という。）について、実際は平坦な線分であるところ斜めの線分として検出してしまう。これに対し、ハフ変換では、ばらつきの影響を受けにくく、ばらつきの数が少なければ、誤差領域およびその両側の領域を平坦な線分として検出することができる。
【００２３】
また、最小二乗法では、どこからどこまでの領域を１つの連続面であるかを認識するかについて問題がある。この場合、例えば、検出した線分の傾きが急激に変化した箇所を連続面の境界として認識することが考えられるが、この認識方法では、誤差領域について、実際は誤差領域およびその両側の領域が１つの連続面であるところ両側の領域を別々の連続面として認識してしまう。これに対し、ハフ変換では、ばらつきの影響を受けにくく、ばらつきの数が少なければ、誤差領域およびその両側の領域を１つの平坦な線分として検出することができる。
【００２４】
ハフ変換により線分が検出されると、認識手段により、検出された線分に基づいて物体上の面または面の境界が認識される。したがって、脚型ロボットや脚車輪型ロボットのように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御に好適な認識結果を得ることができる。
ここで、走査手段は、測距センサを走査するものであればどのような構成であってもよく、例えば、測定点の軌跡が線をなすように測距センサを１次元に走査してもよいし、測定点の軌跡が面をなすように測距センサを２次元に走査してもよい。前者の場合は、物体の平面的な形状を、後者の場合は、物体の立体的な形状を把握することができる。以下、発明１０および１５の物体認識装置において同じである。
【００２５】
また、走査手段としては、例えば、次の構成を採用することができる。
（１）回転機構
前記測距センサの測定方向に対して所定角度をなす少なくとも１つの走査軸の回りに前記測距センサを回転させる回転手段からなる構成である。
（２）移動機構
前記測距センサの測定方向とは異なる少なくとも１つの走査方向に前記測距センサを移動させる移動手段からなる構成である。なお、移動手段は、前記走査方向に延長する経路を含む経路に沿って前記測距センサを移動させてもよい。以下、発明１０および１５の物体認識装置において同じである。
【００２６】
〔発明１０〕  さらに、発明１０の物体認識装置は、物体上の面または面の境界を認識する物体認識装置であって、物体上の測定点までの距離を測定する測距センサと、前記測距センサを走査する走査手段と、前記走査手段の走査範囲で測定可能な前記測定点について前記測距センサの測定結果を取得する測定結果取得手段と、前記測定結果取得手段で取得した測定結果を直交座標系の座標に変換する座標変換手段と、前記座標変換手段で変換された前記測定点間を線で補間する測定点間補間手段と、前記測定点間補間手段で得られた線上の点の座標に基づいてハフ変換により前記直交座標系における線分を検出する線分検出手段と、前記線分検出手段で検出した線分に基づいて物体上の面または面の境界を認識する認識手段とを備える。
【００２７】
このような構成であれば、走査手段により、測距センサが走査可能となる。したがって、物体の少なくとも平面的な形状を把握することができる。そして、測定結果取得手段により、走査手段の走査範囲で測定可能な測定点について測距センサの測定結果が取得され、座標変換手段により、取得された測定結果が直交座標系の座標に変換される。
次いで、測定点間補間手段により、変換された測定点間が線で補間され、線分検出手段により、得られた線上の点の座標に基づいてハフ変換により直交座標系における線分が検出される。
【００２８】
複数の測定点に基づいて線分を検出する他の方法として、最小二乗法が知られている。
しかしながら、最小二乗法では、１つ１つの測定点を辿って線分を検出するため、測定解像度が低い領域では、物体上の面とは沿わない線分を検出してしまうことがある。これに対し、ハフ変換では、測定解像度の影響を受けにくく、測定解像度が低い領域を含んでいても、物体上の面に比較的沿った線分を検出することができる。
【００２９】
また、最小二乗法では、１つ１つの測定点を辿って線分を検出するため、測定面の光沢等の影響により測定結果にばらつきが生じたときは、誤差領域について、実際は平坦な線分であるところ斜めの線分として検出してしまう。これに対し、ハフ変換では、ばらつきの影響を受けにくく、ばらつきの数が少なければ、誤差領域およびその両側の領域を平坦な線分として検出することができる。
【００３０】
また、最小二乗法では、どこからどこまでの領域を１つの連続面であるかを認識するかについて問題がある。この場合、例えば、検出した線分の傾きが急激に変化した箇所を連続面の境界として認識することが考えられるが、この認識方法では、誤差領域について、実際は誤差領域およびその両側の領域が１つの連続面であるところ両側の領域を別々の連続面として認識してしまう。これに対し、ハフ変換では、ばらつきの影響を受けにくく、ばらつきの数が少なければ、誤差領域およびその両側の領域を１つの平坦な線分として検出することができる。
【００３１】
ハフ変換により線分が検出されると、認識手段により、検出された線分に基づいて物体上の面または面の境界が認識される。したがって、脚型ロボットや脚車輪型ロボットのように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御に好適な認識結果を得ることができる。
ここで、補間には、測定点間を線で接続することのほか、測定点間を線で近似することが含まれ、必ずしも、測定点が線上に位置しなくてもよいし、隣接する測定点同士を対象としなくてもよい。以下、発明１７の物体認識装置、および発明２６の物体認識方法において同じである。
また、線には、直線、線分、多次曲線その他の曲線が含まれる。以下、発明１７の物体認識装置、および発明２６の物体認識方法において同じである。
【００３２】
〔発明１１〕  さらに、発明１１の物体認識装置は、発明９および１０のいずれか１の物体認識装置において、前記認識手段は、前記線分検出手段で検出した線分の端点の座標に基づいて物体上の面の境界を認識する。
このような構成であれば、認識手段により、検出された線分の端点の座標に基づいて物体上の面の境界が認識される。
【００３３】
〔発明１２〕  さらに、発明１２の物体認識装置は、発明９ないし１１のいずれか１の物体認識装置において、前記走査手段は、前記測距センサの測定方向とは異なる第１走査方向に前記測距センサを走査する第１走査手段と、前記測定方向および前記第１走査方向とは異なる第２走査方向に前記測距センサを走査する第２走査手段とからなり、前記測定結果取得手段は、前記第１走査手段および前記第２走査手段の走査範囲で測定可能な前記測定点について前記測距センサの測定結果を取得する。
【００３４】
このような構成であれば、第１走査手段により、第１走査方向に測距センサが、第２走査手段により、第２走査方向に測距センサがそれぞれ走査可能となる。したがって、物体の立体的な形状を把握することができる。そして、測定結果取得手段により、第１走査手段および第２走査手段の走査範囲で測定可能な測定点について測距センサの測定結果が取得される。
【００３５】
ここで、第１走査手段および第２走査手段としては、例えば、次の構成を採用することができる。
（１）回転機構
前記測距センサの測定方向に対して所定角度をなす第１走査軸の回りに前記測距センサを回転させる第１回転手段と、前記測定方向および前記第１走査軸に対して所定角度をなす第２走査軸の回りに前記測距センサを回転させる第２回転手段とからなる構成である。
（２）移動機構
前記測距センサの測定方向とは異なる第１走査方向に前記測距センサを移動させる第１移動手段と、前記測定方向および前記第１走査方向とは異なる第２走査方向に前記測距センサを移動させる第２移動手段とからなる構成である。なお、第１移動手段は、前記第１走査方向に延長する経路を含む第１経路に沿って前記測距センサを移動させてもよいし、第２移動手段は、前記第２走査方向に延長する経路を含む第２経路に沿って前記測距センサを移動させてもよい。以下、（３）、（４）においても同様である。
（３）回転機構と移動機構の組み合わせ
前記測距センサの測定方向に対して所定角度をなす走査軸の回りに前記測距センサを回転させる回転手段と、前記走査軸の軸方向とは異なる走査方向に前記測距センサを移動させる移動手段とからなる構成である。
（４）移動機構と回転機構の組み合わせ
前記測距センサの測定方向とは異なる走査方向に前記測距センサを移動させる移動手段と、前記走査方向に対して所定角度をなす走査軸の回りに前記測距センサを回転させる回転手段とからなる構成である。以下、発明１９の物体認識装置において同じである。
【００３６】
〔発明１３〕  さらに、発明１３の物体認識装置は、発明１２の物体認識装置において、前記認識手段は、前記線分検出手段で検出した線分の端点の座標に基づいて物体上の面を認識する。
このような構成であれば、認識手段により、検出された線分の端点の座標に基づいて物体上の面が認識される。
【００３７】
〔発明１４〕  さらに、発明１４の物体認識装置は、発明１２および１３のいずれか１の物体認識装置において、前記第１走査手段は、前記測定方向に対して所定角度をなす第１走査軸の回りに前記測距センサを回転させる第１回転手段であり、前記第２走査手段は、前記測定方向および前記第１走査軸に対して所定角度をなす第２走査軸の回りに前記測距センサを回転させる第２回転手段であり、前記測定結果取得手段は、前記第１回転手段により前記測距センサを回転させながら前記第１回転手段の所定単位角度ごとに前記測距センサの測定結果を取得する第１走査を、前記第２回転手段により前記測距センサを回転させながら前記第２回転手段の所定単位角度ごとに行う第２走査を行うことにより、前記第１回転手段の所定単位角度ごとおよび前記第２回転手段の所定単位角度ごとの前記測定結果を取得する。
【００３８】
このような構成であれば、第１回転手段により、第１走査軸の回りに測距センサが、第２回転手段により、第２走査軸の回りに測距センサがそれぞれ回転可能となる。したがって、物体の立体的な形状を把握することができる。そして、測定結果取得手段により、第２走査が行われることにより第１回転手段の所定単位角度ごとおよび第２回転手段の所定単位角度ごとの測定結果が取得される。第２走査では、第２回転手段により測距センサを回転させながら第２回転手段の所定単位角度ごとに第１走査が行われる。第１走査では、第１回転手段により測距センサを回転させながら第１回転手段の所定単位角度ごとに測定結果が取得される。
【００３９】
〔発明１５〕  さらに、発明１５の物体認識装置は、物体上の面または面の境界を認識する物体認識装置であって、物体上の測定点までの距離を測定する測距センサと、前記測距センサを走査する走査手段と、前記走査手段の走査範囲で測定可能な前記測定点について前記測距センサの測定結果を取得する測定結果取得手段と、前記測定結果取得手段で取得した測定結果に基づいて物体上の特徴を検出する第１特徴検出手段と、前記走査手段の走査範囲で測定可能な前記測定点を含む画像を撮影する撮像手段と、前記撮像手段で撮影した画像に基づいて物体上の特徴を検出する第２特徴検出手段と、前記第１特徴検出手段および前記第２特徴検出手段の検出結果に基づいて物体上の面または面の境界を認識する認識手段とを備える。
【００４０】
このような構成であれば、走査手段により、測距センサが走査可能となる。したがって、物体の少なくとも平面的な形状を把握することができる。そして、測定結果取得手段により、走査手段の走査範囲で測定可能な測定点について測距センサの測定結果が取得され、第１特徴検出手段により、取得された測定結果に基づいて物体上の特徴が検出される。
また、撮像手段により、走査手段の走査範囲で測定可能な測定点を含む画像が撮影され、第２特徴検出手段により、撮影された画像に基づいて物体上の特徴が検出される。
【００４１】
そして、認識手段により、第１特徴検出手段および第２特徴検出手段の検出結果に基づいて物体上の面または面の境界が認識される。
ここで、物体上の特徴としては、例えば、物体上の特徴を示す点、直線、線分、多次曲線、円、楕円その他の曲線、平面、曲面その他の面、立方体、球体その他の立体的特徴が含まれる。以下、発明２７の物体認識方法において同じである。
【００４２】
〔発明１６〕  さらに、発明１６の物体認識装置は、発明１５の物体認識装置において、前記第１特徴検出手段は、前記測定結果取得手段で取得した測定結果を直交座標系の座標に変換する座標変換手段と、前記座標変換手段で変換された少なくとも２つの前記測定点の座標に基づいてハフ変換により前記直交座標系における線分を検出する線分検出手段とを有し、前記認識手段は、前記線分検出手段で検出した線分および前記第２特徴検出手段の検出結果に基づいて物体上の面または面の境界を認識する。
【００４３】
このような構成であれば、座標変換手段により、取得された測定結果が直交座標系の座標に変換される。
そして、線分検出手段により、変換された少なくとも２つの測定点の座標に基づいてハフ変換により直交座標系における線分が検出される。
複数の測定点に基づいて線分を検出する他の方法として、最小二乗法が知られている。
【００４４】
しかしながら、最小二乗法では、１つ１つの測定点を辿って線分を検出するため、測定解像度が低い領域では、物体上の面とは沿わない線分を検出してしまうことがある。これに対し、ハフ変換では、測定解像度の影響を受けにくく、測定解像度が低い領域を含んでいても、物体上の面に比較的沿った線分を検出することができる。
また、最小二乗法では、１つ１つの測定点を辿って線分を検出するため、測定面の光沢等の影響により測定結果にばらつきが生じたときは、誤差領域について、実際は平坦な線分であるところ斜めの線分として検出してしまう。これに対し、ハフ変換では、ばらつきの影響を受けにくく、ばらつきの数が少なければ、誤差領域およびその両側の領域を平坦な線分として検出することができる。
【００４５】
また、最小二乗法では、どこからどこまでの領域を１つの連続面であるかを認識するかについて問題がある。この場合、例えば、検出した線分の傾きが急激に変化した箇所を連続面の境界として認識することが考えられるが、この認識方法では、誤差領域について、実際は誤差領域およびその両側の領域が１つの連続面であるところ両側の領域を別々の連続面として認識してしまう。これに対し、ハフ変換では、ばらつきの影響を受けにくく、ばらつきの数が少なければ、誤差領域およびその両側の領域を１つの平坦な線分として検出することができる。
【００４６】
ハフ変換により線分が検出されると、認識手段により、検出された線分および第２特徴検出手段の検出結果に基づいて物体上の面または面の境界が認識される。したがって、非特許文献１の技術が、複雑な姿勢制御を必要としないクローラ型ロボットの移動制御のための簡易なマップ情報しか生成できないのに対して、本発明は、物体上の面または面の境界として物体の少なくとも平面的な形状を把握することができるので、脚型ロボットや脚車輪型ロボットのように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御に好適な認識結果を得ることができる。
【００４７】
〔発明１７〕  さらに、発明１７の物体認識装置は、発明１５の物体認識装置において、前記第１特徴検出手段は、前記測定結果取得手段で取得した測定結果を直交座標系の座標に変換する座標変換手段と、前記座標変換手段で変換された前記測定点間を線で補間する測定点間補間手段と、前記測定点間補間手段で得られた線上の点の座標に基づいてハフ変換により前記直交座標系における線分を検出する線分検出手段とを有し、前記認識手段は、前記線分検出手段で検出した線分および前記第２特徴検出手段の検出結果に基づいて物体上の面または面の境界を認識する。
【００４８】
このような構成であれば、座標変換手段により、取得された測定結果が直交座標系の座標に変換され、測定点間補間手段により、変換された測定点間が線で補間される。
そして、線分検出手段により、得られた線上の点の座標に基づいてハフ変換により直交座標系における線分が検出される。なお、最小二乗法に対しては上記同様の優位点がある。
【００４９】
ハフ変換により線分が検出されると、認識手段により、検出された線分および第２特徴検出手段の検出結果に基づいて物体上の面または面の境界が認識される。したがって、上記同様に、脚型ロボットや脚車輪型ロボットのように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御に好適な認識結果を得ることができる。
【００５０】
〔発明１８〕  さらに、発明１８の物体認識装置は、発明１５の物体認識装置において、前記第１特徴検出手段は、前記測定結果取得手段で取得した測定結果を直交座標系の座標に変換する座標変換手段と、前記座標変換手段で変換された各測定点ごとに、当該測定点の座標およびその周辺の測定点の座標に基づいて前記直交座標系における当該測定点での傾きを算出する傾き算出手段と、前記傾き算出手段で算出した傾きの総数に対する各傾きの出現頻度を算出する出現頻度算出手段とを有し、前記認識手段は、前記出現頻度算出手段で算出した出現頻度および前記変換された各測定点の座標、並びに前記第２特徴検出手段の検出結果に基づいて物体上の面または面の境界を認識する。
【００５１】
このような構成であれば、座標変換手段により、取得された測定結果が直交座標系の座標に変換され、傾き算出手段により、変換された各測定点ごとに、その測定点の座標およびその周辺の測定点の座標に基づいて直交座標系におけるその測定点での傾きが算出され、出現頻度算出手段により、算出された傾きの総数に対する各傾きの出現頻度が算出される。
【００５２】
各傾きの出現頻度が算出されると、認識手段により、算出された出現頻度および変換された各測定点の座標、並びに第２特徴検出手段の検出結果に基づいて物体上の面または面の境界が認識される。したがって、上記同様に、脚型ロボットや脚車輪型ロボットのように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御に好適な認識結果を得ることができる。
【００５３】
ここで、傾き算出手段は、例えば、複数の測定点に対する回帰直線を公知の最小二乗法で近似し、回帰直線から傾きを算出したり、直交座標系において、一の軸方向に連続する複数の測定点のうち両端２つの測定点の座標の差分値と、他の軸方向に連続する複数の測定点のうち両端２つの測定点の座標の差分値とを用いて傾きを算出したりすることができる。
【００５４】
〔発明１９〕  さらに、発明１９の物体認識装置は、発明１５ないし１８のいずれか１の物体認識装置において、前記走査手段は、前記測距センサの測定方向とは異なる第１走査方向に前記測距センサを走査する第１走査手段と、前記測定方向および前記第１走査方向とは異なる第２走査方向に前記測距センサを走査する第２走査手段とからなり、前記測定結果取得手段は、前記第１走査手段および前記第２走査手段の走査範囲で測定可能な前記測定点について前記測距センサの測定結果を取得する。
【００５５】
このような構成であれば、第１走査手段により、第１走査方向に測距センサが、第２走査手段により、第２走査方向に測距センサがそれぞれ走査可能となる。したがって、物体の立体的な形状を把握することができる。そして、測定結果取得手段により、第１走査手段および第２走査手段の走査範囲で測定可能な測定点について測距センサの測定結果が取得される。
【００５６】
〔発明２０〕  さらに、発明２０の物体認識装置は、発明１９の物体認識装置において、前記第１走査手段は、前記測定方向に対して所定角度をなす第１走査軸の回りに前記測距センサを回転させる第１回転手段であり、前記第２走査手段は、前記測定方向および前記第１走査軸に対して所定角度をなす第２走査軸の回りに前記測距センサを回転させる第２回転手段であり、前記測定結果取得手段は、前記第１回転手段により前記測距センサを回転させながら前記第１回転手段の所定単位角度ごとに前記測距センサの測定結果を取得する第１走査を、前記第２回転手段により前記測距センサを回転させながら前記第２回転手段の所定単位角度ごとに行う第２走査を行うことにより、前記第１回転手段の所定単位角度ごとおよび前記第２回転手段の所定単位角度ごとの前記測定結果を取得する。
【００５７】
このような構成であれば、第１回転手段により、第１走査軸の回りに測距センサが、第２回転手段により、第２走査軸の回りに測距センサがそれぞれ回転可能となる。したがって、物体の立体的な形状を把握することができる。そして、測定結果取得手段により、第２走査が行われることにより第１回転手段の所定単位角度ごとおよび第２回転手段の所定単位角度ごとの測定結果が取得される。第２走査では、第２回転手段により測距センサを回転させながら第２回転手段の所定単位角度ごとに第１走査が行われる。第１走査では、第１回転手段により測距センサを回転させながら第１回転手段の所定単位角度ごとに測定結果が取得される。
【００５８】
〔発明２１〕  さらに、発明２１の物体認識装置は、発明１５ないし１８のいずれか１の物体認識装置において、複数の前記測距センサおよび前記走査手段を備え、前記各走査手段は、当該走査手段に対応する前記測距センサを、前記測距センサの測定方向とは異なる第１走査方向に走査し、前記各測距センサは、前記測定方向および前記第１走査方向とは異なる第２走査方向に配置されている。
【００５９】
このような構成であれば、各走査手段により、第２走査方向に配置された各測距センサが第１走査方向にそれぞれ走査可能となる。したがって、物体の立体的な形状を把握することができる。そして、測定結果取得手段により、走査手段の走査範囲で測定可能な測定点について各測距センサの測定結果が取得される。
【００６０】
〔発明２２〕  さらに、発明２２の物体認識装置は、発明１５ないし２１のいずれか１の物体認識装置において、前記第１特徴検出手段は、前記測定結果取得手段で取得した測定結果に基づいて物体上の特徴点を検出し、前記第２特徴検出手段は、前記撮像手段で撮影した画像から線分を検出する画像線分検出手段を有し、前記認識手段は、前記撮像手段を基準とする座標系において、前記画像線分検出手段で検出した線分と、前記第１特徴検出手段で検出した特徴点との位置関係に基づいて物体上の面または面の境界を認識する。
【００６１】
このような構成であれば、第１特徴検出手段により、取得された測定結果に基づいて物体上の特徴点が検出され、画像線分検出手段により、撮影された画像から線分が検出される。
そして、認識手段により、撮像手段を基準とする座標系において、検出された線分と、検出された特徴点との位置関係に基づいて物体上の面または面の境界が認識される。
【００６２】
〔発明２３〕  さらに、発明２３の物体認識装置は、発明２２の物体認識装置において、前記認識手段は、前記画像線分検出手段で検出した各線分ごとに、当該線分と、当該線分を延長した直線から所定距離内に存在する前記特徴点とを対応付け、同一の前記特徴点が対応付けられた前記線分をグループ化し、同一グループに属する前記線分の端点の座標に基づいて物体上の面または面の境界を認識する。
【００６３】
このような構成であれば、認識手段により、検出された各線分ごとに、その線分と、その線分を延長した直線から所定距離内に存在する特徴点とが対応付けられ、同一の特徴点が対応付けられた線分がグループ化され、同一グループに属する線分の端点の座標に基づいて物体上の面または面の境界が認識される。
【００６４】
〔発明２４〕  さらに、発明２４の物体認識装置は、発明２２および２３のいずれか１の物体認識装置において、前記測距センサを基準とする直交座標系における所定の２軸からなる平面と、前記撮像手段を基準とする直交座標系における所定の２軸からなる平面とが平行となるように前記測距センサおよび前記撮像手段を配置した。
【００６５】
〔発明２５〕  一方、上記目的を達成するために、発明２５の物体認識方法は、物体上の測定点までの距離を測定する測距センサを用いて物体上の面または面の境界を認識する物体認識方法であって、前記測距センサを走査する走査ステップと、前記走査ステップの走査範囲で測定可能な前記測定点について前記測距センサの測定結果を取得する測定結果取得ステップと、前記測定結果取得ステップで取得した測定結果を直交座標系の座標に変換する座標変換ステップと、前記座標変換ステップで変換された少なくとも２つの前記測定点の座標に基づいてハフ変換により前記直交座標系における線分を検出する線分検出ステップと、前記線分検出ステップで検出した線分に基づいて物体上の面または面の境界を認識する認識ステップとを含む。
【００６６】
