(57)【要約】【課題】  センサの数が入力処理で使用できるリソースの数を超えた場合においても、リソースを増やすことなく、周囲の物体に対する応答性の低下を抑制することが可能な自律移動装置を提供する。【解決手段】  自律移動装置１は、電動モータ１２により駆動されるオムニホイール１３が設けられた本体１０と、周囲の物体の有無及び該物体までの距離を検出する８個の超音波センサ２０〜２７と、超音波センサ２０〜２７の検出結果に応じて回避動作等をとるように電動モータ１２を制御する電子制御装置３０とを備えている。電子制御装置３０は、超音波センサ２０〜２７からの割り込み要求を受け付ける４つの割り込みチャンネルが用意されたＣＰＵ３１と、４つの割り込みチャンネルに割り当てる超音波センサを選択する際に、進行方向周辺の物体を検出可能な超音波センサを優先して選択する入出力インターフェース３２とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自機を移動させる移動手段と、
自機周囲の物体を検出する複数の検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて前記移動手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記検出手段の検出結果の入力処理で使用されるリソースと、
前記リソースの割り当てを管理する管理手段と、を有し、
前記管理手段は、自機の進行方向に応じて、前記複数の検出手段の中から前記リソースに割り当てる検出手段を選択する、ことを特徴とする自律移動装置。
【請求項２】
前記管理手段は、自機の進行方向周辺の物体を検出可能な検出手段を優先して選択することを特徴とする請求項１に記載の自律移動装置。
【請求項３】
前記移動手段は、電動モータと、該電動モータにより駆動され、前後左右の全方向に移動可能な車輪とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の自律移動装置。
【請求項４】
前記検出手段は、超音波センサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の自律移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自律移動装置に関し、特に、自機周囲の物体を検知しつつ移動する自律移動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自機周囲の障害物等を検知しつつ、自律して移動する自律移動装置の研究・開発が進められており、例えば倉庫又は工場の搬送用ロボット等として実用化されている。このような自律移動装置として、特許文献１には、複数の超音波センサを設けることにより、上部構造物を有する障害物に対してどのような角度で接近したとしても当該障害物を検出することができるように構成された自律移動装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２０２８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、例えば自律移動装置の全周にわたって周囲に存在している物体を検知できるようにしようとすると、物体を検出する超音波センサ等のセンサの数を増やす必要がでてくる。一方、自律移動装置を制御する電子制御装置の入力処理用のリソースは有限であり、超音波センサ等のセンサの入力処理で使用できるリソース（以下「計測リソース」ともいう）もその制限を受ける。超音波センサ等のセンサの数が増加して計測リソースの数よりも多くなった場合には、すべてのセンサからの入力を同時に受け付けることができないため、複数のセンサの中から入力を受け付けるセンサを選択し、計測リソースに割り当てて入力処理を行う必要がある。そのため、すべてのセンサの入力を受け付けるために要する時間、すなわちセンシング周期が長くなる。その結果、障害物等の物体を検知するまでに要する時間が長くなり、例えば、当該物体に対する、回避や停止といった動作の応答性が低下するおそれがある。
【０００４】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、センサの数が入力処理で使用できるリソースの数を超えた場合においても、リソースを増やすことなく、周囲の物体に対する応答性の低下を抑制することが可能な自律移動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る自律移動装置は、自機を移動させる移動手段と、自機周囲の物体を検出する複数の検出手段と、検出手段の検出結果に基づいて移動手段を制御する制御手段とを備え、制御手段が、検出手段の検出結果の入力処理で使用されるリソースと、リソースの割り当てを管理する管理手段とを有し、管理手段が、自機の進行方向に応じて、複数の検出手段の中からリソースに割り当てる検出手段を選択することを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る自律移動装置によれば、リソースに割り当てられる検出手段が選択される際に、当該検出手段が、すべての検出手段の中から均等に選択されるのではなく、進行方向に応じて選択される。