JP2008264901A - 移動ロボット及びその自動連結方法、並びにパラレルリンク機構の駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物側の連結部分（被連結部）に位置ズレを吸収するような特別の工夫・改造を必要とせずに、精密に位置合せを行なって対象物と連結することができる移動ロボット及びその自動連結方法を提供する。また、上記自動連結方法に好適なパラレルリンク機構の駆動制御方法を提供する。
【解決手段】移動ロボット１０は、ロボット本体１２と、可動領域をもつ連結機構２０と、距離情報を取得する距離情報取得装置１７と、対象物１と連結するための演算制御を行う演算制御装置１８とを備える。演算制御装置１８は、距離情報取得装置１７により取得した距離情報から、対象物１に対して固定された位置に設けられたマーカ８を認識するとともにマーカ８の位置座標を算出し、マーカ８の位置座標をもとに、連結機構２０の連結部４０が対象物１の被連結部（物品搬送具１Ａの把持部２等）に連結するようにロボット本体１２と連結機構２０の駆動を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自律移動し所定の対象物と連結可能な移動ロボット及びその自動連結方法、並びにパラレルリンク機構の駆動制御方法に関する。

移動ロボットがある特定の場所・物と連結（結合・接続・接触）するシステムが種々提案されており、下記特許文献１〜４では、移動ロボットの自動充電システムを提案している。これらの文献において提案されたシステムは、移動ロボットと充電ステーションとの相対位置を認識する手段をもち、その手段により移動ロボットを誘導し位置合わせを行なうことで、充電ステーションと連結するものである。

特開２００３−１５７７号公報 特開２００６−２４４０２０号公報 特開２００４−３０３１３７号公報 特許第２８４６８３５号公報

通常の非ホロノミック型車輪機構や脚などの移動手段をもつ移動ロボットでは、非ホロノミック性や摩擦・スリップ等の原因から高い精度での位置合せ・位置制御が困難である。一方、ホロノミック車輪機構の移動手段をもつ移動ロボットでは、移動手段が煩雑となるうえ、ホロノミック車輪機構であっても摩擦・スリップなどの影響から精密位置合せには限界がある。そのため、実際には特定の場所・物との相対位置を正確に測定・判定できても、最終的な微調整・精密位置合せが困難なため、連結（結合・接続・接触）に際しては、位置ズレを吸収するような機構的・電気的な工夫・改造等が必要となる。特に手押し台車などの物品搬送具を人と共有する場合には、把持部（物品搬送具のうち人・移動ロボットが把持する部分）の改造が必要になると、共有する上での問題が発生する可能性がある。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、対象物側の連結部分に位置ズレを吸収するような特別の工夫・改造を必要とせずに、精密に位置合せを行なって対象物と連結することができる移動ロボット及びその自動連結方法を提供することを課題とする。また、本発明は、上記自動連結方法に好適なパラレルリンク機構の駆動制御方法を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明の移動ロボット及びその自動連結方法、並びにパラレルリンク機構の駆動制御方法は、以下の手段を採用する。
（１）本発明は、自律移動し所定の対象物と連結可能な移動ロボットであって、移動を行なうロボット本体と、基端部が前記ロボット本体に連結され、前記対象物に設けられた被連結部に連結可能な連結部を先端部に有し、前記ロボット本体に対する前記連結部の相対位置及び姿勢を変化させるように可動する連結機構と、前記ロボット本体に設けられ、周囲に存在する物体までの距離情報を取得する距離情報取得装置と、該距離情報取得装置により取得した距離情報から、前記対象物に対して固定された位置に設けられたマーカを認識するとともにマーカの位置座標を算出し、該マーカの位置座標をもとに、前記連結部が前記被連結部に連結するように前記ロボット本体と前記連結機構の駆動を制御する演算制御装置と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、距離情報取得装置により取得した距離情報から対象物に取り付けられたマーカを認識し、マーカの位置座標を算出し、該マーカの位置座標をもとに、移動ロボットの連結部が対象物の被連結部に連結するようにロボット本体と連結機構の駆動を制御するので、移動ロボットが対象物と自動で連結することができる。また、この移動ロボットは、可動領域をもつ連結機構を備えているので、対象物に連結する際には、ロボット本体で大まかな位置合せを行い、続いて連結機構で精密な位置合せを行なうことが可能である。したがって、本発明の移動ロボットは、対象物側の連結部分（被連結部）に位置ズレを吸収するような特別の工夫・改造を必要とせずに、精密に位置合せを行なって対象物と連結することができる。

（２）また、上記の移動ロボットにおいて、前記演算制御装置は、前記マーカの位置座標をもとに、前記ロボット本体に固定されたロボット基準位置と前記被連結部との相対位置を算出し、前記ロボット本体が静止したままで前記連結部が前記被連結部と連結することが可能である場合には、前記ロボット本体を静止したまま前記連結部を前記被連結部に連結させるように前記連結機構の駆動を制御し、前記ロボット本体が静止したままでは前記連結部が前記被連結部と連結することができない場合には、前記連結部が前記被連結部と連結することができる位置に前記ロボット本体を移動させるよう前記移動ロボットの駆動を制御し、次に前記ロボット本体を静止したまま前記連結部を前記被連結部に連結させるように前記連結機構の駆動を制御する。

上記のような処理及びロボット本体と連結機構の駆動の制御を行うことにより、無駄のない動作で効率的に移動ロボットを対象物と連結させることができる。

（３）また、上記の移動ロボットにおいて、前記距離情報取得装置はレーザレーダであり、前記演算制御装置は前記マーカの形状的特徴に基づいて該マーカを認識する。

上記のように距離情報取得装置としてレーザレーダを用いることにより、リアルタイムで正確な距離情報を取得することができる。
また、マーカには、マーカを認識するための形状的特徴が付与されているので、レーザレーダからの距離情報から容易にマーカを認識することができる。

