JP2003228421A - ロボットの位置を特定して閉じ込めておく方法およびシステム - Google Patents

ロボットの位置を特定して閉じ込めておく方法およびシステム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来、ロボットの位置を特定して閉じ込めて
おくには複雑なハードウェアが必要であり、また、ロボ
ットを持ち運んで使用するには大掛りなプログラムの書
き換えやトレーニング等が必要であった。 【解決手段】 境界信号４２が主として境界を規定する
軸に沿って送信される持ち運び可能な境界信号送信機３
０と、移動ロボット２０と、を備え、前記移動ロボット
２０は、少なくとも一方向に回転するための回転手段、
境界信号検出器、および、前記回転手段を制御する制御
ユニットを備え、前記制御ユニットは、前記境界信号を
検出すると該境界信号を回避するアルゴリズムを実行
し、該アルゴリズムは、前記境界信号が検出されなくな
るまで前記ロボットを回転させるステップを備えるよう
に構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットの位置を
特定して閉じ込めておく方法およびシステムに関する。
【０００２】なお、本件特許出願の優先権の基礎となる
米国特許出願第１０／０５６，８０４号は、２００１年
１月２４日出願の米国仮出願第６０／２６３，６９２号
による権利を主張している。
【０００３】
【従来の技術】従来技術として、仕事をさせるためにロ
ボットを特定の物理的空間に閉じ込めておくシステムが
多数提案されている。典型的に、これらのシステムは、
芝生の手入れ、床の清掃、検査、搬送、および、娯楽等
の多くのロボットの応用分野として設計されたものであ
る。これらの応用分野において、ロボットは、時間を超
えて、限定された領域内で仕事を実行することが求めら
れている。
【０００４】例として、一部屋で稼動する清掃ロボット
は、最初の部屋の清掃を充分に済ませないうちに、その
部屋から他の部屋へと不意に迷走してしまうことがあ
る。解決策として、全てのドアを閉じて、ロボットが最
初の部屋から出るのを物理的に阻止することにより、こ
のロボットをその最初の部屋に閉じ込めるという方法が
ある。しかしながら、多くの住宅において、部屋同士は
開いた廊下で区切られており、ロボットの出口にドアや
他の物理的障害物を簡単に設置できるわけではない。ま
た、開放した一空間の一部でのみ、ロボットを稼動させ
たいと望む利用者もおり、ロボットを部屋全体で稼動さ
せておくと、効率が低下してしまう。
【０００５】従って、ロボットが稼動する領域を限定す
る手段が得られると有益である。
【０００６】従来技術として、ロボットが所定の経路を
辿るか、および／または、記憶域に格納された地図にお
けるロボットの現在位置を監視するというような、複雑
なロボットのナビゲーションおよび位置確認システムを
提供するというアプローチがある。このようなシステム
には、高精度センサ、並びに、コンピュータの大容量記
憶域および演算能力等の複雑なハードウェアが必要であ
る。また、このようなシステムは、典型的に、ロボット
が稼動する領域内での変更を行うようにはなっていな
い。同様に、このようなロボットは、大掛りなプログラ
ムの書き換えまたはトレーニングなしでは、単にある建
物から他の建物へ持って行くことができず、部屋から部
屋へと持って行くことさえもできない。
【０００７】例えば、米国特許第４，７００，４２７号
（Knepper：特許文献１）に開示された方法では、ロボ
ットが移動する経路を生成する手段が必要となる。この
手段は、手動制御で経路を教示すること、或いは、自動
マッピング機能であってもよい。「使用場所が頻繁に変
わる」か、または、「部屋に変更が加えられた」場合、
各々の位置に関する情報を格納するために、大容量のデ
ータ記憶域が必要となる。同様に、米国特許第４，１１
９，９００号（Kremnitz：特許文献２）に開示された方
法およびシステムでは、与えられた空間におけるロボッ
トの位置を絶えず確認するために、強力な演算能力およ
びセンサが必要とされている。ロボットシステムの他の
例でロボットが稼動する空間についての情報が入力され
ている必要があるものとしては、米国特許第５，１０
９，５６６号（Kobayashi et al.：特許文献３）、およ
び、第５，２８４，５２２号（Kobayashi et al.：特許
文献４）等に示された方法およびシステムがある。
【０００８】同様に、従来技術によるある種のシステム
では、特定の空間の詳細について教示したりプログラム
したりすることが必要なだけでなく、ロボットが稼動す
る空間に対しても、ある程度の準備や変更が必要とな
る。例えば、米国特許第５，３４１，５４０号（Souper
t et al.：特許文献５）では、その好適な実施例による
と、ロボットが位置検出システムを備えていることが必
要であり、そのロボット用の領域に「固定的な複数の基
準点に位置する……複数のマーキング・ビーコン」が設
置されている必要があるというシステムが開示されてい
る。このシステムは、未知の障害物を避けて、ビーコン
からの信号により、予めプログラムされた位置に戻って
来ることができるが、その一方でこのシステムには、利
用者による大掛りなセットアップが必要であると共に、
かなりの演算能力が搭載されている必要がある。
【０００９】上記の短所の１つ以上を含んだ同様のシス
テムおよび方法が、米国特許第５，３５３，２２４号
（Lee et al.：特許文献６）、米国特許第５，５３７，
０１７号（Feiten et al.：特許文献７）、米国特許第
５，５４８，５１１号（Bancroft：特許文献８）、およ
