JP2020113108A - 自律走行台車 - Google Patents

Abstract

【課題】自律走行台車が作業場所に到着した際に作業者がリモコン操作や手押しで台車の向きを変える手間を省く。【解決手段】自律走行台車であって、物品または搬送容器を載せるための積載部を有するボディと、複数の車輪と、複数の車輪の少なくとも一つを駆動する駆動装置と、物体を検出するためのセンサーと、自律走行台車の動作を制御する制御装置とを備え、制御装置は、作業者の指示に基づいて自律走行台車が指定された作業場所に向かうように駆動装置を制御し、自律走行台車がその作業場所に到着したと判断したらセンサーからのデータに基づいて所定の探索領域内に存在する所定の条件に合った物体を目的の作業者として認識し、作業場所における棚とその目的の作業者とに対して所定の向きで停止するように駆動装置を制御する。【選択図】図４

Description

本発明は製造工場や倉庫で物品を搬送するための自律走行台車に関するものである。

製造工場や倉庫では素材、部品、製品、器具など種々の物品が棚に保管されている。このような場所で働く作業者は、無人で走行する自律走行台車を利用してこれらの物品を荷物として搬送することがある。棚と台車との間で荷物を載せ換える場合、台車の構造、荷物の大きさや重さ、棚の形状、作業に関わる棚板の高さや範囲、作業者の体形や好みによっては、台車が自由な向きを向いていると作業がしにくく、効率が悪いことがある。例えば、前方を探索するレーザーレンジファインダー（ＬＲＦ）などのセンサーが台車の上面前端から上方に突出するように取り付けられているような場合、台車がセンサー側を作業者に向けて止まるとセンサーが邪魔になって搬送物を載せ換えしにくいことがある。このような場合、従来は作業者が自分でリモコン操作や手押しして台車を作業しやすい位置や向きに移動・回転させてから作業を行っていた。

特開２０１５−１２１９２８号公報

特開２０１５−１２１９２８号公報には、画像処理を用いたマーカー認識と自己位置推定を用いた経路追従を組み合わせて実行することにより目的地に到達する自律走行ロボットが記載されている。しかし、この文献では正確に目的地に到達することは考慮されているが、その目的地にて実際に物品の載せ換えを行う人の作業効率は考慮されていない。したがって、作業者がリモコン操作や手押しで台車の向きを変える手間を省くことができるようにすることが求められる。

本発明の一つの側面は自律走行台車であって、物品または搬送容器を載せるための積載部を有するボディと、複数の車輪と、複数の車輪の少なくとも一つを駆動する駆動装置と、物体を検出するためのセンサーと、自律走行台車の動作を制御する制御装置とを備え、制御装置は、作業者の指示に基づいて自律走行台車が指定された作業場所に向かうように駆動装置を制御し、自律走行台車がその作業場所に到着したと判断したらセンサーからのデータに基づいて所定の探索領域内に存在する所定の条件に合った物体を目的の作業者として認識し、作業場所における棚とその目的の作業者とに対して所定の向きで停止するように駆動装置を制御する。

実施形態によっては、制御装置は、作業者の指示を受けた際に指定された向きで自律走行台車が停止するように駆動装置を制御する。

実施形態によっては、制御装置は、停止すべき向きをあらかじめ作業者と作業場所の少なくとも一方に関連付けて記憶しており、指示を受けた際に指定された作業者と作業場所の少なくとも一方に関連付けられた向きで自律走行台車が停止するように駆動装置を制御する。

実施形態によっては、制御装置は、自律走行台車の積載部が作業者と棚の間の方向を向くように駆動装置を制御する。

実施形態によっては、制御装置は、自律走行台車の積載部が棚の方向を向くように駆動装置を制御する。

実施形態によっては、制御装置は、自律走行台車が棚の前面から概して作業者と同じ距離でかつ自律走行台車の正面方向が作業者の方向に対して棚から離れる側に９０〜１８０度の範囲内の角度を成すような向きで停止するように駆動装置を制御する。

