【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、掃除ロボットなど自立的に走行するロボットとその制御方法に関する。特に、外界センサーによりロボット自身の位置と姿勢を確認しながら、一定の領域内を隈なく走行させることを目的としている。
【０００２】
【従来の技術】
従来から自走ロボットの制御方法として、様々な方法が考案されている。代表的なものとしては、ビデオカメラを使って、ロボットの外界を三次元的に認識して障害物を回避して走行する方法や、天井や床面に点状もしくはライン状のランドマーカーを配置して、そのランドマーカーをロボット自身のセンサーで読み取り、走行経路を制御する方法などがある。また、超音波センサーなどを使って障害物を検知し、この障害物を自立的に回避しながら走行する方法も考案されている。
【０００３】
しかし、これら従来の技術は、掃除ロボットとして採用する場合には、多くの問題がある。例えばビデオカメラを使った方法では、様々な障害物の置かれている部屋のレイアウト環境を認識して、障害物を避けながら、かつ、部屋の隅々まで隈なく走行し掃除をさせるためには、相当大掛かりな環境認識装置が必要となり、大きさの点からも価格の点からも掃除機に搭載することが困難である。特に、部屋の視覚認識データや様々の障害物のデータを予め記憶させておく必要があり、不特定多数の環境で使用することは極めて困難である。
また、従来のランドマーカーを使った方法は、工場内での無人搬送ロボットのように、あらかじめ与えられた走行経路を与えられたプログラムによって走行させることは可能であるが、家庭内掃除ロボットのような用途で、様々なレイアウトと障害物が存在す領域全体を隈なく自立走行させることは困難である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、家庭の部屋を自走ロボットで掃除させようとする場合、その部屋のレイアウトや家具などの障害物の位置や大きさを認識して、部屋の床面を隅々まで隈なく走行させることが必要になる。本発明の目的は、天井部に設けられた簡単なマーカーとロボット自身が有するマーカーセンサーを使用して、ロボット自身が部屋の輪郭、部屋内における自身の位置と方向、および、障害物の大きさと位置などを概略認識し、この認識したデータを基にして、部屋を隅々まで走行する方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の自走ロボットは、部屋天井に配置されたマーカーの位置および方向を読み取ることにより、相対的に自走ロボット自身の二次元的な位置および方向を認識する認識部と、部屋のレイアウトを記憶するレイアウト記憶部と、自走ロボットの走行した位置を記憶する現在位置データ記憶部と、自走ロボットの駆動機構を制御する機構制御部と、全体の制御を統括する主制御部とを備え、絶えず部屋内における自身の位置と方向を認識しながら走行する。
このような構成にすることにより、自走ロボットの現在位置、走行した径路、および、走行すべき経路を自走ロボット自身で常時管理することが可能となり、部屋全体を隈なく効率的に走行させることができる。
【０００６】
別の観点による自走ロボットは、部屋の床面積を、自走ロボットの床投影面積以下の大きさの枡で碁盤目状に区分し、一つの碁盤目を行列の一つの成分とする行列データシートを作成し、自走ロボットの現在位置をこの碁盤目に対応させて認識し、行列データシートに現在位置データを逐次入力して、走行経路を管理する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、自走ロボットの現在位置および走行した径路をある大きさの碁盤目を単位として、行列データとして管理することが可能となり、現在位置の特定を簡単化することが可能となる。
【０００７】
別の観点による自走ロボットは、部屋天井に配置されたマーカーの位置および方向を読み取ることにより、相対的に自走ロボット自身の二次元的な位置および方向を特定し、対応する部屋の行列データシートにデータを入力して、現在位置および走行経路を管理することを特徴とする自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、部屋に配置されたマーカーを読み取ることにより簡単に自走ロボット自身の現在位置を特定できるとともに、行列データシートと対応させ、行列データとして自身の位置を記憶するため、メモリーの容量を大幅に削減することができる。
【０００８】
別の観点による自走ロボットは、行列データシート上で、ロボットが走行した経路の成分に、特定の英数字（例えば１）を入力し、走行していない経路の成分には、異なる他の英数字（例えば０）を入力して、走行経路を管理する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、自走ロボットが走行していない領域と走行し終えた領域を行列式として把握することができ、数学的な処理で走行経路データの管理を行うことが可能となり、制御システムを簡単にすることができる。
【０００９】
別の観点による自走ロボットは、天井に複数個のマーカーを点列状に、かつ、二つ以上の点列が交差するように配置し、この交差する点列状のマーカーを認識することにより、自走ロボットの相対位置および方向を特定する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、自走ロボットから天井を見たときに、自走ロボットと天井との間に何らかの障害物があり、視界の一部が遮られた場合でも、確実に位置および方向を認識することが可能となる。
【００１０】
別の観点による自走ロボットは、交差する二つ以上の点列状に配置されたマーカーの、各点列パターンに違いを持たせることにより、部屋の番号もしくは部屋の方向を判断する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、異なる複数個の部屋を自走させる場合に、自走ロボットは自身で対象とする部屋の種類を認識し、部屋のレイアウト等自走するために必要な記憶データを引き出すことが可能となる。
【００１１】
別の観点による自走ロボットは、行列データシート上に、部屋の輪郭および障害物の位置・形状に関するデータを入力し、自走ロボットの最大走行領域を限定する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、自走ロボットが本来進入しては困る領域、例えば、部屋のドアーや縁側などの開口部に侵入することなく走行することができる。
【００１２】
別の観点による自走ロボットは、部屋の床面積をｍ行ｎ列の行列データシートで表し、ｉ行目（ｉ＝１〜ｍ−１）上の列成分（ｊ＝１〜ｎ）で、未走行の経路成分があればその経路成分を走破する方向に走行し、ｉ行目上の列成分（ｊ＝１〜ｎ）で未走行の経路成分がなければ、ｉ＋１行目（ｉ＝１〜ｍ−１）に移動して走行する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、簡単な論理で、部屋全体を隈なく走行することができる。
【００１３】
別の観点による自走ロボットは、部屋の床面積をｍ行ｎ列の行列データシートで表し、障害物が占める領域成分を小行列で表すとともに、ｍ行ｎ列の行列データを前記障害物の領域成分を表す小行列を含む行列に分解し、相隣る小行列で未走行領域成分を含む小行列がある場合は、これを一つの共通の領域として走行する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、部屋全体を走行し易い幾つかのまとまった領域に区分して走行することが可能となり、効率的に部屋全体を自走することができる。
【００１４】
別の観点による自走ロボットは、行または列方向に走行し、予期せぬ障害物を検知した場合はこの障害物の回りを１週してその大きさと形状を行列データとして認識し、以降の走行パターンを決定する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、部屋の中央に予期せぬ障害物が存在した場合も、部屋全体を走行し易い幾つかの領域に区分し、効率的に自走することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の自走ロボット制御方法を示す実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１は、自走ロボットの外観図である。図に示すように、本実施例の自走ロボットは略直方体をなしており、床面に投影された形状はほぼ正方形をなしている。自走ロボットの本体部１の四つの側面には、各側面を横方向に二分する形で、二個のセンサー２が設けられており、自走ロボットが部屋の壁面や障害物に近接もしくは接触したとき、このセンサーが感知する。
自走ロボットの本体部１の上面には、部屋の天井に配置されたマーカーを読み取るための視覚センサー２０１、人体やストーブなど周囲の熱源を感知する赤外線センサー２０２、音声による人間の指令を検知するマイクロフォン２０４、ロボットに対してマニュアルでデータを入力するための操作スイッチ２０５、異常発生時に自走ロボットを強制的に停止させる非常スイッチ２０６、および、部屋のレイアウトを行列データシート状にマニュアル入力し、かつ、走行データを行列データとして表示するための液晶タッチパネル２０３が装着されている。
【００１６】
この自走ロボットは全方位に移動可能で、かつ、任意の方向に旋回することも可能な構造になっている。以下、図を使用して実施例の構造を説明する。
