自律移動 ロボ ッ ト
DREAM…
3の
環境マ ップを用いた環境認識
大北正昭・ 玉那覇隆介・奥雲正樹・ 田中淳・士佐 々木忠義・器竹 内俊博・ 士巌木村 昭彦・大木誠 電気電子工学科・・ 本田技研工業 (株)・ 操 (株)日立情報制御システム・ 士士■ (株)カサタニEnvironmental recognition of the autonomous mobile robot
DREAM‐
3 using an environmental map
MasaakiOHKITtt Ryusuke TAMANAHA, MasakX OKUGUMO,」
w TANAKA、
Tadayoshi SASAKI士,Toshil ro TAKEUCHI士士
,軸
ko KIMLRA★士士,aXld Makoto OHKIDepartnent of Electrical and Electtonic Entteenllg,Facdty of Enttee― g,
Totto Universitゝ Tottori 680‐8552 Japan
士HONDA MOTOR Co.,Ltd.,士 士IIITACHI I.C.S.Co.,Ltd.,士 士士Kasatani Corp. E‐Ma工:moと[email protected] ‐u.ac.jp
Abstract: In this paperJ a developmental procedure of the autonomous mobile robot DREAWI‐ 3 is
described he DREAVI‐3is a mob工e robot typed as an electrica■ y(と en wheel cha14 he alm to
deve10p DREAA4‐3 is make it travel indOOr env■ronments such as hOspitEds and/or werare
fac ties for their pracdcal use and sewe to care for old people and physicany handicapped person.
Such a mob工e rObot has to proⅥ de especia■y the fono、ving propertiesi ① safety(動 rehabittty and
robustness, Tb Hlalntain these properties in the travehng, the authors have proposed an enヽ4rOnmentm map for DREA I‐3,Using sensor formaiOn,the rObOt pOsitlon with its direction is
speciahzed in the envlronments map T監 e trave■ng can be contro■ed by both travehng trttectOry in the env■ronmenttt map and in the real travehng envlronment. As a result, this map plays an
important role for determining the robot position accurately and for is stable travehng,
Key words: A mob工e robot typed as an electrica■ y driven wheel ch五 恥 DREAWIⅢ3, Indoor
enw■ronmental matp, Use in hospitals and welfare facilities, Safetyj rehab ty and robustness in travehng.
1
は じめに 近年,高齢者や身体障害者が健常者 と共存 するための,新 しい福祉技術の開発が望 まれ てい る。この背景 と して,高齢者や 身体 障害者 の増 加 に加 え,病院や福祉施 設 で の看護 婦 や 看護 士の人数 が制 限 されている こ とに よる看16
大北正昭 。玉那覇隆介・奥雲正樹・ 田中 淳・佐々木忠義 。竹内俊博・木村昭彦・大木 誠:自律移動 ロボッ トD斑猟M-3の環境マ ップを用いた環境認識 護者の負担 の増加 があげ られ る。また高齢化 社会 においては介護者の不足 が考 え られ る。 これ らの状況をふ まえ,新 しい福祉技術 の開 発が望 まれている。この福祉分野の研究では, 病 院における食事の配膳 ロボ ッ ト[1],[2]や 顔 の視覚情報 を用いて操縦 す る車椅子等[3] が,他
