JP4735955B2

JP4735955B2 - 物品分類収納システム及びマニピュレーションシステム

Info

Publication number: JP4735955B2
Application number: JP2005169086A
Authority: JP
Inventors: 高成北垣; 光太郎大場
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2025-06-09
Also published as: JP2006341957A

Description

本発明は、書籍などの物品を分類し該当する棚への収納を自動的に行うための物品分類
収納システム及びマニピュレーションシステムに関する。

従来、非接触ＩＣ(Integrated Circuit)タグを物品に貼付することで、物品を管理する
システムとして、例えば、特許文献１記載の物品配置管理システムなどが提案されている
。
このシステムは、比較的広い範囲から無線タグの信号を読み取るアンテナを備えたハン
ディリーダを利用し、棚などに並んで配置している物品に対して広い範囲を読み取るアン
テナを当てた場合には、複数の無線タグからの信号が衝突してしまうので衝突した信号を
して処理する手段と、無線タグからのデータを重複して読み取ってしまうので、重複して
読み取った無線タグのデータを編集する手段とを有するものである。

そこで、特許文献２には、ロボットを用いた図書館蔵書出納システムが提案されている
。このシステムは、所望の図書を書架の蔵書の中から確認して１冊ずつ取り出し、また返
却蔵書を元の書架へ１冊ずつ返納するロボットを組み入れた蔵書自動出納システムであっ
て、図書館スタッフの蔵書出納業務を合理化し軽減するものである。
特開２００５−８３４６号公報特開２００１−２３３４０５号公報

しかしながら、上記特許文献１記載のシステムにおいては、物品を分類するための情報
管理のみで、その後は、この情報に従って、人力によって物品を所定の場所に手作業で収
納する原子的なもので、物品そのものをどのように扱うかについては言及されていなかっ
た。従って、このシステムでは、情報を管理することはできるが、物品そのものをハンド
リングすることはできないという問題があった。
また、上記特許文献２記載のシステムは、同公報の図を参照すると分かるように、同ロ
ボットは、大掛かりなものであり、設置が容易ではないという問題があった。

本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであって、物品の分類に係る情報管理だ
けでなく、物品そのものを物理的にハンドリングして収納する物品分類収納システム及び
該システムに用いられるマニピュレーションシステムを提供することを目的としている。
また、本発明は、ＩＣタグによる情報を元に、物品分類収納をコンパクトなロボットを
用いて自動的に行う物品分類収納システム及び該システムに用いられるマニピュレーショ
ンシステムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、請求項１記載の物品分類収納システムは、物品を搭載して所定の収納部まで移動するための移動台車と、移動後に該物品を把持する把持機構と、該物品を把持している把持機構を前記収納部の所定の場所に移動させて操作させるための操作機構と、該物品を搭載する移動台車上に該物品を仮収納するラックとを備えた移動型ロボットを用い、該物品を前記収納部に収納する物品分類収納システムであって、該物品に貼付され、該物品を識別するための識別情報を記憶している識別情報記憶手段を備え、前記移動型ロボットは、前記識別情報記憶手段に記憶されている識別情報を取得する識別情報取得手段と、前記収納部の収納状態に関する情報を取得する収納状態取得手段とを備え、前記識別情報取得手段及び前記収納状態取得手段で取得した情報に基づいて、該物品を分類して前記収納部に収納するものであって、前記識別情報取得手段により前記ラック上の物品の識別情報を全て読み込んだ後、対象物品を把持して該識別情報取得手段の検出範囲外に移動させ、再度該識別情報取得手段で前記ラック上の物品の識別情報を全て読み込み、最初に読み込んだ識別情報との差分を検出することで、対象物品を検出することを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の物品分類収納システムに係り、前記識別情報記憶手段はＩＣタグであり、前記識別情報取得手段はＩＣタグリーダ及びアンテナであり、前記収納状態取得手段はカメラであることを特徴とする。

また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の物品分類収納システムに係り、前記識別情報、前記収納状態とともに、データベースなどの外部知識を利用して、前記物品を前記所定の場所に収納することを特徴とする。
また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の物品分類収納システムに係り、前記物品を前記収納部の前記所定の場所に収納したか否かを検出するために、前記収納部に既に収納されている物品に前記識別情報記憶手段を貼付し、前記収納部の全体にわたって識別情報取得部を配置したことを特徴とする。

また、請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の物品分類収納システムに係り、前記物品は図書であり、前記収納部は図書を収納する書架又は書棚であることを特徴とする。
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の物品分類収納システムに係り、前記移動型ロボットに装備された識別情報取得手段を、前記書架又は書棚にも装備させ、前記書架又は書棚において前記書籍を管理できるよう構成したことを特徴とする。

