JP4975503B2 - 脚式移動ロボット - Google Patents

Description

本発明は、行動計画にしたがって自律的に移動する装置、当該脚式移動ロボットを制御する方法、当該脚式移動ロボットに搭載されているコンピュータにその制御機能を付与するプログラム、および当該脚式移動ロボットを監督するシステムに関する。

ロボットがその高機能化にともなって荷物を運搬したり、あるいは人間を目的地まで誘導したりする等の業務または作業を遂行する機会が増えており、ロボットが人間との接触を回避しながら移動する必要性が高まっている。そこで、ロボットから視覚または聴覚を通じて認識することができるような合図を発して当該ロボットの移動方向を周囲の人間に知らせる技術手法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。また、ロボットが障害物との接触を回避するために経路選択フィルタの範囲にある経路を探索し、当該範囲に経路が存在しない場合には当該経路選択フィルタの範囲を段階的に拡大することにより新たな経路を探索する技術が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
特開２００６−０３５３８１号公報 特開２００６−２３６０９８号公報

しかし、ロボットが発する合図の意味するところがその周囲の人間に認識されていなければ、ロボットの人間による予測挙動と実際の挙動とが相違し、当該人間をかえって混乱させるおそれがある。また、ロボットの移動方向の変化がわずかである場合、ロボットが移動方向を変化させることをその周囲の人間に予測させづらい。そして、人間が誤った予測や推測に基づいて自らの位置をずらす等した結果、ロボットに接触する可能性がかえって高くなるような場合がある。このような場合、ロボットおよびその周囲にいる人間が協調しながら移動することが困難となる。

そこで、本発明は、人間等の物体に挙動変化をより明確に認識させることにより、当該物体との接触を回避して移動しうる脚式移動ロボット等を提供することを解決課題とする。

前記課題を解決するための第１発明の脚式移動ロボットは、制御システムにより動作が制御されることによって目標経路にしたがって自律的に移動する脚式移動ロボットであって、前記制御システムが、
前記脚式移動ロボットおよびその挙動状態と物体およびその挙動状態とのそれぞれを、要素空間における基準空間要素およびその挙動状態と第１空間要素およびその挙動状態とのそれぞれとして認識する第１処理部と、
該第１処理部による認識結果に基づき、該基準空間要素から該第１空間要素までの所要時間および移動距離のうち一方または両方が長くなるほど高くなるように定義されている移動コストが規定範囲内であるという第１接触条件、および、前記目標経路に沿って移動したときの該基準空間要素と該第１空間要素との交点または接点があるという第２接触条件の両方を満たす該第１空間要素の有無を、該基準空間要素と該第１空間要素との接触可能性の有無として認識する第２処理部と、
該第１処理部による認識結果に基づき、該要素空間において該基準空間要素が該第１空間要素との接触を回避しうる経路を前記目標経路として設定する第３処理部と
を備え、
前記第３処理部は、前記第２処理部により該接触可能性があると認識されたことを要件として、該基準空間要素と該第１空間要素との距離に応じた角度だけその時点で最後に設定されている該目標経路に対して傾斜しているずらし経路を設定し、かつ、該ずらし経路の終点を始点として新たな該目標経路を設定して、該ずらし経路の始点から終点まで前記脚式移動ロボットを移動させることを特徴とする。

第１発明の脚式移動ロボットによれば、要素空間において基準空間要素が第１空間要素との接触を回避しうる経路が実空間において脚式移動ロボットがしたがう目標経路として設定される。要素空間における「空間要素」とは当該要素空間における位置、速度および加速度等の状態が定義されうる「点」、当該要素空間における位置等に加えてさらに形状および長さ等の状態が定義されうる「線分」、ならびに、当該要素空間における位置等に加えてさらに形状および面積等の状態が定義されうる「領域」等を意味する。空間要素の「挙動状態」は、当該空間要素の位置の時間変化態様を意味し、より具体的には当該空間要素の現在位置、速度、加速度等を意味する。

基準空間要素が第１空間要素に接触する可能性があると認識された場合、すなわち、脚式移動ロボットがその時点で最後に設定されている目標経路にしたがって移動することにより物体と接触する可能性がある場合、ずらし経路が設定される。また、ずらし経路の終点を始点として新たな目標経路が設定される。さらに、脚式移動ロボットがその時点で最後に設定されている目標経路から外れたずらし経路にしたがって移動した後、新たな目標経路にしたがって移動するようにその動作が制御される。加えて、脚式移動ロボットをその時点で最後に設定されている目標経路から外れたずらし経路にしたがってその始点から終点まで移動させることにより、脚式移動ロボットの挙動を人間等の当該物体に認識させることができ、さらには両者の接触を回避する観点から不適当な物体の挙動を誘発する事態が回避されうる。

また、ずらし経路は基準空間要素と第１空間要素との距離に応じて設定されている角度だけその時点で最後に設定されている目標経路に対して傾斜している。したがって、脚式移動ロボットと物体との距離の長短に鑑みて、人間等の当該物体に脚式移動ロボットの挙動を明確に認識または予測させる観点から適当に脚式移動ロボットの移動方向を変化させることができる。そして、物体に当該認識または予測に基づき、違和感等を抱かせることなく脚式移動ロボットとの接触を回避する観点から適当な挙動を促すことができる。

なお、本発明の構成要素が情報を「認識する」とは、当該構成要素が情報をデータベースから検索すること、メモリ等の記憶装置から情報を読み取ること、センサ等の出力信号に基づき情報を測定、算定、推定すること、測定等された情報をメモリに格納すること等、当該情報をさらなる情報処理のために準備または用意するために必要なあらゆる情報処理を実行することを意味する。また、一の物体に他の物体が取り付けられている等、複数の物体が一体的に移動するような場合、当該物体がまとめられて第１空間要素として認識されうる。

