JP2004536715A - 位置および通信システムならびに方法 - Google Patents
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Abstract
互いに近接して移動する移動体(105、105)間の位置情報の通信を提供するシステム。メッセージは、同じシステムを介して通信することができる。向き情報は、移動体の周りの個々の区域に特有の赤外線デジタル信号を送信することにより提供される。区域の位置と特定の信号との間の関係の知識により、受信体は、向きを推定することができる。それぞれの出力レベルにおいて、その特定の出力レベルを識別する情報を含む赤外線デジタル信号を、送信機からそれぞれの出力レベルで送信することにより、距離情報が提供される。区域の範囲と特定の信号との間の関係の知識により、受信体から送信機までの距離を推定することができる。方向情報は、受信区域の位置の知識および受信信号により提供される。
Description
【技術分野】
【0001】
[発明の分野]
この発明は、例えば玩具で使用する本体に対する相対的な方向、向き、または距離についての情報を送受信する方法およびシステムに関する。
【0002】
[発明の背景]
ロボット玩具は、子供、若者、および大人に人気のあるタイプのロボットである。ロボット玩具で遊んでいる間に達成される満足度は、その環境と相互作用するロボット玩具の能力に強く依存する。環境には、ロボットで遊んでいる人、例えば居間の家具などのさまざまなタイプの障害物、他のロボット玩具、ならびに気温および光の強度といった状況が含まれ得る。
【0003】
同じ限られた数の行動を繰り返すロボット玩具は、ユーザの興味がすぐに冷めてしまう。したがって、環境と相互作用する能力を増加させることが主な関心事である。環境との相互作用は、環境を検知するステップと、判断を行うステップと、行動するステップとを含み得る。
【0004】
環境との相互作用を高度化させるこのような目的を達成するために、基本的な必須条件となるものは、環境を検知する手段である。この意味で、例えば同じまたは同様の種類もしくは種のロボット玩具と通信する手段、および、他のこのようなロボット玩具の位置を判断する手段は重要である。
【0005】
ロボットの検知手段および行動手段が発展するほど、ロボットは、周りの環境とのより複合化した相互作用を持つことができ、環境の複雑さをより細かく反映することになる。したがって、複雑な挙動は、高度な検知手段、行動手段、および通信手段に由来する。
【0006】
日本国の特開2000−79283号は、送信体から放射された赤外光を受信する赤外光受信機が設けられた光追尾移動体を開示している。送信体は、その外面に等間隔の孔を有するボール玩具の形状である。赤外線送信機によって生成された信号は、各孔を通ってその外部に送信される。移動体は、制御および駆動メカニズムが設けられた自動車玩具の形状である。この制御および駆動メカニズムにより、移動体は、赤外光信号が受信されないと回転し、赤外線信号が受信されると、前方に直進移動する。
【0007】
しかしながら、この従来技術のシステムは、センサ入力または他のロボット玩具から受信された単純な通信信号に直接反応するロボットにのみ関係している。したがって、この従来技術のシステムは、移動体がより複合的な挙動を行い得ることを可能にするために、十分な精度で本体を配置する能力を欠いている。
【0008】
ユーザは、ロボット玩具が、挙動を伴う他のロボットの中を移動することに、そのロボット玩具が知的であると感じることがあるが、このシステムは、結果として、ロボット玩具が、このような移動を行うことができないという不利な点を含んでいる。
【0009】
米国特許第5,819,008号は、移動ロボット間の衝突、および、移動ロボットと他の障害物との間の衝突を防止するセンサシステムを開示している。各移動ロボットは、8個の送受信装置を含む。これらの送受信装置のそれぞれは、さまざまな方向に送信データを送信する赤外線信号送信機と、さまざまな方向からの送信データを受信する赤外線信号受信機とが組み合わされたものとして構成される。この送受信装置は、円周に沿って相互に45度の間隔で配置され、円の外側に向けて送信し、円の外側から受信するように向けられている。送信データは、ロボットに一意の識別情報、および、8個の送信機の1つを識別する情報形式の方向情報を含む。送受信装置の空間的配置およびその送信データの特性により、遠隔のロボットへの方向および遠隔のロボットの向きを推定することができる。各ロボットは、制御装置をさらに備え、この制御装置は、決定行列に基づき、別の移動ロボットの向きおよびその別の移動ロボットがどの方向に現れたかに応じた予め定められた衝突回避動作を実行するように、移動ロボットを制御する。また、制御装置は、自身の一意の識別情報を受信すると、その受信を障害物が存在すると解釈することにより、障害物を検出することもできる。
【0010】
ロボット自身、または、1体もしくは数体の他のロボットから放射されるさまざまな信号間の干渉が発生し得ることが開示されているにもかかわらず、また、干渉を検出する方法が開示されているにもかかわらず、干渉の回避または削減を行う方法も手段も提案されていない。これは、実生活の状況では問題になる可能性が非常に高い。特に、2体以上のロボットが、同じ部屋に存在する場合や、そうでなくても、互いに接近している場合には、問題にある可能性が非常に高い。
【0011】
他のロボットからの向き情報は、半径約1ないし1.2メートルの範囲内で受信できるので、ロボット間で、接近し、したがってエキサイティングな動作パターンが起こるかどうかは疑問である。その上、その単純なセンサシステムのために、ロボットの動作空間としてより大きなものが必要となる。
【0012】
このセンサシステムの単純さおよび欠点にもかかわらず、このようなセンサシステムを製作するコストは、センサの個数が多いことから、比較的高く、すなわち、8個の送受信機の2倍になる。電子ロボット玩具にとって、高価格は一般に足手まといになるので、このコストは、電子ロボット玩具に特に大きな数値である。
【0013】
[発明の概要]
ロボットの周りの、該ロボットを基準とした予め定められた場所の複数の区域に、該ロボットの周りの該個々の区域に特有の情報を搬送する信号を放射する手段を備え、該ロボットの向きについての情報を送信するシステムであって、上記個々の区域に特有の上記情報は、複数のタイムスロットに時間多重されるシステムによって、上記および他の問題は解決される。
【0014】
これにより、信号間の干渉が回避されるか、または、少なくとも最小限に低減される。すべての区域が同時に照射されるとは限らないので、所与の区域以外の区域に放射されて、遠隔の物体によって反射された信号が、所与の区域に直接放射された信号と干渉する可能性はより小さくなる。これにより、システムの性能が向上する。
【0015】
上記個々の区域に特有の上記情報は、時間的および空間的の双方で1つまたは2つ以上の区域に分割された時間多重信号として放射されることが好ましい。
【0016】
上記手段が、相互に距離をおき、かつ、相互にオフセット角度をもって取り付けられた個々の放射器(202、203、…、207)として構成される場合には、機械的な移動部なしに、空間的な区域に上記信号を放射することができる。ロボット玩具にとって、上記距離は、約20mmから40mmまたは100mm未満であることが好ましい。
【0017】
放射器が、上記区域に特有の情報を搬送する信号の指定された最小の強度レベルが検出可能な範囲の空間を作成するように構成されることが好ましい。これにより、指定された最小の強度レベルが、受信機の閾値に対応する場合に、受信機は、受信された信号がこの閾値を越える信号レベルを有するかどうかを判断することにより、区域内の存在を検出することができる。これにより、ロボットが区域内に存在するかどうかを判断する簡単でコスト的に魅力のある解決が可能となる。
【0018】
放射器は、第1の信号および第2の信号の指定された最小の強度レベルが計測可能な範囲の区域を作成するように構成され、上記第1の信号および上記第2の信号は、それぞれの区域に特有の情報を搬送し、これにより、2つの区域の共通の空間として第3の区域を作成することが好ましい。その結果、他の条件が同じならば、2つの送信機ごとに追加された区域が作成される。これにより、送信システムの分解能が向上する。すなわち、所与の角度間隔に対して、より多くの区域またはセクタを確立することができる。向きは、区域内の存在または不在として求められ、したがって、向きは、離散的な値として提供されると仮定されることに留意すべきである。
【0019】
上記第3の区域に特有の上記情報が、上記第1の信号および上記第2の信号の少なくとも一部から成る場合には、第3の区域に特有の情報は、その特有の情報を受信するのに十分な長さを有する時間間隔にわたって信号を検出することにより作成される。この長さは、第1の信号および第2の信号の特有の情報が送信される時間間隔とほぼ等しくすることができる。
【0020】
上記第3の区域に特有の上記情報は、時間的に2つ以上のタイムスロット(t3、t4;t6、t7)に及ぶことが好ましい。
【0021】
少なくとも1つの放射器が、上記ロボットについての情報を有するメッセージ信号を他のロボットに送信するように制御される場合には、他のロボットは、自らの裁量でこの情報を受信することができ、自身のルールに従ってその情報を解釈することができる。このルールは、通常、コンピュータプログラムとして実施され、更には、あるタイプの挙動を実施することができる。
【0022】
第1のロボットが、信号の送信が開始される前に、通信無信号状態を検出できる状況を待つように構成される場合には、信号間の干渉が増加するリスクが削減される。
【0023】
上記第1のロボットは、該第1のロボットの近傍の他の同様のロボットが、通信無信号状態が存在する状況を検出できることを回避するのに十分密な列で、個々の区域に特有の情報を搬送する上記信号を送信するように構成されることが好ましい。その結果、各ロボットは、向き情報を提供/放射するサイクル内で、他のロボットによる割り込みが行われることなく、そのサイクルを完了することができる。通常、向きを送信するロボットは、信号のいずれがそのロボットの向きの判断に実際に使用されるかについて気付かないので、その結果、向き情報の送信サイクルを完了することが保障される。好都合な実施の形態では、サイクルは、区域に特有の信号のすべてを含む。
【0024】
本発明はまた、ロボットの周りの、該ロボットを基準とした複数の区域の1つに特有の情報を搬送する信号を受信する手段と、個々の区域に特有の上記情報を抽出して、その情報を、上記ロボットの向きを表す情報に変換する手段とを備え、上記ロボットの向きについての情報を受信するシステムであって、上記ロボットの上記向きは、それぞれが上記ロボットの周りの、該ロボットを基準とした複数の区域の1つに特有の情報を搬送する2つの信号が、少なくとも2つの連続したタイムスロットで受信可能かどうかを判断すること、受信可能な場合には、上記少なくとも2つの信号を組み合わせて上記ロボットの上記向きを判断することとにより推定される、システムに関する。
【0025】
それぞれが上記ロボットの周りの、該ロボットを基準とした複数の区域の1つに特有の情報を搬送する2つの信号が、少なくとも2つの連続したタイムスロットで受信可能でない場合には、上記2つの連続するタイムスロットの最初のタイムスロットで受信された信号に基づいて上記ロボットの上記向きが判断される。このような状況は、ロボットの向きが、1つの信号のみが利用可能であるような場合であることを示し、その結果、向きが、それに従って解釈されるべきであることを示している。すなわち、向きは、2つまたは3つ以上の重なり合った区域によって確立された区域でない区域の存在に対応する。
【0026】
好ましい実施の形態では、上記システムは、別のロボットの位置を表す受信信号に応答して、ロボットの物理的な行動を制御するプログラム手段をさらに備える。これにより、遠隔のロボットの動作パターンを登録/認識することによって、高度なロボット間の動作戦略および/またはロボット間の通信をプログラミングすることが可能になる。
【0027】
好ましい実施の形態では、本発明は、ロボット玩具を備える玩具セットに含まれる。該玩具装置が、玩具構築要素の相補結合手段と相互接続する結合手段を備える場合には、例えば、玩具装置にさまざまなタイプの動作手段を提供するといったように、玩具装置を操作することができる。結合手段および相補結合手段は、Interlego AGに譲渡された米国特許第5,645,463号に開示されたように具体化することができる。この米国特許では、複数のタイプの接続手段、例えば軸を支持する孔、接続鋲およびタップ、ならびに相互接続部に要素をはめ込むためのグリップが開示されている。
【0028】
従来技術では、物体または他の移動ロボットの中でロボットを移動/操縦するために利用可能な情報は、限られたもののみであることが問題である。このような十分な情報が欠如していることにより、ロボットの動作パターンは粗くなる可能性があり、また、移動ロボットがロボット間の所与の動作の相互作用を実演するのに必要な空間は、物体または他のロボットの位置についてのより完全な、または、より十分な情報がある場合に必要となる空間よりも多くなる可能性がある。
【0029】
ロボットの周囲に信号を放射する手段を備え、自身と該ロボットとの間の距離についての情報を送信するシステムであって、上記手段は、それぞれの出力レベルで上記信号を放射するように制御され、それぞれの出力レベルにおいて、上記信号は、その特定の出力レベルを識別する情報を備えるシステムによって、このおよび他の問題は解決される。
【0030】
その結果、送信側ロボットまでの距離を判断する情報が、他のロボットに送信される。この距離は、その特定の出力レベルを識別する情報が提供されるそれぞれの出力レベルの個数に応じた離散的な値で提供される。好ましい実施の形態では、3つの出力レベルが設けられるが、2つ、4つ、5つ、…、10個または40個の出力レベルを設けることができる。出力レベルは、指定された閾値より大きな信号レベルを有する信号を検出できるさまざまな最大範囲に対応する。これらの範囲を使用することにより、所与の出力レベルで送信され、かつ、その特定の出力レベルを識別する情報を有する信号を、対応する距離区間として解釈することができる。一方、この区間は、必ずしも、そのメートルサイズ、例えばメートルまたはセンチメートルで判明している必要はない。一般に、距離の長さの分解能が離散的であるために、距離は、距離インデックスとして解釈できることに留意すべきである。
【0031】
上記出力レベルは、非線形出力レベルとして分布した離散的な出力レベルであることが好ましい。これにより、より高い距離分解能が必要とされる範囲を、他の範囲よりも多くの出力レベルによって表すことができる。その結果として、これは、必要な出力レベルの個数を限定することになる。
【0032】
上記信号または信号の一部の出力レベルは、上記特定の出力レベルを識別する上記情報が送信される時間間隔内で混在することが好都合である。これにより、出力レベルの判断、したがって距離の判断を行うために、さまざまな時間列パターンを使用することができる。
【0033】
上記信号が、それぞれ一組のビットを含み、該ビットは、予め定められるが、混在した列で生起する場合には、簡単なビットパターンの整合を使用して、距離または距離のインデックスを判断することができる。高速かつ簡単な論理回路が、このビットパターンの整合を実施することができる。
【0034】
上記システムが、上記ロボットの周りの、該ロボットを基準とした予め定められた場所の複数の区域に信号を放射する手段を備え、該信号が、該ロボットの周りの上記個々の区域に特有の情報を搬送する場合には、向き情報および距離情報の双方が提供される。
【0035】
少なくとも1つの放射器が、上記ロボットについての情報を有するメッセージ信号を他のロボットに送信するように制御されることが好ましい。これにより、位置情報と、リモコン信号を含むロボット間メッセージとの双方を送信する共通システムが使用可能となる。
【0036】
第1のロボットが、信号の送信が開始される前に、通信無信号状態を検出できる状況を待つように構成されることが好ましい。これにより、ロボット間通信の品質を破壊するリスクが削減される。
【0037】
上記第1のロボットは、該第1のロボットの近傍の他の同様のロボットが、通信無信号状態(S)が存在する状況を検出できることを回避するのに十分密な列で、上記それぞれの出力レベルで上記信号を送信するように構成されることが好ましい。
【0038】
さらに、本発明は自身と送信機との間の距離についての情報を受信するシステムであって、送信される特定の出力レベルを識別する情報を有する信号を受信する手段と、その情報を、上記システムと上記信号を送信する送信機との間の距離を表す情報に変換する手段とを備えるシステムに関する。
【0039】
その結果、距離は、信号を送信する場合と対照的に、情報を収集または受信し、送信された信号の反射が到来するのを待って信号を受信することにより、簡単に判断することができる。したがって、コスト的に魅力的な解決が提供される。
【0040】
上記システムは、受信された信号を、指定された閾値に基づいて2値信号に変換する手段を備えることが好ましい。これにより、マイクロプロセッサによりさらに処理するのに都合良く適応することができる。
【0041】
上記受信された信号を2値信号として表したビット列を復号することにより、上記距離を離散的な値として求める手段が提供されることが好ましい。
【0042】
上記距離は、デジタル値として提供されることが好ましい。
【0043】
連続したデジタル値の列が、非線形の分布した距離を表すことが好ましい。
【0044】
本発明はさらに、遠隔のロボットから信号を受信して、複数の受信機のいずれが該信号を受信したかを判断することにより、上記遠隔のロボットの方向を判断する手段を備えるロボットの方向を判断するシステムであって、方向が、2つまたは3つ以上の受信機が上記信号を受信できる方向として判断されることを特徴とするシステムに関する。
【0045】
その結果、受信機の個数よりも多い複数の方向を判断することができる。これにより、所与の必要な個数の方向に対して、必要とされる受信機の個数は、それよりも少なくなるので、方向についての比較的高い分解能が、比較的に安価に提供される。
【0046】
上記方向を判断する前提条件が、上記受信機が上記信号を同時に受信できることであることが好ましい。ここで、第1の受信機と第2の受信機との信号の時間差は、方向を判断する信号の所要時間と比較して小さい(1から100未満)と仮定される。
【0047】
本発明について、以下に、図面を参照しながら、好ましい実施の形態と共により十分に説明することとする。
【0048】
[好ましい実施の形態の詳細な説明]
図1aは、第1のロボットおよび第2のロボットの平面図を示している。この図では、2体のロボットの相対的な位置、距離、および向きが示されている。2体のロボット間のこの空間的関係を説明するために、第2のロボット102は、x軸およびy軸を有する座標系の原点に位置する。第1のロボット101は、第2のロボット102から距離d離れ、向きに関して第2のロボットの方向αに位置する。第1のロボットの第2のロボットに対する向き(すなわち、垂直軸103の回りの回転角)は、φと測定することができる。
【0049】
d、α、およびφの知識が、第2のロボット102に利用可能である場合、第2のロボット102は、第1のロボット101に応答して移動することができる。この知識は、あるタイプのロボット間の挙動を実施するシステムへの入力として使用することができる。d、α、およびφの知識は、ロボット位置システムが保持することができる。d、α、およびφは、それぞれのタイプの間隔、すなわち距離の間隔または角度の間隔を示す離散信号として提供することができる。
【0050】
本発明によると、以下により十分に説明するように、d、α、またはφの知識は、第1のロボットの周りのそれぞれの限られた領域に、各信号が空間領域識別情報を搬送する信号を放射することにより得られる。第2のロボットは、空間領域識別情報の関連する値およびそれぞれの領域の関連する値を調べることができると、d、α、および/またはφを求めることができる。
【0051】
放射される信号は、赤外線光信号、可視光信号、超音波信号、無線周波信号などの形態のものが可能である。
【0052】
上述した領域は、以下では区域と記されることに留意すべきである。
【0053】
