CN1861330A

CN1861330A - 具有障碍回避功能的移动机器人及其方法

Info

Publication number: CN1861330A
Application number: CNA2006100036634A
Authority: CN
Inventors: 田炯臣
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2006-01-09
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2026-01-09
Also published as: CN100431804C; KR100669892B1; US20060259212A1; JP2006318444A

Abstract

公开了一种移动机器人，其中，通过结合从具有不同检测区的不同检测单元输出的障碍检测信号，有效地检测障碍，从而控制移动机器人的驱动以便避开障碍。根据本发明的移动机器人包括多个检测单元，由具有不同检测区的不同传感器组成，用于检测行进方向中的障碍，以及微处理器，用于根据对应于来自不同传感器的检测信号的组合的避开指令，输出控制信号以便避开障碍。因此，与当通过单种传感器检测障碍时相比，本发明具有能高可靠地识别障碍以及有效地避开障碍的优点。

Description

具有障碍回避功能的移动机器人及其方法

本U.S.非临时专利申请在35 U.S.C.§119下，要求2005年5月11日提交的韩国专利申请2005-0039460的优先权，其内容在此引入以供参考。

技术领域

本发明涉及移动机器人，以及更具体地说，涉及基于从不同传感器提供的障碍感测信号，有效地感测障碍，以及根据感测结果，控制移动机器人的驱动以避开障碍的技术。

背景技术

开发了用于工业目的和用作工厂自动化系统的机器人。另外，使用机器人来在人类不能忍受的极端环境中，代表人类采集或收集信息。已经不断地开发这种机器人工程学领域，尽管最近才用在最新空间开发行业中，以及近年来，已经开发了人类友好的家用机器人。人类友好的家用机器人的典型例子是清洁机器人。

做为移动机器人的一种的清洁机器人在预定的清洁区中，诸如住宅或办公室中独自驱动，以及吸取污物或垃圾。这种清洁机器人由行进单元，包括用于驱动清洁机器人的左右轮马达、用于感测障碍以便在不碰撞清洁区中的各种障碍的情况下，移动清洁机器人的多个传感器、以及用于控制整个设备的微处理器，连同吸取污物或垃圾的一般真空吸尘器。

这种清洁机器人配置成通过当清洁机器人在清洁区中移动时，经安装在机器人中的障碍传感器，感测障碍，转变其前进方向，避开障碍，并不断地清洁该清洁区。

然而，由于该领域中的移动机器人仅使用单种障碍传感器，不能有效地感测障碍。因此，移动机器人碰撞障碍并受损。

因此，由有关如何提高移动机器人的障碍感测能力，然后防止移动机器人碰在障碍上的发明人的许多研究，设计了本发明。

发明内容

本发明提供一种通过结合来自具有不同感测区的不同障碍传感器的感测结果，具有更高可靠性的障碍感测功能，以及通过基于感测结果，控制移动机器人，避开障碍的移动机器人及其方法。

根据本发明的一个方面，提供一种具有避开障碍的功能的移动机器人，包括：多个感测单元，由具有不同感测区的不同传感器组成，用于感测行进方向中的障碍，以及微处理器，用于根据对应于由不同传感器提供的感测信号的组合的避开指令，输出控制信号以便避开障碍。

另外，用在感测单元中的不同传感器由红外传感器和超声传感器组成。

因此，与当使用单种传感器感测障碍时相比，本发明具有可以通过高可靠地识别障碍以及有效地避开障碍的优点。

附图说明

通过参考附图，详细地描述示例性实施例，本发明的上述和其他目的和优点将变得更显而易见，其中：

图1是示例说明根据本发明的优选实施例，做为具有避开障碍的功能的移动机器人的一个例子的清洁机器人；

图2a是表示具有图1所示的感测单元的清洁机器人的前部的略图；

图2b是表示图2a所示的感测单元的障碍感测区的略图；以及

图3是示意性地示例说明为根据本发明的优选实施例的移动机器人的一个例子的清洁机器人感测和避开障碍的过程的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图，详细地描述根据本发明的示例性实施例。

另外，假定本发明的移动机器人是移动机器人的典型例子的清洁机器人来进行描述。

图1是示例说明根据本发明的优选实施例，具有避开障碍功能的移动机器人的清洁机器人的框图。参考图1，根据本发明，具有避开障碍功能的清洁机器人包括多个感测单元160，每个分别由具有不同感测区的一对传感器组成，当移动时，该单元基于障碍感测，输出感测信号、包括用于移动清洁机器人的左右轮马达131和132的驱动单元130、用于存储清洁机器人的操作程序以及多个避开指令的存储器180、包括用于控制驱动单元130的驱动的行进控制器151的微处理器150、控制清洁机器人的整个设备的微处理器、以及清洁机器人的基本结构。

