JP2017013214A - 複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数台の移動ロボットを用いて単一の荷物を積込みまたは積降ろし動作する際に、荷物の落下を確実に防止できること。【解決手段】ロボット筐体１２、車輪１３及び複数のマニピュレータ１４を備えた複数台の移動ロボット１１を用いて、単一の荷物１を積込みまたは積降ろし動作する複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム１０であって、マニピュレータの動作を制御する制御ユニットの制御部は、マニピュレータの先端効果器２０を荷物の吊耳機構３に嵌合させ、この嵌合状態で、先端効果器の位置と、荷物の寸法及び吊耳機構の取付位置と、ロボット筐体の姿勢情報とに基づいて移動ロボット間の相対位置及び相対姿勢を推定し、この相対位置及び相対姿勢に基づいて、予め設定された荷物の積込みまたは積降ろし軌道に対応する先端効果器の軌道を生成し、この軌道に従ってマニピュレータを制御して荷物を積込みまたは積降ろし動作させるものである。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、複数のマニピュレータを備えた複数台の移動ロボット用いて、単一の荷物を積込みまたは積降ろし動作させる複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム及び方法に関する。

１台の移動ロボットでは運搬できない荷物、例えば長尺物や重量物を運搬する場合、複数台のロボットを用いて荷物を積込み、運搬し、積降ろすことが考えられる。マニピュレータを備えた複数台のロボットが協調して荷物を積込みまたは積降ろすことを考えたとき、複数台のロボット間の相対位置及び相対姿勢が正確に分からないと、荷物を落下させてしまう可能性がある。

特許文献１ではロボット間の幾何的な関係を用いずに力を計測し、力制御を行うことで荷物の運搬を実現している。しかしながら、幾何的な関係を用いた方がより堅牢な荷物の積込みまたは積降ろし動作を期待できる。また、幾何的な関係が分からない場合、荷物の積込みまたは積降ろし動作中にマニピュレータの作業範囲の限界に達してしまう可能性がある。

特開２００７−１１１８２６号公報

マニピュレータを備えた例えば車輪式の移動ロボットや、脚をマニピュレータのように扱うことが可能な脚式移動ロボットを複数台用いて、単一の荷物を積込みまたは積降ろす動作では、複数台の移動ロボット間の相対位置及び相対姿勢にずれが生じたり、荷物がマニピュレータに干渉したりすることで、荷物を落下させてしまう、または荷物を把持できなくなる課題がある。

本発明における実施形態の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、複数台の移動ロボットを用いて単一の荷物を積込みまたは積降ろし動作する際に、荷物の落下を確実に防止できる複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム及び方法を提供することにある。

本発明の実施形態における複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステムは、移動可能なロボット筐体と、前記ロボット筐体に設けられた複数のマニピュレータとをそれぞれ備えた複数台の移動ロボットを用いて、単一の荷物を協調して積込みまたは積降ろし動作する複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステムであって、前記マニピュレータが、複数の関節を備えると共に、先端に先端効果器を備え、前記ロボット筐体には、前記マニピュレータの動作を制御する制御ユニットと、前記ロボット筐体の姿勢を計測する姿勢センサと、少なくとも他の前記移動ロボットとの間で通信を行う通信装置とが設けられ、前記荷物には、前記マニピュレータの前記先端効果器が嵌合可能な複数の吊耳機構を備え、前記制御ユニットは、複数台の前記移動ロボット間の相対位置及び相対姿勢を推定し、この移動ロボット間の相対位置及び相対姿勢に基づいて、予め設定された前記荷物の積込みまたは積降ろし軌道に対応する前記先端効果器の軌道をそれぞれ生成し、この先端効果器の軌道に従って前記マニピュレータをそれぞれ制御して、前記荷物を積込みまたは積降ろし動作させるよう構成されたことを特徴とするものである。

また、本発明の実施形態における複数ロボットによる荷物積込み・積降ろし方法は、移動可能なロボット筐体と、複数の関節と先端効果器を備え前記ロボット筐体に設けられた複数のマニピュレータとをそれぞれ備えた複数台の移動ロボットが、前記マニピュレータの前記先端効果器が嵌合可能な複数の吊耳機構を備える単一の荷物を、協調して積込みまたは積降ろし動作する複数ロボットによる荷物積込み・積降ろし方法であって、複数台の前記移動ロボット間の相対位置及び相対姿勢を推定し、この移動ロボット間の相対位置及び相対姿勢に基づいて、予め設定された前記荷物の積込みまたは積降ろし軌道に対応する前記先端効果器の軌道を生成し、この先端効果器の軌道に従って前記マニピュレータを制御して、前記荷物を積込みまたは積降ろし動作させることを特徴とするものである。

