JP2015121928A - 自律移動ロボットの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より正確に目的地に到達することが可能な自律移動ロボットの制御方法を提供する。【解決手段】制御装置が、予め設定された走行エリアの種類に応じて、認識用マーカ２００を画像認識して移動するマーカモードと、教示経路１４に沿って移動する経路モードとを切り替えるとともに、経路モードからマーカモードに切り替える際に、認識用マーカを撮像したカメラフレーム２１０の中心に認識用マーカ２００が位置するように教示経路１４の終端を位置調整する。【選択図】図７

Description

本発明は、自律移動ロボットの制御方法に関し、特に、目的地へ向かって追従制御を行う自律移動ロボットの制御方法に関する。

近年、目的地へ向かって自律で移動する自律移動ロボットの研究が進められている。例えば、特許文献１には、ロボットなどの走行車の移動制御方法が開示されている。

自律移動ロボットでは自律移動するために目的地（または経路）を与える必要がある。従来の自律移動ロボットの移動制御において目的地を与える方法として、主に以下の３つの方法が知られている。
（方法ａ）移動する目的地を地図上で教示し、教示した目的地の情報を自律移動ロボットが記憶する。
（方法ｂ）移動経路を地図上、または実際に自律移動ロボットを動かすことで教示し、教示した経路の情報を自律移動ロボットが記憶する。
（方法ｃ）自律移動ロボットが、カメラ等で目的地を撮影することで画像から目的地を取得する。

上記３つの方法は、予め目的地（または経路）を教示しておく従来方法（方法ａ，方法ｂ）と、定期的に都度目的地を取得する従来方法（方法ｃ）との２つに分類できる。前者のように予め目的地を教示しておく従来方法では、目的地までの距離によらず、教示後すぐに移動を開始することができる。また、後者のように都度目的地を取得する従来方法では、目的地の状況に変更があっても都度修正して正確に到達することができる。

特開平０９−０６２３５０号公報

しかしながら、上記予め教示しておく従来方法の場合、目的地の位置や姿勢が変わると正確に到達することができず、また、上記都度目的地を取得する従来方法の場合、目的地の状況が得られるまで目的地点を決定することができない。

このように、２つの従来方法は、それぞれの利点と欠点が背反しており、単一の機能として実現することができない。従来の自律移動ロボットの制御方法では、これら２つの従来方法を利用することが考慮されていないため、移動にともなう誤差が累積し、正確に目的地に到達できない場合があるという問題がある。

本発明に係る自律移動ロボットの制御方法は、予め設定された走行エリアの種類に応じて、目的地に設けられたマーカを画像認識して移動するマーカ追従移動制御と、教示された教示経路に沿って移動する教示経路追従移動制御とを切り替えるとともに、前記教示経路追従移動制御から前記マーカ追従移動制御に切り替える際に、前記マーカを撮像した画像フレームの中心に前記マーカが位置するように前記教示経路の終端を位置調整することを特徴とするものである。このように、マーカ追従移動制御と教示経路追従移動制御の組み合わせ、さらに、教示経路の終端を位置調整することから、高精度かつロバスト性の高い移動制御が可能となる。

本発明によれば、より正確に目的地に到達することが可能な自律移動ロボットの制御方法を提供することができる。

実施の形態１に係る自律移動ロボットの構成を示す構成図である。 実施の形態１に係る自律移動ロボットのマーカ追従エリア及び経路追従エリアを説明するための説明図である。 実施の形態１に係る自律移動ロボットの制御方法を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る自律移動ロボットの制御方法を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る自律移動ロボットのマーカモード及び経路モードの効果を説明するための表である。 実施の形態２に係る自律移動ロボットの教示経路修正方法を説明するための説明図である。 実施の形態２に係る自律移動ロボットの教示経路修正方法を説明するための説明図である。 実施の形態２に係る自律移動ロボットの教示経路修正方法を説明するための説明図である。

（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。

本実施の形態では、画像処理によるマーカ認識と自己位置推定機能を用いた経路追従を組み合わせることで、稼働範囲が広い場面での高精度かつロバストな目標地到達を可能とする。これは、認識可能範囲は狭いが絶対位置認識精度が高く、目的地の若干の変動にロバストな画像認識と、絶対位置認識精度は粗いが常時教示経路に対して相対位置の認識ができる自己位置推定機能を組み合わせることで実現される。

図１は、実施の形態１に係る自律移動ロボットの構成を示している。本実施の形態に係る自律移動ロボット１００は、目的地へ向かって自律で移動する移動体であり、図１に示すように、制御装置１０１、自己位置推定装置１０２、移動装置１０３、カメラ１０４、画像認識装置１０５を備えている。

