JP2002244737A - 移動作業ロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 障害物が存在する広い移動作業領域を移動す
る場合でも移動経路のずれが少ない正確な位置認識が可
能実用的な移動作業ロボットを提供すること。 【解決手段】 移動して作業を行なう本体部１と、この
本体部を外部から監視する監視部２と、本体部が作業し
ないときに待機する基地部３を有し、前記監視部は前記
本体部を監視可能な位置に移動するので、位置計測誤差
が累積せず広い移動領域でも確実に移動でき、障害物が
存在してもその性能を維持できる移動作業用ロボットと
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走行機能を有し移
動しながら作業を行なう自走式掃除機や無人搬送車等の
移動作業ロボットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より作業機器に走行駆動手段やセン
サ類および走行制御手段を付加して、自動的に作業を行
なう各種の移動作業ロボットが開発されている。例えば
自走式掃除機は、清掃機能として本体底部に吸込みノズ
ルやブラシなどを備え、移動機能として駆動および操舵
手段と、走行時に障害物を検知する障害物検知手段と、
位置を認識する位置認識手段とを備え、この障害物検知
手段によって清掃場所の周囲壁に沿って移動しつつ、位
置認識手段によって清掃領域を認識し、その清掃領域内
を移動して清掃領域全体を清掃するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の移動作業ロボットでは、位置認識手段にジャ
イロセンサや走行距離センサなどの内界センサを用いた
相対位置認識を行なっているため、広い移動作業領域で
は位置計測誤差の累積が大きくなり移動経路がずれた
り、スタート点を見失うことがあった。したがって、例
えばスタート点に本体部の待機基地を設け、自動的に本
体を基地に誘導して待機させることは位置精度上かなり
難しかった。

【０００４】清掃領域に障害物が存在する場合、掃除ロ
ボットが障害物を回避しながら清掃領域全体を隈無く塗
りつぶすように移動経路をあらかじめ決定することは難
しく、複雑な制御が必要であった。

【０００５】そこで本発明は、障害物が存在する広い移
動作業領域を移動する場合でも正確な位置認識が可能と
なり移動経路のずれが少なく、本体部を自動的に基地に
誘導して待機させることができ、自動充電や自動スター
トが可能な実用的な移動作業ロボットを提供することを
目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記従来の課題を解決す
るために、本発明の移動作業ロボットは、移動して作業
を行なう本体部と、この本体部を外部から監視する監視
部と、本体部が作業しないときに待機する基地部を有
し、前記監視部は前記本体部を監視可能な位置に移動す
るので、位置計測誤差が累積せず広い移動領域でも確実
に移動でき、障害物が存在してもその性能を維持できる
移動作業用ロボットが実現できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、移動し
て作業を行なう本体部と、この本体部を外部から監視す
る監視部と、本体部が作業しないときに待機する基地部
を有し、前記監視部は前記本体部を監視可能な位置に移
動するもので、本体部移動領域内に障害物が存在しても
監視部は本体部の画像が得続けられ、本体発光手段及び
基地部発光手段の両方の発光をとらえ位置認識手段がこ
の両者の位置を認識することにより、本体部は確実に基
地部に戻って待機することができる。

【０００８】請求項２に記載の発明は、移動して作業を
行なう本体部と、前記本体部を外部から監視する監視部
と、前記本体部が作業しないときに待機する基地部を備
え、前記本体部は、前記本体部を移動させる駆動手段お
よび操舵手段と、この駆動手段と操舵手段とを制御し本
体部の走行制御を行なう走行制御手段と、前記監視部か
らの信号を受信する本体受信手段と、外部に光を出す本
体発光手段を有し、前記基地部は外部に発光する基地部
発光手段を有し、前記監視部は、前記本体部の移動領域
の画像を入力する画像入力手段と、前記画像入力手段が
入力した画像から前記本体発光手段の位置および前記基
地部発光手段の位置を認識する位置認識手段と、この位
置認識手段から得られた情報信号を前記本体部に送信す
る監視部送信手段と、前記画像入力手段の画像入力位置
を移動させる画像入力移動手段を有し、前記走行制御手
段は前記本体受信手段が受信した情報信号に基づき前記
本体部の走行経路を制御するもので、本体部移動領域内
に障害物が存在しても画像入力移動手段により画像入力
手段の画像入力位置を変えることにより、監視部は本体
部の画像が得続けられることになり、領域全体を隈無く
塗りつぶすように移動することができる。

