JP2007193473A - 移動ロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成により、環境光などの外乱の影響を受けにくくして、ロボットを充電ステーションに正確に移動することができ、同時に他の機器への影響を少なくすることができる移動ロボットシステムを提供することを目的とする。
【解決手段】充電ステーション１１０の発信手段１１１は垂直方向に光りを発振するように充電ステーション台１１５に設け、ロボット１００の受信手段１０２はロボット１００の底面に設けたものである。これによって、発信手段１１１の垂直方向の光りをロボット１００の底面の受信手段１０２で受信するという簡単な構成により、環境光などの外乱の影響を受けにくくして、ロボット１００を充電ステーション１１０に正確に移動することができ、同時に水平方向に広範囲にわたり光を発光するものではないため、他の機器への影響を少なくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動的に充電し部屋内を移動できる移動ロボットシステムに関するものである。

従来、この種の移動ロボットシステムにおいては、電池を自動的に充電する場合、充電ステーションの予め決められた位置にロボットを移動し、正確に充電ステーションとロボットを接続する必要があった。そのため、充電ステーションの水平方向から複数の赤外線光を発信し、ロボットが赤外線光を受信することで、充電ステーションに移動させているものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

これは、図１２にその構成を示しているように、ロボット１２００は、少なくともロボットの走行制御を行うマイクロ・コンピュータ部１２０１、充電ステーションの発光した赤外線ＬＥＤ光を受光するフォトＩＣ受光部１２０２、ロボットを移動させる駆動部１２０３、ロボットの駆動に必要な電力を供給する電池部１２０４により構成されている。充電ステーション１２１０は、少なくともロボット１２００に充電ステーションの位置を示すための水平方向に発光する複数の赤外線ＬＥＤ発光部１２１１、ロボット１２００の電池部１２０４を充電するための充電部１２１２により構成されている。

そして、ロボット１２００が充電ステーション１２１０へ移動する場合に、図１３に示すように、まず、Ｓ１３０１にて赤外線ＬＥＤ発光部１２１１の発信した信号を、フォトＩＣ受光部１２０２にて受光するまでの探索行動を行う。Ｓ１３０２では、フォトＩＣ受光部１２０２が受光していない場合は、Ｓ１３０１に移行し探索行動を続ける。フォトＩＣ受光部１２０２が受光した場合は、Ｓ１３０３へ動作を移行する。Ｓ１３０３では、フォトＩＣ受光部１２０２の受光状態により、複数の赤外線ＬＥＤ光の違い区別することで、充電ステーションが前方にある場合は、前進、右側にある場合は、右、左側にある場合は、左の動作を選択する。Ｓ１３０４では、ロボットが充電ステーションと接続していない場合は、Ｓ１３０２に移行し、充電ステーションまでの移動動作を継続する。ロボットが充電ステーションと接続した場合に、動作が完了する。
特開２００４−２７５７１６号公報 特表２００１−５２５５６７号公報

しかしながら、従来の構成では、充電ステーション１２１０の水平方向から複数の赤外線ＬＥＤ光を発信し、ロボット１２００が赤外線光を受信するものであるため、インバーター照明などの環境光に影響される可能性が高く、一般家庭などのさまざまな環境下では、ロボット１２００を充電ステーション１２１０に移動することが困難になる可能性があるという課題があった。また、複数の赤外線ＬＥＤ光の干渉を防ぐためには、ロボット１２００および充電ステーション１２１０に複雑な発信および受信の制御処理が必要になり、安価に作成することが困難になる可能性があるという課題があった。さらに、水平方向に赤外線ＬＥＤ光を発光するため、広範囲にわたり、他の赤外線受信機能を持った機器の動作へ影響を与える可能性があるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、簡単な構成により、環境光などの外乱の影響を受けにくくして、ロボットを充電ステーションに正確に移動することができ、同時に他の機器への影響を少なくすることができる移動ロボットシステムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の移動ロボットシステムは、充電ステーションの発信手段は主として垂直方向に光りを発信するように充電ステーション台に設け、ロボットの受信手段はロボットの底面に設けたものである。

これによって、発信手段の垂直方向の光りをロボットの底面の受信手段で受信するという簡単な構成により、環境光などの外乱の影響を受けにくくして、ロボットを充電ステーションに正確に移動することができ、同時に水平方向に広範囲にわたり光を発光するものではないため、他の機器への影響を少なくすることができる。

本発明の移動ロボットシステムは、簡単な構成により、環境光などの外乱の影響を受けにくくして、ロボットを充電ステーションに正確に移動することができ、同時に他の機器への影響を少なくすることができる。

第１の発明は、移動するロボットと、このロボットを充電する充電ステーションとを備え、充電ステーションは、この充電ステーションの位置をロボットに通知するための光を発信する発信手段と、ロボットを充電する充電手段と、充電時にロボットが乗り上げる充電ステーション台を有し、前記ロボットは、充電手段により充電される電池と、ロボットを移動させる移動手段と、前記発信手段で発信された光を受信する受信手段と、受信手段で受信された光の情報から移動手段を制御するコントロール手段を有し、前記発信手段は主として垂直方向に光りを発信するように充電ステーション台に設け、受信手段はロボットの底面に設けた移動ロボットシステムとすることにより、発信手段の垂直方向の光りをロボットの底面の受信手段で受信するという簡単な構成により、環境光などの外乱の影響を受けにくくして、ロボットを充電ステーションに正確に移動することができ、同時に水平方向に広範囲にわたり光を発光するものではないため、他の機器への影響を少なくすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、受信手段はロボットの底面の中央に設けたことにより、ロボットのボディによって環境光を遮るので環境光の影響を受けにくく、ロボットを正確に充電ステーションの充電位置まで移動することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、充電ステーション台は、線状に光道を設けて発信手段を構成したことにより、少ない発信手段で有効に発光させることができる。

