(57)【要約】  本発明は、移動ロボットのための視覚システムであって、レンズモジュールと、複数の光源を具備する照明システムと、レンズモジュール保持部と、を備えている視覚システムに関する。レンズモジュール保持部が、レンズモジュールの周囲に位置決めされており、レンズモジュールから離隔するように照明システムから照射される光を反射するための反射面を備えている。
2021526266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動ロボットのための視覚システムであって、
レンズモジュールと、
複数の光源を具備する照明システムと、
レンズモジュール保持部と、
を備えている前記視覚システムにおいて、
前記レンズモジュール保持部が、前記レンズモジュールの周囲に位置決めされており、前記レンズモジュールから離隔するように前記照明システムから照射される光を反射するための反射面を備えていることを特徴とする視覚システム。
【請求項２】
前記視覚システムが、前記視覚システムを前記移動ロボットに取り付けるための視覚システム取付部を備えており、
前記視覚システム取付部が、複数の光源を突出させるための複数の穴を備えていることを特徴とする請求項１に記載の視覚システム。
【請求項３】
前記視覚システム取付部が、複数の前記光源から脱熱するためのヒートシンクを備えていることを特徴とする請求項２に記載の視覚システム。
【請求項４】
複数の前記光源が、前記レンズモジュールを中心としてリング状に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の視覚システム。
【請求項５】
前記レンズモジュールが、前記レンズモジュール保持部の上方に突出しており、
複数の前記光源それぞれが、前記レンズモジュール保持部の前記反射面の下方に位置決めされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の視覚システム。
【請求項６】
前記反射面が、環状の半放物面鏡とされることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の視覚システム。
【請求項７】
フィンが、複数の前記光源同士の間に設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の視覚システム。
【請求項８】
前記フィンそれぞれが、請求項２に記載の前記視覚システム取付部に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の視覚システム。
【請求項９】
前記視覚システムが、光透過性カバーを備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の視覚システム。
【請求項１０】
前記光透過性カバーが、前記照明システムを覆っており、且つ、開口部を形成しており、
前記レンズモジュールの頂部が、前記開口部を通じて突出していることを特徴とする請求項９に記載の視覚システム。
【請求項１１】
前記レンズモジュール保持部が、前記移動ロボットの本体の上面の上方に突出していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の視覚システム。
【請求項１２】
複数の前記光源それぞれが、前記移動ロボットの本体の上面の下方に位置決めされていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の視覚システム。
【請求項１３】
前記レンズモジュールが、画像センサに集光するための複数のレンズを備えていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の視覚システム。
【請求項１４】
前記視覚システムが、それぞれ独立して制御可能とされる８つの前記光源を備えていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の視覚システム。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の視覚システムを備えていることを特徴とする移動ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動ロボットのための視覚システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば真空掃除機ロボットのような移動ロボットは、消極的に支援すると共に環境を理解するための、徐々に適応していく視覚システムである。視覚システムを利用することは、例えばロボットに当該ロボットが配置されている環境を良好に理解させることができること、及び系統的な（structured）移動経路を可能にすることのような、多くの利益を有している。しかしながら、視覚システムの利用に関する一の欠点が、当該視覚システムは低照度の条件において良好に機能しないことである。その結果として、視覚システムを利用する移動ロボットは、当該視覚システムによって捕捉された画像の質を改善するために、照明システム又はヘッドライトを必要とする場合がある。
【０００３】
特許文献１は、照明システムを具備するロボットの一例を開示している。当該一例では、移動ロボットは、当該移動ロボットの側面に且つハンドルの内部に位置決めされている照明手段を備えている。
【０００４】
移動ロボットのための視覚システムには多くの利点があるので、移動ロボットの分野では、視覚システム及び照明システムについて改善がなされてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】英国特許出願公開第２５２９８４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の第１の実施態様は、移動ロボットのための視覚システムであって、レンズモジュールと、複数の光源を具備する照明システムと、レンズモジュール保持部と、を備えている視覚システムを提供する。レンズモジュール保持部が、レンズモジュールの周囲に位置決めされており、レンズモジュールから離隔するように照明システムから照射される光を反射するための反射面を備えている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
