How to detect the position of the mobile robot and its equipment

本発明は移動ロボット(mobile robot)に係るもので、詳しくは、移動ロボットの位置を検出する方法及びその装置に関するものである。

一般に、移動ロボットとしてのロボット清掃機は、使用者の操作なしに、部屋(例えば、居間、奥の部屋など)の壁面に沿って自走しながら底面上の埃及び異質物を吸入することで、清掃しようとする区域を自動に清掃する。

且つ、前記ロボット清掃機は、距離センサ(distance sensor)により清掃区域内に配置されている家具、事務用品又は壁などの障害物までの距離を検出し、該検出された距離に応じて自分の両輪中、左側輪を駆動するためのモータと、右側輪を駆動するためのモータとを選択的に駆動させることで、自ら方向を転換しながら清掃区域を清掃する。 このとき、前記ロボット清掃機は、内部の格納装置に格納されているマップ情報(Map Information)に基づいて清掃領域を走行しながら清掃作業を行う。

以下、前記マップ情報を生成するためのマッピング(Mapping)動作に対し説明する。

まず、前記ロボット清掃機は、作業空間の側面(例えば、居間の壁面)に沿って移動しながら自分と充電部との距離及び方向を演算し、それら演算された距離値及び方向値に基づいて自分の位置を判断することで作業空間をスキャンするが、このとき、自分の現在位置を自分の輪に設置されたエンコーダ(Encoder)を利用して検出する。

また、前記ロボット清掃機は、自分と前記充電部との間に障害物が存在するかを判断し、障害物がないと前記充電部と送信/受信して作業空間をスキャンし、障害物があると他の作業空間を先にスキャンし、障害物がなくなると前記充電部と送信/受信しながら障害物がなくなった作業空間をスキャンする。

然し、前記エンコーダを利用してロボット清掃機の位置を検出する方法においては、ロボット清掃機の現在位置を輪に設置されたエンコーダを利用して探索するため、輪の滑りや空回転により誤差が発生するという欠点があった。

一方、他の従来のロボット清掃機の位置を検出する方法においては、作業領域(例えば、居間の壁面)に所定間隔で同形状のステッカー又は反射板が付着され、前記ロボット清掃機はCCDカメラを利用して前記ステッカー又は前記反射板を認識することで輪の滑りや空回転により発生された誤差を補正して、自分と充電部間の距離を認識する。

米国特許第５,４４０,２１６号

米国特許第５,６４６,４９４号

然るに、このような従来のステッカー又は反射板を利用したロボット清掃機の位置を検出する方法においては、清掃作業領域の照明の明るさが変わったり、前記ステッカー又は前記反射板と類似した形状の事物が認識されると、かえって距離の誤差を累積させるという不都合な点があった。

また、従来の他のロボット清掃機に関する技術が、特許文献１及び特許文献２に記載されている。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、揺動角度によって互いに異なる固有の周波数値を有する赤外線信号を発生し、該発生された赤外線信号を受信して角度を判断し、超音波信号が発振された時間から受信された時間までの所要時間に基づいて距離を演算することで、移動ロボットの位置を正確且つ精密に検出する方法及びその装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明に係る移動ロボットの位置を検出する方法においては、揺動する赤外線発生部の揺動角度によって該赤外線発生部から発生する赤外線信号を移動ロボットで受信する段階と、該受信された赤外線信号の固有の周波数値及び予め格納された複数の周波数値に基づいて、前記移動ロボットと前記赤外線発生部との角度を判断する段階と、前記赤外線発生部が予め決定された角度に到達されたとき、超音波発振部から発振される超音波信号を受信する段階と、該超音波信号が発振された時間から前記移動ロボットに受信されるまでの所要時間に音速を乗ずることで、前記移動ロボットと前記超音波発振部間の距離を演算する段階と、前記判断された角度及び前記演算された距離に基づいて、前記移動ロボットの位置を検出する段階と、を順次行うことを特徴とする。

