JP4363378B2

JP4363378B2 - ロボット

Info

Publication number: JP4363378B2
Application number: JP2005235732A
Authority: JP
Inventors: 球夫岡本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2025-08-16
Also published as: JP2007052527A

Description

本発明は、ロボットの目標物への追従技術に関するものである。

自動カートなどに代表されるロボットの目標物への追従に関する従来技術では、先導する目標物との相対的な位置を、無線媒体を用いて計測し、その相対的な位置をもとにロボットを移動させることにより追従を行うものがある（例えば、特許文献１〜３参照）。

特許文献１〜３に記載された従来技術の例１を、図５を用いて説明する。ここで、図５では従来技術の例１のロボットの構成を示した図である。

上記のロボットは、図５に示すように、目標物１０に追従するロボット１１であり、目標物には超音波や、赤外線、電波などを発信する無線発信部１０ａを持たせている。また、ロボット１１には、車輪などの移動機構１１ａと、無線発信部１０ａより発信された無線情報を受信する無線受信部１１ｂと、その無線受信部１１ｂの受信情報より目標物１０との相対的な位置を算出する位置算出部１１ｃと、位置算出部１１ｃで算出された相対的な位置を基に移動機構１１ａを制御する制御部１１ｄを備えている。

また、別の従来技術には、目標物とロボットの間に巻取り可能なロープを介し、そのロープの長さや方向を計測して相対的な位置を算出し、その算出結果をもとにロボットを移動させて追従を行うものがある（例えば、特許文献４、５）。

特許文献４、５に記載された従来技術の例２を、図６を用いて説明する。ここで、図６は従来技術の例２のロボットの構成を示した図である。

上記のロボットは、図６で示すように、目標物１０に追従するロボット１２であり、目標物１０とロボット１２の間には巻取り可能なロープ１３が介在している。また、ロボット１２には、車輪などの移動機構１２ａと、ロープ１３の巻取りを行う巻取り機構１２ｂと、巻取り量やロープ１３の張られた方向から目標物１０への相対的な位置を算出する位置算出部１２ｃと、位置算出部１２ｃで算出された相対的な位置を基に移動機構１２ａを制御する制御部１２ｄを備えている。以上のロボット１２において、ロープ１３がたるまずに目標物１０とロボット１２間の最短距離を結ぶように、巻取り機構１２ｂによってロープ１３に張力をかけるとともにロープ１３の巻取りを行っており、その巻取り量やロープ１３の張られた方向から目標物との相対的な位置の算出を行っている。
特許第３３４３３８６号公報特開平８−１２６８２２号公報特開２００３−１７７８２０号公報特開平６−１０５９３８号公報特開平８−２０７８５０号公報

しかしながら、上記に挙げた従来の技術を適応する場合、以下のような課題がある。

特許文献１〜３に記載された従来例１では、相対的な位置を検出するために無線媒体を用いているため、例えば、目標物とロボット間に障害物が存在する場合は、無線受信部が受信できない状態が発生する。また、無線発信部の出力の限界により相対距離が一定距離を超える場合には同様に無線受信部が受信できない状態が発生する。また、無線媒体であるためにロボットが受信範囲を超える移動を物理的に防ぐこともできない。従って、無線受信部が受信できない場合が継続されると、ロボットは目標物を見失い、追従することができなくなる。また、例えば近辺の壁からの反射を受信した場合など、無線媒体の特性により誤検出をする場合がある。この時、ロボットは目標物とは異なる方向に移動を行い、ロボットの動きによっては、進行方向に存在する障害物や目標物に衝突する可能性がある。

従来技術の例１で生じる課題の例を、図７を用いて説明する。ここで、図７は目標物（Ｔと記載）とロボット（Ｒと記載）を上から見た位置関係を表しており、特に図７（ａ）（ｂ）は目標物を見失う例、図７（ｃ）は異なる方向に移動する例を示している。

例えば、図７（ａ）のように、目標物１０とロボット１１の間に障害物１４が存在した場合、無線媒体１５は障害物１４に吸収されたり、遮断されたりしてロボット１１は無線媒体１４を受信できなくなり、目標物１０に対して追従不可能となる。

