JP2017040594A - 距離センサー及びそれを用いた搬送用ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】高感度で高フレームレートの障害物情報が得られ、低コストである、距離センサー及びそれを用いた搬送用ロボットを提供する。
【解決手段】距離検出部２１ａと、距離データが入力される障害物情報生成部２８とを、備え、距離検出部は、複数のパルス半導体発光素子２２ａと、駆動部２３ａと、反射光を検出するラインイメージセンサー２４ａ、パルス半導体発光素子の駆動部２３ａ及びラインイメージセンサー２４ａを制御する距離検出制御部２６ａとを、含み、距離検出制御部２６ａは、複数のパルス半導体発光素子２２ａを所定のパルス幅（Ｔ_０）で同期発振するようにパルス半導体発光素子の駆動部２３ａを制御し、反射光により、ラインイメージセンサー２４ａの各画素において電荷振り分けによる位相差測定により遅延時間（Ｔｄ）を算出し、遅延時間（Ｔｄ）とパルス幅（Ｔ_０）とからパルス半導体発光素子２２ａと障害物との距離データを算出する。
【選択図】図４

Description

本発明は、距離センサー及びそれを用いた搬送用ロボットに関し、特に衝突防止に有効な距離センサー及びそれを用いた搬送用ロボットに関する。

作業者の負担の軽減等のために、荷物、貨物などの搬送物を積載して所定の場所から目的の場所まで搬送する搬送用ロボットの実用化が進められている。搬送用ロボットの運行には、その移動方向前方の障害物を検知して、衝突しないようこれを避けて移動するためのセンサーが搭載されている。

距離を検出する距離センサーとしては、光を用いた飛行時間型（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ、以下、ＴＯＦという）センサーが知られている（非特許文献１及び２参照）。

さらに、障害物との衝突防止用のセンサーとしては、ミリ波や光を用いるレーダーセンサーが公知である。光を用いるレーダーセンサーでは、前方を走査するために、レーザースキャンナー等の走査素子が用いられている。走査素子は、例えば、ガルバノミラーやポリゴンミラーがある。

http://www.hamamatsu.com/jp/ja/S11961-01CR.html、測距リニアイメージセンサ、Ｓ１１９６１−０１ＣＲ, https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/05_handbook. .pdf、第５章、イメージセンサ、ｐｐ．１４６−１４９

しかしながら、レーザースキャンナーにおいては、例えば、ガルバノミラーとガルバノミラーを回転させるためのモーターとモーターの駆動装置などが必要になり、部品点数が多くなってコストが高いこと、また、モーターのような可動部品も必要となり、信頼性が低いという課題があった。

本発明では、可動部品を使用しないで、高感度で高フレームレートの障害物情報が得られ、かつ低コストである距離センサー及びそれを用いた搬送用ロボットを提供することを目的とする。

本発明の目的を達成するために、本発明の距離センサーは、搬送用ロボットの走行に用いられる距離センサーであって、前記距離センサーは、前記搬送用ロボットの本体部の前面の少なくとも１個所以上に配置され、前方の所定角度範囲の障害物を検出する距離検出部と前記距離検出部から出力される距離データが入力される障害物情報生成部とを備え、前記距離検出部は、複数のパルス半導体発光素子と、該複数のパルス半導体発光素子の前方にそれぞれ配設され前記所定角度範囲で水平方向にビームを広げるレンズと、前記複数のパルス半導体発光素子を同期して発振させる駆動部と、前記複数のパルス半導体発光素子の前方にある障害物により生じる反射光を検出するラインイメージセンサーと、前記パルス半導体発光素子の駆動部及び前記ラインイメージセンサーを制御する距離検出制御部と、を含み、前記パルス半導体発光素子の駆動部を制御する距離検出制御部は、複数のパルス半導体発光素子が所定のパルス幅（Ｔ_０）で同期発振するように制御し、前記ラインイメージセンサーを制御する距離検出制御部は、前記ラインイメージセンサーの各画素において電荷振り分け法により前記パルス半導体発光素子と前記障害物との距離データを算出し、前記パルス半導体発光素子の反射光による障害物情報を前記障害物情報生成部へ送出し、前記障害物情報生成部は、前記障害物情報を前記距離検出部の障害物情報として前記搬送用ロボットのＣＰＵへ送出することを特徴とする。

上記構成において、レンズはロッドレンズであり、ラインイメージセンサーの上面には、好ましくは、反射光を集光するレンズと、パルス半導体発光素子の発光波長の光を選択的に透過するフィルターと、が配設される。
障害物情報生成部は、好ましくは、各ラインイメージセンサーの出力同期信号に同期して、障害物情報を搬送用ロボットのＣＰＵに出力する。

本発明の目的を達成するために、本発明の搬送用ロボットは、本体部と車輪と車輪を駆動するモーターとモータードライバー及びＣＰＵからなる駆動制御部と距離センサーとを含み、前記距離センサーは、前記本体部の前面の少なくとも１個所以上に配置され、前方の所定角度範囲の障害物を検出する距離検出部と前記各距離検出部から出力される距離データが入力される障害物情報生成部とを備え、前記距離検出部は、複数のパルス半導体発光素子と、該複数のパルス半導体発光素子の前方にそれぞれ配設され、前記所定角度範囲で水平方向にビームを広げるレンズと、前記複数のパルス半導体発光素子を同期して発振させる駆動部と、前記複数のパルス半導体発光素子の前方にある障害物により生じる反射光を検出するラインイメージセンサーと、前記パルス半導体発光素子の駆動部及び前記ラインイメージセンサーを制御する距離検出制御部とを含む、ことを特徴とする。

上記構成において、レンズはロッドレンズであり、ラインイメージセンサーの上面には、反射光を集光するレンズとパルス半導体発光素子の発光波長の光を選択的に透過するフィルターとが配設される。
本体部にハンドルを備え、ハンドルの手押し部には操作部を備える。
好ましくは、スピーカ及び／又は赤外線を発光するビーコンを備えてもよく、赤外線カメラを備えてもよい。
障害物情報生成部は、好ましくは、複数の距離検出部から出力される距離データを障害物情報としてＣＰＵへ送出する。
ビーコンからの赤外線を、好ましくは、赤外線カメラにより位置情報として取得してＣＰＵへ送出し、障害物情報生成部は、複数の距離検出部から出力される距離データを障害物情報としてＣＰＵへ送出する。

