JP3319090B2 - 移動作業ロボット - Google Patents
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Landscapes
- Electric Vacuum Cleaner (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Description
床面仕上げ装置等のように往復移動を繰り返しながら自
動的に作業を行う移動作業ロボットに関するものであ
る。
類および走行制御手段等を付加して、自動的に作業を行
う各種の移動作業ロボットが開発されている。例えば自
走式掃除機は、清掃機能として本体底部に吸込みノズル
やブラシなどを備え、移動機能として走行および操舵手
段と走行時の障害物を検知する障害物検知手段と位置を
認識する位置認識手段とを備え、この障害物検知手段に
よって清掃場所の周囲の壁等に沿って移動しながら位置
認識手段によって清掃区域を認識し、その清掃区域内全
体を移動して清掃するものである。
ターン角度について、図11(a)に基づいて説明す
る。移動作業ロボットの本体1は、直進と作業方向への
移動距離がWで角度がθのターンを繰り返しながら、実
線矢印で示されるように部屋の内部を隈なく移動する。
このWがターン幅、θがターン角度である。ターン幅・
ターン角は本体1の作業幅に応じたある所定の距離・角
度が要求されるが、この所定のターン幅・ターン角度が
実現できないと、作業のやり残しあるいは作業効率の低
下が生じる。
幅・ターン角度を得るため、図11(b)に示すよう
に、ターン内側の駆動輪2Rは回転を固定し、外側の駆
動輪2Lだけを回転させて点Oを中心にしてターン動作
を行っていた。
たターン動作を行う従来の移動作業ロボットでは、内側
車輪の接地面を中心に本体が方向を変えるので車輪が床
面と激しく擦れて(据え切り)、車輪の摩耗を早め、床
面を傷つけていた。特に絨毯では毛をむしり取ったり、
消えない擦り痕をつけたりしていた。
していた課題を解決しようとするものであって、車輪と
床面との擦れがほとんど無いターン動作を行い、所定の
ターン幅・ターン角度を得る移動作業ロボットを提供す
ることを第一の目的としている。
作で生じる内部領域の作業のやり残しを無くす移動作業
ロボットを提供することを第二の目的としている。
作中に障害物があればこれを回避し、所定のターン幅・
ターン角度を得る移動作業ロボットを提供することを第
三の目的としている。
いターン動作を行い、所定のターン角度をより正確に得
る移動作業ロボットを提供することを第四の目的として
いる。
めの本発明の第一の手段は、本体の左右に設けた駆動輪
を駆動して前記本体を移動させる駆動手段および操舵手
段と、前記駆動手段と操舵手段とを制御し本体の走行制
御を行う走行制御手段と、本体の走行距離を計測する移
動距離計測手段と、清掃等の作業を行う作業手段とを備
え、前記走行制御手段は、移動距離計測手段の出力に基
づいて本体の走行軌跡を演算する軌跡演算手段と、軌跡
演算手段の出力に基づいて、1段階目のターンは前記左
右の駆動輪の一方を前進、他方を後退させ、2段階目の
ターンでは前記左右の駆動輪の両 方を前進させるという
2段階動作で本体の方向を反転させる2段階ターン手段
を有する移動作業ロボットとするものである。
の手段は、前記本発明の第一の手段の構成に加え、走行
制御手段が、本体をターン動作前に後退させる後退手段
を有する移動作業ロボットとするものである。
の手段は、前記本発明の第一の手段の構成に加え、本体
周囲の障害物を検知する障害物検知手段を備え、走行制
御手段が、本体をターン動作中の障害物検知手段の出力
に基づいて後退させる後退手段と、軌跡演算手段の出力
に基づいて、後退によるターン幅の誤差を打ち消すよう
に、ターン動作の新たな駆動速度を演算する速度演算手
段を有する移動作業ロボットとするものである。
の手段は、本体の左右に設けた駆動輪を駆動して前記本
体を移動させる駆動手段および操舵手段と、前記駆動手
