JPH06202732A - 移動体の運航装置及びその装置を利用したセキュリティロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 障害物が側壁だけでなく空中又は床面に配置
されている場所において、障害物を容易かつ効率的に検
知して移動体の運航を容易にすることを目的とする。 【構成】 移動体の前方の障害物を検出するために複数
の超音波センサー２０５を備えた運航装置であって、そ
の複数の超音波センサーのうち一方のセンサー群は、移
動体の上部に水平から下方に向けて超音波を発射するよ
うに設け、他方のセンサー群は移動体の下部に水平から
上方に向けて超音波を発射するように設け、かつ前記各
超音波センサーは水平面内を揺動可能に構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は床面又は地面等の上を
移動する移動体の運航装置及びそれを利用した工場や病
院等の監視をするためのセキュリティロボットに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】自立走行ロボットには、障害物検知用の
ため、超音波センサーを設けたものがある。この種のロ
ボットにおいては障害物を検知する方法又は装置とし
て、一個の指向性の狭い超音波センサーで２次元の水平
面をロボットの軸周りの全方向を走査するもの、ロボッ
トの外周に多数の指向性の狭い超音波センサーを同一平
面内に設けてロボットの軸周りを走査するもの、又は公
開特許公報昭６２ー１１６２０５号に記載されているよ
うに上下に回転可能な対の超音波センサーをロボットの
高さ方向に所定の距離だけ離隔した点に設けて障害物ま
での距離を検出するようにしたもの等がある。

【０００３】前２者のロボットは水平面内のみを走査す
るため、床面から適度の高さに置かれた障害物を効率的
に検知することができない。又最後に述べたロボットは
障害物までの距離を算出できるが、その算出のために複
雑な制御を必要とし、また形状によっては障害物の有無
の検出も困難な場合がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、ロボット
前方にある障害物を特定の形状の対象に限定して検出し
たり、あるいは検出のために複雑な計算を必要とする従
来技術の欠点を解決するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、前記課題を
解決するために、移動車体に複数の超音波センサーを設
け、その複数の超音波センサーのうち一方のセンサー群
は、移動体の上部に水平から下方に向けて超音波を発射
するようにセンサー設け、他方のセンサー群は移動体の
下部に水平から上方に向けて超音波を発射するように設
けかつ前記各超音波センサーは水平面内を揺動可能にし
た。

【０００６】

【作用】複数の超音波センサーのうち一群は移動車体の
上方部分に下向きに設けており、他の一群は下方部分に
上向きに設けてあるため、この上方部分と下方部分の間
に挾まれる障害物は容易に検出可能となり、また前記超
音波センサーは適当な角度範囲を揺動するため、前方に
ある障害物が検知可能となる。

【０００７】

【実施例】以下、図面を用いてこの発明の実施例を説明
する。

【０００８】図１は、本発明に係る運航装置を利用した
セキュリティロボットの正面図を示す。図２は図１の側
面図である。図１及び図２において、台車フレーム１１
の下側には前輪１３と駆動輪１５が両側に設けられてい
る。この駆動輪１５は駆動モータ１７によって、各々独
立に駆動され前進及び後退が可能であり、従って台車は
前進、後退の他に旋回もできる。前記駆動輪の各々には
回転数を測定するためのエンコーダ装置１９が設けられ
ている。また、台車フレーム１１の正面にはコントロー
ルパネル３１が設けられてあり、そのパネル３１には正
面前方の障害物を検知するための障害物検知装置３５が
設けられている。この検知装置３５の詳細については後
述する。正面下方部に衝突防止のための触覚センサー３
７が設けられている。この触覚センサー３７の先端には
バンパースイッチが設けられており、これが障害物に当
たるとクラッチ２３が作動し、ロボットは停止するよう
になっている。ロボットはその後、内蔵された或いは外
部からの制御装置により後退、旋回等を行なう。

【０００９】なお、駆動輪１５には回転数計測のための
エンコーダ用ブラシ２１が設けられている。

【００１０】また、前記台車フレーム頭部にはロボット
の位置検出のためのレーザーセンサー５１が設けられて
おり、このレーザーセンサー５１によって上方に向けて
レーザー光が発射され、建物内の所定の位置例えばロボ
ットが通過する要所となる位置に設けられたレーザー光
反射板５３（図示省略）により反射される。反射された
レーザー光をレーザーセンサー５１が検出すると、ロボ
ットがその位置にいることが確認できる。前記レーザセ
ンサー５１は適宜の間隔を置いて２個設けられており、
これによって、ロボットの向きが検出できるようになっ
ている。即ち前記反射板５３は十字形状に構成されてい
ると共にこの十字形状の縦線と横線が区別できるように
なっている。例えば、縦線の巾は広く、横線の巾が狭い
とか、縦線は反射し易く反射光が強いが、横線は一部乱
反射し、又は反射係数を小さくして反射がやや弱く反射
光も弱い等の手段により区別ができるように設けられて
いる。