（４）また、上記の移動ロボットにおいて、前記レーザレーダは水平面内を走査する２次元レーザレーダであり、前記演算制御装置は前記マーカの水平面内の輪郭形状に基づいて該マーカを認識する。

このように水平面内の輪郭形状に特徴的形状をもつようなマーカであれば、３次元レーザレーダでなくても、水平面内を走査する２次元レーザレーダによっても距離情報取得装置を実現することができる。

（５）また、上記の移動ロボットにおいて、前記演算処理装置は、前記マーカに付与された特徴に基づいて前記対象物に対して予め設定された属性を判別する。

上記のようにマーカに付与された特徴に基づいて対象物に対して予め設定された属性を判別するので、対象物の判別を細分化することができる。例えば、対象物の種類別（大・中・小）、識別符号別（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２，Ｎｏ．３、Ａ，Ｂ，Ｃなど）等に属性を分類しておくことで、細分化された作業を効率的に移動ロボットに行なわせることができる。

（６）また、上記の移動ロボットにおいて、前記連結機構は、基端部が前記ロボット本体に連結されそれぞれ独立に駆動可能な複数のリンクと、該複数のリンクの先端に連結された出力部材とを有し、該複数のリンクの駆動状態により前記ロボット本体に対する前記出力部材の相対的な位置及び姿勢が定まるパラレルリンク機構である。

このようにパラレルリンク機構を採用することにより、連結機構による相対位置及び姿勢の制御に必要な自由度は、平面上の制御の場合は３自由でよく、空間上の制御する場合でも６自由度でよいので、人の腕とほぼ同様の動きをする２本の腕（１２自由度）と比較して、動作に必要な位置・姿勢・力等の制御が容易になる。

（７）また、本発明の移動ロボットの自動連結方法は、移動を行なうロボット本体に、所定の対象物に設けられた被連結部に連結可能な連結部を先端部に有し前記ロボット本体に対する前記連結部の相対位置及び姿勢を変化させるように可動する連結機構を取り付けて、自律移動し前記所定の対象物と連結可能な移動ロボットを構成するとともに、所定の特徴をもつマーカを前記対象物に対して固定された位置に設けておき、前記ロボット本体に対して固定された位置からロボット本体の周囲に存在する物体までの距離情報を取得し、該距離情報取得装置により取得した距離情報から前記対象物に取り付けられたマーカを認識するとともにマーカの位置座標を算出し、該マーカの位置座標をもとに、前記連結部が前記被連結部に連結するように前記ロボット本体と前記連結機構を駆動させることを特徴とする。

（８）また、上記の移動ロボットの自動連結方法において、前記マーカの位置座標をもとに、前記ロボット本体に固定されたロボット基準位置と前記被連結部との相対位置を算出し、前記ロボット本体が静止したままで前記連結部が前記被連結部と連結することが可能である場合には、前記ロボット本体を静止したまま前記連結部を前記被連結部に連結させるように前記連結機構の駆動を制御し、前記ロボット本体が静止したままでは前記連結部が前記被連結部と連結することができない場合には、前記連結部が前記被連結部と連結することができる位置に前記ロボット本体を移動させるよう前記移動ロボットの駆動を制御し、次に前記ロボット本体を静止したまま前記連結部を前記被連結部に連結させるように前記連結機構の駆動を制御する。

（９）また、上記の移動ロボットの自動連結方法において、前記マーカを認識するための形状的特徴を該マーカに付与しておき、前記距離情報を取得する手段としてレーザレーダを用い、前記マーカの形状的特徴に基づいて該マーカを認識する。

（１０）また、上記の移動ロボットの自動連結方法において、前記レーザレーダとして水平面内を走査する２次元レーザレーダを用い、マーカの水平面内の輪郭形状に基づいて該マーカを認識する。

（１１）また、上記の移動ロボットの自動連結方法において、前記マーカに付与された特徴に基づいて前記対象物に対して予め設定された属性を判別する。

上記（７）〜（１１）の自動連結方法によれば、対象物側の連結部分（被連結部）に位置ズレを吸収するような特別の工夫・改造を必要とせずに、移動ロボットが精密に位置合せを行なって対象物と連結することができる。

（１２）また、本発明は、基端部が所定のベース部に連結されそれぞれ独立に駆動可能な複数のリンクと、該複数のリンクの先端に連結された出力部材とを有し、該複数のリンクの駆動状態により前記ベースに対する前記出力部材の相対的な位置及び姿勢が定まるパラレルリンク機構の駆動制御方法であって、予め、前記ベース部に対して固定された原点を基準としたベース座標系と、前記出力部材に対して固定された原点を基準としたワーク座標系が設定されるとともに、ベース座標系におけるワーク座標系の原点の位置及び回転角が手先ベクトルとして定義され、手先ベクトルから複数のリンクの関節ベクトルを求める逆運動学式が導出された状態を用意しておき、該逆運動学式を用いた演算により、目標手先ベクトルが得られるように前記複数のリンクの駆動を制御する、ことを特徴とする。

上記の制御方法によれば、予め導出された逆運動学式を用いてパラレルリンク機構の各リンクの関節ベクトルが直接求まり、関節ベクトルから関節を駆動させる各モータ回転角（モータ速度ベクトル）を決定することができるので、座標変換などの煩雑な演算処理なしで簡便に制御指令値（速度軌道）を生成することができる。