移動装置１０３と制御装置１０１は、自律移動ロボット１００の移動系を構成している。移動装置１０３は、自律移動ロボット１００を移動させるための移動機構である。移動装置１０３は、自律移動ロボット１００を移動させる車輪１０３ａや車輪１０３ａを駆動する駆動装置を備えており、さらに、車輪の回転角を検出する回転角センサやレーザセンサを備えている（不図示）。移動装置１０３は、制御装置１０１から与えられる車輪回転指令値にしたがって車輪１０３ａを回転駆動し、自律移動ロボット１００を移動させる。

制御装置１０１は、自律移動ロボット１００の自律移動を制御するための制御部である。制御装置１０１は、例えば、制御プログラムを実行することで本実施の形態に係る自律移動ロボット１００の制御処理を実現するＣＰＵ（Central Processing Unit）である。

制御装置１０１は、画像認識装置１０５（画像認識系）および自己位置推定装置１０２（自己位置推定系）からの情報をもとに、移動装置１０３の車輪１０３ａの回転角を制御する。さらに、制御装置１０１は、走行エリアに応じてマーカ追従エリアと経路追従エリアを切り替えて移動制御を行う。

図２は、マーカ追従エリア１１と経路追従エリア１２を示すイメージ図である。ここでは、一例として、自律移動ロボット１００は、棚から別の棚までの部品搬送を行うロボットである。

自律移動ロボット１００は２種類の移動制御モードを切り替えて全行程を移動する。
棚２０１には目的地を画像認識するための認識用マーカ２００が付けられており、認識用マーカ２００が見える範囲では画像認識によって目的地、すなわち棚２０１の位置へと移動する。自律移動ロボット１００のカメラ１０４の画角１３内で認識用マーカ２００を画像認識可能なエリアがマーカ追従エリア１１であり、マーカ追従エリア１１において画像認識により自律移動する移動制御をマーカモード（マーカ追従移動制御）とする。

自律移動ロボット１００は、認識用マーカ２００が見えない範囲では予め教示された教示経路１４に沿って移動する。マーカ追従エリア１１よりも認識用マーカ２００から離れた領域であり、教示経路１４に沿って移動するエリアが経路追従エリア１２であり、経路追従エリア１２において教示経路１４に沿って自律移動する移動制御を経路モード（教示経路追従移動制御）とする。自律移動ロボット１００は、経路追従エリア１２の経路モードでは、車輪回転角などを用いたオドメトリによって教示経路１４から外れないように次のマーカ追従エリア１１の開始点まで移動する。

制御装置１０１は、走行エリアの種類、すなわち、マーカ追従エリア１１または経路追従エリア１２のいずれかに応じて、マーカモードと経路モードを切り替えて、移動制御を行う。制御装置１０１は、マーカモードを実現するためのマーカ追従移動制御部と、経路モードを実現するための教示経路追従移動制御部を有するともいえる。また、図１のように制御装置１０１は、経路モードで使用する教示経路を記憶する教示経路記憶部１０１ａと、マーカモードで使用する認識用マーカ２００までの相対位置の定義値を記憶する定義値記憶部１０１ｂと、を有している。

カメラ１０４と画像認識装置１０５は、自律移動ロボット１００の画像認識系を構成している。カメラ１０４は、棚２０１に設けられた認識用マーカ２００を撮像する撮像部である。棚２０１の認識用マーカ２００は、画像認識可能なマークであれば、任意の図形、文字、バーコードなどでもよい。カメラ１０４は、２次元の画像データを生成する２次元カメラでもよいし、３次元の距離画像データを生成する３次元カメラでもよい。

画像認識装置１０５は、カメラ１０４が撮像した画像データから認識用マーカ２００を認識するマーカ認識部（マーカ検出部）である。画像認識装置１０５は、カメラ１０４の画像データから、認識用マーカ２００と自律移動ロボット１００との相対位置を３次元情報として取得する。例えば、カメラ１０４を複数のカメラを含む３次元カメラ（ステレオカメラ）として、カメラ１０４が生成する距離画像データから、距離情報を取得してもよいし、カメラ１０４を２次元の画像データを生成する２次元カメラとして、画像データにおける認識用マーカ２００のサイズから距離情報を取得してもよい。

自己位置推定装置１０２は、自律移動ロボット１００の自己位置推定系を構成している。例えば、自己位置推定装置１０２は、オドメトリ機能部１０２ａを有している。オドメトリ機能部１０２ａは、移動装置１０３の車輪１０３ａの回転角センサ、レーザセンサなどのセンサ情報から、自律移動ロボット１００が進んだ距離と方位を算出する。自己位置推定装置１０２は、オドメトリ機能部１０２ａが算出したオドメトリ情報をもとに、自律移動ロボット１００の現在位置を推定する。

