JP6969278B2 - 自律移動体 - Google Patents

Description

本発明は、自律移動体に関する。

近年、外界の情報をセンシングして自動的に移動経路を決定し、移動系路上を動作する自律移動体が知られている。

従来、このような分野の技術として、特開２０１６−０７４０５３号公報がある。この公報に記載された自律移動体は、全方位台車を有する本体と、本体の前方に連結され本体の高さ方向にのみ自由度を有するアームを介して、本体に連結された把持部と、本体に対して回動可能に設けられた頭部と、前記各要素の動きを制御する制御部と、を備える。

特開２０１６−０７４０５３号公報

しかしながら、前述した従来の自律移動体は、コスト低減のためにアームの自由度を削減することがあり、この場合には、アームを台車の左右方向に移動させることができない。自律移動体は、頭部の前方に外界センサを設け、外界センサのセンシング結果を利用するものである場合、アームが外界センサに映りこんでセンシングの妨げにならないように、アームの高さを下げることが考えられるが、アームを十分に下げることが出来ず、センシングの妨げを解消できない場合がある。
本発明は、高さ方向にのみ自由度を有するアームが本体前方に設定されている場合であっても、外界センサに映りこまず、センシングの妨げとならない自律移動体を提供するものである。

本発明にかかる自律移動体は、全方位台車を有する本体と、前記本体の前方に連結され、前記本体の高さ方向のみに自由度を有するアームを介して、前記本体に連結された把持部と、前記本体に対して回動可能に設けられた頭部と、前記頭部前方をセンシング可能であるように設けられた外界センサと、各部の動作を制御する制御部と、を備え、前記外界センサからのセンシング結果に基づき自律移動制御される自律移動体であって、前記制御部は、前記自律移動制御において、前記外界センサのセンシング範囲から前記アームが外れるように、前記外界センサがセンシングする向きに対して前記本体の向きを所定角度オフセットさせる。
これにより、進行方向に対してアームの方向が角度オフセットを持った状態にすることができる。

これにより、把持部及びアームが外界センサに映りこまず、センシングの妨げとならない自律移動体を提供することができる。

自律移動体の斜視図である。 本体と頭部の向きが同方向の状態で走行している自律移動体を示した図である。 本体と頭部が異なる方向を向いた状態で走行している自律移動体を示した図である。 外界センサで取得する画像の一例を示す図である。 自律移動体を上方から見た図である。 カメラの右端角度及び左端角度を示す図である。 オフセット角を用い把持対象物を視界から外した状態を示す図である。 オプティカルフローにより把持対象物を検出した状態を示す図である。 距離情報から把持対象物を検出した状態を示す図である。 経路の追従を行う際の自律移動体の状態を示した図である。

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１に示すように、自律移動体１は、全方位台車１１ａを有する本体１１と、本体１１に対してアーム１２ａを介して接続された把持部１２と、本体１１に対して回動可能に設けられた頭部１３と、頭部１３の前方に設けられた外界センサ１４と、本体１１に設けられた台車、把持部１２、頭部１３、外界センサ１４の各構成物品の動作を制御する制御部１５と、オフセット演算部１６と、経路演算部１７と、経路追従演算部１８と、を備える。自律移動体１は、外界センサ１４によるセンシング結果に応じて自律移動制御を行うことで自律移動する。なお、制御部１５、オフセット演算部１６、経路演算部１７、経路追従演算部１８は、本体１１内に設けられているため図１では図示していない。

本体１１は、例えば、上下方向を底とする柱状である。本体１１の下部には、全方位台車１１ａが設けられている。また、本体１１の上部には、頭部１３が連結されている。また例えば本体１１の内部には、制御部１５と、オフセット演算部１６と、経路演算部１７と、経路追従演算部１８が設けられている。また本体１１には、全方位台車１１ａや、アーム１２ａ、把持部１２を駆動させるための、モーター等の動力源を備えており、制御部１５の制御に応じて動力が与えられる。本体１１の前方側、すなわち正面方向（本体正面方向）には、アーム１２ａの一端部が接続されている。

全方位台車１１ａは、本体１１が載置された台車であり、下面には複数の車輪が設けられている。全方位台車１１ａは、制御部１５の制御に応じて動作することで、自律移動体１をいずれの方向にも動作させることができる。例えば全方位台車１１ａは、図２に示すように、本体１１と頭部１３が同じ方向を向いている場合に夫々の正面方向に走行するだけでなく、図３に示すように、本体１１と、頭部１３が異なる方向を向いている場合であっても、本体１１の正面方向ではなく、頭部１３の正面方向に向かって自律移動体１を移動させることができる。

