ES2712859T3

ES2712859T3 - Cobertura multimodal para un robot autónomo

Info

Publication number: ES2712859T3
Application number: ES15190103T
Authority: ES
Inventors: Joseph Jones; Philip R Mass
Original assignee: iRobot Corp
Current assignee: iRobot Corp
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: CA2416621C; JP6429728B2; JP2012064240A; WO2002101477A3; ES2660836T3; JP6373000B2; JP2016076256A; US7173391B2; JP2014186742A; ES2600352T3; JP2013223734A; JP2015172967A; EP2345945B1; EP2386924B1; EP2287697A2; EP2287695A3; ES2366689T3; EP2330473A3; EP2287696B1; JP2009099137A

Abstract

Un robot móvil (10), que comprende: medios (20, 21) de desplazamiento del robot sobre una superficie; un sensor de detección de obstáculos (12, 13, 16); y un sistema de control (22) conectado operativamente a dicho sensor de detección de obstáculos y a dichos medios de desplazamiento; en el que dicho sistema de control tiene un modo de seguimiento de obstáculos, mediante el cual dicho robot se desplaza junto a un obstáculo detectado, y un modo de cobertura de habitación; dicho sistema de control está configurado para hacer funcionar el robot en uno o varios comportamientos que incluyen un comportamiento de cobertura en el que el sistema de control alterna cíclicamente entre dicho modo de seguimiento de obstáculos y dicho modo de cobertura de habitación; caracterizado por que: dicho sensor de detección de obstáculos es capaz de determinar un ángulo de contacto del robot con relación a un obstáculo; dicho sistema de control está adaptado para conmutar a dicho modo de cobertura de habitación con el fin de llevar a cabo un comportamiento de rebote, en el que el robot se aleja del obstáculo para desplazarse en un rumbo elegido en relación con el obstáculo.

Description

DESCRIPCION

Cobertura multimodal para un robot autonomo

Sector tecnico de la invencion

Esta invencion se refiere, en general, a vehiculos autonomos o robots, y mas especificamente a procedimientos y a dispositivos roboticos para cubrir un area especifica, tal como pueden requerir los robots limpiadores o maquinas cortacesped, o para ser utilizados como tales.

Antecedentes

Para los objetivos de esta descripcion, los ejemplos se centraran en los problemas presentados en la tecnica anterior relacionada con la limpieza robotica (por ejemplo, limpieza del polvo, abrillantado, barrido, fregado, fregado en seco o aspirado). Sin embargo, la invencion reivindicada esta limitada solamente por las propias reivindicaciones, y un experto en la materia reconocera los innumerables usos de la presente invencion mas alla de la limpieza domestica de interiores.

Los ingenieros de robotica han trabajado mucho en el desarrollo de un procedimiento eficaz de limpieza autonoma. A modo de introduccion, el rendimiento de los robots de limpieza se deberia centrar en tres medidas de exito: la cobertura, la velocidad de limpieza y la eficacia percibida. La cobertura es el porcentaje del espacio disponible visitado por el robot durante un tiempo de limpieza fijo y, en el caso ideal, un robot limpiador proporcionaria una cobertura del 100 por ciento dado un tiempo de servicio infinito. Desgraciadamente, los disenos de la tecnica anterior dejan a menudo partes del area no cubiertas, independientemente de la cantidad de tiempo que se permita al dispositivo para completar sus tareas. La incapacidad de conseguir una cobertura completa puede ser resultado de limitaciones mecanicas -por ejemplo, el tamano y la forma del robot pueden impedir que este llegue a ciertas areaso bien el robot puede quedar atrapado, incapaz de variar su control para escapar. La incapacidad de conseguir una cobertura completa puede asimismo ser resultado de un algoritmo de cobertura inadecuado. El algoritmo de cobertura es el conjunto de instrucciones utilizadas por el robot para controlar su movimiento. Para los propositos de la presente invencion, la cobertura se describe como un porcentaje del area disponible visitada por el robot durante un tiempo de limpieza finito. Debido a limitaciones mecanicas y/o algoritmicas, ciertas areas en el interior del espacio disponible pueden ser desatendidas sistematicamente. Dicha desatencion sistematica es una limitacion importante en la tecnica anterior.

Una segunda medida del rendimiento de un robot de limpieza es la velocidad de limpieza, proporcionada en unidades de area limpiada por unidad de tiempo. La velocidad de limpieza se refiere a la velocidad a la que aumenta el area de suelo limpiado; la velocidad de cobertura se refiere a la velocidad a la que el robot cubre el suelo independientemente de si el suelo estaba anteriormente limpio o sucio. Si la velocidad del robot es v y la anchura del mecanismo de limpieza del robot (denominada asimismo anchura de trabajo) es w, entonces la velocidad de cobertura del robot es simplemente wv, pero su velocidad de limpieza puede ser drasticamente inferior.

Un robot que se mueve de manera totalmente aleatoria en un entorno cerrado tiene una velocidad de limpieza que disminuye en funcion del tiempo con respecto a la velocidad de cobertura del robot. Esto se debe a que cuanto mas tiempo funcione el robot mas probable es que vuelva a visitar areas ya limpiadas. El diseno optimo tiene una velocidad de limpieza equivalente a la velocidad de cobertura, minimizando de ese modo innecesarias limpiezas repetidas de la misma zona. En otras palabras, la relacion de la velocidad de limpieza con la velocidad de cobertura es una medida de la eficiencia, y una velocidad de limpieza optima significaria una cobertura del maximo porcentaje del area designada con el minimo numero de pases acumulados o redundantes sobre un area ya limpiada.

Una tercera metrica del rendimiento de un robot de limpieza es la eficacia percibida del robot. Esta medida se ignora en la tecnica anterior. Se prima el movimiento deliberado y cierto movimiento pautado dado que los usuarios percibiran como mas eficaz un robot que presente movimiento deliberado.

Aunque la cobertura, la velocidad de limpieza y la eficacia percibida son los criterios de rendimiento discutidos en la presente memoria, una realizacion preferida de la presente invencion tiene en cuenta asimismo la facilidad de uso en habitaciones de diversas formas y tamanos (que contienen diversos obstaculos desconocidos) y el coste de los componentes roboticos. Otros criterios de diseno pueden asimismo influir sobre el diseno, por ejemplo, la necesidad de evitacion de colisiones y la respuesta adecuada a otros peligros.

Tal como se describe en detalle en el documento de Jones, Flynn & Seiger, "Mobile Robots: Inspiration to Implementation" (robots moviles: inspiracion para su implementacion), segunda edicion, 1999, A K Peters, Ltd., y en otros, se han realizado muchos intentos para construir robots de aspirado y limpieza. Cada uno de estos robots se ha enfrentado a un desafio similar: como cubrir eficientemente el area designada dadas unas reservas de energia limitadas.

Los inventores se refieren a la limpieza de maxima eficiencia, donde la velocidad de limpieza es igual a la velocidad de cobertura, como limpieza determinista. Tal como se muestra en la figura 1A, un robot 1 que sigue una trayectoria determinista se mueve de tal modo que cubre completamente el area 2 evitando al mismo tiempo toda limpieza redundante. La limpieza determinista requiere que el robot sepa donde esta y donde ha estado; esto requiere, a su vez, un sistema de posicionamiento. Dicho sistema de posicionamiento -un sistema de posicionamiento lo suficientemente preciso como para permitir una limpieza determinista puede depender de dispositivos de telemetria por escaneo laser, transductores ultrasonicos, GPS diferencial por fase portadora u otros procedimientos- puede tener costes prohibitivos e involucrar configuracion por el usuario especifica para las geometrias de las habitaciones particulares. Ademas, los procedimientos que dependen del posicionamiento global quedan habitualmente incapacitados por el fallo de cualquier parte del sistema de posicionamiento.

Un ejemplo de utilizacion de tecnologias de sensor extremadamente sofisticadas (y costosas) para producir limpieza determinista es el dispositivo RoboScrub, construido por Denning Mobile Robotics and Windsor Industries, que utilizaba sonar, detectores de infrarrojos, sensores de golpe y navegacion laser de alta precision. El sistema de navegacion del RoboScrub requeria fijar grandes blancos de codigo de barras en diversas posiciones en la habitacion. El requisito de que el RoboScrub pueda ver por lo menos cuatro blancos simultaneamente era un problema de funcionamiento significativo. Por lo tanto, el RoboScrub se limito a la limpieza de grandes areas abiertas.

Otro ejemplo, RoboKent, un robot construido por Kent Corporation, sigue una estrategia de posicionamiento global similar a RobotScrub. RoboKent se deshace del sistema de posicionamiento laser mas costoso de RobotScrub, pero al hacerlo, RoboKent se tiene que limitar solamente a areas con una geometria rectangular simple, por ejemplo, largos pasillos. En estas zonas mas limitadas, la correccion de la posicion mediante mediciones de telemetria sonar es suficiente. Se describen otros sistemas de limpieza deterministas, por ejemplo, en las patentes U.S.A. numeros 4.119.900 (Kremnitz), 4.700.427 (Knepper), 5.353.224 (Lee et al.), 5.537.017 (Feiten et al.), 5.548.511 (Bancroft) y 5.650.702 (Azumi).

