JP7397045B2 - 無人搬送装置 - Google Patents

Description

本発明は、ベース部に支持された搭載部に荷物が搭載され指定された地点まで搬送する無人搬送装置に関する。

製造現場等においては、部品などを工程間で無人搬送したり倉庫に搬入したりするのに無人搬送装置が用いられている。製造現場では工程変更によるレイアウト変更が頻繁に行われ、かつ、様々な製造装置が配置されるため、搬送ラインが狭く、経路も複雑となりやすいため小回りがきき、既存工場にも導入が容易な無人搬送装置、特にＡＭＲ（Autonomous Mobile Robot：自律搬送ロボット）が注目されている。

従来無人搬送装置として以下の装置が提案されている。
走行駆動部を有する台車本体と、荷物が載せられる載置台と、載置台を、上下方向の軸を中心に回転させる回転装置と、搬送車を制御するコントローラとを備える。載置台及び回転装置は台車本体に対して昇降可能に支持されている。台車本体の中央部に左右に並ぶ２つの駆動車輪が配置され、その前後に従動車輪（キャスター車輪）が配置される。前後の従動輪のそれぞれは、例えば左右に一つずつ配置される。台車本体に上向きに取り付けられたカメラにより載置台に載置された荷物の位置ずれを検出して搬送車の移動を規制している（特許文献１：特開２０２１－１７３０９号公報）。

しかしながら無人搬送装置が配備される環境は様々であり、走行面は平坦面とは限らず、傾斜面や凹凸面である場合もある。例えば傾斜している場合、進入時、前後従動車輪は接地しているものの中央部の駆動車輪が浮き上がって走行不能となるおそれがある。
このため、以下の車輪型走行装置が提案されている。駆動車輪と補助車輪の双方を支持する第１車輪支持部と、補助車輪のみが支持される第２車輪支持部とを垂直方向に回転自在に連結され、駆動車輪と補助車輪が自立可能な位置に配置され第２車輪支持部上には、１個、あるいは横方向に並んだ複数の補助車輪のみが単独では自立不能に配置されている。第２車輪支持部上には荷物が載置され荷重が負荷される。第１車輪支持部と第２車輪支持部との連結部が、駆動車輪と第１車輪支持部上の補助車輪との中間位置に設定されるために、第１、第２のいずれの車輪支持部上に荷重が付加されても、第１車輪支持部の駆動車輪と補助車輪の双方に走行路への押圧力が負荷される。これにより、傾斜面の屈曲部が第１車輪支持部の前後いずれに配置されても、駆動車輪が、走行路面に所定圧力で接地することが保証されるため、走行不能状態と急斜面登坂による転倒を防止している（特許文献２：特開２００５－３１３７２０号公報）。

特開２０２１－１７３０９号公報 特開２００５－３１３７２０号公報

しかしながら、上述した特許文献１の無人搬送装置は、台車本体に載置台及び回転装置が昇降可能に支持されており、特許文献２の無人搬送装置は、駆動車輪と補助車輪の双方を支持する第１車輪支持部と、補助車輪のみが支持される第２車輪支持部を垂直方向に回転自在に連結されているため、いずれも車高が高くなり坂道や凹凸面を走行する際に、載置台や第２車輪支持部に載置した荷物が荷崩れするおそれがある。また、特許文献２の無人搬送装置は、第１車輪支持部と第２車輪支持部が高さ方向に回転自在に連結されているため、荷物の載置スペースが限られている。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、車体の低床化を図り荷物の載置スペースを拡大すると共に、走行面に傾斜や凹凸が存在しても駆動車輪が浮き上がることなく安定した走行が可能な無人搬送装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
ベース部に支持された搭載部に荷物が搭載され指定された地点まで走行して搬送する無人搬送装置であって、駆動モータにより回転駆動される一対の駆動車輪と、前記駆動車輪を中心に前記ベース部の一端側に設けられた第１車輪支持部に旋回可能に各々支持された一対の第１補助車輪と、前記ベース部の他端側に設けられた第２車輪支持部に旋回可能に各々支持された一対の第２補助車輪と、を備え、前記第１車輪支持部には長手方向一端側に前記第１補助車輪が旋回可能に支持され、長手方向他端側に前記駆動車輪が回転可能に各々支持されており、前記第１車輪支持部は前記ベース部上に設けられた揺動支持部に前記第１車輪支持部と前記ベース部との間に設けられた揺動軸を介して揺動可能に支持されていることを特徴とする。
このように、第１補助車輪及び駆動車輪を支持する第１車輪支持部が、第１車輪支持部とベース部との間に設けられた揺動軸を介して揺動可能に支持されているため、走行面に傾斜や凹凸が存在しても駆動車輪が浮き上がることなく安定した走行が可能となる。また、第１車輪支持部は、搭載部とベース部との間に配置されるため車体の低床化を図ることができ、ベース部に支持された搭載部を荷物積載用に広く使用することができる。また、ベース部と搭載部の間の空間を利用して第１車輪支持部が揺動するので、車高を抑えて低床化を図ることができる。
また、走行面に傾斜や凹凸が存在しても、駆動車輪は接地したまま第１車輪支持部が揺動軸を介して揺動して第１補助車輪が走行面に追従するので駆動車輪が走行不能になることなく安定した走行が可能となる。

