JP4224029B2

JP4224029B2 - 移動ロボット

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Publication number: JP4224029B2
Application number: JP2005001724A
Authority: JP
Inventors: 潤子廣川; 秀樹小川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-01-06
Filing date: 2005-01-06
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2025-01-06
Also published as: JP2006190105A

Description

この発明は、車輪或いはクローラなどの移動機構が設けられた移動ロボットに係り、特に、移動しながら段差を検知し、乗越え可能なら当該段差を乗越える移動ロボットに関する。

従来、段差を乗越えることができる移動ロボットには、脚車輪型が多く用いられている。この脚車輪型段差乗越えロボットでは、段差を検知してから、一旦停止して高さ或いは奥行きが測定された後、乗越え可否を判断して階段なども連続的に踏破している。

他の移動ロボットとして非特許文献１に開示されるように、本体の左右に移動機構として車輪を備えた移動ロボットが知られている。この移動ロボットでは、車輪による移動に際しては、本体に固定された従動輪キャスターによって移動が補助され、本体の上部に固定されている超音波を発する検出器により非接触で周囲の障害物を検出しながら走行される。

この移動ロボットは、検出部により移動する床面から一定の高さ以上の障害物との距離を測定し、車輪の駆動を制御する駆動制御部により障害物を回避する行動を取っている。床面の障害物または段差に対しては、従動輪キャスターに用いた車輪の半径により障害物乗越え性能が決定される。

一方、更に他の移動ロボットとして特許文献１及び特許文献２に開示されるように、移動ロボット本体の左右に移動機構として車輪を備え、本体の前部に障害物を検出するための２つの接触型のスイッチセンサが配置され、障害物が乗越え可能かを判断する移動ロボットが知られている。乗越えが可能かの判断結果に従って、移動には、車輪が利用され、乗越えにはクローラと移動機構が利用されるように車輪及びクローラが制御されている。
特開2002-366226 特開2004-021895 ApriAlpha（松日楽他：分散オブジェクト技術を用いたサービスロボットの開発，ロボットメカトロニクス講演会'03講演論文集，1A1-3F-C5,(2003)）

脚車輪型では、未知の段差に対して、移動ロボットが一時的に停止し、条件が測定された後に、踏破動作が開始されることから、安定に走行されるが、連続的に段差がある場合には、移動が効率的であるとはいえない問題がある。

非特許文献１に開示された移動ロボットでは、移動中に前方の障害物が検知されて衝突しないように回避行動が取られるが、床面上の障害物に関しては、高さ並びに奥行きなどの情報が得られないままに走行されることから、また、従動輪が本体に固定されていることから、従動輪の車輪径で乗越えられる以上の高さの障害物を乗越えることができない問題がある。また、乗越え時にも、移動ロボット本体が大きく傾き、不安定である問題もある。

特許文献１に開示された移動ロボットでは、障害物全般に対して、スイッチセンサが接触してこれを検知することから、障害物の検知が移動制御の外乱となり、障害物を回避することができず安定して移動することができない問題がある。また、スイッチセンサにより、障害物との衝突後に乗越えの可否を判断して移動機構が切り替えられることから、移動が効率的ではない問題がある。

この発明は、上述したような事情に鑑みなされたものであって、その目的は、障害物に衝突せずに非接触で害物が検知され、移動しながら障害物の乗越えの可否並びに乗越えの制御方法が速やかに決定され、安定して、且つ、効率的に障害物を乗越えて移動することができる移動ロボットを提供することにある。

この発明によれば、
本体フレームと、
この本体フレームを走行路上で移動させる為の駆動車輪と、
前記本体フレームの走路方向に対して前方に設けられている第１の従動輪と、
前記本体フレームの走路方向の距離をある俯角で検出する距離センサ部と、
前記俯角を略一定に維持したまま前記第１の従動輪及び距離センサを一体的に前記本体フレーム上で上下動させる第１の上下動機構と、
前記距離センサ部からの距離信号に基づいて走路上の段差を検出して前記本体フレームの移動とともに前記第１の上下動機構を上下動させる制御部と、
から構成される移動ロボットにおいて、
前記制御部は、前記距離センサ部で検出される距離と基準値との比較で段差を検出し、前記距離センサ部の上下動と前記距離センサ部で検出される距離とに従って前記段差の高さを推定し、前記駆動輪による走行距離と前記距離センサ部で検出される距離とに従って前記段差の幅を推定することを特徴とする移動ロボットが提供される。

