JP6863325B2 - 清掃ロボットの走行経路生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、清掃ロボットの走行経路生成装置に関するものである。

環境地図を使った清掃ロボットでは、くまなく清掃を行うために、地図全体を走行するような経路を生成し、その経路に沿って走行を行う必要がある。しかしながら、図９に示すように、障害物である壁等がグリッドマップに対して斜めに配置されていると、斜めの経路が生成され、この経路に沿って走行を行うと、壁は直線にもかかわらずロボットは方向変換を頻繁に行うようになる。具体的には、図９において、階段状に走行して例えばグリッド２，３やグリッド５，６やグリッド９，１０で方向変換を行う。

このように方向変換を頻繁に行うと清掃効率は悪くなってしまう。さらに進行方向が頻繁に変わるため、見栄えも悪くなる。このような地形では、スタートグリッドからゴールグリッドまではほぼ直線とみなせるため、スタートグリッドからゴールグリッドまで直進することが望ましい。

これに対し、非特許文献１においては、指定経路を追従する移動ロボットのための障害物回避走行アルゴリズムが開示されており、規定経路に沿って走行を行うことでなめらかに走行することを目的として経路を生成している。この手法を利用することで、図９の環境では、スタートグリッドからゴールグリッドに直進することが可能となる。

具体例を示しながら、非特許文献１に開示の手法を説明する。
非特許文献１に開示の手法では、規定経路を膨張させ、膨張させた経路の範囲内でもっとも遠いグリッドを目的地として走行を行う。

図１０には、走行経路に対して１グリッド膨張させた例を示す。図１０において膨張した経路の範囲内で走行可能な最も遠い（番号が大きい）グリッドが、ゴールグリッドとなる。つまり、図１０の場合、グリッド２〜１９のグリッドは通過せず、スタートグリッドからゴールグリッドまで直進を行う。

高承明，大矢晃久，油田信一："指定経路を追従する移動ロボットのための障害物回避走行アルゴリズム"，第１０回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会，３Ｏ４−３，ｐｐ．２１４１−２１４４（２００９．１２）

しかしながら、非特許文献１に開示の手法では、できる限り規定経路に沿って走行することが可能であるが、図１０のように、経路によっては、規定経路をほとんど飛ばしてしまう場合が存在する。清掃ロボットでこの手法を適用すると、清掃しないエリアが存在してしまうことになる。非特許文献１に開示の手法では、どの程度規定経路に沿って走行するかは、規定経路に依存し、調整が難しい。

本発明の目的は、方向変換を減らしつつ規定経路に沿った走行経路を生成することができる清掃ロボットの走行経路生成装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、グリッドマップを用いて予め定められた経路を追従して走行する清掃ロボットの走行経路生成装置であって、グリッドマップにおけるスタートグリッドと経路途中の経路グリッドを結ぶ直線までの経路途中の各グリッドの距離を計算する距離計算手段と、前記距離計算手段により計算した各距離が閾値以下の条件を満たせばその経路グリッドに直線的に走行する経路を決定する経路決定手段と、を備えることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、距離計算手段により、グリッドマップにおけるスタートグリッドと経路途中の経路グリッドを結ぶ直線までの経路途中の各グリッドの距離が計算される。経路決定手段により、距離計算手段により計算した各距離が閾値以下の条件を満たせばその経路グリッドに直線的に走行する経路が決定される。よって、方向変換を減らしつつ規定経路に沿った走行経路を生成することができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の清掃ロボットの走行経路生成装置において、前記距離計算手段において前記距離を計算する際に、スタートグリッドに対する対象グリッドの直線走行成分に比べて、スタートグリッドに対するスタートグリッドと対象グリッドとの間のグリッドの直線走行成分の方が大きい時には、前記経路決定手段における直線的に走行する経路の決定をキャンセルする手段を更に備えるとよい。

請求項３に記載のように、請求項１又は２に記載の清掃ロボットの走行経路生成装置において、前記距離計算手段での前記閾値を変えることにより、前記経路決定手段において走行経路を変更するようにするとよい。

