Un robot (10) móvil, que comprende: (a) medios (20) para desplazar el robot sobre una superficie;

(b) un sensor de detección de obstáculos (12, 13, 14, 15, 16); (c) y un sistema de control conectado de manera operativa a dicho sensor de detección de obstáculos y a dichos medios de desplazamiento; (d) estando configurado dicho sistema de control para hacer funcionar el robot en una pluralidad de modos de funcionamiento y para realizar una selección entre la pluralidad de modos de funcionamiento durante el desplazamiento del robot (10) al menos en parte como respuesta a señales generadas por el sensor de detección de obstáculos, comprendiendo dicha pluralidad de modos de funcionamiento: un modo de cobertura localizada (45) mediante el cual el robot funciona en un área aislada, un modo de seguimiento de obstáculo (51) mediante el cual dicho robot se desplaza de manera adyacente a un obstáculo, y un modo de rebote (49) mediante el cual el robot se desplaza sustancialmente en una dirección alejándose de un obstáculo después de toparse con el obstáculo, y en el que, durante el modo de seguimiento de obstáculo, el robot se desplaza de manera adyacente a un obstáculo en una distancia al menos dos veces el ancho de trabajo del robot.

Mención de solicitud provisional

Esta solicitud PCT reivindica prioridad sobre la solicitud provisional de patente de Estados Unidos número de serie 60/297.718, presentada el 12 de junio de 2001.

Campo de la invención

Esta invención se refiere en general a vehículos o robots autónomos y, más específicamente, a procedimientos y a dispositivos robóticos móviles para cubrir un área específica que puedan requerirse por, o utilizarse como, limpiadores robóticos o cortadoras de césped.

Antecedentes

Para los fines de esta descripción, los ejemplos se centrarán en los problemas a los que se ha enfrentado la técnica anterior en lo que respecta a una limpieza robótica (por ejemplo, quitar el polvo, dar brillo, barrer, fregar el suelo, limpiar en seco o pasar la aspiradora). Sin embargo, la invención reivindicada sólo está limitada por las reivindicaciones, y un experto en la técnica reconocerá los múltiples usos de la presente invención más allá de una limpieza doméstica en entornos cerrados.

Los ingenieros robóticos han trabajado durante mucho tiempo en el desarrollo de un procedimiento eficaz de limpieza autónoma. A modo de introducción, el rendimiento de los robots de limpieza debe centrarse en tres medidas prácticas: cobertura, tasa de limpieza y efectividad percibida. La cobertura es el porcentaje del espacio disponible recorrido por el robot durante un tiempo de limpieza fijado y, de manera ideal, un robot de limpieza proporciona una cobertura del 100 por cien dado un tiempo de funcionamiento infinito. Desafortunadamente, los diseños de la técnica anterior dejan sin cubrir frecuentemente algunas zonas, independientemente de la cantidad de tiempo que se deje al dispositivo para completar sus tareas. La imposibilidad de conseguir una cobertura completa puede deberse a limitaciones mecánicas, por ejemplo el tamaño y la forma del robot pueden impedir que llegue a determinadas zonas,

o el robot puede quedar atrapado sin poder modificar su control para liberarse. La imposibilidad de conseguir una cobertura completa también puede deberse a un algoritmo de cobertura inadecuado. El algoritmo de cobertura es el conjunto de instrucciones utilizado por el robot para controlar su movimiento. Para los fines de la presente invención, la cobertura se trata como un porcentaje del área disponible recorrida por el robot durante un tiempo de limpieza finito. Debido a limitaciones mecánicas y/o algorítmicas, determinadas zonas del espacio disponible pueden omitirse sistemáticamente. Tal omisión sistemática es una limitación importante de la técnica anterior.

Una segunda medida del rendimiento de un robot de limpieza es la tasa de limpieza dada en unidades de área limpiada por unidad de tiempo. La tasa de limpieza se refiere al grado en que aumenta el área de suelo que se ha limpiado; la tasa de cobertura se refiere al grado en que el robot cubre el suelo independientemente de si el suelo estaba limpio o sucio anteriormente. Si la velocidad del robot es v y el ancho del mecanismo de limpieza del robot (también denominado ancho de trabajo) es w, entonces la tasa de cobertura del robot es simplemente wv, pero su tasa de limpieza puede ser drásticamente inferior.