また、請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の物品分類収納システムに係り、前記移動型ロボットは、コンポーネント化技術を用いて構成されていることを特徴とする。
また、請求項８記載のマニピュレーションシステムは、請求項１〜７のいずれか１項に記載の物品分類収納システムに用いられる前記把持機構に設けられ、該把持機構における把持力、あるいは前記把持機構に加わる外力を感知する力覚センサ又は触覚センサを備え、該力覚センサ又は触覚センサを用いて、該物品を前記収納部の所定の場所に収納することを特徴とする。

以上説明したように、本発明の構成によれば、ＩＣタグによる情報を元に、物品分類収
納をコンパクトなロボットを用いて自動的に行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。尚、以下の説明に
おいては、物品として書籍を対象とし、この書籍を書棚に収納するシステムについて説明
する。
まず、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る物品分類収納システムについ
て説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る物品分類収納システムの全体構成を示す斜視図であり
、図２は、把持機構の構成を示す拡大側面図である。

このシステムは、予め書籍５１にＩＣタグ（識別情報記憶手段）を貼付しておき、移動
型ロボット１が、ＩＣタグリーダ（識別情報取得手段）を用いて書籍５１に貼付されたＩ
Ｃタグ情報を読み取り、この情報に基づいて書籍５１を目的の書棚まで移動し、該当する
スペースに書籍５２を収納するシステムである。なお、以下の説明では、収納前書籍を５
１、収納中書籍を５２、収納済書籍を５３と区別して説明する。
移動型ロボット１は、移動用の車輪を有する移動台車１０と、書籍５１を把持して書棚
５４の所定のスペースに書籍５２を収納する把持機構４０と、把持機構４０を移動させる
操作機構２０と、書籍５１を持ち運ぶための仮書棚３０とを備える。

（１）移動台車１０は、この例ではほぼ円筒形の形状を有する台車本体１１と、台車本体
１１の下部に取付けられた駆動車輪１２と、全体のバランスをとるキャスター車輪１３と
を備える。
移動台車１０の台車本体１１中には、ステッピングモータと、モータ用パルス発振器と
が格納されている。移動台車１０の外形は、形状が円筒形で、直径６５０ｍｍ高さ５００
ｍｍ、車輪直径２６０ｍｍである。ステッピングモータは、駆動する車輪の数（この例で
は、２輪なので２個）だけ有し、各車輪は個別に駆動される。移動台車１０の移動は、別
の場所に配置されたパーソナルコンピュータ（図示せず）によって制御される。これらの
機能（移動制御だけでなく画像処理等も含む）は、ソフトウェアコンポーネント化された
上で、パーソナルコンピュータ上で動作する。その詳細は、「ＲＴコンポーネント」で詳
述する。

（２）操作機構２０は、複数の関節とリンクとから構成される多関節型ロボットであり、
グリッパ４１等の手先効果器を任意の位置及び姿勢に制御することができる。この例では
、２本のアーム２３,２５と、２個の関節２２,２４を用いているが、これに限定されるも
のではない。
（３）仮書棚３０は、ラック３１と、アンテナ３２と、ＩＣタグリーダ３３とを備える。
ラック３１は、移動台車１０上に搭載され、収納すべき書籍５１を仮収納し、書棚５４
まで持ち運ぶ。
アンテナ３２は、収納前書籍５１に貼付されているＩＣタグ情報を感知する。
ＩＣタグリーダ３３は、アンテナ３２により感知されたＩＣタグ情報を読み取る。

（４）把持機構４０は、グリッパ４１と、力覚センサ４２と、カメラ４３と、レーザセン
サ４４と、カメラ・レーザ取付金具４５とを備える（図２を参照）。
グリッパ４１は、書籍５２を書棚５４の所定のスペースに押し込んで収納するためにラ
ック３１上の収納前書籍５１を把持して移動させる。
力覚センサ４２は、グリッパ４１により書籍５２を把持する際の力の加減を調整したり
、外部からの予期せぬ力が加わったときにその力を感知する機能を有する。

カメラ４３は、移動台車１０が所定の位置に到達した後、書棚５４に収納されている収
納済書籍５３の収納状態に関する情報を獲得し、収納前書籍５１を収納するスペースにつ
いての情報を得ることにより書籍の収納を容易にするために取り付けられる。また、現在
の書棚５４に収容されている収容済書籍５３の収納状態を撮影する。カメラ４３で撮影し
た画像は、別の場所に配置されたパーソナルコンピュータ（図示せず）によって画像処理
される。

