JP6475994B2

JP6475994B2 - 自走式掃除機

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Publication number: JP6475994B2
Application number: JP2015016979A
Authority: JP
Inventors: 篤史前原; 康弘岡
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2019-02-27
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: CN106793906A; WO2016121576A1; JP2016140444A

Description

この発明は自走式掃除機に関する。

この発明の背景技術としては、自走しながら床面上の塵埃を空気と共に筐体内に吸引し、塵埃を除去した空気を外部に排出するようにした掃除機において、赤外線センサのような光学式の床面検知センサを筐体の床面との対向面に設置して床面を監視し、掃除機が床面の段差（クリフ）などに落込まないようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１３０７８１号公報

しかしながら、従来のこのような自走式掃除機においては、床面の色が異なると床面からの反射光の強度が異なるため、床面検知センサが正確に床面を検知することができなくなり、掃除機が下向きの段差（クリフ）に落下するなどの誤動作を生じていた。この発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、床面の色の変化に対して床面検知センサの検知能力を正しく維持して掃除機の誤動作を防止するようにしたものである。

この発明は、掃除用部材を有して床面を自走可能な筐体と、筐体から床面に向かって露出する光学式の床面検知センサと、掃除用部材を制御すると共に、床面検知センサの出力を受けて筐体の自走動作を制御する制御部とを備え、
前記床面検知センサは、床面に向かって光束を照射する発光素子と、床面からの反射光を受光する受光素子と、前記光束のひらきを狭く制限する絞り素子とを備え、
前記筐体は床面と対向する板状の底板を有すると共に、前記底板は床面側に開口する１つの開口部を有し、
前記発光素子および前記受光素子は、前記底板における前記開口部の近傍に設けられており、
前記絞り素子は、前記底板の前記開口部の端縁の一部が、前記光束の一部を遮光するように前記発光素子の光軸に対して前記受光素子とは反対側からのみ前記発光素子の光軸近傍まで前記発光素子の前方で重なるように延設されることにより構成されている自走式掃除機を提供するものである。
また、本発明は、掃除用部材を有して床面を自走可能な筐体と、筐体から床面に向かって露出する光学式の床面検知センサと、掃除用部材を制御すると共に、床面検知センサの出力を受けて筐体の自走動作を制御する制御部と、前記受光素子が受光した光の強度を所定値と比較する制御ユニットとを備え、
前記床面検知センサは、床面に向かって光束を照射する発光素子と、床面からの反射光を受光する受光素子と、前記光束のひらきを狭く制限する絞り素子とを備え、
前記筐体は床面と対向する板状の底板を有すると共に、前記底板は床面側に開口する開口部を有し、
前記発光素子および前記受光素子は、前記底板における前記開口部の近傍に設けられており、
前記絞り素子は、前記底板の前記開口部の端縁の一部が、前記光束の一部を遮光するように前記発光素子の前方まで延設されることにより構成されており、
前記光束が照射される床面から前記筐体の前記底板までの距離が所定距離以内の場合に前記受光素子の強度が前記所定値より大きくなり、かつ、前記距離が前記所定距離を超える場合に前記受光素子の強度が前記所定値以下となるように、前記絞り素子は前記光束のひらきを狭く制限するように構成されている自走式掃除機を提供するものである。

この発明によれば、床面を照射する発光素子の光束のひらきが絞り素子により狭く制限されるので、光束の光強度分布の幅が狭くなり、床の色の変化（反射率の変化）によって受光素子が受光する反射光の強度変化が小さくなる。従って、床面の色の変化によって生じる床面までの検出距離の変動の幅が小さくなり、検出精度が向上し、掃除機の誤動作が防止される。

この発明の第１実施形態に係る自走式掃除機の上面斜視図である。図１に示す自走式掃除機の底面図である。図１に示す自走式掃除機の制御回路のブロック図である。図１に示す自走式掃除機の側面から見た内部構成説明図である。床面検知センサの従来の構成と作用を示す説明図である。第１実施形態の床面検知センサの図５対応図である。図６に示す床面検知センサの変形例を示す説明図である。第２実施形態の床面検知センサの図７対応図である。第３実施形態の床面検知センサの図７対応図である。

