JP4528648B2 - 自走式ロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、自走式ロボットが充電ターミナルから充電供給を受けることを可能にする自走式ロボットシステムに関する。

従来、床面に接触するか、あるいは極めて近いところに取り付けた光学式センサを用いて床面をセンシングするロボットは、既に提案されている。文献１の自走式掃除機は、床面に光学式移動距離センサを二つ有し、二次元の移動距離を計測する。その移動距離に基づいて掃除機本体の移動量・回転量を計測している。カメラのレンズにゴミが付着することへの対策として、結像手段の床面に対する面（レンズカバーの下面）を平滑な凹面に形成することにより、ゴミの付着を軽減している。

文献１に代表される床面を観測するロボットにおいて、センサは床面に近いところかあるいは接触する位置に取り付けられている。このため、走行面によってはセンサ部に汚れが付着し、センシングが満足にできなくなる。

また、光学式センサのレンズ部を自動的に清掃するシステムも提案されている。文献２の発明は、光学式読取装置の対物ヘッドに設けられたレンズの自動清掃機構に関するものである。このレンズ自動清掃機構によれば、読み取り用のディスクが収容されたディスクケースに代えて、ロータリブラシを内蔵するクリーニングケースを装填すると、ディスク回転の駆動力を利用してロータリブラシが回転され、読み取り用の光学ヘッドに装着されている対物レンズの表面に付着したゴミを清掃する。
特開２００３−１８０５８６号公報（段落［００２７］、図３） 特開昭６０−７３５１７号公報（第２頁下右欄第６行〜第３頁上左欄第７行、第１図、第２図）

文献２に代表される光学式センサの自動清掃装置においては、センサ部と清掃部をセットで考えなくてはならない。このため、自走式ロボットに適用した場合、清掃を行わない場合は、デッドウェイトとなる清掃装置を常時内蔵していなければならないという問題がある。

自走式ロボットにおいて、光学式センサの清掃は常時行う必要はないことは認識されている。そこで、自走式ロボットにおいて、同じく、常時行う必要がない点で共通するものとして充電池への充電があることに着目して、充電ターミナルに帰還する時期を捉えて、光学式センサの清掃を可能にする点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、自走式ロボットに関して、充電池への充電のために自走式ロボットが充電ターミナルに帰還する時期を捉えて、清掃装置をロボット側に設けることなく、ゴミ等で汚れる可能性がある光学式センサを清掃可能にする自走式ロボットシステムを提供することである。

この発明による自走式ロボットシステムは、上記課題を解決し目的を達成するため、床面をセンシングする光学式センサを有する自走式ロボットと、前記自走式ロボットが自らの走行によってドッキング可能な充電ターミナルとを備え、前記充電ターミナルは、ドッキングした状態にある前記自走式ロボットの前記光学センサを撮影する撮像素子と前記撮像素子で撮影した前記光学センサの画像に基づいて前記光学センサの汚れの付着を認識可能な画像処理部と、前記光学式センサの清掃を行う清掃機構とを有しており、前記清掃機構は、前記自走式ロボットの前記充電ターミナルへの前記ドッキングの確認に加えて、前記画像処理部で認識された前記光学センサの汚れが一定量以上の汚れであると判定されることを条件として、前記光学式センサの清掃をすることから成っている。

この自走式ロボットシステムによれば、自走式ロボットが充電のために自らの走行によって充電ターミナルに帰還してドッキングするとき、清掃機構は、床面をセンシングする光学式センサの清掃を行う。自走式ロボットが充電ターミナルに帰還してドッキングするときには、充電ターミナルにおいて特定の帰還位置を占めているので、光学式センサも一定の位置を占めている。そこで、その一定の位置に対応して清掃機構を配置して、光学式センサを清掃することができる。したがって、自走式ロボットは清掃機構を内蔵する必要がなく、その分、重さを軽減して、稼働時間を長くすることができる。また、自走式ロボットが充電を使い果たすなどして充電ターミナルに帰還してドッキングするという、走行距離或いは清掃時間に略比例する適宜のインターバルを置いて光学式センサの清掃を行うので、光学式センサの汚れを定期的に清掃することができる。

この自走式ロボットシステムにおいて、清掃機構としては、回転式ブラシ又はエアブロワとすることができる。清掃機構が回転式ブラシであるときは、回転式ブラシによって光学式センサに付着したゴミを掃いて取り除くことができる。清掃機構がエアブロワであるときには、エアブロワから噴出される気流によって、光学式センサに付着したゴミを吹き飛ばすことができる。

