JP2019080412A - ロボット用充電ステーション - Google Patents

Abstract

【課題】 充電ステーションにおいて簡易な構成にてロボットとの接続容易性を高める。【解決手段】 ステーション２００は、ロボットの充電を行うための充電ステーションである。ステーション２００は、本体ベース２０２と、ロボットが所定位置に到達したときにロボットに給電する給電端子２０６と、本体ベース２０２に相対変位可能に支持されるガイド２０４と、を備える。ガイド２０４は、ロボットが接触した際に受ける力により変位し、その変位によりロボットを所定位置に誘導する。【選択図】図５

Description

本発明は、ロボットの充電を行うための充電ステーションに関する。

ヒューマノイドロボットやペットロボット等、人間との対話や癒しを提供する自律行動型ロボットの開発が進められている。このようなロボットは、制御プログラムにしたがって動作するが、周囲の状況に基づいて自律的に学習することで行動を進化させ、生命を感じさせるものも出現しつつある。

このようなロボットも電気エネルギーで動作する以上、充電が必要となる。そこで、ロボットの充電残量が少なくなると、ユーザに向けてアラームが出力される。ユーザは、そのアラームに気づくと、ロボットを専用の充電ステーションにセットし、充電が完了するのを待つ。あるいは、ロボットを充電ステーションと通信可能とし、充電残量が基準値以下となったときにそのステーションへ誘導し、自律的に充電させる技術も提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００１−１２５６４１号公報

後者の充電ステーションは、ユーザの手を煩わせない点で優れている。しかし、ロボットをステーションの設定位置に正確な角度で進入させなければ、互いの端子を接続できない。このため、特にステーションに近づいたときにロボットの精密な移動制御が必要となり、処理負荷が大きくなるうえ時間もかかるといった問題があった。

本発明は上記課題認識に基づいてなされた発明であり、その主たる目的は、充電ステーションにおいて簡易な構成にてロボットとの接続容易性を高めることにある。

本発明のある態様は、ロボットの充電を行うための充電ステーションである。この充電ステーションは、本体ベースと、ロボットが所定位置に到達したとき、ロボットに給電する給電端子と、本体ベースに相対変位可能に支持されるガイドと、を備える。ガイドは、ロボットが接触した際に受ける力により変位し、その変位によりロボットを所定位置に誘導する。

本発明の充電ステーションによれば、ロボットの接続容易性を高めることができる。

実施形態に係るロボットの充電システムを表す図である。 実施形態に係るロボットの外観を表す図である。 ロボットの構造を概略的に表す断面図である。 車輪収納動作を模式的に示す図である。 ステーションの構成を表す概略図である。 ステーションの構成を表す概略図である。 充電システムの機能ブロック図である。 ロボットの進入動作を表す図である。 充電時におけるロボットとステーションの一連の動作を例示する模式図である。 充電時におけるロボットとステーションの一連の動作を例示する模式図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては便宜上、図示の状態を基準に各構造の位置関係を表現することがある。また、以下の実施形態およびその変形例について、ほぼ同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜省略することがある。

図１は、実施形態に係るロボット１００の充電システム１０を表す図である。同図には、ロボット１００が充電ステーション（以下、単に「ステーション」とよぶ）２００にセットされた状態を示す。ステーション２００は、床面Ｆに設置される本体ベース２０２、本体ベース２０２に支持されるガイド２０４、およびガイド２０４に設けられる一対の給電端子２０６を備える。本体ベース２０２は、ロボット１００に対して開放される進入口２０８を有する。ガイド２０４は、本体ベース２０２に設けられた軸線（鉛直軸）周りに回動可能であり、ロボット１００を充電位置に誘導するための構造を有する。ステーション２００は、背面（進入口２０８の反対側）が壁や箪笥などの重量物に接するように設置される。

ガイド２０４から前方に一対の給電端子２０６が延出する。一方、ロボット１００の背面には一対の充電端子３０２が設けられている。ロボット１００がバックでステーション２００へ進入することにより充電端子３０２が給電端子２０６に当接し、充電可能となる。ステーション２００は、このような端子間の接続を簡易かつスムーズに実現するための機構を有する。その詳細については後述する。

図２は、実施形態に係るロボット１００の外観を表す図である。図２（ａ）は正面図であり、図２（ｂ）は側面図である。
ロボット１００は、外部環境および内部状態に基づいて行動や仕草（ジェスチャー）を決定する自律行動型のロボットである。外部環境は、カメラやサーモセンサなど各種のセンサにより認識される。内部状態はロボット１００の感情を表現するさまざまなパラメータとして定量化される。

ロボット１００は、３輪走行するための３つの車輪を備える。図示のように、一対の前輪１０２（左前輪１０２ａ，右前輪１０２ｂ）と、一つの後輪１０３を含む。前輪１０２が駆動輪であり、後輪１０３が従動輪である。前輪１０２は操舵機構を有しないが、左右輪の回転速度や回転方向が個別に制御可能とされている。後輪１０３は、いわゆるキャスターからなり、ロボット１００を前後左右への移動させるために回転自在となっている。左前輪１０２ａよりも右前輪１０２ｂの回転数を大きくすることで、ロボット１００が左折したり、左回りに回転できる。右前輪１０２ｂよりも左前輪１０２ａの回転数を大きくすることで、ロボット１００が右折したり、右回りに回転できる。