図２は図１に示した自走ロボットの内部構造であり、特に、全方位に移動可能な駆動部の構造を説明するための図である。駆動操舵部プレート１４は、前記本体部１に装着されており、以下の述べるような駆動機構全体を保持している。この駆動操舵プレート１４には、ベアリング２２を介して操舵軸２４が回転可能な形で装着されている。この操舵軸２４の下部には、操舵フレーム２５が固着されている。操舵フレーム２５の下端には、回転可能な状態で軸受け２６ａ、２６ｂを介して車軸２７ａ、２７ｂが装着されている。車軸２７ａ，２７ｂにはそれぞれ車輪２８ａ、２８ｂが固着されている。操舵軸２４の上端にはタイミングプーリ２９が固着されている。このタイミングプーリ２９は、駆動操舵プレート１４に固着された操舵モータ３２に装着されたタイミングプーリ３１と、タイミングベルト３０を介して繋がっている。操舵モータ３２には、モータの回転角度を検出するための位置検出器３３が装着されている。駆動操舵プレート１４には、操舵フレーム２５に固着されたマグネット３５の磁気に反応するホールセンサー３４が装着されており、操舵フレーム２５の駆動操舵プレート１４に対する回転位置原点を検出する。
【００１７】
操舵軸２４の内部には、上下に装着された２個の軸受け３６ａ、３６ｂ、を介して駆動軸３７が装着されている。駆動軸３７の下端には傘歯車３８が固着されている。この傘歯車３８は、前記車軸２７ａと同軸上に装着された他の傘歯車３９と噛み合っている。他の傘歯車３９は、軸受け４３ａ、４３ｂを介して、車軸２７ａ、２７ｂの周りに回転可能な状態で装着された作動歯車箱４０に固着されている。２個の車軸２７ａ，２７ｂの外側端には、それぞれ前記車輪２８ａ，２８ｂが固着されている。２個の車軸２７ａ，２７ｂの内側端には、それぞれ作動傘歯車４４ａ、４４ｂが固着されており、これらの差動傘歯車４４ａ、４４ｂは、前記傘歯車箱４０に軸受け４２ａ、４２ｂを介して回転可能に装着された軸４１ａ、４１ｂの内側端に固着された差動傘歯車４５ａ、４５ｂと噛み合っている。
【００１８】
駆動操舵プレート１４上に固着された走行モータ４９の出力軸には、タイミングプーリ４８が固着されている。このタイミングプーリ４８の回転動作は、タイミングベルト４７を介して、駆動軸３７の上端に固着されたタイミングプーリ４６に伝達される。走行モータ４９には、モータの回転角度および回転速度を検出する回転センサー５０が装着されている。
【００１９】
以下、この自走ロボットの動作について図３、図４を使って説明する。図３、図４は、自走ロボットの走行パターンを示しており、８１、８３、８５、８７および１０１〜１１２は、図１で示した自走ロボットの上面図を模式的に表現している。図において、２ａａ、２ａｂ、２ｂａ，２ｂｂは、自走ロボットの側面に配置されたセンサーを示しており、２ａａ、２ａｂは、自走ロボットの進行方向前部に装着されているセンサーを指し、２ｂａ、２ｂｂは自走ロボットの進行方向の左側面に配置されているセンサーを指す。
【００２０】
図３は、自走ロボットを直線状に走行させる場合の動作パターンを示している。８９は、部屋の壁を表しており、８１、８３、８５、８７は自走ロボットと部屋の相対位置状態を表している。状態８１は、最初に自走ロボットがスタートする場合を示しており、矢印８２の方向に進行する。この時、自走ロボットの内部では、図２に示した操舵モータ３２が駆動して、車輪２８ａ、２８ｂを矢印８２と平行にセットさせた後、走行モータが回転し、車輪２８ａ、２８ｂを駆動する。自走ロボットが進行し、部屋の壁面８９に当接すると、センサー２ａａ、２ａｂが作動して、壁面に当接したことを検知し、走行モータ４９の回転を停止させる。次に操舵モータ３２が車輪２８ａ、２８ｂを９０度方向転換させた後、再び走行モータ４９が回転し、概略自走ロボットの幅と同等距離だけ進んで停止する。この時の進行距離は、走行モータ４９に装着されている回転センサー５０により検出されている。ついで、操舵モータ３２が回転し、車輪２８ａ、２８ｂを９０度方向転換し、矢印８６と平行に方向転換させ。以下、同様の動作を繰り返し、部屋全体を走行する。
【００２１】
図４は、四つの壁面９１、９２、９３、９４も持ち、かつ、部屋内の一部に家具などの障害物９５、９６、９７などが配置されている部屋の床面を、壁や障害物に沿って走行する場合の動作パターンを示している。以下、この図を使ってその動作を説明する。状態１０１は部屋の壁面９１に沿って走行している状態であり、センサー２ｂａ、２ｂｂが作動状態となり、ロボットは左側面で壁と接近していることを検知している。ロボットを壁面に沿って走行させるため、二つの車輪２８ａ、２８ｂは、ロボットの進行方向に対し略０度から３０度左に傾いた方向に制御されている。状態１０２は、ロボットは壁９１に沿って矢印１２１方向に進行し、壁９２に当った場合で、センサー部材２ａａ、２ａｂ、２ｂａ、２ｂｂが作動状態となる。このとき操舵モータ３２は、二つの車輪２８ａ、２８ｂを９０度右回転させ、ロボットは壁面９２に沿いながら矢印１２２方向に走行する。この時も、二つの車輪２８ａ、２８ｂは、ロボットの進行方向に対して略０度から３０度左に傾いた方向に制御されている。
【００２２】
状態１０３は、状態１０２と同じであるため、動作説明は省略する。ロボットが矢印１２３方向に前進すると、センサー部材２ｂａはＯＦＦ状態となり、センサー部材２ｂｂのみが作動状態となる。この時、操舵モータ３２は、二つの車輪２８ａ、２８ｂを進行方向に対して略６０度左に傾いた方向に制御され、自走ロボットは矢印１２４のように、左に旋回を始め、ついには第１の障害物９５の側壁に接近し、センサー部材２ｂａ、２ｂｂが作動状態となる。ついで、第１の障害物９５に沿って走行し、状態１０６となる。状態１０６は、状態１０４と同じ制御が行われるため、動作は省略する。状態１０７、状態１０８は、状態１０２と同じである。
【００２３】
状態１０９は、ロボットが壁９３に沿って走行中に、比較的小さい障害物９６に当接した状態である。この時は、センサー部材２ａｂ、２ｂａ、２ｂｂ、が作動状態となっている。操舵モータ３２は、二つの車輪２８ａ，２８ｂをロボットの進行方向に対し、略６０度左の方向に制御すると、ロボットは矢印１３０のように左旋回し、状態１１０を経た後、やがてセンサー部材２ｂａ、２ｂｂが作動状態となり、壁９３に沿って走行を始める。
状態１１２は、障害物９７を回避する動作を説明するものであるが、状態１０３と同じ方法で回避されることは、容易に想定できる。
【００２４】
このようにして、自走ロボットはその四つの側面に配置されたセンサーの作動状況を判断することにより、壁と障害物に沿って部屋の周囲を自立走行することができる。以上説明した四つの側面に配置されたセンサーの作動状況と、制御すべき車輪の方向との関係を整理すると、図５に記載した単純な論理により決定されることになる。
【００２５】
次に自走ロボットが現在位置を認識するために部屋の天井に設けられたマーカーについて説明する。図６は、天井マーカーの一例を示している。天井３０５には図のように東西南北の方向が設定されているとものとする。この天井３０５に、ある方向（例えば東西方向）に３個マーカー点列３０３が直線状に配置されている。この点列と交差する形で（例えば南北方向）一個のマーカー点列３０１と二個のマーカー点列３０２が直線状に配置されている。以上のように異なったマーカー点列を交差させて配置することにより、マーカーの位置と同時に部屋の方向を特定判断することが可能となっている。ここで、マーカー点列の配置パターンは、図６の例以外に、例えば四個以上のマーカー点列、あるいは、図の縦方向に配列されたマーカー点列等、他のパターンであってもよい。また、部屋ごとにマーカーの配列パターンを変更することにより、部屋番号を区分させることもできる。ここで、以後の説明では、図６に示したマーカー点列３０１、３０２、３０３を総称して天井マーカー３００と呼ぶことにする。
【００２６】
図７は、本発明の自走ロボットの制御方法を実現する制御システムの１実施例を説明する図である。
自走ロボットの上面に配置されている視覚センサー２０１は、周知のイメージセンサーを使用したもので、天井マーカー３００の画像をレンズ系によりイメージセンサー上に縮小投影させ、２次元のディジタル電子データに変換するものである。認識部２０７は、視覚センサー２０１からのデータにより天井マーカーの位置と配列状況を認識し、天井マーカー３００に対する自走ロボットの相対位置と方向を計算する。しかして、自走ロボットが走行する床面と天井マーカー３００との相対位置は予め決まっているため、自走ロボットは床面上に対する自身の位置と走行方向を認識することができる。同時にマーカー点列の配列状況から部屋番号を認識する。これらの認識結果を現在位置データ記憶部２１０へ伝達する。
【００２７】
液晶タッチパネル２０３および操作スイッチ２０５を使用して、部屋の輪郭、ドアー等開口部の位置、常設された大型障害物などのデータがマニュアルで入力される。このデータは主制御部２０９を介してレイアウトデータ記憶部２１１に伝達される。ここで、部屋の輪郭、ドアー等開口部の位置、常設された大型障害物などのデータは、液晶タッチパネル２０３を使わずに、データ入力端子２１５を介して、パソコンからデータをダウンロードして入力することも可能である。操作スイッチ２０５は、前記したマニュアルデータ入力の他、自走ロボットのスタート、ストップおよび自動・マニュアルなどの動作モード切替えなどの操作を行うものである。
側面センサー２は、前記した自走ロボットの各側面に配置された四組のセンサー２ａａ、２ａｂ、２ｂａ、２ｂｂ、２ｃａ、２ｃｂ、２ｄａ、２ｄｂから成っており、その出力信号は接近判断部２１３に伝達される。接近判断部２１３は、このデータを基に、自走ロボットが部屋壁面もしくは障害物とどういう状態で接近しているか、すなわち図５に示した四つの状態（１）〜状態（４）のいずれであるかを判断し、結果を主制御部２０９に伝達する。
