JPH063452A - 移動ロボット間の環境認識方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、どのような環境のもとでも
ロボット同士の距離測定や、通信操作を正確に行うこと
ができる移動ロボット間の環境認識方式を提供すること
である。 【構成】 本発明は、発光手段102aから発光した光線を
反射手段101aを介して測定側ロボット100aから被測定側
ロボット100bに出射し、出射した光線を測定側ロボット
100aと被測定側ロボット100b間の反射手段101a，101b間
を複数回往復させ、受光手段104aに入射した光線から得
た電気信号を位相比較手段105aに入力し、位相遅延量に
基づいて被測定ロボット100bとの距離を算出し、被測定
側ロボット100bは復調手段107bにより変調手段103aに用
いた信号を復調し、伝送情報を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動ロボット間の環境
認識方式に係り、特に、移動能力を有するロボットが行
動する領域を含む環境に関する情報を学習する移動ロボ
ットの環境学習において、ロボット同士の距離を測定
し、さらにロボット間で通信を行いながら、ロボット間
の情報を認識する移動ロボット間の環境認識方式に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】移動能力を有するロボットが、行動する
領域を含む環境に関する情報を自らその環境内を探索し
て学習することを、移動ロボットの環境学習と呼ぶ。移
動ロボットの環境学習が必要となる背景については、特
願平４−６６３１７「移動ロボットの環境学習方式」に
記載されている。

【０００３】従来の移動ロボットが環境学習を行う方法
には以下のような問題がある。ロボットが静止した状態
で周囲の状況を観測すれば、ロボットの近傍にある局所
的な環境を正しく学習することができるが、ロボットが
他の場所に移動した場合に、その移動距離及び移動方向
をロボット自身が正しく認知することができない。従っ
て、ロボットが新たに移動した場所において、環境学習
を行い、その結果、得た知識を移動前の場所において得
た知識と統合しようとしても、両者を正しく統合するこ
とは困難である。

【０００４】従って、先願の「移動ロボットの環境学習
方式」（特願平４−６６３１７）は上記の問題を解決す
るために、２台以上のロボットが同一の環境において、
互いに通信しながら同時に環境学習を行う方法を提案し
た。この方法によれば、ロボットが他の場所に移動した
場合にその移動距離及び移動方向をロボット自身が正し
く知ることができる。この結果、各々の場所において静
止したロボットが学習する局所的な環境に関する情報を
正しく統合して、全体的な環境に関する正確な知識を得
ることができる。

【０００５】「移動ロボットの環境学習方式」（特願平
４−６６３１７）は、複数のロボット同士が互いの距離
を測定し、且つ通信を行う操作が含まれる（以下、この
操作のことを簡単のため、測距・通信操作と呼ぶ）。測
距・通信操作によって、各ロボットが得た情報は、それ
ぞれのロボットが自己の移動距離を算出する過程で用い
られる。ロボットの移動距離を算出するための測定に
は、各ロボットが備えている距離センサ即ち、ソナーセ
ンサやレーザセンサ、或いはテレビカメラを用いる方法
がある。また、複数のロボット同士で通信を行う場合に
は、無線通信方式が適している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来の
方式を用いた場合には、第１の問題として、ロボット間
の距離測定と通信を行うそれぞれの装置類は、各ロボッ
トが筐体の内部に別々に備える必要があり、従って、そ
れらの装置類のコスト、供給電力、及び占有体積がいず
れも、ロボットの設計を困難にするほど大きくなる可能
性がある。

【０００７】第２の問題として、移動ロボットは工場の
内部等の電磁環境が劣悪な環境において使用される場合
がある。このような環境において、電波を用いた従来の
無線通信方式をロボット同士の通信に用いた場合に、受
信信号に電磁雑音が混入し、その結果、復調器が受信信
号を正しく復調することが困難になる可能性がある。

【０００８】上記のように、測距・通信操作を従来の方
法に基づいて行おうとすると、ロボットの設計が困難に
なる恐れがあり、また、移動ロボットを使用する環境に
よっては、ロボット同士の通信を正しく行うことができ
なくなることもある。従って、従来の測距・通信操作を
「移動ロボットの環境学習方式」（特願平４−６６３１
７）に適用するのは困難である。

