JP2006018726A - 掃除機ロボット、移動作業ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】障害物と接触することなく、障害物の直近で作業を行うことが可能な移動作業ロボットおよび掃除機ロボットを提供する。
【解決手段】走行しながら床面を掃除する掃除機ロボットにおいて、障害物を検知する障害物センサの向きを可変する方向可変手段を設ける。走行しながら掃除しているときに、障害物センサによって障害物を検知すると、方向可変手段を動作させることにより、障害物センサを障害物の有る方向へ向けて、当該障害物センサからの出力に基づいて、障害物までの距離および障害物の有る方向を検出する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、掃除機ロボットのような、自動的に移動しながら作業を行う移動作業ロボットに関するものである。

従来から、自動的に移動しながら作業を行う自律誘導型の移動作業ロボットが開発されている。この移動作業ロボットの一例として、下記の特許文献１〜４に記載されているような掃除機ロボットがある。掃除機ロボットは、吸い込みノズルやブラシ等のような清掃手段と、車輪等の移動手段と、車輪に連結された操舵軸等の操舵手段とを本体底部等に備えている。そして、内蔵する走行モータの駆動により車輪を回転させながら、内蔵する操舵モータの駆動により操舵軸を回転させて、車輪の向きを変えることで、清掃場所の床面を塗りつぶすように走行して行き、同時に、内蔵するファンモータの駆動により発生させた吸気力によってノズルを通じてごみ等を吸い込んで、床面を掃除して行く。掃除機ロボットの走行制御を正確に行うために、車輪の回転数を計測するセンサ、ジャイロ、またはカメラを用いた光学式のセンサ等によって、本体の移動距離と旋回角度とが検出されている（特許文献１参照）。

上記のような掃除機ロボットには、本体の周囲に有る障害物との接触を回避しながら走行するために、障害物を検知する障害物センサが設けられている（特許文献２〜４参照）。特許文献２では、法線の交叉角が９３．６°になるように本体前面に連結された二つの板状体に、６つの障害物センサを３つずつ上下方向に並べて取り付けてセンサ群を構成し、当該センサ群を水平方向に揺動させることにより、前方１８０°の範囲で障害物の有無を検知している。特許文献３では、水平方向に３６０°回転する回転体に障害物センサを１つ取り付け、回転体とともに障害物センサを回転させることにより、周囲３６０°の範囲で障害物の有無を検知し、検知した障害物の有る方向を検出している。特許文献４では、本体前面に複数の障害物センサを左右方向へ列状に並べて取り付けることにより、障害物を検知する範囲を広げて死角を少なくし、障害物の有無を検知して、検知した障害物までの距離を検出している。
特開２００３−１８０５８６号公報 特開平６−２０２７３２号公報 特開２００３−１１６７５６号公報 特開２００２−３６６２２７号公報

従来から掃除機ロボットに対しては、人間が行うのと同じぐらい丁寧に、清掃場所の略隅々まで掃除することが求められている。これを実現するには、掃除機ロボットの本体を壁や段差物等の障害物に接触させずに、障害物の直近まで近づけなければならないため、障害物の位置、即ち障害物までの距離と障害物の有る方向とを高い精度で検出する必要がある。一般的に、障害物センサによって障害物の位置を検出する場合、障害物センサが障害物を検知できる検知範囲の端部（非検知範囲との境界部分）で障害物を検知して、当該障害物の位置を検出するよりも、検知範囲の中央部で障害物を検知して、当該障害物の位置を検出する方が、障害物を的確に捉えることができるので、検出した障害物の位置の精度が高くなる。

よって、上記の特性を考慮すると、上述した特許文献４のように障害物センサを本体前面に取り付ける場合は、本体に対する障害物センサの向きが固定されるので、本体の向きによっては、障害物センサの検知範囲の中央部で障害物を検知できず、障害物の位置を高い精度で検出できないことがある。これに対して、上述した特許文献２、３のように障害物センサを移動させる場合は、本体に対する障害物センサの向きを変えることはできるが、障害物を検知した時または検知した直後の障害物センサの向きによっては、障害物センサの検知範囲の中央部で障害物を検知できず、障害物の位置を高い精度で検出できないことがある。

本発明は、上記問題点を解決するものであって、その課題とするところは、障害物と接触することなく、障害物の直近で作業を行うことが可能な移動作業ロボットおよび掃除機ロボットを提供することにある。

本発明では、障害物を検知する障害物センサからの出力に基づいて、障害物を回避しながら移動して作業を行う移動作業ロボットにおいて、障害物センサの向きを可変する方向可変手段と、方向可変手段の動作を制御する制御部とを備え、制御部は、障害物センサによって障害物を検知すると、方向可変手段を動作させることにより、障害物センサを障害物の有る方向へ向けて、当該障害物センサからの出力に基づいて障害物の位置を検出する。

上記のように、障害物を検知したことに応じて、障害物センサを障害物の有る方向へ向けると、障害物を障害物センサの検知範囲の中央部で的確に捉えることができるので、その検知状態で障害物センサによって障害物の位置、即ち障害物までの距離と障害物の有る方向とを高い精度で検出することが可能となる。この結果、検出した障害物の位置に基づいて、移動作業ロボットの本体を障害物と接触させることなく障害物の直近まで近づけて作業を行うことが可能となる。また、障害物センサの向きを変えることで、広範囲に障害物を検知することができるので、前述の特許文献４のように広い検知範囲を確保しようとして多数の障害物センサを用いる必要はなく、障害物センサの使用数を少なくして、コストを低く抑えることが可能となる。