本発明によれば、方向変換を減らしつつ規定経路に沿った走行経路を生成することができる。

清掃ロボットの底面を示す図。 清掃ロボットの構成を示すブロック図。 （ａ）〜（ｅ）は全方向移動車輪の回転方向と、進行方向との関係を示す図。 走行経路生成アルゴリズムを示す図。 グリッドマップでの走行経路を示す図。 グリッドマップでの走行経路を示す図。 グリッドマップでの走行経路を示す図。 スタートグリッドと対象グリッドにおけるベクトル内積処理の説明図。 グリッドマップでの走行経路を示す図。 グリッドマップでの走行経路を示す図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、清掃ロボット（自律清掃機）Ｒｏｂ１０は、本体２０と、本体２０の底面２１に開口する吸引口２２と、本体２０に設けられた４つの全方向移動車輪（以下、車輪と称する）３０，３１，３２，３３と、を備える。清掃ロボットＲｏｂ１０は、車輪３０，３１，３２，３３によって床を走行することで、床を移動しながら清掃ユニットの吸引口２２によって床上の異物（ゴミ）を吸引する清掃機である。

吸引口２２は一方向に拡がる形状であり、本実施形態では矩形状である。清掃ユニットにおける吸引口２２の一方向は長手方向であり、吸引口２２の短手方向は一方向に直交する方向である。吸引口２２は長手方向の寸法がＬ０であり、本体２０の中心Ｏからの寸法はＬ１（＝Ｌ０／２）であり、吸引口２２の長手方向の片側寸法がＬ１である。吸引口２２としては、楕円状や、角丸長方形状など、どのような形状でもよい。

本実施形態の車輪３０〜３３は、ホイールの外周に複数のフリーローラを備え、ホイールの回転軸線に対して、フリーローラの回転軸線が９０°となるものである。車輪３０〜３３の複数のフリーローラのうちいずれかのフリーローラは、常時床に接する。車輪３０〜３３が回転軸を中心として回転すると、フリーローラが順次、路面に接していくことで清掃ロボットＲｏｂ１０は走向する。また、車輪３０〜３３が回転軸線方向に移動する際には、路面に接しているフリーローラが回転することで回転軸線方向への移動を許容する。

各車輪３０〜３３は、車輪３０〜３３の中心（４つの車輪３０〜３３を繋いだ円の中心）Ｏに対し９０°毎に配置されている。４つの車輪３０〜３３は、回転軸線が中心Ｏを向くように配置されている。車輪３０と、車輪３２とは中心Ｏを中心点として点対称となるように配置されている。車輪３１と、車輪３３とは中心Ｏを中心点として点対称となるように配置されている。

なお、図示は省略するが、本体２０の底面２１には、床を掃くことで清掃を行うブラシなども設けられる。
図２に示すように、清掃ロボットＲｏｂ１０は、各車輪３０〜３３を回転させる４つのモータＭ０〜Ｍ３と、清掃に関する部材を動作させる清掃部Ｃと、清掃ロボットＲｏｂ１０の制御を行う制御部４０と、周辺環境を認識するためのセンサ５１と、を備える。

モータＭ０の駆動により車輪３０は回転し、モータＭ１の駆動により車輪３１は回転し、モータＭ２の駆動により車輪３２は回転し、モータＭ３の駆動により車輪３３は回転する。これにより、各車輪３０〜３３の回転方向及び回転数（回転速度）は独立して制御可能である。

清掃部Ｃは、吸引口２２を負圧とすることで吸引力を生じさせる送風機や、ブラシを駆動させるためのブラシ駆動用モータなどを含む。
制御部４０は、ＣＰＵ（処理部）４１、及び、メモリ（記憶部）４２、を備える。メモリ４２には、清掃ロボットＲｏｂ１０の駆動に関するプログラムなどが記憶されている。