実施形態によっては、制御装置は、自律走行台車が作業者に対して所定の距離で停止するように駆動装置を制御する。

本発明の各実施形態によれば自律走行台車が作業場所に到着した際に作業者がリモコン操作や手押しで台車の向きを変える手間を省くことができる。

本発明のひとつの実施形態としての自律走行台車の斜視図である。 自律走行台車の電気的構成を示す図である。 自律走行台車のセンサーの検出領域を示す平面図である。 自律走行台車を制御するために制御装置が行う処理手順を示す流れ図である。 自律走行台車が作業場所に向かう平面図である。 自律走行台車が作業場所で作業者を認識している平面図である。 自律走行台車が作業者に対して所定の向きで停止した平面図である。 自律走行台車が作業者に対して別の所定の向きで停止した平面図である。

以下に本発明の様々な実施形態について図面を参照しながら説明する。

［自律走行台車の基本構造］
図１はひとつの実施形態としての自律走行台車１０（無人搬送車）を示している。この図では例として円柱状のボディ１１を有する自律走行台車１０を示しているが、自律走行台車１０は用途や作業現場等に応じてボディ１１の外観、形状、大きさを自由に設計することができる。自律走行台車１０はボディ１１に積載部１２を備えている。積載部１２は、例えば素材、部品、製品など、製造工場や倉庫において搬送すべき部品（図示なし）を載せるためのものである。積載部１２は、例えば図１に示すように自律走行台車１０のボディ１１の上面に設定することができるが、前面や側面に設定することもできる。積載部１２は、図１に示すように搬送する部品を直接載せる荷台や容器部とするほか、物品を入れるための搬送容器を取り付けることのできる構造としてもよい。

図１に示すように、自律走行台車１０は複数の車輪を備えている。車輪は例えば前側の左右の駆動輪１４と後側の左右の従動輪１６である。駆動輪１４や従動輪１６は図１に示すように前後方向に向けて配置しても良いが、場合によっては周方向に向けて配置しても良い。駆動輪１４は前後方向に向きを固定し、従動輪１６は進行方向に応じて向きが自由に変わるようにしても良い。左右の駆動輪１４はそれぞれ左右のモーター１８にて前進方向または後進方向に回転駆動される。なお、駆動輪１４はモーター１８以外の駆動装置を用いて駆動することもできる。また、車輪は市販のオムニホイール（登録商標）など、接線方向を軸とするローラーを複数備え車軸方向への移動をも可能とする車輪としてもよい。

［制御装置］
図１、図２に示すように、自律走行台車１０は、自律走行台車１０を制御する制御装置２０、制御装置２０やセンサーやモーター１８などの電気機器に電力を供給するバッテリー２２、作業者が制御装置２０の起動と停止を行うためのメインスイッチ２４を設ける。例えば制御装置２０は、左右のモーター１８にそれぞれ制御信号を送り、それぞれの回転を組み合わせて制御することによって、自律走行台車１０に前進、後退、左右への旋回、その場での回転などの動作をさせる。制御装置２０は自律走行台車１０に組み込まれたコンピューターシステムとして構成することができ、制御プログラムや各種データを保存する記憶手段３４（例えばハードディスクドライブ）と、制御プログラムに従って様々な処理を行う処理手段３６（例えばＣＰＵ）とを備える。

［その他の装備］
自律走行台車１０にはタッチスクリーン２６を設けることもできる。例えば、タッチスクリーン２６は自律走行台車１０の動作状態やバッテリー２２の残量を表示したり、作業者から入力を受けたりすることができる。制御装置２０はこのタッチスクリーン２６に対する入出力も行う。自律走行台車１０には、制御装置２０と外部のコンピュータ（パーソナルコンピュータなど）との間で種々のデータを送受信するため通信用コネクタ２８を設けることもできる。例えば外部のコンピュータで作成した制御プログラムなどのソフトウェアをこの通信用コネクタ２８を介して記憶手段３４に記憶させることができる。自律走行台車１０にはさらに、作業者に各種情報を音声で知らせるためのスピーカー３０などの音声出力手段や、自律走行台車１０の状態を知らせるための表示灯３２を設けても良い。

