CN1161268A - 机器人的环境识别装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种采用以小存储器容量作成环境地图，再利用环境地图对作业的现在位置进行修正，使之能精确地走到目标地点的同时又进行作业的机器人的环境识别装置及其控制方法。特征是包括：控制单元；驱动单元；行走距离检测单元；方向角度检测单元；障碍物传感单元；存储器装置，用于存储用上述行走距离检测单元、上述方向角度检测单元和上述障碍物传感所传感的数据的环境信息。

Description

机器人的环境识别装置及其控制方法

本发明涉及一边自己移动一边进行清扫或监视之类的作业的自走式机器人，特别是涉及通过作成作业环境的信息地图，使机器人可以确定地走到目标地点的机器人的环境识别装置及其控制方法。

一般说来，现有的自走移动机器人的优化路径的编排装置，已公开于日本特许公报平4-365104号中。

上述公报中所公开的机器人的优化路径的编排装置9如图1所示，由下述部分构成：地图存储部分4，用于存储对机器人的整个作业场所把可能移动的区域与障碍物划分开来而表示出来的地图；地图生成更新部分8，用于生成对机器人周边的状况的地图并更新已存储于上述地图存储部4中的地图；路径探索部分5，用于利用已存储于上述地图存储部分4中的地图编排通往目标地点的路径；路径生成部分7，用于利用已存储于上述地图存储部分4中的地图来编排避开障碍物的路径。

对已装配了上述优化路径编排装置9的机器人，由自我位置识别部分2输入现在位置数据，由指令输入部分1输入目标地点的位置数据。由障碍物识别部分6输入周边的障碍物的状态的数据。

由路径探索部分5或者路径生成部分7利用上述信息所编排的路径被传往驱动部分3，机器人就按照该编排好的路径移动。

此外，对地图生成更新部分8，由上述作业位置识别部分2输入现在位置，由障碍物识别部分6在移动期间输入周边障碍物的状态以生成机器人的周边状态的地图，并用之对已存储于地图存储部分4中的整个作业场所的地图进行更新。

但是，在这种现有的优化路径编排装置中，虽然机器人在作业初期不需要具备对作业场所的完全信息，借助于每当进行作业时编排一个有效率的路径，可以对付作业场所的变化。但是由于应当利用机器人所行定的现在位置和应行走的目标地点的位置和障碍物的有无等的信息来移动机器人，应当用现在的位置和障碍物的有无的状态生成地图的同时来更新已存储下来的整个作业场的地图，故存在着存储器容量变大这么一个问题。

除此之外，仅仅依靠对作业环境的信息进行作业的另外一种现有的机器人，把所给的作业空间分割成规定大小的单位单元(Cell)并分别对每一个单元存储有无障碍物之类的必要的信息，并用设于机器人主体的规定位置上的信号接收器一边接收用设于机器人的行走区域内的规定壁面上的信号发射器(超声波或红外线信号发射器)所发射的超声波或红外线信号，一边在在作业初期在行走区域中自走或沿着壁面行走。

这时，当信号接收器收到了上述信号发射器所发出的信号时，就对由信号发射器发出的带位置的代码进行译码并自动地作成环境地图，利用这一地图开始进行清扫或监视等等的所交付的作业。

然而，在这样的机器人的环境识别方法中，由于仅仅有关于作业环境的信息，故难于确定地抓住机器人的现在的位置、而且由于把给定的作业空间仅仅分割成规定的大小的单位来储位存信息，故存在着存储器容量变大这么一个问题。

此外，由于需要用于发射载有位置信息的超声波或红外线的另外一个外部装置的信号发射器，故存在构成复杂且设置烦杂的问题。

还有一个问题。当因地面的材质和状态而在驱动轮上产生了滑行时，由于机器人不能确切地达到信号发射器的位置，故发生了用信号接收机收不到信号发射器的发射信号的现象，机器人一边左右移动，一边反复进行施行错误一直到用信号接收机收到信号发射机的发射信号为止而使抓住现在位置的时间拉长。

因此，本发明就是为解决上述种种问题而创造出来的，本发明的目的是提供一种在作业初期以没有另外的外部装置的小的存储器容量来作成环境地图的机器人的环境识别装置及其控制方法。

本发明的另外一个目的是提供一种利用已作成的环境地图抓住作业中的现在位置并进行修正。使机器人可以确切地走到目标地点，同时还能进行作业的机器人环境识虽装置及其控制方法。