この発明は、掃除用部材を有して床面を自走可能な筐体と、筐体から床面に向かって露出する光学式の床面検知センサと、掃除用部材を制御すると共に、床面検知センサの出力を受けて筐体の自走動作を制御する制御部とを備え、前記床面検知センサは、床面に向かって光束を照射する発光素子と、床面からの反射光を受光する受光素子と、前記光束のひらきを狭く制限する絞り素子とを備える自走式掃除機である。

前記絞り素子が、発光素子の光軸に関して受光素子と反対側で前記光束を遮光する遮光部材であってもよい。
前記絞り素子が前記光束を制限して通過させる貫通孔を有する素子からなってもよい。
前記絞り素子が前記光束を制限して通過させるスリットを有する素子からなってもよい。
前記絞り素子が筐体と一体に形成されてなってもよい。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る自走式掃除機の上から見た斜視図であり、図２は図１に示される自走式掃除機の底面図であり、図３は図１に示す自走式掃除機の制御回路のブロック図である。また、図４は図１に示す自走式掃除機の側面から見た内部構成説明図である。

この発明に係る自走式掃除機（以下、掃除ロボットという）は、床面を自走しながら、床面上の塵埃を空気と共に吸い込み、塵埃を除去した空気を排気することにより床面を掃除するようになっている。

掃除ロボット１Ａは、円盤形の筐体２を備え、この筐体２の上面に排気口４１を備える。図２に示すように底板２ａには、回転ブラシ３、一対のサイドブラシ４、吸引口１１、一対の駆動輪５、後輪７、前輪８、および床面検知センサ１２が設けられている。なお、床面検知センサ１２はその検知面が底板２ａから床面に向かって露出している。

また、筐体２内には、図４に示すように吸引口１１に接続された吸引路１０と、吸引路１０の下流側に設けられた集塵部２０と、集塵部２０の下流側に設けられた電動送風機３０と、電動送風機３０と排気口４１とを接続する排気路４０とを備える。

筐体２は、図１に示すように、蓋２ｂ₁および蓋２ｂ₁の後方位置に形成された排気口４１を有する平面視円形の天板２ｂと、底板２ａおよび天板２ｂの外周部に沿って設けられた平面視円環形の側板２ｃとを備えている。天板２ｂには掃除ロボット１Ａの作動条件や作動指令を入力する操作パネル３１が設けられている。

底板２ａ（図２）には、前輪８および一対の駆動輪５の下部を筐体２内から外部へ突出させる複数の孔部が形成されている。また、側板２ｃの前方には、図１に示すように掃除ロボット１Ａの進行方向の障害物を検出する複数の超音波センサ９が設けられている。

一対の駆動輪５は、筐体２の底板２ａと平行な軸５ａ（図２）を中心に回転可能に設けられており、一対の駆動輪５が同一方向に回転すると筐体２が進退し、各駆動輪５が互いに逆方向に回転すると筐体２が回転するようになっている。

一対の駆動輪５の回転軸は、後述する一対の走行モータからそれぞれ個別に回転力が得られるように連結されており、各走行モータは筐体２の底板２ａの内面に直接またはサスペンション機構を介して固定されている。

前輪８はローラからなり、進路上に現れた段差に接触したとき、筐体２が上りの段差を容易に乗り越えられるよう、駆動輪５が接触する床面から少し浮き上がる位置に筐体２の底板２ａに回転自在に設けられている。

後輪７は自在車輪からなり、床面と接触するように筐体２の底板２ａの一部に回転自在に設けられている。
このように、筐体２に対して前後方向の中間に一対の駆動輪５を配置し、前輪８を床面から浮かせ、掃除ロボット１Ａの全重量を一対の駆動輪５と後輪７によって支持できるように、筐体２に対して前後方向に重量が配分されている。これにより、進路前方の塵埃を前輪８によって遮ることなく吸込口１１に導くことができる。

前述の回転ブラシ３は、筐体２の底板２ａと平行な軸を中心に回転可能に吸込口１１の入口に設けられている。また、底板２ａにおける吸込口１１の左右両側のサイドブラシ４は、底板２ａと垂直な軸を中心に回転するようになっている。回転ブラシ３は、回転軸であるローラの外周面に螺旋状にブラシを植設することにより形成されている。

サイドブラシ４は、回転軸と、回転軸の下端に放射状に設けられた複数本のブラシ束を有している。回転ブラシ３の回転軸および一対のサイドブラシ４の回転軸は、筐体２の底板２ａの内面に支持されると共に、その付近に設けられた後述するブラシ駆動モータと、プーリおよびベルトを含む動力伝達機構を介して連結されている。