駆動機構部２１４は、図２で示した駆動部を一つのブロックとして表している。
【００２８】
次に、以上説明した機構および制御システムを使った自走ロボットの制御方法について説明する。
図８で示された部屋３１０内を自走する場合を例に挙げて説明する。図において、部屋の横方向の壁３１１，３１３の長さは、自走ロボットの投影面積より小さい特定の略正方形の辺長の１６倍であるとし、縦方向の壁３１２、３１４の長さは同１２倍であるとする。壁面３１１の一部にはドアー等の開口部３２７があり、壁面３１３には縁側などの開口部３２８があるとする。部屋内には既知の障害物３２５と予期せぬ障害物３２６が配置されているものとする。
【００２９】
図９は、図７で説明したレイアアウトデータ記憶部２１１のメモリーデータ形式を表しており、部屋のレイアウトを管理するための行列データシートである。行列の各成分は、自走ロボットの投影面積より小さい特定の略正方形の大きさに対応している。
【００３０】
図８に示した部屋のレイアウトデータを入力する場合を例に挙げて説明する。ロボット本体の液晶タッチパネル２０３を使用して部屋のレイアウトを入力すると、このデータシートの第０行と第０列、および、部屋の輪郭に対応した特定の行列、すなわち、図８の場合は第１３行と第１７列によって囲まれた領域が部屋の大きさに対応する行列として設定される。ここで、部屋の壁面に対応する行列成分には、ある特定の英数字（例えば５）が入力され、ドアー等の開口部３２７および、縁側等の壁面３２８に対応した行列成分には、他の特定の英数字（例えば４）が設定される。すなわち、行列データシート上で、行列成分として特定の英数字（５）または特定の英数字（４）で囲まれた領域が部屋の輪郭として設定される。更に、既知の障害物３２５の大きさと位置は、データシート上に障害物であることを表す他の特定の英数字（例えば３）が入力される。部屋の輪郭内で、かつ、障害物のデータが入力されていない行列成分には、あらかじめ他の英数字（例えば０）を入力されている。以上の操作により、自走ロボットが走行可能な領域は、行列データシート上の行列成分に（０）が入力されている領域として設定され、特定の英数字（５）と入力されたところは壁面であり、特定の英数字（４）と入力されたところは壁面の開口部であり、特定の英数字（３）が入力されたところは障害部が存在するという判断を可能としている。
【００３１】
次に自走ロボットが実際に走行した経路データを、取得する方法について説明する。図１０は、現在位置データ記憶部２１０のメモリーデータ形式を表しており、自走ロボットの走行状態を管理するための行列データシートである。そのデータ形式は図９と同一であり、部屋のレイアウトデータは、レイアアウトデータ記憶部２１１より転送されている。
図８に示した部屋を一周する場合を例に挙げて説明する。図において、状態３２１にロボットが設置され、矢印３２２方向に前進し、状態３２３に示したように壁３１１に当接し、ついで矢印３２４の方向に走行し、部屋を右回りに一周させる。この場合、自走ロボットは図４で説明した方法で、自立的に部屋壁面に沿っておよび障害物を回避して走行することが可能である。また、行列成分に特定の数字（４）が入力されているところは、それに対応する位置へ侵入することなく走行するために、図２で示した車輪２８ａ、車輪２８ｂは、走行方向に対して平行にセットされ、自走ロボットが直進し部屋の輪郭外に出ることが防止される。
【００３２】
前記した方法により、天井マーカー３００と視覚センサー２０１、および、認識部２０７とにより、自走ロボットの現在位置は常時認識され、行列データとして記憶されている。ここで、部屋のレイアウトをｍ行ｎ列の行列Ａ（ｍ＝１２、ｎ＝１６）で表すと、図８において最初に状態３２１に自走ロボットが設置されたとき、図１０の第４行第６列の行列成分（以下、行列成分をａ４６と記載する）がその対応する位置であると判断され、この行列成分にある特定の英数字（例えば１）が設定される。ついで矢印３２２、矢印３２４方向に走行して行くと、順次、ａ３６、ａ２６、ａ１６、ａ１７、ａ１８、・・・と 自走ロボットが走行した経路に対応する行列成分にある特定の英数字（１）が入力されてゆく。図８の予期せぬ障害物３２６が存在する場合は、ロボットは前記した方法で自立的にこれを回避し、ａ８１、ａ８２、ａ８３、ａ７３、ａ６３・・・の行列成分をある特定の英数字（１）に設定してゆく。ここで、ａ７１、ａ７２、ａ６１、ａ６２の行列成分データが特定の英数字（０）であり、その回りの行列データ成分が特定の英数字（０）以外であれば、主制御部２０９がこれを予期せぬ障害物として認識判断し、この行列成分に障害物を表す特定の英数字（３）を入力する。
このようにして、自走ロボットが走行データを取り込みながら、部屋の周囲を右回り走行し、行列成分ａ１６に到達したとき、主制御装置２０９が一周したことを判断して停止する。
【００３３】
次に部屋の領域全体の走行を行う場合の走行モードについて説明する。この走行モードでは、次に説明する論理に基づき自立的に走行する。部屋のレイアウト全体をｍ行ｎ列の行列Ａで表すとする。ここで、図８および図９、図１０の事例の場合は、ｍ＝１２、ｎ＝１６となる。このとき、第ｉ行目（ｉ＝１〜ｍ−１）上で未走行の行列成分があれば、すなわち行列成分が特定の英数字（０）であれば、その行列成分に対応する領域を走破する方向に走行し、第ｉ行目上で未走行の行列成分が無ければ，すなわち行列成分が特定の英数字（０）以外であれば、第ｉ＋１行目（ｉ＝１〜ｍ−１）に移動する。以上の動作で自走ロボットは図８の部屋を横方向に走破したことになる。ついで縦方向に走破する。この時は、第ｊ列目（ｊ＝１〜ｎ−１）上で未走行の行列成分があれば、すなわち行列成分が特定の英数字（０）であれば、その行列成分に対応する領域を走破する方向に走行し、第ｊ列目上で未走行の行列成分が無ければ，すなわち行列成分が特定の英数字（０）以外であれば、第ｊ＋１列目（ｊ＝１〜ｎ−１）に移動する。かくて、自走ロボットは部屋を縦横二つの方向に走行し、部屋の中央部に予期せぬ障害物がある場合も未走行部分を残すことなく走行することができる。
また、未走行成分が存在するか否かの判定は、次のような数学的手段を使うことにより、簡単に行うことができる。すなわち対象とする部屋のレイアウトを行列Ａ（ｍ，ｎ）で表し、未走行経路成分に特定の数値（０）を代入し、走行した経路成分に特定の数値（１）を代入する。しかして、行列Ａにｎ項単位列ベクトルｅを掛け算したベクトルＤ１を求める。
Ｄ１＝Ａｅ
ｅ＝ｔ〔１ １ ・・・・・ １〕 （ｔは転置ベクトルを表す）
このベクトルＤ１の各成分が０でなければ、該当する行に未走行の経路成分が存在することになる。
さらに、行列Ａに、特定の数値（例えば２）の階乗数列を成分とするｎ項列ベクトルＲを掛け算したベクトルＤ２を求める。
Ｄ２＝ＡＲ
Ｒ＝ｔ〔２０ ２１ ２２ ・・・・・ ２ｎ〕
このベクトルＲの各成分の数値から、行列Ａの各行の何列目に未走行の成分があるか否かを判定することができる。例えば、
Ｄ２＝ｔ〔０ １２ ０ ・・・・・ ０〕
とすると、１２＝２２＋２３であるから、２行目の３列および４列目の行列成分が未走行であることが特定できる。
【００３４】
次に部屋の領域全体の走行を行う場合の、他の走行モードについて説明する。図８に示した部屋の中央に他の既知障害物３２７（図示せず）が存在すると仮定して、自走ロボットが部屋を右回りに一周した場合の行列データは、図１１のようになる。ここで、ａ６７、ａ６８、ａ７７、ａ７８、ａ８７、ａ８８、ａ９７、ａ９８の特定の英数字（３）が他の障害物３２７であることを現している。
ここで部屋のレイアウトを現す行列をＢとし、障害物に対応する行列成分のかたまり、すなわち、特定の英数字（３）である成分のかたまりを小行列とし、行列Ｂをこの障害物を表す小行列を含む行列式で表現すると、図１２に示すようになる。図において、Ｂ１５が既知の障害物３２５に対応し、Ｂ３１が予期せぬ障害物３２６に対応し、Ｂ３３およびＢ４３が他の既知の障害物３２６に対応しており、それぞれの行列成分は全て特定の英数字（３）である。Ｂ１５、Ｂ３１、Ｂ３３、Ｂ４３以外の小行列の成分は、特定の英数字（０）または（１）である。ここで、Ｂ１５、Ｂ３１、Ｂ３３、Ｂ４３の小行列を（１）とし、それ以外の小行列を（０）とおいた行列をＣとすると、行列Ｃは図１３のようになる。
【００３５】
自走ロボットが他の走行モードで走行する場合は、図１３の行列Ｃにおいて、各行ごとに０が連続する領域を一つの独立した領域として判断して走行する。例えば、行列Ｃの第一行目の領域は、Ｂの行列成分で現すと、ｂ１ｊ（ｉ＝１〜３、ｊ＝１〜１２）となり、自走ロボットはこの成分領域を独立した自走領域として走行する。行列Ｃの一つの領域ｃｉｊ（ｉ＝１、ｊ＝１〜４）を走行し終えれば、行列Ｃの隣接する次の行領域に移る。かくして、自走ロボットは走行の容易なあるまとまった領域ごとに順次走行するため、障害物の存在する部屋をいくつかの走行し易い領域に区分して効率的に走行することができる。
【００３６】
この時、部屋の中央を走行中に、予期せぬ障害物に遭遇したときは、本来走行可能な成分で自走ロボットの走行が妨げられることにより、障害物に遭遇したと判断する。次に、前記した方法でその障害物の回りを一周し、新たな障害物として認識し、それに対応する行列成分を特定の英数字（３）に変換し、前記した方法と同じ小行列演算を再度行う。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の自走ロボットは、部屋天井に配置されたマーカーの位置および方向を読み取ることにより、相対的に自走ロボット自身の二次元的な位置および方向を認識する認識部と、部屋のレイアウトを記憶するレイアウト記憶部と、自走ロボットの走行した位置を記憶する現在位置データ記憶部と、自走ロボットの駆動機構を制御する機構制御部と、全体の制御を統括する主制御部とを備え、絶えず部屋内における自身の位置と方向を認識しながら走行する。