Debido a las limitaciones y dificultades de la limpieza determinista, algunos robots han dependido de sistemas pseudodeterministas. Un procedimiento para proporcionar limpieza pseudodeterminista es un procedimiento de navegacion autonoma conocido como navegacion por estima. La navegacion por estima consiste en la medicion de la rotacion precisa de cada rueda motriz del robot (utilizando, por ejemplo, codificadores de eje opticos). El robot puede calcular a continuacion su posicion esperada en el entorno, dados un punto de inicio y una orientacion conocidos. Un problema de esta tecnica es el patinaje de las ruedas. Si se produce patinaje, el codificador de dicha rueda registra una rotacion de la rueda aunque dicha rueda no esta impulsando el robot con respecto al suelo. Tal como se muestra en la figura 1B, a medida que el robot 1 navega por la habitacion, estos errores de patinaje de las ruedas motrices se acumulan haciendo que este tipo de sistema no sea fiable para recorridos de cualquier duracion sustancial. (La trayectoria ya no consiste en lineas muy compactadas, en comparacion con la cobertura determinista mostrada en la figura 1A.) El resultado de depender de la navegacion por estima es una desatencion sistematica insuperable; en otras palabras, quedan areas del suelo sin limpiar.

Un ejemplo de un sistema pseudodeterminista es el robot Cye, de Probotics. Cye depende exclusivamente de navegacion por estima y, por lo tanto, adopta medidas heroicas para maximizar el rendimiento de su sistema de navegacion por estima. Cye tiene que comenzar en una zona de registro fisico instalada por el usuario en una posicion conocida en la que el robot fija su posicion y orientacion. A continuacion, Cye mantiene un seguimiento de su posicion a medida que se aleja de dicha zona. A medida que Cye se desplaza, la incertidumbre sobre su posicion y su orientacion aumenta. Cye se tiene que asegurar de volver a una zona de calibracion antes de que este error crezca tanto que sea improbable localizar una zona de calibracion. Si una zona de calibracion es desplazada o bloqueada, o si se produce un excesivo patinaje de las ruedas, entonces Cye se pierde (posiblemente sin saber que se ha perdido). Por lo tanto, Cye es adecuado para su utilizacion solamente en entornos favorables relativamente pequenos. Se dan a conocer otros ejemplos de este enfoque en las patentes U.S.A. numeros 5.109.566 (Kobayashi et al.) y 6.255.793 (Peless et al.).

Otro enfoque para la limpieza robotica es el movimiento puramente aleatorio. Tal como se muestra en la figura 1C, en una tipica habitacion sin obstaculos, un algoritmo de movimiento aleatorio proporcionara una cobertura aceptable dado un tiempo de limpieza significativo. Comparado con un robot con un algoritmo determinista, un robot de limpieza aleatoria tiene que funcionar durante un tiempo mayor para conseguir una cobertura aceptable. Para tener un buen nivel de confianza de que el robot de movimiento aleatorio ha limpiado el 98% de una habitacion sin obstaculos, el robot de movimiento aleatorio tiene que funcionar aproximadamente cinco veces el tiempo de un robot determinista con el mismo mecanismo de limpieza y moviendose a la misma velocidad.

Las limitaciones de cobertura de un algoritmo aleatorio se pueden ver en la figura 1D. Un obstaculo 5 en la habitacion puede crear el efecto de segmentar la habitacion en una coleccion de camaras. La cobertura con el tiempo de un robot de algoritmo aleatorio en dicha habitacion es analoga a la densidad temporal de un gas liberado en una camara de volumen confinado. Inicialmente, la densidad del gas es maxima en la camara en la que se ha liberado y minima en las camaras mas distantes. Analogamente, es mas probable que el robot limpie exhaustivamente la camara en la que comienza, y no las camaras mas distantes, al comienzo del proceso. Dado el tiempo suficiente, el gas alcanza el equilibrio con densidad igual en todas las camaras. Analogamente, pasado un tiempo, el robot limpiaria exhaustivamente todas las areas. Sin embargo, las limitaciones de las fuentes de energia realistas garantizan normalmente que el robot no tendra el tiempo suficiente para limpiar todas las areas de un espacio lleno de obstaculos. Los inventores hacen referencia a este fenomeno como el problema de difusion del robot

Tal como se ha explicado, la tecnica anterior disponible comercialmente no ha sido capaz de producir un algoritmo de cobertura eficaz para un area de geometria desconocida. Tal como se ha indicado anteriormente, la tecnica anterior ha dependido de sistemas sofisticados de marcadores o balizas, o bien ha limitado la utilidad del robot a habitaciones con geometrias rectangulares simples. Los intentos de algoritmos de control pseudodeterministas pueden dejar areas del espacio sistematicamente desatendidas.

La patente alemana N o DE 19849978 C2 divulga un dispositivo de limpieza autonomo.

Resumen de la invencion

La presente invencion se refiere a un robot movil tal como se presenta en la reivindicacion 1. En las reivindicaciones dependientes se describen otras realizaciones.

Es un objeto de la presente invencion proporcionar un sistema y un metodo para permitir que un robot movil opere en una pluralidad de modos con el fin de cubrir de manera efectiva un area.

Breve descripcion de los dibujos

Estas y otras caracteristicas de la presente invencion resultaran evidentes haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

las figuras 1A-D muestran patrones de cobertura de varios robots en la tecnica anterior;

la figura 2 es una representacion esquematica en una vista superior, de los componentes basicos de un robot movil utilizado en una realizacion preferida de la invencion;

la figura 3 muestra un diagrama de bloques de hardware del robot mostrado en la figura 2;

la figura 4A es un diagrama que muestra un procedimiento de determinacion del angulo en el que el robot encuentra un obstaculo; la figura 4B es un diagrama que muestra la orientacion de una realizacion preferida del sistema de control del robot;

la figura 5 es una representacion esquematica de los modos de funcionamiento de la presente invencion;

la figura 6A es una representacion esquematica del patron de cobertura para una realizacion preferida de un comportamiento ESPIRAL; la figura 6B es una representacion esquematica del patron de cobertura para una realizacion alternativa de comportamiento ESPIRAL; la figura 6C es una representacion esquematica del patron de cobertura para otra realizacion alternativa de comportamiento espiral;

la figura 7 es una ilustracion de un diagrama de flujo del algoritmo de cobertura de zona, de una realizacion preferida de la invencion;

las figuras 8A y 8B son representaciones esquematicas del patron de cobertura para una realizacion preferida de funcionamiento en modo de seguimiento de obstaculos;

la figura 9A es una ilustracion de un diagrama de flujo del algoritmo de seguimiento de obstaculos de una realizacion preferida de la invencion; la figura 9B es una ilustracion de un diagrama de flujo de un algoritmo preferido para determinar cuando salir del modo de seguimiento de obstaculos.

la figura 10 es una representacion esquematica del patron de cobertura para una realizacion preferida de un comportamiento de REBOTE;

la figura 11 es una ilustracion de un diagrama de flujo del algoritmo de cobertura de habitacion de una realizacion preferida de la invencion;

las figuras 12A y 12B son ilustraciones de diagrama de flujo de un comportamiento de escape a modo de ejemplo; la figura 13A es una representacion esquematica del patron de cobertura de un robot movil con solamente un unico modo de funcionamiento; la figura 13B es una representacion esquematica del patron de cobertura para una realizacion preferida de la presente invencion utilizando modos de seguimiento de obstaculos y de cobertura de habitacion; y

la figura 14 es una representacion esquematica del patron de cobertura para una realizacion preferida de la presente invencion utilizando modos de cobertura de zona, de seguimiento de obstaculos y de cobertura de habitacion.

Descripcion detallada de la realizacion preferida

En la presente invencion, un robot movil esta disenado para proporcionar cobertura maxima a una velocidad de cobertura eficaz en una habitacion de geometna desconocida. Ademas, la eficacia percibida del robot se mejora mediante la inclusion de un movimiento pautado o deliberado. Adicionalmente, en una realizacion preferida, la cobertura eficaz requiere un sistema de control que puede impedir que el robot quede inmovilizado en un entorno desconocido.