図1bは、ロボット、および、放射される信号の空間的な放射照度特性によって定められる区域の平面図を示している。ロボット104は、信号TZ1、TZ12、TZ2、TZ23、TZ3、TZ34、TZ4、およびTZ14を、4つの放射器(図示せず)の放射照度特性によって定められるそれぞれの区域に送信することができる。放射器は、ロボット104の周りに、相互に重なる放射照度区域を確立するように、相互に距離を置き、かつ、相互にオフセット角度をもって配置される。信号TZ1、TZ12、TZ2、TZ23、TZ3、TZ34、TZ4、およびTZ14を互いに一意に識別でき、かつ、信号が受信可能である場合には、それらの区域のいずれにおいて信号が受信されるかを推定することができる。これについては、より詳細に説明する。
【0054】
図1cは、ロボット、および、受信信号の空間的な感度特性によって定められる区域の平面図を示している。ロボット104は、通常は上述したタイプの信号RZ1、RZ12、およびRZ2を受信することもできる。また、受信機も、ロボット104の周りに、相互に重なる受信区域を確立するように、相互に距離を置き、かつ、相互にオフセット角度をもって配置される。対応する1つの受信機または複数の受信機の受信区域の位置の知識により、信号が受信される方向を求めることができる。これについても、より詳細に説明する。
【0055】
図1dは、各ロボットが、他方のロボットの放射照度/感度区域の一方に存在する2体のロボットの平面図を示している。ロボット106は、受信区域RZ1を確立する右前方の受信機により信号を受信する。これにより、ロボット105の方向は、右前方の方向であると推定することができる。さらに、信号TZ1が識別され、ロボット105に対する空間区域の場所にマッピングされると、ロボット106では、ロボット105の向きを推定することができる。その結果、ロボット105の方向およびロボット105の向きの双方を、ロボット106で推定することができる。このために、ロボット105は、上述したタイプの信号を放射しなければならない一方、ロボット106は、その信号を受信できて、かつ、ロボット105の放射照度区域の情報を持たなければならない。通常、送信システムおよび受信システムの双方は、1体のロボット内に具体化される。
【0056】
図1eは、ロボット、および、さまざまな出力レベルで放射された信号の空間的な放射照度特性によって定められる区域の平面図を示している。ロボット107は、区域特有の信号が異なる出力レベルで放射されることを付加することにより、図1bに示すような区域特有の信号を放射することができる。各出力レベルにおいて、信号は、その出力レベルを識別する情報を含む。これにより、ロボット107は、区域(Z1,Z2,…)に特有の情報およびロボット107からの距離間隔を有する信号を放射する。距離間隔は、例えば(Z1;P2)から(Z1;P3)の2つの放射照度曲線間の空間によって定められる。
【0057】
ロボット108は、区域Z1および出力レベルP4を識別する情報を検出できるが、出力レベルP3、P2およびP1を識別する情報を検出できない場合には、(Z1;P4)と(Z1;P3)との間の空間に存在することが、ロボット108によって推定可能である。曲線(例えば(Z1;P4)と(Z1;P3))間の距離の実際のサイズは、信号を受信する受信機の感度および信号が放射される出力レベルによって決定される。
【0058】
図2は、ロボットを取り囲む複数の区域のそれぞれに特徴的な信号を放射する放射器を有するロボット玩具を示している。このロボット201は、そのロボットの前方が、上方に向いている向きで示されている。
【0059】
ロボット201は、6つの赤外光放射器202、203、204、205、206および207を備える。各放射器は、それぞれの赤外光信号FR、F、FL、BL、BおよびBRを放射する。これらの放射器は、940nmと960nmとの間の波長の光を放射するように構成されることが好ましい。
【0060】
赤外光放射器202、203、204、205、206、および207は、ロボットの異なる位置に異なる角度で取り付けられて、ロボットを取り囲む区域208、209、210、211、212、および213に赤外光を放射する。区域210および211は、互いに重なり合って、さらに別の区域214を確立する。同様に、区域213および208は重なり合って、区域215を確立する。それらの区域は、個々の放射器の放射口径(例えば、放射器の放射を所望の空間の区域に限定するように適合したシールドによる放射口径)ならびに上述した位置および角度、ならびに放射器により放射される赤外光の出力を調節することによって定められる。
【0061】
赤外線信号F、FI、BL、B、BR、およびFRのそれぞれは、それらの赤外線放射器のうちの唯一の赤外線照射器に対応する情報によって符号化され、これにより、ロボットを取り囲む区域のそれぞれの区域に対応する。
【0062】
赤外線信号は、赤外線放射器に一意の情報が、相互に重ならないタイムスロットに配置される時間多重信号として構成されることが好ましい。このタイムスロットは、以下の表1に示される。この時間多重信号は、密な列で送信されることが好ましく、これにより、他のロボットが、タイムスロットt1からt7によって定められる時間間隔の期間中に通信の無信号状態を検出できることが回避される。
【0063】
【表1】
【0064】
表1は、信号FR、F、FL、BL、B、およびBRの時間多重を示している。信号FLおよびBLは、双方とも、区域214で検出可能であることが示されている。同様に、信号BRおよびFRは、双方とも、区域215で検出可能である。
【0065】
これらの信号に基づいて、区域のいずれに検出器が存在するかを判断できるようにするために、検出器システムには、区域の場所とそれぞれの信号との関係の情報が提供される。
【0066】
一方、重なり合った区域のいずれに検出器が存在するかを判断するために、検出器システムを、6つのタイムスロットの期間内に少なくとも2つまでの連続した信号(BR、FR;FL、BL)を検出できるものにすることができる。これにより、信号FRおよびBRが、信号Rとして連続して検出可能である場合、区域215は、その区域として識別することができる。同様に、信号FLおよびBLが、信号Lとして連続して検出可能である場合、区域214は、その区域として識別することができる。この原理は、好ましいものではあるが、他の検出原理を使用することもできる。
【0067】
その結果、ロボット201に向いている赤外光検出器216を基準としたロボット201の向きを判断することができる。好ましい実施の形態では、このような検出器は、別のロボットに取り付けられ、これにより、別のロボットには、ロボット201の向きを検出する手段が提供される。
【0068】
図示した状況では、赤外光検出器216は、区域212内に存在して、信号Bを受信する。この信号Bは、次に、表1により区域212の存在として復号することができる。
【0069】
ロボット201の向きが、時計方向に約90度変更される、すなわち、ロボットがその中心の垂直軸を中心にして回転すると、検出器は、区域215に存在することになる。この存在は、信号FRおよびBRの双方が検出でき、かつ、信号FRが右前方の放射器から放射され、信号BRが右後方の放射器から放射されることが判明している場合に、判断することができる。
【0070】
受信信号は、信号のタイプの値と、ロボット201に関する対応した区域の場所とを相関させた表(例えば表1)によって復号することができる。信号のタイプは、表の記入項目として使用され、したがって、結果的に、対応する区域の場所を与える。
【0071】
信号が、時間多重信号として送信されるので(上記表1で記載したように)、歪んだ信号を受信する可能性は減少する。時間多重信号が適用されない場合には、所与の区域の受信機に直接送信された信号は、別の区域に送信されたが物体(例えば壁)によって反射された信号によって歪みを受ける可能性がある。これは、位置システムの性能を破壊することになる。
【0072】
図3は、判断可能なさまざまな方向からロボットに向けて放射された信号を検出する受信機を有するロボットを示している。ロボット301は、3個の赤外光受信機305、306、および307を備えている。各受信機は、区域302、303、および304にそれぞれ関連付けられている。これらの区域は、受信機が、特定の閾値レベルよりも大きな出力レベルでその受信機に向けて放射された赤外光を検出できる範囲内の区域を表している。
【0073】
赤外光受信機305、306、および307は、ロボットの異なる位置に異なる角度で取り付けられる。区域は、個々の受信機の位置、向き、赤外光の感度、および/または光流入口径をアレンジすることにより定められる。
【0074】
これにより、ロボット301の前面に向けて赤外光を放射する放射器308が見える方向を判断することができる。この方向は、受信機305、306、および/または307のうち1つまたは2つ以上のものからの赤外線信号の検出を示す反応の形で判断される。
【0075】
図示した状況では、放射器308は、区域307内に存在する。したがって、ロボット301は、放射器が区域304に存在することを示し、次に、放射器が、ロボット301を基準にして左前方の方向に存在することを示す、受信機307からの反応を受信している。
【0076】
以下の表2は、ロボット301に受信された信号が、どのように復号されて、ロボット201の向き情報および方向情報を抽出できるかの例を示している。
【0077】
【表2】
【0078】
表2の最初の例は、検出器306が信号Bを受信することを示している。放射信号と各区域との関係の知識により、ロボット201の方向は、信号Bを受信した検出器を単に識別することにより判断することができる。信号Bを受信した検出器は、この例では、検出器306である。この方向は、「中央前方」として示されている。ロボット201の向きは、北の大文字Nにより示されている。2番目の例および3番目の例では、向きは、それぞれ東の大文字Eおよび南の大文字Sで記載されている。
【0079】
図4は、ロボットに取り付けられた4つの放射器の放射照度曲線を示している。4つの放射器402、403、404、および405を有するロボット401は、照射照度曲線の下に拡大図で示されている。この拡大図では、さらに別の放射器413が示されている。この放射器は、ロボットの周りに高出力レベルで信号を放射するように構成される。この信号は、壁、ドアなどといった物体から反射される可能性があるので、対応する放射照度曲線は図示されていない。その代わり、大文字Hが、この放射照度を示している。
【0080】
放射照度曲線は、送信機のそれぞれが、2つの異なる出力レベルで赤外光を放射するように制御されることを示している。以下では、これらの2つの出力レベルは、低出力レベル(接頭語「L」)および中出力レベル(接頭語「M」)と呼ばれる。
【0081】
相対的に大きな放射照度曲線406、407、408、および414は、送信機の1つが中出力レベルで送信している時に、受信機が、その受信機に向けて放射された赤外光信号MBR、MFR、MFL、およびMBLを検出できる範囲の区域を表す。同様に、相対的に小さな放射照度曲線409、410、411、および412は、送信機の1つが低出力レベルで送信している時に、受信機が、その受信機に向けて放射された赤外光信号LBR、LFR、LFL、およびLBLを検出できる範囲の区域を表す。相対的に大きな曲線406、407、408、および414は、直径約120〜160cmを有する。相対的に小さな曲線409、410、411、および412は、直径約30〜40cmを有する。高出力のピング信号(ping-signal)は、約6メートル×6メートルの通常の居間で検出可能であるはずである。
【0082】
このように、放射器402、403、404、および405は、中出力レベル(M)での作動時には、一部が相互に重なり合う区域406、407、408、および409を確立するように構成される。さらに、放射器402、403、404、および405が、低出力レベル(L)で作動している時は、それら放射器は、一部が相互に重なり合う区域410、411、412、および413を確立する。これにより、ロボット401の向きをより正確に判断することが可能になる。
【0083】
放射器402、403、404、および405は、表1に示した原理に従って、互いに重ならない時間多重信号を放射するように構成される。一方、2つの出力レベル低および中を管理するために、1出力レベルのみの場合とは対照的に、放射器に割り当てられたタイムスロットが、2つのサブスロットに分割され得る。この分割は、その結果として、送信側の位置システムに余分な負荷を加える。
【0084】
この問題は、各送信機によって中出力レベルで送信される信号が、送信機に一意の情報を最初のサブタイムスロットに含むならば解決される。次のより短いサブタイムスロットでは、中出力レベルの区域を低出力レベルの区域と区別するための情報を含んだ信号が、低出力レベルで送信される。
【0085】
【表3】
【0086】
表3は、送信機402および403によってそれぞれ放射される信号MFR、LFRおよびMFL、LFLの時間多重を示している。送信機404および405によって放射される信号は、この表では省略されている。
【0087】
以下では、赤外光放射器402、403、404、および405、ならびに、それらの赤外光放射器が作動される出力レベル(低または中)が、信号に関連付けられる。
【0088】
【表4】
【0089】
表4は、IR放射器、IR放射器の位置、IR放射器が放射している信号、および信号が放射される出力レベルの間の関係を示している。
【0090】
送信側ロボットが、向き情報を符号化して、その情報を区域に送信し、その後、他の受信側ロボットにおいて復号および解釈を行うために、ネットワークプロトコルが使用される。このネットワークプロトコルは、ピング信号およびメッセージ信号に基づく。これらの信号は、以下に説明される。
【0091】
図5aは、4つの各放射器からピング信号を送信するために使用される出力レベルを示している。出力レベルPは、時間tの関数として、離散的な出力レベルL、M、およびHで示されている。
【0092】
4つの放射器のそれぞれのピング信号MFR、LFR;MFL、LFL;MBL、LBL;MBR、LBRは、密な列501で送信される。列501は、サイクル時間TLMを有するサイクルで送信される。密な列501間には一時休止502が置かれる。この一時休止は、他のロボットの同様の信号の送信を可能にするために使用され、かつ/または、他の情報、例えばメッセージ信号を送信するのに使用される。
【0093】
放射器からのピング信号は、中出力(M)で送信される3バイトに続いて、低出力(L)で送信される1バイトを含む。最初の3バイトは、Init、ID、およびCRCと記される。最後のバイトは、低出力で再送信されるCRCバイトである。
【0094】
表4の表記を使用すると、低/中のピング信号は、次のように記述することができる。
MFRInit、MFRID、MFRCRC、LFRCRC
ここで、下付き文字は、バイトのタイプ(Init、ID、およびCRC)を示す。
【0095】
これらのバイトの内容は、ある送信から次の送信で変更することができる。最初の3バイトは、タイムスロットt1aで送信される。最後のバイトは、タイムスロットt1bで送信される。同様に、タイムスロットt2〜t3を、aおよびbのサブタイムスロットに分割することができる。ピング信号およびタイムスロットに対する区域の空間的関係は、表1に示される。
【0096】
図5bは、3つの異なる出力レベルでピング信号を送信するために使用される出力レベルを示している。出力レベルPは、時間tの関数として示される。低出力および中出力で送信されるピング信号に加えて、高出力のピング信号が送信される。高出力のピング信号は、低/中出力のピング信号が4回送信されるごとに送信される。すなわち、繰り返し時間TH、つまりTH=4*TLMで送信される。
【0097】
高出力のピング信号は、明確な区域の外側に存在し得る(他のロボットの)検出器によって検出可能なように十分な高出力で送信される。
【0098】
高出力のピング信号は、INIT、ピングID、グローバルネットID(3バイト)、メッセージ(2バイト)、およびCRCの8バイトを含む。CRCバイトは、巡回冗長検査バイトである。INITバイトは、後続のバイト列を高出力のピング信号であると判断するための情報を含む。ピングIDバイトおよびグローバルネットIDバイトは、それぞれ最大で28体のロボットまたは224体のロボットの団体内において、高出力のピング信号を送信するロボットを識別するための情報を含む。グローバルネットIDバイトは、インターネットを介して通信するロボットを一意に識別するために使用することもできる。メッセージバイトは、メッセージをブロードキャストするために使用される。このようなブロードキャストメッセージは、実際の動作の情報、例えば、ロボットが高速で前方に移動中であったり、右に回転中であったりすることなどを示す情報を含むことができる。
【0099】
図6は、4つの送信機のそれぞれ1つに特徴的であり、かつ、低出力レベルおよび中出力レベルで送信されるピング信号を送信する状態機械の状態イベント図を示している。この状態機械601は、開始状態602を有する。開始状態602から無条件の遷移が起こり、状態603がアクティブな状態に設定される。状態603、ならびに状態605、606、および607は、それぞれ放射器402、403、404、および405の1つを選択するために使用される。この状態機械では、この選択は、「FR」、「FL」、「BR」、または「BL」のいずれかに等しい変数Qを設定することにより実行される。これらの状態のそれぞれは、部分機械604に無条件に遷移する。部分機械604は、開始状態609、停止状態614、ならびに4つの中間状態610、611、612、および613を有する。これら4つの中間状態は、それぞれINITバイト、IDバイト、CRCバイト、およびLCRCバイトを中出力レベルまたは低出力レベルのいずれかで送信するためのものである。中間状態では、各バイトは、メモリ(図示せず)から読み出される。部分機械の内部の状態は、無条件の状態遷移によって接続されている。停止状態に到達すると、1つのピング列501を送信するタスクが完了する。
【0100】
図7は、高出力レベルでピング信号を送信する状態機械の状態イベント図を示している。状態機械701は、開始状態702、停止状態710、ならびに中間状態703、704、705、706、707、708、および709を含む。中間状態では、まず、Q=Cと設定することにより、中心の放射器413が選択される。次に、バイトB1、B2、B3、B4、B5、およびB6が、メモリ(図示せず)から読み出されて、放射器413により高出力レベルで連続して送信される。
【0101】
図8は、向きおよび距離の判断を可能にする情報を含んだ低出力レベル、中出力レベル、および高出力レベルのピング信号を、ロボット間のメッセージと共に送信する状態イベント機械の状態イベント図を示している。状態機械801は、機械601および701を使用して、図5bに示すピング信号を送信し、また、メッセージ信号を送信することもできる。
【0102】
状態機械801は、開始状態802および停止状態808を有する。最初に開始すると、状態機械は、送信されるピング信号の適切なタイミングを保証するために、実時間または擬似的な実時間で進行するように意図される。一方、機械は、ロボットがスタンバイモードになったり、供給電力がオフにされるか、または、なくなったりした場合などには、停止状態808に進むことができる。
【0103】
開始状態802の後、状態機械は、無条件にまたはすぐに状態803に進む。状態803では、変数Pが0に設定される。この変数は、2つの連続した高出力のピング信号の間において低/中出力レベルで送信されるピング信号の個数をカウントするために使用される。状態804への無条件の遷移により、状態機械は待機状態になり、他のロボットからのピング信号およびメッセージ信号のトラフィックの一時休止、すなわち通信無信号状態を待つ。これは、ブール変数Sによって表される。ピング信号およびメッセージ信号が受信されている限り、Sは偽であり、機械は、待機状態804に留まる。Sが偽から真に移行すると、一時休止が検出される。通信無信号状態は、信号が受信されない状況、または、受信された信号が、指定された振幅閾値または適応した振幅閾値より小さい状況として定義することができる。通信無信号状態のさらに別の条件として、受信された信号が、指定された時間間隔、例えば2ビット、2.5ビット、3ビット、3.5ビット、4ビットの指定された時間に対応する時間間隔にわたって、指定された振幅閾値または適応した振幅閾値よりも小さいことを条件とすることができる。
【0104】
通信無信号状態の基準が、時間間隔(例えば2ビットの時間間隔)で定義されると、上述した「密な列」は、通信無信号状態が発生しない列として定義することができる。
【0105】