第４の発明は、特に、第３の発明において、光道は、透過型の樹脂またはガラスより構成したことにより、安価な構成とすることができる。

第５の発明は、特に、第１または第２の発明において、発信手段は複数の発信素子で構成するとともに、各発信素子の光の強弱または周波数を制御する光制御手段を備えたことにより、ロボットは受信手段の受信状態に応じて、移動速度の制御を行う、あるいは動作を変化させることで、正確に充電ステーションの充電位置まで移動することができる。

第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれか１つの発明において、受信手段は受信光の色識別を可能としたことにより、ロボットは受信手段によって受信した色の違いにより、移動速度の制御を行う、あるいは動作を変化させることで、正確に充電ステーションの充電位置まで移動することができる。

第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明において、発信手段は直線上に２つ設け、受信手段は直線上の２つの光を受信するように２つ設けたことにより、ロボットが移動中であっても、このロボットと充電ステーションとの相対位置を検知して、ロボットを正確に充電ステーションの充電位置まで移動することができる。

第８の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明において、発信手段は直線上に１つ設け、受信手段は９０度異なる２つの場合の両方において発信手段における直線上の１つの光を受信する位置に１つ設けたことにより、少ない受信手段と発信手段で、ロボットが移動中であっても、このロボットと充電ステーションとの相対位置を検知して、ロボットを正確に充電ステーションの充電位置まで移動することができる。

第９の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明において、発信手段は直線上に１つ設け、受信手段はその場で回転しても発信手段における直線上の１つの光を受信するようロボットの中心位置に設けたことにより、ロボットがその場で回転しても、１つの受信手段でこのロボットと充電ステーションとの相対位置を検知し、ロボットを正確に充電ステーションの充電位置まで移動することができる。

第１０の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明において、発信手段は直線上に２つ設け、受信手段は発信手段における直線上の１つの光を受信する位置と９０度回転した際に他の１つの光を受信する他の位置とに２つ設けたことにより、ロボットと充電ステーションとの相対位置を検知し、ロボットを正確に充電ステーションの充電位置まで移動することができる。

第１１の発明は、特に、第１〜第１０のいずれか１つの発明において、受信手段は任意の角度で受信素子を複数配置したことにより、ロボットと光の直線に対する縦軸方向および横軸方向の相対位置を検知し、正確に充電ステーションの充電位置まで移動することができる。

第１２の発明は、特に、第１１の発明において、複数の受信素子のうち１つは受信手段の中心に配置したことにより、中心に配置した受信素子の受信状態を最大になるようにロボットを移動させ、正確に充電ステーションの充電位置まで移動することができる。

第１３の発明は、特に、第１１の発明において、複数の受信素子を４５度の角度で配置したことにより、ロボットと光の直線に対する縦軸方向および横軸方向の相対位置を同じレベルで検知し、正確に充電ステーションの充電位置まで移動することができる。

第１４の発明は、特に、第１〜第１３のいずれか１つの発明において、発信手段で発信する光は、可視光、赤外線、紫外線またはレーザ光であることにより、移動ロボットシステムとしては長期にわたり省電力の充電ステーションを得ることができる。

第１５の発明は、特に、第１〜第１４のいずれか１つの発明において、発信手段で発信する光は、特定の周波数変調を行うようにしたことにより、環境光に対する影響を少なくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１〜図３は、本発明の実施の形態１における移動ロボットシステムの構成を示している。

本実施の形態における移動ロボットシステムは、移動するロボット１００と、このロボット１００を充電する充電ステーション１１０とを備えている。

充電ステーション１１０は、この充電ステーション１１０の位置をロボット１００に通知するための光を発信する発信手段１１１と、ロボット１００を充電する充電手段１１２と、充電時にロボットが乗り上げる充電ステーション台１１５を有している。

また、ロボット１００は、充電手段１１２により充電されロボットの駆動に必要な電力を供給する電池１０４と、ロボット１００を移動させる駆動輪などの移動手段１０３と、発信手段１１１で発信された光を受信する受信手段１０２と、受信手段１０２で受信された光の情報から少なくとも移動手段１０３の走行制御を行うマイクロ・コンピュータからなるコントロール手段１０１を有している。

そして、発信手段１１１は主として垂直方向に光りを発信するように充電ステーション台１１５に設け、受信手段１０２はロボット１００の底面に設けている。

ここで、充電ステーション１１０の発信手段１１１の発信した光を、ロボット１００の受信手段１０２で受信することで、コントロール手段１０１によって、移動手段１０３を制御することにより、ロボット１００を充電ステーション１１０の予め決められた位置へ移動するものである。