この自走式ロボットシステムにおいて、清掃機構は、自走式ロボットの充電ターミナルへのドッキングが確認された後に、光学式センサの清掃を開始することが好ましい。光学式センサが一定の位置を占めて充電ターミナルに備わる清掃機構によって清掃可能になるか否かは、自走式ロボットが充電ターミナルにおいて正しい位置でドッキングをしているか否かに係っている。そこで、自走式ロボットが充電ターミナルに帰還してドッキングしたことを確認した後、即ち、光学式センサが一定の位置を占めたことを確認した後に、光学式センサの清掃を開始する。

この自走式ロボットシステムにおいて、充電ターミナルは、自走式ロボットが乗り上げ可能なステージと、ステージに乗り上げた自走式ロボットとのドッキングを確認するためのドッキングセンサとを有することができる。更に、充電ターミナルは、ドッキングセンサからの検出信号が入力されるとともに充電ターミナルの作動を制御する制御装置とを有し、制御装置は、ドッキングセンサからの検出信号を受けてドッキングの成否を判定することが好ましい。充電ターミナルにおいて自走式ロボットが特定の帰還位置を占めたことを確認する態様として、自走式ロボットがステージに乗り上げるという特別の動作を行うこととし、ステージ上で自走式ロボットがドッキングしたことをドッキングセンサが確認する方式を採ることができる。制御装置は、ドッキングセンサからの検出信号を受けてドッキングの成否を判定する。

この場合、更に、ドッキングセンサは、ステージ上に設定された自走式ロボットの帰還位置に配置されており且つ自走式ロボットの重量に起因した圧力を測定することに応じて検出信号を出力する感圧式センサとすることができる。このようにドッキングセンサを構成することにより、ステージ上に乗り上げた自走式ロボットが正しい帰還位置を取れば、その位置に配置されている感圧式センサが自走式ロボットの重量に起因した圧力を測定して、ドッキングが成立した旨の検出信号を出力する。

この自走式ロボットシステムにおいて、清掃機構は、ドッキングの確認に加えて、光学式センサの前回の清掃時から所定の時間を経過していることを条件として、光学式センサの清掃を開始することができる。自走式ロボットが充電ターミナルに帰還したとき、前回、光学式センサを清掃した時からの経過時間が所定の時間を経過している場合に光学式センサの清掃を行うこととすることで、無駄な清掃を省き必要な清掃を効率的に行うことができる。

充電ターミナルへのドッキングが確認された後に光学式センサの清掃を開始する場合、清掃機構は、ドッキングの確認に加えて、設定したタイマーの時刻に至ったことを条件として、光学式センサの清掃を開始することができる。タイマーの時刻は、例えば、週一回、一日一回というように定期的な時刻として設定することができる。

この自走式ロボットシステムにおいて、充電ターミナルは、光学センサを撮影する撮像素子と撮像素子で撮影した光学センサの画像に基づいて光学センサの汚れの付着を認識可能な画像処理部とを備えていて、清掃機構は、ドッキングの確認に加えて、画像処理部で認識された光学センサの汚れが一定量以上の汚れであると判定されることを条件として、光学式センサの清掃をする。即ち、撮像素子にて光学センサを撮影し、画像処理部にてその画像から光学センサの汚れの付着を認識し、光学センサの汚れが一定量以上の汚れであると判定されたときに、光学式センサの清掃を開始する。

この発明による自走式ロボットシステムによれば、自走式ロボットが自動で戻ってくる充電ターミナルにセンサ清掃用の機構を持たせてあるので、この機構により、人間の手を煩わすことなく定期的にセンサの清掃を行うことができる。また、自走式ロボットが充電装置に定期的にドッキングする必要があることを利用して、充電装置に清掃装置を備えることにより、清掃装置をレンズとは別、即ち、自走式ロボットとは別に持つことができるため、光学式センサとレンズを含むロボット本体の小型化を図り、信頼性の一層の向上を図ることができる。更に、撮像素子にて光学センサを撮影し、画像処理部にてその画像から光学センサの汚れの付着を認識し、光学センサの汚れが一定量以上の汚れであると判定されたときに、光学式センサの清掃をするので、光学式センサの汚れの度合いを同じ条件で自動的に判定し、人手を煩わすことなく清掃が必要とされたときにその清掃を行うことができる。

以下、図面を参照して、この発明による自走式ロボットシステムの実施例を説明する。［実施例１］
図１は、この発明による自走式ロボットシステムに用いられる自走式ロボットの要部を示す俯瞰図である。また、図２は図１に示す自走式ロボットを斜め下方から見たときの斜視図である。図１及び図２に示す自走式ロボット（以下、簡単のため「ロボット」と略す）１は、駆動機構を含む駆動輪２，３、走行する床面を見て移動量を検知するための光学式センサ４、充電池５、制御装置６及びボールキャスタ７を有しており、制御装置６からの指令により自立的に行動を行うことができる。また、ロボット１は、その行動領域内において、光学式センサ４からの検出信号を用いて自己位置の同定を行うことができる。光学式センサ４は、内蔵する画像センサで床面を一定周期で撮影する光学マウスやＣＣＤカメラ、或いは段差からの落下を防止するため床面との距離を測定する赤外線測距センサなど、床面に向けて使われ光学的な手法を用いたセンサとすることができ、通常は、床面に臨む位置にレンズ部８を有している。レンズ部８は、レンズそのもの又はレンズの外側を覆うガラスや樹脂から成る透明なカバーを含むもので、床等からの汚れに曝され易い表面を備えるものである。