レーザセンサ４４は、書籍５３の位置や環境等に対してレーザを照射し、書籍５３の位
置及びスペース等を正確に計測する。
カメラ・レーザ取付け金具４５は、本体と力触センサ４２との間に配置され、その両端
部にカメラ４３、レーザセンサ４４等を固定する。
図３は、本発明の実施形態に係る書籍分類収納システムにおいて用いるＩＣタグリーダ
を示す図であり、（ａ）はＩＣタグを書籍に貼付した状態、（ｂ）はＩＣタグリーダを示
す図である。

ラック３１内にある収納前書籍５１の分類を識別し、収納先の書棚５４のスペース５５
等の位置情報を得るためには、バーコード、ＱＲ（Quick response）コード等の識別方法
があるが、ここではＩＣタグを用いる。
まず、図３（ａ）に示すように、収納前書籍５１に貼付されたＩＣタグ５６のＩＤを検
出して、データベースに問い合わせることで、その分類と書棚位置を獲得する。その際、
図３（ｂ）に示すように、ＩＣタグ５６を読み取ることができるように、ＩＣタグリーダ
３３及びアンテナ３２をセッティングする。

ＩＣタグリーダ３３は検出範囲内にある複数のタグ情報を一気に読み込むことができる
という特徴を持つことを利用し、以下のような手順で対象書籍のＩＤを獲得する。
（ａ）ラック３１内の全ての収納前書籍５１のＩＤを読み取る。
（ｂ）対象書籍をＩＣタグリーダ３３の検出範囲外にハンドリングする。
（ｃ）再びラック３１内の全ての書籍のＩＤを読取り、（ａ）との差分を取る。得られた
差分が対象書籍のタグＩＤとなる。

次に、本発明の物品分類収納システムを用いて書籍を分類して整理収納する方法につい
て説明する。
図４は、書籍を分類して整理収納する方法を示す斜視図である。
まず、移動型ロボット１が目的とする書棚５４の位置まで移動する。次に、カメラ４３
を用いて、書棚５４に収容されている収容済書籍５３及びスペース５５等を検出する。そ
して、グリッパ４１で把持している収納前書籍３１を書籍を書棚５４の所定のスペース５
５に収納する。その際、書籍をハンドリングするためには、対象書籍の正確な位置情報が
必要であり、特に複数の書籍が接して並んでいる場合には、書籍と書籍との間の境界位置
を正確に検出する必要がある。このためには、視覚や力覚・触覚の情報を用いる方法等が
考えられる。ここでは、図１に示したレーザセンサ４４を用いて、シンプルな処理で実現
可能なレーザスリット光による検出手法を用いる。また、このような接触に伴う作業にお
いては、観測位置誤差により過大な力がかかってしまうことがあるが、多少の誤差があっ
ても掴み上げることのできるスキルが必要である。

以下、具体的に書籍を収納する例について、以下に説明する。
（１）アーム２３,２５を折り畳んで、目標の書棚５４まで移動する。
（２）書棚５４の前に到着後、アーム２３,２５を伸ばして手首のカメラ４３を書棚５４
に向ける。
（３）レーザセンサ４４で本の位置や環境を計測し、カメラ４３を目標の本の正面に移動
し、手先姿勢を本の傾きと同じ角度に傾ける。
（４）収納前書籍５１を把持しているグリッパ４１を書棚５４のスペース５５の位置まで
移動させ、スペース５５の幅に本の一部を挿入しひねりながら押し込む。その際、スペー
ス５５の幅は非常に狭い場合もあるので、過大な力がかからないよう力覚センサ４２等で
常時監視しながら押し込む。
（５）グリッパ４１から本を開放し、さらにグリッパ４１の先で本を押し込む。
（６）本を収納後、グリッパ４１の手先の姿勢を固定したまま、グリッパ４１を引き出す
。

図５は、本発明の物品分類収納システムにおいて用いられるＲＴコンポーネントの構成
の一例を示す模式図である。
ＲＴ（Robot Technology）コンポーネントには、データポートとコマンドポートの２つ
の通信ポートが用意されている。本システムのようなポート系においては、データポート
の使用が効果的と考えられるが、ここでは、まず、個々のコンポーネントの関係を明確に
するために、コマンドポートを用いたシステム構成について説明する。

