JP2023092205A - 自律走行ロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】一部のセンサに異常が発生しても自律的な移動機能を維持できる自律走行ロボットシステムを提供する。【解決手段】ロボットシステムは、予め記憶した地図情報と走路情報に基づいて自己位置を認識し、メインセンサ５５と当該メインセンサを補助するサブセンサ５２，５４とで走路上の障害物を検知して自律走行する。そして、サブセンサが外乱の影響を受け、自己位置が予め設定した特異領域にある場合に、当該サブセンサを一時的に停止させて走行を継続する、ことを特徴とする。センサが異常状態になりやすい特異領域において一部のサブセンサの機能を停止させることで、ロボットシステムの動作を維持する。【選択図】図５

Description

本発明は、予め作成した地図情報と走路情報に基づいて自律移動する自律走行ロボットシステムに関する。

この種のシステムとして、例えば特許文献１には、作業領域内の障害物を効率的に回避しつつ作業を行う自律走行作業装置が記載されている。この作業装置は、事前に記憶した清掃プランに基づいて自律的に走行し、自動的に清掃する自動走行清掃を行う。

特開２０２０－１９４４１５公報

上記特許文献１の作業装置は、装置本体から所定距離内の障害物の有無を検知する超音波センサや、装置本体付近の床面の段差を検知する赤外線センサ等の障害物センサを備えている。そして、未知の障害物を回避して走行するための回避データを用いて走行データを補正することで、当該作業装置が障害物に対して必要離間距離を維持するようにしている。

しかしながら、自律走行や自動作業は、障害物センサが正常に作動していることが前提となっており、障害物センサが異常状態になると自律走行を維持することができない。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、一部のセンサに異常が発生しても自律的な移動機能を維持できる自律走行ロボットシステムを提供することにある。

本発明の一態様に係る自律走行ロボットシステムは、予め記憶した地図情報と走路情報に基づいて自己位置を認識し、メインセンサと当該メインセンサを補助するサブセンサとで走路上の障害物を検知して自律走行するロボットシステムであって、前記サブセンサが外乱の影響を受け、自己位置が予め設定した特異領域にある場合に、当該サブセンサを一時的に停止させて走行を継続する、ことを特徴とする。

本発明によれば、一部のセンサに異常が発生しても自律的な移動機能を維持できる自律走行ロボットシステムを提供できる。

本発明の実施形態に係る自律走行ロボットシステムについて説明するためのもので、自走式床清掃装置を例に取って示す斜視図である。 図１に示した自走式床清掃装置の模式的な底面図である。 図１に示した自走式床清掃装置における内部の要部を示しており、図１のＡ－Ａ断面に相当する断面図である。 図１に示した自走式床清掃装置における清掃ユニットの斜視図である。 図１に示した自走式床清掃装置における制御系の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る自律走行ロボットシステムの動作を説明するためのもので、図１に示した自走式床清掃装置の動作の一例を示すフローチャートである。 超音波センサの設定を示すフローチャートである。 ３Ｄセンサの設定を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る自律走行ロボットシステムとして、自走式床清掃装置を例に取って示している。図２は、図１に示した自走式床清掃装置の模式的な底面図である。図３は、自走式床清掃装置における内部の要部を示しており、図１のＡ－Ａ断面に相当する。また、図４は図１に示した自走式床清掃装置における清掃ユニットの斜視図であり、図５は自走式床清掃装置における制御系の構成を示すブロック図である。
なお、本実施形態における自走式床清掃装置は、バッテリ等の電源を内蔵しているが、当該電源については図５に電源部２０として示し、具体的な構成並びに説明は省略する。

