JP2021096501A - ロボット充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】転倒を防止して確実に充電できるロボット充電システムを提供する。【解決手段】移動ロボット１と、前記移動ロボット１に充電する充電ステーション２と、を備え、前記移動ロボット１の充電端子と前記充電ステーションの充電端子とが互いに結合及び分離が可能なロボット充電システムにおいて、前記移動ロボット１は、結合時に前記充電ステーション２側に位置する延出部１９を有し、前記充電ステーション２は、結合時に前記移動ロボット側かつ前記延出部の上側に位置する受部２４を有し、前記移動ロボット１が、前記充電ステーション２と反対側へ傾斜した場合に、前記延出部１９と前記受部２４とが接触するとともに、接触時の前記移動ロボット１の傾斜角度が転覆角度以下である。【選択図】図８

Description

本発明は、移動ロボットと、この移動ロボットに充電する充電ステーション移動ロボットと、を有するロボット充電システムに関する。

掃除ロボットやＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの自律移動ロボットにおいて、その運用時間を延長するため充電ステーションを用意してロボット内の電池に充電を行う手法がよく知られている。そして、移動ロボットが充電ステーションで充電を行う場合には、移動ロボットの充電端子と充電ロボットの充電端子とを接続させて行う。互いの充電端子を接続させる方法として、特許文献１には「移動ロボットを固定設備の前に停止させたとき、固定設備に対する姿勢のずれを吸収し、移動ロボット側の複数の受電電極を固定設備側の複数の給電電極に対して良好に接触させる」（特許文献１の要約）と記載されている。

特開２００９−２６７７５号公報

上記特許文献１では、移動ロボットと充電ステーションとの位置ずれが発生したときに、充電端子を移動させることにより、位置ずれを吸収している。しかし、位置ずれを吸収できずに接続に失敗した場合には、充電端子等が移動ロボットを押すことで、移動ロボットが転倒してしまう可能性がある。特に、人間とのコミュニケーションを行い、移動するサービスロボットにおいては、ロボットの活動環境における制約から重心が高く、フットプリントが小さい傾向にあるため、充電端子の意図しない接触等があった場合は転倒する可能性が高まる。

本発明の目的は、転倒を防止して確実に充電できるロボット充電システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、移動ロボットと、前記移動ロボットに充電する充電ステーションと、を備え、前記移動ロボットの充電端子と前記充電ステーションの充電端子とが互いに結合及び分離が可能なロボット充電システムにおいて、前記移動ロボットは、結合時に前記充電ステーション側に位置する延出部を有し、前記充電ステーションは、結合時に前記移動ロボット側かつ前記延出部の上側に位置する受部を有し、前記移動ロボットが、前記充電ステーションと反対側へ傾斜した場合に、前記延出部と前記受部とが接触するとともに、接触時の前記移動ロボットの傾斜角度が転覆角度以下であることを特徴とする。

本発明によれば、転倒を防止して確実に充電できるロボット充電システムを提供できる。

移動ロボットの外観を示す斜視図。 充電ステーションの外観を示す斜視図。 移動ロボットが充電ステーションに結合した状態を示す斜視図。 実施例に係る移動ロボットの斜視図。 実施例に係る充電ステーションの斜視図。 移動ロボットの機能ブロック図。 移動ロボットの転覆角度の定義を示す図。 移動ロボットが傾いて、その延出部が充電ステーションの受部と接触した状態を示す図。 移動ロボットの制御装置における処理を示すフローチャート。

以下、本発明の実施形態に係るロボット充電システムとして、移動ロボット１及び充電ステーション２に関し、図面を用いて説明する。なお、本実施形態では、特に人間とのコミュニケーションを行うサービスロボットを、移動ロボット１の例に挙げて説明する。

図１は、移動ロボット１の外観を示す斜視図である。図１に示すように、移動ロボット１は、胴体部１０１と、この胴体部１０１に対して向きが変化する頭部１０２と、胴体部１０１の下端に連結された一対の脚部１０３と、各脚部１０３の下端に連結された足部１０４と、を備えている。そして、各足部１０４は、前方に位置する大きな主車輪１１１と、後方に位置する小さな補助車輪１１２と、この補助車輪１１２の上方に位置する延出部１０９と、を有している。なお、延出部１０９は、補助車輪１１２を支持し、この補助車輪１１２と共に踵部を形成している。