Aunque las estructuras ffsicas de los robots moviles son conocidas en la tecnica, en la presente memoria se describen los componentes de una realizacion preferida, a modo de ejemplo, de la presente invencion. Una realizacion preferida de la presente invencion es sustancialmente una maquina barredora robotica sustancialmente circular que contiene ciertas caracterfsticas. Tal como se muestra en la figura 2, por ejemplo, el robot movil 10 de una realizacion preferida incluye un chasis 11 que soporta componentes mecanicos y electricos. Estos componentes incluyen varios sensores, que incluyen dos sensores de golpe 12 y 13 situados en la posicion delantera del robot, cuatro sensores de desnivel 14 situados en la carcasa 15 del robot y un sensor 16 de seguimiento de paredes montado en la carcasa 15 del robot. En otras realizaciones, puede ser utilizado tan solo un sensor en el robot. Un experto en la materia reconocera que el sensor o sensores pueden ser de diversos tipos que incluyen sonar, tactil, electromagnetico, capacitivo, etc. Debido a limitaciones de coste, una realizacion preferida de la presente invencion utiliza sensores de golpe (tactiles) 12 y 13, y sensores reflectantes de proximidad por IR para los sensores de desnivel 14 y el sensor 16 de seguimiento de la pared. Se describen detalles de los sensores de IR en la solicitud de patente U.S.A. U.S.S.N. 09/768,773.

Una realizacion preferida del robot contiene asimismo dos ruedas 20, motores 21 para accionar independientemente las ruedas, un microcontrolador de gama baja economico 22, y una baterfa recargable 23 u otra fuente de potencia conocida en la tecnica. Estos componentes son bien conocidos en la tecnica y no se explican en detalle en la presente memoria. El dispositivo robotico de limpieza 10 incluye ademas uno o varios cabezales de limpieza 30. El cabezal de limpieza puede contener una aspiradora, varios cepillos, esponjas, mopas, panos electrostaticos o una combinacion de diversos elementos de limpieza. La realizacion mostrada en la figura 2 incluye asimismo un cepillo lateral 32.

Tal como se ha mencionado anteriormente, una realizacion preferida de un dispositivo robotico de limpieza 10 comprende una carcasa exterior 15 que define un lado dominante, un lado no dominante y una parte frontal del robot 10. El lado dominante del robot es el lado que se mantiene cerca, o en contacto con un objeto (u obstaculo) cuando el robot limpia el area adyacente a dicho objeto (u obstaculo). En una realizacion preferida, tal como se muestra en la figura 1, el lado dominante del robot 10 es el lado derecho con respecto a la direccion principal de desplazamiento, aunque en otras realizaciones el lado dominante puede ser el lado izquierdo. En otras realizaciones, el robot puede ser simetrico y por ello no necesita un lado dominante; sin embargo, en una realizacion preferida, se elige un lado dominante por razones de coste. La direccion principal de desplazamiento se muestra en la figura 2 mediante la flecha 40.

En una realizacion preferida, dos sensores de golpe 12 y 13 estan situados delante de las ruedas 20 con respecto a la direccion de movimiento de avance, mostrada por la flecha 40. Un sensor de golpe 13 esta situado en el lado dominante del robot 10 y el otro sensor de golpe 12 esta situado en el lado no dominante del robot 10. Cuando estos dos sensores de golpe 12 y 13 se activan simultaneamente, el robot 10 reconoce un obstaculo en la posicion frontal. En otras realizaciones, se pueden utilizar mas o menos sensores de golpe individuales. Analogamente, se puede utilizar cualquier numero de sensores de golpe para dividir el dispositivo en una serie de segmentos radiales. Aunque en una realizacion preferida los sensores de golpe 12 y 13 son sensores IR de rotura del haz activados por contacto entre el robot 10 y un obstaculo, se pueden utilizar otros tipos de sensores, incluyendo conmutadores mecanicos y sensores capacitivos que detectan la capacidad de los objetos que hacen contacto con el robot o entre dos placas metalicas en el paragolpes, que se comprimen por contacto. Se pueden utilizar asimismo sensores sin contacto, que permiten que el robot detecte la proximidad a objetos sin tocar ffsicamente el objeto, tal como sensores capacitivos o una cortina de luz IR.

Es util tener uno o varios sensores que puedan no solo indicar si se ha producido (o esta proximo) el contacto con una superficie, sino asimismo el angulo en el que se realiza el contacto con respecto al robot. En el caso de una realizacion preferida, el robot puede calcular el tiempo entre la activacion de los conmutadores derecho e izquierdo de golpe 12 y 13, si ambos se han activado. El robot puede a continuacion estimar el angulo en el que se ha realizado el contacto. En una realizacion preferida mostrada en la figura 4A, el sensor de golpe comprende un unico paragolpes mecanico 44 en la parte frontal del robot, con sensores 42 y 43 sustancialmente en los dos extremos del paragolpes, que detectan el movimiento del paragolpes. Cuando el paragolpes se comprime, se utiliza el tiempo entre los eventos de sensor para calcular el angulo aproximado en el que el robot contacto con el obstaculo. Cuando el paragolpes se comprime desde el lado derecho, el sensor de golpe derecho detecta el primer golpe, seguido por el sensor de golpe izquierdo, debido a la elasticidad del paragolpes y a la geometna del detector de golpes. De este modo, el angulo del golpe se puede aproximar con solamente dos sensores de golpe.

Por ejemplo, en la figura 4A, los sensores de golpe 42 y 43 pueden dividir la posicion delantera del robot en seis zonas (I-VI). Cuando se activa un sensor de golpe, el robot calcula el tiempo antes de que se active (si lo hace) el otro sensor. Por ejemplo, cuando se activa el sensor de golpe derecho 43, el robot mide el tiempo (t) antes de que se active el sensor de golpe izquierdo 42. Si t es menor que t¹, entonces el robot asume que el contacto se ha producido en la zona IV. Si t es mayor o igual que ti y menor que t², entonces el robot asume que el contacto se ha realizado en la zona V. Si t es mayor o igual que t²(incluyendo el caso en que el sensor de golpe izquierdo 42 no se activa dentro del tiempo monitorizado), entonces el robot asume que el contacto se ha producido en la zona VI. Si los sensores de golpe se activan simultaneamente, el robot asume que el contacto ha sido frontal. El procedimiento puede ser utilizado para dividir el paragolpes en un gran numero arbitrario de zonas (para mayor precision), en funcion de la temporizacion utilizada y de la geometria del paragolpes. Como una extension, se pueden utilizar tres sensores para calcular el angulo del golpe en tres dimensiones en lugar de solo en dos dimensiones tal como en el ejemplo anterior.

Una realizacion preferida contiene asimismo un sensor 16 de seguimiento de la pared o de deteccion de pared montado en el lado dominante del robot 10. En una realizacion preferida, el sensor de seguimiento de la pared es un sensor IR compuesto de un par colimado de emisor y receptor, de tal modo que se produce un volumen finito de interseccion en la posicion esperada de la pared. Este punto focal esta aproximadamente 7,6 cm (tres pulgadas) por delante de la rueda motriz en la direccion del movimiento de avance del robot. El alcance radial de deteccion de la pared es de aproximadamente 1,9 cm (0,75 pulgadas).

Una realizacion preferida contiene asimismo cualquier cantidad de sensores de desnivel IR 14 que impiden que el dispositivo caiga por escaleras u otros cortes verticales. Estos sensores de desnivel son una construccion similar a la del sensor de seguimiento de la pared, pero dirigida a observar el suelo en lugar de la pared. Como una medida adicional de seguridad y deteccion, el robot 10 incluye un sensor de rueda suspendida que puede detectar si una o varias ruedas no estan soportadas por el suelo. Por lo tanto, el sensor de rueda suspendida puede detectar no solo desniveles sino asimismo diversos obstaculos sobre los que el robot se puede conducir, tal como bases de lamparas, transiciones altas de suelos, pilas de cables, etc.

Otras realizaciones pueden utilizar otros sensores conocidos o combinaciones de sensores conocidos.

La figura 3 muestra un diagrama de bloques de hardware del controlador y el robot de una realizacion preferida de la invencion. En una realizacion preferida, se utiliza un procesador de la serie Winbond W78XXX. Se trata de un microcontrolador compatible con la familia MCS-51 con 36 puertos E/S de proposito general, 256 octetos de RAM y 16K de ROM. Esta temporizado a 40 MHz que se dividen para una velocidad de procesador de 3,3 MHz. Tiene dos temporizadores que se utilizan para desencadenar interrupciones utilizadas para procesar sensores y generar senales de salida asi como un temporizador de vigilancia. Los bits mas bajos del temporizador rapido se utilizan asimismo como numeros aleatorios aproximados cuando se requiere en los comportamientos. Hay asimismo dos interruptores externos que se utilizan para capturar las entradas al codificador procedentes de las dos ruedas motrices. El procesador tiene asimismo un UART que se utiliza para verificar y depurar el programa de control del robot.

Los puertos de E/S del microprocesador estan conectados a los sensores y a los motores del robot y son la interfaz que los conectan al estado interno del robot y a su entorno. Por ejemplo, los sensores de rueda suspendida estan conectados a un puerto de entrada y la senal PWM del motor del cepillo se genera en un puerto de salida. La ROM del microprocesador se utiliza para almacenar el programa de cobertura y control para el robot. Esto incluye los comportamientos (explicados a continuacion), los algoritmos de procesamiento de los sensores y la generacion de senales. La RAM se utiliza para almacenar el estado activo del robot, tal como la distancia promedio de golpe, el tiempo de servicio y la distancia, y el ID del comportamiento en control y sus comandos de motor actuales.

