JP4745378B2

JP4745378B2 - 移動台車

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Publication number: JP4745378B2
Application number: JP2008312407A
Authority: JP
Inventors: 豪田崎; 秀樹小川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2028-12-08
Also published as: JP2010134855A

Description

本発明は、人または障害物と接触しながらも安全に目標位置に向けて移動する移動台車に関する。

従来の移動台車では、超音波センサ等の非接触方式センサで移動台車の周囲において人の存在が検出されると、基本的に停止、或いは移動方向を大きく変更して人との接触を回避するように制御され、人の安全が確保されている。また、この移動台車は、最終的な安全を確保するために、接触方式センサ、例えばスイッチ式バンパまたは移動台車筐体に直接取り付けられる圧力検知センサ、を備え、この接触方式のセンサで人との接触が検出されると、停止するように制御される。このような移動台車は、混雑環境下では、頻繁に停止することから目標位置に到達することに困難を伴い、移動台車サービスが成立しないという問題がある。

また、移動台車が人または障害物との接触を接触方式のセンサで直接的に検出する場合には、接触が検出される前に、人または障害物の突出部、例えば人の爪先等、が移動台車に接触する可能性がある。従って、足元にある程度の圧力が加わって危害を加える虞がある等の安全面に問題があることが指摘されている。

特許文献１には、周囲の障害物を回避しながら目標物体を追従する移動台車が開示されている。しかしながら、この文献では、障害物を回避するための移動方向を決定する具体的な方法は、記述されていない。
特開２００６−１４６４９１号公報

このように、従来の移動台車においては、サービス面または安全面に関する問題があり、混雑環境下においても目標位置まで安全に移動することができる移動方向を制御する移動台車が求められている。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、人または障害物との接触によって生じる衝撃力を和らげ、接触しながらも安全に目標位置に移動することができる移動台車を提供することにある。

本発明によれば、
台車筐体と、
前記台車筐体を目標地点に向けて走行させる移動機構と、
前記台車筐体に設けられ、この台車筐体の走行中において、前記台車筐体の下方に侵入する第１の障害物を検知し、前記第１の障害物の第１の侵入方位及び第１の侵入量を検出して第１の検出信号を出力する検出部と、
前記台車筐体の現在位置を原点とする座標系において、前記第１の検出信号に応答して、予め設定された目標方向ベクトルから移動方向ベクトルを演算し、この移動方向ベクトルで前記移動機構を制御して前記台車筐体をある走行方向に走行させ、この走行方向を更新して前記台車筐体を前記目標地点に到達させる演算部であって、
前記第１の障害物の第１の侵入座標を算出し、
前記第１の侵入座標を始点とする前記第１の障害物を特定する第１の検出ベクトルを算出し、
前記第１の侵入座標及び前記座標系の原点を結ぶ直線に前記第１の検出ベクトルを射影した第１の投影ベクトルを算出し、
前記第１の投影ベクトルの始点が前記原点に一致するように当該第１の投影ベクトルを平行移動して前記座標系に第１の平行移動ベクトルを定め、
前記第１の平行移動ベクトルを、前記座標系の原点を中心に予め定められた範囲内で回転して回転ベクトルを定め、
前記座標系内で前記回転ベクトル及び前記目標方向ベクトルを加算して前記移動方向ベクトルを算出し、
前記移動方向ベクトルに応じて前記走行方向を前記移動駆動機構に指示する演算部と、
を具備する移動台車が提供される。

また、本発明によれば、
台車筐体と、
前記台車筐体を目標地点に向けて走行させる移動機構と、
前記台車筐体に設けられ、この台車筐体の走行中において、前記台車筐体の下方に侵入する障害物を複数の検出点で検知し、前記検出点毎に検出方位及び当該検出方位における侵入量を検出して検出信号を出力する検出部と、
前記台車筐体の現在位置を原点とする第１の座標系において、前記検出信号に応答して、予め設定された目標方向ベクトルから移動方向ベクトルを演算し、この移動方向ベクトルで前記移動機構を制御して前記台車筐体をある走行方向に走行させ、この走行方向を更新して前記台車筐体を前記目標地点に到達させる演算部であって、
前記検出方位の差が所定の方位範囲内にある前記検出点の第１の配列を第１の障害物と判断し、
前記第１の座標系において、前記障害物における第１の侵入座標を算出し、
前記第１の侵入座標を始点とする前記第１の障害物を特定する第１の検出ベクトルを算出し、
前記第１の侵入座標及び前記第１の座標系の原点を結ぶ直線に前記第１の検出ベクトルを射影した第１の投影ベクトルを算出し、
前記第１の投影ベクトルの始点が前記原点に一致するように当該第１の投影ベクトルを平行移動して前記第１の座標系に第１の平行移動ベクトルを定め、
前記平行移動ベクトルを、前記第１の座標系の原点を中心に予め定められた範囲内で回転して回転ベクトルを定め、
前記第１の座標系内で前記回転ベクトル及び前記目標方向ベクトルを加算して前記移動方向ベクトルを算出し、
前記移動方向ベクトルに応じて前記走行方向を前記移動駆動機構に指示する演算部と、
を具備する移動台車が提供される。