また、本発明の実施形態では、上述した制御部は、障害物センサによって障害物を検知すると、方向可変手段を動作させることにより、障害物センサの向きを障害物を検知可能な範囲で変えて行って、当該障害物センサからの出力に基づいて障害物の大きさを検出する。このようにすることで、障害物センサの向きを移動作業ロボットの左右方向に変えて行くと、障害物の一端から他端までを障害物センサの検知範囲の中央部で的確に捉えることができるので、障害物センサによって障害物の大きさ、即ち障害物の左右方向の幅を高い精度で検出することが可能となる。また、障害物センサの向きを移動作業ロボットの上下方向に変えて行くと、障害物の下端から上端までを障害物センサの検知範囲の中央部で的確に捉えることができるので、障害物センサによって障害物の高さを高い精度で検出することが可能となる。さらに、障害物が障害物センサの限られた検知範囲に収まらないほど大きな障害物であっても、障害物センサの向きを変えながら当該障害物の一端から他端までを障害物センサの検知範囲の中央部で的確に捉えることができるので、当該障害物の大きさを高い精度で検出することが可能となる。これらの結果、検出した障害物の大きさに基づいて、例えば、障害物を避けて進むことができるか、障害物の手前で折り返さなければならないか、あるいは障害物の下方を通り抜けて進むことができるかというような移動経路の判断を行うことが可能となる。

また、本発明の実施形態では、方向可変手段は、障害物センサに設けられた軸と、当該軸を所定の角度ずつ回転させるモータとを含んでいる。これによると、モータの駆動を制御することで、軸を介して障害物センサを回転させて、障害物センサの向きを精度良く変えて行くことができる。

また、本発明の他の実施形態では、障害物センサを昇降させる昇降手段を備え、制御部は、障害物センサによって障害物を検知すると、昇降手段を動作させることにより、障害物センサを障害物を検知可能な範囲で昇降させて行って、当該障害物センサからの出力に基づいて障害物の位置および大きさを検出する。このようにすることで、障害物センサの上下方向の位置を障害物の高さに合せることができ、また障害物の下端から上端までを障害物センサの検知範囲の中央部で的確に捉えることができるので、障害物センサによって障害物までの距離、障害物の有る方向、および障害物の高さをより高い精度で検出することが可能となる。また、障害物センサの向きを水平方向よりも下向きにしている場合には、障害物の移動作業ロボットに近い方（ロボットから見て手前側）の端部から、移動作業ロボットに遠い方（ロボットから見て奥側）の端部までを障害物センサの検知範囲の中央部で的確に捉えることができるので、障害物センサによって障害物の奥行きも検出することが可能となる。この結果、検出した障害物の大きさに基づいて、例えば障害物を回り込んで（迂回して）進むことができるかというような移動経路の判断を行うことが可能となる。

さらに、本発明の典型的な実施形態では、障害物を検知する障害物センサからの出力に基づいて、障害物を回避しながら走行して床面の掃除を行う掃除機ロボットにおいて、障害物センサに設けられた軸と、当該ロボットの本体に取り付けられ、形成された貫通孔に軸を貫通させた状態で障害物センサを支持する支持部材と、ギヤを介して軸を所定の角度ずつ回転させるモータと、モータの駆動を制御する制御部とを備える。このような構成において、制御部は、障害物センサによって障害物を検知すると、モータを駆動して、ギヤおよび軸を介して障害物センサを支持部材と略平行に回転させることにより、障害物センサを障害物の有る方向へ向けて、当該障害物センサからの出力に基づいて障害物の位置を検出し、かつ障害物センサの向きを障害物を検知可能な範囲で変えて行って、当該障害物センサからの出力に基づいて障害物の大きさを検出する。

上記のような構造によると、モータの駆動によって、ギヤおよび軸を介して障害物センサを支持部材と略平行に回転させて、障害物センサの向きを精度良く変えて行くことができる。そして、障害物を検知したことに応じて、障害物センサを障害物の有る方向へ確実に向けて、障害物を障害物センサの検知範囲の中央部で的確に捉えることができる。また、障害物センサの向きを障害物を検知可能な範囲で着実に変えて行って、障害物の支持部材と平行な方向の一端から他端までを障害物センサの検知範囲の中央部で的確に捉えることができる。従って、障害物センサによって障害物の位置および障害物の大きさを高い精度で検出することが可能となる。またこの結果、検出した障害物の位置および大きさに基づいて、掃除機ロボットの本体を障害物と接触させることなく障害物の直近まで近づけることができ、人間が行うのと略同じぐらい丁寧に、清掃場所の略隅々まで掃除することが可能となる。

本発明によれば、障害物を検知したことに応じて、障害物センサを障害物の有る方向へ向けるので、障害物を障害物センサの検知範囲の中央部で的確に捉えて、障害物センサによって障害物の位置を高い精度で検出することができ、この結果、検出した障害物の位置に基づいて、障害物と接触することなく、障害物の直近で作業を行うことが可能となる。

図１は、本発明における移動作業ロボットおよび掃除機ロボットの一実施形態を構成する掃除機ロボット１の電気ブロック図である。図１において、２はマイクロコンピュータとその他制御回路からなる制御部である。この制御部２は、掃除機ロボット１の各部を制御する。３はＲＯＭおよびＲＡＭ等からなるメモリである。このメモリ３のＲＯＭには、制御部２が各部を制御するためのプログラムおよびデータが記憶されていて、ＲＡＭには、制御部２が各部を制御しているときのデータが読み書き可能に記憶される。４は後述する走行輪を回転させる走行モータ、５は走行輪の回転数を検出する走行用エンコーダである。６は走行輪に連結された操舵軸を回転させる操舵モータ、７は操舵軸の回転角度を検出する操舵用エンコーダである。８はごみ等を吸い込むために吸気力を発生させるファンモータである。