び、米国特許第５，６３４，２３７号（Paranjpe：特許
文献９）に開示されている。
【００１０】また、ロボットを特定の場所に閉じ込めて
おく別のアプローチとして、領域の境界全体を規定する
装置を設けること等がある。例えば、米国特許第６，３
００，７３７号（Bergvall et al.：特許文献１０）に
は、地表または地中にケーブルを設置して、内側領域を
外側領域から区別する電子境界設置システムが開示され
ている。同様に、米国特許第６，２５５，７９３号（Pe
less et al.：特許文献１１）で開示されたシステムで
は、境界を規定するために電流が流れている金属ワイヤ
を、設置することが必要である。これらのシステムは、
閉じ込めるのに有効な手段を提供するものの、設置が難
しく、部屋から部屋へと持ち運び可能ではなく、地中や
敷物類の下に設置されていないと、見苦しく、つまずく
危険がある。同様に重要なこととして、このようなシス
テムは、ワイヤや他の閉じ込め機器が破損した場合、修
理が難しいということがある。これは、システムが地中
や敷物類の下に配置されていると、このような破損は特
定が難しいためである。
【００１１】ここで、本発明に係る好適な実施例は、米
国特許第４，３０６，３２９号（Yokoi：特許文献１
２）、米国特許第５，２９３，９５５号（Lee：特許文
献１３）、米国特許第５，３６９，３４７号（Yoo：特
許文献１４）、米国特許第５，４４０，２１６号（Ki
m：特許文献１５）、米国特許第５，６１３，２６１号
（Kawakami et al.：特許文献１６）、米国特許第５，
７８７，５４５号（Colens：特許文献１７）、米国特許
第５，８１５，８８０号（Nakanishi：特許文献１
８）、および、米国特許第６，０７６，２２６号（Ree
d：特許文献１９）に開示されたものと同様のロボット
室内清掃装置である。閉じ込めが要請される多くのロボ
ット化の用途に、本発明が利用可能であることは、当業
者には認識されるであろう。なお、ここで説明される本
発明に係る好適な実施例は、ナビゲーションシステムの
ないロボット用ではあるが、より複雑なロボットを使用
する用途における本発明の有用性も、当業者には認識さ
れるであろう。
【００１２】
【特許文献１】米国特許第４，７００，４２７号明細書
【特許文献２】米国特許第４，１１９，９００号明細書
【特許文献３】米国特許第５，１０９，５６６号明細書
【特許文献４】第５，２８４，５２２号明細書
【特許文献５】米国特許第５，３４１，５４０号明細書
【特許文献６】米国特許第５，３５３，２２４号明細書
【特許文献７】米国特許第５，５３７，０１７号明細書
【特許文献８】米国特許第５，５４８，５１１号明細書
【特許文献９】米国特許第５，６３４，２３７号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，３００，７３７号明細
書
【特許文献１１】米国特許第６，２５５，７９３号明細
書
【特許文献１２】米国特許第４，３０６，３２９号明細
書
【特許文献１３】米国特許第５，２９３，９５５号明細
書
【特許文献１４】米国特許第５，３６９，３４７号明細
書
【特許文献１５】米国特許第５，４４０，２１６号明細
書
【特許文献１６】米国特許第５，６１３，２６１号明細
書
【特許文献１７】米国特許第５，７８７，５４５号明細
書
【特許文献１８】米国特許第５，８１５，８８０号明細
書
【特許文献１９】米国特許第６，０７６，２２６号明細
書
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従
来、例えば、特許文献１に示された方法では、ロボット
が移動する経路を生成する手段が必要となり、位置情報
を格納するために大容量のデータ記憶域が必要であっ
た。また、特許文献２に示された方法およびシステムで
は、与えられた空間におけるロボットの位置を絶えず確
認するために、強力な演算能力およびセンサが必要とさ
れていた。さらに、特許文献３および特許文献４に示さ
れたものは、ロボットが稼動する空間についての情報を
入力する必要があり、また、特許文献５に示されたシス
テムは、利用者による大掛りなセットアップが必要であ
ると共に、かなりの演算能力が搭載されている必要があ
った。なお、特許文献６〜特許文献９に開示されたもの
も上記のような課題を有している。
【００１４】また、特許文献１０および特許文献１１に
示されたシステムは、ロボットを特定の場所に閉じ込め
ておくために、地表または地中にケーブルを設置して内
側領域を外側領域から区別したり、境界を規定するため
に電流が流れている金属ワイヤを設置するものである
が、これらのシステムは、ケーブルやワイヤ等の設置が
難しく、部屋から部屋への持ち運び可能ではなく、地中
や敷物類の下に設置されていないと、見苦しく、つまず
く危険がある。さらに、ワイヤや他の閉じ込め機器が破
損した場合、修理が難しいといった課題がある。
【００１５】本発明によれば、従来技術の欠点を伴わず
に、所与の空間にロボットを閉じ込めておく変更され、
改良されたシステムが提供される。
【００１６】それに応じて、本発明には、いくつかの目
的および利点がある。
【００１７】本発明の目的は、与えられた空間にロボッ
トを閉じ込める簡単で持ち運びのできるシステムおよび
方法を提供することにある。
【００１８】本発明の目的は、敷設の必要がない閉じ込
めシステムを提供することにある。
【００１９】本発明の目的は、直観的に設定可能であっ
て、境界を見えるように示す手段を含んだ境界システム
を提供することにある。
【００２０】さらに、本発明は、ロボットが境界のどち
らの側から近づいても、その境界を横切らないように回
転させるシステムを提供することを目的とする。