段と操舵手段とを制御し本体の走行制御を行う走行制御
手段と、本体の方向を計測する方向計測手段と、清掃等
の作業を行う作業手段とを備え、前記走行制御手段は、
方向計測手段の出力に基づいて、1段階目のターンは前
記左右の駆動輪の一方を前進、他方を後退させ、2段階
目のターンでは前記左右の駆動輪の両方を前進させると
いう2段階動作で本体の方向を反転させる2段階ターン
手段を有する移動作業ロボットとするものである。
定しないでターン動作を行うもので、車輪と床面との擦
れをほとんど無くすことができるものである。さらに、
ターン動作を本体の走行軌跡の情報に基づいて2段階に
だけ分けることにより、無駄の少ない動きで所定のター
ン幅・ターン角度を得ることができるものである。
ことによって、本体をターン動作前に後退させて、ター
ン動作で作業手段が通過しないために生じる内部領域の
作業のやり残しを無くすことができるものである。
後退手段を設けることによって、ターン動作中に障害物
があればこれを回避できるものである。また駆動速度演
算手段を設けることによって、前記回避があった場合や
ターン動作の所定の軌跡と実際の軌跡との間に誤差が生
じた場合に、これらの誤差を修正できるような新たな駆
動速度を求めることができ、この速度を用いて所定のタ
ーン幅を確保することができるものである。
の手段と同様、本体の車輪の回転を固定しないでターン
動作を行うもので、車輪と床面との擦れをほとんど無く
すことができる。また、ターン動作を本体の方向に基づ
いて2段階にだけ分けることにより、無駄の少ない動き
で所定のターン角度をより正確に得ることができるもの
である。
式掃除機を例にとって図1,図2に基づいて説明する。
1は自走式掃除機の本体(以下単に本体と称する)、2
L・2Rはそれぞれ本体1の左右後方に設けた駆動輪
で、駆動モータ3L・3Rで左右独立に駆動される。4
は、本体1の前方に回転自在に取り付けた従輪である。
以上、駆動輪2L・2R、駆動モータ3L・3R、従輪
4は本体1を移動させる駆動手段と操舵手段を構成して
いる。また3L′・3R′はそれぞれ駆動モータ3L・
3Rに接続されたロータリエンコーダ等からなる回転検
出器で、駆動モータ3L・3Rの軸回転数を検出してお
り、移動距離計測手段を構成している。29は蓄電池で
あり、本体1の全体に電力を供給している。5は本体後
面に設けた扉で、蓄電池29の交換をここを通して行う
ようになっている。8は伸縮ハンドルであり、本体1が
自動で移動する時には図1で示すように本体1の内部に
収納されているが、手動で移動させる時に、本体1の後
方へ斜め上方に引き延ばして使用する(図示せず)。1
1は本体1の周囲に取り付けられた弾性材からなる緩衝
体で、本体1が障害物に衝突したときの衝撃を和らげ
る。12は本体1の側部から前部にかけて本体1より突
出する接触検知手段で、本体前方や側方の壁面・柱・床
面からの突起物・段差・家具・人間等の障害物の接触を
検出する。22は本体1の前方・左右側方の障害物まで
の距離を計測する測距手段で、本体1の周囲に設けた超
音波センサから構成されている。以上、接触検知手段1
2・測距手段22は、本体1の周囲の障害物を検知する
障害物検知手段を構成している。23は本体1の方向を
計測する方向計測手段で、本実施例ではレートジャイロ
およびこの出力を積分する積分器などから成っている。
21は、障害物検知手段、方向計測手段23の情報に基
づいて駆動モータ3L・3Rを制御し、本体1の走行制
御を行う走行制御手段である。14は電動送風機、15
は集塵室、16,17はその内部に設けたフィルターで
ある。18は本体1の底部後方に設けた床ノズルで、接
続パイプ19を介して集塵室15と接続している。20
はブラシで、円板の周囲に植毛が施された構成となって
おり、本体1に設けたモータによって回転駆動され、床
面上のごみを本体1の内側方向に掃き集める。以上、電
動送風機14、集塵室15、フィルター16,17、床
ノズル18、接続パイプ19、ブラシ20は、清掃手段
