ES2207955T3 - Sistema robotico. - Google Patents

Abstract

Un robot autónomo, autopropulsado para movimiento sobre una superficie que ha de ser tratada, comprendiendo el robot: un suministro (11) de potencia; un mecanismo (6-9) de tracción que recibe potencia del suministro de potencia para mover el robot sobre la superficie; un mecanismo (16) para depositar de modo controlable un material fluido sobre la superficie; una pluralidad de sensores (4, 13, 18, 21) que proporcionan señales para permitir que el robot navegue sobre la superficie; uno o más detectores (14, 15, 17) destinados a detectar la presencia del material sobre la superficie y a proporcionar señales indicativas del mismo; y un sistema (12, 100) de control que recibe las señales de los sensores y detectores, para controlar el mecanismo de tracción y el mecanismo de deposición con dependencia de las señales recibidas de los sensores y detectores, caracterizado porque el sistema (12, 100) de control funciona para controlar la deposición del material fluido mediante una combinación de estrategias que comprende una estrategia de navegación y una estrategia de control del régimen de deposición, en el que la estrategia de navegación consiste en hacer navegar el robot alrededor de áreas previamente tratadas de la superficie y la estrategia de control del régimen de deposición consiste en controlar el mecanismo (16) de deposición para detener o reducir el depósito de material fluido sobre la superficie a medida que el robot pasa sobre aquellas áreas previamente tratadas, y en el que el sistema de control arbitra entre las dos estrategias dependiendo de las señales recibidas de los sensores (4, 13, 18, 21) de navegación y de los detectores (14, 15, 17) de deposición.

Description

Sistema robótico.

La presente invención se refiere a sistemas robóticos y, más particularmente a un sistema robótico móvil capaz de moverse sobre una superficie y capaz de tratar la superficie.

Convencionalmente los sistemas robóticos, o robots, de este tipo pueden ser descritos como semiautónomos, es decir, autopropulsores pero que se basan para guiar la navegación en transmisores, receptores y sensores para establecer un sistema de coordenadas mediante el cual el robot navega, conociendo en efecto la situación de los obstáculos dentro de su campo de movimiento. Más recientemente se ha propuesto permitir que un robot se mueva sin establecer un sistema de coordenadas, basándose por el contrario en la detección de estímulos adecuados que permiten al robot navegar alrededor de obstáculos. Por ejemplo, se ha propuesto proporcionar una limpiadora de vacío robótica que funcione de acuerdo con estas líneas. Los sistemas robóticos autonavegadores de este tipo son denominados robots autónomos.

No obstante, los robots de estos tipos, destinados a menudo a funcionar en un medio doméstico, necesitan un sistema de control que sea capa de permitir que el robot se mueva alrededor de su medio con seguridad y por lo tanto necesitan adicionalmente alguna clase de sistema de detección de colisiones que sea capaz de proporcionar información sobre colisiones o sobre colisiones inminentes a un sistema de control capaz de actuar muy rápidamente para impedir la colisión o bien de minimizar el impacto, y evitar la colisión reorientando el robot antes de efectuar movimiento alguno. Desafortunadamente, la potencia de proceso a bordo está inevitablemente limitada por restricciones en los gastos en particular y por lo tanto los sistemas presentes, para evitar ser prohibitivamente caros, tienen capacidades de navegación relativamente limitadas con el resultado, en uso, de que el robot sigue una trayectoria que implica pasar sobre las mismas áreas de la superficie en múltiples ocasiones. Aunque esto puede no ser problemático en dicha aspiradora de vacío, si el robot tiene la función de tratar la superficie de otras maneras, entonces tal movimiento redundante puede originar el sobretratamiento de la superficie que no solamente despilfarra el producto usado para el tratamiento (un problema importante cuando la carga de pago está restringida), sino que también puede dañar la superficie o ser realmente dañino de otra manera.

La presente invención trata de proporcionar un robot autopropulsado que pueda superar tales problemas.

El documento DE-A3536974 (D1) describe un robot que extiende bandas de un líquido o sólido en polvo, actuando entonces las tiras como una "trayectoria de guía" para la máquina. El robot de US-A-5613261 está diseñado también para que se mueva a lo largo de líneas de trabajo generalmente paralelas. En este caso el robot correlaciona el grado de suciedad en el suelo basándose en la reflectividad de la superficie y luego pasa sobre regiones de la superficie que se considera que han de ser limpiadas o bien sobre regiones de la superficie que se consideran sucias.

Según la presente invención, se proporciona un robot autónomo autopropulsado para movimiento sobre una superficie que ha de ser tratada, comprendiendo el robot:

un suministro de potencia;

un mecanismo de tracción que recibe potencia del suministro de potencia, para mover el robot sobre la superficie;

un mecanismo para depositar de modo controlable un material fluido sobre la superficie;

una pluralidad de sensores de navegación que proporcionan señales para permitir que el robot navegue sobre la superficie;

uno o más detectores destinados a detectar la presencia del material sobre la superficie y proporcionar señales indicativas de la misma; y

un sistema de control que recibe las señales de los sensores y detectores, para controlar el mecanismo de tracción y el mecanismo de deposición con dependencia de las señales recibidas de los sensores y detectores.

El sistema de control funciona controlando la deposición del material fluido mediante una combinación de estrategias que comprende una estrategia de navegación y una estrategia de control del régimen de deposición como se describe más adelante.

