JP6258626B2 - 自律移動装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、自律移動装置およびその制御方法に関する。

ロボットや無人搬送車といった自律移動装置においては、移動時に前方にある障害物や床面の段差を検出し、衝突や転落を防止する必要がある。このような障害物や段差の検出には、赤外線方式や超音波方式の近接センサが広く用いられていた。

しかし、赤外線方式や超音波方式の近接センサは、前方の障害物の有無は判別できるが、その詳細な位置や形状までは得られない。したがって、ロボットに取り付けた場合、進行方向前方の障害物までの距離を予め算出して、回避しながら移動するような用途には用いることができない。そこで、近接センサに代わって、レーザレンジファインダ（ＬＲＦ）などの距離センサが用いられるようになった。

図１０は、特許文献１に記載されている自律移動装置２００の側面図である。特許文献１の自律移動装置２００は、検出領域内に存在する物体までの距離を測定するレーザレンジファインダ２１０と、レーザレンジファインダ２１０から照射されたレーザ光Ｌ１０の方向を変化させる反射板２２０と、反射板２２０を駆動する駆動部２２１とを備えている。

自律移動装置２００は、図１０（ａ）に示すように、進行方向前方の広い範囲の障害物を検出する時には、反射板２２０の傾きを水平方向へと変化させることで、レーザ光Ｌ１０の光路を水平方向へと変化させる。また、図１０（ｂ）に示すように、床面に存在する段差を検出する時には、反射板２２０の傾きを水平方向から斜め下に変化させることで、レーザ光Ｌ１０の光路をピッチ方向において下方向に変化させる。

すなわち、特許文献１の自律移動装置２００によれば、反射板２２０を駆動してレーザ光Ｌ１０の方向を水平方向と下向き方向に変更することにより、前方の障害物までの距離と床面の段差の高さの検出を１つのレーザレンジファインダ２１０で両立させることができる。

特開２０１１−９６１７０号公報

しかしながら、特許文献１の自律移動装置２００は、反射板２２０の傾きを頻繁に切り替えると駆動部２２１に大きな負担がかかるため、実際の使用時には反射板２２０の方向を固定して、障害物または段差のどちらかしか検出できないという問題があった。また、反射板２２０を駆動するための駆動部２２１の搭載スペースや搭載コストが必要となり、小型で安価の自律移動装置２００を提供することができないという問題があった。

本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、前方の障害物と床面の段差とをほぼ同時に検出することができ、小型で安価の自律移動装置を提供することにある。

本発明の自律移動装置は、前方の障害物と床面の段差を検知しながら移動する自律移動装置であって、床面と平行にレーザ光を走査して走査領域の対象物までの距離を計測する距離センサと、距離センサの走査領域内に配置され、レーザ光の一部を床面の方向に反射させるミラーとを備えたことを特徴とする。

また、本発明の自律移動装置は、ミラーが距離センサの左右に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の自律移動装置は、ミラーと床面の間に補助ミラーを備え、補助ミラーは、床面の前方または後方にレーザ光を反射させることを特徴とする。

本発明の自律移動装置の制御方法は、レーザ光がミラーに照射される期間中に床面の段差を検知して、段差が許容範囲を超える場合は、自律移動装置を緊急停止させることを特徴とする。

また、本発明の自律移動装置の制御方法は、レーザ光がミラーの縁部に照射される期間は、床面の段差を検知しないことを特徴とする。

本発明の自律移動装置によれば、前方の障害物と床面の段差とをほぼ同時に検出することができ、小型で安価の自律移動装置を提供することができる。

本発明の自律移動装置の概略構成図である。 本発明の自律移動装置の距離検知部の平面図である。 実施形態１に係るＬＲＦおよびミラーの配置とレーザ光の光路を示す模式図である。 実施形態１に係る自律移動装置の側面図である。 ミラーの反射面を示す正面図である。 本発明の自律移動装置の制御方法を示すフロー図である。 実施形態２に係るＬＲＦおよびミラーの配置とそのレーザ光の光路を示す模式図である。 実施形態２に係るＬＲＦおよびミラーの別の配置とそのレーザ光の光路を示す模式図である。 実施形態３に係る自律移動装置の側面図である。 従来の自律移動装置の側面図である。

（実施形態１）
本発明の実施の形態を図面に基づいて以下に説明する。

図１は、本発明の実施形態１に係る自律移動装置１の概略構成図を示している。自律移動装置１は、箱型の車両本体１０と、車両本体１０の前方に障害物や段差を検知するための距離検知部２０を備えている。車両本体１０には、駆動輪１１ａ、１１ｂと、駆動輪１１ａ、１１ｂを駆動するためのモータ１２ａ、１２ｂと、補助輪１３ａ、１３ｂが車両本体１０の左右に配置されている。

