JP7420635B2

JP7420635B2 - 自律移動ロボット、作業エリア内移動システム

Info

Publication number: JP7420635B2
Application number: JP2020073882A
Authority: JP
Inventors: 斉北野; 恒星望月
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2024-01-23
Anticipated expiration: 2040-04-17
Also published as: JP2021170287A

Description

本発明は、自律移動ロボット、作業エリア内移動システムに関するものである。

下記特許文献１には、作業エリアをくまなく往復走行できる自律移動ロボットが開示されている。この自律移動ロボットは、自律移動ロボットが現在あるべき位置と参照物体がある位置を結んだ直線と、自律移動ロボットの進行方向との間の目標角度を算出する進行方向演算部と、参照物体がある方向と自律移動ロボットの現在の進行方向との間の現在角度を検出する参照物体角度検出部と、を備え、目標角度と現在角度が一致するように駆動輪を操舵する。

特開平９－３２５８１２号公報

上記従来技術では、自律移動ロボットが１つの参照物体に対する角度を参照しながら所定の目標経路に沿って移動する。しかしながら、１つの参照物体からでは、自律移動ロボットの現在位置は、当該参照物体を中心に３６０°無数に取り得る。そうすると、自律移動ロボットの実際の移動経路が、作業エリアから外れてしまう可能性があった。このため、自律移動ロボットの自己位置を、何らかの方法で検出する必要があった。

そのための方法としては、自律移動ロボットに自己位置を検出できるセンサ（ＧＰＳ（Global Positioning System）など）を搭載する方法や、周囲に設置された設置物から自己位置を検出する方法（ＳＬＡＭ（Simultaneously Localization and Mapping）方式など）を例示できる。しなしながら、ＧＰＳは、屋内では機能しない場合がある。また、ＳＬＡＭ方式は、近くに壁がない広域エリアや、レーザーを反射しないガラスが多い環境下では機能しない場合がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、標識を置くだけで、複数の標識によって囲まれた作業エリアにおいて自律して移動できる自律移動ロボット、作業エリア内移動システムの提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の自律移動ロボットは、標識によって囲まれた作業エリアにおいて自律して移動する自律移動ロボットであって、前記自律移動ロボットの進行方向の前方に配置された２つの標識を検出する検出装置と、前記検出装置の検出結果に基づいて、前記自律移動ロボットの現在位置を原点とする前記２つの標識の座標を算出し、当該座標から前記自律移動ロボットの目標経路を設定する目標経路設定装置と、を備える。

また、本発明の作業エリア内移動システムは、作業エリアの四隅に配置された標識と、前記作業エリア内に配置された先に記載の自律移動ロボットと、を備える。

本発明によれば、標識を置くだけで、標識によって囲まれた作業エリアにおいて自律して移動できる自律移動ロボット、作業エリア内移動システムが得られる。

本発明の一実施形態における作業エリア内移動システムの平面図である。本発明の一実施形態における自律移動ロボットのブロック図である。本発明の一実施形態におけるＬＲＦが検出する標識の外観図である。本発明の一実施形態におけるＬＲＦによる検出結果を示すイメージ図である。本発明の一実施形態における自律移動ロボットの動作フローである。本発明の一実施形態における自律移動ロボットの動作フローである。図５に示す動作フローのステップＳ１０３～Ｓ１０４の補足図である。図５に示す動作フローのステップＳ１０８、図６に示す動作フローのステップＳ１０９～Ｓ１１０の補足図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態における作業エリア内移動システム１の平面図である。
図１に示す作業エリア内移動システム１は、作業エリア１００の四隅に配置された標識１０と、作業エリア１００内に配置された自律移動ロボット２０と、を備える。自律移動ロボット２０は、作業エリア１００内をくまなく往復走行する。この動作を、自律移動ロボット２０の塗りつぶし動作とも言う。

作業エリア１００は、平面視で四角形である。作業エリア１００の四隅には、標識１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄが配置されている。この四角形の作業エリア１００は、例えば自律移動ロボット２０による自動清掃、農業における収穫、種まき、芝刈り作業などに適している。なお、作業エリア１００は、四角形に限られるものではない。

