TWM568401U - Sweeping robot detection system - Google Patents

Abstract

一種掃地機器人之偵測系統，用以解決習知掃地機器人使用於複雜或大範圍之環境清潔時，工作效率不佳的問題。係包含：一測距單元，該測距單元位於該掃地機器人上，該測距單元產生一垂直距離值、一反應距離值及一內部圖形；一路徑修正模組，該路徑修正模組接收該垂直距離值並產生一修正信號；一障礙識別模組，該障礙識別模組接收該反應距離值並產生一避障信號；一地圖構建模組，該地圖構建模組接收該內部圖形並產生一清掃路徑；及一行動控制單元，接收該修正信號、該避障信號及該清掃路徑，並控制該掃地機器人動作。

Description

掃地機器人之偵測系統

本創作係關於一種偵測系統，尤其是一種用於複雜或大範圍之環境清潔工作的偵測工作環境及路徑規劃的掃地機器人之偵測系統。

一般機器人用於取代人類進行需要大量勞力或具有危險性之工作，其中，行動機器人係可以自動沿路徑運行，並同時完成交付的任務，例如：環境清潔、巡邏、探勘、搬運等需要反覆移動的工作，而定位及路徑規劃係行動機器人的核心技術，係可以使機器人自動規劃運行路線，能夠安全且高效率的完成工作。

習知的掃地機器人可以使用隨機覆蓋法移動，係以隨機路徑行進，遇到障礙則執行轉向，是一種以時間換取空間的方法，如此，必須耗費大量時間使清掃面積可以覆蓋完整空間，或是通過數個感測器偵測距離、阻力、速度、髒汙程度等工作資訊，再由程式處理運算決定移動模式，以降低路徑重複及遭遇障礙物的機率，及可以縮短工作時間。如此，掃地機器人採用隨機覆蓋法的清潔效率，取決於工作面積大小、運算程式的優劣及感測器的質量，將增加製造成本且無法保證工作效率。

另一種習知的掃地機器人移動方法係路徑規劃法，實際運行需要先建立環境地圖並進行定位導航，係可以使掃地機器人的移動軌跡盡量遍布整個環境空間，同時避免軌跡重複。惟，習知的掃地機器人用於大型公共空間，例如：超市、工廠、車站等地形複雜、範圍廣大且空間變化頻繁的環 境，將導致建立導航地圖之步驟必須耗費大量時間偵測環境，且需要經常性地更新資訊，同時也增加運算處理的困難度。

有鑑於此，習知的掃地機器人移動方法確實仍有加以改善之必要。

為解決上述問題，本創作的目的是提供一種掃地機器人之偵測系統，係可以規劃出高效率的清潔路徑。

本創作的次一目的是提供一種掃地機器人之偵測系統，係可以即時修正掃地機器人運行過程中的路徑偏差。

本創作的掃地機器人之偵測系統，係包含：一測距單元，該測距單元位於一掃地機器人，該測距單元產生一垂直距離值、一反應距離值及一內部圖形；一路徑修正模組，該路徑修正模組耦合連接該測距單元，該路徑修正模組接收該垂直距離值並產生一修正信號；一障礙識別模組，該障礙識別模組耦合連接該測距單元，該障礙識別模組接收該反應距離值並產生一避障信號；一地圖構建模組，該地圖構建模組耦合連接該測距單元，該地圖構建模組接收該內部圖形並產生一清掃路徑；及一行動控制單元，該行動控制單元分別耦合連接該路徑修正模組、該障礙識別模組及該地圖構建模組，該行動控制單元接收該修正信號、該避障信號及該清掃路徑，並控制該掃地機器人動作。

據此，本創作的掃地機器人之偵測系統，係藉由該地圖構建模組導引掃地機器人以該清掃路徑進行高效率之清掃工作，再通過該路徑修正模組控制掃地機器人維持在該清掃路徑上移動，還可以通過該障礙識別模組控制掃地機器人避開障礙物，並持續執行清潔工作。本創作的掃地機器人之 偵測系統係可以使用於地形複雜、範圍廣大且空間變化頻繁的環境，使掃地機器人能夠安全且高效率的完成工作。