筐体２の底板２ａにおける前輪８の前方には、前述のように床面を検知する床面検知センサ１２が配置され、床面における下りの段差を検知するようになっている。床面検知センサ１２によって下りの段差が検知されると、その検知信号が後述の制御部に送信され、制御部が両駆動輪５を停止するよう制御する。それによって、掃除ロボット１Ａの下り段差への落下が防止される。また、制御部は、床面検知センサ１２が下りの段差を検知すると、下りの段差を回避して走行するように制御してもよい。

筐体２の側板２ｃの後端には、内蔵するバッテリーの充電を行う充電端子（図示しない）が設けられている。室内を自走しながら掃除する掃除ロボット１Ａは、掃除が終了すると室内に設置されている充電台に帰還する。

これにより、充電台に設けられた端子部に充電端子が接触し、バッテリーの充電が行われる。商用電源（コンセント）に接続される充電台は、通常、室内の側壁に沿って設置される。なお、バッテリーは、各種モータ等の各駆動制御要素に電力を供給する。

図４に示す集塵部２０は、吸引路１０に接続される集塵ボックス２１と、集塵ボックス２１に着脱可能に設けられたフィルタ２２とを有している。集塵ボックス２１は、通常、筐体２内に収納されているが、集塵ボックス２１内に捕集された塵埃を廃棄する際は、筐体２の蓋２ｂ₁（図１）を開いて出し入れされるようになっている。

図３に示すように、掃除ロボット１Ａ全体の動作制御を行う制御回路は、制御部１５ａ、掃除ロボット１Ａの動作に係る設定条件や作動指令を入力する操作パネル３１、走行マップ１８ａを記憶する記憶部１８、電動送風機３０を駆動するためのモータドライバ３０ａ、駆動輪５の走行モータ５１を駆動するためのモータドライバ５１ａ、回転ブラシ３とサイドブラシ４を駆動するブラシ用モータ１７を駆動するためのモータドライバ１７ａ、床面検知センサ１２を制御する制御ユニット１２ａ、超音波センサ９を制御する制御ユニット９ａ等を備える。

制御部１５ａはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭからなるマイクロコンピュータを備え、記憶部１８に予め記憶されたプログラムデータに基いて、モータドライバ３０ａ、５１ａ、１７ａに個別に制御信号を送信し、電動送風機３０、走行モータ５１およびブラシ用モータ１７を駆動制御して、一連の掃除運転を行う。なお、プログラムデータには、床面の広い領域を清掃する通常モード用と、壁際に沿って清掃する壁際モード用のプログラムデータなどが含まれる。

また、制御部１５ａは、ユーザーによる設定条件や作動指令を操作パネル３１から受け入れて記憶部１８に記憶させる。この記憶部１８に記憶される走行マップ１８ａは、掃除ロボット１Ａの設置場所周辺の走行経路や走行速度などといった走行に係る情報であり、予めユーザーによって記憶部１８に記憶させるか、あるいは掃除ロボット１Ａ自体が掃除運転中に自動的に記録することができる。

このように構成された掃除ロボット１Ａにおいて、操作パネル３１からの掃除運転開始の指令により、電動送風機３０、駆動輪５、回転ブラシ３およびサイドブラシ４が駆動する。これにより、回転ブラシ３、サイドブラシ４、駆動輪５および後輪７が床面に接触した状態で、掃除ロボット１Ａは所定の範囲を自走しながら吸込口１１から床面の塵埃を含む空気を吸い込む。

このとき、回転ブラシ３の回転によって床面上の塵埃は掻き上げられて吸込口１１に導かれる。また、サイドブラシ４の回転によって吸込口１１の側方の塵埃が吸込口１１に導かれる。

吸込口１１から筐体２内に吸い込まれた塵埃を含む空気は、筐体２の吸引路１０（図４）を通り、集塵ボックス２１内に流入する。集塵ボックス２１内に流入した気流は、フィルター２２を通過して塵埃が除去された後、電動送風機３０に流入して排気路４０に導かれ、排気口４１から外部へ排出される。この際、集塵ボックス２１内の気流に含まれる塵埃は、フィルター２２によって捕獲され、集塵ボックス２１内に堆積する。

