JP7016495B2 - ロボット用台車及びロボットの走行制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、所定の走行経路に沿って走行する走行ロボット、ロボットを搬送するのに適合されたロボット用台車及びそのような台車の走行を好適に制御するための方法に関する。

従来、床部に敷設されたライン又は走行経路に沿って移動可能な様々なロボットが提案されている（例えば特許文献１～４参照）。

特開平６－１８７０３２号公報 特開平７－２９５６３７号公報 特開２００２－７３１７１号公報 特開２００４－２７７０６２号公報

従来の走行ロボットは、走行面にラインをペイントし又は磁気テープ等を連続的に敷設した走行経路上を走行するものである。そのため、走行経路の設定や、一度設定した走行経路を施設のレイアウト変え等により変更するには、ラインのペイント、貼り換え又は塗り直し等の作業が必要となり煩雑であった。

そこで本発明は、走行ロボットの走行経路の設定や変更を容易にし、走行経路に沿って自律的にロボットを走行させることができる等の技術を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するため、本発明は、走行経路に沿って走行可能なロボット用台車であって、推進ホイールと、前記推進ホイールを回転駆動する推進モータと、方向転換手段と、前記推進モータ及び前記方向転換手段を制御して当該台車の走行を制御する制御装置と、当該台車の走行方向に対して直交し、かつ、走行面に臨む側に受光部を有するライン状光センサと、を備え、複数枚の反射板が前記走行経路上に配置され、前記ライン状光センサが、前記反射板の幅方向における偏位量を検知し、前記制御装置が、検知された前記偏位量に応じた制御量で前記方向転換手段を制御することにより、当該台車の向きを修正するよう構成され、前記走行経路の何れか１つ又は複数のチェック位置にはＩＣタグが設けられ、前記制御装置が、認識した当該台車の現在位置を、前記ＩＣタグから受信した識別情報に基づくチェック位置に較正するよう構成されている、ロボット用台車である。

上記の構成のロボット用台車において、前記制御装置の記憶手段には、前記反射板の配置情報を含む経路マップが記憶され、前記制御装置が、測定した当該台車の走行距離に基づいて前記経路マップを参照することにより、当該台車の現在位置を認識するよう構成されていることが好ましい。

また、上記の構成のロボット用台車において、前記制御装置が、前記ライン状光センサにより検知される前記反射板の通過枚数をカウントすることにより当該台車の走行距離を測定するよう構成されていることが好ましい。

また、上記の構成のロボット用台車において、前記制御装置が、前記推進ホイールの回転量をカウントすることにより当該台車の走行距離を測定するよう構成されているものでもよい。

また、上記の構成のロボット用台車において、前記制御装置の記憶手段には、出発位置から目標位置に到達するまでの走行プランが設定可能であり、前記制御装置が、設定された前記走行プランに従って当該台車の走行を制御するように構成されていることが好ましい。

また、本発明は、上記の構成のロボット用台車にロボット本体を搭載してなる走行ロボットである。

また、本発明は、走行経路に沿ってロボットの走行を制御する走行制御方法であって、複数枚の反射板が前記走行経路上に配置され、前記ロボットが、方向転換手段と、当該ロボットの走行方向に対して直交し、かつ、走行面に臨む側に受光部を有するライン状光センサと、制御装置とを備え、前記ライン状光センサが、前記反射板の幅方向における偏位量を検知するステップと、前記制御装置が、検知された前記偏位量に応じた制御量で前記方向転換手段を制御することにより、当該台車の向きを修正するステップと、前記制御装置が、認識した当該台車の現在位置を、走行経路の何れか１つ又は複数のチェック位置に設けたＩＣタグから受信した識別情報に基づくチェック位置に較正するステップとを含む、ロボットの走行制御方法である。

本発明によれば、走行面に反射板を配置しただけの簡単な走行経路に沿って、ロボット用台車が向きを自動修正しながら自律的に走行することができる。また、反射板の配置を変えるだけで、走行経路の変更を容易に行うことができる。

