CN107531469A - 叉车 - Google Patents

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Abstract

一种叉车(10)，具备：叉(22)；移动机构(40)，其使叉(22)在第1方向上移动；激光传感器(20)，其安装于叉(22)，使激光在与第1方向交叉的第2方向上进行扫描，并根据扫描了的激光的反射光对与周边物体的距离进行计测；运算装置(34、36)，其基于一边对移动机构(40)进行驱动来使叉(22)在第1方向上移动一边使激光在第2方向上进行扫描时由激光传感器(20)取得的距离数据，生成激光所照射的范围的三维距离图像。

Description

叉车
技术领域
本申请主张基于在2015年5月12日申请的日本国专利申请第2015-097487号的优先权。该申请的所有内容可通过参照而援用到本说明书中。本说明书所公开的技术涉及叉车。
背景技术
在利用叉车进行取货作业时，需要避免叉与托盘(英文：pallet)发生干涉。在日本国专利公开公报第2005-89013号所公开的叉车中，通过反射型光传感器，对托盘的开口的上端以及下端进行检测。并且，算出叉的上表面与托盘的开口的上端的间隙、以及叉的下表面与托盘的开口的下端的间隙，对叉的位置进行调整以使得这些间隙成为适当的值。
发明内容
发明要解决的课题
为了利用叉车进行准确的取货作业，需要提高托盘位置的识别精度。但是，在以往的技术中，虽然能够检测托盘的高度方向上的偏差，但无法检测横向上的偏差和/或与旋转有关的偏差。
本说明书公开了一种能够以简单的结构检测托盘的横向上的位置偏差和/或与旋转有关的偏差的叉车。
用于解决课题的方案
本说明书所公开的叉车具备：叉；移动机构，其使叉在第1方向上移动；激光传感器，其安装于叉，使激光在与第1方向交叉的第2方向上进行扫描，并且根据进行扫描的激光的反射光对与周边物体相距的距离进行计测；以及运算装置，其基于一边对移动机构进行驱动来使叉在第1方向上移动一边使激光在第2方向上进行扫描时由激光传感器取得的距离数据，生成激光所照射的范围的三维距离图像。
在上述叉车中，由于激光传感器安装于叉，所以当叉在第1方向上移动时，与此相应地，激光传感器也在第1方向上移动。因此，即使激光传感器是使激光在第2方向上进行扫描的一维扫描型的激光传感器，也能够通过叉向第1方向的移动而使激光在第1方向以及第2方向上进行扫描。由此，能够利用激光传感器取得三维距离图像。在该叉车中，由于能够取得三维距离图像，所以能够检测托盘的横向上的位置偏差和/或与旋转有关的偏差。
附图说明
图1是示出实施例的叉车的概略构成的立体图。
图2是示意性地示出利用实施例的叉车使激光进行扫描的状态的图。
图3是示出实施例的叉车的控制构成的框图。
图4是示出利用激光传感器取得三维距离图像的处理的步骤的流程图。
图5是示出利用激光传感器取得到托盘的距离数据的状态的图。
图6是示出确定托盘的位置、方向以及宽度的处理的步骤的流程图。
图7是用于说明检测托盘的开口的方法的图。
图8是用于说明算出构成从所取得的三维距离数据中提取出的直线的点群的长度的方法的图。
图9是将托盘和设定于托盘的坐标轴一起示出的图。
图10是示意性地示出利用使叉倾斜的倾斜机构使激光进行扫描的状态的图。
图11是用于说明根据三维距离图像确定托盘的前表面的处理的图。
具体实施方式
列出以下说明的实施例的主要的特征。此外，以下记载的技术要素是分别独立的技术要素，通过单独或各种组合来发挥技术有用性，并不限定于申请时权利要求记载的组合。
(特征1)在本说明书所公开的叉车中，也可以是，移动机构至少具备使叉在上下方向上升降的升降机构，当叉在上下方向上升降时，激光传感器也在上下方向上升降。根据这样的构成，能够利用使叉在上下方向上升降的升降机构，使从激光传感器照射的光在上下方向上进行扫描。
(特征2)在本说明书所公开的叉车中，也可以是，移动机构至少具备使叉的头端相对于基端倾斜运动的倾斜机构，当叉的头端相对于基端倾斜运动时，使从激光传感器照射的激光在上下方向上进行扫描。根据这样的构成，能够利用使叉倾斜运动的倾斜机构，使从激光传感器照射的光在上下方向上进行扫描。
(特征3)在本说明书所公开的叉车中，也可以是，在所生成的三维距离图像包含托盘的情况下，运算装置根据该三维距离图像来确定托盘的位置、方向以及宽度。根据这样的构成，基于根据由激光传感器得到的距离数据而生成的三维距离图像来确定托盘的三维的位置、方向以及宽度，所以能够高精度地检测托盘的横向上的位置偏差和/或与旋转有关的偏差。
