JP2014014560A - 清掃装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より安定的でより高い走行制御性を有する清掃装置を提供すること。
【解決手段】床面ＳＦを清掃する回転ブラシ１０と、回転ブラシ１０を支持するフレーム２０と、床面ＳＦ上でフレーム２０を移動させる、フレーム２０に取り付けられる３つのオムニホイール３１−１、３１−２、３１−３と、３つのオムニホイール３１−１、３１−２、３１−３を制御する制御部４０と、を備え、オムニホイール３１−１と３１−２とを結ぶ線分Ｌ１と、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘとの距離Ｄ１が、回転ブラシ１０が描く円の半径Ｒより小さく、制御部４０は、壁際を清掃する際に、フレーム２０を壁に沿って移動させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、被清掃面と交差する回転軸を有する回転ブラシを備えた清掃装置に関する。

従来、ジンバル機構を介してロボット本体に取り付けられる二つの回転ブラシを備えた全方向移動床磨きロボットが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

この床磨きロボットは、電動モータを用いてそれら二つの回転ブラシの回転方向とそれぞれの回転軸の床面に対する傾斜角とを制御し、その回転方向とその傾斜角とに応じて変化するそれら二つの回転ブラシと床面との間の摩擦反力を利用することによって床面を磨きながら所望の方向に移動することができる。

布施 嘉裕、外２名、「全方向移動床磨きロボットへの非干渉ＰＩＤ制御の適用」、２００９年７月、日本ロボット学会誌、Vol.27 No.6 p.679-684

しかしながら、非特許文献１の床磨きロボットは、二つの回転ブラシのみでロボット本体を支持するため、姿勢が不安定になりやすいという問題がある。

また、非特許文献１の床磨きロボットは、二つの回転ブラシと床面との間の摩擦反力のみを利用することによって移動するため、回転ブラシの消耗度合い、床面の凹凸、及び床面の摩擦係数等の変化の影響を受け易いという問題がある。

上述の問題に鑑み、本発明は、より安定的でより高い走行制御性を有する清掃装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係る清掃装置は、被清掃面を清掃する回転ブラシと、前記回転ブラシを支持するフレームと、前記被清掃面上で前記フレームを移動させる、前記フレームに取り付けられる少なくとも２つの駆動輪を含む移動機構と、前記移動機構を制御する制御部と、を備え、前記少なくとも２つの駆動輪のうちの２つの駆動輪を結ぶ線分の少なくとも１つと、前記回転ブラシの回転軸との距離が、前記回転ブラシが描く円の半径より小さく、前記制御部は、壁際の被清掃面を清掃する際に、前記移動機構を制御して前記フレームを壁に沿って移動させる。

上述の手段により、本発明は、より安定的でより高い走行制御性を有する清掃装置を提供することができる。

第一実施例に係る清掃装置の概略図である。 オムニホイールの典型例を示す図である。 図１の清掃装置の機能ブロック図である。 図１の清掃装置における回転ブラシと支持体との位置関係の説明図である。 図１の清掃装置による壁際清掃の例を示す図である。 第二実施例に係る清掃装置の概略図である。 メカナムホイールの典型例を示す図である。 図６の清掃装置における回転ブラシと支持体との位置関係の説明図である。 図６の清掃装置による壁際清掃の例を示す図である。 第三実施例に係る清掃装置の概略図である。 図１０の清掃装置の機能ブロック図である。 図１０の清掃装置における回転ブラシと支持体との位置関係の説明図である。 図１０の清掃装置による壁際清掃の例を示す図である。 回転ブラシの別の構成例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の第一実施例に係る清掃装置１００の概略図であり、図１（Ａ）は、上面図を示し、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の矢印ＩＢ方向から見た側面図を示し、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の矢印ＩＣ方向から見た側面図を示す。

清掃装置１００は、主に、回転ブラシ１０、フレーム２０、支持体３０、及び制御部４０で構成される。なお、図１（Ａ）中の点線は、透視部分を示す。

回転ブラシ１０は、被清掃面（床面）ＳＦを清掃する部材であり、被清掃面ＳＦと交差する回転軸１０Ｘを有するポリッシング用の回転ブラシである。また、回転ブラシ１０は、主に、ブラシ部１１、ブラシ保持部１２、及び回転駆動部１３で構成される。

本実施例において、ブラシ部１１は、上面視で円形であり、例えば、天然繊維、化学繊維、スポンジ、ゴム等で形成される。なお、ブラシ部１１の上面視は、矩形、楕円形、多角形等の他の形状であってもよい。

ブラシ保持部１２は、ブラシ部１１を保持するための部材であり、ブラシ部１１と共に回転する。

回転駆動部１３は、ブラシ保持部１２を回転させるための部材であり、例えば電動モータを含み、その駆動軸がブラシ保持部１２に結合され、その非回転部（本体部）がフレーム２０に接続される。

フレーム２０は、回転ブラシ１０を支持する部材であり、主に、平板部２１及び支持体取付部２５で構成される。

平板部２１は、回転ブラシ１０の本体部に接続される。本実施例において、平板部２１は、上面視で円形であり、円の中心が回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘの位置と一致する。

支持体取付部２５は、支持体３０をフレーム２０に取り付けるための部材である。

支持体３０は、床面ＳＦに回転ブラシ１０のブラシ部１１が接触するよう床面ＳＦ上でフレーム２０を支持する部材である。

本実施例において、支持体３０は、回転ブラシ１０の周りに配置される駆動輪としての３つのオムニホイール３１−１、３１−２、３１−３を含む。オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３は、回転するブラシ部１１が描く円の外側に配置され、且つ、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを中心とする円の円周上に等間隔（１２０度間隔）に配置される。また、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３は、個別の回転モータ（図示せず。）によって独立に回転駆動される。なお、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３は、以下では、集合的にオムニホイール３１としても参照される。

