JP5138895B2 - 走行ロボットの位置感知装置及びこれを備えたロボット掃除機 - Google Patents
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Description
図1及び図2は、従来技術による位置感知装置を示す図であり、図1は、位置感知装置の構成とその作動原理を示す構成図で、図2は、位置感知装置に妨害光線が働く状態を示す状態図である。
発光素子2は、赤外線を放出する赤外線発光ダイオード(IR−LED)3と、放出した赤外線を直進するように収束する投光レンズ4と、で構成される。
受光レンズ7は、赤外線を反射させた障害物との距離に従って異なる角度で赤外線を収束し、よって、位置検出素子6には、近くにある障害物11aからの赤外線は上方、遠くにある障害物11bからの赤外線は下方に結像する。
信号処理装置8は、位置検出素子6に赤外線が結像する位置から、その赤外線を反射させた障害物との距離を測定するように構成される。
また、前記発光素子は、赤外線を放出する赤外線発光ダイオードと、前記赤外線発光ダイオードから放出された赤外線が直進するように収束する投光レンズと、を備えてなることを特徴とする。
また、前記発光素子は、前記受光素子が感知した虚像の障害物の位置が前記有効感知範囲を外れる度合が、前記信号処理装置の精密度により区別できる最小単位の距離よりも大きくする角度で光を放出するように構成されたことを特徴とする。
また、前記発光素子は、前記有効感知範囲の最大距離である走行空間の床に向ける角度で光を放出するように構成されたことを特徴とする。
前記各位置感知装置は、光を直進するように放出させる発光素子と、光を反射させた障害物との距離に従って異なる位置に光が結像されるように構成された受光素子と、前記受光素子に入射した光の結像位置から前記障害物との距離を演算する信号処理装置と、を備えることを特徴とする。
また、前記受光素子は、障害物から反射された光を収束する受光レンズと、前記受光レンズによって収束された光が結像される位置検出素子と、を備えることを特徴とする。
前記発光素子は、掃除空間の床と10°以上15°以下の角度をなす光を放出するように構成されたことを特徴とする。
また、前記第4段階で前記障害物との距離が増加すると、前記第2段階に戻り、前記障害物との距離が増加していないと、前記第5段階に進むことを特徴とする。
また、少なくとも一部の前記位置感知装置は、掃除空間の床からの高さが相互に異なるように構成されたことを特徴とする。
また、少なくとも一部の前記位置感知装置は、高さと発光角度を相互に異ならせて同方向に光を放出するように構成されたことを特徴とする。
図3乃至図7は、本発明の一実施の形態による走行ロボットの位置感知装置を示す図であり、図3は、位置感知装置を示す構成図で、図4は、位置感知装置の誤信号状態を示す図で、図5は、位置感知装置の誤信号状態の変化を示す図で、図6は、位置感知装置で感知された距離と実際距離との関係を示す図で、図7は、誤信号処理装置が具現するアルゴリズムを示すた順序図である。
受光素子55は、障害物から反射された赤外線を収束する受光レンズと、該受光レンズによって収束された赤外線が結像する位置検出素子(Position Sensitive Detector)と、で構成される。
受光レンズは、赤外線を反射した障害物との距離に従って異なる角度で赤外線を収束し、よって、位置検出素子には、近くにある障害物からの赤外線は上方、遠くにある障害物からの赤外線は下方に結像される。
信号処理装置58は、位置検出素子の出力バランスを受け取り、この出力バランスから障害物との距離を計算し、その距離を信号として出力する演算回路で構成される。
有効感知範囲d2〜d3は、有効最小距離d2と有効最大距離d3間の範囲に限定されるが、有効最小距離d2と有効最大距離d3は、受光素子55と走行ロボットの外周までの距離または障害物との衝突防止のために走行停止が要求される距離、障害物に対応する減速または走行経路予測などのために障害物を感知しなければならない距離などを考慮に入れて設定する。
妨害光線が受光素子55に入射する入射角θ+δは、該妨害光線の光源61aまでの距離と走行ロボットの位置によってその範囲が定められる。
このような構成を有する位置感知装置51が装着される走行ロボットは、本体の概観を形成するケースと、本体を走行空間の床から支持するように設けられ、本体を移動させる走行装置と、本体の外周部分に装着され、位置感知装置51を備えて走行空間から障害物を感知する障害物感知装置と、駆動装置、障害物感知装置と信号を取り交わしてこれら装置を制御し、信号を入/出力、処理、格納する情報処理装置と、で構成されることが好ましい。
障害物感知装置は、複数個の位置感知装置51と、音波または電磁気波の反射や走行による衝突を用いて障害物との距離または障害物有無を判断する複数個の超音波センサー、光センサーまたは衝撃センサーと、で構成されることが好ましい。
