JP2004231357A - ロボットシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】家庭内における物品ハンドリングのような小規模で非常に高い汎用性を求められる環境において、移動ロボットと物品収納機器との間の物品受け渡しが容易かつ確実に行えるようにすることを目的とする。
【解決手段】マニピュレータ２０２を有する移動ロボット２が物品収納機器１と対象物品１０２の受け渡しを行うロボットシステムにおいて、対象物品１０２を収納する専用容器１１０を用いかつ物品収納機器１に該専用容器１１０を収納し一方向に移動可能な引き出し式の収納棚１２０と２方向に移動可能な搬送機器１４０からなる物品自動受け渡しユニットを設け該物品自動受け渡しユニットを介して移動ロボット２と物品収納機器１との間の物品受け渡しを行うことにより、コンパクトな寸法で移動ロボット２と物品収納機器１との間の容易で確実な物品受け渡しが可能となる。
【選択図】 図１
【解決手段】マニピュレータ２０２を有する移動ロボット２が物品収納機器１と対象物品１０２の受け渡しを行うロボットシステムにおいて、対象物品１０２を収納する専用容器１１０を用いかつ物品収納機器１に該専用容器１１０を収納し一方向に移動可能な引き出し式の収納棚１２０と２方向に移動可能な搬送機器１４０からなる物品自動受け渡しユニットを設け該物品自動受け渡しユニットを介して移動ロボット２と物品収納機器１との間の物品受け渡しを行うことにより、コンパクトな寸法で移動ロボット２と物品収納機器１との間の容易で確実な物品受け渡しが可能となる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物品ハンドリング用マニピュレータを有する移動ロボットが物品をハンドリングするロボットシステム、特に形状・姿勢等が画一的に限定されていない汎用的な物品をハンドリング対象とするロボットシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、日常生活で使用されているような形状・姿勢等が限定されていない汎用的な物品を移動ロボットがハンドリングするロボットシステムとしては、非特許文献１および非特許文献２等に開示されている例がある。また、自動収納機器の例としては特許文献１等に開示されている例がある。
【０００３】
非特許文献１および非特許文献２には、例えば家庭内において移動ロボットが冷蔵庫の扉を開けて冷蔵庫内の任意に指示された物品を冷蔵庫内より取り出すシステムが開示されている。該システムにおいては移動ロボットにレーザ距離センサ、ハンドカメラ、メインカメラ、力センサの検出機器を搭載し、該検出機器類で冷蔵庫および冷蔵庫の扉の位置を検出し、ロボットの物理的制約等を考慮して自動的に生成される動作計画にもとづいて冷蔵庫の扉を開け、さらにカメラで冷蔵庫内の物品を識別し前記同様に自動的に生成される動作計画にもとづいて任意に指定された物品を取り出すというシステムである。
【０００４】
また、特許文献１に開示されているように、例えば業務用の厨房において配膳室等の指示に基づいて移載機が自動倉庫から食器が収納されたコンテナケースを搬出入し搬送コンベアに移載することにより複数種類の食器類の中から指定された食器類を自動的に搬出入するシステムも提案されている。
【０００５】
【非特許文献１】
矢野、三浦、白井、島田“移動マニピュレータのための直感的作業教示方法”第２０回日本ロボット学会学術講演会論文集
【非特許文献２】
槙原、滝澤、白井、三浦、島田“ユーザとの対話を用いたサービスロボットのための物体認識”第２０回日本ロボット学会学術講演会論文集
【特許文献１】
特開平１−３２１２０２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の物品をハンドリングするロボットシステムには次のような課題がある。
【０００７】
すなわち、前記非特許文献１および非特許文献２に示されたシステムにおいては、日常生活における機器または対象物品に制約または改造を加えなくてもロボットが対象の機器または物品のハンドリングを汎用的に行えることを狙っているが、実環境で使用できるレベルには達していない。例えば、マニピュレータを含む移動ロボットの動作計画を生成するためには移動ロボットおよび対象物の正確な位置、移動ロボット付近の障害物の位置および形状、移動ロボットおよび対象物の機構的な制約、等のデータが必要であるがこれらのデータの検出は非常に困難であり、たとえ検出可能であってもその検出にはかなりの時間が必要となる。
指示された物品の検出においても、照明条件の変化、物品の重なり等の実環境で普通に考えられる条件に対応するのは困難である。物品の把持に関しても、現時点で把持可能なものは限られた形状、材質、姿勢のものであり前後に何重かに重なったものの奥側のもの、柔らかいもの、不定形状な物、等を汎用的に把持し取り出すことは非常に困難である。
【０００８】
また、前記特許文献１で開示されたシステムにおいては、物品の自動受け渡しが達成されているが汎用性を持たせるための展開が困難であり、特に家庭内のような小規模でかつ汎用性が非常に求められるシステムに対する適用は非常に困難である。産業用でも自動倉庫とロボットの組み合わせで物品の受け渡しおよび搬送を行っている例があるが、いずれも前記同様小規模で汎用性が非常に求められるシステムに対する展開は非常に困難である。
【０００９】