本発明の移動台車においては、人または障害物に接触しながらも安全に目標位置まで移動することができる。

以下、必要に応じて図面を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る移動台車を説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る移動台車１００の概略構成を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示される移動台車１００の正面を部分的に拡大して示している。この移動台車１００は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるように、筐体１０２の下方に侵入する障害物５０を検出するための複数の距離測定センサ１０４を備えている。また、この移動台車１００は、台車筐体１０２を目標位置に向けて移動させるための移動駆動機構１０６、例えば複数の車輪及び車輪を回転駆動させるモータ等、を筐体１０２に設けている。この距離測定センサ１０４は、筐体１０２の底部に略円状に配列され、移動駆動機構１０６が障害物５０に接触する前に障害物５０を検出するように配置されている。この距離測定センサ１０４は、円状に配列される場合に限らず、移動台車１００の移動方向に前方に出現する障害物５０を検出できる箇所にのみに配置されてもよい。

また、移動台車１００は、周囲に存在する障害物５０及び目標位置を検出或いはモニターするための非接触方式センサ１０８、及び筐体１０２の前面に障害物５０との接触を検出する接触方式センサ１１０を備えている。非接触方式センサには、例えば、超音波センサまたは赤外線センサ等が採用され、接触式センサには、例えば、スイッチ式バンパまたは筐体１０２に直接取り付けられる圧力検知センサ等が採用される。

ここで、移動台車とは、自律して移動する自走式装置を意味し、移動台車には、自走する台車及び人型ロボット等が含まれる。

本発明の実施の形態に係る移動台車１００には、外部からの無線信号が図示しない無線装置で受信されて、或いは、移動台車１００に設けられた表示パネル（図示せず）がユーザに操作されて移動すべき目標移動方向が入力される。移動台車１００は、非接触方式センサ１０８で移動する目標物体の位置を計測し、この目標物体を追従するように目標移動方向を決定してもよい。この入力信号は、図２に示されるように、インターフェース１２０及びＣＰＵ１２２を介してＲＡＭ１２４に一時的に格納される。移動台車１００が動作を開始すると、ＲＯＭ１２６から作動プログラムがＣＰＵ１２２に読み出され、距離測定センサ１０４及び接触方式センサ１１０で障害物５０が検出されない場合には、目標移動方向に基づいた移動方向が決定され、移動駆動機構１０６に移動方向を含む動作指示が与えられる。１つまたは複数の障害物５０が検出された場合には、後に説明されるように、ＲＡＭ１２４に格納されている目標移動方向に基づいて、移動台車１００と障害物５０との接触による衝撃が緩和するような移動方向が算出され、移動駆動機構１０６に動作指示が与えられる。この動作指示によって移動駆動機構１０６が動作されて移動台車１００は、目標位置まで移動することができる。

移動台車１００の移動時に、図１（ｂ）に示されるように、距離測定センサ１０４で障害物５０の侵入を検出できる領域に障害物５０、例えば、人の足等、が侵入すると、この障害物５０の侵入が距離測定センサ１０４で検出され、検出信号がインターフェース１２０を介してＣＰＵ１２２に伝達される。距離測定センサ１０４では、所定の範囲に亘って筐体１０２の下方に侵入する障害物５０が検出されるため、この検出信号には、移動台車１００に対する障害物５０の検出方位毎の侵入量が含まれている。ここで使用される侵入量とは、走行面上における筐体１０２の中心位置に向けた障害物５０の侵入の度合い（長さ）を表わしている。ここで、筐体１０２の中心位置は、移動駆動機構１０６の駆動中心位置でも良い。距離測定センサ１０４のように障害物５０の高さも検出することができるセンサで障害物５０が検出される場合には、検出信号には、障害物の高さに関する情報が含まれてもよい。

図１（ａ）に示される距離測定センサ１０４は、筐体１０２下方に侵入する障害物５０を検出するセンサの一例であり、障害物５０を検出するセンサは、このような距離測定センサ１０４に限定されるべきではない。図３（ａ）から図５（ｂ）を参照して、他のセンサを備える移動台車１００を例示する。図３（ａ）から図５（ｂ）において、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した符号と同様の符号を同一部分、同一箇所に付してその説明を省略する。

図３（ａ）及び図３（ｂ）には、本発明の実施の形態の変形例に係る移動台車１００の構成が概略的に示されている。図３（ａ）に示されるように、この移動台車１００の筐体１０２底部には、障害物５０を撮影するカメラ１３４及び障害物５０を撮影するために筐体１０２の下方を照らす照明１３５が設けられている。図３（ｂ）に示されるように、筐体１０２の下方に障害物５０が侵入すると、障害物５０がカメラ１３４で撮影される。撮影されたカメラ画像は、領域分割法またはテンプレートマッチング等の方法で床と床以外の領域とに画像上で切り分けられる。カメラ１３４の設置位置及び画角から切り分けられた領域の位置と侵入量が計算されて障害物５０が検出される。

また、図４（ａ）及び図４（ｂ）には、本発明の実施の形態の他の変形例に係る移動台車１０の構成が概略的に示されている。図４（ａ）に示されるように、この移動台車１００の筐体１０２の底部には、複数の薄いシート状の板１４４がその端部を筐体１０２の底部に固定され、この固定された端部を中心に移動台車１００の内側方向に折曲がるように設けられている。図４（ｂ）に示されるように、障害物５０が筐体１０２の下方に侵入すると、障害物５０がシート状の板１４４と接触し、シート状の板１４４が固定された端部を中心に変位される。この変位によってシート状の板１４４と垂直方向とがなす角度ψを、例えばポテンショメータ１４５またはエンコーダ等のセンサで測定する。この変形例では、衝突を和らげるべき対象物が仮定され、この対象物の基準となる高さｈが予め設定される。シート状の板１４４に障害物５０が接触すると、シート状の板１４４の固定箇所の走行面からの高さＨ及びポテンショメータ１４５から得られるシート状の板１４４の回転角度ψから対象の侵入量Ｌが下記式から算出される。