さらに、Pが0に等しい場合には、ブール条件(S&(P=0))を有する条件付き遷移により、状態機械は、まず、高出力のピング信号を送信する状態機械701に遷移し、次に、状態805を介して、低/中出力のピングメッセージを送信する機械601に遷移する。その結果、ピング信号の密な列504が送信される。
【0106】
密な列504が送信されると、変数Pは、状態806で値を1つ増加される。メッセージフラグmが設定されている場合には、メッセージキュー(図示せず)のメッセージが、密な列504の後続の列のメッセージ信号として送信される。送信するメッセージが存在して、このメッセージが送信されると、状態機械は、状態806に戻り、状態805で開始されたタイマが経過するのを待つ。タイマが経過すると、TLMは真になり、状態機械は、状態804に移り、通信無信号状態を待つ。ここで、Pは0ではないので、無信号状態が検出される(すなわちSが真になる)と、機械は、状態601に直接遷移し、低/中のピング信号501を送信する。その後、状態806で、Pが1つ増加される。低/中出力レベルのピング信号の送信は、4つの低/中出力レベルのピング信号(すなわち、Pは5未満である)が送信されるまで続く。4つの低/中出力レベルのピング信号が送信されると、高出力のピング信号が送信され、処理は、再び繰り返される。
【0107】
図9は、ピング信号およびメッセージ信号を送信する通信システムのブロック図を示している。システム901は、ピング信号(例えば、バイトInit、ID、およびCRC)ならびにメッセージ信号を、それぞれピング信号バッファ905およびメッセージバッファ904を介して受信する。ピング信号およびメッセージ信号は、外部システム(図示せず)によって提供される。このように、通信システム901は、外部システムから情報を受信することができ、その結果、外部システムは、通信システムとは非同期に動作することができる。
【0108】
コントローラ902は、状態機械801の命令、さらには状態機械601および701の命令を実行するように構成される。
【0109】
バッファ904および905のデータは、バッファのアドレスを指定することにより読み出される。その後、アドレス指定されたデータは、セレクタ903により、増幅器907、908、909、910、および911を介して、赤外光送信機402、403、404、405、および413の1つまたは2つ以上のものに転送される。セレクタ903は、コントローラ902により制御される。放射器402、403、404、および405によって放射される出力レベルは、増幅器907、908、909、および910の増幅度を調節することにより制御される。コントローラに提供される信号Sは、通信無信号状態が存在するかどうか、すなわち放射される信号と干渉を起こす可能性のある他の信号が検出できないかどうかを示す2値信号である。
【0110】
これにより、図4および図5a、図5bに示すような信号を放射するシステムが開示される。さらに、システムは、一般的な通信信号、すなわちメッセージ信号を送信することができる。
【0111】
図10は、ロボットに取り付けられた2つの受信機の感度曲線を示している。曲線1004は、中出力レベルで受信機1002に向けて送信された信号を、受信機1002が検出できる区域を定める。曲線1006は、低出力レベルで受信機1002に向けて送信された信号を、受信機1002が検出できる小さな区域を定める。
【0112】
曲線1005および1007は、それぞれ中出力レベルおよび低出力レベルで受信機1003に向けて送信された信号を、当該受信機が検出できる区域を定める。一般に、上述した区域は、受信区域と記される。受信機1003に向けて高出力で送信された信号を当該受信機が検出できる区域は、より広く拡散する。したがって、このような区域は、破線の曲線1008で示される。
【0113】
放射器402、403、404、および405は、信号が送信される出力レベルを表す情報を有する信号を送信するので、別のロボットが見える位置への方向および距離を、区域H、ML、MC、MR、LL、LCL、LC、LCR、およびLRの観点で判断することができる。
【0114】
第1のロボットの2つの受信機1002および1003の一方または双方は、第2のロボットの放射器402、403、404、405、および413によって放射された信号を受信することができる。
【0115】
その結果、簡単な送信/受信システムにより、距離、方向、および向きの高分解能を得ることができる。
【0116】
方向および距離の復号
以下では、方向情報および距離情報を復号する方法を、より十分に説明する。次のことが仮定される。
・ある受信機が高出力のピング信号を得ると、他の受信機もそのピング信号を得る。
・受信機が低出力のピング信号を得ると、その受信機は中出力のピング信号および高出力のピング信号も得る。
・受信機が中出力のピング信号を得ると、その受信機は高出力のピング信号も得る。
【0117】
低出力のピング信号に対してL、中出力のピング信号に対してM、および高出力のピング信号に対してHの表記を適用すると、存在の区域は、以下の表5による受信信号に基づいて判断することができる。
【0118】
【表5】
【0119】
表5は、左の列の10個の区域の1つにもし存在すれば、送信ピング信号の符号化された出力レベル情報をその存在にどのように復号できるかを示している。その結果として、区域は、方向および距離を表す。
【0120】
向きの復号
向き情報を復号する目的で、以下の表6および表7を使用することができる。
【0121】
中距離において、
【0122】
【表6】
【0123】
表6は、受信した中出力のピング信号が、区域にどのように関係付けられるかを示している。
【0124】
近距離において、
【0125】
【表7】
【0126】
表7は、受信した低出力のピング信号および中出力のピング信号が、区域にどのように関係付けられるかを示している。
【0127】
図11は、ピング信号およびメッセージ信号を受信するシステムのブロック図を示している。このシステム1101は、ロボット間の信号(特にピング信号およびメッセージ信号)ならびにリモコン信号を受信する2つの赤外線受信機1102および1103を備える。
【0128】
受信機1102および1103によって検出された信号は、信号の到来に応答して、それぞれデータ獲得手段1110および1109によりデジタルデータとして提供される。データ獲得手段からのデジタルデータは、それぞれの先入れ先出しバッファであるLバッファ1108およびRバッファ1107にバッファリングされる。LバッファおよびRバッファからのデータは、バッファ1104に移動される。バッファ1104は、より大きな容量を有し、制御システム(図示せず)への転送を行っている間、データを収容する。
【0129】
赤外線信号が受信機1102および1103に向けて放射されるかどうかを示す2値信号Sは、加算器1106によりシュミットトリガ1105を介して提供される。加算器1106は、データ獲得手段1109および1110からの信号を加算する。これにより、この信号は、通信無信号状態が存在するかどうかを示すものとなる。
【0130】
リモコン装置(図示せず)からの信号を受信するように、このシステムを制御することができる。その場合、バッファに供給されるデータは、リモコンコマンドとして解釈される。これにより、受信機1102および1103は、ピング信号/メッセージ信号に加えてリモコンコマンドを受信するのに使用することができる。
【0131】
図12は、ロボット制御システムのブロック図を示している。この制御システム1201は、あるタイプの挙動を示すことができるロボットを制御するように構成される。制御システム1201は、中央処理装置(CPU)1203、メモリ1202、および入出力インタフェース1204を備える。
【0132】
入出力インタフェース1204は、ロボット位置情報を受信するインタフェース(RPS/Rx)1211と、ロボット位置情報を放射するインタフェース(RPS/Tx)1212と、操縦手段(図示せず)に制御信号を提供する行動インタフェース1209と、トランスデューサ(図示せず)を介してさまざまな物理的影響を検知する検知インタフェース1210と、外部デバイスと通信するリンクインタフェース1213とを備える。
【0133】
インタフェースRPS/Rx1211は、図11に示すように具体化できることが好ましく、インタフェースRPS/Txは、図9に示すように具体化されることが好ましい。リンクインタフェース1213は、外部デバイスとの通信を可能にするために使用される。外部デバイスとしては、例えばパーソナルコンピュータ、PDA、または他のタイプの電子データ情報源/データ消費デバイス(data consumer device)がある。この通信は、ユーザが作成したスクリプトプログラムおよび/またはファームウェアプログラムのプログラムダウンロード/アップロードを含むことができる。インタフェースは、有線/コネクタタイプ(例えばRS323)、IRタイプ(例えばIrDA)、無線周波数タイプ(例えばブルーツゥース)などを含む任意のインタフェースタイプとすることができる。
【0134】
操縦手段(図示せず)に制御信号を提供する行動インタフェース1209は、デジタル出力ポートとデジタル/アナログ変換器とを組み合わせたものとして実施される。これらのポートは、モータ、ランプ、サウンドジェネレータ、および他のアクチュエータを制御するために使用される。
【0135】
さまざまな物理的影響を検知する検知インタフェース1210は、デジタル入力ポートとアナログ/デジタル変換器とを組み合わせたものとして実施される。これらの入力ポートは、スイッチの起動および/または気温の度合い、音圧などを検知するために使用される。
【0136】
メモリ1202は、データセグメント1205(DATA)と、挙動実行システムを有する第1のコードセグメント1206(BES)と、機能ライブラリを有する第2のコードセグメント1207と、オペレーティングシステム(OS)を有する第3のコードセグメント1208とに分割される。
【0137】
データセグメント1205は、入出力インタフェース1204とデータ(例えば、バッファ1104によって提供されるデータならびにバッファ904および905に供給されるデータ)を交換するために使用される。さらに、データセグメントは、プログラムの実行に関係したデータを記憶するために使用される。
【0138】
第2のコードセグメント1207は、インタフェース手段1204の使用の細部を処理するプログラム手段を備える。このプログラム手段は、いわゆるアプリケーションプログラミングインタフェース(API)によって実行される機能および手順として実施される。
【0139】
第1のコードセグメント1206は、ロボットのプログラミングされた挙動を実施するプログラム手段を備える。このようなプログラムは、アプリケーションプログラミングインタフェースによって提供される機能および手順に基づいている。
【0140】
第3のコードセグメント1208は、複数の並行したプログラムプロセス、メモリ管理などを処理するオペレーティングシステム(OS)を実施するプログラム手段を備える。
【0141】
CPUは、ロボットの制御および/または外部デバイスとの通信を行うために、メモリに記憶された命令を実行して、インタフェースからデータを読み出し、インタフェースにデータを供給するように構成される。
【0142】
図13は、部分的に制限された空間内の3体のロボットを示している。ロボット1302、1303、および1304には、他のロボットへの距離および方向ならびに他のロボットの向きを判断するための送信機および受信機が装備されている。この情報は、他のロボットに応答してロボットを移動させるために使用することができる。ロボット1302は、例えば経路1305を経てロボット1303を追尾するようにプログラミングされている。一方、ロボット1303は、経路1306を経てロボット1304から離れようとするようにプログラミングされている。ロボット1304は、後方に移動することにより、他のロボットから離れるようにプログラミングされている。
【0143】
このシナリオは、ロボットの実際の相互の位置および向き、ロボットを制御するプログラムなどに応じて、絶えず変更され得る。
【0144】
本発明は、居間のロボット玩具として使用されているにもかかわらず、より自律的に互いの中を動き回る産業ロボットを制御するために使用することができる。
【0145】
図14は、ロボット玩具のブロック図を示している。本発明の第1の実施の形態によるロボット玩具1400は、ハウジング1401、軸1408aおよび1408bを介してモータ1407aおよび1407bにより駆動される一組のホイール1402a〜1402dを備える。これらに代えて、または、これらに加えて、ロボット玩具は、足、チェーンなどといった、別の移動手段を含むことができる。また、プロペラ、アーム、ツール、回転ヘッドなどといった他の移動可能な部品を含むこともできる。ロボット玩具は、モータならびにロボット玩具の他の電気コンポーネントおよび電子コンポーネントに電力を提供する電源装置1411をさらに備える。この電源装置1411は、標準的な電池を含むことが好ましい。ロボット玩具は、ロボット玩具1400の制御を担当する中央プロセッサCPU1413をさらに備える。プロセッサ1413は、メモリ1412に接続される。メモリ1412は、ROM部およびRAM部またはEPROM部(図示せず)を備えてもよい。メモリ1412は、中央プロセッサ1413用のオペレーティングシステム、および、低レベルのコンピュータ実行可能命令を含むファームウェアを記憶することができる。このファームウェアは、中央プロセッサ1413によって実行されて、例えば「モータを作動させる」といったコマンドを実施することによりロボット玩具のハードウェアを制御する。さらに、メモリ1412は、より高レベルの命令を備えたアプリケーションソフトウェアを記憶することができる。このアプリケーションソフトウェアは、中央プロセッサ1413によって実行されて、ロボット玩具の挙動を制御する。中央プロセッサは、バスシステム1414により、ロボット玩具の制御可能ハードウェアコンポーネントに接続することができる。
【0146】
ロボット玩具は、バスシステム1414を介して中央プロセッサ1413に接続される多数のさまざまなセンサを備えることができる。図示した例では、ロボット玩具は、衝撃を受けた時を検出する衝撃センサ1405、ならびに、光レベルの計測および点滅の検出を行う光センサ1406を備える。ロボット玩具は、上述したように他のロボットを検出してマッピングを行う2つのIR受信機1404aおよび1404bをさらに備える。これに代えて、または、これに加えて、ロボット玩具は、他のセンサを備えることができる。これらの他のセンサとしては、ショックセンサや量を検出するセンサといったものがある。ショックセンサは、例えば、ロボット玩具が衝撃を受けたり、何かにぶつかったりした時に出力を提供する、バネから吊るされた重りである。量を検出するセンサには、時間、味覚、嗅覚、光、パターン、近さ、動作、音、会話、振動、接触、圧力、磁気、温度、歪み、通信などを検出するセンサが含まれる。
【0147】
外部の刺激に応答してセンサにより生成されるセンサ信号は、バス1414を介して中央プロセッサ1413に転送される。中央プロセッサ1413では、センサ信号は、メモリ1412に記憶されたプログラム命令に従って処理される。処理の結果、メモリ1412に記憶された変数およびパラメータが変化することがあり、制御信号が、中央プロセッサ1413によって生成され、バス1414を介して、ロボット玩具の行動を制御するさまざまなハードウェアコンポーネントに転送されることがある。ロボット玩具のアクティブなハードウェアコンポーネントには、モータ1407、例えばレーザガンを模倣した光効果を生成するLED1416、および、音響効果を作成するピエゾ素子1415が含まれる。他の可能なアクティブなコンポーネントには、混合色効果を生成することにより、ロボットのアクティブな挙動状態といったロボットの内部状態を表現するRGB光送信機、または、さまざまな色彩のLEDを含むムード光が含まれる。他の行動には、動作、音、熱、光、香りなどが含まれ得る。
【0148】
特別なタイプの検知および行動は、通信を行う。この通信を行うために、図1に示すロボット玩具は、赤外光受信機1404aおよび1404bと共にロボット間通信に使用することができる赤外線信号を放射する5つの赤外線送信機1403a〜1403eを備える。送信機1403eは、例えばロボットの上部に置かれた赤外線ダイオードであることが好ましく、この赤外線ダイオードは、940nmと960nmとの間の波長を有する赤外光を放射し、放射光が、部屋、例えば6メートル×6メートルの部屋の壁からの反射を生み出すのに十分大きな電流で駆動され、部屋の別のロボットの受信機1404aおよび1404bの少なくとも1つによって受信可能であることが好ましい。ダイオード1403a〜1403dの出力は、さまざまな出力レベル、例えば2つの出力レベルに個別に制御できることが好ましい。赤外線送信機1403a〜1403eは、他のロボットに情報を送信するために使用され、かつ、当該ロボットが他のロボットによって検出可能となる予め定められたピングサイクルにおいて、さまざまな出力レベルでブロードキャストメッセージを放射することができる。
【0149】
あるいは、異なる個数の送信機、および、音響信号または他の電磁放射といった他の通信手段が使用されてもよい。ロボット玩具は、インタフェースコネクタ1417を備える。このインタフェースコネクタ1417は、例えば、ロボット玩具を外部デバイスに接続するシリアルポートである。外部デバイスは、パーソナルコンピュータ、PDA、携帯電話などといったものである。他の通信手段には、ボタン、または、映像もしくはテキスト情報を表示するディスプレイといったユーザインタフェースが含まれる。
【0150】
好ましい実施の形態では、本発明は、ロボットを制御できる装置として具体化される。この装置は、シャフト、軸、スピンドル、または走行、登攀、歩行、もしくはそれ以外の移動をロボットに行わせる構成の同様の機械的手段と相互接続されたモータを備えることが好ましい。この装置は、構成的なロボット構築セットの部品の場合がある。
【0151】
上記説明、特に図4から図9および図11と関係した上記説明に加えて、または、その説明の代わるものとして、以下に、図15から図17を参照しながら、さらに別の動作原理を説明する。
【0152】
図15は、ロボットを取り囲む多数の区域のそれぞれの区域に特徴的な信号を放射する放射器を有するロボット玩具を示している。このロボット1501は、そのロボットの前方が、上方に向いている向きで示されている。
【0153】
ロボット1501は、4つの赤外光放射器1502、1503、1504、および1505を備える。各放射器は、それぞれの赤外光信号を放射する。これらの放射器は、940nmと960nmとの間の波長の光を放射するように構成されることが好ましい。
【0154】
赤外光放射器1502、1503、および1504は、異なる位置および異なる角度でロボットに取り付けられて、ロボットを取り囲む放射照度曲線1509、1510、および1511によってそれぞれ示すような区域FR、FL、およびBに赤外光を放射する。これらのダイオードの方向は、ロボットの前進運動方向に対して、それぞれ60°、300°、および180°である。ダイオードのそれぞれの放射照度の角度が120°よりも大きい、例えば120°と160°との間である場合には、区域1509および1510は重なり合って、さらに別の区域Fを確立する。同様に、区域1510および1511が重なり合って、区域BLを確立し、区域1509および1511が重なり合って、区域BRを確立する。それらの区域は、個々の放射器の放射口径ならびに上述した位置および角度、ならびに放射器により放射される赤外光の出力によって定められる。
【0155】
放射器1502、1503、および1504は、2つの異なる出力レベルで赤外光を放射するように制御される。以下では、これら2つの出力レベルは、低出力レベル(接頭語「L」)および中出力レベル(接頭語「M」)と呼ぶこととする。
【0156】
相対的に大きな放射照度曲線1509、1510、および1511は、送信機の1つが中出力レベルで送信を行っている時に、受信機が、当該受信機に向けて放射された赤外光信号FR、FLおよびBを検出できる区域を表す。同様に、相対的に小さな放射照度曲線1506、1507、および1508は、送信機の1つが低出力レベルで送信を行っている時に、受信機が、当該受信機に向けて放射された赤外光信号LFR、LFLおよびLBを検出できる区域を表す。1実施の形態では、相対的に大きな曲線1509、1510、1511は、約120〜160cmの直径を有する。相対的に小さな曲線1506、1507、および1508は、約30〜40cmの直径を有する。
