(57)【要約】【課題】  脚型ロボットまたは脚車輪型ロボットの姿勢制御に好適で、かつ、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を向上するのに好適な物体認識装置を提供する。【解決手段】  脚車輪型ロボット１００は、基体１０と、基体１０に対して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、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物体上の連続面または連続面の境界を認識する。【選択図】図１１
2009042145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ことを特徴とする物体認識装置。
【請求項２】
請求項１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とを特徴とする物体認識装置。
【請求項３】
請求項１および２のいずれか１項において、
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ことを特徴とする物体認識装置。
【請求項４】
請求項３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とを特徴とする物体認識装置。
【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ことを特徴とする物体認識装置。
【請求項６】
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ことを特徴とする物体認識方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体上の面または面の境界を認識する装置および方法に係り、特に、脚型ロボットまたは脚車輪型ロボットの姿勢制御に好適で、かつ、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を向上するのに好適な物体認識装置および物体認識方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、２次元距離測定装置としては、２次元レンジセンサ、レーザレンジファインダ、測域センサおよび平面センサ等があり、これら２次元距離測定装置を用いて物体認識を行う技術としては、非特許文献１記載の技術が知られている。
非特許文献１には、２次元距離測定装置を水平方向および垂直方向の２方向に走査し、これにより得られる測定情報を用いて、マップの生成および自己位置の認識を行う技術が開示されている。この技術は、不整地を移動するクローラ型ロボットへの応用を想定したものであり、２次元距離測定装置の測定情報を用いて、人が入り込めない空間における自己位置を推定するとともにその周辺のマップ情報を生成するものである。
【非特許文献１】石田宏、永谷圭司、五福明夫「不整地移動ロボットのための３次元自己位置推定と環境地図の構築」、第２１回  日本ロボット学会学術講演会予稿集、112a、（２００３−０９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ロボットの移動機構は、クローラ型、車輪型、脚型またはこれらを組み合わせた機構に分類され、脚型と車輪型を組み合わせたロボットとして脚車輪型ロボットが提案されている。クローラ型ロボットは、複雑な姿勢制御を行わないため、階段への適応性が低いが、不整地での移動に適している。これに対し、脚型ロボットや脚車輪型ロボットは、脚部を駆動する複雑な姿勢制御を行うことができるので、階段への適応性が高い。
【０００４】
しかしながら、非特許文献１記載の技術にあっては、複雑な姿勢制御を必要としないクローラ型ロボットへの応用を想定したものであるため、移動できる空間があるか否かを判定できれば十分であることから、大まかな位置や形状の情報を含むマップ情報を生成するにすぎない。これに対し、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への応用を考えた場合、姿勢制御を行うには、階段の形状等を把握するため、物体の形状に関する詳細な情報が必要であるところ、非特許文献１記載のマップ情報では不十分であるという問題があった。
【０００５】
一方、測距センサ（１次元距離測定装置）を用いた２次元距離測定装置により物体認識を行うことが考えられる。この２次元距離測定装置としては、例えば、物体上の測定点までの距離を測定する測距センサと、測距センサ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を回転させる回転機構とを備え、回転機構により測距センサを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構成を採用することができる。
【０００６】
図１９は、測距センサの走査角度と測定点間の密度との関係を示す図である。
しかしながら、このような２次元距離測定装置にあっては、所定の走査単位角度ごとに物体までの距離を測定するという測定原理に基づくことから、図１９に示すように、測距センサの走査角度によって測定点間の密度（測定解像度）が異なる。このため、測定解像度が低い領域については認識精度が低下してしまう。
【０００７】
さらに、光学式の測距センサを採用した場合は、物体上の面のうち測定点となる箇所（以下、測定面という。）の反射率や光沢の影響を受けるため、反射率が低い領域や光沢がある領域については、平面を平面として測定できない場合がある。
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、脚型ロボットまたは脚車輪型ロボットの姿勢制御に好適で、かつ、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を向上するのに好適な物体認識装置および物体認識方法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】
【０００８】
〔発明１〕  上記目的を達成するために、発明１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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
〔発明２〕  さらに、発明２の物体認識装置は、発明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。
【００１６】
〔発明３〕  さらに、発明３の物体認識装置は、発明１および２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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
〔発明４〕  さらに、発明４の物体認識装置は、発明３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。
【００２０】
〔発明５〕  さらに、発明５の物体認識装置は、発明３および４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。
【００２１】
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。
【００２２】
〔発明６〕  一方、上記目的を達成するために、発明６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。
【００２３】
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。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、発明１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。
【００２５】
さらに、発明２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。
さらに、発明３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。
【００２６】
さらに、発明４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。
さらに、発明５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。
【００２７】
一方、発明６の物体認識方法によれば、発明１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】
【００２８】
以下、本発明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１７は、本発明に係る物体認識装置および物体認識方法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。
図２は、脚車輪型ロボット１００の側面図である。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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の座標系は、基体１０の奥行き（前後の長さ）方向をｘ軸、基体１０の幅（左右の長さ）方向をｙ軸、基体１０の高さ方向をｚ軸とし、ｘ軸は基体１０の前方を、ｙ軸は基体１０の右方を、ｚ軸は基体１０の上方をそれぞれ正の方向とする。
