JP2010055415A - ロボットシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】シンプルな構造のロボットを複数用いるロボットシステムにおいて、隊列を組んだ相対的な姿勢を常に保持しながら、大物の物体を速く安定に搬送するシステムを構築することが目的である。
【解決手段】搬送物を共同で搬送する全てのロボットにおいて、ロボットの旋回中心が概ね一致し、かつ、全ての移動手段の移動方向がこの旋回中心に対して概ね垂直となるようにするように、操舵手段の舵角を制御する。このような状態で全てのロボットの相対距離を保持すると、移動手段である車輪の横すべりを大幅に低減できるので、相対姿勢を所定の状態に保持することが容易になる。このような操舵手段の制御を行いながら、かつ、ロボット間の相対姿勢をフィードバック制御することで、相対姿勢のずれを防止でき、高速に走行する場合にも、ロボットの隊列を崩すことなく、移動、旋回することができる。
【選択図】図1
【解決手段】搬送物を共同で搬送する全てのロボットにおいて、ロボットの旋回中心が概ね一致し、かつ、全ての移動手段の移動方向がこの旋回中心に対して概ね垂直となるようにするように、操舵手段の舵角を制御する。このような状態で全てのロボットの相対距離を保持すると、移動手段である車輪の横すべりを大幅に低減できるので、相対姿勢を所定の状態に保持することが容易になる。このような操舵手段の制御を行いながら、かつ、ロボット間の相対姿勢をフィードバック制御することで、相対姿勢のずれを防止でき、高速に走行する場合にも、ロボットの隊列を崩すことなく、移動、旋回することができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、複数のロボットを用いて物体(例えば、長尺物、大型物)の搬送を行うためのロボットシステムに関するものである。
複数のロボットが隊列を組んで長尺物や大型物を搬送する方法として、いくつかの方法が提案されている。
例えば、特許文献1には、移動体の移動状態を車輪のエンコーダにより計測し、複数の移動体が一定の位置関係を保持しながら移動する方法が記載されている。これによれば、長尺物や大型物を搬送するロボットシステムとしては、特許文献1がシンプルな構造のロボットを用いるので、安価なシステムを構築できる利点がある。
また、特許文献2には、単体のロボットについて、その舵角を制御してスムーズに旋回する方法が記載されている。
しかしながら、特許文献1の方法では、複数のロボットのうちいずれかのロボットの車輪がスリップすると、進むべき所定の方向と異なる方向に移動して、搭載している搬送物の位置や方向がずれて搬送に支障を来たすことがある。特に、ロボットが速い速度で旋回する場合などに、スリップする割合が大きくなり、搬送物への影響が大きくなってしまう。このように、複数のロボットで物体を搬送する場合には、個々のロボットの姿勢(位置及び進行方向)を制御するだけでは安定的に物体を搬送することはできない。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、複数のロボットを用いて物体を搬送するシステムにおいて、安定的に、かつスムーズに物体を搬送することを可能にする制御手法を提供するものである。
上記課題を解決するために、本発明では複数のロボット間における相対的な姿勢(相対的位置、角度)を検出し、この情報を用いて姿勢制御するようにしている。各ロボットがそれぞれの姿勢を目標値になるように制御するだけでなく、物体の搬送が安定的にできるようにロボット間の距離や角度を制御する。
即ち、本発明によるロボットシステムは、複数のロボットと、各ロボットの動作を指示するロボット指令部と、を備え、物体を前記複数のロボットで支持し、搬送経路に沿って搬送するためのロボットシステムであって、複数のロボットのそれぞれは、自ロボット本体の位置及び方向の情報を含む姿勢を検出する姿勢検出部と、自ロボット本体を移動する移動部と、自ロボット本体の姿勢を変える操舵部と、姿勢検出部から得られた姿勢の情報を用いて移動部と操舵部を制御する制御部と、を備える。そして、複数のロボットのうち少なくとも1つのロボットの制御部は、姿勢検出部から得られる他のロボットとの相対姿勢を演算し、この相対姿勢の情報に基づいて移動部及び操舵部を制御する。ここで、複数のロボットにおいてそれぞれの旋回中心が概ね一致する。このとき、制御部は、複数のロボットのそれぞれの移動部の移動方向が旋回中心と概ね垂直となるように、操舵部を制御する。また、少なくとも1つのロボットの制御部は、相対姿勢が許容範囲からずれた場合にシステムの動作を停止するようにしてもよい(警告を出してもよい)。
また、本発明によるロボットシステムは、自ロボット本体の位置及び方向の情報を含む姿勢を検出する姿勢検出部と、自ロボット本体を移動する移動部と、自ロボット本体の姿勢を変える操舵部と、を有する複数のロボットと、複数のロボットのそれぞれに目標姿勢の情報を与え、複数のロボットのうち、少なくとも1つのロボットに目標相対姿勢の情報を与えるロボットコントローラと、を備える。そして、複数のロボットの少なくとも1つは、姿勢検出部により得た自ロボットと他のロボットの間の相対姿勢を目標相対姿勢に保持する相対姿勢制御部と、相対姿勢制御部の演算結果に基づいて目標姿勢の情報を補正するロボット姿勢補正部と、この補正された目標姿勢の情報に基づいて移動部及び操舵部を制御するための制御信号を出力するロボット制御部と、を備えている。このとき、相対姿勢制御部は、移動手段の速度を所定値以内に制限するようにしながら、相対姿勢を相対目標姿勢に保持するようにしてもよい。