【０００９】請求項３に記載の発明は、画像入力移動手
段は位置認識手段が本体発光手段を認識しない場合に画
像入力手段の画像入力位置の移動を開始し、位置認識手
段が本体発光手段を認識すると前記画像入力位置の移動
を停止するもので、本体部移動領域内に障害物が存在し
ても監視部は本体部と基地部の画像が得続けられ、より
正確にかつ効率よく領域全体を隈無く塗りつぶすように
移動できる。

【００１０】請求項４に記載の発明は、画像入力移動手
段で画像入力手段の画像入力位置を移動させる場合には
本体部の移動を停止するもので、位置認識手段の測定誤
差を低減し、本体部の走行軌跡制御の精度を向上させる
ことができる。

【００１１】請求項５に記載の発明は、各送信手段と各
受信手段との通信手段は、電波または光または超音波ま
たはそれらを組み合わせた無線通信手段としたもので、
監視部と本体部の物理的な接続が無く、本体部に制約の
無い移動動作をさせることができる。

【００１２】

【実施例】（実施例１）以下、本発明の実施例を自走式
掃除機に応用した場合を例にとって、図１〜図５に基づ
いて説明する。

【００１３】図１は本実施例の全体外観斜視図である。
図において、１は移動しながら清掃を行なう本体部で、
障害物Ｂの存在する清掃領域である床面Ａ上を移動す
る。２は本体部１および基地部３の位置を監視する監視
部で、清掃領域の天井部に設置され床面Ａ全体を俯瞰す
るようになっている。

【００１４】本体部１の構成を図２に示す。図におい
て、４、５は左右の駆動モータで、それぞれの出力軸は
左右の減速機６、７を介して左右の走行輪８、９を駆動
する。この左駆動モータ４と右駆動モータ５を独立に回
転制御することにより、例えば左駆動モータ４のみを回
転させれば右旋回でき、逆に右駆動モータ５のみを回転
させれば左旋回でき、さらに左駆動モータ４と右駆動モ
ータ５の両方を回転させれば直進できるといったよう
に、本体部１を移動させることができ、駆動手段および
操舵手段を兼ねている。１０は各種入力に応じて左右の
駆動モータ４、５を制御し、本体部１の走行制御を行な
う走行制御手段で、マイクロコンピュータおよびその他
制御回路からなる。

【００１５】１１は本体部１の上面に取付けたランプや
ＬＥＤ等からなる本体発光手段で、回路基板１２の本体
発光制御手段１２ａ（図３参照）により点滅制御され
る。本体発光手段１１には赤外光を発光するものを使用
している。この本体発光手段１１は本体部１の左右中央
の走行輪８、９から離れた位置に設けている。１３、１
４は障害物検知センサで、本体部１の前方および側方の
障害物までの距離を光により検知するようになってい
る。１５は床面を掃除する清掃ノズルで、吸込み口には
回転ブラシなどからなるアジテータ１６が設けられ、フ
ァンモータ１７で発生させた真空圧によりゴミを吸引す
る。前記アジテータ１６はノズルモータ１８により伝動
ベルト１９を介して回転駆動される。２０は電池などか
らなる電源で、本体部１内に電力を供給する。

