JP2017178567A - フォークリフト - Google Patents

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Akinobu Fujii
亮暢 藤井
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Abstract

【課題】 パレットの載置されている環境に関わらず、フォークリフトに対するパレットの相対的な位置を正確に検出する技術を提供する。
【解決手段】 フォーク差込み用の開口部を有するパレットに載置された荷物を運搬可能なフォークリフト。フォークリフトは、フォークと、フォークの前方に設定された設定空間に向けてレーザ光を照射すると共に、レーザ光の反射光から設定空間に位置する物体との距離を計測する測域センサと、測域センサで計測される距離データに基づいて、荷取り対象となるパレットの2つの開口部の側壁の位置を特定する演算装置とを備えている。演算装置は、2つの開口部の側壁の位置に基づいて、パレットの前面の中心位置及び方向を特定する。
【選択図】図4

Description

本明細書に開示の技術は、パレットに載置された荷物を運搬可能なフォークリフトに関する。
フォークリフトによる荷取り作業の際、荷取り対象となるパレットを測域センサにより認識する技術が知られている。特許文献1のフォークリフトでは、2次元レーザ距離計によって、パレットの前面の幅方向の両端までの距離及び角度を計測することで、フォークリフトに対するパレットの相対的な位置を演算している。
特開2013−230903号公報
フォークリフトにより正確な荷取り作業を行うためには、フォークリフトを荷取り対象となるパレットの荷取り位置まで正確に移動させなければならない。このためには、フォークリフトに対するパレットの相対的な位置を正確に検出しなければならない。しかしながら、特許文献1のフォークリフトでは、例えば、パレット周囲に空間がない場合、すなわち、パレット側面に接する物体が存在する場合や、パレット同士が隙間なく並べられて載置されている場合に、幅方向の両端を検出することが困難であった。パレットの相対的な位置が検出できないと、フォークリフトをパレットの荷取り位置に正確に位置決めすることができない。本明細書は、パレットが載置されている環境に関わらず、フォークリフトに対するパレットの相対的な位置を正確に検出することが可能となる技術を開示する。
本明細書に開示するフォークリフトは、フォーク差込み用の開口部を有するパレットに載置された荷物を運搬可能である。フォークリフトは、フォークと、フォークの前方に設定された設定空間に向けてレーザ光を照射すると共に、レーザ光の反射光から設定空間に位置する物体との距離を計測する測域センサと、測域センサで計測される距離データに基づいて、荷取り対象となるパレットの2つの開口部の側壁の位置を特定する演算装置とを備えている。演算装置は、2つの開口部の側壁の位置に基づいて、パレットの前面の中心位置及び方向を特定する。
一般的に、荷物が載置されるパレットの側面には、フォークリフトにより荷取り作業を行うためのフォーク差込み用の開口部が2つ形成されている。上記のフォークリフトでは、演算装置が、測域センサで計測される距離データに基づいて、パレットの前面(フォークリフトと対向する面)の2つの開口部の側壁の位置を特定する。2つの開口部はパレットの前面の中心位置に対して既知の位置関係となる位置(例えば、中心位置に対して対称な位置)に設けられていることから、演算装置は、2つの開口部の側壁の位置に基づいて、パレット前面の中心位置及び方向を特定する。このように、2つの開口部の位置は、パレット周囲の環境に関わらず、測域センサで計測される距離データに基づいて検出することができる。したがって、パレットの相対的な位置及び方向を正確に検出することができる。すなわち、上記のフォークリフトによれば、パレットの載置されている環境に関わらず、フォークリフトに対するパレットの相対的な位置及び方向を正確に検出することができる。なお、本明細書でいう、開口部の側壁とは、パレットを載置したときの開口部の水平方向の端部に位置する面(床面に対して略垂直に伸びる面)を意味する。
