JP2019202405A - マニピュレータおよび移動ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】従来の障害物認識技術は、マニピュレータの稼働空間の全体に対して接近する障害物を検出することには優れているものの、各リンクの局所的な動作空間を個別的に監視する目的には適さない。カメラから得られる画像を解析して、局所的な動作空間も含めて障害物を検出することもできるが、解析処理の負荷が大きくなったり、死角となる動作空間が生じたりする。【解決手段】リンクと、リンクを回動させる関節部と、リンクの回動方向側を少なくとも含むように定められた監視空間に進入する障害物を検出するための、センシング方向がリンクの表面と平行な方向に向けられて設置された距離センサとを備えるマニピュレータを提供する。また、このようなマニピュレータを備える移動ロボットを提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、マニピュレータおよび移動ロボットに関する。

ロボットアームやロボットハンドなど動作するマニピュレータの動作空間接近する人や障害物を検出する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−４９７１１号公報

従来の技術は、マニピュレータの稼働空間の全体に対して接近する障害物を検出することには優れているものの、各リンクの局所的な動作空間を個別的に監視する目的には適さない。カメラから得られる画像を解析して、局所的な動作空間も含めて障害物を検出することもできるが、解析処理の負荷が大きくなったり、死角となる動作空間が生じたりする課題が生じる。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、各リンクの動作空間に進入する障害物をより簡便なセンサ構成で精度良く監視することのできるマニピュレータおよびそれを備える移動ロボットを提供するものである。

本発明の第１の態様におけるマニピュレータは、リンクと、リンクを回動させる関節部と、リンクの回動方向側を少なくとも含むように定められた監視空間に進入する障害物を検出するための、センシング方向がリンクの表面と平行な方向に向けられて設置された距離センサとを備える。このような構成により、リンクの回動方向に設定された局所的な監視空間に進入する障害物を、精度良く監視することができる。しかも、距離センサは比較的簡便に利用できるので、リンクごとに距離センサを設置しても処理負荷は軽微であり、設置コストも抑制することができる。

上記のマニピュレータにおいて距離センサは、センシング方向がリンクの長手方向に沿うように設置されていると良い。このように設置されていれば、より少ない距離センサで大きな監視空間を監視することができる。また、距離センサは、リンクの端部に設置されていると良い。リンクの端部に設置すれば、距離センサの死角となる空間を減少させることができる。

また、上記のマニピュレータにおいて距離センサは、変調された投射光を発光する発光部と、障害物で反射した投射光を受光する受光部とを有するセンサであると良い。このような構成の距離センサは、比較的簡易な回路構成で測距結果を演算できるので、多くの距離センサを設置する場合には好適である。また、距離センサは、回動するリンクのそれぞれに対して設置されており、それぞれの距離センサの投射光は互いに異なるように変調されていると良い。リンクごとに距離センサを設置する場合は、受光部が他のリンクに設置された距離センサからの投射光を受光する可能性もあり、そのような場合にはエラー検出を引き起こす。しかし、距離センサごとに投射光が異なるように変調されていれば、投射光と反射光の相関を確認することにより、そのようなエラー検出を防ぐことができる。

また、距離センサは、三角測距方式のセンサであると良い。三角測距式のセンサは反射光の位置を検出すれば良いので、センサ構成を簡易にすることができる。また、距離センサの投射光は、赤外光であると良い。投射光を赤外線にすれば、周囲で作業する作業者にとって煩わしくない。

また、ひとつの監視空間に進入する障害物を複数の距離センサで検出するように構成しても良い。複数の距離センサを並列に配置することにより、監視空間の大きさを仕様に応じて拡張することができる。ひとつの監視空間に対して複数の距離センサが設置される場合には、それぞれの距離センサの投射光は互いに異なるように変調されることが望ましい。距離センサごとに投射光が異なるように変調されていれば、投射光と反射光の相関を確認することにより、そのようなエラー検出を防ぐことができる。