図２は、充電ステーション２の外観を示す斜視図である。図２に示すように、充電ステーション２は、上下方向に延びる背面部２５１と、水平方向に延びる床面部２６１と、で構成されている。背面部２５１の前面側には、移動ロボット１の胴体部１０１の背面側と結合させるために前方へ延びる結合機構２７１と、移動ロボット１の胴体部１０１側のカメラ（図示せず）との間で位置認識を行うためのマーカ２０１と、が設けられている。また、結合機構２７１の前端には、移動ロボット１の充電端子（図示せず）と接続される充電端子２３１が形成されている。

床面部２６１の上面側には、主車輪１１１の進行方向が結合機構２７１と平行になるように誘導する第１ガイド機構２８１と、主車輪１１１の軸方向の位置を補正する第２ガイド機構２９１と、が設けられている。また、床面部２６１の後方には、背面部２５１の左端から右端まで跨って長く延び、かつ、前後方向にも所定長さ以上延びる転倒防止カバー２４１が取付けられている。

そして、移動ロボット１が充電のために充電ステーション２と結合する際には、移動ロボット１が充電ステーション２へ向けて後退して行き、移動ロボット１の延出部１０９が、転倒防止カバー２４１の下方に挿入される。その後、移動ロボット１が更に後退すると、移動ロボット１の充電端子と充電ステーション２の充電端子２３１とが接続され、図３に示すような、移動ロボット１が充電ステーション２に結合した状態となる。

ここで、移動ロボット１の充電端子が充電ステーション２の充電端子２３１に対して位置ずれしていたり、移動ロボット１が充電ステーション２に対して斜めとなっていたりしたまま、後退を継続した場合、移動ロボット１が充電ステーション２の構造物に接触して傾斜し、一定の角度（転覆角度）以上傾斜すると転倒してしまう可能性がある。また、移動ロボット１が充電ステーション２から分離した直後も、互いの充電端子の結合を引き離すための推力が解放され、その勢いで移動ロボット１がバランスを崩す可能性もある。しかし、本実施形態では、結合時に充電ステーション２側に位置する延出部１０９と、結合時に移動ロボット１側かつ延出部１０９の上側に位置する転倒防止カバー２４１と、が傾斜時に接触することで、移動ロボット１の姿勢が復元される。

以下、本実施形態のロボット充電システムに関し、簡略化したモデルによる実施例を用いて説明する。

図４は、本実施例に係る移動ロボット１の斜視図である。移動ロボット１は、図４に示すように、本体１０と、主車輪１１と、補助車輪１２と、充電端子１３と、カメラ１４と、車輪駆動部１５と、制御装置１６と、移動ロボット用充電装置１７と、バッテリ１８と、延出部１９と、を備えている。延出部１９は、本体１０の下部において、左右両側から２本後方に延びるように形成されており、この延出部１９の下面に補助車輪１２が設けられている。充電端子１３は、移動ロボット１の背面中央であって、延出部１９よりも上方に設けられている。

図５は、本実施例に係る充電ステーション２の斜視図である。充電ステーション２は、図５に示すように、マーカ２０と、充電ステーション用充電装置２１と、結合機構２５と、充電端子２３と、受部２４と、を備えている。充電端子２３は、前方へ延びる結合機構２５の先端に設けられており、後退してきた移動ロボット１の背面側にある充電端子１３と接続することで、移動ロボット１への充電を可能としている。また、受部２４は、充電ステーション２の前面下部において、左右方向へ延びる形状となっており、移動ロボット１の２本の延出部１９が収まるような左右方向寸法となっている。また、この受部２４は、前方にも延びる形状となっており、充電ステーション２の充電端子２３と移動ロボット１の充電端子１３とが接触するときに、受部２４の先端が、移動ロボット１の延出部１９の先端と根元（移動ロボット１の背面）との間に位置する。

