JP2021164549A - 駆動装置付き車輪を有する自律走行型掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】車輪ユニットの小型化が可能な駆動装置付き車輪を有する自律走行型掃除機を提供する。【解決手段】掃除機本体と、各走行モータ３ｍの駆動でそれぞれ回動される駆動輪３と、前記走行モータ３ｍの駆動を減速して前記駆動輪に伝える減速機構とを備え、前記減速機構は、ピニオンギヤ３１と、前記ピニオンギヤ３１に噛み合う偏芯した第１の歯車と、前記第１の歯車に軸受を介して回転自在に支持される遊星歯車３４と、前記遊星歯車３４と噛み合い、前記本体部に対して固定されるアウターギヤ３７とを有し、前記駆動輪３は、前記遊星歯車３４の自転により回転している。また、前記走行モータ３ｍの軸と前記駆動輪３は同軸上に配置される。また、前記走行モータ３ｍおよび前記減速機構は前記駆動輪３の内側に収納される。【選択図】図７

Description

本発明は、駆動装置付き車輪を有する自律走行型掃除機に関する。

従来、室内を自律的に移動しつつ掃除する自律走行型掃除機が知られている。自律走行型掃除機は、動力源として充電池を搭載し、制御装置で、車輪ユニットを駆動する走行モータを制御して自律走行を行いつつ、モータ駆動の回転ブラシを用いて塵埃を掻き込み、吸引ファンで吸引して掃除を行う。
自律走行型掃除機は、左右一対の駆動用の車輪による自動走行が行われている。

ここで、自律走行型掃除機を自律走行させるため、車輪を駆動するモータのトルクに応じて減速比をある値の範囲、例えば４０〜８０の間で調整する必要がある。つまり、モータのトルクに対して、車輪を駆動するトルクは、４０〜８０倍となる。

ところで、従来の自律走行型掃除機の車輪の減速機構は、以下の２つのタイプがある。
例えば、１つのタイプは、車輪の減速構造はモータからギヤを介して減速し車輪を動作させる構造となっている。この際、減速比を稼ぐためにギヤを直列に配置しているため、車輪に対し前後方向へ長くなってしまう。このように、通常の平歯車を直列で並べる構造であると、トルクの大きいモータを使用し少ない減速比とした際においても、ギヤを多段にする必要が有り、車輪ユニットが大型化してしまう。

もう１つのタイプとして、特許文献１に記載の車輪の減速機構の構成は、ギヤの配置の工夫及び整流子モータと同一直径で、整流子モータよりも大きいトルクが得られるアウターロータのブラシレスモータを用いて、減速機構の直径方向が車輪内部に収まるように配置をしている。
この構造の場合、必要な減速比を大きく稼ぐにはギヤの外形を大きくする必要があり、車輪ユニットが直径方向へ大型化してしまう。

これらの問題を解決するため、特許文献２に記載の車輪の減速機構の構成は、トロコイド曲線を用いた歯車とカムの組合せにより二段の減速のみで、高い減速比を得る構成が提案されており、車輪ユニットの小型化がされている。

特開２０１０−２２１９６４号公報 特開２０１７−７４３２１号公報

しかし、掃除機本体の性能向上のためには、他の部品を配置するための領域をさらに確保することが望まれており、車輪ユニットの更なる小型化が望まれている。

本発明は上記実状に鑑み創案されたものであり、車輪ユニットの小型化が可能な駆動装置付き車輪を有する自律走行型掃除機の提供を目的とする。

本発明の自律走行型掃除機は、各走行モータの駆動でそれぞれ回動される駆動輪と、前記走行モータの駆動を減速して前記駆動輪に伝える減速機構と、塵埃が回収される吸口と、前記塵埃を含む空気を前記吸口から吸引する吸引ファンと、モータにより回転駆動して前記塵埃を掻き込む回転ブラシと、前記塵埃が集められる集塵ケースと、障害物を検知する障害物検知手段と、電源を供給する充電池とを備え、前記減速機構は、ピニオンギヤと、前記ピニオンギヤに噛み合う偏芯した第１の歯車と、前記第１の歯車に軸受を介して回転自在に支持される遊星歯車と、前記遊星歯車と噛み合い、前記本体部に対して固定されるアウターギヤとを有し、前記駆動輪は、前記遊星歯車の自転により回転してもよい。
また、前記走行モータの軸と前記駆動輪は同軸上に配置される。
また、前記第1の歯車は、回転軸とずらした軸を擁しており、前記遊星歯車はトロコイド曲線からなるサイクロイド歯車を使用し、前記遊星歯車へ前記第一の歯車を前記軸を中心に回転可能に配置するとともに、前記第1の歯車が回転することによる偏芯運動により前記遊星歯車が自転することを特徴とすることによる。

本発明によれば、駆動輪の内側にモータと減速機構を収納することができるため、車輪ユニットの小型化が可能な駆動装置付き車輪を有する自律走行型掃除機を提供することができる。