【００１６】基地部３は、図１に示すように、本体部１
が作業しないときに待機するステーションで、清掃領域
の隅部等に設置され、本体部１の作業終了時などに本体
部１の電源２０の充電を行なう。２１は充電端子で、待
機中に本体部１の受電端子２２と接続して基地部３の充
電器から本体部１の電源２０に電力を供給する。２４は
基地部発光手段で、本体発光手段１１と同様のものから
なり、監視部２に対して光を出す。基地部発光手段２４
は、図３のシステム構成図に示すように、基地受信手段
２５が受信した情報信号に応じて基地発光制御手段２６
により点滅制御される。

【００１７】監視部２は、本体発光手段１１、基地部発
光手段２４を含む床面Ａ全体の画像を入力する画像入力
手段３１と、画像入力手段３１の移動をガイドするため
に清掃領域である底面Ａの最外周上に設けられた画像入
力手段移動軌道３２を有し、画像入力手段３１の画像デ
ータは位置認識手段３３で演算処理され、その結果を送
信手段３４により本体部１および基地部３に送信する。
この送信データは本体部１では回路基板１２の本体受信
手段１２ｂで、基地部３では基地受信手段２５により受
信される。監視部２の画像入力手段３１は、駆動モ−タ
４１および車輪４２からなる駆動手段４０と、マイクロ
コンピュ−タおよびその制御回路からなり駆動手段を制
御する駆動制御手段４３と、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等
の撮像素子とレンズなどからなるカメラ部４４とからな
り、初期は基地部３近傍に静止している。

【００１８】画像入力手段３１のレンズ部には赤外光だ
けをよく通すフィルタが設けられ、本体発光手段１１、
基地部発光手段２４以外から入力される光をできるだけ
遮断して、照明や太陽光などの影響を受けにくくしてい
る。

【００１９】本実施例では、この監視部２と本体部１と
画像入力手段３１との間の通信には電波を用いた無線方
式にしている。

【００２０】次に、監視部２が画像入力手段３１を用い
て本体部１および基地部３の位置を検出する動作につい
て説明する。

【００２１】前述したように、監視部２は清掃領域の天
井部などの床面Ａ全体を俯瞰する位置に設置され、画像
入力手段３１により本体発光手段１１および基地部発光
手段２４を含む床面Ａ全体の画像を入力する。したがっ
て、例えば本体部１が停止した状態で本体発光手段１１
のみが点灯している場合は、画像入力手段３１には本体
発光手段１１が点灯している本体部１と基地部発光手段
２４が消灯している基地部３および床面Ａやその周辺の
画像が入力される。本実施例では、本体発光手段１１が
点灯している画像と本体発光手段１１が消灯している画
像の２つの画像データから、位置認識手段３３がこの両
データの差分をとって本体発光手段１１の画像を抽出
し、画像面に対する位置座標を検出する。同様に基地部
発光手段２４が点灯している画像と基地部発光手段２４
が消灯している画像の２つの画像データから基地部発光
手段２４の画像を抽出し画像面に対する位置座標を検出
する。そして、この検出位置に基いた情報を送信手段３
４により本体受信手段１２ｂおよび基地受信手段２５に
同じ信号を同時に送信する。