【０００９】本発明は上記の点に鑑みなされたもので、
工場内部等の劣悪な電磁環境化においても、測距・通信
操作を正確に行い、局所的な環境に関する情報を正しく
統合してロボット自体が、全体的な環境の認識が可能と
なり、さらに、設計が容易で小型化を可能とする移動ロ
ボット間の環境認識方式を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理構成
図である。本発明は、移動能力を有する２台のロボット
が同一の環境内で同時に移動する際に移動ロボット間の
距離を測定する移動ロボット間の環境認識方式におい
て、相手側のロボットから出射された光線を反射し、か
つ透過する機能を有する反射手段１０１ａ，１０１ｂ
と、反射手段１０１ａ，１０１ｂを透過して、外部に射
出する光線を発生させる発光手段１０２ａ，１０２ｂ
と、発光手段１０２ａ，１０２ｂから出射された光線を
パルス位置変調し、変調信号を生成する変調手段１０３
ａ，１０３ｂと、反射手段１０１ａ，１０１ｂを透過し
て入射する光線を検出し、電気信号を出力する受光手段
１０４ａ，１０４ｂと、受光手段１０４ａ，１０４ｂに
より出力された相手側のロボットからの電気信号と変調
信号との位相を比較する位相比較手段１０５ａ，１０５
ｂと、位相比較手段１０５ａ，１０５ｂにより得られた
結果に基づいて、２台のロボット間の距離を算出する算
出手段１０６ａ，１０６ｂと、電気信号が含む変調信号
を復調する復調手段１０７ａ，１０７ｂを含むロボット
を有する。

【００１１】また、本発明は、移動能力を有する２台の
ロボットが同一の環境内で同時に移動する際に移動ロボ
ット間の距離を測定する測定側ロボット１００ａと被測
定側ロボット１００ｂ間の環境認識方式において、発光
手段１０２ａから発光した光線を反射手段１０１ａを介
して測定側ロボット１００ａから被測定側ロボット１０
０ｂに出射し、出射した光線を測定側ロボット１００ａ
と被測定側ロボット１００ｂ間の反射手段１０１ａ，１
０１ｂ間を複数回往復させ、受光手段１０４ａに入射し
た光線から得た電気信号を位相比較手段１０５ａに入力
し、位相遅延量に基づいて被測定ロボット１００ｂとの
距離を算出し、被測定側ロボット１００ｂは復調手段１
０７ｂにより変調手段１０３ａに用いた信号を復調し、
伝送情報を得る。

【００１２】

【作用】本発明は、出射された光線を反射手段間におい
て複数回往復させる。変調を行う際に、パルス位置変調
を行うため、直達光線と往復光線の分離が容易である。
往復光線の位相遅延量は、往復回数分大きくなるのでそ
の位相遅延量に基づいて測定側ロボットは被測定側ロボ
ットとの距離を正確に求めることができる。

【００１３】また、本発明は測定側ロボットが光線の変
調に用いた信号を復調することにより、被測定側ロボッ
トが測定側からの伝送情報を得ることができる。これら
の方式は、測定側ロボットと被測定側ロボットが同様の
手段を有することにより互いに対等に測距・通信操作を
行うことができる。

【００１４】

【実施例】本実施例では、ロボットを測定側ロボットと
被測定側ロボットと区別し、１台の測定側ロボットと、
１台の被測定側ロボット間で測距・通信操作を行う場合
について説明する。

【００１５】図２は本発明の一実施例の測定ロボット及
び被測定ロボットの構成を示す。但し、本実施例では説
明の便宜上、測定側、被測定側とに分ける。同図におい
て、測定側ロボットＡ及び被測定側ロボットＢの構成は
同一である。測定側ロボットＡ及び被測定側ロボットＢ
は、電気モータ等の駆動力によって任意の方向にその焦
点を合わせることができるテレビカメラ１ａ，１ｂ、伝
送情報を生成し、また、伝送情報に基づいて距離等を算
出する計算機３ａ，３ｂ、ロボット自体を任意の方向に
移動させる車輪５ａ，５ｂ、車輪５ａ，５ｂを駆動させ
る駆動機構７ａ，７ｂ、計算機３ａ，３ｂで生成された
伝送情報を処理する測距・通信装置９ａ，９ｂ、及び、
各装置間を接続する信号ケーブル１１ａ，１１ｂ，１２
ａ，１２ｂ，１３，１４，１５により構成される。

