JP5874618B2 - Mobile device - Google Patents
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Description
本発明は移動体装置に関する。 The present invention relates to a mobile device.
複数の車輪を駆動させて自立走行し、マニピュレータ等の把持部で物体を把持して運搬する移動体装置が知られている。このような移動体装置においては、自装置の走行位置を制御するために、自己位置の推定が必要である。 2. Description of the Related Art There is known a mobile device that drives a plurality of wheels to run independently and grips and conveys an object with a gripping unit such as a manipulator. In such a mobile device, it is necessary to estimate the self position in order to control the travel position of the self device.
自己位置の推定方法には、ホイールエンコーダや慣性センサ等を利用した相対的自己位置推定法であるデッドレコニング、ロボットの初期状態とホイールエンコーダ等のセンサの情報とを足し合わせてロボットの位置と姿勢とを逐次的に計算する方法である慣性航行システム、及び車輪型移動ロボットにおける車輪やステアリングの回転角度の計算からそれぞれの移動量を求めその累積計算からロボットの位置を推定する手法であるオドメトリ等がある。 The self-position estimation method includes dead reckoning, which is a relative self-position estimation method using a wheel encoder, an inertial sensor, etc., and the robot's position and posture by adding the initial state of the robot and sensor information such as the wheel encoder. Inertial navigation system, which is a method of sequentially calculating the amount of movement, and odometry, etc., which is a method for estimating the position of the robot from the cumulative calculation by calculating the amount of each movement from the calculation of the rotation angle of wheels and steering in a wheeled mobile robot There is.
非特許文献1には、不整地走行するクローラ型移動ロボットにおいて、ロボット本体に搭載したセンサで検出した角速度情報から左右のクローラの滑り量を推定して、クローラ型ロボットのデッドレコニングによる推定位置精度を向上させる技術が記載されている。
In
非特許文献1に記載の技術においては、滑りを考慮したデッドレコニングを定式化し、滑りをジャイロセンサで計測して位置推定を行っている。
In the technique described in
しかしながら、非特許文献1に記載の技術では、クローラ型移動ロボットが不整地を走行することを前提としており、滑り量を逐次計測しなければならず、移動ロボットにジャイロセンサを搭載しなければならないという問題があった。
However, in the technique described in Non-Patent
また、非特許文献1に記載の技術においては、横滑りを計測することができないため、自己位置の推定に横滑りを考慮しておらず、正確な補正ができない、という問題があった。
Further, in the technique described in
またさらに、マニピュレータを備えた運搬装置においては、運搬物の重量及びマニピュレータの姿勢に依存して、駆動輪に加わる床反力が変わるため、滑りの頻度及び程度が変化し、デッドレコニングの精度が悪化するという問題があった。 Furthermore, in a transport device equipped with a manipulator, the floor reaction force applied to the drive wheel changes depending on the weight of the transported object and the posture of the manipulator, so the frequency and degree of slipping change, and the accuracy of dead reckoning is increased. There was a problem of getting worse.
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、滑り量を考慮して自己位置の推定を行う移動体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a mobile device that estimates a self-position in consideration of a slip amount.
本発明にかかる移動装置は、搬送物を把持する把持部と、駆動輪を備えた自律移動機構と、把持部と自律移動機構とを接続するアーム部と、駆動輪にかかる床反力と駆動輪の滑り量を補正するための補正係数とを関連して記憶する補正テーブル記憶部と、アーム部及び搬送物を含んだ把持部の重量と自律移動機構の重量との釣り合いから、駆動輪にかかる床反力を算出して、補正テーブル記憶部から床反力に応じた補正係数を読み出し、位置推定処理を行う位置推定処理部と、を備えるものである。 The moving device according to the present invention includes a gripping unit that grips a conveyed product, an autonomous moving mechanism including a driving wheel, an arm unit that connects the gripping unit and the autonomous moving mechanism, a floor reaction force applied to the driving wheel, and driving. From the balance between the correction table storage unit that stores the correction coefficient for correcting the slip amount of the wheel and the weight of the gripping unit including the arm unit and the transported object and the weight of the autonomous moving mechanism, A position estimation processing unit that calculates the floor reaction force, reads a correction coefficient corresponding to the floor reaction force from the correction table storage unit, and performs position estimation processing.
本発明により、滑り量を考慮して自己位置の推定を行う移動体装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a mobile device that estimates a self-position in consideration of a slip amount.