前記移動ロボットは、
前記本体フレームの走路方向に対して後方に設けられている第２の従動輪と、
前記第２の従動輪を上下動させる第２の上下動機構と、
から構成され、
前記制御部が前記距離センサ部からの距離信号に基づいて検出された前記段差に対応して前記本体フレームの移動とともに前記第２の上下動機構を作動させても良い。

以上説明したように、段差を非接触で自動的に検知し、段差に応じて乗越え方法を選択することができる移動ロボットが提供される。

以下、図面を参照しながら、この発明の一実施の形態に係る移動ロボットについて説明する。

図１及び図２は、この発明の一実施例に係る移動ロボットを概略的に示す側面図及びその背面構造を示す背面図である。図１に示すように略円盤状の本体フレーム１０上には、この移動ロボットを制御する制御部８が載置固定されている。この本体フレーム１０は、移動機構としての駆動車輪６，１２上に載置されている。図２に示すように本体フレーム１０には、駆動車輪６，１２が配置された切欠部が形成され、駆動車輪６，１２の上部がこの切欠部を介して本体フレーム１０上に突出されている。本体フレーム１０の背面には、そのモータ軸４，１４が同一直線状に配置されるようにモータ３６，３４が固定され、そのモータ軸４，１４に駆動車輪６，１２がモータ３６，３４によって回転されるように固定されている。従って、モータ３６，３４が駆動されると、駆動車輪６，１２が回転され、本体フレーム１０が矢印Fで示す方向に走行される。ここで、駆動車輪６，１２は、夫々モータ３６，３４によって独立に駆動されることから、一方のモータ３４，３６の回転数を上げることによって回転数が少ない側に向けて回頭されて走行されることとなる。即ち、右側車輪１２に対応するモータ３４の回転数が上げられると、本体フレーム１０は、左側に向けられるように走行され、左側車輪６に対応するモータ３６の回転数が上げられると、本体フレーム１０は、右側に向けられるように走行される。

尚、図１においては、車輪１２の背面部の構造を明瞭に示す為に車輪１２の背後を透視して示していることに注意されたい。

本体フレーム１０の背面には、第１及び第２の支持脚２０，２２を支持固定する為のブラケット１６，１８が走行面に向かって突出するように固定され、このブラケット１６，１８に第１及び第２の支持脚２０，２２の第１及び第２のリンクアーム２４−１，２４−２，２６−１，２６−２の一端が回動可能に固定されている。支持脚２０の第１及び第２のリンクアーム２４−１，２４−２の他端は、回動可能にブラケット２５に連結され、このブラケット２５上には、距離センサ部２８が載置されている。このブラケット２５には、補助輪としての従動輪３０が固定されている。支持脚２２の第１及び第２のリンクアーム２６−１，２６−２の他端は、同様に回動可能にブラケット２７に連結され、このリンク２７には、同様に補助輪としての従動輪３０が固定されている。従動輪３０、３２は、矢印Fで示される移動方向に回転可能であるともにブラケット２５，２７の周りに回転可能に軸支されている。この従動輪３０、３２から本体フレーム１０までの距離は、駆動車輪６，１２の走行路への接地面から本体フレーム１０までの距離に略等しくなるように設定され、本体フレーム１０が平坦な走行路を駆動車輪６，１２によって走行される限りにおいては、この従動輪３０、３２によって本体フレーム１０は、走行路に対して常に略平行に維持される。

第１及び第２の支持脚２０，２２を構成する第１のリンクアーム２４−１，２６−１の一端には、夫々支持回転軸５２，５４が固定され、この支持回転軸５２，５４が夫々回転可能に軸支されて歯車４４、４６に連結されている。この歯車４４、４６は、回転ベルト４８，５０を介して本体フレーム１０上に固定されているリンク駆動モータ３８，４０のモータ歯車５６，５８に連結されている。リンク駆動モータ３８，４０のモータ歯車５６，５８が回転されると、この回転が回転ベルト４８，５０を介して歯車４４、４６に伝達され、歯車４４、４６の回転とともに第１のリンクアーム２４−１，２６−１がスイング（回動）される。この第１のリンクアーム２４−１，２６−１に対して第２のリンクアーム２４−２，２６−２が互いに平行となるようにブラケット２５，２７で連結されていることから、第１のリンクアーム２４−１，２６−１が回動されるに伴って、ブラケット２５，２７で連結された第２のリンクアーム２４−２，２６−２が第１のリンクアーム２４−１，２６−１に平行にスイング（回動）される。

