(57)【要約】【課題】検出レバー方式の絨毯目検出装置において、検出感度を確保するためには床面との接触圧を大きくする必要があり、接触圧を大きくし過ぎるとカーペットの種類によっては走行後にローラー跡が残る場合があった。【解決手段】床面と当接するローラー６は検出レバー８に回転自在に取付けられるとともに、ローラー６外周の床接触面に凸部９を有するもので、凸部９により走行するカーペット床面に必要な接触圧が確保でき、しかもローラー跡が残り易い毛足の長いカーペット上ではローラー幅全体がカーぺットに当接して荷重を分散するので走行後にローラー跡が残りにくい絨毯目検出装置が実現できる。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
床面と当接するローラーを回転自在に取り付けられた検出レバーと、前記ローラー外周の床接触面に設けられた凸部と、前記検出レバーを水平方向に回転自在に支持する回転支持部と、前記検出レバーの回転角度を検出する角度検出手段とを備え、走行中の本体に対する前記検出レバーの角度から絨毯目を検出する絨毯目検出装置。
【請求項２】
ローラー外周の床接触面は軟質体で構成される請求項１記載の絨毯目検出装置。
【請求項３】
ローラー外周の床接触面に設けられた凸部は、床接触面とは別部材で構成される請求項１または２記載の絨毯目検出装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載の絨毯目検出装置と、本体の走行制御を行う走行制御手段と、本体の方向を計測する方向計測手段とを備え、前記走行制御手段は、方向計測手段の出力に基づいて本体を目標方向に直進させるとともに、前記絨毯目検出装置の角度検出手段の出力に基づいて前記直進の目標方向に修正を施す移動ロボット。
【請求項５】
本体外部の障害物を検知する障害物検知手段と、前記障害物検知手段の出力により本体の進行方向を旋回する旋回手段とを有し、前記旋回手段の動作中は絨毯目検出装置の角度検出手段の動作を停止する請求項４記載の移動ロボット。
【請求項６】
旋回手段が動作後、安定して直進するまでは、絨毯目検出装置の角度検出手段の動作を停止する請求項５記載の移動ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、床面清掃ロボット等に搭載される走行床面の絨毯目の方向と強さを検出する絨毯目検出装置、及びこれを用いて走行制御を行う移動ロボットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本体に走行駆動手段、センサ類および走行制御手段等を有して床面上を走行する移動ロボットにおいて、カーペット床面上を走行する場合にカーペットの毛並み（以下、絨毯目と称す）が本体の走行方向に影響を及ぼすことが知られており、この影響を解消するための工夫がなされてきている。
【０００３】
例えば、特許第３００３２６０号、特許第３０７９６８６号、特開平７−１１６０８７公報に開示されているように、床面に当接する当接部を有する検出レバーと、検出レバーを水平方向に回転自在に支持する回転支持部と、検出レバーの回転角度を検知する角度検知手段からなり、走行中の本体に対する検出レバーの角度から絨毯目を検出するものが開発されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記検出レバー方式の絨毯目検出装置は、構成がシンプルな上、外界からのセンサ情報なしで走行経路の補正ができるという優れた方式であるが、検出レバーの当接部を直接床面に接触させるが故に以下のような欠点がある。この方式では、検出レバーの当接部と床面との接触圧を所定以上に大きくしないと十分な検出感度が得られない。
【０００５】
通常は当接部に取付けた回転自在のローラーを一定の荷重で床面に接触させるため、種々様々な種類のカーペット床面においても十分な検出感度を確保するためにはローラー幅を小さくするなどして接触圧を大きくしておく必要があるが、接触圧を大きくするとカーペットの種類によっては走行後にローラー跡が残るという課題があった。そして、ローラーの接触圧を大きくすると、カーペット床面以外の木床などのハードフロア上を走行した場合にはローラーによって床面を傷つけ易くなるという課題がある。また、ローラー幅を小さくすると強度が低下するため、逆に床面からの衝撃によってローラーが損傷し易くなるという課題もあった。