本実施形態の自律走行型掃除機を示す外観斜視図である。 本実施形態の自律走行型掃除機を示す底面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 本実施形態の自律走行型掃除機から上ケースを外した状態を示す斜視図である。 本発明の車輪ユニットを斜め上後方から見た斜視図 本発明の車輪ユニットの分解斜視図。 図６の反対方向から見た車輪ユニットの分解斜視図。 図５のＡ−Ａ断面図。 ピニオンギヤ、歯車が見える断面で切断した断面図。 駆動輪とモータとの間の減速機構の噛み合い状態と荷重のかかり方を示す縦断面模式図。 特許文献１のモータ駆動装置を備えたインホイールモータ駆動装置を示す縦断面図。 本実施形態の自律走行型掃除機を示す制御ブロック図である。 ＬｉＤＡＲの機能を説明する図を示し、（ａ）は運転開始時、（ｂ）は運転中である。 本実施形態の自律走行型掃除機の動作を示すフローチャートである。 本実施形態の自律走行型掃除機の充電台帰還の動作を示すフローチャートである。 本実施形態の自律走行型掃除機の充電台帰還動作を説明する図である。 本実施形態の第1のギヤを説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、適宜添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、自律走行型掃除機Ｓ（以下、掃除機Ｓと略記する）が進行する向きのうち、掃除機Ｓが主に進行する方向を前方、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（図２参照）。すなわち、図１などに示すように、前後、上下、左右方向を定義する。

図１は、本実施形態の自律走行型掃除機を示す外観斜視図である。
図１に示すように、掃除機Ｓは、所定の掃除領域（例えば、部屋の床面Ｙ（図３参照））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。また、掃除機Ｓは、掃除機本体１、掃除機本体１の側周を覆うバンパ２、一対の駆動輪３，４（図２参照）、補助輪５（図２参照）、およびサイドブラシ６を備えている。

掃除機本体１は、上面の少なくとも一部を形成する上カバー１ｕおよび底面の少なくとも一部を形成する下ケース１ｓを有する。

上カバー１ｕには、運転の開始や停止などの各種操作を行うことができる操作ボタン７が設けられている。また、上カバー１ｕには、着脱可能な集塵ケース８が設けられている。この集塵ケース８は、前後方向の中央よりも後側に設けられている。また、集塵ケース８は、ハンドル８ａが回動自在に取り付けられている。

バンパシェード２ａは掃除機本体１の側周略に設けられ、バンパ２に取りつけられている。バンパシェード２ａは光を透過させる樹脂またはガラスで形成されている。バンパシェード２ａのうち少なくとも、測距センサ６０の近傍は、赤外線の透過率が可視光および紫外線の透過率よりも大きい材料で形成されている。これにより、紫外線や可視光が受光部に入り込んで、障害物までの距離を誤認識する虞を低減できる。なお、使用する光の波長のみ透過する材料を用いてもよい。

図２は、本実施形態の自律走行型掃除機を示す底面図である。
図２に示すように、駆動輪３，４は、駆動部の一例としての車輪であり、下ケース１ｓに取り付けられている。また、駆動輪３，４自体が回転することで掃除機Ｓを前進、後退、旋回（超信地旋回を含む）させることができる。また、駆動輪３，４は左右両側に配置されており、それぞれ走行モータ３ｍ，４ｍ（図５参照）および減速機構３ｂ、４ｂで回転駆動される。また、駆動輪３，４は、前後方向において略中央で、左右方向について下ケースの外周寄りに（外側に）設けられている。

また、下ケース１ｓには、走行モータ３ｍ，４ｍ（図４参照）、アーム３ａ、４ａ、および減速機構３ｂ、４ｂを含んで構成される駆動機構を収容する駆動機構収容部１１が設けられている。

次に、本実施形態の自律走行型掃除機Ｓの駆動輪３、４、走行モータ３ｍ、４ｍおよび減速機構３ｂ、４ｂを含む車輪ユニット３ｗ、４ｗ（図５参照）について説明する。
減速機構３ｂはピニオンギヤ３１、歯車（第１の歯車）３２、軸受３３（第１の軸受）、遊星歯車３４、回転板３５（第１の回転板）、軸受３６（第２の軸受）、アウターギヤ３７、回転板３８（第２の回転板）、第１のハウジングｈａ、第２のハウジングｈｂを含む。
なお、駆動輪３を含む車輪ユニット３ｗと駆動輪４を含む車輪ユニット４ｗとは、自律走行型掃除機Ｓの左右の中央面に対して面対称として同様な構成にできる。車輪ユニット４ｗの構成についての説明は、車輪ユニット３ｗと同様にできるため、車輪ユニット４ｗの説明としては繰り返さない。

図５は、本実施形態の車輪ユニットを斜め上後方から見た斜視図である。
図６は、本実施形態の車輪ユニットの分解斜視図であり、図７は、図６の反対方向から見た車輪ユニットの分解斜視図である。
図８は、図５のＡ−Ａ断面図であり、図９は、ピニオンギヤ３１、歯車３２が見える断面で切断した断面図である。

車輪ユニット３ｗにおける駆動輪３とモータ３ｍとの間の減速機構には、トロコイド曲線を用いた遊星歯車の減速機構を採用している。
図８に示すように、駆動輪３の回転中心、駆動輪３は略円状であり、その中心部分３ｃ（図７参照）と同軸上にモータ３ｍ（回転軸３ｍｊ）が設けられている。言い換えると、モータ３ｍの中心軸３ｍｊと駆動輪３，４の回転中心が同軸上にある。これにより、車輪ユニット３ｗの高さ方向への小型化ができる。