図１乃至図５を参照すると、本実施形態に係る自走式床清掃装置（以下単に「床清掃装置」という）１は、床面を自走するための走行部２を有する。走行部２は、床清掃装置１の下部に配置されている。本実施形態において、走行部２は、走行用モータ２１，２１と、走行用モータ２１，２１によって駆動される左右一対の駆動輪２２，２２と、左右一対の従動輪２３，２３とを含む。左右一対の駆動輪２２，２２は、床清掃装置１の下部後側に配置され、左右一対の従動輪２３，２３は、床清掃装置１の下部前側に配置されている。そして、走行用モータ２１，２１が制御装置１０の制御に基づき一対の駆動輪２２，２２を駆動する（回転させる）ことにより、床清掃装置１が床面を走行する。なお、ここでは、左右一対の従動輪２３，２３が設けられているが、これに限られるものではなく、従動輪は１つであってもよい。

また、本実施形態に係る床清掃装置１は、図４に示すような、床面を清掃するための清掃ユニット３を内部に有している。清掃ユニット３は、床清掃装置１の内部において、前後方向における左右一対の駆動輪２２，２２と左右一対の従動輪２３，２３との間に配置されている。

主に図３及び図４を参照すると、清掃ユニット３は、上下方向に延びる駆動シャフト３１と、駆動シャフト３１を駆動するシャフト駆動部３２と、駆動シャフト３１に取り付けられた清掃パッド３３とを有する。

シャフト駆動部３２は、駆動シャフト３１の上端側を収容している。シャフト駆動部３２は、駆動シャフト３１を上下方向に進退させること及び回転（回動を含む。以下同じ）させることが可能に構成されている。具体的には、本実施形態において、シャフト駆動部３２は、駆動シャフト３１を下方に進出させること、進出させた駆動シャフト３１を上方に後退させること、及び任意の進出位置において駆動シャフト３１を正転方向及び逆転方向のそれぞれに回転させることが可能に構成されている。シャフト駆動部３２は、一例として、正転及び逆転が可能な駆動モータと、この駆動モータの回転を駆動シャフト３１に伝達する回転伝達機構と、上記駆動モータの回転を駆動シャフト３１の軸方向の直線運動に変換する変換機構と、上記駆動モータと上記回転伝達機構又は上記変換機構とを連結させる連結機構とを含んで構成され得る。但し、これに限られるものではなく、シャフト駆動部３２は、駆動シャフト３１を進退させる第１駆動部と、駆動シャフト３１を回転させる第２駆動部とを別々に有してもよい。

清掃パッド３３は、平面視で円形に形成され、その中心部が駆動シャフト３１の下端部に取り付けられている。清掃パッド３３は、駆動シャフト３１の下端部に固定されたパッド保持部３３１と、パッド保持部３３１の下面に取り外し可能に取り付けられたパッド部材３３２とで構成されている。パッド保持部３３１は、剛体として形成されている。パッド部材３３２は、床面に接触する部材であり、弾性体で形成されている。

床清掃装置１が床面の清掃を行う場合、シャフト駆動部３２が、制御装置１０の制御に基づいて、駆動シャフト３１を前記初期位置から第１進出位置まで下方に進出させることで清掃パッド３３を前記待機位置から清掃位置まで下降させて床面に接触させ、その状態で駆動シャフト３１を回転させることで清掃パッド３３を回転させる。つまり、清掃ユニット３は、清掃パッド３３（パッド部材３３２）を床面に接触させた状態、さらに言えば、清掃パッド３３（パッド部材３３２）を床面に押圧した状態で回転させる。

再び図１を参照すると、床清掃装置１の上部には、操作パネル４が設けられている。本実施形態において、操作パネル４は、各種情報が入力されると共に各種情報を表示可能なタッチパネル部４１を有している。また、操作パネル４には、床清掃装置１の動作モードを選択するためのモード選択スイッチ４２及び床清掃装置１を緊急停止させるための緊急停止ボタン４３を含む各種操作部が配置されている。

