JP2622803B2 - 空調用吹出空気検査ロボット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動ロボットのナビゲ
ーション技術及び室内空調用設備の品質管理技術に関す
るものであり、視覚システムによって空調用空気吹き出
し口を自動的に発見して位置認識しながら移動し、吹き
出し空気の風量及び温度等を計測して記録するロボット
に係るものである。このロボットは、室内に多数配置さ
れた吹き出し口を視覚システムによる画像処理によって
一個ずつ順次発見する。次に、その直下までの距離と方
角を計算する。そして、あらかじめ与えられたマップ情
報に従って検査する吹き出し口直下まで自立的に移動し
て、吹き出し風量及び温度などを測定し、記録するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】現在、ビルが新築されて完成する直前
に、空調用空気吹出口から設計値どうりの空気が供給さ
れているがどうかの検査が行われている。この場合の検
査項目は主として風量と温度である。風量測定を人手で
やる場合は例えば次の手順によって実施する。まず、３
人一組で図面を参照しながら天井を見上げて、測定する
吹き出し口を探す。次に、脚立を持ってきてその直下に
設置し、ひとりが風速計を持って脚立に上がり、吹き出
し口に近づく。もう一人は、測定用のフードを下から手
をのばして持ち上げて吹き出し口にあて、吹き出し空気
をすべてフード内に集める。続いて、脚立上の人間がフ
ード内に風速計を入れ、測定値の表示が安定するまで待
って、４〜９点の風速を測定する。最後に、測定結果を
３人目の人間が記録し、後で平均値を出し、フード断面
積をかけて 風量とする。

【０００３】このように、測定に時間がかかるうえに、
検査個所が非常に多いため、無理な姿勢を長時間とらな
くてはならず、大変つらい作業である。また、検査結果
は膨大な量になり、データ整理が大変煩雑な作業にな
る。さらに、こうして得られたデータも、計測器の向き
など個人差による測定誤差が発生しやすく、信頼性に乏
しい。

【０００４】風量の測定だけを機械的に行う装置も考案
されており、例えば、ウエットマスター社の商品名『エ
アロチェッカー（吹出口風量測定器）』は、ＪＩＳ Ａ
１４３１「空気調和・換気設備の風量測定方法」に準拠
して作られているとされる。この装置では、吹き出し口
の発見を人間が行い、この装置を人間が手で押して移動
させ、吹出口の直下で集風フードを上下させて測定する
構造になっている。この装置では、交流電源を使用して
いるので、電源コードを引き回さなければならず、吹き
出し口直下へのセッテイングが煩雑である。従って、風
量検査のための作業が肉体的な疲労を伴い、測定精度の
信頼性が低く、測定のための作業能率等にも問題があっ
た。

【０００５】一方、自立移動型のロボットにＴＶカメラ
等のいわゆる「機械の目」を取り付けて、画像情報を入
手し、それを処理して、ロボットを所定の方向に移動さ
せる技術はすでに広く知られており、例えば、１９９０
年１０月、昭晃堂発行の「ロボットビジョン」には、移
動ロボットと撮像管あるいは固体センサを用いたシステ
ムと、その画像処理方法などについて、詳細な記述がな
されている。

【０００６】しかしながら、一般に、実用化されている
従来の移動ロボット技術では、移動ルートを示す特別な
マークを床面に用意したり、あらかじめ位置を計測して
基準点にプリズム等を設置する必要がある。すなわち、
検査前に環境設定の事前準備が必要である。また、従来
の移動ロボットは、内界センサーといわれるセンサーで
自己の移動距離や移動方向を検出する。これらのセンサ
ーは、ジャイロのようにして自分の回った角度を検出し
たり、車輪の回転数から移動距離を計算したりして、移
動後の自己位置を検出している。しかしながら、これら
の内界センサーは、角度検出のわずかな誤差（ドリフ
ト）や、車輪のスリップ等による距離検出の誤差が少し
ずつ累積して、大きな位置測定誤差を生むという欠点が
あった。

