JPH06174829A

JPH06174829A - 超音波センサおよびこれを有する移動作業ロボット

Info

Publication number: JPH06174829A
Application number: JP4327771A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Takagi; 祥史高木; Yasumichi Kobayashi; 保道小林; Hidetaka Yabuuchi; 秀隆薮内; Osamu Eguchi; 修江口; Hirofumi Inui; 弘文乾
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-12-08
Filing date: 1992-12-08
Publication date: 1994-06-24

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は送信用振動素子から受信用振動素子
への直接波を減少させ、広角でかつ近距離物体が検知で
きる超音波センサを提供するものである。【構成】送信用または受信用の超音波振動素子４１・
４２と、この超音波振動素子を並設する一対の開口部４
６・４７を有するバッフル板４５を備え、開口部周縁は
バッフル板４５の前面に対し鋭角のエッジ部４６’・４
７’を形成し、エッジ部の後面には開口面積を遮らず端
部が前面から同一距離に位置する３カ所以上の突起部５
２・５３を設け、送信用または受信用の超音波振動素子
を、バッフル板の突起部に当接させて開口部周縁のエッ
ジ部より後方に設けて配置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば自動床面掃除機や
無人搬送車等の移動作業ロボットの障害物検知装置や測
距装置に用いる超音波センサおよびこれを有する移動作
業ロボットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、超音波振動素子から超音波を
送信し、この反射波を受信することにより、物体の有無
あるいは物体までの距離を測定する手段は、物体検知セ
ンサ・測距センサとして各種装置に用いられている。測
距用センサとしては超音波振動素子の前面部にホ−ンを
設けて指向性を持たせるのが通常であるが、特に移動作
業ロボットなどの障害物検知装置においては、１つの超
音波センサで広い範囲（広角）の物体を検知するために
ホーンを用いず、また近距離の検知ができるように送信
用と受信用の超音波振動子を別々に設ける手段がとられ
ている。またこれを有する移動作業ロボットには、複数
の超音波センサが本体の周囲に配置されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の超音波センサで広角でかつ近距離の物体を検
知しようとしても、送信用の超音波振動素子（以下、送
信用振動子）から送信された超音波が、送信用振動子を
取り付けた前面のバッフル板で回折して、直接受信用の
超音波振動素子（以下、受信用振動子）に受信されてし
まい、物体からの反射波との区別がつかないために近距
離の測距には限界があった。また、これを有する移動作
業ロボットでは、本体周囲全領域の障害物を検知するた
めには超音波センサの数を増やせばよいが、数を増やす
とセンサ間の設置距離が接近して、設置スペースを確保
できない、あるセンサの反射波あるいは直接波を他のセ
ンサで受信して正確な障害物検知ができない、等の理由
でその数には限度があり、よって本体周囲に死角を残し
て障害物を検知できず衝突していた。特に本体前の左右
隅の衝突が顕著であった。

【０００４】そこで本発明は上記従来の構成が有してい
た課題を解決するものであって、バッフル板への超音波
振動素子の取り付け構造を改善して、送信用振動素子か
ら受信用振動素子への直接波を減少させ、広角でかつ近
距離の物体が検知できる超音波センサを提供することを
第一の目的としている。

【０００５】また、超音波センサの数を増やさず反射板
を設けることによって、衝突頻度の高い本体斜め前方の
死角を無くし、衝突を回避できる移動作業ロボットを提
供することを第二の目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第一の目的を達成するた
めの本発明の第一の手段は、送信用または受信用の超音
波振動素子と、これらを並設する一対の開口部を有する
バッフル板を備え、前記バッフル板の開口部周縁はバッ
フル板の前面に対し鋭角のエッジ部を形成し、エッジ部
の後面には開口面積を遮らず端部が前面から同一距離に
位置する３カ所以上の突起部を設け、前記送信用または
受信用の超音波振動素子を、バッフル板の突起部に当接
させて開口部周縁のエッジ部より後方に設けて配置した
超音波センサとするものである。

