JP2020068895A - 清掃ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】ロボット本体（筐体）内で塵埃を除去した後の空気を効率よく冷却用に利用でき、且つ冷却後の筐体外部への排気をさらに有効利用することができる清掃ロボットを提供する。【解決手段】ホッパー１２の上方に設けられたフィルター２０と、フィルター２０よりもロボット本体内部側に設けられた吸引ファン７０と、吸引ファン７０の排気方向に配置されて排気が当接する電源装置３５と、ロボット本体２の外壁面であって吸引ファンの７０の排気方向正面に形成された排気孔３８と、ロボット本体の外壁面よりも外側であって、排気孔３８の正面において配置された障害物検出センサ１５とを具備する。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば建設現場等で床面の粉塵を清掃する清掃ロボットに関する。

室内を自走しながら自動で清掃する清掃ロボットが、広く使用されている。
例えば、特許文献１（特許第５９０９３７０号公報）に開示されている清掃ロボットでは、吸込口に回転ブラシと、筐体底面に垂直な軸線回りで回転するサイドブラシと、回転ブラシとサイドブラシとを回転させる駆動モータとを備えている。

そして、上記清掃ロボットは、床面上の空気を塵埃とともにロボット本体（筐体）内に吸引して、塵埃が除去された空気を排気口から外部に送風しているが、塵埃が除去された空気の一部を駆動モータに向けて送風して駆動モータを冷却する構成を採用している。

特許第５９０９３７０号公報

特許文献１の清掃ロボットでは、床面上の空気を吸引して塵埃が除去された後の空気の一部を駆動モータの冷却に使用している。
しかし、特許文献１の清掃ロボットでは、排気の一部を分流してロボット本体（筐体）内の駆動モータを冷却するようにしており、空気の流れがスムーズでなくまた空気量が少ないために冷却効率が悪いという課題がある。
また、筐体から外部へ排出された空気をさらに別の用途に利用することが望ましいという課題もある。

そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、ロボット本体（筐体）内で塵埃を除去した後の空気を効率よく冷却用に利用でき、且つ冷却後の筐体外部への排気をさらに有効利用することができる清掃ロボットを提供することにある。

本発明にかかる清掃ロボットによれば、ロボット本体底面に設けられた回転ブラシと、前記回転ブラシによって巻き上げられた塵埃を収納するホッパーと、前記ホッパーの上方に設けられたフィルターと、前記フィルターよりもロボット本体内部側に設けられた吸引ファンと、前記吸引ファンの排気方向に配置されて前記吸引ファンによる排気が当接する電源装置と、ロボット本体の外壁面であって、前記吸引ファンの排気方向正面に形成された排気口と、ロボット本体の外壁面よりも外側であって、前記排気口の正面において配置された障害物検出センサと、を具備することを特徴としている。
この構成を採用することによって、温度が高くなる電源装置は吸引ファンからの排気方向に位置しており、排気が吹き付けられることで電源装置の冷却に寄与することができる。また、吸引ファンからの排気は分流したりコースを曲げたりすることなくまっすぐ電源装置に向かうため、電源装置を効率よく冷却することができる。さらに、電源装置を通過した排気は排気口から外部へ排出されるが、排気口の正面に設けられた障害物検出センサに排気が吹き付けられるので、障害物検出センサに付着した粉塵等を吹き飛ばすことができ、障害物検出センサの検出エラーを防止することができる。

また、前記ロボット本体には、前記障害物検出センサの上方にかぶさるようにオーバーハング部が設けられており、前記オーバーハング部の下面には、該オーバーハング部から前記障害物検出センサの上部に向けて、前記吸引ファンの排気を流出させる第２排気口が設けられていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、障害物検出センサの上方からも排気が吹きつけられるため、多方向から障害物検出センサについた粉塵を吹き飛ばし、障害物検出センサの検出エラーの防止をさらに確実なものとすることができる。
またオーバーハング部が障害物検出センサの上方を覆っているため、清掃ロボットが動作していない場合でも、空気中の粉塵が障害物検出センサに降り積もることを防止できる。