本発明の実施形態によれば、複数台の移動ロボットを用いて単一の荷物を積込みまたは積降ろし動作する際に、荷物の落下を確実に防止できる。

第１実施形態に係る複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステムにおける荷物の積込み前または積降ろし後の状態を示す斜視図。 図１の複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステムにおける荷物の積込み後または積降ろし前の状態を示す斜視図。 図１の移動ロボットの構成を示すブロック図。 図１のマニピュレータにおける先端効果器が荷物の吊耳機構に嵌合した状態を、接触センサ等と共に示す断面図。 図１のマニピュレータにおける先端効果器が荷物の吊耳機構に嵌合した状態を、接触ビン等と共に示す断面図。 図３における制御ユニットの制御部が行う荷物の積込みまたは積降ろし動作の手順を示すフローチャート。 第２実施形態に係る複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステムにおける荷物の積込み前または積降ろし後の状態を示す斜視図。 図７の複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステムにおける荷物の積降ろし前または積込み後の状態を示す斜視図。 図７の移動ロボットの脚起立状態を示す斜視図。 図７の移動ロボットの構成を示すブロック図。 第３実施形態に係る複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステムにおける移動ロボットの構成を示すブロック図。 図１１の複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステムにおける荷物把持機構を示す斜視図。

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１〜図６）
図１は、第１実施形態に係る複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステムにおける荷物の積込み前または積降ろし後の状態を示す斜視図である。また、図２は、図１の複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステムにおける荷物の積込み後または積降ろし前の状態を示す斜視図である。これらの図１及び図２に示す複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム１０は、複数台（例えば２台）の移動ロボット１１を用いて、単一の荷物１を協調して積込みまたは積降ろし動作するものであり、移動ロボット１１のそれぞれは、ロボット筐体１２と、移動機構としての複数個の車輪１３と、複数本のマニピュレータ１４とを有して構成される。

車輪１３は、ロボット筐体１２の両側部、またはロボット筐体１２の両側部及び底部に複数個（例えば３個または４個）設置されて、移動ロボット１１を所望位置へ移動させる。移動機構は車輪１３に代えて、クローラ等の無限軌道であってよい。また、後述するマニピュレータ１４が移動機構としての脚を兼ねるように構成することもできる（第２実施形態）。車輪１３や無限軌道、また脚を兼ねるマニピュレータ１４などの移動機構によって、ロボット筐体１２は移動可能な構成となっている。

マニピュレータ１４は、ロボット筐体１２から立設された支柱部１５に一対に配置され、それぞれが複数の関節２１、２２、２３、２４を備えたリンク機構として構成される。つまり、マニピュレータ１４は、支柱部１５に第１関節２１が取り付けられ、この第１関節２１に第２関節２２が取り付けられ、この第２関節２２に第１リンク１６を介して第３関節２３が連結され、この第３関節２３に第２リンク１７介して第４関節２４が連結され、この第４間関節２４に第３リンク１８が連結されて、リンク機構として構成される。

第３リンク１８の先端に、図４及び図５に示すように例えば半球形状の先端効果器２０が設けられる。先端効果器２０には、この先端効果器２０に作用する荷重（力）を計測する例えば３軸または６軸の力センサ２５（図３）が設置されている。

図１に示すように、第１関節２１、第２関節２２、第３関節２３のそれぞれの回転軸Ａ、Ｂ、Ｃは互いに直交し、第４関節２４の回転軸Ｄは、第３関節２３の回転軸Ｃと直交する。これらの第１関節２１、第２関節２２、第３関節２３及び第４関節２４は、図示しない電動モータ、ギア及びエンコーダとの組み合わせにより構成される。各関節２１〜２４には、これらの関節２１〜２４のそれぞれの回転角度を計測するアブソリュート式エンコーダ等の角度センサ２６（図３）が設置されている。更に、各関節２１〜２４には、これらの関節２１〜２４のそれぞれに作用するトルクを計測するトルクセンサ２７（図３）が設置されている。

ロボット筐体１２は、図１及び図３に示すように、姿勢センサとしての加速度センサ２８及び角速度センサ２９、並びに制御ユニット３０を内部に収容して備え、天面に荷物把持機構３２が設置される。また、ロボット筐体１２の天面から立設された例えば支柱部１５に、通信装置３１及び監視カメラ３３が設置される。

加速度センサ２８は、ロボット筐体１２の水平２方向及び垂直１方向の３方向（３軸）の加速度を計測する。また、角速度センサ２９は例えばジャイロセンサであり、ロボット筐体１２におけるロール、ピッチ及びヨーの３軸の角速度を計測する。これらの加速度センサ２８により計測される加速度と、角速度センサ２９により計測される角速度とによってロボット筐体１２の傾斜角度、つまり移動ロボット１０の姿勢が計測される。

