JP3340606B2

JP3340606B2 - 移動ロボットの誘導方法と誘導システム

Info

Publication number: JP3340606B2
Application number: JP30225695A
Authority: JP
Inventors: 誠梶谷; 哉吏金森; 一博美馬; 幸悦田中
Original assignee: Shinryo Corp
Current assignee: Shinryo Corp
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1995-10-27
Publication date: 2002-11-05
Anticipated expiration: 2015-10-27
Also published as: JPH09128041A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、無人の移動ロボッ
トをその走行経路中に設置したランドマーク（誘導標
識）を頼りに指定した経路を走行させる方法とそのシス
テムに関する。

【０００２】

【従来の技術】移動ロボットの誘導方法として、経路中
の要所要所に各種のランドマーク（誘導標識）を設置し
ておき、ロボットが標識を頼りに指定された経路を走行
していく方法がある。本発明はこのような移動ロボット
の誘導方法における標識の構成方法と、標識を検出・認
識する方法および標識によりロボットの位置と方向を正
確に計測し、補正する方法を提供する。

【０００３】自律移動ロボットのナビゲーションの方法
として、ランドマークによる誘導とデッドレコニング
（経路航法）による方法とがあるが、後者は誤差の蓄積
によって所定の経路からしだいに離れていくという大き
な欠点がある。ランドマークとなる物体の条件としては
以下のことを考慮しなければならない。（１）周囲の物体と区別しやすいこと（２）構造が簡単で、小型、軽量であること（３）ロボットに正確な位置を示すことができること（４）汚れや破損によってデータが消失しないこと

【０００４】ランドマークを使用した従来の誘導方法に
は以下のような問題点があった。（１）磁気テープや光反射テープを床面に設置する誘導
方法は、ルートの全てにテープを貼る必要があり、テー
プが人やロボット自身に踏まれて変形・破損したり磁気
が消失したりする（２）ＣＣＤカメラを搭載したシステムは、画像処理が
煩雑で、標識を誤認する可能性がある（３）ロボットの位置を計測するためには複数の標識を
必要とするため、設置が煩雑である

【０００５】特公平５−７０８４４号「無人搬送車の誘
導及び情報検知用光反射テープの読み取り装置」には、
光反射テープと光フアイバケーブルを用いた無人誘導シ
ステムが開示されているが、床面に敷設した光反射テー
プは汚れやすく破損しやすいという欠点がある。特開平
４−３４６１０７号「光誘導ライン検出装置」では、床
面に金属片があったり、床面に設置した光反射テープが
汚れたり破損したような場合でも、誤認しないように、
二値化信号を演算処理して誘導ラインの位置を判定して
いるが、床面の凹凸などの外乱によって信号ノイズが発
生するため、信頼性に欠けるという欠点がある。特開平
４−４２０１４号「移動体の自己位置検出方法と装置」
には、本発明者らによるレーザ光を用いた移動体の誘導
方法が記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の主たる目的
は、移動ロボットを誘導するための標識の設置を容易に
し、かつマーカーの識別とマーカーと移動ロボットの相
対位置計測を兼ね備えた誘導方法とその装置を提供する
ことにある。本発明の他の目的は、誘導標識の数を最小
限に抑制して、誤動作を防止し、正確な誘導方法を達成
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ため、本発明はその第１の態様において、移動ロボット
の進行方向に沿った経路中に光の反射特性の異なる２種
類以上の光反射物体を所定の順序と所定の間隔で並べた
マーカーを設置し、移動ロボット上に搭載したレーザ源
から前記マーカーへとレーザ光を回転照射し、移動ロボ
ット上に搭載した反射光受光装置によって前記マーカー
を検出し、前記反射光受光装置によってマーカー上の光
反射物体の並び方を検知してマーカーの番地を識別し、
前記反射光受光装置によって前記マーカー上の複数の地
点と移動ロボット上の基準点との成す角度を計測し、マ
ーカーに対する移動ロボットの位置と向きを算出し、前
記マーカーの番地・移動ロボットの位置・移動ロボット
の向きの３種類の情報に基づいて移動ロボットを誘導す
ることを特徴とする移動ロボットの誘導方法を提供す
る。

【０００８】この誘導方法はさらに長距離を走行する場
合には複数のマーカーを順番に検出しながら誘導する工
程を包含することができる。本発明はその第２の態様と
して、上記誘導方法を実施するための誘導システムを提
供する。