本発明によれば、可動部品を使用することなく、高感度で高フレームレートの障害物情報が得られ、かつ低コストである距離センサー及びそれを用いた搬送用ロボットを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る台車型の搬送用ロボットの構成を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は正面図である。 第１の実施形態に係る搬送用ロボットの下面図である。 本発明の搬送用ロボットの駆動制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の距離センサーの構成を示すブロック図である。 ロッドレンズの一例を示す図である。 位相差測定で距離を算出するラインイメージセンサーのブロック図である。 電荷振り分け法による距離測定を説明するタイミングチャートである。 画素構造の等価回路と画素の表面電位を示し、（Ａ）はＶＴＸ１がオンのときの画素構造の等価回路、（Ｂ）は（Ａ）の表面電位、（Ｃ）はＶＴＸ２がオンのときの画素構造の等価回路、（Ｄ）は（Ｃ）の表面電位を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る搬送用ロボットの構成を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は正面図である。 第２の実施形態に係る搬送用ロボットの下面図である。 親機に子機が追従する運行モードを説明する図である。 運行モード２において、駆動制御部による親機への追従制御を説明するブロック図である。 搬送用ロボットの自律走行を説明する模式的な図である。 第１の距離検出部の基板を模式的に示す図である。 実施例の距離検出部で測定したラインイメージセンサーによる距離情報の一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る搬送用ロボット１の構成を示す図で、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は正面図、図２は本発明の搬送用ロボット１の下面図である。
図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、搬送用ロボット１は、本体部２と作業者が握持するハンドル３とを備え、台車型に構成されている。
図１（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、本体部２の下面には、その前方に２つの車輪４と、車輪４を駆動するモーター５と、減速機６と、２つのキャスター７と、を備え、本体部２の内部には各種のセンサー等からの情報が入力されてモーター５の制御等を行う駆動制御部１０と、を含んで構成されている。本発明において、前方とは、搬送用ロボット１の進行方向（図１（Ｂ）の矢印参照）を示す。

図２に示すように、本体部２は例えば、樹脂製の荷台の下面に車輪４と２つのキャスター７とが配設されている。電源８は、電池や充電可能な二次電池を用いることができる。充電可能な二次電池としては、リチウム二次電池を用いることができる。以下の説明では、電源８は、リチウム二次電池８ａとして説明する。

本体部２の前方を監視するための距離センサー２０は、本体部の前面の少なくとも１個所以上に配置される。距離センサー２０は、本体部の前面の中央の１個所や前面の左側及び右側の２個所に設けることができる。図２の場合には、本体部の前面の左端、中央、右端に第１〜第３の距離センサー２０ａ〜２０ｃが設けられている。必要に応じて、搬送用ロボット１の加速度や角加速度を測定する慣性センサー１２を配設してもよい。慣性センサーは、ＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）とも呼ばれている。

図３は、本発明の搬送用ロボット１の駆動制御部１０の構成を示すブロック図である。駆動制御部１０は、ＣＰＵ１１と、モータードライバー１３等を含んで構成されており、本体部２の前方を監視するための距離センサー２０等からのセンサーで取得した情報が入力される。駆動制御部１０は、ビーコン１５と、操作部１８の制御を行う共に、スピーカ１４に音声信号を出力する。

ＣＰＵ１１は、距離センサー２０から入力される障害物情報によりモータードライバー１３等を制御する。ＣＰＵ１１として、マイクロプロッセッサ、マイクロコントローラ等のマイコンを用いることができる。距離センサー２０等からの信号は、必要に応じてＡ／Ｄ変換器や入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）を介してＣＰＵ１１に入力される。

搬送用ロボット１の運行を制御するための慣性センサー１２を設ける場合には、Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ（以下、ＭＥＭＳと呼ぶ）技術を用いた２軸や３軸の加速度センサーを用いることができる。

搬送用ロボット１の運行において特に回転を制御するための角速度や角加速度センサーとして、圧電素子ジャイロやＭＥＭＳ技術を用いたセンサーを用いることができる。

モータードライバー１３は、車輪４を駆動するためのモーター５を制御する回路であり、ＣＰＵ１１により制御される。

スピーカ１４は、搬送用ロボット１の周囲に警報音や効果音を発生するために設けている。

ビーコン１５は、赤外線発光素子を備えており、ＣＰＵ１１により制御されて所定の発光パターンを有している赤外線を発生する。

操作部１８は、ハンドル３の手押し部３ａに設置されており、操作情報がＣＰＵ１１により表示される。作業者は、操作部１８を手動操作することで、力を使うことなく、所定の位置まで荷物を運搬するモードで作業することもできる。

図３に示すように、後述する搬送用ロボット１の運行モードに応じて、赤外線カメラ１９が配設されてもよく、図示の場合、本体部２の前方側の下面の左側に第１の赤外線カメラ１９ａ、右側に第２の赤外線カメラ１９ｂが配設されている。

（距離センサー）
図４は、本発明の距離センサー２０の構成を示すブロック図である。図４に示すように、距離センサー２０は、距離検出部２１と、距離検出部２１から出力される距離データが入力される障害物情報生成部２８とを、備えている。

（距離検出部）
距離検出部２１は、複数のパルス半導体発光素子２２と、複数のパルス半導体発光素子の駆動部２３と、複数のパルス半導体発光素子光２２の前方にある障害物により生じる反射光を検出するラインイメージセンサー２４と、パルス半導体発光素子の駆動部２３及びラインイメージセンサー２４を制御する距離検出制御部２６と、を含んで構成されている。

距離検出部２１は、第１〜第３の距離検出部２１から構成され、第１〜第３の距離検出部２１から出力される距離データが、障害物情報生成部２８に出力される。例えば、図２に示すように、本体部２の前方側の下面には、左側の障害物を検出する第１の距離検出部２１ａと、前方の中央の障害物を検出する第２の距離検出部２１ｂと、前方の右側の障害物を検出する第３の距離検出部２１ｃとが配設されている。