［メインセンサー］
自律走行台車１０には、周囲の物体（障害物、設備、人間など）の位置や大きさに関するデータを取得するセンサー（メインセンサー）を設ける。メインセンサーは例えばレーザーレンジファインダー（ＬＲＦ）４０や測域センサーなどの測距センサーとすることができる。このような測距センサーは、レーザーを発して周囲の物体からの反射光を検出し、レーザーの往復にかかった時間から物体表面までの距離を算出する。メインセンサーは例えばボディ１１の上面前端に配置することができるが、上面中央や前側面に配置しても良い。

ＬＲＦ４０は、レーザーを平面状に走査させることにより２次元の検出領域をもつものとしても、立体的に走査させることにより３次元の検出領域をもつものとしてもよい。図３は、例として、床面からほぼ一定の高さで水平方向に広がる扇形の検出領域４２を示しており、ＬＲＦ４０はこの検出領域４２内の物体の位置や大きさを測定することが可能である。検出領域４２は、例えば、ＬＲＦ４０を中心とし、半径約５ｍ、中心角約２７０°の扇形である。ＬＲＦ４０は、例えば、検出領域４２内でのＬＲＦ４０からの方向（角度）とその方向に存在する物体表面までの距離の組を含むデータを出力する。制御装置２０はＬＲＦ４０から入力されたデータを処理し、例えばこのデータを基に各物体の横幅を算出することができる。制御装置２０には作業者が設定した一つ以上の検出領域を記憶させておき、ＬＲＦ４０が使用すべき検出領域４２を目的に応じて選択できるようにすることも可能である。この場合さらに、作業者は外部のコンピュータで検出領域定義用のプログラムを用いてＬＲＦ４０の最大検出可能領域４４内に所望の形状と大きさをもつ検出領域を定義し、その検出領域を制御装置２０に転送することもできる。

別の例として、メインセンサーは２台のカメラを含むステレオカメラシステムで構成してもよい。この場合、メインセンサーは同時に２台のカメラで周囲を撮影した２枚の画像を取得する。そして制御装置２０はメインセンサーから受信したこれらの画像間の視差から三角測量に基づいて各物体までの距離を算出する。

［他のセンサー］
自律走行台車１０には一つ以上の物体検出のための補助センサー４６を追加することもできる。補助センサー４６はメインセンサーとは異なる方法で周囲の物体の存在を検出する装置とし、例えば超音波センサーとする。例えばメインセンサーとしてＬＲＦ４０を用いた場合、レーザーが透過するガラス等の検出が不充分な可能性が考えられるため、このような補助センサー４６を追加するとよい。左右の補助センサー４６は対応する駆動輪１４の前方に存在する物体（障害物）の位置や大きさに関するデータを制御装置２０に出力する。制御装置２０は補助センサー４６から入力されたデータを処理し、障害物を検出する。

自律走行台車１０には、床に敷設された磁気テープや色テープなどの誘導線や、壁に張られた反射テープなど、特定の種類のマーカーを検出できるマーカーセンサー（図示しない）を設けても良い。

自律走行台車１０にはさらに自律走行台車１０前方の床面の状態を検知するための床面センサー４８を追加することもできる。床面センサー４８は、例えばレーザーや赤外線を用いた測距センサーであり、自律走行台車１０のやや前方の床面までの距離を計測し、前方の床面の凹凸や段差の有無を検出する。床面センサー４８は、前方の床面までの距離などの床面状態を表すデータを制御装置２０に出力する。制御装置２０は床面センサー４８から入力されたデータを処理する。

［無線操作装置］
作業者は無線操作装置８０を通じて自律走行台車１０を操作することもできる。無線操作装置８０は例えば、専用の無線リモコンや、ネットワーク経由で制御装置２０と無線接続された携帯端末機器（ハンディターミナル）などとすることができる。無線操作装置８０は、図２に示すように、プログラムを記憶する記憶手段８２、プログラムに従って処理を行う処理手段８４、アンテナ９０、電源となるバッテリー８６を備える。一方、自律走行台車１０には、無線操作装置８０と無線で信号を送受信するためのアンテナ３８、受信手段３６Ａ、送信手段３６Ｂを備える。自律走行台車１０と無線操作装置８０は処理手段３６、８４によってアンテナ３８、９０を介して互いに信号を受送信する。また、無線操作装置８０には、キーボード、タッチスクリーン８８、ボタンなどの入力手段を設けることができる。そして、作業者が何らかの入力をすると、処理手段８４がそれに対応するデータや操作信号を自律走行台車１０に送信する。