Con el proposito de comprender el movimiento del dispositivo robotico, la figura 4B muestra la orientacion del robot 10 centrado en torno a los ejes x e y en un plano de coordenadas; este sistema de coordenadas esta unido al robot. El movimiento direccional del robot 10 se puede entender como el radio al que se movera al robot 10. Para apartarse rapidamente de la pared 100, el robot 10 deberia ajustar un valor pequeno positivo de r (r³en la figura 4B); para volverse rapidamente hacia la pared, el robot deberia ajustar un valor pequeno negativo de r (r¹en la figura 4B). Por otra parte, para realizar giros moderados, el robot deberia ajustar valores absolutos mayores para r -valores positivos para moverse hacia la izquierda (es decir, alejandose de la pared, r⁴en la figura 4B) y valores negativos para moverse hacia la derecha (es decir hacia la pared, r²en la figura 4B). Este esquema de coordenadas se utiliza en los ejemplos de control explicados a continuacion. El microcontrolador 22 que controla la velocidad diferencial a la que se hacen funcionar los motores 21 de las ruedas individuales determina el radio de giro.

Asimismo, en ciertas realizaciones, el robot puede incluir una o varias entradas de usuario. Por ejemplo, tal como se muestra en la figura 2, una realizacion preferida incluye tres botones simples 33 que permiten al usuario introducir el tamano aproximado de la superficie que hay que cubrir. En una realizacion preferida, estos botones identificados como "pequena", "media", y "grande" corresponden respectivamente a habitaciones de 11,1, 20,8 y 27,9 metros cuadrados.

Tal como se ha mencionado anteriormente, el robot a modo de ejemplo es una realizacion preferida para practicar la presente invencion, y un experto en la materia puede elegir entre elementos conocidos en la tecnica para disenar un robot para un proposito particular. Ejemplos de disenos adecuados incluyen los descritos en las siguientes patentes U.S.A.: 4.306.329 (Yokoi), 5.109.566 (Kobayashi et al.), 5.293.955 (Lee), 5.369.347 (Yoo), 5.440.216 (Kim), 5.534.762 (Kim), 5.613.261 (Kawakami et al), 5.634.237 (Paranjpe), 5.781.960 (Kilstrom et al.), 5.787.545 (Colens), 5.815.880 (Nakanishi), 5.839.156 (Park et al.), 5.926.909 (McGee), 6.038.501 (Kawakami) y 6.076.226 (Reed). La figura 5 muestra una representacion simple de bloques de los diversos modos de funcionamiento de un dispositivo. En una realizacion preferida, y solamente a modo de ejemplo, los modos de funcionamiento pueden incluir limpieza de zonas (donde el usuario o el robot designa una zona especifica para limpieza), limpieza de bordes y limpieza de la habitacion. Cada modo de funcionamiento comprende combinaciones complejas de instrucciones y/o comportamientos internos, explicados a continuacion. Sin embargo, estas complejidades permanecen generalmente ocultas al usuario. En una realizacion, el usuario puede seleccionar el modo de funcionamiento particular utilizando un elemento de entrada, por ejemplo, un conmutador selector o un pulsador. En otras realizaciones preferidas, tal como se describe a continuacion, el robot puede alternar ciclicamente de manera autonoma a traves de los modos de funcionamiento.

El robot de cobertura de la presente invencion utiliza estos diversos modos de funcionamiento para cubrir de manera efectiva el area. Aunque un experto en la materia puede implementar estos diversos modos de funcionamiento en diversas arquitecturas conocidas, una realizacion preferida se basa en el control del comportamiento. En este caso, los comportamientos son simplemente capas de sistemas de control que se ejecutan en paralelo en su totalidad. El microcontrolador 22 ejecuta entonces un esquema de arbitraje priorizado para resolver el comportamiento dominante para un escenario determinado. Se puede encontrar una descripcion del control del comportamiento en "Mobile Robots", mas arriba.

En otras palabras, en una realizacion preferida, el microprocesador y el software de control del robot ejecutan simultaneamente una serie de comportamientos. En funcion de la situacion, el control del robot se asignara a uno o varios comportamientos distintos. Con el proposito de detallar el funcionamiento preferido de la presente invencion, los comportamientos se describiran como (1) comportamientos de cobertura, (2) comportamientos de escape o (3) comportamientos de usuario/seguridad. Los comportamientos de cobertura estan indicados principalmente para permitir que el robot lleve a cabo su operacion de cobertura de manera eficiente. Los comportamientos de escape son comportamientos especiales que reciben prioridad cuando una o varias entradas de sensor sugieren que el robot puede no estar funcionando libremente. Por convenio para esta descripcion, los comportamientos explicados a continuacion se escriben el letras mayusculas.

1. Comportamientos de cobertura

Las figuras 6 a 14 muestran detalles de cada uno de los modos de funcionamiento preferidos: cobertura de zona, seguimiento de paredes (o seguimiento de obstaculos) y cobertura de habitaciones.

Modo de funcionamiento: cobertura de zona

La cobertura de zona o, por ejemplo, limpieza de zona permite al usuario limpiar un area sucia aislada. El usuario situa el robot 10 en el suelo cerca del centro del area que requiere limpieza y selecciona el modo de funcionamiento de limpieza de zona. El robot se mueve a continuacion de tal modo que el area inmediata en el interior de, por ejemplo, un radio definido, se pone en contacto con el cabezal de limpieza 30 o con el cepillo lateral 32 del robot. En una realizacion preferida, el procedimiento para conseguir una limpieza de zona es un algoritmo de control que proporciona un movimiento espiral hacia el exterior, o comportamiento ESPIRAL, tal como se muestra en la figura 6A. En general, el movimiento espiral se genera aumentando el radio de giro en funcion del tiempo. En una realizacion preferida, el robot 10 inicia su espiral en sentido antihorario, marcada en la figura 6A por la linea de movimiento 45, para mantener el lado dominante en el borde de ataque exterior de la espiral. En otra realizacion, mostrada en la figura 6B, el movimiento espiral del robot 10 se genera hacia dentro de tal modo que el radio de giro disminuye continuamente. La espiral hacia dentro se muestra como la linea de movimiento 45 en la figura 6B. Sin embargo, no es necesario mantener el lado dominante del robot hacia fuera durante el movimiento espiral.

El procedimiento de limpieza de zona utilizado en una realizacion preferida - espiral hacia fuera -se expone en la figura 7. Una vez se ha iniciado la espiral (etapa 201) y el valor de r se ajusta a su minimo valor positivo (que producira el giro antihorario mas cerrado posible), el comportamiento espiral recalcula el valor de r en funcion de 0, donde 0 representa el giro angular desde el inicio del comportamiento espiral (etapa 210). Utilizando la ecuacion r = a0, donde a es un coeficiente constante, se puede controlar el grado de cierre o el solape deseado de la espiral. (Se debe observar que 0 no esta normalizado a 2n). El valor de a se puede elegir mediante la ecuacion a =d/(2n); donde d es la distancia entre dos pasos consecutivos de la espiral. Para una limpieza eficaz, se deberia elegir un valor d que sea menor que la anchura del mecanismo de limpieza 30. En una realizacion preferida, se selecciona un valor de d que este entre la mitad y dos tercios de la anchura del cabezal de limpieza 30.

En otras realizaciones, el robot monitoriza su distancia total recorrida en modo espiral. Debido a que la espiral se deteriorara despues de cierta distancia, es decir, el centro del movimiento espiral tendera a derivar con el tiempo debido a un patinaje de las ruedas dependiente de la superficie y/o a errores en el algoritmo de aproximacion espiral y en la precision del calculo. En ciertas realizaciones, el robot puede salir del modo espiral despues de que se ha desplazado una distancia especifica ("distancia espiral maxima"), tal como 6,3 o 18,5 metros (etapa 240). En una realizacion preferida, el robot utiliza multiples distancias espirales maximas en funcion de si el robot esta realizando una espiral inicial o una espiral posterior. Si se alcanza la distancia espiral maxima sin un golpe, el robot proporciona el control a un comportamiento diferente, y el robot, por ejemplo, continua entonces moviendose en una linea fundamentalmente recta. (En una realizacion preferida, un comportamiento de LINEA RECTA es un comportamiento por defecto, de baja prioridad, que impulsa el robot en una linea aproximadamente recta a una velocidad predeterminada de aproximadamente 0,306 m/s cuando no estan activos otros comportamientos.