各距離検出部２１は、パルス半導体発光素子２２と、パルス半導体発光素子の駆動部２３と、パルス半導体発光素子の出射光が距離検出部２１の前方にある障害物により反射して発生する反射光を検出するイメージセンサー２４と、パルス半導体発光素子の駆動部２３及びイメージセンサー２４を制御する距離検出制御部２６とを、含み構成されている。

ここで、イメージセンサーは、ライン（一次元）イメージセンサー及びエリア（二次元）イメージセンサーを使用することができる。反射光の空間的な検出範囲が狭くてもよい場合には、ラインイメージセンサーを用いることができる。以下の説明においては、イメージセンサー２４は、ラインイメージセンサーとして説明する。

第１の距離検出部２１ａは、パルス半導体発光素子２２ａと、パルス半導体発光素子の駆動部２３ａと、パルス半導体発光素子からの出射光が距離検出部２１の前方にある障害物により反射して発生する反射光を検出するラインイメージセンサー２４ａと、パルス半導体発光素子の駆動部と第１のラインイメージセンサー２４ａを制御する第１の距離検出制御部２６ａと、を含み構成されている。

パルス半導体発光素子２２ａとして、赤外光を発生するパルス半導体レーザーやパルス半導体発光ダイオードを用いることができる。赤外光の波長は、ラインイメージセンサー２４ａが検知できる波長であり、例えば８３０ｎｍである。以下の説明においては、レーザー発光素子２２ａは、パルス半導体レーザーとして、パルス半導体発光素子の駆動部２３ａは、パルス半導体レーザーの駆動部として説明する。

パルス半導体レーザー２２ａは、第１〜第３のパルス半導体レーザー２２ａ１〜２２ａ３からなり、異なる角度で、パルスの半導体レーザーを発生する。図示の場合は、第１〜第３のパルス半導体レーザー２２ａ１〜２２ａ３は、例えば、距離検出部２１の前方の１８０°のうち、０°〜６０°の範囲に照射するために、０°〜２０°の方向、２０°〜４０°の方向、４０°〜６０°の方向に配設されている。

通常、パルス半導体レーザーのビームは線状で照射範囲が極めて狭いので、上記の照射角度範囲にパルス半導体レーザー２２のビームを広げるために、パルス半導体レーザー２２用の光学部材を配設することが望ましい。図示の場合には、第１〜第３のパルス半導体レーザー２２ａ１〜２２ａ３の前方に、水平方向のビームを広げるためのレンズ２９を配設している。レンズ２９としては、ロッドレンズを用いることができる。

図５は、ロッドレンズ２９の一例を示す図である。ロッドレンズ２９は、円柱の形状を有しており、第１のパルス半導体レーザー２２ａ１の前方に配設されている。ロッドレンズ２９の材質は、光学ガラスや樹脂である。第１のパルス半導体レーザー２２ａ１から出射したレーザー光は、ロッドレンズ２９の円柱面に垂直に入射し、ロッドレンズ２９内を通過して、水平方向の角度θの方向にビームが広げられてロッドレンズ２９から出射する。水平方向の角度θは、円柱の直径等を変えることにより制御できる。

水平方向のビーム幅を広げるのは、本体部２の前方において水平方向のビームを広げるためであり、本体部２の前方の垂直方向にはビームを広げないようにする。これにより、水平方向の検出角度を大きくすると共に、光量を大きくでき、障害物の検出距離を増大させることができる。検出距離は、例えば４〜６ｍである。

第２の距離検出部２１ｂ及び第３の距離検出部２１ｃも、第１の距離検出部２１ａと同様に構成されている。

第２の距離検出部２１ｂにおいて、パルス半導体レーザー２２ｂは、第４〜第６のパルス半導体レーザー２２ｂ１〜２２ｂ３からなり、異なる角度で、パルスの半導体レーザーを発生する。図示の場合は、第４〜第６のパルス半導体レーザー２２ｂ１〜２２ｂ３は、例えば、距離検出部２０の前方の１８０°のうち、６０°〜１２０°の範囲に照射するために、６０°〜８０°の方向、８０°〜１００°の方向、１００°〜１２０°の方向に配設されている。

第３の距離検出部２１ｃにおいて、パルス半導体レーザー２２ｃは、第７〜第９のパルス半導体レーザー２２ｃ１〜２２ｃ３からなり、異なる角度でパルスの半導体レーザーを発生する。第７〜第９のパルス半導体レーザー２２ｃ１〜２２ｃ３は、例えば、距離検出部２１の前方の１８０°のうち、１２０°〜１８０°の範囲に照射するために、１２０°〜１４０°の方向、１４０°〜１６０°の方向、１６０°〜１８０°の方向に配設されている。

上記説明においては、９個のパルス半導体レーザー２２を用いた角度の一例を示したものである。パルス半導体レーザー２２の数やその照射方向、ラインイメージセンサー２４の数は必要とする角度分解能を考慮して選定すればよい。又、前方と共に後方の障害物を検出する場合には、本体部２の後部に、さらに距離センサー２０を設けてもよい。

（パルス半導体レーザーの駆動部）
第１のパルス半導体レーザー２２ａの駆動部２３ａは、第２の距離検出制御部２６ａからの発振制御信号により、第１〜第３のパルス半導体レーザー２２ａ１〜２２ａ３を、同時にパルス発振させる機能を有している。第１のパルス半導体レーザー２２ａの駆動部２３ａとして、市販のパルス半導体レーザー用の駆動集積回路（ＩＣ）を使用することができる。例えば発光波長が８２０ｎｍのセンサー用の半導体レーザーを用いて、パルス幅を３０ｎｓとし、デューティ比を０．１〜０．５％として、発光させることができる。