【０００６】
本発明は、多様な床面上を走行することが想定される移動ロボットの場合でも絨毯目の検出感度を確保でき、しかも走行後にローラー跡が残りにくい絨毯目検出装置を提供すること目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の絨毯目検出装置は、床面と当接するローラーを回転自在に取り付けられた検出レバーと、前記ローラー外周の床接触面に設けられた凸部と、前記検出レバーを水平方向に回転自在に支持する回転支持部と、前記検出レバーの回転角度を検出する角度検出手段とを備え、走行中の本体に対する前記検出レバーの角度から絨毯目を検出することを特徴とするもので、ローラー外周の凸部により走行するカーペット床面に必要な接触圧が確保でき、しかもローラー跡が残り易い毛足の長いカーペット上ではローラー外周の凸部だけでなくローラー幅全体がカーぺットに当接して荷重を分散するので走行後にローラー跡が残りにくい絨毯目検出装置を実現できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、床面と当接するローラーを回転自在に取り付けられた検出レバーと、前記ローラー外周の床接触面に設けられた凸部と、前記検出レバーを水平方向に回転自在に支持する回転支持部と、前記検出レバーの回転角度を検出する角度検出手段とを備え、走行中の本体に対する前記検出レバーの角度から絨毯目を検出することを特徴とするもので、ローラー外周の凸部により走行するカーペット床面に必要な接触圧が確保でき、しかもローラー跡が残り易い毛足の長いカーペット上ではローラー外周の凸部だけでなくローラー幅全体がカーぺットに当接して荷重を分散するので走行後にローラー跡が残りにくくなる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１記載のローラー外周の床接触面を軟質体で構成するもので、木床などのハードフロア上を走行した場合でもローラーによって床面を傷つけにくくなる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１または２記載のローラー外周の床接触面に設けられた凸部は、床接触面とは別部材で構成されるもので、ローラーの製造およびメンテナンスが容易になる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項１ないし３のいずれか１項記載の絨毯目検出装置と、本体の走行制御を行う走行制御手段と、本体の方向を計測する方向計測手段とを備え、前記走行制御手段は、方向計測手段の出力に基づいて本体を目標方向に直進させるとともに、前記絨毯目検出装置の角度検出手段の出力に基づいて前記直進の目標方向に修正を施すもので、絨毯目による横ずれの角度偏差を自動的に検出できる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、特に、請求項４記載の発明に加えて、本体外部の障害物を検知する障害物検知手段と、前記障害物検知手段の出力により本体の進行方向を旋回する旋回手段とを有し、前記旋回手段の動作中は絨毯目検出装置の角度検出手段の動作を停止するもので、旋回時の車輪の回転を絨毯目の検知に含めないようにして絨毯目の検知の精度を向上させることができる。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、特に、請求項５記載の旋回手段が動作後、安定して直進するまでは、絨毯目検出装置の角度検出手段の動作を停止するもので、旋回中の車輪の回転が完全になくなってから絨毯目の検出を再開させ絨毯目の検出の精度を向上させることができる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図１〜図１０を参照しながら説明する。
【００１５】
（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例における床面清掃ロボットの全体構成を示す断面図、図２は同、床面清掃ロボットの駆動兼操舵手段の構成を示す断面図、図３は同、床面清掃ロボットの絨毯目検出装置の構成を示す側断面図、図４、図５は同絨毯目検出装置の詳細を示す説明図、図６は同障害物検知手段を構成する測距センサの配置を示す内部透視図である。