図２は、本発明の一実施形態における自律移動ロボット２０のブロック図である。
自律移動ロボット２０は、図２に示すように、走行機能２１と、作業機能２２と、制御装置２３と、目標経路設定装置２４と、ＧＵＩ（Graphical User Interface）２５と、ＬＲＦ（Laser rangefinder）２６（検出装置）と、各種センサ２７と、を備えている。

走行機能２１は、例えば、自律移動ロボット２０に設けられた左右の駆動輪と、当該左右の駆動輪を正逆回転させる駆動源（モータ）と、を有する。なお、走行機能２１は、自律移動ロボット２０の姿勢を安定させるために、駆動輪以外に左右に従動輪を有する。また、走行機能２１は、２足歩行機能や、４足歩行機能、その他の走行機能を有していても構わない。

作業機能２２は、自律移動ロボット２０の使用目的に応じて適宜変更し得る。例えば、自動清掃を目的とする場合、作業機能２２は、掃除機やモップなどである。本実施形態では、後述する動作フローの説明の都合上、作業機能２２は、自律移動ロボット２０の車幅と同じ幅で設けられている。なお、作業機能２２は、後述する動作フローを調整すれば、自律移動ロボット２０の車幅に対し、短くても長くても構わない。

制御装置２３は、走行機能２１や作業機能２２の動作を制御する。制御装置２３は、後述する目標経路設定装置２４との間で、スタート、ストップ、オドメトリ、モードの情報を提供し、目標経路、自己位置、ステータス、エラー情報、センサ情報などの情報の提供を受ける。なお、制御装置２３と目標経路設定装置２４は、機能（ソフト）上分かれているが、装置（ハード）としては一体であっても構わない。

ＧＵＩ２５は、制御装置２３、目標経路設定装置２４に作業パラメータや走行パラメータなどを入力する際に使用する。ＧＵＩ２５は、タッチパネルによるＧＵＩであってもよいし、ディスプレイとキーボードやその他の物理キーなどの組み合わせによるＧＵＩであっても構わない。
レーザーレンジファインダ２６（以下、ＬＲＦ）は、自律移動ロボット２０の進行方向の前方に配置された２つの標識１０を検出する検出装置である。

図３は、本発明の一実施形態におけるＬＲＦ２６が検出する標識１０の外観図である。図４は、本発明の一実施形態におけるＬＲＦ２６による検出結果を示すイメージ図である。
図３に示すように、標識１０は、リフレクタ部として、距離測定部１１と、方位測定部１２と、を備えている。図４に示すように、ＬＲＦ２６は、例えば、前方１８０°に検出光２６Ｌを照射または走査し、標識１０の距離と方位（すなわち角度）を測定する。

なお、ＬＲＦ２６は、標識１０の距離と方位を同時に測定できれば一台で構わないが、標識１０の距離と方位を同時に測定できない場合は、距離計測用と方位計測用に２台設置しても構わない。また、当該検出装置は、ＬＲＦ２６に代えて、例えば、画角が広い撮像装置（カメラ）または、通常の画角の撮像装置に画角を広げるレンズを装着したものであっても構わない。

図２に戻り、各種センサ２７は、自律移動ロボット２０の動作に必要な各種情報を取得し、制御装置２３に提供する。例えば、各種センサ２７には、オドメトリ情報に必要な、左右の駆動輪の回転角度や回転数などの情報を取得するためのロータリーエンコーダなどが含まれる。

目標経路設定装置２４は、ＬＲＦ２６の検出結果に基づいて、自律移動ロボット２０の現在位置を原点とする２つの標識１０の座標を算出し、当該座標から自律移動ロボット２０の目標経路を設定する。そして、制御装置２３は、当該目標経路に沿って自律移動ロボット２０が移動するように、自律移動ロボット２０の走行機能２１にフィードバック制御をかける。

