(57)【要約】【課題】第１センサと第２センサとの相対的な位置関係の誤差を精度良く取得することができる自律移動体を提供する。【解決手段】自律移動体としての把持ロボット１は、台車４と、移動環境内における障害物を検知する第１センサ２０と、物体を認識する第２センサ３０と、台車４の旋回角度を検出する角度センサ６０と、演算部４１と、を備え、演算部４１は、平坦な壁面に第１センサ２０および第２センサを対向させた状態で台車を旋回させ、複数の異なる旋回角度の各々に対して、第１センサにより、第１センサの取り付け位置の壁面に対する距離および第１センサの向きと壁面とのなす角度を検出するとともに、第２センサにより、第２センサの取り付け位置の壁面に対する距離および第２センサの向きと壁面とのなす角度を検出し、これらの検出結果および旋回角度を用いて第１センサと第２センサとの相対的な位置関係を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を中心に旋回可能な台車と、
前記台車に直接的または間接的に取り付けられ、移動環境内における障害物を検知する第１センサと、
前記台車に直接的または間接的に取り付けられ、物体を認識するための第２センサと、
前記台車の旋回角度を検出する角度センサと、
前記第１センサと前記第２センサとの相対的な位置関係を取得する演算部と、を備え、
前記演算部は、平坦な壁面に前記第１センサおよび前記第２センサを対向させた状態で前記台車を旋回させ、複数の異なる前記旋回角度の各々に対して、第１センサにより、前記第１センサの取り付け位置の前記壁面に対する距離および前記第１センサの向きと前記壁面とのなす角度を検出するとともに、第２センサにより、前記第２センサの取り付け位置の前記壁面に対する距離および前記第２センサの向きと前記壁面とのなす角度を検出し、これらの検出結果および前記旋回角度を用いて前記第１センサと前記第２センサとの相対的な位置関係を算出する、自律移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自律移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の位置を検出するためのセンサを備えたロボットが知られている。特許文献１には、ロボットアームを有する把持ロボットにおいて、把持ロボットの第１の座標系（ロボットアームの先端）に固定され、非接触距離センサを回転走査させる回転走査機構と、回転走査機構の回転位相を検出する回転位相情報検出手段と、を備え、回転走査機構を回転させながら、回転位相情報検出手段により回転位相を検出し、さらに、その回転位相における、非接触距離センサにより把持ロボットの第１の座標系に既知の位置関係で固定されたＬ型調整用ワークまでの距離を検出し、検出された、回転位相情報とＬ型調整用ワークまでの距離情報を用いて第１の座標系に対する回転走査機構の取り付け誤差を調整する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１３１６８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、開発中の自律移動体は、回転軸を中心に旋回可能な台車と、台車に取り付けられ、ロボットアームが設けられた胴体と、を備えている。開発中の自律移動体は、さらに、台車に取り付けられ移動環境内における障害物を検知するための第１センサ（例えば、レーザレンジセンサなど）と、胴体の頭部に取り付けられロボットアームによるマニピュレーションの対象物体を認識するための第２センサ（例えば、ステレオカメラなど）と、を備えている。台車の移動は、第１センサを用いて算出した台車の移動距離に基づいて制御される。
【０００５】
一般的に、第１センサおよび第２センサの台車に対する取り付け位置は、それぞれ誤差を含んでいる。このため、第１センサと第２センサとの相対的な位置関係にも誤差が含まれている。上述したように、マニピュレーションの対象物体の認識は第２センサにより行うが、台車の移動は、第１センサを用いて算出した台車の移動距離に基づいて制御される。このため、第１センサと第２センサとの相対的な位置関係に誤差が含まれていると、実際に自律移動体が移動した位置が、第２センサによる対象物体の認識結果から自律移動体が本来進むべき位置に対してずれてしまうという問題があった。このような問題を解消するために、第１センサと第２センサとの相対的な位置関係を精度良く取得し、第１センサと第２センサとの相対的な位置関係の誤差を校正（キャリブレーション）する必要がある。
【０００６】
上記問題に対し、特許文献１に記載の技術を用いて、第１センサの台車に対する位置、および第２センサの台車に対する位置を、それぞれ把握し、第１センサと第２センサとの相対的な位置関係の誤差を校正することも考えられる。上述したように、特許文献１に記載の技術では、治具として、ロボットの第１の座標系に既知の位置関係で固定されたＬ型調整用ワークを用いている。すなわち、特許文献１に記載の技術では、センサが固定された回転走査機構のロボットに対する取り付け誤差を調整するためには、治具と回転走査機構との正確な位置を予め知っておく必要がある。しかしながら、上述した自律移動体は、特許文献１に記載の把持ロボットとは異なり、固定的に設置されたロボットではないため、このような治具を用意するのは困難である。
