ロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラム
【課題】対象物があったときに、複数のアームのいずれを用いて操作するかを、より多様な状況下で適切に判断する。
【解決手段】各々の腕部で対象物を把持するときの把持容易性の指標に基づいて、実際にいずれの腕部を用いて把持するかを決定することで、無理のない腕部姿勢で物体の把持を行なう。腕部で把持するときに把持点を決定すると、その把持点で対象物を把持するときの手先の位置姿勢に対し、逆運動学を用いて腕部の姿勢を決定し、腕部がその姿勢をとる容易性を定量評価した値を腕部の把持容易性の指標として用いる。
【解決手段】各々の腕部で対象物を把持するときの把持容易性の指標に基づいて、実際にいずれの腕部を用いて把持するかを決定することで、無理のない腕部姿勢で物体の把持を行なう。腕部で把持するときに把持点を決定すると、その把持点で対象物を把持するときの手先の位置姿勢に対し、逆運動学を用いて腕部の姿勢を決定し、腕部がその姿勢をとる容易性を定量評価した値を腕部の把持容易性の指標として用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、複数の腕部を備えたロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムに係り、特に、時々刻々、動的に変化する周囲環境下において、その状況に応じていずれの腕部を用いて作業を遂行するロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
工場内では多数のアームが同時に稼働している。一般に、各アームがなすべきタスクは事前に分かっており、どのアームがどのタスクを遂行するかは、固定的に設計されている。
【０００３】
これに対し、生活支援ロボットは、われわれの身の回りで活動することが想定されるが、ロボットが活動する周囲環境は時々刻々、動的に変化し、その状況に応じていずれのアームを用いて作業を遂行するのかを決定しなければならない。すなわち、生活支援ロボットの各アームがなすべきタスクは事前には分からず、各アームが遂行するタスクを固定的に設計することはできない。
【０００４】
例えば、双腕アームで対象物を操作する際に、対象物に近い方のアームを用いる双腕ロボットについて提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。しかしながら、把持対象物の姿勢や、その周囲の環境物との位置関係によっては、近い方のアームよりも、遠い方のアームで把持した方が、無理なく把持できるケースもある。把持対象物に近い方のアームを用いるという戦略は、把持対象物の姿勢が定まっている、障害物がないなど、限定的な状況にしか用いることができないと思料される。
【０００５】
医療分野などでは、３以上のアームを備えたロボットも導入されている（例えば、特許文献２を参照のこと）。より多様な状況下で対象物があったときに、複数のアームのいずれを用いて操作するべきかという問題は、アームの本数が増えるとますます重要になるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６７９０２号公報
【特許文献２】特表２００８−５４１９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本明細書で開示する技術の目的は、複数の腕部を備え、時々刻々、動的に変化する周囲環境下において、その状況に応じていずれかの腕部を用いて好適に作業を遂行することができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムを提供することにある。
【０００８】
本明細書で開示する技術のさらなる目的は、対象物があったときに、複数の腕部のいずれを用いて操作するかを、より多様な状況下で適切に判断することができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項１に記載の技術は、
複数の腕部と、
前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出部と、
各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定部と、
を具備するロボット装置である。
【００１０】
本願の請求項２に記載の技術によれば、請求項１に記載のロボット装置は、各腕部について、前記対象物を腕部で把持するときに把持点及びその把持点で対象物を把持するときの手先の位置姿勢を決定する把持計画部と、前記の決定された手先の位置姿勢に対する腕部の姿勢を決定する腕部姿勢決定部をさらに備えている。そして、前記把持容易性算出部は、各腕部について、前記腕部姿勢決定部が決定した姿勢をとる容易性を定量評価するように構成されている。
【００１１】
本願の請求項３に記載の技術によれば、請求項１に記載のロボット装置の把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部の可操作度に基づいて、把持容易性の指標を算出するように構成されている。
【００１２】
本願の請求項４に記載の技術によれば、請求項１に記載のロボット装置の把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部の関節の関節可動域限界からの関節距離に基づいて、把持容易性の指標を算出するように構成されている。
【００１３】
本願の請求項５に記載の技術によれば、請求項１に記載のロボット装置の把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部と周囲環境並びに自己身体との最短距離に基づいて、把持容易性の指標を算出するように構成されている。
【００１４】
本願の請求項６に記載の技術によれば、請求項１に記載のロボット装置の把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における、腕部の可操作度、腕部の関節の関節可動域限界からの関節距離、腕部と周囲環境並びに自己身体との最短距離のうち少なくとも２つの組合せに基づいて、把持容易性の指標を算出するように構成されている。
【００１５】
また、本願の請求項７に記載の技術は、
複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出ステップと、
各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定ステップと、
を有するロボット装置の制御方法である。
【００１６】
また、本願の請求項８に記載の技術は、
複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出部、
各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定部、
としてコンピューターを機能させるようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラムである。
【００１７】
本願の請求項８に係るコンピューター・プログラムは、コンピューター上で所定の処理を実現するようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラムを定義したものである。換言すれば、本願の請求項８に係るコンピューター・プログラムをコンピューターにインストールすることによって、コンピューター上では協働的作用が発揮され、本願の請求項１に係るロボット装置と同様の作用効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本明細書で開示する技術によれば、対象物があったときに、複数の腕部のいずれを用いて操作するかを、より多様な状況下で適切に判断することができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムを提供することができる。
【００１９】
本明細書で開示する技術によれば、環境の状況や、自らの身体状況に応じて、複数の腕部の中から対象物の把持に最も無理のない腕部を選択することができ、より多様な環境下で安定した把持タスクを遂行することができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムを提供することができる。
