JP2006039682A - 自律走行ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 作業環境中に配置した標識を利用して、走行する経路によらず自己位置推定の誤差を補正できる自律走行ロボットを提供すること。
【解決手段】 本体を走行させる走行手段８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂと、作業環境中の本体位置を推定する自己位置推定手段２２と、作業環境中の標識位置を記憶する地図記憶手段２３と、作業領域中の標識を認識する標識認識手段３ｂと、壁に沿ってならい走行中に壁際に配置された標識を標識認識手段で認識した際に、前記地図中の本体位置に前記地図記憶手段に記憶されている標識位置を代入することにより自己位置推定の誤差を補正する誤差補正手段Ｓ４とを具備したことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、作業領域内を自律走行するために計算により求められた地図中でのロボットの位置と、実環境におけるロボットの位置との誤差を補正する誤差補正手段を備えた自律走行ロボットに関する。

自律走行しながら指定された作業領域で作業を行う自律走行ロボットが知られている。この自律走行ロボットは、本体を走行させる走行手段と、作業環境中の本体位置を推定する自己位置推定手段と、作業環境中の標識位置を記憶する地図記憶手段と、作業領域中の標識を認識する標識認識手段とを備えている。

自律走行ロボットは、自己位置推定手段により作業環境中に本体位置を推定し、地図記憶手段に記憶されている作業環境中の標識位置に沿うように自律走行する。しかし、自律走行ロボットが走行し続けると、自律走行ロボットが持つ地図におけるロボットの位置と、実環境におけるロボットの位置とが次第にずれていく。従って、このずれを補正する必要がある。

この自律走行ロボットが持つ地図と実環境との誤差を補正する方式を大きく分類すると、以下のように分類することができる。

（１）外部システムを利用した誤差補正方式
この誤差補正方式にはDGPSを利用した方式や走行系路上に設置したカメラを利用した方式や走行系路上に設置した位置補正用標識を利用した方式がある。

（２）外部システムを利用しない誤差補正方式
この誤差補正方式にはロボットが持つ地図と実環境を距離センサで計測した結果との差を利用した方式がある。

外部システムを利用した誤差補正方式のうち、走行系路上に設置した位置補正用標識を利用した方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１では、ロボットが走行する経路上に位置補正標識を配置して、ロボットが位置補正標識上を通過したときに位置補正標識の検出結果に基づいてロボットの位置、姿勢を補正するようにしている。
特開２００２−７３１７１

しかし、特許文献１の位置補正方式はロボットが予め定められた経路を走行することを前提に考えており、ロボット自身が作業領域を自由に走行するような場合の位置補正には適していないという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、その目的は、作業環境中に配置した標識を利用して、走行する経路によらず自己位置推定の誤差を補正できる自律走行ロボットを提供することにある。

請求項１記載の発明は、本体を走行させる走行手段と、作業環境中の本体位置を推定する自己位置推定手段と、作業環境中の標識位置を記憶する地図記憶手段と、作業領域中の標識を認識する標識認識手段と、壁に沿ってならい走行中に壁際に配置された標識を標識認識手段で認識した際に、前記地図中の本体位置に前記地図記憶手段に記憶されている標識位置を代入することにより自己位置推定の誤差を補正する誤差補正手段とを具備したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の前記壁際に配置された標識は、充電台に取り付けられていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、本体を走行させる走行手段と、作業環境中の本体位置を推定する自己位置推定手段と、作業環境中の標識位置を記憶する地図記憶手段と、作業領域中の標識を認識する標識認識手段と、作業中に壁方向に移動した後壁際からならい走行を開始して、前記標識認識手段が壁際に配置してある標識を認識した時点で自己位置推定の誤差を補正する誤差補正手段とを具備したことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１あるいは請求項３記載の前記作業の開始から所定時間が経過したときあるいは前記作業の開始から所定距離走行したときに、前記誤差補正手段により自己位置推定の誤差が補正されることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の所定時間あるいは所定距離は、作業領域床面の状況に応じて変更されることを特徴とする。

