JP4445210B2 - 自律走行ロボット - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、掃除対象領域を自律走行し、地図を作成しつつ掃除を行う自律走行ロボットに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、自律走行ロボットは、予め作成された作業領域の地図を記憶しておき、作業計画に基づいて地図を参照しながら作業領域を走行して作業を行うものや、予め作業領域の周囲を1周させて作業領域の地図を作成して記憶し、作業計画に基づいて地図を参照しながら作業領域を走行して作業を行うものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平05−46239号公報(段落「0012」〜「0024」等)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、予め作業領域の周囲を1周させて地図を作成するものでは、地図を作成するのに手間かがかかり、特に、複雑な形状の作業領域の地図を事前に作成する場合には多大な時間を要し、実際の作業を終了するまでの作業時間が長くかかるという問題があった。
本発明は、予め掃除領域の地図を記憶すること無く掃除領域に対して短時間で確実な掃除ができる自律走行ロボットを提供する。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、走行手段と掃除手段を備え、
前記走行手段にて自律直進走行しながら前記掃除手段にて掃除対象領域内の掃除を行う自律走行ロボットにおいて、
算出手段により前記走行手段の移動量と移動方向を算出し、この算出結果により前記走行手段の現在の位置を常に推定する自己位置推定手段と、
前記掃除対象領域内に存在する障害物を検知する障害物検知手段と、
前記掃除対象領域をセル単位に分割し、掃除時、この掃除対象領域に前記障害物検知手段が検知した障害物及び前記掃除手段により掃除済みとなった位置を前記セル単位で地図を作成するものであって、前記地図としては前記掃除対象領域を未掃除領域、掃除済み領域、前記障害物検知手段が障害物を検知した位置である走行不能領域という属性で管理する属性マップと、前記掃除対象領域内においてある位置から任意位置までの経路長をポテンシャルとするポテンシャルマップとを作成するものであって、前記ポテンシャルマップは現在位置のポテンシャルを第1の所定値とし、これから距離が離れるに従ってポテンシャルを「1」から順に大きくし、前記走行不能領域の位置のときは相当するポテンシャルマップのセル単位に走行禁止ポテンシャルを与えると共に、走行不能領域に近づき過ぎないように走行禁止ポテンシャルを与えたセル単位の周囲に走行禁止ポテンシャルを与える地図作成手段と、
前記地図作成手段で作成した前記属性マップ及び前記ポテンシャルマップを記録すると共に、前記自己位置推定手段で推定された前記走行手段の現在位置を記録し、前記掃除手段が掃除を開始したとき、前記属性マップが初期化され、前記掃除対象領域が全て未掃除領域となる地図記憶手段と、
前記掃除手段が掃除を開始したことで初期化された前記属性マップにおいて、前記地図記憶手段で記憶されたポテンシャルマップに基づき前記走行手段の現在位置から前記属性マップの最も近い未掃除セルを認識する認識手段と、
前記障害物検知手段が進行方向前方に障害物を検知したとき、前記属性マップから未掃除領域を前記ポテンシャルマップを使用して検索し、前記属性マップにおいて前記障害物のために走行不能領域として記録した位置に相当する前記ポテンシャルマップのセルを走行禁止ポテンシャルとし、この最も近い未掃除セルを検索すると、前記未掃除領域のうちの最も近いセルを目的地点としてそこへ最短経路で走行制御を行い、前記地図記憶手段の前記属性マップの未掃除セルの中で、前記地図記憶手段のポテンシャルマップの最も低いポテンシャルを持っているセルまでポテンシャルが前記走行手段の現在位置から順次低下する経路を計画し、前記計画した経路とは逆順に辿るように走行制御する制御手段と、
