JP3222663U - ロボットのセンサ配置システム - Google Patents

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Abstract

【課題】ロボットが自律的に周囲の環境を感知して、自律的障害物回避能力を高め、さらにロボットシステムのロバスト性を向上させるロボットのセンサ配置システムを提供する。【解決手段】ロボットのセンサ配置システムは、ロボット本体２０に少なくとも１つのセンサ群が設置され、センサ群は画像センサ１００１、１００２と第１慣性センサ１００７を含み、画像センサと第１慣性センサの相対位置を一定にすることにより、画像センサと第１慣性センサが振動、温度変化などの外界の物理的な条件の変化に応じて変化しないようにする。また、画像センサの位置と縦方向との夾角が第１角度範囲（５〜９０°）になるように配置することにより、地面周辺の画像の類似したテクスチャ構造を連続的に収集できる。【選択図】図１

Description

本考案は、ロボットのセンシング技術分野に属し、特にロボットのセンサ配置システムに関する。
貨物流通分野において、ＡＧＶ（Ａｕｔｏ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ：無人搬送車）を用いて貨物の受け取り、輸送及び荷降ろしを行う場合が多い。ＡＧＶのインテリジェント化のレベルが知能移動ロボットのインテリジェント化のレベルより低いため、ＡＧＶ本体に配置されているセンサの数は少ない。通常、ＡＧＶ本体にランドマークグラフィックコードを認識するための画像センサ、磁気ストリップの磁気強度などの情報を読み取る磁気センサが設置されると、情報感知機能が実現される。
ＡＧＶと異なり、ロボット本体には、距離を収集するためのレーザーセンサ、周囲の環境情報を取得するための画像センサ、立体構造を収集するための深度画像センサなど、及び非光学的に収集する超音波測距センサなどの複数種類のセンサが取り付けられている。複数種類のセンサ群によりロボットの感知システムが構成され、それによりロボットは自律的に環境を感知して、タスクを実行することができる。
しかしながら、従来のロボットの感知システムはロボットが自律的に環境を感知してタスクを実行することを可能にするものの、センサ群の設置の合理性が不十分であり、その結果、センサ群の不感帯が多く且つマッチングレベルが低く、センサ群の融合アルゴリズムの精度低下、感知システムのロバスト性低下の原因となっている。その中でも、ロバスト性は英語Ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓに由来するものであり、システムの異常回避及び異常状態からの回復の能力を意味する。ロボットでは、ロバスト性は主にロボットによる周囲の環境への認知能力を意味する。認知能力が高いと、ロボットの衝突などのエラー発生を回避する可能性が高い。このため、ロボットにセンサ群を設置するときに、ロボットのロバスト性を高めるためにセンサの不感帯をできるだけ減少させる必要がある。また、センサ群には複数のセンサが同じ物理量を収集する場合があり、例えば、レーザー測距センサと超音波測距センサは同時にロボットの周囲の障害物からロボット自体までの距離を収集し、同じ物理量を収集する複数のセンサのマッチングレベルが低いと、複数のセンサの融合アルゴリズムの精度低下を招き、ロボットが自律的に環境を感知してタスクを実行することに悪影響を及ぼす。
前記のとおり、従来のロボットの感知システムには、センサ群の不感帯が多く且つマッチングレベルが低いという技術的課題が存在する。
以上の事情に鑑み、本考案の目的は、センサ群の不感帯が多く且つマッチングレベルが低いというロボットの感知システムに存在する技術的課題を解決するために、ロボットのセンサ配置システムを提供することである。
上記技術的課題を解決するために、本考案は、ロボット本体を備え、前記ロボット本体に少なくとも１つのセンサ群が配置されており、前記センサ群は画像センサと前記画像センサとの相対位置が一定の第１慣性センサとを含み、
