(57)【要約】【課題】滑り量を考慮して自己位置の推定を行う移動体装置を提供すること。【解決手段】本発明にかかる移動装置は、搬送物を把持する把持部１１と、駆動輪１５を備えた自律移動機構１３と、把持部１１と自律移動機構１３とを接続するアーム部１２と、駆動輪１５にかかる床反力と駆動輪１５の滑り量を補正するための補正係数とを関連して記憶する補正テーブル記憶部１８と、アーム部１２、搬送物を含んだ把持部１１及び自律移動機構１３の状態から運動学及び動力学計算により、駆動輪１５にかかる床反力を算出し、補正テーブル記憶部１８から床反力に応じた補正係数を読み出し、位置推定処理を行う位置推定処理部１９と、を備えるものである。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
搬送物を把持する把持部と、
駆動輪を備えた自律移動機構と、
前記把持部と前記自律移動機構とを接続するアーム部と、
前記駆動輪にかかる床反力と前記駆動輪の滑り量を補正するための補正係数とを関連して記憶する補正テーブル記憶部と、
前記アーム部、前記搬送物を含んだ前記把持部、及び前記自律移動機構の状態から運動学及び動力学計算により、前記駆動輪にかかる床反力を算出し、前記補正テーブル記憶部から前記床反力に応じた補正係数を読み出し、位置推定処理を行う位置推定処理部と、
を備えた移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は移動体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の車輪を駆動させて自立走行し、マニピュレータ等の把持部で物体を把持して運搬する移動体装置が知られている。このような移動体装置においては、自装置の走行位置を制御するために、自己位置の推定が必要である。
【０００３】
自己位置の推定方法には、ホイールエンコーダや慣性センサ等を利用した相対的自己位置推定法であるデッドレコニング、ロボットの初期状態とホイールエンコーダ等のセンサの情報とを足し合わせてロボットの位置と姿勢とを逐次的に計算する方法である慣性航行システム、及び車輪型移動ロボットにおける車輪やステアリングの回転角度の計算からそれぞれの移動量を求めその累積計算からロボットの位置を推定する手法であるオドメトリ等がある。
【０００４】
非特許文献１には、不整地走行するクローラ型移動ロボットにおいて、ロボット本体に搭載したセンサで検出した角速度情報から左右のクローラの滑り量を推定して、クローラ型ロボットのデッドレコニングによる推定位置精度を向上させる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】遠藤大輔、他２名、"滑りを考慮したデッドレコニングによるクローラ型移動ロボットの推定位置精度の向上（Improvement of Dead-Reckoning Accuracy of Crawler-Type Mobile Robot by Considering its Slippage）"、［online］、２００６年９月１４日、日本ロボット学会学術講演会予稿集(CD-ROM)、［平成２４年１１月２６日検索］、インターネット（URL：http://www.astro.mech.tohoku.ac.jp/~keiji/papers/pdf/2006-RSJ-Endo.pdf）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１に記載の技術においては、滑りを考慮したデッドレコニングを定式化し、滑りをジャイロセンサで計測して位置推定を行っている。
【０００７】
しかしながら、非特許文献１に記載の技術では、クローラ型移動ロボットが不整地を走行することを前提としており、滑り量を逐次計測しなければならず、移動ロボットにジャイロセンサを搭載しなければならないという問題があった。
【０００８】
また、非特許文献１に記載の技術においては、横滑りを計測することができないため、自己位置の推定に横滑りを考慮しておらず、正確な補正ができない、という問題があった。
【０００９】
またさらに、マニピュレータを備えた運搬装置においては、運搬物の重量及びマニピュレータの姿勢に依存して、駆動輪に加わる床反力が変わるため、滑りの頻度及び程度が変化し、デッドレコニングの精度が悪化するという問題があった。
【００１０】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、滑り量を考慮して自己位置の推定を行う移動体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】
【００１１】
本発明にかかる移動装置は、搬送物を把持する把持部と、駆動輪を備えた自律移動機構と、把持部と自律移動機構とを接続するアーム部と、駆動輪にかかる床反力と駆動輪の滑り量を補正するための補正係数とを関連して記憶する補正テーブル記憶部と、アーム部及び搬送物を含んだ把持部の重量と自律移動機構の重量との釣り合いから、駆動輪にかかる床反力を算出して、補正テーブル記憶部から床反力に応じた補正係数を読み出し、位置推定処理を行う位置推定処理部と、を備えるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、滑り量を考慮して自己位置の推定を行う移動体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】対向二輪型移動ロボットの運動学モデルを示す図である。
【図２】非特許文献１に記載された、クローラ型移動ロボットの運動学モデルを示す図である。