本発明は、家庭内における物品ハンドリングのような小規模で非常に高い汎用性を求められる環境において移動ロボットが確実に物品の受け渡しを行うことを可能ならしめるロボットシステムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のロボットシステムにおいては、ハンドリング対象の物品を収納する物品収納機器内部に、対象物品を収納する専用容器を脱着可能に保持しかつ物品収納機器の水平方向に移動可能で移動状態では専用容器の保持位置が物品収納機器の外部に出る収納棚を引き出し状に設け、物品収納機器外部の収納棚の移動方向側に、収納棚に対する左右・上下方向に移動可能な専用容器受け渡し部を有する搬送機器を物品収納機器と固定的に設置し、該搬送機器が収納棚に対する専用容器の脱着および収納棚と移動ロボット受け渡し位置との間で専用容器を移動させ、移動ロボット受け渡し位置において移動ロボットが専用容器を介して物品を受け渡すようにしたものである。本発明によれば、家庭内における物品ハンドリングのような小規模で非常に高い汎用性を求められる環境において移動ロボットが確実に物品の受け渡しを行うことが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、ハンドリング対象の物品を収納する物品収納機器内部に、対象物品を収納する専用容器を脱着可能に保持しかつ物品収納機器の水平方向に移動可能で移動状態では専用容器の保持位置が物品収納機器の外部に出る収納棚を引き出し状に設け、物品収納機器外部の収納棚の移動方向側に、収納棚に対する左右・上下方向に移動可能な専用容器受け渡し部を有する搬送機器を物品収納機器と固定的に設置し、該搬送機器が収納棚に対する専用容器の脱着および収納棚と移動ロボット受け渡し位置との間で専用容器を移動させ、移動ロボット受け渡し位置において移動ロボットが専用容器を介して物品を受け渡すようにしたものであり、専用容器を介することにより対象物品の形状、姿勢、材質の多様性にかかわらず汎用的な物品のハンドリングが可能となり、また物品収納機器内部に引き出し状の収納棚および物品収納機器外部に専用受け渡し部を有する搬送機器を物品収納機器と固定的に設置し、この収納棚の引き出し方向の動作および搬送機器の２方向の動作により専用容器を受け渡す構成にしたことにより引き出し間に専用容器受け渡しのための余分なスペースが不要となり物品収納機器をコンパクトな形状にすることができかつ移動ロボットが確実に対象物品を受け渡し搬送することができるという作用を有する。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、物品収納機器に物品の受け渡しに関する情報を伝達する通信手段が設置され、該通信手段からの情報により収納棚の移動および搬送機器に設けた専用容器受け渡し部の移動を自動的に行うようにしたものであり、この通信手段により移動ロボットと物品収納機器間または人間と物品収納機器間で物品の自動受け渡しが可能となり、収納している物品の情報管理を物品収納機器が行えるという作用を有する。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、収納棚の移動を物品収納機器の外部より手動で行う構成とし、手動にて収納棚を移動し収納棚の物品の出し入れを行った場合に物品収納機器内の収納物品の保管情報を変更できるものであり、これにより人間が手動で物品収納機器の物品の出し入れを行うことも可能となり、その場合も物品収納機器の管理情報と実際の物品収納状態の対応が取れるようにすることができるので手動で物品の出し入れをした後でも移動ロボットが確実に指定された物品を受け渡しできるという作用を有する。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、専用容器の少なくとも一箇所の位置Ａでは専用容器が収納棚の底部を通り抜け可能であり該一箇所とは異なる専用容器の少なくとも一箇所の位置Ｂでは専用容器が収納棚の底部を通り抜け不可能になるような貫通状の穴を収納棚の底部に設け、搬送機器の専用容器受け渡し部が該収納棚底部の穴の下方より収納棚に対する専用容器の脱着を行うようにしたものであり、これにより収納棚を水平方向に移動し対象の専用容器の保持位置が物品収納機器の外部に出るような位置に収納棚を保持した状態で収納棚の下方より専用容器を脱着するための機構が簡単な構成にできるという作用を有する。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、収納棚底部に貫通状の穴を設け、該穴形状または専用容器の形状の少なくともどちらか一方の形状を変更可能な構成とし、収納棚が専用容器を水平状態で保持している時は専用容器が収納棚底部の穴を通り抜け出来ないような穴形状および専用容器形状とし、搬送機器の専用容器受け渡し部が収納棚底部の穴の下方より専用容器の収納棚に対する脱着を行う場合に専用容器が水平状態の姿勢で収納棚底部の穴形状を通り抜け可能になるように収納棚底部の穴形状または専用容器の形状の少なくともどちらか一方の形状を変更するようにしたものであり、これにより請求項４に記載した例では必要となる専用容器脱着のために専用容器の位置を移動させるという動作をなくすことができるという作用を有する。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、収納棚における専用容器の配置を垂直方向の２次元的な配置とし、搬送機器の専用容器受け渡し部が収納棚の側面より専用容器の脱着を行うようにしたものであり、これにより専用容器の収納棚の横方向からの脱着が可能となり、横方向から収納物品をカメラ等で確認することが容易になるという作用を有する。
【００１７】
図１〜図５に本発明の実施の形態を示す。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は本発明に係るロボットシステムの構成全体を示す斜視図である。
【００１９】
図１において、１は対象とする物品１０２を収納するための物品収納機器、２は対象とする物品１０２の受け渡しを物品収納機器１との間で行いかつ指示された位置と物品収納機器１の間の搬送を行う移動ロボットである。物品収納機器１は引き出し状の収納棚１２０を水平方向に移動可能なように上下方向に配置し、該収納棚１２０の底部には専用容器１１０が脱着可能に保持されている。また物品収納機器１には収納棚１２０の移動方向側の外部に収納棚１２０に対する左右・上下方向に移動可能な専用容器受け渡し部１４１を有する搬送機器１４０が固定的に設置されている。
【００２０】
さらに、物品収納機器１には収納物品の受け渡しおよび収納物品の保管状況等を管理し収納棚１２０の移動等の動作に関する指示を物品収納機器１に伝える通信手段１０１が設置されている。移動ロボット２は図示しない公知の車輪等による移動機構および進行方向の舵をとる操舵機構を有し平面上の移動が可能な移動台車２０１と、該移動台車２０１の上に設置され移動台車２０１の近くの物品を把持および移動させることができる公知の垂直多関節型のマニピュレータ２０２で構成されている。