把持部１２は、アーム１２ａの先端に設けられ、物体を把持するグリッパである。把持部１２は、制御部１５の制御に応じて物品を把持状態にすることや、把持状態を解除する。

アーム１２ａの一端部は、本体１１に前方側に接続され、他端部には把持部１２が連結されている。例えばアーム１２ａは、高さ方向にのみ自由度を有する。なお、アーム１２ａは複数の関節を有し、制御部１５による制御信号に応じて、５自由度等の多自由度で動作可能であってもよい。

頭部１３の前方側正面には、頭部１３の前方方向をセンシングする外界センサ１４が配置されている。頭部１３は、本体１１と独立して動作可能である。すなわち、頭部１３に設けられている外界センサ１４によってセンシングされる正面方向（頭部正面方向）と、本体正面方向とが、一致していない状態とすることができる。

外界センサ１４は、頭部正面方向の障害物を検知するためのセンサであり、例えば、映像を撮影するためのカメラや、３Ｄセンサを用いることができる。図４は、外界センサ１４としてカメラを用いて撮影した場合の一例である。なお図４は、外界センサ１４の視界内に把持対象物や把持部１２が映りこんだ状態を示している。外界センサ１４に用いることができるセンサは、カメラや３Ｄセンサに限られない。

制御部１５は、外界センサ１４によりセンシングされた外界の情報に応じて、全方位台車１１ａ、把持部１２、頭部１３の動作を制御する。制御部１５、オフセット演算部１６、経路演算部１７、経路追従演算部１８は、例えば、本体１１内に内蔵されるメモリ、ＣＰＵ（central processing unit）、経路地図が記憶された記憶装置等のコンピュータにより実現しても良い。

オフセット演算部１６は、アーム１２ａと外界センサ１４の角度オフセットを演算する。言い換えると、オフセット演算部１６は、頭部１３に設けられた外界センサ１４によるセンシング中に、センシング領域内に把持部１２が映らない状態になる、頭部１３の本体１１に対するオフセット角を計算する。なお例えば、頭部１３の向きと外界センサ１４の向きは同期し、本体１１と全方位台車１１ａとアーム１２ａの向きは同期して動作するため、頭部１３の本体１１に対するオフセット角が求められると、外界センサ１４とアーム１２ａのオフセット角も一意に定められる。

経路演算部１７は、記憶装置に記憶された地図、外界センサ１４で取得したセンサ情報に基づいて、ゴールに進むための経路を演算する。なお、演算方法は問わない。

経路追従演算部１８は、オフセット演算部１６により求めたオフセット角と、経路演算部１７で求めた経路と、自律移動体１の現在位置からロボットが出すべき速度を演算し、自律移動体１が経路追従制御を行う。

ここで、オフセット演算部１６による計算例を示す。最初に、把持対象物の位置やサイズが既知である場合の、オフセット演算部１６の動作例について示す。ここで、図５は、自律移動体を上方から見た場合であって、外界センサ１４として用いたカメラの視界を示している。

まず、把持対象物の位置やサイズが既知であるため、図６に示すように、カメラの光軸に対する把持対象物の右端、左端に対する角度を算出することができる。

次に、オフセット演算部１６は、
オフセット角＝画角／２−端角度
を算出し、右端、左端で絶対値が小さいほうを、オフセット角として採用する。

これにより、図７に示すようにオフセット角を用いて本体１１を回転させることで、外界センサ１４の視界に把持対象物が映らないように調整することができる。言い換えると、外界センサ１４のセンシング範囲から把持部１２及びアーム１２ａが外れるように、外界センサ１４がセンシングする向きに対して本体１１の向きを所定角度オフセットさせることができる。

次に、把持対象物の位置、サイズが未知であり、外界センサ１４にカメラを用いる場合のオフセット演算部１６の動作例について示す。

まず、頭部１３と本体１１を、それぞれ相対的に逆方向となるように動作させる。例えば上方向から見て、頭部１３を時計回りに動作させるとともに、全方位台車１１ａを含めた本体１１を反時計回りに動作させる。

このとき、把持部１２や把持対象物は全方位台車１１ａの回転に合わせて動くため、図８に示すように、オフセット演算部１６は、外界センサ１４であるカメラで取得した映像のオプティカルフローの演算を行うことで、把持対象物の領域を検出する。

その後、制御部１５は、オフセット演算部１６により算出した把持対象物の領域が、カメラの画角外となるまで全方位台車１１ａを動かすことで、外界センサの画角外に把持対象物を移動させる。また、そのときの外界センサ１４と全方位台車１１ａの角度、すなわち本体正面方向と頭部正面方向の角度の差を、オフセット角として採用することができる。

