JP2020068896A - 清掃ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】建設現場等の床面に存在する段差部、傾斜部等の障害物にいずれの向きからロボット本体が近づいても動作不能にならず、従動輪が床面の孔に落ち込んでも清掃作業を継続できる清掃ロボットを提供する。【解決手段】ロボット本体２の底部より高さが低く床面Ｆより高さが高い所定位置でロボット本体２を支持する補助輪９が、前輪キャスター５より前方であってロボット本体２の平面視矩形状の底部前方コーナー部近傍に各々配置されている。【選択図】図３

Description

本開示は、例えば建設現場等で床面の粉塵を清掃する清掃ロボットに関するものである。

室内を自走しながら自動で清掃する清掃ロボットが、広く使用されている。
例えば特許文献１（特許第６０６８８２３号公報）には、図１に示されるような清掃ロボットが開示されている。清掃ロボットは円盤状の筐体の外周部に可動式バンパーを備えている。また、筐体の底部前方には、バンパーが変位した位置から底面に連なる傾斜板が設けられ、傾斜板の後端部に前方補助輪が床面より浮かせて設けられている。
床面に障害物があると、バンパーが接触して後退し、次いで傾斜面沿って移動することで或いは前方補助輪が障害物に乗り上げることで障害物を乗り越えられるようになっている。

特許第６０６８８２３号公報

上記清掃ロボットを、施工期間中の建設作業場等で使用することは、次のような理由により難しい。建設作業場においては、建設資材を集積している場所や、コンクリートを打設した直後の床等の養生のために複数の敷き鉄板が敷設されることがある。各敷き鉄板には、溶接された段差や鉄板持ち運び用の吊り孔（貫通孔）が設けられている。ロボット本体の正面から段差に近づいた場合には、上記傾斜板による傾斜角度を緩やかにすることはできるが、進行方向斜め前方からロボット本体に段差が近づいた場合には、ロボット本体底部が段差面に乗り上げて身動きが取れなくなるおそれがある。また、敷き鉄板に設けられた吊り孔が大きく、駆動輪や後輪が落ち込んでロボット本体の底部が床面に当接して身動きが取れないおそれもある。

また、前方補助輪の前方や一対の駆動輪の前方にも床面検知センサが設けられている。床面に設けられた開口や段差にロボット本体が進行方向に正面から近づく場合には、前方補助輪や駆動輪が開口に落ち込む前に清掃ロボットの走行を停止させることができるが、開口や段差に対してロボット本体が斜め前方に見ながら近づいた場合には、いずれかの床面検知センサが開口（貫通孔、凹部等）や段差を検知したときには、ロボット本体を構成する筐体が広い範囲にわたって開口側若しくは段差下側にはみ出した状態となる。このとき、ロボット本体が重心に近い位置まではみ出すと、ロボット本体が傾いて開口内や段差下に落下するおそれがある。特に、建設現場等で用いられる大型で比較的重量のある清掃ロボットには、転落事故防止への対策を図る必要がある。
また、使用する落下防止センサ（赤外線測距センサ）においては、光沢の大きい床材（例えば光沢金属材、光沢樹脂材等）の場合、乱反射してセンサ出力が小さくなり、開口等が存在しないにもかかわらず誤検知による回避動作を行うなどの誤動作が発生するおそれがあった。

以下に述べるいくつかの実施形態に適用される開示は、上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、建設現場等における床面に存在する段差部、傾斜部等の障害物にいずれの向きからロボット本体が近づいても動作不能にならず、従動輪が床面の孔に落ち込んでも清掃作業を継続できる清掃ロボットを提供し、また床面に存在する開口や段差下への落下事故やセンサの誤検知による誤動作を未然に防止した清掃ロボットを提供することにある。

以下に述べるいくつかの実施形態に関する開示は、少なくとも次の構成を備える。即ち、ロボット本体に、床面上を自律走行する走行手段と、前記床面から集塵して清掃する清掃手段を備える清掃ロボットであって、前記走行手段は、前記ロボット本体の底部後方に前記床面に接して設けられ駆動源より駆動伝達されて回転駆動される駆動輪と、前記ロボット本体の底部前方に前記床面に接して設けられた従動輪と、を備え、前記ロボット本体の底部より高さが低く前記床面より高さが高い所定位置で前記ロボット本体を支持する補助輪が、前記従動輪より前方であって前記ロボット本体の平面視矩形状の底部前方コーナー部近傍に各々配置されていることを特徴とする。

これにより、清掃ロボットが建設現場等の床面を走行しながら段差部、傾斜部等の障害物に左右斜め前方から近づいたとしても、ロボット本体の平面視矩形状の底部前方コーナー部近傍に設けられた補助輪が段差部や傾斜部等に当たってロボット本体の移動が止まることはなく、補助輪が段差面や傾斜面に乗り上げ乗り越えることで清掃作業を継続することができる。また、床面に吊り孔等の貫通孔が空いており、仮に従動輪が貫通孔に落ち込んだとしても、床面には補助輪が当接してロボット本体の落ち込みを食い止めてロボット本体の底部が床面に直接接触することはないので、駆動輪の駆動で従動輪が貫通孔より脱出して清掃作業を継続することができる。

前記清掃手段として床面に当接したまま回転駆動される回転ブラシの他に、前記回転ブラシの前方に床面に当接したまま前記ロボット本体が走行するにしたがって床面に存在する塵埃を前記回転ブラシへ向かって誘導する補助ブラシが前記従動輪の両側に各々設けられており、前記補助輪は前記補助ブラシより前方に各々配置されていることが好ましい。
これにより、先ず補助輪が段差面や傾斜面部等の障害物に乗り上げ乗り越えながら走行するため、補助ブラシが段差部や傾斜部に直接当たって変形したり破損したりするのを防ぐことができる。また、補助ブラシが駆動輪の前方に配置されることで、駆動輪に付着する粉塵を低減し床面への再付着を低減することができる。