【0157】
放射器1505は、上記中出力レベルよりも大きな高出力レベルでロボットの周囲に信号を放射するように構成される。この信号は、壁、ドアなどの物体から反射される可能性があるので、対応する放射照度曲線は図示されていない。その代わり、大文字Hが、この放射照度を示している。高出力のピング信号は、約6メートル×6メートルの通常の居間で検出可能であろう。
【0158】
このように、放射器1502、1503、および1504は、中出力レベル(M)での作動時には、一部が相互に重なり合う区域1509、1510、および1511を確立するように構成される。さらに、放射器1502、1503、および1504が、低出力レベル(L)で作動している時は、それら放射器は、一部が相互に重なり合う区域1506、1507、および1508を確立する。これにより、ロボット1501の向きを正確に判断することが可能になる。
【0159】
図15の実施の形態では、重なり合う区域LF、LBR、およびLBLは、中出力レベルの対応する重なり合う区域、すなわちF、BR、およびBLにそれぞれ存在して、ダイオード放射器1502、1503、および1504の少なくとも1つからの低出力信号を受信する受信機によって定められる。
【0160】
赤外線信号FR、FL、およびBのそれぞれは、赤外線放射器の一意の1つに対応する情報により符号化され、これにより、ロボットを取り囲む区域のそれぞれの区域に対応する。
【0161】
赤外線信号は、赤外線放射器に一意の情報が、相互に重ならないタイムスロットで構成される時間多重信号として構成されることが好ましい。
【0162】
信号に基づいて、検出器がどの区域に存在するかを判断できるようにするために、検出器システムには、区域の場所とそれぞれの信号との間の関係の情報が提供される。
【0163】
検出原理の好ましい実施の形態については、図16a〜図16eと共に説明することとする。
【0164】
送信側ロボットが、向き情報および距離情報を符号化して、その情報を区域に送信し、送信後、別の受信側ロボットが復号して解釈するために、ネットワークプロトコルが使用される。このネットワークプロトコルは、ピング信号およびメッセージ信号に基づいている。これらの信号について、以下に説明する。
【0165】
図16aは、それぞれの放射器、例えば図15の放射器1502、1503、1504、および1505からピング信号を送信するために使用される出力レベルを示している。出力レベルPは、時間tの関数として、離散的な出力レベルL、M、およびHで示される。
【0166】
ピング信号は、密な列で送信される位置情報ビット列1601として符号化される。列1601は、サイクル時間TPRを有するサイクルで送信される。密な列1601間には一時休止1608が置かれる。この一時休止は、付加的なメッセージを送信するために使用され、また、他のロボットの同様の信号の送信を可能にするために使用され、かつ/または、他の情報、例えばメッセージ信号を送信するのに使用される。
【0167】
位置情報ビット列1601は、12ビット(b0〜b11)を備える。ビットは、低出力(L)、中出力(M)、または高出力(H)で送信される。第1ビット1602は、ダイオード205によって高出力で送信される。好ましい実施の形態では、このビットは、放射器1502、1503、および1504によって中出力でも送信される。中出力を有する他のダイオードに高出力ビットを複製することにより、受信範囲が増加し、部屋の壁および天井があまり反射しない場合であっても、近くの受信機がそのビットを受信することが保証される。この最初のビットの後には、どのダイオードも信号を送信しない無信号の2ビット1603が続く。後続する3ビット1604は、低出力レベルで送信され、各ビットは、ダイオード202、203、および204の1つのみによって送信される。同様に、次の3ビット1605は、中出力レベルで送信され、ダイオード202、203、および204のそれぞれが、ビット1605の1つのみを送信する。後続する2ビット1606は、再度、ダイオード205によって高出力レベルで送信され、好ましくは、ダイオード202、203、および204によって中出力レベルで送信される。その後、無信号のストップビット1607が続く。
【0168】
したがって、ダイオード202、203、204、および205のそれぞれは、図16b〜図16eに示すような異なるビットパターンを送信する。ここで、図16bは、ダイオード202によって放射される位置ビット列を示し、図16cは、ダイオード203によって放射される位置ビット列を示し、図16dは、ダイオード204によって放射される位置ビット列を示し、図16eは、ダイオード205によって放射される位置ビット列を示す。
【0169】
受信側ロボットは、自身が送信側ロボットの区域のどの区域に位置するかを判断できるので、受信側ロボットは、受信ビット列を使用して、その受信ビットパターンを送信したロボットまでの距離および送信側ロボットの向きを判断することができる。この判断は、受信ビットパターンを図2の区域の1つに関係付ける参照表により行う簡単に行うことができる。この参照表を表8に示す。
【0170】
【表8】
【0171】
表8は、送信側ロボットの区域の1つに受信側ロボットがもし存在すれば、送信されたピング信号の符号化された出力レベル情報をその存在にどのように復号できるかを示している。区域は、さらには向きおよび距離を表す。
【0172】
上記原理は、異なる個数のダイオードおよび/または異なる個数の出力レベルに適用することができ、ダイオードの個数が多くなるほど、向きの判断の精度が向上し、出力レベルの個数が多くなるほど、距離の計測の精度が向上することが理解される。この精度の向上は、ビット列の増加という代償を払って達成され、したがって、送信速度を減少させる。
【0173】
1実施の形態では、ロボットは、付加的なメッセージを送信する。この付加的なメッセージは、例えばピング信号と関連したものであるか、または、関連のない別のメッセージ信号として送信される。これらのメッセージは、位置情報ビット列と関連して送信されることが好ましく、例えば、各位置ビット列の後に多数のバイトを送信することにより送信される。1実施の形態では、ロボットは、位置情報ビット列を含むピング信号に続いて、ヘッダバイト、ロボットID、およびチェックサム、例えば巡回冗長検査(CRC)を送信する。これらの情報に加えて、または、これらの情報に代えて、他の情報を送信することができる。他の情報は、例えば速度、運動方向、行動などのロボットについてのさらに別の情報、コマンド、ロボット間で交換されるデジタルトークンなどといったものである。
【0174】
各バイトは、多数のデータビット、例えば8データビット、ならびにスタートビット、ストップビット、およびパリティビットといった付加ビットを含むことができる。これらのビットは、適切なビットレート、例えば4800ボーで送信することができる。付加的なメッセージバイトは、ダイオード205によって高出力レベルで送信され、かつ、ダイオード202、203、および204によって中出力レベルで送信されることが好ましい。
【0175】
ロボットIDは、所与の状況においてそのロボットに一意の番号であることが好ましい。ロボットIDにより、ロボットは、実世界で出会った仲間のロボットまたはインターネット上で出会った仲間のロボットに関する情報を登録して保持することができる。ロボットは、外部状態記録の一部として、好ましくは既知ロボットの一覧として、他のロボットについての情報を記憶することができる。その一覧の各登録項目は、ロボットID、ロボットのセンサによって計測された例えば方向、距離、向きといったマッピング情報、運動情報、例えばロボットのあるチームへの割り当てといったそれぞれのロボットから受信したゲーム関連情報、ロボットのさまざまなグループを選択基準により区別するために使用されるタイプ情報、ロボットを制御するロボットコントローラの識別情報などを含むことができる。
【0176】
ロボットは、別のロボットからブロードキャストメッセージを受信すると、その一覧の情報を更新する。メッセージの発信元が未知である場合には、新しい登録項目が作成される。予め定められた時間の間、例えば2回のブロードキャストの繰り返し期間よりも長い間、一覧の特定の登録項目からメッセージが受信されないと、ロボットの登録項目は、存在しないものとして印が付けられる。
【0177】
ロボットIDを例えば1バイトに制限するというように短く維持して、所与の状況においてロボットの一意の識別を可能にするために、例えば部屋の中といった通信範囲内に存在するロボット間に調停アルゴリズムを使用することができる。例えば、同じIDを有する別のロボットからピング信号を受信したロボットは、異なるIDを選択することができる。
【0178】
図5a/図5bと共に説明した原理と図16aから図16eと共に説明した原理とを比較すると、ロボットの周りに信号を放射する手段は、それぞれの出力レベルで信号を放射するように制御され、それぞれの出力レベルにおいて、信号は、その特定の出力レベルを識別する情報を含むことが分かる。しかしながら、図5a/図5bでは、1バイトまたは数バイトが所与の出力レベルで送信されることが分かるのに対して、図16aから図16eでは、1つのビット列の個々のビットが、異なる出力レベル送信されることが分かる。図16aから図16eと共に説明した原理によると、送信側ロボットまでの距離を判断するのに必要な情報は、より短い信号、すなわちより少ないビット数で送信することができる。
【0179】
遠隔のロボットがどの区域に存在するかの推定に関して、区域(例えば410および407)を重ね合わせることにより作成される区域を、ある程度まで使用することができる。図4に関しては、区域を重ね合わせることにより作成される区域を含むすべての空間的区域を使用することにより、遠隔のロボットがどの区域に存在するかを推定するのに、比較的高い分解能が達成される。しかしながら、図15に関しては、区域を重ね合わせることにより作成される2つまたは3つ以上の空間的区域は、遠隔のロボットがどの区域に存在するかを推定する際に単一の区域として解釈されることが示されている。これにより、推定の際に、所望の粗い分解能が達成可能である。
【0180】
図17は、ピング信号およびメッセージ信号を送信する通信システムのブロック図を示している。このシステム1701は、ピング信号(例えば、ヘッダ、ロボットIDおよびCRCバイト)ならびにメッセージ信号をバッファ1705を介して受信する。ピング信号およびメッセージ信号は、外部システム(図示せず)により、送信インタフェース1706を介して提供される。このように、通信システム1701は、外部システムから情報を受信でき、その結果、外部システムを、通信システムとは非同期に動作させることができる。
【0181】
このシステムは、図16a〜図16eと共に説明したさまざまなダイオードのそれぞれの位置ビット列を記憶するメモリ1703を備える。
【0182】
コントローラ1702は、ピング信号およびメッセージ信号を受信し、メモリ1703から検索された対応するビット列を前に付け、かつ、増幅器1707、1708、1709、および1710を介して赤外光送信機202、203、204、および205を制御するように構成される。放射器1502、1503、1604、および1505によって放射される出力レベルは、増幅器1707、1708、1709、および1710の増幅度を調節することにより制御される。コントローラに提供される信号Sは、通信無信号状態が存在するかどうか、すなわち放射される信号と干渉を起こす可能性のある他の信号が検出できないかどうかを示す2値信号である。さらに、コントローラは、信号が送信される時を示す信号Rを提供する。
【0183】
送信機が赤外光ダイオードである場合には、ダイオードは、プリント回路基板(PCB(printed circuit board))に取り付けられることが好ましい。PCPは、装置の動作平面とほぼ並行に配置される。低出力信号および中出力信号を放射するダイオードは、少なくとも動作平面に対して定められた所望の空間的区域に従って光を放射するように取り付けられる。高出力信号を放射する1つのダイオード(または複数のダイオード)は、PCBと垂直な方向に光を放射するようにPCBに取り付けられるが、必ずしも、その方向に限定されるものではない。
【0184】
一般に、区域という用語は、ロボットを基準とした位置の予め定められた組または範囲を含み、例えば、ロボットを基準としたある一定のセクタや、ロボットが移動する面に平行な平面内のある一定の領域などを含むことに留意すべきである。したがって、ロボットが、当該ロボットの区域の1つで別のロボットを検出すると、これら2体のロボットは、あらかじめ定められた位置関係を有する。例えば、2体のロボット間の距離が、ある一定の範囲内にあったり、他方のロボットが、検出側ロボットの運動方向を基準として、ある一定の方向範囲内の方向に位置したりするなどである。
【0185】
一般に、出力レベルは、符号化されたバイトまたはビットパターンによって通信されるが、他の変調方式を、本発明の範囲から逸脱せずに適用することができる。好ましい実施の形態では、信号が送信される出力レベルを通信するのに、振幅変調(AM)、周波数変調(FM)、またはパルス幅変調(PWM)を適用することができる。
【0186】
本発明は、動き回る手段を有するロボットに組み込むことができるが、本発明の情報の送信に関する態様は、リモコン装置に具体化されることが好ましい。このリモコン装置は、ユニットとして具体化することができ、移動するロボットの中に置くことができ、かつ/または、ハンドヘルドリモコン装置として使用することができる。
【0187】
一般に、「重なり合う」という用語は、2つまたは3つ以上の送信機によって照射される空間をいう。この空間は、3D空間であるが、図面から明らかなように、この重なり合いは、単一の平面(例えば紙の平面)に定めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0188】
【図1a】2体のロボットおよびそれらの空間的な相互関係の平面図である。
【図1b】ロボット、および、放射される信号の空間的な放射照度特性によって定められる区域の平面図である。
【図1c】ロボット、および、受信信号の空間的な感度特性によって定められる区域の平面図である。
【図1d】各ロボットが、他方のロボットの放射照度/感度区域の一方に存在する2体のロボットの平面図である。
【図1e】ロボット、および、さまざまな出力レベルで放射された信号の空間的な放射照度特性によって定められる区域の平面図である。
【図2】ロボットを取り囲む複数の区域のそれぞれに特徴的な信号を放射する放射器を有するロボット玩具である。
【図3】判断可能なさまざまな方向からロボットに向けて放射された信号を検出する受信機を有するロボットの図である。
【図4】ロボットに取り付けられた4つの放射器の放射照度曲線の図である。
【図5a】2つの異なる出力レベルでピング信号を送信するために使用される出力レベルの図である。
【図5b】3つの異なる出力レベルでピング信号を送信するために使用される出力レベルの図である。
【図6】4つの送信機のそれぞれ1つに特徴的であり、かつ、低出力レベルおよび中出力レベルで送信されるピング信号を送信するための状態イベント図である。
【図7】高出力レベルでピング信号を送信するための状態イベント図である。
【図8】向きおよび距離の判断を可能にする情報を含んだ低出力レベル、中出力レベル、および高出力レベルのピング信号を、ロボット間のメッセージと共に送信するための状態イベント図である。
【図9】ピング信号およびメッセージを送信するためのブロック図である。
【図10】ロボットに取り付けられた2つの受信機の感度曲線の図である。
【図11】ピング信号およびメッセージ信号を受信するシステムのブロック図である。
【図12】ロボット制御システムのブロック図である。
【図13】部分的に制限された空間内の3体のロボットの図である。
【図14】ロボット玩具のブロック図である。
【図15】ロボットを取り囲む複数の区域のそれぞれの区域に特徴的な信号を放射する放射器を有するロボット玩具の図である。
【図16a】ロボットによるピング信号を3つの異なる出力レベルで送信するために使用される出力レベルの図である。
【図16b】ロボットのさまざまなダイオード放射器によりピング信号を送信するための出力レベルの図である。
【図16c】ロボットのさまざまなダイオード放射器によりピング信号を送信するための出力レベルの図である。
【図16d】ロボットのさまざまなダイオード放射器によりピング信号を送信するための出力レベルの図である。
【図16e】ロボットのさまざまなダイオード放射器によりピング信号を送信するための出力レベルの図である。
【図17】ピング信号およびメッセージを送信するためのブロック図である。
【0001】
[発明の分野]
この発明は、例えば玩具で使用する本体に対する相対的な方向、向き、または距離についての情報を送受信する方法およびシステムに関する。
【0002】
[発明の背景]
ロボット玩具は、子供、若者、および大人に人気のあるタイプのロボットである。ロボット玩具で遊んでいる間に達成される満足度は、その環境と相互作用するロボット玩具の能力に強く依存する。環境には、ロボットで遊んでいる人、例えば居間の家具などのさまざまなタイプの障害物、他のロボット玩具、ならびに気温および光の強度といった状況が含まれ得る。
【0003】
同じ限られた数の行動を繰り返すロボット玩具は、ユーザの興味がすぐに冷めてしまう。したがって、環境と相互作用する能力を増加させることが主な関心事である。環境との相互作用は、環境を検知するステップと、判断を行うステップと、行動するステップとを含み得る。
【0004】
環境との相互作用を高度化させるこのような目的を達成するために、基本的な必須条件となるものは、環境を検知する手段である。この意味で、例えば同じまたは同様の種類もしくは種のロボット玩具と通信する手段、および、他のこのようなロボット玩具の位置を判断する手段は重要である。
【0005】
ロボットの検知手段および行動手段が発展するほど、ロボットは、周りの環境とのより複合化した相互作用を持つことができ、環境の複雑さをより細かく反映することになる。したがって、複雑な挙動は、高度な検知手段、行動手段、および通信手段に由来する。
【0006】
日本国の特開2000−79283号は、送信体から放射された赤外光を受信する赤外光受信機が設けられた光追尾移動体を開示している。送信体は、その外面に等間隔の孔を有するボール玩具の形状である。赤外線送信機によって生成された信号は、各孔を通ってその外部に送信される。移動体は、制御および駆動メカニズムが設けられた自動車玩具の形状である。この制御および駆動メカニズムにより、移動体は、赤外光信号が受信されないと回転し、赤外線信号が受信されると、前方に直進移動する。
【0007】
しかしながら、この従来技術のシステムは、センサ入力または他のロボット玩具から受信された単純な通信信号に直接反応するロボットにのみ関係している。したがって、この従来技術のシステムは、移動体がより複合的な挙動を行い得ることを可能にするために、十分な精度で本体を配置する能力を欠いている。
【0008】
ユーザは、ロボット玩具が、挙動を伴う他のロボットの中を移動することに、そのロボット玩具が知的であると感じることがあるが、このシステムは、結果として、ロボット玩具が、このような移動を行うことができないという不利な点を含んでいる。
【0009】
米国特許第5,819,008号は、移動ロボット間の衝突、および、移動ロボットと他の障害物との間の衝突を防止するセンサシステムを開示している。各移動ロボットは、8個の送受信装置を含む。これらの送受信装置のそれぞれは、さまざまな方向に送信データを送信する赤外線信号送信機と、さまざまな方向からの送信データを受信する赤外線信号受信機とが組み合わされたものとして構成される。この送受信装置は、円周に沿って相互に45度の間隔で配置され、円の外側に向けて送信し、円の外側から受信するように向けられている。送信データは、ロボットに一意の識別情報、および、8個の送信機の1つを識別する情報形式の方向情報を含む。送受信装置の空間的配置およびその送信データの特性により、遠隔のロボットへの方向および遠隔のロボットの向きを推定することができる。各ロボットは、制御装置をさらに備え、この制御装置は、決定行列に基づき、別の移動ロボットの向きおよびその別の移動ロボットがどの方向に現れたかに応じた予め定められた衝突回避動作を実行するように、移動ロボットを制御する。また、制御装置は、自身の一意の識別情報を受信すると、その受信を障害物が存在すると解釈することにより、障害物を検出することもできる。
【0010】
