JP7379802B2

JP7379802B2 - 移動経路決定装置

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Publication number: JP7379802B2
Application number: JP2019236406A
Authority: JP
Inventors: 壮広鶴田; 幹太宮口; 中藤井
Original assignee: Takenaka Corp
Current assignee: Takenaka Corp
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: JP2021105816A

Description

本発明は、移動経路決定装置に関する。

従来、鋼材から切り出す部材の現図の際に鋼材のマーキン面にマーキン線を描画するマーカの移動経路の最適化方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載の最適化方法では、マーキン工程での空送り工程におけるマーカの移動距離を最短にする経路を、アントコロニー法を用いて探索している。

また、がん治療等に用いられる走査型の粒子線治療装置や、当該粒子線治療装置用の治療計画装置に関して、ビームの走査経路の決定方法が知られている（例えば、特許文献２を参照）。特許文献２に記載の方法では、実際のスキャニング照射を行うに際し、各ビームスポットをどの順番で照射していくか、すなわち走査経路をどのように決めるかに関して、ラスタースキャニング型の粒子線治療装置においてその走査時間を短縮し、かつ、正常組織や重要臓器への照射回避も考慮した走査経路を求めている。

特許第５５２０７６３号公報特許第５８７９４４６号公報

しかし、上記特許文献１に記載の技術は、複数の作業位置へマーキン線を描画するためのマーカを移動させる場合の移動コストには、各作業位置間の距離のみを考慮に入れればよい。また上記特許文献２に記載の技術は、複数のビームスポット位置へビーム走査する場合のビーム走査コストには、各ビームスポット位置間の距離とビーム走査速度のみを考慮に入れればよい。一方、独立２輪駆動型の台車ロボットのように旋回と走行を個別に行う移動体や、旋回と走行を同時に行う移動体を、複数の作業位置へ移動させる場合の移動コストには、旋回に要するコストを考慮に入れる必要がある。

本発明は上記事実を考慮して、旋回と走行とを個別に行う移動体、又は旋回と走行とを同時に可能な移動体を、複数の目標位置へ移動させる際の最適な移動経路を、簡易な計算で決定することができることを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明の移動経路決定装置は、旋回と直進又は後退である走行とを個別に行う移動体を、複数の目標位置の各々へ移動させる際の移動経路を決定する移動経路決定装置であって、前記目標位置のペアの各々に対し、前記ペアの一方を移動開始点とし、他方を到着点とした際の、前記移動開始点での旋回角度、直進又は後退の移動距離、及び前記到着点での旋回角度を用いて表されるコスト関数の値を計算するコスト関数計算部と、前記計算された前記コスト関数の値の総和が小さくなるような前記移動経路を決定する移動経路決定部と、を含んで構成されている。これにより、旋回と走行とを個別に行う移動体を、複数の目標位置へ移動させる際の最適な移動経路を、簡易な計算で決定することができる。

第２の発明の移動経路決定装置は、旋回と直進又は後退である走行とが同時に可能な移動体を、複数の目標位置の各々へ移動させる際の移動経路を決定する移動経路決定装置であって、前記目標位置のペアの各々に対し、前記ペアの一方を移動開始点とし、他方を到着点とした際の、旋回を前記走行と同時に行って前記移動開始点から前記到着点まで移動する地点間経路であって、予め定められた規則で生成される地点間経路を用いて表されるコスト関数の値を計算するコスト関数計算部と、前記計算された前記コスト関数の値の総和が小さくなるような前記移動経路を決定する移動経路決定部と、を含んで構成されている。これにより、旋回と走行とを同時に可能な移動体を、複数の目標位置へ移動させる際の最適な移動経路を、簡易な計算で決定することができる。

上記の発明の移動経路決定装置において、前記コスト関数計算部は、前記目標位置のペアの各々に対し、前記ペアの一方を移動開始点とし、他方を到着点とし、前記移動開始点及び前記到着点の各々において、前記移動体の基準方向が、予め定められた方向と一致するように移動する際の前記コスト関数の値を計算するようにすることができる。これにより、目標位置での移動体の方向が定められている場合であっても、最適な移動経路を決定することができる。

上記の発明の移動経路決定装置において、前記コスト関数計算部は、予め定められた一定速度又は時間的に変動する速度を更に用いて表される前記コスト関数の値を計算するようにすることができる。これにより、適切な速度で移動させる場合の最適な移動経路を決定することができる。

上記の発明の移動経路決定装置において、前記移動体は、床面に対する作業を行うための床面作業部を含んで構成され、かつ移動可能な作業機構と、前記決定された移動経路に沿って、前記作業機構を移動させる制御部と、を備え、前記移動経路決定部は、前記作業機構の動作について予め定められた制約を満たすように前記移動経路を決定することができる。これにより、床面に対する作業を行う移動体の最適な移動経路を決定することができる。