また、本発明に係る移動ロボットの位置を検出する装置においては、移動ロボットのバッテリーを充電する充電部に設置され、一定の速度で予め決定された角度領域を揺動し、該揺動角度が変更される度毎に赤外線信号を発生する赤外線発生部と、前記充電部に設置され、前記赤外線発生部が揺動して予め決定された角度に到達すると、超音波信号を発振する超音波発振部と、前記赤外線発生部から放射される赤外線信号の周波数値及び予め格納された複数の基準周波数値に基づいて、前記移動ロボットと前記充電部に設置された赤外線発生部との角度を判断し、前記超音波発振部から発振される超音波信号に音速を乗ずることで、前記移動ロボットと前記充電部に設置された超音波発振部間の距離を演算する位置検出部と、を包含して構成されることを特徴とする。

また、本発明に係る充電部は、移動ロボットのバッテリーを充電する充電部であって、一定の速度で予め決定された角度領域を揺動し、該揺動角度が変更される度毎に互いに異なる高周波信号値を有する赤外線信号を発生する赤外線発生部と、該赤外線発生部が揺動して予め決定された角度に到達すると、超音波信号を発振する超音波発振部と、を更に包含して構成されることを特徴とする。

また、本発明に係る移動ロボットは、予め格納されたマップ情報に基づいて移動するロボットであって、揺動する赤外線発生部の揺動角度によって該赤外線発生部から発生する赤外線信号の固有の周波数値と予め格納された複数の周波数値とを比較し、該比較結果から前記固有の周波数値と一致する周波数値を検索し、該検索された周波数値に対応する角度を検出することで、前記移動ロボットと前記赤外線発生部との角度を判断する角度判断部と、前記赤外線信号が前記赤外線発生部から放射された時間から前記移動ロボットに受信されるまでの所要時間と前記超音波信号が前記超音波発振部から発振された時間から前記移動ロボットに受信されるまでの所要時間との差値に音速を乗ずることで、前記移動ロボットと前記充電部間の距離を演算する距離演算部と、を更に包含して構成されることを特徴とする。

また、本発明に係る移動ロボットの位置を検出する装置は、揺動する赤外線発生部の揺動角度によって該赤外線発生部から発生する赤外線信号を受信する手段と、前記受信された赤外線信号の固有の周波数値及び予め格納された複数の周波数値に基づいて、前記移動ロボットと前記赤外線発生部との角度を判断する手段と、前記赤外線発生部が予め決定された角度に到達されたとき、超音波発振部から発振される超音波信号を受信する手段と、前記超音波信号が発振された時間から前記移動ロボットに受信されるまでの所要時間に音速を乗ずることで、前記移動ロボットと前記超音波発振部間の距離を演算する手段と、前記判断された角度及び前記演算された距離に基づいて、前記移動ロボットの位置を検出する手段と、を包含して構成されることを特徴とする。

以上説明したように、本発明に係る移動ロボットの位置を検出する方法及びその装置においては、互いに異なる周波数値を有する赤外線信号を各角度毎に発生し、それら発生された赤外線信号の周波数値に基づいて、前記移動ロボットと赤外線信号を発生する前記赤外線発生部との角度を判断し、超音波信号が発振された時間から受信された時間までの所要時間に音速を乗じて、前記移動ロボットと超音波信号を発振する前記超音波発振部間の距離を演算することで、前記移動ロボットの位置を正確且つ精密に検出し得るという効果がある。

例えば、本発明に係る位置を検出する装置がロボット清掃機に設置されると、前記ロボット清掃機は、正確に計算された自分の位置及び予め格納されたマップ情報に基づいて正確且つ精密に清掃作業を行うことができるし、前記充電部に正確に移動することができる。

以下、本発明の実施の形態に対し、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る移動ロボットの位置を検出する装置の構成を示した概略ブロック図で、本発明に係る移動ロボットの位置を検出する装置は、ロボット清掃機又は移動玩具に設置される。 即ち、本発明は、自走可能なロボット、玩具などの位置を正確且つ精密に検出し得る装置及びその方法に関するものである。

図１に示したように、本発明に係る移動ロボットの位置を検出する装置においては、前記移動ロボット２００のバッテリー(図示せず)を充電する充電部１００に設置され、一定の速度で予め決定された角度領域(例えば、１８０°又は３６０°)を揺動し、該揺動角度が変更される度毎に(例えば、１°)固有の周波数を有する赤外線信号を発生する赤外線発生部１０１と、前記充電部１００に設置され、前記赤外線発生部１０１が揺動して予め決定された角度(例えば、９０°)に到達すると、超音波信号を発振する超音波発振部１０２と、前記赤外線発生部１０１から放射される赤外線信号に基づいて、前記移動ロボット２００と前記充電部１００に設置された赤外線発生部１０１との角度を判断し、前記超音波発振部１０２から発振される超音波信号に基づいて、前記移動ロボット２００と前記充電部１００に設置された超音波発振部１０２間の距離を演算する位置検出部２１０と、を包含して構成されている。 ここで、前記移動ロボット２００と前記充電部１００間の距離及び角度は、前記移動ロボット２００の位置を示す。 前記赤外線発生部１０１及び前記超音波発振部１０２は、前記充電部１００だけでなく多様な保持体に設置することもできる。