前記第１車輪支持部上で揺動軸位置から第１補助車輪側端部位置までの距離より前記揺動軸位置から駆動車輪側端部位置までの距離が長くなるように前記ベース部に前記第１車輪支持部が揺動可能に支持されていてもよい。
これにより、第１補助車輪側に比べて駆動車輪側に常時荷重がかかり易くなるため、駆動車輪の接地状態を維持して安定した走行を実現できる。

前記ベース部には、撮像カメラ及びレーザー距離センサが設けられており、これらからの入力により環境地図作成及び自己位置推定を同時に行いながら自律走行するようにしてもよい。
この場合も、荷物を搭載する搭載部のスペースを広く確保しつつＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping：自己位置推定と環境地図作成の同時実行）技術を適用して自律搬送動作の信頼性を高めることができる。

車体の低床化を図り荷物の載置スペースを拡大すると共に、走行面に傾斜や凹凸が存在しても駆動車輪が浮き上がることなく安定した走行が可能な無人搬送装置を提供することができる。

無人搬送装置の斜視図である。 図１の無人搬送装置の右側板及び駆動車輪を取り外した側面図である。 図１の無人搬送装置の右側板及び前側板を取り外した斜視図である。 図３の無人搬送装置の正面図である。 図３の無人搬送装置の搭載部を取り外した斜視図である。 図５の無人搬送装置の平面図である。 無人搬送装置の制御系のブロック構成図である。 無人搬送装置の走行面に応じた走行動作を例示する状態図である。

以下、本発明に係る無人搬送装置の概略構成について図１乃至図７を参照して説明する。無人搬送装置は、搭載部に作業者又は自動で荷物が積み込まれ、指定された場所まで走行し、作業者又は自動で荷卸しされる無軌道車両である。無人搬送装置には、ＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping：自己位置推定と環境地図作成の同時実行）が搭載されている。ＳＬＡＭは、入力センサの違いによって、大きく３種類に分類される。ＬｉＤＡＲ（レーザー距離センサ）を入力として用いたＬｉＤＥＲ ＳＬＡＭ、撮像カメラを用いたＶｉｓｕａｌ ＳＬＡＭ、ＴｏＦセンサなどからの測距情報を用いたＤｅｐｔｈ ＳＬＡＭがある。本実施例の無人搬送装置は、後述するようにＬｉＤＡＲ（レーザー距離センサ）による座標情報と撮像カメラの画像情報を組み合わせて用いることで、自律搬送動作の信頼性を高めている。

先ず、図２に示すように、無人搬送装置１は、ベース部２に支柱３を介して搭載部４が支持されている。ベース部２の左右両側には、中央部に一対の駆動車輪５が設けられ、その前後に一対の第１補助車輪６（前輪）と一対の第２補助車輪７（後輪）の合計６輪が設けられている（図６参照）。
図５に示すように、一対の駆動車輪５は駆動モータ１１ａ，１１ｂにより各々回転駆動される。ベース部２には、一対の駆動車輪５を中心にベース部２の一端側（前方側）に一対の第１補助車輪６が各々設けられ、ベース部２の他端側（後方側）に一対の第２補助車輪７が各々設けられている。

