JP2018128772A - 鶏舎用自律移動ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 鶏への安全性を確保しながら安定した自律走行を可能とした鶏舎用自律移動ロボットを提供すること。【解決手段】 外装にバンパユニット２を設け、バンパユニットを用いて走行上の障害物１０，１１を検知する自律移動ロボット１において、バンパユニットは、自律移動ロボットの走行面に対して直角方向に回転軸をそれぞれ持つ複数の回転体８０１と、複数の回転体にまたがって回転走行可能に支持されるベルト２０１と、外装からの突出方向Ｚに移動可能に支持され回転体を回転軸周りに回転自在に軸支し回転体の回転軸に対して軸方向上向きに移動可能に回転体を支持する保持ユニット９と、保持ユニットに突出方向に付勢する付勢力を付与する弾性体９１２と、弾性体の付勢力に抗して保持ユニットの移動を検知したときに障害物を検知するセンサ９１０とを有するとともに、センサで障害物を検知したとき自律移動ロボットの移動を停止させる制御部５を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、自律走行型の移動ロボットに関するものであり、特に鶏舎内で自律走行する鶏舎用自律移動ロボットに関するものである。

家畜として育てられているニワトリの中で、主に食肉用のものはブロイラーと呼ばれる。このブロイラーは短期間で急成長するように品種改良されているため、自らの体重を支えるだけの筋力の発達が遅れ気味になり、次第に動きづらくなることで弱っていってしまう。そこで、現在、飼育員が定期的に鶏舎内を歩行し、ブロイラーを刺激し、定期的に運動を促すことを行っているが、ブロイラーの病気感染のリスク低減、又は飼育員の作業負荷低減といった目的で、飼育員の代わりに、自律移動型のロボットが鶏舎内を走行するということが求められている。この自律移動型ロボットに求められる機能として、自己位置を認識しながら自律的に移動することはもちろんのこと、目的地まで安全に走行するために、障害物（鶏又はブロック等）を何らかの手段で認識することが挙げられる。また、認識後は障害物を回避するか、最悪衝突した場合は、障害物に対して傷をつけないための安全策を講じる必要もある。
例えば特許文献１では、弾性支持部材を介し、無人搬送車を取り囲むようにバンパを設け、バンパの移動を近接センサで検知することで障害物を認識する。

特開平８−１９４５３８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、鶏（障害物）が多数存在する平面又は路面を走行する場合においては、鶏を何度も検知し走行が停止してしまい、自律走行が困難となる。また、鶏を検知しないように弾性支持部材を調整した場合、鶏を押し続けて最悪轢いてしまうなど安全性を確保出来ない。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、鶏への安全性を確保しながら安定した自律走行を可能とした鶏舎用自律移動ロボットを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかる鶏舎用自律移動ロボットは、
外装にバンパユニットを設け、前記バンパユニットを用いて走行上の障害物を検知する自律移動ロボットにおいて、
前記バンパユニットは、
前記自律移動ロボットの走行面に対して直角方向に回転軸をそれぞれ持つ複数の回転体と、
前記複数の回転体にまたがって回転走行可能に支持されるベルトと、
前記外装に対して前記外装から突出する方向に移動可能に支持され、かつ、前記回転体を前記回転軸周りに回転自在に軸支するとともに、前記回転体の前記回転軸に対して軸方向上向きに移動可能に前記回転体を支持する保持ユニットと、
前記保持ユニットが前記外装から突出する前記方向に付勢する付勢力を前記保持ユニットに付与する弾性体と、
前記弾性体の前記付勢力に抗して前記保持ユニットの移動を検知したときに前記障害物を検知するセンサとを有するとともに、
前記センサで前記障害物を検知したとき前記自律移動ロボットの移動を停止させる制御部を備えて、
前記ベルトに接触した前記障害物が前記センサで検知されないときは、前記ベルトと前記障害物との間で発生した摩擦力により前記ベルトが前記複数の回転体にまたがって回転走行を開始して、前記自律移動ロボットの進行方向から前記障害物を排除する一方、前記ベルトに接触した前記障害物が前記センサで検知されたときは、前記制御部で前記自律移動ロボットの移動を停止させる、自律移動ロボットを提供する。

以上のように、本発明の前記態様にかかる鶏舎用自律移動ロボットによれば、前記ベルトに接触しても前記センサで検知されない鶏などの軽い障害物は、前記ベルトと前記障害物との間で発生した摩擦力により前記ベルトが前記複数の回転体にまたがって回転走行を開始して、前記自律移動ロボットの進行方向から排除される。一方、前記ベルトに接触しかつ前記センサで検知されたブロックなどの重い障害物は、前記制御部で前記自律移動ロボットの移動を停止させる。この結果、鶏への安全性を確保しながら安定した自律走行を可能とした鶏舎用自律移動ロボットを提供することができる。