の研究機関において発表されている。 これまで我々は,高齢化社会で活用 され る ことを考え,病院や福祉施 設等 にお ける身体 障害者の介護用 ロボ ッ トとして,電動車椅子 をベース と した車椅子型 自律移動 ロボ ッ ト DREAM-2を 製作 してきた[4]∼[7].DREAM-2は ぅ 施設 内において介護者の助 けを借 りずに,身 障者を乗せて安全 に 目的地 まで移動[8]する ことを目的として開発された。 DREAM-3で はDRE畑-2にお ける長所を生か し,また、センサ系の誤動作の修正の必要性の 問題点の改善のため環境マ ツプ という地図情 報 を搭載 することに した 。そ して環境 マ ップ と DREAM-3に すでに搭載 しているセンサを組 み合わせることによ り自己位置認識,障害物 認識 を行わせ,よ り安定 した走行 を可能 とす る新たなアルゴ リズムを提案 し、さらに、走 行実験を行 うことによ リアルゴ リズムの有効 性の検証を行 う。 本報告では、DREAM-3に 搭載 した上記アル ゴ リズムの説明 とその有効性の検証実験 とそ の結果について述べる.2
自律移動 ロポ ッ トDREAM-3の 構成・機能 今回製作 した DREAM-3の 外形図を図 1,2に 示す。DREAM-3は,車体 に電動車椅子(NEO―P2) を採用 し,図3の DREAM-3の 機能図に示すよう にっ各機能を持 つた回路ボー ドとノー ト型パ ー ソナル・ コンピュータ (Note book typed personal computer,以Tに
NOTE PCと略)か
らな り
,回
路ボー ドを接続 す るインターフェ イス として全てユニバーサ・ルシ リアルバス図
2 DMAM-3の
後方写真(Un ersal serial Bus,以下に USBと 略)
で統一 している (USBの仕様等の詳細 は文献 [9]参照
).ま
た,各回路ボー ドにはH8CPUを
搭載 したUSB対
応 ワンチ ップ・ボー ド・マイ コン (エー・ダブル電子製UB―H8-llln,以下H8 マイコンと略,詳細は[10]∼[13])を 使用 し, 各種演算の処理,回路動作,通信制御等を行 う。 インターフェイスをUSB接
続 に統一 し,全回 路ボー ドごとにH8マ
イコンを使用 したこと によ りぅ回路が簡素化され,使用するセンサ ご との抜 き差 しや切 り離 しが容易 となった。こ れによ り①故障な どによるメンテナンスやセ ンサボー ド単体での試験が容易にできること, ②全セ ンサが統 一仕様 で使用 で きること,③ 省スペース化が図れ るとい う利点があげ られ る 。ま た プ ロ グ ラ ム の 開 発 環 境 と して 図l DttAM-3の前方写真Visual―C十1を使用 す る ことに よ リグラフ ィ ッ ク・ユーザ・イ ンター フェース (Graphic User lnterface,以 下 に
GUIと
略)環境 で使 用者 に も扱い易い記述 とな って いる. 図3 DREAM-3のハー ドウエア構成 DREAM-3に搭載 す るセ ンサは,超音波セ ンサ, ジ ャイ ロ 。セ ンサ,タ ッチ・ セ ンサ,ラ ン ドマ ー ク・ リー ダ,左右エ ンコー ダで あ る。それ ら の詳細 については、文献[5]を参照 されたい.3
環境 マ ップを用 いた環境認識 DREAM-3では各セ ンサ情報 を統合 し,それぞ れのセ ンサ に生 じる誤差 を出来 るだけ少な く す るように走行 中にもDREAM-3の自己位 置 と 障害物 の位 置 を決定 し,その結果 を用 い て制 御 を行 うこ と と した 。この方法 を用 い るため に,環境 マ ツプ と呼ぶ地 図情報 を DREAM-3に 搭載 した。DREAM-3の走行 す る施 設 内のコース は,左壁 沿 いの走行制御 等 の行 動パ ター ンを 切 り替 え るための走 行領 域 に分 け られ,それ らを区切 る境界線 を与 え .DREAM-3は これ らの 情報 と,壁や 固定 障害 物等 の屋 内の地 図情報 をあ らか じめ環 境 マ ップに与 える 。そ して各 セ ンサの値 を用いて,DREAM-3の 自己位置 と障 害物の位置 を確 認 し環境 マ ップ上 に書 きこむ 。 さ らに、マ ップ上で フ ァジ ィ推論 の入 力値 を 取得 しフアジ イ推 論 を行 う。ここで今 回環境 マ ップ上でのDREAM-3の軌跡 を計算す るため に,センサ情報 以外 に DREAM-3の行動 を定式 化 した式 も導 入 す る [14].以 下 に環境 マ ップ にお ける制御 アル ゴ リズム について述べ る.3,1