本発明によれば、対象物側の連結部分に位置ズレを吸収するような特別の工夫・改造を必要とせずに、移動ロボットが精密に位置合せを行なって対象物と連結することができる。また、パラレルリンク機構の駆動制御方法は、上記の移動ロボットの制御方法として好適である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は本発明の実施形態にかかる移動ロボット１０の斜視図である。図１は、移動ロボット１０が対象物１（物品搬送具１Ａ）と連結している状態を示している。図２は、移動ロボット１０が対象物１（物品搬送具１Ａ、充電ステーション１Ｂ等）と未だ連結していない状態を示す平面模式図である。

この移動ロボット１０は、自律移動し所定の対象物１と連結（結合・接続・接触）可能なロボットである。連結する対象物１は、特に限定されないが、物品を載せて搬送するための物品搬送具１Ａや移動ロボット１０のバッテリーを充電するための充電ステーション１Ｂ、あるいは何らかの操作ボタン（例えば、エレベータの押しボタン）等が例示される。
物品７は、本実施形態では部品・半完成品・完成品等であるが、とくに限定されるものではない。物品搬送具Ａ１は、人が物品７の搬送を行なうために使用するものでよく、図１に示す手押し台車のほか、カート等であってもよい。なお、以下では、説明の便宜上、“手押し台車”に対しても参照符号「１Ａ」を使用する。

図２に示すように、対象物１（物品搬送具１Ａ、充電ステーション１Ｂ）には、マーカ８が取り付けられている。一つの対象物１に関して取り付けられるマーカ８は、単体でその機能を発揮するものでもよいし、複数のサブマーカの組み合わせで一つのマーカ８の機能を発揮するものでもよい。マーカ８には、取り付けられる対象物１の属性を示す特徴が付与されており、物品搬送具１Ａに取り付けられるマーカ８には物品搬送具１Ａであることを示す特徴が、充電ステーション１Ｂに取り付けられるマーカ８には充電ステーション１Ｂであることを示す特徴が、それぞれ付与されている。その特徴の付与の方法としては、特に限定されないが、例えば、２次元的又は３次元的形状や、互いに同一の又は異なるサブマーカの配置パターンによることができる。なお、マーカ８は、後述する距離情報取得装置１７の視野領域に入る高さに取り付けられる。

移動ロボット１０は、物品搬送具１Ａと自動連結して、物品搬送具１Ａを移動させることにより搬送ロボットとして機能する。また、移動ロボット１０は、充電が必要であることを自己判断した場合、あるいは上位コントローラ（ホストＰＣ）からの指令を受けた場合に充電ステーション１Ｂと自動連結して、バッテリーの充電を行なう。また、移動ロボット１０は、何らかの操作ボタンに接触し、操作ボタンを押す。
図１及び図２に示すように、移動ロボット１０は、移動を行なうロボット本体１２と、ロボット本体１２に連結された連結機構２０とを備えている。

ロボット本体１２の胴体部１３の下部の左右両側には、駆動モータ（図示せず）によって駆動される一対の駆動輪１４が設けられている。一対の駆動輪１４は、互いの回転軸心が一致し、それぞれ独立して駆動される。また、ロボット本体１２の下部の前後には自在キャスター１５が設けられている（より詳細には、図４参照）。上記構成により、ロボット本体１２は、前後進と左右旋回が可能となっている。

連結機構２０は、基端部がロボット本体１２に連結され、対象物１に設けられた被連結部に連結可能な連結部４０を先端部に有し、ロボット本体１２に対する連結部４０の相対位置及び姿勢を変化させるように可動する。

図１に示すように、本実施形態において、連結機構２０は、基端部が移動ロボット１０に連結されそれぞれ独立に駆動可能な複数のリンクと、複数のリンクの先端に連結された出力部材とを有し、複数のリンクの駆動状態によりロボット本体１２に対する出力部材の相対的な位置及び姿勢が定まるパラレルリンク機構２０Ａである。より具体的には、本実施形態の連結機構２０は、ロボット本体１２と出力部材２４との間に並列接続された第１リンク２１、第２リンク２２及び第３リンク２３を有しており、第１リンク２１、第２リンク２２及び第３リンク２３の駆動状態により、ロボット本体１２に対する出力部材の水平面上の相対的な位置及び姿勢が定まる３自由度パラレルリンク機構として構成されている。

なお、パラレルリンク機構２０Ａは、複数のリンクの駆動状態により、ロボット本体１２に対する出力部材の空間上の相対位置及び姿勢が定まるものであってもよい。この場合のパラレルリンク機構２０Ａは、特に限定されないが、例えば、スチュアートプラットフォームと呼ばれる６自由度パラレルリンク機構として構成されてもよい。

連結する対象物１が物品搬送具１Ａの場合、物品搬送具１Ａの把持部２が上記の被連結部であり、連結機構２０の先端部に設けられ把持部２を把持する把持機構４０Ａが上記の連結部４０である。
上記の把持機構４０Ａは、パラレルリンク機構２０Ａの出力部材２４に連結され、出力部材２４と物品搬送具１Ａとの相対位置及び姿勢を固定可能なように、連結機構２０と物品搬送具１Ａとの連結及び切離しを行う機能を有する。本実施形態において把持機構４０Ａは、出力部材２４の左右方向に２つ設けられている。なお、ロボット本体１２に対する上記のパラレルリンク機構２０Ａの設置位置は、把持機構４０Ａが物品搬送台車の把持部２を把持し、連結できる高さに設定されている。

連結する対象物１が充電ステーション１Ｂの場合、充電ステーション１Ｂの給電端子が上記の被連結部であり、連結機構２０の先端部に設けられた受電端子が上記の連結部４０である。この受電端子は上記の把持機構４０Ａの先端部に設けてもよく、把持機構４０Ａとは別の構成部分として設けても良い。なお、本実施形態では、把持機構４０Ａが受電端子を兼ねているものとする。

