JP2010167055A - 自走式掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】精度良く絨毯目による横ずれの角度偏差を検出して、自走精度を高めた自走式掃除機を提供することを目的とする。
【解決手段】走行制御を行う走行制御手段８と、本体１の方向を計測する方向計測手段１１と、本体１の前部に取り付けられ前方床面を撮像するイメージセンサ１２と、このイメージセンサ１２が撮像した画像を一時的に保持する画像保持手段９と、この画像保持手段９の画像の変位を逐次検出する変位検知手段１０とを有し、走行制御手段８は、方向計測手段１１の出力に基づいて本体１を目標方向に直進させるとともに、直進の目標方向に変位検知手段１０の出力に基づき修正を施すようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動的に床面を清掃する自走式掃除機に関するものである。

近年、作業機器に走行駆動装置、センサ類および走行制御手段等を付加して、自動的に作業を行う各種の移動作業ロボットが開発されている。

例えば、自走式掃除機は、清掃機能として本体底部に吸い込みノズルやブラシなどを備え、移動機能として走行および操舵手段と、走行時の障害物を検知する障害物検知手段と、位置を認識する位置認識手段とを備え、この障害物検知手段によって清掃場所の周囲の壁等に沿って移動しつつ、位置認識手段によって清掃区域を認識し、その清掃区域内を移動させて清掃区域全体を清掃するものである（例えば、特許文献１参照）。

ここで、自走式掃除機において、絨毯目による影響について図７を参照しながら説明する。

作業区域の床面が毛足の長いカットパイルカーペット等のように、絨毯目の強い絨毯で、しかも絨毯目が直進方向と直角方向にある場合には、走行中に本体が徐々に絨毯目方向に流されるという現象が起こる。

すなわち、図７（ａ）は、絨毯のない平坦なベアフロア上で直進した場合の本体４１の移動軌跡を示す。

このときは絨毯がないので、当然絨毯目の影響はなく、本体４１に移動軌跡は走行開始時の本体の方向と一致した直線ａになる。

しかしながら、例えば（ｂ）に示すように、床面を絨毯目が左から右の方向にある絨毯に変えて同条件で直進させると、本体４１は目標ラインＬ１に乗るように直進制御を行うが、実際の移動軌跡は、常に走行開始時の方向を向いているにもかかわらず目標ラインＬ１の方向から右へ角度θだけ傾いた直線ｂになる。

この横ずれの度合いを示す角度偏差θは絨毯によってほぼ固有であり数度程度である。

この絨毯固有の横ずれの度合いを示す角度偏差θは、本体４１に対して回転自由な支持軸と車輪からなる操舵手段の角度をもとに検出するものである。
特開平８−２２８９８０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、機械的に操舵手段の車輪の角度を検出しようとするものであるため、支持軸のガタや埃等による支持軸の固着が計測精度を悪くする原因となっていた。

そこで本発明は、絨毯目による横ずれの角度偏差を機械的ではなく非接触手段により検出できる自走式掃除機を提供することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の自走式掃除機は、本体を移動させる駆動輪と、この駆動輪を駆動させる駆動手段と、清掃を行う清掃手段と、前記駆動手段を制御して本体の走行制御を行う走行制御手段と、本体の方向を計測する方向計測手段と、本体の前部に取り付けられ床面を撮像するイメージセンサと、このイメージセンサが撮像した画像を一時的に保持する画像保持手段と、この画像保持手段の画像の変位を逐次検出する変位検知手段とを具備し、前記走行制御手段は、方向計測手段の出力に基づいて本体を目標方向に直進させるとともに、この直進の目標方向に前記変位検知手段の出力に基づき修正を施すようにしたものである。

これにより、機械的に操舵手段の車輪の角度を検出する場合にあった支持軸のガタや埃等による支持軸の固着の課題がなくなり、精度良く絨毯目による横ずれの角度偏差を検出でき、直進性の良い自走式掃除機を提供できる。

本発明の自走式掃除機は、非接触手段で絨毯目による横方向への流され度合いを検出するため、機械的に操舵手段の車輪の角度を検出する場合にあった支持軸のガタや埃等による支持軸の固着の課題がなくなり、精度良く絨毯目による横ずれの角度偏差を検出できる。

