(57)【要約】      （修正有）【課題】予め軌道やステーション以外の構造物を利用せずにドッキングが可能で、かつドッキング終了後に自走式ロボットの自己位置を補正する。【解決手段】円弧状に配置された発光素子から発生される光の軸が円弧の曲率中心を通るように構成された発光部３２と、ドッキングするための第１接続端子３４と、を備えているステーション３０と、円弧と同じ曲率半径の円弧部を有する本体部と、この本体部を移動させる移動機構１５と、前記ステーションの位置と地図情報とに基づいて移動経路を生成して前記ステーションの近傍領域まで自走するように制御する第１制御部２０と、発光部からの光信号を受光する受光部１１と、光信号の方向を検出する方向検出部１３と、方向検出部によって検出された方向に本体部を移動させるように制御する第２制御部１４と、ドッキングするための第２接続端子２４と、を備えている自走式ロボット１０と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円弧状に配置された複数の発光素子を有し前記複数の発光素子から発生される光の光軸が前記円弧の曲率中心を通るように構成された発光部と、ドッキングするための第１接続端子と、を備えているステーションと、
前記円弧と実質的に同じ曲率半径の円弧部を有する本体部と、この本体部に取り付けられ前記本体部を移動させ、前記円弧部の曲率中心でその場回転が可能な移動機構と、入力された前記ステーションの位置と地図情報とに基づいて移動経路を生成してこの生成された移動経路に沿って前記ステーションの近傍領域まで自走するように前記移動機構を制御する第１制御部と、前記本体部に取り付けられ前記発光部からの光信号を受光する受光部と、前記受光部の出力に基づいて前記光信号の発せられる方向を検出する方向検出部と、前記方向検出部によって検出された方向に前記本体部を移動させるように前記移動機構を制御する第２制御部と、ドッキングするための第２接続端子と、を備えている自走式ロボットと、
を備えたことを特徴とするドッキングシステム。
【請求項２】
前記第２制御部は、前記方向検出部によって検出された方向に前記本体部を移動させるように前記移動機構を制御し、前記ステーションの円弧状に配置された前記発光素子の円弧の曲率中心に達したときに前記移動機構を制御して、前記本体部を停止し、その場回転させることにより、前記第１接続端子と前記第２接続端子とが接続されるように前記自走式ロボットの位置決めを行うことを特徴とする請求項１記載のドッキングシステム。
【請求項３】
前記ステーションは、前記複数の発光素子から発生される光がそれぞれ異なるように制御する発光制御部を備え、前記方向検出手段は前記複数の発光素子のうちの一つの発光素子の方向を検出して特定することを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載のドッキングシステム。
【請求項４】
前記第２接続端子は凹部を有し、前記第１接続端子はプラグとバネ要素とを有しており、前記バネ要素によって前記プラグが押されて前記第２接続端子の凹部に嵌まることによって前記自走式ロボットの位置決めが行われ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ドッキングシステム。
【請求項５】
前記自走式ロボットは、前記ステーションとの通信手段を備え、前記通信手段を介して前記第２制御部は前記第２接続端子の位置が前記第１接続端子の位置と一致するように前記移動機構を制御することを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載のドッキングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自走式ロボットと、この自走式ロボットとドッキングするステーションとを備えたドッキングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自走式ロボットと、この自走式ロボットの給電、有線による情報通信、または塵回収などのためのステーションとのドッキング方式としては、電磁波を発する誘導ケーブルや光を反射する誘導テープ等を自走式ロボットの経路に敷設してその経路に沿って自走式ロボットが移動することでステーションを検出し、またはステーションを部屋の周囲の壁際に設置して壁伝いに移動ロボットが移動することでステーションを検出し、ドッキングするというものが知られている。これらの方式では、予め誘導テープなどでの軌道や既存の壁という他の構造物を利用する必要がある。
