JP2006318444A - 障害物回避機能を有する移動ロボットとその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センシング領域の異なる異種の感知センサーから出力される障害物感知信号を組み合わせて障害物を効率的に感知し、それによって移動ロボットの駆動を制御して障害物から回避させる機能を有する移動ロボットに関する。
【解決手段】移動ロボット進行方向の障害物を感知する互いに異なるセンシング領域を有する異種の感知センサーから成った多数の感知センサー部１６０と、前記異種の感知センサーから各々出力される感知センサーの組合せに対応する回避命令によって障害物を回避するように制御信号を出力するマイクロプロセッサー１５０と、を含んで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動ロボットに関するもので、より詳細には、異種の感知センサーから出力される障害物感知信号によって障害物を効率的に感知し、それによって移動ロボットの駆動を制御して障害物から回避させる技術に関するものである。

ロボットは、産業用に開発され、工場自動化の一環として使用されており、また人間が耐えられない極限環境で人間の代わりに情報を収集したり、採集するのに使用されてきた。このようなロボット工学分野は、近来は最尖端宇宙開発産業に使用されながら発展を繰り返し、最近は人間親和的な家庭用ロボットが開発されるに至った。このような人間親和的な家庭用ロボットの代表的な例が、まさに掃除ロボットである。

移動ロボットの一つである掃除ロボットは、住宅または事務室のような一定の掃除区域を自ら駆動しながら、ほこりまたは異物質を吸入する機器である。このような掃除ロボットは、ほこりまたは異物質を吸入する一般的な真空掃除機の構成以外に、該当掃除ロボットを走行させる左輪及び右輪モーターを含む走行装置と、掃除区域内にある多様な障害物と衝突せずに走行できるように障害物を感知する多数の感知センサーと、装置全般を制御するマイクロプロセッサーなどから構成されている。

このような掃除ロボットは、掃除区域を走行しながら、掃除機に設置された感知センサーを介して障害物が感知されると、進行方向を転換して障害物を回避することによって、掃除区域の掃除を継続するように構成されている。

しかし、従来の移動ロボットは、一つの種類の障害物感知センサーだけを利用して障害物を感知することによって、障害物を効率的に感知することができず、これによって障害物の衝突によって移動ロボットが破損されるなどの問題点があった。

そこで、本発明の発明者は、どうすれば移動ロボットの障害物感知能力を向上させて障害物から移動ロボットを回避させることができるかに対して度重なる研究の末、本発明を創案するに至った。

本発明は、このような背景から創案されたもので、その目的は、お互い異なるセンシング範囲を有する異種の障害物感知センサーの検出結果を組み合わせて、より信頼性の高い障害物感知を遂行し、これを基に移動ロボットの駆動を制御して障害物を回避する障害物回避機能を有する、移動ロボットとその方法を提供することにある。

このために、本発明による移動ロボットは、移動ロボット進行方向の障害物を感知するお互い異なるセンシング領域を有する異種の感知センサーから成った多数の感知センサー部と、前記異種の感知センサーから各々出力される感知センサーの組合せに対応する回避命令によって障害物を回避するように制御信号を出力するマイクロプロセッサーとを含んで構成される。

また、前記感知センサー部に使用される異種の感知センサーとしては、赤外線センサーと超音波センサーとが使用される。

従って、単一種類のセンサーで障害物を感知するより信頼性の高い障害物認識は勿論、効果的な障害物回避が可能だという長所を有する。

上述したように、本発明による障害物回避機能を有する移動ロボットとその方法は、お互い異なるセンシング範囲を有する赤外線及び超音波センサーの出力を組み合わせて障害物を感知することによって、一つのセンシング範囲を有する単一種類のセンサーを介して障害物を感知する従来の移動ロボットより優秀な障害物感知機能を有するという長所がある。

また、赤外線センサーと超音波センサーから出力される感知信号の組合せによって、お互い異なる回避アルゴリズムを適用することによって、効果的な障害物回避が可能だという長所がある。