【０００７】
本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、移動環境内の物体までの距離情報を取得するための第１センサと対象物体を認識するための第２センサとの相対的な位置関係を精度良く取得することができる自律移動体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】
【０００８】
本発明は、自律移動体であって、回転軸を中心に旋回可能な台車と、前記台車に直接的または間接的に取り付けられ、移動環境内における障害物を検知する第１センサと、前記台車に直接的または間接的に取り付けられ、物体を認識するための第２センサと、前記台車の旋回角度を検出する角度センサと、前記第１センサと前記第２センサとの相対的な位置関係を取得する演算部と、を備え、前記演算部は、平坦な壁面に前記第１センサおよび前記第２センサを対向させた状態で前記台車を旋回させ、複数の異なる前記旋回角度の各々に対して、第１センサにより、前記第１センサの取り付け位置の前記壁面に対する距離および前記第１センサの向きと前記壁面とのなす角度を検出するとともに、第２センサにより、前記第２センサの取り付け位置の前記壁面に対する距離および前記第２センサの向きと前記壁面とのなす角度を検出し、これらの検出結果および前記旋回角度を用いて前記第１センサと前記第２センサとの相対的な位置関係を算出するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、移動環境内の物体までの距離情報を取得するための第１センサと対象物体を認識するための第２センサとの相対的な位置関係を精度良く取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態にかかる把持ロボットを示す図である。
【図２】第１センサと第２センサとの相対的な位置関係の校正方法について説明する模式図である。
【図３】第１センサと第２センサとの相対的な位置関係の校正方法について説明する模式図である。
【図４】格子マーカを貼り付けられた壁面を示す模式図である。
【図５】第１センサと第２センサとの相対的な位置関係の校正を行う処理の流れ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】
【００１１】
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。
まず、図１を参照して本実施の形態にかかる自律移動体としての把持ロボット１の概略構成について説明する。図１は、本実施の形態にかかる把持ロボット１を示す図である。把持ロボット１は、台車４と、角度センサ６０と、胴体２と、第１センサ２０と、第２センサ３０と、演算部４１と、を備える。
【００１２】
台車４は、回転軸を中心に旋回可能に構成されている。台車４には車輪が設けられており、後述の制御装置４０によって車輪の回転を制御することで把持ロボット１を移動させる。角度センサ６０は、台車４に設けられ、台車４の旋回角度を検出する。角度センサ６０は、例えばジャイロセンサである。
【００１３】
胴体２は、台車４に取り付けられている。胴体２には、ロボットアーム５０が設けられている。ロボットアーム５０は、把持部５１と、アーム部５２とを有する。把持部５１は、物体を把持するハンドとして機能する。把持部５１は、ロボットアーム５０の先端（胴体２と反対側）に設けられており、アーム部５２に支持されている。
【００１４】
第１センサ２０は、台車４に取り付けられ、移動環境内における障害物を検知する。第１センサ２０は、複数点までの距離を同時に検出できるセンサ、または、平面までの距離および平面とセンサの向きとのなす角度が同時に検出できるセンサであり、例えばレーザレンジセンサである。第２センサ３０は、例えばステレオカメラや三次元カメラ等の三次元センサであり、胴体２の上部に設けられている。第２センサ３０は、例えば単眼カメラやステレオカメラ等の、カメラによる撮影画像を解析して対象物体を認識するものであり、把持ロボット１が把持する対象物体の位置及び寸法（大きさ）に関する情報を取得する。
【００１５】
把持ロボット１の動作は、制御装置４０により制御される。制御装置４０は、第１センサ２０より移動環境内の物体までの距離情報を取得し、取得した距離情報に基づいて移動経路を生成し把持ロボット１の自律移動を行う。制御装置４０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を備えたコンピュータとしての機能を有する。制御装置４０は、例えば胴体２に内蔵されているが、これに限られない。制御装置４０は、第１センサ２０と第２センサ３０との相対的な位置関係を算出する演算部４１を備えている。演算部４１は、第１センサ２０による検出結果、第２センサ３０による検出結果および角度センサ６０が検出した旋回角度を用いて第１センサ２０と第２センサ３０との相対的な位置関係を算出する。