本発明によれば、旋回と走行とを個別に行う移動体、又は旋回と走行とを同時に可能な移動体を、複数の目標位置へ移動させる際の最適な移動経路を、簡易な計算で決定することができる、という効果が得られる。

本発明の第１実施形態に係る作業システムの構成の一例を示す図である。本発明の第１実施形態の作業システムの制御系の機能的な構成例を示す図である。レーザ装置の構成の一例を示す図である。床面作業ロボットの構成の一例を示す図である。各作業点の一例を示す図である。本発明の第１実施形態における床面作業ロボットによる次の作業点への移動手順を説明するための説明図である。本発明の第１実施形態における床面作業ロボットによる墨出しの手順を説明するための説明図である。床面作業ロボットの速度制御の一例を示す図である。作業点間を結ぶ経路上に移動不可領域がある場合の一例を示す図である。床面作業ロボットのロボット制御機器による移動経路決定処理を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態における床面作業ロボットによる次の作業点への移動経路の一例を示す図である。床面作業ロボットによる次の作業点への移動経路を生成する方法を説明するための説明図である。床面作業ロボットの運動モデルを説明するための説明図である。シミュレーション例における各シナリオを示す図である。シミュレーション例における各経路探索手法を示す図である。シナリオ１での各経路探索手法のシミュレーション結果として得られた作業コストを示す図である。シナリオ１での各経路探索手法のシミュレーション結果として得られた経路を示す図である。シナリオ２での各経路探索手法のシミュレーション結果として得られた作業コストを示す図である。シナリオ２での各経路探索手法のシミュレーション結果として得られた経路を示す図である。シナリオ３での各経路探索手法のシミュレーション結果として得られた作業コストを示す図である。シナリオ３での各経路探索手法のシミュレーション結果として得られた経路を示す図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

［第１実施形態］
＜作業システムの構成＞
図１は、第１実施形態に係る作業システム１０の構成の一例を示す図である。図１に示されるように、作業システム１０は、測距用レーザ光を目標位置へ向けて照射するレーザ装置１２と、位置決めされた位置において床面に対する作業を行う床面作業ロボット１４とを含む。本実施形態では、床面作業ロボット１４が旋回と直進又は後退である走行とを個別に行いながら、建設現場の床面に対して墨出しを行う場合を例に説明する。

また、図２に、作業システム１０の制御系の構成の一例を示す。図２に示されるように、作業システム１０のレーザ装置１２の制御系は、機能的には、レーザ制御部１２Ａと、レーザ通信部１２Ｂとを備えている。また、図２に示されるように、作業システム１０の床面作業ロボット１４の制御系は、ロボット制御機器１４Ａと、カメラ１４Ｂと、移動駆動モータ１４Ｃと、位置決め駆動モータ１４Ｄとを備えている。

（レーザ装置）
レーザ装置１２のレーザ制御部１２Ａは、測距用レーザ光を目標位置へ向けて照射する。レーザ通信部１２Ｂは、床面作業ロボット１４との間で情報のやり取りをする。

レーザ装置１２は、例えば、図３に示されるように、３次元レーザ測定器によって実現される。３次元レーザ測定器であるレーザ装置１２は、レーザ制御部１２Ａから出力された制御信号に応じて、出力口１２Ｘから測距用レーザを出力する。測距用レーザは、制御信号によって指定された方位に対して照射され、床面と略平行に照射される。また、レーザ装置１２は、測距用レーザが照射された対象物までの水平距離を測定する。

レーザ装置１２は、図３に示されるように、Ｚ軸まわり（方位方向）に回転する。レーザ装置１２は、床面に対して水平な軸と垂直な軸を中心軸として回転する２組のモータ（図示省略）を備えており、指定した任意の方向へ向けて測距用レーザを照射することができる。

（床面作業ロボット）
図４は、床面作業ロボット１４の構成の一例を示す図である。床面作業ロボット１４は、図４に示されるように、移動経路決定装置の一例としてのロボット制御機器１４Ａ、カメラ１４Ｂ、移動機構１６、移動機構１６を駆動させるための移動駆動モータ１４Ｃ、ペン描画装置１８、ペン描画装置１８を移動させるための位置決め駆動モータ１４Ｄ、支持フレーム２０、及び光拡散板２２を備える。なお、図４の下段の図は、図４の上段の図におけるＸ－Ｘ’面の断面図である。移動機構１６、移動駆動モータ１４Ｃ、ペン描画装置１８、及び位置決め駆動モータ１４Ｄは、作業機構の一例である。また、床面作業ロボット１４は移動体の一例である。

