JPH0442014A - 移動体の自己位置検出方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、建設作業等における施工用移動ロボットの自
己位置検出システムに関し、特に四方を壁面で包囲され
た室内において移動体が自分の位置を検出して各種の作
業を行なうためのシステムに関する。

（従来の技術） 建設工事現場においても、作業者の重労働をなくして作
業の効率化・高精度化を図るために、機械化が進んでい
る。最近では「施工ロボット」と呼ばれるマシンが熟練
工の不足などを理由に開発され工事現場に導入され始め
ている。建設工事現場の施工ロボットは、従来の「製造
用産業ロボット」とは異なるいくつかの特徴を存してい
る。なかでも大きな特徴は知能を持った移動ロボットと
いう点である。施工ロボットは製品である建築物が大規
模であるため、自ら移動し、設計図面に示された場所で
指示された寸法どおりに色々な作業を行なうことが基本
である。

これを実現するためには、建設現場で正確に行われた位
置測定の結果がロボ７）にフィードバックされ、ロボッ
ト自身がいま建物のどこにいるのか、次はどこまで移動
すればいいのかを常に認識していなければならない、従
って、施工ロボットにとっては、自己位置検出能力が必
要不可欠な重要ポイントになる。

従来は、あらかしめ人間が測量を行ない、ロボットが移
動するための軌道を敷いたり、通過点となるマークを用
意するなどして、ロボットの位置を認識させていた。ま
た、ロボット自ら測定する能力を持った場合でも、位置
測定をするために原点となる測量基準点を設けて、そこ
に光学的な反射板や標識となるポール等を設けておく必
要があった。

しかしながら、これらの方法は、測量のために人間の手
間を必要とする上に、日々姿を変えていく建設工事現場
にあって施工ロボットが移動するためだけの軌道やマー
クを設置したり撤去したりするという新たな準備作業を
発生させ、必ずしも作業効率が良いとは言えないもので
あった。

超音波センサを利用してロボット周辺の障害物までの距
離を測定し、設計図面のＣＡＤデータと照合することで
ロボット自身の位置を認識させようとする方法も考えら
れたが、超音波センサで検出できる距離が短いために、
施工ロボットが建築物内の壁際や柱の近（にいる時でな
いと正確な位置が検出できないという問題点があった。

特開昭５７−１０８７７７号「位置検出装置」では、移
動体から見た視野内を回転走査してこの視野内に存在す
る物体表面までの距離信号を回転角に対応させた距離関
数信号として出力する輪郭検出装置というものを利用し
ている。しかしながら、このような輪郭検出装置を室内
で使用しても、平坦な壁面で反射して戻ってくる信号は
、垂直な壁面で１回反射しただけのものと複数の壁面の
間を複数回にわたって反射してきたものとが混合されて
いるため、実際の壁面の輪郭を検出することは困難であ
ることが判明した。

特開昭５９−６７４７６号「移動体の位置検知装置」で
は、入射光方向に光を反射する３つの光反射手段として
プリズムのような光学装置を利用しているが、移動体が
動くのに合わせてプリズムの方向を変化させなければな
らないから、実際に適用するのは困難である。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、四方を壁面で包囲された比較的広い室
内において、施工ロボット自身がその正確な位置を検出
して、所定のポイントで所定の作業を実施できるように
するための方法と装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段とその作用）本発明の前
述した目的は、第１の態様において、四方を壁面に包囲
されている室内において室内を移動する物体の位置を検
出する方法であって、壁面から分離した３本以上の柱を
垂直方向に延伸させて設置し、それらの柱の幾何学的形
状と位置をコンピュータに入力し、移動体からレーザ光
を水平方向に回転させながら走査し、前記レーザ光の反
射光を移動体上のセンサで受光し、各社のエツジを検出
して各エツジと移動体とのなす角度をコンビュータで算
出し、コンピュータに人力されている各社の位置を基準
として移動体の位置を算出することを特徴とする移動体
の自己位置検出方法によって達成される。

かかる構成に基づき、本発明によれば、レーザ光が柱の
エツジに当たって反射する際に、平坦な壁面とは異なる
反射パターンを呈することになるから、レーザ光の反射
光をコンピュータで解析することによって柱のエツジの
位置を判別することができ、あらかじめ入力しておいた
柱の位置を基準にして移動体の位置が検出できることに
なる。

３本以上の柱はあらかじめ室内に設置されていればそれ
を利用することができるので、比較的広い工場用建物や
デパートの売り場等、室内に３本以上の柱が設置されて
いる場所での施工ロボットの作業が迅速化され、正確な
位置決めと、作業の安全を図ることができる。

