(57)【要約】【課題】  指向性の誘導信号を用いることなく、非指向性の誘導信号のみで、着実にロボットを充電装置に誘導することができるロボット充電誘導システムを提供する。【解決手段】  ロボットを充電装置に誘導して充電するロボット充電誘導システムであって、充電装置４０は非指向性の誘導音波信号を発信する音波発信部４７を備え、ロボット２０は音波発信部４７からの誘導音波信号を互いに離隔した位置でそれぞれ独立に受信する少なくとも２つの音波受信部３３、３４と、各音波受信部３３、３４により受信した誘導音波信号に基づいてその誘導音波信号を発信する充電装置４０の位置を特定する充電装置位置特定部３７と、充電装置位置特定部３７により特定された位置にロボット２０を移動するための移動機構３５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力源として充電電源を搭載するロボットを充電装置に誘導して充電するロボット充電誘導システムであって、
充電装置は非指向性の誘導音波信号を発信する音波発信部を備え、
ロボットは音波発信部からの誘導音波信号を互いに離隔した位置でそれぞれ独立に受信する少なくとも２つの音波受信部と、各音波受信部により受信した誘導音波信号に基づいてその誘導音波信号を発信する充電装置の位置を特定する充電装置位置特定部と、充電装置位置特定部により特定された位置にロボットを移動するための移動機構とを備えることを特徴とするロボット充電誘導システム。
【請求項２】
音波発信部が発信する誘導音波信号は識別可能な信号パターンを含み、ロボットは誘導音波信号の信号パターンを記憶する信号パターン記憶部をさらに備え、充電装置位置特定部は信号パターン記憶部に記憶された信号パターンを参照することにより誘導音波信号とノイズとを識別することを特徴とする請求項１に記載のロボット充電誘導システム。
【請求項３】
ロボット充電誘導システムは複数の充電装置を有し、各充電装置の音波発信部はそれぞれ異なる信号パターンの誘導音波信号を発信し、充電装置位置特定部は信号パターンに基づいてロボットを誘導しようとする充電装置の位置を特定することを特徴とする請求項１に記載のロボット充電誘導システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動力源として充電電源を搭載する自律移動ロボットを、充電装置に誘導して充電を行うロボット充電誘導システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、監視ロボット、掃除ロボット、ペットロボット等のような種々の作業、動作を行う自律移動ロボットが利用されている。このような自律移動ロボットは、通常、電力を動力源とするが、ロボットの行動可能な範囲が電力供給用の電源コードで制限されないようにするため、充電電源を搭載し、残量が低下すると充電装置を用いて充電するようにしている。
【０００３】
充電電源を搭載する自律移動ロボットでは、もともと自走機能を備えているため、充電電源の残量低下を検知すると、脚や車輪を用いた移動機構を駆動して、自動的にロボットを充電装置（充電スタンド）に移動させることが望ましい。そのため、ロボットを自律的に充電装置に誘導するための誘導システムが考案されている。
【０００４】
例えば、赤外線誘導によりロボットを電源供給地に誘導するシステム（特許文献１参照）、充電装置からの無線信号と画像認識で充電装置に誘導するシステム（特許文献２参照）、遠方での誘導を非指向性誘導信号で行い、充電装置に接近したときに電波、音波、光による指向性誘導信号で誘導するシステム（特許文献３参照）等が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２７５７１６号公報
【特許文献２】特開２００３−１５７７号公報
【特許文献３】実用新案登録第３０６４８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のような赤外線誘導方式等の光学的誘導信号を用いる誘導システムでは、光源とロボットとの間に障害物が存在する場合に、誘導信号がロボットまで伝達されず、適切な誘導ができなくなる。
特許文献２のような無線電波誘導方式では、電波法の下で使用する必要があり、電波の波長選択などに制限がある。また、画像認識誘導方式では、赤外線誘導方式の場合と同様、障害物が存在すると、対象の画像が得られず、適切な誘導ができなくなる。
また、特許文献３のようなシステムでは、充電装置に接近した段階で、電波、音波、光による指向性誘導信号で誘導できるが、これとは別に遠方では非指向性信号で誘導する必要があり、二種類の誘導手段が必要となるため、構造が複雑となる。単に非指向性の電波、音波、光誘導信号だけで、遠方領域から近接領域までの全領域を誘導するのみでは、充電装置に接近した段階で充電装置の正確な位置特定が困難となる。