なお、コントロール手段１０１は、例えば、ＣＰＵ、メモリで構成されており、受信手段１０２で受信した信号から、移動手段１０３への制御信号を生成する。構成としては、他にも、ＣＰＵ、メモリを１つにした１チップマイコンや、ＦＰＧＡ、ＤＳＰなどの他の演算可能なものであっても構わない。また、ＨＤＤやＤＶＤやフラッシュメモリなどの記録装置と一緒に構成することで、メモリ容量を大量に利用するような複雑な処理をすることも可能にすることができる。

受信手段１０２は、例えば、発信手段１１１の発光する光を受信することが可能な、フォトトランジスタ、フォトダイオード、Ｃｄｓセル、ＣＣＤなどの光を受信するセンサであり、発信手段１１１の発光の光量や周波数特性に合わせた特性を持つものである。また、ロボット１００の底面に配置する受信手段１０２の場所は、充電ステーション１１０の発信手段１１１の位置と移動のパターンから決めることができる。このとき、ロボット１００の底面の中央に備え付けることにより、ロボット１００のボディによって環境光を遮るので、環境光などの外乱の影響を少なくすることが可能である。また、備え付けた受信手段１０２のまわりに、水平方向からの光を遮光する構造を設置することで、水平方向からの外乱光の影響を減らし、垂直方向への感度を高めることが可能である。

移動手段１０３は、例えば、２つのモータと２つの駆動輪を左右に水平に配置するように構成することで、コントロール手段１０１からの制御信号によって、左右のモータの回転数を変化させることにより、移動手段１０３が動作して、ロボット１００が移動する。また、移動手段１０３は、モータと駆動輪の組み合わせ以外にも、複数のサーボモータを組み合わせた関節型のアクチュエータを組み合わせた２本足や４本足などの多足移動可能なものや、利用するモータは、リニアモータなど物理的な動作が可能なものであれば構わない。

電池１０４は、例えば、ニッケル水素２次電池にすることで、ロボット１００への電力の供給、および充電手段１１２による充電が可能である。他にも、ロボット１００への電力が供給可能で、充電できるものであれば、ニッケルカドミウム２次電池、リチウムイオン２次電池、リチウムポリマー２次電池、燃料電池などでも構わない。

発信手段１１１は、例えば、赤色のＬＥＤにすることで、受信手段１０２が受信可能な光を発光することができる。他にも、受信手段１０２が受信可能であれば、白色などの他色のＬＥＤや、赤外線ＬＥＤや、レーザや、蛍光管や、無機ＥＬや、有機ＥＬなどであってもよく、素子の価格や入手し易さを考慮して、受信と発光の組み合わせにより選定することが可能である。また、発信手段１１１を配置する場合に、発信手段１１１を充電ステーション台１１５のより深い場所（充電手段１１２側）に配置することで、高さ方向である垂直方向の発光を強化させ、水平方向に出る光を減らすことができるので、垂直方向の精度を上げることが可能である。

充電手段１１２は、外部から電源供給されており、電池１０４へ電力となるエネルギーを供給する。これは、例えば、電圧を発生させる２つ以上の端子にすることで、２次電池への電力の供給が可能になる。電圧は、電池１０４の特性に合わせて設定する。さらに、電池１０４内の温度を計測するためのサーミスタなどのセンサと接続される端子を組み合わせることで、充電時の電池１０４への過充電を防ぐことが可能になる。また、流した電流と、充電した時間を記憶しておくことで、適切な充電処理を行うことが可能になる。また、充電手段１１２は、２つ以上の端子以外に、電池１０４に電力となるエネルギーを供給することができるものであればよく、例えば、電磁誘導を利用することで、２次電池へ電力を供給する構成や、燃料を注入する装置にすることで、燃料電池へ燃料を供給するものであっても構わない。

次に、ロボット１００が充電ステーション１１０へ移動する場合について、図２、図３に基づいて説明する。

まず、Ｓ２０１にて発信手段１１１の発信した信号を、受信手段１０２にて受信するまで、探索行動を行う。探索行動は、例えば、右あるいは左の壁沿いに一定の距離を保ちながら移動する壁沿い行動であったり、壁や障害物を見つけるまで直進して、見つけた場合にランダムな方向に移動するランダム行動であったり、らせん状に旋回することで回転半径を大きくして行くらせん行動であったり、ある一定の距離ごとに角度を変化させるジグザグ行動であったり、記憶してある位置情報を使って移動する位置移動行動であったり、カメラやＧＰＳや超音波などの他のセンサを利用して移動するセンサ受信行動である。図３（ａ）の例では、Ｓ２０１における壁１１６沿い行動している場合の、ロボット１００および充電ステーション１１０の構成を示している。

Ｓ２０２では、受信手段１０２が受信していない場合は、Ｓ２０１に移行し探索行動を続ける。受信手段１０２が受信した場合は、Ｓ２０３へ動作を移行する。図３（ｂ）の例では、Ｓ２０２における、受信手段１０２が発信手段１１１の光を受信した状態を示している。

Ｓ２０３では、ロボット１００の回転動作を実行する。Ｓ２０４では、再度受信手段１０２が受信していない場合は、Ｓ２０３に移行し回転動作を続ける。受信手段１０２が受信した場合は、Ｓ２０５へ動作を移行する。例えば、図３（ｃ）に示すように、受信手段１０２が発信手段１１１の光を再度受信するまで、左回転をしている。ここで回転方向は、右回転であってもよく、受信手段１０２が短距離で受信する方向に回転することで、動作を少なくすることができるため、より動作誤差を少なくすることができる。