【００２１】
また、移動ロボット２は外部からの指示により前記移動台車２０１およびマニピュレータ２０２の動作を制御する図示しない制御機器を搭載し、移動台車２０１による自律的な移動およびマニピュレータ２０２による自律的な物品のハンドリングが可能である。この全体構成により移動ロボット２が物品収納機器１より対象物品１０２を取り出す場合は、移動ロボットから直接または図示しない中央制御装置（サーバ）から関節的に通信手段１０１を介して取り出し情報が物品収納機器１に伝達されその情報に対応して収納棚１２０が対象物品１０２の収納されている専用容器１１０が物品収納機器１の外部に出るまで水平方向に移動し、搬送機器１４０の専用容器受け渡し部１４１が取り出すべき専用容器１１０の位置まで横方向に移動し専用容器１１０を下方より取り出し、専用容器１１０を移動ロボット２との受け渡し位置Ｐまで移動させ、この位置において移動ロボット２のマニピュレータ２０２が対象物品１０２を収納した専用容器１１０を把持し指定の位置に搬送することができる。移動ロボット２が物品収納機器１に対象物品１０２を収納する場合は前記取り出す場合と逆の動作を行う。
【００２２】
すなわち、対象物品１０２を専用容器１１０に収納し移動ロボット２が専用容器１１０を把持できる位置に専用容器１１０を設置するまでは操作者（人間）が行う。この状態で操作者から移動ロボットに直接的または中央制御装置等を介して間接的に物品１０２の収納指示が与えられ、この指示に対応して移動ロボット２は専用容器１１０が把持できる位置まで移動しマニピュレータ２０２にて専用容器１１０を把持後物品収納機器１付近の決められた受け渡し位置まで移動する。
【００２３】
ここで移動ロボットから直接または図示しない中央制御装置（サーバ）から関節的に通信手段１０１を介して収納情報が物品収納機器１に伝達されその情報に対応して搬送機器１４０の専用容器受け渡し部１４１が受け渡し位置Ｐまで移動する。移動ロボット２は専用容器受け渡し部１４１が受け渡し位置Ｐにあることを図示しないカメラまたは位置検出器等により確認した後に物品１０２が収納された専用容器１１０を専用容器受け渡し部１４１に設置する。物品収納機器１は専用容器１１０が専用容器受け渡し部１４１に設置されたことを図示しない検出器により確認したのち対象物品１０２が収納されるべき収納棚１２０を水平方向に移動し対象物品１０２が収納されるべき専用容器１１０の保持位置が物品収納機器１の外部にでるまで移動し、搬送機器１４０により対象物品１０２が収納された専用容器１１０が該保持位置下方付近に移動されさらに該保持位置に設置される。マニピュレータ２０２は垂直多関節型で説明したが、水平多関節型、円筒座標系型、極座標系型およびその他の形式のマニピュレータでも同様に実施可能であり、移動ロボット２は完全自律型である必要はなく遠隔操作型でも同様に実施可能である。
【００２４】
（実施の形態２）
図２は物品収納機器１内部の収納棚１２０および収納棚駆動機構１３０を取り出して示した斜視図である。
【００２５】
図２において、１３１は電磁式モータ等のアクチュエータでベルト１３３、プーリ１３４等より構成される伝達機構１３２を介して収納棚１２０を水平方向に自動的に移動させることができる。収納棚１は図示しない直動レール等により水平の前後方向にのみ移動可能に保持され前記アクチュエータ１３１および伝達機構１３２より構成される収納棚駆動機構１３０により自動的に水平一方向にのみ駆動される。また、収納棚１２０の移動可能な方向の前面にくぼみ形状または出っ張り形状の取っ手１２３が設けられ、該取っ手１２３を用いて操作者が収納棚１２０を手動で移動できる。
【００２６】
この場合、アクチュエータ１３１および伝達機構１３２には手動での動作を妨げないように、ブレーキ等の要素は作動しないようにするかまたは設置しないようにする。また、手動にて物品の出し入れを行った場合は図示しないキーボード、タッチパネル等により操作者が物品収納に関する情報を変更できるようにしておく必要がある。
【００２７】
なお、物品収納に関する情報の変更は対象物品１０２にバーコード、ＩＤタグ等の情報を添付し、物品収納機器１に設けた図示しない情報読み取り機の前に対象物品１０２を設置すれば図示しない情報読み取り器が自動的に対象物品１０２の情報を読み取り物品収納機器１の物品収納に関する情報を変更できるようにしても同様に実施可能である。
【００２８】
（実施の形態３）
図３は専用容器１１０および収納棚１２０の底部１２１の一部を示した斜視図である。専用容器１１０は四角のトレイ状形状で両側には突起部１１１ａおよび１１１ｂが専用容器１１０と一体的に設けられている。収納棚１２０の底部１２１には貫通穴１２２が碁盤の目状の配置で複数個設けられている。貫通穴１２２の形状は専用容器１１０が実線で示すＡの位置にある場合は突起部１１１が貫通穴１２２の両側に設けた取り出し穴１２４の位置にあり専用容器１１０が水平状態の姿勢で通り抜け可能な形状であり、また専用容器１１０がＤ方向に距離Ｃだけ移動した破線で示す位置Ｂでは突起部１１１が保持部１２３の位置にあり専用容器１１０が水平状態の姿勢では突起部１１１が通り抜けできないような形状になっている。専用容器１１０の上面は平面形状となっておりその面積内に収まる任意の形状の物品を収納することができる。専用容器１１０の底部下側には搬送機器１４０の専用容器受け渡し部１４１の上部に設けた凸形状よりも若干大きな凹形状を形成し専用容器１１０が専用容器受け渡し部１４１の上部に位置決めされて水平状態で保持できるような形状になっている。
【００２９】
以上のような構成により対象物品１０２が物品収納機器１の内部に収納されている場合は対象物品１０２が専用容器１１０の上部に収納された状態で専用容器１１０が収納棚１２０の底部１２１に貫通穴１２２に対して破線で示す位置Ｂにあり専用容器の両側の突起部１１１ａおよび１１１ｂが貫通穴両側の保持部１２３ａおよび１２３ｂで保持されている状態である。物品収納機器１に対して対象物品１０２の取り出し要求があった場合は、まず、対象物品１０２が収納された収納棚が収納棚駆動機構１３０により水平方向に移動し対象物品１０２が収納された専用容器１１０の保持位置が物品収納機器１の外部にでるまで引き出される。