ここで、走査ステップは、測距センサを走査するものであればどのような方法であってもよく、例えば、測定点の軌跡が線をなすように測距センサを１次元に走査してもよいし、測定点の軌跡が面をなすように測距センサを２次元に走査してもよい。前者の場合は、物体の平面的な形状を、後者の場合は、物体の立体的な形状を把握することができる。以下、発明２６および２７の物体認識方法において同じである。
【００６７】
〔発明２６〕  さらに、発明２６の物体認識方法は、物体上の測定点までの距離を測定する測距センサを用いて物体上の面または面の境界を認識する物体認識方法であって、前記測距センサを走査する走査ステップと、前記走査ステップの走査範囲で測定可能な前記測定点について前記測距センサの測定結果を取得する測定結果取得ステップと、前記測定結果取得ステップで取得した測定結果を直交座標系の座標に変換する座標変換ステップと、前記座標変換ステップで変換された前記測定点間を線で補間する測定点間補間ステップと、前記測定点間補間ステップで得られた線上の点の座標に基づいてハフ変換により前記直交座標系における線分を検出する線分検出ステップと、前記線分検出ステップで検出した線分に基づいて物体上の面または面の境界を認識する認識ステップとを含む。
【００６８】
〔発明２７〕  さらに、発明２７の物体認識方法は、物体上の測定点までの距離を測定する測距センサを用いて物体上の面または面の境界を認識する物体認識方法であって、前記測距センサを走査する走査ステップと、前記走査ステップの走査範囲で測定可能な前記測定点について前記測距センサの測定結果を取得する測定結果取得ステップと、前記測定結果取得ステップで取得した測定結果に基づいて物体上の特徴を検出する第１特徴検出ステップと、前記走査ステップの走査範囲で測定可能な前記測定点を含む画像を撮影する撮像ステップと、前記撮像ステップで撮影した画像に基づいて物体上の特徴を検出する第２特徴検出ステップと、前記第１特徴検出ステップおよび前記第２特徴検出ステップの検出結果に基づいて物体上の面または面の境界を認識する認識ステップとを含む。
【発明の効果】
【００６９】
以上説明したように、発明１の脚車輪型ロボットによれば、障害物回避時における脚部の駆動制御および走行時における車輪の操舵制御を、アクチュエータを共通に用いて行うので、走行時の操舵制御のために専用のアクチュエータを脚部に設けなくてすみ、従来に比して、重量およびエネルギー消費量の増加を抑制することができるという効果が得られる。
【００７０】
さらに、発明２の脚車輪型ロボットによれば、障害物回避時における脚部の駆動制御および走行時における車輪の操舵制御を、第１アクチュエータを共通に用いて行うので、走行時の操舵制御のために専用のアクチュエータを脚部に設けなくてすみ、従来に比して、重量およびエネルギー消費量の増加を抑制することができるという効果が得られる。
さらに、発明３または４の脚車輪型ロボットによれば、旋回時に、各車輪の接地点から構成される多角形と基体の重心の投影点との位置関係が一定となるように、または各車輪の接地点から構成される多角形の中心と基体の重心の投影点とが一致するように制御されるので、多角形の十分中心近くに重心の投影点をもってくることで転倒の不安が軽減できるという効果が得られる。
【００７１】
さらに、発明５の脚車輪型ロボットによれば、旋回時に、各車輪の接地点と回転関節との長さは０であるので、第１アクチュエータの駆動トルクを低減することができるという効果が得られる。
さらに、発明６の脚車輪型ロボットによれば、各車輪の接地点から構成される多角形と基体の重心の投影点との位置関係を維持しながら基体を上下させることができるので、車高が制限される天井が低いエリアでも、これまでの効果を損なうことなく、活動が可能となるという効果が得られる。
【００７２】
さらに、発明７の脚車輪型ロボットによれば、脚車輪型ロボットを、その向きとは関係なく自由な方向へと移動させることができるので、各方向への素早い移動を実現できると共に、例えば、脚車輪型ロボットの各構成部が妨げとなって旋回できないような狭くて入り組んだエリアなど、脚車輪型ロボットの向きを変更することが困難なエリアにおいても活動が可能となるという効果が得られる。
【００７３】
さらに、発明８の脚車輪型ロボットによれば、旋回時に、脚車輪型ロボットの基体を所定の回転中心位置でヨー軸周りに自転運動させたときの各車輪の操舵時の回転中心の描く円弧軌道と操舵時の回転中心との接点における該回転中心の運動方向と、各車輪の進行方向とを一致させることができるので、脚車輪型ロボットを、所定の旋回中心位置で前後移動させずに旋回（クローラなどによる超信地旋回と同等の旋回）をさせることができるという効果が得られる。また、基体の中心位置を、自転させる時の回転中心位置とすることで、最小の旋回半径で脚車輪型ロボットを旋回させることが可能である。
【００７４】
一方、発明９、１０、１６または１７の物体認識装置によれば、物体上の面または面の境界として物体の少なくとも平面的な形状を把握することができるので、脚型ロボットや脚車輪型ロボットのように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御に好適な認識結果を得ることができるという効果が得られる。また、ハフ変換により線分を検出するので、測距センサを用いた２次元距離測定装置により物体認識を行う場合に、測定解像度の低下または測定結果のばらつきにより認識精度が低下する可能性を低減することができるという効果も得られる。
【００７５】
さらに、発明１０または１７の物体認識装置によれば、測定点間を線で補間して得られた線上の点の座標に基づいて線分を検出するので、測定解像度の低下または測定結果のばらつきが生じても比較的正確な認識結果を得ることができ、認識精度が低下する可能性をさらに低減することができるという効果も得られる。
さらに、発明１１の物体認識装置によれば、物体上の面の境界を比較的正確に認識することができるという効果が得られる。
【００７６】
さらに、発明１２の物体認識装置によれば、物体上の面または面の境界として物体の立体的な形状を把握することができるので、脚型ロボットや脚車輪型ロボットのように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御にさらに好適な認識結果を得ることができるという効果が得られる。
さらに、発明１３の物体認識装置によれば、物体上の面を比較的正確に認識することができるという効果が得られる。
【００７７】
さらに、発明１４の物体認識装置によれば、測距センサを回転させる回転機構を採用したので、移動機構に比して、走査に必要なスペースが小さくてすみ、走査のための機構が簡素となり、しかも高速な走査を実現することができるという効果が得られる。
さらに、発明１５の物体認識装置によれば、測距センサのほか、これとは異なる方式の撮像手段を用いて物体上の特徴をそれぞれ検出し、それら２つの検出結果に基づいて物体上の面または面の境界を認識するので、測距センサによる方式の短所を撮像手段による方式で補うことができ、測距センサを用いた２次元距離測定装置により物体認識を行う場合に、認識精度が低下する可能性を低減することができるという効果が得られる。また、走査手段の走査回数を増やさなくてすむので、測定時間を短縮することができるという効果も得られる。
【００７８】
さらに、発明１８の物体認識装置によれば、物体上の面または面の境界として物体の少なくとも平面的な形状を把握することができるので、脚型ロボットや脚車輪型ロボットのように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御に好適な認識結果を得ることができるという効果が得られる。また、測定点での傾きの出現頻度および各測定点の座標に基づいて物体上の面または面の境界を認識するので、測距センサを用いた２次元距離測定装置により物体認識を行う場合に、認識精度が低下する可能性をさらに低減することができるという効果も得られる。
【００７９】
さらに、発明１９または２１の物体認識装置によれば、物体上の面または面の境界として物体の立体的な形状を把握することができるので、脚型ロボットや脚車輪型ロボットのように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御にさらに好適な認識結果を得ることができるという効果が得られる。
さらに、発明２０の物体認識装置によれば、測距センサを回転させる回転機構を採用したので、移動機構に比して、走査に必要なスペースが小さくてすみ、走査のための機構が簡素となり、しかも高速な走査を実現することができるという効果が得られる。
【００８０】
さらに、発明２２の物体認識装置によれば、画像から検出された線分と、測距センサの測定結果から検出された特徴点との位置関係に基づいて物体上の面または面の境界を認識するので、認識精度が低下する可能性をさらに低減することができるという効果が得られる。
さらに、発明２３の物体認識装置によれば、コントラスト等の影響により、撮影された画像から、実際は一つの線分として検出されるべきところ複数の線分として検出されても、測距センサの測定結果から検出された特徴点との対応関係に基づいて複数の線分を１つの線分としてグループ化し、物体上の面または面の境界を認識するので、認識精度が低下する可能性をさらに低減することができるという効果が得られる。
【００８１】
一方、発明２５の物体認識方法によれば、発明９の物体認識装置と同等の効果が得られる。
さらに、発明２６の物体認識方法によれば、発明１０の物体認識装置と同等の効果が得られる。
さらに、発明２７の物体認識方法によれば、発明１５の物体認識装置と同等の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８２】
〔第１の実施の形態〕
以下、本発明の第１の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１ないし図１０は、本発明に係る脚車輪型ロボットの第１の実施の形態を示す図である。
まず、本発明を適用する脚車輪型ロボット１００の構成を説明する。
図１は、脚車輪型ロボット１００の正面図である。
【００８３】
図２は、脚車輪型ロボット１００の側面図である。
脚車輪型ロボット１００は、図１および図２に示すように、基体１０と、基体１０に連結された４つの脚部１２とを有して構成されている。
基体１０の前方には、２本の脚部１２が回転関節１４を介して左右対称の位置に連結されている。また、基体１０の後方には、２本の脚部１２が回転関節１４を介して左右対称の位置に連結されている。回転関節１４は、脚車輪型ロボット１００の底面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、ヨー軸回りに回転する。
【００８４】
各脚部１２には、２つの回転関節１６、１８が設けられている。回転関節１４は、下方を軸方向として回転し、回転関節１６、１８は、回転関節１４が図１の状態であるときは、脚車輪型ロボット１００の側面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、回転関節１４が図１の状態であるときは、ピッチ軸回りに回転し、回転関節１４が図１の状態から９０度回転した状態であるときは、ロール軸回りに回転する。したがって、脚部１２は、それぞれ３自由度を有する。
【００８５】
各脚部１２の先端には、回転関節１６、１８と軸方向を同一にして駆動輪２０が回転可能に設けられている。
各脚部１２の先端には、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に存在する物体までの距離を測定する前方脚先センサ２２と、接地面までの距離を測定する下方脚先センサ２４とが設けられている。
【００８６】
一方、基体１０の正面の上部中央には、水平面レーザ光を照射する水平レーザ２６が設けられている。また、基体１０の正面の中央左右には、垂直面レーザ光を照射する垂直レーザ２８、３０がそれぞれ設けられている。
基体１０の正面の下部中央には、水平面レーザ光および垂直面レーザ光の反射光を含む画像を撮影するカメラ３２が設けられている。
【００８７】
水平レーザ２６は、カメラ３２で水平面レーザ光の反射光を含む画像が撮影できるように下方に所定角度傾けて設けられている。同様に、垂直レーザ２８は、カメラ３２で垂直面レーザ光の反射光を含む画像が撮影できるように右方に所定角度傾けて設けられ、垂直レーザ３０は、左方に所定角度傾けて設けられている。
カメラ３２の左右には、障害物を検出する障害物センサ３４、３６がそれぞれ設けられている。
【００８８】
図３は、障害物センサ３４、３６の構成を示す図である。
障害物センサ３４、３６は、図３（ａ）に示すように、指向性の低い超音波測距センサを複数アレイ状に配列して構成することができる。また、図３（ｂ）に示すように、指向性の高い赤外線測距センサを複数アレイ状に配列して構成することもできる。アレイ状に配列する構成に限らず、単体で構成してもよい。また、超音波測距センサまたは赤外線測距センサを複数平面上に配列したエリアセンサで構成してもよい。これにより、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に存在する物体を大まかに検出することができる。
【００８９】
次に、脚車輪型ロボット１００の移動制御システムを説明する。
図４は、脚車輪型ロボット１００の移動制御システムを示すブロック図である。
各脚部１２の回転関節１４〜１８には、図４に示すように、回転関節１４〜１８を回転駆動する関節モータ４０がそれぞれ設けられている。各関節モータ４０には、関節モータ４０の回転角度位置を検出するエンコーダ４２と、モータ指令信号およびエンコーダ４２の出力信号に基づいて関節モータ４０の駆動を制御するドライバ４４が設けられている。
【００９０】
各脚部１２の駆動輪２０には、駆動輪２０を回転駆動する車輪モータ５０がそれぞれ設けられている。各車輪モータ５０には、車輪モータ５０の回転角度位置を検出するエンコーダ５２と、モータ指令信号およびエンコーダ５２の出力信号に基づいて車輪モータ５０の駆動を制御するドライバ５４が設けられている。
脚車輪型ロボット１００は、さらに、ＣＰＵ６０と、脚車輪型ロボット１００の姿勢を検出する３軸姿勢センサ７０と、カメラ３２の画像信号を処理するビジョンプロセッサ７２と、外部のＰＣ等と無線通信を行う無線通信部７４と、ビジョンプロセッサ７２および無線通信部７４とＣＰＵ６０の入出力を中継するハブ７６と、警告音等を出力するスピーカ７８とを有して構成される。
【００９１】
３軸姿勢センサ７０は、ジャイロ若しくは加速度センサ、またはその両方を有し、地軸に対して脚車輪型ロボット１００の姿勢の傾きを検出する。
ＣＰＵ６０は、モータ指令出力Ｉ／Ｆ６１を介してドライバ４４、５４にモータ指令信号を出力し、角度取込Ｉ／Ｆ６２を介してエンコーダ４２、５２の出力信号を入力する。また、センサ入力Ｉ／Ｆ６３を介して、前方脚先センサ２２、下方脚先センサ２４、障害物センサ３４および３軸姿勢センサ７０からそれぞれセンサ信号を入力する。また、通信Ｉ／Ｆ６４を介してハブ７６と信号の入出力を行い、サウンド出力Ｉ／Ｆ６５を介してスピーカ７８に音声信号を出力する。
【００９２】
次に、ＣＰＵ６０で実行される処理を説明する。
ＣＰＵ６０は、ＲＯＭ等の所定領域に格納されている制御プログラムを起動させ、その制御プログラムに従って、走行制御処理および図６のフローチャートに示す昇降制御処理を時分割で実行する。
初めに、走行時の制御処理を説明する。
【００９３】
図５は、脚車輪型ロボット１００の走行状態を示す図である。
脚車輪型ロボット１００の操舵制御は、各駆動輪２０について、駆動輪２０が、その駆動輪２０が設けられた回転関節１４の軸上に位置（以下、ヨー軸上接地という。）するように関節モータ４０を制御することにより行うものであり、時々刻々の、ロボット進行方向速度Ｖc、ロボット中心の旋回半径Ｒを入力として、左右輪操舵角度θl、θr、左右輪回転角速度ωl、ωrを算出し、各アクチュエータに指令を与えるものである。
【００９４】
脚車輪型ロボット１００が操舵を行う際には、各駆動輪２０のすべりを最小にするために、ロボット中心の旋回半径Ｒの中心点と同心で各駆動輪２０までの距離を半径として形成される円弧の接線方向に車輪を向ける必要があり、左右輪操舵角度θl、θrは、ホイールベースをＷb、トレッドをＷtとして、下式（１）、（２）により算出することができる。
【００９５】
【数１】
2009006984.tif 000003
【００９６】
また、各車輪は駆動輪であるので、ヨー軸上接地状態を保持するためには、車輪部の接線方向速度Ｖl、Ｖrが下式（３）、（５）で与えられなければならないので、車輪径をＤとすると、左右輪回転角速度ωl、ωrは、下式（４）、（６）により算出することができる。
【００９７】
【数２】
2009006984.tif 000004
【００９８】
なお、回転半径Ｒが無限大のときは直進運動に近似できるので、直進と旋回時の場合分けは必要なく、そのため、直進から旋回、そしてまた直進といった動作遷移は走行しながら連続的にスムースに行うことができる。
【００９９】
次に、昇降制御処理を説明する。
図６は、昇降制御処理を示すフローチャートである。
昇降制御処理は、脚部１２の昇降制御を行う処理であって、ＣＰＵ６０において実行されると、まず、図６に示すように、ステップＳ２００に移行する。
ステップＳ２００では、ビジョンプロセッサ７２から画像を取り込み、ステップＳ２０２に移行する。
【０１００】
ステップＳ２０２では、取り込んだ画像に基づいて光切断法により階段の特徴点を抽出する。
図７は、光切断法の原理を説明するための図である。
光切断法は、三角測量の原理により計測対象上の座標を求める計測法である。図７に計測座標系を示す。
【０１０１】
計測対象上の座標Ｐ（x0、y0、z0）は、カメラ３２の撮像素子上の任意の座標をＰs（xi、yi、zi）とすると、下式（７）により求められる。
【０１０２】
【数３】
2009006984.tif 000005
【０１０３】
次に、得られた三次元座標から、レーザ光の反射光の不連続点または屈曲点を階段の特徴点として抽出する。
図８は、階段にレーザ光を照射した状態およびカメラ３２の撮像素子の画像を示す図である。
【０１０４】
脚車輪型ロボット１００の移動経路上に階段が存在すると、図８（ａ）左側に示すように、水平レーザ２６から照射された水平面レーザ光が階段の蹴込板および床面で反射し、カメラ３２により、その反射光を含む階段の画像が撮影される。その画像に対して画像処理を行うと、図８（ａ）右側に示すように、蹴込板での反射光エッジおよび床面での反射光エッジを抽出することができる。そして、そのエッジ画像および上式（７）により得られた三次元座標に基づいて、反射光エッジの不連続点に対応する実座標を算出することができる。
【０１０５】
また、図８（ｂ）左側に示すように、垂直レーザ２８から照射された垂直面レーザ光が階段の蹴込板および踏板で反射し、カメラ３２により、その反射光を含む階段の画像が撮影される。その画像に対して画像処理を行うと、図８（ｂ）右側に示すように、蹴込板での反射光エッジおよび踏板での反射光エッジを抽出することができる。また、垂直レーザ３０についても同様であり、図８（ｃ）右側に示すように、蹴込板での反射光エッジおよび踏板での反射光エッジを抽出することができる。そして、それらエッジ画像および上式（７）により得られた三次元座標に基づいて、反射光エッジの屈曲点に対する実座標を算出することができる。
【０１０６】
図６に戻り、次いで、ステップＳ２０４に移行して、抽出した特徴点に基づいて階段の幅を算出し、ステップＳ２０６に移行して、抽出した特徴点に基づいて階段の段鼻部の実座標を算出し、ステップＳ２０８に移行する。
ステップＳ２０８では、算出した階段の幅および段鼻部の実座標、並びに３軸姿勢センサ７０のセンサ信号に基づいて逆運動学計算および重心計算を行い、ステップＳ２１０に移行して、ステップＳ２０８の計算結果に基づいて脚先（駆動輪２０）の着地位置を決定し、ステップＳ２１２に移行する。
【０１０７】
ステップＳ２１２では、前方脚先センサ２２および下方脚先センサ２４からそれぞれセンサ信号を入力し、ステップＳ２１４に移行して、入力した前方脚先センサ２２のセンサ信号に基づいて蹴込板までの距離を算出し、ステップＳ２１６に移行して、入力した下方脚先センサ２４のセンサ信号に基づいて脚先と踏板の位置関係を算出し、ステップＳ２１８に移行する。
【０１０８】
ステップＳ２１８では、決定した着地位置および算出した両距離に基づいてドライバ４４、５４へのモータ指令信号を生成し、ステップＳ２２０に移行して、生成したモータ指令信号をドライバ４４、５４に出力し、ステップＳ２２２に移行する。
ステップＳ２２２では、脚先が踏板に着地したか否かを判定し、脚先が着地したと判定したとき(Yes)は、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
【０１０９】
一方、ステップＳ２２２で、脚先が着地しないと判定したとき(No)は、ステップＳ２１２に移行する。
次に、本実施の形態の動作を説明する。
平地では、脚車輪型ロボット１００は、車輪走行で移動することができる。旋回時は、各駆動輪２０がヨー軸上接地するように関節モータ４０が制御される。
【０１１０】
図９は、各駆動輪２０がヨー軸上接地しないで旋回する場合の動作を示す図である。
図１０は、各駆動輪２０がヨー軸上接地して旋回する場合の動作を示す図である。両図において、（ａ）は、脚車輪型ロボット１００の側面図、（ｂ）は、脚車輪型ロボット１００の平面図である。
各駆動輪２０がヨー軸上接地しない状態で各脚部１２をヨー軸回りに回転させて旋回する場合は、図９に示すように、基体１０の重心の床面への投影点が各駆動輪２０で構成される四角形の中心（例えば、対角線が交差する点）から離れ、不安定となり転倒の可能性が生じる。また、ヨー軸上接地では０であるはずの、接地点と回転関節１４との長さが影響し、回転関節１４の関節モータ４０の駆動トルクが大きくなる。
【０１１１】
これに対し、本実施の形態のように、各駆動輪２０がヨー軸上接地した状態で各脚部１２をヨー軸回りに回転させて旋回する場合は、図１０に示すように、基体１０の重心の床面への投影点が各駆動輪２０で構成される四角形の中心位置付近にあり、安定しており転倒の不安が軽減する。また、接地点と回転関節１４との長さは０であるため、回転関節１４の関節モータ４０の駆動トルクが最小限に抑えられる。
【０１１２】
一方、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に階段が存在すると、水平レーザ２６から照射された水平面レーザ光、および垂直レーザ２８、３０から照射された垂直面レーザ光がそれぞれ階段で反射し、カメラ３２により、それら反射光を含む画像が撮影される。次いで、ステップＳ２００、Ｓ２０２を経て、カメラ３２で撮影された画像が取り込まれ、取り込まれた画像から階段の特徴点が抽出される。そして、ステップＳ２０４〜Ｓ２１０を経て、抽出された特徴点に基づいて階段の幅および段鼻部の実座標が算出され、算出された階段の幅および段鼻部の実座標に基づいて脚先の着地位置が決定される。
【０１１３】
さらに、ステップＳ２１２〜Ｓ２１６を経て、脚先センサ２２、２４からそれぞれセンサ信号が入力され、蹴込板までの距離および脚先と踏板の位置関係が算出される。そして、ステップＳ２１８、Ｓ２２０を経て、決定された着地位置および算出された両距離に基づいてモータ指令信号が生成され、生成されたモータ指令信号がドライバ４４、５４に出力される。これにより、駆動輪２０が回転するとともに回転関節１４〜１８が駆動し、脚車輪型ロボット１００が姿勢を適切に保ちつつ階段を乗り越える。また、状況によっては階段を回避、停止する。したがって、脚型ロボットと同様に階段への適応性が高い。
【０１１４】
このようにして、本実施の形態では、障害物回避時における脚部１２の駆動制御および走行時における駆動輪２０の操舵制御を、脚部１２の根本に設けられたヨー軸回りに回転可能な回転関節１４の関節モータ４０を共通に用いて行う。
これにより、走行時の操舵制御のために専用のアクチュエータを脚先に設けなくてすみ、従来に比して、重量およびエネルギー消費量の増加を抑制することができる。
【０１１５】
さらに、本実施の形態では、旋回時に、駆動輪２０がヨー軸上接地するように関節モータ４０を制御する。
これにより、旋回時に、基体１０の重心の床面への投影点が各駆動輪２０で構成される四角形の中心付近に位置することになり、安定するため転倒の不安が軽減される。また、接地点と回転関節１４との長さが０であるため、回転関節１４の関節モータ４０の駆動トルクを低減することができる。