［自律走行台車の制御］
以下では、製造工場や倉庫において上述のような自律走行台車１０で部品や製品の搬送を行う際に制御装置２０が行う制御方法について、図４〜図８を用いて説明する。したがって、以下で自律走行台車１０が行うとして説明している手順は制御装置２０が行う。図４は制御の流れを示す図である。図５〜図８は、倉庫や製造工場などにおける自律走行台車１０の走行エリア６０の一部の平面図である。倉庫や製造工場などには通常、部品や製品などの物品を保管するための棚６２Ａ、６２Ｂが複数配置される。

［作業者からの呼び出し］
自律走行台車１０で物品の搬送を行う場合、作業者５０は棚６２Ａ、６２Ｂから自律走行台車１０への積み込みや、自律走行台車１０から棚６２Ａ、６２Ｂへの積み下ろしなどの作業を行う必要がある。その場合、作業者５０はまずリモコンなどの無線操作装置８０で自律走行台車１０の呼び出しを行い、予定の作業場所まで自律走行台車１０を移動させる。通常、物品の載せ換え作業は特定の棚６２Ａの特定の区画６４（場合によっては棚の全体でもよい）で行われ、したがって各作業場所は棚の区画に対応している。図５〜図８では、作業を行う棚の区画６４を斜めのハッチングで表している。呼び出しの際、作業者５０は無線操作装置８０に設けられたキーボード等の入力手段で作業場所の識別子（例えば棚の区画を表す番号や記号）を入力したり、無線操作装置８０のタッチスクリーン８８に表示された製造工場内の地図画像にタッチしたりすることによって作業場所を指定することができる。作業者５０は呼び出しの時点で必ずしも作業場所に待機していなくて良いが、自律走行台車１０が到着するよりも先に作業場所に到着していることが望ましい。

［作業場所への移動］
製造工場内にいる自律走行台車１０は、作業者５０から呼び出しを受けると（ステップＳ１０、Ｙｅｓ）、自律走行により図５に示すように指定された作業場所に向かって移動を開始する（ステップＳ２０、自律走行モード）。自律走行台車１０は、検出領域４２内に含まれる棚６２Ａ、６２Ｂの外形（棚の各部位までの距離）をＬＲＦ４０で常に認識し、これを自身が保持する走行エリア６０の地図データと照合することにより自律走行台車１０の現在位置を推定する。図５、図６では自律走行台車１０が認識している棚６２Ａ、６２Ｂの外形を太線で表している。そして自律走行台車１０は地図を参照しながら、棚や壁などの障害物を回避しながら目的の作業場所に向かって走行する。自律走行台車１０はあらかじめ与えられた走行エリア６０の地図データをもとに自己位置を推定しても良いが、ＳＬＡＭ（Simultaneous Localization And Mapping）技術により移動中にＬＲＦ４０から得られた情報をもとに自律走行台車１０自身の位置の推定と環境地図の作成・更新を同時に行っても良い。あるいは別の例として、マーカーセンサーを用いて床面に各作業場所まで敷設された誘導テープをたどることにより作業場所に向かっても良い。自律走行台車１０は、あらかじめ各作業場所と関連付けて図６に示すような所定の床面領域を到着領域６６として記憶しておくことができる。そして、自律走行台車１０はその所定の到着領域６６に入ったことを認識したら、目的の作業場所に到着したと判断する（ステップＳ３０、Ｙｅｓ）。

なお別の例として、自律走行台車１０は、自動で作業場所に向けて自律走行する代わりに、作業場所まで移動していく作業者を追尾しても良い（追尾モード）。例えば、作業者がＬＲＦ４０の検出領域４２内に入って無線操作装置８０で所定の操作をすると、自律走行台車１０がその作業者を追尾対象として記憶するようにする。あるいは、自律走行台車１０が検出領域４２内へと移動してきた物体を自動的に追尾対象の作業者として記憶するようにしても良い。自律走行台車１０は、検出領域４２内に作業者を認識できている場合には、検出領域４２内に検出された障害物を回避しながら作業者を追尾する。

