JPH10214114A - ロボットの自律走行方法および自律走行ロボットの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 領域の境界検出に基づき、ロボットの走行軌
跡が領域内を効率よく塗りつぶすように走行できるよう
にする。 【解決手段】 領域Ａの任意の位置から、徐々に旋回半
径を大きくする渦巻きを開始し、超音波センサで壁面Ｂ
を検出したならば渦巻きを停止する。そして壁面Ｂに対
して折返しと直進を繰り返し、シミュレーションで決定
した回数分を折返した後、最後に予定距離Ｄだけ直進し
た位置で再び渦巻き走行を実施する。こうして、渦巻き
−折返し−直進を繰り返すことによって領域Ａのほぼ全
域を効率的に、つまり短時間でロボットを走行させるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットの自律走
行方法および自律走行ロボットの制御装置に関し、特
に、与えられた領域を、できるだけ短時間でほぼ網羅的
に走行できるようにするロボットの自律走行方法および
自律走行ロボットの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】掃除ロボット、芝刈りロボット、左官ロ
ボット、および農業用散布ロボット等、与えられた領域
をくまなく自動走行して予め定められた作業をする移動
ロボットが知られている。例えば、特開平５−４６２４
６号公報に記載された掃除ロボットは、掃除に着手する
前に部屋内を周回し、部屋の大きさ、形状および障害物
を検出して走行領域つまり掃除領域のマッピングを行
う。そして、このマッピング動作によって得られた座標
に基づき、ジグザグ走行や周回走行の半径を一周毎に小
さくしていく螺旋走行を行って部屋全体を掃除する。こ
のロボットは、接触センサおよび超音波センサで壁面を
検知して進路を判定するとともに距離計によって周回の
終了を検出するように構成されている。同様に、床面を
余すことなく走行させるロボットは、特開平５−２５７
５３３号公報にも開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のロボットには、
次のような問題点がある。上述のように、従来のロボッ
トは多数のセンサを有し、該センサの出力に基づいて走
行領域の状況をすべて把握した上で、行うべき動作を決
定する。すなわち、前記センサで検出された情報は常時
中央制御装置に取り込まれ、この情報に基づいて精度よ
くロボットを走行させるために次に行うべき制御が判断
される。そして、この判断に基づいてモータ等の駆動系
アクチュエータが制御される。

【０００４】このように、多数のセンサの出力をすべて
中央制御装置に取り込んで処理をするとなると、制御シ
ステムが極めて複雑化するとともに、処理速度も遅くな
る。こうして処理に時間がかかるために、例えば、壁面
等の障害物を検出した後、この障害を回避する処置をと
るのが遅れるという問題点がある。さらに、マッピン
グ、ティーチング、および各種処理のためのしきい値の
設定等、初期設定に時間がかかったり、この初期設定に
熟練を要したりするという問題点があった。

【０００５】したがって、従来のロボットは、複雑で大
型化するだけでなく、高価にもなるため用途が限定され
る。例えば、工場内の搬送ロボットや大型の掃除ロボッ
ト等のごく限られた用途でしか実用化されていないのが
現状である。

【０００６】一方、ロボットの用途は、必ずしも対象領
域の全体を高精度で走行する必要がある場合だけでな
く、対象領域をほぼ網羅的に走行できれば、その走行方
向や走行コースが予定のコースにどれだけ正確であるか
は大きい問題とならない場合もある。例えば、掃除ロボ
ットでは、用途によっては対象領域全体にわたって未清
掃部分がなくなるように高い精度で走行させなくても、
ある程度未清掃部分があっても十分という場合も多い。
また、同様に、芝刈りロボットなどでは芝刈り跡がきれ
いに揃っている必要もあるが、単なる草刈りロボットと
してであれば、一定程度のできばえで刈り取られていれ
ばそれで十分な場合もある。

【０００７】本発明は、上記現状認識に基づき、より簡
単な構成で、与えられた領域をほぼ網羅的にロボットを
走行させることができるロボットの走行制御装置を提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決し、目
的を達成するための本発明は、センサによって領域の境
界を検出しつつ該領域内を走行する移動ロボットの自律
走行方法において、前記領域内の任意の位置から旋回走
行を開始してその旋回半径を徐々に大きくしていく渦巻
き走行を行い、前記境界を検出時の該境界までの距離が
予定距離以内であると判断したときに渦巻き走行を中止
して前記境界から遠ざかるように進行方向に対して予定
の折返し角度で折返して直進し、以後、次々に前記境界
を検出する毎に折返しおよび直進を繰り返し、予定の折
返し回数だけ折返した後、予定距離だけ直進した位置か
ら再び前記渦巻き走行をする点に第１の特徴がある。

【０００９】また、本発明は、前記渦巻き走行に移るま
での折返し回数および最終折返し後、渦巻き走行に移る
までの直進距離は、前記領域をほぼ網羅的に走行するの
に要する時間が極小になるようにシミュレーションモデ
ルにより決定したデータによる点に第２の特徴がある。
また、本発明は、前記折り返し角度が進行方向に対して
ほぼ１３５°である点に第３の特徴がある。

【００１０】また、本発明は、移動ロボットが、前記セ
ンサとして進行方向前方左右に少なくとも一対の障害物
センサを有するとともに、前記領域の境界が壁面で形成
され、前記移動ロボットは障害物センサで前記境界の壁
面を検出しつつ自律走行する点に第４の特徴がある。