モータ３ｍの回転軸３ｍｊには、ピニオンギヤ３１が固定されている。
図５に示すように、モータ３ｍは、第１ハウジングｈａに固定されている。第１ハウジングｈａは、駆動輪３の構造部材を成す第２ハウジングｈｂにインローと爪により固定されている。
また、歯車３２はピニオンギヤ３１に噛み合って、歯車３２がピニオンギヤ３１より多い歯数をもって設けられている（図９参照）。

ここで、騒音低減を狙い一段目のギヤのピニオンギヤ３１と歯車３２には、はすば歯車を採用している。
歯車３２の回転軸３２ｍには、軸受３３（図６、図７、図１７参照）が固定されている。軸受３３はトロコイド曲線を用いて歯３４ｈが形成される遊星歯車３４に嵌入され固定されており、これにより、歯車３２は遊星歯車３４に対して回転自在に軸支持されている。歯車３２は軸受３３の中心軸に対して偏芯しており、これにより、モータ３ｍの出力が、ピニオンギヤ３１、歯車３２を介して減速したうえで、偏芯による運動として遊星歯車３４に伝えられる。このように歯車３２を遊星歯車３４に嵌入することで、車輪の小型化が可能になる。
歯車３２は、回転軸３２ｍとずらした軸を擁しており、遊星歯車３４はトロコイド曲線からなるサイクロイド歯車を使用し、遊星歯車３４へ歯車３２を軸を中心に回転可能に配置するとともに、歯車３２が回転することによる偏芯運動により遊星歯車３４が自転する。

遊星歯車３４には、外形上に回転板３８を介して回転板３５を回転させるための挿通孔３４ａが複数形成されている。回転板３５には駆動輪３が固定されている。回転板３５を回転駆動することで、駆動輪３が回転駆動される。

図６、７に示すように、回転板３５は軸受３６に内装されている。軸受３６は、スベリ軸受でもよいし、玉軸受でもよい。

遊星歯車３４の歯３４ｈは、アウターギヤ３７の歯３７ｈと噛み合っている。アウターギヤ３７は固定の歯車である。
遊星歯車３４の各歯３４ｈは、トロコイド曲線を用いて形成しているため、これと噛み合うアウターギヤ３７は、円筒状の歯３７ｈに形成されている。なお、通常のインボリュート歯車を遊星歯車３４として用いると、インボリュート干渉が発生するため、トロコイド曲線の歯３４ｈと円筒状の歯３７ｈの形状としている。

図６、図７に示すように、回転板３８は、円環状の部品であり、モータ３ｍの回転軸３ｍｊと同軸上に、軸受３８ｔを介して、回転自在に支持されている。軸受３８ｔは、スベリ軸受でもよいし、玉軸受でもよい。
上記構成により、遊星歯車３４が、アウターギヤ３７の円筒状の歯３７ｈとの噛み合いにより回転した際には、挿通孔３４ａに貫通した円筒部３８ｄを介して、回転板３８がモータ３ｍの回転軸３ｍｊ周りに回転することとなる。

図７に示すように、回転板３８の円筒部３８ｄには、雌ねじ３８ｎが２箇所螺刻されている。
駆動輪３に貫設される２つの貫通孔３９と回転板３５に貫設される２つの貫通孔３５ａにねじｎ２をそれぞれ挿通させて回転板３８の雌ねじ３８ｎに螺着することで、駆動輪３と回転板３５が回転板３８に固定されている。

以上の構成により、歯車３２が回転すると、遊星歯車３４は、歯車３２の偏芯により公転しながら、アウターギヤ３７の歯３７ｈと遊星歯車３４の歯３４ｈの噛み合いにより自転する。

つまり、固定のアウターギヤ３７の歯３７ｈの数と遊星歯車３４の歯３４ｈの数の差分だけ、遊星歯車３４の回転として取り出せる構成である。
具体的には、遊星歯車３４の自転の回転数を、挿通孔３４ａに貫通した円筒部３８ｄを介して、回転板３８を用いて取り出し、回転板３５を介して駆動輪３へと伝達する構造となっている。

駆動輪３とモータ３ｍとの間の減速機構３ｂの噛み合い状態は、図１０に示すようになっている。なお、図１０は、駆動輪３とモータ３ｍとの間の減速機構３ｂの噛み合い状態を示す縦断面模式図である。
ここで、ピニオンギヤ３１の歯数をｚ１、歯車３２の歯数をｚ２、遊星歯車３４の歯数
をｚ３、アウターギヤ３７の歯数をｚ４とすると、減速比Ｎは、次式（１）で表される。
Ｎ＝（ｚ２÷ｚ１）×（１÷（（ｚ４−ｚ３）÷ｚ３）） （１）

例えば、ピニオンギヤ３１の歯数をｚ１＝１２、歯車３２の歯数をｚ２＝４８、遊星歯車３４の歯数をｚ３＝１７、アウターギヤ３７の歯数をｚ４＝１８とすると、減速比Ｎ２＝６８．０である。上述の構成により、減速比Ｎ＝約４０〜約８０に設定することができる。

本実施形態の構成によれば、下記の作用効果を奏する。
１．歯車３２と遊星歯車３４およびアウターギヤ３７との二段の減速のみで、高い減速比（例えば、減速比Ｎを約４０〜約８０、好ましくは６５〜８０）を得ることができる。そのため、高出力の減速機構を提供することが可能となる。また、少ない段数での減速を行うため、通常の平歯車を直列で並べる構造に比べて減速機構の小型化が可能となる。