第２及び第３のパルス半導体レーザーの駆動部２３ｂ、２３ｃも、第１のパルス半導体レーザーの駆動部２３ａと同様に構成されている。

第１〜第９のパルス半導体レーザー２２ａ１〜２２ａ９は、第１〜第３のパルス半導体発光素子の駆動部２３ａ〜２３ｃにより、所定のパルス幅と所定のデューティ比でパルス発振する。この際、第１〜第３のパルス半導体レーザー２２ａ１〜２２ａ３と、第４〜第６のパルス半導体レーザー２２ａ４〜２２ａ６と第７〜第９のパルス半導体レーザー２２ａ７〜２２ａ９は、それぞれ同時に発振しているが、他の組のパルス半導体レーザー２２とは、同期を取って発振する必要はない。

これにより、第１〜第９のパルス半導体レーザー２２ａ１〜２２ａ９から、前方の０°〜１８０°の方向に約２０°毎に障害物を検出するためのパルス変調された赤外光が、照射されることになる。

（ラインイメージセンサー）
第１〜第３のラインイメージセンサー２４ａ〜２４ｃ上には、フィルター３０と集光用のレンズ３１が配設されている。フィルター３０と集光用のレンズ３１は、第１〜第３のラインイメージセンサー２４ａ〜２４ｃの周囲に配設される収容部３２内に配設されている。

フィルター３０は、パルス半導体レーザー２２の発光波長である例えば８２０ｎｍの赤外光を選択的に透過するフィルター、所謂バンドパスフィルターであり、搬送用ロボット１の周囲の光や太陽光が、ラインイメージセンサー２４に入射させない機能を有している。

集光用のレンズ３１は、所定の角度の反射光をラインイメージセンサー２４に集光するために設けている。上記の場合には、例えば、集光範囲は約６０°とすればよい。集光用のレンズ３１としては、凸レンズやフレネルレンズを用いることができる。

第１〜第３ラインイメージセンサー２４ａ〜２４ｃは、同一の構成を有しており、所謂飛行時間によるＴＯＦ距離センサーである。構成を簡単にするために、パルス半導体レーザー２２により生じる反射光の時間遅れＴｄを直接に測定しないで、電荷振り分け法による位相差測定により時間遅れＴｄを算出している。距離Ｌは、時間遅れＴｄを、下記（１）式に代入して算出する。Ｔｄは、遅延時間とも呼ぶ。

Ｌ＝０．５×ｃ×Ｔｄ （１）
ここで、ｃは光速であり、３×１０^８ｍ／ｓｅｃである。

（位相差測定による距離測定）
図６は位相差測定で距離を算出するラインイメージセンサー２４のブロック図であり、図７は、電荷振り分け法による距離測定を説明するタイミングチャートである。
図６に示すように、ラインイメージセンサー２４は、ライン状に配設される画素４０と、画素４０に接続されるサンプルアンドホールド回路４１と、サンプルアンドホールド回路４１に接続される水平シフトレジスタ４２と、画素４０とサンプルアンドホールド回路４１にバイアス電圧を供給するバイアス発生回路４３と、サンプルアンドホールド回路４１から出力される出力電圧を増幅するバッファアンプ４４、４４を含んで構成されている。

ラインイメージセンサー２４の各ピンの機能を以下に示す。
ピン１：画像リセット用バイアス電圧（Vr）入力
ピン２：画素内変調クロックパルスＶＴＸ３入力
ピン３：画素内変調クロックパルスＶＴＸ２入力
ピン４：画素内変調クロックパルスＶＴＸ１入力
ピン５：画素リセットパルス(p_res)入力
ピン６：信号サンプリングパルス(phis)入力
ピン7：マスタークロックパルス(mclk)入力
ピン８：信号読み出しトリガパルス(trig)入力
ピン９：出力信号同期パルス(dclk)出力
ピン１０：デジタル電源電圧(Vdd(D))入力
ピン１１、１４、１８−２２：グランド(GND)
ピン1２：出力信号２(Ｖ_２)
ピン１３：出力信号１(Ｖ_１)
ピン1５：アナログ電源電圧(V_dd(A))入力
ピン1６：受光部用バイアス電圧(Vpg)入力
ピン1７：画素アンプ用バイアス電圧(V_sf)入力

ラインイメージセンサー２４においては、以下のバイアス電圧が供給される。
デジタル電源電圧(Vdd(D))＝５Ｖ
アナログ電源電圧(V_dd(A))＝５Ｖ
画像リセット用バイアス電圧（Vr）＝４．２５Ｖ
受光部用バイアス電圧(Vpg)＝１Ｖ
画素アンプ用バイアス電圧(V_sf)＝５Ｖ

ラインイメージセンサー２４にあっては、第１の距離検出制御部２６ａにより、第１のパルス半導体レーザー２２に同期したパルス信号として、画素内変調クロックパルスＶＴＸ１〜ＶＴＸ３信号、画素リセットパルス(p_res)、信号サンプリングパルス(phis)、マスタークロックパルス(mclk)、信号読み出しトリガパルス(trig)が入力される。

図７は、電荷振り分け法による距離測定の原理を説明するタイミングチャートであり、（Ａ）は第１のパルス半導体レーザー２２ａのパルス光、（Ｂ）は障害物による反射パルス光、（Ｃ）は画素内変調クロックパルスＶＴＸ１、（Ｄ）は画素内変調クロックパルスＶＴＸ２を示している。
図７（Ａ）に示すように、第１のパルス半導体レーザー２２ａのパルス光のパルス幅はＴ_０であり、反射パルス光は、遅延時間Ｔｄの後でラインイメージセンサー２４の画素４０に到達する（図７（Ｂ）参照）。

画素４０のフォトダイオードには、反射光による生じる光電流が流入する二つの積分容量Ｃｆｄ_１とＣｆｄ_２が形成されている。

図８は画素構造の等価回路と画素４０の表面電位を示し、（Ａ）はＶＴＸ１がオンのときの画素構造の等価回路、（Ｂ）は（Ａ）の表面電位、（Ｃ）はＶＴＸ２がオンのときの画素構造の等価回路、（Ｄ）は（Ｃ）の表面電位を示す図である。図８（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、画素４０には、受光部用バイアス電圧(Vpg)が印加されている。
図７（Ｃ）及び図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ＶＴＸ１がオンで、ＶＴＸ２がオフの場合には、反射光による生じる電子は、積分容量Ｃｆｄ_１に流入し、この際、積分容量Ｃｆｄ_１に生じる電荷がＱ_１である（図７（Ｂ）参照）。