前記画像センサの位置と縦方向との夾角が第１角度範囲にあるロボットのセンサ配置システムを提供する。
本考案によるロボットのセンサ配置システムでは、ロボット本体に少なくとも１つのセンサ群が配置されており、センサ群は画像センサと第１慣性センサを含み、画像センサと第１慣性センサの相対位置を一定にすることにより、画像センサと第１慣性センサは振動、温度変化などの外界の物理的な条件の変化に応じて変化しなくなり、また、画像センサの位置と縦方向との夾角が第１角度範囲にあることにより、ロボットが自律的に周囲の環境を感知して、自律的障害物回避能力を高め、さらにロボットシステムのロバスト性を向上させる技術的効果を奏する。
一実施例によるロボットのセンサ配置システムのアーキテクチャ模式図である。
以下、本考案の実施例の目的、技術案及び利点をより明瞭にするために、図面及び実施例にて、本考案の実施例をさらに詳細に説明する。なお、ここで説明する特定の実施例は本考案の実施例を解釈するためのものに過ぎず、本考案の実施例を限定するものではない。なお、本考案の実施例の説明において、用語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「内」、「外」などにより示される方位又は位置関係は図面に示される方位又は位置関係に基づくものであり、本考案の実施例を説明しやすくしかつ説明を簡素化させるためのものに過ぎず、示される装置又は構成要素が必ず特定の方位を有したり、特定の方位で構成したり操作したりすることを指示又は示唆するものではなく、このため、本考案の実施例を制限するものと理解できない。
また、本考案の実施例の説明において、明らかに規定又は限定しない限り、用語「取り付ける」、「連結」、「接続」とは広義に理解すべきであり、例えば、固定して接続されてもよく、取り外し可能に接続されてもよく、又は一体に接続されてもよいし、機械的に接続されてもよく、電気的に接続されてもよいし、直接連結されてもよく、中間部材を介して連結されてもよく、２つの構成要素の内部が連通してもよいし、無線で接続されてもよく、有線で接続されてもよい。当業者であれば、場合によって上記用語の本考案の実施例での意味を理解できる。
また、互いに矛盾しない限り、後述する本考案の実施例の各実施形態に係る技術的特徴は、組み合わせることができる。
以下、本考案の実施例による一部の好ましい実施例は当業者が実現するためのガイドとなる。
図１は一実施例によるロボットのセンサ配置システムのアーキテクチャ模式図であり、ロボットのセンサ配置システムを示している。
図１に示されるように、ロボットのセンサ配置システムは、ロボット本体２０を備え、ロボット本体２０に少なくとも１つのセンサ群が配置されており、センサ群は画像センサ（１００１、１００２）と画像センサ（１００１、１００２）との相対位置が一定の第１慣性センサ１００７とを含む。
地面周辺の画像の類似したテクスチャ構造を連続的に収集するように、画像センサ（１００１、１００２）の位置と縦方向との夾角は第１角度範囲にある。
本実施例では、ロボット本体２０に少なくとも１つのセンサ群が設置されており、センサ群は画像センサ（１００１、１００２）と第１慣性センサ１００７を含み、画像センサ（１００１、１００２）と第１慣性センサ１００７の相対位置を一定にすることにより、画像センサ（１００１、１００２）と第１慣性センサ１００７は振動、温度変化などの外界の物理的な条件の変化に応じて変化しないようにし、また、画像センサ（１００１、１００２）の位置と縦方向との夾角が第１角度範囲にあることにより、ロボットが自律的に周囲の環境を感知して、自律的障害物回避能力を高め、さらにロボットシステムのロバスト性を向上させる技術的効果を奏する。
なお、画像センサ（１００１、１００２）と第１慣性センサ１００７の相対位置が一定であり、振動、温度変化などの外界の物理的な条件の変化に応じて変化しないため、特定位置での情報収集が制御可能になり、各センサはそれ自体の収集範囲で実施し、次に収集した情報をロボットシステムに送信して融合演算を強化させ、安定した分業−協業の関係を形成し、このようにセンサの融合アルゴリズムの精度を高め、ロボットのロバスト性を向上させ、ロボットが自律的に環境を感知して、タスクを実行することに寄与する。