２．図１０に示すように、駆動輪３、４の各車軸方向に見た場合、モータ３ｍを含めた駆動輪３、４の減速機構３ｂ、４ｂをそれぞれ駆動輪３、４の直径寸法内に納めることができる。言い換えると、モータ３ｍおよび減速機構３ｂ、４ｂが駆動輪３，４の内側に収納されている。そのため、充電池９、集塵ケース１２、吸口１４ｉ、回転ブラシ５を、自律走行型掃除機Ｓの駆動輪３、４を除いた前後方向に任意の位置に配置できる。
そのため、自律走行型掃除機Ｓの小型が可能である。
また、充電池９、集塵ケース１２、吸口１４ｉ、回転ブラシ５を、駆動輪３、４の領域を除いた左右方向を充分使って配置できる。これにより、例えば、充電池９の電池容量を増やす、集塵ケース１２の集塵容量を増やす、吸口１４ｉの幅を長くして一度に取れるごみを増やすなど、自律走行型掃除機Ｓの基本機能を向上できる。

３．自律走行型掃除機Ｓを前後方向（図１、図４参照）に見た場合、図８に示すように、駆動輪３、４の各幅寸法Ｌの領域内にモータ３ｍと減速機構の各ギヤ（３１、３２、３４）を納めることができる。これにより、特許文献２の構成よりも車輪ユニットの小型化が可能となる。

４．遊星歯車３４の歯３４ｈは、トロコイド曲線を用いて形成しているため、応力集中を抑制でき、応力に強い。

５．駆動輪３には、床面Ｙから衝撃や外力が加わるが、駆動輪３が固定される各回転板３５、３８は、遊星歯車３４の挿通孔３４ａと遊嵌される円筒部３８ｄを介して、遊星歯車３４に接続される。また、駆動輪３は回転板３８等で、衝撃や外力を受けるので、ギヤ部（３１、３２、３４、３７）に、駆動輪３に加わる衝撃や外力が伝わることが抑制される。

６．本実施形態の車輪アッセンブリ３ｗでは、自律走行型掃除機Ｓの走行時に駆動輪３に加わる荷重は、軸受３６、軸受３８ｔを介して、第１ハウジングｈａ、第２ハウジングｈｂ（図６、７参照）に伝達される。そのため、駆動輪３とモータ３ｍとの間に設けられる減速機構３ｂは前記荷重を受けないで済む。従って、減速機構の信頼性、耐久性が高い。

これに対して、特許文献１では、図１１に示すように、駆動輪が固定される車輪ハブ（３２）は車輪ハブ軸受（３３）に支持されている。図１１は、特許文献１のモータ駆動装置を備えたインホイールモータ駆動装置を示す縦断面図（特許文献１の図１）である。

また、車輪ハブ（３２）が固定される車輪側回転部材（２８）は、軸受（６４）の外輪で支持されている。軸受（６４）の内輪は、減衰部入力軸（２５）の一端部が支持されている。減衰部入力軸（２５）の他部は、転がり軸受（６２）を介してポンプケーシング（２２ｐ）に回転自在に支持されている。そのため、駆動輪に加わる荷重は、車輪ハブ軸受（３３）のみならず、車輪側回転部材（２８）、軸受（６４）、減衰部入力軸（２５）、転がり軸受（６２）等を介してポンプケーシング（２２ｐ）が受けている。そのため、駆動輪に加わる荷重は、機構部で受けることとなり、機構部の信頼性が本願実施形態（本願発明）より低い。

７．以上のことから小型で高出力トルクが可能で、かつ発生応力が低減される機械的信頼性が高い減速機構を有する自律走行型掃除機Ｓを実現できる。

なお、本実施形態では、遊星歯車３４を１つ用いる場合を説明したが、遊星歯車は複数でもよい。

また、本実施形態では、歯車３２を２つ用いる場合を説明したが、歯車は１つもしくは３つ以上でもよい。

また、遊星歯車３４の自転を、回転板３５、３８を介して、駆動輪３、４に伝達する構成を説明したが、遊星歯車３４の自転を駆動輪３、４にそれぞれ伝達できれば、遊星歯車３４から直接駆動輪３、４にそれぞれ直接駆動力を伝達してもよい。或いは、回転板３５、３８以外の構成を用いて、遊星歯車３４の自転を回転板３５、３８に伝達する構成としてもよい。

なお、本発明の内容は実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。また、自律走行体として床面を走行する掃除機Ｓを例に挙げて説明したが、他の自律走行体の車輪へ適用しても同様な効果がある。他の自律走行体の車輪へ適用することで、同様に小型化を図ることが可能になる。

また、駆動輪３，４および駆動機構収容部１１，１１よりも後側には、回転ブラシ１４を収容した吸口部１２、掻取りブラシ１５などが設けられている。

回転ブラシ１４は、駆動輪３，４の回転中心を通る軸（左右方向）に略並行に配置されている。また、回転ブラシ１４は、回転ブラシモータ１４ａ（図４参照）によって駆動される。

掻取りブラシ１５は、回転ブラシ１４の回転軸と平行に配置されている。また、掻取りブラシ１５は、いわゆるリントブラシで構成され、所定の角度範囲内で回動するようになっている。