そのため、例えば、進行方向に対して検出する必要性が高い方向の物体を検出可能な検出手段に対して重点的にリソースを割り当てることができる。また、選択されてリソースに割り当てられた検出手段の検出結果に基づいて、移動手段が制御される。そのため、センサの数が入力処理で使用できるリソースの数を超えた場合においても、リソースを増やすことなく、周囲の物体に対する応答性の低下を抑制することが可能となる。
【０００７】
本発明に係る自律移動装置では、管理手段が、自機の進行方向周辺の物体を検出可能な検出手段を優先して選択することが好ましい。
【０００８】
この場合、自機の進行方向周辺の物体を検出可能な検出手段が優先して選択されるため、移動時に応答する必要のある物体が存在する可能性が高い進行方向に対するセンシング周期を短くすることができる。その結果、障害物等の物体に対する応答性の低下を効果的に抑制することが可能となる。
【０００９】
本発明に係る自律移動装置では、移動手段が、電動モータと、該電動モータにより駆動され、前後左右の全方向に移動可能な車輪とを有することが好ましい。
【００１０】
このようにすれば、電動モータを駆動することにより、自律移動装置を前後左右の全方向に移動させることができる。
【００１１】
なお、本発明に係る自律移動装置では、上記検出手段として、超音波センサを用いることが好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、自機の進行方向に応じて、複数の検出手段の中から、入力処理で使用されるリソースに割り当てる検出手段を選択する構成としたので、センサの数が入力処理で使用できるリソースの数を超えた場合においても、リソースを増やすことなく、周囲の物体に対する応答性の低下を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００１４】
まず、図１及び図２を併せて用いて、実施形態に係る自律移動装置１の構成について説明する。図１は、自律移動装置１の構成を示すブロック図である。また、図２は、自律移動装置１における超音波センサ２０〜２７の配置を示す平面図である。
【００１５】
自律移動装置１は、自機周囲に存在する障害物等の物体を検知するとともに、障害物等が検知された場合に、例えば回避、一時停止等の動作をとりつつ、自律して移動する機能を有するものである。そのため、自律移動装置１は、その下部に電動モータ１２及び該電動モータ１２により駆動されるオムニホイール１３が設けられた本体１０と、周囲に存在する物体（例えば壁や障害物等）の有無及び該物体までの距離を検出する８個の超音波センサ２０〜２７とを備えている。また、自律移動装置１は、所定のタイミングで超音波センサ２０〜２７の検出結果を読み込み、その検出結果に応じて、例えば回避、一時停止等の動作をとるように電動モータ１２を制御する電子制御装置３０を備えている。以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００１６】
本体１０は、例えば略有底円筒状に形成された金属製のフレームであり、この本体１０に、上述した８個の超音波センサ２０〜２７及び電子制御装置３０等が取り付けられている。なお、本体１０の形状は略有底円筒状に限られない。本体１０の下部には、４つの電動モータ１２が十字状に配置されて取り付けられている。４つの電動モータ１２それぞれの駆動軸１２Ａにはオムニホイール１３が装着されている。すなわち、４つのオムニホイール１３は、同一円周上に周方向に沿って９０°ずつ間隔を空けて取り付けられている。
【００１７】
オムニホイール１３は、電動モータ１２の駆動軸１２Ａを中心にして回転する２枚のホイール１４と、各ホイール１４の外周に電動モータ１２の駆動軸１２Ａと直交する軸を中心として回転可能に設けられた６個のフリーローラ１５とを有する車輪であり、全方向に移動可能としたものである。なお、２枚のホイール１４は位相を３０°ずらして取り付けられている。このような構成を有するため、電動モータ１２が駆動されてホイール１４が回転すると、６個のフリーローラ１５はホイール１４と一体となって回転する。一方、接地しているフリーローラ１５が回転することにより、オムニホイール１３は、そのホイール１４の回転軸に並行な方向にも移動することができる。そのため、４つの電動モータ１２を独立して制御し、４つのオムニホイール１３それぞれの回転方向及び回転速度を個別に調節することより、自律移動装置１を任意の方向（全方向）に移動させることができる。