【００１１】また、本発明は、右車輪および左車輪のそ
れぞれの回転方向および回転速度によって進行方向が決
定される自律走行ロボットの制御装置において、本体の
前方右側に設けられた右側障害物センサと、本体の前方
左側に設けられた左側障害物センサと、前記右側障害物
センサで検出された障害物までの距離、および前記左側
障害物センサで検出された障害物までの距離に対応し
て、走行パラメータをそれぞれ決定する手段と、前記決
定された少なくとも２つの走行パラメータのうち、前記
障害物を回避するための予定の優先度に基づいて選択し
た走行パラメータによって前記右車輪および左車輪の回
転方向および回転速度を決定する手段とを具備した点に
第５の特徴がある。また、本発明は、前記走行パラメー
タは少なくともロボットの走行速度を含み、前記障害物
センサで検出された障害物までの距離が短くなるのに相
応して前記走行速度が段階的に小さく設定されるように
構成した点に第６の特徴がある。

【００１２】第１ないし第３の特徴によれば、領域内で
繰り返される渦巻き走行によって領域内のほぼ全域を網
羅するように効率的にロボットを走行させられる。特
に、第２の特徴によれば、シミュレーションの結果によ
って最大の効率を追及して決定された折返し回数と折返
し後の最後の直進距離によって、効率を考慮した最適の
位置から次の渦巻き走行が開始される。

【００１３】また、第４ないし第６の特徴によれば、ロ
ボットの進行方向右側と左側とに設けられたセンサによ
って検出された障害物までの距離に基づいてロボットの
走行が制御され、特に、第５の特徴によれば、ロボット
の進行方向右側と左側とに設けられたセンサによって検
出された障害物までの距離に基づいて走行のためのパラ
メータが左右独自に決定され、そのいずれによって車輪
の速度等は障害物を回避するのに適したように、優先度
に基づいて決定される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明を
詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る制御
装置を含む移動ロボットの概略構成を示す模式図であ
る。同図において、ロボット１は、本体２の両側にそれ
ぞれ配置された無限軌道付の車輪３，４によって前進、
後退、停止および旋回の各動作を行えるように構成され
ている。各車輪には図示しないモータが個別に結合され
ている。前記旋回には、左右の車輪３，４の一方を停止
させ、片方のみを回転させて行う信地旋回と、両方の車
輪３，４を互いに逆転させて行う信地旋回（本願では特
に「超信地旋回」という）とが含まれる。本体２の前方
に設けられたバンパー５には障害物との接触を、圧力を
感知して検出する接触センサ（図示しない）が取り付け
られている。

【００１５】さらに、ロボット１には、障害物を非接触
で検知するための超音波センサが８個設けられている。
ロボット１の進行方向前方に設けられたセンサ６Ｒ，６
Ｌ、前方斜めに設けられたセンサ６ＭＲ，６ＭＬ、前方
下部に設けられたセンサ６ＤＲ，６ＤＬ、ならびに側方
に設けられたセンサ６ＳＲ，６ＳＬである。これらのセ
ンサは超音波センサからなるのが望ましいが、光学的セ
ンサ等の他の障害物センサを使用してもよい。センサ６
Ｒ，６ＳＲ，６ＭＲ，６ＤＲは走行方向に対して右側の
障害物を検出し、センサ６Ｌ，６ＳＬ，６ＭＬ，６ＤＬ
は走行方向に対して左側の障害物を検出する。そして、
右側のセンサ６Ｒ，６ＳＲ，６ＭＲ，６ＤＲの検出信号
に基づいて右側の車輪３の回転を制御し、左側のセンサ
６Ｌ，６ＳＬ，６ＭＬ，６ＤＬの検出信号に基づいて左
側の車輪４の回転を制御する。

【００１６】以下の説明では、センサ６Ｒ，６Ｌ，６Ｍ
Ｒ，６ＭＬ，６ＤＲ，６ＤＬ，６ＳＲ，６ＳＬを総括的
に呼称する場合は超音波センサ６という。前記センサ６
ＤＲ，６ＤＬ，６ＭＲ，６ＭＬはＥＣＵ１ａに、センサ
６ＳＲ，６ＳＬはＥＣＵ２ａに、センサ６Ｒ，６ＬはＥ
ＣＵ３ａにそれぞれ接続されている。各ＥＣＵはセンサ
６の駆動回路および該センサ６の信号の入出力を管理す
る電子回路装置であり、後述の制御装置７に接続されて
いる。

【００１７】上記障害物検知用センサに加えて、前記車
輪３，４の回転数を検出するためのセンサ（図示しな
い）が設けられる。この回転数検出センサは、具体的に
は、該車輪駆動用のモータに結合されるエンコーダで実
現でき、該エンコーダの出力パルスを回転数出力として
利用できる。

【００１８】次に、本実施形態に係る制御装置のハード
構成を図２のブロック図を参照して説明する。同図にお
いて、制御装置７はＣＰＵ８を具備し、超音波センサ６
は該超音波センサ６の入出力を管理する超音波センサ駆
動回路１６（ＥＣＵ１ａ，ＥＣＵ２ａ，ＥＣＵ３ａを含
む）を介してデジタル入力部９に接続される。デジタル
入力部９には、超音波センサ６のほか、前記バンパー５
に設けられた接触センサ５Ａ、および左右の車輪３，４
を駆動するモータの回転数センサ（エンコーダ）１０が
接続される。この構成により、デジタル入力部９を通じ
て超音波センサ６、接触センサ５Ａ、回転数センサ１０
の検出信号がＣＰＵ８に入力される。

【００１９】一方、ＣＰＵ８には、デジタル出力部１１
を介して右車輪用電磁ブレーキ１２、左車輪用電磁ブレ
ーキ１３、右車輪モータ（以下、「右モータ」という）
１４、および左車輪モータ（以下、「左モータ」とい
う）１５が接続されている。そして、ＣＰＵ８での処理
に基づく指示は該デジタル出力部１１を通じてそれぞれ
右車輪用電磁ブレーキ１２、左車輪用電磁ブレーキ１
３、右モータ１４、および左モータ１５等に入力され
る。デジタル出力部１１を通じて右モータ１４および左
モータ１５に供給されるのは回転方向の指示信号であ
る。また、右モータ１４および左モータ１５には、Ｄ／
Ａコンバータ１７を通じてＣＰＵ８から回転速度指示が
入力される。

