JP2006244020A - ロボット充電誘導システム - Google Patents

Abstract

【課題】 別途に通信手段を設けることなく、必要なときだけ誘導信号を発信して、ロボットを充電装置に誘導するロボット充電誘導システムを提供する。
【解決手段】 ロボット２０は、発信方向ごとに異なる信号パターンを有する指向性の探索信号を発信する方向別探索信号発信部３３と、充電装置から発信される応答信号を受信する応答信号受信部３４とを備え、充電装置４０は、ロボット２０からの探索信号を受信する探索信号受信部４４と、受信した探索信号に含まれる信号パターンを抽出する信号パターン抽出部４９と、抽出した信号パターンに対応した信号パターンを有する非指向性の応答信号を作成して発信する非指向性応答信号発信部４５とを備え、ロボット２０は応答信号受信部３４が受信した応答信号に含まれる信号パターンに基づいて充電装置の方向を特定する方向特定部３８と、特定された方向にロボットを移動する移動機構３５とを備える構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、動力源として充電電源を搭載する自律移動ロボットを、充電装置に誘導して充電を行うロボット充電誘導システムに関する。

近年、監視ロボット、掃除ロボット、ペットロボット等のような種々の作業、動作を行う自律移動ロボットが利用されている。このような自律移動ロボットは、通常、電力を動力源とするが、ロボットの行動可能な範囲が電力供給用の電源コードが届く範囲に制限されないようにするため、充電電源を搭載し、その残量が低下すると充電装置に接続して充電するようにしている。

充電電源を搭載する自律移動ロボットでは、もともと自走機能を備えているため、充電電源の残量低下を検知したときに、脚や車輪を用いた移動機構を駆動して、人手を介さず自動的にロボットを充電装置（充電スタンド）に移動させることが望ましい。そのため、ロボットを自律的に充電装置に誘導するための誘導システムが考案されている。

例えば、充電装置側から放射される赤外線誘導によりロボットを電源供給地に誘導するシステム（特許文献１参照）、遠方での誘導を充電装置側からの非指向性誘導信号で行い、充電装置に接近したときに充電装置側からの電波、音波、光による指向性誘導信号で誘導するシステム（特許文献２参照）等が開示されている。
また、ロボットと充電装置との間で通信を行うための無線ＬＡＮを設けるとともに、充電装置にＣＣＤカメラを設け、ロボットから充電装置へ無線ＬＡＮによる充電依頼を送ることにより、充電装置はＣＣＤカメラによる画像認識によりロボットを誘導することが開示されている（特許文献３参照）。
特開２００４−２７５７１６号公報 実用新案登録第３０６４８８４号公報 特開２００３−１５７７号公報

従来のロボット誘導方法には、光学的誘導方法、電磁的誘導方法、音響的誘導方法などがあり、それぞれ一長一短がある。
上述した特許文献1、特許文献２のような誘導方法は一般的な方法であり、基本的には充電装置側から発信される誘導信号をロボット側で検出することにより、ロボットが充電装置に誘導されるようにしている。これらの誘導方法では、ロボットがいつでも充電装置の位置を認識できるように、常時、充電装置から誘導信号を発信しておく必要がある。そのため、電力消費の観点から、必要なときだけ誘導信号を発信するシステムに変更することが望ましい。
この対策として、特許文献３に開示されるように、無線ＬＡＮを用いて、ロボットから充電装置に無線通信で誘導を依頼し、依頼を受けてから誘導を開始することが考えられている。しかし、誘導信号を送受する機器以外に、無線ＬＡＮによる通信手段を準備しておかなければならず、その上、そのような通信手段を常に通信可能状態にしておく必要がある。