【０００９】具体的な構成として、本発明は次のような
手法を用いた。（１）標識は、光の反射特性の異なる２種類以上の物体
を適当な順序で並べたものとし、並べ方の組み合わせに
よるパターンによって、各標識に固有の符号（あるいは
番号）を付与する。また、光の反射特性の異なる物体を
並べた境界を少なくとも３個所以上設け、それらの境界
線を標点とする。ただし、標識を構成する物体の寸法は
既知なるものとし、標点間の距離は既知である。

【００１０】（２）ロボットに搭載する標識検出装置
は、標識を構成する物体に適当な光を照射し、反射光の
反射特性の違いを検出することにより、標識を構成する
物体の反射特性の違いを識別し、もって標識のパターン
すなわち標識に固有の符号を同定する。同時に、反射光
の反射特性の変化から光の反射特性の異なる物体を並べ
た境界、すなわち上記の標点を検出する。ただし、光の
発射方向のロボットの基準の向きからの角度を計測でき
るようにする。

【００１１】（３）上記により求められた標識の固有符
号を、あらかじめロボットに与えられた地図上の標識の
符号と照合することにより、ロボットは自分が地図上の
どの位置にいるかを知る（確認する）。ただし、それだ
けでは、ロボットがその標識の近傍にいることは判る
が、ロボットの正確な位置や向きは不明である。しか
し、光の発射方向のロボットの基準の向きからの角度を
計測できていることにより、上記標点をロボットから見
たときのロボットの基準の向きからの角度が判り、少な
くとも３点の標点を用いて、三角測量の原理により、標
識を基準とするロボットの位置と向きを決定できる。こ
れにより、ロボットは、自己の位置決めあるいは補正を
正確に行うことができる。

【００１２】標識は、その好適な例として、偏光の向き
が例えば縦向きと横向きというように異なる２種類の偏
光フイルムを、光の反射物体（例えば反射テープ）上に
適当な順序で並べ、並べ方の組み合わせによるパターン
によって、各標識に固有の符号（あるいは番号）を付与
する。ここで、偏光フイルムに無偏光の光を入射する
と、反射物体で反射後、再び偏光フイルムを透過してく
る反射光はその偏光フイルムの偏光方向に対応した偏光
光である。

【００１３】ロボットに搭載する標識検出装置は、適当
な無偏光な光をスキャンする部分と、標識からの反射光
の偏光方向の違いを検出する部分から構成する。光源に
半導体レーザを使う場合、半導体レーザは直線偏光とな
っているので、光源の直後に１／４波長板をおき、円偏
光とすることで実用上、無偏光とみなすことができる。

【００１４】反射光の検出部は二つの受光部を有し、各
受光部の先頭に、標識に用いたものと同じ２種類の偏光
フイルムをそれぞれ設置する。これにより、各受光部は
特定の偏光光のみに応答する。各受光部の出力の差信号
をとると、標識以外の物体からの反射光は無偏光のた
め、両受光部の出力は小さく等しいので差信号はゼロと
なり、標識からの反射光は、偏光フイルムの偏光方向に
よって、＋出力または−出力となる。これにより、標識
の存在と標識のパターンすなわち符号を検出でき、差信
号の＋から−、−から＋への変化点を標点として検出す
る。

【００１５】本発明におけるランドマークは連続して設
置する必要はなく、コーナーや基準点などに設置するだ
けでよいから、その数が最小限に抑制され、誤動作が防
止されて正確な誘導方法が達成される。以下、本発明に
よる好適な実施形態を添付図面を参照しながら説明す
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は移動ロボット１０の移動経
路の例を表している。このような経路で移動ロボット１
０を誘導するとき、ロボットの内界センサーによるデッ
ドレコニング動作だけでは走行中の位置検出誤差の蓄積
によりコースを外れてしまうことがある。そこで曲がり
角やエレベータ昇降口付近、作業場所１４付近などの精
度の高い自己位置検出やポジショニングが必要な地点に
マーカー（誘導標識）２０，２１を設けて、それらを検
出することで、ロボット自身が地図上でどの辺にいるの
かを認識できるようにする。

【００１７】さらに、マーカー自身に光学的な特徴を付
与することにより、マーカーを検出すると同時にマーカ
ーを識別し、さらにマーカー上の複数の地点と移動ロボ
ット上の基準点との成す角度を計測して、移動ロボット
の正確な自己位置及び向きを知ることができ、より精度
の高いロボットの誘導システムを構築することができ
る。

