JP2001515237A - 誘導ビームを使用した自律型運動ユニットのドッキング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は自律型運動ユニット（ＡＥ）のドッキング方法を提供する。走行マヌーバが開示され、これにより限定された狭い空間関係を考慮することができる。さらに種々異なる運動経路が開示される。この運動経路は、誘導ビーム（ＢＥＡ）を探索し、確実かつ信頼できるようにドック装置でドッキングするために連続して走行される。有利にはスリット状の誘導ビーム（ＢＥＡ）が設けられており、この誘導ビーム（ＢＥＡ）はユニットの走行面（ＦＦ）に対して垂直である。ユニットには前記誘導ビーム（ＢＥＡ）を検知する位置感応性の検出器（ＰＳＤ）がユニットの走行面（ＦＦ）に対して平行になるように設けられている。誘導ビーム（ＢＥＡ）と検出器（ＰＳＤ）に基づいて、ユニットのドック装置（ＡＶ）に対する正確なコース（ｂｅｔａ）を検出することができる。ここでユニット（ＡＥ）では超音波または走行距離測定により空間における大凡のコンフィギュレーションが既知である。本発明は有利には家事ロボットまたは工業用清掃ロボットとして使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、自律型運動ユニットを用いて静止位置へもたらすための方法に関す
る。

【０００２】 自律型運動ユニットは、簡単な活動目的、例えば移送、遠隔操作、クリーニン
グなどの目的の実施のために、例えば事務所、病院、工場などの環境において用
いられている。そのような自律型移動ロボットの使用のもとでは、例えばドッキ
ングステーションに品物を移送もしくは渡譲したり、バッテリの交換を実施した
り、あるいはクリーニング装置ではクリーニング機器を交換したりなどの目的か
らこれらの正確なドッキング能力が望まれる。さらなるドッキングのケースは自
律型運動ユニットをガレージへ走行させるべき場合に生じ得る。この場合さらな
る活動要求が生じるまではそのオリエンテーション（方向づけ）が待機状態にお
かれる。この待機期間中は、例えば当該の自律型運動ユニット内に設けられてい
る蓄電池が充電されたり、あるいは機器の自己診断が行われ得る。

【０００３】 そのようなユニットのドッキングの際に生じる問題は、当該の機器を任意のス
タートコンフィグレーションから固定的な所定の終端位置へ移動しなければなら
ないことである。例えばドイツ連邦共和国特許出願第４４２１８０５号明細書か
ら公知の自律型運動ユニットでは、オリエンテーションは超音波センサを用いて
ユニットの車輪で行われる走行距離測定に基づいて実施される。その間は当該機
器のスタート地点から目標地点までの走行が加算され、その際にはコンフィグレ
ーションエラーが走行距離測定と超音波式距離測定のもとでのセンサの不正確性
によって生じ得る。そのため対抗策が何も講じられていない場合には、もはや正
確なオリエンテーションは直ちには不可能となる。前述の特許出願明細書におけ
る対抗策では、自律型運動ユニットで実施された種々の活動を評価する形態がと
られており、その際にコンフィグレーションエラーが監視されている。この場合
過度に大きなエラーが生じた場合には補正手段が導入される。

【０００４】 それ以外のさらなる問題として、ドックステーション内の自律型運動ユニット
を有利には正確に定められた所定の回転方向で正確に定められた外側部分でもっ
てドッキングステーションにドッキングしなければならないことが挙げられる。
しかしながらそのような自律型運動ユニットは通常は三輪運動力学を有しており
、これはアンダーグランドで任意に前進移動させることを不可能にしている。こ
の自律型運動ユニットの三輪運動力学は例えばドイツ連邦共和国特許出願第１９
５２１３５８号明細書において取り上げられている。そこではそれに伴ってこの
種の自律型運動ユニットの計画された走行経路に沿って加算されるスリップ量が
求められている。

【０００５】 本発明の課題は、ドッキングステーション内の所定の終端位置へ自律型運動ユ
ニットを移動させることのできる方法を提供することである。

【０００６】 この課題は請求項１の特徴部分に記載された本発明によって解決される。本発
明の別の有利な構成例は従属請求項に記載されている。

【０００７】 この方法の大きな利点は、ユニット走行面に対して並行に配置されている、当
該誘導ビームのための位置センシング検出器と結びついたユニットの移動ベース
に対して垂直方向に生じるスリット状の光ビームの適用により、誘導ビームの形
態の良好なオリエンテーションの支援が得られることである。それにより、ドッ
キング位置の制御のためのユニットの走行経路制御に対する信号の形成が可能と
なる。

【０００８】 本発明のさらなる利点は、誘導ビームに対して２つの検出手段が設けられ、そ
れらがユニットの主接近方向で相前後して設けられている。それにより当該ユニ
ットのドック装置に対する正確な方向修正が可能となる。

【０００９】 本発明の別の利点は、市販の位置センシング検出器を用いることができる点で
ある。

【００１０】 特に有利には、自律型運動ユニットは次のようなドッキング方法を用いて動作
する。すなわち当該のユニットが送信された誘導ビームに基づいてドック装置に
対する相対的なコンフィグレーションを決定し、その三輪運動力学に基づいてこ
のコンフィグレーションからドッキングを成功させるべくドック装置へ所期のよ
うに到達し得るか否かを求める方法を用いて動作する。これがうまくいかない場
合には、ユニット自体がそこから離れ、ドック装置に対するセンタリングを行う
。この方法は次のような利点を有している。すなわちドック装置周辺に関する情
報を何も必要とせず、しかも容易に実現可能なことである。特に有利には、本発
明によるドッキング方法ではドック装置の周辺に関するデータが用いられてもよ
い。この場合は例えばドック装置と自律型運動ユニットの側壁との間の既知の間
隔が測定され、そこからドック装置の位置が割り出される。付加的な距離測定セ
ンサを用いてドック装置までの間隔が測定され、ユニットの正確な位置が求めら
れ、ドッキング過程の導入が行われる。

