JP4371899B2 - 自律走行体システム - Google Patents

Description

本発明は、バッテリから電力の供給を受けて自律走行する自律走行体とこの自律走行体のバッテリへの充電を行う充電装置からなる自律走行体システムに関する。

従来、バッテリから電力の供給を受けて自律走行する自律走行体は、外部のコンセント部と接続するプラグ手段と、外界を撮像するカメラ手段と、このカメラ手段が撮像した画像を処理する画像処理手段を備え、バッテリの充電が必要になったときには所定の充電場所に自律走行し、カメラ手段で撮像した画像を処理した画像データと予め記憶した所定の比較用画像データを比較して、充電場所にあるコンセント位置を特定し、この特定結果に基づいてプラグをコンセントに接続して充電を行うようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２６８７４６

しかし、自律走行体にカメラ手段や画像処理手段を備えるものでは、構成が複雑化し、コスト的にも負担が大きくなるという問題があった。
そこで、本発明は、構成を簡単にでき、また、コスト的にも負担を小さくできる自律走行体システムを提供する。

本発明は、バッテリを搭載し、このバッテリから電力の供給を受けて自律走行するとともにバッテリへの充電を行うための充電端子を外部に露出して設けた自律走行体と、この自律走行体の充電端子と接触する給電端子を設け、この給電端子からバッテリへの充電を行う充電装置とからなり、充電装置は、給電端子を設けた面を形成する第１部材と、この第１部材が形成する面と直交した面を形成する第２部材とを設け、第１部材をその給電端子を設けた面とこの第１部材の背後にある面とが平行になるように配置し、自律走行体は、前進方向にある障害物との距離を検知する、例えば超音波送受信器や光送受信器等からなる距離検知手段と、充電装置の第１部材が形成する面と平行な面に向かって、距離検知手段が検知するその平行な面との距離が所定値になるまで直進する第１の直進制御手段と、平行な面との距離が所定値になると距離検知手段を第２部材が形成する面に正対するように自転させる第１の自転制御手段と、第２部材が形成する面に正対すると、その面との距離が所定値になるまで直進させる第２の直進制御手段と、第２部材が形成する面との距離が所定値になると充電端子が給電端子に正対するように自転させる第２の自転制御手段と、充電端子が給電端子に正対すると、充電端子が給電端子と接触するように走行させる接触制御手段とを設け、自律走行体の充電端子が給電端子と接触することでバッテリへの充電を開始することにある。

本発明によれば、構成を簡単にでき、また、コスト的にも負担を小さくできる自律走行体システムを提供できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１に示すように、上方から見た形状が略円形の自律走行体１の、中央部両側に左右の駆動輪２ａ，２ｂを配置し、この左右の駆動輪２ａ，２ｂを左右の車輪モータ３ａ，３ｂと減速機４ａ，４ｂからなる駆動機構によって正転駆動、逆転駆動するようになっている。

前記自律走行体１の後端部中央には方向が自由に回動する従動輪５を配置するとともに走行体本体１の中央部後方に前記車輪モータ３ａ，３ｂ等に電力を供給するバッテリ６を搭載している。前記自律走行体１の後端側面には前記バッテリ６への充電を行うための充電端子７ａ，７ｂを外部に露出して設けている。

前記自律走行体１の前端側面には中央に超音波送信器８を配置し、その両側に一定の距離を隔てて超音波受信器９，１０を配置している。この超音波送信器８と超音波受信器９，１０は第１の距離検知手段を構成し、超音波送信器８から送信した超音波が前進方向にある壁などの障害物に反射して戻るのを超音波受信器９，１０で受信することで障害物との距離を検知する。

前記自律走行体１の左端側面には中央に超音波送信器１１を配置し、その両側に一定の距離を隔てて超音波受信器１２，１３を配置している。この超音波送信器１１と超音波受信器１２，１３は第２の距離検知手段を構成し、前進方向と直交する側面方向にある壁などの障害物を検知するようになっている。すなわち、超音波送信器１１から送信した超音波が左側にある壁などの障害物に反射して戻るのを超音波受信器１２，１３で受信することで障害物との距離を検知する。

