JP2012139792A - 清掃ロボットシステム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
アレンジロボットが、清掃ロボット及びパネル部材の位置等の環境情報を確実に取得し、自律運転することができる清掃ロボットシステム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】
ハンド部１０に少なくとも清掃ロボット３とパネル部材５の位置及び形状を計測するセンサ１２、１３を設置した清掃ロボットシステム１の制御方法であって、アレンジロボット２が移動する際に、マニピュレータ４を作動させ、複数の位置でセンサ１２、１３が計測を行うステップと、センサ１２、１３が取得した情報を元に、アレンジロボット２の移動を自動制御するステップと、アレンジロボット２が清掃ロボット３を把持する際に、マニピュレータ４を作動させ、複数の位置でセンサ１２、１３が計測を行うステップと、センサ１２、１３が取得した情報を元に、マニピュレータ４が清掃ロボット３を把持する作業を自動制御するステップを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、サービスロボットあるいはフィールドロボットのうち、ガラス面等のパネル部材を清掃するロボットシステムに関するものである。特に、太陽光発電のソーラパネルと呼ばれる発電素子や、太陽熱発電に使用される反射鏡（ヘリオスタット）などを清掃する清掃ロボットシステムに関するものである。

太陽電池を利用した太陽光発電プラント、あるいは複数の反射鏡（ヘリオスタット）を利用して太陽光を集光する太陽熱発電プラントの普及が進みつつある。出願人は、これらの発電プラントのソーラパネル又はヘリオスタット等のパネル部材の受光面を清掃して、発電プラントの発電効率を向上する清掃ロボットシステムに関する提案を行っている（例えば特許文献１参照）。

図５に、上記の清掃ロボットシステムの概略図を示す。清掃ロボットシステム１Ｘは、アレンジロボット２Ｘと、複数の清掃ロボット３を有している。この複数の清掃ロボット３は、それぞれ異なるヘリオスタット等のパネル部材５で清掃作業を行う。清掃ロボット３は、洗浄用の水や洗浄液等を噴射する装置と、回転ブラシと、移動機構を有しており、パネル部材５上を移動しながら、塵や砂等を取り除く。アレンジロボット２Ｘは、マニピュレータ４Ｘと、車体９Ｘを有している。このアレンジロボット２Ｘは、清掃作業が完了した清掃ロボット３を、マニピュレータ４Ｘで把持し、順次、未清掃のパネル部材５に移動させ、載置する機能を有している。このアレンジロボット２Ｘと清掃ロボット３の協働により、パネル部材５を効率的に清掃することができる。

これらの清掃作業は、プラントが発電を行なわない夜間等に、自動制御で行うように構成している。この自動化を実現するために、アレンジロボット２Ｘは、車体９Ｘに車載センサ８（例えば３Ｄレーザスキャナ）や、全方位カメラ３１を搭載している。アレンジロボット２Ｘは、この車載センサ８及び全方位カメラ３１で、パネル部材５の位置を計測して走行し、また、パネル部材５の傾きや清掃ロボット３の位置を計測して、清掃ロボット３の回収、移動及び載置する作業を行うことができる。

しかしながら、清掃ロボットシステム１Ｘは、いくつかの問題点を有している。第１に、アレンジロボット２Ｘの車載センサ８及び全方位カメラ３１による周囲の状況等の情報、即ちアレンジロボットの自動制御に必要な情報（以下、環境情報という）の取得を、動作中のマニピュレータ４Ｘが妨げる状況が発生し得るという問題を有している。図６を参照しながら、この問題を説明する。図６に、アレンジロボット２Ｘの側面図を示す。例えば全方位カメラ３１の画像取得方向Ｓに、マニピュレータ４Ｘが位置し、画像の取得を妨げる場合がある。このマニピュレータ４Ｘは、清掃ロボット３を把持するために、広範囲を移動するため、車載センサ８又は全方位カメラ３１の前を横切り、環境情報取得を妨害する可能性がある。また、パネル部材５又は清掃ロボット３の裏側や影になる部分が、車載センサ８及び全方位カメラ３１の死角となり、環境情報を取得することができない場合がある。なお、６は走行輪６、３０は地表面３０を示している。