Detectando la aplicación del material fluido, que puede ser un fluido líquido o gaseoso o también un polvo fluido, puede ser evitada la sobreaplicación de material o minimizada haciendo navegar el robot alrededor de áreas ya tratadas y/o controlando el mecanismo de deposición para detener el depósito de material sobre tales áreas previamente tratadas.

El material para tratamiento está preferiblemente contenido en un depósito en el robot y puede comprender composiciones adecuadas para tratamiento de los suelos, alfombras y otras cubiertas de suelo. El robot puede, si se desea, incluir también medios para limpiar el suelo o la cubierta de suelo antes del tratamiento, por ejemplo, en la forma de un dispositivo de limpieza de vacío.

También se describe un método para tratar una superficie usando un robot como el definido anteriormente. El método de tratamiento puede ser usado para varias aplicaciones en alfombras, y otras cubiertas de suelo, tales como, limpieza, tratamiento protector, por ejemplo para manchas y protección de suelo, protección contra incendios, protección de UV, resistencia al desgaste, control de ácaros del polvo, tratamiento antimicrobial y similares, así como tratamientos para proporcionar beneficios estéticos tales como de odorización y desodorización. El método de tratamiento puede hallar también aplicación sobre otras superficies tales como cubiertas de suelo sintéticas, cerámicas o de madera. Así como para pulir superficies duras, el robot puede ser también usado para aplicar revestimientos para mejoras estéticas o para que actúen como capas protectoras.

Por tanto, se proporciona un método par depositar de modo controlable un material fluido sobre suelos, alfombras y otras cubiertas de suelo usando el robot de detección de deposición, autopropulsado, autónomo. El material depositado puede ser, por ejemplo, una composición de limpieza de alfombras, una composición de limpieza de superficies duras, o una de un cierto número de composiciones aplicadas simultánea o sucesivamente, y puede incluir un marcador, cuya presencia puede ser detectada para que proporcione la extensión de la deposición de material de tratamiento. Tal tipo de marcador puede tener una vida de detección limitada, por ejemplo, 12, 24 ó 48 horas.

También puede ser proporcionado un tratamiento no visible por el robot de la invención, por ejemplo, para el control de olores, una acción antibacterial o el control de ácaros del polvo.

El robot comprende una pluralidad de sensores de navegación que proporcionan señales que permiten que el sensor navegue sobre la superficie, y uno o más detectores destinados a detectar la presencia del material sobre la superficie y proporcionar señales indicativas del mismo. Los sensores de navegación pueden incluir uno o más sensores de colisión y/o sensores de proximidad. Los sensores de colisión pueden incluir uno o más sensores de desplazamiento lateral dispuestos en un anillo de sensores periférico para proporcionar la detección de colisión, y/o uno o más sensores de desplazamiento vertical.

La utilización de una forma generalmente circular junto con un régimen de control que explora la mejor dirección de escape, una vez que el robot se ha atascado (por ejemplo en una esquina), es especialmente ventajosa. Además, puede ser especialmente conveniente detectar el ángulo de cualquier colisión, con objeto de optimizar el ángulo de movimiento posterior del robot para separarse del obstáculo.

El mecanismo de tracción incluye preferiblemente ruedas de accionamiento, dispuestas coaxialmente, izquierda y derecha, con correspondientes motores de accionamiento que se proporcionan preferiblemente con señales de accionamiento moduladas de duración de impulso.

Para depositar material sobre la superficie, una ordenación de bocas de suministro, por ejemplo toberas de pulverización, puede extenderse generalmente paralela al eje de las ruedas de accionamiento, extendiéndose preferiblemente la misma extensión lateral que los detectores de deposición.

Los detectores pueden comprender uno o más sensores dispuestos para detectar el borde de una sección de producto previamente depositado. Los detectores de deposición adecuados incluyen una o más fuentes y/o detectores de radiación, detectores de humedad, medidores de reflectividad, medidores de conductividad, etc. Los detectores pueden disponerse al lado de las ruedas de accionamiento, preferiblemente delante de ellas.

El robot comprende además un sistema de control para controlar la deposición del material que depende de las señales recibidas de uno o más detectores y sensores. El sistema de control funciona para controlar la deposición del material (por ejemplo para evitar o minimizar la sobreaplicación) mediante una combinación de estrategias que comprende a) navegación del robot alrededor de áreas previamente tratadas de la superficie (denominada en esta memoria "estrategia de navegación"); y b) controlar el mecanismo de depósito para detener o reducir el depósito de material fluido sobre la superficie a medida que el robot pasa sobre tales áreas tratadas anteriormente (denominada en esta memoria "estrategia de control del régimen de deposición"). En la práctica, el sistema de control arbitra entre las dos estrategias dependiendo de las señales recibidas de los sensores de navegación y detectores de deposición. La capacidad del sistema de control para arbitrar entre las dos estrategias, por ejemplo para decidir rápidamente sobre cruzar o navegar alrededor de áreas previamente tratadas y si se mantiene, reduce o detiene la deposición consecuentemente, es una característica importante para garantizar una deposición controlada en el contexto de un robot completamente autónomo diseñado para funcionar en el medio desordenado, no estructurado y exento de pistas hallado típicamente en situaciones domésticas e institucionales.