ここで、主車輪１１は、本体１０の下部に取り付けられ、補助車輪１２は、延出部１９の下部に取り付けられており、これらの車輪が移動ロボット１を接地させている。さらに、補助車輪１２は、例えばボールキャスタであって、全方向に回転可能となっている。一方、主車輪１１は、車輪駆動部１５によって左右独立に駆動され、移動ロボット１を移動させる。

移動ロボット用充電装置１７は、移動ロボットの充電端子１３及びバッテリ１８に接続されている。そして、移動ロボットの充電端子１３と充電ステーションの充電端子２３との結合により、移動ロボット用充電装置１７が充電ステーション用充電装置２１と接続されて電力が供給されると、移動ロボット用充電装置１７は、バッテリ１８を充電する。

車輪駆動部１５は、主車輪１１に動力を供給するためのモータと、モータの回転角度を検出するエンコーダと、モータを制御するモータドライバと、を備え、制御装置１６の指令である目標速度及び目標旋回角速度に従って主車輪１１を駆動し、その主車輪１１の回転速度及び角度に関する情報を制御装置１６に送信する。

図６は、移動ロボット１の機能ブロック図である。図６に示すように、制御装置１６は、車輪駆動部１５及びカメラ１４に接続され、バッテリ１８から給電される。また、制御装置１６の内部には、マーカ認識システム３０と、行動生成部３４と、を備える。

なお、充電ステーション用充電装置２１は、充電ステーションの充電端子２３及び外部電源接続用プラグ２２に接続されている。そして、充電ステーション用充電装置２１は、外部電源接続用プラグ２２を介して電力の供給を受け、充電ステーションの充電端子２３が移動ロボットの充電端子１３と結合した場合に、移動ロボット用充電装置１７へ給電を行う。

次に、移動ロボット１の転倒を防止する機能について説明する。この転倒防止機能は、移動ロボット１がバランスを崩して充電ステーション２と反対側へ傾いた場合にも、移動ロボット１の延出部１９を充電ステーション２の受部２４と接触させることで、更なる傾斜を規制し、移動ロボット１自身の重力によって元の姿勢に戻すものである。

そこで、本実施例では、延出部１９と受部２４とが接触した場合の移動ロボット１の傾斜角度が、転覆角度以下となるようにしている。図７は、移動ロボット１の転覆角度の定義を示す図であり、図８は、移動ロボット１が傾いて、その延出部１９が充電ステーション２の受部２４と接触した状態を示す図である。移動ロボット１が接地状態のまま傾く場合、移動ロボット１の接地点を回転軸に持つ回転運動により傾くことになる。但し、移動ロボット1の接地点は、その回転運動が進むにつれて、変化する場合がある。例えば、図７のように、移動ロボット１が傾く前の接地点は主車輪１１及び補助車輪１２の下端となるが、図８のように、移動ロボット１が前方へ一定以上傾いたときの接地点は移動ロボット１の底部前端となる。また、移動ロボット１自身の重力で復元できない程度まで傾いて転倒してしまう場合は、移動ロボット１の底部前端が接地点となっているため、この底部前端を転覆中心Ｏとする。

移動ロボット１の転覆角度は、図７に示すように、この転覆中心Ｏを法線とする面において、転覆中心Ｏと重心位置Ｇを結ぶ軸ａと、移動ロボット１の基準点（例えば頂部前端）から鉛直方向に延ばした軸ｂと、が成す角度と定義する。また、移動ロボット１の傾斜角度は、図８に示すように、移動ロボット１の基準点と転覆中心を結ぶ軸ｃと、鉛直方向の軸ｄと、が成す角度と定義する。このとき、移動ロボット１が傾いても、その傾斜角度が転覆角度以下であれば、移動ロボット１自身の重力によって、傾いた状態から元の状態（主車輪１１及び補助車輪１２で接地している状態）に戻ることが可能である。したがって、本実施例では、移動ロボットの充電端子１３と充電ステーションの充電端子２３との結合時には、充電ステーション２の受部２４が、移動ロボット１の延出部１９を覆い、仮に移動ロボット１がバランスを崩しても転覆角度以上に前側へ傾かないような位置関係としている。

