JP2016136319A - 自律移動台車 - Google Patents

Abstract

【課題】自律移動台車の位置や姿勢の精度低下を抑制すると共に、作業効率を確保すること。【解決手段】駆動輪１２、１３と、従動輪１４と、台車の移動を制御する台車移動制御部１７と、を備える自律移動台車であって、従動輪１４の向きを計測する角度センサ１６と、角度センサ１６によって計測された従動輪１４の向きと、台車移動制御部１７により生成される進行方向に対する速度指令値と、に基づいて台車の進行方向に対する従動輪１４の旋回角を算出する旋回角算出部１８と、を備え、旋回角算出部１８が算出した旋回角があらかじめ定めた閾値以上である場合には、台車移動制御部１７により生成される速度指令値を変更して走行速度を制限する。【選択図】図１

Description

本発明は、従動輪を有する自律移動台車に関する。

従来、このような分野の技術として、特開２００４−２７２４１１号公報がある。この公報に記載された自律走行車には、操舵輪と、従動輪と、車体の移動方向に従って揺動するキャスタと、キャスタの走行揺動角度を取得するキャスタセンサが設けられている。この自律走行車では、操舵輪の設定蛇角から求めたキャスタの基準揺動角度に一致するように操舵輪の設定蛇角を補正することにより、旋回走行を行った場合に車輪の横滑りが生じても、車体の走行誤差を補正することができる。

特開２００４−２７２４１１号公報

しかしながら、前述した従来の自律走行車では、走行コースに対する車体の走行誤差を、実際の走行状態を直接反映するキャスタを利用して検出し、検出された車体の走行誤差に基づいて走行する位置の修正を行う。しかしながら、車体が走行コースから外れてから元の位置に戻す場合には、車体が振動する場合がある。ここで自律走行車では、車体の振動は少ないほうが良く、走行誤差の発生の低減が望まれているが、それと共に、作業効率を確保したいという要求があった。
本発明は、位置や姿勢の精度低下を抑制すると共に、作業効率を確保した自律移動台車を提供することを目的とする。

本発明にかかる自律移動台車は、駆動輪と、従動輪と、台車の移動を制御する台車移動制御部と、を備える自律移動台車であって、前記従動輪の向きを計測する角度センサと、前記角度センサによって計測された前記従動輪の向きと、前記台車移動制御部により生成される台車の進行方向に対する速度指令値と、に基づいて進行方向に対する前記従動輪の旋回角を算出する旋回角算出部と、を備え、前記旋回角算出部が算出した旋回角があらかじめ定めた閾値以上である場合には、前記台車移動制御部により生成される速度指令値を変更して走行速度を制限する。
これにより、キャスタの旋回により発生する抵抗による位置ずれや姿勢ずれを低減できる。

これにより、自律移動台車の位置や姿勢の精度低下を抑制すると共に、作業効率を確保できる。

自律移動台車の構成物品を示す図である。 走行スタート時の自律移動台車の下面を示す図である。 自律移動台車の速度の制御にかかるフローチャートである。 キャスタ旋回中の自律移動台車の下面を示す図である。 キャスタ旋回後の自律移動台車の下面を示す図である。 位置ずれ及び姿勢ずれと走行速度の関係の一例を示す図である。 旋回動作中の自律移動台車の下面を示す図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に示すように、自律移動台車１には、天板１１と、天板１１に設けられた第１の駆動輪１２及び第２の駆動輪１３と、天板１１に設けられた従動輪であるキャスタ１４と、第１の駆動輪１２及び第２の駆動輪１３の駆動時の回転角を測定する第１の角度センサ１５と、キャスタ１４の向きを測定する第２の角度センサ１６と、自律移動台車１の進行方向及び速度を制御する台車移動制御部１７と、台車移動制御部１７の制御により走行する自律移動台車１の走行方向と、第２の角度センサ１６で測定されたキャスタ１４の向きから、キャスタ１４の旋回角を算出する旋回角算出部１８と、判定演算部１９と、を備える。

図２に示すように、天板１１は、自律移動台車１の天板である。天板１１の下面には、第１の駆動輪１２と、第２の駆動輪１３と、キャスタ１４が設けられている。

第１の駆動輪１２は、天板１１の下面の前部右側に設けられている。第１の駆動輪１２は、台車移動制御部１７の制御信号に応じて回転駆動する。例えば、第１の駆動輪１２には、駆動部（図示せず）が接続されており、台車移動制御部１７の制御信号に応じて駆動部が駆動することで、第１の駆動輪１２が回転駆動する。また、第１の駆動輪１２には、第１の角度センサ１５が接続されている。ここで駆動部とは、例えばモータである。

