JP2006236109A - ロボットの自動充電システム。 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＲＦＩＤタグを利用して低コストで構成できるものでありながら、ロボットを充電器に正しく接続できるように確実に誘導させることのできるロボットの自動充電システムを提供する。
【解決手段】 放射方向に向いた複数のＲＦＩＤタグ４ａ〜４ｅで構成される位置認識モジュール４と、この位置認識モジュール４が取り付けられた充電器１と、電池を電源として自律走行する機能を備えたロボット７とからなり、前記ＲＦＩＤタグ４ａ〜４ｅには少なくとも充電器の位置情報とＲＦＩＤタグの取付角度情報が記憶され、前記ロボット７にＲＦＩＤタグと送受信する手段が設けられていて読み取ったＲＦＩＤタグの情報に基づいて充電器１に向かってロボット７が移動するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットの自動充電システムに関し、殊に、内蔵する充電電源を動力源として自律移動するロボットの自動充電システムに関する。

産業や生産分野において、製造工場におけるメンテナンス作業、部品の搬送作業、組み立作業、店舗や工場内の清掃作業等、各種作業を行う自律移動ロボットがある。これらロボットは、充電電源を動力源とする自走機能を備え、自立的に作業空間内を走行する。従って一定時間の走行によって充電電源の残存容量が低下すると充電が必要となるが、充電のためにロボットと充電器とを接続する作業はユーザーにとって大変煩雑な作業となる。

そこで、ロボットの電池残存容量が設定値まで低下すると、ロボットがこれを検知して所定の位置に置かれた充電器まで自走し、自動的に充電するようにした技術が知られている（特許文献１〜４参照）。

これら従来手段は、充電器へのロボット誘導方法として電波信号によるもの（特許文献１）、超音波信号によるもの（特許文献２）、カメラを利用した画像認識によるもの（特許文献３）、高周波信号によるもの（特許文献４）があり、その他に赤外線を利用したものや、ロボットに予め充電器の位置を示す地図情報を記憶させたものがある。

また、ＲＦＩＤタグやＩＣタグ等の無線送受信機能とメモリーを具備した電子記録媒体（以下これらを総称してＲＦＩＤタグという）を手掛かりとしてロボットを設定ルートにそって誘導走行させる手段が特許文献５で提案されている。
特開平０５−６１５４５号公報 特開平０７−８４２８号公報 特開平０７−１９１７５５号公報 特開２００４−２３７０３５号公報 特開２００３−２３２８８１号公報

特許文献１〜４に開示されるような電波信号や超音波信号、高周波信号による手段では、充電器とロボットの両方に信号を送受信する電子機器を装備させる必要があり、また、画像認識による手段ではカメラや画像処理手段を必要として、何れの場合もコストが高くつくといった問題点があった。また地図情報による手段ではロボットが使用される場所、即ち充電器の設置場所が変わるごとにマッピング（地図作成作業）しなければならず大変面倒である、等の欠点があった。

また、特許文献５に開示されるようなＲＦＩＤタグによる誘導方式では、ＲＦＩＤタグが平面的な形状であることから、ロボットの現在位置と、ＲＦＩＤタグとの角度関係、即ち、ロボットの現在位置とＲＦＩＤタグが取り付けられた物体表面との角度によっては、ロボットが接近しても、的確なタイミングでＲＦＩＤタグ情報を受信すること自体が困難となり、走行に必要な情報を取得することができない場合があった。またＲＦＩＤタグとロボットとの間で情報信号の送受信ができたとしても、ロボットの現在位置とＲＦＩＤタグが取り付けられた物体表面との角度（方向）に関する情報を十分に得ることが困難であり、ロボットとＲＦＩＤタグとが接近してきたときに、両者の間の大まかな角度（ロボットの移動方向）は把持できるものの、正確な方向付けを行うことが難しかった。従って、この手段のみでは、仮にロボットを充電器近傍まで誘導したとしても、ロボットのコネクタを充電器のコネクタに正確に接続させることは困難である。

そこで、本発明の主たる目的は、ＲＦＩＤタグを利用して低コストで構成できるものでありながら、ロボットを充電器に正しく接続できるように確実に誘導させることのできるロボットの自動充電システムを提供することにある。