【００２１】本発明の目的は、ロボットが境界に近づく
ときの角度に関わらず機能するロボット閉じ込めシステ
ムを提供することにある。
【００２２】さらに、本発明に係る好適な実施例は、実
質的に日光の影響を受けず、他の機器に干渉せず、他の
機器からの干渉も受けないシステムを提供することを目
的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、境界信
号が主として境界を規定する軸に沿って送信される持ち
運び可能な境界信号送信機と、移動ロボットとを備え、
ここで、前記移動ロボットは、少なくとも一方向に回転
するための回転手段、境界信号検出器、および、前記回
転手段を制御する制御ユニットを備え、前記制御ユニッ
トは、前記境界信号を検出すると該境界信号を回避する
アルゴリズムを実行し、該アルゴリズムは、前記境界信
号が検出されなくなるまで前記ロボットを回転させるス
テップを備えるロボット閉じ込めシステムが提供され
る。
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明の他の特徴および有用性
は、以下の関連する図面を含む詳細な説明および特許請
求の範囲により明らかとなるであろう。
【００２５】図１および図２を参照すると、これらの図
にはリビングルーム１０が示されている。このリビング
ルーム１０は、ダイニングルーム１２から、内壁１４，
１５により隔てられている。リビングルームおよび／ま
たはダイニングルームには、例えば、ソファー１６、テ
レビ１７、カウンタ１８、並びに、テーブルおよび椅子
１９等の様々な家具が含まれるかも知れない。
【００２６】この部屋は、移動ロボット２０および境界
信号送信装置３０を含み、この境界信号送信装置３０
は、本明細書では、ロボット閉じ込め（または、ＲＣＯ
Ｎ）送信機３０とも称する。図１および図２において、
ロボットは、リビングルーム１０内に配置され、ＲＣＯ
Ｎ送信機３０は、リビングルーム１０をダイニングルー
ム１２から分ける領域に、内壁１４を背にして内壁１５
に向けて配置されている。
【００２７】ここで、さらに詳細に説明する。図２は、
同じ構成の部屋で、ＲＣＯＮ送信機３０が電源投入状態
になっているところを示し、例えば、ＲＣＯＮ送信機３
０は、電源投入状態で該ＲＣＯＮ送信機３０から内壁１
５へ向けて赤外線ビーム４２を放射している。そのビー
ム４２は、主としてリビングルーム１０およびダイニン
グルーム１２間の境界を規定する軸に沿うように向けら
れている。
【００２８】ここで説明するシステムおよび方法は、持
ち運び可能なＲＣＯＮ送信ユニット３０および移動ロボ
ット２０に依拠している。まず、これら構成要素のそれ
ぞれを個別に説明し、次に、本発明に係る好適な実施例
の動作について考察する。
【００２９】［ＲＣＯＮ送信機］図３は、ＲＣＯＮ送信
機３０の好適な実施例を示す。ＲＣＯＮ送信機３０は、
第１の赤外線放射器３２、第２の赤外線放射器３４、電
源スイッチ３６、および、可変電力設定ノブ３８を備え
ている。また、ＲＣＯＮ送信機筐体３１には、バッテリ
ー（図示しない）および様々な構成要素に必要な電子回
路が実装されている。図４は、ＲＣＯＮ送信機３０の実
施例に必要な電子回路の回路図を示す。他の実施例に
は、他の伝統的な電源が用いられるかも知れない。
【００３０】図３に示す実施例においては、ロボット２
０の動作開始時に、利用者が電源スイッチ３６を用いて
ＲＣＯＮ送信機３０の電源を投入することになる。ま
た、利用者は、ノブ３８を用いて調節可能な電力を設定
することもできる。他の実施例では、キーパッドやトグ
ルスイッチ等のあらゆる既知の入力装置がユニットの電
源投入、および／または、電力設定の選択に用いられ得
る。１つの部屋を分けるのに便利な長い境界を設けるに
は、より強い電力が用いられる。一方、１つの出入口用
の境界を設けるのには、より弱い電力が用いられる。白
く塗られた壁等、様々な材質の反射作用のためにＲＣＯ
Ｎ送信機３０の電力は、所望の境界を設けるのに必要な
最小値に制限することが望ましい。
【００３１】他の実施例では、バッテリーの寿命を維持
するために、所定の時間経過後、ＲＣＯＮ送信機の電源
が自動的に切断されてもよい。
【００３２】他の実施例では、複数の部屋や空間を制御
された方式で自動清掃できるように、１つ以上のＲＣＯ
Ｎ送信機、および／または、ロボットの電源投入および
切断に制御システムが用いられてもよい。例えば、「ス
マートハウス(smart house)」制御システムは、１つ以
上のＲＣＯＮ送信機と直接交信し、仕事をする空間を周
期的に切り替えルことを可能とする。この場合、ロボッ
ト２０は、ＲＣＯＮに対して信号を送信して、その電源
を投入してもよい。
【００３３】好適な実施例では、２つの赤外線放射器３
２，３４が用いられる。第１の赤外線放射器３２（第１
の放射器）は、ＲＣＯＮ送信機３０からの所与の長さに
誘導された境界４２を設けるために電源供給される。こ
の実施例において、ビーム４２は、変調され、狭く絞ら
れた赤外線ビームである。好適な実施例において、Wait
rony p/n IE-320Hのような平行化された赤外線を発する
放射器が用いられる。放射器の詳細は、各当業者次第で
ある。ただし、以下に詳細に説明するように、ビーム４
２には充分な幅が必要である。ビーム幅の最小値は、個
々のロボットにおける検出器の回転半径よりも大きくな
っていることが望ましい。
【００３４】第２の赤外線放射器３４（第２の放射器）
は、ＲＣＯＮ送信機３０に近接したビーム４２の最も狭
い範囲で、ロボット２０がそのビーム４２を横切ること
がないように、且つ、ロボット２０がＲＣＯＮ送信機３
０にぶつかって来ないように、ＲＣＯＮ送信機３０の近
傍の拡散範囲４４を設けるために電源供給される。好適