【０００７】第二の目的を達成するための本発明の第二
の手段は、本体を移動させる駆動手段および操舵手段
と、本体周囲の障害物を検知しその距離を測定する複数
の超音波センサからなる測距手段と、上記駆動手段と操
舵手段とを制御し本体の走行制御を行う走行制御手段
と、清掃などの作業を行う作業手段とを備え、上記超音
波センサの一部は本体斜め前方に向けて設置し、このセ
ンサの外側後方に近接してセンサ前面に対してほぼ直角
の角度をなす反射板を設けたことを特徴とする移動作業
ロボットとするものである。

【０００８】

【作用】本発明の第一の手段によれば、バッフル板の開
口部周縁に鋭角エッジ部、エッジ部の後面に突起部を設
け、超音波振動素子をバッフル板の突起部に当接させて
開口部周縁のエッジ部より後方に配置することにより、
まず素子の設置位置が安定し、そして開口部周縁で回折
する超音波が確率的に少なくなり送信用振動子から受信
用振動子への直接波が減少するので、広角でかつ近距離
の物体が検知できる超音波センサが実現できるものであ
る。

【０００９】また、本発明の第二の手段によれば、本体
周囲の障害物を検知しその距離を測定する測距手段を構
成する複数の超音波センサの一部を、本体斜め前方に向
けて設置し、このセンサの外側後方に近接してセンサ前
面に対してほぼ直角の角度をなす反射板を設けることに
より、衝突頻度の高い本体斜め前方の死角を無くし、衝
突を回避できる移動作業ロボットが実現できるものであ
る。

【００１０】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の第１の手段による実施例を
添付図面に基づいて説明する。

【００１１】図１は本発明の超音波センサの構成を示
す。図において、４１は送信用の超音波振動素子、４２
は受信用の超音波振動素子で、セラミック等のピエゾ素
子からなる振動体を円筒状のケースに収納したもので同
一構造をしており、それぞれの後方部には電気端子４３
・４４が導出している。４５はバッフル板で、それぞれ
の超音波振動素子４１・４２の前方部に円形の開口部４
６・４７を有している。また、バッフル板４５には超音
波振動素子４１・４２を取り付けるための筒状の取り付
け部４８・４９が設けられ、これらの超音波振動素子４
１・４２は発泡ゴムやフェルト等からなる防振材５０・
５１を介してこの内部に取り付けられる。バッフル板５
の開口部４６・４７の周縁は図１（ａ）に示すようにバ
ッフル板４５の前面に対して鋭角αのエッジ部４６’・
４７’を有している。さらにエッジ部４６’・４７’の
後面には、開口部４６・４７の円内に突出せず（開口面
積を遮らず）に、その中心を基点としてそれぞれ１２０
度間隔で３ヶ所、エッジ部４６’・４７’の周縁長さに
対して小さい突起部５２・５３が設けられ、それぞれの
端面は、バッフル板４５の前面から同一距離Ｌの位置に
ある。そして、超音波振動素子４１・４２はバッフル板
４５の後ろ側から突起部５２・５３の端面に当接して取
り付けることによりエッジ部４６’・４７’の後方に隙
間Ｌができるようになっている。５４・５５は超音波振
動素子４１・４２のそれぞれの後部を覆うキャップカバ
ーで、この内部の空間部にはスポンジや発泡ゴム等から
なる吸音材５６・５７が設けられている。５８・５９は
それぞれ超音波振動素子４１・４２のリード線で、電気
端子４３・４４と接続する。

【００１２】以上のように構成した超音波センサについ
て、以下にその動作を説明する。本実施例の超音波セン
サは、送信用の超音波振動素子４１を駆動して超音波パ
ルスＡを送信し、この超音波パルスＡが前方の物体に当
たって反射して戻ってきた反射波Ｂを受信用の超音波振
動素子２で受信し、その送信時刻と受信時刻の時間差を
測定することにより物体までの距離を検知するものであ
る。この測距方式で近距離にある物体までの距離を検知
する場合、もし送信用の超音波振動素子１から送信した
超音波パルスが直接受信用の超音波振動素子４２に強く
入ると物体からの反射波との区別ができないため測距不
可能となる。そこで本実施例では、次に述べる手段で送
信用の超音波振動素子４１から受信用の超音波振動素子
４２への直接波を減少させている。