環境 マ ップを用 いた環境認識 環境 マ ップ とは,NOTE PC上で1ドッ トが1 [cm]とな るよ うにっ屋 内全体 の壁・柱・固定 障 害物 な どのあ らか じめ存在 す る情報 を書 き込 み,地図の形 状 に合 わせ て行 動パ ター ンを切 り替 え るための境界線 も書 き込 んだ地 図情報 であ る 。この環 境 マ ップには境 界線 で囲 まれ た領 域 ご とに,目的地 まで の経 路 を決定 した 際,DREAM-3を目的地へ誘導 す るように走行 目 標 角度,行動パ ター ンを入力 す る。ここで環境 マ ップ上でのDREAM-3は「 セ ンサ を含 めた車 体全体 の一番外枠 を矩形 」で表現 する。 走行 の際は DREAM-3の存在 する位置や未知 の障害物 を各 セ ンサ によって確認する こ とで 環境 マ ップ を常 に更新 し,境界線 に よ り走行 パ ター ンを切 り替 えなが ら走行制御 を行 いゴ ール を 目指 す 。 DREAM-3では走行 中に得 られたセ ンサ値 を 用いて 自己位 置 の決定 と未知 の障害物 の発見 を行 い,自 己位 置 と未知 の障害物 を環境 マ ツ プ に書 き込 み環 境 マ ップ を更 新 す る.次 に,DREAM-3の 自己位置認識手法 と未知の障害 物の認識手法 について述べ る。 3,1.l DREAM-3の自己位置認識 DREAM-3の 位置情報は,図 4の
ように環境 マ ップ上での DREAM-3の 左右の車輪間の中心 座標X,Y及び車体の角度 θで出力され,こ
の 値 よ り環境マ ツプ上に現在位置を書 き込む 。 この自己位置情報を得 るためには以下の4つ の手法を組み合わせることで(X,Y,θ)を得 る. (a)エンコーダの値及びジヤイロ・センサの値を用い る手法 18 大北正昭・ 玉那覇隆介・奥雲正樹・ 田中 淳・佐 々木忠義・竹内俊博 。木村昭彦 。大木 誠:自律移動 ロボ ットDREAM‐ 3の 環境マ ップを用いた環境認識 図
4
環境マ ップ上でのDMAM-3
(b)エンコーダの値及び走行軌跡計算を用い る手法 (c)画像処理 を用いる手法[15] (d)ラ ン ドマーク・リーダの検知信号を用いる 手法 まず(a)の手法については,入力値 をエ ンコ ーダよ り得 られた左右輪の回転数 とジ ャイ ロ・セ ンサか ら得 られた姿勢角変化値 とする。 これ らの情報を用い,前
周期の DREAM-3の 自 己位置よ り,図
5のように,得
られた姿勢角 変化値 (曳)の
方向に,左
右輪の回転数より 算出したそれぞれの走行距離値 (el)e2)を 直 進的に延長 し,DREAM-3の 左右輪の中心座標 (χ,,ノJ),(ア
′,メ′)を
それぞれ算出する。 次に,こ
の2点
の中点を求めることで,出
力 値 (/1,発,θl)を
得る. DREAM-3の位 置 と姿勢角 の決定 手法(b)については,エンコー ダ よ り得 られ た左右輪 の回転数 を入 力値 と して,定
式 を用 いて算 出す る。この入力値 よ り,前
周期 にお いて決定 した 自己位置か ら,今
周期 の左右輪 の回転数 よ り現在位置 を算 出す るため に導 出 した走行軌跡 の定式 (参考文献 [14]参 照)を
用い,出
力値(/2'比
'θ2)を
得 る . 手法(c)については,現在検討 中であ るが,入 力値 を2次元画像 とし,出力値 (ズ3'73'θ 3) を得る。これはカメラを約 1[m]の高 さに固定 して前方を撮影 し,その撮影された画像 を処 理することで得 られる. 最後 に手法(d)について述べる.施設内のラ ン ドマークは,直線 の廊下 と交差点 の境 目な どに設置 してお り,環境マ ップの境界線 の一 部は,あ らか じめ施設内に設置 したラン ドマ ーク と同 じに位置に書 き込んでいる。そ して DREAM-3の 走行 中にラン ドマーク・ リーダに よるラ ン ドマーク検知信号 を取得 す る と,検 知時の DttAM-3の 現在位置か ら,壁
に平行に し,検
知 した環境マ ップ上でのラン ドマーク の座標 に図6及び 7に 示すように修正する。 図6ラ
ン ドマークによる自己位置の修正1 警Iメド索本■￨ア 図5
エ ンコーダ とジャイロ 。セ ンサに よる図
7ラ
ン ドマー クによる自己位置 の修正2 上記 (a),(b),(c)及 び(d)の 4つの情報 を用い て 自己位置認識 を実行 するが,(d)のラ ン ドマ ー クを用いた手法は他 の3つの手法 とは別 に ラ ン ドマー ク検知 時 だけに用 い る。通 常走行 の場合 、 (a),(b)及 び(c)の手法 について は、 以下の条件式 を用 い ることによ り誤差 が少な くなるように 自己位 置(X,Y)を決定 す る。 自己位置(X,Y)については,まず,以下 の2 式 よ り,二1,二2を求め る. Ll〓他
1-/2)2+低
_発
)2(1)
L2〓7(/1-/3)2+伍
_r3)2(2)
ここで,Ll,L2の値 が共 に 20[cm]以 下 な ら,3 つの予測は誤差が少ない とみな し,Xと Yは, △θl'△θ2'△θ3'を求 め る△