前記補助輪は、一対の自在キャスターが用いられることが好ましい。
これにより、補助輪には回転方向性はないので、いずれの向きから障害物（段差や傾斜面等）に当接しても補助輪が従動回転可能であるので、駆動輪の駆動によりロボット本体が障害物を乗り越えながら走行することができる。

前記ロボット本体の底部には、前記従動輪及び前記駆動輪の進行方向前方に床面の開口を検知する従動輪用前方落下防止センサ及び駆動輪用前方落下防止センサが各々設けられ、前記駆動輪の進行方向後方には床面の開口を検知する駆動輪用後方落下防止センサが各々設けられており、前記駆動輪と前記従動輪の車軸を結ぶ前後輪車輪間ラインと前記ロボット本体の重心との距離から可及的に離れた位置に前記駆動輪用前方落下防止センサが設けられていてもよい。
これにより、清掃ロボットが床面に存在する開口（貫通孔や凹部等）が従動輪用前方落下防止センサに検知され難い向き、例えば左右斜め前方から近づいた場合に、駆動輪用前方落下防止センサが前後輪車輪間ラインと前記ロボット本体の重心との距離より可及的に離れた位置（例えばロボット本体の底部前方コーナー部近傍）に配置することで、ロボット本体の重心が開口位置（貫通孔位置や段差下位置）に近づく前に駆動輪用前方落下防止センサにより検知可能となる。これにより、ロボット本体の重心が開口位置に近づいた状態（例えばロボット本体が開口内に大きくはみ出した状態）となることはなく、落下事故を未然に防止することができる。

前記従動輪用前方落下防止センサ、前記駆動輪用前方落下防止センサ及び前記駆動輪用後方落下防止センサのいずれかがＯＮ状態となると、前記ロボット本体の進行方向への動作を停止させ、前記駆動輪の駆動方向を転換させることが好ましい。
これにより、清掃ロボットの進行方向前方若しくは後方に開口が存在するため、動作を一旦停止させて駆動輪の駆動方向を転換することで、ロボット本体を進行方向から後退させて落下事故を未然に防止することができる。

少なくとも前記従動輪用前方落下センサ若しくは前記駆動輪用前方落下防止センサのいずれかと前記駆動輪用後方落下防止センサが共にＯＮ状態となると、前記ロボット本体の走行を停止させて清掃動作を中止することが望ましい。
このように、ロボット本体の前進方向及び後退方向の落下防止センサが共にＯＮ状態となると、誤検知を生ずる床面状態、例えば、床面が光沢の大きい床材（例えば光沢金属材、光沢樹脂材等）であって、乱反射して落下防止センサの出力が小さくなる場合や、ロボット本体の前後方向共に段差等が迫った異常事態と判断される。
このような異常事態を検知すると、ロボット本体の走行を停止させて清掃動作を中止することで、開口等が存在しないにもかかわらず誤検知による回避動作を繰り返すなどの誤動作が発生することはなく、ロボット本体の段差下等への落下も未然に防ぐことができ、フェイルセーフ機能を持たせることができる。

建設現場等の床面に存在する乗り越え可能な段差部、傾斜部等の障害物にいずれの向きからロボット本体が近づいても動作不能にならずに清掃動作を継続でき、かつ開口や段差下への落下事故やセンサの誤検知による誤動作を未然に防止した清掃ロボットを提供することができる。

（ａ）は清掃ロボットの側面図、（ｂ）は正面図である。 図１（ａ）の清掃ロボットの内部構造を示す内視図である。 清掃ロボットの底面図である。 ロボット本体の前方に設けられたボールキャスター及び距離計測装置の動作範囲を示す説明図である。 清掃ロボットの制御系を示すブロック構成図である。

図１（ａ）は、清掃ロボット１の側面図、図１（ｂ）は正面図である。本実施形態においては、清掃ロボット１は、施工期間中の建設作業場において床面清掃用に使用されるものである。

図２に示すように、清掃ロボット１は、筐体状のロボット本体２に走行手段３と清掃手段４を備えている。走行手段３は、図３に示すようにロボット本体２の平面視矩形状の底部に進行方向前方中央部に前輪キャスター５（従動輪）を備え、進行方向後方両側には一対の駆動輪６を備えている。一対の駆動輪６は、ロボット本体２内に設けられた駆動輪用モータ７とプーリ間に架設された無端状のタイミングベルト８を通じて各々回転駆動される。図２において、前輪キャスター５は、偏心した支持軸部５ａ（垂直軸）を中心に３６０°回転可能に支持された例えば直径φ１００ｍｍ程度の自在輪である。前輪キャスター５は、清掃ロボット１の進行方向に追随して従動回転する。清掃ロボット１は、これら前輪キャスター５及び一対の駆動輪６が床面Ｆに接した状態で使用される。各駆動輪用モータ７には、充電可能なリチウムイオンバッテリー２４から電力が供給されている。

図３に示す右側駆動輪用モータ７ａと左側駆動輪用モータ７ｂの回転量は、後述するロボット制御部５０（図５参照）によって個別に制御される。右側駆動輪用モータ７ａの回転量と左側駆動輪用モータ７ｂの回転量が同じ場合には、清掃ロボット１は直進する。右側駆動輪用モータ７ａの回転量が左側駆動輪用モータ７ｂの回転量より大きい場合は、清掃ロボット１は左方向に曲がるように旋回する。右側駆動輪用モータ７ａの回転量が左側駆動輪用モータ７ｂの回転量より小さい場合は、清掃ロボット１は右方向に曲がるように旋回する。一対の駆動輪６の径の大きさ、駆動輪用モータ７ａ，７ｂのトルクは、建設作業場に釘やビスが落下していても、或いは後述するように床面Ｆに所定高さ範囲の傾斜部、段差部等の障害物が存在してもこれに駆動輪６がロックされずに乗り越えることができる程度に設計されている。

