JP4431446B2

JP4431446B2 - 自走式ロボット

Info

Publication number: JP4431446B2
Application number: JP2004170262A
Authority: JP
Inventors: 敏弘妹尾; 毅小河; 克嗣森本; 圭祐原; 昭広岡崎
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: JP2005349497A

Description

本発明は、種々の作業目的のため、自律的な走行機能を持つ自走式ロボットに関する。

従来、走行装置、走行制御手段、各種センサー類及び作業装置を持ち、走行しながら、或いは走行中に又は目的位置に移動して自動的に各種作業を行う自走式ロボットが提案されている。例えば、自走式掃除ロボットは、作業機能として清掃機能を行うロボットであり、本体底部に設けられる吸い込みノズルやブラシ等の清掃手段、移動機能として駆動及び操舵手段、走行時に壁や柱、家具、事務機等の障害物を検出する障害物検出手段、位置を認識する位置認識手段を備えている。障害物検出手段によって清掃場所の周囲壁や柱等の障害物を検出しつつ、位置認識手段によって自己位置を認識し、清掃領域内を移動して清掃領域全体を清掃する。

自走式ロボットの制御方法に関しては、天井に取り付けた画像入力装置と発光手段を有するリモコンを用いて自走式ロボットを遠隔操作する方法が示されている（特許文献１）。即ち、この遠隔操作可能な自走式ロボットは、移動して作業を行う本体部と、操作者が操作するリモコン部及び移動領域をカメラ等の光学手段により監視する監視部からなり、本体部には当該本体部を移動させる駆動手段及び操舵手段と、駆動手段と操舵手段とを制御し本体部の走行制御を行う走行制御手段と、監視部には本体部の移動領域の画像を入力する画像入力手段と、画像入力手段が入力した画像から本体部の位置を認識する位置認識手段と、位置認識手段から得られた情報信号を本体部の走行制御手段に伝達する信号伝達手段とを有しており、リモコン部には指示部と可視若しくは不可視の光を発する発光手段と指示部の操作で、発光手段を明滅する信号制御手段を有している。こうした構成によれば、発光手段の発光によって、発光を画像入力手段で捉え、自律若しくは遠隔指示によって誘導を行うことによって、常にリモコン部での指示に従って即座に移動して作業することが可能である。
特開２００２−４１１４４号公報（［００１８］〜［００２３］、図１〜図４）

この従来の自走式ロボットでは、天井又は高所に画像入力装置を付設しなければならないため、天井がない場所や、画像入力装置を付設困難な場合、また、机の下等画像入力装置で撮像出来ない箇所に関しては指示を出すことができない。

そこで、従来のように画像入力装置を付設し難い場合であっても、自走式ロボットの走行領域をリモコン側からの情報で認識可能にする点で解決すべき課題がある。なお、ここでは、領域の用語は、三次元的な範囲に限らず、一次元的な位置及び二次元的な経路を含めるものとする。

この発明の目的は、画像入力装置の付設を必要とすることなく、自走式ロボットの走行領域をリモコン側からの情報に基づいて、容易に認識可能とする自走式ロボットを提供することである。

上記課題を解決するため、この発明による自走式ロボットは、走行装置、前記走行装置を制御する制御部及び受信部を備えたロボット本体、及び前記受信部に向けて送信可能な送信部を備えたリモコンから成る自走式ロボットにおいて、前記リモコンは２つの加速度センサー及び前記ロボット本体が走行する走行面上を指すポインタ部を備えており、前記制御部は、前記リモコンからの送信を受けて、前記両加速度センサーが検出した加速度と前記ポインタ部の操作とに基づいて定められる前記走行面上の領域情報に基づいて、前記ロボット本体が走行すべき走行領域を認識し、前記リモコンは、前記ロボット本体に着脱可能であり、前記リモコンが前記ロボット本体に装着されているときに前記ロボット本体に対する前記リモコンの初期位置がリセットされることを特徴としている。

この発明による自走式ロボットによれば、ロボットを走行指示する者がリモコンを移動させると、リモコンに備わる２つの加速度センサーは自己の加速度を検出する。加速度を２回積分することで、各加速度センサーの移動量が計算可能である。リモコンに備わるポインタ部を操作することによって、ロボット本体が走行すべき走行領域を走行面上で指すことができる。両加速度センサーの移動量とポインタ部の操作に基づいて、走行面上の領域情報が取得される。制御部は、この領域情報に基づいてロボット本体が走行すべき走行領域を認識し、認識した走行領域に従って走行装置を制御することで、その走行領域を走行することができる。