θ
l=Pl―
θ
21
⑦
△θ2=lθ2 θ31 △θ2〓 lθ2 θ 31 (9) こ れ よ り,△
θ生夕△θ2'△θ3'の 値 が 全 て 5[deg]以 内な ら, θ〓 :(θ2+θ3) 上記以外 な ら θ〓θ3 とす る。 (10 (11) 以上 の操作 によ り決定 したDREAM-3の自己 位置 を環境 マ ツプに書 き込む 。 これ らの式 は,いずれ も(c)のカメラ画像 を 用 い る手法 によ り決定 した 自己位置 に比重 を おいた式 とな ってい る。 3,1,2 障害物認識 DREAM-3は以下 の3つの手法 を組 み合 わせ て障害物 を認識 す る。 (a)超音波セ ンサ を用 い る手法 (b)カメラ画像 を用 い る手法[15] (c)タ ツチ・ セ ンサ を用 い る手法 まず(a)の手法は,10組の超 音波セ ンサか ら 取得 した値 を使用 し,環
境 マ ップ上 に書 き込 まれてい るDREAM-3の現在位置 か らぅDREAM-3 の車体 に取 り付 け られた10組
の超音 波セ ン サ と同位 置 とな る箇所 か ら,超
音波セ ンサの 指 向性 を考慮 し (センサ の向いてい る方 向に 対 して ±23[deg]の 広 が り))適
切 な位置 に弧 を描 くよ うに環境 マ ップに書 き込 む 。例 えば 図8のよ うにDREAM-3前方 に障害物が存在 す る と仮定 し,前方左 の超音波セ ンサか らx[cm] (D /=:(/2+/3)ズ
=:O仏
+発
) 上記以外 で 50[cm]以 下な ら/〓
:(/1+/2+/3) (5)
/=:Ot十
乃
+Yの
(0
上記以外 な ら ズ 〓/1
7〓
yl とす る。 θの値 につ い て は,ま ず式 (3),(4),(5)よ り (3) (つ20
大北正昭・玉那覇隆介・奥雲正樹 。田中 淳・佐々木忠義・竹内俊博・木村昭彦・大木 誠:自律移動 ロボ ン トDREAM‐ 3の 環境マ ップを用いた環境認識 の値 を取得 した とす る と,図9に
示す ように 環境マ ツプに書 き込む. 図8
障害物の存在 する環境 図9
超音波セ ンサによる環境マ ップの夏新 (b)のカメラ画像を用いる手法は,カメラ 画像を処理することによ り,DREAM-3から障 害物 までの距離,障
害物の幅を算出する。こ の手法においては,現
在 までにカメラよ り得 られた画像か ら水平エ ッジ(床と障害物 との 境界)の検出を行い,その処理 した画像を用い ることで障害物の有無,障害物 までの距離を 取得するような手法 (参考文献[15])が 提案 されているが,現
在の ところその実用性 につ いて検討中である。例 えば図 8の ような環境 で障害物が発見されれば,環境マ ップ上に書 き込 まれている現在位置 よ り,図 10の ように 環境マ ップ上に,得
られた障害物の距離およ び幅を用いることによ り障害物を書 き込む. この時に環境マ ップ上に描 き込む障害物の幅 は,カメラの指向性を考慮 して描 き込むこと とする。 図10
カメラ画像 による障害物認識 (c)の手法 では,まずタ ッチ・セ ンサの前後 計8箇
所 に取 り付 け られたマイク ロ・スイ ッ チの検 出信 号 によ り,検出 したマイクロ・スイ ツチの個所 か ら,前方の左 右の前方・横 方 向, 後 方 に障害物が存在 す ることを認識す る。そ して,DREAM-3の現在位置 よ り図11のよ うに 障害物 を書 き込む.図 11は DREAM-3前方 のマ イクロ・スイ ッチが障害物 を検知 した と した 時の概 念 図であ る。 図11
タ ッチ・セ ンサで の環境 マ ップの更新 こ こで ,超 音波セ ンサの距 離測定 での不 安 定 動作 を補 うた め,カメラ情報 に よ り発 見 さ れた障害物 も含 め,その存在確率 として5段
階 の危 瞼度 を与 え る(障害 物 の存在 しな い時 存在確率 を1とす る).環境 マ ツプ上で は危 険 度が5段
階 目(危険度 を示 す数字が5にな っ た時)に達 した とき初 めて障害物 と認 め る。 危 険度 の 区別 を以下 の ようにす る. ・画像処理 によって発見 された物体 のあ る位置の値 に危険度 3を 加 える。 ・画像処理によって障害物の無いことが確認 するとその位置の危 険度 を-2を 加 える. ・超音波センサによって発見された物体のあ る位置の値に 1を 加 える。 ・タッチ・センサによって発見された物体の ある位置の値 に 5を 加 える. ・危険度は 5を 超えることは無 く,0を下回る ことも無い。
3,2