その結果として、レンズモジュール保持部は、照明からの光をレンズモジュールから離隔するように機能する。照明システムによって提供されるこのような照明は、レンズモジュールに直接入社することができないので、視覚システムを正確に動作させる妨げとなる。
【０００８】
視覚システムが、視覚システムを移動ロボットに取り付けるための視覚システム取付部を備えており、視覚システム取付部が、複数の光源を突出させるための複数の穴を備えている。
【０００９】
視覚システム取付部が、複数の光源から脱熱するためのヒートシンクを備えている。このことは、光源を過熱する危険性を低減することによって当該光源の耐用寿命を延ばすことに貢献し、潜在的に光源からの熱がレンズモジュールを損傷させることを防止する。
【００１０】
複数の光源が、レンズモジュールを中心としてリング状に配置されている。このことは、特にスペース効率に優れた配置を実現するので、視覚システムの大きさを低減させることに貢献する。
【００１１】
レンズモジュールが、レンズモジュール保持部の上方に突出しており、複数の光源それぞれが、レンズモジュール保持部の反射面の下方に位置決めされている。その結果として、レンズモジュールは、レンズモジュール保持部によって制限されない可能な範囲で最善の視野を実現し、複数の光源は、レンズモジュール保持部によって一定の程度で損傷から保護される。
【００１２】
反射面が、環状の半放物面鏡とされる。
【００１３】
フィンが、複数の光源同士の間に設けられている。これらフィンが、複数の光源が発生させる光を分割するように機能するので、光の指向性を一層強くすることができる。フィンそれぞれが、上述の視覚システム取付部に設けられている。
【００１４】
視覚システムが、光透過性カバーを備えており、光透過性カバーが、照明システムを覆っており、レンズモジュールの頂部が開口部を通じて突出している開口部を形成している。その結果として、光透過性カバーが、照明システムが発生させる照明をぼやかしたり阻害することなく、照明システムを保護する。
【００１５】
レンズモジュール保持部が、移動ロボットの本体の上面の上方に突出している。その結果として、レンズモジュールは、移動ロボットの本体に制限されない可能な範囲で最良の視野を実現する。さらに、反射面から反された光は、移動ロボットの本体の上面の上方に放出可能とされる。
【００１６】
複数の光源それぞれが、移動ロボットの本体の上面の下方に位置決めされている。これにより、光源を損傷から堅固に保護することができる。
【００１７】
レンズモジュールが、画像センサに集光するための複数のレンズを備えている。
【００１８】
視覚システムが、それぞれ独立して制御可能とされる８つの光源を備えている。８つの光源によって、過度に複雑な制御をすることなく、照明領域において高いレベルの方向制御が可能となる。
【００１９】
本発明の第２の実施態様は、上述の視覚システムのうち任意の視覚システムを備えている移動ロボットを提供する。
【００２０】
本発明を一層良好に理解するために、本発明の実施例について、添付図面を参照しつつ例示的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】移動ロボットを表わす。
【図２】図１に表わす移動ロボットの視覚システムの分解図である。
【図３】図２に表わす視覚システムを含む、図１に表わす移動ロボットの一部分の断面図である。
【図４】視覚システムのためのレンズモジュールの断面図である。
【図５】図２及び図３に表わす視覚システムの一部分の断面図である。
【図６】図２及び図３に表わす視覚システムから見た視覚システム取付部を表す。
【図７Ａ】図２及び図３に表わす視覚システムによって捕捉された球状の画像を示す。
【図７Ｂ】展開した後における図７Ａに表わす画像を示す。
【図８】ＰＣＢに設けられているセンサ取付部を表わす。
【図９】図８に表わすセンサ取付部の下面図である。
【図１０】図９に表わすセンサ取付部の断面図である。
【図１１】移動ロボットの概略図である。
【図１２】移動ロボットのための照明アルゴリズムの入力及び出力を示すフロー図である。
【図１３】図１２に示す照明アルゴリズムにおけるステップを表わすフロー図である。
【図１４】図１３に示す照明アルゴリズムの一部における代替的なステップを表わすフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、本体２と分離装置４とを備えているロボット真空掃除機１を表わす。本体２は、連続的な履帯（tank tracks）の形態をした牽引ユニット５と、ブラシバーを収容している掃除機ヘッド６とを備えている。汚染空気は、掃除機ヘッド６を通じてロボット真空掃除機１に引き込まれ、分離装置４の内部に流入する。分離装置４の内部において汚染空気から塵埃が除去されると、塵埃が除去された空気が、空気流を発生させるためのモータ及びファンを収容している本体２を通じて、分離装置２１から流出する。その後に、空気は、排出口を通じてロボット真空掃除機１から排出される。視覚システム８は、移動ロボット１の本体２の頂面３から突出している。視覚システム８は、カメラ１２と照明システム１４とを備えている。カメラ１２は、ロボット真空掃除機１の周囲３６０°の環境をキャプチャーすることができる全方位カメラとされる。カメラ１２としては、例えば魚眼レンズカメラやパノラマ環状レンズ（ＰＡＬ）カメラが挙げられる。
【００２３】
ロボット真空掃除機１は、ロボット真空掃除機１のソフトウェア及び電子機器から成る制御システムを備えており、制御システムは、システム８によってキャプチャーされた画像を処理するための同時位置決め地図作成（ＳＬＡＭ）法を利用することができる。制御システムによって、ロボット真空掃除機１は、局所環境を理解、解釈、及び自律航行することができる。また、制御システムは、ロボット真空掃除機１に設けられた複数の他のセンサ、例えばバンプセンサから収集された情報を利用しており、例えば位置検出素子（ＰＳＤ）及び／又は飛行時間型（ＴｏＦ）センサのような、複数の位置センサを備えている。ＰＳＤ及び／又はＴｏＦセンサは、分離装置４の側方に配置されたセンサポッド１０の内部に収容されている。センサポッド１０は、透明カバーを備えており、ＰＳＤ及びＴｏＦセンサは、透明カバーを介して、例えば赤外線（ＩＲ）光のような光を送受信することができる。センサポッド１０は、障害物がロボット真空掃除機１の前方のみならず、その側方において検出可能とされるように、様々な方向に向けられているセンサアレイを収容している。また、下方に面しているセンサは、クリフセンサと呼称される場合があるが、ロボット真空掃除機１が停止することができるように、及び／又はロボット真空掃除機１が例えば階段のような段差（drop）を乗り越える前にロボット真空掃除機１がロボット真空掃除機１の移動方向を調整することができるように、床面の段差を検出することができる。ロボット真空掃除機１が物理的接触センサとして可動式バンパー部分を利用する場合がある一方、ロボット真空掃除機１は、障害物との物理的接触を記録するために、別体のシャーシと本体２の本体部分との間における相対的移動を検出するためのバンパーセンサを有している。
