図1は、この発明の第1実施例に係る環境� �識装置および方法を模式的に示すブロック� �、図2はその装置が搭載される脚式移動ロボ� ��トの斜視図である。

 図1と図2を参照して説明すると、図1にお� ��て符号10は環境認識装置を示す。環境認識� �置10は、図2に示す如く、会社の社屋内など� �適宜な環境空間12を移動自在に構成される2� �歩行の脚式移動ロボット14の基体部14aに搭載 される。

 環境認識装置10は、図2に示すような環境� ��間12に存在する床面などの被測定物12aに向� �て光パターン16aを照射する照射器16と、光パ ターン16aが照射されたときの露光で被測定物 12aを撮影して得た画像と光パターン16aが照射 されないときの露光で被測定物12aを撮影して 得た画像の差分画像を出力するカメラ20と、� ��メラ20から出力される差分画像に基づいて� �測定物12aの形状や起伏あるいは距離などを� �識する認識手段22と、光パターン16aを照射す るタイミングを制御するタイミング制御器24� ��備える。このように、環境認識装置10はア� �ティブセンサ型の3次元視覚センサからなる� ��

 以下、それらを詳細に説明すると、照射� ��16はレーザスキャナと回折格子とレンズか� �なり、図3に示す如く、1フレームを規定する パルス列のデューティファクタに従って間欠 的にレーザ光からなる光パターン16aを照射す る。1フレームは1枚の画像を出力する時間を� ��味し、例えば10msecなどの固定した値とされ� ��。尚、この明細書で「光パターン」は無地� ��光のパターンも含む意味で使用する。

 図3は光パターン16aの照射タイミングや露 光タイミングなどをパルス列で示すタイム・ チャートである。図3において最上段のパル� �列を照射パルス、その下部のそれと同一(同� ��)のパルス列を正露光パルス、さらにその下 部で逆位相のパルス列を負露光パルスという 。これらのパルスなどにおいて、T:パルス繰� ��返し周期、τ:パルス幅、τ/T:デューティフ� �クタである。尚、この実施例においてデュ� �ティファクタは50%とする。

 このように、正の露光時間と負の露光時� ��を同じにすることで、その間に変化のない� ��により照射された成分は差し引き零になっ� ��影響を受けない効果がある。尚、デューテ� ��ファクタはサイクルごとに厳密に50%でなく� ��も、正と負の露光時間の総和が同一となれ� ��よい。

 また、この実施例において特徴的なこと� ��パルス繰り返し周波数Tがランダムに変化さ れる点にあるが、それについては後述する。 ここで「ランダム」とは一様乱数に止まらず 、擬似乱数による値も含む意味で使用する。

 照射器16は、タイミング制御器24の指示に 従い、デューティファクタに従って間欠的に 光パターン16aを照射、より具体的には照射パ ルスの立ち上がり時点で照射(投光)を開始し� ��照射パルスが立ち上がっている間は照射を� ��続し、立ち下がり時点で照射を終了する。� ��にいえば、照射器16は、照射パルスの立ち� �がり時点で消灯を開始し、照射パルスが立� �下がっている間は消灯を継続し、立ち上が� �時点で消灯を終了する。

 カメラ20はCCDカメラからなり、照明光や� �射光などの光を通過させるレンズ20aと、レ� �ズ20aを通過させた光を感光させて結像する� �光部20bと、感光部20bの出力を入力する差分� �路20cとからなる。感光部20bは例えば512×512か らなる個数の画素を有する。レンズ20aは通過 させた光は、それらの画素で結像する。

 カメラ20は、図4に示す如く、光パターン1 6aが照射されたとき、換言すれば照明光ある� ��は自然光に加えて光パターン16aが照射され� ��ときの露光(以下これを「正露光」という)� �被測定物12aを撮影して得た画像(図4(b))と、� �パターン16aが照射されないとき、換言すれ� �照明光あるいは自然光のみの露光(以下これ� ��「負露光」という)で被測定物12aを撮影して 得た画像(図4(a))の差分画像(図4(c))を出力する 。同図(d)は、差分画像の濃淡を強調したもの である。