【００３０】
次に搬送機構１４０の専用容器受け渡し部１４１が図示しない駆動機構により横方向に駆動され専用容器１１０の保持位置の真下に移動し、さらに同様に図示しない駆動機構により専用容器受け渡し部１４１が上方向に移動し専用容器１１０底部下側に設けた凹形状に専用容器受け渡し部１４１上部の凸形状が嵌合し専用容器１１０の突起部１１１が収納棚底部１２１の保持部１２３と離れる状態まで専用容器１１０を持ち上げる。その状態で専用容器受け渡し部１４１がＤ方向と反対側に距離Ｃだけ移動する。この状態で専用容器受け渡し部１４１が下方に移動すると専用容器１１０も貫通穴１２２を通り抜けることができ専用容器に収納された対象物品１０２を収納棚１２０の外部に取り出すことが可能となる。
【００３１】
なお、本説明では専用容器１１０および貫通穴１２２を略四角形で説明したが、この形状は円形等の他の形状でも同様に実施可能であり、貫通穴１２２の配置は必ずしも碁盤の目状である必要はない。また、専用容器１１０をトレイ状の形状で説明したが、開閉式の扉を有するものでも同様に実施可能である。
【００３２】
（実施の形態４）
図４は実施の形態３と異なる専用容器１１０および貫通穴１２２の実施の形態を示す斜視図である。
【００３３】
図４において、専用容器１１０の底部下側には根元部にローラ１１４を有し専用容器１１０の底部下側中央に回転可能に保持された板カム１１５に引っ張りスプリング等の弾性体１１３で押し付けられた状態で突起部１１２が両側に直動可能に保持されている。板カム１１５は専用容器受け渡し部１４１の先端に設けられた図示しない回転駆動部により脱着可能に回転駆動される。板カム１１５の図４に示す位置より９０度回動した位置Ａの状態では突起部１１２が専用容器１１０の外形より引っ込んだ位置となり、板カム１１５の図４に示す位置Ｂの状態では突起部１１２が専用容器１１０の外形より出っ張った位置となり専用容器１１０の形状が外部より変更可能となる。収納棚１２０の底部１２１に碁盤の目状に設けた貫通穴１２２の形状は専用容器１１０の突起部１１２が引っ込んだ状態では専用容器１１０が通り抜け可能であり突起部１１２が出っ張った状態では専用容器１１０が通り抜け不可となるような形状である。
【００３４】
以上のような構成により専用容器１１０が収納棚１２０に収納されている状態では板カム１１５が位置Ｂにあり突起部１１２が専用容器１１０より出っ張っており収納棚１２０の底部１２１の貫通穴１２２の両側に設けた保持部１２３で突起部１１２を保持することができる。専用容器１１０を収納棚１２０より取り出す場合は専用容器受け渡し部１４１により板カム１１５を位置Ａまで回動させ突起部１１２を専用容器１１０より引っ込めることにより専用容器１１０が貫通穴１２２を通り抜けできるようになり、実施の形態３と同様の動作で専用容器を収納棚１２０より取り出すことができる。
【００３５】
（実施の形態５）
図５は収納棚１２０における専用容器１１０の配置を垂直方向の２次元的な配置とし、収納棚１２０を縦方向に複数個配置した物品収納機器１の実施形態を示す斜視図である。
【００３６】
この実施形態の場合は、収納棚１２０において垂直方向の碁盤の目状に配置された専用容器１１０の保持部１２５に収納された専用容器１１０に対して物品収納機器１に固定的に設置された搬送機器１４０の専用容器受け渡し部１４１が横方向から専用容器１１０の底部下側にもぐり込み上方向へ移動しさらに横方向へ戻ることにより専用容器１１０を収納棚１２０より外部に取り出すことができる。
【００３７】
この実施形態においては、例えば搬送機器１４０の専用容器受け渡し部１４１付近に専用容器受け渡し部１４１と一体的に移動するカメラ１０３等を設けることにより対象物品１０２を受け渡す前に対象物品の有無および対象物品が指示されたものと相違がないかどうかを確認することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ハンドリング用マニピュレータを有する移動ロボットが物品収納機器と物品の受け渡しを行うロボットシステムにおいて、物品を収納する専用容器を用いかつ物品収納機器に該専用容器を収納し一方向に移動可能な引き出し式の収納棚と２方向に移動可能な搬送機器からなる物品自動受け渡しユニットを設けることにより、コンパクトな寸法で移動ロボットと物品収納機器との間の物品受け渡しが確実に実施できるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示すロボットシステムの構成全体を示す斜視図
【図２】本発明の実施の形態２を示す収納棚および収納棚駆動機構の斜視図
【図３】本発明の実施の形態３を示す専用容器および収納棚底部の一部を示す斜視図
【図４】本発明の実施の形態４を示す収納容器および貫通穴を示す斜視図
【図５】本発明の実施の形態５を示す収納棚を縦方向に配置した物品収納機器の斜視図
【符号の説明】
１ 物品収納機器
２ 移動ロボット
１０１ 通信手段
１０２ 対象物品
１１０ 専用容器
１１１ 突起部
１２０ 収納棚
１２１ 収納棚底部
１２２ 貫通穴
１２３ 保持部
１２４ 取り出し穴
１３０ 収納棚駆動機構
１３１ アクチュエータ
１３２ 伝達機構
１３３ ベルト
１３４ プーリ
１４０ 搬送機器
１４１ 専用容器受け渡し部
２０１ 移動台車
２０２ マニピュレータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、物品ハンドリング用マニピュレータを有する移動ロボットが物品をハンドリングするロボットシステム、特に形状・姿勢等が画一的に限定されていない汎用的な物品をハンドリング対象とするロボットシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、日常生活で使用されているような形状・姿勢等が限定されていない汎用的な物品を移動ロボットがハンドリングするロボットシステムとしては、非特許文献１および非特許文献２等に開示されている例がある。また、自動収納機器の例としては特許文献１等に開示されている例がある。