【００１６】
次に、第１センサ２０と第２センサ３０との相対的な位置関係の算出方法について説明する。
図２および図３は、第１センサ２０と第２センサ３０との相対的な位置関係の算出方法について説明する模式図である。図２および図３に示すように、第１センサ２０と第２センサ３０との相対的な位置関係を算出するための、第１センサ２０および第２センサ３０による計測は、平坦な壁面Ｗに第１センサ２０および第２センサ３０を対向させた状態で台車４を旋回させながら行う。すなわち、複数の異なる旋回角度の各々に対して、第１センサ２０および第２センサ３０による計測を行う。台車４の旋回角度は、上述したように角度センサ６０により検出する。なお、壁面Ｗは、平坦であれば任意のものを選択できる。
【００１７】
図２に示すように、ｋ回目の計測における、第１センサ２０の取り付け位置の壁面Ｗに対する距離をｘｋ、第１センサ２０の向きと壁面Ｗとのなす角度をαｋ、台車４の旋回角度をθｋとする。また、台車４の回転軸Ｐから壁面Ｗまでの距離をＤ、台車４の回転軸Ｐから第１センサ２０の取り付け位置までの距離（第１センサ取付半径）をｒ、第１センサ２０における実際の向きの設計上の向きからのずれ角（第１オフセット角）をａ、第１センサ２０における実際の取り付け位置の設計上の取り付け位置からのずれ角（第２オフセット角）をｂとする。
【００１８】
αｋ、ｘｋ、θｋ、ａ、ｂ、Ｄ、ｒとの間には、以下の式１および式２の関係が成り立つ。
αｋ＝θｋ−ａ  （式１）
ｘｋ＝Ｄ−ｒｓｉｎ（θｋ−ｂ）  （式２）
【００１９】
なお、第１センサ２０が、レーザレンジセンサである場合、レーザ光の照射方向を２次元走査することによって、壁面Ｗにおける複数の測定点の位置座標を取得し、取得した複数の測定点を、最小二乗法などによって直線で近似する。この直線の方程式から、第１センサ２０の取り付け位置の壁面Ｗに対する距離ｘｋ、および、第１センサ２０の向きと壁面Ｗとのなす角度αｋを算出することができる。
【００２０】
図３に示すように、ｋ回目の計測における、第２センサ３０の取り付け位置の壁面Ｗに対する距離をｙｋ、第２センサ３０の向きと壁面Ｗとのなす角度をβｋ、台車４の回転軸Ｐから第２センサ３０の取り付け位置までの距離（第２センサ取付半径）をＲ、第２センサ３０における実際の向きの設計上の向きからのずれ角（第３オフセット角）をｃ、第２センサ３０における実際の取り付け位置の設計上の取り付け位置からのずれ角（第４オフセット角）をｄとする。
【００２１】
上述したように、第２センサ３０は、ステレオカメラ等のカメラによる撮影画像を解析して対象物体を認識するものである。このため、第２センサ３０により、第２センサ３０の取り付け位置の壁面Ｗに対する距離ｙｋ、および、第２センサ３０の向きと壁面Ｗとのなす角度βｋを検出するためには、壁面Ｗに、格子マーカやＡＲマーカなどを貼り付ける必要がある。図４は、格子マーカＭを貼り付けられた壁面Ｗを示す模式図である。図４に示すように、格子マーカＭは格子寸法が既知（Ｌ×Ｌ）である。このため、第２センサ３０のカメラで撮影した壁面Ｗにおける格子Ｗから、第２センサ３０の取り付け位置の壁面Ｗに対する距離ｙｋ、および、第２センサ３０の向きと壁面Ｗとのなす角度βｋを検出することができる。
【００２２】
βｋ、ｙｋ、θｋ、ｃ、ｄ、Ｄ、Ｒとの間には、以下の式３および式４の関係が成り立つ。
βｋ＝θｋ−ｃ  （式３）
ｙｋ＝Ｄ−Ｒｓｉｎ（θｋ−ｄ）  （式４）
【００２３】
ｎ個の異なる旋回角度において、校正のための第１センサ２０、第２センサ３０による計測を行うと、異なるＮ個の計測データセット｛θ１、α１、ｘ１、β１、ｙ１｝、｛θ２、α２、ｘ２、β２、ｙ２｝、・・・、｛θＮ、αＮ、ｘＮ、βＮ、ｙＮ｝が得られる。
【００２４】
また、測定したθｋを式１から式４に代入したときのαｋ、ｘｋ、βk、ｙｋを最適値αｋ’、ｘｋ’、βk’、ｙｋ’とする。式１より最適値αｋ’はａの関数、式２より最適値ｘｋ’はＤ，ｂ，ｒの関数、式３より最適値βk’はｃの関数、式４より最適値ｙｋ’はＤ，ｄ，Ｒの関数で表されることが分かる。最適値αｋ’、ｘｋ’、βk’、ｙｋ’に対する計測値αｋ、ｘｋ、βk、ｙｋの残差誤差は、以下の式５で表すことができる。
【００２５】
【数１】
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【００２６】
上記式５に示す残差誤差が最小になるように、Ｄ，ａ，ｂ，ｒ，ｃ，ｄおよびＲを算出する。これにより、第１センサ２０と第２センサ３０との相対的な位置関係を精度良く算出することができる。
【００２７】