な実施例において、後述するＲＣＯＮ検出器のレンズ部
分と同じレンズは、第２の放射器３４に用いられる。他
の実施例では、適切な光学系に実質的に接続された単一
のアクティブ放射器が、ここで開示される２つの放射器
システムを含む複数の発光点を設けるために使用され得
る。
【００３５】リモコン装置、ＰＤＡ、および、他の赤外
線通信機器等のほとんどの赤外線機器は、日光および他
の赤外線源による干渉のおそれがあるため、放射された
信号が変調されている。ここで、放射器３２および３４
は、ビームを３８ｋＨｚで変調している。また、赤外線
機器は、ビームを変調して、シリアルビットストリーム
を提供する。これにより、ユニットに対して何をすべき
かが伝えられ、このユニットが制御される。本発明に係
る一実施例では、通常の赤外線ビットストリームの周波
数とは異なる周波数（例えば、５００Ｈｚ）で、ビーム
がさらに変調される。これにより、他の赤外線機器との
干渉が防止される。
【００３６】好適な実施例では、赤外線信号が用いられ
ているが、本発明のシステムおよび方法では、目標に到
達する電磁エネルギー（電波、Ｘ線、マイクロ波等）の
ような他の信号が用いられてもよい。これらの形式の波
動の多くは、かなりの欠点がある。例えば、電波は、指
向性をもたせるのが難しく費用もかかり、また、可視光
は、多くの光源による干渉を受けて利用者にとって邪魔
である。音波も使用可能であるが、これについても純粋
な指向性をもたせるのが同様に難しく、さらに、散乱お
よび反射する傾向にある。
【００３７】［ロボット］図５および図６に示されるよ
うに、好適な実施例では、ロボット２０は、実質的に円
形状のケース２１を備える。このケース２１は、中心線
の両側にそれぞれ取り付けられた２つの車輪２２および
２３を含むシャーシに装着される。なお、各車輪２２お
よび２３は、ロボットが旋回できるように、独立して駆
動される。好適な実施例において、車輪は、ロボットが
その場で回転できるように取り付けられている。また、
ロボット２０の好適な実施例は、モータ２４、清掃機構
２５、充電式バッテリー２６、マイクロプロセッサ２
７、および、様々な接触式および光学式のセンサ２８を
備えている。
【００３８】図５および図６に示したものと同様のロボ
ットのハードウェアブロック図を図８に示す。ハードウ
ェアは、Winbond W78 XXX シリーズの８ビットプロセッ
サをベースに作られている。プロセッサは、ＲＯＭに格
納されたソフトウェアにより制御される。図８に示すシ
ステムには、様々な制御機能およびモータドライバが、
様々なセンサ（例えば、物理的衝突センサ(physical bu
mp sensor)、絶壁センサ(cliff sensor)、ＲＣＯＮ検出
器／センサ）と共に含まれる。
【００３９】この発明では、ロボットは、好適な実施例
では標準的な赤外線受光モジュールとなっているＲＣＯ
Ｎ検出器５０を有している。この赤外線受光モジュール
は、全方向性レンズ（omni-directional lens）の下に
搭載された、フォトダイオード並びに関連する増幅およ
び検出回路を備えている。なお、全方向性とは、単一の
平面に関連している。好適な実施例では、赤外線受光モ
ジュールは、East Dynamic Corporation p/n IRM-8601S
である。ただし、ＲＣＯＮの放射器も受光器に対応させ
るならば、あらゆる赤外線受光モジュールが変調やピー
ク検出波長に関わらず使用可能である。図５および図６
に示されるように、ＲＣＯＮ検出器は、ロボット２０の
最も高い位置に搭載され、ロボットの本来の移動方向と
して規定されるロボットの前方を向いている。なお、こ
の方向は、図６の矢印で示される。
【００４０】ＲＣＯＮ検出器は、陰にならないようにロ
ボットの最も高い位置に搭載されるべきであり、ある用
途においては、ロボット２０および／またはＲＣＯＮ検
出器５０の高さを最小限にして、操作が難しくならない
ようにすると共に、該ロボット２０が家具や他の障害物
の下を通過可能とすることが望ましい。ある実施例で
は、ＲＣＯＮ検出器５０には、スプリングが搭載されて
いて、張り出している固い物体の下をロボットが走行す
るときに、その検出器がロボット本体内に没入可能とな
っていてもよい。
【００４１】図７に、ＲＣＯＮ検出器５０の好適な実施
例を詳細に示す。このＲＣＯＮ検出器には、レンズ５２
が含まれている。レンズ５２は、あらゆる方向からの境
界信号（すなわち、光線）４２を、レンズ外壁５４を通
して受けて焦点５５に集束させる。同時に、本発明の方
法およびシステムは、たいていの場合、日光の存在下で
使用される。赤外線検出器５５は、直射日光で容易に飽
和状態になるので、ＲＣＯＮ検出器５０から日光を排除
することになる。従って、好適な実施例では、不透明な
プラスチック水平板５７が用いられる。この水平板５７
は、ポスト５８に支持されている。
【００４２】好適な実施例で用いられるレンズ５２は、
本質的に円柱状のデバイスであり、レンズの軸に対して
垂直な光線を受光すると共に、略上方または略下方から
の光線をいずれも排除するように設計されたものであ
る。レンズは、水平な光線を、主にレンズの下に実装さ
れた赤外線検出器５５に集束させる。
【００４３】好適な実施例では、レンズの形状は、放物
線が焦点を中心として回転することで規定されたものと
なっている。焦点は、受信器（検出器）５５のアクティ
ブな部分と共に配置されている。このため、レンズ内壁
５３は、掃引された放物線で規定されている。光線は、
レンズの材質とレンズ内壁５３より内側の材質との不連
続性としてここに規定された全反射と称する現象により
反射される。好適な実施例は、低コスト性および屈折率
で選ばれた透明なポリカーボネート（polycarbonate）