Ｓ２０５では、ロボット１００の後退動作を実行する。Ｓ２０６では、ロボット１００が充電ステーション１１０と接続していない場合は、Ｓ２０５に移行し後退動作を続ける。ロボット１００が充電ステーション１１０と接続した場合に、動作が終了する。図３（ｄ）の例では、後退行動を行い、充電手段１１２と電池１０４が接続している状態を示している。なお、充電手段１１２と電池１０４の接続は、電池１０４によって、例えば、接続時に通電されるため、電圧あるいは電流の変化から検知することができる。また、例えば、電池１０４にスイッチなどのセンサを設けることで、接続を検知することが可能になる。

なお、本実施の形態では、光を探索する行動と、回転行動と、後退行動を組み合わせた例を示したが、他にも、発信手段１１１の配置、受信手段１０２の配置、および前進、後退、右旋、左旋、右回り、左回りなどの行動を複数組み合わせることによって、任意の位置にロボット１００を移動させることが可能である。

本実施の形態では、発信手段１１１を、ロボット１００が充電時に充電ステーション１１０の乗り上げる充電ステーション台１１５に備え付けることで、水平方向にある他の光を受信する素子への影響を少なくしながら、充電ステーション１１０の位置をロボット１００に通知する。さらに、ロボット１００の底面に受信手段１０２を備え付けることで、環境光の影響を受けにくく、かつ、発信手段１１１で発信された光を受信する。この構成によって、ロボット１００を正確に充電ステーション１０の充電位置まで移動することが可能となる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における移動ロボットシステムの充電ステーションの構成を示している。移動ロボットシステムの基本構成は実施の形態１と同じであるので、その説明を省略する。

本実施の形態においては、充電ステーション台１１５に備える発信手段１１１を、透過型の樹脂またはガラスより構成した光道１１１ａと、その側面部に設置した発光ＬＥＤなどの発信素子１１１ｂとで構成したものであり、例えば、赤色ＬＥＤなどの、少ない発信素子で、線状に光の道を作ることができる。これにより、正確に充電ステーション１１０の充電位置までロボット１００を移動することができる。

図４（ａ）は、発信手段１１１の光道１１１ａを一直線上に透過樹脂で構成し、充電ステーション１１０の側面方向から、例えば、赤色ＬＥＤ、赤外線ＬＥＤ、レーザなどの発信素子１１１ｂを備え付けたものであり、透過樹脂内を光が通ることで、光道を作っている。このように構成することで、直線に複数の発信素子１１１ｂを備えなくても、直線に光の信号を発信することが可能になる。なお、光を通す樹脂の底面に反射板や、樹脂に細い線上の溝１１１ｃを入れることで、光を反射あるいは、拡散させる構成にすることができ、上面に発光する光の量を増やすことが可能となる。また、溝１１１ｃの入れる箇所を強く発光させたい場所に任意の場所に設定することで、柔軟に構成を変えることが可能になる。また、ロボット１００は前進あるいは後退方向に動作しながら、受信手段１０２の受信した線上の光を追従していくことで、正確に直線を進むことが可能になる。

図４（ｂ）は、発信手段１１１の樹脂を放射状（末広がり）に配置した例である。このように構成することで、少しずつ光を絞ることが可能になる。この構成例では、充電手段１１２に近づくほど光を絞ることで、精度を高めることができる。なお、任意の場所の透明樹脂を細く構成して光を絞ることで、容易に精度の調整が可能になる。

図４（ｃ）は、発信手段１１１の樹脂を曲線に配置した例である。発信素子１１１ｂは１つのみであってもよい。このように構成することで、ロボット１００は前進あるいは後退方向に動作しながら、受信手段１０２の受信した線上の光を追従していくことで、曲線上に正確に動作させることが可能となる。なお、曲線は一例であり、透明樹脂を任意の形状に形成することで、容易にロボット１００を任意の位置まで移動させることが可能になる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における移動ロボットシステムの充電ステーションの構成を示している。移動ロボットシステムの基本構成は実施の形態１と同じであるので、その説明を省略する。

本実施の形態においては、発信手段１１１が複数の発信素子１１１ｂから光を発信するようにし、さらに発信する光の強弱あるいは発信する光の周波数を制御する光制御手段１１３を備えることで、ロボット１００が、受信手段１０２の受信状態に応じて、移動速度の制御を行う、あるいは動作を変化させるものである。

図５（ａ）は、直線に複数の発信素子で構成された発信手段１１１を設置した充電ステーション１１０の例を示している。複数の発信素子は、光制御手段１１３によって発光を制御される。ここで、光制御手段１１３は、例えば、マイクロ・コンピュータやＦＰＧＡやＤＳＰなどのような制御処理が可能な半導体装置や、電子部品を組み合わせた制御回路などにより、電圧あるいは電流の制御によって光の強度を変化または、発信する周波数の制御を行うものである。また、発信素子に光の強度や周波数を設定する光制御手段１１３を組み込むと、制御信号用の配線１１７を不要にすることも可能である。ロボット１００は、受信手段１０２によって受信した光の強度や周波数を、コントロール手段１０１で識別し、光の強度や周波数に対して、予め決めてある走行速度または行動を変化させる。例えば、発信手段１１１の発信素子を、充電ステーション１１０の充電手段１１２に近づくにつれて、光の強度を強くするように配置し、ロボット１００は、光の強度が強い場合は、走行速度を遅くするように、予めコントロール手段１０１の制御処理に記憶させておくことで、充電手段１１２に近づくにつれて、走行速度を遅くすることができ、接続時に正確に接続したり、静かに接続したりすることが可能である。また、精度の必要の無い移動区間の走行速度を早めることで、よりすばやく接続することが可能になる。