本実施形態の移動機構１６は、図４に示されるように、独立２輪駆動機構である。

移動駆動モータ１４Ｃは、ロボット制御機器１４Ａの制御に応じて動力を出力する。移動駆動モータ１４Ｃから出力された動力に応じて移動機構１６が駆動する。

ペン描画装置１８は、支持フレーム２０に設置されている。また、ペン描画装置１８は、ｘ‐ｙリニアステージ１８Ａと、ペンホルダー１８Ｂと、ペン１８Ｃとを備えている。ペンホルダー１８Ｂ及びペン１８Ｃは、本発明の床面に対する作業を行うための床面作業部の一例である。

ｘ‐ｙリニアステージ１８Ａは、床面作業ロボット１４の座標系を表すロボット座標系のＸ_Ｒ軸及びＹ_Ｒ軸方向に移動可能なように構成されている。

ペンホルダー１８Ｂには、ペン１８Ｃを鉛直方向に上下させるペン上げ下げ機構（図示省略）が備えられている。ペンホルダー１８Ｂは、任意の位置でペン先を床面に押し付けることができ、建設現場の床面に墨出しをすることができる。したがって、ｘ‐ｙリニアステージ１８Ａとペンホルダー１８Ｂのペン上げ下げ機構（図示省略）とを制御することにより、床面に任意の文字や図形を描くことができる。

位置決め駆動モータ１４Ｄは、ロボット制御機器１４Ａの制御に応じて動力を出力する。位置決め駆動モータ１４Ｄから出力された動力に応じて、ｘ‐ｙリニアステージ１８Ａが移動し、ペンホルダー１８Ｂ及びペン１８Ｃが所定の位置となる。

光拡散板２２は、図４に示されるように、ペンホルダー１８Ｂの上部に配置される。また、光拡散板２２は、床面に対して略垂直であって、かつ光拡散板２２の平面がロボット座標系のＸ_Ｒ軸に一致又は平行であるように配置される。また、図４に示されるように、光拡散板２２の中心軸はペン１８Ｃの中心軸と略一致するように配置されている。

なお、ペン描画装置１８と光拡散板２２とカメラ１４Ｂとは一体となっており、一体として移動可能な構成となっている。具体的には、位置決め駆動モータ１４Ｄから出力された動力に応じて、ペン描画装置１８と光拡散板２２とカメラ１４Ｂとが移動する。

カメラ１４Ｂは、ペンホルダー１８Ｂの上部に配置される。また、カメラ１４Ｂは、光拡散板２２に対向するように配置される。そして、カメラ１４Ｂは、図４に示されるＤ方向から、光拡散板２２の画像を撮像する。ペン描画装置１８及び光拡散板２２は、本発明の作業機構の一例である。

ロボット制御機器１４Ａは、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、各処理ルーチンを実現するためのプログラム等を記憶したＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、記憶手段としてのメモリ、及びネットワークインタフェース等を含んで構成されている。ロボット制御機器１４Ａは、例えば半導体集積回路、より詳しくはＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ（ＡＳＩＣ）等によって構成されてもよい。ロボット制御機器１４Ａは、図２に示されるように、機能的には、ロボット制御部１４０と、目標位置記憶部１４１と、ロボット通信部１４２と、コスト関数計算部１４３と、移動経路決定部１４４とを備えている。

本実施形態では、複数の目標位置が存在する場合に、複数の目標位置の各々へ床面作業ロボット１４を移動させる際に、移動に要する時間と旋回するのに要する時間とを考慮して、複数の目標位置の各々の間の移動経路を決定する。

本実施形態においては、墨出しを行う際に、床面作業ロボット１４の光拡散板２２をレーザ装置１２からのレーザ照射方向に対して略垂直になるように姿勢を制御する必要がある。このため、複数の目標位置が存在する場合には、墨出しを順次行う経路によっては姿勢制御のために多くの時間を費やす。しかし、墨出しを順次行う経路を適切に選択すれば、複数の目標位置への墨出しを効率化することができる。また、複数の目標位置への墨出しを効率化することは、床面作業ロボット１４のバッテリー消費の観点からも合理的である。

そこで、本実施形態においては、複数の目標位置が存在する場合に、複数の目標位置の各々へ床面作業ロボット１４を移動させる際に、移動に要する時間と光拡散板２２をレーザ装置２２からのレーザ照射方向に対して略垂直にするための姿勢制御に要する時間とを考慮して、床面作業ロボット１４の移動経路を決定する。

この場合、床面作業ロボット１４の現在位置から次の目標位置に移動して墨出しを行うためには、旋回、直進又は後退、及び再度の旋回の３つの動作をする必要がある。本実施形態では、これら一連の動作に要する時間をコストとして計算する。このコストは、現在位置を表す座標と、次の目標位置を表す座標と、床面作業ロボット１４の移動速度Ｖ、床面作業ロボット１４の旋回角速度ω、レーザ装置１２の座標Ｐ（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）を用いて計算する。