【００２０】
本明細書で開示する技術によれば、各々の腕部で対象物を把持するときの把持容易性の指標に基づいて、実際にいずれの腕部を用いて把持するかを決定することで、無理のない腕部姿勢で物体の把持を行なうことができる。
【００２１】
また、本明細書で開示する技術によれば、腕部で把持するときに把持点を決定すると、その把持点で対象物を把持するときの手先の位置姿勢に対し、逆運動学を用いて腕部の姿勢を決定し、腕部がその姿勢をとる容易性を定量評価した値を腕部の把持容易性の指標として用いることができる。具体的には、決定した腕部姿勢をとる際の可操作度や、腕部の関節の関節可動域からの関節距離、腕部と周囲環境や自己身体との最短距離に基づいて、把持容易性を定量評価することができる。
【００２２】
本明細書で開示する技術のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本明細書で開示する技術を適用可能なロボット装置１００の外観を示した図である。
【図２】図２は、本明細書で開示する技術を適用可能なロボット装置１００の関節自由度構成を模式的に示した図である。
【図３】図３は、図１に示したロボット装置１００を制御するための機能的構成を模式的に示した図である。
【図４】図４は、左右の腕部を用いて対象物を把持するための計画処理システム４００の構成例を示した図である。
【図５】図５は、同じ位置にある対象物を、右腕のハンド並びに左腕のハンドでそれぞれ把持した様子を示した図である。
【図６】図６は、腕部や環境、自己身体の幾つかの場所に衝突検出点を設け、干渉可能性を判定する様子を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本明細書で開示する技術の実施形態について詳細に説明する。
【００２５】
図１には、本明細書で開示する技術を適用可能なロボット装置１００の外観を示している。ロボット装置１００は、複数のリンクを関節で接続されたリンク構造体であり、各関節はアクチュエーターによって動作する。また、図２には、このロボット装置１００の関節自由度構成を模式的に示している。図示のロボット装置１００は、家庭内など時々刻々、動的に変化する周囲環境に設置され、家事や介護などの生活支援を行なうが、工場などに設置されて固定的なタスクを遂行することも可能である。
【００２６】
図示のロボット装置１００は、双腕型であり、また、移動手段として、ベース部に対向する２輪の駆動輪１０１Ｒ及び１０１Ｌを備えている。各駆動輪１０１Ｒ及び１０１Ｌは、それぞれピッチ回りに回転する駆動輪用アクチュエーター１０２Ｒ及び１０２Ｌによって駆動する。なお、図２中において、参照番号１５１、１５２、１５３は、実在しない劣駆動関節であり、ロボット装置１００の床面に対するＸ方向（前後方向）の並進自由度、Ｙ方向（左右方向）の並進自由度、並びに、ヨー回りの回転自由度にそれぞれ相当し、ロボット装置１００が仮想世界を動き回ることを表現したものである。
【００２７】
移動手段は、腰関節を介して上体に接続される。腰関節は、ピッチ回りに回転する腰関節ピッチ軸アクチュエーター１０３によって駆動する。上体は、左右２肢の腕部と、首関節を介して接続される頭部で構成される。左右の腕部は、それぞれ肩関節３自由度、肘関節２自由度、手首関節２自由度の、計７自由度とする。肩関節３自由度は、肩関節ピッチ軸アクチュエーター１０４Ｒ／Ｌ、肩関節ロール軸アクチュエーター１０５Ｒ／Ｌ、肩関節ヨー軸アクチュエーター１０６Ｒ／Ｌによって駆動する。肘関節２自由度は、肘関節ピッチ軸アクチュエーター１０７Ｒ／Ｌ、肘関節ヨー軸アクチュエーター１０８Ｒ／Ｌによって駆動する。手首関節２自由度は、手首関節ロール軸アクチュエーター１０９Ｒ／Ｌ、手首関節ピッチ軸アクチュエーター１１０Ｒ／Ｌによって駆動する。また、首関節２自由度は、首関節ピッチ軸アクチュエーター１１１、首関節ヨー軸アクチュエーター１１２によって駆動する。また、手関節１自由度は、手関節ロール軸アクチュエーター１１３Ｒ／Ｌによって駆動する。
【００２８】
なお、図示のロボット装置１００は、対向２輪式の移動手段を備えているが、本明細書で開示する技術の要旨は、対向２輪式の移動手段に限定されるものではない。例えば、脚式の移動手段を備えたロボット装置１００であっても、同様に本明細書で開示する技術を適用することができる。
【００２９】
各軸のアクチュエーターには、関節角を計測するためのエンコーダー、トルクを発生するためのモーター、モーターを駆動するための電流制御型モーター・ドライバーの他、十分な発生力を得るための減速機が取り付けられている。また、アクチュエーターには、アクチュエーターの駆動制御を行なうマイクロコンピューターが併設されている（いずれも図２には図示しない）。
【００３０】
ロボット装置１００のダイナミクス演算は、ホスト・コンピューター上で実行され、各関節アクチュエーターのトルク又は関節角度の制御目標値を生成する。制御目標値は、アクチュエーターに併設された制御用マイコンに送信され、制御用マイコン上で実行されるアクチュエーターの制御に用いられる。また、各関節アクチュエーターは、力制御方式又は位置制御方式により制御される。
【００３１】
図３には、図１に示したロボット装置１００を制御するための機能的構成を模式的に示している。ロボット装置１００は、全体の動作の統括的制御やその他のデータ処理を行なう制御ユニット３１０と、入出力部３２０と、駆動部３３０とを備えている。以下、各部について説明する。
【００３２】
入出力部３２０は、入力部として、ロボット装置１００の目に相当するカメラ３２１、測域センサー３２２、ロボット装置１００の耳に相当するマイクロフォン３２３などを備えている。また、入出力部３２０は、出力部として、ロボット装置１００の口に相当するスピーカー３２４などを備えている。ここで、測域センサー３２２は、例えば、レーザー・レンジ・ファインダーなどの空間センサーで構成される。カメラ３２１や測域センサー３２２を用いて、腕部で把持しようとする対象物の３次元形状、位置、姿勢を計測することができる。また、ロボット装置１００は、例えばマイクロフォン３２３からのユーザーの音声入力により、タスクの指示を受けることができる。但し、ロボット装置１００は、有線、無線、あるいは記録メディアなどを介した他のタスクの指示の入力手段（図示しない）を備えていてもよい。
【００３３】
駆動部３３０は、ロボット装置１００の各関節における自由度を実現するための機能モジュールであり、それぞれの関節におけるロール、ピッチ、ヨーなど軸毎に設けられた複数の駆動ユニットで構成される。各駆動ユニットは、所定軸回りの回転動作を行なうモーター３３１と、モーター３３１の回転位置を検出するエンコーダー３３２と、エンコーダー３３２の出力に基づいてモーター３３１の回転位置や回転速度を適応的に制御するドライバー３３３の組み合わせで構成される。
【００３４】
制御ユニット３１０は、認識部３１１と、駆動制御部３１２と、環境マップ３１３を備えている。
【００３５】
認識部３１１は、入出力部３２０のうちカメラ３２１や測域センサー３２２といった入力部から得られる情報に基づいて、周囲の環境の認識を行なう。例えば、認識部３１１は、入力情報に基づいて環境マップ３１３を事前に構築したり更新したりする。
【００３６】
駆動制御部３１２は、入出力部３２０のうち出力部や、駆動部３３０の駆動を制御する。例えば、駆動制御部３１２は、ロボット装置１００がタスクを実現するための、駆動部３３０の制御を行なう。ここで言う、ロボット装置１００が実現するタスクには、ユーザーからの指示に応じた家事や介護や、環境に応じた動作などが含まれる。
【００３７】
図１〜図３に示した双腕型のロボット装置１００において、多様な状況下で対象物を操作する場合について考察してみる。図４には、左右の腕部を用いて対象物を把持するための計画処理システム４００の構成例を示している。図示の計画処理システム４００は、物体姿勢計測部４１０と、左右の腕部毎の計画器４２０Ｌ／Ｒと、腕部選定部４３０を備えている。この計画処理システム４００は、例えば、ロボット装置１００内又はロボット装置１００外に設置された計算機上で、所定のプログラム・コードを実行するという形態で実現される。