通信装置３１は、他の移動ロボット１１の通信装置３１または外部の遠隔操作装置４０との間で情報を送受信するものである。また、荷物把持機構３２は、移動ロボット１１によって荷物１を運搬するために、この荷物１を把持して支持するものである。更に、監視カメラ３３は、支柱部１５の前面、後面にそれぞれ設置される前方監視カメラ、後方監視カメラなどであり、移動ロボット１１の移動位置またはマニピュレータ１４を用いた作業時（例えば荷物１の積込みまたは積降ろし動作）における移動ロボット１１の周囲の状況を、動画または静止画として取得する。

制御ユニット３０は、図３に示すように、制御部３５、計測用インターフェイス部３６、通信用インターフェイス部３７、関節用モータ駆動部３８及び車輪用モータ駆動部３９を備え、移動ロボット１１の移動及び作業全般に関する処理を実行する。

つまり、制御ユニット３０の制御部３５は、加速度センサ２８、角速度センサ２９、力センサ２５、角度センサ２６及びトルクセンサ２７からの計測データを、計測用インターフェイス部３６を経て取り込んで処理する。また、制御ユニット３０の制御部３５は、監視カメラ３３からの映像情報を直接取り込んで処理する。また、制御ユニット３０の制御部３５は、通信用インターフェイス部３７を介して自身の通信装置３１と、他の移動ロボット１０の通信装置３１または外部の遠隔操作装置４０との間で送受信される通信データを処理する。

更に、制御ユニット３０の制御部３５は、関節用モータ駆動部３８を経て複数本のマニピュレータ１４の各関節２１、２２、２３、２４へ制御指令を送信し、これらの各関節２１〜２４のモータを駆動制御して、複数本のマニピュレータ１４の動作を制御する。また、制御ユニット３０の制御部３５は、車輪用モータ駆動部３９を介して複数の車輪１３のモータを駆動制御し、この車輪１３を駆動して移動ロボット１１を移動させる。

図１に示す荷物１には、軸方向に沿う複数（例えば４箇所）からステー２が立設され、これらの各ステー２に、ソケット形状の吊耳機構３が取り付けられる。この吊耳機構３に、図４及び図５に示すように、移動ロボット１１のマニピュレータ１４における先端効果器２０が嵌合可能に設けられて、先端効果器２０と吊耳機構３とが球対偶を構成する。移動ロボット１１のマニピュレータ１４における先端効果器２０が荷物１の吊耳機構３に嵌合された状態で、移動ロボット１１のマニピュレータ１４によって、移動ロボット１１の荷物把持機構３２への荷物１の積込み動作、または移動ロボット１１の荷物把持機構３２からの荷物１の積降ろし動作が実行される。

ここで、荷物１の吊耳機構３には、図４に示すように、マニピュレータ１４の先端効果器２０が正しく嵌合されたことを検出する嵌合センサとしての接触センサ４が設置されている。更に、吊耳機構３には、接触センサ４に接続された表示灯５と、接触センサ４及び表示灯５へ給電する図示しないバッテリが設置される。マニピュレータ１４の先端効果器２０が荷物１の吊耳機構３に正しく嵌合されたときに、先端効果器２０が接触センサ４に接触して表示灯５が点灯する。この表示灯５の点灯状態が、監視カメラ３３を介して制御ユニット３５の制御部３５に認識される。

なお、表示灯５に代えて図示しない無線機器等の通信手段を用い、接触センサ４の検知情報を、通信装置３１及び通信用インターフェイス部３７経て制御部３５に認識させてもよい。

また、図５に示すように、接触センサ４、表示灯５及びバッテリに代えて、スプリング７により付勢される接触ピン６を嵌合センサとして用いてもよい。これらの接触ピン６及びスプリング７は吊耳機構３に設置される。マニピュレータ１４の先端効果器２０が荷物１の吊耳機構３に嵌合されていないときには、接触ピン６は、スプリング７の付勢力によって吊耳機構３内に収容される。接触ピン６は、先端効果器２０が吊耳機構３に正しく嵌合されたときに、スプリング７の付勢力に抗して吊耳機構３から突出する。この接触ピン６の突出状態が、監視カメラ３３を介して、制御ユニット３０の制御部３５に認識される。

次に、図１、図２、図３及び図６を用いて、制御ユニット３０の制御部３５が実行する移動ロボット１１の荷物把持機構３２への荷物１の積込み動作（図１の状態から図２の状態への移行動作）と、移動ロボット１１の荷物把持機構３２からの荷物１の積降ろし動作（図２の状態から図１の状態への移行動作）について説明する。

複数台の移動ロボット１１におけるそれぞれの制御ユニット３０の制御部３５は、遠隔操作装置４０による操作指令に従って、またはメモリ３４（図３）に格納された動作計画に従って、車輪用モータ駆動部３９を介して車輪１３を駆動制御し、移動ロボット１１を、図１に示すように積み込むべき荷物１が存在する位置、または荷物１を積み降ろすべき位置まで移動させる（Ｓ１）。