【００１８】
４つの電動モータ１２それぞれには、電動モータ１２の駆動軸１２Ａの回転角度を検出するエンコーダ１６が取り付けられている。各エンコーダ１６は、電子制御装置３０と接続されており、検出した各電動モータ１２の回転角度を電子制御装置３０に出力する。電子制御装置３０は、入力された各電動モータ１２の回転角度から、自律移動装置１の移動方向（進行方向）及び移動量を演算する。
【００１９】
本体１０の側面には、その全周にわたって等間隔に８個の超音波センサ２０〜２７が取り付けられている。すなわち、８個の超音波センサ２０〜２７は、同一円周上に周方向に沿って４５°ずつ間隔を空けて取り付けられている。超音波センサ２０〜２７それぞれは、物体の検出方向に指向性を有しており、８個の超音波センサ２０〜２７を組み合わせることにより全方位（３６０°）の物体を検出することができるように構成されている。
【００２０】
超音波センサ２０〜２７には、反射形の超音波センサが好適に用いられる。超音波センサ２０〜２７は、超音波を発信するとともに、物体で反射されて戻ってくる超音波（反射波）を検出し、この反射波の有無及び反射波の到達時間（伝播時間）から、物体の有無及び物体までの距離を検出する。すなわち、超音波センサ２０〜２７は、特許請求の範囲に記載の検出手段として機能する。なお、超音波センサ２０〜２７は、電子制御装置３０に接続されており、超音波センサ２０〜２７による検出結果は電子制御装置３０に出力される。
【００２１】
電子制御装置３０は、自律移動装置１の運動を総合的に司るものである。電子制御装置３０は、演算を行うＣＰＵ３１、該ＣＰＵ３１に各処理を実行させるためのプログラム等を記憶するＲＯＭ、演算結果などの各種データを一時的に記憶するＲＡＭ、及びその記憶内容が保持されるバックアップＲＡＭ等から構成されている。また、電子制御装置３０は、超音波センサ２０〜２７とＣＰＵ３１とを電気的に接続する入出力インターフェース３２、及び電動モータ１２を駆動するドライバ回路等を備えている。
【００２２】
電子制御装置３０は、障害物等の物体を検知しつつ、例えば、計画された経路に沿って目標位置まで自律移動装置１が自律して移動するように各電動モータ１２を制御する。また、電子制御装置３０は、自律移動を行う際に、所定のタイミングで超音波センサ２０〜２７の検出結果を読み込み、その検出結果に応じて、例えば回避又は停止等の動作をとるように各電動モータ１２を制御する。すなわち、電子制御装置３０は、特許請求の範囲に記載の制御手段として機能する。
【００２３】
本実施形態では、超音波センサ２０〜２７が反射波を検出すると、反射波を検出した超音波センサ２０〜２７に対応した入出力インターフェース３２の端子がアクティブになり、ＣＰＵ３１に対して割り込みがかかるように構成されている。そのため、超音波センサ２０〜２７からＣＰＵ３１へ割り込みを要求するＩＲＱ（Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ  ＲｅＱｕｅｓｔ）信号を受け付けるために、ＣＰＵ３１には、４つの割り込みチャンネルが用意されている。すなわち、本実施形態においては、超音波センサ２０〜２７からの割り込み要求を受け付けるＣＰＵ３１の割り込みチャンネルが特許請求の範囲に記載のリソースに相当する。
【００２４】
上述したように、本実施形態では、４つの割り込みチャンネルに対して、超音波センサ２０〜２７を８個有しているため、一度にすべての超音波センサ２０〜２７をＣＰＵ３１の割り込みチャンネルに割り当てることができない。そのため、入出力インターフェース３２は、ＣＰＵ３１の割り込みチャンネルの割り当てを管理する機能を有しており、例えばＣＰＵ３１からの制御信号によってその出力チャンネルが切り替えられるマルチプレクサを用いて、８個の超音波センサ２０〜２７の中から４つの割り込みチャンネルに割り当てる超音波センサを選択する。すなわち、本実施形態においては、ＣＰＵ３１及び入出力インターフェース３２が特許請求の範囲に記載の管理手段として機能する。
【００２５】
ここで、入出力インターフェース３２は、８個の超音波センサ２０〜２７の中からＣＰＵ３１の割り込みチャンネルに割り当てる超音波センサを選択する際に、進行方向周辺の物体を検出可能な超音波センサを優先して選択する。より具体的には、例えば、自律移動装置１が、図２に示される矢印Ａ１の方向に進行するときには、矢印Ａ１方向周辺の物体を検出可能な３つの超音波センサ２０，２１，２７が選択される。すなわち、４つの割り込みチャンネルの内、３つの割り込みチャンネルに対して、超音波の発信方向が進行方向と同じか又は進行方向に近い３つの超音波センサ２０，２１，２７が優先的に割り当てられる。また、残る１つの割り込みチャンネルには、上記以外の５つの超音波センサ２２〜２６の中の１つが（切替周期毎に）順番に割り当てられる。
【００２６】