「オムニホイール」とは、ホロノミックな全方向移動を可能にするホイールであり、例えば、回転方向に沿って複数のフリーローラが配置されたホイールである。

図２は、オムニホイールの典型例を示す図であり、図２（Ａ）がオムニホイールＷＨの回転軸ＷＸ方向から見た図を示し、図２（Ｂ）が図２（Ａ）の矢印ＩＩＢ方向から見た図を示す。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）で示すように、オムニホイールＷＨは、２つ１組のホイールを有し、それら２つのホイールのそれぞれには、矢印ＡＲ１で示す回転方向に沿って円周上に６つの樽型のフリーローラＦＲが等間隔（６０度間隔）に配置される。また、一方のホイールにおけるフリーローラＦＲの配置と他方のホイールにおけるフリーローラＦＲの配置との間には３０度の位相差が存在する。なお、フリーローラＦＲのそれぞれの回転軸ＦＸは、オムニホイールＷＨの回転軸ＷＸに垂直である。

この構成により、オムニホイールＷＨは、自身が回転することによって、矢印ＡＲ１で示す回転方向の回転力を床面ＳＦに伝達し、床面ＳＦからの摩擦反力を受けながら、矢印ＡＲ１で示す方向に転動する。一方、オムニホイールＷＨは、フリーローラＦＲが回転する方向に力が加えられた場合には、フリーローラＦＲを受動的に回転させるようにする。そのため、オムニホイールＷＨは、その回転軸方向にも移動することができる。その結果、オムニホイールＷＨによって支持される物体は、オムニホイールＷＨの転動方向と交差する方向にも移動することができる。

なお、本実施例では、オムニホイール３１のそれぞれは、図１に示すように、２つ１組のホイールのそれぞれにおいて、回転方向に沿う円周上に３つのフリーローラを有する。

本実施例では、支持体３０は、回転ブラシ１０による床面ＳＦの清掃中に、回転ブラシ１０と床面ＳＦとの間の摩擦反力によって床面ＳＦに対してフレーム２０が回転するのを防止する回転防止機構としても機能する。

具体的には、支持体３０は、フレーム２０が床面ＳＦに対して回転ブラシ１０の回転方向とは反対の方向に回転するのを防止するように、支持体３０を構成するオムニホイール３１の少なくとも一つで回転駆動力を発生させる。

また、本実施例では、支持体３０は、床面ＳＦ上でフレーム２０を移動させる移動機構としても機能する。

具体的には、支持体３０を構成するオムニホイール３１のそれぞれは、フレーム２０及び回転ブラシ１０を所望の方向に移動させるように回転駆動力を発生させる。

制御部４０は、清掃装置１００の動きを制御するための部材であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を備えたコンピュータである。

制御部４０は、例えば、入力部（図示せず。）を介して入力される操作者の指示に応じた方向に、或いは、各種情報に基づいて自動的に導き出した方向に清掃装置１００を進行させるために、移動機構による移動を制御する。

具体的には、制御部４０は、オムニホイール３１のそれぞれの回転方向及び回転駆動力を制御することによってオムニホイール３１のそれぞれが床面ＳＦから受ける摩擦反力を制御する。

ここで、図３を参照しながら、制御部４０の詳細について説明する。なお、図３は、清掃装置１００の機能ブロック図の一例であり、制御部４０は、回転ブラシ１０、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３のそれぞれに有線又は無線で接続される。

制御部４０は、移動制御部４１及び記憶部４２を備え、移動制御部４１が担う機能に対応するプログラムをＲＯＭから読み出してＲＡＭ上に展開する。そして、制御部４０は、記憶部４２に記憶された情報に基づいて、移動制御部４１が担う機能に対応する処理をＣＰＵに実行させる。

記憶部４２は、各種情報を記憶するための装置であり、例えば、ハードディスクやフラッシュメモリ等の不揮発性記憶媒体であって、清掃対象となる床面ＳＦの形状や大きさ等を記憶する清掃マップ４２０を記憶する。

清掃マップ４２０は、好適には、清掃対象となる床面ＳＦ毎に記憶部４２に予め記憶される情報であるが、レーザセンサ等を用いて清掃装置１００が清掃開始前或いは清掃中に自動的に生成するものであってもよい。

回転ブラシ１０、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３はそれぞれ、回転モータＲＭ０〜ＲＭ３、回転検出器ＲＳ０〜ＲＳ３を有する。

回転検出器ＲＳ０は、回転モータＲＭ０による回転ブラシ１０の回転の状態（回転方向、回転角度、回転速度等である。）を検出するための装置である。

同様に、回転検出器ＲＳ１〜ＲＳ３は、回転モータＲＭ１〜ＲＭ３によるオムニホイール３１−１、３１−２、３１−３の回転の状態（回転方向、回転角度、回転速度等である。）を検出するための装置である。

回転検出器ＲＳ０〜ＲＳ３は、例えば、レゾルバ、エンコーダ等であって、その検出値を回転状態情報として所定のサンプリング周期で繰り返し制御部４０に対して出力する。

移動制御部４１は、清掃装置１００を自律的に動作させるための機能要素である。移動制御部４１は、記憶部４２から読み出した清掃マップ４２０と逆運動学とに基づいて、回転ブラシ１０、オムニホイール３１―１、３１−２、３１−３のそれぞれの目標回転状態（目標回転速度、目標回転方向等）を決定する。そして、移動制御部４１は、決定した目標回転状態に関する情報を含む制御信号を、制御対象としての、回転ブラシ１０、オムニホイール３１―１、３１−２、３１−３のそれぞれに対して出力する。