【００２０】上記構成により、入力された超音波センサ
６および接触センサ５Ａ（以下、総括的には「センサ」
と呼ぶ）からの情報に基づき、ＣＰＵ８は右モータ１４
および左モータ１５等の駆動系の動作を決定する。当該
ロボットは上述のように前進、後退、停止、および旋回
の各動作を行うが、そのための制御機能はモジュールと
して個別にＣＰＵ８の機能で実現される。各センサから
の情報の入力処理や動作判断処理は常時動作している
が、超信地旋回、停止、後退の各制御モジュールは通常
はスリープ状態になっていて、直進制御のみが起動され
ている。なお、超信地旋回以外の旋回は直進制御モジュ
ールの機能に含まれる。

【００２１】ＣＰＵ８の動作判断部は、各センサからの
情報に基づいて予め定められた動作を条件反射的に行わ
せるように構成している。図３は動作判断部の処理系の
概要を示す模式図である。同図に示すように動作判断部
１８は各センサに対応して階層型に構成されており、該
動作判断部１８はセンサ６，５Ａの状態に応じた行動計
画を決定して実行要求を出力する。この実行要求に基づ
いて右車輪用電磁ブレーキ１２、左車輪用電磁ブレーキ
１３、右モータ１４および左モータ１５からなる駆動系
（アクチュエータ）１９が制御される。こうして、各セ
ンサからの情報に基づいて個別に決定された行動計画に
よる実行要求が積み重ねられ、ロボット全体の動作が決
定付けられている。

【００２２】本実施形態では、各センサの状態によって
決定された行動計画を直ちに実行するのではなく、予め
設定した緊急度に基づいて優先付けをし、緊急度の高い
行動計画を優先的に実行するようにした。図４は、本実
施形態で実施した動作判断の機能を示すブロック図であ
る。同図において、行動計画ＡＰ１，ＡＰ２，…，ＡＰ
ｎが決定された場合に、選択部２０は行動計画ＡＰ１〜
ＡＰｎのうち、壁面との衝突を回避する際に最も緊急度
の高い動作をする行動計画を選択する。本実施形態で
は、後退制御が起動されたときに最も緊急度が高い動作
として第１優先にした。続いて、超信地旋回制御を第２
優先にし、その後は、信地旋回、急旋回、緩旋回の順で
優先付けをした。信地旋回、急旋回、緩旋回は直進制御
の中に含まれ、左右の車輪３，４の速度差で区別され
る。この優先付けに基づいて、例えば、右方向へ旋回角
度θで中速で緩旋回するためには、右車輪３をＶ１ｒｐ
ｍで回転させ左車輪をＶ２ｒｐｍで回転させる（Ｖ２＞
Ｖ１）という行動計画が実行される。なお、上記行動計
画の優先付けは、超音波センサ６の検出結果に基づくも
のであり、前記接触センサによる障害物検出のときの停
止制御は含んでいない。

【００２３】上記行動計画による後退制御は、予め設定
された時間だけ後退する動作であり、たいていは、その
後、超信地旋回に移る。また、通常の走行状態である直
進では、左右のモータ１４，１５に同様の出力を与える
が、直進の精度を向上させるため、左右のモータ１４，
１５の回転数センサ１０からのパルス信号に基づいて、
両者が同一となるように補正を行ってもよい。

【００２４】なお、停止は、前記回転速度としてゼロの
指示をするとともに、右車輪用電磁ブレーキ１２、左車
輪用電磁ブレーキ１３を駆動させることによって行う。
さらに、停止制御では必要ならば回生ブレーキをきかせ
るような動作を指示してもよい。

【００２５】続いて、上述の各動作を組み合わせたロボ
ットの走行パターンを説明する。まず、ロボット１の基
本的な走行パターンであるランダム走行について説明す
る。図５において、境界または壁面Ｂで囲まれた領域Ａ
に置かれたロボット１は直進して壁面Ｂから予定距離以
内に入ると、一時停止して、後退・旋回という順序で折
返し動作をした後、再び直進して別の壁面Ｂに向かう。
このとき、壁面Ｂの近傍での折返し動作の角度つまり旋
回角度α（図５（ｂ）参照）は、折返し動作のつどラン
ダムに選択されて設定される。

【００２６】さらに、本発明者等は、ロボット１がなる
べく同じ場所を繰り返して走行しないようにしつつ、な
るべく領域内の多くを網羅的に走行できるようにする効
率（以下、「作業効率」という）の向上を図るためには
最適な旋回角度αがあることを、シミュレーションの結
果発見した。最適な旋回角度αは１３５°である。以
下、旋回角度αを１３５°にした走行パターンのことを
ファインチューニングランダム走行と呼ぶ。

【００２７】本発明者等は、ファインチューニングラン
ダム走行に加えて、渦巻き走行をさらに付加したとこ
ろ、作業効率の一層の向上が図られることを見出した。
すなわち、前記ファインチューニングランダム走行によ
る角度１３５°の旋回を予定回数繰り返した時点で、渦
巻きをするという走行パターンである。該渦巻きを含む
走行パターンを渦巻き走行と呼ぶ。

【００２８】続いて、渦巻き走行の走行パターンを詳細
に説明する。図６において、ロボット１を領域Ａ内に置
く。この領域Ａは壁面Ｂで囲まれた矩形の部屋を想定す
る。最初にロボット１を置く位置は任意である。図６
（ａ）のように、ロボット１は置かれた位置で渦巻き走
行を開始する。渦巻き走行は、旋回走行において徐々に
旋回半径を大きくする走行パターンであり、後で詳述す
るように、直進、超信地旋回、後退等とは別の動作判断
に基づいて制御される。ここでは、走行軌跡に隙間がで
きないように左右の車輪３，４の速度つまりモータ１
４，１５のそれぞれの回転速度を計算し、これらの速度
を更新して旋回半径を決定する。こうして、渦が拡大
し、超音波センサ６の出力によって検出された壁面Ｂと
の距離に基づいて、ロボット１が壁面Ｂに対して予定距
離以内に近付いたことが認識されると、渦巻き走行を停
止し、次の渦巻き走行開始位置まで移動するための直進
走行を開始する（図６（ｂ））。なお、図中影付部分は
ロボット１の走行軌跡である。