を構成している。27は、操作部28に設けた操作ボタ
ンである。
ブロック図で、以下図3に基づいて本実施例の制御構成
を説明する。移動距離計測手段3L′・3R′の出力は
走行制御手段21に伝達される。走行制御手段21はこ
の出力を判断して駆動モータ3L・3Rに制御信号を出
力し、本体1の移動方向・走行距離を制御する。本実施
例では走行制御手段21は、2段階ターン手段31と軌
跡演算手段32を有している。2段階ターン手段31
は、駆動モータ3L・3Rを制御して本体1を2段階動
作でターンさせる。軌跡演算手段32は、移動距離計測
手段3L′・3R′の出力を受けて本体の方向と走行軌
跡を演算し、演算結果を2段階ターン手段31に出力す
る。
する。図4は、本体1の2段階動作のターンを左右駆動
輪2L・2Rの移動状況で示している。以下の説明にお
いては、本体1に要求されるターン幅Wは左右駆動輪の
トレッドに等しく、ターン角度は180°であるとす
る。また、ターン動作の1段階目から2段階目への切り
換えと2段階目ターンを終了は、軌跡演算手段32(本
体1の方向と破線矢印で示した軌跡を逐次計算する)の
出力と、あらかじめ記憶している設定値を比較すること
によって、2段階ターン手段31が指令する。設定値と
は、本体1の、軌跡のターン方向(図横方向)への変
位、または角度の変化分のことである。例えば本実施例
では、設定値は、1段階目のターンの終了時には変位W
1・角度の変化分90°、2段階目のターンの終了時に
は変位W(=ターン幅)・角度の変化分180°(=タ
ーン角度)とする。そして理想的なターンを想定し、1
段階目も2段階目も軌跡はきれいな1/4の円弧を描く
ものとして説明を進める。さて、ターン開始位置A点
で、本体1は矢印DAの方向を向いているとする。まず
1段階目のターンを開始する。1段階目のターンでは、
左駆動輪2Lを一定の周速VL1で前進、右駆動輪2R
を一定の周速VR1で後退させる。ターンの回転中心は
周速VL1とVR1の比で決まる定点O1となる。本体
1の軌跡がターン方向にW1移動するとB点に到達し、
90°向きを変えて矢印DBの方向に向く。この時点で
1段階目のターンを終了する。次に2段階目のターンを
開始する。2段階目のターンでは、左駆動輪2Lを一定
の周速VL2で前進、右駆動輪2Rを一定の周速VR2
で前進させる。ターンの回転中心は周速VL2とVR2
の比で決まる定点O2となる。本体1の軌跡がターン方
向にトータルでW移動するとC点に到達し、A点からは
180°向きを変えて矢印DCの方向を向く。この時点
で2段階目のターンを終了すなわち全ターン動作を終了
する。左駆動輪2Lの周速VL1・VL2と右駆動輪2
Rの周速VR1・VR2についても、2段階ターン手段
31があらかじめ設定された値を記憶しておくものとす
る。以上が2段階ターン手段31による2段階動作のタ
ーンである。このようにしてターン内側の車輪を少し回
転させることにより、車輪と床面との擦れをほとんど無
くすことができる。そしてターンを2段階動作とするこ
とにより、無駄の少ない動きで所定のターン幅・ターン
角度を得ることができる。ただし、実際には誤差のため
変位と角度が対応せず、動作切り換えの基準となる設定
値を変位か角度かどちらかに決めねばならないが、ター
ン幅・ターン角度の優先させたい方によって決めればよ
い。軌跡演算手段32は一応、常に変位と角度の両方を
演算しているものとする。
装置等の移動作業ロボットは、本体構成上、左右車輪の
トレッドと作業幅がほぼ近い幅になることが多いため、
本実施例のターン動作は有効な方法である。
動輪2L・2Rの中心線上であればよく、図4のO1・
O2に限定するものではない。またターン動作の切り換
えをターン角度90°、ターン角度180°、ターン幅
をW(トレッド)として説明したが、多少これらと異な
る値でもよい。また、ターン動作の切り換えと終了を判
断する際、移動距離計測手段3L′・3R′の出力のか
わりに、時間を計測する手段を用いて経過時間で判断し
てもよい。
ットを、自走式掃除機を例にとって説明する。本体構成