このような構成にすることにより、自走ロボット自身が保有するセンサーにより、天井に配置されたマーカーの位置および方向を読み取り、このデータから相対的に部屋の床面上の自走ロボットの位置と方向を求めることができる。これにより極めて簡単かつ正確に自走ロボットの現在位置、走行した径路、および、走行すべき経路を管理することが可能となり、掃除などを目的として部屋全体を隈なく効率的に走行させることができる。
【００３８】
別の観点による自走ロボットは、部屋の床面積を、自走ロボットの床投影面積以下の大きさの枡で碁盤目状に区分し、一つの碁盤目を行列の一つの成分とする行列データシートを作成し、自走ロボットの現在位置をこの碁盤目に対応させて認識し、行列データシートに現在位置データを逐次入力して、走行経路を管理する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、自走ロボットの現在位置および走行した径路、障害物の有無などを行列データとして管理することが可能となる。ここで、自走ロボットを掃除用として使用する場合、自走ロボット自身の床投影面積以下の面積単位で走行経路を管理すれば充分であり、行列データという簡単な形で自走ロボットの走行状態を管理することができ、部屋全体を隈なく効率的に走行させることができる。
【００３９】
別の観点による自走ロボットは、部屋天井に配置されたマーカーの位置および方向を読み取ることにより、相対的に自走ロボット自身の二次元的な位置および方向を特定し、対応する部屋の行列データシートにデータを入力して、現在位置および走行経路を管理することを特徴とする自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、部屋に配置されたマーカーを読み取ることにより簡単に自走ロボット自身の現在位置を特定できる。マーカーの位置および方向の認識は、行列の成分に対応して自走ロボットの床投影面積以下の単位で行われるため、高い認識精度は必要なく簡単な手段で実施できる。また、行列データシートと対応させ、行列データとして自身の位置を記憶するため、メモリーの容量を大幅に削減することができる。
【００４０】
別の観点による自走ロボットは、行列データシート上で、ロボットが走行した経路の成分に、特定の英数字（例えば１）を入力し、走行していない経路の成分には、異なる他の英数字（例えば０）を入力して、走行経路を管理する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、自走ロボットが走行していない領域と走行し終えた領域を行列式として把握することができ、数学的な処理で走行経路データの加工、管理を行うことが可能となり、制御システムを簡単にすることができる。
【００４１】
別の観点による自走ロボットは、天井に複数個のマーカーを点列状に、かつ、二つ以上の点列が交差するように配置し、この交差する点列状のマーカーを認識することにより、自走ロボットの相対位置および方向を特定する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、簡単な認識手段で自走ロボットの相対位置および方向を特定することができる。特に、自走ロボットから天井を見たときに、自走ロボットと天井との間に何らかの障害物があり、視界の一部が遮られた場合でも、各点列の一部が認識できれば、相対位置および方向を特定することが可能となる。
【００４２】
別の観点による自走ロボットは、また、交差する二つ以上の点列状に配置されたマーカーの、各点列パターンに違いを持たせることにより、部屋の番号もしくは部屋の方向を判断する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、異なる複数個の部屋を自走させる場合に、自走ロボットは自身で対象とする部屋の種類を認識し、部屋のレイアウト等自走するために必要な記憶データを引き出すことが可能となる。
【００４３】
別の観点による自走ロボットは、行列データシート上に、部屋のレイアウトおよび障害物の位置・形状などに関するデータを入力し、自走ロボットの最大走行領域を限定する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、自走ロボットが本来進入しては困る領域、例えば、部屋のドアーや縁側などの開口部に侵入することなく走行することができる。
【００４４】
別の観点による自走ロボットは、部屋のレイアウトをｍ行ｎ列の行列データで表し、ｉ行目（ｉ＝１〜ｍ−１）上の列成分（ｊ＝１〜ｎ）で、未走行の経路成分があればその経路成分を走破する方向に走行し、ｉ行目上の列成分（ｊ＝１〜ｎ）で未走行の経路成分がなければ、ｉ＋１行目（ｉ＝１〜ｍ−１）に移動して走行する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、簡単な論理で、部屋全体を順次隈なく走行することができる。
【００４５】
別の観点による自走ロボットは、部屋の床面積をｍ行ｎ列の行列データで表し、障害物が占める領域成分を小行列で表すとともに、ｍ行ｎ列の行列データを前記障害物の領域成分を表す小行列を含む行列に分解し、相隣る小行列で未走行領域成分を含む小行列がある場合は、これを一つの共通の領域として走行する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、部屋全体を走行し易い幾つかのまとまった領域に区分して走行することが可能となり、効率的に部屋全体を自走することができる。
【００４６】
別の観点による自走ロボットは、行または列方向に走行し、予期せぬ障害物を検知した場合はこの障害物の回りを１週してその大きさと形状を行列データとして認識し、以降の走行パターンを決定する自走ロボットの制御方法を有している。
このような方法で制御することにより、部屋の中央に予期せぬ障害物が存在した場合も、部屋全体を走行し易い幾つかの領域に区分し、効率的に自走することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の自走ロボットの外観図
【図２】図１に示した本発明の自走ロボットの内部構造図
【図３】
【図４】自走ロボットの走行パターンを説明する図
【図５】自走ロボットの走行論理を説明する図
【図６】天井に配置されたマーカーを説明する図
【図７】本発明の自走ロボットの制御システムを説明する図
【図８】自走ロボットが走行する部屋のレイアウト図
【図９】図８で示した部屋のレイアウトデータ記憶部のデータ形式
【図１０】自走ロボットの現在位置データ記憶部のデータ形式
【図１１】部屋の中央に既知障害物が存在する場合の行列データ
【図１２】行列式Ｂを、障害物を一つの小行列で表した場合の行列式を説明する図
【図１３】行列式Ｂにおいて、障害物を表す小行列を（０）とし、それ以外を（１）とした場合の行列式Ｃを説明する図
【符号の説明】
１ 本体部
２ センサー
２ａａ、２ａｂ 走行方向正面のセンサー
２ｂａ、２ｂｂ 走行方向左側面のセンサー
２８ａ、２８ｂ 車輪
４９ 走行モータ
３２ 操舵モータ
８１，８３，８５，８７ 自走ロボットの相対位置状態
１０１〜１１２ 自走ロボットの相対位置状態
３０１，３０２，３０３ 天井マーカーの配列状態
３０５ 天井
３１１〜３１４ 部屋の壁
３２１，３２３ 自走ロボットの相対位置状態
３２５ 障害物
３２６ 予期せぬ障害物[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a self-running robot such as a cleaning robot and a control method thereof. In particular, it aims to allow the robot to travel all over a certain area while confirming the position and posture of the robot itself using an external sensor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various methods have been devised as control methods for a self-propelled robot. Typically, a video camera is used to three-dimensionally recognize the outside world of a robot and run around obstacles, or place point or line land markers on the ceiling or floor. Then, there is a method of reading the land marker by a sensor of the robot itself and controlling a traveling route. In addition, a method has been devised in which an obstacle is detected using an ultrasonic sensor or the like, and the vehicle travels while avoiding the obstacle autonomously.