【００２９】渦巻き走行を止めて次の渦巻き走行の開始
位置まで移動する動作の契機は次のとおりである。ロボ
ット１が壁面Ｂに接近して、各超音波センサ６による検
出距離が予定距離以下になったときには折返し動作をす
る。例えば、ロボット１は壁面Ｂを検出したときの該壁
面Ｂまでの距離が予定値以下であったときは、その位置
で停止し、予定距離後退をした後、１３５°の超信地旋
回をして向きを変え、該壁面Ｂから遠ざかるように直進
する。また、壁面Ｂを検出したときの該壁面Ｂまでの距
離が予定値以上であれば、角度の小さい旋回をして壁面
Ｂを回避する。

【００３０】こうして、壁面Ｂで折返して直進し、他の
壁面Ｂに接近すると、再び該壁面Ｂから遠ざかるよう
に、後退と超信地旋回、または旋回により向きを変えて
直進する。こうして予め定められた回数Ｎだけ壁面Ｂで
折返し動作をしたならば、最後に折返し動作をした壁面
から遠ざかるように予定時間Ｔ（距離Ｄに相当）だけ直
進した所で停止し、最初の動作と同様の渦巻きを行う
（図６（ｃ））。以下、これらの動作を繰り返す。な
お、以下の説明では、最後に折返し動作をした壁面から
遠ざかるように直進する距離Ｄは時間Ｔで代表して説明
するが、距離Ｄおよび時間Ｔのいずれを使用して制御す
るかは設計者が任意に選択できる。

【００３１】図７は、本発明者等が実験した場合の上記
各走行方式によるロボット１の作業時間と作業の進み度
合を示したグラフである。同図（ａ）において、縦軸は
与えられた領域においてロボット１が走行して網羅した
領域の面積の割合、横軸は走行開始からの経過時間を示
す。この場合の諸条件として、走行する領域は４．２ｍ
×４．２ｍの正方形であり、ロボット１の平面積は直径
２０ｃｍの円で代表させ、ロボット１の走行速度は１３
ｃｍ／秒に設定した。

【００３２】なお、座標系走行とは、予め作業領域を網
羅して走行するように設定されたコースに沿って走行す
る方式であり、該走行方式によれば時間の経過に直線的
に比例して網羅した領域の割合は増大する。これと比較
して、渦巻き走行を含む他の走行方式では、なだらかな
伸びを示すため、領域の完全な網羅を目指すことは困難
である。そこで、一例として領域の８０％を網羅して走
行するのに要した時間で能率の比較をすると、座標系走
行を除く３つの走行方式の中では渦巻き走行が最も短時
間（約１８００秒）で領域の８０％を網羅しているのが
分かる。また、領域の広さを倍にした（２．４ｍ×４．
８ｍ）例を図７（ｂ）に示した。この場合も、ほぼ同じ
傾向が得られた。

【００３３】ところで、前記回数Ｎと時間Ｔとはいずれ
も適当な回数に設定しておく必要がある。すなわち、回
数Ｎが少ないと、前回の渦巻き走行範囲に近すぎるた
め、同一範囲を走行することになって作業効率がよくな
いし、逆に、回数Ｎが多い場合は直進時間が長くなりす
ぎて効率がよくない。また、前記時間Ｔが短かすぎても
長すぎても、壁面の近くで渦巻き走行を開始することに
なり、すぐに壁面を認識してしまうので、効率がよくな
い。

【００３４】最も効率のよい時間Ｔをシミュレーション
で見つけた結果を図８に示す。図８において、縦軸に作
業効率、横軸に超信地旋回後の走行時間Ｔ（秒）を示
す。作業効率は、１秒間に全走行領域の何％の領域を平
均的に網羅して走行したかで表わしている。ファインチ
ューニングランダム走行とランダム走行の例は、全走行
領域の８０％を網羅するのに要した走行時間（図７参
照）に基づいて算出した値である。但し、走行領域の広
さは図８（ａ）の例が４．２ｍ×４．２ｍ、図８（ｂ）
の例が４．２ｍ×８．４ｍであり、先の実験の場合と同
様に、ロボット１の平面積は直径２０ｃｍの円で代表さ
せ、ロボット走行速度は１３ｃｍ／秒とした。

【００３５】図示のように、時間Ｔを変化させると作業
効率のよい点（ピーク）が２か所現れるので、より短時
間で、高い効率が得られる点を選択して時間Ｔを設定す
る。比較のためにランダム走行とファインチューニング
ランダム走行の場合の作業効率も併せて示している。

【００３６】また、最も効率のよい回数Ｎをシミュレー
ションで見つけた結果を図９に示す。図９において、縦
軸に作業効率、横軸に回数Ｎを示す。走行領域の広さ、
ロボットの平面積、ロボット走行速度は図８の例と同一
である。この図のように、回数Ｎを変化させると作業効
率のよい点（ピーク）が数か所現れるが、最も良い回数
Ｎは領域が狭い場合も広い場合も、同様に５回に設定し
たときである。ここでも、比較のためにファインチュー
ニングランダム走行とランダム走行の場合の作業効率も
併せて示している。