なお、上述の姿勢検出部は、前方の所定角度範囲内に存在する障害物(壁や経路上に設置された機器等)との距離を検出するセンサを備え、予め格納部に保存された障害物の地図情報とセンサによって得られた距離とを比較して、前記姿勢を検出するようにする。
さらなる本発明の特徴は、以下本発明を実施するための最良の形態および添付図面によって明らかになるものである。
以上説明した本発明によれば、ロボットの相対姿勢をフィードバックしてロボット操舵とロボット移動を制御するので、常に安定して複数のロボットの相対姿勢を保持しながら移動できるようになる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。
(1)第1の実施形態
<移動ロボットシステムの構成>
図1は、本発明による移動ロボットシステムの概略構成であって、システムが2台のロボットで構成される場合のブロック図である。また、図2は、制御演算部105及び115の内部構成をより詳細に示した場合のシステムのブロック図である。なお、実施形態ではシステムの基本形のみを提示しており、システムを構成するロボットの数は2台に限定されるものではないのはもちろんのことである。
<移動ロボットシステムの構成>
図1は、本発明による移動ロボットシステムの概略構成であって、システムが2台のロボットで構成される場合のブロック図である。また、図2は、制御演算部105及び115の内部構成をより詳細に示した場合のシステムのブロック図である。なお、実施形態ではシステムの基本形のみを提示しており、システムを構成するロボットの数は2台に限定されるものではないのはもちろんのことである。
本発明の第1の実施形態による移動ロボットシステムは、システム全体の制御を実行するロボットコントローラ120と、ロボット100及び110と、を備えている。ロボットコントローラ120は、各ロボットの移動経路を発生する移動経路発生部121と、その演算結果を各ロボットに通信する通信部122と、を備え、ロボット100に目標姿勢情報(x1r,y1r,θ1r)を、ロボット110に目標姿勢情報(x2r,y2r,θ2r)をそれぞれ出力している。ここで、ロボットの位置(x,y)と角度(方向)θをあわせて、姿勢とよぶ。また、ロボットコントローラ120は、さらに、ロボット100に目標相対姿勢情報(dxr,dyr,dθr)を出力する。なお、終点となる目標姿勢情報はユーザによってロボットコントローラ120に入力される。始点となるロボットの姿勢情報は分かる(ユーザが入力しても良い)ので、移動経路発生部121が取るべき経路中の位置及び角度を経時的な目標姿勢情報(例:複数のポイント情報)として各ロボットに与える。
ロボット100は、ロボットコントローラ120や他のロボット110と通信を行う通信部101と、所定の範囲内にある物体との距離を計測する外界センサ102と、自ロボットの姿勢(位置及び角度)を検出する姿勢検出部103と、進路の形状や進路上に存在する物体等の情報を含む環境地図情報を保存する環境地図記憶部104と、姿勢制御等の制御演算を行う制御演算部105と、移動モータ(4輪の場合4つ)106と、操舵モータ107と、他のロボットとの相対姿勢を検出する相対姿勢検出部108と、相対姿勢が目標相対姿勢から所定許容範囲よりずれた場合や現時点での姿勢が目標姿勢から所定許容範囲よりずれた場合に、警告を発する警告音発信部109と、を備えている。なお、複数のロボットのうち、少なくとも1つがロボット100のような構成を備えていなければならない。
ロボット110は、ロボットコントローラ120や他のロボット100と通信を行う通信部111と、所定の範囲内にある物体との距離を計測する外界センサ112と、自ロボットの姿勢(位置及び角度)を検出する姿勢検出部113と、進路の形状や進路上に存在する物体等の情報を含む環境地図を保存する環境地図記憶部114と、姿勢制御等の制御演算を行う制御演算部115と、移動モータ(4輪の場合4つ)116と、操舵モータ117と、現時点での姿勢が目標姿勢から所定許容範囲よりずれた場合に警告を発する警告音発信部119と、を備えている。
<目標姿勢制御動作の概略>
ロボット100では、ロボットコントローラ120から与えられたロボット100の目標姿勢情報(x1r,y1r,θ1r)が、通信部101より制御演算部105に入力される。ロボット100は、上述のように、ロボット本体の姿勢を検出するための外界センサ102を備えている。ここでは、具体的には、外界センサ102はレーザ距離センサであり、ロボットの進行方向を中心として±90°(つまり180°)の範囲で、ロボット100から物体(例えば、壁、設備、移動体など)までの距離データを観測するものである。
ロボット100では、ロボットコントローラ120から与えられたロボット100の目標姿勢情報(x1r,y1r,θ1r)が、通信部101より制御演算部105に入力される。ロボット100は、上述のように、ロボット本体の姿勢を検出するための外界センサ102を備えている。ここでは、具体的には、外界センサ102はレーザ距離センサであり、ロボットの進行方向を中心として±90°(つまり180°)の範囲で、ロボット100から物体(例えば、壁、設備、移動体など)までの距離データを観測するものである。