また、例えば、図７（ｂ）のように、目標物１０とロボット１１の間の距離が長い場合、無線媒体１５の到達可能領域１６を越えるためロボット１１が無線媒体１５を受信できなくなり、目標物１０に対して追従不可能となる。

また、例えば、図７（ｃ）のように、目標物１０とロボット１１の近辺に壁１７が存在する場合、無線媒体１５が壁１７に反射されてその信号を受信した場合、その反射された信号に向かってロボット１１は移動する。

また、特許文献４、５に記載された従来技術の例２では、相対的な位置を正確に検出する目的でロープがたるまないように巻き取って張力をかけているが、ロープの質量が大きい場合や長い場合には張力が非常に大きくなってしまう。この時、目標物やロボットに負担となり、場合によっては動作を阻害する可能性がある。さらに、張力が大きい状態でロープが切れたり、目標物がロープを放した場合、張力によりロープがロボットに飛んできてロボットに被害を及ぼす可能性があるとともに、張力を支える力によって目標物が勢い余って移動してしまい、周囲の存在する物体と接触して被害を被る可能性もある。また、巻取り速度が移動速度より遅い場合や張力が不足した場合にはロープが絡まったりするなど巻取り機構にトラブルを発生する場合がある。その他にも可動部である巻取り機構はトラブルが発生しやすく、トラブルによって巻取りができない場合、ロボットは追従物に近づきすぎていることに気づかずに衝突する恐れがある。

従来技術の例２で生じる課題の例を、図８を用いて説明する。ここで、図８（ａ）〜（ｂ）は張力が大きくなった場合の不具合の例、図８（ｃ）は巻取り機構にトラブルが発生した場合の不具合の例を示している。

例えば、図８（ａ）のように、目標物１０とロボット１２の間に大きな張力１８が発生した場合、目標物１０を引っ張ることになるのでその動作を阻害してしまい、例えば移動方向に目標物１０が移動しようとしても張力１８に引かれて移動できないということが起こりうる。さらに、この状態でロープ１３が切れた場合には、図８（ｂ）のように切れたロープ１３ａが目標物１０やロボット１２に飛んでくることがある。また、目標物１０がロープ１３を離した場合もこれと同様の現象がおきることがある。

また、例えば、巻取り機構にトラブルが発生し巻取りができない場合は、図８（ｃ）のように目標物１０にロボット１２が近づいてもロープ１３は長いまま（巻取りができていない状態）なので接近を検知できず、目標物１０がロボットが算出した位置１９にいると勘違いをして移動を行ってしまい衝突する可能性がある。

また、特許文献４、５に記載の発明の課題を解決するために、ロープの巻取り機構を無くして張力をかけない方法が考えられるが、巻取り機構を用いない場合は、ロープにたるみが発生してしまい、目標物とロボットとの相対的な位置が測れなくなってしまう。その場合に、ロープのたるみ状態を算出することにより目標物との相対的な位置を算出する方法が考えられるが、ロープのたるみ状態は複雑な微分方程式で表されるため、ロボットに具備された計測装置だけを用いて追従に必要となる目標物との相対的な位置を算出することは容易ではない。

例えば、図９で示すようにロープのたるみ状態の計測手段としてロボット接続部のロープの傾きを用いた場合では、目標物側のロープの高さや傾きによって目標物との距離が異なるにも関らずロープの傾きが同じ（ξ）となる場合、例えば第１のたるみ例２０、第２のたるみ例２１があるため、目標物との相対的な位置を一意に算出することができない。

また、ロープにたるみがある場合、ロープは移動に伴ってゆれを生じることがある。ゆれを生じた場合、例えば、図１０（ａ）（ｂ）で示すようにゆれ２２によって同じ相対位置であってもロープの状態２３に示すように変化し、ゆれ無し時のロープの状態２４と異なる場合がある。従って、そのままたるみ状態を算出しても正しい相対位置を算出できない場合がある。