其中，該測距單元係旋轉雷射測距儀。如此，通過雷射脈衝的多個雷射偵測點進行測量，係具有在極短時間內完成多筆長距離且廣角度量測的功效。

其中，該路徑修正模組通過該測距單元選擇一基準面，該垂直距離值係該掃地機器人與該基準面之間的距離。如此，係具有定位該掃地機器人位置的功效。

其中，該障礙識別模組通過該測距單元偵測該掃地機器人前進路線上的障礙物，該反應距離值係該掃地機器人與該障礙物之間的距離。如此，係具有定位該障礙物位置的功效。

其中，該障礙識別模組設定一避障範圍，該避障範圍以該測距單元為中心，具有一危險區域及一警示區域。如此，係具有避免該掃地機器人碰撞及迴避障礙物的功效。

其中，該內部圖形係由該地圖構建模組通過該測距單元掃描該掃地機器人周遭環境空間的掃描結果。如此，係具有描繪環境狀態及構建地圖的功效。

其中，該地圖構建模組將該內部圖形劃分為數個矩形區域及數個狹窄空間。如此，係可以劃分出該掃地機器人經過及不經過的區域，係具有提升清掃效率功效。

其中，該清掃路徑經過該數個矩形區域。如此，該掃地機器人係可以沿規律路線前進，係具有避免受困死角及提升清掃工作效率的功效。

其中，該地圖構建模組耦合連接該障礙識別模組，該地圖構建模組接收該避障信號並產生新的該清掃路徑。如此，該清掃路徑係可以繞過 障礙物以導引該掃地機器人繼續行進，使該掃地機器人可以用於頻繁變化的環境，係具有提升清掃工作流暢度及適用各種場所的功效。

1‧‧‧測距單元

2‧‧‧路徑修正模組

3‧‧‧障礙識別模組

4‧‧‧地圖構建模組

5‧‧‧行動控制單元

D1‧‧‧垂直距離值

D2‧‧‧反應距離值

D3‧‧‧內部圖形

S1‧‧‧修正信號

S2‧‧‧避障信號

S3‧‧‧清掃路徑

Dr‧‧‧危險區域

Do‧‧‧警示區域

R‧‧‧矩形區域

r‧‧‧狹窄空間

G _i,R ‧‧‧右間隔(i=1,2,3,...,n)

G _i,L ‧‧‧左間隔(i=1,2,3,...,n)

a ₀‧‧‧最短距離

w‧‧‧清潔寬度

x‧‧‧重複清潔區域寬度

d‧‧‧容許偏移量

〔第1圖〕本創作一較佳實施例的系統方塊圖。

〔第2圖〕本創作一較佳實施例的使用示意圖。

〔第3a圖〕本創作一較佳實施例的環境空間示意圖。

〔第3b圖〕如第3a圖所示的空間劃分示意圖。

〔第4圖〕本創作一較佳實施例的路徑修正示意圖。

為讓本創作之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本創作之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係本創作掃地機器人之偵測系統的一較佳實施例，係包含一測距單元1、一路徑修正模組2、一障礙識別模組3、一地圖構建模組4及一行動控制單元5，該測距單元1分別耦合連接該路徑修正模組2、該障礙識別模組3及該地圖構建模組4，該行動控制單元5分別耦合連接該路徑修正模組2、該障礙識別模組3及該地圖構建模組4。

該測距單元1位於一掃地機器人，係可以測量該掃地機器人與周圍空間之距離，該測距單元1可以是旋轉雷射測距儀，具有長偵測距離、廣角度掃描範圍及多個雷射偵測點，由於雷射脈衝係以超高速發射且以光速行進，因此，該測距單元1可以在極短時間內完成多筆距離量測。