(特征4)在本说明书所公开的叉车中，也可以是，在所生成的三维距离图像包含托盘的情况下，运算装置从该三维距离图像中仅提取出从托盘的前表面得到的距离数据，根据由该提取出的距离数据确定的托盘的前表面的平面，确定托盘的位置、方向以及宽度。在这样的构成中，基于从三维距离图像中提取出的从托盘前表面得到的距离数据，确定托盘的三维的位置、方向以及宽度，该三维距离图像根据由激光传感器得到的距离数据而生成。根据从托盘的前表面得到的距离数据确定托盘的位置信息，因此，能够高精度地检测托盘的横向上的位置偏差和/或与旋转有关的偏差。
实施例1
参照附图说明本实施例的叉车10。如图1所示，叉车10是无人叉车，具备车体12、柱(英文：mast)24、叉22、起重链条(英文：lift chain)26、激光传感器20以及控制装置30。
车体12在其两侧面的各侧面均具备前轮28以及后轮29。前轮28以及后轮29分别被支承为能够相对于车体12旋转。后轮29的一方连接于未图示的驱动马达，由驱动马达驱动旋转。另外，连接于驱动马达的后轮29也连接于未图示的操舵装置，由操舵装置调整车轮的方向。后轮29的另一方是脚轮，追随车体12的行驶而进行旋转以及转向。通过控制装置30对驱动马达以及操舵装置进行控制，从而车体12能够在路面行驶，并且能够改变车体12的行进方向。
柱24是安装于车体12的前表面的支柱，其轴线在上下方向上延伸。叉22在上下方向上能够移动地安装于柱24。另外，叉22通过未图示的倾斜机构，能够相对于柱24摆动。叉22具有一对爪22a、22b。爪22a、22b配置于在车体12的左右方向上互相分离了的位置，从柱24侧朝向车体12的前方延伸。起重链条26设置于柱24，并与叉22卡合。在起重链条26由叉升降装置40(在图3中图示)驱动时，由此使叉22升降。叉22的上下方向上的位置能够根据叉升降装置40的驱动量来确定。
激光传感器20安装于叉22，并与叉22成为一体地在上下方向上升降。供激光传感器20安装的位置在爪22a、22b之间配置于比叉22的后梁面(英文：back rest)靠里侧(车体12侧)的位置。激光传感器20是使激光在一个方向(在本实施例中为水平方向)上进行扫描的一维扫描型的激光传感器。激光传感器20照射激光，并且根据该照射了的激光的反射光对与周边物体的距离进行计测。在叉22升降时，激光传感器20也升降，所以从激光传感器20照射的激光的高度方向上的位置也变化。在本实施例中，如图2所示，激光传感器20一边在上下方向上升降，一边向叉车10的前方的预定的角度范围的区域50(参照图1)照射激光。由此，从激光传感器20照射的激光在水平方向以及高度方向(二维)上进行扫描，取得叉车10的前方的距离数据41。向控制装置30(在图3中图示)输入由激光传感器20取得的距离数据41。
此外，作为激光传感器20，例如可以使用北阳电机制的UTM-30LX、SICK公司制LMS100等。
控制装置30由具备CPU等的微处理器构成。控制装置30搭载于车体12。控制装置30与上述的激光传感器20、驱动后轮29的一方的驱动马达、调整连接于驱动马达的后轮29的转向角的操舵装置、以及进行叉22的升降的叉升降装置等连接，对它们的动作进行控制。
即，控制装置30通过执行存储于存储器的程序来进行使激光传感器20升降的处理、对距离数据进行坐标变换的处理、以及对坐标变换而得的三维距离数据进行存储并生成三维距离图像的处理。另外，控制装置30基于三维距离图像进行确定托盘100的位置、方向以及宽度的处理等。即，如图3所示，控制装置30作为坐标变换部32、运算/存储部34、托盘识别部36、传感器移动控制部38以及传感器位置检测部39发挥功能。控制装置30作为上述的各部32～39发挥功能，由此生成叉车10的前方的周边物体的三维距离图像44，另外，根据该生成的三维距离图像44确定托盘100的位置、方向以及宽度。关于各部32～39的详细情况，与以下说明的由控制装置30进行的处理一起说明。