充電装置１５は、図２に示すように給電端子１６ａ，１６ｂを設けた面１７を形成する第１部材１８とこの第１部材１８が形成する面１７と直交した面１９を形成する第２部材２０とからなるＬ字形状のもので、第１部材１８の背面を壁２１に固定している。
前記自律走行体１は充電装置１５に対し、後端側面にある充電端子７ａ，７ｂを給電端子１６ａ，１６ｂと接触させることで充電を開始するようになっている。

図３は前記自律走行体１の要部構成を示すブロック図で、ＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏポートからなる制御部３１を設け、この制御部３１で前記超音波送信器８，１１、超音波受信器９，１０，１２，１３を駆動制御するとともに左右の車輪モータ３ａ，３ｂを駆動制御するようになっている。

また、左右の駆動輪２ａ，２ｂの回転速度を検出する左右の車輪エンコーダ３２ａ，３２ｂを設け、前記制御部３１で前記車輪エンコーダ３２ａ，３２ｂを制御するようになっている。また、前記バッテリ６の電圧低下や充電を管理するバッテリ管理部３３を設け、前記制御部３１でこのバッテリ管理部３３を制御するようになっている。また、メモリ３４を設け、このメモリ３４に自律走行体１が自律走行する為のマップ情報等が記憶するようになっている。

前記第２の距離検知手段を構成する超音波送信器１１と超音波受信器１２，１３は、図４に示すように、超音波送信器１１から送信した超音波が壁２１に反射して戻るのを超音波受信器１２，１３でそれぞれ受信することで２つの距離データを取得し、この２つの距離データが等しくなるように自律走行体１の向きを調整することで自律走行体１が壁２１と平行になるように姿勢制御する。

次に、自律走行体１が自律走行して充電装置１５で充電を開始するまでの動作について述べる。
制御部３１は左右の車輪モータ３ａ，３ｂを駆動し、図５の(a)に矢印で示すように、自律走行体１を充電装置１５が右手に位置するようにしてこの充電装置１５の第１部材１８が形成する面１７と平行な面である壁２１に向かって直進させる。そして、超音波送信器８と超音波受信器９，１０とで壁２１との距離を計測し、壁２１からの距離が充電装置１５における第１部材１８の厚さ以上の所定値になると自律走行体１を停止させる（第１の直進制御手段）。

この状態で、制御部３１は左右の車輪モータ３ａ，３ｂを駆動し、図５の(b)に矢印で示すように、自律走行体１を充電装置１５の第２部材２０が形成する面１９と正対するように右に９０°自転させる（第１の自転制御手段）。このとき、超音波送信器１１と超音波受信器１２，１３とで自律走行体１が壁２１と平行になるように姿勢制御する。

この状態で制御部３１は左右の車輪モータ３ａ，３ｂを駆動し、自律走行体１を充電装置１５の第２部材２０に向かって直進させる。そして、超音波送信器８と超音波受信器９，１０とで充電装置１５の第２部材２０が形成する面１９との距離を計測し、図５の(c)に示すように、面１９との距離が所定値になると自律走行体１を停止させる（第２の直進制御手段）。

この状態で制御部３１は左右の車輪モータ３ａ，３ｂを駆動し、図５の(d)に矢印で示すように、自律走行体１を充電端子７ａ，７ｂが充電装置１５の第１部材１８にある給電端子１６ａ，１６ｂと正対するように右に９０°自転させる（第２の自転制御手段）。このとき、超音波送信器１１と超音波受信器１２，１３とで自律走行体１が第２部材２０の面１９と平行になるように姿勢制御する。

そして、最後に図５の(e)に示すように制御部３１は左右の車輪モータ３ａ，３ｂを駆動して自律走行体１を後方に若干走行させ、充電端子７ａ，７ｂを給電端子１６ａ，１６ｂに接触した時点で停止させる（接触制御手段）。このときの接触検出は、バッテリ管理部３３が充電端子７ａ，７ｂ間に所定の電圧が発生したことを検出することで行う。
自律走行体１の充電端子７ａ，７ｂが給電端子１６ａ，１６ｂに接触することでバッテリ６への充電が開始される。

