JP2007011857A - 自律移動型ロボット及び自律移動型ロボットの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 視覚センサで認識することが難しい障害物に対処することが可能な自律移動型ロボット及び自律移動型ロボットの制御方法を提供する。
【解決手段】 移動体２の外郭を形成するバンパ３に、視覚センサで認識することが難しい障害物４が衝突した場合に、当該バンパ３に入力された外力がロードセル５によって計測されて、該ロードセル５の計測結果に基づいて、障害物４の位置が特定されると共に、移動体２の推進力を以て障害物４が排斥可能であるか否かが判定される。そして、移動体２の推進力を以て障害物４が排斥可能であると判定された場合には、当該移動体２の推進力を以て障害物４を排斥することにより走行が継続されて、移動体２の推進力を以て障害物４が排斥不可能であると判定された場合には、位置が特定された障害物４を迂回する。したがって、走行経路上に視覚センサで認識することが難しい障害物４が存在する場合であっても対処することが可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自律移動型ロボット及び自律移動型ロボットの制御方法に関するもので、特に、移動経路上に存在する障害物に対処する自律移動型ロボット及び自律移動型ロボットの制御方法に関する。

従来から、移動経路上の障害物を検知して、該検知した障害物を迂回することにより移動を継続する自律移動型ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このような自律移動型ロボットには、ＣＣＤカメラ等の視覚センサによって障害物を認識するものがある。しかしながら、視覚センサには人間の視覚と同様に死角があり、例えば、視覚センサを複数個組合せたとしても、当該死角をなくすのは困難である。また、ＣＣＤカメラ等の視覚センサでは、障害物に照射される光の反射光が不足した場合、障害物が認識されない虞がある。さらに、ＣＣＤカメラ等の視覚センサでは、背景及び物体の色の組合せによっては錯覚や誤認識を生じ易い。このように、障害物が視覚センサの死角に在る場合や、視覚センサが障害物を誤認識した場合には、ロボットは、障害物に移動経路を阻まれて移動が継続不可能となる虞がある。
特開平６−２０８４１６号公報（段落番号００１１〜００１３、図１）

そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、第１の目的は、視覚センサで認識することが難しい障害物に対処することが可能な自律移動型ロボットを提供することにある。
また、第２の目的は、視覚センサで認識することが難しい障害物に対処することが可能な自律移動型ロボットの制御方法を提供することにある。

上記第１の目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、移動体を移動させて移動する自律移動型ロボットであって、移動体に支持されて該移動体の外郭を形成するバンパと、移動体の移動中に障害物がバンパに衝突した時に、該バンパに入力された外力が計測される外力計測手段と、該外力計測手段の計測結果に基づいて、障害物の位置が特定されると共に、該障害物が移動体の推進力を以て排斥可能であるか否かが判定される判定手段と、該判定手段の判定結果に基づいて移動体を移動させる制御手段と、を具備して、制御手段は、判定手段によって障害物が排斥可能であると判定された場合には、移動体の推進力を以て障害物が排斥されるように移動体を移動させて、判定手段によって障害物が排斥不可能であると判定された場合には、障害物を迂回するように移動体を移動させることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の自律移動型ロボットにおいて、外力計測手段は、移動体に設けられるロードセルによって構成されることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の自律移動型ロボットにおいて、外力計測手段とバンパとの間に弾性体が介在されて、外力計測手段は、バンパに入力された外力に応じて弾性変形される弾性体の反発力を計測することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の自律移動型ロボットにおいて、バンパは、移動体を囲繞する外枠と該外枠の内側に配置される内枠とを含んで構成されて、外力計測手段が内枠に囲繞されると共に、弾性体が外力計測手段と内枠との間に配置されることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１又は２に記載の自律移動型ロボットにおいて、外力計測手段と移動体との間に弾性体が介在されることを特徴とする。

上記第２の目的を達成するために、本発明のうち請求項６に記載の発明は、上記請求項１〜５のいずれかに記載の自律移動型ロボットに用いられる制御方法であって、移動体を囲繞するバンパに障害物が衝突されると、該バンパに入力された外力が外力計測手段によって計測されて、該外力の絶対値がしきい値に到達した時点で、障害物の位置が特定されると共に、障害物が移動体の推進力を以て排斥可能であるか否かが判定手段によって判定されて、判定手段によって、障害物が排斥可能であると判定された場合には、移動体の推進力を以て障害物が排斥されるように移動体を移動させて、判定手段によって障害物が排斥不可能であると判定された場合には、障害物を迂回するように移動体を移動させることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の自律移動型ロボットの制御方法において、バンパに入力された外力がロードセルによって計測されることを特徴とする。

