WO2016181733A1 - フォークリフト - Google Patents

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WO2016181733A1
WO2016181733A1 PCT/JP2016/061596 JP2016061596W WO2016181733A1 WO 2016181733 A1 WO2016181733 A1 WO 2016181733A1 JP 2016061596 W JP2016061596 W JP 2016061596W WO 2016181733 A1 WO2016181733 A1 WO 2016181733A1
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WO
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pallet
fork
laser sensor
forklift
laser beam
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Application number
PCT/JP2016/061596
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田中　稔
亮暢 藤井
祐司 津坂
誠 一瀬
早川　誠
Original Assignee
株式会社豊田自動織機
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Publication date
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    • G05D1/0231—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using optical position detecting means
    • G05D1/0238—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using optical position detecting means using obstacle or wall sensors
    • G05D1/024—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using optical position detecting means using obstacle or wall sensors in combination with a laser

Definitions

  • ⁇ It is necessary to avoid interference between the fork and the pallet during the forklift truck.
  • the upper and lower ends of the pallet opening are detected by a reflection type optical sensor. Then, calculate the clearance between the upper surface of the fork and the upper end of the pallet opening, and the clearance between the lower surface of the fork and the lower end of the pallet opening, and adjust the position of the fork so that these clearances have appropriate values. Yes.
  • This specification discloses a forklift that can detect a lateral displacement of a pallet and a rotational displacement with a simple configuration.
  • the forklift disclosed in the present specification is attached to the fork, a moving mechanism for moving the fork in the first direction, and is mounted on the fork, and scans the laser light in a second direction intersecting the first direction.
  • a laser sensor that measures the distance to the surrounding object from the reflected light of the scanned laser beam, and a laser that scans the laser beam in the second direction while driving the moving mechanism to move the fork in the first direction.
  • an arithmetic unit that generates a three-dimensional distance image of a range irradiated with the laser beam based on distance data acquired by the sensor.
  • the laser sensor since the laser sensor is attached to the fork, when the fork moves in the first direction, the laser sensor also moves in the first direction accordingly. Therefore, even if the laser sensor is a one-dimensional scanning type laser sensor that scans the laser beam in the second direction, the laser beam is moved in the first direction and the second direction by the movement of the fork in the first direction. Can be scanned. Thereby, a three-dimensional distance image can be acquired by the laser sensor. Since this forklift can acquire a three-dimensional distance image, it is possible to detect a positional deviation in the lateral direction of the pallet and a deviation related to rotation.
  • the perspective view which shows schematic structure of the forklift which concerns on an Example.
  • the block diagram which shows the control structure of the forklift which concerns on an Example.
  • the flowchart which shows the procedure of the process which acquires a 3-dimensional distance image with a laser sensor.
  • the flowchart which shows the procedure of the process which specifies the position of a pallet, a direction, and a width
  • the figure which matches and shows the pallet and the coordinate axis set to the pallet The figure which shows typically the state which is scanning the laser beam using the tilt mechanism which tilts a fork.
  • the moving mechanism includes at least an elevating mechanism that elevates and lowers the fork in the vertical direction. May be. According to such a configuration, the light emitted from the laser sensor can be scanned in the vertical direction using the lifting mechanism that lifts and lowers the fork in the vertical direction.
  • the moving mechanism includes at least a tilt mechanism that tilts the tip of the fork with respect to the base end, and the laser sensor when the tip of the fork tilts with respect to the base end.
  • the laser beam irradiated from the above may be scanned in the vertical direction. According to such a configuration, the light emitted from the laser sensor can be scanned in the vertical direction using the tilt mechanism that tilts the fork.
  • the arithmetic device may specify the position, direction, and width of the pallet from the three-dimensional distance image. Good. According to such a configuration, in order to identify the three-dimensional position, direction, and width of the pallet based on the three-dimensional distance image generated from the distance data obtained by the laser sensor, , It is possible to accurately detect a shift related to rotation.
  • the arithmetic unit extracts only the distance data obtained from the front surface of the pallet from the 3D distance image. Then, the position, direction, and width of the pallet may be specified from the front surface of the pallet specified from the extracted distance data. In such a configuration, the three-dimensional position, direction and width of the pallet are specified based on the distance data obtained from the pallet front surface extracted from the three-dimensional distance image generated from the distance data obtained by the laser sensor. . Since the position information of the pallet is specified from the distance data obtained from the front surface of the pallet, the lateral displacement of the pallet and the displacement related to the rotation can be detected with high accuracy.
  • the forklift 10 is an unmanned forklift, and includes a vehicle body 12, a mast 24, a fork 22, a lift chain 26, a laser sensor 20, and a control device 30.
  • the vehicle body 12 includes a front wheel 28 and a rear wheel 29 on each of both side surfaces thereof.
  • the front wheel 28 and the rear wheel 29 are respectively supported so as to be rotatable with respect to the vehicle body 12.
  • One of the rear wheels 29 is connected to a drive motor (not shown) and is driven to rotate by the drive motor.
  • the rear wheel 29 connected to the drive motor is also connected to a steering device (not shown), and the direction of the wheels is adjusted by the steering device.
  • the other of the rear wheels 29 is a caster wheel that rotates and steers following the travel of the vehicle body 12.
  • the mast 24 is a column attached to the front surface of the vehicle body 12, and its axis extends in the vertical direction.
  • the fork 22 is attached to the mast 24 so as to be movable in the vertical direction. Further, the fork 22 can swing with respect to the mast 24 by a tilt mechanism (not shown).
  • the fork 22 has a pair of claws 22a and 22b. The claws 22a and 22b are disposed at positions separated from each other in the left-right direction of the vehicle body 12, and extend from the mast 24 side toward the front of the vehicle body 12.
  • the lift chain 26 is installed on the mast 24 and is engaged with the fork 22. When the lift chain 26 is driven by a fork lifting device 40 (shown in FIG. 3), the fork 22 is lifted and lowered.