このように、充電装置１５を、給電端子１６ａ，１６ｂを設けた面１７を形成する第１部材１８とこの第１部材１８が形成する面１７と直交した面１９を形成する第２部材２０とで構成している。そして、自律走行体１は、前進方向にある壁などの障害物を検知する第１の距離検知手段である超音波送信器８、超音波受信器９，１０を使用して、充電装置１５の第１部材１８が形成する面１７と平行な面である壁２１に対する位置制御や充電装置１５の第２部材２０の面１９に対する位置制御を行って充電端子７ａ，７ｂを給電端子１６ａ，１６ｂに接触させる制御を行っている。
従って、自律走行体１はカメラや画像処理手段等を使用せずに充電装置１５に対する位置決めができる。すなわち、構成を簡単にでき、しかも、コスト的にも負担を小さくできる。

また、自律走行体１は、前進方向と直交する側面方向にある壁などの障害物を検知する第２の距離検知手段である超音波送信器１１、超音波受信器１２，１３を使用して自律走行体１が、第２部材２０が形成する面１９と平行になるように姿勢制御するので、より確実な位置決め制御ができる。

なお、前述した実施の形態では、第１、第２の距離検知手段として超音波送信器と超音波受信器からなる超音波センサを使用したものについて述べたがこれに限定するものではなく、発光器と受光器からなる光センサを使用したものであってもよい。
また、前述した実施の形態では、充電端子７ａ，７ｂを自律走行体の後端側面に設けたものについて述べたがこれに限定するものではなく、自律走行体の前端側面に設けたものであってもよい。

（第２の実施の形態）
この実施の形態は充電装置１５の変形例について述べる。
図６に示すように、壁２１に取付けられる第１部材１８１に対して第２部材２０１を着脱自在にしている。すなわち、第１部材１８１に嵌合用凹部１８１ａを形成し、第２部材２０１の端面に嵌合用凸部２０１ａを形成し、嵌合用凹部１８１ａに嵌合用凸部２０１ａを勘合して両者を結合している。

第２の部材２０１は壁２１から突出しているために人が足で引っ掛ける虞があるが、このような場合に、第２の部材２０１が容易に第１部材１８１から離脱するので、充電装置１５が破損することはなく、また、人が転ぶことも無い。

（第３の実施の形態）
この実施の形態は充電装置１５の変形例について述べる。
図７に示すように、壁２１に取付けられる第１部材１８２に対して第２部材２０２を回動機構２２によって図中矢印で示すように左右に回動自在になっている。すなわち、前記第２部材２０２は通常は回動機構２２内に設けたバネ部材によって第１部材１８２の面１８２ａに対して第２部材２０２の面２０２ａが直交するようになっている。そして、左右のいずれかから外力を受けると反対側に回動する。

従って、人が第２の部材２０２を足で引っ掛けることがあっても第２の部材２０２が回動して倒れるので、充電装置１５が破損することはなく、また、人が転ぶことも無い。

（第４の実施の形態）
この実施の形態は充電装置１５の変形例について述べる。
図８に示すように、壁２１に取付けられる第１部材１８３に対して第２部材２０３が回動機構２３によって図中矢印で示すように床面に向かって回動自在になっている。すなわち、前記第２部材２０３は通常は回動機構２３内に設けたバネ部材によって第１部材１８３の面１８３ａに対して第２部材２０３の面２０３ａが直交するようになっている。そして、左右のいずれかから外力を受けると床面に向かって回動する。

従って、人が第２の部材２０３を足で引っ掛けることがあっても第２の部材２０３が回動して倒れるので、充電装置１５が破損することはなく、また、人が転ぶことも無い。

（第５の実施の形態）
この実施の形態は充電装置１５の変形例について述べる。
図９に示すように、壁２１に取付けられる第１部材１８４が形成する面１８４ａに対して、給電端子１６１を出し入れ自在に設けるとともにこの給電端子１６１の上方において突起体２４を出し入れ自在に設けている。

前記給電端子１６１と突起体２４をＬ字形状の連結体２５で連結している。この連結体２５は支点２６によって回転可能に支持され、また、給電端子側をコイルバネ２７によって引っ張ることで、通常は給電端子１６１を面１８４ａから引っ込ませるとともに突起体２４を面１８４ａから突出させるようにしている。