【００１６】図３は本発明の一実施例の測定側ロボット
の測距・通信装置の構成を示す。但し、本来、被測定側
のロボットも同様の構成をとるが、簡単のため、測定側
としての機能を有する測距・通信装置の構成を示すもの
である。上記の構成のうち、測定側の測距・通信装置９
ａは、入射する光線うち、一部を反射し、一部を透過す
る機能を有する反射鏡１６，１７、出射するためのレー
ザ光を生成し、出射レーザ光２４として被測定側ロボッ
トＢに出射するレーザ光発生器１８、反射鏡１６、１７
を透過して入射するレーザ光を検出する受光器２０、計
算機３ａから供給される伝送情報が入力される入力端子
２２、入力端子２２から入力された伝送情報を変調し、
変調信号２６を出力する変調器１９、受光器２０からの
受信信号２７と、変調器１９からの変調信号２６が入力
され、入力された信号の位相を比較し、その結果を電気
信号として、出力端子２３に出力する位相比較器２１に
より構成される。

【００１７】図４は本発明の一実施例の被測定側ロボッ
トの測距・通信装置の構成を示す。但し、本来、測定側
のロボットも同様の構成をとるが、簡単のため、被測定
側としての機能を有する測距・通信装置の構成を示すも
のである。測定側ロボットＡから出射されたレーザ光の
うち、一部のレーザ光３６を反射し、レーザ光の一部で
ある透過レーザ光３７を透過する機能を有する反射鏡２
８、反射鏡２８から透過された透過レーザ光３７を受光
する受光器２９、受光器２９で受光した受信信号３８を
識別し、識別信号３４を出力する識別器３０、識別信号
３４により同期信号３３を生成し、出力する同期信号発
生器３２、同期信号３３の入力により、識別信号３４を
復調し、出力する復調器３１及び、復調信号を計算機３
ｂに出力する出力端子３５より構成される。

【００１８】図５は本発明の一実施例の動作を示すフロ
ーチャートである。図６及び図７は本発明の一実施例の
測距・通信装置の各部の信号波形を示す図である。図６
（ａ）は測定側ロボットの変調信号２６、（ｂ）は被測
定側ロボットの受光器２９からの出力である受信信号３
８、（ｃ）は測定側ロボットの受光器２０からの出力で
ある受信信号２７、図７（ｄ）は被測定側ロボットの識
別器３０からの出力である識別信号３４、（ｅ）は被測
定側ロボットの同期信号発生器３２からの出力である同
期信号３３を示す。

【００１９】図５、図６及び図７を用いてロボットの測
距・通信操作の動作について説明する。 ステップ１：測定ロボットＡは計算機３ａが生成した伝
送情報を信号ケーブル１３を経由して測定側の測距・通
信装置９ａに供給する。

【００２０】ステップ２：伝送情報は、入力端子２２を
介して測距・通信装置９ａに入力され、さらに変調器１
９に入力される。

【００２１】ステップ３：変調器１９は、変調信号２６
を生成して、レーザ光発生器１８に出力し、レーザ光発
生器１８は変調信号２６によりパルス変調した光線を生
成する。一方、変調信号２６は位相比較機２１にも出力
される。ここで、図６（ａ）に示す変調信号２６につい
て説明する。この例では、測定側ロボットＡの変調器１
９から出力される変調信号２６は、電気パルスを含む伝
送ブロックと、何も信号を含まない禁止ブロックを交互
に繰り返す。伝送情報は、パルス位置変調によって表さ
れる。即ち、各電気パルスが伝送ブロックにおいて占め
る位置が伝送情報を表している（禁止ブロックが必要と
なる理由は後述する）。レーザ光発生器１８は変調信号
２６が含む電気パルスを光パルスに変換されるため、こ
の結果生成されたレーザ光２４の信号形式は、変調信号
２６と同一である。