また、移動制御部４１は、制御対象のそれぞれが出力する回転状態情報を所定のサンプリング周期で受信し、制御対象のそれぞれが目標回転状態となるように制御する。

このように、移動制御部４１は、清掃装置１００の回転を防止するために、或いは、清掃装置１００を特定の方向に移動させるために、所定の推進力を発生させる。

例えば、移動制御部４１は、最初に、清掃装置１００の目標移動速度を達成するために必要なオムニホイール３１のそれぞれの目標回転方向及び目標回転速度を決定する。その後、移動制御部４１は、オムニホイール３１のそれぞれの現在の回転方向及び回転速度を取得して目標回転方向における目標回転速度との差を算出する。その後、移動制御部４１は、その差に基づいて、オムニホイール３１のそれぞれの目標回転速度を達成するために必要な回転駆動力をオムニホイール３１のそれぞれについて算出する。

その後、移動制御部４１は、目標回転速度を達成するために必要な回転駆動力に関する情報を含む制御信号をオムニホイール３１のそれぞれに対して送信し、オムニホイール３１のそれぞれでその回転駆動力を発生させる。

このように、移動制御部４１は、清掃装置１００の回転を防止するために、或いは、清掃装置１００を目標移動速度で移動させるために必要な移動機構による推進力をオムニホイール３１で発生させる。

ここで、図４を参照しながら、清掃装置１００における回転ブラシ１０と支持体３０との位置関係について説明する。なお、図４は、回転ブラシ１０のブラシ部１１と支持体３０のオムニホイール３１−１、３１−２、３１−３の上面図であり、図の明瞭化のため、清掃装置１００の他の部分の図示を省略している。

線分Ｌ１は、回転軸１０Ｘから見たオムニホイール３１―１上の最外点の１つＰ１と、回転軸１０Ｘから見たオムニホイール３１―２上の最外点の１つＰ２とを結ぶ線分である。同様に、線分Ｌ２は、オムニホイール３１―２上の最外点の１つＰ３と、オムニホイール３１―３上の最外点の１つＰ４とを結ぶ線分であり、線分Ｌ３は、オムニホイール３１―３上の最外点の１つＰ５と、オムニホイール３１―１上の最外点の１つＰ６とを結ぶ線分である。

線分Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、回転軸１０Ｘからの距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３が何れも、回転するブラシ部１１が描く円の半径Ｒよりも小さい。すなわち、ブラシ部１１は、回転するブラシ部１１が描く円における、回転軸１０Ｘから見て線分Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のそれぞれの外側に突出する斜線領域Ａ１、Ａ２、Ａ３に含まれる部分を有する。この構成により、清掃装置１００は、オムニホイール３１を壁に接触させることなく、斜線領域Ａ１〜Ａ３の何れかに含まれるブラシ部１１の部分を用いて壁際を清掃することができる。

図５は、清掃装置１００による壁際清掃の例を示す図であり、図５（Ａ）は、清掃装置１００が、ブラシ部１１を矢印ＡＲ２で示すように反時計回りに回転させ床面ＳＦを清掃しながら、矢印ＡＲ３で示す方向に壁Ｗに沿って移動する状態を示す。

このとき、移動制御部４１は、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３のそれぞれに対して制御信号を出力し、図の矢印ＡＲ３１、ＡＲ３２、ＡＲ３３で示す方向にオムニホイール３１−１、３１−２、３１−３を回転させる。なお、矢印ＡＲ３１、ＡＲ３２、ＡＲ３３は、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３が矢印ＡＲ３１、ＡＲ３２、ＡＲ３３の方向に回転することを意味するのみであり、矢印ＡＲ３１、ＡＲ３２、ＡＲ３３の方向に転動することを意味しない。すなわち、清掃装置１００が床面ＳＦに対して回転することを意味しない。

具体的には、移動制御部４１は、オムニホイール３１−２が発生させる駆動力の図の左向きの成分とオムニホイール３１−３が発生させる駆動力の図の右向きの成分とが相殺されるようにする。また、移動制御部４１は、オムニホイール３１−２が発生させる駆動力の図の上向きの成分とオムニホイール３１−３が発生させる駆動力の図の上向きの成分とが加算されるようにする。さらに、移動制御部４１は、オムニホイール３１−２による駆動力とオムニホイール３１−３による駆動力の合力（上向きの力）の大きさと、オムニホイール３１−１による上向きの駆動力の大きさとが等しくなるようにする。清掃装置１００の回転を防止するためである。

その結果、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３は、全体として矢印ＡＲ３を向く推進力を発生させ、清掃装置１００を回転させることなく壁Ｗに沿って矢印ＡＲ３の方向に移動させる。なお、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３のそれぞれが発生させる駆動力の方向は、清掃装置１００の進行方向（矢印ＡＲ３で示す方向）と一致しないが、フリーローラの存在により、清掃装置１００が移動する際の抵抗とはならない。

図５（Ｂ）は、清掃装置１００が、ブラシ部１１を矢印ＡＲ４で示すように反時計回りに回転させ床面ＳＦを清掃しながら、矢印ＡＲ５で示す方向に壁際に沿って移動する状態を示す。

このとき、移動制御部４１は、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３のそれぞれに対して制御信号を出力し、図の矢印ＡＲ５１、ＡＲ５２、ＡＲ５３で示す方向にオムニホイール３１−１、３１−２、３１−３を回転させる。なお、矢印ＡＲ５１、ＡＲ５２、ＡＲ５３は、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３が矢印ＡＲ５１、ＡＲ５２、ＡＲ５３の方向に回転することを意味するのみであり、矢印ＡＲ５１、ＡＲ５２、ＡＲ５３の方向に転動することを意味しない。すなわち、清掃装置１００が床面ＳＦに対して回転することを意味しない。