前輪１０２および後輪１０３は、後述する駆動機構（回動機構、リンク機構）によりボディ１０４に完全収納できる。走行時においても各車輪の大部分はボディ１０４に隠れているが、各車輪がボディ１０４に完全収納されるとロボット１００は移動不可能な状態となる。すなわち、車輪の収納動作に伴ってボディ１０４が降下し、床面Ｆに着座する。この着座状態においては、ボディ１０４の底部に形成された平坦状の着座面１０８（接地底面）が床面Ｆに当接する。

ロボット１００は、２つの手１０６を有する。手１０６には、モノを把持する機能はない。手１０６は、図示しない内蔵ワイヤを引っ張る又は緩めることにより、上げる、振る、振動するなど簡単な動作が可能である。２つの手１０６も個別制御可能である。

ロボット１００の頭部正面（顔）には２つの目１１０が設けられている。目１１０は、液晶素子または有機ＥＬ素子により、様々な表情で表示される。ロボット１００は、スピーカーを内蔵し、簡単な音声を発することもできる。ロボット１００の頭頂部にはツノ１１２が取り付けられる。ツノ１１２には全天球カメラが内蔵され、上下左右全方位を一度に撮影できる。また、ロボット１００の頭部正面には、高解像度カメラが設けられる（図示せず）。

このほか、ロボット１００は、周辺温度を検出する温度センサ、複数のマイクロフォンを有するマイクロフォンアレイ、計測対象の形状を測定可能な形状測定センサ（深度センサ）、超音波センサなどさまざまなセンサを内蔵する。

図３は、ロボット１００の構造を概略的に表す断面図である。
ボディ１０４は、ベースフレーム３０８、本体フレーム３１０、一対のホイールカバー３１２および外皮３１４を含む。ベースフレーム３０８は、ボディ１０４の軸芯を構成するとともに内部機構を支持する。ベースフレーム３０８は、ロアプレート３３４に複数のサイドプレート３３６を立設して構成される。ベースフレーム３０８の内方には、バッテリ１１８、制御回路３４２および各種アクチュエータ等が収容されている。ロアプレート３３４の底面が着座面１０８を形成する。ロボット１００の背面側には一対の充電端子３０２が設けられ、バッテリ１１８に接続されている。

本体フレーム３１０は、頭部フレーム３１６および胴部フレーム３１８を含む。頭部フレーム３１６は、中空半球状をなし、ロボット１００の頭部骨格を形成する。胴部フレーム３１８は、段付筒形状をなし、ロボット１００の胴部骨格を形成する。胴部フレーム３１８の下端部が、ロアプレート３３４に固定されている。頭部フレーム３１６は、リンク構造３３０を介して胴部フレーム３１８に接続されている。

頭部フレーム３１６は、ヨー軸３２１、ピッチ軸３２２およびロール軸３２３を有する。頭部フレーム３１６のヨー軸３２１周りの回動（ヨーイング）により首振り動作が実現され、ピッチ軸３２２周りの回動（ピッチング）により頷き動作，見上げ動作および見下ろし動作が実現され、ロール軸３２３周りの回動（ローリング）により首を左右に傾げる動作が実現される。各軸は、リンク構造３３０の駆動態様に応じて三次元空間における位置や角度が変化し得る。

胴部フレーム３１８は、ベースフレーム３０８および車輪駆動機構３７０を収容している。車輪駆動機構３７０は、前輪１０２および後輪１０３をそれぞれ駆動し、ロボット１００を移動させる「移動機構」として機能する。前輪１０２は、その中心部にダイレクトドライブモータ（以下「ＤＤモータ」と表記する）を有する。このため、左前輪１０２ａと右前輪１０２ｂを個別に駆動することができる。胴部フレーム３１８は、ボディ１０４のアウトラインに丸みをもたせるよう、上半部が滑らかな曲面形状とされている。胴部フレーム３１８の下半部は、ホイールカバー３１２との間に前輪１０２の収納スペースＳを形成するために小幅とされ、前輪１０２の回動軸３７８を支持している。

一対のホイールカバー３１２は、胴部フレーム３１８の下半部を左右から覆うように設けられている。ホイールカバー３１２は、胴部フレーム３１８の上半部と連続した滑らかな外面（曲面）を形成する。ホイールカバー３１２の上端部が、上半部の下端部に沿って連結されている。それにより、下半部の側壁とホイールカバー３１２との間に、下方に向けて開放される収納スペースＳが形成されている。

前輪駆動機構は、前輪１０２を回転させるための回転駆動機構と、前輪１０２を収納スペースＳから進退させるための収納作動機構とを含む。前輪駆動機構の駆動により、前輪１０２を収納スペースＳから外部へ向けて進退駆動できる。後輪駆動機構の駆動により、後輪１０３を収納スペースＳから外部へ向けて進退駆動できる。