ファジィ推論 DREAM-3で はその環境マ ップに書 き込まれ た現在位置 とその周囲の環境情報 を用いてフ アジ イ推論の入力値 を取得 し,フ ァジイ推論 を行い,車体 の次動作 の決定 を行 う。 DREAM-3で のフアジイ推論は,DREAM-2の 場 合 と同様各走行領域において左壁沿い 。右壁 沿い 。壁に頼 らない走行・交差点や曲が り角 などの右左折の5種
類の基本的な行動パター ンを実行することによって走行する。 この基本的な行動パターンにおいて,DREAM-3 は多数のフアジイ・ルールか ら,それぞれ最適 なルール を選択 し,ファジィ推論を行 つてい る。これは基本的な走行制御だけでな く,タッ チ・センサの認識 による緊急停止等の手法 と 組み合わせ ることで障害物回避を含めた走行 制御 を可能 とする。また,DM畑-3の
制御 には 後件部を実数値で表現 した簡略化 ファジィ推 論法 を用いている(参考文献[14]p32∼p38参
照).この簡略化 ファジィ推論法は,計算処理 が少ないため演算速度が格段 に速 くな り,制 御周期 を短 くすることがで きる。 今 回のフアジ イ推論 の入力値 として図 12 のようにDREAM-3の 周囲を 11個 の領域に分け, それぞれの値をファジィ推論の入力値 として 適用 している。それぞれの入力値 に対 してメ ンバー シ ップ関数 を用 い適合度 を算 出 し出力 値 を求 めてい る。(参考文献[14]参照) 141P霧等線類維舜録´審r 図12 DMAM-3の
車体領 域 ここで図12の
各領域 の最短距離値 の取得 法 は,環境 マ ツプ上 よ り図 13のように各領域 ご とに車体 か らの距離が 1[cm]ず つ広 が るよ うな形 で壁 や障害物が存在 す るか どうか確認 して行 く。そ して障害 物 が存在 す る とそ こ ま での距離値 を障害物 までの最短距離値 と して 取得 す る.図 13では領域5と領域8での値 の 取得法 を示 してい る. 図13
領域のフアジイ推論の入力値取得 ファジィ推論の推論出力値は,DREAM-3を 直彬一一一一舎
: ￨●￨22
大北正昭・玉那覇隆介・奥雲正樹 。田中 淳・佐 々木忠義・竹内俊博・木村昭彦 。大木 誠:自律移動 ロボ ッ トDREAM‐ 3の 環境マ ップを用いた環境認識 進 または左右 どち らの方 向に どれだけの旋 回 半径で旋 回走行 させ るか とい うことをあ らわ す旋 回半径値 で出力 され る.3.3
制御 アル ゴ リズム 図 14に アル ゴ リズム 1周 期 の処理 の流 れ の 概 略を示す 。以下 にその流れ について述べ る。 図14 1周
期の処理の流れ図(1)走
行準備 として環境マ ツプを作成 する。 環境 マ ップは施設 内の廊下の幅や柱,長椅子 な どの固定障害物を 1[cm]単位で測 つて作成 し,作成 したマ ップに DREAM-3の 走行方法 を 切 り替える為の境界線 も書 き込む.(2)作
成 した環境 マ ツプに初期位置,目的地 を入力 し,目的値 までの経路を決定 し,環境マ ップの各領域に DREAM-3を 目的地に誘導する ように目標角,走行方法を入力する。 (3)DREAM…3の 走行を開始させる。(4)走
行 中はまずエ ンコーダ,ジャイロ・セン サか らの値,カメラか らカ メラ画像 を取得す る。ここで取得 した値 と走行特性 を定式化 し た 式 を用 い て3.2.1章
で 述 べ た よ う に DREAM-3の 位置認識を行 う。(5)得
られた DREAM-3の 位置情報を用いて環 境マ ップ上に書 き込む 。 (6)DREAM-3の 現在位置が環境マ ツプに書 き 込 まれると次に超音波セ ンサ とカメラ画像 を 用いて未知の障害物の認識を行 う。(7)未
知の障害物が発見されれば先 に述べた 危険度 を参照 しつつ環境マ ップを更新 する。 (8)こ こまでの処理が終了すると DREAM-3走 行 中の最新の環境マ ップが完成 する。 (9)この環境マップを用いて 3.2に 述べたよ うにファジィ推論 の入力値 を取得 し,フ アジ イ推論を用いて次動作の決定 を行 う。DREAM-3 は,このセ ンサ値 の取得,自己位置認識,障害 物認識,フ アジ イ推論を用いた次動作 の決定 を繰 り返すことで 目的地 まで走行する。 ここで走行 中障害物が認識された時,障害 物 を環境 マ ップに書 き込み,障害物 回避行動 をとる。この時同時に DREAM-3は,環境 マ ップ に書 き込 まれた障害物を回避行動をと りなが ら自己位置を更新 し,図 15の ように障害物の 付近を書 き込みなが ら走行 する. 図15
障害物が書 き込 まれた環境 マ ップ ここまでが通常走行 の方法であるが,これ 以外 にラン ドマーク・ リーダの検知信号があ 棄筆イ￨メデ ":軍 野 ,ジヤ九狩 能笠 ィすサ ィ4織雛今―れば環境マ ップ上での位置の修正を行 う。ま た環境マ ップが正 しく更新されずDREAM-3勾｀ 壁や障害物に衝突 し,タ ッチ・セ ンサの検知信 号が出力されれば,DREAM-3を緊急停止 させ回 避行動を行 う。
