JP6742680B2

JP6742680B2 - 自律走行体

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Publication number: JP6742680B2
Application number: JP2014166862A
Authority: JP
Inventors: 雄一山本; 良英内田
Original assignee: Toshiba Lifestyle Products and Services Corp
Current assignee: Toshiba Lifestyle Products and Services Corp
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2034-08-19
Also published as: JP2016045518A

Description

本発明の実施形態は、自律走行可能な自律走行体に関する。

従来、例えばセンサなどを用いて障害物や壁などを検出しつつ、障害物を避けたり壁に沿ったりして自律走行する、掃除ロボットや監視ロボットなどの自律走行体が知られている。

このような自律走行体において、障害物を検出する手段として、例えば超音波センサが使用されることがある。一般に、超音波センサは、１つの送波手段と複数の受波手段とを備えており、送波手段から送信された超音波が障害物により反射された反射波を受波手段によって受波したかどうかを判断することで、障害物が所定距離内にあるかどうかを検出できるようになっている。したがって、様々な方向の障害物を検出するためには、超音波センサを多数設ける必要があり、構成を簡略化することが容易でない。

特開２００６−２３４５２３号公報

本発明が解決しようとする課題は、構成を簡略化しつつ物体を確実に検出して自律走行できる自律走行体を提供することである。

実施形態の自律走行体は、本体ケースを有する。また、この自律走行体は、本体ケースを走行させる駆動輪を有する。さらに、この自律走行体は、駆動輪を駆動させるモータを有する。また、この自律走行体は、本体ケースに設けられ、この本体ケースの前方に向けて超音波を発信する送波手段を有する。さらに、この自律走行体は、本体ケースにて送波手段の両側にそれぞれ設けられ、送波手段から発信された超音波の反射波を受信する受波手段を有する。また、この自律走行体は、モータの駆動を制御することで本体ケースを自律走行させる制御手段を有する。そして、制御手段は、互いに異なる複数の閾値が設定され、送波手段から所定時間毎に発信された超音波が物体に当たって反射した反射波の各受波手段による受信の有無および受信するまでの時間に基づいて検出した物体と各受波手段とのそれぞれの距離とこれら複数の距離に基づいて検出した本体ケースに対する前記物体の方向と各距離と各閾値とのそれぞれの比較結果の組み合わせに基づく本体ケースに対する物体の位置関係に応じてモータの駆動を制御する。

一実施形態の自律走行体を模式的に示す平面図であり、(a)は物体が走路上の正面に位置する場合を示し、(b)は物体が走路上に斜め前方に位置する場合を示し、(c)は物体が走路外の前方に位置する場合を示す。同上自律走行体を模式的に示す平面図であり、(a)は壁に沿って走行する場合を示し、(b)は壁に沿って走行しているときに障害物が前方に位置する場合を示し、(c)は壁に沿って走行しているときに前方に屈曲した壁が位置する場合を示す。 (a)は同上自律走行体を上方から示す平面図、(b)は同上自律走行体を下方から示す平面図である。同上自律走行体の内部構造を示すブロック図である。同上自律走行体の制御を示すフローチャートである。

以下、一実施形態の構成を、図面を参照して説明する。

図１ないし図４において、11は自律走行体を示し、この自律走行体11は、例えば床面上を自律走行(自走)しつつ掃除をする自走式の電気掃除機(ロボットクリーナ)、あるいは部屋の内部を監視する監視ロボットなどである。