姿勢検出部103は、この計測した距離データを環境地図記憶部104に保存された地図と照合し、地図上におけるロボット100の姿勢情報(x1,y1,θ1)を検出する。ここで検出された姿勢情報(x1,y1,θ1)と目標姿勢情報(x1r,y1r,θ1r)を用いて、制御演算部105はロボット100の制御演算を行う。それにより得られた制御演算結果で、4つの移動モータ106及び4つの操舵モータ107が駆動され、ロボットの姿勢や移動が行われる。ロボット110についても、同様にしてロボットの姿勢を制御している。ロボットの構造として、4つの車輪を駆動、操舵することができる四輪駆動・四輪操舵システムの構造を採用している。
<相対姿勢制御動作の概略>
次に、ロボット100とロボット110が相対的な姿勢の関係(以下、相対姿勢とよぶ)を乱すことなく、移動するための動作について説明する。例えば、ロボット100に比べてロボット110が遅れている場合に、ロボット100の移動速度を制御して、ロボット100とロボット110が安定的に走行できるようにするための制御である。
次に、ロボット100とロボット110が相対的な姿勢の関係(以下、相対姿勢とよぶ)を乱すことなく、移動するための動作について説明する。例えば、ロボット100に比べてロボット110が遅れている場合に、ロボット100の移動速度を制御して、ロボット100とロボット110が安定的に走行できるようにするための制御である。
ロボット100の通信部101とロボット110の通信部111は、相互に通信するための機能を持ち、これにより互いの姿勢情報を得ることができる。図1の場合には、ロボット100の相対姿勢検出部108において、ロボット100とロボット110の姿勢の差、つまり、相対姿勢情報(dx,dy,dθ)を求めている。この相対姿勢情報(dx,dy,dθ)はロボット100の制御演算部105に入力され、ロボットコントローラ120から入力された目標相対姿勢情報(dxr,dyr,dθr)と比較される。
制御演算部105は、この比較結果に基づいて、目標相対姿勢になるようにフィードバック制御を実行する。同時に、相対姿勢制御のための情報は、通信部101、111を介して、ロボット110の制御演算部115にも入力され、同様に、目標相対姿勢となるようにロボット110の姿勢も制御される。これにより、2台のロボットが所定の移動経路を移動しながら、かつ、常にその相対姿勢を目標相対姿勢にできる。
<目標姿勢制御及び相対姿勢制御の詳細動作>
図2及び図3を用いて、目標姿勢制御及び相対姿勢制御動作の詳細について説明する。図2は、ロボット100及び110の内部の詳細構成を示すブロック図である。図3は、ロボット移動システムにおける制御動作を説明するためのフローチャートである。
図2及び図3を用いて、目標姿勢制御及び相対姿勢制御動作の詳細について説明する。図2は、ロボット100及び110の内部の詳細構成を示すブロック図である。図3は、ロボット移動システムにおける制御動作を説明するためのフローチャートである。
まず、図2を用いて、ロボット100の制御演算部105の詳細な構成及び関連動作について説明する。制御演算部105は、ロボット姿勢補正部105aと、ロボット制御部105bと、モータ制御指令部105cと、舵角制御指令部105dと、相対姿勢制御部105eと、を備えている。相対姿勢制御部105eは、先に説明したように、ロボットコントローラ120から供給される目標相対姿勢情報(dxr,dyr,dθr)と相対姿勢情報(dx,dy,dθ)から、その差が小さくなるように、ロボット補正部105aに補正指令を出力する。ロボット補正部105aは、ロボットコントローラ120の移動経路発生部121から与えられた目標姿勢情報(x1r,y1r,θ1r)に、上記補正指令を追加して、補正目標姿勢情報(x1rc,y1rc,θ1rc)を算出し、ロボット制御部105bに出力する。なお、目標姿勢制御部105eは、移動モータ106の速度を所定値以内に制限するようにしながら相対姿勢を制御するようにしてもよい。
ロボット制御部105bは、補正目標姿勢情報と姿勢検出部103から得られた姿勢情報(x1,y1,θ1)とを基に、ロボット100の本体を移動するための車輪速度指令ω11r、ω12r、ω13r、ω14r、さらに、ロボット本体の角度を変えるための舵角指令α11r、α12r、α13r、α14rを制御演算する。先に述べたように、ロボット100は四輪操舵システムになっているので、4つの車輪速度指令は同一の値であるとは限定されず、旋回方法、移動方法により、車輪の横すべりが小さくなるように算出される。同様に、ロボット制御部105bは、車輪が滑らないように最適な指令値を与えるように、4つの舵角指令を出力する。これらの指令を従って、モータ制御指令部105cは、4つの移動モータ106の制御演算を行い、車輪速度指令どおりに回転させる。同様に、舵角制御指令部105dは、4つの操舵モータ107の制御演算を行う。これにより、ロボット100の姿勢は補正目標姿勢になる。
ロボット110では、ロボット100の相対姿勢制御部105eで演算された結果に基づき、ロボット姿勢補正部115aが、補正目標姿勢情報(x2rc,y2rc,θ2rc)を演算し、ロボット100と同様に、ロボット110の本体を制御する。
以上のような演算を行うことにより、ロボット100とロボット110は相対姿勢を目標相対姿勢に維持しながら、移動経路発生部の指示どおりの経路に従って移動できるので、2つのロボットで長尺物を安定して搬送することができる。
