JP2019185411A - 自律走行型掃除機及び自律走行型掃除機システム並びに移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】自律走行型掃除機（移動体）の基地局への帰還を効率的に行う。【解決手段】帰還信号を検知可能な受信部と、障害物を検知する障害物センサと、帰還信号を受信した地点を記憶可能な制御部と、障害物センサによる検知地点を記憶可能な制御部と、を有する自律走行型掃除機であって、帰還信号を基に進行中に障害物センサが障害物を検知した場合に、掃除機の現在位置に対する帰還信号受信地点への方向を演算して該方向に向けて進行する進行ステップと、障害物検知地点を避けるように走行する。【選択図】 図１３

Description

本発明は、自律走行型掃除機及び自律走行型掃除機システム並びに床面を移動する移動体に関する。

充電池を搭載して自律駆動して清掃作業を行う自律走行型掃除機として、充電池の電池残量が少なくなると充電器となる基地局へ自動で帰還しようとする機能を備えているものが知られている。

特許文献１は、外部充電装置（基地局）との交信がなされた交信地点を記憶し、外部充電装置に帰還しようとする場合、記憶された交信地点に進行方向を設定してから直進する走行制御を開示している。

特開２００６−２３６３３３号公報

自律走行型掃除機又は移動体において、充電台付近から充電台接続に至る動作にて障害物により進行方向を妨害された際、正常に接続完了することが難しい場合がある。特許文献１は、帰還信号を受信した位置に向かい帰還完了までの時間を短縮する処理についてであり、障害物があった場合の充電台接続の成功率を向上させる内容の記載はない。

上記課題に鑑みた本発明は、帰還信号を検知可能な受信部と、障害物を検知する障害物センサと、前記帰還信号受信部による検知した地点や前記障害物センサによる検知した地点を記憶又は呼び出し可能な制御部とを有する自律走行型掃除機又は移動体であって、当該自律走行型掃除機又は移動体の現在位置に対する回避走行のため方向を演算して該方向に向けて進行する進行ステップと、前記地点に向かって進行している最中に前記障害物センサが障害物を検知した場合、当該自律走行型掃除機又は移動体の現在位置に対する前記帰還信号受信地点への方向を演算して該方向に向けて進行する進行ステップを実行することを特徴とする。

実施例１の自律走行型掃除機を左前方から見下ろした斜視図 実施例１の自律走行型掃除機の下面図 図１のＡ−Ａ断面図 実施例１の自律走行型掃除機のバンパシェードを外したバンパ内部構成を示す斜視図 実施例１の自律走行型掃除機の制御部、及び制御部に接続される機器を示す構成図 実施例１の自律走行型掃除機が部屋を反射走行モードで走行した場合の軌跡の一例を示す図 実施例１の自律走行型掃除機が部屋を帰還走行モードで走行した場合の軌跡の一例を示す図 実施例１の第１受信部の構成を示す図 実施例１の第２受信部の構成を示す図 実施例１の基地局２５の正面図 実施例１の帰還走行制御の制御フローチャート 実施例１の帰還信号追従走行中に障害物を検知した回避動作の軌跡の一例 実施例１の図１２の後に図１１のフローの通りに動作させた軌跡の一例

以下，実施例を図面を用いて説明する。

図１は、本実施例の自律走行型掃除機Ｓを左前方から見た斜視図である。自律走行型掃除機Ｓが通常進行する方向を前方とし、また、鉛直上向きを上方、駆動輪３、４が対向する方向であって駆動輪３側を右方、駆動輪４側を左方とする。すなわち図１等に示すように前後、上下、左右方向を定義する。図２は、本実施例の自律走行型掃除機Ｓの下面図である。図３は、図１のＡ−Ａ断面図である。図４は、本実施例の自律走行型掃除機Ｓのバンパ２の一部を透視した斜視図である。図５は、本実施例の自律走行型掃除機Ｓの制御部、及び制御部に接続される機器を示す構成図である。自律走行型掃除機Ｓは、所定の掃除領域（例えば、部屋の床面Ｙ）を自律的に移動しながら自動的に掃除する電気機器である。

［自律走行型掃除機Ｓの構造］
自律走行型掃除機Ｓは、本体ケース１、側周に設けたバンパ２、底面に設けた一対の駆動輪３、４、補助輪５及び回転ブラシ６、サイドブラシ８、充電池９、制御部１０、吸引ファン１１、集塵ケース１２、表示パネル１７、操作ボタン２０、並びに帰還信号を検知する第１受信部２６及び第２受信部２７を備えている。