図３は、この発明による自走式ロボットシステムに用いられる充電ターミナルの俯瞰図である。図４は図３に示す充電ターミナルの裏面斜視図である。図１及び図２に示すロボット１と図３及び図４に示す充電ターミナルとで、本発明における自走式ロボットシステムが構成されている。図３に示す充電ターミナル１４は、ロボット１の行動領域内において原点の役割を果たす。ロボット１は、外部からの操作、或いは自己に備わる光学式センサ４から得られる移動量情報に基づいて、充電ターミナル１４に帰還し、充電ターミナル１４から電力供給を受けて充電池５を充電することができる。

充電ターミナル１４は、図３及び図４に示すように、充電ターミナル１４の電力供給口に接続可能な電源コネクタ１２、後述する清掃機構として光学式センサ４を清掃可能な回転ブラシ９、回転ブラシ９を回転駆動するモータ１３、制御装置１５、情報入力装置（図示しない）、外部インターフェース（図示しない）、感圧センサ１０，１１を内蔵する形式で有している。充電池５への充電の制御、及び回転ブラシ９の回転制御は、制御装置１５によって行われる。図３において、符号１６は、ロボット１が帰還する充電ターミナル１４のステージを示す。また、図４において、矢印２１は、回転ブラシ９の回転方向の一例を示す。

図５は、図３に示す充電ターミナルに帰還した自走式ロボットのドッキングした状態を示す俯瞰図である。ドッキングは、アプローチについては車輪の回転量に基づいて走行距離、走行方向、現在位置等を同定するオドメトリを用い、最終的には、充電ターミナル１４上のステージ１６（図３）に到達したロボット１が適正な位置・姿勢に到達したかどうかの評価を感圧センサ１０，１１（図３）を用いて判別することにより行われる。充電ターミナル１４上のステージ１６には、ロボット１のボールキャスタ７、駆動輪２，３に対応した位置に感圧センサ１０，１１がそれぞれ配置されている。感圧センサ１０，１１上に作用する圧力は、感圧センサ１０，１１からの検出信号が充電ターミナル１４内の制御装置１５に送られることよって、制御装置１５で監視されている。制御装置１５は、感圧センサ１０，１１で検出したすべての圧力が適正な値になったとき、ロボット１と充電ターミナル１４とのドッキングが成功したものと判断し、光学式センサ４のレンズ部８の清掃を開始する。なお、上記のオドメトリの代わりに、あるいはそれに追加して、光学式センサによる移動量情報やＧＰＳによる位置情報を用いてドッキングを行っても良い。

光学式センサ４のレンズ部８の清掃は、充電ターミナル１４内に取り付けられた回転ブラシ９の回転により行われる。回転ブラシ９は中心軸から放射状に樹脂の毛を生やしたブラシであり、回転ブラシ９は清掃開始後、矢印２１の方向に回転を開始するが、一定周期で矢印２１に対して順転・逆転を繰り返し、累計で一定時間回転したら停止する。

制御装置１５は時計機能も有しており、光学式センサ４のレンズ部８の清掃を週一回、一日一回というように定期的に、或いは前回の清掃より２４時間というように時間間隔でスケジュールすることも可能である。この場合、上記の感圧センサ１０，１１に基づくドッキング条件と、清掃を行う時間条件とのどちらもが成立した場合に、レンズ部８の清掃が開始される。これら時間条件は（ドッキングが行われたら、時間に関わらず必ず清掃するという条件も含めて）充電ターミナル１４に内蔵された情報入力装置により、あるいは外部インターフェースを介して任意に設定可能である。

［実施例２］
図６は、この発明による自走式ロボットシステムの別の実施例を示す図であり、（ａ）は一部を取り除いて示す斜視図、（ｂ）は外観斜視図である。ロボット１そのものは、実施例１のロボットと同一である。ロボット１は図６の充電ターミナル２０にドッキングすることができ、ドッキングの手法及びその確認の手法も実施例１と同一とする。充電ターミナル２０には、ロボット１がドッキング時の光学式センサ４の位置に対応する位置に開口部２４が形成されており、その下部にブロワ１７とモータ１８が備わっている。レンズ部８の清掃はブロワ１７によって起こされる気流１９によって行われる。ブロワ１７はロボット１と充電ターミナル２０のドッキング完了後に回転を開始するが、ブロワ１７が一定時間回転したら清掃終了と判断され停止される。