本発明によれば、走行する経路によらず自己位置推定の誤差を補正することができる自律走行ロボットを提供することができる。

以下図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。図１及び図２は自律走行ロボットの構成を示す図で、下部が略円形状で上部が略半球形状になっている筐体１の前面上部に各種指示ボタン等を設けた操作入力部２を配置し、前面から側面に跨った下部に、例えば超音波センサからなる複数の障害物センサ３ａを配置している。この障害物センサ３ａ、例えば、前面から見える位置に所定の間隔を開けて３個配置し、左右の側面に所定の間隔を開けて２個ずつ配置している。また、自律走行ロボットの前面下部には、充電台３１に配設された標識としての磁石３２を検出するための標識認識センサ３ｂが設けられている。

筐体１内には、クリーナモータ４とこのクリーナモータ４で回転するファン５とこのファン５の回転により底部に設けた吸込口６から塵を吸込んで集める集塵室７が収納されている。

また、筐体１の底部略中央の左右にそれぞれ左駆動輪８ａ、右駆動輪８ｂを取り付け、この各駆動輪８ａ，８ｂをそれぞれ左走行モータ９ａ，右走行モータ９ｂで回転駆動するようにしている。各駆動輪８ａ，８ｂ及び各走行モータ９ａ，９ｂは走行手段を構成している。そして、各駆動輪８ａ，８ｂの回転をそれぞれ左右のロータリーエンコーダ（以降、単にエンコーダと称する）１０ａ，１０ｂで検出するようにしている。左右のエンコーダ１０ａ，１０ｂは移動距離と移動方向を測定するセンサを構成している。

筐体１の底部後端中央には回転自在で方向が左右に自在に旋回する補助軸１１が取り付けられている。また、筐体１内には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の制御回路部品を組み込んだ回路基板１２及び各部に電源を供給するバッテリ１３が収納されている。

図３は制御部の構成を示すブロック図である。図において、２１は制御部本体を構成するＣＰＵ（中央処理装置）、２２はこのＣＰＵ２１が各部を制御するプログラムが格納されたＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）、２３は各種データを格納するメモリを設けたＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）である。

また、２４は操作入力部２、障害物センサ３ａ、標識認識センサ３ｂ、クリーナモータ４を回転制御するモータ制御部２５、左右の走行モータ９ａ，９ｂを回転制御するモータ制御部２６及び左右のエンコーダ１０ａ，１０ｂに対して信号の入出力を行うＩ／Ｏポートである。ＣＰＵ２１とＲＯＭ２２，ＲＡＭ２３及びＩ／Ｏポート２４とはバスライン２７を介して電気的に接続されている。

ＲＯＭ２２には、自己位置推定手段として機能するプログラムが記憶されている。自己位置推定手段は、例えば車輪に取り付けたエンコーダ１０ａ，１０ｂが出力する回転量から走行速度と姿勢の角速度を求め、これらの走行速度と姿勢の角速度を積分することにより作業環境中の自律走行ロボットＲの自己位置を計算により算出している。

ＲＡＭ２３には作業領域中の標識位置を記憶する地図記憶手段が設けられている。例えば、図４に示すように作業領域中に配設された充電台３１に取り付けられている標識としての磁石３２を記憶している。さらに、このＲＡＭ２３には内周掃除を開始してからの時間を計数するタイマ２３ｔ、内周掃除を開始してからの自律走行ロボットが走行した距離を累積する領域２３ｍが設けられている。

ところで、標識認識センサ３ｂは充電台３１に配設された標識としての磁石３２の位置を検出するためのセンサであり、例えばホール素子などの磁気を検出するセンサで構成される。

次に、上記のように構成された本発明の一実施の形態の動作について説明する。自律走行ロボットＲは、掃除作業を開始する前は図４のように壁際に設置された充電台３１に接続されて作業開始の指示を待っている。

