(57)【要約】  本発明は、ロボット位置決めシステムとロボットの位置決め方法に関する。ロボット位置決めシステムは、カメラと、処理ユニットと、少なくとも第一のラインレーザと、を含む。第一のラインレーザは、カメラの視野内で垂直レーザ線を投射することによって空間を照明するように構成される。カメラは、垂直レーザ線により照明された空間の写真を記録するように構成され、処理ユニットは、記録された写真から、空間内にある物体で反射された垂直レーザ線により形成される線を表す画像データを抽出するように構成される。処理ユニットはさらに、抽出された線から、投射されたレーザ線に沿った照明空間の表現を生成するように構成され、これに関してロボットが位置付けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットの位置決め方法において、
カメラの視野内で垂直レーザ線を投射する少なくとも第一のラインレーザにより空間を照明するステップ（Ｓ１０１）と、
前記垂直レーザ線により照明された空間の写真を前記カメラで記録するステップ（Ｓ１０２）と、
前記記録された写真から、前記空間内にある物体で反射された前記垂直レーザ線により形成された線を表す画像データを抽出するステップ（Ｓ１０３）と、
前記抽出された線から、前記投射されたレーザ線に沿った前記照明空間の表現を生成するステップ（Ｓ１０４）であって、前記ロボットが前記表現に関して位置付けられるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記空間を照明するステップが、前記カメラの視野内で垂直レーザ線を投射する少なくとも第二のラインレーザにより前記空間を照明するステップをさらに含み、
前記記録された写真から線を表す画像データを抽出するステップが、前記第一と第二のラインレーザのそれぞれの前記垂直レーザ線により形成される線を表す画像データを抽出するステップをさらに含み、
前記抽出された線から表現を生成するステップが、前記第一と第二のラインレーザの前記抽出された線から、前記第一と第二のラインレーザの前記投射されたレーザ線に沿った前記照明空間の表現を生成するステップを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記カメラの推定位置を取得するステップと、
前記推定位置を利用して前記照明空間の前記表現を生成するステップであって、前記表現が前記推定位置に基づいて座標に関連付けられるステップと、
をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記カメラを垂直軸の周囲で回転させるステップと、
そこから前記表現が生成される写真を繰り返し記録するステップと、
をさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記記録された写真の前記画像データを、以前に記録された少なくとも１つの写真の画像データと比較するステップ（Ｓ１０３ｂ）と、
前記抽出された線を、デッドレコニングを使用することにより前記画像データの比較に基づいて調整するステップ（Ｓ１０３ｃ）と、
をさらに含み、
前記調整後の抽出された線から、前記投射されたレーザ線に沿った前記照明空間の前記表現が生成され（Ｓ１０４’）、それに関してロボットが位置決めされる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記抽出された画像データにエッジ検出を適用して、それぞれ前記第一と第二のラインレーザの前記垂直レーザ線により形成される線を特定するステップをさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記画像データを前記カメラの固有のセンサアレイ座標にマッピングするステップと、
前記固有の座標を前記抽出された線に割り当てるステップであって、前記表現が前記固有の座標に関連付けられるステップと、
をさらに含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
カメラ（１２）と、
処理ユニット（１５）と、
前記カメラの視野内で垂直レーザ線（２３）を投射することによって空間（２１）を照明するように構成された少なくとも第一のラインレーザ（１３）と、
を含むロボット位置決めシステム（１０）において、
前記カメラが、前記垂直レーザ線により照明される前記空間の写真を記録するように構成され、
前記処理ユニットが、前記記録された写真から、前記空間内にある物体で反射された前記垂直レーザ線により形成される線を表す画像データを抽出し、さらに、前記抽出された線から、前記投射されたレーザ線に沿った前記照明空間の表現を生成するように構成され、前記ロボット位置決めシステムが搭載された前記ロボットが前記表現に関して位置決めされるように構成されているロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項９】
垂直レーザ線（２２）を投射することによって前記カメラ（１２）の視野内の前記空間（２１）を照明するように構成された第二のラインレーザ（１４）をさらに含み、
前記処理ユニット（１５）が、前記記録された写真から、前記第一と第二のラインレーザの前記垂直レーザ線により形成されるそれぞれの線を表す画像データを抽出し、さらに、それぞれの前記抽出された線から、前記第一と第二のラインレーザの前記投射されたレーザ線に沿った前記照明空間の表現を生成するように構成されている、請求項８に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項１０】
前記第一（１３）と第二（１４）のラインレーザがそれぞれ、前記カメラの光軸に垂直な軸に沿って前記カメラ（１２）の両側に配置される、請求項９に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項１１】
