(57)【要約】【課題】作業領域に段差が存在しても、作業領域内を段差に沿って走行することができる自律走行ロボットを提供する。【解決手段】自律走行中に、発行器から照射した光ビームを受光器で受光した受光位置から本体と床面との距離を算出し、予め設定された本体と床面との距離とを比較して段差を検出する（ＳＴ１０４）。そして、段差を検出すると、一端停止した後（ＳＴ１０４）、所定角度転回し（ＳＴ１０５）、旋回走行を行い（ＳＴ１０６）、壁を検出するまで、新たな段差を検出する毎にこの処理を繰り返す。【選択図】　　図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行手段と、この走行手段で走行しながら所定の作業を行う作業手段と、少なくとも車輪が通過しようとする床面幅より外側の床面に向けて斜めに光ビームを照射する照射手段と、この照射手段で照射された光ビームの床面からの反射光を受光する受光手段と、この受光手段で受光した反射光に基づいて得られる前記床面と本体との距離と予め設定された前記床面と本体との距離とから前記床面の段差を検出する段差検出手段と、この段差検出手段で検出した段差に沿って走行する走行制御手段とを備えたことを特徴とする自律走行ロボット。
【請求項２】
走行制御手段は、段差に沿った少なくとも１回以上の旋回走行であることを特徴とする請求項１記載の自律走行ロボット。
【請求項３】
走行制御手段は、段差に沿ったジグザグ走行であることを特徴とする請求項１記載の自律走行ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自律走行しながら所定の作業領域で作業を行う自律走行ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自律走行しながら、例えば清掃作業を行うロボットが知られている。このロボットの作業領域は、ロボットの管理者等により指定された作業領域を走行する場合、自らが特定した作業領域を走行する場合などがあるが、いずれの場合においても、その作業領域内に段差が存在する場合には、その段差による衝突、落下などを防止する必要がある。
【０００３】
このように作業領域内に段差が存在する場合に、ロボットである移動装置本体の上部前面から前面移動面までの距離を斜めに測定し、その測定距離により事前に段差を検出して、速度が速い場合でも安全に段差の手前で停止することにより、段差による衝突の防止を可能とするものが知られている（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６２−１６２１１２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ロボットが作業領域内を隈なく走行できるためには、段差を検出して停止するだけでなく、その段差による衝突、落下などを回避しながら、段差に沿って走行できるようにする必要がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、作業領域内を段差に沿って走行することができる自律走行ロボットを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも車輪が通過しようとする床面幅より外側の床面に向けて斜めに光ビームを照射し、この照射された光ビームの反射光に基づいて得られる床面と本体との距離と予め設定された床面と本体との距離とから段差を検出し、この検出した段差に沿って走行するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は、本発明を自律走行しながら清掃作業を行うロボットクリーナに適用したものについて述べる。
【０００９】
図１及び図２は自律走行ロボットの構成を示す図で、下部が略円形状で上部が略半球形状になっている筐体１の前面上部に各種指示ボタン等を設けた操作入力部２を配置し、前面から側面に跨った下部に、例えば超音波センサからなる複数の障害物センサ３を配置している。この障害物センサ３は、例えば、前面から見える位置に所定の間隔を開けて３個配置し、左右の側面に所定の間隔をあけて２個ずつ配置している。
【００１０】
筐体１内には、クリーナモータ４とこのクリーナモータ４で回転するファン５とこのファン５の回転により底部に設けた吸込口６から塵を吸込んで集める集塵室７が収納されている。このクリーナモータ４、ファン５及び集塵室７により掃除手段（作業手段）を構成している。
【００１１】
また、筐体１の底部略中央の左右にそれぞれ左駆動輪８ａ、右駆動輪８ｂを取り付け、この各駆動輪８ａ，８ｂをそれぞれ左走行モータ９ａ，右走行モータ９ｂで回転駆動するようにしている。各駆動輪８ａ，８ｂ及び各走行モータ９ａ，９ｂは走行手段を構成している。そして、各駆動輪８ａ、８ｂの回転をそれぞれ左右のロータリーエンコーダ（以下、単にエンコーダと称する）１０ａ，１０ｂで検出するようにしている。左右のエンコーダ１０ａ，１０ｂは移動距離と移動方向を測定するセンサを構成している。筐体１の底部後端中央には回転自在で方向が左右に自由に旋回する旋回輪１１が取り付けられている。