ロボット自身、または、1体もしくは数体の他のロボットから放射されるさまざまな信号間の干渉が発生し得ることが開示されているにもかかわらず、また、干渉を検出する方法が開示されているにもかかわらず、干渉の回避または削減を行う方法も手段も提案されていない。これは、実生活の状況では問題になる可能性が非常に高い。特に、2体以上のロボットが、同じ部屋に存在する場合や、そうでなくても、互いに接近している場合には、問題にある可能性が非常に高い。
【0011】
他のロボットからの向き情報は、半径約1ないし1.2メートルの範囲内で受信できるので、ロボット間で、接近し、したがってエキサイティングな動作パターンが起こるかどうかは疑問である。その上、その単純なセンサシステムのために、ロボットの動作空間としてより大きなものが必要となる。
【0012】
このセンサシステムの単純さおよび欠点にもかかわらず、このようなセンサシステムを製作するコストは、センサの個数が多いことから、比較的高く、すなわち、8個の送受信機の2倍になる。電子ロボット玩具にとって、高価格は一般に足手まといになるので、このコストは、電子ロボット玩具に特に大きな数値である。
【0013】
[発明の概要]
ロボットの周りの、該ロボットを基準とした予め定められた場所の複数の区域に、該ロボットの周りの該個々の区域に特有の情報を搬送する信号を放射する手段を備え、該ロボットの向きについての情報を送信するシステムであって、上記個々の区域に特有の上記情報は、複数のタイムスロットに時間多重されるシステムによって、上記および他の問題は解決される。
【0014】
これにより、信号間の干渉が回避されるか、または、少なくとも最小限に低減される。すべての区域が同時に照射されるとは限らないので、所与の区域以外の区域に放射されて、遠隔の物体によって反射された信号が、所与の区域に直接放射された信号と干渉する可能性はより小さくなる。これにより、システムの性能が向上する。
【0015】
上記個々の区域に特有の上記情報は、時間的および空間的の双方で1つまたは2つ以上の区域に分割された時間多重信号として放射されることが好ましい。
【0016】
上記手段が、相互に距離をおき、かつ、相互にオフセット角度をもって取り付けられた個々の放射器(202、203、…、207)として構成される場合には、機械的な移動部なしに、空間的な区域に上記信号を放射することができる。ロボット玩具にとって、上記距離は、約20mmから40mmまたは100mm未満であることが好ましい。
【0017】
放射器が、上記区域に特有の情報を搬送する信号の指定された最小の強度レベルが検出可能な範囲の空間を作成するように構成されることが好ましい。これにより、指定された最小の強度レベルが、受信機の閾値に対応する場合に、受信機は、受信された信号がこの閾値を越える信号レベルを有するかどうかを判断することにより、区域内の存在を検出することができる。これにより、ロボットが区域内に存在するかどうかを判断する簡単でコスト的に魅力のある解決が可能となる。
【0018】
放射器は、第1の信号および第2の信号の指定された最小の強度レベルが計測可能な範囲の区域を作成するように構成され、上記第1の信号および上記第2の信号は、それぞれの区域に特有の情報を搬送し、これにより、2つの区域の共通の空間として第3の区域を作成することが好ましい。その結果、他の条件が同じならば、2つの送信機ごとに追加された区域が作成される。これにより、送信システムの分解能が向上する。すなわち、所与の角度間隔に対して、より多くの区域またはセクタを確立することができる。向きは、区域内の存在または不在として求められ、したがって、向きは、離散的な値として提供されると仮定されることに留意すべきである。
【0019】
上記第3の区域に特有の上記情報が、上記第1の信号および上記第2の信号の少なくとも一部から成る場合には、第3の区域に特有の情報は、その特有の情報を受信するのに十分な長さを有する時間間隔にわたって信号を検出することにより作成される。この長さは、第1の信号および第2の信号の特有の情報が送信される時間間隔とほぼ等しくすることができる。
【0020】
上記第3の区域に特有の上記情報は、時間的に2つ以上のタイムスロット(t3、t4;t6、t7)に及ぶことが好ましい。
【0021】
少なくとも1つの放射器が、上記ロボットについての情報を有するメッセージ信号を他のロボットに送信するように制御される場合には、他のロボットは、自らの裁量でこの情報を受信することができ、自身のルールに従ってその情報を解釈することができる。このルールは、通常、コンピュータプログラムとして実施され、更には、あるタイプの挙動を実施することができる。
【0022】
第1のロボットが、信号の送信が開始される前に、通信無信号状態を検出できる状況を待つように構成される場合には、信号間の干渉が増加するリスクが削減される。
【0023】
上記第1のロボットは、該第1のロボットの近傍の他の同様のロボットが、通信無信号状態が存在する状況を検出できることを回避するのに十分密な列で、個々の区域に特有の情報を搬送する上記信号を送信するように構成されることが好ましい。その結果、各ロボットは、向き情報を提供/放射するサイクル内で、他のロボットによる割り込みが行われることなく、そのサイクルを完了することができる。通常、向きを送信するロボットは、信号のいずれがそのロボットの向きの判断に実際に使用されるかについて気付かないので、その結果、向き情報の送信サイクルを完了することが保障される。好都合な実施の形態では、サイクルは、区域に特有の信号のすべてを含む。
【0024】
本発明はまた、ロボットの周りの、該ロボットを基準とした複数の区域の1つに特有の情報を搬送する信号を受信する手段と、個々の区域に特有の上記情報を抽出して、その情報を、上記ロボットの向きを表す情報に変換する手段とを備え、上記ロボットの向きについての情報を受信するシステムであって、上記ロボットの上記向きは、それぞれが上記ロボットの周りの、該ロボットを基準とした複数の区域の1つに特有の情報を搬送する2つの信号が、少なくとも2つの連続したタイムスロットで受信可能かどうかを判断すること、受信可能な場合には、上記少なくとも2つの信号を組み合わせて上記ロボットの上記向きを判断することとにより推定される、システムに関する。
【0025】
それぞれが上記ロボットの周りの、該ロボットを基準とした複数の区域の1つに特有の情報を搬送する2つの信号が、少なくとも2つの連続したタイムスロットで受信可能でない場合には、上記2つの連続するタイムスロットの最初のタイムスロットで受信された信号に基づいて上記ロボットの上記向きが判断される。このような状況は、ロボットの向きが、1つの信号のみが利用可能であるような場合であることを示し、その結果、向きが、それに従って解釈されるべきであることを示している。すなわち、向きは、2つまたは3つ以上の重なり合った区域によって確立された区域でない区域の存在に対応する。
【0026】
好ましい実施の形態では、上記システムは、別のロボットの位置を表す受信信号に応答して、ロボットの物理的な行動を制御するプログラム手段をさらに備える。これにより、遠隔のロボットの動作パターンを登録/認識することによって、高度なロボット間の動作戦略および/またはロボット間の通信をプログラミングすることが可能になる。
【0027】
好ましい実施の形態では、本発明は、ロボット玩具を備える玩具セットに含まれる。該玩具装置が、玩具構築要素の相補結合手段と相互接続する結合手段を備える場合には、例えば、玩具装置にさまざまなタイプの動作手段を提供するといったように、玩具装置を操作することができる。結合手段および相補結合手段は、Interlego AGに譲渡された米国特許第5,645,463号に開示されたように具体化することができる。この米国特許では、複数のタイプの接続手段、例えば軸を支持する孔、接続鋲およびタップ、ならびに相互接続部に要素をはめ込むためのグリップが開示されている。
【0028】
従来技術では、物体または他の移動ロボットの中でロボットを移動/操縦するために利用可能な情報は、限られたもののみであることが問題である。このような十分な情報が欠如していることにより、ロボットの動作パターンは粗くなる可能性があり、また、移動ロボットがロボット間の所与の動作の相互作用を実演するのに必要な空間は、物体または他のロボットの位置についてのより完全な、または、より十分な情報がある場合に必要となる空間よりも多くなる可能性がある。
【0029】
ロボットの周囲に信号を放射する手段を備え、自身と該ロボットとの間の距離についての情報を送信するシステムであって、上記手段は、それぞれの出力レベルで上記信号を放射するように制御され、それぞれの出力レベルにおいて、上記信号は、その特定の出力レベルを識別する情報を備えるシステムによって、このおよび他の問題は解決される。
【0030】
その結果、送信側ロボットまでの距離を判断する情報が、他のロボットに送信される。この距離は、その特定の出力レベルを識別する情報が提供されるそれぞれの出力レベルの個数に応じた離散的な値で提供される。好ましい実施の形態では、3つの出力レベルが設けられるが、2つ、4つ、5つ、…、10個または40個の出力レベルを設けることができる。出力レベルは、指定された閾値より大きな信号レベルを有する信号を検出できるさまざまな最大範囲に対応する。これらの範囲を使用することにより、所与の出力レベルで送信され、かつ、その特定の出力レベルを識別する情報を有する信号を、対応する距離区間として解釈することができる。一方、この区間は、必ずしも、そのメートルサイズ、例えばメートルまたはセンチメートルで判明している必要はない。一般に、距離の長さの分解能が離散的であるために、距離は、距離インデックスとして解釈できることに留意すべきである。
【0031】
上記出力レベルは、非線形出力レベルとして分布した離散的な出力レベルであることが好ましい。これにより、より高い距離分解能が必要とされる範囲を、他の範囲よりも多くの出力レベルによって表すことができる。その結果として、これは、必要な出力レベルの個数を限定することになる。
【0032】
上記信号または信号の一部の出力レベルは、上記特定の出力レベルを識別する上記情報が送信される時間間隔内で混在することが好都合である。これにより、出力レベルの判断、したがって距離の判断を行うために、さまざまな時間列パターンを使用することができる。
【0033】
上記信号が、それぞれ一組のビットを含み、該ビットは、予め定められるが、混在した列で生起する場合には、簡単なビットパターンの整合を使用して、距離または距離のインデックスを判断することができる。高速かつ簡単な論理回路が、このビットパターンの整合を実施することができる。
【0034】
上記システムが、上記ロボットの周りの、該ロボットを基準とした予め定められた場所の複数の区域に信号を放射する手段を備え、該信号が、該ロボットの周りの上記個々の区域に特有の情報を搬送する場合には、向き情報および距離情報の双方が提供される。
【0035】
少なくとも1つの放射器が、上記ロボットについての情報を有するメッセージ信号を他のロボットに送信するように制御されることが好ましい。これにより、位置情報と、リモコン信号を含むロボット間メッセージとの双方を送信する共通システムが使用可能となる。
【0036】
第1のロボットが、信号の送信が開始される前に、通信無信号状態を検出できる状況を待つように構成されることが好ましい。これにより、ロボット間通信の品質を破壊するリスクが削減される。
【0037】
上記第1のロボットは、該第1のロボットの近傍の他の同様のロボットが、通信無信号状態(S)が存在する状況を検出できることを回避するのに十分密な列で、上記それぞれの出力レベルで上記信号を送信するように構成されることが好ましい。
【0038】
さらに、本発明は自身と送信機との間の距離についての情報を受信するシステムであって、送信される特定の出力レベルを識別する情報を有する信号を受信する手段と、その情報を、上記システムと上記信号を送信する送信機との間の距離を表す情報に変換する手段とを備えるシステムに関する。
【0039】
その結果、距離は、信号を送信する場合と対照的に、情報を収集または受信し、送信された信号の反射が到来するのを待って信号を受信することにより、簡単に判断することができる。したがって、コスト的に魅力的な解決が提供される。
【0040】
上記システムは、受信された信号を、指定された閾値に基づいて2値信号に変換する手段を備えることが好ましい。これにより、マイクロプロセッサによりさらに処理するのに都合良く適応することができる。
【0041】
上記受信された信号を2値信号として表したビット列を復号することにより、上記距離を離散的な値として求める手段が提供されることが好ましい。
【0042】
上記距離は、デジタル値として提供されることが好ましい。
【0043】
連続したデジタル値の列が、非線形の分布した距離を表すことが好ましい。
【0044】
本発明はさらに、遠隔のロボットから信号を受信して、複数の受信機のいずれが該信号を受信したかを判断することにより、上記遠隔のロボットの方向を判断する手段を備えるロボットの方向を判断するシステムであって、方向が、2つまたは3つ以上の受信機が上記信号を受信できる方向として判断されることを特徴とするシステムに関する。
【0045】
その結果、受信機の個数よりも多い複数の方向を判断することができる。これにより、所与の必要な個数の方向に対して、必要とされる受信機の個数は、それよりも少なくなるので、方向についての比較的高い分解能が、比較的に安価に提供される。
【0046】
上記方向を判断する前提条件が、上記受信機が上記信号を同時に受信できることであることが好ましい。ここで、第1の受信機と第2の受信機との信号の時間差は、方向を判断する信号の所要時間と比較して小さい(1から100未満)と仮定される。
【0047】
本発明について、以下に、図面を参照しながら、好ましい実施の形態と共により十分に説明することとする。
【0048】
[好ましい実施の形態の詳細な説明]
図1aは、第1のロボットおよび第2のロボットの平面図を示している。この図では、2体のロボットの相対的な位置、距離、および向きが示されている。2体のロボット間のこの空間的関係を説明するために、第2のロボット102は、x軸およびy軸を有する座標系の原点に位置する。第1のロボット101は、第2のロボット102から距離d離れ、向きに関して第2のロボットの方向αに位置する。第1のロボットの第2のロボットに対する向き(すなわち、垂直軸103の回りの回転角)は、φと測定することができる。
【0049】
d、α、およびφの知識が、第2のロボット102に利用可能である場合、第2のロボット102は、第1のロボット101に応答して移動することができる。この知識は、あるタイプのロボット間の挙動を実施するシステムへの入力として使用することができる。d、α、およびφの知識は、ロボット位置システムが保持することができる。d、α、およびφは、それぞれのタイプの間隔、すなわち距離の間隔または角度の間隔を示す離散信号として提供することができる。
【0050】
本発明によると、以下により十分に説明するように、d、α、またはφの知識は、第1のロボットの周りのそれぞれの限られた領域に、各信号が空間領域識別情報を搬送する信号を放射することにより得られる。第2のロボットは、空間領域識別情報の関連する値およびそれぞれの領域の関連する値を調べることができると、d、α、および/またはφを求めることができる。
【0051】
放射される信号は、赤外線光信号、可視光信号、超音波信号、無線周波信号などの形態のものが可能である。
【0052】
上述した領域は、以下では区域と記されることに留意すべきである。
【0053】
図1bは、ロボット、および、放射される信号の空間的な放射照度特性によって定められる区域の平面図を示している。ロボット104は、信号TZ1、TZ12、TZ2、TZ23、TZ3、TZ34、TZ4、およびTZ14を、4つの放射器(図示せず)の放射照度特性によって定められるそれぞれの区域に送信することができる。放射器は、ロボット104の周りに、相互に重なる放射照度区域を確立するように、相互に距離を置き、かつ、相互にオフセット角度をもって配置される。信号TZ1、TZ12、TZ2、TZ23、TZ3、TZ34、TZ4、およびTZ14を互いに一意に識別でき、かつ、信号が受信可能である場合には、それらの区域のいずれにおいて信号が受信されるかを推定することができる。これについては、より詳細に説明する。
【0054】
図1cは、ロボット、および、受信信号の空間的な感度特性によって定められる区域の平面図を示している。ロボット104は、通常は上述したタイプの信号RZ1、RZ12、およびRZ2を受信することもできる。また、受信機も、ロボット104の周りに、相互に重なる受信区域を確立するように、相互に距離を置き、かつ、相互にオフセット角度をもって配置される。対応する1つの受信機または複数の受信機の受信区域の位置の知識により、信号が受信される方向を求めることができる。これについても、より詳細に説明する。
【0055】
図1dは、各ロボットが、他方のロボットの放射照度/感度区域の一方に存在する2体のロボットの平面図を示している。ロボット106は、受信区域RZ1を確立する右前方の受信機により信号を受信する。これにより、ロボット105の方向は、右前方の方向であると推定することができる。さらに、信号TZ1が識別され、ロボット105に対する空間区域の場所にマッピングされると、ロボット106では、ロボット105の向きを推定することができる。その結果、ロボット105の方向およびロボット105の向きの双方を、ロボット106で推定することができる。このために、ロボット105は、上述したタイプの信号を放射しなければならない一方、ロボット106は、その信号を受信できて、かつ、ロボット105の放射照度区域の情報を持たなければならない。通常、送信システムおよび受信システムの双方は、1体のロボット内に具体化される。
【0056】
図1eは、ロボット、および、さまざまな出力レベルで放射された信号の空間的な放射照度特性によって定められる区域の平面図を示している。ロボット107は、区域特有の信号が異なる出力レベルで放射されることを付加することにより、図1bに示すような区域特有の信号を放射することができる。各出力レベルにおいて、信号は、その出力レベルを識別する情報を含む。これにより、ロボット107は、区域(Z1,Z2,…)に特有の情報およびロボット107からの距離間隔を有する信号を放射する。距離間隔は、例えば(Z1;P2)から(Z1;P3)の2つの放射照度曲線間の空間によって定められる。
【0057】
ロボット108は、区域Z1および出力レベルP4を識別する情報を検出できるが、出力レベルP3、P2およびP1を識別する情報を検出できない場合には、(Z1;P4)と(Z1;P3)との間の空間に存在することが、ロボット108によって推定可能である。曲線(例えば(Z1;P4)と(Z1;P3))間の距離の実際のサイズは、信号を受信する受信機の感度および信号が放射される出力レベルによって決定される。
【0058】
図2は、ロボットを取り囲む複数の区域のそれぞれに特徴的な信号を放射する放射器を有するロボット玩具を示している。このロボット201は、そのロボットの前方が、上方に向いている向きで示されている。
【0059】
ロボット201は、6つの赤外光放射器202、203、204、205、206および207を備える。各放射器は、それぞれの赤外光信号FR、F、FL、BL、BおよびBRを放射する。これらの放射器は、940nmと960nmとの間の波長の光を放射するように構成されることが好ましい。
【0060】
赤外光放射器202、203、204、205、206、および207は、ロボットの異なる位置に異なる角度で取り付けられて、ロボットを取り囲む区域208、209、210、211、212、および213に赤外光を放射する。区域210および211は、互いに重なり合って、さらに別の区域214を確立する。同様に、区域213および208は重なり合って、区域215を確立する。それらの区域は、個々の放射器の放射口径(例えば、放射器の放射を所望の空間の区域に限定するように適合したシールドによる放射口径)ならびに上述した位置および角度、ならびに放射器により放射される赤外光の出力を調節することによって定められる。
【0061】
赤外線信号F、FI、BL、B、BR、およびFRのそれぞれは、それらの赤外線放射器のうちの唯一の赤外線照射器に対応する情報によって符号化され、これにより、ロボットを取り囲む区域のそれぞれの区域に対応する。
【0062】
赤外線信号は、赤外線放射器に一意の情報が、相互に重ならないタイムスロットに配置される時間多重信号として構成されることが好ましい。このタイムスロットは、以下の表1に示される。この時間多重信号は、密な列で送信されることが好ましく、これにより、他のロボットが、タイムスロットt1からt7によって定められる時間間隔の期間中に通信の無信号状態を検出できることが回避される。