前記第一（１３）と第二（１４）のラインレーザが、それぞれのレーザビーム（２３、２２）が前記カメラ（１２）の前記視野内で交差するように方向付けられるように構成されている、請求項９または１０に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項１２】
前記第一（１３）と第二（１４）のラインレーザの方向と前記カメラ（１２）の視野（２４）が、前記カメラの前記視野内にある前記照明空間（２１）の幅（ｗC）が前記ロボット位置決めシステムの搭載される前記ロボットの幅（ｗR）より大きくなるように構成される、請求項９〜１１のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項１３】
前記第一（１３）と第二（１４）のラインレーザの方向と前記カメラ（１２）の視野（２４）が、前記カメラの前記視野内にある前記照明空間（２１）の高さ（ｈC）が前記ロボット位置決めシステムの搭載される前記ロボットの高さ（ｈR）より大きくなるように構成される、請求項９〜１２のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項１４】
前記カメラに配置された光フィルタをさらに含み、この光フィルタが前記第一（１３）と第二（１４）のラインレーザにより発せられる光の波長に適応される、請求項８〜１３のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項１５】
前記カメラ（１２）が相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラである、請求項８〜１４のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項１６】
さらに垂直軸の周囲で回転可能に構成される、請求項８〜１５のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項１７】
前記処理ユニット（１５）が、
前記記録された写真の前記画像データを、以前に記録された少なくとも１つの写真の画像データと比較し、
前記抽出された線を、デッドレコニングを使用することにより前記画像データとの前記比較に基づいて調整するようにさらに構成されており、前記処理ユニットが、前記調整後の抽出された線から、前記投射されたレーザ線に沿った前記照明空間の前記表現を生成するように構成され、それに関して前記ロボットが位置付けられる、請求項８〜１６のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項１８】
前記ロボット位置決めシステムの瞬間位置を推定するための位置決めシステムをさらに含む、請求項８〜１７のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項１９】
前記処理ユニット（１５）が、
前記推定位置を利用して前記照明空間の前記表現を生成するようにさらに構成され、前記表現が前記推定位置に基づいて座標に関連付けられる、請求項１８に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項２０】
前記処理ユニット（１５）が、
前記抽出された画像データにエッジ検出を適用して、それぞれ前記第一（１３）と第二（１４）のラインレーザの前記垂直レーザ線（１７、１８）により形成される線を特定するようにさらに構成されている、請求項８〜１６のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項２１】
前記処理ユニット（１５）が、
前記画像データを前記カメラ（１２）の固有のセンサアレイ座標にマッピングし、
前記固有の座標を前記抽出された線に割り当て、前記表現が前記固有の座標に関連付けられるようにさらに構成されている、請求項８〜２０のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム。
【請求項２２】
前記第一（１３）と第二（１４）のラインレーザによって照明された粒子を、前記照明された粒子を示す画像データを抽出することによって検出するように構成されたダストセンサをさらに含み、ロボット位置決めシステムの搭載される前記ロボットの動作を前記検出された粒子に応答して制御できる、請求項８〜２１のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム。
【請求項２３】
前記処理ユニット（１５）が、前記生成された表現を、前記ロボットが移動する表面に固定された座標系に関連付けるようにさらに構成されている、請求項８〜２２のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム。
【請求項２４】
コンピュータ実行可能コンポーネントを含み、これがある機器（１０）に対し、前記コンピュータ実行可能コンポーネントが前記機器に含まれる処理ユニット（１５）上で実行されるときに請求項１〜７のいずか１項に記載のステップの少なくとも一部を実行させるコンピュータプログラム（１７）。
【請求項２５】
コンピュータ可読媒体を含み、前記コンピュータ可読媒体がその中に具体化された請求項２４によるコンピュータプログラム（１７）を有するコンピュータプログラム製品（１６）。
【請求項２６】
請求項８〜２３のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム（１０）を用いて構成されたロボット掃除機（２０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット位置決めシステムとロボットの位置決め方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの技術分野において、自律行動を行うロボットを使用して、障害物があっても衝突せずにこれらが空間を自由に動き回れるようにすることが望ましい。
