JP7069703B2

JP7069703B2 - 自律移動ロボット

Info

Publication number: JP7069703B2
Application number: JP2017249672A
Authority: JP
Inventors: 健光森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2022-05-18
Anticipated expiration: 2037-12-26
Also published as: JP2019117431A

Description

本発明は、被搬送物を牽引して、周辺環境の情報を取得しながら自律的に移動を行う自律移動ロボットに関する。

従来から、自律移動ロボットにより、被搬送物を搬送する技術が知られている。
例えば、非特許文献１には、物品を載置した台車を牽引しながら、自動で走行するロボットが開示されている。このロボットは、左右２つの駆動輪を有しており、これら左右の駆動輪の回転数を制御することで、磁気レールに追従しながら移動する。

また、特許文献１には、自機に連結された被搬送物が障害物回避時に周囲の環境に干渉することを防止する、自律移動体が開示されている。この自律移動体では、自機と被搬送物とを連結する連結部が固定されており、自機の正面方向が移動経路の向きと一致するように制御されている。

台車に物品を載せて搬送する場合、物品を載置する位置によっては、旋回する際に台車が傾いたり、物品が落下したりする等の恐れがある。そこで、特許文献２には、複数の物品のうちより重い物品を他の物品に比べて、台車の予め想定された旋回中心の近くに配置するロボットが開示されている。

青山元、石川和良、関淳也、石村左緒里、薩見雄一、橋ヶ谷修司、大石芳明、「連結医薬品容器交換ロボット」、２００９年１月、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．１、ｐｐ．３９～４０、２００９

特許第５３３７４０８号公報特開２０１６－１２４０３６号公報

上述の通り、非特許文献１に記載のロボットは左右２つの駆動輪で移動するため、経路追従制御をする際には、左右の駆動輪の中心（車軸の中心）が経路に追従させる点（制御点）となる。このため、制御点から連結された被搬送物の重心までの距離が長く、旋回時に被搬送物にかかる慣性力が大きくなる。この慣性力は、被搬送物の重さが重い場合、さらに大きくなる。その結果、被搬送物が大きく振られ、周辺環境と干渉する恐れがある。

そこで、特許文献１では、旋回時に被搬送物が振られて周辺環境に干渉することを防止するために、自機と被搬送物との連結部を固定し、自機の正面方向と移動経路の向きとを一致させている。しかし、特許文献１の自律移動体では、正面方向を維持するために、狭いクランク路を通過することができない場合がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、旋回時の被搬送物と周辺環境との干渉を防止するとともに、狭い場所の通行を可能とする、被搬送物を牽引して搬送する自律移動ロボットを提供することである。

本発明の一態様に係る自律移動ロボットは、被搬送物を牽引して搬送する自律移動ロボットであって、前記自律移動ロボットと前記被搬送物とを含む搬送システム全体の重心位置を求める物理量管理部と、経路に追従させる点を前記重心位置に設定して、経路追従制御を行う移動制御部とを備える。

本発明によれば、旋回時の被搬送物と周辺環境との干渉を防止するとともに、狭い場所の通行を可能とする、被搬送物を牽引して搬送する自律移動ロボットを提供することができる。

実施の形態の自律移動ロボットの全体構成を示す図である。実施の形態の自律移動ロボットの制御装置の機能構成を示すブロック図である。実施の形態の自律移動ロボットと被搬送物とを含む搬送システム全体の重心位置を説明する図である。実施の形態の自律移動ロボットの経路追従動作を説明する図である。実施の形態の自律移動ロボットの経路追従動作による被搬送物の振れ量を示す図である。実施の形態の自律移動ロボットのクランク路通過動作を説明する図である。実施の形態の自律移動ロボットの物理量管理部の一例を示す図である。比較例の搬送ロボットの経路追従動作による被搬送物の振れ量を示す図である。比較例の搬送ロボットのクランク路通過動作を説明する図である。

本発明は、被搬送物を牽引して、周辺環境の情報を取得しながら自律的に移動を行う自律移動ロボットに関する。実施の形態に係る自律移動ロボットは、当該自律移動ロボットと被搬送物とを含む搬送システム全体の重心位置を求め、経路追従制御を行う際に経路に追従させる点を当該重心位置に設定することを特徴とする。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図における同等の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

実施の形態１
図１、２は、実施の形態１に係る自律移動ロボットの構成を示す図である。自律移動ロボットとしては、例えば、ＨＳＲ（Human Support Robot）があげられる。図１、２に示すように、自律移動ロボット１０は、全方位移動機構１１、連結部１２、制御装置３０を備えている。自律移動ロボット１０の後部には、連結部１２を介して被搬送物２０が連結されている。この連結部１２は、自律移動ロボット１０と被搬送物２０とを一体的に固定して連結する。自律移動ロボット１０は、連結された被搬送物２０を牽引して搬送する。

