JP5381564B2 - 障害検出装置及び移動ロボット - Google Patents
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Description
移動ロボット等は、専用の通路ではなく、人や他の機器も利用する一般的な通路を走行する。このような通路を安全に走行するため、障害物を回避することは必須であるが、障害物との衝突以外にも安全上問題となる事象がある。例えば、一般的な通路を走行する場合には、傾斜面を走行しなければならないときがある。しかし、傾斜面の傾斜角度が一定以上の急勾配となると、移動ロボットの走行が不安定となり、最悪の場合には転倒してしまうこともある。また、走行開始時の加速、あるいは走行停止時の減速が急激であるときも同様に、移動ロボットの走行が不安定となる場合がある。このように、安全走行のためには、障害物との衝突の検知のほかに、傾斜角の急な傾斜面や、加減速時の大きな加速度を検出する必要がある。しかしながら、従来の障害検出装置では、障害物の衝突等によって外力が加わった場合しか検出できなかった。このため、加減速時の加速度を測定する加速度センサを別途設けてリアルタイムに監視する等、新たな検出センサが必要であった。しかし、新たに検出センサを設けるのは、配線・構造が複雑になりコストが増加するばかりでなく、センサの故障を監視しなければならない等、メンテナンス上の負担も増大する。
図1は、第1の実施の形態の障害検出装置の構成の概略を示した図である。(A)は斜視図、(B)は走行装置の垂直方向の断面図を示している。
図2で説明したように、バンパー2に外力が加わっていない定常状態では、バンパー2の内壁に位置する導電部材11は抵抗線10と接触していない。したがって、出力電極14では、検出電圧Vout=0になる。
以下の説明では、便宜的に、電極12における検出電圧をV1、電極13における検出電圧をV2とし、電極12に最も近いD0を0°、D1は90°、D2は180°、D3は270°とする。もちろん、どこを基準とするかは任意である。
図4は、前から力が加わった場合を示している。(A)は前から力が加わった場合のスイッチの状態、(B)は回路を示している。
後から、言い換えれば、バンパー2にD3方向から力が掛かった場合、抵抗線10と導電部材11とは、D3において接触する。これにより、出力電極14は、導電部材11を介してD3地点で抵抗線10と電気的に接続する。これにより、検出電圧Voutは、抵抗線10のD3地点の電位に応じた、Vout=3/4Vinになる。
図6は、抵抗線と導電部材とを逆に配置したスイッチ部の構成を示した図である。図3と同じものには同じ番号を付す。
バンパー2に外力が掛かると、バンパー2がフレーム1方向に移動し、抵抗線10と導電部材11とが接触する。これにより、出力電極17は、導電部材11を介して抵抗線10と電気的に接続し、導電部材11と接触した抵抗線10の接触点における電位に応じた検出信号を検出電圧Voutとして出力する。抵抗線10は、略環状に配置されており、検出電圧Voutの大きさから力が加わった方向を検出することができる。
以下、第2の実施の形態として、移動ロボットに障害検出装置を搭載した場合について説明する。図7は、第2の実施の形態の移動ロボットの構成を示した図である。
移動ロボットは、走行を行う走行部120と、バンパースイッチ210と、走行部120及びバンパースイッチ210に接続し、走行制御と障害の検出と回避処理を行うロボット制御部110を有する。ロボット制御部110は、CPU(Central Processing Unit)111によって装置全体が制御されている。CPU111には、バス116を介してRAM(Random Access Memory)112、ハードディスクドライブ(HDD:Hard Disk Drive)113、入力インタフェース114、及び走行部インタフェース115が接続されている。
図7に戻って障害物の衝突の検出について説明する。バンパースイッチ210は、図2に示したスイッチ部と同様の構成である。抵抗線211はロボット本体100側に、導電部材212はバンパー200側に配置されている。通常状態では、抵抗線211と、導電部材212との間は、ほぼ一定の距離に保たれており、接触しない。このとき、バンパースイッチ210より出力する検出信号は、検出電圧Vout=0に相当する信号となる。障害物が衝突すると、衝突した方向からバンパー200に力が加わる。力が閾値を超えている場合は、抵抗線211と導電部材212とが、接触し、検出電圧Voutに接触点の位置に応じた電圧が出力される。この検出電圧Voutを式(1)に適用し、障害物の方向を検出する。なお、障害物の方向の検出処理は、バンパースイッチ210の検出信号を受けたロボット制御部110が行う。