【００１１】 特に有利には、本発明によるドッキング方法では、次のような事実が利用され
る。すなわちユニットではそのポジションエラーがわかっており、さらにそのス
タートコンフィグレーション、すなわちドック装置および誘導ビームのポジショ
ン及び回転位置に対するスタートポジションとスタート回転位置が既知である事
実を利用する。それによりユニットは、評価されたポジションエラーに基づいて
、センサによってまだ誘導ビームが検出されていない箇所を正確に求めることが
できる。これはどの方向で誘導ビームをサーチすべきかを正確に知る上で大きな
利点となり、あるいは誘導ビームがこの時点で既に検出器に入射している場合に
は、ユニットがそれに伴ってその位置の不確実性を誘導ビームとの交差で最小化
し得る。

【００１２】 本発明によるドッキング方法のさらなる構成例の利点は、自律型運動ユニット
の移動がそのスタートコンフィグレーションにおいて前進移動と回転移動に分解
される。そのためユニットは狭い周囲環境において１つのループを走行しなけれ
ばならないのではなく、前進走行が実施可能であり、それに続いて、ドッキング
過程に対するスタートコンフィグレーションへ到達するために、当該箇所におい
て回転移動を実施したり、ないしは当該の移動過程を逆の順序で実施することが
できる。

【００１３】 本発明による方法の別の有利な実施例によれば、ユニットがそのスタートポジ
ションに対して前進又は後進し、このようにして場所的な状況を有利に利用し得
るために、すなわちユニットは必ずしも当該箇所において反転させる必要はなく
、まずスタートポジションにおいて反転でき、スタートポジションまでの最も直
接的な距離を走行することも可能である。

【００１４】 特に有利には、このユニットは本発明による別の有利な実施例において、その
位置を検出器によって検出された誘導ビームの既知の位置に基づいて新たに決定
する。この場合ユニットは誘導ビームを送信でき、ドック装置も送信が可能であ
る。またドック装置が誘導ビームを送信できない場合には、無線もしくは赤外線
の１回の伝送ごとの検出結果をユニットの制御コンピュータに伝送する必要があ
る。これにより本発明の適用では、誘導ビームをドック装置にのみ設ける必要が
ない。

【００１５】 特に有利な本発明の方法の別の実施形態では、誘導ビームをユニットが探索し
、自身が誘導ビームの推定位置または推定経路に複数回交差するように試行する
。

【００１６】 有利には、本発明の方法の別の実施形態における自律型運動ユニットは誘導ビ
ームの推定経路に複数回交差するミアンダ形の経路上を運動する。

【００１７】 特に有利な本発明の方法の別の実施形態では、誘導ビームをサーチするための
サーチ経路のミアンダ形状が変更される。これは誘導ビームがミアンダ形のサー
チ経路へ出発するための転換点と推定誘導ビームとの距離を拡大または低減する
ことにより行われる。なぜならこのために誘導ビームを検出するサーチ領域が連
続的に拡大されるからである。

【００１８】 有利な本発明の方法の別の実施形態では、自律型運動ユニットが誘導ビームの
推定経路に一方側で交差し、次に他方側で交差するように試行する。その際にこ
のユニットはまず一部分平行に移動し、ドック装置に対してサーチ過程の開始時
と同じ距離にある出発位置へ再び達する。

【００１９】 有利な本発明の方法の実施形態では、ユニットはジグザグ状のコースに沿って
ドック装置に対して平行にほぼ同じ距離をとったまま誘導ビームを横切って移動
することにより誘導ビームを探索し、その際にユニットは検出器および誘導ビー
ムが前進走行および後進走行時に相互作用するように配向されている。すなわち
ジグザグコースの方向転換マヌーバは存在しない。これにより僅かな走行区間で
大きな幅領域をカバーすることができ、誘導ビームはこのようにして確実に検出
され、かつドック装置の位置はこのようにして確実に検出される。

【００２０】 特に有利な本発明の方法の有利な実施形態では、自律型運動ユニットは誘導ビ
ームが検出された後に誘導ビームに沿ってドック装置へ運動される。

【００２１】 以下に本発明の実施例を図に即して詳細に説明する。ここで“自律型運動ユニ
ット”という概念と“ロボット”という概念とは同義であるが、このことは本発
明の対象範囲を限定するものではない。

【００２２】 図１にはドッキング過程での自律型運動ユニットが示されている。図２には使
用される座標系の例が示されている。図３には本発明のドック装置の実施例が示
されている。図４には本発明のドック装置のジオメトリ関係の例が示されている
。図５にはスタート時のコンフィグレーションを求める実施例が示されている。
図６にはスタート時のコンフィグレーションに対する走行の様子が示されている
。図７には誘導ビームに即した位置検出の様子が示されている。図８には誘導ビ
ームを検出するためのセンサデータの評価が示されている。図９〜図１１にはド
ック装置を位置決めするためのサーチ過程が示されている。図１４にはフローチ
ャートが示されている。