駆動輪３、４は、走行モータ３ｍ、４ｍの回転力によって回転する車輪であり、それぞれ独立した方向に回転することができる。駆動輪３，４によって自律走行型掃除機Ｓを前進、後退、旋回（或る点を中心としての円運動。或る点は、自律走行型掃除機Ｓの一部に重なっても良いし重なっていなくても良い。）及び超信地旋回（その場回転。自律走行型掃除機Ｓの図心を中心としての円運動。）させることができる。
補助輪５は、自由回転する従動輪（キャスタ）である。

サイドブラシ８ａ、８ｂは、自律走行型掃除機Ｓの前方側、左右方向の外側に設けられており、図２の矢印α１のように、自律走行型掃除機Ｓの前方外側の領域から前方内側に向かう方向に掃引するよう回転して、床面上の塵埃を中央の回転ブラシ６側に集める。
回転ブラシ６は、自律走行型掃除機Ｓの駆動輪３、４に対して後方に設けられており、水平方向を回転軸として回転する。自律走行型掃除機Ｓの進路上の塵埃やサイドブラシ８に弾かれた塵埃を回収することができる。回転ブラシ６が設置された領域は、吸引ファン１１による負圧が生成されている。回転ブラシ６のと吸引ファン１１の間には集塵ケース１２が位置しており、塵埃が貯留される。

充電池９は、例えば、充電することで再利用可能な二次電池であり、電池残量は電池残量検出部２２０によって測定又は推定可能である。充電池９からの電力は、制御部１０、表示パネル１７や走行モータ３ｍ、４ｍ等自律走行型掃除機Ｓの駆動に必要な部材に供給される。

制御部１０は、自律走行型掃除機Ｓを統括的に制御するものであり、例えばマイコン（Microcomputer）２３と周辺回路とが基板に実装され、構成される。マイコン２３は、ＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶された制御プログラムを読み出してＲＡＭ（Random Access Memory）に展開し、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が実行することで各種処理が実現される。周辺回路は、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａ変換器、各種モータの駆動回路、センサ駆動回路、充電池９の充電回路等を有している。
制御部１０は、利用者による操作ボタン２０の操作、及び、各種障害物検知手段（バンパセンサ１９、床面用測距センサ２２、測距センサ２１）から入力される信号に応じて演算処理を実行し、各種モータとの間で信号を入出力する。

集塵ケース１２は入口として回転ブラシ６の上方に吸込み口１２ｉが形成されている。また、集塵ケース１２は出口に集塵フィルタ１３が取り付けられている。なお、吸引ファン１１はファンモータ１１ｍで駆動される。

［センサ］
自律走行型掃除機Ｓは、進路上の障害物や段差、充電台からの帰還信号等を検知する床面用測距センサ２２、バンパ２（バンパセンサ１９）、測距センサ２１、受信部２６，２７を有する。

床面用測距センサ２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）は、自律走行型掃除機Ｓの底面に設けられた、所定距離内に床面が存在するか区別できるセンサである。床面用測距センサ２２としてはこのような機能を実現できれば特に制限されないが、赤外線を用いたり床面までの具体的な距離を計測可能であっても良い。本実施例の床面用測距センサ２２は、底面の前後左右４か所に設置されている。例えば、床面用測距センサ２２によって前方に３０ｍｍ程度以上の段差が検知された場合、制御部１０は駆動輪３、４を制御して自律走行型掃除機Ｓを後退させた後、進行方向を転換させることができる。

バンパ２は自律走行型掃除機Ｓが壁等の障害物に衝突したことを検知するセンサに連結している。バンパ２は左右一対のバンパばね（不図示）によって本体ケース１に対して外向きに付勢されている。バンパ２を介して障害物と衝突した際の作用力がバンパばねに作用すると、バンパばねは平面視で内側に倒れ込むように変形し、バンパ２を外向きに付勢しつつバンパ２の本体ケース1の内側方向への移動を許容する。バンパ２が障害物から離れて前記した作用力がなくなると、バンパばねの付勢力によってバンパ２は元の位置に復帰する。

このバンパ２の移動（つまり、障害物との接触）は、フォトカプラ等のバンパセンサ１９によって検知される。障害物等との接触によりバンパ２が後退するとセンサ光が遮られ、この変化に応じた検知信号が制御部１０に出力されることで、障害物等との接触が生じたことを検知できる。すると制御部１０は駆動輪３、４を制御し、必要に応じて自律走行型掃除機Ｓを後退させた後、進行方向を変更する。