制御部４０（ＣＰＵ４１）は、清掃部Ｃの制御、即ち、清掃ロボットＲｏｂ１０による清掃を行うか否かの制御を行う。また、制御部４０（ＣＰＵ４１）は、各モータＭ０〜Ｍ３の回転数及び回転方向をモータドライバを介して制御することで各車輪３０〜３３の回転数及び回転方向を制御する。

図３（ａ）に示すように、４つの車輪３０〜３３のうち、車輪３０と３２とを同一方向に回転させ、且つ、車輪３１と車輪３３とを同一方向に回転させると、清掃ロボットＲｏｂ１０は直進（前進及び後進）する。

図３（ｂ）に示すように、４つの車輪３０〜３３のうち、車輪３１と車輪３３とを同一方向に回転させ、残り２つの車輪３０，３２を停止させると、清掃ロボットＲｏｂ１０は斜行する（前後方向に対して斜めに進行する）。

図３（ｃ）に示すように、４つの車輪３０〜３３のうち、車輪３０と３２とを直進時とは反対方向に回転させ、且つ、車輪３１と車輪３３とを直進時と同一方向に回転させると、清掃ロボットＲｏｂ１０は横行する。

また、清掃ロボットＲｏｂ１０は、その場で旋回する（進行することなく本体２０の向きを変更する）ことも可能であり、旋回しながら進行（本体２０の向きを変更しながら進行）することも可能である。

図３（ｄ）に示すように、４つの車輪３０〜３３のうち、車輪３０と車輪３２とを異なる方向に回転させ、車輪３１と３３とを異なる方向に回転させると、清掃ロボットＲｏｂ１０はその場で旋回（＝自転）する。

図３（ｅ）に示すように、４つの車輪３０〜３３の回転方向及び回転数（回転速度）を調整することで、清掃ロボットＲｏｂ１０は旋回（自転）しながら走向する。詳細にいえば、４つの車輪３０，３１，３２，３３のうち２つの車輪３０，３３を同一方向に回転させ、２つの車輪３１，３２の回転数を所定の回転数に調整することで清掃ロボットＲｏｂ１０は、旋回しながら進行する。

図１に示すように、センサ５１は、本体２０に取り付けられている。本実施形態のセンサ５１は、レーザレンジファインダである。センサ５１は、照射角度を変更しながらレーザを照射することで、レーザの照射方向に位置する物体までの距離を測定する。センサ５１は、レーザの照射角度と、当該照射角度に位置する物体までの距離とを両者を対応付けて制御部４０に出力する。これにより、制御部４０は、検知範囲に存在する障害物を認識可能である。センサ５１は、検知範囲内の環境である障害物の有無を認識するためのものである。

制御部４０は、地図情報を作成するマッピング機能を備える。地図情報は、メモリ４２に記憶されている。
制御部４０は、自己位置推定機能を備える。制御部４０は、各車輪３０，３１，３２，３３（モータＭ０〜Ｍ３）の回転数及び回転方向から、上記した地図上における清掃ロボットＲｏｂ１０の位置（座標）を推定する。

清掃ロボットＲｏｂ１０は、グリッドマップを用いて予め定められた経路を追従して走行する。
次に、作用について説明する。

まず、経路追従する清掃ロボットのための走行経路生成手法について説明する。
図４に示すように、走行経路生成アルゴリズムのフローチャートとして、制御部４０のＣＰＵ４１は、ステップＳ１００で最初に初期経路を生成する。図５、図６ではスタートグリッドからゴールグリッドまでの経路（規定経路）を生成する。具体的には、図５では「１」〜「１２」を付与し、図６では「０」，「１」，・・・，「１７」，・・・ゴール番号を付与する。よって、グリッドの番号が大きくなるように走行経路が決定される。その後に、図４のステップＳ１０１で経由点（経由グリッド）の決定を行う。経由点とは、規定経路上での各グリッドである。

本実施形態においては、規定経路から、経由点を生成し、経由点に向かって走行する。
以下、具体的に説明する。
走行経路がほとんど直線であれば、直進し、方向変換回数を減らすことについて説明する。