【００２４】
図２は、移動ロボット１の視覚システム８の分解図である。視覚システム８の様々な部品が、軸線方向において一点破線Ｘに沿って互いから分離されている。視覚システム８は、カメラ１２と照明システム１４との両方を形成している複数の構成部品、例えばレンズモジュール２０、レンズモジュール保持部２２、視覚システム取付部２４、画像センサ３１が配設された印刷回路基板（ＰＣＢ）３０、センサ取付部３２、光発光ダイオード（ＬＥＤ）２７の形態をした複数の光源が配設された第２のＰＣＢ２８、及び光透過性カバー３４を備えている。レンズモジュール２０は、魚眼レンズモジュールであって、センサ取付部３２によって画像センサ３１に取り付けられている。センサ取付部３２は、ネジ３３によって、画像センサ３１を覆うようにＰＣＢ３０に取り付けられている。センサ取付部３２は、レンズモジュール２０と画像センサ３１とを位置合わせすることを目的として、画像センサ３１とレンズモジュール２０との間に据え付けられている機械的構成部品である。画像センサ３１は、カメラで典型的に利用される任意のセンサとされる。画像センサ３１としては、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）センサや相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）が挙げられる。センサ取付部３２の代替的なセンサ取付部の実施形態については、図８、図９、及び図１０に関連して以下に説明する。
【００２５】
８つのＬＥＤ２７が、第２のＰＣＢ２８に環状に配置されている。第２のＰＣＢ２８は、ＬＥＤ２７がレンズモジュール２０の周りに環状に配置されるように、レンズモジュール２０を挿入するための穴を形成している。言うまでもなく、ＬＥＤの数量が異なる場合があり、視覚システムの照明要件に従って視覚システムが２つ以上のＬＥＤ２７を備えている場合があることに留意すべきである。ＬＥＤは、電磁スペクトルの可視領域の光を生成するが、代替的な実施例では、例えば赤外線光や近赤外線光のようなスペクトルの他の領域の光を生成する場合もある。
【００２６】
視覚システム取付部２４は、組立済みの視覚システム８を移動ロボット１に取り付けるために利用される。視覚システム取付部２４は、８つの穴２６を備えており、８つのＬＥＤ２７は、８つの穴２６を通じて突出している。また、穴２６の数量が、ＬＥＤ２６の数量に合わせるために変更可能であることに留意すべきである。さらに、視覚システム取付部２４は、複数のフィン２５を備えており、フィン２５はそれぞれ、隣接する穴２６同士の間に位置決めされている。フィン２５は、ＬＥＤ２７によって生成される光を分割するように機能し、これにより光の指向性が一層明確になる。視覚システム取付部２４は、例えばマグネシウムのような金属材料から形成されており、ＬＥＤ２７から放熱するためのヒートシンクとして機能する。これにより、ＬＥＤ２７がオーバーヒートする危険性が低減され、ＬＥＤ２７から発生する熱がレンズモジュール２０を損傷させることが防止されるので、ＬＥＤ２７の耐用寿命を延ばす助けとなる。ヒートシンクとしての視覚システム取付部２４の効果を高めるために、ヒートシンク２９は、ヒートシンク取付部２４ａを介して視覚システム取付部２４に固定されている。
【００２７】
レンズモジュール取付部２２は、レンズモジュール２０の周りに嵌め込まれており、レンズモジュール２０を視覚システム取付部２４に取り付けるように機能する。反射面２３は、レンズモジュール保持部２２の外面から径方向外方に突出している。反射面２３は、ＬＥＤ２７から外方に放射される光を反射するように機能する環状の半放物線面鏡を形成しているが、このことについては以下に詳述する。
【００２８】
光透過性カバー３４は、開口部３５を形成しており、レンズモジュール保持部２２及びレンズモジュール２０の頂部が、開口部３５を通じて突出している。従って、光透過性カバー３４は、視覚システム８の照明システム１４を覆っており、視覚システム８の照明システム１４を保護しているが、可能な限り高品質の画像をキャプチャーするためにカメラ１２を露出させたままになっている。
【００２９】
図３は、視覚システム８と移動ロボット１の一部分との断面図である。視覚システム８は、移動ロボット１の頂面３の上方に部分的に突出している。画像センサ３１は、移動ロボット１の頂面３の下方に位置決めされており、レンズモジュール２０は、画像センサ３１の頂面から視覚システム８の頂点に至るまで延在している。図４は、例示的な魚眼レンズモジュールの断面図である。複数のレンズ４２，４４，４６，４８が、レンズモジュール本体４０の内部に保持されている。図３に表わすように、ＬＥＤ２７は、移動ロボット１の頂面３の下方に位置決めされており、このことは、ＬＥＤ及びＰＣＢの損傷を防止することに貢献する。しかしながら、ＬＥＤ２７から放出された光は、領域Ｙのような移動ロボットの周囲の環境を照明するために、光透過性カバー３５を通じて外側に向かって上方に方向づけられている。
【００３０】
図５は、ＬＥＤ２７からの光をレンズモジュール２０から離隔するように方向づけるように機能するための、環状の半放物面鏡であるレンズモジュール保持部２２の反射面２３の役割を表わす。結論として、ＬＥＤ２７からの光は、レンズモジュール２０に直接進行することはできないので、過度の光度で視覚システムの視界を効果的に失わせるように作用する。反射面２３は、レンズモジュール保持部２２の外面からラジアル方向外方に突出しているフランジの下面に設けられており、フランジは、ＬＥＤ２７からの光が真っすぐ上方に進行することができないように、ＬＥＤ２７を越えてラジアル方向外方に延在している。ＬＥＤ２７からの光が真っすぐ上方に進行することができる場合には、これにより、移動ロボット１の上方の天井における照明の集合である輝点が生じるので、再び過度の光度で視覚システムの視界を効果的に失わせるように作用する。その代わりに、例示的な照明光Ｕ，Ｖ，Ｗは、反射面２３が光を移動ロボット１の周囲環境に向かってラジアル方向外方に反射する様子を表わす。