 即ち、この実施例において被測定物(床面 )12aは光を反射するため、同図(a)に示すよう� �天井の照明光が写りこまれてしまうことか� �、差分画像を求めて反射の影響を低減する� �うにした。また、この被測定物(床面)12aは無 地であることから、同図(b)に示すように、照 射される光パターン16aはテクスチャ(模様)光� ��ターンであるようにした。これにより、背� ��+模様(同図(b))-背景(同図(a))=模様(同図(d))と� ��り、写りこみや外乱光による影が低減し、� ��測定物12aが無地であるときも、画像間の対� ��づけが可能となる。尚、図2では図4に示す� �パターン16aを模式的に示した。

 図1においてカメラ20の差分回路20cから出� ��された差分画像は、認識手段22に送られる� �認識手段22はマイクロコンピュータからなり 、図4(c)(d)に示すような差分画像に基づいて� �測定物(床面)12aの形状あるいは起伏などを認 識する。尚、認識手段22の動作はこの出願の� ��旨ではないので、説明は省略する。

 タイミング制御器24は、図5に示す如く、� ��ルス制御部24aと、パルステーブル24bと、タ� ��マ24cとを備える。パルス制御部24aもマイク� ��コンピュータからなり、パルステーブル24b� ��格納されたパルスデータに従い、タイマ24c� ��参照しつつ、図3に示す照射パルスと正露光 パルスと負露光パルスとを出力する。これに ついては後述する。

 ここで、図3を参照して差分画像の算出に ついて説明すると、1フレームを規定するパ� �ス列のデューティファクタに従って、より� �体的には照射パルスが1に立ち上がっている� ��き、照射器16から光パターン16aが照射され� �。

 差分回路20cは、図3に示す露光期間におい て正露光パルスが1になる度に正露光で撮影� �た画像について画素ごとにその濃度、明度� �示す値を積分していく一方、負露光パルス� �1になる度に負露光で撮影した画像について� ��様に画素ごとにその濃度、明度を示す値を� ��分していくと共に、両者の差分を差分ペア1 として算出する。上記した処理を繰り返し実 行して差分ペア2などを求めて差分ペア値を� �分していき、露光期間が経過して露光が全� �終わる時点、即ち、図3に示す読み出し期間� ��おいて最終的な差分値を差分画像として出� ��する。尚、差分値の算出は、読み出し期間� ��まとめて行っても良い。

 図2に示す脚式移動ロボット(移動体)14は� �基体14aと、基体14aに関節を介して連結され� �2本の脚部(移動手段)14bと、基体14aに関節を� �して連結される腕部14cと、基体14aの上部に� �結される頭部14dなどからなる。このように� �環境認識装置10は、移動手段(脚部14b)を用い� ��移動自在に構成される移動体(脚式移動ロボ ット)14の基体14aの付近に搭載される。尚、脚 式移動ロボット14の詳細は例えば特開2006-82201 号公報に記載されているので、ここでの説明 は省略する。

 次いで上記したタイミング制御器24のパ� �ス制御部24aの動作について図を参照して説� �する。

 図6は、パルステーブル24bに格納される照 射パルスのデータの生成処理を示すフロー・ チャートである。尚、照射パルスと正露光パ ルスは同相であり、負露光パルスもそれを逆 相にすれば足りることから、図示の処理は正 負露光パルスについてのデータの生成処理で もある。

 以下説明すると、S10において0から1の間� �一様乱数を生成、例えば0.3,0.9,0.8,..などの乱 数を生成し、S12に進み、生成された乱数にパ ルス幅τの時間を乗じた積に、所定の最小の� ��ルス幅相当の時間を加算してパルス時間を� ��算してパルステーブル24bに格納する。例え� ��、パルス幅τを20から30μsecにする場合、パ� �ス時間=乱数×10+20μsecとなる。

 次いでS14に進み、計算されたパルス時間� ��総和を計算し、S16に進み、総和が総露光時� ��の1/2未満か否か判断する。図3に示す例でい えば1フレームの露光時間の間に照射パルス� �6個生成されると共に、それらは全てデュー� ��ィファクタ50%であることから、S16の判断は6 個のパルスについての処理が終了していない か否か判断することに相当する。

 S16で肯定されるときはS10に戻って上記の� ��理を繰り返す一方、否定されるときはS18に� ��み、最後のパルスデータを削除し、S20に進� ��、パルス時間の総和を再度計算する。