第１の発明は、本体を移動させる駆動輪と、前記駆動輪を駆動する駆動手段と、清掃を行う清掃手段と、前記駆動手段を制御して本体の走行制御を行う走行制御手段と、本体の方向を計測する方向計測手段と、本体に取り付けられ床面を撮像するイメージセンサと、このイメージセンサが撮像した画像を一時的に保持する画像保持手段と、この画像保持手段の画像の変位を逐次検出する変位検知手段とを具備し、前記走行制御手段は、方向計測手段の出力に基づいて本体を目標方向に直進させるとともに、直進の目標方向に前記変位検知手段の出力に基づき修正を施すようにしたものである。

したがって、精度良く絨毯目による横ずれの角度偏差を検出できる。

第２の発明は、本体から外部の物体までの距離を測定する測距手段と、測距センサの出力に基づいて障害物を検知する障害物検知手段と、障害物検知手段の出力により本体の直進走行をＵターンさせる旋回手段を有し、旋回手段動作中は変位検知手段の出力を無視することでターン時の絨毯目による横ずれの角度偏差の検知誤りを回避できる。

第３の発明は、旋回手段動作後安定して直進するまでは変位検知手段の出力を無視することでさらに精度良くターン時の絨毯目による横ずれの角度偏差の検知誤りを回避できる。

第４の発明は、イメージセンサを天井が撮像できるように取り付けることで天井の照明などを目印に精度良く絨毯目による横ずれの角度偏差を検出できる。

第５の発明は、イメージセンサを本体の後部に取り付け後方床面を撮像するように取り付けることにより精度良く絨毯目による横ずれの角度偏差を検出できる。

第６の発明は、床面を撮像するイメージセンサを本体の前部と後部とさらに左右の側方にも取り付けることにより、さらに精度良く絨毯目による横ずれの角度偏差を検出できる。

第７の発明は、イメージセンサを本体の前部に２個以上取り付け前方床面を撮像するこ
とによりさらに精度良く絨毯目による横ずれの角度偏差を検出できる。

第８の発明は、２個のイメージセンサを本体の前部に左右に並べて取り付け前方床面を撮像することにより視差による遠近情報が加わりさらに精度良く絨毯目による横ずれの角度偏差を検出できる。

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、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１，２において、１は自走式掃除機の本体であり、高さ約２０ｃｍ、長さ約３０ｃｍ、幅約２５ｃｍの大きさのものである。

２は本体を移動させる駆動輪、３は直流モータからなる駆動手段、４，５，６は清掃手段としての床ノズル、ファンモータ、およびダストボックスである。

７は制御回路基板であり、マイクロコンピュータなどの電子回路が搭載されており、走行制御手段８、画像保持手段９、および変位検知手段１０もこの上に構成されている。

１１は方向計測手段であり、角速度を検知するジャイロセンサを用いている。

１２はイメージセンサであり、斜め下方向に向けられ、走行時の前方床面を撮像するようにしている。このイメージセンサ１２の出力は図示していないが画像保持手段９に接続されている。

１３は操作部で、本体１の運転を開始したり、停止したり、あるいは清掃モードを設定入力できる。１４は電源スイッチ、１５はバンパーであり、走行中に壁や家具に接触すると、図示していないが本体１の内部にあるスイッチが入る構造になっており、接触を検知するものである。１６電池である。

１７ａ、１７ｂは横方向にある家具や壁などとの距離を測る赤外線式の測距センサであり、横方向に２個付けることで壁に本体１が平行になるような制御をしやすいようにしている。

１７ｃ、１７ｄは同じく赤外線式の測距センサであるが、前部に取り付けられており、前進時に前方の障害物との衝突を避けられるよう前方向にある家具や壁などの障害物との距離を測るものである。

１７ｅ、１７ｆは横方向にある家具や壁などとの距離を測る赤外線式の測距センサである。

方向計測手段１１、測距センサ１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆ、イメージセンサ１２，画像保持手段９、およびこの画像保持手段９の画像の変位を逐次検出する変位検知手段１０は走行制御手段８にそれぞれの出力を入力している。