該路徑修正模組2係可以通過該測距單元1在環境中選擇一基準面，該基準面較佳為固定且表面規則，如牆壁，使該掃地機器人在移動過 程中，該測距單元1可以即時測量該掃地機器人與該基準面之間的垂直距離值D1，該路徑修正模組2依據該垂直距離值D1的變化量，產生一修正信號S1，且該掃地機器人可以通過該路徑修正模組2，定位出該掃地機器人與該基準面的相對位置。

該障礙識別模組3係可以通過該測距單元1偵測該掃地機器人前進路線上的障礙物，並即時量測該掃地機器人與該障礙物之間的反應距離值D2，該障礙識別模組3還可以依據該掃地機器人的前進速度設定一避障範圍，該障礙識別模組3比較該反應距離值D2與該避障範圍，而產生一避障信號S2。又，如第2圖所示，該避障範圍以該掃地機器人的該測距單元1為半圓中心，還可以具有一危險區域Dr及一警示區域Do，當該反應距離值D2位於該危險區域Dr時，該障礙識別模組3判斷該掃地機器人有碰撞危險；當該反應距離值D2位於該警示區域Do時，該障礙識別模組3判斷該掃地機器人需進行轉向閃躲。

如第3a圖所示，該地圖構建模組4係可以通過該測距單元1掃描未知工作環境的內部圖形D3，如第3b圖所示，該地圖構建模組4係可以將該內部圖形D3簡化為數個矩形區域R之組合，該數個矩形區域R係不包含該內部圖形D3中的數個狹窄空間r，再由該地圖構建模組4依據該數個矩形區域R及該掃地機器人的覆蓋面積，產生一清掃路徑S3，該清掃路徑S3之寬度較佳略小於該掃地機器人的覆蓋面積寬度，以確保清掃區域盡可能涵蓋工作環境，由於該清掃路徑S3未經過各該狹窄空間r，係可以避免該掃地機器人受困於牆角及狹窄通道，而提高清掃效率。又，該地圖構建模組4還可以耦合連接該障礙識別模組3，使該地圖構建模組4依據該避障信號S2重新建立該清掃路徑S3。

該行動控制單元5係可以接收該修正信號S1、該避障信號S2 及該清掃路徑S3，該行動控制單元5依據該修正信號S1、該避障信號S2及該清掃路徑S3，控制該掃地機器人做前進、停止、轉向等動作。

請參照第1圖所示，據由前述掃地機器人之偵測系統，該掃地機器人執行清掃工作前，該行動控制單元5通過該路徑修正模組2，使該掃地機器人沿未知工作環境的周圍行進，並與周圍邊界保持一小段距離，再由該測距單元1掃描該未知工作環境的內部空間，當該掃地機器人繞行完整一圈後，該測距單元1係可以建立完整內部圖形D3，如此，該地圖構建模組4係可以產生該清掃路徑S3，供該行動控制單元5驅動該掃地機器人沿該清掃路徑S3前進並執行清掃工作。

該掃地機器人沿該清掃路徑S3前進的過程中，該路徑修正模組2通過該測距單元1持續測量該掃地機器人與該基準面之間的垂直距離值D1，當該掃地機器人的前進方向偏離該清掃路徑S3時，該垂直距離值D1發生一偏差值，而使該路徑修正模組2產生該修正信號S1，再由該行動控制單元5依據該修正信號S1控制該掃地機器人轉向，以抵消該垂直距離值D1之偏差值，使該掃地機器人持續沿該清掃路徑S3前進，且該垂直距離值D1保持穩定。

該掃地機器人沿該清掃路徑S3前進的過程中，該障礙識別模組3通過該測距單元1測量該掃地機器人與障礙物之間的反應距離值D2，當該障礙識別模組3判斷該反應距離值D2位於該危險區域Dr時，該障礙識別模組3產生該避障信號S2，以通知該行動控制單元5控制該掃地機器人停止前進；當該障礙識別模組3判斷該反應距離值D2位於該警示區域Do時，該障礙識別模組3產生該避障信號S2，以通知該行動控制單元5控制該掃地機器人轉向繞過該障礙物。同時，該地圖構建模組4依據該避障信號S2，在原本的內部圖形D3中加入障礙物資訊，係可以重新劃分該數個矩形區域R並 安排新的該清掃路徑S3，使該掃地機器人繞過該障礙物後，能夠沿新的該清掃路徑S3進行清掃工作。

