專利名稱：自主多平臺(tái)機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，更準(zhǔn)確地說(shuō)，涉及用于在一自主多平臺(tái)機(jī)器人環(huán)境中分配繪圖、定位、計(jì)劃、控制和任務(wù)執(zhí)行功能的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
已經(jīng)研究、開(kāi)發(fā)和使用了移動(dòng)機(jī)器人來(lái)處理各種任務(wù)如清潔和保安。大多數(shù)移動(dòng)機(jī)器人是非自主的即，它們不能自主導(dǎo)航。由非自主機(jī)器人提供的經(jīng)濟(jì)效益受到機(jī)器人的行動(dòng)不靈活和大量安裝費(fèi)用的限制。必須雇用熟練的技術(shù)員并向其支付預(yù)編程的費(fèi)用，該預(yù)先編制的程序使機(jī)器人沿指定的路線行進(jìn)并執(zhí)行指定的任務(wù)?？赡鼙匦柙谠摥h(huán)境中安裝一些物體以引導(dǎo)機(jī)器人，如軌道、地下信號(hào)發(fā)射線、標(biāo)志或傳感器。還可能必需對(duì)環(huán)境進(jìn)行進(jìn)一步的改變以最小化安裝和操作上的問(wèn)題。
有些移動(dòng)非自主機(jī)器人能檢測(cè)阻礙它們路線的障礙物，且能停止或稍微偏離它們的路線以避開(kāi)這些障礙物。然而，例如如果通過(guò)移動(dòng)一個(gè)大件的家具使環(huán)境發(fā)生了顯著改變，則傳統(tǒng)的非自主機(jī)器人就不能正確地作出反應(yīng)。通常必須重復(fù)部分或全部安裝過(guò)程。由于該局限，非自主機(jī)器人通常僅在靜止或高價(jià)值路線上使用。盡管這些非自主機(jī)器人依靠隨機(jī)運(yùn)動(dòng)來(lái)執(zhí)行它們的任務(wù)，如池清潔機(jī)器人，該方法僅用于少量的應(yīng)用。
在過(guò)去幾年中，全自主移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)。自主機(jī)器人能通過(guò)對(duì)它們的周圍和環(huán)境狀況進(jìn)行檢測(cè)和作出反應(yīng)來(lái)穿過(guò)周圍環(huán)境。自主機(jī)器人導(dǎo)航包含四個(gè)基本任務(wù)繪圖、定位、計(jì)劃和控制。這些緊密相關(guān)的概念類似于詢問(wèn)“我在哪兒？”(繪圖和定位)，接著詢問(wèn)“我要去哪兒？”或“我要干什么？”(計(jì)劃)，最后“我怎么才能到那兒？”或“我如何去做？”(控制)。
一旦繪圖完成，則必須確定機(jī)器人在該地圖中當(dāng)前的位置、方位以及變化率。該過(guò)程被稱為定位。依靠2D繪圖和定位的自主機(jī)器人通常不能充分可靠地進(jìn)行導(dǎo)航，因?yàn)樵摰貓D相對(duì)來(lái)說(shuō)太簡(jiǎn)單。通常，機(jī)器人會(huì)迷路、被卡住或跌倒。相反，動(dòng)態(tài)3D繪圖和定位的使用會(huì)使導(dǎo)航更可靠，但會(huì)涉及復(fù)雜的計(jì)算，該計(jì)算要求大量計(jì)算開(kāi)支。典型的3D繪圖具有成百上千萬(wàn)的單元，使例如陸標(biāo)提取、定位和計(jì)劃的直接操作在計(jì)算上密集化。引起的操作延遲限制了機(jī)器人移動(dòng)和任務(wù)執(zhí)行的速度。
一旦繪圖和定位完成，必須著手任務(wù)的計(jì)劃和執(zhí)行。在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中仍將需要一些定位。對(duì)一個(gè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，在執(zhí)行任務(wù)的同時(shí)試圖去定位會(huì)導(dǎo)致無(wú)法接受的延遲。如果使用多個(gè)機(jī)器人，上面所描述的折衷通常仍然存在，而且現(xiàn)在必須處理多次。
鑒于此，需要具有快速、準(zhǔn)確和效能成本合算的繪圖和定位以及有效的任務(wù)計(jì)劃和分配的自主的、多機(jī)器人系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)用于在多機(jī)器人環(huán)境中分配繪圖、定位、計(jì)劃、控制和任務(wù)執(zhí)行功能的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人平臺(tái)以及執(zhí)行預(yù)定任務(wù)的一個(gè)或多個(gè)功能機(jī)器人平臺(tái)。
對(duì)每一個(gè)任務(wù)，一導(dǎo)航機(jī)器人和一指定功能的機(jī)器人協(xié)力地工作。繪圖、定位、計(jì)劃和控制功能被指定給至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人，以及功能任務(wù)被指定給一個(gè)或多個(gè)功能機(jī)器人。在一次執(zhí)行中，該系統(tǒng)被用于清潔一個(gè)房間或辦公室的內(nèi)部。在這次執(zhí)行中，功能機(jī)器人執(zhí)行吸塵、清掃、拖洗、清潔浴室設(shè)備等等的工作，而導(dǎo)航機(jī)器人導(dǎo)航、操縱和監(jiān)視該功能機(jī)器人。
