JP2006164101A - 自走式移動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 本体に設けられた撮像センサが検出した画像に基づいて本体の移動が制御される自走式移動車において、撮像センサが占めるスペースの省スペース化を図ることで、自走式移動車の一層の小型化を実現することができる自走式移動車を提供する。
【解決手段】 撮像センサ９は、床面Ｆを撮像可能な撮像部１０を含むセンサ本体９ａを自走車としての掃除機本体内に配置しており、導光ケーブル１３が床面Ｆからの光を撮像部１０に導いている。掃除機の下部に延びる導光ケーブル１３は、占有スペースが小さく、掃除機の小型化に寄与する。導光ケーブル１３は、発光部からの光を導いて床面Ｆに照射する照射用導光ケーブルを、撮像用導光ケーブルと互いに同軸に、好ましくは撮像用導光ケーブルの周囲に配置することで、内包された同軸導光ケーブルとすることができる。センサ本体９ａには、撮像部１０が撮像した画像データを処理し変位量を算出する信号処理部設けることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、本体に設けられた変位センサが検出した検出値に基づいて移動手段の制御を行う自走式移動車に関する。

従来、自走式移動車の適用例の一つとして、駆動源によって駆動される車輪を備えた移動手段と、ゴミを吸引する吸引手段を備え、更に、走行制御手段として掃除機本体の移動量を計測し、床面上を自動走行して清掃を行う自走式掃除機が提案されている。この自走式掃除機では、センサを用いて掃除機の移動距離と旋回角度を計測し、掃除機が適切な移動経路に沿って走行するように車輪の回転を制御することが必要である。

自走式移動車の走行制御のために行う、上記の掃除機本体の移動量の計測については、駆動車輪の回転数を計測し、それによって前後方向の移動距離と旋回角度を検出する方法が用いられていた。また、旋回角度を高精度に検出するために、ジャイロを用いることも提案されている。また、カメラを用いた光学式センサによって床面を撮影して得た画像信号に基づいて移動距離を検出することも提案されている（特許文献１参照）。この自走式移動車は、床面の光像の変化から２次元の移動距離を検出する複数の光学式移動距離センサと、それにより検出された２次元の移動距離に基づいて掃除機本体の２次元の移動距離及び旋回角度を検出する移動量検出部と、検出された２次元の移動距離及び旋回角度に基づいて掃除機本体の移動を制御する移動制御部とを備えている。
特開２００３−１８０５８６号公報（段落［００２３］〜［００２９］、図３）

上記文献に記載の自走式移動車においては、カメラ部は、撮像手段を構成するＣＣＤあるいはＣＭＯＳなどの電子式の撮像素子と、光像を撮像素子に結像させる結像手段を構成するレンズ及びレンズカバーと、床面を照明するランプと、これらの部品を保持する保持器とを備えている。保持器は、掃除機本体に対して上下に摺動可動であるが回転不能に支持されており、ばねによって下方に押圧することによって底面に設けた滑り材を床面に接触させた状態で該床面を摺動可能とされている。その結果、保持器は、絨毯などが敷かれた凹凸のある床面であっても凹凸に沿って上下に移動するので、床面の光像は撮像素子に対して常に正しい焦点を結んで画像信号に変換され、移動距離と旋回角度とを精度よく検出して走行制御が行われる。

この光学式センサによるセンシング機能で床面上における本体の移動量や旋回角度をセンシングし、その検出量に基づいて走行を制御する自走式掃除機では、光学式変位センサの撮像部がレンズと直結された構造が採用されている。また、床面を照明するランプは、保持器内において撮像部の側方に配置されている。このような構造であると、カメラ部自体が嵩張る構造となっていると共に、車輪の回転量を検知するために複数のセンサを設ける必要があるときには、移動車の本体下部にはセンサの数に応じて広い占有スペースが必要である。日本の一般家庭の室内を移動するような場合には掃除機本体の小型化が非常に重要であるが、こうした光学式センサの構造及び配置それ自体が掃除機本体の小型化の阻害要因の一つとなっている。また、移動車が清掃作業を行うような場合には、床面にゴミがある場合が多いため、清掃部の真際に配置されていないセンサは、床面の汚れなどが付着してセンシングの妨げになる可能性もある。