清洁机器人的基本结构包括吸取单元110，具有用于感测清洁区中的污物或垃圾的污物传感器，用于吸取由污物传感器感测的污物或垃圾、污物容纳单元120，用于容纳由吸取单元110收集的污物或垃圾、驱动单元130，包括根据输入控制信号，移动清洁机器人的左右轮马达131和132、用于为吸取单元110和驱动单元130提供驱动电力的电池140、以及用于控制清洁机器人的整个设备的微处理器150。由于清洁机器人的这种基本结构在本领域是非常公知的，将省略其详细。

感测单元160由分别具有不同感测区的一对不同传感器组成，即，用于使用红外光，感测行进方向中的障碍的红外传感器161，以及用于照射超声波和感测行进方向中的障碍的超声传感器162，每个传感器当感测障碍时，提供感测信号。下面，将参考图2a和2b，详细描述感测单元160。

图2a是表示具有图1所示的感测单元的清洁机器人的前部的略图，以及图2b是表示图2a所示的感测单元的障碍感测区的略图。如图2a所示，根据本发明的优选实施例的多个感测单元160按预定间隔，排列在清洁机器人的前部中，每个感测单元160具有一对用于使用红外线感测行进方向中的障碍的红外传感器161，以及用于通过照射声波感测行进方向中的障碍的超声传感器162。

红外传感器161由用于照射红外线的发射机和用于接收在障碍上反射并返回的红外线的接收机组成，其中，由于它使用具有准直(collimation)特性的光，其感测区是窄的，但可以感测障碍的正确位置。很显然，红外传感器161在技术上非常公知。

例如，每个物体具有用于红外线的固有反射率。因此，由于障碍上的吸收和扩散反射，与初始照射的红外线相比，反射少量红外线，其中，红外传感器161使用反射的红外线，感测是否存在障碍，以及通过测量从当发射机照射红外线时直到将反射光输入到接收机的时间，计算到障碍的距离。

超声传感器162由用于照射超声波的超声辐射器和用于接收从障碍返回的反射波的超声接收机组成。由于超声传感器162利用声波，具有大的感测区，但不能感测障碍的正确位置。这种超声传感器162使用在障碍上反射并接收的信号，感测是否存在障碍，以及使用从当辐射器照射超声波时直到接收反射波为止的时间，计算障碍和清洁机器人间的距离。

由于如上所述，红外传感器161使用红外线，即一种光，感测障碍，具有与超声传感器162相比，其感测区窄的缺点。另外，由于超声传感器162使用声波，其具有比红外传感器161更宽的感测区。然而，超声传感器162具有来自外部噪声的高干扰，因此，与红外传感器161相比，难以正确地感测障碍。

因此，根据本发明的清洁机器人具有通过结合具有不同感测区的红外和超声传感器161和162的输出，感测障碍，从而与传统的清洁机器人相比，允许更好的障碍感测的优点。

从感测单元160提供并传送到微处理器150的感测信号可以是电压电平。因此，需要将这种感测信号转换成适合于数字设备的微处理器150的数字信号。

模/数转换器170将从感测单元160输出的感测信号的电压信号转换成适合于数字设备的微处理器150的数字信号。此时，根据由感测单元160提供的感测信号，所转换的数字信号可以具有不同值。

存储器180可以是能读取和写入数据的非易失存储器，诸如EEPROM和闪速存储器，以及在其中存储清洁机器人的操作程序和相关数据。由微处理器150存取和控制在存储器180中存储的数据。根据本发明的方面，存储器180存储对应于由不同感测单元，即红外传感器161和超声传感器162提供的感测信号的组合的多个避开指令。

例如，由红外传感器161和超声传感器162提供的感测信号的组合可以划分成下述情形：红外传感器161和超声传感器162根本不输出感测信号的情形、仅红外传感器161输出感测信号的情形、仅超声传感器162输出感测信号的情形、以及红外传感器161和超声传感器162均输出感测信号的情形。

多个避开指令可以包括在红外传感器161和超声传感器162均不输出感测信号的情况下，表示“继续直行”的指令，以及在仅红外传感器161输出感测信号的情况下，表示“慢行，向左或右转”的指令。