【００２２】図４は、本体部１および基地部３におい
て、それぞれ本体発光制御手段１２ａが本体発光手段１
１を、基地発光制御手段２６が基地部発光手段２４を点
滅させるタイミングを示すものである。まず送信手段３
４から送信された情報信号４０を本体受信手段１２ｂが
受信すると本体発光制御手段１２ａは本体発光手段１１
を点灯状態４１にする。同時に、これを基地受信手段２
５が受信すると基地発光制御手段２６は基地部発光手段
２４を消灯状態４２にする。監視部２の画像入力手段３
１は、送信手段３４が送信動作を行なう毎に画像を入力
するようになっており、このとき本体発光手段１１のみ
が点灯している画像を入力する。次に情報信号４３を本
体受信手段１２ｂが受信すると本体発光制御手段１２ａ
は本体発光手段１１を消灯状態４４にする。このとき画
像入力手段３１または副画像入力手段３２は本体発光手
段１１と基地部発光手段２４の両方が消灯している画像
を入力する。上記２つの画像データから本体発光手段１
１の位置が検出できる。同様に、情報信号４５を受信す
ると本体発光制御手段１２ａは本体発光手段１１を消灯
状態４４のままにし、同時に基地受信手段２５がこれを
受信すると基地発光制御手段２６は基地部発光手段２４
を点灯状態４６にする。次に情報信号４７を受信すると
本体発光制御手段１２ａは本体発光手段１１を消灯状態
４４のままにし、基地受信手段２５がこれを受信すると
基地発光制御手段２６は基地部発光手段２４を消灯状態
４８にする。このそれぞれの状態の画像データから基地
部発光手段２４の位置が検出できる。このような動作を
数１０msec毎に繰り返すことにより、本体部１が走行中
であっても本体発光手段１１と基地部発光手段２４の両
方の位置が検出できるものである。

【００２３】送信手段２３は、本体発光手段１１と基地
部発光手段２４の２つの位置座標を情報信号として送信
するようになっている。

【００２４】なお、本体発光手段１１は本体部１の左右
中央の走行輪８、９から離れた位置に設けているのは本
体部１の方向変化により本体発光手段１１の位置座標変
化を大きくするためであり、本体発光手段１１の位置座
標を逐次処理することにより本体部１の向いている方向
も分かる。

【００２５】本体部１が障害物Ｂの陰になり位置認識手
段３３が画像入力手段３１からの画像から本体部１を検
出できなくなると、位置認識手段３３が本体を検出でき
ない情報信号を送信手段３４によって本体部１と画像入
力手段３１に送信する。このとき本体部１の走行制御手
段１０は、画像入力手段３１からの信号を受信すると駆
動モ−タ４、５を停止し本体１の移動を止める。一方画
像入力手段３１は位置認識手段３３からの信号を受信す
ると、画像入力手段３１は駆動制御手段４３により駆動
モータ４１により車輪４２を回転させ、この車輪４２が
画像入力手段移動軌道３２上を走行し、画像入力手段３
１の入力する画像位置が移動する。なお、駆動モータ４
１と車輪４２から画像入力駆動手段４０を構成し、画像
入力駆動手段４０および画像入力手段移動軌道３２から
画像入力移動手段を構成する。

【００２６】このとき画像入力手段３１は画像入力手段
３１が画像を入力し続けており再び位置認識手段３３が
画像入力手段３１からの画像から本体部１を検出する
と、位置認識手段３３が本体を検出した情報信号を送信
手段３４によって本体部１と画像入力手段３１に送信す
る。画像入力手段３１は駆動制御手段４３により移動が
停止され、同時に本体部１の走行制御手段１０は、画像
入力手段３１からの信号を受信すると駆動モ−タ４、５
を駆動し本体１の移動を再開する。本体部作業中に位置
認識手段３３が画像入力手段３１からの画像から本体部
１を検出できなくなると同様の動作が繰り返されること
になっている。また、画像入力手段３１が移動中は、監
視部の送信手段３４によりその旨の信号が本体部１に送
信され、本体部１は走行制御手段１０によりその移動が
停止されており、画像入力手段３１が移動を再開する
と、監視部の送信手段３４によりその旨の信号が本体部
１に送信され、本体部１は走行制御手段１０によりその
移動も再開されるようになっている。

【００２７】以上のような構成において、本実施例の全
体動作について説明する。

【００２８】図５に示すように、基地部３に本体部１を
待機させた状態で運転を開始させる。本体部１は障害物
検知センサ１３、１４で周囲の障害物を検知し、走行制
御手段１０が左右の駆動モータ４、５を回転制御して移
動を始める。画像入力手段３１は位置認識手段３３へ画
像情報の入力を始め、同時に清掃ノズル１５のノズルモ
ータ１８およびファンモータ１７が作動し、アジテータ
１６で床面のゴミを掻き上げながら吸引して清掃を行な
う。本体部１は、障害物検知センサ１３、１４で前方お
よび左右の壁までの距離を測定しながら、移動経路ａに
示すように清掃領域全体の清掃作業を行なう。このと
き、走行制御手段の内部では監視部２から送信される本
体発光手段１１の位置座標データを移動マップとして記
憶し、未清掃部分があるかどうかを判断して移動制御を
行なっていく。

