具有障礙迴避功能的移動機器人及其方法
2023-05-22 02:44:56 2
專利名稱：具有障礙迴避功能的移動機器人及其方法
技術領域：
本發明涉及移動機器人，以及更具體地說，涉及基於從不同傳感器提供的障礙感測信號，有效地感測障礙，以及根據感測結果，控制移動機器人的驅動以避開障礙的技術。
背景技術：
開發了用於工業目的和用作工廠自動化系統的機器人。另外，使用機器人來在人類不能忍受的極端環境中，代表人類採集或收集信息。已經不斷地開發這種機器人工程學領域，儘管最近才用在最新空間開發行業中，以及近年來，已經開發了人類友好的家用機器人。人類友好的家用機器人的典型例子是清潔機器人。
做為移動機器人的一種的清潔機器人在預定的清潔區中，諸如住宅或辦公室中獨自驅動，以及吸取汙物或垃圾。這種清潔機器人由行進單元，包括用於驅動清潔機器人的左右輪馬達、用於感測障礙以便在不碰撞清潔區中的各種障礙的情況下，移動清潔機器人的多個傳感器、以及用於控制整個設備的微處理器，連同吸取汙物或垃圾的一般真空吸塵器。
這種清潔機器人配置成通過當清潔機器人在清潔區中移動時，經安裝在機器人中的障礙傳感器，感測障礙，轉變其前進方向，避開障礙，並不斷地清潔該清潔區。
然而，由於該領域中的移動機器人僅使用單種障礙傳感器，不能有效地感測障礙。因此，移動機器人碰撞障礙並受損。
因此，由有關如何提高移動機器人的障礙感測能力，然後防止移動機器人碰在障礙上的發明人的許多研究，設計了本發明。
發明內容
本發明提供一種通過結合來自具有不同感測區的不同障礙傳感器的感測結果，具有更高可靠性的障礙感測功能，以及通過基於感測結果，控制移動機器人，避開障礙的移動機器人及其方法。
根據本發明的一個方面，提供一種具有避開障礙的功能的移動機器人，包括多個感測單元，由具有不同感測區的不同傳感器組成，用於感測行進方向中的障礙，以及微處理器，用於根據對應於由不同傳感器提供的感測信號的組合的避開指令，輸出控制信號以便避開障礙。
另外，用在感測單元中的不同傳感器由紅外傳感器和超聲傳感器組成。
因此，與當使用單種傳感器感測障礙時相比，本發明具有可以通過高可靠地識別障礙以及有效地避開障礙的優點。
通過參考附圖，詳細地描述示例性實施例，本發明的上述和其他目的和優點將變得更顯而易見，其中圖1是示例說明根據本發明的優選實施例，做為具有避開障礙的功能的移動機器人的一個例子的清潔機器人；圖2a是表示具有圖1所示的感測單元的清潔機器人的前部的略圖；圖2b是表示圖2a所示的感測單元的障礙感測區的略圖；以及圖3是示意性地示例說明為根據本發明的優選實施例的移動機器人的一個例子的清潔機器人感測和避開障礙的過程的流程圖。
具體實施例方式
在下文中，將參考附圖，詳細地描述根據本發明的示例性實施例。
另外，假定本發明的移動機器人是移動機器人的典型例子的清潔機器人來進行描述。
圖1是示例說明根據本發明的優選實施例，具有避開障礙功能的移動機器人的清潔機器人的框圖。參考圖1，根據本發明，具有避開障礙功能的清潔機器人包括多個感測單元160，每個分別由具有不同感測區的一對傳感器組成，當移動時，該單元基於障礙感測，輸出感測信號、包括用於移動清潔機器人的左右輪馬達131和132的驅動單元130、用於存儲清潔機器人的操作程序以及多個避開指令的存儲器180、包括用於控制驅動單元130的驅動的行進控制器151的微處理器150、控制清潔機器人的整個設備的微處理器、以及清潔機器人的基本結構。
清潔機器人的基本結構包括吸取單元110，具有用於感測清潔區中的汙物或垃圾的汙物傳感器，用於吸取由汙物傳感器感測的汙物或垃圾、汙物容納單元120，用於容納由吸取單元110收集的汙物或垃圾、驅動單元130，包括根據輸入控制信號，移動清潔機器人的左右輪馬達131和132、用於為吸取單元110和驅動單元130提供驅動電力的電池140、以及用於控制清潔機器人的整個設備的微處理器150。由於清潔機器人的這種基本結構在本領域是非常公知的，將省略其詳細。
感測單元160由分別具有不同感測區的一對不同傳感器組成，即，用於使用紅外光，感測行進方向中的障礙的紅外傳感器161，以及用於照射超聲波和感測行進方向中的障礙的超聲傳感器162，每個傳感器當感測障礙時，提供感測信號。下面，將參考圖2a和2b，詳細描述感測單元160。