測距センサ２１は、障害物等が所定距離内に存在するか否かを検出可能な赤外線センサであり、例えば自律走行型掃除機Ｓの側周に配することができる。本実施例では、正面１箇所と左右側面それぞれ３箇所の計７か所に測距センサが設けられている。測距センサ２１はより詳細に障害物等までの距離を検知可能であっても良い。測距センサ２１の構成としては例えば、赤外線を発光させる発光部（図示せず）と、赤外線が障害物で反射して戻ってくる反射光を受光する受光部（図示せず）とを有するものにすることができる。

自律走行型掃除機Ｓが有する走行モータ用エンコーダ１８Ｒ，１８Ｌは、走行モータ３ｍ，４ｍの回転速度・回転角度を検出する検出器であり、自律走行型掃除機Ｓの移動速度・移動距離を算出する。また、自律走行型掃除機Ｓが有するジャイロセンサ５０は、自律走行型掃除機Ｓの回転角度つまりは進行方向を検出する。

操作ボタン２０は、ユーザの操作に応じた操作信号を制御部１０に出力するボタンであり、掃除の開始／終了や充電台帰還を指示することができる。

表示パネル１７は、複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode：図示せず）と、７セグメントディスプレイ（図示せず）と、を有しており、自律走行型掃除機Ｓの運転状態等を表示する。

制御部１０は、操作ボタン２０、及びセンサ類からの信号に応じて演算処理を実行し、各モータに指令信号を出力する。

［走行］
図６は本実施例の自律走行型掃除機Ｓが部屋Ａを反射走行モードで走行した場合の軌跡の一例を示す図である。図７は本実施例の自律走行型掃除機Ｓが部屋Ａを帰還走行モードで走行した場合の軌跡の一例を示す図である。

部屋Ａを走行する自律走行型掃除機Ｓは、掃除走行制御の一例としての反射走行モードや壁際走行モードの他、充電台としての基地局２５を探索する帰還走行制御で自律走行できる。掃除走行制御は、サイドブラシ８ａ、８ｂを回転させるとともに、床面上の塵埃を回転ブラシ６で取り込み、送風ファン１１で吸引して集塵ケース１２に回収しながら、自律走行する。

図６で、反射走行モードでは、壁や障害物２４（棚、ソファ等）に接触又は接近したことを検知した場合、自律走行型掃除機Ｓが進行方向を変えて走行するモードであり、部屋Ａ全体の掃除に適している。バンパセンサ１９や測距センサ２１から入力される検出信号によって壁等の障害物２４が検知された場合、制御部１０は走行モータ３ｍ，４ｍを互いに逆方向に回転させることで自律走行型掃除機Ｓを超信地旋回（その場で回転）させて進行方向を変えたり、走行モータ３ｍ，４ｍの回転速度を異なるものにして旋回することで進行方向を変えたりできる。これによって自律走行型掃除機１は、検知した障害物２４等から離れる方向に移動することができる。

掃除走行制御による掃除が一定時間経過した場合、充電池９の電池残量が所定の値以下に達した場合、又はユーザによるボタン２０ｂ等の操作により帰還走行モードが指示された場合に帰還走行制御を実行する。

［帰還信号］
図１０で、基地局２５は、帰還信号を出射する出射部２５ｃを有している。自律走行型掃除機Ｓの受信部２６，２７は帰還信号を検知することができ、自律走行型掃除機Ｓは、帰還信号の出射源を探索することで基地局２５に帰還しようとする。

自律走行型掃除機Ｓは、第１受信部２６と第２受信部２７とを有している。
第１受信部２６は、自律走行型掃除機Ｓの上面に設けられており、水平方向の広い範囲（上面視した場合の平面において）、例えば３００°以上、好ましくは３６０°の範囲を検知可能範囲としている。基地局２５が平坦な床面Ｙに載置された場合、同じ床面Ｙを走行する自律走行型掃除機Ｓの第１受信部２６の高さは出射部２５ｃが出射する帰還信号の高さと略同一になるよう設計されている。このため、第１受信部２６によって出射部２５ｃの帰還信号を、自律走行型掃除機Ｓの向きと基地局２５との位置関係に依らず、それらの間に障害物２４等が無ければ検知しやすい。なお、本実施例の第１受信部２６は、自律走行型掃除機Ｓの左右幅の略中央で、バンパ２の上面に固定されている。