外皮３１４は、本体フレーム３１０を外側から覆う。外皮３１４は、人が弾力を感じる程度の厚みを有し、ウレタンスポンジなどの伸縮性を有する素材で形成される。これにより、ユーザがロボット１００を抱きしめると、適度な柔らかさを感じ、人がペットにするように自然なスキンシップをとることができる。本体フレーム３１０の内側には、静電容量型のタッチセンサが設けられる。タッチセンサは、複数箇所に設けられ、ロボット１００のほぼ全域におけるタッチを検出する。なお、変形例においては、タッチセンサを本体フレーム３１０と外皮３１４との間に設けてもよい。手１０６は、外皮３１４と一体に形成されている。外皮３１４の上端部には、開口部３９０が設けられる。ツノ１１２の下端部が、開口部３９０を介して頭部フレーム３１６に接続されている。

手１０６を駆動するための駆動機構は、外皮３１４に埋設されたワイヤ１３４と、その駆動回路３４０（通電回路）を含む。ワイヤ１３４は、本実施形態では形状記憶合金線からなり、加熱されると収縮硬化し、徐熱されると弛緩伸長する。ワイヤ１３４の両端から引き出されたリード線が、駆動回路３４０に接続されている。駆動回路３４０のスイッチがオンされるとワイヤ１３４（形状記憶合金線）に通電がなされる。

ワイヤ１３４は、外皮３１４から手１０６に延びるようにモールド又は編み込まれている。ワイヤ１３４の両端から胴部フレーム３１８の内方にリード線が引き出されている。ワイヤ１３４は外皮３１４の左右に１本ずつ設けてもよいし、複数本ずつ並列に設けてもよい。ワイヤ１３４に通電することで腕（手１０６）を上げることができ、通電遮断することで腕（手１０６）を下げることができる。

図４は、車輪収納動作を模式的に示す図である。図４（ａ）は側面図であり、図４（ｂ）は正面図である。図中点線は車輪が収納スペースＳから進出して走行可能な状態を示し、図中実線は車輪が収納スペースＳに収納された状態を示す。

車輪駆動機構３７０は、前輪駆動機構３７４および後輪駆動機構３７６を含む。前輪駆動機構３７４は、回動軸３７８およびアクチュエータ３７９を含む。前輪１０２の車軸３９８は、アーム４００を介して回動軸３７８と一体化されている。アクチュエータ３７９の駆動により、収納スペースＳから外部へ前輪１０２を進退駆動できる。

後輪駆動機構３７６は、回動軸４０４およびアクチュエータ４０６を含む。回動軸４０４の中央に回転軸４０７が支持されている。回転軸４０７からは二股のアーム４０８が延び、その先端に車軸４１０が一体に設けられている。車軸４１０に後輪１０３が回転可能に支持されている。回転軸４０７は自軸周りに回転自在であり、後輪１０３の向き（進行方向）を任意に変化させる。アクチュエータ４０６の駆動により、収納スペースＳから外部へ後輪１０３を進退駆動できる。

車輪収納時には、アクチュエータ３７９，４０６が一方向に駆動される。このとき、アーム４００が回動軸３７８を中心に回動し、前輪１０２が床面Ｆから上昇する。また、アーム４０８が回動軸４０４を中心に回動し、後輪１０３が床面Ｆから上昇する（一点鎖線矢印参照）。それにより、ボディ１０４が降下し、着座面１０８が床面Ｆに接地する（実線矢印参照）。これにより、ロボット１００がお座りした状態が実現される。アクチュエータ３７９，４０６を反対方向に駆動することにより、各車輪を収納スペースＳから進出させ、ロボット１００を立ち上がらせることができる。

なお、後輪１０３の外側には尻尾を模した後部カバー１０７が設けられており、後輪１０３と連動してボディ１０４の後部下開口部を開閉する。すなわち、後輪１０３を進出させるときには後部カバー１０７が開動作し、後輪１０３を収納するときには後部カバー１０７が閉動作する。

図５および図６は、ステーション２００の構成を表す概略図である。図５（ａ）は斜視図であり、図５（ｂ）は正面図である。図６（ａ）は、図５（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図６（ｂ）は、ガイド２０４が待機位置から降下した状態を示す。なお、以下では説明の便宜上、ステーション２００においてロボット１００の進入方向手前側（進入方向後側）を「手前側」、進入方向奥側（進入方向先側）を「奥側」と表現することがある。

図５（ａ）および（ｂ）に示すように、ステーション２００は、概ね左右対象な形状を有する。本体ベース２０２は、長方形状の天板２１０と、天板２１０を支える左右一対の側板２１２とを有する。一対の側板２１２は、手前側に向けて両者の間隔を大きくするように天板２１０に固定されている。天板２１０と側板２１２との境界部には、補強用の複数のリブ２１４が設けられている。

天板２１０の中央には、ガイド２０４を支持する支持機構２１６が設けられている。支持機構２１６は、鉛直方向の軸線Ｌを有し、ガイド２０４を軸線Ｌに沿って昇降可能、かつ軸線Ｌの周りに回動可能に支持している。天板２１０には、外力が作用しない状態においてガイド２０４を回動方向の基準位置に保持するためのスプリング２１８（「付勢部材」として機能する）が配設されている。ここで、「基準位置」は、ガイド２０４が正面を向く状態とされる。