次に、複数台の移動ロボット１１におけるそれぞれの制御ユニット３０の制御部３５は、遠隔操作装置４０における操作指令に従って、またはメモリ３４に格納された動作計画に従って、関節用モータ駆動部３８を介してマニピュレータ１４の各関節２１〜２４を駆動制御し、マニピュレータ１４の先端効果器２０を荷物１の吊耳機構３に嵌合させる（Ｓ２）。

次に、複数台の移動ロボット１１におけるそれぞれの制御ユニット３０の制御部３５は、マニピュレータ１４の先端効果器２０を荷物１の吊耳機構３に嵌合させた状態で、移動ロボット１１間の相対位置及び相対姿勢を推定する（Ｓ３）。

つまり、各先端効果器２０を結んだ軸４１回りの１自由度は未知数であるが、荷物１の寸法（特に軸方向長さ）及び吊耳機構３の取付位置は既知である。従って、制御部３５は、角度センサ２６が計測したマニピュレータ１４の各関節２１〜２４の関節角度から求めた、複数のマニピュレータ１４における先端効果器２０の各移動ロボット１１に対する位置と、荷物１の寸法（特に軸方向長さ）及び吊耳機構３の取付位置と、移動ロボット１１の加速度センサ２８及び角速度センサ２９が計測した床または地面８に対するロボット筐体１２の姿勢情報とに基づいて、荷物１に対する移動ロボット１１の位置を算出し、これにより、複数台の移動ロボット１１間の相対位置及び相対姿勢を推定する。

引き続き、複数台の移動ロボット１１におけるそれぞれの制御ユニット３０の制御部３５は、ステップＳ３で推定した移動ロボット１１間の相対位置及び相対姿勢に基づいて、予め設定されてメモリ３４に記憶された荷物１の積込みまたは積降ろし軌道に対応する先端効果器２０の軌道を生成する。（Ｓ４）。なお、上述のステップＳ３及びＳ４において、床または地面８は平坦面である必要はなく、凹凸があってもよい。

次に、複数台の移動ロボット１１におけるそれぞれの制御ユニット３０の制御部３５は、ステップＳ４で生成した先端効果器２０の軌道に従って実行させる荷物１の積込みまたは積降ろし動作が、マニピュレータ１４の作業範囲内で可能であるか否かを判断し（Ｓ５）、可能であれば、先端効果器２０の軌道に従って、関節用モータ駆動部３８を介してマニピュレータ１４を制御し、荷物１を移動ロボット１１の荷物把持機構３２に積込み、または荷物１を移動ロボット１１の荷物把持機構３２から床または地面８に積み降ろす（Ｓ６）。

複数台の移動ロボット１１におけるそれぞれの制御ユニット３０の制御部３５は、ステップＳ５において、マニピュレータ１４による荷物１の積込みまたは積降ろし動作が、マニピュレータ１４の作業範囲内では不可能であり、この作業範囲を超えると判断したときには、先端効果器２０の軌道を再び生成する（Ｓ７）。

つまり、このとき制御部３５は、予め設定された荷物１の積込みまたは積降ろし軌道と移動ロボット１１の現在位置との少なくとも一方を、マニピュレータ１４による荷物１の積込みまたは積降ろし動作がマニピュレータ１４の作業範囲内に収まるように修正して、先端効果器２０の軌道を再び生成する。制御部３５は、この再度生成した先端効果器２０の軌道に従って、関節用モータ駆動部３８を介してマニピュレータ１４を制御し、荷物１の積込みまたは積降ろし動作を実行させる（Ｓ６）。

複数台の移動ロボット１１におけるそれぞれの制御ユニット３０の制御部３５は、ステップＳ６において荷物１の積込みまたは積降ろし動作を実行する過程で、先端効果器２０の力センサ２５と、マニピュレータ１４における各関節２１〜２４のトルクセンサ２７とによりそれぞれ計測される鉛直方向の力（荷重）が所定範囲となるように、ステップＳ４またはＳ７で生成した先端効果２０の軌道を修正する。これにより、複数本のマニピュレータ１４による荷物１の積込みまたは積降ろし動作時に、荷物１の荷重が全てのマニピュレータ１４の先端効果２０により常時適切に支持される。

更に、複数台の移動ロボット１１におけるそれぞれの制御ユニット３０の制御部３５は、ステップＳ３により推定する移動ロボット１１間の相対位置及び相対姿勢の推定誤差、または吊耳機構３の荷物１への取付誤差によって、ステップ６における荷物１の積込みまたは積降ろし動作時に先端効果器２０が荷物１に対して変位を生じた場合には、この荷物１に対する先端効果２０の変位を、先端効果器２０の力センサ２５と、マニピュレータ１４における各関節２１〜２４のトルクセンサ２７とによりそれぞれ計測される先端効果器２０に作用する力（荷重）情報によって認識する。そして、制御部３５は、上述の荷物１に対する先端効果器２０の変位を吸収するように、ステップＳ４またはＳ７にて生成した先端効果２０の軌道を修正する。