次に、自律移動ロボット２０の具体的な動作フローについて説明する。
図５及び図６は、本発明の一実施形態における自律移動ロボット２０の動作フローである。図７は、図５に示す動作フローのステップＳ１０３～Ｓ１０４の補足図である。図８は、図５に示す動作フローのステップＳ１０８、図６に示す動作フローのステップＳ１０９～Ｓ１１０の補足図である。

作業エリア１００内に配置された自律移動ロボット２０は、図５に示すように、先ず、ＬＲＦ２６によって標識１０を検出する（ステップＳ１０１）。ＬＲＦ２６の検出結果は、目標経路設定装置２４に提供される。
目標経路設定装置２４は、ＬＲＦ２６の検出結果に基づいて、標識１０が２点以上検出されたか否かを判定する（ステップＳ１０２）。

標識１０が２点以上検出された場合（ステップＳ１０２が「Ｙｅｓ」の場合）、目標経路設定装置２４は、ＬＲＦ２６の検出結果（標識１０の距離及び方位）に基づいて、標識１０の検出点を自律移動ロボット２０の現在位置を原点Ｏとする直交座標に変換する（ステップＳ１０３）。

この直交座標は、図７に示すように、自律移動ロボット２０の進行方向と直交する方向をＸ方向、自律移動ロボット２０の進行方向をＺ方向とした直交座標となる。ＬＲＦ２６が、標識１０Ａと標識１０Ｂを検出した場合、標識１０Ａの検出点Ａの座標（Ｘ_Ａ，Ｚ_Ａ）と、標識１０Ｂの検出点Ｂの座標（Ｘ_Ｂ，Ｚ_Ｂ）は、下式（１）で表すことができる。

なお、ｌ_Ａは、自律移動ロボット２０（ＬＲＦ２６）から標識１０Ａまでの距離であり、θ_Ａは、Ｘ方向を０°とした場合の標識１０Ａの方位である。また、ｌ_Ｂは、自律移動ロボット２０から標識１０Ｂまでの距離であり、θ_Ｂは、Ｘ方向を０°とした場合の標識１０Ｂの方位である。

次に、目標経路設定装置２４は、直交座標に変換した検出点Ａ，Ｂを通る直線ｌ_ＡＢの傾きθを導出する（ステップＳ１０４）。傾きθは、Ｘ方向に対する直線ｌ_ＡＢの傾き角度であり、下式（２）で表すことができる。

次に、目標経路設定装置２４は、ステップＳ１０５で導出した直線が２本以上存在するか否かを判定する（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５で導出した直線が２本以上存在する場合（ステップＳ１０５が「Ｙｅｓ」の場合）、最も傾きθが小さい直線を基準に設定する（ステップＳ１０６）。これにより、例えば、図１に示す自律移動ロボット２０が、標識１０Ａ～１０Ｃの３点を検出した場合であっても、標識１０Ｃに引かれた直線（例えば直線ｌ_ＡＣ（仮に標識１０Ａから標識１０Ｃに引かれた直線）や直線ｌ_ＢＣ（仮に標識１０Ｂから標識１０Ｃに引かれた直線））を基準にしないようにすることができる。

一方、ステップＳ１０５で導出した直線が２本以上存在しない場合（ステップＳ１０５が「Ｙｅｓ」の場合）、つまり、図７に示すように、直線ｌ_ＡＢが１本だけ存在する場合、目標経路設定装置２４は、直線ｌ_ＡＢを基準直線３０に設定する（ステップＳ１０７）。

次に、目標経路設定装置２４は、基準直線３０に関する情報に基づいて、図８に示すように、原点Ｏを中心に検出点Ａ，ＢのＺ方向の座標が等しくなるように直交座標を上式（２）のθだけ回転させる。回転後の検出点Ａ´の座標（Ｘ_Ａ´，Ｚ_Ａ´）と、検出点Ｂ´の座標（Ｘ_Ｂ´，Ｚ_Ｂ´）は、下式（３）で表すことができる。