为了达到上述目的，本发明的机器人的环境识别系统的特征是：在一边自己行走一边完成给定的作业的自走式机器人中，由下述单元组成：使上述机器人移动的驱动单元；检测用该驱动单元移动的机器人的行走距离的行走距离检测单元；检测为上述驱动单元驱动的机器人的行走方向变化的方向角度检测单元；传感距上述机器人的行走区域内的障碍物和壁面的距离的障碍物传感单元；输入用上述行走距离检测单元所检测到的行走距离数据和用上述方向角检测单元所检测到的行走方向数据，以运算现在位置、并控制上述驱动单元使得上述机器人可以走到目标地点的控制单元；存储用上述行走距离检测单元检测到的行走距离数据，用上述方向角度检测单元检测到的行走方向数据，以及用上述障碍物传感单元传感到的对障碍物和壁面的环境信息的存储器装置构成。

此外，本发明的机器人的环境识别控制方法的特征是：在规定的行走区域内一边自己行走一边完成给定的作业的机器人的环境识别方法中，包括下述步骤。用由障碍物传感单元所传感的机器人距前方壁面的距离计算器人与前方壁面之间的角度，并把机器人校正为与前方壁面垂直的垂直定向步骤；使机器人一边沿着壁面移动一边传感与前方壁面和左右壁面的距离以收集块的必要数据的数据收集步骤；整理归纳在上述数据收集步骤所收集的每一块所必要的数据以作成环境地图的地图制作步骤。

下边说明附图

图1是现有的机器人优化路径编排装置的控制方框图。

图2是本发明的一个实施例的机器人环境识别装置的控制方框图。

图3是本发明的一个实施例的机器人的环境地图制作构造图。

图4的流程图示出了本发明的机器人的环境地图制作动作顺序。

图5是对本实施例的机器人与前方壁面之间的角度进行计算的说明图。

图6的说明图示出了本发明的一个实施例的机器人的壁面行走。

图7的说明图示出了本发明的一个实施例的机器人的新的块移动。

图8的说明图示出了本发明的一个实施例的机器人已靠近了前方壁面时的情景。

图9的说明图示出了本发明的一个实施例的机器人在与左侧壁面之间的距离发生了变化时的情景。

图10是用于修正本发明的一个实施例的机器人的现在位置的说明图。

以下沿着附图详细说明本发明的一个实施例。

如图2所示，驱动单元10是控制机器人1前进后退和向左右侧移动的单元，上述驱动单元10由驱动左侧行走电机111使机器人1向右侧移动的左侧电机驱动部分11和驱动右侧行走电机121使上述机器人1向左侧移动的电机驱动部分12构成。

在上述左侧行走电机111和右侧行走电机121上分别装有没画出来的驱动轮。

此外，行走距离检测单元20是检测用上述驱动单元10移动的机器人1的行走距离的单元，上述行走距离检测单元20由左侧编码器21和右侧编码器22构成。上述左侧编码器21产生与借助于上述驱动单元10的控制而驱动的左侧驱动轮的旋转数，即上述左侧行走电机111的旋转数成比例的脉冲信号以检测上述机器人1向右移动的行走距离。上述右侧编码器22产生与借助于上述驱动单元10的控制而驱动的右侧驱动轮的旋转数，即上述右侧行走电机121的旋转数成比例的脉冲信号以检测上述机器人1向左移动的行走距离。

此外，方向角检测单元30是对用上述驱动单元10移动的机器人1的行走方向变化进行检测的单元，上述方向角检测单元30是根据用上述驱动单元10移动的机器人1在旋转时进行变化的电压电平来传感机器人1的旋转角速度以检测行走方向变化的陀螺传感器之类的方向角传感器。

障碍物传感单元40是传感在由上述驱动单元10移动的机器人1的行走路径上有无存在的障碍物和距障碍物H的距离的同时，还传感距壁面W的距离的单元，上述障碍物传感单元40由三部分构成：第1障碍物传感部41传感存在于上述机器人1的前面的障碍物H或距壁面W的距离；第2障碍物传感部分42传感存在于上述机器人1的左侧的障碍物H或距壁面W的距离；第3障碍物传感部分43传感存在于上述机器人1的右侧的障碍物H或距壁面W的距离。

