(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面（１６）を横切るランダムな移動のための移動可能ロボット（１０）であって、
駆動装置（１２）とトップハット（１４）とを備え、
前記駆動装置（１２）は前記表面（１６）と接触しており、
前記駆動装置（１２）は、前記トップハット（１４）の内側に、当該トップハット（１４）に対して自由に配置されており、
前記トップハット（１４）は、少なくとも部分的に前記駆動装置（１２）を取り囲んでおり、前記表面（１６）に向けて曲げられた部分において前記駆動装置（１２）よりも大きい延長部を有しており、
前記トップハット（１４）と前記駆動装置（１２）との間に空間（１５）が確立されており、
前記駆動装置（１２）は、前記トップハット（１４）を前記表面（１６）に対して自由に押しつけ、前記トップハット（１４）を前記表面（１６）を横切ってランダムに移動させる
ことを特徴とする移動可能ロボット。
【請求項２】
前記トップハット（１４）は、半球状に形成された物体として形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の移動可能ロボット。
【請求項３】
前記トップハット（１４）は、骨組みとして形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の移動可能ロボット。
【請求項４】
前記駆動装置（１２）は、内部駆動ギヤを有するボール（１２）の形状である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の移動可能ロボット。
【請求項５】
知的論理回路を有しないで、移動パターンが単に不定数のランダム探索に基づく
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の移動可能ロボット。
【請求項６】
前記トップハット（１４）には、あるいは、当該トップハット（１４）の一部として、前記表面（１６）の清掃のための手段が配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の移動可能ロボット。
【請求項７】
前記手段は、１以上の清掃布地（３０）を有している
ことを特徴とする請求項６に記載の移動可能ロボット。
【請求項８】
清掃布地（３０）が、前記トップハット（１４）に固定されていて、
前記清掃布地（３０）の一部が、清掃されるべき表面（１６）と接触している
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の移動可能ロボット。
【請求項９】
前記トップハット（１４）の位置決め用の開口が、清掃布地（３０）に切り込まれている
ことを特徴とする請求項８に記載の移動可能ロボット。
【請求項１０】
前記トップハット（１４）は、前記床面（１６）上で延びる部分を有しており、
清掃布地（３０）の形状は、当該延長部（２８）に適応されており、
当該清掃布地（３０）は、前記延長部（２８）の下側に配置されて、前記トップハット（１４）と清掃されるべき前記表面（１６）との間に位置決めされることを特徴とする請求項８または９に記載の移動可能ロボット。
【請求項１１】
前記清掃布地（３０）は、静電タイプの清掃布地である
ことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の移動可能ロボット。
【請求項１２】
前記清掃手段は、真空吸引手段を有している
ことを特徴とする請求項６に記載の移動可能ロボット。
【請求項１３】
前記トップハット（１４）は、真空吸引装置として形成されており、
当該装置内には、２つのコンパートメント（２０）及び（２２）、及び、前記コンパートメント（２０、２２）内に加圧（under-pressure）を確立するためのファン（２６）、が配置されており、
埃粒子を含む空気が、開口（２４）によって周囲から吸引されて、コンパートメント（２０）に至る
ことを特徴とする請求項１２に記載の移動可能ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、移動可能なロボットに関している。特に、本発明は、移動可能な清掃ロボットに関している。
【０００２】