【０１１６】
さらに、本実施の形態では、レーザ２６〜３０およびカメラ３２からなる画像センサと、脚先センサ２２、２４とを備え、カメラ３２で撮影した画像および脚先センサ２２、２４で測定した距離に基づいて階段を認識し、その認識結果に基づいてモータ４０、５０を制御する。
これにより、画像センサおよび脚先センサ２２、２４を用いて未知の階段を認識しながら脚部１２の昇降制御を行うので、従来に比して、未知の階段に対して高い適応性を実現することができる。また、人が活動する環境での動作を行えるので、人と一緒に行動する用途に用いられるホームロボット、パーソナルロボット等に好適である。
【０１１７】
さらに、本実施の形態では、画像センサを基体１０の正面に設け、脚先センサ２２、２４を脚部１２の先端に設けた。
これにより、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に存在する物体を広い視野で検出することができるとともに、階段昇降時に駆動輪２０と階段の距離を精度よく測定することができる。
【０１１８】
さらに、本実施の形態では、移動方向に対して所定角度にレーザ光を照射するレーザ２６〜３０と、レーザ２６〜３０から所定距離隔てて設けられかつレーザ光の反射光を含む画像を撮像するカメラ３２とを備え、カメラ３２で撮影した画像に基づいて光切断法により階段を認識する。
これにより、階段の特徴のうち脚部１２の昇降制御に有効な特徴を検出することができるので、未知の階段に対してさらに高い適応性を実現することができる。
【０１１９】
さらに、本実施の形態では、水平レーザ２６から照射された水平面レーザ光の反射光の撮影状態に基づいて階段の幅を算出し、垂直レーザ２８、３０から照射された２つの垂直面レーザ光の反射光の撮影状態に基づいて階段の段鼻部の実座標を算出する。
これにより、階段の特徴のうち脚部１２の昇降制御にさらに有効な特徴を検出することができるので、未知の階段に対してさらに高い適応性を実現することができる。
【０１２０】
さらに、本実施の形態では、前方脚先センサ２２の測定結果に基づいて階段の蹴込板までの距離を算出し、下方脚先センサ２４の測定結果に基づいて駆動輪２０と階段の踏板の位置関係を算出する。
これにより、階段の特徴のうち脚部１２の昇降制御にさらに有効な特徴を検出することができるので、未知の階段に対してさらに高い適応性を実現することができる。
【０１２１】
上記第１の実施の形態において、回転関節１４の関節モータ４０は、発明１のアクチュエータ、または発明２ないし５の第１アクチュエータに対応し、回転関節１６、１８の関節モータ４０は、発明２ないし５の第２アクチュエータに対応し、ステップＳ２０２、Ｓ２２０、Ｓ２２２は、発明１ないし５の制御手段に対応している。
【０１２２】
〔第２の実施の形態〕
次に、本発明の第２の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１２ないし図１５は、本発明に係る脚車輪型ロボットの第２の実施の形態を示す図である。
【０１２３】
本実施の形態の脚車輪型ロボット１００は、上記第１の実施の形態の脚車輪型ロボット１００の各機能に加え、脚車輪型ロボット１００を、基体１０の向きを一定方向に保持した状態で任意の進行方向に走行移動させる機能と、脚車輪型ロボットを、所定の旋回中心位置で前後移動させずに旋回させる（超信地旋回させる）機能とを有している。
つまり、本実施の形態における脚車輪型ロボット１００は、上記各機能を実現するためのアクチュエータの制御処理（ＣＰＵ６０の制御プログラムの実行による制御処理）が追加されたのみで、力センサ８２の設置構造など、その他の構成は、上記第１の実施の形態の脚車輪型ロボット１００と同様となる。従って、上記第１の実施の形態と同様の機能については説明を適宜省略し、追加された機能部分については詳細に説明する。
【０１２４】
以下、図１２及び図１３に基づき、本実施の形態のＣＰＵ６０で実行される走行時の制御処理を説明する。
なお、以下の各走行制御処理においては、脚車輪型ロボット１００の姿勢が、上記第１の実施の形態における、図１０（ａ）の下図に示すように、膝屈曲姿勢となるように各関節モータ４０を制御する。なお、膝屈曲姿勢へと姿勢変更時においては、上記第１の実施の形態と同様に、各駆動輪２０が、ヨー軸上接地となるように各関節モータ４０が制御される。但し、膝屈曲姿勢における走行制御時に、脚部１２が互いに干渉する（接触などする）場合は、図１０（ａ）の上図に示すように、膝伸展姿勢となるように各関節モータ４０を制御する。
【０１２５】
まず、基体１０の向きを保持した状態で、脚車輪型ロボット１００を目的の進行方向に向けて走行させるときの走行制御処理（以下、無変向走行制御処理と称す）について説明する。
ＣＰＵ６０は、ＲＯＭ等の所定領域に格納されている制御プログラムを起動させ、その制御プログラムに従って、無変向走行制御処理を実行する。
【０１２６】
ここで、無変向走行制御処理は、脚車輪型ロボット１００を、その基体１０の向きを一定の方向に保持した状態で、目的の進行方向に移動させるものであるため、基体１０の前方側に設けられたカメラ３２や障害物センサ３４、３６などを、後方や側方などにも設けることが望ましい。これら後方及び側方をカバーできるカメラ及び障害物センサによって、脚車輪型ロボット１００を、基体１０の向きとは異なる方向に移動させるときに、その進行方向の環境（地形の状態等）を把握し、適切な制御を行うことができる。
【０１２７】
また、無変向走行制御処理は、具体的に、無変向走行制御指令があったときに実行され、時々刻々の、ロボットの進行方向（角度α）、ロボット進行方向速度Ｖcを入力として、基体１０の向きを一定の向きに保持（固定）した状態で、脚車輪型ロボット１００を前記入力された進行方向へと走行させるための、各脚部１２の回転関節１４（joint0）の角度（操舵角度）θi0（ｉ=0,1,2,3,・・・）、各脚部１２の各駆動輪２０の回転角速度ωi（ｉ=0,1,2,3,・・・）を算出し、各アクチュエータに指令を与えるものである。
【０１２８】
本実施の形態の脚車輪型ロボット１００は、上記第１の実施の形態で述べたように、基体１０の前方に左右一対及び後方に左右一対の計４本の脚部１２を有している。
従って、ここでは、各脚部１２の駆動輪２０の操舵角度θi0を、基体１０の上面側から見て、左前輪操舵角度θ00、右前輪操舵角度θ10、左後輪操舵角度θ20、右後輪操舵角度θ30とする。なお、回転関節１４によって各脚部１２をヨー軸周りに回動させたときに、基体１０の上面側から見て、左前輪操舵角度θ00及び右後輪操舵角度θ30は、反時計回り方向を正方向とし、右前輪操舵角度θ10及び左後輪操舵角度θ20は、時計回り方向を正方向とする。
【０１２９】
また、各脚部１２の駆動輪２０の回転角速度ωiを、左前輪回転角速度ω0、右前輪回転角速度ω1、左後輪回転角速度ω2、右後輪回転角速度ω3とする。
また、各脚部１２の駆動輪２０の線速度Ｖi（ｉ=0,1,2,3,・・・）を、左前輪線速度Ｖ0、右前輪線速度Ｖ1、左後輪線速度Ｖ2、右後輪線速度Ｖ3とする。
ここで、図１２（ａ）〜（ｃ）は、無変向走行制御時の脚車輪型ロボット１００の走行状態例を示す図である。なお、図１２（ａ）〜（ｃ）は、脚車輪型ロボット１００を上面側から見た図であり、各駆動輪２０に付けられた黒塗りの半円の目印は、「θ00＝θ10＝θ20＝θ30＝０[°]」のときの基準となる向きを示す。
【０１３０】
また、左右前輪は目印のある方向に進行する回転方向が正回転方向となり、左右後輪は目印の無い方向に進行する回転方向が正回転方向となる。
まず、図１２（ａ）に基づき、基体１０の向きを一定の方向に保持（固定）した状態で、脚車輪型ロボット１００を、基体１０の向いている方向（前方向）に直進走行させる場合の無変向走行制御処理を説明する。
【０１３１】
本実施の形態では、基体１０の向いている方向（前方向）をロボットの進行方向とした場合に、進行方向を表す角度αを「０[°]」とする。そして、前方向の０[°]を基準に、各進行方向に対応するαを決定する。
ここでは、脚車輪型ロボット１００を、基体１０の前方向に直進させるので、進行方向αとして「０[°]」が入力され、更に、進行方向速度Ｖｃが入力される。
【０１３２】
進行方向α（０[°]）及び進行方向速度Ｖｃが入力されると、各駆動輪２０の操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪２０の線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3が算出される。
基体１０の向きを保持した状態のまま、脚車輪型ロボット１００を前方向に直進走行させるためには、図１２（ａ）の各駆動輪２０から伸びる矢印に示すように、各駆動輪２０の進行方向を基体１０の向いている方向（前方向）に全て揃える必要がある。従って、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30は、例えば、「θ00＝θ10＝θ20＝θ30＝０[°]」と算出される。
【０１３３】
また、この場合に、直進走行させるための各駆動輪２０の線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、「Ｖ0＝Ｖ1＝Ｖｃ」、「Ｖ2＝Ｖ3＝−Ｖｃ」と算出される。
なお、各脚部１２が互いに干渉しなければ、例えば、「θ00＝θ10＝０[°]」、「θ20＝θ30＝π（１８０[°]）又は−π（−１８０[°]）」、「Ｖ0＝Ｖ1＝Ｖ2＝Ｖ3＝Ｖｃ」などの組み合わせとしても良い。
【０１３４】
更に、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、下式（８）に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
ωi＝２Ｖi／Ｄ                                                …（８）
但し、上式（８）において、Ｄは車輪径である。
【０１３５】
各駆動輪２０の操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪２０の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、次に、各駆動輪２０の現在の操舵角度及び回転角速度を取得する。そして、現在の操舵角度と、上記算出した前方向に直進させるための操舵角度とから回転関節１４の関節モータ４０を駆動する指令値を算出する。更に、現在の回転角速度と、上記算出した前方向に直進させるときの回転角速度とから、駆動輪２０の車輪モータ５０を駆動する指令値を算出する。
【０１３６】
このようにして、各駆動輪２０の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を算出すると、これらの指令値を各モータのドライバに入力する。そして、入力された指令値に基づき各関節モータ４０及び車輪モータ５０が駆動されると、これにより、脚車輪型ロボット１００の各駆動輪２０の操舵角度及び回転角速度が変化し、脚車輪型ロボット１００は、基体１０の向きを保持した状態で、その向いている方向（前方向）に直進走行する。
【０１３７】
なお、基体１０の向きを保持した状態で、脚車輪型ロボット１００を、その向いている方向に対して反対側（真後ろ）の方向に直進走行させる場合は、上記前方向のときと駆動輪２０の回転方向を正反対とすればよい。
例えば、「θ00＝θ10＝θ20＝θ30＝０[°]」及び「Ｖ0＝Ｖ1＝Ｖ2＝Ｖ3＝−Ｖｃ」、又は「θ00＝θ10＝０[°]」、「θ20＝θ30＝π若しくは−π[°]」、「「Ｖ0＝Ｖ1＝−Ｖｃ」及び「Ｖ2＝Ｖ3＝Ｖｃ」などとする。
【０１３８】
次に、図１２（ｂ）に基づき、基体１０の向きを保持した状態で、脚車輪型ロボット１００を、その向いている方向に対して右斜め前方向に直進走行させる場合の無変向走行制御処理を説明する。
ここでは、脚車輪型ロボット１００を、基体１０の右斜め前方向に直進させるので、進行方向αとして「α（−９０＜α＜０）[°]（但し、反時計回りが正方向）」が入力され、更に、進行方向速度Ｖｃが入力される。
【０１３９】
そして、進行方向α[°]及び進行方向速度Ｖｃが入力されると、各駆動輪２０の操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪２０の線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3が算出される。
基体１０の向きを保持した状態で、脚車輪型ロボット１００を右斜め前方向（α[°]の方向）に直進走行させるためには、図１２（ｂ）の各駆動輪２０から伸びる矢印に示すように、各駆動輪２０の進行方向を、基体１０の向いている方向に対して右斜め前方向に全て揃える必要がある。
【０１４０】
従って、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30は、例えば、「θ00＝θ30＝α[°]」、「θ10＝θ20＝−α[°]」と算出される。
また、この場合に、直進走行させるための各駆動輪２０の線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、「Ｖ0＝Ｖ1＝Ｖｃ」、「Ｖ2＝Ｖ3＝−Ｖｃ」と算出される。
なお、各脚部１２が互いに干渉しなければ、例えば、「θ00＝θ30＝α[°]」、「θ10＝θ20＝−α−π[°]」、「Ｖ0＝Ｖ2＝Ｖｃ」、「Ｖ1＝Ｖ3＝−Ｖｃ」などの組み合わせとしても良い。
【０１４１】
更に、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、上式（８）に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪２０の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、次に、上記前方向への直進走行のときと同様に、回転関節１４の関節モータ４０を駆動する指令値と、駆動輪２０の車輪モータ５０を駆動する指令値とを算出する。
【０１４２】
このようにして、各駆動輪２０の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を算出すると、これらの指令値を各モータのドライバに入力する。そして、入力された指令値に基づき各関節モータ４０及び車輪モータ５０が駆動されると、これにより、脚車輪型ロボット１００の各駆動輪２０の操舵角度及び回転角速度が変化し、脚車輪型ロボット１００は、基体１０の向きを保持した状態で、その向いている方向に対して右斜め前方向に直進走行する。
【０１４３】
なお、基体１０の向きを保持した状態で、脚車輪型ロボット１００を、その向いている方向に対して左斜め後方に直進走行させる場合は、上記右斜め前方向のときの各駆動輪２０の回転方向を正反対とすればよい。また、左斜め前方向に直進移動させる場合は、進行方向αを「０＜α＜９０[°]」の範囲で設定し、更に、操舵角度の符号を正反対とすればよい。また、右斜め後方に直進走行させる場合は、左斜め前方向のときの各駆動輪２０の回転方向を正反対とすればよい。
【０１４４】
次に、図１２（ｃ）に基づき、基体１０の向きを保持した状態で、脚車輪型ロボット１００を、その向いている方向に対して左真横方向に直進走行させる場合の無変向走行制御処理を説明する。
ここでは、脚車輪型ロボット１００を、基体１０の左真横方向に直進させるので、進行方向αとして「α（９０（π／２））[°]」が入力され、更に、進行方向速度Ｖｃが入力される。
【０１４５】
そして、進行方向α[°]及び進行方向速度Ｖｃが入力されると、各駆動輪２０の操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪２０の線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3が算出される。
基体１０の向きを保持した状態で、脚車輪型ロボット１００を、その向いている方向に対して左真横方向（π／２[°]の方向）に直進走行させるためには、図１２（ｃ）の各駆動輪２０から伸びる矢印に示すように、各駆動輪２０の進行方向を左真横方向に全て揃える必要がある。
【０１４６】
従って、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30は、例えば、「θ00＝θ10＝θ20＝θ30＝π／２[°]」と算出される。
また、この場合に、直進走行させるための各駆動輪２０の線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、「Ｖ0＝Ｖ2＝Ｖｃ」、「Ｖ1＝Ｖ3＝−Ｖｃ」と算出される。
なお、各脚部１２が互いに干渉しなければ、例えば、「θ00＝θ20＝π／２[°]」、「θ10＝θ30＝−π／２[°]」、「Ｖ0＝Ｖ1＝Ｖ2＝Ｖ3＝Ｖｃ」などの組み合わせとしても良い。
【０１４７】
更に、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、上式（８）に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪２０の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、次に、上記前方向への直進走行のときと同様に、回転関節１４の関節モータ４０を駆動する指令値と、駆動輪２０の車輪モータ５０を駆動する指令値とを算出する。
【０１４８】
このようにして、各駆動輪２０の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を算出すると、これらの指令値を各モータのドライバに入力する。そして、入力された指令値に基づき各関節モータ４０及び車輪モータ５０が駆動されると、これにより、脚車輪型ロボット１００の各駆動輪２０の操舵角度及び回転角速度が変化し、脚車輪型ロボット１００は、基体１０の向きを保持した状態で、その向いている方向に対して左真横方向に直進走行する。
【０１４９】
なお、基体１０の向きを保持した状態で、脚車輪型ロボット１００を、その向いている方向に対して右真横方向に直進走行させる場合は、上記左真横方向のときの各駆動輪２０の回転方向を正反対とすればよい。
次に、脚車輪型ロボット１００を所定の旋回中心位置で前後移動させずに旋回（超信地旋回）させる走行制御処理（以下、超信地旋回制御処理と称す）について説明する。
【０１５０】
ＣＰＵ６０は、ＲＯＭ等の所定領域に格納されている制御プログラムを起動させ、その制御プログラムに従って、超信地旋回制御処理を実行する。
ここで、超信地旋回制御処理は、クローラ機構を有したパワーショベルや戦車などの車両が行う超信地旋回と同等の旋回動作を脚車輪型ロボット１００に行わせるものである。
また、超信地旋回とは、クローラ機構を有した車両が、左右のクローラを同速度で互いに反対方向に回転させることで、前後に進まず、車体の向きを変える旋回方法であり、これは、クローラ機構に限らず、左右に最低２輪の独立した駆動輪を有する車両であれば実現可能な旋回方法である。
【０１５１】
本実施の形態においては、具体的に、超信地旋回制御指令があったときに実行され、ロボットの旋回角速度Ω、旋回中心（ｘｃ，ｙｃ）を入力として、脚車輪型ロボット１００を旋回中心（ｘｃ，ｙｃ）で超信地旋回させるための、各脚部１２の回転関節１４（joint0）の角度（操舵角度）θ00、θ10、θ20、θ30、各脚部１２の各駆動輪２０の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3を算出し、各アクチュエータに指令を与えるものである。
【０１５２】
脚車輪型ロボット１００を超信地旋回させるためには、基体１０を、旋回中心（ｘｃ，ｙｃ）でヨー軸周りに自転させたときに、各駆動輪２０の操舵時のヨー軸周りの回転中心が描く円弧軌道と各駆動輪２０の前記回転中心との接点における運動方向と、各駆動輪２０の進行方向とが一致するように各回転関節１４の関節モータ４０を制御すると共に、各駆動輪２０が前記運動方向に応じた回転方向に一定速度で回転するように各車輪モータ５０を制御する必要がある。
【０１５３】
ここで、図１３（ａ）及び（ｂ）は、基体１０の座標（０，０）及び座標（ｘｃ，ｙｃ）を回転中心とした場合の超信地旋回制御時の脚車輪型ロボット１００の走行状態を示す図である。
なお、図１３（ａ）及び（ｂ）においては、基体１０を上面側から見た平面において、長手方向の軸をｘ軸、それと直交する方向の軸をｙ軸とし、基体１０の中心位置の座標を（ｘ，ｙ）＝（０，０）とする。
【０１５４】
まず、図１３（ａ）に基づき、基体１０の中心位置の座標（０，０）を旋回中心とした場合の超信地旋回制御処理について説明する。
この場合は、旋回角速度Ωと、旋回中心座標（０，０）とが入力される。
旋回角速度Ω及び旋回中心座標（０，０）が入力されると、下式（９）に基づき、基体１０のｘ軸と各駆動輪２０の回転中心とのなす角度φ0、φ1、φ2、φ3が算出される。
ｔａｎφ＝Ｗt／Ｗb                                            …（９）
但し、上式（９）は、基体１０の中心座標（０，０）を旋回中心とした場合の式である。また、上式（９）において、Ｗtはトレッド（車輪間隔）であり、Ｗbはホイールベースである。
【０１５５】
なお、φ0〜φ3は、ｘ軸と、各駆動輪２０の回転中心とのなす角度のうち最小の角度とし、φの正方向は、駆動輪によってはΩの正方向とは異なる。
Ｗt及びＷbは既知であるため（予め情報を持っておく）、上式（９）から、上記角度φ0、φ1、φ2、φ3を算出することができる。
なお、旋回中心が基体１０の中心座標（０，０）であるので、上記角度φ0、φ1、φ2、φ3はいずれも等角度「φ0＝φ1＝φ2＝φ3＝φ」となる。
【０１５６】
また、基体１０が旋回座標（０，０）でヨー軸周りに自転時に、各駆動輪２０の操舵時のヨー軸周りの回転中心の描く円弧軌道と該回転中心との接点における運動方向は、図１３（ａ）の各駆動輪２０から伸びる矢印線に示すように、円弧軌道上の各回転中心を通る接線方向（図中の矢印線方向）となる。
各駆動輪２０の回転中心に対する角度「φ0＝φ1＝φ2＝φ3＝φ」が算出されると、次に、各回転中心の運動方向と各駆動輪２０の進行方向とを一致させるための操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30を算出する。
【０１５７】
各回転中心の運動方向と各駆動輪２０の進行方向とを一致させるためには、図１３（ａ）に示すように、各駆動輪２０の進行方向と、旋回中心と回転中心とを結ぶ線分との成す角度が直角（π／２（９０[°]））となるように操舵すれば良く、従って、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30は、「θ00＝θ10＝θ20＝θ30＝−（π／２−φ）」と算出される。
一方、下式（１０）に基づき、各駆動輪２０の操舵時のヨー軸周りの回転中心と旋回中心（０，０）との距離Ｌ0、Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3が算出される。
【０１５８】
【数４】
2009006984.tif 000006
【０１５９】
但し、上式（１０）は、基体１０の中心座標（０，０）を旋回中心とした場合の式である。
なお、トレッドＷt及びホイールベースＷbから、左前輪の回転中心の座標は（Ｗb／２，Ｗt／２）、右前輪の回転中心の座標は（Ｗb／２，−Ｗt／２）、左後輪の回転中心の座標は（−Ｗb／２，Ｗt／２）、右後輪の回転中心の座標は（−Ｗb／２，−Ｗt／２）と表すことができる。
【０１６０】
なお、旋回中心が基体１０の中心座標（０，０）であるので、距離Ｌ0、Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3は、等距離「Ｌ0＝Ｌ1＝Ｌ2＝Ｌ3＝Ｌ」となる。
距離Ｌ0、Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3が算出されると、次に、これらの距離Ｌと旋回角速度Ωとから、下式（１１）に基づき、各駆動輪２０の線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3を算出する。