図３において、ロボット本体２の平面視矩形状の底部には、前輪キャスター５より前方であってロボット本体２の底面の前方コーナー部近傍に、ボールキャスター９（補助輪：自在キャスター）が回転自在に各々組み付けられている。図４に示すように、ボールキャスター９の床面からの高さｈ１は、ロボット本体２の底面より低く床面Ｆより高い位置（例えば床面より１９ｍｍ程度）となるように組み付けられる。尚、ロボット本体２の底部の床面Ｆからの最低高さＨは例えば５０ｍｍ程度に設計されている。

これにより、清掃ロボット１が自律走行しながら、床面Ｆに設けられた段差部、傾斜部等の障害物に左右斜め前方から近づいたとして、先ずボールキャスター９が障害物にあたってロボット本体２の移動が止まることはなく、ボールキャスター９が段差面や傾斜面に乗り上げ乗り越えることで清掃作業を継続することができる。また、床面Ｆに吊り孔等の貫通孔が空いており、仮に前輪キャスター５が貫通孔に落ち込んだとしても、床面Ｆには一対のボールキャスター９が当接してロボット本体２の落ち込みを食い止めてロボット本体２の底面が床面Ｆに直接接触することはない。よって、一対の駆動輪６の駆動で前輪キャスター５が貫通孔より脱出して清掃作業を継続することができる。

具体的には、建設現場で使用される敷き鉄板（例えば厚さ１９ｍｍ、２２ｍｍ、２５ｍｍ等）に対して、前輪キャスター５では床面Ｆからの高さ２０ｍｍの段差（凸部）を乗り越えられず、吊り孔に前輪キャスター５が脱落すると、ロボット本体２が走行不能になるおそれがあった。本実施例に示すボールキャスター９の配置により、前輪キャスター５が敷き鉄板の厚さである高さ２２ｍｍや２５ｍｍの段差を乗り越えることができ、仮に前輪キャスター５が吊り孔に脱落しても落ち込み量（１９ｍｍ程度）を減少させて嵌り込むことがなく、脱出して清掃作業を継続することができる。

また、ロボット本体２の進行方向左右斜め前方から傾斜面が近づいてきた場合、ロボット本体２の底部が傾斜面に乗り上げて動作不能となる場合があったが、ボールキャスター９の配置により、ロボット本体２の底部の乗り上げを防ぐことができる。特にボールキャスター９には回転方向性はないので、いずれの向きから障害物（段差面や傾斜面等）に当接しても従動回転可能であるので、ロボット本体２の進行方向を変えずに駆動輪６の駆動により走行することができる。

図２において、清掃手段４は、回転ブラシ１０（清掃ブラシ）、ブラシ駆動モータ１１（図５参照）及びホッパ１２を備えている。回転ブラシ１０は、円柱形状に形成されており、円柱形状の側面に多数のブラシが径方向に林立して設けられている。回転ブラシ１０は、軸方向がロボット本体２の左右側面方向と一致するように配置され、円柱形状の中心軸を中心に回転可能に組み付けられている。回転ブラシ１０はロボット本体２の底部に取り付けられており、ブラシの下側が常時床面Ｆに接触した状態で設けられている。回転ブラシ１０は、リチウムイオンバッテリー２４から電力を供給されて起動するブラシ駆動モータ１１（図５参照）によって反時計回り方向に回転され、床面Ｆ上に存在する塵埃、ゴミ等を絡め捕り、ロボット本体２の後方へ送り出す。回転ブラシ１０の後方には、ホッパ１２が設けられている。ホッパ１２は、回転ブラシ１０の回転によってロボット本体２の後方へ送り出された塵埃、ゴミ等をエア吸引しながら回収して格納する。清掃ロボット１の床面Ｆからの最低高さ位置ｈ２は、例えば３１ｍｍ程度に調整されている。ブラシ駆動モータ１１は、後述するロボット制御部５０によって、一定の速度で回転するように制御される。

図３において、ロボット本体２の底部において、一対の補助ブラシ１３が前輪キャスター５の両側に進行方向（矢印方向）に向かってブラシ間の幅が両側に漸進広がるように組み付けられている。補助ブラシ１３は回転ブラシ１０の前方に設けられ、ロボット本体２が走行するにしたがって床面Ｆに存在するゴミや塵埃を回転ブラシ１０へ向かって誘導する。図２において、回転ブラシ１０の軸方向両側には、一対の遮蔽板１４が設けられている。遮蔽板１４は、可撓性のあるゴム板等が用いられ、回転ブラシ１０によって後方に送り出されるゴミや塵埃が両側に拡散しないように床面Ｆとの隙間を覆っている。

一対のボールキャスター９は、図３に示すように、ロボット本体２の平面視矩形状底部において、補助ブラシ１３より前方であって、ロボット本体２の底部前方コーナー部近傍に各々設けられている。これにより、ボールキャスター９が先に段差面や傾斜面等に乗り上げて乗り越えるため、補助ブラシ１３が段差部や傾斜部等の障害物に直接当たって変形したり破損したりするのを防ぐことができる。また、補助ブラシ１３が駆動輪６の前方に配置されることで、駆動輪６に付着する粉塵を低減し床面Ｆへの再付着を低減することができる。

また図１（ｂ）に示すようにロボット本体２の進行方向前面中央部には、距離計測装置１５を備えている。距離計測装置１５は、光を出射し、障害物より反射した反射光を受光することで当該反射光を受光するまでの時間を計測して、障害物との距離を計測する。本実施形態においては、距離計測装置１５は、レーザーレンジファインダーが用いられ、光源よりレーザー光が出射される。距離計測装置１５は、例えば光源より照射されたレーザー光を反射鏡により水平前方に向かって反射させ、当該反射鏡を内蔵するモータにより回転駆動することで水平方向に走査する。例えばレーザー光を一秒間に１０８１回の頻度で、図４の進行方向前方から左右両側に例えば各々９０°を超える範囲、最大検知範囲２７０°で往復動させてレーザー光を水平方向に光走査することで、周囲の物体までの距離を計測する。距離計測装置１５の光の射程距離は、例えば最大３０ｍ程度である。