【００２３】 図１、図２には自律型運動ユニットが３輪運動機構、例えば制御輪ＳＴおよび
駆動輪Ａ１、Ａ２を有することが示されている。この自律型運動ユニットＡＥは
ドッキング位置では例えば搬送物の引き渡しまたは受け取りのための搬送ローラ
ＴＲを備えたドック装置ＡＶに接する個所にあり、また静止位置で軸線ｘ、ｙの
交点にある。ドック装置ＡＶ近傍の任意の回転位置では自律型運動ユニットは例
えばコンフィグレーションＰ（ｘ，ｙ，ｂｅｔａ）にあり、ここでｂｅｔａは主
接近方向ＨＡからドック装置ＡＶのｘ軸線に対する回転角である。自律型運動ユ
ニットが数ｍの距離を走行した後にドック装置にドッキングする場合には、固有
コンフィグレーション予測における誤差は２０ｃｍであり、配向誤差は５゜であ
る。したがってここで生じうるドック装置ＡＶに対する相対的な位置検出誤差を
較正しなければならないという問題が発生する。ユニットはドッキング中にドッ
ク装置に対する相対的な位置を正確に検出しなければならない。このためにドッ
ク装置に対する相対位置を検出するセンサが必須である。ユニットが走行しなが
ら、例えば超音波センサを用いて活動している際に周囲環境の走行距離測定に基
づいて配向される場合、この手段ではユニットを正確にドック装置にドック入り
させるのに充分ではない。このために専用のドック装置および所望のドッキング
法が必要となる。ユニットがその周囲環境においてどのように配向され、どのよ
うに活動ないし評価するかということは、冒頭に言及した従来の技術から判る。
ドッキング過程で発生する別の問題は、ユニットＡＥを３輪運動機構のために任
意に操縦できないことである。ドック装置ＡＶの直接近傍では自律型運動ユニッ
トＡＥは側方の充填部材を有しており、この側方の充填部材はドック装置への同
時の接近時のマヌーバ手段によって補正可能である。したがってユニットが再び
ドック装置から前方へ運動される場合には、ユニットはドック装置に対してセン
タリングされ、所定のドック位置への次のドック入り過程において所望のエンド
コンフィグレーションに達する。有利にはドック位置への走行路はドック装置へ
の距離が充分にあるうちに予めプランニングすることができる。これは言及した
従来技術の３輪運動機構およびプランニングアルゴリズムを利用することにより
行われる。付加的に誘導ビームを検出するために意図されたプレーシングストラ
テジおよび走行ストラテジが利用される。

【００２４】 図２に示されているように、本発明の方法では例えば種々の座標系ｙ＿ｗ、ｘ
＿ｗ；ｘ＿ｒ、ｙ＿ｒ；ｘ＿ｌ、ｙ＿ｌなどが使用される。これらの座標系によ
り自律型運動ユニットのローカルな車輪座標における種々の位置が示され、また
ｘ＿ｄ、ｙ＿ｄによりドック装置ＡＶのローカルな座標系における種々の位置が
示され、ｘ＿ｌ、ｙ＿ｌにより光源ＬＱの種々の位置が示される。誘導ビームは
ここではＢＥＡで示されている。この実施例ではセンサユニットＳＥは位置に感
応する検出器ＰＳＤ１、ＰＳＤ２から構成されており、これらの検出器の測定結
果から、入射した光ビームの角度の三角関数を使用して距離を求めることができ
る。ドッキング法はこの場合複数の要素、すなわち ａ）スタートコンフィグレーションの検出 ｂ）スタートコンフィグレーションまでの走行 ｃ）位置検出 ｄ）誘導ビームのサーチ ｅ）ドッキング過程 ｆ）障害物に対する行動 から成る。

【００２５】 計算に関与する各対象物は、（他の対象物に対し相対的な、外界に対し相対的
な）特定のコンフィグレーションを有する。これらのコンフィグレーションの各
々によって、１つの座標系が形成される。