【０００６】
そこで、本発明は、これまでの誘導方式とは異なり、光学的や電磁的な誘導方式ではなく、また、指向性の誘導信号を用いることなく、非指向性の誘導信号のみで、着実にロボットを充電装置に誘導することができるロボット充電誘導システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明では次のような技術的手段を講じた。即ち、本発明は、動力源として充電電源を搭載するロボットを充電装置に誘導して充電するロボット充電誘導システムであって、充電装置は非指向性の誘導音波信号を発信する音波発信部を備え、ロボットは音波発信部からの誘導音波信号を互いに離隔した位置でそれぞれ独立に受信する少なくとも２つの音波受信部と、各音波受信部により受信した誘導音波信号に基づいてその誘導音波信号を発信する充電装置の位置を特定する充電装置位置特定部と、充電装置位置特定部により特定された位置にロボットを移動するための移動機構とを備えるようにしている。
この発明によれば、充電装置は、ロボットを誘導するために非指向性の誘導音波信号を発信する。一方、ロボットは、少なくとも２つの音波受信部を備えており、各音波受信部は互いに距離を隔てた位置で、誘導音波信号を独立に受信する。各音波受信部が受信する誘導音波信号は、音波発信部からの距離、方向に依存して、音圧や位相差が異なる。充電装置位置特定部は、各音波受信部で受信された誘導音波信号を比較することにより、音圧や位相差を検出し、音圧や位相差に基づいて、音源である充電装置の音波発信部の位置や距離を特定する。そして、移動機構は、充電装置位置特定部により特定された位置に向けて、ロボットを移動する。
【０００８】
ここで、本発明のロボットは、例えば、工場内や住宅内を巡回して監視を行う監視ロボット、建物内や室内の掃除を行う掃除ロボット、病院・施設や家庭で身体障害者や老人の介護を行う介護ロボット、愛玩動物等として機能するペットロボット等、種々の用途のロボットが含まれる。
【０００９】
また、充電装置から発信する非指向性の誘導音波信号としては、可聴音、超音波、ミリ波を用いることができるが、人が居る場所で誘導音波を発信する場合は、人が気にならないようにするために非可聴音を用いるのが好ましい。また、障害物が多い環境の場合は、音波信号を回り込みやすくするために、できるだけ短波長側の音波信号を用いる方が好ましい。
【００１０】
また、音波受信部は、ロボットの筐体に取り付けて、音波発信部からの誘導音波信号を受信しやすくするのが好ましい。また、音波受信部間の距離は、できるだけ離すように配置する方が、音圧や位相差の違いから位置を特定する場合に有利になる。
【００１１】
また、音波受信部は２つあればよいが、部品数が増加することが問題にならないなら、３つあるいはそれ以上の数を、ロボットの筐体に設けてもよい。この場合、３つ以上の音波受信部がそれぞれ受信する誘導音波信号に基づいて、音波発信部の位置を特定してもよいが、例えば、３つ以上の音波受信部のうち、受信した誘導音波信号の音圧が最も大きい２つの音波受信部を選択して、この選択された２つの音波受信部が受信した誘導音波信号に基づいて音波発信部の位置を特定するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、非指向性の音波信号のみを用いて、ロボットを充電装置に誘導することができるので、ロボットの位置と充電装置との間に障害物があっても（音波は障害物の裏にある程度は回り込むため）誘導することができ、また、指向性の誘導信号を併用する必要がないので、構造が簡単になる。また、無線電波を用いないので、電波法等の制限を受けることもない。また、誘導音波を発信する側を充電装置側にしているので、常時、音波を発信させても、電力不足となって発信できなくなることはない。
【００１３】
（その他の課題を解決するための手段及び効果）
上記発明において、音波発信部が発信する誘導音波信号は識別可能な信号パターンを含み、ロボットは誘導音波信号の信号パターンを記憶する信号パターン記憶部をさらに備え、充電装置位置特定部は信号パターン記憶部に記憶された信号パターンを参照することにより、誘導音波信号とノイズとを識別するようにしてもよい。
これによれば、音波発信部が発信する誘導音波信号は、信号パターンを含んでいるので、ノイズが混信した場合でも、信号パターン記憶部に記憶されている固有の信号パターンを参照することで、ノイズを除去して誘導音波信号を抽出することができ、これによって充電装置の正確な位置を特定することができる。
【００１４】