また、前記吸引ファンの排気流路上には、前記電源装置に向けて整流ダクトが設けられていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、吸引ファンからの排気を確実に電源装置に向けて流すことができる。

また 前記整流ダクト内には、排気流路を上流側と下流側で仕切る邪魔板が設けられ、該邪魔板の上流側の圧力値と邪魔板の下流側の圧力値との差を測定する微差圧センサが設けられ、前記微差圧センサで測定した差圧が所定の数値以下になった場合には、前記フィルターが詰まったと判断する制御部が設けられていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、微差圧センサによって整流ダクト内の風量を検出し、これによってフィルターの詰まりを判断することができる。この微差圧センサによるフィルターの詰まり検出は、吸引ファンを駆動するモータの電流値を測定して行う場合よりも精度よく検出することが可能である。

本発明の清掃ロボットによれば、ロボット本体内で塵埃を除去した後の空気を効率よく冷却用に利用でき、且つ冷却後の筐体外部への排気を障害物検出センサの粉塵を吹き飛ばすことに利用することができる。

清掃ロボットの外観構成を示す正面図である。 清掃ロボットの外観構成を示す側面図である。 清掃ロボットの内部構成を示す側面図である。 本体内部の空気の流れを示す側面図である。 整流ダクトの構造を示す説明図である。

以下、図面に基づいて清掃ロボットの実施形態について説明する。
図１に本実施形態の清掃ロボットの外観側面図を示し、図２に本実施形態の清掃ロボットの外観正面図を示す。また、図３に本実施形態の清掃ロボットの内部構成を側面から見たところを示す。図４は、図３における構造において破線で空気の流れを示している。

本実施形態の清掃ロボットは、施工期間中の建設作業場において床面に散乱しているセメントやコンクリートの粉、釘その他のゴミ等を自律的に清掃する清掃用に使用されるものである。
ただし、清掃ロボットの使用場所については、施工期間中の建設作業場に限定するものではない。

清掃ロボット１は、筐体状のロボット本体２に走行手段と清掃手段を備えている。走行手段としては、進行方向前方中央部に前輪キャスター５（従動輪）を備え、進行方向後方両側には一対の駆動輪６を備えている。
各駆動輪６は、ロボット本体２内に設けられた２つの駆動輪用モータ７の回転駆動力によりそれぞれ回転駆動される。

各駆動輪用モータ７のそれぞれの回転数は制御部５０の制御信号に基づいて制御される。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等から構成されており、予め設定された動作プログラムに基づいて、清掃ロボット１の動作制御を実行する。

前輪キャスター５は、偏心した支持軸部５ａ（垂直軸）を中心に３６０°回転可能に支持された自在輪である。前輪キャスター５は、清掃ロボット１の進行方向に追随して従動回転する。

清掃ロボット１は、これら前輪キャスター５及び一対の駆動輪６が床面に接した状態で使用される。駆動輪用モータ７には、バッテリーの例として、充電可能なリチウムイオンバッテリー２４から電力が供給されている。

また、清掃ロボット１は、ロボット本体２の筐体外部の進行方向前方側に障害物検出センサ１５が設けられている。本実施形態では、障害物検出センサ１５の一例としてレーザ光を照射するレーザレンジファインダーが用いられている。レーザレンジファインダーは、光源よりレーザ光を出射し、障害物より反射した反射光を受光することで当該反射光を受光するまでの時間を計測して、障害物との距離を計測する。

障害物検出センサ１５は左右方向及び上下方向にレーザ光を走査するように動作して、前方の広範囲にわたって障害物を検出可能である。
上述した制御部５０は、障害物検出センサ１５が前方に障害物を検出した場合には、障害物を避けるように移動コースを自動的に変更する。移動コースの変更は、制御部５０が一対の駆動輪用モータ７それぞれに制御信号を出力して一対の駆動輪６の左右の回転数を異ならせることで実行することができる。