で構成される。
【００４４】ＲＣＯＮ検出器５０の全方向性により、単
一のＲＣＯＮ検出器５０のみを有するシステムがＲＣＯ
Ｎ送信機からの光の入射角に関わらず等しく良好に機能
することができるようになる。ＲＣＯＮ検出器５０は、
ある角度からのビーム４２および４４に反応しなけれ
ば、ビームがＲＣＯＮ検出器５０の盲点を占めているよ
うな状態でロボット２０がそのビームに対して近づいて
行った場合、このロボット２０は閉じ込めビーム４２お
よび４４を突破してしまう。
【００４５】さらに、好適な実施例において、ＲＣＯＮ
送信機３０は、バッテリー駆動式である。このことによ
り、放射器３０に関してバッテリー寿命を長くするため
にロボットに搭載された検出器５０には、高い感度が必
要となる。このように、ＲＣＯＮ検出システムは、放射
器からの赤外線を可能な限り集光するように設計される
ことになる。
【００４６】好適な実施例のＲＣＯＮ検出器は、変調さ
れた赤外線がある閾値を超えていると、それにより作動
するように設計されている。赤外線レベルが所与の閾値
未満であると、ＲＣＯＮ検出器は、全く検出されていな
いものとして処理する。そのため、具体的な制御コマン
ドが起動することはない。
【００４７】当業者は、他の実施例において、複数のＲ
ＣＯＮ検出器５０が使用可能であることを認識するであ
ろう。図９は、６個の側面搭載センサ５０を用いたこの
ような実施例を示す。各センサは、単一の上部搭載セン
サに対応した視野をもつように向けられている。単一の
全方向ＲＣＯＮ検出器は、最大限の性能を発揮させるた
めに、ロボットの最も高い位置に搭載され、複数の検出
器を組み込むことによってロボットの外形を低くするこ
とができる。
【００４８】本発明のシステムおよび方法は、室内清掃
用に設計されたものを含め、従来技術における既存のロ
ボットにおける多くのものと共に使用可能である。
【００４９】［システムの動作および方法］図１２〜図
１４に示されるように、空間（リビングルーム１０およ
びダイニングルーム１２）を２つの異なる領域に分割す
るのに、赤外線ビームが用いられる。ロボットは、この
ビーム４２を検出する該ロボットの上部前側に搭載され
たセンサを有する。図１３に示されるように、測定可能
なレベルの赤外線が検出器に当るたびごとに、ロボット
による赤外線回避行動が起動する。好適な実施例では、
この行動により、ロボットは、赤外線信号が検出可能な
レベル未満となるまで、その場で回転する（図１４）。
そして、ロボットは、その直前の動作を再開する。ある
種のシステムでは、左回転が望ましく、それは、慣例に
よると、ロボットは操作に追従する際に全ての物体につ
いて該物体が自身の右側に来るようにするということが
あるためである。閉じ込めビーム４２を検出すると左回
転するということであれば、ロボットの閉じ込め行動
は、他の行動と整合がとれる。本実施例では、赤外線セ
ンサは、階調検出器（gradient detector）として働
く。ロボットは、赤外線強度がより強い領域に来ると、
その場で回転する。赤外線センサがロボットの前面に搭
載されていること、および、ロボットが後退しないこと
から、このセンサは、赤外線強度が強くなってくるの
が、ロボットの他の部分よりも前に必ず分かる。このよ
うに、その場で回転することにより、センサは、強度が
弱くなった領域へと移行することになる。次に、ロボッ
トは、センサに追従して前進するとき、ビームから離れ
て赤外線強度の弱くなった領域へと必然的に移動する。
【００５０】他の好適な実施例では、室内閉じ込め行動
は、ロボットの動作を制御する厳密に優先度本位の行動
システムにおける１つの行動として機能する。それぞれ
の行動には、優先度が割り当てられており、最も高い優
先度の行動は、任意の時点でロボットの制御を要求し
て、ロボットを完全に制御する。これらの行動として
は、前進、衝突した場合の回転、螺旋を描く等がある。
閉じ込め行動は、最高の優先度をもつ行動の１つであ
る。この行動は、室内閉じ込め赤外線センサが室内閉じ
込め送信機からの信号を検出した場合に、ロボットの制
御を要求する。
【００５１】図１０に、閉じ込め行動の制御ロジックの
好適な実施例のフローチャートを示す。ロボットは、Ｒ
ＣＯＮ検出器が信号を検出しているかどうかを判別する
（ステップ１１０）。信号が検出されていれば、ロボッ
トは、回転方向を選択する（ステップ１２０）。そし
て、ロボットは、選択された方向へと回転を開始して、
信号が検出されなくなるまで回転する（ステップ１３
０）。信号が検出されなくなると、ロボットは、追加の
距離だけ回転を継続する（ステップ１４０）。
【００５２】ステップ１２０の好適な実施例において、
図１１に示すフローチャートで説明するアルゴリズムに
より方向が選択される。ロボットの制御ロジックは、該
ロボットのビームとの個々の相互作用を常時監視してい
る。最初に、ロボットは、カウンタを１つインクリメン
トする（ステップ１２２）。奇数回目の相互作用の時、
ロボットは、新たな回転方向をランダムに選択する（ス
テップ１２４，１２６）。一方、偶数回目の相互作用の
時、ロボットは、直前の回転方向を再度使用する。
【００５３】他の実施例として、常にロボットが、一方
向に回転するか或いは方向をランダムに選択するという
ものもある。ロボットが常に一方向に回転する場合、そ
のロボットは、ビームから離反して回転し、室内の他の
障害物に衝突し、再びビームに向かって回転し、再度ビ
ームを視認し、離反して回転し、再度衝突するといった
ことを無限に繰り返すことにより、ループに嵌り込んで
しまう。さらに、ロボットが一方向にのみ回転する場
合、特にビームの一端に偏ってしまうことになる。ロボ
ットの仕事が、清掃等のように、部屋全体を均等に仕上