また、距離計測装置１５は図４の水平姿勢を０°として例えば上方向回転角θ１（例えば３０°）、下方向回転角θ２（例えば４０°）で１秒間に１回往復動させて、レーザー光を垂直方向に走査することで周囲の物体までの距離を計測できるようになっている。具体的には、距離計測装置１５は、ロボット本体２の前面に設けられた支持部２ａ上に起立して固定されている。距離計測装置１５は、レーザー光を水平走査する測域センサ１５ａと該測域センサ１５ａを上下動させる回転動作部１５ｂを備えている。回転動作部１５ｂは、正逆回転駆動可能な上下動モータ１５ｃを有する。上下動モータ１５ｃは例えばステッピングモータが用いられる。上下動モータ１５ｃのモータ軸１５ｄ（回転軸）が、測域センサ１５ａの底部に冶具を介して連結されている。この上下動モータ１５ｃを正逆回転駆動することにより、測域センサ１５ａがモータ軸１５ｄを中心に上下方向に所定角度範囲（例えば上方向３０°下方向４０°範囲）で回動するようになっている。尚、本実施例では測域センサ１５ａは、水平姿勢より上方向回転角θ１が３０°下方向回転角θ２が４０°範囲で往復動するようになっているが、これらの上下方向回転角θ１、θ２の値は必要に応じて変更可能である。

上述したように距離計測装置１５が水平方向のみならず上下方向に走査可能としたことに伴い、ロボット制御部５０（図５参照）は、図４に示す床面Ｆより所定高さＨ（例えば５０ｍｍ程度）の仮想面Ｅより下方にある障害物を検知対象から除外する処理をおこなう。具体的には、側域センサ１５ａが前方測定距離Ｄ（例えば５００ｍｍ）を含む垂直面Ｖにある障害物の有無を検知する。側域センサ１５ａは水平姿勢より下方に向いたとき、光軸Ｂと垂直面Ｖとの交点Ｚより手前側で、床面Ｆより高さＨの範囲内にある乗り越え可能な障害物を検知してしまう。そこで、光軸Ｂが仮想面Ｅとの交点Ｚから下方回転角θ２（最大回転角）まで回転する間は、当該仮想面Ｅより低い範囲の障害物の有無をロボット制御部５０は検知しないようになっている。これにより、清掃ロボット１が乗り越え可能な床面Ｆからの高さ２５ｍｍ（敷き鉄板の厚さに相当）以下の段差等の障害物を検知対象から外して、清掃動作を継続できるようになっている。

上述した構成により、距離計測装置１５は、清掃ロボット１の直進方向を基点（０°）として、水平方向に−９０°〜９０°、上下方向に３０°〜−４０°の角度範囲における、距離計測装置１５から前方測定距離Ｄ（例えば５００ｍｍ以内）を含む垂直面Ｖに位置する物体までの距離を測距することができる。即ち、測域センサ１５ａから水平方向及び上下方向に走査されるレーザー光の反射光により、光源から測定距離Ｄの前方にある垂直面Ｖ内における障害物の二次元配置を計測する。測域センサ１５ａは、例えば、測距精度が０．１〜１０ｍで±３０ｍｍ、測距分解能１ｍｍ単位、角度分解能は約０．２５°、走査時間は２５ｍｓのレーザーレンジファインダーが用いられる。距離計測装置１５によって取得された測距情報は、後述するロボット制御部５０に送信される。このように、測域センサ１５ａは、水平方向のみならず上下方向にも回動するため、広範囲で死角の少ない障害物検知が可能となる。

図１（ｂ）に示すように、ロボット本体２の正面部には、障害物との衝突を回避するため超音波センサ１６がロボット本体２の正面部に複数箇所に設けられている。超音波センサ１６は、超音波を発信して反射波を受信するまでの時間を計測して障害物までの距離を非接触で検知するものである。超音波センサ１６は、測域センサ１５ａの検知範囲を補完し、非接触でロボット本体２が障害物に近づく前にその存在を把握するものである。測域センサ１５ａと併用して障害物の有無を二重に検知することで安全性を担保するためと、測域センサ１５ａが検知し難いとされるガラス等の透明体や反射フィルムの貼られたコーン等の検知を確実に行って、衝突を回避するものである。また、超音波センサ１６は、ロボット本体２の前面に水平姿勢から上向きに超音波を発信するように配置されることが望ましい。測域センサ１５ａが、床面Ｆより所定高さＨ（例えば５０ｍｍ程度）の仮想面Ｅより高さが低い障害物を検知しない処理と同様に、乗り越え可能な段差等の障害物を検知しないようにするためである。超音波センサ１６によって取得された測距情報は、後述するロボット制御部５０に送信される。

また、図４に示すように、ロボット本体２の左右斜め前方に正面両端部にリミットスイッチ１７が設けられている。リミットスイッチ１７は、例えば長さ７０ｍｍ程度の検知バー１７ａの元端部に設けられた接触スイッチである。リミットスイッチ１７は非接触センサである測域センサ１５ａや超音波センサ１６の検知範囲を補完するために設けられる。例えば、ロボット本体２が高さ２５ｍｍ以下の段差を乗り越えて進行する際に進行方向左右側面に存在する障害物の検知や、ロボット本体２が障害物回避動作において障害物検知を行うなど、障害物の有無を三重に検知することで安全性を担保するようになっている。リミットスイッチ１７が障害物を検知すると進行方向への走行を停止し、ロボット本体２の方向転換を促すようになっている。

尚、図４に示すロボット本体２の前面下方に設けられた弾性を有するバンパー２ｂ内には、バンパーセンサ１８（接触センサ：図５参照）が設けられていてもよい。バンパーセンサ１８は、リミットセンサ１７と同様に、ロボット本体２が走行中に床面Ｆに限らず進行方向に中間突起物等の異物が存在する場合に衝突を回避する。バンパーセンサ１８は障害物を検知すると進行方向への走行を停止し、ロボット本体２の方向転換を促すようになっている。