なお、画像センサ（１００１、１００２）の位置と縦方向との夾角が第１角度範囲にあることにより、地面周辺の画像の類似したテクスチャ構造を連続的に収集できる。第１角度範囲は５°−９０°、好ましくは角度の値は１０°である。
画像センサ（１００１、１００２）により収集したビデオフレームを分析して計算してロボットの位置及びポーズの変化を取得する。この過程において、類似したテクスチャ構造の連続的な撮影によるビデオフレームの連続性に対して所定の要求がある。したがって、画像センサ（１００１、１００２）の位置と縦方向との夾角は第１角度範囲にある。
特定の実施例では、画像センサ（１００１、１００２）と第１慣性センサ１００７の相対位置が一定になるように、画像センサ（１００１、１００２）と第１慣性センサ１００７は少なくとも１枚の剛性材料に固定される。ここで、剛性材料とは、振動、温度変化などの外界の物理的な条件の変化に応じて変形することがない材料をいう。なお、剛性材料による固定方式は画像センサ（１００１、１００２）と第１慣性センサ１００７の相対位置を一定にするための好ましい一実施例に過ぎない。
さらに、画像センサ（１００１、１００２）は可視光画像センサ１００２と可視光画像センサ１００２との相対位置が一定の深度画像センサ１００１を含む。深度画像センサ１００１と可視光画像センサ１００２の地面からの距離が第１距離値範囲にあることにより、その視界は収集範囲をカバーする。第１距離値範囲は５０ｃｍ−１６０ｃｍである。第１距離値範囲の好ましい値は８０ｃｍである。
なお、深度画像センサ１００１と可視光画像センサ１００２の地面からの距離が第１距離値範囲にあることにより、その視界が収集範囲をカバーし、深度画像センサ１００１と可視光画像センサ１００２の視界がカバーする範囲が大きくなる。深度画像センサ１００１と可視光画像センサ１００２のＦＯＶ（Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｖｉｅｗ：視界）は１つの空間における円錐体である。ロボットは室内で作業する場合、ＦＯＶが大きいほど、深度画像センサ１００１と可視光画像センサ１００２による収集範囲が広い。深度画像センサ１００１と可視光画像センサ１００２の地面からの距離が８０ｃｍ以上である場合、好ましいＦＯＶを実現し得る。
なお、深度画像センサ１００１の作動原理は以下のとおりである。双眼カメラにより形成された三角ＴｏＦ又は可視光又は非可視光発光装置及び受光装置により形成された三角形を用いて障害を収集して障害物における複数の点からセンサまでの距離の画像を形成することができる。
また、深度画像センサ１００１と可視光画像センサ１００２は、画像データを収集してビデオフレームの形でロボットに伝送し、ロボットは画像データを分析することで、自分の空間での位置を特定するとともに、周囲の環境について三次元再構成を行い、同時に、画像分析により顔認識、人体認識、障害物認識、路線または標識の認識などのマシンビジョン感知を行うことができる。
具体的には、可視光画像センサ１００２と深度画像センサ１００１が少なくとも１枚の剛性材料に固定されることにより、可視光画像センサ１００２と深度画像センサ１００１の相対位置が一定になる。ここで、剛性材料とは振動、温度変化などの外界の物理的な条件の変化に応じて変形することがない材料をいう。なお、剛性材料による固定方式は可視光画像センサ１００２と深度画像センサ１００１の相対位置を一定にするための好ましい一実施例に過ぎない。
改良された実施例では、センサ群は、互いの相対位置が一定の光学測距センサ１００４、第２慣性センサ１００６及び機械式スピードメーター１００５を含む。
機械式スピードメーター１００５は前記ロボットのホイールの内部に固定され、光学測距センサ１００４と第２慣性センサ１００６の位置は同一平面にあり、又は上下の垂直距離は第２距離値範囲にある。具体的には、第２距離値範囲は０−４０ｃｍである。第２距離値範囲の好ましい値は２０ｃｍである。
