知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
特許7415693打ち方決定装置、打ち方決定方法、打ち方決定プログラム、及び返球ロボット
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-09
(45)【発行日】2024-01-17
(54)【発明の名称】打ち方決定装置、打ち方決定方法、打ち方決定プログラム、及び返球ロボット
(51)【国際特許分類】
A63B 69/00 20060101AFI20240110BHJP
A63B 69/38 20060101ALI20240110BHJP
【ＦＩ】
A63B69/00 506
A63B69/00 505Z
A63B69/38 Z
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2020044282
(22)【出願日】2020-03-13
(65)【公開番号】P2021142234
(43)【公開日】2021-09-24
【審査請求日】2023-01-11
(73)【特許権者】
【識別番号】000002945
【氏名又は名称】オムロン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】劉 暁俊
(72)【発明者】
【氏名】浅井 恭平
(72)【発明者】
【氏名】中山 雅宗
(72)【発明者】
【氏名】八瀬 哲志
【審査官】井上 香緒梨
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１２－０７１３５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２７８７９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－１７８９６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－２４４４４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】Akira Nakashima,外２名，An Online Trajectory Planning of Struck Ball with Spin by Table Tennis Robot，2014 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM) Besancon，2014年，P.865-870
【文献】Yifeng Zhu,外４名，Towards High Level Skill Learning: Learn to Return Table Tennis Ball Using Monte-Carlo Based Policy Gradient Method，Proceedings of The 2018 IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics，2018年，p.44-51
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ａ６３Ｂ６９／００－６９／４０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
飛来するボールの位置、速度、及び回転速度を含む状態情報を取得する取得部と、前記ボールの状態情報と、前記ボールを打撃具で打ち返す際の目標到達位置と、に基づいて、前記ボールを前記目標到達位置に打ち返す時点の前記打撃具の位置、速度、及び姿勢を含む打ち方条件を決定する打ち方条件決定部と、
を備え、
前記打ち方条件決定部は、
前記ボールの状態情報に基づいて、飛来する前記ボールの予測軌跡に関する軌跡情報を算出する軌跡予測部と、
前記軌跡情報を用いて前記ボールの打撃位置を設定し、打撃された直後の前記ボールの打撃後速度及び打撃後回転速度を含む打撃後状態情報を設定する設定部と、
前記打撃後状態情報に基づいて予測到達位置を算出する到達位置予測部と、
前記予測到達位置と前記目標到達位置との誤差が許容範囲内となるように、前記打撃後速度を調整する調整部と、
打撃直前の前記状態情報に従う前記ボールを前記打撃位置で打撃した場合に前記ボールが前記打撃後状態情報に従うようになるための、前記打撃具の速度及び姿勢を算出する打ち方条件算出部と、
を含む
打ち方決定装置。
【請求項2】
前記設定部は、さらに前記ボールが打撃されてから前記目標到達位置に到達するまでの時間である目標到達時間又は前記目標到達位置に到達する直前の前記ボールの速度である目標到達速度を設定し、前記調整部により調整される前の前記打撃後速度の初期値を前記目標到達時間又は前記目標到達速度に基づいて設定する、請求項１記載の打ち方決定装置。
【請求項3】
前記設定部は、前記打撃具を備える返球ロボットに対して打撃動作の限界速度を超える動作速度を要求しない範囲で、前記目標到達時間又は前記目標到達速度を設定する請求項２記載の打ち方決定装置。
【請求項4】
前記調整部は、前記誤差が最小となるように、探索アルゴリズムを用いて前記打撃後速度を調整する請求項１～３の何れか１項に記載の打ち方決定装置。
【請求項5】
前記設定部は、複数の前記打撃後速度を設定し、前記到達位置予測部は、前記複数の打撃後速度に対応する複数の前記予測到達位置を算出し、
前記調整部は、前記複数の打撃後速度の中から対応する前記誤差が許容範囲内である１つの前記打撃後速度を選択することにより前記打撃後速度を調整する
請求項１～３の何れか１項に記載の打ち方決定装置。
【請求項6】
前記取得部は、さらに前記ボールが実際に到達した実到達位置を取得し、前記調整部は、前記実到達位置と前記予測到達位置との誤差に基づいて、次回以降の打撃において、調整された前記打撃後速度を補正する
請求項１～５の何れか１項に記載の打ち方決定装置。
【請求項7】