第１及び第２の支持脚２０，２２の夫々に対応してリンク駆動モータ３８，４０が設けられていることから、第１及び第２の支持脚２０，２２は、独立にスイング可能で、リンク駆動モータ３８，４０の回転方向が制御されることによって第１及び第２の支持脚２０，２２の他端が上方或いは下方に向けて移動させられる。即ち、第１及び第２の支持脚２０，２２を独立して上昇或いは降下させることができる。従って、第１の支持脚２０を上昇させて第２の支持脚２２をそのままに維持し、或いは、降下させることができる。また、第１の支持脚２０を降下させて第２の支持脚２２をそのままに維持し、或いは、上昇させることができる。第１及び第２の支持脚２０，２２の一方が上昇されてこの一方とともに対応する従動輪３０，３２が上昇されて走行路から離れると、他方の従動輪３０、３２と駆動車輪６，１２で本体フレーム１０が支持され、本体フレーム１０が走行状態にあれば、他方の従動輪３０、３２と駆動車輪６，１２によって本体フレーム１０が移動される。

尚、図２から明らかなように第１及び第２の支持脚２０，２２が本体フレーム１０上にまで上昇可能とする為に、本体フレーム１０には、第１及び第２の支持脚２０，２２が通過することが可能な切り欠が設けられている。また、従動輪３０，３２は、走行方向Ｆに沿って回転のみを許し、走行方向Ｆとは反対の方向に回転しないようにその従動輪３０，３２内に一方向のみの回転を許す歯車機構或いはクラッチ機構等の逆回転阻止機構が設けられることが好ましい。クラッチ機構等の逆回転阻止機構は、必要な際に逆回転が阻止されるように制御部８によって制御可能な電磁クラッチの類の制御機構が用いられても良い。従動輪３０，３２内のまた、走行方向に沿って回転する従動輪３０，３２は、本体フレーム１０の回頭に伴いブラケット２５，２７の周りに回転することができるが、ボールキャスター等の球状で全ての方向に回転可能な回転機構が従動輪３０，３２として採用される場合には、ブラケット２５，２７の周りに回転されなくとも良い。

図１に示される制御部８は、図３に示すような回路を備えている。即ち、距離センサ部２８からの距離検出信号がインタフェース７０に出力され、インタフェース７０でＡ／Ｄ変換されてセンサ信号としてＣＰＵ７２に供給されている。また、モータ３４，３６の軸出力は、このモータ３４，３６に設けたエンコーダ６２，６４で検出され、エンコーダ６２，６４からの出力がカウンタ信号としてインタフェース７０を介してＣＰＵ７２に供給されている。このカウンタ信号は、ＣＰＵ７２においてカウントされ、そのカウンタ信号をカウントすることによって、車輪駆動モータ３４，３６の回転に依存する駆動車輪６，１２の回転に伴う本体フレーム１０の走行距離が検出される。また、車輪駆動モータ３４，３６の回転の差が求められることによって、本体フレーム１０が回頭されて本体フレームの変移方向角度が決定される。従って、移動ロボットの初期位置座標が予め入力されることによって移動ロボットの走行位置をＣＰＵは、把握することができる。同様に、モータ３８，４０の軸出力は、このモータ３８，４０に設けたエンコーダ６４で検出され、エンコーダ６４からの出力がカウンタ信号としてインタフェース７０を介してＣＰＵ７２に供給されている。このカウンタ信号は、ＣＰＵ７２においてカウントされ、リンク駆動モータ３８，４０の回転に依存して定まる支持脚２０，２２の上昇或いは降下位置が検出される。

