AUTONOMOUS CLEANING ROBOT

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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an autonomous cleaning robot which suitably detects existence of a cliff, such as a set of stairs in a floor surface to prevent the robot from moving down the cliff when the robot meeting with the cliff while moving.

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SOLUTION: The autonomous cleaning robot includes a chassis, a drive system mounted on the chassis and configured to maneuver the autonomous cleaning robot, a floor proximity sensor carried by the chassis and configured to detect the cliff in the floor surface. The floor proximity sensor includes a beam emitter configured to direct a beam toward the floor surface, and a beam receiver receiving a reflection of the emitted beam from the floor surface, and a beam-transparent cover covering the beam emitter and the beam receiver. The beam-transparent cover has a surface tilted with respect to the direction of travel and has the forward edge elevated above the rearward edge to prohibit accumulation of sediment.

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COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

自律型清掃ロボットであって、
シャーシと、
前記シャーシに搭載され、前記自律型清掃ロボットを動かす駆動システムと、
前記シャーシに保持され、床表面におけるクリフを検出する床近接センサと、を備え、
前記床近接センサは、
ビームを前記床表面に向かって発光するビーム発光器と、
前記発光されたビームの前記床表面からの反射を受光するビーム受光器と、
前記ビーム発光器およびビーム受光器をカバーするビーム透過蓋と、を備え、
前記ビーム透過蓋は、埃がたまることを防止するために、前方縁部が後方縁部よりも床面に対して高く位置する、進行方向に対して角度付された面を備えることを特徴とする、自律型清掃ロボット。

前記ビーム透過蓋は、レンズおよび蓋本体からなることを特徴とする、請求項1に記載の自律型清掃ロボット。

前記ビーム透過蓋は、帯電防止特性を有する材料によって生成されることを特徴とする、請求項1または2に記載の自律型清掃ロボット。

前記ビーム発光器およびビーム受光器は、赤外線発光器および受光器であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の自律型清掃ロボット。

前記駆動システムは、
前記床近接センサの検出結果に基づいて、前記自律型清掃ロボットをクリフから遠ざけて操縦するよう構成された制御装置をさらに備えることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の自律型清掃ロボット。

前記駆動システムは、
複数の駆動輪と、
脚輪と、
前記複数の駆動輪または脚輪の少なくともいずれか1つの近傍に配置された車輪-床近接センサと、をさらに備え、
前記車輪-床近接センサは、前記複数の駆動輪または脚輪に近い床表面を検出するように構成されることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の自律型清掃ロボット。

前記駆動システムは、前記脚輪の近傍に配置され、前記脚輪の1つの前記シャーシに対する下向きの変位を検出する脱輪センサをさらに備え、
前記脱輪センサは、赤外線発光器および受光器の少なくとも1つの対を備えることを特徴とする、請求項6に記載の自律型清掃ロボット。

前記駆動システムの全ての車輪が脱輪した場合に、前記床近接センサの動作可能性を検証する検証システムをさらに備えることを特徴とする、請求項7に記載の自律型清掃ロボット。

前記検証システムの結果に応じて、前記床近接センサを掃除すべきことを報知することを特徴とする、請求項8に記載の自律型清掃ロボット。

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本願は、2005年12月2日に出願された「ROBOT NETWORKLING,THEMING AND COMMUNICATIONSYSTEM」という名称で、出願番号第60/741,442号を割り当てられた米国仮特許出願に対して、米国特許法第119条(e)の下に優先権を主張し、該出願の内容はその全体が本明細書により参考として援用される。

[2]
本発明はロボットに関し、さらに具体的には自律カバレッジロボットに関する。

[3]
自律型ロボットとは、人間が絶えず誘導しなくても非構造的環境において所望のタスクを実行できるロボットである。ロボットの多くの種類は、ある程度まで自律的である。様々なロボットが、様々な様態で自律的でありうる。自律カバレッジロボットは、1つまたは複数のタスクを実行するために、人間が絶えず誘導することなく作業表面を横断する。家庭向け、事務所向け、および/または一般消費者向けのロボットシステムの分野では、電気掃除機がけ、床洗い、見回り、芝刈り、および他のこのようなタスクなどの家事機能を実行する移動ロボットが広く採用されてきた。

