JP2022104733A - ロボットアーム付き移動ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットアームが車体に搭載され、非接触型センサを用いて安全防護空間を形成したロボットアーム付き移動ロボットにおいて、車体の走行時やロボットの作業時の周囲に対する安全を確保し、かつ、非接触型センサが車体の走行の障害になることを解消する。【解決手段】ロボットアーム１１が車体２に搭載され、非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃが設置されているロボットアーム付き移動ロボット１Ａであって、非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃは検出区域Ｄa、Ｄb、Ｄcが鉛直面をなし、該検出区域Ｄa、Ｄb、Ｄcがロボットアーム１１の安全防護空間Ｓaを形成し、非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの水平方向の位置が移動可能である。【選択図】図４

Description

本発明は、ロボットアーム付き移動ロボットに関する。

工場、倉庫、病院等の施設内において物品移動を自動化するため、無人搬送車の導入が進みつつある。無人搬送車における自動走行の方式としては、近年の情報処理能力や周囲情報収集技術の向上により、従前の経路誘導式に対して自律移動式の無人搬送車が主流になりつつある。さらに、荷積みや荷下ろしを自動化するために、無人搬送車にロボットアームを搭載することも行われている。

ロボットアーム付き移動ロボット（即ち、ロボットの移動機能を実現する移動架台にロボットアームを搭載して自動走行する移動ロボット）においては、車体の移動とロボットアームの動きの双方の点から安全を確保する必要がある。

これに関し、搬送台車と呼ばれている移動架台の前部及び後部に超音波センサ、光学式センサ等の非接触型の台車用障害物検知センサを、検出区域を水平に設定して設けると共に、移動架台の周囲部に非接触型のアーム用障害物検知センサを、斜め上方を指向するように設け、台車用障害物検知センサの障害物検知距離を、アーム用障害物検知センサの障害物検知距離よりも長く設定することが提案されている（特許文献１）。この移動ロボットによれば、人、周囲の設置物、他の移動ロボット等の障害物が進行方向前方に存在する場合に、アーム用障害物検知センサが障害物を検知する前に台車用障害物検知センサが障害物を検知するので障害物をアーム用障害物検知センサが検知する前に移動架台を停止させることができ、さらに、台車用障害物検知センサが障害物を検知してもアーム用障害物検知センサが障害物を検知しない場合にはロボットアームに対する安全確保動作は実行されないので、移動架台が停止した後もアーム用障害物検知センサが障害物を検知するまではロボットアームによる作業を継続することができる。したがって、ロボットアームによる作業を効率的に行えるとされている。

また、ロボットの動作プログラムによって、移動台車と呼ばれている移動架台の平面投影範囲からのロボットのはみ出し量を規制すると共に、作業台を囲む衝立を設ける等のハードによってロボットの動作範囲を規制することが提案されている（特許文献２）。

特開平９－３００２５２号公報 特開２０１８－１１１１８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載のように台車用障害物検知センサとアーム用障害物検知センサで検知範囲や検知方向を異ならせ、台車用障害物検知センサが障害物を検知してもアーム用障害物検知センサが障害物を検知しない状態でロボットアームに作業を継続させると、障害物のロボットアームへの接近速度が速い場合には、ロボットアームと障害物が衝突する危険があり、例えば、ロボットアームの周囲で作業をしている人が負傷する可能性がある。

また、特許文献２に記載のように、ロボットアームの動作範囲を、移動架台の平面投影範囲からのはみ出し量で規制しても、その動作範囲に人が侵入してしまうことを防ぐことはできず、動作範囲に入った人が負傷する危険がある。

これに対し、安全を確保するためには、非接触型センサを移動架台に設置するにあたり、その設置位置を、ロボットアームの動作が許されている制限空間から安全距離だけ離したところにして安全防護空間を形成することが考えられる。この場合、非接触型センサの障害物の侵入を検出する検出区域が水平面をなすと人とロボットアームとの接触を防止するために必要な安全距離として通常１～３ｍが必要となるのに対し、検出区域が床面に対して鉛直方向に延びた鉛直面をなすと安全距離を０．５～１ｍ程度に短くすることができる。

しかしながら、検出区域が鉛直面をなすように移動架台に非接触型センサを設置する場合でも、ロボットアームの制限空間から安全距離だけ離したところに非接触型センサを設置するとその非接触型センサが移動架台の走行の障害となり、従前の幅の通路を通れない虞がある。また、移動架台が角を曲がるときに接触型センサが周囲の構造物に接触して非接触型センサや周囲の構造物が破損する虞もある。

そこで本発明の課題は、ロボットアームが移動架台に搭載された移動ロボットにおいて、非接触型センサを用いて安全防護空間を形成することにより移動架台の走行時やロボットの作業時の周囲に対する安全を確保し、かつ、非接触型センサが移動架台の走行の障害にならないようにする技術に関する。

本発明者は、移動架台である車体にロボットアームが搭載されたロボットアーム付き移動ロボットに、障害物の侵入を検出する検出区域が鉛直面をなすように非接触型センサを設置し、その検出区域で安全防護空間を形成するにあたり、周囲に対する安全を確保しつつロボットアーム付き移動ロボットがスムーズに走行できるようにするには、非接触型センサの水平方向の位置を移動可能とすることが有効であることを想到し、本発明を完成させた。

即ち、本発明は、ロボットアームが車体に搭載され、非接触型センサが設置されているロボットアーム付き移動ロボットであって、
該非接触型センサは検出区域が鉛直面をなし、該検出区域が該ロボットアームの安全防護空間を形成し、該非接触型センサの水平方向の位置が移動可能であるロボットアーム付き移動ロボットを提供する。

また、本発明は、ロボットアームが車体に搭載されたロボットアーム付き移動ロボットにおいて、該ロボットアームの安全防護空間を、該ロボットアーム付き移動ロボットに設置した非接触型センサを用いて形成する安全防護空間の形成方法であって、
該非接触型センサによる検出区域を鉛直面とし、該非接触型センサの水平方向の位置を移動可能とすることにより安全防護空間の大きさを可変とする安全防護空間の形成方法を提供する。