具体的には、コスト関数計算部１４３は、目標位置記憶部１４１に格納された複数の目標位置の各々を読み出すと共に、予め求められたレーザ装置１２の位置を取得する。また、コスト関数計算部１４３は、目標位置のペアの各々に対し、当該ペアの一方を移動開始点とし、他方を到着点とした際の、移動開始点での旋回角度、直進又は後退の移動距離、及び到着点での旋回角度を用いて表されるコスト関数の値を計算する。このコスト関数は、直進移動に関するコストと、旋回に関するコストとの和で表される。直進移動に関するコストは、移動開始点から到着点までの距離と、移動速度とから計算され、旋回に関するコストは、移動開始点での旋回角度と、到着点での旋回角度と、旋回角速度とから計算される。

移動開始点での旋回角度は、床面作業ロボット１４の基準方向（光拡散板２２に対する法線方向）が、レーザ装置１２へ向いた方向から、到着点へ向いた方向となるように旋回する旋回角度であり、床面作業ロボット１４の現在位置を表す座標と、レーザ装置１２の座標と、到着点（次の目標位置）を表す座標とから求められる。また、到着点での旋回角度は、床面作業ロボット１４の基準方向（光拡散板２２の法線方向）が、移動開始点から到着点（次の目標位置）へ向かう方向から、レーザ装置１２へ向いた方向となるように旋回する旋回角度であり、床面作業ロボット１４の現在位置を表す座標と、レーザ装置１２の座標と、到着点（次の目標位置）を表す座標とから求められる。

移動経路決定部１４４は、目標位置のペア毎に計算された、コスト関数の値を要素とするコスト行列を用いて、床面作業ロボットが初期位置から全ての作業点へ１回ずつ移動した際の、コスト関数の値の総和が小さくなるような移動経路を決定する。なお、コスト関数の値の総和が最小となる移動経路を決定してもよいし、最小とならなくても、コスト関数の値の総和がある程度小さくなる移動経路を決定してもよい。

ロボット制御部１４０は、カメラ１４Ｂ、移動駆動モータ１４Ｃ、及び位置決め駆動モータ１４Ｄを制御する。また、目標位置記憶部１４１には、建設現場の床面に対する墨出しの目標位置に関する位置情報が格納されている。また、ロボット通信部１４２は、レーザ装置１２との間で情報のやり取りをする。

ロボット制御部１４０は、目標位置に関する位置情報を、目標位置記憶部１４１から読み出し、移動経路決定部１４４によって決定された移動経路に沿って、床面作業ロボット１４を複数の目標位置へ移動させるように移動駆動モータ１４Ｃを制御する。なお、目標位置は複数存在するため、ロボット制御部１４０は、１つの目標位置に対する墨出しが完了すると、決定された移動経路に沿って、次の目標位置を目標位置記憶部１４１から読み出し、床面作業ロボット１４を次の目標位置へ移動させるように、移動駆動モータ１４Ｃを制御する。

また、ロボット制御部１４０は、カメラ１４Ｂを制御し、光拡散板２２に写ったレーザ光を撮像するとともに、レーザ光の位置を検出する。また、ロボット制御部１４０は、移動駆動モータ１４Ｃを制御し、床面作業ロボット１４の移動機構１６を駆動させる。

また、ロボット制御部１４０は、カメラ１４Ｂによって撮像された光拡散板２２の画像に応じて、位置決め駆動モータ１４Ｄを制御し、ロボット座標系のＸ_Ｒ軸及びＹ_Ｒ軸において、ｘ‐ｙリニアステージ１８Ａを所定の方向へ移動させることにより、ペン１８Ｃを目標位置へ移動させる。なお、ペン１８Ｃを目標位置へ移動させる際には、ロボット制御部１４０は、光拡散板２２とカメラ１４Ｂとの間の位置関係を保ちながら、ｘ‐ｙリニアステージ１８Ａ及びペンホルダー１８Ｂの位置を制御する。

（作業システム１０の作用）
次に、本実施形態における作業システム１０による移動経路の決定方法の概要について説明する。

本実施形態では、床面作業ロボット１４に、予め設定した全ての目標位置において床面作業をさせる状況を考える。床面作業において、床面作業ロボット１４は目標位置として設定された全作業点へ順番に移動し、各作業点において作業を行う必要があるが、どのような順番で各作業点を巡回するかは、重要な問題である。例えば、床面に対する墨出し作業の場合、上記特許文献１と同様に、設計図が与えられると、床面に描く墨出しの量は一定となるため、各作業点（墨出し点）間の移動に要する時間を短くすることが出来れば、作業時間の短縮に大きく貢献する。これは全ての作業点へ１回ずつ移動した際の、総移動距離もしくは総移動時間を最小にする経路を求める巡回セールスマン問題に類似した問題とみなすことができる。