【００３７】なお、上述の、最も効率のよい時間Ｔおよ
び回数Ｎを見つけるシミュレーションでは、時間Ｔおよ
び回数Ｎは互いに他方に影響を与えない、すなわち傾向
に変化はない。したがって、まず時間Ｔまたは回数Ｎを
適当な値を選択して一方の最良値を決定し、その後にも
う１つのパラメータの最良値を決定すればよい。本実施
形態では、まず時間Ｔを決定し、次に回数Ｎを決定し
た。

【００３８】続いて、制御装置７の動作をフローチャー
トを参照して説明する。まず、超音波センサ６の入力処
理を説明する。図１０において、ステップＳ１００では
超音波センサ６（超音波センサ駆動回路１６）からの処
理要求を待つ。処理要求があればステップＳ１１０に進
み、処理要求が超音波送信処理要求か否か、つまり超音
波センサ６が超音波を送信したことをＣＰＵ８に通知し
てきたのか否かを判断する。超音波送信処理要求なら
ば、ステップＳ１２０に進み、予定のカウンタ値をセッ
トしてダウンカウントをスタートさせる。このカウンタ
値は超音波センサ６の受信能力から考えて受信（反射
波）が得られると予想される最大の時間に相当する。

【００３９】ステップＳ１３０で超音波受信処理要求の
有無、つまり超音波センサ６が反射音を受信したか否か
を判断する。受信処理要求がなければステップＳ１４０
に進んでタイムアウトか否か、つまり前記カウンタ値が
「０」か否かを判断し、タイムアウトになるまで受信処
理要求を待つ。一方、ステップＳ１３０で受信処理要求
があったと判断されればステップＳ１５０に進み、その
ときのカウンタ値を取得して記憶する。カウンタ値を取
得したならばステップＳ１７０でカウンタをクリアす
る。タイムアウトになるまで受信処理要求がない場合
は、ステップＳ１６０でカウンタ値「０」を今回検出値
として記憶し、ステップＳ１７０でカウンタをクリアす
る。ステップＳ１８０では記憶したカウンタ値の信頼性
を向上させるための多数決処理をするのが好ましい。こ
の多数決処理の詳細は図１７に関して後述する。以下の
説明では、この超音波センサ入力処理で記憶されたカウ
ンタ値を距離カウンタ値と呼ぶ。

【００４０】図１１は、接触センサ５Ａの入力処理のフ
ローチャートであり、ステップＳ８０で接触センサ５Ａ
から検出信号が入力されたならば、ステップＳ９０で、
ロボット１の停止指示すなわち左右のモータ１４，１５
に回転速度「ゼロ」を出力するとともに、右車輪用電磁
ブレーキ１２および左車輪用電磁ブレーキ１３を駆動す
る。この接触センサ５Ａの入力処理は、例えば１０ｍ秒
毎の割り込み処理である。

【００４１】次に、上記各センサの出力信号に基づく制
御動作を説明する。図１２のゼネラルフローにおいて、
ステップＳ１では、渦巻き処理開始指示をする。これに
よって渦巻き処理が開始される。渦巻き処理の詳細は図
１４に関して後述する。ステップＳ２では前記超音波セ
ンサ入力処理の結果、つまり前記距離カウンタ値を要求
する。ステップＳ３では、接触センサ入力処理をする。
ステップＳ４では渦巻き中か否かを判断する。最初は、
前記渦巻き処理開始指示に応答して渦巻きが開始されて
いるのでこの判断は肯定となる。渦巻き中であって、判
断が肯定であったならば、ステップＳ５に進み、その動
作を継続するか否かの渦巻き継続判断処理をする。この
渦巻き継続判断処理は、前記超音波センサ入力処理結果
で得られた前記距離カウンタ値に基づき、ロボット１が
壁面Ｂから予定距離以内に近付いたと判断したときに渦
巻きを中止して次の渦巻き開始位置に移動するか否かの
判断をするための処理である。本実施形態では壁面から
３０ｃｍ以内にまで近付いたか否かで判断している。ス
テップＳ６では、ステップＳ５の処理に基づき、渦巻き
を中止するか否かを判断する。渦巻きの中止と判断され
なかった場合は、ステップＳ２に戻る。

【００４２】渦巻きの中止と判断された場合は、ステッ
プＳ８に進んで次の動作を判断する。渦巻きが中止され
た場合の次の動作は無条件に後退である。壁面Ｂに近付
いているので通常の旋回動作では壁面Ｂに突き当たって
しまうため、後退・超信地旋回・前進という手順をとる
必要があるためである。

【００４３】ステップＳ８の次の動作が「後退」のとき
は、ステップＳ９に進んで現在後退しているか否かを判
断する。渦巻きを中止した直後は後退していないので、
この判断は否定となり、ステップＳ１０に進んで瞬時
（２０〜３０ｍｓ）停止した後、ステップＳ１１に進
む。ステップＳ９の判断が肯定の場合は、ステップＳ１
０はスキップしてステップＳ１１に進む。ステップＳ１
１では後退処理開始要求をする。後退処理は後述する。
ステップＳ１１での後退処理要求に応答して後退処理が
開始されると「渦巻き走行中」ではなくなるので、ステ
ップＳ４の判断が否定となってステップＳ７に進む。渦
巻き走行中でない場合は、ステップＳ７の判断処理結果
によってステップＳ８の判別が行われる。

