機器人的環境識別裝置及其控制方法
2023-09-16 12:55:40 1
專利名稱：機器人的環境識別裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一邊自己移動一邊進行清掃或監視之類的作業的自走式機器人，特別是涉及通過作成作業環境的信息地圖，使機器人可以確定地走到目標地點的機器人的環境識別裝置及其控制方法。
一般說來，現有的自走移動機器人的優化路徑的編排裝置，已公開於日本特許公報平4-365104號中。
上述公報中所公開的機器人的優化路徑的編排裝置9如
圖1所示，由下述部分構成地圖存儲部分4，用於存儲對機器人的整個作業場所把可能移動的區域與障礙物劃分開來而表示出來的地圖；地圖生成更新部分8，用於生成對機器人周邊的狀況的地圖並更新已存儲於上述地圖存儲部4中的地圖；路徑探索部分5，用於利用已存儲於上述地圖存儲部分4中的地圖編排通往目標地點的路徑；路徑生成部分7，用於利用已存儲於上述地圖存儲部分4中的地圖來編排避開障礙物的路徑。
對已裝配了上述優化路徑編排裝置9的機器人，由自我位置識別部分2輸入現在位置數據，由指令輸入部分1輸入目標地點的位置數據。由障礙物識別部分6輸入周邊的障礙物的狀態的數據。
由路徑探索部分5或者路徑生成部分7利用上述信息所編排的路徑被傳往驅動部分3，機器人就按照該編排好的路徑移動。
此外，對地圖生成更新部分8，由上述作業位置識別部分2輸入現在位置，由障礙物識別部分6在移動期間輸入周邊障礙物的狀態以生成機器人的周邊狀態的地圖，並用之對已存儲於地圖存儲部分4中的整個作業場所的地圖進行更新。
但是，在這種現有的優化路徑編排裝置中，雖然機器人在作業初期不需要具備對作業場所的完全信息，藉助於每當進行作業時編排一個有效率的路徑，可以對付作業場所的變化。但是由於應當利用機器人所行定的現在位置和應行走的目標地點的位置和障礙物的有無等的信息來移動機器人，應當用現在的位置和障礙物的有無的狀態生成地圖的同時來更新已存儲下來的整個作業場的地圖，故存在著存儲器容量變大這麼一個問題。
除此之外，僅僅依靠對作業環境的信息進行作業的另外一種現有的機器人，把所給的作業空間分割成規定大小的單位單元(Cell)並分別對每一個單元存儲有無障礙物之類的必要的信息，並用設於機器人主體的規定位置上的信號接收器一邊接收用設於機器人的行走區域內的規定壁面上的信號發射器(超聲波或紅外線信號發射器)所發射的超聲波或紅外線信號，一邊在在作業初期在行走區域中自走或沿著壁面行走。
這時，當信號接收器收到了上述信號發射器所發出的信號時，就對由信號發射器發出的帶位置的代碼進行解碼並自動地作成環境地圖，利用這一地圖開始進行清掃或監視等等的所交付的作業。
然而，在這樣的機器人的環境識別方法中，由於僅僅有關於作業環境的信息，故難於確定地抓住機器人的現在的位置、而且由於把給定的作業空間僅僅分割成規定的大小的單位來儲位存信息，故存在著存儲器容量變大這麼一個問題。
此外，由於需要用於發射載有位置信息的超聲波或紅外線的另外一個外部裝置的信號發射器，故存在構成複雜且設置煩雜的問題。
還有一個問題。當因地面的材質和狀態而在驅動輪上產生了滑行時，由於機器人不能確切地達到信號發射器的位置，故發生了用信號接收機收不到信號發射器的發射信號的現象，機器人一邊左右移動，一邊反覆進行施行錯誤一直到用信號接收機收到信號發射機的發射信號為止而使抓住現在位置的時間拉長。