上記目的を達成する為に本発明では次のような技術的手段を講じた。即ち、本発明に係るロボットの自動充電システムは、放射方向に向いた複数のＲＦＩＤタグで構成される位置認識モジュールと、この位置認識モジュールが取り付けられた充電器と、充電可能な電池を動力源として自律走行する機能を備えたロボットとからなり、前記ＲＦＩＤタグには少なくとも充電器の位置情報とＲＦＩＤタグの取付角度情報が記憶され、前記ロボットにＲＦＩＤタグと送受信する手段が設けられていて読み取ったＲＦＩＤタグの情報に基づいて充電器に向かってロボットが移動するようにしたものである。

従って、本発明によれば、充電器に取り付けられた位置標識モジュールの複数のＲＦＩＤタグが放射方向に向くように取り付けられているため、充電器にロボットが近づくと、その方向に最も直面する何れか一つのＲＦＩＤタグとロボットとの間で情報の送受をおこなうことができ、これによりこの何れかのＲＦＩＤタグから必要な情報を確実に取得できると共に、取付角度情報と位置情報によってロボットを正しく充電器に誘導させることができる。
更に、ロボットを充電器に誘導するのにＲＦＩＤタグを利用するものであるから、低コストで自動充電のシステムを構成することが可能となる。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
上記発明において、位置認識モジュールが、放射方向に向いた複数のタグ取付面を有するボデイの前記タグ取付面にＲＦＩＤタグを夫々貼り付けることによって形成されるようにするのがよい。
例えば正八角柱を半裁した形状を有するボデイの取付座面（裁断面）を除く５面を夫々タグ取付面とし、この５面の夫々にＲＦＩＤタグを取り付けることによって位置認識モジュールを形成することができる。
これにより、複数の平板状のＲＦＩＤタグをタグ取付面に安定よく取り付けることができ、予めタグ取付面の角度を測定しておくことにより、正確な角度情報を取得することができる。

上記発明において、位置認識モジュールのＲＦＩＤタグに記憶された角度情報は、ロボットに対する充電器の受け入れ方向を基準としたＲＦＩＤタグの取付角度であり、受け入れ方向に向いたＲＦＩＤタグに、ロボットを充電器の充電位置まで接近させることを指示する侵入指示情報を入力しておくのがよい。
これにより、このＲＦＩＤタに入力された角度情報と位置情報によりロボットを、ロボット受け入れ方向に向いたＲＦＩＤタグまで誘導して侵入指示情報により充電器１に向かってコネクタ接続位置まで進行させることができ、確実に充電させることができる。

上記発明において、ロボットは電源となる電池の残存容量を検出する残存容量検出手段を備え、前記電池の残存容量が設定値に達すると自動的に充電のための動作を開始するようにするのがよい。
これにより、経時使用によって残存容量が設定値まで低下するとこれを確実に検知して充電のための動作を開始させることができる。

上記発明において、ロボットはＲＦＩＤタグと送受信するための複数のアンテナを備え、これら複数のアンテナはロボットの周囲に一定の間隔をあけて配置されている構造とするのがよい。
これにより、ロボットがどちらに向いていても何れかのアンテナによりＲＦＩＤタグと送受信することができて確実に情報を取得することができる。

上記発明において、ロボットの作業空間内に充電器の方位を検索するための方位認識モジュールが設けるのがよい。この方位認識モジュールは放射方向に向いた複数のＲＦＩＤタグで構成され、これらＲＦＩＤタグには少なくとも充電器の方向を示す方位情報と走行指令情報が記憶されているものとする。
これにより、作業空間内でロボットが作業中に電池の残存容量が設定値まで低下して作業を中止したときに、ロボットの電波信号が充電器の位置標識モジュールに届かない遠隔位置にある時は、方位認識モジュールの何れかの受信効率のよいＲＦＩＤタグと交信して、このＲＦＩＤタグに記憶した情報を手掛かりに充電器の位置標識モジュールのＲＦＩＤタグと送受信できる領域まで移動させることができ、これにより確実にロボットを充電器まで誘導させることが可能となる。

以下において、本発明にかかるロボットの自動充電システムを図面に基づき説明する。 図１は、本発明の一実施形態である自動充電システムにおける充電器とロボットの概略的なブロック図である。また、図２は位置認識モジュールの一例を示す斜視図、図３は作業空間内でのロボットの動作を説明するための概略的な平面図、図４はロボットが充電器に近づいてきた状態を示す平面図、図５はロボットが充電器の正面にきたときの平面図、図６はロボットの充電状態を示す平面図である。

