JP2005271152A

JP2005271152A - 自走式掃除機および自走ロボット

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Publication number: JP2005271152A
Application number: JP2004089658A
Authority: JP
Inventors: Akira Saeki; 亮佐伯
Original assignee: Funai Electric Co Ltd
Current assignee: Funai Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】障害物との衝突を検知することができず、仮にセンサを備えたとしても、このセンサが正常であるか否かを判断することが困難であった。
【解決手段】スプリングＳＰにて外方に付勢して支持されているバンパＢＰが外力等によって内方に押し下げられたとき、ステーＳＴ先端がＬＥＤとフォトトランジスタとの間を遮光してフォトディテクタ８１ａの状態を変化させることになり、これをショックセンサ回路８１が検知して衝突検知状態を出力することになる。しかし、ＣＰＵ１１はステップＳ４００にてショックセンサの反応があると判断しても、ステップＳ４０２にて加速度センサ４４にて負方向の加速度値が検出されていることを確認してからステップＳ４０４にて衝突対応処理を実行するようにした。むろん、加速度センサ４４にて負方向の加速度値が検出されていないときは、ショックセンサの異常と判断する。
【選択図】図１１

Description

本発明は、本体に操舵及び駆動が可能な駆動機構とその制御手段とを備える自走ロボットとさらに掃除機構を備えた自走式掃除機に関するものである。

自走式のロボットは、各種のものが提案されており、移動を制御するために加速度センサを有するもの（特許文献１参照）や、距離センサを有するもの（特許文献２参照）がある。
特開平８−１６４１０１号特開２００２−３６０４７８号

上述した従来の自走式のロボットにおいては、不測の事態による障害物との衝突を検知することができなかった。また、仮に障害物との衝突を検知するためのセンサを備えたとしても、このセンサが正常であるか否かを判断することが困難である。従って、衝突していないにもかかわらずセンサの異常で衝突検知の出力が得られたとすれば、停止せざるを得ない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、高い信頼性で障害物との衝突を検知可能な自走ロボットを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段、作用及び効果

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、本体に操舵及び駆動が可能な駆動機構とその制御手段とを備える自走ロボットであって、上記本体の周面には障害物との衝突を検知するショックセンサと、上記本体の加速度を検出可能な加速度センサとを有し、上記制御手段は、上記ショックセンサからの衝突検知結果が出力されたときに、上記加速度センサにて検出される加速度を参照し、上記衝突検知結果が正常であるか否かを判断する構成としてある。

上記のように構成した場合、上記本体の周面には障害物との衝突を検知するショックセンサが備えられているので、本体が障害物などに衝突したようなときには衝突検知の出力が得られる。一方、上記制御手段は、上記ショックセンサからの衝突検知結果が出力されたときに、上記本体の加速度を検出する加速度センサにて検出される加速度を参照する。衝突すれば、必ず大きな加速度が得られるはずである。従って、上記衝突検知結果に伴って大きな加速度も得られていれば衝突検知結果は正常であろうし、大きな加速度が得られていなければ正常でない可能性がある。このようにして、制御手段は、加速度センサの検出結果を参照して、衝突検知結果が正常であるか否かを判断する。

ショックセンサの誤検知を判定するより好適な一例として、請求項３にかかる発明は、上記加速度センサは、加速度とともにその方向を検出可能であり、上記制御手段は、上記加速度センサで検出される加速度の大きさと方向を参照し、上記ショックセンサの上記本体への取り付け方向に応じた判断を行なう構成としてある。

ショックセンサは本体に取り付けられているので、直接的あるいは間接的に衝突方向も検知できる。一方、加速度センサも方向を検出可能であるので、衝突方向と加速方向とを対比させて衝突検知結果が正常であるか否かを判断する。例えば、前方に衝突センサが備えられていれば、間接的ではあるが前方への衝突ということが判断できる。前方の障害物への衝突があれば、加速度は前方に対して大きな負の方向、言い換えれば後方へ大きな正の方向となる。ショックセンサから衝突検知結果が得られたにもかかわらず、加速度センサが前方への負の大きな加速度を検出していなければ、ショックセンサからの衝突検知結果は異常であると判断できる。

加速度を取得する上で好適な一例として、請求項４にかかる発明では、上記制御手段は、上記加速度センサからの加速度の出力についてピークホールド可能であり、ピークホールドされた加速度に基づいて判断する構成としてある。
加速度センサの出力は、物理的構造から変動が大きい。このため、上記制御手段が上記加速度センサからの加速度の出力についてピークホールドする。ピークホールドされた加速度値を扱うことにより、より正確な判断が可能となる。
ショックセンサの好適な一例として、請求項５にかかる発明では、上記ショックセンサは、周囲の方向に移動可能に保持されるバンパと、同バンパを通常時に外方向に付勢しておくバネ部材と、同バンパが内方向に移動したときに接続状態が変化するスイッチ素子とを有する構成としてある。

上記のように構成した場合、バンパは周囲の外方向に向けて付勢されて支持されており、不測の事態で何かに衝突すると内方向に移動する。内方向に移動すると、スイッチ素子の接続状態が変化し、同接続状態を監視してれば衝突検知結果が得られる。
バンパは本体の周面などに取り付けられているので、その取付位置によって衝突方向は間接的に検知できる。本体の前後左右の四面に取り付けられていれば、検知可能な方向は四方向といえる。スイッチ素子は、接続状態が変化するものであればよく、機械的な接点の接続状態が変化するもののみならず、半導体素子を使用して導通抵抗が変化するようなものでも良い。例えば、ＬＥＤとフォトトランジスタとを対面させ、バンパが内方向に移動したときに両者間を遮るような構成としても良い。

また、請求項６にかかる発明では、上記ショックセンサは、周囲の方向に配置される弾性部材と、同弾性部材と本体との間に配置された圧電センサとを有する構成としてある。
上記のように構成した場合、不測の事態で本体が何かに衝突すると、弾性部材によって衝突の際の衝撃を吸収する。ただし、衝撃の一部は弾性部材と本体との間に配置された圧電センサを押圧することになり、同圧電センサは電圧を発生する。この圧電センサの端子電圧間を監視していれば、衝突検知結果が得られる。