【００３１】
さらに、図３に表わすように、反射面２３は、移動ロボット１の頂面３の僅かに上方に至るまで延在しているので、ＬＥＤ２７からの光は、移動ロボット１の頂面３に対して平行とされる水平方向に延在可能とされる。その結果として、照明システムは、移動ロボットの両側面に対する領域さえ照明することができる。
【００３２】
図６は、視覚システム取付部２４の上面図である。ＬＥＤ２７は、穴２６それぞれを通じて突出している。ＬＥＤ２７それぞれが、照明領域Ａ〜Ｈを照明するように作用する光を発生させる。例えば、ＬＥＤ２７Ａは照明領域Ａを照明し、ＬＥＤ２７Ｂは照明領域Ｂを照明する。このような分割効果は、フィン２５によって際立てられる。フィン２５の頂部は、視覚システム８が組み立てられた場合にフィンの頂部が反射面の湾曲形状に追従するように形成されているので、これにより特定のＬＥＤの照明領域からの自身の光の漏れが低減される。ＬＥＤ２７Ａ〜２７Ｈそれぞれは個々に制御可能とされるので、必要とされる環境の一部のみに照明を形成することができる。このことは、無駄な電力を最小限に抑えることに、ひいては製品のバッテリー寿命を延ばすことに貢献する。バッテリー寿命を延ばすことによって、移動ロボットの稼働時間が長くなり、再充電のために充電ステーションに戻らなくてはならなくなるまでに清掃可能な床面積が拡大される。照明領域Ａ〜Ｈ全体の領域は、移動ロボット１全体の周囲３６０°に延在する完全な照明領域に達する。
【００３３】
第２の実施例では、ＬＥＤは共に、制御を単純化するためにグループ化されている。例えば、ＬＥＤ２７Ａ，２７Ｂが第１のグループとされ、ＬＥＤ２７Ｃ，２７Ｄが第２のグループとされ、ＬＥＤ２７Ｅ，２７Ｆが第３のグループとされ、ＬＥＤ２７Ｇ，２７Ｈが第４のグループとされる。これらグループは、独立して制御可能とされる。これにより、移動ロボットは、８つのＬＥＤ２７が独立して制御可能とされる八分円単位の照明制御とは対照的に、四分円単位の照明制御が可能となる。他のグループ分け及びＬＥＤグループの数量は、視覚システム及び移動ロボットの仕様に従って選択可能とされることに留意すべきである。
【００３４】
図７Ａは、視覚システム８によってキャプチャーされた球状画像７０の代表図である。球状画像７０は、ＬＥＤ照明領域Ａ〜Ｈに対応する分割領域７２の数量に分割可能とされる。処理の際に、球状画像７０は、矢印Ｑ，Ｒによって示すように分割及び展開され（unwrap）、展開された矩形状画像７４は、移動ロボット１全体の周囲３６０°のビューを表わす。球状画像７０の分割領域７２は、矩形状画像７４の分割画像７６に対応している。移動ロボット１の動作中に、照明システム１４は、カメラによってキャプチャーされた環境の、分割領域Ａ〜Ｈに対応する任意の領域の明度を上げるために利用可能とされる。例えば、移動ロボット１の前方の領域が暗い場合、例えば移動ロボット１が明るい部屋から暗い部屋に進行している場合には、前方に面している分割領域Ａ，Ｂが、球状画像７０及び矩形状画像７４において一層暗く見える。従って、移動ロボット１の制御システムは、分割領域Ａ，Ｂに対する照明を一層強くするために、ＬＥＤ２７Ａ，２７Ｂに対する電力を増大させることができ、移動ロボットは動作し続けることができる。照明システムの制御については、図１１〜図１４を参照して以下に詳述する。
【００３５】
図８は、ＰＣＢ８０の画像センサに取り付けられているセンサ取付部８２の代替的な実施例を表わす。図２に関連して上述したセンサ取付部３２は、ネジ３３を介して、画像センサ３１及びＰＣＢ３０に取り付けられていた。ネジは、画像センサ３１及びセンサ取付部３２を、ひいてはレンズモジュールを良好に位置合わせされた状態に維持することに貢献する。しかしながら、図８に表わす代替的な実施例では、ネジが、センサ取付部８２を画像センサに取り付けるために利用されていない。従って、代替的な実施例のセンサ取付部８２は、受動的位置合わせのセンサ取付部８２とも呼称される。受動的位置合わせのセンサ取付部８２は、レンズ又はレンズモジュールと係合可能とされる係合部分８３を備えている。当該実施例では、係合部分８３のネジ山は、レンズ又はレンズモジュールが受動的位置合わせのセンサ取付部８２に螺合可能とされるように、レンズ又はレンズモジュールのネジ山に適合している。
【００３６】
受動的位置合わせのセンサ取付部８２は、画像センサとレンズ又はレンズモジュールとの間に据え付けられる機械的構成部品とされる。上述のセンサ取付部３２と同様に、受動的位置合わせのセンサ取付部８２の目的は、レンズ又はレンズモジュールと画像センサとを位置合わせすることである。しかしながら、当該例示では、受動的位置合わせのセンサ取付部８２は、例えばネジを介した外部入力が無くとも、機械的手段のみによって、画像センサ上の中心で合焦した画像を生成する必要がある。また、センサ取付部８２は、合焦のために必要な相対移動を可能とする必要がある。
【００３７】
図９は、受動的位置合わせのセンサ取付部８２の下面図である一方、図１０は、図９に示す断面Ｐ−Ｐにおける受動的位置合わせのセンサ取付部８２の断面図である。ｘ軸方向における位置合わせが、画像センサの側面に作用する第１の変形可能なプラスチック要素８４によって達成される。これにより、受動的位置合わせのセンサ取付部８２の本体に一体化されている第１の垂直データム８６に抗して画像センサを押圧する力が、矢印Ｍで表わすように発生する。同様に、ｙ軸方向の位置合わせは、画像センサの別の側面に作用する第２の変形可能なプラスチック要素８８によって達成される。これにより、受動的位置合わせのセンサ取付部８２の本体に一体化されている第２の垂直データム８９に抗して画像センサを押圧する力が、矢印Ｎで表わすように発生する。画像センサを第１の垂直データム８６及び第２の垂直データム８９に抗して押圧することによって、画像センサの軸線が、受動的位置合わせのセンサ取付部８２の軸線に位置合わせされる。