圖2a是表示具有圖1所示的感測單元的清潔機器人的前部的略圖，以及圖2b是表示圖2a所示的感測單元的障礙感測區的略圖。如圖2a所示，根據本發明的優選實施例的多個感測單元160按預定間隔，排列在清潔機器人的前部中，每個感測單元160具有一對用於使用紅外線感測行進方向中的障礙的紅外傳感器161，以及用於通過照射聲波感測行進方向中的障礙的超聲傳感器162。
紅外傳感器161由用於照射紅外線的發射機和用於接收在障礙上反射並返回的紅外線的接收機組成，其中，由於它使用具有準直(collimation)特性的光，其感測區是窄的，但可以感測障礙的正確位置。很顯然，紅外傳感器161在技術上非常公知。
例如，每個物體具有用於紅外線的固有反射率。因此，由於障礙上的吸收和擴散反射，與初始照射的紅外線相比，反射少量紅外線，其中，紅外傳感器161使用反射的紅外線，感測是否存在障礙，以及通過測量從當發射機照射紅外線時直到將反射光輸入到接收機的時間，計算到障礙的距離。
超聲傳感器162由用於照射超聲波的超聲輻射器和用於接收從障礙返回的反射波的超聲接收機組成。由於超聲傳感器162利用聲波，具有大的感測區，但不能感測障礙的正確位置。這種超聲傳感器162使用在障礙上反射並接收的信號，感測是否存在障礙，以及使用從當輻射器照射超聲波時直到接收反射波為止的時間，計算障礙和清潔機器人間的距離。
由於如上所述，紅外傳感器161使用紅外線，即一種光，感測障礙，具有與超聲傳感器162相比，其感測區窄的缺點。另外，由於超聲傳感器162使用聲波，其具有比紅外傳感器161更寬的感測區。然而，超聲傳感器162具有來自外部噪聲的高干擾，因此，與紅外傳感器161相比，難以正確地感測障礙。
因此，根據本發明的清潔機器人具有通過結合具有不同感測區的紅外和超聲傳感器161和162的輸出，感測障礙，從而與傳統的清潔機器人相比，允許更好的障礙感測的優點。
從感測單元160提供並傳送到微處理器150的感測信號可以是電壓電平。因此，需要將這種感測信號轉換成適合於數字設備的微處理器150的數位訊號。
模/數轉換器170將從感測單元160輸出的感測信號的電壓信號轉換成適合於數字設備的微處理器150的數位訊號。此時，根據由感測單元160提供的感測信號，所轉換的數位訊號可以具有不同值。
存儲器180可以是能讀取和寫入數據的非易失存儲器，諸如EEPROM和閃速存儲器，以及在其中存儲清潔機器人的操作程序和相關數據。由微處理器150存取和控制在存儲器180中存儲的數據。根據本發明的方面，存儲器180存儲對應於由不同感測單元，即紅外傳感器161和超聲傳感器162提供的感測信號的組合的多個避開指令。
例如，由紅外傳感器161和超聲傳感器162提供的感測信號的組合可以劃分成下述情形紅外傳感器161和超聲傳感器162根本不輸出感測信號的情形、僅紅外傳感器161輸出感測信號的情形、僅超聲傳感器162輸出感測信號的情形、以及紅外傳感器161和超聲傳感器162均輸出感測信號的情形。
多個避開指令可以包括在紅外傳感器161和超聲傳感器162均不輸出感測信號的情況下，表示「繼續直行」的指令，以及在僅紅外傳感器161輸出感測信號的情況下，表示「慢行，向左或右轉」的指令。
另外，避開指令可以包括在僅超聲傳感器162輸出感測信號的情況下，表示「慢行並繼續直行」的指令，以及在紅外傳感器161和超聲傳感器162均輸出感測信號的情況下，表示「停止和轉彎」的指令。
應注意到這些避開指令不限於上述情形，而是能由開發人員不同地實現。
微處理器150包括用於控制清潔機器人的整個設備，和響應輸入控制信號，驅動驅動單元130的行進控制器151，以及用於根據由感測160感測信號的組合，存取存儲器180的避開指令，以及將控制信號輸出到行進控制器151以便根據所存取的避開指令，移動清潔機器人的障礙避開處理器152。
行進控制器151根據清潔機器人的操作程序，控制用於移動清潔機器人的驅動單元130。
障礙避開處理器152從感測單元160接收感測信號，以便識別是否存在障礙，以及存取存儲器180，從而將對應於感測信號的組合的避開指令輸出到行進控制器151。