この自律走行体11は、中空状の本体ケース15を備えている。この本体ケース15の床面に対向する下部には、例えば複数(一対)の駆動部としての駆動輪16および従動輪17などが配置されている(図３(b))。また、この本体ケース15の外側部には、物体である障害物Ｏを検出する物体検出手段(障害物検出手段)である障害物センサ21、本体ケース15と側方の障害物Ｏとの距離を検出する距離検出手段である測距センサ22、および、本体ケース15と前方の障害物Ｏとの接触(衝突)を検出する接触検出手段である接触センサ23などが配置されている。さらに、この本体ケース15の内部には、回路基板などにより構成された制御手段26、駆動輪16を駆動させる駆動手段としてのモータ27、および、制御手段26などに給電する電源部を構成する図示しない二次電池などが配置されている(図３(a)および図４)。なお、自律走行体11を電気掃除機とする場合には、例えば床面の掃除用の電動送風機、集塵用の集塵口、この集塵口に取り付けられた回転清掃体(回転ブラシ)、側部掃除手段としてのサイドブラシなどの掃除手段を適宜本体ケース15に備え、自律走行体11を監視ロボットとする場合には、例えば撮像用の撮像手段(カメラ)、および、無線通信用の無線ＬＡＮデバイスなどを本体ケース15に備えるものとする。そして、以下、自律走行体11(本体ケース15)の走行方向に沿った方向を前後方向(図３に示す矢印FR，RR方向)とし、この前後方向に対して交差(直交)する左右方向(両側方向)を幅方向とするとともに、自律走行体11を平坦な床面上に載置した状態を基準として説明する。

本体ケース15は、例えば硬質の合成樹脂などにより形成された複数のケース体を組み合わせることで扁平な円柱状(円盤状)などに構成されている。

駆動輪16，16は、本体ケース15を床面上で走行(自律走行)可能とする、すなわち走行用のものであり、水平方向(幅方向)に沿って回転軸を有する円盤状に形成され、本体ケース15の下部の前後方向の中心付近の位置にて、幅方向に互いに離間されて配置されている。そして、これら駆動輪16，16は、駆動手段としてのモータ27，27により回転駆動される。

従動輪17は、本体ケース15の下部において、駆動輪16，16とともに自律走行体11の重量をバランスよく支持可能な位置に適宜回転自在に配置されている。本実施形態では、この従動輪17は、本体ケース15の左右方向の中央部の前部に旋回可能に取り付けられた旋回輪である。

障害物センサ21は、超音波を用いて障害物Ｏを検出する非接触型の超音波センサであり、超音波SWを送信する１つの送波手段(超音波送波器)31と、この送波手段31の両側に配置された対をなす(一対の)受波手段(超音波受波器)32とを備えている。

送波手段31は、本体ケース15の外側部の最前部、すなわち左右方向の中央部に前方に向けて配置されており、本体ケース15の前方(径方向)に向けて超音波SWを発信するようになっている。この送波手段31は、制御手段26と電気的に接続されており、この制御手段26によって動作が制御されて超音波SWを所定時間毎に前方へと発信するようになっている。この超音波SWは、送波手段31から発信された後、障害物Ｏにより反射されるが、超音波SWおよび反射波RWは、距離が遠くなるほど減衰するため、所定時間の半分よりも小さい距離で到達可能な所定の距離範囲外に位置する障害物Ｏによって反射された反射波RWは減衰して受波手段32に届かない。したがって、障害物Ｏによる反射波RWと新たに送波手段31から発信される超音波SWとが混信することはない。本実施形態では、送波手段31は、例えば１００ｍｓｅｃ毎に前方へと超音波SWを発信するように制御手段26により制御され、超音波SWが数十ｃｍ程度の距離範囲内の障害物Ｏによって反射された反射波RWのみが受波手段32により受信可能となっている。

受波手段32は、送波手段31により発信された超音波SWの障害物Ｏによる反射波RWを受信するもので、例えば送波手段31に対して一側(左側)に位置する(第１の受波手段としての)左側受波手段32Lと、他側(右側)に位置する(第２の受波手段としての)右側受波手段32Rとが互いに独立して設定されている。これら受波手段32L，32Rは、送波手段31に対して左右方向(本体ケース15の周方向)にそれぞれ略均等に離間されており、送波手段31よりも後方の本体ケース15の外側部に位置している。本実施形態では、これら受波手段32L，32Rは、本体ケース15の前側の斜め両側(本体ケース15の前方左右４５°方向)の位置、すなわち送波手段31を挟むように離間され、本体ケース15の径方向に沿って配置されている。そして、これら受波手段32L，32Rは、制御手段26に対して電気的に接続されており、送波手段31から超音波SWが発信されてから、これら受波手段32L，32Rがその超音波SWの障害物Ｏによる反射波RWを受信するまでの時間が制御手段26によってそれぞれ別個に記録されるようになっている。したがって、これら受波手段32L，32Rは、反射波RWを受信可能な、換言すれば本体ケース15の外方で、かつ、少なくとも前方向の成分を有する方向に向けてケース体15に配置されている。例えば、円形状の本体ケース15の場合には、受波手段32L，32Rの位置は、上方から見て前後方向の中心位置よりも前側となっている。