上述障碍物传感单元40的第1障碍物传感部分41由4部分组成：第1超声波传感器411对上述机器人1要移动的前方产生超声波，并接收该已产生的超声波碰到壁面W或障碍物H所反射回来的信号即回声信号以传感距位于机器人1的前面的障碍物H或壁面W的距离；第1传感器驱动部分412把50Hz的方波输入上述第1超声波传感器411中去使该第1超声波传感器411产生超声波；步进电机413使上述第1超声波传感器411向所希望的方向反复进行180°旋转；步进电机驱动部分414驱动该步进电机413。

另外，上述障碍物传感单元40的第2障碍物传感部分42，由两部分构成：第2超声波传感器421对上述机器人1要移动的左侧产生超声波、并接收该已产生的超声波碰到壁面W或障碍物H而反射的信号以传感距位于机器人1的左侧的障碍物H或壁面W的距离；第2传感器驱动部分422把50Hz的方波输入到上述第2超声波传感器421中去使该第2超声波传感器421产生超声波。

此外，上述障碍物传感单元40的第3障碍物传感部分43由两部分构成：第3超声波传感器431对上述机器人1要移动的右侧产生超声波并接收该已产生的超声波碰到壁面W或障碍物H而反射回来的信号以传感距位于机器人1的右侧的障碍物H或壁面W的距离；第3传感器驱动部分432把50Hz的方波输入到上述第3超声波传感器431中去以使该第3超声波传感器431产生超声波。

还有，在图中，控制单元50是一个微处理器，它借助于隔一规定时间输入由上述行走距离检测单元20所检测到的行走距离数据和由上述方向角检测单元30所检测到的行走方向数据来计算上述机器人1的现在位置，输入用上述障碍物传感单元40所传感的对障碍物H和壁面的数据以计算距存在于上述机器人1的前方和左右的壁面的距离和角度，并依据该信息结果来控制上述机器的行走路径的办法，决定上述左右两侧行走电机111和112的输出量使得上述机器人1可以不偏离正常轨道地准确地到达目的地。

再有，存储器装置60存储用上述行走距离检测单元20检测到的行走距离数据，用上述方向角度检测单元30检测到的行走方向数据，用上述障碍物传感单元40传感到的对障碍物H或壁面W的数据等等的环境信息并通过缓冲器输出到上述控制单元50的输入输出口上去。

对这样构成的机器人在作业初期作成的环境地图的构造图参照图3进行说明。

如图3所示，把存在着障碍物H(具体地说，如家具等等)和壁面W的房间以障碍物H和壁面W的外部轮廓线为界细分为多个块，并分别给以块序号(0，0)(0，1)(0，2)……(1，0)(1，1)(1，2)……(m，n)。

此外，各块还如下所示具有必要的数据。

a为各块的x轴方向的最大跨距(X_Span)。

b为各块的y轴方向的最大跨距(Y_Span)。

c，d是用绝对座标表示的各块中构成x-y方向的最大跨距的座标原点

(X_Org，Y_Org)

e是各块的x轴方向的大小(X_Size)，

f是各块的y轴方向的大小(Y_Size)，

g在无障碍物H的块中表示“有效”，在有障碍物的块中表示“无效”，在离开房间的区域中表示“无视”。

i，j是用绝对座标表示的各块中构成x-y方向的大小的原点{(X_Org，Y_Org)}。

以下对上述那样地构成的机器人的环境识别装置及其控制方法的作用和效果进行说明。

图4的流程图示出了对于本发明的机器人的环境地图作成的动作顺序。图4中的S表示步骤。

首先，当用户使已安装于机器人1的规定位置上的动作开关接通时，就在步骤S1从控制单元50输入由图中没有画出来的电源装置供给的驱动电压使上述机器人初始化的同时，开始在作业初期用于作成关于作业环境的信息地图(环境地图)的动作。

其次，在步骤S2，从已装配到已被置于行走领域内的规定位置上向着任意方向的机器人1的前面的第1超声波传感器411，一边按照步进电机413的驱动以前方为基准以规定的间隔Δθ旋转规定间隔θt，一边向上述机器人1移动的前方，即如图5所示，向机器人1行走的前方存在的壁面W产生超声波，并接收该超声波碰到壁面W后反射回来的信号来测定距存在于机器人1的前面的壁面W的距离，用这种办法来计算表示机器人1距前方壁面W最近距离的角度(方向)。

参照图3对计算机器人1与前方壁面W之间的角度的例子进行说明。

在使上述第1超声波传感器411边以规定的角度进行旋转边测定距壁面W的距离的时候，假定第k号的方向是垂直于壁面W的方向，则k－1，k，k＋1号方向的距离d(k－1)，d(k)，d(k＋1)使之满足下式。