また、清掃ロボット１は、清掃手段として、前輪キャスター５及び一対の駆動輪６との間に回転ブラシ１０を設けている。回転ブラシ１０の回転は、ブラシ駆動モータ（図示せず）の回転駆動によって行われる。ブラシ駆動モータは、リチウムイオンバッテリー２４から電力を供給されている。

回転ブラシ１０は、円柱形状に形成されており、円柱形状の側面に多数のブラシが径方向に林立して設けられている。回転ブラシ１０は、軸方向がロボット本体２の左右側面方向と一致するように配置され、円柱形状の中心軸を中心に回転可能に組み付けられている。回転ブラシ１０はロボット本体２の底部に取り付けられており、ブラシの下側が常時床面に接触した状態で設けられている。

回転ブラシ１０は、回転によって床面上に存在する塵埃、ゴミ等を絡め捕り、ロボット本体２の後方へ送り出す。
回転ブラシ１０の後方には、ホッパー１２が設けられている。ホッパー１２は、回転ブラシ１０の回転によってロボット本体２の後方へ送り出された塵埃、ゴミ等が収納される収納容器である。ホッパー１２は、上面が開口しており、この上面開口部１２ａから塵埃やゴミが落下して収納される。

回転ブラシ１０の軸方向両側には、一対の遮蔽板１４が設けられている。遮蔽板１４は、可撓性のあるゴム板等が用いられ、回転ブラシ１０によって後方に送り出されるゴミや塵埃が両側に拡散しないように床面との隙間を覆っている。

なお、ロボット本体２の底部において、一対の補助ブラシ１３が前輪キャスター５の両側に進行方向に向かってブラシ間の幅が両側に漸進広がるように組み付けられている。補助ブラシ１３は回転ブラシ１０の前方に設けられ、ロボット本体２が走行するにしたがって床面に存在するゴミや塵埃を回転ブラシ１０へ向かって誘導する。

ホッパー１２の上面開口部１２ａは、前方に向けて下方に傾斜する傾斜面として形成されており、回転ブラシ１０で送り出された塵埃やゴミなどを確実に収納できるように構成されている。ホッパー１２の上方にはフィルター２０が設けられている。フィルター２０の面の向きはホッパー１２の上面開口部１２ａの傾斜角度に概略合わせるように傾斜して配置されている。

フィルター２０としては高性能なＨＥＰＡフィルターを採用することもできるが、圧力損失が大きくなってしまう。またセメントやコンクリートの粉塵の捕集であればＨＥＰＡでなくても中性能フィルターであっても捕集能力は十分であると考えられる。

フィルター２０の本体内部側には、吸引ファン７０が設けられている。吸引ファン７０及びフィルター２０はロボット本体２の内部に設けられたファンボックス６０内に配置されている。
吸引ファン７０は、具体的にはシロッコファンを採用しており、図４の紙面手前側に吸引口が設けられている。吸引ファン７０は、ファンボックス６０内の空気をファンボックス６０から排気して内部を負圧状態とし、フィルター２０から本体内部側に向けて空気流を発生させる。このため、ホッパー１２の上面開口部１２ａ近傍の空気がロボット本体２の内部に吸引される。これにより、ホッパー１２の上面開口部１２ａ近傍の空気中に浮遊している塵埃は、フィルター２０方向に移動してフィルター２０に補足される。

吸引ファン７０によってフィルター２０から本体内部に流入させた空気流は、フィルター２０によってクリーンエアとなっており、このクリーンエアが本体内部を流通する。
ファンボックス６０の後方側の面は、上述してきたフィルター２０が前方が下向きになるように傾斜して配置され、ファンボックス６０の上面６０ａ及び下面６０ｂは水平方向に延びる平面状に形成されている。また、フィルター２０の後端部からファンボックス６０の上面６０ａにかけては、前方に向けて上向きになるような傾斜面６０ｃが形成されている。
なお、以下ファンボックス６０から流出する空気をクリーンエアと称して説明する。

ファンボックス６０の前方側は、クリーンエアの流出口２６が形成された壁面となっている。流出口２６が形成された壁面としては、吸引ファン７０やフィルター２０を直接本体内部に晒さないよう、例えばパンチングメタル等を採用することができる。パンチングメタルを採用することで、複数の小さい穴をクリーンエアの流出口２６とすることができ、なお且つ吸引ファン７０やフィルター２０を直接本体内部に晒さないようにすることができる。