したがって、請求項１に記載の発明では、移動体の移動中に障害物がバンパに衝突した場合に、該バンパに入力された外力が外力計測手段によって計測されて、該外力計測手段の計測結果に基づいて、判定手段によって障害物の位置が特定されると共に、該障害物が移動体の推進力を以て排斥可能であるか否かが判定される。そして、判定手段によって障害物が排斥可能であると判定された場合には、移動体は障害物を排斥して移動を継続して、また、判定手段によって障害物が排斥不可能であると判定された場合には、移動体は障害物を迂回して移動を継続する。

請求項２に記載の発明では、ロードセルによってバンパに入力された外力が計測される。
請求項３に記載の発明では、外力計測手段（ロードセル）は、バンパに入力された外力に応じて弾性変形される弾性体の反発力を計測する。
請求項４に記載の発明では、バンパの内枠に外力計測手段（ロードセル）と弾性体とが収容される。
請求項５に記載の発明では、障害物がバンパに衝突した際の衝撃が弾性体によって緩衝された後、移動体に入力される。

請求項６に記載の発明では、バンパに障害物が衝突すると該バンパに入力された外力が外力計測手段によって計測されて、該外力がしきい値に到達した時点で、障害物の位置が特定されると共に、障害物が移動体の推進力を以て排斥可能であるか否かが判定される。そして、障害物が排斥可能であると判定された場合には、移動体は障害物を排斥して移動を継続して、また、障害物が排斥不可能であると判定された場合には、移動体は障害物を迂回して移動を継続する。
請求項７に記載の発明では、バンパに入力された外力がロードセルによって計測される。

視覚センサで認識することが難しい障害物に対処することが可能な自律移動型ロボット及び自律移動型ロボットの制御方法を提供することができる。

本発明の一実施の形態を図１〜図８に基づいて説明する。本自律移動型ロボット１は、移動体２の移動によって移動するものであって、移動体２に複数個の超音波センサ（以下、視覚センサと称する。）が設けられて、該移動体２が視覚センサによって検知された障害物４を迂回しながら移動することにより、移動経路を継続的に移動するように構成される。そして、本自律移動型ロボット１では、上記移動体２の外郭を形成するバンパ３を有して、該バンパ３に、上記視覚センサの死角に位置する障害物４（視覚センサで認識することが難しい障害物４）が衝突した場合に、当該バンパ３に入力された外力が６分力ロードセル５（外力計測手段）によって計測されて、該６分力ロードセル５の計測結果に基づいて、制御装置（判定手段）によって、上記障害物４の位置が特定されると共に、上記移動体２の推進力を以て上記障害物４が排斥可能であるか否かが判定手段によって判定される。これにより、本自律移動型ロボット１は、移動経路上に視覚センサの死角に位置する障害物４が存在する場合であっても、移動が継続される構造になっている。なお、本自律移動型ロボット１の、視覚センサによって検知された障害物４を迂回しながら移動する制御ロジックは、既存の技術が適宜用いられる。

上記移動体２は、箱状に形成されており、図１及び２に示されるように、当該移動体２の底板６の左右（図１における左右方向）両側には、各駆動機構によって個別に駆動される車輪７，８が設けられる。そして、上記移動体２は、各駆動機構の駆動源としての各電動モータが、マイクロコンピュータによって構成される制御装置（制御手段）の制御に基づいて個別に駆動されることにより、当該制御装置によって指定された移動経路を移動するように構成される。図３に示されるように、上記６分力ロードセル５は、外観が円板状に形成されており、矩形に形成された台座１２の上面（図３における上側の面）に固着される。そして、上記６分力ロードセル５は、図２に示される取付け座１３を介して上記移動体２の天板１４に取付けられる。図１に示されるように、上記バンパ３は、円形のループ状に形成されており、移動体２を囲繞する外枠９と、矩形に形成されて該外枠９の内側に配置される内枠１０と、該内枠１０と上記外枠９とを接続するアーム１１と、によって構成される。