[4]
自律カバレッジロボットは、操作中に多くの障害物に遭遇する。このロボットは、操作を続行するために、絶えず障害物を回避する必要があり、かつ布地、紐、または他の絡み付く柔らかい媒体によって捕らわれた場合には、自力で脱出する必要がある。また、自律カバレッジロボットが、清掃中に、階段などの「クリフ」に遭遇した場合、転落防ぐために床面におけるクリフの有無を適切に検出する必要がある。

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上記課題を解決するため、本発明の1つの態様では、自律型清掃ロボットであって、シャーシと、該シャーシに搭載され、自律型清掃ロボットを動かす駆動システムと、シャーシに保持され、床表面におけるクリフを検出する床近接センサと、を備える。また、自律型清掃ロボットの床近接センサは、ビームを床表面に向かって発光するビーム発光器と、発光されたビームの床表面からの反射を受光するビーム受光器と、ビーム発光器およびビーム受光器をカバーするビーム透過蓋と、を備え、該ビーム透過蓋は、埃がたまることを防止するために、前方縁部が後方縁部よりも床面に対して高く位置する、進行方向に対して角度付された面を備えることを特徴とする。このように構成することにより、埃がたまることによる床近接センサの検出精度の低下を防ぐことができ、適切にクリフを検出することができる。そして、結果として自律型掃除ロボットが階段などへ転落してしまうことを防ぐことが可能となる。

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別の1つの態様では、自律カバレッジロボットは、シャーシと、このシャーシに搭載され、ロボットを操縦するように構成された駆動システムと、シャーシによって担持された縁部掃除ヘッドと、シャーシによって担持された制御装置とを具備する。縁部掃除ヘッドは、縁部掃除ヘッドモータによって駆動され、非水平軸回りに回転することができる。縁部掃除ヘッドは、ロボットが床を横切って操縦される間に床表面に係合するように、シャーシの横方向長さを越えて延びる。縁部掃除ヘッドは、ロボットの周縁上にまたは周縁付近に配置されうる。ロボット操作を制御する制御装置によるブラシ制御過程は、駆動過程とは別個に、縁部掃除ヘッドに関連するモータ電流を監視するように構成される。また制御装置によるブラシ制御過程は、スパイク(例えば、モータ電流の過渡的なまたは急速な増大)または一般に高いモータ電流モータの検出後に(巻き戻るコード、紐、または他の絡まった媒体と同じ速度で、実質的にニュートラルで回転し、かつ/または回転するように駆動されるように)縁部掃除ヘッドモータを以前の掃除方向とは反対の方向へ逆バイアスするように構成され、他方では床を横切ってロボットを操縦し続けて、中断することなく床の網羅もしくは掃除を実行するか、または他の動作行動を実行する。1つの実施態様では、制御装置によるブラシ制御過程は、高い縁部掃除ヘッドモータ電流に続いて、(巻き戻るコード、紐、または他の絡まった媒体と同じ速度で、実質的にニュートラルで回転し、かつ/または回転するように駆動されるように)縁部掃除ヘッドモータを逆バイアスし、かつ引き続いてまたは並行して、直接的にまたは監督過程を介して間接的に、ロボットが実質的に後進し、駆動方向を変更し、かつロボットを前進させるのと同時に巻き戻しが行われうるように、信号を駆動モータ制御過程に送信する。