  • the vertical position of the fork 22 can be specified by the drive amount of the fork lifting device 40.
  • the laser sensor 20 is attached to the fork 22 and moves up and down integrally with the fork 22.
  • the position where the laser sensor 20 is attached is between the claws 22a and 22b and is located on the back side (the vehicle body 12 side) from the backrest surface of the fork 22.
  • the laser sensor 20 is a one-dimensional scanning type laser sensor that scans laser light in one direction (horizontal direction in this embodiment).
  • the laser sensor 20 irradiates laser light and measures the distance from the reflected light of the irradiated laser light to a peripheral object.
  • the laser sensor 20 also moves up and down, so that the position in the height direction of the laser light emitted from the laser sensor 20 also changes. In the present embodiment, as shown in FIG.
  • the laser sensor 20 irradiates a region 50 (see FIG. 1) in a predetermined angular range ahead of the forklift 10 while moving up and down in the vertical direction. Thereby, the laser light emitted from the laser sensor 20 is scanned in the horizontal direction and the height direction (two-dimensional), and distance data 41 in front of the forklift 10 is acquired. The distance data 41 acquired by the laser sensor 20 is input to the control device 30 (shown in FIG. 3).
  • the laser sensor 20 for example, UTM-30LX manufactured by Hokuyo Electric or LMS100 manufactured by SICK can be used.
  • the control device 30 is constituted by a microprocessor having a CPU and the like.
  • the control device 30 is mounted on the vehicle body 12.
  • the control device 30 includes the laser sensor 20 described above, a drive motor that drives one of the rear wheels 29, a steering device that adjusts the steering angle of the rear wheel 29 connected to the drive motor, and a fork that moves the fork 22 up and down. It is connected to a lifting device or the like and controls these operations.
  • control device 30 executes a program stored in the memory, thereby moving the laser sensor 20 up and down, converting the distance data into coordinates, and storing coordinate-converted three-dimensional distance data to store a three-dimensional distance image. Process to generate. In addition, the control device 30 performs processing for specifying the position, direction, and width of the pallet 100 based on the three-dimensional distance image. That is, as shown in FIG. 3, the control device 30 functions as a coordinate conversion unit 32, a calculation / accumulation unit 34, a palette recognition unit 36, a sensor movement control unit 38, and a sensor position detection unit 39.
  • the control device 30 functions as the above-described units 32 to 39, so that a three-dimensional distance image 44 of a peripheral object in front of the forklift 10 is generated, and the position of the pallet 100 from the generated three-dimensional distance image 44, Direction and width are specified. Details of the units 32 to 39 will be described together with processing performed by the control device 30 described below.
  • the three-dimensional distance data generation process is executed in a state where the forklift 10 is stopped near the pallet 100 to be loaded. That is, as shown in FIG. 4, the control device 30 first drives one rear wheel 29 so that the pallet 100 is positioned in front of the vehicle body 12, and brings the forklift 10 closer to the pallet 100. That is, in order to observe the pallet 100 with the laser sensor 20, the forklift 10 is moved to the initial position in front of the pallet (S10). For example, in the forklift 10 that transports luggage in a factory, the position on which the luggage (pallet 100) is placed is predetermined.
  • the initial position for stopping the forklift 10 is determined in advance from the approximate position of the pallet 100. For this reason, the control apparatus 30 moves the forklift 10 automatically to the preset initial position. In addition, when the forklift 10 is driven by the driver, the forklift 10 may be moved to the initial position by the driver, and thereafter, the three-dimensional distance data generation process may be started by a switch operation of the driver of the forklift 10.
  • the control device 30 moves the laser sensor 20 by the fork lifting / lowering device 40 so that the laser beam is irradiated to the upper limit of the observation target region 60 (shown in FIG. 5) (S12).
  • the observation target area 60 is an area where the pallet 100 may exist. For example, as shown in FIG. 5, if the luggage 130 is placed on the pallet 100 and the pallet 100 is placed on the pedestal 120, an area (height, where the pallet 100 may exist) (Width) is determined by the dimensions of the pedestal 120 and the pallet 100.
  • the laser sensor 20 is moved to the upper limit of the area where the pallet 100 may exist, so that the pallet 100 is reliably detected.
  • the control device 30 acquires the distance data 41 with the laser sensor 20 while lowering the fork 22 with the fork lifting device 40 (S14). That is, the laser sensor 20 irradiates the laser beam while scanning in the horizontal direction and detects reflected light of the irradiated laser beam.
  • the fork lifting device 40 moves the fork 22 up and down
  • the laser sensor 20 moves in the vertical direction. For this reason, the laser beam emitted from the laser sensor 20 is also scanned in the vertical direction. Therefore, the laser beam from the laser sensor 20 is scanned in the horizontal direction and the vertical direction by the processing in step S14, and the observation point group of the observation target region 60 can be acquired by detecting the reflected light.
  • the function of the control device 30 realized by the process of raising and lowering the fork in steps S12 and S14 corresponds to the sensor movement control unit 38 shown in FIG.
  • the control device 30 converts the acquired distance data 41 into three-dimensional distance data 42 reflecting the height of the laser sensor 20 (S16). That is, since the control device 30 controls the fork elevating device 40 to elevate and lower the fork 22, it is possible to know the vertical position of the fork 22 (the height direction position of the laser sensor 20). For this reason, when the reflected light is received by the laser sensor 20, the control device 30 reflects the height information of the laser sensor 20 at the time of light reception in the distance data 41 (observation point) and converts it into three-dimensional distance data. . Thereby, the three-dimensional distance data 42 to the object existing in the region 50 in the predetermined angle range irradiated with the laser light can be acquired. Note that the function of the control device 30 realized by the processing in step S16 corresponds to the coordinate conversion unit 32 and the sensor position detection unit 39 shown in FIG.