なお、本明細書で「検出区域」とは、非接触型センサ自体の能力として物体の存在を検出可能な全範囲に限られず、該全範囲のうち、ソフトウエアなどによって使用者や設計者が定める一部の範囲でもよい。

本発明のロボットアーム付き移動ロボットによれば、安全防護空間を形成する非接触型センサの検出区域が鉛直面をなし、さらに、非接触型センサの水平方向の位置が移動可能である。したがって、例えば、ロボットアームの作業停止中に車体を走行させる際に、非接触型センサの設置位置を車体近傍とすると、通路幅が狭くても非接触型センサがロボットアーム付き移動ロボットの走行の障害になりにくく、また、車体を停止させてロボットアームに作業を行わせるときに、非接触型センサの設置位置を車体外周部から外側に離れた位置とすることにより、ロボットアームの作業に必要な安全を確保することができる。

こうして本発明によれば非接触型センサにより安全防護空間を確保しつつ、非接触型センサがロボットアーム付き移動ロボットの走行の障害になることを防止することができる。

図１Ａは、ロボットアームが作業停止中で非接触型センサが車体近傍にあるロボットアーム付き移動ロボット１Ａの上面図である。 図１Ｂは、ロボットアームが作業停止中で非接触型センサが車体近傍にあるロボットアーム付き移動ロボット１Ａの正面図である。 図１Ｃは、ロボットアームが作業停止中で非接触型センサが車体近傍にあるロボットアーム付き移動ロボット１Ａの側面図である。 図２Ａは、ロボットアームが動作中で非接触型センサが車体近傍より離れているロボットアーム付き移動ロボット１Ａの上面図である。 図２Ｂは、ロボットアームが動作中で非接触型センサが車体近傍より離れているロボットアーム付き移動ロボット１Ａの正面図である。 図２Ｃは、ロボットアームが動作中で非接触型センサが車体近傍より離れているロボットアーム付き移動ロボット１Ａの側面図である。 図３Ａは、ロボットアームが動作中で非接触型センサが車体近傍より離れているロボットアーム付き移動ロボット１Ａの上面図である。 図３Ｂは、ロボットアームが動作中で非接触型センサが車体近傍より離れているロボットアーム付き移動ロボット１Ａの正面図である。 図３Ｃは、ロボットアームが動作中で非接触型センサが車体近傍より離れているロボットアーム付き移動ロボット１Ａの側面図である。 図４は、ロボットアーム付き移動ロボット１Ａの通路の説明図である。 図５は、物品を運搬箱に収納しているロボットアーム付き移動ロボット１Ａの正面図である。 図６Ａは、ロボットアームが作業停止中で非接触型センサが車体近傍にあるロボットアーム付き移動ロボット１Ｂの上面図である。 図６Ｂは、ロボットアームが作業停止中で非接触型センサが車体近傍にあるロボットアーム付き移動ロボット１Ｂの正面図である。 図６Ｃは、ロボットアームが作業停止中で非接触型センサが車体近傍にあるロボットアーム付き移動ロボット１Ｂの側面図である。 図７Ａは、ロボットアームが動作中で非接触型センサが車体近傍より離れているロボットアーム付き移動ロボット１Ｂの上面図である。 図７Ｂは、ロボットアームが動作中で非接触型センサが車体近傍より離れているロボットアーム付き移動ロボット１Ｂの正面図である。 図７Ｃは、ロボットアームが動作中で非接触型センサが車体近傍より離れているロボットアーム付き移動ロボット１Ｂの側面図である。 図８Ａは、ロボットアーム付き移動ロボット１Ｃの正面図である。 図８Ｂは、ロボットアーム付き移動ロボット１Ｃの側面図である。 図９Ａは、ロボットアームが作業停止中で非接触型センサが車体近傍にあるロボットアーム付き移動ロボット１Ｄの上面図である。 図９Ｂは、ロボットアームが作業停止中で非接触型センサが車体近傍にあるロボットアーム付き移動ロボット１Ｄの正面図である。 図９Ｃは、ロボットアームが作業停止中で非接触型センサが車体近傍にあるロボットアーム付き移動ロボット１Ｄの側面図である。 図１０Ａは、ロボットアームが動作中で非接触型センサが車体近傍より離れているロボットアーム付き移動ロボット１Ｄの上面図である。 図１０Ｂは、ロボットアームが動作中で非接触型センサが車体近傍より離れているロボットアーム付き移動ロボット１Ｄの正面図である。 図１０Ｃは、ロボットアームが動作中で非接触型センサが車体近傍より離れているロボットアーム付き移動ロボット１Ｄの側面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。なお、各図において同一符号は、同一または同等の構成要素を表している。

＜ロボットアーム付き移動ロボットの全体構成＞
図１Ａは本発明の一実施例のロボットアーム付き移動ロボット１Ａであって、ロボットアームが停止中で非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃが車体外周部で車体近傍にある状態の上面図であり、図１Ｂはその正面図、図１Ｃはその側面図である。また、図２Ａはこのロボットアーム付き移動ロボット１Ａのロボットアームが作業中で非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃが車体から離れた位置にある状態の上面図であり、図２Ｂはその正面図、図２Ｃはその側面図である。

このロボットアーム付き移動ロボット１Ａは、自律移動方式（即ち、無人搬送車方式）で待機地点から作業地点へ走行し、作業地点で所定の作業を行う。ロボットアーム付き移動ロボット１Ａの車体２には、垂直多関節型のロボットアーム１１を２つ備えた双腕型ロボット１０が搭載されている。双腕型ロボット１０の肩の部分には警告灯１４が設けられている。

