JP2021504793A - ロボット充電器ドッキング制御 - Google Patents
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Abstract
Description
一実施例による再充電のための充電ステーション500へのロボットのドッキングについて、図17及び図18に関して説明する。図17では、充電ステーション500の充電組立体200に嵌合されている、充電ポート300を備えるロボット18を示す。ロボット18は、たとえば、充電ステーションについて記憶されたポーズによって定義される場所600に移動することができる。ポーズ600への誘導は、倉庫全体にわたる様々な大箱の場所にロボットを誘導するために、上記のやり方で行われる。ポーズ600に達すると、ロボット18を場所602に位置決めするために精密誘導プロセスが行われ、その場所で、充電ポート300が充電組立体200と嵌合し、再充電のためにロボット18が充電ステーション500にドッキングされる。
図19は、上記の注文履行倉庫の用途で使用するための、ロボット18の一実施例のシステム図を示す。ロボット・システム614は、データ・プロセッサ620、データ記憶部630、処理モジュール640、及びセンサ補助モジュール660を備える。処理モジュール640は、経路計画モジュール642、駆動制御モジュール644、マップ処理モジュール646、自己位置推定モジュール648、及び状態推定モジュール650を備えることができる。センサ補助モジュール660は、測距センサ・モジュール662、駆動トレイン/ホイール・エンコーダ・モジュール664、及び慣性センサ・モジュール668を備え得る。
自律型ロボット又は半自律型ロボットによる誘導は、ロボットの環境の何らかの形の空間モデルを必要とする。空間モデルは、ビットマップ、対象物のマップ、目印のマップ、及び他の形式の2次元及び3次元のデジタル画像で表すことができる。たとえば図20に示すような倉庫施設の空間モデルは、倉庫、並びに壁、天井、屋根支持体、窓及び扉、棚及び保管箱などの障害物を表すことができる。障害物は、据付型か、たとえば倉庫内で動作する他のロボット若しくは機械など、移動するものか、又は一時的な仕切り、パレット、棚、及び箱など、比較的固定されているが、倉庫のアイテムが貯蔵され、ピッキングされ、補充されるときに変化するものであり得る。
上記のように、センサを装備したロボットは、そのセンサを自己位置推定に使用できるばかりでなく、ロボットの環境のマップの構築及びメンテナンスにも寄与できる。マップの構築及び自己位置推定に使用されるセンサには、光検出及び測距(「LIDAR」、「レーザ走査」、又は「レーザレーダ」)センサが含まれ得る。レーザレーダ・スキャナは、ロボットのローカル環境の一連の離散的な角度スイープによって、水平面内の対象物までの範囲及び距離を測定する。測距センサは、1組の測定を、すなわちロボットを中心にして180度の弧又はそれより大きい若しくはそれより小さい角度の弧、或いは完全な360度の弧にわたって、好ましくは4分の1(0.25)度の増分の、個別の角度の増分で取得される「スキャン」を得る。たとえば、レーザレーダ・スキャンは、レーザ信号の戻り時間及び強度を表す1組の測定値であり、個別の角度の増分での各測定値は、ロボットの現在位置からのある距離に、障害物があり得ることを示すことができる。
「スキャン・マッチング」とは、相異なるロボットによる測距スキャンを、又は相異なる時間に取得された単一のロボットのスキャンを、SLAMマップなどの環境のマップと、比較するプロセスである。スキャン間のマッチングのプロセスでは、ロボットが一度に取得した第1のレーザレーダ・スキャンを第2の、以前のスキャンと比較して、ロボットがマップ内の同じ場所に戻ったかどうかを判断できる。同様に、スキャンを第2のロボットのスキャンとマッチングすると、2つのロボットがマップ内の共通の場所に移動したかどうかを判別できる。マップとのスキャン・マッチングを使用して、マッピングされた環境でのロボットのポーズを判断できる。図23Aに示すように、スキャン730’は、マップ部分720’に対して平行移動及び回転されて描かれている。不明なポーズ(x,y,θ)のロボットの場合、ロボットのレーザレーダ・スキャンのマップ720’とのマッチングでは、スキャン730’のマップ720’との相関を最も強くさせる、平行移動Δx、Δy及び回転Δθを伴う剛体変換Tを見つける。したがって、図23Bに示すように、マップ720の一部に対するロボットの正しいポーズ