前記取得部は、さらに前記ボールが実際に到達した実到達位置を取得し、前記打ち方条件算出部は、前記実到達位置と前記予測到達位置との誤差に基づいて、次回以降の打撃において、算出された前記打ち方条件を補正する
請求項１～５の何れか１項に記載の打ち方決定装置。
【請求項8】
コンピュータが、飛来するボールの位置、速度、及び回転速度を含む状態情報を取得し、
前記ボールの状態情報と、前記ボールを打撃具で打ち返す際の目標到達位置と、に基づいて、前記ボールを打ち返す時点の前記打撃具の位置、速度、及び姿勢を含む打ち方条件を決定する処理を実行する打ち方決定方法であり、
前記打ち方条件の決定は、
前記ボールの状態情報に基づいて、飛来する前記ボールの予測軌跡に関する軌跡情報を算出し、
前記軌跡情報を用いて前記ボールの打撃位置を設定し、打撃された直後の前記ボールの打撃後速度及び打撃後回転速度を含む打撃後状態情報を設定し、
前記打撃後状態情報に基づいて予測到達位置を算出し、
前記予測到達位置と前記目標到達位置との誤差が許容範囲内となるように、前記打撃後速度を調整し、
打撃直前の前記状態情報に従う前記ボールを前記打撃位置で打撃した場合に前記ボールが前記打撃後状態情報に従うようになるための、前記打撃具の速度及び姿勢を算出することを含む
打ち方決定方法。
【請求項9】
コンピュータに、飛来するボールの位置、速度、及び回転速度を含む状態情報を取得し、
前記ボールの状態情報と、前記ボールを打撃具で打ち返す際の目標到達位置と、に基づいて、前記ボールを打ち返す時点の前記打撃具の位置、速度、及び姿勢を含む打ち方条件を決定する処理を実行させるための打ち方決定プログラムであり、
前記打ち方条件の決定は、
前記ボールの状態情報に基づいて、飛来する前記ボールの予測軌跡に関する軌跡情報を算出し、
前記軌跡情報を用いて前記ボールの打撃位置を設定し、打撃された直後の前記ボールの打撃後速度及び打撃後回転速度を含む打撃後状態情報を設定し、
前記打撃後状態情報に基づいて予測到達位置を算出し、
前記予測到達位置と前記目標到達位置との誤差が許容範囲内となるように、前記打撃後速度を調整し、
打撃直前の前記状態情報に従う前記ボールを前記打撃位置で打撃した場合に前記ボールが前記打撃後状態情報に従うようになるための、前記打撃具の速度及び姿勢を算出することを含む
打ち方決定プログラム。
【請求項10】
請求項１～７の何れか１項に記載の打ち方決定装置と、飛来するボールを打ち返す打撃具と、
前記打撃具を支持して運動させるための可動部と、
前記打ち方決定装置により決定された打ち方条件で前記ボールを打ち返すよう前記可動部の運動を制御する制御装置と、
を備えた返球ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、打ち方決定装置、打ち方決定方法、打ち方決定プログラム、及び返球ロボットに関する。
【背景技術】
【0002】
非特許文献１には、飛来するボールを返球する卓球ロボットの打ち方を決定する際に、処理負荷を減らす対策として、回転速度を入力としない簡易的な空力モデルを使用する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】Chunfang LIU、「Racket Control and Spinning Ball Measurement for Table Tennis Robot」、２０１３年３月、名古屋大学、インターネット<URL:https://nagoya.repo.nii.ac.jp/?action=repository_action_common_download&item_id=16278&item_no=1&attribute_id=17&file_no=1>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記非特許文献１記載の技術では、回転速度が考慮されないため、回転の掛かったボールに対して卓球ロボットが返球する際の打撃前及び打撃後のボールの軌跡を精度良く予測するのが困難であった。このため、目標到達位置に精度良く返球することが可能な打ち方を決定するのが困難であった。
【0005】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、回転が掛かったボールを目標到達位置に精度良く返球することが可能な打ち方を決定することができる打ち方決定装置、打ち方決定方法、打ち方決定プログラム、返球装置、及び返球ロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
開示の第１態様は、打ち方決定装置であって、飛来するボールの位置、速度、及び回転速度を含む状態情報を取得する取得部と、前記ボールの状態情報と、前記ボールを打撃具で打ち返す際の目標到達位置と、に基づいて、前記ボールを前記目標到達位置に打ち返す時点の前記打撃具の位置、速度、及び姿勢を含む打ち方条件を決定する打ち方条件決定部と、を備える。
【0007】
上記第１態様において、前記打ち方条件決定部は、前記ボールの状態情報に基づいて、飛来する前記ボールの予測軌跡に関する軌跡情報を算出する軌跡予測部と、前記軌跡情報を用いて前記ボールの打撃位置を設定し、打撃された直後の前記ボールの打撃後速度及び打撃後回転速度を含む打撃後状態情報を設定する設定部と、前記打撃後状態情報に基づいて予測到達位置を算出する到達位置予測部と、前記予測到達位置と前記目標到達位置との誤差が許容範囲内となるように、前記打撃後速度を調整する調整部と、打撃直前の前記状態情報に従う前記ボールを前記打撃位置で打撃した場合に前記ボールが前記打撃後状態情報に従うようになるための、前記打撃具の速度及び姿勢を算出する打ち方条件算出部と、を含む構成としてもよい。
【0008】
上記第１態様において、前記設定部は、さらに前記ボールが打撃されてから前記目標到達位置に到達するまでの時間である目標到達時間又は前記目標到達位置に到達する直前の前記ボールの速度である目標到達速度を設定し、前記調整部により調整される前の前記打撃後速度の初期値を前記目標到達時間又は前記目標到達速度に基づいて設定するようにしてもよい。