ここで、割り込みチャンネルに割り当てられる超音波センサ２０〜２７を選択するための基準となる自機の進行方向は次のようにして取得される。電子制御装置３０は、自機の位置と環境地図とに基づいて、目標位置へ向かうための経路を計算する。ここで、自機の位置は、例えばレーザレンジファインダ（図示省略）から得られた周囲の物体の情報と環境地図とを照合した結果と、オムニホイール１３を駆動する各電動モータ１２の出力軸１２Ａの回転角度の情報とを総合的に考慮して決定される。また、電子制御装置３０は、障害物が検知され、当該障害物の回避が必要と判断された場合に、当該障害物を回避するために自機を移動させる向き（回避方向）及び速度等を計算する。なお、これらの計算は、公知の仮想ポテンシャル法に基づいて行うことができる。そして、電子制御装置３０は、算出された経路と回避方向とに基づいて進行方向を決定し、決定された進行方向へ移動するように４個の電動モータ１２の回転を制御する。よって、設定された移動経路と障害物の回避方向とに基づいて決定される進行方向から、割り込みチャンネルに割り当てられる超音波センサが選択される。
【００２７】
一方、例えば、目標位置（移動経路）を設定することなくランダムに移動するような場合、すなわち目標となる進行方向を有していないような場合には、上述したように、各電動モータ１２に取り付けられたエンコーダ１６により検出される回転角度、すなわち各オムニホイール１３の実際の車輪回転量から進行方向を求めることができる。
【００２８】
次に、図１〜図３を併せて参照しつつ自律移動装置１の動作について説明する。ここで、図３は、自律移動装置１の進行方向と各超音波センサ２０〜２７に対するリソース割り当てとの関係を示すタイミングチャートである。
【００２９】
まず、自律移動装置１が自律して移動する際には、電子制御装置３０により、移動経路と回避方向とに基づいて進行方向が決定される。そして、決定された進行方向へ移動するように４個の電動モータ１２の回転が制御される。また、決定された進行方向に応じて、電子制御装置３０の入出力インターフェース３２において、８個の超音波センサ２０〜２７の中からＣＰＵ３１の４つの割り込みチャンネルに割り当てられる超音波センサが選択される。
【００３０】
ここで、入出力インターフェース３２では、８個の超音波センサ２０〜２７の中からＣＰＵ３１の割り込みチャンネルに割り当てられる超音波センサが選択される際に、進行方向周辺の物体を検出可能な超音波センサが優先して選択される。より具体的には、図３に示されるように、例えば自律移動装置１が図２に示される矢印Ａ１の方向に進行するとき（図３において時刻ｔ０〜ｔ５の間）には、矢印Ａ１方向周辺の物体を検出可能な３つの超音波センサ２０，２１，２７が選択される。すなわち、４つの割り込みチャンネルの内、３つの割り込みチャンネルに対して、超音波の発信方向が進行方向と同じか又は進行方向に近い３つの超音波センサ２０，２１，２７が優先的に割り当てられる。また、残る１つの割り込みチャンネルには、上記以外の５つの超音波センサ２２〜２６の中の１つが（切替周期毎に）順番に割り当てられる。
【００３１】
一方、例えば自律移動装置１が図２に示される矢印Ａ２の方向に進行するとき（図３において時刻ｔ５〜ｔ１０の間）には、矢印Ａ２方向周辺の物体を検出可能な３つの超音波センサ２１，２２，２３が選択される。すなわち、４つの割り込みチャンネルの内、３つの割り込みチャンネルに対して、超音波の発信方向が進行方向と同じか又は進行方向に近い３つの超音波センサ２１，２２，２３が優先的に割り当てられる。また、残る１つの割り込みチャンネルには、上記以外の５つの超音波センサ２０，２４〜２７の中の１つが（切替周期毎に）順番に割り当てられる。
【００３２】
本実施形態では、超音波センサ２０〜２７の切替周期（図３に示された時刻ｔｎ〜ｔｎ＋１の時間）を２５ｍｓｅｃとした。すなわち、２５ｍｓｅｃ毎に超音波センサ２０〜２７の選択、及び障害物等の物体の検出が繰り返して行われる。超音波を発信してから２５ｍｓｅｃ以内に、超音波センサ２０〜２７が反射波を検出すると、反射波を検出した超音波センサ２０〜２７に対応した入出力インターフェース３２の端子がアクティブになり、ＣＰＵ３１に対して割り込みがかかる。
【００３３】
割り込み要求を受けたＣＰＵ３１は、該割り込み要求に対応する割り込み処理を実行し、超音波が発信されてから反射波を検出するまでの時間から物体までの距離を検出する。一方、切替周期（２５ｍｓｅｃ）の間、反射波を検出できないとき、すなわち割り込みが入らないときに、ＣＰＵ３１は、物体が存在しないか又は物体との距離が音波の速度で２５ｍｓｅｃ以上離れていると判断し、次の超音波センサ２０〜２７を選択して新たな検出処理を実行する。
【００３４】