図１〜図６に示すように、充電器１は、後述するロボット７が移動する空間内、例えば工場や店舗における作業空間３内の北側３ａの壁面に接して設置されている。この充電器１には位置認識モジュール２と、開放された空間に向かって露出したコネクタ１ａが設けられており、このコネクタ１ａがロボット７のコネクタ７ｇと電気的に接続されるようになっている。

前記位置認識モジュール２は、図２に示すように、正八角柱を半裁した形状を有するボデイ２１の取付座面（裁断面）２２を除く５面が夫々タグ取付面２３…として形成され、これら５面のタグ取付面２３…の夫々にＲＦＩＤタグ４ａ〜４ｅを貼り付けることによって形成されている。これにより各ＲＦＩＤタグ４ａ〜４ｅは夫々放射方向に向かうように配置されている。

前記夫々のＲＦＩＤタグ４ａ〜４ｅには、図８に示すように、充電器１の識別番号、ＲＦＩＤ番号、各ＲＦＩＤタグの取付方向を示す角度情報並びに充電器の位置情報が記憶されている。充電器の識別番号は充電器１の個体を表示するものであって、例えば第１番目の充電器であれば「１」と入力されている。ＲＦＩＤ番号は、後述する方位識別モジュールのＲＦＩＤタグと区分けするためのものであって、例えば０と入力されている。位置情報は、充電器１の設置された位置を示すものであって、本実施例の場合は、充電器１がロボット作業空間３内の北側の壁面３ａに接して配置されているので「北」と入力されている。

また、ＲＦＩＤタグ４ａ〜４ｅの取付方向を示す角度情報は、ロボットに対する充電器１の受け入れ方向Ｘ（図４並びに図５参照）を基準としたＲＦＩＤタグの取付角度を入力したものである。ここでいう受け入れ方向Ｘとは、ロボット７のコネクタ７ｇと充電器１のコネクタ１ａが正しく接続するために必要なロボットの受け入れ方向（ロボットの侵入方向）をいう。本実施例にあっては中央のＲＦＩＤタグ４ｃが受け入れ方向Ｘと同一方向に向けて配置されており、このＲＦＩＤタグ４ｃに角度情報として０度が入力されている。また、この基準となるＲＦＩＤタグ４ｃに対して時計方向に４５度の角度で配置されたＲＦＩＤタグ４ｂには４５度と入力され、反時計方向に４５度の角度で配置されたＲＦＩＤタグ４ｄには−４５度と入力され、同様に時計方向に９０度の角度で配置されたＲＦＩＤタグ４ａには９０度と入力され、反時計方向に９０度の角度で配置されたＲＦＩＤタグ４ｅには−９０度と入力されている。

また、受け入れ方向Ｘに向いたＲＦＩＤタグ４ｃには、ロボット７のコネクタ７ｇが充電器１のコネクタ１ａに接続する位置まで、ロボット７が充電器１に向かって接近させるための侵入許可情報が入力されている。

更に、図３に示すように、ロボット７が移動する空間３内でバランスよく分散した位置に複数の方位認識モジュール５ａ、５ｂ、５ｃが設置されている。本実施例では作業空間３内の東、西の壁面３ｂ、３ｃ並びに南側の壁面３ｄの中間部に夫々方位認識モジュールが取り付けられている。この方位認識モジュール５ａ、５ｂ、５ｃは、図７に示すように、上記位置認識モジュール２と同じような放射方向に向かった５個のＲＦＩＤタグ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅを備え、これらＲＦＩＤタグには図９に示すようにＲＦＩＤ番号、各ＲＦＩＤタグの取付方向を示す角度情報並びに取り付けられた位置を示す方位情報が記憶されている。例えば、東側の壁面３ｂに取付けられた方位認識モジュール５ａのＲＦＩＤタグには西方向に向いたＲＦＩＤタグ６ｃを基準角度０度とし、他の４個のＲＦＩＤタグ６ａ、６ｂ、６ｄ、６ｅにはＲＦＩＤタグ６ｃを基準とした取付角度が入力されている。また同様に西側の壁面３ｃに取り付けられた方位認識モジュール５ｂのＲＦＩＤタグも図の（ロ）に示すように、東方向に向いたＲＦＩＤタグを基準角度０度として夫々の取付角度が記憶されており、同様に南側の壁面３ｄに取り付けられた方位認識モジュール５ｃのＲＦＩＤタグも図の（ハ）に示すように、北方向に向いたＲＦＩＤタグを基準角度０度として夫々の取付角度が記憶されている。またこれら方位認識モジュールのＲＦＩＤタグには充電器１のある北の方向に向かってロボット７の移動を指示する移動指示情報が入力されている。