図３Ａ及び図３Ｂは、本実施の形態に係る自律移動ロボット１００の制御方法を示すフローチャートである。図３Ａ及び図３Ｂは、経路を教示する教示作業、経路追従エリア１２における経路モード、マーカ追従エリア１１におけるマーカモードの順に動作する例を示している。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、まず、自律移動ロボット１００を動かして経路を教示する（Ｓ１０１）。これにより、制御装置１０１は、教示経路記憶部１０１ａに教示された教示経路１４の経路情報を記憶する。

なお、教示経路１４の終端でカメラ１０４の画角１３に認識用マーカ２００が入っていることが重要なため、経路を教示する際には自律移動ロボット１００の本体を移動させる手段が望ましい。このとき、自律移動ロボット１００を操縦してもよいし、自律移動ロボット１００を直接手で押してその移動量を記憶させてもよい。

続いて、自律移動ロボット１００は、作業を開始する（Ｓ１０２）。例えば、経路の教示後、作業開始指令を自律移動ロボット１００に与えることで、自律移動ロボット１００は動作確認し部品搬送などの作業を開始する。このとき、自律移動ロボット１００は、自己の位置を確認し、自己の位置が経路追従エリア１２の場合、経路モードで動作し、自己の位置がマーカ追従エリア１１の場合、マーカモードで動作する。

図３Ａ及び図３Ｂでは、まず、経路モードで動作する。なお、自律移動ロボット１００は指示されたコース（マーカ追従エリア１１及び経路追従エリア１２含む）を往復（または巡回）するが、コース上でのマーカモード終了後は自動で次の経路モードを再開する。再開時には、例えば、自律移動ロボット１００が自分で搬送すべき箱があるかないかなどの判断をして出発のタイミングを決めるなどの手段を有していてもよい。

続いて、自律移動ロボット１００は、教示経路１４に従って移動する（Ｓ１０３）。制御装置１０１は、動作モードを経路モードとして、教示された教示経路記憶部１０１ａの教示経路１４に沿って移動するように移動装置１０３を制御する。制御装置１０１は、経路モードでは、自己位置推定装置１０２が推定した位置と教示経路１４を比較し、自己の位置が教示経路１４に追従するように、移動装置１０３の車輪１０３ａの回転角を制御する。

経路モードでは、経路追従エリア１２の端部もしくはマーカ追従エリア１１の端部、すなわち、経路追従エリア１２とマーカ追従エリア１１との境界の位置まで、教示経路１４に沿って移動する。ここでは、経路追従エリア１２とマーカ追従エリア１１との境界を検出するため、認識用マーカ２００の発見の有無と、教示経路１４の終端の位置をもとに判定を行う。

すなわち、自律移動ロボット１００は、経路モードにおいて、認識用マーカ２００を発見したか否か判定する（Ｓ１０４）。画像認識装置１０５は、カメラ１０４の画像データから認識用マーカ２００を検出しており、制御装置１０１は、画像認識装置１０５の検出結果により認識用マーカ２００の有無を判定する。

Ｓ１０４において、まだ認識用マーカ２００を発見していない場合、自律移動ロボット１００は、経路モードの移動により、教示経路１４の終端に到着したか否か判定する（Ｓ１０５）。制御装置１０１は、自己位置推定装置１０２が推定した位置が教示経路１４の終端に達したかどうか判定する。Ｓ１０５において、教示経路１４の終端に到着していない場合、自律移動ロボット１００は、経路追従エリア１２の中を移動しているため、Ｓ１０３に戻り、教示経路１４に従った移動を続ける。

Ｓ１０５において、教示経路１４の終端に到着している場合、自律移動ロボット１００は、さらに、認識用マーカ２００を発見したか否か判定する（Ｓ１０６）。Ｓ１０６において、認識用マーカ２００を発見していない場合、自律移動ロボット１００は、カメラ１０４を振って認識用マーカ２００を検索する（Ｓ１０７）。制御装置１０１は、教示経路１４の終端に到着しても認識用マーカ２００を発見できない場合、カメラ１０４を左右方向や上下方向に駆動制御し、認識用マーカ２００を探索する。

Ｓ１０４、Ｓ１０６、またはＳ１０７において、認識用マーカ２００を発見すると、自律移動ロボット１００は、マーカ追従エリア１１に到達したため、経路モードからマーカモードに切り替え、マーカモードよる移動を開始する。

マーカモードでは、自律移動ロボット１００は、認識用マーカ２００との相対位置が定義値になるまで移動する（Ｓ１０８）。制御装置１０１は、画像認識装置１０５から取得した認識用マーカ２００との相対位置が、定義値記憶部１０１ｂに記憶された定義値となるまで、認識用マーカ２００に向かって追従するように、移動装置１０３の車輪１０３ａの回転角を制御する。

このとき、自律移動ロボット１００は、認識用マーカ２００がカメラ１０４の画角１３に入っていることを確認しながら移動を続け（Ｓ１０９）、相対位置が定義値になったことを確認すると（Ｓ１１０）、目的地に到着したため、処理を終了する。