具体的には、移動制御部４１は、オムニホイール３１−２が発生させる駆動力の図の右向きの成分とオムニホイール３１−３が発生させる駆動力の図の左向きの成分とが相殺されるようにする。また、移動制御部４１は、オムニホイール３１−２が発生させる駆動力の図の下向きの成分とオムニホイール３１−３が発生させる駆動力の図の下向きの成分とが加算されるようにする。さらに、移動制御部４１は、オムニホイール３１−２による駆動力とオムニホイール３１−３による駆動力の合力（下向きの力）の大きさと、オムニホイール３１−１による下向きの駆動力の大きさとが等しくなるようにする。清掃装置１００の回転を防止するためである。

その結果、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３は、全体として矢印ＡＲ５を向く推進力を発生させ、清掃装置１００を回転させることなく壁Ｗに沿って矢印ＡＲ５の方向に移動させる。なお、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３のそれぞれが発生させる駆動力の方向は、清掃装置１００の進行方向（矢印ＡＲ５で示す方向）と一致しないが、フリーローラの存在により、清掃装置１００が移動する際の抵抗とはならない。

以上の構成により、清掃装置１００は、オムニホイール３１によるホロノミックな全方位移動が可能なため、二つのオムニホイールの間の領域Ａ１〜Ａ３の何れかに含まれるブラシ部１１の部分を壁に接近又は接触させながら壁際に沿って移動することができ、壁際の清掃を効率的に実行することができる。

また、清掃装置１００は、オムニホイール３１のそれぞれの回転状態情報を継続的に取得するので、オドメトリを用いて自己位置を逐次推定することができる。

また、清掃装置１００は、支持体３０を用いてフレーム２０を支持するので、姿勢が安定しやすく、ブラシ部１１に過度の負担をかけることもない。

また、清掃装置１００は、１つの回転ブラシ１０を利用する構成であるため、複数の回転ブラシを利用する構成に比べ小型、軽量、低コストであり、また、電力消費を低減させることができる。

また、清掃装置１００は、本実施例では、清掃マップ４２０に基づいて自律的に移動しながら床面ＳＦの清掃を行うロボット型の清掃装置である。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、清掃装置１００は、フレーム２０等から延びるコードに取り付けられた操作部を用いて操作者が手動で操作するものであってもよく、無線通信を介して操作者が遠隔操作するものであってもよい。

また、清掃装置１００は、自律移動や障害物回避のための周辺監視センサを備えていてもよい。周辺監視センサは、例えば、超音波センサ、赤外線センサ、レーザレーダ等である。周辺監視センサの監視範囲は、清掃装置１００のホロノミックな全方向移動を支援するため、３６０度の全周囲であることが望ましい。

なお、清掃装置１００は、ブラシ部１１を時計回りに回転させ床面ＳＦを清掃しながら壁Ｗに沿って移動してもよい。

次に、図６〜図９を参照しながら、本発明の第二実施例に係る清掃装置１００Ａについて説明する。

図６は、本発明の第二実施例に係る清掃装置１００Ａの概略上面図である。なお、図６中の点線は、透視部分を示す。

清掃装置１００Ａは、矩形の平板部２１Ａと、平板部２１Ａに取り付けられる４つのメカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４の形をとる支持体３０Ａとを備える点で、円形の平板部２１と、３つのオムニホイール３１とを備える清掃装置１００と相違するが、その他の点で共通する。

そのため、第一実施例と同じ構成要素を同じ参照番号を用いて参照しながら、上述の相違点を詳細に説明する。なお、平板部２１Ａの上面形状は、矩形に限定されるものではなく、円形、楕円形、多角形等の他の形状であってもよい。

本実施例では、メカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４は、共通の回転軸を有するメカナムホイール３１Ａ−１、３１Ａ−２と、別の共通の回転軸を有するメカナムホイール３１Ａ−３、３１Ａ−４とを含む。また、メカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４は、それら２つの回転軸が互いに平行となるように配置され、且つ、回転するブラシ部１１が描く円の外側に配置される。また、メカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４は、個別の回転モータ（図示せず。）によって独立に回転駆動される。なお、メカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４は、以下では、集合的にメカナムホイール３１Ａとしても参照される。

「メカナムホイール」とは、ホロノミックな全方向移動を可能にするホイールであり、例えば、回転方向に沿って複数のフリーローラが配置されたホイールである。

図７は、メカナムホイールの典型例を示す図であり、図７（Ａ）がメカナムホイールＭＷＨの回転軸ＭＷＸ方向から見た図を示し、図７（Ｂ）が図７（Ａ）の矢印ＶＩＩＢ方向から見た図を示す。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）で示すように、メカナムホイールＭＷＨは、矢印ＡＲ６で示す回転方向に沿って円周上に１２個の樽型のフリーローラＭＦＲが等間隔（３０度間隔）に配置される。また、フリーローラＭＦＲのそれぞれの回転軸ＭＦＸは、メカナムホイールＭＷＨの回転軸ＭＷＸとの間に４５度の角度を形成する。

この構成により、メカナムホイールＭＷＨは、自身が回転することによって、矢印ＡＲ６で示す回転方向の回転力を床面ＳＦに伝達するが、フリーローラＭＦＲが回転する方向に力が加えられた場合には、フリーローラＭＦＲを受動的に回転させるようにする。そのため、メカナムホイールＭＷＨは、その回転軸ＭＷＸと４５度の角度を形成する方向にも大きな抵抗を受けることなく移動することができる。

ここで、図８を参照しながら、清掃装置１００Ａにおける回転ブラシ１０と支持体３０との位置関係について説明する。なお、図８は、回転ブラシ１０のブラシ部１１と支持体３０のメカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４の上面図であり、図の明瞭化のため、清掃装置１００Ａの他の部分の図示を省略している。