走行ロボットの概要を説明するための側面図である。 ロボット用台車の概略構成を示すブロック図である。 ロボット用台車の背面図である。 ライン状光センサの出力値と反射板の偏位量との関係を例示する表図である。 ロボット用台車に備えられる制御回路を例示するブロック図である。 一実施形態によるロボット用台車の動作を説明するための図である。 図６Ａに示したロボット用台車の動作を更に説明するための図である。 ロボット用台車の記憶手段に記憶される経路マップを例示する図である。 図７の経路マップを参照してロボット用台車が自律走行する動作を説明するための図である。 他の実施形態によるロボット用台車の動作を説明するための図である。 図９Ａに示したロボット用台車の動作を更に説明するための図である。

以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照して説明する。図１に例示される走行ロボット１は、下部走行体としてロボット用台車２と、ロボット用台車２に搭載されるロボット本体３とを備えている。ロボット本体３としては、例えば人型の案内ロボット、動物型のペットロボット、バケット型若しくはコンテナ型の運搬ロボットなど、目的や機能等に応じて様々なタイプのロボットを任意に選択することができる。ロボット本体３を搬送するロボット用台車２は、施設の床面（走行面）ＦＳに予め任意に定めた走行経路に沿って移動が可能である。本実施形態では、ロボット用台車２が走行する際の指標として、床面ＦＳに反射板ＲＰを断続的に又は点在して配置することで、ロボット用台車２が走行する走行経路が設定される。反射板ＲＰは、正方形又は長方形であり、平行な２辺が、走行経路が延びる方向に揃えて配置される。なお、走行経路の変更をし易くするために、例えば粘着等の着脱容易な手段で反射板ＲＰが床面ＦＳに配置されることが好ましい。

図２は、ロボット用台車２の概略構成を示すブロック図である。ロボット用台車２は、走行駆動系として、２つの推進ホイール４、４と、各推進ホイール４を回転駆動する推進モータ５と、方向転換ホイール６と、方向転換ホイール６を旋回して操舵させる操舵モータ７とを備えている。本実施形態では、方向転換ホイール６及び操舵モータ７により、ロボット用台車２の方向転換手段が構成されている。

推進ホイール４は、ロボット用台車２を前進又は後進させるためのホイールである。２つの推進ホイール４、４は、ホイール径が同径であり、同軸かつ互いに平行にしてロボット用台車２の側部に左右一対に設けられる。ただし、走行安定性を向上させるため、推進ホイール４に若干のキャンバ角を設定してもよい。

推進モータ５は、例えば回転型ステッピングモータとすることができ、そのドライブ軸が推進ホイール４の軸に連結している。左右の推進ホイール４、４は、それぞれの推進モータ５、５により独立に回転駆動される。また、減速ギア（不図示）を介して推進モータ５のトルクが推進ホイール４に伝達される構成でもよい。推進ホイール４の軸には、エンコーダ１１が取り付けられ、推進ホイール４の回転量がエンコーダ１１により検出される。

方向転換ホイール６は、ロボット用台車２を直進させ、また操舵角度（旋回角度）に応じて当該台車２の向きを変えるためのホイールである。方向転換ホイール６は、ロボット用台車２本体の前部中央に旋回可能に設けられる。操舵モータ７は、例えば直動型のステッピングモータとすることができ、適宜のリンク機構１２を介して、方向転換ホイール６の操舵角度（旋回角度）を制御するように構成されている。

また、ロボット用台車２は、走行に係る制御系として、マイコン等の制御装置であるコントローラ２０と、ライン状光センサ３０とを備えている。

コントローラ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び通信インターフェース等を含むマイコンチップとともに、ロボットの走行や監視等に必要なロジック回路やドライブ回路等を基板に実装している。ＣＰＵは、ＲＯＭに予め記憶されたプログラムコードに従って演算処理を実行することで、以下説明する様々な制御機能を実現する。後述するように、コントローラ２０が、外部のリモコン操作装置等により予め又はその都度設定された走行条件パラメータ等に基づいて、推進モータ５及び操舵モータ７を駆動制御する。これによりロボット用台車２の走行が自律的に制御される。