En modo espiral, se pueden adoptar diversas acciones cuando se encuentra un obstaculo. Por ejemplo, el robot podria (a) intentar evitar el obstaculo y continuar la espiral en el sentido antihorario, (b) intentar evitar el obstaculo y continuar la espiral en el sentido opuesto (por ejemplo, cambiando de antihorario a horario) o (c) cambiar modos de funcionamiento. Continuar la espiral en el sentido opuesto se conoce como espiral reflectante y se representa en la figura 6C, donde el robot 10 invierte su trayectoria de movimiento 45 cuando entra en contacto con el obstaculo 101. En una realizacion preferida, que se detalla en la etapa 220, el robot 10 sale del modo de limpieza de zona tras el primer encuentro del sensor de golpe 12 o 13 con un obstaculo.

Si bien una realizacion preferida describe un movimiento espiral para la cobertura de zona, se puede utilizar cualquier area auto-limitada, incluyendo de forma no limitativa formas de poligonos regulares tales como cuadrados, hexagonos, elipses, etc.

Modo de funcionamiento: seguimiento de paredes/obstaculos

El seguimiento de la pared o, en el caso de un robot de limpieza, la limpieza de bordes, permite al usuario limpiar solamente los bordes de una habitacion o los bordes de objetos en el interior de una habitacion. El usuario situa el robot 10 en el suelo cerca de un borde que hay que limpiar y selecciona el modo de funcionamiento de limpieza de bordes. El robot 10 se mueve a continuacion de tal modo que sigue el borde y limpia las areas que entran en contacto con el cabezal de limpieza 30 del robot.

El movimiento del robot 10 en una habitacion 110 se muestra en la figura 8. En la figura 8A, el robot 10 se situa junto a la pared 100, con el lado dominante del robot contiguo a la pared. A continuacion, el robot discurre indefinidamente a lo largo de la pared siguiendo la trayectoria de movimiento 46. Analogamente, en la figura 8B, el robot 10 se situa en la proximidad de un obstaculo 101. A continuacion, el robot sigue indefinidamente el borde del obstaculo 101 siguiendo la trayectoria de movimiento 47.

En una realizacion preferida, en el modo de seguimiento de la pared, el robot utiliza el sensor 16 de seguimiento de la pared para situarse a una distancia establecida respecto de la pared. A continuacion, el robot pasa a desplazarse a lo largo del perimetro de la pared. Tal como se muestra en las figuras 8A y 8B, en una realizacion preferida, el robot 10 no puede distinguir entre una pared 100 y otro obstaculo solido 101.

El procedimiento utilizado en una realizacion preferida para seguir la pared se detalla en la figura 9A y proporciona una operacion de seguimiento de la pared suave incluso con un sensor de un bit. (En este caso, un sensor de un bit detecta solamente la presencia o ausencia de la pared dentro de un volumen particular, en lugar de la distancia entre la pared y el sensor.) Pueden ser utilizados otros procedimientos de deteccion de una pared u objeto, tal como deteccion de golpes o sensores sonar.

Una vez se ha iniciado (etapa 301) el modo de funcionamiento de SEGUIMIENTO DE LA PARED, o el comportamiento de seguimiento de la pared de una realizacion preferida, el robot ajusta en primer lugar su valor inicial de direccion a r⁰. El comportamiento de SEGUIMIENTO DE LA PARED inicia a continuacion la rutina de emision-deteccion en el sensor 16 seguidor de la pared (etapa 310). La existencia de una reflexion para la parte del transmisor IR del sensor 16 se traduce en la existencia de un objeto dentro de una distancia predeterminada desde el sensor 16. El comportamiento de SEGUIMIENTO DE LA PARED determina a continuacion si ha habido una transicion de reflexion (objeto dentro del alcance) a no reflexion (objeto fuera del alcance) (etapa 320). Si se ha producido una transicion (en otras palabras, la pared esta ahora fuera del alcance), el valor de r se ajusta a su valor mas negativo y el robot girara ligeramente a la derecha (etapa 325). El robot comienza de nuevo la secuencia de emision-deteccion (etapa 310). Si no ha habido una transicion de reflexion a no reflexion, el comportamiento de seguimiento de la pared determina a continuacion si ha habido una transicion de no reflexion a reflexion (etapa 330). Si se ha producido dicha transicion, el valor de r se ajusta a su valor mas positivo y el robot girara levemente a la izquierda (etapa 335).

En ausencia de ambos tipos de evento de transicion, el comportamiento de seguimiento de la pared reduce el valor absoluto de r (etapa 340) e inicia de nuevo la secuencia de emision-deteccion (etapa 310). Al disminuir el valor absoluto de r, el robot 10 comienza a girar de manera mas cerrada cualquiera que sea la direccion actual del rumbo. En una realizacion preferida, la velocidad de disminucion del valor absoluto de r es una velocidad constante dependiente de la distancia recorrida.

El modo seguidor de pared puede proseguir durante un tiempo predeterminado o aleatorio, una distancia predeterminada o aleatoria, o hasta que se cumplan algunos criterios adicionales (por ejemplo, se activa el sensor de golpe, etc.). En una realizacion, el robot se mantiene indefinidamente siguiendo la pared. En una realizacion preferida, tal como se muestra en las figuras 8C y 8D, se determinan distancias minima y maxima de desplazamiento, con lo que el robot permanecera en comportamiento de SEGUIMIENTO DE LA PARED hasta que el robot se haya desplazado la distancia maxima (figura 8D) o bien se haya desplazado por lo menos la distancia minima y haya encontrado un obstaculo (figura 8C). Esta implementacion del comportamiento de SEGUIMIENTO DE LA PARED garantiza que el robot pasa una cantidad de tiempo adecuada en comportamiento de SEGUIMIENTO DE LA PARED en comparacion con sus otros modos de funcionamiento, disminuyendo de ese modo la desatencion sistematica y distribuyendo la cobertura a todas las areas. Aumentando el seguimiento de la pared el robot se puede mover en mas espacios pero es menos eficiente limpiando cualquier espacio. Ademas, tendiendo a salir del comportamiento de SEGUIMIENTO DE LA PARED despues de la deteccion de un obstaculo, el robot aumenta su eficacia percibida.

La figura 9B es una ilustracion de diagrama de flujo que muestra esta realizacion de determinar cuando salir del comportamiento de SEGUIMIENTO DE LA PARED. El robot determina en primer lugar la distancia minima que debe seguir la pared (dmin) y la distancia maxima que debe seguir la pared (dmax). Estando en un modo de seguimiento de la pared (o de un obstaculo), el sistema de control monitoriza la distancia que el robot ha recorrido en dicho modo (dwF). Si dwF es mayor que dmax (etapa 350), entonces el robot sale del modo de seguimiento de la pared (etapa 380). Sin embargo, si dwF es menor que dmax (etapa 350), y dwF es menor que dmax (etapa 360), el robot permanece en el modo de seguimiento de la pared (etapa 385). Si dwF es mayor que dmin (etapa 360) y se encuentra un obstaculo (etapa 370), el robot sale del modo de seguimiento de la pared (etapa 380).

Teoricamente, la distancia optima para que el robot se desplace en el comportamiento de SEGUIMIENTO DE LA PARED es funcion del tamano de la habitacion y de la configuracion y el tamano del robot. En una realizacion preferida, las distancias minima y maxima para permanecer en el SEGUIMIENTO DE LA PARED se ajustan en base al tamano aproximado de la habitacion, a la anchura del robot y a un componente aleatorio, por lo que la distancia de desplazamiento minima promedio es 2w/p, donde w es la anchura del elemento de trabajo del robot y p es la probabilidad de que el robot entre en el comportamiento de seguimiento de la pared en una determinada interaccion con un obstaculo. A modo de ejemplo, en una realizacion preferida, w esta aproximadamente entre 15 cm y 25 cm, y p es 0,095 (donde el robot encuentra de 6 a 15 obstaculos, o un promedio de 10,5 obstaculos, antes de entrar en el modo de seguimiento de obstaculos). La distancia minima se ajusta entonces aleatoriamente como una distancia entre aproximadamente 115 cm y 350 cm; la distancia maxima se ajusta entonces aleatoriamente como una distancia entre aproximadamente 170 cm y 520 cm. En ciertas realizaciones, la relacion entre la distancia minima y la distancia maxima es de 2:3. En beneficio de la eficiencia percibida, el funcionamiento inicial del robot en modo de seguimiento de obstaculos se puede ajustar para que sea mas largo que sus operaciones posteriores en el modo de seguimiento de obstaculos. Ademas, los usuarios pueden situar el robot a lo largo de la pared mas larga cuando arrancan el robot, lo que mejora tanto la cobertura real como la percibida.

La distancia que el robot se desplaza en el modo de seguimiento de la pared puede ser asimismo ajustada por el robot en funcion del numero y de la frecuencia de los objetos encontrados (que se determina mediante otros sensores), que es una medida del "desorden" de la habitacion. Si se encuentran mas objetos, el robot seguiria la pared durante una distancia mayor para acceder a todas las areas del suelo. A la inversa, si se encuentran pocos obstaculos, el robot seguiria menos la pared para no cubrir en exceso los bordes del espacio en beneficio de los pases a traves del centro del espacio. Se puede incluir asimismo una distancia inicial de seguimiento de la pared para permitir que el robot siga la pared durante una distancia mayor o menor durante su periodo inicial, cuando el comportamiento de SEGUIMIENTO DE LA PARED tiene el control.