１１〜１３は具備する一対のＣＣＤに入射する映像の位相差により距離を測定する光学式のパッシブセンサからなる障害物センサである。これらの障害物センサ１１〜１３によって、障害物が検知され、当該障害物の位置、即ち障害物までの距離および障害物の有る方向と、当該障害物の大きさが検出される。２２はステッピングモータからなる第２センサ回転モータ（以下、第２モータという。）である。この第２モータ２２は、後述するように第２障害物センサ１２を回転させる。２３はステッピングモータからなる第３センサ回転モータ（以下、第３モータという。）である。この第３モータ２３は、後述するように第３障害物センサ１３を回転させる。２４は第２障害物センサ１２の回転角度を検出する第２回転用エンコーダ（以下、第２エンコーダという。）、２５は第３障害物センサ１３の回転角度を検出する第３回転用エンコーダ（以下、第３エンコーダという。）である。

図２は、掃除機ロボット１の全体を示す平面図である。図２において、掃除機ロボット１の本体１ａ底部には、走行輪１４、従動輪１５、およびブラシ一体型の吸い込みノズル９が設けられている。走行輪１４には、走行輪１４の向きを変える操舵軸１６が連結されている。本体１ａ前部（図２の下側）には、前述の障害物センサ１１〜１３が、前方かつ斜め下方を向くように、左側から第２障害物センサ１２、第１障害物センサ１１、第３障害物センサ１３の順で取り付けられている。これら障害物センサ１１〜１３の取付構造は後述する。

前述の制御部２は、前述の走行モータ４の駆動によって走行輪１４を回転させて、当該走行輪１４と従動輪１５とを床面上に転動させることにより、掃除機ロボット１の本体１ａを走行させる。走行距離は、前述の走行用エンコーダ５が検出した走行輪１４の回転数に基づいて算出する。また、制御部２は、前述の操舵モータ６の駆動によって操舵軸１６を回転させて、走行輪１４の向きを変えることにより、本体１ａの走行方向を転換させる。走行方向、即ち走行輪１４の向きは、前述の操舵用エンコーダ７が検出した操舵軸１６の回転角度に基づいて算出する。また、制御部２は、走行中に前述のファンモータ８の駆動によって吸気力を発生させ、ノズル９を通じてごみ等を吸い込むことにより、床面を掃除する。さらに、制御部２は、走行および掃除中に、前述の各障害物センサ１１〜１３によって本体１ａ前方の障害物を検知し、後述するように各障害物センサ１１〜１３からの出力に基づいて障害物の位置と障害物の大きさとを検出する。

図３は、障害物センサ１１〜１３の取付構造を示す図であって、（ａ）は同平面図、（ｂ）は同正面図である。図４は、同取付構造の他の状態を示す平面図である。図３において、１７は略長方形の板金からなる支持部材である。この支持部材１７は、図２に示すように長手方向と掃除機ロボット１の左右方向とが平行になるように、本体１ａのフレーム（図示省略）に取り付けられている。支持部材１７には、図３に示すように各障害物センサ１１〜１３の底部に設けた２本の軸１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂをそれぞれ貫通させる貫通孔１７ａ〜１７ｆが所定の間隔で形成されている。貫通孔１７ａ〜１７ｄは円形であり、径が軸１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１３ａの径と略同等の大きさになっている。貫通孔１７ｅ、１７ｆは円を９０°円弧状に広げた形であり、短径が軸１２ｂ、１３ｂの径と略同等の大きさになっている。

第１障害物センサ１１の軸１１ａ、１１ｂを支持部材１７の貫通孔１７ａ、１７ｂに貫通させて、第１障害物センサ１１を支持部材１７の上面に載置する（第１障害物センサ１１の底面を支持部材１７の上面に接触させる）。そして、図３（ｂ）に示すように軸１１ａ、１１ｂにナット２１を螺合すると、第１障害物センサ１１は本体１ａの真直ぐ前方（図３（ａ）の下方向）かつ斜め下方を向き、支持部材１７と平行に動かないように支持部材１７に支持される。第２障害物センサ１２の軸１２ａ、１２ｂを支持部材１７の貫通孔１７ｃ、１７ｅに貫通させて、第２障害物センサ１２を支持部材１７の上面に載置する（第２障害物センサ１２の底面を支持部材１７の上面に接触させる）。そして、軸１２ａに小径ギヤ１９を嵌め込んだ後ナット２１を螺合するとともに、軸１２ｂにナット２１を螺合すると、第２障害物センサ１２は本体１ａの前方かつ斜め下方を向き、軸１２ａを中心にして支持部材１７と平行に左方向へ９０°の範囲で回転可能に支持部材１７に支持される。第３障害物センサ１３の軸１３ａ、１３ｂを支持部材１７の貫通孔１７ｄ、１７ｆに貫通させて、第３障害物センサ１３を支持部材１７の上面に載置する（第３障害物センサ１３の底面を支持部材１７の上面に接触させる）。そして、軸１３ａに小径ギヤ１９を嵌め込んだ後ナット２１を螺合するとともに、軸１３ｂにナット２１を螺合すると、第３障害物センサ１３は本体１ａの前方かつ斜め下方を向き、軸１３ａを中心にして支持部材１７と平行に右方向へ９０°の範囲で回転可能に支持部材１７に支持される。つまり、支持部材１７は、障害物センサ１１〜１３を本体１ａの略前方かつ斜め下方に向くように左右方向に並べて支持する。障害物センサ１１〜１３の間隔は、全障害物センサ１１〜１３が真直ぐ前方を向いた状態で、隣り合う障害物センサ１１〜１３同士の障害物を検知する検知範囲が近接するまたは一部重なるように設定されている。