另外，避开指令可以包括在仅超声传感器162输出感测信号的情况下，表示“慢行并继续直行”的指令，以及在红外传感器161和超声传感器162均输出感测信号的情况下，表示“停止和转弯”的指令。

应注意到这些避开指令不限于上述情形，而是能由开发人员不同地实现。

微处理器150包括用于控制清洁机器人的整个设备，和响应输入控制信号，驱动驱动单元130的行进控制器151，以及用于根据由感测160感测信号的组合，存取存储器180的避开指令，以及将控制信号输出到行进控制器151以便根据所存取的避开指令，移动清洁机器人的障碍避开处理器152。

行进控制器151根据清洁机器人的操作程序，控制用于移动清洁机器人的驱动单元130。

障碍避开处理器152从感测单元160接收感测信号，以便识别是否存在障碍，以及存取存储器180，从而将对应于感测信号的组合的避开指令输出到行进控制器151。

即，障碍避开处理器152存取存储器180以便为行进控制器151提供对应于红外传感器161和超声传感器162根本不输出感测信号、仅红外传感器161输出感测信号、仅超声传感器161输出感测信号、以及红外传感器161和超声传感器162均输出感测信号的情形的避开指令。

如上所述，在红外传感器161和超声传感器162均不输出感测信号的情况下，避开指令可以是表示“继续直行”的指令，以及在仅红外传感器161输出感测信号的情况下，表示“慢行和向左或右转”的指令。

另外，避开指令在仅超声传感器162输出感测信号的情况下，可以是表示“慢行且继续直行”的指令，以及在红外传感器161和超声传感器162均输出感测信号的情况下，表示“停止和转弯”的指令。

通过微处理器150的障碍避开处理器152，可以从存储器180存取这些避开指令，然后提供给行进控制器151。行进控制器151根据避开指令，控制驱动单元130的左右轮马达131和132的驱动，以便避开障碍和继续执行清洁功能。

因此，与当通过单种传感器感测障碍时相比，本发明具有可以高可靠地识别障碍并有效地避开障碍的优点。

图3是示意性地示例说明根据本发明的一个实施例的移动机器人的清洁机器人感测和避开障碍的过程的流程图。参考图3，当用户输入清洁机器人的驱动指令时(S201)，根据用户的驱动指令，操作程序将控制信号输出到行进控制器151并移动清洁机器人。同时，操作程序驱动吸取单元110以便在任意移动清洁区的同时，执行清洁功能(S203)。

另外，操作程序将驱动指令输出到安装在清洁机器人的前部中的多个感测单元160以便当机器人移动时，感测是否存在障碍(S205)。

感测单元160具有红外传感器161和超声传感器162对，分别照射红外线和超声波，以及感测是否存在障碍。

当红外传感器161和/或超声传感器162感测到障碍时，相应的红外传感器161和/或超声传感器162为模/数转换器170提供为模拟信号的障碍感测信号，诸如电压。模/数转换器170将输入的感测信号转换成数字信号，以及将其输出到微处理器150的障碍避开处理器152。同时，障碍避开处理器152的数字信号可以是例如二进制数据。在红外传感器161输出感测信号，以及超声传感器162不输出感测信号的情况下，例如，模/数转换器170输出数字信号“10”。

障碍避开处理器152根据从模/数转换器170接收的数字信号，基于在存储器180中存储的、来自相应的红外传感器161和超声传感器162的感测信号的组合，存取避开指令。

在存储器180中存储的避开指令在红外传感器161和超声传感器162均不输出感测信号的情况下，为表示“继续直行”的行进指令，在仅红外传感器161输出感测信号的情况下，为表示“慢行和向左或右转”的避开指令1，在仅超声传感器输出感测信号的情况下，为表示“慢行且继续直行”的避开指令2，以及在红外传感器161和超声传感器162均输出感测信号的情况下，为表示“停止和转弯”的避开指令3。

即，当障碍避开处理器152从模/数转换器170接收数字信号“10”时(S207)，从存储器180存取表示“慢行和向左或右转”的避开指令1，并将该指令1传送到行进控制器151。

行进控制器151将控制信号输出到驱动单元130以便根据从障碍避开处理器152接收的避开指令1，开动清洁机器人。

驱动单元130响应来自行进控制器151的控制信号，控制左右轮马达131或132的驱动，以便降低清洁机器人的速度和使清洁机器人的行进方向向左或右转，从而清洁机器人能避开所感测的障碍(S209)。