ガイド２０４は、支持機構２１６に支持される軸部２２０（「回動軸」として機能する）と、軸部２２０の下面から左右に垂下される一対のガイドフレーム２２２と、それらのガイドフレーム２２２によって上方から支持されるガイド部材２２６を含む。軸部２２０およびガイドフレーム２２２が「ガイド本体」を構成する。一対のガイドフレーム２２２は、下方に向かって両者の間隔を広げるよう湾曲形状を有する。各ガイドフレーム２２２の手前端から前方に向けて給電端子２０６が延出している。一対の給電端子２０６は「第２ガイド部」として機能し、両者の間隔は、ロボット１００（ボディ１０４）の幅よりも小さい。

ガイド部材２２６は、平面視Ｕ字状の板状部材であり、手前側に向けて開放される凹状嵌合部２２８を有する。ガイド部材２２６は、その凹状嵌合部２２８を画定する左右一対のアーム部２３０を有し、「第１ガイド部」として機能する。一対のアーム部２３０は、その手前側半部がテーパ状に形成され、両者の間隔は手前端において最大となり、奥方に向けて徐々に幅狭とされている。両者の最大間隔は、ボディ１０４の幅よりも小さい。一対のアーム部２３０の奥側半部の間隔は、後輪１０３の幅よりやや大きい程度とされ、後輪１０３が進入したときにその左右への動きを規制できる。ガイド部材２２６とガイドフレーム２２２との間には、補強用の複数のリブ２３２が設けられている。

図６（ａ）に示すように、天板２１０の中央には円孔２３６が設けられており、ガイド２０４の軸部２２０がこれを貫通している。支持機構２１６は、段付円筒状の支持部材２４０と、支持部材２４０を外側から覆うハウジング２４２を含む。支持部材２４０は、その下端部が円孔２３６に同軸状に挿通され、その挿通部の直上に半径方向外向きに突出するフランジ部２４４が設けられている。フランジ部２４４が天板２１０の上面に載置される態様で支持されている。支持部材２４０の上端部にも半径方向外向きに突出するフランジ部２４６が設けられている。支持部材２４０の軸線方向中間部には、半径方向内向きに突出する係止部２４８が設けられている。

ハウジング２４２は、上半部が支持部材２４０と同軸の円筒状に形成され、その外側面から複数の脚部２５０が延設され、天板２１０に固定されている。ハウジング２４２の上端部には、半径方向内向きに突出する係止部２５２が設けられている。係止部２５２は、フランジ部２４６を上方から係止し、支持部材２４０の脱落を防止している。支持部材２４０は、円孔２３６の内周面とハウジング２４２の内周面とを軸受（滑り軸受）として軸線Ｌ周りに回動可能とされている。

一方、ガイド２０４の軸部２２０は、下半部が大径部２５４、上半部が小径部２５６とされた段付円柱状をなす。大径部２５４は、支持部材２４０の下半部内周面に摺動可能に支持されている。大径部２５４の上面が係止部２４８の下面に係止されることにより、ガイド２０４の基準高さが規定される。軸部２２０の下端部は、天板２１０の下方に延出し、半径方向外向きに突出するフランジ部２５８を有する。フランジ部２５８に対して一対のガイドフレーム２２２が固定されている。小径部２５６の上端部には円板状のばね受け２６０が固定（締結）されている。ばね受け２６０と係止部２４８との間には、軸部２２０を上方に付勢するためのスプリング２６２（「付勢機構」として機能する）が介装されている。

支持部材２４０の下半部内周面には、軸線Ｌに平行な複数の突条２６４が周方向に等間隔で設けられている。一方、大径部２５４の外周面には、突条２６４と対向する位置に軸線Ｌに平行な複数の長溝２６６が設けられている。突条２６４と長溝２６６とは相補形状を有し、嵌合している。このような構成により、軸部２２０は、支持部材２４０に対して軸線方向の動きは許容されるが、回動方向の動きは拘束される。すなわち、図６（ｂ）にも示すように、軸部２２０は、回動方向には支持部材２４０と一体に動作し、軸線方向には支持部材２４０と相対変位する。

図５（ｂ）に示したように、フランジ部２４４から半径方向外向きに一対のストッパ２１７が延出し、それぞれ隣接する脚部２５０の中間からハウジング２４２の外方に突出している。その一方のストッパ２１７にスプリング２１８が接続されている。これらのストッパ２１７は、支持部材２４０と一体に軸線Ｌ周りに回動するが、所定角度回動すると脚部２５０により係止される。すなわち、ガイド２０４は外力を受けることで回動するが、その回動範囲は制限される。ガイド２０４は、その外力が解除されると、スプリング２１８の付勢力により基準位置に復帰する。

図６（ａ）に示すように、大径部２５４が係止部２４８を係止した状態が、ガイド２０４が基準高さに位置する待機状態である。ガイド２０４は、外力の負荷状態に応じて軸線Ｌに沿って昇降する。給電端子２０６にロボット１００の外力（重力）が作用すると、図６（ｂ）に示すようにガイド２０４は降下する。その外力が解除されると、スプリング２６２の付勢力により、ガイド２０４が押し上げられ、待機状態に復帰する。