因此，本發明就是為解決上述種種問題而創造出來的，本發明的目的是提供一種在作業初期以沒有另外的外部裝置的小的存儲器容量來作成環境地圖的機器人的環境識別裝置及其控制方法。
本發明的另外一個目的是提供一種利用已作成的環境地圖抓住作業中的現在位置並進行修正。使機器人可以確切地走到目標地點，同時還能進行作業的機器人環境識雖裝置及其控制方法。
為了達到上述目的，本發明的機器人的環境識別系統的特徵是在一邊自己行走一邊完成給定的作業的自走式機器人中，由下述單元組成使上述機器人移動的驅動單元；檢測用該驅動單元移動的機器人的行走距離的行走距離檢測單元；檢測為上述驅動單元驅動的機器人的行走方向變化的方向角度檢測單元；傳感距上述機器人的行走區域內的障礙物和壁面的距離的障礙物傳感單元；輸入用上述行走距離檢測單元所檢測到的行走距離數據和用上述方向角檢測單元所檢測到的行走方向數據，以運算現在位置、並控制上述驅動單元使得上述機器人可以走到目標地點的控制單元；存儲用上述行走距離檢測單元檢測到的行走距離數據，用上述方向角度檢測單元檢測到的行走方向數據，以及用上述障礙物傳感單元傳感到的對障礙物和壁面的環境信息的存儲器裝置構成。
此外，本發明的機器人的環境識別控制方法的特徵是在規定的行走區域內一邊自己行走一邊完成給定的作業的機器人的環境識別方法中，包括下述步驟。用由障礙物傳感單元所傳感的機器人距前方壁面的距離計算器人與前方壁面之間的角度，並把機器人校正為與前方壁面垂直的垂直定向步驟；使機器人一邊沿著壁面移動一邊傳感與前方壁面和左右壁面的距離以收集塊的必要數據的數據收集步驟；整理歸納在上述數據收集步驟所收集的每一塊所必要的數據以作成環境地圖的地圖製作步驟。
下邊說明附1是現有的機器人優化路徑編排裝置的控制方框圖。
圖2是本發明的一個實施例的機器人環境識別裝置的控制方框圖。
圖3是本發明的一個實施例的機器人的環境地圖製作構造圖。
圖4的流程圖示出了本發明的機器人的環境地圖製作動作順序。
圖5是對本實施例的機器人與前方壁面之間的角度進行計算的說明圖。
圖6的說明圖示出了本發明的一個實施例的機器人的壁面行走。
圖7的說明圖示出了本發明的一個實施例的機器人的新的塊移動。
圖8的說明圖示出了本發明的一個實施例的機器人已靠近了前方壁面時的情景。
圖9的說明圖示出了本發明的一個實施例的機器人在與左側壁面之間的距離發生了變化時的情景。
圖10是用於修正本發明的一個實施例的機器人的現在位置的說明圖。
以下沿著附圖詳細說明本發明的一個實施例。
如圖2所示，驅動單元10是控制機器人1前進後退和向左右側移動的單元，上述驅動單元10由驅動左側行走電機111使機器人1向右側移動的左側電機驅動部分11和驅動右側行走電機121使上述機器人1向左側移動的電機驅動部分12構成。
在上述左側行走電機111和右側行走電機121上分別裝有沒畫出來的驅動輪。
此外，行走距離檢測單元20是檢測用上述驅動單元10移動的機器人1的行走距離的單元，上述行走距離檢測單元20由左側編碼器21和右側編碼器22構成。上述左側編碼器21產生與藉助於上述驅動單元10的控制而驅動的左側驅動輪的旋轉數，即上述左側行走電機111的旋轉數成比例的脈衝信號以檢測上述機器人1向右移動的行走距離。上述右側編碼器22產生與藉助於上述驅動單元10的控制而驅動的右側驅動輪的旋轉數，即上述右側行走電機121的旋轉數成比例的脈衝信號以檢測上述機器人1向左移動的行走距離。