4
走行実験 これ まで述べてきた環境マ ップを用いたア ル ゴ リズムを用いて,走行実験 によ り検証 を 行 った。しか し,DREAM-3の 現在の製作段階 と してカメラの搭載 にまで至 らなかったため, 今 回はカメラを除いた,エンコー ダ,ジャイ ロ・セ ンサ,ラン ドマーク・ リーダ)超音波セ ンサを用いることで検証を行 うことした。 以上の条件において,今回は以下の3つ
の 検証を行 つた。 検証1
ラン ドマーク検知 による DREAM-3の 自己位置修正の検証 検証2
未知の障害物の回避動作 の検証 検証3
環境 マ ツプの図 16の A領域(情報制 御工学利扉 前)よ
り,図 18のB領
域 (大北教授室前)ま
での走行実験 次節 よ り,この 3つ の検証結果を示す。 環境 マ ップ1 図17
環境マ ップ24.1検
証1 DREAM-3の 走行 中にラン ドマーク・ リーダ によ リラン ドマークを検知 した際,DREAM-3と 環境マ ップとの 自己位置 にずれが生 じていた 場合,環境 マ ツプの更新 に よ り自己位置 の修 正が正 しく行われ,その後,安全に走行 させ る ことが可能であるか検証を行 った。 この検証を行 うため,図 16,図 17の環境 を 用い,走行開始位置を図 16の 領域3)目的地を 図 17の 領域 4と し,領域 6と 領域 7の 間に図19の
ようにラン ドマークを貼 り付け,走行 さ せ た 。また,自 己位 置 の修 正 を行 わ せ るた め,DREAM-3の 走行開始位置は,環境マ ップに 比べて実際の環境では50[cm]前にずらした位 置か ら走行を開始 した。 一一一！ ︰ Ａ ︰⋮⋮一 一 ， 図18
環境マ ップ3盟
24
大北正昭・玉那覇隆介・ 奥雲正樹 。田中 淳・佐々木忠義・竹内俊博・木村昭彦 。大木 誠!自律移動 ロボッ トDREAM‐ 3の 環境マ ンプを用いた環境認識 図19
検証 1の 環境写真 4.1。1
検証結果1 図20に
検 証1に
よ る検 証 結 果 を 示 す.DREAM-3は 領域 1勾再ら走行を開始 し,領 域6を走行 中ラン ドマークを検知すること で,環境マ ップを検知 したラン ドマークで 修 正 し て い る こ と が わ か る 。こ の 後,DREAM-3は 左折走行 を始めるが,自己位 置の修正を行 つた ことで壁 に衝突すること な く安全に左折走行を行い 目的地 まで向か うことがで きた DREAM-3を 走行 させ た 。4.2
検証 2 ここでは,DREAM-3の 走行領城 に障害物が 存在する環境 において,正しく障害物を認識 し,回避することがで きるか検証 した。 まず,直進走行時での障害物回避行動を検 証するため,図 16の 領城4に図 21の ように 障害物を配置 し)図 16の 領域 1よ りDREAM-3 を走行させた.次に,DREAM-3が壁な し走行を 行 うような広 い空間での障害物回避行動を 検証するため,図 21の 領域6に図 22の よう に 障害 物 を配 置 し,図16の
領 域 1よ り4.3検
証結果2 図23∼図 26に 直進走行時の障害物回避行 動の検証結果 を,図
27∼図 29に 右折走行時 の障害物回避行動の検証結果を示す。 まず,直進走行時の検証結果について述ベ る。DREAM-3は 始め,領域 3を 走行 中に障害物 が存在することを確認 し,図 23のように,環 境 マ ップを更新 した 。障害物 の存在 を確認 後,DREAM-3は,障害物回避行動を開始 し,回 避行動 を行 いつつ環境マ ップの更新 を繰 り 返す ことによ り,図24,図 25の ように障害物 の外形 を認識 しなが ら走行 し,その結果,図 26に 示すように障害物を安全に回避 し,走行 を続けることがで きた。 図21
障害物を配置 した環境 と 図22
障害物を配置 した環境 2 図20
検証結果 と次 に,広い空 間を走行 中での障害物 回避の 検証結果 を示す 。まず,DREAM-3は,図 18の領 域2にお いて右折走行 中に障害物 の存在 を認 識 し,図 27のよ うに障害物 を書 き込む こ とで 環境 マ ツプを更新 した。この後 ぅ図 28,図29に か けて障害物 回避行動 を行 いつつ障害物 の外 形 を認識 し,安全 に障害物 回避 を行 うこ とが 出来 た 。 図
23
検証結果2-1 図24
検証結果2-2 図27
検証結果 2-5 図28
検証結果2-6 図25
検証結果2-3 図26
検証結果 2-4 図29
検証結果2‐726