【0009】
上記第１態様において、前記設定部は、前記打撃具を備える返球ロボットに対して打撃動作の限界速度を超える動作速度を要求しない範囲で、前記目標到達時間又は前記目標到達速度を設定するようにしてもよい。
【0010】
上記第１態様において、前記調整部は、前記誤差が最小となるように、探索アルゴリズムを用いて前記打撃後速度を調整するようにしてもよい。
【0011】
上記第１態様において、前記設定部は、複数の前記打撃後速度を設定し、前記到達位置予測部は、前記複数の打撃後速度に対応する複数の前記予測到達位置を算出し、前記調整部は、前記複数の打撃後速度の中から対応する前記誤差が許容範囲内である１つの前記打撃後速度を選択することにより前記打撃後速度を調整するようにしてもよい。
【0012】
上記第１態様において、前記取得部は、さらに前記ボールが実際に到達した実到達位置を取得し、前記調整部は、前記実到達位置と前記予測到達位置との誤差に基づいて、調整された前記打撃後速度を補正するようにしてもよい。
【0013】
上記第１態様において、前記取得部は、さらに前記ボールが実際に到達した実到達位置を取得し、前記打ち方条件算出部は、前記実到達位置と前記目標到達位置との誤差に基づいて、次回以降の打撃において、算出された前記打ち方条件を補正するようにしてもよい。
【0014】
上記第１態様において、前記打ち方条件決定部は、前記状態情報及び前記目標到達位置を入力とし、前記打ち方条件を出力として学習された学習済みモデルである構成としてもよい。
【0015】
開示の第２態様は、打ち方決定方法であって、コンピュータが、飛来するボールの位置、速度、及び回転速度を含む状態情報を取得し、前記ボールの状態情報と、前記ボールを打撃具で打ち返す際の目標到達位置と、に基づいて、前記ボールを打ち返す時点の前記打撃具の位置、速度、及び姿勢を含む打ち方条件を決定する処理を実行する。
【0016】
開示の第３態様は、打ち方決定プログラムであって、コンピュータに、飛来するボールの位置、速度、及び回転速度を含む状態情報を取得し、前記ボールの状態情報と、前記ボールを打撃具で打ち返す際の目標到達位置と、に基づいて、前記ボールを打ち返す時点の前記打撃具の位置、速度、及び姿勢を含む打ち方条件を決定する処理を実行させる。
【0017】
開示の第４態様は、返球ロボットであって、第１態様に係る打ち方決定装置と、飛来するボールを打ち返す打撃具と、前記打撃具を支持して運動させるための可動部と、前記打ち方決定装置により決定された打ち方条件で前記ボールを打ち返すよう前記可動部の運動を制御する制御装置と、を備える。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、回転が掛かったボールを目標到達位置に精度良く返球することが可能な打ち方を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】返球ロボットの外観図である。
【図2】返球ロボットの機能ブロック図である。
【図3】打ち方決定装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図4】打ち方決定処理の流れを示すフローチャートである。
【図5】ボールの検出位置及び予測位置の一例を示す図である。
【図6】ボールに作用するＤｒａｇ力、Ｍａｇｎｕｓ力等について説明するための図である。
【図7】ボールが卓球台にバウンドする直前及びバウンドした直後の速度及び加速度について説明するための図である。
【図8】ラケットの速度及び角度について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一又は等価な構成要素及び部分には同一の参照符号を付与している。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されている場合があり、実際の比率とは異なる場合がある。
【0021】
図１は、返球ロボット１０の外観図を示した。また、図２には、返球ロボット１０のブロック図を示した。返球ロボット１０は、飛来するボールを打撃具で打ち返すロボットである。本実施形態では、返球ロボット１０が、卓球ロボットである場合について説明する。すなわち、返球ロボット１０は、図示しないユーザーが打った卓球のボールＢＬが卓球台ＴＢでバウンドして飛来するボールＢＬを、打撃具としてのラケットＲＫで打ち返す卓球ロボットである。
【0022】
図１、２に示すように、返球ロボット１０は、センサ部２０、打ち方決定装置３０、ロボット４０、及び制御装置５０を備えている。
【0023】
センサ部２０は、飛来するボールＢＬの位置、速度、及び回転速度を含む状態情報を検出する。本実施形態では、センサ部２０は、図１、２に示すように、３個のカメラ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃと、状態情報算出部２４と、を含む。なお、本実施形態では、回転速度が一例として角速度（ｒａｄ／ｓ）である場合について説明する。
【0024】
カメラ２２Ａ、２２Ｂは、卓球台ＴＢ上を行き来するボールＢＬを各々異なる角度から撮影可能な位置に設置されており、予め定めたフレームレートで撮影する。カメラ２２Ａ、２２Ｂは、所謂ステレオカメラとして機能する。
【0025】
カメラ２２Ｃは、図示しないユーザーが持つラケットを撮影可能な位置に設置されている。
【0026】
状態情報算出部２４は、カメラ２２Ａ、２２Ｂで撮影されたボールＢＬの撮影画像に基づいてボールＢＬの位置及び速度を算出する。すなわち、状態情報算出部２４は、異なる角度から撮影された２つの撮影画像の各々に対して、例えば特徴抽出処理等の公知の画像処理を行うことによりボールＢＬの二次元位置を撮影画像毎に検出する。そして、２つの撮影画像におけるボールＢＬの二次元位置に基づいて、所謂ステレオ法によりボールＢＬの三次元位置を算出する。また、状態情報算出部２４は、最新のボールＢＬの三次元位置と、過去に算出したボールＢＬの三次元位置と、に基づいて、ボールＢＬの移動距離及び移動時間を算出し、算出した移動距離及び移動時間に基づいてボールＢＬの速度を算出する。ここで、ボールＢＬの速度はベクトル量であり、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各軸方向の成分を有する。