表面上、特には床面上、のダスト粒子の堆積は、住居、職場領域、研究室などにおける一般的な問題である。そのようなダストの堆積は、不快であり、しばしば多くの喘息患者にとって健康問題ともなる。従って、床スペースは、定期的に、洗浄されるか掃除機かけされなければならない。ほとんどの場合、これは手作業で実施される。
【０００３】
本発明の目的は、ダストの自動的な除去のための解決法を提供することである。本発明は、そのような作業を実施可能な移動可能なロボットを提供する。この解決法は、手作業での清掃作業に完全には置換できないが、これに対する付加物であり得る。従って、手作業での清掃の必要性を低減するだろう。
【０００４】
従って、本発明の目的は、所与の作動時間中に、例えば職場領域の床面上にて発見され得るダスト粒子の実質的部分を除去することができる移動可能なロボットを提供することである。
【０００５】
現状の技術において、人は複雑な移動可能ロボットの知識を有している。プログラムが、当該ロボットの移動を、それが所望の移動パターンで移動され得るように、制御できる。
【０００６】
例えば、米国特許第５，４４０，２１６号は、そのバッテリの充電のためにステーションに自動的に移動され得るロボットを開示している。米国特許第５，７８７，５４５号もまた、掃除機かけのための移動可能ロボットを開示している。
【０００７】
しかしながら、これらの解決法は両方とも比較的複雑であり、両方ともロボットの移動を制御するためのプロセッサを利用している。
【０００８】
本発明の目的は、しかしながら、大変にシンプルなロボットを提供することである。これは、大変にシンプルなデザイン及び構成でなければならない。そして、それは、個々の人々がそれを従来の清掃機器に対する高価でない補足物であるとみなせる程に、安価に製造され得なければならない。これは、従来技術において開示されている解決法では、不可能である。
【０００９】
さらに、本発明の目的は、提供されるロボットが複雑な制御システムを含まないことである。従って、ロボットの移動を制御するためにコンピュータプロセッサを利用しないことが、目的である。
【００１０】
前述された２つの解決法では、駆動装置自体が、トップハット（上方帽子部）自体の中に不変に設けられる。本発明の目的は、しかしながら、「移動のランダムな（無原則な）方向」を達成することである。これは、多数の異なる要素が「移動の方向の選択」に影響する場合に、最も良く達成される。これを達成する一つの方法は、ロボットを、多くの「衝撃瞬間」、すなわち、ロボットまたは駆動ギヤが他の物体と衝突する状況、にさらさせることである。そのことが、方向の変化を開始させる。
【００１１】
駆動装置がトップハットに固定されない一方でトップハットにより制限される領域内でトップハットに関係して自由に移動され得る、という態様で駆動装置をトップハット内に配置することによって、衝撃ポイントまたは衝撃瞬間の数が実質的に増大する。方向の変化もまた、駆動ギヤがトップハットの内側に当たることによって、開始される。
【００１２】
我々の知る限り、そのようなシステムは、従来技術において開示されていない。従って、本発明によって、新しい移動可能ロボットが提供される。これは、多くの異なる応用のために利用され得る。当該ロボットでの展開作業の目的は、ロボットを清掃のために展開することだったので、以下に与えられる例はそのような実施の形態に向けられている。しかしながら、本発明はロボットそれ自体を含むものであって、本発明は清掃のために利用され得るロボットに限定されない、ということが指摘されなければならない。
【００１３】
従って、本発明の中心的特徴は、ロボットの移動をもたらす駆動ギヤが、トップハット自体に固定されないことである。
【００１４】
本発明による駆動装置の現時点での好適な実施の形態は、ボールである。その中に、当該ボールの内側に、当該ボールの回転をもたらす駆動ギヤが配置されている。
【００１５】
従って、本発明は、それが駆動装置とトップハットとを備え、前記駆動装置は表面と接触しており、前記駆動装置は前記トップハットの内側に前記トップハットについて自由に配置され、前記トップハットは少なくとも部分的に前記駆動装置を取り囲み、前記トップハットは前記表面に向かって曲げられた部分において前記駆動装置よりも更に延びており、前記トップハットと前記駆動装置との間に空間が確立され、前記駆動装置が前記表面に向かって前記トップハットを自由に押し付け前記表面上で前記トップハットをランダムに移動させる、ことを特徴としている。