大北正昭・玉那覇隆介・奥雲正樹・ 田中 淳・佐々木忠義・竹内俊博 。木村昭彦 。大木 誠:自律移動 ロボッ トDREAM-3の環境マ ップを用いた環境認識 4,4 巧導正3 検証 1と 検証 2よ り自己位置の修正,障害 物回避を行えることが確認出来 たので,こ こ ではぅ長距離走行 を行 つても正 しく目的地 ま で向かうことがで きるかの検証を行 つた。こ の検証のためぅ走行開始位置を図 16の 領域 A (情報工学研究室扉前),目的地 を図 18の 領 域B(大
北教授室前)と
し,検証2と
同 じ位 置に障害物 を配置 しDREAM-3を 図 16か ら図 18の 約20[m]のコース中を走行させた。4,5
検証結果3 図16のA領 域を走行開始位置 とした。領域 4ま で走行 したところで未知の障害物を検知 し,障害物回避走行 を開始 している。回避後, 領域 6と 領域 7の 間でラン ドマークを検知 し, 自己位置の修正を行い,図17に
環境 マ ップ を切 り替えている。ここではまず左折走行 を し,領域4に達 した ところでラン ドマークを 検知 し,左折走行で車輪のすべ りな どによる 誤差 を修正 し,図 18に 切 り替えている。そ し て領域 2よ り右折走行を開始 し,右折走行 中 に未知の障害物の発見を し,その障害物を回 避することで 目的地 まで到達 した。 走行 中,超音波セ ンサによる誤動作 によ り, 若千,障害物 を誤認識 しているが,自己位置 認識においては,目的地 に到達 した時点では, 誤差が少ない結果 となった。 図31 図32
検証結果3-35
検討 本手法の有効性 を確認するため検証実験 を 行 つた.その結果 DttAM-3を 走行させなが ら 環境 マ ップを更新 し,安定 した走行結果が得 られた。また,経路上 に配置 された未知の障害 物 に対 して も,環境 マ ップを用 いて障害物認 識 を行 い,回避行動を行い安全に障害物 回避 を行 うことが出来た。そ こで,こ こでは本手法 による長所及び改善点について述べる. まず長所 として,環境 マ ップを搭載 す るこ とによ り,種々のセ ンサ と組 み合わせ ること でぅDMAM-3の
自己位置,周囲の環境 を詳細 に 把握することが可能 となった。 これによ りぅDREAM-3の 自己位置認識におい ては,DREAM-2の ように領軸を把握するだけで な く,どの領域 の どの位置 に存在 するとい う ことまで認識することが出来 るようにな り, 検証結果3-2 図30
検証結果3-1その位置か ら次動作 の決定 を行 うこ とに よ り, よ り安定 した走行 を可能 と した 。また ラ ン ド マー ク と組み合 わせ ることによ り自己位置の 修正 を行 え るので,ジャイ ロ・セ ンサ,エンコ ーダによる積算誤差 ,DREAM-3の 車輪 のすべ り による誤差 を解消 す ることが可能 とな った 。 DREAM-3の環 境 認 識 にお い て は ,DREAM-2 の場 合 に比べ て,壁や障害物 な どの衝 突 が少 な くな り,よ り安全 に走行 す る こ とが可 能 と な った 。また,障害物 の存在確 率 の評価 に危 険 度 を導入 す る こ とで ぅ超 音 波セ ンサ の誤 動作 による障害物 の誤認識 を少な くで きた。 次 に,本手法 の改善点 について考 え る。環境 マ ツプヘ の初 期 位 置 の入 力 は ,壁 か らの距 離 ,DREAM-3の 初期角度 を入力する ことで決定 してい る。しか し,現在 の手法 では,こ の入 力 値 のいずれか に誤差があ る と,走行 中,搭載 セ ンサの誤差がな くて もラン ドマー クの検知が ない限 り修正 す る手段 をもたず,入力 の際,誤 差 を保持 す ることとな る改善が望 まれ る。 また,ラ ン ドマー クによる DREAM-3の 自己 位置の修正で は,DREAM-3の 進行 方 向に対 して の修 正 はで きるが,進行 方 向にた い して垂 直 方 向の修 正 は行 えない 。ラ ン ドマー クに対 し て垂 直 方 向の誤差 が積算 され る と,除々 に実 際の環境 と環境 マ ップ との 自己位 置 の ずれが 大 き くな り,壁や障害物 に衝 突 す る原 因 とな る。この よ うな結果 とな った例 を,図
33に
示 す 。これ は,第4章
で行 つた検証3の結果 の 1 つで あ り)目的地 に到達 した ところで誤差 の 積算 によ り,右壁 までの距離が,約20[cm]ず れ て しまってい る。 この点 について もラン ドマー クを用 いた手 法以外 に,位置 を修 正 す る手法 を検 討 す る必 要があ る。 また,障害物認識 においては,今回,超音波 図33