ＣＰＵ７２には、外部の入力部７４からの目標値等の入力に応じて駆動信号を発生し、インタフェース７０を介してモータドライバ６６に供給される。従って、このモータドライバ６６によってモータ３４，３６が附勢されて目標に向けて駆動車輪６，１２が回転されて本体フレーム１０が移動する。また、ＣＰＵ７２は、センサ信号に従って走行方向における障害物或いは段差を検出して予めプログラムされた駆動信号を発生し、インタフェース７０を介してモータドライバ６８に供給される。従って、このモータドライバ６６によってモータ３８，４０が附勢されて目標に向けて支持脚２０，２２が上昇或いは降下されて本体フレーム１０が後に述べるように障害物或いは段差を乗り越えて段差上の走行路に乗って走行される。

距離センサ部２８は、走行面に向けて光ビームを照射するレーザダイオード或いは発光ダイオード等の発光素子（図示せず）及び走行面から反射された光線を検出する光センサ（図示せず）から構成されている。距離センサ部２８は、支持脚２０が上下動されてもそのブラケット２５に固定された距離センサ部２８が走行面に対してその姿勢を変えずに常に一定の俯角で一定観察距離Ｌ０だけ離れた走行面を観察することとなる。即ち、図４（ａ）に示すように支持脚２０，２２が走行路に対して略平行に配置されている状態では、移動ロボットが平坦な走行路を走行されてその走行路に光ビームが距離センサ部２８から所定の俯角θで照射され、その光ビームの走行路から光線が距離センサ部２８に反射され、この反射光線が距離センサ部２８で受光されてその光強度が検出される。この反射光線の光強度が一定である間は、常に一定観察距離Ｌ０を距離センサ部２８が観察していることとなる。支持脚２０，２２が走行路に対して略平行に配置されている状態において、図４（ａ）に示すように段差に光ビームが向けられると、段差の側面から反射された光線が距離センサ部２８で検出される。従って、距離センサ部２８では、観察距離Ｌ０を観察している場合に比べて大きな光強度を有する反射光線が検出されて距離（Ｌ０−ΔＬ）を検出することとなる。距離センサ部２８で検出される反射光線の強度は、段差の側面の高さＨに依存して大きくなり、移動ロボットが走行して距離センサ部２８と段差の側面との間が閾値距離（Ｌ０−ΔＬ＝Ｌth）以内に近づいて反射光線の強度が予め定められたあるスレショルド値を超えると、リンク駆動モータ３８が作動して支持脚２０が上昇を開始される。支持脚２０が最上昇位置に上昇されるまでに、図４（ｂ）に示されるように距離センサ部２８は、段差上の走行路を観察するようになる。従って、再び距離センサ部２８は、所定の俯角θで所定の観察距離Ｌ０を観察することとなる。

図４（ｃ）に示すように段差の幅Ｗが短い場合には、距離センサ部２８が段差の平坦面を一時的に観察して観察距離Ｌ０を検出しても、その後、距離センサ部２８は、段差を超えて光ビームを照射し、段差よりも低い平坦な走行路を検出する場合がある。このような場合には、距離センサ部２８は、観察距離Ｌ０よりも遠くの距離（Ｌ０＋ΔＬ）を観察することとなり、移動ロボットは、段差の平坦面を検出している走行距離から段差の幅Ｗを予め検出することができる。従って、予めプログラムされた段差の乗り上げ動作或いは乗り越え動作によってこの段差を踏破することができる。

図５は、距離センサ部２８で検出された検出観察距離Ｌと移動ロボットの走行距離との関係を示すグラフを示している。また、図６（ａ）〜図７（ｇ）は、移動ロボットの移動に伴う移動ロボットの姿勢の変化及び支持脚２０，２２の動作を示している。