また、車体２には、該車体２の左右の各側面から車体外側方向への水平方向の移動と復帰が可能なスライダー７１を有する水平移動装置７０Ａ、７０Ｂと、車体２の背面から車体外側方向への水平方向の移動と復帰が可能なスライダー７１を有する水平移動装置７０Ｃが設けられている。これらの水平移動装置７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃには非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃとしてレーザスキャナを検出方向が上向きになるように取り付けられている。これにより、車体２の左右の側面側に位置する非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂの検出区域Ｄa、Ｄbは車体２の側面に平行な鉛直面となり、車体２の背面側の非接触型センサ８０Ｃの検出区域Ｄcは車体の背面に平行な鉛直面となる。レーザスキャナでは鉛直面内の検出区域を所定形状に設定することができるので、各検出区域Ｄa、Ｄb、Ｄcがロボットアーム付き移動ロボット１Ａの安全防護空間Ｓa を形成するように各レーザスキャナを設定する（図１Ａ）。

なお、本発明において鉛直面は、重力方向に対して厳密に平行な面に限定されることはなく、実質的に鉛直面であればよい。

また、本発明において非接触型センサの設置位置は上述の例に限定されず、ロボットアーム付き移動ロボットが走行する通路や作業エリアの周囲の構造物の配設状況等に応じて適宜変更することができる。例えば、水平移動装置のスライダー７１が車体２の前後左右の４方から車体外側方向へ移動可能に設けることで、非接触型センサの検出区域を車体の前後左右の四方から囲む位置としてもよい。

また、本発明において非接触型センサの水平方向の位置を移動可能に設置する方法は、水平移動装置の使用に限定されず、例えば、後述するように旋回型移動装置（図９Ａ～図１０Ｃ）に非接触型センサを取り付けてもよい。

車体２には双腕型ロボット１０の前方に作業台５０が設けられている。車体２には荷物の搬送に使用する荷台、運搬箱６０等が設けられていても良い（図５）。

（自動走行システム）
車体２にはロボットアーム付き移動ロボット１Ａが自動で所定の通路を通ってピック地点、作業地点、プレイス地点、待機地点等に行けるように自律移動方式の自動走行システムが搭載されている。自律移動式における自己位置の推定方法や精度の向上方法は特に限定されず、例えば、レーザ測距式、レーザＳＬＡＭ（Simultaneous Localization And Mapping）式、画像ＳＬＡＭ式などが挙げられる。また、周囲の物体の位置分布の検出にはＬＲＦ（Laser Range Finder）、別名Ｌｉｄｅｒ（Light Detection and Ranging）を使用することが一般的である。自動走行の精度向上の例として、ＲＦＩＤ、ＱＲコード（登録商標）、磁石などを使用した定点補正を行っても良い。

なお、本発明において自動走行の方式は自律移動方式に限定されず、例えば、経路誘導式、追従式等でもよい。このうち、経路誘導式としては、電磁誘導式、光学誘導式、磁気誘導式、磁性体誘導式等をあげることができ、使用可能なセンサや床の制約から適式なものが選択される。

（非接触型センサ）
上述のように本実施例では非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃとしてレーザスキャナを使用しているが、本発明において非接触型センサの種類は特に限定されない。例えば、レーザスキャナの他、ライトカーテン、エリアセンサ、超音波式センサ、赤外線センサ等を使用することができる。安全面及び信頼性の点からはレーザスキャナ、ライトカーテンが好ましく、さらに、発光位置と受光位置が概ね同位置であることにより設置が容易であり、コンパクトに設置できる点からレーザスキャナが好ましい。

また、ライトカーテン、レーザスキャナに関し、ＩＳＯ規格、ＳＩＬ規格において、ＰＬd、ＰＬｅ、ＳＩＬ２、ＳＩＬ３等で表される信頼性の高い機器はそれぞれ、セーフティ・ライトカーテン、セーフティ・レーザスキャナと呼ばれる。本発明ではレーザスキャナとして、セーフティ・レーザスキャナを使用することが好ましい。

セーフティ・レーザスキャナは、レーザ光を放射状に走査するにあたり、正面や側面だけでなく、後方左右それぞれ４５度を含む２７０°の水平スキャニングをできるものが一般的である。また、検出距離を任意に設定することができ、検出区域の形を任意に定めることができる。

セーフティ・レーザスキャナでは、一つのセーフティ・レーザスキャナに複数の検出区域を設定することも可能である。事前にいくつかの検出区域を設定し、ロボットアームの作業に応じて検出区域を切り替えて使用しても良い。設定した検出区域ごとの検出信号を、独立した複数端子から出力させることができるので、検出区域ごとの障害物の検出に高い信頼性を得ることができる。

本発明では、非接触型センサの検出区域が鉛直面をなすように非接触型センサを車体に取り付ける。即ち、レーザスキャナのレーザ光、超音波式センサの超音波等の検知要素が鉛直面を走査し、又はレーザカーテン等のレーザ光の配列面が鉛直面を形成するように非接触型センサを取り付ける。これは次の理由による。検出区域が水平面をなすと、検出区域に人が侵入した場合に、人の胴体のみが検出されることが多い。そのため、安全距離（ＪＩＳ Ｂ ９７１５）の計算では、危険源となるロボットアーム方向に伸びる人の腕の長さを考慮することが必要となり、安全距離として通常１～３ｍが必要となる。なお、人の腕の長さは０．８５ｍとすることが慣例であり、これに、センサの検知時間とロボットなど装置の停止時間の合計に対して人の接近速度を乗算して得られる距離を加えて、安全距離が算出される。これに対し、検出区域が鉛直面をなすように非接触型センサを設置すると、安全距離の計算で人の腕の長さを考慮することが不要となり、安全距離を通常０．５～１ｍ程度に短くすることができる。

このように検出区域を鉛直面とすることで水平面とするよりも安全距離を狭めることができ、その分、人がロボットアームの近くにいてもロボットアームの動きを減速させたり停止させたりすることが少なくなる。よって、検出区域を鉛直面とすることでロボットアームの作業効率を向上させることができる。