距離検知部２０の中央には、走査型の距離センサであるレーザレンジファインダ２１（ＬＲＦ）が搭載されている。また、距離検知部２０の左右には、レーザレンジファインダ２１から出射されるレーザ光を反射するミラー２２ａ、２２ｂが配置されている。レーザレンジファインダ２１およびミラー２２ａ、２２ｂは、図示しない取付アングルによって所定の位置に固定されている。レーザレンジファインダ２１およびミラー２２ａ、２２ｂの位置関係の詳細については後述する。

自律移動装置１には、モータ１２ａ、１２ｂ、レーザレンジファインダ２１等を制御するための制御部１４が搭載されている。制御部１４は、モータ１２ａ、１２ｂと図示しないケーブル、無線等で通信を行って、左右のモータ１２ａ、１２ｂの回転数を制御して、自律移動装置１の前進、後退、転回を行う。また、制御部１４は、レーザレンジファインダ２１と図示しないケーブル、無線等で通信を行って、レーザレンジファインダ２１の出力値を読取り、前方の障害物までの距離を算出することや、床面からの高さを求めて段差の有無を判定することを行う。

図２は、距離検知部２０を上方から見た平面図である。レーザレンジファインダ２１は、測定原理として、レーザ光を照射し、対象物に反射して戻ってくるまでの時間（time-of-flight）から対象物までの距離を測定するものであり、走査型では、トランスミッタから照射したレーザ光を回転ミラーで反射させ、前方を扇状に走査することにより、床面から一定の高さの平面上に存在する対象物までの距離を測定することができる。

本発明の自律移動装置１では、図２に示すように、走査型のレーザレンジファインダ２１の走査領域をθ１、θ２、θ３の３つの領域に分けて、それぞれの領域に出射されるレーザ光Ｌ１〜Ｌ３を前方の障害物および床面の段差の検知で別々に使用することを特徴としている。具体的には、θ２の領域に出射されるレーザ光Ｌ２は、そのまま前方に照射されて、床面から一定の高さにある障害物の検知に使用される。また、θ１およびθ３の領域に出射されるレーザ光Ｌ１、レーザ光Ｌ３は、θ１およびθ３の領域に配置されたミラー２２ａ、２２ｂによって床面の方向に反射され、床面の段差の検知に使用される。なお、本発明の自律移動装置１では、３つの領域（θ１＋θ２＋θ３）を含む全走査領域が約２７０°であり、走査速度が最大１５回／秒の性能を有するレーザレンジファインダ２１を用いている。

図３は、本発明の自律移動装置１におけるレーザレンジファインダ２１とミラー２２ａ、２２ｂの配置と、レーザレンジファインダ２１から出射されるレーザ光Ｌ１、Ｌ３の光路を示した模式図である。自律移動装置１を前方正面から見て、中央にレーザレンジファインダ２１が配置され、その左右にミラー２２ａ、２２ｂが等間隔ｄ１で配置されている。また、レーザレンジファインダ２１とミラー２２ａ、２２ｂは略直線状に並び、床面１００から距離ｄ２の位置で補助輪１３ａ、１３ｂより前方に設置され、補助輪１３ａ、１３ｂの走行ライン上に、ミラー２２ａ、２２ｂが位置するようになっている。

上記の構成において、ミラー２２ａ、２２ｂは、反射面が４５°下向きに傾斜されており、レーザレンジファインダ２１からθ１、θ３の領域に出射されたレーザ光Ｌ１、Ｌ３は、ミラー２２ａ、２２ｂの反射面で反射して、補助輪１３ａ、１３ｂの前方の床面１００に照射される。一方、レーザレンジファインダ２１からθ２の領域に出射されたレーザ光Ｌ２は、ミラー２２ａ、２２ｂで反射されることなく、床面１００と平行に自律移動装置１の前方へ出射される。

図４は、本発明の自律移動装置１を示す側面図である。図４（ａ）に示すように、自律移動装置１は、レーザレンジファインダ２１によりレーザ光Ｌ１~Ｌ３を走査しながら走行する。段差のある床面１００にさしかかると、ミラー２２ａ、２２ｂで床面１００に向けて反射されたレーザ光Ｌ１、Ｌ３は、図４（ｂ）に示すように、床面１００に反射してレーザレンジファインダ２１に戻るまでの時間が変化するので、この時間差を検出して床面１００の段差を算出することができる。そして、制御部１４によって段差を乗り越えられないと判定されると、段差の手前で自律移動装置１を緊急停止させることにより、転落や転倒等の危険を回避することができる。

一方、レーザレンジファインダ２１からθ２の領域に出射されたレーザ光Ｌ２は、ミラーに反射されることなく、床面と平行に前方へ出射されるため、自律移動装置１の正面に存在する障害物を検知することができ、障害物に衝突する前に自律移動装置１を緊急停止させることができる。