移動ロボットが図５に示される距離Ｄ１にまで移動される間は、段差がないことから、図６（ａ）に示されるように、本体フレーム１０は、走行路に対して略平行に維持されて走行され、距離センサ部２８の観察距離Ｌは、観察距離Ｌ０に維持される。図５に示されるように移動距離Ｄ１で段差が検出されると、観察距離Ｌは、所定観察距離Ｌ０より短くなり、距離（Ｌ０−ΔＬ）が検出される。その後、図６（ｂ）に示すように支持脚２０が上昇されて、図５に示すように距離センサ部２８が一次的に観察距離Ｌ０を検出する。図６（ｃ）に示すように、移動距離Ｄ２〜Ｄ３において、駆動車輪６，１２が段差に接してこの段差に乗り上げる動作に移行すると、本体フレーム１０自体の姿勢が僅かに乱れることとなる。従って、移動距離Ｄ２〜Ｄ３において図５に示すように距離センサ部２８の観察距離が急激に上昇される。移動距離Ｄ３〜Ｄ４において、図６（ｄ）に示すように駆動車輪６，１２が完全に段差上の平坦部に乗るとともに支持脚２０が降下されて従動輪３０が段差上の平坦部に乗せられる。この間においては、図５の移動距離Ｄ３〜Ｄ４に示すように距離センサ部２８の観察距離は、急激に減少される。その後、支持脚２２を上昇させて後方の従動輪３２を段差に接触させない為に、図７（ｅ）及び（ｆ）に示すように本体フレーム１０が前傾姿勢の状態に維持された状態で従動輪３２が上昇される。即ち、始めに、図７（ｅ）に示すように支持脚２０が僅かに上昇され、支持脚２２が一次的に降下されて本体フレーム１０が前傾される。次に、図７（ｆ）に示すように本体フレーム１０が前傾姿勢のままに維持された状態で、支持脚２２が上昇されて移動ロボットの移動とともに従動輪３２が段差上に移動される。図７（ｅ）及び図７（ｆ）に示される前傾姿勢では、距離センサ部２８は、観察距離Ｌ０よりも近い位置の観察地点を観察することとなることから、図５の移動距離Ｄ３〜Ｄ４に示すように観察距離が距離Ｌ０よりも小さいくなる。その後、図７（ｇ）に示されるように支持脚２２が段差上に降下されるとともに支持脚２０が上昇されて本体フレーム１０が前傾姿勢から段差上の走行路に略平行となりながら、移動ロボットの走行が継続される。従って、図５に示すように走行距離Ｄ５〜Ｄ６においては、走行距離０〜Ｄ１までと同様に、観察距離Ｌ０を検出することとなる。

図８に示されるように移動ロボットが段差を降りる場合には、次のように動作される。距離センサ部２８が移動距離Ｄ６〜Ｄ７で観察距離Ｌ０よりも遠い距離（Ｌ＋ΔＬ）を検出すると、平坦部が終わり平坦部より低い面が観察されたこととなる。移動ロボットが前進して従動輪３０が段差を通過すると、本体フレーム１０の支持脚２０が降下されて従動輪３０が段差下の平坦路に着地される。本体フレーム１０が段差面に対して略平行に維持される。ここで、従動輪３０の着地に伴い、距離センサ部２８は、移動距離Ｄ８〜Ｄ９において通常の観察距離Ｌ０を観察するようになる。図８に示すように駆動輪６，１２が段差に至ると、駆動輪６，１２が段差を降りるに従い支持脚２０が徐々に上昇され、支持脚２２も同様に上昇されて本体フレーム１０が僅かに後傾されながら段差の上面から下面に向けて移動される。このとき、本体フレーム１０が僅かに後傾姿勢となることから、図５に示されるように移動距離Ｄ９〜Ｄ１０においては、観察距離が距離Ｌ０よりも僅かに大きくなることとなる。駆動輪６，１２が段差を降りて平坦面の移動を開始して従動輪３２が段差を通過すると、支持脚２２が降下される。従って、本体フレーム１０は、走行面に対して略平行に維持された状態で移動ロボットが移動される。従って、距離センサ部２８は、移動距離Ｄ１０以降は略距離Ｌ０を検出することとなる。

移動ロボットは、図６、図７及び図８に示されるように駆動輪６，１２に比べて十分な移動距離を有する段差のみでなく、図４（ｃ）及び図９に示されるように比較的幅Ｗの小さな段差をもスムーズに乗り越えることができる。図４（ｃ）及び図９に示されるような段差を乗り越える動作は、段差への接近までの動作は、図６（ａ）〜図６（ｃ）と同様であって、距離センサ部２８からの出力で段差の幅Ｗが支持脚２０，２２のアーム長に比べて小さい場合には、駆動車輪６，１２が段差に接触した際に従動輪３０を段差上に降下させずに、段差の下面に向けて降下させている。駆動輪６，１２が段差に接すると、図９に示すように支持脚２０，２２が降下されて駆動輪６，１２が移動とともに従動輪３０、３２で支えられて段差上に乗り上げられる。駆動輪６，１２が段差から降下される際には、次第に支持脚が上昇されて同様に従動輪３０、３２によって支えられて駆動輪６，１２が段差下の面にまで駆動される。駆動輪６，１２が降下した後においては、支持脚２２が上昇されて従動輪３２が段差を超えた時点で支持脚２２が降下されて再び図４（ａ）或いは図６（ａ）に示す通常の姿勢に復帰される。尚、段差の幅Ｗは、図４（ａ）に示すように距離センサ部２８が段差の側面を検出してから図４（ｃ）に示すように段差のエッジを検出するまでの距離として求めることができる。

