特開 2024-53172 自律作業システム及び自律作業機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024053172

(43)【公開日】2024-04-15

(54)【発明の名称】自律作業システム及び自律作業機

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20240408BHJP

   H02J 50/12 20160101ALI20240408BHJP

   H02J 50/90 20160101ALI20240408BHJP

   H02J 50/80 20160101ALI20240408BHJP

   G05D 1/43 20240101ALI20240408BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 301D

H02J7/00 P

H02J50/12

H02J50/90

H02J50/80

G05D1/02 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022159251

(22)【出願日】2022-10-03

(71)【出願人】

【識別番号】000002945

【氏名又は名称】オムロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121382

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 託嗣

(72)【発明者】

【氏名】松下 克己

(72)【発明者】

【氏名】三野 宏之

(72)【発明者】

【氏名】野村 篤司

【テーマコード（参考）】

5G503

5H301

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503BA04

5G503BB01

5G503FA06

5G503GB08

5G503GD04

5H301AA02

5H301AA03

5H301BB12

5H301CC03

5H301CC06

5H301CC10

5H301GG07

5H301HH10

5H301QQ04

(57)【要約】

【課題】自律作業機の充電ステーションへの接近方向の自由度を向上させる。
【解決手段】自律作業システムは、充電ステーションと自律作業機とを備える。充電ステーションは、無線給電の送電ユニットを含む。自律作業機は、走行体と、モータと、バッテリと、無線給電の受電ユニットとを含む。モータは、走行体を走行させる。バッテリは、モータに電力を供給する。自律作業機は、自律走行しながら所定の作業を実行し、充電ステーションに移動して無線給電によりバッテリを充電する。送電ユニットは、送電コイルを含む。送電コイルは、充電ステーションが置かれる設置面に対して平行に配置される。受電ユニットは、受電コイルを含む。受電コイルは、設置面に対して平行に配置される。自律作業機は、受電コイルが送電コイルの上方に位置するように充電ステーションに移動して、バッテリを充電する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

無線給電の送電ユニットを含む充電ステーションと、
走行体と、前記走行体を走行させるモータと、前記モータに電力を供給するバッテリと、前記無線給電の受電ユニットと、を含み、自律走行しながら所定の作業を実行し、前記充電ステーションに移動して前記無線給電により前記バッテリを充電する自律作業機と、
を備え、
前記送電ユニットは、前記充電ステーションが置かれる設置面に対して平行に配置される送電コイルを含み、
前記受電ユニットは、前記設置面に対して平行に配置される受電コイルを含み、
前記自律作業機は、前記受電コイルが前記送電コイルの上方に位置するように前記充電ステーションに移動して、前記バッテリを充電する、
自律作業システム。

【請求項2】

前記受電コイルは、前記走行体の底面に配置される、
請求項１に記載の自律作業システム。

【請求項3】

前記充電ステーションは、前記設置面の傾斜角度を検出するセンサを含み、
前記自律作業機は、
前記センサによって検出された傾斜角度を取得し、
前記傾斜角度に応じて前記充電ステーションへの接近方向を決定する、
請求項１に記載の自律作業システム。

【請求項4】

前記センサは、前記充電ステーションから複数の方向への前記設置面の傾斜角度を検出し、
前記自律作業機は、前記傾斜角度が最も小さい方向を、前記充電ステーションへの接近方向として決定する、
請求項３に記載の自律作業システム。

【請求項5】

前記充電ステーションは、前記設置面の傾斜角度を検出するセンサを含み、
前記自律作業機は、
前記送電コイルの位置に基づく目標位置を記憶しており、
前記バッテリを充電するときには、前記受電コイルが前記目標位置に配置されるように前記充電ステーションに移動し、
前記センサによって検出された傾斜角度を取得し、
前記傾斜角度に応じて、前記目標位置を補正する、
請求項１に記載の自律作業システム。

【請求項6】

前記自律作業機は、自動芝刈り機である、
請求項１に記載の自律作業システム。

【請求項7】

自律走行しながら所定の作業を実行し、充電ステーションから無線給電により充電される自律作業機であって、前記充電ステーションは、前記充電ステーションが置かれる設置面に対して平行に配置される送電コイルを含み、
走行体と、
前記走行体を走行させるモータと、
前記設置面に対して平行に配置される受電コイルと、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間の無線給電により充電され、前記モータに電力を供給するバッテリと、
前記受電コイルが前記送電コイルの上方に位置するように、前記自律作業機を前記充電ステーションに移動させて、前記バッテリを充電するコントローラと、
を備える自律作業機。