【００３８】
ｚ軸に関しては、画像センサの最上層を第３のデータムとして利用し、レンズの“ピッチ”軸及び“ヨー”軸に対応するレンズの光軸と画像センサパッケージガラスの法線ベクトルとを位置合わせすることによって、受動的位置合わせのセンサ取付部８２が、画像センサの最上層を形成する画像センサパッケージガラスの頂部に載置されている。“ロール”軸は、合焦を目的として回転するために自由な状態になっている。このような一連の応答が、レンズ、センサ取付部、及び画像センサ封止型の製造公差に至るまで誤差を最小限に抑えた状態で位置合わせを形成する。
【００３９】
上述のように、受動的位置合わせのセンサ取付部８２は、受動的な機械的手段のみによって、ｘ軸方向及びｙ軸方向並びにピッチ軸及びロール軸におけるレンズと画像センサとの位置合わせを可能とする。受動的位置合わせのセンサ取付部８２のさらなる利益は、第１の変形可能なプラスチック要素８４及び第２の変形可能なプラスチック要素８８の弾性に起因して、受動的位置合わせのセンサ取付部８２が構成部品を損傷させることなく脱着可能とされることである。
【００４０】
図１１は、移動ロボット１の実施例の概略的な代表図である。照明制御アルゴリズムは、移動ロボット１の制御システム９０で実行される。制御システム９０は、プロセッサ９１と画像処理ユニット９２と航行ユニット９３とを備えている。制御システム９０は、移動ロボット１の他のシステムを制御するための、図１１に表わさない他のユニットを備えている場合がある。例えば、制御システムは、移動ロボットによって実行されるタスク、例えば真空清掃作業を制御するためのタスク制御ユニットをさらに備えている場合がある。
【００４１】
視覚システム８は、カメラ１２と照明システム１４とを備えている。上述のように、カメラ１２は、移動ロボット１を囲んでいる領域の画像をキャプチャーすることができる。例えば、カメラ１２は、天井の画像をキャプチャーするために上方に方向づけられているカメラ、移動ロボット１の前進方向における画像をキャプチャーするために前方に面しているカメラ、移動ロボット１を囲んでいる領域の３６０°ビューをキャプチャーするパノラマ環状レンズ（ＰＡＬ）カメラ、又は移動ロボット１を囲んでいる領域の３６０°ビューをキャプチャーすることができる魚眼レンズカメラとされる。
【００４２】
照明システム１４は、移動ロボット１が低照度状態の環境に、すなわちカメラ１２によってキャプチャーされる画像の明暗差が乏しい場所に配置されている場合に、カメラ１２によってキャプチャーされる画像の品質を向上させることができる。照明システム１４は、図示の如く、従前の図面に表わすＬＥＤに対応する複数のＬＥＤ２７Ａ〜２７Ｈを備えている。ＬＥＤ２７Ａ〜２７Ｈそれぞれが、電力をＬＥＤに送るために利用される対応するＬＥＤドライバ９４Ａ〜９４Ｈを有している。ＬＥＤ２７Ａ〜２７Ｈは、カメラ１２によってキャプチャーされた画像の品質を向上させるために、カメラのセンサが検出可能とされる帯域幅の光を放出する。例えば、ＬＥＤによって放出された光は、電磁スペクトルの可視領域内、近赤外線（ＮＩＲ）領域内、又は赤外線（ＩＲ）領域内とされる。可視光は、特に照明システムが正確にかつ効果的に機能していることをロボットの所有者が一層容易に決定することができるので、特に有益であることが発見されている。
【００４３】
また、制御システム９０は、移動ロボット１の環境において移動ロボット１の運動を制御することに貢献する。視覚システム８によって収集された画像及び他のデータは、制御システム９０の航行ユニット９３に送られる。航行ユニット９３は、例えば同時位置決め地図作成（ＳＬＡＭ）ユニットとされる。ＳＬＡＭユニットは、画像に表わされた移動ロボット１を囲む領域内に目標物（landmark feature）を発見するために当該画像を分析するために利用される。目標物は、例えばテーブルの縁部や額縁の角部のような、画像内から容易に検出される高い明暗差を有している地物とされる。画像の分析の一部又はすべてが、画像処理ユニット９２によって実行される。目標物は、航行ユニット９３によって、環境内における移動ロボットの位置又は姿勢を三角測量し決定するために利用される。航行ユニット９３は、移動ロボット１が当該環境を解釈及び航行するために利用する当該環境のマップを生成するために、移動ロボット１の他のセンサからキャプチャーされた画像及びデータからの情報を利用することができる。
【００４４】
命令は、制御システム８から、移動ロボット１を移動させる駆動システム９８に送られる。駆動システム９８は、図１に表わすように、左舷側（ＬＨＳ）牽引ユニット９９Ａと右舷側（ＲＨＳ）牽引ユニット９９Ｂとを備えている。左舷側牽引ユニット９９Ａ及び右舷側牽引ユニット９９Ｂそれぞれが、移動ロボット１が操縦可能とされるように、独立して制御可能とされる。例えば、ＲＨＳ牽引ユニット９９ＢがＬＨＳ牽引ユニット９９Ａより速く前方方向に駆動される場合には、移動ロボット１は、移動ロボット１が前方に移動するに従って左に転向する。また、さらなる例示として、ＬＨＳ牽引ユニット９９ＡとＲＨＳ牽引ユニット９９Ｂとがそれぞれ同一の速度で逆方向に駆動される場合には、移動ロボット１はその場で回転する。
【００４５】
また、移動ロボット１は、周囲環境と当該周囲環境における移動ロボット１の姿勢とに関する情報を移動ロボット１に付与するセンサ９５から成るシステムを備えている。センサシステム９５は、バンプセンサ９６とジャイロ測定システム９７とを含んでいる。ジャイロ測定システム９７は、慣性計測ユニット（ＩＭＵ）９７Ａと走行距離計９７Ｂとを含んでいる。走行距離計９７Ｂは、（例えば車輪の回転数を利用することによって）牽引ユニットが進行した距離を示すためのデータを、駆動システム９８から受ける。バンプセンサ９６は、障害物との物理的接触が発生した時期を移動ロボット１に知らせる。バンプセンサ９６からの信号に応答して、移動ロボット１は、例えば停止し、及び／又は移動ロボット１の位置及び軌道を調整することができる。これにより、移動ロボット１が移動ロボット１又は移動ロボット１と接触している障害物を損傷させることが防止される。センサシステム９５は、図１１に表わさない他のセンサを、例えばＰＳＤセンサやＴｏＦセンサのような１つ以上の近接センサを備えている場合がある。近接センサは、移動ロボット１の近傍の障害物の情報を付与することができる。これにより、移動ロボット１は、障害物に接触することなく当該接触物を回避することができる。