げるというものであると、回転方向が単一であるという
のは最善ではない。方向が完全にランダムに選択される
と、ロボットは、前後に激しく向きを変え、ビームに２
回以上当るようになる。
【００５４】ステップ１４０の好適な実施例において、
ロボットは、信号が消えたところから、さらに追加の２
０°回転する。回転の総量は、好適な実施例では任意に
選択され、個々のロボットおよび用途によって決まるも
のである。追加の回転を行うことにより、ロボットは、
閉じ込めビームから離れた直後に再度そのビームに当る
ことがなくなる。様々な用途に向けて、追加の移動量
（直線または回転）は、所定の距離か時間であってもよ
く、また、代わりにランダムな要素が含まれていてもよ
い。
【００５５】さらに他の実施例において、ロボットの回
避行動には、ビーム４２が検出されなくなるまでロボッ
トの方向を逆転させることも含まれるかも知れない。
【００５６】他の実施例において、ＲＣＯＮ検出器が、
ビームレベルの強弱の階調を検出可能であってもよい。
この情報は、最も弱い検出レベルとなる方向へとロボッ
トを送り出すのに用いられ得る。このようにすると、ロ
ボットが完全にビーム内に位置して、検出器がビームか
ら出ることなくロボットが３６０°回転してしまうこと
がなくなる。これらの実施例において、ロボットがビー
ムから出ることなく３６０°回転した場合、制御ロジッ
クが、「階調行動（gradient behavior）」に対してよ
り高い優先度を与えてもよい。この階調行動により、ロ
ボットのとり得る向きが、決められた個数分の角度域
（angular bin）に分けられる。これら各角度域は、ロ
ボットの周りの同じ分量の角度範囲にそれぞれ対応して
いる。そして、ロボットは、各角度域での検出数をサン
プリングしながら等速回転する。（赤外線信号を用いた
システムでは、検出数は、信号強度と単調に関係してい
る。）ロボットが３６０°を超えて回転した後、階調行
動によりロボットに対して最も検出数の少なかった角度
域へ回転するように指令がなされる。ロボットが正しい
向きに達すると、階調行動によりロボットに対して所定
距離だけ前進するように指令がなされる。例えば、ロボ
ットの幅の半分だけ前進してから、制御は階調行動から
開放される。必要であれば、赤外線強度が閾値未満とな
る領域へとロボットが移動するまで、この処理を繰り返
してもよい。
【００５７】当業者は、放射器／検出器システムがロボ
ットを数多くの方式で誘導するのに用いられてもよいこ
とを認識するであろう。例えば、ビーム４２は、ロボッ
トがビームの縁に平行に動作可能となるように用いられ
てもよく、例えば、正確に室内閉じ込めビームの縁のと
ころまでの範囲の床が清掃されることができるようにな
る。
【００５８】本発明に係る他の実施例では、ＲＣＯＮ送
信機は、信号放射器および信号検出器の双方を備えてい
てもよい。図１５に示されるように、ＲＣＯＮ送信機２
１０は、第１の放射器２１２および検出器２１４を具備
している。ＲＣＯＮ送信機２１０は、所望の境界の一端
に配置され、且つ、逆反射体２３０は、その所望の境界
の他端に配置される。この逆反射体は、ビームに対する
逆反射体の向きに関わらず、そのビームが放射器に戻る
ように反射させるものであり、例えば、標準的な自転車
の反射板から構成されていてもよい。図１５に示される
ように、第１の放射器２１２は、ビーム２４２を発す
る。ビーム２４２の一部は、逆反射板２３０で反射され
て検出器２１４に検出される。
【００５９】図１５および図１６に示す実施例では、第
１の放射器２１２から放射された赤外線は、信号Ａまた
は信号Ｂからなる２通りのどちらかに変調されてもよ
い。通常の動作の際には、第１の放射器２１２から発せ
られたビーム２４２は、逆反射材２３０に反射されて検
出器２１４へと戻る。ＲＣＯＮ送信機が実際に信号Ａを
送信している場合、それはロボット２２０に受信され
る。図１６に示されるように、ロボットまたは他の物体
が放射器２１２および逆反射材２３０間に入ると、受信
器２１４には何の信号も帰って来なくなり、ＲＣＯＮ送
信機２１０は信号Ｂを送信し、その信号Ｂはロボット２
２０により受信される。そして、ロボット２２０は、こ
の情報を、性能向上のために用いる。ロボットは、信号
Ｂを検出しているときにのみ、既述のようにビームから
離反するように回転する。ロボットが信号Ａを検出して
いるときには、何も実行されない。
【００６０】ある種の用途に対しては、図１５および図
１６に示した実施例により、性能が向上する。例えば、
清掃の用途では、清掃の完璧さが向上する。これは、ロ
ボットが閉じ込め装置と逆反射材とを連結する線までの
範囲を清掃するようになるためである。また、本実施例
は、ビームの遮断に対してより耐性がある。家具や他の
障害物が部分的にビームを遮っていると、ロボットはビ
ームを横切る前に回転して離れるようになる。最後に、
ＬＥＤ等の表示器がＲＣＯＮ送信機に追加されて該送信
機が機能していて正しく向けられているとき、それを表
示してもよい。
【００６１】他の実施例において、環状の閉じ込め領域
を規定するのに、ＲＣＯＮ送信機が用いられてもよい。
例えば、２つの全方向放射器を具備したＲＣＯＮ送信機
が用いられ、第１の放射器が標準的に変調されたビーム
を送信し、且つ、第２の放射器が第１の送信機からの出
力に対して１８０°位相がずれていてより低電力の光を
発してもよい。ロボットは、赤外線が検出されないとき
に回転するように、プログラムされることになる。ロボ
ットは、放射器から離れてゆくと、結局はビームを見失
って、そこに戻ってくることになる。近づいてくると、
第２の放射器からの光が第１の放射器からの光を妨害し
て、実質的に変調されていない状態の赤外線となる。検