また、図３に示されるように、上記移動体２の天板１４には、アンダーカバー１６が、Ｈ字状に形成された一対の対向するブラケット１５を介して取付けられる。そして、上記バンパ３は、上記内枠１０が、上記アンダーカバー１６上に載置されるようにして当該アンダーカバー１６によって支持される。これにより、上記バンパ３は、移動体２に対して移動可能な状態で当該移動体２によって支持される構造になっている。また、図１及び図３に示されるように、上記内枠１０の矩形を構成する各ビーム１０ａと、各ビーム１０ａに対向する上記６分力ロードセル５の台座１２の各端面１２ａと、の間に形成される各空間には、相互に平行に配置された一対の圧縮コイルばね１７（弾性体）が設けられる。なお、各圧縮コイルばね１７（本実施の形態では、８本の圧縮コイルばね１７。）は、上記６分力ロードセル５の台座１２の各端面１２ａに立設された所定長さの各ピン１８によって、一側（台座１２側）が支持される構造になっている。

そして、本自律移動型ロボット１では、移動体２の移動中（ロボット１の移動中）に、バンパ３に移動経路上の障害物４（図５及び図７参照）が衝突した場合に、当該バンパ３に入力された外力に応じて各圧縮コイルばね１７が弾性変形されて、弾性変形された各圧縮コイルばね１７の反発力が上記６分力ロードセル５によって計測される構造になっている。また、本自律移動型ロボット１では、上記制御装置によって上記６分力ロードセル５による計測結果が演算処理されて、該演算処理結果に基づいてバンパ３に入力された外力の絶対値が算出される。さらに、本自律移動型ロボット１では、上記バンパ３に入力された外力が上記制御装置に設定されたしきい値に到達した時点で、上記移動体２によって上記障害物４が上記バンパ３を介して所定の推進力で試し押しされる。そして、本自律移動型ロボット１では、上記障害物４が試し押しされた時のバンパ３に入力された外力が、上記６分力ロードセル５によって計測されて、上記制御装置は、該６分力ロードセル５の計測結果（バンパ３に入力された外力の絶対値及び方向）に基づいて、障害物４の位置を特定すると共に、移動体２の推進力を以て当該障害物４が排斥可能であるか否かを判定する構造になっている（判定手段）。

また、本自律移動型ロボット１では、上記制御装置（判定手段）によって、上記移動体２の推進力を以て障害物４が排斥可能であると判定された場合には、当該移動体２の推進力を以て障害物４を排斥するように当該移動体２が移動されると共に、上記制御装置によって、上記移動体２の推進力を以て障害物４が排斥不可能であると判定された場合には、位置が特定された障害物４を迂回するように移動体２が移動される（制御手段）。これにより、本自律移動型ロボット１は、移動経路上における視覚センサの死角に障害物４が存在する場合であっても移動が継続される構造になっている。

次に、本自律移動型ロボット１の作用を、図４に示されるフローチャートに基づいて説明する。本自律移動型ロボット１は、制御装置（制御手段）の制御に基づいて各車輪７，８が個別に駆動されて移動体２が移動されることにより、指定された移動経路を移動する（図４におけるステップ１）。移動中、本自律移動型ロボット１は、視覚センサによって検知された移動経路上に存在する障害物４を迂回することにより、移動が継続される。そして、本自律移動型ロボット１では、バンパ３に、視覚センサの死角に位置する障害物４（視覚センサで認識することが難しい障害物４）が衝突すると、当該バンパ３に入力された外力が６分力ロードセル５（外力計測手段）によって計測されて、制御装置によって、該６分力ロードセル５の計測結果（外力の絶対値）としきい値とが比較される（図４におけるステップ２）。そして、該６分力ロードセル５の計測結果がしきい値よりも小さい値である場合には（図４におけるステップ２のＮＯ）、本自律移動型ロボット１はそのまま移動を継続する（図４におけるステップ７）。

また、上記６分力ロードセル５の計測結果（外力の絶対値）がしきい値に到達した時点で（図４におけるステップ２のＹＥＳ）、本自律移動型ロボット１は、移動体２を所定の推進力で推進させることにより、障害物４をバンパ３を介して試し押しする（図４におけるステップ３）。そして、本自律移動型ロボット１では、障害物４を試し押しした時のバンパ３に入力された外力が６分力ロードセル５によって計測されて、該６分力ロードセル５の計測結果に基づいて制御装置（判定手段）によって演算処理がなされることにより、当該障害物４の位置が特定されると共に、当該障害物４が移動体２の推進力を以て排斥可能であるか否かが判定される（図４におけるステップ４）。ここで、移動体２の推進力を以て障害物４が排斥可能であると判定された場合には（図４におけるステップ４のＹＥＳ）、自律移動型ロボット１は、移動体２の推進力を以て障害物４を排斥して（図４におけるステップ５）、移動を継続する（図４におけるステップ７）。また、移動体２の推進力を以て障害物４が排斥不可能であると判定された場合には（図４におけるステップ４のＮＯ）、自律移動型ロボット１は、位置が特定された障害物４を迂回して（図４におけるステップ６）、移動を継続する（図４におけるステップ７）。