【０００３】
例えば、当業界には、テーブルや椅子等の家具および壁や階段等のその他の障害物のある部屋を多かれ少なかれ自律的に吸引掃除する能力を有するロボット掃除機が存在する。従来、これらのロボット掃除機は例えば超音波または光波等を利用して部屋の中を移動する。さらに、ロボット掃除機は一般に、正確に動作させるために、追加のセンサ、例えば階段センサ、壁追跡センサ、および各種トランスポンダを補わなければならない。
【０００４】
先行技術の多数のロボット掃除機には、Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍａｐｐｉｎｇ（ＳＬＡＭ）と呼ばれる技術が採用されている。ＳＬＡＭは、移動ロボットによる未知の環境の地図を構築し、同時にこの地図を使って環境内で移動するという問題に関する。これには一般に、距離測定のための水平走査レーザを組み合わせる。さらに、走行距離計測法を使用して、ロボットの車輪の運動によって測定されたロボットの大体の位置を提供する。
【０００５】
米国特許出願第２００２／００９１４６６号明細書は、部屋の天井に向けられ、天井の基準マークを認識する第一のカメラと、障害物に向けて線状の光ビームを発するラインレーザと、障害物からの反射された線状光ビームを認識するための第二のカメラと、を備える移動ロボットを開示している。ラインレーザは、移動ロボットの前に水平に延びる直線の形態のビームを発する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、当業界における上記の問題を解決するか、少なくとも軽減させ、改良されたロボット位置決めシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、本発明の第一の態様において、カメラと、処理ユニットと、少なくとも第一のラインレーザと、を含むロボット位置決めシステムによって達成される。第一のラインレーザは、カメラの視野内で垂直レーザ線を投射することによって空間を照明するように構成される。カメラは、垂直レーザ線によって照明された空間の写真を記録するように構成され、処理ユニットは、記録された写真から、空間内にある物体で反射された垂直レーザ線によって形成された線を表す画像データを抽出するように構成される。処理ユニットはさらに、抽出された線から、投射されたレーザ線に沿って照明された空間の表現を生成するように構成され、ロボットは前記表現に関して位置決めされる。
【０００８】
この目的は、本発明の第二の態様において、ロボットの位置決め方法によって達成される。この方法は、カメラの視野内で垂直レーザ線を投射する少なくとも第一のラインレーザで空間を照明するステップと、垂直レーザ線によって照明された空間の写真をカメラで記録するステップと、を含む。さらに、この方法は、記録された写真から、空間内にある物体で反射された垂直レーザ線によって形成された線を表す画像データを抽出するステップと、抽出された線から、投射されたレーザ線に沿って照明された空間の表現を生成するステップと、を含み、ロボットは前記表現に関して位置決めされる。
【０００９】
有利には、本発明の実施形態によるロボット位置決めシステムは、このシステムが動作するように設置される環境の表現を、照明された環境内にある物体で反射された光の結果である画像データを記録することによって生成する。先行技術の位置決めセンサは通常、１秒間に何千回も測定を行うことによって大量のデータを生成し、これを位置決めセンサを搭載したロボットの位置決めのために処理しなければならない。これに対して、本発明によるロボット位置決めシステムは、同等の回数の測定を行うが、その結果として得られたデータの少量だけを位置決めのために使用する。本発明のロボット位置決めシステムは、ラインレーザによって投射された垂直レーザ線によって得られる平坦面に沿って記録された画像データのみを考慮する。先行技術の位置決めセンサと比較したこのような違いは、その表現が生成されるべき環境が多くの物体を含んでいる場合、さらにより強調され、これは比較的少量の画像データの処理によって個々の小さい詳細点が表現されるからである。先行技術の多くのロボット位置決めシステムと異なり、例えばロボットが階段から予期せず落下するのを防止するための床センサは不要である。
【００１０】
別の利点は、ロボット位置決めシステムを、位置決めシステムを搭載できるロボット掃除機の前の埃やゴミを検出するために使用できることである。床の上の小さい粒子であっても、ラインレーザによって照明されると、クリーンな床よりかなり多くの光を反射し、反射光の変化を記録することによって容易に検出できる。
【００１１】
さらに他の利点は、写真の複雑な分析を行ったり、環境の完全な表現を構築したりせずに、記録された写真の画素／画像データを使って直接障害物、エッジ、壁を検出できることである。各画素は空間内の小さな点に関する障害物検出器とみなすことができ、各画素検出レーザ光はロボットが物体に当たるまでどれだけ移動できるかに容易に変換できる。それゆえ、本発明の実施形態によるロボット位置決めシステムは、近距離で障害物をかわして移動するための正確で関連性の高いデータを提供することができる。
【００１２】
本発明の別の実施形態において、ロボット位置決めシステムは、垂直レーザ線を投射することによってカメラの視野内の空間を照明するように構成された第二のラインレーザをさらに含む。この具体的な実施形態において、処理ユニットは、記録された写真から、空間内にある物体で反射された第一と第二のラインレーザの垂直レーザ線によって形成されたそれぞれの線を表す画像データを抽出するように構成される。さらに、処理ユニットは、それぞれの抽出された線から、第一と第二のラインレーザの投射レーザ線に沿った照明空間の表現を生成するように構成される。