本発明の第２の態様における移動ロボットは、上記のマニピュレータを備える。各リンクに設定された局所的な監視空間を監視するセンサ構成は、移動ロボットの移動動作における空間認識に影響を与えることがないので、マニピュレータの動作と移動ロボットの動作を並行に行う場合に都合が良い。

本実施形態に係るマニピュレータの外観斜視図である。 距離センサの構成を示すブロック図である。 ＰＮ符号の生成例を示す図である。 相関演算を行うタイミングを示す図である。 距離測定の処理を示したフローチャートである。 変形例に係るマニピュレータの外観斜視図である。 さらに変形例に係るマニピュレータの外観斜視図である。 さらに変形例に係るマニピュレータの外観斜視図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係るマニピュレータ１００の外観斜視図である。マニピュレータ１００は、主に、関節部（第１関節部１１１、第２関節部１１２、第３関節部１１３）、リンク（第１リンク１２１、第２リンク１２２）、ハンド１１０、および距離センサ（Ｌ_１距離センサ２００ａ、Ｒ_１距離センサ２００ｂ、Ｌ_２距離センサ２００ｃ、Ｒ_２距離センサ２００ｄ）から構成される。

不図示の基台に支持された第１関節部１１１は、第１リンク１２１を回転軸Ａｘ_１周りに回動させるモータを内蔵すると共に、第１リンク１２１を回動可能に支持している。第１リンク１２１は、第１関節部１１１から回転軸Ａｘ_１に対する放射方向を長手方向として伸延するボックス形状を成し、その先端部で第２関節部１１２を支持している。

第２関節部１１２は、第２リンク１２２を回転軸Ａｘ_２周りに回動させるモータを内蔵すると共に、第２リンク１２２を回動可能に支持している。第２リンク１２２は、第２関節部１１２から回転軸Ａｘ_２に対する放射方向を長手方向として伸延するボックス形状を成し、その先端部で第３関節部１１３を支持している。第３関節部１１３は、ハンド１１０が対象物を把持する把持動作を実現するモータを内蔵すると共に、ハンド１１０を回動可能に支持している。

第１リンク１２１と第２リンク１２２のそれぞれの回動方向側には、障害物の進入を監視するための監視空間ＳＲが設定されている。例えば第１リンク１２１の反時計回りの回動方向側に設定された監視空間ＳＲは、図示するように点線で囲まれた略直方体空間で表される。この点線で囲まれた監視空間ＳＲを監視し、進入する障害物を検出するためのセンサが、Ｌ_１距離センサ２００ａである。Ｌ_１距離センサ２００ａが障害物を検出できるセンシング領域は、監視空間ＳＲを包含する。Ｌ_１距離センサ２００ａは、第１リンク１２１の基端部近傍であって反時計回りの回動方向側に設置されている。

Ｌ_１距離センサ２００ａは、投射レンズ２２１を介して監視空間ＳＲへ向けて投射した投射光が障害物に反射して返ってくる反射光を集光レンズで集光することにより障害物までの距離を検出する三角測距方式の距離センサである。Ｌ_１距離センサ２００ａは、投射光の投射方向が第１リンク１２１の表面と平行な方向に向くように設置されている。すなわち、Ｌ_１距離センサ２００ａは、センシング方向が第１リンク１２１の長手方向に沿うように設置されている。なお、本実施形態においては、第１リンク１２１をボックス形状としているが、リンク表面は必ずしも平面でなくても良い。投射光の投射方向がリンク表面と平行な方向であることは、リンクの移動方向に直交する方向であるとも捉えることができる。