第２に、車載センサ８と、例えばパネル部材５や障害物等の計測対象物との位置関係により、車載センサ８が十分な環境情報を取得できない状況が発生し得るという問題を有している。これは、車載センサ８が照射したレーザ光ＬＸ等が、パネル部材５等（計測対象物）の表面で全反射してしまい、車載センサ８がパネル部材５の存在を認識できない場合が発生するためである。特に、パネル部材５が、ヘリオスタット等の鏡面を有するもので
ある場合、例えばレーザ距離計測装置等のレーザ光ＬＸは、反射光を得ることができない。また、パネル部材５は、太陽追尾の傾動機構を有している場合が多く、傾斜角度が一定でないため、環境情報を確実に取得することは困難となる。なお、計測対象物としては、清掃ロボット３及びパネル部材５の他に、アレンジロボット２Ｘの走行路の障害物等を含む。

以上より、アレンジロボット２Ｘに設置した車載センサ８及び全方位カメラ３１等では、マニピュレータ４Ｘのさえぎりにより死角が発生する場合、パネル部材５等による一般的な死角が存在する場合、及び計測対象物との位置関係等が望ましくない場合等に、十分な環境情報を得られない場合があった。

特開２０１０−１５５３０８号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、パネル部材の表面を清掃する清掃ロボットと、清掃ロボットをパネル部材から他のパネル部材に順次移動させるアレンジロボットを有する清掃ロボットシステム及びその制御方法において、アレンジロボットが、清掃ロボット及びパネル部材の位置等の環境情報を確実に取得し、自律運転することができる清掃ロボットシステム及びその制御方法を提供することである。更に、アレンジロボットで清掃ロボットを把持する作業を、短時間で且つ正確に行える清掃ロボットシステム及びその制御方法を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明に係る清掃ロボットシステムの制御方法は、パネル部材の表面を清掃する清掃ロボットと、前記清掃ロボットを前記パネル部材から他のパネル部材に移動させるアレンジロボットを有し、前記アレンジロボットが、ハンド部とアーム部を備えたマニピュレータを有しており、前記ハンド部に少なくとも前記清掃ロボットと前記パネル部材の位置及び形状を計測するセンサを設置した清掃ロボットシステムの制御方法であって、前記アレンジロボットが移動する際に、前記マニピュレータを作動させ、複数の位置で前記センサが計測を行うステップと、前記センサが取得した情報を元に、前記アレンジロボットの移動を自動制御するステップと、前記アレンジロボットが前記清掃ロボットを把持する際に、前記マニピュレータを作動させ、複数の位置で前記センサが計測を行うステップと、前記センサが取得した情報を元に、前記マニピュレータが前記清掃ロボットを把持する作業を自動制御するステップを有することを特徴とする。

この構成により、アレンジロボットが、清掃ロボット及びパネル部材等の位置及び形状（環境情報）をセンサで取得する際に、この環境情報取得をマニピュレータが妨げる事態の発生を防止することができる。そのため、アレンジロボットの走行制御及び清掃ロボットを把持する制御の精度を向上することができる。また、マニピュレータが移動しながら複数の位置で環境情報を取得するため、アレンジロボットと計測対象物の位置関係が如何なる状態であっても、十分な環境情報を取得することができる。

上記の清掃ロボットシステムの制御方法において、前記ハンド部が加速度センサを有しており、前記加速度センサが計測した情報を元に、前記センサが取得した情報の補正を行うステップを有することを特徴とする。