Preferiblemente, el sistema de control tiene una arquitectura jerárquica e incluye uno o más controladores o microprocesadores para controlar funciones de nivel superior, y proporcionar instrucciones de nivel superior y una pluralidad de módulos de funciones de nivel inferior destinados a recibir señales de los sensores y detectores y a proporcionar señales de control en respuesta a estas. Las señales de control del mecanismo de tracción y de dispensación de producto son preferiblemente expedidas a un controlador de mecanismo de tracción y a un controlador de dispensación de producto por medio de un colector o bus dispuesto para recibir entradas de señales procedentes del microprocesador y de una pluralidad de subprocesadores correspondientes a un respectivo sensor de navegación o similar. Mediante estos medios, puede ser empleado un sistema de proceso distribuido para proporcionar un alto nivel de flexibilidad en la estrategia de control, permitiendo al mismo tiempo una sencilla conexión de los subprocesadores, y reduciendo por tanto la complejidad y gastos del sistema de control. Los diversos procesadores incluyen preferiblemente funcionalidad de red neural para proporcionar características de comportamiento apropiadas para la tarea escogida del robot, siendo las características de comportamiento de los procesadores preferiblemente moderadas por un grupo de moderadores genéricos que proporcionan el arbitraje necesario entre las instrucciones de control de los diversos procesadores. Las funciones de nivel superior incluyen preferiblemente una o más funciones seleccionadas de determinación del robot que está atascado, determinación del tamaño de la habitación, determinación del nivel de desorden y vigilancia de las baterías. Los módulos de nivel inferior son preferiblemente redes neurales analógicas que proporcionan, por ejemplo, funciones de seguimiento de bordes y de control de la dispensación, junto con, preferiblemente, detección de cambios de nivel, detección de colisiones, reducción de velocidad y funciones de movimiento aleatorio.

Un ejemplo de un robot autopropulsado construido de acuerdo con la presente invención, y su método de funcionamiento, se describirán a continuación con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:

la figura 1 es una vista en planta desde abajo del robot;

la figura 2 es un diagrama funcional del robot; y

las figuras 3A-C ilustran aspectos de la red neural de parte del sistema de control del robot.

Como se puede ver en la figura 1, el robot del presente ejemplo es sustancialmente circular en la vista en planta global. Un simple chasis 1 de tipo de placa soporta los componentes mecánicos y eléctricos del robot. El chasis 1 de forma de placa soporta el cuerpo 2 del robot sobre monturas 3 de caucho elásticas que permiten que el cuerpo se mueva con relación al chasis cuando se aplique una fuerza, por ejemplo por colisión con un objeto, a un anillo 20 sensor que está dispuesto alrededor de la periferia del cuerpo. Cuatro sensores 4 de desplazamiento colocados a intervalos de 90º alrededor del robot miden el desplazamiento lateral del cuerpo 2 con relación al chasis 1 e informan al sistema de control del contacto con un objeto exterior. Los sensores 4 de desplazamiento están basados en dispositivos de Efecto Hall lineales que producen una tensión que es proporcional a la resistencia del campo magnético en el que están inmersos. Cada sensor se compone de un pequeño imán permanente montado en el anillo 20 de soporte de la envuelta de cuerpo y de un dispositivo de Efecto Hall montado en el chasis principal 1. Cuando el cuerpo se mueve con respecto al chasis (como ocurre durante una colisión) la tensión producida por el dispositivo de Efecto Hall varía y puede ser usada para señalar al sistema de control que ha sido encontrado un objeto. Examinando las señales procedentes de los cuatro sensores pueden deducirse el ángulo y la magnitud de la colisión. Estos sensores permiten detectar desplazamientos del orden de 0,1 mm de modo fiable. Un quinto sensor 18, del mismo tipo que los sensores 4 de desplazamiento, mide el desplazamiento vertical de la envuelta de cuerpo para acomodar las fuerzas producidas por objetos que son de altura insuficiente para causar el movimiento de cuerpo lateral. En una construcción alternativa, estos sensores pueden ser reemplazados por un único sensor fabricado especialmente que pueda medir desplazamientos laterales y verticales simultáneamente. Ese tipo de sensor integrado puede ser uno de naturaleza óptica que utilice una ordenación de fotodetectores montados en el chasis y una fuente luminosa que esté montada en el anillo de soporte del cuerpo.

Un sensor 13 ultrasónico de tiempo de vuelo que mira hacia delante está montado en el frente del robot y se usa para permitir que el robot reúna más información con respecto a sus alrededores de la que puede obtener solamente mediante los sensores de desplazamiento. Este sensor ultrasónico 13 está basado en un dispositivo de telemetría sonar serie 6500 de Polaroid de módulo de telemetría Polaroid®, referencia 615077 de Polaroid, cuyos datos son preprocesados por una unidad 5 destinada en la que está situado el sensor 13. Una unidad 5 de sensor ultrasónico, que contiene el propio sensor ultrasónico 13 y una interfaz electrónica adecuada, están montadas en el cuerpo para proporcionar información de proximidad al sistema de control del robot.