[0003]
However, these conventional techniques have many problems when employed as a cleaning robot. For example, in the method using a video camera, it is necessary to recognize the layout environment of the room where various obstacles are placed, run around the room and clean while avoiding obstacles. However, a considerably large-scale environment recognition device is required, and it is difficult to mount the device on a vacuum cleaner in terms of both size and cost. In particular, it is necessary to store the visual recognition data of the room and the data of various obstacles in advance, and it is extremely difficult to use it in an unspecified number of environments.
In addition, the conventional method using land markers allows a given traveling route to travel according to a given program, like an unmanned transfer robot in a factory. It is difficult to drive the entire area where various layouts and obstacles are present in an independent manner.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Generally, when trying to clean a home room with a self-propelled robot, the layout of the room and the position and size of obstacles such as furniture are recognized, and the robot runs all over the floor of the room. Need to be done. The object of the present invention is to use a simple marker provided on the ceiling and a marker sensor possessed by the robot itself to allow the robot itself to outline the room, its position and direction in the room, and the size of obstacles. It is an object of the present invention to provide a method of roughly recognizing a position or the like and traveling a room to every corner based on the recognized data.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The self-propelled robot according to the present invention includes a recognition unit that relatively recognizes the two-dimensional position and direction of the self-propelled robot by reading the position and direction of a marker arranged on the room ceiling, and a layout of the room. A layout storage unit for storing, a current position data storage unit for storing a position where the self-propelled robot has traveled, a mechanism control unit for controlling a driving mechanism of the self-propelled robot, and a main control unit for controlling overall control Always drive while recognizing your position and direction in the room.
With such a configuration, the current position of the self-propelled robot, the route on which the self-propelled robot has traveled, and the route to be run can be constantly managed by the self-propelled robot itself, and the entire room can be efficiently driven. be able to.
[0006]
A self-propelled robot according to another aspect divides the floor area of a room into a grid pattern with a cell having a size equal to or smaller than the floor projected area of the self-propelled robot, and matrix data in which one grid is a component of a matrix. It has a self-propelled robot control method that creates a sheet, recognizes the current position of the self-propelled robot corresponding to this grid, sequentially inputs the current position data to the matrix data sheet, and manages the traveling route. I have.
By controlling in this way, the current position of the self-propelled robot and the route it has traveled can be managed as matrix data in units of a grid of a certain size, thereby simplifying the specification of the current position. Becomes possible.
[0007]
The self-propelled robot according to another viewpoint reads the position and direction of the marker arranged on the ceiling of the room, thereby relatively specifying the two-dimensional position and direction of the self-propelled robot itself, and corresponding matrix data of the room. A self-propelled robot control method characterized by inputting data to a seat and managing a current position and a traveling route is provided.
By controlling in such a manner, the current position of the self-propelled robot itself can be easily specified by reading the marker arranged in the room, and the position of the self-propelled robot itself is stored as matrix data while being associated with the matrix data sheet. Therefore, the memory capacity can be significantly reduced.
[0008]
A self-propelled robot according to another aspect inputs a specific alphanumeric character (for example, 1) as a component of a route traveled by a robot on a matrix data sheet, and uses a different alphanumeric character as a component of a route not traveled. There is a control method for a self-propelled robot that manages a traveling route by inputting a number (for example, 0).
By controlling in this way, the area where the self-propelled robot is not traveling and the area where it has completed traveling can be grasped as a matrix, and the traveling route data can be managed by mathematical processing. Thus, the control system can be simplified.
[0009]
A self-propelled robot according to another viewpoint arranges a plurality of markers on a ceiling in a dot sequence and arranges two or more dot sequences so as to recognize the crossed dot sequence markers. And a method for controlling a self-propelled robot that specifies the relative position and direction of the self-propelled robot.
By controlling in this way, when the ceiling is viewed from the self-propelled robot, even if there is some obstacle between the self-propelled robot and the ceiling, and part of the field of view is obstructed, the position can be reliably determined. And the direction can be recognized.
[0010]
A self-propelled robot according to another aspect is a self-propelled robot that determines a room number or a room direction by giving a difference to each point sequence pattern of markers arranged in two or more intersecting point sequences. Control method.
By controlling in such a manner, when the self-propelled robot moves in a plurality of different rooms, the self-propelled robot recognizes the type of the target room by itself, and stores the layout necessary for the self-propulsion such as the room layout. Data can be extracted.
[0011]
A self-propelled robot according to another aspect has a control method for a self-propelled robot that inputs data regarding the outline and the position and shape of an obstacle on a matrix data sheet and limits the maximum traveling area of the self-propelled robot. ing.
By controlling in such a manner, the self-propelled robot can travel without entering a region that is originally difficult to enter, for example, an opening such as a door or an edge of a room.
[0012]
In a self-propelled robot according to another aspect, the floor area of a room is represented by a matrix data sheet of m rows and n columns, and column components (j = 1 to n) on an i-th row (i = 1 to m−1), If there is an untraveled route component, the vehicle travels in the direction in which the route component runs, and if there is no untraveled route component in the column components (j = 1 to n) on the i-th row, the i + 1-th row (i = 1) To m-1) to control a self-propelled robot that travels.
By controlling in this way, the entire room can be driven with simple logic.
[0013]
In a self-propelled robot according to another aspect, a floor area of a room is represented by a matrix data sheet of m rows and n columns, an area component occupied by an obstacle is represented by a small matrix, and matrix data of m rows and n columns is represented by the matrix data of the obstacle. If there is a small matrix that contains unrunning area components in adjacent small matrices that decompose into a matrix that includes small matrices that represent the area components, there is a control method for a self-propelled robot that travels as a common area with this small matrix. are doing.
By controlling in such a manner, it becomes possible to divide the entire room into several easy-to-run areas, and to travel efficiently in the entire room.
[0014]
A self-propelled robot according to another viewpoint travels in a row or column direction, and when an unexpected obstacle is detected, the robot moves around the obstacle for one week to recognize its size and shape as matrix data. A self-propelled robot control method for determining a traveling pattern is provided.
By controlling in this way, even when an unexpected obstacle is present in the center of the room, the entire room can be divided into several easy-to-travel areas, and the vehicle can travel efficiently by itself.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment showing a self-propelled robot control method of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an external view of a self-propelled robot. As shown in the figure, the self-propelled robot of the present embodiment has a substantially rectangular parallelepiped shape, and the shape projected on the floor is substantially square. Two sensors 2 are provided on the four sides of the main body 1 of the self-propelled robot so that each side is bisected in the horizontal direction, and the self-propelled robot approaches or touches a wall or an obstacle in the room. When this happens, this sensor senses.
On the upper surface of the main body 1 of the self-propelled robot, a visual sensor 201 for reading a marker arranged on the ceiling of the room, an infrared sensor 202 for detecting a surrounding heat source such as a human body and a stove, and a human command by voice are detected. A microphone 204, an operation switch 205 for manually inputting data to the robot, an emergency switch 206 for forcibly stopping the self-propelled robot when an abnormality occurs, and manually inputting a room layout into a matrix data sheet, Further, a liquid crystal touch panel 203 for displaying traveling data as matrix data is mounted.