次に、目標経路設定装置２４は、自律移動ロボット２０の現在位置（原点Ｏ）から基準直線３０に下した垂線Ｐを目標経路Ｍ１に設定する（ステップＳ１０９）。
さらに、目標経路設定装置２４は、基準直線３０上の検出点（検出点Ａ´，Ｂ´）のうち、目標経路Ｍ１との交点（垂線Ｐとの交点）から遠い検出点（検出点Ｂ´）の方向を塗りつぶし方向に設定する（ステップＳ１１０）。例えば、基準直線３０と目標経路Ｍ１との交点（垂線Ｐとの交点）から検出点Ａ´までの距離Ｌは、下式（４）で表すことができる。

目標経路設定装置２４は、設定した目標経路Ｍ１、塗りつぶし方向に関する情報を制御装置２３に提供する。制御装置２３は、目標経路Ｍ１に沿って自律移動ロボット２０が移動するように、目標経路Ｍ１との距離および角度を走行機能２１にフィードバックする（ステップＳ１１１）。例えば、目標値との差分であるフィードバック値として、ΔＬ（目標経路Ｍ１との距離）、Δθ（目標経路Ｍ１との角度）、及びΔｖ（左右の駆動輪の速度差）は、下式（５）で表すことができる。なお、Ｋ_ｘ、Ｋ_θは所定の定数、ｖ_Ｒ、ｖ_Ｌは左右の駆動輪の速度、Ｒ、Ｌは左右方向を示す。

自律移動ロボット２０の走行中、目標経路設定装置２４は、基準直線３０と自律移動ロボット２０との距離（例えばＤとする（図８参照））を計算し（上式（５）参照）、基準直線３０との距離Ｄが一定以下か否かを判定する（ステップＳ１１２）。なお、オドメトリで走行機能２１の駆動輪の回転角度から自律移動ロボット２０の移動量を求め、その累積計算から、基準直線３０との距離が一定以下か否かを判定しても構わない。基準直線３０との距離が一定以下でない場合（ステップＳ１１２が「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ１１１に戻り、制御装置２３は、目標経路Ｍ１に沿って自律移動ロボット２０を前進させる。

一方、基準直線３０との距離が一定以下である場合（ステップＳ１１２が「Ｙｅｓ」の場合）、制御装置２３は、目標経路Ｍ１の終点に自律移動ロボット２０が到達したと判定し、目標経路Ｍ１に沿った自律移動ロボット２０の移動を終了させる（ステップＳ１１３）。

次に、制御装置２３は、自律移動ロボット２０の進行方向を、塗りつぶし方向に９０°回転させて車幅分移動させる（ステップＳ１１４）。その後、さらに自律移動ロボット２０の進行方向を同じ方向に９０°回転させて、自律移動ロボット２０を反転させる（ステップＳ１１５）。

なお、ステップＳ１１４において、自律移動ロボット２０を塗りつぶし方向に車幅分移動させる定距離経路Ｍｋ（図１参照）においては、移動距離が短いので自律移動ロボット２０のズレが殆ど生じない。このため、制御装置２３は、定距離経路Ｍｋをデットレコニングで移動させる。なお、上述したステップＳ１０１～Ｓ１１３までの動作フローで、定距離経路Ｍｋを移動させても構わない。

自律移動ロボット２０が反転した後（ステップＳ１１５の後）、動作フローは、図５に示すステップＳ１０１に戻る。そして、目標経路設定装置２４は、同様の動作フローによって、目標経路（図１に示す目標経路Ｍ２）を再度設定する。制御装置２３は、当該目標経路Ｍ２に沿って自律移動ロボット２０を移動させる。このような自律移動ロボット２０の往復走行は、作業エリア１００をくまなく塗りつぶすまで繰り返される。

このように、上述した本実施形態によれば、標識１０によって囲まれた作業エリア１００において自律して移動する自律移動ロボット２０であって、自律移動ロボット２０の進行方向の前方に配置された２つの標識１０を検出するＬＲＦ２６と、ＬＲＦ２６の検出結果に基づいて、自律移動ロボット２０の現在位置を原点とする２つの標識１０の座標を算出し、当該座標から自律移動ロボット２０の目標経路Ｍ１（や目標経路Ｍ２）を設定する目標経路設定装置２４と、を備える。この構成によれば、標識１０を置くだけで、標識１０によって囲まれた作業エリア１００において、自律移動ロボット２０を自律移動させることができる。

