JP6913387B2 - 作業ロボットおよびエッジ検出器 - Google Patents

Description

本発明は、作業ロボットおよびエッジ検出器に関する。さらに詳しくは、太陽光発電に使用する太陽電池アレイや太陽熱発電に使用する集光ミラーなどの表面を自走して掃除等の作業を行う作業ロボットおよび、かかる作業ロボットに設けられるエッジ検出器に関する。

近年、再生可能エネルギを利用した発電の要求が高まっており、とくに太陽光を利用した太陽光発電や太陽熱発電には大きな注目が集まっている。
例えば、太陽光発電設備には、一般住宅に設けられる３〜４キロワット程度の発電容量の設備から、商業用の１メガワットを超える発電容量を有する大規模な発電設備まである。また、太陽熱発電設備においても、１メガワットを超える発電容量を有する大規模な設備が多く、火力発電や原子力発電の代替発電施設として期待されている。

一方、太陽光発電や太陽熱発電などの太陽光を利用した発電では、太陽からの日射光を受けて発電する。このため、太陽電池アレイ(つまり太陽電池モジュール)や集光ミラーの受光面が汚れると、汚れの程度に応じて、太陽光発電においては太陽電池モジュールの受光面を構成するカバーガラスの光透過率が低下することによって、発電される電力量が減少する。また、太陽熱発電においては、集光ミラーの反射率が低下することによって、発電される電力量が減少する。つまり、太陽光発電や太陽熱発電では、太陽電池モジュールや集光ミラーの受光面が汚れていると、発電性能が大幅に低下する。
このため、太陽電池アレイ等の受光面の汚れを除去するために、太陽電池アレイ等を適宜掃除することが重要になる。

一般住宅に設けられている設備であれば、定期的に人が掃除することも可能である。一方、大規模な太陽光発電設備の場合、その表面積は非常に大きくなるため、人が掃除して太陽電池アレイ表面の汚れを除去することは実質的に困難である。例えば、１メガワットの太陽光発電設備の場合、１枚あたり１００ワットの発電出力の太陽電池モジュールから構成されているとする。この場合、太陽光発電設備全体では、太陽電池モジュールは１万枚に及ぶ。１枚の太陽電池モジュールの面積が１平方メートルの場合、掃除すべき面積は１万平方メートルに達する。そして、太陽光発電設備の場合、複数枚の太陽電池モジュールを１セットとする太陽電池アレイが複数設けられるのであるが、この太陽電池アレイの面積は、現場の種々の条件によって異なるが、概ね５０平方メートルから１０００平方メートルになる。したがって、大規模な太陽光発電設備では、自動または遠隔操作で太陽電池アレイ等の表面を走行させることができる作業ロボットが有効な掃除手段になる。

ところで、自走式掃除ロボットとして、最近では、建物の床などを自動で掃除するものが種々開発されており（例えば特許文献１）、かかる自走式掃除ロボットを、太陽電池アレイ等を掃除するためのロボットとして採用することも考えられる。

しかるに、特許文献１の自走式掃除ロボットは、建物の床などのように屋内での掃除を行うものである。床の端縁は壁などによって仕切られており、自走式掃除ロボットは壁などの障害物に接触するなどの方法で障害物を検出して、床などの掃除する領域を判断している。しかし、太陽電池アレイ等の表面等の場合、その表面の境界に障害物などは存在しないので、境界を判断することができない。そして、境界を判断できなければ、自走式掃除ロボットは表面等から落下して損傷してしまう可能性がある。

そこで、エッジ検出センサによってエッジの位置を検出し、自走式掃除ロボットが表面等から落下することを防止する技術も開発されている。例えば、特許文献２の技術では、エッジ検出センサとして光学的センサを使用している。かかる光学的センサは、表面等における光の反射を検出することによってエッジ検出を行っている。他にも種々の非接触センサがエッジ検出に使用されている。

特開２００４−１６６９６８号公報 ＷＯ２０１１／１１３５５５号公報

ところで、太陽電池アレイ等の表面等には、アレイ同士の間に溝が存在する場合がある。かかる溝は自走式掃除ロボットの障害になるので、その溝を検出することが必要になる。

従来、かかる溝は、特許文献２の技術のように光の反射を使用する方法以外では検出が難しかったが、その反面、光の反射を使用する方法には以下のような問題がある。

まず、自走式掃除ロボットが作業を行う表面等の色の影響を受けてしまうので、表面等の色によっては正確に光の反射を検出できない可能性がある。
また、表面等で反射した太陽光などの外乱光の影響を受けてしまう可能性がある。
そして、埃や砂などのように、光を反射する物体がセンサと表面等の間に入った場合には、物体での反射と表面等での反射とを区別できない。

上述したような問題は、屋外に設置される太陽光発電設備では避けることが困難な問題であり、かかる問題を解消できる、溝を検出できるエッジ検出センサを備えたロボットが求められている。