図２に示すように、第１補助車輪６（前輪）は、細長い板状の第１車輪支持部８の一端側にキャスター６ａによって旋回可能に支持されている。第１車輪支持部８の他端側にはモータ取付板２０に駆動モータ１１ａが一体に組み付けられている駆動モータ１１ａは、駆動軸１１ｃをモータ取付板２０より外側へ延設されている。駆動軸１１ｃには駆動車輪５が嵌め込まれている。

第１車輪支持部８は、搭載部４とベース部２との間で当該ベース部２に設けられた揺動支持部９に揺動軸８ａを介して揺動可能に支持されている。ベース部２には揺動支持部９が突設されている。揺動支持部９には軸孔９ａが穿孔されている。第１車輪支持部８のベース部２に対向する対向面には軸支持板８ｂが突設されている。この軸支持板８ｂには揺動軸８ａが水平外向きに突設されている。第１車輪支持部８は、揺動軸８ａを揺動支持部９の軸孔９ａに嵌め込まれ、揺動軸８ａを中心として揺動可能に支持されている。

ここで、図８（Ａ）～（Ｃ）を参照して無人搬送装置１の走行面に応じた走行動作を説明する。無人搬送装置１は要部の構成のみを示しており、図の右側に向かって走行しているものとする。図８（Ａ）は走行面が平地である場合の無人搬送装置１の走行状態を表している。第１車輪支持部８とベース部２は平行となり、全ての車輪が走行面に接地している。
図８（Ｂ）は走行面が上り坂である場合の無人搬送装置１の走行状態を表している。第１車輪支持部８はベース部２に対して揺動軸８ａを中心として右肩上がりに揺動し、全ての車輪が走行面に接地している。図８（Ｃ）は走行面が下り坂である場合の無人搬送装置１の走行状態を表している。第１車輪支持部８はベース部２に対して揺動軸８ａを中心として右肩下がりに揺動し、全ての車輪が走行面に接地している。

図８（Ａ）～（Ｃ）を参照してわかるように、第１補助車輪６及び駆動車輪５を支持する第１車輪支持部８が、ベース部２に設けられた揺動支持部９に揺動軸８ａを介して揺動可能に支持されているため、走行面に傾斜や凹凸が存在しても第１車輪支持部８がベース部２上で揺動して第１補助車輪６が走行面に追従するので駆動車輪５は接地したまま走行不能となることなく、段差部や傾斜面をスムーズに乗り越えて安定した走行が可能となる。また、第１車輪支持部８は、搭載部４とベース部２との間に配置されるため車体の低床化を図ることができ、ベース部２に支持された搭載部４を荷物搭載用として広く使用することができる。
また、揺動軸８ａは第１車輪支持部８とベース部２との間に設けられているので、ベース部２と搭載部４の間の空間を利用して第１車輪支持部８が揺動するので、車高を抑えて低床化を図ることができる。

また、第１車輪支持部８上の揺動軸８ａの位置から第１補助車輪６側の端部位置までの距離Ｌ１より揺動軸８ａの位置から駆動車輪５側の端部位置までの距離Ｌ２が長くなる（Ｌ１＜Ｌ２）ようにベース部２に対して支持されている。これにより、第１補助車輪６側に比べて駆動車輪５側に常時大きな荷重がかかり易くなるため、駆動車輪５の接地状態を維持し易くなる。

第２補助車輪７は、ベース部２の左右に設けられた第２車輪支持部１０にキャスター７ａによって旋回可能に各々支持されている。第１補助車輪６と第２補助車輪７は、何れもキャスター付の従動輪であって、左右の駆動車輪５の回転速度の相違によって旋回して小回りが利くようになっている。本実施例では、最小回転径が800ｍｍで、360°旋回が可能となっている。

また、図３に示すように、ベース部２には、駆動車輪５、第１補助車輪６（前輪）及び第２補助車輪７（後輪）が設けられた位置に切欠き２ａ及び抜孔２ｂが設けられており、無人搬送装置１の低床化が図られている。図１に示すよう、搭載部４はベース部２に支持された平坦面に、作業者又は自動で荷物が搭載される。