【００２２】ステップ４：次に、測定ロボットＡはテレ
ビカメラ１ａを用いて被測定ロボットＢが位置する方向
を探索し、発見する。

【００２３】ステップ５：被測定ロボットＢも同様にテ
レビカメラ１ｂを用いて測定ロボットが位置する方向を
探索し、発見する。

【００２４】ステップ６：被測定ロボットＢは発見した
測定ロボットＡの方向に、測距・通信装置９ｂを向け
る。

【００２５】ステップ７：測定ロボットＡは発見した被
測定ロボットＢの方向に、測距・通信装置９ａを向け
る。

【００２６】ステップ８：測定ロボットＡは、ステップ
３で生成された出射レーザ光２４を、被測定ロボットＢ
の反射鏡２８に出射する。

【００２７】ステップ９：被測定ロボットＢは反射鏡２
８から測定側ロボットＡより出射された出射レーザ光２
４が入射されると、測定側ロボットＡの方向に対して測
距・通信装置９ｂを微調整する。微調整は、反射鏡２８
で反射されたレーザ光３６の光軸が測定側ロボットＡの
反射鏡１６から出射されたレーザ光２４と一致するよう
に行う。

【００２８】ステップ１０：被測定側ロボットＢは反射
レーザ光３６が再び、測定側ロボットＡの反射鏡１６に
入射するように、対測定側ロボットＡの方向に測距・通
信装置９ｂの微調整を行う。

【００２９】ステップ１１：測定側ロボットＡは、被測
定側ロボットＢの反射鏡２８によって反射された反射レ
ーザ光３６を反射鏡１７を介して受光器２０で受光する
と、対被測定側ロボット方向に、測距・通信装置９ａの
微調整を行う。

【００３０】ステップ１２：測定側ロボットＡは、被測
定側ロボットＢに対して反射鏡１６によって出射レーザ
光３６を反射する。（測定側ロボットＡの処理はステッ
プ１８に続く）

【００３１】ステップ１３：被測定側ロボットＢは反射
鏡２８が透過した透過レーザ光３７を受光器２９に入力
し、受光器２９は、受信信号３８に変換する。透過レー
ザ光３７は、測定側ロボットＡの反射鏡１６を介して出
射され、被測定側ロボットＢの反射鏡２８を透過して、
直接受光器２９に到達した光線（直達光線）、両反射鏡
間を１回往復した光線、及び両反射鏡間を複数回往復し
たすべての光線を含む。このうち、直達光線以外の光線
（往復光線）は、反射鏡間を往復した回数に比例して減
衰し、且つ受光器２９への到達時間が直達光線に対して
遅延する。従って、透過レーザ光３７を受光器２９にお
いて電気信号に変換した結果、得られる受信信号３８
は、図６（ｂ）に示すように直達光線によるパルスと、
それに続いて順次減衰した往復光線によるパルスの列か
らなっている。

【００３２】ステップ１４：被測定側ロボットＢの受光
器２９から出力される受信信号３８は、識別器３０に入
力される。識別器３０は識別信号３４を出力する。識別
器３０が有する閾値は、受信信号３８のパルスのうち、
往復光線によるパルスを除去するように予め設定してあ
り、この閾値を上回る直達光線によるパルスのみを識別
信号３４として出力する。識別信号３４は、図６
（ａ），図７（ｄ）に示すように、測定側ロボットＡの
変調信号２６と同一であり、従って、各伝送ブロック内
のパルスの位置によって伝送情報を表している。この識
別信号は復調器３１と、同期信号発生器３２に入力され
る。