図５（ｂ）は、所定の位置に２つ発信手段１１１を設置した場合の例である。ロボット１００は、予め光の強さや周波数によって、行動を変化させるようにしておくことで、例えば、受信手段１０２が左上の発信手段１１１にて受信した場合、９０度回転させ、受信手段１０２は右下の発信手段１１１まで移動する。そこで、ロボット１００を後退させることで、充電手段１１２に接続するようにすることが可能である。

また、図４（ａ）のように、光を透過させる樹脂の側面から発信素子を光らせて、光道を作った場合は、発信素子の近傍の樹脂から発光される光がより強い光を発信することを利用することで、光の強度により、速度制御あるいは行動制御を行い、ロボットを正確に、静かに、あるいはすばやく移動させることも可能である。

このように、受信手段１０２で受信した光の強度や周波数に対して、ロボット１００の走行速度や動作を変化させることが可能になる。

（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４における移動ロボットシステムの充電ステーションの構成を示している。移動ロボットシステムの基本構成は実施の形態１と同じであるので、その説明を省略する。

本実施の形態においては、発信手段１１１の発信素子１１ｂを複数の光でそれぞれ異なった発光色で構成することで、ロボット１００が、受信手段１０２の受信状態に応じて、移動速度の制御を行う、あるいは動作を変化させるようにしたものである。すなわち、受信手段１０２は受信光の色識別を可能としたものである。

図６（ａ）は、発信手段１１１の一方の発振素子１１１ｂとして青色発光ＬＥＤを用い、他方の発振素子１１１ｂとして赤色発光ＬＥＤを用い、直線に設置した透過樹脂の両側にそれぞれを設置した場合の例である。このように構成することで、色の違いにより、ロボット１００は、光の青色が強い場合は、走行速度を速くして、赤色が強い場合は遅くするように、予めコントロール手段１０１の制御処理に記憶させておくことで、充電手段１１２に近づくにつれて、走行速度を遅くすることができ、接続時に正確に接続したり、静かに接続したりすることが可能である。

図６（ｂ）は、図６（ａ）と同様、２色の発振素子１１１ｂを、曲線に設置した透過樹脂の両側に設置した場合の例である。このように構成することで、受信手段１０２にて受信した色の違いにより、ロボット１００は、曲線の左右どちら側に位置しているかを特定することが可能となり、コントロール手段１０１にて、充電ステーション１１０の特定の位置まで移動することが可能となる。

なお、受信手段１０２は、例えば、特定の光だけを透過させるフィルターを取り付けることにより、受信手段１０２が特定の色の判別をすることが可能になる。他にも、色による受信感度の異なる複数の受信素子を並べて配置しておくことで、色の違いを区別することが可能になる。他にも、ＣＣＤのような色を区別する素子で構成することで色の違いを区別することも可能である。

また、実施の形態３で説明した例のように、異なった色の発信素子を、充電ステーション台１１５に配置し、受信状態によりロボット１００を制御することで、実施の形態３と同じ効果を得ることも可能である。

（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５における移動ロボットシステムを示している。移動ロボットシステムの基本構成は実施の形態１と同じであるので、その説明を省略する。

本実施の形態においては、発信手段１１１は充電ステーション１１０の直線上に２つ設け、受信手段１０２はこの直線上の２つの光を受信するようにロボット１００の底面に２つ設けたものである。これにより、ロボット１００が移動中であっても、このロボット１００と充電ステーション１１０との相対位置を検知して、ロボット１００を正確に充電ステーション１１０の充電位置まで移動することができる。

図７（ａ）は、ロボット１００と充電ステーション１１０の構成および壁１１６沿い行動による受信探索の状態（図２のＳ２０１）を示している。ここで、ロボット１００の左右に受信手段１０２を配置し、充電ステーション台１１５に発信手段１１１である２本の直線の光を透過させる樹脂を配置した状態である。

図７（ｂ）は、左側から壁沿いにロボット１００が進んで、充電ステーション１１０の左側の発信手段１１１上に、２つの受信手段１０２が位置している状態である。このように、２つの受信手段１０２で直線の発信手段１１１を受信することで、充電ステーション１１０と正確に横軸方向に位置していることを確認することが可能である。ここで、例えば、ロボット１００の左側だけ、あるいは右方向だけ、あるいはどちらかの受信感度の強さにより、ロボット１００と充電ステーション１１０の相対的な角度を特定することが可能であり、状態に対する補正処理を行うように、ロボット１００を移動することが可能となる。例えば、右側の受信感度が強い場合は、左の移動手段１０３をより多く回転させることで、左右両方の受信手段１０２の受信状態を同じ状態にする方向へ補正することが可能である。

ここで、受信手段１０２が複数の受信素子を備えている場合は、それぞれの受信素子のばらつきなども考慮する必要があり、可変抵抗などの装置により、受信感度を調整するように構成しておくことで、調整が可能である。また、コントロール手段１０１に左右の受信手段１０２の特性を記憶させておくことで、受信時に特性の違いを補正することが可能である。