また、上記発明において、ロボット充電誘導システムは複数の充電装置を有し、各充電装置の音波発信部は、それぞれ異なる信号パターンの誘導音波信号を発信し、充電装置位置特定部は信号パターンに基づいてロボットを誘導しようとする充電装置の位置を特定するようにしてもよい。
これによれば、各充電装置は、それぞれが異なる信号パターンの誘導音波信号を発信するので、ロボットの充電装置位置特定部は、各音波受信部が受信した誘導音波信号について、信号パターン記憶部に記憶されている信号パターンを参照して、いずれの充電装置からの信号パターンであるかを認識する。そして、誘導しようとする充電装置の信号パターンの誘導音波信号を抽出し、該当する誘導音波信号が発信される充電装置の位置を音圧や位相差に基づいて特定する。このようにして、ロボットを、希望する充電装置に誘導することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
(実施形態１)
以下、本発明にかかるロボット充電誘導システムについて図面を用いて説明する。ここでは予め設定した領域内を、巡回監視する監視ロボットを例に説明する。図１は本発明の一実施形態であるロボット充電誘導システムの構成を示すブロック図であり、図２はその外観構成図である。
まず、システムの外観について説明する。図２に見られるように、このロボット充電誘導システム１０は、ロボット２０と、充電装置４０とからなる。
ロボット２０は、平たい円筒状のハウジング２１を有し、下部に移動のための車輪２２２（あるいは脚機構でもよい）を備えている。ハウジング２１の左右両側の対称な位置には一対のマイク２３、２４が距離を隔てて取り付けられている。ハウジング２１の底面には、充電の際に充電装置４０と電気的に接続するためのコネクタ２５が取り付けられている。なお、ロボット２０には、監視機能に必要な温度センサ、においセンサ、監視カメラ等の各種センサ等も搭載してあるが、これらについては図示および詳細な説明を省略する（監視機能を実行するときマイク２３，２４は音センサとして利用される）。
【００１６】
充電装置４０は、段部４１が形成されたハウジング４２を有し、段部４１の上面中央付近には、充電の際に、ロボット２０側のコネクタ２５と電気的に接続するためのコネクタ４３が取り付けられている。
また、ハウジング装置４２の上方中央部には、非指向性の誘導音波信号を発信するスピーカ４４が取り付けられている。スピーカ４４からは、ノイズとは識別可能な固有の信号パターンを有する誘導音波信号が発信されるようにしてある。
【００１７】
そして、ロボット２０と充電装置４０とが充電のためにドッキングしたときに、段部４１の上にハウジング２１が重なり、コネクタ２５とコネクタ４３とが接触するような形状、寸法にしてある。
【００１８】
次に、このシステムの構成を、図１のブロック図を用いて詳細に説明する。
ロボット２０は、ＣＰＵおよびメモリで形成される制御部３０、充電電源３１、コネクタ２５を用いて電力を受電する受電部３２、マイク２３により音波を受信する第１音波受信部３３、マイク２４により音波を受信する第２音波受信部３４、および、車輪とモータと動力伝達機構とによりロボット２０を移動する移動機構３５とから構成される。充電装置４０は、商用電源ラインから供給される電力により、充電を行う充電装置本体４５、充電の際にコネクタ４３を用いてロボット２０に電力を給電する給電部４６、スピーカ４４から発信する誘導音波信号の制御を行う音波発信部４７とから構成される。
音波発信部４７は、ロボット２０を使用中は常時、図３（ａ）に示すような固有のパターンを有する誘導音波信号を発信する。
【００１９】
ロボット２０の制御部３０の制御内容を、機能ごとに分けて説明すると、充電電源の残容量を検出する残容量検出部３６、充電装置４０の位置を特定する充電装置位置特定部３７、充電装置４０から発信される誘導音波信号パターンを記憶する信号パターン記憶部３８とからなる。
【００２０】
残容量検出部３６は、充電電源３１の端子間の電圧を逐次モニタリングし、予め定めた閾値電圧以下になると充電が必要と判断し、充電動作のためのモードに切り替わるように制御する。
【００２１】
充電装置位置特定部３７は、充電動作のためのモードになると、マイク２３（第１音波受信部３３）およびマイク２４（第２音波受信部３４）により受信した誘導音波信号の音圧または位相差に基づいて、スピーカ４４（音波発信部４７）に対するロボット２０の現在の方向、または、方向と距離とを算出する。この誘導音波信号の音圧による位置特定（方向および距離特定）と誘導音波信号の位相差による位置特定（方向特定）とについて説明する。