図１に示すように、移動ロボット１０は、さらに、距離情報取得装置１７及び演算制御装置１８を備えている。
距離情報取得装置１７は、ロボット本体１２に設けられており、周囲に存在する物体までの距離情報を取得する。
演算制御装置１８は、距離情報取得装置１７により取得した距離情報から、対象物１に対して固定された位置に設けられたマーカ８を認識するとともにマーカ８の位置座標を算出し、マーカ８の位置座標をもとに、連結部４０が対象物１の被連結部に連結するようにロボット本体１２と連結機構２０の駆動を制御する。

さらに、ロボット本体１２は、上位コントローラとの通信を行なう図示しない通信装置などを備えるとともに、上記の駆動モータ、連結機構２０、距離情報取得装置１７、通信装置等に電力を供給する図示しないバッテリーを備えている。

上記のように構成された移動ロボット１０によれば、距離情報取得装置１７により取得した距離情報から対象物１に取り付けられたマーカ８を認識し、マーカ８の位置座標を算出し、該マーカ８の位置座標をもとに、移動ロボット１０の連結部４０が対象物１の被連結部に連結するようにロボット本体１２と連結機構２０の駆動を制御するので、対象物１と自動で連結することができる。また、この移動ロボット１０は、可動領域をもつ連結機構２０を備えているので、対象物１に連結する際には、ロボット本体１２で大まかな位置合せを行い、続いて連結機構２０で精密な位置合せを行なうことが可能である。したがって、本発明の移動ロボット１０は、対象物１側の連結部分（被連結部）に位置ズレを吸収するような特別の工夫・改造を必要とせずに、精密に位置合せを行なって対象物１と連結することができる。

また、上記の移動ロボット１０によれば、連結機構２０により物品搬送具１Ａと連結し、連結機構２０に連結されたパラレルリンク機構２０Ａにより物品搬送具１Ａとの相対位置及び姿勢を制御しながら、ロボット本体１２を移動させることにより物品搬送具１Ａを移動させることができ、これにより物品７を搬送することができる。なお、移動ロボット１０は、引き動作によっても物品搬送具１Ａを移動させることが可能である。

また、上記の移動ロボット１０は、連結機構２０としてパラレルリンク機構２０Ａを採用することにより、連結機構２０による相対位置及び姿勢の制御に必要な自由度は、平面上の制御の場合は３自由でよく、空間上の制御する場合でも６自由度でよい。このため、人の腕とほぼ同様の動きをする２本の腕（１２自由度）と比較して、動作に必要な位置・姿勢・力等の制御が容易になる。

上記の距離情報取得装置１７は、周囲に存在する物体までの距離情報を取得するものであれば特に限定されず、例えばステレオカメラであってもよいが、レーザレーダであるのが好ましい。距離情報取得装置１７としてレーザレーダを用いる場合、上記のマーカ８は形状的特徴が付与されたものである必要がある。そしてこの場合、演算制御装置１８は、マーカ８の形状的特徴に基づいてそのマーカ８を認識する。具体的には、演算制御装置１８は、レーダレーダにより取得した距離情報から、予め登録されたマーカ８の形状的特徴（パターン）に合致するものを抽出し、これをマーカ８と認識する。

このように距離情報取得装置１７としてレーザレーダを用いることにより、リアルタイムで正確な距離情報を取得することができる。このレーザレーダを用いて障害物を検出することもできるので、障害物検出用センサを別個に設ける必要が無い。
また、マーカ８には、マーカ８を認識するための形状的特徴が付与されているので、レーザレーダからの距離情報から容易にマーカ８を認識することができる。

上記のレーザレーダは、空間内を走査する３次元レーザレーダに限られず、水平面内を走査する２次元レーザレーダであってもよい。２次元レーザレーダを用いる場合、水平面内の輪郭形状に特定のパターンをもつような形状的特徴をマーカ８に付与しておく必要がある。そしてこの場合、演算制御装置１８は、マーカ８の水平面内の輪郭形状に基づいてそのマーカ８を認識する。
上記構成によれば、３次元レーザレーダでなくても、水平面内を走査する２次元レーザレーダによっても距離情報取得装置１７を実現することができる。

上述したように、マーカ８には、取り付けられる対象物１の属性を示す特徴が付与されており、演算制御装置１８によりマーカ８が取り付けられた対象物１の属性を判別するので、対象物１の判別を細分化することができる。例えば、対象物１の種類別（大・中・小）、識別符号別（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２，Ｎｏ．３、Ａ，Ｂ，Ｃなど）等に属性を分類しておくことで、細分化された作業を効率的に移動ロボット１０に行なわせることができる。

移動ロボット１０と対象物１とを連結させる場合、上記の演算制御装置１８は、マーカ８の位置座標をもとに、ロボット本体１２に固定されたロボット基準位置と対象物１の被連結部との相対位置を算出し、ロボット本体１２が静止したままで連結部４０が被連結部と連結することが可能である場合には、ロボット本体１２を静止したまま連結部４０を被連結部に連結させるように連結機構２０の駆動を制御し、ロボット本体１２が静止したままでは連結部４０が被連結部と連結することができない場合には、連結部４０が被連結部と連結することができる位置にロボット本体１２を移動させるよう移動ロボット１０の駆動を制御し、次にロボット本体１２を静止したまま連結部４０を被連結部に連結させるように連結機構２０の駆動を制御する。

