JP3922126B2 - 絨毯目検出装置及びこれを用いた移動ロボット - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、床面清掃ロボット等に搭載される走行床面の絨毯目の方向と強さを検出する絨毯目検出装置、及びこれを用いて走行制御を行う移動ロボットに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
本体に走行駆動手段、センサ類および走行制御手段等を有して床面上を走行する移動ロボットにおいて、カーペット床面上を走行する場合にカーペットの毛並み(以下、絨毯目と称す)が本体の走行方向に影響を及ぼすことが知られており、この影響を解消するための工夫がなされてきている。
【0003】
例えば、特許第3003260号、特許第3079686号、特開平7−116087公報に開示されているように、床面に当接する当接部を有する検出レバーと、検出レバーを水平方向に回転自在に支持する回転支持部と、検出レバーの回転角度を検知する角度検知手段からなり、走行中の本体に対する検出レバーの角度から絨毯目を検出するものが開発されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記検出レバー方式の絨毯目検出装置は、構成がシンプルな上、外界からのセンサ情報なしで走行経路の補正ができるという優れた方式であるが、検出レバーの当接部を直接床面に接触させるが故に以下のような欠点がある。この方式では、検出レバーの当接部と床面との接触圧を所定以上に大きくしないと十分な検出感度が得られない。
【0005】
通常は当接部に取付けた回転自在のローラーを一定の荷重で床面に接触させるため、種々様々な種類のカーペット床面においても十分な検出感度を確保するためにはローラー幅を小さくするなどして接触圧を大きくしておく必要があるが、接触圧を大きくするとカーペットの種類によっては走行後にローラー跡が残るという課題があった。そして、ローラーの接触圧を大きくすると、カーペット床面以外の木床などのハードフロア上を走行した場合にはローラーによって床面を傷つけ易くなるという課題がある。また、ローラー幅を小さくすると強度が低下するため、逆に床面からの衝撃によってローラーが損傷し易くなるという課題もあった。
【0006】
本発明は、多様な床面上を走行することが想定される移動ロボットの場合でも絨毯目の検出感度を確保でき、しかも走行後にローラー跡が残りにくい絨毯目検出装置を提供すること目的としている。
【0007】
【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、本発明の絨毯目検出装置は、床面と当接するローラーを回転自在に取り付けられた検出レバーと、前記ローラー外周の床接触面に当該ローラー幅より幅が小さくリング状に設けられた凸部と、前記検出レバーを水平方向に回転自在に支持する回転支持部と、前記検出レバーの回転角度を検出する角度検出手段とを備え、走行中の本体に対する前記検出レバーの角度から絨毯目を検出することを特徴とするもので、ローラー外周の凸部により走行するカーペット床面に必要な接触圧が確保でき、しかもローラー跡が残り易い毛足の長いカーペット上ではローラー外周の凸部だけでなくローラー幅全体がカーペットに当接して荷重を分散するので走行後にローラー跡が残りにくい絨毯目検出装置を実現できる。
【0008】
【発明の実施の形態】
請求項1に記載の発明は、床面と当接するローラーを回転自在に取り付けられた検出レバーと、前記ローラー外周の床接触面に当該ローラー幅より幅が小さくリング状に設けられた凸部と、前記検出レバーを水平方向に回転自在に支持する回転支持部と、前記検出レバーの回転角度を検出する角度検出手段とを備え、走行中の本体に対する前記検出レバーの角度から絨毯目を検出することを特徴とするもので、ローラー外周の凸部により走行するカーペット床面に必要な接触圧が確保でき、しかもローラー跡が残り易い毛足の長いカーペット上ではローラー外周の凸部だけでなくローラー幅全体がカーペットに当接して荷重を分散するので走行後にローラー跡が残りにくくなる。
【0009】