【００２６】 表記： ｘ_a,ｙ_a 座標系ａにおいて表されるポイント β_a 座標系ａにおいて表される角度 （ｘ_a,ｙ_a, β_a）_b または（ｘ,ｙ, β）_a,b ｂ内で表された（つまりある座標系に対し相対的に表された）座標系（コンフ
ィグレーション）ａ（ｂのない記述は絶対座標系に対し相対的であることを意味
する） 計算にあたり、以下の座標系があたえられる： ・（ｘ，ｙ，β）_w 絶対座標（暗黙的） ・（ｘ，ｙ，β）_r,w 絶対座標に対し相対的なロボット座標系 ・（ｘ，ｙ，β）_s,r ロボット座標に対し相対的なセンサユニット座標系 ・（ｘ，ｙ，β）_d,w 絶対座標に対し相対的なドッキングステーション座標系 ・（ｘ，ｙ，β）_l,d ドッキングステーション座標系に対し相対的な誘導ビーム
座標系 これらから以下が計算される： ・（ｘ，ｙ，β）_s,w 絶対座標に対し相対的なセンサユニット座標系 ・（ｘ，ｙ，β）_l,w 絶対座標に対し相対的な誘導ビーム座標系 図３に示されているようにこの実施例の場合、ドッキングステーションＡＶは
光源ＬＱを有しており、その光はシリンダレンズＬＳまたはスリット絞りによっ
て扇状の誘導ビームＢＥＡとなるように広げられる。そしてこの誘導ビームは、
自律型運動ユニットＡＥの走行平面ＦＦに対し垂直に位置する。さらにドッキン
グステーションＡＶにはたとえば赤外線受信機ＩＲＥが設けられており、これに
より信号受信時に光源ＬＱをアクティブにすることができる。光源ＬＱとして有
利には、シャープにビームを発生するレーザまたは赤外線レーザを用いることが
できる。しかし、扇状の誘導ビームを生じさせることのできる他の形態の光源も
想定できる。図３に示されている自律型運動ユニットはたとえば位置感応検出器
ＰＳＤ１と位置感応検出器ＰＳＤ２を有しており、これらはいっそう高度な分解
能を達成する目的で、有利には直線的にＨＡに対し垂直にかつユニットの走行平
面に対し平行に配置されており、これによって扇状誘導ビームＢＥＡの位置を精
確に検出することができる。これについては図４を参照して説明する。たとえば
自律型運動ユニットにはフィルタＦＬが設けられており、これは外光による干渉
を阻止できるよう光源ＬＱの周波数範囲内の光だけを通過させる。さらにたとえ
ば、自律型運動ユニットには制御装置ＳＴが設けられている。この制御装置はデ
ータラインＤＬを介して、位置感応検出器ＰＳＤ１からは実例として電流信号Ｉ
１，Ｉ２を、位置感応検出器ＰＳＤ２からは実例として電流信号Ｉ３，Ｉ４を受
け取る。これらの電流信号に基づき、あとで図４を参照して説明するように、光
源ＬＱつまり扇状の誘導ビームＢＥＡに対し相対的なユニットの旋回位置を求め
ることができる。これに加えてユニットはたとえば赤外線送信機ＩＲＳも有して
おり、これはドッキングステーションＡＶに設けられている赤外線受信機ＩＲＥ
と通信することができ、これにより自律型運動ユニットＡＥがドッキングステー
ションＡＶに近づいたときに、光源ＬＱをスイッチオンさせることができる。こ
こに示されているドッキングステーションの構成は最も有用な実施形態であって
、これによれば自律型運動ユニットに、その制御プロセスにも必要とされる評価
手段が設けられているけれども、ユニット内に光源を設け、ドッキングステーシ
ョン内に位置測定用の評価手段を設け、赤外線送受信機または他の伝送手段を用
いてデータをユニットへ伝達するのも、場合によっては有用であるかもしれない
。位置感応検出器ＰＳＤ１およびＰＳＤ２が走行平面に関してその高さを変える
ことになるユニットの積載状態においても、ドッキングプロセスが実行できなく
なってしまうことのないよう、有利には誘導ビームはベースつまりユニットの走
行平面ＦＦに対し垂直に扇状に平行に広げられている。また、周囲光を厳密に区
別できるようする目的で、誘導ビームないしはレーザビームをパルス状にすると
よい。たとえば制御装置ＳＴ内に、実例としてレーザのパルス周波数と同期のと
られた位置感応検出器ＰＳＤ用の評価エレクトロニクスが設けられている。とは
いえ、市販の位置感応検出器の代わりに比較的低い分解能のホトダイオードを設
けてもよく、ときとしてはドッキングプロセスにとってそのような分解能で十分
である。

【００２７】 図４に示されているように、両方の位置感応検出器あるいは場合によっては２
列のダイオードは、ドッキングステーションへ向かう自律型運動ユニットの主近
似方向ＨＡに関して互いに間隔ｄをおいて相前後して配置されている。なお、図
４は走行平面ＦＦを上から見た様子を示している。光源ＬＱから送出された誘導
ビームＢＥＡはたとえばフィルタＦＬを通過し、まず最初に位置感応検出器ＰＳ
Ｄ１に入射し、ついて位置感応検出器ＰＳＤ２に入射する。この場合、これら両
方の位置感応検出器ＰＳＤ１，ＰＳＤ２はともに長さＬを有している。図４の場
合には主接近方向ＨＡは同時に、両方の検出器ＰＳＤ１，ＰＳＤ２の対称軸も成
しており、したがって検出器ＰＳＤ１，ＰＳＤ２に到達したときに誘導ビームＢ
ＥＡと主接近方向ＨＡとの距離Ｙ１およびＹ２を測定することで、各検出器の間
隔ｄを利用して角度ｂｅｔａを自律型運動ユニットの旋回状態として求めること
ができる。先に述べたとおり、位置感応検出器はたとえば電流Ｉ１，Ｉ２ないし
はＩ３，Ｉ４を送出する。そしてこれらから次式に従ってｙ１およびｙ２を求め
ることができる。

【００２８】

【数１】

【００２９】 このことからｂｅｔａは ｂｅｔａ＝αｔａｎ（（ｙ１−ｙ２）／ｄ） （３） となる。

【００３０】 有利には本発明による装置の場合、外光の影響を最小にし、誘導ビームＢＥＡ
をいっそう厳密に位置測定できるようにする目的で、フィルタＦＬが設けられて
いる。その際、検出器ＰＳＤ１，ＰＳＤ２の信号を準備処理する増幅器エレクト
ロニクスを設けるとよい。ここではたとえばまずはじめに、パルス化されたレー
ザ光が存在しているか否かをチェックし、存在しているならば、検出器から送出
された電流信号から対応する距離ｙ１，ｙ２を求める。実例として制御装置ＳＴ
内の増幅器エレクトロニクスはロジック装置を有しており、これによってパルス
化されたレーザ光が両方の位置感応検出器に当射したか否かが評価される。当射
しているならば、対応する信号がアナログ／ディジタル変換器へ転送され、これ
によりたとえばｂｅｔａに関する角度信号がディジタル値としてロボットコント
ロールプログラムへ供給される。このようにして求められた角度ｂｅｔａを用い
て、自律型運動ユニットまたはそのコントロールプログラムは、ユニットをター
ゲットまで正確に導く走行経路をプラニングすることができる。