以下、この処理・制御について具体的に説明する。図３は、上記の演算制御装置１８の自動連結制御に係る部分の構成図である。
図３に示すように、演算制御装置１８は、マーカモデル部４１、照合・認識部４２、相対位置算出部４３、判断部４４、連結機構軌道生成部４５、移動部軌道生成部４６、連結機構制御部４７及び移動部制御部４８を有している。
マーカモデル部４１には各マーカ８の特徴（形状等）がマーカモデルとして記憶されている。照合・認識部４２は、マーカモデルと距離情報取得装置１７からの距離情報を照合し、距離情報からマーカ８を認識する。相対位置算出部４４は、マーカ８の位置座標を算出するとともに、予め記憶されたマーカ８と対象物１の被連結部との相対位置、予め記憶された距離情報取得装置１７とロボット本体基準位置（例えばロボット本体１２の中心位置）との相対位置等から、ロボット本体基準位置と対象物１の被連結部との相対位置を算出する。

判断部４４は、ロボット本体１２がその場に静止したままで連結部４０が対象物１の被連結部と連結することが可能であるか否かを判断する。この判断に際しては、連結機構２０の可動範囲、対象物１の被連結部とロボット本体１２との相対位置が考慮される。
判断部４４での判断が肯定的である場合、すなわちロボット本体１２がその場に静止したままで連結部４０が対象物１の被連結部と連結することが可能である場合には、連結機構軌道生成部４５が連結部４０を対象物１の被連結部に連結させるように連結機構２０の軌道を生成し、生成された軌道に従って、連結機構制御部４７が連結機構２０の駆動を制御する。

判断部での判断が否定的である場合、すなわちロボット本体１２がその場に静止したままでは連結部４０が対象物１の被連結部と連結することができない場合には、まず、連結部４０が対象物１の被連結部と連結することができる位置にロボット本体１２を移動させるように、移動部軌道生成部４６がロボット本体１２の軌道を生成し、生成された軌道に従って、移動部制御部４８がロボット本体１２の駆動を制御する。次に、連結機構軌道生成部４５が連結部４０を対象物１の被連結部に連結させるように連結機構２０の軌道を生成し、生成された軌道に従って、連結機構制御部４７が連結機構２０の駆動を制御する。

上記のような処理及びロボット本体１２と連結機構２０の駆動の制御を行うことにより、無駄のない動作で効率的に移動ロボット１０を対象物１と連結させることができる。
なお、ロボット本体基準位置と対象物１の被連結部との相対位置を算出する方法は、上述した方法に限られず、他の公知の算出方法を適用してもよい。

以下、本発明の移動ロボット１０（特にパラレルリンク機構２０Ａ）の構成をより詳細に説明する。図４は、移動ロボット１０及び手押し台車Ａ１の模式図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
図４（Ａ）及び（Ｂ）において、紙面の左右方向が移動ロボット１０の前後方向である。図４に示すように、手押し台車Ａ１は、物品７を載せる荷台３と、荷台３の下面前方の左右両側に設けられた一対の自在キャスター５と、荷台３の下面後方の左右両側に設けられた一対の固定キャスター６と、荷台３の上面後方位置から上方に延びる支持部材４と、支持部材４の上端で支持された把持部２とから構成されている。

上述したように、パラレルリンク機構２０Ａは、第１リンク２１、第２リンク２２及び第３リンク２３と、各リンクの先端に連結された出力部材２４を有している。
第１リンク２１及び第３リンク２３の各々は、一端がロボット本体１２に鉛直軸心を中心に回転可能に連結され、他端が出力部材２４に鉛直軸心を中心に回転可能に連結されるとともに、駆動することによって両端間の距離が変化する。
第２リンク２２は、一端がロボット本体１２に鉛直方向を向く軸心（以下、この軸心を「基準軸心ａ」という）を中心に回転可能に連結され、他端が出力部材２４に鉛直軸心を中心に回転可能に連結されるとともに、駆動することによってロボット本体１２に対する基準軸心ａを中心とする向きが変化する。また、第２リンク２２は、第１リンク２１及び第３リンク２３の駆動に従動して両端間の距離が変化する。

上記構成によれば、第１リンク２１、第２リンク２２及び第３リンク２３をそれぞれ独立して駆動させることにより、出力部材２４の位置及び姿勢を平面３自由度（水平面上での進行方向ｘ、水平面上でのｘ方向に直角なｙ方向、水平面に垂直なｚ軸まわりの回転角θｚ）で制御することができるので、ロボット本体１２に対する物品搬送具Ａ１の水平面上の相対位置及び姿勢を制御することができる。

図５は、第１リンク２１、第２リンク２２及び第３リンク２３の３種の構成例Ａ、Ｂ、Ｃを模式的に示した図である。
図５において、各図は、紙面左右方向に３列、上下に２段の枠内に示されており、左右方向の各列に分かれて各構成例Ａ、Ｂ、Ｃが示されている。また、各列において、上段は平面視での模式図、下段は側面視での模式図である。側面視での模式図では、枠内の上側が第１リンク２１（又は第３リンク２３）を示し、下側が第２リンク２２を示している。
なお、図４では、上記の構成例Ｃを採用した移動ロボット１０を示している。

図５に示すように、構成例Ａ〜Ｃでは、いずれも、第１リンク２１、第２リンク２２及び第３リンク２３は、第１リンク２１と第３リンク２３の離間方向の中間位置に第２リンク２２が位置するように配置されている。以下、構成例ごとに構成を説明する。

［構成例Ａ］
構成例Ａでは、第１リンク２１、第２リンク２２及び第３リンク２３は、いずれも直線的に伸縮するように構成されており、第１リンク２１及び第３リンク２３は、伸縮駆動アクチュエータにより構成されている。伸縮駆動アクチュエータとしては、例えば、油圧シリンダ装置、空圧シリンダ装置等を使用することができる。第２リンク２２は、直線的に伸縮自在であるが、その伸縮は受動的であり、第１リンク２１と第２リンク２２の駆動に従動して伸縮する。また第２リンク２２は、ロボット本体１２との連結点の位置に固定された第２駆動モータ３３を有し、この第２駆動モータ３３の駆動により、ロボット本体１２に対する基準軸心ａを中心とした向きが変化するようになっている。