 次いでS22に進み、(総露光時間/2)から再計 算されたパルス時間の総和を減算して得た差 を計算し、それを削除した最後のパルスデー タ(最後のパルスの時間)とする。これにより� ��総和が総露光時間の1/2に等しくなったか否� ��厳密に計算することなく、1フレームを規定 するパルス列においてランダムに変化させた パルス繰り返し周期Tを得ることができる。

 図7は、同様にタイミング制御器24のパル� ��制御部24aによって行なわれる、図6の処理で 得られたテーブルデータを用いた照射・露光 処理を示すフロー・チャートである。

 以下説明すると、S100においてパルステー ブル24bから1パルスデータを読み出し、S102に� ��み、照射パルスと正露光パルスを1に立ち上 げてタイマ24cをリセット(スタート)する。

 次いでS104に進み、タイマ値を読み込み、 S106に進み、タイマ値がS100で読み出したパル� ��データの中の照射パルスと正露光パルスの� ��ルス時間(パルス幅τの時間)未満か否か判断 する。S106で肯定される限り、S104に戻って上� ��の処理を繰り返す。この間、照射器16は光� �ターン16aが照射し続けると共に、カメラ20に おいて正露光での積分が実行される。

 他方、S106で否定されるときはS108に進み� �照射パルスと正露光パルスを0に立ち下げる� ��次いでS110に進み、負露光パルスを1に立ち� �げてタイマ24cをリセット(スタート)し、S112� �進み、タイマ値を読み込み、S114に進み、タ� ��マ値がS100で読み出したパルスデータの中の 負露光パルスのパルス時間(パルス幅τの時間 )未満か否か判断する。

 S114で肯定される限りS112に戻り、上記の� �理を繰り返す。この間、照射器16は光パター ン16aの照射を停止し続けると共に、カメラ20� ��おいて負露光での積分が実行される。他方� ��S114で否定されるときはS116に進み、負露光� �ルスを0に立ち下げる。

 次いでS118に進み、差分回路20cで正露光値 と負露光値の差分を算出させ、それまでの差 分に加算、即ち、正露光と負露光のときの画 素の値をそれぞれ加算させる。次いでS120に� �み、最後のパルスデータか否か判断し、否� �されるときはS100に戻って上記した処理を繰� ��返す一方、肯定されるときはS122に進み、差 分回路20cから差分の総和を差分画像として出 力させる。

 この発明の第1実施例に係る環境認識装置 10にあっては、1フレーム内においてパルス列 のパルス繰り返し周期Tをランダムに変化さ� �て光パターン16aを照射するタイミングを制� �するタイミング制御器24(より具体的にはパ� �ス制御部24a)を備える如く構成したので、光� ��ターン16aの照射タイミングをランダムに変� ��させることで従来技術と同様、他の脚式移� ��ロボット14に搭載された他の環境認識装置10 とパルスの位相が一致することがなく、従っ てそれとの干渉を効果的に回避することがで きる。また、ランダムに変化させる対象をパ ルス繰り返し周期Tとしたので、パルス幅τが 短くなって照射時間も短くなるような事態を 防止でき、よってカメラ20に高い感度が要求� ��れることがない。

 図8は干渉を回避しない場合の差分出力例 を示すグラフであり、図9はこの実施例に係� �手法で干渉を回避した場合の差分出力例を� �すグラフである。

 図8にあっては、1フレーム10msecで正負そ� �ぞれの露光時間が10μsecのときの差分出力の� ��均と、その分散(誤差)を、カメラの台数を� �えてプロットした。差分出力はカメラが何� �あっても、5000程度であれば理想であるが、� ��渉を回避しない場合、誤差範囲を示すバー� ��2σの範囲を示しており、他のカメラが1台あ るだけでノイズに埋もれてしまうことを示す 。

 図9にあっては、1フレーム10msecで正負そ� �ぞれの露光時間が10から20μsecのときの差分� �力の平均と、その分散(誤差)を、カメラ台数 を変えてプロットした。図9から明らかな如� �、他のカメラが10台あっても、ノイズは1/5に 低下されている。

 また、図3に示す如く、その光パターンが 照射されたときと照射されないときの露光で 撮影して得た画像の差分画像を求めるように したので、従来技術と同様、照明光の写りこ みなどの被測定物の反射の影響を低減するこ とができる。

 また、環境認識装置10は、移動手段(脚部1 4b)を用いて移動自在に構成される移動体(脚� �移動ロボット)14の基体14aの付近に搭載され� �ように構成したので、上記した効果に加え� �脚式移動ロボット1が位置する環境空間12を� �度良く認識することができる。