本発明は上記事情に鑑み、外乱があっても溝を精度よく検出できる作業ロボットおよび、かかる作業ロボットに設けられるエッジ検出器を提供することを目的とする。

第１発明の作業ロボットは、平面を有する構造物上を走行して該構造物の平面上で作業を行うロボットであって、構造物上を走行するための移動手段が設けられたロボット本体と、該ロボット本体の移動を制御する制御部と、平面の作業を行う作業部と、を備えており、前記制御部は、前記ロボット本体に設けられた、超音波の発信と受信が可能な複数の超音波送受信器を備えた前記平面の端縁および／または溝を検出するエッジ検出部を備えており、前記制御部は、超音波を発信する２つの超音波送受信器と、この２つの超音波送受信器よりも前記ロボット本体に対して外方に配置される超音波送受信器を受信部として選択し、該受信部として選択された超音波送受信器の受信部が受信する平面で反射した反射波の強度が強くなるように、２つの超音波送受信器から同一周波数であって位相の異なる超音波を発信するように制御していることを特徴とする。
第２発明の作業ロボットは、第１発明において、前記複数の超音波送受信器が、該作業ロボットの進行方向と交差する幅方向に沿って並ぶように配列されていることを特徴とする。
第３発明の作業ロボットは、第１発明において、前記複数の超音波送受信器が、該作業ロボットの進行方向に沿って並ぶように配列されていることを特徴とする。
第４発明の作業ロボットは、平面を有する構造物上を走行して該構造物の平面上で作業を行うロボットであって、構造物上を走行するための移動手段が設けられたロボット本体と、該ロボット本体の移動を制御する制御部と、平面の作業を行う作業部と、を備えており、前記制御部は、前記ロボット本体に設けられた、前記平面の端縁および／または溝を検出するエッジ検出部を備えており、該エッジ検出部は、同一周波数であって位相の異なる超音波を発信する２つの超音波発信器を有する発信部と、該発信部に対して前記ロボット本体に対して外方に位置するように配設され、該発信部が発信した超音波の平面における反射波を受信する超音波受信器を有する受信部と、を備えており、前記エッジ検出部から平面までの距離および前記受信部の超音波受信器の相対的な位置に基づいて、該受信部の超音波受信器が受信する平面で反射した反射波の強度が強くなるように、前記発信部の２つの超音波発信器が発信する超音波の位相を制御していることを特徴とする。
第５発明の作業ロボットは、第４発明において、前記発信部の２つの超音波発信器のうち、１つの超音波発信器が超音波を受信する機能を有しており、前記受信部の超音波受信器が超音波を発信する機能を有していることを特徴とする。
第６発明の作業ロボットは、第４または第５発明において、前記エッジ検出部は、前記受信部を複数備えており、該複数の受信部は、該複数の受信部と前記発信部の２つの超音波発信器とが一列に並ぶように配設されていることを特徴とする。
第７発明の作業ロボットは、第４、第５または第６発明において、前記エッジ検出部は、前記発信部を挟むように配設された前記受信部を備えており、前記発信部および前記受信部が、該作業ロボットの進行方向と交差する幅方向に沿って並ぶように配列されていることを特徴とする。
第８発明の作業ロボットは、第４、第５または第６発明において、前記エッジ検出部は、前記発信部を挟むように配設された前記受信部を備えており、前記発信部および前記受信部が、該作業ロボットの進行方向に沿って並ぶように配列されていることを特徴とする。
第９発明の作業ロボットは、第１乃至第８発明のいずれかにおいて、前記エッジ検出部は、前記構造物の平面までの距離を測定する距離測定機能を有していることを特徴とする。
（エッジ検出器）
第１０発明のエッジ検出器は、対象とする平面の欠陥を検出するエッジ検出器であって、超音波の発信と受信が可能な複数の超音波送受信器を備えており、前記複数の超音波送受信器のうち、２つの超音波送受信器から同一周波数であって位相の異なる超音波を発信する機能を有しており、超音波を発信する２つの超音波送受信器間に位置しない超音波送受信器を受信器として選択し、該受信器として選択された超音波送受信器が受信する平面で反射した反射波の強度が強くなるように、前記超音波を発信する２つの超音波送受信器が発信する超音波の位相を制御していることを特徴とする。
第１１発明のエッジ検出器は、第１０発明において、前記複数の超音波送受信器が一列に並んで配設されていることを特徴とする。
第１２発明のエッジ検出器は、対象とする平面の欠陥を検出するエッジ検出器であって、同一周波数であって位相の異なる超音波を発信し得る２つの超音波発信器を有する発信部と、該発信部が発信した超音波の平面における反射波を受信する、前記発信部の２つの超音波発信器間に位置しない超音波受信器を備えた受信部と、を備えており、該受信部の超音波受信器が受信する平面で反射した反射波の強度が強くなるように、前記発信部の２つの超音波発信器が発信する超音波の位相を制御していることを特徴とする。
第１３発明のエッジ検出器は、第１２発明において、前記発信部の２つの超音波発信器のうち、１つの超音波発信器が超音波を受信する機能を有しており、前記受信部の超音波受信器が超音波を発信する機能を有していることを特徴とする。
第１４発明のエッジ検出器は、第１２または第１３発明において、前記受信部を複数備えており、該複数の受信部は、該複数の受信部と前記発信部の２つの超音波発信器とが一列に並ぶように配設されていることを特徴とする。
第１５発明のエッジ検出器は、第１２、第１３または第１４発明において、前記発信部を挟むように配設された前記受信部を備えていることを特徴とする。
第１６発明のエッジ検出器は、第１０乃至第１５発明のいずれかにおいて、前記エッジ検出部は、対象とする平面までの距離を測定する距離測定機能を有していることを特徴とする。