補助輪５は、従動輪であり、自由回転するキャスタである。また、補助輪５は、前後方向において掃除機Ｓの前方側、左右方向について略中央に設けられている。また、補助輪５は、駆動輪３，４とともに下ケース１ｓを床面Ｙ（図３参照）から所定高さに保たせることに寄与する。また、駆動輪３，４および補助輪５によって、掃除機Ｓを円滑に移動させることができる。補助輪５は、掃除機Ｓの移動に伴い床面Ｙとの間で生じる摩擦力によって従動回転し、さらに向きが水平方向に３６０°公転できるように、下ケース１ｓに軸支されている。

サイドブラシ６は、一部が掃除機本体１（図１参照）よりも外側にあり、回転ブラシ１４を届かせることが容易ではない場所の塵埃を吸口部１２に導くブラシである。また、サイドブラシ６は、平面視において１２０°間隔で放射状に延びる３束のブラシを有し、下ケース１ｓの前側に配置されている。また、サイドブラシ６は、その根元がサイドブラシホルダ６ａに固定されている。また、サイドブラシ６の回転軸は上下方向（図２の紙面垂直方向）であり、サイドブラシ６の一部は平面視で掃除機本体１（図１参照）から外側方に飛び出ている。

また、サイドブラシ６の植毛は、先端に向かうにつれて床面Ｙ（図３参照）に近づくように傾斜しており、その先端付近は床面に接している。また、サイドブラシ６は、矢印α１で示すように、掃除機Ｓの前方外側の領域を、左右方向外側から内側に向かう方向に掃引するように回転して、床面Ｙ上の塵埃を中央の回転ブラシ１４側に集める。なお、サイドブラシ６は、サイドブラシモータ６ｂ（図４参照）によって回転駆動される。

また、下ケース１ｓには、前後左右の４箇所に床面用測距センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが設けられている。床面用測距センサ１３ａは、補助輪５の前方に位置している。床面用測距センサ１３ｂは、駆動輪３と右側のサイドブラシ６との間の外周側に位置している。床面用測距センサ１３ｃは、床面用測距センサ１３ｂに対して左右対称に位置している。床面用測距センサ１３ｄは、掻取りブラシ１５の後方に位置している。

また、下ケース１ｓには、充電台と電気的に接続される接続部１６，１６が設けられている。接続部１６は、サイドブラシホルダ６ａと床面用測距センサ１３ａとの間に位置している。

図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図３に示すように、掃除機Ｓは、蓄電池２１、吸引ファン２２を内部に備えている。

蓄電池２１は、吸引ファン２２の前方に配置され、走行モータ３ｍ、４ｍ（図４参照）、回転ブラシモータ１４ａ、吸引ファン２２などの各種モータ、バンパセンサ（不図示）、カメラ５０、測距センサ６０、床面用測距センサ１３ａ〜１３ｄ、ＬｉＤＡＲユニット４０などの各種センサに電力を供給する。

吸引ファン２２は、吸引力を発生させて、回転ブラシ１４によって掻き取られた塵埃を集塵ケース８内に集塵させるものである。また、吸引ファン２２は、前後方向中央において駆動輪３、４間に設けられている。集塵ケース８に塵埃とともに取り込まれた空気は、集塵フィルタ８ｂを介して吸引ファン２２内に取り込まれる。吸引ファン２２の排気は主に下ケース１ｓに形成された排気口１ｔ（図２参照）から掃除機Ｓの外部に排出されるが、一部掃除機本体１前方方向に排出し、排気を電動機４２の冷却に利用する。

図４は、本実施形態の自律走行型掃除機から上ケースとバンパ２を取り外した状態を示す斜視図である。 図４に示すように、掃除機本体１は、周囲検出センサユニットの一例としてＬｉＤＡＲユニット４０、カメラ５０、測距センサ６０、制御装置３０、赤外線受光部７０を備えている。

ＬｉＤＡＲユニット４０は、掃除機本体１の上面かつ中心軸上に位置している。ＬｉＤＡＲユニット４０は、ＬｉＤＡＲを電動機でベルトを通じて回転させ、周囲３６０°の距離の測定を可能にしている。ＬｉＤＡＲが検出した壁や障害物が掃除機Ｓに対してどの角度の位置にあるかは、ＬｉＤＡＲユニット４０の下部に取り付けられたフォトインタラプタによって検出する。
なお、周囲検出センサはＬｉＤＡＲに替えて、ミリ波レーダや超音波センサなど１ｍ以上測定できる測距センサ、またはカメラ５０で三角法を用いた方法でもよい。ＬｉＤＡＲユニットの配置は掃除機本体１の上面に限らず下面でも構わない。また、ＬｉＤＡＲユニット４０の回転部の回転角度は３６０°に限らず、ベルトをリンク機構に置き換える等をして、少なくとも６０°以上測定できればよい。

カメラ（撮像部）５０は、掃除機本体１の前面および中心軸上の上方に位置している。カメラ５０は、より高い位置から前面下方に向けるように配置することで、正面の物体の陰影が明確になる。また、カメラ５０は、ＬｉＤＡＲユニット４０に比べて、物の形状や位置を正確に検知することができるので、障害物を避け易くなる。また、カメラ５０は、ＬｉＤＡＲユニット４０に比べて上下方向の画角を広く取ることができるので、床面の障害物を避けることができる。例えば、床面にある衣服を巻き込んだり、コードがブラシに絡まったりするのを防止できる。