図５に示すように、床面作業ロボット１４が現作業点から次の作業点へ移動する状況を考える。次の作業点の候補である作業点１から作業点４のいずれかを選択する必要がある。図５の例では、最も距離が短い点は作業点４であるが、上述した床面作業ロボット１４のように全方向移動機能の無い独立２輪駆動機構である場合、車輪軸に平行な方向（自動車の場合の真横方向）へ移動することはできないため、図６に示すように現在位置から作業点４の方向へ向けて旋回した後、直進走行する必要がある。その結果、距離は大きいものの旋回の必要のない作業点１の方が移動に要する時間が短くなるケースもある。従って経路探索の際には、現作業点における床面作業ロボット１４の姿勢まで考慮に入れた経路決定が必要となる。

以下では、現作業点における床面作業ロボット１４の姿勢まで考慮に入れた経路決定方法を３つのＳＴＥＰに分けて説明する。

（ＳＴＥＰ１）
経路探索に必要なパラメータを設定する。このパラメータには、少なくとも、床面作業ロボット１４の初期座標、全作業点の座標、床面作業ロボット１４の移動速度、床面作業ロボット１４の位置を計測するレーザ装置１２の設置座標、床面作業ロボット１４の旋回角速度が含まれる。

（ＳＴＥＰ２）
ある点から別の点へ移動する際のコスト（移動時間）を全て算出する。本実施形態においては、ある作業点から次の作業点へ移動する際には、図７に示すように、次の作業点の方向へ超信地旋回した後、直進走行し、再度、レーザ装置１２のある方向へ向けて超信地旋回をする手順となる。

ここで、作業点ｉの座標を（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）（ｉ＝１，２，３，…，Ｎ：Ｎは作業点の総数）、床面作業ロボット１４の前進・後退速度を等速度Ｖ、旋回角速度を等角速度ωとする。作業点ｉにおいて床面作業ロボット１４のロボット座標系のｙ_ｍ軸は測量機と作業点ｉを結ぶ直線と平行に姿勢制御する必要がある。幾何的関係から、次の作業点ｊ（ｊ＝１，２，３，…，Ｎ：Ｎは作業点の総数）の方向へ超信地旋回する角度β_ｉｊは容易に算出できる。また作業点ｉおよびｊの座標値から、作業点ｉからｊへ直線走行する際の距離Ｌ_ｉｊも容易に算出できる。また作業点ｉからｊへ直進走行した後に、床面作業ロボットは作業点ｊにおいて、ロボット座標系のｙ_ｍ軸をレーザ装置１２と作業点ｊを結ぶ直線と平行になるように姿勢制御（超信地旋回）する必要があるが、その旋回量γ_ｉｊも容易に算出できる。これらを用いて作業点ｉからｊへ移動する際の移動コストＣ_ｉｊは、距離Ｌ_ｉｊ及び等速度Ｖから計算される直進移動に関するコストと、角度β_ｉｊ、旋回量γ_ｉｊ、及び等角速度ωから計算される旋回に関するコストとの和を用いて算出される。すなわち、Ｃ_ｉｊは作業点ｉからｊへの姿勢制御を含めた移動に要する時間に相当する。

なお、上述した計算方法では、等速度Ｖを用いる場合を例に説明したが、時間的に速度を変化させてもよい。例えば、図８に示すように、直進・後退時には、最大巡航速度Ｖ_２へ向かって、加速度Ａ_１で加速していき、最大巡航速度Ｖ_２へ到達した後、目的地の手前から加速度Ａ_３で減速させる台形速度制御を行ってもよい。同様に旋回時には、最大旋回角速度ω_２へ向かって、所定の角加速度で加速していき、最大旋回角速度ω_２へ到達した後、目標旋回角度の手前から所定の角加速度で減速させる角速度制御を行ってもよい。

また、図９に示すように、作業点ｉとｊを結ぶ経路上に障害物や開口等により床面作業ロボット１４が走行できない領域（移動不可領域）があることが予め分かっている場合、当該作業点を結ぶ経路の移動コストを極めて大きい値に設定する（Ｃ_ｉｊ＝∞）。

（ＳＴＥＰ３）
上記ＳＴＥＰ２で算出したコストを要素としたコスト行列を用いて、床面作業ロボット１４が初期位置から全ての作業点へ１回ずつ移動した際の総コストを最小にする経路を求める。これは巡回セールスマン問題に類似した問題となる。考えられる全ての経路に対してコストを算出し、総コストが最小となる最適経路を探索する（総当たり法）こともできるが、作業点数をＮとすると、組み合わせ総数は（Ｎ－１）！／２で表される。Ｎ＝１０の場合でも経路の組み合わせは１８１４４０通りあり、Ｎ＝２０の場合で組み合わせ総数は１．２１６４５×１０１８通りにもなる。作業点数Ｎの増加に伴い、膨大な計算時間が必要となるため、この方法は現実的でない。