本発明の実施形態１に係る自律移動ロボットの斜視図 本発明の実施形態１に係る自律移動ロボットの側面図 本発明の実施形態１に係る自律移動ロボットの上面図 ローラーユニットの正面図 ローラーユニットの上面図 図４ＡのＡ部詳細図 図４ＡのＢ−Ｂ断面図 自律移動ロボットの走行経路上に障害物が存在し、バンパユニットに接触した状態を天井から見た模式図 図７Ａの状態を横から見た側面図 図７Ａの状態から自律移動ロボットが走行し、障害物がロボットの走行方向の脇に移動した状態を天井から見た模式図 自律移動ロボットの走行経路上に別の障害物が存在し、バンパユニットに接触した状態を天井から見た模式図 自律移動ロボットの段差走行時を表す図 図１０の状態より自律移動ロボットが距離Ｔだけ進んだ状態を表す図 その他の実施形態に係る、バンパユニットの配置を表す模式図 ローラーの変形例を示す図 ベルトの変形例を示す図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
（全体構成）
以下、図１〜図１１を用いて、本発明の実施の形態１について説明する。図１は本発明の実施形態に関わるバンパユニット２を備えた自律移動ロボット１を示す斜視図であり、図２は側面図であり、図３は上面図である。
自律移動ロボット１は、車輪３０１を４つ備える台車部３と、外界の情報（距離、方向）を測定するセンサ４と、自律移動ロボット１の移動を制御する制御部５とを備える。図３で示されるように、バンパユニット２は、自律移動ロボット１の進行方向Ｖ１に対して任意の角度θ１（但しθ１＞９０度）になるように台車部３の外装に取り付けられたフレーム６とネジ７によって連結されている。台車部３は、不図示のモーターと減速機とを介して接続されている車輪３０１を有し、モーターの駆動力により車輪３０１が正逆回転する。また、モーターには回転を検知するエンコーダが内蔵されており、エンコーダと、センサ４の出力とを制御部５へ送信し、制御部５は、自己位置を推定する。また、制御部５は、モーターへ駆動指令を送信することで、モーターの回転数を制御する。

（バンパユニット２の構成）
バンパユニット２の構成を説明する。図１、図３に示されるようにバンパユニット２は３つのローラーユニット８と、ベルト２０１と、上下２枚の連結板２０２とで構成されており、各ローラーユニット８は、それぞれの連結板２０２にネジ２０３によって固定されている。また、図２で示されるように、ベルト２０１の下面は、自律移動ロボット１の接地面と略等しい位置になるよう配置されている。

次に、ローラーユニット８について説明する。図４Ａはローラーユニット８単体の正面図である。図４Ｂはローラーユニット８単体の上面図である。図５は図４ＡのＡ部拡大図であり、図６は図４ＡのＢ−Ｂ断面図である。図４Ａで示されるように、上下に位置する保持ユニット９が円柱状のローラー８０１（回転体の一例に相当）を回転自在に支持している。詳細に述べると（図５、図６参照）、保持ユニット９は、ベアリング９０２を備えるベアリングホルダー９０１とスライド板９０３とで構成されており、ネジ９０４により連結している。そのベアリングホルダー９０１内のベアリング９０２とローラー８０１は嵌合しておりＹ（マイナス）方向（すなわち、上下方向の下向き）に移動しないように溝８０１ａにＣリング８０２が嵌まっている。そのため、ローラー８０１はＹ（マイナス）方向への移動を規制されながら、走行面に対して直角方向であるＹ軸回りに回転が可能となるので、３つのローラー８０１に亘って取り付いているベルト２０１はＦ方向の力（図１参照）が加わると、ローラー８０１と共に回転する。

次に、保持ユニット９周辺の構成を説明する。スライド板９０３は、ベース板９０５にネジ９０６によって固定されたガイド板９０７ａ、９０７ｂによりＹ方向への移動が規制されている（図５参照）。ベース板９０５には、センサ取付板９０８がスライド板９０３に対向してネジ９０９により固定され、さらにその上にはセンサ９１０がネジ９１１により固定されている（図４Ｂ参照）。センサ９１０は、一般的にはマイクロスイッチと呼ばれるものを使用しており、ヒンジ９１０ａが機械的に移動し、ピン９１０ｂを押し込むことで、回路をＯＮに切り替える。図６で示されるように、スライド板９０３、センサ取付板９０８にはそれぞれ穴９０３ａ、９０８ａが設けられ、それぞれの穴に弾性体の一例である圧縮バネ９１２（バネ定数：Ｋ）が嵌まっている。スライド板９０３は外装から突出する方向、すなわち、Ｚ（プラス）方向へ付勢されているが、ベース板９０５の突起９０５ａにより規制されている。