線分Ｌ４は、回転軸１０Ｘから見たメカナムホイール３１Ａ―１上の最外点Ｐ７と、回転軸１０Ｘから見たメカナムホイール３１Ａ―２上の最外点Ｐ８とを結ぶ線分である。同様に、線分Ｌ５は、メカナムホイール３１Ａ―３上の最外点Ｐ９と、メカナムホイール３１Ａ―４上の最外点Ｐ１０とを結ぶ線分である。

線分Ｌ４、Ｌ５は、回転軸１０Ｘからの距離Ｄ４、Ｄ５が何れも、回転するブラシ部１１が描く円の半径Ｒよりも小さい。すなわち、ブラシ部１１は、回転するブラシ部１１が描く円における、回転軸１０Ｘから見て線分Ｌ４、Ｌ５のそれぞれの外側に突出する斜線領域Ａ４、Ａ５に含まれる部分を有する。この構成により、清掃装置１００Ａは、メカナムホイール３１Ａを壁に接触させることなく、斜線領域Ａ４及びＡ５の何れかに含まれるブラシ部１１の部分を用いて壁際を清掃することができる。

図９は、清掃装置１００Ａによる壁際清掃の例を示す図であり、図９（Ａ）は、清掃装置１００Ａが、ブラシ部１１を矢印ＡＲ７で示すように反時計回りに回転させ床面ＳＦを清掃しながら、矢印ＡＲ８で示す方向に壁Ｗに沿って移動する状態を示す。

このとき、移動制御部４１は、メカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４のそれぞれに対して制御信号を出力し、図の矢印ＡＲ８１〜ＡＲ８４で示す方向にメカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４を回転させる。なお、矢印ＡＲ８１〜ＡＲ８４は、メカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４が矢印ＡＲ８１〜ＡＲ８４の方向に回転することを意味するのみであり、矢印ＡＲ８１〜ＡＲ８４の方向に転動することを意味しない。すなわち、清掃装置１００が床面ＳＦに対して回転することを意味しない。

具体的には、移動制御部４１は、メカナムホイール３１Ａ−１が発生させる駆動力の図の左向きの成分とメカナムホイール３１Ａ−３が発生させる駆動力の図の右向きの成分とが相殺されるようにする。また、移動制御部４１は、メカナムホイール３１Ａ−１が発生させる駆動力の図の上向きの成分とメカナムホイール３１Ａ−３が発生させる駆動力の図の上向きの成分とが加算されるようにする。さらに、移動制御部４１は、メカナムホイール３１Ａ−２が発生させる駆動力の図の右向きの成分とメカナムホイール３１Ａ−４が発生させる駆動力の図の左向きの成分とが相殺されるようにする。また、移動制御部４１は、メカナムホイール３１Ａ−２が発生させる駆動力の図の上向きの成分とメカナムホイール３１Ａ−４が発生させる駆動力の図の上向きの成分とが加算されるようにする。

その結果、メカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４は、全体として矢印ＡＲ８を向く推進力を発生させ、清掃装置１００Ａを回転させることなく壁Ｗに沿って矢印ＡＲ８の方向に移動させる。なお、メカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４のそれぞれが発生させる駆動力の方向は、清掃装置１００Ａの進行方向（矢印ＡＲ８で示す方向）と一致しないが、フリーローラの存在により、清掃装置１００Ａが移動する際の抵抗とはならない。

図９（Ｂ）は、清掃装置１００Ａが、ブラシ部１１を矢印ＡＲ９で示すように反時計回りに回転させ床面ＳＦを清掃しながら、矢印ＡＲ１０で示す方向に壁Ｗに沿って移動する状態を示す。

このとき、移動制御部４１は、メカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４のそれぞれに対して制御信号を出力し、図の矢印ＡＲ１０１〜ＡＲ１０４で示す方向にメカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４を回転させる。なお、矢印ＡＲ１０１〜ＡＲ１０４は、メカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４が矢印ＡＲ１０１〜ＡＲ１０４の方向に回転することを意味するのみであり、矢印ＡＲ１０１〜ＡＲ１０４の方向に転動することを意味しない。すなわち、清掃装置１００が床面ＳＦに対して回転することを意味しない。

具体的には、移動制御部４１は、メカナムホイール３１Ａ−１が発生させる駆動力の図の右向きの成分とメカナムホイール３１Ａ−３が発生させる駆動力の図の左向きの成分とが相殺されるようにする。また、移動制御部４１は、メカナムホイール３１Ａ−１が発生させる駆動力の図の下向きの成分とメカナムホイール３１Ａ−３が発生させる駆動力の図の下向きの成分とが加算されるようにする。さらに、移動制御部４１は、メカナムホイール３１Ａ−２が発生させる駆動力の図の左向きの成分とメカナムホイール３１Ａ−４が発生させる駆動力の図の右向きの成分とが相殺されるようにする。また、移動制御部４１は、メカナムホイール３１Ａ−２が発生させる駆動力の図の下向きの成分とメカナムホイール３１Ａ−４が発生させる駆動力の図の下向きの成分とが加算されるようにする。

その結果、メカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４は、全体として矢印ＡＲ１０を向く推進力を発生させ、清掃装置１００Ａを回転させることなく壁Ｗに沿って矢印ＡＲ１０の方向に移動させる。なお、メカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４のそれぞれが発生させる駆動力の方向は、清掃装置１００Ａの進行方向（矢印ＡＲ１０で示す方向）と一致しないが、フリーローラの存在により、清掃装置１００Ａが移動する際の抵抗とはならない。