【００１３】
有利には、２つの光源を使用した場合、位置決め精度が改善され、記録された写真には、ロボット位置決めシステムが動作する環境の詳細な表現の生成を容易にするためのより多くの情報が含まれることになる。
【００１４】
本発明の別の実施形態において、第一と第二のラインレーザはそれぞれ、カメラの光軸に垂直な軸に沿ってカメラの両側に配置される。有利には、この配置により、それぞれのラインレーザはカメラからなるべく遠くに取り付けられ、それゆえ、最大限の空間を照明することができる。
【００１５】
本発明のさらに他の実施形態において、光フィルタがカメラに配置され、この光フィルタは第一（と第二）のラインレーザにより発せられた光の波長に適応される。有利には、カメラを、ラインレーザによって使用される特定の波長に反応し、それゆえ、ラインレーザからの反射光のみを記録するようにすることができる。
【００１６】
１つの実施形態において、カメラは相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラである。
【００１７】
本発明のさらにまた他の実施形態において、ロボット位置決めシステムは、垂直軸の周囲で回転可能に構成される。これは、ロボット位置決めシステムをロボット掃除機に固定して取り付け、掃除機を回転させることによって、または、ロボット位置決めシステムをロボット掃除機に回転可能に取り付けることによって実現できる。有利には、ロボット位置決めシステムを回転するように設置でき、カメラは掃除機が動作するように設置された環境全体の写真を記録する。それゆえ、環境の完全な表現を得ることができる。
【００１８】
本発明のまた他の実施形態において、ロボットナビゲーションシステムは、ロボット位置決めシステムの瞬間位置を推定するための位置決めシステムをさらに含む。これは、記録された各写真に関する、およびそれゆえ、最終的には生成された表現に関する座標原点を確立できるため、有利である。
【００１９】
本発明の別の実施形態において、画像データはカメラのセンサアレイの座標系にマッピングされる。有利には、それゆえ、センサアレイ座標系を使用することによって、記録された写真の各画像特徴を固有の座標に関連付けることができる。生成された表現はそれゆえ、ロボット掃除機の位置決めを容易にするために座標系に関連付けられる。
【００２０】
尚、本発明は特許請求の範囲に記載された特徴のあらゆる可能な組み合わせに関する。本発明の他の特徴と利点は、付属の特許請求の範囲と以下の説明を読むことによって明らかとなるであろう。当業者であれば、本発明の様々に特徴を組み合わせて、以下に説明するもの以外の実施形態を創出できることに気付く。
【００２１】
ここで、本発明を添付の以下のような図面を例として参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のある実施形態によるロボット位置決めシステムを示す。
【図２ａ】本発明のある実施形態によるロボット位置決めシステムを用いて構成されたロボット掃除機の上面図を示す。
【図２ｂ】本発明のある実施形態によるカメラの視野を明示した図２ａの上面図を示す。
【図２ｃ】本発明のある実施形態によるロボット位置決めシステムを用いて構成されたロボット掃除機の側面図を示す。
【図３ａ−３ｂ】本発明のある実施形態によるロボット位置決めシステムを使用することによってロボットが動作する環境の表現を生成する手順を示す。
【図４】本発明のある実施形態によるロボット位置決め方法のフローチャートを示す。
【図５】本発明の他の実施形態によるロボット位置決め方法のフローチャートを示す。
【図６】本発明の別の実施形態によるロボット位置決めシステムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
ここで、本発明の特定の実施形態が示されている添付の図面を参照しながら、以下に本発明をより詳しく説明する。しかしながら、本発明は他の様々な形態で実施してもよく、本明細書に記載された実施形態に限定されると解釈するべきではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示を完璧で完全なものとするように、また本発明の範囲を当業者に十分に伝えるための例として提供される。留意すべき点として、本発明の実施形態によるロボットナビゲーションシステムは、位置決めのためにＳＬＡＭを採用する。ＳＬＡＭは当業界でよく知られているため、詳しくは説明しない。
【００２４】
図１は、本発明のある実施形態によるロボット位置決めシステムを示す。ロボット位置決めシステム１０は、ＣＭＯＳカメラ等の光検出器１２のほかラインレーザの形態の２つの光源１３、１４が配置された筐体１１を含む。ラインレーザ１３、１４は、ＣＭＯＳカメラ１２の視野内で垂直レーザ線を投射するように構成される。ＣＭＯＳカメラ１２は、２つのラインレーザ１３、１４によって照明された空間の写真を繰り返し記録し、それによって、正確な位置決めのために照明空間の表現を生成することができる。留意すべき点として、本発明のある実施形態においてはロボット位置決めシステムが１つの光源を含む。しかしながら、２つの光源を使用した場合、位置決め精度が改善され、記録された写真には、ロボット位置決めシステムが動作する環境の詳細な表現の生成を容易にするための、より多くの情報が含まれる。説明文では一貫して、２つのラインレーザの使用を説明する。
【００２５】