【０００３】
また、自走式ロボットに地図認識機能を持たせ、自走式ロボットに設けられたジャイロや自走式ロボットの車輪の回転量から自走式ロボットの現在の位置を認識してステーションへ移動する方法も知られている。この方法では、車輪のズレやジャイロのドリフトなどにより位置ズレが蓄積されるため、自走式ロボットの走行距離に応じて実際の位置と認識される位置がずれて正確な目的位置へ到達できないという問題がある。
【０００４】
これを解決する方法として、各種のマーカを経路上に設置し、誘導する方法が考案されている。
【０００５】
特許文献１では、自走式ロボットの左右方向に配した複数の受光素子からなる受光部に、導く位置に光を照射する発光部を用いて、上記自走式ロボットを誘導する誘導装置が示されている。
【０００６】
また、特許文献２では、赤外線を用いた位置補正手段を固定配置し、位置補正手段と自走式ロボットとの間で赤外線を利用した固有コード信号の送受信をし、かつ距離感知手段により離隔距離を測定する方法が示されている。
【０００７】
特許文献３では、固有の識別コードを光信号として発信する発光装置を経路に配置し、その光信号の識別コードから発光装置までの距離を算出する測距部を用いて位置座標を補正する自走式ロボットが示されている。これらは、自己の位置のズレを算出し、ズレを蓄積せずに誘導する手段としては有効であり、ドッキングシステムの近傍まで自走式ロボットを誘導するためには有効であるが、最終的にドッキングするための位置決め（姿勢を含む）を行うものではない。
【０００８】
一方、ドッキングするための位置決めを行うものとして、特許文献４には、指向性の異なる２つ以上の発光部を備え、指向性の広い発光部によりステーションの近傍まで誘導し、さらに指向性の狭い発光部によりドッキングのための位置決めを行うことが示されている。
【特許文献１】特開2002-215235号公報
【特許文献２】第2821375号特許
【特許文献３】特開2005-63184号公報
【特許文献４】特表2001-525567号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ドッキング時に自走式ロボットの位置姿勢が一意に決まるためには、正確な誘導が必要となる。そこで、特許文献４では、指向性の狭い発光部により誘導を行っている。しかし、指向性の狭い発光部を用いる場合、誘導可能範囲が狭くなるという問題がある。そこで、特許文献４では、別の指向性の広い発光部を設置している。ただし、この指向性の広い発光部による誘導では、自走式ロボットのその場回転中心上に上記発光部を設置する必要がある。このため、ステーションの前方または自走式ロボットの上方に設置された構造物上に上記発光部を立体的に配せざるを得ないという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、予め軌道やステーション以外の構造物を利用せずにドッキングが可能で、かつドッキング終了後に自走式ロボットの自己位置を補正することができるドッキング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】
【００１１】
本発明の一態様によるドッキングシステムは、
円弧状に配置された複数の発光素子を有し前記複数の発光素子から発生される光の光軸が前記円弧の曲率中心を通るように構成された発光部と、ドッキングするための第１接続端子と、を備えているステーションと、
前記円弧と実質的に同じ曲率半径の円弧部を有する本体部と、この本体部に取り付けられ前記本体部を移動させ、前記円弧部の曲率中心でその場回転が可能な移動機構と、入力された前記ステーションの位置と地図情報とに基づいて移動経路を生成してこの生成された移動経路に沿って前記ステーションの近傍領域まで自走するように前記移動機構を制御第１制御部と、前記本体部に取り付けられ前記発光部からの光信号を受光する受光部と、前記受光部の出力に基づいて前記光信号の発せられる方向を検出する方向検出部と、前記方向検出部によって検出された方向に前記本体部を移動させるように前記移動機構を制御する第２制御部と、ドッキングするための第２接続端子と、を備えている自走式ロボットと、