另外，在仅超声传感器162输出感测信号的情况下(S211)，模/数转换器170输出数字信号“01”。根据从模/数转换器170传送的数字信号“01”，障碍避开处理器152从存储器180存取避开指令2以及将它传送到行进控制器151，指令2表示“慢速和继续直行”。

行进控制器151将控制信号输出到驱动单元130以便根据从障碍避开处理器152接收的避开指令，开动清洁机器人。驱动单元130根据来自行进控制器151的控制信号，控制左右轮马达131或132的驱动，以便在减缓其速度的同时，使清洁机器人直行。

当红外传感器161和超声传感器162输出感测信号，同时根据相应的指令直行时(S215)，模/数转换器170输出数字信号“11”。根据从模/数转换器170传送的数字信号“11”，障碍避开处理器152从存储器180存取表示“停止和转弯”的避开指令3，以及将避开指令传送到行进控制器151。行进控制器151将控制信号输出到驱动单元130以便根据从障碍避开处理器152接收的避开指令，开动清洁机器人。

驱动单元130控制左右轮马达131或132的驱动以便停止清洁机器人、向左或右转，然后，根据从行进控制器151输出的控制信号直行，以便清洁机器人能避开所感测的障碍(S217)。清洁机器人如上所述重复该过程，直到用户输入结束指令为止(S219)。

在根据本发明，具有障碍避开功能的移动机器人及其方法中，优点在于由于通过结合具有不同感测区的红外和超声传感器的输出，感测障碍，与通过具有一个感测区的单种传感器，感测障碍的传统的移动机器人相比，它具有良好的障碍感测功能。

另外，可以通过根据来自红外和超声传感器的感测信号的组合，应用不同避开算法，有效地避开障碍。

尽管参考其示例性实施例描述了本发明，本领域的技术人员将理解到在不背离如由下述权利要求定义的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节方面做出各种改变。

Claims

1.一种移动机器人，包括：

感测单元，由具有不同感测区的多个不同传感器组成，用于感测障碍。

2.如权利要求1所述的移动机器人，其中，感测单元包括红外传感器和超声传感器。

3.如权利要求1或2所述的移动机器人，进一步包括微处理器，用于根据对应于从感测单元的不同传感器的每一个输出的感测信号的组合的避开指令，输出控制信号以便避开障碍。

4.如权利要求3所述的移动机器人，其中，避开指令分成在红外传感器和超声传感器输出或不输出感测信号的情况下的指令，以及在红外传感器和超声传感器的一个输出感测信号的情况下的指令。

5.如权利要求4所述的移动机器人，其中，避开指令包括在红外传感器和超声传感器均不输出感测信号的情况下，表示“继续直行”的行进指令、在仅红外传感器输出感测信号的情况下，表示“慢行并向左或右转”的避开指令1、在仅超声传感器输出感测信号的情况下，表示“慢行且继续直行”的避开指令2、以及在红外传感器和超声传感器均输出感测信号的情况下，表示“停止和转弯”的避开指令3。

6.如权利要求3所述的移动机器人，进一步包括用于存储避开指令的存储器。

7.如权利要求6所述的移动机器人，其中，微处理器包括障碍避开处理器，用于存取存储器以便获得对应于从不同传感器的每一个提供的感测信号的组合的避开指令，以及根据所存取的避开指令，输出控制信号以便避开障碍。

8.如权利要求7所述的移动机器人，其中，障碍避开处理器将控制驱动单元的信号传送到行进控制器，以便避开障碍。

9.一种用于控制移动机器人的方法，该方法包括步骤：

(a)接收从具有不同感测区的不同传感器输出的感测信号；

(b)存取存储器以便获得对应于从传感器输出的感测信号的组合的避开指令；以及

(c)根据所存取的避开指令，控制驱动单元。

10.如权利要求9所述的方法，其中，不同传感器包括红外传感器和超声传感器。

11.如权利要求9所述的方法，其中，避开指令包括在红外传感器和超声传感器均不输出感测信号的情况下，表示“继续直行”的行进指令、在仅红外传感器输出感测信号的情况下，表示“慢行并向左或右转”的避开指令1、在仅超声传感器输出感测信号的情况下，表示“慢行且继续直行”的避开指令2、以及在红外传感器和超声传感器均输出感测信号的情况下，表示“停止和转弯”的避开指令3。