この構成により、アレンジロボットの走行又はマニピュレータの移動により、センサに
振動が伝達された場合であっても、精度の高い環境情報を取得することができる。特に、不整地を走行するアレンジロボットの振動の影響を、取得した環境情報を補正して取り除くことができる。

上記の清掃ロボットシステムの制御方法において、前記清掃ロボットが誘導レーザ光を発信するレーザ発信部を有し、前記ハンド部が前記誘導レーザ光を受光する受光部を有しており、前記受光部が前記誘導レーザ光を受光し、受光部位を形成するステップと、前記受光部位の位置に基づき、前記マニピュレータのハンド部を制御して前記清掃ロボットを把持するステップを有することを特徴とする。

上記の目的を達成するための本発明に係る清掃ロボットシステムは、パネル部材の表面を清掃する清掃ロボットと、前記清掃ロボットを前記パネル部材から他のパネル部材に移動させるアレンジロボットを有する清掃ロボットシステムにおいて、前記アレンジロボットが、ハンド部とアーム部を備えたマニピュレータを有しており、前記ハンド部に少なくとも前記清掃ロボットと前記パネル部材の位置及び形状を計測するセンサを設置したことを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。

上記の清掃ロボットシステムにおいて、前記ハンド部が、前記ハンド部の振動を計測する加速度センサを有することを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。

上記の清掃ロボットシステムにおいて、前記清掃ロボットが、誘導レーザ光を発信するレーザ発信部を有し、前記ハンド部が、前記誘導レーザ光を受光する受光部を有していることを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。

本発明に係る清掃ロボットシステム及びその制御方法によれば、アレンジロボットが、清掃ロボット及びパネル部材の位置等の環境情報を確実に取得し、自律運転することができる清掃ロボットシステム及びその制御方法を提供することができる。

本発明に係る実施の形態の清掃ロボットシステムの概略を示した図である。 本発明に係る異なる実施の形態の清掃ロボットとハンド部の概略を示した図である。 本発明に係る異なる実施の形態のハンド部の制御の概略を示した図である。 本発明に係る実施の形態のマニピュレータの複眼視制御の概略を示した図である。 従来の清掃ロボットシステムの概略を示した図である。 従来の清掃ロボットシステムの概略を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態の清掃ロボットシステムについて、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明に係る実施の形態の清掃ロボットシステム１（図示しない）のアレンジロボット２の側面図を示す。アレンジロボット２は、ハンド部１０とアーム部１１を含むマニピュレータ４と、車体９を有している。このハンド部１０は、レーザ距離計測装置（以下、レーザセンサという）１２及びカメラ１３（以下、総称してセンサ１２、１３という）を有している。なお、アレンジロボット２に搭載された清掃ロボット３は、充電や洗浄液等の補給を受けている。また、１４はハンド部１０に設置した爪部１４を示している。

次に、清掃ロボットシステム１（図示しない）の動作について説明する。まず、パネル部材５の清掃が完了した清掃ロボット３（図示しない）が、無線等で作業完了信号を発信する。アレンジロボット２は、この作業完了信号を受信し、対象となる清掃ロボット３の回収のために移動する（移動制御フェーズ）。アレンジロボット２は、パネル部材５間を移動する際、車載センサ８及びハンド部１０に設置したセンサ１２、１３で、パネル部材５の位置及び障害物の有無等（環境情報）を計測する。このとき、アレンジロボット２は、マニピュレータ４を移動させながら、センサ１２、１３で多角的に環境情報を取得し、この環境情報を元に、走行を制御する。具体的には、レーザセンサ１２から照射したレーザ光Ｌ１の反射光を取得し、計測対象物（清掃ロボット３又はパネル部材５等）までの距離を計測する。また、カメラ１３で、計測対象物の有無等を計測する。