異常のような自走ロボットの好適な利用態様の一例として、請求項７にかかる発明では、上記本体には、自走時に掃除を行うための掃除機構を備えた構成としてある。
自走しつつ掃除機構によって掃除を行うことにより、室内をきれいに保つことができる。
このような掃除機構については、吸引タイプによる掃除機構を採用しても良いし、ブラシにより掻き込むタイプの掃除機構を採用しても良いし、両者を組み合わせて採用しても良い。
また、操舵及び駆動が可能な駆動機構についても、各種の構成が可能であり、その一例として、上記本体における左右に配置されて個別に回転を制御可能な駆動輪を有する構成とすることもできる。
上記本体における左右に配置された駆動輪の回転を個別に制御することにより、前進、後進、左右への方向転換及び同一場所での回転といった操舵及び駆動が可能である。なおこの場合、前後などに補助輪を備えても良いことはいうまでもない。また、駆動輪は、車輪のみならず、無端ベルトを駆動する構成で実現しても良い。

むろん、これ以外にも、４輪、６輪など、各種の構成で駆動機構を実現可能である。
そして、以上のような構成を踏まえたより具体的な構成の一例として、請求項１にかかる発明は、掃除機構を備えた本体と、同本体における左右に配置されて個別に回転を制御可能で操舵と駆動を実現する駆動輪を有する駆動機構と、この駆動機構を制御して障害物に衝突することなく室内をくまなく自走させる制御手段とを備える自走式掃除機であって、上記本体の周面にて、周囲の方向に移動可能に保持されるバンパと、同バンパを通常時に外方向に付勢しておくバネ部材と、同バンパが内方向に移動したときに接続状態が変化するスイッチ素子とを有するショックセンサと、上記本体の加速度と方向を検出可能な加速度センサと、上記加速度センサからの加速度の出力についてピークホールド可能であるとともに、上記ショックセンサからの衝突検知結果が出力されたときに、上記加速度センサにて検出される加速度と方向を参照し、上記ショックセンサの上記本体への取り付け方向に応じて上記衝突検知結果が正常であるか否かを判断する構成としてある。

上記のような構成とすることにより、本体における左右に配置されて個別に回転を制御可能で操舵と駆動を実現する駆動輪を有する駆動機構が備えられており、制御手段は、この駆動機構を制御して障害物に衝突することなく室内をくまなく自走させる。自走時、本体に備えた掃除機構により、室内を掃除することができる。本体の周面には周囲の方向に移動可能にバンパが保持されており、同バンパはバネ部材により通常時に外方向に付勢されるとともに、同バンパが内方向に移動したときにスイッチ素子の接続状態が変化するようになっている。このような構成からなるショックセンサからの衝突検知結果が出力されたとき、制御手段は、加速度センサにて検出される加速度と方向を参照し、上記ショックセンサの上記本体への取り付け方向に応じて上記衝突検知結果が正常であるか否かを判断する。なお、制御手段は、加速度センサからの加速度の出力についてピークホールド可能であり、ピークホールドした加速度を用いて判断している。

（１）概略構成
図１は、本発明にかかる自走ロボットの一例である自走式掃除機の概略構成をブロック図により示している。
同図に示すように、各ユニットを制御する制御ユニット１０と、周囲に人間がいるか否かを検知する人体感知ユニット２０と、周囲の障害物を検知するための障害物監視ユニット３０と、移動を実現する走行系ユニット４０と、掃除を行うためのクリーナ系ユニット５０と、所定範囲を撮影するカメラ系ユニット６０と、無線でＬＡＮに接続するための無線ＬＡＮユニット７０と、追加センサなどからなるオプションユニット８０とから構成されている。なお、本体ＢＤは薄型の略円筒形状をなしている。

図２は、各ユニットを具体的に実現する電気系の構成をブロック図により示している。
制御ユニット１０として、ＣＰＵ１１と、ＲＯＭ１３と、ＲＡＭ１２がバス１４を介して接続されている。ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１３に記録されている制御用プログラムおよび各種パラメータテーブルに従い、ＲＡＭ１２をワークエリアとして使用して各種の制御を実行する。上記制御用プログラムの内容については後述する。

また、バス１４には操作パネルユニット１５が備えられ、同操作パネルユニット１５には、各種の操作用スイッチ１５ａと、液晶表示パネル１５ｂと、表示用ＬＥＤ１５ｃが備えられている。液晶表示パネルは多階調表示が可能なモノクロ液晶パネルを使用しているが、カラー液晶パネルなどを使用することも可能である。

本自走式掃除機はバッテリー１７を有しており、ＣＰＵ１１はバッテリ監視回路１６を介してバッテリー１７の残量をモニター可能となっている。なお、同バッテリー１７は誘導コイル１８ａを介して非接触で供給される電力を用いて充電する充電回路１８を備えている。バッテリー監視回路１６は主にバッテリー１７の電圧を監視して残量を検知する。

人体感知ユニット２０として、四つの人体センサ２１（２１ｆｒ，２１ｒｒ，２１ｆｌ，２１ｒｌ）が前方左右斜め方向と後方左右斜め方向に対面させて備えられている。各人体センサ２１は赤外線の受光センサを備えるとともに受光した赤外線の光量の変化に基づいて人体の有無を検知するものであり、変化する赤外線照射物体を検知したとき出力用のステータスを変化させるため、ＣＰＵ１１は上記バス１４を介して同人体センサ２１の検知を取得することが可能となっている。すなわち、ＣＰＵ１１は所定時間毎に各人体センサ２１ｆｒ，２１ｒｒ，２１ｆｌ，２１ｒｌのステータスを取得しにいき、取得したステータスが変化していれば、同人体センサ２１ｆｒ，２１ｒｒ，２１ｆｌ，２１ｒｌの対向方向に人体の存在を検知することが可能となる。