また、第２発明の脚式移動ロボットは、第１発明の脚式移動ロボットにおいて、前記第２処理部が前記第１処理部による認識結果に基づき、前記第１空間要素がその挙動状態に応じて断続的または連続的に拡張された結果の空間要素としての第２空間要素を認識し、前記第３処理部が、前記基準空間要素が該第２空間要素との接触を回避しうる経路を前記目標経路として設定することを特徴とする。

第２発明の脚式移動ロボットによれば、要素空間において基準空間要素に対する第１空間要素の挙動状態に基づいて当該第１空間要素が拡張された結果としての空間要素が第２空間要素として認識される。このため、第２空間要素は第１空間要素よりもサイズまたは広がりが大きい空間要素として認識される。また、基準空間要素が第２空間要素との接触を回避しうる目標経路が設定される。したがって、基準空間要素が第１空間要素等の第２空間要素よりも狭い空間要素との接触を回避しうる目標経路が設定される場合よりも、脚式移動ロボットが物体の挙動状態に鑑みて当該物体と接触することをより確実に回避する観点から適当な目標経路が設定される。

一方、前記のように基準空間要素が第１空間要素に接触する可能性があることが新たな目標経路の設定要件とされているが、第１空間要素は第２空間要素よりも小さい。このため、基準空間要素が第２空間要素等、第１空間要素よりもサイズが大きい空間要素に接触する可能性があることが新たな目標経路の設定要件とされている場合より、目標経路の変更頻度、ひいては脚式移動ロボットの方向変換等の挙動変化の頻度が低く抑制される。そして、脚式移動ロボットの挙動変化に応じて物体の挙動変化が誘発され、両者が接触する可能性がかえって高くなる可能性を低下させることができる。

さらに、第３発明の脚式移動ロボットは、第２発明の脚式移動ロボットにおいて、前記ずらし経路が前記第２空間要素に重なっていることを要件として、前記第３処理部が該ずらし経路を設定しなおすことを特徴とする。

第３発明の脚式移動ロボットによれば、第２空間要素に重ならないようにずらし経路が設定される。このため、脚式移動ロボットおよび物体のそれぞれの挙動状態に鑑みて、両者の接触をさらに確実に回避する観点から適当な経路にしたがって脚式移動ロボットを移動させることができる。

また、第４発明の脚式移動ロボットは、第１〜第３発明のうちいずれか１つの脚式移動ロボットにおいて、前記第３処理部が前記第１処理部による認識結果に基づき、前記要素空間における前記基準空間要素と前記第１空間要素との距離が短いほど、前記目標経路に対する前記ずらし経路の傾斜角度を大きく設定することを特徴とする。

第４発明の脚式移動ロボットによれば、脚式移動ロボットと物体との接触可能性がある場合には両者の間隔が短いほど当該接触を回避する緊急性が高いことに鑑みて、その時点で最後に設定されている目標経路から適度に外れたずらし経路にしたがって脚式移動ロボットを移動させることができる。これにより、人間等の物体に脚式移動ロボットの挙動を明確かつ容易に認識または予測させ、さらには両者の接触を回避する観点から不適当な当該物体の挙動を誘発する事態が回避されうる。

さらに、第５発明の脚式移動ロボットは、第１〜第４発明のうちいずれか１つの脚式移動ロボットにおいて、前記第１処理部が、前記脚式移動ロボットが通行しうる領域の形状およびサイズのそれぞれを前記要素空間の形状およびサイズのそれぞれとして認識し、前記第３処理部が該要素空間からはみ出さないように前記目標経路および前記ずらし経路を設定することを特徴とする。

第５発明の脚式移動ロボットによれば、脚式移動ロボットをその通行可能領域からはみ出さないように移動させることができる。

また、第６発明の脚式移動ロボットは、第１〜第５発明のうちいずれか１つの脚式移動ロボットにおいて、前記第３処理部が前記要素空間における前記基準空間要素に対する前記第１空間要素の相対速度が大きいほど前記ずらし経路を長くすることを特徴とする。

第６発明の脚式移動ロボットによれば、脚式移動ロボットに対する物体の相対速度が大きい場合、両者の接触を回避する緊急性が高いことに鑑みて、脚式移動ロボットをその時点で最後に設定されている目標経路から遠くに離すことができる。これにより、人間等の当該物体に脚式移動ロボットの挙動を明確かつ容易に認識または予測させることができ、ひいては両者の接触がより確実に回避されうる。

さらに、第７発明の脚式移動ロボットは、第１〜第６発明のうちいずれか１つの脚式移動ロボットにおいて、前記脚式移動ロボットが単位動作を繰り返すことにより該床面に推進力を作用させることにより移動可能なロボットであり、前記第３処理部が、該ロボットが所定回数の該単位動作によって移動可能な範囲で前記ずらし経路を設定することを特徴とする。

第７発明の脚式移動ロボットによれば、ロボットに過度の単位動作の繰り返しを強いることなく、ロボットをその時点で最後に設定されている目標経路から外れた経路にしたがって移動させることができる。

また、第８発明の脚式移動ロボットは、第１〜第７発明のうちいずれか１つの脚式移動ロボットにおいて、前記第２処理部により前記基準空間要素と前記第１空間要素との接触可能性があると判定されたことを要件として、前記第３処理部が前記要素空間において該基準空間要素からみて異なる方向にある複数の点を設定し、当該複数の点のうち１つの点を終点として前記ずらし経路を設定することを特徴とする。