を備え、前記ロボットを最も近い未掃除セルに移動させるのに、ポテンシャルマップを使用し、目的地点のポテンシャルからポテンシャルが順に小さくなるようにセルを辿って前記ロボットの位置まで到達する経路を算出し、この算出した経路を逆に辿って走行することを特徴とする自律走行ロボットである。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は、本発明を自走式掃除ロボットに適用したものについて述べる。
【0007】
図1及び図2は自走式掃除ロボットの構成を示す図で、下部が略円形状で上部が略半球形状になっている筐体1の前面上部に各種ボタンや表示器等を設けた操作パネル2を配置し、前記筐体1の下部に前面から側面に跨ってバンパー3を設け、そのバンパー3上に障害物検知手段として超音波センサからなる複数の障害物センサ4を配置している。前記障害物センサ4は、例えば、前面から見える位置に所定の間隔をあけて3個配置し、左右の側面に所定の間隔をあけて2個ずつ配置している。障害物センサ4は、前方及び左右の障害物を検出する。
【0008】
前記筐体1内には、作業手段として、クリーナモータ5とこのモータ5で回転するファン6とこのファン6の回転により底部に設けた吸込口7から塵を吸込んで集める集塵室8が収納されている。
【0009】
また、前記筐体1の底部略中央の左右にそれぞれ左駆動輪9a、右駆動輪9bを取り付け、この各駆動輪9a,9bをそれぞれ左走行モータ10a、右走行モータ10bで回転駆動するようにしている。前記各駆動輪9a,9b及び各走行モータ10a,10bは走行手段を構成している。そして、前記各駆動輪9a,9bの回転をそれぞれロータリー式エンコーダ11a、11bで検出するようにしている。
【0010】
前記筐体1の底部後端中央には回転自在で方向が左右に自由に旋回する旋回輪12が取り付けられている。また、前記筐体1内には、CPU、ROM、RAM等の制御回路部品を組み込んだ回路基板13及び各部に電源を供給するバッテリ14が収納されている。
【0011】
図3は制御部の構成を示すブロック図で、21は制御部本体を構成するCPU、22はこのCPU21が各部を制御するプログラムが格納されたROM、23は各種のデータを格納するメモリを設けたRAMである。また、24は前記操作パネル2、障害物センサ4、クリーナモータ5を回転制御するモータ制御部25、左右の走行モータ10a,10bを回転制御するモータ制御部26及び前記左右のエンコーダ11a,11bに対して信号の入出力制御を行うI/Oポートである。前記CPU21と、ROM22、RAM23及びI/Oポート24とはバスライン28を介して電気的に接続されている。
【0012】
図4は制御部の構成を機能的に示す機能ブロック図で、この掃除ロボットは、機能的には、前記RAM23からなり、前記バッテリ14によって電源のバックアップを受けている記憶部31、前記CPU21、ROM22、I/Oポート24の複合体からなる制御部32を有する。
【0013】
前記記憶部31には、掃除対象領域に対して作成される地図を記憶するための地図記憶部311が設けられている。
前記制御部32は、前記モータ制御部26を制御する走行制御部321、前記左のエンコーダ11a、前記右のエンコーダ11bの出力から移動量と移動方向を算出し、この算出した移動量と移動方向から現在の位置を推定する自己位置推定部322、前記モータ制御部25を制御するクリーナ制御部323、掃除対象領域をセル単位に分割し、掃除作業時、この掃除対象領域に前記障害物センサ4が検知した障害物及び掃除済みとなった位置をセル単位で記録して地図(マップ)を作成する地図作成部324を設けている。
【0014】
掃除ロボットは、掃除を開始すると、先ず、地図記憶部311のマップを初期化する。マップとしては、図5に示す属性マップMA1と図6に示すポテンシャルマップMA2の2つ用意する。これらのマップMA1、MA2は作業対象領域をセル単位に分割している。
【0015】