障害物等の物体が検出された場合、電子制御装置３０は、検出された物体を回避するために自機を移動させる向き（回避方向）及び速度等を計算する。そして、電子制御装置３０は、算出された回避方向と移動経路とに基づいて進行方向を決定し、決定された進行方向へ移動するように４個の電動モータ１２の回転を制御する。そして、電子制御装置３０は、以上の処理を繰り返して実行することにより、設定された目標位置まで自律して移動する。
【００３５】
上述したように、本実施形態では、進行方向周辺の物体を検出可能な３つの超音波センサが切替周期毎に毎回選択されるため、進行方向前方のセンシング周期は２５ｍｓｅｃ（１切替周期）となる（図３参照）。一方、進行方向以外の方向については、上記以外の５つの超音波センサの中から１つが切替周期毎に順番に割り当てられるため、進行方向以外の方向のセンシング周期は１２５ｍｓｅｃ（５切替周期）となる（図３参照）。なお、ここで、進行方向に関係なく、８個の超音波センサ２０〜２７を均等に４つの割り込みチャンネルに割り当てるとすると、図４に示されるように、進行方向も、進行方向以外の方向も同様にセンシング周期は５０ｍｓｅｃ（２切替周期）となる。したがって、本実施形態によれば、均等に割り当てた場合に比べ、進行方向前方の物体をより短いセンシング周期でセンシングすることができるため、例えば障害物の回避や停止をより確実に行うことができる。
【００３６】
本実施形態によれば、ＣＰＵ３１の割り込みチャンネル（リソース）に割り当てられる超音波センサ２０〜２７が選択される際に、進行方向前方周辺の物体を検出可能な超音波センサが優先して選択される。そのため、応答する必要のある物体が存在する可能性が高い進行方向に対してリソースを多く割り当てることができ、進行方向に対するセンシング周期を短くすることができる。その結果、超音波センサ２０〜２７の数が使用できるＣＰＵ３１の割り込みチャンネルの数を超えた場合においても、ＣＰＵ３１の割り込みチャンネルを増やすことなく、物体に対する応答性を向上することが可能となる。
【００３７】
本実施形態によれば、移動手段として、４つの電動モータ１２及び該電動モータ１２により駆動される４つのオムニホイール１３を有する。そのため、４つの電動モータ１２を独立して制御し、４つのオムニホイール１３それぞれの回転方向及び回転速度を個別に調節することより、自律移動装置１を任意の方向（全方向）に移動させることができる
【００３８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、超音波センサ２０〜２７の数を８個、超音波センサ２０〜２７の入力処理に用いられるＣＰＵ３１の割り込みチャンネルを４つに設定したが、超音波センサの数及び割り込みチャンネルの数は８個と４個に限られない。
【００３９】
また、上記実施形態では、周囲の物体を検出する検出手段として超音波センサを用いたが、超音波センサに代えて又は加えて、例えば、赤外線レーダ、レーザレーダ等を用いてもよい。さらに、上記実施形態では、リソースの例としてＣＰＵ３１の割り込みチャンネルを挙げたが、リソースはＣＰＵの割り込みチャンネルに限られることなく、例えば、ＣＰＵ時間、及びマルチＣＰＵ構成としたときのＣＰＵの割り当て等であってもよい。また、リソースはハードウェアリソースに限られず、ソフトウェアリソースであってもよい。
【００４０】
上記実施形態では、車輪として全方位に移動可能なオムニホイールを採用したが、通常の車輪（操舵輪及び駆動輪）を用いてもよい。
【００４１】
上記実施形態では、進行方向を優先して超音波センサを選択したが、優先する方向は、進行方向に限られない。移動状況及び周囲環境によっては、例えば、進行方向に対して垂直な方向、又は進行方向に対して反対の方向を優先するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施形態に係る自律移動装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態に係る自律移動装置における超音波センサの配置を示す平面図である。
【図３】実施形態に係る自律移動装置の進行方向と各超音波センサに対するリソース割り当てとの関係を示すタイミングチャートである。
【図４】複数の超音波センサが均等に割り当てられた場合の各超音波センサに対するリソース割り当てを示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
１  自律移動装置
１０  本体
１２  電動モータ
１３  オムニホイール
１４  ホイール
１５  フリーローラ
１６  エンコーダ
２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７  超音波センサ
３０  電子制御装置
３１  ＣＰＵ
３２  入出力インターフェース
【図１】
2010055422.tif 000003
【図２】
2010055422.tif 000004
【図３】
2010055422.tif 000005
【図４】
2010055422.tif 000006