以下、前記位置検出部２１０の詳細な構成を図２に基づいて説明する。

図２は、図１の位置検出部の構成を示した詳細ブロック図で、図示されたように、前記位置検出部２１０は、予め決定された角度(例えば、１°)毎に前記充電部１００の赤外線発生部１０１から放射される赤外線信号の固有の周波数値(互いに異なる周波数値)を予め格納する格納部２１１と、前記赤外線発生部１０１から放射される赤外線信号の固有の周波数値と前記予め格納された複数の周波数値とを比較し、該比較結果から前記固有の周波数値と一致する周波数値を検索し、該検索された周波数値に対応する角度を検出することで、前記移動ロボット２００と前記充電部１００との角度を判断する角度判断部２１２と、前記赤外線信号が前記赤外線発生部１０１から放射された時間から前記移動ロボット２００に受信されるまでの所要時間と前記超音波信号が前記超音波発振部１０２から発振された時間から前記移動ロボット２００に受信されるまでの所要時間との差値に音速を乗ずることで、前記移動ロボット２００と前記充電部１００間の距離を演算する距離演算部２１３と、を包含して構成されている。

以下、このように構成された本発明に係る移動ロボットの位置を検出する装置の動作に対し、図３に基づいて詳細に説明する。

図３は、本発明に係る移動ロボットの位置を検出する方法を示したフローチャートで、図示されたように、まず、前記充電部１００に設置された前記赤外線発生部１０１は、一定の速度で予め決定された角度領域を反復的に揺動し(Ｓ１１)、１°揺動する度毎に固有の周波数を有する赤外線信号を放射する。 ここで、前記赤外線発生部１０１は、一定の速度で１８０°又は３６０°の角度領域を揺動することが好ましい。 また、前記固有の周波数を有する赤外線信号は、前記赤外線発生部１０１が１°揺動する度毎に放射されることが好ましく、該赤外線発生部１０１は１°毎に固有の周波数を有する赤外線信号を放射するため、前記赤外線発生部１０１が１８０°揺動するとき、１８０個の固有の周波数値を発生するようになる(Ｓ１２)。

次いで、前記移動ロボット２００に設置された角度判断部２１２は、前記赤外線発生部１０１から発生する赤外線信号が受信されると、該受信された赤外線信号の固有の周波数値と前記格納部２１１に予め格納された各基準周波数値とを比較して、前記移動ロボット２００と前記充電部１００との角度を判断する。 例えば、前記赤外線発生部１０１が１°揺動するとき５０[kHz]の周波数値を有する赤外線信号を発生し、１０°揺動するとき１００[kHz]の周波数値を有する赤外線信号を発生し、４０°揺動するとき３００[kHz]の周波数値を有する赤外線信号を発生し、４２°揺動するとき３２０[kHz]の周波数値を有する赤外線信号を発生し、７０°揺動するとき５００[kHz]の周波数値を有する赤外線信号を発生し、１２０°揺動するとき７００[kHz]の周波数値を有する赤外線信号を発生すると仮定したとき、前記各角度毎に異なるように発生される周波数値は前記格納部２１１に予め格納される。 従って、前記角度判断部２１２は、前記赤外線発生部１０１から受信された赤外線信号の固有の周波数値が３２０[kHz]であるとき該周波数値(３２０[kHz])と一致する周波数値を前記格納部２１１に予め格納された複数の基準周波数値から検索し、該検索された周波数値(３２０[kHz])に対応する角度(４２°)を検出することで、前記移動ロボットと前記充電部との角度を容易に認識することができる。 ここで、前記充電部１００が居間の壁面に固定されて付着されている場合は、該充電部１００の所定部分に設置されて揺動する前記赤外線発生部１０１の正面方向を９０°に設定することが好ましい(Ｓ１３)。