また、撮像素子で光学式センサ４の汚れを撮影して、画像処理にて汚れの多寡を判断する充電ターミナルの例が図７に示されている。図７は、この構成における充電ターミナルの断面図である。撮像素子を用い、ロボット１に内蔵される光学式センサ４の汚れを画像処理にて認識し、制御装置１５はその汚れの多寡を判断し、ある程度の汚れを確認したら光学式センサ４のレンズ部８の清掃を行う。清掃時は、ブロワ１７の回転によって生じる風２３により光学式センサ４が清掃される。汚れの判別は前述と同様、ドッキング状態に至ってから行う。上記の感圧センサ１０，１１に基づくドッキング条件と、画像処理によって算出された汚れ量が閾値以上であるという条件がどちらも成立した場合に、レンズ部８の清掃が開始される。

図８は、充電ターミナルへの自走式ロボットのドッキング状態を示す縦断面図である。図８の縦断面は、充電ターミナルに形成されている開口部２４を通る位置での断面に設定されている。開口部２４を撮像素子２２の方向から見た場合、開口部２４内と外は容易に区別できるため、開口部２４内の画像は容易に抽出できる。開口部２４内は充電ターミナル２０の外から見て、光学式センサ４とそれを覆うカバーのような付属品とから成る光学式センサユニット２５で密閉されている。また充電ターミナル２０内には照明ＬＥＤ（図示しない）が内蔵されており、撮像素子２２は開口部２４内を一定の光量のもとで撮影できる。またドッキング状態に至るとほぼ同時に、光学式センサユニット２５が開口部２４内に来る。したがってドッキング状態下において、開口部２４をほぼ同じ条件で撮影することができる。

汚れ量に基づく清掃は以下のように行う。まず撮像素子２２より開口部２４方向の画像を撮影し、開口部２４内の画像を抽出する。ここで汚れ量を評価するパラメータとして、画像をグレースケール化し、開口部２４内の画像におけるその平均階調を用いることにする。開口部２４内の画素の階調を平均し、これがあらかじめ設定した閾値より低い（黒に近い）場合、一定時間ブロワ１７が回転し清掃を行う。図８は、この方式を実現する充電ターミナルの側面図（断面）である。

この発明による自走式ロボットシステムに用いられる自走式ロボットの要部の一例を示す俯瞰図。 図１に示す自走式ロボットを斜め下方から見たときの裏面斜視図。 この発明による自走式ロボットシステムに用いられる充電ターミナルの俯瞰図。 図３に示す充電ターミナルの裏面斜視図。 図３に示す充電ターミナルに帰還した自走式ロボットのドッキングした状態を示す俯瞰図。 この発明による自走式ロボットシステムの別の実施例を示す斜視図。 図６に示す自走式ロボットシステムの充電ターミナルの断面図。 図７に示す充電ターミナルへの自走式ロボットのドッキング状態を示す縦断面。

符号の説明

１ 自走式ロボット ２，３ 駆動輪
４ 光学式センサ ５ 充電池
６ 制御装置 ７ ボールキャスタ
８ レンズ部 ９ 回転ブラシ
１０，１１ 感圧センサ １２ 電源コネクタ
１３ モータ １４ 充電ターミナル
１５ 制御装置 １６ ステージ
１７ ブロワ １８ モータ
１９ 気流 ２０ 充電ターミナル
２１ 回転ブラシの回転方向 ２３ 風
２４ 開口部 ２５ 光学式センサユニット

Claims (2)

1. 床面をセンシングする光学式センサを有する自走式ロボットと、前記自走式ロボットが自らの走行によってドッキング可能な充電ターミナルとを備え、
   前記充電ターミナルは、ドッキングした状態にある前記自走式ロボットの前記光学センサを撮影する撮像素子と前記撮像素子で撮影した前記光学センサの画像に基づいて前記光学センサの汚れの付着を認識可能な画像処理部と、前記光学式センサの清掃を行う清掃機構とを有しており、
   前記清掃機構は、前記自走式ロボットの前記充電ターミナルへの前記ドッキングの確認に加えて、前記画像処理部で認識された前記光学センサの汚れが一定量以上の汚れであると判定されることを条件として、前記光学式センサの清掃をすることから成る自走式ロボットシステム。
2. 前記充電ターミナルは、前記自走式ロボットが乗り上げ可能なステージと、前記ステージに乗り上げた前記自走式ロボットとのドッキングを確認するためのドッキングセンサとを有し、前記ドッキングセンサは、前記ステージ上に設定された前記自走式ロボットの帰還位置に配置されており且つ前記自走式ロボットの重量に起因した圧力を測定することに応じて前記検出信号を出力する感圧式センサであることから成る請求項１に記載の自走式ロボットシステム。

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