を判断できる。
前述のように、スキャン・マッチングを使用して位置推定するかかる別の手法は、多対多の多分解能スキャン・マッチング、すなわち「M3RSM:many−to−many multiresolution scan matching」である。M3RSMは、マップのピラミッドを使用して、2分解能相関スキャン・マッチング手法を複数分解能に拡張するものであり、演算効率を高めるために、それぞれのマップは間引きして構成される。M3RSMの議論については、Edwin Olsonの「M3RSM:Many−to−many multi−resolution scan matching」、IEEEロボットと自動化とに関する国際会議(ICRA)会報、2015年6月に見ることができ、参照により本明細書に組み入れられている。M3RSMは、マップのより低い分解能での検討から候補となるポーズを除外することにより、SLAMマップに対してスキャン・マッチングを実行するための処理時間を、大幅に削減する。ロボットの自己位置推定、及びゴールのポーズまでのゴールへの経路に沿った誘導は、関連する米国特許出願第15/712,222号、名称「MUlTI−RESOLUTION SCAN MATCHING WITH EXCLUSION ZONES」、2017年9月22日出願に開示された方法にしたがって、M3RSMの探索空間を最小限に抑えることでさらに改善される。該特許出願は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
上記で図17及び図18を参照して図示し、説明したように、ロボット18は、充電ステーションと電気的に嵌合してロボットの充電を開始するために、ロボット充電ステーションに移動できる。例示のために、図20は、現在の場所702から場所704、706を通って目標場所708に進む、経路712、714、716に沿って移動するロボット18を示す。目標場所708は、ほぼ場所718に位置し得る、充電ステーション(図示せず)の前のポーズに到着したロボットの場所であり得る。場所708に到着すると、ロボットは、より正確なドッキングのための移動を開始して、ロボット自体の位置決めをして、充電ポート300を充電組立体200と嵌合させることができる。次いで、ロボット18は、充電ステーション500にドッキングされ、再充電の準備が整う。
図25は、充電器ドッキング・ステーションに割り当てられたポーズ600に移動した後のロボット18を示し、ロボット18の構造は、上記により完全に図示し、説明している。図17及び図18に関して上述した、カメラベースの基準へのドッキングの代替として、ポーズ600から嵌合ポーズ602へのロボット18の誘導には、たとえば倉庫内のある場所での現在のポーズから充電ステーションに関連付けられた初期ポーズ600まで移動するための、上述の誘導方法によるスキャン・マッチング技法を使用できる。
図26及び図27を参照して上述した実施例による精密ドッキングは、充電組立体の充電ポートとの確実な係合に寄与している経路に沿って、ロボットを常に移動させるとは限らない。たとえば、ロボット18は、より高い分解能のマップ及び充電ステーションのマップのみとのスキャン・マッチングを使用して、ポーズ604からポーズ602に移動できる。しかし、嵌合ポーズ602への接近時に、ロボット18は、充電ステーションに直接面していない可能性があり、これは、信頼性の低い嵌合をもたらす可能性がある。したがって、ロボットの充電ステーションへの嵌合は、実質的に、初期ポーズから充電ステーションの嵌合ポーズまでの制御された弧に沿って移動することによって、改善できる。たとえば、図29に示すように、ポーズ604からポーズ602まで経路762に沿って移動すると、ロボットの向きは、嵌合ポーズ602までのロボットの最終的な接近で、確実に充電ステーション500に垂直になる。