【００４４】ステップＳ７では、各超音波センサ６毎の
距離カウンタ値に基づいて次に行うべき動作を判断する
ための処理（次動作判断処理）を行う。次動作判断処理
では、図１３の走行パラメータ決定表から得られた走行
パラメータをもとに次に行う動作が判断される。図１３
において、壁面までの距離に対応する各センサの検出値
に従い、起動する制御へパラメータが渡される。パラメ
ータは、車輪の速度、旋回レベル、および旋回方向であ
る。ロボット１の左右それぞれの車輪の速度は、極低速
（毎時０．５ｋｍ）、低速（毎時１．０ｋｍ）、中速
（毎時２ｋｍ）、高速（毎時３ｋｍ）の４段階が設定さ
れ、旋回レベルは、緩旋回（角度３０°「３」）、急旋
回（角度６０°「２」）、信地旋回（片輪停止状態での
旋回「１」）、超信地旋回（左右車輪逆転「０」）の４
段階が設定されている。また、旋回方向には右と左が設
定されており、ロボット１の右側半分に設けられている
超音波センサ６（６ＳＲ，６Ｒ，６ＤＲ，６ＭＲ）で壁
面を検出したときは左旋回、左側半分に設けられている
超音波センサ６（６ＳＬ，６Ｌ，６ＤＬ，６ＭＬ）で壁
面を検出したときは右旋回の判断がなされる。ここで、
ロボット１の車輪の速度を表すパラメータは２つ設けら
れている。１つは各センサが設けられている側の車輪の
速度であり、他の１つは各センサが設けられている側と
は反対側の車輪の速度である。例えば右側のセンサ６Ｒ
の検出値に対応して自分側（右側）のモータおよび相手
側（左側）のモータへ出力すべき２つの速度が決定され
る。但し、パラメータはすべてのセンサ６の検出値に対
応して多数得られることになるので、最終的にどのパラ
メータを採用するかは予め定めたルールに従う。原則的
には、より低い速度のものが優先されるようにルールを
決定してあるが、例外的に、左右のモータ１４，１５両
方に「停止」が渡された場合は、「極低速」に決定する
こととする。

【００４５】例えば、右前方のセンサ６Ｒの距離カウン
タ値から判断された距離が０．５ｍ〜１ｍであったなら
ば、右モータ速度は「低速」、左モータ速度は「停止」
となる。また、起動する制御名は旋回で、旋回レベルは
「信地旋回：１」、旋回方向は「左」というパラメータ
が得られる。一方、このとき、左前方のセンサ６Ｌの距
離カウンタ値から判断された距離が１ｍ〜１．５ｍであ
ったとすると、左モータ速度は「中速」、右モータ速度
は「極低速」となる。また、起動する制御名は旋回で、
旋回レベルは「急旋回：２」、旋回方向は「右」という
パラメータが得られる。これらのパラメータを照合して
より低い速度を採用すると、右モータが「極低速」、左
モータが「停止」と決定され、結果として、ロボット１
は左方向へ極低速で信地旋回していくことになる。

【００４６】さらに別の例をあげれば、センサ６Ｒの距
離カウンタ値から判断された距離が１．５ｍ〜２ｍであ
ったならば、右モータ速度は「中速」、左モータ速度は
「低速」となる。このとき、センサ６Ｌの距離カウンタ
値から判断された距離が同様に、１．５ｍ〜２ｍであっ
たとすると、左モータ速度は「中速」、右モータ速度は
「低速」となる。そして、これらのパラメータを照合し
てより低い速度を採用すると、右モータが「低速」、左
モータが「低速」と決定され、結果として、ロボット１
は低速で直進していくことになる。例えばロボット１が
壁面に正対して直進していると、左右のセンサ６Ｌ，６
Ｒの検出値が同一となり、徐々に速度は低下しながら壁
面に近付き、最後は、後退、超信地旋回をして壁面から
遠ざかるという動作をする。

【００４７】ステップＳ７の次動作判断処理の結果、ス
テップＳ８で超信地旋回の判断がされたならばステップ
Ｓ１２に進む。ステップＳ１２では現在超信地旋回が行
われているか否かを判断する。最初は判断が否定とな
り、ステップＳ１３に進んで瞬時（２０〜３０ｍｓ）停
止する。ステップＳ１４では超信地旋回処理の開始指示
が発せられる。ステップＳ１４で超信地旋回処理の開始
指示が発せられた後のサイクルではステップＳ１２の判
断が肯定となり、ステップＳ１５に進んで脱出モード処
理を行う。ロボット１が領域の隅部にはまってしまう
と、通常の後退と超信地旋回では隅部から抜け出せない
状態が生じることに鑑み、超信地旋回時にはこの脱出モ
ード処理を行うものである。脱出モード処理は本発明の
要部ではないので、詳細の説明は省略する。なお、特願
平９− 号（Ａ９６１１４１）に詳細に記載され
ている。

【００４８】超信地旋回によって予定角度（一例として
１３５°）旋回した後、次のサイクルにおいてステップ
Ｓ８で前進の判断がされたならば、ステップＳ１６に進
む。ステップＳ１６では現在前進中か否かが判断され、
最初はステップＳ１７に進んで瞬時（２０〜３０ｍ秒）
停止した後、ステップＳ１８のハンチング防止処理を経
てステップＳ１９に進み、前進処理の開始指示が発せら
れる。この前進処理の開始指示に従ってロボット１は前
進し、壁面から予定距離に近付いたときに、距離カウン
タ値に従って次に行うべき動作（走行）が決定される。
前記ハンチング防止処理は本発明の要部ではないので、
詳細の説明は省略する。なお、特願平９− 号
（Ａ９６１３３３）に詳細に記載されている。

【００４９】次に、上記各センサの出力信号に基づく各
制御（ソフト）モジュールの動作説明をする。まず、ロ
ボット１の渦巻き処理を説明する。渦巻き動作は図１２
に関して説明したように、作業開始時および、壁面を検
出して反射する動作のうち超信地旋回を伴う反射をＮ回
繰り返し、最後の反射動作から時間Ｔを経過したときに
開始される。作業開始時には前記ステップＳ１（図１
２）におけるオペレータによる処理開始指示で渦巻き処
理が開始され、作業中は、超信地旋回をＮ回実行した後
に超信地処理モジュールから発せられる処理開始指示
（図１５ステップＳ３３参照）で渦巻き処理が開始され
る。ここでは、超信地処理モジュールからの処理開始指
示によって起動される場合を説明する。

