JP3632618B2 - 移動作業ロボット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動床面掃除機、自動床面仕上げ装置等のように自動的に作業を行う移動作業ロボットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、作業機器に走行駆動装置、センサ類および走行制御手段等を付加して、自動的に作業を行う各種の移動作業ロボットが開発されている。たとえば自走式掃除機は、清掃機能として本体底部に吸い込みノズルやブラシなどを備え、移動機能として走行および操舵手段と走行時の障害物を検知する障害物検知手段と位置を認識する位置認識手段とを備え、この障害物検知手段によって清掃場所の周囲の壁等に沿って移動しつつ、位置認識手段によって清掃区域を認識し、その清掃区域内を移動して清掃区域全体を清掃するものである。
【０００３】
ここで、自走式掃除機に関連する絨毯目による影響について図１０を参照しながら説明する。作業区域の床面が毛足の長いカットパイルカ−ペット等のように、絨毯目の強い絨毯で、しかも絨毯目が直進方向と直角方向にある場合には、走行中に本体が徐々に絨毯目方向に流されるという現象が起こる。図１０において（１）は絨毯のない平坦なベアフロア上で直進した場合の本体１１の移動軌跡を示す。このときは絨毯がないので、当然絨毯目の影響はなく、本体１１に移動軌跡は走行開始時の本体の方向と一致した直線ａになる。しかしながら、たとえば（２）に示すように床面を絨毯目が左から右の方向にある絨毯に変えて同条件で直進させると、本体は目標ラインＬ１に乗るように直進制御を行うが実際の移動軌跡は、本体は常に走行開始時の方向を向いているにもかかわらず目標ラインＬ１の方向から右へ角度θだけ傾いた直線ｂになる。この横ずれの度合いを示す角度偏差θは絨毯によってほぼ固有であり数度程度である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の清掃機能を有する移動作業ロボットでは、あらかじめ作業前に絨毯目による横ずれの角度偏差を調べ、その情報を外部から人為的に与えて制御に組み込まない限り、作業のやり残しや作業効率の低下が生じるものである。またこの情報は絨毯目に経時変化が起きた場合や、絨毯を敷き変えた場合には対応できないものである。
【０００５】
そこで本発明は、絨毯目による横ずれの角度偏差を自動的に検出できる移動作業ロボットを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の移動作業ロボットは、本体を移動させる駆動輪と前記駆動輪を駆動させる駆動モータからなる駆動手段と、本体に対して回転自由な支持軸と車輪からなる操舵手段と、前記駆動手段と操舵手段とを制御して本体の走行制御を行う走行制御手段と、本体の方向を計測する方向計測手段と、本体から外部の物体までの距離を測定する測距手段と、測距センサの出力に基づいて障害物を検知する障害物検知手段と、障害物検知手段の出力により本体の進行方向を１８０°旋回する旋回手段と、前記支持軸の回転角度を検出する角度検出手段と、作業を行う作業手段を備え、前記走行制御手段は、方向計測手段の出力に基づいて本体を目標方向に直進させるとともに、前記直進の目標方向に角度検出手段の出力角度に基づき修正を施して直進させ、かつ、前記障害物検知手段が障害物を検知すると旋回手段が前記本体の進行方向を１８０°旋回させた後直進させるとともに旋回手段動作中は角度検出手段を停止させ、更に旋回手段動作後安定して直進するまでは角度検出手段を停止する構成とするとともに、操舵手段は、車輪と、前記車輪を回転自在に支持する車輪軸と、前記車輪軸を両側より支持する車輪軸保持部と、前記車輪軸保持部の内側で上方向及び両側より車輪軸を付勢する支持軸固定部材と、前記支持軸固定部材を角度検出手段に連結させる支持軸から構成してある。
【０００７】