この誤信号処理装置は、情報処理装置と信号を取り交わす個別の装置で構成される場合に限定されず、情報処理装置の構成要素を共用するように情報処理装置内に組み込まれて上記のアルゴリズム(図7)がメモリに格納され、該アルゴリズム(図7)がマイクロプロセッサーによって実現されることも可能である。
第2段階(S2)では、位置感知装置51からマイクロコンピュータに入力された信号をそのまま受け取り、この信号に基づいて有効感知範囲内に障害物が存在するかを判断し、存在すると、第3段階(S3)に進み、存在しないと、第1段階(S1)に戻る。
第3段階(S3)は、障害物が有効感知範囲内に存在する場合に要求される走行、例えば、徐々に減速する走行がなされるようにマイクロコンピュータに信号を送信し、第4段階(S4)に進む。
第6段階(S6)では、走行を停止したり障害物を迂回するようにマイクロコンピュータに信号を送信する。
図3を参照すると、発光素子52は、赤外線発光ダイオードにより赤外線を放出し、放出された赤外線は、投光レンズを通って走行空間に向けて直進してから障害物から反射され、受光素子55の位置検出素子に結像する。この結像される位置によって位置検出素子の出力バランスが異なり、該出力バランスは、信号処理装置58で障害物との距離として演算され、この距離は、マイクロコンピュータに送信される。
ここで、発光素子52は、受光素子55に最小の入射角で入射する妨害光線によって誤認される虚像の障害物61bとの距離が、有効感知範囲d2〜d3を余裕マージン(=d2−d1)をおいて外れるように(61c)、妨害光線に対して角度θ+δを与えて光を放出させる。
位置感知装置51が妨害光線によって虚像の障害物を感知してマイクロコンピュータに信号を入力させても、該マイクロコンピュータは、虚像の障害物が有効感知範囲d2〜d3を外れたものと判断し、障害物として認識しない。
障害物が有効感知範囲内から出発する場合、例えば、走行中の走行ロボットが転換した方向に障害物が存在する場合には、第3段階乃至第5段階(S3、S4、S5)を繰り返し実行して障害物に近付いた後、障害物を迂回するようになる。
図8に示すように、本発明の一実施の形態によるロボット掃除機は、本体の概観を形成するケース92と、本体に取り付けられて掃除空間を掃除する掃除装置と、本体を掃除空間の床から支持しかつ移動させるように取り付けられた走行装置と、本体の外周付近に装着され、外部の妨害光線と区別付けられるように掃除空間の床に対して傾斜するように光を放出し、この光を反射させた障害物との距離を感知する8個の位置感知装置51a,51b,51c,51dと、これら位置感知装置と信号を送受信するように構成され、掃除空間を自ら走行しながら掃除を行うように走行装置を制御する情報処理装置90と、で構成される。
すなわち、位置感知装置51a、51b、51c、51dのそれぞれは、光を直進するように放出させる発光素子と、光を反射させた障害物との距離に従って異なる位置に光が結像される受光素子と、受光素子に入射した光の結像位置から障害物との距離を演算する信号処理装置と、で構成される。
一方、本ロボット掃除機は、上記の構成の他にも、使用者に作動に関するインターフェースを提供する操作装置94、ロボット掃除機の作動に必要な電源を供給する電源装置(図示せず)を備えることが好ましい。なお、掃除空間の床に並んで光を放出し、この光を反射させた障害物との距離を感知する位置センサー、超音波を用いて障害物の形状や距離を感知する超音波センサー、掃除空間の床の傾斜を感知する床センサー、その他走行に必要なセンサー59をさらに装着しても良い。
マイクロコンピュータに組み込まれた誤信号処理装置は、走行時に一つの位置感知装置51a,51b,51c,51dに感知された障害物との距離が増加するか、あるいは減少するかを判断することによって、その感知された距離に実際に障害物が存在するか否かを判断する。
52 発光素子
55 受光素子
58 信号処理装置
59 センサー
60 床
61a 光源
81 メーンホイール
82 キャスター
83 ホイールモーター
90 情報処理装置
Claims (17)
- 光を反射させた障害物との距離に従って異なる位置に光を結像させるように構成された受光素子と、
障害物から反射されて前記受光素子に入射する光を直進するように放出し、前記受光素子に入射する外部の妨害光線による虚像の障害物が、感知可能な障害物との距離範囲のうち、走行に必要な有効感知範囲外に位置するように前記妨害光線に対して角度を与えて光を放出する発光素子と、
前記受光素子に入射した光の結像位置から前記障害物との距離を演算する信号処理装置と、