【0027】
また、状態情報算出部２４は、ボールＢＬの位置及び速度に基づいてボールＢＬのベクトル量である回転速度（本実施形態では角速度）を算出する。
【0028】
状態情報算出部２４は、例えば、ボールＢＬの撮影画像に基づいてボールＢＬの特徴部分を抽出し、抽出した特徴部分の移動速度を算出し、算出した移動速度に基づいてボールＢＬの回転速度を算出する。抽出する特徴部分は、ボールＢＬの一部に予め印刷されているマークでもよいし、特徴部分の抽出用としてボールＢＬに新たに付与したマークでもよい。
【0029】
なお、ボールＢＬの回転速度が０（無回転）と仮定して、後述するボールＢＬの軌跡予測処理により予測されたボールＢＬの軌跡と、実際に検出したボールＢＬの軌跡と、の差分を算出し、算出した差分に基づいてボールＢＬの回転速度を予測してもよい。
【0030】
打ち方決定装置３０は、機能的には、図２に示すように、取得部３１及び打ち方決定部３２を含む。
【0031】
取得部３１は、センサ部２０から、飛来するボールＢＬの位置、速度、及び回転速度を含む状態情報を取得する。
【0032】
打ち方決定部３２は、取得部３１が取得したボールＢＬの状態情報と、ボールＢＬをラケットＲＫで打ち返す際の目標到達位置と、に基づいて、ボールＢＬを目標到達位置に打ち返す時点のラケットＲＫの位置、速度、及び姿勢を含む打ち方条件を決定する。
【0033】
打ち方決定部３２は、図２に示すように、具体的には、軌跡予測部３３、設定部３４、到達位置予測部３５、調整部３６、及び打ち方条件算出部３７を含む。
【0034】
軌跡予測部３３は、ボールＢＬの状態情報に基づいて、ボールＢＬの予測軌跡に関する軌跡情報を算出する。
【0035】
設定部３４は、軌跡予測部３３で算出されたボールＢＬの軌跡情報を用いてボールＢＬの打撃位置を設定し、打撃された直後のボールＢＬの打撃後速度及び打撃後回転速度を含む打撃後状態情報を設定する。
【0036】
到達位置予測部３５は、設定部３４で設定された打撃後状態情報に基づいて予測到達位置を算出する。
【0037】
調整部３６は、到達位置予測部３５で算出された予測到達位置と目標到達位置との誤差が許容範囲内となるように、設定部３４で設定された打撃後速度を調整する。なお、調整部３６は、到達位置予測部３５で算出された予測到達位置と目標到達位置との誤差が最小となるように、探索アルゴリズムを用いて打撃後速度を調整してもよい。探索アルゴリズムとしては、一例として最急降下法、最小二乗法、山登り法、及び極値近傍探索法が挙げられるが、これらに限られるものではない。
【0038】
打ち方条件算出部３７は、打撃直前の状態情報にしたがうボールＢＬを設定された打撃位置で打撃した場合にボールＢＬが設定された打撃後状態情報にしたがうようになるための、ラケットＲＫの速度および姿勢を算出する。打撃直前の状態情報は、取得部３１によって取得された状態情報に基づいて、軌跡予測部３３によって算出された打撃直前のボールＢＬの位置、速度、及び回転速度であってよい。
【0039】
また、設定部３４は、さらにボールＢＬが打撃されてから目標到達位置に到達するまでの時間である目標到達時間又は目標到達位置に到達する直前のボールＢＬの速度である目標到達速度を設定し、調整部３６により調整される前の打撃後速度の初期値を目標到達時間又は目標到達速度に基づいて設定するようにしてもよい。
【0040】
また、設定部３４は、複数の打撃後速度を設定し、到達位置予測部３５は、複数の打撃後速度に対応する複数の予測到達位置を算出し、調整部３６は、複数の打撃後速度の中から対応する誤差が許容範囲内である１つの打撃後速度を選択することにより打撃後速度を調整するようにしてもよい。また、設定部３４は、ラケットＲＫを備える返球ロボット１０に対して打撃動作の限界速度を超える動作速度を要求しない範囲内で、目標到達時間又は目標到達速度を設定してもよい。
【0041】
また、取得部３１は、さらにボールＢＬが実際に到達した実到達位置を取得し、調整部３６は、実到達位置と予測到達位置との誤差に基づいて、次回以降の打撃において、調整された打撃後速度を補正するようにしてもよい。
【0042】
また、取得部３１は、さらにボールＢＬが実際に到達した到達位置を取得し、打ち方条件算出部３７は、実到達位置と予測到達位置との誤差に基づいて、次回以降の打撃において、算出された打ち方条件を補正するようにしてもよい。
【0043】
ロボット４０は、ラケットＲＫを支持して運動させるための可動部４１を備える。図１に示すように、可動部４１は、本実施形態では一例として３本のロボットアーム４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、及びラケットＲＫの支持部４２を含む。すなわち、ロボット４０は、所謂パラレルリンクロボットであり、ロボットアーム４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃを並列に制御することにより、ロボットアーム４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃの先端の支持部４２に支持されたラケットＲＫの挙動を制御するロボットである。支持部４２は、ラケットＲＫの姿勢を変更するための駆動機構を備えている。なお、ロボット４０は、パラレルリンクロボットに限られるものではなく、他のタイプのロボットであってもよい。
【0044】
制御装置５０は、打ち方決定装置３０により決定された打ち方条件でボールＢＬを打ち返すよう可動部４１の運動を制御する。
【0045】