したがって、外界センサ１４のセンシング範囲から把持部１２及びアーム１２ａが外れるように、外界センサ１４がセンシングする向きに対して本体１１の向きを所定角度オフセットさせることができる。

次に、把持対象物の位置、サイズが未知であり、外界センサ１４に３Ｄセンサを用いる場合のオフセット演算部１６の動作例について示す。

まず、３Ｄセンサである外界センサ１４によりセンシングを行う。そして図９に示すように、所定の距離より近くにあるものは全て把持対象物であるとみなし、着目すべき領域を決定する。

その後、この領域の右端、左端を把持対象物の右端、左端とみなし、外界センサ１４の正面方向に対する把持対象物の右端、左端に対する角度を算出する。すなわち、オフセット演算部１６は、
オフセット角＝画角／２−端角度
を算出し、右端、左端で絶対値が小さいほうを、オフセット角として採用する。

これにより、把持対象物の位置やサイズが既知である場合と同様に、外界センサ１４のセンシング範囲から把持部１２及びアーム１２ａが外れるように、外界センサ１４がセンシングする向きに対して本体１１の向きを所定角度オフセットさせることができる。

次に、経路追従演算部１８による演算を利用して、経路追従をしながら、アーム１２ａと外界センサ１４のオフセット角を保つ制御の動作について、図１０を用いて説明する。

経路追従演算部１８は、与えられた経路上で、自律移動体１の現在位置にもっとも近い経路点を探す（ステップＳ１）。

経路追従演算部１８は、探索された経路点の経路上を沿う方向（ψ）に、自律移動体１に求められる速度Ｖから、速度（Ｖｘ，Ｖｙ）を演算する（ステップＳ２）。例えば速度は、Ｖｘ＝Ｖcosψ、Ｖｙ＝Ｖsinψとする。

経路追従演算部１８は、経路点と自律移動体１の距離（ｄ）から、経路点に対して戻るような速度を加算する（ステップＳ３）。例えば、Ｖｘ＝Ｖcosψ＋Ｐｔ*ｄ*sinψ、Ｖｘ＝Ｖsinψ−Ｐｔ*ｄ*sinψとする。なお、Ｐｔは任意に定めたゲインである。

経路追従演算部１８は、外界センサ１４の方向αと、アーム１２ａの方向β、及びオフセット角θから、Ｖω＝Ｐω＊（α＋θ−β）とし、オフセット角θを満たしながらフィードバック制御となるように、ロボットの回転速度Ｖωを算出する（ステップＳ４）。なおＰωは任意に定めたゲインである。

経路追従演算部１８は、速度（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖω）を、台車座標系、すなわちアーム１２ａがついている本体正面方向を基準とした速度（ｖｘ，ｖｙ，ｖω）に変換する演算を行う（ステップＳ５）。

また、経路追従演算部１８は、算出した速度（ｖｘ，ｖｙ，ｖω）について、速度及び加速度があらかじめ定めた制限値を超えないように変換する演算を行い、（ｖｘ’，ｖｙ’，ｖω’）を算出する（ステップＳ６）。

制御部１５は、算出された速度（ｖｘ’，ｖｙ’，ｖω’）を目標速度として、全方位台車１１ａの動作を制御し、自律移動体１を走行させる（ステップＳ７）。

これにより、進行方向に対してアーム１２ａの方向が角度オフセットを持った状態にすることができるため、自律移動体は、把持部１２及びアーム１２ａが外界センサ１４に映りこまず、センシングの妨げとならない状態にして移動を行うことができる。

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。

１ 自律移動体
１１ 本体
１１ａ 全方位台車
１２ 把持部
１２ａ アーム
１３ 頭部
１４ 外界センサ
１５ 制御部
１６ オフセット演算部
１７ 経路演算部
１８ 経路追従演算部

Claims (1)

1. 全方位台車を有する本体と、
   前記本体の前方に連結され、前記本体に対し前記本体の高さ方向のみに自由度を有するアームを介して、前記本体に連結された把持部と、
   前記本体に対して回動可能に設けられた頭部と、
   前記頭部前方をセンシング可能であるように設けられた外界センサと、
   各部の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記外界センサからのセンシング結果に基づき自律移動制御される自律移動体であって、
   前記制御部は、前記自律移動制御において、前記外界センサのセンシング範囲から前記把持部及び前記アームが外れるように、前記外界センサがセンシングする向きに対して前記本体の向きを所定角度オフセットさせ、所定角度オフセットさせた状態を維持し、自律移動制御する、
   自律移動体。

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