JP5190761B2 - 移動ロボットの監視装置および監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、人と移動ロボットが同一エリアを移動する場合に、移動ロボットの安全機能が誤動作しても、人の安全を確保するための移動ロボットの監視装置および監視方法に関する。

従来、産業用ロボット等を使用する場合、柵や光学センサなどでロボットの稼動範囲を囲い、人とロボットの行動範囲を区切ることによって安全を確保している。
しかし、この手段では、柵の設置にコストと時間がかかるためロボットの配置を自由に変更することが難しいことや、セル生産方式等で人とロボットが混在して協働することができないといったことが問題となる。

そこで、人と移動ロボットが同一エリアを移動することを前提としたシステムが、例えば特許文献１、２に提案されている。

特許文献１は、安全機能を設けたものにあって、人などの接近を確実に検出し、信頼性を高めることを目的とする。
そのため、このシステムでは、図５に示すように、移動ロボット５１の無人搬送車５２の前後、左右の各辺部の中央部に、移動ロボット５１の周囲に設定される検出エリア内への障害物の侵入を検出するための距離測定式のエリアセンサ５６を設ける。エリアセンサ５６は、検出可能範囲Ａ０内で障害物の検出エリアＡ１を自在に設定，切替えでき、固定設備５５を向く側のエリアセンサ５６に関して、その検出エリアＡ１を固定設備５５の凹凸形状に応じて予め設定する。ロボットコントローラは、ロボットアーム５３による作業中に、エリアセンサ５６により検出エリアＡ１内への障害物の侵入が検出されたときに、ロボットアーム５３を一時停止させるものである。

特許文献２は、天候等の環境状況に左右されることがなく、歩行者を誘導する歩行エリア及びその周辺エリアを移動する物体に対し、歩行者と自動車とを詳細に識別し、歩行者及び特に交通弱者が安全に歩行エリアを渡り終えられるように適切な手段が講じられるようにすることを目的とする。
そのため、この方法では、図６に示すように、横断歩道６１と横断歩道６１の周辺エリア６９とをカバーする検出範囲７０に、レーザ感知器７２によるエリアセンサによりパルスレーザ光７１を投射しながら走査して光の反射時間を計測し、物体Ｓが存在しない時の反射時間と物体Ｓが存在する時の反射時間との差を走査各点ごとに求めることにより物体Ｓの形状と、大きさと、走査ごとの物体Ｓの位置の変化によるベクトルとを演算し、その演算値から、横断歩道６１を誘導方向Ｐに移動する物体Ｓと、横断歩道６１を横切る方向に移動する物体Ｓとを識別するものである。

特開２００２−２６４０７０号公報、「移動ロボット及び移動ロボットシステム」 特開２００４−１８５３６３号公報、「エリアセンサによる物体識別方法」

特許文献１の「移動ロボット及び移動ロボットシステム」は、移動ロボット側にエリアセンサを搭載して，安全機能の向上を図っている。
しかし、移動ロボットに搭載された安全機能は、必ずしも完全ではなく、搭載電源の電圧低下、外部からのノイズ等により誤動作する可能性がある。
そのため、人と同一エリアを移動する従来の移動ロボットは、人の安全性確保のため、人との接近が少ない作業ロボット、例えば掃除ロボット，搬送用台車などが実用化されるにとどまっている。

特許文献２の「エリアセンサによる物体識別方法」は、道路交差点における移動物体を識別する方法であり、レーザによるエリアセンサで動いている物体の大きさと速さを検出して，人と車を識別している。
そのため、この方法では、移動ロボットの大きさと速度が、人と同じ程度である場合に、人と移動ロボットの識別ができない問題点があった。

さらに現在，実証試験段階であるが，人と同一エリアを移動する移動ロボットの安全性確保のため、イネーブルスイッチを持った監視員（人間）により最終的な安全を確保している。（２００５年日本国博覧会（愛知万博）での独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）実証試験において実施されている）。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、人と移動ロボットが同一エリアを移動する場合に、移動ロボットの大きさと速度が人と同じ程度である場合でも人と移動ロボットを確実に識別することができ、移動ロボットの安全機能が誤動作しても監視員なしで人の安全を確保することのできる移動ロボットの監視装置および監視方法を提供することにある。

本発明によれば、移動ロボットに取り付けられレーザ光を強く反射するリフレクタと、
前記移動ロボットの移動エリアを３次元計測する３次元レーザレーダと、
該３次元レーザレーダによる計測結果から前記移動ロボットと人とを識別し、人と移動ロボットの相対距離が所定の閾値より小さいときに移動ロボットの動作を抑制するロボット抑制装置とを備えた、ことを特徴とする移動ロボットの監視装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記リフレクタは、一定のパターンで反射率を増減可能な可変反射板である。