上記したように巡回セールスマン問題においては、現実的な時間内において、総コストが最小となる最適経路を見つけることは極めて難しいものの、総コストが極小となる準最適経路を見つける幾つかの方法が知られている。例として、欲張り法、クラスカル法、分割統治法、最近挿入法、最遠挿入法、ランダム挿入法、Ｎ－ｏｐｔ法、焼きなまし法、アントコロニー法等が挙げられる。作業点の配置等によって得られる準最適経路が変わってしまうため、どの方法が最も良い経路を得られる方法であるかを結論付けることはできない。そこで本実施の形態においては、既存の準最適経路を見つける幾つかの方法により経路探索し、各手法で得られた準最適経路の内、最もコストが小さな経路を採用する。

また、本実施形態における作業システム１０による床面作業ロボット１４の動作の概要は、特願２０１８－２３７６８６に記載の床面作業ロボットの動作と同様であるため、説明を省略する。

次に、図１０を参照して、作業システム１０の作用の詳細を説明する。作業システム１０が起動すると、床面作業ロボット１４のロボット制御機器１４Ａは、図１０に示す移動経路決定処理を実行する。

ステップＳ１００において、コスト関数計算部１４３は、全ての目標位置に関する位置情報を、目標位置記憶部１４１から読み出す。また、コスト関数計算部１４３は、予め求められたレーザ装置１２の位置を取得する。

ステップＳ１０２において、コスト関数計算部１４３は、目標位置のペア毎に、直進移動に関するコストと、旋回に関するコストとを用いて、コスト関数の値を計算する。

ステップＳ１０４では、移動経路決定部１４４は、目標位置のペア毎に計算された、コスト関数の値を要素とするコスト行列を用いて、床面作業ロボットが初期位置から全ての作業点へ１回ずつ移動した際の総コストを小さくする経路を求め、移動経路として決定する。

また、レーザ装置１２と床面作業ロボット１４との動作の流れ及び信号のやりとりに関しては、特願２０１８－２３７６８６に記載の動作の流れ及び信号のやりとりと同様であるため、説明を省略する。

以上説明したように、第１の実施形態では、旋回と直進後進走行とを個別に行う床面作業ロボットを、複数の作業点へ移動させる際の最適な移動経路を、簡易な計算で決定することができる。また、各作業点まで順次移動して作業を行う床面作業ロボットにおいて、移動経路を最適化することにより、全体の作業時間を短くすることができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る作業システム１０について説明する。なお、第２実施形態に係る作業システム１０の構成は、第１実施形態と同様の構成となるため、同一符号を付して説明を省略する。

第２実施形態では、床面作業ロボット１４が、旋回と直進又は後退である走行とが同時に可能である点が、第１実施形態と異なる。具体的には、床面作業ロボット１４は、図１１に示すように現作業点から次の作業点へ向けて直線軌道ではない任意の軌道上を走行することが可能である。

本実施形態では、作業点Ａ、Ｂの地点間経路として、図１２に示すような作業点Ａから作業点Ｂへ２つの円弧軌道上を走行する場合を例に説明する。この軌道上を走行することで超信地旋回（その場旋回）することなく作業点ＡからＢまで移動できる。

ここで、器械点（既知）と作業点Ａ（既知）を結ぶ直線を直線ｌ_ａとし、器械点（既知）と作業点Ｂ（既知）を結ぶ直線を直線ｌ_ｂとする。作業点Ａを通り直線ｌ_ａと接する円Ａと作業点Ｂを通り直線ｌ_ｂと接する円Ｂが接点Ｃで内接もしくは外接する場合、作業点Ａ→接点Ｃ→作業点Ｂの順で、円Ａおよび円Ｂの円弧軌道上を走行すれば超信地旋回することなく作業点Ａから作業点Ｂまで移動できるとともに光拡散板２２をレーザ装置１２からのレーザ照射方向に対して略垂直にすることができる。

このような円Ａ，円Ｂの式の算出方法を以下に示す。

まず、円Ａを表す式の導出方法について説明する。直線ｌ_ａの式は既知である。円Ａの半径ｒ_ａには任意性があり、自由な値を設定できる。例えば作業点ＡとＢの距離Ｌ_ａｂとしてｒ_ａ＝Ｌ_ａｂ／２のようにしても良い。

