JP7319221B2 - 駆動装置付き車輪を有する自律走行型掃除機 - Google Patents
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Description
自律走行型掃除機は、左右一対の駆動用の車輪による自動走行が行われている。
例えば、1つのタイプは、車輪の減速構造はモータからギヤを介して減速し車輪を動作させる構造となっている。この際、減速比を稼ぐためにギヤを直列に配置しているため、車輪に対し前後方向へ長くなってしまう。このように、通常の平歯車を直列で並べる構造であると、トルクの大きいモータを使用し少ない減速比とした際においても、ギヤを多段にする必要が有り、車輪ユニットが大型化してしまう。
この構造の場合、必要な減速比を大きく稼ぐにはギヤの外形を大きくする必要があり、車輪ユニットが直径方向へ大型化してしまう。
また、前記走行モータの軸と前記駆動輪は同軸上に配置される。
また、前記第1の歯車は、前記第1の歯車の回転軸とずらした軸を擁しており、前記遊星歯車はトロコイド曲線からなるサイクロイド歯車を使用し、前記遊星歯車へ前記第1の歯車を前記軸を中心に回転可能に配置するとともに、前記第1の歯車が回転することによる偏芯運動により前記遊星歯車が自転することを特徴とする。
図1に示すように、掃除機Sは、所定の掃除領域(例えば、部屋の床面Y(図3参照))を自律的に移動しながら自動的に掃除する電気機器である。また、掃除機Sは、掃除機本体1、掃除機本体1の側周を覆うバンパ2、一対の駆動輪3,4(図2参照)、補助輪5(図2参照)、およびサイドブラシ6を備えている。
図2に示すように、駆動輪3,4は、駆動部の一例としての車輪であり、下ケース1sに取り付けられている。また、駆動輪3,4自体が回転することで掃除機Sを前進、後退、旋回(超信地旋回を含む)させることができる。また、駆動輪3,4は左右両側に配置されており、それぞれ走行モータ3m,4m(図5参照)および減速機構3b、4bで回転駆動される。また、駆動輪3,4は、前後方向において略中央で、左右方向について下ケースの外周寄りに(外側に)設けられている。
減速機構3bはピニオンギヤ31、歯車(第1の歯車)32、軸受33(第1の軸受)、遊星歯車34、回転板35(第1の回転板)、軸受36(第2の軸受)、アウターギヤ37、回転板38(第2の回転板)、第1のハウジングha、第2のハウジングhbを含む。
なお、駆動輪3を含む車輪ユニット3wと駆動輪4を含む車輪ユニット4wとは、自律走行型掃除機Sの左右の中央面に対して面対称として同様な構成にできる。車輪ユニット4wの構成についての説明は、車輪ユニット3wと同様にできるため、車輪ユニット4wの説明としては繰り返さない。
図6は、本実施形態の車輪ユニットの分解斜視図であり、図7は、図6の反対方向から見た車輪ユニットの分解斜視図である。
図8は、図5のA-A断面図であり、図9は、ピニオンギヤ31、歯車32が見える断面で切断した断面図である。
図8に示すように、駆動輪3の回転中心、駆動輪3は略円状であり、その中心部分3c(図7参照)と同軸上にモータ3m(回転軸3mj)が設けられている。言い換えると、モータ3mの中心軸3mjと駆動輪3,4の回転中心が同軸上にある。これにより、車輪ユニット3wの高さ方向への小型化ができる。
図5に示すように、モータ3mは、第1ハウジングhaに固定されている。第1ハウジングhaは、駆動輪3の構造部材を成す第2ハウジングhbにインローと爪により固定されている。
また、歯車32はピニオンギヤ31に噛み合って、歯車32がピニオンギヤ31より多い歯数をもって設けられている(図9参照)。
歯車32の回転軸32mには、軸受33(図6、図7、図17参照)が固定されている。軸受33はトロコイド曲線を用いて歯34hが形成される遊星歯車34に嵌入され固定されており、これにより、歯車32は遊星歯車34に対して回転自在に軸支持されている。歯車32は軸受33の中心軸に対して偏芯しており、これにより、モータ3mの出力が、ピニオンギヤ31、歯車32を介して減速したうえで、偏芯による運動として遊星歯車34に伝えられる。このように歯車32を遊星歯車34に嵌入することで、車輪の小型化が可能になる。
