JP2005144606A - 移動ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 移動台車とロボットアームとが同時に動作し、かつエリアセンサの検出可能範囲をロボットアームが通過する場合でも、ロボットアームを障害物として誤認識することを防止することが可能な移動ロボットを提供する。
【解決手段】 移動ロボット１の制御手段５は、ロボットアーム３がエリアセンサ４の検出可能領域Ａ１を通過した時、ロボットアーム３が該領域Ａ１と交わる領域Ａ２の位置を算出するアーム位置算出部５０５と、該領域Ａ１から該領域Ａ２を除外した範囲を検出エリアとして設定する検出エリア設定部５０１と、エリアセンサ４により取得した距離と方向の情報に基づき、障害物の分布マップを作成する障害物マップ作成部５０２と、検出エリアと障害物分布マップを比較して障害物の有無を検出する障害物検出部５０３と、障害物が存在すると、移動ロボット１に回避指令を送信する障害物回避計画部５０４を備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、工場や医療福祉施設、家庭等において、ロボットアームにより所定の作業を行う移動ロボットに関する。

近年、工場や医療福祉施設、家庭等において、車輪等の移動台車により自律走行し、ロボットアームにより所定の作業を行う、移動ロボットを用いたシステムが提供されている。
このようなシステムにおいては、移動ロボットと人とが安全柵なしで共存する場合の安全性を確保する必要がある。このため、移動ロボットに障害物センサを設けて周囲の物体を検知し、検知結果に基づいて障害物回避や停止といった安全確保動作を行う方法が多く開示されている。その中で、障害物センサに距離測定式のエリアセンサを用い、既知の固定設備（作業ステーション）の形状に応じて検出エリアを設定する方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
図７は従来技術を示す移動ロボットの構成を説明するための上面図である。
図において、１は移動ロボット、２は移動ロボットを駆動する移動台車、３は移動台車に搭載されたロボットアーム、４ａ〜４ｄは移動台車の周囲に配置された距離測定式のエリアセンサ、５は移動台車２およびロボットアーム３を駆動制御する制御手段である。移動台車２は、走行路上を矢印ａ方向に移動するようになっている。
一般のエリアセンサは、代表的なものにレーザ式エリアセンサが用いられると共に、所定角度範囲のエリアを１ステップずつ角度を変えながらスキャンし、対象物の距離とその角度とにより座標計算を行って設定されたエリア内の障害物を検出するといった動作原理を有している。このため、例えばエリアセンサ４ａの検出可能領域Ａ１は、水平方向に所定角度範囲かつ所定半径内の、いわば扇形の領域を成す。
作業者がエリアセンサ４ａの検出可能領域Ａ１内に侵入すると、検出した物体の距離と方向の情報が制御手段５に伝えられる。制御手段５はこの情報に基づき、ロボットアーム３を停止させたり、移動台車２に障害物を回避するための動作指令を送信したりすることで、安全確保を実現する。
さらに特許文献１では、検知可能領域Ａ１内に固定設備６が存在する状態でロボットアーム３を動作させる場合に、固定設備６を障害物と誤認識せずに、その他の真の障害物のみを検出する方法について言及している。すなわち、制御手段５において、エリアセンサ４ａの検出可能領域Ａ１のなかから、固定設備６に相当する部分を除外し、残った領域Ａ３を検出エリアとして設定する。そして検出エリアＡ３で検出した障害物に関してのみ、安全確保動作を実行する。
図8は従来例における処理の手順を示すフローチャートである。
移動ロボット１が、固定設備６前に到着してから、ロボットアーム３により作業を行わせ、作業完了後次の固定設備へ向けて移動するまでの、制御手段５が実行する主として安全機能の実現（障害物検出）に関する処理の手順を示すフローチャートである。なお、ここでは、あらかじめ各固定設備におけるエリアセンサ４の検出エリアＡ３が、その固定設備の形状に応じて設定されているものとする。
ステップＳＴ１１において、移動ロボット１が固定設備６前の作業位置に到着して停止すると、次のステップＳＴ１２にて、エリアセンサ４を用いて実際の停止位置の認識が行われ、教示時の作業位置との間の、Ｘ、Ｙ、θ方向の差の検出が行われる。そして、その差に基づいて、ロボットアーム３の動作ポイントの補正、ならびに、前記検出エリアＡ３の補正が行われる。
次いで、ステップＳＴ１３〜１５では、エリアセンサの自己診断が行われるが、これは本特許とは直接関係が無いので割愛する。自己診断が終了すると、ステップＳＴ１６において、ロボットアームによる作業が開始されるとともに、ステップＳＴ１７において、エリアセンサ４の電源がオンされて検出エリアＡ３に対する障害物の侵入の有無の監視が行われる。このとき、図６に示すように、固定設備６の形状に倣うように検出エリアＡ３が設定されるので、エリアセンサ４の検出エリアに死角をなくすことができる。
次にステップＳＴ１８にて検出エリアＡ３内への障害物の進入があるか否かを判断し、侵入がない場合（Ｎｏ）は、ステップＳＴ１９にて、ロボットアーム３による作業が継続して実行される。
これに対し、検出エリアＡ３内に作業者や他のロボット等の侵入があると（Ｙｅｓ）、エリアセンサ４により障害物の侵入が検出されてオン信号が出力され、制御手段５は、ステップＳＴ２０にてロボットアーム３の動作を一時停止させる。
これにて、作業者の安全が確保される。また、この一時停止状態で、障害物が検出エリアＡ３から離れると、エリアセンサ４の出力がオフとなり、ロボットアーム３による作業が再開されるようになっている。
そして、ステップＳＴ２１にて固定設備６における作業が終了したか否かを判断し、作業が終了すると（Ｙｅｓ）、ステップＳＴ２２において、ロボットアーム３は原点位置に移動され、エリアセンサ４の電源がオフされて移動ロボット１は次の固定設備に向けて移動する。この移動ロボット１の移動時にも、移動方向前方のエリアセンサあるいは別の障害物センサにより進行方向に対する障害物検出が行われ、障害物が検出されたときに移動が停止されるようになっている。
以上のように、特許文献１に示す従来の移動ロボットでは、障害物センサに距離測定式のエリアセンサを用い、既知の固定設備の形状に応じて検出エリアを設定することで、固定設備６を障害物と誤認識せずに、その他の真の障害物のみを検出することができる。
特開２００２−２６４０７０号公報（明細書４頁〜６頁、第１図および第４図を参照）