本願発明は、搬送物を把持するマニピュレータを備え、自立して移動する移動装置に関するものであり、本願発明の主たるポイントは、移動装置の位置推定方法にある。移動装置の位置推定方法について説明するため、まず、対向二輪型移動ロボットの移動特性について説明する。 The present invention relates to a moving device that includes a manipulator for gripping a conveyed product and moves independently. The main point of the present invention is the position estimation method of the moving device. In order to describe the position estimation method of the mobile device, first, the movement characteristics of the opposed two-wheeled mobile robot will be described.
図1は、対向二輪型移動ロボットの運動学モデルを示す図である。左の車輪101の円周速度をv l 、右の車輪102の円周速度をv r とし、車輪の間隔を2dとする。また、車体中心の速度をVcとし、車体中心の角速度をωcとする。なお、図1及び2においては、図面垂直方向をy軸とし、図面水平方向をx軸とする。
このとき、車体中心の座標(x,y)および方位θは、次の式(1)〜(3)の関係が成立する。
FIG. 1 is a diagram illustrating a kinematic model of an opposed two-wheeled mobile robot. The circumferential speed of the left wheel 101 is v l , the circumferential speed of the right wheel 102 is v r , and the wheel interval is 2d. Also, the speed of the vehicle body center and V c, the angular velocity of the body center and
At this time, the coordinates (x, y) and the azimuth θ of the vehicle body center satisfy the following expressions (1) to (3).
式(1)〜(3)を時間積分することで、初期位置に対する現在の位置と姿勢とを計測する手法がオドメトリである。オドメトリは、車輪と地面との間に滑りが発生しないという条件の下では、正確に位置計測を行うことができる。
しかし、実際には車輪と地面との間に必ず滑りが生じるため、オドメトリを位置推定に適用すると、推定された位置と実際の位置とに誤差が生じてしまう。
Odometry is a method of measuring the current position and posture with respect to the initial position by integrating the expressions (1) to (3) over time. Odometry can accurately measure the position under the condition that no slip occurs between the wheel and the ground.
However, in actuality, slip always occurs between the wheel and the ground. Therefore, when odometry is applied to position estimation, an error occurs between the estimated position and the actual position.
図2は、非特許文献1に記載された、クローラ型移動ロボットの運動学モデルを示す図である。クローラ型移動ロボットは、本体105と、本体105の左右に、駆動輪としてのクローラ103と104とを備えるものとする。
FIG. 2 is a diagram illustrating a kinematic model of the crawler type mobile robot described in Non-Patent
図2に示す運動学モデルにおいては、本体105の横方向の滑りと左右のクローラ103及び104の縦方向の滑りをそれぞれ独立に考慮する。
ここではクローラ103の滑り率をalとし、クローラ104の滑り率をarとし、滑り角をαとして説明する。
In the kinematic model shown in FIG. 2, the lateral slip of the main body 105 and the longitudinal slip of the left and right crawlers 103 and 104 are considered independently.
Here, the slip ratio of the crawler 103 and a l, a slip ratio of the crawler 104 and a r, describing the slip angle as alpha.
滑り角αは、本体の方位と実際に進む向きとがなす角度であり、横滑りが発生した場合にα≠0となる。定常旋回を行っているとき、図1で左のクローラの外周速度をvlとし、右のクローラの速度を速度vrとすると、車体中心の座標(x,y)および方位θは、次の式(4)〜(6)の関係が成立する。 The slip angle α is an angle formed by the orientation of the main body and the actual traveling direction, and α ≠ 0 when a side slip occurs. When performing a steady turn, if the outer peripheral speed of the left crawler in FIG. 1 is v l and the speed of the right crawler is the speed v r , the coordinates (x, y) and the direction θ of the vehicle body are as follows: The relationship of Formula (4)-(6) is materialized.
ここで、式(4)〜(6)を用いて移動装置の位置推定をより正確に行うためには、クローラ103の滑り率をal、クローラ104の滑り率ar、及び滑り角αを求める必要がある。 Here, in order to more accurately estimate the position of the moving device using the equations (4) to (6), the slip rate of the crawler 103 is a l , the slip rate a r of the crawler 104, and the slip angle α. Need to ask.
しかしながら、左右の駆動輪の滑り率al、ar及び滑り角αについては、駆動輪にかかる床反力が変化すると変化する。このため、マニピュレータを備え、自立して移動する移動装置においては、搬送物の重量とマニピュレータの姿勢とにより左右の駆動輪の滑り率al、ar及び滑り角αが変化してしまい、正確な位置推定が困難であった。 However, the slip rates a l and a r and the slip angle α of the left and right drive wheels change as the floor reaction force applied to the drive wheels changes. For this reason, in a mobile device that includes a manipulator and moves independently, the slip ratios a l and a r and the slip angle α of the left and right drive wheels change depending on the weight of the conveyed product and the attitude of the manipulator, It was difficult to estimate the position.