ここでは赤外線の光量変化に基づくセンサによって人体センサを構成しているが、人体センサはこれに限られるものではない。例えば、ＣＰＵの処理量が上がればカラー画像を撮影し、人体に特徴的な肌色の領域を探し、同領域の大きさ、変化に基づいて人体を検知するという構成を実現することもできる。

障害物監視ユニット３０は、オートフォーカス（以下、ＡＦと呼ぶ。）用測距センサとしてのＡＦ用パッシブセンサ３１（３１Ｒ，３１ＦＲ，３１ＦＭ，３１ＦＬ，３１Ｌ，３１ＣＬ））とその通信用インターフェイスであるＡＦセンサ通信Ｉ／Ｏ３２と、照明用ＬＥＤ３３と、各ＬＥＤに駆動電流を供給するＬＥＤドライバ３４とから構成されている。まず、ＡＦ用パッシブセンサ３１の構成について説明する。図３はＡＦ用パッシブセンサ３１の概略構成を示している。二軸のほぼ平行な光学系３１ａ１，３１ａ２と、同光学系３１ａ１，３１ａ２の結像位置にほぼそれぞれ配設されたＣＣＤラインセンサ３１ｂ１，３１ｂ２と、各ＣＣＤラインセンサ３１ｂ１，３１ｂ２の撮像イメージデータを外部に出力するための出力Ｉ／Ｏ３１ｃとを備えている。

ＣＣＤラインセンサ３１ｂ１，３１ｂ２は１６０〜１７０画素のＣＣＤセンサを有しており、各画素ごとに光量を表す８ビットのデータを出力可能となっている。光学系が二軸であるので、結像イメージには距離に応じたずれが生じており、それぞれのＣＣＤラインセンサ３１ｂ１，３１ｂ２が出力するデータのずれに基づいて距離を計測できる。例えば、近距離になるほど結像イメージのずれが大きく、遠距離になるほど結像イメージのずれはなくなっていく。従って、一方の出力データにおける４〜５画素毎のデータ列を画報の出力データ中でスキャンし、元のデータ列のアドレスと発見されたデータ列のアドレスとの相違を求め、相違量で予め用意しておいた相違量−距離変換テーブルを参照し、実際の距離を求めることになる。

ＡＦ用パッシブセンサ３１Ｒ，３１ＦＲ，３１ＦＭ，３１ＦＬ，３１Ｌ，３１ＣＬのうち、ＡＦ用パッシブセンサ３１ＦＲ，３１ＦＭ，３１ＦＬは正面の障害を検知するために利用され、ＡＦ用パッシブセンサ３１Ｒ，３１Ｌは前方左右直前の障害を検知するために利用され、ＡＦ用パッシブセンサ３１ＣＬは前方天井までの距離を検知するために利用されている。

図４は正面と前方左右直前の障害をＡＦ用パッシブセンサ３１で検知する際の原理を示している。これらのＡＦ用パッシブセンサ３１は周囲の床面に対して斜めに向けて配置されている。対向方向に障害物が無い場合、ＡＦ用パッシブセンサ３１による測距距離はほぼ全撮像範囲においてＬ１となる。しかし、図面で一点鎖線で示すように段差がある場合、その測距距離はＬ２となる。測距距離が伸びたら下がる段差があると判断できる。また、二点鎖線で示すように上がる段差があれば測距距離はＬ３となる。障害物があるときも上がる段差と同様に測距距離は同障害物までの距離として計測され、床面よりも短くなる。

本実施形態においては、ＡＦ用パッシブセンサ３１を前方の床面に斜めに配向した場合、その撮像範囲は約１０ｃｍとなった。本自走式クリーナの幅が３０ｃｍであったので、三つのＡＦ用パッシブセンサ３１ＦＲ，３１ＦＭ，３１ＦＬについては撮像範囲が重ならないように僅かに角度を変えて配置している。これにより、三つのＡＦ用パッシブセンサ３１ＦＲ，３１ＦＭ，３１ＦＬにより前方方向の３０ｃｍの範囲での障害物と段差を検知できるようになっている。むろん、検知幅はセンサの仕様や取付位置などに応じて変化し、実際に必要となる幅に応じた数のセンサを利用すればよい。

一方、前方左右直前の障害を検知するＡＦ用パッシブセンサ３１Ｒ，３１Ｌについては撮像範囲を垂直方向を基準として床面に対して斜めに配置している。また、ＡＦ用パッシブセンサ３１Ｒを本体左方に取り付けつつ本体中央を横切って右方直前位置から本体幅を超えた右方の範囲を撮像するように対向させてあり、ＡＦ用パッシブセンサ３１Ｌを本体右方に取り付けつつ本体中央を横切って左方直前位置から本体幅を超えた左方の範囲を撮像するように対向させてある。

クロスさせないで左右の直前位置を撮影するようにすると、センサは急角度で床面に対面させなければならず、このようにすると撮像範囲が極めて狭くなってしまうので、複数のセンサが必要となる。このため、敢えてクロスさせる配置とし、撮像範囲を広げて少ない数のセンサで必要範囲をカバーできるようにしている。また、撮像範囲を垂直方向を基準として斜めに配置するのは、ＣＣＤラインセンサの並び方向が垂直方向に向くことを意味しており、図５に示すように撮像できる幅がＷ１となる。ここで、撮像範囲の右側で床面までの距離Ｌ４は短く、左側で距離Ｌ５が長くなっている。本体ＢＤの側面の境界ラインが図面上の波線位置Ｂであると、境界ラインまでの撮像範囲は段差の検知などに利用され、境界ラインを超える撮像範囲は壁面の有無を検知するために利用される。