請求項2に記載の発明は、特に、請求項1記載のローラー外周の床接触面に当該ローラー幅より幅が小さくリング状に設けられた凸部を軟質体で構成するもので、木床などのハードフロア上を走行した場合でもローラーによって床面を傷つけにくくなる。
【0010】
請求項3に記載の発明は、特に、請求項1または2記載のローラー外周の床接触面に当該ローラー幅より幅が小さくリング状に設けられた凸部は、床接触面とは別部材で構成されるもので、ローラーの製造および凸部の交換メンテナンスが容易になる。
【0011】
請求項4に記載の発明は、特に、請求項3記載のローラー幅より幅が小さくリング状に設けられた凸部を有した当該ローラーは、外周に溝加工した当該ローラーにリング状部材を嵌合させて構成されるもので、ローラーの製造および凸部の交換メンテナンスが容易になる。
【0012】
請求項5に記載の発明は、特に、請求項1ないし4のいずれか1項記載の絨毯目検出装置と、本体の走行制御を行う走行制御手段と、本体の方向を計測する方向計測手段とを備え、前記走行制御手段は、方向計測手段の出力に基づいて本体を目標方向に直進させるとともに、前記絨毯目検出装置の角度検出手段の出力に基づいて前記直進の目標方向に修正を施すもので、絨毯目による横ずれの角度偏差を自動的に検出できる。
【0013】
請求項6に記載の発明は、特に、請求項5記載の発明に加えて、本体外部の障害物を検知する障害物検知手段と、前記障害物検知手段の出力により本体の進行方向を旋回する旋回手段とを有し、前記旋回手段の動作中は絨毯目検出装置の角度検出手段の動作を停止するもので、旋回時の車輪の回転を絨毯目の検知に含めないようにして絨毯目の検知の精度を向上させることができる。
【0014】
請求項7に記載の発明は、特に、請求項6記載の旋回手段が動作後、安定して直進するまでは、絨毯目検出装置の角度検出手段の動作を停止するもので、旋回中の車輪の回転が完全になくなってから絨毯目の検出を再開させ絨毯目の検出の精度を向上させることができる。
【0015】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図1〜図10を参照しながら説明する。
【0016】
(実施例1)
図1は本発明の第1の実施例における床面清掃ロボットの全体構成を示す断面図、図2は同、床面清掃ロボットの駆動兼操舵手段の構成を示す断面図、図3は同、床面清掃ロボットの絨毯目検出装置の構成を示す側断面図、図4、図5は同絨毯目検出装置の詳細を示す説明図、図6は同障害物検知手段を構成する測距センサの配置を示す内部透視図である。
【0017】
図において、1は床面清掃ロボットの本体、2L、2Rはそれぞれ本体1の左右に設けた駆動輪で、駆動モータ3L、3Rで左右独立に駆動される。4L、4Rはそれぞれ3L、3Rに接続されたロータリエンコーダやタコジェネレータ等からなる回転検出器で、駆動モータ3L、3Rの軸回転数を検出する。5は絨毯目検出装置で、本体1の重量を支える従輪を兼ねており、ローラー6を一定の荷重で床面に接触させるようになっている。
【0018】
絨毯目検出装置5のローラー6は、車輪軸7を介して検出レバー8に回動自在に取り付けられ、床接触面の外周に凸部9を有している。10は検出レバー8を水平方向に回動自在に支持する回転支持部である。11は検出レバー8の回転中心に固定された回転軸で、回転支持部10の上部に設けたロータリエンコーダまたはポテンショメータ等からなる角度検出手段12と接続している。回転軸11の回転を検知することで、検出レバー8の回転角度を検知する。
【0019】
図4はローラー6部の詳細を示し、図4(b)は図4(a)のZ−Z線に沿って切断した断面図である。本実施例では、図に示すように、外周凸部9はエラストマー樹脂やゴム等の軟質材料からなるリング状部材を、外周に溝加工したローラー6に嵌合させて構成している。
【0020】
以上のように構成した絨毯目検出装置5は、本体1がカーペット上を走行すると図5に示すような状態になる。図5(a)は毛足の長いカーペットA上を走行する場合、図5(b)は毛足の短いカーペットB上を走行する場合の状態を示している。
【0021】
通常、毛足の短いカーペットBの場合は毛足の腰が強く、例えば図5(d)に示すような幅の大きい従来ローラー6bでは十分な接触圧がとれずカーペット表面ですべりが生じて絨毯目の検出感度が悪い。そこで、例えば図5(c)に示すような幅の小さい従来ローラー6aに変えると接触圧が大きくなり毛足の短いカーペットB上でも検出感度は確保できる。