【００１２】
さらに、筐体１の操作入力部２の左右外側の下方に段差検出センサ１２ａ，１２ｂを配置している。この各段差検出センサは１２ａ，１２ｂは、例えば、ＬＥＤや半導体レーザにより光ビームを床面に照射する照射手段としての発行器１２１ａ，１２１ｂ、この床面に照射された光ビームの反射光を受光する、例えば、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）などの受光手段としての受光器１２２ａ，１２２ｂでそれぞれ構成されている。各発行器１２１ａ，１２１ｂから照射される光ビームは図３に示すように各駆動輪８ａ，８ｂが通過しようとする床面幅より外側の床面に対して照射され、その床面から反射された光ビームを各受光器１２２ａ，１２２ｂで受光するようになっている。
【００１３】
また、筐体１内には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の制御回路部品を組み込んだ回路基板１３及び各部に電源を供給するバッテリ１４が収納されている。
【００１４】
図４はロボットクリーナの制御部の構成を示すブロック図で、制御部本体を構成するＣＰＵ２１、ＣＰＵ２１が各部を制御する制御プログラムを格納したＲＯＭ２２、各種データを格納するＲＡＭ２３、操作入力部２、障害物センサ３、クリーナモータ４を回転制御するモータ制御部２５、左右の走行モータ９ａ，９ｂを回転制御するモータ制御部２６、左右のエンコーダ１０ａ，１０ｂ及び発行器１２１ａ，１２２ａ及び受光器１２２ａ，１２２ｂに対して信号の入出力を行うＩ／Ｏポート２４により構成されている。なお、ＣＰＵ２１とＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３及びＩ／Ｏポート２４とはバスライン２７を介して電気的に接続されている。
【００１５】
図６は制御部の構成を機能的に示す機能ブロック図である。このロボットクリーナは機能的には、障害物センサ３、左右のエンコーダ１０ａ，１０ｂ及び段差検出センサ１２ａ、１２ｂからなるセンサ部３１、ＲＡＭ２３からなりバッテリ１４によって電源のバックアップを受けている記憶部３２、ＣＰＵ２１、ＲＯＭ２２、Ｉ／Ｏポート２４の複合体からなる制御部３３を有する。
記憶部３２には、ロボットクリーナが走行した走行経路、ロボットクリーナ本体と床面との距離の設定等が記憶されている。
【００１６】
制御部３３は、左右のエンコーダ１０ａ，１０ｂの出力から移動量と移動方向を算出し、この算出した移動量と移動方向から現在位置及び方向を特定する位置・方向特定部３３１、モータ制御部２５を制御するクリーナ制御部３３２、障害物センサ３により所定の作業を行う部屋の壁やその部屋に配置された障害物を検知するとその検知した壁や障害物に沿って周回走行するように前記走行手段を制御する走行制御手段３３３、この走行制御手段３３３による走行が壁や障害物の周回走行を終了したか否かを判定する走行終了判定手段３３４、この走行終了判定手段３３４で周回走行が終了した判定されると、前記周回走行の走行経路から決定される作業領域内を自律走行しながら清掃作業を行うための走行計画を立案する走行計画立案手段３３５、受光器１２２ａ，１２２ｂで受光する反射光に基づいて得られるロボットクリーナ本体と床面との距離と記憶部３２に設定記憶された距離とに基づいて段差を検出する段差検出手段３３６を有する。さらに、前記走行制御手段３３３は、前記走行計画立案手段３３５に立案された計画に従って前記走行手段を制御し、前記段差検出手段３３６で段差を検出したときにその段差に沿って走行するように前記走行手段を制御する。
【００１７】
なお、段差検出手段３３６の段差検出センサ１２ａによる段差の検出は、図６（ａ）から（ｃ）に示すように、床面４１を走行中のロボットクリーナの発光器１２１ａから照射された光ビームの反射光を受光器１２２ａで受光したときに、その受光位置を測定することによりロボットクリーナ本体と床面との距離を算出し、この算出された距離と記憶部３２に設定記憶された距離とを比較することにより段差を検出する。すなわち、同図（ａ）で示すように、照射した光ビームが床面４１に照射され、その反射光の受光位置から算出したロボットクリーナ本体と床面４１との距離は、記憶部３２に設定された距離と略一致し、同図（ｂ）で示すように、照射した光ビームが凸段差４１ａに照射され、その反射光の受光位置から算出したロボットクリーナ本体と床面４１との距離は記憶部３２に設定された距離より短くなり、同図（ｃ）で示すように、照射した光ビームが凹段差４１ｂに照射され、その反射光の受光位置から算出したロボットクリーナ本体と床面４１との距離は記憶部３２に設定された距離より長くなる。段差検出手段３３６は、このように受光器１２２ａの受光位置から算出したロボットクリーナ本体と床面４１との距離と記憶部３２に設定された距離とを比較することにより段差を検出する。