En una realizacion preferida, el robot puede salir asimismo del modo de seguimiento de la pared si el robot gira, por ejemplo, mas de 270 grados y no puede localizar la pared (o el objeto) o si el robot ha girado un total de 360 grados desde que entro en el modo de seguimiento de la pared.

En ciertas realizaciones, cuando el comportamiento de SEGUIMIENTO DE LA PARED esta activo y se produce un golpe, se activa el comportamiento de ALINEAR. El comportamiento de ALINEAR gira el robot en sentido antihorario para alinear el robot con la pared. El robot gira siempre un angulo minimo para evitar que el robot entre en ciclos de muchos giros pequenos. Despues de que ha girado en su angulo minimo, el robot monitoriza su sensor de pared y, si detecta una pared y a continuacion la deteccion de la pared desaparece, el robot deja de girar. Esto se debe a que, en el extremo del alcance del seguidor de la pared, el robot esta bien alineado para comenzar el SEGUIMIENTO DE LA PARED. Si cuando alcanza su angulo maximo el robot no ha comprobado que su detector de pared se encienda y se apague, se detiene en cualquier caso. Esto impide que el robot de vueltas en circulos cuando la pared esta fuera del alcance de su sensor de pared. Cuando el golpe mas reciente esta dentro de 60 grados laterales del paragolpes en el lado dominante, el angulo minimo se ajusta a 14 grados y el angulo maximo es de 19 grados. De lo contrario, si el golpe esta dentro de 30 grados respecto del frontal del paragolpes en el lado dominante o en el lado no dominante, el angulo minimo es de 20 grados y el angulo maximo es de 44 grados. Cuando el comportamiento de ALINEAR ha completado el giro, cede el control al comportamiento de SEGUIMIENTO DE LA PARED.

Modo de funcionamiento: cobertura de habitacion

El tercer modo de funcionamiento se denomina en este caso cobertura de habitacion o modo de limpieza de habitacion, que permite al usuario limpiar cualquier area delimitada por paredes, escaleras, obstaculos u otras barreras. Para ejercitar esta opcion, el usuario situa el robot en el suelo y selecciona el modo de limpieza de habitacion. El robot se mueve a continuacion por la habitacion limpiando todas las areas que puede alcanzar.

En una realizacion preferida, el procedimiento de ejecucion del comportamiento de limpieza de la habitacion es un comportamiento de REBOTE en combinacion con el comportamiento de LINEA RECTA. Tal como se muestra en la figura 10, el robot 10 se desplaza hasta que un sensor de golpe 12 y/o 13 es activado por el contacto con un obstaculo 101 o una pared 100. A continuacion, el robot 10 gira y se sigue desplazando. Se presenta una muestra de trayectoria de movimiento en la figura 11 como la linea 48.

El algoritmo para el comportamiento de rebote aleatorio se expone en la figura 10. El robot 10 continua su movimiento de avance (etapa 401) hasta que se activa (etapa 410) un sensor de golpe 12 y/o 13. El robot 10 calcula a continuacion un intervalo aceptable de nuevas direcciones en base a una determinacion de que sensor o sensores de golpe se han activado (etapa 420). A continuacion se realiza una determinacion con algun calculo aleatorio para elegir el nuevo rumbo dentro de un intervalo aceptable, tal como de 90 a 270 grados con respecto al objeto que ha encontrado el robot. El angulo del objeto que ha golpeado el robot se determina segun se ha descrito anteriormente utilizando el tiempo entre los sensores de golpe derecho e izquierdo. El robot gira a continuacion a su nuevo rumbo. En una realizacion preferida, el giro es horario o bien antihorario en funcion de que direccion necesita el ultimo movimiento para conseguir el nuevo rumbo. En otras realizaciones, el giro esta acompanado por un movimiento de avance para aumentar la eficiencia de cobertura del robot.

La estadistica de la eleccion del rumbo realizada por el robot se puede distribuir uniformemente a traves de todos los rumbos permitidos, es decir, hay una oportunidad equivalente para cada rumbo comprendido en el intervalo aceptable. Alternativamente, se pueden elegir estadisticas basadas en una distribucion gausiana u otras, disenadas para conducir de manera preferente el robot perpendicularmente alejandose de una pared.

En otras realizaciones, el robot podria cambiar las direcciones en momentos aleatorios o predeterminados y no en base a la actividad de los sensores externos. Alternativamente, el robot podria realizar continuamente pequenas correcciones angulares en base a sensores de largo alcance, para evitar incluso contactar con un objeto y, de ese modo, cubrir el area superficial con trayectorias curvas.

En una realizacion preferida, el robot permanece en el modo de limpieza de habitacion hasta que se alcanza un cierto numero de interacciones de rebote, normalmente entre 6 y 13.

2. Comportamientos de escape

Existen varias situaciones que el robot se puede encontrar mientras intenta cubrir un area, que dificultan o impiden que cubra eficientemente toda el area. Una clase general de sensores y comportamientos denominados comportamientos de escape estan disenados para sacar el robot de estas situaciones, o en casos extremos para apagar el robot si este determina que no puede escapar. Para decidir si proporcionar una prioridad de comportamiento de escape entre los diversos comportamientos del robot, el robot determina lo siguiente: (1) es un comportamiento de escape necesario; (2) en caso afirmativo, ique comportamiento de escape esta justificado? A modo de ejemplo, las siguientes situaciones muestran situaciones en las que se requiere un comportamiento de escape para un robot de limpieza interior, y la ejecucion de un comportamiento apropiado:

(i) Situacion 1. El robot detecta una situacion en la que se puede atascar -por ejemplo, una zona elevada en una alfombra o cerca de la base de una lampara que actua como una rampa para el robot. El robot lleva a cabo comportamientos de "panico" de pequenos giros para salir de la situacion;

(ii) Situacion 2. El robot esta fisicamente atascado -por ejemplo, el robot esta atrapado bajo un sofa o contra una pared, enredado en cables o en flecos de alfombra, o atascado en una pila de cables electricos con sus ruedas girando en vacio. El robot lleva a cabo comportamientos de giro grande de panico y apaga los motores pertinentes para escapar de la obstruccion;

(iii) Situacion 3. El robot esta en un area confinada, pequena -por ejemplo, el robot esta entre las patas de una silla o en el area abierta bajo una comoda, o en un area pequena creada al colocar una lampara cerca de la esquina de una habitacion. El borde del robot sigue utilizando su paragolpes y/o lleva a cabo comportamientos de giro de panico para escapar del area; y

(iv) Situacion 4. El robot ha quedado atascado y no se puede liberar por si mismo -por ejemplo, el robot esta en uno de los casos de la categoria (ii) anterior y no ha sido capaz de liberarse por si mismo con ninguno de sus comportamientos de panico. En este caso, el robot detiene el funcionamiento y lo senaliza al usuario en busca de ayuda. Esto preserva la duracion de la bateria e impide danos en el suelo o el mobiliario. Para detectar la necesidad de cada situacion de escape, se utilizan diversos sensores. Por ejemplo:

(i) Situacion 1. (a) Cuando la corriente del cepillo o del cepillo lateral aumenta por encima de un umbral, se reduce la tension aplicada al motor pertinente. Siempre que esto ocurre, se incrementa una variable de indice de parada. Cuando la corriente esta por debajo del umbral, se reduce el indice de parada. Si el nivel de parada aumenta por encima de un umbral bajo y la pendiente del indice es positiva, el robot lleva a cabo comportamientos de giro pequeno de panico. Este repite solamente estos comportamientos de giro pequeno de panico cuando el nivel ha vuelto a cero y ha aumentado de nuevo hasta el umbral. (b) Analogamente, hay un nivel variable de rueda suspendida que se incrementa cuando se detecta un evento de rueda suspendida y se reduce constantemente con el tiempo. Cuando se detecta un evento de rueda suspendida y el nivel de rueda suspendida esta por encima de un umbral (lo que significa que se han producido recientemente varias ruedas suspendidas), el robot lleva a cabo comportamientos de giro pequeno de panico o grande en funcion del nivel de rueda suspendida.