また、掃除ロボット１Ａは、前述のように進路上の障害物を検出した場合および掃除領域の周縁に到達した場合、駆動輪５が一旦停止し、次に左右の駆動輪５を互いに逆方向に回転して向きを変える。これにより、掃除ロボット１Ａは、設置場所全体あるいは所望範囲全体に障害物を避けながら自走して掃除をすることができる。

また、掃除ロボット１Ａは、前述のように、左右の駆動輪５と後輪７の３点で接触しており、前進時に急停止しても後輪７が床面から浮き上がらないようなバランスで重量配分されている。

そのため、掃除ロボット１Ａが前進中に下りの段差の手前で急停止しても、それによって掃除ロボット１Ａが前のめりに傾いて下りの段差へ落下するということが防止されている。なお、駆動輪５は、急停止してもスリップしないよう、溝を有するゴムタイヤをホイールに嵌め込んで形成されている。

＜床面検知センサについて＞
図５は床面検知センサ１２の従来の構成と作用を示す説明図である。同図に示すように床面検知センサ１２は、光学式センサであり、ケース１３を有し、ケース１３の中に発光素子（赤外線発光ダイオード）１４ａと、受光素子（フォトトランジスタ）１４ｂを備えると共に、発光素子１４ａと受光素子１４ｂを保護する透明保護板１５を備える。

図５は、発光素子１４ａからの出射された光束ＬＦが透明保護板１５を介して正常な位置にある黒い床面ＦＢと、下り段差の位置にある白い床面ＦＷ１とを照射し、その反射光が透明保護板１５を介して受光素子１４ｂに受光される状況を示している。

受光素子１４ｂが受光した光の強度に対応する出力は制御ユニット１２ａ（図３）で所定値と比較される。制御ユニット１２ａは、受光素子１４ｂが受光した光の強度が所定値より大きいと、床面は正常であると判断し、所定値以下であると、床面は正常でない、つまり「下りの段差」であると判断する。そして、これらの判断結果は制御部１５ａへ入力される。

図５に示すように、発光素子１４ａから出射される光束ＬＦは、光軸Ｘａを中心に角度θ（例えば、２０度）のひらき（発散角）を有して円錐状に発散する。光束ＬＦの光軸Ｘａに直交する光の強度分布は、一般的に光軸Ｘａを中心として光軸Ｘａから半径方向に離れるに従って低下するガウス分布を示す。

従って、光の反射率の低い黒い床面ＦＢに関しては、光軸Ｘａに沿った強度の高い光が底板２ａから距離ＨＢだけ離れた床面ＦＢを照射し、かつ、受光感度の高い光軸Ｘｂに沿った反射光、つまり、光軸ＸａとＸｂの交点Ｐ１から床面ＦＢの反射光が受光素子１４ｂへ入射したとき、制御ユニット１２ａは「床面は正常である」と判断するようにしている。

一方、光の反射率の高い白い床面ＦＷ１に関しては、光軸Ｘａから半径方向に大きく離れた強度の低い光が床面２ａから距離ＨＷ１だけ離れた床面ＦＷ１を照射し、光軸Ｘｂに沿った反射光、つまり、光束ＬＦの光軸Ｘａから半径方向に離れた光と光軸Ｘｂとの交点Ｐ２から床面ＦＷ１の反射光が受光素子１４ｂへ入射する。

このとき、白い床面ＦＷ１の光の反射率が黒い床面ＦＢより十分に高く、その反射光が黒い床面ＦＢの反射光と同程度の光強度を有する場合には、制御ユニット１２ａは「床面は正常である」と判断してしまう。
従って、図５に示す白い床面ＦＷ１（底板２ａから距離ＨＷ１の深さにある）は、「下り段差」と判断されないことになる。

そこで、この実施形態では、図６に示すように、発光素子１４ａから照射される光束ＬＦのひらき（発散角）を狭く制限する絞り素子Ｂ１を発光素子１４ａの照射光路中に設置している。この絞り素子Ｂ１は、発光素子１４ａの光軸Ｘａに関して受光素子１４ｂの反対側で光束ＬＦの一部を遮光するようになっている。