ＲＴコンポーネントは、自身がアクティブに動作し、相互に通信しながらシステムの機
能を実現する。通常の分散オブジェクトに対する特徴として、以下の３つの特徴を有する
。
（１）コンポーネント自体が常に動作し続けるアクティビティ（Activity）を持つこと。
（２）入出力の相互接続互換性を保証する共通インタフェース（Inport/Outport）を持つ
こと。
（３）アクティビティは、コンポーネント間の互換性を保証する共通の状態遷移を持つこ
と。

図５に示すように、１つのＲＴコンポーネントは、以下の３種類のＣＯＲＢＡオブジェ
クトから構成される。
（１）ＲＴコンポーネントオブジェクト
ＲＴコンポーネントの本体である。コンポーネントのコマンドインタフェースはここで
定義される。アクティビティ部を別スレッドとして持つ。相互接続互換性を保証する入出
力ポートには各々インポート（Inport）、アウトポート（Outport）の「実装」を内部で
生成することで実現する。それらもまた、別スレッドで実行される。
（２）Inportオブジェクト
ＲＴコンポーネントのデータ入力ポートである。ＩＤＬ（Interractive Data Language
）で定義されたputオペレーションにより外部からデータを受け取る。
（３）Outportオブジェクト
ＲＴコンポーネントのデータ出力ポートである。Inportのオベジェクトリファレンスを
引数にしてsubscribeすることにより、指定されたInportに対してアクティビティ部での
データ生成に応じてpush型のデータ出力を行う。

ロボットシステムの要素には、センサデータのフィルタリングやサーボなど、周期的な
処理を行なうものが多い。従来は、処理周期を崩さないように、その都度、プロセスや通
信プロトコルの設計をしてきた。ＲＴコンポーネントには、アクティビティ、データポー
トなど、周期タスクを実現するのに必要な枠組みがあらかじめ準備されているため、アル
ゴリズムに集中して開発することが可能となり、効率的なシステム開発が可能となる。ま
た、コンポーネントの粒度を規定していないため、サーボ系から上位系までシームレスに
設計できるというメリットがある。

次に、ＲＴコンポーネントの設計について説明する。
まず、コンポーネント同士の関係を明確化するために、コマンドポートによる設計を試
みる。個々の設計では、通常の分散オブジェクトシステムの設計と同様である。
個々のモジュールが、分散オブジェクトではなく、ＲＴコンポーネントであることのメ
リットは、実装フェーズで顕著に表れる。先にも述べたように、ＲＴコンポーネントは周
期タスクを実現するための枠組があるため、必要に応じてデータポートを用いることで複
数コンポーネントによるサーボ系を組むことが容易である。例えば、視覚フィードバック
により車輪を制御するライントレース、力覚フィードバックにより車輪を制御するライン
トレース、力覚センサデータのフィードバックによるアームの力制御などが該当する。従
来の方法では、それぞれのモジュールがサーボ系を構成するものなのかそうでないかを充
分考慮せずに設計すると、形は美しくとも実装の難しいものが出来てしまうが、それぞれ
のモジュールがＲＴコンポーネントであれば、上位レベルからサーボレベルに至るまで実
装可能な設計を進めることが可能となる。

図６は、上述したＲＴコンポーネントを用いたライントレース走行のアルゴリズムを示
すフローチャートである。
ライントレースシステムは、床面にラインが引いてある環境で、カメラ４３によりその
画像を取得し、ラインが画像の中心に来るように移動台車１０を制御し、トレース走行す
るものである。

まず、ステップＳ１において、停止命令が入っているか否かを判別し、停止命令が入っ
ていない場合、ステップＳ２において、カメラ４３により床面面積画像を取得する。次に
、ステップＳ３において、取得した画像を２値化し、ステップＳ４において、重心位置を
算出する。次に、ステップＳ５において、その重心が画像内の右側にあるか左側にあるか
を判別し、重心が画像内の右側にある場合は、ステップＳ６において、左輪を回転させ、
重心が画像内の左側にある場合は、ステップＳ７において、右輪を回転させ、重心が画像
内の中心にある場合は、ステップＳ８において、画像を回転させる。左輪、右輪、又は両
輪を回転後は、最初のステップＳ１に戻り、同じ動作を行う。なお、ステップＳ１におい
て、停止命令が入った場合、ステップＳ９でそのまま終了する。
このライントレース走行により，移動台車１０の車輪を、視覚フィードバックにより制
御することができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、これらの実施形態に限定
されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、上述した実施形態においては、移動型ロボット１は、２本のアーム２３,２５
と、２本の関節２２,２４を有するロボットを用いたが、これに限定されず、手先効果器
を任意の位置及び姿勢に制御することができれば、種々の機構を有するロボットを用いる
ことができる。さらには、移動機能とハンドリング機能を有するヒューマノイド（人間型
ロボット）でも実現可能である。その際、ヒューマノイドにラック３１を装備することも
できるし、あるいは、ラック３１の搭載された台車をヒューマノイドが押して歩く実施形
態も想定される。