ロボット７は、図１に示すように、制御部７ａによってコントロールされて車輪７ｂにより走行する自走機構と、位置認識モジュール２並びに方位認識モジュール５ａ、５ｂ、５ｃのＲＦＩＤタグの情報を読み取るために、ＲＦＩＤタグにアンテナ７ｈを介して電力電波信号を発信する送信部７ｃと、電力電波信号により駆動されたＲＦＩＤタグが情報信号を発したときにこれを受信する受信部７ｄと、ロボット７の電力源となる電池部７ｅと、この電池部７ｅの残存容量を計測する残存容量計７ｆと、充電器１のコネクタ１ａに接続して電池部の充電を行うためのコネクタ７ｇを備えている。前記制御部７ａは、ＲＦＩＤタグから送信される情報信号を受信したときに、そのときの送信電力値からＲＦＩＤタグとの距離を演算把握する。また制御部７ａは、電池部７ｅの残存容量が設定値まで低下して残存容量計７ｄがこれを検出したときにロボット７を充電器１がある方向に向かって移動を行う動作を開始する。また電波信号を送受信するアンテナ７ｈはロボット周囲に一定の間隔を空けて複数、例えば東西南北の方向に向かって４個設けられている。

作業空間３内でロボット７が作業中に電池部７ｅの残存容量が設定値まで低下すると、制御部７ａは作業を中止して周囲のアンテナ７ｈから順番に電力用電波信号を発して充電器１の位置標識モジュール２を探索する。この場合、ロボット７の電波信号が充電器１の位置標識モジュール２に届かない遠隔点、例えば図３に示すように作業空間内の東南に偏った位置にある時は、ロボット周囲に配置された何れかのアンテナ７ｈから最短で且つ最も指向性がよくて受信効率の高い位置にある方位認識モジュール５ａのＲＦＩＤタグ６ｄが検出され、このＲＦＩＤタグ６ｄに入力された位置情報並びに角度情報によって充電器１の方向、即ち北の方位を大まかに知ることができる。同時にＲＦＩＤタグに記憶させた移動指示情報によりロボット７は充電器１のある北に向かって移動を開始する。

ロボット７が進行して充電器１の位置標識モジュール２のＲＦＩＤタグと送受信できる領域までくると、アンテナ７ｈからの電波信号によって最短で且つ最も指向性がよくて受信効率の高い位置にある位置標識モジュール２のＲＦＩＤタグ４ｄが検出される（図４参照）。このＲＦＩＤタグ４ｄに入力された角度情報によりロボット７の、充電器１に対する正しい侵入方向即ち、充電器１の受け入れ方向Ｘに対する角度関係が把握でき、受け入れ方向Ｘに向いたＲＦＩＤタグ４ｃと送受信する位置まで移動する（図５参照）。この移動時はロボット７と充電器１とは一定の距離を保つように設定しておく。この距離はＲＦＩＤタグを受信したときのロボット送信電力値から把握することができる。ＲＦＩＤタグ４ｃと送受信する位置までロボット７が移動すると、ＲＦＩＤタグ４ｃに記憶させた侵入許可情報を読み取ってロボット７が充電器１に向かって進行して充電器のコネクタ１ａとロボットのコネクタ７ｇが接続する位置まで侵入して停止し、充電が開始される（図６参照）。

ロボット７が充電器１に侵入したときに、充電器のコネクタ１ａとロボットのコネクタ７ｇが正しく接続する位置にロボット７を受け入れるガイド用凹部１ｂを充電器１の前面に設けるのがよい。これにより、コネクタ１ａ、７ｇの接続を安定した状態で確実に保持して充電を行うことができる。