【００３１】 図５に示されているように、自律型運動ユニットＡＥは、光源ＬＱから放射さ
れる誘導ビームＢＥＡの探索を開始するために、位置不確実性ＰＵを有する出発
位置１Ａからスタート位置１Ｂに到達しなければならない。スタートコンフィグ
レーションの決定のためにドッキング装置に接近する場合にロボットは任意の方
向から来ることができ、位置推定は所定の不確実性を有する。位置不確実性のた
めに誘導ビームは最初はＰＳＤセンサによって検出されないことを前提とする。
スタートコンフィグレーションＫs＝(ｘ＿ｓｔａｒｔ，ｙ＿ｓｔａｒｔ，０)_l は有利には、このロボットがドッキング装置の前方少なくとも１ｍ（ｘ＿ｓｔａ
ｒｔ＝１００）に存在しかつ誘導ビームから数センチメートル（ｙ＿ｓｔａｒｔ
＝１０）ずれて存在するように決定される。この場合、後続の探索マヌーバによ
って誘導ビームを迅速に発見しなければならない。図５ではこの誘導ビームは例
えば右に向かって探索される。

【００３２】 図６に示されているように、出発コンフィグレーションＫＡから異なるパスＷ
１乃至はＷ２によって様々なコンフィグレーションＫＥ、Ｋ２、Ｋ３に到達する
ことができる。Ｗ１はこの場合従来の調整器を使用することによって走行するパ
スを示す。この場合、このユニットがその目標コンフィグレーションへと前進し
て到達しようとする場合には大きなループを描くことが明らかに分かる。例えば
狭い通路の場合のように所与の空間が狭い場合には、この走行方法は不可能であ
り、本発明では他の走行方法が提案される。この他の走行方法ではこのユニット
はまず最初に前進してパスＷ２を走行し、次いでＰ１においてその場で回転する
。スタートコンフィグレーションへの正確な接近は第１の比較的大きな問題であ
る。

【００３３】 簡単なコンフィグレーション調整器は、次のような場合には良好に機能する。
すなわち、目標コンフィグレーションがロボットのすぐ前に乃至は後ろに存在す
る場合及び目標オリエンテーションがスタートオリエンテーションからあまり大
きく偏差していない場合、すなわち図６に図示されているように、 ａ）ＫａのロボットオリエンテーションとＫｅのロボットオリエンテーションと
が最大角度（例えば４０°）だけしか互いに異ならない場合（例えばＫ２）及び
ｂ）エンドコンフィグレーションが扇形［−ｂｅｔａ、＋ｂｅｔａ］内部におい
て初期コンフィグレーションの前に乃至は後ろに存在する場合には良好に機能す
る。

【００３４】 このような調整器は例えば次のスキームに従って作動することができる。

【００３５】 この調整ルールは

【００３６】

【数２】

【００３７】 であり、ここでｖは走行方向における速度、ωは走行方向の変化（角速度）を意
味する。さらにρは瞬時のコンフィグレーションと目標コンフィグレーションと
の間の間隔を意味し、φは瞬時のコンフィグレーションと目標コンフィグレーシ
ョンとの間の角度を意味し、αは瞬時の走行方向と目標方向との間の角度を意味
する。

【００３８】 図６の目標コンフィグレーションＫｅは例えば上記の条件ａ）に反している。
従来の調整器はパスＷ１を走行する。このパスＷ１は十分に自由に走行可能な周
囲の余地を要求する。しかし、しばしば実際にはこのユニットの運動可能空間は
壁によって制限されている。したがって本発明の範囲内では、良好に機能する次
のような方法が記述される。

【００３９】 Ｋｅがいわゆる「困難なエンドコンフィグレーション」（条件ａ及び/又はｂ に違反する）である場合、２つの中間目標地点Ｐ１及びＰ２がこのエンドコンフ
ィグレーションに対するライン上に存在しかつそれぞれ所定の距離ｄ（ほぼ５０
ｃｍ）だけこのエンドコンフィグレーションの前方乃至後方にあるようにこれら
２つの中間目標地点Ｐ１及びＰ２が決定される。

【００４０】

【数３】

【００４１】 これに基づいてこれら両方の可能な中間地点までの距離ｄ１及びｄ２が決定さ
れる。

【００４２】

【数４】

【００４３】 次の走行マヌーバの際に、有利にはまず最初に任意のオリエンテーションで初
期コンフィグレーションのより近傍にある地点に接近する。これは図６ではＰ１
であり、このＰ１においてこのロボットはコンフィグレーションＫ２に到達する
。この地点に到達すると、このロボットはこの場所でＫ２からＫ３へとエンドコ
ンフィグレーションが要求するのと同一の回転状態になるまで回転する。エンド
コンフィグレーションへの正確に調整された接近は比較的簡単である。というの
も、このロボットは所定の距離だけ前進乃至は後進しさえすればよいからであり
、この場合Ｋ３から後進方向にＫｅに後進しさえすればよいからである。例えば
地点Ｐ１の近傍で障害物が走行を阻止する場合、まず最初にさらに遠くにある地
点Ｐ２に接近し、次いでエンドコンフィグレーションに接近するように構成され
る。