画素４０の出力電圧Ｖ_１は、積分容量Ｃｆｄ_１において生じる電荷Ｑ_１と出力電圧Ｖ_１（Ｑ_１＝Ｃｆｄ_１×Ｖ_１）との関係により下記（２）式で表される。

Ｖ_１＝Ｑ_１／Ｃｆｄ_１＝Ｎ×Ｉｐｈ×｛（Ｔ_０−Ｔｄ）／Ｃｆｄ_１｝ （２）

次に、図７（Ｄ）及び図８（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、ＶＴＸ１がオフで、ＶＴＸ２がオンの場合には、反射光による生じる電子は、積分容量Ｃｆｄ_２に流入し、この際、積分容量Ｃｆｄ_２に生じる電荷がＱ_２である（図７（Ｄ）参照）。

画素４０の出力電圧Ｖ_２は、積分容量Ｃｆｄ_１において生じる電荷Ｑ_２と出力電圧Ｖ_２（Ｑ_２＝Ｃｆｄ_２×Ｖ_２）との関係により下記（２）式で表される。

Ｖ_２＝Ｑ_２／Ｃｆｄ_２＝Ｎ×Ｉｐｈ×｛（Ｔｄ）／Ｃｆｄ_２｝ （３）

下記（１）式及び（２）式において、Ｃｆｄ_１とＣｆｄ_２が等しい場合には、Ｔｄは下記（４）式で表される。Ｃｆｄ_１とＣｆｄ_２の大きさは、各画素４０のパターンで決めることができる。

Ｔｄ＝｛Ｖ_２／（Ｖ_１＋Ｖ_２）｝×ｄ_２＝Ｔ_０ （４）

Ｖ_１はピン１３から出力され、Ｖ_２はピン１２から出力され、第１のパルス半導体レーザー２２ａのパルス幅は、既知の値であるので、（４）式で求めたＴｄを上記（１）式に代入して、搬送用ロボット１と障害物との距離Ｌを求めることができる。
ここで、第１のパルス半導体レーザー２２ａのパルス幅は、第１のパルス半導体レーザー２２ａの駆動部２３ａを制御する距離検出制御部２６により制御される。

実際には、１回のパルス半導体レーザー２２ａの反射光で得られる電荷量は小さいので、図８で説明した電荷蓄積を数千回〜数万回繰り返し、上記Ｖ_１及びＶ_２の出力電圧を得ている。

水平シフトレジスタ４２等により画素４０毎の搬送用ロボット１と障害物との距離Ｌが、順次出力される。これにより、第１の距離検出部２１ａにおいては、前方０°〜６０°における障害物からの反射光を検出し、障害物との距離情報が得られる。

ラインイメージセンサー２４の上面には、パルス半導体レーザーの波長だけを透過するフィルター３０を設けているので、周囲の光や太陽光の影響を受けないで、パルス半導体レーザー２２からの反射光を、高感度で検出することができる。

（距離検出制御部）
距離検出制御部２６は、複数のパルス半導体発光素子２２を所定のパルス幅（Ｔ_０）で同期発振するようにパルス半導体発光素子の駆動部２３を制御し、反射光により、ラインイメージセンサー２４の各画素４０において電荷振り分けによる位相差測定により遅延時間（Ｔｄ）を算出し、遅延時間（Ｔｄ）とパルス幅（Ｔ_０）とからパルス半導体発光素子２２と障害物との距離データを算出し、距離データを障害物情報生成部２８に送出する構成を有している。
距離検出制御部２６における制御は、以下のステップにより実行される。
ステップ１：第１の距離検出制御部２６ａから、パルス半導体レーザー２２ａの駆動部２３ａにパルス発振の制御信号が出力される。
ステップ２：第１の距離検出制御部２６ａは、ラインイメージセンサー２４ａを制御する信号を送出し、ラインイメージセンサー２４ａから出力信号Ｖ_１及びＶ_２が入力される。
ステップ３：第１の距離検出制御部２６ａは、パルス半導体レーザー２２ａのパルス幅と、ラインイメージセンサー２４ａからの出力信号Ｖ_１及びＶ_２により、画素４０毎に検出する障害物との距離Ｌを上記（１）及び（４）式により計算して、０°〜６０°の範囲の障害物情報を得る。
ステップ４：このようにして得た第１の距離検出部２１ａの障害物情報は、障害物情報生成部２８に送出される。

第２の距離検出制御部２６ｂにおいては、第１の距離検出制御部２６ａと同様に制御が実行されて、６０°〜１２０°の範囲の障害物情報を得、この第２の距離検出部２１ｂで取得された障害物情報が、障害物情報生成部２８に送出される。

第３の距離検出制御部２６ｃにおいては、第１の距離検出制御部２６ａと同様に制御が実行されて、１２０°〜１８０°の範囲の障害物情報を得、この第３の距離検出部２１ｂで取得された障害物情報が、障害物情報生成部２８に送出される。

第１〜第３距離検出制御部２６ａ〜２６ｃは、プログラムが可能な集積回路であるＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やマイクロコンピュータを用いて構成されている。

（障害物情報生成部）
障害物情報生成部２８は、第１〜第３の距離検出制御部２８ａ〜２８ｃから入力される障害物情報を、０〜１８０°方向の障害物情報として、駆動制御部１０のＣＰＵ１１に送出する。障害物情報生成部２８は、ＦＰＧＡやマイクロコンピュータを用いて構成することができる。障害物情報生成部２８は、各ラインイメージセンサー２４の出力同期信号（ｄｃｌｋ）に同期して、障害物情報を搬送用ロボット１のＣＰＵ１１に出力することができる。さらに、距離センサー２０が本体部２の中央に１個だけ設けられる場合には、障害物情報生成部２８を省いて、障害物情報を距離検出制御部２６から搬送用ロボット１のＣＰＵ１１に直接出力してもよい。