図３は、ロボット用台車２を後方から見た背面図である。台車２本体の底部に設けられるライン状光センサ３０は、発光部及び受光部の対からなる複数個（実施例では８個）の光センサ素子Ｄ１～Ｄ８を有している。各光センサ素子Ｄ１～Ｄ８は、ロボット用台車２の走行方向に対して直交する方向に配列され、かつ、走行面である床面ＦＳに臨む側に受光部を有している。このようなライン状光センサ３０により、当該台車２の走行中心線に対する反射板ＲＰの幅方向における相対位置（オフセット偏位量、又は単に「偏位量」という。）が検知可能とされている。ここで、「幅方向」とは、ロボット用台車２の走行方向（前進及び後進）に対して直交する方向をいう。

それぞれの光センサ素子Ｄ１～Ｄ８は、発光部が下方に向けて一定強度のセンシング光を放射し、受光部で受光される反射光の強度が所定値以上であれば「Ｈ」レベルの信号を出力する（オン状態）。つまり、光の反射率の差によって床面ＦＳと反射板ＲＰとが識別される。したがって、反射板ＲＰを確実に検知するためには、床面ＦＳよりも大きな反射率を有する、例えばアルミ合金製の光沢板を反射板ＲＰとして用いることが好ましい。

なお、ライン状光センサ３０が放射するセンシング光は、拡散光又はレーザ光の何れでもよい。また、センシング光は、可視光から赤外光までの何れの周波数の光でもよい。ただし、金属板は、非金属からなる床面ＦＳよりも赤外光の放射率（吸収率）が顕著に小さいことが分かっており、そのため、反射板ＲＰにアルミ合金を用いる場合には、金属と非金属との間で反射率により差が生じる赤外光センサを、ライン状光センサ３０に用いることが好ましい。

より具体的に、ライン状光センサ３０は、反射板ＲＰの左部を検知する光センサ素子群Ｄ１～Ｄ４と、反射板ＲＰの右部を検知する光センサ素子群Ｄ５～Ｄ８とを備えて構成される。ここで、図４には、ライン状光センサ３０の出力値Ｄ１～Ｄ８と、ロボット用台車２の走行方向中心に対する反射板ＲＰの偏位量δとの関係が例示される。図３に示したように、ロボット用台車２の中心である規定位置に反射板ＲＰがある場合には、中央の光センサ素子Ｄ４、Ｄ５のみが反射板ＲＰの左右端部を検知して「Ｈ」レベルとなる。ロボット用台車２が、例えば反射板ＲＰから左に外れる量が大きくなるほど（反射板ＲＰの偏位量δが＋１～＋３）、反射板ＲＰの右部を検知する光センサ素子群Ｄ５～Ｄ８が「Ｈ」レベルとなる数が増加する。逆に、ロボット用台車２が、反射板ＲＰから右に外れる量が大きくなるほど（反射板ＲＰの偏位量δが－１～－３）、反射板ＲＰの左部を検知する光センサ素子群Ｄ１～Ｄ４が「Ｈ」レベルとなる数が増加する。このような特性を利用して、コントローラ２０は、ライン状光センサ３０の出力値（以下、デジタル値Ｄ１～Ｄ８とも記述する）に基づいて、反射板ＲＰの偏位量、換言するとロボット用台車２が所定の走行経路から外れた量を把握することができる。

図５のブロック図は、反射板ＲＰが断続的に配置された走行経路に沿って、走行ロボット１の走行を自動修正制御するための回路の一例である。この制御回路は、ロボット用台車２のコントローラ２０に搭載され、ライン状光センサ３０により検知される反射板ＲＰの幅方向における偏位量δを、方向転換ホイール６の操舵角度（旋回角度）θにフィードバックする閉ループ回路を構成している。

この制御回路の構成を更に具体的に説明する。図５のブロック図において、オペアンプ２０１の反転入力端子（－端子）には、ライン状光センサ３０により検知された反射板ＲＰの偏位量δを示す、ＤＡデコーダ（ＤＡＤ：Ｄｉｄｉｔａｌ Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｃｏｄｅｒ）２０２が出力する偏位量信号が入力される。ＤＡデコーダ２０２は、ライン状光センサ３０の出力値Ｄ１～Ｄ８を偏位量データにデコードし、偏位量信号として、例えば図４に示した電圧値をアナログ出力する変換回路である。