【００４４】 比較的簡単な走行マヌーバのためには、上記の調整器の品質で十分である。上
記の方法によってロボットはスタートコンフィグレーションから任意のエンドコ
ンフィグレーションに導入運動なしに接近することが可能である。このマヌーバ
実施のために必要な場所はできるだけ小さく保持される。

【００４５】 図７に示されているように、ユニットＡＥは光源ＬＱ及びこの光源から放射さ
れるビームＢＥＡに基づいて自身の位置を求めることができる。このロボットが
スタートコンフィグレーションに到達すると、連続的な位置決定が行われる。こ
の位置決定は通常は絶対座標系（ｘ，ｙ，β）_r,wにおいてのみ行われ、付加的 にさらに誘導ビーム座標系（ｘ，ｙ，β）_r,lで行われる。全ドッキングマヌー バに対しては誘導ビーム座標系（ｘ，ｙ，β）_r,lにおけるロボットコンフィグ レーションのみが使用される。最初に瞬時のロボットコンフィグレーション及び
ロボットの走行距離測定データ（ｄｘ，ｄｙ，ｄβ）を絶対座標系から誘導ビー
ム座標系に変換する必要がある。すなわち

【００４６】

【数５】

【００４７】 位置決定においては有利には次のように実施される。

【００４８】 １）誘導ビームがＰＳＤセンサユニットの両方のＰＳＤセンサのうちのいずれに
よっても検出されない場合、位置決定は有利には専ら次の方程式に基づいて走行
距離測定情報によって行われる。すなわち

【００４９】

【数６】

【００５０】 ただしここでＷ_sは輪距の１／２であり、ｕ_rk及びｕ_lkは両方のホイールにおけ る運動変化を示す。インデックスｋは離散的な状態を示す。

【００５１】 ２）誘導ビームが両方のＰＳＤセンサのうちの１つＰＳＤ１だけによって確実に
検出される場合、ＰＳＤ１における光到達地点、ｙ１位置を介して誘導ビーム ｙ_lを基準にしてロボットの位置の決定だけが行われる。ロボットオリエンテー ションβ_lの決定及び誘導ビームｘ_lに沿った並進運動はさらにホイール運動を介
して検出される。

【００５２】

【数７】

【００５３】 ３．）誘導ビームが２つのＰＳＤセンサによって確実に捕捉検出されると、ロボ
ットの、誘導ビームｙ１に対して法線上のオリエンテーションβ１および位置は
有利には専らＰＳＤデータを介して求められる。誘導ビームｘ１に沿った並進運
動は更に車輪運動を介して捕捉検出される。

【００５４】

【数８】

【００５５】 図８には、位置感応検出器ＰＳＤ１およびＰＳＤ２によるセンサデータの評価
の際の幾何学的な所与の条件が示されている。

【００５６】 ＰＳＤデータの評価によってｙ１およびｙ２から、ｙｒ，１，ｎｅｕおよびβ
ｒ，１，ｎｅｕが計算される。

【００５７】 ＰＳＤセンサに対する誘導ビームの着弾角度は次の通りである：

【００５８】

【数９】

【００５９】 これに更にπが加算される。というのは、誘導ビームは、光源から経路を示す
ベクトルとしてモデル化されるからである。

【００６０】 β＝α＋π そこでβは、センサユニット座標系における誘導ビームの方向である。ロボッ
ト座標における誘導ビームのオリエンテーションを可能にするために、βは更に
、ロボット座標に変換されなければならない。

【００６１】 β→γ γ＝β＋βｓ，ｒ 図８において、β_s,rすなわちセンサユニットの座標系のロボット座標系に対 する回転は正確にπである。このことは起こりそうなことである。というのは確
かにロボットは普通、誘導ビームに沿って後ろ向きに走行しながらドッキングし
、従ってセンサヘッドは後ろに向かって配向されているからである。しかし、例
えばロボットが側方向に走行することができるようなときには別のコンフィギュ
レーションも考えられる。

【００６２】 γは今やロボット座標における誘導ビームの方向であり、すなわち−γは誘導
ビーム座標におけるロボットの方向（＝オリエンテーション）である。従って次
式が見つけ出されている。

【００６３】 βｒ，ｌ，ｎｅｕ＝−γ

【００６４】

【外１】

【００６５】 ドッキング過程の前の位置エラーは、実際にはしばしば、ＰＳＤセンサの寸法
より大きい場合も多く、従ってロボットは適当なマヌーバによってセンサをビー
ム内に持っていかなければならない。このためにスタート位置に達するや否や、
適当なサーチ位置が計算されかつそれから順番にそれをめがけて走行される。こ
の場合、誘導ビームの、センサへの許容入射角度は制限されているかも知れない
ことに注意すべきである（例えば±８゜：ＰＳＤセンサの前の干渉フィルタに基
づいて、余りに浅く入射するビームは捕捉範囲内に反射されない）。従ってサー
チ位置は相応に選択されなければならない。次のサーチストラテジが有利である
。というのはこれらは実験により実証されているからである。

【００６６】 図９には、光源ＬＱから誘導ビームＢＥＡを送出するドッキング装置の位置を
突き止める（ロカライズする）ためのサーチパスが示されている。自律ユニット
ＡＥはこの時点でサーチパスＰ上を走行する。このパスは誘導ビームＢＥＡの仮
想の経過と複数回交差している。ロボットは図９においてサーチ領域を一度左後
方に点１まで移動しかつもう一度右後方に向かって点３まで移動する。点１およ
び２の間で、このユニットは前方に移動する。点３に達した際に誘導ビームが見
つからなければ、エラーメッセージによって中断される。