【００５０】図１４において、ステップＳ２０では、超
信地処理モジュールから渦巻き処理開始指示を受けるま
で待つ。すなわち予め設定された回数Ｎだけ超信地旋回
を行った後に超信地処理モジュールから発せられる指示
を待つ。渦巻き処理開始指示があったならば、ステップ
Ｓ２１で前記時間Ｔつまり最後の超信地旋回の後、渦巻
き開始までの直進時間として、例えば２６秒をタイマに
設定して該タイマを起動する。なお、渦巻き処理開始指
示は最後のつまりＮ回目の超信地旋回処理開始とほぼ同
時に出力される（図１５のステップＳ３３参照）ので、
ここでの時間Ｔには、超信地旋回のための後退時間と超
信地旋回時間（図１５のステップＳ３５参照）とが含ま
れている。ステップＳ２２では前記時間Ｔが経過したか
否かを判別し、時間Ｔが経過したならば、ステップＳ２
４に進む。時間Ｔが経過するまではステップＳ２３に進
んで処理中止の指示の有無を判断し、時間Ｔが経過する
までに処理中止の指示があった場合は、ステップＳ２０
に戻る。

【００５１】ステップＳ２４では、渦巻きが終了か否か
を判断する。この判断が肯定となればステップＳ２０に
戻るが、それまではステップＳ２５に進む。ステップＳ
２５では、渦巻きの大きさを決定するため左右の車輪
３，４の速度を計算し、セットする。ここでセットされ
た左右の車輪３，４の速度に従って、左右モータ１４，
１５に回転速度の指示が与えられ、渦巻きが走行が実行
される。

【００５２】ステップＳ２６では渦巻きが滑らかに拡大
するように前記各車輪３，４の速度の更新を行うまでの
時間ｔを計算し、その時間をタイマに設定して該タイマ
を起動する。ステップＳ２７では前記時間ｔが経過した
か否かを判断し、時間ｔが経過したならばステップＳ２
４に進む。ステップＳ２８では中止指示の有無を監視
し、中止の指示がない場合は前記時間ｔが経過するまで
ステップＳ２７，Ｓ２８を繰り返す。なお、距離カウン
タ値に基づき、壁面または障害物までの距離が予定距離
以下になるか接触スイッチ５Ａの検出信号に基づく停止
指示があれば、前記渦巻きが終了したか否かの判断は肯
定となる。

【００５３】次に、超信地旋回処理を説明する。図１５
において、ステップＳ３０では処理開始指示を待つ。ス
テップＳ３１では超信地旋回回数（以下、単に「超信地
回数」という）ｎをインクリメント（＋１）する。ステ
ップＳ３１では超信地回数ｎが予定の反射回数「Ｎ」に
達したか否かを判別する。超信地回数ｎの初期値は
「０」に設定してあるので、最初の判断のときは超信地
回数ｎは「１」であり、該ステップＳ３２の判断は否定
となり、ステップＳ３３およびステップＳ３４をスキッ
プしてステップＳ３５にジャンプする。

【００５４】ステップＳ３５では旋回時間を算出する。
旋回時間で旋回角度を決定しているので、１３５°の旋
回角度に対応する時間を算出する。旋回時間を計算した
ならば、ステップＳ３６に進んで、右車輪３および左車
輪４が互いに逆転するように指示をする。ここで、右車
輪３および左車輪４のいずれを正回転にするか逆回転に
するかは、前記走行パラメータの「旋回方向」で決定す
る。ステップＳ３７では、前記旋回時間が経過するか中
止指示があるまで待つ。ステップＳ３８では、超信地旋
回終了か否かを判断する。超信地旋回が終了するとステ
ップＳ３９に進み、左右の車輪３，４に正回転の指示を
与える。すなわち、基本の走行モードである直進走行に
戻す。

【００５５】超信地回数ｎが予定の反射回数Ｎに達した
ならば、ステップＳ３２からステップＳ３３に進み、渦
巻き処理開始指示をする。そして、ステップＳ３４では
超信地旋回をするか否かの判断に用いた超信地回数ｎを
クリアにする。続いて、ステップＳ３５〜Ｓ３９で超信
地旋回の処理を終えて、次回の超信地旋回の処理開始指
示を待つ。なお、ステップＳ３３で渦巻き処理開始指示
がなされるが、すでに説明した渦巻き処理において、時
間Ｔの経過後に実際の渦巻きが開始されるので、渦巻き
と、超信地旋回とが重複することはない。

【００５６】続いて、後退処理を説明する。図１６にお
いて、ステップＳ５０では処理開始指示を待つ。ステッ
プＳ５１では右車輪３および左車輪４を逆転させる指示
をする。ステップＳ５２では、予定の後退時間が経過す
るか、中止指示があるまで待つ。ステップＳ５３では、
後退が終了するとステップＳ５４に進み、左右の車輪
３，４に正回転の指示を与える。

【００５７】次に、前記超音波センサ入力処理における
多数決（センサ信号選択）処理を説明する。超音波セン
サ６の出力は環境によって不安定になることがあるた
め、取得データ（距離カウンタ値）の信頼性を向上させ
るため、多数決処理をするのが好ましい。本実施形態で
採用している多数決処理では、新しいデータを取得する
と過去の２つのデータとの間で多数決をとる。図１７に
おいて、前回値ＭＩＤの上下にマージンｍを設定し、こ
のマージンｍ内に今回値ＮＥＷが入っていれば、今回値
ＮＥＷは前回値ＭＩＤからかけ離れていないので正常な
検出信号であると判断して今回値ＮＥＷをそのまま今回
の距離カウンタ値として採用する（図１７（ａ）参
照）。