【０００７】特開昭５７−１０８７７７号「位置検出装
置」には、位置認識のための特別なマークを使わない
で、壁や柱等の凹凸を利用して自己位置測定をする方法
が提案されている。しかしながら、自己位置測定用に使
用する壁や柱は、現場での施工の都合で位置の誤差が生
じやすく、もともと設置精度がそれほど高くないため、
これを使用した自己位置測定法ではあまり測定精度を期
待できないという欠点がある。また、壁や床は床面に置
かれた物体が障害となって見通しがきかない場合が多
く、目標には適さない。

【０００８】特開昭６１−２２１９１０号「無人移動体
の誘導方法及び交流光源検出装置」には、天井の蛍光灯
をガイドマークとして移動体を誘導する方法が提案され
ているが、この方法は蛍光灯の照度を頼りにするので、
外乱に弱く、安定した検出が難しいという欠点がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、位置
認識のための特別なマークを設置することなく、ロボッ
トが移動して所定の空気吹出口の直下に到達し、吹出空
気の風量や温度の検査を実施することが可能な空調用吹
出空気検査ロボットを提供することにある。本発明の他
の目的は、電源ケーブルを引きずることなく、ロボット
自身が自立して移動し、多数の空気吹出口での検査を自
動的に続行することが可能なロボットを提供することに
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】 本発明の前述した目的
は、天井に設けられた空気吹出口を検出してこの空気吹
出口から出てくる空気の風量と温度を計測する移動式の
空調用吹出空気検査ロボットであって、当該ロボット上
に、天井に設けられた空気吹出口を検知する視覚システ
ムと、ロボットを所定の方向へ所定の距離だけ移動させ
る移動機構と、前記空気吹出口から出てくる空気の風量
と温度を計測するセンサーと、前記センサーを天井に向
かって昇降させる昇降機構と、ロボットの動作を制御す
る制御装置とが搭載されており、前記視覚システムは画
像処理装置を有し、この画像処理装置は同一の重心位置
を有する複数の四角形または円形が集中していることか
ら空気吹出口の存在を検出するようになっており、前記
制御装置は前記空気吹出口の位置情報をあらかじめ記憶
し、前記画像処理装置によって得られた空気吹出口まで
の距離と角度からロボットの現在位置を検出し、前記移
動機構と前記昇降機構によって所定の位置へとロボット
を動作させ、前記センサーによって空気の風量と温度を
計測するようになっている空調用吹出空気検査ロボット
によって達成される。

【００１１】すなわち、このロボットは次の５つのサブ
システムから成り立っている。 （Ａ）視覚システム（ビジョンシステム） 天井の空気吹出口を発見し、ロボットの現在点から該吹
出口直下点までの距離と方向を算出する部分であり、メ
インＣＣＤカメラ、リモートコントロールレンズ、電動
旋回台、小型ＣＣＤカメラ、画像処理装置等から成る。

【００１２】（Ｂ）移動システム（ビークルシステム） 左右輪独立駆動方式の移動機構であり、視覚システムで
算出されたデータ（移動距離と回転角度）だけ正確に移
動する。ＤＣサーボモータ、減速機、等から成る。移動
の方法は、その場回転−直進−その場回転 のパターン
で行われる。

【００１３】（Ｃ）センサーシステム（風速・風温セン
サー） 吹き出し口から出てくる風速と温度を計測し、風量換算
してそれらのデータを記録するシステムであり、熱式風
速計と温度計等から成る。

【００１４】（Ｄ）リフテイングシステム（昇降機構） センサーシステムを上昇させて空気吹出口に接近させ、
計測終了後は下降させて、移動時に障害とならないよう
にするシステムであり、昇降用モータ、リンク機構等か
ら成る。

【００１５】（Ｅ）制御システム（制御装置） 空気吹出口の位置情報を記憶し、かつ吹出口の位置と方
向から自己の位置を算出し、かつ前記各システムからの
情報を入手して演算し各システムに対し所定の信号を送
信する。１つ又は複数のＣＰＵ、メモリー、操作盤等か
ら成る。

【００１６】

【作用】かかる構成に基づき、本発明のロボットによれ
ば、天井の空気吹出口を自立移動のナビゲーションに利
用するので、室内に移動ルートを示すマークをわざわざ
用意したり、予め位置計測をして基準点にプリズムやリ
フレクターをセッテイングする手間が不要となり、作業
能率が著しく向上する。また、ロボット自身に視覚シス
テムが備えられているので、多数の空気吹出口へと順次
連続して移動することができ、人手が不要となって作業
能率がさらに向上する。