【００６７】 図１０には、誘導ビームの位置を突き止めるためのサーチパスの別の実施例、
従ってドッキング装置が示されている。ここでも光源ＬＱは誘導ビームＢＥＡを
送出する。誘導ビームのサーチのためにユニットはジグザグ形状のコースＰ５に
沿って走行する。ロボットは図１０に図示のサーチマヌーバ方法ではジグザグコ
ースにおいてまず、矢印１で示されているように、前以て決められた距離だけ右
に移動する。光ビームが見つからなければ、同じジグザグコースを反対の方向に
移動するが、今回は矢印２で示されているように、比較的長い距離を移動する。
サーチ距離が増えていく左および右へのこのサーチは、矢印３によってシンボラ
イズされているように、任意に続けることができる。

【００６８】 図１１に示されているように、光源ＬＱから送出される誘導ビームＢＥＡの位
置を突き止めるために、ミアンダ形状のコースＰ１０を走行する可能性もある。
この場合このコース上をユニットＡＥは光源の方向において後ろ向きに移動する
。

【００６９】 ロボットはドッキングステーションの手前の遠く離れたところから既に後ろ向
きに走行開始するとき、ロボットはビームを１回の蛇行形状の後ろ向き走行によ
ってサーチすることができるはずである。勿論振幅は再び変えるようにすること
ができる。このマヌーバは実験ロボットでは行われなかった。

【００７０】 図１２および図１３には、光源ＬＱから送出される誘導ビームの追跡の際の問
題が示されている。図１２において、自律型運動ユニットＡＥはサーチパスＰ２
０に沿って走行し、その際これは点Ｋ１０においてセンサの捕捉領域から誘導ビ
ームを失い、かつそれから目標点ＫＥに達するためには、このビームを再び見付
けなければならない。この目的のために、図１３には自律型運動ユニットがコー
スＰ３０に沿ってそこに向かって移動する中間位置ｘ＿ｍｉｔｔｅｌを設定する
と効果的であることが示されている。というのはこれにより、誘導ビームＢＥＡ
がセンサの視野から失われることを回避することができるからである。まず、ド
ッキング装置の前のスタートコンフィギュレーション（ｘ＿ｓｔａｒｔ，０，０
）から走行が始められる。この場合、場合によっては、位置およびオリエンテー
ションに関するロカライズの不確実性は、誘導ビームがまだ全く見えない（すな
わち誘導ビームがＰＳＤセンサにぶつからない）程度に大きくなることがある。
したがってロボットはビームへのサーチをスタートする。

【００７１】 ロボットがビームを見付けると、基本的に２つの可能性がある。

【００７２】 １．）固有の制御器によって、ロボットは光ビームをドッキングコンフィギュレ
ーションＫＤまで正確に追跡しようとする。

【００７３】 ２．）ロボットが従来のコンフィギュレーション制御器によって走行開始する適
当な中間コンフィギュレーションの定義。

【００７４】 制御器を備えたロボットが誘導ビームを正確に追従すべき場合には、ロボット
が自分の走行運動の結果としてビームを再び失うことがあるという問題が生じる
。このことは、図１２にＫ１０により示したように、ロボットがビーム探索中に
ビームに対して例えば＞１０゜の比較的大きな相対角度の下にあるとき簡単に生
じ得る。誘導ビームの再度の発見は相応の探索ストラテジにより可能である。し
かし有利には従来のコンフィギュレーション制御器を使用する。このためにスタ
ートコンフィギュレーションの他に２つの別のコンフィギュレーションを検出す
る。１つは中央コンフィギュレーション（ｘ＿ｍｉｄｄｌｅ，０，０）であり、
本来のドッキングコンフィギュレーションの直前にある。そしてもう１つはエン
ドコンフィギュレーショ（ｘ＿ｆｉｎａｌ，０，０）であり、これは図１３では
ドッキングコンフィギュレーションの直後にある。

【００７５】 まずロボットは、中央コンフィギュレーションに走行する。中央コンフィギュ
レーションへの走行が成功すると、ロボットはすでに正確に配向されていること
になり、したがってロボットは大きな比較的に大きな制御ぶれなしで、すなわち
ビームを失うことなしにドッキングコンフィギュレーションＫＤに逆進すること
ができる。中央コンフィギュレーションに到達する直前に、すでに新たな目標、
すなわちエンドコンフィギュレーションが設定される。ロボットは目標に到達す
る前にエンドスイッチにより停止することができる。