例えば、床面Ｆからの高さ５０ｍｍ未満の障害物であれば、ロボット本体２との衝突は回避されるため、進行方向を変更しないが、床面Ｆから高さ５０ｍｍ以上の障害物であれば、リミットスイッチ１７やバンパーセンサ１８が検知可能であるため、進行方向を変更することで衝突を回避する。リミットスイッチ１７やバンパーセンサ１８の検知信号は、後述するロボット制御部５０（図５参照）に送信される。

図３に示すように、ロボット本体２の底部において、前輪キャスター５の進行方向前方には従動輪用前方落下防止センサ１９が設けられている。また、左右駆動輪６の進行方向前方には駆動輪用前方落下防止センサ２０ａが各々設けられ、進行方向後方には駆動輪用後方落下防止センサ２０ｂが各々設けられている。これらのうち、駆動輪用前方落下防止センサ２０ａは、通常は駆動輪６の進行方向直前位置（矢印Ｘ３参照）に配置されるが、本実施例はそれとは異なる位置に配置されている。即ち、左右一対の駆動輪用前方落下防止センサ２０ａは、一対の駆動輪６と前輪キャスター５の車軸を結ぶ前後輪車輪間ラインＫとロボット本体２の重心Ｇとの距離Ｘ１より可及的に離れた位置Ｘ２に設けられている。具体的には、前輪キャスター５より前方であって、ボールキャスター９の近傍（ロボット本体２の底部前方コーナー部近傍）に、一対の駆動輪用前方落下防止センサ２０ａが各々設けられている。上記従動輪用前方落下防止センサ１９、駆動輪用前方落下防止センサ２０ａ及び駆動輪用後方落下防止センサ２０ｂとしては、例えば赤外線センサ等が用いられる。

このように、駆動輪用前方落下防止センサ２０ａが前後輪車輪間ラインＫとロボット本体２の重心Ｇとの距離Ｘ１より可及的に離れた位置Ｘ２に配置することで、清掃ロボット１が床面に存在する開口（貫通孔や凹部等）に従動輪用前方落下防止センサ１９に検知され難い向き、例えば左右斜め前方から近づいた場合に、ロボット本体２の重心Ｇが開口位置に近づく前にいずれかの駆動輪用前方落下防止センサ２０ａにより検知可能となる。これにより、ロボット本体２の重心Ｇが開口位置に近づいた不安定な状態（例えばロボット本体２が開口内に大きくはみ出した状態）となることはなく、落下事故を未然に防止することができる。

ロボット制御部５０は、従動輪用前方落下防止センサ１９、駆動輪用前方落下防止センサ２０ａ及び駆動輪用後方落下防止センサ２０ｂのいずれかがＯＮ状態を検知すると、ロボット本体２の進行方向への走行動作を停止させ、駆動輪６の駆動方向を転換させることが好ましい。これにより、清掃ロボット１の進行方向前方若しくは後方に開口（貫通孔、凹部等）が存在するため、走行動作を一旦停止させて駆動輪６の駆動方向を転換することで落下事故を未然に防止することができる。

また、ロボット制御部５０は、少なくとも従動輪用前方落下防止センサ１９及び駆動輪用前方落下防止センサ２０ａのいずれかと駆動輪用後方落下防止センサ２０ｂが共にＯＮ状態を検知すると、ロボット本体２の進行方向への動作（駆動輪用モータ７）を停止させ、ブラシ駆動モータ１１（図５参照）を停止させて清掃動作を中止する。
このように、ロボット本体２の前進方向及び後退方向の落下防止センサが共にＯＮ状態となると、誤検知を生ずる床面状態、例えば、床面が光沢の大きい床材（例えば光沢金属材、光沢樹脂材等）であって、乱反射して落下防止センサの出力が小さくなる場合や、ロボット本体２の前後方向共に段差等が迫った危険な状態等の異常事態と判断される。
ロボット制御部５０はこのような異常事態を検知すると、ロボット本体２の走行を停止させて清掃動作を中止することで、開口等が存在しないにもかかわらず落下防止センサ１９，２０ａ，２０ｂの誤検知による回避動作を繰り返すなどの誤動作が発生することはなく、ロボット本体２の段差下等への落下も未然に防ぐことができ、フェイルセーフ機能を持たせることができる。

図２に示すように、清掃ロボット１は、ロボット本体２の後方上面部に操作部２１を備えている。図５に示すように操作部２１は、各種操作キーが設けられた操作パネル２１ａ及び有線リモコン装置２１ｂを備え、いずれも例えば電源スイッチ、自動運転ボタン、非常停止ボタン、走行停止ボタン、或いは手動操作する場合の移動速度や移動方向などの各種入力情報が入力できるようになっている。操作部２１の入力情報は、後述するロボット制御部５０へ送信される。

図５に示すように、清掃ロボット１は、表示部２２を備えている。表示部２２は清掃ロボット１の状態（電源ＯＮ／ＯＦＦ、バッテリー充電状態、走行状態、待機状態、フィルタ目詰まり状態、センサ検知異常状態、非常停止状態等）を点灯の有無、発光色、点灯若しくは点滅で報知する表示灯２２ａ、清掃ロボット１が走行中であることを音により報知するメロディスピーカ２２ｂを備えている。表示灯２２ａは、図１（ａ）、図２に示すように、有線リモコン装置２１ｂと並んでロボット本体２の後方上面部に設けられている。

図２に示すように清掃ロボット１は、リチウムイオンバッテリー２４を備えている。図５に示すように、リチウムイオンバッテリー２４は、コンセントを商用電源ＡＣ１００Ｖに接続して充電器２３を介して充電可能となっている。ロボット制御部５０は、マイクロコンピュータを備えており、清掃ロボット1の清掃動作や走行動作を制御するＣＰＵや、各種動作プログラムを格納したＲＯＭ、入力情報を一時記憶したり、動作プログラムを読みだしたりするＣＰＵのワークエリアとして使用されるＲＡＭ等の記憶部などを有している。