  • control device 30 extracts only the observation point group in the observation target region 60 from the obtained three-dimensional distance data 42 and stores it in the memory (S18). Since the three-dimensional distance data 42 reflects the height of the laser sensor 20, the observation point group in the observation target region 60 at the height is accumulated in the memory. Note that the function of the control device 30 realized by the processing in step S18 corresponds to the calculation / accumulation unit 34 shown in FIG.
  • control device 30 determines whether or not the current observation position (height) by the laser sensor 20 is the lower limit of the observation target region 60 (S20). When the current observation position is not the lower limit of the observation target region (NO in S20), the control device 30 repeats the processes in steps S14 to S18. When the current observation position is the lower limit of the observation target region (YES in S20), the control device 30 ends the process.
  • the observation point group (three-dimensional distance data 42) for the entire observation target region 60 can be stored in the memory, and thereby the three-dimensional distance image 44 in the observation target region 60. Can be generated.
  • the control device 30 drives one rear wheel 29 so that the pallet 100 is positioned in front of the vehicle body 12, and causes the forklift 10 to approach the pallet 100. That is, in order to observe the pallet 100 with the laser sensor 20, the forklift 10 is moved to the initial position in front of the pallet (S22). Next, the control device 30 moves the laser sensor 20 by the fork lifting / lowering device 40 so that the upper limit of the observation target region 60 (shown in FIG. 5) is irradiated with the laser light (S24). Next, the control device 30 acquires the distance data 41 with the laser sensor 20 while lowering the fork 22 with the fork lifting device 40 (S26).
  • control device 30 converts the acquired distance data 41 into three-dimensional distance data 42 reflecting the height of the laser sensor 20 (S28). Note that the processing in steps S22 to S28 is the same as the processing in steps S10 to S16 described above, and thus detailed description thereof is omitted here.
  • the control device 30 extracts only the observation point group of the observation target region 60 from the three-dimensional distance data 42, and extracts a straight line extending in the substantially horizontal direction from the extracted observation point group (S30).
  • the observation point group by the reflected light reflected from the front surface of the pallet 100 is located on the same plane. That is, in step S30, a straight line resulting from scanning the front surface of the pallet 100 is extracted from the observation point group.
  • a known algorithm called robust estimation such as RANSAC can be used for the extraction of a straight line.
  • the control device 30 clusters the point groups constituting the extracted straight line (matching the straight line) with the Euclidean distance (S32).
  • two openings 110 are formed on the front surface of the pallet 100.
  • the straight line extracted from the front surface of the pallet 100 may be divided by the opening 110 on the front surface of the pallet 100.
  • a known method such as the k-means method or the kd-tree method can be used.
  • the control device 30 performs the process of step S34. Specifically, first, the control device 30 counts the number of clustered straight line groups (that is, the number of clusters), and determines whether or not the counted number of clusters is 3 (S34). As described above, at the position (height) where the opening 110 is formed on the front surface of the pallet 100, the straight line (observation point group) extending in the substantially horizontal direction by the horizontal scanning of the laser beam is 3 by the opening 110. It is divided into two (YES in FIG. 7). Therefore, in step S34, it can be determined whether or not the extracted straight line corresponds to the front surface of the pallet 100 by determining whether or not the number of clusters is three.
  • the control device 30 determines whether or not the length of the point group constituting the straight line extracted in step S30 is substantially equal to the width of the pallet 100 (S34).
  • the standard of the pallet 100 is usually known. Therefore, it is possible to determine whether or not the straight line on the front surface of the pallet 100 has been extracted by comparing the length of the point group constituting the straight line with the set value (value determined from the standard of the pallet 100).
  • a point group constituting the linear length W p for example, maximum and minimum values of the x direction of the point group, by using an observation point with the maximum value and the minimum value of the y-direction Can be sought.
  • the control device 30 determines whether or not it is equal to the width of the pallet 100 by comparing the obtained length with the width (set value) of the pallet 100.
  • control device 30 stops the process for the point group constituting the extracted straight line, and the process of step S38. Proceed to When all the conditions in the process of step S34 are satisfied (YES in S34), the control device 30 accumulates the point group constituting the straight line as data obtained by observing the front surface of the pallet 100 (S36).
  • the control device 30 determines whether or not the current observation position (height) of the laser sensor 20 is the lower limit of the observation target region 60 (S38). Since the control device 30 controls the fork elevating device 40 to elevate and lower the fork 22, it is possible to know the vertical position of the fork 22. Since the laser sensor 20 is attached to the fork 22, the control device 30 (sensor position detection unit 39 shown in FIG. 3) can know the position of the laser sensor 20 in the height direction.
  • the position of the pallet 100 from the accumulated observation point group three-dimensional distance image 44, hereinafter also referred to as a superimposed point group). The direction and the width are specified (S40).
  • step S40 the position, direction, and width of the pallet 100 are specified using the data of the observation point groups that form these straight line groups. The process of step S40 will be described in detail below.
  • the control device 30 returns to the process of step S24.
  • x bar, y bar, and z bar are the average of the coordinates of N points x i , y i , and z i , respectively, and mean the center of the front surface of the pallet 100.
  • an eigenvector in a three-dimensional space is calculated from this matrix.
  • the first principal axis of this eigenvector corresponds to a vector in the side direction of the pallet (y-axis in FIG. 9)
  • the second principal axis corresponds to a vector in the direction of the top surface of the pallet (z-axis in FIG. 9)
  • the third principal axis Corresponds to the normal vector of the front surface of (x axis in FIG. 9).
  • the position and direction of the pallet with the center of the pallet front as the origin of the coordinate system is specified.
  • the direction of the eigenvector representing the main axis may be reversed in some cases, it is preferable to adjust the sign from the relative relationship with the laser sensor 20.
  • the size and width of the pallet 100 can be obtained by projecting the overlapping point group onto the plane represented by the first and second principal axes of the eigenvector.