Ｓ１０９では、制御装置１０１（もしくは画像認識装置１０５）は、カメラ１０４の画像データに認識用マーカ２００が含まれているかどうか判定し、認識用マーカ２００がカメラ１０４の画角１３に入っていないと判定された場合、自律移動ロボット１００は、最後に認識用マーカ２００を見た状態に対して定義された相対位置まで移動する（Ｓ１１１）。

ここでは、マーカモードにおいて、認識用マーカ２００を認識できない状態となったため、自律移動ロボット１００は、これまでの移動動作（例えば最後）において認識用マーカ２００を認識できたときの相対位置まで移動し、相対位置が定義値になったことを確認すると（Ｓ１１２）、目的地に到着したものとして、処理を終了する。

以上のように、本実施の形態では、自律移動ロボットの制御方法において、自律移動する全行程をマーカ追従エリアと経路追従エリアに分けて、それぞれのエリアに対応した制御動作モードに切り替えて制御を行う。図４に示すように、マーカ追従エリアにおけるマーカモードでは、経路モードよりも高精度に自律移動することができ、経路追従エリアにおける経路モードでは、マーカモードよりも広い範囲の経路を自律移動することができる。

本実施の形態では、マーカモードと経路モードとを切り替えて自律移動するため、マーカモードと経路モードの認識範囲と認識精度の互いに苦手な部分を補うことができ、正確に目的地に到達することができる。すなわち、目標位置到達の精度とロバスト性と広範囲での移動機能を両立し、高精度かつロバスト性の高い移動制御が可能となる。

具体的には、経路モードにより大まかに近寄ってから、マーカモードにより精度よく位置合わせすることができる。さらに、カメラの画角にマーカが入るとろこまで経路を教示すればよいため、経路の教示が非常に容易になる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、走行エリアに応じてマーカモードと経路モードを切り替える例について説明した。

実施の形態１のように動作モードを切り替える場合、マーカモードに移る瞬間（教示経路の端点）にて、運用中の棚ずれや経路追従の精度が維持できなかった場合に、その場で自律移動ロボットを旋回させるなどにより認識用マーカを探索するモードを挿入することが考えられる。

しかし、工場で自律移動ロボットを適用する場合には、作業時間の短縮は最も重要な課題であるため、探索のためだけの時間帯を設けることは困難である。

経路モードからマーカモードに移る瞬間に認識用マーカがカメラフレーム（画像フレーム）に入っていれば探索のみの時間帯が不要となり作業時間が延びずに済む。そのため、本実施の形態では、教示経路の終端を認識用マーカがカメラフレームの中心に来るように、教示経路の終端を自動調整する機能を追加する。なお、その他の構成は実施の形態１と同様である。

図５は、カメラフレーム内の認識用マーカの望ましい例である。教示経路１４の終端において、図５のように、カメラ１０４が撮像した画像であるカメラフレーム２１０の略中央に、認識用マーカ２００が位置することが望ましい。

例えば、図６では、教示経路１４の終端において自律移動ロボット１００が撮像したとき、認識用マーカ２００がカメラフレーム２１０の中央からずれて、カメラフレーム２１０の外周部近傍に位置する画像となっている。

この場合、本実施の形態では、図７のように、教示経路１４を自動修正する。すなわち、カメラフレーム２１０の略中央に認識用マーカ２００が位置するように、制御装置１０１は、自律移動ロボット１００を移動させ、この位置まで教示経路１４を修正する。これにより、上記のように、自律移動ロボット１００が教示経路１４に到達したときに、認識用マーカ２００を探索するための動作時間が不要となるため、より短時間で目的地へ到達することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１１ マーカ追従エリア
１２ 経路追従エリア
１３ 画角
１４ 教示経路
１００ 自律移動ロボット
１０１ 制御装置
１０１ａ 教示経路記憶部
１０１ｂ 定義値記憶部
１０２ 自己位置推定装置
１０２ａ オドメトリ機能部
１０３ 移動装置
１０３ａ 車輪
１０４ カメラ
１０５ 画像認識装置
２００ 認識用マーカ
２０１ 棚
２１０ カメラフレーム

Claims (1)

1. 自律移動ロボットの制御方法であって、
   予め設定された走行エリアの種類に応じて、目的地に設けられたマーカを画像認識して移動するマーカ追従移動制御と、教示された教示経路に沿って移動する教示経路追従移動制御とを切り替えるとともに、
   前記教示経路追従移動制御から前記マーカ追従移動制御に切り替える際に、前記マーカを撮像した画像フレームの中心に前記マーカが位置するように前記教示経路の終端を位置調整することを特徴とする、
   自律移動ロボットの制御方法。

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