(57)【要約】【課題】対象物を移動させる際の失敗を低減できること。【解決手段】経路計画装置は、一対の駆動輪が設けられ全方位に移動可能な台車部と、対象物を把持するアーム部が設けられ、台車部に旋回可能に設けられた本体部と、を備え、台車部が初期位置から把持位置に移動し、該把持位置でアーム部が対象物を把持し、台車部が把持位置から対象物を移動させる移動位置に対応した目標位置に移動することで、対象物を移動させる全方位移動ロボットの移動経路を計画する。経路計画装置は、初期位置から把持位置までの移動経路であって、把持位置において、台車部の一対の駆動輪の車軸を通る線と、把持位置と目標位置とを通る線と、が垂直となるように移動経路を計画する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の駆動輪が設けられ全方位に移動可能な台車部と、対象物を把持するアーム部が設けられ、前記台車部に旋回可能に設けられた本体部と、を備え、前記台車部が初期位置から把持位置に移動し、該把持位置で前記アーム部が前記対象物を把持し、前記台車部が前記把持位置から前記対象物を移動させる移動位置に対応した目標位置に移動することで、前記対象物を移動させる全方位移動ロボットの移動経路を計画する経路計画装置であって、
前記初期位置から前記把持位置までの前記移動経路であって、前記把持位置において、前記台車部の一対の駆動輪の車軸を通る線と、前記把持位置と前記目標位置とを通る線と、が垂直となるように前記移動経路を計画する、
ことを特徴とする経路計画装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全方位に移動可能な全方位移動ロボットの移動経路を計画する経路計画装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一対の駆動輪が設けられ全方位に移動可能な台車部と、対象物を把持するアーム部が設けられ、前記台車部に旋回可能に設けられた本体部と、を備える全方位移動ロボットが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−１６４９６８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、上記全方位移動ロボットにおいて、アーム部によって対象物を把持した状態で移動させる場合、アーム部の力だけでは足りず、台車部を移動させることで、対象物を移動させることがある。この場合、対象物を把持したときの台車部の向きによっては、対象物を移動させることが困難となり、対象物の移動に失敗する虞があった。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、対象物を移動させる際の失敗を低減できる経路計画装置を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
一対の駆動輪が設けられ全方位に移動可能な台車部と、対象物を把持するアーム部が設けられ、前記台車部に旋回可能に設けられた本体部と、を備え、前記台車部が初期位置から把持位置に移動し、該把持位置で前記アーム部が前記対象物を把持し、前記台車部が前記把持位置から前記対象物を移動させる移動位置に対応した目標位置に移動することで、前記対象物を移動させる全方位移動ロボットの移動経路を計画する経路計画装置であって、
前記初期位置から前記把持位置までの前記移動経路であって、前記把持位置において、前記台車部の一対の駆動輪の車軸を通る線と、前記把持位置と前記目標位置とを通る線と、が垂直となるように前記移動経路を計画する、
ことを特徴とする経路計画装置
である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、対象物を移動させる際の失敗を低減できる経路計画装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る全方位移動ロボットの概略的構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）本発明の一実施形態に係る全方位移動ロボットを上方から見た上面図である。（ｂ）本発明の一実施形態に係る全方位移動ロボットを前方から見た正面図である。（ｃ）本発明の一実施形態に係る全方位移動ロボットを側方から見た側面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る全方位移動ロボットの概略的なシステム構成を示すブロック図である。
【図４】（ａ）アーム部がドアの取手を把持し台車部がドアの開く方向に移動する状態を示す図である。（ｂ）アーム部が引出しの取手を把持し台車部が引出しの引く方向に移動する状態を示す図である。
【図５】操作力の算出方法を説明するための図である。
【図６】台車部の移動方向と操作力との関係を示す図である。