以上の構成により、清掃装置１００Ａは、メカナムホイール３１Ａによるホロノミックな全方位移動が可能なため、領域Ａ４又はＡ５に含まれるブラシ部１１の部分を壁に接近又は接触させながら壁際に沿って移動することができ、壁際の清掃を効率的に実行することができる。また、清掃装置１００Ａは、清掃装置１００による上述の他の効果を同様に実現させることができる。

なお、清掃装置１００Ａは、ブラシ部１１を時計回りに回転させ床面ＳＦを清掃しながら壁Ｗに沿って移動してもよい。

次に、図１０〜図１３を参照しながら、本発明の第三実施例に係る清掃装置１００Ｂについて説明する。

図１０は、本発明の第三実施例に係る清掃装置１００Ｂの概略図であり、図１０（Ａ）は、上面図を示し、図１０（Ｂ）及び図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）の一点鎖線を含む鉛直面による断面を矢印ＸＢＣ方向から見た側断面図を示す。なお、図１０（Ｂ）は、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを鉛直軸に対して第１方向に角度αだけ傾斜させた状態を示す。また、図１０（Ｃ）は、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを鉛直軸に対して第１方向とは逆の第２方向に角度βだけ傾斜させた状態を示す。なお、図１０（Ａ）中の点線は、透視部分を示す。

清掃装置１００Ｂは、フレーム２０Ｂが、リング部２１Ｂ、シャフト部２２Ｂ、及び支持体取付部２５Ｂで構成され、リング部２１Ｂ及びシャフト部２２Ｂが１自由度の傾斜機構を構成する点で清掃装置１００と相違する。具体的には、リング部２１Ｂは、シャフト部２２Ｂを介して回転ブラシ１０の本体部に傾斜可能に接続され、二点鎖線で示す傾斜軸２２ＢＸ周りに回転ブラシ１０を傾斜させる。

また、清掃装置１００Ｂは、リング部２１Ｂに取り付けられる、駆動輪としての２つのオムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２と、１つの従動輪３１Ｂ−３とで構成される支持体３０Ｂを備える。

なお、清掃装置１００Ｂは、その他の点で清掃装置１００と共通する。そのため、第一実施例と同じ構成要素を同じ参照番号を用いて参照しながら、上述の相違点を詳細に説明する。

オムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２は、回転するブラシ部１１が描く円の外側に配置され、傾斜軸２２ＢＸに平行な共通の回転軸を備え、個別の回転モータ（図示せず。）によって独立に回転駆動される。

従動輪３１Ｂ−３は、オムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２に対し、傾斜軸２２ＢＸの反対側に配置され、且つ、オムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２のそれぞれとの距離が等しくなるように配置されるキャスターである。また、従動輪３１Ｂ−３は、オムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２と同様、回転するブラシ部１１が描く円の外側に配置される。従動輪３１Ｂ−３は、フレーム２０Ｂの移動方向又は回転方向に合わせて向きを変えることができ、オムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２によるフレーム２０Ｂの移動を補助する。

ここで、図１１を参照しながら、清掃装置１００Ｂにおける制御部４０の詳細について説明する。なお、図１１は、清掃装置１００Ｂの機能ブロック図の一例であり、制御部４０は、移動機構としての回転ブラシ１０、移動機構としてのオムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２、及び、傾斜機構としてのシャフト部２２Ｂのそれぞれに有線又は無線で接続される。また、シャフト部２２Ｂは、傾斜モータＴＭ１、傾斜検出器ＴＳ１を有する。

傾斜検出器ＴＳ１は、傾斜モータＴＭ１によるシャフト部２２Ｂの傾斜の状態（回転ブラシ１０のリング部２１Ｂに対する傾斜方向、傾斜角度、傾斜速度等である。）を検出するための装置である。傾斜検出器ＴＳ１は、例えば、レゾルバ、エンコーダ等であって、その検出値を傾斜状態情報として所定のサンプリング周期で繰り返し制御部４０に対して出力する。

移動制御部４１は、記憶部４２から読み出した清掃マップ４２０と逆運動学とに基づいて、回転ブラシ１０、オムニホイール３１Ｂ―１、３１Ｂ−２のそれぞれの目標回転状態（目標回転速度、目標回転方向等）、及び、シャフト部２２Ｂの目標傾斜状態（目標傾斜角度、目標傾斜方向等）を決定する。そして、移動制御部４１は、決定した目標回転状態及び目標傾斜状態に関する情報を含む制御信号を回転ブラシ１０、オムニホイール３１Ｂ―１、３１Ｂ−２、シャフト部２２Ｂのそれぞれに対して出力する。

そして、移動制御部４１は、制御対象である回転ブラシ１０、シャフト部２２Ｂ、オムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２のそれぞれが出力する回転状態情報及び傾斜状態情報を所定のサンプリング周期で受信し、制御対象のそれぞれが目標回転状態及び目標傾斜状態となるように制御する。

ここで、図１２を参照しながら、清掃装置１００Ｂにおける回転ブラシ１０と支持体３０Ｂとの位置関係について説明する。なお、図１２は、回転ブラシ１０のブラシ部１１と支持体３０Ｂのオムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２、及び従動輪３１Ｂ−３の上面図であり、図の明瞭化のため、清掃装置１００Ｂの他の部分の図示を省略している。

線分Ｌ６は、回転軸１０Ｘから見たオムニホイール３１Ｂ―１上の最外点Ｐ１１と、回転軸１０Ｘから見たオムニホイール３１Ｂ―２上の最外点Ｐ１２とを結ぶ線分である。

線分Ｌ６は、回転軸１０Ｘからの距離Ｄ６が、回転するブラシ部１１が描く円の半径Ｒよりも小さい。すなわち、ブラシ部１１は、回転するブラシ部１１が描く円における、回転軸１０Ｘから見て線分Ｌ６の外側に突出する斜線領域Ａ６に含まれる部分を有する。この構成により、清掃装置１００Ｂは、オムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２を壁に接触させることなく、斜線領域Ａ６に含まれるブラシ部１１の部分を用いて壁際を清掃することができる。