【0022】
しかしながら、図5(c)に示すように幅の小さい従来ローラー6aで毛足の長いカーペットA上を走行させると、ローラー6aが毛足の中に深く沈み込んでカーペットA上にローラー6aの走行跡がくっきりと残ってしまうものである。また、従来ローラー6aのようにローラー幅を小さくすると、軟質材料では強度が弱く変形したり破損しやすくなり、逆に強度の大きい金属材料など構成すると床面を傷つけやすくなるという課題がある。
【0023】
本実施例の絨毯目検出装置5では、図5(b)に示すように毛足の短いカーペットB上でもローラー6の外周凸部9の接触圧が大きいので、これが毛足の中に沈み込んで検出感度は確保できる。そして、図5(a)に示すように毛足の長いカーペットA上を走行させた場合には、外周凸部9は毛足の中に沈み込むがローラー6は幅が大きいので毛足の中に深く沈み込まないため走行後のローラー跡が残らない。
【0024】
また、外周凸部9のみを軟質体で構成しているのでローラー6が変形したり破損したりすることがなく、木床などのハードフロア上を走行した場合でも外周凸部が床面を傷つけることもない。
【0025】
さらに、外周凸部9をローラー6とを別部材で構成しているので、されるもので、ローラーの製造およびメンテナンスが容易になる。
【0026】
13は電動送風機。14は、本体1の底部に設けられ床面の塵埃を前記電動送風機13の吸引力により吸引することで清掃作業を行う吸込部で、接続パイプ(図示せず)を介して集塵室15と接続している。16は本体1の方向を計測する方向計測手段で、ジャイロおよびこの出力を積分する積分器とからなる。17は本体1の周囲に設けられた超音波センサ等からなる測距センサで、本体1の前方、左右側方および後方にある物体までの距離を測定して障害物を検出する障害物検知手段を構成している。18は方向計測手段16および測距センサ17からのデータに基づいて駆動モータ3L、3Rを制御し、本体の走行制御を行う走行制御手段で、回路ボックス19に収容されている。20は全体に電力を供給する蓄電池等からなる電源である。
【0027】
図7は本実施例の制御ブロック図で、方向計測手段16、測距センサ17、回転検出器4L、4Rおよび角度検出手段12は走行制御手段18にその出力を入力している。走行制御手段18は、これらのデータを判断して駆動モータ3L、3Rに制御信号を出力する。本実施例では、この駆動モータ3L、3Rの回転速度を制御することにより、左右の駆動輪2L、2Rの回転速度を独立に制御し本体1の駆動および操舵を行っている。
【0028】
ここで絨毯上を直進走行する場合の絨毯目の影響について図8を用いて説明する。図8において(a)は、走行床面がハードフロアである場合の本体1の移動軌跡を示す。このとき床面にはカーペットはないので当然絨毯目の影響はなく、本体1は走行制御手段18の直進手段により直進制御を行い、その移動軌跡は走行開始時の本体1の方向と一致した直線aになる。
【0029】
しかしながら、たとえば(b)に示すように、絨毯目が左から右の方向にあるカーペット床面の場合に同条件で直進走行させると、本体1は走行制御手段18が有する直進モードである直進手段により目標ラインL1に乗るように直進制御を行うが、実際の移動軌跡は、本体1が常に走行開始時の方向を向いているにもかかわらず目標ラインL1の方向から右へ角度θだけ傾いた直線bになる。すなわち、本体1がカーペット上を直進走行する場合には、本体1の直進距離に比例して本体1が絨毯目の方向に横すべりする。この横すべりの度合いを表す角度偏差θはカーペットによってほぼ固有であり、数度程度である。
【0030】
そこで、たとえば図8(c)に示すように角度偏差θを最初の走行時にあらかじめ測定したカーペット上で直進手段の目標ラインを走行開始時の方向から左に角度θ傾いた直線L2として(b)と同条件で直進走行させると、そのときの移動軌跡は走行開始時の本体11の方向と一致した直線cになる。同様に(d)に示すように、走行開始方向を(c)と反対方向に直進走行させる場合には、直進手段の目標ラインを走行開始時の方向から右に角度θ傾いたL3として直進走行させれば、移動軌跡は走行開始時の本体1の方向と一致した直線dになる。このようにカーペット上を直進走行する場合は、絨毯目の方向とその目の強さに応じて直進手段の目標ラインの方向を変えることにより本体1の移動軌跡が補正できることがわかっている。