さらに、図５（ａ）及び図５（ｂ）には、本発明の実施の形態のさらに他の変形例に係る移動台車１００の構成が概略的に示されている。図５（ａ）に示されるように、この移動台車１００の筐体１０２の底部には、一端を筐体１０２の底部に接続され、他端に重り１５５を装着し、障害物５０の接触を検出することができる可撓性のある感圧シートセンサ１５４が設けられている。図５（ｂ）に示されるように、この感圧シートセンサ１５４に障害物５０が接触すると、感圧シートセンサ１５４が変形され、接触箇所に加わる圧力が検出される。この変形例では、衝突を和らげるべき対象物が仮定され、この対象物が感圧シートセンサ１５４に接触する場合における感圧シートセンサ１５４の変形及び接触箇所と侵入量との関係が実験的に取得される。この実験から取得された実験データが予め図２に示したＲＯＭ１２６に格納される。移動台車の移動時に感圧シートセンサ１５４に障害物５０が接触すると、感圧シートセンサ１５４の変形及び障害物５０との接触箇所から実験データがＣＰＵ１２２で参照されて侵入量が算出される。

本発明の実施の形態に係る移動台車１００においては、上述したような種々のセンサで移動駆動機構１０６に接触される可能性がある障害物５０の侵入が予め検知され、障害物５０の検出方位及びその位置での侵入量が検出される。

次に、図６から図１４を参照して、本発明の実施の形態に係る移動台車１００における移動方向が決定される手順を説明する。

図６は、図１（ａ）に示した移動台車１００における移動方向を決定する手順を概略的に示している。図６に示されるように、ステップＳ６０１において、障害物５０が移動台車１００の筐体１０２の下方に侵入すると、障害物５０が距離測定センサ１０４で検出される。その検出信号がインターフェース１２０を介してＣＰＵ１２２に出力される。ステップＳ６０２において、検出信号から障害物５０の検出方位及び侵入量を表わす凸方向ベクトル(検出方向ベクトル或いは検出ベクトル）がＣＰＵ１２２によって算出される。ステップＳ６０３において、この凸方向ベクトルからその障害物５０との衝突を和らげるような移動方向が決定される。ステップＳ６０４において、この移動方向に応じて移動駆動機構１０６が動作され、移動台車１００の移動が制御される。図６に示される移動方向を決定する手順は、周期的に実行され、距離測定センサ１０４は、障害物５０が検出されない場合にも、障害物５０が検出されないとする検出信号(例えば、検出レベル零）を出力し、ＣＰＵ１２２は、検出信号に基づいて移動方向を算出する。このように移動方向が距離測定センサ１０４からの検出信号に基づいて次々に更新され、更新された移動方向で移動駆動機構１０６が駆動されることによって移動台車１００は、目標位置に到達される。

以下では、図６のステップＳ６０２からステップＳ６０４に示した手順を順次詳細に説明する。

図７は、図６のステップＳ６０２に示した凸方向ベクトルを算出する手順を概略的に示している。図７に示されるように、ステップＳ７０１において、距離測定センサ１０４で検出された障害物５０における侵入量のデータが検出方位順に整列される。図８（ａ）は、検出方位に対する侵入量のグラフの一例を示している。図８（ａ）において、丸で示すプロットは、距離測定センサ１０４で検出された侵入量を示している。図８（ｂ）は、移動台車１００の底部を概略的に示している。図８（ｂ）に示されるように、移動台車１００の筐体１０２底部には、移動台車１００の駆動中心を原点とする円周上にｎ個の距離測定センサ１０４が等間隔に配置されている。図８（ｂ）に示す角度θｉは、ある基準となる距離測定センサ１０４とそのセンサ１０４から時計回りにｉ番目の位置に配置される距離測定センサ１０４とがなす角度を表わす。ここで、ｉは、１≦ｉ＜ｎを満たす整数を表わす。また、図８（ｂ）に示した矢印は、移動台車１００の現在の移動方向を表わしている。

なお、筐体１０２の底部における距離測定センサ１０４の配列パターンは、円状に限らず、障害物５０の侵入方位、及び侵入方位における侵入量が検出できれば、多角形状等任意の形状に配列されてもよい。

ステップＳ７０２において、ある検出方位に対して予め設定される基準値の範囲内にある検出方位に属する侵入量データを１つのクラスタと見なして、侵入量データがクラスタリングされる。即ち、ある検出方位θｉを基準として下記数式２を満たす全てのデータ点θｊ（ｊは、１≦ｊ＜ｎを満たす整数）が同一のクラスタとなるようにクラスタリングされる。

この数式２において、ｋは、基準値を表わし、実験的に定められる。例えば、この数式２に従って、図８（ａ）に示されるように、検出方位がθ_６からθ_１０の範囲内のデータ点がクラスタＦ１、θ_２２からθ_２６の範囲内のデータ点がクラスタＦ２、及びθ_Ｎ−２からθ_Ｎの範囲内のデータ点がクラスタＦ３にクラスタリングされる。