此外，方向角檢測單元30是對用上述驅動單元10移動的機器人1的行走方向變化進行檢測的單元，上述方向角檢測單元30是根據用上述驅動單元10移動的機器人1在旋轉時進行變化的電壓電平來傳感機器人1的旋轉角速度以檢測行走方向變化的陀螺傳感器之類的方向角傳感器。
障礙物傳感單元40是傳感在由上述驅動單元10移動的機器人1的行走路徑上有無存在的障礙物和距障礙物H的距離的同時，還傳感距壁面W的距離的單元，上述障礙物傳感單元40由三部分構成第1障礙物傳感部41傳感存在於上述機器人1的前面的障礙物H或距壁面W的距離；第2障礙物傳感部分42傳感存在於上述機器人1的左側的障礙物H或距壁面W的距離；第3障礙物傳感部分43傳感存在於上述機器人1的右側的障礙物H或距壁面W的距離。
上述障礙物傳感單元40的第1障礙物傳感部分41由4部分組成第1超聲波傳感器411對上述機器人1要移動的前方產生超聲波，並接收該已產生的超聲波碰到壁面W或障礙物H所反射回來的信號即回聲信號以傳感距位於機器人1的前面的障礙物H或壁面W的距離；第1傳感器驅動部分412把50Hz的方波輸入上述第1超聲波傳感器411中去使該第1超聲波傳感器411產生超聲波；步進電機413使上述第1超聲波傳感器411向所希望的方向反覆進行180°旋轉；步進電機驅動部分414驅動該步進電機413。
另外，上述障礙物傳感單元40的第2障礙物傳感部分42，由兩部分構成第2超聲波傳感器421對上述機器人1要移動的左側產生超聲波、並接收該已產生的超聲波碰到壁面W或障礙物H而反射的信號以傳感距位於機器人1的左側的障礙物H或壁面W的距離；第2傳感器驅動部分422把50Hz的方波輸入到上述第2超聲波傳感器421中去使該第2超聲波傳感器421產生超聲波。
此外，上述障礙物傳感單元40的第3障礙物傳感部分43由兩部分構成第3超聲波傳感器431對上述機器人1要移動的右側產生超聲波並接收該已產生的超聲波碰到壁面W或障礙物H而反射回來的信號以傳感距位於機器人1的右側的障礙物H或壁面W的距離；第3傳感器驅動部分432把50Hz的方波輸入到上述第3超聲波傳感器431中去以使該第3超聲波傳感器431產生超聲波。
還有，在圖中，控制單元50是一個微處理器，它藉助於隔一規定時間輸入由上述行走距離檢測單元20所檢測到的行走距離數據和由上述方向角檢測單元30所檢測到的行走方向數據來計算上述機器人1的現在位置，輸入用上述障礙物傳感單元40所傳感的對障礙物H和壁面的數據以計算距存在於上述機器人1的前方和左右的壁面的距離和角度，並依據該信息結果來控制上述機器的行走路徑的辦法，決定上述左右兩側行走電機111和112的輸出量使得上述機器人1可以不偏離正常軌道地準確地到達目的地。
再有，存儲器裝置60存儲用上述行走距離檢測單元20檢測到的行走距離數據，用上述方向角度檢測單元30檢測到的行走方向數據，用上述障礙物傳感單元40傳感到的對障礙物H或壁面W的數據等等的環境信息並通過緩衝器輸出到上述控制單元50的輸入輸出口上去。
對這樣構成的機器人在作業初期作成的環境地圖的構造圖參照圖3進行說明。
如圖3所示，把存在著障礙物H(具體地說，如家具等等)和壁面W的房間以障礙物H和壁面W的外部輪廓線為界細分為多個塊，並分別給以塊序號(0，0)(0，1)(0，2)……(1，0)(1，1)(1，2)……(m，n)。
此外，各塊還如下所示具有必要的數據。
a為各塊的x軸方向的最大跨距(X_Span)。
b為各塊的y軸方向的最大跨距(Y_Span)。