【0031】
また、絨毯目検出手装置5のローラー6は、回転支持部10により本体1に対して水平方向に回動自在に支持されているので、本体1の走行時には常に走行方向を向くことになる。すなわち、図8の(a)の例では、ローラー6は直線aの方向を向き、(b)の例では、ローラー6は直線bの方向を向くことになる。
【0032】
図9は本実施例の走行制御手段18における制御方法を示すフローチャートである。30は角度検出手段12の出力の平均角度を演算する絨毯ずれ演算手段である。31は絨毯ずれ演算手段30の値を入力し直進制御の補正目標ラインを設定する走行補正手段である。32は方向計測手段16で計測した本体1の方向データ及び回転検出器4L、4Rの出力に基づき、本体1が走行補正手段31で設定された補正目標ラインに乗るように駆動モータ3L、3Rを制御して直進走行させる直進手段である。また、直進走行中に測距センサにより本体1の前方に障害物を検知しかつ清掃作業が終了でなければ所定の作業幅だけ作業方向に変位した位置に反転する様になっている。
【0033】
図10を用いて床面清掃ロボットの移動軌跡について説明する。本体1で清掃する床面は、絨毯目が左から右の方向にあるとする。本体1を開始点Sにおいてスタートすると、直進走行を開始し図8の(b)で示した場合と同様に、本体1は走行開始時の方向に直進制御を行うが、実際の移動軌跡は絨毯目の影響で右にずれた方向に流される。既に説明した様に絨毯目検出装置のローラー6は、回転支持部10により本体1に対して水平方向に回動自在に支持されているので、本体1の走行時には常に走行方向を向く。前方の壁W1に近づき障害物検知手段17がこれを検知すると、作業方向Rの方向に障害物があるかどうかを見る。この場合は障害物がないので、地点P1で作業方向Aの方向すなわち本体1の右方向へ所定の作業幅だけ変位した位置に方向計測手段16を用いて正確に180°反転する。このとき、絨毯ずれ演算手段30は地点P1で反転開始するまでの角度検出手段12の出力角度の平均値θ1を演算している。地点P1での反転後、この演算結果をもとに、走行補正手段31は補正目標ライン(本体1の右へ角度θ1だけ傾いた直線)を設定し、直進手段32により本体1が目標ラインに乗るように直進制御を行う。直進制御を開始して方向計測手段の出力が安定すると壁W2に近づいた地点P2で180°反転するまで絨毯ずれ演算手段30は新たに角度検出手段の出力角度の平均値θ2を演算する。地点P2での反転後、この演算結果をもとに、走行方正手段31は補正目標ライン(本体1の左へ角度θ2だけ傾いた直線)を設定し、直進手段32により本体1が目標ラインに乗るように直進制御を行う。
【0034】
以上の動作を繰り返し、点Fにきて壁W1を本体1の前方で検知すると、このときは作業方向Aすなわち本体1の右方向には壁W3があるので清掃終了と判断し作業を終了する。
【0035】
絨毯ずれ演算手段30は本体1が壁(もしくは障害物)を検知して180°反転する際と、反転後のローラー6が進行方向を向いていない間の角度検出手段12の出力は無視してこの間のデータを用いずに直進走行中のデータのみで絨毯目によるずれを計算しているので、正確に絨毯目による影響を補正できる。
【0036】
このように、絨毯目検出手装置5のローラー6の本体1に対する方向を角度検出手段12により検出し、絨毯ずれ演算手段30により絨毯目によるずれ角度を演算し、この演算結果をもとに走行補正手段31は直進制御の目標ラインを補正目標ラインに設定し直進制御するから本体1の往復の直進軌跡は平行になり、走行中に作業幅が変化することがなくなり、清掃のやり残しが生じたり清掃効率が低下することがなくなるものである。
【0037】
なお、本実施例では外周凸部9をローラー6とを別部材で構成して、外周凸部9の交換メンテナンスが容易にできるようにしているが、これらを一体に構成しても、絨毯目の検出感度の確保と走行後のローラー跡を残りにくくするという効果は同様に得られることはいうまでもない。
【0038】