そこで、本発明は、これまでの誘導方式とは異なり、別途に無線ＬＡＮなどの通信手段を設けることなく、必要なときだけ誘導信号を発信して、ロボットを充電装置に誘導するロボット充電誘導システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明のロボット充電誘導システムは、動力源として充電電源を搭載するロボットを充電装置に誘導して充電するロボット充電誘導システムであって、ロボットは、発信方向ごとに異なる信号パターンを有する指向性の探索信号を発信する方向別探索信号発信部と、充電装置から発信される応答信号を受信する応答信号受信部とを備え、充電装置は、ロボットからの探索信号を受信する探索信号受信部と、受信した探索信号に含まれる信号パターンを抽出する信号パターン抽出部と、抽出した信号パターンに対応した信号パターンを有する非指向性の応答信号を作成して発信する非指向性応答信号発信部とを備え、さらに、ロボットは応答信号受信部が受信した応答信号に含まれる信号パターンに基づいて充電装置の方向を特定する方向特定部と、方向特定部により特定された方向にロボットを移動する移動機構とを備えるようにしている。
この発明によれば、ロボットの充電が必要になると、ロボット側の方向別探索信号発信部は、指向性の探索信号を各方向に発信する。この探索信号は、発信方向ごとに異なる信号パターンを有する。例えば、全方位を８分割して発信する場合は、４５度ずつ異なる信号パターンの探索信号が発信される。また、全方位を３６０分割して発信する場合は、１度ずつ異なる信号パターンの探索信号が発信される。要するに、角度分解能を高くしたいときは、分割数を増やすようにする。また、ロボットと充電電源との距離が離れているとき、あるいは、探索開始当初は（距離が離れていると仮定して）細かく分割し、ロボットと充電装置との距離に近づくと、分割数を減らすようにしてもよい。

充電装置側では、ロボットからの探索信号を受信できる状態で待機している。この待機状態のときは、電力消費量が少なく、いわゆる省電力状態となっている。
充電装置側の探索信号受信部が、ロボットからの探索信号を受信すると、省電力状態から通常の動作状態に復帰し、信号パターン抽出部によって、受信した探索信号に含まれる信号パターンを抽出する。さらに応答信号発信部は、抽出した信号パターンに対応する信号パターンを有する非指向性の応答信号を発信する。この信号パターンは、ロボット側から発信された探索信号に含まれる信号パターンとの対応付けが可能な信号パターンであれば何でもよく、探索信号と同一の信号パターンでもよい。充電装置から発信された非指向性の応答信号は、ロボットが存在する方位を含む広い範囲に広がっていく。
ロボット側の応答信号受信部が、充電装置から発信された応答信号を受信すると、ロボットの方向特定部は、応答信号に含まれる信号パターンを抽出する。そして抽出した信号パターンに基づいて、充電装置が受信した探索信号に含まれていた信号パターンが割り出され、探索信号に含まれていた信号パターンから、ロボットから充電装置へ向かう方向が特定される。移動機構が、方向特定部により特定された方向にロボットを移動することにより、ロボットは充電装置に誘導される。

ここで、本発明のロボットは、例えば、工場内や住宅内を巡回して監視を行う監視ロボット、建物内や室内の掃除を行う掃除ロボット、病院・施設や家庭で身体障害者や老人の介護を行う介護ロボット、愛玩動物等として機能するペットロボット等、種々の用途のロボットが含まれる。

本発明によれば、無線ＬＡＮなどの高価な通信手段を設けることなく、必要なときだけ誘導信号を発信して、ロボットを充電装置に誘導することができ、無駄な電力消費を抑えることができる。
また、信号パターンの角度分解能を距離に応じて、調整するようにすれば、ロボットが遠方にあるときも接近しているときでも、適切に誘導することができる。

（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、充電装置の非指向性応答信号部が発信する応答信号の信号パターンは、その充電装置の探索信号受信部が受信した探索信号の信号パターンと同一であるようにしてもよい。
これによれば、ロボットの方向別探索信号発信部から発信する探索信号と同じ信号パターンを抽出すればよいので、対応付けが容易である。

また、上記発明において、方向別探索信号発信部が発信する探索信号は、少なくとも電磁波、音波、光のいずれかを用いるのが好ましい。
これらはいずれも指向性のある信号を生成することができる。具体的には電波を送信するときは指向性のアンテナを用い、音波を送信するときは指向性スピーカを用いる。光を送信するときはレンズ光学系を利用して指向性を持たせることができ、レーザのような指向性のある光源を用いることもできる。

また、上記発明において、応答信号発信部が発信する応答信号は、少なくとも電磁波、音波、光のいずれかを用いるようにしてもよい。
これらはいずれも非指向性の信号を生成することができる。具体的には電波を送信するときは非指向性のアンテナ、音波を送信するときは非指向性のスピーカを用いる。光を送信するときは可視光光源や赤外線光源などの非指向性の光源を利用することができる。

以下、本発明にかかるロボット充電誘導システムについて図面を用いて説明する。以下の説明は、予め設定した領域内を巡回監視する監視ロボットを例として説明する。図１は本発明の一実施形態であるロボット充電誘導システムの構成を示すブロック図であり、図２はその外観構成図である。
まず、システムの外観について説明する。図２に見られるように、このロボット充電誘導システム１０は、ロボット２０と、充電装置４０とからなる。