出器はこれを検出できなくなり、ロボットは環状領域へ
と戻ってゆく。
【００６２】さらに他の実施例において、ＲＣＯＮ送信
機が、「ホームベース（home base）」として用いられ
てもよい。例えば、いったんロボットのバッテリーが所
定レベル未満になると、ロボットは、階調行動を用いて
ＲＣＯＮ送信機へと帰還する。このことにより、利用者
は、清掃終了時に、ロボットをより容易に見つけられる
ようになる。清掃終了時に、ロボットが隅にあったり、
家具の下等にあったりするということがなくなる。
【００６３】上述した説明には多くの特定要件が含まれ
ているが、これは、本発明の範囲を制限するものではな
く、本発明における現時点で好適な実施例のいくつかを
説明するためのみに提供されたものである。
【００６４】本発明に係る他の実施例は、特許請求の範
囲の各請求項に含まれる。
【００６５】
【発明の効果】以上、詳述したように、本発明によれ
ば、簡単な構成でロボットの位置を特定して閉じ込めて
おく方法およびシステムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】電源切断状態における境界信号送信機を有する
本発明に係るロボット閉じ込めシステムの一実施例を示
す図である。
【図２】電源投入状態における境界信号送信機を有する
本発明に係るロボット閉じ込めシステムの一実施例を示
す図である。
【図３】境界信号送信機の好適な実施例の模式図であ
る。
【図４】境界信号送信機の具体的な実施例の回路図であ
る。
【図５】本発明に係る好適な実施例で用いられる移動ロ
ボットを示す概略側面図である。
【図６】本発明に係る好適な実施例で用いられる移動ロ
ボットを示す概略平面図である。
【図７】全方向境界信号検出器の好適な実施例の側面図
である。
【図８】図５および図６に示すロボットのハードウェア
ブロック図である。
【図９】複数の境界信号検出器を用いたロボットの他の
実施例を示す模式図である。
【図１０】本発明に係る好適な実施例の境界回避アルゴ
リズムを示すフローチャートである。
【図１１】本発明に係る好適な実施例の境界回避アルゴ
リズムを示すフローチャートである。
【図１２】本発明に係る好適な実施例のシステムおよび
方法を示す模式図である。
【図１３】本発明に係る好適な実施例のシステムおよび
方法を示す模式図である。
【図１４】本発明に係る好適な実施例のシステムおよび
方法を示す模式図である。
【図１５】本発明に係る他の実施例のシステムおよび方
法を示す模式図である。
【図１６】本発明に係る他の実施例のシステムおよび方
法を示す模式図である。
【符号の説明】
１０…リビングルーム １２…ダイニングルーム １４，１５…内壁 １６…ソファー １７…テレビ １８…カウンタ １９…テーブルおよび椅子等 ２０…移動ロボット ２１…ケース ２２，２３…車輪 ２４…モータ ２５…清掃機構 ２６…充電式バッテリー ２７…マイクロプロセッサ ２８…センサ ３０…境界信号送信装置（ＲＣＯＮ送信機） ３２…第１の赤外線放射器 ３４…第２の赤外線放射器 ３６…電源スイッチ ３８…可変電力設定ノブ ４２，４４…赤外線ビーム（境界信号） ５０…ＲＣＯＮ検出器 ５２…レンズ ５３…レンズ内壁 ５４…レンズ外壁 ５５…赤外線検出器（焦点） ５７…水平板 ５８…ポスト ２１０…ＲＣＯＮ送信機 ２１２…第１の放射器 ２１４…検出器 ２２０…ロボット ２３０…逆反射体 ２４２…ビーム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フィリップ アール．マス アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02113，ボストン，フリート ストリート 28，ナンバー12 Ｆターム(参考） 3B057 DA04 DE02 3C007 AS15 CS08 HS09 KS16 KV00 KV12 KX02 KX19 LT06 MS10 MT00 WA16 WA28 5H301 AA02 AA03 BB11 BB12 BB14 CC03 CC06 DD07 DD16 GG08 HH10 HH18

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ａ）境界信号が主として境界を規定する
    軸に沿って送信される持ち運び可能な境界信号送信機
    と、 ｂ）移動ロボットと、を備え、 ｃ）前記移動ロボットは、少なくとも一方向に回転する
    ための回転手段、境界信号検出器、および、前記回転手
    段を制御する制御ユニットを備え、 ｄ）前記制御ユニットは、前記境界信号を検出すると該
    境界信号を回避するアルゴリズムを実行し、該アルゴリ
    ズムは、前記境界信号が検出されなくなるまで前記ロボ
    ットを回転させるステップを備えることを特徴とするロ
    ボット閉じ込めシステム。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のロボット閉じ込めシス
    テムにおいて、前記アルゴリズムは、さらに、前記境界
    信号が検出されなくなった後、少なくとも所定の量だけ
    回転させるステップを備えることを特徴とするロボット
    閉じ込めシステム。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載のロボット閉じ込めシス
    テムにおいて、前記アルゴリズムは、さらに、普通は時
    計方向または反時計方向のどちらに回転させるかを決定
    するステップを備えることを特徴とするロボット閉じ込
    めシステム。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載のロボット閉じ込めシス