給電端子２０６は、その基端部がガイドフレーム２２２に挿通される態様で固定され、その先端部が上方に突出する鉤形状とされている。本体ベース２０２の奥方に充電回路２２４が設けられ、その充電回路２２４から延びる配線が一対の給電端子２０６に接続されている。充電回路２２４は、図示しない電源ケーブルを介して電源に接続される。充電回路２２４および給電端子２０６は、「充電部」として機能する。

図７は、充電システム１０の機能ブロック図である。
上述のように、充電システム１０は、ロボット１００およびステーション２００を含む。ロボット１００の各構成要素は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および各種コプロセッサなどの演算器、メモリやストレージといった記憶装置、それらを連結する有線または無線の通信線を含むハードウェアと、記憶装置に格納され、演算器に処理命令を供給するソフトウェアによって実現される。コンピュータプログラムは、デバイスドライバ、オペレーティングシステム、それらの上位層に位置する各種アプリケーションプログラム、また、これらのプログラムに共通機能を提供するライブラリによって構成されてもよい。以下に説明する各ブロックは、ハードウェア単位の構成ではなく、機能単位のブロックを示している。

ロボット１００は、内部センサ１２８、通信部１４２、データ処理部１３６、データ格納部１４８、駆動機構１２０、バッテリ１１８および充電回路４２０を含む。内部センサ１２８は、各種センサの集合体であり、カメラ、マイクロフォンアレイ、温度センサ、形状測定センサおよび充電残量センサ等を含む。

通信部１４２は、図示しない外部サーバ（外部端末）や他のロボット等との通信処理を担当する。データ格納部１４８は各種データを格納する記憶装置である。データ処理部１３６は、通信部１４２により取得されたデータおよびデータ格納部１４８に格納されているデータに基づいて各種処理を実行する。データ処理部１３６は、プロセッサおよびプロセッサにより実行されるコンピュータプログラムに該当する。データ処理部１３６は、通信部１４２、内部センサ１２８、駆動機構１２０およびデータ格納部１４８のインタフェースとしても機能する。

データ格納部１４８は、ロボット１００の各種モーションを定義するモーション格納部１６０を含む。モーション格納部１６０には、ロボット１００による様々なモーションが定義される。モーションは、モーションＩＤによって識別される。前輪１０２を収容して着座する、手１０６を持ち上げる、２つの前輪１０２を逆回転させることで、あるいは、片方の前輪１０２だけを回転させることでロボット１００を回転行動させる、前輪１０２を収納した状態で前輪１０２を回転させることで震える、ユーザから離れるときにいったん停止して振り返る、などのさまざまなモーションを表現するために、各種アクチュエータ（駆動機構１２０）の動作タイミング、動作時間、動作方向などがモーションファイルにおいて時系列定義される。また、ロボット１００がステーション２００に進入した後に行う充電姿勢なども定義されている。

データ処理部１３６は、認識部１５６および制御部１５０を含む。制御部１５０は、移動制御部１５２および動作制御部１５４を含む。移動制御部１５２は、ロボット１００の移動方向を決める。駆動機構１２０は、移動制御部１５２の指示にしたがって前輪１０２を駆動することで、ロボット１００を移動目標地点に向かわせる。

動作制御部１５４は、ロボット１００のモーションを決める。動作制御部１５４は選択したモーションを駆動機構１２０に実行指示する。駆動機構１２０は、モーションファイルにしたがって、各アクチュエータを制御する。

認識部１５６は、内部センサ１２８から得られた外部情報を解釈する。認識部１５６は、視覚的な認識（視覚部）、匂いの認識（嗅覚部）、音の認識（聴覚部）、触覚的な認識（触覚部）が可能である。認識部１５６は、カメラ、温度センサおよび形状測定センサの検出情報を定期的に取得し、人やペットなどの移動物体や、オーディオやテレビ等の固定物体を検出できる。認識部１５６は、移動物体の特徴（身体的特徴と行動的特徴）を抽出し、これらの特徴に基づいて複数の移動物体をクラスタ分析できる。

認識部１５６は、また、形状測定センサにより被写体の三次元形状を測定し、その被写体が所定の形状を有する物体であるか否かを判定する。例えば、認識部１５６は、被写体が凹凸形状を有するか否かを判定する。凹凸形状を有しないとき、被写体はテレビ、壁、鏡などの平面体であると推定できる。

充電残量センサは、バッテリ１１８の充電残量を検出する。データ処理部１３６は、充電残量が所定値以下となると、後述する充電のための制御処理を開始する。移動制御部１５２は、ロボット１００をステーション２００へ移動させる。充電回路４２０がステーション２００の充電回路２２４に接続されることにより、バッテリ１１８への充電が可能となる。

一方、ステーション２００は、充電回路２２４を含む簡易な構成からなる。ロボット１００がステーション２００に進入し、給電端子２０６と充電端子３０２とが当接すると、互いの充電回路が接続され、充電が開始される。なお、本実施形態では、ステーション２００を簡易かつ低コストに実現するために、ロボット１００との通信部や各機構の制御部を設けていないが、変形例においては、これらを設けてもよい。