【００１７】一般に、空調用の空気吹出口は、確かな施
工図に基づいて位置精度高く設置されているので、壁や
柱を利用する場合と異なりナビゲーションのためのマッ
プ情報としては非常に良質であるため、自己位置の測定
誤差が少ない。しかもその施工図は容易に入手できるの
で、効率的なパスプランがすぐ立てられ、ロボットに移
動方向と移動距離を指示するのが容易である。さらに、
作業対象であるところの空気吹出口を視覚的に移動の目
標としているので、スリップ等によって攪乱されてしま
う車輪部の回転数センサーだけによる移動量検出（デッ
ドレコニング）と異なり、ビジュアルフイードバックが
働いて内界センサーの累積誤差がリセットされ、移動誤
差が累積しない等の利点が得られることになる。

【００１８】本発明の好適な実施態様として、前記各シ
ステムに電力を供給するためのバッテリが該ロボット上
に搭載されている。これにより、ロボットは、電源ケー
ブルを引きずることなく、自由に移動して、所定の作業
を遂行することができる。

【００１９】さらに、前記視覚システムに画像処理装置
を設けて、この画像処理装置が、同一の重心位置を有す
る複数の四角形又は円形が集中していることから空気吹
出口の存在を検出するように構成することができる。こ
のように、複数の四角形又は円形成分の集中度によって
吹出口を認識するようにすれば、外乱に強くなり、空気
吹出口を蛍光灯等の他物体と間違えることがなくなる。
また、パターンマッチングのような負荷の多い処理方式
ではないので、短時間での認識が可能になり、作業能率
が向上する。以下、添付図面の実施例を参照しながら本
発明についてさらに詳述する。

【００２０】

【実施例】図１は、本発明による空調用吹出空気検査ロ
ボット１０の全体を表しており、ロボット１０には５つ
のサブシステムとして、天井に設けられた空気吹出口９
０を検知する視覚システム１１、所定の方向へ所定の距
離だけ移動する移動システム１２、空気吹出口９０から
出てくる空気の風量と温度を計測するセンサーシステム
１３、センサーシステム１３を昇降させるリフテイング
システム１４、及び空気吹出口９０の位置情報を記憶し
かつ前記各システムからの情報を入手して演算し各シス
テムに対し所定の信号を送信する制御システム１５とが
設けられている。

【００２１】視覚システム１１は天井の空気吹出口９０
を発見し、ロボットの現在点から該吹出口直下点までの
距離と方向を算出する部分であり、メインＣＣＤカメラ
２４、リモートコントロールレンズ２５、電動旋回台２
６、小型ＣＣＤカメラ２７、画像処理装置等から成って
いる（図４参照）。さらに、電動旋回台２６の下側には
サーボ動作を補償するためのサーボアンプ２３が配置さ
れている。

【００２２】移動システム１２は左右輪独立駆動方式の
移動機構であり、視覚システム１１で算出されたデータ
（移動距離と回転角度）だけ正確に移動するように、減
速機を内蔵したＤＣサーボモータ２２、等から成る。電
源はロボット上に搭載されたバッテリ２１から供給され
る。移動の方法は、その場回転−直進−その場回転のパ
ターンで行われる。

【００２３】センサーシステム１３は吹出口９０から出
てくる風速と温度を計測し、風量換算してそれらのデー
タを記録するシステムであり、上向きに拡大したフード
３５の内面に等間隔で配列された２４個の風速センサー
プローブ１６からなる熱式風速計と温度計等から成る。

【００２４】リフテイングシステム１４はセンサーシス
テム１３を上昇させて空気吹出口９０に接近させ、計測
終了後は下降させて、移動時に障害とならないようにす
るシステムであり、ドライブシャフト２８に歯車機構を
介して連結された昇降用モータ２９とリンク機構３０等
から成る。