次に、３次元距離測定装置２００の外観構造を説明する。
【００３３】
図３は、３次元距離測定装置２００の外観構造を示す図である。同図（ａ）は、３次元距離測定装置２００の正面図（ｚ−ｙ平面）を示す図であり、同図（ｂ）は、３次元距離測定装置２００の上面図（ｘ−ｙ平面）である。
３次元距離測定装置２００は、図３（ａ）に示すように、板状の支持部材２１９と、２次元距離測定装置２１２と、２次元距離測定装置２１２を回転駆動するモータ２１６と、モータ２１６の回転角度位置を検出するエンコーダ２１８と、モータ２１６の駆動力を２次元距離測定装置２１２に伝達するプーリ２２０ａ、２２０ｂおよびベルト２２１とを有して構成されている。
【００３４】
支持部材２１９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、支持部材２１９を下方から貫通し、支持部材２１９を挟んで反対側に配置されたプーリ２２０ａに連結している。
一方、支持部材２１９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、被駆動回転軸という。）を有し、被駆動回転軸が支持部材２１９を下方から貫通し、支持部材２１９を挟んで反対側に配置されたプーリ２２０ｂに連結している。
【００３５】
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３（ｂ）に示すように、ｚ軸回りに回転する。
図４は、測距センサの走査範囲を示す図である。
【００３６】
２次元距離測定装置２１２は、測距センサを内蔵し、図４に示すように、測距センサを、ｚ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ｘ軸と一致し、測距センサの回転軸がｙ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ｙ軸と一致するため、説明の便宜上、測距センサの回転軸をｙ’軸と表記する。
【００３７】
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および支持部材２１９）が、図４に示す走査範囲外に設けられているため、図４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。
【００３８】
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、ｚ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。
【００３９】
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５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５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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
次に、２次元距離測定装置２１２の制御構造を説明する。
図６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６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。
【００４３】
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ｙ’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。
【００４４】
次に、３次元距離測定装置２００の制御構造を説明する。
図７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７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とを有して構成されている。
【００４５】
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。
【００４６】
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８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。
【００４７】
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、ｙ’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８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８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８中の測定距離Ｌ（物体と受光部との間の距離））を測定する。
【００４８】
図９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ｙ’軸回りに回転させたときの測定距離と走査角度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ｚ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９（ａ）に示すように、測距センサ２１２ａをｙ’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９（ａ）中のθ1、θ2、θ3）に応じた距離情報（図９（ａ）中のＬ（θ1）、Ｌ（θ2）、Ｌ（θ3））を測定する処理となる。
【００４９】
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。
【００５０】
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ｚ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を介して被駆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ｚ軸回りに走査単位角度ずつ回転する。
【００５１】
すなわち、第２走査処理は、図９（ｂ）に示すように、２次元距離測定装置２１２をｚ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ｚ軸回りに連続して形成する。
図１０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。
【００５２】
これにより、例えば、図１０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９（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、ｙ’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、ｚ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。
【００５３】
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１１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１１に示すように、まず、ステップＳ１００に移行する。
【００５４】
ステップＳ１００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Ｓ１０２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Ｓ１０２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Ｓ１００で設定されたｙ’軸回りの走査角度範囲内において、ステップＳ１００で設定された走査単位角度ずつｙ’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Ｓ１０４に移行する。
【００５５】
ステップＳ１０４では、ステップＳ１０２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Ｓ１０６に移行する。
ステップＳ１０６では、ステップＳ１０４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の座標情報に変換される。
【００５６】
次いで、ステップＳ１１０に移行して、ステップＳ１０６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１２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。
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（円や楕円など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。
【００５７】