バンパー200とロボット本体100とを接続するバネのバネ定数をKとし、バンパー200がX変位した場合、バンパー200に掛かる力Fは、
F=2KX ・・・(2)
と表すことができる。2倍しているのは、前後にバネが配置されていると想定しているためである。例えば、バンパー200とロボット本体の隙間を1cm(X=0.01m)とし、5N(0.5kf)の力がバンパー200に掛かったことを検出したいときは、式(2)より、バネ定数は、K=250N/mとすればよいことになる。
Mgsinθ=2KX ・・・(3)
と表すことができる。KとXは(A)と同じである。例えば、傾斜角5°(θ=5)以上で傾斜面検出を行うとすると、式(3)を用いて、重量Mは、
M=2×250×0.01/(9.8×sin5°)=5.85kg、
と求めることができる。なお、KとXは、(A)と同じである。
Ma=2KX ・・・(4)
と表すことができる。上記で算出したKとM、及びXを用いると、検出できる加速度は、
a=2×250×0.01/5.85=0.85m/S2
になる。
ところで、上記で説明したように、傾斜面検出及び加速度検出の閾値は、バンパー200の重量に応じて調整することができる。図12は、バンパーの重量調整用の重りを備えた移動ロボットの一例を示した図である。
(A)傾斜面走行時には、ロボット本体100が傾斜角θの傾斜面を走行することにより、ロボット本体100に配置された抵抗線(加速度検出用)221及び抵抗線(傾斜面検出用)223は、水平方向に対し、傾斜角θで傾く。これに対し、水平を常に維持するバンパー201に配置される導電部材(加速度検出用)222及び導電部材(傾斜面検出用)224は、水平を維持する。このように、傾斜面走行時に、ロボット本体100に対しバンパー201が相対的に傾くことにより、抵抗線(傾斜面検出用)223と、導電部材(傾斜面検出用)224とが接触する。導電部材の進行方向側224aと、抵抗線(傾斜面検出用)223とが接触したことにより、検出電圧Voutに接触点の位置に応じた電圧が出力される。この検出電圧Voutを式(1)に適用すれば、傾斜面の方向を検出することができる。このとき、加速度検出用の抵抗線(加速度検出用)221と、導電部材(加速度検出用)222とは、ロボット本体100に対し、バンパー201が相対的に傾くことにより、接触しない。したがって、傾斜面検出のみを行うことができる。
バンパースイッチ230は、ロボット本体100の周囲に、接触方向検出用の抵抗線231と、回転方向検出用の抵抗線232a,232bとがそれぞれ略環状に配置されている。なお、抵抗線232a,232bは、2つで略環状を形成している。また、抵抗線232aは、反時計回りの回転の検出用であり、途中に回転検出部233aを有する。抵抗線232bは、時計回りの回転の検出用であり、途中に回転検出部233bを有する。一方、バンパー202の内壁には、抵抗線231に対向して導電部材234を配置する。また、通常状態では接触しないが、ロボット本体100が反時計回りに回転すると回転検出部233aと接触する端部235aと、時計回りに回転すると回転検出部233bと接触する端部235bを有している。
定電圧Vinが抵抗線232aに印加されており、抵抗線232a、電極241、電極242、抵抗線231、電極243、電極244、抵抗線232bと微弱な電流が流れる。通常状態では、抵抗線231,232a,232bと、導電部材234とは接触していない。
[ステップS01] ロボット制御部110は、走行開始の指示を受け取ると、走行部120に走行指示を出力し、通常走行を開始させる。
[ステップS06] ロボット制御部110は、バンパースイッチ210,220,230の検出電圧Voutに応じた検出信号に基づき、ロボット本体の周囲の抵抗線と、バンパー内壁の導電部材との接触を検知したかどうかを判定する。接触を検知したときは、処理をステップS07に進める。接触を検知しなかったときは、ステップS01に戻って、通常走行を続ける。
[ステップS08] ロボット制御部110は、ステップS07で検出した障害の発生方向とは異なる方向、例えば、反対方向(α+180°)に進行方向を変更する。