    テムにおいて、前記普通は時計方向または反時計方向の
    どちらに回転させるかを決定するステップは、さらに、
    方向をランダムに選択する機能を備えることを特徴とす
    るロボット閉じ込めシステム。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載のロボット閉じ込めシス
    テムにおいて、前記普通は時計方向または反時計方向の
    どちらに回転させるかを決定するステップは、さらに、
    方向がランダムに選択される前に、少なくとも２回は同
    じ方向に回転させるステップを備えることを特徴とする
    ロボット閉じ込めシステム。
  6. 【請求項６】 請求項３に記載のロボット閉じ込めシス
    テムにおいて、前記普通は時計方向または反時計方向の
    どちらに回転させるかを決定するステップは、さらに、
    前記境界信号を複数の方位で検出するステップを備える
    ことを特徴とするロボット閉じ込めシステム。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載のロボット閉じ込めシス
    テムにおいて、前記アルゴリズムは、前記境界信号が最
    も小さくなる方位へ回転させるステップを備えることを
    特徴とするロボット閉じ込めシステム。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載のロボット閉じ込めシス
    テムにおいて、前記設置された境界信号送信機は、２つ
    の信号放射器を備え、第１の信号放射器は平行化された
    ものであり、第２の信号放射器は実質的に全方向性であ
    ることを特徴とするロボット閉じ込めシステム。
  9. 【請求項９】 請求項１に記載のロボット閉じ込めシス
    テムにおいて、前記境界信号送信機は、赤外線の周波数
    における変調された信号を放射することを特徴とするロ
    ボット閉じ込めシステム。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載のロボット閉じ込めシ
    ステムにおいて、前記境界信号検出器は、実質的に全方
    向性であることを特徴とするロボット閉じ込めシステ
    ム。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載のロボット閉じ込め
    システムにおいて、前記境界信号検出器は、前記ロボッ
    トの上部に、該検出器が実質的に陰に入らないように配
    置されることを特徴とするロボット閉じ込めシステム。
  12. 【請求項１２】 請求項１に記載のロボット閉じ込めシ
    ステムにおいて、前記ロボットは、さらに、複数の境界
    信号検出器を備えることを特徴とするロボット閉じ込め
    システム。
  13. 【請求項１３】 請求項１に記載のロボット閉じ込めシ
    ステムにおいて、前記持ち運び可能な境界信号送信機
    は、さらに、反射検出器を備え、該境界信号送信機は複
    数の信号を送信し、前記反射検出器で信号が検出されな
    くなると、前記信号の少なくとも１つが送信されること
    を特徴とするロボット閉じ込めシステム。
  14. 【請求項１４】 請求項１に記載のロボット閉じ込めシ
    ステムにおいて、前記境界信号は、少なくとも前記ロボ
    ットの回転半径の幅になっていることを特徴とするロボ
    ット閉じ込めシステム。
  15. 【請求項１５】 ａ）境界信号が主として境界を規定す
    る軸に沿って送信される持ち運び可能な境界信号送信機
    と、 ｂ）移動ロボットとを備え、 ｃ）前記移動ロボットは、少なくとも一方向に回転する
    ための回転手段、境界信号検出器、および、前記回転手
    段を制御する制御ユニットを備え、 ｄ）前記制御ユニットは、前記境界信号を受信すると該
    境界信号を回避するアルゴリズムを実行し、該アルゴリ
    ズムは、前記境界信号が検出されなくなるまで前記ロボ
    ットを直前に移動していた方向に対して反転させるステ
    ップを備えることを特徴とするロボット閉じ込めシステ
    ム。
  16. 【請求項１６】 ａ）本質的に直線状の境界を提供する
    持ち運び可能な境界信号を設けるステップと、 ｂ）前記ロボット上に位置するセンサを設け、該センサ
    が前記境界信号を検出するステップと、 ｃ）前記ロボットに、該ロボットが少なくとも一方向に
    回転可能となるように移動手段を設けるステップと、 ｄ）前記ロボットが新たな方向へ移動することで前記セ
    ンサが前記境界信号を検出すると、前記境界信号を回避
    するステップと、を備えることを特徴とするロボットを
    空間内に閉じ込める方法。
  17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の方法において、前
    記境界信号は、赤外線の周波数における変調された信号
    であることを特徴とする方法。
  18. 【請求項１８】 請求項１７に記載の方法において、前
    記センサは、実質的に全方向性であることを特徴とする
    方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１８に記載の方法において、前
    記境界信号は、少なくとも前記ロボットの回転半径の幅
    になっていることを特徴とする方法。
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