上記の構成例Ａによれば、第１リンク２１と第３リンク２３の伸縮駆動により出力部材２４に並進運動を与え、第２リンク２２の旋回駆動により出力部材２４に旋回運動を与えることができるので、出力部材２４の位置及び姿勢を平面３自由度（水平面上での進行方向ｘ、水平面上でのｘ方向に直角なｙ方向、水平面に垂直なｚ軸まわりの回転角θｚ）で制御することができる。

［構成例Ｂ］
構成例Ｂでは、第１リンク２１、第２リンク２２及び第３リンク２３の各々は、両端間の途中部位（この例では中間点）を連結点とする２本のアーム２６，２７からなり、２本のアーム２６，２７の連結点を関節２９，３０，３１として屈伸運動し、この屈伸運動により両端間の距離が変化する。
第１リンク２１と第３リンク２３は、それぞれの関節２９，３１の位置に第１駆動モータ３２、第３駆動モータ３４を有し、各駆動モータの駆動により屈伸運動を行なう。
また、図４に示すように、第１リンク２１と第３リンク２３は、それぞれ、２本のアーム２６，２７が互いに鉛直軸心を中心に回転可能に連結しており、屈曲するときに互いの関節２９，３１の距離が広がる方向に凸形状となる。

第２リンク２２は、２本のアーム２６，２７が互いに水平軸心を中心に回転可能に連結しており、屈伸運動によって伸縮自在であるが、その伸縮は受動的であり、第１リンク２１と第２リンク２２の駆動に従動して伸縮する。
また第２リンク２２は、ロボット本体１２との連結点の位置に固定された第２駆動モータ３３を有し、この第２駆動モータ３３の駆動により、ロボット本体１２に対する基準軸心ａを中心とした向きが変化するようになっている。

上記の構成例Ｂによれば、構成例Ａと同様に、出力部材２４の位置及び姿勢を平面３自由度で制御することができる。また、各リンクが関節を持つので、構成例Ａと比べて、両端間の距離が変化する範囲（伸縮範囲）を拡大することができる。したがって、パラレルリンク機構２０Ａの可動範囲を拡大することができる。また、各リンクが屈曲するときに、第１リンク２１と第３リンク２３が左右両側に広がるので、各リンク相互間の機械的干渉を防止することができる。

［構成例Ｃ］
構成例Ｃは、構成例Ｂと共通する点が多いので、以下では構成例Ｂとの相違点を中心に説明する。
構成例ＢとＣでは、まず、第１駆動モータ３２と第３駆動モータ３４の設置位置が異なる。構成例Ｃでは、第１リンク２１と第３リンク２３は、それぞれ、ロボット本体１２との連結点の位置に第１駆動モータ３２、第３駆動モータ３４を有し、各駆動モータの駆動により屈伸運動を行なう。
また、構成例Ｃでは、第１リンク２１は、第１駆動モータ３２の回転運動を第１リンク２１の屈伸運動に変換する第１リンク用動力変換機構３６ａを有し、第３リンク２３は、第３駆動モータ３４の回転運動を第３リンク２３の屈伸運動に変換する第３リンク用動力変換機構３６ｂを有する。

構成例Ｃにおいて、第１リンク用動力変換機構３６ａと第３リンク用動力変換機構３６ｂは、平行リンク機構で構成されている。各平行リンク機構は、各駆動モータ３２，３４の出力軸に連結された駆動アーム３７と、出力部材２４側のアーム２６に連結された従動アーム３８と、一端が駆動アーム３７に鉛直軸心を中心に回転可能に連結され他端が従動アーム３８に鉛直軸心を中心に連結された中間アーム３９とから構成されている。駆動アーム３７と従動アーム３８の長さは同じであり、中間アーム３９の長さは、ロボット本体１２側のアーム２６の長さと同じである。
構成例Ｃの他の部分の構成は、構成例Ｂと同じである。

上記の構成例Ｃによれば、上記の構成例Ｂの効果に加え、以下の効果が得られる。
各リンク２１，２２，２３を駆動する各駆動モータ３２，３３，３４がロボット本体１２との連結点の位置に設けられているので、各リンク２１，２２，２３に作用するモーメントを小さくすることができる。
また、各駆動モータ３２，３３，３４を上記の位置に設置することで、移動ロボット１０全体の重心をロボット本体１２側に設定しやすくなるので、移動ロボット１０が安定して移動及び停止を行なうことができる。
各動力変換機構３６ａ，３６ｂが平行リンク機構により構成されるので、簡単な構成で確実に、各駆動モータ３２，３４の回転運動を各リンク２１，２３の屈伸運動に変換することができる。

なお、第１リンク用動力変換機構３６ａと第３リンク用動力変換機構３６ｂは、上述した平行リンク機構に限られず、例えばベルト伝動機構やチェーン伝動機構などの他の機構を用いたものであってもよい。

次に、上述したパラレルリンク機構２０Ａの駆動制御方法について説明する。
なお、以下に説明するパラレルリンク機構２０Ａの駆動制御方法は、パラレルリンク機構２０Ａを上述した移動ロボット１０の連結機構２０として用いる場合に限られず、他の機構、例えば物品搬送装置の搬送機構や加工装置の位置決め機構として用いる場合にも同様に適用可能である。また、以下では３自由パラレルリンク機構を例に説明するが、本発明は他の自由度をもつパラレルリンク機構にも応用することが可能である。