【００１８】図２はマーカー２０の具体例を表してお
り、例えば幅Ｗが２００ｍｍ、高さＨが４０ｍｍの薄い
アルミニウム板２２上に、光が入射した方向に反射する
反射テープ２４を接着剤などで貼り付け、その上に透明
な偏光方向が直交する縦向きと横向きの２種類の偏光フ
イルム３１〜３８を平行に並べて貼り付けた構成となっ
ている。偏光フイルム自身は１種類でよく、縦向きにカ
ットしたものと横向きにカットしたものとで２種類を形
成させる。マーカー全体の厚さは約２ｍｍ程度で、薄く
て軽いので壁面に設置しても人の進行の妨げになること
はなく、電源に接続する必要もない。光源やコードなど
の付加設備がいらないので、壁面などに簡単に取り付け
ることができる。

【００１９】偏光フイルム３１〜３８は透明なので、反
射テープ２４上に数字で番地情報を書けば人間によって
もマーカー２０の情報が読み取り可能になり、人間とロ
ボットに同時に識別可能な標識となる。また、反射テー
プ２４上に「非常口」などと記載すれば、案内標識を兼
ねることもできて便利である。

【００２０】図３は、移動ロボット４０とその上に搭載
されたマーカーの読み取り装置などを表している。移動
ロボット４０の基礎部分４２には、従来の自律移動ロボ
ットと同様に電源や走行用モータ４３などが収納され、
車輪４５、４６を駆動し、前輪４７によって操向されな
がら走行する。

【００２１】マーカーの読み取り装置は、レーザ光源５
０と走査部５５と反射光受光装置６０とで構成されてい
る。コリメート光源として２０ｍＷ半導体レーザの光を
円偏光し、見掛け上無偏光な光として使用する。半導体
レーザから照射された光５１は、モータ５６によって駆
動されるターンテーブル５７上に４５度傾斜して取り付
けられた反射ミラー５８で水平面上にスキャンされ、壁
面１２上のマーカー７０に向けて回転照射される。回転
速度は、例えば１０ｒｐｓ程度でよい。

【００２２】同じターンテーブル５７上に反射光受光装
置６０が取り付けられ、その回転角度は同軸に取り付け
られた光学式ロータリーエンコーダ５９により計測され
る。受光装置６０には、直交する偏光方向を持つ２つの
偏光フイルム６１，６２の後側にそれぞれ取り付けられ
た２個のフォトダイオード６３，６４が用いられてい
る。この受光装置６０は、マーカー７０等から反射して
くる光の偏光方向と強度を同時に測定することができ
る。

【００２３】移動ロボット４０上には、さらにパーソナ
ルコンピュータ８０が搭載され、パーソナルコンピュー
タ８０にはあらかじめ移動経路の地図情報が入力されて
おり、マーカー読み取り装置からの情報をもとにして移
動ロボットの現在位置を算出し、次の方向へと移動させ
るような命令を走行用モータ４３などの走行装置へと出
すようになっている。

【００２４】本発明による移動ロボット４０は上記のよ
うに構成されており、レーザ源５０から照射された無偏
光な光５１は、マーカー７０上を水平にＱ方向にスキャ
ンされる。その反射光Ｒは、マーカー７０上に配列され
た偏光フイルム７１〜７４（図４）と反射テープによっ
てそれぞれの向きに偏光された反射光となる。

【００２５】図４に示すように、２種類の偏光の向き
（縦向きと横向き等）をＰ偏光、Ｓ偏光とすると、図に
示したマーカー７０からの反射光Ｒは、順にＰ偏光−Ｓ
偏光−Ｐ偏光−Ｓ偏光となる。この反射光をＰ偏光、Ｓ
偏光の偏光フイルム６１，６２をそれぞれ取り付けた受
光装置６０上のフォトダイオード６３，６４で光電変換
し検出する。