測距センサ６０は、ＬｉＤＡＲより検知範囲が例えば１／１０程度以上短く、比較的近傍の障害物（例えば１ｍ程度、好ましくは５０ｃｍ又は３０ｃｍ程度まで以下）までの距離を検出する赤外線センサであり、例えばＰＳＤ（Position Sensitive Detector）センサによって構成される。また、測距センサ６０は、正面および左右両側の計３箇所に設けられている。また、測距センサ６０は、赤外線を発光させる発光部と、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とを有している。受光部によって検出される反射光に基づいて、障害物までの距離が算出される。具体的には反射光を受ける位置、反射光を受けるまでの時間、反射光の量、強さ等に基づいて、障害物までの距離が算出される。なお、測距センサ６０は、ＰＳＤセンサに限定されるものではなく、超音波センサやＩＲセンサとしてもよい。

赤外線受光部７０は、掃除機本体１の前面および中心軸上の上方に位置している。掃除機Ｓは、充電台から発信される３種類の赤外線ＬＥＤを赤外線受光部７０（図４参照）で受信することで、受信した赤外線の種類に応じて掃除機Ｓに対する充電台の方向を特定する。

図１２は、本実施形態の自律走行型掃除機を示す制御ブロック図である。
図１２に示すように、制御装置３０は、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）と周辺回路とが基板に実装されることで構成される。マイコンは、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、蓄電池２１の充電回路との通信機等を有している。

また、制御装置３０は、利用者による命令を入力可能な操作ボタン７の操作や、バンパセンサ（不図示）、床面用測距センサ１３ａ〜１３ｄ、測距センサ６０、カメラ５０、ＬｉＤＡＲユニット４０から入力される信号に応じて演算処理を実行し、演算処理後の信号を出力する。

掃除機Ｓの基本走行は壁際走行とジグザグ走行と回り込み走行がある。壁際走行を行った後、ジグザグ走行を行い、隅々まで部屋を満遍なく掃除する。

壁際動作時には、まず、ＬｉＤＡＲユニット４０で測定したマップ内の自己位置を検出し、壁に対して平行に動作できるような大まかな経路を決定する。次に掃除機Ｓの側面の測距センサ６０で壁との距離を測定し、駆動輪３、４を制御してサイドブラシ６が回転したときに先端が壁に当たる位置まで移動させる。その後マップデータによる経路に従って移動する。その際には壁との距離を掃除機Ｓの側面の測距センサ６０で測定しながら移動し、サイドブラシ６が当たらない位置に掃除機Ｓがずれてしまった際には壁と反対側の駆動輪３または４の回転速度を上げて、サイドブラシ６が当たる位置に移動する。サイドブラシ６は掃除機Ｓの片側に配置されるため、右側に配置されている場合は時計回り、左側に配置されている場合は反時計回りで壁際掃除を行う。また、壁際から塵埃を掻き出す量を向上するために、壁際掃除時にはサイドブラシの回転数を上げる。

壁際掃除で壁に対して平行に移動している途中に、掃除機Ｓの前面の測距センサ６０が正面の壁を検知した際に隅掃除動作に移行する。その際には掃除機Ｓの正面および側面の測距センサ６０で壁との距離を測定し、駆動輪３、４を制御してサイドブラシ６が回転したときに先端が正面および側面の壁に当たる位置まで移動させて、隅の掃除を行う。その後壁際掃除に再び移行する。

壁際走行が終了したら、取得したマップに基づいて部屋の隅から内側にジグザグに走行し、部屋全体を清掃する。清掃中は随時、取得したマップと実際の清掃結果を照合し、清掃が完了しているか確認する。清掃が完了していたら、充電台帰還開始Ｓ１１０に移行する。

図１３は、掃除機ＳがＳ１からＳ２まで移動する際のＬｉＤＡＲユニット４０によるマッピングを説明する図を示し、（ａ）は移動前、（ｂ）は移動後である。なお、図１３では、部屋Ｒの中に障害物Ｔが置かれている状態を示している。
図１３（ａ）に示すように、運転開始から、ＬｉＤＡＲユニット４０を動作させ、掃除機Ｓ１の周囲の障害物Ｔ１および部屋Ｒの壁Ｗ１を検知（認識）する。掃除機ＳがＳ１からＳ２に移動した図が図１３（ｂ）である。Ｓ２の位置では部屋Ｒの障害物Ｔ２と壁Ｗ２を認識できる。障害物Ｔ１とＴ２及び壁Ｗ１とＷ２の特徴点を抽出し、Ｓ１とＳ２での部屋Ｒの形状を合わせ、部屋Ｒでの位置Ｓ１及びＳ２を特定することで自己位置を認識する。このようにして、部屋Ｒ１の全体をマッピングする（部屋の障害物の配置図を作成する）こととマップ内の自己位置認識が可能になる。掃除を開始前に事前に部屋全体を走行し、マップデータを収集しておくことで、掃除時の無駄な経路を削減し、掃除時の消費電力を抑えるとともに掃除可能な範囲を拡大することができる。
事前作成マップデータまたは前回の掃除時のマップデータを自動清掃終了後も記憶するようにしておき、次回以降は事前作成マッピング処理を省略しても良い。例えば使用者によって事前のマップデータ作成が必要か不要かの指定を受けるようにすることができる。使用者は、最新のマッピングより後に模様替え等をした場合は、マップの更新をすべく必要との指定をすることができる。

図１４は、本実施形態の自律走行型掃除機の動作を示すフローチャートである。
図１４に示すように、ステップＳ１０において、事前のマップ作成走行によるマップまたは以前の清掃時のマップが掃除機Ｓまたはサーバ上に登録されているか確認する。