接着，对利用控制装置30生成三维距离数据42的处理进行说明。三维距离数据生成处理在叉车10停止在作为取货对象的托盘100附近的状态下被执行。即，如图4所示，控制装置30首先以使托盘100位于车体12的前方的方式，对一方的后轮29进行驱动，使叉车10相对于托盘100接近。即，为了利用激光传感器20对托盘100进行观测，使叉车10向托盘前方的初始位置移动(S10)。例如，对于在工厂内搬运货物的叉车10，预先设定载置货物(托盘100)的位置。因此，使叉车10停止的初始位置根据托盘100的大致位置来预先设定。因此，控制装置30使叉车10自动地移动至预先设定的初始位置。此外，也可以是，在叉车10由驾驶员驾驶的情况下，由驾驶员将叉车10移动至初始位置，然后，通过叉车10的驾驶员的开关操作来开始三维距离数据生成处理。
接着，控制装置30利用叉升降装置40，使激光传感器20以激光向观测对象区域60(在图5中图示)的上限照射的方式移动(S12)。观测对象区域60是指有可能存在托盘100的区域。例如，如图5所示，货物130载置在托盘100上，若在托盘100载置在基座120上的情况下，则有可能存在托盘100的区域(高度、宽度)根据基座120和托盘100的尺寸来决定。在步骤S12中，使激光传感器20移动至有可能存在托盘100的区域的上限，切实地对托盘100进行检测。
接着，控制装置30一边利用叉升降装置40使叉22下降，一边由激光传感器20取得距离数据41(S14)。即，激光传感器20一边使激光在水平方向上进行扫描一边进行照射，并且对该照射了的激光的反射光进行检测。另一方面，由于叉升降装置40使叉22升降，所以激光传感器20在上下方向上移动。因此，从激光传感器20照射的激光也在垂直方向上进行扫描。因此，通过步骤S14的处理，从而来自激光传感器20的激光在水平方向以及垂直方向上进行扫描，并检测其反射光，由此能够得到观测对象区域60的观测点群。此外，由上述步骤S12以及S14中的使叉升降的处理实现的控制装置30的功能与图3所示的传感器移动控制部38相当。
接着，控制装置30将取得的距离数据41变换为反映出激光传感器20的高度的三维距离数据42(S16)。即，控制装置30控制叉升降装置40来使叉22升降，所以能够知道叉22的上下方向上的位置(激光传感器20的高度方向上的位置)。因此，在通过激光传感器20接受到反射光时，控制装置30使该距离数据41(观测点)反映出受光时的激光传感器20的高度信息并将其变换为三维距离数据42。由此，能够取得到存在于激光所照射的预定的角度范围的区域50中的物体的三维距离数据42。此外，由上述步骤S16的处理实现的控制装置30的功能与图3所示的坐标变换部32以及传感器位置检测部39相当。
接着，控制装置30从得到的三维距离数据42中仅提取出观测对象区域60内的观测点群，并将其存储于存储器(S18)。在三维距离数据42中反映出激光传感器20的高度，因此，将该高度处的观测对象区域60内的观测点群存储于存储器。此外，由上述步骤S18的处理实现的控制装置30的功能与图3所示的运算/存储部34相当。
接着，控制装置30判断当前的激光传感器20的观测位置(高度)是否是观测对象区域60的下限(S20)。在当前的观测位置不是观测对象区域的下限的情况下(在S20中为否)，控制装置30反复进行步骤S14～S18的处理。此外，在当前的观测位置是观测对象区域的下限的情况下(在S20中为是)，控制装置30结束处理。
通过反复地进行上述处理，能够将观测对象区域60的整个区域的观测点群(三维距离数据42)存储于存储器，由此，能够生成观测对象区域60内的三维距离图像44。
接着，使用图6以及图7说明确定托盘100的位置、方向以及宽度的处理。首先，控制装置30以使托盘100位于车体12的前方的方式对一方的后轮29进行驱动，使叉车10相对于托盘100接近。即，为了利用激光传感器20对托盘100进行观测，使叉车10向托盘前方的初始位置移动(S22)。接着，控制装置30利用叉升降装置40以使得激光照射到观测对象区域60(图5所示)的上限的方式使激光传感器20进行移动(S24)。接着，控制装置30一边利用叉升降装置40使叉22下降，一边用激光传感器20取得距离数据41(S26)。接着，控制装置30将取得的距离数据41变换为反映出激光传感器20的高度的三维距离数据42(S28)。此外，步骤S22～S28的处理与上述的步骤S10～S16的处理相同，所以在此省略其详细的说明。
接着，控制装置30从三维距离数据42中仅提取出观测对象区域60的观测点群，并从提取出的观测点群中提取出在大致水平方向上延伸的直线(S30)。如图7所示，由从托盘100的前表面反射的反射光产生的观测点群位于同一平面上。即，在步骤S30中，从观测点群中提取出作为扫描托盘100的前表面而得到的结果的直线。此外，对于直线的提取，例如可以使用RANSAC那样的称作抗差估计(英文：robust estimation)的公知的算法。