続いて、図3のフローチャートを用いて、目標姿勢制御及び相対姿勢制御の詳細について説明する。ここで、ロボット100は姿勢検出部103によって、姿勢検出をある一定の周期で常に行っており、ロボット100は現在の姿勢情報を任意のタイミングで参照することが可能である。
まず、説明の簡単のために、お互いの位置関係がずれることのない場合についてロボット100の挙動について説明する。ロボットコントローラ120は、移動経路発生部120を用いて移動経路を生成し(ステップ1200)、通信部122、101及び111を介してロボット100及び110に目標姿勢情報を送信し、ロボット姿勢補正部105a及び115aはその情報を受信する(ステップ1001及び1101)。このとき、ロボット100には目標相対姿勢も送信され、ロボット100の相対姿勢制御部105eはその情報を受信する(ステップ1007)。つまり、ロボット100がロボット110とどのような姿勢(位置(距離)及び角度)を取るべきかの情報も与えられる。ここでは相対姿勢にずれがないとしたため、目標姿勢補正1002では処理が行われない。
ロボット100のロボット姿勢補正部105aは、現在の姿勢情報(x1,y1,θ1)と受信した目標姿勢情報(x1r,y1r,θ1r)を基に目標姿勢の補正値を算出する(ステップ1002)。続いて、ロボット制御部105bは、ステップ1002で求めた目標姿勢補正値を用いて、ロボットの姿勢を目標姿勢に近づけるためのロボット姿勢制御を行う(ステップ1003)。つまり、上述のように、ロボット制御部105bは、車輪速度指令をモータ制御指令部105cに供給し、舵角指令を舵角制御指令部105dに供給する。
次に、制御部105は、移動後の姿勢(x1,y1,θ1)が目標姿勢に到達したかどうかの判定を行う(ステップ1004)。到達していなければ、この姿勢情報を図2におけるロボット制御部105b、相対姿勢検出部108および移動経路発生部121へフィードバックし(1005)、目標姿勢補正処理(ステップ1002)に戻りロボット姿勢制御処理(ステップ1003)へ移行する。目標姿勢に到達していれば、この目標姿勢が最終目標姿勢であるかどうかの判定を行う(ステップ1008)。最終目標姿勢に到達していれば、ロボットは停止する。到達していなければ移動経路発生処理(ステップ1200)に戻り、新たな目標姿勢を受信する。ロボット110に関する動作も同様である。
続いて、目標相対姿勢と相対姿勢にずれの生じている場合について説明する。上述したように、ロボット100の相対姿勢制御部105eは、移動経路発生部121から目標相対姿勢情報(dxr,dyr,dθr)を受信する(ステップ1007)。次に、相対姿勢検出部108は、ロボット100および110の相対姿勢dx、dy、dθを計算する(ステップ1008)。
相対姿勢制御部105eは、目標相対姿勢情報(dxr,dyr,dθr)と相対姿勢情報(dx,dy,dθ)から、相対姿勢が目標値に近づくような補正指令をロボット姿勢制御部105a及び115aに出力する(ステップ1009)。ロボット姿勢補正部105aは、この補正指令に基づいて目標姿勢情報(x1r,y1r,θ1r)に修正を加え、補正目標姿勢情報(x1rc,y1rc,θ1rc)を算出する(ステップ1002)。また、ロボット姿勢補正部115aは、補正指令に基づいて、目標姿勢情報(x2r,y2r,θ2r)に修正を加えて補正目標姿勢情報(x2rc,y2rc,θ2rc)を算出する。続く動作は、上述した通りである。
なお、相対姿勢が目標相対姿勢から許容範囲よりもずれた場合には、ロボット100は停止信号を発信し、受信したロボット110を停止させる。同時に、ロボット100も停止し、警告音発信部109から警告音を発信する構成とし、信頼性の向上を図っている。
<動作状態の具体例>
図4は、図1のシステムを用いてロボット100、110を制御したときの動作状態を示した平面図である。図4(a)は、ロボット100および110が壁202、203(細い実線で示されている)などの間の通路を移動している様子を示している。ロボット110は壁202や203との距離をレーザ距離センサ(外界センサ)112によって計測している。計測できる範囲204は、ロボット110に取り付けたレーザ距離センサ112の光源から直線的に観測できる部分であり、図4に太線で示している。なお、細い実線で示された壁部分は、レーザ距離センサ102及び112から死角になっている。
図4は、図1のシステムを用いてロボット100、110を制御したときの動作状態を示した平面図である。図4(a)は、ロボット100および110が壁202、203(細い実線で示されている)などの間の通路を移動している様子を示している。ロボット110は壁202や203との距離をレーザ距離センサ(外界センサ)112によって計測している。計測できる範囲204は、ロボット110に取り付けたレーザ距離センサ112の光源から直線的に観測できる部分であり、図4に太線で示している。なお、細い実線で示された壁部分は、レーザ距離センサ102及び112から死角になっている。