そして、自律走行ロボットＲは指定された作業領域を隈なく掃除するために、図５の状態遷移図で示した作業を行う。基本的な作業の流れとして、外部掃除Ｓ１、内部掃除Ｓ２、充電台への帰巣Ｓ４、充電台位置合わせＳ２、ドッキングＳ６であり、外周掃除Ｓの後と内周掃除Ｓ３の実行中に割り込む形で、自己位置推定の誤差を補正するために充電台への帰巣Ｓ４、充電台位置合わせＳ２、誤差補正Ｓ５等の状態が介在している。各状態間に記載されている項目はイベント（Ｅ１からＥ１０）の発生を意味する。これらイベントＥ１〜Ｅ１０が発生すると、状態が矢印で示した方向に遷移する。なお、内周掃除Ｓ３において、常に未掃除領域があるか否かの判定を行っている。

以下、自動掃除の流れを図５の状態遷移図を参照しながら説明する。

はじめに、ユーザによる作業開始の指示から壁際を1周走行するまでの流れについて説明する。ユーザが自動走行ロボットＲの操作入力部２から自律走行ロボットＲに対して作業開始を指示（Ｅ１）すると、自律走行ロボットＲのＲＡＭ２３に設けられた地図記憶手段が初期化されてから、自律走行ロボットＲは図４に示した作業領域の境界壁に沿った壁際走行、つまり外周掃除を開始する。

自律走行ロボットＲは、外周掃除Ｓ１を開始するとともに自己位置推定手段を用いて自己位置推定を開始し、走行中、常に自律走行ロボットが地図上の何処を走行しているかを計算で求め続ける。

しかし、自律走行ロボットＲが走行を続けるにつれて計測による誤差が累積して、地図上での自律走行ロボットの位置・姿勢と、実際の環境での位置・姿勢との間の誤差が累積するため、誤差の補正が必要となる。

自律走行ロボットＲは作業領域の外周を１周して充電台３１の位置まで戻り、充電台３１の付近で標識認識センサ３ｂが充電台３１に取り付けられた標識である磁石３２を認識（Ｅ２）すると、外周掃除Ｓ１が終了する。

自律走行ロボットＲは外周掃除Ｓ１を終了すると、壁沿いに走行して充電台３１に接近し、充電台３１で位置と姿勢を整える（充電台位置合わせＳ２）。

内周掃除が終了していければ未掃除領域はある（Ｅ４）ので、自律走行ロボットＲは地図中の本体位置に地図記憶手段に記憶されている標識位置を代入することで自己位置推定の誤差を補正する誤差補正処理がなされる（誤差補正Ｓ５）。

この誤差補正処理が終了すると、自律走行ロボットＲ作業領域の内側を掃除する内周掃除Ｓ３に移る。ここで、内周掃除が開始されてからの時間ｔ及び走行距離Ｓはそれぞれタイマ２３ｔ及び領域２３ｍに計数される。

内周掃除では、自律走行ロボットＲは作業領域をジグザグに走行することで作業領域の内側を掃除する。

自律走行ロボットは、内周掃除中も自己位置推定手段により作業領域におけるロボット本体位置の計算を続けるため、走行を続けると累積した自己位置推定の誤差を補正する必要が生じる。

この誤差を補正するために、自律走行ロボットは内周掃除を開始してから所定時間経過（Ｅ６）した場合には、地図上に記録された充電台アプローチ地点まで移動する（充電台への帰巣Ｓ４）。

しかし、自己位置推定手段により得られる地図上の本体位置と実環境中での本体位置は自己位置推定の誤差の分だけずれているため、図７に示すように実環境中ではロボットは本来の充電台アプローチポイント４１から誤差の分だけずれた場所（地図中での充電台アプローチポイント ４２）まで移動することになる。