走行制御手段８は、これらのデータを判断して左右駆動モータ１８Ｌ，１８Ｒに制御信号を出力する。

本実施の形態では、この駆動モータ１８Ｌ，１８Ｒの回転速度を制御することにより、左右の駆動輪２Ｌ、２Ｒの回転速度を独立して制御し、本体１の駆動および操舵を行って
いる。

ここで、絨毯上を直進走行する場合の絨毯目の影響について図３を用いて説明する。

図３において、（ａ）は走行床面が絨毯のないベアフロアの場合の本体１の移動軌跡を示す。

従来の技術で述べたように、このとき絨毯がないので当然絨毯目の影響はなく、本体１は走行制御手段８の直進手段により直進制御を行い、その移動軌跡は走行開始時の本体１の方向と一致した直線ａになる。

しかしながら、例えば（ｂ）に示すように、床面を絨毯目が左から右の方向にある絨毯に変えて同条件で直進走行させると、本体１は走行制御手段８が有する直進モードである直進手段により目標ラインＬ１に乗るように直進制御を行うが、実際の移動軌跡は、目標ラインＬ１の方向から右へ角度θだけ傾いた直線ｂになる。

本体１が絨毯上を直進走行する場合に、その直進距離に比例して本体１が絨毯目の方向に横すべりする度合いを表す角度偏差θは絨毯によってほぼ固有であり、数度程度であることがを確認できており、例えば（ｃ）に示すように角度偏差θを最初の走行時にあらかじめ測定した絨毯上で直進手段の目標ラインを走行開始時の方向から左に角度θ傾いた直線Ｌ２として（ｂ）と同条件で直進走行させると、そのときの移動軌跡は走行開始時の本体１の方向と一致した直線ｃになる。

同様に（ｄ）に示すように、走行開始方向を（ｃ）と反対方向に直進走行させる場合には、直進手段の目標ラインを走行開始時の方向から右に角度θ傾いたＬ３として直進走行させれば、移動軌跡は走行開始時の本体１の方向と一致した直線ｄになる。

このように、絨毯上を直進走行する場合は、絨毯目の方向とその目の強さに応じて直進手段の目標ラインの方向を変えることにより本体１の移動軌跡が補正できることがわかるであろう。

次に、イメージセンサ１２で床面を撮像することによる動作を図４を用いて説明する。図４において、（ａ）および（ｂ）は絨毯上を図３（ｂ）のように走行したときのイメージセンサ１２で撮像した画像を保持する画像保持手段９の時刻Ｔ１と時刻Ｔ２のときの画像である。

１９はイメージセンサ１２が撮像した画像フレームである。

イメージセンサ１２は約３０万画素のＣＣＤであり横６４０画素×縦４８０画素で構成されている。

模様Ａ〜模様Ｅは床面の木目、絨毯の毛の傾きのばらつき、絨毯の柄、ゴミなどイメージセンサ１２で撮像した時に濃淡模様として写るものである。

図４の（ｃ）は変位検知手段１０が検知した時刻Ｔ１から時刻Ｔ２のときの画像の変位ベクトルである。２０は変位検知手段１０の画像フレームである。

変位検知手段１０は２枚の画像の相関をとることにより床面の模様Ａ〜模様Ｅの変位が左斜め下方向にθずれていることを検知できる。

すなわち、時刻Ｔ２の画像を１画素分ずつ右または左や上にずらし、時刻Ｔ１の画像と重ね合わせて画面全体の明るさを計算していき、画面全体の明るさが一番明るい時の縦・横のずらし量から変位が検知できる。

例えば、時刻Ｔ２の画像を上に３０画素、右に１８画素ずらしたときの時刻Ｔ１の画像との重ね合わせ画像が一番明度が高ければ、ずれ角度θはＡｒｃｔａｎ（１８／３０）と言える。

この結果、絨毯目に流されていることを検知でき、しかもその流され度合いは角度にしてθであることが判り、前述したとおり、方向計測手段１１の出力をもとに本体方向をθだけ左に振って走行すれば直進できることになる。