音圧により方向を求める場合は、あらかじめ、ロボット２０をスピーカ４４（音波発信部４７）からの距離が既知である基準位置に置き、音圧が既知の基準信号を発信して図４に示すような音圧と距離との関係を記憶しておく（あるいは関係式を求めておく）。そして、実際に方向を求める際には、音圧を測定し、マイク２３と音波発信部４７との距離、マイク２４と音波発信部４７との距離を求め、さらにマイク２３とマイク２４間の距離（２つのマイクの取り付け位置により定まる）が既知であるので、三角測量により音源方向を把握する。この場合は、音源までの距離も把握できる。
位相差により方向を求める場合は、図３（ｂ）に示すマイク２３で受信した誘導音波信号と、図３（ｃ）に示すマイク２４で受信した誘導音波信号との位相差を求め、位相の先後により音源が左右いずれであるかを把握し、常に位相差が小さくなくなるようにロボットの進行方向を定めて音源方向に近づくようにする。この場合は、音圧によって充電装置４０の方向を把握する場合よりも、より高い精度で方向を把握できるが、距離は把握できない。
【００２２】
なお、方向のみが把握できれば、必ずしも距離を把握しなくても誘導は可能である。例えば、ロボットが充電装置に接近した場合に機能する衝突防止機構（例えば接近したことを検知するセンサ）を設けることで、安全に充電装置に誘導することもできるが、好ましくは、方向と距離とを把握した上で、ロボットを誘導する方が、正確で安全な誘導が可能となるので、音圧と位相差との双方のデータを用いて誘導するのがより好ましい。
また、充電装置位置特定部３７は、信号パターン記憶部３８に記憶されている信号パターンを参照して、マイク２３（第１音波受信部３３）、マイク２４（第２音波受信部３４）が受信した音波信号（ノイズが含まれている可能性がある）から、ノイズを除去し、誘導音波信号だけを抽出するフィルタリング処理を行う。
【００２３】
信号パターン記憶部３８は、スピーカ４４（音波発信部４７）から発信される図３（ａ）に示した誘導音波信号の信号パターンが記憶してある。上述したように、充電装置位置特定部３７が、信号パターン記憶部３８に記憶したパターンと、音波受信部３３、３４で受信した音波信号とを比較することにより、この受信音波信号のノイズ成分をフィルタリングし、充電装置４７からの誘導音波信号のみが正確に抽出できるようにしている。図３（ｄ）は、誘導音波信号にノイズが重畳したときの波形であり、図３（ｅ）は、ノイズをフィルタリングした後の誘導音波信号を示している。
【００２４】
次に、このシステムによるロボットの誘導動作について説明する。図５は、本発明のロボット充電誘導システムにより実行される動作手順の一例を示したフローチャートである。
ロボット２０を起動し動作を開始する（ｓ１０１）と、ロボット本来の機能を実行する通常動作を行う（ｓ１０２）。本例では監視ロボットを用いているため、あらかじめ定めた領域を巡回する監視動作を行う。
通常動作中に、一定時間間隔ごとに充電電源３１の残量をチェックし（ｓ１０３）、充電の必要がないときは通常動作を続行し、残量が少ないと、充電装置４０のスピーカ４４（音波発信部４７）から発信される誘導音波信号を受信する（ｓ１０４）。
このとき、もしも誘導音波信号が受信できない場合は、移動機構３５によりロボット２０を移動し、音波が受信できる位置を探索する（ｓ１０５）。音波信号を受信すると、信号パターン記憶部３８に記憶してある信号パターンと比較することにより、ノイズ成分を除去して誘導音波信号を抽出するフィルタリング処理を行う（ｓ１０６）。そして、抽出された誘導音波信号の音圧や位相差に基づいて、音源の方向すなわち充電装置の方向を把握する（ｓ１０７）。このとき、必要に応じて、音圧のデータから方向とともに距離についても把握してもよい。音源すなわち充電装置４０の方向を把握すると、移動機構３５により、ロボット２０を充電装置４０に向けて移動する（ｓ１０８）。
ロボット２０が充電装置４０に到達したかを確認し（ｓ１０９）、到達していないときはｓ１０４に戻って、同様の接近動作を繰り返す。到達したときは、充電動作を開始する（ｓ１１０）。以上の動作により、ロボット２０に充電を行うことができる。充電が終了すると、ｓ１０２に戻り、通常動作を繰り返す。
【００２５】
(実施形態２)
図６は、本発明の他の実施形態であるロボット充電誘導システムの構成を示すブロック図である。この実施形態では、図１で説明したシステム構成に、さらに、第２の充電装置５０を追加し、複数の充電装置がシステム内に配置されるようにしている。ロボット２０および充電装置４０については、図１と同じであるため、同符号を付すことにより説明を省略する。
【００２６】
充電装置５０は、充電装置４０と基本構造は同じであり、商用電源ラインから供給される電力により充電を行う充電装置本体５５、充電の際にコネクタ５３を用いてロボット２０に電力を給電する給電部５６、スピーカ５４から発信する誘導音波信号の制御を行う音波発信部５７とを備えている。ただし、音波発信部５７から発信される誘導音波信号の信号パターンが充電装置４０のものと異なる固有パターンにしてある。また、充電装置本体５５は、充電装置本体４５と同じ性能でもよく、異なる性能でもよい。例えば、片方を高速充電用の充電装置本体とし、他方を通常充電用の充電装置本体として、状況によって使い分けられるようにすることもできる。