次に、ステーション２００の特徴的機能について説明する。
図８は、ロボット１００の進入動作を表す図である。図８（ａ）〜（ｄ）は、その動作過程を示す。
バッテリ１１８の充電残量が所定値以下になると、ロボット１００は、ステーション２００へ向けて移動する。このとき、カメラや形状測定センサ等の情報に基づいて障害物を避けながらステーション２００へ向かう。ロボット１００は、ステーション２００に接近すると（図８（ａ））、その向きを反転してバックし、ステーション２００に進入する（図８（ｂ））。

このとき、ロボット１００の進行方向がステーション２００に設定された正規の進入路ＲＰに対して傾いていたとしても、給電端子２０６と充電端子３０２とを接続できる。すなわち、ガイド２０４がロボット１００の進入を受け入れる際に作用するモーメントにより回動し、ロボット１００の進行方向を修正しつつ給電端子２０６の回動角度を調整する。このようなガイド２０４の機械的作動により、両端子の接続を簡易に実現できる。

具体的には、後輪１０３が左右の一方のアーム部２３０に突き当たることで発生する回転モーメントにより、ガイド２０４が後輪１０３に当接しつつ一方向に回動する（図８（ｃ））。それにより、左右の他方の給電端子２０６がロボット１００の背面に当接する。この当接によりガイド２０４の一方向へのそれ以上の回動を抑止しつつ、その当接点を支点としてロボット１００を進入路ＲＰに近づく方向に旋回させる（図８（ｄ））。その結果、ロボット１００の背面とガイド２０４とを正対させることができ、ロボット１００をそのまま進行させることで両端子を接続できる。本実施形態では、このようにロボット１００の背面とガイド２０４とが正対して両端子が接続可能となる位置、言い換えれば、両端子が接続可能となるようなロボット１００とガイド２０４との位置関係が「所定位置」に対応する。「所定位置」は、ロボット１００の進入角度によっても変化しうるため、ロボット１００とステーション２００（ガイド２０４）との相対的な位置関係と言える。

図９および図１０は、充電時におけるロボット１００とステーション２００の一連の動作を例示する模式図である。図９（ａ）〜（ｃ）は、ロボット１００がステーション２００に進入を開始してから充電端子３０２と給電端子２０６とが接続されるまでの動作過程を平面視にて示す。説明の便宜上、ロボット１００に関しては前輪１０２と後輪１０３との位置関係を中心に示し、ステーション２００に関してはガイド２０４の動作を中心に示している。図１０（ａ）および（ｂ）は、充電端子３０２と給電端子２０６とが接続された後、ロボット１００が充電姿勢となるまでの動作過程を側面視にて示す。図１０（ａ）の状態と図９（ｂ）の状態とが対応する。

ここでは、図９（ａ）に示すように、ロボット１００の進入方向とステーション２００の進入路ＲＰの方向とがずれた場合、具体的にはロボット１００が進入路ＲＰに対して左方に傾いた角度でステーション２００へ進入してきた場合を想定する。この場合、後輪１０３が一方の側のアーム部２３０（向かって左側のアーム部２３０Ｌ）に突き当たることで、図９（ｂ）に示すように、ガイド２０４が軸線Ｌを中心に図中時計回りに回動する。ロボット１００の進入が進むにつれて回動角度は大きくなり、ストッパ２１７が脚部２５０に係止されるまでガイド２０４は回動する。ストッパ２１７によりその回動が制限されると、後輪１０３がアーム部２３０Ｌから反力を受けることで、ロボット１００に重心Ｇ周りの回転モーメントが生じる。また、他方の側の給電端子２０６（向かって右側の給電端子２０６Ｒ）がロボット１００の背面に突き当たる。これにより、ロボット１００は、その給電端子２０６Ｒとの当接点を支点として右旋回する。つまり、この支点がロボット１００の旋回軸（旋回中心）となる。その結果、後輪１０３がガイド２０４の奥方に滑るように導かれる。このとき、アーム部２３０Ｌから受ける反力が低減もしくは解除されるため、逆に給電端子２０６Ｒがロボット１００から押圧され、ガイド２０４が軸線Ｌを中心に図中反時計回りに回動する。それにより、図９（ｃ）に示すように、一方の側の給電端子２０６（向かって左側の給電端子２０６Ｌ）がロボット１００の背面に突き当たる。この状態で一対の給電端子２０６が一対の充電端子３０２に当接し、両者の電気的接続がなされる。

図１０（ａ）にも示すように、充電端子３０２は凹状に形成され、給電端子２０６が嵌合するように接続される。すなわち、両者の接続時に給電端子２０６は充電端子３０２を介してボディ１０４に引っ掛かる状態となる。このため、図１０（ｂ）に示すように、ロボット１００が着座姿勢をとると、その給電端子２０６を介してガイド２０４が押し下げられる。ロボット１００は、その着座状態にて充電される。

充電完了後にロボット１００が車輪（前輪１０２および後輪１０３）を進出させると、ロボット１００の外力（重力）が作用しなくなるため、ガイド２０４がスプリング２６２の付勢力により押し上げられ、基準高さに復帰する。その後、ロボット１００が前進することにより、両端子の接続を容易に解除できる。