ステップＳ７０３において、図８（ａ）に示されるような平面上の直交座標系において、各クラスタに属するデータ点を滑らかに結ぶ曲線を任意の楕円で近似することができると仮定し、その楕円を特定する楕円パラメータ、長軸並びに短軸の長さ、及び長軸並びに短軸の交点の座標等が算出される。本発明の実施の形態では、距離測定センサ１０４で検出される障害物５０には、主に人の足（爪先部分）を想定している。距離測定センサ１０４で人の足の侵入が検出された場合、図８（ａ）に示されるクラスタＦ１、Ｆ２及びＦ３のように、各クラスタに属するデータ点を滑らかに結ぶ曲線がｙ軸方向に凸となる。本発明の発明者らは、障害物５０に人の足が想定される場合には、各クラスタに属するデータ点を滑らかに結ぶ曲線が楕円の一部を形成すると近似することが妥当であることを検証している。ステップＳ７０３で示したクラスタ毎に楕円パラメータを算出する手順は、後に説明する。

ステップＳ７０４に示されるように、クラスタ毎にステップＳ７０３で算出された楕円の長軸とｘ軸との交点が算出され、その交点が凸物体検出位置ｐ（方位軸交点とも言う）に決定される。ここでは、障害物５０をグラフ上での特徴的な形状から凸物体と称している。凸物体検出位置ｐを始点、楕円の長軸の端点を終点としたベクトルが算出され、このベクトルが凸方向ベクトルｕ（侵入ベクトルとも言う）に決定される。ステップＳ７０５において、算出された各クラスタの凸方向ベクトルｕ及び凸物体検出位置ｐが出力され、図６のステップＳ６０３で示される移動方向を決定する手順に進む。

図９を参照して、ステップＳ７０３で示した楕円パラメータを算出する手順を説明する。図９には、各クラスタに対して、クラスタに属するデータから楕円パラメータを算出する手順が概略的に示されている。図９に示されるように、ステップＳ９０１において、図７（ｂ）に示したクラスタＦ１及びクラスタＦ２のように、あるクラスタＦｍに属するデータ点が５以上ある場合には、ステップＳ９０２に進む。ステップＳ９０２において、クラスタＦｍにおける楕円パラメータＡｍ〜Ｅｍが最小二乗法で求められる。即ち、下記式にデータ点の座標が代入されて楕円パラメータＡｍ〜Ｅｍが算出される。

この数式３に従って算出された楕円パラメータＡｍ〜Ｅｍが下記式に代入され、クラスタＦｍの楕円の中心座標（Ｘｍ０、Ｙｍ０）及び楕円の長軸または短軸とｘ軸がなす角度φｍ（−４５°≦θｍ≦４５°）が算出される。

楕円パラメータＡｍ〜Ｅｍ及び角度φｍが算出されると、検出方位軸方向の楕円軸の長さＬｘ及び侵入量軸方向の楕円軸の長さＬｙが下記数式７及び数式８で算出される。

この数式７並びに数式８において、ｓ＝ｓｉｎφｍ及びｃ＝ｃｏｓφｍである。Ｌｘ及びＬｙのうち長い方が長軸と決定され、ステップＳ９０８において、楕円パラメータＡｍ〜Ｅｍ等の算出された値が出力され、ステップＳ７０４に進む。上述したように、ステップＳ７０４において、楕円の長軸とｘ軸との交点が算出され、その交点が凸物体検出位置ｐに決定される。また、凸物体検出位置ｐを始点、楕円の長軸の端点（ｙ座標が大きい方の端点）を終点としたベクトルが算出され、このベクトルが凸方向ベクトルｕに決定される。

本発明の実施の形態に係る移動台車１００においては、衝突を和らげるべき対象物、例えば人の足、が予め想定される。この対象物を検出した場合における検出パターンが実験的に取得され、この検出パターンが設定値として楕円の長軸及び短軸の長さで特徴づけられ、楕円モデルとして予めＲＯＭ１２６に格納される。ステップＳ９０８において算出された楕円軸の長さＬｘ及びＬｙが予め格納された設定値の範囲内に無いクラスタに関しては、そのクラスタから算出される凸物体検出位置及び凸方向ベクトルを後に説明される反発ベクトルの算出処理に利用しない。従って、ステップＳ９０８で算出された長軸及び短軸が設定値内にあるクラスタについてのみステップＳ７０５で凸物体検出位置及び凸方向ベクトルが算出される。

ステップＳ９０１において、図７（ｂ）に示したクラスタＦ３のように、あるクラスタＦｍに属するデータ点が５未満である場合には、ステップＳ９０３に進む。ステップＳ９０３において、クラスタＦｍに属するデータ点から侵入量が最大となるデータ点が検索される。ステップＳ９０４に示されるように、予め設定した楕円モデルの長軸の一方の端点を侵入量が最大となるデータ点の座標に対応づける。即ち、楕円モデルの長軸の一方の端点の座標を侵入量が最大となるデータ点の座標に一致させる。

ステップＳ９０５において、この長軸の端点を固定し、楕円モデルをこの固定点の周りにグラフ上で回転させ、クラスタＦｍに属するデータ点との誤差が最小となる回転量及びその回転量での楕円モデルの楕円パラメータＡｍ〜Ｅｍが算出される。図８に示したクラスタＦ３に対して描かれるように、点線で示される楕円モデルを矢印方向に回転させ、実線で示される楕円モデルがクラスタＦｍに属するデータ点との誤差が最小となる楕円として決定される。

ステップＳ９０６において、ステップＳ９０５で楕円モデルとクラスタに属するデータ点との誤差が最小となる回転量が複数あるかを判断する。誤差を最小とする回転量が１つの場合には、ステップＳ９０８に進み、ステップＳ９０５で算出された楕円パラメータＡｍ〜Ｅｍが出力される。