若cosΔθ·d(k－1)＝cosΔθ·d(k－1)＝d(k)，

则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)的情况下，

0＜cos^-1{d(k)/d(k－1)}＜Δθ

则可以推测，从满足0＜cos^-1{d(k)/d(k－1)}＜Δθ的方向中，表示对壁面W最近距离的方向，就是最接近垂直于壁面W的方向K。

即若K方向是垂直于壁面W的方向，则K方向与机器人1的正面所形成的角度θK可以看成是近似于机器人1与壁面W所形成角度θ。

其次，在步骤S3，采用把从上述控制单元50输出来的控制信号输入到驱动单元10中使之驱动右侧行走电机121的办法，使机器人1向左旋转一个量θK并如图6所示，使机器人1定向于与最近的壁面W垂直，在步骤S4，控制单元50通过采用驱动左侧行走电机111和右侧行走电机121的办法，使机器人1移动为变得与壁面垂直，第2超声波传感器421使机器人1右转90°停止为使得面朝壁面W。

把这时的块序号定为(0，0)，方向定为+x方向，位置定为(0，0)，并分别使从第1，第2和第3超声波传感器411，421和431向机器人1移动的前方壁面W和左右侧壁面N方向产生超声波并接收该超声波碰到前方壁面W和左右壁面W后被反射的信号以传感到前方壁面的距离和到左右壁面的距离，并把所传感到的间隔距离数据输出到控制单元50上去。

因此，在上述控制单元50中求解作为各块的x，y轴方向的最大跨距(X_Span，Y_Span)和用绝对座标表示的各块中构成x-y轴方向的最大跨距的原点(X_Org，Y_Org)并记录于块(0，0)中。

接着，在步骤S5，驱动单元10采用由控制单元50的控制来驱动左右侧行定电机111，121的办法，如图6所示，使上述机器人1一边保持与壁面W为规定距离一边沿壁面W行走。

在上述机器人1沿着壁面W行走的期间，前进到步骤S6并从第2，3超声波传感器421，431。依据第2，3传感器驱动部分422，432向机器人1移动的左侧或右侧壁面W方向产生超声波，并接收该超声波碰到左侧或右侧壁面W而反射回来的信号，传感机器人1的左侧或右侧距壁面W的间隔距离并把间隔距离数据输出到控制单元50中去。

因此，在上述控制单元50中，判断第2，第3超声波传感器421，431所传感的左侧或右侧壁面距离是否变化成规定大以上，在左侧或右侧壁面的距离变化不大时(NO时)，执行步骤S7判断上机述器人1沿壁面W行走中是否接近壁面W。

上述步骤S7的判断结果为机器人1没有接近前方壁面W时(NO时)，执行步骤S8判断上述机器人1沿壁面W行走中是否回到开始行走的初始位置。在没有返回到初始位置时(NO时)，返回步骤S5重复执行S5以下的操作。

上述步骤S8的判断结果是返回到初始位置时(YES时)，为了结束环境地图制作行走，执行步骤S9停止机器人1。在步骤S10中利用至当前所选的块数据，补充所有各块的必要数据，继续整理块数据，结束环境地图制作行走。

另一方面，上述步骤S6的判断结果为到左侧或右侧壁面W的距离比最初出发时有规定大以上的差距时，如图6所示，认定上述机器人1移动进新的块(1，0)。执行步骤S63，由第1，2，3超音波传感器411、421、431检测到壁面W的距离和到左右侧壁面的距离，并将检测的距离数据输出给控制装置50。

随之，在步骤S64中，控制装置50输入第1，2，3超音波传感器411、421、431所检测的距离数据，求出X_Span、Y_Span和X_Org、Y_Org数据，继续记录到当前块(1，0)并返回上述步骤S5，重复执行步骤S6以下的操作。

上述步骤S7的判断结果为机器人1接近前方壁面W时(YES)，执行步骤S71停止机器人。在步骤S72中确认机器人接近前方壁面后，如图7所示，认识上述机器人当前的块(1，0)，执行步骤S73，驱动装置10输入上述控制装置50输出的控制信号，驱动左侧行走电机111，使机器人右转。