【００２６】このとき、マーカー以外の物体（（壁面１
２又は反射物体７６）からの反射光は無偏光なのでＰ偏
光の偏光フイルムを取り付けたフォトダイオード（Ｐ素
子）の出力と、Ｓ偏光の偏光フイルムを取り付けたフォ
トダイオード（Ｓ素子）の出力はほぼ同じ値を示し、そ
の出力差はほとんどない。これに対して、どちらかに偏
光した光が反射してきた場合は、Ｐ素子またはＳ素子の
どちらかの出力だけが大きくなり、その出力差（Ｐ−
Ｓ）をとるとプラスかマイナスの値を示して、光の反射
場所がＰ偏光のフイルムを貼った場所かＳ偏光のフイル
ムを貼った場所か判別することができる。また同時に、
（Ｐ−Ｓ）の値があるしきい値Ｍ以上を示す場所がマー
カーの存在領域であることも容易に認識することができ
る。

【００２７】このようにして、マーカー上にさまざまな
パターンで偏光フイルムを配列させてそれぞれのパター
ンに地図上の番地情報などを持たせると、それを検出し
た移動ロボットが地図上での自己位置を知ることができ
る。また、２つのフォトダイオードの出力差からＰ偏
光、Ｓ偏光を検出する方法にしたので、Ｓ／Ｎ比の高い
検出装置となっている。

【００２８】さらに、マーカー上に配置された偏光フイ
ルムの寸法はあらかじめわかっているので、その偏光フ
イルムの各パターンの境目を検出して、ロボットから見
た境目間の角度をマーカー読み取り装置の回転軸に取り
付けたロータリーエンコーダ５９で計測すると、三角測
量の原理によってマーカーに対するロボットの自己位置
と方位を算出することができる。

【００２９】すなわち、図５に示すようなＸＹ座標系
で、マーカー７０の偏光フイルムの境目をＡ，Ｂ，Ｃ
（例えば図２における偏光フイルム３１と３２の境目を
Ａ，３４と３５の境目をＣ，３７と３８の境目をＢ）と
すると、それらの座標は既知であるので、ロボットの位
置Ｔ（Ｘ，Ｙ）と方向θ_rは次式によって求めることが
できる。ｘ_r＝ｘ_a（１＋Ｋｃｏｔβ）／（１＋Ｋ²）ｙ_r＝Ｋｘ_r θ_r＝ｔａｎ^-1（ｙ_r／ｘ_r）− θ_c ただし、 α ＝ θ_c− θ_b β ＝ θ_a− θ_c Ｋ＝（ｘ_a− ｘ_b）／（−ｘ_bｃｏｔα−ｘ_aｃ
ｏｔβ）ただし、（−ｘ_bｃｏｔα−ｘ_aｃｏｔβ）＝０のと
きは、ｘ_r＝ｘ_a／ｔａｎα ｙ_r＝０となる。

【００３０】ここで、θ_a，θ_b，θ_cは、ロボットの
基準点から望んだ境目Ａ，Ｂ，Ｃの角度である。この図
から、少なくとも３点の境目が存在すれば自己位置の計
測が可能であることから、１枚のマーカーにつき偏光フ
イルムは最低２枚あればロボットの自己位置計測が可能
であることがわかる。

【００３１】図６は、本発明による移動ロボットの誘導
システムのブロック図を示す。レーザ発振器によって半
導体レーザからレーザ光が放出され、ＤＣモータドライ
バによって駆動されるＤＣモータ５６に取り付けられた
回転ミラー５８によって回転走査され、レーザ光が偏光
マーカー７０へと照射される。マーカー７０から反射し
てきた光は、Ｐ偏光とＳ偏光の偏光フイルム６１，６２
をそれぞれ通過し、フォトダイオード６３，６４によっ
て光電変換される。変換された電気信号はチューナ・ア
ンプによって信号が選択・増幅され、二値化されてしき
い値を超える値だけが二値化フイルタを介して取り出さ
れ、さらにＡ／Ｄ変換器を介してパーソナルコンピュー
タ８０へと送られる。

【００３２】一方、ロータリーエンコーダ５９はＤＣモ
ータ５６の回転角度からレーザ光の照射角度を検出し、
クロック発生器を介してＡ／Ｄ変換器へと信号を送り、
さらにパーソナルコンピュータ８０へと信号が送られ
る。パーソナルコンピュータ８０は、あらかじめ入力さ
れている移動経路の地図情報から移動ロボットの現在位
置を算出し、次の方向へと移動させるように走行用モー
タ４３などの走行装置へと命令を出す。

【００３３】このように、移動経路中の既知の場所に既
知の寸法のマーカーを配置すると、マーカーの配列パタ
ーンから地図上の自己位置を知り、さらにパターンの境
目のなす角を検出して、マーカーに対する自己位置であ
る座標と方位を知ることができるので、移動ロボットの
正確な誘導を行うことができる。