ここで、安全距離は、一般には上肢及び下肢が機械類の危険区域に到達することを防止するために保護構造物と危険区域との間に設ける適切な距離をいい（ＪＩＳ Ｂ ９７１８）、ロボットアーム付き移動ロボットにおいては、危険源であるロボットアーム、エンドエフェクタ又はエンドエフェクタが把持しているワークに人が接触する前にこれらの危険源が危険でないようにすることを可能とする距離である。

図２Ａ～図２Ｃに示すように、制限空間Ｓrに安全距離Ｌを加えた位置が安全防護空間Ｓaである。非接触型センサにより形成される安全防護空間に人等の障害物が侵入すると、ロボットアームは動きを減速又は停止するようにロボットアームの制御装置のプログラムにより制御される。したがって、ロボットアームの周囲にいる人は、安全防護装置の外側にいることで安全が保証される。

なお、安全防護空間は周囲の安全防護で定義される（ＪＩＳ Ｂ ８４３３－１）。より具体的には、ロボットアーム周囲の非接触型センサ等の安全防護装置の他に、柵などによる機械的なガード、作業環境における周囲の構造物等によっても安全防護空間が形成される。

制限空間Ｓrは、危険源であるロボットアーム、エンドエフェクタ、エンドエフェクタが把持しているワークの動きが超えることがないように制限されている空間である。制限空間は、ＪＩＳ Ｂ ８４３３－１には「最大空間の一部であり、超えてはならない限度を設定する制限装置によって制限する空間」と定義されている。ここで「最大空間」はＪＩＳ Ｂ ８４３３－１にて「製造業者が定めたロボット可動部が届く空間に、エンドエフェクタ及びワークが届く空間を加えた空間。」と定義されている。

制限空間Ｓrは、ロボットアームの制御装置のプログラムによるロボットアーム動作の制限と、機械的な制限で形成される。制御装置のプログラムによるロボットアーム動作の制限は、作業の開始に先立ってロボットアームの形状、大きさ、ワークのサイズ、各種作業動作及び作業環境等を考慮してロボットアームが人、周囲の設置物、他の自律型移動ロボット等の障害物と接触しないように作成される。

制限空間Ｓrをロボットアームが越えないようにするため、ロボットアームの位置、速度、停止状態等がリアルタイムで監視され、ロボットアームが制限空間を超えそうな場合には、強制的にロボットアームの動きが停止となる。

このように安全防護空間Ｓaと制限空間Ｓrを設けてロボットアームを監視するロボットアームの制御装置のプログラムは、ロボットアームが各種作業を行うプログラムから独立していると、各作業のプログラムによって影響を受けることがないので信頼性が高まって好ましい。

ロボットアームを監視する制御装置のプログラムは特に限定されない。市販品の一例として、ロボットコントローラに追加するものとしては、ファナック(株)製のデュアル・チェック・セイフティ（ＤＣＳ）、(株)安川電機製の機能安全基板ＤＸ２００、三菱電機(株)製の安全拡張ユニット等が挙げられる。また予めロボットコントローラに内蔵されているものとしては、(株)デンソーウェーブ製のＲＣ８Ａコントローラ、ＵＮＩＶＥＲＳＡＬ ＲＯＢＯＴＳ ｅ－Ｓｅｒｉｅｓ、ファナック(株)製のロボットＣＲ－７ｉＡ、ＣＲ－４ｉＡ、ＣＲ－１５ｉＡ、ＣＲ－７ｉＡ、ＣＲ－３５ｉＡ等が挙げられる。この中でも特にＩＳＯ１０２１８－１（ＪＩＳ Ｂ ８４３３－１）に適合する協働ロボットであるファナック(株)製のロボットＣＲ－７ｉＡ、ＣＲ－４ｉＡ、ＣＲ－１５ｉＡ、ＣＲ－７ｉＡ、ＣＲ－３５ｉＡ、ＣＲＸシリーズが特に使用に適している。

なお、本実施例では、非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃとしてレーザスキャナを検出方向が上向きになるように取り付けているが、さらに検出方向が下向きのレーザスキャナを増設してもよい。これにより下方向の安全防護空間を拡張することができる。

（警告灯）
ロボットアームの周囲の作業者の安全を確保するため、警告灯１４又は音響によって作業空間の存在や、安全防護空間への侵入に対して注意喚起することが好ましい。警告灯１４の発光色を周囲の状況、例えば周辺との隙間が狭かったり、安全防護空間までの作業者の距離などに応じて変化させると、周囲の作業者がロボットアーム１１の状況を判別できるので、誤って双腕型ロボット１０に近づいてロボットアーム１１が減速したり停止したりすることにより生産性に支障がきたされることを防止することができる。

（水平移動装置）
水平移動装置７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃは、電動式、空圧式等によって、非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃが取り付けられているスライダー７１を移動させることで非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの位置を水平方向に変化させる。水平移動装置７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃは、ロボットアーム１１の作業状態によって非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの停止位置を任意に調整できるように、停止位置の変更が容易な電動式のものが好ましい。また、水平移動装置７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃには、ロボットアーム１１の作業状態によってスライダー７１を次のように移動させる制御装置が備えられていることが好ましい。

即ち、車体２の停止中でも移動中でもロボットアーム１１が高速で作業している間は作業の停止に時間を要するため安全距離が長くなる。そこで、水平移動装置７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃのスライダー７１を車体外周部の外側方向に移動させ、非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃを車体外周部から外側方向へ離れた位置にすることが好ましい。これにより十分に大きい安全距離を得ることができる。一方、ロボットアーム１１が低速で作業している間は、作業停止に時間を要さないため安全距離が短くなる。そこで、水平移動装置７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃのスライダー７１を車体２の内側方向へ移動させ、非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃを車体に近づけることができ、ロボットアーム１１が停止中はさらに車体に近づけ、車体近傍の位置とすることができる。