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the projection onto the first principal axis (y-axis) corresponds to the width of the pallet 100
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the projection onto the second principal axis (z-axis) corresponds to the height dimension of the opening 110 of the pallet 100. That is, the size and width of the pallet 100 can be specified. Thereby, the position, direction, and width of the pallet 100 can be specified.
  • the average value of the maximum value and the minimum value of each projection of the overlapping point group on each plane represented by the first, second, and third principal axes can also be used as the center point of the pallet 100.
  • the function of the control device 30 realized by the processing in step S40 corresponds to the pallet recognition unit 36 shown in FIG.
  • the laser sensor 20 is attached to the fork 22. For this reason, when the fork 22 moves up and down, the laser sensor 20 also moves up and down accordingly. Therefore, the three-dimensional distance image of the pallet 100 can be acquired simply by the laser sensor 20 scanning the laser beam in the horizontal direction while raising and lowering the fork 22. Further, in order to identify the position, direction, and width of the pallet 100 from the three-dimensional distance image of the pallet 100, it is possible to detect a lateral positional shift of the pallet 100 and a shift related to rotation. As a result, interference between the fork 22 and the pallet 100 can be prevented, and a smooth loading operation can be performed.
  • the forklift 10 of the present embodiment it is possible to determine whether or not a load is placed on the pallet 100 by the laser sensor 20, and to know the position of the load on the pallet 100. Accordingly, since it can be determined in advance that the load is placed at a biased position on the pallet 100, it is possible to prevent the load from dropping from the pallet 100 in advance. Further, since the shape of the luggage on the pallet 100 is known, the type of the luggage can be specified.
  • the fork lifting device 40 is an example of a “moving mechanism” in the claims, and the calculation / accumulation unit 34 and the pallet recognition unit 36 are examples of the “calculation device” in the claims.
  • the laser beam is scanned in the vertical direction by moving the fork up and down in the vertical direction, but the technology disclosed in the present specification is not limited to such a configuration.
  • the laser beam emitted from the laser sensor 20 may be scanned in the vertical direction using a tilt mechanism that tilts the tip of the fork with respect to the base end.
  • the pallet 100 is detected by extracting a straight line from the observation point group obtained by the laser sensor 20, but the technique disclosed in this specification is based on the observation point group obtained by the laser sensor 20.
  • the front plane of the pallet 100 may be directly extracted.