また、ステップＳ９０６において、誤差を最小とする回転量が複数ある場合には、ステップＳ９０７に進む。ステップＳ９０７において、楕円モデルの長軸が固定された端点と移動台車１００における駆動中心とを結ぶ直線に最も近くなる回転量、即ち、楕円モデルの長軸がｘ軸に対して最も垂直に近くなる回転量を選択して楕円パラメータＡｍ〜Ｅｍが取得される。

その後、ステップＳ９０８において、ステップＳ９０６またはステップＳ９０７で取得された楕円パラメータＡｍ〜Ｅｍが出力され、この楕円パラメータに対して上述した計算処理で凸物体検出位置及び凸方向ベクトルが算出される。

なお、衝突を和らげるべき対象物を設定しない場合には、図７に示されるステップＳ７０３の手順を実施せずに、各クラスタに対して、単純に侵入量が最大となる方位を凸物体検出位置に決定し、この凸物体検出位置を始点とし、侵入量が最大となる点を終点として定められるベクトルを凸方向ベクトルに決定して凸物体検出位置及び凸方向ベクトルが出力されてもよい。また、楕円パラメータの算出する方法では、クラスタに含まれるデータ点の数が５以上の場合と５未満の場合で場合分けして実施されるが、場合分けに利用するデータ点の数は、システムに応じて変更してもよい。さらに、このような場合分けをすることなく、ステップＳ９０３からステップＳ９０７で示されるデータ点が５未満の場合における手順のみで楕円パラメータが取得されてもよい。

次に、図１０〜図１４を参照して、図６のステップＳ６０３に示した移動方向を決定する手順を説明する。図１０は、各障害物５０から算出される凸方向ベクトル及び凸物体検出位置から移動方向を決定するステップＳ６０３に示した手順を概略的に示している。図１１は、筐体１０２下方に２つの障害物５０が侵入した場合におけるステップＳ６０２で算出された各障害物５０の凸方向ベクトル及び凸物体検出位置を移動台車１００が移動する走行面（移動台車１００の現在位置を原点Ｏとする直交座標系）上に配置した様子を模式的に示している。

図１１において、原点Ｏは、移動台車１００の駆動中心を表わし、この原点Ｏを中心とした円２０２は、距離測定センサ１０４が配置される箇所、或いは、移動台車１００の筐体１０２の外周形状を表わす。また、ベクトルＴは、移動台車１００の目標移動方向を表わす目標移動方向ベクトルを表わす。図１１に示されるように、ステップＳ６０２で算出された障害物５０の凸方向ベクトルが凸物体検出位置を走行面上の配置に応じて円２０２上に配置されている。ここで、図１１に示した凸方向ベクトル（検出ベクトルとも言う）及び凸物体検出位置（侵入座標とも言う）は、ステップＳ６０２で算出された凸方向ベクトル及び凸物体検出位置を座標変換して定められる。

図１０に示されるように、ステップＳ１００１において、目標移動方向の所定範囲内に凸物体検出位置が存在するかどうかが判断される。例えば、移動台車１００の目標移動方向Ｔに対して±９０度の方向までの範囲に凸物体検出位置が存在するかどうかが判断される。所定範囲内に凸物体検出位置が存在する場合には、ステップＳ１００２に進む。ステップＳ１００２において、各障害物５０の凸方向ベクトルｕ１、ｕ２から投影ベクトルｖ１、ｖ２が算出され、この投影ベクトルｖ１、ｖ２から平行移動ベクトルｗ１、ｗ２が定められ、この平行移動ベクトルｗ１、ｗ２から反発ベクトル（合成ベクトルとも言う）Ｖが算出される。障害物５０に対して、凸物体検出位置Ｐ１（Ｐ２）と原点Ｏとを結ぶ直線上に凸方向ベクトルｕ１（ｕ２）を射影して得られる大きさのベクトルが投影ベクトルｖ１（ｖ２）として算出される。この投影ベクトルｖ１（ｖ２）の始点を原点Ｏに一致するように平行移動して平行移動ベクトルｗ１（ｗ２）に定める。平行移動ベクトルが１つの場合、この投影ベクトルが反発ベクトルＶとして算出される。生成された投影ベクトルが複数ある場合には、凸方向ベクトルの各々に対して上述した方法によって投影ベクトルが生成され、反発ベクトルＶは、これら生成された平行移動ベクトルを加算して算出される。図１１は、２つの障害物５０が検出される例を示し、この場合、反発ベクトルＶは、Ｖ＝ｗ１＋ｗ２として算出される。

ステップＳ１００３に示されるように、算出された反発ベクトルＶを、原点Ｏを中心に目標移動方向ベクトルＴの方向に９０度回転させて緩衝ベクトルＳ（回転ベクトルとも言う）を定める。この緩衝ベクトルＳは、移動台車１００が障害物５０との衝突を和らげることができる方向を表わしている。ただし、緩衝ベクトルＳを得るための反発ベクトルを回転させる角度は、目標移動方向へ向かうような範囲であれば自由に設定することができる。

ステップＳ１００４に示されるように、緩衝ベクトルＳから目標移動方向ベクトルＴ及び目標重視度に応じて移動方向の候補ベクトルＨが算出される。即ち、緩衝ベクトルＳと目標移動方向ベクトルＴとから移動方向候補ベクトルＨが下記式のように重みつきベクトル和により算出される。

ここで、ｗは、目標重視度を表わす。移動台車１００においては、この目標重視度ｗの値が小さく設定されると、障害物５０に対して衝突を和らげるように移動が制御され、目標重視度ｗの値が大きく設定されると、目標位置に強引に到達するように移動が制御される。