【００１６】
本発明のより詳細な実施の形態が、従属請求項２乃至１３に記載されている。
【００１７】
当該ロボットの現在の好適な実施の形態は、表面からのダストの除去のための清掃ロボットを含んでいる。そこでは、清掃されるべき表面と接触する１以上の清掃布地が、取り外し可能な態様でトップハットに固定されている。
【００１８】
本発明は、添付の図面を参照して、より詳細に説明される。
【００１９】
図１は、本実施の形態ではボールである駆動装置が、半球状に形成されたトップハットの内側にどのように配置されるかを、部分断面において示している。
【００２０】
図２は、当該ロボットのトップハットに固定された清掃布地を示している。
【００２１】
図３は、真空吸引装置が当該ロボットのトップハットにどのように適合されるかを示している。
【００２２】
図４は、与えられた領域の処理を達成するのにかかる時間のシミュレーションを示している。
【００２３】
図５は、トップハットの別の実施の形態と、清掃布地がそれにどのように固定されるか、を示している。
【００２４】
図６は、トップハットの別の実施の形態を示している。
【００２５】
図１を参照して、本発明の中心概念が説明される。移動可能ロボット１０は、トップハット１４の内側に駆動装置１２を配置することによって確立され、床１６のような表面１６上に置かれている。図示された実施の形態では、駆動装置は、球状に形成された外側骨組みと内部駆動ギヤとを有するボール１２からなる。当該ロボットのための駆動装置としてボールを用いることは、現在の好適な実施の形態であるが、他の駆動装置、例えば車輪を用いる駆動装置、もまた利用され得ることが指摘されなければならない。中心概念は、駆動装置がトップハットに固定されないことである。
【００２６】
ボールの内側で用いられる駆動ギヤ（図には示されていない）は、任意の種類であり得て、従って、本発明は駆動ギヤ自身を含まない。例えば、ＷＯ９９／３０８７６、ＷＯ９７／２５２３９、米国特許第４，７３３，７３７号、米国特許第４，７２６，８００号、米国特許第４，５４１，８１４号及び米国特許第４，５０１，５６９号に記載されたようなボールのための駆動ギヤが、利用され得る。駆動ギヤは、当該駆動ギヤを始動及び停止させる電子制御回路と、電源例えばバッテリと、を有する。ボールのための現在の好適な駆動ギヤは、ある重量を有しており、その位置は駆動ギヤによって変更され得て、前記重量はボールの骨組みの内側に沿って移動し、ボールの重量の中心が変化されて、ボールの移動がもたらされる。従って、駆動原理は、回転の運動量に基づいている。
【００２７】
安価な移動可能ロボットを提供することが本発明の目的である、ということが強調されなければならない。ロボットの移動の方向は、従って、制御されない、すなわち、人工的なニューラルネットワークや「ファジイ論理」や記憶指向制御論理は全く使用されない。
【００２８】
好適な実施の形態では半球状であるトップハット１４は、図１に示すように、床面に向かって曲がる部分において、ボール１２の直径よりも幾らか大きい直径を有している。トップハット１４の高さも、好ましくは、ボール１２の直径よりも幾らか大きい。このことが、トップハット１４とボール１２との間に空間１５を確立している。ボール１２は、当該空間１５の内側で移動され得て、ボール１２がトップハット１４を押し付ける時、ボールとトップハットとの組み合わされた動きがロボット１０を移動させ得る。ロボット１０がある物体、例えば椅子の脚や壁の一部、に衝突する時、ロボット１０の回避制御は、不定数のランダム探索に基づく。このことは、ロボット１０がある物体に衝突する時に方向が「ランダムに」変化することを暗に示す。ボール１２の運動の動力学とその壁との衝突との間の結合動作も、空間１５によって規定される。すなわち、駆動装置とトップハットとの間の衝突が、ボールに、ロボット１０が衝突する物体に依存しない気ままな運動パターンをもたらす。プロトタイプでのテストは、ロボット１０が床上の物理的障壁から「自由に来る」ことができることを示した。
【００２９】