Ｒ_１距離センサ２００ｂ、Ｌ_２距離センサ２００ｃ、Ｒ_２距離センサ２００ｄも、Ｌ_１距離センサ２００ａと同様の三角測距方式の距離センサである。Ｒ_１距離センサ２００ｂは、第１リンク１２１の基端部近傍であって時計回りの回動方向側に設置されている。同様に、Ｌ_２距離センサ２００ｃは、第２リンク１２２の基端部近傍であって反時計回りの回動方向側に設置されており、Ｒ_２距離センサ２００ｄは、第２リンク１２２の基端部近傍であって時計回りの回動方向側に設置されている。それぞれの距離センサは、投射光の投射方向が各リンクの表面と平行な方向に向くように設置されており、回動方向側に設定された監視空間ＳＲを監視し、進入する障害物を検出する。

それぞれの距離センサは、進入した障害物を検出したら不図示の制御部へ検出結果を送信する。制御部は、検出結果に応じて回動動作を停止したり、把持状態を維持したりする。このような構成により、それぞれのリンクの回動方向に設定された局所的な監視空間ＳＲに進入する障害物を、精度良く監視することができる。また、センシング方向が各リンクの長手方向に沿うようにそれぞれの距離センサを設置しているので、少ない数の距離センサで比較的大きな監視空間を監視することができる。また、距離センサをリンクの端部に設置しているので、進入する障害物を検出できない死角となる空間が少ない。

次に距離センサ２００について詳細に説明する。図２は、距離センサ２００の構成を示すブロック図である。距離センサ２００は、距離を測定するための投射光を生成する送信側回路Ｔｃと、投射光が障害物に反射して返ってくる反射光を受信して種々の処理を行う受信側回路Ｒｃとからなる。距離センサ２００は、ＩＲ光を用いた投射光によって三角測距方式で障害物との距離を測定する。投射光は、ＩＲ光を出力する例えば赤外ＬＥＤである発光素子２０７から投射される。発光素子２０７から投射された投射光は、投射レンズ２２１によって略平行光に変換され監視空間ＳＲへ射出される。

ＰＮ符号発生周期生成部２０２は、ＰＮ符号を生成するための周期信号を生成してＰＮ符号生成部２０４へ引き渡す。ＰＮ符号生成部２０４は、ＰＮ符号発生周期生成部２０２から受け取った周期信号をトリガーとしてＰＮ符号を生成し、重畳部２０５へ引き渡す。ＰＮ符号は、疑似雑音（ｐｓｅｕｄｏ ｎｏｉｓｅ：ＰＮ）信号を含む。

ＰＮ符号の生成には、自己相関特性を持った２進符号を有するＭ系列が使用される。ＰＮ符号生成部２０４は、Ｍ系列を生成するための、ｎビットのシフトレジスタと１個以上の半加算器で構成される論理回路を包含する。Ｍ系列は、周期（ビット長）が２ｎ−１の符号列である。本実施形態では、例えば図３に示すような、ｎ＝７の１２７ビットのＭ系列を用いる。

図２に戻る。送信キャリア周期発生部２０３は、一定の周波数を有するキャリア周波数を生成し、重畳部２０５へ引き渡す。重畳部２０５は、送信キャリア周期発生部２０３から受け取ったキャリア周波数に、ＰＮ符号生成部２０４から受け取ったＰＮ符号を重畳して、発光パターンを生成し、送信部２０６へ引き渡す。送信部２０６は、重畳部２０５から受け取った発光パターンに従って発光素子７を明滅させて、投射光を投射させる。

障害物が監視空間ＳＲ中に存在しなければ、反射光が返ってこない。監視空間ＳＲ外から反射光が返ってきても、受光素子２０８は当該反射光を受光しない。あるいは、受光したとしても後段の回路によってエラー処理を行う。

障害物が監視空間ＳＲ中に存在すると、障害物に反射した反射光は、集光レンズ２２２によって集光され、赤外光を選択的に通過させるＩＲフィルタ２２３を通過して、受光素子２０８に到達する。受光素子２０８は、例えばＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）素子であり、障害物までの距離に対応するフォトダイオードが反射光を検出する。受光素子２０８の出力は、受光位置情報を含む受光パターンとして受信部２０９へ送られる。受信部２０９は、受け取った受光パターンを受信信号に変換して相関演算部２１０へ引き渡す。