Ｖ0＝Ｖ1＝Ｖ2＝Ｖ3＝ＬΩ                                …（11）
但し、上式（１１）は、基体１０の中心座標（０，０）を旋回中心とした場合の式である。
【０１６１】
ここで、先述したように、左右前輪は黒半円の目印のある方向に進行する回転方向が正回転方向となり、左右後輪は目印の無い方向に進行する回転方向が正回転方向となる。
また、各駆動輪２０の向は、図１３（ａ）に示すようになるので、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、「Ｖ0＝Ｖ3＝−ＬΩ」、「Ｖ1＝Ｖ2＝ＬΩ」と算出される。
更に、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、上式（８）に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
【０１６２】
操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪２０の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、次に、各駆動輪２０の現在の操舵角度及び回転角速度を取得する。そして、現在の操舵角度と、上記算出した操舵角度とから回転関節１４の関節モータ４０を駆動する指令値を算出する。更に、現在の回転角速度と、上記算出した回転角速度とから、駆動輪２０の車輪モータ５０を駆動する指令値を算出する。
【０１６３】
このようにして、各駆動輪２０の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を算出すると、これらの指令値を各モータのドライバに入力する。そして、入力された指令値に基づき各関節モータ４０及び車輪モータ５０が駆動されると、これにより、脚車輪型ロボット１００の各駆動輪２０の操舵角度及び回転角速度が変化し、基体１０の中心座標（０，０）を旋回中心として、脚車輪型ロボット１００が前後移動せずにその場で旋回（超信地旋回）する。
【０１６４】
次に、基体１０の中心座標（０，０）以外の座標を旋回中心とした場合の超信地旋回制御処理について説明する。以下、この超信地旋回制御処理を、旋回中心オフセット型超信地旋回制御処理と称す。
この場合は、旋回角速度Ωと、基体１０の中心座標（０，０）以外の座標である旋回中心座標（ｘｃ，ｙｃ）≠（０，０）とが入力される。
【０１６５】
そして、旋回角速度Ω及び旋回中心座標（ｘｃ，ｙｃ）が入力されると、下式（１２）に基づき、基体１０のｘ軸と各駆動輪２０の回転中心とのなす角度φ0、φ1、φ2、φ3が算出される。
ｔａｎφ0＝（Ｗt／２−ｙｃ）／（Ｗb／２−ｘｃ）
ｔａｎφ1＝（Ｗt／２＋ｙｃ）／（Ｗb／２−ｘｃ）
ｔａｎφ2＝（Ｗt／２−ｙｃ）／（Ｗb／２＋ｘｃ）
ｔａｎφ3＝（Ｗt／２＋ｙｃ）／（Ｗb／２＋ｘｃ）            …（12）
但し、上式（１２）は、脚車輪型ロボット１００の脚部１２が、基体１０の前方に左右一対及び後方に左右一対の計４本の場合の式である。
【０１６６】
具体的に、入力された旋回中心座標（ｘｃ，ｙｃ）と、既知のＷt及びＷbとを、上式（１２）に代入して、基体１０のｘ軸と各駆動輪２０の回転中心とのなす角度φ0、φ1、φ2、φ3を算出する。
なお、旋回中心が基体１０の中心座標以外の座標となるので、角度φ0、φ1、φ2、φ3はそれぞれ異なる角度となる。
【０１６７】
また、基体１０が、旋回中心座標（ｘｃ，ｙｃ）でヨー軸周りに自転時に、各駆動輪２０の操舵時のヨー軸周りの回転中心の描く円弧軌道と該回転中心との接点における運動方向は、図１３（ｂ）の各駆動輪２０から伸びる矢印線に示すように、各円弧軌道上の各回転中心を通る接線方向（図中の矢印線方向）となる。また、旋回中心と各駆動輪２０の回転中心との距離はそれぞれ異なるため、各回転中心の描く円弧軌道も異なる。
【０１６８】
各駆動輪２０の回転中心に対する角度φ0、φ1、φ2、φ3が算出されると、次に、各回転中心の運動方向と各駆動輪２０の進行方向とを一致させるための操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30を算出する。
各回転中心の運動方向と各駆動輪２０の進行方向とを一致させるためには、図１３（ｂ）に示すように、各駆動輪２０の回転方向と、旋回中心と回転中心とを結ぶ線分との成す角度が直角（π／２（９０[°]））となるように操舵すれば良く、従って、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30は、「θi0＝−（π／２−φi）（i=0,1,2,3）」と算出される。
【０１６９】
一方、下式（１３）に基づき、各駆動輪２０の操舵時のヨー軸周りの回転中心と旋回中心（ｘｃ，ｙｃ）との距離Ｌ0、Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3が算出される。
【０１７０】
【数５】
2009006984.tif 000007
【０１７１】
先述したように、旋回中心が基体１０の中心座標（０，０）以外の座標であるので、距離Ｌ0、Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3は、それぞれ異なる距離となる。
距離Ｌ0、Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3が算出されると、次に、これらの距離と旋回角速度Ωとから、下式（１４）に基づき、各駆動輪２０の線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3を算出する。
｜Ｖi｜＝｜ＬiΩ｜                                        …（14）
従って、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、「Ｖ0＝−Ｌ0Ω」、「Ｖ1＝Ｌ1Ω」、「Ｖ2＝Ｌ2Ω」、「Ｖ3＝−Ｌ3Ω」と算出される。
【０１７２】
更に、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、上式（８）に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪２０の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、次に、各駆動輪２０の現在の操舵角度及び回転角速度を取得する。そして、現在の操舵角度と、上記算出した操舵角度とから回転関節１４の関節モータ４０を駆動する指令値を算出する。更に、現在の回転角速度と、上記算出した回転角速度とから、駆動輪２０の車輪モータ５０を駆動する指令値を算出する。
【０１７３】
このようにして、各駆動輪２０の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を算出すると、これらの指令値を各モータのドライバに入力する。そして、入力された指令値に基づき各関節モータ４０及び車輪モータ５０が駆動されると、これにより、脚車輪型ロボット１００の各駆動輪２０の操舵角度及び回転角速度が変化し、基体１０における中心位置（０，０）以外の座標（ｘｃ，ｙｃ）を旋回中心として、脚車輪型ロボット１００が前後移動せずに旋回（超信地旋回）する。
【０１７４】
次に、図１４及び図１５に基づき、本実施の形態の動作を説明する。
ここで、図１４（ａ）及び（ｂ）は、脚車輪型ロボット１００の走行経路の一例を示す図である。また、図１５は、ロボットの重心位置の一例を示す図である。
脚車輪型ロボット１００は、障害物センサ３４、３６などのセンサ信号に基づき、自己の移動経路上に何も障害物が存在しない（平地である）と判断すると、移動モードを、脚部１２を用いる脚部移動モードから駆動輪２０を用いる車輪走行移動モードへと切り替える。
【０１７５】
平地では、脚車輪型ロボット１００は、上記第１の実施の形態で説明した車輪走行に加え、上記した無変向走行で移動することができる。また、上記第１の実施の形態で説明した旋回に加え、上記した超信地旋回及び旋回中心オフセット型超信地旋回を行うことができる。
また、車輪走行時及び旋回時は、脚車輪型ロボット１００が膝屈曲姿勢となるように関節モータ４０が制御されると共に、各駆動輪２０がヨー軸上接地するように関節モータ４０が制御される。
【０１７６】
まず、無変向走行制御時の脚車輪型ロボット１００の動作について説明する。
ここでは、図１４（ａ）に示すような通路を、脚車輪型ロボット１００で走行移動させることとする。なお、図１４（ａ）及び（ｂ）は、走行経路（通路）の一部を真上から見た俯瞰図である。
図１４（ａ）に示すように、通路は、最初、基体１０の向いている方向（前方向）に直進しないと通れないほど幅が狭くなっているので、まず、通路への進入前において、通路の伸びる方向と基体１０の向きとを合わせると共に、進入位置及び進入角度を調整する。
【０１７７】
そして、無変向走行制御指令を入力し、脚車輪型ロボット１００を、無変向走行制御モードへと移行させる。これにより、脚車輪型ロボット１００は、ＣＰＵ６０において、基体１０の向きを保持した状態で、目的の進行方向へと走行移動する制御を行う。
まず最初は、脚車輪型ロボット１００を前方向に直進移動させたいので、ロボットの進行方向α＝０[°]、及びロボット進行方向速度Ｖｃを入力する。これにより、各駆動輪２０の操舵角度が「θ00＝θ10＝θ20＝θ30＝０[°]」と算出され、各駆動輪２０の線速度が「Ｖ0＝Ｖ1＝Ｖ2＝Ｖ3＝Ｖｃ」と算出される。
【０１７８】
更に、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、上式（８）に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
ＣＰＵ６０は、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪２０の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3を算出すると、次に、角度取込Ｉ／Ｆ６２を介して、現在の各駆動輪２０の操舵角度及び回転角速度を取得する。ここでは、取得した操舵角度と上記算出した操舵角度との差分値を算出し、該差分値に基づき回転関節１４の関節モータ４０を駆動する指令値を算出する。更に、取得した現在の回転角速度と、上記算出した回転角速度との差分値を算出し、該差分値に基づき駆動輪２０の車輪モータ５０を駆動する指令値を算出する。
【０１７９】
ＣＰＵ６０は、上記算出した、各駆動輪２０の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を各モータのドライバに入力する。この指令値により、各関節モータ４０が駆動され、各脚部１２の回転関節１４がヨー軸周りに回動して目標の操舵角度へと変化する。その後、各車輪モータ５０が駆動され、各駆動輪２０が指令値に応じた回転角速度で回転駆動する。これにより、脚車輪型ロボット１００は、基体１０の向きを保持した状態で、基体１０の向いている方向（前方向）に通路へと進入すると共に通路内を直進走行する。
【０１８０】
脚車輪型ロボット１００が前方向にしばらく直進すると、通路は右に略直角に折れ曲がり、更に路幅も広くなるので、基体１０の向きを保持した状態で、その向いている方向に対して右真横方向に直進移動するように制御する。つまり、進行方向として、α＝−９０（−π／２）[°]を入力し、更に、進行方向速度Ｖｃを入力する。
これにより、操舵角度として、「θ00＝θ10＝θ20＝θ30＝α[°]」が算出され、線速度として、「Ｖ0＝Ｖ2＝−Ｖｃ」、「Ｖ1＝Ｖ3＝Ｖｃ」が算出される。
【０１８１】
更に、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、上式（８）に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
ＣＰＵ６０は、各駆動輪２０の現在の操舵角度及び回転角速度を取得し、これらと上記算出した操舵角度及び回転角速度とから各指令値を算出する。この指令値により、各関節モータ４０及び各車輪モータ５０が駆動され、これにより、脚車輪型ロボット１００は、基体１０の向きを保持した状態で、その向いている方向に対して右真横方向に直進走行する。これにより、通路の曲がり角で脚車輪型ロボット１００を旋回せずに、その曲がった先へと走行させることができる。
【０１８２】
脚車輪型ロボット１００が右真横方向にしばらく直進すると、通路は右斜め下方向に折れ曲がるので、今度は、基体１０の向きを保持した状態で、その向いている方向に対して右斜め後ろ方向に直進移動するように制御する。つまり、進行方向として、α（通路の角度＜０）[°]を入力し、更に、進行方向速度Ｖｃを入力する。
これにより、例えば、操舵角度として、「θ00＝θ30＝π＋α[°]」及び「θ10＝θ20＝−（π＋α）[°]」が算出され、線速度として、「Ｖ0＝Ｖ1＝−Ｖｃ」及び「Ｖ2＝Ｖ3＝Ｖｃ」が算出される。
【０１８３】
更に、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、上式（８）に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
そして、各駆動輪２０の現在の操舵角度及び回転角速度を取得し、これらと上記算出した操舵角度及び回転角速度とから各指令値を算出する。この指令値により、各関節モータ４０及び各車輪モータ５０が駆動され、これにより、脚車輪型ロボット１００は、基体１０の向きを保持した状態で、その向いている方向に対して右斜め後ろ方向に直進走行する。
【０１８４】
次に、超信地旋回制御時の脚車輪型ロボット１００の動作について説明する。
ここでは、図１４（ｂ）に示すような通路を、脚車輪型ロボット１００で走行移動させることとする。
図１４（ｂ）に示すように、通路は、最初真っ直ぐに伸びており、その後、略直角に右に曲がり、その先で行き止まりとなっている。
【０１８５】
まず、通路の伸びる方向と基体１０の向きとを合わせ、進入位置を微調整した後に、脚車輪型ロボット１００を前方向に直進走行させる。これにより、脚車輪型ロボット１００は、通路へと進入すると共に通路内を直進走行する。
脚車輪型ロボット１００は、しばらく直進すると、やがて曲がり角へと到達するので、時計回りに旋回して、基体１０の向きを脚車輪型ロボット１００が進行できる向きへと変更する。
【０１８６】
図１４（ｂ）に示す曲がり角であれば、移動を伴う旋回動作でも十分に右折できるが、ここでは、超信地旋回により右折することとする。そのため、超信地旋回制御指令を入力し、この指令により、脚車輪型ロボット１００を、超信地旋回制御モードへと移行させる。これにより、脚車輪型ロボット１００は、ＣＰＵ６０において、前後移動を行わずに所定の旋回中心位置でロボットを旋回する制御処理を行う。
【０１８７】
まず、旋回角速度Ω（基体１０を時計回りに回転させる角速度）と、旋回中心座標（０，０）とを入力する。更に、略直角に右折させるので、旋回角度−９０[°]を入力する。
旋回角速度Ω、旋回中心座標（０，０）及び旋回角度（−９０[°]）が入力されると、上式（９）に基づき、基体１０のｘ軸と各駆動輪２０の回転中心とのなす角度φ0、φ1、φ2、φ3が算出される。
【０１８８】
各駆動輪２０の回転中心に対する角度「φ0＝φ1＝φ2＝φ3＝φ」が算出されると、次に、各回転中心の運動方向と各駆動輪２０の進行方向とを一致させるための操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30が算出される。
具体的に、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30として、「θ00＝θ10＝θ20＝θ30＝−（π／２−φ）」が算出される。
【０１８９】
また、上式（１０）に基づき、各駆動輪２０の操舵時のヨー軸周りの回転中心と旋回中心（０，０）との距離Ｌ0、Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3が算出される。
旋回中心が基体１０の中心座標（０，０）となっているので、距離Ｌ0、Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3は、等距離「Ｌ0＝Ｌ1＝Ｌ2＝Ｌ3＝Ｌ」となる。
次に、距離Ｌと旋回角速度Ωとから、上式（１１）に基づき、各駆動輪２０の線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3を算出する。
【０１９０】
ここでは、脚車輪型ロボット１００を、時計回りに旋回（Ω＜０）させるので、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、「Ｖ1＝Ｖ2＝ＬΩ」、「Ｖ0＝Ｖ3＝−ＬΩ」と算出される。
更に、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、上式（８）に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪２０の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、次に、角度取込Ｉ／Ｆ６２を介して、現在の各駆動輪２０の操舵角度及び回転角速度を取得する。ここでは、取得した操舵角度と上記算出した操舵角度との差分値を算出し、該差分値に基づき回転関節１４の関節モータ４０を駆動する指令値を算出する。更に、取得した現在の回転角速度と、上記算出した回転角速度との差分値を算出し、該差分値に基づき駆動輪２０の車輪モータ５０を駆動する指令値を算出する。
【０１９１】
ＣＰＵ６０は、上記算出した、各駆動輪２０の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を各モータのドライバに入力する。この指令値により、各関節モータ４０が駆動され、各脚部１２の回転関節１４がヨー軸周りに回動して目標の操舵角度へと変化する。その後、各車輪モータ５０が駆動され、各駆動輪２０が指令値に応じた回転角速度で回転駆動する。これにより、脚車輪型ロボット１００は、基体１０の中心座標（０，０）を旋回中心として、前後移動せずにその場で時計回りに９０[°]旋回（超信地旋回）する。
【０１９２】
そして、脚車輪型ロボット１００を、時計回りに９０[°]旋回して右折させると、その先の通路を、前方向へと直進走行させる。
図１４（ｂ）に示すように、右折した先の通路は袋小路となっているため、脚車輪型ロボット１００は、やがて通路の行き止まりへと到達する。
脚車輪型ロボット１００は、これ以上先に進めないため（各種センサにより状況を把握）、１８０[°]旋回して通路を引き返すことになる。
【０１９３】
ここでは、通路の幅が前後移動を伴う旋回動作（例えば、Ｕターン）を行えるほど広くないため、上記右折のときと同様に、超信地旋回制御モードへと移行し、超信地旋回により１８０[°]旋回して、脚車輪型ロボット１００の向きを変更し、引き返すこととする。
また、図１４（ｂ）に示すように、通路幅が自転ぎりぎりの幅となっているので、脚車輪型ロボット１００を最小の旋回半径で旋回させる必要がある。従って、旋回中心座標（０，０）と、旋回角速度Ω（基体１０を時計回りに回転させる角速度）と、旋回角度１８０[°]とを入力する。なお、脚部１２が通路にぶつからないように、脚車輪型ロボット１００の各脚部１２の姿勢を膝伸展姿勢へと変更する。
【０１９４】
旋回中心座標（０，０）、旋回角速度Ω及び旋回角度１８０[°]が入力されると、上記右折のときと同様に、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30として、「θ00＝θ10＝θ20＝θ30＝−（π／２−φ）」が算出され、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3として、「Ｖ1＝Ｖ2＝ＬΩ」、「Ｖ0＝Ｖ3＝−ＬΩ」が算出される。
更に、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、上式（８）に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
【０１９５】
操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪２０の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、各指令値が算出され、関節モータ４０及び車輪モータ５０が駆動される。
これにより、基体１０の中心座標（０，０）を旋回中心として、脚車輪型ロボット１００が前後移動せずにその場で時計回りに１８０[°]旋回（超信地旋回）し、真後ろ方向へと向きを変える。
【０１９６】
ここで、脚車輪型ロボット１００が、例えば、遠隔操作で人手により走行制御される場合や、自動制御で且つ基体１０の後ろ側にも各種センサやカメラを備えている場合などは、無変向走行制御により、前を向いたまま真後ろに走行させて通路を引き返させることも可能である。しかし、自動制御の場合で且つ各種センサが基体１０の前側にしか備わっていない場合は、基体１０の向きと進行方向とを合わせる必要がある。従って、後者の場合などに、超信地旋回は有用な旋回手段となる。
【０１９７】
次に、旋回中心オフセット型超信地旋回制御時の脚車輪型ロボット１００の動作について説明する。
いま、車輪走行移動モードへと移行し、脚車輪型ロボット１００の各関節モータ４０が制御され、ロボットの姿勢が膝屈曲姿勢に変更されたとする。このとき、ロボットの重心が図１５に示すように、基体１０の中心位置の座標から外れた位置となるとする。
【０１９８】
この場合は、重心位置が基体１０の中心位置の座標（０，０）から外れているため、中心位置を旋回中心として超信地旋回を行わせると旋回がアンバランスとなり、不具合が発生する恐れがある。
このようなときに、本実施の形態の超信地旋回制御指令モードにおいては、任意の旋回中心で超信地旋回させることができるので、旋回角速度Ωを入力すると共に、基体１０における、脚車輪型ロボット１００の重心位置に対応する座標（ｘｇ，ｙｇ）を旋回中心座標（ｘｃ，ｙｃ）として入力する。
【０１９９】
そして、旋回角速度Ω及び旋回中心座標（ｘｃ，ｙｃ）＝（ｘｇ，ｙｇ）が入力されると、上式（１２）に基づき、基体１０のｘ軸と各駆動輪２０の回転中心とのなす角度φ0、φ1、φ2、φ3が算出される。
各駆動輪２０の回転中心に対する角度φ0、φ1、φ2、φ3が算出されると、次に、各回転中心の運動方向と各駆動輪２０の進行方向とを一致させるための操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30を算出する。
【０２００】
操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30は、「θi0＝−（π／２−φi）（i＝0,1,2,3）」と算出される。
次に、上式（１３）に基づき、各駆動輪２０の操舵時のヨー軸周りの回転中心と旋回中心（ｘｃ，ｙｃ）との距離Ｌ0、Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3を算出する。
距離Ｌ0、Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3が算出されると、次に、これらの距離と旋回角速度Ωとから、上式（１４）に基づき、各駆動輪２０の線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3を算出する。
【０２０１】
ここでは、脚車輪型ロボット１００を反時計回りに旋回（Ω＞０）させるとして、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、「Ｖ0＝−Ｌ0Ω」、「Ｖ1＝Ｌ1Ω」、「Ｖ2＝Ｌ2Ω」、「Ｖ3＝−Ｌ3Ω」と算出される。
更に、線速度Ｖ0、Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3は、上式（８）に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
【０２０２】