なお、上記の処理機能は、コンピュータによって実現することができる。その場合、移動ロボットが有すべき機能の処理内容を記述したプログラムが提供される。そのプログラムをコンピュータで実行することにより、上記処理機能がコンピュータ上で実現される。処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。
(付記1) 走行の妨げとなる障害を検出する障害検出装置において、
走行装置の外周に配置され、該走行装置と弾性体を介して接続することによって、該走行装置が水平面で停止しているときは前記走行装置に対して非接触状態に保持される外周部と、
所定の電気抵抗を有する抵抗部材と、前記抵抗部材に対して電気抵抗が小さい導電部材とを有し、対向する前記走行装置の周囲または前記外周部の内壁のいずれか一方に前記抵抗部材、他方に前記導電部材をそれぞれ略環状に配置し、前記抵抗部材と前記導電部材との接触点の位置に応じた前記抵抗部材の電位を検出信号として出力するスイッチ部と、
前記検出信号に基づいて、前記外周部に力が加わることによって前記外周部と前記走行装置との相対的位置が変化し、前記抵抗部材と前記導電部材とが接触したことを検出するとともに、前記検出信号の信号値に応じて加えられた力の方向を検出する検出部と、
を有することを特徴とする障害検出装置。
ことを特徴とする付記1記載の障害検出装置。
ことを特徴とする付記1記載の障害検出装置。
前記スイッチ部は、前記抵抗部材と、前記導電部材とを上下方向に同じ位置に配置する、
ことを特徴とする付記1または2記載の障害検出装置。
前記スイッチ部は、前記走行装置が水平面にあるときの前記抵抗部材と前記導電部材との位置を上下方向にずらして配置し、前記走行装置が傾斜面を走行したときに前記走行装置と前記外周部との相対的な傾きに応じて前記抵抗部材と前記導電部材とが接触する、
ことを特徴とする付記1または2記載の障害検出装置。
前記スイッチ部は、前記抵抗部材と前記導電部材の組を上下方向に少なくとも2組有し、少なくとも1組は、前記走行装置が水平面上にあるとき前記抵抗部材と前記導電部材とを上下方向に同じ高さになるように配置するとともに、少なくとも1組は、前記走行装置が水平面上にあるとき前記抵抗部材と前記導電部材の上下方向の高さをずらして配置して前記走行装置が傾斜面を走行したときに前記走行装置と前記外周部との相対的な傾きに応じて前記抵抗部材と前記導電部材とが接触する、
ことを特徴とする付記1または3記載の障害検出装置。
前記検出部は、前記検出信号に基づいて、前記走行装置が回転したことによって前記外周部と前記走行装置との相対的位置が変化して前記回転検出部と前記導電部材とが接触したことを検出し、前記検出信号に応じて前記走行装置の回転方向を検出する、
ことを特徴とする付記1または3記載の障害検出装置。
ことを特徴とする付記3記載の障害検出装置。
移動ロボットの外枠の外周に配置され、該外枠と弾性体を介して接続することによって、該移動ロボットが水平面上で停止しているときは前記外枠に対して非接触状態に保持される外周部と、
所定の電気抵抗を有する抵抗部材と、前記抵抗部材に対して電気抵抗が小さい導電部材とを有し、対向する前記外枠の周囲または前記外周部の内壁のいずれか一方に前記抵抗部材、他方に前記導電部材をそれぞれ略環状に配置し、前記抵抗部材と前記導電部材との接触点の位置に応じた前記抵抗部材の電位を検出信号として出力するスイッチ部と、
前記検出信号に基づいて、前記外周部に力が加わることによって前記外周部と前記外枠との相対的位置が変化し、前記抵抗部材と前記導電部材とが接触したことを検出するとともに、前記検出信号の信号値に応じて加えられた力の方向を検出する検出部と、
前記検出部によって障害が検出されたときは、予め決められた手順に従って、減速、走行停止及び走行経路変更を含む障害回避処理を行う走行制御部と、
を有することを特徴とする移動ロボット。
2 バンパー
3a,3b バネ
10 抵抗線
11 導電部材
12,13 電極
14 出力電極
31,32,33,34 バネ
41,42,43,44 ダンパ
Claims (7)
- 走行の妨げとなる障害を検出する障害検出装置において、
走行装置の外周に配置され、該走行装置と弾性体を介して接続することによって、該走行装置が水平面で停止しているときは前記走行装置に対して非接触状態に保持される外周部と、
所定の電気抵抗を有する抵抗部材と、前記抵抗部材に対して電気抵抗が小さい導電部材とを有し、対向する前記走行装置の周囲または前記外周部の内壁のいずれか一方に前記抵抗部材、他方に前記導電部材をそれぞれ略環状に配置し、前記抵抗部材と前記導電部材との接触点の位置に応じた前記抵抗部材の電位を検出信号として出力するスイッチ部と、