また、本実施例では、結合時だけでなく、移動ロボット１が充電ステーション２へ接近して所定位置になった時点で、予め上記の位置関係となるように構成されている。これにより、移動ロボット１が充電のために充電ステーション２へ向かう途中で意図しない接触から力を受けた場合でも、移動ロボット１の転倒を防止することができる。ここで、本実施例では、延出部１９及び受部２４を共に平板状に形成したが、この形状に限らず、例えば、一方に凹部を形成し、他方に凸部を形成しても良い。この場合、移動ロボット１側に凸部を設けるのが望ましい。

なお、本実施例では、延出部１９が、移動ロボット１の重心よりも下方に設けられている。仮に、移動ロボット１の上部に延出部を設けた場合、充電ステーション２との接触により上部の軽い部分に力が加わることとなり、移動ロボット１が壊れやすくなるためである。特に、図１のように、踵部に延出部を形成すれば、意匠性を損ねないだけでなく、左右に離れた２か所で支持されるため、さらに安定して転倒を防止することが可能である。

また、図３のように、受部に相当する転倒防止カバー２４１は、移動ロボット１における一対の主車輪１１１間の幅よりも長く形成されている。このように、受部の左右方向の寸法を、延出部よりも長くすることで、移動ロボット１が充電ステーション２に対して斜めに後退して接触した場合等に発生する移動ロボット１の左右方向の揺れも安定して支持できる利点がある。

次に、移動ロボット１の制御方法について説明する。図６に示すように、本実施例の制御装置１６は、マーカ認識システム３０と、行動生成部３４と、を備えている。マーカ認識システム３０は、画像取得部３１と、マーカ認識部３２と、マーカデータ部３３と、を有する。

ここで、画像取得部３１は、移動ロボット１の後側に設置されたカメラ１４から画像を取得し、マーカ認識部３２へ画像データを送信する。マーカデータ部３３には、認識対象となるマーカ２０の大きさ、パターン及び位置に関する情報が記憶されており、マーカ認識部３２の問い合わせに対してこれらの情報を送信する。マーカ認識部３２は、画像取得部３１とマーカデータ部３３から取得した情報を基に、マーカ２０のカメラ１４との相対位置を算出する。

マーカ２０の相対位置の算出方法には、いくつかの方法が知られている。例えば、マーカ２０がＪＩＳ Ｘ ０５１０準拠の二次元コードである場合、マーカ認識部３２は、黒１:白１:黒３:白１:黒１の比率の四角形を３つ検出する。マーカ認識部３２は、これら３つの四角形のカメラ画像上の位置関係と、マーカデータ部３３から取得した情報にある位置関係と、を比較することで、マーカ２０の位置を認識できる。

以下、移動ロボット１が充電ステーション２にアプローチする場面を対象に、行動生成部３４の処理について説明する。図９は、移動ロボットの制御装置１６の行動生成部３４における処理を示すフローチャートである。

行動生成部３４は、ある瞬間のカメラ１４の光軸と、カメラレンズの交点を原点とし、撮像方向をＸ軸、光軸方向をＹ軸とするカメラ座標系のコピーであるロボット座標系を保持している。

ステップＳ１０１において、行動生成部３４は、車輪駆動部１５より主車輪１１Ｒ，Ｌそれぞれの回転角度φＲ、Ｌ、回転角速度ｄφＲ，Ｌを入手し、ロボット座標系上での移動ロボット１の位置を更新する。更新処理は次の式１により表される。

但し、添え字ｋは現在時刻を、ｋ−１は１ステップ前の時刻を表す。Ｄは主車輪１１の間の長さであり、ＲＸは移動ロボット１のロボット座標系Ｘ座標であり、ＲＹは同じくＹ座標である。Ｒηは移動ロボットの向いている方向である。