上記自走式ロボットにおいて、リモコンをロボット本体に着脱可能とされている。リモコンの不使用のときにはロボット本体に装着することでリモコンの紛失の防止を図ることができ、使用時にのみロボット本体からリモコンを取り出して必要な操作を行うことができる。更に、上記自走式ロボットにおいては、リモコンをロボット本体に装着しているときにロボット本体に対するリモコンの初期位置がリセットされる。リモコンがロボット本体に装着されるときあるいはその装着状態にあるときにリモコンの位置がその初期位置とされることで、リモコンをロボット本体から取り出した後の加速度センサーの検出値に基づいてリモコンの移動量を求めることにより、リモコンのロボット本体に対する相対位置としての現在位置を求めることができる。

上記自走式ロボットにおいて、ポインタ部を指向性の高い発光部とすることができる。ポインタ部を市販のレーザーポインタのような指向性の高い可視光線を出す発光部とすることにより、指示者は、走行面上の位置を明確に認識した上でその位置を指し示すことができる。また、指向性の高い発光部を備えた上記自走式ロボットにおいて、発光部の発する光線の方向と、両加速度センサーの中心を結んだ方向を一致させることができる。このような配置とする場合には、発光部が発する光線の方向は、２つの加速度センサーの位置から容易に求めることができる。

光線の方向を２つの加速度センサーの中心を結んだ方向とした上記ロボットにおいて、両加速度センサーの加速度に基づいて両加速度センサーの位置を算出し、両加速度センサーの位置から求められるリモコンの位置と姿勢とに基づいて光線が走行面に届く点として位置情報を算出し、その位置情報に基づいて領域情報を定めることができる。両加速度センサー間の距離は既知であり、両加速度センサーの位置の情報からリモコンの位置とその姿勢とが判るので、これらの情報に基づいて光線が走行面に届く点を計算にて求めることができる。領域情報は、光到達点についての位置情報に基づいて定めることができる。例えば、一つの位置情報が与えられる場合には、その位置を自走式ロボットの移動先位置として指定することができる。リモコンに２つの加速度センサーと発光部を設けることにより、発光部で照らした移動地点に確実にロボットに移動指示を行うことが可能となる。

領域情報を光到達点についての位置情報に基づいて定める上記自走式ロボットにおいて、領域情報は、光線が示す連続的な複数の点についての位置情報から定められる経路についての情報であり、制御部は経路を走行領域として認識することができる。リモコンで光線が示す連続的な複数の点についてポインタ部を操作するときには、ロボット本体の走行領域を、それらの点を結ぶ経路として指示することができる。

領域情報を光到達点についての位置情報に基づいて定める上記自走式ロボットにおいて、領域情報は光線が指す連続的な複数の点についての位置情報から定められる経路が閉じているときの経路によって定まる周回経路又は経路によって囲まれる範囲についての情報であり、制御部は、周回経路又は範囲を走行領域として認識することができる。即ち、複数の点についての位置情報から定められる経路が閉じる場合には、閉じた経路で定まる周回経路又は閉じた経路で囲まれる内部の範囲をロボット本体の走行領域とすることができる。

ロボット本体の走行領域が範囲となる自走式ロボットにおいて、リモコンは、経路が閉じた経路である旨を表示する表示部を備えていることが好ましい。ポインタ部で指示した点を結ぶ経路が閉じて走行領域がその内部となる場合には、その旨をリモコンの表示部に表示することにより、リモコン操作者は、自走式ロボットの走行領域が閉じた経路の内部となることを確認することができる。

この自走式ロボットにおいて、ロボット本体は、リモコン用の充電器を備えていることが好ましい。リモコンをロボット本体に装着するときにはリモコン用の充電器に装着することになるので、リモコンの電池を充電が可能な２次電池にしておくことで、ロボットの休止中にリモコンを充電することができ、リモコンの電池切れを未然に防止することができる。

この発明による自走式ロボットは、以上のように構成されているので、加速度センサーとポインタ部とを用いたリモコンを用いることによって、自走式ロボットを、ポインタ部で指し示した位置に基づいて移動先、経路又は範囲のような走行領域を走行させることができる。したがって、本発明による自走式ロボットにおいては画像入力装置の付設が必要ないので、天井又は高所のような画像入力装置の付設場所が得られない場合や、画像入力装置を付設困難な場合、また、机の下等画像入力装置で撮像できない箇所であっても、容易に走行領域について指示を出すことができる。また、この自走式ロボットにおいては、リモコンをロボット本体に装着することに応じてロボット本体に対するリモコンの初期位置がリセットされるので、リモコンをロボット本体の所定位置に戻すことに応じてリモコンの位置が常に初期位置にリセットされ、その後の加速度センサーの検出値に基づいてリモコンの現在位置をロボット本体に対する相対位置として正しく求めることができる。