前記属性マップMA1は、作業対象領域を未掃除領域、掃除済み領域、走行不能領域という属性で管理するマップであり、それぞれ対応するセルを未作業セル、作業済みセル、走行不能セルと称する。前記ポテンシャルマップMA2は、作業対象領域内においてある位置から任意の位置までの経路長をポテンシャルとして表現するマップである。
【0016】
掃除ロボットは、マップを初期化すると、図7に示す走行制御を行うようになっている。先ず、S1にて、進行方向を整える。これは、左右の走行モータ10a,10bを駆動制御して正面が進行方向に向くように旋回する。続いて、S2にて、左右の走行モータ10a,10bを駆動制御して直進走行を行う。このとき、同時にクリーナモータ5を駆動制御して床面の掃除を行う。そして、S3にて、障害物センサ4が前方に壁などの障害物があることを検知すると、障害物の近くまで移動した後、走行を停止する。
【0017】
この動作において、掃除ロボットは、常に、自己位置推定部322により自己位置を推定し、また、障害物センサ4によって前方及び左右の障害物の有無を検知し、属性マップMA1に掃除済み領域と障害物の位置を走行不能領域として記録する。なお、属性マップMA1においては初期化した段階では全てが未掃除領域となっている。
【0018】
障害物を検知し、停止すると、続いて、S4にて、属性マップMA1から最も近い未掃除領域を検索する。この未掃除領域の検索は、前記ポテンシャルマップMA2を使用する。すなわち、図6に示すように、掃除ロボットRCの現在位置を中心としたポテンシャルマップを作成する。ここでは掃除ロボットRCの現在位置のポテンシャルを−1とし、距離が離れるに従ってポテンシャルを「1」から順に大きくしている。
【0019】
また、前記属性マップMA1において障害物のために走行不能領域として記録した位置に相当するポテンシャルマップMA2のセルに走行禁止ポテンシャルとして、例えば無限大∞を与える。また、掃除ロボットRCが走行不能領域に近づき過ぎないようにマージンを取る。すなわち、走行禁止ポテンシャルを与えたセルの周囲のセルにも走行禁止ポテンシャルを与える。
【0020】
従って、前記属性マップMA1に記録した掃除済み領域が図中斜線で示す領域M1で、走行不能領域が図中クロスで示す領域M2で、未掃除領域が図中白で示す領域M3であったとすると、未掃除領域が存在することを判断し、未掃除領域M3のうち、最も近い未掃除セルを検索する。最も近い未掃除セルはポテンシャルマップMA2における未掃除領域の中でポテンシャルがもっとも小さいセルとなる。図6ではポテンシャルが「8」のセルとなる。
【0021】
最も近い未掃除セルを検索すると、続いて、S5にて、Point To Point走行制御(以下、PTP走行制御と称する。)を行う。すなわち、掃除ロボットRCは、未掃除領域M3のうちの最も近いセルを目的地点としてそこへ最短経路で走行する計画を行う。この計画は、ポテンシャルマップMA2を利用する。すなわち、目的地点のポテンシャル「8」からポテンシャルが順に小さくなるようにセルを辿って現在位置まで到達する経路を算出することで最短経路を求めることができる。そして、この求めた経路を図6に矢印で示すように逆に辿って走行する。これによって、掃除ロボットRCを、走行不能領域M2を迂回しながら未掃除領域M3のうちの最も近い未掃除セルへ最短経路で移動できる。
【0022】
S5におけるPTP走行制御を終了すると、再びS1に戻って進行方向を整え、直進走行を繰り返す。そして、S4にて、未掃除領域M3が無くなったことを判断すると、一連掃除制御を終了する。
【0023】
例えば、図8に示すような周囲が壁41に囲まれ、かつ、壁41の対向面から突出した1対の障害物42,43がある四角形状の部屋を掃除することを想定する。この部屋に対してX軸とY軸を図に示すように定めておく。
【0024】
先ず、掃除ロボットRCは、左下隅のA位置で進行方向をY軸の正方向に整え、B位置へ向かって直進走行し、掃除を行う。やがて、前方に障害物を検知し、B位置で停止する。
【0025】
そして、最も近い未掃除セルを検索する。このときの最も近い未掃除セルは右隣りのセルとなるので、掃除ロボットRCは右に90度向きを変えてそのセルまで移動する。この位置で進行方向をY軸の負方向に整え、C位置へ向かって直進走行し、掃除を行う。やがて、前方に障害物を検知し、C位置で停止する。