［作業者の探索］
作業場所に到着したと判断した場合（ステップＳ３０、Ｙｅｓ）、自律走行台車１０は目的の作業者５０を探索する（ステップＳ４０、探索モード）。なお、自律走行台車１０が発見すべき作業者５０は自律走行台車１０を呼び出した作業者と同じであっても違っていても良い。具体的には、自律走行台車１０は、ＬＲＦ４０から取得したデータ（方向と距離など）を基に、作業場所に対応する所定の探索領域６８内の各物体の大きさを算出する。そして、自律走行台車１０は探索領域６８内にあってかつ特定の条件を満たす物体を作業者５０であると判断する（ステップＳ５０、Ｙｅｓ）。例えば、自律走行台車１０は（検出領域４２の高さにおける）横幅が所定の範囲内にある物体を人間であると推定し、目的の作業者５０であると判断することができる。横幅の範囲は作業者５０がどちらを向いていても検出できるような範囲（例えば４０ｃｍ程度〜７０ｃｍ程度）に設定するのが好ましい。さらに、他の適切な条件を追加することもできる。例えば、上記の横幅の条件を満たす物体のうち自律走行台車１０に最も近い位置にあるものを目的の作業者５０であると判断することもできる。探索領域６８が広すぎて設定された検出領域４２内に収まらない場合は、自律走行台車１０は前述の所定の到着領域の中を移動しながら探索を行っても良い。

［所定の向きでの停止］
作業者５０を発見した場合（ステップＳ６０）、自律走行台車１０は自動で作業者５０に対して所定の向きを向いて停止する（ステップＳ７０、待機モード）。この時、作業者５０は無線操作装置８０での操作や手押しで自律走行台車１０を動かす必要はない。停止すべき向きは、あらかじめ各作業者や各作業場所と関連付けて記憶させておくことも、自律走行台車１０の呼び出し時に逐一指定することもできる。例えば、図７、図８に示すように、自律走行台車１０から作業者５０への方向を基準としたとき、自律走行台車１０の正面方向Ｆが目的の棚６２Ａから遠ざかる側に成す角度θが約９０〜約１８０度の範囲内となる向きにすることができる。一つの例として、この角度θは図７に示すように１３０〜１４０度の範囲内（例えば１３５度）とすることができる。特に、自律走行台車１０の積載部１２が中心に対して後寄りにある場合や、自律走行台車１０の水平方向の寸法が大きい場合や、図１に示すようにボディ１１の上面前側にＬＲＦ４０等の突出した機器が取り付けられている場合、このような角度範囲にすると作業者５０が棚６２Ａと台車との間で物品の載せ換えがしやすくなり、有利である。あるいは、自律走行台車１０の積載部１２を棚６２Ａに対面する方向と作業者５０の方向の間に向けることもできる。積載部１２が自律走行台車１０の上面の中心からいずれかの方向にずれているときに特に適する。別の例として、図８に示すように、角度θは約９０度とすることもできる。言い換えれば、自律走行台車１０の積載部１２を棚６２Ａの方向に向けることもできる。このような方向とすることにより重量の大きい搬送物を棚６２Ａから自律走行台車１０に載せる際の移動距離が少なくて済む利点がある。

自律走行台車１０は、上述のように所定の向きになるとともに、図７、図８に示すように目的の作業者５０から所定の距離ｄだけ離れた位置に来て（近寄って）停止することもできる。この距離は実際に作業を行う作業者５０の好みにより自由に設定でき、例えば３０ｃｍ〜５０ｃｍの範囲の距離とすることができる。上述の向きと同様に、この距離もまたあらかじめ各作業者や各作業場所と関連付けて記憶させておいたり、自律走行台車１０の呼び出し時に逐一指定したりすることができる。

場合によっては、自律走行台車１０は上述の所定の向きを保ったまま作業者に追尾し、作業者５０に対する距離を維持することもできる（追尾モード）。このような追尾モードは、例えば指定した棚６２Ａの区画が広い場合など、作業者が作業場所においてある程度の範囲を移動しながら作業する場合に有利である。作業者は自律走行台車１０の呼び出し時や到着時にこのような追尾モードを指定することが可能である。この目的のため、自律走行台車１０が停止すべき向き（角度θ）は、作業者５０が設定されたＬＲＦ４０の検出領域４２に入るような範囲に制限することもできる。別の例として、このＬＲＦ４０とは異なる方向に向けたもう一つのセンサー（ＬＲＦなど）で作業者５０を認識して追尾するようにしても良い。