なお、非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの移動をロボットアーム１１によって行っても良いが、非接触型センサ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの移動中にロボットアーム１１やエンドエフェクタ２０の一部が検出区域の外側に出てしまう虞をなくす等のため、上述のようにスライダー７１によって移動させることが好ましい。また、非接触型センサを取り付ける移動装置としては、後述する実施例のロボットアーム付き移動ロボット１Ｄ（図９Ａ～図１０Ｃ）のように、移動装置の支柱７６が旋回可能なものでもよい。

（ロボットアーム）
本実施例においてロボットアーム１１としては、双腕型ロボット１０の左右のアームとして垂直多関節型のロボットアームが設けられている。本発明においてロボットアームはこれに限定されず、水平多関節型、パラレルリンク型等としてもよいが、垂直多関節型とすることによりアームの動作範囲を広くすることができる。

また、本実施例のロボットアーム付き移動ロボット１Ａでは図１Ｂに示したように、左右のロボットアーム１１を基部１２に取り付け、その基部１２を車体２に取り付けているが、後述する実施例のロボットアーム付き移動ロボット１Ｂ（図６Ａ～図７Ｃ）のようにロボットアームを車体２に直接取り付けても良い。ロボットアーム１１を基部１２に取り付ける場合には、基部１２を車体２上で水平回転可能とすることが好ましい。これにより、ロボットアーム付き移動ロボット１Ａの車体２の向きにかかわらず、種々の作業をロボットの正面で行うことで作業の最適化を図ることができる。また、ロボットアーム１１の動作範囲を広げることができる点でも好ましい。

左右のロボットアーム１１は相互監視されており、アーム先端部等のアームの各部同士等が干渉しないように制御されていることが好ましい。通常、双腕型ロボットのロボットアームは、そのロボットコントローラによって監視される。左右のロボットアームそれぞれが独立したコントローラを有する場合は、２つのコントローラの両方を制御や監視する特別なコントローラによって監視される。これにより、ロボットアーム１１の動作プログラムに誤りがあり、双腕型ロボット１０が備えるカメラが撮った画像の認識に基づく自律的な動作をロボットアーム１１にさせるときに、左右のロボットアーム１１同士が接触して破損することを防止することができる。

なお、本発明においてロボットアームは双腕型に限られない。３つ以上のロボットアームがロボットアーム付き移動ロボット１Ａに設けられても良く、これにより多種多様な作業が可能となる。

（エンドエフェクタ）
左右のロボットアーム１１の先端にはエンドエフェクタ２０が設けられている。エンドエフェクタ２０には、ロボットアーム付き移動ロボット１Ａが扱う物品の素材、形状、物品に対する作業内容等に応じて物品を把持することのできる把持部や、物品に吸着することのできる吸着部、荷物を縛っている紐を切断する刃などを設けることができる。

作業の具体例としては、物品の積み下ろし、物品の整列、組み立て、ネジ締め、溶接、ハンダ付け、塗装などが挙げられる。

エンドエフェクタが扱う物品の具体例としては、箱、積層した段ボール等のシート、シートの積層物を紐などで束ねたもの、木材、金属材料、樹脂材料、ボトル、キャップ、又はロール状のフィルム、紙若しくは不織布といったものが挙げられる。

（作業台）
作業台５０では物品への作業が行なわれる。作業台５０は物品を運搬箱６０に収納したり（図５）、運搬箱から取り出したりする場合に運搬箱を置いておく荷台としても使用することもできる。作業台５０としては、物品を安定に保持できるものを使用する。作業台５０そのものの構造は特に限定されない。平板状のもの、板材の左右前後に荷物落下防止の桟や壁を有するもの、カゴ状、孔空きの板からなるもの、物品のがたつきを防止するため物品を置く部分に凸状や凹状構造を有するもの等が挙げられる。

作業台５０には、作業内容に応じて、電動又は空圧駆動のチャック等の物品を把持するための機構を設けてもよい。

（運搬箱）
ロボットアーム付き移動ロボットの使用例で説明するように、ロボットアーム付き移動ロボット１Ａはロボットアーム１１で物品を運搬箱６０に収納したり、運搬箱６０の中の物品をロボットアーム１１が特定の場所に供給したりすることができる（図５）。運搬箱６０としては、物品を安定的に保持できるものを使用する。運搬箱６０は１個を使用しても良く、複数個を使用しても良い。運搬箱６０そのものは特に限定されない。例えば、運搬箱６０の形状としては、立方体状、直方体状、多角柱箱状、円柱状などが挙げられる。蓋があるものも無いものも使用することができる。運搬箱６０の構造も特に限定されず、折り畳めるものであっても、折り畳めないものであっても良い。運搬箱６０の具体例としては、段ボール箱、樹脂箱、折り畳み可能なコンテナケースなどが挙げられる。物品のがたつきを防止するには、物品を置く部分に凸状や凹状構造を有するもの、仕切り板があるもの等の方法が挙げられる。

運搬される物品も特に限定されず、一例として、ボトル、ジャー、袋、チューブ、箱、といった内容物入り容器や空容器、その他、本、食料品、機械部品などが挙げられ、さらにこれらの物品の詰め合わせ品といったものも挙げられる。

（画像認識）
本実施例のロボットアーム付き移動ロボット１Ａには、双腕型ロボット１０の基部１２の上方、即ち、双腕型ロボット１０を人型と見なした場合の頭部１３に相当する位置に画像認識に使用するカメラ３０が設けられており、双腕型ロボット１０には画像認識システムが内蔵されている。カメラ３０で撮った画像情報は、有線又は無線でロボットアームの制御プログラムに送られ、ロボットアーム１１の高度な動作制御を行うことが可能となる。