【００２７】
ロボット装置２０の信号パターン記憶部３８には、充電装置４０の信号パターンと充電装置５０の信号パターンとがともに記憶してあり、充電装置位置特定部３７が受信した信号の信号パターンと比較したときに、いずれの充電装置からの誘導音波信号であるかをすぐに把握できるようにしてある。
【００２８】
図７は、本実施形態による誘導動作のフローチャートである。ロボット２０を起動し動作を開始する（ｓ２０１）と、ロボット本来の機能を実行する通常動作を行う（ｓ２０２）。
通常動作中に、一定時間間隔ごとに充電電源の残量をチェックし（ｓ２０３）、充電の必要がないときは通常動作を続行し、残量が少ないと、充電装置４０または充電装置５０から発信される誘導音波信号を受信する（ｓ２０４）。
このとき、もしも誘導音波信号を受信できない場合は、移動機構３５によりロボット２０を移動し、音波が受信できる位置を探索する（ｓ２０５）。音波信号を受信すると、信号パターン記憶部３８に記憶してある信号パターンと比較することにより、ノイズ成分を除去して誘導音波信号を抽出するフィルタリング処理を行う（ｓ２０６）。さらに、抽出された信号パターンが、到達させたい側の充電装置からのものであるか否かを判定する（ｓ２０７）。もし、到達させたい側ではない充電装置からの信号パターンである場合は、ｓ２０５に戻り、再移動して、他の音波信号を受信できる位置に移動する。もし、到達させたい側の充電装置からの信号パターンである場合は、抽出された誘導音波信号の音圧や位相差に基づいて、音源の方向すなわち充電装置の方向を把握する（ｓ２０８）。このとき、必要に応じて、音圧のデータから方向とともに距離についても把握してもよい。希望する充電装置の方向を把握すると、移動機構３５により、ロボット２０を充電装置４０に向けて移動する（ｓ２０９）。
ロボット２０が希望する充電装置に到達したかを確認し（ｓ２１０）、到達していないときはｓ２０４に戻って、同様の接近動作を繰り返す。到達したときは、充電動作を開始する（ｓ２１１）。以上の動作により、ロボット２０を所望の充電装置４０または充電装置５０に導いて、所望の充電を行うことができる。充電が終了すると、ｓ２０２に戻り、通常動作を繰り返す。
【００２９】
上記実施形態では、１つのロボット２０と、充電装置４０、充電装置５０とによるシステムとしたが、さらに充電装置を増やし、それぞれに固有の信号パターンを持たせてもよい。
また、使用するロボットの数を複数にしてもよい。使用するロボットを複数にした場合は、各ロボットごとに、充電に使用する充電装置を異ならせるようにしてもよい。例えば、各ロボットに異なる信号パターンを登録し、登録した信号パターンの充電装置に誘導されるようにすればよい。もちろん、すべてのロボットがいずれの充電装置からも充電できるようにしてもよい。
このように、信号パターンにより各ロボットは充電装置を識別できるので、目的によって最適な充電装置に誘導すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、充電電源を搭載したロボットを充電するための充電誘導システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態であるロボット充電誘導システムの構成を示すブロック図。
【図２】本発明の一実施形態であるロボット充電誘導システムの外観図。
【図３】ロボット誘導音波信号を説明する図。
【図４】音圧と距離との関係を説明する図。
【図５】図１のロボット充電誘導システムによる動作手順を示すフローチャート。
【図６】本発明の他の一実施形態であるロボット充電誘導システムの構成を示すブロック図。
【図７】図７のロボット充電誘導システムによる動作手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００３２】
１０  ロボット充電誘導システム
２０  ロボット
２１  筐体
２３、２４  マイク
３０  制御部
３１  充電電源
３３  第１音波受信部
３４  第２音波受信部
３５  移動機構
３７  充電装置位置特定部
３８  信号パターン記憶部
４０  充電装置
４４  音波発信部
４５  充電装置本体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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