実施例のフォークリフトの構成を模式的に示す斜視図。 実施例のフォークリフトによりレーザ光を走査している状態の例を模式的に示す図。 実施例のフォークリフトの制御構成を示すブロック図。 実施例のフォークリフトの制御装置により、パレットの位置及び方向を特定する処理の手順を示すフローチャート。 実施例のフォークリフトの測域センサにより距離データを取得している状態を示す図。 観測点群から直線を構成する点群を抽出する方法を説明するための図。 パレットと、パレットに設定した座標軸とを合わせて示す図。
以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。
(特徴1) 本明細書に開示するフォークリフトでは、演算装置は、測域センサで計測される距離データから、パレットの前面の距離データのみを抽出し、その抽出された距離データから特定される2つの開口部の側壁の位置に基づいて、パレットの前面の中心位置及び方向を特定してもよい。このような構成によると、開口部の側壁の位置を誤認識することを抑制することができる。
(特徴2) 本明細書に開示するフォークリフトは、フォークを第1の方向に移動させる移動機構をさらに備えていてもよい。また、測域センサは、第1の方向に直交する第2の方向にレーザ光を走査すると共に、フォークに取付けられており、移動機構によりフォークとともに移動してもよい。このような構成によると、3次元空間上の距離データを取得することができる。
(特徴3) 本明細書に開示するフォークリフトでは、演算装置は、(1)フォークを予め設定された位置でレーザ光を第2の方向に走査して距離データを計測し、(2)計測された距離データからパレットの開口部の側壁の位置を特定できない場合は、フォークを第1の方向に予め設定された距離だけ移動させて、その位置においてレーザ光を第2の方向に走査して距離データを計測し、(3)パレットの開口部の側壁の位置を特定できるまで、上記(2)のステップを実行してもよい。このような構成によると、第1の方向におけるパレットの位置が未知である場合において、開口部の側壁の位置を特定することができる。
以下、図面を参照して、実施例のフォークリフト10について説明する。図1に示すように、フォークリフト10は、無人フォークリフトであり、車体12と、マスト20と、フォーク22と、リフトチェーン24と、測域センサ26と、制御装置30(図3に図示)を備えている。
車体12は、その両側面のそれぞれに前輪28及び後輪29を備えている。前輪28及び後輪29は、それぞれ車体12に対して回転可能に支持されている。後輪29の一方は、駆動機構を介して駆動輪モータ(不図示)が接続されており、駆動輪モータによって回転駆動されるようになっている。また、駆動輪モータに接続された後輪29は、操舵装置(不図示)にも接続されており、操舵装置によって車輪の向きが調整される。後輪29の他方は、キャスタ輪であり、車体12の走行に追従して回転及び操舵する。制御装置30が駆動輪モータ及び操舵装置を制御することで、車体12は路面を走行すると共に、車体12の進行方向を変えることができる。
マスト20は、車体12の前面に取付けられている支柱であり、その軸線は上下方向に伸びている。
フォーク22は、マスト20に上下方向に移動可能に取付けられている。フォーク22は、一対のツメ22a,22bを有している。ツメ22a,22bは、車体12の左右方向に互いに離間した位置に配置されており、マスト20側から車体12の前方に向かって伸びている。なお、フォーク22は、ティルト機構(不図示)によって、マスト20に対して揺動可能となっていてもよい。
リフトチェーン24は、マスト20に設置されており、フォーク22と係合している。リフトチェーン24がフォーク昇降装置40(図3に図示)により駆動されると、それによってフォーク22が昇降される。フォーク22の上下方向の位置は、フォーク昇降装置40の駆動量によって特定可能となっている。