前記可変反射板は、反射強度の強い表面と弱い裏面とを有する強弱反射板と、該強弱反射板を一定のパターンで反転させる反転モータとからなる、ことが好ましい。

また、前記可変反射板は、反射強度の強い表面を有する強反射板と、該強反射板の表面を一定のパターンで開閉する遮光機構とからなる、ことが好ましい。

また本発明によれば、（Ａ）レーザ光を強く反射するリフレクタを移動ロボットに取り付け、
（Ｂ）３次元レーザレーダにより前記移動ロボットの移動エリアを３次元計測し、
（Ｃ）前記３次元計測で得られた３次元データとレーザ光の強度分布から、前記移動ロボットと人とを識別し、人と移動ロボットの相対距離が所定の閾値より小さいときに移動ロボットの動作を抑制する、ことを特徴とする移動ロボットの監視方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、（Ｃ１）前記３次元計測で得られた３次元データから固定物を除外し、
（Ｃ２）固定物を除外した３次元データから、あらかじめ設定した距離範囲内に存在するデータ同士をグループ分けし、
（Ｃ３）各グループの重心を算出し、
（Ｃ４）各グループのレーザ反射強度の平均または最大値を算出し、一定閾値以上の場合に移動ロボット、それ以外を人と判定し、
（Ｃ５）移動ロボットと人の重心距離が所定の閾値より小さいときに移動ロボットの動作を抑制する。

上記本発明の装置および方法によれば、レーザ光を強く反射するリフレクタを移動ロボットに取り付け、３次元レーザレーダによる３次元計測で得られたレーザ光の強度分布から移動ロボットと人とを識別するので、人と移動ロボットが同一エリアを移動する場合に、移動ロボットの大きさと速度が人と同じ程度である場合でも人と移動ロボットを確実に識別することができる。

また、３次元計測で得られた３次元データから人と移動ロボットの相対距離が所定の閾値より小さいときに移動ロボットの動作を抑制するので、移動ロボットの安全機能が誤動作しても監視員なしで人の安全を確保することができる。

すなわち本発明では、３次元レーザレーダを用いて、３次元形状の計測とレーザ光が計測対象物に反射して返って来た信号の強度の計測を同時に実行して、人と移動ロボットが混在しているエリアの３次元情報を取得する。
これにより移動ロボットが移動するエリアの３次元情報から人と移動ロボットの位置情報を得るとともに、移動ロボットにはレーザ光を強く反射するリフレクタ（反射板）を取り付けておき、反射の強弱で人か移動ロボットかの区別を行う。
この結果、人と移動ロボットの位置が近接していると判断した場合に、その移動ロボットの動作速度を低下させる。

これにより、人と移動ロボットが接触する恐れがある場合に、移動ロボットに非常停止をかけた時の空走距離を縮めて、接触を防止することができる。また、万が一接触が発生した場合でも、速度が遅いことにより人がこうむるダメージも低減することができる。
従って、安全性を維持したまま、柵の制約を受けずに移動ロボットの配置を変更することができ、人と移動ロボットを混在・協働させることができる。

さらにリフレクタの反射を、一定のパターンでＯＮ／ＯＦＦすることにより、人か移動ロボットかの区別をするのと同時に、複数ある移動ロボットの区別・特定することも可能である。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明による人と移動ロボットが同一エリアを移動する共存環境のイメージ図である。
この図において、１は移動ロボット、２は人（人間）、３は床面、４は床面に置かれた固定物である。
このロボットと人の共存環境において、移動ロボット１はワイヤレスラン等でそれぞれ個別に制御され、人と同一エリアを移動しながら予め定められた作業を行う。また、各移動ロボット１は、人との接触を回避する安全機能をそれぞれ搭載している。
この共存環境において、人２は、例えば作業員であり、移動ロボット１と同一エリアを移動しながら種々の作業を行う。
この例において、移動ロボット１の大きさと速度は、人２と同じ程度であるものとする。しかし、本発明はこれに限定される、大きさと速度が大きく相違してもよい。

図２は、本発明による移動ロボットの監視装置の構成図である。この図は、図１のあるエリアを上方から見た平面図である。
この図において、本発明の監視装置１０は、リフレクタ１２、３次元レーザレーダ１４及びロボット抑制装置１６を備える。

リフレクタ１２は、移動ロボット１に取り付けられレーザ光を強く反射する反射板である。このリフレクタ１２は、一定のパターンで反射率を増減可能な可変反射板であるのがよい。
この可変反射板は、例えば、反射強度の強い表面と弱い裏面とを有する強弱反射板と、強弱反射板を一定のパターンで反転させる反転モータとからなる。
また可変反射板は、反射強度の強い表面を有する強反射板と、強反射板の表面を一定のパターンで開閉する遮光機構とから構成してもよい。