在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)航機(jī)器人為其自身和功能機(jī)器人執(zhí)行用于繪圖、定位、計(jì)劃和控制的所有和基本上所有的計(jì)算。因此，導(dǎo)航機(jī)器人配置有執(zhí)行這些任務(wù)所要求的傳感器和傳感器處理硬件。相反，在該實(shí)施例中，功能機(jī)器人不執(zhí)行用于定位、計(jì)劃或控制的任何哪怕是少量的運(yùn)算，因此，未配置為這些目的所使用的傳感器或硬件。
因此，在一個(gè)實(shí)施例中，所提供的一種自主機(jī)器人系統(tǒng)包括至少一個(gè)第一移動(dòng)機(jī)器人，用來(lái)在一個(gè)區(qū)域內(nèi)執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)重復(fù)任務(wù)；以及至少一個(gè)第二機(jī)器人，用來(lái)指揮所述至少第一機(jī)器人在該區(qū)域內(nèi)的所有運(yùn)動(dòng)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種在一區(qū)域內(nèi)執(zhí)行一重復(fù)任務(wù)的方法，該方法包括以下步驟由至少一個(gè)第一移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行該重復(fù)任務(wù)；以及由至少一個(gè)第二機(jī)器人指揮該至少一個(gè)第一移動(dòng)機(jī)器人在該區(qū)域中的所有運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，提供一個(gè)在一環(huán)境中自主的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)功能移動(dòng)機(jī)器人，負(fù)責(zé)執(zhí)行多種功能任務(wù)。該系統(tǒng)還包括一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人，用來(lái)在該環(huán)境中定位自身和功能機(jī)器人，計(jì)劃由功能機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)，并且在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中控制功能機(jī)器人。在一實(shí)施例中，當(dāng)功能機(jī)器人正在運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制它的導(dǎo)航機(jī)器人保持固定不動(dòng)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，提供用于自主的多機(jī)器人操作的方法。該方法包括步驟(a)提供至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人和至少一個(gè)功能機(jī)器人；(b)由該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人創(chuàng)建該環(huán)境的一地圖；(c)由該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人在該地圖內(nèi)定位該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人和該至少一個(gè)功能機(jī)器人；(d)用該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人，計(jì)劃將由該至少一個(gè)功能機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)；(e)用該至少一個(gè)功能機(jī)器人，執(zhí)行由該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人計(jì)劃的任務(wù)；(f)用該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人，在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中控制和跟蹤該至少一個(gè)功能機(jī)器人。
本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)的方法。該方法包括以下步驟提供多個(gè)移動(dòng)平臺(tái)；分配繪圖、定位、計(jì)劃和控制功能給第一套移動(dòng)平臺(tái)；分配功能任務(wù)執(zhí)行功能給第二套移動(dòng)平臺(tái)；繪圖該環(huán)境，在該環(huán)境中定位基本上所有的平臺(tái)并且由第一套移動(dòng)平臺(tái)計(jì)劃任務(wù)的執(zhí)行；由第二套移動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行任務(wù)；以及由第一套平臺(tái)控制和跟蹤第二套平臺(tái)的任務(wù)執(zhí)行。