なお、第２慣性センサ１００６はロボット本体２０の慣性量を収集し、光学測距センサ１００４はロボット本体２０と周辺物体との相対距離を収集し、機械式スピードメーター１００５はロボットのホイールの回転数の運動量を収集する。第２慣性センサ１００６は、一般的には、加速度、角速度、磁場の３つの正方向が直交する物理量を測定する。
また、光学測距センサ１００４、第２慣性センサ１００６及び機械式スピードメーター１００５の互いの相対位置は一定であり、外界の物理的な条件の変化に応じて変化しないため、特定位置での情報収集が制御可能になり、各センサはそれ自体の収集範囲で実施し、次に収集した情報をロボットシステムに送信して融合演算を強化させ、安定した分業−協業の関係を形成し、このようにセンサの融合アルゴリズムの精度を高め、ロボットのロバスト性を向上させ、ロボットが自律的に環境を感知して、タスクを実行することに寄与する。
また、機械式スピードメーター１００５は、一般的に、ホイールの軸に固定され、グレーチング又は電磁誘導によってホイールの回転数を取得し、回転数はホイールの半径でホイールの線速度に変換できる。
また、光学測距センサ１００４はレーザー測距センサを用い得る。レーザー測距センサにはレーザーの発光及び受光装置が取り付けられ、三角関係又はＴｏＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ：飛行時間）により障害物からセンサまでの距離が計算される。
また、ホイールが地面と十分に接触して摩擦する場合にのみホイールの単位時間の回転数が正確に測定できるため、ホイールの半径を用いて上記測定値に基づいて対応した弧長、即ち単位時間のロボットの地面に対する移動距離を算出する。このため、機械式スピードメーター１００５は地面に接触する必要がある。
光学測距センサ１００４、第２慣性センサ１００６及び機械式スピードメーター１００５は少なくとも１枚の剛性材料に固定されることにより、光学測距センサ１００４、第２慣性センサ１００６及び機械式スピードメーター１００５の相対位置は一定である。ここで、剛性材料とは、振動、温度変化などの外界の物理的な条件の変化に応じて変形することがない材料をいう。なお、剛性材料による固定方式は光学測距センサ１００４、第２慣性センサ１００６及び機械式スピードメーター１００５の相対位置を一定にするための好ましい一実施例に過ぎない。
光学測距センサ１００４と第２慣性センサ１００６の位置は同一平面にあり又は上下の垂直距離は第２距離値範囲にある。これは、通常、光学測距センサ１００４だけが測定できる測定点がある同一平面にあり、第２慣性センサ１００６の測定値も当該平面又は当該平面に平行な平面にある場合にのみ、両方の測定値が相互参照となるためである。
改良された実施例では、センサ群は、光学測距センサ１００４との相対位置が一定の超音波センサ１００３を含む。超音波センサ１００３の収集方向は光学測距センサ１００４の収集方向と同じである。超音波センサ１００３の位置が、光学測距センサ１００４の走査平面を基準とし、走査平面からの距離が第３距離値範囲にあることにより、超音波センサ１００３は光学測距センサ１００４による透明物体の不十分な感知を補償する。具体的には、第３距離値範囲は０−４０ｃｍである。第３距離値範囲の好ましい値は２０ｃｍである。
なお、超音波センサ１００３は音波を利用して障害物からロボットまでの距離を推定する。光学センサと異なり、このようなセンサは、測定値がおおよその値であり、測定範囲が一般的に空間における円錐体であり、カバレッジが大きく、精度が低いという特徴を有する。さらに、このようなセンサは、光学センサにより感知できない障害物、例えば、ガラスを測定できる。
なお、第３距離値範囲は、超音波センサ１００３が光学測距センサ１００４による透明物体の不十分な感知を補償することを可能にするいずれかの距離の値であってもよい。第３距離値範囲は０−４０ｃｍであってもよい。好ましくは２０ｃｍである。
なお、超音波センサ１００３と光学測距センサ１００４はそれ自体の収集範囲で実施するため、超音波センサ１００３は透明物体の情報を収集して、次に収集した情報をロボットシステムに送信して融合演算を強化させ、安定した分業−協業の関係を形成し、このようにセンサの融合アルゴリズムの精度を高め、ロボットのロバスト性を向上させ、ロボットが自律的に環境を感知して、タスクを実行することに寄与する。