【００１１】なお、縦線と横線が区別できない十字状反
射板であっても、内部のメモリーに記録されたデータを
利用して区別するようにしてもよい。

【００１２】また、台車の上方には、外部と映像電波を
送信するためのアンテナ７１及び音声電波を送受信する
ためのアンテナ７３が設けられている。またビデオカメ
ラ７５とトランシーバー７７が適所の位置に設けられて
いる。前記ビデオカメラ７５によって撮像された画像情
報はビデオカメラ７５の下方に設けられたビデオ送信器
７９を介してビデオ用アンテナ７１から同一建物内の適
所に設置された図３に示すコンソール１０１に送信され
る。トランシーバ７７と音声用のアンテナ７３によって
前記のコンソールとの交信が可能である。電流と音声変
換のためのモデム８１がパネル３１の下側に設けられて
いる。また、このロボットには図示省略のマイクロプロ
セッサーを内蔵しており、外部との交信、ロボット自体
の必要な制御に使用されている。

【００１３】さらに、このロボットは前記コンソール１
０１によって制御が可能となるようにハード及びソフト
が設けられている。

【００１４】前記台車フレーム１１の下方には床面掃除
用の掃除機９１と集じん用のホッパー９３が設けられて
おり、掃除機９１はほぼ中央に設けられた真空モータ９
５により床面上のごみを集じんすることができる。

【００１５】前記駆動モータ１７、真空用モータ９５等
を駆動するため電源はロボット本体の適所に設けられた
バッテリー９７により供給される。

【００１６】このバッテリー９７には図示省略の接続用
コネクタプラグが設けられており、このコネクタプラグ
は建物内部の適所に設けられた電源端子と適宜接触し、
バッテリー９７を充電できるようになっている。

【００１７】図３は前述したコンソール１０１の正面図
である。図３において、コンソールの上方には映像電波
受信用アンテナ１０３、音声電波送受信用アンテナ１０
５が設けられており、映像電波はＴＶモニタ１０７によ
って画像が表示され、音声電波はトランシーバー１０９
によって音声に変換され、また送信用音声はモデム１１
１によって電気信号に変換され、アンテナ１０５から送
信される。またコンソール１０１にはコンピュータ１１
３とネットワークコントローラ１１５が設けられてお
り、必要な命令、データ等はモニター１１９を参照しな
がらキーボード１１７から入力し、またトラックボール
１２１を利用して入力する。なお、１２３はキースイッ
チである。

【００１８】ロボット正面前方の障害物の有無を検出す
る検出装置３５は、図１及び図２に示されているよう
に、上下の２個の揺動体２０１，２０３から構成されて
おり、この揺動体２０１，２０３の各々に６個の超音波
センサー２０５又はこれを利用した超音波トランジュー
サー２０５が設けられている。またこの揺動体２０１，
２０３は軸２０７によって連結されており、前記軸２０
７はステップモータ２０９によって回転揺動される。こ
の超音波トランジューサーには、水中音波捜索用モジュ
ールを備えた超音波制御器と超音波方向決め装置が設け
られている。

【００１９】前記揺動体２０１，２０３は上下対称に設
けてあり、その詳細は図４に示す。この揺動体２０１，
２０３は左右の板状体２０１Ｌ，２０１Ｒ及び中央のく
さび形遮壁体２０１ｃから形成されている。この板状体
２０１Ｌ，２０１Ｒは上段、中段、下段に３個の超音波
トランジューサー２０５ｕ，２０５ｍ，２０５ｄを取付
けるように構成されている。

【００２０】この上段、中断、下段の超音波トランジュ
ーサー２０５ｕ，２０５ｍ，２０５ｄは障害物を効率的
に検知するため各々水平となす角が、０度、２５度下向
き、４１度下向きになるように設けられている。また、
板状体２０１Ｌ，２０１Ｒは、その法線の交叉角が９
３．６°に設けられてある。これは、ステップモータの
１ステップ角を７．２°にしたため板状体２０１Ｌ，２
０１Ｒが各々約９０度揺動したときに、これらの板状体
が１ステップだけ共通な方向を持つように設計したため
である。これによって、前記超音波トランジューサーは
前方１８０度の角度を所定の角度毎に完全にカバーする
ことができる。この板状体は超音波トランジューサーと
の間に浮遊容量を生じさせないため電気的絶縁材料で作
られている。また、前記遮壁体２０１ｃには、左右のト
ランジューサーの相互の干渉を防止するため、高密度の
ソナー吸収壁でその凹部を被っている。このトランジュ
ーサーの相互干渉はロボットが平なら壁に沿って移動す
るときに起きるもので、板状体の正面部分で超音波が反
射することに因るものである。