ロボット２０は、平たい円筒状のハウジング２１を有し、ハウジング２１下部には移動のための車輪２２（あるいは脚機構でもよい）を備えている。ハウジング２１上部には、指向性のスピーカ２３と非指向性のマイク２４が取り付けてある。指向性のスピーカ２３は３６０度回転できるようにしてあり、全方位に向けて指向性の超音波信号が発信できるようにしてある。この超音波信号は、発信方向ごとに異なる信号パターンを含んでおり、方向別探索信号として発信される。ハウジング２１の底面には、充電の際に充電装置４０と電気的に接続するためのコネクタ２５が取り付けられている。なお、ロボット２０には、監視機能に必要な温度センサ、においセンサ、監視カメラ等の各種センサ等も搭載してあるが、これらについては、図示および詳細な説明を省略する（監視機能を実行するときマイク２４は音センサとして利用される）。

充電装置４０は、段部４１が形成されたハウジング４２を有し、段部４１の上面中央付近には、充電の際に、ロボット２０側のコネクタ２５と電気的に接続するためのコネクタ４３が取り付けられている。
また、ハウジング装置４２の上方中央部には、ロボット２０からの方向別探索信号を受信するマイク４４と、受信した方向別探索信号に含まれている信号パターンと同一信号パターンを含んだ非指向性の応答信号を発信するスピーカ４５が取り付けられている。

そして、ロボット２０と充電装置４０とが、充電のためにドッキングしたときに、段部４１の上にハウジング２１が重なり、コネクタ２５とコネクタ４３とが接触するような形状、寸法にしてある。

次に、このシステムの構成を、図１のブロック図を用いて詳細に説明する。
ロボット２０は、ＣＰＵおよびメモリで形成される制御部３０、充電電源３１、コネクタ２５を用いて電力を受電する受電部３２、スピーカ２３により各方向ごとに異なる信号パターンを含む指向性の超音波信号を方向別探索信号として送信する方向別探索信号発信部３３、充電装置４０から送信されてくる応答信号を非指向性のマイク２４によって受信する応答信号受信部３４、および、車輪とモータと動力伝達機構とによりロボット２０を移動する移動機構３５とから構成される。

充電装置４０は、商用電源ラインから供給される電力により充電を行う充電装置本体４６、充電の際にコネクタ４３を用いてロボット２０に電力を給電する給電部４７、マイク４４により探索信号を受信する探索信号受信部４８、受信した探索信号に含まれる信号パターンを抽出する信号パターン抽出部４９、抽出された信号パターンと同じ信号パターンを含む非指向性応答信号をスピーカ４５から発信する非指向性応答信号発信部５０とから構成される。

さらに、ロボット２０の制御部３０の制御内容を、機能ごとに分けて説明すると、充電電源の残容量を検出する残容量検出部３６、充電装置４０の方向を特定する方向特定部３８とからなる。

残容量検出部３６は、充電電源３１の端子間の電圧を逐次モニタリングし、予め定めた閾値電圧以下になると充電が必要であることを知らせる。

方向特定部３８は、応答信号に含まれる信号パターンを抽出し、先に方向別探索信号発信部３３から発信した各発信方向の探索信号の信号パターンと比較し、同一信号パターンを発信した方向を探し出し、その方向が充電装置４０の方向であると特定する。
そして、特定した方向に移動機構３５により、ロボット２０を移動させることにより、ロボット２０を充電装置４０に誘導することができる。
このように、方向のみが特定できれば、誘導は可能である。なお、ロボットが充電装置に接近した場合に検知するセンサを設けることで、より安全に充電装置に誘導することもできる。

次に、このシステムによるロボットの誘導動作について説明する。図３は、本発明のロボット充電誘導システムにより実行される動作手順の一例を示したフローチャートである。また、図４は、図３の各手順における状態を説明する摸式図である。

ロボット２０を起動し動作を開始する（ｓ１０１）と、ロボット本来の機能を実行する通常動作を行う（ｓ１０２）。本例では監視ロボットを用いているため、あらかじめ定めた領域を巡回する監視動作を行う。図４（ａ）は、監視中のある時点でのロボット２０と充電装置４０との位置関係を示した図である。