ロボット制御部５０には、操作部２１からの入力情報、各種センサ（測域センサ１５ａ、超音波センサ１６、リミットスイッチ１７、バンパーセンサ１８（省略可）、従動輪前方落下防止センサ１９，駆動輪前方落下防止センサ２０ａ，駆動輪後方落下防止センサ２０ｂ）からの検知信号が入力される。また、ロボット制御部５０からは、ブラシ駆動モータ１１、駆動輪用モータ７ａ，７ｂ、上下動モータ１５ｃに駆動信号を出力し、表示部２２（表示灯２２ａ、メロディスピーカ２２ｂ）に対して清掃ロボット１の動作状態を報知させるべく表示指令信号を出力する。

尚、ロボット制御部５０の障害物判定角度は、上下方向首振り角度となっており、ＣＰＵのデータ処理能力に応じてレーザーセンサ出力値を間引いたり、レーザーセンサの走査時間を判定頻度より少なくしたりして計算負荷低減を図っている。

ロボット制御部５０は、物体の種類を次のように推定して、物体が障害物か否かを判定する。例えば、物体が上下方向に３０°〜−４０°の角度範囲における全ての範囲において略同等の距離で検知されている場合には、物体は壁であり障害物であると推定可能である。
また、物体が上記上下方向の角度範囲における一定の小さな範囲の高さにおいてのみ検知されて、水平方向における他の角度においても同じ一定範囲の高さに物体が検知された場合には、空中に幅の小さな物体が水平方向に延在して位置しており、この物体はコーンバー、すなわち回避すべき障害物であると推定可能である。
更に、物体が上記上下方向の角度範囲におけるある一定の角度よりも上方全てにおいて検知されてはいるが、この物体は清掃ロボット１の全高よりも高い位置に位置すると判断される場合には、これは実際には障害物ではなく、その下方を清掃可能であると判断してもよい。

ロボット制御部５０は、距離計測装置１５から清掃ロボット１の直進方向を基準（０°）として水平方向に−９０°〜９０°、上下方向に３０°〜−４０°の角度範囲における、障害物の方向及び距離情報を受信すると、これらの計測結果を基に、障害物を回避するように進行方向を決定する。尚、障害物として判定した物体が存在しない場合においては、直進するように指示する。

距離計測装置１５が障害物として判定した物体が存在する場合には、ロボット制御部５０は例えば次のように清掃ロボット１の進行方向を決定する。
直進方向から右方向距離と、左方向距離が等しい場合においては、清掃ロボット１がコーンバー、壁等の障害物に対して、直交するように接近していると判断し、左右いずれかに曲がって障害物を回避するように指示する。

また、障害物に対する、直進方向から右方向距離が、左方向距離よりも短くなっている場合においては、ロボット制御部５０は清掃ロボット１が障害物に対して、斜め方向右側から接近していると判断し、左側に曲がって障害物を回避するように指示する。逆に、直進方向から右方向距離が、左方向距離よりも長くなっている場合においては、ロボット制御部５０は、清掃ロボット１が障害物に対して、斜め方向左側から接近していると判断し、右側に曲がって障害物を回避するように、指示する。
このように、障害物に対して斜め方向から接近していると判断した場合においては、ロボット制御部５０は、左右何れかのうち鈍角に曲がることにより障害物を回避可能な方向に曲がって障害物を回避するように指示する。尚、上記制御動作は、リミットスイッチ１７の検知結果を合わせて行ってもよい。
また、第一，第二落下防止センサ１９，２０が、進行方向の床面Ｆに開口（貫通孔、凹部等）を検知した場合には、ロボット制御部５０は、清掃ロボット１をその場で停止させて、駆動輪６の回転を逆転させてロボット本体２を後退させる。

ロボット制御部５０は、一定の速度で回転ブラシ１０を回転させるように、ブラシ駆動モータ１１の駆動を制御する。また、ロボット制御部５０は、各種センサにより検知された障害物、吊り孔や開口の有無により、右側駆動輪用モータ７ａ及び左側駆動輪用モータ７ｂの各々に対し回転方向、回転量を制御することで、清掃ロボット１の直進、後退及び旋回動作を切り替え制御する。操作部２１から、作業者によって入力された移動方向指示を受信した場合には、操作部２１から受信した移動方向指示を優先させ、移動方向指示に基づいて、右側駆動輪用モータ７ａ及び左側駆動輪用モータ７ｂの各々に対し、回転量を制御する。

ロボット制御部５０は、距離計測装置１５の測域センサ１５ａの上下動範囲を上下動モータ１５ｃの回転範囲を変更することで、レーザー光の出射角度を左右方向及び上下方向に変化させることができる。より具体的には、ロボット制御部５０は、距離計測装置１５を上下方向に回動させて向きを変え、距離計測装置１５からのレーザー光の出射角度を、図４に示される下限位置（下方回転角θ2）と上限位置（上方回転角θ1）の間で、上下方向に変化させるように、上下動モータ１５ｃを駆動制御する。表示部２２は、操作部２１によって入力された各種入力情報及び距離計測装置１５によって検知された物体に関する情報等を受信し、表示灯２２ａに点灯表示させたりメロディスピーカ２２ｂに出力させたりして清掃ロボット１の状態表示を行なう。

次に、清掃ロボット１の清掃動作例について説明する。作業者が、操作部２１に対して電源をＯＮして清掃開始を指示することにより、処理が開始される。清掃ロボット１は停止した状態で、距離計測装置１５が、清掃ロボット１の直進方向を基点として、水平方向に−９０°〜９０°、上下方向に−４０°〜３０°の角度範囲における、距離計測装置１５から５００ｍｍ以内の空間に位置する物体を検知可能な状態となる。以降、ロボット制御部５０の表示灯２２ａが点灯し、距離計測装置１５によって検知された物体に関する情報を、表示灯２２ａやメロディスピーカ２２ｂを通じて表示する。

ロボット制御部５０は、ブラシ駆動モータ１１を駆動制御し、一定の速度で回転させる。同時に右側駆動輪用モータ７ａ及び左側駆動輪用モータ７ｂを同一の回転量で作動させることで、清掃ロボット１を直進させる。清掃ロボット１は床面を清掃しながら直進走行して障害物の有無を検知する。