操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪２０の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、次に、角度取込Ｉ／Ｆ６２を介して、現在の各駆動輪２０の操舵角度及び回転角速度を取得する。ここでは、取得した操舵角度と上記算出した操舵角度との差分値を算出し、該差分値に基づき回転関節１４の関節モータ４０を駆動する指令値を算出する。更に、取得した現在の回転角速度と、上記算出した回転角速度との差分値を算出し、該差分値に基づき駆動輪２０の車輪モータ５０を駆動する指令値を算出する。
【０２０３】
ＣＰＵ６０は、上記算出した、各駆動輪２０の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を各モータのドライバに入力する。この指令値により、各関節モータ４０及び各車輪モータ５０が駆動され、これにより、基体１０における重心座標と対応する座標（ｘｇ，ｙｇ）を旋回中心として、脚車輪型ロボット１００がバランスのとれた状態で反時計回りに超信地旋回する。
【０２０４】
このようにして、本実施の形態では、走行制御時に、脚車輪型ロボット１００の姿勢を膝屈曲姿勢にすると共に、駆動輪２０がヨー軸上接地するように関節モータ４０を制御する。
これにより、走行時に、基体１０の重心の床面への投影点が各駆動輪２０で構成される四角形の中心付近に位置することになり、安定するため転倒の不安が軽減される。また、接地点と回転関節１４との長さが０であるため、回転関節１４の関節モータ４０の駆動トルクを低減することができる。
【０２０５】
さらに、本実施の形態では、基体１０の向きを一定方向に保持した状態で、脚車輪型ロボット１００が目的の進行方向に走行するように関節モータ４０及び車輪モータ５０を制御する。
これにより、旋回を行わず（向きを変えず）に自由な方向へ移動できるので、各方向への素早い移動を実現できると共に、脚車輪型ロボット１００の各構成部が妨げとなって旋回できないような狭くて入り組んだエリアなど、脚車輪型ロボットの向きを変更することが困難なエリアにおいても活動が可能となる。
【０２０６】
さらに、本実施の形態では、脚車輪型ロボット１００を所定の旋回中心位置で前後移動させずに旋回（超信地旋回）するように関節モータ４０及び車輪モータ５０を制御する。このとき、基体１０における中心位置の座標を旋回中心座標とする制御（超信地旋回制御）と、基体１０における中心位置以外の座標を旋回中心座標とする制御（旋回中心オフセット型超信地旋回制御）とを行うことが可能である。
【０２０７】
これにより、基体１０の中心位置を旋回中心位置とする場合は、最小の旋回半径で脚車輪型ロボットを旋回をさせることが可能である。また、基体１０の中心位置以外を旋回中心位置とする場合は、基体１０の中心位置と重心位置とが異なる場合などに、重心位置を旋回中心として超信地旋回させることができるので、脚車輪型ロボット１００を、バランスよく超信地旋回させることが可能である。
【０２０８】
上記第２の実施の形態において、脚部１２は、発明８の脚車輪機構部に対応し、回転関節１４の関節モータ４０は、発明１のアクチュエータ、または発明２ないし５、７または８の第１アクチュエータに対応し、回転関節１６、１８の関節モータ４０は、発明２ないし５、７または８の第２アクチュエータに対応し、ＣＰＵ６０は、発明２ないし５、７または８の制御手段に対応している。
【０２０９】
なお、上記第１の実施の形態においては、旋回時に、駆動輪２０がヨー軸上接地するように関節モータ４０を制御するように構成したが、これに限らず、旋回時、非旋回時にかかわらず、基体１０を上下方向に変位させるときは、駆動輪２０がヨー軸上接地するように関節モータ４０を制御するように構成することもできる。
図１１は、車高が制限される天井が低いエリアでの動作を示す図である。
【０２１０】
図１１に示すように、車高が制限される天井が低いエリアにおいては、基体１０の重心の床面への投影点と各駆動輪２０で構成される四角形との位置関係を維持しながら基体１０を上下させることができるので、このような天井が低いエリアでの活動が可能となる。
また、上記第１の実施の形態においては、本発明に係る脚車輪型ロボットを、階段を乗り越える場合について適用したが、これに限らず、階段以外の段差を乗り越える場合についても同様に適用することができる。
【０２１１】
また、上記第１及び第２の実施の形態においては、本発明に係る脚車輪型ロボット１００の構成を、基体１０の前方に左右一対及び後方に左右一対の４本の脚部１２を有する構成としたが、これに限らず、基体１０の中央に左右一対の脚部１２を設ける構成や、３本の脚部１２を対称に設ける構成、５本以上の脚部１２を設ける構成など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で他の構成としても良い。また、多脚とした場合には、不要な脚部１２を走行制御に用いないように制御するようにしても良い。
【０２１２】
〔第３の実施の形態〕
次に、本発明の第３の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１６ないし図３４は、本発明に係る脚車輪型ロボット、物体認識装置および物体認識方法の第３の実施の形態を示す図である。
【０２１３】
まず、本発明を適用する脚車輪型ロボット１００の構成を説明する。
図１６は、脚車輪型ロボット１００の正面図である。
図１７は、脚車輪型ロボット１００の側面図である。
脚車輪型ロボット１００は、図１６および図１７に示すように、基体１０と、基体１０に連結された４つの脚部１２とを有して構成されている。
【０２１４】
基体１０の前部には、２本の脚部１２が回転関節１４を介して左右対称の位置に連結されている。また、基体１０の後部には、２本の脚部１２が回転関節１４を介して左右対称の位置に連結されている。回転関節１４は、脚車輪型ロボット１００の底面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、ヨー軸回りに回転する。
各脚部１２には、２つの回転関節１６、１８が設けられている。回転関節１４は、下方を軸方向として回転し、回転関節１６、１８は、回転関節１４が図１６の状態であるときは、脚車輪型ロボット１００の側面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、回転関節１４が図１６の状態であるときは、ピッチ軸回りに回転し、回転関節１４が図１６の状態から９０度回転した状態であるときは、ロール軸回りに回転する。したがって、脚部１２は、それぞれ３自由度を有する。
【０２１５】
各脚部１２の先端には、回転関節１６、１８と軸方向を同一にして駆動輪２０が回転可能に設けられている。
各脚部１２の先端には、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に存在する物体までの距離を測定する前方脚先センサ２２と、接地面までの距離を測定する下方脚先センサ２４とが設けられている。
【０２１６】
一方、基体１０の正面には、３次元距離測定装置２００が取り付けられている。３次元距離測定装置２００の座標系（以下、センサ座標系という。）は、基体１０の奥行き（前後の長さ）方向をｘrs軸、基体１０の幅（左右の長さ）方向をｙrs軸、基体１０の高さ方向をｚrs軸とし、ｘrs軸は基体１０の前方を、ｙrs軸は基体１０の右方を、ｚrs軸は基体１０の上方をそれぞれ正の方向とする。
【０２１７】
次に、３次元距離測定装置２００の外観構造を説明する。
図１８は、３次元距離測定装置２００の正面図（ｙrs−ｚrs平面）である。
図１９は、３次元距離測定装置２００の側面図（ｘrs−ｚrs平面）である。
図２０は、３次元距離測定装置２００の上面図（ｙrs−ｘrs平面）である。
３次元距離測定装置２００は、図１８ないし図２０に示すように、下側支持板２０４と、下側支持板２０４の上方に設けられた上側支持板２０６と、上側支持板２０６の上方に設けられたカメラ支持板２０８とを有して構成されている。下側支持板２０４と上側支持板２０６、および上側支持板２０６とカメラ支持板２０８は、それぞれ複数の支柱により支持されている。
【０２１８】
カメラ支持板２０８は、図１９に示すように、下側支持板２０４および上側支持板２０６に対してｘrs軸の正の方向に迫り出して設けられている。カメラ支持板２０８の迫り出した部分には、カメラ２２２が取り付けられている。
下側支持板２０４の下面には、モータ２１６が取り付けられている。モータ２１６の回転軸（以下、駆動回転軸という。）は、下側支持板２０４を下方から貫通し、下側支持板２０４と上側支持板２０６の間に配置されたプーリ２２０ａに連結している。
【０２１９】
一方、下側支持板２０４の下面であってモータ２１６から水平方向に所定距離隔てた位置には、２次元距離測定装置２１２が取り付けられている。２次元距離測定装置２１２は、回転軸（以下、従動回転軸という。）を有し、従動回転軸が下側支持板２０４を下方から貫通し、下側支持板２０４と上側支持板２０６の間に配置されたプーリ２２０ｂに連結している。
【０２２０】
プーリ２２０ａ、２２０ｂには、ベルト２２１が巻き掛けられている。したがって、モータ２１６によりプーリ２２０ａが回転し、プーリ２２０ａに巻き掛けたベルト２２１によりプーリ２２０ｂが回転することにより、２次元距離測定装置２１２は、図２０に示すように、ｚrs軸回りに回転する。
図２１は、測距センサの走査範囲を示す図である。
【０２２１】
２次元距離測定装置２１２は、測距センサを内蔵し、図２１に示すように、測距センサを、ｚrs軸およびその測定方向に対して直交する軸回りに回転させながら所定の走査単位角度ごとに測距センサの測定結果を取得する。測距センサの走査範囲は、脚車輪型ロボット１００が階段の昇降や障害物の回避を行うことを目的としているため、脚車輪型ロボット１００の下方を重点的に走査するように設定されている。なお、２次元距離測定装置２１２および測距センサの原点位置（走査角度θおよびφが０°の位置）においては、測距センサの測定方向がｘrs軸と一致し、測距センサの回転軸がｙrs軸と一致する。測距センサの回転軸は、２次元距離測定装置２１２の走査角度によって向きが変化するが、原点位置においてｙrs軸と一致するため、説明の便宜上、測距センサの回転軸をｙrs’軸と表記する。
【０２２２】
３次元距離測定装置２００は、２次元距離測定装置２１２を回転駆動する回転駆動機構（モータ２１６、エンコーダ２１８、プーリ２２０ａ、２２０ｂ、ベルト２２１および下側支持板２０４）が、図２１に示す走査範囲外に設けられているため、図２１に示す走査範囲であれば、３次元距離測定装置２００を構成する各機構部によって、測距センサ２１２ａの走査が阻害されない。
【０２２３】
また、脚車輪型ロボット１００の走行経路上の障害物を認識できればよいので、ｚrs軸回りの回転駆動による走査範囲も、前方１８０°までをカバーする必要はなく、２次元距離測定装置２１２から水平方向に所定距離隔てて配置されたモータ２１６およびエンコーダ２１８を走査範囲外とする範囲でも十分である。したがって、２次元距離測定装置２１２の回転駆動範囲を、モータ２１６およびエンコーダ２１８を含まない範囲とする。
【０２２４】
次に、脚車輪型ロボット１００の移動制御システムを説明する。
図２２は、脚車輪型ロボット１００の移動制御システムを示すブロック図である。
各脚部１２の回転関節１４〜１８には、図２２に示すように、回転関節１４〜１８を回転駆動する関節モータ４０がそれぞれ設けられている。各関節モータ４０には、関節モータ４０の回転角度位置を検出するエンコーダ４２と、モータ指令信号およびエンコーダ４２の出力信号に基づいて関節モータ４０の駆動を制御するドライバ４４が設けられている。
【０２２５】
各脚部１２の駆動輪２０には、駆動輪２０を回転駆動する車輪モータ５０がそれぞれ設けられている。各車輪モータ５０には、車輪モータ５０の回転角度位置を検出するエンコーダ５２と、モータ指令信号およびエンコーダ５２の出力信号に基づいて車輪モータ５０の駆動を制御するドライバ５４が設けられている。
脚車輪型ロボット１００は、さらに、ＣＰＵ６０と、脚車輪型ロボット１００の姿勢を検出する３軸姿勢センサ７０と、外部のＰＣ等と無線通信を行う無線通信部７４と、無線通信部７４とＣＰＵ６０の入出力を中継するハブ７６と、警告音等を出力するスピーカ７８とを有して構成されている。
【０２２６】
３軸姿勢センサ７０は、ジャイロ若しくは加速度センサ、またはその両方を有し、地軸に対して脚車輪型ロボット１００の姿勢の傾きを検出する。
ＣＰＵ６０は、モータ指令出力Ｉ／Ｆ６１を介してドライバ４４、５４にモータ指令信号を出力し、角度取込Ｉ／Ｆ６２を介してエンコーダ４２、５２の出力信号を入力する。また、センサ入力Ｉ／Ｆ６３を介して、３次元距離測定装置２００、前方脚先センサ２２、下方脚先センサ２４および３軸姿勢センサ７０からそれぞれセンサ信号を入力する。また、通信Ｉ／Ｆ６４を介してハブ７６と信号の入出力を行い、サウンド出力Ｉ／Ｆ６５を介してスピーカ７８に音声信号を出力する。
【０２２７】
次に、２次元距離測定装置２１２の制御構造を説明する。
図２３は、２次元距離測定装置２１２の制御構造を示すブロック図である。
２次元距離測定装置２１２は、図２３に示すように、測定範囲内に存在する物体上の測定点までの距離を測定する測距センサ２１２ａと、測距センサ２１２ａを回転駆動するモータ２１２ｃと、モータ２１２ｃの回転角度位置を検出するエンコーダ２１２ｄと、指令信号およびエンコーダ２１２ｄの出力信号に基づいてモータ２１２ｃの駆動を制御するドライバ２１２ｂとを有して構成されている。
【０２２８】
ドライバ２１２ｂは、センシングプロセッサ２１０からの指令信号において設定された走査角度範囲（例えば、−４０°〜＋４０°等の所定の角度範囲）および走査単位角度（例えば、０．３６°等の所定の単位角度）に基づいて、モータ２１２ｃの回転軸を走査単位角度ずつ回転させる制御を行う。
モータ２１２ｃは、測距センサ２１２ａのレーザ出力部（不図示）および受光部（不図示）をｙrs’軸回りに回転駆動するように設けられており、ドライバ２１２ｂからの制御信号に応じて、自己の回転軸を走査単位角度（Δθ）ずつ回転駆動する。
【０２２９】
次に、３次元距離測定装置２００の制御構造を説明する。
図２４は、３次元距離測定装置２００の制御構造を示すブロック図である。
３次元距離測定装置２００は、図２４に示すように、センシングプロセッサ２１０と、２次元距離測定装置２１２と、モータ２１６と、エンコーダ２１８と、指令信号およびエンコーダ２１８の出力信号に基づいてモータ２１６の駆動を制御するドライバ２１４と、カメラ２２２とを有して構成されている。
【０２３０】
センシングプロセッサ２１０は、専用のプログラムを実行し、ドライバ２１２ｂに指令信号を与えて測距センサ２１２ａを回転させ、測距センサ２１２ａの走査範囲で測定可能な領域（以下、走査平面という。）内に存在する物体上の測定点までの距離を測定する第１走査処理を実行するとともに、１つの走査平面に対する第１走査処理が終了するごとに、ドライバ２１４に指令信号を与えて２次元距離測定装置２１２を回転させる第２走査処理を実行する。
【０２３１】
センシングプロセッサ２１０は、さらに、第１走査処理および第２走査処理を経て２次元距離測定装置２１２で測定した距離の情報（以下、距離情報という。）に基づいて、測定範囲内に存在する物体上の連続面を認識する処理を実行する。
次に、３次元距離測定装置２００の距離測定の原理を説明する。
図２５は、２次元距離測定装置２１２の距離測定の原理を説明するための図である。
【０２３２】
２次元距離測定装置２１２は、測距センサ２１２ａが、モータ２１２ｃの回転軸の回転駆動に応じて、ｙrs’軸回りに走査単位角度ずつ回転し、かつ、回転するごとに、図２５に示すように、レーザ出力部からレーザ光を出力するとともに、出力光に対する物体（図２５中の障害物）からの反射光を受光部で受光し、各走査角度に応じた距離（図２５中の測定距離Ｌ（物体と受光部との間の距離））を測定する。
【０２３３】
図２６は、第１走査処理および第２走査処理により走査を行った場合を示す図である。同図（ａ）は、測距センサ２１２ａをｙrs’軸回りに回転させたときの測定距離Ｌと走査角度θとの関係を示す図であり、同図（ｂ）は、２次元距離測定装置２１２をｚrs軸回りに回転させたときの走査平面と走査角度φとの関係を示す図である。
第１走査処理は、例えば、図２６（ａ）に示すように、測距センサ２１２ａをｙrs’軸回りに走査単位角度ずつ回転させながら、原点位置に対する各走査角度（図２６（ａ）中のθ1、θ2、θ3）に応じた距離情報（図２６（ａ）中のＬ（θ1）、Ｌ（θ2）、Ｌ（θ3））を測定する処理となる。
【０２３４】
また、第１走査処理における、モータ２１２ｃの回転軸の回転中心と、レーザの走査軌道線の両端とを結んで形成される平面が、走査平面（物体が存在しない場合は扇形の平面）となる。
ドライバ２１４は、センシングプロセッサ２１０からの指令信号において設定された走査角度範囲および走査単位角度（Δφ）に基づいて、モータ２１６の回転軸を走査単位角度ずつ回転させる制御を行う。
【０２３５】
モータ２１６は、減速機（不図示）、プーリ２２０ａ、２２０ｂおよびベルト２２１を介して、２次元距離測定装置２１２をｚrs軸回りに回転駆動するように設けられており、ドライバ２１４からの制御信号に応じて、自己の回転軸を走査単位角度ずつ回転駆動する。これにより、モータ２１６の回転軸の回転駆動に応じて、プーリ２２０ａ、２２０ｂを介して従動回転軸に回転駆動力が伝達され、２次元距離測定装置２１２がｚrs軸回りに走査単位角度ずつ回転する。
【０２３６】
すなわち、第２走査処理は、図２６（ｂ）に示すように、２次元距離測定装置２１２をｚrs軸回りに走査単位角度ずつ回転させる処理となる。そして、第１走査処理と第２走査処理とを交互に連続して行うことにより、第１走査処理によって形成される走査平面をｚrs軸回りに連続して形成する。
図２７は、３次元距離測定装置２００の距離の計測例を示す図である。
【０２３７】
これにより、例えば、図２７に示すように、壁、ついたて、スタンド、棚等の物体の立体的な形状を把握することができる。
また、図２６（ｂ）に示すように、第２走査処理後の各測定点の距離情報をＬ（θi，φj）と表記する。ここで、ｉは、ｙrs’軸回りの走査角度に応じて各測定点に付与される通し番号であり、ｊは、ｚrs軸回りの走査角度に応じて各測定点に付与される通し番号である。
【０２３８】
次に、３次元距離測定装置２００で実行される物体認識処理を説明する。
図２８は、３次元距離測定装置２００で実行される物体認識処理を示すフローチャートである。
物体認識処理は、ＣＰＵ６０からの指令信号に基づいて、センシングプロセッサ２１０が、ＲＯＭ（不図示）に記憶された専用のプログラムを読み出し、読み出したプログラムを実行することで実現される処理であって、処理が実行されると、図２８に示すように、まず、ステップＳ３００に移行する。
【０２３９】
ステップＳ３００では、３次元距離測定装置２００において、ＣＰＵ６０からの指令信号に基づいて、測距センサ２１２ａおよび２次元距離測定装置２１２の走査角度範囲および走査単位角度を設定し、ステップＳ３０２に移行する。ここで、ＣＰＵ６０からの指令信号には、走査角度範囲および走査単位角度の情報が含まれている。
ステップＳ３０２では、２次元距離測定装置２１２に指令信号を出力することにより、ドライバ２１２ｂ、モータ２１２ｃおよびエンコーダ２１２ｄを駆動し、測距センサ２１２ａを、ステップＳ３００で設定されたｙrs’軸回りの走査角度範囲内において、ステップＳ３００で設定された走査単位角度ずつｙrs’軸回りに回転させるとともに、各走査角度に応じた距離情報を測定する第１走査処理を実行し、ステップＳ３０４に移行する。
【０２４０】
ステップＳ３０４では、ステップＳ３０２で測定した距離情報に対して、メディアンフィルタを用いたフィルタリング処理を実行してノイズ成分を除去し、ステップＳ３０６に移行する。
ステップＳ３０６では、ステップＳ３０４でノイズ除去後の回転座標系の距離情報を直交座標系の座標情報に変換する。これにより、第１走査処理で得られた各測定点の距離情報は、その第１走査処理の走査平面を２次元平面とする直交座標系（以下、走査平面座標系という。）の座標情報に変換される。
【０２４１】
次いで、ステップＳ３１０に移行して、ステップＳ３０６で変換された座標情報に基づいてハフ変換により直交座標系における線分を検出する。
図２９は、ハフ変換の原理を説明するための図である。同図（ａ）は、ｘ−ｙ平面を示し、同図（ｂ）は、ρ−θ平面を示す。なお、同図（ａ）のｘ軸、ｙ軸は、走査平面座標系における軸を示し、センサ座標系における軸とは別個のものである。
【０２４２】
ハフ変換は、デジタル画像処理で用いられる特徴抽出法の一つである。古典的には直線の検出を行うものだったが、さらに一般化されて様々な形態（円や楕円等の方程式の形で表現できるもの）に対して用いられている。ハフ変換の特徴は、画像中の直線が途中で切断されている場合や、雑音が存在する場合でも、比較的良好な結果を得ることができる点である。
【０２４３】
図２９（ａ）に示すように、走査平面座標系における直線ａｘ＋ｂｙ＋ｃ＝０を考える。
この直線から原点に垂線を下ろし、垂線の長さをρ、垂線とｘ軸とのなす角をθとしたとき、この直線は、下式（15）により表すことができる。
【０２４４】
【数６】
2009006984.tif 000008
【０２４５】
上式（15）は、下式（16）に変形することができる。
ρ＝ｘcosθ＋ｙsinθ                                                …（16）
したがって、１組の（ρ、θ）に対して１本の直線が対応することとなる。ここで、点（ρ、θ）を直線ａｘ＋ｂｙ＋ｃ＝０のハフ変換と呼ぶ。また、走査平面座標系の任意の点（ｘ0、ｙ0）を通る直線群は、下式（17）により表すことができる。
ρ＝ｘ0cosθ＋ｙ0sinθ                                              …（17）
ここで、ｘ−ｙ平面において３点Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3を通るそれぞれの直線群の軌跡をρ−θ平面に描くと、図２９（ｂ）に示すように正弦曲線となる。この３点がｘ−ｙ平面において同一直線上に存在するのであれば、ρとθの値は同一となり、ρ−θ平面において、３点に対応する曲線は１点で交わることになる。
【０２４６】
ハフ変換の原理を利用すれば、複数の測定点の座標に基づいて線分を検出することができる。すなわち、ｎ（ｎ≧２）個の測定点に対して、ρ−θ平面上ではｎ個の曲線が描かれ、このうちｍ（ｎ≧ｍ≧２）個の曲線が１点で交わっていれば、このｍ個の曲線に対応するｍ個の測定点は、ｘ−ｙ平面において同一直線上にあるということになる。
次いで、図２８に示すように、ステップＳ３２０に移行して、検出した線分の端点を連続面の境界（凹凸のエッジ）として判定する。複数の線分が重なり合っているとき、または複数の線分が所定距離内に存在するときは、１つの線分であるとみなし、それら線分の端点のうち最も離れた２点を連続面の境界として判定する。
【０２４７】
次いで、ステップＳ３２４に移行して、連続面の境界として判定した端点の座標情報をセンサ座標系に変換し、変換された座標情報を各線分ごとに対応付けてＲＡＭ等のメモリ（不図示）に記憶し、ステップＳ３２６に移行する。
ステップＳ３２６では、第２走査処理の走査角度範囲および走査単位角度に対応するすべての走査平面についてステップＳ３０２〜Ｓ３２４の処理が終了したか否かを判定し、処理が終了したと判定したとき(Yes)は、ステップＳ３３６に移行する。
【０２４８】
ステップＳ３３６では、メモリに記憶された座標情報に基づいて面データを生成する。連続面の境界として判定した端点を結ぶ線分（ステップＳ３２０で、１つの線分であるとみなしたもの）は、連続面と走査平面が交わる交線であるので、面データの生成は、例えば、ある走査平面において、連続面の境界として判定した端点を結ぶ線分と、ｚrs軸回りに隣接する走査平面において、連続面の境界として判定した端点を結ぶ線分との傾きおよび座標が所定範囲にあるものを連続面と判定し、それら線分に対応する座標情報を対応付けたり、公知の補間法を用いてつなぎ合わせたりすることにより行う。例えば、傾きが０に近い連続面は、水平面とみなすことができるので、そこが歩行可能な面であると判定することができる。
【０２４９】
次いで、ステップＳ３３８に移行して、ハブ７６および通信Ｉ／Ｆ６４を介して、ステップＳ３３６で生成した面データをＣＰＵ６０に出力し、一連の処理を終了する。