本發(fā)明的其它的特征和優(yōu)點(diǎn)以及各種實(shí)施例的操作結(jié)構(gòu)將參考附圖詳細(xì)說(shuō)明。


參考附圖來(lái)描述本發(fā)明。在附圖中，同樣的參考數(shù)字表示相同或功能相似的元件。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的多機(jī)器人系統(tǒng)的框圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)航機(jī)器人的框圖。
圖3是描述導(dǎo)航機(jī)器人和功能機(jī)器人間的通信的框圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的功能機(jī)器人的框圖。
圖5是描述導(dǎo)航機(jī)器人操縱功能機(jī)器人繞過(guò)一障礙物時(shí)的框圖。
圖6是描述導(dǎo)航機(jī)器人操作自身靠近一功能機(jī)器人的框圖。
圖7a是說(shuō)明一個(gè)方法的流程圖，導(dǎo)航者通過(guò)該方法在該環(huán)境的動(dòng)態(tài)地圖中定位自身。
圖7b是說(shuō)明一個(gè)方法的流程圖，導(dǎo)航者通過(guò)該方法進(jìn)行重新計(jì)劃。
圖7c是說(shuō)明一個(gè)方法的流程圖，導(dǎo)航者通過(guò)該方法在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中控制和跟蹤功能機(jī)器人。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的用于實(shí)現(xiàn)一多機(jī)器人系統(tǒng)的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
1.介紹本發(fā)明針對(duì)用于在一多機(jī)器人環(huán)境中分配繪圖、定位、計(jì)劃、控制和任務(wù)執(zhí)行的系統(tǒng)和方法。具體地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，繪圖、定位、計(jì)劃和控制功能被分配給一移動(dòng)平臺(tái)(導(dǎo)航者)，而任務(wù)執(zhí)行功能被分配給至少一個(gè)第二移動(dòng)平臺(tái)(功能機(jī)器人)。
本發(fā)明通過(guò)提供接近實(shí)時(shí)操縱和任務(wù)完成克服了目前使用的傳統(tǒng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)。本發(fā)明的一個(gè)理想的應(yīng)用是在家庭或辦公室清潔方面，其典型地涉及多種和重復(fù)任務(wù)如吸塵、清掃、拖洗。然而，本發(fā)明也可用于操縱多個(gè)機(jī)器人來(lái)執(zhí)行分配的任務(wù)的任何環(huán)境中。
2.系統(tǒng)組件圖1是根據(jù)本發(fā)明的多機(jī)器人系統(tǒng)100的框圖。系統(tǒng)100包括導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人110、多個(gè)功能機(jī)器人120以及(可選擇)基站130。應(yīng)當(dāng)注意，在提供下述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，基站130并不是所有實(shí)施例中均要求的。
基站130，如果包括的話，可能安裝充電站來(lái)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人110和120再充電。此外，基站130可能用來(lái)參與任務(wù)的執(zhí)行。例如，如果系統(tǒng)100用于一住宅清潔環(huán)境中，則基站130可安裝一垃圾箱、廢物箱、水貯備器以及類似的裝置以幫助所要求的任務(wù)的執(zhí)行。
在一實(shí)施例中，導(dǎo)航機(jī)器人110負(fù)責(zé)所有或基本上所有的繪圖、定位、計(jì)劃和控制功能。它創(chuàng)建并保持環(huán)境地圖、需完成的任務(wù)清單、一任務(wù)安排表以及一充電時(shí)間表。導(dǎo)航機(jī)器人110配置有導(dǎo)航和操作自身及功能機(jī)器人120所需的所有傳感器和硬件。在這方面，導(dǎo)航機(jī)器人110具有向功能機(jī)器人120發(fā)送命令的發(fā)射器。
功能機(jī)器人120執(zhí)行指定任務(wù)且其大小和形狀可被制成利于任務(wù)的執(zhí)行。機(jī)器人120安裝用于從導(dǎo)航機(jī)器人110接收命令的接收器，如圖1所示，機(jī)器人120可使用獨(dú)特的形狀和標(biāo)記以助于導(dǎo)航機(jī)器人110識(shí)別、定位及跟蹤它們。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)導(dǎo)航機(jī)器人110執(zhí)行這些功能時(shí)，機(jī)器人120最好不安裝另外的傳感器、傳感器硬件以及類似設(shè)備。然而，如果需要，機(jī)器人120也可能安裝傳感器和類似設(shè)備以便提高它們的功能性。