本実施形態では、スタートグリッドと経路点（経路グリッド）を結ぶ直線に対して、スタートグリッドとその点（グリッド）の間にある全ての経路点（経路グリッド）の距離が、清掃できる幅、即ち、吸引口２２の長手方向の片側寸法Ｌ１以下かどうか、及び、経路点（経路グリッド）とスタートグリッドの間に障害物が存在するか（ロボットが障害物とぶつかるか）をスタートグリッドから調べ、清掃できる幅、即ち、吸引口２２の長手方向の片側寸法Ｌ１より大きい地点、若しくは、障害物が存在する地点で探索を終了する。そして、その地点（グリッド）の１つ前の点（グリッド）を経由点（経由グリッド）とする。つまり、全てのグリッド経由点に対して計算するのではなく、ｒ＞Ｌ１となった時点で計算をやめて一つ前のグリッドを経由点として決定する。

なお、障害物は地図情報として登録されている場合と、車載センサ５１で検出する場合があるが、いずれかでもよいし、両方でもよい。
具体的に、図５，６を用いて説明する。

処理自体は、図６に示すように、グリッド１からグリッド２、３、４、・・・というように各グリッドに対して行うが、簡略化のために、グリッド３と１７に対して処理を行った場合を説明する。

まず、図６のグリッド３に処理を行った場合について説明する。
手順（１）において、スタートグリッドの中心と番号３のグリッドの中心とを結ぶ（直線Ｌ１０を得る）。

手順（２）において、その直線Ｌ１０とグリッド１，２の距離ｒ１０，ｒ１１を計算する。即ち、点（グリッド）と直線Ｌ１０の距離ｒ１０，ｒ１１を算出する。このように、グリッドマップにおけるスタートグリッドと経路途中の経路グリッドを結ぶ直線Ｌ１０までの経路途中の各グリッドの距離ｒ１０，ｒ１１を計算する。

手順（３）において、その距離ｒ１０，ｒ１１がともに清掃できる幅、即ち、吸引口２２の長手方向の片側寸法Ｌ１以下かどうか確認する。
手順（４）において、スタートグリッドとグリッド３を結んだ直線Ｌ１０上に障害物が無いか確認する。ここで、例えば、清掃できる幅（吸引口２２の長手方向の片側寸法Ｌ１が、図６において１グリッド相当分）以上であれば、探索は継続となる。このように、計算した各距離ｒ１０，ｒ１１が閾値である吸引口２２の長手方向の片側寸法Ｌ１以下の条件を満たせばその経路グリッドに直線的に走行する経路を決定する。

次に、図６のグリッド１７に処理を行った場合について説明する。
手順（１）において、スタートグリッドとグリッド１７を結ぶ（直線Ｌ２０を得る）。
手順（２）において、その直線Ｌ２０とグリッド１〜１６のそれぞれとの距離（例えばｒ２０）を計算する（点（グリッド）と直線の距離を算出する）。

手順（３）において、その距離（例えばｒ２０）がともに清掃できる幅、即ち、吸引口２２の長手方向の片側寸法Ｌ１以下かどうか確認する。ここで、今回、距離が一番大きくなるのが、グリッド１４との距離ｒ２０なので、グリッド１４が清掃できる幅、即ち、吸引口２２の長手方向の片側寸法Ｌ１以下かどうかで探索の継続か終了かが決まる。

手順（４）において、スタートグリッドとグリッド１７を結んだ直線Ｌ２０上に障害物が無いか確認する。ここで、清掃できる幅、即ち、吸引口２２の長手方向の片側寸法Ｌ１が１グリッド相当分であれば、探索は終了となる。

このようにして、走行経路がたとえ直線であったとしても、直線（Ｌ１０，Ｌ２０）上に障害物が存在する場合は、直線で走行できない。そのため、手順（４）の処理を行っている。さらに、決定した経由点（経由グリッド）をスタートグリッドとして、この処理をゴールグリッドまで行う。