Un robot que se mueve de una manera puramente aleatoria en un entorno cerrado tiene una tasa de limpieza que disminuye con respecto a la tasa de cobertura del robot como una función de tiempo. Esto se debe a que cuanto más tiempo funcione el robot, mayor será la probabilidad de vuelva a pasar por zonas ya limpiadas. El diseño óptimo tiene una tasa de limpieza equivalente a la tasa de cobertura, minimizando de este modo limpiezas repetidas innecesarias en el mismo punto. Dicho de otro modo, la relación de la tasa de limpieza con respecto a la tasa de cobertura es una medida de eficacia y una tasa de limpieza óptima indicará la cobertura del mayor porcentaje del área designada con el mínimo número de pasadas acumulativas o redundantes sobre un área ya limpiada.

Una tercera medida del rendimiento del robot de limpieza es la efectividad percibida del robot. Esta medida se ha ignorado en la técnica anterior. Un desplazamiento deliberado y un determinado desplazamiento modelizado es una característica favorable ya que los usuarios percibirán un robot que realiza un movimiento deliberado más eficaz.

Aunque la tasa de cobertura, la tasa de limpieza y la efectividad percibida son los criterios de rendimiento analizados en este documento, una realización preferida de la presente invención también tiene en cuenta la facilidad de utilización en habitaciones de diferentes formas y tamaños (que contengan una pluralidad de obstáculos no conocidos) y el coste de los componentes robóticos. Otros criterios de diseño también pueden influir en el diseño, por ejemplo la necesidad de evitar colisiones y una respuesta apropiada a otros imprevistos.

Tal y como se describe en detalle en el documento “Mobile Robots: Inspiration to Implementation”, de Jones, Flynn y Seiger, segunda edición, 1999, A K Peters, Ltd, y en otros documentos, se han llevado a cabo numerosos intentos para fabricar robots de limpieza y de aspirado. Cada uno de estos robots ha afrontado un reto similar: cómo cubrir de manera eficaz el área designada dadas unas reservas de energía limitadas.

En este documento, una limpieza totalmente eficaz, donde la tasa de limpieza es igual a la tasa de cobertura, se denomina como limpieza determinista. Tal y como se muestra en la FIG. 1A, un robot 1 que sigue una trayectoria determinista se desplaza de tal manera que cubre completamente el área 2 evitando al mismo tiempo toda limpieza redundante. Una limpieza determinista requiere que el robot sepa dónde está y dónde ha estado; esto requiere a su vez un sistema de posicionamiento. Tal sistema de posicionamiento, un sistema de posicionamiento lo bastante preciso como para permitir que la limpieza determinista se base en sistemas de exploración láser, transductores ultrasónicos, GPS diferencial de fase de portadora, u otros procedimientos, puede ser extremadamente caro y requerir una configuración por parte del usuario específica con respecto a la geometría particular de una habitación. Además, los procedimientos que se basan en el posicionamiento global se ven afectados normalmente por fallos en cualquier parte del sistema de posicionamiento.

Un ejemplo de utilización de tecnologías de detección altamente sofisticadas (y caras) para producir una limpieza determinista es el dispositivo RoboScrub fabricado por Denning Mobile Robotics y Windsor Industries que utiliza detectores con sónar, detectores infrarrojos, sensores de choque y navegación láser de alta precisión. El sistema de navegación del dispositivo RoboScrub requiere colocar grandes blancos con códigos de barras en diferentes ubicaciones de la habitación. El requisito de que el dispositivo RoboScrub tenga que detectar al menos cuatro blancos simultáneamente es un problema operativo importante. Por lo tanto, el dispositivo RoboScrub está limitado a limpiar grandes espacios abiertos.

Otro ejemplo, RoboKent, un robot fabricado por la Kent Corporation, sigue una estrategia de posicionamiento global similar al RobotScrub. El robot RoboKent prescinde del sistema de posicionamiento láser más caro del dispositivo RobotScrub, pero esto ha provocado que el robot RoboKent deba limitarse solamente a áreas con una geometría rectangular simple, por ejemplo, largos pasillos. En estas regiones más concretas, basta la corrección de posición realizada por las mediciones de exploración del sónar. Otros sistemas de limpieza determinista se describen, por ejemplo, en las patentes de Estados Unidos números 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). El documento DE19849978 es otro ejemplo de un robot de limpieza.