ステップＳ１０２において、行動生成部３４は、マーカ認識システム３０より目標位置となる充電ステーション２の位置を取得する。

ステップＳ１０３において、行動生成部３４は、目標位置に対してステップＳ１０１で算出した現在位置を結ぶ移動経路を算出する。詳細は省くが、ＲＲＴ(Ｒａｐｉｄｌｙ ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ Ｒａｎｄｏｍ Ｔｒｅｅ)法やＡ＊などの手法により算出する。算出された移動経路により移動経路長が算出され、移動経路長と車輪駆動部１５が保持する移動ロボット１の最大加速度、最大速度を満たすように台形速度パターンが算出される。台形速度パターンは、車輪駆動部１５への送信間隔毎の指令値に分割され、行動生成部３４に記録される。これにより、移動ロボット１がどの時刻（ＴＫ）で経路上のどの位置(Ｒ)にいるかが明らかになり、Ｒの前後の時刻（ＴＫ−１、ＴＫ＋１）の経路点座標を参照し、時刻ＴＫでの移動ロボットの目標旋回方向が算出される。時刻ＴＫでの目標旋回方向と時刻ＴＫの１ステップ前の目標旋回方向の差分を上記した送信間隔で除算することにより、目標旋回角速度情報が決定される。以上の計算により、行動生成部３４は、各時刻における移動ロボットの目標速度と目標旋回角速度からなる移動計画を生成する。

ステップＳ１０４において、行動生成部３４は、時刻ごとにステップＳ１０３において算出された目標速度と目標旋回角速度を車輪駆動部１５に送信する。

１…移動ロボット、２…充電ステーション、１０…本体、１１Ｌ，１１Ｒ…主車輪、１２…補助車輪、１３…（移動ロボットの）充電端子、１４…カメラ、１５…車輪駆動部、１６…制御装置、１７…移動ロボット用充電装置、１８…バッテリ、１９…延出部、２０…マーカ、２１…充電ステーション用充電装置、２２…外部電源接続用プラグ、２３…（充電ステーションの充電端子）、２４…受部、２４１…転倒防止カバー、２６１…床面部、２７１…結合機構、２８１…第１ガイド機構、２９１…第２ガイド機構

Claims (5)

1. 移動ロボットと、前記移動ロボットに充電する充電ステーションと、を備え、
   前記移動ロボットの充電端子と前記充電ステーションの充電端子とが互いに結合及び分離が可能なロボット充電システムにおいて、
   前記移動ロボットは、結合時に前記充電ステーション側に位置する延出部を有し、
   前記充電ステーションは、結合時に前記移動ロボット側かつ前記延出部の上側に位置する受部を有し、
   前記移動ロボットが、前記充電ステーションと反対側へ傾斜した場合に、前記延出部と前記受部とが接触するとともに、接触時の前記移動ロボットの傾斜角度が転覆角度以下であることを特徴とするロボット充電システム。
2. 移動ロボットと、前記移動ロボットに充電する充電ステーションと、を備え、
   前記移動ロボットの充電端子と前記充電ステーションの充電端子とが互いに結合及び分離が可能なロボット充電システムにおいて、
   前記移動ロボットは、結合時に前記充電ステーション側に位置する延出部を有し、
   前記充電ステーションは、結合時に前記移動ロボット側かつ前記延出部の上側に位置する受部を有し、
   結合時だけでなく、前記移動ロボットが前記充電ステーションへ接近して所定位置になった時に、前記移動ロボットが前記充電ステーションと反対側へ傾斜しても、前記延出部が前記受部に接触することで、前記移動ロボットの姿勢が復元されることを特徴とするロボット充電システム。
3. 請求項１又は２に記載のロボット充電システムにおいて、
   前記受部は、前記延出部よりも左右方向の寸法が長いことを特徴とするロボット充電システム。
4. 請求項１又は２に記載のロボット充電システムにおいて、
   前記延出部は、前記移動ロボットの重心より下方に設けられていることを特徴とするロボット充電システム。
5. 請求項４に記載のロボット充電システムにおいて、
   前記延出部は、前記移動ロボットの踵部に形成されていることを特徴とするロボット充電システム。

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