計測自動制御学会東北支部

第 210 回研究集会(2003.7.16)

資料番号210-11

介護・福祉ロボットの開発
Development of care and a welfare robot○細矢 統，湯川 俊浩，齋藤 直樹，梶川 伸哉，岡野 秀晴○ O. Hosoya，T. Yukawa，N. Saito，S. Kajikawa， H. Okano
秋田県立大学大学院システム科学技研究科

Graduate School of Akita Prefectural University，Faculty of Systems Science and Technology
キーワード：四輪独立駆動(Independent Four- Wheel-Drive)，全方向移動機構(Omni-Directional
Mobile Mechanism)，PID 制御(PID Control)，ライントレース(Line Trace )連絡先：〒015‑0055

本荘市土谷字海老ノ口 84‑4

機械知能システム学専攻

秋田県立大学大学院システム科学技術研究科

生体知能系

細矢 統

TEL:0184‑27‑2122，FAX：0184‑27‑2217，E‑mail：M04A005@akita‑pu.ac.jp

１．序論
本研究は，病院や福祉施設などで人間に代行して介護作業をおこなうロボットを開発する．本発表ではその中でも，移動機構と誘導方式に関して述べる．
移動機構に関しては，病室内での狭所環境を想定し，小回り性能，高い位置精度が実現可能な全方向移動機構とする(Fig.1)．
誘導方式については，従来，光学式や磁気式の無人搬送車が多くみられるが，これらのロボットは白線をまたいで走行するため，ロボット通行域は通路中央もしくは壁からある程度離れた位置となる．また，ロボット用の白線やセンサの施工が必要である．
本研究では，ロボット側面にカメラを搭載し，既存の通路白線をカメラで認識し，ロボットの姿勢制御と，旋回動作が可能な手法を確立する．

Fig.1 移動環境

２．ロボットの構成
全方向移動をおこなうために，四車輪がFig.4 にロボット部のシステム構成図

独立に駆動およびステアリングできる機を示す．車輪ユニットは駆動部，ステアリ構とした

1)〜3)．ロボット概観を Fig.2，システム構成図を Fig.3 に示す．
ロボット本体にはＰＣ，モータドライバ，ング部からなり，各ボードを介してロボッ
トＰＣとデータ交信をおこなう．
以下に各部品の仕様を示す．

各種ボード，白線認識用カメラを搭載する．
カメラは床面から高さ 400〔mm〕，角度 45・車体質量〔°〕に設置し，光無線によってカメラの・ＰＣ(ﾛﾎﾞｯﾄ側) ：CPU PentiumMMX 233〔MHz〕

画像情報を画像処理用ＰＣに送る．反対にOS

画像処理用ＰＣでは送られてきた画像情言語

報を二値化処理し，画面に対しての白線の・ＰＣ(画像処理)：CPU PentiumMMX200〔MHz〕

角度，進行方向先端点のＸ，Ｙ座標を算出OSし，ロボットへデータを送信する．ロボッ言語

トは，送られてきた座標データをもとに白4)

線追従，分岐旋回をおこなう ．

：49.2〔kg〕

・拡張ボードWindows95
Visual BasicLinuxver.2.1

C 言語：

DA ﾎﾞｰﾄﾞ･･･DA12‑8L ㈱ｺﾝﾃｯｸ

AD ﾎﾞｰﾄﾞ･･･AD12‑64 ㈱ｺﾝﾃｯｸ

DIO ﾎﾞｰﾄﾞ･･･PIO‑96W ㈱ｺﾝﾃｯｸ

ｶｳﾝﾀﾎﾞｰﾄﾞ･･･PIO‑96W ㈱ｺﾝﾃｯｸ

画像処理ﾎﾞｰﾄﾞ･･･IP5000

㈱日立

・カメラ

：KKC‑401㈱KOCOM・光無線機:東京電子工業㈱・モータ:DME60S6HFPB 13〔W〕日本ｻｰﾎﾞ㈱・ドライバ：TiTech Driver 岡崎産業㈱・エンコーダ：LBJ‑004‑2048 ｻﾑﾀｸ㈱Fig.2

ﾛﾎﾞｯﾄ概観
車輪２

車輪１

駆動部

計算機

駆動部

ステア
リング部

Ｄ/Ａボードステア
リング部

Ａ/Ｄボード
車輪３

ＤＩＯ

車輪４

駆動部

カウンタ
ボード

駆動部

ステア
リング部

Fig.3

ｼｽﾃﾑ構成ステア
リング部

Fig.4 ﾛﾎﾞｯﾄの構成

３．制御則ステアリング角が±150〔°〕で作動し,３‑１駆動部全モータが停止する．

駆動における制御は速度制御とし，モータ
ドライバーの電子ガバナ回路から出力さ３‑３ ステアリング部

れる電圧値と目標速度電圧値の差をＰＩ

ステアリング部の制御は位置制御とし，制御を用いてフィードバックをおこなう．

現在のステアリング角度と目標のステア5)