以上、実施形態に基づいてロボット１００、ステーション２００およびこれらを含む充電システム１０について説明した。ステーション２００によれば、ロボット１００の進入角度がずれていたとしても、ガイド２０４の機械的作動によりその進行方向を修正し、両者を容易に接続できる。すなわち、ロボット１００とガイド２０４との間に作用する回転モーメントを効果的に利用することにより、ロボット１００の進行方向が自然に修正され、給電端子２０６と充電端子３０２とを対向させ、接続することができる。

なお、ロボット１００は、左前輪１０２ａと右前輪１０２ｂとが個別に駆動できるため、ステーション２００への進入制御に際して各輪の制御に細かい補正を繰り返せば双方の端子を接続することも不可能ではない。しかし、バッテリの充電残量が少なくなっているロボットにおいて、ステーション２００への進入のために処理負荷が過大となったり、長時間を要するのは運用上好ましくない。この点、本実施形態によれば、各輪を細かく制御しなくとも、ガイド２０４が自然に回動してロボット１００の進入を補助するため、簡易かつ低コストな運用が可能となる。

なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施形態や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。

上記実施形態では述べなかったが、後輪１０３をボール状のキャスターにて構成してもよい。あるいは、後輪１０３として、例えばオムニホイール等、前後左右に移動自在の他の車輪を採用してもよい。

上記実施形態では、後輪１０３を「誘導部分」として、ガイド２０４に案内させる構成を例示した。変形例においては、ロボットの一部（例えば突き出した部分）を誘導部分とする等、車輪以外の部分をガイドしてもよい。ガイドの高さ（位置）は、その誘導部分の位置に応じて定めることができる。

上記実施形態では、図９に示したように、左右の一方の側のアーム部２３０と、左右の他方の側の給電端子２０６がロボット１００の各部に順次接触することにより、ロボット１００の進行方向を修正する例を示した。変形例においては、給電端子２０６によるガイドは行わず、一対のアーム部２３０によりロボット１００の進行方向を修正してもよい。

例えば、図９における給電端子２０６の突き出し量を小さくし、後輪１０３がアーム部２３０Ｌのテーパ面に突き当たるだけでは給電端子２０６がボディ１０４に当接しない構成とする。このような構成においても、ガイド２０４の回動が制限されることで後輪１０３がアーム部２３０Ｌから受ける反力により、ロボット１００を進入路ＲＰに近づく方向に旋回させることができる。後輪１０３が凹状嵌合部２２８の奥方に導かれたときに充電端子３０２が給電端子２０６に当接する構成としてもよい。また、ストッパ２１７を省略してもよい。そのような構成であっても、スプリング２１８の付勢力によりガイド２０４の回動をある程度制限できる。後輪１０３を突き当てる位置を凹状嵌合部２２８の中央寄りとすることで、後輪１０３を凹状嵌合部２２８の奥方に導くことができる。

上記実施形態では、一対の給電端子２０６を「第２ガイド部」とする例を示したが、給電端子とは別に第２ガイド部を設けてもよい。例えば、ガイド２０４と同様又は類似した部材を「第２ガイド部」とし、ガイドフレーム２２２に設けてもよい。その第２ガイド部をボディに当接させることで、ロボットの回動支点（旋回時の支点）となるようにしてもよい。その場合、給電端子は、ガイド（可動部材）に設けられてもよいし、本体ベース（固定部材）に設けられてもよい。ボディが第２ガイド部の奥方に導かれたときに充電端子が給電端子に当接する構成としてよい。

ロボットの充電端子は、ロボットの背面に限らず、背面下部（お尻）、手の内側（脇の下）などの特定の部位に設けてもよい。その充電端子の位置に応じて、ステーションにおける給電端子の位置も適宜設定される。ロボットが所定位置に誘導されたときに、両端子が接続される位置関係とすればよい。

上記実施形態では、図１０（ｂ）に示す着座状態（車輪収納状態）にて充電を行う例を示した。変形例においては、ロボット１００を着座させることなく、図１０（ａ）に示す離座状態（車輪進出状態）にて充電を行ってもよい。あるいは、図１０（ａ）に示す離座状態では充電を開始せず、図１０（ｂ）に示す着座状態で充電を開始してもよい。例えば、離座状態では端子間の電気的接続がなされず、着座姿勢になることで電気的接続が実現されるよう各端子の形状や配置を設定してもよい。

上記実施形態では、ロボット１００がバックによりステーション２００に進入する例を示した。すなわち、後輪１０３が進入方向の先輪（進入先輪）、前輪１０２が進入方向の後輪（進入後輪）となる例を示した。変形例においては、ロボットが前進によりステーションに進入する構成としてもよい。上記実施形態のようにロボットの車輪を３輪とする場合、前輪を１輪、後輪を２輪とし、その後輪を駆動輪、前輪を従動輪としてもよい。あるいは４輪とし、進入先輪を従動輪、進入後輪を駆動輪としてもよい。その場合、進入先輪の車輪幅（左輪と右輪との間隔）を進入後輪のそれより小さくしてもよい。