【００３８】
物体姿勢計測部４１０は、対象物の３次元形状や位置、姿勢を、カメラ３２１や測域センサー３２２を用いて計測する。
【００３９】
左右の計画器４２０Ｌ／Ｒは、それぞれ把持点決定部４２１Ｌ／Ｒと手先位置姿勢決定部４２２Ｌ／Ｒを備えている。
【００４０】
把持点決定部４２１Ｌ／Ｒは、それぞれの腕部で対象物を把持する場合に、対象物のどこを把持すればよいかを計画する。処理結果として、把持点集合を出力する。
【００４１】
手先位置姿勢決定部４２２Ｌ／Ｒは、対応する把持点決定部４２１Ｌ／Ｒが決定した把持点集合で各々の腕部が対象物を把持する場合に、対象物に対してハンド（手先）をどのような位置姿勢となるようにアプローチするかを、ハンドの構造を考慮して決定する。
【００４２】
なお、図４中の点線で囲った把持点決定と手先位置姿勢決定の処理は、実際は相互に密接な関係がある。図４に示したように、把持点決定と手先位置姿勢決定の処理を独立して行なうのではなく、同時に決定するという構成も考えられる。把持点決定と手先位置姿勢決定の処理の詳細については、例えばＡｎｄｒｅｗ Ｔ． Ｍｉｌｌｅｒ，Ｓｔｅｆｆｅｎ Ｋｎｏｏｐ，Ｐｅｔｅｒ Ｋ．Ａｌｌｅｎ，Ｈｅｎｒｉｋ Ｉ．Ｃｈｒｏｓｔｅｎｓｅｎ．“Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇｒａｓｐ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ｓｈａｐｅ Ｐｒｉｍｉｔｉｖｅｓ，”（Ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｐｐ．１８２４−１８２９，２００３）を参照されたい。
【００４３】
手先位置姿勢決定部４２２Ｌ／Ｒが決定した位置姿勢へハンドを遷移させる計画を行なう。そして、腕部姿勢決定部４２３Ｌ／Ｒは、その遷移途中の腕部姿勢すなわち各時刻の腕関節値を、逆運動学（周知）を用いて決定する。
【００４４】
このようにして、ハンドで対象物を把持するための腕部の位置姿勢が腕毎に決定される。図１に示したように複数の腕部を有するロボット装置１００の場合は、さらにいずれの腕部を対象物の把持に用いるのかを決定する処理が必要となる。
【００４５】
本実施形態では、腕部毎の計画器４２０Ｌ／Ｒにより、各々のハンドで対象物を把持するための腕部の姿勢を決定した後に、把持容易性算出部４２３Ｌ／Ｒは、決定した腕部姿勢をとる容易性を定量評価し、その値を腕部毎の把持容易性を判別するための指標に用いるようにしている。そして、腕部選定部４３０は、定量評価された把持容易性の指標に基づいて、実際に対象物を把持する腕部を選定する。
【００４６】
把持容易性算出部４２３Ｌ／Ｒが定量評価指標として算出する把持容易性として、可操作度、関節可動域、環境との干渉可能性を挙げることができる。各定量評価指標に基づく腕部の判定方法について、以下で説明する。
【００４７】
（１）可操作度に基づく判定
把持し易いとは、腕部が無理な姿勢にならないこと、ということができる。腕部が無理な姿勢にあるかどうかを定量化する指標として、可操作度（ｍａｎｉｐｕｌａｂｉｌｉｔｙ）を挙げることができる。可操作度の詳細については、例えば吉川恒夫著「ロボットアームの可操作度」（日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．２、Ｎｏ．１、ｐｐ．６３−６７、１９８４）を参照されたい。
【００４８】
ハンドの並進速度及び角速度と、関節速度の間には、下式（１）に示すような線形関係が成立する。
【００４９】
【数１】
【００５０】
上式（１）において、Ｊ（ｑ）はヤコビアンであり、関節角度ｑの非線形関数である。このヤコビアンＪの特異値をσ1、σ2、…σnとすると、可操作度ｗは、下式（２）で定義される。
【００５１】
【数２】
【００５２】
可操作度ｗが大きいほど、その腕部はハンドを操作し易い、楽な姿勢といえる。各腕部の腕部姿勢決定部４２３Ｌ／Ｒは、対象物を把持した状態の関節値ｑを得ることができる。把持容易性算出部４２４Ｌ／Ｒは、その値ｑに対してヤコビアンＪ（ｑ）を算出し、その特異値から可操作度ｗを算出すれば、ｗを把持容易性の指標として用いることができる。
【００５３】
なお、計算機に余裕があれば、対象物を把持した状態の関節値ｑだけでなく、ハンドが移動中のすべての姿勢について可操作度ｗを算出し、その移動の間の最小値を把持容易性の指標として用いることもできる。
【００５４】
（２）関節可動域に基づく判定
関節は、可動域限界を有する。限界域に近い腕の姿勢は、楽な姿勢とは言い難い。図５には、同じ位置にある対象物を、右腕のハンド並びに左腕のハンドでそれぞれ把持した様子を示している。同図上に示すように、右腕のハンドで対象物を把持した場合には、肘関節の関節角ｑiは、可動域限界の最小値ｑiminからも最大値ｑimaxからも関節距離が離れている。したがって、右腕のハンドで対象物を把持するのは楽な姿勢ということができる。一方、同図下に示すように、左腕のハンドで対象物を把持した場合には、肘関節の関節角ｑiは、可動域限界の最小値ｑiminからは関節距離が離れているものの、最大値ｑimaxに接近しているの。したがって、左腕のハンドで対象物を把持するのは楽な姿勢とは言い難い。
【００５５】
ここで、腕部のｉ番目の関節の可動域を［ｑimin，ｑimax］とすると、関節ｉの可動域限界までの関節距離ｄiは下式（３）のように表わされる。
【００５６】
【数３】
【００５７】
すべての腕関節の中で、最も可動域限界に近付いている関節の可動域限界までの関節距離ｄで系全体の可動域限界余裕を表すと、下式（４）の通りとなる。
【００５８】
【数４】
【００５９】
各腕部の腕部姿勢決定部４２３Ｌ／Ｒは、対象物を把持した状態の関節値ｑを得ることができる。把持容易性算出部４２４Ｌ／Ｒは、その値ｑに対して、腕部全体での可動域限界余裕すなわち関節可動域からの関節距離ｄを算出し、これを把持容易性の指標として用いることができる。
【００６０】
なお、計算機に余裕があれば、対象物を把持した状態の関節値ｑだけでなく、ハンドが移動中のすべての姿勢について関節距離ｄを算出し、その移動の間の最小値を把持容易性の指標として用いることもできる。
【００６１】
（３）環境との干渉可能性に基づく判定
腕部がなるべく環境や自己身体との干渉を起こさない腕部姿勢は、把持戦略として好ましい姿勢といえる。環境の形状を環境マップ３１３内の地図情報や、測域センサー３２２から取得することができる。また、ロボット装置１００の自己身体モデルを有している場合は、腕部と自己身体（腕部以外の機体部位）や環境との干渉可能性を、把持容易性の指標として用いることができる。
【００６２】
例えば、図６に示すように、腕部や周囲環境、自己身体の幾つかの場所に衝突検出点を設けておく。各腕部の腕部姿勢決定部４２３Ｌ／Ｒは、対象物を把持した状態の関節値ｑを得ることができる。そして、把持容易性算出部４２４Ｌ／Ｒは、対象物を把持した状態での腕部立体と周囲環境、自己身体との最短距離を評価し、これを以って、干渉可能性を判定することができる。
【００６３】
計算機に余裕があれば、ＧＪＫ（Ｇｉｌｂｅｒｔ−Ｊｏｈｎｓｏｎ−Ｋｅｅｒｔｈｉ）アルゴリズムを用いて、腕部、自己身体、環境を表す立体間の最近傍点対を求め、その距離Ｄを求めてもよい。
【００６４】
【数５】
【００６５】
上式（５）において、ｂｏｄｙa（ｉ）は腕部を構成する立体ｉ、ｂｏｄｙe（ｊ）は環境や自己身体を構成する立体ｊを表す。例えば、本出願人に既に譲渡されている特許第４３１１３９１号公報には、ＧＪＫアルゴリズムを用いてロボット装置の腕部、自己身体、環境を表す立体間の接触を検出する方法について開示されている。
【００６６】
なお、計算機に余裕があれば、対象物を把持した状態だけでなく、ハンドが移動中のすべての姿勢について距離ｄを算出し、その移動の間の最小値を把持容易性の指標として用いることもできる。
【００６７】
把持容易性算出部４２４Ｌ／Ｒは、上述した可操作度、関節可動域、周囲環境との干渉可能性のうちいずれか１つではなく、これらのうち２以上の指標を融合したものを把持容易性の指標とすることもできる。すなわち、下式（６）のように表わすことができる。
【００６８】
【数６】
【００６９】
上式（６）において、ｒ1、ｒ2、ｒ3は、可操作度ｗ、関節可動域ｄ、環境との干渉可能性Ｄの各指標に与える重み係数である。