以下、添付の図面を参照して記述される好ましい実施例を介して、本発明を当業者が容易に理解し、再現できるように詳細に説明することにする。

また、本発明の移動ロボットを移動ロボットの代表的な例である掃除ロボットだと仮定して説明することにする。

図１は、本発明の好ましい一実施例による障害物回避機能を有する移動ロボットである掃除ロボットを概略的に示したブロック図である。図示されているように、本発明による障害物回避機能を有する掃除ロボットは、掃除ロボットの基本構成の他に、進行中障害物感知による感知信号を出力するのだが、お互い異なるセンシング領域を有する異種の感知センサーが一対で構成された多数の感知センサー部１６０と、掃除ロボットを走行させる左輪及び右輪モーター１３１，１３２を含む駆動部１３０と、掃除ロボットの運営プログラムが貯蔵され、多数の回避命令が貯蔵されるメモリー１８０と、掃除ロボットの装置全般を制御しながら、駆動部１３０の駆動を制御する走行制御部１５１を含むマイクロプロセッサー１５０とを含んで構成される。

掃除ロボットの基本構成を見ると、掃除区域内のほこりまたは異物質を感知するほこり感知センサーを含み、まず感知センサーによって感知されたほこりまたは異物質を吸入する吸入手段１１０と、吸入手段１１０によって集塵されたほこり及び異物質を収納するほこり収納手段１２０と、印加される制御信号によって掃除ロボットを走行させる左輪及び右輪モーター１３１，１３２を含む駆動部１３０と、吸入装置及び駆動部１３０の駆動電源を供給するバッテリー１４０と、掃除ロボットの装置全般を制御するマイクロプロセッサー１５０とを含んで構成される。このような掃除ロボットの基本構成は既に周知の構成なので、その詳細な説明は省略する。

感知センサー部１６０は、お互い異なるセンシング領域を有する異種の感知センサー、つまり赤外線を利用して走行方向上の障害物を感知する赤外線センサー１６１と、超音波を発散して走行方向上の障害物を感知する超音波センサー１６２とが一対で構成され、各々の感知センサーは、障害物感知によって感知信号を出力する。感知センサー部１６０の説明は、図２と図３を参照してより詳細に説明することにする。

図２は、図１に図示された感知センサー部を具備する掃除ロボットの正面を概略的に示した概要図で、図３は、図２に図示された感知センサー部の障害物感知領域を概略的に示した概要図である。図示されているように、本発明の好ましい実施例による感知センサー部１６０は、掃除ロボットの前面に所定間隔で多数個設置され、かつ各々の感知センサー部１６０は、赤外線を利用して走行方向上の障害物を感知する赤外線センサー１６１と、超音波を発散して走行方向上の障害物を感知する超音波センサー１６２とが対を成して構成される。

赤外線センサー１６１は、赤外線を照射する発光部と、障害物によって反射されて戻ってくる赤外線を受信する受光部とで構成されるのだが、直進性を有する光を使用するので、そのセンシング範囲は狭いが、障害物の正確な位置を感知することができる。このような赤外線センサー１６１は、公知の技術的構成である。

参考的に説明すると、各々の物体は、赤外線に対する固有の反射率を有している。従って、障害物の吸収及び乱反射によって最初に照射された赤外線より少ない光量の赤外線が反射されるのだが、赤外線センサー１６１は、これを介して障害物の存在可否を感知し、発光部の赤外線照射後、障害物によって反射されて受光部を介して入力される時間を測定して障害物との距離を算出する。

超音波センサー１６２は、超音波を発散する超音波発散部と、障害物によって反射されて戻ってくる反射波を受信する超音波受信部とで構成されるのだが、音波を利用するので、センシング範囲は広いが、障害物の正確な位置を感知することはできない。このような超音波センサー１６２は、障害物によって反射されて受信される信号を介して障害物の存在可否を感知し、超音波の発散時間と受信時間とを介して障害物と掃除ロボット間の距離を算出する。

赤外線センサー１６１は、前記されているように赤外線、つまり光を利用して障害物を測定するため、そのセンシング領域が超音波センサー１６２に比べ狭いという短所がある。また、超音波センサー１６２は、音波を利用するため、赤外線センサー１６１よりやや広いセンシング領域を有しているが、外部ノイズからの干渉が大きいため、赤外線センサー１６１に比べ正確な障害物感知が難しいという短所がある。

従って、本発明による掃除ロボットは、お互い異なるセンシング範囲を有する赤外線及び超音波センサー１６１，１６２の出力を組み合わせて障害物を感知することによって、従来の掃除ロボットより優れた障害物感知が可能だという長所を有する。