第８発明の脚式移動ロボットによれば、要素空間において複数の点がずらし経路の終点候補として設定され、当該複数の点の中から１つの点が最終的にずらし経路の終点として選択される。このため、脚式移動ロボットの挙動を人間等の物体に明確に認識させ、脚式移動ロボットと当該物体との接触を確実に回避する観点から適当なずらし経路が設定されうる。

第９発明の脚式移動ロボットは、第１〜第８発明のうちいずれか１つの脚式移動ロボットにおいて、前記第３処理部が、前記脚式移動ロボットが前記ずらし経路の始点から２以上の歩数で到達しうる点を終点とする経路を前記ずらし経路として設定することを特徴とする。

本発明の脚式移動ロボットの実施形態について図面を用いて説明する。

脚式移動ロボットとしてのロボット１は基体（胴体部）Ｐ０と、基体Ｐ０の上部に設けられた頭部Ｐ１と、基体Ｐ０の上部左右両側から延設された左右の腕部Ｐ２と、腕部Ｐ２の先端部に設けられた手部Ｐ４と、基体Ｐ０の下部から下方に延設された左右の脚部Ｐ３と、脚部Ｐ３の先端部に取り付けられている足部Ｐ５とを備えている。ロボット１は、再表０３／０９０９７８号公報や、再表０３／０９０９７９号公報に開示されているように、アクチュエータＭ（図２参照）から伝達される力によって、人間の肩関節、肘関節、手根関節、股関節、膝関節、足関節等の複数の関節に相当する複数の関節部分において腕部Ｐ２や脚部Ｐ３を屈伸運動させることができる。ロボット１は、左右の脚部Ｐ３（または足部Ｐ５）のそれぞれの離床および着床の繰り返しを伴う動きによって自律的に移動することができる。基体Ｐ０の鉛直方向に対する傾斜角度が調節されることによって、頭部１１の高さが調節されうる。頭部Ｐ１には、左右に並んでロボット１の前方に向けられた一対の頭カメラ（ＣＣＤカメラ）Ｃ１が搭載されている。基体Ｐ０には前側下部に腰カメラ（赤外線カメラ）Ｃ２が搭載されている。ロボット１には基体Ｐ０の加速度に応じた信号を出力するジャイロセンサ、各関節の関節角度に応じた信号を出力するロータリエンコーダ、脚部Ｐ３に作用する床反力に応じた信号を出力する６軸力センサ等、種々のセンサＳ（図２参照）が搭載されている。

ロボット１はその腕部Ｐ２および脚部Ｐ３等の動作を制御する制御システム１０を備えている。制御システム１０は、ハードウェアとしてのＥＣＵまたはコンピュータ（ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏ等により構成されている。）と、ソフトウェアとしての本発明の「制御プログラム」とにより構成されている。制御プログラムはコンピュータのメモリに予め格納されていてもよいが、ロボット１からサーバに要求信号が送信されたことに応じて当該サーバによって制御プログラムがネットワークや人工衛星を介して当該コンピュータに配信または放送された上でそのメモリに格納されてもよい。

図２に示されている制御システム１０は第１処理部１１と、第２処理部１２と、第３処理部１３とを備えている。

第１処理部１１は環境データベース１１２に無線方式でアクセスすることによって、ロボット１が通行することができる通行可能領域を要素空間ＱＳとして認識する。環境データベース１１２には、ロボットが通行可能な領域の形状、面積等を示すデータが管理されている。なお、環境データベース１１２が制御システム１０の一部としてロボット１に搭載されていてもよい。また、第１処理部１１はセンサＳ等の出力信号に基づき、ロボット１ならびにその位置および速度等の挙動状態を要素空間ＱＳにおける基準空間要素Ｑ₀およびその挙動状態として認識する。さらに、第１処理部１１は頭カメラＣ１および腰カメラＣ２のうち一方または両方により撮像された、ロボット１の周辺画像に基づき、物体ｘおよびその位置および速度等の挙動状態を、要素空間ＱＳにおける第１空間要素Ｑ₁およびその挙動状態として認識する。

第２処理部１２は第１処理部１１による認識結果に基づき、第１空間要素Ｑ₁をその挙動状態に応じて拡張した結果としての空間要素を第２空間要素Ｑ₂として認識する。また、第２処理部１２は第１処理部１１による認識結果に基づき、基準空間要素Ｑ₀と第１空間要素Ｑ₁との接触可能性の有無を認識する。

第３処理部１３は第１処理部１１および第２処理部１２のそれぞれによる認識結果に基づき、要素空間ＱＳにおいて基準空間要素Ｑ₀が第２空間要素Ｑ₂との接触を回避しうる経路を、実空間または通行可能領域においてロボット１がしたがう目標経路Ｒ_kとして設定する。また、第３処理部１３は第２処理部１２により基準空間要素Ｑ₀と第１空間要素Ｑ₁との接触可能性があると認識されたことを要件としてずらし経路ｒ_k+1を設定し、かつ、ずらし経路ｒ_k+1の終点を始点として今回の目標経路Ｒ_k+1 （新たな目標経路Ｒ _k+1 、以下同じ。）を設定する。ずらし経路ｒ_k+1は基準空間要素Ｑ₀と第１空間要素Ｑ₁との距離ｄに応じた角度θだけ前回の目標経路Ｒ_k （その時点で最後に設定されている目標経路Ｒ _k 、以下同じ。）に対して傾斜している。

続いて、前記構成のロボットの機能について説明する。図４に示されているように左右を壁で挟まれた廊下（通行可能領域）で、ロボット１および物体（人間）ｘがお互いに向かい合いながら移動している状況を考える。この場合、ロボット１はたとえば図５に一点鎖線で示されている目標経路Ｒ_kにしたがって歩行または走行している。目標経路Ｒ_kは初期状態（ｋ＝０）では予め設定されており、その後、後述するように第３処理部１３によって逐次変更される。