本発明は、上記課題を解決し、容易かつ安全な目標物への追従を実現するロボットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のロボットは、特に両端に回転方向にモーメントがかからない接続機構を備え一方の端部が目標物に、かつ他方の端部をロボットに接続されたロープと、前記他方の端部でのロープの傾きを検出する傾き検出部と、前記他方の端部にかかる張力を検出する張力検出部と、前記傾き検出部で検出した傾きと前記張力検出部で検出した張力とから前記目標物と前記ロボットとの相対的な位置を算出する位置算出部と、前記ロボットを移動させる移動機構と、前記位置算出部により算出した相対的な位置に基づいて前記移動機構を制御する制御部を備えたことを特徴とするロボットである。なお、前記傾き検出部で検出した傾きと前記張力検出部で検出した張力のデータを時系列に記憶する記憶部を更に備え、前記記憶部で記憶したデータを基にたるみ状態の算出を補正する補正部を備えたことを特徴とするロボットである。

以上の解決手段のようなロボットによれば、目標物とロボットはロープによって物理的に拘束されているため見失うことがない。また、ロープに重力以外の外力をかけないため、目標物の動作の阻害や、ロープを放したり切れたりした場合のロープによる被害を防ぐことができる。さらに、巻取り機構が無いためその故障によるトラブルを回避することができる。また、ロボットのたるみ状態が一意に決まるため目標物との相対的な位置を一意に算出することができる。さらに、ゆれに対しても適切な補正を行うことができ適切な目標物への追従を実現することができる。

従って、容易かつ安全に目標物への自動追従を実現することができる。

以下に本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明を行う。

（実施の形態１）
図１は、本発明のロボットの構成を示すものである。

図２は、ロープの端部の構造およびロープの傾き、張力の検出方法の例を示している。

図３は、ロープの座標系と微小部分のモデル化を示している。

図４は、たるみを持つロープのゆれの状態を示している。

例えば、本発明のロボットは、図１で示すように、目標物１を追従するロボット２であり、特に、両端に回転方向にモーメントがかからない接続機構２ｉを備え一方の端部が目標物１に、かつ他方の端部をロボット２に接続されたロープ２ａと、前記他方の端部でのロープ２ａの傾きを検出する傾き検出部２ｂと、前記他方の端部にかかる張力を検出する張力検出部２ｃと、前記傾き検出部２ｂで検出した傾きと前記張力検出部２ｃで検出した張力とから前記目標物１と前記ロボット２との相対的な位置を算出する位置算出部２ｄと、前記ロボット２を移動させる移動機構２ｅと、前記位置算出部２ｄにより算出した相対的な位置に基づいて前記移動機構２ｅを制御する制御部２ｆを備えている。

ここで、前記の位置算出部２ｄでは、まず傾き検出部２ｂで検出した傾きと、張力検出部２ｃで検出した張力からロープ２ａのたるみ状態を算出し、その算出したたるみ状態から目標物１との相対的な位置を算出している。

さらに、傾き検出部２ｂで検出した傾きと張力検出部２ｃで検出した張力のデータを時系列に記憶する記憶部２ｇと、前記記憶部２ｇで記憶したデータを基にたるみ状態の算出を補正する補正部２ｈを備えており、前記補正部２ｈによって傾き検出部２ｂおよび張力検出部２ｃから位置検出部２ｄに送られるデータが補正される。

ここで、発明のロボット２に搭載されたロープ２ａの両端部は回転方向にモーメントがかからない構造となっており、例えば図２（ａ）のようにロープの端部を３つの回転軸で構成された機構２ｊとし、ロボット側の端部ではその各回転軸にエンコーダ２ｋを取り付けて傾き検出を行い、前記機構の根元にひずみゲージ２ｍを配置して張力検出しても良い。また、例えば図２（ｂ）のようにロープの端部をボールジョイント２ｎとし、ロープの端部近辺に色や磁気によるマーク２ｐを取り付け、これをカメラや磁気センサなどのマーク検出センサ２ｑでそのマーク位置を検出することで傾き検出を行い、ジョイント２ｎの根元にバネ状センサ２ｒを用いて張力検出をしても良い。なお、図２ではロボット側と目標物側の両端部で同じ構造となっているが異なる構造を用いても良い。