［作業終了後の移動］
載せ換えなどの作業が終了したら、作業者５０は他の場所に移動する前に自律走行台車１０を他の場所に向かわせることができる。例えば、作業者５０から作業終了を知らせる入力があった場合（ステップＳ８０、Ｙｅｓ）、自律走行台車１０は自律走行モードで出発地点に帰還することができる（ステップＳ９０）。別の例として、作業者５０から作業終了の入力があった場合、自律走行台車１０は自律走行モードで次の作業場所に向かったり、作業者を離れて搬送拠点や何らかの搬送先に向かったりすることもできる。さらに別の例として、自律走行台車１０は追尾モードで次の作業場所に向かう作業者に追尾することもできる。自律走行台車１０を他の場所に向かわせる指示は、自律走行台車１０が備えるタッチスクリーン２６と作業者５０が所持する無線操作装置８０のタッチスクリーンのいずれで行うこともできる。

［実施形態の有利な効果］
以上に説明した実施形態の自律走行台車１０によれば、自律走行台車１０が作業場所に到着した際に作業者５０がリモコン操作や手押しで台車の向きを変える手間を省くことができるという有利な効果が得られる。

以上、本発明を具体的な実施形態で説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、当業者であれば本発明の目的を逸脱することなく様々な置換、改良、変更を施すことが可能である。

１０ 自律走行台車
１１ ボディ
１２ 積載部
１４ 駆動輪
１６ 従動輪
１８ モーター
２０ 制御装置
２６ タッチスクリーン
３４ 記憶手段
４０ レーザーレンジファインダー（ＬＲＦ）
４２ 検出領域
５０ 作業者
６０ 走行エリア
６２Ａ、６２Ｂ 棚
６４ 棚の区画
６６ 到着領域
６８ 探索領域
８０ 無線操作装置
８８ タッチスクリーン
Ｆ 正面方向

Claims (7)

1. 自律走行台車であって、
   物品または搬送容器を載せるための積載部を有するボディと、
   複数の車輪と、
   複数の車輪の少なくとも一つを駆動する駆動装置と、
   物体を検出するためのセンサーと、
   自律走行台車の動作を制御する制御装置とを備え、
   制御装置は、作業者の指示に基づいて自律走行台車が指定された作業場所に向かうように駆動装置を制御し、
   自律走行台車がその作業場所に到着したと判断したらセンサーからのデータに基づいて所定の探索領域内に存在する所定の条件に合った物体を目的の作業者として認識し、
   作業場所における棚とその目的の作業者とに対して所定の向きで停止するように駆動装置を制御する自律走行台車。
2. 請求項１の自律走行台車であって、制御装置は、作業者の指示を受けた際に指定された向きで自律走行台車が停止するように駆動装置を制御する自律走行台車。
3. 請求項１の自律走行台車であって、制御装置は、停止すべき向きをあらかじめ作業者と作業場所の少なくとも一方に関連付けて記憶しており、
   指示を受けた際に指定された作業者と作業場所の少なくとも一方に関連付けられた向きで自律走行台車が停止するように駆動装置を制御する自律走行台車。
4. 請求項１の自律走行台車であって、制御装置は、自律走行台車の積載部が作業者と棚の間の方向を向くように駆動装置を制御する自律走行台車。
5. 請求項１の自律走行台車であって、制御装置は、自律走行台車の積載部が棚の方向を向くように駆動装置を制御する自律走行台車。
6. 請求項１の自律走行台車であって、制御装置は、自律走行台車が棚の前面から概して作業者と同じ距離でかつ自律走行台車の正面方向が作業者の方向に対して棚から離れる側に９０〜１８０度の範囲内の角度を成すような向きで停止するように駆動装置を制御する自律走行台車。
7. 請求項１から６のいずれかの自律走行台車であって、制御装置は、自律走行台車が作業者に対して所定の距離で停止するように駆動装置を制御する自律走行台車。

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