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
なお、前記第２制御部は、前記方向検出部によって検出された方向に前記本体部を移動させるように前記移動機構を制御し、前記ステーションの円弧状に配置された前記発光素子の円弧の曲率中心に達したときに前記移動機構を制御し、停止しその場回転させることにより、前記第１接続端子と前記第２接続端子とが接続されるように前記自走式ロボットの位置決めを行ってもよい。
【００１３】
なお、前記ステーションは、前記複数の発光素子から発生される光がそれぞれ異なるように制御する発光制御部を備え、前記方向検出手段は前記複数の発光素子のうちの一つの発光素子の方向を検出して特定してもよい。
【００１４】
なお、前記第２接続端子は凹部を有し、前記第１接続端子はプラグとバネ要素とを有しており、前記バネ要素によって前記プラグが押されて前記第２接続端子の凹部に嵌まることによって前記自走式ロボットの位置決めが行われるように構成してもよい。
【００１５】
なお、前記自走式ロボットは、前記ステーションとの通信手段を備え、前記通信手段を介して前記第２制御部は前記第２接続端子の位置が前記第１接続端子の位置と一致するように前記回転機構を制御するように構成してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、予め軌道やステーション以外の構造物を利用せずにドッキングが可能で、かつドッキング終了後に自走式ロボットの自己位置を補正することができるドッキングシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるドッキングシステムの構成を図１に示す。本実施形態のドッキングシステム１は、蓄電池により自走可能な自走式ロボット１０と、この自走式ロボットの蓄電池を充電するためのステーション３０とを備えている。
【００１９】
自走式ロボット１０は、図示しない本体部と、受光部１１と、コード認識部１２と、測距部１３と、ドッキング制御部１４と、駆動部１５と、エンコーダおよびジャイロ１６と、移動距離計測部１７と、地図情報管理部１８と、経路生成部１９と、制御部２０と、充電用の接続端子２４と、蓄電池２５とを備えている。なお、図示しないが、この自走式ロボット１０には走行するための左右に配置された車輪と、これらの車輪を駆動するとともに自走式ロボット１０の本体部を回転するためのモータとが設けられている。これらのモータは駆動部１５によって駆動される。なお上記エンコーダは車輪に取り付けられジャイロは自走式ロボット１０の本体部に取り付けられている。また、受光部１１は、凹部形状の接続端子２４の左右に設けられている。上記車輪、モータ、および駆動部１５は本体部を移動させるための移動機構を構成している。また左右両輪のモータをそれぞれ逆向きに回転させることでその場回転が可能なように構成されている。
【００２０】
受光部１１はフォトダイオードなどの受光素子からなっている。この受光部１１で受信した赤外光のコードをコード認識部１２によって識別認識する。また、赤外光の強度に基づいて赤外光の発光部から自走式ロボットまでの距離が測距部１３によって測定される。識別されたコードと測定された距離に基づいてドッキングするステーションに移動するための制御量がドッキング制御部１４によって算出される。この制御量に基づいて駆動部１５が上記モータを駆動する。また、自走式ロボット１０の現在位置が、エンコーダおよびジャイロ１６の出力からオドメトリの計算により移動位置計測部１７によって算出される。目標位置となるステーション３０の周辺の移動可能領域が記録された周辺地図情報が地図情報管理部１８に格納されている。現在位置と目標位置から自走式ロボット１０の移動経路が経路生成部によって算出される。生成された経路にしたがって左右両輪のモータの制御量が制御部２０によって算出され、この算出された制御量に基づいてモータが駆動部１５によって駆動される。
【００２１】
一方、ステーション３０は発光制御部３１と、赤外光を発光する発光部３２と、充電回路３３と、充電用の接続端子３４とを備えている。
【００２２】