まず第１処理部１１が「第１処理」を実行する（図３／Ｓ０１０）。具体的には、第１処理部１１は環境データベース１１２に無線方式でアクセスすることによって、ロボット１が通行することができる領域を要素空間ＱＳとして認識する（図３／Ｓ０１２）。これにより、たとえば図４に示されている廊下および固定構造物の形状に応じた、図５に示されているような形状および面積を有する要素空間ＱＳが認識される。

また、第１処理部１１はセンサＳ等の出力信号に基づき、ロボット１ならびにその位置および速度等の挙動状態を要素空間ＱＳにおける基準空間要素Ｑ₀およびその挙動状態として認識する（図３／Ｓ０１４）。これにより、ロボット１ならびにその位置および速度のそれぞれが、たとえば図５に示されている要素空間ＱＳにおける基準空間要素（微小な円形領域）Ｑ₀、基準位置（当該円形領域の中心）Ｏおよび基準速度ｖ₀のそれぞれとして認識される。後述するように頭カメラＣ１や腰カメラＣ２を通じて得られた画像に基づき測定される物体ｘの位置は、ロボット１を基準とする物体ｘの相対位置に該当するので、ロボット１の位置測定は省略される。なお、物体ｘの測定位置が緯度および経度により表されている等、その測定位置が当該相対位置に該当しない場合、ロボット１の位置は当該相対位置の測定のために測定される。ロボット１の位置はそのＧＰＳ機能により得られる緯度および経度を表す信号や、ジャイロセンサから逐次出力されるロボット１の加速度を表す信号に基づいて測定される。ロボット１の速度はロボット１の時系列的な測定位置、ジャイロセンサからの出力信号、または脚部Ｐ３の各関節角度に応じたロータリエンコーダからの出力信号および逆動力学モデル等に基づいて測定されうる。

さらに、第１処理部１１は頭カメラＣ１および腰カメラＣ２のうち一方または両方により撮像された、ロボット１の周辺画像に基づき、物体ｘおよびその位置および速度等の挙動状態を、要素空間ＱＳにおける第１空間要素Ｑ₁およびその挙動状態として認識する（図３／Ｓ０１６）。これにより、物体ｘならびにその位置および速度のそれぞれが、たとえば図５に示されているように要素空間ＱＳにおける第１空間要素（円形領域）Ｑ₁、物体位置ｐおよび物体速度ｖとして認識される。物体ｘの位置は頭カメラＰ１等を通じて得られたロボット１の周辺画像の解析に基づいて測定されるが、当該測定位置はロボット１を基準とした物体ｘの相対位置に該当する。

要素空間ＱＳにおける基準空間要素Ｑ₀の形状およびサイズはメモリ（ロボット１の形状およびサイズが格納されている。）から読み取られることで認識されうる。また、要素空間ＱＳにおける第１空間要素Ｑ₁の形状およびサイズは、頭カメラＣ１等を通じて得られたロボット１の周辺画像に基づいて物体ｘの種類が認識された後、当該認識結果に基づくメモリまたはデータベース（物体の種類、形状およびサイズが関連付けられて格納または管理されている。）の照会によって認識されうる。さらに、物体ｘの位置は、この物体ｘが有する通信装置等から送信された緯度および経度を表す信号が受信された上で、当該信号に基づいて測定または認識されてもよい。また、物体ｘの速度はこの物体ｘの位置の時間変化として測定されうる。要素空間ＱＳは緯度および経度により任意の点が特定される平面または曲面として定義されていてもよいが、ＣＣＤカメラ２１を通じて得られる画像に基づいて認識されるロボット１の周辺における床面の傾斜角度や、段差や凹凸の有無等の形状に基づいて逐次定義されてもよい。

ロボット１がその腕部Ｐ２により箱を持っている場合や、基体Ｐ０にロボット１に機能を付加するためのオプションとなる機器が取り付けられている場合等、当該箱や機器等の物体がロボット１と一体的に移動している状況では、当該一体的に移動しているロボット１および当該物体の形状およびサイズがロボット１の形状およびサイズとして認識されてもよい。

ロボット１の外形特性（形状およびサイズ）に応じて拡張された、要素空間における物体ｘの外形特性に応じた領域が第１空間要素Ｑ₁として認識される。ここではロボット１および物体ｘのそれぞれの外形特性に応じた、要素空間における外形特性を有する２つの領域のミンコフスキー和が第１領域Ｑ₁として認識される。ロボット１および物体ｘのそれぞれが図６（ａ）に示されているように半径ｒ₀の円形状のロボット領域ｑ_robotおよび半径ｒ₁の円形状の物体領域ｑ_objectとして定義されている場合、図６（ｂ）に示されているように円形状領域として表現される当該２つの領域のミンコフスキー和ｑ_robot＋ｑ_objectが第１空間要素Ｑ₁として認識される。ロボット領域ｑ_robotの中心が物体領域ｑ_objectの輪郭をなぞるようにロボット領域ｑ_robotを物体領域ｑ_objectの周囲で移動させた場合、ロボット領域ｑ_robotのうち物体領域ｑ_objectからはみ出した部分が描く環状の領域と、物体領域ｑ_objectとの和がミンコフスキー和（＝半径ｒ₀＋ｒ₁の円形状領域）に該当する。ロボット領域ｑ_robotの形状およびサイズはロボット１のサイズ（または形状およびサイズ）に応じてメモリに予め格納されており、当該メモリから読み出されることにより認識される。物体領域ｑ_objectはＣＣＤカメラ２１を通じて得られた画像に基づいて認識される物体ｘのサイズ（または形状およびサイズ）に応じた広がりを有する領域として認識される。なお、物体領域ｑ_objectがそのまま第１空間要素Ｑ₁として認識されてもよく、ミンコフスキー和とは異なる方法によりロボット領域ｑ_robotのサイズ等の外形特性に応じて拡張された物体領域ｑ_objectが第１空間要素Ｑ₁として認識されてもよい。