測域センサ26は、フォーク22に取付けられており、フォーク22と一体となって上下方向に昇降する。測域センサ26が取付けられる位置は、ツメ22a,22bの間であって、フォーク22のバックレスト面より奥側(車体12側)に配置されている。測域センサ26は、一方向(本実施例では水平方向)にレーザ光を走査する1次元走査型の測域センサである。測域センサ26は、レーザ光を照射すると共に、その照射したレーザ光の反射光から周辺物体までの距離を計測する。測域センサ26は、フォークリフト10の前方に設定された所定の角度範囲の領域50(図1参照)にレーザ光を照射する。これにより、水平方向の距離データが取得される。測域センサ26で取得される距離データは、制御装置30に入力される。また、フォーク22が昇降すると、測域センサ26も昇降するため、図2に示すように、測域センサ26から照射されるレーザ光の高さ方向の位置を変化可能である。このため、測域センサ26により、フォーク22の可動域における任意の高さの距離データを取得することができる。測域センサ26としては、例えば、北陽電機製のUTM−30LXやSICK社製のLMS100等を用いることができる。なお、測域センサ26の上下方向の位置は、センサ位置検出部36(図3に図示)により特定可能となっている。
制御装置30は、CPU等を備えたマイクロプロセッサによって構成されている。制御装置30は、車体12に搭載されている。制御装置30は、上述した測域センサ26と、後輪29の一方を駆動する駆動輪モータと、駆動輪モータに接続された後輪29の操舵角を調整する操舵装置と、フォーク22の昇降を行うフォーク昇降装置40等に接続されており、これらの動作を制御する。すなわち、制御装置30は、駆動輪モータ及び操舵装置を駆動することで、フォークリフト10の進行方向及び走行速度を制御する。具体的には、制御装置30は、駆動輪モータ及び操舵装置に制御指令値を出力することで、一方の後輪29を駆動する。これによって、フォークリフト10の進行方向、走行速度及び走行経路が制御される。また、制御装置30は、フォーク昇降装置40を駆動することで、フォーク22を上下方向に移動させる。なお、フォークリフト10の進行方向及び走行速度の制御については、従来公知の方法で行うことができるため、その詳細な説明は省略する。
また、制御装置30は、メモリに記憶されているプログラムを実行することで、測域センサ26により取得した距離データを座標変換する処理、座標変換した観測点群に基づいてパレット100の位置及び方向を特定する処理等を行う。すなわち、制御装置30は、図3に示すように、座標変換部32、演算部34として機能する。制御装置30が上述した各部32,34として機能することで、フォークリフト10の前方の空間から得られた観測点群が生成され、その生成された観測点群からパレット100の位置及び方向が特定される。各部32,34の詳細については、以下で説明する制御装置30で行われる処理と共に説明する。
次に、制御装置30によって、パレット100の位置及び方向(パレットデータ46)を特定する処理について説明する。この処理は、荷取り対象となるパレット100を測域センサ26により観測可能な、パレット100の近傍において実行される。すなわち、図4に示すように、制御装置30は、まず、車体12の前方にパレット100が位置するように、一方の後輪29を駆動して、パレット100に対してフォークリフト10を接近させる。すなわち、パレット100を測域センサ26によって観測するために、フォークリフト10をパレット100近傍の観測開始位置へ移動させる。例えば、工場内で荷物を運搬するフォークリフト10では、荷物(パレット100)が載置される位置は予め定められている。したがって、フォークリフト10がパレット100の観測を開始する位置は、パレット100が載置されるおおよその位置から予め定められている。このため、制御装置30は、予め設定された観測開始位置までフォークリフト10を自動で移動させる。なお、フォークリフト10が運転者によって運転される場合は、運転者によってフォークリフト10が観測開始位置まで移動され、その後、以下に続く処理(ステップS14以降の処理)が開始されてもよい。
なお、フォークリフト10が観測開始位置に移動する間に、フォーク昇降装置40によって、測域センサ26を、観測対象領域60にレーザ光が照射されるように上下方向に移動させる。観測対象領域60とは、パレット100が存在する可能性のある領域である。パレット100の存在する高さ方向の位置(詳細には、パレット100の前面のうち開口部110が設けられた高さ方向の位置)は、パレット100の寸法やパレット100が載置される台座等の寸法が既知であることから、予め設定することが可能である。具体的には、例えば、図5に示すように、荷物130がパレット100上に載置され、パレット100が台座120上に載置される場合であれば、パレット100が存在する可能性のある領域は、台座120とパレット100の寸法によって決まる。このため、制御装置30は、観測対象領域60内のパレット100の存在する高さにレーザ光が照射されるように、フォーク昇降装置40を駆動してレーザ光が照射される高さを調節する。なお、この処理によって実現される制御装置30の機能が、図3に示すセンサ移動制御部38に相当する。