 図10は、この発明の第2実施例に係る環境� ��識装置を模式的に示す、図1と同様なブロッ ク図である。

 以下、第1実施例と相違する点に焦点をお いて説明すると、第2実施例に係る環境認識� �置10は、被測定物に光パターン16aを照射する 照射器16と、光パターン16aが照射されたとき� ��露光と照射されないときの露光で被測定物1 2aを撮影して得た画像の差分画像を出力する� ��メラ20と、カメラ20から出力される差分画像 に基づいて被測定物12aの形状や起伏などを認 識する認識手段22と、光パターン16aを照射す� ��タイミングを制御するタイミング制御器24� �加え、第2のカメラ26を備えるようにした。

 第2のカメラ26も、カメラ20と同様、レン� �26aと、感光部26bと、差分回路26cとを備え、� �分回路26cから差分画像を出力する。第2のカ� ��ラ26の動作も、タイミング制御器24によって 制御される。

 第2実施例に係る環境認識装置10は上記の� ��く構成したので、被測定物12aの形状あるい� ��起伏に加え、被測定物12aまでの距離を一層� ��度良く認識することができる。また、第1実 施例と同様に光パターン16aはテクスチャ光パ ターンである如く構成したので、上記した効 果に加え、被測定物12aが無地であっても、画 像間で対応づけが可能となり、認識精度を向 上させることができる。尚、残余の効果およ び構成は、第1実施例と異ならない。

 上記した如く、第1、第2実施例にあって� �、環境空間12に存在する被測定物12aに向けて 1フレームを規定するパルス列のデューティ� �ァクタτ/Tに従って間欠的に光パターン16aを� ��射する照射器16、前記光パターンが照射さ� �たときの露光で前記被測定物を撮影して得� �画像と前記光パターンが照射されないとき� �露光で前記被測定物を撮影して得た画像の� �分画像を出力するカメラ20、および前記出力 された差分画像に基づいて前記被測定物を認 識する認識手段22を備えた環境認識装置10に� �いて、前記1フレーム内において前記パルス� ��のパルス繰り返し周期Tをランダムに変化さ せて前記光パターンを照射するタイミングを 制御するタイミング制御器24を備える如く構� ��した。

 また、前記光パターン16aは、テクスチャ� ��パターンである如く構成した。

 また、環境認識装置10は、移動手段(脚部) 14bを用いて移動自在に構成される移動体(脚� �移動ロボット)14に搭載される如く構成した� �

 さらに、環境空間に存在する被測定物に� ��けて1フレームを規定するパルス列のデュー ティファクタに従って間欠的に光パターン16a を照射し(S100からS108)、前記光パターン16aが� �射されたときの露光で前記被測定物を撮影� �て画像と前記光パターン16aが照射されない� �きの露光で前記被測定物を撮影して画像の� �分画像を求め(S100からS122)、および前記求め� ��差分画像に基づいて前記被測定物を認識す� ��環境認識方法において、前記1フレーム内に おいて前記パルス列のパルス繰り返し周期T� �ランダムに変化させて前記光パターン16aを� �射するタイミングを制御する(S10からS22,S100� �らS108)如く構成した。

 また、前記した環境認識方法において、� ��記光パターン16aは、テクスチャ光パターン� ��ある如く構成した。

 尚、上記において環境認識装置10を図2に� ��すような脚式移動ロボット14に搭載したが� �それに限られるものではない。装置10は、車 輪型やクローラ型のロボットあるいは無人走 行車などに搭載しても良い。

 また、上記において図4に示すような光パ ターン16aを使用したが、図11に示すようなマ� ��チスリット光であっても良い。

 また、光パターン16aは照射方向を示す情� ��を有するテクスチャ光パターン、あるいは� ��なくとも装置を特定する情報を有するテク� ��チャ光パターンとしても良い。その場合、� ��の装置との干渉を一層確実に回避すること� ��できる。さらには、赤外線や紫外線など可� ��光線でなくても良い。

 また、照射器16をレーザスキャナとした� �、レーザとホログラムを組み合わせたもの� �あっても良く、あるいは狭照射角LEDを多数� �置しても良く、あるいは集積LEDとレンズを� �み合わせても良い。