（作業ロボット）
第１発明によれば、超音波送受信器が発した超音波が構造物の平面で反射した場合、その反射をいずれかの超音波送受信器で検出することができる。そして、２つの超音波送受信器から同一周波数であって異なる位相の超音波を発信すれば、超音波送受信器が受信する反射波の強度を強くできる。したがって、超音波送受信器が受信した信号を解析した際に、平面の端縁や溝などの検出精度を高くすることができる。しかも、超音波を発信する２つの超音波送受信器よりもロボット本体に対して外方に配置される受信部が平面で反射した強度の強い反射波を受信するように制御されているので、溝やエッジの検出漏れが生じることを防ぐことができる。
第２、第３発明によれば、平面の端縁や溝などを検出する精度を向上させることができる。
第４発明によれば、発信部の超音波発信器が発した超音波が構造物の平面で反射した場合、その反射を受信部の超音波受信器で検出することができる。そして、２つの超音波発信器から同一周波数であって異なる位相の超音波を発信すれば、超音波受信器が受信する反射波の強度を強くできる。したがって、超音波受信器が受信した信号を解析した際に、平面の端縁や溝などの検出精度を高くすることができる。しかも、超音波を発信する２つの超音波発信器よりもロボット本体に対して外方に配置される受信部が平面で反射した強度の強い反射波を受信するように制御されているので、ロボット本体の脱輪をより確実に防止することができる。
第５発明によれば、エッジ検出部を小型化できるので、装置をコンパクトにできる。
第６、第７、第８発明によれば、平面の端縁や溝などを検出する精度を向上させることができる。
第９発明によれば、超音波発信器から発信する超音波を、対象平面に適したものとすることができるので、平面の端縁や溝などの検出精度を高くすることができる。
（エッジ検出器）
第１０発明によれば、超音波送受信器から発信する超音波を対象とする平面に照射した際に、対象とする平面で反射した反射波を超音波送受信器で検出することができる。そして、２つの超音波送受信器から同一周波数であって異なる位相の超音波を発信すれば、超音波送受信器で受信する反射波の強度を強くできる。したがって、超音波送受信器が受信した信号を解析した際に、対象とする平面の端縁や溝などの検出精度を高くすることができる。
第１１発明によれば、平面の端縁や溝などを検出する精度を向上させることができる。
第１２発明によれば、発信部の超音波発信器から発信する超音波を構造物に照射した際に、構造物で反射した反射波を受信部の超音波受信器で検出することができる。そして、２つの超音波発信器から同一周波数であって異なる位相の超音波を発信すれば、超音波受信器が受信する反射波の強度を強くできる。したがって、超音波受信器が受信した信号を解析した際に、平面の端縁や溝などの検出精度を高くすることができる。
第１３発明によれば、エッジ検出部を小型化できるので、装置をコンパクトにできる。
第１４、第１５発明によれば、平面の端縁や溝などを検出する精度を向上させることができる。
第１６発明によれば、超音波発信器から発信する超音波を溝などの端縁を検出する対象物に適したものとすることができるので、対象物の平面の端縁や溝などを検出する精度を高くすることができる。

（Ａ）は本実施形態の作業ロボット１の概略平面図であり、（Ｂ）はエッジ検出部３１の概略説明図である。 （Ａ）はエッジ検出部３１による溝検出の説明図であり、（Ｂ）は一対の受信部３１ｂを備えたエッジ検出部３１の概略説明図である。 エッジ検出部３１を備えた、掃除作業を行う本実施形態の作業ロボット１の概略説明図である。 エッジ検出部３１を備えた、掃除作業を行う本実施形態の作業ロボット１の概略正面図である。 一対の超音波送受信器ｓ１、ｓ２を有する発信部３１ａを備えたエッジ検出部３１による溝検出の説明図である。 一対の超音波送受信器ｓ１、ｓ２を有する発信部３１ａを備えたエッジ検出部３１を備えた作業ロボット１の概略平面図である。 一対の超音波送受信器ｓ１、ｓ２を有する発信部３１ａと超音波送受信器ｒ１を有する受信部３１ｂを備えたエッジ検出部３１による溝検出の説明図である。 複数の受信部３１ｂを有するエッジ検出部３１の概略説明図である。 本実施形態の作業ロボット１が掃除などの作業を行う構造物ＳＰの概略説明図である。

本発明の作業ロボットは、平面状に形成された部分において作業をするロボットであって、平面状の部分を移動ながら作業を効率良く行うことができるようにしたことに特徴を有している。

なお、本明細書における平面とは、ある程度の曲率を有する面も含む概念である。例えば、作業ロボットの移動手段の接地点間の距離（例えばホイルベースやトレッド等）に比べて曲率半径が十分に大きい面等のように、作業ロボットの走行に影響を与えない程度の曲率を有する曲面も含む概念である。

本発明の作業ロボットが実施する作業はとくに限定されない。例えば、作業ロボットが走行する平面の掃除やその平面の欠陥検査、表面形状や部材の厚さ測定、温度の測定、表面粗さの測定、表面における光反射率や光沢度の測定、その他の物理量の測定が本発明の作業ロボットが実施する作業に該当する。また、収集や観察、表面の付着物や塗装等の剥離、塗装及びその前の下地処理、コーティング作業も本発明の作業ロボットが実施する作業に該当する。さらに、フィルム等の貼付、研磨、マーキング、情報提示によるコミュニケーション等も本発明の作業ロボットが実施する作業として挙げることができる。

（構造物ＳＰの対象平面ＳＦ）
まず、作業ロボット１を説明する前に、本実施形態の作業ロボット１が掃除等の作業を実施する構造物ＳＰおよび、掃除する対象となる平面（対象平面ＳＦ）について簡単に説明する。

図９に示すように、本実施形態の作業ロボット１によって掃除等の作業を実施する構造物ＳＰは、例えば、大規模な太陽光発電設備の太陽電池アレイや、太陽熱発電施設における集光ミラー、太陽熱温水器などである。これらの構造物ＳＰでは、アレイ間に溝が存在する場合がある。このような溝を有する対象平面ＳＦを走行した場合、溝に車輪などがはまってしまい、走行ができなくなる可能性がある。本実施形態の作業ロボット１は、このような溝を有する構造物ＳＰの対象平面ＳＦを掃除等の作業を行う対象とする。

つまり、本実施形態の自走式掃除ロボット１は、複数の平面から構成され、各平面間に隙間などを有する対象平面ＳＦの掃除に適している。例えば、大規模な太陽光発電設備の太陽電池アレイであれば、複数の太陽電池モジュールを並べて対象平面ＳＦが形成されているが、隣接する太陽電池モジュール間にはある程度の隙間を有している。また、太陽熱発電施設における集光ミラーでも、複数のミラーを並べて対象平面ＳＦが形成されているが、ミラー間にはある程度の隙間を有している。このような対象平面ＳＦ、つまり、複数の平面間に隙間を有するような対象平面ＳＦの掃除に本実施形態の自走式掃除ロボット１は適している。

なお、本実施形態の作業ロボット１における掃除等の作業を行う構造物ＳＰおよび対象平面ＳＦは、太陽光発電設備の太陽電池アレイや、太陽熱発電施設における集光ミラー、太陽熱温水器などに限定されない。上述したような対象平面ＳＦを有する構造物ＳＰであれば、掃除等の作業を行うことが可能である。

以下では、作業ロボットによって、太陽電池アレイや、太陽熱発電施設における集光ミラー、太陽熱温水器などの構造物ＳＰの表面(つまり上記各受光面、以下、対象平面ＳＦという)を掃除する場合を説明する。