また、上述した自律移動ロボット２０を備える作業エリア内移動システム１によれば、作業エリア１００の四隅に標識１０を置くだけでシステムを構築できるため、現場での作業が簡単であり、特別な知識がなくても自律移動ロボット２０に所定の作業をさせることができる。

また、本実施形態では、目標経路設定装置２４は、図８に示すように、２つの標識１０（標識１０Ａ，１０Ｂ）の座標を通る基準直線３０に原点Ｏから下した垂線Ｐを、目標経路Ｍ１に設定する。この構成によれば、自律移動ロボット２０の現在（スタート）位置から上記２つの標識１０を通る基準直線３０に対しての垂線Ｐが目標経路Ｍ１となるため、図１に示す作業エリア１００の塗りつぶし動作を効率よく行える。

また、本実施形態では、目標経路Ｍ１に沿って自律移動ロボット２０が移動するように、自律移動ロボット２０の走行機能２１にフィードバック制御（ステップＳ１１１）をかける制御装置２３を備える。この構成によれば、自律移動ロボット２０が目標経路Ｍ１から外れることなく、作業エリア１００の塗りつぶし動作をさらに効率よく行える。

また、本実施形態では、制御装置２３は、目標経路Ｍ１の終点に自律移動ロボット２０が到達した後、自律移動ロボット２０の進行方向を９０°回転させて所定距離（車幅分）移動させた（ステップＳ１１４）後、さらに自律移動ロボット２０の進行方向を９０°回転させて（ステップＳ１１５）、自律移動ロボット２０を反転させる。この構成によれば、移動距離が短く、殆どズレが生じない定距離経路Ｍｋを、デットレコニングで移動させて、効率よく自律移動ロボット２０を反転させることができる。

また、本実施形態では、目標経路設定装置２４は、自律移動ロボット２０が反転した後、目標経路Ｍ２を再度設定する。この構成によれば、自律移動ロボット２０の反転の繰り返しによる累積誤差を無くし、自律移動ロボット２０の精度の良い往復走行が可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１…作業エリア内移動システム、１０…標識、２０…自律移動ロボット、２１…走行機能、２３…制御装置、２４…目標経路設定装置、２６…レーザーレンジファインダ（検出装置）、３０…基準直線、１００…作業エリア、Ｍ１…目標経路、Ｍ２…目標経路、Ｐ…垂線

Claims

標識によって囲まれた作業エリアにおいて自律して移動する自律移動ロボットであって、
前記自律移動ロボットの進行方向の前方に配置された２つの標識を検出する検出装置と、
前記検出装置の検出結果に基づいて、前記自律移動ロボットの現在位置を原点とする前記２つの標識の座標を算出し、当該座標から前記自律移動ロボットの目標経路を設定する目標経路設定装置と、を備える、ことを特徴とする自律移動ロボット。
前記目標経路設定装置は、前記２つの標識の座標を通る基準直線に前記原点から下した垂線を、前記目標経路に設定する、ことを特徴とする請求項１に記載の自律移動ロボット。
前記目標経路に沿って前記自律移動ロボットが移動するように、前記自律移動ロボットの走行機能にフィードバック制御をかける制御装置を備える、ことを特徴とする請求項１または２に記載の自律移動ロボット。
前記制御装置は、前記目標経路の終点に前記自律移動ロボットが到達した後、前記自律移動ロボットの進行方向を９０°回転させて所定距離移動させた後、さらに前記自律移動ロボットの進行方向を９０°回転させて、前記自律移動ロボットを反転させる、ことを特徴とする請求項３に記載の自律移動ロボット。
前記検出装置は、標識を検出するレーザーレンジファインダを備える、ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の自律移動ロボット。
作業エリアの四隅に配置された標識と、
前記作業エリア内に配置された請求項１～５のいずれか一項に記載の自律移動ロボットと、を備える、作業エリア内移動システム。