  • the front surface (plane 1) of the luggage 130 is The front surface (plane 2) and the floor surface G (plane 3) of the pallet 100 are extracted.
  • the position, direction, and width of the pallet 100 can be specified by performing the process of step S40 shown in FIG. 6 on the observation point group constituting the front surface (plane 2) of the pallet 100.
  • the RANSAC algorithm can be used for extracting the plane, similarly to the extraction of the straight line in step S30 of FIG.

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Abstract

フォークリフト（１０）は、フォーク（２２）と、フォーク（２２）を第１の方向に移動させる移動機構（４０）と、フォーク（２２）に取付けられており、レーザ光を第１の方向と交差する第２の方向に走査すると共に、走査したレーザ光の反射光から周辺物体との距離を計測するレーザセンサ（２０）と、移動機構（４０）を駆動してフォーク（２２）を第１の方向に移動させながらレーザ光を第２の方向に走査したときにレーザセンサ（２０）で取得される距離データに基づいて、レーザ光が照射された範囲の３次元距離画像を生成する演算装置（３４、３６）と、を備える。

Description

フォークリフト
　本出願は、２０１５年５月１２日に出願された日本国特許出願第２０１５－０９７４８７号に基づく優先権を主張する。その出願の全ての内容はこの明細書中に参照により援用される。本明細書に開示の技術は、フォークリフトに関する。
　フォークリフトによる荷取り作業の際、フォークとパレットとの干渉を避ける必要がある。日本国特許公開公報第２００５－８９０１３号に開示のフォークリフトでは、反射型光センサによって、パレットの開口の上端および下端を検出する。そして、フォークの上面とパレットの開口の上端とのクリアランス、および、フォークの下面とパレットの開口の下端とのクリアランスを算出し、これらクリアランスが適切な値となるようにフォークの位置を調整している。
　フォークリフトにより正確な荷取り作業を行うためには、パレット位置の認識精度を向上させる必要がある。しかし、従来の技術では、パレットの高さ方向のずれを検出できるものの、横方向のずれや、回転に関するずれを検出することはできない。
　本明細書は、簡易な構成でパレットの横方向の位置ずれや、回転に関するずれを検出することが可能となるフォークリフトを開示する。
　本明細書に開示するフォークリフトは、フォークと、フォークを第１の方向に移動させる移動機構と、フォークに取付けられており、レーザ光を第１の方向と交差する第２の方向に走査すると共に、走査したレーザ光の反射光から周辺物体との距離を計測するレーザセンサと、移動機構を駆動してフォークを第１の方向に移動させながらレーザ光を第２の方向に走査したときにレーザセンサで取得される距離データに基づいて、レーザ光が照射された範囲の３次元距離画像を生成する演算装置とを備える。
　上記のフォークリフトでは、レーザセンサがフォークに取付けられているため、フォークが第１の方向に移動すると、それに応じてレーザセンサも第１の方向に移動する。このため、レーザセンサは第２の方向にレーザ光を走査する１次元走査型のレーザセンサであっても、フォークの第１の方向への移動によりレーザ光を第１の方向及び第２の方向に走査することができる。これによって、レーザセンサによって３次元距離画像を取得することができる。このフォークリフトでは、３次元距離画像を取得できるため、パレットの横方向の位置ずれや、回転に関するずれを検出することができる。
実施例に係るフォークリフトの概略構成を示す斜視図。 実施例に係るフォークリフトによりレーザ光を走査している状態を模式的に示す図。 実施例に係るフォークリフトの制御構成を示すブロック図。 レーザセンサにより３次元距離画像を取得する処理の手順を示すフローチャート。 レーザセンサによりパレットまでの距離データを取得している状態を示す図。 パレットの位置、方向及び幅を特定する処理の手順を示すフローチャート。 パレットの開口を検出する方法を説明するための図。 取得した３次元距離データから抽出された直線を構成する点群の長さを算出する方法を説明するための図。 パレットと、パレットに設定した座標軸とを合わせて示す図。 フォークをティルトさせるティルト機構を利用してレーザ光を走査している状態を模式的に示す図。 ３次元距離画像からパレットの前面を特定する処理を説明するための図。
　以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。
（特徴１）　本明細書に開示するフォークリフトにおいて、移動機構は、フォークを上下方向に昇降させる昇降機構を少なくとも備えており、フォークが上下方向に昇降すると、レーザセンサも上下方向に昇降するようにしてもよい。このような構成によると、フォークを上下方向に昇降させる昇降機構を利用して、レーザセンサから照射される光を上下方向に走査することができる。
（特徴２）　本明細書に開示するフォークリフトにおいて、移動機構は、フォークの先端を基端に対して傾動させるティルト機構を少なくとも備えており、フォークの先端が基端に対して傾動すると、レーザセンサから照射されるレーザ光が上下方向に走査されてもよい。このような構成によると、フォークを傾動させるティルト機構を利用して、レーザセンサから照射される光を上下方向に走査することができる。
（特徴３）　本明細書に開示するフォークリフトにおいて、演算装置は、生成した３次元距離画像にパレットが含まれている場合、当該３次元距離画像からパレットの位置、方向及び幅を特定してもよい。このような構成によると、レーザセンサで得られた距離データから生成した３次元距離画像に基づいて、パレットの３次元的な位置、方向及び幅を特定するため、パレットの横方向の位置ずれや、回転に関するずれを精度良く検出することができる。
（特徴４）　本明細書に開示するフォークリフトにおいて、演算装置は、生成した３次元距離画像にパレットが含まれている場合、当該３次元距離画像からパレットの前面から得られた距離データのみを抽出し、その抽出された距離データから特定されるパレットの前面の平面から、パレットの位置、方向及び幅を特定してもよい。このような構成では、レーザセンサで得られた距離データから生成した３次元距離画像から抽出したパレット前面から得られた距離データに基づいて、パレットの３次元的な位置、方向及び幅を特定する。パレットの前面から得られた距離データからパレットの位置情報を特定するため、パレットの横方向の位置ずれや、回転に関するずれを精度良く検出することができる。