しかしながら、特許文献１に示す従来の移動ロボットでは、ロボットアーム３は移動台車２が停止中にのみ動作することを前提としており、またロボットアーム３の動作範囲はエリアセンサ４の検出可能領域Ａ１に侵入しないことを前提としている。このため、検出エリアから固定設備６を除外する処理は移動台車停止後に一度実施されるのみであり、またロボットアームに関してはそもそも除外の対象となっていない。ところが、近年提案されている家庭用サービスロボットでは、移動台車とロボットアームが同時に動作することが通常であり、またロボットアームの動作範囲も広いため、エリアセンサ４の検出可能領域Ａ１内をロボットアーム３が通過する可能性もある。このような場合に、従来技術では、制御手段５がエリアセンサ４によって検出されたロボットアーム３を障害物と誤認識してしまうという問題点があった。誤認識が発生すると、ロボットアーム３が自分自身の検出結果によって停止したり、移動台車２がロボットアーム３を避けようと障害物回避運動を行うなど、実作業に支障が生じるおそれがあった。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、移動台車とロボットアームとが同時に動作し、かつエリアセンサの検出可能範囲をロボットアームが通過する場合でも、ロボットアームを障害物として誤認識することを防止することが可能な移動ロボットを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、移動台車と、前記移動台車に搭載されて作業を行うロボットアームと、前記移動台車の周囲に配置されて障害物を検出するエリアセンサと、前記エリアセンサにより検出した障害物の情報に基づいて前記移動台車または前記ロボットアームの安全確保動作を実行させるように制御する制御手段とを備えた移動ロボットにおいて、前記制御手段は、前記ロボットアームが前記エリアセンサの検出可能領域Ａ１を通過したときに、前記ロボットアームが該検出可能領域Ａ１と交わる領域Ａ２の位置を算出するアーム位置算出部と、前記検出可能領域Ａ１から該領域Ａ２を除外した範囲を検出エリアとして設定する検出エリア設定部と、前記エリアセンサにより取得した情報から障害物の分布マップを作成する障害物マップ作成部と、前記検出エリア設定部で設定された検出エリアと前記障害物マップ作成部で作成された障害物分布マップとを比較して障害物の有無を検出する障害物検出部と、障害物が存在する場合に、停止や障害物回避などの安全確保動作を計画し、移動ロボットに回避指令を送信する障害物回避計画部とより構成されることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、移動台車と、前記移動台車に搭載されて作業を行うロボットアームと、前記移動台車の周囲に配置されて対象物に対する距離計測とその角度により障害物を検出するエリアセンサと、前記エリアセンサにより検出した障害物の情報に基づいて前記移動台車または前記ロボットアームの安全確保動作を実行させるように制御する制御手段とを備えた移動ロボットにおいて、前記制御手段は、前記ロボットアームが前記エリアセンサの検出可能領域Ａ１を通過したときに、前記ロボットアームが該検出可能領域Ａ１と交わる領域Ａ２の位置を算出するアーム位置算出部と、前記ロボットアームが前記エリアセンサの検出可能領域Ａ１と交わる領域Ａ２における速度を算出するアーム速度算出部と、前記領域Ａ２の位置と速度を、移動ロボット周辺のアームマップとして記憶するアームマップ作成部と、前記エリアセンサにより取得した距離と方向の情報を座標変換し、障害物の分布マップを作成する障害物マップ作成部と、前記アームマップ作成部で作成されたアームマップと前記障害物マップ作成部で作成された障害物マップとを比較して、障害物の有無を検出する障害物検出部と、障害物が存在する場合に、停止や障害物回避などの安全確保動作を計画し、移動ロボットに回避指令を送信する障害物回避計画部とより構成されることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の移動ロボットにおいて、前記障害物回避計画部は、前記ロボットアームが前記エリアセンサの検出可能領域を通過していると判断した場合には、ロボットアームに対し該通過領域を移動させるための指令を送信することを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の移動ロボットにおいて、前記障害物回避計画部は、前記ロボットアームが前記エリアセンサの検出可能領域を通過していると判断した場合には、移動台車に対し走行速度を低減させるための指令を送信することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、移動台車とロボットアームとが同時に動作し、かつエリアセンサの検出可能範囲をロボットアームが通過する場合でも、ロボットアームの周辺の領域を検出エリアから除外するため、ロボットアームを障害物と誤認識することなく、安全性と作業効率を両立させることができる。
請求項２に記載の発明によると、障害物の位置だけでなく速度に関しても比較対象となるので、ロボットアームと真の障害物とを誤認識する可能性が低減する。
請求項３に記載の発明によると、ロボットアームによる死角の位置が時間的に変化するので、定常的な死角が無くなり、安全性がより向上する。
請求項４に記載の発明によると、真の障害物を検出した時の減速が容易になり、エリアセンサ４の死角に対する安全性をさらに高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものについては説明を省略し、異なる点のみ説明する。