１８は各小径ギヤ１９と噛み合わされた大径ギヤである。左側の大径ギヤ１８は、前述した第２モータ２２の回転軸２２ａに嵌め込まれていて、右側の大径ギヤ１８は、前述した第３モータ２３の回転軸２３ａに嵌め込まれている。第２、第３モータ２２、２３は、本体１ａのフレームに取り付けられていて、前述したようにステッピングモータからなり、それぞれ回転軸２２ａ、２３ａを所定の角度ずつ低速回転させる。このため、図３の状態から第２、第３モータ２２、２３がそれぞれ正転駆動すると、回転軸２２ａ、２３ａおよびギヤ１８、１９を介して軸１２ａ、１３ａが所定の角度ずつ回転するとともに、軸１２ｂ、１３ｂが貫通孔１７ｅ、１７ｆ内を移動して、各第２、第３障害物センサ１２、１３が所定の角度ずつ外側へ開くように回転し、各第２、第３障害物センサ１２、１３の向きが変わって行く。なお、小径ギヤ１９、軸１２ａ、１３ａ、および第２、第３障害物センサ１２、１３は、２つのギヤ１８、１９のギヤ比により、第２、第３モータ２２、２３が１ステップあたりに回転軸２２ａ、２３ａおよび大径ギヤ１８を回転させる角度の約２倍の角度で回転する。図４は、第２、第３障害物センサ１２、１３が最大限（９０°）外側へ開くように回転して、本体１ａの左側方と右側方を向いた状態を示している。

また、この図４の状態から第２、第３モータ２２、２３がそれぞれ逆転駆動すると、回転軸２２ａ、２３ａおよびギヤ１８、１９を介して軸１２ａ、１３ａが所定の角度ずつ回転するとともに、軸１２ｂ、１３ｂが貫通孔１７ｅ、１７ｆ内を移動して、各第２、第３障害物センサ１２、１３が所定の角度ずつ内側に閉じるように回転し、各第２、第３障害物センサ１２、１３の向きが変わって行く。図３は、第２、第３障害物センサ１２、１３が最大限（９０°）内側に閉じるように回転して、真直ぐ前方を向いた状態を示している。前述の制御部２は、上記のように第２、第３モータ２２、２３の駆動を制御することで、第２、第３障害物センサ１２、１３を回転させて、第２、第３障害物センサ１２、１３の向きを角度９０°の範囲で所定の角度に変えて行く。また、制御部２は、第２、第３モータ２２、２３の駆動ステップ数と、前述の第２、第３エンコーダ２４、２５とによって、小径ギヤ１８の回転角度、即ち第２、第３障害物センサ１２、１３の回転角度と向きを検出する。軸１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、ギヤ１８、１９、第２、第３モータ２２、２３は、本発明における方向可変手段の一実施形態を構成する。

図５は、掃除機ロボット１の動作手順を示すフローチャートである。各ステップは、前述の制御部２が実行する。なお、本手順を説明するにあたり、掃除機ロボット１による障害物の検知状況を示す図６と、掃除機ロボット１の走行経路を示す図７および図８を適宜参照する。また、図６において、障害物センサ１１〜１３の前方に示す斜線部分は、障害物センサ１１〜１３により障害物を検知する検知範囲である。図６〜図８において、Ｆは清掃場所の床面、Ｈ、Ｈａ、Ｈｂは凹状段差、階段、穴、溝等のような床面Ｆよりも低い障害物、Ｗ、Ｗａ、Ｗｂは凸状段差、壁、床上設置物等のような床面Ｆよりも高い障害物である。なお、本例では、障害物センサ１１〜１３により検知する障害物には、障害物Ｈ、Ｗはもちろん、床面Ｆも含まれる。

前述したように、走行モータ４を駆動して、掃除機ロボット１の本体１ａを清掃場所の床面Ｆに走行させながら、ファンモータ８を駆動して、ノズル９を通じてごみ等を吸い込んで床面Ｆの掃除を開始すると、制御部２は、各障害物センサ１１〜１３によって本体１ａ前方に障害物Ｆ、Ｈ、Ｗのいずれかが有るのを検知する（図５のステップＳ１：ＹＥＳ）。すると、制御部２は、前述の第２、第３モータ２２、２３を駆動して、第２、第３障害物センサ１２、１３を回転させ、第２、第３障害物センサ１２、１３を検知した障害物の有る方向へ向ける（ステップＳ２）。これにより、障害物を少なくとも１つの障害物センサ１１〜１３の検知範囲の中央部で的確に捉えられるようになる。そして、制御部２は、各障害物センサ１１〜１３からの出力に基づいて、障害物の位置として障害物までの距離と障害物の有る方向とを検出する（ステップＳ３）。

次いで、制御部２は、検出した障害物までの距離を、前述のメモリ３に予め記憶された第１基準値と比較し（ステップＳ４）、比較結果を判定する（ステップＳ５）。なお、第１基準値は、予め障害物センサ１１〜１３によって掃除機ロボット１の接地面までの距離を計測した値に設定されている。また、２つ以上の障害物センサ１１〜１３によって検出した障害物までの距離が異なる場合は、全検出距離の平均値または全検出距離の最小値を、第１基準値と比較する。ここで、図６（ａ）に示すように、障害物センサ１１〜１３によって掃除機ロボット１が接地している床面Ｆを検知しているときは、図５のステップＳ５において、検出した障害物までの距離は第１基準値と同値であるため、制御部２は、検知した障害物は床面Ｆであると判断する（ステップＳ６）。このように判断すると、制御部２は、当該障害物（床面）Ｆへの転落または衝突の恐れは無いので、本体１ａの走行方向を変えずに維持する（ステップＳ７）。この後、制御部２は、ステップＳ１へ移行して、上述したように各処理を繰り返し実行して行く。