図３及び図１０を参照して図１に示される制御部８の動作について説明する。始めに、入力部７４からの指示でＣＰＵ７２は、インタフェース７０を介してモータドライバ６６に駆動信号を与えてモータ３４，３６を駆動させる。従って、駆動車輪６，１２が駆動を開始して、ステップＳ１０に示すように移動ロボットが予め定められた方向に移動を開始する。この移動開始に際して、同様にＣＰＵ７２によって距離センサ部２８が動作されて走行路の障害物の検出が開始される。移動ロボットの移動距離は、車輪駆動モータ３４，３６の軸出力がエンコーダ６２で検出されてカウンタ信号としてインタフェース７０を介してＣＰＵに７２に入力される。このカウンタ信号がＣＰＵに７２において積算されて移動ロボットの移動距離が図示しない記憶装置に記憶される。ステップＳ１２において、距離センサ部２８からのインタフェース７０を介するセンサ信号によって移動に伴い移動路上に段差が検出されると、ステップＳ１３に示すアプローチ動作が開始される。即ち、移動ロボットがこの段差に向けて更に近づけられるとともにインタフェース７０を介してモータ３８に駆動信号が与えられて、図４（ｂ）に示されるように支持脚とともに距離センサ部２８が上昇される。距離センサ部２８の上昇及び移動に伴い、ＣＰＵ７２は、段差の高さＨをセンサ信号から求める。ここで、ＣＰＵ７２は、ステップＳ１４に示すようにこの段差を踏破可能であるかを判断する。段差が駆動車輪６，１２の半径より高い場合には、この移動ロボットは、段差を乗越えることはできないと判断される。段差が踏破可能な高さＨを有している場合、或いは、段差の複雑な形状で高さＨが検出されない場合には、ステップＳ１５に示されるようにこの段差を回避する動作が開始される。回避動作にあって、ＣＰＵ７２によって従動輪３０，３２がいずれも降下された状態で車輪駆動モータ３４，３６の回転駆動に差が与えられて駆動輪６，１２が異なる回転数で回転されて走行方向が変更される。走行方向が変更されると、再びステップＳ１０に戻されてステップＳ１０からステップＳ１４が同様に繰り返される。

ステップＳ１４において、ＣＰＵ７２が段差を踏破可能であると判断する場合には、図６（ｃ）参照して説明した段差を上る動作であるか、図８を参照して説明した段差を降りる動作であるか、或いは、図９を参照して説明した段差を上がり直ぐに降りる動作であるかを判断する。（ステップＳ１６，Ｓ１７，Ｓ１８）この判断の後に、夫々の動作が実行されて段差が踏破される。段差が踏破されると再びステップＳ１０に戻され、次の段差に対処する走行が続けられる。

尚、図１に示す移動ロボットにおいては、その形態が駆動輪６，１２の中心を通る垂直軸に関して左右対称であり、また、進行方向を基準に略前後対称であることが好ましい。しかし、移動ロボットが平坦な走行路に載置されている際にその重心位置は、進行方向を基準にする側面の形状の幾何学的な中心に対して進行方向に対し僅かに後方に配置されることが好ましい。即ち、平坦な走行路を移動ロボットが走行している間において、回転する駆動輪６，１２の軸を含む略垂直面よりも進行方向後方に重心位置が設けられることによって安定した駆動力が移動ロボットに与えられ、確実に段差を踏破することができる。重心位置を後方に配置するには、制御部８の本体フレーム１０への載置位置を後方に僅かにずらしても良く、或いは、必要に応じてカウンタウエートを本体フレームに載置しても良い。段差の踏破に際しては、支持脚２０，２２が上昇或いは降下されることによって、この重心位置は、下記のように移動される。