改良された実施例では、センサ群におけるセンサはすべて剛体構造に取り付けられ且つ剛体構造の少なくとも１枚により全体が構成される。
なお、センサ群におけるセンサは剛体構造に取り付けられかつ剛体構造の少なくとも１枚により全体が構成されるため、センサ群におけるセンサ同士の相対位置は一定であり、振動、温度変化などの外界の物理的な条件の変化に応じて変化することはなく、特定位置での情報収集が制御可能であり、各センサはそれ自体の収集範囲で実施し、次に収集した情報をロボットシステムに送信して融合演算を強化させ、安定した分業−協業の関係を形成し、このようにセンサの融合アルゴリズムの精度を高め、ロボットのロバスト性を向上させ、ロボットが自律的に環境を感知して、タスクを実行することに寄与する。
以上は本考案の好ましい実施例に過ぎず、本考案を制限するものではなく、本考案の精神及び原則から逸脱することなく行われるすべての修正、均等置換及び改良などは本考案の保護範囲に属する。
本考案によるロボットのセンサ配置システムでは、ロボット本体に少なくとも１つのセンサ群が設置されており、センサ群は画像センサと第１慣性センサを含み、画像センサと第１慣性センサの相対位置を一定にすることにより、画像センサと第１慣性センサは振動、温度変化などの外界の物理的な条件の変化に応じて変化しないようにし、また、画像センサの位置と縦方向との夾角が第１角度範囲にあることにより、ロボットが自律的に周囲の環境を感知して、自律的障害物回避能力を高め、さらにロボットシステムのロバスト性を向上させる技術効果を奏する。

Claims (10)

  1. ロボット本体を備え、前記ロボット本体に少なくとも１つのセンサ群が設置されているロボットのセンサ配置システムであって、前記センサ群は画像センサと前記画像センサとの相対位置が一定の第１慣性センサとを含み、
    前記画像センサの位置と縦方向との夾角が第１角度範囲にあるロボットのセンサ配置システム。
  2. 前記画像センサは可視光画像センサと前記可視光画像センサとの相対位置が一定の深度画像センサとを含み、前記深度画像センサと前記可視光画像センサの地面からの距離が第１距離値範囲にあることにより、その視界が収集範囲をカバーする請求項１に記載のロボットのセンサ配置システム。
  3. 前記可視光画像センサと前記第１慣性センサは少なくとも１枚の剛性材料に固定される請求項２に記載のロボットのセンサ配置システム。
  4. 前記第１角度範囲は５°−９０°である請求項１に記載のロボットのセンサ配置システム。
  5. 前記第１距離値範囲は５０ｃｍ−１６０ｃｍである請求項２に記載のロボットのセンサ配置システム。
  6. 前記センサ群は、互いの相対位置が一定の光学測距センサ、第２慣性センサ及び機械式スピードメーターを含み、
    前記機械式スピードメーターは前記ロボットのホイールの内部に固定され、前記光学測距センサと前記第２慣性センサの位置は同一平面にあり、または上下の垂直距離は第２距離値範囲にある請求項１−５のいずれか１項に記載のロボットのセンサ配置システム。
  7. 前記第２距離値範囲は０−４０ｃｍである請求項６に記載のロボットのセンサ配置システム。
  8. 前記センサ群は、前記光学測距センサとの相対位置が一定の超音波センサを含み、前記超音波センサの収集方向は前記光学測距センサの収集方向と同じであり、前記超音波センサの位置は前記光学測距センサの走査平面を基準とし、前記走査平面からの距離が第３距離値範囲にあることにより、前記超音波センサが前記光学測距センサによる透明物体の不十分な感知を補償する請求項７に記載のロボットのセンサ配置システム。
  9. 前記第３距離値範囲は０−４０ｃｍである請求項８に記載のロボットのセンサ配置システム。
  10. 前記センサ群におけるセンサはいずれも剛体構造に取り付けられかつ前記剛体構造の少なくとも１枚により全体が構成される請求項９に記載のロボットのセンサ配置システム。
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