【００７０】
そして、腕部選定部４３０は、左右の腕部の計画器４２０Ｌ／Ｒ内の把持容易性算出部４２４Ｌ／Ｒがそれぞれ算出した把持容易性指標の値を比較して、大きい方を、実際に対象物を把持する腕部に選定する。
【００７１】
上述したように、本実施形態によれば、ロボット装置１００は、環境の状況や、自らの身体状況に応じて、複数の腕部の中から対象物の把持に最も無理のない腕部を選択することができ、より多様な環境下で安定した把持タスクを遂行することができる。
【００７２】
なお、本明細書の開示の技術は、以下のような構成をとることも可能である。
（１）複数の腕部と、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出部と、各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定部と、を具備するロボット装置。
（２）各腕部について、前記対象物を腕部で把持するときに把持点及びその把持点で対象物を把持するときの手先の位置姿勢を決定する把持計画部と、前記の決定された手先の位置姿勢に対する腕部の姿勢を決定する腕部姿勢決定部をさらに備え、前記把持容易性算出部は、各腕部について、前記腕部姿勢決定部が決定した姿勢をとる容易性を定量評価する、上記（１）に記載のロボット装置。
（３）前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部の可操作度に基づいて、把持容易性の指標を算出する、上記（１）に記載のロボット装置。
（４）前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部の関節の関節可動域限界からの関節距離に基づいて、把持容易性の指標を算出する、上記（１）に記載のロボット装置。
（５）前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部と周囲環境並びに自己身体との最短距離に基づいて、把持容易性の指標を算出する、上記（１）に記載のロボット装置。
（６）前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における、腕部の可操作度、腕部の関節の関節可動域限界からの関節距離、腕部と周囲環境並びに自己身体との最短距離のうち少なくとも２つの組合せに基づいて、把持容易性の指標を算出する、上記（１）に記載のロボット装置。
（７）複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出ステップと、各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定ステップと、を有するロボット装置の制御方法。
（８）複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出部、
各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定部、
としてコンピューターを機能させるようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラム。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本明細書で開示する技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本明細書で開示する技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
【００７４】
本明細書では、時々刻々、動的に変化する生活環境下において活動する生活支援ロボットに適用することを想定した実施形態を中心に説明してきたが、本明細書で開示する技術の要旨はこれに限定されるものではない。勿論、工場内に配置され、各腕部がなすべきタスクが事前に分かっているような産業用ロボットにも、同様に本明細書で開示する技術を適用することができる。
【００７５】
また、本明細書では、双腕型のロボット装置に適用した実施形態を中心に説明してきたが、本明細書で開示する技術の要旨は腕部の本数に限定されない。ロボット装置が３本以上の腕部を有する場合には、腕部の本数に応じて計画器を増設していけば、同様に本明細書で開示する技術を実現することができる。
【００７６】
要するに、例示という形態により本明細書で開示する技術について説明してきたが、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本明細書で開示する技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【符号の説明】
【００７７】
１００…ロボット装置
１０１…駆動輪
１０２…駆動輪用アクチュエーター
１０３…腰関節ピッチ軸アクチュエーター
１０４…肩関節ピッチ軸アクチュエーター
１０５…肩関節ロール軸アクチュエーター
１０６…肩関節ヨー軸アクチュエーター
１０７…肘関節ピッチ軸アクチュエーター
１０８…肘関節ヨー軸アクチュエーター
１０９…手首関節ロール軸アクチュエーター
１１０…首関節ピッチ軸アクチュエーター
１１１…首関節ピッチ軸アクチュエーター
１１３…手関節ロール軸アクチュエーター
１５１、１５２、１５３…劣駆動関節
３１０…制御ユニット
３１１…認識部
３１２…駆動制御部
３１３…環境マップ
３２０…入出力部
３２１…カメラ
３２２…測域センサー
３２３…マイクロフォン
３２４…スピーカー
３３０…駆動部
３３１…モーター
３３２…エンコーダー
３３３…ドライバー
４００…計画処理システム
４１０…物体姿勢計測部
４２０…計画器
４２１…把持点決定部、４２２…手先位置決定部
４２３…腕部姿勢決定部、４２４…把持容易性算出部
４３０…腕部選定部
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、複数の腕部を備えたロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムに係り、特に、時々刻々、動的に変化する周囲環境下において、その状況に応じていずれの腕部を用いて作業を遂行するロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
工場内では多数のアームが同時に稼働している。一般に、各アームがなすべきタスクは事前に分かっており、どのアームがどのタスクを遂行するかは、固定的に設計されている。
【０００３】
これに対し、生活支援ロボットは、われわれの身の回りで活動することが想定されるが、ロボットが活動する周囲環境は時々刻々、動的に変化し、その状況に応じていずれのアームを用いて作業を遂行するのかを決定しなければならない。すなわち、生活支援ロボットの各アームがなすべきタスクは事前には分からず、各アームが遂行するタスクを固定的に設計することはできない。
【０００４】
例えば、双腕アームで対象物を操作する際に、対象物に近い方のアームを用いる双腕ロボットについて提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。しかしながら、把持対象物の姿勢や、その周囲の環境物との位置関係によっては、近い方のアームよりも、遠い方のアームで把持した方が、無理なく把持できるケースもある。把持対象物に近い方のアームを用いるという戦略は、把持対象物の姿勢が定まっている、障害物がないなど、限定的な状況にしか用いることができないと思料される。
【０００５】
医療分野などでは、３以上のアームを備えたロボットも導入されている（例えば、特許文献２を参照のこと）。より多様な状況下で対象物があったときに、複数のアームのいずれを用いて操作するべきかという問題は、アームの本数が増えるとますます重要になるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６７９０２号公報
【特許文献２】特表２００８−５４１９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本明細書で開示する技術の目的は、複数の腕部を備え、時々刻々、動的に変化する周囲環境下において、その状況に応じていずれかの腕部を用いて好適に作業を遂行することができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムを提供することにある。