【００１３】図２は第一の手段の作用を説明するもので
ある。図２（ａ）は送信用の超音波振動素子４１を示
し、６１は超音波振動素子４１の内部の振動体で、この
振動体６１が駆動され振動して超音波を発生する。ここ
で、例えば点Ｐから発生する超音波には次の３種類があ
る。１つは矢印ａのように開口部６から直接外部に出て
いくもの。２つ目は矢印ｂのように開口部４６のエッジ
部４６’で回折して外部に出ていくもの。３つ目は矢印
ｃのように開口部６の内側で反射して外部に出ないもの
である。この中で送信用振動子１から受信用振動子４２
への直接波となり得るのは２つ目の回折波であるが、本
実施例ではエッジ部４６’が鋭角であり、かつ送信用の
超音波波振動素子４１が突起部５２に当接してエッジ部
４６’より後方（距離Ｌ）にあるため、回折を起こすの
はエッジ部４６’の先端部を通るものだけであることが
分かる（すなわち、エッジ部が直角であれば矢印ｃのよ
うな反射はなく全て回折してしまう）。さらに、突起部
５２は、距離Ｌを保つだけでなく、送信用の超音波振動
素子４１の前面を、バッフル板４５の前面と平行に、正
確で安定した位置決め支持ができる。もし素子前面がバ
ッフル板４５の前面に対して傾くと、傾いた方向のエッ
ジ部４６’に振動体６１の正面方向が近づくことになる
が、振動体６１から送信される超音波のエネルギー密度
は正面方向に近いほど高いので、傾いた方向では、高エ
ネルギーの超音波がエッジ部４６’の先端部を通って回
折を起こす。つまり、鋭角αのエッジ部４６’と、この
後面の突起部５２により送信用の超音波振動素子４１か
ら送信した超音波が回折する確率が非常に小さくなる。

【００１４】また、図２（ｂ）に示すように受信用の超
音波振動素子４２について見てみると、例えば超音波振
動素子４１からの直接波ｄが開口部４７に達してこのエ
ッジ部４７’に当たると、エッジ部４７’は鋭角である
ためここでの回折方向は受信用の超音波振動素子４２の
外周方向になるため、振動体６２に直接届かない。さら
に、突起部５３は、受信用の超音波振動素子４２の前面
を、バッフル板４５の前面と平行に、正確で安定した位
置決め支持しており、超音波振動素子４２が傾いて受信
感度の高い振動体６２の正面方向がエッジ部４７’に近
づくのを防いでいる。つまり、たとえ超音波振動素子４
１からバッフル板４５の表面を沿うような直接波が発射
されたとしても、鋭角のエッジ部４７’と突起部５３に
より、これによる悪影響を小さくできるものである。

【００１５】このように、バッフル板４５の開口部４６
・４７に形成した鋭角αのエッジ部４６’・４７’と、
エッジ部４６’・４７’の後面に設けた突起部５２・５
３により超音波振動素子４１から超音波振動素子４２へ
の直接波が減少するものでる。

【００１６】なお、上記効果を十分発揮するためにはエ
ッジ部４６’・４７’の先端の厚みは０．５ｍｍ以下、
隙間Ｌの大きさは１〜３ｍｍ位が望ましい。また、突起
部５２・５３の個数と配置間隔は、超音波振動素子４１
・４２を安定して正確に位置決めできれば、前記限定の
限りではない。