a.導(dǎo)航機(jī)器人圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的導(dǎo)航機(jī)器人110的框圖。提供如圖2所示的機(jī)器人110的特定的實(shí)施僅用于說(shuō)明目的，而不應(yīng)該被解釋為導(dǎo)航機(jī)器人110需要一種特定的物理結(jié)構(gòu)。
在導(dǎo)航機(jī)器人110上安裝一傳感器202。傳感器202可以是適用于機(jī)器人環(huán)境的任何類型的傳感器，且可能使用多個(gè)傳感器。它可能被安裝在一固定位置或可以被配置為使其能相對(duì)于導(dǎo)航機(jī)器人110改變位置和定向。依靠該傳感器類型和系統(tǒng)復(fù)雜性，傳感器202的位置和方位可以或可以不受導(dǎo)航機(jī)器人110的控制。
在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器202是記錄周圍環(huán)境的光學(xué)圖像的攝像機(jī)。在另一個(gè)實(shí)施例中，傳感器202包括一組攝像機(jī)，用來(lái)提供用于獲得有關(guān)機(jī)器人環(huán)境的更詳細(xì)和準(zhǔn)確信息的立體視覺(jué)。其他傳感器選擇包括，但不局限于雷達(dá)、激光雷達(dá)、聲納和/或其組合。這些傳感器的操作和結(jié)構(gòu)對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是很熟悉的。導(dǎo)航機(jī)器人110進(jìn)一步包括控制器204、電源及供電系統(tǒng)206、發(fā)射器208、電動(dòng)機(jī)控制器210、電動(dòng)機(jī)212以及輪子214。控制器204包括一處理器或中央控制單元(CPU)216、一暫存器或RAM218以及一非易失性存儲(chǔ)器220。如地圖和任務(wù)表的信息存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器220中，在一次執(zhí)行中，該非易失性存儲(chǔ)器是一EPROM或EEPROM?？刂破?04接收和處理來(lái)自傳感器202的有關(guān)機(jī)器人周圍環(huán)境的信息。這可能包括如導(dǎo)航機(jī)器人110的位置、其他功能機(jī)器人120的位置、附近的陸標(biāo)等等信息?？刂破?04使用該信息來(lái)確定下一步應(yīng)出現(xiàn)什么任務(wù)或運(yùn)動(dòng)。
基于現(xiàn)有的信息，控制器204控制導(dǎo)航機(jī)器人110的運(yùn)動(dòng)和操作。導(dǎo)航機(jī)器人110操縱自身和實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方法和手段稱為“控制環(huán)”，并包括電動(dòng)機(jī)控制器210、電動(dòng)機(jī)212以及輪子214?；趤?lái)自傳感器202的信息，控制器204發(fā)送適當(dāng)?shù)拿罱o電動(dòng)機(jī)控制器210。電動(dòng)機(jī)控制器210根據(jù)這些命令指揮電動(dòng)機(jī)212。接著，電動(dòng)機(jī)212驅(qū)動(dòng)輪子214。在某些實(shí)施中，依靠該方法和移動(dòng)的復(fù)雜性，控制環(huán)可能也包括伺服器、激勵(lì)器、發(fā)射器和類似設(shè)備?？刂骗h(huán)也可能收集和發(fā)送里程數(shù)據(jù)給控制器204。
如圖3所述，在一個(gè)實(shí)施例中，控制器204還經(jīng)發(fā)射器208控制功能機(jī)器人120的運(yùn)動(dòng)?？刂破?04處理由傳感器202接收的傳感器的輸入201來(lái)確定功能機(jī)器人下一步應(yīng)當(dāng)從事何種任務(wù)、運(yùn)動(dòng)或其它功能。發(fā)射器208發(fā)射適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)209給功能機(jī)器人120的接收器302。
發(fā)射器208和接收器302可使用任何合適的通信裝置和媒介。在一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中，聲波被用于導(dǎo)航機(jī)器人110和功能機(jī)器人間的通信。在一個(gè)實(shí)施例中，在一個(gè)頻率的聲波意味著沿一個(gè)方向移動(dòng)(即，從導(dǎo)航機(jī)器人110到功能機(jī)器人120)，而在另一頻率的聲波意味著沿另一個(gè)方向移動(dòng)(即，從功能機(jī)器人120到導(dǎo)航機(jī)器人110)。其他合適的通信裝置包括，但并不局限于有線或無(wú)線通信、紅外線信號(hào)和磁感應(yīng)。