以上説明したように、本発明の距離センサー２０は、例えば搬送用ロボット１の本体部１０の前面に少なくとも１個所以上に配置され、少なくとも前方の所定の角度範囲の障害物を検出する距離検出部２１と、複数の距離検出部２１から出力される距離データが入力される障害物情報生成部２８と、を備えている。
距離検出部２１は、複数のパルス半導体発光素子２２と、該複数のパルス半導体発光素子の前方にそれぞれ配設され、所定角度範囲で水平方向にビームを広げるレンズと、複数パルス半導体発光素子２２を同期して発振させる駆動部２３と、複数のパルス半導体発光素子２２の前方にある障害物により生じる反射光を検出するラインイメージセンサー２４と、パルス半導体発光素子の駆動部２３及びインイメージセンサー２４を制御する距離検出制御部２６と、を含んで構成されている。
パルス半導体発光素子の駆動部２３を制御する距離検出制御部２６は、複数のパルス半導体発光素子２２が所定のパルス幅（Ｔ_０）で同期発振するように制御する。距離検出部２１が複数の場合は、それぞれ他の距離検出制御部２６とは非同期で、かつ各距離検出制御部２６の複数のパルス半導体発光素子２２を所定のパルス幅（Ｔ_０）で同期発振するように制御してもよい。
ラインイメージセンサーを制御する距離検出制御部２６は、ラインイメージセンサー２４の各画素４０において電荷振り分け法によりパルス半導体発光素子２２と障害物との距離データを算出し、パルス半導体発光素子２２の反射光による障害物情報を、障害物情報生成部２８に送出する。
障害物情報生成部２８は、パルス半導体発光素子２２の反射光による障害物情報を各距離検出部２１の障害物情報として搬送用ロボット１のＣＰＵ１１へ送出する。

本発明の距離検出部２１によれば、パルス半導体レーザー２２を照射し、障害物において反射した赤外線により、パルス半導体レーザー２２と障害物との距離検出を高精度で行うことができる。また、ラインイメージセンサー２４の上面には、パルス半導体レーザー２２の発振波長だけを透過するフィルター３０を設けているので、太陽光等の影響を受けないで距離の計測が可能となる。

（搬送用ロボットの運行モード１）
搬送用ロボット１の運行モード１として、図１〜図３に示す搬送用ロボット１において、操作部１８は、ハンドドル部３の手押し部３ａに設置されており、操作情報がＣＰＵ１１により表示される。作業者は、操作部１８の操作により、力を使うことなく所定の位置まで荷物を運搬できる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る搬送用ロボット５０について説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態に係る搬送用ロボット５０の構成を示す図で、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は正面図、図１０は本発明の搬送用ロボット５０の下面図である。
図９及び図１０に示すように、本発明の第２の実施形態に係る搬送用ロボット５０が、図１〜図３の搬送用ロボット１の構成と異なるのは、ハンドル３を備えていない点と、本体部５２が赤外線カメラ１９と駆動制御部６０を備えている点である。

図９及び図１０に示すように、本体部５２の前方側の下面の左側には第１の赤外線カメラ１９ａ、右側に第２の赤外線カメラ１９ｂが配設されている。

（搬送用ロボットの運行モード２）
搬送用ロボット５０（子機）は、本発明の第１の実施形態に係る搬送用ロボット１を親機とし、親機の運行方向に追従するような運行モード２で自動走行させることができる。
図１１は、親機に子機が追従する運行モードを説明する図である。図１１に示すように、搬送用ロボット１を親機とし、搬送用ロボット５０を子機として、親機に追従するように自動走行する。
搬送用ロボット１（親機）は、作業者５５が搬送用ロボット１の部操作部１８を用いて運転する。搬送用ロボット１（親機）はビーコン１５を備えている。ビーコン１５は、赤外線発光素子が所定の点滅パターンで点滅している。

搬送用ロボット５０（子機）においては、搬送用ロボット５０（子機）に配設されている赤外線カメラ１９により搬送用ロボット１（親機）のビーコン位置情報が検知され、そして、第１〜第３の距離検出部２１ａ〜２１ｃにより障害物情報が検知される。

図１２は、運行モード２における子機の駆動制御部６０による親機への追従制御を説明するブロック図である。
駆動制御部６０による親機への追従制御は、以下のステップにより実行される。
ステップ１０：第１の赤外線カメラ１９ａにより搬送用ロボット１（親機）のビーコン１５からビーコン位置情報が検知され、ＣＰＵ１１に入力される。
ステップ１１：第２の赤外線カメラ１９ｂにより親機１のビーコン１５からビーコン位置情報が検知され、ＣＰＵ１１に入力される。
ステップ１２：第１〜第３の距離検出部２１ａ〜２１ｃにより親機１との距離が計測され、この障害物情報がＣＰＵ１１に入力される。
次に、ビーコン位置情報で得た親機の方位と、障害物情報で得た親機１との距離に基づき、ＣＰＵ１１が適切な進行方向と速度を計算し、さらにモーター５の回転速度に換算して左右のモータードライバー１３に制御信号を送出する。
ステップ１３：左右のモータードライバー１３ａ、１３ｂは制御信号に基づいて左右のモーター５に適切な電流を流す。
ステップ１４：モーター５が回転して子機が前進する方向を変える場合は、左右のモーター５の回転速度を異なるようにして操舵する。

ステップ１５：上記子機５０の追従運行中に、周辺の作業者５５に子機が走行していることを知らせるために、スピーカ１４から音楽などの音声信号を出すようにしてもよい。

（第１（左）の距離検出部による制御）
第１（左）の距離検出部２１ａによる子機５０の制御は、以下のステップにより実行される。
ステップ２０：前方で長距離（例えば、２ｍ）に障害物を捉えた場合は進路を右に変更して避ける。
ステップ２１：前方で中距離（例えば、５０ｃｍ）に障害物を捉えた場合は停止し衝突を避け、「障害物を発見しました」などの音声を再生する。
ステップ２２：方向に関わらず短距離（例えば、３０ｃｍ）に障害物を捉えた場合も停止し衝突を避け、上記と同じ音声を再生する。