回収の対象となる清掃ロボット３に接近したアレンジロボット２は、ハンド部１０に設置したセンサ１２、１３で清掃ロボット３の位置及び方向等を計測し、清掃ロボット３を把持する（把持制御フェーズ）。その後、未清掃のパネル部材に移動し、清掃ロボット３を載置する。清掃ロボットシステム１は、アレンジロボット２による環境情報の取得と、この環境情報によるアレンジロボット２のフィードバック制御を繰り返しながら、上記の作業を繰り返し、発電プラント等の多数のパネル部材５の清掃を行う。

ここで、フィードバック制御とは、アレンジロボット２が走行経路や障害物など走行及び清掃ロボット３の把持制作業に必要な情報を、マニピュレータ４を操作しながら計測及び認識し、アレンジロボット２の駆動系にフィードバックして、アレンジロボット２の走行経路の設定と走行駆動制御を行うことである。

上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、アレンジロボット２が、清掃ロボット３及びパネル部材５等に係る環境情報をセンサ１２、１３で取得する際に、この環境情報取得を、マニピュレータ４が妨げる事態の発生を防止することができる。これは、アレンジロボット２が、マニピュレータ４の端部（ハンド部１０）に、センサ１２、１３を有しているためである。

第２に、アレンジロボット２が、計測対象物との位置関係により、十分な環境情報を取得できないという事態の発生を防止することができる。これは、マニピュレータ４の端部に設置したセンサ１２、１３で、マニピュレータ４を移動させながら、多角的に環境情報を取得することができるためである。具体的には、図１に示す様に、ハンド部１０は、パネル部材５に対して、異なる地点からレーザ光Ｌ１を照射し、環境情報を取得する。

なお、ハンド部１０に、レーザセンサ１２又はカメラ１３のいずれか一方を設置するように構成してもよい。カメラ１３のみを設置する場合は、ハンド部１０に照明装置を設置することが望ましい。なお、カメラ１３を暗視カメラ等とする場合には、この照明装置は不要となる。

図２に、本発明の異なる実施の形態の清掃ロボット３ａと、ハンド部１０ａの概略を示す。清掃ロボット３ａは、誘導レーザ発信部２１と、把持部２２を有している。ハンド部１０ａは、摺動して清掃ロボット３ａを把持する２つの爪部１４と、２つのレーザセンサ１２と、カメラ１３を有している。なお、このレーザセンサ１２及びカメラ１３は、アレンジロボット２の作業環境等により、適宜設置する個数及び位置を変更することができる。また、ハンド部１０ａは、例えば下面側に、清掃ロボット３ａから発信される誘導レーザ光Ｌ２を受光する受光部２０を有している。

次に、受光部２０と誘導レーザ発信部２１を利用した把持制御フェーズにおける誘導制御について説明する。清掃ロボット３ａは、作業完了信号を発信した直後又は予め定めた
時間を経過した後に、誘導レーザ発信部２１から誘導レーザ光Ｌ２を発信する。アレンジロボット２のハンド部１０ａは、ハンド部１０ａに設置したセンサ１２、１３で清掃ロボット３ａの位置を認識し、清掃ロボット３ａに接近する。ハンド部１０ａは、清掃ロボット３ａから発信された誘導レーザ光Ｌ２を、受光部２０で受光し、清掃ロボット３ａの更に正確な位置を認識しながら、清掃ロボット３ａを把持する。

上記の構成により、アレンジロボット２のハンド部１０ａは、ハンド部１０ａに設置したセンサ１２、１３に加え、誘導レーザ光Ｌ２による誘導で清掃ロボット３ａに接近するため、清掃ロボット３ａの位置を認識する精度を向上することができる。これは、誘導レーザ光Ｌ２により、アレンジロボット２は、ハンド部１０ａが清掃ロボット３ａに対していずれの方向から接近しているかを認識することができるためである。このため、アレンジロボット２が清掃ロボット３ａを把持し、回収する作業時間を飛躍的に短縮することができる。特に、太陽光発電又は太陽熱発電プラントでは、それぞれのパネル部材（太陽電池又はヘリオスタット）５の斜度が一定ではないため、この誘導レーザ光Ｌ２により得られる作用効果は大きい。