以下に、添付図面を参照して、この発明による自走式ロボットの実施例を説明する。図１は本発明による自走式ロボットの一例を示す側面図である。自走式ロボットのロボット本体（「本体」と略す。以下同じ）１の底部には走行装置としての駆動輪２が設けられており（図では一つのみ示されているが、幅方向に対向する二つの駆動輪が存在する）、また、市販の掃除機と同様に、駆動輪２に対して走行方向に離れた位置に本体１を支えるための補助輪６が設けられている。駆動輪２は、制御部９を通じて駆動モーター３によって回転される。前進の場合には両輪が前進方向に同時に回転し、後退の場合には両輪が後退方向に同時に回転する。旋回のときには両輪が異なる方向に回転するか、または一方が停止し他方が回転する。また補助輪６はこれらの動きに沿って本体１がスムーズに走行できるように自在に回転する。これら前進と後退と旋回と停止動作の組合せにより自走式ロボットは室内を自在に走行することができる。また、駆動モーター３には、例えばロータリーエンコーダーのような自走式ロボットの移動量を検出する機能（図示せず）があり、これを制御部９で記憶することにより、ロボットの現在位置を算出することが可能である。

本体１には、周囲の壁や障害物等を検知することができる距離センサー４が備わっている。距離センサー４が検出した自走式ロボットの走行情報を用いて、自走式ロボットは、周囲の壁や柱、机等の障害物に衝突することなく安全に走行することができる。

図１の例では、本体１には掃除部５が設けられており、掃除部５を用いて床面の掃除を行うことができる。また、本体１には、リモコン７、リセット装置８及び受信部１０が設けられており、利用者が自走式掃除機を起動・停止・移動させる指示を出すとき等、遠隔操作するために用いる。リモコン７は本体１に着脱可能であり、リモコン７を本体１にセットするときに、リセット装置８によって位置情報がリセットされる。位置情報の取得・利用方法については、図２を参照して後述する。掃除機以外の例では、荷物を搭載する機能を持つものや、カメラによって周囲の状況を撮像する機能を持つもの等、移動しながら行う作業にはさまざまなものが考えられる。

図２は、リモコン７の平面図である。図２に示すリモコン７は、情報を例えば赤外線や無線ＬＡＮ等の無線で送信するための送信部７４と、例えば発光式の押しボタンのような利用者が位置を決定入力するための位置決定部として移動ボタン７２とを備えている。利用者は、リモコン７の先端を本体１を移動させたい場所に向けながら移動ボタン７２を操作することで、自走式ロボットに可能な任意の領域を走行させることができる。

リモコン７には、２個の加速度センサー７３，７３が設けられている。各加速度センサー７３は、３軸加速度センサーであり、利用者がリモコン７を移動させるときのＸＹＺ方向の加速度を検知することができる。加速度センサー７３を２個用いることで、リモコン７の現在位置と姿勢を計算することができる。この原理の詳細については、後述する。

リモコン７には、利用者が自走式ロボットを走行させたい領域を決定するときに用いるポインタ部として、走行面を照らすための発光部７１が設けられている。例えば、移動ボタン７２を１回押すと、発光部７１が発光し、市販のレーザーポインタのような指向性の高い直線の可視光線が出力される。その光線を床面上に照射することで、自走式ロボットを走行させたい移動先の位置としての移動位置１１（図３）を正確に照らして指し示すことができる。光線の代わりにライフルのスコープのようなものを覗きながら指示することや、目分量で指示することも可能であるが、正確に移動位置１１を指示するためには、可視光線を照射するのが適している。

移動ボタン７２を再び１回押すと、リモコン７の制御部（図示せず）は、その時点で発光部７１が照射している走行面上の移動位置１１を計算し、計算結果である位置情報を送信部７４によって本体１に送信する。本体１は、受信部１０においてリモコン７からの情報を受信すると制御部９の持つ現在位置情報と比較し、受信した位置情報から得られる移動位置１１に近づくように自走式ロボットを移動させる。