【請求項8】

前記受電コイルは、前記走行体の底面に配置される、
請求項７に記載の自律作業機。

【請求項9】

前記コントローラは、
前記設置面の傾斜角度を取得し、
前記傾斜角度に応じて前記充電ステーションへの接近方向を決定する、
請求項７に記載の自律作業機。

【請求項10】

前記コントローラは、
前記充電ステーションから複数の方向への前記設置面の傾斜角度を取得し、
前記傾斜角度が最も小さい方向を、前記充電ステーションへの接近方向として決定する、
請求項７に記載の自律作業機。

【請求項11】

前記コントローラは、
前記送電コイルの位置に基づく目標位置を記憶しており、
前記バッテリを充電するときには、前記受電コイルが前記目標位置に配置されるように前記自律作業機を前記充電ステーションに移動させ、
前記設置面の傾斜角度を取得し、
前記傾斜角度に応じて、前記目標位置を補正する、
請求項７に記載の自律作業機。

【請求項12】

前記自律作業機は、自動芝刈り機である、
請求項７に記載の自律作業機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、自律作業システム及び自律作業機に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、自律走行して所定の作業を行う自律作業機と、この自律作業機を充電する充電ステーションとを備える自律作業システムが、知られている。例えば、特許文献１では、自律作業機は、自律走行して作業地の芝刈りを行う。作業地には、充電ステーションが配置されている。自律作業機は、充電ステーションと自律作業機とを電気的に接続するためのコネクタを備えている。コネクタは、自律作業機の前面に配置されている。自律作業機は、充電ステーションに向かって移動し、コネクタを充電ステーションに接続する。それにより、自律作業機が充電される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－０６４６８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した自律作業機では、コネクタが自律作業機の前面に配置されている。そのため、充電時には、自律作業機は、自律作業機側のコネクタが、充電ステーション側のコネクタに対して前後方向に正対するように、充電ステーションに向かって移動する。そのため、自律作業機の充電ステーションへの接近方向が限定されており、自律作業機を充電ステーションまでスムーズに移動させることは容易ではない。本発明の目的は、自律作業機の充電ステーションへの接近方向の自由度を向上させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様に係る自律作業システムは、充電ステーションと自律作業機とを備える。充電ステーションは、無線給電の送電ユニットを含む。自律作業機は、走行体と、モータと、バッテリと、無線給電の受電ユニットとを含む。モータは、走行体を走行させる。バッテリは、モータに電力を供給する。自律作業機は、自律走行しながら所定の作業を実行し、充電ステーションに移動して無線給電によりバッテリを充電する。送電ユニットは、送電コイルを含む。送電コイルは、充電ステーションが置かれる設置面に対して平行に配置される。受電ユニットは、受電コイルを含む。受電コイルは、設置面に対して平行に配置される。自律作業機は、受電コイルが送電コイルの上方に位置するように充電ステーションに移動して、バッテリを充電する。

【0006】

本発明の他の態様に係る自律作業機は、自律走行しながら所定の作業を実行し、充電ステーションから無線給電により充電される。充電ステーションは、送電コイルを含む。送電コイルは、充電ステーションが置かれる設置面に対して平行に配置される。自律作業機は、走行体と、モータと、受電コイルと、バッテリと、コントローラとを備える。モータは、走行体を走行させる。受電コイルは、設置面に対して平行に配置される。バッテリは、送電コイルと受電コイルとの間の無線給電により充電され、モータに電力を供給する。コントローラは、受電コイルが送電コイルの上方に位置するように、自律作業機を充電ステーションに移動させて、バッテリを充電する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、受電コイルと送電コイルとは、充電ステーションの設置面に対して平行に配置される。自律作業機は、受電コイルが送電コイルの上方に位置するように充電ステーションに移動して、バッテリを充電する。そのため、充電ステーションに対して、様々な方向から接近して、受電コイルを送電コイルの上方に位置させることができる。それにより、自律作業機の充電ステーションへの接近方向の自由度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態に係る自律作業システムと、自律作業システムが配置される作業エリアとを示す図である。