請參照第4圖所示，該掃地機器人在往復移動過程中，該掃地機器人之右側與該基準面之間的距離係一右間隔G _i,R ，該掃地機器人之左側與該基準面之間的距離係一左間隔G _i,L ，其中，i=1,2,3,...,n為該掃地機器人之往復次數，該路徑修正模組2係通過數個該右間隔G _i,R 及該左間隔G _i,L 之判斷式，判別該掃地機器人是否超出清掃路徑，該數個判斷式如下：G _i,R =a ₀+(i-1)(w-x)-d，及G _i,L =a ₀+iw-(i-1)x+d，i odd path G _i,R =a ₀+iw-(i-1)x+d，及G _i,L =a ₀+(i-1)(w-x)-d，i even path其中，a ₀為該掃地機器人與該基準面之間的最短距離，w為該掃地機器人之清潔寬度，x為重複清潔區域寬度，d為容許偏移量。

綜上所述，本創作的掃地機器人之偵測系統，係藉由該地圖構建模組導引掃地機器人以該清掃路徑進行高效率之清掃工作，再通過該路徑修正模組控制掃地機器人維持在該清掃路徑上移動，還可以通過該障礙識別模組控制掃地機器人避開障礙物，並持續執行清潔工作。本創作的掃地機器人之偵測系統係可以使用於地形複雜、範圍廣大且空間變化頻繁的環境，使掃地機器人能夠安全且高效率的完成工作。

雖然本創作已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本創作，任何熟習此技藝者在不脫離本創作之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本創作所保護之技術範疇，因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (9)

1. 一種掃地機器人之偵測系統，係包含：一測距單元，該測距單元位於一掃地機器人，該測距單元產生一垂直距離值、一反應距離值及一內部圖形；一路徑修正模組，該路徑修正模組耦合連接該測距單元，該路徑修正模組接收該垂直距離值並產生一修正信號；一障礙識別模組，該障礙識別模組耦合連接該測距單元，該障礙識別模組接收該反應距離值並產生一避障信號；一地圖構建模組，該地圖構建模組耦合連接該測距單元，該地圖構建模組接收該內部圖形並產生一清掃路徑；及一行動控制單元，該行動控制單元分別耦合連接該路徑修正模組、該障礙識別模組及該地圖構建模組，該行動控制單元接收該修正信號、該避障信號及該清掃路徑，並控制該掃地機器人動作。
2. 如申請專利範圍第1項所述之掃地機器人之偵測系統，其中，該測距單元係旋轉雷射測距儀。
3. 如申請專利範圍第1項所述之掃地機器人之偵測系統，其中，該路徑修正模組通過該測距單元選擇一基準面，該垂直距離值係該掃地機器人與該基準面之間的距離。
4. 如申請專利範圍第1項所述之掃地機器人之偵測系統，其中，該障礙識別模組通過該測距單元偵測該掃地機器人前進路線上的障礙物，該反應距離值係該掃地機器人與該障礙物之間的距離。
5. 如申請專利範圍第1項所述之掃地機器人之偵測系統，其中，該障礙識別模組設定一避障範圍，該避障範圍以該測距單元為中心，具有一危險區域及一警示區域。
6. 如申請專利範圍第1項所述之掃地機器人之偵測系統，其中，該內部圖形係由該地圖構建模組通過該測距單元掃描該掃地機器人周遭環境空間的掃描結果。
7. 如申請專利範圍第1項所述之掃地機器人之偵測系統，其中，該地圖構建模組將該內部圖形劃分為數個矩形區域及數個狹窄空間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之掃地機器人之偵測系統，其中，該清掃路徑經過該數個矩形區域。
9. 如申請專利範圍第1項所述之掃地機器人之偵測系統，其中，該地圖構建模組耦合連接該障礙識別模組，該地圖構建模組接收該避障信號並產生新的該清掃路徑。