【００１８】
また、ロボットクリーナは自律走行するモードとして、壁際走行モードと作業領域走行モードとの２つのモードが設けられている。壁際走行モードは、作業を行う作業領域全体の形状を作成するために所定の開始位置から部屋の壁や障害物で構成される壁に沿った自律走行を行い再び元の開始位置に戻るモードであり、作業領域走行モードは、壁際走行モードにより作成された作業領域内を自律走行しながら清掃作業を行うモードである。
【００１９】
次に、ロボットクリーナが壁際走行モードで自律走行しているときに段差を検出した場合の処理について図７のフローチャートを参照して説明する。なお、この壁際走行モードは、ロボットクリーナは左に障害物として壁を検出しながら壁際走行を行うものとする。
【００２０】
制御部３３は、障害物センサ３により左側及び前方に壁が存在するか否かを検出し、受光器１２２ａ，１２２ｂで受光した反射光から床面との距離を算出すると共に走行経路を随時記憶しながら走行手段制御して壁際走行し（ステップＳＴ１０１）、その記憶した走行経路から壁際走行が終了したか否か、すなわち、開始位置にロボットクリーナが再び位置したか否かを判断する（ステップＳＴ１０２）。したがって、再び開始位置に位置するまで壁際走行が行われる。
【００２１】
壁際走行中は、段差検出センサ１２ａ，１２ｂの受光器１２２ａ，１２２ｂで受光した反射光の受光位置から算出したロボットクリーナ本体と床面との距離と記憶部３２に設定された距離との比較を行い段差の検出を行う（ステップＳＴ１０３，段差検出手段）。算出した距離が記憶部３２に設定された距離と略一致すれば、床面に段差はないため壁際走行を続行する。なお、算出した距離が記憶部３２に設定された距離より短ければ凸段差を検出し、算出した距離が長ければ凹段差を検出する。
【００２２】
このように凸段差、あるいは凹段差を検出すると、先ず、走行手段を制御してロボットクリーナの進行を一端停止し（ステップＳＴ１０４）、左側に壁を検出しているため進行方向右側に所定角度転回し（ステップＳＴ１０５）、検出した段差側に中心が位置するような弧を描く旋回走行を開始する（ステップＳＴ１０６）。この走行制御はステップＳＴ１０５において一端停止してから転回するものとしたが、一端停止をせずに転回するようにしても良い。なお、所定角度の転回は、転回を開始してから段差検出手段３３６により段差を検出できなくなった後もさらに所定角度転回するものである。
【００２３】
この旋回走行中に再び段差を検出したか否かの判断を行い（ステップＳＴ１０７）、段差を検出すると、ステップＳＴ１０５に戻り、一端停止し所定角度転回した後旋回走行を行いながら段差を検出する処理を行う。すなわち、新たに段差を検出するごとにこの処理を繰り返す。また、旋回走行中は壁を検出したか否かの判断を行い（ステップＳＴ１０８）、壁を検出したと判断すると、ステップＳＴ１０１へ戻り壁際走行を再開する。
【００２４】
次に壁際走行時のロボットクリーナの動作について図８から図１０を参照して説明する。図８から図１０は、壁４２を左側に検出しながら床面４１上を走行し、その前方に凹段差４１ｂが存在する場合に、ロボットクリーナが行う動作を上側から示している。
【００２５】
この壁際走行は、先ず、作業手順として始めに作業領域内の形状や面積を認識するために、作業領域の壁に沿って走行する。
【００２６】
先ず、障害物センサ３から出力される壁４２との距離情報を利用し、常に本体の左側に壁４２を検出しながら、壁４２と所定距離を保つようにして、図８の状態Ａに示すように、走行可能空間に向けて前進する。
【００２７】
一方、進行方向に壁がなく段差検出手段３３６により、例えば、住居空間の中では、降下階段や開放された掃き出し窓及び玄関土間などの凹段差（凸段差の場合は、例えば敷居や床面に置かれた低い高さの障害物）を図８の状態Ｂで示すように検出すると、図９の状態Ｃで示すように、一端停止し段差を検出しなくなるまで右方向に転回する。そして、図１０の状態Ｄで示すように、さらに右側に所定角度転回した後、同図中、状態Ｅで示すように、段差に対してカーブを描くように旋回走行し、状態Ｆで示すように、再び凹段差４１ｂを検出すると、一端停止して右側に転回した後旋回走行を行う。これにより、本体は凹段差４１ｂに対して複数の山型のカーブを描きながらも転落したり、衝突したりすること無く凹段差４１ｂに沿って走行することができる。そして、新たな壁を検出すると、再び壁４２に沿った走行に戻る。
【００２８】
次に、作業領域走時のロボットクリーナの動作について説明する。例えば、住居空間では床下収納の蓋が開いている状態などのような矩形状をした段差の領域が作業領域内にある場合は、段差を検出すると上述したように複数のカーブを描きながら矩形の１辺を走行し、その辺の段差を検出しなくなると、段差あるいは壁を検出するまで旋回するため、走行していた辺と直交する辺の段差を検出し、今度はその辺に沿って複数のカーブを描きながら走行する。これを全ての辺で繰り返すことにより、ロボットクリーナは矩形状の段差の周りに沿って段差に落下することなく周回することができる。