測距センサ22は、例えば赤外線センサ(光学センサ)などの非接触型のセンサであり、例えば本体ケース15の外周に配置され、本体ケース15の前方の障害物Ｏと本体ケース15との距離を検出可能となっている。

接触センサ23は、本体ケース15の前側半周分の外周を構成する接触子であるバンパ35と、このバンパ35の移動によって押圧操作されるスイッチなどの単数または複数の検出手段本体としてのセンサ本体36とを備えている。

バンパ35は、例えば硬質の合成樹脂などにより円弧状に湾曲して形成されており、本体ケース15から前方へと突出する方向に向けて図示しないばねなどの付勢手段により付勢されている。

センサ本体36は、例えば本体ケース15の前部などに配置されている。そして、このセンサ本体36は、バンパ35の後部に対向し、このバンパ35が付勢手段の付勢に抗して動作したときにこのバンパ35によって押されることでバンパ35の障害物Ｏへの接触を検出するようになっている。

そして、制御手段26は、例えばタイマなどの計時手段、メモリなどの記憶手段およびマイコン(ＣＰＵ)などの制御部を備えており、障害物センサ21(送波手段31および受波手段32)、測距センサ22、接触センサ23、および、各モータ27などと電気的に接続されている。そして、制御手段26は、障害物センサ21(受波手段32)、測距センサ22および接触センサ23による検出値をリアルタイムに読み取るとともに、この読み取った結果に基づいて、モータ27，27を介して駆動輪16，16の駆動を制御して本体ケース15(自律走行体11)を自律走行させることが可能となっている。また、制御手段26は、送波手段31から発信された超音波SWが障害物Ｏに当たって反射した反射波RWを各受波手段32により受信したかどうか、および、受信したタイミングに基づいて障害物Ｏと各受波手段32との距離DL，DRを検出可能となっている。すなわち、一般的な条件下で自律走行体11を用いる場合、音速は略一定であるものと考えてよいため、送波手段31から超音波SWを発信してから各受波手段32により受信するまでの時間と、受波手段32(受波手段32L，32R)と障害物Ｏとの間の距離DL，DRとは略比例するものと考えられ、受信タイミングが遅いほど障害物Ｏからの距離DL，DRが遠いものと想定される。また、本体ケース15が上方から見て(平面視で)円形状であるため、受波手段32の死角となる角度(本体ケース15の外郭により反射波RWが遮られる角度)、すなわち受波手段32が設けられた位置での本体ケース15の平面視での接線よりも前方への角度が小さい方向からの反射波RWは、受波手段32によって受信されない。そのため、受波手段32(受波手段32L，32R)の受信の有無および受信タイミングの相違によって、制御手段26は受波手段32(受波手段32L，32R)のそれぞれと障害物Ｏとの距離DL，DRを検出可能である。具体的に、制御手段26は、互いに異なる複数、例えば２つの閾値(第１閾値および第２閾値)が設定され、送波手段31によって発信した超音波SWの障害物Ｏによる反射波RWのうち各受波手段32により最も早く検出した反射波RWの受信タイミングに基づいて算出した障害物Ｏとの距離DL，DRと各閾値とを比較して障害物Ｏへの接近を判断したときに本体ケース15を減速または停止させるようにモータ27の駆動を制御する。反射波RWを受波手段32(受波手段32L，32R)によって受信しなかった場合には、距離DLまたは距離DRを、例えば第２閾値よりも大きい所定値として判断する。なお、受波手段32(受波手段32L，32R)と障害物Ｏとのそれぞれの距離DL，DRを半径とし受波手段32(受波手段32L，32R)を中心とする各仮想円の交点の位置に障害物Ｏが位置するものと考えられるので、制御手段26は、これら検出した距離DL，DRに基づいて、障害物Ｏの方向も検出可能である。