リング角度の差をＰＩＤ制御を用いてフ制御則を(1),(2)式に示す ．

e(t ) = v(t ) − v ref (t )(1)
tv' (t ) = k p e(t ) + ki ∫ e(t )dt(2)0ィードバックしている．ＰＩＤ制御を用いた理由は，位置精度と応答性を高めるためである．また，チャタリングを防ぐため，目標値に幅を持たせた．

ｅ：偏差制御則を(3) 式に示す 5)．

ｖ：実際の電圧値

ｖref ：目標速度電圧値v' (t ) = k p e(t ) + k i ∫ e(t )d + k dｖ’ ：制御電圧ｋd：D 制御比例ゲイン(実験値より決定)t0de(t ) (3)dt

ｋp ：P 制御比例ゲイン(実験値より決定)
ｋｉ ：I 制御比例ゲイン(実験値より決定)

３‑４ ステアリング制御フロー
ステアリング制御フロー図を Fig.6 に３‑２ 駆動制御フロー示す．目標ステアリング角を入力すると，駆動制御フロー図を Fig.5 に示す．目標

回転リミットセンサの接触の有無を確認

速度を入力すると，回転リミットセンサのし，モータドライバーに制御信号を出力す

接触の有無を確認し,モータドライバーにる．その後，エンコーダ値と出力電圧値の制御信号を出力する．その後，エンコーダ読込みをおこない，目標角度との差分を値と出力電圧値の読込みをおこない，目標ＰＩＤ演算を用いて,フィードバックし速度との差を，ＰＩ演算を用いてフィードている．

バックする．なお，回転リミットセンサはFig.5駆動制御フロー図

Fig.6 ステアリング制御フロー図

３‑５ ロボット誘導

例えば，Fig.8 に示すように閾値を設定

３‑５‑１画像処理した場合，ロボットに搭載したカメラからの画像を２値化処理し，白線の画面上での座標(Ｘ，Ｙ0min＝250〔mm〕，Ｙ0max＝300〔mm〕，
θ0max=3〔°〕, αＹ=10〔mm〕，αθ=0.5〔°〕Ｙ)，傾きθを算出する 4)（Fig.7）．

(αＹ，αθはプログラム切換えの際のレンジ

なお，画面数値と実測数値に若干の誤差があ幅である。)

り，画面データ 1.0〔mm〕に対し，実寸がＸ以下の条件になるようプログラグした

方向で 1.05〜1.10〔mm〕，Ｙ方向で 1.07〜1.12〔mm〕である．

直進動作条件：260≦Ｙ≦290[mm]，θ0＜2.5[°]

３‑５‑２ 白線追従

角度調整動作条件：

ロボットは白線の傾きθ，Ｙ座標のデータを受け取り，白線追従のための姿勢制御をおこなう．

260≦Ｙ≦290[mm]，θ0＞3.0[°]並進動作条件(白線との距離調整)：
Ｙ＜250[mm] または Ｙ＞300[mm]① θ＞θ0(閾値)の場合
一旦停止後，支点旋回をおこない，角度

この場合，閾値幅Ｙ=50〔mm〕の範囲を超えると，並進動作を開始し,Ｙ=30〔mm〕を補正した後，前進する．の範囲内で直進動作,角度補正をおこなう．

② Ｙ＞Ｙ0(閾値)の場合
一旦停止後，並進動作をおこない，白線との距離を補正した後，前進する．

（Ｙ） 800＋θ
白線の画面端点のＸ，Ｙ座標及び，θを求める．
200（Ｘ）-2000＋200

Fig.7

画像処理画面

Fig.8

姿勢制御

３‑５‑３ 旋回動作
ロボットが前進し，白線の角を通過する

４．走行試験
４‑１ 白線追従走行際にはモニタ画面上では白線端が右端か白線追従試験を３回おこない，走行軌ら左端に移動し，Ｘ座標は減少する．ロボ跡と画像からのデータを記録したットはこのＸ座標の変化を利用し，ある閾(Fig.10)．なお，画像座標の初期データ