次に、打ち方決定装置３０のハードウェア構成を示すブロック図である。
【0046】
図３に示すように、打ち方決定装置３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３０Ａ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）３０Ｂ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）３０Ｃ、ストレージ３０Ｄ、入力部３０Ｅ、モニタ３０Ｆ、光ディスク駆動装置３０Ｇ及び通信インタフェース３０Ｈを有する。各構成は、バス３０Ｉを介して相互に通信可能に接続されている。
【0047】
本実施形態では、ＲＯＭ３０Ｂ又はストレージ３０Ｄには、打ち方決定プログラムが格納されている。ＣＰＵ３０Ａは、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各構成を制御したりする。すなわち、ＣＰＵ３０Ａは、ＲＯＭ３０Ｂ又はストレージ３０Ｄからプログラムを読み出し、ＲＡＭ３０Ｃを作業領域としてプログラムを実行する。ＣＰＵ３０Ａは、ＲＯＭ３０Ｂ又はストレージ３０Ｄに記録されているプログラムに従って、上記各構成の制御及び各種の演算処理を行う。
【0048】
ＲＯＭ３０Ｂは、各種プログラム及び各種データを格納する。ＲＡＭ３０Ｃは、作業領域として一時的にプログラム又はデータを記憶する。ストレージ３０Ｄは、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）又はＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、及び各種データを格納する。
【0049】
入力部３０Ｅは、キーボード３０Ｅ１、及びマウス３０Ｅ２等のポインティングデバイスを含み、各種の入力を行うために使用される。モニタ３０Ｆは、例えば、液晶ディスプレイであり、ワークＷの吸着の成否等の各種の情報を表示する。モニタ３０Ｆは、タッチパネル方式を採用して、入力部３０Ｅとして機能してもよい。光ディスク駆動装置３０Ｇは、各種の記録媒体(ＣＤ－ＲＯＭ又はブルーレイディスクなど)に記憶されたデータの読み込みや、記録媒体に対するデータの書き込み等を行う。
【0050】
通信インタフェース３０Ｈは、他の機器と通信するためのインタフェースであり、例えば、イーサネット（登録商標）、ＦＤＤＩ又はＷｉ－Ｆｉ（登録商標）等の規格が用いられる。
【0051】
図２に示した打ち方決定装置３０の各機能構成は、ＣＰＵ３０ＡがＲＯＭ３０Ｂ又はストレージ３０Ｄに記憶された打ち方決定プログラムを読み出し、ＲＡＭ３０Ｃに展開して実行することにより実現される。
【0052】
次に、打ち方決定装置３０の作用について説明する。
【0053】
図４は、打ち方決定装置３０による打ち方決定処理の流れを示すフローチャートである。ユーザーが入力部３０Ｅを操作して打ち方決定処理の実行を指示すると、ＣＰＵ３０ＡがＲＯＭ３０Ｂ又はストレージ３０Ｄから打ち方決定プログラムを読み出して、ＲＡＭ３０Ｃに展開し実行することにより、打ち方決定処理が実行される。図４に示す打ち方決定処理は、処理の終了が指示されるまで繰り返し実行される。
【0054】
なお、図４に示す打ち方決定処理が実行されると、センサ部２０では、カメラ２２Ａ、２２Ｂによる撮影を開始し、状態情報算出部２４で算出したボールＢＬの状態情報を打ち方決定装置３０に時系列で順次出力する。
【0055】
ステップＳ１００では、ＣＰＵ３０Ａが、取得部３１として、飛来するボールＢＬの位置、速度、及び回転速度を含む状態情報をセンサ部２０から時系列で順次取得する。
【0056】
ステップＳ１０２では、ＣＰＵ３０Ａが、軌跡予測部３３として、ステップＳ１００で取得したボールＢＬの状態情報に基づいて、ボールＢＬが卓球台ＴＢでバウンドするまでの予測軌跡に関する軌跡情報を予測する。ここで、予測軌跡に関する軌跡情報とは、現在まで時系列で検出された状態情報から予測されるボールＢＬの位置、速度、及び回転速度を時系列で表した情報である。図５には、センサ部２０で検出されたボールＢＬの検出位置及び軌跡予測部３３で予測されたボールＢＬの予測位置の一例を示した。図５に示すように、本実施形態では、卓球台ＴＢのＺ座標は０とされている。このため、ボールＢＬが卓球台ＴＢでバウンドするか否かは、ボールＢＬのＸ座標及びＹ座標が卓球台ＴＢのＸ座標及びＹ座標の範囲内で、且つ、Ｚ座標が０となるか否かで判定することができる。
【0057】
ボールＢＬの予測軌跡の軌跡情報は、具体的には、エアロダイナミックスを表す次式にステップＳ１００で取得したボールＢＬの位置、速度及び回転速度を入力し、時間発展させることにより得られる。
【0058】
・・・（１）
【0059】
ここで、ｐ（ｔ）はボールＢＬの位置である。また、ｐ・（ｔ）はｐ（ｔ）を１回微分した速度である。また、ｐ・・（ｔ）はｐ（ｔ）を２回微分した加速度である。また、ωは、ボールＢＬの回転速度である。また、ｇは重力加速度であり、９．８ｍ／ｓ２である。また、ＳｂはボールＢＬの断面積であり、ボールＢＬの半径をｒとしてπｒ２である。また、ＶｂはボールＢＬの体積であり、（４／３）×πｒ３である。また、ｍはボールＢＬの質量であり、一例として２．７×１０－３ｋｇである。また、ρは空気密度であり、一例として１．１８４ｋｇ／ｍ３（２５℃）である。また、ＣＤ（ｔ）はＤｒａｇ係数であり、一例として０．５である、ＣＭ（ｔ）はＭａｇｎｕｓ係数であり、一例として０．２である。
【0060】
図６には、Ｄｒａｇ力、Ｍａｇｎｕｓ力、速度ｐ（ｔ）、及びボールＢＬの回転軸の関係を示した。
【0061】
ステップＳ１０４では、ＣＰＵ３０Ａが、軌跡予測部３３として、ステップ１０２で予測したボールＢＬの予測軌跡の軌跡情報に基づいて、ボールＢＬが卓球台ＴＢでバウンドした直後の速度及び回転速度を予測する。具体的には、図７に示すように、ボールＢＬが卓球台ＴＢでバウンドする直前の速度ｖ０、回転速度ω０を次式で表されるテーブルバウンドモデルに入力して、ボールＢＬが卓球台ＴＢでバウンドした直後の速度ｖ１及び回転速度ω１を算出する。