[7]
1つの実施態様では、縁部掃除ヘッドは、シャーシの周縁を越えて延びる剛毛を有するブラシを具備する。1つの実施例では、縁部掃除ヘッドが、第1および第2の端部を有する少なくとも1つのブラシ要素を具備し、このブラシ要素は、第1の端部の回りに作業表面に垂直な回転軸を画定する。縁部掃除ヘッドは、実質的に垂直な軸回りに回転可能である。1つの場合では、縁部掃除ヘッドは3つのブラシ要素を具備し、各ブラシ要素が、隣接するブラシ要素と約120度の角度を形成する。別の場合では、縁部掃除ヘッドは6つのブラシ要素を備え、各ブラシ要素が、隣接するブラシ要素と約60度の角度を形成する。

[8]
別の実施態様では、縁部掃除ヘッドは、シャーシの周縁を越えて延びる回転可能な水切りを備える。この回転可能な水切りは、水洗い、表面処理などに使用可能である。

[9]
さらに別の実施態様では、縁部掃除ヘッドは、この掃除ヘッドが回転すると、シャーシの周縁を越えて広がる複数の吸着繊維を含む。複数の吸着繊維は、こぼれを拭き取り、床を掃除し、表面処理を施す等々のためにモップのように使用可能である。

[10]
ロボットは、シャーシによって担持された複数の掃除ヘッド(例えば、2つまたは3つ)を具備する。1つの実施例では、ロボットは、シャーシによって担持された主掃除ヘッドをさらに具備し、掃除ヘッドは、ロボットによって網羅されるスワズ(それはロボットの主作業幅を形成する)を横切って延び、かつ掃除ヘッドは、ロボットが床を横切って操縦されている間に床表面に係合するように、水平軸回りに回転するように駆動されうる。主掃除ヘッドは、作業表面に平行な長手回転軸を画定する円筒本体と、円筒本体上に配置された剛毛と、円筒本体に沿って長手方向に配置された柔軟フラップとを具備しうる。制御装置によるブラシ制御過程は、高い主掃除ヘッドモータ電流に応答して、(巻き戻るコード、紐、または他の絡まった媒体と同じ速度で、実質的にニュートラルで回転し、かつ/または回転するように駆動されるように)主掃除ヘッドの回転を逆バイアスするように構成され、他方で動作制御過程は、別個に床を横切ってロボットを操縦し続ける。別の実施例では、ロボットは、シャーシによって担持され、ロボットが床を横切って操縦される間に床表面に係合するように、水平軸回りに回転するように駆動される2つの主掃除ブラシを具備する。2つの主掃除ブラシは、同じかまたは逆の方向へ回転するように駆動されうる。

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別の態様では、自律カバレッジロボットの絡まりを解除する方法が、ロボットを床表面の上に配置するステップを含み、ロボットは、シャーシによって担持され、縁部掃除ヘッドモータによって駆動される縁部掃除ヘッドを非水平軸回りに回転させながら、ロボットの前方向へ床表面を自律的に横断する。縁部掃除ヘッドは、シャーシの横方向長さを超えて延び、かつ床表面に係合する。ロボットは、床表面を横切って操縦し続ける間に、高い縁部掃除ヘッドモータ電流に応答して、(巻き戻るコード、紐、または他の絡まった媒体と同じ速度で、実質的にニュートラルで回転し、かつ/または回転するように駆動されるように)、別個に縁部掃除ヘッドモータに逆バイアスを与える。

[12]
1つの実施態様では、ロボットの制御装置によるブラシ制御過程は、高い掃除ヘッドモータ電流に応答して縁部掃除ヘッドの回転を逆転する前に(ロボット動作制御とは別個に)、前方向へのロボットの移動を決定する。ロボットのブラシ制御過程は、ある一定の時間の間における高い縁部掃除ヘッドモータ電流に応答して、(ロボット動作制御とは別個に)縁部掃除ヘッドの回転を逆転しうる。1つの実施例では、ブラシ制御過程が縁部掃除ヘッドの回転を逆転する後で、ブラシ制御過程は、直接的にまたは監督過程を介して、逆方向へ移動し、駆動方向を変更し、かつその駆動方向へ移動するように、信号をロボットの動作制御過程に送ることができる。