一方、図６（ｂ）に示すように、障害物センサ１１〜１３によって床面Ｆよりも低い障害物Ｈを検知しているときは、図５のステップＳ５において、検出した障害物までの距離は第１基準値よりも遠いため、制御部２は、検知した障害物は床面Ｆよりも低い障害物Ｈであると判断する（ステップＳ８）。このように判断すると、制御部２は、第２、第３モータ２２、２３を駆動して、第２、第３障害物センサ１２、１３を回転させ、第２、第３障害物センサ１２、１３の向きを障害物Ｈを検知可能な範囲で変えて行く（ステップＳ９）。これにより、障害物Ｈの左右方向の一端から他端までを少なくとも１つの障害物センサ１１〜１３の検知範囲の中央部で的確に捉えられるようになる。そして、制御部２は、各障害物センサ１１〜１３からの出力に基づいて、障害物Ｈの大きさとして障害物Ｈの左右方向の幅を検出する（ステップＳ１０）。障害物Ｈの幅の検出方法としては、例えば第２、第３障害物センサ１２、１３の向きを変えながら、各障害物センサ１１〜１３によって得られる障害物Ｈの映像において、障害物Ｈの端部（エッジ）や模様等の特徴点を左右方向に複数抽出して行き、各特徴点間の距離を計測して合算等することにより、障害物Ｈの幅を検出する。これ以外にも、例えば第２、第３障害物センサ１２、１３の向きを変えながら、各障害物センサ１１〜１３からの出力に基づいて、障害物Ｈの左端までの距離と右端までの距離とを計測するとともに、第２、第３モータ２２、２３の駆動ステップ数と前述の第２、第３エンコーダ２４、２５からの出力とに基づいて、第２、第３障害物センサ１２、１３の向きを変えた角度（回転角度）を計測し、計測した２つの距離と角度とから三角法により障害物Ｈの幅（左端から右端までの距離）を検出することも可能である。

上記のようにして障害物Ｈの幅を検出すると、制御部２は、障害物Ｈの幅がメモリ３に予め記憶された第２基準値以下か否かを判定する（ステップＳ１１）。なお、第２基準値は、掃除機ロボット１が障害物を避けつつ（障害物の左側方または右側方を走行しつつ）、前方に進める比較的小さな障害物の幅に設定されている。ステップＳ１１で、障害物Ｈの幅が第２基準値以下であれば（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、制御部２は、障害物Ｈは避けることが可能な比較的小さな障害物（例えば、小さな穴や溝等）Ｈａであるので、既に検出した障害物Ｈまでの距離と障害物Ｈの有る方向とに基づいて、図７（ａ）に示すように、本体１ａを障害物Ｈａに転落させないように障害物Ｈａの直近まで近づけた後、前述の操舵モータ６を駆動して、本体１ａの走行方向を変えながら障害物Ｈａを避け、障害物Ｈａの左側方または右側方を走行させる（図５のステップＳ１２）。

上記に対して、ステップＳ１１で、障害物Ｈの幅が第２基準値以下でなければ（ステップＳ１１：ＮＯ）、制御部２は、障害物Ｈは避けることが不可能な比較的大きな障害物（例えば、階段や大きな凹状段差等）Ｈｂであるので、既に検出した障害物Ｈｂまでの距離と障害物Ｈｂの有る方向とに基づいて、図７（ｂ）に示すように、本体１ａを障害物Ｈｂの直近まで近づけた後、操舵モータ６を駆動して、本体１ａの走行方向を９０°変え、障害物Ｈｂの手前を障害物Ｈｂに沿って（障害物Ｈｂとの距離を一定にしながら）走行させる（図５のステップＳ１３ａ）。または、図７（ｃ）に示すように、本体１ａを障害物Ｈｂの直近まで近づけた後、操舵モータ６を駆動して、本体１ａの走行方向を１８０°変え、障害物Ｈｂの手前で折り返して走行させる（図５のステップＳ１３ｂ）。上述したように走行方向を変えて障害物Ｈへの転落を回避した後、制御部２は、ステップＳ１へ移行して、上述したように各処理を繰り返し実行して行く。

また一方、図６（ｃ）に示すように、障害物センサ１１〜１３によって床面Ｆよりも高い障害物Ｗを検知しているときは、図５のステップＳ５において、検出した障害物までの距離は第１基準値よりも近いため、制御部２は、検知した障害物は床面Ｆよりも高い障害物Ｗであると判断する（ステップＳ１４）。このように判断すると、制御部２は、前述したように、第２、第３モータ２２、２３を駆動して、第２、第３障害物センサ１２、１３の向きを障害物Ｗを検知可能な範囲で変えて行く（ステップＳ９）。そして、制御部２は、各障害物センサ１１〜１３からの出力に基づいて、障害物Ｗの大きさとして障害物Ｗの左右方向の幅を検出する（ステップＳ１０）。障害物Ｗの幅の検出方法は、上述した障害物Ｈの幅の検出方法と同様にして行う。