歯車32は、回転軸32mとずらした軸を擁しており、遊星歯車34はトロコイド曲線からなるサイクロイド歯車を使用し、遊星歯車34へ歯車32を軸を中心に回転可能に配置するとともに、歯車32が回転することによる偏芯運動により遊星歯車34が自転する。
遊星歯車34の各歯34hは、トロコイド曲線を用いて形成しているため、これと噛み合うアウターギヤ37は、円筒状の歯37hに形成されている。なお、通常のインボリュート歯車を遊星歯車34として用いると、インボリュート干渉が発生するため、トロコイド曲線の歯34hと円筒状の歯37hの形状としている。
上記構成により、遊星歯車34が、アウターギヤ37の円筒状の歯37hとの噛み合いにより回転した際には、挿通孔34aに貫通した円筒部38dを介して、回転板38がモータ3mの回転軸3mj周りに回転することとなる。
駆動輪3に貫設される2つの貫通孔39と回転板35に貫設される2つの貫通孔35aにねじn2をそれぞれ挿通させて回転板38の雌ねじ38nに螺着することで、駆動輪3と回転板35が回転板38に固定されている。
具体的には、遊星歯車34の自転の回転数を、挿通孔34aに貫通した円筒部38dを介して、回転板38を用いて取り出し、回転板35を介して駆動輪3へと伝達する構造となっている。
ここで、ピニオンギヤ31の歯数をz1、歯車32の歯数をz2、遊星歯車34の歯数
をz3、アウターギヤ37の歯数をz4とすると、減速比Nは、次式(1)で表される。
N=(z2÷z1)×(1÷((z4-z3)÷z3)) (1)
1.歯車32と遊星歯車34およびアウターギヤ37との二段の減速のみで、高い減速比(例えば、減速比Nを約40~約80、好ましくは65~80)を得ることができる。そのため、高出力の減速機構を提供することが可能となる。また、少ない段数での減速を行うため、通常の平歯車を直列で並べる構造に比べて減速機構の小型化が可能となる。
そのため、自律走行型掃除機Sの小型が可能である。
また、充電池9、集塵ケース12、吸口14i、回転ブラシ5を、駆動輪3、4の領域を除いた左右方向を充分使って配置できる。これにより、例えば、充電池9の電池容量を増やす、集塵ケース12の集塵容量を増やす、吸口14iの幅を長くして一度に取れるごみを増やすなど、自律走行型掃除機Sの基本機能を向上できる。
なお、周囲検出センサはLiDARに替えて、ミリ波レーダや超音波センサなど1m以上測定できる測距センサ、またはカメラ50で三角法を用いた方法でもよい。LiDARユニットの配置は掃除機本体1の上面に限らず下面でも構わない。また、LiDARユニット40の回転部の回転角度は360°に限らず、ベルトをリンク機構に置き換える等をして、少なくとも60°以上測定できればよい。
図12に示すように、制御装置30は、掃除機Sを統括的に制御するものであり、例えばマイコン(Microcomputer)と周辺回路とが基板に実装されることで構成される。マイコンは、ROM(Read Only Memory)に記憶された制御プログラムを読み出してRAM(Random Access Memory)に展開し、CPU(Central Processing Unit)が実行することで各種処理が実現される。周辺回路は、A/D・D/A変換器、各種モータの駆動回路、センサ駆動回路、蓄電池21の充電回路との通信機等を有している。
図13(a)に示すように、運転開始から、LiDARユニット40を動作させ、掃除機S1の周囲の障害物T1および部屋Rの壁W1を検知(認識)する。掃除機SがS1からS2に移動した図が図13(b)である。S2の位置では部屋Rの障害物T2と壁W2を認識できる。障害物T1とT2及び壁W1とW2の特徴点を抽出し、S1とS2での部屋Rの形状を合わせ、部屋Rでの位置S1及びS2を特定することで自己位置を認識する。このようにして、部屋R1の全体をマッピングする(部屋の障害物の配置図を作成する)こととマップ内の自己位置認識が可能になる。掃除を開始前に事前に部屋全体を走行し、マップデータを収集しておくことで、掃除時の無駄な経路を削減し、掃除時の消費電力を抑えるとともに掃除可能な範囲を拡大することができる。