前方天井までの距離を検知するＡＦ用パッシブセンサ３１ＣＬは天井に対面している。通常はＡＦ用パッシブセンサ３１ＣＬが検知する床面から天井までの距離が一定であるが、壁面に近づいてくると撮像範囲が天井ではなく壁面となるので、測距距離が短くなってくる。従って、前方壁面の存在をより正確に検知できる
図６は各ＡＦ用パッシブセンサ３１Ｒ，３１ＦＲ，３１ＦＭ，３１ＦＬ，３１Ｌ，３１ＣＬの本体ＢＤへの取り付け位置を示すとともに、それぞれの床面での撮像範囲を括弧付きの符号で対応させて示している。なお、天井については撮像範囲は省略している。

ＡＦ用パッシブセンサ３１Ｒ，３１ＦＲ，３１ＦＭ，３１ＦＬ，３１Ｌの撮像を証明するように白色ＬＥＤからなる右照明用ＬＥＤ３３Ｒと、左照明用ＬＥＤ３３Ｌと、前照明用ＬＥＤ３３Ｍを備えており、ＬＥＤドライバ３４はＣＰＵ１１からの制御指示に基づいて駆動電流を供給して照明できるようになっている。これにより、夜間であったり、テーブルの下などの暗い場所でもＡＦ用パッシブセンサ３１から有効な撮像イメージのデータを得ることができるようになる。

走行系ユニット４０は、モータドライバ４１Ｒ，４１Ｌと、駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌと、この駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌにて駆動される図示しないギアユニットと駆動輪を備えている。駆動輪は本体ＢＤの左右に一輪ずつ配置されており、この他に駆動源を持たない自由転動輪が本体の前方側中央下面に取り付けられている。駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌは回転方向と回転角度をモータドライバ４１Ｒ，４１Ｌによって詳細に駆動可能であり、各モータドライバ４１Ｒ，４１ＬはＣＰＵ１１からの制御指示に応じて対応する駆動信号を出力する。また、駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌと一体的に取り付けられているロータリーエンコーダの出力から現実の駆動輪の回転方向と回転角度が正確に検知できるようになっている。なお、ロータリーエンコーダは駆動輪と直結させず、駆動輪の近傍に自由回転可能な従動輪を取り付け、同従動輪の回転量をフィードバックさせることによって駆動輪にスリップが生じているような場合でも現実の回転量を検知できるようにしても良い。走行系ユニット４０には、この他に地磁気センサ４３が備えられており、地磁気に照らし合わせて走行方向を判断できるようになっている。また、加速度センサ４４はＸＹＺ三軸方向における加速度を検知し、検知結果を出力する。

ギアユニットや駆動輪は各種のものを採用可能であり、円形のゴム製タイヤを駆動させるようにしたり、無端ベルトを駆動させるようにして実現しても良い。
本自走式掃除機における掃除機構は、前方両サイドに配置されて本体ＢＤの進行方向における両側寄りのゴミなどを当該本体ＢＤにおける中央付近にかき寄せるサイドブラシと、本体の中央付近にかき寄せられたゴミをすくい上げるメインブラシと、同メインブラシによりすく上げられるゴミを吸引してダストボックス内に収容する吸引ファンとから構成されている。クリーナ系ユニット５０は、各ブラシを駆動するサイドブラシモータ５１Ｒ，５１Ｌとメインブラシモータ５２、それぞれのモータに駆動電力を供給するモータドライバ５３Ｒ，５３Ｌ，５４と、吸引ファンを駆動する吸引モータ５５と、同吸引モータに駆動電力を供給するモータドライバ５６とから構成されている。サイドブラシやメインブラシを使用した掃除は床面の状況やバッテリーの状況やユーザの指示などに応じてＣＰＵ１１が適宜判断して制御するようにしている。

カメラ系ユニット６０は、それぞれ視野角の異なる二つのＣＭＯＳカメラ６１，６２を備えており、本体ＢＤの正面方向であってそれぞれことなる仰角にセットされている。また、各カメラ６１，６２への撮像を指示するとともに撮像イメージを出力するためのカメラ通信Ｉ／Ｏ６３も備えられている。さらに、カメラ６１，６２の撮像方向に対面させて１５コの白色ＬＥＤからなるカメラ用照明ＬＥＤ６４と、同ＬＥＤに照明用駆動電力を供給するためのＬＥＤドライバ６５を備えている。

無線ＬＡＮユニット７０は、無線ＬＡＮモジュール７１を有しており、ＣＰＵ１１は所定のプロトコルに従って外部ＬＡＮと無線によって接続可能となっている。無線ＬＡＮモジュール７１は、図示しないアクセスポイントの存在を前提として、同アクセスポイントはルータなどを介して外部の広域ネットワーク（例えばインターネット）に接続可能な環境となっていることとする。従って、インターネットを介した通常のメールの送受信やＷＥＢサイトの閲覧といったことが可能である。なお、無線ＬＡＮモジュール７１は、規格化されたカードスロットと、同スロットに接続される規格化された無線ＬＡＮカードなどから構成されている。むろん、カードスロットは他の規格化されたカードを接続することも可能である。

オプションユニット８０は、図１０に示すように、追加センサなどからなる。本実施形態においては、バンパーＢＰと、これを弾性支持するシリンダユニットＳＬと、センサ回路８１と、インターフェイスＩ／Ｏ８２とを備えている。
本体ＢＤが略円筒状をなすのに合わせ、バンパＢＰは前後左右のそれぞれに取り付けられるよう、約１／４円弧の形状となっている。中央部分には本体ＢＤの内側に挿入されるステーＳＴが形成されており、同ステーＳＴの途中にはフランジ状部分ＳＴ１が形成されている。フランジ状部分ＳＴ１は、内径が同フランジ状部分ＳＴ１を収容可能な円筒状であって、両端を上記ステーＳＴの連通穴を残して閉塞されるシリンダ部ＳＬ内に収容されており、同シリンダ部ＳＬ内に保持されたスプリングＳＰにより上記バンパＢＰを本体ＢＤ外方向に付勢する方向に押圧されている。ステーＳＴの他端は、所定の隙間を隔ててＬＥＤとフォトトランジスタとを対面させたフォトディテクタ８１ａにおける同隙間の開口部分に挿入されている。通常時、同他端はＬＥＤとフォトトランジスタとの間を遮光していないが、上述したスプリングＳＰに抗してステーＳＴを押し下げると、同他端がＬＥＤとフォトトランジスタとの間を遮光するように位置合わせしてある。