は前記実施例1の図1,図2と同様なので説明を省略す
る。
ブロック図で、基本的には前記実施例1の図3と共通な
ので、異なる部分のみについて説明する。本実施例では
走行制御手段21は、後退手段33を有している。後退
手段33は2段階ターン手段31が本体1を2段階動作
でターンさせる直前に、駆動モータ3L・3Rを制御し
て本体1を所定の距離だけ後退させる。
する。ただし、基本となる2段階動作のターンについて
は前記実施例1の図4と同様なので、詳細な説明は省略
する。図6においてまず、図中の細い長方形は、後退動
作をしない場合の駆動輪2L・2Rの移動状況を示して
いる。さて、実線矢印T1に沿って直進してきた本体1
は、Aの位置から2段階動作のターンを開始する。そし
て、2段階目の動作を開始する位置Bを経て、位置Cで
ターンを終了し、実線矢印T2に沿って直進する。実線
はこの一連の移動の間の床ノズル18による清掃領域の
境界を示すが、斜線で示した内部領域(周囲はすべて清
掃済の領域)が清掃のやり残しとなってしまう。これは
床ノズル18が駆動輪2L・2Rより後方にあるためで
ある(図1,図2参照)。次に、円は、後退動作後の駆
動輪2L・2Rの移動状況を示す。実線矢印T1に沿っ
て直進してきた本体1は、Aの位置からいったんA′の
位置まで後退する。そして、A′の位置から2段階動作
のターンを開始する。そして、2段階目の動作を開始す
る位置B′を経て、位置C′でターンを終了し、実線矢
印T2に沿って直進する。破線は後退動作後の床ノズル
18による清掃領域の境界を示す。つまり後退手段33
を設けて、2段階動作のターンの前に本体1をAから
A′へ一旦後退させると、後退動作も含めてターン所要
時間は長くなるが、内部領域での清掃のやり残しを無く
すことができる。基本的に駆動輪2の回転を止めない2
段階動作のターンにおいては、床ノズル18の吸い込み
口が左右駆動輪軸上にない限り、領域の面積・形状こそ
異なるがやり残しは存在するため、本実施例の後退動作
は有効な方法である。
ットを、自走式掃除機を例にとって説明する。本体構成
は前記実施例1の図1,図2と同様なので説明を省略す
る。
ブロック図で、以下図7に基づいて本実施例の制御構成
を説明する。接触検知手段12、測距手段22から成る
障害物検知手段と、移動距離計測手段3L′・3R′の
出力は走行制御手段21に伝達される。走行制御手段2
1はこれらの出力を判断して駆動モータ3L・3Rに制
御信号を出力し、本体1の移動方向・走行距離を制御す
る。本実施例では走行制御手段21は、2段階ターン手
段31、後退手段33、軌跡演算手段32と速度演算手
段35を有している。2段階ターン手段31は、駆動モ
ータ3L・3Rを制御して2段階動作で本体1をターン
させる。後退手段33は、ターン中の接触検知手段1
2、測距手段22から成る障害物検知手段の出力に基づ
いて、駆動モータ3L・3Rを制御して本体1を後退さ
せる。軌跡演算手段32は、移動距離計測手段3′の出
力を受けて本体の方向と走行軌跡を演算し、演算結果を
2段階ターン手段31と速度演算手段35に出力する。
速度演算手段35は、ターン中に後退動作があったとき
に、軌跡演算手段32の出力に基づいて後退によるター
ン幅の誤差を打ち消すような新たな駆動速度を演算し、
2段階ターン手段31に出力する。
ーチャートである。順を追って説明する。まず1段階目
のターンを開始する。動作中常に障害物の有無を判断
し、障害物があれば後退動作をし、その後再び1段階目
のターン動作に戻る。また、障害物が無ければ1段階目
のターンが終了か否か判断し、終了の判断が出るまでは
1段階目のターンを継続する。終了の判断がでれば、後
退動作をしたしないに関わらず、2段階目のターンでの
駆動速度を演算し、2段階目のターンを開始する。2段
階目のターン終了の判断がでるまで、2段階目のターン
を継続し、終了の判断がでれば、ターンの全動作を終了
する。
て説明する。ただし、基本となる2段階動作のターンに
ついては前記実施例1の図4と同様なので、詳細な説明