相関演算部２１０は、受信部２０９から受け取った受信信号の受光パターンと重畳部２０５で生成された発光パターンとの相関を演算する。具体的には、発光パターンと受光パターンが一致している度合いを示す一致度を演算する。図４は、相関演算を行うタイミングを示す図である。

一致度は、発光パターンと受光パターンの明滅パターンを所定の相関演算タイミングのビット毎に比較して演算する。例えば、７ビットのシフトレジスタを用いる場合、１２７個の相関演算タイミング毎に発光パターンと受光パターンの一致した明滅を数える。明滅が一致した場合は、カウンタＣをインクリメントし、一致しない場合にはカウンタＣをそのままとする。

発光パターンと受光パターンが全て一致した場合は、カウンタＣは１２７となる。一致度は、カウンタＣを１２７で除した値であり、この値が予め定められた閾値以上である場合には、相関演算部２１０は、発光素子２０７から投射した投射光が返ってきた反射光であると判断する。一方、一致度が閾値より小さい場合には、発光素子２０７から投射した投射光に起因しない入射光であると判断する。

再び図２へ戻る。距離演算部２１１は、一致度が閾値以上である場合に距離を演算する。距離演算部２１１は、受光素子２０８の受光位置情報を用いて、三角測距の原理から障害物までの距離を演算し、出力部２１２へ引き渡す。なお、受光素子２０８が反射光を受光しない場合や、一致度が閾値未満である入射光を受光した場合には、障害物が存在しない旨の信号を出力部２１２へ引き渡す。出力部２１２は、距離演算部２１１が演算した距離あるいは障害物が存在しない旨の検出結果を、不図示の制御部へ出力する。制御部は、この検出結果に応じて、マニピュレータ１００の制御を調整する。

マニピュレータ１００は、このような距離センサ２００を上述のように４つ（Ｌ_１距離センサ２００ａ、Ｒ_１距離センサ２００ｂ、Ｌ_２距離センサ２００ｃ、Ｒ_２距離センサ２００ｄ）備える。それぞれの距離センサは、互いに異なるＰＮ符号を用いるので、発光パターンはそれぞれ異なる。つまり、それぞれの投射光は互いに異なるように変調されている。したがって、ある距離センサからの投射光による反射光が偶然に他の距離センサの受光部に到達したとしても、相関演算部２１０で演算される一致度が小さくなるので、障害物が存在すると誤判断されない。また、距離センサ２００は、赤外光を用いるので、周囲で作業する作業者にとって不可視であり煩わしくない。

次に、距離測定の処理手順について、フローチャートを用いて説明する。図５は、距離測定の処理を示したフローチャートである。

ＰＮ符号生成部２０４は、ステップＳ１００で、ＰＮ符号発生周期生成部２０２で生成されたＰＮ符号周期に基づいてＰＮ符号を生成する。重畳部２０５は、ステップＳ１０１で、ＰＮ符号と、送信キャリア周期発生部２０３で生成されたキャリア周波数とを重畳して発光パターンを生成する。送信部２０６は、ステップＳ１０２で、発光パターンにより発光素子２０７を明滅させて投射光を投射する。

受信部２０９は、ステップＳ１０３で、受光パターンを受光素子２０８から受け取っていれば受信信号に変換して相関演算部２１０へ引き渡す。受信信号を引き渡したらステップＳ１０４へ進む。受光パターンを受光素子２０８から受け取っていなければ、ステップＳ１０８へ進む。

相関演算部２１０は、ステップＳ１０４で、受信信号の受光パターンと重畳部２０５で生成された発光パターンから一致度を演算する。そして、ステップＳ１０５へ進み、一致度が閾値以上であるか否かを判断する。一致度が閾値以上の場合にはステップＳ１０６へ進み、閾値未満である場合にはステップＳ１０８へ進む。