c，d是用絕對座標表示的各塊中構成x-y方向的最大跨距的座標原點(X_Org，Y_Org)e是各塊的x軸方向的大小(X_Size)，f是各塊的y軸方向的大小(Y_Size)，g在無障礙物H的塊中表示「有效」，在有障礙物的塊中表示「無效」，在離開房間的區域中表示「無視」。
i，j是用絕對座標表示的各塊中構成x-y方向的大小的原點{(X_Org，Y_Org)}。
以下對上述那樣地構成的機器人的環境識別裝置及其控制方法的作用和效果進行說明。
圖4的流程圖示出了對於本發明的機器人的環境地圖作成的動作順序。圖4中的S表示步驟。
首先，當用戶使已安裝於機器人1的規定位置上的動作開關接通時，就在步驟S1從控制單元50輸入由圖中沒有畫出來的電源裝置供給的驅動電壓使上述機器人初始化的同時，開始在作業初期用於作成關於作業環境的信息地圖(環境地圖)的動作。
其次，在步驟S2，從已裝配到已被置於行走領域內的規定位置上向著任意方向的機器人1的前面的第1超聲波傳感器411，一邊按照步進電機413的驅動以前方為基準以規定的間隔Δθ旋轉規定間隔θt，一邊向上述機器人1移動的前方，即如圖5所示，向機器人1行走的前方存在的壁面W產生超聲波，並接收該超聲波碰到壁面W後反射回來的信號來測定距存在於機器人1的前面的壁面W的距離，用這種辦法來計算表示機器人1距前方壁面W最近距離的角度(方向)。
參照圖3對計算機器人1與前方壁面W之間的角度的例子進行說明。
在使上述第1超聲波傳感器411邊以規定的角度進行旋轉邊測定距壁面W的距離的時候，假定第k號的方向是垂直於壁面W的方向，則k－1，k，k＋1號方向的距離d(k－1)，d(k)，d(k＋1)使之滿足下式。
若cosΔθ·d(k－1)＝cosΔθ·d(k－1)＝d(k)，則cos-1{d(k)/d(k－1)}＝cos-1{d(k)/d(k＋1)}＝Δθ。
若在d(k－1)＝d(k)或d(k＋1)＝d(k)的情況下，0＜cos-1{d(k)/d(k－1)}＜Δθ則可以推測，從滿足0＜cos-1{d(k)/d(k－1)}＜Δθ的方向中，表示對壁面W最近距離的方向，就是最接近垂直於壁面W的方向K。
即若K方向是垂直於壁面W的方向，則K方向與機器人1的正面所形成的角度θK可以看成是近似於機器人1與壁面W所形成角度θ。
其次，在步驟S3，採用把從上述控制單元50輸出來的控制信號輸入到驅動單元10中使之驅動右側行走電機121的辦法，使機器人1向左旋轉一個量θK並如圖6所示，使機器人1定向於與最近的壁面W垂直，在步驟S4，控制單元50通過採用驅動左側行走電機111和右側行走電機121的辦法，使機器人1移動為變得與壁面垂直，第2超聲波傳感器421使機器人1右轉90°停止為使得面朝壁面W。
把這時的塊序號定為(0，0)，方向定為+x方向，位置定為(0，0)，並分別使從第1，第2和第3超聲波傳感器411，421和431向機器人1移動的前方壁面W和左右側壁面N方向產生超聲波並接收該超聲波碰到前方壁面W和左右壁面W後被反射的信號以傳感到前方壁面的距離和到左右壁面的距離，並把所傳感到的間隔距離數據輸出到控制單元50上去。
因此，在上述控制單元50中求解作為各塊的x，y軸方向的最大跨距(X_Span，Y_Span)和用絕對座標表示的各塊中構成x-y軸方向的最大跨距的原點(X_Org，Y_Org)並記錄於塊(0，0)中。
接著，在步驟S5，驅動單元10採用由控制單元50的控制來驅動左右側行定電機111，121的辦法，如圖6所示，使上述機器人1一邊保持與壁面W為規定距離一邊沿壁面W行走。