これにより支持軸の回転角度により絨毯目の方向及び強さが検出でき、さらに絨毯目の影響を補正した直進走行が可能になり、しかも旋回時の車輪の回転を絨毯目の検知に含めないようにするとともに、旋回手段動作後安定して直進するまでは角度検出手段を停止するから、絨毯目の検知の精度を向上させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、本発明の移動作業ロボットは、本体を移動させる駆動輪と前記駆動輪を駆動させる駆動モータからなる駆動手段と、本体に対して回転自由な支持軸と車輪からなる操舵手段と、前記駆動手段と操舵手段とを制御して本体の走行制御を行う走行制御手段と、本体の方向を計測する方向計測手段と、本体から外部の物体までの距離を測定する測距手段と、測距センサの出力に基づいて障害物を検知する障害物検知手段と、障害物検知手段の出力により本体の進行方向を１８０°旋回する旋回手段と、前記支持軸の回転角度を検出する角度検出手段と、作業を行う作業手段を備え、前記走行制御手段は、方向計測手段の出力に基づいて本体を目標方向に直進させるとともに、前記直進の目標方向に角度検出手段の出力角度に基づき修正を施して直進させ、かつ、前記障害物検知手段が障害物を検知すると旋回手段が前記本体の進行方向を１８０°旋回させた後直進させるとともに旋回手段動作中は角度検出手段を停止させ、更に旋回手段動作後安定して直進するまでは角度検出手段を停止する構成とするとともに、操舵手段は、車輪と、前記車輪を回転自在に支持する車輪軸と、前記車輪軸を両側より支持する車輪軸保持部と、前記車輪軸保持部の内側で上方向及び両側より車輪軸を付勢する支持軸固定部材と、前記支持軸 固定部材を角度検出手段に連結させる支持軸から構成してあり、絨毯目による横ずれの角度偏差を自動的に検出して修正するので作業のやり残しを生じたり作業効率が低下することなく作業が行える移動作業用ロボットが実現できる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、支持軸と角度検出手段を直結したもので、衝撃を吸収するカップリング等の構成が不要なためコンパクトな構成で車輪の角度検知を実現させることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、支持軸固定部材は弾性材料から形成されたもので、車輪の回転を確実に支持軸に伝え角度検出手段で確実に検知し絨毯目検知の精度を向上させると共に、段差、障害物等で車輪に対して上向きの外力が働いた場合であっても弾性力により吸収され、角度検出手段への衝撃を吸収することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、操舵手段と角度検出手段は一体として本体から取り外し可能とするもので、操舵手段の部品交換等のメンテナンスを容易にすることができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、車輪を駆動輪の後方に配するもので、絨毯目センサの検知感度を向上させることができる。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、本体の重心を車輪近傍に有するもので、絨毯目センサの検知感度を向上させることができる。
【００１４】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の実施例を自走式掃除機に応用した場合を例にとって、図１〜図９に基づいて説明する。
【００１５】
図１は本実施例の自走式掃除機の全体構成を示す断面図、図２は本実施例の駆動兼操舵手段の構成を示す断面図、図３は操舵手段の構成を示す側断面図、図４は操舵手段の構成を示す正面断面図、図５は測距センサ及び方向計測手段の配置を示す内部透視図である。図において１１は自走式掃除機の本体、１２Ｌ、１２Ｒはそれぞれ本体１１の左右後方に設けた駆動輪で、駆動モ−タ１３Ｌ、１３Ｒで左右独立に駆動される。１４Ｌ、１４Ｒはそれぞれ１３Ｌ、１３Ｒに接続されたロ−タリエンコ−ダ等からなる回転検出器で、駆動モ−タ１３Ｌ、１３Ｒの軸回転数を検出する。１５は本体１１の重量を支える操舵手段であり、車輪１６は車輪軸１７を介して車輪軸保持部１８に回動自在に取り付けられている。以上、駆動輪１２Ｌ、１２Ｒ、駆動モ−タ１３Ｌ、１３Ｒからなる駆動手段と操舵手段１５で本体１１を移動させている。