図２に示すように、一対の駆動車輪５は、駆動モータ１１ａ，１１ｂの駆動軸１１ｃに連結されて回転駆動される。駆動モータ１１ａ，１１ｂには、後述するようにモータの回転センサ１６ａ，１６ｂが各々設けられており、更に移動精度を高める場合には、ロータリエンコーダ（図示せず）を設けてもよい（図７参照）。このモータの回転信号により、左右の駆動車輪５の回転速度や回転位置が後述する制御部に送信される。

ベース部２の前方には、撮像カメラ１２（環境把握用カメラ）が設けられている。撮像カメラ１２は、周囲の環境を撮像する他に二次元コードなどを読み取る。撮像カメラ１２は後述するレーザー距離センサ１３がとらえられない上下の障害物を検出する。撮像カメラの種類としては単眼カメラ (広角カメラ、魚眼カメラ、全天球カメラ)、複眼カメラ (ステレオカメラ、マルチカメラ)、RGB-Dカメラ (深度カメラやToFカメラ)などが用いられるが、本実施例は、ステレオカメラが用いられている。

撮像カメラ１２は、搭載部４の投影面内でかつベース部２と搭載部４の間の高さ位置に設けられていることが好ましい。これにより、搭載部４の上方のスペースは荷物の搭載用として広く利用することができ、無人搬送装置１の低床化に寄与することができる。

また、撮像カメラ１２の下方には、レーザー距離センサ１３（ＬｉＤＡＲ）が設けられている。レーザー距離センサ１３は、レーザースキャナから照射されたレーザー光の反射光を受光するまでの時間の差により対象物までの距離を測定する。レーザー距離センサ１３は、レーザー光を照射して３Ｄ（ｘ，ｙ，ｚ座標）の点群データを取得して環境地図を作成する。作成された環境地図は、後述する制御部１４のデータ格納部１４ｃに記憶され、無人搬送装置１の荷物搬送時に位置推定や障害物を検知するために用いられる。

図６に示すようにベース部２には、地図データに基づいて指定された地点までのルートを所定のアルゴリズムで算出して駆動指令を送出する制御部１４や、撮像カメラ１２及びレーザー距離センサ１３から入力データにより自己位置推定及び環境地図作成を同時に行いながら指定された地点まで、一対の駆動モータ１１ａ，１１ｂの駆動を制御するモータ駆動装置１５（駆動部）を備えている（図７参照）。
また、ベース部２には、充電用ケーブル端子などを備えた端子ボックス２１、バッテリー２２，ＬＥＤライト２３などが設けられている。

ここで、無人搬送装置１の制御系について図７のブロック構成図を参照して説明する。制御部１４は、マイクロコンピュータ１４ａ、メモリ１４ｂ、データ格納部１４ｃ、通信回路１４ｄと、位置推定装置１４ｅとを有している。マイクロコンピュータ１４ａ、メモリ１４ｂ、データ格納部１４ｃ、通信回路１４ｄおよび位置推定装置１４ｅは通信バス１４ｆで接続されており、相互にデータを授受することが可能である。撮像カメラ１２及びレーザー距離センサ１３もまた通信インタフェース（図示せず）を介して通信バス１４ｆに接続されており、計測結果である計測データを、マイクロコンピュータ１４ａ、位置推定装置１４ｅおよび／またはメモリ１４ｂに送信する。

マイクロコンピュータ１４ａは、無人搬送装置１の動作制御するための演算を行うプロセッサまたは制御回路（コンピュータ）である。典型的にはマイクロコンピュータ１４ａは半導体集積回路である。マイクロコンピュータ１４ａは、制御信号であるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号をモータ駆動装置１５に送信してモータ駆動回路１５ａ，１５ｂを駆動制御し、駆動モータ１１ａ，１１ｂに印加する電圧を調整する。これにより一対の駆動モータ１１ａ，１１ｂの各々を所望の回転速度で回転させることができる。モータ駆動回路１５ａ，１５ｂはインバータ回路を備えており、マイクロコンピュータ１４ａから送出されたＰＷＭ信号により駆動モータ１１ａ，１１ｂに流れる電流がオンオフ制御される。