本発明はその第２の態様において、四方を壁面に包囲さ
れかつ壁面から分離した３本以上の柱が垂直方向に延伸
している室内において移動体上に搭載されて当該移動体
の現在位置を検出する装置であって、壁面及び各社の幾
何学的形状と位置を入力するコンピュータと、移動体か
らレーザ光を水平方向に回転させながら走査するレーザ
走査手段と、前記レーザ光の反射光を移動体上で受光す
るセンサと、各社のエツジを検出して各エツジと移動体
とのなす角度を算出する角度検出手段と、前記コンピュ
ータに入力されている各社のエツジの位置を基準として
移動体の位置を算出する位置検出手段とを包含すること
を特徴とする移動体の自己位置検出装置を提供する。

かかる態様によれば、前述した方法を実現するための装
置が提供されることになる。

以下、添付図面の実施例を参照しながら、本発泡のシス
テムについて詳述する。

（実施例） 第１図は、本発明による移動体の自己位置検出装置１０
を作業用ロボット９０上に搭載した状態を表わしている
。作業用ロボット９０の基礎部分９１とモーター９２の
構造は従来のロボットと同しであり、基礎部分９１に搭
載されたバッテリ９３から電力の供給を受けて車輪に連
結されたモーター９２が回転し走行する。モーター９２
の始動、停止、回転方向の切り替え、回転数の制御等は
、基礎部分９１に搭載された制御ユニット９４で行われ
る。制御ユニット９４へはケーブル又は無線によって制
御信号が伝達される。

自己位置検出装置１０は水平支持テーブルｌｌ上に搭載
されており、さらにこのテーブル１１は水平センサ１２
と水平調整器１３を介してロボットのＪＡＧ部分９１上
に支持されている。自己位置検出装置１０に隣接して作
業用ユニット２０が配置され、本実施例では天井に照明
器具、空調用の空気吹出口、防災用のスプリンクラ−ヘ
ッド等の位置の墨出しを行なうためのユニットが設置さ
れている。

第２図に示すように、本実施例では、四方が壁面１５で
包囲されている長方形の室内において、４隅に垂直柱１
６が設置されている場合について説明するが、垂直柱１
６は測定のために一時的に設置するものでもよく、垂直
柱１６の数は３本以上あれば良い。

第３図、第４図は、自己位置検出装置１０の全体構造を
表わしている。第３図に示すように、水平支持テーブル
ｌｌ上に取付けられたレーザ源３１からレーザ光が放出
され、第１のミラー３２で反射させられてコリメータ３
３へと送られる。

第４図に示すように、コリメータ３３から出たレーザ光
は下部ミラー３４で反射されてロータリーエンコーダ３
５内を通過し、ケーシング３６内の中空シャフト３７を
貫通して上部ミラー３８へと送られ、上部ミラー３８で
水平方向に反射させられて送り出される。上部ミラー３
８はターンテーブル３９上に取付けられており、ターン
テーブル３９は、中空シャフト３７、ベルト４１を介し
て、テーブル１１上に固定されたＤＣモータ−４０から
の駆動力を受けて回転する。かくして、レーザａ３１か
ら放出された点状レーザ光が３６０°水平方向に走査さ
れながら壁面１５及び柱１６に向けて照射されることに
なる。

ターンテーブル３９のさらに上方には、ＣＣＤセンサ４
３、バンドパスフィルター４４、レンズ４５が配置され
ており、壁面１５及び柱１６に当たって返ってきたレー
ザ光をレンズ４５で受は取る。この際、第４図から明ら
かなように、上部ミラー３８からレーザ光が放出される
水平位置と、レンズ４５の水平位置とはオフセットして
いるので、反射した物体までの距離に応してレンズ４５
に入射してくる光の方向が変化することになる。

第５図は、上述した自己位置検出装置に用いられるコン
ピュータとの接続回路図を表わしている。

ＣＣＤセンサ４３で受は取った光信号は電気信号に変換
され、ＣＣＤ駆動回路４６、インターフェイス回路４７
を介して、パーソナルコンピュータ５０の拡張スロット
５１からコンピュータ５０の本体内部へと入力される。