を備えることを特徴とする走行ロボットの位置感知装置。 - 前記位置感知装置で感知された距離の走行時変化に基づいてその距離に障害物が存在するかを判断する誤信号処理装置をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の走行ロボットの位置感知装置。
- 前記発光素子は、赤外線を放出する赤外線発光ダイオードと、前記赤外線発光ダイオードから放出された赤外線が直進するように収束する投光レンズと、を備えてなることを特徴とする請求項1に記載の走行ロボットの位置感知装置。
- 前記受光素子は、障害物から反射された光を収束する受光レンズと、前記受光レンズによって収束された光が結像される位置検出素子と、を備えてなることを特徴とする請求項1に記載の走行ロボットの位置感知装置。
- 前記発光素子は、前記受光素子が感知した虚像の障害物の位置が前記有効感知範囲を外れる度合が、前記信号処理装置の精密度により区別できる最小単位の距離よりも大きくする角度で光を放出するように構成されたことを特徴とする請求項1に記載の走行ロボットの位置感知装置。
- 前記発光素子は、前記有効感知範囲の最大距離である走行空間の床に向ける角度で光を放出するように構成されたことを特徴とする請求項1に記載の走行ロボットの位置感知装置。
- 外部の妨害光線と区別されるように掃除空間の床に対して傾斜するように光を放出し、この光を反射させた障害物との距離を感知する1つ以上の位置感知装置と、
前記位置感知装置と信号を送受信するように構成され、掃除空間を自ら走行しながら掃除するように前記走行装置を制御する情報処理装置と、
本体の概観を形成するケースと、前記本体に設置され、掃除空間を掃除する掃除装置と、前記本体を掃除空間の床から支持しかつ移動させるように設けられた走行装置と、
前記情報処理装置内に組み込まれたり、前記情報処理装置と信号を送受信するように構成され、前記各位置感知装置で感知された距離の走行時変化に基づいてその距離に障害物が存在するかを判断する誤信号処理装置を備え、
前記誤信号処理装置は、
前記ロボット掃除機が走行する第1段階と、
前記位置感知装置が有効感知範囲内で障害物を感知する第2段階と、
前記ロボット掃除機が前記障害物に対応して走行をする第3段階と、
前記障害物との距離増加を判断する第4段階と、
前記障害物に近付いたかを判断する第5段階と、
前記ロボット掃除機が前記障害物に近付いていると、前記障害物を迂回するか、走行を停止させる第6段階と、を含むアルゴリズムを遂行するように構成され、
前記第4段階で前記障害物との距離が増加すると、前記第2段階に戻り、前記障害物との距離が増加していないと、前記第5段階に進むことを特徴とするロボット掃除機。 - 前記各位置感知装置は、光を直進するように放出させる発光素子と、光を反射させた障害物との距離に従って異なる位置に光が結像されるように構成された受光素子と、前記受光素子に入射した光の結像位置から前記障害物との距離を演算する信号処理装置と、を備えることを特徴とする請求項7に記載のロボット掃除機。
- 前記発光素子は、赤外線を放出する赤外線発光ダイオードと、前記赤外線発光ダイオードから放出された赤外線が直進するように収束する投光レンズと、を備えることを特徴とする請求項8に記載のロボット掃除機。
- 前記受光素子は、障害物から反射された光を収束する受光レンズと、前記受光レンズによって収束された光が結像される位置検出素子と、を備えることを特徴とする請求項8に記載のロボット掃除機。
- 前記発光素子は、前記受光素子が感知した虚像の障害物の位置が前記有効感知範囲を外れる度合が、前記信号処理装置の精密度により区別できる最小単位の距離よりも大きくする角度で光を放出するように構成されたことを特徴とする請求項8に記載のロボット掃除機。
- 前記発光素子は、掃除空間の床と10°以上15°以下の角度をなす光を放出するように構成されたことを特徴とする請求項8に記載のロボット掃除機。
- 前記第1段階では、前記ロボット掃除機の走行中に前記第2段階を随時呼び出すことを特徴とする請求項7に記載のロボット掃除機。
- 少なくとも一部の前記位置感知装置は、放出させた光と掃除空間の床とがなす角度が相互に異なるように構成されたことを特徴とする請求項7に記載のロボット掃除機。
- 少なくとも一部の前記位置感知装置は、掃除空間の床からの高さが相互に異なるように構成されたことを特徴とする請求項7に記載のロボット掃除機。
- 少なくとも一部の前記位置感知装置は、掃除空間の床からの高さが相互に一致するように構成され、同じ高さに位置する位置感知装置は、放出させた光と掃除空間の床とがなす角度が相互に一致するように構成されたことを特徴とする請求項7に記載のロボット掃除機。
- 少なくとも一部の前記位置感知装置は、高さと発光角度を相互に異ならせて同方向に光を放出するように構成されたことを特徴とする請求項7に記載のロボット掃除機。
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