また、第２処理部１２が「第２処理」を実行する（図３／Ｓ０２０）。具体的には、第２処理部１２は、第１空間要素Ｑ₁が、要素空間ＱＳにおける基準空間要素Ｑ₀からの移動コストに関する「第１接触条件」を満足しているか否かを判定する（図３／Ｓ０２２）。

移動コストは要素空間ＱＳにおいて基準空間要素Ｑ₀が第１空間要素Ｑ₁に接触するまでの所要時間および移動距離のうち一方または両方の関数として第２処理部１２により評価される。図５に示されている基準空間要素Ｑ₀と、第１空間要素Ｑ₁との直線距離もしくは目標経路（一点鎖線）Ｒ_kに沿った距離ｄ、基準空間要素Ｑ₀および第１空間要素Ｑ₁のそれぞれが基準速度ｖ₀および物体速度ｖを維持したまま移動し、基準空間要素Ｑ₀および第１空間要素Ｑ₁に接するまでの所要時間ｔ＝（ｄ／｜ｖ₀−ｖ｜））、または当該距離ｄおよび所要時間ｔのうち一方もしくは両方の増加関数が移動コストとして評価される。たとえば「移動コストが規定範囲｛０，ε₊（＞０）｝にあること」という第１接触条件が採用されている。

さらに、第２処理部１２は第１空間要素Ｑ₁が第１接触条件を満足すると判定した場合（図２／Ｓ０２２‥ＹＥＳ）、当該第１空間要素Ｑ₁が目標経路Ｒ_Kとの位置関係に関する「第２接触条件」を満たしているか否かを判定する（図２／Ｓ０２４）。

たとえば「目標経路Ｒ_Kとの交点または接点が存在すること」が第２接触条件として採用されている場合、図５に示されている状況では第１空間要素Ｑ₁はロボット１の目標経路Ｒ_Kと交わっているので、第２接触条件を満たしていると判定される。なお「第１空間要素Ｑ₁までの最短距離またはその目標経路Ｒ_Kの一部もしくは全部に沿った累積または積分が所定値以下であること」や「基準位置Ｏにおける目標経路Ｒ_Kの接線（基準空間要素Ｑ₀の移動方向に延びている。）と第１空間要素Ｑ₁との交点または接点が存在すること」等が第２接触条件として採用されてもよい。

第２処理部１２は第１空間要素Ｑ₁が第１接触条件に加えて第２接触条件も満足していると判定した場合（図３／Ｓ０２４‥ＹＥＳ）、第１処理部１１による認識結果に基づき、第１空間要素Ｑ₁をその挙動状態に応じて拡張した結果としての空間要素を第２空間要素Ｑ₂として認識する（図３／Ｓ０２６）。たとえば図７（ａ）左側に示されている第１空間要素Ｑ₁が基準速度ｖ₀に対する物体速度ｖの相対速度（ベクトル）ｖ−ｖ₀に応じた方向に連続的に引き伸ばされた結果として、図７（ａ）右側に示されているほぼまっすぐな帯状の第２空間要素Ｑ₂が認識される。第１空間要素Ｑ₁の引き伸ばし量は、第１空間要素の速度ｖ、物体位置（相対位置）ｐ（＝ｐ−Ｏ）、および相対速度ｖ−ｖ₀に基づき、次式（１）にしたがって設定される。

（引き伸ばし量）＝｜ｐ｜・｜ｖ｜／｜ｖ−ｖ₀｜‥（１）
また、図７（ｂ）左側に示されている第１空間要素Ｑ₁が相対速度ｖ−ｖ₀にしたがって旋回するように連続的に引き伸ばされた結果として、図７（ｂ）右側に示されている屈曲した帯状の第２空間要素Ｑ₂が認識される。前述した図５に示されている状況において、図８（ｂ）に示されているような第２空間要素Ｑ₂が認識される。なお、図７（ｃ）左側に示されている第１空間要素Ｑ₁が相対速度ｖ−ｖ₀に応じた方向に断続的に引き伸ばされた結果として、図７（ｃ）右側に示されている分離した空間要素からなる第２空間要素Ｑ₂が認識されてもよい。

一方、第１接触条件または第２接触条件が満足されていないと判定された場合（図３／Ｓ０２２‥ＮＯ，Ｓ０２４‥ＮＯ）、後述するようにロボット１が移動を終了するか否かが判定される（図３／Ｓ０４０）。

さらに、第３処理部１３が第１処理部１１および第２処理部１２のそれぞれによる認識結果に基づき「第３処理」を実行する（図３／Ｓ０３０）。具体的には、第３処理部１３は要素空間ＱＳにおいて前回の目標経路Ｒ_kに対して傾斜している線分をずらし経路ｒ_k+1として設定する（図３／Ｓ０３２）。