同様にして、ロータリーエンコーダ３５で検出した回転
数信号はエンコーダカウンタ４８を介してコンピュータ
５０へと送られる。コンピュータ５０はプログラムに応
じてＤ／Ａ変換器５２、モータドライバ５３へと信号を
送り、ＤＣモータ４０を回転駆動する。モータ４０に付
設されたタコジェネレータ５４は回転数をカウントし、
モータドライバ５３へとフィードバックする。

第６図は、レーザ源３１から放出された光を利用して物
体までの距離を測定する原理を表わしている。物体まで
の距離がＫｌの時にレンズ４５を通過してＣＣＤセンサ
４３上に到達する光の位置が垂直方向に距１ｉｉｓだけ
オフセットしているとすると、物体までの距離かに２に
なれば距離Ｓが変化するから、距離Ｓを測定することに
より物体までの距離Ｋが測定できることになる。

しかしながら、第７図のグラフから明らかなように、こ
の方法だけでは物体までの距離を正確に測定することは
困難である。すなわち、反射物までの距離が大きくなる
につれてＣＣＤセンサ上でのオフセット量の変化が小さ
くなり、分解能が低下することがわかる。

本発明では、レーザ光を走査した回転の角度をロータリ
ーエンコーダ３５で測定し、反射した物体までの距離と
回転角度との関係を利用して移動体の位置を算出する。

その際に、柱１６のエツジの部分で反射される光が急激
に変化することを利用して柱１６の位置を検出し、これ
を基にして移動体の位置を割り出すところに特徴を有す
る。

まず、第８図に示すような測定角度と反射物体までの距
離のグラフを作成する。照射されたレーザ光が柱１６に
当たって反射してくる部分では、物体までの距離が小さ
くなって測定されるから、第８図にＹｌ、Ｙ２．Ｙ３．
Ｙ４として示すような落ち込み部分が柱１６に対応した
部分として表示される。

第８図のグラフを３６０°円周方向に展開すると第９図
のようになる。ここで４隅にある柱の符号を６１．６２
．６３．６４とする。第８図における落ち込み部分はこ
れらの柱に対応した部分であるから、各社の右側エツジ
６１Ｒ，６２Ｒ。

６３Ｒ，６４Ｒと、各社の左側エツジ６１Ｌ。

６２Ｌ、６３Ｌ、６４Ｌは第１０面に示すような位置に
あることがわかる。角度θ１は左側エツジ６１Ｌと６２
Ｌとの間の角度、角度θ２は左側エンシロ２Ｌと６３Ｌ
との間の角度をそれぞれ表わしている。

しかしながら、柱の位置は常にこのように明確に示され
るとは限らず、照明器具や直射日光による光を反射して
きたレーザ光と混合した場合は、柱の位置を誤って判断
するおそれがある。そこで、第１１図、第１２図は柱の
エツジの判別条件の例を表わしており、例えば第１１図
のように落ち込み部分Ｙ５．Ｙ６があったとしても、Ｙ
５についてはその落ち込み長さＤが基準長ＤＯよりも小
さいので、柱として判定しないようにする。また、第１
２図のような落ち込み部分Ｙ７．Ｙ８があったとしても
、Ｙｌについてはその角度範囲θが基準角度θ０よりも
小さいので、柱として判定しないようにする。このよう
な判別条件を考慮することにより、柱の右側エツジと左
側エツジの位置を正確に割り出すことができる。

求められたエツジ間の角度データと、あらかしめ用意さ
れている設計図のＣＡＤデータ（壁面の寸法、各社の位
置と寸法など）から、移動体自身の位置を次のようにし
て求める。

まず、第１０図をモデル化して第１３図のように表わす
０次に計算を簡単にするために、座標原点を動かして第
１４図のようにする。実際には、各エツジのポイントＰ
Ｌ、ＰＩ、Ｐ３はＣＡＤデータから判明しているので、
角度θ１とθ２の２つの条件から移動体の位置を決定す
ればよいことになる。第１５図に示すように、ポイント
Ｐ１゜Ｐ２を見る間の角度が０１になる点は軌跡７１で
示される円の上にあり、同様にポイントＰ２゜Ｐ３を見
る間の角度がθ２になる点は軌跡７２で示される円の上
にあるから、両者の交点として移動体の位置Ｘが求めら
れることになる。実際の計算はコンピュータ５０の内部
で処理される。

さらに正確を期すためには、左側エツジ６３Ｌと６４Ｌ
との間の角度θ３、左側エンシロ４Ｌと６ＬＬとの間の
角度θ４を用いて、同様の計算を４回くりかえして平均
化すれば良い、続いて、右側エツジの間の角度を４種類
測定し、前述の方法と同様にして４回計算を繰り返すこ
ともできる。