なお、図５及び図６に示されるように、バンパ３の前部中央で障害物４が試し押しされた場合には、当該バンパ３に入力される外力Ｆによって、バンパ３が６分力ロードセル５（移動体２）に対して図５及び図６における下方向へ相対移動される。この時、６分力ロードセル５は、バンパ３が６分力ロードセル５（移動体２）に対して相対移動した時の各圧縮コイルばね１７（弾性体）の反発力を計測して、制御装置は、該６分力ロードセル５の計測結果に基づいて、障害物４の位置を特定すると共に当該外力の絶対値を算出する。そして、本自律移動型ロボット１は、制御装置（判定手段）によって、移動体２の推進力を以て障害物４が排斥不可能であると判定された場合には、制御装置（制御手段）の制御によって移動体２が所定距離だけ後方（図５における下方向）へ移動されて後退された後、当該障害物４を迂回する。

また、図７及び図８に示されるように、バンパ３の前部左側で障害物４が試し押しされた場合には、当該バンパ３に入力される外力Ｆによって、バンパ３が６分力ロードセル５（移動体２）に対して図７及び図８における右下方向へ相対移動される。この時、６分力ロードセル５は、バンパ３が６分力ロードセル５（移動体２）に対して相対移動した時の各圧縮コイルばね１７の反発力を計測して、制御装置は、該６分力ロードセル５の計測結果（外力Ｆの成分Ｆｘ及びＦｙ）に基づいて、障害物４の位置を特定すると共に当該外力の絶対値を算出する。そして、本自律移動型ロボット１は、制御装置（判定手段）によって、移動体２の推進力を以て障害物４が排斥不可能であると判定された場合には、制御装置（制御手段）の制御によって移動体２が所定距離だけ右後方（図７における右下方向）へ移動されて後退された後、当該障害物４を迂回する。

この実施の形態では以下の効果を奏する。
本自律移動型ロボット１は、移動体２の外郭を形成するバンパ３を有して、該バンパ３に、視覚センサの死角に位置する障害物４（視覚センサで認識することが難しい障害物４）が衝突した場合に、当該バンパ３に入力された外力が６分力ロードセル５（外力計測手段）によって計測されて、該６分力ロードセル５の計測結果に基づいて、制御装置（判定手段）によって、障害物４の位置が特定されると共に、移動体２の推進力を以て障害物４が排斥可能であるか否かが判定される。そして、本自律移動型ロボット１は、移動体２の推進力を以て障害物４が排斥可能であると判定された場合には、制御装置（制御手段）によって移動体２を制御して、当該移動体２の推進力を以て障害物４を排斥することにより移動が継続されて、また、移動体２の推進力を以て障害物４が排斥不可能であると判定された場合には、制御装置（制御手段）によって移動体２を制御して、位置が特定された障害物４を迂回することにより移動が継続される。

したがって、本自律移動型ロボット１は、移動経路上に視覚センサの死角に位置する障害物４（視覚センサで認識することが難しい障害物４）が存在する場合であっても対処することが可能になり、移動経路を確実に確保することにより移動を継続することができ、信頼性が高められる。
また、本自律移動型ロボット１は、バンパ３に衝突した障害物４の位置が特定されるため、障害物４を迂回する場合には、確実で且つ効率的な迂回動作を実施することが可能になる。
また、本自律移動型ロボット１は、移動体２の推進力を以て障害物４を排斥するか、障害物４を迂回するかが選択されるため、排斥動作をせずに全ての障害物４を迂回する場合と比較して移動経路を短縮することが可能になり、効率よく移動することができる。
また、バンパ３と移動体２（６分力ロードセル５）との間に圧縮コイルばね１７（弾性体）を介在させたので、該圧縮コイルばね１７の緩衝作用によってバンパ３に入力された外力が移動体２に直接作用されることがなく、移動体２に収容された精密機器が保護される。