【００２５】制御システム１５は、処理速度を高めるた
めに並列処理を行う２つのＣＰＵ１９、２０と、操作盤
１８、内蔵メモリー等から成っている。さらに、このロ
ボット１０には、必要に応じて検査データを表示するた
めの風速風温モニター１７が設けられている。操作盤１
８には、必要に応じてカラー液晶デイスプレイ等を取り
付けることができる。

【００２６】図２は、本発明によるロボット１０を用い
て、建物内の一室の天井に配置された３１個の空気吹出
口９０を、スタート地点Ｓから終了地点Ｅまで、所定の
経路に従って検査を遂行するパスプランを表している。

【００２７】図３は、天井に設置される空気吹出口（ア
ネモスタット型吹出口）の代表的な形状を表しており、
同一の重心位置を有する四角形が一点に集中するような
形状をしている。他の形状として、同心円が一点に集中
していくような形状もある。そこで、本発明のロボット
では、好適な態様として画像処理装置を用いて、同一の
重心位置を有する複数の四角形又は円形が集中している
ことを認識することにより空気吹出口の存在を検出する
ようになっている。

【００２８】図４は視覚システム１１のＣＣＤカメラ、
リモートコントロールレンズ及び電動旋回台の部分を拡
大して表しており、メインＣＣＤカメラ２４はＴ方向に
チルト（揺動）することができ、リモートコントロール
レンズ２５はＦ方向に前進したりＲ方向に後進したりし
て焦点を合わせることができ、電動旋回台２６はＰ方向
に回転してメインＣＣＤカメラの方向をパンさせること
ができるようになっている。以下、このロボットを用い
て角型アネモスタット型吹出口の風量と温度を検査する
工程を説明する。

【００２９】まず、前提条件として、 （１）室内のすべての吹出口の位置座標はマップ情報と
してあらかじめロボットに与えられている。また、各吹
出口９０には番号が付されて区別されている。 （２）検査する順序、ルートも図２に示すように与えら
れている。 （３）検査する吹出口は図３に示すような形状をしてい
る。

【００３０】最初に、図２に示すような室内にロボット
１０を誘導し、適当な位置で停止させて、最初に検査す
る空気吹出口９０を視覚システムのメインＣＣＤカメラ
２４の視野に入るように手動で操作する。ロボット上の
メインＣＣＤカメラ２４は、図４に示すように電動旋回
台２６に固定されているので、電動旋回台２６のパン・
チルト動作により、その向きを変え、リモートコントロ
ールレンズ２５によってフオーカス（焦点）、ズーム
（拡大縮小）、アイリス（絞り）を変化させ、天井面の
状態を画像としてとらえることができる。そして、空気
吹出口９０が最もハッキリとなるように画面いっぱいに
とらえる。なお、この手動操作は、最初に検査する吹出
口を発見するためだけであって、２個目以降は、与えら
れたマップ情報に従って、次に検査する吹出口がハッキ
リ見える方向へ、電動旋回台とリモートコントロールレ
ンズが自動的に設定される。

【００３１】画面にとらえられた天井の形は、最初濃淡
画像であるが、エッジ強調、平滑化、２値化、孤立点除
去等の画像処理を経て、輪郭が可能な限り鮮明化し、図
５に示すように線を強調する。これらの画像処理の方法
自体は周知の技術である。

【００３２】次にこの線の中から、直線近似を行って直
線部分を抽出する。抽出した直線の交点を計算して求
め、その中で、図６に示すような９０゜のカギ形『＜』
の形状をした交点９１，９２をピックアップする。そし
て、任意の交点２点を次の条件が成立した場合のみ連結
する。 Ａ）交点を形成する直線のうち向き合ったものの傾きと
２つの交点を結ぶ直線の傾きがほぼ等しいこと Ｂ）交点を形成する直線のうち並行なものの向きが同じ
方向であること これらの条件を満たした場合には、２つの交点を連結し
て、片側が開放した溝形９３を形成させる。