オペアンプ２０１の非反転入力端子（＋端子）には、目標偏位量を示す電圧値、すなわち０ｍＶが入力される。この目標電圧値を、ＤＡデコーダ２０２と同一特性のＤＡデコーダ２０３から得てもよい。その場合には、図５に示すように、ＤＡデコーダ２０３のＤ４、Ｄ５に相当する入力を「Ｈ」レベルにし、他のＤ１～Ｄ３及びＤ６～Ｄ８に相当する入力を「Ｌ」レベルに設定するとよい。

これにより、オペアンプ２０１は、反射板ＲＰの偏位量δに比例し、かつ、方向転換ホイール６を逆向きに操舵する制御量θの制御信号を操舵モータ７に出力することができる。なお、本走行修正制御回路の閉ループゲインを決定する入力抵抗Ｒ１及び帰還抵抗Ｒ２の値は、反射板ＲＰの間隔及びロボット用台車２の速度等に応じて、走行状態が振動的にならないように適宜設定される。

このような走行修正制御回路によれば、ロボット用台車２の走行中心線に対する反射板ＲＰの偏位量δがゼロとなるように、方向転換ホイール６の操舵角度θがフィードバック制御される。したがって、外部からリモコン等で操縦しなくても、例えば図６Ａに示すように、反射板ＲＰがある走行経路に沿って、ロボット用台車２を自律的に走行させることができる。また、仮にロボット用台車２が走行経路から外れてしまった場合でも、図６Ｂに示すように、反射板ＲＰを通過するときにその向きを修正しながら、正しい走行経路に沿って進むことができる。

また、この制御回路は、ライン状光センサ３０により検知される反射板ＲＰの通過枚数をカウントすることにより、ロボット用台車２の走行距離を測定する機能を備えている。例えば図５のブロック図において、ライン状光センサ３０の出力値Ｄ１～Ｄ８が、ローアクティブのＡＮＤ回路２０４に入力される。この構成によれば、ライン状光センサ３０が反射板ＲＰを検知する位置では、センサ出力値Ｄ１～Ｄ８の何れかが「Ｈ」レベルとなるから、ＡＮＤ回路２０４は「Ｌ」レベルの信号を出力する。他方、ライン状光センサ３０が２枚の反射板ＲＰの間にある位置では、センサ出力値Ｄ１～Ｄ８が全て「Ｌ」レベルとなるから、ＡＮＤ回路２０４は「Ｈ」レベルの信号を出力する。したがって、コントローラ２０は、ＡＮＤ回路２０４の出力変化をカウンタ２４によりカウントすれば、ロボット用台車２が通過した反射板ＲＰの枚数を把握することができる。そして、コントローラ２０は、反射板ＲＰが配置される間隔と反射板ＲＰの経路方向における寸法とを合計した長さに、通過した反射板ＲＰの枚数を乗じることで、ロボット用台車２が走行した距離を測定することができる。

なお、コントローラ２０は、推進ホイール４に取り付けたエンコーダ１１を介してカウントされる、推進ホイール４の回転積算量からロボット用台車２の走行距離を測定してもよい。また、通過した反射板ＲＰの枚数に、推進ホイール４の回転量を加味して、ロボット用台車２の走行距離を測定してもよい。

更にコントローラ２０の記憶手段（ＥＰＲＯＭ、ＳＲＡＭ、スマートメディア等を含む）には、例えば図７に示すような経路マップのデータが記憶されてもよい。この経路マップには、走行経路Ｃ、反射板ＲＰの配置座標等が記述されている。コントローラ２０は、上述した方法で測定したロボット用台車２の走行距離に基づいて、例えば反射板ＲＰを通過する毎に経路マップを逐一参照することにより、当該台車２の現在位置を認識することができる。