b.功能機(jī)器人圖4是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的一個(gè)功能機(jī)器人120的框圖。同樣，提供如圖4中所示的機(jī)器人120的特定實(shí)施僅用于說(shuō)明目的，而不應(yīng)當(dāng)解釋為機(jī)器人120需要特定的物理結(jié)構(gòu)。如上所述，功能機(jī)器人120包括一接收器302。用于移動(dòng)和操作機(jī)器人120的控制環(huán)包括電源和供電系統(tǒng)402、電動(dòng)機(jī)控制器404、電動(dòng)機(jī)406和輪子408。從導(dǎo)航機(jī)器人110經(jīng)接收器302接收的控制信號(hào)指揮電動(dòng)機(jī)控制器404?？刂破?04控制電動(dòng)機(jī)406，電動(dòng)機(jī)又驅(qū)動(dòng)輪子408?？刂骗h(huán)也可能包括伺服器、激勵(lì)器、發(fā)射器以及類似設(shè)備。
導(dǎo)航機(jī)器人110和功能機(jī)器人的電源和供電模塊可以相似或相同。電源部分可以包括任何適當(dāng)?shù)碾娫矗?，但并不局限于電池、插座、燃料電池、?nèi)燃或其他發(fā)動(dòng)機(jī)或其組合。供電部分制約電源并分配其去符合任何可應(yīng)用的規(guī)格或要求。
3.系統(tǒng)操作如上所述，本發(fā)明提供用于在一商業(yè)多機(jī)器人環(huán)境中分配繪圖、定位、計(jì)劃、控制和任務(wù)執(zhí)行的系統(tǒng)和方法。具體地，在一實(shí)施例中，繪圖、定位、重新計(jì)劃以及計(jì)劃和控制功能被分配給一移動(dòng)平臺(tái)(導(dǎo)航機(jī)器人)，而任務(wù)執(zhí)行功能被分配給至少一個(gè)第二移動(dòng)平臺(tái)(功能機(jī)器人)。以下論述每一功能(繪圖、定位、重新計(jì)劃、計(jì)劃和控制以及任務(wù)執(zhí)行)。
a.繪圖在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)航機(jī)器人110執(zhí)行所有或基本上所有繪圖功能。繪圖是由傳感器數(shù)據(jù)和預(yù)先編程的輸入創(chuàng)建和更新對(duì)環(huán)境的表示的處理?？梢员４婢哂胁煌直媛仕?、穩(wěn)定性和/或坐標(biāo)系統(tǒng)的幾個(gè)地圖。動(dòng)態(tài)繪圖保持當(dāng)前的動(dòng)態(tài)地圖(CDM)，其為機(jī)器人環(huán)境的隨機(jī)的2維(2D)或3維(3D)地圖。也可能創(chuàng)建環(huán)境的外周邊(即房間圍墻或院子邊界)的靜態(tài)圖。由導(dǎo)航機(jī)器人110創(chuàng)建的地圖存儲(chǔ)在RAM218或非易失性存儲(chǔ)器220中。
反復(fù)的繪圖過(guò)程基本上包括以下步驟移動(dòng)到一個(gè)新位置、收集當(dāng)前周圍區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)和障礙物的傳感器數(shù)據(jù)，執(zhí)行定位、以及更新動(dòng)態(tài)地圖以加入來(lái)自新的傳感器數(shù)據(jù)的信息。該過(guò)程中計(jì)算密集且消耗時(shí)間。然而，如將要解釋的，導(dǎo)航機(jī)器人110中的這些繪圖功能的加強(qiáng)使繪圖的時(shí)間降低為傳統(tǒng)系統(tǒng)所需時(shí)間的一小部分。
如上所提到的，除環(huán)境的動(dòng)態(tài)地圖外，可以創(chuàng)建環(huán)境的外部周邊的靜態(tài)地圖。例如，該靜態(tài)地圖可包括建筑物的墻壁或院子的邊界。它可能被預(yù)先確定并輸入到導(dǎo)航機(jī)器人110中，或者，導(dǎo)航機(jī)器人110可在執(zhí)行任務(wù)開(kāi)始之前先繪制該環(huán)境的靜態(tài)地圖。在以下例子中，導(dǎo)航機(jī)器人110沿物理上明顯的周邊前進(jìn)，在其移動(dòng)時(shí)保持一動(dòng)態(tài)地圖，并將來(lái)自動(dòng)態(tài)地圖的周邊信息加入到該靜態(tài)地圖中。直到靜態(tài)地圖完成、一致和穩(wěn)定時(shí)該過(guò)程才結(jié)束。
該過(guò)程或者說(shuō)創(chuàng)建該靜態(tài)地圖的過(guò)程是相對(duì)較長(zhǎng)和不斷反復(fù)的。最好，在將系統(tǒng)引入到一個(gè)新的環(huán)境時(shí)只做一次。用來(lái)創(chuàng)建該地圖的準(zhǔn)確的方法學(xué)將依靠于所使用的傳感器和被選擇來(lái)執(zhí)行必要運(yùn)算的算法。在一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中，靜態(tài)地圖一旦創(chuàng)建后，就永久存儲(chǔ)在導(dǎo)航機(jī)器人110中。導(dǎo)航機(jī)器人110通過(guò)識(shí)別陸標(biāo)和其他環(huán)境的屬性以及通過(guò)在靜態(tài)地圖內(nèi)調(diào)整CDM，能在靜態(tài)地圖中定位其位置。不要求原點(diǎn)和參考點(diǎn)。使用某種假設(shè)可能縮短時(shí)間和簡(jiǎn)化要求來(lái)創(chuàng)建該靜態(tài)地圖的計(jì)算。在一辦公室或家庭環(huán)境中，例如，假定墻壁是正方形且平坦的。這種假設(shè)的使用減少了用于創(chuàng)建該靜態(tài)地圖的時(shí)間。