第１閾値は、障害物(物体)検出距離閾値とも呼ぶべきもので、主として、本体ケース15(受波手段32L，32R)の略正面前方に位置する障害物Ｏを検出するためのものである。

第２閾値は、障害物(物体)衝突距離閾値とも呼ぶべきもので、主として、本体ケース15(受波手段32L，32R)の走路上にて本体ケース15と衝突する位置に障害物Ｏを検出するためのものである。したがって、この第２閾値は、第１閾値よりも小さく設定されている。

各モータ27は、図示しない駆動伝達手段としてのギヤボックスを介してこれら駆動輪16，16とそれぞれ接続されている。そして、各モータ27は、制御手段26によりそれぞれ別個に動作が制御され、各駆動輪16を独立して駆動させることが可能となっている。

二次電池は、制御手段26、障害物センサ21、測距センサ22、接触センサ23、および、モータ27，27などに給電するものである。そして、この二次電池は、本体ケース15の下部に位置する充電端子と電気的に接続されており、例えば室内(部屋)の所定位置などに設置された所定の図示しない充電台に対して充電端子が接続されることによって充電可能となっている。

次に、上記一実施形態の動作を説明する。

自律走行体11は、例えば制御手段26に予め設定された所定時刻などとなったり、携帯型端末などの外部装置から送信された指令を受信したりすると、例えば充電台から離脱して掃除を開始する。なお、自律走行体11の走行の開始位置は、例えば部屋の入り口など、任意の場所に設定可能である。

この自律走行体11は、障害物センサ21および測距センサ22を介して例えば部屋の周囲を囲む壁、室内に設置された家具やコピー機などの設置物、あるいはテーブルの脚や椅子などの障害物Ｏとの距離を検出することで自律走行体11の位置や走行状態を監視し、障害物センサ21、測距センサ22および接触センサ23からの検出に対応して各モータ27(駆動輪16)を駆動させることで、障害物Ｏを回避したり、障害物Ｏとの衝突の衝撃を緩和したりしながら床面上を走行する。

障害物センサ21を用いた走行制御を、図５に示すフローチャートも参照しながら説明すると、まず、制御手段26は、走行を終了するかどうかを判断し(ステップ１)、走行を終了すると判断した場合には、モータ27などを停止させてそのまま走行を終了する。

一方、ステップ１において、走行を終了しないと判断した場合には、制御手段26は、障害物センサ21による測距処理を実行する(ステップ２)。具体的に、この測距処理は、制御手段26が送波手段31から超音波SWを発信させ、この超音波SWの障害物Ｏによる反射波RWを受波手段32(受波手段32L，32R)により受信したかどうかを判断するとともに、受信したと判断した場合にはその受信タイミングに基づいて、受波手段32(受波手段32L，32R)と障害物Ｏとの距離DL，DRを検出する。また、反射波RWを受波手段32(受波手段32L，32R)によって所定時間内に受信しなかった場合には、距離DLまたは距離DRを、例えば第２閾値よりも大きい所定値とする。

次いで、制御手段26は、検出した前方の障害物Ｏと各受波手段32L，32Rとの距離DL，DRに基づいて、障害物Ｏと衝突するかしないかを判断し、その判断に応じてモータ27の駆動を制御する(走行制御を行う)。

自律走行体11(本体ケース15)の前方に障害物Ｏが位置する場合、その障害物Ｏの位置としては、自律走行体11(本体ケース15)の走路上に位置して自律走行体11(本体ケース15)と衝突する位置(図１(a)および図１(b))と、自律走行体11(本体ケース15)の走路外に位置して自律走行体11(本体ケース15)と衝突しない位置(図１(c))とが想定される。

例えば、自律走行体11(本体ケース15)の走路上の正面方向に障害物Ｏが位置する場合、この障害物Ｏと左側受波手段32Lとの距離DLと、この障害物Ｏと右側受波手段32Rとの距離DRとは、互いに略等しくなる(図１(a))。