[0016]
This self-propelled robot has a structure that can move in all directions and can turn in any direction. Hereinafter, the structure of the embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a diagram for explaining the internal structure of the self-propelled robot shown in FIG. 1, particularly for explaining the structure of a drive unit movable in all directions. The drive steering plate 14 is mounted on the main body 1 and holds the entire drive mechanism described below. A steering shaft 24 is rotatably mounted on the drive steering plate 14 via a bearing 22. A steering frame 25 is fixed below the steering shaft 24. At the lower end of the steering frame 25, axles 27a, 27b are mounted rotatably via bearings 26a, 26b. Wheels 28a and 28b are fixed to the axles 27a and 27b, respectively. A timing pulley 29 is fixed to the upper end of the steering shaft 24. The timing pulley 29 is connected via a timing belt 30 to a timing pulley 31 mounted on a steering motor 32 fixed to the drive steering plate 14. The steering motor 32 is provided with a position detector 33 for detecting the rotation angle of the motor. The drive steering plate 14 is provided with a Hall sensor 34 that responds to the magnetism of a magnet 35 fixed to the steering frame 25, and detects the origin of the rotational position of the steering frame 25 with respect to the drive steering plate 14.
[0017]
A drive shaft 37 is mounted inside the steering shaft 24 via two bearings 36a and 36b mounted vertically. A bevel gear 38 is fixed to the lower end of the drive shaft 37. This bevel gear 38 meshes with another bevel gear 39 mounted coaxially with the axle 27a. The other bevel gear 39 is fixed via a bearing 43a, 43b to an operating gear box 40 rotatably mounted around the axles 27a, 27b. The wheels 28a and 28b are fixed to outer ends of the two axles 27a and 27b, respectively. Working bevel gears 44a, 44b are fixed to the inner ends of the two axles 27a, 27b, respectively. These differential bevel gears 44a, 44b are connected to the bevel gear box 40 via bearings 42a, 42b. It meshes with differential bevel gears 45a, 45b fixed to the inner ends of rotatably mounted shafts 41a, 41b.
[0018]
A timing pulley 48 is fixed to an output shaft of the traveling motor 49 fixed on the drive steering plate 14. The rotation of the timing pulley 48 is transmitted to the timing pulley 46 fixed to the upper end of the drive shaft 37 via the timing belt 47. A rotation sensor 50 for detecting the rotation angle and rotation speed of the motor is mounted on the traveling motor 49.
[0019]
Hereinafter, the operation of the self-propelled robot will be described with reference to FIGS. 3 and 4 show running patterns of the self-propelled robot. 81, 83, 85, 87, and 101 to 112 schematically represent the top view of the self-propelled robot shown in FIG. . In the figure, 2aa, 2ab, 2ba and 2bb indicate sensors arranged on the side of the self-propelled robot, and 2aa and 2ab indicate sensors mounted on the front part in the traveling direction of the self-propelled robot. , 2bb indicates a sensor arranged on the left side surface in the traveling direction of the self-propelled robot.
[0020]
FIG. 3 shows an operation pattern when the self-propelled robot travels in a straight line. Reference numeral 89 denotes a wall of a room, and reference numerals 81, 83, 85, and 87 denote relative position states between the self-propelled robot and the room. State 81 shows a case where the self-propelled robot starts first, and proceeds in the direction of arrow 82. At this time, inside the self-propelled robot, the steering motor 32 shown in FIG. 2 is driven to set the wheels 28a and 28b in parallel with the arrow 82, and then the traveling motor rotates to drive the wheels 28a and 28b. I do. When the self-propelled robot advances and comes into contact with the wall surface 89 of the room, the sensors 2aa and 2ab operate to detect the contact with the wall surface, and stop the rotation of the traveling motor 49. Next, after the steering motor 32 changes the direction of the wheels 28a and 28b by 90 degrees, the traveling motor 49 rotates again, and advances and stops by a distance substantially equal to the width of the self-propelled robot. The traveling distance at this time is detected by a rotation sensor 50 mounted on the traveling motor 49. Then, the steering motor 32 rotates to turn the wheels 28a and 28b by 90 degrees and turn in a direction parallel to the arrow 86. Hereinafter, the same operation is repeated, and the vehicle travels in the entire room.
[0021]
FIG. 4 shows the floor of a room having four walls 91, 92, 93, and 94 and obstacles 95, 96, and 97 such as furniture arranged in a part of the room. 9 shows an operation pattern when traveling along an object. Hereinafter, the operation will be described with reference to FIG. The state 101 is a state in which the robot is running along the wall surface 91 of the room, the sensors 2ba and 2bb are activated, and the robot detects that it is approaching the wall on the left side. In order to make the robot travel along the wall surface, the two wheels 28a and 28b are controlled in a direction inclined leftward by approximately 0 to 30 degrees with respect to the traveling direction of the robot. In state 102, the robot advances along the wall 91 in the direction of arrow 121 and hits the wall 92, and the sensor members 2aa, 2ab, 2ba, and 2bb are activated. At this time, the steering motor 32 rotates the two wheels 28a and 28b clockwise by 90 degrees, and the robot travels along the wall surface 92 in the direction of arrow 122. Also at this time, the two wheels 28a and 28b are controlled in a direction inclined leftward by approximately 0 to 30 degrees with respect to the traveling direction of the robot.
[0022]
Since the state 103 is the same as the state 102, the description of the operation is omitted. When the robot advances in the direction of arrow 123, the sensor member 2ba is turned off, and only the sensor member 2bb is turned on. At this time, the steering motor 32 is controlled so that the two wheels 28a and 28b are inclined leftward by approximately 60 degrees with respect to the traveling direction, and the self-propelled robot starts turning left as indicated by an arrow 124, and finally turns. When approaching the side wall of the first obstacle 95, the sensor members 2ba and 2bb are activated. Next, the vehicle travels along the first obstacle 95 and enters the state 106. In the state 106, the same control as that in the state 104 is performed, so that the operation is omitted. State 107 and state 108 are the same as state 102.
[0023]
The state 109 is a state in which the robot abuts on a relatively small obstacle 96 while traveling along the wall 93. At this time, the sensor members 2ab, 2ba, 2bb are in operation. When the steering motor 32 controls the two wheels 28a and 28b in a direction approximately 60 degrees to the left with respect to the traveling direction of the robot, the robot turns left as indicated by an arrow 130, and after passing through the state 110, the sensor member 2ba, 2bb is activated and starts running along the wall 93.
The state 112 describes the operation of avoiding the obstacle 97, but it can be easily assumed that the state 112 is avoided in the same manner as the state 103.
[0024]
In this way, the self-propelled robot can travel independently around the room along the wall and the obstacle by judging the operating states of the sensors arranged on the four side surfaces. When the relationship between the operating states of the sensors arranged on the four side surfaces described above and the directions of the wheels to be controlled is arranged, it is determined by the simple logic shown in FIG.
[0025]
Next, a marker provided on the ceiling of the room for the self-propelled robot to recognize the current position will be described. FIG. 6 shows an example of a ceiling marker. It is assumed that the directions of east, west, north and south are set on the ceiling 305 as shown in the figure. On the ceiling 305, three marker point arrays 303 are linearly arranged in a certain direction (for example, east-west direction). One marker point sequence 301 and two marker point sequences 302 are linearly arranged (for example, in the north-south direction) so as to intersect with this point sequence. As described above, by arranging different marker point rows so as to intersect, it is possible to specify and determine the direction of the room at the same time as the position of the marker. Here, other than the example of FIG. 6, the arrangement pattern of the marker point sequence may be another pattern such as, for example, four or more marker point sequences, or a marker point sequence arranged in the vertical direction in the figure. . Further, by changing the marker arrangement pattern for each room, the room number can be classified. Here, in the following description, the marker point strings 301, 302, and 303 shown in FIG. 6 are collectively referred to as a ceiling marker 300.
[0026]
FIG. 7 is a diagram for explaining an embodiment of a control system for realizing the self-propelled robot control method according to the present invention.
The visual sensor 201 arranged on the upper surface of the self-propelled robot uses a well-known image sensor. The image of the ceiling marker 300 is reduced and projected on the image sensor by a lens system and converted into two-dimensional digital electronic data. Is what you do. The recognition unit 207 recognizes the position and arrangement of the ceiling markers based on the data from the visual sensor 201, and calculates the relative position and direction of the self-propelled robot with respect to the ceiling markers 300. Since the relative position between the floor on which the self-propelled robot travels and the ceiling marker 300 is determined in advance, the self-propelled robot can recognize its position on the floor and the traveling direction. At the same time, the room number is recognized from the arrangement state of the marker point sequence. These recognition results are transmitted to the current position data storage unit 210.