　本実施例のフォークリフト１０について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、フォークリフト１０は、無人フォークリフトであり、車体１２と、マスト２４と、フォーク２２と、リフトチェーン２６と、レーザセンサ２０と、制御装置３０を備えている。
　車体１２は、その両側面のそれぞれに前輪２８及び後輪２９を備えている。前輪２８及び後輪２９は、それぞれ車体１２に対して回転可能に支持されている。後輪２９の一方は、図示しない駆動モータが接続されており、駆動モータによって回転駆動されるようになっている。また、駆動モータに接続された後輪２９は、図示しない操舵装置にも接続されており、操舵装置によって車輪の向きが調整される。後輪２９の他方は、キャスタ輪であり、車体１２の走行に追従して回転及び操舵する。制御装置３０が駆動モータ及び操舵装置を制御することで、車体１２は路面を走行すると共に、車体１２の進行方向を変えることができる。
　マスト２４は、車体１２の前面に取付けられている支柱であり、その軸線は上下方向に伸びている。フォーク２２は、マスト２４に上下方向に移動可能に取付けられている。また、フォーク２２は、図示しないティルト機構によって、マスト２４に対して揺動可能となっている。フォーク２２は、一対のツメ２２ａ，２２ｂを有している。ツメ２２ａ，２２ｂは、車体１２の左右方向に互いに離間した位置に配置されており、マスト２４側から車体１２の前方に向かって伸びている。リフトチェーン２６は、マスト２４に設置されており、フォーク２２と係合している。リフトチェーン２６がフォーク昇降装置４０（図３に図示）により駆動されると、それによってフォーク２２が昇降される。フォーク２２の上下方向の位置は、フォーク昇降装置４０の駆動量によって特定可能となっている。
　レーザセンサ２０は、フォーク２２に取付けられ、フォーク２２と一体となって上下方向に昇降する。レーザセンサ２０が取付けられる位置は、ツメ２２ａ、２２ｂの間であって、フォーク２２のバックレスト面より奥側（車体１２側）に配置されている。レーザセンサ２０は、１方向（本実施例では水平方向）にレーザ光を走査する１次元走査型のレーザセンサである。レーザセンサ２０は、レーザ光を照射するとともにその照射したレーザ光の反射光から周辺物体までの距離を計測する。フォーク２２が昇降すると、レーザセンサ２０も昇降するため、レーザセンサ２０から照射されるレーザ光の高さ方向の位置も変化する。本実施例では、図２に示すように、レーザセンサ２０は、上下方向に昇降しながら、フォークリフト１０の前方の所定の角度範囲の領域５０（図１参照）にレーザ光を照射する。これにより、レーザセンサ２０から照射されるレーザ光は水平方向及び高さ方向（２次元）に走査され、フォークリフト１０の前方の距離データ４１が取得される。レーザセンサ２０で取得される距離データ４１は、制御装置３０（図３に図示）に入力される。
　なお、レーザセンサ２０としては、例えば、北陽電機製のＵＴＭ－３０ＬＸやＳＩＣＫ社製ＬＭＳ１００等を用いることができる。
　制御装置３０は、ＣＰＵ等を備えたマイクロプロセッサによって構成されている。制御装置３０は、車体１２に搭載されている。制御装置３０は、上述したレーザセンサ２０と、後輪２９の一方を駆動する駆動モータと、駆動モータに接続された後輪２９の操舵角を調整する操舵装置と、フォーク２２の昇降を行うフォーク昇降装置等に接続されており、これらの動作を制御する。
　すなわち、制御装置３０は、メモリに記憶されているプログラムを実行することで、レーザセンサ２０を昇降させる処理、距離データを座標変換する処理、座標変換した３次元距離データを蓄積し３次元距離画像を生成する処理を行う。また、制御装置３０は、３次元距離画像に基づいてパレット１００の位置、方向及び幅を特定する処理等を行う。すなわち、制御装置３０は、図３に示すように、座標変換部３２、演算・蓄積部３４、パレット認識部３６、センサ移動制御部３８及びセンサ位置検出部３９として機能する。制御装置３０が上述した各部３２～３９として機能することで、フォークリフト１０の前方の周辺物体の３次元距離画像４４が生成され、また、その生成された３次元距離画像４４からパレット１００の位置、方向及び幅が特定される。各部３２～３９の詳細については、以下で説明する制御装置３０で行われる処理とともに説明する。
　次に、制御装置３０によって、３次元距離データ４２を生成する処理について説明する。３次元距離データ生成処理は、荷取り対象となるパレット１００の近傍にフォークリフト１０が停止した状態で実行される。すなわち、図４に示すように、制御装置３０は、まず、車体１２の前方にパレット１００が位置するように、一方の後輪２９を駆動して、パレット１００に対してフォークリフト１０を接近させる。すなわち、パレット１００をレーザセンサ２０によって観測するために、フォークリフト１０をパレット前方の初期位置へ移動させる（Ｓ１０）。例えば、工場内で荷物を運搬するフォークリフト１０では、荷物（パレット１００）が載置される位置は予め定められている。このため、フォークリフト１０を停止させる初期位置は、パレット１００のおおよその位置から予め定められている。このため、制御装置３０は、予め設定された初期位置までフォークリフト１０を自動で移動させる。なお、フォークリフト１０が運転者によって運転される場合は、運転者によってフォークリフト１０が初期位置まで移動され、その後、フォークリフト１０の運転者のスイッチ操作により３次元距離データ生成処理が開始されてもよい。
　次に、制御装置３０は、フォーク昇降装置４０によって、レーザセンサ２０を、観測対象領域６０（図５に図示）の上限にレーザ光が照射されるように移動させる（Ｓ１２）。観測対象領域６０とは、パレット１００が存在する可能性のある領域である。例えば、図５に示すように、荷物１３０はパレット１００上に載置され、パレット１００は台座１２０上に載置される場合であれば、パレット１００が存在する可能性のある領域（高さ、幅）は、台座１２０とパレット１００の寸法によって決まる。ステップＳ１２では、パレット１００が存在する可能性のある領域の上限までレーザセンサ２０を移動させ、パレット１００が確実に検出されるようにする。
　次に、制御装置３０は、フォーク昇降装置４０によって、フォーク２２を下降させながら、レーザセンサ２０で距離データ４１を取得する（Ｓ１４）。すなわち、レーザセンサ２０は、レーザ光を水平方向に走査しながら照射するとともにその照射したレーザ光の反射光を検出する。一方、フォーク昇降装置４０がフォーク２２を昇降させるため、レーザセンサ２０は上下方向に移動する。このため、レーザセンサ２０から照射されるレーザ光は、垂直方向にも走査される。したがって、ステップＳ１４の処理によって、レーザセンサ２０からのレーザ光は、水平方向及び垂直方向に走査され、その反射光を検出することで、観測対象領域６０の観測点群を取得することができる。なお、上記のステップＳ１２及びＳ１４のフォークを昇降させる処理によって実現される制御装置３０の機能が、図３に示すセンサ移動制御部３８に相当する。