【０００３】
非特許文献１および非特許文献２には、例えば家庭内において移動ロボットが冷蔵庫の扉を開けて冷蔵庫内の任意に指示された物品を冷蔵庫内より取り出すシステムが開示されている。該システムにおいては移動ロボットにレーザ距離センサ、ハンドカメラ、メインカメラ、力センサの検出機器を搭載し、該検出機器類で冷蔵庫および冷蔵庫の扉の位置を検出し、ロボットの物理的制約等を考慮して自動的に生成される動作計画にもとづいて冷蔵庫の扉を開け、さらにカメラで冷蔵庫内の物品を識別し前記同様に自動的に生成される動作計画にもとづいて任意に指定された物品を取り出すというシステムである。
【０００４】
また、特許文献１に開示されているように、例えば業務用の厨房において配膳室等の指示に基づいて移載機が自動倉庫から食器が収納されたコンテナケースを搬出入し搬送コンベアに移載することにより複数種類の食器類の中から指定された食器類を自動的に搬出入するシステムも提案されている。
【０００５】
【非特許文献１】
矢野、三浦、白井、島田“移動マニピュレータのための直感的作業教示方法”第２０回日本ロボット学会学術講演会論文集
【非特許文献２】
槙原、滝澤、白井、三浦、島田“ユーザとの対話を用いたサービスロボットのための物体認識”第２０回日本ロボット学会学術講演会論文集
【特許文献１】
特開平１−３２１２０２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の物品をハンドリングするロボットシステムには次のような課題がある。
【０００７】
すなわち、前記非特許文献１および非特許文献２に示されたシステムにおいては、日常生活における機器または対象物品に制約または改造を加えなくてもロボットが対象の機器または物品のハンドリングを汎用的に行えることを狙っているが、実環境で使用できるレベルには達していない。例えば、マニピュレータを含む移動ロボットの動作計画を生成するためには移動ロボットおよび対象物の正確な位置、移動ロボット付近の障害物の位置および形状、移動ロボットおよび対象物の機構的な制約、等のデータが必要であるがこれらのデータの検出は非常に困難であり、たとえ検出可能であってもその検出にはかなりの時間が必要となる。
指示された物品の検出においても、照明条件の変化、物品の重なり等の実環境で普通に考えられる条件に対応するのは困難である。物品の把持に関しても、現時点で把持可能なものは限られた形状、材質、姿勢のものであり前後に何重かに重なったものの奥側のもの、柔らかいもの、不定形状な物、等を汎用的に把持し取り出すことは非常に困難である。
【０００８】
また、前記特許文献１で開示されたシステムにおいては、物品の自動受け渡しが達成されているが汎用性を持たせるための展開が困難であり、特に家庭内のような小規模でかつ汎用性が非常に求められるシステムに対する適用は非常に困難である。産業用でも自動倉庫とロボットの組み合わせで物品の受け渡しおよび搬送を行っている例があるが、いずれも前記同様小規模で汎用性が非常に求められるシステムに対する展開は非常に困難である。
【０００９】
本発明は、家庭内における物品ハンドリングのような小規模で非常に高い汎用性を求められる環境において移動ロボットが確実に物品の受け渡しを行うことを可能ならしめるロボットシステムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のロボットシステムにおいては、ハンドリング対象の物品を収納する物品収納機器内部に、対象物品を収納する専用容器を脱着可能に保持しかつ物品収納機器の水平方向に移動可能で移動状態では専用容器の保持位置が物品収納機器の外部に出る収納棚を引き出し状に設け、物品収納機器外部の収納棚の移動方向側に、収納棚に対する左右・上下方向に移動可能な専用容器受け渡し部を有する搬送機器を物品収納機器と固定的に設置し、該搬送機器が収納棚に対する専用容器の脱着および収納棚と移動ロボット受け渡し位置との間で専用容器を移動させ、移動ロボット受け渡し位置において移動ロボットが専用容器を介して物品を受け渡すようにしたものである。本発明によれば、家庭内における物品ハンドリングのような小規模で非常に高い汎用性を求められる環境において移動ロボットが確実に物品の受け渡しを行うことが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、ハンドリング対象の物品を収納する物品収納機器内部に、対象物品を収納する専用容器を脱着可能に保持しかつ物品収納機器の水平方向に移動可能で移動状態では専用容器の保持位置が物品収納機器の外部に出る収納棚を引き出し状に設け、物品収納機器外部の収納棚の移動方向側に、収納棚に対する左右・上下方向に移動可能な専用容器受け渡し部を有する搬送機器を物品収納機器と固定的に設置し、該搬送機器が収納棚に対する専用容器の脱着および収納棚と移動ロボット受け渡し位置との間で専用容器を移動させ、移動ロボット受け渡し位置において移動ロボットが専用容器を介して物品を受け渡すようにしたものであり、専用容器を介することにより対象物品の形状、姿勢、材質の多様性にかかわらず汎用的な物品のハンドリングが可能となり、また物品収納機器内部に引き出し状の収納棚および物品収納機器外部に専用受け渡し部を有する搬送機器を物品収納機器と固定的に設置し、この収納棚の引き出し方向の動作および搬送機器の２方向の動作により専用容器を受け渡す構成にしたことにより引き出し間に専用容器受け渡しのための余分なスペースが不要となり物品収納機器をコンパクトな形状にすることができかつ移動ロボットが確実に対象物品を受け渡し搬送することができるという作用を有する。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、物品収納機器に物品の受け渡しに関する情報を伝達する通信手段が設置され、該通信手段からの情報により収納棚の移動および搬送機器に設けた専用容器受け渡し部の移動を自動的に行うようにしたものであり、この通信手段により移動ロボットと物品収納機器間または人間と物品収納機器間で物品の自動受け渡しが可能となり、収納している物品の情報管理を物品収納機器が行えるという作用を有する。