[0027]
Using the liquid crystal touch panel 203 and the operation switches 205, data such as the outline of a room, the position of an opening such as a door, and a permanent large obstacle are manually input. This data is transmitted to the layout data storage unit 211 via the main control unit 209. Here, data such as the outline of a room, the position of an opening such as a door, and a permanent large obstacle are downloaded and input from a personal computer via a data input terminal 215 without using the liquid crystal touch panel 203. It is also possible. The operation switch 205 performs operations such as start and stop of the self-propelled robot and switching of operation modes such as automatic and manual, in addition to the manual data input described above.
The side sensor 2 comprises four sets of sensors 2aa, 2ab, 2ba, 2bb, 2ca, 2cb, 2da, 2db arranged on each side of the self-propelled robot. Is transmitted. Based on this data, the approach determination unit 213 determines in what state the self-propelled robot is approaching the room wall or the obstacle, that is, in any of the four states (1) to (4) shown in FIG. It is determined whether or not there is, and the result is transmitted to the main control unit 209.
The drive mechanism 214 represents the drive shown in FIG. 2 as one block.
[0028]
Next, a method of controlling a self-propelled robot using the mechanism and the control system described above will be described.
The case where the vehicle runs in the room 310 shown in FIG. 8 by itself will be described as an example. In the figure, it is assumed that the length of the horizontal walls 311 and 313 of the room is 16 times the side length of a specific substantially square smaller than the projected area of the self-propelled robot, and the length of the vertical walls 312 and 314 is It is assumed that it is 12 times. An opening 327 such as a door is provided in a part of the wall surface 311, and an opening 328 such as an edge is provided in the wall surface 313. It is assumed that a known obstacle 325 and an unexpected obstacle 326 are arranged in the room.
[0029]
FIG. 9 illustrates a memory data format of the layout data storage unit 211 described with reference to FIG. 7, and is a matrix data sheet for managing a room layout. Each component of the matrix corresponds to a specific substantially square size smaller than the projected area of the self-propelled robot.
[0030]
The case where the layout data of the room shown in FIG. 8 is input will be described as an example. When the layout of the room is input using the liquid crystal touch panel 203 of the robot body, the 0th row and the 0th column of this data sheet and a specific matrix corresponding to the outline of the room, that is, the 13th row in FIG. The area surrounded by the row and the seventeenth column is set as a matrix corresponding to the size of the room. Here, a specific alphanumeric character (for example, 5) is input to a matrix component corresponding to the wall surface of the room, and another matrix component corresponding to the opening 327 such as a door and the wall surface 328 such as an edge is provided. A specific alphanumeric character (for example, 4) is set. That is, on the matrix data sheet, a region surrounded by a specific alphanumeric character (5) or a specific alphanumeric character (4) as a matrix component is set as a room outline. Further, as the size and the position of the known obstacle 325, another specific alphanumeric character (for example, 3) indicating that the obstacle is an obstacle is input on the data sheet. Other alphanumeric characters (for example, 0) are input in advance to the matrix components within the outline of the room and for which no obstacle data has been input. By the above operation, the area where the self-propelled robot can travel is set as the area where (0) is input to the matrix component on the matrix data sheet, and the area where the specific alphanumeric character (5) is input is the wall surface. Where a specific alphanumeric character (4) is input is an opening in a wall surface, and where a specific alphanumeric character (3) is input, it is possible to determine that an obstacle exists.
[0031]
Next, a method of acquiring route data on which the self-propelled robot has actually traveled will be described. FIG. 10 shows a memory data format of the current position data storage unit 210, and is a matrix data sheet for managing the running state of the self-propelled robot. The data format is the same as that of FIG. 9, and the layout data of the room is transferred from the layout data storage unit 211.
A case will be described as an example in which the user goes around the room shown in FIG. In the figure, a robot is installed in a state 321, advances in the direction of arrow 322, contacts the wall 311 as shown in state 323, then travels in the direction of arrow 324, and makes a round of the room clockwise. In this case, the self-propelled robot can autonomously travel along the room wall and avoiding obstacles by the method described with reference to FIG. Also, where a specific number (4) is input to the matrix component, the wheels 28a and 28b shown in FIG. 2 move in the traveling direction in order to travel without entering the corresponding position. It is set parallel to prevent the self-propelled robot from going straight and out of the room outline.
[0032]
According to the method described above, the current position of the self-propelled robot is always recognized by the ceiling marker 300, the visual sensor 201, and the recognition unit 207, and stored as matrix data. Here, if the layout of the room is represented by a matrix A of m rows and n columns (m = 12, n = 16), when the self-propelled robot is first installed in the state 321 in FIG. The matrix component of the sixth column (hereinafter, matrix component is a 46 Is determined to be the corresponding position, and a specific alphanumeric character (for example, 1) is set in this matrix element. Next, when the vehicle travels in the directions of the arrows 322 and 324, 36 , A 26 , A 16 , A 17 , A 18 ,... A specific alphanumeric character (1) in a matrix component corresponding to the route traveled by the self-propelled robot is input. If the unexpected obstacle 326 in FIG. 8 is present, the robot autonomously avoids it in the manner described above, and 81 , A 82 , A 83 , A 73 , A 63 .. Are set to specific alphanumeric characters (1). Where a 71 , A 72 , A 61 , A 62 Is a specific alphanumeric character (0), and if the surrounding matrix data components are other than the specific alphanumeric character (0), the main control unit 209 recognizes and judges this as an unexpected obstacle. , A specific alphanumeric character (3) representing an obstacle is input to this matrix element.
In this way, the self-propelled robot travels clockwise around the room while capturing the traveling data, and the matrix component a 16 Is reached, the main controller 209 determines that it has made one round and stops.
[0033]
Next, a description will be given of a traveling mode when traveling over the entire area of the room. In this traveling mode, the vehicle travels autonomously based on the logic described below. It is assumed that the entire room layout is represented by a matrix A having m rows and n columns. Here, in the case of FIGS. 8, 9, and 10, m = 12 and n = 16. At this time, if there is an unrunning matrix component on the i-th row (i = 1 to m-1), that is, if the matrix component is a specific alphanumeric character (0), an area corresponding to the matrix component is set. If the vehicle travels in the traveling direction and there is no untraveled matrix component on the i-th row, that is, if the matrix component is other than a specific alphanumeric character (0), the i + 1-th row (i = 1 to m−1) Go to). With the above operation, the self-propelled robot has traveled through the room in FIG. 8 in the horizontal direction. Then run vertically. At this time, if there is an unrunning matrix component on the j-th column (j = 1 to n-1), that is, if the matrix component is a specific alphanumeric character (0), the area corresponding to the matrix component And if there is no untraveled matrix component on the j-th column, that is, if the matrix component is other than a specific alphanumeric character (0), the j + 1-th column (j = 1 to n− Go to 1). Thus, the self-propelled robot can travel in the room in two directions in the vertical and horizontal directions, and can travel without leaving an untraveled portion even when there is an unexpected obstacle in the center of the room.
Further, the determination as to whether or not the unrunning component exists can be easily performed by using the following mathematical means. That is, the layout of the target room is represented by a matrix A (m, n), a specific numerical value (0) is substituted for the untraveled route component, and a specific numerical value (1) is substituted for the traveled route component. Thus, a vector D obtained by multiplying the matrix A by the n-term unit column vector e 1 Ask for.
D 1 = Ae
e = t [1 1 ... 1] ( t Represents the transpose vector)
This vector D 1 If each component is not 0, it means that there is an untraveled route component in the corresponding row.
Further, a vector D is obtained by multiplying the matrix A by an n-term column vector R having a factorial sequence of a specific numerical value (for example, 2) as a component. 2 Ask for.
D 2 = AR
R = t [2 0 2 1 2 2 ・ ・ ・ ・ ・ 2 n ]
From the numerical value of each component of the vector R, it can be determined in which column of each row of the matrix A there is an unrunning component. For example,
D 2 = t [0 12 0 ... 0]
Then, 12 = 2 2 +2 3 Therefore, it can be specified that the matrix components in the third and fourth columns in the second row are not running.
[0034]
Next, another traveling mode when traveling over the entire area of the room will be described. Assuming that another known obstacle 327 (not shown) exists in the center of the room shown in FIG. 8, the matrix data when the self-propelled robot makes a right turn around the room is as shown in FIG. . Where a 67 , A 68 , A 77 , A 78 , A 87 , A 88 , A 97 , A 98 Indicates that the particular alphanumeric character (3) is another obstacle 327.
Here, a matrix representing the room layout is B, and a cluster of matrix components corresponding to obstacles, that is, a cluster of components that are specific alphanumeric characters (3) is a small matrix, and a matrix B is a small matrix representing this obstacle. When expressed by a determinant including a matrix, the result is as shown in FIG. In the figure, B Fifteen Corresponds to a known obstacle 325 and B 31 Responds to an unexpected obstacle 326 and B 33 And B 43 Correspond to the other known obstacles 326, and each matrix element is a specific alphanumeric character (3). B Fifteen , B 31 , B 33 , B 43 The components of the small matrix other than are specific alphanumeric characters (0) or (1). Where B Fifteen , B 31 , B 33 , B 43 If the small matrix of (1) is represented by (1), and the other small matrix is represented by (0), and the matrix is represented by C, the matrix C is as shown in FIG.