通常動作中に、一定時間間隔ごとに充電電源３１の残量をチェックし（ｓ１０３）、充電の必要がないときは通常動作を続行する。残量が少なくなると、ロボット２０のスピーカ２３（方向別探索信号発信部３３）から指向性の探索信号を放射状に発信する（ｓ１０４）。図４（ｂ）は、指向性の探索信号を放射状に発信したときの状態を説明する図である。信号パターンを２進数で表現することとし、８分割した方向に、それぞれ２進数で「００００」〜「０１１１」までの８つの異なる信号パターンが順次発信される。この場合、図４（ｃ）に示すように、「０００１」の信号パターンを含んだ探索信号が充電装置４０に向けて発信されているので、充電装置４０では、受信した探索信号から「０００１」の信号パターンを抽出する。充電装置４０が「０００１」の信号を抽出すると、今度は「０００１」の信号パターンを含んだ非指向性応答信号をスピーカ４５から発信する。図４（ｄ）は、非指向性応答信号を周囲に向けて発信したときの図である。

ロボット２０は、指向性の探索信号を発信した後、充電装置からの応答信号の受信を待つ（ｓ１０６）。このとき、予め設定してある一定時間内に応答信号を受信しなければ、ロボット２０は移動機構３５を駆動して移動し（ｓ１０６）、再びｓ１０４に戻って移動後の位置で指向性探索信号を発信する動作以降を繰り返す。
応答信号を受信したときは、応答信号から信号パターンを抽出し、探索信号に含めていた信号パターンと比較して、同一信号パターン（「０００１」）を見つけることにより、発信方向を特定する（ｓ１０７）。
充電装置４０の方向が「０００１」方向であることを特定すると、ロボット２０は移動機構３５により充電装置４０の方向に向けて移動する（ｓ１０８）。図４（ｅ）は、
ロボット２０が「０００１」方向に移動する状態を説明する図である。

続いて、充電装置４０に到達したかを把握し（ｓ１０９）、到達していないときはｓ１０４に戻って、同様の動作を繰り返す。到達したときは、充電動作を開始する（ｓ１１０）。以上の動作により、ロボット２０に充電を行うことができる。充電が終了すると、ｓ１０２に戻り、通常動作を繰り返す。

本発明は、充電電源を搭載したロボットを充電するための充電誘導システムに利用することができる。

本発明の一実施形態であるロボット充電誘導システムの構成を示すブロック図。 本発明の一実施形態であるロボット充電誘導システムの外観図。 図１のロボット充電誘導システムによる動作手順を示すフローチャート。 図３の動作手順中の各状態を説明する摸式図。

符号の説明

１０ ロボット充電誘導システム
２０ ロボット
２１ 筐体
２３ 指向性のスピーカ
２４ マイク
３０ 制御部
３１ 充電電源
３３ 方向別探索信号発信部
３４ 応答信号受信部
３５ 移動機構
３６ 残容量検出部
３８ 方向特定部
４０ 充電装置
４４ マイク
４５ 非指向性のスピーカ
４６ 充電装置本体
４８ 探索信号受信部
４９ 信号パターン抽出部
５０ 非指向性応答信号発信部

Claims (4)

1. 動力源として充電電源を搭載するロボットを充電装置に誘導して充電するロボット充電誘導システムであって、
   ロボットは、発信方向ごとに異なる信号パターンを有する指向性の探索信号を発信する方向別探索信号発信部と、充電装置から発信される応答信号を受信する応答信号受信部とを備え、
   充電装置は、ロボットからの探索信号を受信する探索信号受信部と、受信した探索信号に含まれる信号パターンを抽出する信号パターン抽出部と、抽出した信号パターンに対応した信号パターンを有する非指向性の応答信号を作成して発信する非指向性応答信号発信部とを備え、
   さらに、ロボットは応答信号受信部が受信した応答信号に含まれる信号パターンに基づいて充電装置の方向を特定する方向特定部と、方向特定部により特定された方向にロボットを移動する移動機構とを備えることを特徴とするロボット充電誘導システム。
2. 充電装置の非指向性応答信号部が発信する応答信号の信号パターンは、その充電装置の探索信号受信部が受信した探索信号の信号パターンと同一であることを特徴とする請求項１に記載のロボット充電誘導システム。
3. 方向別探索信号発信部が発信する探索信号は、少なくとも電磁波、音波、光のいずれかを用いることを特徴とする請求項１に記載のロボット充電誘導システム。
4. 応答信号発信部が発信する応答信号は、少なくとも電磁波、音波、光のいずれかを用いることを特徴とする請求項１に記載のロボット充電誘導システム。

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