図６（ａ）に示すように移動ロボットが平坦路を走行している間は、この移動ロボットの重心位置は、進行方向に沿う移動ロボットの幾何学的な略中心に対して僅か後方に配置されている。これにより駆動輪６，１２の回転力がより確実に走行路に伝達される。図６（ｂ）に示すように前方の従動輪３０が上昇されても、後方に重心があるのでロボットが転倒することはない。これにより、後方の従動輪３０が確実に走行路に接触される。図６（ｃ）に示すように駆動輪６、１２が段差に接触する際には、段差から反力が駆動輪６に与えられて後方に押し戻す外力が後方の従動輪３０に働くが、重心が後方に移動していることに伴いこの後方の従動輪３０が確実に走行路に密着される。また、駆動輪６、１２が段差を上って行くに従って、支持脚２２が降下されて後方従動輪３０が確実に押し下げられ、後方従動輪３０が駆動輪６、１２の段差の乗り越えを補助することとなる。既に記述したように、従動輪のすべりによる後方への移動ロボットの移動を防止すべく、従動輪には、一方向のみの回転を許す歯車機構或いはクラッチ機構等の逆回転阻止機構が設けられることが好ましい。これら機構によって移動ロボットが走行方向とは逆に戻されるように滑る動作を阻止することができる。

図６（ｄ）に示されるように駆動輪６が段差上に乗り上げた際にも重心位置が同様に後方に位置される場合には、支持脚２２によって押し下げられた後方の従動輪３２が確実に走行路に接触し、移動ロボットの姿勢が安定される。図７（ｅ）及び図７（ｆ）に示すように移動ロボットの姿勢が前傾されている間は、重心が進行方向に沿う移動ロボットの幾何学的な略中心に対して僅か前方に移動される。この重心の移動の際には、移動ロボットは、前方の従動輪３０及び駆動輪によって安定に支持される。移動ロボットが図７（ｇ）に示すような通常の姿勢に復帰した際には、図６（ａ）と同様に重心位置が幾何学的中心から僅か後方に配置されて移動される。

上述した実施例では、支持脚２０，２２で従動輪３０、３２が上昇或いは降下されているが、支持脚２０，２２に代えて、図１１（ａ）及び（ｂ）に示されるようにラック・アンド・ピニオン機構のような直動機構で従動輪３０，３２が上昇或いは降下されても良い。即ち、図１１に示されるような直道機構においては、本体フレーム１０に交差するように、直道部としてのラック８０、８２が上下動可能に本体フレーム１０に支持され、このラック８０、８２の下方には、既に説明した従動輪３０，３２が固定され、このラック８０，８２が本体フレーム１０に固定されたピニオン８４，８６に歯合されている。また、このピニオン８４，８６は、モータ３８、４０のモータ軸に固定された歯車に歯合されている。

このような直道機構においては、移動ロボットが平坦な走行路を移動される際には、図１１（ａ）に示されるように本体フレーム１０が走行路に対して略平行を維持するようにラック８０、８２が本体フレーム１０下に延出された状態で移動ロボットが移動される。距離センサ部２８によって段差が検出されると、図１１（ａ）に示すようにモータ３８が駆動されてピニオン８４が回転され、このピニオン８４に歯合されているラック８０が矢印Ｖで示すように上昇されて従動輪３０が段差よりも高い位置にまで上昇される。移動ロボットが移動されて駆動輪６，１２が段差上の平坦路に乗り上げると、モータ３８が駆動されてピニオン８４が逆回転され、このピニオン８４に歯合されているラック８０が降下されて従動輪３０が段差上の平坦路に接触される。同様に従動輪３２が段差に近づくとモータ４０が駆動されてピニオン８６が回転され、このピニオン８６に歯合されているラック８２が上昇されて矢印Ｖで示すように従動輪３２が段差よりも高い位置にまで上昇される。その後、従動輪３２が降下されて段差上の平坦路に接触される。このように直動機構においても支持脚２０，２２と同様に従動輪３０，３２が昇降或いは下降されて段差を乗り越えることができる。この変形例に係る移動ロボットにおいても、制御部８が距離センサ部２８で検出される距離と基準値（観察距離Ｌ０）との比較で段差を検出し、距離センサ部２８の上下動と距離センサ部２８で検出される距離とに従って段差の高さＨを推定し、駆動輪６，１２による走行距離と距離センサ部２８で検出される距離とに従って前記段差の幅Ｗを推定する点に関しては、上述した実施例と同様であり、この検出に基づく動作は、既に述べた実施例に係る移動ロボットと同様であるのでその説明は省略する。