次に、制御装置30は、測域センサ26により距離データ42を取得する(S14)。すなわち、測域センサ26は、レーザ光を水平方向に走査しながら照射すると共に、その照射したレーザ光の反射光を検出する。これにより、レーザ光の照射方向の距離データ42を取得することができる。
次に、制御装置30は、得られた距離データ42を3次元空間上の観測点群44に座標変換する(S16)。例えば、ステップS14において得られた距離データ42と、測域センサ26のレーザ光の観測ステップ数(計測周期(ステップ)数)及びステップ間隔(1観測ステップの走査角度間隔)、ステップS12によって制御されているレーザ光の高さ方向の位置等に基づいて、距離データ42を観測点群44に座標変換することができる。なお、座標変換については、従来公知の方法で行うことができるため、その詳細な説明は省略する。上記のステップS16の処理によって実現される制御装置30の機能が、図3に示す座標変換部32に相当する。
次に、制御装置30は、得られた観測点群44から、観測対象領域60内の観測点のみを抽出する(S18)。これにより、観測対象領域60外の観測点群が排除されるため、続く処理において、パレット100を誤認識することを防止することができる。
次に、制御装置30は、抽出した観測点群から、直線を抽出する(S20)。すなわち、パレット100の前面から反射される反射光による観測点群は、同一平面上に位置する。このため、ステップS20では、ステップS18で抽出した観測点群から、パレット100の前面をスキャンした結果となる直線を抽出する。なお、直線の抽出には、例えば、RANSAC(random sample consensus)のようなロバスト推定と呼ばれる公知のアルゴリズムを用いることができる。
次に、制御装置30は、ステップS20で抽出された直線を構成する点群の両端点の位置を抽出する(S22)。例えば、図6に示すように、直線を構成する点群のx方向の最大値pxmax及び最小値pxmin、y方向の最大値pymax及び最小値pyminを持つ観測点の位置から、両端点の位置を求めることができる。
次に、制御装置30は、抽出された直線を構成する(直線にマッチする)点群をユークリッド距離でクラスタリングする(S24)。ここで、図7に示されるように、パレット100の前面には2つの開口部110(フォーク22のツメ22a,22bが差込まれる孔)が形成されている。このため、パレット100の前面から抽出される直線は、パレット100の前面の開口部110によって分断される可能性がある。このため、ステップS20で抽出された直線を構成する点群が、パレット100の開口部110の幅に相当する距離で分断されているか否かを判断する。なお、クラスタリングには、例えば、k−means法、ward法のような従来公知の方法を用いることができる。
次に、制御装置30は、ステップS26の処理を行う。具体的には、まず、制御装置30は、クラスタリングされた直線群の数(すなわち、クラスタ数)をカウントし、カウントしたクラスタ数が3であるか否かを判断する(S26)。上述したように、パレット100の前面のうち、開口部110が形成された位置(高さ)では、レーザ光の水平走査によって略水平方向に伸びる直線(観測点群)は、開口部110によって3つに分断される。したがって、ステップS26では、クラスタ数が3か否かを判断することで、抽出された直線がパレット100の前面(詳細には、パレット100の前面のうち開口部110の位置(高さ)に相当する部分)に相当するか否かを判断できる。クラスタ数が3である場合(S26:YES)、制御装置30は、ステップS28の処理へ進む。一方、クラスタ数が3でない場合(S26:NO)、制御装置30は、ステップS12の処理へ戻り、再び距離データ42を取得する処理を行う。すなわち、測域センサ26による距離計測(S14以降の処理)を再実行する。なお、ステップS26の処理において、NOの判断が所定の回数繰り返されると、観測対象領域60内にパレット100がないと判断して、処理を終了するように制御装置30を構成してもよい。