【００１６】
１９は車輪軸保持部を水平方向に回動自在に支持する回転支持部（ベアリング）である。２１は車輪１６を支持している支持軸固定部材で、車輪軸１７を上下方向には移動可能であるとともに両側より支持する車輪軸保持部１８の内側で、前記車輪軸保持部１８の上方向および両側かつ車輪軸１７を付勢していて、支持軸２０によって角度検出手段２２に直接固定している。前記角度検出手段保持板２３上に固定させたロ−タリエンコ−ダまたはポテンショメ−タ等からなる角度検出手段２２が支持軸２０の回転を検知することで、車輪軸保持部１８の回転角度を検知する。支持軸固定部材２１はステンレス等のバネ材から形成されていることで、車輪軸保持部１８を上方および両外側に、付勢しており車輪軸保持部１８の微少な回転であっても支持軸２０を介して角度検出手段２２に正確に伝達可能である。
【００１７】
また、支持軸固定部材２１は上向きの力に対してたわむような構成にしているので車輪１６、車輪軸１７に外的要因（凸段差等の障害物）で上方に力が加えられても支持軸固定部材２１が吸収するので角度検出手段２２に直接衝撃が加えられることがないようになっている。このことにより支持軸２０と角度検出手段２２の結合には、衝撃を吸収するためのカップリング等が不要で直結可能であり、角度検出手段の小型化が実現している。
【００１８】
操舵手段１５（車輪１６、車輪軸１７、車輪軸保持部１８、回転支持部１９、支持軸２０、支持軸固定部材２１からなる）と角度検出手段２２は、角度検出手段保持板２３に固定した後、本体１１に取り付けられる構成になっているので、操舵手段１５及び角度検出手段２２の保守点検、部品交換は角度検出手段保持板２３を本体１１から取り外すだけで行うことができる。
【００１９】
駆動輪１２Ｌ、１２Ｒ、駆動モ−タ１３Ｌ、１３Ｒは、本体中央付近に配され、操舵手段１５は駆動輪１２Ｌ、１２Ｒの後方に設けられと共に、全体に電力を供給する充電可能な電池２４を操舵手段１５上方に配設しているので、全体の重心２５は操舵手段１５近傍になる。このため操舵手段１５の車輪１６は絨毯からの力を受けやすく角度検出手段の感度が向上する。
【００２０】
２６は電動送風機、２７は本体１１の底部に設けられ、床面の塵埃を前記電動送風機２６が発する吸引力により吸引することで清掃作業を行う作業手段である吸込部で、接続パイプ（図示せず）を介して集塵室（図示せず）と接続している。３０は本体１１の方向を計測する方向計測手段で、ジャイロおよびこの出力を積分する積分器とからなる。３１は本体１１の周囲に設けられた超音波センサ等からなる測距センサで、本体１１の前方、左右側方および後方にある物体までの距離を測定して障害物を検出する障害物検知手段を構成している。３２は方向計測手段３０および障害物検知手段３１からのデ−タに基づいて駆動モ−タ１３Ｌ、１３Ｒを制御し、本体の走行制御を行う走行制御手段である。
【００２１】
図６は本実施例の制御ブロック図で、方向計測手段３０、測距センサ３１、回転検出器１４および角度検出手段１５は走行制御手段３２にその出力を入力している。走行制御手段３２は、これらのデ−タを判断して駆動モ−タ１３Ｌ、１３Ｒに制御信号を出力する。本実施例では、この駆動モ−タ１３Ｌ、１３Ｒの回転速度を制御することにより、左右の駆動輪１２Ｌ、１２Ｒの回転速度を独立に制御し本体１１の駆動および操舵を行っている。
【００２２】
さて、ここで絨毯上を直進走行する場合の絨毯目の影響について図７を用いて説明する。図において（１）は、走行床面が絨毯のないベアフロアの場合の本体１１の移動軌跡を示す。従来の技術で述べたように、このとき絨毯がないので当然絨毯目の影響はなく、本体１１は走行制御手段３２の直進手段により直進制御を行い、その移動軌跡は走行開始時の本体１１の方向と一致した直線ａになる。しかしながら、たとえば（２）に示すように、床面を絨毯目が左から右の方向にある絨毯に変えて同条件で直進走行させると、本体１１は走行制御手段３２が有する直進モードである直進手段により目標ラインＬ１に乗るように直進制御を行うが、実際の移動軌跡は、本体１１が常に走行開始時の方向を向いているにもかかわらず目標ラインＬ１の方向から右へ角度θだけ傾いた直線ｂになる。