【００１６】
図において、１は床面清掃ロボットの本体、２Ｌ、２Ｒはそれぞれ本体１の左右に設けた駆動輪で、駆動モータ３Ｌ、３Ｒで左右独立に駆動される。４Ｌ、４Ｒはそれぞれ３Ｌ、３Ｒに接続されたロータリエンコーダやタコジェネレータ等からなる回転検出器で、駆動モータ３Ｌ、３Ｒの軸回転数を検出する。５は絨毯目検出装置で、本体１の重量を支える従輪を兼ねており、ローラー６を一定の荷重で床面に接触させるようになっている。
【００１７】
絨毯目検出装置５のローラー６は、車輪軸７を介して検出レバー８に回動自在に取り付けられ、床接触面の外周に凸部９を有している。１０は検出レバー８を水平方向に回動自在に支持する回転支持部である。１１は検出レバー８の回転中心に固定された回転軸で、回転支持部１０の上部に設けたロータリエンコーダまたはポテンショメータ等からなる角度検出手段１２と接続している。回転軸１１の回転を検知することで、検出レバー８の回転角度を検知する。
【００１８】
図４はローラー６部の詳細を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）のＺ−Ｚ線に沿って切断した断面図である。本実施例では、図に示すように、外周凸部９はエラストマー樹脂やゴム等の軟質材料からなるリング状部材を、外周に溝加工したローラー６に嵌合させて構成している。
【００１９】
以上のように構成した絨毯目検出装置５は、本体１がカーペット上を走行すると図５に示すような状態になる。図５（ａ）は毛足の長いカーペットＡ上を走行する場合、図５（ｂ）は毛足の短いカーペットＢ上を走行する場合の状態を示している。
【００２０】
通常、毛足の短いカーペットＢの場合は毛足の腰が強く、例えば図５（ｄ）に示すような幅の大きい従来ローラー６ｂでは十分な接触圧がとれずカーペット表面ですべりが生じて絨毯目の検出感度が悪い。そこで、例えば図５（ｃ）に示すような幅の小さい従来ローラー６ａに変えると接触圧が大きくなり毛足の短いカーペットＢ上でも検出感度は確保できる。
【００２１】
しかしながら、図５（ｃ）に示すように幅の小さい従来ローラー６ａで毛足の長いカーペットＡ上を走行させると、ローラー６ａが毛足の中に深く沈み込んでカーペットＡ上にローラー６ａの走行跡がくっきりと残ってしまうものである。また、従来ローラー６ａのようにローラー幅を小さくすると、軟質材料では強度が弱く変形したり破損しやすくなり、逆に強度の大きい金属材料など構成すると床面を傷つけやすくなるという課題がある。
【００２２】
本実施例の絨毯目検出装置５では、図５（ｂ）に示すように毛足の短いカーペットＢ上でもローラー６の外周凸部９の接触圧が大きいので、これが毛足の中に沈み込んで検出感度は確保できる。そして、図５（ａ）に示すように毛足の長いカーペットＡ上を走行させた場合には、外周凸部９は毛足の中に沈み込むがローラー６は幅が大きいので毛足の中に深く沈み込まないため走行後のローラー跡が残らない。
【００２３】
また、外周凸部９のみを軟質体で構成しているのでローラー６が変形したり破損したりすることがなく、木床などのハードフロア上を走行した場合でも外周凸部が床面を傷つけることもない。
【００２４】
さらに、外周凸部９をローラー６とを別部材で構成しているので、外周凸部９が床面との接触により摩耗した場合でも、外周凸部９だけの交換が容易にできる。
【００２５】
１３は電動送風機。１４は、本体１の底部に設けられ床面の塵埃を前記電動送風機１３の吸引力により吸引することで清掃作業を行う吸込部で、接続パイプ（図示せず）を介して集塵室１５と接続している。１６は本体１の方向を計測する方向計測手段で、ジャイロおよびこの出力を積分する積分器とからなる。１７は本体１の周囲に設けられた超音波センサ等からなる測距センサで、本体１の前方、左右側方および後方にある物体までの距離を測定して障害物を検出する障害物検知手段を構成している。１８は方向計測手段１６および測距センサ１７からのデータに基づいて駆動モータ３Ｌ、３Ｒを制御し、本体の走行制御を行う走行制御手段で、回路ボックス１９に収容されている。２０は全体に電力を供給する蓄電池等からなる電源である。
【００２６】
図７は本実施例の制御ブロック図で、方向計測手段１６、測距センサ１７、回転検出器４Ｌ、４Ｒおよび角度検出手段１２は走行制御手段１８にその出力を入力している。走行制御手段１８は、これらのデータを判断して駆動モータ３Ｌ、３Ｒに制御信号を出力する。本実施例では、この駆動モータ３Ｌ、３Ｒの回転速度を制御することにより、左右の駆動輪２Ｌ、２Ｒの回転速度を独立に制御し本体１の駆動および操舵を行っている。