【００３４】本発明による移動ロボットの誘導方法は、
ＦＭＳ工場の組立ライン用ロボット、特定区画内での自
動車のナビゲーションシステム、郵便配達ロボット、警
備巡回ロボット、アミューズメントパークのアトラクシ
ョン用車両、建物内でのゴミ収集ロボットなどに広く応
用することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上詳細に説明した如く、本発明によれ
ば、（１）光反射マーカーを利用したロボット誘導システム
は、マーカー検出可能な任意の位置でのロボットの自己
位置と方位の精度の高い計測が可能である（２）Ｓ／Ｎ比の高い検出ができるので計測誤差が小さ
くなる（３）マーカーは小型・軽量で電源不要なので設置や移
動が容易である（４）複数のマーカーは分離して設置されるので数が少
なくて済み、低コストで設置できる（５）マーカーに文字を付加することにより、情報を目
視することができ、案内板としても利用できる等の利点が得られ、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】

【図１】本発明による移動ロボットの走行経路を表す平
面図である。

【図２】光を反射する偏光マーカーの正面図である。

【図３】移動ロボットからのレーザ光とマーカーの反射
を表す斜視図である。

【図４】マーカーからの反射強度の測定方法を表す波形
図である。

【図５】マーカーから移動ロボットの位置を算出する方
法を表す座標平面図である。

【図６】構成要素の接続方法と信号の流れを表すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１０，４０移動ロボット１２壁面２０，２１，７０マーカー２２アルミニウム板２４反射テープ３１〜３８偏光フイルム４３走行用モータ５０レーザ源５６モータ５７ターンテーブル５８回転ミラー５９エンコーダ６１，６２偏光フイルム６３，６４フォトダイオード７１〜７４偏光フイルム８０パソコン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者美馬一博東京都稲城市押立1798番地 (72)発明者田中幸悦東京都新宿区四谷２丁目４番地新菱冷熱工業株式会社内 (56)参考文献特開昭61−169908（ＪＰ，Ａ) 特開平２−80991（ＪＰ，Ａ) 特開平３−171304（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−129609（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】移動ロボットの進行方向に沿った経路中
に光の反射特性の異なる２種類以上の光反射物体を所定
の順序と所定の間隔で並べたマーカーを設置し、移動ロボット上に搭載したレーザ源から前記マーカーへ
とレーザ光を回転照射し、移動ロボット上に搭載した反射光受光装置によって前記
マーカーを検出し、前記反射光受光装置によってマーカー上の光反射物体の
並び方を検知してマーカーの番地を識別し、前記反射光受光装置によって前記マーカー上の複数の地
点と移動ロボット上の基準点との成す角度を計測し、マーカーに対する移動ロボットの位置と向きを算出し、前記マーカーの番地・移動ロボットの位置・移動ロボッ
トの向きの３種類の情報に基づいて移動ロボットを誘導
することを特徴とする移動ロボットの誘導方法。
【請求項２】さらに長距離を走行する場合には複数の
マーカーを順番に検出しながら誘導する工程を包含する
請求項１記載の誘導方法。
【請求項３】移動ロボットの進行方向に沿った経路中
に設置した標識を目標にして移動ロボットを誘導するシ
ステムであって、経路中に設置されかつ光の反射特性の異なる２種類以上
の光反射物体が所定の順序と所定の間隔で並べられてい
るマーカーと、移動ロボット上からレーザ光を回転させながら走査する
レーザ走査手段と、前記レーザ光が前記マーカーに当たって反射してくる光
を検出するように移動ロボット上に搭載されている反射
光受光装置とを備え、前記反射光受光装置はロータリーエンコーダとコンピュ
ータを包含し、前記反射光受光装置はマーカー上の光反射物体の並び方
を検知してマーカーの番地を識別可能であり、さらに前記反射光受光装置は前記マーカー上の複数の地
点と移動ロボット上の基準点との成す角度を計測してマ
ーカーに対する移動ロボットの位置と向きを算出可能で
あることを特徴とする移動ロボットの誘導システム。
【請求項４】前記マーカー上に人間により目視可能な
文字が表示され、マーカーの情報が移動ロボットによっ
て読み取り可能であると共に人間により文字情報を得る
ことが可能となっている請求項３記載の誘導システム。