(ii) Situacion 2. (a) Cuando el indice de parada del cepillo aumenta por encima de un umbral alto y la pendiente es positiva, el robot apaga el cepillo durante 13 segundos y lleva a cabo comportamientos de giro grande de panico en 1, 3 y 7 segundos. Al termino de los 13 segundos, el cepillo se vuelve a encender. (b) Cuando el indice de parada de traccion aumenta por encima de un umbral medio y la pendiente es positiva, el robot lleva a cabo continuamente comportamientos de giro grande de panico. (c) Cuando el indice de parada de traccion aumenta por encima de un umbral alto, el robot apaga todos los motores durante 15 segundos. Al termino de los 15 segundos, los motores se vuelven a encender. (d) Cuando el paragolpes del robot esta presionado constantemente durante 5 segundos (tal como en una situacion de bloqueo lateral), el robot lleva a cabo un comportamiento de giro grande de panico. Este repite el comportamiento de giro de panico cada 5 segundos hasta que se libera el paragolpes. (e) Cuando el robot no ha recibido golpes durante una distancia de 6 m (20 pies), asume que puede estar atascado con sus ruedas girando en vacio. Para liberarse, realiza una espiral. Si sigue sin recibir ningun golpe durante 3 m (10 pies) despues del termino de la espiral, lleva a cabo un comportamiento de giro grande de panico. Sigue haciendolo cada 3 m (10 pies) hasta que recibe un golpe.

(iii) Situacion 3. (a) Cuando la distancia promedio entre golpes cae por debajo de un umbral bajo, el robot lleva a cabo seguimiento de bordes utilizando su paragolpes para intentar escapar del area confinada. (b) Cuando la distancia promedio entre golpes cae por debajo de un umbral muy bajo, el robot lleva a cabo comportamientos de giro grande de panico para orientarse de tal modo que pueda escapar mejor del area confinada.

(iv) Situacion 4. (a) Cuando el cepillo se ha parado y ha sido apagado varias veces recientemente, y el indice de parada del cepillo es alto y la pendiente es positiva, el robot se apaga. (b) Cuando la traccion se ha parado y los motores se han apagado recientemente varias veces y el indice de parada de traccion es alto y la pendiente es positiva, el robot se apaga. (c) Cuando alguna de las ruedas esta suspendida continuamente durante mas de 2 segundos, el robot se apaga. (d) Cuando se producen muchos eventos de rueda suspendida en un tiempo corto, el robot se apaga. (e) Cuando alguno de los sensores de desnivel detecta un desnivel continuamente durante 10 segundos, el robot se apaga. (f) Cuando el sensor de golpe esta presionado constantemente durante una cierta cantidad de tiempo, por ejemplo 10 segundos, es probable que el robot este encajado, y el robot se apaga.

A modo de ejemplo descriptivo, las figuras 12A y 12B muestran el analisis utilizado en una realizacion preferida para identificar la necesidad de un comportamiento de escape con respecto a un motor de cepillo parado, tal como se ha descrito anteriormente en las situaciones 1,2 y 4. Cada vez que la corriente del cepillo excede un limite determinado para el motor del cepillo (etapa 402), un registro del indice se aumenta en 1 (etapa 404); si no se excede el limite, el registro del indice se reduce en 1 (etapa 406). Un registro de pendiente independiente almacena los valores recientes durante un periodo de tiempo reciente, tal como 120 ciclos. Si el indice esta por encima de 600 (donde 600 corresponde a un segundo de parada constante) (etapa 414) y la pendiente es positiva (etapa 416), entonces el robot ejecutara un comportamiento de escape (etapa 420) si el comportamiento de escape esta activado (etapa 418). Los comportamientos de escape se desactivan despues de la ejecucion (etapa 428) hasta que el indice ha vuelto a cero (etapa 422), se reactivan (etapa 424) y aumentan de nuevo a 600. Esto se realiza para evitar que el comportamiento de escape se desencadene constantemente en indices por encima de 600.

Sin embargo, si el indice esta por encima de 2400 (etapa 410) y la pendiente es positiva (etapa 412), el robot ejecutara un conjunto especial de comportamientos de escape, mostrados en la figura 12B. En una realizacion preferida, el motor del cepillo se apagara (etapa 430), el "nivel" se incrementa en una cantidad predeterminada (de 50 a 90) (etapa 430), se ajusta el tiempo de parada (etapa 430) y se lleva a cabo un comportamiento de panico (etapa 452) en 1 segundo (etapa 445), 4 segundos (etapa 450) y 7 segundos (etapa 455) desde que se apago el cepillo. El sistema de control reinicia a continuacion el cepillo en 13 segundos (etapas 440 y 442). El nivel se reduce en 1 cada segundo (etapas 444). Si el nivel alcanza un umbral maximo (etapa 435), el robot detiene todo funcionamiento (etapa 437). Ademas, el robot puede adoptar acciones adicionales cuando se detectan ciertas paradas, tal como limitar la tension al motor para impedir danos al motor.

Una realizacion preferida del robot tiene cuatro comportamientos de escape: GIRO, BORDE, RUEDA SUSPENDIDA y REDUCCION.

GIRO. El robot gira en posicion a una direccion aleatoria, empezando a una velocidad mayor (aproximadamente el doble de su velocidad de giro normal) y disminuyendo hasta una velocidad menor (aproximadamente la mitad de su velocidad de giro normal). Variar la velocidad puede ayudar a que el robot escape de diversas situaciones. El angulo que el robot deberia girar puede ser aleatorio o una funcion del grado de escape requerido, o ambos. En una realizacion preferida, en situaciones de panico reducido el robot realiza cualquier giro entre 45 y 90 grados, y en situaciones de panico elevado el robot realiza cualquier giro entre 90 y 270 grados.

BORDE. El robot sigue el borde utilizando su sensor de golpe hasta que (a) el robot gira 60 grados sin un golpe o (b) el robot ha girado acumulativamente mas de 170 grados desde que se inicio el comportamiento de BORDE. El comportamiento de BORDE puede ser util si la distancia de golpe promedio es baja (pero no tanto que provoque un comportamiento de panico). El comportamiento de BORDE permite al robot caber a traves de las minimas aberturas fisicamente posibles para el robot y por lo tanto puede permitir que el robot escape de areas confinadas.

RUEDA SUSPENDIDA. El robot hace retroceder brevemente las ruedas, y a continuacion las detiene. El retroceso de las ruedas ayuda a minimizar los falsos positivos de rueda suspendida proporcionando a las ruedas un pequeno impulso en sentido opuesto. Si la rueda suspendida ha desaparecido en 2 segundos, el robot prosigue el funcionamiento normal.

REDUCCION. Si un detector de rueda suspendida o de desnivel se apaga, el robot reduce la velocidad a 0,235 m/s (o al 77 % de su velocidad normal) durante una distancia de 0,5 m y a continuacion acelera de nuevo hasta su velocidad normal.

Ademas de los comportamientos de cobertura y los comportamientos de escape, el robot puede contener asimismo comportamientos adicionales relacionados con la seguridad o la usabilidad. Por ejemplo, si se detecta un desnivel durante mas de una cantidad de tiempo predeterminada, el robot se puede apagar. Cuando se detecta por primera vez un desnivel, el comportamiento de respuesta de evitacion del desnivel tiene prioridad inmediata sobre todos los demas comportamientos, girando el robot alejandolo del desnivel hasta que el robot deja de detectar el desnivel. En una realizacion preferida, el evento de deteccion de desnivel no provoca un cambio en los modos de funcionamiento. En otras realizaciones, el robot podria utilizar un algoritmo similar al comportamiento de seguimiento de la pared para permitir el seguimiento del desnivel.

El funcionamiento individual de los tres modos de funcionamiento se ha descrito en lo anterior; se pasa a continuacion al modo preferido de conmutacion entre los diversos modos.

Para conseguir la cobertura y la eficiencia de limpieza optimas, una realizacion preferida utiliza un programa de control que otorga prioridad a varios comportamientos de cobertura. (Si es necesario, los comportamientos de escape reciben siempre una prioridad superior.) Por ejemplo, el robot 10 puede utilizar el modo de seguimiento de la pared durante un periodo de tiempo especifico o aleatorio, y conmutar a continuacion a los modos de funcionamiento para limpiar la habitacion. Conmutando entre modos de funcionamiento, el dispositivo robotico de la presente invencion puede aumentar la cobertura, la eficiencia de limpieza y la eficacia percibida.

A modo de ejemplo, las figuras 13A y 13B muestran un robot movil 10 en un entorno en forma de "hueso de perro" en el que dos habitaciones 115 y 116 de dimensiones aproximadamente iguales estan conectadas mediante un paso estrecho 105. (Este ejemplo muestra el problema de difusion del robot explicado anteriormente.) Esta disposicion es una version simplificada de los tipicos entornos domesticos, en los que el "hueso de perro" se puede generar mediante las disposiciones de obstaculos en el interior de la habitacion. En la figura 13A, la trayectoria del robot 10 se ha trazado como la linea 54 cuando el robot 10 funciona en un modo de rebote aleatorio. El robot 10 no puede pasar de la habitacion 116 a la 115 durante la ejecucion limitada debido a que no ha ocurrido que el comportamiento aleatorio del robot conduzca el robot a traves del paso 105. Este procedimiento deja la cobertura muy por debajo de la optima y la velocidad de limpieza reducida, debido al numero de veces que el robot 10 cruza su propia trayectoria. La figura 13B muestra el movimiento de una realizacion preferida del robot 10, con la que el robot alterna ciclicamente entre los comportamientos de REBOTE y de SEGUIMIENTO DE LA PARED. Cuando el robot sigue la trayectoria 99, cada vez que el robot 10 encuentra una pared 100, el robot sigue la pared durante una distancia igual al doble del diametro del robot. Las partes de la trayectoria 99 en las que el robot 10 funciona en modo de seguimiento de la pared estan identificadas como 51. Este procedimiento proporciona una cobertura considerablemente mayor, junto con los consiguientes incrementos en la velocidad de limpieza y la eficacia percibida.