第２の駆動輪１３は、天板１１の下面の前部左側に設けられている。第２の駆動輪１３は、台車移動制御部１７の制御信号に応じて回転駆動する。例えば第２の駆動輪１３には駆動部（図示せず）が接続されており、台車移動制御部１７の制御信号に応じて駆動部が駆動することで、第２の駆動輪１３が回転駆動する。また、第２の駆動輪１３には、第１の角度センサ１５が接続されている。ここで駆動部とは、例えばモータである。

ここで、自律移動台車１は、第１の駆動輪１２と第２の駆動輪１３の回転速度の差によって右旋回や左旋回を行う。例えば台車移動制御部１７が、第１の駆動輪１２が第２の駆動輪１３の回転数より多くなるように回転駆動の制御を行うことにより、自律移動台車１は左旋回する。また台車移動制御部１７が、第１の駆動輪１２が第２の駆動輪１３の回転数より少なくなるように回転駆動の制御を行うことにより、自律移動台車１は右旋回する。

キャスタ１４は、天板１１の下面の後部に設けられている従動輪である。自律移動台車１では、第１の駆動輪１２と、第２の駆動輪１３と、キャスタ１４によって、車体を安定的に支えている。キャスタ１４は、回転軸１４ａと、回転軸１４ａに対して回転可能に設けられた接続部１４ｂと、接続部１４ｂの先端に設けられた車輪１４ｃを備える。

回転軸１４ａは、天板１１の下面において、下方向に突出して設けられている。接続部１４ｂは、回転軸１４ａ周りに回動可能である。接続部１４ｂは、第１の駆動輪１２と第２の駆動輪１３の回転駆動によって自律移動台車１が走行している場合に、車輪１４ｃが地面との摩擦抵抗によって、接続部１４ｂが回転軸１４ａを中心に回動し、車輪１４ｃが進行方向と１８０°反対の方向に配された状態となる。

第１の角度センサ１５は、第１の駆動輪１２と第２の駆動輪１３が回転する速度を測定する。

第２の角度センサ１６は、キャスタ１４の向きを測定する。すなわち、第２の角度センサ１６は、回転軸１４ａ周りで回動する接続部１４ｂの角度を測定することにより、回転軸１４ａ周りのどの方向に車輪１４ｃがあるかを算出し、キャスタ１４の向きとする。第２の角度センサ１６は、取得したキャスタ１４の向きを旋回角算出部１８に出力する。

台車移動制御部１７は、例えば予め入力され記憶していた動作内容や、受信部（図示せず）によりユーザから入力された内容に基づいて自律移動台車１を移動させるための台車速度指令値ｖを出力し、第１の駆動輪１２と第２の駆動輪１３の動作を制御する。なお台車移動制御部１７は、第１の駆動輪１２と第２の駆動輪１３により移動するときの移動方向についての情報を、旋回角算出部１８に出力する。

旋回角算出部１８は、台車移動制御部１７から入力された自律移動台車１の走行方向と、第２の角度センサ１６から入力されたキャスタ１４の向きから、キャスタ１４の旋回角θを算出する。例えば、旋回角算出部１８は、第２の角度センサ１６によりキャスタ１４の向きが進行方向に対して、

判定演算部１９は、自律移動台車１が動作する際のキャスタ１４の旋回角θが、あらかじめ定めたリミット角度θlimより小さいか否かを判定する。また、判定演算部１９は、キャスタ１４の旋回角θが、あらかじめ定めたリミット角度θlimより大きい場合には、キャスタ旋回速度θ’が、あらかじめ定めたリミット速度θ’limを満たすような台車速度指令値を算出し、台車移動制御部１７に出力する。

次に、図３を参照して、自律移動台車１の動作の一例について説明する。

最初に、外部入力による自律移動台車１の動作指令を受け取る（ＳＴ１）。ここで動作指令とは、例えば、自律移動台車１が走行するための速度指令及び進行方向に関する指令である。台車移動制御部１７は、動作指令に基づいて速度指令値ｖの値を出力し、第１の駆動輪１２と第２の駆動輪１３の動作を制御する。

第２の角度センサ１６は、現時点におけるキャスタ１４の旋回角度を取得する（ＳＴ２）。ここで走行開始時のキャスタ１４の方向はランダムであり、例えば、走行方向に対する旋回角θは５degである。