は省略する。本体1は、すでに1段階目のターン動作中
であり、図に示すように点H1の位置にあるとする。そ
して、測距手段22もしくは接触検知手段12が、壁面
から突出している柱P(障害物の一例)を検知したとす
る。この時、本体1は後退手段33によりH1からH2
の位置まで後退する。後退動作が終われば本体1は再び
1段階目のターン動作に戻って、実線矢印で示す軌跡を
移動する。M点に到達すると2段階目のターンに移る
が、この時、駆動速度が初期の設定値のままでターンし
たとすれば、後退動作がない場合の軌跡(2点鎖線)と
同じ回転半径r2で定点O2を中心にターンを行い、破
線の軌跡に沿って移動する。この結果ターン幅はW′と
なってしまい所定のターン幅が確保できない。そこでM
点において、速度演算手段35が所定のターン幅を確保
できる新たな駆動速度を演算する。つまり、M点から後
退動作がない場合の軌跡(2点鎖線)に乗り移ればよい
から、定点O2′を中心に回転半径r2′の軌跡(実
線)をたどるような左右の駆動速度を演算すればよい。
この演算は容易である。そして所定のターン幅Wが確保
できる。以上のように本実施例によれば、ターン中に障
害物があってもこれを回避し、なおかつ、回避した分を
2段階目のターンで補正するので所定のターン幅Wが得
られるものである。
了した時点で1段階目のターンに戻らずに、新たな駆動
速度により、すぐに2段階目のターンを始める方法もあ
る。この時は回転半径r2″の点線で示した軌跡とな
る。また、後退動作33による後退動作を直進移動とし
て描いたが円弧状の軌跡でもまったく問題ない。
ットを、自走式掃除機を例にとって説明する。本体構成
は前記実施例1の図1,図2と同様なので説明を省略す
る。
御ブロック図で、以下図10に基づいて本実施例の制御
構成を説明する。方向計測手段23の出力は走行制御手
段21に伝達される。走行制御手段21はこの出力を判
断して駆動モータ3L・3Rに制御信号を出力し、本体
1の移動方向・走行距離を制御する。本実施例では走行
制御手段21は、2段階ターン手段31を有している。
2段階ターン手段31は、駆動モータ3L・3Rを制御
して2段階動作で本体1をターンさせる。
する。図4は、本体1の2段階動作のターンを左右駆動
輪2L・2Rの移動状況で示している。以下の説明にお
いては、本体1に要求されるターン幅Wは左右駆動輪の
トレッドに等しく、ターン角度は180°であるとす
る。また、ターン動作の1段階目から2段階目への切り
換えと2段階目ターンを終了は、方向計測手段23(本
体1の方向を逐次計測する)の出力と、あらかじめ記憶
している設定値を比較することによって、2段階ターン
手段31が指令する。設定値とは、本体1の角度の変化
分のことである。例えば本実施例では、設定値は、1段
階目のターンの終了時には90°、2段階目のターンの
終了時には180°(=ターン角度)とする。そして理
想的なターンを想定し、1段階目も2段階目も軌跡はき
れいな1/4の円弧を描くものとして説明を進める。さ
て、ターン開始位置A点で、本体1は矢印DAの方向を
向いているとする。まず、1段階目のターンを開始す
る。1段階目のターンでは、左駆動輪2Lを一定の周速
VL1で前進、右駆動輪2Rを一定の周速VR1で後退
させる。ターンの回転中心は周速VL1とVR1の比で
決まる定点O1となる。B点に到達すると本体1は90
°向きを変えて矢印DBの方向に向く。この時点で1段
階目のターンを終了する。次に2段階目のターンを開始
する。2段階目のターンでは、左駆動輪2Lを一定の周
速VL2で前進、右駆動輪2Rを一定の周速VR2で前
進させる。ターンの回転中心は周速VL2とVR2の比
で決まる定点O2となる。C点に到達すると本体1はA
点からは180°向きを変えて矢印DCの方向を向く。
この時点で2段階目のターンを終了すなわち全ターン動
作を終了する。左駆動輪2Lの周速VL1・VL2と右
駆動輪2Rの周速VR1・VR2についても、2段階タ
ーン手段31があらかじめ設定された値を記憶しておく