【００３３】ステップ１５：被測定側ロボットＢでは、
復調器３１が同期信号発生器３２から出力される同期信
号のタイミングにより識別信号３４からの伝送情報を復
調する。復調器３１は、復調過程において、各伝送ブロ
ックが時間軸上で占める占有時刻を知る必要がある。同
期信号発生器３２が生成する同期信号３３が、この占有
時刻を与える。図７（ｅ）に示すように、同期信号３３
は、方形波信号の繰り返しから成っている。このうち、
時間軸上で方形波信号が存在しない領域が伝送ブロック
の占有時刻となる。同期信号発生器３２は、生成した同
期信号３３と識別信号３４を常時比較し、同期信号３３
が含む方形波信号と識別信号３４が含むパルスが同時に
生ずることがないように、同期信号３３の位相を調整す
る。変調信号２６が禁止ブロックを含む第１の理由は、
上記の情報によって同期信号３３の生成を容易にするか
らである。

【００３４】ステップ１６：復調器３１で復調された伝
送情報は出力端子３５を介して計算機３ｂ伝送される。

【００３５】ステップ１７：被測定側ロボットＢの計算
機３ｂにおいて、伝送情報が処理され、環境に関する情
報を統合し、正確な認識を行う。

【００３６】ステップ１８：測定側ロボットＡは反射鏡
１６を透過して被測定側ロボットＢより入射したレーザ
光２５を反射鏡１７によって受光器２０に導き、受光器
２０は、入射レーザ光２５を受信信号２７に変換する。
入射レーザ光２５は、先に述べた被測定ロボットＢでの
透過レーザ光３７と同様に、直達光線と往復光線から成
っている。但し、この場合の直達光線は、反射鏡２８に
よって一度反射されたものである。従って、受光器２０
によって、電気信号に変換された受信信号２７は、図６
（ｃ）に示すように、先に述べた被測定側ロボットＢの
受信信号３８と同様となる。

【００３７】ステップ１９：受信信号２７は位相比較器
２１に入力される。位相比較器２１は、変調信号２６が
含む各パルスと、そのパルスによる光線がある定まった
回数（往復数）だけ測定側ロボットＡの反射鏡１６と被
測定側ロボットＢの反射鏡２８の間を往復した結果、受
信信号２７中に生じたパルスとの間の時間差を計測する
（この時間差のことを位相遅延量と呼ぶ）。

【００３８】ステップ２０：位相遅延量は、出力端子２
３を介して計算機３ａに伝送される。

【００３９】ステップ２１：計算機３ａはこの位相遅延
量から被測定側ロボットとの距離を算出する。

【００４０】例えば、往復数が５の場合、位相遅延量を
５で割り、光速を乗算することにより、両ロボット間の
往復距離を求めることができる。さらにこの値を２で除
算することにより求める距離（片道距離）を得ることが
できる。

【００４１】光速は極めて大きいので、受信信号２７が
含むパルスのうち直達光線によるパルスの位置遅延量は
小さいが、往復光線によるものはその往復数だけ大きく
なるため、その測定が比較的容易であり、従って、正確
な測定が可能となる。

【００４２】上記のフローチャートにおいて、両ロボッ
トが対抗する２枚の反射鏡を備えて、往復光線を発生さ
せ、位相比較器２１がこの往復光線によるパルスの位相
遅延量を計測するという上記の方法を用いるのは、この
理由による。さらに、変調信号の変調形式として、パル
ス位置変調を用いるのは、この変調形式が上記の方法と
併用することに適しているからであり、伝送ブロック同
士を禁止ブロックにより隔離するのは、直達光線と往復
光線が時間軸上で混在しないようにするためである。

【００４３】なお、上記実施例では、ロボットを測定側
ロボットと被測定側ロボットと区別し、１台の測定側ロ
ボットと、１台の被測定側ロボット間で測距・通信操作
を行う場合について説明したが、実際には、測距・通信
操作は複数のロボットが互いに対等に行う必要がある。
従って、すべてのロボットが測定側ロボットと被測定側
ロボットの手段を同様に備えるものである。即ち、図３
及び図４に示した各構成は、測定側ロボット及び被測定
側ロボット共に備えているものである。

【００４４】本発明は、測距・通信操作を互いに独立し
た装置類によって行う場合に比べて、装置類を統合し
て、小規模にすることが可能となる。

【００４５】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、ロボッ
ト同士の測距・通信操作を光通信に関わる装置類によっ
て、一挙に行うことができるので、先の「移動ロボット
の環境学習方式」を実行するロボットの設計を容易にす
る。さらに、耐雑音性にすぐれた光通信をロボット同士
の通信に使用するので、工場内などの劣悪な電磁環境下
においても測距・通信操作を正確に行うことができる。
この結果「移動ロボットの環境学習方式」を実行するロ
ボットがその目的とするところの局所的な環境に関する
情報を正しく統合して全体的な環境に関する正確な知識
を構成することを可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理構成図である。