Se proporcionan los motores 6, 7, izquierdo y derecho, para accionar las correspondientes ruedas 8, 9 izquierda y derecha, cada una con cubierta de caucho blando, por medio de una caja de engranajes de reducción integral, para proporcionar fuerza motriz al robot. Una pequeña rueda pivotante 10 montada en la parte trasera del robot completa el sistema de accionamiento/movimiento y permite que el chasis se mueva hacia delante o hacia atrás y gire en el lugar. Variando la velocidad de giro de los motores 6, 7 izquierdo y derecho el robot puede dirigirse en cualquier dirección. La velocidad de los motores está controlada por modulación de duración de impulsos de las tensiones aplicadas a los motores. Esto implica conmutar la corriente de motor de "conduce" a "no conduce" muy rápidamente (100.000 veces por segundo) y variar la relación de tiempo "conduciendo" a tiempo "no conduciendo". Este es un modo muy eficiente para controlar la potencia de los motores y por tanto su velocidad.

La potencia para el robot, que incluye los motores 6, 7 y el sistema de control, es proporcionada por medio de un paquete 11 de baterías montadas en el chasis 1. Para proteger los componentes del robot de manipulaciones y daños se fija una cubierta o alojamiento (no mostrado) al cuerpo 2 para alojar los componentes del robot. En la realización preferida este es de forma parcialmente esférica o abovedada.

Una fila de toberas 16 de pulverización y una bomba 115 (no mostrada en la figura 1) proporcionan unos medios de dispensación de fluido de tratamiento sobre la superficie que ha de ser tratada y se proporcionan detectores 14, 15, 17 para detectar la presencia del fluido de tratamiento (o un fluido marcador adicional adecuado). Las tres unidades 14, 15, 17 de sensor, una colocada enfrente de cada una de las ruedas de accionamiento y la tercera 17 colocada centrada, emiten luz en una longitud de onda que excita un tinte fluorescente en el producto que se detecta. Estas unidades de sensor incorporan un par de dispositivos sensibles a la luz posicionados a 90º con la dirección de desplazamiento del robot y espaciados 20 mm entre sí, que pueden detectar la luz producida por el tinte fluorescente. Examinando la intensidad de la luz detectada por estos dispositivos puede ser detectado el borde de una sección de producto previamente depositado y por tanto seguido. En una construcción alternativa, las tres unidades 14, 15, 17 de sensor hacen pasar una pequeña corriente eléctrica alternativa a través de la cubierta de suelo por medio de una ordenación de contactos de acero inoxidable que están diseñados para deslizarse sobre la superficie de la cubierta de suelo. La conductividad de la cubierta de suelo variará dependiendo de si ha sido o no pulverizada recientemente con producto. Examinando la conductividad de la cubierta de suelo, puede ser detectado el borde del producto previamente depositado y por tanto seguido.

En una construcción alternativa, en la que ha de ser dispensado fluido en un borde o esquina, se modifica el posicionamiento de los pulverizadores. La modificación es tal que es posible dispensar pulverización hasta el borde del robot o más allá, por ejemplo, posicionando las toberas en la verdadera periferia del borde lateral o mediante toberas adicionales que sobresalgan de la envuelta y estén dirigidas de modo que pulvericen más allá del perímetro del robot.

El sistema de control del robot comprende varias placas y componentes de circuito que no se muestran en la figura 1 detalladamente, pero que se indican de modo esquemático con el número 12 de referencia en la figura 1.

El sistema de control se describirá a continuación con mayor detalle.

Dos propósitos del sistema de control de un robot móvil autónomo tal como el del ejemplo han de permitir que el robot se mueva dentro de un medio físico con seguridad y le permitan realizar tareas útiles. Para hacer esto el robot debe poder reconocer sus alrededores inmediatos y ser capaz de reaccionar ante circunstancias particulares de modo particulares. Un robot destinado a un ambiente doméstico sin limitaciones necesita tener ciertas capacidades básicas, tales como una capacidad de detección de colisiones, que le puedan causar la detención tras la colisión con un objeto y entonces efectuar una acción evasiva antes de reanudar su actividad anterior.

En el caso de detección de colisión, los sensores 4, 18, 13 que detectan impactos con, y la proximidad de, objetos, informarán al sistema de control del ángulo del impacto y de su fuerza. El sistema de control debe reaccionar muy rápidamente a este estímulo e impedir cualquier movimiento adicional en esta dirección. Una solución convencional a este problema sería tener en un monitor de ordenador los sensores de colisión y actuar sobre los datos para detener los motores y luego realizar alguna forma de maniobra que evite la situación. Esto es perfectamente realizable, pero si el mismo ordenador es requerido simultáneamente para realizar otras tareas, por ejemplo, tales como en el caso presente, presentar otros sensores y realizar cálculos de navegación, rápidamente alcanza un punto en el que la velocidad y potencia del ordenador de a bordo requeridas llegan a ser prohibitivamente cara si los tiempos de reacción han de ser aceptables.

La solución alternativa adoptada en la presente invención, es la utilización de módulos discretos que realicen funciones de una manera análoga a los reflejos de un organismo biológico. Las ventajas de este sistema son evidentes, el procesador principal puede meramente atender comandos de alto nivel tales como mover o hacer girar y queda libre para realizar otras tareas abstractas.