以上のように構成されたことから、第１実施形態によれば、次の効果（１）を奏する。
（１）図１〜図３に示すように、複数台の移動ロボット１１におけるそれぞれの制御ユニット３０の制御部３５は、荷物１に設置された吊耳機構３にマニピュレータ１４の先端効果器２０が嵌合された状態で、複数の先端効果器２０の各移動ロボット１１に対する位置と、荷物１の寸法及び吊耳機構３の取付位置と、ロボット筐体１２に設置された姿勢センサ（加速度センサ２８及び角速度センサ２９）からの姿勢情報とに基づいて、荷物１に対する移動ロボット１１の位置を求め、これにより移動ロボット１１間の相対位置及び相対姿勢を推定する。そして、制御ユニット３０の制御部３５は、移動ロボット１１間の相対位置及び相対姿勢とに基づいて、予め設定された荷物１の積込みまたは積降ろし軌道に対応する先端効果器２０の軌道を生成し、この先端効果器２０の軌道に従ってマニピュレータ１４を制御して、荷物１を積込みまたは積降ろし動作させる。

このため、荷物１の積込みまたは積降ろし動作をマニピュレータ１４の作業範囲内で実行可能か否かを事前に検証して先端効果器２０の軌道を修正できると共に、マニピュレータ１４の各関節２１〜２４に作用するトルク負荷を低減できるので、複数台の移動ロボット１１を用いて単一の荷物１を積込みまたは積降ろし動作する際に、荷物１の落下を確実に防止できる。更に、この荷物１の積込みまたは積降ろし動作を高速に実現できる。

［Ｂ］第２実施形態（図７〜図１０）
図７は、第２実施形態に係る複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステムにおける荷物の積込み前または積降ろし後の状態を示す斜視図である。図８は、図７の複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステムにおける荷物の積降ろし前または積込み後の状態を示す斜視図である。この第２実施形態において、第１実施形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

第２実施形態における複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム５０が第１実施形態と異なる点は、移動ロボット５１の移動機構が、マニピュレータ１４を兼用する複数本（例えば４本）の脚５２であり、荷物１の積込みまたは積降ろし動作時には、脚５２のうちの複数本（例えば２本）がマニピュレータ１４として機能する点である。

移動ロボット５１は、図９に示すように、ロボット筐体１２に２本以上、例えば４本の脚５２が設けられ、これらの脚５２は、第１実施形態のマニピュレータ１４と同様に、複数の関節２１〜２４を備えたリンク機構として構成される。この脚５２は、第１関節２１、第２関節２２、第３関節２３及び第４関節２４の選択的な回転により、Ｘ軸に沿う前後方向の移動、Ｙ軸に沿う左右方向の移動、Ｚ軸回りの旋回移動が可能になる。

更に、図７及び図８に示すように、移動ロボット５１が、ロボット筐体１２に設置された着座構造体５３を床または地面８に着座させ、２本の脚５２をマニピュレータ１４として機能させる場合には、特に第３関節２３を回転させて、第２リンク１７及び第３リンク１８を屈曲させた状態で旋回させて先端効果器２０の姿勢を変化させ、この先端効果器２０により作業する。この第２実施形態では、マニピュレータとして機能して荷物１を支持する脚５２を、以下マニピュレータ１４と称する。

この第２実施形態の移動ロボット５１では、マニピュレータ１４の先端効果器２０を荷物１の下部へアクセスして、この荷物１を水平方向に支持した状態で積込みまたは積降ろし動作を実行する。従って、この荷物１の積込みまたは積降ろし動作中に荷物１とマニピュレータ１４との干渉を回避するために、荷物１に取り付けられる複数個（例えば４個）の吊耳機構３は、荷物１の端部側（端部側吊耳機構３Ａ）が荷物１の中心線９よりも積降ろし方向Ｐに、荷物１の中央側（中央側吊耳機構３Ｂ）が荷物１の中央線９よりも積降ろし方向Ｐと反対方向にオフセットして配置されている。すなわち、複数の吊耳機構３の位置が一つの直線上とならないように、複数の吊耳機構３のうちの少なくとも１つ（図７に記載のものでは２つの中央側吊耳機構３Ｂ）が、他の吊耳機構３（図７に記載の例では２つの端部側吊耳機構３Ａ）の（うちのいずれか２つの）位置を結ぶ直線からオフセットされて配置される。

この第２実施形態における複数台の移動ロボット５１におけるそれぞれの制御ユニット３０の制御部３５においても、第１実施形態と同様に、図６に示すステップＳ１〜Ｓ６における荷物１の積込みまたは積降ろし動作、及び荷物１の積込みまたは積降ろし動作中における先端効果器２０の軌道修正を実行する。このうち、特に移動ロボット１１間の相対位置及び相対姿勢の推定について説明する。