図７（ｃ）は、左移動手段の回転をさせずに、右移動手段だけ動作させた左旋回行動を行い、２つの発信手段１１１上に左右の受信手段１０２がそれぞれ位置している状態を示している。受信手段１０２および発信手段１１１それぞれを２つ利用することで、ロボット１００と充電ステーション１１０との相対位置を特定することができる。次に、２つの受信手段１０２が受信するように、コントロール手段１０１にて制御しながら、後退することで、図７（ｄ）に示すように、充電手段１１２と電池１０４を正確に接続することが可能である。

このように、２つの受信手段１０２、および２つの直線上の発信手段１１１を設けることで、ロボット１００と充電ステーション１１０との横軸方向および縦軸方向の相対的な位置を特定することができるので、正確にロボットを充電ステーションの充電位置まで移動することが可能となる。

（実施の形態６）
図８は、本発明の実施の形態６における移動ロボットシステムを示している。移動ロボットシステムの基本構成は実施の形態１と同じであるので、その説明を省略する。

本実施の形態においては、発信手段１１１は充電ステーション１１０の直線上に１つ設け、受信手段１０２は９０度異なる２つの場合の両方において発信手段１１１における直線上の１つの光を受信するロボット位置に１つ設けたものである。これにより、少ない受信手段１０２と発信手段１１１で、ロボット１００が移動中であっても、このロボット１００と充電ステーション１１０との相対位置を検知して、ロボットを正確に充電ステーションの充電位置まで移動することができる。

図８（ａ）は、ロボット１００と充電ステーション１１０の構成および壁１１６沿い行動による受信探索の状態（図２のＳ２０１）を示している。ここで、ロボット１００の左に受信手段１０２を配置し、充電ステーション台１１５に発信手段１１１である１本の直線上の光を透過させる樹脂を配置した状態である。

図８（ｂ）は、左側から壁沿いにロボット１００が進んで、充電ステーション１１０の発信手段１１１上に受信手段１０２が位置している状態である。このように、受信手段１０２で直線上の発信手段１１１の光を受信することで、充電ステーション１１０の位置を確認することが可能である。

図８（ｃ）は、受信手段１０２で発信手段１１１の光を受信しながら、左移動手段の回転をさせずに、右移動手段だけ動作させた左旋回行動を行う状態を示している。ロボット１００は、移動手段の回転数からおおよそ９０度回転した状態まで移動する。他にも、ジャイロセンサや、タイヤの回転数からのオドメトリ情報を利用することでも、おおよそ９０度回転した状態まで移動することが可能である。

さらに、図８（ｄ）に示すように、受信手段１０２が直線上の発信手段１１１の光を受信するように、コントロール手段１０１にて制御しながら、後退することで、充電手段１１２と電池１０４を正確に接続することが可能である。なお、コントロール手段１０１は、受信手段の強度の変化に応じて、左右の移動手段１０３の回転数に差異をつけることで、追従することが可能である。例えば、右側を多く回転させている状態で、受信感度が弱くなった場合は、左側を多く回転させるように変更し、受信状態を最大限になるように制御を行う。

このように、１つの受信手段１０２および１つの直線上の発信手段１１１を設けることで、少ない受信手段および発信手段で、正確にロボットを充電ステーションの充電位置まで移動することが可能となる。

（実施の形態７）
図９は、本発明の実施の形態７における移動ロボットシステムを示している。移動ロボットシステムの基本構成は実施の形態１と同じであるので、その説明を省略する。

本実施の形態においては、発信手段１１１は充電ステーション１１０の直線上に１つ設け、受信手段１０２はその場で回転しても発信手段１１１における直線上の１つの光を受信するようロボット１００の底面の中心位置に設けたものである。これにより、ロボット１００がその場で回転しても、１つの受信手段１０２でこのロボット１００と充電ステーション１１０との相対位置を検知し、ロボットを正確に充電ステーションの充電位置まで移動することができる。

図９（ａ）〜（ｄ）に示すように、実施の形態６で説明した流れと同じように、正確にロボット１００を充電ステーション１１０の充電位置まで移動することが可能となる。

なお、ロボット１００の中心位置に受信手段１０２を設けることで、外乱光の影響を小さくすることが可能であり、充電ステーション台１１５の中央に直線上の発信手段１１１を設けることで、受信手段１０２と発信手段１１１の位置がずれて、左右どちらかに偏っていた場合でも、受信手段１０２はロボット１００の中心位置に設けているため、左右対称となり、追従しやすく、移動させることが可能となる。

（実施の形態８）
図１０は、本発明の実施の形態８における移動ロボットシステムを示している。移動ロボットシステムの基本構成は実施の形態１と同じであるので、その説明を省略する。

本実施の形態においては、発信手段１１１は充電ステーション１１０の直線上に２つ設け、受信手段１０２は発信手段１１１における直線上の１つの光を受信する位置と９０度回転した際に他の１つの光を受信する他の位置とに２つ設けたものである。なお、充電ステーション１１０の縦軸方向の幅を、各実施の形態の場合よりも短くし小型化している。これにより、ロボット１００と充電ステーション１１０との相対位置を検知し、ロボットを正確に充電ステーションの充電位置まで移動することができる。