【００３３】この作業を続けることで、最終的に四角形
に近い形ができあがる。そして、四角形近似を行い四角
形とみなした図形の重心を計算して、その重心の集中し
た点を吹出口の中心９４として認識する。この様子を図
７に示す。なお、これらの画像処理及び画像認識の処理
は、並列処理機能を持った装置、例えばトランスピユー
タといわれる演算処理装置、あるいはマルチタスク機能
を有するコンピユータ等で行い、処理時間の短縮を図る
ことができる。トランスピユータの例として、（株）コ
ンカレントシステムズ製の型番ＴＲＰＭ−４０１、ある
いはＴＲＰＭ−４０１Ａを用いることができ、さらに画
像処理ボードとして、同社製の型番ＴＲＰ−ＩＭＧを用
いることができる。

【００３４】次に、空気吹出口９０までの距離と方角を
算出する方法について、図８及び図９を参照して説明す
る。メインＣＣＤカメラ２４の本ロボットの座標系での
パン角θｃ（水平方向の回転角度）とチルト角Φｃ（垂
直方向の回転角度）は電動旋回台２６に取り付けられた
角度センサー（図示せず）によって検出される。

【００３５】一方、画像認識により得られた空気吹出口
の中心座標９４は、撮影画面上の座標系で表わされ、こ
れを ｇ（Ｘｇ，Ｙｇ）とする。また、画像の解像度を
ＤＯＴＸ×ＤＯＴＹ とし、吹出口の外形がカメラの
ＣＣＤ素子上で示す大きさをＳＸ×ＳＹ 、カメラの焦
点をｆとすると、ロボットの座標系における吹出口の中
心位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、次のように表される。

【式１】

【００３６】すると、 ｔａｎδθ ＝ ｙ／ｘ θ ＝ θｃ ＋ δθ ｔａｎΦ ＝ √（ｘ² ＋ ｙ² ）／ｚ と表される。ここで、θは 吹出口直下までの方角を示
す。また、図９より、ロボットから吹出口直下までの距
離 Ｌは、 Ｌ ＝ （Ｈ − Ｈｃ）ｔａｎΦ で表される。ここで、ＨｃとＨは、ロボットのＣＣＤ素
子の高さと天井高さでいずれも既知である。このように
して、吹出口までの距離と角度を算出する。

【００３７】算出結果は、移動システムに伝達され、Ｄ
Ｃサーボモータ２２を駆動して、サーボ機構により所定
の方角へ所定の距離だけ移動する。この移動量は、内蔵
された内界センサーによりフイードバック量として検出
されるが、この際に、ある一定距離だけ移動して再び目
標の吹出口を認識し、同様の距離と方角を算出する動作
を行うと、車輪部の回転数センサーによる計測の誤差が
位置の誤差として累積せずに、移動の精度がいっそう高
まることになる。

【００３８】次に、空気吹出口９０の直下に本ロボット
があることを、センサーシステム１３のフード３５内に
垂直上向きに設置した小型ＣＣＤカメラ２７によって、
同様の処理をして確認する。必要であれば、微動作をし
て位置と方角を修正し、吹出口９０とセンサーフード３
５の向きを合わせる。

【００３９】ここで、図１に示すように、風量及び温度
などを測定するセンサーシステム１３全体をリフテイン
グシステム１４によって上昇させ、吹出口に接近させて
吹出風量と温度などを測定する。測定は、フード３５内
に等間隔で設置した風速センサープローブ１６と温度セ
ンサープローブとで行う。測定結果は、後で処理するた
め、吹出口の番号に対応してメモリーされる。以下、同
様の工程を繰り返すことにより、図４に示すような室内
のすべての吹出口を与えられた検査ルートに従って自動
検査して、ロボットの動作を終了する。検査結果は、フ
ロアーごとに集計・作表されてプリンタから出力され
る。

【００４０】図１０は本発明のロボットを動作させるた
めの制御ブロック図である。各ブロック内の要素は、前
述した要素、あるいは周知の部品である。「サーボフイ
クサー」はサーボ機構の動作を補償するインターフエー
スであり、本発明に特有の要素ではない。

【００４１】前述したように、本発明における画像処理
では、四角形や円形成分の集中度によって吹出口を認識
しているので、外乱に強く、吹出口等を蛍光灯等の他物
体と間違えることがない。また、パターンマッチングの
ような負荷の多い処理方式ではないので、前述した実施
例のようにトランスピユータで並列処理するように構成
すれば、短時間で吹出口の認識が可能となる。もちろ
ん、動作速度の早いコンピユータを用いれば、画像処理
に要する時間が短縮できることは当然である。