例えば、本実施の形態では、位置算出部で計算を行っているたるみ状態の算出方法および目標物との相対的な位置の算出方法は以下のようなものである。

ここで、始めに本発明解決手段の実現の根拠となるロープ端部の傾きと張力からロープのたるみ状態を算出し、両端の距離を算出する方法を、図３を用いて説明する。なお、図３（ｂ）はたるみを生じているロープの座標系の設定を示している。また、図３（ｃ）はロープの微小部分をモデル化した図を示している。

まず、座標系として図３（ａ）（ｂ）で示すように、ロボット２でロープ２ａを接続した点を原点とし、ロープ２ａの伸びる水平方向にＸ軸、鉛直下向きにＹ軸となる２次元の座標系を用いるものとする。ここでロープ２ａには張力の水平方向の成分の力Ｈ、鉛直方向成分の力Ｖがかかっているものとする。また、目標物１の接続部分を（Ｘｈ，Ｙｈ）としロープの全長をＬとする。なお、上記のＸＹ座標はロボットの向きに対してφだけ傾いて設定されているものとする。

この時の図３（ｃ）で示すロープの任意の微小部分における幾何学的な関係は、ロープの微小部分の長さをｄｓ、ｄｓのＸ方向成分をｄｘ、Ｙ方向成分をｄｙ、単位長さ当たりの質量をｗとすると、以下の式により表すことができる。

また、この微小な部分の釣り合いを考えると、以下の式であらわすことができる。

上記２）３）式をまとめると以下の微分方程式となる。

また、ロープの長さは

となるので１）式より、以下のように表すことができる。

以上のたるみを表す方程式において４）式を解くことにより、Ｘ，Ｙの式で表されるたるみ状態が算出される。また、算出されたたるみの式を用い、ロープの長さを拘束条件とすることで５）式解くとロープ両端間のＸ軸方向の距離として対象物までの相対距離を算出することができる。

ここで、微分方程式４）は本式だけでは一意に解くことはできないが、本発明のようにロープ両端部にモーメントがかからない構造とすると、ロープの始端から終端までモーメントの計算が不要となり同じ拘束条件のもとで計算を行うことができるようになるため、始端であるロボット側の端部のロープの傾きと、張力を初期値として、例えば以下のようなステップで算出するとたるみの状態を一意に算出することができる。

Ｓｔｅｐ１において、ロープの傾きの初期値は、検出されたロボット側端部でのロープの傾きとし、Ｓｔｅｐ１，２を繰り返すことでロープのたるみ状態がＸ，Ｙの式で算出される。また、Ｓｔｅｐ３でロープ始端からの距離とロープの長さが一致した時点のＸ座標がロボットから目標物までの相対距離、Ｙ座標が目標物側の端部の高さとなる。

さらに、目標物の方向φについては、原点を含みＹ軸に垂直な平面（ＸＺ平面）にロープの傾きを射影することによって求めることで算出でき、前述により求まった相対距離とあわせることで目標物との相対位置が確定する。

さらに、本発明のロボットは、次のようにゆれの補正を行っている。

例えば、通常の追従状態においては、たるみを持つロープのゆれは図４（ａ）（ｂ）のようになる。この時、上から見たロボットの向きとロープの方向と角度ズレ（η）とロープ上の任意の点Ｐ１の高さ（ｈ）をグラフにすると図４（ｃ）のように角度ズレ４４、Ｐ１の高さ４５とも正弦波の振動となり、周波数は角度ズレの振動がＰ１の高さの振動の半分となる。さらに、角度ズレの振幅の両端４１、４２の中間の時点４３でＰ１の高さの最下点となることが判る。

また、ゆれの無い状態とはゆれが極小になった状態であり、ゆれを小さくしていった収束点であるＰ１の高さが最下点でのたるみ状態４３が、ゆれの無い場合のたるみ状態を示す。従って、時系列の角度ズレのデータからその振幅の両端を検出し、その中間となる時点のデータを用いて位置算出を行うことで、たるみ状態の算出におけるゆれの影響を排除することができる。