【００５８】しかし、前記マージンｍの範囲外に今回値
ＮＥＷがある場合は、前々回値ＯＬＤがマージンｍの範
囲内か否かを判断する。そして、前々回値ＯＬＤが前回
値ＭＩＤのマージンｍの範囲内にあれば、前回値ＭＩＤ
は前々回地ＯＬＤからかけ離れていないので正常な検出
信号であると判断して今回値ＮＥＷを前回値ＭＩＤで置
き換えて距離カウンタ値とする（図１７（ｂ）参照）。

【００５９】さらに、前々回値ＯＬＤも前回値ＭＩＤの
マージン範囲に入っていない場合には３つのデータは互
いにかけ離れていて、どの信号が正常かは特定できない
ので、今回値ＮＥＷを信頼性の高いデータとみなし、今
回検出した距離カウンタ値として採用する（図１７
（ｃ）参照）。

【００６０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１ないし請求項７の発明によれば、予め設定した走行経
路情報に従って自己位置を検出しつつ精度良く移動体の
操向制御をするのと異なり、走行領域の境界や障害物を
検出するまでは渦巻きや直進等の定型的な走行をさせる
だけで、領域内をほぼ網羅的に走行させることができ
る。

【００６１】特に、請求項３の発明によれば、シミュレ
ーションの結果に基づき、領域を効率良く網羅的に走行
させるための最適の条件に基づいてロボットを走行させ
ることができる。

【００６２】また、請求項６の発明によれば、ロボット
の進行方向右側と左側とにそれぞれ設けられたセンサに
よる検出結果に基づいて、それぞれが独自の走行パラメ
ータを決定し、あとは優先順位に従って最終的な走行パ
ラメータが決定される。したがって、左右のセンサに対
応するそれぞれの制御部では、他を考慮しない独自のの
走行パラメータを決定するだけであり、制御が簡素化さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態に係るロボットの構成を示
す模式図である。

【図２】 本発明の実施形態に係る制御装置のハード構
成を示すブロック図である。

【図３】 動作判断部の処理系の概要を示す模式図であ
る。

【図４】 行動計画の選択動作説明のためのブロック図
である。

【図５】 ロボットの基本的走行パターンを示す模式図
である。

【図６】 渦巻き走行の走行パターンを示す模式図であ
る。

【図７】 種々の走行パターンによる作業の進み度合を
示すシミュレーション結果の図である。

【図８】 作業効率と時間Ｔとの関係を示すシミュレー
ション結果の図である。

【図９】 作業効率と折返し回数Ｎとの関係を示すシミ
ュレーション結果の図である。

【図１０】 超音波センサ入力処理のフローチャートで
ある。

【図１１】 接触センサ入力処理のフローチャートであ
る。

【図１２】 渦巻き走行の動作判断を示すゼネラルフロ
ーチャートである。

【図１３】 センサ出力と走行パラメータとの対応を示
す走行パラメータ設定表である。

【図１４】 渦巻き部分の処理を示すフローチャートで
ある。

【図１５】 超信地旋回の処理を示すフローチャートで
ある。

【図１６】 後退処理を示すフローチャートである。

【図１７】 センサ信号選択処理の概要図である。フロ
ーチャートである。

【符号の説明】

１…ロボット、 ３…右車輪、 ４…左車輪、 ５…バ
ンパー、 ５Ａ…接触センサ、 ６…超音波センサ、
７…制御装置、 １８…動作判断部、 ２０…選択部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 領域の境界を検出するセンサを有する移
   動ロボットの、前記領域内での自律走行方法において、 前記領域内の任意の位置から旋回走行を開始してその旋
   回半径を徐々に大きくしていく渦巻き走行を行い、 前記センサによって検出される前記境界までの距離が予
   定距離以内であると判断したときに、前記渦巻き走行を
   中止して前記境界から遠ざかるように進行方向に対して
   予定の折返し角度で折返して直進し、 以後、次々に前記境界を検出する毎に折返しおよび直進
   を繰り返し、予定の折返し回数だけ折返した後、予定距
   離だけ直進した位置から再び前記渦巻き走行をすること
   を特徴とするロボットの自律走行方法。
2. 【請求項２】 前記渦巻き走行に移るまでの折返し回数
   および最終折返し後、渦巻き走行に移るまでの直進距離
   は、前記領域をほぼ網羅的に走行するのに要する時間が
   極小になるようにシミュレーションモデルにより決定し
   たデータによることを特徴とする請求項１記載のロボッ
   トの自律走行方法。
3. 【請求項３】 前記折り返し角度が進行方向に対してほ
   ぼ１３５°であることを特徴とする請求項１または２記
   載のロボットの自律走行方法。
4. 【請求項４】 前記移動ロボットが、前記センサとして
   進行方向前方左右に少なくとも一対の障害物センサを有
   するとともに、 前記領域の境界が壁面で形成され、前記移動ロボットは
   障害物センサで前記境界の壁面を検出しつつ自律走行す
   ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のロ
   ボットの自律走行方法。
5. 【請求項５】 右車輪および左車輪のそれぞれの回転方
   向および回転速度によって進行方向が決定される自律走
   行ロボットの制御装置において、 本体の前方右側に設けられた右側障害物センサと、 本体の前方左側に設けられた左側障害物センサと、 前記右側障害物センサで検出された障害物までの距離、
   および前記左側障害物センサで検出された障害物までの
   距離に対応して、走行パラメータをそれぞれ決定する手
   段と、 前記決定された少なくとも２つの走行パラメータのう
   ち、前記障害物を回避するための予定の優先度に基づい
   て選択した走行パラメータによって前記右車輪および左
   車輪の回転方向および回転速度を決定する手段とを具備
   したことを特徴とする自律走行ロボットの制御装置。
6. 【請求項６】 前記走行パラメータは少なくともロボッ
   トの走行速度を含み、前記障害物センサで検出された障
   害物までの距離が短くなるのに相応して前記走行速度が
   段階的に小さく設定されるように構成したことを特徴と
   する請求項５記載の自律走行ロボットの制御装置。