ＬＥＤとフォトトランジスタはショックセンサ回路８１に接続されている。ショックセンサ回路８１は前後左右のバンパＢＰに対応して一つずつ備えられており、ＬＥＤに通電して発光させるとともに、フォトトランジスタによる受光状態を検出する回路である。すなわち、バンパＢＰに外力が生じていないときはステーＳＴがＬＥＤとフォトトランジスタとの間を遮光していないので、フォトトランジスタはオン状態になるし、バンパＢＰに外力が生じてステーＳＴがＬＥＤとフォトトランジスタとの間を遮光すると、フォトトランジスタはオフ状態になり、これらのオン状態とオフ状態に基づいて受光状態が分かる。前後左右のショックセンサ回路８１は、それぞれ前方ショックセンサ回路８１Ｆ、後方ショックセンサ回路８１Ｂ、左方ショックセンサ回路８１Ｌ、右方ショックセンサ回路８１Ｒとなっている。

各ショックセンサ回路８１の出力はＩ／Ｏ８２を介してバス１４に接続されており、ＣＰＵ１１にてそれぞれのショックセンサ回路８１の出力状態を取得できるようになっている。
なお、これらによってショックセンサを構成している。
（２）走行及び掃除の動作
次に、上記構成からなる自走式掃除機の動作について説明する。
図７及び図８は上記ＣＰＵ１１が実行する制御プログラムに対応したフローチャートを示しており、図９は同制御プログラムに従って本自走式掃除機が走行する走行順路を示す図である。
電源オンにより、ＣＰＵ１１は図７の走行制御を開始する。ステップＳ１１０ではＡＦ用パッシブセンサ３１の検知結果を入力し、前方エリアを監視する。前方エリアの監視に使用するのはＡＦ用パッシブセンサ３１ＦＲ，３１ＦＭ，３１ＦＬの検知結果であり、平坦な床面であれば、その撮像イメージから得られるのは図４に示す斜め下方の床面までの距離Ｌ１である。それぞれのＡＦ用パッシブセンサ３１ＦＲ，３１ＦＭ，３１ＦＬの検知結果に基づき、本体ＢＤ幅に一致する前方の床面が平坦であるか否かが判断できる。ただし、この時点では、各ＡＦ用パッシブセンサ３１ＦＲ，３１ＦＭ，３１ＦＬが対面している床位置と本体の直前位置までの間の情報は何も得られていないので死角となる。

ステップＳ１２０ではモータドライバ４１Ｒ，４１Ｌを介して駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌに対してそれぞれ回転方向を異にしつつ同回転量の駆動を指示する。これにより本体ＢＤはその場で回転を始める。同じ場所での３６０度の回転（スピンターン）に要する駆動モータ４２Ｒ，４２Ｌの回転量は予め分かっており、ＣＰＵ１１は同回転量をモータドライバ４１Ｒ，４１Ｌに指示している。

スピンターン中、ＣＰＵ１１はＡＦ用パッシブセンサ３１Ｒ，３１Ｌの検知結果を入力し、本体ＢＤの直前位置の状況を判断する。上述した死角はこの間の検知結果により、ほぼなくなり、段差、障害物が何も無い場合、周囲の平坦な床面の存在を検知できる。
ステップＳ１３０ではＣＰＵ１１はモータドライバ４１Ｒ，４１Ｌを介して駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌに対してそれぞれ同回転量の駆動を指示する。これにより本体ＢＤは直進を開始する。直進中、ＣＰＵ１１はＡＦ用パッシブセンサ３１ＦＲ，３１ＦＭ，３１ＦＬの検知結果を入力し、正面に障害物がいないか判断しながら前進する。そして、同検知結果から正面に障害物たる壁面が検知できたら、その壁面の所定距離だけ手前で停止する。

ステップＳ１４０では右に９０度回転する。ステップＳ１３０で壁面の所定距離だけ手前で停止したが、この所定距離は本体ＢＤが回転動作するときに同壁面に衝突せず、また、直前および左右の状況を判断するためのＡＦ用パッシブセンサ３１Ｒ，３１Ｌが検知する本体幅の外側にあたる範囲の距離である。すなわち、ステップＳ１３０にてＡＦ用パッシブセンサ３１ＦＲ，３１ＦＭ，３１ＦＬの検知結果に基づいて停止し、ステップＳ１４０にて９０度回転するときには、少なくともＡＦ用パッシブセンサ３１Ｌが壁面の位置を検知できる程度の距離となるようにしている。また、９０度回転するときには、上記ＡＦ用パッシブセンサ３１Ｒ，３１Ｌの検知結果に基づいて直前位置の状況を判断しておく。図９はこのようにしてたどり着いた平面図で見たときの部屋の左下角を清掃開始位置として清掃走行を開始する状況を示している。

清掃走行開始位置へたどり着く方法はこれ以外にも各種の方法がある。壁面に当接する状況において右に９０度回転するだけでは、最初の壁面の途中から始めることになることもあるため、図９に示すように左下角の最適位置にたどり着くのであれば、壁面に当接して左９０度回転し、正面の壁面に当接するまで前進し、当接した時点で１８０度回転することも望ましい走行制御である。

ステップＳ１５０では、清掃走行を実施する。同清掃走行のより詳細なフローを図８に示している。前進走行するにあたり、ステップＳ２１０〜Ｓ２４０にて各種のセンサの検知結果を入力している。ステップＳ２１０では前方監視センサデータ入力しており、具体的にはＡＦ用パッシブセンサ３１ＦＲ，３１ＦＭ，３１ＦＬ，３１ＣＬの検知結果を入力し、走行範囲の前方に障害物あるいは壁面が存在しないか否かの判断に供することになる。なお、前方監視という場合には、広い意味での天井の監視も含めている。