（第２（中央）の距離検出部による制御）
第１（中央）の距離検出部２１ｂによる子機５０の制御は、以下のステップにより実行される。
ステップ３０：前方又は左前方で長距離に障害物を捉えた場合は進路を右に変更して避ける。
ステップ３１：前方又は右前方で長距離に障害物を捉えた場合は進路を左に変更して避ける。
ステップ３２：方向に関わらず短距離（例えば、３０ｃｍ）に障害物を捉えた場合も停止し衝突を避け、上記と同じ音声を再生する。

（第３（右）の距離検出部による制御）
第１（右）の距離検出部２１ｃによる子機５０の制御は、以下のステップにより実行される。
ステップ４０：前方で長距離（例えば、２ｍ）に障害物を捉えた場合は進路を左に変更して避ける。
ステップ４１：前方で中距離（例えば、５０ｃｍ）に障害物を捉えた場合は停止し衝突を避け、「障害物を発見しました」などの音声を再生する。
ステップ４２：方向に関わらず短距離（例えば、３０ｃｍ）に障害物を捉えた場合も停止し衝突を避け、上記と同じ音声を再生する。

（搬送用ロボットの運行モード３）
搬送用ロボットの子機５０は、運行モード３として、所定の経路を自律走行させることができる。
図１３は、子機５０の自律走行を説明する模式的な図である。
図１３に示すように、倉庫７０内の四隅にはビーコン付ポール７１が配設され、子機５０を、予め設定された経路である走行開始点から走行終点まで、自律走行させることができる。

以下の方法により、子機５０に走行経路の学習をさせることができる。
ステップ５１：作業者が、親機となる搬送用ロボット１を、操作部１８の操作により運行モード１に切り換える。
ステップ５２：子機となる搬送用ロボット５０を、親機となる搬送用ロボット１の後に配置して、走行経路学習モードに設定する。
ステップ５３：作業者が親機となる搬送用ロボット１を、運行モード１により所望の経路に沿って走行させる。この際、親機１は、ビーコン付ポール７１から送出される赤外線信号を受信する。ビーコン付ポール７１の識別番号（ＩＤ）と距離、方位に関するデータを所定の発光パターンで変調した赤外線が、後続の搬送用ロボット５０にビーコン１５から送出される。
ステップ５４：子機となる搬送用ロボット５０は、親機１のビーコンに追従して、つまり運行モード２で走行すると共に、親機１のビーコン付ポール７１の識別番号と距離、方位のデータを記録する。
ステップ５５：所望の経路の走行が終了したら、子機５０の走行経路学習モードを終了する。これにより、走行経路の設定が終了する。
ステップ５６：走行経路の設定が終了した後、作業者が、子機５０を、自律走行モード、つまり運行モード３に設定することにより、上記のステップ５１〜５５で取得した走行経路に沿って自律走行させることができる。

ビーコン付ポール７１は、搬送用ロボット１のビーコン１５と同じビーコンを取り付けた柱であり、図示の場合には、倉庫７０内の四隅に４つのビーコン付ポール７１ａ〜７１ｄを設けている。

ビーコン１５は、ＣＰＵ１１により制御されて所定の発光パターンを有している赤外線を発生する。この際、赤外線は、例えばその識別番号（ＩＤ）や位置が識別されるように変調されていてもよい。

予め設定した経路は、例えば、右下に配設される第１のビーコン付ポール７１ａ、左下に配設される第２のビーコン付ポール７１ｂ、左上に配設される第３のビーコン付ポール７１ｃ、右上に配設される第４のビーコン付ポール７１ｄの順である。図示の場合、左上に配設される第３のビーコン付ポール７１ｃの近くに障害物７５が置いてある。

作業者５５は、走行開始点において、搬送用ロボット５０に荷物を積載した後で、搬送用ロボット５０を自律走行させるスイッチをオンにする。

作業者５５は、搬送用ロボット５０が、作業者５５が障害物と認識されないために、例えば、左下に配設される第２のビーコン付ポール７１ｂの近くまで走行した時点で走行終点に移動して待機する。

図示するように、搬送用ロボット５０は、第２のビーコン付ポール７１ｂ〜第３のビーコン付ポール７１ｃの途中で、赤外線カメラ１９によるビーコン位置情報及び距離検出部２１ａ〜２１ｃで取得される障害物情報により、障害物７５を検知した時点で、進行方向を、右側に変更して、走行終点まで自律走行する。

作業者５５は、走行終点で搬送用ロボット５０の自律走行をオフにする。

作業者５５は、搬送用ロボット５０から荷物を降ろした後で、再度、自律走行をオンにして、搬送用ロボット５０を走行開始点迄自律走行させてもよい。
以下に、本発明の距離センサー２０の実施例を示す。

図１４は、距離センサー２０の第１の距離検出部２１ａの基板８０を模式的に示す図である。距離センサー２０はレンズ２９を有し、０〜６０°方向に発光するパルス半導体レーザー２１ａ〜２１ｃと、集光用のレンズ３１とフィルター３０が配設されたラインイメージセンサー２４ａ等から構成されている。
用いた部品の概略を以下に示す。
パルス半導体レーザー２１ａ：発光波長８３０ｎｍ（シャープ株式会社製、ＧＨ４
８３７Ａ１ＴＧ）
パルス半導体レーザーの駆動部２３ａ：ｉＣ−ＨＧレーザドライバー（ｉＣ Ｈａ
ｕｓ社製）
距離検出制御部２６ａ：ＦＰＧＡ（アルテラ社製、サイクロンIII）