ボール１０の形態は、ボール１０を床に対して低摩擦で移動させる。ボールは、任意の材料から作成され得るが、ボール１０の外側面を構成する材料は、ボールの回転運動によってボール１０が床について移動されるよう、床に対して十分な摩擦を有していなければならない。
【００３０】
トップハット１４は、多くの異なる態様で製造され得る。図１を参照して前述された解法は、ほんの一例である。当該解法では、ボールの全体がトップハットによって取り囲まれている。トップハットの他の代表的な実施の形態が、以下に説明される。
【００３１】
本発明の更なる特徴は、清掃ロボットに関している。ここで、中心的な概念は、清掃手段をトップハットに固定することが可能であることである。この「清掃ロボット」の試験において、本件発明者は、静電布地を使用して、清掃されるべき床から効果的にダスト（埃）及び汚れが除去されることを示した。
【００３２】
清掃ロボットを確立するためには、清掃手段をトップハットに固定することが可能であらねばならない。
【００３３】
従って、図２は、清掃布地の固定のためのベルクロ（マジックテープ（登録商標）、綿ファスナ）システムがトップハットの下方部分に配置されているトップハットを示している。
【００３４】
トップハットの別の実施の形態が、図５及び図６に示されている。図６において、トップハットは、ボールの全体を取り囲む半球状に形成されたハットではなくて、ボールのための運動領域１５のリミットを設定する単なる骨組み２０である。この骨組みは、ボールと骨組みとの間の衝突が当該骨組みの運動をもたらすのに十分な高さを有している。
【００３５】
更に、一実施の形態が図５に示されている。そこでは、トップハットは、床に向かって曲げられた部分において、その上に清掃布地３０が固定され得る表面を確立すべく、半径方向に外側に延びる部分２８を有している。
【００３６】
本発明の現時点で最も好適な実施の形態は、図５及び図６に示された特徴の組み合わせである、すなわち、トップハットが単なる骨組みであって、清掃布地３０の固定のため外側に延びる部分２８を有するものである。
【００３７】
清掃布地は、例えば、ベルクロ２６でトップハットに固定され得る（ほとんどの場合、布地材料自身がベルクロにそれ自体で大抵くっつくので、ベルクロがトップハットに固定されることで十分である）。この解法は、清掃布地３０がトップハット１２の部分２８と床１６との間に圧縮されて存在すること、すなわち、布地がトップハット１２自体の下方に配置されること、を意味する。従って、駆動装置が床に接触するように、清掃布地には開口が設けられる。
【００３８】
部分２８は、円形状を有し得るが、他の実施の形態も可能である。例えば、現在、正方形状の布地３０を有する正方形状の部分２８が、壁に沿って及びコーナー部においてより効果的に清掃するか否か確かめるために、試験されている。更に、布地３０の寸法が部分２８の形状と一致する必要が無いということが言及される。好適な実施の形態では、布地の最も外側の部分がより柔軟であるように（それが部分２８と接触しない時）、布地は更に部分２８から延びて、それは近接する表面（例えば壁）上に小距離だけ移動され得る。
【００３９】
更に別の実施の形態では、清掃布地自体がトップハット上に配置される。当該実施の形態は図示されていない。
【００４０】
例えば真空吸引清掃のための装置等、トップハットに対して相当に特別な重量を有する装置がトップハット１４に固定される場合、当該トップハットは、床に対するトップハットの摩擦が低減されるように、床に向かって下方側にボール／車輪（図示されない）が装備され得る。
【００４１】
前述のように、ロボット１０の移動パターンは、当該ロボットと部屋内の物体（椅子の脚や壁等）との間に生じる衝突によって、そして、駆動装置とトップハットの内側との間に生じる衝突によって、制御されている。ロボットは、従って、所与の時間の後で、床を横切って「気まま／ランダム」なパターンで移動する。計算がなされ得て、そこでは、床、家具（椅子の脚やテーブルの脚、他の事務器具など）の面積及び形状、清掃装置の面積及び大きさ、ロボットの速度、等のようなパラメータが考慮されて、所与の時間中に処置される床の部分の大きさが見積もられ得る。例えば、ロボットが２時間移動することが許されるなら、床の９５％が少なくとも一度処置される、ということが見積もられ得る。
【００４２】