ステップＳ２２０では段差センサデータ入力をしており、具体的にはＡＦ用パッシブセンサ３１Ｒ，３１Ｌの検知結果を入力し、走行範囲の直前位置に段差がないか否かの判断に供することになる。また、壁面や障害物に沿って平行に移動するときには壁面や障害物までの距離を計測し、平行に移動しているか否かの判断に供することになる。

ステップＳ２３０では地磁気センサデータ入力をしており、具体的には地磁気センサ４３の検知結果を入力し、直進走行中に走行方向が変化していないか否かを判断するのに利用する。例えば、清掃走行開始時の地磁気の角度を記憶しておき、走行中に検出される角度が記憶されている角度と異なった場合には、左右の駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌの回転量をわずかに異ならせて進行方向を修正し、元の角度へ戻す。例えば、地磁気の角度に基づいて角度が増加する方向へ変化（３５９度から０度への変化は例外点となる））したら左方向へ軌道を修正する必要があり、右の駆動輪モータ４２Ｒの回転量を左の駆動輪モータ４２Ｌの回転量よりも僅かに増やすようにそれぞれのモータドライバ４１Ｒ，４１Ｌへ駆動を制御する指示を出力する。

ステップＳ２４０では、加速度センサデータ入力をしており、具体的には加速度センサ４４の検知結果を入力し、走行状態の確認に供することになる。例えば、直進走行開始時に概ね一定の方向への加速度を検知できれば正常な走行と判断できるが、回転する加速度を検知すれば片方の駆動輪モータが駆動されていないような異常を判断できる。また、正常な範囲の加速度値を超えたら段差などから落下したり、横転したような異常を判断できる。そして、前進中に後方にあたる方向への大きな加速度を検知したら前方の障害物に当接した異常を判断できる。このように、加速度値を入力して目標加速度を維持するとか、その積分値に基づいて速度を得るというような走行に対する直接的な制御をすることはないが、異常検出の目的として加速度値を有効に利用している。

ステップＳ２５０では、ステップＳ２１０とステップＳ２２０で入力したＡＦ用パッシブセンサ３１ＦＲ，３１ＦＭ，３１ＣＬ，３１ＦＬ，３１Ｒ，３１Ｌの検知結果に基づいて障害物の判定を行う。障害物の判定は、正面、天井、直前のそれぞれの部位毎に行う。正面は障害物あるいは壁面の意味として判定し、直前は段差の判定とともに走行範囲外の左右の状況、例えば壁面の有無などを判定する。天井は鴨居などによって天井までの距離が下がってきているときに正面に障害物がないとしても、そこからは廊下であって室外に出てしまうことを判定するのに利用される。

ステップＳ２６０では、各センサからの検知結果を総合的に判断し、回避の必要があるか否かを判断する。回避の必要がない限りステップＳ２７０の清掃処理を実行する。清掃処理は、サイドブラシとメインブラシを回転させつつ、ゴミを吸引する処理であり、具体的にはモータドライバ５３Ｒ，５３Ｌ，５４，５６に各モータ５１Ｒ，５１Ｌ，５２，５５を駆動させる指示を出力する。むろん、走行中は常に同指示を出しているのであり、後述するように清掃走行の終端条件が成立したときに停止させることになる。

一方、回避が必要と判断されると、ステップＳ２８０にて右に９０度ターンを実施する。このターンは同じ位置での９０度ターンであり、モータドライバ４１Ｒ，４１Ｌを介して駆動輪モータ４２Ｒ，４２Ｌに対してそれぞれ回転方向を異にしつつ９０度ターンに必要なだけの回転量の駆動を指示する。回転方向は右の駆動輪に対して後退の方向であり、左の駆動輪に対して前進の方向となる。回転中は段差センサであるＡＦ用パッシブセンサ３１Ｒ，３１Ｌの検知結果を入力し、障害物の状況を判断する。例えば、正面に障害を検知し、右９０度ターンを実施したとき、ＡＦ用パッシブセンサ３１Ｒが前方右方の直前位置に壁面を検知しなければ単に正面の壁面に当接したといえるが、回転後も前方右方の直前位置に壁面を検知しているのであれば、角部に入り込んでいるといったことが判断できる。また、右９０度回転時にＡＦ用パッシブセンサ３１Ｒ，３１Ｌのいずれもが前方直前に障害を検知しなければ、壁面に当接したのではなく、小さな障害物などであったと判断できる。

ステップＳ２９０では障害物を走査しながらの進路変更のため前進する。壁面に当接し、右９０度回転後、前進していく。壁面の手前で停止したのであれば、前進の走行量は概ね本体ＢＤの幅分である。その分の前進後、ステップＳ３００では再度右９０度ターンを実施する。

以上の移動の間、正面の障害物、前方左右の障害物の有無は常に走査して状況を確認しており、部屋の中の障害物の有無の情報として記憶していく。
ところで、上述した説明では、右９０度ターンを２度実行したが、次に前方に壁面を検知した時点で右９０度ターンを実行すると元に戻ってしまうので、二度の９０度ターンは、右を繰り返したら、次は左を繰り返し、その次は右というように交互に行っていく。従って、奇数回目の障害物回避では右ターン、偶数回目の障害物回避では左ターンとなる。

以上のように障害物を回避しながら、部屋の中をつづら折り状に走査して清掃走行を継続していく。そして、部屋の終端にきたか否かをステップＳ３１０にて判断する。清掃走行の終端は、二度目のターン後に、壁面に沿って前進して清掃走行を実施し、その後で前方に障害物を検知した場合と、既に走行した部位に入り込んだ場合である。すなわち、前者ｈつづれ折り状に走行していった最後の端から端への走行後に生じる終了条件であり、後者は後述するように未清掃エリアを発見して再度清掃走行を開始したときの終了条件になる。