ものとする。以上が方向計測手段23の出力に基づいた
2段階ターン手段31による2段階動作のターンであ
る。このようにしてターン内側の車輪を少し回転させる
ことにより、車輪と床面との擦れをほとんど無くすこと
ができる。そして、ターンを2段階動作とすることによ
り無駄の少ない動きで、しかも、本体1の方向を直接角
度で検出しているので、所定のターン角度をより正確に
得ることができる。
いたレートジャイロおよびこの出力を積分する積分器な
どに限定せず、地磁気センサ等、方向を検知できるもの
であればよい。また本実施例の制御ブロックに前記実施
例1,2,3の機能を付加することも可能であり、この
時に軌跡演算手段32が、移動距離計測手段3′の出力
だけでなく方向検出手段23の出力も利用して演算すれ
ば、より精度の高い軌跡を求めることもできる。
面との擦れがほとんど無いターン動作を行い、所定のタ
ーン幅・ターン角度を得る移動作業ロボットを実現する
ことができるものである。
じる作業のやり残しを無くす移動作業ロボットを実現す
ることができるものである。
害物があればこれを回避し、所定のターン幅・ターン角
度を得る移動作業ロボットを実現することができるもの
である。
擦れがほとんど無いターン動作を行い、所定のターン角
度をより正確に得られる移動作業ロボットを実現するこ
とができるものである。
例である移動作業ロボットの縦断面図
ボットの走行制御手段の制御ブロック図
作業ロボットの動作を説明する説明図
ボットの走行制御手段の制御ブロック図
ボットの走行制御手段の制御ブロック図
を示すフローチャート
ロボットの走行制御手段の制御ブロック図
する説明図
Claims (4)
- 【請求項1】 本体の左右に設けた駆動輪を駆動して前
記本体を移動させる駆動手段および操舵手段と、前記駆
動手段と操舵手段とを制御し本体の走行制御を行う走行
制御手段と、本体の走行距離を計測する移動距離計測手
段と、清掃等の作業を行う作業手段とを備え、前記走行
制御手段は、移動距離計測手段の出力に基づいて本体の
走行軌跡を演算する軌跡演算手段と、軌跡演算手段の出
力に基づいて、1段階目のターンは前記左右の駆動輪の
一方を前進、他方を後退させ、2段階目のターンでは前
記左右の駆動輪の両方を前進させるという2段階動作で
本体の方向を反転させる2段階ターン手段を有する移動
作業ロボット。 - 【請求項2】 走行制御手段が、本体をターン動作前に
後退させる後退手段を有する請求項1記載の移動作業ロ
ボット。 - 【請求項3】 本体を移動させる駆動手段および操舵手
段と、前記駆動手段と操舵手段とを制御し本体の走行制
御を行う走行制御手段と、本体の走行距離を計測する移
動距離計測手段と、清掃等の作業を行う作業手段とを備
え、前記走行制御手段は、移動距離計測手段の出力に基
づいて本体の走行軌跡を演算する軌跡演算手段と、軌跡
演算手段の出力に基づいて2段階動作で本体の方向を反
転させる2段階ターン手段と、本体周囲の障害物を検知
する障害物検知手段を備え、前記走行制御手段が、本体
をターン動作中の前記障害物検知手段の出力に基づいて
後退させる後退手段と、前記軌跡演算手段の出力に基づ
いて、後退によるターン幅の誤差を打ち消すように、タ
ーン動作の新たな駆動速度を演算する速度演算手段を有
する移動作業ロボット。 - 【請求項4】 本体の左右に設けた駆動輪を駆動して前
記本体を移動させる駆動手段および操舵手段と、前記駆
動手段と操舵手段とを制御し本体の走行制御を行う走行
制御手段と、本体の方向を計測する方向計測手段と、清
掃等の作業を行う作業手段とを備え、前記走行制御手段
は、方向計測手段の出力に基づいて、1段階目のターン
は前記左右の駆動輪の一方を前進、他方を後退させ、2
段階目のターンでは前記左右の駆動輪の両方を前進させ
るという2段階動作で本体の方向を反転させる2段階タ
ーン手段を有する移動作業ロボット。
Priority Applications (1)
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