図２に示すように、発光部３２は複数の発光素子（例えば赤外光を発するＬＥＤ）３２ａを有し、これらの発光素子３２ａが円弧状に、放射方向へ等角度間隔で配置されている。上記円弧の曲率半径は自走式ロボット１０の本体の曲率半径と実質的に等しく、上記複数の発光素子３２ａはこれらの発光素子３２ａから発せられる光の光軸が上記円弧の曲率中心を通るように配置されている。また、間隔は発光素子の指向性に合わせて不足なく配置する。各発光素子３２ａは、発光制御部３１により、ＡＶ機器やエアコンの操作に用いられている赤外線リモコンと同様に、例えばキャリア周波数３８ｋＨｚで変調し、ステーション３０用に割り振られた識別コードを有する赤外光を発光する。図２（ａ）に示すように発光素子３２ａを複数個円弧状に配することにより誘導可能範囲５０を、図２（ｂ）に示す１個の発光素子３２ａによる誘導可能範囲５２に比べて広くすることができる。なお、本実施形態においては、図２（ａ）に示すように、中央部に設けられた発光素子３２ａの真下に充電用の接続端子３４が設けられている。
【００２３】
次に、図３に示すフローチャートを参照して、本実施形態の自走式ロボット１０の動作を説明する。まず、自走式ロボット１０に、目標位置として充電のためのステーション３０の地図上の座標を入力する（図３のステップＳ１）。入力方法としては、ロボット１０上にタッチパネル付きディスプレイ（図示せず）を設け、このディスプレイ上に表示された地図上で指示することによって行ってもよい。なお、充電するためにドッキングするステーション３０の識別コードは自走式ロボットに格納されていても良いし、入力してもよい。
【００２４】
次に、地図情報管理部１８と移動位置計測部１７とから算出されている自己位置から、地図に記されている既知の障害物６０（図４）を回避し、ステーション３０へ行くための経路を経路生成部１９において生成する（ステップＳ２）。
【００２５】
続いて、生成された経路に自走式ロボットが追従するように左右両輪の回転速度が制御部２０によって算出される。駆動部１５はこの算出された回転速度に従い、左右両輪のモータを駆動する。発光部３２から発光される赤外光に含まれている識別コードを受信するまでは、経路に追従するように移動する（ステップＳ３、Ｓ４）。
【００２６】
次に、自走式ロボット１０がステーション３０に近づき、自走式ロボット１０の受光部１１がステーション３０から発せられた赤外光を接続端子２４の左右に取り付けられた受光部１１で受光し、受光した赤外光に含まれている識別コードと自走式ロボット１０に記憶されている識別コードが一致した場合、左右の受光部１１で受光され測距部１３で測定された赤外光の受光強度が等しくなるようにドッキング制御部１４は駆動部１５を制御する。例えば、直進運動をしている際に、左側の受光強度が強ければ、左側の車輪を駆動するモータよりも右側の車輪を駆動するモータを多く回転し、右側の受光強度が強ければ、左側の車輪を駆動するモータよりも右側の車輪を駆動するモータを多く回転させて進行方向を修正する。すなわち、測距部１３は上記赤外光の発せられる方向を検出する方向検出機能を有しており、この検出された方向に沿って本体部が移動するようにドッキング制御部１４は駆動部１５を制御する。それを繰り返すことで、自走式ロボット１０は目標位置であるステーション３０へ到達する（ステップＳ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８）。また、所定の距離よりも、ステーション３０に近づいた場合には、減速、停止することも可能である。
【００２７】
次に、ドッキングに至るシーケンスについて図４乃至図１２を参照して説明する。自走式ロボット１０は蓄電池２５の充電のため、ステーション３０へのドッキング動作に入る。自己位置の推定による自己位置と地図上に書かれているステーション３０の位置から、障害物６０を回避する移動経路を生成し、自立航法によりステーション３０の前方へ移動する（図４）。
【００２８】
次に、自走式ロボット１０の自己位置がステーション３０の前方に移動したら、自走式ロボット１０が停止する。停止位置は、理想的には、ステーション３０の正面であるが、実際には、自己位置の推定誤差があるため、ステーション３０の近傍のある範囲内となる（図５）。自走式ロボット１０が停止した後、自走式ロボット１０の後部に設けられた受光部１１が、ステーション３０に複数個配された発光素子３２ａから発生される赤外光を受光するまで、自走式ロボット１０がその場回転する（図６）。
【００２９】