ステップＳ２０において、制御装置３０はＬｉＤＡＲユニット４０を動作させる。なお、掃除機Ｓが充電台（不図示）に接続されている場合には、充電台から離れる制御を実行する。また、ＬｉＤＡＲユニット４０を動作させることで、掃除機Ｓが現在位置している部屋の壁の状況と障害物を検出（認識）することができる。このようにして検出したマップと掃除機Ｓの現在の位置が登録済みのマップと一致可能か否か確認する。

ステップＳ３０、３１において、制御装置３０は、清掃ルートを算出する。ステップＳ３０のように、清掃ルートは登録済みのマップが有り、自己位置同定ができた場合は、登録済みの全体のマップから最適な経路を算出する。ステップＳ３１のように、登録済みのマップが無い、または自己位置同定ができない場合は、ＬｉＤＡＲユニット４０で検出した部屋の壁や障害物から、清掃ルートの算出を行う。

ステップＳ４０において、制御装置３０はステップＳ３０またはステップＳ３１に基づいて、清掃を開始する。すなわち、駆動輪３、４、サイドブラシ６および回転ブラシ１４を回転させるとともに吸引ファン２２を駆動して、塵埃を吸口部１２から吸込み、集塵ケース８内に取り込む。

ステップＳ５０において、ステップＳ３０またはステップＳ３１で算出した清掃ルートに基づいて掃除を実行する。ステップＳ１００において、制御装置３０は、清掃が完了したか否かを判定する。なお、清掃が完了したか否かは、ステップＳ３０において算出した清掃ルートを走行した記録を参照することによって判定できる。制御装置３０は、清掃が完了していないと判定した場合には（Ｓ１００、Ｎｏ）、ステップＳ５０に戻る。清掃が完了したと判定した場合には（Ｓ１００、Ｙｅｓ）、終了し、充電台帰還開始Ｓ１１０を実行する。

図１５は、図１４のステップＳ１１０の掃除機Ｓの充電台帰還の動作の詳細を示すフローチャートである。掃除機Ｓは充電台から発信される赤外線信号を掃除機Ｓの前面に具備された赤外線受光部７０で受信することで充電台の位置を特定し、駆動輪３、４を制御して充電台と電気的に接続する。図１５に示すように、ステップＳ２１０において、事前のマップ作成走行によるマップまたは清掃時のマップが掃除機Ｓまたはサーバ上に充電台の位置が登録されているか確認する。マップ上に充電台が登録されている場合は、ステップＳ２２０へ移行し自己位置同定を行う。その後、自己位置と地図を利用して充電台までの経路を算出し、ステップＳ２３０の通り充電台へ帰還を行う。マップ上に充電台が登録されていない場合は、ステップＳ２４０へ移行する。ステップＳ２１１へ移行する。ステップＳ２１１では、過去の運転で作成したマップデータとＬｉＤＡＲユニット４０で取得したデータを照合し、一致するものがあるかを判定する。一致するものがある場合はその地図を利用して、ステップＳ２２０へ移行し自己位置同定を行う。一致するものがない場合は、ステップＳ２４０へ移行する。

ステップＳ２４０において、掃除機Ｓはその場で超信地回転を行うことで、前方に具備した赤外線受光部７０のみで充電台からの帰還信号を全方位に対して探索する。充電台の赤外線信号を掃除機Ｓは約４ｍ離れた位置からまで受信可能なため、この超信地回転時に充電台の赤外線信号を受信できなかった場合は掃除機Ｓの周囲４ｍ以内には充電台が存在しないと判断する。超信地回転を終えた後ステップＳ２５０へ移行する。

ステップＳ２５０において、充電台の赤外線信号を受信できた場合は充電台帰還動作を開始する。充電台の赤外線信号を受信できなかった場合は、ステップＳ２６０へ移行する。ステップＳ２６０において、ＬｉＤＡＲユニット４０を利用して作成したマップデータをもとに、壁など閉じられた閉空間Ｃ（図１６参照）とＬｉＤＡＲユニット４０では壁や障害物が検出できなかった開空間ＯＰ（図１６参照）の識別を行う。開空間ＯＰが存在しない場合は、帰還できる範囲に充電台が存在しないと判断し、ステップＳ２８０へ移行してその場で停止しする。この通知は掃除機Ｓから音声案内等で通知してもよい。開空間ＯＰが存在する場合はステップＳ２７０へ移行する。ステップＳ２７０においては、開空間ＯＰへの移動を行う。開空間ＯＰが複数存在する場合は、開口部が最も広い開空間が充電台の存在する可能性が一番高いエリアであると判断し移動を行う。その後、ステップＳ２１１へ戻り、過去の運転で作成したマップデータとの照合を行う。一致するマップデータがない場合は、再度ステップＳ２４０に戻り、超信地回転を行うことで充電台の赤外線信号を探索する。この動作を繰り返すことで、的確に未知のエリアで充電台の赤外線信号の探索を行い、効率の良い充電台帰還の動作を行う。