【図３】本実施の形態にかかる移動体装置を示す図である。
【図４】実施の形態にかかる補正テーブルを示す図である。
【図５】実施の形態にかかる補正テーブルを作成する際の構成を示す図である。
【図６】実施の形態にかかる移動体装置のデッドレコニングの処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本願発明は、搬送物を把持するマニピュレータを備え、自立して移動する移動装置に関するものであり、本願発明の主たるポイントは、移動装置の位置推定方法にある。移動装置の位置推定方法について説明するため、まず、対向二輪型移動ロボットの移動特性について説明する。
【００１５】
図１は、対向二輪型移動ロボットの運動学モデルを示す図である。左の車輪１０１の円周速度をｖｒ、右の車輪１０２の円周速度をｖｌとし、車輪の間隔を２ｄとする。また、車体中心の速度をＶｃとし、車体中心の角速度をωｃとする。なお、図１及び２においては、図面垂直方向をｙ軸とし、図面水平方向をｘ軸とする。
このとき、車体中心の座標（ｘ，ｙ）および方位θは、次の式（１）〜（３）の関係が成立する。
【００１６】
【数１】
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【数２】
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【数３】
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【００１７】
式（１）〜（３）を時間積分することで、初期位置に対する現在の位置と姿勢とを計測する手法がオドメトリである。オドメトリは、車輪と地面との間に滑りが発生しないという条件の下では、正確に位置計測を行うことができる。
しかし、実際には車輪と地面との間に必ず滑りが生じるため、オドメトリを位置推定に適用すると、推定された位置と実際の位置とに誤差が生じてしまう。
【００１８】
図２は、非特許文献１に記載された、クローラ型移動ロボットの運動学モデルを示す図である。クローラ型移動ロボットは、本体１０５と、本体１０５の左右に、駆動輪としてのクローラ１０３と１０４とを備えるものとする。
【００１９】
図２に示す運動学モデルにおいては、本体１０５の横方向の滑りと左右のクローラ１０３及び１０４の縦方向の滑りをそれぞれ独立に考慮する。
ここではクローラ１０３の滑り率をａｌとし、クローラ１０４の滑り率をａｒとし、滑り角をαとして説明する。
【００２０】
滑り角αは、本体の方位と実際に進む向きとがなす角度であり、横滑りが発生した場合にα≠０となる。定常旋回を行っているとき、図１で左のクローラの外周速度をｖｌとし、右のクローラの速度を速度ｖｒとすると、車体中心の座標（ｘ，ｙ）および方位θは、次の式（４）〜（６）の関係が成立する。
【００２１】
【数４】
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【数５】
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【数６】
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【００２２】
ここで、式（４）〜（６）を用いて移動装置の位置推定をより正確に行うためには、クローラ１０３の滑り率をａｌ、クローラ１０４の滑り率ａｒ、及び滑り角αを求める必要がある。
【００２３】
しかしながら、左右の駆動輪の滑り率ａｌ、ａｒ及び滑り角αについては、駆動輪にかかる床反力が変化すると変化する。このため、マニピュレータを備え、自立して移動する移動装置においては、搬送物の重量とマニピュレータの姿勢とにより左右の駆動輪の滑り率ａｌ、ａｒ及び滑り角αが変化してしまい、正確な位置推定が困難であった。
【００２４】
本実施の形態においては、左右の駆動輪の滑り率ａｌ、ａｒ及び滑り角αをより簡易な方法で設定し、デッドレコニングをより正確に行う方法を提供する。以下、本実施の形態について説明する。
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図３は、実施の形態にかかる移動体装置１を示す図である。移動体装置１は、把持部１１と、アーム部１２と、本体部１３と、一対の前輪１５と、一対の後輪１６と、を備え、把持部１１により、運搬物を運搬する装置である。
【００２６】
把持部１１は、搬送物を把持する。アーム部１２は、把持部１１を本体部１３に接続する。アーム部１２は、それぞれが図示しないモータにより駆動する駆動軸１２１〜１２３と、第１のリンク１２４と、第２のリンク１２５とを備える。
【００２７】
把持部１１は第１のリンクと駆動軸１２１を介して接続される。第１のリンク１２４は、駆動軸１２２を介して第２のリンク１２５と接続される。第２のリンク１２５は、駆動軸１２３を介して本体部１３に接続される。アーム部１２駆動軸１２１〜１２３が駆動されることで、第１のリンク１２４及び第２のリンク１２５の姿勢が変更され、本体部１３に対して把持部１１が移動される。
【００２８】
前輪１５と後輪１６とは、それぞれ一対の車輪で構成され、本体部１３に接続される。前輪１５は、駆動輪であり、図示しない駆動部より左右の車輪それぞれが駆動される。
【００２９】
本体部１３は、内部に図示しない制御部１４と、床反力算出部１７と、補正テーブル記憶部１８と、位置推定部１９と、を備える。制御部１４は、アーム部１２と、前輪１５を駆動する駆動部と、を制御する。
【００３０】