この終端条件が成立していなければ、ステップＳ２１０へ戻って以上の処理を繰り返す。終端条件が成立していれば、本清掃走行のサブルーチン処理を終了し、図７に示す処理へ復帰する。
復帰後、ステップＳ１６０では、これまでの走行経路と走行経路の周囲の状況から未清掃エリアが残っていないか判断する。未清掃エリアの有無の判断は公知の各種の手法を利用可能であり、一例としてこれまでの走行経路をマッピングして記憶していく手法を利用可能である。この例では、上述したロータリーエンコーダの検知結果に基づいて室内での走行経路と、走行中に検出した壁面の有無を記憶領域に確保指定あるマップ上に書き込んでいっており、周囲の壁面が途絶えることなく連続し、かつ、室内の存在していた障害物の周囲も連続し、かつ、室内で障害物を除く範囲を全て走行したか否かで判断する。未清掃エリアが見つかれば、ステップＳ１７０で未清掃エリアの開始点へと移動し、ステップＳ１５０に戻って清掃走行を再開する。

未清掃エリアが複数箇所に散在していたとしても、上述したような清掃走行の終端条件が成立するごとに、未清掃エリアの検出を繰り返していくことにより、最終的には未清掃エリアがなくなる。
（３）衝突状態の確認動作
図１１は、ショックセンサ処理をフローチャートにより示している。このショックセンサ処理は所定時間毎にタイマー割り込みによって起動されている。
ステップＳ４００では、ショックセンサの反応があるかないかを判断する。通常は障害物を回避しているので、ショックセンサがショックを検出することはないはずである。しかし、前方に障害はないと判断して前進していたところに、上方から本体ＢＤの直前に物体が落下してきた場合など、不測の事態によってショックセンサが反応する。むろん反応の有無はＣＰＵ１１がバス１４とＩ／Ｏ８２を介してショックセンサ回路８１の出力状態を取得して判断する。

前後左右に備えられたいずれかのショックセンサが衝突を検出した場合、ＣＰＵ１１はステップＳ４０２にて負方向の加速度を検出しているか判断する。上述したように加速度センサ４４は、三軸の加速度を検出可能であり、少なくとも前後左右のそれぞれの方向に対する加速度も検出可能である。負方向というのは、前方ショックセンサ回路８１Ｆが衝突を検出していれば後方を意味し、後方ショックセンサ回路８１Ｂが衝突を検出していれば前方を意味し、左方ショックセンサ回路８１Ｌが衝突を検出していれば右方を意味し、右方ショックセンサ回路８１Ｒが衝突を検出していれば左方を意味する。

前方の障害物に衝突したとすれば、前方ショックセンサ回路８１Ｆが反応しているはずであり、ステップＳ４０２では後方への加速度を検出しているか判断する。ＣＰＵ１１は加速度センサ４４の出力に基づいて後方への加速度を検出しているか否かを判断し、検出していればステップＳ４０４にて予め決めておいた所定方向への衝突に対応した処理を実施する。例えば、前方に衝突したとすれば、所定距離だけ後退し、あらためて前方の障害物を回避する行動を実施したりする。

以上はショックセンサが誤動作していない場合の処理であるが、ショックセンサが誤動作しないとは限らない。ショックセンサは反応してると判断されたものの、ステップＳ４０２にて加速度センサ４４の出力を得たところ、負方向の加速度を検出していないと判断されたら、ステップＳ４０６にてショックセンサの以上と判断する。衝突しながら本体に加速度を感じないというのは不自然だからである。むろん、加速度センサ４４の異常も起こりえるが、加速度センサ４４自体は他のセンサの検出結果、例えばロータリーエンコーダの出力から同様に異常の有無を判断可能である。すなわち、ロータリーエンコーダの出力によれば前進していることが判断でき、この場合に前方への加速度が現れていなかったら異常の可能性があると判断できる。

一方、ステップＳ４００にてショックセンサは反応が得られないにもかかわらず、ステップＳ４０８にて加速度センサ４４から本来の加速以上の大きな加速が得られて衝突と判断できるのであれば、ステップＳ４１０にてショックセンサの異常と判断できる。
ステップＳ４０６では検出すべきでない衝突を検出した異常であり、ステップＳ４１０では検出すべき衝突を検出しない異常であり、ユーザーに知らせる際にはいずれの異常であるかを合わせて通知可能となる。なお、通知は無線ＬＡＮを通じて電子メールなどで通知しても良いし、液晶表示パネル１５ｂ上に表示を行っても良い。

（４）その他
図１２はショックセンサの変形例を示している。
本実施形態においては、略円筒形の本体ＢＤの周面を略四分割した前後左右のそれぞれに圧電素子８３ａを貼付し、その上に同様に略四分円弧の形状とした弾性部材ＩＳを貼付している。不測の事態で障害物などに衝突した場合、弾性部材ＩＳによって衝撃を吸収する。しかし、衝撃の一部は本体ＢＤと弾性部材ＩＳとの間に介在された圧電素子８３ａを圧縮する作用をなし、これにより圧電素子８３ａは電圧を生成する。

図１３は圧電素子の検出回路を示している。それぞれの圧電素子８３ａは、前後左右の貼付位置に応じて、電圧検出回路８３Ｆ，８３Ｂ，８３Ｒ，８３Ｌに接続されており、各電圧検出回路８３Ｆ，８３Ｂ，８３Ｒ，８３Ｌは圧電素子８３ａから電圧を検出すると、所定時間の間だけ電圧検出信号を出力するようになっている。各電圧検出回路８３Ｆ，８３Ｂ，８３Ｒ，８３ＬはＩ／Ｏ８２を介してバス１４に接続されており、ＣＰＵ１１はバス１４とＩ／Ｏ８２を介して電圧検出回路８３Ｆ，８３Ｂ，８３Ｒ，８３Ｌの検出状態を取得できる。