値Ｘ0 を起点とし，旋回動作をおこなう．

及び閾値設定は以下の様に設定した．

旋回中はカメラからの白線情報にバラツ

・画像データ初期値：

キが生じたり，データ取得ができなくなるために，姿勢制御モードと旋回制御モード

Ｙ＝275±5〔mm〕,θ＝0±1〔°〕・閾値：に分けて考えることにする．

Ｙ0MIN＝250〔mm〕，Ｙ0MAX＝300〔mm〕，・姿勢制御モード：

θ0＝3〔°〕

カメラ情報による白線追従、姿勢制御

αＹ＝10〔mm〕,αθ＝0.5〔°〕・旋回制御モード：
内部プログラムによる既定値制御

例えば，閾値Ｘ0＜0 とした場合，白線端がモニタ画面中央に来た時点で，姿勢制御モードから旋回制御モードに切り換える．
その後，旋回後の白線との距離を確保する
ため，距離Ｙ１〔mm〕だけ前進し,左前車輪を支点に 90〔°〕の旋回をおこなう．旋
回完了後，カメラが白線を捕らえられる距
離Ｘ1〔mm〕まで前進し，姿勢制御モードに戻る(Fig．9)．
Fig.10走行試験条件Ｙ，θについての画像データと実際の位置，姿勢データの誤差を Table１，走行軌跡を Fig.11，走行距離とＹ,θの画像デー
タの関係を Fig.12 に示す．
Table１ 画像データと実測データ
Ｙ誤差

θ誤差

Fig.9

旋回制御

画像データ実測データ

MAX. 18.9

MAX. 19

MIN. 7.18

MIN. 7

AVE. 12.54

AVE. 11.6

MAX. 2.47

MAX. 2.4

MIN. 0.13

MIN. 0.5

AVE. 1.41

AVE. 1.69*誤差は始点と終点の差である．

Fig.11

Fig.12

走行軌跡

画像データＹ，θと距離の関係

Fig.11 は車体後方に取付けたマーカの実並進動作，角度調整ともに，制御量に対して測データであり， Fig.12 は車体後方に取付実際の移動が大きくなっており，今後機構をけたカメラ情報のデータである．誤差精度は， 改善する予定である．また，設定精度幅を直進走行の設定精度Ｙ＜30〔mm〕，θ＜3.010〔mm〕以下に設定した場合についても，同〔°〕対し，最大がＹ＝19〔mm〕，θ＝2.47

様の原因により，補正動作が収束しないこと〔°〕と設定範囲に収束している．ただし，が確認された．

現状ではデータの取り込み時間が遅いため，４‑２ 旋回動作

Ｙ2 の値が設定に対し，2〜22〔mm〕の誤旋回動作試験をおこない，走行軌跡を記録差があるが，これはＸ0 の範囲が 50〔mm〕した．画像座標の初期データ及びＹ，θの閾あることに要因がある．また，Ｙ方向の幅値の設定は白線追従試験と同じ設定とした．

は 200〔mm〕〜800〔mm〕の範囲であれば・閾値Ｘ0：50＜Ｘ0＜100〔mm〕

カメラで白線をトラッキングができるた(Ｘ＜50〔mm〕では画像データが不安定である)

・旋回開始までの直進距離：Ｙ１＋50〔mm〕

め，制御上制約ない数値であり，良好な結果と考える．

・モード切り替えまでの直進距離：900〔mm〕
白線との距離データを Table2，走行軌跡を Fig.14 に示す．(実験回数ｎ＝３)５．結論
本研究は，介護・福祉ロボットの移動機構として四輪独立駆動の全方向移動車

Table2

白線との距離データを開発した．そしてロボットに取付けたカNo.1

No.2

No.3

メラにて，１本の白線情報より，姿勢制御，

初期Ｙ1313307

310

旋回動作をおこなう手法を開発すること

旋回停止後

365

350

338

姿 勢 制 御 後 308

305

303

Ｙ2(Ｙ１＋50)
Ｙ3ができた．
今後の課題としては，連続的に軌道補正が可能な制御法の確立と，画像データの取り込み速度 UP による精度の向上，及び本実験で確認できなかった右折旋回動作について，カメラ台数を増やして検証していきたい．

６．参考文献(1)T ．Arai ：The control and application ofomni‑directional vehicle (odv) , IFAG Control
science and Technology，8th triennial World congress
1850/1860 (1981)(2)日本機械学会:機械工学便覧 C‑4 メカトロ
ニクス,73/74, 日本機械学会出版(1996)(3)森善一 他:全方向移動ロボット,ODV9 の基本原理と小段差乗り越えについて，日本
ロボット学会誌 18 巻 1 号,150/157, (2000)(4)中森慎太郎 他：区画化された白線情報に基づく自律型移動ロボットのナビゲーシ
ョン，日本機械学会ロボティクス・メカト

３回の実験とも，旋回モード後，カメラで白線を捕らえることに成功した．

ロニクス講演会，1A1‑G04，1‑2，(2002)(5)米田完 他:はじめてのロボット創造設

計,34/41,講談社出版(2001)