本実施の形態においては、左右の駆動輪の滑り率al、ar及び滑り角αをより簡易な方法で設定し、デッドレコニングをより正確に行う方法を提供する。以下、本実施の形態について説明する。 In the present embodiment, there is provided a method for setting dead reckoning more accurately by setting the slip ratios a l and a r and the slip angle α of the left and right drive wheels by a simpler method. Hereinafter, this embodiment will be described.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図3は、実施の形態にかかる移動体装置1を示す図である。移動体装置1は、把持部11と、アーム部12と、本体部13と、一対の前輪15と、一対の後輪16と、を備え、把持部11により、運搬物を運搬する装置である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 3 is a diagram illustrating the
把持部11は、搬送物を把持する。アーム部12は、把持部11を本体部13に接続する。アーム部12は、それぞれが図示しないモータにより駆動する駆動軸121〜123と、第1のリンク124と、第2のリンク125とを備える。
The grip part 11 grips the conveyed product. The
把持部11は第1のリンクと駆動軸121を介して接続される。第1のリンク124は、駆動軸122を介して第2のリンク125と接続される。第2のリンク125は、駆動軸123を介して本体部13に接続される。アーム部12駆動軸121〜123が駆動されることで、第1のリンク124及び第2のリンク125の姿勢が変更され、本体部13に対して把持部11が移動される。
The grip 11 is connected to the first link via the
前輪15と後輪16とは、それぞれ一対の車輪で構成され、本体部13に接続される。前輪15は、駆動輪であり、図示しない駆動部より左右の車輪それぞれが駆動される。
The
本体部13は、内部に図示しない制御部14と、床反力算出部17と、補正テーブル記憶部18と、位置推定部19と、を備える。制御部14は、アーム部12と、前輪15を駆動する駆動部と、を制御する。
The
床反力算出部17は、前輪15にかかる床反力を算出する。ここでは簡単のため、床反力算出部17は、把持部11及び本体部13の静的な釣り合いから前輪15にかかる床反力を求めるものとする。把持部11の重心にかかる重さをmg、本体部13の重心にかかる重さをMgとする。前輪15にかかる床反力をF1、後輪16にかかる床反力をF2とする。把持部11の重心から本体部13の重心までの距離をLarm、本体部13の重心から前輪15の中心までの距離をLb、本体部13の重心から後輪16の中心までの距離をLbとする。この場合の床反力F1は、式(7)で求めることができる。
The floor reaction force calculation unit 17 calculates the floor reaction force applied to the
なお、前輪15にかかる床反力の求め方は式(7)に示す方法に限定されるものではない。アーム部12、搬送物を含んだ把持部11及び自律移動機構13の状態から、運動学及び動力学計算により、駆動輪15にかかる床反力を算出するようにしてもよい。また、前輪15にかかる床反力は、アーム部12のリンク124及び125の姿勢、速度及び加速度のうち少なくとも1以上と、把持部11が把持した運搬物の姿勢、速度及び加速度のうち少なくとも1以上と、本体部13の姿勢、速度及び加速度のうち少なくとも1以上と、から運動学又は動力学若しくはその両方で算出するようにしてもよい。
The method for obtaining the floor reaction force applied to the
補正テーブル記憶部18は、補正テーブル181を記憶する。
図4は、補正テーブル181を示す図である。補正テーブル181は、駆動輪である前輪15が受ける床反力F1と、補正係数としての、前輪15左右の車輪の滑り率al、ar、及び滑り角αとを対応させて記録する。
The correction table storage unit 18 stores a correction table 181.