以上の構成により、保持ユニット９は、Ｚ軸方向にのみ移動が可能となり、Ｚ（マイナス）方向へ任意の力が作用し移動することで、面９０１ａがセンサ９１０を押し込み、センサ９１０をＯＮする。

（バンパユニット２の動作 障害物認識時）
次に、バンパユニット２の動作について説明する。障害物１０が鶏などの軽い物体の場合（約３ｋｇ以下）と、障害物１１がブロックなどの重い物体の場合（約１０ｋｇ以上）とで動作が異なる。

まずは、障害物１０が軽い物体の場合の説明を行う。図７Ａは自律移動ロボット１の走行経路上に障害物１０が存在する場合であり、図７Ａが天井方向から見た図、図７Ｂが側面から見た図である。説明しやすくするため模式図とした。自律移動ロボット１がＶ２方向へ走行中、バンパユニット２が障害物１０と接触すると、障害物１０には重さに比例した摩擦力Ｆｆ１が発生し、その摩擦力Ｆｆ１により圧縮バネ９１２は、Ｄ１＝Ｆｆ１（摩擦力）／Ｋ（バネ定数）だけ縮む。障害物１０の重さが軽い物体の場合は、たわみ量Ｄ１も小さいため、センサ９１０は反応しない。ちなみに、センサ９１０が反応するまでに必要なたわみ量をＤとすると、Ｄ＞Ｄ１という関係式となる。そのまま、自律移動ロボット１が移動を続けると、ベルト２０１と障害物１０との接触部に、摩擦力Ｆ１が発生する。一般的に、静止摩擦係数よりもベアリングの転がり摩擦係数のほうが遥かに小さいので、この摩擦力Ｆ１によりベルト２０１が回転を始める。自律移動ロボット１が摩擦力Ｆｆ１より強い推進力で走行している場合、障害物１０は、自律移動ロボット１から見てＦ１方向へと移動していき、図８の状態となる。

次に、障害物１１０重い物体の場合について図９を用いて説明する。障害物１１の重さが重い物体の場合は、たわみ量Ｄ２も大きくなるため、その結果、センサ９１０がＯＮに切り替わる。ちなみに、Ｄ＜Ｄ２という関係式で表すことが出来る。センサ９１０がＯＮに切り替わると、制御部５が台車部３へ指令を送信し走行を停止させる。

（バンパユニット２の動作 段差走行時）
次に、自律移動ロボット１の段差走行時について説明する。図１０はバンパユニット２が段差１２に到達する直前の状態を表す図である。図１１は図１０の状態より距離Ｔ進んだ後の状態を表す図である。ローラー８０１は地面（言い換えれば、走行面）と略同一高さに位置しているため、図１０で示されるように自律移動ロボット１が走行を続けると、段差１２とローラー８０１の下端が干渉する。ローラー８０１は軸方向上向きのＲ方向には移動可能のため、図１１で示されるようＲ方向へ移動することで、段差１２との干渉を避けることが出来る。

（効果）
以上により、本実施形態１の効果として、ベルト２０１に接触してもセンサ９１０で検知されない鶏などの軽い障害物１０は、ベルト２０１と障害物１０との間で発生した摩擦力Ｆ１によりベルト２０１が３つのローラー８０１にまたがって回転走行を開始して、自律移動ロボット１の進行方向から排除される。一方、ベルト２０１に接触しかつセンサ９１０で検知されたブロックなどの重い障害物１１は、制御部５で自律移動ロボット１の移動を停止させる。すなわち、障害物１０，１１の重さに応じてバンパユニット２の動作が変わるため、例えば鶏舎内の鶏など比較的軽い障害物１０で接触頻度が高い対象物に関しては、ロボット１の走行経路から外し、自律移動時に頻繁に停止せず走行することが可能となる。重たい障害物１１に関しては、接触する頻度が低いが認識するためのセンサ９１０を設けることで緊急的にロボット１を停止し、モーターなどへの過電流、又は、ロボット１の破損等を防止することが出来る。また、地面と略同一面に下端が位置するようにローラー８０１を配置したため、鶏をロボット１と地面との隙間に挟み込まずに走行可能となり、鶏への安全性を確保出来る。また、鶏舎内はおがくずなどが撒かれている場合が多いが、上記構成でもおがくずを積み上げずに、ロボット１の走行経路から脇に逸らしながら走行出来る為、ロボット１の走行抵抗を減らすことが出来る。さらには、各ローラー８０１がＲ方向に移動可能のため、各ローラー８０１の下端と地面との隙間を設けない構成でも、ロボット１は段差１２を乗り越えることが可能となる。

本実施形態において、センサ９１０は接触式であるマイクロスイッチを用いたが、非接触式のセンサを用いてもよい。また、弾性体として圧縮バネ９１２を用いたが、板バネ又は引っ張りバネを用いてもよい。