図１は本発明の実施例に共通な移動ロボットの構成を示す上面図、図２は図１の移動ロボットの斜視図、図３は、本発明の第１実施例における制御手段の構成を示すブロック図である。
図において、５０１は検出エリア設定部、５０２は障害物マップ作成部、５０３は障害物検出部、５０４は障害物回避計画部、５０５はアーム位置算出部である。
本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、本発明は、移動ロボット１における移動台車２とロボットアーム３は同時に動作し、かつロボットアーム３はエリアセンサ４の検出可能な領域Ａ１を通過することを条件としており、ロボットアーム３が検出可能領域Ａ１を通過する領域をＡ２で示している。基本的には検出可能領域Ａ１からこの通過領域Ａ２を逐次除去することで、障害物の誤検出を防ぐものとなっている。
また、制御手段５の特徴としては、ロボットアーム３の関節角度を取得し、これからアームを構成する各リンクの位置を順運動学的計算により算出すると共に、ロボットアーム３がエリアセンサ４の検出可能領域Ａ１を通過したときに、ロボットアーム３が該検出可能領域Ａ１と交わる領域Ａ２の位置を算出するアーム位置算出部５０５と、検出可能領域Ａ１から該領域Ａ２を除外した範囲を検出エリアとして設定する検出エリア設定部５０１と、エリアセンサ４により取得した距離と方向の情報を座標変換し、障害物の分布マップを作成する障害物マップ作成部５０２と、検出エリア設定部５０１で設定された検出エリアと障害物マップ作成部５０２で作成された障害物分布マップとを比較して障害物の有無を検出する障害物検出部５０３と、障害物が存在する場合に、停止や障害物回避などの安全確保動作を計画し、ロボットアーム３または移動台車２に回避指令を送信する障害物回避計画部５０４とより構成される点である。
図４は第１実施例の処理の手順を示すフローチャートであり、具体的には、移動ロボット１が移動台車２を動作させながら、ロボットアーム３により作業を行う際の、制御手段５が実行する主として安全機能の実現（障害物検出）に関する処理の手順を示したものとなっている。
ステップＳＴ１において、制御手段５はロボットアーム３の位置を算出し、ステップＳＴ２において、検出可能領域Ａ１とロボットアーム３が重なる部分Ａ２を検出可能領域Ａ１から除外して、これを検出エリアとする。次に、ステップＳＴ３において、設定した新たな検出エリア内に障害物が侵入しているか否かを監視し、ステップＳＴ４において、侵入を検出していない場合（Ｎｏ）にはロボットアーム３と移動台車２の動作を継続する。また、ステップＳＴ４で侵入を検出した場合（Ｙｅｓ）には該障害物を避けるように停止あるいは障害物回避運動を行わせる。これらの処理は、移動ロボット１の動作中に一定周期で繰返し実行される。
したがって、第１実施例は上記構成にしたので、移動台車２とロボットアーム３とが同時に動作し、かつエリアセンサ４の検出可能範囲Ａ１をロボットアーム３が通過する場合でも、ロボットアーム３の周辺の領域を検出可能範囲Ａ１から除外するため、ロボットアーム３を障害物と誤認識することなく、安全性と作業効率を両立させることができる。