すなわち、本発明者らは、本体１１が絨毯上を直進走行する場合には、本体１１の直進距離に比例して本体１１が絨毯目の方向に横すべりすることを見出し、この横すべりの度合いを表す角度偏差θは絨毯によってほぼ固有であり、数度程度であることを確認している。そこで、たとえば図７（３）に示すように角度偏差θを最初の走行時にあらかじめ測定した絨毯上で直進手段の目標ラインを走行開始時の方向から左に角度θ傾いた直線Ｌ２として（２）と同条件で直進走行させると、そのときの移動軌跡は走行開始時の本体１１の方向と一致した直線ｃになる。同様に（４）に示すように、走行開始方向を（３）と反対方向に直進走行させる場合には、直進手段の目標ラインを走行開始時の方向から右に角度θ傾いたＬ３として直進走行させれば、移動軌跡は走行開始時の本体１１の方向と一致した直線ｄになる。このように絨毯上を直進走行する場合は、絨毯目の方向とその目の強さに応じて直進手段の目標ラインの方向を変えることにより本体１１の移動軌跡が補正できることがわかっている。
【００２３】
また、絨毯目検出手段の操舵手段１５の車輪１６は、車輪軸保持部１８と回転支持部１９により本体１１に対して水平方向に回動自在に支持されているので、本体１１の走行時には常に走行方向を向くことになる。すなわち、図７の（１）の例では、車輪１６は直線ａの方向を向き、（２）の例では、車輪１６は直線ｂの方向を向くことになる。
【００２４】
図８は本実施例の走行制御手段３２における制御方法を示すフロ−チャ−トである。３４は角度検出手段２２の出力の平均角度を演算する絨毯ずれ演算手段である。３５は絨毯ずれ演算手段３４の値を入力し直進制御の補正目標ラインを設定する走行補正手段である。３６は方向計測手段３０で計測した本体１１の方向デ−タ及び回転検出器１４Ｌ、１４Ｒの出力に基づき、本体１１が走行補正手段３５で設定された補正目標ラインに乗るように駆動モ−タ１３Ｌ、１３Ｒを制御して直進走行させる直進手段である。また、直進走行中に測距センサにより本体１１の前方に障害物を検知しかつ清掃作業が終了でなければ所定の作業幅だけ作業方向に変位した位置に反転する様になっている。
【００２５】
図９を用いて自走式掃除機の移動軌跡について説明する。本体１１で清掃する床面は、絨毯目が左から右にあるとする。本体１１を開始点Ｓにおいてスタ−トすると、直進走行を開始し図７の（２）で示した場合と同様に、本体１１は走行開始時の方向に直進制御を行うが、実際の移動軌跡は絨毯目の影響で右にずれた方向に流される。既に説明した様に絨毯目検出手段の車輪１６は、車輪軸保持部１８と回転支持部１９により本体１１に対して水平方向に回動自在に支持されているので、本体１１の走行時には常に走行方向を向く。前方の壁Ｗ１に近づき障害物検知手段３１がこれを検知すると、作業方向Ａの方向に障害物があるかどうかを見る。この場合は障害物がないので、地点Ｐ１で作業方向Ａの方向すなわち本体１１の右方向へ所定の作業幅だけ変位した位置に方向計測手段３０を用いて正確に１８０°反転する。このとき、絨毯ずれ演算手段３４は地点Ｐ１で反転開始するまでの角度検出手段２２の出力角度の平均値θ１を演算している。地点Ｐ１での反転後、この演算結果をもとに、走行補正手段３５は補正目標ライン（本体１１の右へ角度θ１だけ傾いた直線）を設定し、直進手段３６により本体１１が目標ラインに乗るように直進制御を行う。直進制御を開始して方向計測手段の出力が安定すると壁Ｗ２に近づいた地点Ｐ２で１８０°反転するまで絨毯ずれ演算手段３４は新たに角度検出手段の出力角度の平均値θ２を演算する。地点Ｐ２での反転後、この演算結果をもとに、走行方正手段３５は補正目標ライン（本体１１の左へ角度θ２だけ傾いた直線）を設定し、直進手段３６により本体１１が目標ラインに乗るように直進制御を行う。
【００２６】
以上の動作を繰り返し、点Ｆにきて壁Ｗ２を本体１１の前方で検知すると、このときは作業方向Ａすなわち本体１１の右方向には壁Ｗ３があるので清掃終了と判断し作業を終了する。