【図２】本発明の一実施例の測定側ロボット及び被測定
側ロボットの構成図である。

【図３】本発明の一実施例の測定側ロボットの測距・通
信装置の構成図である。

【図４】本発明の一実施例の被測定側ロボットの測距・
通信装置の構成図である。

【図５】本発明の一実施例の動作を示すフローチャート
である。

【図６】本発明の一実施例の測距・通信装置の各部の信
号波形を示す図である。

【図７】本発明の一実施例の測距・通信装置の各部の信
号波形を示す図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ テレビカメラ ３ａ，３ｂ 計算機 ５ａ，５ｂ 車輪 ７ａ，７ｂ 駆動機構 ９ａ，９ｂ 測距・通信装置 １１ａ，１１ｂ 信号ケーブル １２ａ，１２ｂ，１３，１４，１５ 信号ケーブル １６ 反射鏡 １７ 反射鏡 １８ レーザ光発生器 １９ 変調器 ２０ 受光器 ２１ 位相比較器 ２２ 入力端子 ２３ 出力端子 ２４ 出射レーザ光 ２５ 入射レーザ光 ２６ 変調信号 ２７ 受信信号 ２８ 反射鏡 ２９ 受光器 ３０ 識別器 ３１ 復調器 ３２ 同期信号発生器 ３３ 同期信号 ３４ 識別信号 ３５ 出力端子 ３６ 反射レーザ光 ３７ 透過レーザ光 ３８ 受信信号 １００ａ 測定側ロボット １００ｂ 被測定側ロボット １０１ａ，１０１ｂ 反射手段 １０２ａ，１０２ｂ 発光手段 １０３ａ，１０３ｂ 変調手段 １０４ａ，１０４ｂ 受光手段 １０５ａ，１０５ｂ 位相比較手段 １０６ａ，１０６ｂ 算出手段 １０７ａ，１０７ｂ 復調手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｂ 10/10 10/22 // Ｇ０５Ｄ 1/02 Ｐ 9323−3Ｈ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動能力を有する２台のロボットが同一
   の環境内で同時に移動する際に該移動ロボット間の環境
   を認識する移動ロボット間の環境認識方式において、 相手側のロボットから出射された光線を反射し、かつ透
   過する機能を有する反射手段と、 該反射手段を透過して、外部に射出する光線を発生させ
   る発光手段と、 該発光手段から射出された該光線をパルス位置変調し、
   変調信号を生成する変調手段と、 該反射手段を透過して入射する該光線を検出し、電気信
   号を出力する受光手段と、 該受光手段により出力された該相手側のロボットからの
   該電気信号と該変調信号との位相を比較する位相比較手
   段と、 該位相比較手段により得られた結果に基づいて、２台の
   ロボット間の距離を算出する算出手段と、 該電気信号が含む該変調信号を復調し、伝送情報を得る
   復調手段とを含むロボットを有することを特徴とする移
   動ロボット間の環境認識方式。
2. 【請求項２】 移動能力を有する２台のロボットが同一
   の環境内で同時に移動する際に該移動ロボット間の距離
   を測定する測定側ロボットと被測定側ロボット間の環境
   認識方式において、 前記発光手段から発光した光線を前記反射手段を介して
   該測定側ロボットから該被測定側ロボットに出射し、出
   射した光線を該測定側ロボットと該被測定側ロボット間
   の前記反射手段間を複数回往復させ、前記受光手段に入
   射した光線から得た電気信号を前記位相比較手段に入力
   し、位相遅延量に基づいて該被測定ロボットとの距離を
   算出し、 該被測定側ロボットは前記復調手段により前記変調手段
   に用いた信号をを復調し、伝送情報を得ることを特徴と
   する請求項１記載の移動ロボット間の環境認識方式。