図１３は、清掃装置１００Ｂによる壁際清掃の例を示す図であり、図１３（Ａ）は、清掃装置１００Ｂが、ブラシ部１１を矢印ＡＲ１１で示すように反時計回りに回転させ床面ＳＦを清掃しながら、矢印ＡＲ１２で示す方向に壁Ｗに沿って移動する状態を示す。

このとき、オムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２は、清掃装置１００Ｂの姿勢を保つように制御される。

また、移動制御部４１は、回転ブラシ１０及びシャフト部２２Ｂのそれぞれに対して制御信号を出力し、回転ブラシ１０を回転軸１０Ｘの周りで所定の回転速度で反時計回りに回転させながら、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを傾斜軸２２ＢＸの周りで角度αだけ傾斜させる（図１０（Ｂ）参照。）。その結果、移動機構としての回転ブラシ１０のブラシ部１１は、その外側の一部と床面ＳＦとの間に点線で示す高摩擦領域ＨＦ１を形成する。ブラシ部１１は、高摩擦領域ＨＦ１のところでその回転方向（反時計回り）と反対向き（時計回り）の摩擦反力を局所的に発生させることによって図の上向きの推進力を発生させる。なお、ブラシ部１１は、傾斜させられた場合であっても、少なくともブラシ部１１の底面の大部分が床面ＳＦと接触したままであり、少なくともブラシ部１１の底面の大部分で床面ＳＦを磨くことができる。また、高摩擦領域ＨＦ１のところで発生する摩擦反力は、基本的には、回転軸１０Ｘの傾斜軸２２ＢＸ周りの傾斜角が大きくなるにつれて増大する。一方で、ブラシ部１１の回転は、その傾斜角の変化による影響をほとんど受けることはない。高摩擦領域ＨＦ１のところで発生する摩擦反力が増大する分、高摩擦領域ＨＦ１以外の領域のところで発生する摩擦反力が減少するためである。

なお、オムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２は、図１３（Ａ）に示すように、それぞれの回転軸が壁Ｗに沿う方向となるように配置される。そのため、オムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２は、壁Ｗに沿った図の上向きの推進力をブラシ部１１が発生させた場合であっても、フリーローラが回転する方向に推進力が加えられるため、清掃装置１００Ｂは、壁Ｗに沿って図の上向きに円滑に移動することができる。

このように、支持体３０Ｂは、壁Ｗに沿う方向への清掃装置１００Ｂの移動を許容しながら、壁Ｗに近づく方向及び壁Ｗから遠ざかる方向への清掃装置１００Ｂの移動を抑制或いは防止する。

図１３（Ｂ）は、清掃装置１００Ｂが、ブラシ部１１を矢印ＡＲ１３で示すように反時計回りに回転させ床面ＳＦを清掃しながら、矢印ＡＲ１４で示す方向に壁Ｗに沿って移動する状態を示す。

このとき、オムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２は、清掃装置１００Ｂの姿勢を保つように制御される。

また、移動制御部４１は、回転ブラシ１０及びシャフト部２２Ｂのそれぞれに対して制御信号を出力し、回転ブラシ１０を回転軸１０Ｘの周りで所定の回転速度で反時計回りに回転させながら、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを傾斜軸２２ＢＸの周りで角度βだけ傾斜させる（図１０（Ｃ）参照。）。その結果、移動機構としての回転ブラシ１０のブラシ部１１は、その外側の一部と床面ＳＦとの間に点線で示す高摩擦領域ＨＦ２を形成する。ブラシ部１１は、高摩擦領域ＨＦ２のところでその回転方向（反時計回り）と反対向き（時計回り）の摩擦反力を局所的に発生させることによって図の下向きの推進力を発生させる。なお、ブラシ部１１は、傾斜させられた場合であっても、少なくともブラシ部１１の底面の大部分が床面ＳＦと接触したままであり、少なくともブラシ部１１の底面の大部分で床面ＳＦを磨くことができる。また、高摩擦領域ＨＦ２のところで発生する摩擦反力は、基本的には、回転軸１０Ｘの傾斜軸２２ＢＸ周りの傾斜角が大きくなるにつれて増大する。一方で、ブラシ部１１の回転は、その傾斜角の変化による影響をほとんど受けることはない。高摩擦領域ＨＦ２のところで発生する摩擦反力が増大する分、高摩擦領域ＨＦ２以外の領域のところで発生する摩擦反力が減少するためである。

この場合も、オムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２は、図１３（Ｂ）に示すように、それぞれの回転軸が壁Ｗに沿う方向となるように配置される。そのため、オムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２は、壁Ｗに沿った図の下向きの推進力をブラシ部１１が発生させた場合であっても、フリーローラが回転する方向に推進力が加えられるため、フリーローラを受動的に回転させる。その結果、オムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２によって支持される清掃装置１００Ｂは、壁Ｗに沿って図の下向きに円滑に移動することができる。

このように、支持体３０Ｂは、壁Ｗに沿う方向への清掃装置１００Ｂの移動を許容しながら、壁Ｗに近づく方向及び壁Ｗから遠ざかる方向への清掃装置１００Ｂの移動を抑制或いは防止する。

以上の構成により、清掃装置１００Ｂは、回転ブラシ１０による推進力により、領域Ａ６に含まれるブラシ部１１の部分を壁Ｗに接近又は接触させながら壁際に沿って移動することができ、壁際の清掃を効率的に実行することができる。