同じ絨毯上の復路の場合も同様の考え方で補正でき、方向計測手段１１の出力をもとに本体の進行方向に対し右方向にθだけ本体を傾けて走行することで直進できる。

図５は本実施の形態の走行制御手段８における制御方法を示すフローチャートである。２１は変位検知手段１０の出力の平均角度を演算する絨毯ずれ演算手段、２２は絨毯ずれ演算手段２１の値を入力し直進制御の補正目標ラインを設定する走行補正手段、２３は方向計測手段１１で計測した本体１の方向データに基づき、本体１が走行補正手段２２で設定された補正目標ラインに乗るように駆動モータ１８Ｌ，１８Ｒを制御して直進走行させる直進手段、２４は旋回手段で、本体を９０°あるいは１８０°、右または左に旋回させるものである。

そして、直進走行中に測距センサにより本体１の前方に障害物を検知しかつ清掃作業が終了でなければ所定の作業幅だけ作業方向に変位した位置に反転する様になっている。

図６を用いて自走式掃除機の移動軌跡について説明する。本体１で清掃する床面は、絨毯目が左から右にあるとする。

本体１を開始点Ｓにおいてスタートすると、直進走行を開始し、図３の（ｂ）で示した場合と同様に、実際の移動軌跡は絨毯目の影響で右にずれた方向に流される。

既に説明した様に、変位検知手段１０の出力は本体１が右方向に角度θ分流されていることを示す。

前方の壁Ｗ１に近づき、測距手段１７ｃまたは１７ｄがこれを検知すると、作業方向Ａの方向に障害物があるかどうかを見る。

この場合は障害物がないので、地点Ｐ１で作業方向Ａの方向すなわち本体１の右方向へ所定の作業幅だけ変位した位置に方向計測手段１１を用いて正確に１８０°反転する。

このとき、絨毯ずれ演算手段２１は地点Ｐ１で反転開始するまでの変位検知手段１０の出力角度の平均値θ１を演算している。

地点Ｐ１での反転後、直進手段２３により直進制御を行う。直進制御を開始して方向計測手段１１の出力が安定すると、壁Ｗ２に近づいた地点Ｐ２で作業方向Ａの方向、すなわち本体１の左方向へ所定の作業幅だけ変位し、１８０°反転するまで絨毯ずれ演算手段２１は新たに変位検知手段１０の出力角度の平均値θ２を演算する。

地点Ｐ２での反転後、前回の往路で得たθ１をもとに走行補正手段２２は補正目標ライ
ン（本体１の右へ角度θ１だけ傾いた直線）を設定し、直進手段２３により本体１が目標ラインに乗るように直進制御を行う。

前方の壁Ｗ１に近づくと作業方向Ａの方向すなわち本体１の右方向へ所定の作業幅だけ変位した位置に方向計測手段１１を用いて正確に１８０°反転する。

その後、前回の復路で得たθ２をもとに走行補正手段２２は補正目標ライン（本体１の左へ角度θ２だけ傾いた直線）を設定し、直進手段２３により本体１が目標ラインに乗るように直進制御を行う。

前方の壁Ｗ２に近づくと作業方向Ａの方向すなわち本体１の左方向へ所定の作業幅だけ変位した位置に方向計測手段１１を用いて正確に１８０°反転する。

以上の動作を繰り返し、点Ｆにきて壁Ｗ１を本体１の前方で検知すると、このときは作業方向Ａすなわち本体１の左方向には壁Ｗ３があるので清掃終了と判断し作業を終了する。

絨毯ずれ演算手段２１は本体１が壁（もしくは障害物）を検知して１８０°反転する際と、反転後しばらくは変位検知手段１０の出力を用いていない。

このように本実施の形態によれば、イメージセンサ１２で撮像した床面画像の時間変位から本体１の向きと実際の進行方向とのずれ角度を検出し、絨毯ずれ演算手段２１により絨毯目によるずれ角度を演算し、この演算結果をもとに走行補正手段２２は直進制御の目標ラインを補正目標ラインに設定し直進制御するので、本体１の往復の直進軌跡は平行になり、走行中に作業幅が変化することが無くなるから、清掃のやり残しが生じたり清掃効率が低下することが無くなるものである。