照明空間のデータ処理と表現の生成は一般に、１つまたは複数のマイクロプロセッサの形態で実施される処理ユニット１５によって実行され、これはマイクロプロセッサに関連付けられた適当な記憶媒体１７、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、フラッシュメモリまたはハードディスクドライブ等にダウンロードされたそれぞれのコンピュータプログラム１６を実行するように構成される。処理ユニット１５は、コンピュータ実行可能命令を含む適当なコンピュータプログラム１６が記憶媒体１７にダウンロードされ、処理ユニット１５によって実行されたときに、本発明の実施形態による方法を少なくとも部分的に実行するように構成される。記憶媒体１７はまた、コンピュータプログラム１６を含むコンピュータプログラム製品であってもよい。あるいは、コンピュータプログラムは、適当なコンピュータプログラム製品、例えばフロッピディスクまたはメモリスティック等による記憶媒体に転送されてもよい。別の代替案として、コンピュータプログラム１６は、ネットワークを通じて記憶媒体１７にダウンロードされてもよい。処理ユニット１５はあるいは、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、コンプレックスプログラマブルロジックデバイス（ＣＰＬＤ）等の形態で実施されてもよい。さらに留意すべき点として、ロボット位置決めシステム１０をロボット掃除機等の機器に統合する場合には、既にロボット位置決めシステム内で利用できるマイクロプロセッサを使用してもよい。
【００２６】
ロボット位置決めシステム１０は一般に、ロボット掃除機または床洗浄機等の器具に取り付けられる。ロボット機器に取り付けられた場合、ロボット位置決めシステムは、本発明のある実施形態においては、垂直軸の周囲で回転可能に構成される。これは、ロボット位置決めシステムをロボット掃除機に固定して取り付け、掃除機を回転させることによって、またはロボット位置決めシステム１０をロボット掃除機に回転可能に取り付けることによって実現できる。
【００２７】
図２ａは、本発明のある実施形態によるロボット位置決めシステムを用いて構成されたロボット掃除機２０の上面図を示しており、２つのラインレーザ１３、１４が各々、垂直レーザ線２２、２３によってＣＭＯＳカメラ１２の視野の中にある空間２１を照明する。それぞれのラインレーザ１３、１４は、ＣＭＯＳカメラ１２からなるべく遠くに取り付け、それゆえ最大限に空間２１を照明するようにするべきである。さらに、ロボット位置決めシステムは、ロボット掃除機のできるだけ高い位置に設置して、ロボット掃除機が動作する環境の最良の概観が得られるようにするべきである。
【００２８】
ＣＭＯＳカメラ１２と少なくとも１つのラインレーザ１３、１４により、カメラで撮影された各写真を使って、発せられたレーザビーム２２、２３に沿った照明空間の一部の表現を生成できる。ロボット位置決めシステムおよび／またはロボット位置決めシステムが搭載されたロボット掃除機全体が移動し、回転する間に、カメラ１２は繰り返し写真を撮影し、その中に情報が含まれ、そこから画像データを抽出して、レーザによる照明空間２１の中にある環境の表現を生成できる。ある実施形態において、ロボット位置決めシステムを３６０度回転させて、その間に繰り返し写真を撮影することによって、画像データの形態の情報を含む複数の写真が生成され、そこから環境の表面形状の極めて詳細な表現を生成できる。
【００２９】
ＣＭＯＳカメラ１２はまた、環境内のビーコンとトランスポンダの位置を、それらがレーザと同じ波長で発信するかぎり、特定するために使用することもできる。
【００３０】
ロボット掃除機は、空間を自由に動き回ることができなければならず、それゆえバッテリ式である。留意すべき点として、本発明の掃除機の充電ステーション上にアクティブビーコンは必要なく、これは、充電ステーションをその形状またはその前面の特定の反射パターンによって識別し、位置特定できるからである。
【００３１】
図２ｂは、本発明のある実施形態によるロボット位置決めシステムを用いて構成されたロボット掃除機２０の上面図を示し、２つのラインレーザ１３、１４は各々、垂直レーザ線２２、２３によってＣＭＯＳカメラ１２の視野内にある空間２１を照明する。
【００３２】
図２ａと同様に、第一のラインレーザ１３と第二のラインレーザ１４はそれぞれ、カメラ１２の、カメラの光軸に垂直な軸に沿った両側に配置される。さらに、図２ａと２ｂからわかるように、ラインレーザ１３、１４は、それぞれのレーザビーム２３、２２がカメラ１２の視野内で交差するように方向付けられる。一般に、交差点はカメラ１２の光軸と一致する。
【００３３】
有利には、ラインレーザ１３、１４の方向設定とカメラ１２の視野２４は、カメラ１２の視野２４内にある照明空間２１の幅ｗCがロボット掃除機２０の幅ｗRより大きくなるように構成される。したがって、ラインレーザ１３、１４は、選択された視野２４を有するカメラ１２がロボット掃除機２０の幅ｗRより大きい幅ｗCの照明空間２１を捕捉できる。これは、ロボット２０が少なくともその幅ｗR全体に沿って出現する障害物を認識できるため、障害物検出に有益である。
【００３４】
図２ｃは、本発明の実施形態によるロボット位置決めシステムを用いて構成された、図２ａと２ｂに示されるロボット掃除機２０の側面図を示す。図２ｂに関連して述べたものと同様に、レーザビーム２２、２３の方向設定とカメラ１２の視野２４は、有利には、カメラ１２の視野２４の中にある照明空間２１の高さｈCがロボット掃除機２０の高さｈRより大きくなるように構成される。したがって、ラインレーザは、ある視野２４を有するカメラ１２がロボット掃除機２０の高さｈRより大きい高さｈCの照明空間２１を捕捉できる。再び、これは、ロボット２０が少なくともその高さｈR全体に沿って出現する障害物を認識できるため、障害物検出に有益である。
【００３５】