【００４６】
照明システムの制御方法について、以下に詳述する。
【００４７】
図１２は、移動ロボット１の照明システム１４を制御するために利用されるアルゴリズム１００の入力及び出力を表わすフロー図である。照明アルゴリズムは、ＬＥＤ制御値１０８を提供するために利用される３つの入力、すなわち露光時間１０２、カメラ１２から得た画像１０４、及び移動ロボット１の回転に関する情報１０６を有している。図１２は、照明アルゴリズム１００の出力としての単一のＬＥＤ制御値を表わす。しかしながら、複数のＬＥＤの制御が複数のＬＥＤ制御値を必要とする場合には、２つ以上のＬＥＤ制御値１０８が発生する場合があることに留意すべきである。
【００４８】
照明アルゴリズム１００は、暗い領域であっても航行ユニット９３を確実に動作させることができるバランスされた光を提供するように、照明システム１４を制御する。照明アルゴリズム１００は、カメラ１２によってキャプチャーされたフレームを１つずつ分析し、照明システム１４からの照明を強くする必要性について評価する。アルゴリズムの実行周波数は、カメラ１２によってフレームがキャプチャーされる周波数と同一である。
【００４９】
露光時間１０２が計算され、照明アルゴリズム１０に送られる。照明システム１４は、計算された露光時間１０２が閾値を超えた場合に限り動作する。このことは、通常の照明条件下においては、電力の不要な浪費を防止することによって移動ロボットの稼働時間を低減させるために、典型的には照明システムが停止していることを意味する。露光時間１０２は、露光制御アルゴリズムによって計算されるが、露光制御アルゴリズムの詳細は、本発明の技術的範囲外である。しかしながら、例えば露光値を計算するために利用される計測アルゴリズムのような、多くの周知の方法が存在することに留意すべきである。適用される方法の詳細については、本明細書の目的に鑑みて不要である。
【００５０】
移動ロボット１が回転する場合には、移動ロボット１の回転に関する情報１０６が、光をシフトさせるために、照明アルゴリズム１００によって利用される。情報１０６は、ジャイロ測定システム９７から得られる。移動ロボット１の回転に関する情報１０６を利用することなく、アルゴリズムは、照明を調整することができるが、アルゴリズムが新しい画像フレームを評価し、必要な調整をするのに時間を要する。このような調整時間の間に、画像の品質が、飽和したピクセル又は非常に暗いピクセルによって損なわれるので、当該画像は、移動ロボットの航行に悪影響を及ぼす。しかしながら、移動ロボット１の回転に関する情報１０６を利用することによって、アルゴリズムは、移動ロボット１の周囲環境の必要な領域において照明を維持するために、移動ロボットの回転方向の逆方向に光を遥かに高速にシフトさせることができる。
【００５１】
図１３は、照明アルゴリズム１００の実行の際に行われるステップを表わすフロー図である。照明アルゴリズム１００は、ステップ１１０で開始され、ステップ１１２における最初のアクションは、カメラ１２から新しいフレーム１０２を獲得して、新しいフレーム１０２を分割領域に分割することである。フレーム１０２は、図７Ｂに表わすような、画像処理ユニット９２によって展開された矩形状画像である。分割領域は、図６、図７Ａ、及び図７Ｂに関連して上述した分割領域及び照明領域Ａ〜Ｈに対応する。
【００５２】
ステップ１１４では、所定期間ＴＸより長い間、計算された露光時間ＴＥＸＰ１０２が境界露光時間ＴＴＨＲＥＳＨより短い場合に、照明システムが不要であると決定し、ステップ１１５において、ＬＥＤ電力ＬＰが低減される。ＬＥＤ電力ＬＰのこのような低減の結果として、ＴＥＸＰがＴＸより小さい状態を維持している間、フレームそれぞれが分析されるので、ＬＥＤが徐々に暗くなり消灯される（dim to zero）。このことは、滑らかに且つ徐々に照明を変化させる効果が得られるように選択される。しかしながら、代替的には、ＬＥＤの電源を即座に落としても良い。
【００５３】
所定の期間ＴＸより長い間（すなわち、閾値より大きい）、計算された露光時間ＴＥＸＰ１０２が境界露光時間ＴＴＨＲＥＳＨより短い場合に、照明システムが必要であることが決定され、アルゴリズムは、次のステップの間において次の分割領域Ａ〜Ｈが対象領域として選択されるステップ１１６に進む。
【００５４】
１５０ミリ秒（０．１５秒）の境界露光時間ＴＴＨＲＥＳＨと３秒の所定の期間ＴＸとが、最適なバランスを提供することが発見されている。しかしながら、５０ミリ秒〜３００ミリ秒（０．０５秒〜０．３秒）のＴＴＨＲＥＳＨが選定され、１秒〜５秒のＴＸが選定される場合がある。ＴＴＨＲＥＳＨ及びＴＸについて、移動ロボットの要件がこれら範囲外の他の値を必要とする場合には、これら範囲外の他の値が選定される場合もある。
【００５５】
選択された分割領域の平均明度は、ステップ１１８において計算される。平均明度は、分割領域のピクセル強度の平均（mean average）を利用して計算される。
【００５６】
分割領域それぞれについての平均強度すなわち明度は、（数式１）を利用して計算される。ここで、ｓｗは分割領域の幅であり、ｓｈは分割領域の高さである。例えば８つの分割領域から成る１０２４×１２８画像の場合には、ｓｗ＝１２８且つｓｈ＝１２８である。また、４つの分割領域から成る異なる１０２４×１２８画像の実施例では、ｓｗ＝２５６且つｓｈ＝１２８である。この（数式１）は、すべてのピクセルのついて強度の合計を計算し、強度の合計を分割領域の総ピクセル数で除算する。
【００５７】
【数１】
2021526266.tif 000003
【００５８】
（数式１）で計算された平均強度は、（数式２）を利用して平均明度として分類される。２つの所定のパラメータａ，ｂは、画像の明度を決定するために利用される。分割領域についての平均強度がａとｂとの間にある場合には、当該分割領域の明度は通常であるとみなされる。分割領域についての平均強度がｂより大きい場合には、当該分割領域は明るいとみなされる。最後に、分割領域についての平均強度がａより小さい場合には、当該分割領域は暗いとみなされる。
【００５９】
【数２】
2021526266.tif 000004
【００６０】