Finalmente, se detalla en la figura 14 una realizacion preferida de la presente invencion en la que se utiliza la totalidad de los tres modos de funcionamiento. En una realizacion preferida, el dispositivo 10 comienza en modo espiral (linea de movimiento 45). Si se utiliza un patron espiral reflectante, el dispositivo continua en modo espiral hasta que se ha producido un numero predeterminado o aleatorio de eventos de reflexion. Si se utiliza una espiral estandar (tal como se muestra en la figura 14), el dispositivo deberia continuar hasta algun evento del sensor de golpe. En una realizacion preferida, el dispositivo entra inmediatamente en el modo de seguimiento de la pared despues de un evento desencadenante.

En una realizacion preferida, el dispositivo conmuta a continuacion entre el modo de seguimiento de la pared (lineas de movimiento 51) y los modos de rebote aleatorio (lineas de movimiento 48) en base a eventos de sensor de golpe o a la finalizacion del algoritmo de seguimiento de la pared. En una realizacion, el dispositivo no vuelve al modo espiral; sin embargo, en otras realizaciones, el dispositivo puede entrar en modo espiral en base a un evento predeterminado o aleatorio.

En una realizacion preferida, el robot mantiene un registro de la distancia promedio recorrida entre golpes. El robot calcula a continuacion una distancia de golpe promedio (ABD, average bump distance) utilizando la formula siguiente: (3/4 x ABD) (1/4 x distancia mas reciente entre golpes). Si la ABD esta por encima de un umbral predeterminado, el robot proporcionara prioridad al comportamiento ESPIRAL. En otras realizaciones, el robot puede tener un numero minimo de eventos de golpe antes de que el comportamiento ESPIRAL reciba prioridad de nuevo. En otras realizaciones, el robot puede entrar en comportamiento ESPIRAL si se desplaza una distancia maxima, por ejemplo de 6 m (20 pies), sin un evento de golpe.

Ademas, el robot puede tener asimismo condiciones tras las cuales detiene todas las operaciones. Por ejemplo, para un tamano de habitacion determinado, que se puede seleccionar manualmente, se ajustan tiempos minimo y maximo de servicio y se selecciona una distancia total minima. Cuando se ha alcanzado el tiempo minimo y la distancia minima el robot se apaga. Analogamente, si se ha alcanzado el tiempo maximo, el robot se apaga.

Por supuesto, se puede utilizar asimismo un control manual para seleccionar entre modos de funcionamiento. Por ejemplo, se podria utilizar un control remoto para cambiar los comportamientos o modos de funcionamiento, o influir sobre los mismos. Analogamente, se podria utilizar un conmutador montado en la propia carcasa para ajustar el modo de funcionamiento o la conmutacion entre modos. Por ejemplo, se podria utilizar un conmutador para ajustar el nivel de desorden en una habitacion con el fin de permitir al robot un algoritmo de cobertura mas adecuado con capacidad de deteccion limitada.

Un experto en la materia reconocera que se pueden utilizar partes de la presente invencion en vehiculos autonomos con diversos propositos ademas de la limpieza. El alcance de la invencion se debera determinar mediante las reivindicaciones adjuntas, y no mediante los ejemplos proporcionados..

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un robot movil (10), que comprende:

medios (20, 21) de desplazamiento del robot sobre una superficie;

un sensor de deteccion de obstaculos (12, 13, 16); y

un sistema de control (22) conectado operativamente a dicho sensor de deteccion de obstaculos y a dichos medios de desplazamiento;

en el que dicho sistema de control tiene un modo de seguimiento de obstaculos, mediante el cual dicho robot se desplaza junto a un obstaculo detectado, y un modo de cobertura de habitacion;

dicho sistema de control esta configurado para hacer funcionar el robot en uno o varios comportamientos que incluyen un comportamiento de cobertura en el que el sistema de control alterna ciclicamente entre dicho modo de seguimiento de obstaculos y dicho modo de cobertura de habitacion;

caracterizado por que:

dicho sensor de deteccion de obstaculos es capaz de determinar un angulo de contacto del robot con relacion a un obstaculo;

dicho sistema de control esta adaptado para conmutar a dicho modo de cobertura de habitacion con el fin de llevar a cabo un comportamiento de rebote, en el que el robot se aleja del obstaculo para desplazarse en un rumbo elegido en relacion con el obstaculo.

2. Un robot movil segun la reivindicacion 1, en el que dicho sistema de control puede funcionar para conmutar de dicho modo de seguimiento de obstaculos a dicho modo de cobertura de habitacion una vez se ha recorrido una distancia de desplazamiento minima de aproximadamente el doble de la anchura de trabajo del robot.

3. Un robot movil segun la reivindicacion 1, en el que dicho sistema de control esta adaptado ademas para conmutar de dicho modo de seguimiento de obstaculos a dicho modo de cobertura de habitacion:

despues de un numero aleatorio de interacciones mediante el sensor de deteccion de obstaculos; o

despues de un numero particular de interacciones mediante el sensor de deteccion de obstaculos;

o

despues de desplazarse una distancia aleatoria; o

despues de un tiempo aleatorio; o

despues de un tiempo determinado; o

despues de que se produce una interaccion mediante el sensor de deteccion de obstaculos antes de una distancia maxima; o

segun el numero particular de interacciones con obstaculos en el tiempo; o

despues de una rotacion de mas de un numero particular de grados.

4. Un robot movil segun la reivindicacion 3, en el que dicho numero particular de interacciones esta entre aproximadamente 5 y aproximadamente 15.

5. Un robot movil segun la reivindicacion 3, en el que dicha distancia maxima es aproximadamente diez veces la anchura de trabajo del robot.

6. Un robot movil segun cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que si se encuentran mas obstaculos, la conmutacion de dicho modo de seguimiento de obstaculos a dicho modo de cobertura de habitacion es mas lenta, y si se encuentran menos obstaculos, la conmutacion de dicho modo de seguimiento de obstaculos a dicho modo de cobertura de habitacion es mas rapida.

7. Un robot movil segun cualquier reivindicacion anterior, en el que dicho sistema de control ajusta un ciclo inicial entre el modo de seguimiento de obstaculos y el modo de cobertura de habitacion para que sea mayor que los ciclos posteriores.

8. Un robot movil segun cualquier reivindicacion anterior, en el que dicho modo de cobertura de habitacion incluye llevar a cabo uno o varios de:

el comportamiento de rebote, en el que el robot se aparta del obstaculo; y

un comportamiento en linea recta en el que el robot sigue moviendose en una linea fundamentalmente recta.

9. Un robot movil segun cualquier reivindicacion anterior, en el que dicho modo de seguimiento de obstaculos incluye llevar a cabo uno o varios de:

un seguimiento de la pared en el que el robot sigue una pared fundamentalmente recta de un obstaculo;

un seguimiento de alineamiento, en el que el robot gira para alinearse con una pared un obstaculo;

un seguimiento de borde, en el que el robot sigue el borde de un obstaculo.

10. El robot movil segun la reivindicacion 1, mediante el cual dicho modo de seguimiento de obstaculos comprende alternar entre disminuir el radio de giro del robot en funcion de la distancia recorrida, de modo que el robot gira hacia dicho obstaculo hasta que el sensor de deteccion de obstaculos detecta un obstaculo, y disminuir el radio de giro del robot en funcion de la distancia recorrida, de modo que el robot se aleje de dicho obstaculo hasta que el sistema de deteccion de obstaculos deje de detectar un obstaculo.

11. El robot movil segun la reivindicacion 1, que comprende ademas medios para seleccionar manualmente un modo de funcionamiento.

12. Un robot movil segun cualquier reivindicacion anterior, en el que el comportamiento de rebote comprende (i) un movimiento de avance del robot hasta que se activa el sensor de deteccion de obstaculos y (ii) calcular un intervalo aceptable de nuevas direcciones para elegir el nuevo rumbo dentro de ese intervalo aceptable.

13. Un robot movil segun la reivindicacion 12, en el que el intervalo aceptable es de 90 a 270 grados con relacion a un obstaculo detectado.

14. Un robot movil segun la reivindicacion 1, mediante el cual dicho sensor de deteccion de obstaculos comprende un sensor tactil.

15. un robot movil segun la reivindicacion 14, mediante el cual dicho sensor de deteccion de obstaculos comprende ademas un sensor IR.