感知センサー部１６０から出力され、マイクロプロセッサー１５０に伝送される感知信号は、電圧レベルであり得る。従って、感知信号をデジタル素子であるマイクロプロセッサー１５０に適合なデジタル信号に変換する過程が必要である。

アナログ／デジタル変換器１７０は、感知センサー部１６０から出力される感知信号である電圧信号を、デジタル素子であるマイクロプロセッサー１５０に適合したデジタル信号に変換する。この時変換されるデジタル信号は、感知センサー部１６０から出力される感知信号によってお互い異なる値を有するデジタル信号に変換される。

メモリー１８０には読み書きが可能な、例えばＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリーのような非揮発性メモリーが使用され、掃除ロボットの駆動のための運営プログラム及びそれによるデーターが貯蔵される。メモリー１８０に貯蔵されたデータは、マイクロプロセッサー１５０によってアクセス制御される。本発明の特徴的な様状によって、前記メモリー１８０には感知センサー部１６０の異種感知センサー、つまり赤外線センサー１６１と超音波センサー１６２から出力される感知信号の組合せに対応する多数の回避命令が貯蔵される。

例えば、赤外線センサー１６１と超音波センサー１６２から出力される感知信号の組合せ、つまり赤外線センサー１６１と超音波センサー１６２全て感知信号を出力しない場合、赤外線センサー１６１だけ感知信号を出力する場合、これと反対に超音波センサー１６２だけ感知信号を出力する場合、最後に両センサー全て感知信号を出力する場合とに分けられる。

多数の回避命令は、例えば赤外線センサー１６１と超音波センサー１６２全て感知信号を出力しない場合は、継続して直進しろという命令、赤外線センサー１６１だけ感知信号を出力する場合は、速度を落として走行方向を左または右に変更しろという命令であり得る。

また、超音波センサー１６２だけ感知信号を出力する場合は、速度を落として継続して直進しろという命令、赤外線センサー１６１と超音波センサー１６２全て感知信号を出力する場合は、停止後方向を転換しろという命令であり得る。

このような回避命令は、これに限定されるものではなく、開発者によって多様に具現されることができるということを予め明かしておく。

マイクロプロセッサー１５０は、掃除ロボットの掃除全般を制御し、印加される制御信号によって駆動部１３０の駆動を制御する走行制御部１５１と、感知センサー部１６０から出力される感知信号の組合せに対応する回避命令をメモリー１８０でアクセスし、アクセスされた回避命令によって掃除ロボットが走行されるように前記走行制御部１５１に制御信号を出力する障害物回避処理部１５２とを含む。

前記走行制御部１５１は、掃除ロボットの運営プログラムによって掃除ロボットを走行させる駆動部１３０を制御する。

障害物回避処理部１５２は、感知センサー部１６０から入力される感知信号を受信して、障害物の存在可否を認識し、感知信号の組合せによって対応する回避命令をメモリー１８０でアクセスし、走行制御部１５１に出力する。

つまり、赤外線センサー１６１と超音波センサー１６２全て感知信号を出力しない場合、赤外線センサー１６１だけ感知信号を出力する場合、これと反対に、超音波センサー１６２だけ感知信号を出力する場合、最後に両センサー全て感知信号を出力する場合に対応する回避命令をメモリー１８０でアクセスして走行制御部１５１に出力する。

上述したように、赤外線センサー１６１と超音波センサー１６２全て感知信号を出力しない場合は、継続して直進しろという命令、赤外線センサー１６１だけ感知信号を出力する場合は、速度を落として走行方向を左または右に変更しろという命令であり得る。

また、超音波センサー１６２だけ感知信号を出力する場合は、速度を落として継続して直進しろという命令、赤外線センサー１６１と超音波センサー１６２全て感知信号を出力する場合は、停止後方向を転換しろという命令であり得る。

このような回避命令は、マイクロプロセッサー１５０の障害物回避処理部１５２によってメモリー１８０でアクセスされ、走行制御部１５１に出力される。走行制御部１５１は、回避命令によって駆動部１３０の左輪及び右輪モーター１３１，１３２の駆動を制御して障害物を回避し、掃除機能を継続して遂行するようにする。