此时，在步骤S74由第1，2，3超声波传感器411，421，431检测到前方壁面W的距离和到左右侧壁面W的距离，并将检测的距离数据输出给控制装置50。

由此，在步骤S75中控制装置50输入第1，2，3超声传感器411，421，431所检测的距离数据，求出X_Span，Y_Span，和X_Org，Y_Org，继续在当前块(1，0)记录，返回上述步骤S5重复进行步骤S6以下的操作。

另一方面，当上述机器人1沿壁面W行走中到左侧壁面W的距离有大的变化而停止时，到左侧壁面W的距离比到目的的距离大，则在块数据记录后，将目标地点设定在距边界域50cm的地点，如图8所示，再开始行走，直至到达目标地点，向左转90再开始下一阶段。

此外，行走方向是-x或-y时，移动块，判断新块号是否比0小，比0小时，则至当前作成的所有块向+方向移动，分配新块为(c，0)。

这样，环境地图作成后，机器人按给予的路径继续行走，利用环境地图修正当前座标的方法，用图9来叙述。

机器人1继续按给定的路径行走，以规定的时间间隔输入行走距离检则装置20所检测的行走距离数据和上述方向角检测装置30所检测的行走方向数据，修正机器人的当前位置。

比如，在行进方向为+x方向且现在位置为x，y的时候，将在环境地图上探索x，y所属的块。

这时，若第2超声波传感器411传感的前方壁面W与机器人1的中心之间的距离为1c，第3超声波传感器431所传感的右侧壁面W与机器人1的中心之间的距离为1r，则机器人1的实际位置x’，y’可以如下述那样计算。

x’＝X_Org＋X_Span－1c

Y’＝Y_Org＋1r

当上述这样计算出来的实际位置与用行定距离检测单元20和方向角度检测单元30检测到的数据进行累积而标出的位置座标产生了超过规定值的差时，就把x，y修正为x’，y’。

上述这样的作业是这样进行的。机器人1一边行走一边进行修正，且机器人正确地行走到目标地点的同时，还圆满顺利地进行给定的作业。

如上所述，倘采用本发明的机器人的位置识别装置的其控制方法，则通过采用在作业初期没有别的外部装置的情况下在小存储器容量中作成环境地图，并利用该环境地图抓住作业中的现行位置进行修正的办法，具有使机器人正确地行走到目标地点的同时使之完成作业的良好的效果。

Claims (6)

1.一种机器人的环境识别装置，用于在一边自己移动一边进行给定的作业的自走式机器人中，其特征是由下述单元构成；

驱动单元，用于使上述机器人移动；行走距离检测单元，用于检测上述驱动单元移动的机器人的行走距离；方向角度检测单元，用于检测由上述驱动单元移动的机器人的行走方向变化；障碍物传感单元，用于传感上述机器人距行走区域的障碍物和壁面的距离；控制单元，用于根据用上述行走距离检测单元所检测到的行走距离数据和用上述方向角度检测单元所检测到的行走方向数据计算上述机器人的现在位置以控制上述驱动单元；存储器装置，用于存储用上述行走距离检测单元所检测到的行走距离数据，用上述方向角度检测单元所检测到的行走方向数据和对用上述障碍物传感单元所传感的障碍物和壁面的环境信息。

2.权利要求1中所述的机器人的环境识别装置，其特征是：上述控制单元存储借助于用上述行定距离检测单元所检测出来的行定距离和用上述障碍物传感单元所传感的与壁面之间的间隔距离而使上述机器人行定的作业空间的环境信息。

3.权利要求1中所述的机器人的环境识别装置，其特征是：上述控制单元把上述机器人的行走空间沿着障碍物和壁面的边界面划分为多个块。

4.权利要求1中所述的机器人的环境识别装置，其特征是：上述控制单元在把上述机器人的行走空间划分成多个的每个块中存储环境信息的必要数据。

5.一种机器人的环境识别方法，

在在规定的行走区域内一边自己移动一边进行给定的作业的机器人的环境识别方法中，其特征是：

由下述步骤组成：垂直定向步骤，用于依据用障碍物传感单元所传感的上述机器人距壁面的距离来计算机器人与前方壁面之间的角度，并把机器人定向为与前方壁面垂；数据收集步骤，用于使上述机器人沿壁面移动的同时传感前方壁面和左右侧壁面的距离并收集块的必要数据；地图作成步骤，用于整理归纳在上述数据收集步骤所收集的各块的必要数据来作成环境地图。

6.权利要求5所述的机器人的环境识别方法，其特征是：上述机器人用在上述地图作成步骤中作成的环境地图来修正正在进行作业的现行位置。

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