図１２（ａ）に示すように、ｘ−ｙ座標系における直線ａｘ＋ｂｙ＋ｃ＝０を考える。なお、同図（ａ）のｘ軸、ｙ軸は、３次元距離測定装置２００の座標系におけるｘ軸、ｙ軸とは別個のものである。
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（１）により表すことができる。
【００５８】
【数１】
2009042145.tif 000003
【００５９】
上式（１）は、下式（２）に変形することができる。
ρ＝ｘcosθ＋ｙsinθ                                          …（２）
【００６０】
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、ｘ−ｙ座標系の任意の点（ｘ0、ｙ0）を通る直線群は、下式（３）により表すことができる。
ρ＝ｘ0cosθ＋ｙ0sinθ                                        …（３）
【００６１】
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１２（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。
【００６２】
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、ステップＳ１２０に移行して、検出した線分の端点を物体上の連続面の境界（凹凸を示す特徴点）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。
【００６３】
次いで、ステップＳ１２４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（３次元座標）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Ｓ１２６に移行する。
ステップＳ１２６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Ｓ１０２〜Ｓ１２４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Ｓ１２８に移行する。
【００６４】
ステップＳ１２８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Ｓ１２０で、１つの線分であるとみなしたもの）は、物体上の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、ｚ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。
【００６５】
次いで、ステップＳ１３０に移行して、ハブ７６および通信Ｉ／Ｆ６４を介して、ステップＳ１２８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Ｓ１２６で、すべての走査平面についてステップＳ１０２〜Ｓ１２４の処理が終了しないと判定したとき(No)は、ステップＳ１３２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Ｓ１００で設定されたｚ軸回りの走査角度範囲内において、ステップＳ１００で設定された走査単位角度ずつｚ軸回りに回転させる第２走査処理を実行し、ステップＳ１０２に移行する。
【００６６】
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１３のフローチャートに示す昇降制御処理を実行する。
図１３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１３に示すように、ステップＳ２００に移行する。
【００６７】
ステップＳ２００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Ｓ２０２に移行して、入力した面データに基づいて、その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Ｓ２０４に移行して、検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、検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。
【００６８】
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。
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
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。
【００７１】
図１４は、第１走査処理による測定結果を示すグラフである。
センシングプロセッサ２１０では、まず、ステップＳ１００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４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の上方にある支持部材２１９、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。
【００７２】
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。
【００７３】
次いで、ステップＳ１０２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、ｚ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ｙ’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。
【００７４】
なお、ｙ’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Ｓ１０４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。
【００７５】
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１４に示すようになる。図１４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１４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。
【００７６】
次いで、ステップＳ１０６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１５は、図１４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１４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１５に示すように、各走査角度に対応するｘ軸方向の距離[mm]とｚ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１５において、横軸は、ｘ軸方向の距離Ｌx[mm]であり、縦軸は、ｚ軸方向の距離Ｌz[mm]である。
【００７７】
次いで、ステップＳ１１０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１６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１６（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１６（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。
【００７８】
この測定結果に対してハフ変換を行うと、図１６（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１６（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。
【００７９】
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１６（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。
【００８０】
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１６（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。
【００８１】
次いで、ステップＳ１２０、Ｓ１２４を経て、検出された線分の端点が物体上の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Ｓ１３２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。
【００８２】
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ｚ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ｚ軸回りに１０°だけ変化する。そして、この状態で、ステップＳ１０２を経て、第１走査処理が再び実行される。すなわち、ｚ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。
【００８３】