そこで、本体に設けられた撮像センサが検出した画像に基づいて本体の移動が制御される自走式移動車において、撮像センサの構造及び配置に工夫を凝らすことで、撮像センサを設けるに際しての省スペース化を図る点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、上記自走式移動車において、撮像センサを設けるに際しての省スペース化を図ることで、自走式移動車の一層の小型化を実現することができる自走式移動車を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明による自走式移動車は、移動車本体に設けられた撮像センサが検出した画像に基づいて移動車本体の移動が制御される自走式移動車であり、撮像センサは、移動車本体に配置されており床面を撮像可能な撮像部を含むセンサ本体と、移動車本体の外部に延び床面からの光を撮像部に導く撮像用導光ケーブルとを有することを特徴としている。

この自走式掃除機によれば、導光ケーブルを用いることで、移動車本体に設けられており移動車の移動距離を計測するための撮像部を含むセンサ本体と、移動車本体の外部に延び撮像部に光を導く撮像用導光ケーブルとを分離しているので、撮像センサのうち移動車本体の外部に延びる要素としては撮像用導光ケーブルのみとなり、自走式移動車における撮像センサの配置に際して省スペース化を図ることができる。

この自走式移動車において、撮像センサは、センサ本体に配置されている発光部と、当該発光部からの光を導いて床面に照射する照射用導光ケーブルとを有することができる。自走式移動車の下に位置する床面は、通常、自走式移動車の影になり易く、撮像センサが十分な検出に足る光量を得ることができない場合がある。そこで、撮像センサはセンサ本体に発光部を備え、発光部が発した光を照射用導光ケーブルが導いて床面を照射する。発光部としてのランプを移動車本体の外部に配置する構造を採用していないので、自走式移動車における撮像センサの配置に際して、発光部についても省スペース化が図られる。また、撮像センサが床面から反射する十分な光量に基づいて鮮明な画像が得られる。

発光部と照射用導光ケーブルとを備える自走式移動車において、撮像用導光ケーブルと照射用導光ケーブルとは、互いに同軸に内包された同軸導光ケーブルに構成することができる。撮像用導光ケーブルと照射用導光ケーブルとを同軸導光ケーブルとすることで、両ケーブルを１本にまとめることができるので、自走式移動車における撮像センサの配置に際して、両光ケーブルをまとめて省スペース化が図られ、各ケーブルの配線も簡潔にすることができる。

撮像用と照射用の導光ケーブルを同軸導光ケーブルとした自走式移動車において、撮像用導光ケーブルを中心部に配置し、照射用導光ケーブルをその周囲に配置することが好ましい。照射用導光ケーブルを周囲に配置することで、撮像用導光ケーブルの先端採光部には、その周囲に配置されている照射用導光ケーブルから床面上に発せられる光の反射光が十分且つ偏り無く取り入れられ、一層確実に鮮明な画像を得ることができる。

上記の自走式移動車において、撮像センサは、撮像用導光ケーブルの床面側端部に関して配置されており撮像対象を拡大するレンズと、センサ本体に配置されており撮像部が撮像した画像データを処理し移動車本体の変位量を算出する信号処理部とを更に有する光学式変位センサとして適用することができる。光学式変位センサが撮像対象を拡大するレンズを有することによって、一層精密な位置測定が可能となる。しかも、信号処理部がセンサ本体に備わることにより、移動車本体の外部の構造を複雑にすることなく、撮像した画像データがセンサ本体において処理される。移動車本体の変位量が撮像センサにおいて算出可能となり、得られた変位量データが自走式移動車の走行制御に用いられる。したがって、移動車の走行制御における演算負担が少なくて済み、設計自由度やコスト面で有利である。

上記の自走式移動車において、前記撮像用導光ケーブルは、撮像部の単位画素の数と一致している本数の光ファイバを含むことができる。光ケーブルは非常に繊細に製造可能であるので、撮像部の単位画素の数と一致している本数を束ねることで、単位画素毎の画像を撮像部まで直接に導光することができ、画質の劣化を防ぐことができる。

上記の自走式移動車において、自走式移動車は、移動車本体に清掃部を備える自走式掃除機に適用されている。この自走式移動車を自走式掃除機に適用する場合には、少なくとも撮像用導光ケーブルを清掃部の真際や内部に配置することも可能であり、撮像用導光ケーブルは清掃された床面に沿って移動することになるので、床面の汚れなどが付着して撮像の妨げになる危険性を低くすることが可能である。