３次元レーザレーダ１４は、移動ロボット１の移動エリアを３次元計測する。
ロボット抑制装置１６は、例えばコンピュータ（ＰＣ）であり、３次元レーザレーダ１４による計測結果から移動ロボット１と人２とを識別し、人と移動ロボットの相対距離が所定の閾値より小さいときに移動ロボットの動作を抑制する。
この例では、４台の３次元レーザレーダ１４がそれぞれ半円形の破線で示す範囲を３次元計測し、この図の矩形領域をカバーして計測するようになっている。

図３は、３次元レーザレーダの原理図である。この図において、（Ａ）は３次元レーザレーダと計測対象物との関係図、（Ｂ）は照射光と反射光のデータ例、（Ｃ）は２次元スキャンのイメージ図である。
図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、３次元レーザレーダ１４では、パルス状または変調をかけたレーザ光を照射光６として照射し、計測対象物７で反射して戻ってくる反射光８までの時間差Δｔを計ることにより計測対象物７までの距離値と、反射光８を光学センサで受けた時の波形振幅から受光強度とをそれぞれ計測することができる。
また図３（Ｃ）に示すように、この照射光６を上下左右に２次元的にスキャンすることにより、計測対象物７の３次元形状と反射強度の情報を得ることができる。

３次元レーザデータ１４による計測結果は、ヨー方向の角度θ、ピッチ方向の角度φ、距離Ｄ、受光強度Ｍを一組としたデータ列となる。θ、φ、Ｄから、計測対象物７の３次元座標Ｘ、Ｙ、Ｚを算出可能である。

図４は、本発明による移動ロボットの監視方法の説明図である。
図４（Ａ）は、３次元レーザレーダ１４により移動ロボット１の移動エリアを３次元計測して得られた３次元データの模式図である。

図４（Ｂ）では、得られた３次元データから床面３やフェンス等の固定物４を除外する。この除外は、人２や移動ロボット１が存在しない状態で３次元レーザレーダにより計測した結果を背景情報として記録しておき、人や移動ロボットを含む計測結果から差し引く手段や、あらかじめ床面からの高さが数十センチ以内、フェンスからの幅、高さ方向の距離が数十センチ以内といった不感帯を設定しておき、計測結果中で不感帯の範囲に含まれるデータを削除する手段などで実行することができる。

図４（Ｃ）では、固定物を除外した３次元データから、それぞれあらかじめ設定した距離範囲内に存在するデータ同士をグループ分けする。
図４（Ｄ）では、各グループの重心を算出する等の手段で、計測された物体の位置を算出する。この重心算出において、各グループの背面形状が不明な場合には、これを平面または正面形状で模擬してもよい。

図４（Ｅ）では、各グループにレーザ反射強度の平均または最大値を算出し、一定閾値以上の場合に移動ロボット、それ以外を人と判定する。レーザの反射強度は算出値のまま用いてもよいし、反射強度が距離の自乗に反比例するという特性から、距離値により補正をかけてから用いてもよい。

図４（Ｆ）では、人と移動ロボットとがあらかじめ設定した距離以内に近づいた場合、当該移動ロボットに対し、動作速度を低下させるなどの指令を与える。すなわち、移動ロボットと人の重心距離が所定の閾値より小さいときに移動ロボットの動作を抑制する。
この移動ロボットの動作抑制は、例えば移動ロボットを制御するワイヤレスランとは別個の無線指令ラインを冗長的に設け、この無線指令ラインでそれぞれ該当する移動ロボットを制御するのがよい。

上述したように、本発明では、人か移動ロボットかを区別するために、移動ロボット１にリフレクタ１２を取り付ける。リフレクタ１２は、これを反射強度の強い表面と弱い裏面とを一定のパターンで反転させ、或いは、リフレクタ表面にシャッター等の遮光機構を設け一定のパターンで開閉することにより、３次元レーザレーダ１４で移動ロボット１を区別・特定するための情報を提供することが可能である。

たとえば、移動ロボットＡと移動ロボットＢの２台が存在する時、Ａは１秒周期でリフレクタの反射をＯＮ→ＯＮ→ＯＦＦ→ＯＦＦというパターンを繰り返し、ＢではＯＮ→ＯＮ→ＯＦＦ→ＯＮと繰り返させることにより、信号強度を計測した３次元レーザレーダでＡとＢを区別することができる。

または、３次元レーザレーダ側から無線等を使って各移動ロボットに個別に呼びかけを行い、呼ばれた移動ロボットだけがリフレクタをＯＮすることによっても移動ロボットを特定することが可能である。