【００４２】本発明では、空調用の空気吹出口を作業対
象として述べてきたが、空調用の空気吸い込み口に関し
ても、本発明のロボットを適用して作業することが可能
である。

【００４３】

【発明の効果】以上、詳細に説明した如く、本発明のロ
ボットによれば、天井の空気吹出口を自立移動のナビゲ
ーションに利用するので、室内に移動ルートを示すマー
クをわざわざ用意したり、予め位置計測をして基準点に
プリズムやリフレクターをセッテイングする手間が不要
となり、作業能率が著しく向上する。また、ロボット自
身に視覚システムが備えられているので、多数の空気吹
出口へと順次連続して移動することができ、人手が不要
となって作業能率がさらに向上する。位置の基準とする
空気吹出口は、確かな施工図に基づいて位置精度高く設
置されているので、自己位置の測定誤差が少なく、しか
も作業対象であるところの空気吹出口を視覚的に移動の
目標としているので、車輪部の回転数センサーによる移
動誤差が累積しない。さらに、床面に置かれた物体が自
己位置測定の障害となりにくい等の利点が得られること
になり、その技術的効果には極めて顕著なものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるロボットの全体を表す正面図であ
る。

【図２】室内の天井に設置された空気吹出口の配置を表
す平面図である。

【図３】空気吹出口を表す底面図である。

【図４】ロボットの視覚システムを表す正面図である。

【図５】ＣＣＤカメラによる画像を表す正面図である。

【図６】画像の処理方法を表す原理図である。

【図７】ＣＣＤカメラによる画像の処理後を表す正面図
である。

【図８】ＣＣＤカメラから空気吹出口までの距離と方角
を３次元座標上で説明するための概略図である。

【図９】ＣＣＤカメラから空気吹出口までの距離と方角
を２次元座標上で説明するための概略図である。

【図１０】本発明によるロボットの制御を表すブロック
図である。

【符号の説明】

１０ ロボット １１ 視覚システム １２ 移動システム １３ センサーシステム １４ リフテイングシステム １５ 制御システム １６ 風速センサープローブ １９，２０ ＣＰＵ ２１ バッテリ ２２ ＤＣサーボモータ ２４ メインＣＣＤカメラ ２５ リモートコントロールレンズ ２６ 電動旋回台 ２７ 小型ＣＣＤカメラ ２９ 昇降用モータ ３０ リンク機構 ３５ フード

フロントページの続き (72)発明者 田中 幸悦 茨城県つくば市和台41番地 新菱冷熱工 業株式会社中央研究所内 (72)発明者 田中 祥夫 茨城県つくば市和台41番地 新菱冷熱工 業株式会社中央研究所内 (72)発明者 福田 敏男 愛知県名古屋市東区矢田町２−66 名大 矢田宿舎122 (72)発明者 新井 史人 愛知県名古屋市名東区亀の井２−38 名 大猪高町宿舎206 (56)参考文献 特開 昭63−263504（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 天井に設けられた空気吹出口を検出して
   この空気吹出口から出てくる空気の風量と温度を計測す
   る移動式の空調用吹出空気検査ロボットであって、当該
   ロボット上に、 天井に設けられた空気吹出口を検知する視覚システム
   と、ロボットを 所定の方向へ所定の距離だけ移動させる移動
   機構と、 前記空気吹出口から出てくる空気の風量と温度を計測す
   るセンサーと、 前記センサーを天井に向かって昇降させる昇降機構と、ロボットの動作を制御する制御装置とが搭載されてお
   り、 前記視覚システムは画像処理装置を有し、この画像処理
   装置は同一の重心位置を有する複数の四角形または円形
   が集中していることから空気吹出口の存在を検出するよ
   うになっており、 前記制御装置は前記空気吹出口の位置情報をあらかじめ
   記憶し、前記画像処理装置によって得られた空気吹出口
   までの距離と角度からロボットの現在位置を検出し、前
   記移動機構と前記昇降機構によって所定の位置へとロボ
   ットを動作させ、前記センサーによって空気の風量と温
   度を計測するようになっている ことを特徴とする空調用
   吹出空気検査ロボット。