Cobertura multimodo para un robot autónomo.

Un robot móvil (10), que comprende:

(a) medios para mover el robot (10) sobre una superficie;

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

(c) y un sistema de control conectado de manera operativa a dicho sensor de detección de obstáculos (12, 13) y a dichos medios de movimiento;

(d) estando configurado dicho sistema de control para hacer funcionar el robot (10) en una pluralidad de modos, comprendiendo dicha pluralidad de modos: un modo de seguimiento de obstáculo mediante el cual dicho robot (10) se desplaza de manera adyacente a un obstáculo, y un modo de rebote mediante el cual el robot (10) se desplaza sustancialmente en una dirección alejándose de un obstáculo después de encontrarse un obstáculo,

caracterizado por que el robot móvil (10) comprende además

sensores de desnivel (14) que impiden que el robot móvil (10) se caiga por unas escaleras u otras caídas verticales, un sensor de descenso de rueda que puede detectar si una o más ruedas no están apoyadas en la superficie.

Cobertura multimodo para un robot autónomo 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 usarse 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 establecido 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 usado 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 a la tasa en que aumenta el área de suelo que se ha limpiado; la tasa de cobertura se refiere a la tasa en que el robot cubre el suelo independientemente de si el suelo estaba previamente limpio o sucio. 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 devuelva 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 movimiento deliberado y un determinado movimiento que se ajusta a un patrón es favorable ya que los usuarios percibirán un robot con 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 serie 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 peligros.

Tal y como se describe en detalle en el documento Mobile Robots: Inspiration to Implementatlon, 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 aspirado y limpieza y. 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, se hace referencia a una limpieza totalmente eficaz, donde la tasa de limpieza es Igual a la tasa de cobertura, como. Tal y como se muestra en la flg. 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 adecuadamente 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 la habitación. Además, los procedimientos que se basan en el posicionamiento global se ven afectados normalmente por los 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 usa sensores con sonar, sensores infrarrojos, sensores de choque y navegación láser de alta precisión. El sistema de navegación del dispositivo RoboScrub requería colocar grandes blancos con códigos de barras en diferentes ubicaciones de la habitación. El requisito de que el dispositivo RoboScrub tenga que descubrir al menos cuatro blancos simultáneamente fue un problema de funcionamiento 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. RoboKent prescinde del sistema de posicionamiento láser más caro de RobotScrub, pero con ello RoboKent debe limitarse solamente a áreas con una geometría rectangular simple, por ejemplo, largos pasillos. En estas regiones más constreñidas, basta la corrección de posición por mediciones de exploración del sonar. 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 ál.), 5.537.017 (Feiten et ál.), 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 de rueda incluso aunque la rueda no esté impulsando al robot con respecto al suelo. Tal y como se muestra en la fig. 1B, a medida que el robot 1 se traslada por la habitación, los errores de resbalamiento de las ruedas propulsoras se acumulan, lo que hace que este tipo de sistema no sea fiable para recorridos de cualquier duración sustancial. (La trayectoria ya no consiste en filas muy próximas entre sí, en comparación con la cobertura determinista mostrada... [Seguir leyendo]

I.- Un robot móvil (10), que comprende:

(a) medios para mover el robot (10) sobre una superficie;

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

(c) y un sistema de control conectado de manera operativa a dicho sensor de detección de obstáculos (12, 13) y a dichos medios de movimiento;

(d) estando configurado dicho sistema de control para hacer funcionar el robot (10) en una pluralidad de modos, comprendiendo dicha pluralidad de modos: un modo de seguimiento de obstáculo mediante el cual dicho robot (10) se desplaza de manera adyacente a un obstáculo, y un modo de rebote mediante el cual el robot (10) se desplaza sustancialmente en una dirección alejándose de un obstáculo después de encontrarse un obstáculo, caracterizado por que el robot móvil (10) comprende además

sensores de desnivel (14) que impiden que el robot móvil (10) se caiga por unas escaleras u otras caídas verticales, un sensor de descenso de rueda que puede detectar si una o más ruedas no están apoyadas en la superficie.

2 - Un robot móvil (10) según la reivindicación 1, mediante el cual dicho sistema de control está configurado para alternar en dicho modo de seguimiento de obstáculo después de un número predeterminado de interacciones de sensor.

3 - Un robot móvil (10) según la reivindicación 2, en el que dicho número predeterminado de interacciones de sensor se determina de forma aleatoria.

4.- Un robot móvil (10) según la reivindicación 2, en el que dicho número predeterminado de interacciones de sensor está entre aproximadamente 5 y aproximadamente 15.

5.- Un robot móvil (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicho sistema de control está configurado para alternar en dicho modo de rebote después de que el robot (10) se desplace una distancia predeterminada en dicho modo de seguimiento de obstáculo.

6 - Un robot móvil (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicho sistema de control está configurado para alternar en dicho modo de rebote cuando bien el robot (10) se ha desplazado una distancia máxima o el robot (10) se ha desplazado una distancia mínima y se haya encontrado un obstáculo.

7 - Un robot móvil (10) según la reivindicación 6, en el que dicha distancia mínima es al menos 115 cm.

8 - Un robot móvil (10) según la reivindicación 7, en el que dicha distancia máxima es menor que 520 cm.

9.- Un robot móvil (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el sistema de control alterna modos de funcionamiento basados en la distancia que se ha desplazado dicho robot (10).

10.- Un robot móvil (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende además un medio para determinar el nivel de desorden.

II.- Un robot móvil (10) según la reivindicación 10, en el que dicho medio para determinar el nivel de desorden comprende localizar el número de interacciones con obstáculos a lo largo del tiempo.

12.- Un robot móvil (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que el sistema de control alterna entre modos de funcionamiento en función de una ausencia de entrada de sensor.

13.- Un robot móvil (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el robot móvil (10) usa un sensor de seguimiento de obstáculo en el modo de seguimiento de obstáculo para posicionarse en una distancia establecida con respecto a un obstáculo.

14.- Un robot móvil (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, mediante el cual dicho sistema de control está configurado para reducir la velocidad del robot cuando se detecta un desnivel.

15.- Un robot móvil (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, mediante el cual dicho robot (10) usa la tasa de eventos de sensor de descenso de rueda como entrada para dicho sistema de control.