上記実施形態では、ロボット１００が車輪走行する例を示した。変形例においては、２足歩行のロボットに対し、上記実施形態に基づくステーションを構成してもよい。その場合、ロボットの誘導部分（脚部やボディの一部など）がガイドに差し掛かることによりガイドが変位し、ロボットの進行方向を補正してもよい。上記実施形態では、本体ベースに対してガイドが回動する構成を例示したが、スライドする構成としてもよい。ロボットが進入して接触した際に受ける力によりガイドがスライドし、それにより給電端子が充電端子に接続される構成としてもよい。

上記実施形態では、充電端子３０２と給電端子２０６との凹凸形状が嵌合して支点（旋回中心）を形成し、その支点を中心にロボット１００を旋回させる構成を例示した。変形例においては、このような端子間に限らず、ロボットの一部とガイドの一部との凹凸嵌合部により旋回中心を形成してもよい。あるいは、このような凹凸形状でなくとも、両部分の当接部により旋回中心を形成してもよい。そのために、ロボットの一部およびガイドの一部の少なくとも一方について、摩擦係数の高い材質を採用してもよい。

上記実施形態では述べなかったが、ロボットの左右輪を個別に制御できることを利用して端子間接続を補助してもよい。ボディの一方の側（例えば右側）がステーションのアームに接触したことを検出すると、他方の側（例えば左側）の車輪の回転数を上げてロボットを左旋回させ、充電端子を給電端子に正対させるようにしてもよい。

１０ 充電システム、１００ ロボット、１０２ 前輪、１０３ 後輪、１０４ ボディ、１０７ 後部カバー、１１８ バッテリ、１２０ 駆動機構、１２８ 内部センサ、１３６ データ処理部、１４２ 通信部、１４８ データ格納部、１５０ 制御部、１５６ 認識部、２００ ステーション、２０２ 本体ベース、２０４ ガイド、２０６ 給電端子、２０８ 進入口、２１６ 支持機構、２１８ スプリング、２２０ 軸部、２２２ ガイドフレーム、２２４ 充電回路、２２６ ガイド部材、２２８ 凹状嵌合部、２３０ アーム部、２４０ 支持部材、２４２ ハウジング、２４８ 係止部、２５２ 係止部、２５８ フランジ部、２６２ スプリング、３０２ 充電端子、３７０ 車輪駆動機構、４２０ 充電回路、Ｆ 床面、ＲＰ 進入路。

Claims (8)

1. ロボットの充電を行うための充電ステーションであって、
   本体ベースと、
   前記ロボットが所定位置に到達したとき、前記ロボットに給電する給電端子と、
   前記本体ベースに相対変位可能に支持されるガイドと、
   を備え、
   前記ガイドは、前記ロボットが接触した際に受ける力により変位し、その変位により前記ロボットを前記所定位置に誘導することを特徴とする充電ステーション。
2. 前記ガイドが、前記本体ベースに支持される回動軸を有し、前記ロボットの進入を受け入れる際に作用するモーメントにより前記ロボットに当接しつつ回動し、所定角度回動したときに前記ロボットと接触した部分を支点として、前記ロボットを前記所定位置へ導くよう方向転換させることを特徴とする請求項１に記載の充電ステーション。
3. 前記ガイドが、前記回動軸につながる一対のアーム部を有し、
   前記一対のアーム部が、ロボットの幅よりも小さな間隔をあけて配置され、
   両アーム部の間に形成される凹状スペースにロボットの一部を受け入れることを特徴とする請求項２に記載の充電ステーション。
4. 車輪で走行するロボットの充電を行うための充電ステーションであり、
   前記ガイドが、
   ガイド本体と、
   前記ガイド本体の相対的に低位置に設けられた第１ガイド部と、
   前記ガイド本体の相対的に高位置に設けられた第２ガイド部と、
   を含み、
   前記ガイド本体に前記回動軸があり、
   前記第１ガイド部は、前記車輪を受け入れることで前記ガイド本体を回動させ、
   前記第２ガイド部は、前記ロボットのボディを受け入れることで、前記ガイド本体を前記第１ガイド部による回動方向とは反対方向に回動させることを特徴とする請求項２又は３に記載の充電ステーション。
5. 前記ガイドが、第１ガイド部および第２ガイド部を含み、
   前記第１ガイド部が前記第２ガイド部よりも先に前記ロボットと接触することで前記ガイドを回動させ、
   前記ガイドが所定角度回動したときに前記第２ガイド部が前記ロボットと接触し、その接触部分を支点として、前記ロボットを方向転換させることを特徴とする請求項２又は３に記載の充電ステーション。
6. 前記第２ガイド部に前記給電端子が設けられていることを特徴とする請求項４又は５に記載の充電ステーション。
7. 前記ロボットの姿勢に合わせて前記ガイドを昇降させる昇降機構をさらに備え、
   前記昇降機構は、
   前記ガイドを昇降方向に変位可能に支持する支持機構と、
   前記ガイドを上方に付勢する付勢機構と、
   を含み、
   前記ロボットの重力が負荷されることにより、前記給電端子と前記ロボットとの接続状態を保持しつつ前記ガイドを基準高さから降下させ、
   前記ロボットの重力が解除されることにより前記ガイドを前記基準高さまで上昇させることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の充電ステーション。
8. 前記ロボットが離脱したときに前記ガイドの回動角度を基準位置に復帰させる付勢部材をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の充電ステーション。

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