また、床清掃装置１の前面には、情報表示部５１、３Ｄセンサ５２、カメラ５３、超音波センサ５４，５４、２Ｄ－ＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）５５、及びバンパーセンサ５６が上から下に向かってこの順で配置されている。２Ｄ－ＬｉＤＡＲ５５はメインセンサとして用いられ、３Ｄセンサ５２及び超音波センサ５４，５４はメインセンサを補助するサブセンサとして用いられる。床清掃装置１は、これらのセンサで自己位置を認識すると共に、走路上の障害物を検知して自律走行する。この床清掃装置１の動作時の状況が、カメラ５３によって記録（録画）することが可能に構成されている。

情報表示部５１は、床清掃装置１の状態、例えば、床清掃装置１が清掃中であることや床清掃装置１に異常が発生したことなどを表示可能に構成されている。３Ｄセンサ５２は、床面の段差と床清掃装置１の前方の障害物を検知する。また、２Ｄ－ＬｉＤＡＲ５５は、自己位置推定や床清掃装置１の前方の障害物を検知するためのものである。これら２Ｄ－ＬｉＤＡＲ５５と３Ｄセンサ５２は、主に床清掃装置１の前方側の所定範囲の形状データ等を取得するためにも利用される。

超音波センサ５４，５４は、近距離の物体を検知するためのもので、主に床清掃装置１の前方の障害物を検知するために利用される。超音波センサ５４，５４は、２Ｄ－ＬｉＤＡＲ５５や３Ｄセンサ５２などの光学的なセンサでは検出しにくい透明なガラスなどの検出に適している。バンパーセンサ５６は、衝突時の安全停止のためのもので、床清掃装置１が障害物等と衝突あるいは接触しそうな場合に、この状況を検知して緊急停止信号を制御装置１０に出力し、床清掃装置１を緊急停止させる。

床清掃装置１の動作は、制御装置１０によって統括的に制御される。図５に示すように、制御装置１０には、動作制御部１０１、作業経路設定・記憶部１０２、センサ条件設定部１０３及びセンサ処理部１０４等が設けられている。動作制御部１０１は、走行用モータ２１，２１の駆動制御を行って走行部２による走行制御を行うと共に、シャフト駆動部３２の駆動制御を行って清掃ユニット３による清掃を行う。作業経路設定・記憶部１０２には、予め作業経路を走行して記憶した地図情報と、周囲環境や特異領域を含む走路情報が設定されて記憶される。

ここで、特異領域とは、走路の袋小路及び狭小部、反射光及び外乱光を受ける可能性がある場所である。例えば、超音波センサ５４，５４は、壁際の袋小路では超音波が反響して誤検知する可能性があり、ドアやゲートなどのような狭小部を通過しようとしたときにも超音波が反響して誤検知する可能性がある。一方、３Ｄセンサ５２は、ガラスや鏡面のように反射光や外乱光を受けると、やはり誤検知する可能性がある。

また、センサ条件設定部１０３には、２Ｄ－ＬｉＤＡＲ５５、３Ｄセンサ５２及び超音波センサ５４，５４から得られたデータや情報、閾値などの各種の条件が設定される。センサ処理部１０４は、２Ｄ－ＬｉＤＡＲ５５、３Ｄセンサ５２及び超音波センサ５４，５４でそれぞれ取得したデータや情報を処理し、自己位置、障害物の存否、障害物までの距離などを算出する。更に、バンパーセンサ５６で、床清掃装置１が障害物等と衝突あるいは接触しそうな状況が検知されると、緊急停止信号が動作制御部１０１に入力され、動作制御部１０１により走行部２と清掃ユニット３が停止されることで、床清掃装置１が緊急停止される。