【0063】
【表1】
【0064】
表1は、信号FR、F、FL、BL、B、およびBRの時間多重を示している。信号FLおよびBLは、双方とも、区域214で検出可能であることが示されている。同様に、信号BRおよびFRは、双方とも、区域215で検出可能である。
【0065】
これらの信号に基づいて、区域のいずれに検出器が存在するかを判断できるようにするために、検出器システムには、区域の場所とそれぞれの信号との関係の情報が提供される。
【0066】
一方、重なり合った区域のいずれに検出器が存在するかを判断するために、検出器システムを、6つのタイムスロットの期間内に少なくとも2つまでの連続した信号(BR、FR;FL、BL)を検出できるものにすることができる。これにより、信号FRおよびBRが、信号Rとして連続して検出可能である場合、区域215は、その区域として識別することができる。同様に、信号FLおよびBLが、信号Lとして連続して検出可能である場合、区域214は、その区域として識別することができる。この原理は、好ましいものではあるが、他の検出原理を使用することもできる。
【0067】
その結果、ロボット201に向いている赤外光検出器216を基準としたロボット201の向きを判断することができる。好ましい実施の形態では、このような検出器は、別のロボットに取り付けられ、これにより、別のロボットには、ロボット201の向きを検出する手段が提供される。
【0068】
図示した状況では、赤外光検出器216は、区域212内に存在して、信号Bを受信する。この信号Bは、次に、表1により区域212の存在として復号することができる。
【0069】
ロボット201の向きが、時計方向に約90度変更される、すなわち、ロボットがその中心の垂直軸を中心にして回転すると、検出器は、区域215に存在することになる。この存在は、信号FRおよびBRの双方が検出でき、かつ、信号FRが右前方の放射器から放射され、信号BRが右後方の放射器から放射されることが判明している場合に、判断することができる。
【0070】
受信信号は、信号のタイプの値と、ロボット201に関する対応した区域の場所とを相関させた表(例えば表1)によって復号することができる。信号のタイプは、表の記入項目として使用され、したがって、結果的に、対応する区域の場所を与える。
【0071】
信号が、時間多重信号として送信されるので(上記表1で記載したように)、歪んだ信号を受信する可能性は減少する。時間多重信号が適用されない場合には、所与の区域の受信機に直接送信された信号は、別の区域に送信されたが物体(例えば壁)によって反射された信号によって歪みを受ける可能性がある。これは、位置システムの性能を破壊することになる。
【0072】
図3は、判断可能なさまざまな方向からロボットに向けて放射された信号を検出する受信機を有するロボットを示している。ロボット301は、3個の赤外光受信機305、306、および307を備えている。各受信機は、区域302、303、および304にそれぞれ関連付けられている。これらの区域は、受信機が、特定の閾値レベルよりも大きな出力レベルでその受信機に向けて放射された赤外光を検出できる範囲内の区域を表している。
【0073】
赤外光受信機305、306、および307は、ロボットの異なる位置に異なる角度で取り付けられる。区域は、個々の受信機の位置、向き、赤外光の感度、および/または光流入口径をアレンジすることにより定められる。
【0074】
これにより、ロボット301の前面に向けて赤外光を放射する放射器308が見える方向を判断することができる。この方向は、受信機305、306、および/または307のうち1つまたは2つ以上のものからの赤外線信号の検出を示す反応の形で判断される。
【0075】
図示した状況では、放射器308は、区域307内に存在する。したがって、ロボット301は、放射器が区域304に存在することを示し、次に、放射器が、ロボット301を基準にして左前方の方向に存在することを示す、受信機307からの反応を受信している。
【0076】
以下の表2は、ロボット301に受信された信号が、どのように復号されて、ロボット201の向き情報および方向情報を抽出できるかの例を示している。
【0077】
【表2】
【0078】
表2の最初の例は、検出器306が信号Bを受信することを示している。放射信号と各区域との関係の知識により、ロボット201の方向は、信号Bを受信した検出器を単に識別することにより判断することができる。信号Bを受信した検出器は、この例では、検出器306である。この方向は、「中央前方」として示されている。ロボット201の向きは、北の大文字Nにより示されている。2番目の例および3番目の例では、向きは、それぞれ東の大文字Eおよび南の大文字Sで記載されている。
【0079】
図4は、ロボットに取り付けられた4つの放射器の放射照度曲線を示している。4つの放射器402、403、404、および405を有するロボット401は、照射照度曲線の下に拡大図で示されている。この拡大図では、さらに別の放射器413が示されている。この放射器は、ロボットの周りに高出力レベルで信号を放射するように構成される。この信号は、壁、ドアなどといった物体から反射される可能性があるので、対応する放射照度曲線は図示されていない。その代わり、大文字Hが、この放射照度を示している。
【0080】
放射照度曲線は、送信機のそれぞれが、2つの異なる出力レベルで赤外光を放射するように制御されることを示している。以下では、これらの2つの出力レベルは、低出力レベル(接頭語「L」)および中出力レベル(接頭語「M」)と呼ばれる。
【0081】
相対的に大きな放射照度曲線406、407、408、および414は、送信機の1つが中出力レベルで送信している時に、受信機が、その受信機に向けて放射された赤外光信号MBR、MFR、MFL、およびMBLを検出できる範囲の区域を表す。同様に、相対的に小さな放射照度曲線409、410、411、および412は、送信機の1つが低出力レベルで送信している時に、受信機が、その受信機に向けて放射された赤外光信号LBR、LFR、LFL、およびLBLを検出できる範囲の区域を表す。相対的に大きな曲線406、407、408、および414は、直径約120〜160cmを有する。相対的に小さな曲線409、410、411、および412は、直径約30〜40cmを有する。高出力のピング信号(ping-signal)は、約6メートル×6メートルの通常の居間で検出可能であるはずである。
【0082】
このように、放射器402、403、404、および405は、中出力レベル(M)での作動時には、一部が相互に重なり合う区域406、407、408、および409を確立するように構成される。さらに、放射器402、403、404、および405が、低出力レベル(L)で作動している時は、それら放射器は、一部が相互に重なり合う区域410、411、412、および413を確立する。これにより、ロボット401の向きをより正確に判断することが可能になる。
【0083】
放射器402、403、404、および405は、表1に示した原理に従って、互いに重ならない時間多重信号を放射するように構成される。一方、2つの出力レベル低および中を管理するために、1出力レベルのみの場合とは対照的に、放射器に割り当てられたタイムスロットが、2つのサブスロットに分割され得る。この分割は、その結果として、送信側の位置システムに余分な負荷を加える。
【0084】
この問題は、各送信機によって中出力レベルで送信される信号が、送信機に一意の情報を最初のサブタイムスロットに含むならば解決される。次のより短いサブタイムスロットでは、中出力レベルの区域を低出力レベルの区域と区別するための情報を含んだ信号が、低出力レベルで送信される。
【0085】
【表3】
【0086】
表3は、送信機402および403によってそれぞれ放射される信号MFR、LFRおよびMFL、LFLの時間多重を示している。送信機404および405によって放射される信号は、この表では省略されている。
【0087】
以下では、赤外光放射器402、403、404、および405、ならびに、それらの赤外光放射器が作動される出力レベル(低または中)が、信号に関連付けられる。
【0088】
【表4】
【0089】
表4は、IR放射器、IR放射器の位置、IR放射器が放射している信号、および信号が放射される出力レベルの間の関係を示している。
【0090】
送信側ロボットが、向き情報を符号化して、その情報を区域に送信し、その後、他の受信側ロボットにおいて復号および解釈を行うために、ネットワークプロトコルが使用される。このネットワークプロトコルは、ピング信号およびメッセージ信号に基づく。これらの信号は、以下に説明される。
【0091】
図5aは、4つの各放射器からピング信号を送信するために使用される出力レベルを示している。出力レベルPは、時間tの関数として、離散的な出力レベルL、M、およびHで示されている。
【0092】
4つの放射器のそれぞれのピング信号MFR、LFR;MFL、LFL;MBL、LBL;MBR、LBRは、密な列501で送信される。列501は、サイクル時間TLMを有するサイクルで送信される。密な列501間には一時休止502が置かれる。この一時休止は、他のロボットの同様の信号の送信を可能にするために使用され、かつ/または、他の情報、例えばメッセージ信号を送信するのに使用される。
【0093】
放射器からのピング信号は、中出力(M)で送信される3バイトに続いて、低出力(L)で送信される1バイトを含む。最初の3バイトは、Init、ID、およびCRCと記される。最後のバイトは、低出力で再送信されるCRCバイトである。
【0094】
表4の表記を使用すると、低/中のピング信号は、次のように記述することができる。
MFRInit、MFRID、MFRCRC、LFRCRC
ここで、下付き文字は、バイトのタイプ(Init、ID、およびCRC)を示す。
【0095】
これらのバイトの内容は、ある送信から次の送信で変更することができる。最初の3バイトは、タイムスロットt1aで送信される。最後のバイトは、タイムスロットt1bで送信される。同様に、タイムスロットt2〜t3を、aおよびbのサブタイムスロットに分割することができる。ピング信号およびタイムスロットに対する区域の空間的関係は、表1に示される。
【0096】
図5bは、3つの異なる出力レベルでピング信号を送信するために使用される出力レベルを示している。出力レベルPは、時間tの関数として示される。低出力および中出力で送信されるピング信号に加えて、高出力のピング信号が送信される。高出力のピング信号は、低/中出力のピング信号が4回送信されるごとに送信される。すなわち、繰り返し時間TH、つまりTH=4*TLMで送信される。
【0097】
高出力のピング信号は、明確な区域の外側に存在し得る(他のロボットの)検出器によって検出可能なように十分な高出力で送信される。
【0098】
高出力のピング信号は、INIT、ピングID、グローバルネットID(3バイト)、メッセージ(2バイト)、およびCRCの8バイトを含む。CRCバイトは、巡回冗長検査バイトである。INITバイトは、後続のバイト列を高出力のピング信号であると判断するための情報を含む。ピングIDバイトおよびグローバルネットIDバイトは、それぞれ最大で28体のロボットまたは224体のロボットの団体内において、高出力のピング信号を送信するロボットを識別するための情報を含む。グローバルネットIDバイトは、インターネットを介して通信するロボットを一意に識別するために使用することもできる。メッセージバイトは、メッセージをブロードキャストするために使用される。このようなブロードキャストメッセージは、実際の動作の情報、例えば、ロボットが高速で前方に移動中であったり、右に回転中であったりすることなどを示す情報を含むことができる。
【0099】
図6は、4つの送信機のそれぞれ1つに特徴的であり、かつ、低出力レベルおよび中出力レベルで送信されるピング信号を送信する状態機械の状態イベント図を示している。この状態機械601は、開始状態602を有する。開始状態602から無条件の遷移が起こり、状態603がアクティブな状態に設定される。状態603、ならびに状態605、606、および607は、それぞれ放射器402、403、404、および405の1つを選択するために使用される。この状態機械では、この選択は、「FR」、「FL」、「BR」、または「BL」のいずれかに等しい変数Qを設定することにより実行される。これらの状態のそれぞれは、部分機械604に無条件に遷移する。部分機械604は、開始状態609、停止状態614、ならびに4つの中間状態610、611、612、および613を有する。これら4つの中間状態は、それぞれINITバイト、IDバイト、CRCバイト、およびLCRCバイトを中出力レベルまたは低出力レベルのいずれかで送信するためのものである。中間状態では、各バイトは、メモリ(図示せず)から読み出される。部分機械の内部の状態は、無条件の状態遷移によって接続されている。停止状態に到達すると、1つのピング列501を送信するタスクが完了する。
【0100】
図7は、高出力レベルでピング信号を送信する状態機械の状態イベント図を示している。状態機械701は、開始状態702、停止状態710、ならびに中間状態703、704、705、706、707、708、および709を含む。中間状態では、まず、Q=Cと設定することにより、中心の放射器413が選択される。次に、バイトB1、B2、B3、B4、B5、およびB6が、メモリ(図示せず)から読み出されて、放射器413により高出力レベルで連続して送信される。
【0101】
図8は、向きおよび距離の判断を可能にする情報を含んだ低出力レベル、中出力レベル、および高出力レベルのピング信号を、ロボット間のメッセージと共に送信する状態イベント機械の状態イベント図を示している。状態機械801は、機械601および701を使用して、図5bに示すピング信号を送信し、また、メッセージ信号を送信することもできる。
【0102】
状態機械801は、開始状態802および停止状態808を有する。最初に開始すると、状態機械は、送信されるピング信号の適切なタイミングを保証するために、実時間または擬似的な実時間で進行するように意図される。一方、機械は、ロボットがスタンバイモードになったり、供給電力がオフにされるか、または、なくなったりした場合などには、停止状態808に進むことができる。
【0103】
開始状態802の後、状態機械は、無条件にまたはすぐに状態803に進む。状態803では、変数Pが0に設定される。この変数は、2つの連続した高出力のピング信号の間において低/中出力レベルで送信されるピング信号の個数をカウントするために使用される。状態804への無条件の遷移により、状態機械は待機状態になり、他のロボットからのピング信号およびメッセージ信号のトラフィックの一時休止、すなわち通信無信号状態を待つ。これは、ブール変数Sによって表される。ピング信号およびメッセージ信号が受信されている限り、Sは偽であり、機械は、待機状態804に留まる。Sが偽から真に移行すると、一時休止が検出される。通信無信号状態は、信号が受信されない状況、または、受信された信号が、指定された振幅閾値または適応した振幅閾値より小さい状況として定義することができる。通信無信号状態のさらに別の条件として、受信された信号が、指定された時間間隔、例えば2ビット、2.5ビット、3ビット、3.5ビット、4ビットの指定された時間に対応する時間間隔にわたって、指定された振幅閾値または適応した振幅閾値よりも小さいことを条件とすることができる。
【0104】
通信無信号状態の基準が、時間間隔(例えば2ビットの時間間隔)で定義されると、上述した「密な列」は、通信無信号状態が発生しない列として定義することができる。
【0105】
さらに、Pが0に等しい場合には、ブール条件(S&(P=0))を有する条件付き遷移により、状態機械は、まず、高出力のピング信号を送信する状態機械701に遷移し、次に、状態805を介して、低/中出力のピングメッセージを送信する機械601に遷移する。その結果、ピング信号の密な列504が送信される。
【0106】
密な列504が送信されると、変数Pは、状態806で値を1つ増加される。メッセージフラグmが設定されている場合には、メッセージキュー(図示せず)のメッセージが、密な列504の後続の列のメッセージ信号として送信される。送信するメッセージが存在して、このメッセージが送信されると、状態機械は、状態806に戻り、状態805で開始されたタイマが経過するのを待つ。タイマが経過すると、TLMは真になり、状態機械は、状態804に移り、通信無信号状態を待つ。ここで、Pは0ではないので、無信号状態が検出される(すなわちSが真になる)と、機械は、状態601に直接遷移し、低/中のピング信号501を送信する。その後、状態806で、Pが1つ増加される。低/中出力レベルのピング信号の送信は、4つの低/中出力レベルのピング信号(すなわち、Pは5未満である)が送信されるまで続く。4つの低/中出力レベルのピング信号が送信されると、高出力のピング信号が送信され、処理は、再び繰り返される。
【0107】
図9は、ピング信号およびメッセージ信号を送信する通信システムのブロック図を示している。システム901は、ピング信号(例えば、バイトInit、ID、およびCRC)ならびにメッセージ信号を、それぞれピング信号バッファ905およびメッセージバッファ904を介して受信する。ピング信号およびメッセージ信号は、外部システム(図示せず)によって提供される。このように、通信システム901は、外部システムから情報を受信することができ、その結果、外部システムは、通信システムとは非同期に動作することができる。
【0108】
コントローラ902は、状態機械801の命令、さらには状態機械601および701の命令を実行するように構成される。
【0109】
バッファ904および905のデータは、バッファのアドレスを指定することにより読み出される。その後、アドレス指定されたデータは、セレクタ903により、増幅器907、908、909、910、および911を介して、赤外光送信機402、403、404、405、および413の1つまたは2つ以上のものに転送される。セレクタ903は、コントローラ902により制御される。放射器402、403、404、および405によって放射される出力レベルは、増幅器907、908、909、および910の増幅度を調節することにより制御される。コントローラに提供される信号Sは、通信無信号状態が存在するかどうか、すなわち放射される信号と干渉を起こす可能性のある他の信号が検出できないかどうかを示す2値信号である。
【0110】
これにより、図4および図5a、図5bに示すような信号を放射するシステムが開示される。さらに、システムは、一般的な通信信号、すなわちメッセージ信号を送信することができる。
【0111】
図10は、ロボットに取り付けられた2つの受信機の感度曲線を示している。曲線1004は、中出力レベルで受信機1002に向けて送信された信号を、受信機1002が検出できる区域を定める。曲線1006は、低出力レベルで受信機1002に向けて送信された信号を、受信機1002が検出できる小さな区域を定める。
【0112】
曲線1005および1007は、それぞれ中出力レベルおよび低出力レベルで受信機1003に向けて送信された信号を、当該受信機が検出できる区域を定める。一般に、上述した区域は、受信区域と記される。受信機1003に向けて高出力で送信された信号を当該受信機が検出できる区域は、より広く拡散する。したがって、このような区域は、破線の曲線1008で示される。
【0113】
放射器402、403、404、および405は、信号が送信される出力レベルを表す情報を有する信号を送信するので、別のロボットが見える位置への方向および距離を、区域H、ML、MC、MR、LL、LCL、LC、LCR、およびLRの観点で判断することができる。
【0114】
第1のロボットの2つの受信機1002および1003の一方または双方は、第2のロボットの放射器402、403、404、405、および413によって放射された信号を受信することができる。
【0115】
その結果、簡単な送信/受信システムにより、距離、方向、および向きの高分解能を得ることができる。
【0116】
方向および距離の復号
以下では、方向情報および距離情報を復号する方法を、より十分に説明する。次のことが仮定される。
・ある受信機が高出力のピング信号を得ると、他の受信機もそのピング信号を得る。
・受信機が低出力のピング信号を得ると、その受信機は中出力のピング信号および高出力のピング信号も得る。
・受信機が中出力のピング信号を得ると、その受信機は高出力のピング信号も得る。
【0117】
低出力のピング信号に対してL、中出力のピング信号に対してM、および高出力のピング信号に対してHの表記を適用すると、存在の区域は、以下の表5による受信信号に基づいて判断することができる。