また、直進走行をＵターンさせるときは変位検知手段の出力を無視することでターン時の絨毯目による横ずれの角度偏差の検知誤りを回避できる。

また、Ｕターン後安定して直進するまでは変位検知手段の出力を無視することでさらに精度良くターン時の絨毯目による横ずれの角度偏差の検知誤りを回避できる。

また、イメージセンサを床面で無く天井を撮像するようにしてもよく、この場合は天井の照明などを目印に精度良く絨毯目による横ずれの角度偏差を検出できる。

また、イメージセンサを本体の後部に取り付けてもよく、後方床面を撮像するように取り付けることにより精度良く絨毯目による横ずれの角度偏差を検出できる。

また、床面を撮像するイメージセンサを本体の前部と後部とさらに左右の側方にも取り付けることにより、さらに精度良く絨毯目による横ずれの角度偏差を検出できる。

また、イメージセンサを本体の前部に２個以上取り付けそれぞれでずれ角度を算出しその平均値を走行補正値として用いれば、さらに精度良く絨毯目による横ずれの角度偏差を検出できる。

また、２個のイメージセンサを本体の前部に左右に並べて取り付け前方床面を撮像することにより視差による遠近情報が加わりさらに精度良く絨毯目による横ずれの角度偏差を検出できる。

以上のように、本発明にかかる自走式掃除機は、直進の目標方向に変位検知手段の出力に基づき修正を施すため精度良く絨毯目による横ずれの角度偏差を検出でき、しかも機械的な構成物に頼らず非接触で床面の模様の流れを検知しているため、従来方式にあった支持軸へのほこり付着や支持軸のガタによる検知誤差などが起こり得ないものである。

本発明の実施の形態１における自走式掃除機の透視斜視図 同自走式掃除機の制御ブロック図 同自走式掃除機が絨毯上を直進走行する場合の影響についての説明図 同自走式掃除機のイメージセンサの説明図 同自走式掃除機の制御方法を示すフローチャート 同自走式掃除機の動作説明図 従来の自走式掃除機の動作説明図

１ 自走式掃除機の本体
２、２Ｌ、２Ｒ 駆動輪
３ 駆動手段
４，５，６ 清掃手段（床ノズル、ファンモータ、ダストボックス）
８ 走行制御手段
９ 画像保持手段
１０ 変位検知手段
１１ 方向計測手段
１２ イメージセンサ
１７ａ〜１７ｆ 測距手段
２１ 絨毯ずれ演算手段
２２ 走行補正手段
２３ 直進手段
２４ 旋回手段

Claims (8)

1. 本体を移動させる駆動輪と、この駆動輪を駆動する駆動手段と、清掃を行う清掃手段と、前記駆動手段を制御して本体の走行制御を行う走行制御手段と、本体の方向を計測する方向計測手段と、本体に取り付けられて床面を撮像するイメージセンサと、このイメージセンサが撮像した画像を一時的に保持する画像保持手段と、この画像保持手段の画像の変位を逐次検出する変位検知手段とを具備し、前記走行制御手段は、方向計測手段の出力に基づいて本体を目標方向に直進させるとともに、直進の目標方向に前記変位検知手段の出力に基づき修正を施すようにした自走式掃除機。
2. 本体から外部の物体までの距離を測定する測距手段と、測距センサの出力に基づいて障害物を検知する障害物検知手段と、障害物検知手段の出力により本体の直進走行をＵターンさせる旋回手段とを有し、旋回手段動作中は変位検知手段の出力を無視するようにした請求項１記載の自走式掃除機。
3. 旋回手段動作後、安定して直進するまでは変位検知手段の出力を無視するようにした請求項２記載の自走式掃除機。
4. 天井が撮像できるようにイメージセンサを取り付けた請求項１記載の自走式掃除機。
5. イメージセンサを本体の後部に取り付け、後方床面を撮像するようにした請求項１記載の自走式掃除機。
6. イメージセンサを本体の前部と後部、さらに左右の側方に取り付けた請求項１記載の自走式掃除機。
7. イメージセンサを本体の前部に２個以上取り付けて前方床面を撮像するようにした請求項１記載の自走式掃除機。
8. ２個のイメージセンサを本体の前部に左右に並べて取り付けた請求項７記載の自走式掃除機。