円Ａは作業点Ａを通るとともに、中心Ｏ_Ａが作業点Ａを通る直線ｌ_ａの法線上にあることを考慮して、円Ａの式を導出できる。

続いて円Ｂを表す式の導出方法について説明する。直線ｌ_ｂの式は既知である。円Ｂは作業点Ｂを通るとともに、中心Ｏ_Ｂが作業点Ｂを通る直線ｌ_ｂの法線上にあることと、Ｏ_ＡＯ_Ｂ間の距離がｒ_ａ＋ｒ_ｂに等しいこと（円Ａと円Ｂが外接の場合）を考慮して、円Ｂの式を導出できる。

次に、導出した円Ａと円Ｂの式から接点Ｃを求めることで作業点Ａ→接点Ｃ→作業点Ｂの順で進む円弧軌道を生成できる。

このとき、弧ＡＣの長さと、弧ＣＢの長さと、走行速度Ｖとを用いて、作業点Ａ，ＢのペアについてのコストＣ_ＡＢを算出することができる。

従って、コスト関数計算部１４３は、目標位置記憶部１４１に格納された複数の目標位置の各々を読み出すと共に、予め求められたレーザ装置１２の位置を取得する。また、コスト関数計算部１４３は、目標位置のペア毎に、当該ペアの一方を移動開始点とし、他方を到着点とし、

移動開始点及び到着点の各々において、床面作業ロボット１４の基準方向（光拡散板２２の法線方向）が、レーザ装置１２へ向いた方向と一致するように移動する地点間経路であって、上述したように生成される円弧軌道である地点間経路と、移動速度を用いて表されるコスト関数の値を計算する。

移動経路決定部１４４は、目標位置のペア毎に計算された、コスト関数の値を要素とするコスト行列を用いて、床面作業ロボット１４が初期位置から全ての作業点へ１回ずつ移動した際の総コストを小さくする移動経路を求める。

ロボット制御部１４０は、目標位置に関する位置情報を、目標位置記憶部１４１から読み出し、移動経路決定部１４４によって決定された移動経路に沿って、床面作業ロボット１４を複数の目標位置へ移動させるように移動駆動モータ１４Ｃを制御する。

ここで、円弧軌道上を走行する二輪台車の運動モデルについて説明する。図１３に示すように、右、左車輪の速度をそれぞれｖ_Ｒ、ｖ_Ｌとするとロボット中心の速度ｖは次のように表せる。

ｖ＝（ｖ_Ｒ＋ｖ_Ｌ）／２

また回転半径ρはトラッド幅Ｔを用いて次のように表せる。

ρ＝Ｔ（ｖ_Ｒ＋ｖ_Ｌ）／（ｖ_Ｒ－ｖ_Ｌ）

すなわちロボットの中心速度ｖと回転半径ρを決めれば、左右の車輪の回転速度を一意に決定できる。

しがって、ロボット制御部１４０は、床面作業ロボット１４を次の目標位置へ移動させる際には、円弧軌道上を走行させるように、上記の運動モデルに従って、移動駆動モータ１４Ｃを制御する。

第２実施形態に係る作業システムの他の構成及び作用については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

以上説明したように、第２実施形態の作業システムは、旋回と走行とを同時に可能な床面作業ロボットを、複数の作業点へ移動させる際の最適な移動経路を、簡易な計算で決定することができる。また、各作業点まで順次移動して作業を行う床面作業ロボットにおいて、移動経路を最適化することにより、全体の作業時間を短くすることができる。

＜シミュレーション例＞
本発明の第１実施形態の効果を示すために行ったシミュレーション結果について説明する。一例として、上記第１実施形態の床面作業ロボットがそれぞれ図１４（Ａ）～（Ｃ）に示す３つのシナリオ上で作業をすることを想定して、各作業点を１回ずつ移動する際のコスト関数の値の総和を計算する。各図中の小さい黒丸が作業点を表している。床面作業ロボットの前進後退直進速度Ｖを１００ｍｍ／ｓｅｃ、旋回角速度ωを１０ｄｅｇ／ｓｅｃに固定し、図１５に示す５つの経路探索手法を用いて、各シナリオにおける準最適経路および総コストを計算した。また各作業点間の移動及び旋回に要するコストのみを考慮し、各作業点における実際の作業時間は０としている。更に従来手法との比較のために、ＳＴＥＰ２において、床面作業ロボットの姿勢を考慮せず、ある作業点から別の作業点へ移動する際の距離のみをコストとして算出したコスト行列を用いて探索した準最適経路に対して、総移動時間を算出した。各シナリオの説明を以下に示す。

（シナリオ１）
作業点：全６０点（１０００ｍｍ間隔のグリッド状に配置）
レーザ装置設置座標：（０，０）
床面作業ロボットの初期座標：（５０００，１００００）

（シナリオ２）
作業点：全１９６点（図面上の間仕切り壁位置を示す位置に墨出しを行う作業を想定）
レーザ装置設置位置：（０，０）
床面作業ロボットの初期座標：（１８００，５２００）