在一個(gè)實(shí)施例中，繪圖過(guò)程包括從來(lái)自安裝在導(dǎo)航機(jī)器人110上的一對(duì)立體數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的傳感器數(shù)據(jù)創(chuàng)建的三種地圖。在該實(shí)施中，第一種地圖是導(dǎo)航機(jī)器人110的即時(shí)環(huán)境的臨時(shí)地圖(TM)。具體地，該臨時(shí)地圖是從即時(shí)周圍環(huán)境的最后立體圖像對(duì)創(chuàng)建的可能的3D表示。在該實(shí)施中第二種地圖是當(dāng)前動(dòng)態(tài)地圖(CDM)。該CDM是工作環(huán)境的可能的3D表示并且是通過(guò)反復(fù)加入來(lái)自連續(xù)臨時(shí)地圖的信息來(lái)創(chuàng)建的。在該實(shí)施中，每次導(dǎo)航機(jī)器人移動(dòng)時(shí)該CDM就會(huì)被更新。在該實(shí)施中第三種地圖是靜態(tài)周邊圖(PM)。如上所述，當(dāng)導(dǎo)航機(jī)器人110沿該環(huán)境的外周移動(dòng)時(shí)創(chuàng)建該P(yáng)M。
在另一個(gè)實(shí)施中，地圖不是由導(dǎo)航機(jī)器人110創(chuàng)建的，而是被輸入會(huì)預(yù)編入導(dǎo)航機(jī)器人110中的。在另外一個(gè)實(shí)施中，在任務(wù)初始化前，不創(chuàng)建或輸入一靜態(tài)地圖。在該實(shí)施中，導(dǎo)航機(jī)器人110僅以一空白動(dòng)態(tài)地圖開(kāi)始并且在執(zhí)行任務(wù)時(shí)更新它。
b.定位在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)航機(jī)器人110負(fù)責(zé)在繪制的環(huán)境中導(dǎo)航其自身和功能機(jī)器人。在該實(shí)施例中，導(dǎo)航機(jī)器人110負(fù)責(zé)所有或基本上所有的導(dǎo)航方面，包括定位、計(jì)劃和控制自身和功能機(jī)器人120。相反，在常規(guī)系統(tǒng)中，每一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人負(fù)責(zé)其自身的定位、計(jì)劃和控制。在這樣的系統(tǒng)中，每一個(gè)機(jī)器人負(fù)責(zé)導(dǎo)航和操縱自身進(jìn)入正確的位置以執(zhí)行任務(wù)。這樣的系統(tǒng)受對(duì)所有機(jī)器人的定位計(jì)算延遲的支配，這導(dǎo)致任務(wù)完成慢且效率低。本發(fā)明的實(shí)施例避免了這樣的延遲且通過(guò)將所有或基本上所有導(dǎo)航功能集合到一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人110中并減少該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)量來(lái)增加效率。
定位是確定機(jī)器人在該地圖中的當(dāng)前位置、方向以及變化率的過(guò)程?？墒褂貌煌倪^(guò)程來(lái)定位該導(dǎo)航機(jī)器人和定位功能機(jī)器人。功能機(jī)器人的定位相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因?yàn)樵谝粋€(gè)實(shí)施例中，當(dāng)定位功能機(jī)器人時(shí)，導(dǎo)航機(jī)器人是固定的或基本上固定的，因此可獲知其在當(dāng)前動(dòng)態(tài)地圖中的位置時(shí)。在一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)航機(jī)器人僅使用其視覺(jué)系統(tǒng)(傳感器)跟蹤功能機(jī)器人，然后用一跟蹤濾波器如一卡爾曼濾波器來(lái)過(guò)濾視覺(jué)數(shù)據(jù)。如果功能機(jī)器人僅移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)一小段距離，則導(dǎo)航機(jī)器人傳感器202能檢測(cè)該運(yùn)動(dòng)并定位該功能機(jī)器人。在使用一基站的實(shí)施中，也能快速確定基站附近的功能機(jī)器人的位置。
功能機(jī)器人120上的獨(dú)特形狀和/或幾何標(biāo)記122也能幫助導(dǎo)航機(jī)器人110定位機(jī)器人120。導(dǎo)航機(jī)器人110所使用的傳感器202的類型會(huì)指示是否使用獨(dú)特形狀或標(biāo)記以及如何對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。在一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)航機(jī)器人110使用一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)處理傳感器數(shù)據(jù)和識(shí)別特定的形狀。在另一個(gè)實(shí)施中，導(dǎo)航機(jī)器人使用其視覺(jué)或傳感器系統(tǒng)來(lái)識(shí)別任何標(biāo)記和/或形狀。