なお、実施の形態は上記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
本自律移動型ロボット１では、視覚センサとして複数個の超音波センサを用いたが、障害物４を検知することが可能な非接触型センサであればよく、超音波センサの代わりに、例えば、ＣＣＤカメラを含んで構成される視覚センサを採用してもよい。
本自律移動型ロボット１では、弾性体として圧縮コイルばね１７を用いたが、当該圧縮コイルばね１７の代わりに、例えば、ウレタンゴムを用いて構成してもよい。
バンパ３の外枠９の形状は、円形のループ状が望ましいが、必要に応じて楕円形や矩形に形成してもよい。また、バンパ３の内枠１０の形状についても必要に応じて形状を選択すればよい。
図９に示されるように、バンパ３の外枠９と６分力ロードセル５（外力計測手段）とをアーム１１によって接続するように構成してもよい。この場合、６分力ロードセル５と移動体２との間に弾性部材１９を介在させることにより、バンパ３に入力された外力が移動体２に直接伝達されないようにして、当該移動体２に収容された精密機器を保護することが望ましい。
本自律移動型ロボット１は、２つの車輪７，８が駆動されて移動体２が指定された移動経路を移動することにより移動するが、当該自律移動型ロボット１が移動するための手段は、例えば、４つの車輪の駆動や、２足歩行によるものであってもよい。

本自律移動型ロボットの説明図であって、特に、本自律移動型ロボットの基本構成が示される平面図である。 本自律移動型ロボットの説明図であって、特に、本自律移動型ロボットの基本構成が示される斜視図である。 本自律移動型ロボットの説明図であって、特に、バンパの支持構造が示される斜視図である。 本自律移動型ロボットの動作のフローチャートである。 本自律移動型ロボットの説明図であって、特に、バンパの前部中央に障害物が衝突した状態が示される平面図である。 図５に示される状態における、６分力ロードセルに対するバンパ（内枠）の移動と該バンパの移動に伴う圧縮コイルばねの変形とが示される図である。 本自律移動型ロボットの説明図であって、特に、バンパの前部左側に障害物が衝突した状態が示される平面図である。 図７に示される状態における、６分力ロードセルに対するバンパ（内枠）の移動と該バンパの移動に伴う圧縮コイルばねの変形とが示される図である。 他の実施の形態の自律移動型ロボットが示される説明図である。

符号の説明

１ 自律移動型ロボット、２ 移動体、３ バンパ、４ 障害物、５ ６分力ロードセル（外力計測手段）、１７ 圧縮コイルばね（弾性体）

Claims (7)

1. 移動体を移動させて移動する自律移動型ロボットであって、
   前記移動体に支持されて該移動体の外郭を形成するバンパと、前記移動体の移動中に障害物が前記バンパに衝突した時に、該バンパに入力された外力が計測される外力計測手段と、該外力計測手段の計測結果に基づいて、前記障害物の位置が特定されると共に、該障害物が前記移動体の推進力を以て排斥可能であるか否かが判定される判定手段と、該判定手段の判定結果に基づいて前記移動体を移動させる制御手段と、を具備して、
   前記制御手段は、前記判定手段によって前記障害物が排斥可能であると判定された場合には、前記移動体の推進力を以て前記障害物が排斥されるように前記移動体を移動させて、前記判定手段によって前記障害物が排斥不可能であると判定された場合には、前記障害物を迂回するように前記移動体を移動させることを特徴とする自律移動型ロボット。
2. 前記外力計測手段は、前記移動体に設けられるロードセルによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の自律移動型ロボット。
3. 前記外力計測手段と前記バンパとの間に弾性体が介在されて、前記外力計測手段は、前記バンパに入力された外力に応じて弾性変形される前記弾性体の反発力を計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の自律移動型ロボット。
4. 前記バンパは、前記移動体を囲繞する外枠と該外枠の内側に配置される内枠とを含んで構成されて、前記外力計測手段が前記内枠に囲繞されると共に、前記弾性体が前記外力計測手段と前記内枠との間に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の自律移動型ロボット。
5. 前記外力計測手段と前記移動体との間に弾性体が介在されることを特徴とする請求項１又は２に記載の自律移動型ロボット。
6. 上記請求項１〜５のいずれかに記載の自律移動型ロボットに用いられる制御方法であって、
   移動体を囲繞するバンパに障害物が衝突されると、該バンパに入力された外力が外力計測手段によって計測されて、該外力の絶対値がしきい値に到達した時点で、前記障害物の位置が特定されると共に、前記障害物が前記移動体の推進力を以て排斥可能であるか否かが判定手段によって判定されて、前記判定手段によって、前記障害物が排斥可能であると判定された場合には、前記移動体の推進力を以て前記障害物が排斥されるように前記移動体を移動させて、前記判定手段によって前記障害物が排斥不可能であると判定された場合には、前記障害物を迂回するように前記移動体を移動させることを特徴とする自律移動型ロボットの制御方法。
7. 前記バンパに入力された外力がロードセルによって計測されることを特徴とする請求項６に記載の自律移動型ロボットの制御方法。
   

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