一方、ステップＳ３２６で、すべての走査平面についてステップＳ３０２〜Ｓ３２４の処理が終了しないと判定したとき(No)は、ステップＳ３４０に移行して、３次元距離測定装置２００に指令信号を出力することにより、ドライバ２１４、モータ２１６およびエンコーダ２１８を駆動し、２次元距離測定装置２１２を、ステップＳ３００で設定されたｚrs軸回りの走査角度範囲内において、ステップＳ３００で設定された走査単位角度ずつｚrs軸回りに回転させる第２走査処理を実行し、ステップＳ３０２に移行する。
【０２５０】
次に、ＣＰＵ６０で実行される処理を説明する。
ＣＰＵ６０は、ＲＯＭ等の所定領域に格納されている制御プログラムを起動させ、その制御プログラムに従って、図３０のフローチャートに示す昇降制御処理を実行する。
図３０は、昇降制御処理を示すフローチャートである。
昇降制御処理は、脚部１２の昇降制御を行う処理であって、ＣＰＵ６０において実行されると、まず、図３０に示すように、ステップＳ４００に移行する。
【０２５１】
ステップＳ４００では、３次元距離測定装置２００から面データを入力し、ステップＳ４０２に移行して、入力した面データに基づいて、センサ座標系における各測定点の座標をグローバル座標系の座標に変換し、連続面の周縁上の点を階段の特徴点として検出する。
次いで、ステップＳ４０４に移行して、検出した階段の特徴点に基づいて階段の幅を算出し、ステップＳ４０６に移行して、検出した階段の特徴点に基づいて階段の段鼻部の実座標を算出し、ステップＳ４０８に移行する。
【０２５２】
ステップＳ４０８では、算出した階段の幅および段鼻部の実座標、並びに３軸姿勢センサ７０のセンサ信号に基づいて逆運動学計算および重心計算を行い、ステップＳ４１０に移行して、ステップＳ４０８の計算結果に基づいて脚先（駆動輪２０）の着地位置を決定し、ステップＳ４１２に移行する。
ステップＳ４１２では、前方脚先センサ２２および下方脚先センサ２４からそれぞれセンサ信号を入力し、ステップＳ４１４に移行して、入力した前方脚先センサ２２のセンサ信号に基づいて蹴込板までの距離を算出し、ステップＳ４１６に移行して、入力した下方脚先センサ２４のセンサ信号に基づいて脚先と踏板の位置関係を算出し、ステップＳ４１８に移行する。
【０２５３】
ステップＳ４１８では、決定した着地位置および算出した両距離に基づいてドライバ４４、５４へのモータ指令信号を生成し、ステップＳ４２０に移行して、生成したモータ指令信号をドライバ４４、５４に出力し、ステップＳ４２２に移行する。
ステップＳ４２２では、脚先が踏板に着地したか否かを判定し、脚先が着地したと判定したとき(Yes)は、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
【０２５４】
一方、ステップＳ４２２で、脚先が着地しないと判定したとき(No)は、ステップＳ４１２に移行する。
次に、本実施の形態の動作を説明する。
脚車輪型ロボット１００の移動経路上に階段が存在し、これを乗り越える場合を説明する。
【０２５５】
センシングプロセッサ２１０では、まず、ステップＳ３００を経て、ＣＰＵ６０からの指令信号に基づいて、センシングプロセッサ２１０において走査角度範囲および走査単位角度が設定される。
ここで、２次元距離測定装置２１２は、測距範囲２０〜４０９５[mm]、最大走査角度範囲２４０°、角度分解能０．３６°の２次元レンジセンサであることとする。走査角度範囲が２４０°であれば、図２１に示す走査平面を形成する走査角度範囲と同じとなり、２次元距離測定装置２１２の上方にある下側支持板２０４、プーリ２２０ａ、２２０ｂおよびベルト２２１が走査範囲に含まれないことになる。
【０２５６】
また、第１走査処理に対して、走査角度範囲２４０°および走査単位角度０．３６°が設定され、第２走査処理に対して、走査角度範囲−４０°〜＋４０°および走査単位角度１０°が設定されたとする（この場合は、走査平面が９つ形成される）。走査角度範囲−４０°〜＋４０°であれば、２次元距離測定装置２１２から水平方向に所定距離隔てて配置されたモータ２１６およびエンコーダ２１８が走査範囲に含まれないことになる。
【０２５７】
次いで、ステップＳ３０２を経て、第１走査処理に対して設定された走査角度範囲および走査単位角度に基づいて、ドライバ２１２ｂに指令信号が出力されることにより第１走査処理が実行される。最初は、ｚrs軸回りの走査角度φが０°の位置（原点位置）に対する第１走査処理が実行される。
その結果、ドライバ２１２ｂにより、センシングプロセッサ２１０からの指令信号およびエンコーダ２１２ｄからの出力信号に基づいて、モータ２１２ｃの回転軸が回転駆動し、測距センサ２１２ａがｙrs’軸回りに走査単位角度Δθ＝０．３６°ずつ回転するとともに、各走査角度に応じた距離が測定される。各距離情報は、データ列Ｌ（θi，φj）としてセンシングプロセッサ２１０に出力される。
【０２５８】
なお、ｙrs’軸回りの走査範囲内には、基体１０以外に、２次元距離測定装置２１２の駆動機構等の走査を阻害する物が一切存在しないため、走査範囲内に存在する物体の正確な距離情報を得ることができる。
１つの走査平面に対する第１走査処理が終了すると、ステップＳ３０４を経て、第１走査処理で測定された距離情報に対してフィルタリング処理が行われる。これにより、測定情報におけるノイズ成分が除去される。
【０２５９】
図３１は、第１走査処理による測定結果を示すグラフである。
ここで、ノイズ成分除去後の各測定点の測定距離Ｌ[mm]は、例えば、図３１に示すようになる。図３１において、横軸は、各走査角度に応じた測定点の番号（第１走査角度番号）であり、縦軸は、各走査角度番号の測定点に対する測定距離Ｌ[mm]である。
図３１の例では、脚車輪型ロボット１００の歩行経路上に、段差が一定でかつ踏板が連続面となっている階段が存在することが分かる。
【０２６０】
次いで、ステップＳ３０６を経て、フィルタリング処理後の回転座標系の距離情報が直交座標系の座標情報に変換される。
図３２は、図３１の各測定点の回転座標系の距離情報を直交座標系の座標情報に変換した結果を示すグラフである。
図３１の各測定点の回転座標系の距離情報は、座標変換により、図３２に示すように、各走査角度に対応するｘrs軸方向の距離[mm]とｚrs軸方向の距離[mm]とで表される２次元の座標情報となる。図３２において、横軸は、ｘrs軸方向の距離Ｌx[mm]であり、縦軸は、ｚrs軸方向の距離Ｌz[mm]である。
【０２６１】
次いで、ステップＳ３１０を経て、変換された座標情報に基づいてハフ変換により直交座標系における線分が検出される。
図３３は、直交座標系における測定点およびハフ変換の結果を示すグラフである。
直交座標系において各測定点は、図３３（ａ）に示すように、蹴込板および踏板の輪郭に沿った複数の点の集合として表される。図３３（ａ）の例では、１段目の踏板に対応する領域において、いくつかの測定点が連続面から外れた領域に分布しているが、これは、測定面である踏板の光沢等の影響により測定結果にばらつきが生じたものであり、誤差領域Ａ1である。また、領域Ａ2は、他の領域と比べて測定解像度が低くなっている。
【０２６２】
この測定結果に対してハフ変換を行うと、図３３（ｂ）に示すように、各踏板の輪郭に沿った線分が検出される。
複数の測定点に基づいて線分を検出する他の方法として、最小二乗法が知られている。
しかしながら、最小二乗法では、１つ１つの測定点を辿って線分を検出するため、低解像度領域Ａ2では、踏板の輪郭とは沿わない線分を検出してしまうことがある。これに対し、ハフ変換では、測定解像度の影響を受けにくく、低解像度領域Ａ2を含んでいても、図３３（ｂ）に示すように、踏板の輪郭に比較的沿った線分を検出することができる。
【０２６３】
また、最小二乗法では、１つ１つの測定点を辿って線分を検出するため、誤差領域Ａ1について、実際は平坦な線分であるところ斜めの線分として検出してしまう。これに対し、ハフ変換では、ばらつきの影響を受けにくく、ばらつきの数が少なければ、図３３（ｂ）に示すように、誤差領域Ａ1およびその両側の領域を平坦な線分として検出することができる。
【０２６４】
また、最小二乗法では、どこからどこまでの領域を１つの連続面であるかを認識するかについて問題がある。この場合、例えば、検出した線分の傾きが急激に変化した箇所を連続面の境界として認識することが考えられるが、この認識方法では、誤差領域Ａ1について、実際は誤差領域Ａ1およびその両側の領域が１つの連続面であるところ両側の領域を別々の連続面として認識してしまう。これに対し、ハフ変換では、ばらつきの影響を受けにくく、ばらつきの数が少なければ、図３３（ｂ）に示すように、誤差領域Ａ1およびその両側の領域を１つの平坦な線分として検出することができる。
【０２６５】
次いで、ステップＳ３２０、Ｓ３２４を経て、検出された線分の端点が連続面の境界として判定され、連続面の境界として判定された端点の座標情報がセンサ座標系に変換され、変換された座標情報がメモリに記憶される。
１つの走査平面について測定が終了すると、ステップＳ３４０を経て、第２走査処理に対して設定された走査角度範囲および走査単位角度に基づいて、ドライバ２１４に指令信号が出力されることにより第２走査処理が実行される。
【０２６６】
その結果、ドライバ２１４により、センシングプロセッサ２１０からの指令信号およびエンコーダ２１８からの出力信号に基づいて、モータ２１６の回転軸が回転駆動し、２次元距離測定装置２１２がｚrs軸回りに走査単位角度１０°ずつ回転する。第２走査処理によって、２次元距離測定装置２１２の向きが１つ前の状態に対してｚrs軸回りに１０°だけ変化する。そして、この状態で、ステップＳ３０２を経て、第１走査処理が再び実行される。すなわち、ｚrs軸回りに１０°ずれた位置に新たな走査平面が形成され、この走査平面について第１走査処理が実行される。
【０２６７】
ここで、２次元距離測定装置２１２が基体１０の正面に取り付けられているため、基体１０が走査範囲内に含まれてしまうが、脚車輪型ロボット１００の前方および歩行経路上を含む範囲においては阻害物が一切ないため、脚車輪型ロボット１００の歩行制御を行うのに十分な走査範囲が確保できているといえる。
すべての走査平面について測定が終了すると、ステップＳ３３６を経て、メモリに記憶された座標情報に基づいて面データが生成される。
【０２６８】
図３４は、連続面の判定結果を示す図である。
面データは、図３４に示すように、ｚrs軸回りに隣接する走査平面間において、傾きおよび座標が近い線分をつなぎ合わせることで生成される。図３４の例では、例えば、走査平面φ0において、１段目の踏板に対応する領域（φ0、２）の線分と、走査平面φ1において、１段目の踏板に対応する領域（φ1、２）の線分とが１つの連続面を構成すると判定されるので、その連続面については、それら線分の端点の座標情報を対応付けた面データが生成される。
【０２６９】
なお、同様に、走査平面φ0における領域（φ0、２ｉ（ｉは２以上の整数））の線分および走査平面φ1における領域（φ1、２ｉ）の線分が１つの連続面を、走査平面φ0における領域（φ0、２ｊ（ｊは１以上の整数）−１）の線分および走査平面φ1における領域（φ1、２ｊ−１）の線分が１つの連続面を構成すると判定され、面データが生成される。
【０２７０】
面データは、ステップＳ３３８を経て、ハブ７６および通信Ｉ／Ｆ６４を介してＣＰＵ６０に出力される。
ＣＰＵ６０では、面データを入力すると、ステップＳ４０２を経て、入力された面データに基づいて階段の特徴点が検出される。また、入力された面データが解析され、例えば、傾きが０に近い連続面が水平面とみなされ、脚車輪型ロボット１００が歩行可能な面であると判定される。
【０２７１】
歩行可能な面であると判定されると、ステップＳ４０４〜Ｓ４１０を経て、検出された階段の特徴点に基づいて階段の幅および段鼻部の実座標が算出され、算出された階段の幅および段鼻部の実座標に基づいて脚先の着地位置が決定される。
さらに、ステップＳ４１２〜Ｓ４１６を経て、脚先センサ２２、２４からそれぞれセンサ信号が入力され、蹴込板までの距離および脚先と踏板の位置関係が算出される。そして、ステップＳ４１８、Ｓ４２０を経て、決定された着地位置および算出された両距離に基づいてモータ指令信号が生成され、生成されたモータ指令信号がドライバ４４、５４に出力される。これにより、駆動輪２０が回転するとともに回転関節１４〜１８が駆動し、脚車輪型ロボット１００が姿勢を適切に保ちつつ階段を乗り越える。また、状況によっては階段を回避、停止する。したがって、脚型ロボットと同様に階段への適応性が高い。
【０２７２】
なお、段差が一定でかつ踏板が連続面となる階段を例に挙げたが、段差が一定でない階段、蹴込板の無い階段等に対しても、正確にその面を認識することができるので、脚車輪型ロボット１００の階段への適応性を高めることができる。
一方、平地では、脚車輪型ロボット１００は、車輪走行で移動することができる。したがって、車輪型ロボットと同様に平地での移動性が高い。
【０２７３】
このようにして、本実施の形態では、物体上の測定点までの距離を測定する測距センサ２１２ａを備え、測距センサ２１２ａを走査し、その走査範囲で測定可能な測定点について測距センサ２１２ａの測定結果を取得し、取得した測定結果を直交座標系の座標に変換し、変換された少なくとも２つの測定点の座標に基づいてハフ変換により直交座標系における線分を検出し、検出した線分に基づいて連続面または連続面の境界を認識する。
【０２７４】
これにより、連続面または連続面の境界として物体の少なくとも平面的な形状を把握することができるので、脚型ロボットや脚車輪型ロボット１００のように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御に好適な認識結果を得ることができる。また、ハフ変換により線分を検出するので、測距センサ２１２ａを用いた２次元距離測定装置２１２により物体認識を行う場合に、測定解像度の低下または測定結果のばらつきにより認識精度が低下する可能性を低減することができる。
【０２７５】
さらに、最小二乗法に比して、検出が困難となるエッジに対してロバストな検出が可能となる。
さらに、本実施の形態では、検出した線分の端点の座標に基づいて連続面または連続面の境界を認識する。
これにより、連続面または連続面の境界を比較的正確に認識することができる。
【０２７６】
さらに、本実施の形態では、測距センサ２１２ａをｙrs’軸回りに回転させるモータ２１２ｃ等からなるｙrs’軸回転機構と、測距センサ２１２ａをｚrs軸回りに回転させるモータ２１６等からなるｚrs軸回転機構とを備え、ｙrs’軸回転機構により測距センサ２１２ａを回転させながらｙrs’軸回転機構の走査単位角度ごとに測距センサ２１２ａの測定結果を取得する第１走査を、ｚrs軸回転機構により測距センサ２１２ａを回転させながらｚrs軸回転機構の走査単位角度ごとに行う第２走査を行うことにより、ｙrs’軸回転機構の走査単位角度ごとおよびｚrs軸回転機構の走査単位角度ごとの測定結果を取得する。
【０２７７】
これにより、連続面または連続面の境界として物体の立体的な形状を把握することができるので、脚型ロボットや脚車輪型ロボット１００のように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御にさらに好適な認識結果を得ることができる。また、測距センサ２１２ａを回転させる回転機構を採用したので、移動機構に比して、走査に必要なスペースが小さくてすみ、走査のための機構が簡素となり、しかも高速な走査を実現することができる。
【０２７８】
さらに、本実施の形態では、モータ２１６およびエンコーダ２１８と、２次元距離測定装置２１２とを水平方向に所定距離隔てて配置し、駆動回転軸の回転駆動力を、プーリ２２０ａ、ベルト２２１およびプーリ２２０ｂを介して従動回転軸へと伝達し、２次元距離測定装置２１２をｚrs軸回りに回転駆動する構成とした。
これにより、２次元距離測定装置２１２の走査角度範囲内には、走査を阻害するものが一切なくなるので、正確な距離情報を得ることができる。また、モータ２１６およびエンコーダ２１８と、２次元距離測定装置２１２とを水平方向に配置したので、３次元距離測定装置２００の高さ方向の占有率を低減することができる。
【０２７９】
さらに、本実施の形態では、脚先センサ２２、２４を備え、脚先センサ２２、２４で測定した距離に基づいて階段を認識し、その認識結果に基づいてモータ４０、５０を制御する。
これにより、脚先センサ２２、２４を用いて未知の階段を認識しながら脚部１２の昇降制御を行うので、従来に比して、未知の階段に対して高い適応性を実現することができる。また、人が活動する環境での動作を行えるので、人と一緒に行動する用途に用いられるホームロボット、パーソナルロボット等に好適である。
【０２８０】
さらに、本実施の形態では、３次元距離測定装置２００を基体１０の正面に設け、脚先センサ２２、２４を脚部１２の先端に設けた。
これにより、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に存在する物体を広い視野で検出することができるとともに、階段昇降時に駆動輪２０と階段の距離を精度よく測定することができる。
【０２８１】
さらに、本実施の形態では、前方脚先センサ２２の測定結果に基づいて階段の蹴込板までの距離を算出し、下方脚先センサ２４の測定結果に基づいて駆動輪２０と階段の踏板の位置関係を算出する。
これにより、階段の特徴のうち脚部１２の昇降制御にさらに有効な特徴を検出することができるので、未知の階段に対してさらに高い適応性を実現することができる。
【０２８２】
上記第３の実施の形態において、ステップＳ３０２、Ｓ３４０は、発明９、１２若しくは１４の測定結果取得手段、または発明２５の測定結果取得ステップに対応し、ステップＳ３０６は、発明９の座標変換手段、または発明２５の座標変換ステップに対応している。また、ステップＳ３１０は、発明９、１１若しくは１３の線分検出手段、または発明２５の線分検出ステップに対応し、ステップＳ３２０、Ｓ３３６は、発明９、１１若しくは１３の認識手段、または発明２５の認識ステップに対応している。
【０２８３】
また、上記第３の実施の形態において、ｙrs’軸は、発明１４の第１走査軸に対応し、ｚrs軸は、発明１４の第２走査軸に対応し、ｙrs’軸回転機構は、発明１２若しくは１４の第１走査手段、または発明１４の第１回転手段に対応し、ｚrs軸回転機構は、発明１２若しくは１４の第２走査手段、または発明１４の第２回転手段に対応している。
【０２８４】
〔第４の実施の形態〕
次に、本発明の第４の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図３５および図３６は、本発明に係る脚車輪型ロボット、物体認識装置および物体認識方法の第４の実施の形態を示す図である。
【０２８５】
本実施の形態は、上記第３の実施の形態に対して、直交座標系において、測定点間を線分で接続した上でハフ変換を行う点が異なる。なお、以下、上記第３の実施の形態と異なる部分についてのみ説明し、上記第３の実施の形態と重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
まず、３次元距離測定装置２００で実行される物体認識処理を説明する。
【０２８６】
図３５は、３次元距離測定装置２００で実行される物体認識処理を示すフローチャートである。
物体認識処理は、センシングプロセッサ２１０において実行されると、図３５に示すように、ステップＳ３００〜Ｓ３０６を経て、ステップＳ３０８に移行する。
ステップＳ３０８では、ステップＳ３０６で変換された座標情報に基づいて、走査平面座標系においてｘ軸方向に隣接する測定点の間を線分で接続し、ステップＳ３１０に移行して、得られた線上の点の座標情報に基づいてハフ変換により直交座標系における線分を検出する。
【０２８７】
そして、ステップＳ３２０、Ｓ３２４を経て、ステップＳ３２６に移行して、すべての走査平面についてステップＳ３０２〜Ｓ３２４の処理が終了したか否かを判定し、処理が終了したと判定したとき(Yes)は、ステップＳ３３６、Ｓ３３８を経て、一連の処理を終了する。
一方、ステップＳ３２６で、すべての走査平面についてステップＳ３０２〜Ｓ３２４の処理が終了しないと判定したとき(No)は、ステップＳ３４０を経て、ステップＳ３０２に移行する。
【０２８８】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
脚車輪型ロボット１００の移動経路上に階段が存在し、これを乗り越える場合を説明する。上記第３の実施の形態とは、ハフ変換により線分を検出する点が異なるので、異なる部分についてのみ説明する。
ステップＳ３０８、Ｓ３１０を経て、変換された座標情報に基づいて測定点間が線分で接続され、得られた線上の点の座標情報に基づいてハフ変換により直交座標系における線分が検出される。
【０２８９】
図３６は、直交座標系における測定点、線分接続の結果およびハフ変換の結果を示すグラフである。
直交座標系において各測定点は、図３６（ａ）に示すように、蹴込板および踏板の輪郭に沿った複数の点の集合として表される。図３６（ａ）の例では、１段目の踏板に対応する領域において、いくつかの測定点が連続面から外れた領域に分布しているが、これは、測定面である踏板の光沢等の影響により測定結果にばらつきが生じたものであり、誤差領域Ａ1である。また、領域Ａ2は、他の領域と比べて測定解像度が低くなっている。
【０２９０】
この測定結果に対して線分接続を行うと、図３６（ｂ）に示すように、各測定点が１つの線で接続される。これにより、測定点が存在しない測定点間は、線上の点で補間されることになる。
この接続結果に対してハフ変換を行うと、図３６（ｃ）に示すように、各蹴込板および各踏板の輪郭に沿った線分が検出される。
【０２９１】
なお、線分接続を行わず、図３６（ａ）の測定結果に対してハフ変換を行うと、図３３（ｂ）に示すように、各踏板の輪郭に沿った線分が検出されるが、各蹴込板に沿った線分は検出することができない。
このようにして、本実施の形態では、物体上の測定点までの距離を測定する測距センサ２１２ａを備え、測距センサ２１２ａを走査し、その走査範囲で測定可能な測定点について測距センサ２１２ａの測定結果を取得し、取得した測定結果を直交座標系の座標に変換し、変換された測定点間を線分で接続し、得られた線上の点の座標に基づいてハフ変換により直交座標系における線分を検出し、検出した線分に基づいて連続面または連続面の境界を認識する。
【０２９２】
これにより、物体上の連続面または連続面の境界として物体の少なくとも平面的な形状を把握することができるので、脚型ロボットや脚車輪型ロボット１００のように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御に好適な認識結果を得ることができる。また、ハフ変換により線分を検出するので、測距センサ２１２ａを用いた２次元距離測定装置２１２により物体認識を行う場合に、測定解像度の低下または測定結果のばらつきにより認識精度が低下する可能性を低減することができる。さらに、測定点間を線分で接続して得られた線上の点の座標に基づいて線分を検出するので、測定解像度の低下または測定結果のばらつきが生じても比較的正確な認識結果を得ることができ、認識精度が低下する可能性をさらに低減することができる。
【０２９３】
さらに、最小二乗法に比して、検出が困難となるエッジに対してロバストな検出が可能となる。
上記第４の実施の形態において、ステップＳ３０２、Ｓ３３２は、発明１０の測定結果取得手段、または発明２６の測定結果取得ステップに対応し、ステップＳ３０６は、発明１０の座標変換手段、または発明２６の座標変換ステップに対応し、ステップＳ３１０は、発明１０の線分検出手段、または発明２６の線分検出ステップに対応している。また、ステップＳ３２０、Ｓ３２８は、発明１０の認識手段、または発明２６の認識ステップに対応している。
【０２９４】
〔第５の実施の形態〕
次に、本発明の第５の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図３７ないし図４４は、本発明に係る脚車輪型ロボット、物体認識装置および物体認識方法の第５の実施の形態を示す図である。
【０２９５】
本実施の形態は、上記第３の実施の形態に対して、測距センサ２１２ａの測定結果およびカメラ２２２から取得した画像（以下、カメラ画像という。）に基づいて連続面の境界を認識する点が異なる。なお、以下、上記第３の実施の形態と異なる部分についてのみ説明し、上記第３の実施の形態と重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【０２９６】