在上述機器人1沿著壁面W行走的期間，前進到步驟S6並從第2，3超聲波傳感器421，431。依據第2，3傳感器驅動部分422，432向機器人1移動的左側或右側壁面W方向產生超聲波，並接收該超聲波碰到左側或右側壁面W而反射回來的信號，傳感機器人1的左側或右側距壁面W的間隔距離並把間隔距離數據輸出到控制單元50中去。
因此，在上述控制單元50中，判斷第2，第3超聲波傳感器421，431所傳感的左側或右側壁面距離是否變化成規定大以上，在左側或右側壁面的距離變化不大時(NO時)，執行步驟S7判斷上機述器人1沿壁面W行走中是否接近壁面W。
上述步驟S7的判斷結果為機器人1沒有接近前方壁面W時(NO時)，執行步驟S8判斷上述機器人1沿壁面W行走中是否回到開始行走的初始位置。在沒有返回到初始位置時(NO時)，返回步驟S5重複執行S5以下的操作。
上述步驟S8的判斷結果是返回到初始位置時(YES時)，為了結束環境地圖製作行走，執行步驟S9停止機器人1。在步驟S10中利用至當前所選的塊數據，補充所有各塊的必要數據，繼續整理塊數據，結束環境地圖製作行走。
另一方面，上述步驟S6的判斷結果為到左側或右側壁面W的距離比最初出發時有規定大以上的差距時，如圖6所示，認定上述機器人1移動進新的塊(1，0)。執行步驟S63，由第1，2，3超音波傳感器411、421、431檢測到壁面W的距離和到左右側壁面的距離，並將檢測的距離數據輸出給控制裝置50。
隨之，在步驟S64中，控制裝置50輸入第1，2，3超音波傳感器411、421、431所檢測的距離數據，求出X_Span、Y_Span和X_Org、Y_Org數據，繼續記錄到當前塊(1，0)並返回上述步驟S5，重複執行步驟S6以下的操作。
上述步驟S7的判斷結果為機器人1接近前方壁面W時(YES)，執行步驟S71停止機器人。在步驟S72中確認機器人接近前方壁面後，如圖7所示，認識上述機器人當前的塊(1，0)，執行步驟S73，驅動裝置10輸入上述控制裝置50輸出的控制信號，驅動左側行走電機111，使機器人右轉。
此時，在步驟S74由第1，2，3超聲波傳感器411，421，431檢測到前方壁面W的距離和到左右側壁面W的距離，並將檢測的距離數據輸出給控制裝置50。
由此，在步驟S75中控制裝置50輸入第1，2，3超聲傳感器411，421，431所檢測的距離數據，求出X_Span，Y_Span，和X_Org，Y_Org，繼續在當前塊(1，0)記錄，返回上述步驟S5重複進行步驟S6以下的操作。
另一方面，當上述機器人1沿壁面W行走中到左側壁面W的距離有大的變化而停止時，到左側壁面W的距離比到目的的距離大，則在塊數據記錄後，將目標地點設定在距邊界域50cm的地點，如圖8所示，再開始行走，直至到達目標地點，向左轉90再開始下一階段。
此外，行走方向是-x或-y時，移動塊，判斷新塊號是否比0小，比0小時，則至當前作成的所有塊向+方向移動，分配新塊為(c，0)。
這樣，環境地圖作成後，機器人按給予的路徑繼續行走，利用環境地圖修正當前座標的方法，用圖9來敘述。
機器人1繼續按給定的路逕行走，以規定的時間間隔輸入行走距離檢則裝置20所檢測的行走距離數據和上述方向角檢測裝置30所檢測的行走方向數據，修正機器人的當前位置。
比如，在行進方向為+x方向且現在位置為x，y的時候，將在環境地圖上探索x，y所屬的塊。