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、収納棚の移動を物品収納機器の外部より手動で行う構成とし、手動にて収納棚を移動し収納棚の物品の出し入れを行った場合に物品収納機器内の収納物品の保管情報を変更できるものであり、これにより人間が手動で物品収納機器の物品の出し入れを行うことも可能となり、その場合も物品収納機器の管理情報と実際の物品収納状態の対応が取れるようにすることができるので手動で物品の出し入れをした後でも移動ロボットが確実に指定された物品を受け渡しできるという作用を有する。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、専用容器の少なくとも一箇所の位置Ａでは専用容器が収納棚の底部を通り抜け可能であり該一箇所とは異なる専用容器の少なくとも一箇所の位置Ｂでは専用容器が収納棚の底部を通り抜け不可能になるような貫通状の穴を収納棚の底部に設け、搬送機器の専用容器受け渡し部が該収納棚底部の穴の下方より収納棚に対する専用容器の脱着を行うようにしたものであり、これにより収納棚を水平方向に移動し対象の専用容器の保持位置が物品収納機器の外部に出るような位置に収納棚を保持した状態で収納棚の下方より専用容器を脱着するための機構が簡単な構成にできるという作用を有する。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、収納棚底部に貫通状の穴を設け、該穴形状または専用容器の形状の少なくともどちらか一方の形状を変更可能な構成とし、収納棚が専用容器を水平状態で保持している時は専用容器が収納棚底部の穴を通り抜け出来ないような穴形状および専用容器形状とし、搬送機器の専用容器受け渡し部が収納棚底部の穴の下方より専用容器の収納棚に対する脱着を行う場合に専用容器が水平状態の姿勢で収納棚底部の穴形状を通り抜け可能になるように収納棚底部の穴形状または専用容器の形状の少なくともどちらか一方の形状を変更するようにしたものであり、これにより請求項４に記載した例では必要となる専用容器脱着のために専用容器の位置を移動させるという動作をなくすことができるという作用を有する。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、収納棚における専用容器の配置を垂直方向の２次元的な配置とし、搬送機器の専用容器受け渡し部が収納棚の側面より専用容器の脱着を行うようにしたものであり、これにより専用容器の収納棚の横方向からの脱着が可能となり、横方向から収納物品をカメラ等で確認することが容易になるという作用を有する。
【００１７】
図１〜図５に本発明の実施の形態を示す。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は本発明に係るロボットシステムの構成全体を示す斜視図である。
【００１９】
図１において、１は対象とする物品１０２を収納するための物品収納機器、２は対象とする物品１０２の受け渡しを物品収納機器１との間で行いかつ指示された位置と物品収納機器１の間の搬送を行う移動ロボットである。物品収納機器１は引き出し状の収納棚１２０を水平方向に移動可能なように上下方向に配置し、該収納棚１２０の底部には専用容器１１０が脱着可能に保持されている。また物品収納機器１には収納棚１２０の移動方向側の外部に収納棚１２０に対する左右・上下方向に移動可能な専用容器受け渡し部１４１を有する搬送機器１４０が固定的に設置されている。
【００２０】
さらに、物品収納機器１には収納物品の受け渡しおよび収納物品の保管状況等を管理し収納棚１２０の移動等の動作に関する指示を物品収納機器１に伝える通信手段１０１が設置されている。移動ロボット２は図示しない公知の車輪等による移動機構および進行方向の舵をとる操舵機構を有し平面上の移動が可能な移動台車２０１と、該移動台車２０１の上に設置され移動台車２０１の近くの物品を把持および移動させることができる公知の垂直多関節型のマニピュレータ２０２で構成されている。
【００２１】
また、移動ロボット２は外部からの指示により前記移動台車２０１およびマニピュレータ２０２の動作を制御する図示しない制御機器を搭載し、移動台車２０１による自律的な移動およびマニピュレータ２０２による自律的な物品のハンドリングが可能である。この全体構成により移動ロボット２が物品収納機器１より対象物品１０２を取り出す場合は、移動ロボットから直接または図示しない中央制御装置（サーバ）から関節的に通信手段１０１を介して取り出し情報が物品収納機器１に伝達されその情報に対応して収納棚１２０が対象物品１０２の収納されている専用容器１１０が物品収納機器１の外部に出るまで水平方向に移動し、搬送機器１４０の専用容器受け渡し部１４１が取り出すべき専用容器１１０の位置まで横方向に移動し専用容器１１０を下方より取り出し、専用容器１１０を移動ロボット２との受け渡し位置Ｐまで移動させ、この位置において移動ロボット２のマニピュレータ２０２が対象物品１０２を収納した専用容器１１０を把持し指定の位置に搬送することができる。移動ロボット２が物品収納機器１に対象物品１０２を収納する場合は前記取り出す場合と逆の動作を行う。
【００２２】
すなわち、対象物品１０２を専用容器１１０に収納し移動ロボット２が専用容器１１０を把持できる位置に専用容器１１０を設置するまでは操作者（人間）が行う。この状態で操作者から移動ロボットに直接的または中央制御装置等を介して間接的に物品１０２の収納指示が与えられ、この指示に対応して移動ロボット２は専用容器１１０が把持できる位置まで移動しマニピュレータ２０２にて専用容器１１０を把持後物品収納機器１付近の決められた受け渡し位置まで移動する。
【００２３】