自走式掃除機に適用されている自走式移動車において、撮像用導光ケーブルの撮像先端側を、清掃部に内包されている支持部に抱持させることができる。このような配置とすることにより、撮像用導光ケーブルの撮像先端は、清掃部に内包されている支持部において周囲から抱かれた状態となり、過酷な使用環境でも簡単には外れずに安定して位置決めされた状態となる。また、支持部は、撮像用導光ケーブルを取り付けた芯部と、清掃部から延びて芯部を取り囲むとともに芯部の筒軸方向の移動を案内する筒部と、当該筒部と芯部との間に配置されて芯部を床面方向に付勢するスプリングとを備えることができる。撮像用導光ケーブルを取り付けた芯部は、外側の筒部内において、スプリングによって床面方向に付勢されているので、床面の多少の凹凸に追従して撮像用導光ケーブルを上下動させ、床面を常に清浄に撮像することが可能になる。

この発明による自走式掃除機は、上記のように構成されているので、撮像センサの画像入力部となる撮像用導光ケーブルと、床面を撮像可能な撮像部とが分離されているので、移動車外部に延びる要素が撮像用導光ケーブルとなり、移動車外部に延びる構造として省スペース化を達成することができる。また、移動車が清掃作業を行うような場合には、撮像センサを清掃部の真際や内部に配置することも可能であるので、撮像用導光ケーブルが清掃された床面に沿って移動する際には床面の汚れなどが付着することが防止され、センシングを確実にすることができる。

本発明による自走式移動車の実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明による自走式移動車が適用された自走式掃除機の一実施例を示す外観図である。図２は、図１に示す自走式掃除機を一部破断して内部構造の概要を示す構造図である。

図１、図２に示すように、自走式掃除機の掃除機本体（本発明における「移動車本体」に相当する。以下、単に「本体」と称する）１の底部には、二つの走行用の駆動輪２が設けられており、また、市販の掃除機と同様に、駆動輪２に対して離れた位置に本体１を支えるための補助輪６（図２）が設けられている。駆動輪２の回転は、制御部３からの制御信号を受けて制御される。前進の場合には左右の駆動輪２が前進方向に同時に回転し、後退の場合には後退方向に同時に回転する。旋回のときには異なる方向に同じ速さで回転させることで、本体１はその場回転をする。また補助輪６は、例えばボールキャスターのように、これらの動きに沿って本体１が滑らかに走行できるように自在に回転する。これら前進・後退と旋回と停止動作の組合せにより本体１は走行床面Ｆ上の任意の点に移動する等、室内を自在に走行することができる。

本体１は縦置き姿勢の概略筒状体の外形を備えており、本体１の周囲には複数の距離センサ７が所定の間隔で設けられている。距離センサ７によって、周囲の障害物までの距離を検知することができる。検知した距離に基づいて、本体１は、周囲の障害物や壁に衝突することなく、安全に室内を走行することが可能となっている。本体１の前方には、清掃部５が設けられており、床面Ｆの掃除を行うことができる。

図２に示すように、本体１の内部前方には、光学式変位センサ９が設けられている。光学式変位センサ９は、自走式掃除機のスタート地点からの相対位置を正確に把握するためのセンサ（本発明における撮像センサに相当する）であって、未開拓の領域の地図を作成する場合の位置の把握、スタート地点に戻るための自己位置の把握、でき上がった地図上の自己位置の把握に役立つものである。光学式変位センサ９は、例えば１秒間に１０００回又はそれ以上というような短い周期で床面Ｆを高速に撮像可能なセンサであり、撮像部が撮像した画像データを受けた信号処理部は、時間的に前後する撮影画像（イメージ）を比較することで床面Ｆの変位を算出し、出力することができる（詳細は後述）。信号処理部からの出力を、データ出力線４を通じて制御部３で積算することにより、本体１の移動距離を計測することができる。光学式変位センサ９は、図２に示すように、発光体１２及び導光ケーブル１３を備えるとともに、導光ケーブル１３は支持部８に支持されているが、これらについては後で詳述する。

図３は、本発明による自走式移動車に用いられる光学式変位センサの設置図であり、光学式変位センサの詳細とその取付け構造を拡大して示す。光学式変位センサ９は、例えば市販されている光学マウスのように、床面Ｆのような撮影対象を拡大するレンズ１１と、撮影対象を照らすＬＥＤのような発光体１２と、例えばＣＣＤのような撮像部１０、及び撮像したイメージ信号を処理する信号処理部（図示せず）とを備えている。撮像部１０、発光体１２及び信号処理部は、光学式変位センサ９のセンサ本体９ａ内に内蔵されている。また、センサ本体９ａとレンズ１１との間、即ち、撮像部１０とレンズ１１の間、及び発光体１２とレンズ１１の間は導光ケーブル１３で接続されている。センサ本体９ａとは別に導光ケーブル１３を採用していることで、光学式変位センサ９のセンサ本体９ａを自走式掃除機の本体１の内部に配置しつつ、本体１の外部に延びる要素としての導光ケーブル１３を小型化することができるため、掃除機の小型化を図ることができる。