上記のような構成において、例えば、モード選択スイッチ４２により手動清掃モードが選択されると、制御装置１０は、床清掃装置１を手動清掃モードで動作させる。この場合、床清掃装置１の後部上側に設けられた左右一対のハンドル５，５が作業者によって把持され、また、制御装置１０は、作業者よる操作パネル４等を介した入力に基づいて床清掃装置１を動作させる。手動清掃モードにおいては、作業者が清掃開始指令を入力すると、制御装置１０は、清掃ユニット３のシャフト駆動部３２を制御して清掃ユニット３による床面の清掃を開始させると共に、走行部２の走行用モータ２１，２１を制御して床清掃装置１の走行を開始させる。また、作業者が走行方向の変更指令を入力すると、制御装置１０は、走行部２の走行用モータ２１，２１を制御して、床清掃装置１の走行方向を上記変更指令に応じた方向に変更する。そして、作業者が清掃終了指令を入力すると、制御装置１０は、清掃ユニット３のシャフト駆動部３２を制御して清掃ユニット３による床面の清掃を終了させると共に、走行部２の走行用モータ２１，２１を制御して床清掃装置１の走行を停止させる。

他方、モード選択スイッチ４２により自動清掃モードが選択されると、制御装置１０は、床清掃装置１を自動清掃モードで動作させる。この場合、制御装置１０は、対象となる清掃エリアの地図情報と、２Ｄ－ＬｉＤＡＲ５５で取得された情報とに基づいて床清掃装置１の位置（自己位置）を推定し、予め作成された清掃エリアにおける清掃ルートに沿って床清掃装置１を走行させつつ、清掃ユニット３によって床面の清掃を行う。また、制御装置１０は、床清掃装置１の前方に障害物が検知された場合、床清掃装置１の走行を停止させて床清掃装置１を待機状態とし、その後、床清掃装置１の前方に障害物が検知されなくなると床清掃装置１の走行を再開させる。更に、制御装置１０は、緊急停止ボタン４３が操作され、又はバンパーセンサ５６から緊急停止信号が入力されると、床清掃装置１を緊急停止させる。

図６は、上述した自動清掃モードにおける床清掃装置１の動作の一例を詳しく示すフローチャートである。まず、対象となる清掃エリアにおける走行ルート（清掃ルート）の作成を行う（ステップＳ１）。走行ルートの作成は、対象となる清掃エリアを作業者の操作、または作業者の監視下での自律走行に基づき地図情報と走路情報を取得する。この際、清掃ユニット３のシャフト駆動部３２によって、駆動シャフト３１を初期位置から上記第１進出位置へと下方に進出させることにより、清掃パッド３３を上記待機位置から上記清掃位置まで下降させても良いし、下降させなくても良い。つまり、清掃パッド３３（パッド部材３３２）を床面に接触させて実際に清掃を行っても良いし、行わなくても良い。

この走行ルートの作成に際しては、予め移動経路の特徴を確認し、サブセンサが外乱の影響を受ける特異領域の有無を確認し、特異領域を検出した場合にはその位置と誤動作したサブセンサを記憶する。一般に、超音波センサ５４，５４の場合には、特異領域は走路の袋小路及び狭小部である。また、３Ｄセンサ５２の場合には、反射光及び外乱光を受ける可能性がある場所である。そして、これらの特異領域において、機能を停止させても大きな問題が発生しないサブセンサを確認し、特異領域の位置情報と、どのサブセンサを機能停止させるかの情報を記憶する。

次のステップＳ２では、上述したステップＳ１で予め取得した地図情報と走路情報に基づいて、自律移動を行いつつ清掃を実行する（走行開始）。
床清掃装置１の走行中には、全てのセンサを作動し、これらのセンサで障害物を検知することにより、走行停止があるか否か判定を行う（ステップＳ３）。すなわち、作業経路設定・記憶部１０２に予め記憶した地図情報と走路情報に基づき、センサ処理部１０４で２Ｄ－ＬｉＤＡＲ５５から取得した自己位置が、予め設定した特異領域にあるか否かを判定する。この際、３Ｄセンサ５２、超音波センサ５４，５４及びバンパーセンサ５６を作動させ、あらゆる状況を想定して安全を確保する。