尚、左右の駆動モータ１１ａ，１１ｂの駆動を制御する１つ以上の制御回路（たとえばマイコン）を設けてもよい。たとえば、モータ駆動装置１５が、駆動モータ１１ａ，１１ｂの駆動をそれぞれ制御する２つのマイコンを備えていてもよい。それらの２つのマイコンは、回転センサ１６ａ，１６ｂから出力されたエンコーダ情報を用いた座標計算をそれぞれ行い、初期位置からの無人搬送装置１の移動距離を推定してもよい。また、当該２つのマイコンは、エンコーダ情報を利用してモータ駆動回路１５ａ，１５ｂを制御してもよい。

メモリ１４ｂは、マイクロコンピュータ１４ａが実行するコンピュータプログラムを記憶する揮発性の記憶装置である。メモリ１４ｂは、入力されたデータを一時記憶し、マイクロコンピュータ１４ａおよび位置推定装置１４ｅが演算を行う際のワークエリアとしても利用され得る。

データ格納部１４ｃは、不揮発性の半導体メモリ装置（データベース）である。尚、データ格納部１４ｃは、ハードディスクに代表される磁気記録媒体、または、光ディスクに代表される光学式記録媒体であってもよい。さらに、データ格納部１４ｃは、いずれかの記録媒体にデータを書き込みおよび／または読み出すためのヘッド装置および当該ヘッド装置の制御装置を含んでもよい。

データ格納部１４ｃは、無人搬送装置１が走行する移動空間の環境地図（地図データＭ）、および、１または複数の走行経路のデータ（走行経路データＲ）を記憶する。地図データＭは、無人搬送装置１が環境地図作成モードで走行することによって作成され、データ格納部１４ｃに随時記憶される。１または複数の走行経路データＲは、地図データＭが作成された後にデータ格納部１４ｃに記憶される。本実施形態では、地図データＭおよび走行経路データＲは同じデータ格納部１４ｃに記憶されているが、異なるデータ格納部１４ｃに記憶されてもよい。

通信回路１４ｄは、たとえば、無線ＬＡＮや無線ＷＡＮに準拠した無線通信を行う無線通信回路である。たとえば無人搬送装置１を走行させて環境地図を作成する環境地図作成モードでは、通信回路１４ｄは、無線ＬＡＮや無線ＷＡＮに準拠した無線通信を行い、端末１７と１対１で無線通信する。尚、端末１７は例えばタブレット型コンピュータなどが用いられる。

無人搬送装置１は、予め作成された環境地図（地図データＭ）と走行中に取得されたレーザー距離センサ１３が出力した点群データとを比較して自己位置を推定しながら、走行経路データＲより決定された走行ルートに沿って走行する。
位置推定装置１４ｅは、環境地図の作成処理、および、荷物搬送時には自己位置の推定処理を行う。位置推定装置１４ｅは、無人搬送装置１の走行位置及びレーザー距離センサ１３の走査結果により、移動空間の地図データＭ（３Ｄ座標の点群データ）を作成する。荷物搬送時には、位置推定装置１４ｅは、レーザー距離センサ１３から３Ｄ座標データを受け取り、データ格納部１４ｃに記憶された地図データＭを読み出す。作成された局所的地図データ(３Ｄ座標の点群データ)を、より広範囲の地図データＭとのマッチングを行うことにより、位置推定装置１４ｅは、地図データＭ上における自己位置を推定する。

本実施例では、撮像カメラ１２は、自律走行を行うために必要な周囲の環境を撮像する他に、作業者より提示されたマトリックス型二次元コードを読み取るか或いはタブレット端末１７より入力されたアドレス情報から指定された地点のアドレスが制御部１４へ入力される。制御部１４は指定された地点のアドレスを地図データＭ上で確認し、当該指定された地点までの走行ルートを所定のアルゴリズムで決定する。制御部１４は、決定された走行経路データＲに基づいてモータ駆動装置１５に駆動指令を送出する。