したがって、制御手段26は、距離DL，DRがともに第１閾値よりも小さいかどうかを判断する(ステップ３)。そして、距離DL，DRがともに第１閾値よりも小さいと判断した場合、障害物Ｏが自律走行体11(本体ケース15)の走路上に位置している、すなわち障害物Ｏへと接近したものと判断し、モータ27，27の回転数を低減することで自律走行体11(本体ケース15)を減速し(ステップ４)、ステップ１に戻る。

また、例えば自律走行体11(本体ケース15)の走路上の前方斜め方向に障害物Ｏが位置する場合、この障害物Ｏと左側受波手段32Lとの距離DLと、この障害物Ｏと右側受波手段32Rとの距離DRとが互いに異なる。例えば図１(b)に示す例では、距離DLが距離DRよりも大きくなる。このため、距離DLと距離DRとの一方が第１閾値以上であるにも拘らず、障害物Ｏが自律走行体11(本体ケース15)の走路上に位置する場合もある。

したがって、制御手段26は、距離DL，DRのいずれか一方が第２閾値よりも小さいかどうかを判断する(ステップ５)。そして、距離DL，DRのいずれか一方が第２閾値よりも小さいと判断した場合にも、障害物Ｏが自律走行体11(本体ケース15)の走路上に位置している、すなわち障害物Ｏへと接近したものと判断し、ステップ４に進む。

一方、自律走行体11(本体ケース15)の走路外に障害物Ｏが位置する場合、この障害物Ｏと左側受波手段32Lとの距離DLと、この障害物Ｏと右側受波手段32Rとの距離DRとが互いに異なるとともにそれぞれ相対的に大きくなり、例えば図１(c)に示す例では、距離DLが距離DRよりも大きくなる。このため、距離DLと距離DRとがいずれも第２閾値よりも小さくない(第２閾値以上である)と判断した場合には、障害物Ｏが自律走行体11(本体ケース15)の走路外に位置している、すなわち障害物Ｏへと接近していないものと判断し、自律走行体11(本体ケース15)を通常の速度で走行させ(ステップ６)、ステップ１に戻る。

また、壁などの障害物Ｏ(障害物OW)に沿って走行する際には、障害物センサ21が自律走行体11(本体ケース15)と衝突しない位置に障害物Ｏを検出する位置で、かつ、測距センサ22により検出した本体ケース15と障害物Ｏとの距離が所定距離範囲内(所定の一定値)となるように制御手段26がモータ27を駆動する(図２(a))。

さらに、障害物Ｏ(障害物OW)に沿って走行している際に、前方に別の障害物Ｏが位置する場合(図２(b))、あるいは、障害物Ｏ(障害物OW(障害物OW1))に沿って走行している際に、この障害物Ｏ(OW1)に対して交差する方向に延びる壁などの障害物Ｏ(障害物OW2)がある場合(図２(c))には、上記図１のときと同様に、距離DL，DRと第１閾値および第２閾値を比較することで、制御手段26が、自律走行体11(本体ケース15)が障害物Ｏと衝突するかどうか、すなわち障害物Ｏへと接近しているかどうかを判断し、この判断に基づいて走行制御する。

なお、障害物Ｏとの接触(衝突)を接触センサ23により検出した場合には、制御手段26は、モータ27を駆動させて例えば旋回することで進行方向を転換し、障害物Ｏを回避して走行を継続する。この旋回としては、例えば一方の駆動輪16(モータ27)と他方の駆動輪16(モータ27)とを互いに反対方向に回転させることで本体ケース15の中心位置を変えることなくその位置で回転する、いわゆる超信地旋回としてもよいし、所定の小さい半径で円運動するように旋回させてもよい。また、障害物Ｏとの接触(衝突)を接触センサ23により検出した場合には、より方向転換をしやすくするために、一旦障害物Ｏから離反する方向に所定距離後退した後、旋回などによって進行方向を転換するようにモータ27の駆動を制御してもよい。

そして、部屋の掃除や監視が終了したと判断した場合には、制御手段26は、自律走行体11を充電台の位置まで自律走行させ、充電台に充電端子を(物理的および電気的に)接続させてモータ27，27などを停止させ、運転を終了して二次電池を充電する。