【００２９】
この実施の形態によると、ロボットクリーナは、各発行器１２１ａ，１２２ａから照射した光ビームをそれぞれ各受光器１２２ａ，１２２ｂで受光した受光位置からロボットクリーナ本体と床面との距離を算出し、予め設定されたロボットクリーナ本体と床面との距離とを比較して段差を検出し、段差を検出すると、新たな段差、あるいは壁を検出するまで段差に沿って複数のカーブを描きながら、複数回旋回走行することにより段差を回避しながら段差に沿って走行することができる。
【００３０】
そのため、外周に段差を含むような作業領域であっても、壁際走行モードが可能となり、作業領域の形状、大きさを正しく作成することができる。また、作業領域走行モードにおいては、作業領域内の段差際の掃除を行うことができる。
【００３１】
さらに、壁際走行モードにおいても清掃作業を行うようにすれば、外周に段差を含むような作業領域であっても段差際、壁際の掃除を行うことができる。
【００３２】
なお、ステップＳＴ１０６の旋回走行は、段差を検出したときに、図１０の状態Ｄ，Ｅ，Ｆで示したように、凹段差４１ｂに対してカーブを描く旋回走行を行うものとしたが、壁際走行時は、図１１の状態Ｄ´，Ｅ´，Ｆ´で示すように、転回した後所定距離直進してから前記転回とは逆方向に所定角度転回を行い直進するようにしても良い。このように走行するようにしても、再び凹段差４１ｂを検出したら停止、転回した後、所定距離直進してから前記転回とは逆方向に所定角度転回して直進する走行を繰り返し、壁４２を検出するまでこの走行を繰り返すようにしても良い。走行制御手段３３３がこのように走行手段を制御すると、ロボットクリーナはジグザグ走行しながら転落したり、衝突したりすること無く凹段差４１ｂに沿って走行することができる。
【００３３】
また、図３で示したように、各発行器１２１ａ，１２１ｂから照射される光ビームは、各駆動輪８ａ，８ｂの通過しようとする床面幅より外側の床面に対してそれぞれ照射されるので、凹段差の場合には、転回時に落下することはなく段差ぎりぎりまで清掃を行うことができるが、凸段差の場合には衝突する可能性がある。凸段差があるような環境で走行しながら作業を行う場合には、図１２で示すように、各発行器１２１ａ，１２１ｂから照射される光ビームを、ロボットクリーナ本体が通過しようとする床面幅より外側の床面に対して照射するようにすれば良い。これにより、凸段差の場合にも、ロボットクリーナ本体が転回時に段差に衝突することを防止することができる。
【００３４】
なお、前述した各実施の形態は本発明を、清掃作業を行うロボットクリーナに適用した場合について述べたが必ずしもこれに限定するものではなく、清掃以外の作業を行う自律走行ロボットにも適用できるものである。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、作業領域に段差が存在しても、作業領域内を段差に沿って走行することができる自律走行ロボットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における自律走行ロボットの外部構成を示す正面図。
【図２】同実施の形態における自律走行ロボットの内部構成を示す一部欠如した側面図。
【図３】同実施の形態における光ビームの床面への照射位置を示す図。
【図４】同実施の形態における制御部のハード構成を示すブロック図。
【図５】同実施の形態における制御部の構成を機能的に示すブロック図。
【図６】同実施の形態における段差検出を説明するための図。
【図７】同実施の形態における段差を検出したときに実行する処理の流れを示す図。
【図８】同実施の形態における段差の検出を自律走行ロボットの上側から示す図。
【図９】同実施の形態における転回を自律走行ロボットの上側から示す図。
【図１０】同実施の形態における旋回走行を自律走行ロボットの上側から示す図。
【図１１】同実施の形態におけるジグザグ走行を自律走行ロボットの上側から示す図。
【図１２】同実施の形態における他の光ビームの床面への照射位置を示す図。
【符号の説明】
１２ａ，１２ｂ…段差検出センサ
１２１ａ，１２１ｂ…発行器
１２２ａ，１２２ｂ…受光器
３２…記憶部
３３３…走行制御手段
３３６…段差検出手段
【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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【図１１】
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【図１２】
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