【００２７】
絨毯ずれ演算手段３４は本体１１が壁（もしくは障害物）を検知して１８０°反転する際と、反転後の車輪１６が進行方向を向いていない間の角度検出手段２２の出力を用いずに絨毯目によるずれを計算しているので正確に絨毯目による影響を補正できている。
【００２８】
このように本実施例によれば、操舵手段１５の車輪１６の本体１１に対する方向を回転支持部１９を介して角度検出手段２２により検出し、絨毯ずれ演算手段３４により絨毯目によるずれ角度を演算し、この演算結果をもとに走行補正手段３５は直進制御の目標ラインを補正目標ラインに設定し直進制御するので、本体１１の往復の直進軌跡は平行になり、走行中に作業幅が変化することが無くなるから、清掃のやり残しが生じたり清掃効率が低下することが無くなるものである。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、絨毯目による横ずれの角度偏差を自動的に検出するもので、清掃のやり残しや清掃効率が低下を防止することができる移動作業用ロボットが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す自走式掃除機の断面図
【図２】同駆動兼操舵手段の構造を示す断面図
【図３】同操舵手段の構成を示す側断面図
【図４】同操舵手段の構成を示す正面断面図
【図５】同測距センサ及び方向計測手段の配置を示す内部透視図
【図６】同制御ブロック図
【図７】同移動作業ロボットが絨毯上を直進走行する場合の影響について説明した説明図
【図８】同制御方法を示すフロ−チャ−ト
【図９】同移動作業ロボットの動作説明図
【図１０】従来の移動作業ロボットの動作説明図
【符号の説明】
１１ 本体
１２Ｌ 左駆動輪
１２Ｒ 右駆動輪
１３Ｌ 左駆動モ−タ
１３Ｒ 右駆動モ−タ
１４Ｌ 左回転検出器
１４Ｒ 右回転検出器
１５ 操舵手段
１６ 車輪
１７ 車輪軸
１８ 車輪軸保持部
２０ 支持軸
２１ 支持軸固定部材
２２ 角度検出手段
２６ 電動送風機
２７ 吸込部
３０ 方向計測手段
３１ 測距センサ
３２ 走行制御手段

Claims (6)

1. 本体を移動させる駆動輪と前記駆動輪を駆動させる駆動モータからなる駆動手段と、本体に対して回転自由な支持軸と車輪からなる操舵手段と、前記駆動手段と操舵手段とを制御して本体の走行制御を行う走行制御手段と、本体の方向を計測する方向計測手段と、本体から外部の物体までの距離を測定する測距手段と、測距センサの出力に基づいて障害物を検知する障害物検知手段と、障害物検知手段の出力により本体の進行方向を１８０°旋回する旋回手段と、前記支持軸の回転角度を検出する角度検出手段と、作業を行う作業手段を備え、前記走行制御手段は、方向計測手段の出力に基づいて本体を目標方向に直進させるとともに、前記直進の目標方向に角度検出手段の出力角度に基づき修正を施して直進させ、かつ、前記障害物検知手段が障害物を検知すると旋回手段が前記本体の進行方向を１８０°旋回させた後直進させるとともに旋回手段動作中は角度検出手段を停止させ、更に旋回手段動作後安定して直進するまでは角度検出手段を停止する構成とするとともに、操舵手段は、車輪と、前記車輪を回転自在に支持する車輪軸と、前記車輪軸を両側より支持する車輪軸保持部と、前記車輪軸保持部の内側で上方向及び両側より車輪軸を付勢する支持軸固定部材と、前記支持軸固定部材を角度検出手段に連結させる支持軸から構成した移動作業ロボット。
2. 支持軸と角度検出手段を直結してなる請求項１記載の移動作業ロボット。
3. 支持軸固定部材は弾性材料から形成された請求項１または２記載の移動作業ロボット。
4. 操舵手段と角度検出手段は一体として本体から取り外し可能な請求項１〜３のいずれか１項に記載の移動作業ロボット。
5. 車輪を駆動輪の後方に配する請求項１〜４のいずれか１項に記載の移動作業ロボット。
6. 本体の重心を車輪近傍に有する請求項５に記載の移動作業ロボット。

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