接着，控制装置30用欧几里德距离对构成提取出的直线的(与直线匹配的)点群进行分组(S32)。在此，如图5、7所示，在托盘100的前表面形成有两个开口部110(供叉22的爪22a、22b插入的孔)。因此，从托盘100的前表面提取出的直线有可能被托盘100的前表面的开口部110截断。因此，根据构成在步骤S30中提取出的直线的点群之间的欧几里德距离来判断是否是从同一物体(例如，托盘100的前表面)提取出的。此外，对于分组，例如可以使用k-means法、和/或kd-tree法那样的公知的方法。
接着，控制装置30进行步骤S34的处理。具体而言，首先，控制装置30对分组出的直线群的数量(即，组数)进行计数，并判断计数得到的组数是否为3(S34)。如上所述，在托盘100的前表面中的形成有开口部110的位置(高度)，因激光的水平扫描而在大致水平方向上延伸的直线(观测点群)由开口部110截断成3组(在图7中为是)。因此，在步骤S34中，通过判断组数是否为3，能够判断提取出的直线是否与托盘100的前表面相当。
接着，控制装置30判断构成在步骤S30中提取出的直线的点群的长度是否大致等于托盘100的宽度(S34)。在此，托盘100的规格通常是已知的。因此，通过对构成直线的点群的长度和设定值(根据托盘100的规格所设定的值)进行比较，能够判断是否提取出了托盘100的前表面的直线。如图8所示，构成直线的点群的长度Wp例如可以通过使用具有点群的x方向上的最大值以及最小值、y方向上的最大值以及最小值的观测点来求出。控制装置30通过将求出的长度与托盘100的宽度(设定值)进行对照来判断是否等于托盘100的宽度。
在上述步骤S34的处理中，在不满足至少某一个的条件的情况下(在S34中为否)，控制装置30中止对构成提取出的直线的点群的处理，进入到步骤S38的处理。在满足步骤S34的处理中的全部条件的情况下(在S34中为是)，控制装置30将构成直线的点群作为观测托盘100的前表面而得到的数据进行存储(S36)。
接着，控制装置30判断当前的激光传感器20的观测位置(高度)是否是观测对象区域60的下限(S38)。控制装置30对叉升降装置40进行控制来使叉22升降，所以能够知道叉22的上下方向上的位置。由于激光传感器20安装于叉22，所以控制装置30(图3所示的传感器位置检测部39)能够知道激光传感器20的高度方向上的位置。在当前的观测位置(高度)是观测对象区域60的下限的情况下(在S38中为是)，根据存储的观测点群(三维距离图像44，以下也称为重叠点群)来确定托盘100的位置、方向以及宽度(S40)。即，判断为组数为3且构成直线的点群的长度等于托盘100的宽度的直线群是从托盘100的前表面的形成有开口部110的高度范围得到的。在步骤S40中，使用构成这些直线群的观测点群的数据来确定托盘100的位置、方向以及宽度。以下详细叙述步骤S40的处理。此外，在当前的观测位置(高度)不是观测对象区域60的下限的情况下(在S38中为否)，控制装置30返回到步骤S24的处理。
接着，在步骤S40中，说明确定托盘100的位置、方向以及宽度的方法。首先，由于根据N个重叠点群的各点(xi，yi，zi)(i＝1～N)的偏差来求出主轴(即，图9所示的x轴、y轴、z轴)，所以可以考虑下述的式(1)那样的方差-协方差矩阵。
[数学式1]
在上述式(1)中x拔、y拔、z拔分别是N个点xi、yi、zi的坐标的平均，意味着托盘100的前表面的中心。
接着，根据该矩阵计算三维空间中的固有向量。该固有向量的第1主轴相当于托盘的侧面方向的向量(图9的y轴)，第2主轴相当于托盘的上表面方向的向量(图9的z轴)，第3主轴相当于托盘的前表面的法线向量(图9的x轴)。由此，可以确定以托盘前表面的中心为坐标系的原点的托盘的位置以及方向。此外，由于考虑到表示主轴的固有向量的方向会根据情况而正负相反，所以优先根据与激光传感器20的相对关系来调整符号。