たとえば、要素空間ＱＳにおいて、図８（ａ）に示されているように基準空間要素Ｑ₀から６つの方向に伸びる線分（破線）のそれぞれの中間点ｐ_j1（ｊ＝１〜６）および終点ｐ_j2が設定される。基準空間要素Ｑ₀から各線分の中間点ｐ_j1および終点ｐ_j2のそれぞれまでの距離は、たとえばロボット１が２〜５歩程度で到達しうる距離とされている。そして、図８（ｂ）に示されているように前回の目標経路Ｒ_kに対してθだけ傾斜した線分上にある点ｐ₂₁およびｐ₂₂のうち、基準空間要素Ｑ₀から最も遠い点ｐ₂₂がずらし経路ｒ_k+1の終点ｐ₀として選択される。当該傾斜角度θは基準空間要素Ｑ₀と第１空間要素Ｑ₁との距離ｄの関数であり、図９（ａ）〜（ｃ）に示されているように当該距離ｄが短いほど大きく設定される。

ただし、図８（ｃ）に示されているように１次選択点ｐ₂₂が第２空間要素Ｑ₂に包含されている場合、今回の目標経路Ｒ_kに対する傾斜角度θがより大きい線分上にある点ｐ₁₁およびｐ₁₂のうち、基準空間要素Ｑ₀から最も遠い点ｐ₁₂がずらし経路ｒ_k+1の終点ｐ₀として選択される。さらに、図８（ｄ）に示されているように２次選択点ｐ₁₂が要素空間ＱＳからはみ出ている場合、同一線分上にある点ｐ₁₁およびｐ₁₂のうち、基準空間要素Ｑ₀から２番目に遠い点ｐ₁₁がずらし経路ｒ_k+1の終点ｐ₀として選択される。そして、図８（ｂ）〜（ｄ）のそれぞれに示されているように基準位置Ｏおよび選択点ｐ₀とを結ぶ線分がずらし経路ｒ_k+1として設定される。

また、第３処理部１３はずらし経路ｒ_k+1の終点ｐ₀を始点とし、基準空間要素Ｑ₀が第２空間要素Ｑ₂（ひいては第１空間要素Ｑ₁）との接触を回避しうる経路を今回の目標経路Ｒ_k+1として設定する（図３／Ｓ０３４）。これにより、たとえば図９（ａ）〜（ｃ）のそれぞれにおいて二点鎖線で示されているように、第２空間要素Ｑ₂に接触しない経路が今回の目標経路Ｒ_k+1として設定される。

さらに、ロボット１がずらし経路ｒ_k+1および今回の目標経路Ｒ_k+1にしたがって移動するようにアクチュエータＭに供給される電流が調節されることにより、ロボット１の動作が制御される。これにより、図９（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに示されているようにずらし経路ｒ_k+1および今回の目標経路Ｒ_k+1が設定された場合、ロボット１はその正面から見て図１０（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに示されているように移動方向を変化させることにより、横方向の位置をずらす。

また、制御システム１０によってロボット１が移動を終了するか否かが判定される（図３／Ｓ０４０）。たとえば、要素空間ＱＳにおいて基準空間要素Ｑ₀の基準位置Ｏおよび目的位置ｐ_dの距離｜Ｏ−ｐ_d｜が閾値δ以下になったか否かが判定される。そして、当該判定結果が否定的である場合（図３／Ｓ０４０‥ＮＯ）、前述の第１〜第３処理が繰り返して実行される。その一方、当該判定結果が肯定的である場合（図３／Ｓ０４０‥ＹＥＳ）には一連の処理が終了する。

前記機能を発揮するロボット１によれば、要素空間ＱＳにおいて基準空間要素Ｑ₀が第２空間要素Ｑ₂（ひいては第１空間要素Ｑ₁）との接触を回避しうる経路が実空間においてロボット１がしたがう目標経路Ｒ_kとして設定される。基準空間要素Ｑ₀が第１空間要素Ｑ₁に接触する可能性があると認識された場合、すなわち、ロボット１が前回の目標経路Ｒ_kにしたがって移動することにより物体ｘと接触する可能性がある場合、ずらし経路ｒ_k+1が設定される（図３／Ｓ０３２，図８（ａ）〜（ｄ）参照）。また、ずらし経路ｒ_k+1の終点ｐ₀を始点として今回の目標経路Ｒ_k+1が設定される（図３／Ｓ０３４，図９（ａ）〜（ｃ）参照）。さらに、ロボット１が前回の目標経路Ｒ_kから外れたずらし経路ｒ_k+1にしたがって移動した後、今回の目標経路Ｒ_k+1にしたがって移動するようにその動作が制御される（図１０（ａ）〜（ｃ）参照）。ロボット１を前回の目標経路Ｒ_kから外れたずらし経路ｒ_k+1にしたがって移動させることにより、ロボット１の挙動を人間等の当該物体ｘに認識させることができ、さらには両者の接触を回避する観点から不適当な物体ｘの挙動を誘発する事態が回避されうる。

さらに、ずらし経路ｒ_k+1は基準空間要素Ｑ₀と第１空間要素Ｑ₁との距離ｄに応じて設定されている角度θだけ前回の目標経路Ｒ_kに対して傾斜している（図９（ａ）〜（ｃ）参照）。したがって、ロボット１と物体ｘとの距離ｄの長短に鑑みて、人間等の物体ｘにロボット１の挙動を明確に認識または予測させる観点から適当にロボット１の移動方向を変化させることができる（図１０（ａ）〜（ｃ）参照）。詳細には、ロボット１と物体ｘとの接触可能性がある場合には両者の間隔が短いほど当該接触を回避する緊急性が高いことに鑑みて、前回の目標経路Ｒ_kから適度に外れたずらし経路ｒ_k+1にしたがってロボット１を移動させることができる。これにより、人間等の物体ｘにロボット１の挙動を明確かつ容易に認識または予測させ、さらには両者の接触を回避する観点から不適当な当該物体の挙動を誘発する事態が回避されうる。また、物体ｘに当該認識または予測に基づき、違和感等を抱かせることなくロボット１との接触を回避する観点から適当な挙動を促すことができる。