Esta alternativa es una forma de proceso distribuido jerárquicamente y permite que el sistema de control esté compuesto de simples módulos que juntos produzcan tiempos de respuesta más rápidos que un sistema no distribuido del mismo coste. Otra ventaja significativa del proceso distribuido es su inherente robustez. Si un sistema que emplea una solución de procesador único convencional experimenta una avería, esta puede conducir al sistema a un estado de inseguridad, que en el caso de un robot puede conducir a que este se rompa entre objetos o personas. La solución distribuida puede ser diseñada para que proporcione un grado mucho mayor de tolerancia de los defectos, haciendo la posibilidad de fallos completos del sistema mucho menos probable.

El proceso distribuido puede ser puesto en práctica usando ordenadores convencionales conectados juntos mediante alguna forma de red, pero esto tiende a ser caro de diseño y ejecución. La solución adoptada en la presente invención es la de simular redes neurales biológicas en hardware analógico real para proporcionar un sistema que esté compuesto de módulos de comportamiento, que estén diseñados para realizar tareas individuales. Estos comportamientos son gestionados por un simple microcontrolador, que realiza tareas de nivel superior tales como funciones matemáticas para estimar el tamaño de la habitación o una estrategia para escapar de debajo de una mesa.

El sistema 100 de control se describirá a continuación con referencia a las figuras 2 y 3. La figura 2 ilustra la relación funcional de los componentes del sistema de control.

Los comportamientos de control usados en el robot pueden ser divididos en dos tipos básicos. Bajo Nivel y Alto Nivel. Los comportamientos de Bajo Nivel son ejecutados en el hardware como bloques o módulos 101-105 neurales discretos, mientras que los comportamientos de Alto Nivel son algoritmos de software que se ejecutan en un microcontrolador 106.

Las funciones de los módulos 101-105 de comportamiento de Bajo Nivel se describen ahora detalladamente:

Escaleras - Para impedir que el robot caiga por la escalera está equipado con cuatro detectores 21 de escalera que advierten sobre los riesgos verticales y proporcionan señales al módulo 101 de comportamiento de escaleras. Los detectores 21 de escaleras son sensores de proximidad de infrarrojos activos que comprenden una fuente luminosa modulada que emite un haz de luz infrarroja dirigido al blanco (en este caso el suelo), y un detector de infrarrojos que vigila la intensidad de la luz que es reflejada. Cuando el sensor está dirigido sobre un hueco de escalera la intensidad de la luz reflejada disminuye y el sensor informa al sistema de control del riesgo. Esta función de comportamiento tiene muy alta prioridad y cuando se activa funciona para alejar el robot del riesgo y hacerlo volver a su recorrido que es modificado para evitar caídas de tipo escalera.

Seguir Borde - El módulo 104 de Seguir Borde proporciona una función de comportamiento que usa información procedente de los sensores 14, 15, 17 que le permite al robot hallar el borde del área previamente tratada (como se ha descrito anteriormente) y desplazarse a lo largo de ese borde para producir una exploración rápida de la superficie del suelo.

Azar - En ausencia de cualquier borde el robot se mueve en una dirección aleatoria bajo la acción de un módulo 114 de movimiento aleatorio hasta encontrar un objeto o que sea activado el comportamiento de seguir un borde.

Colisión - El módulo 102 de detección de colisiones toma entradas de los sensores 4, 18 de desplazamiento y funciona de modo que al encontrar un obstáculo el robot se detiene, retrocede una pequeña distancia, luego gira apartándose del objeto en una dirección que depende del ángulo de impacto, y es determinada a partir de las señales de los sensores 4, 18 de desplazamiento.

Velocidad Reducida - Cuando la unidad 5 de sensor ultrasónico detecta un objeto dentro de un límite de distancia preestablecido, la velocidad hacia delante del robot es reducida por el módulo 103 de Velocidad Reducida para minimizar la fuerza de impacto generada cuando entre en contacto con el objeto.

Dispensación - Un módulo 105 de control de dispensación tiene entradas procedentes de un sensor 203 de nivel de fluido y de los sensores 14, 15, 17 a través del módulo 104 de Seguir Borde. Si los sensores 14, 15, 17 de UV informan sobre una alfombra no tratada en la dirección de desplazamiento el producto químico de tratamiento es dispensado hasta que se encuentren áreas tratadas o el nivel de fluido alcance un límite inferior.

Los comportamientos de Alto Nivel son determinados dentro del microcontrolador 106 y comprenden los módulos funcionales siguientes:

Detenido - Una rutina 107 determina si ha habido algo más del número escogido de colisiones en un periodo seleccionado y origina que el robot se detenga y use el buscador 5, 13 de distancia ultrasónico para hallar la trayectoria sin obstáculos más larga y se mueva en esa dirección. El robot girará en el lugar, haciendo funcionar las ruedas 8, 9 en direcciones opuestas, buscando la trayectoria exenta de obstáculos más larga. Cuando el robot descubre la mejor dirección se moverá en esa dirección.

Tamaño de Habitación estimado - Usando estadísticas procedentes del sensor 13 ultrasónico y la medición del tiempo entre colisiones la rutina 108 es capaz de estimar el área de la habitación. Esta se usa para determinar cuanto tardará el robot en tratar una habitación particular.

Nivel de desorden estimado - Comparando estimaciones de tamaño de habitación con colisiones por minuto, una rutina 109 es capaz de deducir un factor que representa la complejidad de la habitación. Este puede ser usado para modificar el tiempo de trabajo para tener en cuenta el nivel de desorden.