[0035]
When the self-propelled robot travels in another traveling mode, it travels in matrix C in FIG. 13 by determining a region where 0s are continuous for each row as one independent region. For example, when the area of the first row of the matrix C is represented by the matrix component of B, b 1j (I = 1 to 3, j = 1 to 12), and the self-propelled robot runs with the component areas as independent self-propelled areas. One area c of the matrix C ij After traveling (i = 1, j = 1 to 4), the process moves to the next row area adjacent to the matrix C. In this way, the self-propelled robot sequentially travels in each of the easy-to-run certain areas, so that the room where the obstacle exists can be divided into several easy-to-travel areas and can travel efficiently.
[0036]
At this time, when an unexpected obstacle is encountered while traveling in the center of the room, it is determined that an obstacle has been encountered because the traveling of the self-propelled robot is hindered by a component that can be originally traveled. Next, it circles around the obstacle by the method described above, recognizes it as a new obstacle, converts the matrix component corresponding to the obstacle into a specific alphanumeric character (3), and performs the same small matrix operation as in the method described above. Do it again.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, the self-propelled robot of the present invention has a recognition unit that relatively recognizes the two-dimensional position and direction of the self-propelled robot by reading the position and direction of the marker arranged on the ceiling of the room. A layout storage unit that stores a room layout, a current position data storage unit that stores a position where the self-propelled robot has traveled, a mechanism control unit that controls a driving mechanism of the self-propelled robot, and a main unit that controls the overall control. A control unit is provided, and the vehicle travels while constantly recognizing its own position and direction in the room.
With such a configuration, the position and direction of the marker placed on the ceiling is read by the sensor held by the self-propelled robot itself, and the position of the self-propelled robot on the floor of the room is relatively determined from this data. The direction can be determined. This makes it possible to manage the current position of the self-propelled robot, the route it has traveled, and the route to be traveled very easily and accurately, and it is possible to run the entire room efficiently for cleaning and other purposes. .
[0038]
A self-propelled robot according to another aspect divides the floor area of a room into a grid pattern with a cell having a size equal to or smaller than the floor projected area of the self-propelled robot, and matrix data in which one grid is a component of a matrix. It has a self-propelled robot control method that creates a sheet, recognizes the current position of the self-propelled robot corresponding to this grid, sequentially inputs the current position data to the matrix data sheet, and manages the traveling route. I have.
By controlling in this way, it is possible to manage the current position of the self-propelled robot, the route on which it has traveled, the presence or absence of obstacles, and the like as matrix data. Here, when the self-propelled robot is used for cleaning, it is sufficient to manage the traveling route in an area unit equal to or less than the floor projected area of the self-propelled robot itself, and the traveling state of the self-propelled robot in a simple form of matrix data. Can be managed, and the entire room can be efficiently driven.
[0039]
The self-propelled robot according to another viewpoint reads the position and direction of the marker arranged on the ceiling of the room, thereby relatively specifying the two-dimensional position and direction of the self-propelled robot itself, and corresponding matrix data of the room. A self-propelled robot control method characterized by inputting data to a seat and managing a current position and a traveling route is provided.
By controlling in such a manner, the current position of the self-propelled robot itself can be easily specified by reading the marker arranged in the room. Recognition of the position and direction of the marker is performed in units smaller than the floor projected area of the self-propelled robot corresponding to the components of the matrix, so that high recognition accuracy is not required and simple means can be implemented. Further, since the position of the self is stored as the matrix data in correspondence with the matrix data sheet, the capacity of the memory can be significantly reduced.
[0040]
A self-propelled robot according to another aspect inputs a specific alphanumeric character (for example, 1) as a component of a route traveled by a robot on a matrix data sheet, and uses a different alphanumeric character as a component of a route not traveled. There is a control method for a self-propelled robot that manages a traveling route by inputting a number (for example, 0).
By controlling in this way, the area where the self-propelled robot does not travel and the area where it has traveled can be grasped as a matrix, and processing and management of travel route data by mathematical processing And the control system can be simplified.
[0041]
A self-propelled robot according to another viewpoint arranges a plurality of markers on a ceiling in a dot sequence and arranges two or more dot sequences so as to recognize the crossed dot sequence markers. And a method for controlling a self-propelled robot that specifies the relative position and direction of the self-propelled robot.
By controlling in such a manner, the relative position and direction of the self-propelled robot can be specified by simple recognition means. In particular, when a self-propelled robot looks at the ceiling, if there is some obstacle between the self-propelled robot and the ceiling, and part of the field of view is obstructed, if a part of each point sequence can be recognized, The position and the direction can be specified.
[0042]
A self-propelled robot according to another aspect is also capable of determining a room number or a room direction by giving a difference in each point sequence pattern of markers arranged in two or more intersecting point sequences. It has a running robot control method.
By controlling in such a manner, when the self-propelled robot moves in a plurality of different rooms, the self-propelled robot recognizes the type of the target room by itself, and stores the layout necessary for the self-propulsion such as the room layout. Data can be extracted.
[0043]
A self-propelled robot according to another aspect has a control method for a self-propelled robot that inputs data regarding the layout of a room and the position and shape of an obstacle on a matrix data sheet and limits the maximum traveling area of the self-propelled robot. are doing.
By controlling in such a manner, the self-propelled robot can travel without entering a region that is originally difficult to enter, for example, an opening such as a door or an edge of a room.
[0044]
In a self-propelled robot according to another aspect, a room layout is represented by matrix data of m rows and n columns, and a column component (j = 1 to n) on an i-th row (i = 1 to m-1) is used for untraveled. If there is a path component of (i), the vehicle travels in the direction in which the path component runs, and if there is no untraveled path component in the column component on the i-th row (j = 1 to n), the i + 1-th row (i = 1 to m) The method has a control method for a self-propelled robot that moves and travels in -1).
By controlling in such a manner, the entire room can be sequentially and completely driven with simple logic.
[0045]
In a self-propelled robot according to another aspect, a floor area of a room is represented by matrix data of m rows and n columns, an area component occupied by an obstacle is represented by a small matrix, and matrix data of m rows and n columns is represented by an area of the obstacle. Decompose into a matrix including small matrices representing components, and if there is a small matrix containing unrunning region components in adjacent small matrices, have a method of controlling a self-propelled robot that runs as a common region ing.
By controlling in such a manner, it becomes possible to divide the entire room into several easy-to-run areas, and to travel efficiently in the entire room.
[0046]
A self-propelled robot according to another viewpoint travels in a row or column direction, and when an unexpected obstacle is detected, the robot moves around the obstacle for one week to recognize its size and shape as matrix data. A self-propelled robot control method for determining a traveling pattern is provided.
By controlling in this way, even when an unexpected obstacle is present in the center of the room, the entire room can be divided into several easy-to-travel areas, and the vehicle can travel efficiently by itself.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view of a self-propelled robot according to the present invention.
FIG. 2 is an internal structural diagram of the self-propelled robot of the present invention shown in FIG.
FIG. 3
FIG. 4 is a diagram illustrating a traveling pattern of a self-propelled robot.
FIG. 5 is a diagram for explaining the traveling logic of the self-propelled robot.
FIG. 6 is a diagram illustrating a marker arranged on a ceiling.
FIG. 7 is a diagram illustrating a control system for a self-propelled robot according to the present invention.
FIG. 8 is a layout diagram of a room in which the self-propelled robot runs.
9 is a data format of a room layout data storage unit shown in FIG. 8;
FIG. 10 is a data format of a current position data storage unit of the self-propelled robot.
FIG. 11 is a matrix data when a known obstacle exists in the center of the room.
FIG. 12 is a view for explaining a determinant when the determinant B is represented by one small matrix of an obstacle;
FIG. 13 is a view for explaining a determinant C in a case where a small matrix representing an obstacle in the determinant B is (0), and the other is (1).
[Explanation of symbols]
1 Body
2 sensors
2aa, 2ab Sensor in front of traveling direction
2ba, 2bb Sensor on left side in traveling direction
28a, 28b wheels
49 Traveling motor
32 Steering motor
81, 83, 85, 87 Relative position of self-propelled robot
101-112 Relative position of self-propelled robot
301, 302, 303 Arrangement status of ceiling markers
305 ceiling
311 to 314 room wall
321,323 Relative position of self-propelled robot
325 Obstacle
326 Unexpected obstacle