なお、作業ロボット１が掃除以外の作業を実施する場合には、後述する一対の掃除部１０，１０（または一方の掃除部１０）が設けられている位置に、作業用の装置やセンサ、器具などが設けられる。例えば、本発明の自走式ロボットが実施する作業が平面の欠陥検査、表面形状や部材の厚さ測定、温度の測定、表面粗さの測定、表面における光反射率や光沢度の測定、その他の物理量の測定の場合には、各測定に使用される種々のセンサが設けられる。また、本発明の自走式ロボットが実施する作業がコーティング作業や塗装作業の場合には、スプレーノズル等の器具が設けられる。さらに、表面の付着物や塗装等の剥離処理や研磨処理、コーティング等の前の下地処理であれば、ショットブラストや回転式や振動式の研磨装置が設けられる。本発明の自走式ロボットがフィルム等の貼付を行う場合にはローラ等が設けられる。本発明の自走式ロボットによって情報提示によるコミュニケーション等を行う場合には、ディスプレイやＬＥＤ、スピーカー等が設けられる。

（作業ロボット１）
つぎに、本実施形態の作業ロボット１を説明する。
本実施形態の作業ロボット１は、構造物ＳＰの対象平面ＳＦ上を自走して構造物ＳＰの対象平面ＳＦにおける掃除等の作業を行うものである。

図３および図４に示すように、作業ロボット１は、構造物ＳＰの対象平面ＳＦ(図９参照)上を走行するための移動手段４を備えたロボット本体部２と、このロボット本体部２に設けられた一対の掃除部１０，１０と、移動手段４や一対の掃除部１０，１０の作動を制御する制御部３０と、を備えている。

（一対の掃除部１０，１０）
図３および図４に示すように、一対の掃除部１０，１０は、ロボット本体部２の前後にそれぞれ設けられている。この掃除部１０は、回転するブラシ１２を備えており、このブラシ１２を回転させることによって、平面ＳＦ上を掃いて掃除することができるようになっている。

なお、掃除部１０の構造、つまり、掃除部１０がどのように構造物ＳＰの対象平面ＳＦ上を掃除するかは、とくに限定されない。例えば、ブラシ１２として、回転軸に刷毛が設けられたものだけでなく、回転軸の表面に板状のブレードが立設されたもの、回転軸の表面全面または一部がスポンジ状の部材によって覆われたものや回転軸の表面全面または一部に布を取り付けたもの等を使用してもよい。また、ブラシ１２に代えて散水装置(スプレーノズル等)とワイパーブレード(スクイジー)を設けて掃除部１０としてもよい。また、ブラシ１２に代えてまたはブラシ１２に加えてバキュームクリーナー(吸引式掃除機)を設けて掃除部１０としてもよい。さらに、気体を噴き出すエアノズルを設けて掃除部１０としてもよい。

また、ロボット本体部２の前後に一対の掃除部１０，１０を設けた場合を説明したが、掃除部１０は、ロボット本体部２の前方だけまたは後方だけに設けてもよい。

さらに、掃除部１０を設ける位置はとくに限定されず、ロボット本体部２の下面や対象平面ＳＦと対向する位置に設けてもよい。

（移動手段４）
図３および図４に示すように、ロボット本体部２には、移動手段４が設けられている。この移動手段４は、ロボット本体部２を前後方向に移動させたり旋回移動させたりすることができるように設けられている。例えば、図３および図４に示すように、移動手段４を、一対の側方駆動輪４ａ,４ａと、一つの中間駆動輪４ｂによって構成してもよい。この場合、一対の側方駆動輪４ａ,４ａと中間駆動輪４ｂとによって、平面視で三角形を形成するように配置すれば、作業ロボット１を対象平面ＳＦ上に安定した状態で配置することができる。この場合、移動手段４の全ての駆動輪４ａ，４ｂにそれぞれ駆動モータを設け、各駆動モータが独立して各駆動輪４ａ，４ｂを駆動させることができるようになっていることが望ましい。すると、制御部３０によって各駆動モータの作動状態を制御すれば、作業ロボット１を直線的に移動させたり、旋回移動させたりすることができる。とくに、中間駆動輪４ｂにオムニホイール(全方向移動車輪)を採用すれば、作業ロボット１の旋回移動等がスムースになり、また、作業ロボット１の移動の自由度を高めることができる。

なお、移動手段４は上記のごとき構成に限られず、作業ロボット１を直線的に移動させたり、旋回移動させたりすることができるように構成されていればよい。例えば、中間駆動輪４ｂであるオムニホイールを駆動輪とせず、一対の駆動輪４a,４ａだけを駆動輪としてもよい。

また、オムニホイールに代えて、中間駆動輪４ｂに受動車輪(キャスター)を採用してもよい。この場合でも、一対の駆動輪４a,４ａの回転数を調整すれば、作業ロボット１の移動方向を自在に変更することができる。

さらに、乗用車等の車両と同様の構造としてもよい。例えば図６に示すように、車輪４ｃを４輪設けて、その前方(または後方)の２輪を操舵輪として他の車輪を駆動輪としたり、４輪駆動や４輪操舵としたりしてもよい。

また、移動手段４は、車輪に代えてクローラを設けてもよい。この場合、ロボット本体部２の中心（重心）を挟むように一対のクローラを設ければ、一対のクローラを駆動する駆動モータの作動を制御することによって、作業ロボット１を直線的に移動させたり、旋回移動させたりすることができる。

（制御部３０）
制御部３０は、移動手段４の作動を制御して、作業ロボット１の移動を制御する機能を有している。例えば、上述したように、各駆動輪４に駆動モータが設けられている場合には、各駆動輪４に設けられている駆動モータの作動を制御して、ロボット本体２の移動方向や移動速度、つまり、作業ロボット１の移動方向や移動速度を制御するものである。例えば、全ての駆動輪４による移動速度(具体的には、回転数(回転速度)×駆動輪の周長)が同じとなるように各駆動モータ４ｍを作動させた場合には作業ロボット１を直進移動させることができる。一方、一対の側方駆動輪４ａ,４ａ間で移動速度の差が生じるように各駆動モータ４ｍを作動させた場合には作業ロボット１を旋回するように移動させることができる。