距離演算部２１１は、ステップＳ１０７で、受光素子２０８の受光位置情報を用いて、三角測距の原理から障害物までの距離を演算し、出力部２１２へ引き渡す。そして、出力部２１２は、距離演算部２１１が演算した距離を検出結果として制御部へ出力する。その後、ステップＳ１０９へ進む。

ステップＳ１０３から、またはステップＳ１０５からステップＳ１０８へ進んだ場合には、距離演算部２１１は、監視空間ＳＲに障害物が存在しない旨の検出結果を制御部へ出力する。その後、ステップＳ１０９へ進む。距離センサ２００の各ブロックは、ステップＳ１０９で、停止指令を受けた場合に、それぞれの機能を停止して一連の処理を終了する。停止指令を受けていなければステップＳ１０２へ戻って、一連の処理を繰り返す。なお、ステップＳ１０２からステップＳ１０８までの繰り返し処理は、例えば１０ｍｓｅｃ周期で実行される。

図６は、マニピュレータ１００の変形例であるマニピュレータ１０１の外観斜視図である。マニピュレータ１０１は、マニピュレータ１００のＬ_１距離センサ２００ａに相当する構成を除き、マニピュレータ１００と同様である。したがって、同様の構成については説明を省略する。

マニピュレータ１０１は、第１リンク１２１の反時計回りの回動方向側に設定する監視空間ＳＲ’を上記の監視空間ＳＲよりも広くしている。このように監視空間を広く設定する場合には、複数の距離センサを設置する。例えば図示するように、３つの距離センサ２００ａ１、２００ａ２、２００ａ３を並列に横付けすることにより、回動方向へ監視空間を広げることができる。

すなわち、リンク１２１の回動速度や想定する障害物の移動速度等に応じて、監視空間の大きさを決定し、その大きさに合わせて距離センサの設置個数、設置場所を調整することができる。この場合に、同一監視空間を監視するための複数の距離センサは、互いに異なるＰＮ符号を用いると良い。つまり、それぞれの投射光が互いに異なるように変調されると良い。それぞれの投射光が互いに異なるように変調されていれば、同一監視空間に複数の投射光が投射されても、障害物を誤検出する虞がない。

図７は、マニピュレータ１００の更に変形例であるマニピュレータ１０２の外観斜視図である。マニピュレータ１０２は、第１リンク１２１’がマニピュレータ１００の第１リンク１２１よりも長く、そのために、第１リンク１２１’に対する監視空間が大きくなっている点でマニピュレータ１００と異なる。マニピュレータ１００と同様の構成については説明を省略する。

第１リンク１２１’は、図示するように長手方向に長いので、時計回りの回動方向側に設定する監視空間、および反時計回りの回動方向に設定する監視空間を、長手方向にそれぞれ２つに分けて設定している。例えば反時計回りの回動方向に設定する監視空間は、図示するように、ＳＲ１とＳＲ２の２つを設定している。そして、それぞれを監視する距離センサ２００ａ１、２００ａ２は、第１リンク１２１’の側面中央付近において互いに背中合わせとなるように設置されている。このように設置すれば、それぞれの距離センサが投射する投射光が交錯する虞が無い。もちろん、このように設置する場合であっても、それぞれの投射光が互いに異なるように変調されても良い。

図８は、マニピュレータ１００の更に変形例であるマニピュレータ１０３の外観斜視図である。マニピュレータ１０３は、図示するように、マニピュレータ１００の構造に追加して、第１リンク１２１の上下側面にも距離センサ２００ｅ、２００ｆを、第２リンク１２２の上下側面にも距離センサ２００ｇ、２００ｈを備える。マニピュレータ１００と同様の構成については説明を省略する。