図６は、パラレルリンク機構２０Ａの平面模式図である。図６において、符号１２ａは、各リンクの基端部が連結されたベース部であり、このパラレルリンク機構２０Ａを上述した移動ロボット１０の連結機構２０として用いる場合は、ロボット本体１２に相当する部分である。

第１リンク２１及び第３リンク２３の各々は、一端が所定平面に垂直な軸心を中心にベース部１２ａに回転可能に連結され、他端が出力部材２４に所定平面に垂直な軸心を中心に回転可能に連結されるとともに、駆動することによって両端間の距離が変化する。
第２リンク２２は、一端が所定平面に垂直な軸心ａを中心にベース部１２ａに回転可能に連結され、他端が出力部材２４に所定平面に垂直な軸心を中心に回転可能に連結されるとともに、駆動することによってロボット本体１２に対する軸心ａを中心とする向きが変化する。また、第２リンク２２は、第１リンク２１及び第３リンク２３の駆動に従動して両端間の距離が変化する。

以上の機構的特徴は、上述した構成例Ａ〜Ｃに共通であることから、構成例Ａは、構成例Ｂ，Ｃに対して等価な機構ということができる。そこで、図６では、構成例Ａに基づいて、ベース部１２ａに固定された原点を基準としたベース座標系Ｏ_ｂ−Ｘ_ｂＹ_ｂＺ_ｂと、出力部材２４に対して固定された原点を基準としたワー側座標系Ｏ_ｗ−Ｘ_ｗＹ_ｗＺ_ｗを定義する。なお、パラレルリンク機構２０Ａを移動ロボット１０に適用する場合、ベース側座系の原点は、例えば、ロボット本体１２の中心（２つの駆動輪１４，１４の中心を結ぶ線分の中点）であり、ワーク側座標系の原点は、例えば、連結部４０（把持機構４０Ａ、受電端子）の位置又は手押し台車１Ａの固定キャスター６，６の中心間を結ぶ線分の中点である。

ここで、図６に示した記号の意味は下記［数１］に示す通りである。

次に、パラレルリンク機構２０Ａの逆運動学式を導出するため、入出力を下記［数２］の（１）〜（３）式のように設定する。

手先速度ベクトル（１）式から関節速度ベクトル（２）式を導出する逆運動学式は下記［数３］の（４）式で、ヤコビ行列は（５）式で示される。

本発明のパラレルリンク機構の駆動制御方法は、上記の逆運動学式を用いて目標手先速度ベクトルを得るための関節ベクトル（関節速度ベクトル）を算出し、各リンクの駆動を制御する。すなわち、本発明のパラレルリンク機構の駆動制御方法は、予め、ベース部１２ａに対して固定された原点を基準としたベース座標系と、出力部材２４に対して固定された原点を基準としたワーク座標系が設定されるとともに、ベース座標系におけるワーク座標系の原点の位置及び回転角が手先ベクトルとして定義され、手先ベクトルから複数のリンクの関節ベクトルを求める逆運動学式が導出された状態を用意しておき、逆運動学式を用いた演算により、目標手先ベクトルが得られるように複数のリンクの駆動を制御するものである。

上記の方法によれば、予め導出された逆運動学式を用いてパラレルリンク機構２０Ａの各リンクの関節ベクトルが直接求まり、関節ベクトル（関節速度ベクトル）から関節を駆動させる各モータ回転角（モータ速度ベクトル）を決定することができるので、座標変換などの煩雑な演算処理なしで簡便に制御指令値（速度軌道）を生成することができる。
また、ワーク側座標系の原点は任意に設定及び変更が可能であるので、パラレルリンク機構２０Ａを上述した移動ロボット１０の連結機構２０として適用する場合、対象物１と連結する際にはワーク座標系の原点を連結部４０（把持機構４０Ａ、受電端子等）に設定しておくことにより連結部４０の位置及び姿勢を直接制御することができ、物品搬送具１Ａを移動させる際にはワーク座標系の原点を物品搬送具１Ａの適当な位置（例えば、手押し台車１Ａの場合、固定キャスター６，６の中心間を結ぶ線分の中点）に設定しておくことにより、物品搬送具１Ａの位置及び姿勢を直接制御することができる。

なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の実施形態にかかる移動ロボットの斜視図である。 本発明の実施形態にかかる移動ロボットが、対象物と未だ連結していない状態を示す平面模式図である。 演算制御装置の構成図である。 移動ロボット及び手押し台車の模式図である。 第１リンク、第２リンク及び第３リンクの構成例Ａ、Ｂ、Ｃを模式的に示した図である。 本発明の実施形態にかかるパラレルリンク機構の駆動制御方法について説明する図である。

符号の説明

１ 対象物
１Ａ 物品搬送具（手押し台車）
１Ｂ 充電ステーション
２ 把持部
３ 荷台
４ 支持部材
５ 自在キャスター
６ 固定キャスター
７ 物品
８ マーカ
１０ 移動ロボット
１２ ロボット本体
１３ 胴体部
１４ 駆動輪
１５ 自在キャスター
１７ 距離情報取得装置
１８ 演算制御装置
２０ 連結機構
２０Ａ パラレルリンク機構
２１ 第１リンク
２２ 第２リンク
２３ 第３リンク
２４ 出力部材
２６，２７ アーム
２９，３０，３１ 関節
３２ 第１駆動モータ
３３ 第２駆動モータ
３４ 第３駆動モータ
３６ａ 第１リンク用動力変換機構
３６ｂ 第３リンク用動力変換機構
３７ 駆動アーム
３８ 従動アーム
３９ 中間アーム
４０ 連結部
４０Ａ 把持機構
４１ マーカモデル部
４２ 照合・認識部
４３ 相対位置算出部
４４ 判断部
４５ 連結機構軌道生成部
４６ 移動部軌道生成部
４７ 連結機構制御部
４８ 移動部制御部