【0026】
そして、最も近い未掃除セルを検索する。このときの最も近い未掃除セルは左隣りのセルとなるので、掃除ロボットRCは左に90度向きを変えてそのセルまで移動する。この位置で進行方向をY軸の正方向に整え、D位置へ向かって直進走行し、掃除を行う。
このようにして、連続した未掃除領域が続いている作業領域では、この一連の走行制御によって掃除ロボットRCは一般的なジグザグ走行しながら掃除を行うとともに属性マップMA1に掃除済み領域M1及び走行不能領域M2を記録する。
【0027】
掃除ロボットRCは、D位置に到達すると、最も近い未掃除セルを検索するが、D位置では左右のいずれにも隣接した未掃除セルはない。このときは、最も近い未掃除セルとしてE位置を検索する。そして、D位置からE位置へPTP走行制御によって移動する。
【0028】
掃除ロボットRCはE位置に到達すると、進行方向を整えてから直進し、前方に障害物を検出すると最も近い未掃除セルを検索し、その位置までPTP走行制御によって移動する。この一連の動作を繰り返して図中矢印で示すような走行を行いながら掃除を行う。そして、F位置に到達すると、この位置でも最も近い未掃除セルを検索するが、ここでは左右のいずれにも等距離の位置に未掃除セルが存在する。このような場合に対処するためにX軸やY軸の正負のどちらを優先するかのデフォルトルールを予め定めておく。例えば、X軸の負方向を優先した場合は、掃除ロボットRCは左に90度向きを変えてそのセルまで移動する。この位置で進行方向をY軸の負方向に整え、G位置へ向かって直進走行し、掃除を行う。やがて、前方に障害物を検知し、G位置で停止する。
【0029】
そして、最も近い未掃除セルを検索する。このときの最も近い未掃除セルは左側のH位置となるので、掃除ロボットRCは左に90度向きを変えPTP走行制御によってH位置まで移動となるので、H位置に到達すると、進行方向をY軸の正方向に整え、I位置へ向かって直進し掃除を行う。こうしてI位置まで到達すると、作業対象領域は全て掃除済み領域と走行不能領域になっているので、未掃除領域はなく掃除は終了することになる。
【0030】
図9は図8に示すレイアウトの部屋を掃除したときの属性マップMA1の記録状態を示した図で、セル分割された全体は作業対象領域であり、最初はすべて未掃除領域M3になっている。そして、掃除ロボットRCがA位置から移動を開始して掃除を行いつつ掃除済み領域M1を記録するとともに障害物センサ4で障害物を検知し、走行不能領域M2として記録する。
【0031】
従って、掃除ロボットRCがI位置の手前のH′位置へ到達した時には属性マップMA1の記録状態は図9に示すようになっている。このときには、まだ、前方の壁を障害物センサ4で検知していないので、白で示す領域はすべて未掃除領域M3になっている。その後掃除ロボットRCが走行すると右側にある壁が障害物として検知されるようになり、掃除ロボットRCがI位置に到達した前方の壁が障害物として検知されると、掃除済み領域M1の周囲が全て走行不能領域M2で囲まれる。この時点で、掃除ロボットは走行不能領域M2の外側には移動できないと判断するため、走行不能領域M2の外側の未掃除領域M3を、M2と同様と見なす。これにより、未掃除領域がなくなったものと判断して掃除を終了する。
【0032】
このように、予め作業領域の地図を作成してから掃除を行うではなく、掃除を行いながら作業対象領域の各セルを掃除済み領域と走行不能領域として埋めながら地図を作成し、未掃除領域が無くなった時点で掃除終了としているので、掃除作業を短時間で行うことができる。しかも、未掃除領域を常に確認しながら掃除を行うので、未掃除領域を残すことはなく確実な掃除ができる。
【0033】
また、掃除ロボットRCを最も近い未掃除セルに移動させるのに、ポテンシャルマップMA2を使用し、目的地点のポテンシャルからポテンシャルが順に小さくなるようにセルを辿って掃除ロボットCRの位置まで到達する経路を算出し、この算出した経路を逆に辿って走行するので、目的とする未掃除領域の最も近いセルへ最短経路で移動でき、従って、短時間で移動できる。