即ち、ロボットアーム付き移動ロボットは、自動走行方式が経路誘導式、自律誘導式、追従式のいずれであっても、一般には目標の停止位置に精確に停止することはできない。通常、±５０ｍｍ程度の位置誤差が生じる。補正装置を使用した場合でも±１０ｍｍ程度の位置誤差が生じる。この補正装置としては、目的位置の床に貼った磁気テープを読み取るセンサ、目的位置周辺に設置した時別な形状の目標を検知するセンサなどが挙げられる。但し、荷積みや荷下ろしにおいて、ロボットアームと周囲との位置関係に高い精度が必要となる場合には補正装置が荷物の移載に支障をきたすことがある。

これに対し、画像認識システムによれば、荷積み、荷下ろし等の作業地点の周囲のマーカーや特徴的な対象物が画像認識されるので、目標の停止位置にロボットアーム付き移動ロボット１Ａが到達すると、その情報が自動走行システムに送られる。あるいは、ロボットアーム付き移動ロボット１Ａの目標の停止位置に対する実際の停止位置のズレ量や角度のズレ量を画像認識システムが推測し、ロボットアームの動作を補正する。このため、所期の動作を確実に行うことができる。

ロボットアーム付き移動ロボット１Ａの停止位置の補正のために画像認識システムを使用するだけでなく、荷積み、荷下ろしといったロボットアーム１１の動作を、画像認識システムで荷物、荷台、運搬箱、作業台などの対象物を認識することにより行っても良い。画像認識システムを用いて、物品のバーコードや色などの検査を行っても良い。また、画像認識システムを、走行時の安全性の向上のために使用してもよい。一方、物品のバーコード検査には、専用のバーコードリーダを使用してもよい。

画像認識に使用するカメラ３０や画像認識システム自体には特に制限がない。２次元型画像や、ステレオカメラなどによる３次元型画像の情報を処理する公知の画像認識システムを使用することができる。また、拡張現実（ＡＲ；Augmented Reality）により、撮像した画像でマーカーの大きさ、向き、変形度合の情報を得、それによりロボットアームの位置のずれ量を推測するものを使用してもよい。画像認識する対象物、処理時間、コスト等に応じて適宜選択される。従来型の２次や３次元の画像認識システムに加えて、ＡＩ画像認識を使用しても良い。ＡＩ画像認識の方法は特に限定されない。一例として、ＯＳＡＲＯ社製の機械学習による方式、(株)エイアイキューブ製の商品Ａｌｌｉｏｍの事前に物品積み上げシミュレーションを行っておくことで認識可能とする方式などが挙げられる。

カメラの設置位置も特に限定されない。例えば、後述する実施例のロボットアーム付き移動ロボット１Ｂ（図６Ａ～図７Ｃ）のように、ロボットアーム１１の基部１２とは別個にロボットアーム付き移動ロボット１Ｂにポール状の背の高い設置具３１を起立させ、その設置具３１にカメラ３０を設置してもよい。カメラ３０の設置位置を高くすることにより、遠方から物品を確認することができる。そのため、カメラレンズによる画像の歪みを小さくすることができ、物品の位置の誤認を防止することができる。さらに、画像認識の視野をロボットアーム１１が遮っていなければ撮像可能なので、ロボットアームの動作開始前に画像認識の演算を、時間的に余裕を持って行うことができる。一方、荷積み、荷下ろし等のロボットアームの動作に画像認識システムを使用する場合には、ロボットアームの先端にカメラを設置してもよい。この場合には、カメラが荷物に近づくことができるので、荷物の検査が容易になり、さらにカメラを支える設置具がロボットアームの動きを制約することもない。

（ロボットアーム付き移動ロボットの使用例）
ロボットアーム付き移動ロボット１Ａの使用例として、ロボットアーム付き移動ロボット１Ａが図４に示した通路Ａを通って待機地点Ｐ1から物品のピック地点Ｐ2に向かい、作業地点Ｐ3で、ピックした物品に対して作業をすると共に作業を完了した物品をプレイスし、その後に待機地点Ｐ1に戻る例を、図１Ａ～図１Ｃ、図２Ａ～図２Ｃ、図３Ａ～図３Ｃを参照しつつ説明する。

図４に示した待機地点Ｐ1に停止中のロボットアーム付き移動ロボット１Ａ、及び待機地点Ｐ1からピック地点Ｐ2に向かう移動中のロボットアーム付き移動ロボット１Ａは、図１Ａ～図１Ｃに示したように、非接触型センサとしてレーザスキャナ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃが車体外周部で車体２の近傍に位置している。各レーザスキャナ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃは上向きに照射したレーザ光を鉛直面で放射状に走査することで鉛直面をなす検出区域Ｄa、Ｄb、Ｄcを形成している。この検出区域Ｄa、Ｄb、Ｄcにより、ロボットアーム付き移動ロボット１Ａの左右の側面側及び背面側の安全防護空間Ｓaが車体近傍に縮小した状態で形成される。したがって、ロボットアーム付き移動ロボット１Ａは狭い通路の移動や、小回りが可能となる。特に、狭い通路の曲がり角などで周囲の構造物に衝突することなく向きを変えることができる。

なお、ロボットアーム付き移動ロボット１Ａの前方は、本実施例の場合はロボットアーム１１が前方の人が存在しない作業対象にエンドエフェクタ２０を伸ばして作業するので、非接触型センサによって安全防護空間を形成することが不要であることにより、ロボットアーム付き移動ロボット１Ａの前方には非接触型センサによる検出区域の設定がなされていない。また、床面方向及び天井方向は、実際上、安全防護空間への障害物の侵入を考慮しなくてもよいため、これらの方向に対しても非接触型センサによる検出区域の設定は省略されている。

通常、移動ロボットおいて走行時の通路確認は自律移動型ロボットに備えられているカメラ（画像ＳＬＡＭ）やレーザセンサ（レーザＳＬＡＭ）等によって行われる。本実施例のロボットアーム付き移動ロボット１Ａにおいても、カメラ３０は走行時に通路周辺に設置したマーカーや特徴的な対象物を確認することも可能なので前方を向いている。