Vigilancia de Batería - Una rutina 110 de vigilancia de la batería comprueba el estado de la batería vigilando la tensión y la corriente de salida. Usa esta información para estimar cuanto tiempo será capaz de soportar la batería los sistemas del robot antes de que sea necesaria una recarga. Cuando la rutina de vigilancia decide que el estado de la batería se aproxima al punto en el que no es posible un funcionamiento fiable, advierte al usuario mediante la iluminación de un indicador de batería baja. Si se permite que el robot continúe funcionando sin recargar la batería la rutina de vigilancia desconectará el robot de una manera controlada y segura cuando los niveles de potencia alcancen un punto predeterminado. Las baterías de Cadmio Níquel o de Níquel Hidruro de Metal requieren una carga cuidadosa para garantizar la máxima vida útil y capacidad y la rutina de vigilancia controla también el ciclo de carga de la batería para garantizar que se satisfacen estas necesidades.

Los diseñadores de redes neurales tradicionalmente han insistido en que cada neurona en una red esté conectada a cada una de las otras neuronas en la red. Aunque esto permite a la red el máximo nivel de flexibilidad, muy a menudo (tanto como el 90% de las veces) muchas de estas conexiones nunca se usarán. El presente sistema permite que redes neurales preconfiguradas estén conectadas juntas de una manera menos compleja permitiendo que el comportamiento del robot se ajuste dinámicamente al medio inmediato de una manera continua.

Este denominada "Arquitectura de Colector" comprende un bus o colector 111 analógico, que conecta todos los módulos 101-105 de comportamiento y sus accionadores asociados entre sí. Cuatro moderadores genéricos arbitran entre los comportamientos, y dan lugar a un comportamiento de prototipo propio de ellos que regula la actividad global del robot por medio de un controlador 112 del motor y un controlador 113 de la bomba de fluido de dispensación que controla la bomba 115. Esta moderadores genéricos suman todas las entradas excitadoras e inhibidoras y aplican una función de transferencia no lineal a los resultados. Las salidas de estos moderadores constituyen las entradas a los controladores de los motores.

Para explicar el funcionamiento de la arquitectura de colector, es necesario describir los aspectos neurales básicos del sistema de control. Se hará referencia a las figuras 3A-C para este propósito.

Una neurona única (véase la figura 3A) tiene tres tipos básicos de conexiones: entradas excitadoras que originan que la neurona "dispare", entradas inhibidoras que suprimen actividad y la salida que representa el estado de la neurona. Adicionalmente, las neuronas pueden tener otras propiedades tales como Decadencia que origina que la salida disminuya lentamente a lo largo del tiempo, y Umbral que suprime toda la salida hasta que la suma de todas las entradas excede un cierto nivel.

La figura 3B muestra (a modo de ejemplo) una representación simplificada del comportamiento de colisión y el sistema de colector con notación neural.

Los sensores 4 de colisión están representados en la figura 3B como 1, 2, 3 y 4 y están separados y normalizados por preprocesadores 5, 6, 7 y 8 de sensor. Las salidas de los preprocesadores de sensor son alimentadas cada una en una neurona única 9, 10, 11 y 12 configurada como un prolongador de impulsos con una constante de tiempo de aproximadamente 5 segundos. Las salidas de estas neuronas están conectadas al resto de la red formada por las neuronas 13 a 28 en las que el modelo de las conexiones, y las características de transferencia de las neuronas dan lugar al propio comportamiento. Las salidas de esta red están conectadas por medio de las conexiones 41 a 48 a los sumadores 29 a 32 (moderadores genéricos) de colector en los que las señales se suman y las salidas 37 a 40 constituyen las salidas para los controladores de los motores izquierdo y derecho (no mostrados en esta figura). Las conexiones de otro comportamiento no especificado (de las cuales puede haber muchas) se muestran como 50 a 57. La conexión 49 es una entrada de desactivación, que se usa para desactivar el comportamiento total bajo el control del software programador que se ejecuta en un microcontrolador u otro comportamiento neural de más alta prioridad. Las salidas de los sensores se ponen también a disposición del microcontrolador de modo que los comportamientos de alto nivel tales como la estimación del nivel de desorden pueden tener acceso a cualquier dato producido.

En el caso de una colisión directa mientras se desplaza recto hacia delante, lo siguiente es cierto:

El sensor 1 de colisión delantero produce un impulso cuando se produce el contacto con un obstáculo. Este impulso es amplificado por el elemento 5 de pretratamiento de sensor y pasado a la neurona 9 de entrada. Esta neurona está configurada para alargar la duración de un impulso de entrada (cuando ese impulso exceda un umbral de entrada predeterminado) aproximadamente a 5 segundos. La salida de la neurona 9 de entrada es alimentada simultáneamente a otras cuatro neuronas 13, 14, 15 y 16. Estas neuronas de "capa oculta" están configuraciones para que actúen como atenuadores o en términos neurales "pesos", y por lo tanto cambian la amplitud de las señales aplicadas. Las neuronas 13 y 15 se establecen para producir un nivel de salida de 10 (máximo) cuando son excitadas y las salidas están conectadas a las neuronas 22 y 26 de salida que cuando son excitadas aplican señales al colector que ordenan a los motores detener su movimiento hacia delante. Las neuronas 14 y 16 son establecidas para que produzcan una salida de 5 (la mitad) cuando están excitadas y sus salidas están conectadas a las neuronas 23 y 27 de salida que cuando están excitadas aplican señales al colector ordenando a los motores que muevan el robot hacia atrás. Esta parte del propio comportamiento, conduciría teóricamente a una situación en la que el robot colisionaría repetidamente y a la retirada en una línea recta de un obstáculo, pero inexactitudes inherentes en el sistema de control y mecánicas de accionamiento acopladas con el hecho de que la probabilidad de una colisión frontal perfecta es remota, significan que las otras estrategias de colisión que implican los sensores izquierdo y derecho, originarán que el robot gire a medida que se retira de un obstáculo y presente un comportamiento útil.