【００２７】
ここで絨毯上を直進走行する場合の絨毯目の影響について図８を用いて説明する。図８において（ａ）は、走行床面がハードフロアである場合の本体１の移動軌跡を示す。このとき床面にはカーペットはないので当然絨毯目の影響はなく、本体１は走行制御手段１８の直進手段により直進制御を行い、その移動軌跡は走行開始時の本体１の方向と一致した直線ａになる。
【００２８】
しかしながら、たとえば（ｂ）に示すように、絨毯目が左から右の方向にあるカーペット床面の場合に同条件で直進走行させると、本体１は走行制御手段１８が有する直進モードである直進手段により目標ラインＬ１に乗るように直進制御を行うが、実際の移動軌跡は、本体１が常に走行開始時の方向を向いているにもかかわらず目標ラインＬ１の方向から右へ角度θだけ傾いた直線ｂになる。すなわち、本体１がカーペット上を直進走行する場合には、本体１の直進距離に比例して本体１が絨毯目の方向に横すべりする。この横すべりの度合いを表す角度偏差θはカーペットによってほぼ固有であり、数度程度である。
【００２９】
そこで、たとえば図８（ｃ）に示すように角度偏差θを最初の走行時にあらかじめ測定したカーペット上で直進手段の目標ラインを走行開始時の方向から左に角度θ傾いた直線Ｌ２として（ｂ）と同条件で直進走行させると、そのときの移動軌跡は走行開始時の本体１１の方向と一致した直線ｃになる。同様に（ｄ）に示すように、走行開始方向を（ｃ）と反対方向に直進走行させる場合には、直進手段の目標ラインを走行開始時の方向から右に角度θ傾いたＬ３として直進走行させれば、移動軌跡は走行開始時の本体１の方向と一致した直線ｄになる。このようにカーペット上を直進走行する場合は、絨毯目の方向とその目の強さに応じて直進手段の目標ラインの方向を変えることにより本体１の移動軌跡が補正できることがわかっている。
【００３０】
また、絨毯目検出手装置５のローラー６は、回転支持部１０により本体１に対して水平方向に回動自在に支持されているので、本体１の走行時には常に走行方向を向くことになる。すなわち、図８の（ａ）の例では、ローラー６は直線ａの方向を向き、（ｂ）の例では、ローラー６は直線ｂの方向を向くことになる。
【００３１】
図９は本実施例の走行制御手段１８における制御方法を示すフローチャートである。３０は角度検出手段１２の出力の平均角度を演算する絨毯ずれ演算手段である。３１は絨毯ずれ演算手段３０の値を入力し直進制御の補正目標ラインを設定する走行補正手段である。３２は方向計測手段１６で計測した本体１の方向データ及び回転検出器４Ｌ、４Ｒの出力に基づき、本体１が走行補正手段３１で設定された補正目標ラインに乗るように駆動モータ３Ｌ、３Ｒを制御して直進走行させる直進手段である。また、直進走行中に測距センサにより本体１の前方に障害物を検知しかつ清掃作業が終了でなければ所定の作業幅だけ作業方向に変位した位置に反転する様になっている。
【００３２】
図１０を用いて床面清掃ロボットの移動軌跡について説明する。本体１で清掃する床面は、絨毯目が左から右の方向にあるとする。本体１を開始点Ｓにおいてスタートすると、直進走行を開始し図８の（ｂ）で示した場合と同様に、本体１は走行開始時の方向に直進制御を行うが、実際の移動軌跡は絨毯目の影響で右にずれた方向に流される。既に説明した様に絨毯目検出装置のローラー６は、回転支持部１０により本体１に対して水平方向に回動自在に支持されているので、本体１の走行時には常に走行方向を向く。前方の壁Ｗ１に近づき障害物検知手段１７がこれを検知すると、作業方向Ｒの方向に障害物があるかどうかを見る。この場合は障害物がないので、地点Ｐ１で作業方向Ａの方向すなわち本体１の右方向へ所定の作業幅だけ変位した位置に方向計測手段１６を用いて正確に１８０°反転する。このとき、絨毯ずれ演算手段３０は地点Ｐ１で反転開始するまでの角度検出手段１２の出力角度の平均値θ１を演算している。地点Ｐ１での反転後、この演算結果をもとに、走行補正手段３１は補正目標ライン（本体１の右へ角度θ１だけ傾いた直線）を設定し、直進手段３２により本体１が目標ラインに乗るように直進制御を行う。直進制御を開始して方向計測手段の出力が安定すると壁Ｗ２に近づいた地点Ｐ２で１８０°反転するまで絨毯ずれ演算手段３０は新たに角度検出手段の出力角度の平均値θ２を演算する。地点Ｐ２での反転後、この演算結果をもとに、走行方正手段３１は補正目標ライン（本体１の左へ角度θ２だけ傾いた直線）を設定し、直進手段３２により本体１が目標ラインに乗るように直進制御を行う。