当該ロボットは、従来の清掃に完全に置換わるものではないので、例えば９５％という評価は、多くの場合において十分である。人は、当該ロボットがある職場領域内で人が就業日を終えた後で毎日数時間作動することを、想像できる。以下、例１を見て下さい。
【００４３】
清掃布地が、例えば、清掃手段として利用され得る。静電的に帯電した清掃布地を利用することが好ましく、それらは市場で入手可能である。それらが床面を横切って押される時、それらは埃粒子を引き寄せる。前述のように、それら清掃布地の形状は、前記清掃ロボットと共に特定の応用に適応される。すなわち、前記ロボットのベルクロに適応されたベルクロが装備され得て、それらにはトップハット及び／または駆動装置の位置決め用の開口が装備される。
【００４４】
このタイプの清掃ロボットは、図２に示されており、任意の大きさであり得るが、開発された試作品においては、ボールは１０ｃｍの直径を有し、トップハットは、床に向かって曲げられた部分において、約２０ｃｍの直径を有している。
【００４５】
図３に示された実施の形態では、清掃装置が真空吸引装置である。図示されている実施の形態では、トップハット自体が真空吸引装置として形成されており、駆動装置は当該真空吸引装置を床面に沿って押す。また、清掃ロボットは大変シンプルであることが好ましく、真空吸引を確立するためには２つのチャンバ２０及び２２で原理的には十分である。そこでは、ファン２６が加圧を確立し、空気が床面に向かって下方に面する多数の開口２４によって一方向バルブ２３を通って吸引され、チャンバ２０に至る。空気は、それがチャンバ２０から出る前に、フィルタ２５を通って濾過される。
【００４６】
あるいは、真空吸引装置は、図２または図６に示されたタイプのトップハットに固定される。
【００４７】
本発明は、清掃ロボットとしての応用に関連して例示されている、すなわち、清掃布地または真空吸引掃除機が装備されているが、本発明の全般の概念は、駆動ギヤを有する駆動装置をトップハット内に配置して、床を横切る運動をそれらが共にもたらすことからなる、ということが強調される。これにより、本発明は、清掃するロボットに限定されないが、図示されているような清掃ロボットは、現時点で、本発明の最も好適な実施の形態である。
【００４８】
例１−シミュレーション
理論モデルに基づくシミュレーションが、図４に示されている。
【００４９】
Ａｔｏｔ   ：全体の面積（ｃｍ２  ）
Ｋｂ     ：布地の幅（ｃｍ）
Ｋｈ     ：布地の速度（ｃｍ／ｓｅｃ）
Ａ（ｉ）：カバーされる面積（ｃｍ２  ）；ｉは毎秒更新される指数
【数１】
0003681728.tif 000002
各更新毎に（すなわち、毎秒）、新しい領域、Ｋｂ ×Ｋｈ 、が加えられるが、それはすでにカバーされた面積に従って減少する要素と共に調整される。Ａｔｏｔ  ＝５ｍ×６ｍ＝３０ｍ２  （３０００００ｃｍ２  ）、Ｋｂ ＝２０ｃｍ、Ｋｈ ＝５０ｃｍ／ｓｅｃというパラメータ値の場合、例えば、領域の９０％をカバーするのに、１１と１／２分がかかる。図４が参照されるが、それは、静電清掃布地によりカバーされる割合領域と作動時間との間の関係を示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本実施の形態ではボールである駆動装置が、半球状に形成されたトップハットの内側にどのように配置されるかを、部分断面において示している。
【図２】  図２は、当該ロボットのトップハットに固定された清掃布地を示している。
【図３】  図３は、真空吸引装置が当該ロボットのトップハットにどのように適合されるかを示している。
【図４】  図４は、与えられた領域の処理を達成するのにかかる時間のシミュレーションを示している。
【図５】  図５は、トップハットの別の実施の形態と、清掃布地がそれにどのように固定されるか、を示している。
【図６】  図６は、トップハットの別の実施の形態を示している。
【図１】
0003681728.tif 000003
【図２】
0003681728.tif 000004
【図３】
0003681728.tif 000005
【図４】
0003681728.tif 000006
【図５】
0003681728.tif 000007
【図６】
0003681728.tif 000008