図４に示したピック地点Ｐ2ではロボットアーム付き移動ロボット１Ａは所定の物品をピックして作業台５０に載せ、所定の作業を行う。ロボットアーム１１の作業中は人の制限空間への侵入を確実に妨げられるように安全防護空間を拡張した位置に設定する。このため、図２Ａ～図２Ｃに示すように、水平移動装置７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃのスライダー７１が車体２の外側へ移動することにより、その端部に取り付けられていたレーザスキャナ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃは車体外周部において車体近傍から外側に離れ、双腕型ロボット１０の右側面、左側面、背面から離間した位置に移動し、この位置で検出区域が車体２の右側面、左側面、背面に平行な鉛直面をなすようにレーザ光による検出方向を走査させ、安全防護空間Ｓaを形成する。

なお、双腕型ロボット１０の前面の安全防護空間の境界は、壁面の存在により形成され、床面側の安全防護空間の境界は、レーザスキャナ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの下方向に設定された検出区域により形成される。また、ロボット１０の頭上側には人の接近を考慮する必要がないため、安全防護空間の境界を設けていない。

車体２の左右及び背面のレーザスキャナ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの検出区域をそれぞれ制限空間Ｓrからどの程度離すかは、双腕型ロボット１０の向き、作業内容、ロボットアーム１１の運転速度等に応じて適宜選択される。

そこで、ピック地点Ｐ2から作業地点Ｐ3に向かう途中は、図１Ａ～図１Ｃに示したようにレーザスキャナ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの位置を車体近傍とする。また、作業地点Ｐ3において車体２の進行方向の左側が部品のピックを行う作業エリアＤであり、正面側が、地点Ｐ2でピックした物品に、作業地点Ｐ3でピックした部品を取り付けたものをプレイスする作業エリアＥである場合、図３Ａ～図３Ｃに示すように車体２の進行方向右側のレーザスキャナ８０Ａと後ろ側のレーザスキャナ８０Ｃをそれぞれ水平移動装置７０Ａ、７０Ｃで車体２から離れた位置に移動させる。これにより、ロボットアーム１１の左側と背面側に十分な安全距離を確保することができ、ロボットアーム１１は安全に作業をすることが可能となる。

なお、地点Ｐ2で所定の作業を施した物品を地点Ｐ3に搬送するにあたり、図５に示すように、所定の作業を施した物品Ｂを運搬箱６０に収納して搬送してもよい。

一方、地点Ｐ3でのロボットアーム１１の運転速度が地点Ｐ２でのピック作業よりも遅い場合には、必要とされる安全距離は地点Ｐ2におけるピック作業での安全距離よりも短くなるので、レーザスキャナ８０Ａ、８０Ｃの車体２の外側への移動量もピック作業時よりも少なくすることができる。図４の地点Ｐ3のロボットアーム付き移動ロボット１Ａはこのような状態を表している。

なお、地点Ｐ3において、車体２の作業エリアＤ側では該作業エリアＤを囲む壁面が安全防護空間を形成するため、作業エリアＤ側のレーザスキャナ８０Ｂは安全防護空間の形成に使用しない。また、車体２の作業エリアＥ側では該作業エリアＥを囲む壁面によって安全防護空間が形成される。

作業地点Ｐ3において作業を完了した後は、水平移動装置７０Ａ、７０Ｃを車体２の内側に移動させてレーザスキャナ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃを当初の車体外周の近傍の位置とし、ロボットアーム付き移動ロボット１Ａの向きを反転させ、破線矢印で示すように待機地点Ｐ1に向かう。このとき、安全防護空間は縮小しているので、ロボットアーム付き移動ロボット１Ａは、狭い通路でも通ることができ、角部では小回りすることもできる。

＜ロボットアーム付き移動ロボットの変形態様＞
本発明のロボットアーム付き移動ロボットは種々の態様をとることができる。例えば、図６Ａ～図７Ｃに示すようにロボットアーム付き移動ロボット１Ｂのロボットアームとして、１本の垂直多関節型ロボットアーム１１が車体２に固定されることで搭載され、エンドエフェクタ２０には、ボトルの摘まみ上げと摘まみ下ろしに好適な挟持部材２６を有するものでもよい。このロボットアーム１１は荷積み地点でボトルを１本ずつ作業台５０に載せ、所定の作業後に荷下ろし地点でボトルを１本ずつ所定の位置に下ろす等の用途に使用することができる。ボトルの搬送中にボトルの整列等の作業を行っても良い。

また、このロボットアーム付き移動ロボット１Ｂでは、画像認識に使用するカメラ３０が、車体２から起立したポール状の高い設置具３１に取り付けられ、作業台５０の上方の高い位置に設けられている。これにより、カメラレンズによる画像の歪みを小さくすることができ、ボトルの位置の誤認を防止することができる。

非接触型センサとしては、図１Ａ～図３Ｃに示したロボットアーム付き移動ロボット１Ａと同様に、レーザスキャナ８０Ａ、８０Ｂが、スライダー７１を有する水平移動装置７０Ａ、７０Ｂに取り付けられて車体２の左右の側面近傍に位置している。車体２の背面側にも、スライダー７１を有する水平移動装置７０Ｃに取り付けられたレーザスキャナ８０Ｃが位置している。これらレーザスキャナ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの検出区域は鉛直面をなし、安全防護空間Ｓaを形成する。

ロボットアーム１１が作業をするときには、作業位置、作業速度等に応じて、図７Ａ～図７Ｃに示したように、水平移動装置７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃによりスライダー７１を車体の外側に突出させることでレーザスキャナ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃを車体２の外周部の車体近傍から外側へ水平に移動させることができる。