さらに、ずらし経路ｒ_k+1が第２空間要素Ｑ₂に重ならないように設定される（図８（ｃ）参照）。このため、ロボット１および物体ｘのそれぞれの挙動状態に鑑みて、両者の接触をさらに確実に回避する観点から適当な経路にしたがってロボット１を移動させることができる。また、ずらし経路ｒ_k+1が要素空間ＱＳからはみ出ないように設定される（図８（ｄ）参照）。このため、ロボット１をその通行可能領域からはみ出さないように移動させることができる。

また、ロボット１は１歩だけ移動するという単位動作を繰り返すことにより床面に推進力を作用させることにより移動可能であるが、ロボット１が所定歩数で移動可能な範囲でずらし経路ｒ_k+1が設定される。これにより、ロボット１に過度の単位動作の繰り返しを強いることなく、ロボット１を前回の目標経路Ｒ_kから外れた経路ｒ_k+1にしたがって移動させることができる。

また、要素空間ＱＳにおいて基準空間要素Ｑ₀に対する第１空間要素Ｑ₁の挙動状態に基づいて当該第１空間要素Ｑ₁が拡張された結果としての空間要素が第２空間要素Ｑ₂として認識される（図７（ａ）〜（ｃ）参照）。第１空間要素Ｑ₁の挙動状態は、時々刻々変化する位置、速度および加速度等のうち一部または全部により特定される。このため、第２空間要素Ｑ₂は第１空間要素Ｑ₁よりもサイズまたは広がりが大きい空間要素として認識される。

また、基準空間要素Ｑ₀が第２空間要素Ｑ₂との接触を回避しうる目標経路Ｒ_k+1が設定される（図９（ａ）〜（ｃ）参照）。したがって、基準空間要素Ｑ₀が第１空間要素Ｑ₁等の第２空間要素Ｑ₂よりも狭い空間要素との接触を回避しうる目標経路が設定される場合よりも、ロボット１が物体ｘの挙動状態に鑑みて当該物体ｘと接触することをより確実に回避する観点から適当な目標経路Ｒ_K+1が設定される。

また、要素空間ＱＳにおいて第１空間要素Ｑ₁は第２空間要素Ｑ₂よりもサイズまたは広がりが小さい空間要素として認識され、基準空間要素Ｑ₀が第１空間要素Ｑ₁に接触する可能性があることが新たな目標経路Ｒ_k+1の設定要件とされている（図３／Ｓ０２２，Ｓ０２４，Ｓ０３０参照）。このため、基準空間要素Ｑ₀が第２空間要素Ｑ₂等、第１空間要素Ｑ₁よりもサイズが大きい空間要素に接触する可能性があることが新たな目標経路Ｒ_k+1の設定要件とされている場合より、目標経路Ｒ_kの変更頻度、ひいてはロボット１の方向変換等の挙動変化の頻度が低く抑制される。そして、ロボット１の挙動変化に応じて物体ｘの挙動変化が誘発され、両者が接触する可能性がかえって高くなる可能性を低下させることができる。

さらに、要素空間ＱＳにおける第１空間要素Ｑ₁の形状およびサイズがデータベース等への照会により認識されうる。これにより、頭カメラＣ１等による物体ｘのサイズ（または形状およびサイズ）の測定精度の限界のために物体ｘがその実際のサイズに鑑みて要素空間における広がりが過大な第１空間要素Ｑ₁として認識される事態が回避されうる。そして、目標経路Ｒ_kの変更頻度およびこれにともなうロボット１の移動方向等の変更頻度が低く抑制される。すなわち、頭カメラＣ１等を通じた物体ｘの外形特性認識精度の限界のためにロボット１の目標経路Ｒ_kが頻繁に変更される事態が回避される。なお、移動コストに関する規定範囲の下限値として０ではなく正値が採用された場合、移動コストが当該下限値未満である場合には第１接触条件が満たされず、目標経路Ｒ_kは変更されない（図３／Ｓ０２２参照）。これにより、物体ｘがロボット１の近くにあるため、ロボット１の挙動を変化させると物体ｘの挙動変化を誘発し、かえって両者の接触可能性が高くなる可能性がある状態で、ロボット１の移動方向が変更される事態が回避されうる。

また、ロボット１および物体ｘのそれぞれの外形特性に応じた２つの領域ｑ₀およびｑのミンコフスキー和ｑ_robot＋ｑ_objectが第１空間要素Ｑ₁として認識される（図６（ａ）（ｂ）参照）。これにより、ロボット１および物体ｘのそれぞれのサイズおよび形状が要素空間における第１空間要素Ｑ₁のサイズおよび形状にまとめて反映されうる。このため、要素空間ＱＳにおける基準空間要素Ｑ₀の点または微小領域としての簡易的な取り扱い、ひいては基準空間要素Ｑ₀との接触可能性がある第１空間要素Ｑ₁の有無の判定等の容易化が図られながらも、当該判定精度の向上または維持が図られうる。

なお、前記制御方法がロボット１のように左右一対の脚部Ｐ３の動作によって移動するロボットのほか、３つ以上の脚体の動作によって移動するロボットや、車輪式移動ロボット（自動車）等、移動機能を有するあらゆる装置に適用されてもよい。

また、第３処理部１２が要素空間ＱＳにおける基準空間要素Ｑ₀に対する第１空間要素Ｑ₁の相対速度が大きいほどずらし経路ｒ_k+1を長く設定してもよい。これにより、ロボット１に対する物体ｘの相対速度が大きい場合、両者の接触を回避する緊急性が高いことに鑑みて、ロボット１を前回の目標経路Ｒ_kから遠くに離すことができる。これにより、人間等の物体ｘにロボット１の挙動を明確かつ容易に認識または予測させることができ、ひいては両者の接触がより確実に回避されうる。