その後、前記超音波発振部１０２は、前記赤外線発生部１０１が揺動して予め決定された角度に到達する度毎に超音波信号を発振する。 即ち、前記超音波発振部１０２は、前記赤外線発生部１０１が揺動して予め決定された角度に到達すると、超音波信号を発振するように予め設定される。 ここで、前記超音波発振部１０２は、前記赤外線発生部１０１が揺動して９０°に到達する度毎に前記超音波信号を発振することが好ましい。

次いで、前記移動ロボット２００の距離演算部２１３は、前記超音波発振部１０２から発振された超音波信号を受信し、該超音波信号が発振して受信されるまでの所要時間を測定し、該測定された時間に音速を乗ずることで、前記移動ロボット２００と前記超音波発振部１０２間の距離を演算する。

例えば、前記赤外線発生部１０１が１rpm(６０秒当たり３６０°揺動)で揺動し、赤外線信号が前記角度判断部２１２に受信されたときの前記移動ロボット２００と前記赤外線発生部１０１との角度が４２°で、超音波信号は前記赤外線発生部１０１が揺動して９０°に到達したとき発振され、前記赤外線信号が前記角度判断部２１２に受信された時間を基準に、前記超音波信号が前記距離演算部２１３に受信された時間を測定したとき、該測定された時間Ｔ１が８.１秒と仮定する(ここで、前記赤外線発生部１０１は、１秒当たり６°揺動する)。 このとき、前記赤外線信号が前記角度判断部２１２に受信された時間を基準に、前記赤外線発生部１０１が予め決定された角度の９０°まで揺動するのに所要した時間Ｔ２は８秒((９０°-４２°=４８°)/６°=８秒)であるため、実際に超音波信号が発振された時間から前記距離演算部２１３に受信されるまでの所要時間は０.１秒となる(Ｓ１４)。

従って、前記超音波信号が発振された時間から受信された時間までの所要時間(０.１秒)に音速(３４０[m/秒])を乗ずることで、前記移動ロボット２００と前記超音波発振部１０２間の距離を求めることができる(３４０[m/秒]×０.１[秒]=３４[m])。 即ち、前記距離演算部２１３は、下記式１により前記移動ロボット２００と前記超音波発振部１０２間の実際距離Ｓを演算する(Ｓ１５)。

Ｓ=３４０[m/秒]×(Ｔ１-Ｔ２) ----------------- 式１
式中、前記Ｔ１は、前記赤外線信号が前記移動ロボット２００の角度判断部２１２に受信された時間を基準に、前記超音波信号が前記移動ロボット２００の距離演算部２１３に受信された時間を示し、前記Ｔ２は、前記赤外線信号が前記移動ロボット２００の角度判断部２１２に受信された時間を基準に、前記赤外線発生部１０１が予め決定された角度の９０°まで揺動するのに所要した時間を示したものである。

従って、前記移動ロボット２００に設置された位置検出部２１０は、前記赤外線発生部１０１から発生する赤外線信号が受信されたとき、該受信された赤外線信号の固有の周波数値と前記格納部２１１に予め格納された各基準周波数値とを比較して前記移動ロボット２００と前記充電部１００との角度を判断し、前記超音波信号が発振して受信されるまでの所要時間に音速を乗ずることで、前記移動ロボット２００と前記超音波発振部１０２間の距離を演算し、前記判断された角度値及び前記演算された距離値に基づいて、前記移動ロボット２００の現在の位置を正確且つ精密に検出することができる(Ｓ１６)。 例えば、前記移動ロボット２００は、現在、前記充電部１００とは４２°方向に３４m離れた距離に位置する。

ここで、前記超音波発振部１０２は前記充電部１００に設置されるため、前記移動ロボット２００と前記超音波発振部１０２間の距離と前記移動ロボット２００と前記充電部１００間の距離とは類似する。

本発明に係る移動ロボットの位置を検出する装置の構成を示した概略ブロック図である。

図１の位置検出部の構成を示した詳細ブロック図である。

本発明に係る移動ロボットの位置を検出する方法を示したフローチャートである。

符号の説明

１００…充電部１０１…赤外線発生部１０２…超音波発振部２００…移動ロボット２１１…格納部２１２…角度判断部２１３…距離演算部