本実施形態の作業ロボット１は、以上のような構成を有しているので、作業ロボット１を構造物ＳＰの対象平面ＳＦ上に載せれば、作業ロボット１によって構造物ＳＰの対象平面ＳＦを掃除することができる（図９参照）。つまり、移動手段４によって作業ロボット１に対象平面ＳＦ上を移動させることができるので、一対の掃除部１０，１０によって対象平面ＳＦを掃除することができるのである。

（エッジ検出）
図１、図３、図４に示すように、作業ロボット１は、対象平面ＳＦのエッジ（端縁）や溝を検出する複数のエッジ検出部３１を備えている。そして、エッジ検出部３１が検出した信号に基づいて、制御部３０が移動手段４の作動を制御して、作業ロボット１が対象平面ＳＦのエッジから落下したり、溝にはまったりすることを防止している。
なお、以下では、構成を分かりやすくするために、構造を簡素化した図１に基づいて説明する。

図１および図２に示すように、エッジ検出部３１は、一対の掃除部１０，１０の側端縁近傍に設けられている。このエッジ検出部３１は、図１および図２に示すように、発信部３１ａと受信部３１ｂとを、備えている。

受信部３１ｂは、発信部３１ａから発信された超音波のうち、対象平面ＳＦで反射された反射波を検出するものである（図１（Ｂ）参照）。この受信部３１ｂは、超音波を受信する超音波受信器ｒを備えており、超音波受信器ｒが受信した反射波に対応する信号を制御部３０に送信するようになっている。制御部３０は、受信したタイミングや強度、周波数等に基づいて、発信部３１ａから発信された信号であるか否か、また、対象平面ＳＦに溝などが無いかを推定する機能を有している。なお、この受信部３１ｂの超音波受信器ｒには、超音波を受信できる公知のセンサを使用することができる。

つぎに、発信部３１ａは、対象表面ＳＦに向かって発信できる超音波発信器ｓを２つ備えている。この２つの超音波発信器ｓ,ｓは、実質的に同じ構造を有しており、同じ周波数の超音波を発信できる機能を有している。

この２つの超音波発信器ｓ,ｓは、制御部３０によって、発信する超音波の位相が調整されている。具体的には、そして、制御部３０は、種々の情報に基づいて、発信部３１ａの２つの超音波発信器ｓ,ｓから発信する超音波の位相を調整している。より詳しく説明すると、２つの超音波発信器ｓ,ｓが発信する超音波が対象平面ＳＦ上で反射された反射波を受信部３１ｂの超音波受信器ｒが受信するが、制御部３０は、受信する反射波の強度が強くなるように（言い換えれば、受信部３１ｂの超音波受信器ｒにおいて最も効率よく超音波を受信できるように）、２つの超音波発信器ｓ,ｓが発信する超音波を制御している。

具体的には、制御部３０は、以下の状態となるように、２つの超音波発信器ｓ,ｓから発信する超音波を調整している。

まず、制御部３０には、発信部３１ａの２つの超音波発信器ｓ,ｓと受信部３１ｂの超音波受信器ｒの相対的な位置と、発信部３１ａの２つの超音波発信器ｓ,ｓおよび受信部３１ｂの超音波受信器ｒから対象表面ＳＦまでの距離（通常の距離）などが記憶されている。通常の距離とは、作業ロボット１を平坦な対象表面ＳＦに載せた状態における発信部３１ａの２つの超音波発信器ｓ,ｓおよび受信部３１ｂの超音波受信器ｒから対象表面ＳＦまでの距離を意味している。

図１（Ｂ）に示すように、２つの超音波発信器ｓ,ｓが同じ周波数の超音波を発信すると、発信する超音波同士が干渉して振幅が大きくなるライン（干渉ラインＬ）が形成される。この干渉ラインＬが形成される位置は、２つの超音波発信器ｓ,ｓの位相のズレに応じて変化する。ここで、干渉ラインＬと対象平面ＳＦを交点Ｐとして、この交点Ｐを通り対象平面ＳＦと直交するラインを対象線ＣＬとする。すると、対象線ＣＬに対して干渉ラインＬと対称な反射ラインＲＬも振幅が大きくなるラインとなる。したがって、反射ラインＲＬが受信部３１ｂの超音波受信器ｒを通過するように２つの超音波発信器ｓ,ｓが発信する超音波の位相を制御すれば、受信部３１ｂの超音波受信器ｒが受信する反射波の強度を強くすることができる。

以上のごとき構成であるので、作業ロボット１が対象平面ＳＦ上を作業しながら走行している際に、２つの超音波発信器ｓ，ｓから超音波を発信すれば、上述した交点Ｐに溝などが無ければ、超音波は対象平面ＳＦで反射して受信部３１ｂの超音波受信器ｒに受信される（図１（Ｂ）参照）。すると、制御部３０は、溝などが無いと判断することができる。

一方、上述した交点Ｐとなるべき部分に溝などがある場合には、超音波は対象平面ＳＦで反射しないので、受信部３１ｂは超音波を受信できない（図２（Ａ）参照）。すると、制御部３０は、対象平面ＳＦに溝などがある、または、エッジである、と判断をすることができる。

ここで、超音波は、本来、広がりがある状態で伝播するため、溝などがあっても、その近傍の平面で反射が生じ、その反射を受信部３１ｂが検出してしまう可能性がある。

しかし、本願のエッジ検出部３１では、２つの超音波発信器ｓ，ｓから超音波を発信しており、しかも、上述したように２つの超音波発信器ｓ，ｓが発信する超音波の位相を調整している。このため、溝の周辺（交点Ｐとなるべき部分の周辺）からの反射波を受信しても、その強度は、交点Ｐとなるべき部分において超音波が反射する場合に比べて、大幅に弱くなる。