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Ｓ１２８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。
【００８４】
図１７は、連続面の判定結果を示す図である。
面データは、図１７に示すように、ｚ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１７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。
【００８５】
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。
【００８６】
面データは、ステップＳ１３０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Ｓ２０２を経て、入力された面データに基づいて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。
【００８７】
歩行可能な面であると判定されると、ステップＳ２０４〜Ｓ２１０を経て、検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。
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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物体上の連続面または連続面の境界を認識する。
【００９０】
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。
【００９１】
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物体上の連続面または連続面の境界を認識する。
これにより、物体上の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。
【００９２】
さらに、本実施の形態では、測距センサ２１２ａをｙ’軸回りに回転させるモータ２１２ｃ等からなるｙ’軸回転機構と、測距センサ２１２ａをｚ軸回りに回転させるモータ２１６等からなるｚ軸回転機構とを備え、ｙ’軸回転機構により測距センサ２１２ａを回転させながらｙ’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、ｚ軸回転機構により測距センサ２１２ａを回転させながらｚ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、ｙ’軸回転機構の走査単位角度ごとおよびｚ軸回転機構の走査単位角度ごとの測定結果を取得する。
【００９３】
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。
【００９４】
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を介して被駆動回転軸へと伝達し、２次元距離測定装置２１２をｚ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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
上記実施の形態において、ステップＳ１０２、Ｓ１３２は、発明１、３若しくは５の測定結果取得手段、または発明６の測定結果取得ステップに対応し、ステップＳ１０６は、発明１の座標変換手段、または発明６の座標変換ステップに対応し、ステップＳ１１０は、発明１、２若しくは４の線分検出手段、または発明６の線分検出ステップに対応している。また、ステップＳ１２０、Ｓ１２８は、発明１、２若しくは４の認識手段、または発明６の認識ステップに対応し、ｙ’軸は、発明５の第１走査軸に対応し、ｚ軸は、発明５の第２走査軸に対応し、ｙ’軸回転機構は、発明３若しくは５の第１走査手段、または発明５の第１回転手段に対応している。
【００９９】
また、上記実施の形態において、ｚ軸回転機構は、発明３若しくは５の第２走査手段、または発明５の第２回転手段に対応している。
なお、上記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。
【０１００】
また、上記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、被駆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被駆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被駆動回転軸へと伝達するように構成とすることもできる。
【０１０１】
また、上記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。
また、上記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。
【０１０２】
また、上記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ｙ’軸回りに回転させ、２次元距離測定装置２１２をｚ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ｚ軸回りに回転させ、２次元距離測定装置２１２をｙ’軸回りに回転させる構成とすることもできる。また、ｙ’軸およびｚ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。
【０１０３】
また、上記実施の形態においては、図１８（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１８（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。
図１８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。
【０１０４】
また、上記実施の形態においては、本発明に係る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。
また、上記実施の形態においては、本発明に係る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】
【０１０５】
【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】３次元距離測定装置２００の外観構造を示す図である。
【図４】測距センサの走査範囲を示す図である。
【図５】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６】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７】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８】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９】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１０】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１１】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１２】ハフ変換の原理を説明するための図である。
【図１３】昇降制御処理を示すフローチャートである。
【図１４】第１走査処理による測定結果を示すグラフである。
【図１５】図１４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１６】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１７】連続面の判定結果を示す図である。
【図１８】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。
【図１９】測距センサの走査角度と測定点間の密度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１０６】
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
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
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
【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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【図９】
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【図１０】
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【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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