従って、本発明のロボットが具備する補正部では、例えば次のようなステップによって、ゆれの補正を行うことができる。

Ｓｔｅｐ１：時系列に記憶されたロープ端部の傾きデータ取出し、図４のＸＺ平面に射影することで上から見た角度ズレを算出し、時系列の角度ズレのデータを作成する。

Ｓｔｅｐ２：Ｓｔｅｐ１にて算出された時系列の角度ズレのデータから、その振幅の両端のデータを抽出する。

Ｓｔｅｐ３：Ｓｔｅｐ２にて抽出されたデータの中間位置となる時点のロープ端部の傾きデータおよび張力データを記憶部から抽出し、位置算出部へ送る。

以上の解決手段のようなロボットによれば、目標物とロボットはロープによって物理的に拘束されているため見失うことがない。また、ロープに重力以外の外力をかけないため、目標物の動作の阻害や、ロープを放したり切れたりした場合のロープによる被害を防ぐことができる。さらに、巻取り機構が無いためその故障によるトラブルを回避することができる。また、ロボットのたるみ状態が一意に決まるため目標物の相対位置を一意に算出することができる。さらに、ゆれに対しても適切な補正を行うことができ適切な目標物への追従を実現することができる。

本発明のロボットは、容易かつ安全に目標物への自動追従を実現することができるため、家庭、ホテル、ゴルフ場、工場、空港等での自動カートや搬送ロボットなどに適応することができる。

本発明のロボットの構成を示す説明図（ａ）ロープ端部の構造およびロープの傾きと張力の検出方法を示す説明図（ｂ）ロープ端部の構造およびロープの傾きと張力の検出方法を示す説明図（ａ）ロープの座標系を示す上からの説明図（ｂ）ロープの座標系を示す横からの説明図（ｃ）ロープの単位長さ当たりにおける幾何学的な関係を示した説明図（ａ）たるみを持つロープのゆれの状態を示す上からの説明図（ｂ）たるみを持つロープのゆれの状態を示す横からの説明図（ｃ）ロープの方向と角度ズレとロープ上の任意の点Ｐ１の高さを示すグラフ従来例１の移動ロボットの構成を示す説明図従来例２の移動ロボットの構成を示す説明図（ａ）従来技術の例１で生じる課題を示す説明図（ｂ）従来技術の例１で生じる課題を示す説明図（ｃ）従来技術の例１で生じる課題を示す説明図（ａ）従来技術の例２で生じる課題を示す説明図（ｂ）従来技術の例２で生じる課題を示す説明図（ｃ）従来技術の例２で生じる課題を示す説明図たるみによる課題を示す説明図（ａ）たるみによって生じるゆれの課題を示す説明図（ｂ）たるみによって生じるゆれの課題を示す説明図

符号の説明

１目標物
２ロボット
２ａロープ
２ｂ傾き検出部
２ｃ張力検出部
２ｄ位置算出部
２ｅ移動機構
２ｆ制御部
２ｉ接続機構

Claims

両端に回転方向にモーメントがかからない接続機構を備え一方の端部が目標物に、かつ他方の端部をロボットに接続されたロープと、
前記他方の端部でのロープの傾きを検出する傾き検出部と、
前記他方の端部にかかる張力を検出する張力検出部と、
前記傾き検出部で検出した傾きと前記張力検出部で検出した張力とから前記目標物と前記ロボットとの相対的な位置を算出する位置算出部と、
前記ロボットを移動させる移動機構と、
前記位置算出部により算出した相対的な位置に基づいて前記移動機構を制御する制御部を備えたことを特徴とするロボット。
前記位置算出部において、前記傾き検出部で検出した傾きと前記張力検出部で検出した張力とからロープのたるみ状態を算出し、前記算出したたるみ状態から目標物とロボットとの相対的な位置を算出することを特徴とする請求項１記載のロボット。
前記傾き検出部で検出した傾きと前記張力検出部で検出した張力のデータを時系列に記憶する記憶部と、
前記記憶部で記憶したデータを基にたるみ状態の算出を補正する補正部を備えたことを特徴とする請求項２記載のロボット。