したがって、制御部３０は、反射波が交点Ｐとなるべき部分以外の場所で反射した超音波であると認識できるので、対象平面ＳＦにおいて交点Ｐとなるべき部分には溝がある、または、エッジが存在する、との判断をすることができる。つまり、溝やエッジの検出漏れが生じることを防ぐことができる。

（発信部３１ａの超音波発信器ｓ）
発信部３１ａの２つの超音波発信器ｓを配設する際に、両者の間隔はできるだけ狭い方が望ましい。すると、受信部３１ｂの超音波受信器ｒが受信する反射波の強度を強くしやすくなるので、溝などの検出精度を高くすることができる。なぜなら、超音波発信器ｓから発信される超音波は、超音波発信器ｓの中心上で最も強く、中心から離れるほど弱くなるからである。したがって、２つの超音波発信器ｓを近づけて設置しておけば、受信部３１ｂの超音波受信器ｒが受信する反射波が強くなる領域を広くできるので、受信部３１ｂの超音波受信器ｒ等のレイアウトの自由度が高くなるし、幅の狭い溝でも検出しやすくなる。

（複数の受信部３１ｂ）
エッジ検出部３１は、受信部３１ｂを複数の設けてもよい（図２（Ｂ））。その場合には、２つの超音波発信器ｓ,ｓを制御して、各受信部３１ｂの超音波受信器ｒに適した位相の超音波を発信させれば、溝の幅が狭い場合でも、その検出精度を向上することができる。

例えば、２つの超音波発信器ｓ,ｓから、各受信部３１ｂの超音波受信器ｒに適した位相の超音波を交互に発信すれば、各受信部３１ｂの超音波受信器ｒに適した反射位置の間隔よりも広い溝であれば確実に検出することが可能となる。「各受信部３１ｂの超音波受信器ｒに適した位相の超音波」とは、上述したように反射ラインＲＬが受信部３１ｂの超音波受信器ｒを通過する超音波を意味している。また、「各受信部３１ｂの超音波受信器ｒに適した反射位置」とは、反射ラインＲＬが受信部３１ｂの超音波受信器ｒを通過する交点Ｐの位置を意味している。

この場合、作業ロボット１の進行方向に沿って伸びる溝を検出する場合には、発信部３１ａおよび２つの受信部３１ｂ，３１ｂは作業ロボット１の進行方向と交差する幅方向に沿って配列することが望ましい。かかる配置とすれば、作業ロボット１の進行方向に並行延びる溝の幅が狭くても、溝を精度よく検出することができる。

また、作業ロボット１の進行方向と交差する溝を検出する場合には、発信部３１ａおよび２つの受信部３１ｂ，３１ｂは作業ロボット１の進行方向に沿って配列することが望ましい。かかる配置とすれば、進行方向と交差する溝の幅が狭くても、溝を精度よく検出することができる。

さらに、発信部３１ａおよび２つの受信部３１ｂ，３１ｂは、作業ロボット１の進行方向に対して斜めに配置してもよい。この場合、作業ロボット１の進行方向と交差する溝と作業ロボット１の進行方向に沿って伸びる溝の両方を一つのエッジ検出部３１で検出することも可能になる。

また、受信部３１ｂを設ける数はとくに限定されず、上記のように、１つでも２つでもよい。しかし、受信部３１ｂの数を多くすれば、溝などの検出漏れを防止することができる。例えば、発信部３１ａの２つの超音波発信器ｓ，ｓと複数の受信部３１ｂが一列に並ぶように設ける。すると、発信部３１ａの２つの超音波発信器ｓ，ｓと複数の受信部３１ｂが一列に並ぶ方向（以下では単に配列方向という）と交差する溝等の溝などの検出漏れを防止することができる。

上述したように、エッジ検出部３１では、上述した交点Ｐの位置における溝などを検出することができる。一方、２つの超音波発信器ｓ，ｓから発信する超音波の位相を変化させれば、配列方向に沿って上述した交点Ｐが変化する。つまり、２つの超音波発信器ｓ，ｓから発信する超音波の位相を変化させれば、溝等を検出する位置を変化させることができる。したがって、受信部３１ｂを多く設ければ、多数の異なる交点Ｐで反射した反射波を効率よく検出できるので、配列方向において溝を検出できる可能性が高くなる。とくに、受信部３１ｂを多く設けて、２つの超音波発信器ｓ，ｓから発信する超音波の位相を連続的に変化させれば、配列方向に沿って連続的に溝の有無を調査できるので、配列方向において溝を検出できる可能性が高くなり、溝などの検出漏れを防止することができる。

発信部３１ａの２つの超音波発信器ｓ，ｓと複数の受信部３１ｂとを一列に並ぶように設ける場合、発信部３１ａの２つの超音波発信器ｓ，ｓと複数の受信部３１ｂの相対的な位置はとくに限定されない。例えば、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、２つの超音波発信器ｓ，ｓの内側、外側に複数の受信部３１ｂを配置してもよい。また、図８（Ｃ）に示すように、２つの超音波発信器ｓ，ｓを挟む両側にそれぞれ受信部３１ｂを配置してもよい。さらに、図８（Ｄ）に示すように、２つの超音波発信器ｓ，ｓを挟む両側および、２つの超音波発信器ｓ，ｓの間にそれぞれ受信部３１ｂを配置してもよい。

（距離測定機能）
また、エッジ検出部３１は、対象平面ＳＦまでの距離を測定する距離測定機能を有していてもよい。かかる距離測定機能を設けておけば、対象平面ＳＦやその状態が変化しても、２つの超音波発信器ｓから発信する超音波の状態を適切な状態に調整できる。したがって、対象平面ＳＦやその状態が変化しても、溝などの検出精度を高く維持することができる。

例えば、新しい対象平面ＳＦで作業をする際に、まず、距離測定機能によって、エッジ検出部３１から対象平面ＳＦまでの距離を測定するようにすれば、新しい対象平面ＳＦでも適切に溝などを検出することができる。また、作業ロボット１が対象平面ＳＦ上を移動している間でも、距離測定機能によって適宜距離を測定すれば、溝などの検出精度を高く維持することができる。