以上説明した一実施形態によれば、制御手段26が、本体ケース15の前方に向けて送波手段31から発信された超音波SWが障害物Ｏに当たって反射した反射波RWの、本体ケース15にて送波手段31の両側に位置する受波手段32(受波手段32L，32R)による受信の有無、および、受信タイミングに基づいて検出した障害物Ｏと各受波手段32(受波手段32L，32R)との距離DL，DRに基づいてモータ27の駆動を制御することで、多数のセンサなどを用いることなく構成を簡略化しつつ、障害物Ｏを確実に検出して自律走行できる。

具体的に、制御手段26は、各受波手段32(受波手段32L，32R)によりそれぞれ検出した障害物Ｏとの距離DL，DRと第１閾値および第２閾値とを比較して障害物Ｏへの接近を判断したときに本体ケース15を減速させるようにモータ27の駆動を制御するので、障害物Ｏへの接近を確実に検出して、自律走行体11(本体ケース15)の障害物Ｏへの接触(衝突)時の衝撃を確実に緩和でき、本体ケース15および接触センサ23などを衝撃から確実に保護できる。

したがって、１つの送波手段31と左右の受波手段32L，32Rとの最小構成で、障害物Ｏの距離および位置の検出が可能になるとともに、送波手段31が１つのみであるため、他の超音波との混信を避けるためのタイミング調整や周波数調整などが不要となり、制御手段26などでの処理および制御をより簡略化できる。

しかも、受波手段32L，32Rを独立することで、障害物Ｏ(障害物OW)に沿って走行している場合にも、同じ障害物センサ21の構成で走路上に位置する障害物Ｏの検出が可能となる。

なお、上記一実施形態において、受波手段32は、少なくとも送波手段31の両側に位置していれば、２つ以上配置してもよい。この場合には、障害物センサ21による障害物Ｏの位置の検出精度をより向上できる。

また、本体ケース15は、外郭が円形となる円柱状としたが、多角形状など任意の形状とすることができる。

さらに、自律走行体11は、接触センサ23を備えない構成とすることもできる。この場合には、自律走行体11(本体ケース15)の障害物Ｏへの接近を制御手段26で判断した際に、モータ27を減速ではなく停止させることで自律走行体11(本体ケース15)を停止させ、障害物Ｏとの衝突を防止できるとともに、この停止後に例えばモータ27を駆動して進行方向を転換して障害物Ｏと衝突しない位置へと走行することで、障害物Ｏを確実に回避できる。

また、制御手段26は、閾値を３つ以上設けて、これら閾値と距離DL，DRとを比較することで障害物Ｏへの接近を判断したときに本体ケース15を減速または停止させるようにモータ27の駆動を制御してもよい。しかも、本体ケース15は、多段に減速させてもよいし、多段に減速させた後、停止させるようにしてもよい。

本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

11 自律走行体
15 本体ケース
16 駆動輪
26 制御手段
27 モータ
31 送波手段
32 受波手段
Ｏ物体である障害物
RW 反射波
SW 超音波

Claims

本体ケースと、
この本体ケースを走行させる駆動輪と、
この駆動輪を駆動させるモータと、
前記本体ケースに設けられ、この本体ケースの前方に向けて超音波を発信する送波手段と、
前記本体ケースにて前記送波手段の両側にそれぞれ設けられ、前記送波手段から発信された超音波の反射波を受信する受波手段と、
前記モータの駆動を制御することで前記本体ケースを自律走行させる制御手段とを具備し、
前記制御手段は、互いに異なる複数の閾値が設定され、前記送波手段から所定時間毎に発信された超音波が物体に当たって反射した反射波の前記各受波手段による受信の有無および受信するまでの時間に基づいて検出した前記物体と前記各受波手段とのそれぞれの距離とこれら複数の距離に基づいて検出した前記本体ケースに対する前記物体の方向と前記各距離と前記各閾値とのそれぞれの比較結果の組み合わせに基づく前記本体ケースに対する前記物体の位置関係に応じて前記モータの駆動を制御する
ことを特徴とした自律走行体。
制御手段は、各受波手段によりそれぞれ検出した物体との距離と各閾値とを比較して前記物体への接近を判断したときに本体ケースを減速または停止させるようにモータの駆動を制御する
ことを特徴とした請求項１記載の自律走行体。