充電台帰還動作は使用者が充電台帰還の命令をする場合を除いては、清掃が完了した後、自動で開始されるため、蓄電池２１の電池残量が少ない状態から充電台帰還動作は開始される。蓄電池２１の電池残量が少ない状態で動作し続けると放電深度が深くなり、蓄電池２１の寿命が短くなる。マップデータを利用して充電台帰還動作を効率的に行うことで、蓄電池２１の劣化を抑えることが出来る。また、充電台が存在しない場合、または充電台の赤外線信号を受信できない場合に、マップデータを利用しながら部屋内の充電台の赤外線信号の有無を判断して停止することで、蓄電池２１の放電深度が深くなるまで掃除機本体１が充電台を探索することを防ぎ、蓄電池２１を劣化から保護することができる。

また、本実施形態では、ＬｉＤＡＲユニット４０は、内部の駆動機構によりＬｉＤＡＲ自身が回転し、走査する。しかし、駆動輪３、４によって掃除機Ｓを駆動させることで、ＬｉＤＡＲユニット４０を駆動させる機構を設けずに走査してもよい。

また、本実施形態では、駆動輪３、４は、充電台探索時に掃除機Ｓを３６０度超信地旋回させる。これによれば、一度で周囲に充電台があるかどうかを探索することができる。また、同時にカメラ５０により周囲に障害物が存在しているかどうかを確認することができる。

１ 掃除機本体
１ｕ 上カバー
１ｓ 下ケース
１ｔ 排気口
２ バンパ
２ａ バンパシェード
３，４ 駆動輪
３ａ, ４ａ アーム
３ｂ，４ｂ 減速機構
３ｃ 駆動輪回転中心
３ｍ, ４ｍ 走行モータ
３ｍｊ 走行モータ軸
３ｗ，４ｗ 車輪ユニット
３１ ピニオンギヤ
３２ 歯車
３２ｍ 歯車３２の回転軸
３３ 軸受（第１の軸受）
３４ 遊星歯車
３４ｈ 遊星歯車の歯
３５ 回転板（第１の回転板）
３６ 軸受（第２の軸受）
３７ アウターギヤ
３７ｈ アウターギヤの歯
３８ 回転板（第２の回転板）
Ｌ 車輪外郭部幅方向寸法
ｈａ 第１のハウジング
ｈｂ 第２のハウジング
５ 補助輪
６ サイドブラシ
６ａ サイドブラシホルダ
６ｂ サイドブラシモータ
７ 操作ボタン
８ 集塵ケース
８ａ ハンドル
８ｂ 集塵フィルタ
１１ 駆動機構収容部
１２ 吸口部
１３ａ,ｂ,ｃ,ｄ 床面用測距センサ
１４ 回転ブラシ
１４ａ 回転ブラシモータ
１５ 掻き取りブラシ
１６ 充電台接続部
２１ 蓄電池（蓄電装置）
２２ 吸引ファン
３０ 制御装置
４０ ＬｉＤＡＲユニット
５０ カメラ（撮像部）
６０ 測距センサ
７０ 赤外線受光部
α１ サイドブラシ回転方向
ＯＰ 開空間
Ｃ 閉空間
Ｓ 自律走行型掃除機
Ｓ１、Ｓ２ 掃除機の位置
Ｒ 部屋
Ｔ、Ｔ１、Ｔ２ 障害物
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２ 壁
Ｙ 床面
Ｓ１０ 登録済みのマップの有無を確認する項
Ｓ２０ 自己位置の同定ができたか確認する項
Ｓ３０ 清掃最適ルートを算出する項
Ｓ３１ 清掃ルートを算出する項
Ｓ４０ 清掃開始する項
Ｓ５０ 清掃を実行する項
Ｓ６０ 清掃ルートを確認する項
Ｓ１００ 清掃完了したかを確認する項
Ｓ１１０ 充電台への帰還を開始する項
Ｓ２１０ 充電台までの地図の有無を確認する項
Ｓ２１１ 過去に作成した地図と環境情報の一致を確認する項
Ｓ２２０ 自己位置同定を行う項
Ｓ２３０ 指定経路で帰還する項
Ｓ２４０ 掃除機を一周させて充電台を探索する項
Ｓ２５０ 充電台を発見できたか確認する項
Ｓ２６０ マップのないエリアの有無を確認する項
Ｓ２７０ マップのないエリアへ移動する項
Ｓ２８０ その場で停止する項

Claims (3)

1. モータと、前記モータの駆動で回動される駆動輪と、前記モータの駆動を減速して前記駆動輪に伝える減速機構とを備え、
   前記減速機構は、前記モータに取り付けられたピニオンギヤと、前記ピニオンギヤに噛み合う第１の歯車と、前記第１の歯車に軸受を介して回転自在に支持される遊星歯車と、前記遊星歯車と噛み合い、掃除機本体部に対して固定されるアウターギヤと、を有し、
   前記駆動輪は、前記遊星歯車の自転により回転しており、
   前記モータおよび前記減速機構が前記駆動輪の内側に収納されていることを特徴とする車輪および、前記車輪を備えた自律走行型掃除機。
2. 前記車輪において、前記モータの中心軸と前記駆動輪の回転中心が同軸上にあることを特徴とする請求項１に記載の車輪および、前記車輪を備えた自律走行型掃除機。
3. 前記第1の歯車は、回転軸とずらした軸を擁しており、前記遊星歯車はトロコイド曲線からなるサイクロイド歯車を使用し、前記遊星歯車へ前記第一の歯車を前記軸を中心に回転可能に配置するとともに、前記第1の歯車が回転することによる偏芯運動により前記遊星歯車が自転することを特徴とする請求項1又は請求項２に記載の車輪および、前記車輪を備えた自律走行型掃除機。

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