図５は、レーザレンジファインダ２１側からミラー２２ａの反射面を見たときの模式図である。レーザレンジファインダ２１からミラー２２ａに照射されたレーザ光Ｌ１は、反射面上を破線２５のように走査される。ここで、反射面の縁部ではレーザ光Ｌ１´のように乱反射して、床面１００の方向に直進しないことにより、段差を正確に検出できない場合がある。このため、段差の検出領域としてθ１またはθ２の全ての領域を使用するのではなく、ミラー２２の中央部２６を走査している期間を検出領域とすることにより、段差の検出精度を向上することができる。

図６は、本発明の自律移動装置１の制御方法を示したフロー図である。図６のフロー図に基づいて自律移動装置１の制御方法について説明する。

ステップＳ１において、自律移動装置１は、制御部１４がモータ１２ａ、１２ｂを制御して駆動輪１１ａ、１１ｂを駆動し、所定の方向に移動を開始する。自律移動装置１が移動中は、ステップＳ２において、制御部１４が停止指令の有無を判定する。停止指令とは自律移動装置１の移動を意図的に停止させるための指令であり、例えば、移動制御プログラムとして自律移動装置１に組み込まれる場合や、外部の操作手段から自律移動装置１に入力される場合がある。停止指令を受けると、ステップＳ３において、モータ１２ａ、１２ｂを制御して自律移動装置１の移動を停止する。

停止指令がなければ、自律移動装置１は自律移動モードで移動を継続し、距離検知部２０で移動中の障害物の検知が行われ、危険と判断された場合には回避行動が実行される。

自律移動モードでは、ステップＳ４において、レーザレンジファインダ２１を動作させ、レーザ光の走査を開始する。そして、ステップＳ５、ステップＳ６において、レーザ光がθ１からθ３のどの領域を走査中であるか判定する。ここで、図５で説明したミラー２２ａ、２２ｂの反射面における検出精度の劣る領域は、θ１またはθ３から除外されており、ステップＳ５、ステップＳ６においてＮｏと判定され、障害物の検知は行わずにステップＳ１に戻して、自律移動装置１の移動を継続する。

ステップＳ５において、レーザ光がθ１またはθ３の領域を走査中と判定すると、ステップＳ７において、ミラー２２ａ、２２ｂで床面１００に向けて反射されたレーザ光Ｌ１、Ｌ３を用いて床面１００に存在する段差を検出し、段差の高さが移動を妨げない許容範囲内であるか判定する。ここで検出された段差の高さが許容範囲内であれば、ステップＳ１に戻して自律移動装置１の移動を継続し、許容範囲を超える場合は危険と判断して、ステップＳ８において自律移動装置１を緊急停止させる。

また、ステップＳ６において、レーザ光がθ２の領域を走査中と判定すると、ステップＳ９において、自律移動装置１の前方に照射されたレーザ光Ｌ２を用いて前方に存在する障害物を検出し、障害物までの距離が許容範囲内であるか判定する。ここで検出された障害物までの距離が移動を妨げない許容範囲内であれば、ステップＳ１に戻して自律移動装置１の移動を継続し、許容範囲を超える場合は危険と判断して、ステップＳ１０において自律移動装置１を緊急停止させる。

本発明の自律移動装置１の制御方法によれば、レーザレンジファインダ２１でレーザ光を走査して、レーザ光が前方に照射されている期間中は前方の障害物を検知して、レーザ光がミラーに照射される期間中には床面１００の段差を検知するため、前方の障害物と床面の段差とをほぼ同時に検出することができ、小型で安価の自律移動装置を提供することができる。

（実施形態２）
図７、図８は、本発明の実施形態２に係る自律移動装置２Ａ、２Ｂの構成を説明するための模式図である。自律移動装置２Ａ、２Ｂの構成は、実施形態１の構成に対してミラー２２ａ、２２ｂの配置を変更した構成となっており、他の構成については実施形態１と同じであるため、重複する説明は省略する。

図７に示す自律移動装置２Ａの構成は、ミラー２２ａ、２２ｂの傾斜角度を４５°より小さくすることにより、レーザ光Ｌ１、レーザ光Ｌ３の照射位置を補助輪１３ａ、１３ｂの走行ラインの外側になるように調整している。自律移動装置２Ａの構成は、例えば、壁面に近づくと、レーザ光Ｌ１、レーザ光Ｌ３が壁面に照射され、壁面位置を検出することができるので、自律移動装置２Ａを壁面際に沿って移動させることができる。

図８に示す自律移動装置２Ｂの構成は、ミラー２２ａ、２２ｂの傾斜角度を４５°より大きくすることにより、レーザ光Ｌ１、レーザ光Ｌ３の照射位置を補助輪１３ａ、１３ｂの走行ラインの内側になるように調整している。自律移動装置２Ｂの構成は、例えば、自走式清掃ロボットして使用するときに、自律移動装置２Ｂが移動するエリア内に存在する塵屑などを、レーザ光Ｌ１、レーザ光Ｌ３で検出することができる。