即，障礙避開處理器152存取存儲器180以便為行進控制器151提供對應於紅外傳感器161和超聲傳感器162根本不輸出感測信號、僅紅外傳感器161輸出感測信號、僅超聲傳感器161輸出感測信號、以及紅外傳感器161和超聲傳感器162均輸出感測信號的情形的避開指令。
如上所述，在紅外傳感器161和超聲傳感器162均不輸出感測信號的情況下，避開指令可以是表示「繼續直行」的指令，以及在僅紅外傳感器161輸出感測信號的情況下，表示「慢行和向左或右轉」的指令。
另外，避開指令在僅超聲傳感器162輸出感測信號的情況下，可以是表示「慢行且繼續直行」的指令，以及在紅外傳感器161和超聲傳感器162均輸出感測信號的情況下，表示「停止和轉彎」的指令。
通過微處理器150的障礙避開處理器152，可以從存儲器180存取這些避開指令，然後提供給行進控制器151。行進控制器151根據避開指令，控制驅動單元130的左右輪馬達131和132的驅動，以便避開障礙和繼續執行清潔功能。
因此，與當通過單種傳感器感測障礙時相比，本發明具有可以高可靠地識別障礙並有效地避開障礙的優點。
圖3是示意性地示例說明根據本發明的一個實施例的移動機器人的清潔機器人感測和避開障礙的過程的流程圖。參考圖3，當用戶輸入清潔機器人的驅動指令時(S201)，根據用戶的驅動指令，操作程序將控制信號輸出到行進控制器151並移動清潔機器人。同時，操作程序驅動吸取單元110以便在任意移動清潔區的同時，執行清潔功能(S203)。
另外，操作程序將驅動指令輸出到安裝在清潔機器人的前部中的多個感測單元160以便當機器人移動時，感測是否存在障礙(S205)。
感測單元160具有紅外傳感器161和超聲傳感器162對，分別照射紅外線和超聲波，以及感測是否存在障礙。
當紅外傳感器161和/或超聲傳感器162感測到障礙時，相應的紅外傳感器161和/或超聲傳感器162為模/數轉換器170提供為模擬信號的障礙感測信號，諸如電壓。模/數轉換器170將輸入的感測信號轉換成數位訊號，以及將其輸出到微處理器150的障礙避開處理器152。同時，障礙避開處理器152的數位訊號可以是例如二進位數據。在紅外傳感器161輸出感測信號，以及超聲傳感器162不輸出感測信號的情況下，例如，模/數轉換器170輸出數位訊號「10」。
障礙避開處理器152根據從模/數轉換器170接收的數位訊號，基於在存儲器180中存儲的、來自相應的紅外傳感器161和超聲傳感器162的感測信號的組合，存取避開指令。
在存儲器180中存儲的避開指令在紅外傳感器161和超聲傳感器162均不輸出感測信號的情況下，為表示「繼續直行」的行進指令，在僅紅外傳感器161輸出感測信號的情況下，為表示「慢行和向左或右轉」的避開指令1，在僅超聲傳感器輸出感測信號的情況下，為表示「慢行且繼續直行」的避開指令2，以及在紅外傳感器161和超聲傳感器162均輸出感測信號的情況下，為表示「停止和轉彎」的避開指令3。
即，當障礙避開處理器152從模/數轉換器170接收數位訊號「10」時(S207)，從存儲器180存取表示「慢行和向左或右轉」的避開指令1，並將該指令1傳送到行進控制器151。
行進控制器151將控制信號輸出到驅動單元130以便根據從障礙避開處理器152接收的避開指令1，開動清潔機器人。
驅動單元130響應來自行進控制器151的控制信號，控制左右輪馬達131或132的驅動，以便降低清潔機器人的速度和使清潔機器人的行進方向向左或右轉，從而清潔機器人能避開所感測的障礙(S209)。
另外，在僅超聲傳感器162輸出感測信號的情況下(S211)，模/數轉換器170輸出數位訊號「01」。根據從模/數轉換器170傳送的數位訊號「01」，障礙避開處理器152從存儲器180存取避開指令2以及將它傳送到行進控制器151，指令2表示「慢速和繼續直行」。
行進控制器151將控制信號輸出到驅動單元130以便根據從障礙避開處理器152接收的避開指令，開動清潔機器人。驅動單元130根據來自行進控制器151的控制信號，控制左右輪馬達131或132的驅動，以便在減緩其速度的同時，使清潔機器人直行。