ロボット110の環境地図記憶部114には、予め壁202及び203や障害物の存在する状態を示す地図が記憶されている。姿勢検出部113は、観測範囲204の形状と地図の形状をマッチングすることでロボット110の姿勢情報(x2,y2,θ2)を得ている。また、先導するロボット100についても姿勢情報(x1,y1,θ1)を同様の方法で得ている。図2で説明したように、これらの姿勢の情報から2台のロボットの相対姿勢を算出してフィードバック制御している。なお、このときのマッチングに使用する方法としてはIterative Closest Point(ICP)法など、どんな方法を用いてもよい。
図4(b)は、図4(a)の姿勢からロボット100及び110が相対姿勢を保持したまま、通路の角を旋回しているときの状態を示す図である。この図からわかるように、旋回中のロボット100の各車輪とロボット110の各車輪を、旋回中心207に対して、垂直となるように、舵角が制御される。これにより、横滑りすることなく、安定して、相対姿勢を保持して旋回することができる。なお、図4(b)におけるロボット100及び110の観測範囲204は図4(a)と異なっているが、当然のことながら、これはロボット100及び110の姿勢(位置及び方向)が違うためである。しかしながら、図4(a)及び(b)におけるロボット110は、いずれも、観測範囲204の中央に、ロボット100の背面を観測し、距離データとして計測していることがわかる。
(2)第2の実施形態
第2の実施形態の移動ロボットシステムは、相対姿勢検出部をロボット110に配置した点で、第1の実施形態とは異なっている。
第2の実施形態の移動ロボットシステムは、相対姿勢検出部をロボット110に配置した点で、第1の実施形態とは異なっている。
<移動ロボットシステムの構成>
図5は、本発明の第2の実施形態による移動ロボットシステムの概略構成であって、システムが2台のロボットで構成される場合のブロック図である。第2の実施形態による移動ロボットシステムは、第1の実施形態と同様に、システム全体の制御を実行するロボットコントローラ120と、ロボット100及び110と、を備えている。
図5は、本発明の第2の実施形態による移動ロボットシステムの概略構成であって、システムが2台のロボットで構成される場合のブロック図である。第2の実施形態による移動ロボットシステムは、第1の実施形態と同様に、システム全体の制御を実行するロボットコントローラ120と、ロボット100及び110と、を備えている。
ロボットコントローラ120は、各ロボットの移動経路を発生する移動経路発生部121と、その演算結果を各ロボットに通信する通信部122と、を備え、ロボット100に目標姿勢情報(x1r,y1r,θ1r)を、ロボット110に目標姿勢情報(x2r,y2r,θ2r)をそれぞれ出力している。ここで、ロボットの位置(x,y)と角度(方向)θをあわせて、姿勢とよぶ。また、ロボットコントローラ120は、さらに、ロボット110に目標相対姿勢情報(dxr,dyr,dθr)を出力する。なお、終点となる目標姿勢情報はユーザによってロボットコントローラ120に入力される。始点となるロボットの姿勢情報は分かる(ユーザが入力しても良い)ので、移動経路発生部121が取るべき経路中の位置及び角度を経時的な目標姿勢情報(例:複数のポイント情報)として各ロボットに与える。
ロボット100は、ロボットコントローラ120や他のロボット110と通信を行う通信部101と、所定の範囲内にある物体との距離を計測する外界センサ102と、自ロボットの姿勢(位置及び角度)を検出する姿勢検出部103と、進路の形状や進路上に存在する物体等の情報を含む環境地図を保存する環境地図記憶部104と、目標姿勢に対してロボットの姿勢を制御するための制御演算を行う制御演算部105と、移動モータ(4輪の場合4つ)106と、操舵モータ107と、姿勢が目標姿勢から所定許容範囲よりずれた場合に警告を発する警告音発信部109と、を備えている。
ロボット110は、ロボットコントローラ120や他のロボット100と通信を行う通信部111と、所定の範囲内にある物体との距離を計測する外界センサ112と、自ロボットの姿勢(位置及び角度)を検出する姿勢検出部113と、進路の形状や進路上に存在する物体等の情報を含む環境地図を保存する環境地図記憶部114と、姿勢制御等の制御演算を行う制御演算部115と、移動モータ(4輪の場合4つ)116と、操舵モータ117と、他のロボットとの相対姿勢を検出する相対姿勢検出部118と、相対姿勢が目標相対姿勢から所定許容範囲よりずれた場合や現時点での姿勢が目標姿勢から所定許容範囲よりずれた場合に、警告を発する警告音発信部119と、を備えている。なお、複数のロボットのうち、少なくとも1つがロボット100のような構成を備えていなければならない。また、姿勢検出の方法は第1の実施形態と同様であるので、その詳細については第1の実施形態の説明を参照されたい。
<目標姿勢制御及び相対姿勢制御の詳細動作>
図6及び図7を用いて、目標姿勢制御及び相対姿勢制御動作の詳細について説明する。図5は、第2の実施形態による、ロボット100及び110の内部の詳細構成を示すブロック図である。図6は、ロボット移動システムにおける制御動作を説明するためのフローチャートである。
図6及び図7を用いて、目標姿勢制御及び相対姿勢制御動作の詳細について説明する。図5は、第2の実施形態による、ロボット100及び110の内部の詳細構成を示すブロック図である。図6は、ロボット移動システムにおける制御動作を説明するためのフローチャートである。