本発明の別の実施形態において、本発明のロボット位置決めシステムは、ラインレーザ１３、１４によって照明された埃、ゴミおよび／または粒子を検出するためのダストセンサを含む。ダストセンサは実際には前述のマイクロプロセッサ１５によって実施されてもよく、これがロボット位置決めシステムを備えるロボット掃除機の埃検出機能を実現するための適当なコンピュータプログラムを実行する。それゆえ、ラインレーザ１３、１４はカメラによってその写真が記録される空間２１を照明する。これらの写真から、照明された粒子を明瞭に示す画像データを抽出してもよい。ロボット掃除機が粒子を含む領域に遭遇すると、これらは明るくなり、それゆえ、画像処理を使用することによって、クリーンで粒子のない床から区別されうる。ロボット掃除機はそれゆえ、有利には、この情報に基づいて制御してもよい。例えば、大量の粒子を含む領域を通過する際には吸引能力を一時的に増大させてもよく、または、すべての埃とゴミを確実に取り除くようにその領域を何度か掃除するように掃除機を制御してもよい。
【００３６】
図３ａと３ｂを参照しながら、本発明の実施形態を、本発明のロボット位置決めシステムを使用することにより、ロボットが動作する環境の表現を生成し、この表現に関してロボットを位置決めすることができるような手順を示し、説明する。ラインレーザ１３、１４はそれぞれの垂直レーザ線２２、２３を生成するための光を発するように制御され、その一方でＣＭＯＳカメラ１２は繰り返し写真を撮影するように操作される。外光の有害な影響を最小限にするために、ラインレーザは任意選択により、最大限の効果で光を発するように制御してもよい。さらに、光フィルタをＣＭＯＳカメラの前に配置して、カメラがラインレーザにより発せられる光をより認識しやすくなるようにすることができる。
【００３７】
ロボットの推定位置は、デッドレコニングを適用することによって、それぞれの写真の撮影時に記録される。これは、以前に測定された位置に関するデータを使って現在位置を計算する周知の方法である。各写真の画像データをフィルタ処理によってノイズ除去し、それぞれの垂直レーザ線を画定する線を、例えばキャニーエッジ検出アルゴリズム等のいずれかの適当なエッジ検出方式を用いて抽出する。画像データから抽出されたそれぞれの線は粒子が粗い可能性があるため、画像処理を、例えばいわゆる重心位置評価法をそれぞれのエッジ検出レーザ線の中の隣接画素値に適用してレーザ線の中心を計算し、写真の中に存在するレーザ線の中心を抽出することによってさらに改善してもよい。
【００３８】
ＣＭＯＳカメラには光センサアレイが備えられており、そのアレイの中の個々の光センサ（すなわち画素）が各々、空間内の固有の位置から検出された光を表すため、記録された写真には、ラインレーザが照明した物体を表す画像データが含まれ、この画像データをさらに、固有の座標に関連付けることができる。続いて、レーザ線の中心がセンサアレイの中、すなわち記録された写真の中で延びる座標のリストが導き出される。有利には、各レーザ線の中心座標が複数の画素とこれらの画素すべてにおいて登録された光から計算されるため、これらの座標はそれらが抽出された写真よりはるかに高い解像度を有する。
【００３９】
図３ａと３ｂおよび本発明の実施形態による方法を示す図４のフローチャートに関して、ステップＳ１０１で、ロボット掃除機２０が掃除対象の部屋を動き回る間に、第一と第二のラインセンサ１３、１４がそれぞれ垂直レーザ線２２、２３によってＣＭＯＳカメラ１２の視野内の空間２１を照明する。ステップＳ１０２で、カメラ１２が照明空間２１の写真を記録する。その後、ステップＳ１０３で、それぞれ垂直レーザ線２２、２３によって形成される線を表す画像データを記録された写真から抽出する。
【００４０】
抽出された線は空間２１内の固有の座標に関連付けることができるため、ステップＳ１０４で、これらの抽出された線から投射されたレーザ線に沿った照明空間の表現を生成する。敷居３１の形態の第一の障害物と壁３２の形態の第二の障害物がラインレーザによって照明される。図３ｂにおいて、ＣＭＯＳカメラ１２の個々の光センサの各々が空間内の固有の位置を表すため、記録された写真には、照明された物体と空間２１内でのそれらの特定の座標を表す画像データが含まれる。それゆえ、投射されたレーザ線に沿った照明空間の表現は、発せられたレーザ線２２、２３によって形成された平坦面に沿った部屋の断面のように見える。わかるように、敷居３１と壁３２は図３ｂで見ることができる。さらに、部屋の中のどこに物体が存在するかを高い精度で計算できる。例えば、敷居３１までの距離が０．５ｍ、敷居の高さが０．１ｍ、幅が０．１５ｍ、等である。ロボットの位置は写真撮影時に記録されているため、複数のこのような２Ｄ表現を３Ｄ空間に変換して、ロボットが移動し、連続的にその部屋の別の断面を記録する間に部屋の３Ｄ地図全体を構築するために使用できる。
【００４１】
図５は、それによって表現が生成される本発明の別の実施形態による方法を示す。ステップＳ１０１〜Ｓ１０３は図４に関して説明したものと同じである。追加のステップＳ１０３ｂで、現在記録された写真の画像データを以前に記録された少なくとも１つの写真の画像データと比較する。これは、直前に記録された写真であっても、それより前に記録された写真であってもよい。さらにそれより前に記録された画像と比較することができる。次に、ステップＳ１０３ｃで、現在記録された写真から抽出さたれ線を、デッドレコニングを用いた異なる画像データ集合の比較に基づいて調整する。それゆえ、以前に知った位置に関する知識を使用することによって現在位置をよりよく推定でき、写真に障害（すなわちノイズ）がある場合、ノイズをフィルタ処理によって除去することができ、これはノイズが写真の中で、相互に関する既知の相対運動と写真を比較したときに予想されるような方法で移動する可能性が低いからである。
【００４２】