【0118】
【表5】
【0119】
表5は、左の列の10個の区域の1つにもし存在すれば、送信ピング信号の符号化された出力レベル情報をその存在にどのように復号できるかを示している。その結果として、区域は、方向および距離を表す。
【0120】
向きの復号
向き情報を復号する目的で、以下の表6および表7を使用することができる。
【0121】
中距離において、
【0122】
【表6】
【0123】
表6は、受信した中出力のピング信号が、区域にどのように関係付けられるかを示している。
【0124】
近距離において、
【0125】
【表7】
【0126】
表7は、受信した低出力のピング信号および中出力のピング信号が、区域にどのように関係付けられるかを示している。
【0127】
図11は、ピング信号およびメッセージ信号を受信するシステムのブロック図を示している。このシステム1101は、ロボット間の信号(特にピング信号およびメッセージ信号)ならびにリモコン信号を受信する2つの赤外線受信機1102および1103を備える。
【0128】
受信機1102および1103によって検出された信号は、信号の到来に応答して、それぞれデータ獲得手段1110および1109によりデジタルデータとして提供される。データ獲得手段からのデジタルデータは、それぞれの先入れ先出しバッファであるLバッファ1108およびRバッファ1107にバッファリングされる。LバッファおよびRバッファからのデータは、バッファ1104に移動される。バッファ1104は、より大きな容量を有し、制御システム(図示せず)への転送を行っている間、データを収容する。
【0129】
赤外線信号が受信機1102および1103に向けて放射されるかどうかを示す2値信号Sは、加算器1106によりシュミットトリガ1105を介して提供される。加算器1106は、データ獲得手段1109および1110からの信号を加算する。これにより、この信号は、通信無信号状態が存在するかどうかを示すものとなる。
【0130】
リモコン装置(図示せず)からの信号を受信するように、このシステムを制御することができる。その場合、バッファに供給されるデータは、リモコンコマンドとして解釈される。これにより、受信機1102および1103は、ピング信号/メッセージ信号に加えてリモコンコマンドを受信するのに使用することができる。
【0131】
図12は、ロボット制御システムのブロック図を示している。この制御システム1201は、あるタイプの挙動を示すことができるロボットを制御するように構成される。制御システム1201は、中央処理装置(CPU)1203、メモリ1202、および入出力インタフェース1204を備える。
【0132】
入出力インタフェース1204は、ロボット位置情報を受信するインタフェース(RPS/Rx)1211と、ロボット位置情報を放射するインタフェース(RPS/Tx)1212と、操縦手段(図示せず)に制御信号を提供する行動インタフェース1209と、トランスデューサ(図示せず)を介してさまざまな物理的影響を検知する検知インタフェース1210と、外部デバイスと通信するリンクインタフェース1213とを備える。
【0133】
インタフェースRPS/Rx1211は、図11に示すように具体化できることが好ましく、インタフェースRPS/Txは、図9に示すように具体化されることが好ましい。リンクインタフェース1213は、外部デバイスとの通信を可能にするために使用される。外部デバイスとしては、例えばパーソナルコンピュータ、PDA、または他のタイプの電子データ情報源/データ消費デバイス(data consumer device)がある。この通信は、ユーザが作成したスクリプトプログラムおよび/またはファームウェアプログラムのプログラムダウンロード/アップロードを含むことができる。インタフェースは、有線/コネクタタイプ(例えばRS323)、IRタイプ(例えばIrDA)、無線周波数タイプ(例えばブルーツゥース)などを含む任意のインタフェースタイプとすることができる。
【0134】
操縦手段(図示せず)に制御信号を提供する行動インタフェース1209は、デジタル出力ポートとデジタル/アナログ変換器とを組み合わせたものとして実施される。これらのポートは、モータ、ランプ、サウンドジェネレータ、および他のアクチュエータを制御するために使用される。
【0135】
さまざまな物理的影響を検知する検知インタフェース1210は、デジタル入力ポートとアナログ/デジタル変換器とを組み合わせたものとして実施される。これらの入力ポートは、スイッチの起動および/または気温の度合い、音圧などを検知するために使用される。
【0136】
メモリ1202は、データセグメント1205(DATA)と、挙動実行システムを有する第1のコードセグメント1206(BES)と、機能ライブラリを有する第2のコードセグメント1207と、オペレーティングシステム(OS)を有する第3のコードセグメント1208とに分割される。
【0137】
データセグメント1205は、入出力インタフェース1204とデータ(例えば、バッファ1104によって提供されるデータならびにバッファ904および905に供給されるデータ)を交換するために使用される。さらに、データセグメントは、プログラムの実行に関係したデータを記憶するために使用される。
【0138】
第2のコードセグメント1207は、インタフェース手段1204の使用の細部を処理するプログラム手段を備える。このプログラム手段は、いわゆるアプリケーションプログラミングインタフェース(API)によって実行される機能および手順として実施される。
【0139】
第1のコードセグメント1206は、ロボットのプログラミングされた挙動を実施するプログラム手段を備える。このようなプログラムは、アプリケーションプログラミングインタフェースによって提供される機能および手順に基づいている。
【0140】
第3のコードセグメント1208は、複数の並行したプログラムプロセス、メモリ管理などを処理するオペレーティングシステム(OS)を実施するプログラム手段を備える。
【0141】
CPUは、ロボットの制御および/または外部デバイスとの通信を行うために、メモリに記憶された命令を実行して、インタフェースからデータを読み出し、インタフェースにデータを供給するように構成される。
【0142】
図13は、部分的に制限された空間内の3体のロボットを示している。ロボット1302、1303、および1304には、他のロボットへの距離および方向ならびに他のロボットの向きを判断するための送信機および受信機が装備されている。この情報は、他のロボットに応答してロボットを移動させるために使用することができる。ロボット1302は、例えば経路1305を経てロボット1303を追尾するようにプログラミングされている。一方、ロボット1303は、経路1306を経てロボット1304から離れようとするようにプログラミングされている。ロボット1304は、後方に移動することにより、他のロボットから離れるようにプログラミングされている。
【0143】
このシナリオは、ロボットの実際の相互の位置および向き、ロボットを制御するプログラムなどに応じて、絶えず変更され得る。
【0144】
本発明は、居間のロボット玩具として使用されているにもかかわらず、より自律的に互いの中を動き回る産業ロボットを制御するために使用することができる。
【0145】
図14は、ロボット玩具のブロック図を示している。本発明の第1の実施の形態によるロボット玩具1400は、ハウジング1401、軸1408aおよび1408bを介してモータ1407aおよび1407bにより駆動される一組のホイール1402a〜1402dを備える。これらに代えて、または、これらに加えて、ロボット玩具は、足、チェーンなどといった、別の移動手段を含むことができる。また、プロペラ、アーム、ツール、回転ヘッドなどといった他の移動可能な部品を含むこともできる。ロボット玩具は、モータならびにロボット玩具の他の電気コンポーネントおよび電子コンポーネントに電力を提供する電源装置1411をさらに備える。この電源装置1411は、標準的な電池を含むことが好ましい。ロボット玩具は、ロボット玩具1400の制御を担当する中央プロセッサCPU1413をさらに備える。プロセッサ1413は、メモリ1412に接続される。メモリ1412は、ROM部およびRAM部またはEPROM部(図示せず)を備えてもよい。メモリ1412は、中央プロセッサ1413用のオペレーティングシステム、および、低レベルのコンピュータ実行可能命令を含むファームウェアを記憶することができる。このファームウェアは、中央プロセッサ1413によって実行されて、例えば「モータを作動させる」といったコマンドを実施することによりロボット玩具のハードウェアを制御する。さらに、メモリ1412は、より高レベルの命令を備えたアプリケーションソフトウェアを記憶することができる。このアプリケーションソフトウェアは、中央プロセッサ1413によって実行されて、ロボット玩具の挙動を制御する。中央プロセッサは、バスシステム1414により、ロボット玩具の制御可能ハードウェアコンポーネントに接続することができる。
【0146】
ロボット玩具は、バスシステム1414を介して中央プロセッサ1413に接続される多数のさまざまなセンサを備えることができる。図示した例では、ロボット玩具は、衝撃を受けた時を検出する衝撃センサ1405、ならびに、光レベルの計測および点滅の検出を行う光センサ1406を備える。ロボット玩具は、上述したように他のロボットを検出してマッピングを行う2つのIR受信機1404aおよび1404bをさらに備える。これに代えて、または、これに加えて、ロボット玩具は、他のセンサを備えることができる。これらの他のセンサとしては、ショックセンサや量を検出するセンサといったものがある。ショックセンサは、例えば、ロボット玩具が衝撃を受けたり、何かにぶつかったりした時に出力を提供する、バネから吊るされた重りである。量を検出するセンサには、時間、味覚、嗅覚、光、パターン、近さ、動作、音、会話、振動、接触、圧力、磁気、温度、歪み、通信などを検出するセンサが含まれる。
【0147】
外部の刺激に応答してセンサにより生成されるセンサ信号は、バス1414を介して中央プロセッサ1413に転送される。中央プロセッサ1413では、センサ信号は、メモリ1412に記憶されたプログラム命令に従って処理される。処理の結果、メモリ1412に記憶された変数およびパラメータが変化することがあり、制御信号が、中央プロセッサ1413によって生成され、バス1414を介して、ロボット玩具の行動を制御するさまざまなハードウェアコンポーネントに転送されることがある。ロボット玩具のアクティブなハードウェアコンポーネントには、モータ1407、例えばレーザガンを模倣した光効果を生成するLED1416、および、音響効果を作成するピエゾ素子1415が含まれる。他の可能なアクティブなコンポーネントには、混合色効果を生成することにより、ロボットのアクティブな挙動状態といったロボットの内部状態を表現するRGB光送信機、または、さまざまな色彩のLEDを含むムード光が含まれる。他の行動には、動作、音、熱、光、香りなどが含まれ得る。
【0148】
特別なタイプの検知および行動は、通信を行う。この通信を行うために、図1に示すロボット玩具は、赤外光受信機1404aおよび1404bと共にロボット間通信に使用することができる赤外線信号を放射する5つの赤外線送信機1403a〜1403eを備える。送信機1403eは、例えばロボットの上部に置かれた赤外線ダイオードであることが好ましく、この赤外線ダイオードは、940nmと960nmとの間の波長を有する赤外光を放射し、放射光が、部屋、例えば6メートル×6メートルの部屋の壁からの反射を生み出すのに十分大きな電流で駆動され、部屋の別のロボットの受信機1404aおよび1404bの少なくとも1つによって受信可能であることが好ましい。ダイオード1403a〜1403dの出力は、さまざまな出力レベル、例えば2つの出力レベルに個別に制御できることが好ましい。赤外線送信機1403a〜1403eは、他のロボットに情報を送信するために使用され、かつ、当該ロボットが他のロボットによって検出可能となる予め定められたピングサイクルにおいて、さまざまな出力レベルでブロードキャストメッセージを放射することができる。
【0149】
あるいは、異なる個数の送信機、および、音響信号または他の電磁放射といった他の通信手段が使用されてもよい。ロボット玩具は、インタフェースコネクタ1417を備える。このインタフェースコネクタ1417は、例えば、ロボット玩具を外部デバイスに接続するシリアルポートである。外部デバイスは、パーソナルコンピュータ、PDA、携帯電話などといったものである。他の通信手段には、ボタン、または、映像もしくはテキスト情報を表示するディスプレイといったユーザインタフェースが含まれる。
【0150】
好ましい実施の形態では、本発明は、ロボットを制御できる装置として具体化される。この装置は、シャフト、軸、スピンドル、または走行、登攀、歩行、もしくはそれ以外の移動をロボットに行わせる構成の同様の機械的手段と相互接続されたモータを備えることが好ましい。この装置は、構成的なロボット構築セットの部品の場合がある。
【0151】
上記説明、特に図4から図9および図11と関係した上記説明に加えて、または、その説明の代わるものとして、以下に、図15から図17を参照しながら、さらに別の動作原理を説明する。
【0152】
図15は、ロボットを取り囲む多数の区域のそれぞれの区域に特徴的な信号を放射する放射器を有するロボット玩具を示している。このロボット1501は、そのロボットの前方が、上方に向いている向きで示されている。
【0153】
ロボット1501は、4つの赤外光放射器1502、1503、1504、および1505を備える。各放射器は、それぞれの赤外光信号を放射する。これらの放射器は、940nmと960nmとの間の波長の光を放射するように構成されることが好ましい。
【0154】
赤外光放射器1502、1503、および1504は、異なる位置および異なる角度でロボットに取り付けられて、ロボットを取り囲む放射照度曲線1509、1510、および1511によってそれぞれ示すような区域FR、FL、およびBに赤外光を放射する。これらのダイオードの方向は、ロボットの前進運動方向に対して、それぞれ60°、300°、および180°である。ダイオードのそれぞれの放射照度の角度が120°よりも大きい、例えば120°と160°との間である場合には、区域1509および1510は重なり合って、さらに別の区域Fを確立する。同様に、区域1510および1511が重なり合って、区域BLを確立し、区域1509および1511が重なり合って、区域BRを確立する。それらの区域は、個々の放射器の放射口径ならびに上述した位置および角度、ならびに放射器により放射される赤外光の出力によって定められる。
【0155】
放射器1502、1503、および1504は、2つの異なる出力レベルで赤外光を放射するように制御される。以下では、これら2つの出力レベルは、低出力レベル(接頭語「L」)および中出力レベル(接頭語「M」)と呼ぶこととする。
【0156】
相対的に大きな放射照度曲線1509、1510、および1511は、送信機の1つが中出力レベルで送信を行っている時に、受信機が、当該受信機に向けて放射された赤外光信号FR、FLおよびBを検出できる区域を表す。同様に、相対的に小さな放射照度曲線1506、1507、および1508は、送信機の1つが低出力レベルで送信を行っている時に、受信機が、当該受信機に向けて放射された赤外光信号LFR、LFLおよびLBを検出できる区域を表す。1実施の形態では、相対的に大きな曲線1509、1510、1511は、約120〜160cmの直径を有する。相対的に小さな曲線1506、1507、および1508は、約30〜40cmの直径を有する。
【0157】
放射器1505は、上記中出力レベルよりも大きな高出力レベルでロボットの周囲に信号を放射するように構成される。この信号は、壁、ドアなどの物体から反射される可能性があるので、対応する放射照度曲線は図示されていない。その代わり、大文字Hが、この放射照度を示している。高出力のピング信号は、約6メートル×6メートルの通常の居間で検出可能であろう。
【0158】
このように、放射器1502、1503、および1504は、中出力レベル(M)での作動時には、一部が相互に重なり合う区域1509、1510、および1511を確立するように構成される。さらに、放射器1502、1503、および1504が、低出力レベル(L)で作動している時は、それら放射器は、一部が相互に重なり合う区域1506、1507、および1508を確立する。これにより、ロボット1501の向きを正確に判断することが可能になる。
【0159】
図15の実施の形態では、重なり合う区域LF、LBR、およびLBLは、中出力レベルの対応する重なり合う区域、すなわちF、BR、およびBLにそれぞれ存在して、ダイオード放射器1502、1503、および1504の少なくとも1つからの低出力信号を受信する受信機によって定められる。
【0160】
赤外線信号FR、FL、およびBのそれぞれは、赤外線放射器の一意の1つに対応する情報により符号化され、これにより、ロボットを取り囲む区域のそれぞれの区域に対応する。
【0161】
赤外線信号は、赤外線放射器に一意の情報が、相互に重ならないタイムスロットで構成される時間多重信号として構成されることが好ましい。
【0162】
信号に基づいて、検出器がどの区域に存在するかを判断できるようにするために、検出器システムには、区域の場所とそれぞれの信号との間の関係の情報が提供される。
【0163】
検出原理の好ましい実施の形態については、図16a〜図16eと共に説明することとする。
【0164】
送信側ロボットが、向き情報および距離情報を符号化して、その情報を区域に送信し、送信後、別の受信側ロボットが復号して解釈するために、ネットワークプロトコルが使用される。このネットワークプロトコルは、ピング信号およびメッセージ信号に基づいている。これらの信号について、以下に説明する。
【0165】
図16aは、それぞれの放射器、例えば図15の放射器1502、1503、1504、および1505からピング信号を送信するために使用される出力レベルを示している。出力レベルPは、時間tの関数として、離散的な出力レベルL、M、およびHで示される。
【0166】
ピング信号は、密な列で送信される位置情報ビット列1601として符号化される。列1601は、サイクル時間TPRを有するサイクルで送信される。密な列1601間には一時休止1608が置かれる。この一時休止は、付加的なメッセージを送信するために使用され、また、他のロボットの同様の信号の送信を可能にするために使用され、かつ/または、他の情報、例えばメッセージ信号を送信するのに使用される。
【0167】
位置情報ビット列1601は、12ビット(b0〜b11)を備える。ビットは、低出力(L)、中出力(M)、または高出力(H)で送信される。第1ビット1602は、ダイオード205によって高出力で送信される。好ましい実施の形態では、このビットは、放射器1502、1503、および1504によって中出力でも送信される。中出力を有する他のダイオードに高出力ビットを複製することにより、受信範囲が増加し、部屋の壁および天井があまり反射しない場合であっても、近くの受信機がそのビットを受信することが保証される。この最初のビットの後には、どのダイオードも信号を送信しない無信号の2ビット1603が続く。後続する3ビット1604は、低出力レベルで送信され、各ビットは、ダイオード202、203、および204の1つのみによって送信される。同様に、次の3ビット1605は、中出力レベルで送信され、ダイオード202、203、および204のそれぞれが、ビット1605の1つのみを送信する。後続する2ビット1606は、再度、ダイオード205によって高出力レベルで送信され、好ましくは、ダイオード202、203、および204によって中出力レベルで送信される。その後、無信号のストップビット1607が続く。
【0168】
したがって、ダイオード202、203、204、および205のそれぞれは、図16b〜図16eに示すような異なるビットパターンを送信する。ここで、図16bは、ダイオード202によって放射される位置ビット列を示し、図16cは、ダイオード203によって放射される位置ビット列を示し、図16dは、ダイオード204によって放射される位置ビット列を示し、図16eは、ダイオード205によって放射される位置ビット列を示す。
【0169】
受信側ロボットは、自身が送信側ロボットの区域のどの区域に位置するかを判断できるので、受信側ロボットは、受信ビット列を使用して、その受信ビットパターンを送信したロボットまでの距離および送信側ロボットの向きを判断することができる。この判断は、受信ビットパターンを図2の区域の1つに関係付ける参照表により行う簡単に行うことができる。この参照表を表8に示す。