[13]
別の実施態様では、ロボットはまた、シャーシによって担持された主掃除ブラシを具備し、このブラシは、ロボットが床を横切って操縦される間に床表面に係合するように、水平軸回りに回転するように駆動されうる。ロボットは、床表面を横切って操縦し続ける間に、高い主掃除ヘッドモータ電流に応答して、別個に主掃除ブラシの回転を逆転する。ロボットのブラシ掃除過程はまた、高い主掃除ブラシモータ電流に応答して、別個に主掃除ブラシの回転を逆転する前に、前方向へのロボットの移動を決定することができる。さらに、ロボットのブラシ掃除過程はまた、一定の時間の間または時間間隔の間、主掃除ブラシの回転を逆転することができる。

[14]
別の態様では、自律カバレッジロボットが、駆動システム、衝突センサ、および近接センサを具備する。駆動システムは、方位(旋回)設定および速度設定に従ってロボットを操縦するように構成される。衝突センサは、前方向における障害物とのロボットの衝突に応答する。近接センサは、近接しているが、ロボットに接触していない距離に、例えば、1~10インチ、好ましくは1~4インチにある、ロボット前方の障害物に応答する。駆動システムの動作制御過程はまた、方位設定に従ってロボットを前進させることを含めて、掃除または網羅過程の続行中に、潜在的な障害物の検出を示す近接センサからの信号に応答して速度設定を低減するように構成されうる。さらに、駆動システムの動作制御過程はまた、障害物との接触を示す衝突センサから受け取った信号に応答して、方位(旋回)設定を変更するように構成されうる。

[15]
幾つかの場合では、駆動システムの動作制御過程は、障害物の周囲を追従するために、衝突センサおよび1つまたは複数の側部近接センサから受け取った信号に応答して、方位設定を変更するように構成されうる。他の場合では、駆動システムは、ロボットを障害物から遠ざけて誘導するために、衝突センサおよび近接センサから受け取った信号に応答して、方位(旋回)設定を変更するように構成されうる。1つの実施例では、駆動システムは、ロボットをトルク(例えば、モータ電流またはモータ抵抗)設定で操縦するように構成され、駆動システムは、障害物との接触を示す衝突センサから受け取った信号に応答して、モータ電流またはモータ抵抗設定を変更するように構成される。駆動システムは、障害物との接触を示す衝突センサから受け取った信号に応答して、モータ電流またはモータ抵抗設定を増大することができる。

[16]
近接センサは、その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許6594844号、「Robot obstacle detection system」で実質的に開示されたように、相互から固定距離に集束するように相互に向けられた赤外線発光器および受光器の少なくとも1つの対の複数の組を具備することができる。別法として、近接センサは音波探知器装置を含みうる。衝突センサは、スイッチ、容量性センサ、または他の接触感知装置を含みうる。

[17]
ロボットは床の上に配置されうる。さらに別の態様では、自律カバレッジロボットを床の上の物体に対して操縦する方法は、ロボットが掃除モードにおいて全速掃除速度で床を自律的に横断するステップを含む。ロボット前方に物体の近接を感知すると、ロボットが物体との接触を検出するまで物体に向かい続ける間に、ロボットは、掃除速度を減速掃除速度まで落とす。物体との接触を感知すると、ロボットは、随意選択的には実質的に減速掃除速度で、物体に対して旋回し、他方で物体の近傍で掃除を行う。ロボットは物体の周囲を追従し、他方で物体の近傍で掃除を行うことができる。ロボットが周囲を離れると、ロボットは速度を全速掃除速度まで上げることができる。ロボットは、物体からの実質的に一定の追従距離を維持しうるか、ロボット本体の追従側面を越えて延びる縁部掃除ヘッドまたはブラシの長さよりも小さい追従距離を維持しうるか、または物体との最初の減速掃除速度における接触に応答して、実質的に物体に接触し、他方で物体の近傍で掃除を行うことができる。1つの実施例では、物体からの追従距離は実質的に、物体と実質的に接触した直後におけるロボットと物体との間の距離である。別の実施例では、物体からの追従距離は約0と2インチとの間である。