これによって、白い床面ＦＷ１には光束ＬＦの光軸Ｘａから半径方向に大きく離れた強度の低い光は届かなくなるので、光軸Ｘａに近い光と光軸Ｘｂとの交点Ｐ３に白い床面ＦＷ２が存在するときには、底板２ａから距離ＨＷ２にある白い床面ＦＷ２からの反射光が受光素子１４ｂに受光され、床面は正常であると判断される。つまり、「床面は正常」と判断される白い床面までの距離がＨＷ１からＨＷ２に短縮される。
従って、床面の色、つまり光の反射率が変化しても、「床面は正常」と検知される床面までの距離の変化が小さくなり、床面センサ１２の下り段差を検知する精度が向上する。
図７はこの実施例の変形例であり、絞り素子Ｂ１が底板２ａと一体に形成されている。

（第２実施形態）
図８はこの実施形態の床面検知センサの構成を示す説明図である。
図８に示すようにこの実施形態では、図６に示す絞り素子Ｂ１を絞り素子Ｂ２に置換している。絞り素子Ｂ２は通過させる光束ＬＦのひらきを狭く制限する細長い貫通孔４２を備える。なお、絞り素子Ｂ２も底板２ａと一体に形成できる。その他の構成と機能は第１実施形態と同等である。

（第３実施形態）
図９はこの実施形態の床面検知センサの構成を示す説明図である。
図９に示すようにこの実施形態では、図６に示す絞り素子Ｂ１を絞り素子Ｂ３に置換している。絞り素子Ｂ３は通過させる光束ＬＦのひらきを狭く制限するスリット４３を備える。なお、絞り素子Ｂ３も底板２ａと一体に形成できる。その他の構成と機能は第１実施形態と同等である。

１Ａ掃除ロボット
２筐体
２ａ底板
２ｂ₁ 蓋
２ｂ天板
２ｃ側板
３回転ブラシ
４サイドブラシ
５駆動輪
７後輪
８前輪
９超音波センサ
１０吸引路
１１吸引口
１２床面検知センサ
１３ケース
１４ａ発光素子
１４ｂ受光素子
１５保護板
２０集塵部
２１集塵ボックス
２２フィルタ
３０電動送風機
３１操作パネル
４０排気路
４１排気口
４２貫通孔
４３スリット
Ｂ１〜Ｂ３絞り素子

Claims

掃除用部材を有して床面を自走可能な筐体と、筐体から床面に向かって露出する光学式の床面検知センサと、掃除用部材を制御すると共に、床面検知センサの出力を受けて筐体の自走動作を制御する制御部とを備え、
前記床面検知センサは、床面に向かって光束を照射する発光素子と、床面からの反射光を受光する受光素子と、前記光束のひらきを狭く制限する絞り素子とを備え、
前記筐体は床面と対向する板状の底板を有すると共に、前記底板は床面側に開口する１つの開口部を有し、
前記発光素子および前記受光素子は、前記底板における前記開口部の近傍に設けられており、
前記絞り素子は、前記底板の前記開口部の端縁の一部が、前記光束の一部を遮光するように前記発光素子の光軸に対して前記受光素子とは反対側からのみ前記発光素子の光軸近傍まで前記発光素子の前方で重なるように延設されることにより構成されている自走式掃除機。
掃除用部材を有して床面を自走可能な筐体と、筐体から床面に向かって露出する光学式の床面検知センサと、掃除用部材を制御すると共に、床面検知センサの出力を受けて筐体の自走動作を制御する制御部と、前記受光素子が受光した光の強度を所定値と比較する制御ユニットとを備え、
前記床面検知センサは、床面に向かって光束を照射する発光素子と、床面からの反射光を受光する受光素子と、前記光束のひらきを狭く制限する絞り素子とを備え、
前記筐体は床面と対向する板状の底板を有すると共に、前記底板は床面側に開口する開口部を有し、
前記発光素子および前記受光素子は、前記底板における前記開口部の近傍に設けられており、
前記絞り素子は、前記底板の前記開口部の端縁の一部が、前記光束の一部を遮光するように前記発光素子の前方まで延設されることにより構成されており、
前記光束が照射される床面から前記筐体の前記底板までの距離が所定距離以内の場合に前記受光素子の強度が前記所定値より大きくなり、かつ、前記距離が前記所定距離を超える場合に前記受光素子の強度が前記所定値以下となるように、前記絞り素子は前記光束のひらきを狭く制限するように構成されている自走式掃除機。
前記制御ユニットは、前記受光素子の強度が前記所定値より大きい場合に正常であると判断し、かつ、前記受光素子の強度が前記所定値以下の場合に正常でないと判断するよう構成された請求項２記載の自走式掃除機。