ステップ１２０では、選択された分割領域についての分類された平均明度が“通常”である場合には、アルゴリズムは、分割領域が処理すべきフレームに残っているか否か決定するためのチェックを実行するステップ１２２に直接進行する。依然として分割領域が残っている場合には、アルゴリズムは、ステップ１１６に戻り、フレーム中の次の分割領域を対象領域として選択し、明度計算と分類化ステップとを繰り返す。
【００６１】
代替的には、ステップ１２０において、選択された分割領域についての分類化された平均明度が“暗い”場合には、アルゴリズムは、代わりに、当該選択された分割領域を照明するためのＬＥＤに対するＬＥＤ電力ＬＰが増大されるステップ１２１Ａに進行する。このことは、増大されたＬＰ値をＬＥＤ２７のためのＬＥＤドライバ９４に送ることによって実行される。その後に、上述のように、アルゴリズムはステップ１２２に進行する。
【００６２】
代替的には、ステップ１２０において、選択された分割領域についての分類された平均明度が“明るい”場合には、当該選択された分割領域を照明するためのＬＥＤに対するＬＥＤ電力ＬＰが低減される。このことは、低減されＬＰ値をＬＥＤ２７のためのＬＥＤドライバ９４に送ることによって実行される。その後に、上述のように、アルゴリズムはステップ１２２に進行する。
【００６３】
フレーム中のすべての分割領域が処理されると、ステップ１２２において、アルゴリズムは、ジャイロ測定システム９７から得た移動ロボットの回転に関する情報１０６を利用することによって、移動ロボット１が回転しているか否か決定するステップ１２４に進行する。移動ロボットが回転してない場合には、アルゴリズムは、ステップ１１２に戻り、カメラから新しいフレーム１０４を取得し、処理を繰り返す。しかしながら、移動ロボットが回転している場合には、アルゴリズムは、ステップ１２６に進行し、移動ロボットの検出された回転角度に関して適切な数量の分割領域によって、移動ロボットの回転に対する逆方向にＬＥＤ電力（ＬＰ）値をシフトさせる。例えば、８つのＬＥＤ分割領域が存在する場合には、アルゴリズムは、関連するＬＰ値を、回転方向に対する逆方向に４５°当たり一の分割領域シフトさせる。
【００６４】
例えば図７Ａ及び図７Ｂに表わす画像分割領域と図６に表わす対応するＬＥＤ２７Ａ〜２７Ｈとを考慮すると、［表１］の第一列は、第１のロボットの姿勢における、ＬＥＤ２７Ａ〜２７ＨそれぞれのついてのＬＰ値を表わす。当該姿勢では、移動ロボット１の前方に暗い領域が存在するので、移動ロボット１の前方に向かって方向づけられているＬＥＤ２７Ａ，２７Ｂがかなり明るくなっており、移動ロボット１の右端及び左端に向かって方向づけられているＬＥＤ２７Ｃ，２７Ｄが僅かに明るくなっている。［表１］の第二列は、第２の移動ロボットの姿勢における、ＬＥＤ２７Ａ〜２７ＨそれぞれのついてのＬＰ値を表わす。第２の移動ロボットの姿勢では、移動ロボットが時計回りに９０°回転されていることを除いて、すべての因子は同一である。９０°時計回りに回転した後に、移動ロボットの左側に向かって方向づけられているＬＥＤ２７Ｃ，２７Ｄは、暗い領域に面しており、アルゴリズムがＬＰ値を反時計回りに２つの分割領域分シフトさせることによって明るくなる。
【００６５】
【表１】
2021526266.tif 000005
【００６６】
言うまでもなく、移動ロボットが十分に低速で回転している場合には、アルゴリズムは光をシフトさせる必要が無い。明度計算によって、照明が十分に調整されるからである。回転速度が所定の閾値より高い場合には、回転のみが考慮される。
【００６７】
ステップ１２６において、アルゴリズムによってＬＰ値が必要な量シフトされると、アルゴリズムは、ステップ１１２に戻り、カメラから新しいフレーム１０４を獲得し、処理を繰り返す。
【００６８】
図１３に表わすフロー図に示すステップを利用するアルゴリズムは、照明システムが発生させる光の僅かな“変動”を結果として招く。変動は、照明システムが発生させる照明が急速に変化する場合に生じることがある。例えば、明るい環境から暗い領域に侵入する場合や急速に明るくなる場合に、結果として画像の明度が過剰に高くなることがある。このことを相殺するために、アルゴリズムは、照明を低下させるので、画像の明度が過剰に低くなる。このような変動効果を防止するために、周囲の光において検出された変化が持続的且つ連続的であることを確保するための僅かな遅延を、照明のレベルを変更する前に加えることが必要とされる。さらに、照明の遷移を僅かに遅らせ滑らかにすることが必要とされる。しかしながら、移動ロボットは、航行システムが継続的に妨害されないように十分急速に周囲の光の変化に応答することが必要とされる。
【００６９】
図１４は、変動の問題を処置する図１３に表わす照明アルゴリズムの一部についての代替的なステップを表わすフロー図である。ステップ１１８，１２０は図１３に表わす当該ステップと同一であるが、その他のステップは相違する。当該方法には、光量増加要求（ＬＩＲ）と光量減少要求（ＬＤＲ）とが導入されている。
【００７０】
ステップ１２０において平均明度が“通常”として分類された場合には、アルゴリズムはステップ１３０に進行し、ステップ１３０では、ＬＩＲ値及びＬＤＲ値が零にリセットされ、ＬＥＤ電力（ＬＰ）が一定に維持される。アルゴリズムは、画像分割領域それぞれについて、図１３に表わすアルゴリズムと同様に繰り返す。このことは、フロー図を単純化するために、図１４にステップ１６０として表わされている。
【００７１】
ステップ１２０において平均明度が“暗い”として分類された場合には、アルゴリズムは、現在選択されている分割領域についてのＬＩＲ値が増加されるステップ１４０に進む。当該実施例では、ＬＩＲ値は１増加する。その後に、ステップ１４２において、明度が“暗く”且つ現在のＬＩＲ値が所定の閾値ｔｈｒＬＩＲより大きいという条件が満たされる場合に、分割領域についてのＬＥＤ電力ＬＰが増加し（ＬＰ＝ＬＰ＋１）、ＬＩＲ値は零にリセットされる（ＬＩＲ＝０）。その後に、ステップ１６０において、アルゴリズムは、画像分割領域それぞれについて繰り返す。
【００７２】
ステップ１２０において平均明度が“明るい”として分類された場合には、アルゴリズムは、現在選択されている分割領域についてのＬＤＲ値が増加されるステップ１５０に進む。当該実施例では、ＬＤＲ値は１増加する。その後に、ステップ１５２において、明度が“明るく”且つ現在のＬＤＲ値が所定の閾値ｔｈｒＬＤＲより大きいという条件が満たされる場合に、分割領域についてのＬＥＤ電力ＬＰが減少し（ＬＰ＝ＬＰ−１）、ＬＤＲ値は零にリセットされる（ＬＤＲ＝０）。その後に、ステップ１６０において、アルゴリズムは、画像分割領域それぞれについて繰り返す。