例えば、第１リンク１２１の上側面に備え付けられた距離センサ２００ｅは、点線で囲まれた監視空間ＳＲを監視する。このように、各リンクにおいて、回動方向ではない上下側面に隣接する空間も監視すれば、全体として各リンクの全体を包み込むような監視空間を形成することができる。このような監視空間を形成すれば、リンクの動作が原因で衝突するような障害物を検出するばかりでなく、自らの接近によりリンクに衝突するような障害物も検出できるので、リンク制御をより安全に実行することができる。

以上、各マニピュレータの実施形態を説明したが、設置する距離センサは、三角測距方式の赤外光を用いた距離センサでなくても良い。リンクの回動方向側を少なくとも含むように定められた局所的な監視空間に進入する障害物を検出できるものであって、他の制御系に影響を与えることが少ないようにセンシング方向をリンクの表面と平行な方向に向けて設置できる距離センサであれば、採用し得る。例えば、ＴＯＦ方式の距離センサを用いても良いし、超音波センサを用いることもできる。多くの場合において、距離センサは比較的簡便かつ安価に利用できるので、リンクごとに距離センサを設置しても処理負荷は軽微であり、設置コストも抑制することができる。

また、上記の実施形態においては、アーム部に距離センサが設置される例を説明したが、ハンドを構成するリンク部に同様の距離センサを設置することにより、ハンドの動作に対しても同様の効果を奏する。ハンドに適用する場合には、単に障害物検出の機能に留まらず、把持対象の把握にも利用することができる。

また、以上の各マニピュレータは、いずれも移動ロボットに搭載する場合に適している。各リンクに設定された局所的な監視空間を監視するセンサ構成は、移動ロボットの移動動作における空間認識に影響を与えることがないので、マニピュレータの動作と移動ロボットの動作を並行に行う場合に都合が良い。

１００、１０１、１０２、１０３ マニピュレータ、１１０ ハンド、１１１ 第１関節部、１１２ 第２関節部、１１３ 第３関節部、１２１ 第１リンク、１２２ 第２リンク、２００ 距離センサ、２０２ ＰＮ符号発生周期生成部、２０３ 送信キャリア周期発生部、２０４ ＰＮ符号生成部、２０５ 重畳部、２０６ 送信部、２０７ 発光素子、２０８ 受光素子、２０９ 受信部、２１０ 相関演算部、２１１ 距離演算部、２１２ 出力部、２２１ 投射レンズ、２２２ 集光レンズ、２２３ ＩＲフィルタ

Claims (10)

1. リンクと、
   前記リンクを回動させる関節部と、
   前記リンクの回動方向側を少なくとも含むように定められた監視空間に進入する障害物を検出するための、センシング方向が前記リンクの表面と平行な方向に向けられて設置された距離センサと
   を備えるマニピュレータ。
2. 前記距離センサは、前記センシング方向が前記リンクの長手方向に沿うように設置されている請求項１に記載のマニピュレータ。
3. 前記距離センサは、前記リンクの端部に設置されている請求項１または２に記載のマニピュレータ。
4. 前記距離センサは、
   変調された投射光を発光する発光部と、
   前記障害物で反射した前記投射光を受光する受光部と
   を有する請求項１から３のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
5. 前記距離センサは、回動する前記リンクのそれぞれに対して設置されており、
   それぞれの前記距離センサの前記投射光は互いに異なるように変調されている請求項４に記載のマニピュレータ。
6. 前記距離センサは、三角測距方式のセンサである請求項４または５に記載のマニピュレータ。
7. 前記投射光は、赤外光である請求項４から６のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
8. 前記監視空間に進入する障害物を複数の前記距離センサで検出する請求項４から７のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
9. ひとつの前記監視空間に対して複数の前記距離センサが設置されており、
   それぞれの前記距離センサの前記投射光は互いに異なるように変調されている請求項４から８のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載のマニピュレータを備える移動ロボット。

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