（超音波発信器ｓと超音波受信器ｓを共通化する場合）
上記例では、超音波を発信する超音波発信器ｓと、超音波を受信する超音波受信器ｒをそれぞれ別々に設けた場合を説明した。しかし、超音波発信器ｓや超音波受信器ｒとして、超音波の発信と受信の両方の機能を有するもの、つまり、超音波送受信器を使用してもよい。この場合、発信部３１ａの超音波発信器ｓに代えて超音波送受信器を使用すれば、超音波送受信器を超音波発信器として機能させることができるし、受信部３１ｂの超音波受信器ｒに代えて超音波送受信器を使用すれば、超音波送受信器を超音波受信器や超音波発信器として機能させることもできる。

例えば、図７に示すように、発信部３１ａが２つの超音波送受信器ｓ１,ｓ２を有し、受信部３１ｂが一つの超音波送受信器ｒ１を有するとする。すると、２つの超音波送受信器ｓ１,ｓ２から超音波を発信した場合には、受信部３１ｂの超音波送受信器ｒ１に対象平面ＳＦで反射した超音波を受信させることができる（図７（Ｂ））。一方、受信部３１ｂの超音波送受信器ｒ１と、この受信部３１ｂの超音波送受信器ｒ１と隣接する超音波送受信器ｓ２とから超音波を発信した場合には、超音波送受信器ｓ１に対象平面ＳＦで反射した超音波を受信させることができる（図７（Ａ））。すると、図２（Ｂ）に示した受信部３１ｂを２つ設ける場合と同様に、溝やエッジの検出漏れが生じることを防ぐことができる。しかも、図２（Ｂ）の構造よりも、超音波受信器ｒの数を少なくできるので、エッジ検出部３１を小型化できる。すると、エッジ検出部３１を設けた作業ロボット１も小型化できる。

発信部３１ａに２つの超音波送受信器ｓ１,ｓ２設けた場合には、受信部３１ｂを設けなくてもよい。つまり、２つの超音波送受信器ｓ１,ｓ２のいずれかについて、超音波発信器と超音波受信器の両方の機能を発揮させればよい（図５）。この場合でも、２つの超音波送受信器ｓ１,ｓ２から発信する超音波の位相を調整すれば、各超音波送受信器ｓ１,ｓ２をそれぞれ超音波受信器として機能させることができる。つまり、対象線ＣＬに対して干渉ラインＬと対称な反射ラインＲＬがいずれかの超音波送受信器ｓ１,ｓ２を通過するように超音波送受信器ｓ１,ｓ２から発信する超音波の位相を調整する。すると、超音波発信器ｓ１,ｓ２だけでも、溝やエッジを検出することができる（図５（Ａ）、（Ｂ））。

（エッジ検出器３１の用途）
エッジ検出器３１は、対象平面ＳＦ上を移動する作業ロボット１等に設ければ、上述したように作業ロボット１が溝などにはまったりすることを防止できるという利点がある。

しかし、エッジ検出器３１は、作業ロボット１以外に使用してもよく、その用途はとくに限定されない。例えば、建物などの構造物や道路等の表面に形成された溝やエッジを検出するセンサとして使用することができる。つまり、様々な装置や設備に取り付けて、対象とする構造物の表面に形成された溝などを検出するセンサとして使用できる。この場合、エッジ検出器３１の制御は、エッジ検出器３１が取り付けられる装置や設備の制御装置によって作動を制御してもよいし、エッジ検出器３１自体に制御部を設けて、検出した情報だけを外部に供給できるようにしてもよい。

（作業ロボット１の作動）
上述した作業ロボット１は、制御部３０によって移動手段４の作動や掃除等の作業を制御している。このため、制御部３０に記憶されたルート等を自動で走行するように作業ロボット１の作動が制御されていれば、ほぼ自動で対象平面ＳＦ上を移動させながら掃除等の作業を実施させることができる。

一方、作業ロボット１は、外部から作業者が操作してその走行や掃除等の作業を制御するようにしてもよい。例えば、無線や赤外線等を利用した無線通信を利用して、作業ロボット１を遠隔操作するようにしてもよい。つまり、無線通信用コントローラを作業者が操作して作業ロボット１を遠隔操作するようにしてもよい。また、作業ロボット１と信号線等によって接続されたコントローラを用いて、作業者が作業ロボット１を操作するようにしてもよい。無線通信用のコントローラや信号線で接続されたコントローラを用いて作業者が作業ロボット１を操作するようにすれば、作業者が掃除等の作業状況を確認しながら作業を実施できる。すると、周囲の状況の変化等に合わせて、作業ロボット１に適切な作業を実施させることができる。

このように、作業者が作業ロボット１の作動を制御する場合でも、上述したようなエッジ検出機能や後述するような脱輪防止機能を有していることが望ましい。かかる機能を有していれば、作業者の操作ミスがあっても、作業ロボット１を適切に走行させて作業を実施できる。また、作業者の操作ミスがあっても、作業ロボット１が対象平面ＳＦから落下することを防止することができる。

作業ロボット１は、作業者による操作と自動走行（作業）の両方を併用したものでもよい。つまり、通常は自動（つまり制御部３０のみの制御）で作業や走行をしているが、コントローラなどから作業者による操作が入力されると、自動走行（作業）の状態から作業者の操作による作動に切り替わるようにしてもよい。この場合、コントローラ等からの入力が一定以上ない場合には、自動走行（作業）の状態に切り替わるようにしておく。すると、作業者の操作ミスや自動走行（作業）の状態への切り替えを忘れても、作業を継続して実施できるので好ましい。

本発明の作業ロボットは、大規模な太陽光発電施設の太陽電池アレイや、太陽熱発電施設の集光ミラー、太陽熱温水器における受光面などの平面の掃除やその平面の欠陥検査、表面形状や部材の厚さ測定、温度の測定、表面粗さの測定、表面における光反射率や光沢度の測定、その他の物理量の測定、収集や観察、表面の付着物や塗装等の剥離、塗装及びその前の下地処理、コーティング作業、フィルム等の貼付、研磨、マーキング、情報提示によるコミュニケーション等に使用することができる。