従って、単一種類のセンサーで障害物を感知する時より信頼性の高い障害物認識は勿論、効果的な障害物回避が可能だという長所を有する。

図４は、本発明の好ましい一実施例による移動ロボットである掃除ロボットの障害物感知及び回避過程を概略的に示したフローチャートである。図示されているように、使用者が掃除ロボットの駆動命令を入力すると（Ｓ２０１）、運営プログラムは使用者の駆動命令によって走行制御部１５１に制御信号を出力して掃除ロボットを走行させ、これと同時に吸入手段１１０を駆動して掃除区域をランダムに走行しながら掃除機能を遂行するようにする（Ｓ２０３）。

また、運営プログラムは、掃除機の前面に具備された多数の感知センサー部１６０に駆動命令を出力し、掃除ロボットの走行上の障害物の有無を感知するようにする（Ｓ２０５）。

感知センサー部１６０は、赤外線センサー１６１と超音波センサー１６２とが一対を成すように構成され、赤外線センサー１６１と超音波センサー１６２は、各々赤外線と超音波を発散して障害物の有無を感知する。

赤外線センサー１６１及び／または超音波センサー１６２によって障害物が感知されると、該当赤外線及び／または超音波センサー１６２は、電圧のようなアナログ信号である障害物感知信号をアナログ／デジタル変換器１７０に出力する。アナログ／デジタル変換器１７０は、入力される感知信号をデジタル信号に変換してマイクロプロセッサー１５０の障害物回避処理部１５２に出力する。この時、障害物回避処理部１５２に出力されるデジタル信号は、例えば二進データーであり得る。例えば、赤外線センサー１６１から感知信号が出力され、超音波センサー１６２からは感知信号が出力されなかった場合、アナログ／デジタル変換器１７０は、‘１０’というデジタル信号を出力する。

障害物回避処理部１５２は、アナログ／デジタル変換器１７０から受信されるデジタル信号によって、メモリー１８０に貯蔵された該当赤外線センサー１６１と超音波センサー１６２から出力される感知信号の組合せによる回避命令をアクセスする。

メモリー１８０に貯蔵された回避命令は、赤外線センサー１６１と超音波センサー１６２全て感知信号を出力しない場合、継続して直進しろという走行命令と、赤外線センサー１６１だけ感知信号を出力する場合、速度を落として走行方向を左または右に変更しろという回避命令１と、超音波センサー１６２だけ感知信号を出力する場合、速度を落として継続して直進しろという回避命令２と、赤外線センサー１６１と超音波センサー１６２全て感知信号を出力する場合、停止後方向を転換しろという回避命令３であり得る。

つまり、障害物回避処理部１５２は、アナログ／デジタル変換器１７０から‘１０’というデジタル信号が伝送されたら（Ｓ２０７）、メモリー１８０で速度を落として走行方向を左または右に変更しろという回避命令１をアクセスして走行制御部１５１に伝送する。

走行制御部１５１は、障害物回避処理部１５２から受信された回避命令１によって掃除ロボットを走行させるために駆動部１３０に制御信号を出力する。

駆動部１３０は、走行制御部１５１から出力される制御信号によって左輪または右輪モーター１３１，１３２の駆動を制御して、掃除ロボットの速度を落として走行方向を左または右に変更し、感知された障害物を回避する（Ｓ２０９）。

また、超音波センサー１６２だけ感知信号を出力する場合（Ｓ２１１）、アナログ／デジタル変換器１７０は、‘０１’というデジタル信号を出力する。障害物回避処理部１５２は、アナログ／デジタル変換器１７０から伝送された‘０１’というデジタル信号によって、速度を落として継続して直進しろという回避命令２をメモリー１８０でアクセスして走行制御部１５１に伝送する。

走行制御部１５１は、障害物回避処理部１５２から受信された回避命令２によって掃除ロボットを走行させるために駆動部１３０に制御信号を出力する。駆動部１３０は、走行制御部１５１から出力される制御信号によって左輪または右輪モーター１３１，１３２の駆動を制御して、掃除ロボットの速度を落としながら直進するようにする（Ｓ２１３）。

該当命令によって、直進中超音波センサー１６２だけでなく、赤外線センサー１６１も感知信号を出力すると（Ｓ２１５）、アナログ／デジタル変換器１７０は、‘１１’というデジタル信号を出力する。障害物回避処理部１５２は、アナログ／デジタル変換器１７０から伝送された‘１１’というデジタル信号によって、停止後方向を転換しろという回避命令３をメモリー１８０でアクセスして走行制御部１５１に伝送する。走行制御部１５１は、障害物回避処理部１５２から受信された回避命令３によって掃除ロボットを走行させるために駆動部１３０に制御信号を出力する。