具体的には、ロボット制御部５０が、距離計測装置１５から送信された情報を受信し、図４に示すように、水平方向に−９０°〜９０°の角度範囲及び上下方向に−４０°〜３０°における物体の情報を、距離計測装置１５から受信した情報から抽出する。ロボット制御部５０は、前述したように抽出された各物体が障害物であるか否かを判定する。障害物の存在が検知されなければ、右側駆動輪用モータ７ａ及び左側駆動輪用モータ７ｂを同一の回転量で作動させることで、清掃ロボット１を直進させる。このとき、ロボット制御部５０は測域センサ１５ａより検知された床面Ｆより所定高さＨ（例えば５０ｍｍ程度）の仮想面Ｅより下方にある障害物を検知対象から除外する。この結果、例えば床面Ｆからの高さ２５ｍｍ（敷き鉄板の厚さ）以下の段差を距離計測装置１５が検知することはなく、例えば、敷き鉄板の吊り孔が存在し、前輪キャスター５が落ち込んだとてもロボット本体２の底部に設けられたボールキャスター９がロボット本体２を支持し、敷き鉄板どうしの段差や傾斜部が進行方向斜め前方から近づいたとしてもボールキャスター９により段差面に乗り上げ乗り越えるため、ロボット本体２が走行面に接触してロックすることはなく、敷き鉄板の厚さに相当する最大高さ２５ｍｍ以下の段差を乗り越えて走行しながら清掃動作を継続することができる。

ロボット制御部５０は、測域センサ１５ａから障害物検知の情報が送信された場合は、距離計測装置１５における計測結果を基に、障害物を回避するように進行方向を決定する。例えば、障害物に対する、直進方向右側の距離が、左側の距離よりも短くなっている場合においては、清掃ロボット１が障害物に対して、斜め方向右側から接近していると判断し、左側に曲がって障害物を回避するように、走行動作を制御する。具体的には、左側駆動輪用モータ７ｂの回転量より右側駆動輪用モータ７ａの回転量を増やすことにより清掃ロボット１を左旋回させて方向転換させ、障害物を回避する。

また、ロボット制御部５０は、従動輪用前方落下防止センサ１９、駆動輪用前方落下防止センサ２０ａ及び駆動輪用後方落下防止センサ２０ｂのいずれかがＯＮ状態を検知すると、ロボット本体２の進行方向への走行動作を停止させ、駆動輪６の駆動方向を転換させることが好ましい。これにより、清掃ロボット１の進行方向前方若しくは後方に開口又は孔等が存在するため、走行動作を一旦停止させて右側駆動輪用モータ７ａ及び左側駆動輪用モータ７ｂを逆回転させて清掃ロボット１を後退させ落下事故を未然に防止することができる。

また、ロボット制御部５０は、少なくとも従動輪用前方落下センサ１９若しくは駆動輪用前方落下防止センサ２０ａのいずれかと駆動輪用後方落下防止センサ２０ｂが共にＯＮ状態となると、駆動輪用モータ７、ブラシ駆動モータ１１の駆動を停止させて清掃動作を中止する。このように、ロボット本体２の前進方向及び後退方向の落下防止センサが共にＯＮ状態となると、誤検知を生ずる床面状態、例えば、床面が光沢の大きい床材（例えば光沢金属材、光沢樹脂材等）であって、乱反射して落下防止センサ１９，２０ａ，２０ｂの出力が小さくなる場合や、ロボット本体２の前後方向共に段差等が迫った異常事態と判断される。
このような異常事態を検知すると、ロボット本体２の走行を停止させて清掃動作を中止することで、開口等が存在しないにもかかわらず誤検知による回避動作を繰り返すなどの誤動作が発生することはなく、ロボット本体２の段差下等への落下も未然に防ぐことができ、フェイルセーフ機能を持たせることができる。

ロボット制御部５０は、予め設定された一定の時間が処理開始から経過した時点で、清掃が完了したと判断する。清掃が完了したと判断した場合には、処理を終了して清掃ロボット１の自動運転停止を停止する。このとき清掃ロボット１の電源はＯＮ状態にあるので、充填場所への移動やレンタル回収用の移動等必要に応じて手動運転することができる。清掃が完了していないと判断した場合には、清掃動作及び障害物検知処理を繰り返す。尚、リチウムイオンバッテリー２４の容量が例えば残り２０％以下となった場合に清掃動作を停止するようにしてもよい。これにより、節電により可能な限り長い時間、清掃することが可能となる。

上述したように、清掃ロボット１が自律走行しながら敷き鉄板等の床面Ｆに存在する段差部、傾斜部等の乗り越え可能な障害物に左右斜め前方から近づいたとしても、先ずボールキャスター９が障害物にあたってロボット本体２の移動が止まることはなく、ボールキャスター９が段差面や傾斜面に乗り上げ乗り超えることで清掃作業を継続することができる。また、床面Ｆに吊り孔が空いており、仮に前輪キャスター５が吊り孔に落ち込んだとしても、床面Ｆにはボールキャスター９が当接してロボット本体２の落ち込みを食い止めてロボット本体２の底面が床面Ｆに直接接触することはないので、駆動輪６の駆動で前輪キャスター５が吊り孔より脱出して清掃作業を継続することができる。

また、駆動輪用前方落下防止センサ２０ａを前後輪車輪間ラインＫとロボット本体２の重心Ｇとの距離Ｘ１より可及的に離れた位置Ｘ２に配置することで、清掃ロボット１が床面Ｆに存在する開口（貫通孔、凹部等）を従動輪用前方落下防止センサ１９で検知され難い向き、例えば左右斜め前方から近づいた場合に、ロボット本体２の重心Ｇが開口位置に近づく前に駆動輪用前方落下防止センサ２０ａにより検知可能となる。よって、ロボット本体２の重心Ｇが開口位置に近づいた不安定な状態（例えば開口内に大きくはみ出した状態）となることはなく、落下事故を未然に防止することができる。