[18]
1つの場合では、ロボットは、物体との接触に応答して、物体の周囲を移動するように操縦を実行する。この操縦には、ロボットが物体の周囲を実質的に半円形の経路で、または連続した交互する部分螺旋(例えば、漸減する半径を有する円弧)で移動することを含みうる。別法として、この操縦は、ロボットが物体から遠ざかり、次いで物体に実質的に正接する方向へ移動することを含みうる。

[19]
ロボットの前方に物体の近接を感知すると、ロボットは、定率で、指数関数的な率で、非線形的な率で、または何らかの他の率で、全速掃除速度から減速掃除速度まで減速することができる。さらに、ロボットは、物体との接触を感知すると、駆動モータ、主ブラシモータ、または側部ブラシモータのトルク(例えば、モータ電流)設定を低減することができる。

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さらに別の態様では、自律型ロボットが、シャーシと、シャーシに搭載され、ロボットを操縦するように構成された駆動システムと、シャーシによって担持され、ロボットの下方の床表面を検出するように構成された床近接センサとを具備する。床近接センサは、ビームを床表面に向かって誘導するように構成されたビーム発光器と、誘導されたビームの床表面からの反射に応答し、シャーシの下向き受口の中に取り付けられたビーム受光器とを具備する。床近接センサは、実質的に封止されたユニット(例えば、下方向で)でよく、受口の内部に堆積物、「カーペット毛羽」、毛髪、または家庭の埃が蓄積するのを防止するために、受口の下端を横切って配置された前方および後方縁部を有するビーム透過蓋も具備しうる。この蓋は、帯電防止材料から作製されたレンズを具備しうる。ロボットの前縁における蓋の前方縁部、すなわち、ロボットの動作方向における蓋の縁部は、後方縁部よりも高い。受口の下方表面は楔形に形作られうる。1つの実施例では、床近接センサは、米国特許第6594844号、「Robot obstacle detection system」に実質的に開示されたように、赤外線発光器および受光器の少なくとも1つの対を含む。

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1つの実施態様では、ロボットの駆動システムは、シャーシから懸架された少なくとも1つの被駆動輪と、シャーシによって担持され、車輪の1つに隣接して収納された少なくとも1つの床-輪近接センサとを具備し、この床-輪近接センサは、車輪に隣接する床表面を検出するように構成される。また駆動システムは、床近接センサから受け取った信号に応答して、ロボットを感知されたクリフから遠ざけて操縦するように構成された制御装置も具備しうる。幾つかの場合では、駆動システムは、車輪の1つに近接して収納され、シャーシに対する車輪の実質的な下向き変位に応答する脱輪センサを具備する。駆動システムは、すべての車輪が脱輪するときに、床近接センサの動作可能性を検証する検証システムを含みうる。この検証は、すべての車輪が脱輪したのは、ロボットが人間によって床から持ち上げられている結果である公算が高いという推断に基づいており、必ずしもすべての床近接センサが床表面に整合しないわけではないこと(反射が測定されないかまたは強すぎる反射)を確認するために点検するものである。床表面または過剰に強い反射(例えば、遮断されたセンサを示す)に整合するセンサは、いずれも妨害されていると見なされる。この検出に応答して、ロボットは、標示または光によって床近接センサが掃除されるべきであることを示す保守報告セッションを開始することができる。この検出に応答して、ロボットは、すべての床近接センサが掃除されかつ機能していることを検証手順によって判定するまで、前進動作を禁止する。それぞれの輪-床近接センサおよび脱輪近接センサは、赤外線発光器および受光器の少なくとも1つの対を含みうる。

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