なお、前記実施形態では基準空間要素Ｑ₀と第１空間要素Ｑ₁との距離ｄが長いほど前回の目標経路Ｒ_kに対するずらし経路ｒ_k+1の傾斜角度θが大きく設定されたが（図９（ａ）〜（ｃ）参照）、他の実施形態として基準空間要素Ｑ₀と第１空間要素Ｑ₁との距離ｄが長いほど前回の目標経路Ｒ_kに対するずらし経路ｒ_k+1の傾斜角度θが小さく設定されてもよい。

本発明の脚式移動ロボットの構成説明図 本発明の脚式移動ロボットの制御システムの構成説明図 本発明の脚式移動ロボットの機能説明図 本発明の脚式移動ロボットの機能説明図 本発明の脚式移動ロボットの機能説明図 本発明の脚式移動ロボットの機能説明図 本発明の脚式移動ロボットの機能説明図 本発明の脚式移動ロボットの機能説明図 本発明の脚式移動ロボットの機能説明図 本発明の脚式移動ロボットの機能説明図

符号の説明

１‥ロボット（脚式移動ロボット）、１０‥制御システム、１１‥第１処理部、１２‥第２処理部１３‥第３処理部、ｘ‥人間（物体）、Ｑ₀‥基準空間要素、Ｑ₁‥第１空間要素、Ｑ₂‥第２空間要素、Ｒ_k‥前回目標経路、Ｒ_k+1‥今回目標経路、ｒ_k+1‥ずらし経路。

Claims (9)

1. 制御システムにより動作が制御されることによって目標経路にしたがって自律的に移動する脚式移動ロボットであって、前記制御システムが、
   前記脚式移動ロボットおよびその挙動状態と物体およびその挙動状態とのそれぞれを、要素空間における基準空間要素およびその挙動状態と第１空間要素およびその挙動状態とのそれぞれとして認識する第１処理部と、
   該第１処理部による認識結果に基づき、該基準空間要素から該第１空間要素までの所要時間および移動距離のうち一方または両方が長くなるほど高くなるように定義されている移動コストが規定範囲内であるという第１接触条件、および、前記目標経路に沿って移動したときの該基準空間要素と該第１空間要素との交点または接点があるという第２接触条件の両方を満たす該第１空間要素の有無を、該基準空間要素と該第１空間要素との接触可能性の有無として認識する第２処理部と、
   該第１処理部による認識結果に基づき、該要素空間において該基準空間要素が該第１空間要素との接触を回避しうる経路を前記目標経路として設定する第３処理部と
   を備え、
   前記第３処理部は、前記第２処理部により該接触可能性があると認識されたことを要件として、該基準空間要素と該第１空間要素との距離に応じた角度だけその時点で最後に設定されている該目標経路に対して傾斜しているずらし経路を設定し、かつ、該ずらし経路の終点を始点として新たな該目標経路を設定して、該ずらし経路の始点から終点まで前記脚式移動ロボットを移動させることを特徴とする脚式移動ロボット。
2. 請求項１記載の脚式移動ロボットにおいて、
   前記第２処理部が前記第１処理部による認識結果に基づき、前記第１空間要素がその挙動状態に応じて断続的または連続的に拡張された結果の空間要素としての第２空間要素を認識し、
   前記第３処理部が、前記基準空間要素が該第２空間要素との接触を回避しうる経路を前記目標経路として設定することを特徴とする脚式移動ロボット。
3. 請求項２記載の脚式移動ロボットにおいて、
   前記ずらし経路が前記第２空間要素に重なっていることを要件として、前記第３処理部が該ずらし経路を設定しなおすことを特徴とする脚式移動ロボット。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の脚式移動ロボットにおいて、
   前記第３処理部が前記第１処理部による認識結果に基づき、前記要素空間における前記基準空間要素と前記第１空間要素との距離が短いほど、前記目標経路に対する前記ずらし経路の傾斜角度を大きく設定することを特徴とする脚式移動ロボット。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の脚式移動ロボットにおいて、
   前記第１処理部が、前記脚式移動ロボットが通行しうる領域の形状およびサイズのそれぞれを前記要素空間の形状およびサイズのそれぞれとして認識し、
   前記第３処理部が該要素空間からはみ出さないように前記目標経路および前記ずらし経路を設定することを特徴とする脚式移動ロボット。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の脚式移動ロボットにおいて、
   前記第３処理部が前記要素空間における前記基準空間要素に対する前記第１空間要素の相対速度が大きいほど前記ずらし経路を長くすることを特徴とする脚式移動ロボット。
7. 請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の脚式移動ロボットにおいて、
   前記脚式移動ロボットが単位動作を繰り返すことにより床面に推進力を作用させることにより移動可能なロボットであり、
   前記第３処理部が、該ロボットが所定回数の該単位動作によって移動可能な範囲で前記ずらし経路を設定することを特徴とする脚式移動ロボット。
8. 請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の脚式移動ロボットにおいて、
   前記第２処理部により前記基準空間要素と前記第１空間要素との接触可能性があると判定されたことを要件として、前記第３処理部が前記要素空間において該基準空間要素からみて異なる方向にある複数の点を設定し、当該複数の点のうち１つの点を終点として前記ずらし経路を設定することを特徴とする脚式移動ロボット。
9. 請求項１〜８のうちいずれか１つに記載の脚式移動ロボットにおいて、
   前記第３処理部が、前記脚式移動ロボットが前記ずらし経路の始点から２以上の歩数で到達しうる点を終点とする経路を前記ずらし経路として設定することを特徴とする脚式移動ロボット。

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