最後に、ステップＳ１０４’で、投射されたレーザ線に沿った照明空間の表現を調整後の抽出線から生成する。それゆえ、現在記録された画像データを以前に記録された画像データから作られた表現と比較し、デッドレコニングを適用することによって、より正確な表現を生成でき、これに関してロボットをより正確に位置決めすることができる。
【００４３】
任意選択により、写真の線の抽出に加えて、線の強度と幅を抽出してもよい。線幅と強度に関する情報を使い、擬似の可能性のある線をフィルタ処理により除去できる。１本の線に沿った強度の変動は、その線が床の典型である位置と傾斜を有する場合、ゴミ指標として使用できる。さらに、実際には、ロボットは床上を移動する際に前後および左右に若干傾くため、３Ｄ地図の形態の表現を生成するために使用される画像データを、例えばロボットが移動する床が平坦であると仮定することによって調整し、写真の中の画像データの線形調整を行わなければならないこともある。その結果、３Ｄ空間内で水平に高い長い線は完璧に水平になるように調整され、水平に近い線のための偏差パラメータが登録され、残りの線がそれに対応する偏差パラメータで調整される。
【００４４】
３Ｄ空間内の点を表す大量のデータが生成される場合は、これらを圧縮して本発明の実施形態によるロボット位置決めシステムの処理ユニットの演算力に対する要求を減らすことができる。例えば、空間内の多数のコヒーレントの点（ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｐｏｉｎｔｓ）を線により近似させることができ、線の始点と終点だけでメモリに登録されて、それゆえ空間内のコヒーレントの点のすべてを表し、空間内のコヒーレントの線を面により近似させることができる。
【００４５】
図６は、本発明によるロボット位置決めシステムの別の実施形態を示す。ロボット掃除機２０が例えばカーペット２５等の障害物に遭遇して若干傾いた場合、ロボット掃除機が掃除対象の表面に平行であると仮定すると、生成された表現は不正確となりうる。これは、ロボット掃除機２０がドアの敷居を通過する場合にはるかにより顕著であり、この場合、ロボット掃除機は、ドアの敷居をより乗り越えやすくするために、どの方向にも傾いてその重心を移動させることができる。それゆえ、この具体的な実施形態では生成された表現が、ロボット掃除機が移動する表面に関係する。したがって、生成された表現は床に固定された座標系に関係するものであり、それゆえロボットの傾きに対して不変である。
【００４６】
本発明をその具体的な例示的実施形態に関して説明したが、当業者にとっては多くの様々な改変形態、改良形態等が明らかとなるであろう。したがって、説明した実施形態は、付属の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定するものではない。
【図１】
2015534048.tif 000003
【図２ａ】
2015534048.tif 000004
【図２ｂ】
2015534048.tif 000005
【図２ｃ】
2015534048.tif 000006
【図３Ａ】
2015534048.tif 000007
【図３Ｂ】
2015534048.tif 000008
【図４】
2015534048.tif 000009
【図５】
2015534048.tif 000010
【図６】
2015534048.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成27年3月2日(2015.3.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットの位置決め方法において、
カメラの視野内で垂直レーザ線を投射する少なくとも第一のラインレーザにより空間を照明するステップ（Ｓ１０１）と、
前記垂直レーザ線により照明された空間の写真を前記カメラで記録するステップ（Ｓ１０２）と、
前記記録された写真から、前記空間内にある物体で反射された前記垂直レーザ線により形成された線を表す画像データを抽出するステップ（Ｓ１０３）と、
前記記録された写真の前記画像データを、以前に記録された少なくとも１つの写真の画像データと比較するステップ（Ｓ１０３ｂ）と、
前記抽出された線を、デッドレコニングを使用することにより前記画像データの前記比較に基づいて調整するステップ（Ｓ１０３ｃ）であって、それぞれの前記写真の記録時に前記ロボットの推定位置が記録されるステップと、
前記調整後の抽出された線から、前記投射されたレーザ線に沿った前記照明空間の表現を生成するステップ（Ｓ１０４’）であって、前記ロボットが前記表現に関して位置決めされるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記空間を照明するステップが、前記カメラの視野内で垂直レーザ線を投射する少なくとも第二のラインレーザにより前記空間を照明するステップをさらに含み、
前記記録された写真から線を表す画像データを抽出するステップが、前記第一と第二のラインレーザのそれぞれの前記垂直レーザ線により形成される線を表す画像データを抽出するステップをさらに含み、
前記抽出された線から表現を生成するステップが、前記第一と第二のラインレーザの前記抽出された線から、前記第一と第二のラインレーザの前記投射されたレーザ線に沿った前記照明空間の表現を生成するステップを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記カメラの推定位置を取得するステップと、
前記推定位置を利用して前記照明空間の前記表現を生成するステップであって、前記表現が前記推定位置に基づいて座標に関連付けられるステップと、
をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記カメラを垂直軸の周囲で回転させるステップと、
そこから前記表現が生成される写真を繰り返し記録するステップと、
をさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記画像データを前記カメラの固有のセンサアレイ座標にマッピングするステップと、
前記固有の座標を前記抽出された線に割り当てるステップであって、前記表現が前記固有の座標に関連付けられるステップと、
をさらに含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
カメラ（１２）と、
処理ユニット（１５）と、
前記カメラの視野内で垂直レーザ線（２３）を投射することによって空間（２１）を照明するように構成された少なくとも第一のラインレーザ（１３）と、
を含むロボット位置決めシステム（１０）において、
前記カメラが前記垂直レーザ線により照明される前記空間の写真を記録するように構成され、
前記処理ユニットが、前記記録された写真から、前記空間内にある物体で反射された前記垂直レーザ線により形成される線を表す画像データを抽出し、前記記録された写真の前記画像データを、以前に記録された少なくとも１つの写真の画像データと比較し、前記抽出された線を、デッドレコニングを使用することにより前記画像データの前記比較に基づいて調整し、前記ロボットの推定位置がそれぞれの前記写真の記録時に記録され、さらに、前記調整後の抽出された線から、前記投射されたレーザ線に沿った前記照明空間の表現を生成し、前記ロボット位置決めシステムが搭載される前記ロボットが前記表現に関して配置されるように構成されているロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項７】
垂直レーザ線（２２）を投射することによって前記カメラ（１２）の視野内の前記空間（２１）を照明するように構成された第二のラインレーザ（１４）をさらに含み、
前記処理ユニット（１５）が、前記記録された写真から、前記第一と第二のラインレーザの前記垂直レーザ線により形成されるそれぞれの線を表す画像データを抽出し、さらに、それぞれの前記抽出された線から、前記第一と第二のラインレーザの前記投射されたレーザ線に沿った前記照明空間の表現を生成するように構成されている、請求項６に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項８】
前記第一（１３）と第二（１４）のラインレーザがそれぞれ、前記カメラの光軸に垂直な軸に沿って前記カメラ（１２）の両側に配置される、請求項７に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項９】
前記第一（１３）と第二（１４）のラインレーザが、それぞれのレーザビーム（２３、２２）が前記カメラ（１２）の前記視野内で交差するように方向付けられるように構成されている、請求項または８に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項１０】
前記第一（１３）と第二（１４）のラインレーザの方向と前記カメラ（１２）の視野（２４）が、前記カメラの前記視野内にある前記照明空間（２１）の幅（ｗC）が前記ロボット位置決めシステムの搭載される前記ロボットの幅（ｗR）より大きくなるように構成される、請求項７〜９のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項１１】
前記第一（１３）と第二（１４）のラインレーザの方向と前記カメラ（１２）の視野（２４）が、前記カメラの前記視野内にある前記照明空間（２１）の高さ（ｈC）が前記ロボット位置決めシステムの搭載される前記ロボットの高さ（ｈR）より大きくなるように構成される、請求項７〜１０のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム（１０）。
【請求項１２】
前記処理ユニット（１５）が、
前記画像データを前記カメラ（１２）の固有のセンサアレイ座標にマッピングし、
前記固有の座標を前記抽出された線に割り当て、前記表現が前記固有の座標に関連付けられるようにさらに構成されている、請求項６〜１１のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム。
【請求項１３】
前記第一（１３）と第二（１４）のラインレーザによって照明された粒子を、前記照明された粒子を示す画像データを抽出することによって検出するように構成されたダストセンサをさらに含み、ロボット位置決めシステムの搭載される前記ロボットの動作を前記検出された粒子に応答して制御できる、請求項６〜１２のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム。
【請求項１４】
前記処理ユニット（１５）が、前記生成された表現を、前記ロボットが移動する表面に固定された座標系に関連付けるようにさらに構成されている、請求項６〜１３のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム。
【請求項１５】
コンピュータ実行可能コンポーネントを含み、これがある機器（１０）に対し、前記コンピュータ実行可能コンポーネントが前記機器に含まれる処理ユニット（１５）上で実行されるときに請求項１〜５のいずか１項に記載のステップの少なくとも一部を実行させるコンピュータプログラム（１７）。
【請求項１６】
コンピュータ可読媒体を含み、前記コンピュータ可読媒体がその中に具体化された請求項１５によるコンピュータプログラム（１７）を有するコンピュータプログラム製品（１６）。
【請求項１７】
請求項６〜１６のいずれか１項に記載のロボット位置決めシステム（１０）を用いて構成されたロボット掃除機（２０）。
【国際調査報告】
2015534048.tif 000012
2015534048.tif 000013
2015534048.tif 000014