【0170】
【表8】
【0171】
表8は、送信側ロボットの区域の1つに受信側ロボットがもし存在すれば、送信されたピング信号の符号化された出力レベル情報をその存在にどのように復号できるかを示している。区域は、さらには向きおよび距離を表す。
【0172】
上記原理は、異なる個数のダイオードおよび/または異なる個数の出力レベルに適用することができ、ダイオードの個数が多くなるほど、向きの判断の精度が向上し、出力レベルの個数が多くなるほど、距離の計測の精度が向上することが理解される。この精度の向上は、ビット列の増加という代償を払って達成され、したがって、送信速度を減少させる。
【0173】
1実施の形態では、ロボットは、付加的なメッセージを送信する。この付加的なメッセージは、例えばピング信号と関連したものであるか、または、関連のない別のメッセージ信号として送信される。これらのメッセージは、位置情報ビット列と関連して送信されることが好ましく、例えば、各位置ビット列の後に多数のバイトを送信することにより送信される。1実施の形態では、ロボットは、位置情報ビット列を含むピング信号に続いて、ヘッダバイト、ロボットID、およびチェックサム、例えば巡回冗長検査(CRC)を送信する。これらの情報に加えて、または、これらの情報に代えて、他の情報を送信することができる。他の情報は、例えば速度、運動方向、行動などのロボットについてのさらに別の情報、コマンド、ロボット間で交換されるデジタルトークンなどといったものである。
【0174】
各バイトは、多数のデータビット、例えば8データビット、ならびにスタートビット、ストップビット、およびパリティビットといった付加ビットを含むことができる。これらのビットは、適切なビットレート、例えば4800ボーで送信することができる。付加的なメッセージバイトは、ダイオード205によって高出力レベルで送信され、かつ、ダイオード202、203、および204によって中出力レベルで送信されることが好ましい。
【0175】
ロボットIDは、所与の状況においてそのロボットに一意の番号であることが好ましい。ロボットIDにより、ロボットは、実世界で出会った仲間のロボットまたはインターネット上で出会った仲間のロボットに関する情報を登録して保持することができる。ロボットは、外部状態記録の一部として、好ましくは既知ロボットの一覧として、他のロボットについての情報を記憶することができる。その一覧の各登録項目は、ロボットID、ロボットのセンサによって計測された例えば方向、距離、向きといったマッピング情報、運動情報、例えばロボットのあるチームへの割り当てといったそれぞれのロボットから受信したゲーム関連情報、ロボットのさまざまなグループを選択基準により区別するために使用されるタイプ情報、ロボットを制御するロボットコントローラの識別情報などを含むことができる。
【0176】
ロボットは、別のロボットからブロードキャストメッセージを受信すると、その一覧の情報を更新する。メッセージの発信元が未知である場合には、新しい登録項目が作成される。予め定められた時間の間、例えば2回のブロードキャストの繰り返し期間よりも長い間、一覧の特定の登録項目からメッセージが受信されないと、ロボットの登録項目は、存在しないものとして印が付けられる。
【0177】
ロボットIDを例えば1バイトに制限するというように短く維持して、所与の状況においてロボットの一意の識別を可能にするために、例えば部屋の中といった通信範囲内に存在するロボット間に調停アルゴリズムを使用することができる。例えば、同じIDを有する別のロボットからピング信号を受信したロボットは、異なるIDを選択することができる。
【0178】
図5a/図5bと共に説明した原理と図16aから図16eと共に説明した原理とを比較すると、ロボットの周りに信号を放射する手段は、それぞれの出力レベルで信号を放射するように制御され、それぞれの出力レベルにおいて、信号は、その特定の出力レベルを識別する情報を含むことが分かる。しかしながら、図5a/図5bでは、1バイトまたは数バイトが所与の出力レベルで送信されることが分かるのに対して、図16aから図16eでは、1つのビット列の個々のビットが、異なる出力レベル送信されることが分かる。図16aから図16eと共に説明した原理によると、送信側ロボットまでの距離を判断するのに必要な情報は、より短い信号、すなわちより少ないビット数で送信することができる。
【0179】
遠隔のロボットがどの区域に存在するかの推定に関して、区域(例えば410および407)を重ね合わせることにより作成される区域を、ある程度まで使用することができる。図4に関しては、区域を重ね合わせることにより作成される区域を含むすべての空間的区域を使用することにより、遠隔のロボットがどの区域に存在するかを推定するのに、比較的高い分解能が達成される。しかしながら、図15に関しては、区域を重ね合わせることにより作成される2つまたは3つ以上の空間的区域は、遠隔のロボットがどの区域に存在するかを推定する際に単一の区域として解釈されることが示されている。これにより、推定の際に、所望の粗い分解能が達成可能である。
【0180】
図17は、ピング信号およびメッセージ信号を送信する通信システムのブロック図を示している。このシステム1701は、ピング信号(例えば、ヘッダ、ロボットIDおよびCRCバイト)ならびにメッセージ信号をバッファ1705を介して受信する。ピング信号およびメッセージ信号は、外部システム(図示せず)により、送信インタフェース1706を介して提供される。このように、通信システム1701は、外部システムから情報を受信でき、その結果、外部システムを、通信システムとは非同期に動作させることができる。
【0181】
このシステムは、図16a〜図16eと共に説明したさまざまなダイオードのそれぞれの位置ビット列を記憶するメモリ1703を備える。
【0182】
コントローラ1702は、ピング信号およびメッセージ信号を受信し、メモリ1703から検索された対応するビット列を前に付け、かつ、増幅器1707、1708、1709、および1710を介して赤外光送信機202、203、204、および205を制御するように構成される。放射器1502、1503、1604、および1505によって放射される出力レベルは、増幅器1707、1708、1709、および1710の増幅度を調節することにより制御される。コントローラに提供される信号Sは、通信無信号状態が存在するかどうか、すなわち放射される信号と干渉を起こす可能性のある他の信号が検出できないかどうかを示す2値信号である。さらに、コントローラは、信号が送信される時を示す信号Rを提供する。
【0183】
送信機が赤外光ダイオードである場合には、ダイオードは、プリント回路基板(PCB(printed circuit board))に取り付けられることが好ましい。PCPは、装置の動作平面とほぼ並行に配置される。低出力信号および中出力信号を放射するダイオードは、少なくとも動作平面に対して定められた所望の空間的区域に従って光を放射するように取り付けられる。高出力信号を放射する1つのダイオード(または複数のダイオード)は、PCBと垂直な方向に光を放射するようにPCBに取り付けられるが、必ずしも、その方向に限定されるものではない。
【0184】
一般に、区域という用語は、ロボットを基準とした位置の予め定められた組または範囲を含み、例えば、ロボットを基準としたある一定のセクタや、ロボットが移動する面に平行な平面内のある一定の領域などを含むことに留意すべきである。したがって、ロボットが、当該ロボットの区域の1つで別のロボットを検出すると、これら2体のロボットは、あらかじめ定められた位置関係を有する。例えば、2体のロボット間の距離が、ある一定の範囲内にあったり、他方のロボットが、検出側ロボットの運動方向を基準として、ある一定の方向範囲内の方向に位置したりするなどである。
【0185】
一般に、出力レベルは、符号化されたバイトまたはビットパターンによって通信されるが、他の変調方式を、本発明の範囲から逸脱せずに適用することができる。好ましい実施の形態では、信号が送信される出力レベルを通信するのに、振幅変調(AM)、周波数変調(FM)、またはパルス幅変調(PWM)を適用することができる。
【0186】
本発明は、動き回る手段を有するロボットに組み込むことができるが、本発明の情報の送信に関する態様は、リモコン装置に具体化されることが好ましい。このリモコン装置は、ユニットとして具体化することができ、移動するロボットの中に置くことができ、かつ/または、ハンドヘルドリモコン装置として使用することができる。
【0187】
一般に、「重なり合う」という用語は、2つまたは3つ以上の送信機によって照射される空間をいう。この空間は、3D空間であるが、図面から明らかなように、この重なり合いは、単一の平面(例えば紙の平面)に定めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0188】
【図1a】2体のロボットおよびそれらの空間的な相互関係の平面図である。
【図1b】ロボット、および、放射される信号の空間的な放射照度特性によって定められる区域の平面図である。
【図1c】ロボット、および、受信信号の空間的な感度特性によって定められる区域の平面図である。
【図1d】各ロボットが、他方のロボットの放射照度/感度区域の一方に存在する2体のロボットの平面図である。
【図1e】ロボット、および、さまざまな出力レベルで放射された信号の空間的な放射照度特性によって定められる区域の平面図である。
【図2】ロボットを取り囲む複数の区域のそれぞれに特徴的な信号を放射する放射器を有するロボット玩具である。
【図3】判断可能なさまざまな方向からロボットに向けて放射された信号を検出する受信機を有するロボットの図である。
【図4】ロボットに取り付けられた4つの放射器の放射照度曲線の図である。
【図5a】2つの異なる出力レベルでピング信号を送信するために使用される出力レベルの図である。
【図5b】3つの異なる出力レベルでピング信号を送信するために使用される出力レベルの図である。
【図6】4つの送信機のそれぞれ1つに特徴的であり、かつ、低出力レベルおよび中出力レベルで送信されるピング信号を送信するための状態イベント図である。
【図7】高出力レベルでピング信号を送信するための状態イベント図である。
【図8】向きおよび距離の判断を可能にする情報を含んだ低出力レベル、中出力レベル、および高出力レベルのピング信号を、ロボット間のメッセージと共に送信するための状態イベント図である。
【図9】ピング信号およびメッセージを送信するためのブロック図である。
【図10】ロボットに取り付けられた2つの受信機の感度曲線の図である。
【図11】ピング信号およびメッセージ信号を受信するシステムのブロック図である。
【図12】ロボット制御システムのブロック図である。
【図13】部分的に制限された空間内の3体のロボットの図である。
【図14】ロボット玩具のブロック図である。
【図15】ロボットを取り囲む複数の区域のそれぞれの区域に特徴的な信号を放射する放射器を有するロボット玩具の図である。
【図16a】ロボットによるピング信号を3つの異なる出力レベルで送信するために使用される出力レベルの図である。
【図16b】ロボットのさまざまなダイオード放射器によりピング信号を送信するための出力レベルの図である。
【図16c】ロボットのさまざまなダイオード放射器によりピング信号を送信するための出力レベルの図である。
【図16d】ロボットのさまざまなダイオード放射器によりピング信号を送信するための出力レベルの図である。
【図16e】ロボットのさまざまなダイオード放射器によりピング信号を送信するための出力レベルの図である。
【図17】ピング信号およびメッセージを送信するためのブロック図である。
Claims (29)
- ロボットの周りの、該ロボットを基準とした予め定められた場所の複数の区域(208、209、…、215)に、該ロボットの周りの該個々の区域に特有の情報を搬送する信号を放射する手段、
を備え、ロボットの向きについての情報を送信するシステムであって、
前記個々の区域に特有の前記情報(FR、F、FL、BL、L、…、FR)は、複数のタイムスロット(t1、t2、…、t7)に時間多重される、
ことを特徴とするロボットの向きについての情報を送信するシステム。 - 前記個々の区域に特有の前記情報は、時間的(t1、t2、…、t7)および空間的(208、209、…、215)の双方で1つまたは2つ以上の区域(F、FL、L、BL、…)に分割された時間多重信号として放射されることを特徴とする、請求項1に記載のロボットの向きについての情報を送信するシステム。
- 前記手段は、相互に距離をおき、かつ、相互にオフセット角度をもって取り付けられた個々の放射器(202、203、…、207)として構成されることを特徴とする、請求項1または2に記載のロボットの向きについての情報を送信するシステム。
- 放射器が、前記区域に特有の情報を搬送する信号の指定された最小の強度レベルが検出可能な範囲の空間を作成するように構成されることを特徴とする、請求項1ないし3のいずれか1項に記載のロボットの向きについての情報を送信するシステム。
- 放射器が、第1の信号(FL;BR)および第2の信号(BL;FR)の指定された最小の強度レベルが計測可能な範囲の区域を作成するように構成され、前記第1の信号および前記第2の信号は、それぞれの区域(210;213;211;208)に特有の情報を搬送し、これにより、2つの区域の共通の空間(214;215)として第3の区域(L;R)を作成することを特徴とする、請求項1ないし4のいずれか1項に記載のロボットの向きについての情報を送信するシステム。
- 前記第3の区域に特有の前記情報(L;R)は、前記第1の信号(FL;BR)および前記第2の信号(BL;FR)の少なくとも一部から成ることを特徴とする、請求項5に記載のロボットの向きについての情報を送信するシステム。
- 前記第3の区域に特有の前記情報(L;R)は、時間的に2つ以上のタイムスロット(t3、t4;t6、t7)に及ぶことを特徴とする、請求項5または6に記載のロボットの向きについての情報を送信するシステム。
- 少なくとも1つの放射器(413)が、前記ロボットについての情報を有するメッセージ信号を他のロボットに送信するように制御されることを特徴とする、請求項1ないし7のいずれか1項に記載のロボットの向きについての情報を送信するシステム。
- 第1のロボットが、信号の送信が開始される前に、通信無信号状態を検出できる状況を待つように構成されることを特徴とする、請求項1ないし8のいずれか1項に記載のロボットの向きについての情報を送信するシステム。
- 前記第1のロボットは、該第1のロボットの近傍の他の同様のロボットが、通信無信号状態(S)が存在する状況を検出できることを回避するのに十分密な列で、個々の区域に特有の情報を搬送する前記信号を送信するように構成されることを特徴とする、請求項9に記載のロボットの向きについての情報を送信するシステム。
- ロボット(201)の周りの、該ロボットを基準とした複数の区域(208、209、…、215)の1つに特有の情報を搬送する信号を受信する手段と、
個々の区域に特有の前記情報を抽出して、その情報を、前記ロボットの向きを表す情報に変換する手段と、
を備え、ロボットの向きについての情報を受信するシステムであって、
前記ロボットの前記向きは、
それぞれが前記ロボットの周りの、該ロボットを基準とした複数の区域の1つに特有の情報を搬送する2つの信号が、少なくとも2つの連続したタイムスロット(t1、t2、…、t7)で受信可能かどうかを判断すること、
受信可能な場合には、前記少なくとも2つの信号(FL、BL;BR、FR)を組み合わせることであって、それによって前記ロボット(201)の前記向きを判断する、組み合わせること、
とにより推定される、ことを特徴とするロボットの向きについての情報を受信するシステム。 - それぞれが前記ロボットの周りの、該ロボットを基準とした複数の区域の1つに特有の情報を搬送する2つの信号が、少なくとも2つの連続したタイムスロット(t1、t2、…、t7)で受信可能でない場合には、前記2つの連続するタイムスロット(t1、t2、…、t7)の最初のタイムスロットで受信された信号に基づいて前記ロボットの前記向きを判断することを特徴とする、請求項11に記載のロボットの向きについての情報を受信するシステム。
- 該システムは、別のロボットの向きを表す受信信号に応答して、ロボットの物理的な行動を制御するプログラム手段をさらに備えることを特徴とする、請求項11または12に記載のロボットの向きについての情報を受信するシステム。
- 請求項11ないし13のいずれか1項に記載の玩具装置を備える玩具構築セットであって、該玩具装置は、玩具構築要素の相補結合手段と相互接続する結合手段を備えることを特徴とする、玩具構築セット。
- ロボットの周囲に信号を放射する手段、
を備え、自身と該ロボットとの間の距離についての情報を送信するシステムであって、
前記手段は、それぞれの出力レベル(L、M、H)で前記信号を放射するように制御され、それぞれの出力レベルにおいて、前記信号は、その特定の出力レベルを識別する情報(LBR、MBR、H、b0、b1、…、b11)を備える、
ことを特徴とする距離についての情報を送信するシステム。 - 前記出力レベルは、非線形出力レベルとして分布した離散的な出力レベルであることを特徴とする、請求項15に記載の距離についての情報を送信するシステム。
- 前記信号または信号の一部の出力レベルは、前記特定の出力レベルを識別する前記情報が送信される時間間隔内で混在することを特徴とする、請求項15に記載の距離についての情報を送信するシステム。
- 前記信号は、それぞれ一組のビット(b0、b1、…、b11)を含み、該ビットは、予め定められるが、混在した列で生起することを特徴とする、請求項15ないし17のいずれか1項に記載の距離についての情報を送信するシステム。
- 前記ロボットの周りの、該ロボットを基準とした予め定められた場所の複数の区域に信号を放射する手段を備え、該信号は、該ロボットの周りの前記個々の区域に特有の情報を搬送することを特徴とする、請求項15ないし18のいずれか1項に記載の距離についての情報を送信するシステム。
- 少なくとも1つの放射器が、前記ロボットについての情報を有するメッセージ信号を他のロボットに送信(807)するように制御されることを特徴とする、請求項15ないし19のいずれか1項に記載の距離についての情報を送信するシステム。
- 第1のロボットが、信号の送信が開始される前に、通信無信号状態を検出できる状況を待つように構成されることを特徴とする、請求項15ないし20のいずれか1項に記載の距離についての情報を送信するシステム。
- 前記第1のロボットは、該第1のロボットの近傍の他の同様のロボットが、通信無信号状態(S)が存在する状況を検出できることを回避するのに十分密な列で、前記それぞれの出力レベルで前記信号を送信するように構成されることを特徴とする、請求項21に記載の距離についての情報を送信するシステム。
- 自身と送信機との間の距離についての情報を受信するシステムであって、
送信される特定の出力レベルを識別する情報を有する信号を受信する手段と、
その情報を、前記システムと前記信号を送信する送信機との間の距離を表す情報に変換する手段と、
を備える距離についての情報を受信するシステム。 - 受信された信号を、指定された閾値に基づいて2値信号に変換する手段を備えることを特徴とする、請求項24に記載の距離についての情報を受信するシステム。
- 前記距離は、前記受信された信号を2値信号として表したビット列を復号することにより、離散的な値として求められることを特徴とする、請求項23または24に記載の距離についての情報を受信するシステム。
- 前記距離は、デジタル値として提供されることを特徴とする、請求項21ないし25のいずれか1項に記載の距離についての情報を受信するシステム。
- 連続したデジタル値の列が、非線形の分布した距離を表すことを特徴とする、請求項26に記載の距離についての情報を受信するシステム。
- 遠隔のロボットから信号を受信して、複数の受信機のいずれが該信号を受信したかを判断することにより、前記遠隔のロボットの方向を判断する手段、
を備えることを特徴とするロボットの方向を判断するシステムであって、
方向が、2つまたは3つ以上の受信機が前記信号を受信できる方向として判断される、
ことを特徴とするロボットの方向を判断するシステム。 - 前記方向を判断する前提条件が、前記受信機が前記信号を同時に受信できることであることを特徴とする、請求項28に記載のロボットの方向を判断するシステム。
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