そして、自律走行体１が図５の(d)の位置から(e)の位置に移動することで、自律走行体１の後端が突起体２４を押圧する。これにより、連結体２５がコイルバネ２７のバネ力に抗して半時計方向に回動し、給電端子１６１が面１８４ａから突出して自律走行体１の充電端子７ａ，７ｂと接触するようになる。

このように通常は給電端子１６１を面１８４ａから引っ込ませているので、給電端子１６１に埃などが付着するのを防止できる。また、給電端子１６１はコイルバネ２７によって弾力性を持たせているので、自律走行体１の充電端子７ａ，７ｂが多少斜めになって接触しても位置的な誤差を吸収できる。

なお、連結体２５は非弾性体であっても弾性体であってもよい。また、ここでは突起体２４を給電端子１６１の上方に配置し、連結体２５を垂直方向に配置したが、突起体を給電端子１６１の横方向に配置し、連結体２５を水平方向に配置しても同様の動作を行わせることができる。

（第６の実施の形態）
この実施の形態は全体の変形例について述べる。
図１０に示すように、充電装置１５の第１部材１８１における給電端子１６ａ，１６ｂよりも外側に位置して被検出部材としての電磁石２８を埋設している。また、自律走行体１における超音波送信器１１の下方に位置して被検出部材と対を構成する検出器としてホール素子などの磁気センサ２９を取付けている。

この構成においては、自律走行体１が図５の(b)から(c)に移行するときに磁気センサ２９が電磁石２８を検出することで充電装置１５へ到達したことを判断することができる。

充電装置１５として、第１部材１８１に対して第２部材２０１を着脱自在にしたものを使用した場合、第２部材２０１が第１部材１８１から離脱した状態で自律走行体１が充電装置１５に到達する場合がある。このような場合は、磁気センサ２９が電磁石２８を検出することで充電装置１５へ到達したことを判断した後、自律走行体１は超音波送信器８と超音波受信器９，１０とで第２部材２０１の面の位置を測定する。このとき、第２部材２０１が有れば測定した距離が所定の距離以内になっているが、第２部材２０１が無ければ測定した距離が予め設定した距離以内になっていないので、この場合には自律走行体１は動作を停止する。そしてこの場合においては自律走行体に報知手段を設けて報知するようにすればよい。

このように磁気センサ２９と電磁石２８を使用することで充電装置１５を確実に検知できる。また、電磁石２８を特定の励磁パターンで変調すれば室内環境に存在するスピーカ等の磁気と区別できるので、充電装置１５のより確実な検知ができる。また、充電を行っている最中は電磁石２８の励磁を停止するようにすれば省電力化を図ることもできる。

なお、ここでは第２部材２０１が脱落していた場合には自律走行体１の動作を停止させるようにしたが、停止させずに磁気センサ２９が電磁石２８を検出した位置を基準にして自律走行体１を制御して充電端子７ａ，７ｂを給電端子１６ａ，１６ｂに接触させる制御を行わせるようにしてもよい。

また、電磁石に代えて永久磁石を使用してもよい。また、ここでは、検出器と被検出部材を磁気センサと磁石としたがこれに限定するものではなく、検出器と被検出部材を受光素子と発光素子としてもよい。
なお、前述した各実施の形態では自律走行体として、上方から見た形状が略円形としたがこれに限定するものでなく、多角形状であってもよい。

本発明の、第１の実施の形態に係る自律走行体の要部構成を示す図。 同実施の形態における充電装置による自律走行体の充電状態を示す図。 同実施の形態に係る自律走行体の要部構成を示すブロック図。 同実施の形態に係る自律走行体の第２の距離検知手段による姿勢制御を説明する為の図。 同実施の形態における自律走行体の充電装置への位置決め制御を説明する為の図。 本発明の、第２の実施の形態に係る充電装置の構成を示す図。 本発明の、第３の実施の形態に係る充電装置の構成を示す図。 本発明の、第４の実施の形態に係る充電装置の構成を示す図。 本発明の、第５の実施の形態に係る充電装置の部分構成を示す図。 本発明の、第６の実施の形態に係る自律走行体と充電装置との関係を示す図。