そして、走行停止がない、換言すれば自己位置が特異領域にない、と判定されるとそのまま清掃を行いつつ走行ルートに沿って走行し、走行ルートの全てを走行すると清掃が完了する（ステップＳ４）。
一方、ステップＳ３で走行停止があると判定されると、制御装置１０で異常を検知したか否か判定される（ステップＳ５）。そして、異常を検知したと判定されると、センサの特定が行われ（ステップＳ６）、センサのオン／オフ設定の変更が可能か否かの判定が実行される（ステップＳ７）。

ステップＳ７で変更が可能であると判定されると、センサのオン／オフ設定の変更を行ってステップＳ２に戻る（ステップＳ８）。センサのオン／オフ設定の変更は、次のように実行する。メインセンサである２Ｄ－ＬｉＤＡＲ５５は常時作動状態とする。また、バンパーセンサ５６は、障害物に衝突、あるいは接触したときの安全停止のためのものであるので、常時作動状態とする。
これに対し、サブセンサである３Ｄセンサ５２は、袋小路やドアなどの狭小部でオフし、同じくサブセンサである超音波センサ５４，５４は、反射光や外乱光の影響を受ける場所でオフする。

但し、サブセンサをオフするのは、床清掃装置１のバンパーが障害物に衝突、あるいは接触して停止することを許容できる場所に限定する。また、そのセンサが検知すべきものが配置される可能性があるときにはオフしない。更に、なるべく正常もしくは必要な限りにおいてはオンにするが、周りのセンサと自己位置から考えて疑わしいときにはオフにする。

ステップＳ５で異常検知ではないと判定された場合、及びステップＳ７で可能でないと判定された場合には、走行ルートの修正や障害物の除去などの環境や条件の変更を行ってステップＳ２に戻る（ステップＳ９）。

従来は、あらゆる状況を想定して、安全機能として複数種類のセンサを搭載しているが、逆に走行を阻害する要因が増える状況にもなる。そこで、地図情報と自己位置情報とに基づいてサブセンサの使用のオン／オフを制御する。すなわち、メインセンサは常時作動させ、誤作動しやすい特定の場所においてはサブセンサのオン／オフを判定し、誤作動したか、可能性があると判断した場合には、そのサブセンサをオフさせることで自律的な走行（作業）を維持できる。

図７は、図６のステップＳ６で特定されたセンサが超音波センサ５４の場合のオン／オフ設定を示しており、図６の破線で囲んだステップに対応するフローチャートである。超音波センサ５４に異常が発生した場合には、まず他のセンサで障害物検知をカバーできているか否か判定し（ステップＳ１１）、カバーできている場合にはガラスなどの透明な物体が後から設置されるか否かを判定する（ステップＳ１２）。そして、ガラスなどの透明な物体が後から設置されない場合には、誤検知区間（特異領域）の超音波センサ５４をオフする（ステップＳ１３）。

上記ステップＳ１１で、他のセンサで障害物検知をカバーできていないと判定されたときには、ガラスなど超音波センサの検知対象があるか判定する（ステップＳ１４）。このステップＳ１４で検知対象があると判定された場合、及び上記ステップＳ１２でガラスなどの透明な物体が後から設置されると判定された場合には、万が一バンパーに衝突しても問題がないか判定が行われる（ステップＳ１５）。

そして、上記ステップＳ１５で問題ないと判定されると、ステップＳ１３に移って誤検知区間の超音波センサ５４をオフして設定が完了する。また、ステップＳ１５で問題があると判定されると、走行ルートの修正や障害物の除去などの環境や条件の変更を行って（ステップＳ１６）設定が完了する。
なお、超音波センサ５４の停止時には、タッチパネル部４１にアラートを表示して、サブセンサを停止させて走行を継続していることを報知しつつ、地図には解除マークを表示することで、作業者の意図で解除していることを認識させると良い。