流出口２６には整流ダクト３０が取り付けられている。 整流ダクト３０は、ファンボックス６０から流出するクリーンエアの流れを整え、所定方向に向けるために設けられているものである。整流ダクト３０の前方には、冷却対象である電源装置としてＤＣ−ＤＣコンバータ３５が配置されている。
ＤＣ−ＤＣコンバータ３５は、２４Ｖのリチウムイオンバッテリー２４の出力電圧を１２Ｖに降圧するために設けられており、降圧された１２Ｖ電圧は回転ブラシ１０の駆動モータの駆動電源などに用いられる。ＤＣ−ＤＣコンバータ３５は、リチウムイオンバッテリー２４の下方に配置されている。

なお、図４で示したように、本実施形態では、ファンボックス６０の流出口２６の開口幅よりも整流ダクト３０の径の方が小さく形成されており、整流ダクト３０を通過せずにファンボックス６０から流出するクリーンエアも存在する。
これは、ＤＣ−ＤＣコンバータ３５の大きさに対して確実にクリーンエアを流すため整流ダクト３０の径が設定されているためであり、ＤＣ−ＤＣコンバータ３５の冷却に十分な流量があれば問題はない。

ファンボックス６０内の吸引ファン７０からの送風は、やや上向きとなるようになっている。上記のように整流ダクト３０を通過せずにファンボックス６０から流出するクリーンエアも存在するが、ＤＣ−ＤＣコンバータ３５の上方にリチウムイオンバッテリー２４の底面が位置しているため、上向きで流出したクリーンエアがリチウムイオンバッテリー２４の底面にあたり、クリーンエアの流出方向が水平方向となるように矯正される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３５は、発熱する部品であり、その容量にもよるが４０℃程度にまでは発熱することは一般的である。そこで、本実施形態では整流ダクト３０の前方にＤＣ−ＤＣコンバータ３５を配置し、クリーンエアがＤＣ−ＤＣコンバータ３５にあたるようにしている。

なお、クリーンエアを吹き付けることにより冷却する対象としては、ＤＣ−ＤＣコンバータ３５に限定するものではない。本実施形態では２４Ｖのバッテリー２４を搭載しているため、電源装置としてはＤＣ−ＤＣコンバータが具体的なものとなる。

ファンボックス６０のクリーンエアの流出方向の前方には、ロボット本体２の前方側壁面２ａが設けられている。
そしてこの前方側壁面２ａには、クリーンエアの排出口３８が形成されている。図１には排出口３８の例として、上下方向に延びる縦長の隙間が横方向に複数形成された格子状のものを図示している。排出口３８としては、このような格子状の他に、ルーバー状やパンチングメタルのような円形の穴が複数形成されたものなどを採用してもよい。

なお、本実施形態では、ファンボックス６０の流出口２６の開口幅よりも整流ダクト３０の径の方が小さく形成されており、整流ダクト３０を通過せずにファンボックス６０から流出するクリーンエアが、ちょうど排出口３８にまっすぐ流出する配置関係となっているため、排出口３８からのクリーンエアの排出量も十分な量となる。

排出口３８の前方（ロボット本体２の外部）に、障害物検出センサ１５の具体例であるレーザレンジファインダーが配置されている。したがって、排出口３８から流出したクリーンエアがレーザレンジファインダーに付着している粉塵などを吹き飛ばすことができ、障害物の誤検知又は検知不可となることを防止できる。

また、ロボット本体２の前面であって、障害物検出センサ１５の上方は、前方側に突出したオーバーハング部２ｂが形成されている。オーバーハング部２ｂは、前方側壁面２ａの上方の壁面が前方側壁面２ａよりも前方に突出するように形成されている。
このオーバーハング部２ｂの下面２ｃには、下面２ｃの下方に位置する障害物検出センサ１５に向けて本体内からクリーンエアを吹き付けるための第２排出口４０が形成されている。
第２排出口４０は、縦長の隙間が横方向に複数形成された格子状のもの、又はこの格子と縦と横が逆の格子状のもの、ルーバー状のもの、パンチングメタルのような円形の穴が複数形成されたものなどを採用してもよい。