光学式変位センサ９の導光ケーブル１３は、本体１に取り付けられている清掃部５に支持部８によって支持されている。支持部８は、導光ケーブル１３をその周囲において直接に取り囲む鞘状の芯部８ａ、清掃部５とそこから一体的に下方に延びる筒部８ｂ、及び芯部８ａと筒部８ｂとの間に配置されていて芯部８ａを常に床面Ｆ方向に付勢するコイルばねの形態を備えるスプリング１４とを備えている。芯部８ａは、導光ケーブル１３が撓まずに、筒部８ｂ内において、導光ケーブル１３と共に滑らかにスライドする鞘の役割を果たす。また、筒部８ｂは、スプリング１４を固定し、且つ芯部８ａが位置ずれを起こさずに上下スライドすることができるようにガイドする役割を果たす。

芯部８ａはスプリング１４による力で下方に付勢されており、芯部８ａの接地面８ｃは床面Ｆに非常に軽い力で押し当てられている。そのため、床面Ｆに多少の凹凸が存在していても芯部８ａはそれに追従して滑らかに上下動可能であり、その結果、床面Ｆとレンズ１１との間の距離Ｌは常に一定に保たれ、掃除機の移動量を常に安定して検出することができる。また、芯部８ａの接地面８ｃは球面の一部又は滑らかな曲面に形成されている。更に、芯部８ａの接地面８ｃが床面Ｆと接触する面積は非常に小さい。したがって、芯部８ａの接地面８ｃが床面Ｆ上を摺動しても、自走式掃除機の走行に対する抵抗としては無視し得るほどのものである。

支持部８は清掃部５の内部に、即ち、清掃部５の吸引口に取り囲まれた状態に配置されている。自走式掃除機は前後左右のあらゆる方向に移動するので、芯部８ａの接地面８ｃが清掃部５の外部に置かれる場合には、清掃部５が清掃していない床面Ｆ上をセンシングする場合も当然にあって、接地面にゴミが付着してセンシングが不可能になることがある。これに対して、本実施例のように支持部８を清掃部５の内部に置くことによって、接地面８ｃの周囲は清掃されているので、接地面８ｃに床面Ｆのゴミが付着しにくく、センシングの妨げとなる危険性が低くしている。

図４、図５は、図３に示した光学式変位センサの構造を示す図であり、図４はその構造を斜視図として示す外観図、図５は図４に示す光学式変位センサの構造の一部を破断して示す構造図である。導光ケーブル１３は複数の光ファイバで構成される撮像用導光部１５と照射用導光部１６で構成されている。支持部８では、撮像用導光部１５と照射用導光部１６は一本のケーブルに纏められており、照射用導光部１６の光ファイバは撮像用導光部１５の光ファイバを取り巻くように配置されている。光学式変位センサ９のセンサ本体９ａにおいて、イメージ信号処理部付近では、導光ケーブル１３は２つに分岐し、一方の撮像用導光部１５の光ファイバは撮像部１０に接続され、もう一方の照射用導光部１６の光ファイバは発光部１２に接続される。

導光ケーブル１３を用いることによって、発光部１２から照射用導光部１６を通じて送られた光がレンズ１１を通じて集光され、効率よく床面Ｆを照射することができる。床面Ｆから反射した光は、撮像用導光部１５を通じて撮像部１０（ＣＣＤ）に投影され、床面Ｆの状態を明瞭に撮像することができる。

図４、図５では、導光ケーブル１３は照射用導光部１６の方が短くなっているが、これは図の構造をわかりやすく図示するためであり、実際には照射用導光部１５も撮像用導光部１６もすべて同じ長さでもよい。また、照射用導光部１６を撮像用導光部１５より長くし、照射用導光部１６を通った光を、レンズ１１を通さずに直接床面Ｆを照射してもよい。この場合、光ファイバの束が断面環状に配置されている照射用導光部１６の先端の発光面を環状内側に向かせるなどして、発光光を集光させることが望ましい。

また、撮像用導光部１５に含まれる光ファイバの本数は、実際はＣＣＤの単位画素数（例えば、カラーＣＣＤを考えた場合、単板式ＣＣＤでは、ＲＧＢ３画素で１単位となり、３板式ＣＣＤでは、１画素で１単位となる）に一致させることができる。光ファイバの本数と画素数との一致により、より精度よく床面Ｆを撮像することが可能となる。