なお、誘導レーザ光Ｌ２を受光する受光部２０は、上記の構成に限られない。受光部２０は、誘導レーザ光Ｌ２を検出できる構成を有していればよく、例えばカメラ等により構成することもできる。

次に、清掃ロボット３ａの誘導レーザ発信部２１と、アレンジロボット２の受光部２０による、ハンド部１０ａの誘導制御について説明する。図３に、誘導レーザ発信部２１と受光部２０の概略図を示す。受光部２０は、複数の受光素子２０ａを組み合わせて構成している。

誘導レーザ発信部２１から発信された誘導レーザ光Ｌ２は、いずれかの受光素子２０ａに到達し、受光部位Ｐ１を形成する。受光部２０を有するヘッド部１０ａが、清掃ロボット３ａに接近すると、この受光部位Ｐ１が移動する。この移動パターンから、ハンド部１０ａが清掃ロボット３ａのいずれの方向から接近しているかを検知することができる。

つまり、ハンド部１０ａが清掃ロボット３ａの垂直方向から誘導レーザ光Ｌ２に平行となるように接近している場合は、受光部位Ｐ１の位置は変化しない。このときは、受光部位Ｐ１が、例えば受光部２０の中心に設定した誘導目標領域Ｐ０に位置するように、ハンド部１０ａを移動しながら清掃ロボット３ａを把持する。ここで、誘導レーザ光Ｌ２が誘導目標領域Ｐ０に受光部位Ｐ１を形成する場合、清掃ロボット３ａの把持部２２と、ハンド部１０ａの爪部１４の位置が把持作業に適切となるように設計している。

また、ハンド部１０ａの移動に伴い、受光部位Ｐ１の位置が変化する場合は、ハンド部１０ａが、清掃ロボット３ａの垂直方向（誘導レーザ光Ｌ２と平行な方向）対して、角度を持って接近していることがわかる。このときは、ハンド部１０ａが清掃ロボット３ａの垂直方向から直線状に接近するように、マニピュレータ４を制御するように構成することが望ましい。

以上、清掃ロボット３ａから垂直方向に誘導レーザ光Ｌ２を発信した場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、清掃ロボット３ａの垂直方向から水平方向に４５度傾斜した方向に誘導レーザ光Ｌ２を発信するように構成してもよい。この場合は、清掃ロボット３ａに複数の誘導レーザ発信部２１を設置し、清掃ロボット３ａの外側全周方向に複数の誘導レーザ光Ｌ２が発信されるように構成することができる。これは、受光部２０に、誘導レーザ光Ｌ２が照射されない事態を避けるためである。なお、誘導レーザ光Ｌ２を照射する角度は、上記の４５度以外にも、０度から９０度の範囲内で、適宜決定
することができる。

図４に、本発明に係る実施の形態のマニピュレータの複眼視制御の概略を示す。アレンジロボット２は、マニピュレータ４の端部等に設置したセンサ１２、１３を移動させながら、環境情報を取得する。このとき、あるカメラ間距離Ｄを有する少なくとも２点において、環境情報を取得する制御を行う。ここで、カメラ間距離Ｄは、ステレオビジョンにおける基線長に相当する。前述の構成により、アレンジロボット２は、仮想的に、複眼センサ（ステレオカメラ等）と同様の情報を取得することができる。複眼視は、このカメラ間距離Ｄが大きいほど、精度を向上することができる。そのため、このアレンジロボットは、２台のレーザセンサ又は２台のカメラを設置して構造的に複眼視を構成する場合に比べ、アレンジロボット２の大きさを小さく構成することができる。特に、ハンド部１０の重量の増加は、マニピュレータ４の環境情報取得の精度及び把持作業等における作業精度の低下を招くため、避けることが望ましい。この複眼視制御は、レーザセンサ１２であっても、カメラ１３であっても、同様に、取得する環境情報の精度を向上することができる。なお、カメラ間距離Ｄは、マニピュレータ４の各モータの駆動量から、計測した２点の３次元座標を算出し、この２点の３次元座標からカメラ間距離Ｄを算出するように構成している。