【0034】
図10は周囲が壁41に囲まれた四角形状の部屋の中にコの字形の障害物44がある場合の掃除経路を示している。この部屋に対してもX軸とY軸を図に示すように定めておく。
【0035】
先ず、掃除ロボットRCは、左下隅のA位置で進行方向をY軸の正方向に整え、B位置へ向かって直進走行し、掃除を行う。やがて、前方に障害物を検知し、B位置で停止する。そして、最も近い未掃除セルとして右隣りのセルを検索し、掃除ロボットRCは右に90度向きを変えてそのセルまで移動する。この位置で進行方向をY軸の負方向に整えC位置へ向かって直進走行し、掃除を行う。やがて、前方に障害物を検知し、C位置で停止する。
【0036】
そして、最も近い未掃除セルとして左隣りのセルを検索し、掃除ロボットRCは左に90度向きを変えてそのセルまで移動する。この位置で進行方向をY軸の正方向に整え直進走行し、掃除を行う。そして、障害物センサ4がD位置で障害物44を検知するので、掃除ロボットRCは停止する。
【0037】
ここで、最も近い未掃除セルとして右隣りのセルを検索し、掃除ロボットRCは右に90度向きを変えてそのセルまで移動する。この位置で進行方向をY軸の負方向に整え直進走行し、掃除を行い、前方に壁41を検知し、E位置で停止する。
このようにして、掃除ロボットRCは前方に障害物を検出すると最も近い未掃除セルを検索してPTP走行制御によって走行しながら掃除を行うとともに、属性マップMA1に掃除済み領域M1及び走行不能領域M2を記録する。
【0038】
掃除ロボットRCは、やがてF位置に到達すると、この位置でも最も近い未掃除セルを検索するが、ここでは左右のいずれにも等距離の位置に未掃除セルが存在する。例えば、X軸の負方向を優先していれば、掃除ロボットRCは左に90度向きを変えてそのセルまで移動する。この位置で進行方向をY軸の負方向に整え直進走行し、掃除を行い、前方に障害物44を検知し、G位置で停止する。
【0039】
その後も掃除ロボットRCは走行しながら掃除を行うとともに、属性マップMA1に掃除済み領域M1及び走行不能領域M2を記録する。そして、H位置に到達すると、その左右両隣りには未掃除セルが無く、掃除ロボットRCは最も近い未掃除セルとしてI位置を検索し、その位置へPTP走行制御によって移動する。
【0040】
I位置に到達した掃除ロボットRCはY軸の負方向へ向かって直進走行し、掃除を行い、前方に障害物44を検知し、J位置で停止する。このJ位置で最も近い未掃除セルを検索するが、直ぐ近くには無く、最も近い未掃除セルとしてK位置を検索する。掃除ロボットRCはJ位置からK位置までPTP走行制御によって移動する。
【0041】
K位置に到達すると、右に90度向きを変え進行方向をY軸負方向に整えてから直進し掃除を行う。やがて、前方に壁41を検知し、L位置で停止する。そして、最も近い未掃除セルを検索するが、残っている未掃除領域はM位置近傍のみであり、掃除ロボットRCは向きを反転し、Y軸の正方向へ直進走行して掃除を行う。そして、障害物センサ4がM位置で壁41を検知すると掃除ロボットRCは停止する。M位置に到達すると、作業対象領域は全て掃除済み領域と走行不能領域になっているので、未掃除領域はなく掃除は終了することになる。
【0042】
このように掃除する部屋のレイアウトが複雑であっても、短時間で確実な掃除ができる。
なお、この実施の形態は、本発明を掃除ロボットに適用したものについて述べたがこれに限定するものではなく、走行しながら掃除以外の他の作業を行うロボットにも適用できるものである。
【0043】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、予め掃除領域の地図を記憶すること無く掃除領域に対して短時間で確実な掃除ができる自律走行ロボットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態に係る掃除ロボットの外部構成を示す正面図。