在此，托盘100的大小以及宽度能够根据重叠点群向由上述的固有向量的第1、第2主轴表示的平面的射影求出。具体而言，向第1主轴(y轴)的射影的最大值与最小值之差相当于托盘100的宽度，向第2主轴(z轴)的射影的最大值与最小值之差相当于托盘100的开口部110的高度方向上的尺寸。即，能够确定托盘100的大小以及宽度。由此，能够确定托盘100的位置、方向以及宽度。另外，也能够将重叠点群向由第1、第2以及第3主轴表示的各个平面的的各射影的最大值和最小值的平均值作为托盘100的中心点。此外，由上述步骤S40的处理实现的控制装置30的功能与图3所示的托盘识别部36相当。
在上述实施例的叉车10中，激光传感器20安装于叉22。因此，当使叉22进行升降时，与此相应地，激光传感器20也进行升降。因此，仅通过一边使叉22升降，一边通过激光传感器20使激光在水平方向上进行扫描，就能够取得托盘100的三维距离图像。另外，根据托盘100的三维距离图像确定托盘100的位置、方向以及宽度，所以能够检测托盘100的横向上的位置偏移和/或与旋转有关的偏移。其结果，能够防止叉22与托盘100发生干涉，能够顺畅地进行取货作业。
另外，在本实施例的叉车10中，能够由激光传感器20判断货物是否载置在托盘100上，进而能够知道托盘100上的货物的位置。由此，能够事先判断货物载置于托盘100上的偏置的位置，所以能够使货物从托盘100的落下等的情形防患于未然。另外，由于知道托盘100上的货物的形状，所以也能够确定货物的种类。
最后，说明上述实施例与权利要求的对应关系。叉升降装置40是权利要求中所说的“移动机构”的一例，运算/存储部34、托盘识别部36是权利要求中所说的“运算装置”的一例。
以上，详细地说明了本实施例，但这些只不过是例示，并不限定权利要求书。在权利要求书记载的技术中，包含将以上例示了的具体例进行各种变形、变更而得到的技术方案。
例如，在本实施例中，通过使叉在上下方向上升降来使激光在上下方向上进行扫描，但本说明书所公开的技术并不限于这样的构成。例如，如图10所示，也可以是，利用使叉的头端相对于基端倾斜运动的倾斜机构使从激光传感器20照射的激光在上下方向上进行扫描。
另外，在本实施例中，通过从由激光传感器20得到的观测点群提取出直线来对托盘100进行检测，但本说明书所公开的技术也可以从由激光传感器20得到的观测点群直接提取出托盘100的前表面的平面。例如，如图11所示，在托盘100直接载置于地面G且货物130载置在托盘100上的情况下，利用激光传感器20提取出货物130的前表面(平面1)、托盘100的前表面(平面2)以及地面G(平面3)。因此，通过对构成托盘100的前表面(平面2)的观测点群进行图6所示的步骤S40的处理，能够确定托盘100的位置、方向以及宽度。此外，对于平面的提取，与图6的步骤S30中的直线的提取同样地，能够使用RANSAC算法。
本说明书或附图中说明了的技术要素通过单独或各种组合来发挥技术有用性，并不限定于申请时权利要求记载的组合。另外，本说明书或附图所例示了的技术同时达成多个目的，达成其中的一个目的本身就具有技术有用性。

Claims (5)

1.一种叉车，其中，所述叉车具备：
叉；
移动机构，其使所述叉在第1方向上移动；
激光传感器，其安装于所述叉，使激光在与所述第1方向交叉的第2方向上进行扫描，并且根据扫描了的激光的反射光对与周边物体的距离进行计测；以及
运算装置，其基于在一边对所述移动机构进行驱动来使所述叉在所述第1方向上移动一边使激光在所述第2方向上进行扫描时由所述激光传感器取得的距离数据，生成激光所照射的范围的三维距离图像。
2.根据权利要求1所述的叉车，其中，
所述移动机构至少具备使所述叉在上下方向上升降的升降机构，
当所述叉在上下方向上升降时，所述激光传感器也在上下方向上升降。
3.根据权利要求1或2所述的叉车，其中，
所述移动机构至少具备使所述叉的头端相对于基端倾斜运动的倾斜机构，
当所述叉的头端相对于基端倾斜运动时，使从所述激光传感器照射的激光在上下方向上进行扫描。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的叉车，其中，
所述运算装置，在所生成的三维距离图像包含托盘的情况下，根据该三维距离图像来确定所述托盘的位置、方向以及宽度。
5.根据权利要求4所述的叉车，其中，
所述运算装置，在所生成的三维距离图像包含托盘的情况下，从该三维距离图像中仅提取出从所述托盘的前表面得到的距离数据，并根据由该提取出的距离数据确定的所述托盘的前表面的平面，确定托盘的位置、方向以及宽度。
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