Claims (12)

1. 自律移動し所定の対象物と連結可能な移動ロボットであって、
   移動を行なうロボット本体と、
   基端部が前記ロボット本体に連結され、前記対象物に設けられた被連結部に連結可能な連結部を先端部に有し、前記ロボット本体に対する前記連結部の相対位置及び姿勢を変化させるように可動する連結機構と、
   前記ロボット本体に設けられ、周囲に存在する物体までの距離情報を取得する距離情報取得装置と、
   該距離情報取得装置により取得した距離情報から、前記対象物に対して固定された位置に設けられたマーカを認識するとともにマーカの位置座標を算出し、該マーカの位置座標をもとに、前記連結部が前記被連結部に連結するように前記ロボット本体と前記連結機構の駆動を制御する演算制御装置と、を備えることを特徴とする移動ロボット。
2. 前記演算制御装置は、
   前記マーカの位置座標をもとに、前記ロボット本体に固定されたロボット基準位置と前記被連結部との相対位置を算出し、
   前記ロボット本体が静止したままで前記連結部が前記被連結部と連結することが可能である場合には、前記ロボット本体を静止したまま前記連結部を前記被連結部に連結させるように前記連結機構の駆動を制御し、
   前記ロボット本体が静止したままでは前記連結部が前記被連結部と連結することができない場合には、前記連結部が前記被連結部と連結することができる位置に前記ロボット本体を移動させるよう前記移動ロボットの駆動を制御し、次に前記ロボット本体を静止したまま前記連結部を前記被連結部に連結させるように前記連結機構の駆動を制御する、請求項１記載の移動ロボット。
3. 前記距離情報取得装置はレーザレーダであり、前記演算制御装置は前記マーカの形状的特徴に基づいて該マーカを認識する請求項１記載の移動ロボット。
4. 前記レーザレーダは水平面内を走査する２次元レーザレーダであり、前記演算制御装置は前記マーカの水平面内の輪郭形状に基づいて該マーカを認識する請求項３記載の移動ロボット。
5. 前記演算処理装置は、前記マーカに付与された特徴に基づいて前記対象物に対して予め設定された属性を判別する請求項１記載の移動ロボット。
6. 前記連結機構は、基端部が前記ロボット本体に連結されそれぞれ独立に駆動可能な複数のリンクと、該複数のリンクの先端に連結された出力部材とを有し、該複数のリンクの駆動状態により前記ロボット本体に対する前記出力部材の相対的な位置及び姿勢が定まるパラレルリンク機構である請求項１記載の移動ロボット。
7. 移動を行なうロボット本体に、所定の対象物に設けられた被連結部に連結可能な連結部を先端部に有し前記ロボット本体に対する前記連結部の相対位置及び姿勢を変化させるように可動する連結機構を取り付けて、自律移動し前記所定の対象物と連結可能な移動ロボットを構成するとともに、所定の特徴をもつマーカを前記対象物に対して固定された位置に設けておき、
   前記ロボット本体に対して固定された位置からロボット本体の周囲に存在する物体までの距離情報を取得し、該距離情報取得装置により取得した距離情報から前記対象物に取り付けられたマーカを認識するとともにマーカの位置座標を算出し、該マーカの位置座標をもとに、前記連結部が前記被連結部に連結するように前記ロボット本体と前記連結機構を駆動させる、ことを特徴とする移動ロボットの自動連結方法。
8. 前記マーカの位置座標をもとに、前記ロボット本体に固定されたロボット基準位置と前記被連結部との相対位置を算出し、
   前記ロボット本体が静止したままで前記連結部が前記被連結部と連結することが可能である場合には、前記ロボット本体を静止したまま前記連結部を前記被連結部に連結させるように前記連結機構の駆動を制御し、
   前記ロボット本体が静止したままでは前記連結部が前記被連結部と連結することができない場合には、前記連結部が前記被連結部と連結することができる位置に前記ロボット本体を移動させるよう前記移動ロボットの駆動を制御し、次に前記ロボット本体を静止したまま前記連結部を前記被連結部に連結させるように前記連結機構の駆動を制御する、請求項７記載の移動ロボットの自動連結方法。
9. 前記マーカを認識するための形状的特徴を該マーカに付与しておき、前記距離情報を取得する手段としてレーザレーダを用い、前記マーカの形状的特徴に基づいて該マーカを認識する請求項７記載の移動ロボットの自動連結方法。
10. 前記レーザレーダとして水平面内を走査する２次元レーザレーダを用い、マーカの水平面内の輪郭形状に基づいて該マーカを認識する請求項９記載の移動ロボットの自動連結方法。
11. 前記マーカに付与された特徴に基づいて前記対象物に対して予め設定された属性を判別する請求項７記載の移動ロボットの自動連結方法。
12. 基端部が所定のベース部に連結されそれぞれ独立に駆動可能な複数のリンクと、該複数のリンクの先端に連結された出力部材とを有し、該複数のリンクの駆動状態により前記ベースに対する前記出力部材の相対的な位置及び姿勢が定まるパラレルリンク機構の駆動制御方法であって、
    予め、前記ベース部に対して固定された原点を基準としたベース座標系と、前記出力部材に対して固定された原点を基準としたワーク座標系が設定されるとともに、ベース座標系におけるワーク座標系の原点の位置及び回転角が手先ベクトルとして定義され、手先ベクトルから複数のリンクの関節ベクトルを求める逆運動学式が導出された状態を用意しておき、
    該逆運動学式を用いた演算により、目標手先ベクトルが得られるように前記複数のリンクの駆動を制御する、ことを特徴とするパラレルリンク機構の駆動制御方法。

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