また、走行経路Ｃ上の１つ又は複数の地点をチェック位置として任意に定め、そのチェック位置又はそのチェック位置にある反射板ＲＰにＩＣタグＣＰを設けてもよい。例えば走行ロボット１が頻繁に行き来する位置を、チェック位置として定めておくことが好ましい。ＩＣタグＣＰには、チェック位置の座標を示す識別情報（位置情報）が記録されている。走行ロボット１がチェック位置に到達した時には、コントローラ２０は、その位置で、ＩＣタグＣＰから識別情報（チェック位置の位置情報）を受信する。そして、コントローラ２０は、反射板ＲＰの通過数及び／又はエンコーダ１１のカウント値から認識した当該台車２の現在位置を、ＩＣタグＣＰから受信した識別情報に基づくチェック位置に較正することができる。

ロボット用台車２が、反射板ＲＰがない経路を走行する際には、ライン状光センサ３０の出力値Ｄ１～Ｄ８が全て「Ｌ」レベルとなり、フィードバック制御を行うことができない。ただし、その際には、最後に通過した反射板ＲＰの偏位量を示すセンサ出力値Ｄ１～Ｄ８が保持されていることが、円滑な走行を維持する上で好ましい。そのために、図５に例示した制御回路は、ＤＡデコーダ２０２の入力側に、直近のセンサ出力値Ｄ１～Ｄ８を保持するＤフリップフロップ２０５が設けられている。すなわち、この回路によれば、ライン状光センサ３０が反射板ＲＰのエッジを検知し、センサ出力値Ｄ１～Ｄ８が全て「Ｌ」レベルになると、ＡＮＤ回路２０４の出力によりゲート回路２０６がオフし、Ｄフリップフロップ２０５へのタイミング信号ＣＫの供給が停止される。これにより、直近のセンサ出力値Ｄ１～Ｄ８がＤフリップフロップ２０５に保持される。

図２に示したように、ロボット用台車２は、コントローラ２０がロボット本体３との間で通信する制御信号の入出力や、衝突回避等のためオプショナルに設けられる障害物センサや人検出センサ等からの信号入力を行うためのＩ／Ｏポート２１を設けてもよい。また、外部のリモコン操作装置からの信号を受信するためのリモコン受信部２２や、所定のチェック位置に配置されるＩＣタグからの位置情報を受信するためのＲＦ受信部２３等も任意に設けることができる。

また、ロボット用台車２は、コントローラ２０の制御により、出発位置から目標位置に到達するまでの走行プランに従って無人で走行することができる。例えば利用者がリモコン操作装置を使って、走行ロボット１を到着させたい目標位置の位置番号や座標情報を入力すると、コントローラ２０は、記憶手段に記憶されている経路マップを参照し、例えば現在位置を出発位置とし、そこから目標位置までの走行プランを自動的に作成することができる。例えば、図８の例では、走行ロボット１（ロボット用台車２）の出発位置（Ｘ２Ｙ２６）から目標位置（Ｘ３２Ｙ２９）までの走行プランとして、下記のようなプログラムコードがコントローラ２０により作成される。
ＹＰ８；ＴＬ９０；ＸＰ３０；ＴＬ９０；ＹＮ５：
ここで、「ＹＰ８」は、台車２をＹＰ方向に８コマ移動させるコマンドを意味し、「ＴＬ９０」は、台車２を９０度左旋回させるコマンドを意味し、「ＸＰ３０」は、台車２をＸＰ方向に３０コマ移動させるコマンドを意味し、「ＹＮ５」は、台車２をＹＮ方向に５コマ前進させるコマンドを意味する。なお、ここでいう「コマ」とは、通過する反射板ＲＰの枚数を数える際の数詞である。
そして、コントローラ２０は、作成したプログラムコードに従ってロボット用台車２を走行させることで、走行ロボット１を出発位置から目標位置まで、所定の走行経路Ｃに沿って正確に移動させることができる。

なお、走行ロボット１を移動させる先の目標位置は、到達する順番に複数設定されてもよいし、ロボットが２個所の目標位置を往復するような設定がされてもよい。また、それぞれの位置での出発時刻（又は到達時刻）や、走行速度等のパラメータを、リモコンによる操作入力又はコントローラ２０の記憶装置に直接書き込む等の方法で設定することができる。