ステップＳ１００５において、算出された移動方向候補ベクトルＨ（移動方向ベクトルとも言う）方向の混雑度が算出され、混雑度に応じて移動方向が決定される。このステップＳ１００５は、後に詳細に説明する。

ステップＳ１００１において、所定範囲内に凸物体検出位置が存在しない場合には、ステップＳ１００６に進む。ステップＳ１００６では、目標移動方向が移動方向と決定される。ステップＳ１００５またはステップＳ１００６において、移動台車１００の移動方向が決定されると、ステップＳ１００７において、移動台車１００の移動方向を含む制御信号が移動駆動機構１０６へ出力される。

なお、各クラスタにおける平行移動ベクトルに対して重み付き和をとることで反発ベクトルが算出されてもよい。即ち、図１（ａ）に示した距離測定センサ１０４等の筐体１０２の下方に侵入する障害物５０の高さを検出できるセンサを使用する場合には、検出された障害物５０の高さｈが検出される。衝突力を和らげるべき対象物における侵入量及び高さｈ等の相関関係が実験的に予め測定され、パターニングされてＲＯＭ１２６に格納されている。検出された障害物５０の侵入量及び高さｈ等がそのパターニングされた範囲に含まれない障害物５０から生成される平行移動ベクトルに対しては、小さな重み係数をかけて反発ベクトルが算出されてもよい。

図１２には、重み付き和をとって反発ベクトルＶが算出される場合における移動方向を決定する手順が概略的に示されている。図１２に示されるステップＳ１２０１、Ｓ１２０２、及びステップＳ１２０３からステップ１２０７は、図１０に示されるステップＳ１００１、Ｓ１００２、及びステップＳ１００３からステップＳ１００７と同一であるためその説明を省略する。図１２に示されるように、ステップＳ１２０１で移動台車１００の目標移動方向Ｔから所定の範囲内に凸物体検出位置が存在する場合、ステップＳ１２０２に進む。ステップＳ１２０２において、各障害物５０から生成された平行移動ベクトルに対して重み付きのベクトル和が算出されて反発ベクトルが取得される。その後、ステップＳ１２０３以降に示される手順で移動方向が決定される。

次に、図１３及び１４を参照して、ステップＳ１００５に示した移動方向候補から移動方向を決定する手順を説明する。図１３は、移動方向候補から移動方向を決定する手順を概略的に示している。図１３に示されるように、ステップＳ１３０１において、検出方位θに対する混雑度Ｃ（θ）、即ち、凸物体検出位置に一致する検出方位λに最大値を持つ関数が作成される。本発明の実施の形態では、混雑度Ｃ（θ）は、下記式のように定義されている。

この数式１０において、Λは、凸物体検出位置を表わす集合であり、λは、その要素、σは、最大値からの広がりを表わす分散である。この分散σは、移動台車１００の大きさ等により実験的に決められる。図１４には、混雑度Ｃ（θ）の一例として、凸物体検出位置が約３０度、約４５度、及び約１４５度と算出された場合における数式１０から計算される混雑度Ｃ（θ）が模式的に示されている。図１４に示されるように、算出された凸物体検出位置の約３０度、約４５度、及び約１４５度において最大値を有する。

ステップＳ１３０２に示されるように、移動方向候補ベクトルＨが示す方位θ_Ｈでの混雑度Ｃ（θ_Ｈ）が予め設定される閾値未満かどうかが判断される。混雑度Ｃ（θ_Ｈ）が閾値以上の場合には、ステップＳ１３０３に進む。ステップＳ１３０３に示されるように、移動方向候補Ｈが示す方位θ_Ｈを初期値として最急降下方等の最適化手法により、混雑度Ｃ（θ）が極小値となる方位または閾値未満となる方位が算出される。混雑度Ｃ（θ）が極小値となる方位または閾値未満となる方位が算出されると、ステップＳ１３０４に進む。

ステップＳ１３０２において、移動方向候補Ｈが示す方位θ_Ｈに対して算出された混雑度Ｃ（θ_Ｈ）が予め設定される閾値未満の場合には、ステップＳ１３０４に進む。ステップＳ１３０４に示されるように、ステップＳ１３０２またはステップＳ１３０３で決定された方位θが移動方向と決定され、この方位θでの混雑度Ｃ（θ）の大きさに応じて予め設定される関数から移動台車１００の移動速度が算出される。ステップＳ１３０４に示されるように、この移動方向及び移動速度を含む制御信号が移動駆動１０６に出力される。

なお、混雑度Ｃ（θ）は、距離測定１０４センサ以外のセンサ、例えば、図１（ａ）に示した非接触方式センサ１０８で障害物５０の近接が検出される、或いは、接触方式センサ１１０で障害物５０との接触が検出された場合には、その検出方位を凸物体検出位置の集合Λに含めて混雑度Ｃ（θ）が作成されてもよい。また、図９のステップＳ９０８で述べたような予め設定される対象物に該当しない障害物５０における凸物体検出位置を集合Λに含めて混雑度Ｃ（θ）が作成されてもよい。

移動駆動機構１０６は、上述した手順で算出された移動速度及び移動方向を入力とし、移動するための電流をモータに流し、移動台車１００の移動を制御する。

なお、移動方向を決定する手順における楕円パラメータの算出及びベクトル解析等は、直交座標系で演算される場合に限らず、極座標等の他の座標系で演算されてもよい。

以上のように、本発明の実施の形態に係る移動台車１００においては、筐体１０２の下方に侵入する障害物５０が検出され、この障害物５０の検出方位に応じて移動方向が算出される。算出された移動方向に従って移動することで、障害物５０との接触における衝突力を和らげることができ、停止することなく安全に目標位置に到達することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