【図７】駆動輪の車軸を通る線Ｌ１と把持位置Ｐ１と目標位置Ｐ２とを通る線Ｌ２との関係を示す図である。
【図８】経路計画装置により計画された移動経路の一例を示す図である。
【図９】経路計画装置により計画された移動経路の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、本実施形態に係る経路計画方法のフローの一例を示すフローチャートである。
【図１１】移動経路の算出方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
本発明の一実施形態に係る経路計画装置は、全方位に移動可能な全方位移動ロボットの移動経路を計画する。本実施形態に係る経路計画装置は、例えば、全方位移動ロボットに搭載されている。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態に係る全方位移動ロボットの概略的構成を示す斜視図である。図２（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る全方位移動ロボットの概略的構成を示す概略図であり、それぞれ、全方位移動ロボットを上方から見た上面図、前方から見た正面図、及び側方から見た側面図である。なお、図２（ａ）乃至（ｃ）において、各構成要素を見易くするために、アーム部１１を省略し、各構成要素を簡略して記載している。本発明の実施形態に係る全方位移動ロボット１は、例えば、アクティブキャスタ式のロボットとして構成されている。
【００１１】
全方位移動ロボット１は、移動を行う台車部２と、台車部２の上方側に旋回動可能に連結された本体部３と、を有している。台車部２は、一つの補助輪２１と左右一対の駆動輪２２が設けられている。本体部３は、台車部２に対して、旋回軸（Ｙａｗ回転軸）４を中心にして相対回動する。駆動輪２２の駆動軸と本体部３の旋回軸４とはオフセットしている（交差しない）。
【００１２】
全方位移動ロボット１は、駆動軸と旋回軸４とを独立して駆動することで、全方位移動を実現する。全方位移動ロボット１は、例えば、駆動軸による駆動輪２２の回転差に加えて、旋回軸４による本体部３の相対回動によって全方位移動を実現する。また、本体部３には、例えば、物体を把持できる多関節型のアーム部１１が回動可能に設けられている。これにより、全方位移動ロボット１を任意の方向に移動させつつ、アーム部１１を動作させることで、物体を容易に把持し移動させることができる。
【００１３】
図３は、本実施形態に係る全方位移動ロボットの概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態に係る全方位移動ロボット１は、左右の駆動輪２２の回転情報(回転角、回転速度、回転角加速度)を検出する一対の回転センサ５、旋回軸４の回転情報を検出する回転センサ６、一対の駆動輪２２を駆動する一対の車輪アクチュエータ７と、旋回軸４を駆動する旋回アクチュエータ８と、アーム部１１の各関節１２の回転情報を検出する回転センサ１３と、アーム部１１の各関節１２を駆動する関節アクチュエータ１４と、車輪アクチュエータ７、旋回アクチュエータ８及び各関節アクチュエータ１４を制御する制御装置９と、を備えている。
【００１４】
制御装置９は、回転センサ５、６、１３により検出される回転情報に基づいて、車輪アクチュエータ７、旋回アクチュエータ８及び関節アクチュエータ１４を制御する。
【００１５】
制御装置９は、例えば、演算処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）９ａ、ＣＰＵ９ａによって実行される演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ９ｂ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）９ｃなどからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ９ａ、メモリ９ｂ及びインターフェイス部９ｃは、データバスなどを介して相互に接続されている。
【００１６】
各回転センサ５は、例えば、左右の駆動輪２２の駆動軸に夫々設けられている。各回転センサ５は、ポテンショメータ、エンコーダなどで構成されている。各車輪アクチュエータ７は、例えば、左右の駆動輪２２の駆動軸に連結されている。各車輪アクチュエータ７は、モータなどで構成されている。
【００１７】
旋回アクチュエータ８は、例えば、旋回軸４に連結されている。各旋回アクチュエータ８は、モータなどで構成されている。各回転センサ１３は、例えば、各関節１２（手首関節、肘関節、肩関節など）の駆動軸に夫々設けられている。各関節アクチュエータ１４は、モータなどで構成されている。車輪アクチュエータ７、旋回アクチュエータ８及び関節アクチュエータ１４は、制御装置９から出力される制御信号に応じて回転駆動する。
【００１８】