El funcionamiento del colector se describirá a continuación detalladamente con referencia a la figura 3C. El colector como su nombre implica lleva juntas todas las salidas de los comportamientos neurales diversos del robot, los suma juntos y proporciona las entradas a los controladores del motor. La figura 3C muestra la sección que controla el controlador del motor derecho; la sección izquierda es idéntica.

La conexión 41 es eficazmente la entrada de "Vaya hacia la derecha" y la 42 es la de "No vaya hacia la derecha". Estas dos entradas opuestas son alimentadas en las entradas excitadora e inhibidora de la neurona 29. Si los valores de Ir 6 y No ir 3 se aplican simultáneamente, la salida de la neurona 29 tiene un valor de 3, pero si los valores se invierten, es decir, si el valor de Ir es 3 y el de No ir es 6, la neurona 29 produce el valor 0. Esto es lo más importante pues permite un comportamiento que inhibe el movimiento en una dirección particular sin originar movimiento en la dirección opuesta.

La neurona 30 realiza la misma tarea que la 29 a excepción de que sus entradas son "Vaya hacia atrás" 43 y "No vaya hacia atrás" 44.

La neurona 29 está conectada a la entrada excitadora de 33 que a su vez activa la entrada "Vaya hacia delante" del controlador de motor derecho por medio de la conexión 37. Las neuronas 30 y 34 están conectadas a la entrada "Vaya hacia atrás" del controlador de motor derecho por medio de la conexión 38. El controlador de motor suma estas entradas de modo que Vaya hacia delante 8 y Vaya hacia atrás 4 aplicadas simultáneamente en las conexiones 37 y 38 respectivamente darán como resultado que la rueda derecha gira hacia delante a una velocidad de 4.

Las neuronas 33 y 34 tienen también conexiones inhibidoras en las que la trayectoria de la señal hacia delante está conectada a la trayectoria inversa y viceversa. Esto permite un comportamiento no lineal del colector y a medida que la resistencia de estas conexiones aumenta, resulta menos probable que el robot entre en un estado estable, en el que no se mueva a causa de comportamientos con intereses conflictivos que son ejercidos simultáneamente.

A continuación se dan detalles adicionales de algunos de los diversos sensores y de su funcionamiento:

La unidad 5 de sensor ultrasónica tiene un preprocesador que gestiona el sensor 13, proporcionando impulsos de sincronización, etc., y proporciona el comportamiento de alto nivel con datos de "distancia al blanco" continuos y una simple advertencia de distancia al módulo 103 de comportamiento de velocidad reducida. La salida continua es usada por el módulo 107 de comportamiento parado la cual hace girar el robot a lo largo de 360º mientras busca una trayectoria sin obstáculos a lo largo de la cual el robot pueda escapar y es usada también por los módulos 109 y 108 de tamaño de habitación y comportamiento de estimación de desorden.

Para realizar la tarea de dispensar las composiciones de tratamiento (por ejemplo, una formulación de limpieza de alfombra, conocida de por sí, que comprende una solución acuosa de tensioactivo aniónico, opcionalmente mezclada con un agente de suspensión de suciedad de policarboxilato) sobre una superficie, es conveniente conocer que áreas de la superficie han sido ya tratadas.

Un agente marcador, añadido a la formulación en cuestión, tiene propiedades características tales como absorción o emisión de luz a una frecuencia conocida, o un comportamiento fluorescente que puede ser detectado por el robot. Ejemplos de tales marcadores son el Luminol, que puede ser hecho reaccionar con el peróxido de hidrógeno para que emita luz, y cumarinas sustituidas tales como variantes de 7-hidroxi o 4-metil-7-hidroxi que son muy fluorescentes pero experimentan reacciones de anillo abierto para formar derivados no fluorescentes.

Para los propósitos de detección, se colocan una fuente luminosa y detectores 14, 15, 17 de fotodiodo correspondientes a la izquierda y a la derecha enfrente de las ruedas 6, 7 de accionamiento del robot para detectar dicho compuesto químico marcador y permitir que el sistema de control siga el borde de una pasada previa. De esta manera, puede ser establecido un modelo de dispensación estructurado. Además, el detector puede estar ligado, por medio de un sistema de realimentación negativo, a la ordenación de dispensación, evitando de ese modo la deposición de formulación sobre un área de la superficie que haya sido ya tratada. Cuando no puede hallarse área alguna del suelo que no haya sido tratada, el tiempo real consumido se compara con los datos proporcionados por el módulo 108 de comportamiento de tamaño de habitación, y si los dos están dentro de límites aceptables, el tratamiento del suelo es considerado completo. Las propiedades características mediante las cuales es detectado el marcador se atenúan al cabo de 24-48 horas de la aplicación (por oxidación aérea o descomposición fotolítica) o, en el caso de un método de tratamiento de dos etapas, puede ser aplicado un segundo compuesto químico sobre el primero, que neutraliza las propiedades características del compuesto químico marcador.