次に、制御装置30は、3つの点群クラスタのうち、ステップS22で抽出した両端点を含む2つのクラスタを選択する(S28)。すなわち、制御装置30は、3つの点群クラスタのうち、外側に位置する2つのクラスタを選択する。
次に、制御装置30は、選択した2つのクラスタから、抽出した端点ではない方の端点(すなわち、内側の端点)の位置を検出する(S30)。内側の端点の位置は、パレット100の開口部110の側壁の位置S1及びS2(図7に図示)である。すなわち、ステップS30において、制御装置30は、パレット100の2つの開口部110の側壁の位置S1及びS2それぞれを検出する。なお、選択した2つのクラスタの外側の端点の位置は、オクルージョン境界のノイズの影響で正確に検出できない場合がある。一方、選択した2つのクラスタの内側の端点の位置S1及びS2については、オクルージョン境界のノイズの影響を受け難くなり、検出精度を向上することができる。
次に、制御装置30は、ステップS30で検出した2点の位置から、パレット100の前面の中心位置Mを特定する(S32)。パレット100の2つの開口部110は、パレット100の前面の中心位置Mから対称となる位置に形成されている。このため、パレット100の開口部110の側壁の2点の位置S1及びS2の中点の位置を求めることにより、パレット100の前面の中心位置Mを特定することができる。
次に、制御装置30は、ステップS32で特定したパレット100の前面の中心位置M及びステップS20で抽出した直線から、パレット100の位置及び方向を特定する(S34)。具体的には、図7に示すように、xy平面上において、抽出した直線の法線ベクトルNを求めることにより、パレット100の方向を求めることができる。これにより、パレット100の位置及び方向(パレットデータ46)を特定することができる。なお、上記のステップS18〜S34の処理によって実現される制御装置30の機能が、図3に示す演算部34に相当する。
上述した実施例のフォークリフト10では、制御装置30が、測域センサ26で計測される距離データ42に基づいて、パレット100の前面の2つの開口部110の側壁の位置S1及びS2を特定する。2つの開口部110はパレット100の前面の中心位置Mから対称な位置に設けられているため、制御装置30は、2つの開口部110の側壁の位置S1及びS2に基づいて、パレット100の前面の中心位置Mを特定することができる。このように、2つの開口部110の位置は、パレット100の周囲の空間の有無に関わらず、測域センサ26で計測される距離データ42に基づいて検出することができる。したがって、フォークリフト10に対するパレット100の相対的な位置及び方向を正確に検出することができる。すなわち、パレット100が載置されている環境に関わらず、パレット100の位置及び方向を特定することができる。
なお、上述した実施例は、パレット100の存在する高さ方向の位置が既知であるとして説明したが、パレット100の存在する高さ方向の位置が未知である場合にも、パレット100の位置及び方向を特定することができる。具体的には、まず、制御装置30は、観測対象領域60の上限にレーザ光が照射されるように、フォーク昇降装置40により測域センサ26を移動させながら、観測開始位置までフォークリフト10を移動させる。次に、制御装置30は、フォーク22を下降させながら、測域センサ26で距離データ42を取得する。続いて、上述した実施例のステップS16〜S24の処理を実行する。その後、続くステップS26の処理でNOと判断した(すなわち、クラスタ数が3でない)場合、制御装置30は、現在の高さがパレット100の開口部110が存在しない高さであると判断し、再びフォーク22を下降させながら、測域センサ26で距離データ42を取得する。一方、ステップS26の処理でYESと判断した(すなわち、クラスタ数が3である)場合、現在の高さがパレット100の開口部110の存在する高さであると判断する。以上の処理を行った後に、制御装置30は、上述した実施例のステップS28以降の処理を実行することによって、パレット100の位置及び方向を特定することができる。
上述した実施例と請求項との対応関係を説明しておく。フォーク昇降装置40が、請求項でいう移動機構の一例である。演算部34が、請求項でいう演算装置の一例である。