図６に基づいて、光学式変位センサ９を用いた移動距離の測定原理を説明する。例えば、あるとき床面Ｆの模様の画像２１が光学式変位センサ９で撮像され、その後、自走式掃除機の本体１が移動することによって模様の画像２１が画像２２に移動したとする。このとき、光学式変位センサ９は、画像２１と画像２２を比較することで、Ｘ方向の変位（以下ｄＸ）２３、Ｙ方向の変位（以下ｄＹ）２４を出力する。光学式変位センサ９は自走式掃除機の速度に対して高速で撮影を繰り返しているので、比較する二つの画像で位置は異なるが同一の模様が撮影されているとすることができる。なお、この演算は光学式変位センサ９側で行う代わりに、制御部３で行ってもよい。

本体１の直進方向と、光学式変位センサ９のＸ方向が一致するように設置している場合は、例えば、本体１が直進する場合は、イメージセンサのｄＸが正（または負）の値が出力され、ｄＹは変位を出力しない。また、本体１がその場回転する場合は、逆にｄＸが変位を出力せず、ｄＹが正（または負）の値が出力される。この値を制御部３で移動量に変換することで、常に本体１の位置を算出することが可能となる。

本発明による自走式移動車が適用された自走式掃除機の一実施例の概要を示す外観図。 図１に示す自走式掃除機を一部破断して内部構造の概要を示す構造図。 本発明による自走式移動車に用いられる光学式変位センサの設置図。 図３に示す光学式変位センサの構造を示す外観図。 図４に示す光学式変位センサの構造を一部を破断して示す構造図。 自走式移動車において光学式変位センサによる移動距離の測定原理の説明図。

符号の説明

１ 本体（移動体本体） ２ 駆動部
３ 制御部 ４ データ出力線
５ 清掃部 ６ 補助輪
７ 距離センサ ８ 支持部
８ａ 芯部 ８ｂ 筒部
８ｃ 接地面 ９ 光学式変位センサ
９ａ センサ本体 １０ イメージセンサ（ＣＣＤ）
１１ レンズ １２ 発光体（ＬＥＤ）
１３ 導光ケーブル １４ スプリング
１５ 撮像用導光部 １６ 照射用導光部
２１，２２ 画像 ２３ Ｘ方向の変位（ｄＸ）
２４ Ｙ方向の変位（ｄＹ） Ｆ 床面

Claims (9)

1. 移動車本体に設けられた撮像センサが検出した画像に基づいて前記移動車本体の移動が制御される自走式移動車において、前記撮像センサは、前記移動車本体に配置されており前記床面を撮像可能な撮像部を含むセンサ本体と、前記移動車本体の外部に延び床面からの光を前記撮像部に導く撮像用導光ケーブルとを有することを特徴とする自走式移動車。
2. 前記撮像センサは、前記センサ本体に配置されている発光部と、前記発光部からの光を導いて前記床面に照射する照射用導光ケーブルとを有することを特徴とする請求項１に記載の自走式移動車。
3. 前記撮像用導光ケーブルと前記照射用導光ケーブルとは、互いに同軸に内包された同軸導光ケーブルに構成されていることを特徴とする請求項２に記載の自走式移動車。
4. 前記撮像用導光ケーブルが中心部に配置され、前記照射用導光ケーブルがその周囲に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の自走式移動車。
5. 前記撮像センサは、前記撮像用導光ケーブルの前記床面側端部に関して配置されており撮像対象を拡大するレンズと、前記センサ本体に配置されており前記撮像部が撮像した画像データを処理し前記移動車本体の変位量を算出する信号処理部とを更に有する光学式変位センサとして適用されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の自走式移動車。
6. 前記撮像用導光ケーブルは、前記撮像部の単位画素の数と一致している本数の光ファイバを含んでいることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の自走式移動車。
7. 前記自走式移動車は、前記移動車本体に清掃部を備える自走式掃除機に適用されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の自走式移動車。
8. 前記撮像用導光ケーブルの撮像先端側は、前記清掃部に内包されている支持部に抱持されていることを特徴とする請求項７に記載の自走式移動車。
9. 前記支持部は、前記撮像用導光ケーブルを取り付けた芯部と、前記清掃部から延びて前記芯部を取り囲むとともに前記芯部の筒軸方向の移動を案内する筒部と、前記筒部と前記芯部との間に配置されて前記芯部を床面方向に付勢するスプリングとを備えていることを特徴とする請求項８に記載の自走式移動車。

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