當紅外傳感器161和超聲傳感器162輸出感測信號，同時根據相應的指令直行時(S215)，模/數轉換器170輸出數位訊號「11」。根據從模/數轉換器170傳送的數位訊號「11」，障礙避開處理器152從存儲器180存取表示「停止和轉彎」的避開指令3，以及將避開指令傳送到行進控制器151。行進控制器151將控制信號輸出到驅動單元130以便根據從障礙避開處理器152接收的避開指令，開動清潔機器人。
驅動單元130控制左右輪馬達131或132的驅動以便停止清潔機器人、向左或右轉，然後，根據從行進控制器151輸出的控制信號直行，以便清潔機器人能避開所感測的障礙(S217)。清潔機器人如上所述重複該過程，直到用戶輸入結束指令為止(S219)。
在根據本發明，具有障礙避開功能的移動機器人及其方法中，優點在於由於通過結合具有不同感測區的紅外和超聲傳感器的輸出，感測障礙，與通過具有一個感測區的單種傳感器，感測障礙的傳統的移動機器人相比，它具有良好的障礙感測功能。
另外，可以通過根據來自紅外和超聲傳感器的感測信號的組合，應用不同避開算法，有效地避開障礙。
儘管參考其示例性實施例描述了本發明，本領域的技術人員將理解到在不背離如由下述權利要求定義的本發明的範圍的情況下，可以在形式和細節方面做出各種改變。
權利要求
1.一種移動機器人，包括感測單元，由具有不同感測區的多個不同傳感器組成，用於感測障礙。
2.如權利要求1所述的移動機器人，其中，感測單元包括紅外傳感器和超聲傳感器。
3.如權利要求1或2所述的移動機器人，進一步包括微處理器，用於根據對應於從感測單元的不同傳感器的每一個輸出的感測信號的組合的避開指令，輸出控制信號以便避開障礙。
4.如權利要求3所述的移動機器人，其中，避開指令分成在紅外傳感器和超聲傳感器輸出或不輸出感測信號的情況下的指令，以及在紅外傳感器和超聲傳感器的一個輸出感測信號的情況下的指令。
5.如權利要求4所述的移動機器人，其中，避開指令包括在紅外傳感器和超聲傳感器均不輸出感測信號的情況下，表示「繼續直行」的行進指令、在僅紅外傳感器輸出感測信號的情況下，表示「慢行並向左或右轉」的避開指令1、在僅超聲傳感器輸出感測信號的情況下，表示「慢行且繼續直行」的避開指令2、以及在紅外傳感器和超聲傳感器均輸出感測信號的情況下，表示「停止和轉彎」的避開指令3。
6.如權利要求3所述的移動機器人，進一步包括用於存儲避開指令的存儲器。
7.如權利要求6所述的移動機器人，其中，微處理器包括障礙避開處理器，用於存取存儲器以便獲得對應於從不同傳感器的每一個提供的感測信號的組合的避開指令，以及根據所存取的避開指令，輸出控制信號以便避開障礙。
8.如權利要求7所述的移動機器人，其中，障礙避開處理器將控制驅動單元的信號傳送到行進控制器，以便避開障礙。
9.一種用於控制移動機器人的方法，該方法包括步驟(a)接收從具有不同感測區的不同傳感器輸出的感測信號；(b)存取存儲器以便獲得對應於從傳感器輸出的感測信號的組合的避開指令；以及(c)根據所存取的避開指令，控制驅動單元。
10.如權利要求9所述的方法，其中，不同傳感器包括紅外傳感器和超聲傳感器。
11.如權利要求9所述的方法，其中，避開指令包括在紅外傳感器和超聲傳感器均不輸出感測信號的情況下，表示「繼續直行」的行進指令、在僅紅外傳感器輸出感測信號的情況下，表示「慢行並向左或右轉」的避開指令1、在僅超聲傳感器輸出感測信號的情況下，表示「慢行且繼續直行」的避開指令2、以及在紅外傳感器和超聲傳感器均輸出感測信號的情況下，表示「停止和轉彎」的避開指令3。
全文摘要
公開了一種移動機器人，其中，通過結合從具有不同檢測區的不同檢測單元輸出的障礙檢測信號，有效地檢測障礙，從而控制移動機器人的驅動以便避開障礙。根據本發明的移動機器人包括多個檢測單元，由具有不同檢測區的不同傳感器組成，用於檢測行進方向中的障礙，以及微處理器，用於根據對應於來自不同傳感器的檢測信號的組合的避開指令，輸出控制信號以便避開障礙。因此，與當通過單種傳感器檢測障礙時相比，本發明具有能高可靠地識別障礙以及有效地避開障礙的優點。
文檔編號B25J9/16GK1861330SQ20061000366
公開日2006年11月15日 申請日期2006年1月9日 優先權日2005年5月11日
發明者田炯臣 申請人:Lg電子株式會社