【００２９】次に、本体部１が障害物Ｂの陰になり画像
入力手段３１に検出されない領域（ｂ地点）に入ると、
位置認識手段３３は、本体部１の走行制御手段１０と画
像入力手段３１に信号を送信する。本体１は位置認識手
段３３からの信号を受信すると駆動モータ４、５を停止
し本体１の移動を止める。画像入力手段３１は位置認識
手段３３からの信号を受信すると、画像入力手段３１が
駆動制御手段４３により画像入力手段移動軌道３２上を
移動する。このとき画像入力手段３１は画像入力手段３
１が画像を入力し続けており再び位置認識手段３３が画
像入力手段３１からの画像から本体部１を検出（ｃ地
点）すると、位置認識手段３３が本体部１を検出した情
報信号を送信手段３４によって本体部１と画像入力手段
３１に送信する。画像入力手段３１は駆動制御手段４３
により移動が停止され、同時に本体１の走行制御手段１
０は駆動モータ４，５を駆動し本体１の移動を再開す
る。本実施例では画像入力装置を切り替える際は本体１
を停止させるので、本体発光手段１１の位置座標データ
が欠落してしまうことはないのである。

【００３０】本体部１が障害物Ｂの陰になり画像入力手
段３１に検出されない領域（ｄ地点）に入ると、同様に
画像入力手段は位置認識手段３３が画像入力手段３１か
らの画像から本体部１を検出できる地点（ｅ地点）まで
移動することができる。

【００３１】本体１が移動マップ上で未清掃箇所がなく
なった地点（ｆ点）で本体部１は停止し、清掃作業を終
了する。この清掃動作モードが終わると、次は移動経路
Ｇのように基地部３に戻るためのリターン動作モードに
切り替わる。

【００３２】この動作モードでは、走行制御手段１０は
監視部２から送信される本体発光手段１１と基地部発光
手段２４の２つの位置座標を比較し本体部１が基地部３
に戻るように制御する。すなわち、監視部２から情報信
号が送信される毎に本体部１の現在地から基地部３まで
の距離と方向を計算し、障害物検知センサ１３、１４か
らの入力を処理しながらこの方向に本体部１が向き、か
つ距離が小さくなるように走行制御を行なう。このよう
にして、本体部１が基地部３の一定距離以内に近づくと
走行制御手段１０は本体部１の方向を反転させて受電端
子２２が基地部３の充電端子２１と接続するように基地
部３とドッキングさせる。

【００３３】本体部１と基地部３がドッキングすると本
体部１は待機モードとなり電源２０から給電される電源
回路は切れる。そして、電源２０は基地部３の充電器か
ら電力が供給され充電が開始する。このように作業が終
了すれば自動的に電源２０の充電が行なわれるので、面
倒な充電操作が不要になりいつでも清掃作業が再開でき
るものである。

【００３４】なお、本実施例では本体発光手段１１と基
地部発光手段２４を点滅させるタイミングを図４に示す
ものにしているが、要は本体発光手段１１のみを点灯状
態、基地部発光手段２４のみを点灯状態、両方の発光手
段を消灯状態が交互に組み合わせられたパターンであれ
ば良く、これに限定されるものではない。

【００３５】

【発明の効果】請求項１に記載した発明は、本体部の位
置を認識するための監視部を移動させて障害物などによ
って発生する死角を無くすもので、広い移動領域でも確
実に移動でき、障害物が存在してもその性能を維持でき
る移動作業用ロボットが実現できる。