旋回角算出部１８は、台車移動制御部１７から出力された速度指令値ｖと、第２の角度センサ１６で取得されたキャスタ１４の旋回角度により、台車進行方向に対するキャスタ１４の旋回角θを計算する（ＳＴ３）。例えば、自律移動台車１が走行を開始すると、図２の状態から、図４の状態を介して図５の状態となる。すなわち、自律移動台車１が走行を行って安定した状態になるとき、キャスタ１４は走行方向に対して１８０degの状態となる。したがって旋回角算出部１８は、第２の角度センサ１６からの入力及び台車移動制御部１７による走行方向の制御の情報に基づき、図２に示すようにキャスタ１４の走行方向に対する旋回角θ、すなわちキャスタ１４の向きの初期値が５degであると算出すると共に、走行方向に対する旋回角θは５degから１８０degの状態になるため、実際に回動するキャスタ１４の旋回角θが１７５degであると算出する。

判定演算部１９は、ＳＴ３において旋回角算出部１８により求められたキャスタ１４の旋回角θが、あらかじめ定めたリミット角度θlimより小さいか否かを判定する（ＳＴ４）。旋回角θがリミット角度θlimより大きければ（ＳＴ４でＮｏ）、ＳＴ５に進む。旋回角θがリミット角度θlimより小さければ（ＳＴ４でＹｅｓ）、ＳＴ６に進む。ここでリミット角度θlimの定め方については後述するが、例えばリミット角度θlimが１２０°にあらかじめ設定されており、実際に回動するキャスタ１４の旋回角θが１７５degであれば、リミット角度θlimより大きいのでＳＴ５に進む。

台車移動制御部１７は、キャスタ１４の旋回速度θ’が、あらかじめ定めたリミット速度θ’limを満たすように、速度指令値ｖを速度指令のリミット値ｖlimに制限する（ＳＴ５）。

台車移動制御部１７は、速度指令値ｖに応じて、第１の駆動輪１２と第２の駆動輪１３の目標回転速度を計算する（ＳＴ６）。なお、台車移動制御部１７は、ＳＴ５において速度指令値ｖが速度指令のリミット値ｖlimに制限されている場合には、速度指令値ｖをｖlimに変更し、第１の駆動輪１２と第２の駆動輪１３の目標回転速度を計算する（ＳＴ６）。

台車移動制御部１７は、目標回転速度となるように第１の駆動輪１２と第２の駆動輪１３の動作を制御する（ＳＴ７）。その後、ＳＴ１に戻り、処理を繰り返す。

ここで、ＳＴ５に用いられている速度指令のリミット値ｖlimは、あらかじめ以下のような実験を行うことにより定める。

最初に、自律移動台車１の走行動作を実施し、モーションキャプチャ等で自律移動台車１の絶対位置と絶対姿勢を計測する。ここで例えば、絶対位置とは、三次元空間上における自律移動台車１の位置であって、第１の駆動輪１２、第２の駆動輪１３の三次元空間上の位置である。また絶対姿勢は、三次元空間上において自律移動台車１が向いている方向、すなわち自律移動台車１の旋回角の情報を含む。

第１の角度センサ１５により、第１の駆動輪１２及び第２の駆動輪１３の動いた角度を取得してエンコードすることにより、自律移動台車１の推定位置と、推定姿勢を算出する。ここで例えば、絶対位置とは、三次元空間上における自律移動台車１の位置であって、第１の駆動輪１２、第２の駆動輪１３の三次元空間上の位置である。また絶対姿勢は、三次元空間上において自律移動台車１が向いている方向、すなわち自律移動台車１の旋回角の情報を含む。

次に、判定演算部１９は、モーションキャプチャなどにより計測した絶対位置及び絶対姿勢と、算出した推定位置及び推定姿勢とを比較し、位置ずれ及び姿勢ずれを算出する。

台車移動制御部１７は、速度指令値を変化させて比較動作を繰り返す。これにより、台車移動制御部１７は走行を行うが、図６に示すように、速度が上がるにしたがって位置ずれ及び姿勢ずれが大きくなる。このように実験で求まる値に基づき、自律移動台車１が使用される環境で許容される位置ずれ、及び許容される姿勢ずれ内に収まるような速度指令値を人が任意に決定し、速度指令のリミット値ｖlimとする。

なお、リミット角度θlim及びリミット速度θ’limについても、同様に繰り返し実験を行うことにより、実験的にずれの少ない角度や速度を選定する。例えば、自律移動台車１には速度指令が与えられ、様々な旋回角度で旋回しながら走行する。このとき、自律移動台車１の絶対位置と絶対姿勢が、モーションセンサ等のセンサにより取得される。また、第２の角度センサ１６は、走行中の自律移動台車１のキャスタ１４の旋回角θを連続的に取得する。判定演算部１９は、キャスタの旋回角θの時間あたりの変化量に基づいて、キャスタ旋回速度θ’を算出する。ここで判定演算部１９は、速度指令によって自律移動台車１が走行するべき位置及び姿勢と、センサで取得した自律移動台車１の絶対位置と絶対姿勢とのずれを算出しておく。その後、算出した位置ずれ及び姿勢ずれと、キャスタ１４の旋回角θ、旋回速度θ’の関係をプロットし、位置ずれと姿勢ずれが許容される範囲内になるように、θlim及びθ’limを定める。