駆動部１３０は、走行制御部１５１から出力される制御信号によって左輪または右輪モーター１３１，１３２の駆動部を制御して、掃除ロボットを停止させた後、左または右に方向を転換して走行するようにすることによって、感知された障害物を回避する（Ｓ２１７）。掃除ロボットは、使用者から終了命令が入力される時まで上述した過程を繰り返す（Ｓ２１９）。

以上、本発明は好ましい実施例を参照して説明されたが、これに限定されるものではなく、本発明の範疇を脱することなく、当業者なら自明に導出可能なたくさんの変形例を包括するように意図された添付の特許請求の範囲によって解釈されるべきである。

本発明の好ましい一実施例による障害物回避機能を有する移動ロボットの一例である掃除ロボットを概略的に示したブロック図である。 図１に図示された感知センサー部を具備した掃除ロボットの正面を概略的に示した概要図である。 図２に図示された感知センサー部の障害物感知領域を概略的に示した概要図である。 本発明の好ましい一実施例による移動ロボットの一例である掃除ロボットの障害物感知及び回避過程を概略的に示したフローチャートである。

Claims (11)

1. 障害物を感知し、互いに異なるセンシング領域を有する多数の異種の感知センサーから成る感知センサー部を含むことを特徴とする移動ロボット。
2. 前記感知センサー部は、赤外線センサーと超音波センサーとで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の移動ロボット。
3. 前記感知センサー部の異種の感知センサーから各々出力される感知信号の組合に対応する回避命令によって障害物を回避するように制御信号を出力するマイクロプロセッサーを更に含むことを特徴とする請求項１または２に記載の移動ロボット。
4. 前記回避命令は、前記赤外線センサーと超音波センサーが全て感知信号を出力しない場合と、出力する場合、及び赤外線センサー及び超音波センサーのうち一つだけ感知信号を出力する場合とに分けられることを特徴とする請求項３に記載の移動ロボット。
5. 前記回避命令は、前記赤外線センサーと超音波センサーが全て感知信号を出力しない場合は、継続して直進せよという走行命令と、赤外線センサーだけ感知信号を出力する場合は、速度を落として走行を左または右に変更せよという回避命令１と、超音波センサーだけ感知信号を出力する場合は、速度を落として継続して直進せよという回避命令２と、赤外線センサーと超音波センサー全て感知信号を出力する場合は、停止後方向を転換せよという回避命令３とを含むことを特徴とする請求項４に記載の移動ロボット。
6. 前記回避命令が貯蔵されるメモリーを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の移動ロボット。
7. 前記マイクロプロセッサーは、異種の感知センサーから出力される感知信号の組合せに対応する回避命令を、前記メモリーにアクセスし、アクセスされた回避命令によって障害物を回避するように制御信号を出力する障害物回避処理部を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の移動ロボット。
8. 前記障害物回避処理部は、障害物を回避するように走行制御部に信号を伝送して駆動部を制御することを特徴とする請求項７に記載の移動ロボット。
9. （ａ）互いに異なるセンシング領域を有する異種の感知センサーから出力される感知信号を受信する段階と、
   （ｂ）前記感知センサーから出力される感知信号の組合せに対応する回避命令をメモリーからアクセスする段階と、
   （ｃ）アクセスされた回避命令によって駆動部を制御する段階と、を含むことを特徴とする移動ロボットの制御方法。
10. 前記異種感知センサーは、赤外線センサーと超音波センサーとで構成されていることを特徴とする請求項９に記載の移動ロボットの制御方法。
11. 前記回避命令は、前記赤外線センサーと超音波センサーが全て感知センサーを出力しない場合は、継続して直進せよという走行命令と、赤外線センサーだけ感知信号を出力する場合は、速度を落として走行を左または右に変更せよという回避命令１と、超音波センサーだけ感知信号を出力する場合は、速度を落として継続して直進せよという回避命令２と、赤外線センサーと超音波センサー全て感知信号を出力する場合は、停止後方向を転換せよという回避命令３とを含むことを特徴とする請求項９に記載の移動ロボットの制御方法。

Images