【００３６】請求項２または３に記載した発明は、画像
入力手段が入力する画像位置を移動させて障害物などに
よって発生する死角を無くすもので、広い移動領域でも
確実に移動でき、障害物が存在してもその性能を維持で
きる移動作業用ロボットが実現できる。

【００３７】請求項４に記載した発明は、画像入力手段
が入力する画像位置を移動させて障害物などによって発
生する死角を無くすとともに、画像入力手段が移動中は
本体部の移動を停止するもので、位置認識手段の測定誤
差を低減し、本体部の走行軌跡制御の精度を向上させた
移動作業用ロボットが実現できる。

【００３８】請求項５に記載した発明は、は、電波また
は光または超音波またはこれらを組み合わせた通信手段
であるので、監視部と本体部及び基地部の物理的な接続
が無く本体部の移動動作に制約がない移動作業用ロボッ
トが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す自走式掃除機の
外観斜視図

【図２】同本体部の構造を示す内部透視斜視図

【図３】同システム構成を示すブロック図

【図４】同本体部の発光手段および基地部の発光手段の
動作を示す波形図

【図５】同清掃動作を示す動作説明図

【符号の説明】

１ 本体部 ２ 監視部 ３ 基地部 ４ 左駆動モ−タ（駆動手段、操舵手段） ５ 右駆動モ−タ（駆動手段、操舵手段） １０ 走行制御手段 １１ 本体発光手段 ２４ 基地部発光手段 ２８ 本体受信手段 ３１ 画像入力手段 ３２ 画像入力手段移動軌道（画像入力移動手段） ３３ 位置認識手段 ３４ 送信手段 ４０ 画像入力駆動手段（画像入力移動手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲羽▼田野 剛 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 3C007 AS15 CS08 KS18 KT01 KX19 WA16 WB16 5H301 BB05 BB11 DD07 DD15 KK10 KK16

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動して作業を行なう本体部と、前記本
   体部の位置を外部から監視する監視部と、前記本体部が
   作業しないときに待機する基地部を備え、前記監視部が
   前記本体部を監視可能な位置に移動する構成とした移動
   作業ロボット。
2. 【請求項２】 移動して作業を行なう本体部と、前記本
   体部の位置を外部から監視する監視部と、前記本体部が
   作業しないときに待機する基地部を備え、前記本体部
   は、前記本体部を移動させる駆動手段および操舵手段
   と、前記駆動手段と操舵手段とを制御し前記本体部の走
   行制御を行なう走行制御手段と、前記監視部からの信号
   を受信する本体受信手段と、外部に光を出す本体発光手
   段とを有し、前記基地部は外部に発光する基地部発光手
   段を有し、前記監視部は、前記本体部の移動領域の画像
   を入力する画像入力手段と、この画像入力手段が入力し
   た画像から前記本体発光手段の位置および基地部発光手
   段の位置を認識する位置認識手段と、この位置認識手段
   から得られた情報信号を前記本体部に送信する監視部送
   信手段と、前記画像入力手段の画像入力位置を移動させ
   る画像入力移動手段を有し、前記走行制御手段は前記本
   体受信手段が受信した情報信号に基づき前記本体部の走
   行経路を制御する移動作業ロボット。
3. 【請求項３】 画像入力移動手段は位置認識手段が本体
   発光手段を認識しない場合に画像入力手段の画像入力位
   置の移動を開始し、位置認識手段が本体発光手段を認識
   すると前記画像入力位置の移動を停止する請求項２記載
   の移動作業ロボット。
4. 【請求項４】 画像入力移動手段で画像入力手段の画像
   入力位置を移動させる場合には本体部の移動を停止する
   請求項２または３記載の移動作業ロボット。
5. 【請求項５】 各送信手段と各受信手段との通信手段
   は、電波または光または超音波またはそれらを組み合わ
   せた無線通信手段とした請求項１から４のいずれか一項
   に記載の移動作業ロボット。