図８は、図６のステップＳ６で特定されたセンサが３Ｄセンサ５２の場合のオン／オフ設定を示しており、図６の破線で囲んだステップに対応するフローチャートである。３Ｄセンサ５２に異常が発生した場合には、まず他のセンサで障害物検知をカバーできているか否か判定し（ステップＳ２１）、カバーできている場合には２Ｄ－ＬｉＤＡＲ５５の高さよりも小さい物体が置かれるか否かを判定する（ステップＳ２２）。そして、小さい物体が置かれていない場合には、誤検知区間（特異領域）の３Ｄセンサ５２をオフする（ステップＳ２３）。

上記ステップＳ２１で、他のセンサで障害物検知をカバーできていないと判定されたときには、段差など３Ｄセンサ５２の検知対象があるか否か判定する（ステップＳ２４）。このステップＳ２４で検知対象があると判定された場合、及び上記ステップＳ２２で２Ｄ－ＬｉＤＡＲ５５の高さよりも小さい物体が置かれると判定された場合には、万が一バンパーに衝突しても問題がないか判定が行われる（ステップＳ２５）。

そして、ステップＳ２５で問題ないと判定されると、ステップＳ２３に移って誤検知区間の３Ｄセンサ５２をオフして設定が完了する。また、ステップＳ２５で問題があると判定されると、走行ルートの修正や障害物の除去などの環境や条件の変更を行って（ステップＳ２６）設定が完了する。
この場合も、３Ｄセンサ５２の停止時には、タッチパネル部４１にアラートを表示して、サブセンサを停止させて走行を継続していることを報知しつつ、地図には解除マークを表示することで、作業者の意図で解除していることを認識させると良い。

このように、自律走行ロボットシステムにおいて、走行する経路の特徴と安全性を考慮したうえで、一部のセンサ機能のオン／オフを判断することで、走行制御プログラムを単純化してコストを抑えつつ、センサ異常となりやすい場所でもロボットの走行を維持することができる。
従って、一部のセンサに異常が発生しても自律的な移動機能を維持できる自律走行ロボットシステムを提供できる。

以上の実施形態で説明された構成や制御手順等については、本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものに過ぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

例えば、上述した説明では自走式床清掃装置を例に取って説明したが、自走式床清掃装置に限られるものではなく、例えばフロア内を巡回する警備ロボットなど、他の自律走行ロボットシステムにも同様に適用できるのは勿論である。

１…自走式床清掃装置（床清掃装置）、２…走行部、３…清掃ユニット、４…操作パネル、１０…制御装置、２１…走行用モータ、２２…駆動輪、２３…従動輪、３１…駆動シャフト、３２…シャフト駆動部、３３…清掃パッド、５１…情報表示部、５２…３Ｄセンサ（サブセンサ）、５３…カメラ、５４…超音波センサ（サブセンサ）、５５…２Ｄ－ＬｉＤＡＲ（メインセンサ）、５６…バンパーセンサ、１０１…動作制御部、１０２…作業経路設定・記憶部、１０３…センサ条件設定部、１０４…センサ処理部

Claims (5)

1. 予め記憶した地図情報と走路情報に基づいて自己位置を認識し、メインセンサと当該メインセンサを補助するサブセンサとで走路上の障害物を検知して自律走行するロボットシステムであって、
   前記サブセンサが外乱の影響を受け、自己位置が予め設定した特異領域にある場合に、当該サブセンサを一時的に停止させて走行を継続する、ことを特徴とする自律走行ロボットシステム。
2. 前記メインセンサは、２Ｄ－ＬｉＤＡＲ（light detection and ranging）である、請求項１に記載の自律走行ロボットシステム。
3. 前記サブセンサは、超音波センサであり、前記特異領域は走路の袋小路及び狭小部である、請求項２に記載の自律走行ロボットシステム。
4. 前記サブセンサは、３Ｄセンサであり、前記特異領域は反射光及び外乱光を受ける可能性がある場所である、請求項２に記載の自律走行ロボットシステム。
5. 前記サブセンサを停止させて走行を継続していることを報知する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の自律走行ロボットシステム。

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