除定位功能機(jī)器人120外，在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)航機(jī)器人110必須在任何運(yùn)動(dòng)后定位自身。導(dǎo)航機(jī)器人的定位不可避免地要與繪圖，特別是與當(dāng)前動(dòng)態(tài)地圖的保持相聯(lián)系(即為保持該CDM，導(dǎo)航機(jī)器人必須了解其在CDM中的位置)。在同時(shí)使用當(dāng)前動(dòng)態(tài)地圖和靜態(tài)周邊地圖的地方，定位包括在這些地圖中確定導(dǎo)航機(jī)器人和功能機(jī)器人的位置。注意CDM可以被預(yù)先編程。
通常對(duì)該導(dǎo)航機(jī)器人的定位過(guò)程比對(duì)功能機(jī)器人的定位過(guò)程更復(fù)雜。導(dǎo)航機(jī)器人定位自身的可能的方法包括推算定位法、活動(dòng)信標(biāo)、有源傳感器以及陸標(biāo)識(shí)別方法。使用推算定位法，可使用測(cè)距法和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，保持對(duì)機(jī)器人位置改變的粗略估計(jì)?；顒?dòng)信標(biāo)定位方法通過(guò)測(cè)量其距放置在該環(huán)境中的已知位置處的信標(biāo)的距離來(lái)確定機(jī)器人的位置。然后可使用三角測(cè)量來(lái)指出機(jī)器人的位置。有源傳感器定位方法用放置在已知固定位置處的傳感器如數(shù)字?jǐn)z像機(jī)來(lái)跟蹤機(jī)器人的位置。陸標(biāo)識(shí)別法可用于機(jī)器人識(shí)別和了解該環(huán)境內(nèi)特征和陸標(biāo)的位置。所識(shí)別的陸標(biāo)位置用來(lái)計(jì)算機(jī)器人的位置。
由于其成本低且簡(jiǎn)單，在本發(fā)明的一實(shí)施例中最好使用一些推算定位(特別是測(cè)距法)形式。然而，由于如輪子滑動(dòng)或失調(diào)的因素，推算定位的錯(cuò)誤可能會(huì)隨時(shí)間累計(jì)。為彌補(bǔ)這些錯(cuò)誤，可結(jié)合如上面所論述的輔助技術(shù)與推算定位一起使用?，F(xiàn)實(shí)因素和約束可能限制輔助技術(shù)的可行性?；顒?dòng)信標(biāo)和傳感器方法通常要求在機(jī)器人環(huán)境中安裝外物如攝像機(jī)或反射磁帶。而這些物體的安裝在工廠或工業(yè)環(huán)境是可以接受的，而通常在家庭、辦公室和室外環(huán)境中是不可能接受的。由于這些原因，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中最好使用陸標(biāo)識(shí)別來(lái)對(duì)推算定位進(jìn)行補(bǔ)充。
即使當(dāng)推算定位與諸如陸標(biāo)識(shí)別的輔助技術(shù)一起使用，例如有限傳感器分辨率的因素也通常使定位不可能完全準(zhǔn)確。許多定位算法，如Markov和Monte Carlo算法可能被用來(lái)進(jìn)一步提高定位準(zhǔn)確性。
圖7a為一子步驟的流程圖，該子步驟可能包含在用于導(dǎo)航機(jī)器人110的繪圖和定位過(guò)程720的一個(gè)實(shí)施例中。在步驟721，導(dǎo)航機(jī)器人110從它的周圍環(huán)境獲得傳感器數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，一對(duì)數(shù)字立體攝像機(jī)被用來(lái)獲得該傳感器數(shù)據(jù)。根據(jù)該立體圖像對(duì)，在步驟722中創(chuàng)建一新的臨時(shí)地圖(TM)且相對(duì)于當(dāng)前動(dòng)態(tài)地圖(CDM)來(lái)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整(步驟723)以便調(diào)整該臨時(shí)和當(dāng)前地圖，生成一組位置估計(jì)值PEn-1，1...PEn-1，m。一定位算法如Markov和MonteCarlo定位算法可被用來(lái)生成這組估計(jì)值。在位置估計(jì)值中錯(cuò)誤的范圍將指示系數(shù)m的大小。從該范圍選擇最佳估計(jì)值PEn-1，k(1≤k≤m)，使用PEn-1，k，從該臨時(shí)地圖和傳感器數(shù)據(jù)中提取信息并將其添加到當(dāng)前動(dòng)態(tài)地圖(步驟724)。然后廢除該臨時(shí)地圖。