【図2】自律作業機の側面図である。

【図3】自律作業機と充電ステーションとの構成を示すブロック図である。

【図4】充電時の自律作業機と充電ステーションとを示す側面図である。

【図5】自律作業機と充電ステーションとの上面図である。

【図6】充電時の送電ユニットと、受電ユニットの目標位置とを示す側面図である。

【図7A】充電時の送電ユニットと、受電ユニットの補正された目標位置とを示す側面図である。

【図7B】充電時の送電ユニットと受電ユニットとを示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して実施形態にかかる自律作業システムについて説明する。図１は、本実施形態に係る自律作業システム１００と、自律作業システム１００が配置される作業エリア２００とを示す図である。自律作業システム１００は、自律作業機１と充電ステーション２とを含む。自律作業機１は、屋外の作業エリア２００の中を無人で自律走行しながら芝草を刈る自動芝刈り機である。

【0010】

充電ステーション２は、作業エリア２００内に配置される。充電ステーション２は、自律作業機１に給電する。充電ステーション２は、非作業時における自律作業機１の待機場所でもある。自律作業機１は、作業の開始時には、充電ステーション２を出発して、作業エリア２００内において芝刈り作業を行う。自律作業機１は、自動的に充電ステーション２に移動し、充電ステーション２で充電を受ける。

【0011】

図２は、自律作業機１の側面図である。図２に示すように、自律作業機１は、走行体１１と、走行モータ１２と、作業具１３と、バッテリ１４とを含む。走行体１１は、ハウジング１５と、前輪１６と後輪１７とを含む。前輪１６は、ハウジング１５の前部に設けられる。後輪１７は、ハウジング１５の後部に設けられる。

【0012】

走行モータ１２は、電動モータであり、後輪１７を回転させる。それにより、走行体１１が走行する。或いは、走行モータ１２は、前輪１６を回転させてもよい。走行モータ１２は、左右の後輪１７、或いは左右の前輪１６を独立して回転させてもよい。自律作業機１は、左右の後輪１７、或いは左右の前輪１６の回転速度差によって旋回してもよい。或いは、自律作業機１は、後輪１７、或いは、前輪１６が左右に操舵されることで、旋回してもよい。

【0013】

作業具１３は、ハウジング１５の下部に設けられている。作業具１３は、自律作業機１による作業を行うために使用される。本実施形態において、作業具１３は、刈刃１８と作業モータ１９とを含む。作業モータ１９は、電動モータであり、刈刃１８を回転させる。作業具１３は、刈刃１８を回転させることで芝草を刈る。バッテリ１４は、充電ステーション２によって充電される。バッテリ１４は、走行モータ１２と作業モータ１９とに電力を供給する。

【0014】

図３は、自律作業機１と充電ステーション２との構成を示すブロック図である。図３に示すように、自律作業機１は、無線給電の受電ユニット２１を含む。充電ステーション２は、無線給電の送電ユニット３１を含む。自律作業機１は、バッテリ１４に蓄えられた電力により、自律走行しながら芝刈り作業を実行する。自律作業機１は、充電ステーション２において、無線給電によりバッテリ１４を充電する。

【0015】

送電ユニット３１は、送電コイル３２と送電制御回路３３とを含む。送電コイル３２は、電力供給用のコイルである。送電制御回路３３は、商用電源４０から供給される電力を、送電コイル３２において磁界を発生させるための所定周波数の電力に変換して送電コイル３２に供給する。

【0016】

受電ユニット２１は、受電コイル２２と受電制御回路２３とを含む。受電コイル２２は、電力取出用のコイルである。受電コイル２２は、送電コイル３２と磁気結合し、電磁誘導方式によって、送電コイル３２から電力を受け取る。なお、電磁誘導方式は、送電コイル３２と受電コイル２２との少なくとも一方に共振回路を構成する手段を含んでもよい。受電制御回路２３は、受電コイル２２で生じた電力を、バッテリ１４を充電するための電力に変換して、バッテリ１４に供給する。それにより、バッテリ１４が充電される。