Debido a las limitaciones y dificultades de la limpieza determinista, algunos robots se han basado en esquemas seudodeterministas. Un procedimiento que proporciona una limpieza seudodeterminista es un procedimiento de navegación autónoma conocido como situación por estima. La situación por estima consiste en medir la rotación precisa de cada rueda propulsora del robot (utilizando por ejemplo codificadores de eje ópticos). De este modo, el robot puede calcular su posición esperada en el entorno dado un punto de partida conocido y la orientación. Un problema de esta técnica es el resbalamiento de las ruedas. Si se produce un resbalamiento, el codificador de esa rueda registra una rotación... [Seguir leyendo]

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

(a) medios (20) para desplazar el robot sobre una superficie;

(b) un sensor de detección de obstáculos (12, 13, 14, 15, 16);

(c) y un sistema de control conectado de manera operativa a dicho sensor de detección de obstáculos y a dichos medios de desplazamiento;

(d) estando configurado dicho sistema de control para hacer funcionar el robot en una pluralidad de modos de funcionamiento y para realizar una selección entre la pluralidad de modos de funcionamiento durante el desplazamiento del robot (10) al menos en parte como respuesta a señales generadas por el sensor de detección de obstáculos, comprendiendo dicha pluralidad de modos de funcionamiento: un modo de cobertura localizada (45) mediante el cual el robot funciona en un área aislada, un modo de seguimiento de obstáculo

(51) mediante el cual dicho robot se desplaza de manera adyacente a un obstáculo, y un modo de rebote (49) mediante el cual el robot se desplaza sustancialmente en una dirección alejándose de un obstáculo después de toparse con el obstáculo, y en el que, durante el modo de seguimiento de obstáculo, el robot se desplaza de manera adyacente a un obstáculo en una distancia al menos dos veces el ancho de trabajo del robot.

2. Un robot (10) móvil según la reivindicación 1, en el que dicho sistema de control está configurado para funcionar primero en dicho modo de cobertura localizada y después alterna el funcionamiento entre dicho modo de seguimiento de obstáculo y dicho modo de rebote.

3. Un robot (10) móvil según la reivindicación 1 ó 2, en el que dicho modo de cobertura localizada comprende sustancialmente un desplazamiento en espiral.

4. Un robot (10) móvil según cualquier reivindicación anterior, en el que el sistema de control está configurado para funcionar según uno cualquiera de lo siguiente:

i) volver al modo de cobertura localizada después de una distancia de desplazamiento predeterminada;

ii) volver al modo de cobertura localizada después de un tiempo transcurrido predeterminado; o

iii) volver al modo de cobertura localizada si la distancia media entre las interacciones con obstáculos es mayor que un umbral predeterminado.

5. Un robot (10) móvil según la reivindicación 1, en el que dicho sensor de detección de obstáculos comprende uno

o más de lo siguiente:

i) un sensor táctil (12, 13),

ii) un sensor IR.

6. El robot (10) móvil según la reivindicación 1, en el que:

dicho modo de seguimiento de obstáculo comprende alternar entre reducir el radio de giro del robot en función de la distancia recorrida de manera que el robot (10) gira hacia dicho obstáculo hasta que el sensor de detección de obstáculos detecta un obstáculo, y reducir el radio de giro del robot en función de la distancia recorrida de manera que el robot gira alejándose de dicho obstáculo.

7. Un robot (10) móvil según cualquier reivindicación anterior, en el que el robot funciona en el modo de seguimiento de obstáculo seleccionado a partir de uno cualquiera de lo siguiente:

i) para una distancia mayor que el doble del ancho de trabajo del robot y menor que aproximadamente diez veces el ancho de trabajo del robot; o

ii) para una distancia mayor que el doble del ancho de trabajo del robot y menor que cinco veces el ancho de trabajo del robot.

8. Un robot (10) móvil según la reivindicación 1, en el que dicho sistema de control está configurado para realizar una selección entre el modo de seguimiento de obstáculo (51) y el modo de rebote (49), estando configurado dicho sistema de control para conmutar a dicho modo de seguimiento de obstáculo después de un número predeterminado de interacciones de sensor.

9. El robot (10) móvil según la reivindicación 8, en el que dicho número predeterminado de interacciones de sensor

se selecciona a partir de uno cualquiera de lo siguiente: i) determinándose de manera aleatoria; ii) o cuando dicho número predeterminado de interacciones de sensor está entre aproximadamente 5 y

aproximadamente 15. 10. El robot (10) móvil según la reivindicación 8, en el que dicho sistema de control está configurado para conmutar

a dicho modo de rebote (49) después de un evento seleccionado de entre uno cualquiera de los siguientes: i) después de que el robot recorra una distancia predeterminada en dicho modo de seguimiento de obstáculo; ii) después de que el robot haya recorrido una distancia máxima; o iii) después de que el robot haya recorrido una distancia mínima y haya encontrado un obstáculo.