被搬送物２０は、ワゴン２１と当該ワゴン２１上に搭載された搭載物２２を含む。例えば、ＨＳＲのアーム及びグリッパを用いてワゴン２１をつかむことで、固定的に連結することができる。ワゴン２１の下部には車輪２３が取り付けられている。自律移動ロボット１０がワゴン２１を牽引することで車輪２３が回転し、搭載物２２が移動される。なお、図１に示す例では、自律移動ロボット１０の背面側に被搬送物２０が配置されているが、被搬送物２０を自律移動ロボット１０の前面側に配置してもよい。被搬送物２０は、自律移動ロボット１０の背面側、前面側の少なくとも何れか一方に配置される。

全方位移動機構１１は、自律移動ロボット１０を移動させるホイールやホイールを駆動する駆動装置等を備えている。全方位移動機構１１は、制御装置３０から与えられる移動指令に従って自律移動ロボット１０を任意の姿勢で任意の方向に移動させる制御（全方位移動制御）を実現する。

制御装置３０は、自律移動ロボット１０の自律移動を制御する。図２に示すように、制御装置３０は、経路計算部３１、物理量管理部３２、移動制御部３３を有する。例えば、制御装置３０は、制御プログラムを実行することで本実施の形態の自律移動ロボット１０の経路追従制御を実現するＣＰＵ（Central Processing Unit）である。

なお、様々な処理を行う機能ブロックとして図面に示される各要素は、ハードウェア的には、ＣＰＵ、メモリ、その他の回路で構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。自律移動ロボット１０の構成要素のうち、経路計算部３１、物理量管理部３２、移動制御部３３のすべて、もしくは一部は、クラウド用の計算機で処理されることも想定される。

経路計算部３１は、自律移動ロボット１０が進むべき目標経路を計算する。経路計算部３１は、例えば、グリッドマップを用いた最短経路探索を行う。物理量管理部３２は、自律移動ロボット１０と被搬送物２０とを含む搬送システム全体の重心位置を求める。図３は、自律移動ロボット１０と被搬送物２０とを含む搬送システム全体の重心位置を説明する図である。

図３に示すように、自律移動ロボット１０の重心位置にロボット座標系（ｘ－ｙ座標系）の原点を設置するものとする。自律移動ロボット１０の質量をｍとし、被搬送物２０の質量（ワゴン２１と搭載物２２の総質量）をＭとする。自律移動ロボット１０の座標系の原点から、被搬送物２０の重心までの距離をＬとすると、自律移動ロボット１０と被搬送物２０とを含む搬送システム全体の重心位置Ｄは、以下の式（１）で求められる。
Ｄ＝ＭＬ／（Ｍ＋ｍ）・・・（１）
なお、自律移動ロボット１０の質量、被搬送物２０の質量及び重心位置は、人手で物理量管理部３２に入力することができる。

移動制御部３３は、物理量管理部３２により求められた自律移動ロボット１０と被搬送物２０とを含む搬送システム全体の重心位置Ｄを目標経路に追従させる点（制御点）に設定して、経路追従制御（例えばＰＤ制御）を行う。すなわち、自律移動ロボット１０と被搬送物２０とを含む搬送システムの旋回中心を、被搬送物２０の重量に応じて、自律移動ロボット１０の中心から被搬送物２０側に変更する。

図４は、自律移動ロボット１０の経路追従動作を説明する図である。図４に示すように、移動制御部３３は、制御点である重心位置Ｄが目標経路上の目標位置に移動し、自律移動ロボット１０が目標姿勢をとるように移動指令を生成し、全方位移動機構１１へ送信する。これにより、自律移動ロボット１０は、当該移動指令に従って、重心位置Ｄが目標位置にくるように移動するとともに、目標姿勢をとるように重心位置Ｄを中心として回転して向きを変える。

ここで、比較例の搬送ロボットの問題点について説明する。図８は、比較例の搬送ロボット１の経路追従動作による被搬送物２の振れ量を示す図である。図８の搬送ロボット１は、非特許文献１のように左右２つの独立した駆動輪を有しており、経路追従制御をする際の制御点は左右の駆動輪の中心（車軸中心Ｃ）である。図８に示すように、車軸中心Ｃを制御点として経路追従制御を行うと、制御点から連結された被搬送物２の重心までの距離が長く、旋回時に被搬送物２にかかる慣性力が大きくなる。特に、特に被搬送物が重量物である場合には慣性モーメントが大きくなり、被搬送物２が大きく振られて周辺環境と干渉したり、搭載物が落下したりする危険性がある。