第２受信部２７は、自律走行型掃除機Ｓの側周に設けられており、水平方向の比較的狭い範囲（上面視した場合の平面において）、少なくとも第１受信部２６よりも狭い範囲、例えば４５°以下の範囲を検知可能範囲としている。

図８は本実施例の第１受信部２６の構成を示す図であり、図９は本実施例の第２受信部２７の構成を示す図である。
第１受信部２６は、出射部２５ｃが出射する帰還信号、例えば赤外線を受光する受光素子２６ａと、受光素子２６ａを囲う略円筒形状の受光レンズ２６ｂと、受光レンズ２６ｂの上面を覆う上面カバー２６ｃと、を有する。受光素子２６ａはバンパ１２上面と略同じ高さの位置に、受光方向を上向きに固定される。受光レンズ２６ｂは、その筒部が赤外線を透過する樹脂材料で作られており、筒部外周の全周又は略全周からの帰還信号を取り込むことができる。また、受光レンズ２６ｂ筒状の内側には、下側に向けてすぼんだすり鉢状に外周が設けられており、筒部外周から取り込んだ帰還信号を、このすり鉢状の外周との境界面で下方に向けて反射させている。このように反射した帰還信号を受光レンズ２６ｂの下方にある受光素子２６ａが受光する構造となっており、水平面において広範囲から帰還信号を受信できる。また、上面カバー２６ｃは受光素子２６ａが検知可能な波長域の光を通過させない樹脂で作られており、自律走行型掃除機Ｓの上方からの例えば、照明光や他の機器のリモコン信号を遮断している。

第２受信部２７はバンパ２の高さ方向の中央位置より高い位置で、第１受信部２６の位置する左右方向位置よりも左または右に、例えば約３０ｍｍ離れた位置に設けられている。第２受信部２７は、受光方向を略水平にした受光素子２７ａと、バンパ２の外郭より後方に延びて後方に向かうにつれてすぼんだ筒部２７ｂとを有し、水平面および鉛直面に対する受信範囲が約３０度となるような指向性を有している。

［基地局２５］
図１０は本実施例の基地局２５の正面図である。基地局２５は床面に対して略垂直に伸びる背もたれ部２５ａと、床面に平行に前側に延びたベース部２５ｂとを有する。背もたれ部２５ａの高さは自律走行型掃除機１の高さより高く、背もたれ部２５ａの上部には帰還信号２９を伝送する３つの開口部２５ｃを有している。それぞれの開口部２５ｃには例えば赤外線を発光するＬＥＤが配されている。また、基地局２５は電源コード２５ｅを有しており、ＬＥＤを発光させるのに必要な電力を商用電源等から獲得できる。

ベース部２５ｂは、自律走行型掃除機Ｓの充電池９に電気的に接続できる給電端子２５ｈを備えている。給電端子２５ｈは、基地局２５に自律走行型掃除機Ｓが帰還した際に、自律走行型掃除機Ｓの底面の受電端子２８と接触することで、充電池９に給電することができる。

このような基地局２５からの帰還信号２９の伝送について説明する。まず、帰還信号は高速で赤外線ＬＥＤを点滅させて（約５０〜１００ｍｓ間にＯＮ／ＯＦＦを数十回繰り返して）作られるコードである。

基地局２５は、右側前方の領域に向けて右側帰還信号２９Ｒを伝送し、左側前方の領域に向けて左側帰還信号２９Ｌを伝送し、中央前方の領域に向けて中央帰還信号２９Ｃを伝送する。帰還信号２９Ｒ，２９Ｌ，２９Ｃは基地局２５から前方に約６ｍ離れた領域まで伝送され、帰還信号２９Ｒ，２９Ｌの伝送領域の幅は、左右に約３０度方向までの範囲となっている。また、帰還信号２９Ｃの伝送領域の幅は、帰還信号２９Ｒ，２９Ｌより狭い。各帰還信号２９Ｒ，２９Ｌ，２９Ｃはそれぞれ異なるコードにすることができ、自律走行型掃除機Ｓは何れの帰還信号を受信しているのか区別することができる。

［帰還信号追従走行モード］
帰還走行モードを実行する自律走行型掃除機Ｓは、これらの帰還信号２９のコードを識別し、自律走行型掃除機Ｓが基地局２５に対してどの領域（位置）を走行しているかを判断して、進行方向を決めて基地局２５に帰還するように走行する。本実施例の自律走行型掃除機Ｓは、中央帰還信号２９Ｃが伝送される領域から外れないように前進し、基地局２５に帰還する。
帰還走行モード中に帰還信号を検知した自律走行型掃除機Ｓは、帰還信号を辿ることで基地局２５に帰還するが、障害物を検知した場合、障害物を回避するために旋回動作を実行する。