【００３３】
以上の動作を繰り返し、点Ｆにきて壁Ｗ１を本体１の前方で検知すると、このときは作業方向Ａすなわち本体１の右方向には壁Ｗ３があるので清掃終了と判断し作業を終了する。
【００３４】
絨毯ずれ演算手段３０は本体１が壁（もしくは障害物）を検知して１８０°反転する際と、反転後のローラー６が進行方向を向いていない間の角度検出手段１２の出力は無視してこの間のデータを用いずに直進走行中のデータのみで絨毯目によるずれを計算しているので、正確に絨毯目による影響を補正できる。
【００３５】
このように、絨毯目検出手装置５のローラー６の本体１に対する方向を角度検出手段１２により検出し、絨毯ずれ演算手段３０により絨毯目によるずれ角度を演算し、この演算結果をもとに走行補正手段３１は直進制御の目標ラインを補正目標ラインに設定し直進制御するから本体１の往復の直進軌跡は平行になり、走行中に作業幅が変化することがなくなり、清掃のやり残しが生じたり清掃効率が低下することがなくなるものである。
【００３６】
なお、本実施例では外周凸部９をローラー６とを別部材で構成して、外周凸部９の交換メンテナンスが容易にできるようにしているが、これらを一体に構成しても、絨毯目の検出感度の確保と走行後のローラー跡を残りにくくするという効果は同様に得られることはいうまでもない。
【００３７】
また、外周凸部９だけでなくローラー６の外周部もしくはローラー６の全体を軟質体で構成しても木床などのハードフロア上を走行した場合でも床面を傷つけにくくなるという効果を奏する。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ローラー外周の凸部により走行するカーペット床面に必要な接触圧が確保でき、しかもローラー跡が残り易い毛足の長いカーペット上ではローラー外周の凸部だけでなくローラー幅全体がカーぺットに当接して荷重を分散するので走行後にローラー跡が残りにくくなるから、多様な床面上を走行することが想定される移動ロボットの場合でも絨毯目の検出感度を確保でき、しかも走行後にローラー跡が残りにくい絨毯目検出装置が実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における床面清掃ロボットの全体構成を示す断面図
【図２】同床面清掃ロボットの駆動兼操舵手段の構造を示す断面図
【図３】同床面清掃ロボットの絨毯目検出装置の構成を示す側断面図
【図４】（ａ）同床面清掃ロボットの絨毯目検出装置の構成を示す側面図
（ｂ）上記（ａ）のＺ−Ｚ切断面における絨毯目検出装置の側断面図
【図５】（ａ）同絨毯目検出装置の動作を示す説明図
（ｂ）同絨毯目検出装置の動作を示す他の説明図
（ｃ）従来の絨毯目検出装置の動作を示す説明図
（ｄ）従来の絨毯目検出装置の動作を示す他の説明図
【図６】本発明の第１の実施例における床面清掃ロボットの測距センサ及び方向計測手段の配置を示す内部透視図
【図７】同床面清掃ロボットの制御ブロック図
【図８】（ａ）同床面清掃ロボットが、ハードフロアである床面上を直進走行する場合について説明した図
（ｂ）同床面清掃ロボットが、絨毯目が左から右の方向にあるカーペット上を直進走行する場合の影響について説明した図
（ｃ）同床面清掃ロボットを、絨毯目が左から右の方向にあるカーペット上を直進走行させるための方法について説明した図
（ｄ）同床面清掃ロボットを、絨毯目が左から右の方向にあるカーペット上を直進走行させるための方法について説明した他の図
【図９】同床面清掃ロボットの制御方法を示すフローチャート
【図１０】同床面清掃ロボットの動作説明図
【符号の説明】
１　本体
５　絨毯目検出装置
６　ローラー
８　検出レバー
９　凸部
１０　回転支持部
１２　角度検出手段
１６　方向計測手段
１７　測距センサ（障害物検知手段）
１８　走行制御手段
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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