また、外周凸部9だけでなくローラー6の外周部もしくはローラー6の全体を軟質体で構成しても木床などのハードフロア上を走行した場合でも床面を傷つけにくくなるという効果を奏する。
【0039】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ローラー外周に当該ローラー幅より幅が小さくリング状に設けられた凸部により、走行するカーペット床面に必要な接触圧が確保でき、しかもローラー跡が残り易い毛足の長いカーペット上ではローラー外周の凸部だけでなくローラー幅全体がカーペットに当接して荷重を分散するので走行後にローラー跡が残りにくくなるから、多様な床面上を走行することが想定される移動ロボットの場合でも絨毯目の検出感度を確保でき、しかも走行後にローラー跡が残りにくい絨毯目検出装置が実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施例における床面清掃ロボットの全体構成を示す断面図
【図2】 同床面清掃ロボットの駆動兼操舵手段の構造を示す断面図
【図3】 同床面清掃ロボットの絨毯目検出装置の構成を示す側断面図
【図4】 (a)同床面清掃ロボットの絨毯目検出装置の構成を示す側面図
(b)上記(a)のZ−Z切断面における絨毯目検出装置の側断面図
【図5】 (a)同絨毯目検出装置の動作を示す説明図
(b)同絨毯目検出装置の動作を示す他の説明図
(c)従来の絨毯目検出装置の動作を示す説明図
(d)従来の絨毯目検出装置の動作を示す他の説明図
【図6】 本発明の第1の実施例における床面清掃ロボットの測距センサ及び方向計測手段の配置を示す内部透視図
【図7】 同床面清掃ロボットの制御ブロック図
【図8】 (a)同床面清掃ロボットが、ハードフロアである床面上を直進走行する場合について説明した図
(b)同床面清掃ロボットが、絨毯目が左から右の方向にあるカーペット上を直進走行する場合の影響について説明した図
(c)同床面清掃ロボットを、絨毯目が左から右の方向にあるカーペット上を直進走行させるための方法について説明した図
(d)同床面清掃ロボットを、絨毯目が左から右の方向にあるカーペット上を直進走行させるための方法について説明した他の図
【図9】 同床面清掃ロボットの制御方法を示すフローチャート
【図10】 同床面清掃ロボットの動作説明図
【符号の説明】
1 本体
5 絨毯目検出装置
6 ローラー
8 検出レバー
9 凸部
10 回転支持部
12 角度検出手段
16 方向計測手段
17 測距センサ(障害物検知手段)
18 走行制御手段
Claims (7)
- 床面と当接するローラーを回転自在に取り付けられた検出レバーと、前記ローラー外周の床接触面に当該ローラー幅より幅が小さくリング状に設けられた凸部と、前記検出レバーを水平方向に回転自在に支持する回転支持部と、前記検出レバーの回転角度を検出する角度検出手段とを備え、走行中の本体に対する前記検出レバーの角度から絨毯目を検出する絨毯目検出装置。
- ローラー外周の床接触面に当該ローラー幅より幅が小さくリング状に設けられた凸部は、軟質体で構成される請求項1記載の絨毯目検出装置。
- ローラー外周の床接触面に当該ローラー幅より幅が小さくリング状に設けられた凸部は、床接触面とは別部材で構成される請求項1または2記載の絨毯目検出装置。
- ローラー幅より幅が小さくリング状に設けられた凸部を有した当該ローラーは、外周に溝加工した当該ローラーにリング状部材を嵌合させて構成される請求項3記載の絨毯目検出装置。
- 請求項1ないし4のいずれか1項記載の絨毯目検出装置と、本体の走行制御を行う走行制御手段と、本体の方向を計測する方向計測手段とを備え、前記走行制御手段は、方向計測手段の出力に基づいて本体を目標方向に直進させるとともに、前記絨毯目検出装置の角度検出手段の出力に基づいて前記直進の目標方向に修正を施す移動ロボット。
- 本体外部の障害物を検知する障害物検知手段と、前記障害物検知手段の出力により本体の進行方向を旋回する旋回手段とを有し、前記旋回手段の動作中は絨毯目検出装置の角度検出手段の動作を停止する請求項5記載の移動ロボット。
- 旋回手段が動作後、安定して直進するまでは、絨毯目検出装置の角度検出手段の動作を停止する請求項6記載の移動ロボット。
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