XC及びYCについて解くと、
となり、上記の式(1)又は(2)への単純な代入によって、半径rについて解くことができる。
ここで、x’Rはロボットの瞬間線速度、θ’Rはロボットの瞬間角速度
を観察すると、所与の半径rについて、瞬間線速度x’Rは、瞬間角速度θ’Rを調整することにより一定に保持され得るか、又は角速度θ’Rは、線速度x’Rを調整することにより一定に保持され得る。したがって、
θ’R=kΦ (8)
ここで、kは比例制御定数
にしたがってロボットに制御を発し、上記の式(7)及び(8)からの回転制御を組み合わせることによって、
ここで、α及びβは重み付けパラメータ
結合された制御方程式(9)は、ロボットの実際の経路772と所望の弧経路762との間の誤差をつめる。好ましい実施例では、重み付けパラメータα及びβは1であり得る。
Claims (15)
- ロボット充電器ドッキング・ステーションとドッキングするためにロボットを誘導する方法であって、
ロボット充電器ドッキング・ステーションに関連付けられた初期ポーズを受信するステップと、
前記ロボット充電器ドッキング・ステーションに関連付けられた嵌合ポーズを受信するステップと、
ある場所から前記初期ポーズまでの、ロボットの第1の誘導を実行するステップと、
前記初期ポーズから前記嵌合ポーズまでの、前記ロボットの第2の誘導を実行するステップと
を含み、前記第2の誘導は、前記初期ポーズから前記嵌合ポーズまで実質的に弧経路に沿って進み、それにより、前記ロボットの前記充電ポートを前記ロボット充電器ドッキング・ステーションの充電組立体と嵌合させる、方法。 - 前記初期ポーズから前記嵌合ポーズまでの前記弧経路は、半径r、並びに前記初期ポーズに関連付けられた第1の場所XR,YR及び前記嵌合ポーズに関連付けられた第2の場所XD,YDから等距離にある中心XC,YCを有する、一意の円の一部分を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記弧経路に沿ったポーズでの前記ロボットの瞬間線速度x’R及び瞬間角速度θ’Rは、半径rと実質的に一定の関係で維持され、
前記ロボットの回転誤差を制御するステップは、
θ’R=kΦ (8)
(ここでkは比例制御定数であり、Φは回転誤差である)にしたがう比例制御、及び/又は
(ここでα及びβは重み付けパラメータである)にしたがう重み付け制御を発するステップを含む、請求項2に記載の方法。 - 前記重み付けパラメータα及びβは、前記充電ステーションまでの距離の関数として非線形な関係で調整され得る、請求項3に記載の方法。
- 前記ロボットを制御するステップは、
前記回転誤差を、前記誤差が閾値を下回るまで式(8)にしたがってつめるステップと、
線速度x’Rを固定値に設定するステップと、
式(7)にしたがって前記ロボットを制御し、半径r及び回転誤差Φを繰り返し更新するステップと
を含み、前記閾値を超えると、前記誤差が再び前記閾値を下回るまで、前記制御を式(8)に切り替える、請求項3に記載の方法。 - 再充電のために、ある場所からロボット充電器ドッキング・ステーションまで移動して、前記ロボット充電器ドッキング・ステーションとドッキングするよう構成された移動ロボットであって、前記ロボットは、
充電ポート及びプロセッサを具備する車輪付き移動基部
を備え、前記プロセッサは、
前記ロボット充電器ドッキング・ステーションに関連付けられた初期ポーズを取得し、
前記ロボット充電器ドッキング・ステーションに関連付けられた嵌合ポーズを取得し、
前記車輪付き移動基部を前記場所から前記初期ポーズまで誘導し、