第２排出口４０から噴き出すクリーンエアは、ＤＣ−ＤＣコンバータ３５を通過したエア及び、整流ダクト３０を通過せずにファンボックス６０から流出するクリーンエアが、それぞれ上方に回り込んで噴き出すものである。

このように、障害物検出センサ１５には水平方向及び上方からの両方向からクリーンエアが吹き付けられるため、障害物検出センサ１５における粉塵の付着は確実に低減させることができる。
このため、障害物検出センサ１５における、障害物の誤検知又は検知不可となることを確実に防止できる。

また、オーバーハング部２ｂが障害物検出センサ１５の上方に設けられていることにより、空気中の粉塵等が舞い降りてきて障害物検出センサ１５に粉塵等が堆積することを防止することができる。
上記のように清掃ロボット１の動作中であれは、排気であるクリーンエアを障害物検出センサ１５に吹き付けて粉塵を吹き飛ばすことができるが、運転停止中には排気であるクリーンエアが生じないため、空気中の粉塵が落下してくればそのまま障害物検出センサ１５に堆積することになってしまう。

特に本実施形態では障害物検出センサ１５としてレーザレンジファインダーを採用しており、レーザレンジファインダーが上向きで停止していると、レーザ光を入出射するレンズに粉塵等が堆積しやすくなる。
しかし、オーバーハング部２ｂが形成されていることにより、障害物検出センサ１５の上方が覆われるため、空気中の粉塵の堆積防止に寄与する。

フィルター２０に捕集された塵埃が多くなると目詰まりを起こすのでフィルター２０には目詰まりを解消させるための塵落とし機構７４が設けられている。塵落とし機構７４の具体例としては、ファンボックス６０内に設けた振動モータが挙げられる。振動モータが駆動することでフィルター２０が振動し、フィルター２０に詰まった塵芥をホッパー１２に落とすことができる。
制御部５０は、清掃ロボット１の自動運転中は、所定時間間隔で自動的に塵落とし機構７４を動作させるように制御する。また、手動運転中は、作業者がリモコン操作にて塵落とし機構７４を動作させることができる。

次に、フィルターの目詰まりの検出機能について、図５に基づいて説明する。
上記の塵落とし機構７２を設けていても塵埃が多量の場合にはフィルター２０が目詰まりすることもある。そこでフィルター２０の目詰まりを検出する機能を備えるとよい。
本実施形態における目詰まり検出機能としては、微差圧センサ７２を採用している。微差圧センサ７２は、整流ダクト３０に設けている。

整流ダクト３０内には、排気流の上流側と下流側の中間部において邪魔板４２が配置されている。邪魔板４２は、例えば中心に排気の流通孔４４が形成され、流通孔４４以外の箇所は排気の流通が遮断されるような構成の板材である。
このような邪魔板４２を設けることで、整流ダクト３０内は、邪魔板４２よりも上流側の上流エリア４６と、邪魔板４２よりも下流側の下流エリア４７とに分割されている。
微差圧センサ７２は、上流エリア４６と下流エリア４７の差圧を検出し、制御部５０に差圧信号を出力する。制御部５０では、差圧があらかじめ設定された閾値以下の場合は、フィルター２０が目詰まりを起こしているものと判断し、表示部２２においてフィルター２０の目詰まりを表示させる。

このように、整流ダクトにおいて微差圧センサを用いて排気の圧力低下を検出することによってフィルター２０の目詰まりを検出するため、吸引ファン７０を駆動するモータの消費電流の変動を検出してフィルターの目詰まりを検出するよりも正確にフィルター２０の目詰まりを判断することができる。