尚、撮像カメラ１２が地図データＭにない障害物を検出した場合には、制御部１４は、モータ駆動装置１５へ駆動停止指令を送出し、駆動モータ１１ａ、１１ｂに駆動を停止させる。そして、周囲の状況を確認してから目的地までの走行経路データＲを再検索して走行ルートを決定する。これにより、無人搬送装置１の自律搬送動作の信頼性を高めることができる。

以上説明したように、車体の低床化を図り搭載部４への荷物の載置スペースを拡大すると共に走行面に傾斜や凹凸が存在しても駆動車輪５が浮き上がることなく安定した走行が可能な無人搬送装置を提供することができる。

尚、撮像カメラ１２は、垂直方向及び水平方向に所定角度で移動可能に設けられていてもよい。即ち、チルト軸を中心に回転させてチルト動作を行うチルト機構と、チルト機構をチルト軸と直交するパン軸を中心に回転させてパン動作を行うパン機構とを備えたパンチルト装置により垂直方向及び水平方向に移動させてもよい。

この場合、撮像カメラ１２の垂直方向及び水平方向の角度を検出する角度センサを備え、角度センサより取得した角度に応じて制御部１４が環境把握用プログラムの設定変更が行われるようにしてもよい。
これにより、撮像カメラ１２が撮像により周囲の環境を撮像し、レーザー距離センサ１３で距離を測定する際に、オフセット量を加味して地図を作製することができる。

尚、無人搬送装置１に対する外部入力は、端末１７を用いて行ったが、携帯型のノートパソコンやデスクトップタイプのパソコンを用いて行ってもよい。
また、無人搬送装置の一例として、自律型搬送装置について例示したが、これに限らず、遠隔操作される無人牽引車、各種サービスロボットなど無人搬送を行なう他の装置に適用してもよい。
また、第１車輪支持部８をベース部２に対して揺動可能に設けたが、第１車輪支持部８と同様な構成を第２車輪支持部１０に適用して、駆動車輪５と第２補助車輪７がベース部２に対して揺動可能な第２車輪支持部１０に支持されていてもよい。

１ 無人搬送装置 ２ ベース部 ２ａ 切欠き ２ｂ 抜孔 ３ 支柱 ４ 搭載部 ５ 駆動車輪 ６ 第１補助車輪 ７ 第２補助車輪 ８ 第１車輪支持部 ８ａ 揺動軸 ８ｂ 軸支持板 ９ 揺動支持部 ９ａ 軸孔 １０ 第２車輪支持部 １１ａ，１１ｂ 駆動モータ １１ｃ 駆動軸 １２ 撮像カメラ １３ レーザー距離センサ １４ 制御部 １４ａ マイクロコンピュータ １４ｂ メモリ １４ｃ データ格納部 １４ｄ 通信回路 １４ｅ 位置推定装置 １４ｆ 通信バス １５ モータ駆動装置 １５ａ，１５ｂ モータ駆動回路 １６ａ，１６ｂ 回転センサ １７ 端末 １８ マトリックス型二次元コード ２０ モータ取付板 ２１ 端子ボックス２２ バッテリー ２３ ＬＥＤライト

Claims (2)

1. ベース部に支持された搭載部に荷物が搭載され指定された地点まで走行して搬送する無人搬送装置であって、
   駆動モータにより回転駆動される一対の駆動車輪と、
   前記駆動車輪を中心に前記ベース部の一端側に設けられた第１車輪支持部に旋回可能に各々支持された一対の第１補助車輪と、
   前記ベース部の他端側に設けられた第２車輪支持部に旋回可能に各々支持された一対の第２補助車輪と、を備え、
   前記第１車輪支持部には長手方向一端側に前記第１補助車輪が旋回可能に支持され、長手方向他端側に前記駆動車輪が回転可能に各々支持されており、前記第１車輪支持部は前記ベース部上に設けられた揺動支持部に前記第１車輪支持部と前記ベース部との間に設けられた揺動軸を介して揺動可能に支持されていることを特徴とする無人搬送装置。
2. 前記第１車輪支持部上で揺動軸位置から第１補助車輪側端部位置までの距離より前記揺動軸位置から駆動車輪側端部位置までの距離が長くなるように前記ベース部に前記第１車輪支持部が揺動可能に支持されている請求項１記載の無人搬送装置。