事前作成マップデータまたは前回の掃除時のマップデータを自動清掃終了後も記憶するようにしておき、次回以降は事前作成マッピング処理を省略しても良い。例えば使用者によって事前のマップデータ作成が必要か不要かの指定を受けるようにすることができる。使用者は、最新のマッピングより後に模様替え等をした場合は、マップの更新をすべく必要との指定をすることができる。
図14に示すように、ステップS10において、事前のマップ作成走行によるマップまたは以前の清掃時のマップが掃除機Sまたはサーバ上に登録されているか確認する。
1u 上カバー
1s 下ケース
1t 排気口
2 バンパ
2a バンパシェード
3,4 駆動輪
3a, 4a アーム
3b,4b 減速機構
3c 駆動輪回転中心
3m, 4m 走行モータ
3mj 走行モータ軸
3w,4w 車輪ユニット
31 ピニオンギヤ
32 歯車
32m 歯車32の回転軸
33 軸受(第1の軸受)
34 遊星歯車
34h 遊星歯車の歯
35 回転板(第1の回転板)
36 軸受(第2の軸受)
37 アウターギヤ
37h アウターギヤの歯
38 回転板(第2の回転板)
L 車輪外郭部幅方向寸法
ha 第1のハウジング
hb 第2のハウジング
5 補助輪
6 サイドブラシ
6a サイドブラシホルダ
6b サイドブラシモータ
7 操作ボタン
8 集塵ケース
8a ハンドル
8b 集塵フィルタ
11 駆動機構収容部
12 吸口部
13a,b,c,d 床面用測距センサ
14 回転ブラシ
14a 回転ブラシモータ
15 掻き取りブラシ
16 充電台接続部
21 蓄電池(蓄電装置)
22 吸引ファン
30 制御装置
40 LiDARユニット
50 カメラ(撮像部)
60 測距センサ
70 赤外線受光部
α1 サイドブラシ回転方向
OP 開空間
C 閉空間
S 自律走行型掃除機
S1、S2 掃除機の位置
R 部屋
T、T1、T2 障害物
W、W1、W2 壁
Y 床面
S10 登録済みのマップの有無を確認する項
S20 自己位置の同定ができたか確認する項
S30 清掃最適ルートを算出する項
S31 清掃ルートを算出する項
S40 清掃開始する項
S50 清掃を実行する項
S60 清掃ルートを確認する項
S100 清掃完了したかを確認する項
S110 充電台への帰還を開始する項
S210 充電台までの地図の有無を確認する項
S211 過去に作成した地図と環境情報の一致を確認する項
S220 自己位置同定を行う項
S230 指定経路で帰還する項
S240 掃除機を一周させて充電台を探索する項
S250 充電台を発見できたか確認する項
S260 マップのないエリアの有無を確認する項
S270 マップのないエリアへ移動する項
S280 その場で停止する項
Claims (3)
- モータと、前記モータの駆動で回動される駆動輪と、前記モータの駆動を減速して前記駆動輪に伝える減速機構とを備え、
前記減速機構は、前記モータに取り付けられたピニオンギヤと、前記ピニオンギヤに噛み合う第1の歯車と、前記第1の歯車に軸受を介して回転自在に支持される遊星歯車と、前記遊星歯車と噛み合い、掃除機本体部に対して固定されるアウターギヤと、前記遊星歯車に形成された挿通孔を貫通する円筒部を有し前記遊星歯車と共に回転する回転板と、を有し、
前記円筒部は、前記遊星歯車の前記挿通孔を貫通した後前記駆動輪に形成された貫通孔を挿通し、ねじで前記駆動輪に固定され、
前記駆動輪は、前記回転板を介して前記遊星歯車の自転により回転しており、
前記モータおよび前記減速機構が前記駆動輪の内側に収納されていることを特徴とする自律走行型掃除機。 - 前記モータの中心軸と前記駆動輪の回転中心が同軸上にあることを特徴とする請求項1に記載の自律走行型掃除機。
- 前記第1の歯車は、前記第1の歯車の回転軸とずらした軸を擁しており、前記遊星歯車はトロコイド曲線からなるサイクロイド歯車を使用し、前記遊星歯車へ前記第1の歯車を前記軸を中心に回転可能に配置するとともに、前記第1の歯車が回転することによる偏芯運動により前記遊星歯車が自転することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の自律走行型掃除機。
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