【００２１】前記各超音波トランジューサーはソーナー
発信回路と受信回路を備えている。この発信回路と受信
回路の数を減らすため、周波数マルチプレクサーを使用
しており、また、上、中、下段のトランジューサーはタ
イミングをずらして発信し、これにより反響音が誤って
異なるトランジューサーに受信されないようにしてあ
る。

【００２２】上下の板状体２０１，２０３を回転揺動す
るステップモータ２０９はマイクロステップモーターを
使用し、さらに正確な角度で位置決するために正弦波の
電流を用いている。

【００２３】障害物の検出装置３５は以上のように構成
されているので、ロボットの正面前方にある障害物を効
率的に検出することができる。このことは実験により確
かめられており、またトランジューサーの数を増加すれ
ば、より正確な検出が可能となるがそのために余計な回
路等が必要となる。

【００２４】図５は、前記ロボット１全体の制御系の系
統図を示す。

【００２５】図５において、ユーザ（又はオペレータ）
はユーザーインターフェース３０１より必要な命令デー
タ等を入力し、コントロールパネル１０１及びロボット
１に設けられてラジオ、モデム通信モジュール３０３，
３０５を介してロボットとの交信を行う。さらにロボッ
トは自律性バキューム型Ａ・Ｉモジュール３０７、障害
物検出のための視覚分析モジュール３０９、マッピング
及びプログラム化されたものを再生するための再生モジ
ュール３１１及び手動コントロール用モジュール３１３
を内蔵しており、これらはラジオモデム通信モジュール
３０３，３０５を介してユーザーと交信ができる。また
上述したモジュールはコントロールプロセッサ３１５に
よって各部分の制御を行なっている。

【００２６】このコントロールプロセッサ３１５によっ
て以下のものが制御されている。即ち、超音波センサー
３２３は超音波トランジューサーを含んだ視覚ハードウ
エア３２１を介して制御され、障害物を検出する検出装
置３５を回転揺動するためのステッピングモータ３２７
は回転制御器３２５によって制御され、駆動軸の回転を
計測するためのエンコーダ３３１はエンコーダハードウ
エア３２９によって制御され、ロボットを前後移動・回
転を行うための駆動モータ３３７は増巾器３３５を備え
たＰＷＭ動作制御器３３３によって制御され、ロボット
の位置を検知するための赤外線センサー３４１はそれを
制御するためのハードウエア３３９によって制御され、
ロボットの衝突防止のための触覚センサー３４５は触覚
センサー用ハードウエア３４３によって制御される。

【００２７】上述したように、このロボットは内蔵した
コントロールプロセッサ３１５によって制御されている
と共に外部との交信も可能で、外部からの制御もできる
ようになっている。

【００２８】図６はロボットの運航方法を示すブロック
図である。

【００２９】図６において、エキスパートシステム４０
１に室内掃除、工場内点検等の運航の目的、運航する場
所等を指定するとエキスパートシステムはその運航条件
に合った航路を航路計画器４０７に出力する。一方、赤
外線センサー等による基準位置検出器４０３からの出力
によりどの基準位置にいるかの情報が航路計画器４０７
に供給される。航路計画器４０７は前記情報に基づいて
航路を作成する。航路案内器４０９はこの航路に追従す
るようにロボットの運動制御指令を運動制御装置４１１
に提供する。この運動制御装置４１１は操作量をＰＩＤ
コントローラ４１３に提供する。ＰＩＤコントローラ４
１３はロボットの駆動輪４１７からの航路データと前記
操作量に基づいて駆動用モータ４１５を駆動する。