まず、図5を用いて、ロボット110の制御演算部115及びロボット100の制御演算部10の詳細な構成及び関連動作について説明する。制御演算部115は、ロボット姿勢補正部115aと、ロボット制御部115bと、モータ制御指令部115cと、舵角制御指令部115dと、相対姿勢制御部115eと、を備えている。相対姿勢制御部115eは、先に説明したように、ロボットコントローラ120から供給される目標相対姿勢情報(dxr,dyr,dθr)と相対姿勢情報(ロボット100との距離の情報)から、その差が小さくなるように、ロボット補正部115aに補正指令を出力する。ロボット補正部115aは、ロボットコントローラ120の移動経路発生部121から与えられた目標姿勢情報(x2r,y2r,θ2r)に、上記補正指令を追加して、補正目標姿勢情報(x2rc,y2rc,θ2rc)を算出し、ロボット制御部115bに出力する。
ロボット制御部115bは、補正目標姿勢情報と姿勢検出部113から得られた姿勢情報(x2,y2,θ2)とを基に、ロボット110の本体を移動するための車輪速度指令ω21r、ω22r、ω23r、ω24r、さらに、ロボット本体の角度を変えるための舵角指令α21r、α22r、α23r、α24rを制御演算する。先に述べたように、ロボット110は四輪操舵システムになっているので、4つの車輪速度指令は同一の値であるとは限定されず、旋回方法、移動方法により、車輪の横すべりが小さくなるように算出される。同様に、ロボット制御部115bは、車輪が滑らないように最適な指令値を与えるように、4つの舵角指令を出力する。これらの指令を従って、モータ制御指令部115cは、4つの移動モータ116の制御演算を行い、車輪速度指令どおりに回転させる。同様に、舵角制御指令部115dは、4つの操舵モータ117の制御演算を行う。これにより、ロボット110の姿勢は補正目標姿勢になる。
ロボット100では、ロボットコントローラ120から供給された目標姿勢情報(x1r,y1r,θ1r)と現在の姿勢情報(x1,y1,θ1)に基づいて、ロボット制御部105bが、ロボット110と同様に、ロボット110の本体を制御する。つまり、ロボット100は、ロボット110の姿勢に関しては気にせずに自ロボットの姿勢が目標値になるように制御しているだけである。
以上のような演算を行うことにより、ロボット110がロボット100との相対姿勢(距離)を目標相対姿勢に維持しながら、移動経路発生部の指示どおりの経路に従って移動できるので、2つのロボットで長尺物を安定して搬送することができる。
続いて、図7のフローチャートを用いて、目標姿勢制御及び相対姿勢制御の詳細について説明する。ロボット100に関しては図3(第1の実施形態)の位置ずれのない場合に対する説明と同様である。ロボット110についても位置ずれがない場合では、ロボット100と同様である。図3と異なる点としては2点あり、位置ずれが生じた場合に相対姿勢を制御するための機能がロボット100ではなくロボット110に備わっていること、相対姿勢の計算に距離データを使用していることである。
図7において、まず、ロボットコンとローラ120の移動距離経路発生部121が移動経路情報を生成し、目標姿勢情報をロボット100及び110に、目標相対姿勢情報をロボット110に供給する(ステップ1200)。相対姿勢制御部115eは、移動経路発生部121から目標相対姿勢情報(dxr,dyr,dθr)を受信する(ステップ2107)。そして、相対姿勢制御部115eは、ロボット100との相対姿勢を計算する(ステップ2108)。図4の観測範囲204において説明したように、ロボット110が距離データとして、ロボット100の背面までの距離と方向を計測している。このデータよりロボット110に対するロボット100の相対姿勢情報(dx,dy,dθ)を計算し、ロボット姿勢制御部115aに出力する(ステップ2109)。
次に、ロボット姿勢補正部115aは、相対姿勢制御部から得た相対姿勢情報及び姿勢検出部113から得た姿勢情報に基づいて、入力された目標姿勢情報を補正し、補正目標姿勢情報(x2rc,y2rc,θ2rc)をロボット制御部115bに出力する(ステップ1102)。そして、ロボット制御部115bが、この補正姿勢目標情報に基づいて、車輪速度指令及び舵角指令をモータ制御指令部115c及び舵角制御指令部115dにそれぞれ出力する(1103)。
以上のように、ロボット110内の相対姿勢制御部115eにおいては、相対姿勢検出部118で得られた相対姿勢を用いて、ロボット100までの相対姿勢が目標相対姿勢(dxr,dyr,dθr)になるように、ロボット姿勢補正部115aに補正指令を出力している。これにより、ロボット110の姿勢を補正し、ロボット100とロボット110の相対姿勢をフィードバック制御している。本実施形態によれば、ロボット相互の通信量を少なくしながら、ロボット110のレーザ距離センサ112だけを用いて、より高速にフィードバック制御を行うことができる。そのため、本実施例は、より精度良く安定して相対姿勢を保持できる特徴がある。
(3)舵角制御方法
以下、4輪操舵の舵角制御方法について説明する。なお、この舵角制御については、第1及び第2の実施形態において共通のものである。
以下、4輪操舵の舵角制御方法について説明する。なお、この舵角制御については、第1及び第2の実施形態において共通のものである。
図8は、より具体的な4輪操舵の舵角制御方法を示した図である。時刻t1において、ロボット100とロボット110が、相対姿勢を保持しながら旋回している状態を実線で示している。