（実験例） 本発明による位置検出方法の精度を測定するために、８
１５ｍ、横１５ｍの壁面を有する室内の４隅に縦横それ
ぞれ３０ｃｍの正方形柱を設置し、柱の中心間距離を８
ｍにして実験した。移動体の位置を室内で１０個所変化
させ、本発明による方法で求めた移動体の位置座標と、
実測位置とを比較した結果、最大の誤差がｌＱｍｍ、平
均値では３ｍｍ程度であった。従って、建物内での位置
決め作業には充分対応できる位置検出装置が得られるこ
とがわかった。

（発明の効果） 以上詳細に説明した如く、本発明によれば、比較的広い
室内において、施工ロボット自身がその正確な位置を検
出して、所定のポイントで所定の作業を実施できるよう
になり、施工ロボットの作業が迅速化される。従来必要
であった施工ロボット用のレールは必要がなくなり、各
種のマーキングも必要がなくなる。天井への墨出し作業
にとどまらす、各種の器具を取付ける作業や、部品の搬
送作業、あるいは危険な場所での作業などに広く応用す
ることができる等、その技術的効果には極めて顕著なも
のがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による位置検出装置をロボット上に取付
けた実施例の側面図、第２図は室内の配置を表わす平面
図、第３図は位置検出装置の斜視図、第４図は位置検出
装置の縦断面図、第５図はコンピュータに接続される部
分の回路図、第６図は距離測定の原理を表わす概略側面
図、第７図は距ｍ１ｊ１定の精度を表わすグラフ、第８
図は回転走査した場合の測定角度と物体までの距離を表
わすグラフ、第９図は第８図のグラフを円周方向に展開
した平面図、第１０図は各社のエツジ位置を表わす平面
図、第１１図は柱を検出する条件を表わすグラフ、第１
２図は柱を検出する別の条件を表わすグラフ、第１３図
は柱の位置から移動体の位置を検出するための座標平面
図、第１４図は柱の位置を平行移動した座標平面図、第
１５図は角度一定の円をプロットした座標平面図である
。 ＩＯ・・・位置検出装置 １１・・・テーブル １５・・・壁面　　　　　１６・・・柱２０・・・作業
ユニット ３１・・・レーザ源 ３２．３４．３８・・・ミラー ３３・・・コリメータ ３５・・・ロータリーエンコーダ ３９・・・ターンテーブル ４０・・・モータ ４３・・・ＣＣＤセンサ ４５・・・レンズ ５０・・・コンピュータ ６１．６２・・・柱 ６１Ｒ，６２Ｒ，６３Ｒ，６４Ｒ・・・エフシロ１Ｌ、
６２Ｌ、６３Ｌ、６４Ｌ・・・エツジ９０・・・作業ロ
ボット 第１ 図 第４ 図 第２図 第６図 第７図 反射物までの距離 （ｍ） 第８図 第１１図 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、四方を壁面に包囲されている室内において室内を移
   動する物体の位置を検出する方法であって、壁面から分
   離した３本以上の柱を垂直方向に延伸させて設置し、 それらの柱の幾何学的形状と位置をコンピュータに入力
   し、 移動体からレーザ光を水平方向に回転させながら走査し
   、 前記レーザ光の反射光を移動体上のセンサで受光し、 各柱のエッジを検出して各エッジと移動体とのなす角度
   をコンピュータで算出し、 コンピュータに入力されている各柱の位置を基準として
   移動体の位置を算出することを特徴とする移動体の自己
   位置検出方法。 ２、各柱のエッジを検出する工程において各柱の右側エ
   ッジと左側エッジとを検出し、それらを平均して移動体
   の位置を算出することを特徴とする請求項１記載の方法
   。 ３、四方を壁面に包囲されかつ壁面から分離した３本以
   上の柱が垂直方向に延伸している室内において移動体上
   に搭載されて当該移動体の現在位置を検出する装置であ
   って、 壁面及び各柱の幾何学的形状と位置を入力するコンピュ
   ータと、 移動体からレーザ光を水平方向に回転させながら走査す
   るレーザ走査手段と、 前記レーザ光の反射光を移動体上で受光するセンサと、 各柱のエッジを検出して各エッジと移動体とのなす角度
   を算出する角度検出手段と、 前記コンピュータに入力されている各柱のエッジの位置
   を基準として移動体の位置を算出する位置検出手段とを
   包含することを特徴とする移動体の自己位置検出装置。