次に、上述の手順（３）の処理による、どの程度規定経路に沿った走行経路を生成するかを決めることについて説明する。
本実施形態では、清掃できる幅が決まっており、ギザギザ走行するときに清掃できる程度のギザギザなのか、清掃できない程度のギザギザなのかを判別でき、広義には、直進走行するのか、曲がるのかの閾値を直線とグリッドの距離と、清掃幅との比較により決めることができる。つまり、Ｌ１寸法を小さくすると規定経路に、より沿ったルートとなり、Ｌ１寸法を大きくすると規定経路から、より外れて直線走行も可能となり、このような程度が分かる。

なお、上記では吸引口２２の長手方向の片側寸法Ｌ１としているが、実際には、どのような値に設定するかを調整できる。よりちゃんと清掃したいときにはＬ１を小さくすることもできる。Ｌ１寸法を小さくすると予め定めた規定経路に、より沿って走行する。

このようにして、図５に示すように、走行経路がほとんど直線であれば、直進し、方向変換回数を減らす。具体的には、図５に示すように、ジグザグな経路も直進できる。
また、図６に示すように、どの程度規定経路に沿った走行経路を生成するかを決める。つまり、規定経路からどの程度離れてよいかを設定し、図６のように、規定経路から離れてよい距離内かどうかを判定しながら経由点を生成する。

以上のごとく、方向変換回数を減らすことができ、滑らかに動作する。また、規定経路にどの程度沿って走行するかを調整できる。つまり、グリッドずれ等による方向変換を減らすことができるとともに、どの程度規定経路に沿った走行経路を生成するかを決めることができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）清掃ロボットＲｏｂ１０は、グリッドマップを用いて予め定められた経路を追従して走行する。清掃ロボットの走行経路生成装置としての制御部４０の構成として、距離計算手段及び経路決定手段としてのＣＰＵ４１を備える。距離計算手段としてのＣＰＵ４１は、グリッドマップにおけるスタートグリッドと経路途中の経路グリッドを結ぶ直線までの経路途中の各グリッドの距離を計算する。距離計算手段としてのＣＰＵ４１は、距離計算手段により計算した各距離が閾値以下の条件を満たせばその経路グリッドに直線的に走行する経路を決定する。よって、グリッドずれ等による方向変換を減らしつつ規定経路に沿った走行経路を生成することができる。

（２）距離計算手段での閾値を変えることにより、経路決定手段において走行経路を変更するようにする。こうすると、規定経路に、より沿わした走行やより離れた走行を行わせることができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 図７に示すように、スタートからの規定経路として、右方向に進み、Ｕターンして左方向に進むような走行経路間が狭い場合には、走行すべきグリッドを飛ばしてしまうことを防止する機能を付加する。具体的に図７で、グリッド１３に対して処理を行った場合について説明する。図８において今のグリッド（スタートグリッド）と対象グリッドを結んだ直線よりも外にある点（グリッド）は、たとえｒ＜Ｌ１であったとしてもロボットが通らないので外す処理を行う。

図７において、スタートグリッドとグリッド１３を結んだ直線Ｌ３０とグリッド２〜１２のそれぞれとの距離（点と直線の距離）を計算し、その距離がともに清掃できる幅、即ち、吸引口２２の長手方向の片側寸法Ｌ１以下かどうか確認する。ここで、図７の場合、吸引口２２の長手方向の片側寸法Ｌ１が図６の場合よりも２倍大きくすると（２グリッド相当分だとすると）、グリッド２〜１２は直線に対して２グリッド相当分以下のため、グリッド１３は経由点候補となる。しかしながら、実際にグリッド１〜１２を飛ばし、スタートグリッドから、グリッド１３へ向かうと、グリッド７〜１２のエリアが清掃されなくなってしまう。