障害物Ｗの幅を検出すると、制御部２は、障害物Ｗの幅が第２基準値以下か否かを判定する（ステップＳ１０）。ここで、障害物Ｗの幅が第２基準値以下であれば（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、制御部２は、障害物Ｗは避けることが可能な比較的小さな障害物（例えば、小さな床上設置物や階段等）Ｗａであるので、既に検出した障害物Ｗａまでの距離と障害物Ｗａの有る方向とに基づいて、図８（ａ）に示すように、本体１ａを障害物Ｗａに衝突させないように障害物Ｗａの直近まで近づけた後、本体１ａの走行方向を変えながら障害物Ｗａを避け、障害物Ｗａの左側方または右側方を走行させる（図５のステップＳ１２）。

上記に対して、ステップＳ１１で、障害物Ｗの幅が第２基準値以下でなければ（ステップＳ１１：ＮＯ）、制御部２は、障害物Ｗは避けることが不可能な比較的大きな障害物（例えば、大きな凸状段差や壁等）Ｗｂであるので、図８（ｂ）に示すように、本体１ａを障害物Ｗｂの直近まで近づけた後、本体１ａの走行方向を９０°変えて、障害物Ｗｂの手前を障害物Ｗｂに沿って（障害物Ｗｂとの距離を一定にしながら）走行させる（図５のステップＳ１３ａ）。または、図８（ｃ）に示すように、本体１ａを障害物Ｗｂの直近まで近づけた後、本体１ａの走行方向を１８０°変えて、障害物Ｗｂの手前で折り返して走行させる（図５のステップＳ１３ｂ）。上述したように走行方向を変えて障害物Ｗへの衝突を回避した後、制御部２は、ステップＳ１へ移行して、上述したように各処理を繰り返し実行して行く。

以上のように、障害物Ｆ、Ｈ、Ｗを検知したことに応じて、第２、第３障害物センサ１２、１３を障害物Ｆ、Ｈ、Ｗの有る方向へ向けることで、障害物Ｆ、Ｈ、Ｗを少なくとも１つの障害物センサ１１〜１３の検知範囲の中央部で的確に捉えることができるので、その検知状態で障害物センサ１１〜１３によって障害物Ｆ、Ｈ、Ｗの位置、即ち障害物Ｆ、Ｈ、Ｗまでの距離と障害物Ｆ、Ｈ、Ｗの有る方向とを高い精度で検出することが可能となる。また、第２、第３障害物センサ１２、１３の向きを左右方向に変えて行くことで、障害物Ｆ、Ｈ、Ｗの一端から他端までを少なくとも１つの障害物センサ１１〜１３の検知範囲の中央部で的確に捉えることができるので、障害物センサ１１〜１３によって障害物Ｆ、Ｈ、Ｗの大きさ、即ち障害物Ｆ、Ｈ、Ｗの左右方向の幅を高い精度で検出することが可能となる。特に、障害物Ｈ、Ｗが各障害物センサ１１〜１３の限られた検知範囲に収まらないほど大きな障害物Ｈ、Ｗであっても、第２、第３障害物センサ１２、１３の向きを変えながら当該障害物Ｈ、Ｗの一端から他端までを障害物センサの検知範囲の中央部で的確に捉えることができるので、当該障害物Ｈ、Ｗの幅を高い精度で検出することが可能となり、大変有益である。

上記の結果、検出した障害物Ｆ、Ｈ、Ｗの位置に基づいて、移動作業ロボット１の本体１ａを障害物Ｆ、Ｈ、Ｗと接触させることなく障害物Ｆ、Ｈ、Ｗの直近まで近づけて、掃除させることが可能となる。また、検出した障害物Ｈ、Ｗの幅に基づいて、障害物Ｈ、Ｗを避けて進むことができるか、障害物Ｈ、Ｗに沿って進まなければならないか、あるいは障害物Ｈ、Ｗの手前で折り返さなければならないかというような走行経路の判断を行うことが可能となる。つまり、検出した障害物Ｆ、Ｈ、Ｗの位置および大きさに基づいて、人間が行うのと略同じぐらい丁寧に、掃除機ロボット１に清掃場所の略隅々まで掃除させることが可能となる。

また、第２、第３モータ２４、２５の駆動によって、ギヤ１８、１９および軸１２ａ、１３ａを介して第２、第３障害物センサ１２、１３を支持部材と略平行に回転させて行く構造によって、第２、第３障害物センサ１２、１３の向きを精度良く変えて行くことができる。このため、障害物Ｆ、Ｈ、Ｗを検知したことに応じて、第２、第３障害物センサ１２、１３を障害物Ｆ、Ｈ、Ｗの有る方向へ確実に向けて、障害物Ｆ、Ｈ、Ｗを少なくとも１つの障害物センサ１１〜１３の検知範囲の中央部で的確に捉えることができる。また、第２、第３障害物センサ１２、１３の向きを障害物Ｆ、Ｈ、Ｗを検知可能な範囲で着実に変えて行って、障害物Ｆ、Ｈ、Ｗの一端から他端までを少なくとも１つの障害物センサ１１〜１３の検知範囲の中央部で的確に捉えることができる。

さらに、第２、第３障害物センサ１２、１３の向きを変えることで、３つの障害物センサ１１〜１３によって広範囲に障害物Ｆ、Ｈ、Ｗを検知することができるので、前述の特許文献４のように広い検知範囲を確保しようとして多数の障害物センサを用いる必要はなく、障害物センサの使用数を少なくして、コストを低く抑えることが可能となる。また、３つの障害物センサ１１〜１３からの出力に基づいて、障害物Ｆ、Ｈ、Ｗまでの距離と障害物Ｆ、Ｈ、Ｗの幅とを検出するので、単一の障害物センサのみによるよりもデータ量が多くなり、当該距離および幅を高い精度で検出することが可能となる。