　次に、制御装置３０は、取得した距離データ４１を、レーザセンサ２０の高さを反映させた３次元距離データ４２に変換する（Ｓ１６）。すなわち、制御装置３０は、フォーク昇降装置４０を制御してフォーク２２を昇降するため、フォーク２２の上下方向の位置（レーザセンサ２０の高さ方向の位置）を知ることができる。このため、制御装置３０は、レーザセンサ２０で反射光を受光すると、その距離データ４１（観測点）に、受光時のレーザセンサ２０の高さ情報を反映させて３次元距離データ４２に変換する。これにより、レーザ光が照射された所定の角度範囲の領域５０に存在する物体までの３次元距離データ４２を取得することができる。なお、上記のステップＳ１６の処理によって実現される制御装置３０の機能が、図３に示す座標変換部３２及びセンサ位置検出部３９に相当する。
　次に、制御装置３０は、得られた３次元距離データ４２から、観測対象領域６０内の観測点群のみを抽出し、メモリに蓄積する（Ｓ１８）。３次元距離データ４２には、レーザセンサ２０の高さが反映されているため、当該高さにおける観測対象領域６０内の観測点群がメモリに蓄積される。なお、上記のステップＳ１８の処理によって実現される制御装置３０の機能が、図３に示すに演算・蓄積部３４に相当する。
　次に、制御装置３０は、現在のレーザセンサ２０による観測位置（高さ）が観測対象領域６０の下限であるか否かを判断する（Ｓ２０）。現在の観測位置が、観測対象領域の下限ではない場合（Ｓ２０でＮＯ）、制御装置３０は、ステップＳ１４～Ｓ１８の処理を繰り返す。なお、現在の観測位置が、観測対象領域の下限である場合（Ｓ２０でＹＥＳ）、制御装置３０は処理を終了する。
　上述した処理を繰り返し行うことによって、観測対象領域６０の全域についての観測点群（３次元距離データ４２）をメモリに蓄積することができ、これにより、観測対象領域６０内の３次元距離画像４４を生成することができる。
　次に、図６及び図７を用いて、パレット１００の位置、方向及び幅を特定する処理について説明する。まず、制御装置３０は、車体１２の前方にパレット１００が位置するように、一方の後輪２９を駆動して、パレット１００に対してフォークリフト１０を接近させる。すなわち、パレット１００をレーザセンサ２０によって観測するために、フォークリフト１０をパレット前方の初期位置へ移動させる（Ｓ２２）。次に、制御装置３０は、フォーク昇降装置４０によって、レーザセンサ２０を、観測対象領域６０（図５に図示）の上限にレーザ光が照射されるように移動させる（Ｓ２４）。次に、制御装置３０は、フォーク昇降装置４０によって、フォーク２２を下降させながら、レーザセンサ２０で距離データ４１を取得する（Ｓ２６）。次に、制御装置３０は、取得した距離データ４１を、レーザセンサ２０の高さを反映させた３次元距離データ４２に変換する（Ｓ２８）。なお、ステップＳ２２～Ｓ２８の処理は、上述したステップＳ１０～Ｓ１６の処理と同様であるため、ここではその詳細な説明は省略する。
　次に、制御装置３０は、３次元距離データ４２から、観測対象領域６０の観測点群のみを抽出し、抽出された観測点群から略水平方向に伸びる直線を抽出する（Ｓ３０）。図７に示すように、パレット１００の前面から反射される反射光による観測点群は同一平面上に位置する。すなわち、ステップＳ３０では、観測点群から、パレット１００の前面をスキャンした結果となる直線を抽出する。なお、直線の抽出には、例えば、ＲＡＮＳＡＣのようなロバスト推定と呼ばれる公知のアルゴリズムを用いることができる。
　次に、制御装置３０は、抽出された直線を構成する（直線にマッチする）点群をユークリッド距離でクラスタリングする（Ｓ３２）。ここで、図５，７に示すように、パレット１００の前面には２つの開口部１１０（フォーク２２のツメ２２ａ，２２ｂが挿し込まれる孔）が形成されている。このため、パレット１００の前面から抽出される直線は、パレット１００の前面の開口部１１０によって分断される可能性がある。このため、ステップＳ３０で抽出された直線を構成する点群間のユークリッド距離から、同一物体（例えば、パレット１００の前面）から抽出されたものか否かを判断する。なお、クラスタリングには、例えば、ｋ－ｍｅａｎｓ法やｋｄ－ｔｒｅｅ法のような公知の方法を用いることができる。
　次に、制御装置３０は、ステップＳ３４の処理を行う。具体的には、まず、制御装置３０は、クラスタリングされた直線群の数（すなわち、クラスタ数）をカウントし、カウントしたクラスタ数が３であるか否かを判断する（Ｓ３４）。上述したように、パレット１００の前面のうち、開口部１１０が形成された位置（高さ）では、レーザ光の水平走査によって略水平方向に伸びる直線（観測点群）は、開口部１１０によって３つに分断される（図７でＹＥＳ）。したがって、ステップＳ３４では、クラスタ数が３か否かを判断することで、抽出された直線がパレット１００の前面に相当するか否かを判断できる。
　次に、制御装置３０は、ステップＳ３０で抽出された直線を構成する点群の長さが、パレット１００の幅に概ね等しいか否かを判断する（Ｓ３４）。ここで、パレット１００の規格は既知であることが通常である。したがって、直線を構成する点群の長さと設定値（パレット１００の規格から定められる値）を比較することによって、パレット１００の前面の直線が抽出されているか否かを判断することができる。図８に示すように、直線を構成する点群の長さＷｐは、例えば、点群のｘ方向の最大値及び最小値、ｙ方向の最大値及び最小値を持つ観測点を用いることによって求めることができる。制御装置３０は、求めた長さをパレット１００の幅（設定値）と照らし合わせることによって、パレット１００の幅に等しいか否かを判断する。
　上述したステップＳ３４の処理において、少なくともいずれかの条件を満たさない場合（Ｓ３４でＮＯ）、制御装置３０は、抽出された直線を構成する点群に対しての処理を中止し、ステップＳ３８の処理へ進む。ステップＳ３４の処理における条件を全て満たす場合（Ｓ３４でＹＥＳ）、制御装置３０は、直線を構成する点群をパレット１００の前面を観測したデータとして蓄積する（Ｓ３６）。
　次に、制御装置３０は、現在のレーザセンサ２０の観測位置（高さ）が観測対象領域６０の下限であるか否かを判断する（Ｓ３８）。制御装置３０は、フォーク昇降装置４０を制御してフォーク２２を昇降するため、フォーク２２の上下方向の位置を知ることができる。レーザセンサ２０は、フォーク２２に取付けられているため、制御装置３０（図３に示すセンサ位置検出部３９）は、レーザセンサ２０の高さ方向の位置を知ることができる。現在の観測位置（高さ）が観測対象領域６０の下限である場合（Ｓ３８でＹＥＳ）、蓄積した観測点群（３次元距離画像４４、以下、重畳点群ともいう）から、パレット１００の位置、方向及び幅を特定する（Ｓ４０）。すなわち、クラスタ数が３、かつ、直線を構成する点群の長さがパレット１００の幅と等しいと判断された直線群は、パレット１００の前面の開口部１１０が形成された高さ範囲から得られている。ステップＳ４０では、これら直線群を構成する観測点群のデータを用いて、パレット１００の位置、方向及び幅を特定する。ステップＳ４０の処理については、以下に詳述する。なお、現在の観測位置（高さ）が観測対象領域６０の下限でない場合（Ｓ３８でＮＯ）、制御装置３０は、ステップＳ２４の処理へ戻る。