（その他の実施形態）
本実施形態において、図３に示されるようにロボット１の前面のみにバンパユニット２を配置したが、例えば図１２のように自律移動ロボット１を取り囲むように配置するほうが望ましい。このように配置することで、鶏などの障害物１３が自律移動ロボット１の側面にある状態で、自律移動ロボット１の中心Ｃを中心にＶ３方向へ自律移動ロボット１が回転を始めても、車輪３０１の外側にバンパユニット２が配置されるため、車輪３０１で鶏などの障害物１３を巻き込むことを防止し、さらに安全性を向上させることが出来る。

その際に前面部のバンパユニット２は、ロボット１の進行方向Ｖ４との角度θ２が９０度より大きくなるように配置されていることが望ましい。背面部のバンパユニット２は、ロボット１の進行方向Ｖ３との角度θ３が９０度以下となることが望ましい。そうすることでより、ロボット１の走行時の抵抗を減らすことが出来る。

また、本実施形態において、ローラー８０１を円柱としたが、図１３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示されるように、端部の側面形状を半球状もしくは、角部をＲ面、Ｃ面取りするほうが望ましい。
このようにすることで、段差１２との接触角度を鈍らせることが出来るので、ローラー８０１と段差１２との間の摩擦力を軽減させることが可能となる。

また、ベルト２０１は図１４で示されるように、多数の凸部２０を表面に設けてもよい。このようにすることで、障害物との摩擦力を増やして滑らないようにすることで、より安定して、鶏又はおがくずなど軽い障害物をロボット１の走行方向の脇へと追いやることが可能となる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様にかかる鶏舎用自律移動用ロボットは、鶏への安全性を確保しながら安定した自律走行を可能として、鶏舎内で走行して鶏を積極的に運動させ、給餌回数を増やすことに利用出来る。

１ 自律移動ロボット
２ バンパユニット
３ 台車部
５ 制御部
８ ローラーユニット
９ 保持ユニット
１０ 鶏など比較的軽い障害物
１１ 重たい障害物
１２ 段差
１３ 鶏などの障害物
２０ 凸部
２０１ ベルト
８０１ ローラー
９０１ ベアリングホルダー
９０２ ベアリング
９０３ スライド板
９０５ ベース板
９０７ａ ガイド板
９０７ｂ ガイド板
９０８ センサ取付板
９１０ センサ
９１２ 圧縮バネ

Claims (7)

1. 外装にバンパユニットを設け、前記バンパユニットを用いて走行上の障害物を検知する自律移動ロボットにおいて、
   前記バンパユニットは、
   前記自律移動ロボットの走行面に対して直角方向に回転軸をそれぞれ持つ複数の回転体と、
   前記複数の回転体にまたがって回転走行自在に支持されるベルトと、
   前記外装に対して前記外装から突出する方向に移動可能に支持され、かつ、前記回転体を前記回転軸周りに回転自在に軸支するとともに、前記回転体の前記回転軸に対して軸方向上向きに移動可能に前記回転体を支持する保持ユニットと、
   前記保持ユニットが前記外装から突出する前記方向に付勢する付勢力を前記保持ユニットに付与する弾性体と、
   前記弾性体の前記付勢力に抗して前記保持ユニットの移動を検知したときに前記障害物を検知するセンサとを有するとともに、
   前記センサで前記障害物を検知したとき前記自律移動ロボットの移動を停止させる制御部を備えて、
   前記ベルトに接触した前記障害物が前記センサで検知されないときは、前記ベルトと前記障害物との間で発生した摩擦力により前記ベルトが前記複数の回転体にまたがって回転走行を開始して、前記自律移動ロボットの進行方向から前記障害物を排除する一方、前記ベルトに接触した前記障害物が前記センサで検知されたときは、前記制御部で前記自律移動ロボットの移動を停止させる、自律移動ロボット。
2. 前記バンパユニットは、前記自律移動ロボットの進行方向に対して前面に配置され、また前記進行方向に対して９０度より大きい角度をなすように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の自律移動ロボット。
3. 前記バンパユニットは、前記自律移動ロボットの進行方向に対して背面に配置され、また前記進行方向に対して９０度以下の角度をなすように配置されている、請求項１又は２に記載の自律移動ロボット。
4. 前記保持ユニットは、前記回転体を回転自在に軸支するとともに、前記回転体の前記回転軸の軸方向に対して上方向のみに移動可能に支持する、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の自律移動ロボット。
5. 前記回転体は円柱である、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の自律移動ロボット。
6. 前記回転体の端部側面形状が半球状もしくは角部が面取りされている、請求項１乃至５のいずれか１つに記載の自律移動ロボット。
7. 前記ベルトの表面に凸部が形成されている、請求項１乃至６のいずれか１つに記載の自律移動ロボット。

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