まず、３次元距離測定装置２００の外観構造を説明する。
カメラ２２２は、ｚrs軸の負の方向を向いており、脚車輪型ロボット１００の足元およびその周辺の画像を撮影することができる。カメラ２２２の座標系（以下、カメラ座標系という。）は、センサ座標系と同様に、ｘrs軸、ｙrs軸、ｚrs軸と同一方向をそれぞれｘca軸、ｙca軸、ｚca軸とし、センサ座標系とは原点位置が異なる。すなわち、カメラ２２２は、センサ座標系におけるｘrs−ｙrs平面と、カメラ座標系におけるｘca−ｙca平面とが平行となるように配置されている。なお、ｘrs−ｚrs平面とｘca−ｚca平面、およびｙrs−ｚrs平面とｙca−ｚca平面も同様に平行の関係にある。
【０２９７】
次に、３次元距離測定装置２００の制御構造を説明する。
センシングプロセッサ２１０は、さらに、測距センサ２１２ａの測定結果およびカメラ画像に基づいて連続面の境界を認識する処理を実行する。
次に、カメラ２２２および３次元距離測定装置２００を用いた物体認識の原理を説明する。
【０２９８】
図３７は、カメラ２２２および３次元距離測定装置２００を用いた物体認識の原理を説明するための図である。
まず、図３７に示すように、カメラ２２２により、脚車輪型ロボット１００の足元およびその周辺の画像を撮影し、カメラ画像から線分を検出する。
次いで、３次元距離測定装置２００により、各走査平面ごとに測定された測定点の座標から連続面の境界をセンサ特徴点として判定し、座標変換によりセンサ特徴点をカメラ画像に投影する。
【０２９９】
そして、カメラ画像から検出した線分（以下、カメラ画像の線分という。）と、センサ特徴点の投影点との位置関係に基づいて連続面の境界を認識する。
これにより、３次元距離測定装置２００により得られたセンサ特徴点にのみ基づいて認識を行う場合、およびカメラ画像にのみ基づいて認識を行う場合よりも、認識精度を向上することができる。
【０３００】
次に、３次元距離測定装置２００で実行される物体認識処理を説明する。
図３８は、３次元距離測定装置２００で実行される物体認識処理を示すフローチャートである。
物体認識処理は、センシングプロセッサ２１０において実行されると、図３８に示すように、まず、ステップＳ２５０に移行する。
【０３０１】
ステップＳ２５０では、カメラ２２２から画像を取得し、ステップＳ２５２に移行して、カメラ画像に対して歪み補正処理を実行し、ステップＳ２５４に移行して、歪み補正されたカメラ画像からSobel、Cannyフィルタ等によりエッジを抽出するエッジ抽出処理を実行し、ステップＳ２５６に移行して、エッジ抽出されたカメラ画像からハフ変換により線分を検出する。
【０３０２】
次いで、ステップＳ３００〜Ｓ３２０を経て、ステップＳ３２４に移行して、連続面の境界として判定した端点の座標情報をセンサ座標系に変換し、変換された座標情報をメモリに記憶し、ステップＳ３２６に移行する。
ステップＳ３２６では、第２走査処理の走査角度範囲および走査単位角度に対応するすべての走査平面についてステップＳ３０２〜Ｓ３２４の処理が終了したか否かを判定し、処理が終了したと判定したとき(Yes)は、ステップＳ３２８に移行する。
【０３０３】
ステップＳ３２８では、メモリに記憶された座標情報に基づいて、連続面の境界として判定した端点をセンサ特徴点とし、座標変換によりセンサ特徴点をカメラ画像に投影する。
図３９は、センサ座標系、カメラ座標系およびカメラ２２２の撮像素子面の座標系を示す図である。
【０３０４】
センサ特徴点は、一般的なピンホールモデルを用いてカメラ画像に投影することができる。
カメラ２２２の撮像素子面の座標系をΣcm、測距センサ２１２ａとカメラ２２２との相対位置をｒ＝（ｒx、ｒy、ｒz）、カメラ２２２のレンズの焦点距離をｆ、撮像素子の有効画素幅をＷ、撮像素子の有効画素高さをＨすると、センサ座標系におけるＰ（ｘrs1、ｙrs1、ｚrs1）rs＝（ｘrs1−ｒx、ｙrs1−ｒy、ｚrs1−ｒz）caは、図３９（ａ）、（ｂ）に示すように、撮像素子面の座標系における座標Ｐ’に投影することができる。座標Ｐ’は、下式（18）により求めることができる。
【０３０５】
【数７】
2009006984.tif 000009
【０３０６】
なお、図３９および上式（18）において、センサ座標系Σrs、カメラ座標系Σca、撮像素子面の座標系Σcmでの座標（ａ、ｂ、ｃ）をそれぞれ（ａ、ｂ、ｃ）rs、（ａ、ｂ、ｃ）ca、（ａ、ｂ、ｃ）cmと表記する。
【０３０７】
次いで、図３８に示すように、ステップＳ３３０に移行して、カメラ画像において、カメラ画像の各線分ごとに、その線分と、その線分を延長した直線から所定距離内に存在するセンサ特徴点とを対応付け、ステップＳ３３２に移行して、同一のセンサ特徴点が対応付けられた線分をグループ化し、ステップＳ３３４に移行して、同一グループに属する線分の端点の座標に基づいて連続面の境界線を判定する。
【０３０８】
図４０は、カメラ画像の線分およびセンサ特徴点の対応付け、グループ化および境界線の判定を行う場合を説明するための図である。
図４０（ａ）に示すように、カメラ画像から傾きが近い２つの線分ｌ1、ｌ2が検出され、線分ｌ1、ｌ2の周辺に４つの投影点Ｐ1〜Ｐ4が得られたとする。この場合、線分ｌ1を延長した直線から所定距離内に投影点Ｐ2、Ｐ3、Ｐ4が存在するため、同図（ｂ）に示すように、線分ｌ1に対して投影点Ｐ2、Ｐ3、Ｐ4が対応付けられる。また、線分ｌ2を延長した直線から所定距離内に投影点Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3が存在するため、線分ｌ2に対して投影点Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3が対応付けられる。
【０３０９】
次いで、線分ｌ1、ｌ2には、投影点Ｐ2、Ｐ3が共通して対応付けられているので、線分ｌ1、ｌ2が１つのグループとしてグループ化される。
そして、同一グループに属する線分ｌ1の端点Ｐ5、Ｐ6および線分ｌ2の端点Ｐ7、Ｐ8の座標に基づいて、同図（ｃ）に示すように、最小二乗法により直線近似が行われ、得られた直線が連続面の境界線として判定される。
【０３１０】
これにより、コントラスト等の影響により、カメラ画像から、実際は一つの線分として検出されるべきところ複数の線分として検出されても、センサ特徴点との対応関係に基づいて複数の線分を１つの線分としてグループ化し、連続面の境界線を判定することができる。
次いで、図３８に示すように、ステップＳ３３７に移行して、連続面の境界線として判定した直線に関する情報に基づいて境界データを生成し、ステップＳ３３９に移行して、ハブ７６および通信Ｉ／Ｆ６４を介して、生成した境界データをＣＰＵ６０に出力し、一連の処理を終了する。
【０３１１】
一方、ステップＳ３２６で、すべての走査平面についてステップＳ３０２〜Ｓ３２４の処理が終了しないと判定したとき(No)は、ステップＳ３４０を経て、ステップＳ３０２に移行する。
次に、昇降制御処理を説明する。
図４１は、昇降制御処理を示すフローチャートである。
【０３１２】
昇降制御処理は、ＣＰＵ６０において実行されると、まず、図４１に示すように、ステップＳ４０１に移行する。
ステップＳ４０１では、３次元距離測定装置２００から境界データを入力し、ステップＳ４０２に移行して、入力した境界データに基づいて、カメラ座標系の座標をグローバル座標系の座標に変換し、連続面の境界線上の点を階段の特徴点として検出する。
【０３１３】
次いで、ステップＳ４０２〜Ｓ４２０を経て、ステップＳ４２２に移行して、脚先が踏板に着地したか否かを判定し、脚先が着地したと判定したとき(Yes)は、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
一方、ステップＳ４２２で、脚先が着地しないと判定したとき(No)は、ステップＳ４１２に移行する。
【０３１４】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
脚車輪型ロボット１００の移動経路上に階段が存在し、これを乗り越える場合を説明する。上記第３の実施の形態とは、測距センサ２１２ａの測定結果およびカメラ画像に基づいて連続面の境界を認識する点が異なるので、異なる部分についてのみ説明する。
図４２は、カメラ画像の処理結果を示す図である。
【０３１５】
センシングプロセッサ２１０では、まず、ステップＳ２５０を経て、カメラ２２２から画像が取得される。例えば、図４２（ａ）に示すような画像が得られたとする。次いで、ステップＳ２５２を経て、カメラ画像に対して歪み補正処理が実行され、同図（ｂ）に示すように、歪みが補正された画像が得られる。次いで、ステップＳ２５４を経て、歪み補正されたカメラ画像に対してエッジ抽出処理が実行され、同図（ｃ）に示すように、エッジだけが抽出された画像が得られる。そして、ステップＳ２５６を経て、エッジ抽出されたカメラ画像から線分が検出される。その結果、同図（ｄ）に示すように、６つの線分が得られる。
【０３１６】
次いで、ステップＳ３００〜Ｓ３２６を経て、すべての走査平面について第１走査処理による測定結果が得られる。
すべての走査平面について測定が終了すると、ステップＳ３２８を経て、メモリに記憶された座標情報に基づいて座標変換によりセンサ特徴点がカメラ画像に投影される。
図４３は、連続面の判定結果を示す図である。
【０３１７】
図４４は、センサ特徴点のカメラ画像への投影結果を示す図である。
走査平面φ0については、図４３に示すように、（１）床面に対応する領域（φ0、０）と１段目の蹴込板に対応する領域（φ0、１）との交点、（２）領域（φ0、１）と１段目の踏板に対応する領域（φ0、２）との交点、（３）領域（φ0、２）と２段目の蹴込板に対応する領域（φ0、３）との交点、および（４）領域（φ0、３）と２段目の踏板に対応する領域（φ0、４）との交点の４つの交点がセンサ特徴点として判定される。したがって、この４つのセンサ特徴点は、図４４に示すように、カメラ画像を中央右上から中央左下にきる走査平面φ0上の投影点としてカメラ画像に投影される。
【０３１８】
走査平面φ1については、図４３に示すように、（１）床面に対応する領域（φ1、０）と１段目の蹴込板に対応する領域（φ1、１）との交点、（２）領域（φ1、１）と１段目の踏板に対応する領域（φ1、２）との交点、（３）領域（φ1、２）と２段目の蹴込板に対応する領域（φ1、３）との交点、および（４）領域（φ1、３）と２段目の踏板に対応する領域（φ1、４）との交点の４つの交点がセンサ特徴点として判定される。したがって、この４つのセンサ特徴点は、図４４に示すように、カメラ画像を中央真上から中央真下にきる走査平面φ1上の投影点としてカメラ画像に投影される。
【０３１９】
走査平面φ2については、図４３に示すように、（１）床面に対応する領域（φ2、０）と１段目の蹴込板に対応する領域（φ2、１）との交点、（２）領域（φ2、１）と１段目の踏板に対応する領域（φ2、２）との交点、（３）領域（φ2、２）と２段目の蹴込板に対応する領域（φ2、３）との交点、および（４）領域（φ2、３）と２段目の踏板に対応する領域（φ2、４）との交点の４つの交点がセンサ特徴点として判定される。したがって、この４つのセンサ特徴点は、図４４に示すように、カメラ画像を中央左上から中央右下にきる走査平面φ2上の投影点としてカメラ画像に投影される。
【０３２０】
次いで、ステップＳ３３０〜Ｓ３３４を経て、カメラ画像において、カメラ画像の線分とセンサ特徴点が対応付けられ、同一のセンサ特徴点が対応付けられた線分がグループ化され、同一グループに属する線分の端点の座標に基づいて直線近似により連続面の境界線が判定される。図４４の例では、カメラ画像の線分と各投影点の位置関係から２つの直線が連続面の境界線として判定される。
【０３２１】
そして、ステップＳ３３７、Ｓ３３９を経て、連続面の境界線として判定された直線に関する情報に基づいて境界データが生成され、生成された境界データがＣＰＵ６０に出力される。
ＣＰＵ６０では、境界データを入力すると、ステップＳ４０２を経て、入力された境界データに基づいて階段の特徴点が検出される。また、入力された境界データが解析され、例えば、傾きが０に近い連続面が水平面とみなされ、脚車輪型ロボット１００が歩行可能な面であると判定される。
【０３２２】
このようにして、本実施の形態では、物体上の測定点までの距離を測定する測距センサ２１２ａと、測距センサ２１２ａの走査範囲で測定可能な測定点を含む画像を撮影するカメラ２２２とを備え、測距センサ２１２ａを走査し、その走査範囲で測定可能な測定点について測距センサ２１２ａの測定結果を取得し、取得した測定結果に基づいてセンサ特徴点を検出し、カメラ２２２から画像を取得し、カメラ画像から線分を検出し、検出したカメラ画像の線分およびセンサ特徴点に基づいて連続面の境界を認識する。
【０３２３】
これにより、測距センサ２１２ａのほか、これとは異なる方式のカメラ２２２を用いて物体上の特徴をそれぞれ検出し、それら２つの検出結果に基づいて連続面の境界を認識するので、測距センサ２１２ａによる方式の短所をカメラ２２２による方式で補うことができ、測距センサ２１２ａを用いた２次元距離測定装置２１２により物体認識を行う場合に、認識精度が低下する可能性を低減することができる。また、第２走査処理の走査回数を増やさなくてすむので、測定時間を短縮することができる。
【０３２４】
さらに、本実施の形態では、測距センサ２１２ａを走査し、その走査範囲で測定可能な測定点について測距センサ２１２ａの測定結果を取得し、取得した測定結果を直交座標系の座標に変換し、変換された少なくとも２つの測定点の座標に基づいてハフ変換により直交座標系における線分を検出し、検出した線分に基づいてセンサ特徴点を検出する。
これにより、連続面の境界として物体の少なくとも平面的な形状を把握することができるので、脚型ロボットや脚車輪型ロボット１００のように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御に好適な認識結果を得ることができる。また、ハフ変換により線分を検出するので、測距センサ２１２ａを用いた２次元距離測定装置２１２により物体認識を行う場合に、測定解像度の低下または測定結果のばらつきにより認識精度が低下する可能性を低減することができる。
【０３２５】
さらに、最小二乗法に比して、検出が困難となるエッジに対してロバストな検出が可能となる。
さらに、本実施の形態では、検出した線分の端点の座標に基づいてセンサ特徴点を検出する。
これにより、連続面の境界を比較的正確に認識することができる。
【０３２６】
さらに、本実施の形態では、カメラ画像から線分を検出し、カメラ画像において、カメラ画像の線分とセンサ特徴点の位置関係に基づいて連続面の境界を認識する。
これにより、認識精度が低下する可能性をさらに低減することができる。
さらに、本実施の形態では、カメラ画像の各線分ごとに、その線分と、その線分を延長した直線から所定距離内に存在するセンサ特徴点とを対応付け、同一のセンサ特徴点が対応付けられた線分をグループ化し、同一グループに属する線分の端点の座標に基づいて連続面の境界線を判定する。
【０３２７】
これにより、コントラスト等の影響により、カメラ画像から、実際は一つの線分として検出されるべきところ複数の線分として検出されても、センサ特徴点との対応関係に基づいて複数の線分を１つの線分としてグループ化し、連続面の境界線を判定するので、認識精度が低下する可能性をさらに低減することができる。
上記第５の実施の形態において、カメラ２２２は、発明１５、２２または２４の撮像手段に対応し、ｙrs’軸回転機構は、発明１９若しくは２０の第１走査手段、または発明２０の第１回転手段に対応し、ｚrs軸回転機構は、発明１９若しくは２０の第２走査手段、または発明２０の第２回転手段に対応している。また、ステップＳ２５０は、発明２７の撮像ステップに対応し、ステップＳ２５２〜Ｓ２５６は、発明１５、１６若しくは２２の第２特徴検出手段、または発明２７の第２特徴検出ステップに対応し、ステップＳ２５６は、発明２２または２３の画像線分検出手段に対応している。
【０３２８】
また、上記第５の実施の形態において、ステップＳ３０６、Ｓ３１０、Ｓ３２０は、発明１５、１６若しくは２２の第１特徴検出手段、または発明２７の第１特徴検出ステップに対応し、ステップＳ３０２、Ｓ３４０は、発明１５、１６、１９、２０若しくは２２の測定結果取得手段、または発明２７の測定結果取得ステップに対応している。また、ステップＳ３０６は、発明１６の座標変換手段に対応し、ステップＳ３１０は、発明１６の線分検出手段に対応し、ステップＳ３３４は、発明１５、１６、２２若しくは２３の認識手段、または発明２７の認識ステップに対応している。
【０３２９】
また、上記第５の実施の形態において、ｙrs’軸は、発明２０の第１走査軸に対応し、ｚrs軸は、発明２０の第２走査軸に対応している。
〔第６の実施の形態〕
次に、本発明の第６の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図４５は、本発明に係る脚車輪型ロボット、物体認識装置および物体認識方法の第６の実施の形態を示す図である。
【０３３０】
本実施の形態は、上記第５の実施の形態に対して、直交座標系において、測定点間を線分で接続した上でハフ変換を行う点が異なる。なお、以下、上記第５の実施の形態と異なる部分についてのみ説明し、上記第５の実施の形態と重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
まず、３次元距離測定装置２００で実行される物体認識処理を説明する。
【０３３１】
図４５は、３次元距離測定装置２００で実行される物体認識処理を示すフローチャートである。
物体認識処理は、センシングプロセッサ２１０において実行されると、図４５に示すように、ステップＳ２５０〜Ｓ３０６を経て、ステップＳ３０８に移行する。
ステップＳ３０８では、ステップＳ３０６で変換された座標情報に基づいて、走査平面座標系においてｘ軸方向に隣接する測定点の間を線分で接続し、ステップＳ３１０に移行して、得られた線上の点の座標情報に基づいてハフ変換により直交座標系における線分を検出する。
【０３３２】
そして、ステップＳ３２０、Ｓ３２４を経て、ステップＳ３２６に移行して、すべての走査平面についてステップＳ３０２〜Ｓ３２４の処理が終了したか否かを判定し、処理が終了したと判定したとき(Yes)は、ステップＳ３２８〜Ｓ３３９を経て、一連の処理を終了する。
一方、ステップＳ３２６で、すべての走査平面についてステップＳ３０２〜Ｓ３２４の処理が終了しないと判定したとき(No)は、ステップＳ３４０を経て、ステップＳ３０２に移行する。
【０３３３】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
脚車輪型ロボット１００の移動経路上に階段が存在し、これを乗り越える場合を説明する。上記第５の実施の形態とは、ハフ変換により線分を検出する点が異なるので、異なる部分についてのみ説明する。
ステップＳ３０８、Ｓ３１０を経て、変換された座標情報に基づいて測定点間が線分で接続され、得られた線上の点の座標情報に基づいてハフ変換により直交座標系における線分が検出される。
【０３３４】
直交座標系において各測定点は、図３６（ａ）に示すように、蹴込板および踏板の輪郭に沿った複数の点の集合として表される。図３６（ａ）の例では、１段目の踏板に対応する領域において、いくつかの測定点が連続面から外れた領域に分布しているが、これは、測定面である踏板の光沢等の影響により測定結果にばらつきが生じたものであり、誤差領域Ａ1である。また、領域Ａ2は、他の領域と比べて測定解像度が低くなっている。
【０３３５】
この測定結果に対して線分接続を行うと、図３６（ｂ）に示すように、各測定点が１つの線で接続される。これにより、測定点が存在しない測定点間は、線上の点で補間されることになる。
この接続結果に対してハフ変換を行うと、図３６（ｃ）に示すように、各蹴込板および各踏板の輪郭に沿った線分が検出される。
【０３３６】
なお、線分接続を行わず、図３６（ａ）の測定結果に対してハフ変換を行うと、図３３（ｂ）に示すように、各踏板の輪郭に沿った線分が検出されるが、各蹴込板に沿った線分は検出することができない。
このようにして、本実施の形態では、物体上の測定点までの距離を測定する測距センサ２１２ａを備え、測距センサ２１２ａを走査し、その走査範囲で測定可能な測定点について測距センサ２１２ａの測定結果を取得し、取得した測定結果を直交座標系の座標に変換し、変換された測定点間を線分で接続し、得られた線上の点の座標に基づいてハフ変換により直交座標系における線分を検出し、検出した線分に基づいて連続面の境界を認識する。
【０３３７】
これにより、連続面の境界として物体の少なくとも平面的な形状を把握することができるので、脚型ロボットや脚車輪型ロボット１００のように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御に好適な認識結果を得ることができる。また、ハフ変換により線分を検出するので、測距センサ２１２ａを用いた２次元距離測定装置２１２により物体認識を行う場合に、測定解像度の低下または測定結果のばらつきにより認識精度が低下する可能性を低減することができる。さらに、測定点間を線分で接続して得られた線上の点の座標に基づいて線分を検出するので、測定解像度の低下または測定結果のばらつきが生じても比較的正確な認識結果を得ることができ、認識精度が低下する可能性をさらに低減することができる。
【０３３８】
さらに、最小二乗法に比して、検出が困難となるエッジに対してロバストな検出が可能となる。
上記第６の実施の形態において、ステップＳ２５２〜Ｓ２５６は、発明１７の第２特徴検出手段に対応し、ステップＳ３０６〜Ｓ３１０、Ｓ３２０は、発明１７の第１特徴検出手段に対応し、ステップＳ３０２、Ｓ３４０は、発明１７の測定結果取得手段に対応している。また、ステップＳ３０６は、発明１７の座標変換手段に対応し、ステップＳ３０８は、発明１７の測定点間補間手段に対応し、ステップＳ３１０は、発明１７の線分検出手段に対応し、ステップＳ３３４は、発明１７の認識手段に対応している。
〔第７の実施の形態〕
次に、本発明の第７の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図４６ないし図４９は、本発明に係る脚車輪型ロボット、物体認識装置および物体認識方法の第７の実施の形態を示す図である。
【０３３９】
本実施の形態は、上記第５の実施の形態に対して、直交座標系における各測定点での傾きを算出し、各傾きの出現頻度を算出し、算出した出現頻度および各測定点の座標に基づいて連続面の境界を認識する点が異なる。なお、以下、上記第５の実施の形態と異なる部分についてのみ説明し、上記第５の実施の形態と重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【０３４０】
まず、３次元距離測定装置２００で実行される物体認識処理を説明する。
図４６は、３次元距離測定装置２００で実行される物体認識処理を示すフローチャートである。
物体認識処理は、センシングプロセッサ２１０において実行されると、図４６に示すように、ステップＳ２５０〜Ｓ３０６を経て、ステップＳ５０８に移行する。
【０３４１】
ステップＳ５０８では、ステップＳ３０６で変換された座標情報に基づいて、直交座標系における各測定点での傾きを算出する。
図４７は、傾きの算出例を示す図である。なお、同図のｘ軸、ｚ軸は、走査平面座標系における軸を示し、センサ座標系およびカメラ座標系における軸とは別個のものである。
測定点での傾きは、走査平面座標系において、各測定点ごとに、その測定点の座標と、ｘ軸方向に隣接する所定数の測定点の座標とに基づいて、図４７（ａ）に示すように、最小二乗法により算出することができる。
【０３４２】
図４７（ａ）に示すように、最小二乗法により、傾きの算出対象の測定点（図４７（ａ）中の白丸）を含む前後所定数の測定点に対する回帰直線を近似し、回帰直線の傾きを対象の測定点での傾きとする。最小二乗法は、データのばらつきによる影響は少ないが、計算量が比較的多くなる。
また、別の方法として、各測定点に対して、所定数の他の測定点を挟む前後２つの測定点の座標の差分値に基づいて傾きを算出することもできる。
【０３４３】