【図2】 同実施の形態に係る掃除ロボットの内部構成を示す一部切欠した側面図。
【図3】 同実施の形態における制御部のハード構成を示すブロック図。
【図4】 同実施の形態における制御部の構成を機能的に示す機能ブロック図。
【図5】 同実施の形態における地図記憶部に形成される属性マップの例を示す図。
【図6】 同実施の形態における地図記憶部に形成されるポテンシャルマップの例を示す図。
【図7】 同実施の形態における掃除ロボットの走行制御を示す流れ図。
【図8】 同実施の形態における掃除ロボットによる掃除走行例を示す図。
【図9】 図8の掃除走行例における属性マップの記録状態を示す図。
【図10】 同実施の形態における掃除ロボットによる他の掃除走行例を示す図。
【符号の説明】
4…障害物センサ、5…クリーナモータ、9a,9b…駆動輪、10a,10b…走行モータ、11a,11b…ロータリー式エンコーダ、21…CPU、22…ROM、23…RAM、311…地図記憶部、321…走行制御部、322…自己位置推定部、323…クリーナ制御部、324…地図作成部。
Claims (1)
- 走行手段と掃除手段を備え、
前記走行手段にて自律直進走行しながら前記掃除手段にて掃除対象領域内の掃除を行う自律走行ロボットにおいて、
算出手段により前記走行手段の移動量と移動方向を算出し、この算出結果により前記走行手段の現在の位置を常に推定する自己位置推定手段と、
前記掃除対象領域内に存在する障害物を検知する障害物検知手段と、
前記掃除対象領域をセル単位に分割し、掃除時、この掃除対象領域に前記障害物検知手段が検知した障害物及び前記掃除手段により掃除済みとなった位置を前記セル単位で地図を作成するものであって、前記地図としては前記掃除対象領域を未掃除領域、掃除済み領域、前記障害物検知手段が障害物を検知した位置である走行不能領域という属性で管理する属性マップと、前記掃除対象領域内においてある位置から任意位置までの経路長をポテンシャルとするポテンシャルマップとを作成するものであって、前記ポテンシャルマップは現在位置のポテンシャルを第1の所定値とし、これから距離が離れるに従ってポテンシャルを「1」から順に大きくし、前記走行不能領域の位置のときは相当するポテンシャルマップのセル単位に走行禁止ポテンシャルを与えると共に、走行不能領域に近づき過ぎないように走行禁止ポテンシャルを与えたセル単位の周囲に走行禁止ポテンシャルを与える地図作成手段と、
前記地図作成手段で作成した前記属性マップ及び前記ポテンシャルマップを記録すると共に、前記自己位置推定手段で推定された前記走行手段の現在位置を記録し、前記掃除手段が掃除を開始したとき、前記属性マップが初期化され、前記掃除対象領域が全て未掃除領域となる地図記憶手段と、
前記掃除手段が掃除を開始したことで初期化された前記属性マップにおいて、前記地図記憶手段で記憶されたポテンシャルマップに基づき前記走行手段の現在位置から前記属性マップの最も近い未掃除セルを認識する認識手段と、
前記障害物検知手段が進行方向前方に障害物を検知したとき、前記属性マップから未掃除領域を前記ポテンシャルマップを使用して検索し、前記属性マップにおいて前記障害物のために走行不能領域として記録した位置に相当する前記ポテンシャルマップのセルを走行禁止ポテンシャルとし、この最も近い未掃除セルを検索すると、前記未掃除領域のうちの最も近いセルを目的地点としてそこへ最短経路で走行制御を行い、前記地図記憶手段の前記属性マップの未掃除セルの中で、前記地図記憶手段のポテンシャルマップの最も低いポテンシャルを持っているセルまでポテンシャルが前記走行手段の現在位置から順次低下する経路を計画し、前記計画した経路とは逆順に辿るように走行制御する制御手段と、
を備え、前記ロボットを最も近い未掃除セルに移動させるのに、ポテンシャルマップを使用し、目的地点のポテンシャルからポテンシャルが順に小さくなるようにセルを辿って前記ロボットの位置まで到達する経路を算出し、この算出した経路を逆に辿って走行することを特徴とする自律走行ロボット。
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