続いて、ステーション３０から発せられる赤外光を頼りに、ステーション３０の方向へ、姿勢を変えながら、自走式ロボット１０が後退する（図７、図８）。検出される赤外光は、ステーション３０との位置関係により決まる。自走式ロボット１０がステーション３０に接近し、赤外光が２つの受光部の一方によって受信されなくなったら、その姿勢のまま後退する（図９）。中央の発光素子の赤外光以外での誘導では、位置は正しいが、その姿勢は接続端子３４の位置とは異なり、図１０に示すように、ステーション３０に対し、ずれた角度で進入する。ステーション３０の接続端子（供給プラグ）３４はバネにより稼動するようになっており、ロボット１０は、供給プラグ３４に本体を押し付けた状態で停止する（図１１）。これは、押し付けることによりロボット１０のモータの負荷が大きくなったことを検出して停止してもよいし、先の赤外光が受信できなくなってから一定時間後に停止してもよい。
【００３０】
その後、ロボット１０はその位置でその場回転をすることで、ロボット１０側の凹状の接続端子（コネクタ）２４にステーション３０の凸形状の供給プラグ３４が挿入され、ドッキングが終了する（図１２）。ドッキング後に充電回路３３が動作することにより充電が行われる。なお、その場回転の終了は、供給プラグ３４が挿入されることで、ロボット１０が拘束され、モータの負荷が大きくなったことを検出して停止してもよいし、その場回転を始めてから一定時間後に停止してもよいし、プラグ３４が挿入され電源が供給されることにより停止してもよい。また、この際、ロボット１０はステーション３０により位置、姿勢ともに拘束される。このため、このステーション３０とドッキングすることで、自走式ロボット１０は自己姿勢の補正を行うことができるとともに、次に移動する際に自己位置を補正することができる。なお、本実施形態においては、自走式ロボット１０はステーション３０と、充電のためにドッキングを行ったが、自己位置の修正のためにドッキングを行ってもよい。この場合は、ドッキング後に充電しなくてもよい。
【００３１】
なお、自走式ロボット１０は、ステーション３０との通信手段を備え、通信手段を介してドッキング制御部１４は接続端子２４の位置が接続端子３４の位置と一致するように回転機構を制御するように構成してもよい。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態によれば、予め軌道やステーション以外の構造物を利用せずにドッキングが可能で、かつドッキング終了後に自走式ロボットの自己位置を補正することができるドッキングシステムを得ることができる。
【００３３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態によるドッキングシステムの構成を図１３に示す。本実施形態のドッキングシステム１Ａは、蓄電池により自走可能な自走式ロボット１０Ａと、この自走式ロボットの蓄電池を充電するためのステーション３０Ａとを備えている。自走式ロボット１０Ａは、第１実施形態の自走式ロボット１０において、発光制御部２１と、発光部２２とを新たに設けた構成となっている。また、ステーション３０Ａは、第１実施形態のステーション３０において、受光部３５と、コード認識部３６と、押出機構制御部３７と、接続端子押出機構３８とを新たに設けた構成となっている。
【００３４】
本実施形態におけるステーション３０Ａの発光部３２の配置を図１４に示す。発光部３２は、複数個の発光素子（例えば赤外ＬＥＤ）３２ａを有し、これらの発光素子３２ａが円弧状に、放射方向へ等角度間隔で配置されている。間隔は発光素子３２ａの指向性に合わせて不足なく配置する。第１実施形態との違いは、配置した発光素子ごとに別の識別コードを発光する。また、各発光素子の光軸がドッキング時の回転中心の前方で交わり、誘導する際に回転中心前方へ誘導する構成となっている。
【００３５】
自走式ロボット１０のドッキング制御部１４からの信号を発光制御部２１が受け、この信号に基づいて特定のコードを有する赤外光が発光部２２を介して発光させる。この発光部２２からの赤外光をステーション３０側の受光部３５が受信する。受光部３５によって受光した赤外光に含まれるコードをコード認識部３６によって識別する。また、受光したコードに応じて、押出機構制御部３７が接続端子押出機構３８を制御することによって接続端子３４を押し出す。
【００３６】