以上、本明細書が開示する技術の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上述した実施例では、ステップS28において、制御装置30は、直線を構成する点群の両端点を含む2つのクラスタを選択したが、ステップS28の処理において、制御装置30は、3つのクラスタのうちの中央のクラスタを選択するように変更してもよい。この場合、続くステップS30の処理を、制御装置30が、中央のクラスタの両端(開口部110の内側の側壁)の2点を抽出し、その2点を結んだ中点の位置を求めるように変更することで、パレット100の前面の中心位置Mを特定することができる。
また、フォーク昇降装置40を駆動して、フォーク22を上下方向に移動させながらレーザ光を水平方向に走査することによって、測域センサ26で計測される距離データ42に基づいて、レーザ光が照射された範囲の3次元距離画像を生成してもよい。具体的には、まず、制御装置30は、測域センサ26を上下方向に昇降させながら、フォークリフト10の前方に設定された所定の角度範囲の領域50にレーザ光を照射することによって、測域センサ26から照射されるレーザ光を、水平方向及び高さ方向の2次元に走査する。次に、制御装置30は、レーザ光の反射光から、フォークリフト10の前方の3次元空間の距離データ42を取得する。そして、制御装置30は、この距離データ42に基づいて生成した3次元距離画像から、パレット100の開口部110の側壁の位置S1及びS2を特定してもよい。このような形態によっても、側壁の位置S1及びS2が特定できるため、パレット100の前面の中心の位置を好適に特定することができる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を発揮するものである。
10:フォークリフト
12:車体
20:マスト
22:フォーク
22a,22b:ツメ
24:リフトチェーン
26:測域センサ
28:前輪
29:後輪
30:制御装置
32:座標変換部
34:演算部
36:センサ位置検出部
38:センサ移動制御部
40:フォーク昇降装置
42:距離データ
44:観測点群
46:パレットデータ
60:観測対象領域
100:パレット
110:開口部

Claims (4)

  1. フォーク差込み用の開口部を有するパレットに載置された荷物を運搬可能なフォークリフトであり、
    フォークと、
    前記フォークの前方に設定された設定空間に向けてレーザ光を照射すると共に、前記レーザ光の反射光から前記設定空間に位置する物体との距離を計測する測域センサと、
    前記測域センサで計測される距離データに基づいて、荷取り対象となるパレットの2つの開口部の側壁の位置を特定する演算装置と、を備えており、
    前記演算装置は、前記2つの開口部の前記側壁の位置に基づいて、前記パレットの前面の中心位置を特定する、フォークリフト。
  2. 前記演算装置は、前記測域センサで計測される前記距離データから、前記パレットの前面の距離データのみを抽出し、その抽出された距離データから特定される前記2つの開口部の前記側壁の位置に基づいて、前記パレットの前面の中心位置及び方向を特定する、請求項1に記載のフォークリフト。
  3. 前記フォークリフトは、前記フォークを第1の方向に移動させる移動機構、をさらに備えており、
    前記測域センサは、前記第1の方向に直交する第2の方向にレーザ光を走査すると共に、前記フォークに取付けられており、前記移動機構により前記フォークとともに移動する、請求項1又は2に記載のフォークリフト。
  4. 前記演算装置は、
    (1)前記フォークを予め設定された位置でレーザ光を前記第2の方向に走査して距離データを計測し、
    (2)計測された距離データから前記パレットの前記開口部の前記側壁の位置を特定できない場合は、前記フォークを前記第1の方向に予め設定された距離だけ移動させて、その位置においてレーザ光を前記第2の方向に走査して距離データを計測し、
    (3)前記パレットの前記開口部の前記側壁の位置を特定できるまで、前記(2)のステップを実行する、請求項3に記載のフォークリフト。
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