第１実施例では、ロボットアーム３がエリアセンサ４の検出可能領域Ａ１を通過する領域Ａ２の位置を算出し、その領域Ａ２を検出可能領域Ａ１から除外することで誤検出を防いでいたが、この方法では、エリアセンサに対し領域Ａ２と一直線上に存在する障害物を検出できなくなるおそれがある。そこで、この問題を解決するために、誤検出をより低減させることができるよう、位置だけではなく速度も比較して障害物を検出する手段が必要となっている。以下にその解決手段として第２実施例を説明する。
図５は本発明の第２実施例を示する制御手段の構成を説明するためのブロック図である。
図において、５０６はアーム速度算出部、５０７はアームマップ作成部である。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、ロボットアームがエリアセンサの検出可能領域Ａ１を通過する領域Ａ２の速度を算出するアーム速度算出部５０６と、該領域Ａ２の位置と速度を、移動ロボット１周辺のアームマップとして記憶するアームマップ作成部５０７を設けた点である。なお、障害物マップ作成部５０２では、エリアセンサ４から取得した距離と方向の情報を座標変換し、検出した障害物の位置と速度を、移動ロボット１周辺の障害物マップとして記憶する。ここで障害物の速度情報は、１サンプル前の位置情報と比較し、時間差分を取ることで求めることができるようになっている。また、障害物検出部５０３では、アームマップと障害物マップとを比較し、位置および速度において一致した障害物に関してのみ、ロボットアーム３であると判断して検出対象から除外するようになっている。。
したがって、第２実施例は上記構成にしたので、位置だけでなく速度に関しても比較対象となるので、ロボットアーム３と真の障害物とを誤認識する可能性が低減する。

図６は第３実施例を示す移動ロボットの斜視図である。
上記に述べた第１実施例、第２実施例では、ロボットアーム３がエリアセンサ４の検出可能領域Ａ１の特定部分を常に占有していると、そこに死角が生じ、障害物を検出できなくなるという問題があった。その解決手段を以下に示す。
第３実施例では、アーム位置算出部５０５において、ロボットアーム３がエリアセンサ４の検出可能領域を通過していると判断された場合には、障害物回避計画部５０４がロボットアーム３に対し通過領域を移動させるための指令を送信して、図６に示すように、ロボットアーム３を検出可能領域内で揺動運動させ、通過領域を移動させるようにした。
第３実施例によれば、ロボットアーム３による死角の位置が時間的に変化するため、定常的な死角が無くなり、安全性がより向上する。

なお、第３実施例において、アーム位置算出部５０５によって、ロボットアーム３がエリアセンサ４の検出可能領域を通過していると判断した場合には、障害物回避計画部５０４がロボットアーム３に対し通過領域を移動させるための指令を送信する例を説明したが、これに替えて、移動台車２の走行速度を低減させるようにしても構わない。このようにすることで、真の障害物を検出した時の減速が容易になり、エリアセンサ４の死角に対する安全性をさらに高めることができる。ただし、ロボットアーム３を検出した場合には、通常の障害物を検出した場合と異なり、障害物回避運動を行う必要はない。
また、本実施例では、エリアセンサは、例えば特許文献１記載のレーザによる距離測
定式のものを使用したが、これに替えて、画像認識によるビジョンセンサを用いて構わない。」

本発明は、ロボットアームを障害物と誤検出することを防止するための方策を提示するものであるが、ロボットアームに把持された物体に関しても全く同様に適用できる。また、ロボットアームに留まらず、移動台車に搭載されて動作する効果器の誤検出を防ぐ用途に適用できる。