そこで、自律移動ロボットＲは充電台アプローチポイント４２から最も近い壁の側まで移動してから充電台に取り付けられた標識を認識するまで壁沿いに走行する。

自律走行ロボットＲは標識認識センサ３ｂにより充電台３１に取り付けられた標識としての磁石３２を検知（Ｅ８）すると、外周掃除終了後と同様にして誤差を補正して、再度地図上で未作業になっている場所まで移動して内周掃除Ｓ３が行われる。

ところで、自律ロボットは地図上で未作業領域が無くなった場合（Ｅ７）には、内周掃除を終了する。内周掃除を自律移動ロボットＲは充電台アプローチポイント４２まで移動する（充電台へ帰巣Ｓ４）。そして、自律走行ロボットＲは標識認識センサ３ｂにより充電台３１に取り付けられた標識としての磁石３２を検出（Ｅ８）すると、自律走行ロボットＲは、充電台３１で位置と姿勢を整える（充電台位置合わせＳ２）。

そして、充電台３１にドッキング（Ｓ６）して作業を終了し、充電しながら次の作業開始の指示を待つ処理が行われる。

なお、上記実施の形態では、自律走行ロボットは内周掃除を開始してから所定時間経過した場合（Ｅ６）に、誤差補正をするようにしたが、所定距離走行した場合（Ｅ１０）に誤差補正処理を行なうようにしてもよい。

また、上記した実施の形態における内周掃除の走行パターンはジグザグ走行に限らず、スパイラルでもランダムでもよい。

また、作業領域床面の状況を検出し、この検出された作業領域床面の状況に応じてイベントＥ６の所定時間、イベントＥ１０の所定距離を可変させるようにしても良い。このようにすることにより、作業領域路面が絨毯であるかフローリングである等により最適な所定時間及び所定距離を設定することができる。

また、上記実施の形態では、標識として磁石３２を用いたが、標識としてIDタグ等を使用し、標識認識センサ３ｂにIDタグ読取装置を利用すれば、自己位置推定誤差の補正は複数箇所で行うことができる。

本発明の一実施の形態に係る自律走行ロボットの正面図。 同自律走行ロボットの側面図。 同自律走行ロボットのシステム構成図。 同実施の形態に係る作業開始前の作業領域の状態を示す図。 同実施の形態の動作を説明するための状態遷移図。 同実施の形態に係る内周掃除の状態を示す図。 同実施の形態に係る自己位置推定の誤差による充電台アプローチ位置と本体位置のずれを説明するための図。

符号の説明

２…操作入力部、３ａ…障害物センサ、３ｂ…標識認識センサ、２１…ＣＰＵ、２２…ＲＯＭ、２３…ＲＡＭ。

Claims (5)

1. 本体を走行させる走行手段と、
   作業環境中の本体位置を推定する自己位置推定手段と、
   作業環境中の標識位置を記憶する地図記憶手段と、
   作業領域中の標識を認識する標識認識手段と、
   壁に沿ってならい走行中に壁際に配置された標識を標識認識手段で認識した際に、前記地図中の本体位置に前記地図記憶手段に記憶されている標識位置を代入することにより自己位置推定の誤差を補正する誤差補正手段とを具備したことを特徴とする自律走行ロボット。
2. 前記壁際に配置された標識は、充電台に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の自律走行ロボット。
3. 本体を走行させる走行手段と、
   作業環境中の本体位置を推定する自己位置推定手段と、
   作業環境中の標識位置を記憶する地図記憶手段と、
   作業領域中の標識を認識する標識認識手段と、
   作業中に壁方向に移動した後壁際からならい走行を開始して、前記標識認識手段が壁際に配置してある標識を認識した時点で自己位置推定の誤差を補正する誤差補正手段と具備したことを特徴とする自律走行ロボット。
4. 前記作業の開始から所定時間が経過したときあるいは前記作業の開始から所定距離走行したときに、前記誤差補正手段により自己位置推定の誤差が補正されることを特徴とする請求項１あるいは請求項３記載の自律走行ロボット。
5. 前記所定時間あるいは所定距離は、作業領域床面の状況に応じて変更されることを特徴とする請求項４記載の自律走行ロボット。

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