（ａ）は、本発明の一実施の形態に係る移動台車の概略構成を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した移動台車の一部を拡大して示す正面図である。図１に示した移動台車における制御系を概略的に示すブロック図である。（ａ）は、本発明の実施の形態の変形例に係る移動台車の概略構成を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した移動台車の一部を拡大して示す正面図である。（ａ）は、本発明の実施の形態の他の変形例に係る移動台車の概略構成を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した移動台車の一部を拡大して示す正面図である。（ａ）は、本発明の実施の形態のさらに他の変形例に係る移動台車の概略構成を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した移動台車の一部を拡大して示す正面図である。図１（ａ）に示した移動台車における移動方向を決定する手順を概略的に示すフローチャートである。図６に示したフローチャートにおける凸方向ベクトルを算出する手順を概略的に示すフローチャートである。図７に示したフローチャートにおける凸方向ベクトル及び凸物体検出位置を算出する手順を説明するためのグラフである。図７に示したフローチャートにおける楕円パラメータを算出する手順を概略的に示すフローチャートである。図６に示したフローチャートにおける移動方向を決定する手順を概略的に示すフローチャートである。図１０に示したフローチャートにおける移動方向を決定する手順を説明するための説明図である。図６に示したフローチャートにおける移動方向を決定する別の手順を概略的に示すフローチャートである。図１０に示したフローチャートにおける移動方向候補から移動方向を決定する手順を概略的に示すフローチャートである。図１３に示した混雑度を模式的に示すグラフである。

符号の説明

５０…障害物、１００…移動台車、１０２…筐体、１０４…距離測定センサ、１０６…移動駆動機構、１０８…非接触方式センサ、１１０…接触方式センサ、１２０…インターフェース、１２２…ＣＰＵ、１２４…ＲＡＭ、１２６…ＲＯＭ、１３４…カメラ、１３５…照明、１４４…シート状の板、１４５…ポテンショメータ、１５４…感圧シートセンサ、１５５…重り