前記検出信号に基づいて、前記外周部に力が加わることによって前記外周部と前記走行装置との相対的位置が変化し、前記抵抗部材と前記導電部材とが接触したことを検出するとともに、前記検出信号の信号値に応じて加えられた力の方向を検出する検出部と、
を有し、
前記スイッチ部は、前記外周部に障害物が衝突したときに前記外周部に掛かる外力、前記走行装置が閾値を超える傾斜角の傾斜面を走行したときに前記外周部に掛かる重力、及び前記走行装置が閾値を超える加速度で加速または減速を行ったときに前記外周部に掛かる慣性力に応じて前記外周部と前記走行装置との相対位置が変化することを特徴とする障害検出装置。 - 前記外周部は、さらに、前記外周部の重量に応じて閾値が決まる前記傾斜面検出時の閾値、または前記加速度検出時の閾値を調整する前記外周部に着脱可能な重りを有する、
ことを特徴とする請求項1記載の障害検出装置。 - 走行の妨げとなる障害を検出する障害検出装置において、
走行装置の外周に配置され、該走行装置と弾性体を介して接続することによって、該走行装置が水平面で停止しているときは前記走行装置に対して非接触状態に保持される外周部と、
所定の電気抵抗を有する抵抗部材と、前記抵抗部材に対して電気抵抗が小さい導電部材とを有し、対向する前記走行装置の周囲または前記外周部の内壁のいずれか一方に前記抵抗部材、他方に前記導電部材をそれぞれ略環状に配置し、前記抵抗部材と前記導電部材との接触点の位置に応じた前記抵抗部材の電位を検出信号として出力するスイッチ部と、
前記検出信号に基づいて、前記外周部に力が加わることによって前記外周部と前記走行装置との相対的位置が変化し、前記抵抗部材と前記導電部材とが接触したことを検出するとともに、前記検出信号の信号値に応じて加えられた力の方向を検出する検出部と、
を有し、
前記外周部は、前記走行装置が水平面上に停止しているとき水平となる水平面が、前記走行装置の傾きによらず、重力方向に対して常に直交しており、
前記スイッチ部は、前記抵抗部材と前記導電部材の組を上下方向に少なくとも2組有し、少なくとも1組は、前記走行装置が水平面上にあるとき前記抵抗部材と前記導電部材とを上下方向に同じ高さになるように配置するとともに、少なくとも1組は、前記走行装置が水平面上にあるとき前記抵抗部材と前記導電部材の上下方向の高さをずらして配置して前記走行装置が傾斜面を走行したときに前記走行装置と前記外周部との相対的な傾きに応じて前記抵抗部材と前記導電部材とが接触する、
ことを特徴とする障害検出装置。 - 走行の妨げとなる障害を検出する障害検出装置において、
走行装置の外周に配置され、該走行装置と弾性体を介して接続することによって、該走行装置が水平面で停止しているときは前記走行装置に対して非接触状態に保持される外周部と、
所定の電気抵抗を有する抵抗部材と、前記抵抗部材に対して電気抵抗が小さい導電部材とを有し、対向する前記走行装置の周囲または前記外周部の内壁のいずれか一方に前記抵抗部材、他方に前記導電部材をそれぞれ略環状に配置し、前記抵抗部材と前記導電部材との接触点の位置に応じた前記抵抗部材の電位を検出信号として出力するスイッチ部と、
前記検出信号に基づいて、前記外周部に力が加わることによって前記外周部と前記走行装置との相対的位置が変化し、前記抵抗部材と前記導電部材とが接触したことを検出するとともに、前記検出信号の信号値に応じて加えられた力の方向を検出する検出部と、
を有し、
前記スイッチ部は、前記抵抗部材に、前記走行装置が回転したときに前記導電部材と接触する回転検出部を少なくとも2つ配置し、前記回転検出部と前記導電部材とが接触した回転方向に応じた前記抵抗部材の電位を検出信号として出力し、
前記検出部は、前記検出信号に基づいて、前記走行装置が回転したことによって前記外周部と前記走行装置との相対的位置が変化して前記回転検出部と前記導電部材とが接触したことを検出し、前記検出信号に応じて前記走行装置の回転方向を検出する、
ことを特徴とする障害検出装置。 - 走行の妨げとなる障害を検出する移動ロボットにおいて、
前記移動ロボットの外枠の外周に配置され、該外枠と弾性体を介して接続することによって、該移動ロボットが水平面上で停止しているときは前記外枠に対して非接触状態に保持される外周部と、