【００３０】一方、駆動輪４１７の回転数はデジタル量
に変換されてデータスタック４１９に記録される。また
ソーナーデータが超音波センサー４２１により検出され
た後Ａ／Ｄ変換器４２３により変換されデータスタック
４１９に記録され、同時に前記超音波センサー４２１を
回転揺動させるステップモータ４２５のデータがデータ
スタック４１９に記録される。ステップモータ４２５は
パルス発生器４２６からのパルスによって駆動される。
このデータスタック４１９に記録されているデータに基
づいて、局所地図制作器４２７がロボットの現在地点の
局所地図を作製する。特徴抽出器４２９は作製された局
所的地図から顕著な特徴を抽出し、この特徴とこれに基
づく地形規則により全域的な符号データを大域的データ
再生器４３３により再作製する。この大域的符号データ
に基づいて航路計画器４０７は前に作製した航路を修正
する。

【００３１】図７〜１０を用いてロボットの移動道順を
決定する方法を説明する。

【００３２】図７は建物内の各部屋の構成とロボットが
通過すべき指定点ａ，ｂ，ｃ，・・ｉを示したものであ
る。図８は前記指定点の座標を示した点である。図９は
道順を決定するために用いる指定点及び各指定点に隣接
した指定点及びＸ座標とＹ座標を示したものである。

【００３３】図７において建物５０１内には４個の部屋
５０３，５０５，５０７，５０９があり廊下により仕切
られている。この建物の適宜の位置にロボットが通過す
べき指定点が与えられている。各指定点の上方には位置
及び方向を検出するためのレーザー光を反射する十字形
状の反射板が設けられている。前述した様にロボットに
はレーザーセンサーが設けられており、前記位置及び方
向を検出できる。

【００３４】また、ロボットは車輪に回転計を設けてあ
り大略の移動距離及び回転角度を検出できるように構成
されている。

【００３５】ロボットの現在位置をａにあるものとし
て、ロボットの移動する道順の決定法について述べる。

【００３６】図９に示す表の指定点ａの接続指定点は
ｂ，ｆ，ｇであるから、指定点ｂを選択する。次に指定
点ｂの接続点はａ，ｃ，ｅ，ｉであるから、指定点ｃを
選択する。次に指定点ｃの接続点はｂ，ｄ，ｊであるか
ら指定点ｄを選択する。以下同様にしてａ→ｂ→ｃ→ｄ
→ｅ→ｆ→ａ→ｇ→ｈ→ｉ→ｊ→ｃ→ｂ→ａの道順が選
ばれる。

【００３７】この場合の移動距離は座標から５５５０ｃ
ｍであることが分かる。同様にして別の道順も探索し、
探索された道順の中から最適なものを選んでロボットの
道順とする。

【００３８】道順が決定したら、ロボットをその道順に
沿って移動させ、各反射板の下にきたときに位置を確認
し、誤差を訂正する。このようにしてロボットを各指定
点を通過させることができる。尚前記指定点はコーナ等
の重要な点に設けてある。又直線距離が長いときは適宜
中間点に設ける。

【００３９】図１０は別の道順の決定方法で、障害物の
配置が一定していない部屋内を掃除するための道順の決
定方法を示した一例である。なおこの例ではロボットは
通過した路及び検出された障害物の位置は内蔵している
メモリーに記録される。図において５１１，５１３，５
１５は障害物である。なお、本例は掃除する場合に限定
するものではなく障害物の位置が変化し、かつ、床面上
を均一に移動する様な場合にも適用できるものである。

【００４０】図中点ｓは出発点である。ロボットは、ま
ず最初に出発点ｓから部屋の側壁に沿ってａ点まで掃除
しながら進み、ａ点で障害物５１１を発見したので障害
物を避けるため、掃除する巾の所定の間隔離れたｂ点ま
で掃除しながら進み次にｃ点まで掃除しながら進む。以
下同様にしてｃ→ｄ→ｅ→ｇ→ｈ→ｉと掃除しながら進
む。ｉ点では前方及び左方に障害物（側壁）を発見した
ので、掃除機を床面から離し、未探索でかつ最も好都合
な点例えば側壁に平行な線分から形成される点のうち最
も近くかつ折曲が少ない点ｊに移動する。

【００４１】点ｊから点ｋまで進と再び前方及び右方に
側壁を発見するので、次に移動する点を探索する。障害
物５１３の下側部分は未探索領域であるので、この領域
に行ける可能性のある点ｍを見出し、以下この点を再び
出発点として点ｎまで掃除しながら進む。ｎ点に到達す
ると、障害物のない未探索領域はなくなったので掃除は
完了する。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
側壁だけでなく障害物が空中又は床面に設置されている
場合等においても、容易かつ効率的に検知できるため移
動体の運航が容易になるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るロボットの正面図であ
る。