［基地局へ移動中に障害物検知した場合の走行］
図１１は本実施例の動作フローを示したものである。

帰還信号を受信した際、走行モータ用エンコーダ（右・左）１８Ｒ，１８Ｌ、ジャイロセンサ５０の値から自律走行型掃除機Ｓの位置を推定するとともに、掃除走行中に帰還信号２９を受信した場合、その位置を制御部１０（例えばマイコン２３）に記憶させる（図１１−S11)。その後、基地局へ戻るように走行を行い（図１１−S12）、基地局接続完了で帰還完了となる（図１１−S13）。

この途中で障害物検知した場合は、検知回数が制限未満ならば回避動作を実行する（図１１−S14, S15, S16）。検知回数が制限以上であった場合は、帰還信号を最初に受信した位置へ戻る（図１１−G2）。具体的には、帰還信号を最初に受信した位置への角度と距離を演算し（図１１−S21）、演算した方向へ本体を回転させ（図１１−S22）、演算した距離を直進する（図１１−S23）。

帰還信号を最初に受信した位置へ到達後、障害物検知位置を避けるような方向へ移動する（図１１−G3）。具体的には、記録した障害物検知位置に対し、帰還信号を最初に受信した位置を起点にそれぞれ角度を演算し（図１１−S31）、最大の角度または最小の角度のいずれかの位置をランダムで選択する（図１１−S32）。さらに、選択した位置が角度最大の位置ならば規定角度を加算し、最小角度の位置ならば規定角度を減算する（図１１−S33,S34,S35）。ここで、規定角度は自由に設定できるとする。その後は演算結果の角度になるように回転動作にて向きを変え（図１１−S36）、帰還信号を最初に受信した位置と最後に障害物検知した位置との距離だけ前進動作を実施する（図１１−S37）。その後は通常の帰還信号追従走行に戻る（図１１−S12）。上記の動作を実施することで、障害物検知した位置の外側に本体を移動することができ、障害物回避して帰還完了可能となる可能性を高めることができる。

図１２は帰還信号追従走行中に障害物を検知して回避動作を行った自律走行型掃除機Ｓの軌跡を示したものである。図１３は図１２の後に図１１のフローの通りに走行を実施した自律走行型掃除機Ｓの軌跡を示したものである。位置61にて帰還信号を受信し、障害物60を位置62にて検知して回避動作し、再度位置63で検知して回避動作し、位置64にて障害物を検知している（図１２）。ここで、障害物検知の制限回数は３回とすると、障害物検知制限回数以上となったため、位置64から帰還信号を最初に受信した位置61へ移動する（図１３）。移動完了後、障害物検知位置の角度70や角度71等のうち、角度最大もしくは最小の位置を選択する。ここでは最大の角度70の位置64を選択しており、その角度に規定角度72を加算し、演算結果の角度の方向(位置61−位置65)へ本体を向けるように本体を回転させ、位置64と位置61との距離と同じだけ直進を実行し、位置65へ到達する。その後は通常の帰還信号追従走行を実施する。

以上により、帰還信号による基地局への走行途中に障害物検知した際、記録した障害物検知位置を避けるように走行することで、障害物が多い環境での基地局への帰還走行の成功率を向上させることができる。

Ｓ 自律走行型掃除機
１ 本体ケース
２ バンパ
３ 右駆動輪
４ 左駆動輪
９ 充電池
１８ 走行モータ用エンコーダ
１９ バンパセンサ（障害物センサの一例）
２１ 測距センサ（障害物センサの一例）
２３ マイコン
２５ 基地局
２６ 第１受信部
２７ 第２受信部
５０ ジャイロセンサ

Claims (1)

1. 帰還信号を検知可能な受信部と、
   障害物を検知する障害物センサと、
   前記帰還信号を受信した地点を記憶又は呼び出し可能な制御部と、
   前記障害物センサによる検知地点を記憶又は呼び出し可能な制御部と、を有する自律走行型掃除機であって、
   前記帰還信号を基に進行中に前記障害物センサが障害物を検知した場合に、当該自律走行型掃除機の現在位置に対する前記帰還信号受信地点への方向を演算して該方向に向けて進行する進行ステップと、
   前記障害物検知地点を避けるように走行モードを実行することを特徴とする自律走行型掃除機。

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