【０００８】
本明細書で開示する技術のさらなる目的は、対象物があったときに、複数の腕部のいずれを用いて操作するかを、より多様な状況下で適切に判断することができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項１に記載の技術は、
複数の腕部と、
前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出部と、
各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定部と、
を具備するロボット装置である。
【００１０】
本願の請求項２に記載の技術によれば、請求項１に記載のロボット装置は、各腕部について、前記対象物を腕部で把持するときに把持点及びその把持点で対象物を把持するときの手先の位置姿勢を決定する把持計画部と、前記の決定された手先の位置姿勢に対する腕部の姿勢を決定する腕部姿勢決定部をさらに備えている。そして、前記把持容易性算出部は、各腕部について、前記腕部姿勢決定部が決定した姿勢をとる容易性を定量評価するように構成されている。
【００１１】
本願の請求項３に記載の技術によれば、請求項１に記載のロボット装置の把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部の可操作度に基づいて、把持容易性の指標を算出するように構成されている。
【００１２】
本願の請求項４に記載の技術によれば、請求項１に記載のロボット装置の把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部の関節の関節可動域限界からの関節距離に基づいて、把持容易性の指標を算出するように構成されている。
【００１３】
本願の請求項５に記載の技術によれば、請求項１に記載のロボット装置の把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部と周囲環境並びに自己身体との最短距離に基づいて、把持容易性の指標を算出するように構成されている。
【００１４】
本願の請求項６に記載の技術によれば、請求項１に記載のロボット装置の把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における、腕部の可操作度、腕部の関節の関節可動域限界からの関節距離、腕部と周囲環境並びに自己身体との最短距離のうち少なくとも２つの組合せに基づいて、把持容易性の指標を算出するように構成されている。
【００１５】
また、本願の請求項７に記載の技術は、
複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出ステップと、
各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定ステップと、
を有するロボット装置の制御方法である。
【００１６】
また、本願の請求項８に記載の技術は、
複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出部、
各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定部、
としてコンピューターを機能させるようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラムである。
【００１７】
本願の請求項８に係るコンピューター・プログラムは、コンピューター上で所定の処理を実現するようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラムを定義したものである。換言すれば、本願の請求項８に係るコンピューター・プログラムをコンピューターにインストールすることによって、コンピューター上では協働的作用が発揮され、本願の請求項１に係るロボット装置と同様の作用効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本明細書で開示する技術によれば、対象物があったときに、複数の腕部のいずれを用いて操作するかを、より多様な状況下で適切に判断することができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムを提供することができる。
【００１９】
本明細書で開示する技術によれば、環境の状況や、自らの身体状況に応じて、複数の腕部の中から対象物の把持に最も無理のない腕部を選択することができ、より多様な環境下で安定した把持タスクを遂行することができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びにコンピューター・プログラムを提供することができる。
【００２０】
本明細書で開示する技術によれば、各々の腕部で対象物を把持するときの把持容易性の指標に基づいて、実際にいずれの腕部を用いて把持するかを決定することで、無理のない腕部姿勢で物体の把持を行なうことができる。
【００２１】
また、本明細書で開示する技術によれば、腕部で把持するときに把持点を決定すると、その把持点で対象物を把持するときの手先の位置姿勢に対し、逆運動学を用いて腕部の姿勢を決定し、腕部がその姿勢をとる容易性を定量評価した値を腕部の把持容易性の指標として用いることができる。具体的には、決定した腕部姿勢をとる際の可操作度や、腕部の関節の関節可動域からの関節距離、腕部と周囲環境や自己身体との最短距離に基づいて、把持容易性を定量評価することができる。
【００２２】
本明細書で開示する技術のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本明細書で開示する技術を適用可能なロボット装置１００の外観を示した図である。
【図２】図２は、本明細書で開示する技術を適用可能なロボット装置１００の関節自由度構成を模式的に示した図である。
【図３】図３は、図１に示したロボット装置１００を制御するための機能的構成を模式的に示した図である。
【図４】図４は、左右の腕部を用いて対象物を把持するための計画処理システム４００の構成例を示した図である。
【図５】図５は、同じ位置にある対象物を、右腕のハンド並びに左腕のハンドでそれぞれ把持した様子を示した図である。
【図６】図６は、腕部や環境、自己身体の幾つかの場所に衝突検出点を設け、干渉可能性を判定する様子を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本明細書で開示する技術の実施形態について詳細に説明する。
【００２５】
図１には、本明細書で開示する技術を適用可能なロボット装置１００の外観を示している。ロボット装置１００は、複数のリンクを関節で接続されたリンク構造体であり、各関節はアクチュエーターによって動作する。また、図２には、このロボット装置１００の関節自由度構成を模式的に示している。図示のロボット装置１００は、家庭内など時々刻々、動的に変化する周囲環境に設置され、家事や介護などの生活支援を行なうが、工場などに設置されて固定的なタスクを遂行することも可能である。
【００２６】
図示のロボット装置１００は、双腕型であり、また、移動手段として、ベース部に対向する２輪の駆動輪１０１Ｒ及び１０１Ｌを備えている。各駆動輪１０１Ｒ及び１０１Ｌは、それぞれピッチ回りに回転する駆動輪用アクチュエーター１０２Ｒ及び１０２Ｌによって駆動する。なお、図２中において、参照番号１５１、１５２、１５３は、実在しない劣駆動関節であり、ロボット装置１００の床面に対するＸ方向（前後方向）の並進自由度、Ｙ方向（左右方向）の並進自由度、並びに、ヨー回りの回転自由度にそれぞれ相当し、ロボット装置１００が仮想世界を動き回ることを表現したものである。
【００２７】