１ 作業ロボット
２ ロボット本体部
４ 移動手段
１０ 掃除部
１２ ブラシ
３０ 制御部
３１ エッジ検出部
３１ａ 発信部
３１ｂ 受信部
ｓ 超音波発信器
ｒ 超音波受信器
ｓ１，ｓ２ 超音波送受信器
ｒ１ 超音波送受信器
ＳＰ 構造物
ＳＦ 対象平面

Claims (16)

1. 平面を有する構造物上を走行して該構造物の平面上で作業を行うロボットであって、
   構造物上を走行するための移動手段が設けられたロボット本体と、
   該ロボット本体の移動を制御する制御部と、
   平面の作業を行う作業部と、を備えており、
   前記制御部は、
   前記ロボット本体に設けられた、超音波の発信と受信が可能な複数の超音波送受信器を備えた前記平面の端縁および／または溝を検出するエッジ検出部を備えており、
   前記制御部は、
   超音波を発信する２つの超音波送受信器と、この２つの超音波送受信器よりも前記ロボット本体に対して外方に配置される超音波送受信器を受信部として選択し、
   該受信部として選択された超音波送受信器の受信部が受信する平面で反射した反射波の強度が強くなるように、２つの超音波送受信器から同一周波数であって位相の異なる超音波を発信するように制御している
   ことを特徴とする作業ロボット。
2. 前記複数の超音波送受信器が、該作業ロボットの進行方向と交差する幅方向に沿って並ぶように配列されている
   ことを特徴とする請求項１記載の作業ロボット。
3. 前記複数の超音波送受信器が、該作業ロボットの進行方向に沿って並ぶように配列されている
   ことを特徴とする請求項１記載の作業ロボット。
4. 平面を有する構造物上を走行して該構造物の平面上で作業を行うロボットであって、
   構造物上を走行するための移動手段が設けられたロボット本体と、
   該ロボット本体の移動を制御する制御部と、
   平面の作業を行う作業部と、を備えており、
   前記制御部は、
   前記ロボット本体に設けられた、前記平面の端縁および／または溝を検出するエッジ検出部を備えており、
   該エッジ検出部は、
   同一周波数であって位相の異なる超音波を発信する２つの超音波発信器を有する発信部と、
   該発信部に対して前記ロボット本体に対して外方に位置するように配設され、該発信部が発信した超音波の平面における反射波を受信する超音波受信器を有する受信部と、を備えており、
   前記エッジ検出部から平面までの距離および前記受信部の複数の超音波送受信器の相対的な位置に基づいて、該受信部の超音波受信器が受信する平面で反射した反射波の強度が強くなるように、前記発信部の２つの超音波発信器が発信する超音波の位相を制御している
   ことを特徴とする作業ロボット。
5. 前記発信部の２つの超音波発信器のうち、１つの超音波発信器が超音波を受信する機能を有しており、
   前記受信部の超音波受信器が超音波を発信する機能を有している
   ことを特徴とする請求項４記載の作業ロボット。
6. 前記エッジ検出部は、
   前記受信部を複数備えており、
   該複数の受信部は、
   該複数の受信部と前記発信部の２つの超音波発信器とが一列に並ぶように配設されている
   ことを特徴とする請求項４または５記載の作業ロボット。
7. 前記エッジ検出部は、
   前記発信部を挟むように配設された前記受信部を備えており、
   前記発信部および前記受信部が、
   該作業ロボットの進行方向と交差する幅方向に沿って並ぶように配列されている
   ことを特徴とする請求項４、５または６記載の作業ロボット。
8. 前記エッジ検出部は、
   前記発信部を挟むように配設されたた前記受信部を備えており、
   前記発信部および前記受信部が、
   該作業ロボットの進行方向に沿って並ぶように配列されている
   ことを特徴とする請求項４、５または６記載の作業ロボット。
9. 前記エッジ検出部は、
   前記構造物の平面までの距離を測定する距離測定機能を有している
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の作業ロボット。
10. 対象とする平面の欠陥を検出するエッジ検出器であって、
    超音波の発信と受信が可能な複数の超音波送受信器を備えており、
    前記複数の超音波送受信器のうち、２つの超音波送受信器から同一周波数であって位相の異なる超音波を発信する機能を有しており、
    超音波を発信する２つの超音波送受信器間に位置しない超音波送受信器を受信器として選択し、該受信器として選択された超音波送受信器が受信する平面で反射した反射波の強度が強くなるように、前記超音波を発信する２つの超音波送受信器が発信する超音波の位相を制御している
    ことを特徴とするエッジ検出器。
11. 前記複数の超音波送受信器が一列に並んで配設されている
    ことを特徴とする請求項１０記載のエッジ検出器。
12. 対象とする平面の欠陥を検出するエッジ検出器であって、
    同一周波数であって位相の異なる超音波を発信し得る２つの超音波発信器を有する発信部と、
    該発信部が発信した超音波の平面における反射波を受信する、前記発信部の２つの超音波発信器間に位置しない超音波受信器を有する受信部と、を備えており、
    該受信部の超音波受信器が受信する平面で反射した反射波の強度が強くなるように、前記発信部の２つの超音波発信器が発信する超音波の位相を制御している
    ことを特徴とするエッジ検出器。
13. 前記発信部の２つの超音波発信器のうち、１つの超音波発信器が超音波を受信する機能を有しており、
    前記受信部の超音波受信器が超音波を発信する機能を有している
    ことを特徴とする請求項１２記載のエッジ検出器。
14. 前記受信部を複数備えており、
    該複数の受信部は、
    該複数の受信部と前記発信部の２つの超音波発信器とが一列に並ぶように配設されている
    ことを特徴とする請求項１２または１３記載のエッジ検出器。
15. 前記発信部を挟むように配設された前記受信部を備えている
    ことを特徴とする請求項１２、１３または１４記載のエッジ検出器。
16. 前記エッジ検出部は、
    対象とする平面までの距離を測定する距離測定機能を有している
    ことを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれかに記載のエッジ検出器。

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