Unos medios alternativos para lograr este comportamiento deseado es utilizar la detección de humedad para identificar áreas de la superficie que hayan sido ya tratadas. En este caso, la humedad inherente de una formulación líquida se usa para detectar superficies tratadas por medio de ordenaciones detectoras de humedad que están posicionadas a izquierda y derecha delante de las ruedas motrices 6, 7 del robot. De nuevo, este sistema puede ser usado para permitir que el robot siga el borde de una pasada previa.

En casos en los que se trata una superficie de suelo dura (por ejemplo, con una formulación de limpieza acuosa que comprenda un tensioactivo no iónico de longitud de cadena media con citrato de carbonatos y sosa cáustica) las propiedades reflectantes del suelo pueden ser usadas para detectar que áreas del suelo han sido tratadas. Una fuente luminosa de alta intensidad dirige la luz sobre el suelo, la reflexión que se produce, es detectada posteriormente por un detector de fotodiodo. Estos están posicionados a izquierda y derecha enfrente de las ruedas 6, 7 de accionamiento del robot. De nuevo este sistema puede ser usado para que el robot siga el borde de una pasada previa. En este caso, la capacidad de una formulación para reducir la reflectividad del suelo es aprovechada para facilitar su detección.

Claims (8)

1. Un robot autónomo, autopropulsado para movimiento sobre una superficie que ha de ser tratada, comprendiendo el robot:

un suministro (11) de potencia;

un mecanismo (6-9) de tracción que recibe potencia del suministro de potencia para mover el robot sobre la superficie;

un mecanismo (16) para depositar de modo controlable un material fluido sobre la superficie;

una pluralidad de sensores (4, 13, 18, 21) que proporcionan señales para permitir que el robot navegue sobre la superficie;

uno o más detectores (14, 15, 17) destinados a detectar la presencia del material sobre la superficie y a proporcionar señales indicativas del mismo; y

un sistema (12, 100) de control que recibe las señales de los sensores y detectores, para controlar el mecanismo de tracción y el mecanismo de deposición con dependencia de las señales recibidas de los sensores y detectores,

caracterizado porque el sistema (12, 100) de control funciona para controlar la deposición del material fluido mediante una combinación de estrategias que comprende una estrategia de navegación y una estrategia de control del régimen de deposición, en el que la estrategia de navegación consiste en hacer navegar el robot alrededor de áreas previamente tratadas de la superficie y la estrategia de control del régimen de deposición consiste en controlar el mecanismo (16) de deposición para detener o reducir el depósito de material fluido sobre la superficie a medida que el robot pasa sobre aquellas áreas previamente tratadas, y en el que el sistema de control arbitra entre las dos estrategias dependiendo de las señales recibidas de los sensores (4, 13, 18, 21) de navegación y de los detectores (14, 15, 17) de deposición.

2. Un robot según la reivindicación 1, en el que los sensores de navegación incluyen sensores de colisión que comprenden uno o más sensores (4) de desplazamiento lateral dispuestos en un anillo (20) de sensores periférico para proporcionar detección de colisión de 360º y/o uno o más sensores (18) de desplazamiento vertical.

3. Un robot según las reivindicaciones 1 ó 2, en el que los detectores comprenden uno o más sensores (14, 15) dispuestos para detectar el borde de una sección de producto previamente depositado.

4. Un robot según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que los detectores de deposición incluyen una o más fuentes de radiación y/o detectores, detectores de humedad, medidores de reflectividad, medidores de conductividad.

5. Un robot según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el sistema (100) de control tiene una arquitectura jerárquica e incluye uno o más controladores de microprocesador o microcontroladores (106) para controlar funciones de nivel superior y proporcionar instrucciones de nivel superior; y una pluralidad de módulos (101-104; 114) de funciones de nivel inferior adaptados para recibir señales de los sensores y detectores (4, 13-15, 17, 18, 21) y que tienen procesadores para proporcionar señales de control en respuesta a las mismas.

6. Un robot según la reivindicación 5, en el que las señales del mecanismo de tracción y de control de dispensación de producto son expedidas a un controlador (112) de mecanismo de tracción y a un controlador (113) de dispensación de producto por medio de un colector o bus (111) dispuesto para recibir entradas de señal del microprocesador(es) o microcontrolador(es) (106) y de los módulos (101-104) de función de nivel inferior.

7. Un robot según las reivindicaciones 5 ó 6, en el que los procesadores (101-104, 114) de módulos de funciones de nivel inferior incluyen funcionalidad de red neural para proporcionar características de comportamiento apropiadas a la tarea escogida del robot, siendo moderadas las características de comportamiento de los procesadores por un grupo de moderadores genéricos (111, 29-32) que arbitran entre las instrucciones de control de los diversos procesadores (101-104, 114).

8. Un robot según la reivindicación 7, en el que los módulos (101-104, 114) de nivel inferior comprenden redes neurales analógicas que proporcionan funciones seleccionadas de seguimiento de bordes y funciones de control de dispensación, detección de huecos, detección de colisiones, reducción de la velocidad y funciones de movimiento aleatorio.