図６Ａ～図７Ｃに示したロボットアーム付き移動ロボット１Ｂにおいて、エンドエフェクタ２０として様々な物品の摘まみ上げと摘まみ下ろしに好適なフレキシブル挟持部材を有するものを使用してもよい。フレキシブル把持部材は特定のものに限定されないが、例えば、図８Ａ、図８Ｂに示すロボットアーム付き移動ロボット１Ｃは、フレキシブル挟持部材２７として、基部が旋回可能な多指の把持ハンドを備えている。この他、フレキシブル挟持部材２７として、物品に沿うように柔軟に変形できる指部を備えた把持ハンド、１つの吸引部とその周囲に加圧部を設けて周囲が物品に沿って安定的に把持が出来る吸着ハンド等を挙げることができる。

図８Ａ、図８Ｂに示すロボットアーム付き移動ロボット１Ｃのロボットアーム１１は、荷積み地点で様々な物品を１個ずつまたは複数個を同時に荷台５０上の運搬箱６０に載せ、荷下ろし地点で物品を１個ずつまたは複数個を同時に所定の位置に下ろす等の用途に使用することができる。なお、運搬箱６０は、車体２上の荷台５０に載せても、車体２上に直接乗せても良い。

ロボットアーム１１は、物品の入った運搬箱６０をそのまま所定の位置に降ろしても良い。運搬箱６０を荷台５０上に載せたり、所定の位置に降ろしたりする場合に、物品の摘まみ上げや摘まみ下ろしをするエンドエフェクタ２０をそのまま使用しても良いし、運搬箱６０の取り扱いに適した別のエンドエフェクタを使用してもよい。

物品の入った運搬箱をそのまま所定の位置に降ろす際には、ロボットアーム１１とは別の荷下ろし装置（図示せず）を使用しても良い。荷下ろし装置はロボットアーム付き移動ロボットに設置されていても良いし、荷下ろし位置に設置されていても良い。

荷下ろし装置としては特に限定されず、一例として、エアシリンダー先端に付けたバキュームパッドやフックで運搬箱６０をロボットアーム付き移動ロボット１Ｃから引きずり降す、吊り上げて降ろす等の方式が挙げられる。このように、運搬箱６０とフレキシブル把持部材２７を使用することで、ロボットアーム付き移動ロボット１Ｃは、物流センターにおけるバラピッキングと呼ばれる、少量多品種の物品を運搬箱にまとめる作業に好適に行えるものとなる。

レーザスキャナ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの水平方向の位置を移動可能とするにあたり、図９Ａ～図１０Ｃに示すロボットアーム付き移動ロボット１Ｄのように、旋回型移動装置７５を使用してもよい。この旋回型移動装置７５では、支柱７６の一端が回転中心となり、他端にレーザスキャナ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃが取り付けられている。図９Ａ～図９Ｃに示すように、支柱７６が起立しているとき、レーザスキャナ８０Ａ、８０Ｂ、８０ＣはＯＦＦ状態で、レーザスキャナは安全防護空間を形成していない。

一方、ロボットアーム１１に作業させるときには図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃに示すように、旋回型移動装置７５の支柱７６を回転させて該支柱７６を水平にし、レーザスキャナ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの検出区域が鉛直面をなし、これにより安全防護空間Ｓaが形成されるようにする。

駆動装置を安価にできるコスト面の観点から、また短時間で非接触型センサを移動できる能力上の観点からは、このように回転で非接触型センサの水平方向の位置を移動させることが好ましく、非接触型センサ位置の微調整を容易とする設定作業面の観点や周囲にいる人がセンサの移動方向を予測しやすくするという安全上の観点からは非接触型センサを前述のように水平に移動することが好ましい。

この他、本発明は、非接触型センサの水平方向の位置を移動可能とする種々の態様をとることができる。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ ロボットアーム付き移動ロボット
２ 車体
１０ 双腕型ロボット
１１ ロボットアーム
１２ 基部
１３ 頭部
１４ 警告灯
２０ エンドエフェクタ
２６ 挟持部材
２７ フレキシブル把持部材
３０ カメラ
３１ 設置具
５０ 作業台、荷台
６０ 運搬箱
７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ 水平移動装置
７１ スライダー
７５ 旋回型移動装置
７６ 支柱
８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃ 非接触型センサ、レーザスキャナ
Ａ 通路
Ｄa、Ｄb、Ｄc 検出区域
Ｌ 安全距離
Ｐ1 待機地点
Ｐ2 ピック地点
Ｐ3 作業地点
Ｓa 安全防護空間
Ｓr 制限空間

Claims (6)

1. ロボットアームが車体に搭載され、非接触型センサが設置されているロボットアーム付き移動ロボットであって、
   該非接触型センサは検出区域が鉛直面をなし、該検出区域が該ロボットアームの安全防護空間を形成し、該非接触型センサの水平方向の位置が移動可能であるロボットアーム付き移動ロボット。
2. 前記非接触型センサが、前記車体外周部において車体近傍から車体外側方向への水平方向の移動と復帰が可能なスライダーに取り付けられている請求項１記載のロボットアーム付き移動ロボット。
3. 前記非接触型センサがレーザスキャナである請求項１又は２に記載のロボットアーム付き移動ロボット。
4. ロボットアームが車体に搭載されたロボットアーム付き移動ロボットにおいて、該ロボットアームの安全防護空間を、該ロボットアーム付き移動ロボットに設置した非接触型センサを用いて形成する安全防護空間の形成方法であって、
   該非接触型センサによる検出区域を鉛直面とし、該非接触型センサの水平方向の位置を移動可能とすることにより安全防護空間の大きさを可変とする安全防護空間の形成方法。
5. 前記非接触型センサの設置位置を、前記ロボットアーム付き移動ロボットの前記ロボットアームの作業停止中は前記車体の外周部において車体近傍とし、前記ロボットアームの作業中は前記車体近傍から外側へ離す請求項４記載の安全防護空間の形成方法。
6. 前記非接触型センサとしてレーザスキャナを使用する請求項４又は５記載の安全防護空間の形成方法。

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