ここで移動ロボットから直接または図示しない中央制御装置（サーバ）から関節的に通信手段１０１を介して収納情報が物品収納機器１に伝達されその情報に対応して搬送機器１４０の専用容器受け渡し部１４１が受け渡し位置Ｐまで移動する。移動ロボット２は専用容器受け渡し部１４１が受け渡し位置Ｐにあることを図示しないカメラまたは位置検出器等により確認した後に物品１０２が収納された専用容器１１０を専用容器受け渡し部１４１に設置する。物品収納機器１は専用容器１１０が専用容器受け渡し部１４１に設置されたことを図示しない検出器により確認したのち対象物品１０２が収納されるべき収納棚１２０を水平方向に移動し対象物品１０２が収納されるべき専用容器１１０の保持位置が物品収納機器１の外部にでるまで移動し、搬送機器１４０により対象物品１０２が収納された専用容器１１０が該保持位置下方付近に移動されさらに該保持位置に設置される。マニピュレータ２０２は垂直多関節型で説明したが、水平多関節型、円筒座標系型、極座標系型およびその他の形式のマニピュレータでも同様に実施可能であり、移動ロボット２は完全自律型である必要はなく遠隔操作型でも同様に実施可能である。
【００２４】
（実施の形態２）
図２は物品収納機器１内部の収納棚１２０および収納棚駆動機構１３０を取り出して示した斜視図である。
【００２５】
図２において、１３１は電磁式モータ等のアクチュエータでベルト１３３、プーリ１３４等より構成される伝達機構１３２を介して収納棚１２０を水平方向に自動的に移動させることができる。収納棚１は図示しない直動レール等により水平の前後方向にのみ移動可能に保持され前記アクチュエータ１３１および伝達機構１３２より構成される収納棚駆動機構１３０により自動的に水平一方向にのみ駆動される。また、収納棚１２０の移動可能な方向の前面にくぼみ形状または出っ張り形状の取っ手１２３が設けられ、該取っ手１２３を用いて操作者が収納棚１２０を手動で移動できる。
【００２６】
この場合、アクチュエータ１３１および伝達機構１３２には手動での動作を妨げないように、ブレーキ等の要素は作動しないようにするかまたは設置しないようにする。また、手動にて物品の出し入れを行った場合は図示しないキーボード、タッチパネル等により操作者が物品収納に関する情報を変更できるようにしておく必要がある。
【００２７】
なお、物品収納に関する情報の変更は対象物品１０２にバーコード、ＩＤタグ等の情報を添付し、物品収納機器１に設けた図示しない情報読み取り機の前に対象物品１０２を設置すれば図示しない情報読み取り器が自動的に対象物品１０２の情報を読み取り物品収納機器１の物品収納に関する情報を変更できるようにしても同様に実施可能である。
【００２８】
（実施の形態３）
図３は専用容器１１０および収納棚１２０の底部１２１の一部を示した斜視図である。専用容器１１０は四角のトレイ状形状で両側には突起部１１１ａおよび１１１ｂが専用容器１１０と一体的に設けられている。収納棚１２０の底部１２１には貫通穴１２２が碁盤の目状の配置で複数個設けられている。貫通穴１２２の形状は専用容器１１０が実線で示すＡの位置にある場合は突起部１１１が貫通穴１２２の両側に設けた取り出し穴１２４の位置にあり専用容器１１０が水平状態の姿勢で通り抜け可能な形状であり、また専用容器１１０がＤ方向に距離Ｃだけ移動した破線で示す位置Ｂでは突起部１１１が保持部１２３の位置にあり専用容器１１０が水平状態の姿勢では突起部１１１が通り抜けできないような形状になっている。専用容器１１０の上面は平面形状となっておりその面積内に収まる任意の形状の物品を収納することができる。専用容器１１０の底部下側には搬送機器１４０の専用容器受け渡し部１４１の上部に設けた凸形状よりも若干大きな凹形状を形成し専用容器１１０が専用容器受け渡し部１４１の上部に位置決めされて水平状態で保持できるような形状になっている。
【００２９】
以上のような構成により対象物品１０２が物品収納機器１の内部に収納されている場合は対象物品１０２が専用容器１１０の上部に収納された状態で専用容器１１０が収納棚１２０の底部１２１に貫通穴１２２に対して破線で示す位置Ｂにあり専用容器の両側の突起部１１１ａおよび１１１ｂが貫通穴両側の保持部１２３ａおよび１２３ｂで保持されている状態である。物品収納機器１に対して対象物品１０２の取り出し要求があった場合は、まず、対象物品１０２が収納された収納棚が収納棚駆動機構１３０により水平方向に移動し対象物品１０２が収納された専用容器１１０の保持位置が物品収納機器１の外部にでるまで引き出される。
【００３０】
次に搬送機構１４０の専用容器受け渡し部１４１が図示しない駆動機構により横方向に駆動され専用容器１１０の保持位置の真下に移動し、さらに同様に図示しない駆動機構により専用容器受け渡し部１４１が上方向に移動し専用容器１１０底部下側に設けた凹形状に専用容器受け渡し部１４１上部の凸形状が嵌合し専用容器１１０の突起部１１１が収納棚底部１２１の保持部１２３と離れる状態まで専用容器１１０を持ち上げる。その状態で専用容器受け渡し部１４１がＤ方向と反対側に距離Ｃだけ移動する。この状態で専用容器受け渡し部１４１が下方に移動すると専用容器１１０も貫通穴１２２を通り抜けることができ専用容器に収納された対象物品１０２を収納棚１２０の外部に取り出すことが可能となる。
【００３１】
なお、本説明では専用容器１１０および貫通穴１２２を略四角形で説明したが、この形状は円形等の他の形状でも同様に実施可能であり、貫通穴１２２の配置は必ずしも碁盤の目状である必要はない。また、専用容器１１０をトレイ状の形状で説明したが、開閉式の扉を有するものでも同様に実施可能である。
【００３２】
（実施の形態４）
図４は実施の形態３と異なる専用容器１１０および貫通穴１２２の実施の形態を示す斜視図である。
【００３３】
図４において、専用容器１１０の底部下側には根元部にローラ１１４を有し専用容器１１０の底部下側中央に回転可能に保持された板カム１１５に引っ張りスプリング等の弾性体１１３で押し付けられた状態で突起部１１２が両側に直動可能に保持されている。板カム１１５は専用容器受け渡し部１４１の先端に設けられた図示しない回転駆動部により脱着可能に回転駆動される。板カム１１５の図４に示す位置より９０度回動した位置Ａの状態では突起部１１２が専用容器１１０の外形より引っ込んだ位置となり、板カム１１５の図４に示す位置Ｂの状態では突起部１１２が専用容器１１０の外形より出っ張った位置となり専用容器１１０の形状が外部より変更可能となる。収納棚１２０の底部１２１に碁盤の目状に設けた貫通穴１２２の形状は専用容器１１０の突起部１１２が引っ込んだ状態では専用容器１１０が通り抜け可能であり突起部１１２が出っ張った状態では専用容器１１０が通り抜け不可となるような形状である。