図１０（ａ）は、充電ステーション１１０の縦軸方向の幅を短くしていることにより、壁１１６沿い行動で、充電ステーション１１０の発信手段１１１が発光する光を受信するのは、右側に配置している受信手段１０２のみとなる。

図１０（ｂ）は、右側の受信手段１０２が１つの発信手段１１１の上に位置している状態である。受信手段１０２が光を受信した場合に、図１０（ｃ）に示すように、その場で左回転行動を行い、９０度回転した際に他の発信手段１１１の光を左側の受信手段１０２が受信する。すなわち、左右の受信手段１０２が２つの発信手段１１１上に位置する状態まで移動する。次に、左右の受信手段１０２が光を受信した場合に、実施の形態５と同様に後退することで、図１０（ｄ）に示すように、充電手段１１２と電池１０４を正確に接続する。

なお、本実施の形態では、受信手段１０２が必ず変化する箇所で動作を変化させたが、例えば、ジャイロセンサや、移動手段が動作したオドメトリ情報を使うことで、９０度回転させてから、受信手段１０２が検知するまで、後退させるようにすることでも同様の効果を得ることができる。

また、受信手段１０２の位置および発信手段１１１の位置は、ロボット１００の大きさや設定している動作によって、最適な場所があり、本実施の形態５〜８は、それぞれのロボットの動作に応じた配置になっている。

また、ロボット１００が光を誤って検出した場合に、誤動作をしないように、例えば、さらに１つ発信手段１１１を直線上に設け（計３つ）、１つ目の光受信で次の受信を探索する探索モードに切り替え、次の信号を検知する時間の間のみ探索モードにする。そして、次の光受信がなければ、元の行動に戻ることで、誤検知を回避しやすくすることが可能となる。さらに、探索モードの時に、走行速度を下げることで、精度を高めることも可能となる。

（実施の形態９）
図１１は、本発明の実施の形態９における移動ロボットシステムを示している。移動ロボットシステムの基本構成は実施の形態１と同じであるので、その説明を省略する。

本実施の形態においては、受信手段１０２は任意の角度で受信素子Ａ、Ｂ、Ｃを配置したものである。この複数の受信素子のうち、１つの受信素子Ｂは受信手段１０２の中心に配置している。また、複数の受信素子Ａ、Ｂ、Ｃの配置角度は、本実施の形態では４５度としている。

図１１（ａ）は、受信手段１０２の受信素子Ａ、Ｂ、Ｃを３０度で並べた場合の例である。このように受信素子を配置することで、ロボット１００は、同じ受信素子で、図１１（ｂ）に示すように、ロボット１００と充電ステーション１１０の位置が縦軸方向に発信手段１１１からどれだけずれているかを検出することが可能になり、同様に、図１１（ｄ）に示すように、ロボット１００が９０度回転した場合、横軸方向に対してもどれだけずれているかを検知することが可能である。また、受信素子Ａ、Ｂ、Ｃを３０度傾けることにより、縦軸方向により密に受信素子が配置されるため、精度を高めることができる。また、必要状況に応じて角度を変化させるだけで、容易に縦軸方向および横軸方向の精度を調整することが可能となる。

また、複数の受信素子のうち、受信素子Ｂが受信手段１０２の中心に配置し、図１１（ｃ）の受信状況に示すように、中心の受信素子Ｂの受信状態を最大になるようにロボットを移動させれば、ロボットを正確に充電ステーションの充電位置まで移動することが可能となる。また、図１１（ｅ）の受信状況に示すように、受信手段１０２の中心位置から受信位置がずれている場合は、複数の受信素子の受信状況により、その違いでどちらにずれているのかがすぐに検出できるようになるため、容易に位置の補正ができるようになる。図１１（ｅ）の場合は、右にずれている状態であるので、この場合は、右側の移動手段の回転数を、左側の移動手段の回転数よりも大きくすることで、補正することが可能となる。

また、受信素子Ａ、Ｂ、Ｃの配置を４５度とすれば、直線上の光に対する縦軸方向および横軸方向の相対位置を同じレベルで検知することが可能となるため、ロボット１００と充電ステーション１１０との相対位置が、縦軸方向あるいは横軸方向であることを認識しなくても、同じ補正をすることで同じ精度を得ることが可能となる。

（実施の形態１０）
次に、本発明の実施の形態１０における移動ロボットシステムについて説明する。移動ロボットシステムの基本構成は実施の形態１と同じであるので、その説明を省略する。

本実施の形態においては、発信手段１１１で発信する光は、可視光、赤外線、紫外線またはレーザ光としたものである。例えば、可視光であれば、発光ＬＥＤのような素子で構成することによって、長寿命で省電力の充電ステーションを作成することが可能である。また、赤外線の場合であれば、赤外線ＬＥＤを搭載することで同様の効果を得ることが可能である。

これにより、移動ロボットシステムとしては長期にわたり省電力の充電ステーションを得ることができる。

（実施の形態１１）
次に、本発明の実施の形態１１における移動ロボットシステムについて説明する。移動ロボットシステムの基本構成は実施の形態１と同じであるので、その説明を省略する。

本実施の形態においては、発信手段１１１で発信する光は、特定の周波数変調を行うようにしたものである。例えば、特定の周波数帯のみに反応するように受信手段１０２を備えておくことで、環境光に対する影響をさらに少なくすることが可能である。