FIG. 4 is a diagram showing the correction table 181. The correction table 181 records the floor reaction force F 1 received by the
補正テーブル181は、例えば移動体装置1を実際に移動させた際の位置を測定することにより求めた補正係数を記憶する。
図5は、補正テーブルを作成する際の構成を示す図である。まず、床と平行な天井に、反射マーカからの反射光を受光するモーションキャプチャ20を設置する。反射マーカ21及び22は本体部13の上面に設置される。本体部13は、運搬物、把持部11、及びアーム部12の重量の替わりとして、錘23が本体部13上面に搭載される。
The correction table 181 stores, for example, a correction coefficient obtained by measuring a position when the
FIG. 5 is a diagram showing a configuration when a correction table is created. First, a
補正パラメータの算出処理について説明する。まず錘23の重さから、前輪15にかかる床反力を計算する。次に本体部13を、移動体装置1において想定する最大速度及び最大曲率で走行させる。そして、補正なしのデッドレコニング値と、モーションキャプチャの計測値である真値と、と比較し、縦滑り量と横滑り量とを計算して、補正パラメータを算出し、補正テーブル181に記憶する。
The correction parameter calculation process will be described. First, the floor reaction force applied to the
補正パラメータの値が決定したら、錘23を変更して、すなわち前輪15にかかる床反力を変更して、補正パラメータの算出処理をくり返す。これにより、補正テーブル181を作成することができる。
When the value of the correction parameter is determined, the
本実施の形態においては、モーションキャプチャ20の計測値から補正パラメータを算出するため、より正確な補正係数を設定することが可能になる。
In the present embodiment, since the correction parameter is calculated from the measurement value of the
位置推定部19は、床反力算出部17が算出した前輪15にかかる床反力に基づき、前輪15左右の車輪の滑り率al、ar及び滑り角αを補正テーブル181から読みだして、式(4)〜(6)を用いて、移動体装置1のデッドレコニングを行う。
Based on the floor reaction force applied to the
図6は、本実施の形態にかかる移動体装置1のデッドレコニングの処理を示すフローチャートである。まず、床反力算出部17は、アーム部12の各関節角度及び把持部11の把持する運搬物の重量から、式(7)を用いて床反力F1を算出する(ステップS1)。
FIG. 6 is a flowchart showing the dead reckoning process of the
次に、補正テーブル181を参照して、床反力F1の値に基づき、補正係数である前輪15左右の車輪の滑り率al、ar、及び滑り角αを選定する(ステップS2)。そして、ステップS2において選定した補正係数を用いてデッドレコニング処理を行う(ステップS3)。これにより、床反力に応じた補正係数を選定でき、より正確にデッドレコニングを行うことができる。
Next, referring to the correction table 181, based on the value of the floor reaction force F 1 , the slip rates a l and a r and the slip angle α of the left and right wheels of the
本実施の形態にかかる移動体装置1は、前輪15にかかる床反力に応じた補正係数を記録した補正テーブル181を備え、床反力に応じた補正係数を用いてデッドレコニングを行うために、前輪15の縦滑り量及び横滑り量を考慮した位置推定を行うことが可能である。
The
また、本実施の形態にかかる移動体装置1では、滑り量の計測を行わないため、従来の移動装置において滑り量の検出に用いられていたジャイロセンサを備える必要がなく、より構成を簡易にすることができる。
Further, in the
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記実施の形態においては、静的な力の釣り合いのみから床反力を推定計算するが、さらにアーム動作時等の動力学を計算することにより、より正確に床反力を推定可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above embodiment, the floor reaction force is estimated and calculated only from the balance of static forces, but the floor reaction force can be estimated more accurately by further calculating the dynamics during arm operation and the like. is there.
1 移動体装置
11 把持部
12 アーム部
13 本体部
14 制御部
15 前輪
16 後輪
17 床反力算出部
18 補正テーブル記憶部
181 補正テーブル
19 位置推定部
20 モーションキャプチャ
21 反射マーカ
22 反射マーカ
23 錘
121 駆動軸
122 駆動軸
123 駆動軸
124 リンク
125 リンク
101 車輪
102 車輪
103 クローラ
104 クローラ
105 本体
DESCRIPTION OF
Claims (1)
駆動輪を備えた自律移動機構と、
前記把持部と前記自律移動機構とを接続するアーム部と、
前記駆動輪にかかる床反力と前記駆動輪の滑り量を補正するための補正係数とを関連して記憶する補正テーブル記憶部と、
前記アーム部、前記搬送物を含んだ前記把持部、及び前記自律移動機構の状態から運動学及び動力学計算により、前記駆動輪にかかる床反力を算出し、前記補正テーブル記憶部から前記床反力に応じた補正係数を読み出し、運動学及び動力学計算により位置推定処理を行う位置推定処理部と、
を備えた移動装置。 A gripping part for gripping a conveyed product;
An autonomous movement mechanism with drive wheels;
An arm part connecting the grip part and the autonomous movement mechanism;
A correction table storage unit that stores a floor reaction force applied to the drive wheel and a correction coefficient for correcting the slip amount of the drive wheel in association with each other;
The floor reaction force applied to the drive wheel is calculated by kinematics and dynamics calculation from the states of the arm unit, the gripping unit including the transported object, and the autonomous moving mechanism, and the floor reaction force is calculated from the correction table storage unit. A position estimation processing unit that reads out a correction coefficient corresponding to the reaction force and performs position estimation processing by kinematics and dynamics calculation ;
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