【００１７】（実施例２）以下、本発明の第一の手段の
実施例である自走式掃除機の全体構成を図３・図４に基
づいて説明する。１は自走式掃除機の本体、２Ｌ・２Ｒ
はそれぞれ本体１の左右後方に設けた駆動輪で、駆動モ
ータ３Ｌ・３Ｒで左右独立に駆動される。４は本体１の
前方に回転自在に取り付けられた従輪である。以上、駆
動輪２Ｌ・２Ｒ、駆動モータ３Ｌ・３Ｒ、従輪４は本体
１を移動させる駆動手段と操舵手段を構成している。ま
た３Ｌ’・３Ｒ’はそれぞれ駆動モータ３Ｌ・３Ｒに接
続されたロータリエンコーダ等からなる回転検出器で、
移動距離計測手段を構成しており、駆動モータ３Ｌ・３
Ｒの軸回転数を検出している（以下移動距離計測手段
３’と称する）。５は本体後面に設けた扉で、下を支点
に縦開きになっている。８は伸縮ハンドルであり、自動
清掃時には図の状態であるが、本体１を手動で移動させ
る時は、本体１の内部のパイプ（伸縮ハンドル８の一
部）の長手方向に沿って上方に引き延ばすことができる
（図示せず）。１１は本体１の周囲に取り付けられた弾
性材からなる緩衝体で、本体１が障害物に衝突したとき
の衝撃を和らげる。１２は本体１の側部から前部にかけ
て本体１より突出する接触検知手段で、本体前方や側方
の壁面等や、床面からの突起物、段差等の障害物の接触
を検出できる。１３は本体１の左右後ろ隅に設けた可動
体で、障害物等に接触すると本体１の内側に押し込まれ
て接触を検知できる。１４は電動送風機、１５は集塵
室、１６・１７はその内部に設けたフィルターである。
１８は本体１の底部後方に設けた床ノズルで、接続パイ
プ１９を介して集塵室１５と接続している。２０はブラ
シで、回転板の周囲に植毛され、本体１に設けたモータ
によって床面とほぼ平行に本体１の内側方向に回転駆動
されて、床面上のごみを掃くようになっている。以上、
電動送風機１４・集塵室１５・フィルタ１６・１７・床
ノズル１８・接続パイプ１９・ブラシ２０は、清掃手段
を構成している。２２は本体１の前方から左右側方にか
けての物体までの距離を測定する測距手段で、送受信可
能な超音波センサを、それぞれを本体１の外側に向けて
図４に示すように配置することにより構成されている。
２３は本体１の方向を計測する方向計測手段で、本実施
例ではレートジャイロおよびこの出力を積分する積分器
などから成っている。２１は測距手段２２、方向計測手
段２３および後述の誘導信号受信手段２６からの情報に
基づいて駆動モータ３Ｌ・３Ｒを制御し、本体１の走行
制御を行なう走行制御手段である。２９は全体に電力を
供給する蓄電池からなる電源である。２５は受電力手段
で、充電時に充電器（本体１とは別であり図示せず）か
らの電力を受け取りこれを電源２９に供給し、扉５に取
り付けられた裏板５’によって保護されている。２６は
誘導信号受信手段で、発信器（本体１とは別であり図示
せず）からの誘導信号を受信する。２７は操作部２８に
設けられた操作ボタンである。４０は本体１の斜め前方
に向けて設置した超音波センサ（測距手段２２のｅ）の
外側後方に近接する反射板で、その前面は、センサ前面
に対してほぼ直角（図で角度β）でかつ鉛直方向に沿う
ように設けられている。

【００１８】以上のように構成した自走式掃除機につい
て、以下にその動作を説明する。図５は本体１の左前部
分の拡大図と障害物（Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３）を示す。実際
に本実施例の自走式掃除機を使用する場合、室内には柱
や家具類等の壁面からの突出部がかなりあり、障害物Ｓ
１・Ｓ２・Ｓ３のような状況は頻繁に生じる。まず、本
体１の正面にある障害物Ｓ１は、本体が前進（Ｄ１方
向）あるいは斜め前に移動（Ｄ２方向）するとき等、正
面方向に向けて設置された超音波センサで、超音波の経
路ｕ１によりこれを検知、測距、回避できる。次に、本
体１の斜め前にある障害物Ｓ２については、本体が前進
するときには、仮にこれを検知できなくても本体と接触
することはなく、Ｄ２方向に移動するときには、斜め前
に向けて設置された超音波センサｅで、超音波の経路ｕ
２によりこれを検知、測距、回避できる。ところが、Ｓ
１とＳ２の間にある障害物Ｓ３については、超音波セン
サｅから送信された超音波は、Ｓ３で本体から遠ざかる
方向に反射される（その経路はｕ３’）のでこれを受信
できず、本体がＤ２方向に移動するときはＳ３を検知で
きる位置関係になる可能性もなくはないが、Ｄ１方向に
前進するときは検知できず衝突してしまう。そこで反射
板４０を設けると、超音波センサｅからの送信超音波
を、先に反射板４０で反射させ、障害物Ｓ３面に対して
垂直に向けてから当てることができ、Ｓ３からの反射波
は送信と同経路で逆向きに超音波センサｅに戻ってくる
（その経路はｕ３）ので、障害物Ｓ３を検知できるよう
になる。