11. Un robot (10) móvil según la reivindicación 10, en el que dicha distancia mínima es de al menos 115 cm, o dicha

distancia máxima es inferior a 520 cm. 12. Un robot (10) móvil según cualquier reivindicación anterior, en el que el sistema de control alterna modos de funcionamiento basándose en

i) la distancia recorrida por dicho robot, o ii) en función de una ausencia de entrada de sensor.

13. Un robot (10) móvil según cualquier reivindicación anterior, que comprende además un medio para determinar el nivel de desorden. 14. Un robot (10) móvil según la reivindicación 13, en el que: dicho medio para determinar el nivel de desorden comprende uno cualquiera de lo siguiente:

i) realizar un seguimiento del número de interacciones con obstáculos en el tiempo; ii) correlacionar el nivel de desorden con la frecuencia en la que el controlador alterna modos de funcionamiento; o iii) correlacionar de manera positiva el nivel de desorden con la distancia mínima de seguimiento de obstáculo. 15. Un robot (10) móvil según la reivindicación 13 o la reivindicación 14, que comprende además un medio para

introducir el área apropiada de la superficie, en el que dicho medio para determinar el nivel de desorden está relacionado además con el área aproximada de la superficie. 16. Un robot (10) móvil según la reivindicación 1, en el que dicho sistema de control comprende además una

memoria en la que está almacenado un programa de sistema de funcionamiento, comprendiendo dicho programa de sistema de funcionamiento una pluralidad de comportamientos y un árbitro para seleccionar qué comportamiento controla los medios de desplazamiento del robot.

17. Un robot (10) móvil según la reivindicación 8, que comprende además un comportamiento de escape seleccionado a partir de uno cualquiera de lo siguiente: i) un comportamiento de escape que funciona en dicho modo de seguimiento de obstáculo y donde el sensor de detección de obstáculos comprende un sensor táctil; ii) dicho comportamiento de escape se activa por la tasa de un evento de calado de motor; iii) dicho comportamiento de escape se activa por un aumento en la tasa de un evento de calado de motor; iv) dicho comportamiento de escape se activa por la duración de entrada de sensor; v) dicho comportamiento de escape comprende apagar el robot; o vi) dicho comportamiento de escape se activa por una ausencia de entrada de sensor. 18. Un robot (10) móvil según la reivindicación 8, que comprende además: i) un detector de desnivel, mediante el cual el sistema de control está configurado para reducir la velocidad del

robot tras la detección de un desnivel; y/o

ii) un sensor de descenso de rueda, mediante el cual dicho robot utiliza la tasa de eventos de sensor de descenso de rueda como entrada para dicho sistema de control.

19. Un robot (10) móvil según cualquier reivindicación anterior, que comprende además un medio para seleccionar manualmente un modo de funcionamiento.

20. Un procedimiento para controlar un robot (10) móvil equipado con un sensor para detectar un obstáculo, estando caracterizado dicho procedimiento por comprender las etapas de:

a) realizar una selección entre una pluralidad de modos de funcionamiento, durante el desplazamiento del robot (10), en respuesta a señales generadas por un sensor de detección de obstáculos, comprendiendo los modos un modo de cobertura localizada (45), un modo de seguimiento de obstáculo (51) y un modo de rebote (49), donde el robot se desplaza inicialmente en un modo de cobertura localizada, desplazándose el robot en un movimiento de recorrido en espiral;

b) interrumpir dicho movimiento de recorrido en espiral en cuanto se detecte un obstáculo o se recorra una distancia predeterminada;

c) desplazarse en una dirección sustancialmente de avance hasta que se detecte un obstáculo;

d) girar y desplazarse a lo largo del obstáculo detectado durante una distancia al menos dos veces el ancho de trabajo del robot;

e) girar alejándose del obstáculo detectado y desplazarse en una dirección sustancialmente de avance; y

f) repetir después dicha etapa de desplazamiento a lo largo de un obstáculo detectado y dicha etapa de girar alejándose del obstáculo detectado, donde los cambios en el movimiento se seleccionan en tiempo real durante el funcionamiento del robot y como respuesta a cualquiera de entre la distancia calculada o las señales generadas por el sensor.

21. El procedimiento de guiado del robot móvil según la reivindicación 20, en el que:

i) el procedimiento comprende la etapa de repetir el movimiento de recorrido en espiral después de un número predeterminado de eventos de sensor, o

ii) el robot se desplaza a lo largo de dicho obstáculo durante al menos una distancia mínima pero menor que una distancia máxima, donde preferentemente dicho sensor de obstáculos comprende un sensor IR que puede detectar dicha delimitación, comprendiendo además preferentemente dicho sensor de obstáculos un sensor táctil.