よって、建設現場等の床面に敷き鉄板どうしのつなぎ目等に存在する段差部、傾斜部等の乗り越え可能な高さの障害物にいずれの向きからロボット本体２が近づいても動作不能にならずに清掃作業を継続でき、かつ開口（貫通孔、凹部等）への落下事故やセンサの誤検知を未然に防止した清掃ロボット１を提供することができる。

なお、本発明の清掃ロボット１は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の様々な変形例が考えられる。例えば、上記実施形態においては、ゴミ等は回転ブラシ１０で絡め捕られた後にホッパ１２内に格納されるのみであるが、真空モータを設置してゴミ等を吸引するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、距離計測装置１５の検知範囲を水平方向に−９０°〜９０°の角度範囲における物体の情報を、距離計測装置１５から受信した情報から抽出しているが、検知可能角度２７０°の範囲内で他の角度であっても構わない。
また、距離計測装置１５は、出射する光が、上方向３０°から下方向４０°の範囲で上下方向に回動するように制御されているが、回動範囲はこれに限定されるものではなく、距離計測装置１５を覆う外側筐体（ロボット本体２）を障害物であると誤って認識しない角度であれば、より大きな他の角度であっても構わない。或いは、距離計測装置１５が特定の障害物（例えばコーンバー）検出用の高さ位置に設けられた場合においては、上方向回転角度は３０°より小さな値であっても構わない。また、距離計測装置１５が計測可能な床面Ｆからの高さＨの仮想面Ｅは、高さ５０ｍｍに限らず、乗り越え可能な障害物の高さに応じてそれより小さくても大きくてもよい。
また、上記実施形態においては、距離計測装置１５から出射する光の水平方向の往復頻度は１秒間に１０８１回であり、距離計測装置１５の上下方向の回動頻度は１秒間に１回であったが、他の値であっても構わないのは言うまでもない。

また、上記実施形態においては、回転ブラシ１０の回転速度は一定となるように、ロボット制御部５０によって制御されているが、これに限られない。例えば、障害物が粉塵と判断した場合においては、清掃中の場所は粉塵が床面に多く散乱していると推測して、スイーパー１０の回転速度を上昇させ、粉塵の回収効率を高めてもよい。

１ 清掃ロボット ２ ロボット本体 ２ａ 支持部 ２ｂ バンパー ３ 走行手段 ４ 清掃手段 ５ 前輪キャスター ５ａ 支持軸部 ６ 駆動輪 ７ 駆動輪用モータ ７ａ 右側駆動輪用モータ ７ｂ 左側駆動輪用モータ ８ タイミングベルト ９ ボールキャスター １０ 回転ブラシ（清掃ブラシ） １１ ブラシ駆動モータ １２ ホッパ １３ 補助ブラシ １４ 遮蔽板 １５ 距離計測装置 １５ａ 測域センサ １５ｂ 回転動作部 １５ｃ 上下動モータ １５ｄ モータ軸 １６ 超音波センサ １７ リミットスイッチ １７ａ 検知バー １８ バンパーセンサ １９ 従動輪用前方落下防止センサ ２０ａ 駆動輪用前方落下防止センサ ２０ｂ 駆動輪用後方落下防止センサ ２１ 操作部 ２１ａ 操作パネル ２１ｂ 有線リモコン装置 ２２ 表示部 ２２ａ 表示灯 ２２ｂ メロディスピーカ ２３ 充電器 ２４ リチウムイオンバッテリー ５０ ロボット制御部

Claims (6)

1. ロボット本体に、床面上を自律走行する走行手段と、前記床面から集塵して清掃する清掃手段を備える清掃ロボットであって、
   前記走行手段は、前記ロボット本体の底部後方に前記床面に接して設けられ駆動源より駆動伝達されて回転駆動される駆動輪と、
   前記ロボット本体の底部前方に前記床面に接して設けられた従動輪と、を備え、
   前記ロボット本体の底部より高さが低く前記床面より高さが高い所定位置で前記ロボット本体を支持する補助輪が、前記従動輪より前方であって前記ロボット本体の平面視矩形状の底部前方コーナー部近傍に各々配置されていることを特徴とする清掃ロボット。
2. 前記清掃手段として床面に当接したまま回転駆動される清掃ブラシの他に、前記清掃ブラシの前方に床面に当接したまま前記ロボット本体が走行するにしたがって床面に存在する塵埃を前記清掃ブラシへ向かって誘導する補助ブラシが前記従動輪の両側に各々設けられており、前記補助輪は前記補助ブラシより前方に各々配置されている請求項１記載の清掃ロボット。
3. 前記補助輪は、一対の自在キャスターが用いられる請求項１又は請求項２記載の清掃ロボット。
4. 前記ロボット本体の底部には、前記従動輪及び前記駆動輪の進行方向前方に床面の開口を検知する従動輪用前方落下防止センサ及び駆動輪用前方落下防止センサが各々設けられ、前記駆動輪の進行方向後方には床面の開口を検知する駆動輪用後方落下防止センサが各々設けられており、前記駆動輪と前記従動輪の車軸を結ぶ前後輪車輪間ラインと前記ロボット本体の重心との距離から可及的に離れた位置に前記駆動輪用前方落下防止センサが設けられている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の清掃ロボット。
5. 前記従動輪用前方落下防止センサ、前記駆動輪用前方落下防止センサ及び前記駆動輪用後方落下防止センサのいずれかがＯＮ状態となると、前記ロボット本体の進行方向への動作を停止させ、前記駆動輪の駆動方向を転換させる請求項４記載の清掃ロボット。
6. 少なくとも前記従動輪用前方落下センサ若しくは前記駆動輪用前方落下防止センサのいずれかと前記駆動輪用後方落下防止センサが共にＯＮ状態となると、前記ロボット本体の走行を停止させて清掃動作を中止する請求項４又は請求項５記載の清掃ロボット。

Images