つまり、図７及び図８に示すように、吊耳機構３（端部側吊耳機構３Ａ、中央側吊耳機構３Ｂ）の少なくとも一つが、荷物１に前述の如くオフセットして取り付けられているため、移動ロボット５１の各マニピュレータ１４における先端効果器２０を結んだ軸５４、５５回りの回転２自由度は未知数であるが、荷物１の寸法及び吊耳機構３（端部側吊耳機構３Ａ、中央側吊耳機構３Ｂ）の取付位置は既知である。

そこで、複数台の移動ロボット５１におけるそれぞれの制御ユニット３０の制御部３５は、角度センサ２６が計測したマニピュレータ１４の各関節２１〜２４の関節角度から求めた、複数のマニピュレータ１４における先端効果器２０の各移動ロボット５１に対する位置と、前述の荷物１の寸法及び吊耳機構３の取付位置と、移動ロボット５１の角度センサ２８及び角速度センサ２９が計測した床または地面８に対するロボット筐体１２の姿勢情報とに基づいて、荷物１に対する移動ロボット５１の位置を算出し、これにより、複数台の移動ロボット１１間の相対位置及び相対姿勢を推定する。

以上のように、この第２実施形態においては、移動ロボット５１の脚５２をマニピュレータ１４として機能させて、荷物１を積込みまたは積降ろし動作させることから、第１実施形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（２）を奏する。

（２）荷物１に取り付けられる複数の吊耳機構３は、荷物１の端部側の端部側吊耳機構３Ａが荷物１の中心線９よりも積降ろし方向Ｐに、荷物１の中央側の中央側吊耳機構３Ｂが荷物１の中心線９よりも積降ろし方向Ｐと反対方向にオフセットして配置されている。このため、移動ロボット１１のマニピュレータ１４の先端効果器２０を上述の吊耳機構３（端部側吊耳機構３Ａ、中央側吊耳機構３Ｂ）に嵌合させて荷物１を積込みまたは積降ろし動作する際に、荷物１とマニピュレータ１４との干渉を防止できる。更に、荷物１に作用するモーメントを、吊耳機構３（端部側吊耳機構３Ａ、中央側吊耳機構３Ｂ）に嵌合するマニピュレータ１４によって支持できるので、荷物１の位置及び姿勢を好適に保持できる。

［Ｃ］第３実施形態（図１１、図１２）
図１１は、第３実施形態に係る複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステムにおける移動ロボットの構成を示すブロック図である。この第３実施形態において、第１及び第２実施形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

第３実施形態の複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム６０が第１実施形態と異なる点は、移動ロボット１１（または５１）に設置された荷物把持機構６１が３軸方向に移動可能に構成されると共に、この荷物把持機構６１に支持された荷物１を床または地面８に積み降ろす積降ろし動作過程で、制御ユニット６２の制御部６３が、荷物把持機構６１の構成要素（後述）の変位量に基づいて移動ロボット１１（または５１）間の相対位置及び相対姿勢を推定する点である。

つまり、荷物把持機構６１は、複数台の移動ロボット１１（または５１）により荷物１を運搬するためにこの荷物１を把持して支持するものであり、移動ロボット１１（または５１）の天面に設置される。この荷物把持機構６１は、図１２に示すように、移動ロボット１１（または５１）のロボット筐体１２に固定されるロボット固定体６４の上に、Ｘ軸に沿う左右方向にスライド可能なＸ軸直動機構部６５、Ｙ軸に沿う前後方向にスライド可能なＹ軸直動機構部６６、Ｚ軸に沿う上下方向にスライド可能なＺ軸直動機構部６７が順次取り付けられ、更に、Ｚ軸直動機構部６７に、Ｘ軸回りに回転可能なＸ軸回転機構部６８、Ｙ軸回りに回転可能なＹ軸回転機構部６９、Ｚ軸回りに回転可能なＺ軸回転機構部７０が順次取り付けられ、このＺ軸回転機構部７０に、運搬する荷物１を把持して固定する荷物把持台７１が取り付けられている。

ここで、荷物把持機構６１の構成要素である各機構部６５〜７０の取付順は一例であり、他の取付順であってもよい。また、各機構部６５〜７０はモータなどの駆動源を備え、図１１に示すように、制御部６３からの制御指令により荷物把持機構駆動部７２を介してスライドまたは回転動作してもよいが、モータ等の駆動源を用いず、外力により受動的にスライドまたは回転動作してもよい。

複数台の移動ロボット１１（または５１）が互いの荷物把持機構６１を用いて単一の荷物１を支持して運搬する場合、これらの移動ロボット１１（または５１）と荷物１との間に発生する力によって生ずる移動ロボット１１（または５１）と荷物１との相対位置の変位は、各機構部６５〜７０のスライドまたは回転によって吸収されて許容される。これらの各機構部６５〜７０には、上述のスライド変位量または回転変位量を計測するための、エンコーダやポテンショメータなどの変位センサ７３（図１１）が設けられている。