符号の説明

１…自律走行体、２ａ，２ｂ…駆動輪、３ａ，３ｂ…車輪モータ、６…バッテリ、７ａ，７ｂ…充電端子、８，１１…超音波送信器、９，１０，１２，１３…超音波受信器、１５…充電装置、１６ａ，１６ｂ…給電端子、１８…第１部材、２０…第２部材。

Claims (7)

1. バッテリを搭載し、このバッテリから電力の供給を受けて自律走行するとともに前記バッテリへの充電を行うための充電端子を外部に露出して設けた自律走行体と、この自律走行体の充電端子と接触する給電端子を設け、この給電端子から前記バッテリへの充電を行う充電装置とからなり、
   前記充電装置は、前記給電端子を設けた面を形成する第１部材と、この第１部材が形成する面と直交した面を形成する第２部材とを設け、前記第１部材をその給電端子を設けた面とこの第１部材の背後にある面とが平行になるように配置し、
   前記自律走行体は、前進方向にある障害物との距離を検知する距離検知手段と、充電装置の第１部材が形成する面と平行な面に向かって、前記距離検知手段が検知するその平行な面との距離が所定値になるまで直進する第１の直進制御手段と、平行な面との距離が所定値になると前記距離検知手段を第２部材が形成する面に正対するように自転させる第１の自転制御手段と、前記第２部材が形成する面に正対すると、その面との距離が所定値になるまで直進させる第２の直進制御手段と、前記第２部材が形成する面との距離が所定値になると充電端子が給電端子に正対するように自転させる第２の自転制御手段と、充電端子が給電端子に正対すると、充電端子が給電端子と接触するように走行させる接触制御手段とを設け、
   前記自律走行体の充電端子が給電端子と接触することでバッテリへの充電を開始することを特徴とする自律走行体システム。
2. 前記自律走行体は、さらに、超音波送信器と２つの超音波受信器を備え、前記超音波送信器から送信した超音波が、前記第１部材の背後にあって前記第１部材を固定している面に反射して戻るのを前記２つの超音波受信器が受信することで、２つの距離データを取得する第２の距離検知手段を設け、
   前記第２の自転制御手段は、充電端子を給電端子に正対するように自転させた後に前記第２の距離検知手段で取得した２つの距離データが等しくなるように、前記自律走行体の向きを調整することで前記自律走行体が前記第２部材が形成する面と平行になるように姿勢を制御することを特徴とする請求項１記載の自律走行体システム。
3. 前記充電装置は、前記第１部材を、この背後にある面に固定し、前記第２部材を前記第１の部材に対し着脱自在にしたことを特徴とする請求項１又は２記載の自律走行体システム。
4. 前記充電装置は、前記第１部材を、この背後にある面に固定し、前記第２部材を外力によって回動するとともに外力解除後は元の位置に復帰する構成にしたことを特徴とする請求項１又は２記載の自律走行体システム。
5. 前記充電装置は、前記第１部材が形成する面に給電端子を出し入れ自在に設けるとともにこの給電端子と連結体で連結した突起体を出し入れ自在に設け、前記突起体を押圧することで前記給電端子を面から突出させ、押圧を解除すると前記突起体が面から突出し前記給電端子が面から引っ込む構成にしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１記載の自律走行体システム。
6. 前記充電装置の第１部材に、対を構成する検出器と被検出部材の一方を取付けるとともに前記自律走行体に他方を取付け、前記検出器が被検出部材を検出し、前記第１の自転制御手段が自律走行体を、前記距離検知手段を第２部材が形成する面に正対するように自転させた状態で前記距離検知手段が検知する距離が予め設定した距離以内になっていなければ前記自律走行体の動作を停止させることを特徴とする請求項３記載の自律走行体システム。
7. 前記充電装置の第１部材に被検出部材として電磁石を取付け、前記自律走行体に検出器として前記電磁石を検出する磁気センサを取付け、前記電磁石を特定の励磁パターンで変調することを特徴とする請求項６記載の自律走行体システム。

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