移動手段は、腰関節を介して上体に接続される。腰関節は、ピッチ回りに回転する腰関節ピッチ軸アクチュエーター１０３によって駆動する。上体は、左右２肢の腕部と、首関節を介して接続される頭部で構成される。左右の腕部は、それぞれ肩関節３自由度、肘関節２自由度、手首関節２自由度の、計７自由度とする。肩関節３自由度は、肩関節ピッチ軸アクチュエーター１０４Ｒ／Ｌ、肩関節ロール軸アクチュエーター１０５Ｒ／Ｌ、肩関節ヨー軸アクチュエーター１０６Ｒ／Ｌによって駆動する。肘関節２自由度は、肘関節ピッチ軸アクチュエーター１０７Ｒ／Ｌ、肘関節ヨー軸アクチュエーター１０８Ｒ／Ｌによって駆動する。手首関節２自由度は、手首関節ロール軸アクチュエーター１０９Ｒ／Ｌ、手首関節ピッチ軸アクチュエーター１１０Ｒ／Ｌによって駆動する。また、首関節２自由度は、首関節ピッチ軸アクチュエーター１１１、首関節ヨー軸アクチュエーター１１２によって駆動する。また、手関節１自由度は、手関節ロール軸アクチュエーター１１３Ｒ／Ｌによって駆動する。
【００２８】
なお、図示のロボット装置１００は、対向２輪式の移動手段を備えているが、本明細書で開示する技術の要旨は、対向２輪式の移動手段に限定されるものではない。例えば、脚式の移動手段を備えたロボット装置１００であっても、同様に本明細書で開示する技術を適用することができる。
【００２９】
各軸のアクチュエーターには、関節角を計測するためのエンコーダー、トルクを発生するためのモーター、モーターを駆動するための電流制御型モーター・ドライバーの他、十分な発生力を得るための減速機が取り付けられている。また、アクチュエーターには、アクチュエーターの駆動制御を行なうマイクロコンピューターが併設されている（いずれも図２には図示しない）。
【００３０】
ロボット装置１００のダイナミクス演算は、ホスト・コンピューター上で実行され、各関節アクチュエーターのトルク又は関節角度の制御目標値を生成する。制御目標値は、アクチュエーターに併設された制御用マイコンに送信され、制御用マイコン上で実行されるアクチュエーターの制御に用いられる。また、各関節アクチュエーターは、力制御方式又は位置制御方式により制御される。
【００３１】
図３には、図１に示したロボット装置１００を制御するための機能的構成を模式的に示している。ロボット装置１００は、全体の動作の統括的制御やその他のデータ処理を行なう制御ユニット３１０と、入出力部３２０と、駆動部３３０とを備えている。以下、各部について説明する。
【００３２】
入出力部３２０は、入力部として、ロボット装置１００の目に相当するカメラ３２１、測域センサー３２２、ロボット装置１００の耳に相当するマイクロフォン３２３などを備えている。また、入出力部３２０は、出力部として、ロボット装置１００の口に相当するスピーカー３２４などを備えている。ここで、測域センサー３２２は、例えば、レーザー・レンジ・ファインダーなどの空間センサーで構成される。カメラ３２１や測域センサー３２２を用いて、腕部で把持しようとする対象物の３次元形状、位置、姿勢を計測することができる。また、ロボット装置１００は、例えばマイクロフォン３２３からのユーザーの音声入力により、タスクの指示を受けることができる。但し、ロボット装置１００は、有線、無線、あるいは記録メディアなどを介した他のタスクの指示の入力手段（図示しない）を備えていてもよい。
【００３３】
駆動部３３０は、ロボット装置１００の各関節における自由度を実現するための機能モジュールであり、それぞれの関節におけるロール、ピッチ、ヨーなど軸毎に設けられた複数の駆動ユニットで構成される。各駆動ユニットは、所定軸回りの回転動作を行なうモーター３３１と、モーター３３１の回転位置を検出するエンコーダー３３２と、エンコーダー３３２の出力に基づいてモーター３３１の回転位置や回転速度を適応的に制御するドライバー３３３の組み合わせで構成される。
【００３４】
制御ユニット３１０は、認識部３１１と、駆動制御部３１２と、環境マップ３１３を備えている。
【００３５】
認識部３１１は、入出力部３２０のうちカメラ３２１や測域センサー３２２といった入力部から得られる情報に基づいて、周囲の環境の認識を行なう。例えば、認識部３１１は、入力情報に基づいて環境マップ３１３を事前に構築したり更新したりする。
【００３６】
駆動制御部３１２は、入出力部３２０のうち出力部や、駆動部３３０の駆動を制御する。例えば、駆動制御部３１２は、ロボット装置１００がタスクを実現するための、駆動部３３０の制御を行なう。ここで言う、ロボット装置１００が実現するタスクには、ユーザーからの指示に応じた家事や介護や、環境に応じた動作などが含まれる。
【００３７】
図１〜図３に示した双腕型のロボット装置１００において、多様な状況下で対象物を操作する場合について考察してみる。図４には、左右の腕部を用いて対象物を把持するための計画処理システム４００の構成例を示している。図示の計画処理システム４００は、物体姿勢計測部４１０と、左右の腕部毎の計画器４２０Ｌ／Ｒと、腕部選定部４３０を備えている。この計画処理システム４００は、例えば、ロボット装置１００内又はロボット装置１００外に設置された計算機上で、所定のプログラム・コードを実行するという形態で実現される。
【００３８】
物体姿勢計測部４１０は、対象物の３次元形状や位置、姿勢を、カメラ３２１や測域センサー３２２を用いて計測する。
【００３９】
左右の計画器４２０Ｌ／Ｒは、それぞれ把持点決定部４２１Ｌ／Ｒと手先位置姿勢決定部４２２Ｌ／Ｒを備えている。
【００４０】
把持点決定部４２１Ｌ／Ｒは、それぞれの腕部で対象物を把持する場合に、対象物のどこを把持すればよいかを計画する。処理結果として、把持点集合を出力する。
【００４１】
手先位置姿勢決定部４２２Ｌ／Ｒは、対応する把持点決定部４２１Ｌ／Ｒが決定した把持点集合で各々の腕部が対象物を把持する場合に、対象物に対してハンド（手先）をどのような位置姿勢となるようにアプローチするかを、ハンドの構造を考慮して決定する。
【００４２】
なお、図４中の点線で囲った把持点決定と手先位置姿勢決定の処理は、実際は相互に密接な関係がある。図４に示したように、把持点決定と手先位置姿勢決定の処理を独立して行なうのではなく、同時に決定するという構成も考えられる。把持点決定と手先位置姿勢決定の処理の詳細については、例えばＡｎｄｒｅｗ Ｔ． Ｍｉｌｌｅｒ，Ｓｔｅｆｆｅｎ Ｋｎｏｏｐ，Ｐｅｔｅｒ Ｋ．Ａｌｌｅｎ，Ｈｅｎｒｉｋ Ｉ．Ｃｈｒｏｓｔｅｎｓｅｎ．“Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇｒａｓｐ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ｓｈａｐｅ Ｐｒｉｍｉｔｉｖｅｓ，”（Ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｐｐ．１８２４−１８２９，２００３）を参照されたい。
【００４３】
手先位置姿勢決定部４２２Ｌ／Ｒが決定した位置姿勢へハンドを遷移させる計画を行なう。そして、腕部姿勢決定部４２３Ｌ／Ｒは、その遷移途中の腕部姿勢すなわち各時刻の腕関節値を、逆運動学（周知）を用いて決定する。
【００４４】
このようにして、ハンドで対象物を把持するための腕部の位置姿勢が腕毎に決定される。図１に示したように複数の腕部を有するロボット装置１００の場合は、さらにいずれの腕部を対象物の把持に用いるのかを決定する処理が必要となる。
【００４５】
本実施形態では、腕部毎の計画器４２０Ｌ／Ｒにより、各々のハンドで対象物を把持するための腕部の姿勢を決定した後に、把持容易性算出部４２３Ｌ／Ｒは、決定した腕部姿勢をとる容易性を定量評価し、その値を腕部毎の把持容易性を判別するための指標に用いるようにしている。そして、腕部選定部４３０は、定量評価された把持容易性の指標に基づいて、実際に対象物を把持する腕部を選定する。
【００４６】
把持容易性算出部４２３Ｌ／Ｒが定量評価指標として算出する把持容易性として、可操作度、関節可動域、環境との干渉可能性を挙げることができる。各定量評価指標に基づく腕部の判定方法について、以下で説明する。
【００４７】
（１）可操作度に基づく判定
把持し易いとは、腕部が無理な姿勢にならないこと、ということができる。腕部が無理な姿勢にあるかどうかを定量化する指標として、可操作度（ｍａｎｉｐｕｌａｂｉｌｉｔｙ）を挙げることができる。可操作度の詳細については、例えば吉川恒夫著「ロボットアームの可操作度」（日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．２、Ｎｏ．１、ｐｐ．６３−６７、１９８４）を参照されたい。
【００４８】
ハンドの並進速度及び角速度と、関節速度の間には、下式（１）に示すような線形関係が成立する。