（シナリオ３）
作業点：全３５０点（図面上の間仕切り壁位置を示す位置に墨出しを行う作業を想定）
レーザ装置設置位置：（０，０）
床面作業ロボットの初期座標：（０，９６６７．５）

シナリオ１において、第１実施形態で説明した手法（以下、発明手法と称する。）と従来手法によって得られた総作業時間と算出に要した時間を図１６に示し、移動経路を図１７に示す。

シナリオ２において、第１実施形態で説明した発明手法と従来手法によって得られた総作業時間と算出に要した時間を図１８に示し、移動経路を図１９に示す。

シナリオ３において、第１実施形態で説明した発明手法と従来手法によって得られた総作業時間と算出に要した時間を図２０に示し、移動経路を図２１に示す。

経路探索手法によって異なるが、シナリオ１では、従来手法に比べて５．０％～１７．８％の移動時間を削減できており、シナリオ２では、従来手法に比べて２．７％～７．３％の移動時間を削減できており、シナリオ３では、従来手法に比べて４．０％～７．３％の移動時間を削減できている。このように、床面作業ロボットに、第１実施形態の手法を適用した場合の幾つかのシミュレーションを実施した結果、各作業点における姿勢を考慮せず、作業点間の距離のみを考慮に入れた従来手法に比べて、２．７％～１７．８％の作業時間を削減できることを確認した。

＜変形例＞
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

例えば、上記各実施形態では、作業システムの構成が、図１及び図２に示されるような場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ロボット制御機器１４Ａは、床面作業ロボット１４に搭載せずに、外部装置として構成するようにしてもよい。また、目標位置記憶部１４１及びレーザ制御部１２Ａに関しても、レーザ装置１２に搭載せずに、外部装置として構成するようにしてもよい。この場合には、レーザ装置１２及び床面作業ロボット１４は、外部装置との間の通信処理によって制御が行われる。

また、上記各実施形態においては、床面作業部がペンホルダー１８Ｂ及びペン１８Ｃである場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ペンホルダー１８Ｂ及びペン１８Ｃを、床面への削孔装置又は床面へのピン打ち装置に変更するようにしてもよい。これにより、床面の穴あけ又はピン打ちを行うことができる。

また、移動体が、図１及び図２に示されるような床面作業ロボット１４である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。作業機構の動作について予め定められた制約がある床面作業ロボットであれば、床面作業ロボット１４とは異なる構成であってもよい。例えば、カメラ１４Ｂの代わりに、プリズム等のレーザマーカを用いても良い。また、可動範囲が狭い構成であったり、目標位置における床面作業ロボットの方向に制約が生じるものであれば、本発明の適用が可能である。また、床面作業以外を目的とした移動体に、本発明を適用してもよい。

また、上記ではプログラムが記憶部（図示省略）に予め記憶（インストール）されている態様を説明したが、プログラムは、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ及びマイクロＳＤカード等の記録媒体の何れかに記録されている形態で提供することも可能である。

１０作業システム
１２レーザ装置
１４床面作業ロボット
１４Ａロボット制御機器
１４０ロボット制御部
１４１目標位置記憶部
１４２ロボット通信部
１４３コスト関数計算部
１４４移動経路決定部

Claims

旋回と直進又は後退である走行とを個別に行う移動体を、複数の目標位置の各々へ移動させる際の移動経路を決定する移動経路決定装置であって、
前記目標位置のペアの各々に対し、前記ペアの一方を移動開始点とし、他方を到着点とした際の、前記移動開始点での旋回角度、直進又は後退の移動距離、及び前記到着点での旋回角度を用いて表されるコスト関数の値を計算するコスト関数計算部と、
前記計算された前記コスト関数の値の総和が小さくなるような前記移動経路を決定する移動経路決定部と、
を含み、
前記移動体は、
光拡散板と床面に対する作業を行うための床面作業部を含んで構成され、かつ移動可能な作業機構と、
前記光拡散板の画像を撮像する撮像部と、
前記決定された移動経路に沿って、前記作業機構を移動させると共に、前記撮像部によって撮像された前記光拡散板の画像に基づいて、前記床面作業部の位置を制御する制御部と、
を備え、
前記コスト関数計算部は、前記目標位置のペアの各々に対し、前記ペアの一方を移動開始点とし、他方を到着点とし、前記移動開始点及び前記到着点の各々において、前記移動体の基準方向である前記光拡散板の法線方向が、予め定められた方向と一致するように移動する際の前記コスト関数の値を計算し、
前記移動経路決定部は、前記作業機構の動作について予め定められた制約を満たすように前記移動経路を決定する移動経路決定装置。
前記コスト関数計算部は、予め定められた一定速度又は時間的に変動する速度を更に用いて表される前記コスト関数の値を計算する請求項１記載の移動経路決定装置。