本発明は、以上述べた実施形態以外にも種々の形態を採用することができる。例えば、以上の実施形態では、３つの障害物センサ１１〜１３を本体１ａ前面に取り付けて、両端の２つの障害物センサ１２、１３の向きを変える場合を例に挙げているが、本発明はこれのみに限定するものではなく、取り付ける障害物センサの数は、１つでも２つでも４つ以上でもよく、また、向きを変える障害物センサの数は、１つでも２つでも３つ以上でもよい。

また、以上の実施形態では、第２、第３障害物センサ１２、１３の回転可能角度を９０°に設定して、当該障害物センサ１２、１３の向きを真直ぐ前方から側方へ９０°の範囲で可変する場合を例に挙げているが、本発明はこれのみに限定するものではなく、障害物センサの回転可能角度を例えば１２０°、１８０°、または３６０°というように９０°よりも大きな角度に設定したり、例えば６０°、４５°、または３０°というように９０°よりも小さな角度に設定したりして、設定した角度の範囲で障害物センサの向きを可変するようにしてもよい。なお、障害物センサの回転可能角度を３６０°に設定する場合は、センサ回転用モータの回転軸で障害物センサを直接または間接的に支持するようにすればよい。

また、以上の実施形態では、支持部材１７が本体１ａに取り付けられて静止している場合を例に挙げているが、本発明はこれのみに限定するものではなく、支持部材が移動して、障害物センサの向きや位置を変えるような構造にしてもよい。例えば、図９に示す構造では、支持部材１７と第２、第３モータ２２、２３とを保持部材３０に固定して保持し、当該保持部材３０の側面に連結した軸３１を掃除機ロボット１の本体１ａのフレーム（図示省略）で回転可能に支持する。また、軸３１に嵌め込んだギヤ３２と、モータ３４の回転軸３４ａに嵌め込んだギヤ３３とを噛み合わせる。保持部材３０、軸３１、ギヤ３２、３３、およびモータ３４は、本実施形態における方向可変手段を構成する。この構造において、モータ３４が駆動すると、回転軸３４ａ、ギヤ３２、３３、および軸３１を介して保持部材３０が軸３１を中心にして回転し、支持部材１７や第２、第３モータ２２、２３等とともに、障害物センサ１１〜１３が上下方向へ揺動して、障害物センサ１１〜１３の向きが上下方向に変わって行く。このため、障害物センサ１１〜１３によって障害物を検知したときに、前述の制御部２が、モータ３４を駆動して、障害物センサ１１〜１３を障害物を検知可能な範囲で上下に揺動させて行くと、障害物の下端から上端までを障害物センサ１１〜１３の検知範囲の中央部で的確に捉えることができるので、障害物センサ１１〜１３からの出力に基づいて、障害物の高さを高い精度で検出することが可能となる。

また、図１０（ａ）に示す構造では、保持部材３０の側面を本体１ａのフレーム（図示省略）で上下に昇降可能に支持するとともに、保持部材３０の底面にリニア式ステッピングモータ３５のアクチュエータ３５ａを連結する。保持部材３０およびモータ３５は、本実施形態において昇降手段を構成する。この構造において、モータ３５が駆動すると、アクチュエータ３５ａがモータ３５の本体から伸びて保持部材３０を持ち上げたり、アクチュエータ３５ａがモータ３５の本体内へ縮んで保持部材３０を降ろしたりして、支持部材１７や第２、第３モータ２２、２３等とともに、障害物センサ１１〜１３が昇降し、障害物センサ１１〜１３の高さ位置が上下方向に変わって行く。また、図１０（ｂ）に示す構造では、保持部材３０の側面を本体１ａのフレーム（図示省略）で上下に昇降可能に支持するとともに、保持部材３０の側面にラック３６を連結して、当該ラック３６にモータ３８の回転軸３８ａに嵌め込まれたピニオン３７を噛み合わせる。保持部材３０、ラック３６、ピニオン３７、およびモータ３８は、本実施形態において昇降手段を構成する。この構造において、モータ３８が駆動すると、ピニオン３７が回転して、ラック３６を介して保持部材３０を上下に移動させ、支持部材１７や第２、第３モータ２２、２３等とともに、障害物センサ１１〜１３が昇降し、障害物センサ１１〜１３の高さ位置が上下方向に変わって行く。

上記の図１０（ａ）または図１０（ｂ）の構造において、障害物センサ１１〜１３によって障害物を検知したときに、前述の制御部２は、モータ３５またはモータ３８を駆動し、障害物センサ１１〜１３を障害物を検知可能な範囲で昇降させて行って、当該障害物センサ１１〜１３からの出力に基づいて障害物の位置および大きさを検出する。このようにすると、障害物センサ１１〜１３の上下方向の位置（高さ）を障害物の高さに合せることができ、また障害物の下端から上端までを障害物センサ１１〜１３の検知範囲の中央部で的確に捉えることができるので、障害物センサ１１〜１３からの出力に基づいて、障害物までの距離、障害物の有る方向、および障害物の幅だけでなく、障害物の高さをより高い精度で検出することが可能となる。また、障害物センサ１１〜１３の向きを水平方向よりも下向きにしている場合には、障害物の本体１ａに近い方（本体１ａから見て手前側）の端部から、本体１ａに遠い方（本体１ａから見て奥側）の端部までを障害物センサ１１〜１３の検知範囲の中央部で的確に捉えることができるので、障害物センサ１１〜１３によって障害物の奥行きも検出することが可能となる。