【0062】
【0063】
ただし、Ａｖｖ、Ａｖω、Ａωｖ、Ａωωは次式で表される。
・・・（３）
・・・（４）
・・・（５）
・・・（６）
【0064】
ここで、αは卓球台ＴＢとボールＢＬとの摩擦係数に依存するパラメータであり、予め設定される。また、ηは、卓球台ＴＢとボールＢＬとの反発係数であり、予め設定される。
【0065】
また、次式で示すテーブルバウンドモデルを用いても良い。
・・・（７）
・・・（８）
【0066】
ここで、βは、ボールＢＬが卓球台ＴＢでバウンドする直前のボールＢＬと卓球台ＴＢとが成す角度である。なお、上記で説明した以外のテーブルバウンドモデルを用いても良い。
【0067】
ステップＳ１０６では、ＣＰＵ３０Ａが、軌跡予測部３３として、ボールＢＬが卓球台ＴＢにバウンドした後の予測軌跡の軌跡情報を算出する。すなわち、ステップＳ１０４で算出した、卓球台ＴＢでバウンドした直後のボールＢＬの速度ｖ１及び回転速度ω１を、エアロダイナミクスを表す上記（１）式に入力して時間発展させることにより、卓球台ＴＢでバウンドした後のボールＢＬの予測軌跡の軌跡情報を算出する。
【0068】
ステップＳ１０８では、ＣＰＵ３０Ａが、設定部３４として、ステップＳ１０２、Ｓ１０６で取得したボールＢＬの予測軌跡の軌跡情報に基づいて、ボールＢＬを打ち返す時点のラケットＲＫの位置（打撃位置）を設定する。具体的には、ボールＢＬが卓球台ＴＢでバウンドした後の軌跡上で、ボールＢＬの高さが最高となる位置、ラケットＲＫでボールＢＬを返球可能な高さの範囲のうち最低となる位置、ボールＢＬのＺ軸方向（高さ方向）の速度が最も遅い位置、及びロボット４０の可動域内で返球精度が一定値以上となる位置、の何れかを、ボールＢＬを目標到達位置に打ち返す際の打撃位置とする。なお、ロボット４０の可動域内で返球精度が一定値以上となる位置は、例えば予め実験等によってロボット４０の可動域内で返球精度が一定値以上となる範囲を求めておき、この範囲内から設定される。
【0069】
ステップＳ１１０では、ＣＰＵ３０Ａが、設定部３４として、ラケットＲＫでボールＢＬを返球する際の目標到達位置、ラケットＲＫがボールＢＬを打撃してから目標到達位置に到達するまでの目標到達時間を設定する。目標到達時間に代えて目標到達位置におけるボールＢＬの目標到達速度を設定してもよい。
【0070】
目標到達位置は、ボールＢＬが卓球台ＴＢ上に着弾する着弾位置でもよいし、卓球台ＴＢのネット上方のような卓球台ＴＢの上空の位置でもよい。目標到達位置を上空の位置とする場合、ボールＢＬが卓球台ＴＢ上に着弾するように、ネット上方の限られた範囲内で設定するようにしてもよい。
【0071】
目標到達位置は、例えば予め設定されていてもよいし、ユーザーに予め指定させてもよい。また、目標到達位置は、ピンポイントで指定してもよいし、範囲で指定してもよい。範囲で指定する場合は、例えばユーザー側の卓球台ＴＢの表面又は卓球台ＴＢのネット上方のＸＺ平面の空間をｍ×ｎ個の領域に分割して領域毎に付与された番号を指定してもよい。目標到達位置を範囲で指定した場合、計算上は例えば指定された範囲の中心位置が目標到達位置として指定されたとみなしてもよい。また、目標到達位置は、固定でもよいし、ラリー毎にランダムに変化させてもよい。
【0072】
目標到達時間又は目標到達速度は、例えばステップＳ１０８で設定した打撃位置と目標到達位置との距離に基づいて予め定めた関係式又はテーブルデータを用いて求めてもよいし、ユーザーに予め指定させてもよい。
【0073】
ステップＳ１１２では、ＣＰＵ３０Ａが、設定部３４として、ボールＢＬをステップＳ１０８で設定した打撃位置で打ち返す時点、すなわち打撃直後のボールＢＬの速度を設定する。設定した速度は打撃後速度を探索する際の初期値とされる。
【0074】
設定する打撃後速度の初期値は、ステップＳ１１０で設定した目標到達時間又は目標到達速度から算出してもよい。具体的には、シンプルエアロダイナミックスを表す次式にボールＢＬの打撃位置の座標値ｐ１（ｐｘ１、ｐｙ１、ｐｚ１）、目標到達位置の座標値ｐ１（ｐｘ１、ｐｙ１、ｐｚ１）、ボールＢＬの打撃位置ｐ１における時刻ｔ１、ボールＢＬの目標到達位置ｐ２における時刻ｔ２を入力することにより、ラケットＲＫがボールＢＬを打撃した直後の速度ｖ１（ｖｘ１、ｖｙ１、ｖｚ１）を算出する。なお、時刻ｔ２は、時刻ｔ１に目標到達時間を加算することで得られる。
【0075】
【0076】
ここで、ＤはＤｒａｇ力に関する項であり、次式で表される。また、ｓｇｎ（）は符号関数である。
・・・（１０）
ここで、Ｓｂ、ｍ、ρ、ＣＤ（ｔ）の以下のように表される。
ここで、Ｓｂ、ｍ、ρ、ＣＤ（ｔ）の以下のように表される。
【0077】
ステップＳ１１４では、ＣＰＵ３０Ａが、到達位置予測部３５として、ボールＢＬをステップＳ１０８で決定した打撃位置で、ステップＳ１１２で設定した打撃後速度で打ち返した場合におけるボールＢＬの予測到達位置を算出する。
【0078】
具体的には、前述したエアロダイナミックスを表す上記（１）式にステップＳ１１２で設定したボールＢＬの打撃後速度及び打撃後回転速度を入力し、時間発展させることにより、ボールＢＬの軌跡情報を予測する。なお、上記（１）式に入力するボールＢＬの打撃後回転速度は、例えばボールＢＬがラケットＲＫで打撃される直前の回転速度を基準として一定の範囲内の値に設定される。次に、予測した軌跡情報に基づいて、ボールＢＬの予測到達位置を特定する。
【0079】
ステップＳ１１６では、ＣＰＵ３０Ａが、調整部３６として、ステップＳ１１４で予測した予測到達位置と目標到達位置との誤差が予め定めた許容範囲内か否かを判定する。すなわち、ステップＳ１１４で算出した予測到達位置と目標到達位置との誤差が予め定めた閾値以下であるか否かを判定する。なお、目標到達位置が範囲で指定されている場合は、予測到達位置が目標到達位置の範囲内であるときに誤差が許容範囲内であると判定してもよい。