このように、ロボット用台車２を走行体として有する走行ロボット１は、走行経路Ｃ上の目標位置まで自律的かつ確実に移動することができる。また、反射板ＲＰを床面ＦＳに配置するだけで、簡単に走行経路を設定することができる。また、走行ロボット１が稼働する施設のレイアウト変更等に合わせて走行経路を容易に変更することもできる。

なお、ロボット用台車２は、例えば図９Ａ、９Ｂに示すように、２軸の推進ホイール４、４の回転速度差Δωにより、方向転換及びその場での１８０度旋回ができる方向転換手段を備えるものでもよい。その場合、ロボット用台車２のコントローラ２０は、ライン状光センサ３０により検知された反射板ＲＰの偏位量δに応じた、左右の推進ホイール４、４の回転速度差Δωとなるように、各推進モータ５をフィードバック制御する。これにより、上述の実施形態と同様に、ロボット用台車２は、反射板ＲＰを通過するときに、その向きを自動的に修正しながら、走行経路に沿って走行することができる。

１ 走行ロボット
２ ロボット用台車
３ ロボット本体
４ 推進ホイール
５ 推進モータ
６ 方向転換ホイール
７ 操舵モータ
１１ エンコーダ
１２ リンク機構
２０ コントローラ
２１ Ｉ／Ｏポート
２２ リモコン受信部
２３ ＲＦ受信部
２４ カウンタ
３０ ライン状光センサ
２０１ オペアンプ
２０２、２０３ ＤＡデコーダ
２０４ ＡＮＤ回路
２０５ Ｄフリップフロップ
２０６ ゲート回路
Ｃ 走行経路
ＲＰ 反射板
ＦＳ 床面
ＣＰ ＩＣタグ
δ 反射板の偏位量
θ 方向転換ホイールの操舵角度（旋回角度）
Δω 推進ホイールの回転速度差

Claims (5)

1. 走行経路に沿って走行可能なロボット用台車であって、
   推進ホイールと、
   前記推進ホイールを回転駆動する推進モータと、
   方向転換手段と、
   前記推進モータ及び前記方向転換手段を制御して当該ロボット用台車の走行を制御する制御装置と、
   当該ロボット用台車の走行方向に対して直交し、かつ、走行面に臨む側に受光部を有するライン状光センサと、を備え、
   複数枚の反射板が前記走行経路上に断続的に又は点在して配置され、
   前記ライン状光センサが、前記反射板の幅方向における偏位量を検知し、
   前記制御装置が、検知された前記偏位量に応じた制御量で前記方向転換手段を制御することにより、当該ロボット用台車の向きを修正するよう構成され、
   前記走行経路の何れか１つ又は複数のチェック位置にはＩＣタグが設けられ、
   前記制御装置が、認識した当該ロボット用台車の現在位置を、前記ＩＣタグから受信した識別情報に基づくチェック位置に較正するよう構成され、
   前記制御装置の記憶手段には、前記反射板の配置情報を含む経路マップが記憶され、
   前記制御装置が、前記ライン状光センサにより検知される前記反射板の通過枚数をカウントすることにより当該ロボット用台車の走行距離を測定するとともに、測定した当該走行距離に基づいて前記経路マップを参照し、更に前記チェック位置に基づいて、当該ロボット用台車の現在位置を認識するよう構成されている、ロボット用台車。
2. 前記制御装置が、当該ロボット用台車が最後に通過した反射板に対し前記ライン状光センサが検知した前記偏位量を保持して、反射板がない走行経路を走行制御するよう構成されている、請求項１に記載のロボット用台車。
3. 前記制御装置が、前記ライン状光センサにより検知される前記反射板の通過枚数をカウントし、かつ、前記推進ホイールの回転量をカウントすることにより当該ロボット用台車の走行距離を測定するよう構成されている、請求項１又は２に記載のロボット用台車。
4. 前記制御装置の記憶手段には、出発位置から目標位置に到達するまでの走行プランが設定可能であり、
   前記制御装置が、設定された前記走行プランに従って当該ロボット用台車の走行を制御するように構成されている、請求項１～３の何れか１項に記載のロボット用台車。
5. 請求項１～４の何れか１項に記載のロボット用台車にロボット本体を搭載してなる走行ロボット。

Images