【0017】

自律作業機１は、作業機コントローラ２４を含む。作業機コントローラ２４は、自律作業機１の動作を制御する。作業機コントローラ２４は、例えば、CPU（Central Processing Unit）等のプロセッサーと、RAM（Random Access Memory）、及びROM（Read Only Memory）等のメモリを含む。

【0018】

作業機コントローラ２４は、自律作業機１による作業を行うためのデータ及びプログラムを記憶している。例えば、作業機コントローラ２４は、作業エリア２００のマップデータ、及び、芝刈り作業のスケジュールデータを記憶している。作業機コントローラ２４は、走行モータ１２を制御することで、自律作業機１を走行させる。作業機コントローラ２４は、自律作業機１を走行させながら作業モータ１９を制御することで、芝刈り作業を行う。

【0019】

自律作業機１は、位置センサ２５を含む。位置センサ２５は、自律作業機１の位置を検出する。位置センサ２５は、例えば、IMU（Inertial Measurement Unit）を含む。位置センサ２５は、例えば、充電ステーション２を基準とする相対位置に基づいて、作業エリア２００内における自律作業機１の位置と充電ステーション２の位置とを検出する。或いは、位置センサ２５は、GPS（Global Positioning System）などの受信機を含んでもよい。位置センサ２５は、自律作業機１の位置を示す座標と充電ステーション２の位置を示す座標とを検出してもよい。

【0020】

作業機コントローラ２４は、所定の帰還条件が満たされているかを判定する。帰還条件は、例えば、バッテリ１４の電力の残量が閾値以下であることである。或いは、帰還条件は、作業エリア２００における芝刈り作業が完了したことである。或いは、帰還条件は、作業の終了時刻となったことである。作業機コントローラ２４は、帰還条件が満たされていると判定した場合に、自律作業機１を制御して、充電ステーション２に移動させる。

【0021】

充電ステーション２は、ステーションコントローラ３４を含む。ステーションコントローラ３４は、例えば、CPU（Central Processing Unit）等のプロセッサーと、RAM（Random Access Memory）、及びROM（Read Only Memory）等のメモリを含む。ステーションコントローラ３４は、送電ユニット３１による送電を制御する。

【0022】

自律作業機１は、充電ステーション２に到達すると、受電ユニット２１と送電ユニット３１とによる無線給電により、バッテリ１４を充電する。図４は、充電時の自律作業機１と充電ステーション２とを示す側面図である。図４に示すように、充電ステーション２は、設置面４１上に配置されている。設置面４１は、作業エリア２００内の地面である。

【0023】

送電コイル３２は、設置面４１に対して平行に配置される。すなわち、送電コイル３２は、送電コイル３２の中心軸が設置面４１と垂直になるように配置される。受電コイル２２は、走行体１１の底面に配置される。受電コイル２２は、走行体１１の底面の前部に配置される。受電コイル２２は、設置面４１に対して平行に配置される。すなわち、受電コイル２２は、受電コイル２２の中心軸が設置面４１と垂直になるように配置される。自律作業機１は、受電コイル２２が送電コイル３２の上方に位置するように充電ステーション２に移動して、バッテリ１４を充電する。

【0024】

図５は、充電ステーション２及び自律作業機１の上面図である。図５に示すように、充電ステーション２は、複数の方向からの自律作業機１のアクセスが可能なように構成されている。例えば、充電ステーション２は、充電ステーション２の周囲３６０度の全ての方向からの自律作業機１のアクセスが可能なように構成されている。

【0025】

図３に示すように、充電ステーション２は、通信モジュール３５を含む。自律作業機１は、通信モジュール２６を含む。通信モジュール２６，３５は、例えば、赤外線、或いは電波によって、無線通信を行う。充電ステーション２と自律作業機１とは、通信モジュール２６，３５を介してデータの送受信を行う。

【0026】

充電ステーション２は、傾斜センサ３６を含む。傾斜センサ３６は、充電ステーション２が配置された設置面４１の傾斜角度を検出する。ステーションコントローラ３４は、傾斜センサ３６によって検出された設置面４１の傾斜角度を示すデータを、通信モジュール２６，３５を介して、作業機コントローラ２４に送信する。作業機コントローラ２４は、設置面４１の傾斜角度を示すデータを、ステーションコントローラ３４から取得する。傾斜センサ３６は、図５に示すように、複数の角度センサＳ１－Ｓ８を含む。角度センサＳ１－Ｓ８は、充電ステーション２から複数の方向への設置面４１の傾斜角度を検出する。