所定の電気抵抗を有する抵抗部材と、前記抵抗部材に対して電気抵抗が小さい導電部材とを有し、対向する前記外枠の周囲または前記外周部の内壁のいずれか一方に前記抵抗部材、他方に前記導電部材をそれぞれ略環状に配置し、前記抵抗部材と前記導電部材との接触点の位置に応じた前記抵抗部材の電位を検出信号として出力するスイッチ部と、
前記検出信号に基づいて、前記外周部に力が加わることによって前記外周部と前記外枠との相対的位置が変化し、前記抵抗部材と前記導電部材とが接触したことを検出するとともに、前記検出信号の信号値に応じて加えられた力の方向を検出する検出部と、
前記検出部によって障害が検出されたときは、予め決められた手順に従って、減速、走行停止及び走行経路変更を含む障害回避処理を行う走行制御部と、
を有し、
前記スイッチ部は、前記外周部に障害物が衝突したときに前記外周部に掛かる外力、該移動ロボットが閾値を超える傾斜角の傾斜面を走行したときに前記外周部に掛かる重力、及び該移動ロボットが閾値を超える加速度で加速または減速を行ったときに前記外周部に掛かる慣性力に応じて前記外周部と前記外枠との相対位置が変化することを特徴とする移動ロボット。 - 走行の妨げとなる障害を検出する移動ロボットにおいて、
前記移動ロボットの外枠の外周に配置され、該外枠と弾性体を介して接続することによって、該移動ロボットが水平面上で停止しているときは前記外枠に対して非接触状態に保持される外周部と、
所定の電気抵抗を有する抵抗部材と、前記抵抗部材に対して電気抵抗が小さい導電部材とを有し、対向する前記外枠の周囲または前記外周部の内壁のいずれか一方に前記抵抗部材、他方に前記導電部材をそれぞれ略環状に配置し、前記抵抗部材と前記導電部材との接触点の位置に応じた前記抵抗部材の電位を検出信号として出力するスイッチ部と、
前記検出信号に基づいて、前記外周部に力が加わることによって前記外周部と前記外枠との相対的位置が変化し、前記抵抗部材と前記導電部材とが接触したことを検出するとともに、前記検出信号の信号値に応じて加えられた力の方向を検出する検出部と、
前記検出部によって障害が検出されたときは、予め決められた手順に従って、減速、走行停止及び走行経路変更を含む障害回避処理を行う走行制御部と、
を有し、
前記外周部は、該移動ロボットが水平面上に停止しているとき水平となる水平面が、該移動ロボットの傾きによらず、重力方向に対して常に直交しており、
前記スイッチ部は、前記抵抗部材と前記導電部材の組を上下方向に少なくとも2組有し、少なくとも1組は、該移動ロボットが水平面上にあるとき前記抵抗部材と前記導電部材とを上下方向に同じ高さになるように配置するとともに、少なくとも1組は、該移動ロボットが水平面上にあるとき前記抵抗部材と前記導電部材の上下方向の高さをずらして配置して該移動ロボットが傾斜面を走行したときに前記外枠と前記外周部との相対的な傾きに応じて前記抵抗部材と前記導電部材とが接触する、
ことを特徴とする移動ロボット。 - 走行の妨げとなる障害を検出する移動ロボットにおいて、
前記移動ロボットの外枠の外周に配置され、該外枠と弾性体を介して接続することによって、該移動ロボットが水平面上で停止しているときは前記外枠に対して非接触状態に保持される外周部と、
所定の電気抵抗を有する抵抗部材と、前記抵抗部材に対して電気抵抗が小さい導電部材とを有し、対向する前記外枠の周囲または前記外周部の内壁のいずれか一方に前記抵抗部材、他方に前記導電部材をそれぞれ略環状に配置し、前記抵抗部材と前記導電部材との接触点の位置に応じた前記抵抗部材の電位を検出信号として出力するスイッチ部と、
前記検出信号に基づいて、前記外周部に力が加わることによって前記外周部と前記外枠との相対的位置が変化し、前記抵抗部材と前記導電部材とが接触したことを検出するとともに、前記検出信号の信号値に応じて加えられた力の方向を検出する検出部と、
前記検出部によって障害が検出されたときは、予め決められた手順に従って、減速、走行停止及び走行経路変更を含む障害回避処理を行う走行制御部と、
を有し、
前記スイッチ部は、前記抵抗部材に、前記外枠が回転したときに前記導電部材と接触する回転検出部を少なくとも2つ配置し、前記回転検出部と前記導電部材とが接触した回転方向に応じた前記抵抗部材の電位を検出信号として出力し、
前記検出部は、前記検出信号に基づいて、前記外枠が回転したことによって前記外周部と前記外枠との相対的位置が変化して前記回転検出部と前記導電部材とが接触したことを検出し、前記検出信号に応じて前記外枠の回転方向を検出する、
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