複数台の移動ロボット１１（または５１）におけるそれぞれの制御ユニット６２の制御部６３（図１１）は、移動ロボット１１（または５１）の荷物把持機構６１にて把持された荷物１を床または地面８に積み降ろす際に、第１及び第２実施形態と同様に、図６のステップＳ１〜Ｓ６の動作手順、及び荷物１の積降ろし動作中における先端効果器２０の軌道修正を実行するが、このうちのステップＳ２及びＳ３が若干異なるため、次に説明する。

ステップＳ２において、制御ユニット６２の制御部６３は、荷物把持機構６１の変位センサ７３により計測された変位情報（変位量）と、荷物１の寸法及び吊耳機構３の取付位置とに基づいて、荷物１に取り付けられた吊耳機構３の移動ロボット１１（または５１）に対する相対位置を求め、この吊耳機構３の相対位置に基づいて、移動ロボット１１（または５１）のマニピュレータ１４の先端効果器２０を荷物１の吊耳機構３に嵌合させるための動作軌道を生成する。制御ユニット６０の制御部６３は、この生成した動作軌道に従ってマニピュレータ１４を動作させて、マニピュレータ１４の先端効果器２０を荷物１の吊耳機構３に嵌合させる。

ステップＳ３において、制御ユニット６２の制御部６３は、荷物把持機構６１の変位センサ７３により計測された変位情報（変位量）と荷物１の寸法と基づいて、荷物１に対する移動ロボット１１（または５１）の位置を算出し、これにより、複数台の移動ロボット１１（または５１）間の相対位置及び相対姿勢を推定する。

制御ユニット６２の制御部６３は、ステップＳ４において、ステップＳ３で推定した移動ロボット１１（または５１）間の相対位置及び相対姿勢に基づいて、予め設定されてメモリ３４に格納された荷物１の積降ろし軌道に対応するマニピュレータ１４の先端効果器２０の軌道を生成する。そして、制御ユニット６２の制御部６３は、生成した先端効果器２０の軌道に従ってマニピュレータ１４を制御して、移動ロボット１１（または５１）の荷物把持機構６１に支持された荷物１を床または地面８に積み降ろす。

以上のように構成されたことから、この第３実施形態によれば、次の効果（３）を奏する。

（３）複数台の移動ロボット１１（または５１）におけるそれぞれの制御ユニット６２の制御部６３は、ロボット筐体１２に設置された荷物把持機構６１に荷物１が支持された状態で、荷物把持機構６１の各機構部６５〜７０の変位量を計測する変位センサからの変位情報と荷物１の寸法とに基づいて、複数台の移動ロボット１１（または５１）間の相対位置及び相対姿勢を推定し、この移動ロボット１１（または５１）間の相対位置及び相対姿勢に基づいて、予め設定された荷物１の積降ろし軌道に対応するマニピュレータ１４の先端効果器２０の軌道を生成し、この先端効果器２０の軌道に従ってマニピュレータ１４を制御して、荷物１を積降ろし動作させる。

このため、荷物１の積降ろし動作をマニピュレータ１４の作業範囲内で実行可能か否かを事前に検証して先端効果器２０の軌道を修正できると共に、マニピュレータ１４の各関節２１〜２４に作用するトルク負荷を低減できるので、複数台の移動ロボット１１（または５１）を用いて単一の荷物１を積降ろし動作する際に、荷物１の落下を確実に防止できる。更に、この荷物１の積降ろし動作を高速に実現できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上述の各実施形態では、移動ロボット１１または５１が２台の場合を述べたが、３台以上の複数台の移動ロボット１１または５１で荷物１を協調して積込みまたは積降ろし動作させるものであってもよい。

１ 荷物
３ 吊耳機構
３Ａ 端部側吊耳機構
３Ｂ 中央側吊耳機構
４ 接触センサ（嵌合センサ）
１０ 移動ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム
１１ 移動ロボット
１２ ロボット筐体
１３ 車輪（移動機構）
１４ マニピュレータ
２０ 先端効果器
２１ 第１関節
２２ 第２関節
２３ 第３関節
２４ 第４関節
２５ 力センサ
２６ 角度センサ
２７ トルクセンサ
２８ 加速度センサ（姿勢センサ）
２９ 角速度センサ（姿勢センサ）
３０ 制御ユニット
３１ 通信装置
３５ 制御部
５０ 移動ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム
５１ 移動ロボット
５２ 脚（移動機構）
６０ 移動ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム
６１ 荷物把持機構
６２ 移動ユニット
６３ 制御部
７３ 変位センサ
Ｐ 積降ろし方向

Claims (9)