【００４９】
【数１】
【００５０】
上式（１）において、Ｊ（ｑ）はヤコビアンであり、関節角度ｑの非線形関数である。このヤコビアンＪの特異値をσ1、σ2、…σnとすると、可操作度ｗは、下式（２）で定義される。
【００５１】
【数２】
【００５２】
可操作度ｗが大きいほど、その腕部はハンドを操作し易い、楽な姿勢といえる。各腕部の腕部姿勢決定部４２３Ｌ／Ｒは、対象物を把持した状態の関節値ｑを得ることができる。把持容易性算出部４２４Ｌ／Ｒは、その値ｑに対してヤコビアンＪ（ｑ）を算出し、その特異値から可操作度ｗを算出すれば、ｗを把持容易性の指標として用いることができる。
【００５３】
なお、計算機に余裕があれば、対象物を把持した状態の関節値ｑだけでなく、ハンドが移動中のすべての姿勢について可操作度ｗを算出し、その移動の間の最小値を把持容易性の指標として用いることもできる。
【００５４】
（２）関節可動域に基づく判定
関節は、可動域限界を有する。限界域に近い腕の姿勢は、楽な姿勢とは言い難い。図５には、同じ位置にある対象物を、右腕のハンド並びに左腕のハンドでそれぞれ把持した様子を示している。同図上に示すように、右腕のハンドで対象物を把持した場合には、肘関節の関節角ｑiは、可動域限界の最小値ｑiminからも最大値ｑimaxからも関節距離が離れている。したがって、右腕のハンドで対象物を把持するのは楽な姿勢ということができる。一方、同図下に示すように、左腕のハンドで対象物を把持した場合には、肘関節の関節角ｑiは、可動域限界の最小値ｑiminからは関節距離が離れているものの、最大値ｑimaxに接近しているの。したがって、左腕のハンドで対象物を把持するのは楽な姿勢とは言い難い。
【００５５】
ここで、腕部のｉ番目の関節の可動域を［ｑimin，ｑimax］とすると、関節ｉの可動域限界までの関節距離ｄiは下式（３）のように表わされる。
【００５６】
【数３】
【００５７】
すべての腕関節の中で、最も可動域限界に近付いている関節の可動域限界までの関節距離ｄで系全体の可動域限界余裕を表すと、下式（４）の通りとなる。
【００５８】
【数４】
【００５９】
各腕部の腕部姿勢決定部４２３Ｌ／Ｒは、対象物を把持した状態の関節値ｑを得ることができる。把持容易性算出部４２４Ｌ／Ｒは、その値ｑに対して、腕部全体での可動域限界余裕すなわち関節可動域からの関節距離ｄを算出し、これを把持容易性の指標として用いることができる。
【００６０】
なお、計算機に余裕があれば、対象物を把持した状態の関節値ｑだけでなく、ハンドが移動中のすべての姿勢について関節距離ｄを算出し、その移動の間の最小値を把持容易性の指標として用いることもできる。
【００６１】
（３）環境との干渉可能性に基づく判定
腕部がなるべく環境や自己身体との干渉を起こさない腕部姿勢は、把持戦略として好ましい姿勢といえる。環境の形状を環境マップ３１３内の地図情報や、測域センサー３２２から取得することができる。また、ロボット装置１００の自己身体モデルを有している場合は、腕部と自己身体（腕部以外の機体部位）や環境との干渉可能性を、把持容易性の指標として用いることができる。
【００６２】
例えば、図６に示すように、腕部や周囲環境、自己身体の幾つかの場所に衝突検出点を設けておく。各腕部の腕部姿勢決定部４２３Ｌ／Ｒは、対象物を把持した状態の関節値ｑを得ることができる。そして、把持容易性算出部４２４Ｌ／Ｒは、対象物を把持した状態での腕部立体と周囲環境、自己身体との最短距離を評価し、これを以って、干渉可能性を判定することができる。
【００６３】
計算機に余裕があれば、ＧＪＫ（Ｇｉｌｂｅｒｔ−Ｊｏｈｎｓｏｎ−Ｋｅｅｒｔｈｉ）アルゴリズムを用いて、腕部、自己身体、環境を表す立体間の最近傍点対を求め、その距離Ｄを求めてもよい。
【００６４】
【数５】
【００６５】
上式（５）において、ｂｏｄｙa（ｉ）は腕部を構成する立体ｉ、ｂｏｄｙe（ｊ）は環境や自己身体を構成する立体ｊを表す。例えば、本出願人に既に譲渡されている特許第４３１１３９１号公報には、ＧＪＫアルゴリズムを用いてロボット装置の腕部、自己身体、環境を表す立体間の接触を検出する方法について開示されている。
【００６６】
なお、計算機に余裕があれば、対象物を把持した状態だけでなく、ハンドが移動中のすべての姿勢について距離ｄを算出し、その移動の間の最小値を把持容易性の指標として用いることもできる。
【００６７】
把持容易性算出部４２４Ｌ／Ｒは、上述した可操作度、関節可動域、周囲環境との干渉可能性のうちいずれか１つではなく、これらのうち２以上の指標を融合したものを把持容易性の指標とすることもできる。すなわち、下式（６）のように表わすことができる。
【００６８】
【数６】
【００６９】
上式（６）において、ｒ1、ｒ2、ｒ3は、可操作度ｗ、関節可動域ｄ、環境との干渉可能性Ｄの各指標に与える重み係数である。
【００７０】
そして、腕部選定部４３０は、左右の腕部の計画器４２０Ｌ／Ｒ内の把持容易性算出部４２４Ｌ／Ｒがそれぞれ算出した把持容易性指標の値を比較して、大きい方を、実際に対象物を把持する腕部に選定する。
【００７１】
上述したように、本実施形態によれば、ロボット装置１００は、環境の状況や、自らの身体状況に応じて、複数の腕部の中から対象物の把持に最も無理のない腕部を選択することができ、より多様な環境下で安定した把持タスクを遂行することができる。
【００７２】
なお、本明細書の開示の技術は、以下のような構成をとることも可能である。
（１）複数の腕部と、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出部と、各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定部と、を具備するロボット装置。
（２）各腕部について、前記対象物を腕部で把持するときに把持点及びその把持点で対象物を把持するときの手先の位置姿勢を決定する把持計画部と、前記の決定された手先の位置姿勢に対する腕部の姿勢を決定する腕部姿勢決定部をさらに備え、前記把持容易性算出部は、各腕部について、前記腕部姿勢決定部が決定した姿勢をとる容易性を定量評価する、上記（１）に記載のロボット装置。
（３）前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部の可操作度に基づいて、把持容易性の指標を算出する、上記（１）に記載のロボット装置。
（４）前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部の関節の関節可動域限界からの関節距離に基づいて、把持容易性の指標を算出する、上記（１）に記載のロボット装置。
（５）前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部と周囲環境並びに自己身体との最短距離に基づいて、把持容易性の指標を算出する、上記（１）に記載のロボット装置。
（６）前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における、腕部の可操作度、腕部の関節の関節可動域限界からの関節距離、腕部と周囲環境並びに自己身体との最短距離のうち少なくとも２つの組合せに基づいて、把持容易性の指標を算出する、上記（１）に記載のロボット装置。
（７）複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出ステップと、各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定ステップと、を有するロボット装置の制御方法。
（８）複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出部、
各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定部、
としてコンピューターを機能させるようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラム。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本明細書で開示する技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本明細書で開示する技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