これにより、図６に示すように、速度指令値ｖが、０．０１〜０．０３ｍ／ｓの間であるように速度指令のリミット値ｖlimを定めると共に、リミット角度θlim及びリミット速度θ’limを定める。

また、キャスタ１４として双輪キャスタを用い、図７に示すように、キャスタ１４の旋回運動の際、キャスタ１４の座標系原点Ｏｖは、キャスタ１４の中点を中心にした半径ｓの円運動を行う。このとき、キャスタ１４の座標系原点Ｏｖでは、瞬間的には円軌道の接線方向（キャスター座標系のＹｖ方向）に速度が発生したと考えられる。そのため、基本的には台車速度は、オフセットｓ×キャスタ旋回速度θ’であり、キャスタ１４の旋回速度θ’が、あらかじめ定めたリミット速度θ’lim以下になるように速度指令値ｖを制限する。なお、オフセットｓとは、第１の駆動輪１２及び第２の駆動輪１３と、キャスタ１４の前後間の距離である。

なお実際には、床面の状態や床力の変動などの外乱により、キャスタ旋回速度θ’の変動も予測されるため、台車速度の算出において、オフセットｓ×キャスタ旋回速度θ’により求まる値に対して係数を掛けることにより、オフセットｓ×キャスタ旋回速度θ’よりも低い値を定めて使用する。例えば、台車移動制御部１７は、台車速度が、オフセットｓ×キャスタリミット速度θ’lim×係数ａ（ａ＝０．５）となるように速度指令値ｖを設定して制御を行う。

また、図７に示すように、例えば、第１の駆動輪１２と第２の駆動輪１３とキャスタ１４が同心円上に配置され、第１の駆動輪１２の位置では前後方向に速度−ｖ、第２の駆動輪１３では前後前方向に速度＋ｖで動作することにより旋回する場合を考えると、キャスタ１４の旋回抵抗について、台車速度（＝キャスタ並進速度ｙｖ’）は、２＊オフセットｓ＊ｖ／トレッドＷにより求まる。なお、トレッドＷは、第１の駆動輪１２と第２の駆動輪１３の間の距離である。ここで、オフセットｓとトレッドＷは固定値であるため、ｖが大きくなると、キャスタ１４の並進速度が大きくなり、キャスタ１４の車輪速度が大きくなる。

このように、キャスタ１４の車輪速度が大きくなると、例えば床面の凹凸により、抵抗を受ける力が大きくなる。したがって、キャスタ１４の旋回角度が大きいことで抵抗が大きくなる場合に、自律移動台車１の速度を低下させることで、キャスタ１４の旋回抵抗による位置ずれや姿勢ずれを低減することができる。

これにより、あらかじめ速度指令のリミット値ｖlimを定めると共に、キャスタ１４のリミット角度θlim及びリミット速度θ’limを定めておき、キャスタ１４の旋回角度が大きい場合には、そのリミット値の範囲内で自律移動台車１が動作するように制御することで、キャスタ１４の旋回抵抗により発生する位置ずれや姿勢ずれが小さくなるように、走行状態を変更することができる。また、キャスタ１４の旋回角度が小さい場合には、キャスタ１４の旋回抵抗により位置ずれや姿勢ずれの発生が小さくなるため、速度制限を行わずに走行するように制御することができ、作業効率を確保することができる。

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。例えば、キャスタ１４が１個のみ設けられているものとして説明したが、キャスタ１４の数が２個以上であってもよい。

１ 自律移動台車
１１ 天板
１２ 第１の駆動輪
１３ 第２の駆動輪
１４ キャスタ
１４ａ 回転軸
１４ｂ 接続部
１４ｃ 車輪
１５ 第１の角度センサ
１６ 第２の角度センサ
１７ 台車移動制御部
１８ 旋回角算出部
１９ 判定演算部

Claims (1)

1. 駆動輪と、従動輪と、台車の移動を制御する台車移動制御部と、を備える自律移動台車であって、
   前記従動輪の向きを計測する角度センサと、
   前記角度センサによって計測された前記従動輪の向きと、前記台車移動制御部により生成される台車の進行方向に対する速度指令値と、に基づいて進行方向に対する前記従動輪の旋回角を算出する旋回角算出部と、を備え、
   前記旋回角算出部が算出した旋回角があらかじめ定めた閾値以上である場合には、前記台車移動制御部により生成される速度指令値を変更して走行速度を制限する、
   自律移動台車。

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