1. 移動可能なロボット筐体と、前記ロボット筐体に設けられた複数のマニピュレータとをそれぞれ備えた複数台の移動ロボットを用いて、単一の荷物を協調して積込みまたは積降ろし動作する複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステムであって、
   前記マニピュレータが、複数の関節を備えると共に、先端に先端効果器を備え、前記ロボット筐体には、前記マニピュレータの動作を制御する制御ユニットと、前記ロボット筐体の姿勢を計測する姿勢センサと、少なくとも他の前記移動ロボットとの間で通信を行う通信装置とが設けられ、
   前記荷物には、前記マニピュレータの前記先端効果器が嵌合可能な複数の吊耳機構を備え、
   前記制御ユニットは、複数台の前記移動ロボット間の相対位置及び相対姿勢を推定し、この移動ロボット間の相対位置及び相対姿勢に基づいて、予め設定された前記荷物の積込みまたは積降ろし軌道に対応する前記先端効果器それぞれの軌道を生成し、この先端効果器の軌道に従って前記マニピュレータをそれぞれ制御して、前記荷物を積込みまたは積降ろし動作させるよう構成されたことを特徴とする複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム。
2. 前記制御ユニットは、前記マニピュレータの前記先端効果器を前記荷物の前記吊耳機構に嵌合させた状態で、前記マニピュレータの前記関節の角度から求められる前記先端効果器の位置と、前記荷物の寸法及び前記吊耳機構の取付位置と、前記姿勢センサにより計測される姿勢情報とに基づいて、複数台の前記移動ロボット間の前記相対位置及び前記相対姿勢を推定することを特徴とする請求項１に記載の複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム。
3. 前記ロボット筐体には、前記荷物を把持して支持すると共に構成要素の変位量を計測する変位センサを備えた荷物把持機構がさらに設けられ、
   前記制御ユニットは、前記荷物が前記荷物把持機構に支持された状態で、前記荷持把持機構の前記変位センサからの変位情報と前記荷物の寸法とに基づいて、複数台の前記移動ロボット間の前記相対位置及び前記相対姿勢を推定することを特徴とする請求項１に記載の複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム。
4. 前記荷物に取り付けられる複数の吊耳機構のうちの少なくとも一つの前記吊耳機構は、他の前記吊耳機構の位置を結ぶ直線上からオフセットして配置されたことを特徴とする請求項１に記載の複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム。
5. 前記制御ユニットは、荷物の積込みまたは積降ろし軌道に対応して生成した先端効果器の軌道に従って実行させる荷物の積込みまたは積降ろし動作が、マニピュレータの作動範囲内で可能か否かを判断し、不可能な場合には、前記荷物の積込みまたは積降ろし軌道と移動ロボットの位置との少なくとも一方を、前記荷物の積込みまたは積降ろし動作が前記マニピュレータの作動範囲内に収まるように修正して、前記先端効果器の軌道を再び生成するよう構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム。
6. 前記制御ユニットは、マニピュレータの先端効果器を荷物の吊耳機構に嵌合させて前記荷物を積込みまたは積降ろし動作する際に、前記先端効果器に設置された力センサまたは前記マニピュレータの関節に設置されたトルクセンサによりそれぞれ計測される鉛直方向の力情報が所定範囲となるように、前記先端効果器の軌道を修正するよう構成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム。
7. 前記制御ユニットは、移動ロボット間の相対位置及び相対姿勢の推定誤差または吊耳機構の荷物への取付誤差により、前記荷物の積込みまたは積降ろし動作時に生じた前記荷物に対する先端効果器の変位を、前記先端効果器に設置された力センサまたはマニピュレータの関節に設置されたトルクセンサによりそれぞれ計測される力情報により認識し、前記変位を吸収すべく前記先端効果器の軌道を修正するよう構成されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム。
8. 前記荷物の吊耳機構には、マニピュレータの先端効果器が正しく嵌合されたことを検出する嵌合センサが設けられ、この嵌合センサの検出情報が制御ユニットに認識されるよう構成されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の複数ロボットによる荷物積込み・積降ろしシステム。
9. 移動可能なロボット筐体と、複数の関節と先端効果器を備え前記ロボット筐体に設けられた複数のマニピュレータとをそれぞれ備えた複数台の移動ロボットが、前記マニピュレータの前記先端効果器が嵌合可能な複数の吊耳機構を備える単一の荷物を、協調して積込みまたは積降ろし動作する複数ロボットによる荷物積込み・積降ろし方法であって、
   複数台の前記移動ロボット間の相対位置及び相対姿勢を推定し、
   この移動ロボット間の相対位置及び相対姿勢に基づいて、予め設定された前記荷物の積込みまたは積降ろし軌道に対応する前記先端効果器の軌道を生成し、
   この先端効果器の軌道に従って前記マニピュレータを制御して、前記荷物を積込みまたは積降ろし動作させることを特徴とする複数ロボットによる荷物積込み・積降ろし方法。

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