本実施形態に係る経路計画装置１０は、設定された初期位置から、アーム部１１が対象物を把持する把持位置まで、全方位移動ロボット１の移動経路を計画する。経路計画装置１０は、制御装置９に接続されており、計画した全方位移動ロボット１の移動経路を制御装置９に送信する。制御装置９は、経路計画装置１０から送信された全方位移動ロボット１の移動経路をメモリ９ｂなどに記憶する。
【００１９】
制御装置９は、経路計画装置１０から送信される移動経路に従って、全方位移動ロボット１が走行するように、車輪アクチュエータ７、旋回アクチュエータ８及び関節アクチュエータ１４を制御する。なお、本実施形態において、経路計画装置１０は、全方位移動ロボット１に搭載される構成であるが、これに限定されない。経路計画装置１０は、全方位移動ロボット１と、独立していてもよい。この場合、経路計画装置１０は、有線又は無線（ブルートゥース（登録商標）、Ｗｉ-Ｆｉ（登録商標）、インターネット、ＬＡＮなどのネットワーク）を介して、全方位移動ロボット１の制御装置９に通信接続される。
【００２０】
ところで、全方位移動ロボット１において、アーム部１１によって対象物を把持した状態で移動させる場合、アーム部１１の力だけでは足りず、台車部２を移動させることで、台車部２の駆動力を利用して対象物に操作力を与え、対象物を移動させる。本実施形態に係る全方位移動ロボット１において、台車部２が、まず、初期位置から把持位置に移動し、該把持位置でアーム部１１が対象物を把持する。そして、台車部２は、把持位置から、対象物を移動させる移動位置に対応した目標位置に移動することで、対象物を移動させる。これにより、台車部２の駆動力を利用して対象物により大きな操作力を与え、対象物を容易に移動させることができる。
【００２１】
例えば、図４（ａ）に示す如く、重いドアを開く方向に移動させる場合、アーム部１１がドアの取手を把持した状態で、台車部２がドアの開く方向（横方向）に移動する。これにより、重いドアを容易に開くことができる。図４（ｂ）に示す如く、重い引出しを引く方向に移動させる場合、アーム部１１が引出しの取手を把持した状態で、台車部２が引出しの引く方向（前後方向）に移動する。これにより、重い引出しを容易に引くことができる。
【００２２】
また、台車部２の一対の駆動輪２２の車軸を通る線と、台車部２の移動方向の線と、の成す角度に応じて、その台車部２の移動より対象物に与える操作力の大きさが変化する。
例えば、操作力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｔ）は、下記式によって求めることができ、θｓに応じて、操作力が変化することが分かる（図５）。
【数１】
2018122399.tif 000003
【００２３】
上記式において、ｒは駆動輪２２の半径、ｓは一対の駆動輪２２の車軸と旋回軸との距離、Ｗは一対の駆動輪２２間の距離、ＴＲは右側の駆動輪２２の駆動トルク、ＴＬは左側の駆動輪２２の駆動トルク、ＴＳは旋回軸の駆動トルクである。
【００２４】
図６は、台車部の移動方向と操作力との関係を示す図である。図６において、実線Ｓは、操作力の大きさを示しており、台車部２は、半径の大きい方向により大きな操作力を出力する。図６に示すように、台車部２は初期位置（１）の状態で、Ｙ方向に最大の操作力を出力できる。しかし、台車部２が、単に、初期位置（１）から、（２）及び（３）のように方向を転換し、把持位置（４）へとＸ方向に移動した場合、把持位置（４）の状態で、Ｘ方向には最大の操作力を出力できるが、必要なＹ方向には小さな操作力しか出力できない。
【００２５】
このため、従来の全方位移動ロボットにおいては、把持位置における台車部の向きによっては、操作力が足りず、対象物を移動させることが困難となり、対象物の移動に失敗する虞があった。
【００２６】
これに対し、本実施形態に係る経路計画装置１０は、例えば、図７に示す如く、把持位置Ｐ１において、台車部２の一対の駆動輪２２の車軸を通る線Ｌ１と、把持位置Ｐ１と目標位置Ｐ２とを通る線Ｌ２と、が垂直となるように移動経路を計画する。これにより、台車部２は把持位置Ｐ１から目標位置Ｐ２に移動する際に、対象物に対して最大の操作力を出力できる。したがって、対象物を移動させる際の失敗を低減できる。なお、図７において、目標位置Ｐ２は、台車部２の後方側に設定されているが、これに限定されず、前方側に設定されていてもよい。
【００２７】
例えば、図８に示す如く、初期位置Ｐ０で台車部２がＹ方向を向いているとする。そして、台車部２が初期位置Ｐ０からＸ方向に向かって把持位置Ｐ１まで移動し、把持位置Ｐ１でアーム部１１が対象物を把持し、台車部２が把持位置Ｐ１から対象物を移動させる移動位置に対応した目標位置Ｐ２に移動することで、対象物をＹ方向に移動させるとする。
【００２８】
この場合、経路計画装置１０は、例えば、初期位置Ｐ０から把持位置Ｐ１までの最短距離かつ初期位置Ｐ０と把持位置Ｐ１との間の障害物を回避する、という条件を考慮し、さらに、最終点である把持位置Ｐ１において、台車部２の一対の駆動輪２２の車軸を通る線Ｌ１と、把持位置Ｐ１と目標位置Ｐ２とを通る線Ｌ２と、が垂直となるような、移動経路を算出する。