このように、発信手段で発信する光は、特定の周波数変調を行うようにしたことにより、環境光に対する影響を少なくすることができる。

上記した各実施の形態１〜１１の構成は、必要に応じて適宜組み合わせることが可能であり、各実施の形態そのものの構成に限定されるものではない。また、各実施の形態では、充電ステーションを前提としたシステムについて説明したが、それ以外にも、特定の位置あるいは経路に移動させる場合にも有用である。例えば、ロボットの待機場所として記憶させておくことで、清掃ロボットの場合、清掃後に特定の場所に待機させることにより、利用者がごみを処理しやすくすることも可能であり、監視ロボットの場合、特定の場所の監視をさせることが可能となる。

本発明にかかる移動ロボットシステムは、簡単な構成により、環境光などの外乱の影響を受けにくくして、ロボットを充電ステーションに正確に移動することができ、同時に他の機器への影響を少なくすることができるので、掃除ロボット、監視ロボット、コミュニケーションロボット、あるいは家事ロボットなどの自動的に充電が必要な各種装置に適用できる。

本発明の実施の形態１における移動ロボットシステムの構成を示すブロック図 同移動ロボットシステムの充電ステーションへの移動の流れを示すフローチャート 同移動ロボットシステムの構成と充電ステーションへの移動の流れを示す図 本発明の実施の形態２における移動ロボットシステムの充電ステーションの構成を示す図 本発明の実施の形態３における移動ロボットシステムの充電ステーションの構成を示す図 本発明の実施の形態４における移動ロボットシステムの充電ステーションの構成を示す図 本発明の実施の形態５における移動ロボットシステムの構成と充電ステーションへの移動の流れを示す図 本発明の実施の形態６における移動ロボットシステムの構成と充電ステーションへの移動の流れを示す図 本発明の実施の形態７における移動ロボットシステムの構成と充電ステーションへの移動の流れを示す図 本発明の実施の形態８における移動ロボットシステムの構成と充電ステーションへの移動の流れを示す図 本発明の実施の形態９における移動ロボットシステムの充電ステーションの構成を示す図 従来の移動ロボットシステムの構成を示すブロック図 同移動ロボットシステムの充電ステーションへの移動の流れフローチャート

符号の説明

１００ ロボット
１０１ コントロール手段
１０２ 受信手段
１０３ 移動手段
１０４ 電池
１１０ 充電ステーション
１１１ 発信手段
１１２ 充電手段
１１３ 光制御手段
１１５ 充電ステーション台

Claims (15)

1. 移動するロボットと、このロボットを充電する充電ステーションとを備え、充電ステーションは、この充電ステーションの位置をロボットに通知するための光を発信する発信手段と、ロボットを充電する充電手段と、充電時にロボットが乗り上げる充電ステーション台を有し、前記ロボットは、充電手段により充電される電池と、ロボットを移動させる移動手段と、前記発信手段で発信された光を受信する受信手段と、受信手段で受信された光の情報から移動手段を制御するコントロール手段を有し、前記発信手段は主として垂直方向に光りを発信するように充電ステーション台に設け、受信手段はロボットの底面に設けた移動ロボットシステム。
2. 受信手段はロボットの底面の中央に設けた請求項１に記載の移動ロボットシステム。
3. 充電ステーション台は、線状に光道を設けて発信手段を構成した請求項１または２に記載の移動ロボットシステム。
4. 光道は、透過型の樹脂またはガラスより構成した請求項３に記載の移動ロボットシステム。
5. 発信手段は複数の発信素子で構成するとともに、各発信素子の光の強弱または周波数を制御する光制御手段を備えた請求項１または２に記載の移動ロボットシステム。
6. 受信手段は受信光の色識別を可能とした請求項１〜５のいずれか１項に記載の移動ロボットシステム。
7. 発信手段は直線上に２つ設け、受信手段は直線上の２つの光を受信するように２つ設けた請求項１〜６のいずれか１項に記載の移動ロボットシステム。
8. 発信手段は直線上に１つ設け、受信手段は９０度異なる２つの場合の両方において発信手段における直線上の１つの光を受信する位置に１つ設けた請求項１〜６のいずれか１項に記載の移動ロボットシステム。
9. 発信手段は直線上に１つ設け、受信手段はその場で回転しても発信手段における直線上の１つの光を受信するようロボットの中心位置に設けた請求項１〜６のいずれか１項に記載の移動ロボットシステム。
10. 発信手段は直線上に２つ設け、受信手段は発信手段における直線上の１つの光を受信する位置と９０度回転した際に他の１つの光を受信する他の位置とに２つ設けた請求項１〜６のいずれか１項に記載の移動ロボットシステム。
11. 受信手段は任意の角度で受信素子を複数配置した請求項１〜１０のいずれか１項に記載の移動ロボットシステム。
12. 複数の受信素子のうち１つは受信手段の中心に配置した請求項１１に記載の移動ロボットシステム。
13. 複数の受信素子を４５度の角度で配置した請求項１１に記載の移動ロボットシステム。
14. 発信手段で発信する光は、可視光、赤外線、紫外線またはレーザ光である請求項１〜１３のいずれか１項に記載の移動ロボットシステム。
15. 発信手段で発信する光は、特定の周波数変調を行うようにした請求項１〜１４のいずれか１項に記載の移動ロボットシステム。