這時，若第2超聲波傳感器411傳感的前方壁面W與機器人1的中心之間的距離為1c，第3超聲波傳感器431所傳感的右側壁面W與機器人1的中心之間的距離為1r，則機器人1的實際位置x』，y』可以如下述那樣計算。
x』＝X_Org＋X_Span－1cY』＝Y_Org＋1r當上述這樣計算出來的實際位置與用行定距離檢測單元20和方向角度檢測單元30檢測到的數據進行累積而標出的位置座標產生了超過規定值的差時，就把x，y修正為x』，y』。
上述這樣的作業是這樣進行的。機器人1一邊行走一邊進行修正，且機器人正確地行走到目標地點的同時，還圓滿順利地進行給定的作業。
如上所述，倘採用本發明的機器人的位置識別裝置的其控制方法，則通過採用在作業初期沒有別的外部裝置的情況下在小存儲器容量中作成環境地圖，並利用該環境地圖抓住作業中的現行位置進行修正的辦法，具有使機器人正確地行走到目標地點的同時使之完成作業的良好的效果。
權利要求
1.一種機器人的環境識別裝置，用於在一邊自己移動一邊進行給定的作業的自走式機器人中，其特徵是由下述單元構成；驅動單元，用於使上述機器人移動；行走距離檢測單元，用於檢測上述驅動單元移動的機器人的行走距離；方向角度檢測單元，用於檢測由上述驅動單元移動的機器人的行走方向變化；障礙物傳感單元，用於傳感上述機器人距行走區域的障礙物和壁面的距離；控制單元，用於根據用上述行走距離檢測單元所檢測到的行走距離數據和用上述方向角度檢測單元所檢測到的行走方向數據計算上述機器人的現在位置以控制上述驅動單元；存儲器裝置，用於存儲用上述行走距離檢測單元所檢測到的行走距離數據，用上述方向角度檢測單元所檢測到的行走方向數據和對用上述障礙物傳感單元所傳感的障礙物和壁面的環境信息。
2.權利要求1中所述的機器人的環境識別裝置，其特徵是上述控制單元存儲藉助於用上述行定距離檢測單元所檢測出來的行定距離和用上述障礙物傳感單元所傳感的與壁面之間的間隔距離而使上述機器人行定的作業空間的環境信息。
3.權利要求1中所述的機器人的環境識別裝置，其特徵是上述控制單元把上述機器人的行走空間沿著障礙物和壁面的邊界面劃分為多個塊。
4.權利要求1中所述的機器人的環境識別裝置，其特徵是上述控制單元在把上述機器人的行走空間劃分成多個的每個塊中存儲環境信息的必要數據。
5.一種機器人的環境識別方法，在在規定的行走區域內一邊自己移動一邊進行給定的作業的機器人的環境識別方法中，其特徵是由下述步驟組成垂直定向步驟，用於依據用障礙物傳感單元所傳感的上述機器人距壁面的距離來計算機器人與前方壁面之間的角度，並把機器人定向為與前方壁面垂；數據收集步驟，用於使上述機器人沿壁面移動的同時傳感前方壁面和左右側壁面的距離並收集塊的必要數據；地圖作成步驟，用於整理歸納在上述數據收集步驟所收集的各塊的必要數據來作成環境地圖。
6.權利要求5所述的機器人的環境識別方法，其特徵是上述機器人用在上述地圖作成步驟中作成的環境地圖來修正正在進行作業的現行位置。
全文摘要
一種採用以小存儲器容量作成環境地圖，再利用環境地圖對作業的現在位置進行修正，使之能精確地走到目標地點的同時又進行作業的機器人的環境識別裝置及其控制方法。特徵是包括控制單元；驅動單元；行走距離檢測單元；方向角度檢測單元；障礙物傳感單元；存儲器裝置，用於存儲用上述行走距離檢測單元、上述方向角度檢測單元和上述障礙物傳感所傳感的數據的環境信息。
文檔編號G05D1/02GK1161268SQ9612140
公開日1997年10月8日 申請日期1996年11月11日 優先權日1995年12月1日
發明者丁俊榮 申請人:三星電子株式會社