このように弾性部材ＩＳと圧電素子８３ａを使用すると可動部分が少なくなり、故障の原因が減るという効果がある。
図１４は加速度センサの出力を安定化させるためのピークホールド処理を示している。
ＣＰＵ１１はステップＳ４３０にて加速度センサ４４の検知出力があるか否かを判断する。検知出力がある場合は、ステップＳ４３２にて加速度値としての現在値と、最大の加速度値を保持する変数の値であるピーク値とを比較する。ピーク値は後述するように通常時は「０」となっており、加速度センサ４４の検出値が徐々に上がってくるときはピーク値よりも現在値の方が大きいと判断される。その場合、ステップＳ４３４にてピーク値に現在値を代入するとともに、ステップＳ４３６にてピーク時刻を保持する。

次に、ステップＳ４３８では保持されているピーク時刻と現在時刻とを比較し、予め決めておいた所定時間を経ていないか判断する。この所定時間はピーク値を保持しておきたい時間（ホールド時間）に対応しており、同ホールド時間が経たときにはタイムアウトとなり、ステップＳ４４０にてピーク値を「０」にクリアする。

例えば、ある時点から加速度センサ４４の出力が上がり始めたとすると、ステップＳ４３２にて現在値の方がピーク値よりも大きいことになり、ステップＳ４３４にて徐々にピーク値は大きな最新の値に更新されていき、かつ、ピーク時刻もステップＳ４３６にて更新されていく。

そして、加速度センサ４４の出力が小さくなり始めると、ピーク値の方が現在値よりも大きいのでピーク値は最新の値に更新されなくなる。また、加速度センサ４４の出力が大きく変動しているときであっても、既に得られたピーク値を超えない限り、ピーク値としてホールドされている値はそのままである。

しかし、徐々に時間が経過してくるので、予め定めたホールド時間が経過するとステップＳ４３８にてタイムアウトと判断され、保持されていたピーク値は「０」にクリアされる。ホールド時間は加速度センサ４４の出力が不安定になる時間に対応させるのが好ましい。

加速度センサ４４の出力は取得するタイミングによって変動することも多いが、以上のようなピークホールド処理を実施することにより、ピーク値は安定し、加速度値を利用する処理において的確な処理を実施できるようになる。
本実施形態においては、ＣＰＵによるソフトウェア処理でピークホールド処理を実現しているが、むろんハードウェア構成で実現することも可能である。

不測の衝突に備えてショックセンサを備え、かつ、同ショックセンサの検出出力が誤報でないか加速度センサの出力に基づいて判定する自走式掃除機を提供することが可能となる。

本発明にかかる自走式掃除機の概略構成を示すブロック図である。同自走式掃除機のより詳細なブロック図である。ＡＦ用パッシブセンサのブロック図である。ＡＦ用パッシブセンサを床面に対して斜め下方に配向した場合における床面の状況と測距距離の変化の状況を示す説明図である。直前位置用のＡＦ用パッシブセンサを床面に対して斜め下方に配向した場合における撮像範囲の測距距離を示す説明図である。それぞれのＡＦ用パッシブセンサの配置位置と測距部位を示す図である。走行制御のフローチャートである。清掃走行のフローチャートである。室内の走行経路を示す図である。ショックセンサの構成を示す図である。ショックセンサ処理のフローチャートである。ショックセンサの変形例を示す図である。同ショックセンサの回路図である。ピークホールド処理のフローチャートである。

符号の説明

１０…制御ユニット
２０…人体感知ユニット
３０…障害物監視ユニット
４０…走行系ユニット
５０…クリーナ系ユニット
６０…カメラ系ユニット
７０…無線ＬＡＮユニット
８０…オプションユニット

Claims

掃除機構を備えた本体と、同本体における左右に配置されて個別に回転を制御可能で操舵と駆動を実現する駆動輪を有する駆動機構と、この駆動機構を制御して障害物に衝突することなく室内をくまなく自走させる制御手段とを備える自走式掃除機であって、
上記本体の周面にて、周囲の方向に移動可能に保持されるバンパと、同バンパを通常時に外方向に付勢しておくバネ部材と、同バンパが内方向に移動したときに接続状態が変化するスイッチ素子とを有するショックセンサと、
上記本体の加速度と方向を検出可能な加速度センサと、
上記加速度センサからの加速度の出力についてピークホールド可能であるとともに、上記ショックセンサからの衝突検知結果が出力されたときに、上記加速度センサにて検出される加速度と方向を参照し、上記ショックセンサの上記本体への取り付け方向に応じて上記衝突検知結果が正常であるか否かを判断することを特徴とする自走式掃除機。
本体に操舵及び駆動が可能な駆動機構とその制御手段とを備える自走ロボットであって、
上記本体の周面には障害物との衝突を検知するショックセンサと、
上記本体の加速度を検出可能な加速度センサとを有し、
上記制御手段は、上記ショックセンサからの衝突検知結果が出力されたときに、上記加速度センサにて検出される加速度を参照し、上記衝突検知結果が正常であるか否かを判断することを特徴とする自走ロボット。
上記加速度センサは、加速度とともにその方向を検出可能であり、上記制御手段は、上記加速度センサで検出される加速度の大きさと方向を参照し、上記ショックセンサの上記本体への取り付け方向に応じた判断を行なうことを特徴とする請求項２に記載の自走ロボット。
上記制御手段は、上記加速度センサからの加速度の出力についてピークホールド可能であり、ピークホールドされた加速度に基づいて判断することを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載の自走ロボット。
上記ショックセンサは、周囲の方向に移動可能に保持されるバンパと、同バンパを通常時に外方向に付勢しておくバネ部材と、同バンパが内方向に移動したときに接続状態が変化するスイッチ素子とを有することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の自走ロボット。
上記ショックセンサは、周囲の方向に配置される弾性部材と、同弾性部材と本体との間に配置された圧電センサとを有することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の自走ロボット。
上記本体には、自走時に掃除を行うための掃除機構が備えられていることを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれかに記載の自走ロボット。