図４７（ｂ）に示すように、前後２つの測定点のｚ座標の差分値である第１差分値（例えば、注目する測定点のｚ座標をｚiとすると、ｚi+2−ｚi-2）を算出するとともに、前後２つの測定点のｘ座標の差分値である第２差分値（例えば、注目する測定点のｘ座標をｘiとすると、ｘi+2−ｘi-2）を算出し、これら算出結果から、注目する測定点での傾き（第１差分値／第２差分値）を求める。この方法では、データのばらつきによる影響が最小二乗法よりも大きくなるが、計算が、単純な引き算と割り算のみで済むため最小二乗法よりも高速に傾きを算出することができる。
【０３４４】
次いで、図４６に示すように、ステップＳ５１０に移行して、ステップＳ５０８で算出した傾きの総数に対する各傾きの出現頻度を算出する。例えば、測定点の総数に対する各傾きの測定点の個数を出現頻度として算出する。
次いで、ステップＳ５１２に移行して、ステップＳ５１０で算出した各傾きの出現頻度のなかから未処理の傾きの出現頻度を選択し、ステップＳ５１４に移行して、選択した出現頻度とあらかじめ設定された閾値とを比較し、選択した出現頻度が閾値以上であるか否かを判定し、閾値以上であると判定したとき(Yes)は、ステップＳ５１６に移行する。
【０３４５】
ステップＳ５１６では、選択した出現頻度に係る傾きおよびその所定範囲の傾きを有する測定点の座標情報に基づいて、それら測定点のうち座標が連続するものを含む領域を連続面であると判定し、連続面であると判定した領域において、傾きが急激に変化する測定点を連続面の境界として判定する。
次いで、ステップＳ５１８に移行して、連続面の境界として判定した測定点の座標情報をセンサ座標系に変換し、変換された座標情報をメモリに記憶し、ステップＳ５２０に移行する。
【０３４６】
ステップＳ５２０では、すべての傾きについてステップＳ５１４〜Ｓ５１８、Ｓ５３４の処理が終了したか否かを判定し、終了したと判定したとき(Yes)は、ステップＳ３２６に移行する。
ステップＳ３２６では、すべての走査平面についてステップＳ３０２〜Ｓ５２０の処理が終了したか否かを判定し、処理が終了したと判定したとき(Yes)は、ステップＳ３２８〜Ｓ３３９を経て、一連の処理を終了する。
【０３４７】
一方、ステップＳ３２６で、すべての走査平面についてステップＳ３０２〜Ｓ５２０の処理が終了しないと判定したとき(No)は、ステップＳ３４０を経て、ステップＳ３０２に移行する。
一方、ステップＳ５２０で、すべての傾きについてステップＳ５１４〜Ｓ５１８、Ｓ５３４の処理が終了しないと判定したとき(No)は、ステップＳ５１２に移行する。
【０３４８】
一方、ステップＳ５１４で、選択した出現頻度が閾値未満であると判定したとき(No)は、ステップＳ５３４に移行して、選択した出現頻度に係る傾きを有する測定点の座標情報を測定ノイズとして除外し、ステップＳ５２０に移行する。
次に、本実施の形態の動作を説明する。
脚車輪型ロボット１００の移動経路上に階段が存在し、これを乗り越える場合を説明する。上記第５の実施の形態とは、傾きの出現頻度に基づいて連続面の境界を判定する点が異なるので、異なる部分についてのみ説明する。
【０３４９】
まず、ステップＳ５０８を経て、変換された座標情報に基づいて各測定点での傾きが算出される。
図４８は、最小二乗法により算出したｘ軸方向およびｚ軸方向の傾きの一例を示す図である。
ここでは、最小二乗法により各測定点での傾きを算出する。ここで、最小二乗法を用いた場合に、図４８（ａ）および（ｂ）に示すように、最小二乗法を適用する複数の測定点に対して、ｘ軸方向の傾きと、ｚ軸方向の傾きとが異なる場合がある。そこで、下式（19）および（20）に示すように、ｘ軸方向およびｚ軸方向の傾きを求める２つの直線の方程式を用いて最小二乗法計算を行う。
ｚ＝ａx・ｘ＋ｂx                                              …（19）
ｘ＝ａz・ｚ＋ｂz                                              …（20）
そして、上式（19）におけるａxおよびｂxを下式（21）により算出し、上式（20）におけるａzおよびｂzを下式（22）により算出する。
【０３５０】
【数８】
2009006984.tif 000010
【０３５１】
ａxおよびｂx、並びにａzおよびｂzを算出すると、これらの算出結果を代入した、上式（19）および（20）の直線と、最小二乗計算に用いた各測定点との距離を残差ｈxおよびｈzとして算出するとともに、前記各測定点に対する残差ｈxの二乗和と、残差ｈzの二乗和とを算出する（下式（23））。
【０３５２】
【数９】
2009006984.tif 000011
【０３５３】
残差ｈxの二乗和および残差ｈzの二乗和が算出されると、両者を比較して値の小さい方の直線を、正しい直線として採用し、この直線の傾きに基づいて、算出対象の測定点での傾きを求める。具体的に、残差ｈxの二乗和の方が小さければ、「ａ＝ａx、ｂ＝ｂx」とし、残差ｈzの二乗和の方が小さければ、「ａ＝１／ａz、ｂ＝１／ｂz」とする。
【０３５４】
次いで、ステップＳ５１０〜Ｓ５１４を経て、各傾きの出現頻度が算出され、未判定の傾きの出現頻度が選択され、選択された出現頻度が閾値以上であるか否かが判定される。このとき、閾値以上であれば、ステップＳ５１６を経て、選択された出現頻度に係る傾きおよびその所定範囲の傾きを有する測定点の座標情報に基づいて連続面の境界が判定される。
【０３５５】
図４９は、ある走査平面に対する傾きの出現頻度の一例を示す図である。
例えば、図４９に示すような出現頻度が得られたとする。図４９の例では、傾きが０近傍の出現頻度が比較的高くなっており、これらの傾きを有する測定点の座標が連続していれば、その連続する測定点を含む領域が連続面であると判定される。脚車輪型ロボット１００の移動経路上には、段差が一定でかつ踏板が連続面となっている階段が存在しているため、踏板に対応する水平面が、傾き０および略０の測定点の連続する座標として現われる。この場合、そこに水平面があると推定することができる。
【０３５６】
そして、連続面であると判定された領域において、傾きが急激に変化する測定点が連続面の境界として判定される。図４３の例では、ある走査平面について、（１）床面に対応する領域と１段目の蹴込板に対応する領域との交点、（２）領域と１段目の踏板に対応する領域との交点、（３）領域と２段目の蹴込板に対応する領域との交点、（４）領域と２段目の踏板に対応する領域との交点の４つの交点が、連続面の境界として判定される。
【０３５７】
次いで、ステップＳ５１８を経て、連続面の境界として判定された測定点の座標情報がセンサ座標系に変換され、変換された座標情報がメモリに記憶される。
一方、閾値未満であれば、ステップＳ５３４を経て、測定ノイズとして測定点の座標情報が除外される。
ステップＳ５１４〜Ｓ５１８、Ｓ５３４の処理は、すべての傾きについて行われる。
【０３５８】
このようにして、本実施の形態では、物体上の測定点までの距離を測定する測距センサ２１２ａを備え、測距センサ２１２ａを走査し、その走査範囲で測定可能な測定点について測距センサ２１２ａの測定結果を取得し、取得した測定結果を直交座標系の座標に変換し、変換された各測定点ごとに、その測定点の座標およびその周辺の測定点の座標に基づいて直交座標系におけるその測定点での傾きを算出し、算出した傾きの総数に対する各傾きの出現頻度を算出し、算出した出現頻度および変換された各測定点の座標に基づいて連続面の境界を認識する。
【０３５９】
これにより、連続面の境界として物体の少なくとも平面的な形状を把握することができるので、脚型ロボットや脚車輪型ロボット１００のように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御に好適な認識結果を得ることができる。また、測定点での傾きの出現頻度および各測定点の座標に基づいて連続面の境界を認識するので、測距センサ２１２ａを用いた２次元距離測定装置２１２により物体認識を行う場合に、認識精度が低下する可能性を低減することができる。
【０３６０】
上記第７の実施の形態において、ステップＳ２５２〜Ｓ２５６は、発明１８の第２特徴検出手段に対応し、ステップＳ３０６、Ｓ５０８〜Ｓ５１６は、発明１８の第１特徴検出手段に対応し、ステップＳ３０２、Ｓ３４０は、発明１８の測定結果取得手段に対応している。また、ステップＳ３０６は、発明１８の座標変換手段に対応し、ステップＳ５０８は、発明１８の傾き算出手段に対応し、ステップＳ５１０は、発明１８の出現頻度算出手段に対応し、ステップＳ３３４は、発明１８の認識手段に対応している。
【０３６１】
なお、上記第３および第４の実施の形態においては、物体上の連続面または連続面の境界を認識するように構成したが、これに限らず、物体上の断続面その他の面またはその境界を認識するように構成することもできる。
また、上記第４および第６の実施の形態においては、隣接する測定点の間を線分で接続するように構成したが、これに限らず、直線、多次曲線その他の曲線で測定点間を接続し、または直線、線分、多次曲線その他の曲線で測定点間を近似するように構成することもできる。この場合、必ずしも、測定点が線上に位置しなくてもよいし、隣接する測定点同士を対象としなくてもよい。
【０３６２】
また、上記第４および第６の実施の形態においては、線分接続により得られた線上の点の座標に基づいてハフ変換により線分を検出するように構成したが、これに限らず、得られた線から所定距離内に存在する点の座標に基づいてハフ変換により線分を検出するように構成することもできる。
また、上記第５ないし第７の実施の形態において、３次元距離測定装置２００は、測距センサ２１２ａをｙrs’軸回りに回転させ、２次元距離測定装置２１２をｚrs軸回りに回転させる構成としたが、これに限らず、複数の測距センサ２１２ａと、測距センサ２１２ａの測定方向に対して直交する走査軸の回りに測距センサ２１２ａをそれぞれ回転させる複数の回転機構とを備え、各測距センサ２１２ａをｚrs軸回りに配置する構成とすることもできる。
【０３６３】
これにより、上記第５ないし第７の実施の形態と同様に、連続面の境界として物体の立体的な形状を把握することができるので、脚型ロボットや脚車輪型ロボット１００のように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御に好適な認識結果を得ることができる。
また、上記第５ないし第７の実施の形態においては、カメラ画像からハフ変換により線分を検出するように構成したが、これに限らず、次のような検出方法により線分を検出するように構成することもできる。
【０３６４】
第１の検出方法としては、エッジ抽出処理のパラメータを変えてエッジ抽出処理を複数回実行し、エッジ抽出された各カメラ画像からハフ変換により線分を検出する。そして、検出したすべての線分に基づいて連続面の境界を認識する。これにより、認識精度が低下する可能性をさらに低減することができる。
第２の検出方法としては、シャッター速度や絞り等のカメラ２２２の撮影条件を変えて複数の画像をカメラ２２２から取得し、それらカメラ画像に対して歪み補正処理およびエッジ抽出処理をそれぞれ実行し、エッジ抽出された各カメラ画像からハフ変換により線分を検出する。そして、検出したすべての線分に基づいて連続面の境界を認識する。これにより、認識精度が低下する可能性をさらに低減することができる。
【０３６５】
また、上記第５ないし第７の実施の形態においては、物体上の連続面の境界を認識するように構成したが、これに限らず、物体上の連続面、断続面その他の面またはその境界を認識するように構成することもできる。
また、上記第５ないし第７の実施の形態においては、連続面の境界線として判定した直線に関する情報に基づいて境界データを生成するように構成したが、これに限らず、例えば、連続面の境界線として判定した直線に関する情報およびセンサ特徴点の座標情報に基づいて面データを生成するように構成することもできる。
【０３６６】
連続面の境界として判定したセンサ特徴点を結ぶ線分は、連続面と走査平面が交わる交線であるので、面データの生成は、例えば、ある走査平面においてセンサ特徴点を結ぶ線分と、ｚ軸回りに隣接する走査平面においてセンサ特徴点を結ぶ線分との傾きおよび座標が所定範囲にあるものを連続面と判定し、それら線分および連続面の境界線として判定した直線に対応する座標情報を対応付けたり、公知の補間法を用いてつなぎ合わせたりすることにより行う。例えば、傾きが０に近い連続面は、水平面とみなすことができるので、そこが歩行可能な面であると判定することができる。
【０３６７】
また、上記第５ないし第７の実施の形態においては、座標変換によりセンサ特徴点をカメラ画像に投影するように構成したが、これに限らず、カメラ画像の線分を走査平面座標系の平面に投影してもよいし、センサ特徴点およびカメラ画像の線分を他の座標系の平面または空間に投影してもよい。すなわち、カメラ画像の線分とセンサ特徴点の位置関係を判定する座標系は任意とすることができる。
【０３６８】
また、上記第５ないし第７の実施の形態においては、カメラ画像から線分を検出し、検出した線分に基づいて連続面の境界を認識するように構成したが、これに限らず、物体上の特徴を示す点、直線、多次曲線、円、楕円その他の曲線、平面、曲面その他の面、立方体、球体その他の立体的特徴をカメラ画像から検出し、検出した特徴に基づいて連続面の境界を認識するように構成することもできる。
【０３６９】
また、上記第５ないし第７の実施の形態においては、測距センサ２１２ａの測定結果に基づいてセンサ特徴点を検出し、検出したセンサ特徴点に基づいて連続面の境界を認識するように構成したが、これに限らず、物体上の特徴を示す直線、線分、多次曲線、円、楕円その他の曲線、平面、曲面その他の面、立方体、球体その他の立体的特徴を検出し、検出した特徴に基づいて連続面の境界を認識するように構成することもできる。
【０３７０】
また、上記第５ないし第７の実施の形態においては、センサ座標系におけるｘrs−ｙrs平面と、カメラ座標系におけるｘca−ｙca平面とが平行となるようにカメラ２２２を配置したが、これに限らず、測距センサ２１２ａの走査範囲で測定可能な測定点を含む画像を撮影できれば、測距センサ２１２ａに対して任意の位置および向きで配置することができる。
【０３７１】
また、上記第３ないし第７の実施の形態においては、エンコーダ２１８を駆動回転軸に設けて構成としたが、これに限らず、従動回転軸に設けて構成とすることもできる。
これにより、伝達誤差の影響を受けずに第２走査処理における走査角度を高精度に検出することができる。
また、上記第３ないし第７の実施の形態においては、プーリ２２０ａ、２２０ｂおよびベルト２２１を介して、駆動回転軸の回転駆動力を従動回転軸へと伝達するように構成としたが、これに限らず、複数の歯車を介して、駆動回転軸の回転駆動力を従動回転軸へと伝達するように構成とすることもできる。
【０３７２】
また、上記第３ないし第７の実施の形態においては、第１走査処理における距離情報の取得を離散的（第２走査処理で回転させてから第１走査処理で距離情報を取得）に行う構成としたが、これに限らず、走査角度と測定距離との対応付けを行うことで連続的（第２走査処理で回転させつつ、第１走査処理で距離情報を取得）に行う構成とすることもできる。
【０３７３】
また、上記第３ないし第７の実施の形態においては、ＣＰＵ６０からの指令信号に基づいて、走査角度範囲および走査単位角度を設定するように構成としたが、これに限らず、３次元距離測定装置２００にあらかじめ設定しておく構成とすることもできる。
また、上記第３ないし第７の実施の形態において、３次元距離測定装置２００は、測距センサ２１２ａをｙrs’軸回りに回転させ、２次元距離測定装置２１２をｚrs軸回りに回転させる構成としたが、これに限らず、測距センサ２１２ａをｚrs軸回りに回転させ、２次元距離測定装置２１２をｙrs’軸回りに回転させる構成とすることもできる。また、ｙrs’軸およびｚrs軸回りに限らず、測距センサ２１２ａの測定方向に対して互いに直交する２つの軸であれば、どの方向の軸回りでもよい。さらに、このような回転機構に限らず、測距センサ２１２ａの測定方向とは異なる第１走査方向に測距センサ２１２ａを移動させ、測距センサ２１２ａの測定方向および第１走査方向とは異なる第２走査方向に測距センサ２１２ａを移動させるように移動機構として構成することもできる。この場合、移動経路の形状としては、直線のほか円弧その他の曲線を採用することができる。回転機構と移動機構の組み合わせることもできる。
【０３７４】
このような構成の変更は、複数の測距センサ２１２ａおよび回転機構を備える上記構成についても同様に適用することができる。
また、上記第５ないし第７の実施の形態においては、図５０（ａ）に示すように、２次元距離測定装置２１２自身を回転させているが、これに限らず、光学式の測距センサを有する２次元距離測定装置であれば、図５０（ｂ）に示すように、測定方向の光軸上に挿入したミラーを回転させてもよい。
【０３７５】
図５０は、測距センサの測定方向を変更する場合の構成を示す図である。
また、上記第３ないし第７の実施の形態は、独立の実施の形態として説明したが、上記第１または第２の実施の形態に対して上記第３ないし第７の実施の形態を適用することもできる。
また、上記第３ないし第７の実施の形態においては、本発明に係る脚車輪型ロボット、物体認識装置および物体認識方法を、階段を乗り越える場合について適用したが、これに限らず、階段以外の段差を乗り越える場合についても同様に適用することができる。
【０３７６】
また、上記第３ないし第７の実施の形態においては、本発明に係る脚車輪型ロボット、物体認識装置および物体認識方法を脚車輪型ロボット１００に適用したが、これに限らず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で他の場合にも適用可能である。例えば、直動関節で脚構造を実現する脚車輪型ロボットや他の構成のロボット、車両その他の装置に適用することができる。また、認識情報の伝達手段と組み合わせることにより視覚障害者が外界を認識するための手段としての装置、認識方法への展開も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０３７７】
【図１】脚車輪型ロボット１００の正面図である。
【図２】脚車輪型ロボット１００の側面図である。
【図３】障害物センサ３４、３６の構成を示す図である。
【図４】脚車輪型ロボット１００の移動制御システムを示すブロック図である。
【図５】脚車輪型ロボット１００の走行状態を示す図である。
【図６】昇降制御処理を示すフローチャートである。
【図７】光切断法の原理を説明するための図である。
【図８】階段にレーザ光を照射した状態およびカメラ３２の撮像素子の画像を示す図である。
【図９】各駆動輪２０がヨー軸上接地しないで旋回する場合の動作を示す図である。
【図１０】各駆動輪２０がヨー軸上接地して旋回する場合の動作を示す図である。
【図１１】車高が制限される天井が低いエリアでの動作を示す図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は、無変向走行制御時の脚車輪型ロボット１００の走行状態例を示す図である。
【図１３】（ａ）及び（ｂ）は、基体１０の座標（０，０）及び座標（ｘｃ，ｙｃ）を回転中心とした場合の超信地旋回制御時の脚車輪型ロボット１００の走行状態を示す図である。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は、脚車輪型ロボット１００の走行経路の一例を示す図である。
【図１５】ロボットの重心位置の一例を示す図である。
【図１６】脚車輪型ロボット１００の正面図である。
【図１７】脚車輪型ロボット１００の側面図である。
【図１８】３次元距離測定装置２００の正面図（ｙrs−ｚrs平面）である。
【図１９】３次元距離測定装置２００の側面図（ｘrs−ｚrs平面）である。
【図２０】３次元距離測定装置２００の上面図（ｙrs−ｘrs平面）である。
【図２１】測距センサの走査範囲を示す図である。
【図２２】脚車輪型ロボット１００の移動制御システムを示すブロック図である。
【図２３】２次元距離測定装置２１２の制御構造を示すブロック図である。
【図２４】３次元距離測定装置２００の制御構造を示すブロック図である。
【図２５】２次元距離測定装置２１２の距離測定の原理を説明するための図である。
【図２６】第１走査処理および第２走査処理により走査を行った場合を示す図である。
【図２７】３次元距離測定装置２００の距離の計測例を示す図である。
【図２８】３次元距離測定装置２００で実行される物体認識処理を示すフローチャートである。
【図２９】ハフ変換の原理を説明するための図である。
【図３０】昇降制御処理を示すフローチャートである。
【図３１】第１走査処理による測定結果を示すグラフである。
【図３２】図３１の各測定点の回転座標系の距離情報を直交座標系の座標情報に変換した結果を示すグラフである。
【図３３】直交座標系における測定点およびハフ変換の結果を示すグラフである。
【図３４】連続面の判定結果を示す図である。
【図３５】３次元距離測定装置２００で実行される物体認識処理を示すフローチャートである。
【図３６】直交座標系における測定点、線分接続の結果およびハフ変換の結果を示すグラフである。
【図３７】カメラ２２２および３次元距離測定装置２００を用いた物体認識の原理を説明するための図である。
【図３８】３次元距離測定装置２００で実行される物体認識処理を示すフローチャートである。
【図３９】センサ座標系、カメラ座標系およびカメラ２２２の撮像素子面の座標系を示す図である。
【図４０】カメラ画像の線分およびセンサ特徴点の対応付け、グループ化および境界線の判定を行う場合を説明するための図である。
【図４１】昇降制御処理を示すフローチャートである。
【図４２】カメラ画像の処理結果を示す図である。
【図４３】連続面の判定結果を示す図である。
【図４４】センサ特徴点のカメラ画像への投影結果を示す図である。
【図４５】３次元距離測定装置２００で実行される物体認識処理を示すフローチャートである。
【図４６】３次元距離測定装置２００で実行される物体認識処理を示すフローチャートである。
【図４７】傾きの算出例を示す図である。
【図４８】最小二乗法により算出したｘ軸方向およびｚ軸方向の傾きの一例を示す図である。
【図４９】ある走査平面に対する傾きの出現頻度の一例を示す図である。
【図５０】測距センサの測定方向を変更する場合の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０３７８】
１００                脚車輪型ロボット
１０                  基体
１２                  脚部
１４〜１８            回転関節
２０                  駆動輪
２２、２４            脚先センサ
２６                  水平レーザ
２８、３０            垂直レーザ
３４、３６            障害物センサ
４０、５０            モータ
４２、５２            エンコーダ
４４、５４            ドライバ
７０                  ３軸姿勢センサ
２００                ３次元距離測定装置
２０４                下側支持板
２０６                上側支持板
２０８                カメラ支持板
２１０                センシングプロセッサ
２１２                ２次元距離測定装置
２１２ａ              測距センサ
２１２ｃ、２１６      モータ
２１２ｄ、２１８      エンコーダ
２１２ｂ、２１４      ドライバ
２２０ａ、２２０ｂ    プーリ
２２１                ベルト
３２、２２２          カメラ
【図１】
2009006984.tif 000012
【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】
2009006984.tif 000018
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2009006984.tif 000021
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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