【００７３】
現在のフレームすなわち画像についてのすべての分割領域が処理されると、アルゴリズムは、当該アルゴリズムが図１３に表わすステップ１２４，１２６に関連して説明した通りに移動ロボットの回転に関するＬＰ値を調整するステップ１６２に進行する。ＬＰ値がロボットの回転のために調整されると、アルゴリズムは、すべてのＬＰ値がＬＥＤドライバそれぞれに送られるステップ１６４に進行する。アルゴリズムは、当該アルゴリズムのステップ１１２に再度戻り、新しいフレームを獲得する。
【００７４】
従って、まとめると、（数式３）は、どのようにして明度が画像に干渉するのかを表わす。画像が暗い場合には、ＬＩＲが増加される。明度が通常である場合には、光量増加要求ＬＩＲと光量減少要求ＬＤＲとがリセットされる。明度が明るい場合には、ＬＤＲが増加される。
【００７５】
【数３】
2021526266.tif 000006
【００７６】
光量を変化させることによって、照明レベルの変化の移行が滑らかになる。さらに、照明の変化が発生する前にＬＩＲ値及びＬＤＲ値を閾値より大きくする必要性があるので、これにより当該変化の際に遅延が生じる。アルゴリズムについて当該方法を利用することによって、光量の変動が解消される。
【００７７】
当該方法のさらなる利益は、増加／減少要求ｔｈｒＬＩＲ，ｔｈｒＬＤＲの数について閾値を変化させることによって、照明の変化速度が容易に調整可能となることである。閾値が比較的高いと、変化の速度が減少する一方、閾値が比較的低いと、変化の速度が増加する。
【００７８】
上述のアルゴリズムでは、ＬＥＤ電力の変化が＋１又は−１として記述されていることに留意すべきである。このことは、光の変化についての一の段階に対応する。光の変化についての一の段階は、ＬＥＤドライバに適用可能とされる最小の変化量として定義されている。このことが、ＬＥＤドライバ及び電気的特性に依存していることは明白である。例えば、ＬＥＤ光が０％〜１００％の範囲内にある場合には、一の段階が１％の変化として定義されている。一の段階は、移動ロボットの仕様又は利用者の希望に従って異なるように定義されていても良い。照明レベルの段階は、所望の光出力と移行の滑らかさとのバランスで決定される。照明レベルは、利用者が光量の変化を知覚することができない程度に小さく、画像処理のために許容可能な時間内に最大光量に到達することができる。
【００７９】
代替的には、ＬＥＤ電力の漸進的な変化の代わりに、ＬＰの比較的大きい変化が計算された場合に、ＬＰが、増加が滑らかであると利用者に印象を与えるように、別々のレベルでＬＥＤドライバに送られる。
【００８０】
特定の実施例について説明したが、特許請求の範囲によって定義される本発明の技術的範囲から逸脱しない限り、当該特定実施例を含む様々な変化例を実施可能であることに留意すべきである。
【符号の説明】
【００８１】
１    ロボット真空掃除機
２    本体
３    （本体２の）頂面
４    分離装置
５    トラクションユニット
６    掃除機ヘッド
８    視覚システム
１０    センサポッド
１２    カメラ
１４    照明システム
２０    レンズモジュール
２１    分離装置
２２    レンズモジュール保持部
２３    反射面
２４    視覚システム取付部
２４ａ  ヒートシンク取付部
２５    （視覚システム取付部２４の）フィン
２６    （視覚システム取付部２４の）穴
２７    光発光ダイオード（ＬＥＤ）
２７Ａ  光発光ダイオード（ＬＥＤ）
２７Ｂ  光発光ダイオード（ＬＥＤ）
２７Ｃ  光発光ダイオード（ＬＥＤ）
２７Ｄ  光発光ダイオード（ＬＥＤ）
２７Ｅ  光発光ダイオード（ＬＥＤ）
２７Ｆ  光発光ダイオード（ＬＥＤ）
２８    第２のＰＣＢ
２９    ヒートシンク
３０    印刷回路基板（ＰＣＢ）
３１    画像センサ
３２    センサ取付部
３３    ネジ
３４    光透過性カバー
４０    レンズモジュール本体
４２    レンズ
４４    レンズ
４６    レンズ
４８    レンズ
７０    球状画像
７２    分割領域
７４    矩形状画像
７６    分割画像
８０    ＰＣＢ
８２    センサ取付部
８３    係合部分
８４    第１の変形可能なプラスチック要素
８６    第１の垂直データム
８８    第２の変形可能なプラスチック要素
８９    第２の垂直データム
９０    制御システム
９１    プロセッサ
９２    画像処理ユニット
９３    航行ユニット
９４Ａ  ＬＥＤドライバ
９４Ｂ  ＬＥＤドライバ
９４Ｃ  ＬＥＤドライバ
９４Ｄ  ＬＥＤドライバ
９４Ｅ  ＬＥＤドライバ
９４Ｆ  ＬＥＤドライバ
９４Ｇ  ＬＥＤドライバ
９４Ｈ  ＬＥＤドライバ
９５    センサ（システム）
９６    バンプセンサ
９７    ジャイロ測定システム
９７Ａ  慣性計測ユニット（ＩＭＵ）
９７Ｂ  走行距離計
９８    駆動システム
１００    照明アルゴリズム
１０２    露光時間
１０４    カメラ１２から得た画像
１０６    移動ロボット１の回転に関する情報
【図１】
2021526266.tif 000007
【図２】
2021526266.tif 000008
【図３】
2021526266.tif 000009
【図４】
2021526266.tif 000010
【図５】
2021526266.tif 000011
【図６】
2021526266.tif 000012
【図７Ａ】
2021526266.tif 000013
【図７Ｂ】
2021526266.tif 000014
【図８】
2021526266.tif 000015
【図９】
2021526266.tif 000016
【図１０】
2021526266.tif 000017
【図１１】
2021526266.tif 000018
【図１２】
2021526266.tif 000019
【図１３】
2021526266.tif 000020
【図１４】
2021526266.tif 000021
【国際調査報告】
2021526266.tif 000022
2021526266.tif 000023