なお、第１センサ取付半径ｒおよび第２センサ取付半径Ｒの精度は、第１オフセット角ａ、第２オフセット角ｂ、第３オフセット角ｃおよび第４オフセット角ｄの精度と比べて、台車４の移動位置の精度に及ぼす影響が小さい。このため、第１センサ取付半径ｒおよび第２センサ取付半径Ｒが、設計図面などから分かっている場合は、ｒおよびＲを定数として扱うことで、他の変数（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）の精度をより高めることができる。
【００２８】
次に、第１センサ２０と第２センサ３０との相対的な位置関係を算出する処理の流れについて説明する。
図５は、第１センサ２０と第２センサ３０との相対的な位置関係の校正を行う処理の流れを示すフローチャートである。図５に示すように、まず、第１センサ２０により、第１センサ２０の取り付け位置の壁面Ｗに対する距離ｘｋ（図２参照）、および、第１センサ２０の向きと壁面Ｗとのなす角度αｋ（図２参照）を検出する（ステップＳ１）。次に、第２センサ３０により、第２センサ３０の取り付け位置の壁面Ｗに対する距離ｙｋ（図３参照）、および、第２センサ３０の向きと壁面Ｗとのなす角度βｋ（図３参照）を検出する（ステップＳ２）。そして、角度センサ６０により台車４の旋回角度を取得する（ステップＳ３）。
【００２９】
ステップＳ３に続いて、台車４を、回転軸を中心として少し回転させる（ステップＳ４）。続いて、所定回数Ｎの計測が完了したか否かを判断する（ステップＳ５）。ステップＳ５において、所定回数Ｎの計測が完了したと判断された場合（ＹＥＳの場合）、第１センサ２０の取り付け位置、第２センサ３０の取り付け位置を算出して、第２センサ３０との相対的な位置関係を演算し（ステップＳ６）、制御装置４０（図１参照）に設けられたハードディスクやＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などの記憶媒体に演算結果を記憶させる（ステップＳ７）。ステップＳ５において、所定回数Ｎの計測が完了していないと判断された場合（ＮＯの場合）、処理をステップＳ１に戻す。
【００３０】
以上より、本実施の形態にかかる把持ロボット１では、平坦な壁面に第１センサおよび第２センサを対向させた状態で台車を旋回させながら校正のための第１センサ２０、第２センサ３０による計測を行う。これにより、複数の異なる旋回角度の各々に対して、第１センサにより、第１センサの取り付け位置の壁面に対する距離および第１センサの向きと壁面とのなす角度が検出されるとともに、第２センサにより、第２センサの取り付け位置の壁面に対する距離および第２センサの向きと壁面とのなす角度が検出される。複数の異なる旋回角度の各々に対応する検出データセットから、回転軸に対する第１センサ２０の位置および回転軸に対する第２センサ３０の位置を精度良く求めることができる。これにより、第１センサ２０と第２センサ３０との相対的な位置関係を精度良く取得することができる。また、本実施の形態にかかる把持ロボット１では、第１センサ２０と第２センサ３０との相対的な位置関係を算出において、平坦な壁面を利用しており、特別な治具を用いる必要がない。
【００３１】
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、上記実施の形態では、第１センサ２０が胴体２を介して間接的に台車４に取付けられているが、これに限るものではなく、第１センサ２０が、直接、台車４に取付けられていてもよい。また、上記実施の形態では、第２センサ３０が台車４に直接取付けられているが、これに限るものではなく、第２センサ３０が、胴体２などを介して間接的に台車４に取付けられていてもよい。
【００３２】
上記実施の形態では、第２センサ３０は、ステレオカメラや三次元カメラ等のカメラによる撮影画像を解析して対象物体を認識するセンサとしたが、これに限るものではない。第２センサが、第１センサ２０と同様に、例えばレーザレンジセンサのように、複数点までの距離を同時に検出できるセンサ、または、平面までの距離および平面とセンサの向きとのなす角度が同時に検出できるセンサであってもよい。このようにすると、第２センサ３０により、第２センサ３０の取り付け位置の壁面Ｗに対する距離ｙｋ、および、第２センサ３０の向きと壁面Ｗとのなす角度βｋを検出するために、壁面Ｗに、格子マーカやＡＲマーカなどを貼り付ける必要はない。
【００３３】
自律移動体が、複数点までの距離を同時に検出できるセンサ、または、平面までの距離および平面とセンサの向きとのなす角度が同時に検出できるセンサを、２つ以上備えた構成である場合にも、上記実施の形態において説明した、センサ間の相対的な位置関係を算出する技術を適用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  把持ロボット
２  胴体
４  台車
２０  第１センサ
３０  第２センサ
４０  制御装置
４１  演算部
５０  ロボットアーム
５１  把持部
５２  アーム部
６０  角度センサ
Ｗ  壁面
【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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