また、清掃装置１００Ｂは、非ホロノミックな全方向移動を行うため、周辺監視センサの監視範囲を、オムニホイール３１Ｂ−１、３１Ｂ−２の回転軸の方向に限定してもよい。これにより、周辺監視センサの小型化、低コスト化が可能となる。

また、清掃装置１００Ｂは、移動のために回転ブラシ１０による推進力を利用する点、及び、全方向移動が非ホロノミックである点を除き、清掃装置１００、１００Ａによる上述の他の効果を同様に実現させることができる。

なお、清掃装置１００Ｂは、ブラシ部１１を時計回りに回転させ床面ＳＦを清掃しながら壁Ｗに沿って移動してもよい。この場合、移動制御部４１は、回転軸１０Ｘの傾斜方向を上述の実施例とは逆の方向にすればよい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例において、清掃装置は、直線状の壁際に沿って清掃を行うために直線状に移動するが、曲線状の壁際に沿って清掃を行うために曲線状に移動してもよい。

また、上述の実施例では、回転ブラシ１０のブラシ部１１は、ブラシ保持部１２の平坦な下面に所定の植え込み角度で植え込まれる毛を有する。所定の植え込み角度は、例えば、下面に対して垂直に植え込まれる場合を０度とすると、最大で１５度である。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。

図１４は、回転ブラシの別の実施例１０Ａを示す側断面図であり、回転ブラシ１０Ａは、ブラシ部１１Ａ、ブラシ保持部１２Ａ、及び回転駆動部１３で構成される。なお、図１４では、図の明瞭化のため、清掃装置における回転ブラシ１０Ａ以外の図示を省略する。

ブラシ部１１Ａは、ブラシ保持部１２Ａの平坦な下面に植え込まれる第１ブラシ部１１Ａ１と、ブラシ保持部１２Ａの側面に植え込まれる第２ブラシ部１１Ａ２とを有する。ブラシ保持部１２Ａの側面は、その側面に所定の植え込み角度（例えば最大１５度である。）で植え込まれる第２ブラシ部１１Ａ２の毛が床面ＳＦに向かって斜め下方に伸びるように構成される。本実施例では、ブラシ保持部１２Ａは、その側面が床面ＳＦに対して角度γを形成するようにテーパ付きディスクの形を有する。

この構成により、回転ブラシ１０Ａは、壁際を清掃する際に第２ブラシ部１１Ａ２の先端を壁に接触させたとしても、壁Ｗとブラシ保持部１２との間の隙間ＣＬを維持でき、ブラシ保持部１２が壁と接触するのを確実に防止できる。

なお、回転ブラシ１０Ａでは、第１ブラシ部１１Ａ１と第２ブラシ部１１Ａ２との間に毛の無い部分が存在するが、第１ブラシ部１１Ａ１と第２ブラシ部１１Ａ２との間が毛で埋められていてもよい。

１０、１０Ａ・・・回転ブラシ １０Ｘ・・・回転軸 １１、１１Ａ・・・ブラシ部 １１Ａ１・・・第１ブラシ部１１Ａ１・・・第２ブラシ部 １２、１２Ａ・・・ブラシ保持部 １３・・・回転駆動部 ２０・・・フレーム ２１、２１Ａ・・・平板部 ２１Ｂ・・・リング部 ２２・・・シャフト部 ２２Ｂ・・・傾斜軸 ２５、２５Ｂ・・・支持体取付部 ３０、３０Ａ、３０Ｂ・・・支持体 ３１、３１Ｂ−１、３１Ｂ−２・・・オムニホイール ３１Ａ・・・メカナムホイール ３１Ｂ−３・・従動輪 ４０・・・制御部 ４１・・・移動制御部 ４２・・・記憶部 １００、１００Ａ、１００Ｂ・・・清掃装置 ４２０・・・清掃マップ ＲＭ０〜ＲＭ３・・・回転モータ ＲＳ０〜ＲＳ３・・・回転検出器 ＳＦ・・・床面 ＴＭ１・・・傾斜モータ ＴＳ１・・・傾斜検出器

Claims (6)

1. 被清掃面を清掃する回転ブラシと、
   前記回転ブラシを支持するフレームと、
   前記被清掃面上で前記フレームを移動させる、前記フレームに取り付けられる少なくとも２つの駆動輪を含む移動機構と、
   前記移動機構を制御する制御部と、を備え、
   前記少なくとも２つの駆動輪のうちの２つの駆動輪を結ぶ線分の少なくとも１つと、前記回転ブラシの回転軸との距離が、前記回転ブラシが描く円の半径より小さく、
   前記制御部は、壁際の被清掃面を清掃する際に、前記移動機構を制御して前記フレームを壁に沿って移動させる、
   清掃装置。
2. 前記フレームは、前記駆動輪の転動方向と交差する方向に移動可能である、
   請求項１に記載の清掃装置。
3. 前記２つの駆動輪は、前記回転ブラシが描く円の外側にある、
   請求項１又は２に記載の清掃装置。
4. 前記少なくとも２つの駆動輪は、３つのオムニホイールである、
   請求項１乃至３の何れか一項に記載の清掃装置。
5. 前記少なくとも２つの駆動輪は、４つのメカナムホイールである、
   請求項１乃至３の何れか一項に記載の清掃装置。
6. 前記回転ブラシの回転軸と前記被清掃面との間の角度を変化させる傾斜機構を更に備え、
   前記制御部は、前記傾斜機構により前記回転ブラシを前記移動機構として機能させ、
   前記少なくとも２つの駆動輪は、２つのオムニホイールであり、
   前記傾斜機構の傾斜軸と前記オムニホイールの回転軸とが平行である、
   請求項１乃至３の何れか一項に記載の清掃装置。

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