図8では、旋回中心309に対して移動ロボット110の中心点302が半径Sの円周上にあり、移動ロボット100の中心点304が半径Rの円周上にある。移動ロボット100(t1)の車輪311(1)〜(4)と移動ロボット110(t1)の車輪310(1)〜(4)は旋回中心311からの垂線に対して直角となるように舵角を切っている。これにより、移動ロボット100(t1)は移動ロボット100(t2)の位置へ、移動ロボット110(t1)は移動ロボット110(t2)の位置へと、舵角を固定したまま移動することが可能である。このとき移動ロボット100の移動速度v1と移動ロボット110の移動速度v2の関係を(式1)のように制御する。
v1×R=v2×S ・・・(式1)
これにより複雑な制御を必要とせず、また、2台のロボットの相対姿勢を変化させずに旋回することができる。また、各実施形態では簡単のため2台の移動ロボットによって説明を行ったが、複数台の場合においても、旋回中心309からの垂線に対して舵角を直角とし、速度の関係を(式1)となるように制御することで同様の効果を得られることは明らかである。
図9は、移動ロボット100が移動経路400上を通過しながら移動ロボット110と強調して長尺物405を搬送している様子を示している。まず、移動ロボット100が旋回開始点401まで移動経路400上を直進する。次に旋回中心309に対して、図4において説明したように舵角を切り、2台のロボットの移動速度を(式1)として旋回を始める。旋回を行っている際に舵角を変化させる必要はない。また、図9の例では移動経路上の旋回を行う部分は90°旋回するための経路であるが、旋回角度が90°以外の任意の角度でもスムーズに曲がれることは明らかである。このように曲がることによって、舵角を図8と同様に制御することができる。
図10は、図9と同様に、移動ロボット100と移動ロボット110が長尺物504を搬送している様子を示している。このとき移動経路505上を通過する点を長尺物504上の点501が搬送経路505に接するように移動するように制御する。これにより、移動ロボット100と移動ロボット110の旋回速度を近づけることができる。特に、2台のロボットを結ぶ直線上の中心点を旋回中心とすれば、2台のロボットの移動速度は等しくなり、より簡単に旋回を行うことが可能となる。2台のロボットを結ぶ直線とこの直線に直交する旋回中心309からの垂線上の点が円弧上を通過するように制御しても同様の結果を得ることができる。
図11は、移動ロボット100と移動ロボット110が長尺物601を移動経路604に従って移動している様子を示している。図11においては、旋回中心が搬送物上にあることが図9及び10と異なる点である。移動ロボット100と移動ロボット110は旋回中心309に到達するまで直進を行い、旋回中心に到達後旋回を行う。この場合でも図10の説明と同様に2台のロボットを結ぶ直線を2等分する点を旋回中心とすれば移動ロボット100と移動ロボット110の旋回速度は等しくなり、簡単な制御でロボットの進行方向を変更することが可能となる。
図12は、旋回中心703が移動ロボット100の下にある場合の説明図である。図4の場合と同様に移動ロボット100および110の舵角は、旋回中心703からの垂線に対して直角となる方向を向いている。
図13は、4台の移動ロボット801〜804が協調して大きい物体809を搭載し、旋回している様子を示している。これらの移動ロボットのうちで特に移動ロボット804は搬送物の重心近くに配置されており、搬送物の重量によって、搬送物が変形してしまうことを防ぐ役割を担っている。また、旋回中心805は移動ロボット804上にあるが、これも図12で説明したように舵角を制御することで、簡単に旋回することができる。旋回する際に、旋回中心805から最も遠くはなれている移動ロボット801の移動速度が相対的に最も速くなるが、移動ロボット801の速度を基準として(式1)の関係を用いて他の移動ロボットの旋回速度を決定する。これにより、スリップの少ない安定した旋回を行うことが可能となる。
(4)その他
以上説明したように実施形態からも分かるように、本発明は変形した搬送物やロボットに対してより巨大な搬送物を搬送する場合にも適用できる。実施形態では、隊列を組むロボットの台数は2台、4台とした場合について説明したが、台数を限定するものではなく、より多くの台数の隊列や奇数の台数の場合にも適用できることは言うまでもない。
以上説明したように実施形態からも分かるように、本発明は変形した搬送物やロボットに対してより巨大な搬送物を搬送する場合にも適用できる。実施形態では、隊列を組むロボットの台数は2台、4台とした場合について説明したが、台数を限定するものではなく、より多くの台数の隊列や奇数の台数の場合にも適用できることは言うまでもない。
なお、本発明は、実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードによっても実現できる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体をシステム或は装置に提供し、そのシステム或は装置のコンピュータ(又はCPUやMPU)が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、及びそれを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。このようなプログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、CD−ROM、DVD−ROM、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−R、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROMなどが用いられる。