【００１９】つまり反射板４０により、超音波センサの
数を増やさずに、超音波センサのｅだけを用いて、障害
物Ｓ２を検知できる状態を確保しながら、障害物Ｓ３も
検知できるものである。

【００２０】なお、反射板４０の厳密な向き・大きさ・
位置は、超音波センサｅの向き・感度・大きさ・超音波
センサｅと緩衝体１１あるいは接触検知手段１２との間
隔等により調節するものとする。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明の第一の手段は、バ
ッフル板の開口部に形成した鋭角のエッジ部と、エッジ
部の後面に設けた突起部により送信用の超音波振動素子
から受信用の超音波振動素子への直接波が減少し、自動
床面掃除機や無人搬送車等の移動作業ロボットの障害物
検知装置や測距装置に最適な広角でかつ近距離の物体が
検知できる超音波センサが実現できるものである。

【００２２】また、本発明の第二の手段によれば、測距
手段を構成する超音波センサの一部を本体斜め前方に向
けて設置し、このセンサの外側後方に近接してセンサ前
面に対してほぼ直角の角度をなす反射板を設けることに
より、本体の斜め前から正面にかけての測距手段の死角
をなくし、障害物を確実に検知し回避できる移動作業ロ
ボットが実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の第一の手段の実施例である超音
波センサの縦断面図（ｂ）同（ａ）のＸ矢視図

【図２】（ａ）同実施例の作用を説明する送信用の超音
波振動素子近傍の縦断面図（ｂ）同実施例の作用を説明する受信用の超音波振動素
子近傍の縦断面図

【図３】本発明の第二の手段の実施例である移動作業ロ
ボットの縦断面図

【図４】同実施例の移動作業ロボットの横断面図

【図５】同実施例の動作を示す図

【符号の説明】１本体２駆動輪３駆動モータ４従輪１４電動送風機１５集塵室１６フィルター１７フィルター１８床ノズル１９接続パイプ２０ブラシ２１走行制御手段２２測距手段４０反射板４１送信用の超音波振動素子４２受信用の超音波振動素子４５バッフル板４６・４７開口部４６’・４７’ エッジ部５２・５３突起部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者江口修大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者乾弘文大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】送信用または受信用の超音波振動素子
と、これらを並設する一対の開口部を有するバッフル板
とを備え、前記バッフル板の開口部周縁はバッフル板の
前面に対し鋭角のエッジ部を形成し、エッジ部の後面に
開口面積を遮らず端部が前面から同一距離に位置する３
カ所以上の突起部を設け、前記送信用または受信用の超
音波振動素子を、バッフル板の突起部に当接させて開口
部周縁のエッジ部より後方に設けて配置した超音波セン
サ。
【請求項２】本体を移動させる駆動手段および操舵手
段と、本体周囲の障害物を検知しその距離を測定する複
数の超音波センサからなる測距手段と、上記駆動手段と
操舵手段とを制御し本体の走行制御を行う走行制御手段
と、清掃などの作業を行う作業手段とを備え、上記超音
波センサの一部は本体斜め前方に向けて設置し、このセ
ンサの外側後方に近接してセンサ前面に対してほぼ直角
の角度をなす反射板を設けた移動作業ロボット。