【００３４】
以上のような構成により専用容器１１０が収納棚１２０に収納されている状態では板カム１１５が位置Ｂにあり突起部１１２が専用容器１１０より出っ張っており収納棚１２０の底部１２１の貫通穴１２２の両側に設けた保持部１２３で突起部１１２を保持することができる。専用容器１１０を収納棚１２０より取り出す場合は専用容器受け渡し部１４１により板カム１１５を位置Ａまで回動させ突起部１１２を専用容器１１０より引っ込めることにより専用容器１１０が貫通穴１２２を通り抜けできるようになり、実施の形態３と同様の動作で専用容器を収納棚１２０より取り出すことができる。
【００３５】
（実施の形態５）
図５は収納棚１２０における専用容器１１０の配置を垂直方向の２次元的な配置とし、収納棚１２０を縦方向に複数個配置した物品収納機器１の実施形態を示す斜視図である。
【００３６】
この実施形態の場合は、収納棚１２０において垂直方向の碁盤の目状に配置された専用容器１１０の保持部１２５に収納された専用容器１１０に対して物品収納機器１に固定的に設置された搬送機器１４０の専用容器受け渡し部１４１が横方向から専用容器１１０の底部下側にもぐり込み上方向へ移動しさらに横方向へ戻ることにより専用容器１１０を収納棚１２０より外部に取り出すことができる。
【００３７】
この実施形態においては、例えば搬送機器１４０の専用容器受け渡し部１４１付近に専用容器受け渡し部１４１と一体的に移動するカメラ１０３等を設けることにより対象物品１０２を受け渡す前に対象物品の有無および対象物品が指示されたものと相違がないかどうかを確認することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ハンドリング用マニピュレータを有する移動ロボットが物品収納機器と物品の受け渡しを行うロボットシステムにおいて、物品を収納する専用容器を用いかつ物品収納機器に該専用容器を収納し一方向に移動可能な引き出し式の収納棚と２方向に移動可能な搬送機器からなる物品自動受け渡しユニットを設けることにより、コンパクトな寸法で移動ロボットと物品収納機器との間の物品受け渡しが確実に実施できるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示すロボットシステムの構成全体を示す斜視図
【図２】本発明の実施の形態２を示す収納棚および収納棚駆動機構の斜視図
【図３】本発明の実施の形態３を示す専用容器および収納棚底部の一部を示す斜視図
【図４】本発明の実施の形態４を示す収納容器および貫通穴を示す斜視図
【図５】本発明の実施の形態５を示す収納棚を縦方向に配置した物品収納機器の斜視図
【符号の説明】
１ 物品収納機器
２ 移動ロボット
１０１ 通信手段
１０２ 対象物品
１１０ 専用容器
１１１ 突起部
１２０ 収納棚
１２１ 収納棚底部
１２２ 貫通穴
１２３ 保持部
１２４ 取り出し穴
１３０ 収納棚駆動機構
１３１ アクチュエータ
１３２ 伝達機構
１３３ ベルト
１３４ プーリ
１４０ 搬送機器
１４１ 専用容器受け渡し部
２０１ 移動台車
２０２ マニピュレータ
Claims (6)
- 物品ハンドリング用マニピュレータを有する移動ロボットが物品をハンドリングするロボットシステムにおいて、ハンドリング対象の物品を収納する物品収納機器内部に、対象物品を収納する専用容器を脱着可能に保持しかつ物品収納機器の水平方向に移動可能で移動状態では専用容器の保持位置が物品収納機器の外部に出る収納棚を引き出し状に設け、物品収納機器外部の収納棚の移動方向側に、収納棚に対する左右・上下方向に移動可能な専用容器受け渡し部を有する搬送機器を物品収納機器と固定的に設置し、該搬送機器が収納棚に対する専用容器の脱着および収納棚と移動ロボット受け渡し位置との間で専用容器を移動させ、移動ロボット受け渡し位置において移動ロボットが専用容器を介して物品を受け渡すことを特徴とするロボットシステム。
- 物品収納機器に物品の受け渡しに関する情報を伝達する通信手段が設置され、該通信手段からの情報により収納棚の移動および搬送機器に設けた専用容器受け渡し部の移動を自動的に行うことを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。
- 収納棚の移動を物品収納機器の外部より手動で行う構成とし、手動にて収納棚を移動し収納棚の物品の出し入れを行った場合に物品収納機器内の収納物品の保管情報を変更できることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のロボットシステム。
- 専用容器の少なくとも一箇所の位置Ａでは専用容器が収納棚の底部を通り抜け可能であり該一箇所とは異なる専用容器の少なくとも一箇所の位置Ｂでは専用容器が収納棚の底部を通り抜け不可能になるような貫通状の穴を収納棚の底部に設け、搬送機器の専用容器受け渡し部が該収納棚底部の穴の下方より収納棚に対する専用容器の脱着を行うことを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。
- 収納棚底部に貫通状の穴を設け、該穴形状または専用容器の形状の少なくともどちらか一方の形状を変更可能な構成とし、収納棚が専用容器を水平状態で保持している時は専用容器が収納棚底部の穴を通り抜け出来ないような穴形状および専用容器形状とし、搬送機器の専用容器受け渡し部が収納棚底部の穴の下方より専用容器の収納棚に対する脱着を行う場合に専用容器が水平状態の姿勢で収納棚底部の穴形状を通り抜け可能になるように収納棚底部の穴形状または専用容器の形状の少なくともどちらか一方の形状を変更することを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。
- 収納棚における専用容器の配置を垂直方向の２次元的な配置とし、搬送機器の専用容器受け渡し部が収納棚の側面より専用容器の脱着を行うことを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。
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