誤差 の積 算 に よる結果 セ ンサ のみ を用 いて行 つたが,超音波セ ンサ の誤 動作 が連続 して起 こつて い る とき,正し く障害物認識で きなか った り,障害物認識後, 障害物 の存在 が無 くな った と判 断 し障害物 を 消去 して しまうな ど,超音 波 セ ンサ のみ を用 いた障害物認識 は ぅまだ信 頼性 に欠 ける と思 われ る. また,移動障害物 に対 す る障害物認識では, 超 音 波 セ ンサ に よ る手 法 を用 い ぅ認識 す る周 期 を短 くす ることによ り可能で あ る こ とは確 認 で きたが,逆にセ ンサ が 少 しで も誤動作 を 起 こす と,す ぐに障害物 と誤認識 して しまい, 環境 マ ップに多数 の障害物 が存在 す る ことに な り,安全 に走行 させ るこ とがで きなか った 。 そ こで,障害物認識 にお いては,危険度 の設 定 の検 討 を行 うこ とや ,今 回用 いなか ったカ メラ画像 を用 いた手法 の検 討 を行 うこ とで障 害物認識 について改善 してい くこ とが望 まれ る。 ここで,DREAM-3の走行 中ぅ実際の環境 の位 置 に対 して環境 マ ップの位置 に どれ だ け誤差 が生 じてい るか を確認 す るため,DREAM-3を
図16の領域1から図18の領 域10まで走行 さ せ,走行 中に廊下 に印を付 け るこ とで,実際の 環境 での走行軌跡 を作成 した 。その走行軌跡 と環境 マ ツプ上の軌跡 を示 した図を図34∼ 36 に示す 。図で黒色 のひ し形 の点 が実際 の環境 での走行軌跡,灰
色の四角 の点 が環境 マ ップ28
大北正昭 。玉那覇隆介・奥雲正樹 。田中 淳・佐々木忠義・竹 内俊博・木村昭彦 。大木 誠:自律移動 ロボッ トDREAM-3の環境マ ップを用いた環境認識 に書 き込 まれた点である。この図か ら,実
際 の環境 と環境マ ツプではぅほとん ど誤差な く 走行 していることが理解で きる。 ■ ,こぅ 負>,■◆4お学4
与:,￨,.4,4
IⅢ幸i碑″弾 柔脅櫛群 ↓■森筑薄ッブ五rDた脅転 謙 図34
実際の環境でのDREAM-3と 環境マップ での DttAM-3の 軌跡 との比較 (1) .こ=察
諄 鬱 尊 尊 勲 矩 帯 韓 籍 予￨=1離犠 筆薄 工 靱 牽 櫛 抑 紳 図35
実際の環境での D阻餌-3と 環境 マ ッ プでの DREAM-3の 軌跡 との比較 (2) 図36
実際の環境でのDMAM-3と
環境マ ップでのDMAM-3の
軌跡 との比較 (3)6
おわ りに 我 々は,病院や福祉施設等 において利用 す ることを前提 として,電
動車椅子をベース と した車椅子型 自律移動ロボ ッ トDREAM-3を 開 発 している.DREAM-3は
施 設内において介護 者の助 けを必要 とせずに,身障者を乗せて安 全 に 目的地 までの移動や散策 を行 う。これに よ り,身障者 自身の意志 の尊重や介護者 の介 護 に費やす負担の軽減等 を可能 とする。 DREAM-3を 製作するにあたって,身障者介護 用 ロボ ッ トとして,DREAM-2で 問題 となってい た各セ ンサの短所 を克服するため,環境 マ ツ プという地図情報 に基づいて,REAM-3の 位置 認識,障害物認識を行 うことを提案 した。そ し て,この手法を実際に DRERAM-3に 搭載 し,各
セ ンサの値によ り環境マ ップの更新が正 しく 行われているか確認を行 うための走行実験 を 行 つた。また,よ り複雑な経路の走行実験 を行 うことによ り,本手法の有効性 について の検 討を行 つた。その結果,DREAM-2で
生 じてい たセ ンサの誤動作 による物体への衝突を少な くで きた。このことか ら)よ り安全で安定 した 走行が可能 となったことが検証で きた。 今後 は,学外 の医療及び福祉施設での走行 実験 を可能 とす るため,今回問題 となった初 期位 置の入力法の検討 を行 いぅカメラ画像等 を用いた 自己位置 。障害物認識の手法な どを 検討 し,走行実験 を繰 り返 す ことによ り実用 化の検証を行 う。これ らによ り)実用的な走行 制御 アルゴ リズムの確立を目指す。また,同一 空間にお ける複数台のロボ ツ トによる走行制 御アルゴ リズムや階をまたいでのエ レベータ ー等を使用 した移動についてのアルゴ リズム も検討する予定である. 本研 究 を遂行 す るにあ た り、次 に示 す研 究助成 を受 けた。ここに、謝意 を表 したい。 一轟る
と
ず
一卒
・・ゞ
rr=棗硼ぷ "サ ITp幾鶴(1)平成 12‐14年度新 産業育成 型研究開発推 進事業(受託研 究)、 (2)平成
13年
度セ コム科 学技術振興財 団(研究奨励).参考文献
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