また、上述した実施形態においては、書籍５１を書棚５４の所定のスペースに収納する
例について説明したが、これに限定されず、商品を陳列棚の所定のスペースに収納して商
品管理を行ったり、様々な状況で適用することができる。
また、上述した実施形態においては、ＩＣタグを用いて書籍を識別したが、これに限定
されず、他の種々の識別方法を用いることができる。また、書棚の書籍の方にＩＣタグを
取付け、書籍が正しく収納されているかを検出することができる。

本発明の実施形態に係る書籍分類収納システムの全体構成を示す斜視図である。把持機構の構成を示す拡大側面図である。本発明の実施形態に係る書籍分類収納システムにおいて用いるＩＣタグリーダを示す図であり、（ａ）はＩＣタグを書籍に貼付した状態、（ｂ）はＩＣタグリーダを示す図である。グリッパを用いて書籍を書棚の収納する方法を示す斜視図である。ＲＴコンポーネントの構成の一例を示す模式図である。ライントレース走行のアルゴリズムを示すフローチャートである。

符号の説明

１…移動型ロボット、１０…移動台車、２０…操作機構、３０…仮書架、４０…把持機構
、５０…書棚、１１…台車本体、１２…駆動車輪、１３…キャスター車輪、２２,２４…
関節、２３,２５…アーム、３１…ラック、３２…アンテナ、３３…ＩＣタグリーダ、４
１…グリッパ、４２…力覚センサ、４３…カメラ、４４…レーザセンサ、４５…カメラ・
レーザ取付金具、５１…収納前書籍、５２…収納途中書籍、５３…収納済書籍、５４…書
棚、５５…スペース、５６…ＩＣタグ

Claims

物品を搭載して所定の収納部まで移動するための移動台車と、移動後に該物品を把持する把持機構と、該物品を把持している把持機構を前記収納部の所定の場所に移動させて操作させるための操作機構と、該物品を搭載する前記移動台車上に該物品を仮収納するラックとを備えた移動型ロボットを用い、該物品を前記収納部に収納する物品分類収納システムであって、
該物品に貼付され、該物品を識別するための識別情報を記憶している識別情報記憶手段を備え、
前記移動型ロボットは、前記識別情報記憶手段に記憶されている識別情報を取得する識別情報取得手段と、前記収納部の収納状態に関する情報を取得する収納状態取得手段とを備え、前記識別情報取得手段及び前記収納状態取得手段で取得した情報に基づいて、該物品を分類して前記収納部に収納するものであって、
前記識別情報取得手段により前記ラック上の物品の識別情報を全て読み込んだ後、対象物品を把持して該識別情報取得手段の検出範囲外に移動させ、再度該識別情報取得手段で前記ラック上の物品の識別情報を全て読み込み、最初に読み込んだ識別情報との差分を検出することで、対象物品を検出することを特徴とする物品分類収納システム。
前記識別情報記憶手段はＩＣタグであり、前記識別情報取得手段はＩＣタグリーダ及びアンテナであり、前記収納状態取得手段はカメラであることを特徴とする請求項１記載の物品分類収納システム。
前記識別情報、前記収納状態とともに、データベースなどの外部知識を利用して、前記物品を前記所定の場所に収納することを特徴とする請求項１記載の物品分類収納システム。
前記物品を前記収納部の前記所定の場所に収納したか否かを検出するために、前記収納部に既に収納されている物品に前記識別情報記憶手段を貼付し、前記収納部の全体にわたって識別情報取得部を配置したことを特徴とする請求項１記載の物品分類収納システム。
前記物品は図書であり、前記収納部は図書を収納する書架又は書棚であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の物品分類収納システム。
前記移動型ロボットに装備された識別情報取得手段を、前記書架又は書棚にも装備させ、前記書架又は書棚において前記書籍を管理できるよう構成したことを特徴とする請求項５記載の物品分類収納システム。
前記移動型ロボットは、コンポーネント化技術を用いて構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の物品分類収納システム。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の物品分類収納システムに用いられる前記把持機構に設けられ、該把持機構における把持力、あるいは前記把持機構に加わる外力を感知する力覚センサ又は触覚センサを備え、該力覚センサ又は触覚センサを用いて、該物品を前記収納部の所定の場所に収納することを特徴とするマニピュレーションシステム。