【図２】本発明の一実施例に係るロボットの側面図であ
る。

【図３】本発明の一実施例に係るロボットと外部から交
信するためのコンソールの正面図である。

【図４】本発明の一実施例に係る障害物検出装置を示す
図である。

【図５】本発明の一実施例に係るロボットの制御系を示
すブロック図である。

【図６】ロボットの航路決定するブロック図である。

【図７】建物内の配置とロボットの通過すべき指定点を
示した図である。

【図８】図７の点を座標表示した図である。

【図９】通過する道順を決定する方法を示したデータ表
である。

【図１０】障害物のある建物内を掃除する場合等のロボ
ットの移動する道順を決定する方法を示した図である。

【符号の説明】

１１ 台車フレーム １５ 駆動輪 ３５ 障害物検知装置 ３７ 触覚センサー ５１ レーザーセンサー ７１ 映像用アンテナ ７３ 音声用アンテナ １０１ コンソール ２０１，２０３ 超音波トランジューサー取付揺動体 ２０５ 超音波トランジューサー

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動体の前方の障害物を検出するために
   複数の超音波センサーを備えた運航装置であって、その
   複数の超音波センサーのうち一方のセンサー群は、移動
   体の上部に水平から下方に向けて超音波を発射するよう
   にセンサー設け、他方のセンサー群は移動体の下部に水
   平から上方に向けて超音波を発射するように設けかつ前
   記各超音波センサーは水平面内を揺動可能にしたことを
   特徴とする移動体の運航装置。
2. 【請求項２】 前記移動体の上部に設けた超音波センサ
   ー群は上段、中段、下段に設けた２列の６個の超音波セ
   ンサーからなり、上段のセンサーは超音波の発射方向を
   水平に、中段のセンサーは発射方向を下向きに、下段の
   超音波センサーはさらに下向きに設け、かつ各列の超音
   波センサーはその発射方向がほぼ直角に外側に広がるよ
   うに設け、また前記移動体の下部に設けた超音波センサ
   ー群は６個の超音波センサーからなり、この６個の超音
   波センサーは前記上部に設けた超音波センサー群と水平
   面に対して上下対称に設け、かつ同期して、水平面内を
   揺動可能に設けたことを特徴とする請求項１記載の移動
   体の運航装置。
3. 【請求項３】 前記移動体には前記超音波センサー群の
   各センサー相互間の干渉を減らすためのセンサー取付体
   を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の
   移動体の運航装置。
4. 【請求項４】 前記移動体は駆動車輪を具備した移動車
   体であることを特徴とする請求項１ないし請求項３記載
   の移動体の運航装置。
5. 【請求項５】 前記移動体の前記駆動輪は独立に正逆回
   転可能な駆動輪を具備したことを特徴とする請求項４記
   載の移動体の運航装置。
6. 【請求項６】 前記移動車体は病院又は工場等の建物内
   を移動可能な移動体であって、前記移動体の適所の箇所
   に上向きにレーザーセンサーを設け、前記建物内部の適
   宜な箇所の上方部分に前記レーザーセンサーからのレー
   ザー光を反射する反射物体を設け、前記反射光を受光し
   て移動体の通過径路を点検する装置を具備したことを特
   徴とする請求項４又は請求項５記載の移動体の運航装
   置。
7. 【請求項７】 前記反射物体は所定の２方向を検出可能
   にするものであることを特徴とする請求項６記載の移動
   体の運航装置。
8. 【請求項８】 前記所定の２方向は互いに直交する方向
   であることを特徴とする請求項７記載の移動体の運航装
   置。
9. 【請求項９】 前記移動体は移動した距離及び移動体の
   自転した角度を積算する手段を具備したことを特徴とす
   る請求項５ないし請求項８記載の移動体の運航装置。
10. 【請求項１０】 前記移動体は駆動用電池を充電するた
    めの自動充電装置を具備したことを特徴とする請求項１
    ないし請求項９記載の移動体の運航装置。
11. 【請求項１１】 請求項１ないし請求項１０記載の運航
    装置を具備した移動体であって、さらにビデオカメラ及
    びビデオ送信器と、トランシバー及びその送受信器と煙
    検出装置を具備したことを特徴とするセキュリティロボ
    ット。
12. 【請求項１２】 前記セキュリティロボットは、さらに
    床面清掃用の清掃器を具備したことを特徴とする請求項
    １１記載のセキュリティロボット。
13. 【請求項１３】 前記移動体は運航航路を決定するため
    のエキスパートシステムを備えたことを特徴とする請求
    項１ないし請求項１２記載の移動体の運航装置またはそ
    れを利用したセキュリティロボット。