なお、図１、２に示すように、清掃ロボット１は、ロボット本体２の後方上面部に操作部２１を備えている。操作部２１は、各種操作キーが設けられた操作パネル及び有線リモコン装置を備え、いずれも例えば電源スイッチ、自動運転ボタン、非常停止ボタン、走行停止ボタン、或いは手動操作する場合の移動速度や移動方向などの各種入力情報が入力できるようになっている。操作部２１の入力情報は、制御部５０へ送信される。

さらに、清掃ロボット１は、ロボット本体２の後方上面部に表示部２２を備えている。表示部２２は清掃ロボット１の状態（電源ＯＮ／ＯＦＦ、バッテリー充電状態、走行状態、待機状態、フィルター目詰まり状態、センサ検知異常状態、非常停止状態等）を点灯の有無、発光色、点灯若しくは点滅で報知する表示灯を備えている。

フィルターの目詰まりが表示部２２において表示された場合、作業者は清掃ロボット１の運転を停止させ、フィルター２０を払って目詰まりを解消するか、または新しいフィルター２０に取り換えるなどの処置を実行する。

また、清掃ロボット１が走行中であることを音により報知するメロディスピーカ７１をロボット本体２内部に備えている。メロディスピーカ７１をロボット本体２の外部に設けると粉塵の堆積等の問題があるためである。
メロディスピーカ７１は、排出口３８の近傍に設けられている。これによりメロディスピーカ７１から発生する音が確実にロボット本体２の外部に流れることになる。
なお、メロディスピーカ７１は、図1に示すように排出口３８に対して正面から見て右側に位置しており、障害物検出センサ１５に対するクリーンエアの流出の妨げにならないような位置に設けられている。

１ 清掃ロボット
２ ロボット本体
２ａ 前方側壁面
２ｂ オーバーハング部
２ｃ 下面
５ 前輪キャスター
５ａ 支持軸部
６ 駆動輪
７ 駆動輪用モータ
１０ 回転ブラシ
１２ ホッパー
１２ａ 上面開口部
１３ 補助ブラシ
１４ 遮蔽板
１５ 障害物検出センサ
２０ フィルター
２１ 操作部
２２ 表示部
２４ バッテリー（リチウムイオンバッテリー）
２６ 流出口
３０ 整流ダクト
３５ ＤＣ−ＤＣコンバータ
３８ 排出口
４０ 第２排出口
４２ 邪魔板
４４ 流通孔
４６ 上流エリア
４７ 下流エリア
５０ 制御部
６０ ファンボックス
６０ａ 上面
６０ｂ 下面
６０ｃ 傾斜面
７０ 吸引ファン
７１ メロディースピーカ
７２ 微差圧センサ
７４ 塵落とし機構

Claims (4)

1. ロボット本体底面に設けられた回転ブラシと、
   前記回転ブラシによって巻き上げられた塵埃を収納するホッパーと、
   前記ホッパーの上方に設けられたフィルターと、
   前記フィルターよりもロボット本体内部側に設けられた吸引ファンと、
   前記吸引ファンの排気方向に配置されて前記吸引ファンによる排気が当接する電源装置と、
   ロボット本体の外壁面であって、前記吸引ファンの排気方向正面に形成された排気口と、
   ロボット本体の外壁面よりも外側であって、前記排気口の正面において配置された障害物検出センサと、を具備することを特徴とする清掃ロボット。
2. 前記ロボット本体には、前記障害物検出センサの上方にかぶさるようにオーバーハング部が設けられており、
   前記オーバーハング部の下面には、該オーバーハング部から前記障害物検出センサの上部に向けて、前記吸引ファンの排気を流出させる第２排気口が設けられていることを特徴とする請求項１記載の清掃ロボット。
3. 前記吸引ファンの排気流路上には、前記電源装置に向けて整流ダクトが設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の清掃ロボット。
4. 前記整流ダクト内には、排気流路を上流側と下流側で仕切る邪魔板が設けられ、
   該邪魔板の上流側の圧力値と邪魔板の下流側の圧力値との差を測定する微差圧センサが設けられ、
   前記微差圧センサで測定した差圧が所定の数値以下になった場合には、前記フィルターが詰まったと判断する制御部が設けられていることを特徴とする請求項３記載の清掃ロボット。

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