この発明の一実施例に係る移動ロボットの側面機構を概略的に示す側面図である。図１に示される移動ロボットの本体フレーム下の底部機構を概略的に示す背面図である。図１に示される本体フレーム上に載置される制御部の回路を示すブロック図である。（ａ）から（ｃ）は、図１に示される距離センサ部におけるセンサ動作を説明する為の移動ロボットの動作を概略的に示す側面図である。図１に示される距離センサ部からの出力信号に基づく検出距離の変化を示すグラフである。（ａ）〜（ｄ）は、図１に示される移動ロボットにおける段差を踏破する動作を概略的に示す側面図である。（ｅ）〜（ｆ）は、図１に示される移動ロボットにおける段差を踏破する動作を概略的に示す側面図である。図１に示される移動ロボットにおける段差を降りる動作を概略的に示す側面図である。図１に示される移動ロボットにおける段差を乗り越える動作を概略的に示す側面図である。図３に示される制御部における制御動作を示すフローチャートである。図１に示される移動ロボットの変形例を概略的に示す側面図である。

符号の説明

４，１４．．．車輪軸、６、１２．．．駆動輪、８．．．制御部、１０．．．本体フレーム、１６、１８．．．ブラケット、２０、２２．．．支持脚、２８．．．距離センサ部、３０，３２．．．従動輪、３４、３６．．．車輪駆動モータ、３８、４０．．．リンク駆動モータ、４４、４６．．．歯車、４８，５０．．．回転ベルト、５２，５４．．．リンク軸、５６，５８．．．モータ歯車、６０．．．距離センサ、６２，６４．．．エンコーダ、６６，６８．．．モータドライバ、７０．．．インタフェース、７２．．．ＣＰＵ、Ｕ、８０、８２．．．ラック、８４，８６．．．ピニオン

Claims

本体フレームと、
この本体フレームを走行路上で移動させる為の駆動車輪と、
前記本体フレームの走路方向に対して前方に設けられている第１の従動輪と、
前記本体フレームの走路方向の距離をある俯角で検出する距離センサ部と、
前記俯角を略一定に維持したまま前記第１の従動輪及び距離センサを一体的に前記本体フレーム上で上下動させる第１の上下動機構と、
前記距離センサ部からの距離信号に基づいて走路上の段差を検出して前記本体フレームの移動とともに前記第１の上下動機構を上下動させる制御部と、
から構成される移動ロボットにおいて、
前記制御部は、前記距離センサ部で検出される距離と基準値との比較で段差を検出し、前記距離センサ部の上下動と前記距離センサ部で検出される距離とに従って前記段差の高さを推定し、前記駆動輪による走行距離と前記距離センサ部で検出される距離とに従って前記段差の幅を推定することを特徴とする移動ロボット。
ことを特徴とする移動ロボット。
前記本体フレームの走路方向に対して後方に設けられている第２の従動輪と、
前記第２の従動輪を上下動させる第２の上下動機構と、
から構成され、
前記制御部が前記距離センサ部からの距離信号に基づいて検出された前記段差に対応して前記本体フレームの移動とともに前記第２の上下動機構作動させることを特徴とする請求項１の移動ロボット。
前記距離センサ部は、光ビームを発する光源部と、前記走路からの反射光線を検出する光検出器とを含み、前記制御部は、前記光検出器からの信号に基づいて距離を測定することを特徴とする請求項１の移動ロボット。
前記上下動機構は、上下動されるリンク部に前記距離センサ部が設けられる平行リンク機構或いは上下動される直動部に前記距離センサ部が設けられる直動機構から構成されていることを特徴とする請求項１の移動ロボット。
前記従動輪は、前記走路方向に沿う回転を許し、前記走路方向の回転とは逆の回転を阻止する逆回転阻止機構を含むことを特徴とする請求項1或いは請求項２に記載の移動ロボット。