図１５は、実施例の距離検出部２１ａで測定したラインイメージセンサー２４ａによる距離情報の一例を示す図である。図の横軸は画素数（ＣＨ）であり、縦軸は距離（ｍ）である。
図１５に示すように、画素数が６０〜１７０の箇所に、約１ｍの距離に障害物があることが分かる。１秒間に６０フーレームの距離情報（６０フレーム／ｓ）が得られた。
上記結果から、本発明の距離センサー２０は、可動部品を使用しないで、高感度で高フレームレートの障害物情報が得られることが分かった。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、搬送用ロボットとして図１等に示す台車型によることなく、二方、三方又は四方を縦壁で取り囲んだ形式の、いわゆるトロッコ式の搬送ロボットでもよく、作業者を搭乗させる形式のものでもよい。その場合、各種のセンサーや駆動制御部１０等を搭載した本体部２を、積載部と共用させることなく、縦壁又は特に設けた部位に設定してもよい。距離センサー２０の距離検出部２１は、障害物の検出距離、その分解能やフレームレートを考慮して、パルス半導体発光素子２２の数やそのビームの広さ等を適宜に設定すればよい。

１、５０：搬送用ロボット
２、５２：本体部
３：ハンドル
３ａ：手押し部
４：車輪
５：モーター
６：減速機
７：キャスター
８：電源
８ａ：リチウム二次電池
１０、６０：駆動制御部
１１：ＣＰＵ
１２：慣性センサー
１３：モータードライバー
１４：スピーカ
１５：ビーコン
１８：操作部
１９：赤外線カメラ
１９ａ：第１の赤外線カメラ
１９ｂ：第２の赤外線カメラ
２０：距離センサー
２１：距離検出部
２２：パルス半導体レーザー
２３：パルス半導体レーザーの駆動部
２４：ラインイメージセンサー
２６：距離検出制御部
２８：障害物情報生成部
２９：レンズ
３０：フィルター
３１：集光用のレンズ
３２：収容部
４０：画素
４１：サンプルアンドホールド回路
４２：水平シフトレジスタ
４３：バイアス発生回路
４４：バッファアンプ
５５：作業者
７０：倉庫
７１：ビーコン付ポール
７５：障害物
８０：基板

Claims (11)

1. 搬送用ロボットの走行に用いられる距離センサーであって、
   前記距離センサーは、
   前記搬送用ロボットの本体部の前面の少なくとも１個所以上に配置され、前方の所定角度範囲の障害物を検出する距離検出部と、
   前記距離検出部から出力される距離データが入力される障害物情報生成部と、
   を、備え、
   前記距離検出部は、
   複数のパルス半導体発光素子と、
   該複数のパルス半導体発光素子の前方にそれぞれ配設され、前記所定角度範囲で水平方向にビームを広げるレンズと、
   前記複数のパルス半導体発光素子を同期して発振させる駆動部と、
   前記複数のパルス半導体発光素子の前方にある障害物により生じる反射光を検出するラインイメージセンサーと、
   前記パルス半導体発光素子の駆動部及び前記ラインイメージセンサーを制御する距離検出制御部と、
   を含み、
   前記パルス半導体発光素子の駆動部を制御する前記距離検出制御部は、複数のパルス半導体発光素子が所定のパルス幅（Ｔ_０）で同期発振するように制御し、
   前記ラインイメージセンサーを制御する距離検出制御部は、前記ラインイメージセンサーの各画素において電荷振り分け法により前記パルス半導体発光素子と前記障害物との距離データを算出し、前記パルス半導体発光素子の反射光による障害物情報を前記障害物情報生成部へ送出し、
   前記障害物情報生成部は、前記障害物情報を前記距離検出部の障害物情報として前記搬送用ロボットのＣＰＵへ送出する、距離センサー。
2. 前記レンズはロッドレンズであり、前記ラインイメージセンサーの上面には、前記反射光を集光するレンズと前記パルス半導体発光素子の発光波長の光を選択的に透過するフィルターとが配設される、請求項１に記載の距離センサー。
3. 前記障害物情報生成部は、前記各ラインイメージセンサーの出力同期信号に同期して、前記障害物情報を前記搬送用ロボットの前記ＣＰＵに出力する、請求項１又は２に記載の距離センサー。
4. 本体部と、車輪と、車輪を駆動するモーターと、モータードライバーとＣＰＵからなる駆動制御部と、距離センサーとを含み、
   前記距離センサーは、
   前記本体部の前面の少なくとも１個所以上に配置され、前方の所定角度範囲の障害物を検出する距離検出部と、
   前記各距離検出部から出力される距離データが入力される障害物情報生成部と、
   を、備え、
   前記距離検出部は、
   複数のパルス半導体発光素子と、
   該複数のパルス半導体発光素子の前方にそれぞれ配設され、前記所定角度範囲で水平方向にビームを広げるレンズと、
   前記複数のパルス半導体発光素子を同期して発振させる駆動部と、
   前記複数のパルス半導体発光素子の前方にある障害物により生じる反射光を検出するラインイメージセンサーと、
   前記パルス半導体発光素子の駆動部及び前記ラインイメージセンサーを制御する距離検出制御部と、
   を含む、搬送用ロボット。
5. 前記レンズはロッドレンズであり、前記ラインイメージセンサーの上面には、前記反射光を集光するレンズと、前記パルス半導体発光素子の発光波長の光を選択的に透過するフィルターと、が配設される、請求項４に記載の搬送用ロボット。
6. 本体部にハンドルを備え、該ハンドルの手押し部には操作部を備える、請求項４又は５に記載の搬送用ロボット。
7. スピーカを備える、請求項４〜６の何れかに記載の搬送用ロボット。
8. 赤外線を発光するビーコンを備える、請求項４〜７の何れかに記載の搬送用ロボット。
9. 赤外線カメラを備える、請求項４〜８の何れかに記載の搬送用ロボット。
10. 前記障害物情報生成部は、前記距離検出部から出力される距離データを障害物情報として、前記ＣＰＵへ送出する、請求項４〜９の何れかに記載の搬送用ロボット。
11. 前記ビーコンからの赤外線を、前記赤外線カメラにより位置情報として取得して前記ＣＰＵへ送出し、前記障害物情報生成部は、前記複数の距離検出部から出力される距離データを障害物情報として前記ＣＰＵへ送出する、請求項４〜１０の何れかに記載の搬送用ロボット。

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