そこで、旋回時の周辺環境への干渉を防止するために、特許文献１の構成を採用したとしても、以下の問題点が生じる。図９は、比較例の搬送ロボット３のクランク路通過動作を説明する図である。図９の搬送ロボット３は、特許文献１のように任意の姿勢で任意の方向に移動させることができる自律移動体である。搬送ロボット３と被搬送物２との連結部は固定されており、搬送ロボット３はその正面方向と移動経路の向きとが一致するように制御される。搬送ロボット３は常に正面方向を向くため、障害物が右前方と左後方にあるような狭いクランク路では、搬送ロボット３と被搬送物２の全体の長さが２つの障害物間よりも長い場合には、被搬送物２が障害物に接触してしまう。

これに対し、実施の形態の自律移動ロボット１０では、図５に示すように、自律移動ロボット１０と被搬送物２０とを含む搬送システム全体の重心位置Ｄを制御点に設定している。このため、自律移動ロボット１０と被搬送物２０とを含む搬送システムは、重心位置Ｄを中心として回転するため、重心位置Ｄから被搬送物２０の重心までの距離が短くなり、被搬送物２０の振れ量が小さくなる。これにより、周辺環境との接触や、搭載物の落下を抑制することが可能となる。

また、自律移動ロボット１０と被搬送物２０とを含む搬送システム全体の重心位置Ｄが制御点となるため、図９に示す搬送ロボット３と比較すると小回りで走行することが可能となる。このため、図６に示すように、障害物が右前方と左後方にあるクランク路でも、障害物間で重心位置Ｄを中心に回転し、障害物を回避して通行することが可能となる。

上記の例では、物理量管理部３２に被搬送物２０の質量及び重心位置を人手で入力したが、これに限定されない。例えば、ワゴン２１に物理量管理部３２としての荷重センサを取り付け、搭載物２２の質量、重心位置を測定することにより被搬送物２０の質量、重心位置を計測することも可能である。図７に、実施の形態の自律移動ロボットの物理量管理部の一例を示す。図７では、物理量管理部３２の荷重センサとしてロードセルを用い、搭載物２２の質量、重心位置を求める例が示されている。

ワゴン２１上には、ワゴン２１と略同一形状のプレート２４が設けられる。図７では、説明の簡略化のため、プレート２４のみが図示されている。４つのロードセルＬ１～Ｌ４は、ワゴン２１とプレート２４との間であって、平面視でプレート２４の四隅近傍にそれぞれ配置される。プレートは、ロードセルを介してワゴン２１に支持される。

プレート２４の中心をｘ－ｙ座標系の原点（０、０）とする。ロードセルＬ１～Ｌ４が配置される位置は、それぞれ（Ｘ１、Ｙ１）、（Ｘ２、Ｙ２）、（Ｘ３、Ｙ３）、（Ｘ４、Ｙ４）とする。ロードセルＬ１～Ｌ４にかかる荷重（Ｆ１～Ｆ４）を測定することで、搭載物２２の質量Ｆ及び重心位置の座標（Ｘｃ、Ｙｃ）をそれぞれ以下の式（２）～（４）で求めることができる。

Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ４・・・（２）

なお、ロードセルの数や配置等上記の例に限定されるものではない。また、被搬送物２０の連結部１２に力センサを搭載し、その力センサの値を使って被搬送物２０の物理量を推定することも可能である。従って、物理量管理部３２は、被搬送物２０の重心位置Ｄだけでなく、被搬送物２０にかかる慣性力等を計測、保持することもできる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。実施の形態では、自律移動ロボット１０と被搬送物２０とが一体的に固定して連結されているが、これに限定されない。自律移動ロボット１０が、当該自律移動ロボット１０と被搬送物２０との相対姿勢がわかる機能を有していればよい。自律移動ロボット１０と被搬送物２０との相対姿勢がわかる場合には、自律移動ロボット１０と被搬送物２０と変形可能な関節状の連結部によって連結されていてもよい。

１０自律移動ロボット
１１全方位移動機構
１２連結部
２０被搬送物
２１ワゴン
２２搭載物
２３車輪
２４プレート
３０制御装置
３１経路計算部
３２物理量管理部
３３移動制御部
Ｄ重心位置
Ｌ１～Ｌ４ロードセル

Claims

被搬送物を牽引して搬送する自律移動ロボットであって、
前記自律移動ロボットと前記被搬送物とを含む搬送システム全体の重心位置を求める物理量管理部と、
経路に追従させる点を前記重心位置に設定して、経路追従制御を行うとともに、前記経路に沿った姿勢をとるように前記重心位置を中心に回転させる移動制御部と、
を備える、
自律移動ロボット。