本発明の実施例に共通な移動ロボットの構成を示す上面図 図１の移動ロボットの斜視図 本発明の第１実施例における制御手段の構成を示すブロック図 第１実施例の処理の手順を示すフローチャート 本発明の第２実施例における制御手段の構成を示すブロック図 本発明の第３実施例を示す移動ロボットの斜視図 従来技術を示す移動ロボットの構成を説明するための上面図 従来例における処理の手順を示すフローチャート

符号の説明

１ 移動ロボット
２ 移動台車
３ ロボットアーム
４ エリアセンサ
５ 制御手段
６ 固定設備
５０１ 検出エリア設定部
５０２ 障害物マップ作成部
５０３ 障害物検出部
５０４ 障害物回避計画部
５０５ アーム位置検出部
５０６ アーム速度検出部
５０７ アームマップ作成部

Claims (4)

1. 移動台車（２）と、
   前記移動台車（２）に搭載されて作業を行うロボットアーム（３）と、
   前記移動台車（２）の周囲に配置されて障害物を検出するエリアセンサ（４）と、
   前記エリアセンサ（４）により検出した障害物の情報に基づいて前記移動台車（２）または前記ロボットアーム（３）の安全確保動作を実行させるように制御する制御手段（５）とを備えた移動ロボット（１）において、
   前記制御手段（５）は、
   前記ロボットアーム（３）が前記エリアセンサ（４）の検出可能領域（Ａ１）を通過したときに、前記ロボットアーム（３）が該検出可能領域（Ａ１）と交わる領域（Ａ２）の位置を算出するアーム位置算出部（５０５）と、
   前記検出可能領域（Ａ１）から該領域（Ａ２）を除外した範囲を検出エリアとして設定する検出エリア設定部（５０１）と、
   前記エリアセンサ（４）により取得した情報から障害物の分布マップを作成する障害物マップ作成部（５０２）と、
   前記検出エリア設定部（５０１）で設定された検出エリアと前記障害物マップ作成部（５０２）で作成された障害物分布マップとを比較して障害物の有無を検出する障害物検出部（５０３）と、
   障害物が存在する場合に、停止や障害物回避などの安全確保動作を計画し、移動ロボット（１）に回避指令を送信する障害物回避計画部（５０４）とより構成されることを特徴とする移動ロボット。
2. 移動台車（２）と、
   前記移動台車（２）に搭載されて作業を行うロボットアーム（３）と、
   前記移動台車（２）の周囲に配置されて障害物を検出するエリアセンサ（４）と、
   前記エリアセンサ（４）により検出した障害物の情報に基づいて前記移動台車（２）または前記ロボットアーム（３）の安全確保動作を実行させるように制御する制御手段（５）とを備えた移動ロボット（１）において、
   前記制御手段（５）は、
   前記ロボットアーム（３）が前記エリアセンサ（４）の検出可能領域（Ａ１）を通過したときに、前記ロボットアーム（３）が該検出可能領域（Ａ１）と交わる領域（Ａ２）の位置を算出するアーム位置算出部（５０５）と、
   前記ロボットアーム（３）が前記エリアセンサ（４）の検出可能領域（Ａ１）と交わる領域（Ａ２）における速度を算出するアーム速度算出部（５０６）と、
   前記領域（Ａ２）の位置と速度を、移動ロボット（１）周辺のアームマップとして記憶するアームマップ作成部（５０７）と、
   前記エリアセンサ（４）により取得した情報から障害物の分布マップを作成する障害物マップ作成部（５０２）と、
   前記アームマップ作成部（５０７）で作成されたアームマップと前記障害物マップ作成部（５０２）で作成された障害物マップとを比較して、障害物の有無を検出する障害物検出部（５０３）と、
   障害物が存在する場合に、停止や障害物回避などの安全確保動作を計画し、移動ロボット（１）に回避指令を送信する障害物回避計画部（５０４）とより構成されることを特徴とする移動ロボット。
3. 前記障害物回避計画部（５０４）は、前記ロボットアーム（３）が前記エリアセンサ（４）の検出可能領域を通過していると判断した場合には、ロボットアーム（３）に対し該通過領域を移動させるための指令を送信することを特徴とする請求項１または２に記載の移動ロボット。
4. 前記障害物回避計画部（５０４）は、前記ロボットアーム（３）が前記エリアセンサ（４）の検出可能領域を通過していると判断した場合には、移動台車（２）に対し走行速度を低減させるための指令を送信することを特徴とする請求項１または２に記載の移動ロボット。

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