このような場合に対しては、「距離測定グリッドがスタートグリッドと対象グリッドを結んだ線分外（図７における直線Ｌ３０上の破線で示す箇所）の場合に探索を終了する」を、前述の手順（２），（３）に追加する。

これにより、図７の場合、グリッド１０が距離測定グリッドから外れることになる。即ち、スタートグリッドとグリッド１３を結んだ直線Ｌ３０上のグリッドが、スタートグリッドとグリッド１３を結んだ線分上にないので、グリッド１１が選択されることがない。

これを適用することで図７の場合は、グリッド１０が選択されるようになり、清掃エリアを飛ばすことがなくなる。
具体的な計算方法について図８を用いて説明する。

図８に示すように、スタートグリッドと対象グリッドを結ぶ線をＸ軸、Ｘ軸に直交する軸をＹ軸とする２軸直交座標において、スタートグリッドから対象グリッド（図７のグリッド１３）へのベクトルＡを（ＡＸ，ＡＹ）とし、スタートグリッドからスタートグリッドと対象グリッドの間の点（前述では、グリッド１０）へのベクトルＢを（ＢＸ，ＢＹ）としたとき、
Ｒ＝｛（ＡＸ×ＢＸ）＋（ＡＹ×ＢＹ）｝／（ＡＸ^２＋ＡＹ^２）
Ｒ＜０、もしくは、Ｒ＞１の場合に、距離測定グリッドがスタートグリッドと対象グリッドを結んだ線分外の場合となり探索を終了する。これは、それぞれのベクトル内積を行っており、スタートグリッドと対象グリッドの間の点（前述では、グリッド１０）がエリアＺ１に存在する場合、Ｒ＜０、エリアＺ２に存在する場合、Ｒ＞１となる。このときは距離測定グリッドが線分外となる。

このように、以下のような効果を得ることができる。
（３）制御部４０は、距離計算手段において距離を計算する際に、スタートグリッドに対する対象グリッドと、スタートグリッドに対する、スタートグリッドと対象グリッドの間のグリッドとについて、ベクトル内積処理による値が１よりも大きいときには、直線的に走行する経路の決定をキャンセルする手段を更に備える。つまり、距離計算手段において距離を計算する際に、スタートグリッドに対する対象グリッドの直線走行成分（図８のＸ成分）に比べて、スタートグリッドに対するスタートグリッドと対象グリッドとの間のグリッドの直線走行成分（図８のＸ成分）の方が大きい時には、経路決定手段における直線的に走行する経路の決定をキャンセルする手段を更に備える。よって、清掃エリアを飛ばすことがなくなる。

○ センサはレーザレンジファインダに代わり他のセンサを用いてもよい。例えば光学式センサを用いてもよい。
○ 吸引口２２は本体２０の中心Ｏになくてもよい。

４０…制御部、４１…ＣＰＵ、Ｌ１０，Ｌ２０，Ｌ３０…直線、ｒ１０，ｒ１１，ｒ１２…距離、Ｒｏｂ１０…清掃ロボット。

Claims (3)

1. グリッドマップを用いて予め定められた経路を追従して走行する清掃ロボットの走行経路生成装置であって、
   グリッドマップにおけるスタートグリッドと経路途中の経路グリッドを結ぶ直線までの経路途中の各グリッドの距離を計算する距離計算手段と、
   前記距離計算手段により計算した各距離が閾値以下の条件を満たせばその経路グリッドに直線的に走行する経路を決定する経路決定手段と、
   を備えることを特徴とする清掃ロボットの走行経路生成装置。
2. 前記距離計算手段において前記距離を計算する際に、スタートグリッドに対する対象グリッドの直線走行成分に比べて、スタートグリッドに対するスタートグリッドと対象グリッドとの間のグリッドの直線走行成分の方が大きい時には、前記経路決定手段における直線的に走行する経路の決定をキャンセルする手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の清掃ロボットの走行経路生成装置。
3. 前記距離計算手段での前記閾値を変えることにより、前記経路決定手段において走行経路を変更するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の清掃ロボットの走行経路生成装置。

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