　次に、ステップＳ４０において、パレット１００の位置、方向及び幅を特定する方法について説明する。まず、Ｎ個の重畳点群の各点（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）（ｉ＝１～Ｎ）のばらつきから主軸（すなわち、図９に示すｘ軸，ｙ軸，ｚ軸）を求めるため、下記の式（１）のような分散共分散行列を考える。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記の式（１）においてｘバー、ｙバー、ｚバーはそれぞれＮ個の点ｘｉ，ｙｉ，ｚｉの座標の平均であり、パレット１００の前面の中心を意味する。
　次に、この行列から３次元空間における固有ベクトルを計算する。この固有ベクトルの第１主軸がパレットの側面方向のベクトルに相当し（図９のｙ軸）、第２主軸がパレットの上面方向のベクトルに相当し（図９のｚ軸）、第３主軸がパレットの前面の法線ベクトルに相当する（図９のｘ軸）。これによって、パレット前面の中心を座標系の原点とするパレットの位置及び方向が特定される。なお、主軸を表す固有ベクトルの方向は場合により正負が逆転することが考えられるため、レーザセンサ２０との相対関係から符号を調節することが好ましい。
　ここで、パレット１００の大きさ及び幅は、上述の固有ベクトルの第１、第２主軸で表される平面への重畳点群の射影により求めることができる。具体的には、第１主軸（ｙ軸）への射影の最大値と最小値の差がパレット１００の幅に相当し、第２主軸（ｚ軸）への射影の最大値と最小値の差がパレット１００の開口部１１０の高さ方向の寸法に相当する。すなわち、パレット１００の大きさ及び幅を特定することができる。これによって、パレット１００の位置、方向及び幅を特定することができる。また、第１、第２及び第３主軸で表される平面それぞれへの重畳点群の各射影の最大値と最小値との平均値を、パレット１００の中心点とすることもできる。なお、上記のステップＳ４０の処理によって実現される制御装置３０の機能が、図３に示すパレット認識部３６に相当する。
　上述した実施例のフォークリフト１０では、レーザセンサ２０がフォーク２２に取付けられている。このため、フォーク２２が昇降すると、それに応じてレーザセンサ２０も昇降する。したがって、フォーク２２を昇降しながら、レーザセンサ２０が水平方向にレーザ光を走査するだけで、パレット１００の３次元距離画像を取得することができる。また、パレット１００の３次元距離画像から、パレット１００の位置、方向及び幅を特定するため、パレット１００の横方向の位置ずれや、回転に関するずれを検出することができる。その結果、フォーク２２とパレット１００との干渉を防止することができ、スムーズな荷取り作業が可能となる。
　また、本実施例のフォークリフト１０では、レーザセンサ２０によってパレット１００上に荷物が載置されているか否かを判断でき、さらに、パレット１００上の荷物の位置を知ることができる。これによって、パレット１００上の偏った位置に荷物が載置されていることを事前に判断できるため、パレット１００からの荷物の落下等を未然に防止することができる。また、パレット１００上の荷物の形状が分かるため、荷物の種類を特定することも可能となる。
　最後に、上述した実施例と請求項との対応関係を説明しておく。フォーク昇降装置４０が、請求項でいう「移動機構」の一例であり、演算・蓄積部３４、パレット認識部３６が、請求項でいう「演算装置」の一例である。
　以上、本実施例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
　例えば、本実施例では、フォークを上下方向に昇降させることでレーザ光を上下方向に走査したが、本明細書に開示する技術は、このような構成に限られない。例えば、図１０に示すように、フォークの先端を基端に対して傾動させるティルト機構を利用して、レーザセンサ２０から照射されるレーザ光を上下方向に走査してもよい。
　また、本実施例では、レーザセンサ２０で得られた観測点群から直線を抽出することでパレット１００を検出したが、本明細書に開示する技術は、レーザセンサ２０で得られた観測点群から、パレット１００の前面の平面を直接抽出するようにしてもよい。例えば、図１１に示すように、床面Ｇにパレット１００が直接載置され、パレット１００上に荷物１３０が載置されている場合、レーザセンサ２０によって、荷物１３０の前面（平面１）と、パレット１００の前面（平面２）と、床面Ｇ（平面３）が抽出される。このため、パレット１００の前面（平面２）を構成する観測点群に対して、図６に示すステップＳ４０の処理を行うことで、パレット１００の位置、方向及び幅を特定することができる。なお、平面の抽出には、図６のステップＳ３０における直線の抽出と同様に、ＲＡＮＳＡＣアルゴリズムを用いることができる。
　本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (5)

  1. 　フォークと、
    　前記フォークを第１の方向に移動させる移動機構と、
    　前記フォークに取付けられており、レーザ光を前記第１の方向と交差する第２の方向に走査すると共に、走査したレーザ光の反射光から周辺物体との距離を計測するレーザセンサと、
    　前記移動機構を駆動して前記フォークを前記第１の方向に移動させながらレーザ光を前記第２の方向に走査したときに前記レーザセンサで取得される距離データに基づいて、レーザ光が照射された範囲の３次元距離画像を生成する演算装置と、
    　を備えるフォークリフト。
  2. 　前記移動機構は、前記フォークを上下方向に昇降させる昇降機構を少なくとも備えており、
    　前記フォークが上下方向に昇降すると、前記レーザセンサも上下方向に昇降する、請求項１に記載のフォークリフト。
  3. 　前記移動機構は、前記フォークの先端を基端に対して傾動させるティルト機構を少なくとも備えており、
    　前記フォークの先端が基端に対して傾動すると、前記レーザセンサから照射されるレーザ光が上下方向に走査される、請求項１又は２に記載のフォークリフト。
  4. 　前記演算装置は、生成した３次元距離画像にパレットが含まれている場合、当該３次元距離画像から前記パレットの位置、方向及び幅を特定する、請求項１～３のいずれか一項に記載のフォークリフト。
  5. 　前記演算装置は、生成した３次元距離画像にパレットが含まれている場合、当該３次元距離画像から前記パレットの前面から得られた距離データのみを抽出し、その抽出された距離データから特定される前記パレットの前面の平面から、パレットの位置、方向及び幅を特定する、請求項４に記載のフォークリフト。
PCT/JP2016/061596 2015-05-12 2016-04-08 フォークリフト WO2016181733A1 (ja)

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