【００２９】
経路計画部は、図８に示す如く、例えば、台車部２が把持位置Ｐ１付近で外側にやや大回りして、把持位置Ｐ１と目標位置Ｐ２とを通る線Ｌ２の方向に向くように、移動経路を算出する。また、経路計画部は、図９に示す如く、最初に把持位置Ｐ１付近に移動した後、把持位置Ｐ１と目標位置Ｐ２とを通る線Ｌ２の方向に把持位置Ｐ１から離れるように移動し、再度、把持位置Ｐ１に戻るように、移動経路を算出してもよい。なお、上述した移動経路は一例であり、これに限定されない。
【００３０】
図１０は、本実施形態に係る経路計画方法のフローの一例を示すフローチャートである。
【００３１】
経路計画装置１０は、対象物の移動位置が決まっており把持位置Ｐ１及び目標位置Ｐ２が設定されているか否かを判断する（ステップＳ１０１）。経路計画装置１０は、把持位置Ｐ１及び目標位置Ｐ２が設定されていないと判断すると（ステップＳ１０１のＮＯ）、初期位置Ｐ０から把持位置Ｐ１までの最短距離、かつ初期位置Ｐ０と把持位置Ｐ１との間の障害物を回避する移動経路を算出し（ステップ１０２）、本処理を終了する。
【００３２】
一方、経路計画装置１０は、把持位置Ｐ１及び目標位置Ｐ２が設定されていると判断すると（ステップＳ１０１のＹＥＳ）、図１１に示す如く、把持位置Ｐ１と目標位置Ｐ２とを通る線Ｌ２の延長線上に仮把持位置Ｐ３と、仮把持位置Ｐ３を中心とした仮把持領域Ｓと、を設定する（ステップＳ１０３）。
【００３３】
経路計画装置１０は、初期位置Ｐ０から設定した仮把持位置Ｐ３までの最短距離、かつ初期位置Ｐ０と仮把持位置Ｐ３との間の障害物を回避する移動経路Ｒ１を算出する（ステップＳ１０４）。
【００３４】
経路計画装置１０は、例えば、スプライン補間法などを用いて、算出した移動経路Ｒ１と仮把持領域Ｓの境界線とが交わる交点Ｐ４と、把持位置Ｐ１と、を滑らかに結んだ補間経路Ｒ２を算出する（ステップＳ１０５）。経路計画装置１０は、算出した初期位置Ｐ０から交点Ｐ４までの移動経路Ｒ１と、算出した交点Ｐ４から把持位置Ｐ１までの補間経路Ｒ２とを繋げた移動経路を、最終的な全方位移動ロボット１の移動経路として算出する（ステップＳ１０６）。
【００３５】
以上、本実施形態に係る経路計画装置１０は、把持位置において、台車部２の一対の駆動輪２２の車軸を通る線と、把持位置と目標位置とを通る線と、が垂直となるように移動経路を計画する。これにより、台車部２は把持位置から目標位置に移動する際に、対象物に対して最大の操作力を出力できる。したがって、対象物を移動させる際の失敗を低減できる。
【００３６】
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、上記実施形態において、経路計画装置１０は、上述の如く、把持位置Ｐ１において、台車部２の一対の駆動輪２２の車軸を通る線Ｌ１と、把持位置Ｐ１と目標位置Ｐ２とを通る線Ｌ２と、が垂直となるように移動経路を計画する。さらに、経路計画装置１０は、把持位置Ｐ１において、アーム部１１の手先位置が対象物から所定距離以内で接近するように移動経路を計画してもよい。
【００３７】
さらにまた、制御装置９は、台車部２が経路計画装置１０により計画された移動経路に従って把持位置Ｐ１に移動したときに、把持位置Ｐ１で、全方位移動ロボット１の重心位置がより低くなるように（例えば最も低くなるように）、車輪アクチュエータ７、旋回アクチュエータ８及び関節アクチュエータ１４を制御してもよい。これにより、台車部２が把持位置に移動した後、アーム部１１が対象物を把持し移動させる際に、全方位移動ロボット１に力が掛かっても、全方位移動ロボット１を安定させることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１  全方位移動ロボット、２  台車部、３  本体部、４  旋回軸、５  回転センサ、６  回転センサ、７  車輪アクチュエータ、８  旋回アクチュエータ、９  制御装置、１０  経路計画装置、１１  アーム部、１２  関節、１３  回転センサ、１４  関節アクチュエータ、２１  補助輪、２２  駆動輪
【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】
2018122399.tif 000008
【図６】
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【図７】
2018122399.tif 000010
【図８】
2018122399.tif 000011
【図９】
2018122399.tif 000012
【図１０】
2018122399.tif 000013
【図１１】
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