次にドッキングに至るシーケンスについて図１５乃至図１７を参照して説明する。自走式ロボット１０Ａがステーション３０Ａから発せられるビーコンを頼りに、ステーション３０Ａの方向へ姿勢を変えながら、後退するまでは、第１実施形態（図８）までと同じように行う。自走式ロボット１０Ａがステーション３０Ａに接近し、赤外光が受信されなくなったら、予め決められた一定距離を移動し、ステーション３０Ａの前方で停止する（図１５）。中央の発光素子３２ａの赤外光以外での誘導では、位置は正しいが、その姿勢は供給プラグ３４の位置とは異なり、図１５に示すように、ステーション３０Ａに対し、ずれた角度で進入する。その際、各発光素子３２ａから発光されているコードが違うため、どの方向からステーション３０Ａに進入したかが分かる。そして、例えば、図１５では、中央の発光素子の直ぐ下に設けられた発光素子３２ａの発光方向（破線で示す方向）に沿って進入した際には右回りに接続端子（プラグ）３４の方向へ、自走式ロボット１０Ａがその場回転する（図１６）。
【００３７】
そして、中央の発光素子３２ａのコードを受光したら停止し、ロボット１０Ａの発光部２２からステーション３０Ａの受光部３５に対し、プラグ３４を押し出させるための信号を発光する。この信号はステーション３０Ａの受光部３５で受信し、この受信した信号に基づいてステーション３０Ａのコード認識部３６を介して押出機構制御部３７がプラグ３４を接続位置に押し出す。その後、ロボット１０Ａは後退し、プラグ３４がコネクタ２４に接続されたら停止しドッキングを完了する。
【００３８】
本実施形態は、ステーション３０Ａの前方に誘導することで、プラグ３４以外はステーション３０Ａとロボット１０Ａが接触せず、ステーション３０Ａとロボット１０Ａが接触することによる傷の発生を抑えることができる。また、ステーション３０Ａから離れる際には、ロボット１０Ａの発光部２２から、ステーション３０Ａのプラグ３４を収納する信号を発光し、この信号をステーション３０Ａの受光部３５が受信すると、ステーションは接続端子３４を収納する。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態も第１実施形態と同様に、予め軌道やステーション以外の構造物を利用せずにドッキングが可能で、かつドッキング終了後に自走式ロボットの自己位置を補正することができるドッキングシステムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施形態によるドッキングシステムの構成を示すブロック図。
【図２】第１実施形態にかかるステーションの平面図。
【図３】第１実施形態に係る自走式ロボットのドッキング動作を説明するフローチャート。
【図４】第１実施形態に係る自走式ロボットのドッキング動作を説明する図。
【図５】第１実施形態に係る自走式ロボットのドッキング動作を説明する図。
【図６】第１実施形態に係る自走式ロボットのドッキング動作を説明する図。
【図７】第１実施形態に係る自走式ロボットのドッキング動作を説明する図。
【図８】第１実施形態に係る自走式ロボットのドッキング動作を説明する図。
【図９】第１実施形態に係る自走式ロボットのドッキング動作を説明する図。
【図１０】第１実施形態に係る自走式ロボットのドッキング動作を説明する図。
【図１１】第１実施形態に係る自走式ロボットのドッキング動作を説明する図。
【図１２】第１実施形態に係る自走式ロボットのドッキング動作を説明する図。
【図１３】本発明の第２実施形態によるドッキングシステムの構成を示すブロック図。
【図１４】第２実施形態にかかるステーションの平面図。
【図１５】第２実施形態に係る自走式ロボットのドッキング動作を説明する図。
【図１６】第２実施形態に係る自走式ロボットのドッキング動作を説明する図。
【図１７】第２実施形態に係る自走式ロボットのドッキング動作を説明する図。
【符号の説明】
【００４１】
１  ドッキングシステム
１０  自走式ロボット
１１  受光部
１２  コード認識部
１３  測距部
１４  ドッキング制御部
１５  駆動部
１６  エンコーダ・ジャイロ
１７  移動位置計測部
１８  地図情報管理部
１９  経路生成部
２０  制御部
２４  接続端子
２５  蓄電池
３０  ステーション
３１  発光制御部
３２  発光部
３３  充電回路
３４  接続端子
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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