図３は、本発明において、例えばＸＹＺ座標系を用いてリモコン７で位置情報を算出する場合の原理図である。また、図４は、本発明における自走式ロボットの動作の流れ図である。これらを用いて、自走式ロボットに対して任意の移動先を指示する方法を説明する。先ず初めに、起動され（ステップ２１，Ｓ２１と略す。以下、同じ）、リモコン７が本体１にセットされてリセット装置８でリセットされる（Ｓ２２）。このときのロボットの位置を、本体１とリモコン７の初期位置とする。このときの各点に座標系を当てはめる。例えば、２つの駆動輪２の接地点の中心を原点とし、Ｙ軸はそのときのロボットの進行方向、Ｘ軸はロボットの進行方向に対して垂直右方向、Ｚ軸は垂直上方向とする。リモコン７には２つの加速度センサー７３，７３が設けられており、それぞれ初期位置は、本体１とリモコン７の寸法によって特定される上記原点からの相対位置として、
加速度センサーＡの初期位置：（Ｘａ０，Ｙａ０，Ｚａ０）
加速度センサーＢの初期位置：（Ｘｂ０，Ｙｂ０，Ｚｂ０）
と一意に決めることができる。

利用者がリモコン７を取り外すと、それ以降、本体１の制御部９とリモコン７内部の制御部（図示せず）によりそれぞれの現在位置を常に計算する。リモコン７の２つの加速度センサー７３には利用者がリモコン７を移動させることで加速度が加わり、それをリモコン７の制御部で積算することで、現在位置を常に算出する（Ｓ２７）。また、制御部９も駆動モーター３からの情報に基づいて、現在の位置とロボットの向きを常に算出する（Ｓ２３）。

利用者が移動ボタン７２を１回押すと、発光部７１が発光し、その光線が床面に当たることで、任意の移動先の位置を指示することができる（Ｓ２８）。この場合、２つの加速度センサー７３，７３を結んだ直線の軸（図３のＡＢ）と、光線の光軸が一致していることが望ましい（以下、両軸は一致しているものとして説明する）。利用者がもう一度移動ボタン７２を押すことによって、移動位置１１が確定する（Ｓ２９）。リモコン７は、その時の加速度センサー７３の位置として、
加速度センサーＡの現在地：（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）（図６の点Ａ）
加速度センサーＢの現在地：（Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂ）（図６の点Ｂ）
を用いて、移動位置１１（図６の点Ｃの座標を算出する。地点Ｃは床面であると考えられるため、Ｚ座標は０とみなすことができるため、Ｃ（Ｘｃ，Ｙｃ，０）と考える。
また、点Ｃは、点ＢからベクトルＡＢを定数倍した地点であるから、ＡＢＣの各点の座標には、以下の関係が成立する。
従って、点Ｃは、
Ｃ（αＸａ＋（１−α）Ｘｂ，αＹａ＋（１−α）Ｙｂ，０）
ただし、α＝Ｚｂ／（Ｚｂ−Ｚａ）
というように点Ａ、点Ｂの座標を用いて表すことができる。点Ａ、Ｂの座標はリモコンで常に算出されているため、点Ｃの座標、即ち移動位置１１の情報も特定することができる（Ｓ３０）。ただし、上式はＺｂ＝Ｚａ、即ち、リモコン７が水平の場合には成立しないが、通常用途においては斜め下方向に指示するため、問題ない。また、そのような場合にはエラーとして異常処理を行う。
移動位置１１が決定されたときの本体１の現在位置を図６の点Ｄ（Ｘｄ，Ｙｄ，０）とすると、リモコン７の送信部７４から送信された移動位置１１の座標データと点ＤのＸ，Ｙ座標を制御部９で比較計算する事により、本体１は移動位置１１への移動を行うことが可能となる（Ｓ２５，Ｓ２６）。本体１１の移動経路の計算方法はさまざまであるが、例えば単に座標の差分をとり、直線的に移動することが考えられる。この場合、位置情報は移動位置１１の情報であり、移動先としての移動位置１１が領域情報の一形態となる。

図５、図６では、この移動位置１１を連続的にリモコン７から送信することで、特定の走行経路をロボットに指示する例や、特定の範囲内の移動をロボットに指示する例を説明する。例えば、利用者がリモコン７の位置ボタンを押し続けながら図５のような軌跡を走行面に指示すると、リモコン７は、例えば１／１０００秒毎というような短い間隔でその時々の移動位置１１を連続的に計算し記憶する。利用者が移動ボタン７２を離すと、その時点まで記憶した複数の座標（図５のＰ１からＰｎ）を順番に本体１に送信する。本体１は、送信された複数の移動位置１１を順番に辿れば、利用者が指示した軌跡を再現することができる。この場合、位置情報は一連の座標の情報となり、領域情報はその位置情報から定められる点を結ぶ経路についての情報である。本体１の制御部９は、その経路を走行領域の一形態として認識する。例えば、自走式ロボットが移動しながら掃除を行う場合には、利用者がリモコン７からの光線で床面のゴミを順番になぞれば、本体１は、その経路に順々に従って次々と掃除していくことも可能となる。