【0080】
そして、予測到達位置が許容範囲外の場合はステップＳ１１８へ移行し、予測到達位置が許容範囲内の場合はステップＳ１２０へ移行する。
【0081】
ステップＳ１１８では、ＣＰＵ３０Ａが、調整部３６として、予測到達位置が目標到達位置に近づくように、ラケットＲＫに打撃された直後のボールＢＬの速度ｖ１を調整し、ステップＳ１１４に戻る。ステップＳ１１４、ステップＳ１１６、ステップＳ１１８からなるループにおいて行われる打撃後速度ｖ１の探索には、例えば、最急降下法、最小二乗法、山登り法、及び極値近傍探索法の何れかの探索アルゴリズムを用いることができる。
【0082】
例えば、目標到達位置をｐＡ、到達位置をｐＢとして評価関数Ｅ(ｖ)を次式のように定義し、Ｅ（ｖ）が最小となる速度ｖを求める。
【0083】
Ｅ（ｖ）＝｜ｐＡ－ｐＢ｜ ・・・（１１）
【0084】
ただし、Ｅ（ｖ）は非線形且つ代数的微分不可のため、例えば次式で表される最急降下法を数値的に解くことにより、Ｅ（ｖ）が最小となる速度ｖを求める。
【0085】
【0086】
【0087】
ここで、ρ（ｎ）は学習率であり、次式で表される。
・・・（１８）
・・・（１９）
【0088】
ただし、例えばａはｎ＝１０でρ＝０．５となるように設定する。
【0089】
ステップＳ１２０では、ＣＰＵ３０Ａが、打ち方条件算出部３７として、ボールＢＬを打ち返す時点のラケットＲＫの速度及び姿勢を算出することにより打ち方条件を決定する。
【0090】
具体的には、ラケットバウンドモデルを表す下記（１８）式に、ボールＢＬの軌跡情報に基づいて、ラケットＲＫがボールＢＬを打撃する直前のボールＢＬの速度ｖ０及び回転速度ω０と、ラケットＲＫがボールＢＬを打撃した直後のボールＢＬの速度ｖ１及び回転速度ω１と、を入力することにより、ラケットＲＫの速度Ｖを算出する。また、下記（２１）、（２２）式により、ラケットＲＫの姿勢を表す角度α、βを算出する。
【0091】
図８には、ラケットＲＫがボールＢＬを打撃する直前及びボールＢＬを打撃した直後の様子の一例を示した。図８に示すように、角度αは、ラケットＲＫの面をｚ’軸－ｙ’軸平面とした場合に、ｚ’軸を回転軸としたラケットＲＫの回転角であり、角度βは、ｙ’軸を回転軸とした回転角である。
【0092】
・・・（２０）
【0093】
ここで、ＲＲは角度α、βに関する回転行列であり、次式で表される。
・・・（２３）
【0094】
また、Ｉは単位行列であり、次式で表される。
・・・（２４）
【0095】
また、ξ、η、ａ、ｂ、ｃは中間変数であり、次式で表される。
・・・（２５）
・・・（２６）
・・・（２７）
・・・（２８）
・・・（２９）
ここで、ｋωは回転に対する摩擦係数であり、ｋｖは速度に対する摩擦係数である。
ここで、ｋωは回転に対する摩擦係数であり、ｋｖは速度に対する摩擦係数である。
【0096】
ステップＳ１２２では、ステップＳ１２０で決定したラケットＲＫの速度Ｖ、ラケットＲＫの角度α、βを制御装置５０に出力する。制御装置５０は、ラケットＲＫが速度Ｖ、角度α、βでボールＢＬを打ち返すように可動部４１を制御する。これにより、ボールＢＬが目標到達位置付近に打ち返される。
【0097】
このように、本実施形態では、ボールＢＬの位置及び速度だけでなく回転速度を取得し、取得した回転速度を考慮してラケットＲＫによる打ち方を決定する。このため、回転が掛かったボールを目標到達位置に精度良く返球することが可能な打ち方を決定することができる。
【0098】
（変形例１）
次に、本実施形態の変形例１について説明する。
次に、本実施形態の変形例１について説明する。
【0099】
図４のステップＳ１２０で算出したラケットＲＫの速度Ｖが、返球ロボット１０による打撃動作の限界速度を越える場合もあり得る。この場合、ステップＳ１１０で設定した目標到達時間を調整して、すなわち到達時間を長くして、ステップＳ１１０～Ｓ１２０の処理を実行するようにしてもよい。これにより、ロボット４０の限界速度範囲内で、到達位置と目標到達位置との誤差が許容範囲内となるように打ち方条件が決定される。
【0100】
（変形例２）
次に、本実施形態の変形例２について説明する。
次に、本実施形態の変形例２について説明する。
【0101】
図４のステップＳ１１０で設定した目標到達時間を基準として複数の目標到達時間を設定し、複数の目標到達時間毎にステップＳ１１２～Ｓ１２０の処理を実行するようにしてもよい。例えばステップＳ１１０で設定した目標到達時間をＴＡとした場合に、Ｔ、Ｔ＋Δｔ、Ｔ＋２Δｔ、Ｔ＋３Δｔ、・・・Ｔ＋ｎΔｔ、のようにｎ個の目標到達時間を設定する。この場合、ステップＳ１１２では、目標到達時間Ｔに対応する速度をＶとして、Ｖ、Ｖ＋Δｖ、Ｖ＋２Δｖ、Ｖ＋３ΔＶ、・・・Ｖ＋ｎΔｖ、のようにｎ個の速度が設定される。
【0102】
そして、ステップＳ１１４では、複数の速度の各々に対して予測到達位置を算出する。なお、ステップＳ１１４の処理を並列実行してもよい。ステップＳ１１６では、ステップＳ１１４で算出された複数の予測到達位置の少なくとも１つが許容範囲内であればステップＳ１２０へ移行する。この場合、ステップＳ１２０では、許容範囲内の予測到達位置のうち１つの予測到達位置を選択する。例えば、許容範囲内の予測到達位置のうち最も目標到達位置に近い予測到達位置を選択する。そして、選択した予測到達位置に対応する、ボールＢＬを打撃した直後の速度に基づいて、ラケットＲＫの速度及び姿勢を算出する。なお、許容範囲内の予測到達位置のうち最も予測到達時間が短くなる予測到達位置を選択してもよいし、許容範囲内の予測到達位置のうち最も予測到達時間が長くなる予測到達位置を選択してもよい。
【0103】
一方、複数の予測到達位置の全てが許容範囲外の場合は、ステップＳ１１８へ移行する。この場合、複数の予測到達位置の各々について、ボールＢＬがラケットＲＫに打撃された直後の速度を調整する。
【0104】