前記車輪付き移動基部を、前記初期ポーズから前記嵌合ポーズまで誘導する
よう構成され、前記車輪付き移動基部は、前記初期ポーズから前記嵌合ポーズまで実質的に弧経路に沿って進み、それにより、前記車輪付き基部の前記充電ポートを前記ロボット充電器ステーションの充電組立体と嵌合させる、移動ロボット。 - 前記初期ポーズから前記嵌合ポーズまでの前記弧経路は、半径r、並びに前記初期ポーズに関連付けられた第1の場所XR,YR及び前記嵌合ポーズに関連付けられた第2の場所XD,YDから等距離にある中心XC,YCを有する、一意の円の一部分を有する、請求項6に記載の移動ロボット。
- 前記弧経路に沿ったポーズでの前記ロボットの瞬間線速度x’R及び瞬間角速度θ’Rは、半径rと実質的に一定の関係で維持され、
前記ロボットの回転誤差を制御することは、
θ’R=kΦ (8)
(ここでkは比例制御定数であり、Φは回転誤差である)にしたがう比例制御、及び/又は
(ここでα及びβは重み付けパラメータである)にしたがう重み付け制御を発することを含む、請求項7に記載の移動ロボット。 - 前記重み付けパラメータα及びβは、前記ロボット充電器ドッキング・ステーションまでの距離の関数として非線形な関係で調整され得る、請求項8に記載の移動ロボット。
- 前記ロボットを制御することは、
前記回転誤差を、前記誤差が閾値を下回るまで式(8)にしたがってつめることと、
線速度x’Rを固定値に設定することと、
式(7)にしたがって前記ロボットを制御し、半径r及び回転誤差Φを繰り返し更新することと
を含み、前記閾値を超えると、前記誤差が再び前記閾値を下回るまで、前記制御を式(8)に切り替える、請求項8に記載の移動ロボット。 - そこに命令を保存したコンピュータ可読媒体であって、前記命令は、ロボットのプロセッサが実行すると、前記ロボットに、
ロボット充電器ドッキング・ステーションに関連付けられた初期ポーズを受信することと、
前記ロボット充電器ドッキング・ステーションに関連付けられた嵌合ポーズを受信することと、
ある場所から前記初期ポーズまでの、ロボットの第1の誘導を制御することと、
前記初期ポーズから前記嵌合ポーズまでの、前記ロボットの第2の誘導を制御することと
を含むステップを実行させ、前記第2の誘導は、前記初期ポーズから前記嵌合ポーズまで実質的に弧経路に沿って進み、それにより、前記ロボットの前記充電ポートを前記ロボット充電器ステーションの充電組立体と嵌合させる、コンピュータ可読媒体。 - 前記初期ポーズから前記嵌合ポーズまでの前記弧経路は、半径r、並びに前記初期ポーズに関連付けられた第1の場所XR,YR及び前記嵌合ポーズに関連付けられた第2の場所XD,YDから等距離にある中心XC,YCを有する、一意の円の部分を有する、請求項に記載のコンピュータ可読媒体。
- 前記弧経路に沿ったポーズでの前記ロボットの瞬間線速度x’R及び瞬間角速度θ’Rは、半径rと実質的に一定の関係で維持され、
前記ロボットの回転誤差を制御することは、
θ’R=kΦ (8)
(ここでkは比例制御定数であり、Φは回転誤差である)にしたがう比例制御、及び/又は
(ここでα及びβは重み付けパラメータである)にしたがう重み付け制御を発することを含む、請求項12に記載のロボット・システム。 - 前記重み付けパラメータα及びβは、前記ロボット充電器ドッキング・ステーションまでの距離の関数として非線形な関係で調整され得る、請求項13に記載のコンピュータ可読媒体。
- 前記ロボットを制御することは、
前記回転誤差を、前記誤差が閾値を下回るまで式(8)にしたがってつめることと、
線速度x’Rを固定値に設定することと、
式(7)にしたがって前記ロボットを制御し、半径r及び回転誤差Φを繰り返し更新することと
を含み、前記閾値を超えると、前記誤差が再び前記閾値を下回るまで、前記制御を式(8)に切り替える、請求項13に記載のコンピュータ可読媒体。
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