また、図６のように、経路が閉じた範囲を形成する場合が考えられる。例えばＬ２とＬ１というようなその地点と一つ前の地点を結ぶ線分を算出し、そのうちいずれかの２直線が交点を持つ場合には、その経路は閉じた範囲となる。リモコン７は、その経路上にある点の座標（図６のＬ２からＬｎ−１）を順番に本体１に送信することで、領域情報はその閉じた経路で囲まれる範囲についての情報となり、本体１の制御部９はその経路情報によってその範囲を走行領域と認識する。本体１はその経路によって内部に特定される範囲を移動したり、その経路を周回経路として周回移動したりすることが可能となる。また、掃除を行うようなロボットの場合には、その範囲の内部（図６のハッチング範囲）を隈なく走行することで、特定の範囲を掃除することも可能である。

利用者はリモコン７から照射された床面上の点を移動させるため、閉じた範囲を指定しようとしても、リモコン７の操作だけではその経路が閉じたかどうか判定するのが難しい。そのため、リモコン７の制御部は、経路が閉じた範囲があると判定した場合に、例えば移動ボタン７２を点灯させる又は点滅させるというようにリモコン７の表示部にその旨の表示させることが好ましい。このような表示部を設けることにより、利用者は閉じた範囲が確定したことを知ることができる。

また、リモコン７を動作させるための電源には電池を用いるのが一般的であるが、リモコン７の電池を充電が可能な２次電池にしておき、リセット装置８のスイッチに充電の接点を兼用させることで、携帯電話を充電器するようにリモコン７を本体１にセットすると、リセットと同時に本体１の電源を用いて充電を行うことができる。なお、リモコン７の制御部と本体１の制御部９との役割分担は適宜に配分することができる。例えば、リモコン７の制御部では、加速度情報のみの検出、又は加速度センサーの位置の演算、或いはリモコンの位置や姿勢の演算、更には、領域情報の演算まで行うことができ、本体１の制御部９は、リモコン７側での演算の程度に応じて演算を実行することができる。

発明の自走式ロボットの概要を示す側面図。本発明の自走式ロボットのリモコンを示す図。本発明の位置特定の原理図。本発明の自走式ロボットの動作の流れ図。本発明の自走式ロボットに軌跡を指示する原理図。本発明の自走式ロボットに移動範囲を指示する原理図。

符号の説明

１ロボット本体
２駆動輪
３駆動モーター
４距離センサー
５掃除部
６補助輪
７リモコン
８リセット装置
９制御部
１０受信部
１１移動位置
７１発光部
７２移動ボタン
７３加速度センサー
７４送信部

Claims

走行装置、前記走行装置を制御する制御部及び受信部を備えたロボット本体、並びに前記受信部に向けて送信可能な送信部を備えたリモコンから成る自走式ロボットにおいて、前記リモコンは２つの加速度センサー及び前記ロボット本体が走行する走行面上を指すポインタ部を備えており、前記制御部は、前記リモコンからの送信を受けて、前記両加速度センサーが検出した加速度と前記ポインタ部の操作とに基づいて定められる前記走行面上の領域情報に基づいて、前記ロボット本体が走行すべき走行領域を認識し、
前記リモコンは、前記ロボット本体に着脱可能であり、前記リモコンが前記ロボット本体に装着されているときに前記ロボット本体に対する前記リモコンの初期位置がリセットされることを特徴とする自走式ロボット。
前記ポインタ部は、指向性の高い発光部であることを特徴とする請求項１に記載の自走式ロボット。
前記両加速度センサーの前記加速度に基づいて前記両加速度センサーの位置が算出され、前記領域情報は、前記両加速度センサーの位置から求められる前記リモコンの位置と姿勢とに基づいて前記発光部の発する光線が前記走行面に届く点として算出される位置情報に基づいて定められることを特徴とする請求項２に記載の自走式ロボット。
前記ロボット本体は、前記リモコン用の充電器を備えていることを特徴とする請求項１に記載の自走式ロボット。