これらの結果、障害物がテーブルやソファ等のように、床面に載置された状態で床面との間に所定高さの空間を生じる障害物である場合には、検出した障害物の高さに基づいて、例えば、障害物の下方を通り抜けて進むことができるかというような走行経路の判断を行うことが可能となる。また、検出した障害物の幅と奥行きに基づいて、例えば、障害物を回り込んで（迂回して）進むことができるかというような走行経路の判断を行うことが可能となる。

また、以上の実施形態では、掃除機ロボット１の本体１ａ前部に、支持部材１７を支持部材１７の長手方向と本体１ａの左右方向とが平行になるように取り付けて、当該支持部材１７で障害物センサ１１〜１３を略前方に向けて支持する場合を例に挙げているが、本発明はこれのみに限定するものではなく、本体の側部または後部に支持部材を取り付けて、当該支持部材で障害物センサを略側方または略後方に向けて支持するようにしてもよい。また、支持部材を支持部材の長手方向と本体の高さ方向とが平行になるように本体に取り付けて、当該支持部材で障害物センサを略前方、略側方、または略後方に向けて支持するようにしてもよい。この場合、障害物センサの向きを上下方向に変えて行くと、障害物の下端から上端までを障害物センサの検知範囲の中央部で的確に捉えることができるので、障害物センサからの出力に基づいて、障害物の高さを高い精度で検出することが可能となる。

さらに、以上の実施形態では、掃除機ロボット１に、本発明を適用した場合を例に挙げているが、本発明はこれ以外にも、例えば所定の場所に有る物体を別の場所に移送する無人搬送ロボットや、敷地内を移動しながら侵入者等をカメラで撮影するセキュリティロボットのような、自動的に移動しながら作業を行う移動作業ロボットに適用することが可能である。

掃除機ロボットの電気ブロック図である。 掃除機ロボットの全体を示す平面図である。 掃除機ロボットへの障害物センサの取付構造を示す図である。 同取付構造の他の状態を示す図である。 掃除機ロボットの動作手順を示すフローチャートである。 掃除機ロボットによる障害物の検知状況を示す図である。 掃除機ロボットの走行経路を示す図である。 掃除機ロボットの走行経路を示す図である。 他の実施形態の図である。 他の実施形態の図である。

符号の説明

１ 掃除機ロボット
１ａ 掃除機ロボットの本体
２ 制御部
１１ 第１障害物センサ
１１ａ、１１ｂ 軸
１２ 第２障害物センサ
１２ａ、１２ｂ 軸
１３ 第３障害物センサ
１３ａ、１３ｂ 軸
１７ 支持部材
１７ａ〜１７ｆ 貫通孔
１８ 大径ギヤ
１９ 小径ギヤ
２２ 第２センサ回転用モータ
２３ 第３センサ回転用モータ
３０ 保持部材
３１ 軸
３２ ギヤ
３３ ギヤ
３４ モータ
３５ モータ
３６ ラック
３７ ピニオン
３８ モータ
Ｆ 床面（障害物）
Ｈ、Ｈａ、Ｈｂ 床面よりも低い障害物
Ｗ、Ｗａ、Ｗｂ 床面よりも高い障害物

Claims (5)

1. 障害物を検知する障害物センサからの出力に基づいて、障害物を回避しながら走行して床面の掃除を行う掃除機ロボットにおいて、
   前記障害物センサに設けられた軸と、
   当該ロボットの本体に取り付けられ、形成された貫通孔に前記軸を貫通させた状態で前記障害物センサを支持する支持部材と、
   ギヤを介して前記軸を所定の角度ずつ回転させるモータと、
   前記モータの駆動を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記障害物センサによって障害物を検知すると、前記モータを駆動して、前記ギヤおよび前記軸を介して前記障害物センサを前記支持部材と略平行に回転させることにより、前記障害物センサを障害物の有る方向へ向けて、当該障害物センサからの出力に基づいて障害物の位置を検出し、かつ前記障害物センサの向きを障害物を検知可能な範囲で変えて行って、当該障害物センサからの出力に基づいて障害物の大きさを検出することを特徴とする掃除機ロボット。
2. 障害物を検知する障害物センサからの出力に基づいて、障害物を回避しながら移動して作業を行う移動作業ロボットにおいて、
   前記障害物センサの向きを可変する方向可変手段と、
   前記方向可変手段の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記障害物センサによって障害物を検知すると、前記方向可変手段を動作させることにより、前記障害物センサを障害物の有る方向へ向けて、当該障害物センサからの出力に基づいて障害物の位置を検出することを特徴とする移動作業ロボット。
3. 請求項２に記載の移動作業ロボットにおいて、
   前記制御部は、前記障害物センサによって障害物を検知すると、前記方向可変手段を動作させることにより、前記障害物センサの向きを障害物を検知可能な範囲で変えて行って、当該障害物センサからの出力に基づいて障害物の大きさを検出することを特徴とする移動作業ロボット。
4. 請求項２または請求項３に記載の移動作業ロボットにおいて、
   前記方向可変手段は、前記障害物センサに設けられた軸と、前記軸を所定の角度ずつ回転させるモータとを含んでいることを特徴とする移動作業ロボット。
5. 請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の移動作業ロボットにおいて、
   前記障害物センサを昇降させる昇降手段を備え、
   前記制御部は、前記障害物センサによって障害物を検知すると、前記昇降手段を動作させることにより、前記障害物センサを障害物を検知可能な範囲で昇降させて行って、当該障害物センサからの出力に基づいて障害物の位置および大きさを検出することを特徴とする移動作業ロボット。
   

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