【００７６】 図１４は、ステップ１００乃至５３０からなるドッキング過程を示す。命令１
００によりドッキング装置にドッキングするための命令が入力される。プロセス
１５０で自立型運動ユニットはスタート位置へ走行し、ステップ１３０では検出
器が誘導ビームを検出するまで誘導ビームが探索される。誘導ビームを検知した
ことは矢印１７０により示されている。さらに矢印１８０から、スタート位置に
到達したことが指示される。２つの検出器がすでに誘導ビームを検出していれば
、ステップ１６０が実行され、その後にプロセスステップ４００にジャンプする
。それ以外の場合はプロセスステップ２００が続き、このステップでは種々異な
る探索経路ストラテジの種々異なる探索位置が初期化される。ステップ２１０に
は、種々異なる探索位置への走行を行うプロセスステップ２５０が続いている。
相応の位置に到達していなければ、ステップ２３０により戻りジャンプする。ス
テップ２７０では、どの探索位置に目下のところ達したかがさらに通報され、ス
テップ３００でどの探索位置に走行すべきかが検査される。最後の探索位置にす
でに達していれば、ステップ３０５を介して探索過程が中断され、プロセスステ
ップ３１０で探索過程の失敗が検出される。最後の探索過程にまだ到達していな
ければ、ステップ３２０を介してプロセスステップ３５０が続く。このプロセス
ステップは探索位置の番号を１だけ高め、これに基づきステップ２２０が実行さ
れる。このステップ２２０にはプロセス２５０が新たに続く。２つの検出器が誘
導ビームを検出していれば、ステップ２６０が続く。このステップも同様にプロ
セス４００をトリガする。プロセスステップ４０では、ユニットが誘導ビームに
沿って正確に配向される。正確に配向されない場合には、プロセスステップ４３
０で位置が補正される。中央位置に達していれば、プロセスステップ４１０にプ
ロセス５００が続き、このプロセス５００によりドッキング位置への走行が行わ
れる。プロセスステップ５３０により目下の位置が検査され、ドッキング位置に
まだ達していなければ、プロセス５００が実行される。プロセスステップ５１０
でエンド位置への到達が通報され、プロセスステップ５２０でドッキング過程の
成功が検出される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H301 AA01 BB05 BB14 CC03 CC06 EE10 EE13 GG10 GG11 GG23 GG28 HH01 HH02

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自律型運動ユニット（ＡＥ）をドック装置で、誘導ビームを
   使用してドッキングする方法において、 ａ）環境座標系におけるドック装置（ＡＶ）の目標座標およびその回転位置、す
   なわち誘導ビームの配向と前記ユニットの固有位置および回転位置とを当該の自
   律型運動ユニット（ＡＥ）において走行開始時に既知とし、 ｂ）自律型運動ユニットはその環境内を少なくとも１つの距離測定センサにより
   オリエンテーション運動し、該距離測定センサによりユニットは環境中の障害物
   までの間隔を測定し、走行距離測定によりユニットは走行開始から走行した距離
   区間を測定し、当該の測定から既知の方法に基づいて環境座標系（ｘ、ｙ）にお
   けるユニットの座標とその位置不確実性（ＰＵ）を計算し、 ｃ）自律型運動ユニットはドッキング過程（１Ｂ）に対するスタート位置へ走行
   し、該スタート位置では、自律型運動ユニットがその回転位置を基準にして誘導
   ビームを検知するための検出器（ＳＥ）と誘導ビームとが共働作用することがで
   き、目下の位置不確実性を考慮して検出器が誘導ビーム（ＢＥＡ）を検知しない
   ように配向されており、自律型運動ユニット（ＡＥ）は目標座標の方向へ走行し
   、誘導ビーム（ＢＥＡ）を探索し、該誘導ビームをその検知（ＳＥ）のために設
   けられた検出器と関連してドッキングのために使用する、 ことを特徴とするドッキング方法。
2. 【請求項２】 自律型運動ユニットは、ユニットの３輪運動学と関連した空
   間的条件によりスタート位置とスタート回転位置の形のスタートコンフィギュレ
   ーションに簡単な前進走行ないし後進走行および操舵によって到達できない場合
   には、まずスタート位置（Ｐ１）へ走行して次にその箇所でスタート回転状態（
   Ｋ３）への回転を実行するか、またはまずその箇所で回転を実行して次にスター
   ト位置へ走行する、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 ユニット（ＡＥ）は前進または後進でスタート位置へ走行す
   る、請求項１または２記載の方法。
4. 【請求項４】 ユニット（ＡＥ）の位置を、誘導ビーム（ＢＥＡ）を検出器
   （ＳＥ、ＰＳＤ１、ＰＳＤ２）により検出した後、当該の誘導ビームの既知の位
   置に基づいて誘導ビームに対して相対的に検出器と関連して新たに設定し、これ
   により誘導ビーム（ＢＥＡ）に対して横方向の位置不確実性（ＰＵ）を最小にす
   る、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 【請求項５】 ユニット（ＡＥ）は誘導ビームに対して複数回交差するよう
   に走行する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 【請求項６】 ユニット（ＡＥ）はミアンダ状の探索経路を走行する、請求
   項５記載の方法。
7. 【請求項７】 ミアンダ状の探索経路を走行するための転回マヌーバは誘導
   ビームの推定位置に対する間隔により変化する、請求項６記載の方法。
8. 【請求項８】 ユニット（ＡＥ）は誘導ビーム（ＢＥＡ）を探索するために
   まずドック装置（ＡＶ）に向かって移動し、誘導ビーム（ＢＥＡ）の推定経路を
   交差し、次に誘導ビームの推定経路に対して平行に区間を走行し、続いてドック
   装置（ＡＶ）の方向に走行しながら再度交差する、請求項５記載の方法。
9. 【請求項９】 ユニット（ＡＥ）はジグザグ状の探索経路を走行し、該ジグ
   ザグ状の探索経路は誘導ビームの推定経路に対して横方向に延在し、前進走行、
   後進走行で転回マヌーバなしで解決される、請求項４記載の方法。
10. 【請求項１０】 ユニット（ＡＥ）は誘導ビーム（ＢＥＡ）を検知した後、
    該誘導ビームを検出器を使用してドック装置（ＡＶ）まで追従する、請求項１か
    ら９までのいずれか１項記載の方法。