【0027】

作業機コントローラ２４は、充電ステーション２から複数の方向への設置面４１の傾斜角度を取得する。作業機コントローラ２４は、傾斜角度が最も小さい方向を、充電ステーション２への接近方向として決定する。例えば、充電ステーション２から北東方向への設置面４１の傾斜角度が最も小さい場合には、作業機コントローラ２４は、北東方向を充電ステーション２への接近方向として決定する。作業機コントローラ２４は、北東方向から充電ステーション２に接近させるように自律作業機１を制御する。

【0028】

以上説明した本実施形態に係る自律作業システム１００によれば、受電コイル２２と送電コイル３２とは、充電ステーション２の設置面４１に対して平行に配置される。自律作業機１は、受電コイル２２が送電コイル３２の上方に位置するように充電ステーション２に移動して、バッテリ１４を充電する。そのため、充電ステーション２に対して、様々な方向から接近して、受電コイル２２を送電コイル３２の上方に位置させることができる。それにより、自律作業機１の充電ステーション２への接近方向の自由度が向上する。

【0029】

作業機コントローラ２４は、充電ステーション２の設置面４１の傾斜角度に応じて、充電ステーション２への接近方向を決定する。そのため、設置面４１の傾斜によって送電ユニット３１に対する自律作業機１の位置がズレることによる送電コイル３２と充電コイルとの位置ズレが小さく抑えられる。それにより、充電ステーション２における給電効率が向上する。

【0030】

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【0031】

自律作業機１は、自動芝刈り機に限らず、他の自動機械であってもよい。例えば、自律作業機１は、無人搬送車であってもよい。自律作業機１は、例えば工場或いは倉庫内の作業エリア２００において、自律走行することで、荷物の搬送作業を行ってもよい。その場合、設置面４１は、屋内の床であってもよい。

【0032】

充電ステーション２の構成は、上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。例えば、充電ステーション２は、一部の方向からの自律作業機１のアクセスが制限されるように構成されてもよい。自律作業機１の構成は、上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。例えば、受電ユニット２１は、走行体１１の中央部、或いは後部に配置されてもよい。

【0033】

作業機コントローラ２４による自律作業機１の制御は、上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。例えば、図６に示すように、作業機コントローラ２４は、送電コイル３２の位置に基づく受電ユニット２１の目標位置Ｐ１を記憶している。目標位置Ｐ１は、受電コイル２２の中心軸Ａ１が、送電コイル３２の中心軸Ａ２と一致する位置である。作業機コントローラ２４は、バッテリ１４を充電するときには、受電コイル２２が目標位置Ｐ１に配置されるように、自律作業機１を充電ステーション２に移動させる。

【0034】

図７Ａに示すように、設置面４１が水平面４２に対して傾斜している場合、作業機コントローラ２４は、設置面４１の傾斜角度θ１に応じて、目標位置Ｐ１を補正する。例えば、作業機コントローラ２４は、設置面４１に平行な方向に、傾斜の上方へ向かって、補正距離Ｄ１だけ、目標位置Ｐ１を補正する。補正距離Ｄ１は、一定値であってもよい。或いは、補正距離Ｄ１は、可変であってもよい。例えば、作業機コントローラ２４は、傾斜角度θ１の増大に応じて、補正距離Ｄ１を増大させてもよい。

【0035】

この場合、図７Ｂに示すように、設置面４１の傾斜による重力の影響により、自律作業機１の位置が目標位置Ｐ１からズレたとしても、受電コイル２２の中心軸Ａ１と送電コイル３２の中心軸Ａ２とのズレが小さく抑えられる。

【産業上の利用可能性】

【0036】

本発明によれば、自律作業機の充電ステーションへの接近方向の自由度を向上させることができる。

【符号の説明】

【0037】

１：自律作業機
２：充電ステーション
１１：走行体
１２：走行モータ
１４：バッテリ
２１：受電ユニット
２２：受電コイル
３１：送電ユニット
３２：送電コイル
３６：傾斜センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】