これにより、複数の予測到達位置と目標到達位置との各誤差のうち少なくとも１つの誤差が許容範囲内となるように、打ち方条件が決定される。
【0105】
（変形例３）
次に、本実施形態の変形例３について説明する。
次に、本実施形態の変形例３について説明する。
【0106】
図４のステップＳ１２２においてラケットＲＫの速度、ラケットの角度α、βを出力した後、ボールＢＬが実際に到達した実到達位置をセンサ部２０で検出し、検出した実到達位置を取得し、さらに実到達位置と予測到達位置との誤差に基づいて、次回以降の打撃において、調整部３６が調整された打撃後速度を補正するようにしてもよい。打撃毎に目標到達位置が異なっていたとしても、実到達位置と予測到達位置との誤差は同じように生じる傾向があるので、次回以降の打撃において誤差が小さくなるように打撃後速度を補正することにより目標到達位置への到達精度を高めることができる。実到達位置と予測到達位置との誤差の測定とそれに基づく打撃後速度の補正を打撃毎に繰り返せば、到達精度を次第に高めていくことができる。なお、目標到達位置や打撃後速度の大きさに応じて補正量を変えるようにしてもよい。また、補正量は機械学習によって求めるようにしてもよい。
【0107】
打撃後速度を補正する代わりに、打ち方条件算出部３７がラケットＲＫによる打ち方条件、すなわちラケットＲＫの位置、速度、及び姿勢の少なくとも何れかを補正するようにしてもよい。そのようにしても、目標到達位置への到達精度を高めることができる。
【0108】
（変形例４）
次に、変形例４について説明する。
次に、変形例４について説明する。
【0109】
本実施形態では、打ち方決定部３２が、エアロダイナミクスやテーブルバウンドモデル等を用いてボールＢＬの軌跡を予測して打ち方を決定する場合について説明したが、学習済みモデルを用いて打ち方条件を決定するようにしてもよい。
【0110】
例えば、打ち方決定部３２を、取得部３１が取得したボールＢＬの状態情報及び目標到達位置を入力とし、打ち方条件、すなわちボールＢＬをラケットＲＫで打ち返す時点の位置、速度Ｖ、角度α、βを出力として学習された学習済みモデルを含む構成とする。これにより、エアロダイナミクスやテーブルバウンドモデル等を用いた計算を省略することができる。
【0111】
なお、本実施形態では、制御装置５０の制御対象であるロボット４０が実機の場合について説明したが、制御装置５０の制御対象が、シミュレーション上で動作するロボットであってもよい。
【0112】
また、本実施形態では、返球ロボット１０が卓球ロボットである場合について説明したが、これに限られない。例えば、返球ロボット１０は、テニスボールを打ち返すテニスロボット、野球のボールをバットで打ち返す野球ロボット等、ボールを扱うスポーツ又は遊びに適用可能である。野球ロボットの場合、例えばユーザーが投げたボールに対してどのような打ち方をすれば目標到達位置に打ち返すことができるかをアドバイスする用途に使用可能である。また、ラケット等の打撃具は、支持部４２に支持される場合に限られない。例えば、ロボットアームの先端の形状が打撃具の形状をしていてもよい。
【0113】
また、上記各実施形態でＣＰＵがソフトウェア（プログラム）を読み込んで実行した打ち方決定処理を、ＣＰＵ以外の各種のプロセッサが実行してもよい。この場合のプロセッサとしては、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等の製造後に回路構成を変更可能なＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）、及びＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が例示される。また、打ち方決定処理を、これらの各種のプロセッサのうちの１つで実行してもよいし、同種又は異種の２つ以上のプロセッサの組み合わせ（例えば、複数のＦＰＧＡ、及びＣＰＵとＦＰＧＡとの組み合わせ等）で実行してもよい。また、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造は、より具体的には、半導体素子等の回路素子を組み合わせた電気回路である。
【0114】
また、上記各実施形態では、打ち方決定プログラムがストレージ３０Ｄ又はＲＯＭ３０Ｂに予め記憶（インストール）されている態様を説明したが、これに限定されない。プログラムは、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）メモリ等の記録媒体に記録された形態で提供されてもよい。また、プログラムは、ネットワークを介して外部装置からダウンロードされる形態としてもよい。
【符号の説明】
【0115】
１０ 返球ロボット
２０ センサ部
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ カメラ
２４ 状態情報算出部
３０ 打ち方決定装置
３１ 取得部
３２ 打ち方決定部
３３ 軌跡予測部
３４ 設定部
３５ 到達位置予測部
３６ 調整部
３７ 打ち方条件算出部
４０ ロボット
４１ 可動部
４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ ロボットアーム
４２ 支持部
５０ 制御装置
ＢＬ ボール
ＲＫ ラケット
２０ センサ部
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ カメラ
２４ 状態情報算出部
３０ 打ち方決定装置
３１ 取得部
３２ 打ち方決定部
３３ 軌跡予測部
３４ 設定部
３５ 到達位置予測部
３６ 調整部
３７ 打ち方条件算出部
４０ ロボット
４１ 可動部
４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ ロボットアーム
４２ 支持部
５０ 制御装置
ＢＬ ボール
ＲＫ ラケット
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