なお、本発明において、「移動ロボット」とは、自走可能なロボットを意味する。しかし、本発明は、固定配置されているロボットにも適用でき、この場合は、３次元レーザレーダ側であらかじめ各ロボットの位置を記憶していれば良い。また、ロボットが走行する場合には、本発明によりどの移動ロボットが人と接近しており、どの移動ロボットに速度低下を指示すればよいかを特定することができる。

上述したように、本発明の装置および方法によれば、レーザ光を強く反射するリフレクタ１２を移動ロボット１に取り付け、３次元レーザレーダ１４による３次元計測で得られたレーザ光の強度分布から移動ロボット１と人２とを識別するので、人と移動ロボットが同一エリアを移動する場合に、移動ロボット１の大きさと速度が人２と同じ程度である場合でも人と移動ロボットを確実に識別することができる。

また、３次元計測で得られた３次元データから人２と移動ロボット１の相対距離が所定の閾値より小さいときに移動ロボットの動作を抑制するので、移動ロボットの安全機能が誤動作しても監視員なしで人の安全を確保することができる。

すなわち本発明では、３次元レーザレーダ１４を用いて、３次元形状の計測とレーザ光が計測対象物に反射して返って来た信号の強度の計測を同時に実行して、人２と移動ロボット１が混在しているエリアの３次元情報を取得する。
これによりエリアの３次元情報から人２と移動ロボット１の位置情報を得るとともに、移動ロボット１にはレーザ光を強く反射するリフレクタ１２（反射板）を取り付けておき、反射の強弱で人か移動ロボットかの区別を行う。
この結果、人と移動ロボットの位置が近接していると判断した場合に、その移動ロボットの動作速度を低下させる。

これにより、人と移動ロボットが接触する恐れがある場合に、移動ロボットに非常停止をかけた時の空走距離を縮めて、接触を防止することができる。また、万が一接触が発生した場合でも、速度が遅いことにより人がこうむるダメージも低減することができる。
従って、安全性を維持したまま、柵の制約を受けずに移動ロボットの配置を変更することができ、人と移動ロボットを混在・協働させることができる。

さらにリフレクタの反射を、一定のパターンでＯＮ／ＯＦＦすることにより、人か移動ロボットかの区別をするのと同時に、複数ある移動ロボットの区別・特定することも可能である。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明による人と移動ロボットが同一エリアを移動する共存環境のイメージ図である。 本発明による移動ロボットの監視装置の構成図である。 ３次元レーザレーダの原理図である。 本発明による移動ロボットの監視方法の説明図である。 特許文献１のシステムの模式図である。 特許文献２の方法の説明図である。

符号の説明

１ 移動ロボット、２ 人（人間）、３ 床面、４ 固定物、
６ 照射光、７ 計測対象物、８ 反射光、
１０ 監視装置、１２ リフレクタ（反射板）、
１４ ３次元レーザレーダ、１６ ロボット抑制装置

Claims (2)

1. 移動ロボットに取り付けられレーザ光を強く反射するリフレクタと、
   前記移動ロボットの移動エリアを３次元計測する３次元レーザレーダと、
   該３次元レーザレーダによる計測結果から前記移動ロボットと人とを識別し、人と移動ロボットの相対距離が所定の閾値より小さいときに移動ロボットの動作を抑制するロボット抑制装置とを備え、
   （Ｃ１）前記３次元計測で得られた３次元データから固定物を除外し、
   （Ｃ２）固定物を除外した３次元データから、あらかじめ設定した距離範囲内に存在するデータ同士をグループ分けし、
   （Ｃ３）各グループの重心を算出し、
   （Ｃ４）各グループのレーザ反射強度の平均を算出し、一定閾値以上の場合に移動ロボット、それ以外を人と判定し、
   （Ｃ５）移動ロボットと人の重心距離が所定の閾値より小さいときに移動ロボットの動作を抑制する、ことを特徴とする移動ロボットの監視装置。
2. （Ａ）レーザ光を強く反射するリフレクタを移動ロボットに取り付け、
   （Ｂ）３次元レーザレーダにより前記移動ロボットの移動エリアを３次元計測し、
   （Ｃ）前記３次元計測で得られた３次元データとレーザ光の強度分布から、前記移動ロボットと人とを識別し、人と移動ロボットの相対距離が所定の閾値より小さいときに移動ロボットの動作を抑制する場合に、
   （Ｃ１）前記３次元計測で得られた３次元データから固定物を除外し、
   （Ｃ２）固定物を除外した３次元データから、あらかじめ設定した距離範囲内に存在するデータ同士をグループ分けし、
   （Ｃ３）各グループの重心を算出し、
   （Ｃ４）各グループのレーザ反射強度の平均を算出し、一定閾値以上の場合に移動ロボット、それ以外を人と判定し、
   （Ｃ５）移動ロボットと人の重心距離が所定の閾値より小さいときに移動ロボットの動作を抑制する、ことを特徴とする移動ロボットの監視方法。

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