本発明では、ロボット７が充電器１の位置標識モジュール２と送受信できない遠隔地にいるときに、電池部７ｅの残存容量が設定値まで低下した場合、ロボット７が充電器１の位置標識モジュール２と送受信できる領域まで、自動的に移動を開始するようにしてもよい。即ち、充電器１のある「北」の方向に向かって自動的に進むようにしてもよい。これは、例えばロボット７に方位磁石を組み込むことによって実施可能である。これにより前記した方位認識モジュール５ａ、５ｂ、５ｃを省略することができる。

本発明では、上記した実施例に限らず、その構成要旨を逸脱しない範囲内で適宜改変して実施することが可能である。例えば、ＲＦＩＤタグを保持するボデイを円弧面や球面体で形成してＲＦＩＤタグを貼り付ける部分だけ平らに加工するようにしてもよい。また、前記した位置認識モジュールや方位認識モジュール５面体としたが、放射方向に向かった４面体或いは３面体、逆に６面体以上で形成してもよいことは勿論である。

本発明は、車輪やキャタピラにより走行するロボットや、犬、猫のような４足歩行のペット型ロボット、或いは２足直立歩行の人間型ロボット等のバッテリーを電源とする種々のタイプの移動ロボットに利用することができる。

本発明にかかる自動充電システムにおける充電器とロボットの概略的な説明図。 本発明に於ける位置認識モジュールの一例を示す斜視図。 作業空間内でのロボットの動作を説明するための概略的な平面図。 ロボットが充電器に近づいてきた状態を示す平面図。 ロボットが充電器の正面にきたときの平面図。 ロボットが充電器に近接した充電状態を示す平面図。 本発明に於ける方位認識モジュールの一例を示す平面図。 位置標識モジュールのＲＦＩＤタグに入力された情報を示す図。 方位認識モジュールのＲＦＩＤタグに入力された情報を示す図。

符号の説明

１ 充電器
１ａ 充電器のコネクタ
２ 位置標識モジュール
３ 作業空間
４ａ〜４ｅ 位置認識モジュールのＲＦＩＤタグ
５ａ〜５ｃ 方位認識モジュール
６ａ〜６ｅ 方位認識モジュールのＲＦＩＤタグ
７ ロボット
７ａ 制御部
７ｃ 送信部
７ｄ 受信部
７ｅ 電池部
７ｆ 残存容量計
７ｇ ロボットのコネクタ
７ｈ アンテナ

Claims (6)

1. 放射方向に向いた複数のＲＦＩＤタグで構成される位置認識モジュールと、この位置認識モジュールが取り付けられた充電器と、充電可能な電池を動力源として自律走行する機能を備えたロボットとからなり、
   前記ＲＦＩＤタグには少なくとも充電器の位置情報とＲＦＩＤタグの取付角度情報が記憶され、
   前記ロボットにはＲＦＩＤタグと送受信する手段が設けられていて読み取ったＲＦＩＤタグの情報に基づいて充電器に向かってロボットが移動するようにしたことを特徴とするロボットの自動充電システム。
2. 位置認識モジュールが、放射方向に向いた複数のタグ取付面を有するボデイの前記タグ取付面にＲＦＩＤタグを夫々貼り付けることによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のロボットの自動充電システム。
3. 位置認識モジュールのＲＦＩＤタグに記憶された角度情報は、ロボットに対する充電器の受け入れ方向を基準としたＲＦＩＤタグの取付角度であり、受け入れ方向に向いたＲＦＩＤタグにロボットを充電器の充電位置まで接近させることを指示する侵入指示情報が入力されていることを特徴とする請求項１又は請求項２の何れかに記載のロボットの自動充電システム。
4. ロボットは、電源となる電池の残存容量を検出する残存容量検出手段を備え、前記電池の残存容量が設定値に達すると充電のための動作を開始するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載のロボットの自動充電システム。
5. 前記ロボットは、ＲＦＩＤタグと送受信するための複数のアンテナを備え、これら複数のアンテナはロボットの周囲に間隔をあけて配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載のロボットの自動充電システム。
6. ロボットの作業空間内に充電器の方位を検索するための方位認識モジュールが設けられ、該方位認識モジュールは放射方向に向いた複数のＲＦＩＤタグで構成され、これらＲＦＩＤタグには少なくとも充電器の方向を示す方位情報と走行指令情報が記憶されている請求項１〜請求項５の何れかに記載のロボットの自動充電システム。

Images