なお、ヘッド部１０には、例えば３次元加速度センサ等の加速度センサを設置することが望ましい。この加速度センサの設置により、ヘッド部１０に振動が発生した場合であっても、取得した環境情報の補正を行うことができる。特に、太陽光発電又は太陽熱発電プラントは、屋内の工場とは違い、アレンジロボット２の平坦な走行路を確保することは困難であるため、加速度センサを利用した環境情報の補正は効果的である。

１ 清掃ロボットシステム
２ アレンジロボット
３ 清掃ロボット
４ マニピュレータ
５ 計測対象物（パネル部材）
１０、１０ａ ハンド部
１１ アーム部
１２ レーザ距離計測センサ、レーザセンサ、センサ
１３ カメラ、センサ
２０ 受光部
２０ａ 受光素子
２１ レーザ発信部
２２ 把持部
Ｌ１ レーザ光
Ｌ２ 誘導レーザ光
Ｐ０ 誘導目標領域
Ｐ１ 受光部位
Ｄ カメラ間距離

Claims (6)

1. パネル部材の表面を清掃する清掃ロボットと、前記清掃ロボットを前記パネル部材から他のパネル部材に移動させるアレンジロボットを有し、
   前記アレンジロボットが、ハンド部とアーム部を備えたマニピュレータを有しており、前記ハンド部に少なくとも前記清掃ロボットと前記パネル部材の位置及び形状を計測するセンサを設置した清掃ロボットシステムの制御方法であって、
   前記アレンジロボットが移動する際に、前記マニピュレータを作動させ、複数の位置で前記センサが計測を行うステップと、
   前記センサが取得した情報を元に、前記アレンジロボットの移動を自動制御するステップと、
   前記アレンジロボットが前記清掃ロボットを把持する際に、前記マニピュレータを作動させ、複数の位置で前記センサが計測を行うステップと、
   前記センサが取得した情報を元に、前記マニピュレータが前記清掃ロボットを把持する作業を自動制御するステップを有することを特徴とする清掃ロボットシステムの制御方法。
2. 前記ハンド部が加速度センサを有しており、
   前記加速度センサが計測した情報を元に、前記センサが取得した情報の補正を行うステップを有することを特徴とする請求項１に記載のロボットシステムの制御方法。
3. 前記清掃ロボットが誘導レーザ光を発信するレーザ発信部を有し、前記ハンド部が前記誘導レーザ光を受光する受光部を有しており、
   前記受光部が前記誘導レーザ光を受光し、受光部位を形成するステップと、
   前記受光部位の位置に基づき、前記マニピュレータのハンド部を制御して前記清掃ロボットを把持するステップを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の清掃ロボットシステムの制御方法。
4. パネル部材の表面を清掃する清掃ロボットと、前記清掃ロボットを前記パネル部材から他のパネル部材に移動させるアレンジロボットを有する清掃ロボットシステムにおいて、
   前記アレンジロボットが、ハンド部とアーム部を備えたマニピュレータを有しており、前記ハンド部に少なくとも前記清掃ロボットと前記パネル部材の位置及び形状を計測するセンサを設置したことを特徴とする清掃ロボットシステム。
5. 前記ハンド部が、前記ハンド部の振動を計測する加速度センサを有することを特徴とする請求項４に記載の清掃ロボットシステム。
6. 前記清掃ロボットが、誘導レーザ光を発信するレーザ発信部を有し、
   前記ハンド部が、前記誘導レーザ光を受光する受光部を有していることを特徴とする請求項４又は５に記載の清掃ロボットシステム。

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