【００７４】
本明細書では、時々刻々、動的に変化する生活環境下において活動する生活支援ロボットに適用することを想定した実施形態を中心に説明してきたが、本明細書で開示する技術の要旨はこれに限定されるものではない。勿論、工場内に配置され、各腕部がなすべきタスクが事前に分かっているような産業用ロボットにも、同様に本明細書で開示する技術を適用することができる。
【００７５】
また、本明細書では、双腕型のロボット装置に適用した実施形態を中心に説明してきたが、本明細書で開示する技術の要旨は腕部の本数に限定されない。ロボット装置が３本以上の腕部を有する場合には、腕部の本数に応じて計画器を増設していけば、同様に本明細書で開示する技術を実現することができる。
【００７６】
要するに、例示という形態により本明細書で開示する技術について説明してきたが、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本明細書で開示する技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【符号の説明】
【００７７】
１００…ロボット装置
１０１…駆動輪
１０２…駆動輪用アクチュエーター
１０３…腰関節ピッチ軸アクチュエーター
１０４…肩関節ピッチ軸アクチュエーター
１０５…肩関節ロール軸アクチュエーター
１０６…肩関節ヨー軸アクチュエーター
１０７…肘関節ピッチ軸アクチュエーター
１０８…肘関節ヨー軸アクチュエーター
１０９…手首関節ロール軸アクチュエーター
１１０…首関節ピッチ軸アクチュエーター
１１１…首関節ピッチ軸アクチュエーター
１１３…手関節ロール軸アクチュエーター
１５１、１５２、１５３…劣駆動関節
３１０…制御ユニット
３１１…認識部
３１２…駆動制御部
３１３…環境マップ
３２０…入出力部
３２１…カメラ
３２２…測域センサー
３２３…マイクロフォン
３２４…スピーカー
３３０…駆動部
３３１…モーター
３３２…エンコーダー
３３３…ドライバー
４００…計画処理システム
４１０…物体姿勢計測部
４２０…計画器
４２１…把持点決定部、４２２…手先位置決定部
４２３…腕部姿勢決定部、４２４…把持容易性算出部
４３０…腕部選定部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の腕部と、
前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出部と、
各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定部と、
を具備するロボット装置。
【請求項２】
各腕部について、前記対象物を腕部で把持するときに把持点及びその把持点で対象物を把持するときの手先の位置姿勢を決定する把持計画部と、前記の決定された手先の位置姿勢に対する腕部の姿勢を決定する腕部姿勢決定部をさらに備え、
前記把持容易性算出部は、各腕部について、前記腕部姿勢決定部が決定した姿勢をとる容易性を定量評価する、
請求項１に記載のロボット装置。
【請求項３】
前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部の可操作度に基づいて、把持容易性の指標を算出する、
請求項１に記載のロボット装置。
【請求項４】
前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部の関節の関節可動域限界からの関節距離に基づいて、把持容易性の指標を算出する、
請求項１に記載のロボット装置。
【請求項５】
前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部と周囲環境並びに自己身体との最短距離に基づいて、把持容易性の指標を算出する、
請求項１に記載のロボット装置。
【請求項６】
前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における、腕部の可操作度、腕部の関節の関節可動域限界からの関節距離、腕部と周囲環境並びに自己身体との最短距離のうち少なくとも２つの組合せに基づいて、把持容易性の指標を算出する、
請求項１に記載のロボット装置。
【請求項７】
複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出ステップと、
各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定ステップと、
を有するロボット装置の制御方法。
【請求項８】
複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出部、
各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定部、
としてコンピューターを機能させるようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラム。
【請求項１】
複数の腕部と、
前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出部と、
各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定部と、
を具備するロボット装置。
【請求項２】
各腕部について、前記対象物を腕部で把持するときに把持点及びその把持点で対象物を把持するときの手先の位置姿勢を決定する把持計画部と、前記の決定された手先の位置姿勢に対する腕部の姿勢を決定する腕部姿勢決定部をさらに備え、
前記把持容易性算出部は、各腕部について、前記腕部姿勢決定部が決定した姿勢をとる容易性を定量評価する、
請求項１に記載のロボット装置。
【請求項３】
前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部の可操作度に基づいて、把持容易性の指標を算出する、
請求項１に記載のロボット装置。
【請求項４】
前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部の関節の関節可動域限界からの関節距離に基づいて、把持容易性の指標を算出する、
請求項１に記載のロボット装置。
【請求項５】
前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における腕部と周囲環境並びに自己身体との最短距離に基づいて、把持容易性の指標を算出する、
請求項１に記載のロボット装置。
【請求項６】
前記把持容易性算出部は、前記複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢における、腕部の可操作度、腕部の関節の関節可動域限界からの関節距離、腕部と周囲環境並びに自己身体との最短距離のうち少なくとも２つの組合せに基づいて、把持容易性の指標を算出する、
請求項１に記載のロボット装置。
【請求項７】
複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出ステップと、
各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定ステップと、
を有するロボット装置の制御方法。
【請求項８】
複数の腕部の各々について、対象物を把持する把持姿勢若しくは把持姿勢に至るまでの遷移姿勢をとる容易性を定量評価した把持容易性の指標を算出する把持容易性算出部、
各腕部について算出された把持容易性の指標の値に基づいて、実際に前記対象物を把持するのに用いる腕部を選定する腕部選定部、
としてコンピューターを機能させるようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１１１７２６（Ｐ２０１３−１１１７２６Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６２２０２（Ｐ２０１１−２６２２０２）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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