なお、レーザ光の照射位置は、ミラー２２ａ、２２ｂの傾斜角度によって調整する以外にも、レーザレンジファインダ２１からミラー２２ａ、２２ｂまでの距離ｄ１によって調整することも可能であり、ミラーの傾斜角度と距離ｄ１の両方により調整することも可能である。

例えば、図７において、ミラー２２ａ、２２ｂの傾斜角度を４５°より小さくして、距離ｄ１を小さくしていくと、実施形態１と同様に、補助輪１３ａ、１３ｂ前方の走行ライン上の床面１００に照射させることができる。このように、レーザ光の照射位置を同じにして、レーザ光Ｌ１、レーザ光Ｌ３の光路を自在に変更することも可能となり、自律移動装置２Ａ、２Ｂにおいてレーザ光の光路が他の構成部材と緩衝することを回避することができる。

（実施形態３）
図９は、本発明の実施形態３に係る自律移動装置３の構成を説明するための側面図である。自律移動装置３の構成は、実施形態１の構成に対してレーザレンジファインダ２１とミラー２２ａ、２２ｂを車両本体１０の前後中央に配置し、補助ミラー２８を追加した構成となっている。他の構成については実施形態１と同じであるため、重複する説明は省略する。

実施形態３の自律移動装置３は、図９に示すように、レーザレンジファインダ２１とミラー２２ａ、２２ｂが車両本体１０の前後中央の位置に配置されており、ミラー２２ａ、２２ｂと床面１００の間には反射面の方向を可変できる補助ミラー２８が追加された構成となっている。自律移動装置３は、補助ミラー２８の反射面の方向を変更することにより、ミラー２２ａ、２２ｂによって車両本体１０中央の床面方向に照射されたレーザ光Ｌ１、Ｌ３を補助輪１３ａ、１３ｂの前方の床面方向、または、駆動輪１１ａ、１１ｂの後方の床面方向に照射させることができる。

したがって、実施形態３の自律移動装置３によれば、前進時（矢印Ｆ）にはレーザ光Ｌ１、Ｌ３を補助輪１３ａ、１３ｂの前方の床面方向に照射させて、後退時には駆動輪１１ａ、１１ｂの後方の床面方向に照射させることにより、前進と後退の両方向への移動において床面１００の段差を検出することができる。

なお、後退時にはレーザレンジファインダ２１を１８０°回転させて、レーザ光Ｌ２の走査方向を後方に向けて、自律移動装置３の後正面に存在する障害物を検知する構成にしてもよい。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

本発明は、業務用の清掃機のほか、工場用の搬送用ロボット等にも利用することができる。

Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ１０ レーザ光
１、２Ａ、２Ｂ、３ 自律移動装置
１０ 車両本体
１１ａ、１１ｂ 駆動輪
１２ａ、１２ｂ モータ
１３ａ、１３ｂ 補助輪
１４ 制御部
２０ 距離検知部
２１ レーザレンジファインダ
２２ａ、２２ｂ ミラー
２８ 補助ミラー
１００ 床面

Claims (5)

1. 前方の障害物と床面の段差を検知しながら移動する自律移動装置であって、
   前記床面と平行にレーザ光を走査して走査領域の対象物までの距離を計測する距離センサと、
   前記距離センサの走査領域内に配置され、前記レーザ光の一部を前記床面の方向に反射させるミラーとを備え、
   前記ミラーが前記距離センサの左右に設けられていることを特徴とする自律移動装置。
2. 前記ミラーと前記床面の間に補助ミラーを備え、
   前記補助ミラーは、前記床面の前方または後方に前記レーザ光を反射させることを特徴とする請求項１に記載の自律移動装置。
3. 前方の障害物と床面の段差を検知しながら移動する自律移動装置であって、
   前記床面と平行にレーザ光を走査して走査領域の対象物までの距離を計測する距離センサと、
   前記距離センサの走査領域内に配置され、前記レーザ光の一部を前記床面の方向に反射させるミラーとを備え、
   前記ミラーと前記床面の間に補助ミラーを備え、
   前記補助ミラーは、前記床面の前方または後方に前記レーザ光を反射させることを特徴とする自律移動装置。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の自律移動装置の制御方法であって、
   前記レーザ光が前記ミラーに照射される期間中に前記床面の段差を検知して、前記段差が許容範囲を超える場合は、自律移動装置を緊急停止させることを特徴とする自律移動装置の制御方法。
5. 前記レーザ光が前記ミラーの縁部に照射される期間は、前記床面の段差を検知しないことを特徴とする請求項４に記載の自律移動装置の制御方法。