Claims

台車筐体と、
前記台車筐体を目標地点に向けて走行させる移動機構と、
前記台車筐体に設けられ、この台車筐体の走行中において、前記台車筐体の下方に侵入する第１の障害物を検知し、前記第１の障害物の第１の侵入方位及び第１の侵入量を検出して第１の検出信号を出力する検出部と、
前記台車筐体の現在位置を原点とする座標系において、前記第１の検出信号に応答して、予め設定された目標方向ベクトルから移動方向ベクトルを演算し、この移動方向ベクトルで前記移動機構を制御して前記台車筐体をある走行方向に走行させ、この走行方向を更新して前記台車筐体を前記目標地点に到達させる演算部であって、
前記第１の障害物の第１の侵入座標を算出し、
前記第１の侵入座標を始点とする前記第１の障害物を特定する第１の検出ベクトルを算出し、
前記第１の侵入座標及び前記座標系の原点を結ぶ直線に前記第１の検出ベクトルを射影した第１の投影ベクトルを算出し、
前記第１の投影ベクトルの始点が前記原点に一致するように当該第１の投影ベクトルを平行移動して前記座標系に第１の平行移動ベクトルを定め、
前記第１の平行移動ベクトルを、前記座標系の原点を中心に予め定められた範囲内で回転して回転ベクトルを定め、
前記座標系内で前記回転ベクトル及び前記目標方向ベクトルを加算して前記移動方向ベクトルを算出し、
前記移動方向ベクトルに応じて前記走行方向を前記移動駆動機構に指示する演算部と、
を具備することを特徴とする移動台車。
前記検出部は、前記台車筐体の走行中において、前記台車筐体の下方に侵入する１つまたは複数の第２の障害物を検知し、前記第２の障害物の第２の侵入方位及び第２の侵入量を検出して１つまたは複数の第２の検出信号を出力し、
前記演算部は、前記第２の検出信号に応答して、前記座標系において、前記第２の障害物の第２の侵入座標を算出し、
前記第２の侵入座標を始点とする前記第２の障害物を特定する第２の検出ベクトルを算出し、
前記第２の侵入座標及び前記座標系の原点を結ぶ直線に前記第２の検出ベクトルを射影した第２の投影ベクトルを算出し、
前記第２の投影ベクトルの始点が前記原点に一致するように当該第２の投影ベクトルを平行移動して前記座標系に第２の平行移動ベクトルを定め、
前記第１及び第２の平行移動ベクトルを加算して合成ベクトルを算出し、
前記合成ベクトルを、前記座標系の原点を中心に予め定められた範囲内で回転して前記回転ベクトルを定めることを特徴とする請求項１に記載の移動台車。
台車筐体と、
前記台車筐体を目標地点に向けて走行させる移動機構と、
前記台車筐体に設けられ、この台車筐体の走行中において、前記台車筐体の下方に侵入する障害物を複数の検出点で検知し、前記検出点毎に検出方位及び当該検出方位における侵入量を検出して検出信号を出力する検出部と、
前記台車筐体の現在位置を原点とする第１の座標系において、前記検出信号に応答して、予め設定された目標方向ベクトルから移動方向ベクトルを演算し、この移動方向ベクトルで前記移動機構を制御して前記台車筐体をある走行方向に走行させ、この走行方向を更新して前記台車筐体を前記目標地点に到達させる演算部であって、
前記検出方位の差が所定の方位範囲内にある前記検出点の第１の配列を第１の障害物と判断し、
前記第１の座標系において、前記障害物における第１の侵入座標を算出し、
前記第１の侵入座標を始点とする前記第１の障害物を特定する第１の検出ベクトルを算出し、
前記第１の侵入座標及び前記第１の座標系の原点を結ぶ直線に前記第１の検出ベクトルを射影した第１の投影ベクトルを算出し、
前記第１の投影ベクトルの始点が前記原点に一致するように当該第１の投影ベクトルを平行移動して前記第１の座標系に第１の平行移動ベクトルを定め、
前記平行移動ベクトルを、前記第１の座標系の原点を中心に予め定められた範囲内で回転して回転ベクトルを定め、
前記第１の座標系内で前記回転ベクトル及び前記目標方向ベクトルを加算して前記移動方向ベクトルを算出し、
前記移動方向ベクトルに応じて前記走行方向を前記移動駆動機構に指示する演算部と、
を具備することを特徴とする移動台車。
前記演算部は、前記第１の配列とは異なり、前記所定の方位範囲内にある前記検出点の１つまたは複数の第２の配列を第２の障害物と判断し、
前記第１の座標系において、前記第２の障害物における第２の侵入座標を算出し、
前記第２の侵入座標を始点とする前記第２の障害物を特定する第２の検出ベクトルを算出し、
前記第２の侵入座標及び前記第１の座標系の原点を結ぶ直線に前記第２の検出ベクトルを射影した第２の投影ベクトルを算出し、
前記第２の投影ベクトルの始点が前記原点に一致するように当該第２の投影ベクトルを平行移動して前記第１の座標系に第２の平行移動ベクトルを定め、
前記第１及び第２の平行移動ベクトルを加算して合成ベクトルを算出し、
前記合成ベクトルを、前記第１の座標系の原点を中心に予め定められた範囲内で回転して前記回転ベクトルを定めることを特徴とする請求項３に記載の移動台車。
前記演算部は、前記検出方位を第１の座標軸及び前記侵入量を第２の座標軸に定め、前記検出点が分布される第２の座標系において、前記第１の配列に係る前記検出点を楕円で近似し、前記楕円の長軸と第１の軸との交点を第１の方位軸交点に定め、前記第１の方位軸交点を始点とし、前記楕円の長軸端を終点とする第１の侵入量ベクトルを算出し、
前記第１の方位軸交点及び前記第１の侵入量ベクトルを、第１の座標系における第１の侵入座標及び第１の検出ベクトルに変換することを特徴とする請求項３に記載の移動台車。
前記楕円が人の足に相当するように予め定められた楕円状のパターンに近似される場合には、前記第１の検出ベクトルに予め設定される値を乗算することを特徴とする請求項５に記載の移動台車。
前記検出部は、前記台車筐体の下方に侵入する前記第１の障害物の侵入量と高さを検出するセンサから構成され、
前記第１の障害物の第１の高さを更に検出し、前記第１の高さが予め設定される高さの範囲に含まれる場合には、前記第１の平行移動ベクトルに予め設定される係数を乗算することを特徴とする請求項１または請求項３に記載の移動台車。
前記第１及び第２の侵入方位で最大となり、前記第１及び第２の侵入方位から離れるに従い減少する関数を用意し、前記移動方向ベクトルが示す第１の移動方向方位における関数の値が予め設定される設定値以上の場合には、前記移動方向ベクトルが示す第１の移動方向方位を初期値として前記関数の値が設定値未満または極小となる第２の移動方向方位を検索し、前記移動方向ベクトルが示す第１の移動方向方位における関数の値が予め設定される設定値未満の場合には、前記第１の移動方向方位を前記第２の移動方向方位として定め、前記第２の移動方向方位に応じて走行方向を前記移動駆動機構に指示することを特徴とする請求項２または請求項４に記載の移動台車。
前記検出部は、第３の障害物と前記台車筐体との接触または第３の障害物の近接を検知し、第３の検出方位を検出して第３の検出信号を出力し、
前記演算部は、前記第３の検出方位で前記関数が最大となることを特徴とする請求項８に記載の移動台車。
前記演算部は、前記第２の移動方向方位における前記関数の値に応じて走行速度を定め、当該移動速度を前記移動駆動機構に指示することを特徴とする請求項８に記載の移動台車。
前記演算部は、前記第１の侵入量に応じて走行速度を定め、当該走行速度を前記移動駆動機構に指示することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の移動台車。
前記検出部は、前記台車筺体の底部の周囲に一端を固定され、前記一端を軸に内側に折れ曲がる複数のシートと、前記シートの垂直方向から変位を計測するセンサと、から構成され、前記シートの変位に基づいて前記障害物を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の移動台車。
前記検出部は、前記台車筺体の底部の周囲に一端を固定され、接触位置及び当該接触位置における接触圧力に基づく曲がり位置を検出可能な複数のシート状の感圧センサから構成され、
前記接触位置及び前記曲がり位置と前記侵入量との相関関係が予め格納され、
前記障害物との接触を検出すると、前記接触位置及び前記曲がり位置が取得され、前記相関関係から前記侵入量を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の移動台車。
前記検出部は、前記移動台車の下方に配置され、撮像するカメラと、前記移動台車の下方を照らす照明と、から構成され、カメラ画像から前記侵入量を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の移動台車。
前記座標系は、直交座標系であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の移動台車。