床反力算出部１７は、前輪１５にかかる床反力を算出する。ここでは簡単のため、床反力算出部１７は、把持部１１及び本体部１３の静的な釣り合いから前輪１５にかかる床反力を求めるものとする。把持部１１の重心にかかる重さをｍｇ、本体部１３の重心にかかる重さをＭｇとする。前輪１５にかかる床反力をＦ１、後輪１６にかかる床反力をＦ２とする。把持部１１の重心から本体部１３の重心までの距離をＬarm、本体部１３の重心から前輪１５の中心までの距離をＬｂ、本体部１３の重心から後輪１６の中心までの距離をＬｂとする。この場合の床反力Ｆ１は、式（７）で求めることができる。
【００３１】
【数７】
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【００３２】
なお、前輪１５にかかる床反力の求め方は式（７）に示す方法に限定されるものではない。アーム部１２、搬送物を含んだ把持部１１及び自律移動機構１３の状態から、運動学及び動力学計算により、駆動輪１５にかかる床反力を算出するようにしてもよい。また、前輪１５にかかる床反力は、アーム部１２のリンク１２４及び１２５の姿勢、速度及び加速度のうち少なくとも１以上と、把持部１１が把持した運搬物の姿勢、速度及び加速度のうち少なくとも１以上と、本体部１３の姿勢、速度及び加速度のうち少なくとも１以上と、から運動学又は動力学若しくはその両方で算出するようにしてもよい。
【００３３】
補正テーブル記憶部１８は、補正テーブル１８１を記憶する。
図４は、補正テーブル１８１を示す図である。補正テーブル１８１は、駆動輪である前輪１５が受ける床反力Ｆ１と、補正係数としての、前輪１５左右の車輪の滑り率ａｌ、ａｒ、及び滑り角αとを対応させて記録する。
【００３４】
補正テーブル１８１は、例えば移動体装置１を実際に移動させた際の位置を測定することにより求めた補正係数を記憶する。
図５は、補正テーブルを作成する際の構成を示す図である。まず、床と平行な天井に、反射マーカからの反射光を受光するモーションキャプチャ２０を設置する。反射マーカ２１及び２２は本体部１３の上面に設置される。本体部１３は、運搬物、把持部１１、及びアーム部１２の重量の替わりとして、錘２３が本体部１３上面に搭載される。
【００３５】
補正パラメータの算出処理について説明する。まず錘２３の重さから、前輪１５にかかる床反力を計算する。次に本体部１３を、移動体装置１において想定する最大速度及び最大曲率で走行させる。そして、補正なしのデッドレコニング値と、モーションキャプチャの計測値である真値と、と比較し、縦滑り量と横滑り量とを計算して、補正パラメータを算出し、補正テーブル１８１に記憶する。
【００３６】
補正パラメータの値が決定したら、錘２３を変更して、すなわち前輪１５にかかる床反力を変更して、補正パラメータの算出処理をくり返す。これにより、補正テーブル１８１を作成することができる。
【００３７】
本実施の形態においては、モーションキャプチャ２０の計測値から補正パラメータを算出するため、より正確な補正係数を設定することが可能になる。
【００３８】
位置推定部１９は、床反力算出部１７が算出した前輪１５にかかる床反力に基づき、前輪１５左右の車輪の滑り率ａｌ、ａｒ及び滑り角αを補正テーブル１８１から読みだして、式（４）〜（６）を用いて、移動体装置１のデッドレコニングを行う。
【００３９】
図６は、本実施の形態にかかる移動体装置１のデッドレコニングの処理を示すフローチャートである。まず、床反力算出部１７は、アーム部１２の各関節角度及び把持部１１の把持する運搬物の重量から、式（７）を用いて床反力Ｆ１を算出する（ステップＳ１）。
【００４０】
次に、補正テーブル１８１を参照して、床反力Ｆ１の値に基づき、補正係数である前輪１５左右の車輪の滑り率ａｌ、ａｒ、及び滑り角αを選定する（ステップＳ２）。そして、ステップＳ２において選定した補正係数を用いてデッドレコニング処理を行う（ステップＳ３）。これにより、床反力に応じた補正係数を選定でき、より正確にデッドレコニングを行うことができる。
【００４１】
本実施の形態にかかる移動体装置１は、前輪１５にかかる床反力に応じた補正係数を記録した補正テーブル１８１を備え、床反力に応じた補正係数を用いてデッドレコニングを行うために、前輪１５の縦滑り量及び横滑り量を考慮した位置推定を行うことが可能である。
【００４２】
また、本実施の形態にかかる移動体装置１では、滑り量の計測を行わないため、従来の移動装置において滑り量の検出に用いられていたジャイロセンサを備える必要がなく、より構成を簡易にすることができる。
【００４３】
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。例えば、上記実施の形態においては、静的な力の釣り合いのみから床反力を推定計算するが、さらにアーム動作時等の動力学を計算することにより、より正確に床反力を推定可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１  移動体装置
１１  把持部
１２  アーム部
１３  本体部
１４  制御部
１５  前輪
１６  後輪
１７  床反力算出部
１８  補正テーブル記憶部
１８１  補正テーブル
１９  位置推定部
２０  モーションキャプチャ
２１  反射マーカ
２２  反射マーカ
２３  錘
１２１  駆動軸
１２２  駆動軸
１２３  駆動軸
１２４  リンク
１２５  リンク
１０１  車輪
１０２  車輪
１０３  クローラ
１０４  クローラ
１０５  本体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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