また、プログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているOS(オペレーティングシステム)などが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現されるようにしてもよい。さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータ上のメモリに書きこまれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータのCPUなどが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現されるようにしてもよい。
また、実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを、ネットワークを介して配信することにより、それをシステム又は装置のハードディスクやメモリ等の記憶手段又はCD-RW、CD-R等の記憶媒体に格納し、使用時にそのシステム又は装置のコンピュータ(又はCPUやMPU)が当該記憶手段や当該記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行するようにしても良い。
100、110:ロボット
101、111:通信部
102、112:センサ
103、113:姿勢検出部
104、114:環境地図記憶部
105、115:制御演算部
106、116:移動モータ
107、117:操舵モータ
108:相対姿勢検出部
109、119:警告発生部
120:ロボットコントローラ
121:移動経路発生部
101、111:通信部
102、112:センサ
103、113:姿勢検出部
104、114:環境地図記憶部
105、115:制御演算部
106、116:移動モータ
107、117:操舵モータ
108:相対姿勢検出部
109、119:警告発生部
120:ロボットコントローラ
121:移動経路発生部
Claims (7)
- 複数のロボットと、各ロボットの動作を指示するロボット指令部と、を備え、物体を前記複数のロボットで支持し、搬送経路に沿って搬送するためのロボットシステムであって、
前記複数のロボットのそれぞれは、自ロボット本体の位置及び方向の情報を含む姿勢を検出する姿勢検出部と、前記自ロボット本体を移動する移動部と、前記自ロボット本体の前記姿勢を変える操舵部と、前記姿勢検出部から得られた前記姿勢の情報を用いて前記移動部と前記操舵部を制御する制御部と、を備え、
前記複数のロボットのうち少なくとも1つのロボットの前記制御部は、前記姿勢検出部から得られる他のロボットとの相対姿勢を演算し、この相対姿勢の情報に基づいて前記移動部及び前記操舵部を制御することを特徴とするロボットシステム。 - 前記複数のロボットにおいてそれぞれの旋回中心が概ね一致し、
前記制御部は、前記複数のロボットのそれぞれの前記移動部の移動方向が前記旋回中心と概ね垂直となるように、前記操舵部を制御することを特徴とする請求項1に記載のロボットシステム。 - 前記少なくとも1つのロボットの前記制御部は、前記相対姿勢が許容範囲からずれた場合にシステムの動作を停止することを特徴とする
請求項1に記載のロボットシステム。 - 前記姿勢検出部は、前方の所定角度範囲内に存在する障害物との距離を検出するセンサを備え、予め格納部に保存された前記障害物の地図情報と前記センサによって得られた距離とを比較して、前記姿勢を検出することを特徴とする請求項1に記載のロボットシステム。
- 自ロボット本体の位置及び方向の情報を含む姿勢を検出する姿勢検出部と、前記自ロボット本体を移動する移動部と、前記自ロボット本体の前記姿勢を変える操舵部と、を有する複数のロボットと、
前記複数のロボットのそれぞれに目標姿勢の情報を与え、前記複数のロボットのうち、少なくとも1つのロボットに目標相対姿勢の情報を与えるロボットコントローラと、を備え、
前記複数のロボットの少なくとも1つは、前記姿勢検出部により得た前記自ロボットと他のロボットの間の相対姿勢を前記目標相対姿勢に保持する相対姿勢制御部と、前記相対姿勢制御部の演算結果に基づいて前記目標姿勢の情報を補正するロボット姿勢補正部と、この補正された目標姿勢の情報に基づいて前記移動部及び前記操舵部を制御するための制御信号を出力するロボット制御部と、を備えることを特徴とするロボットシステム。 - 前記相対姿勢制御部は、前記移動手段の速度を所定値以内に制限するようにしながら、前記相対姿勢を前記相対目標姿勢に保持することを特徴とする請求項5記載の移動ロボットシステム。
- 前記姿勢検出部は、前方の所定角度範囲内に存在する障害物との距離を検出するセンサを備え、予め格納部に保存された前記障害物の地図情報と前記センサによって得られた距離とを比較して、前記姿勢を検出することを特徴とする請求項5に記載のロボットシステム。
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