導(dǎo)航機(jī)器人110可能保持不動(dòng)(步驟725)以減少計(jì)算。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)航機(jī)器人110在保持不動(dòng)的情況下跟蹤和控制功能機(jī)器人，如下所述。最終，導(dǎo)航機(jī)器人110需要移動(dòng)且開(kāi)始向一新目的地GPn-1移動(dòng)(步驟726)。當(dāng)導(dǎo)航機(jī)器人110移動(dòng)時(shí)，它可能收集里程數(shù)據(jù)(在一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中使用如上所述的推算定位法)，以便用于獲得其距PEn的距離和方位的估計(jì)值(步驟727)。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)航機(jī)器人110也跟蹤一個(gè)或多個(gè)功能機(jī)器人的位置或其他可識(shí)別陸標(biāo)(通過(guò)一跟蹤濾波器)以便提供它的當(dāng)前位置的更準(zhǔn)確的估計(jì)。通過(guò)使用如上所述的推算定位和陸標(biāo)識(shí)別，當(dāng)導(dǎo)航機(jī)器人110確定其當(dāng)前位置估計(jì)值PEn-1相對(duì)于新的目標(biāo)位置GPn-1(決定節(jié)點(diǎn))可接受的閾值內(nèi)時(shí)，便停止且返回到步驟711以重復(fù)定位和繪圖過(guò)程。
c.重新計(jì)劃在一實(shí)施例中，導(dǎo)航機(jī)器人110可收集有關(guān)環(huán)境的信息并執(zhí)行信息收集和重新計(jì)劃。圖7b更詳細(xì)地示出可能包含在信息收集和重新計(jì)劃處理的一實(shí)施例中的各種子步驟。應(yīng)注意在圖7b中描述的步驟可以以任何順序執(zhí)行且每一個(gè)步驟都是可自由選擇的。即，信息收集和重新計(jì)劃可能不需要所列的一些步驟就能完成，且所列的一些步驟可以被重新編寫或輸入到導(dǎo)航機(jī)器人110中。
在步驟731中，導(dǎo)航機(jī)器人110收集另外的數(shù)據(jù)，如其中存在一個(gè)或多個(gè)功能機(jī)器人的房間或環(huán)境的特征(即大小、清潔要求等等)以及在那些房間中存在的表面的類型。在一實(shí)施例中，收集該系統(tǒng)中每個(gè)功能機(jī)器人地?cái)?shù)據(jù)?？墒褂糜糜诶L圖和定位的相同的傳感器來(lái)收集該數(shù)據(jù)，或可使用不同的傳感器來(lái)收集該數(shù)據(jù)。如果例如一聲納傳感器被用于繪圖和定位，則可能必需使用不同的傳感器如一攝像機(jī)來(lái)收集數(shù)據(jù)，如房間地面類型。
在步驟732中，導(dǎo)航機(jī)器人110確定什么功能機(jī)器人120可用于任務(wù)執(zhí)行。做為選擇，該信息可被輸入導(dǎo)航機(jī)器人110中或在該導(dǎo)航機(jī)器人110中預(yù)先被編程，或它可能僅僅是不必要的信息。其次，在步驟733中，導(dǎo)航機(jī)器人110確定必須執(zhí)行什么任務(wù)。同樣，可在導(dǎo)航機(jī)器人110中預(yù)先編程該信息，經(jīng)一接口輸入該信息或經(jīng)重新編程和輸入的組合來(lái)確定該信息。
使用在步驟731-733中收集的信息，導(dǎo)航機(jī)器人110將可用的功能機(jī)器人與待執(zhí)行的任務(wù)匹配(步驟734)并生成一任務(wù)表(步驟735)。每一個(gè)任務(wù)可被分成多個(gè)子任務(wù)以便使導(dǎo)航機(jī)器人的移動(dòng)最小化并增加效率。
d.計(jì)劃和控制在一實(shí)施例中，導(dǎo)航機(jī)器人110控制功能機(jī)器人120來(lái)執(zhí)行預(yù)定的任務(wù)。圖7c中更詳細(xì)地說(shuō)明在計(jì)劃和控制中包含的步驟。在步驟742中，導(dǎo)航機(jī)器人110等待一段時(shí)間(根據(jù)如上所述生成的任務(wù)表)，開(kāi)始執(zhí)行下一個(gè)預(yù)定的任務(wù)。在下一個(gè)任務(wù)的時(shí)間到來(lái)時(shí)或之前，在步驟744中，導(dǎo)航機(jī)器人110遞歸計(jì)算下一個(gè)最低級(jí)子任務(wù)。最低級(jí)子任務(wù)的例子包括打開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)并跟蹤機(jī)器人直到一事件發(fā)生。導(dǎo)航機(jī)器人移動(dòng)自身或/和或控制適當(dāng)?shù)墓δ軝C(jī)器人去執(zhí)行每一個(gè)子任務(wù)(步驟746)。導(dǎo)航機(jī)器人110經(jīng)它的發(fā)射器208向功能機(jī)器人120發(fā)布適當(dāng)?shù)目刂菩畔?09(參見(jiàn)圖3)。該計(jì)劃和控制環(huán)被重復(fù)直到完成全部任務(wù)(判定節(jié)點(diǎn)748)。
導(dǎo)航機(jī)器人110使用該功能機(jī)器人的控制環(huán)來(lái)指揮功能機(jī)器人120沿計(jì)劃的路線行進(jìn)。如上所述，在一實(shí)施例中，用于移動(dòng)和操縱機(jī)器人120的控制環(huán)包括電源和供電系統(tǒng)402、電動(dòng)機(jī)控制器404、電動(dòng)機(jī)406以及輪子408。從導(dǎo)航機(jī)器人110經(jīng)接收器302接收的控制信號(hào)指揮電動(dòng)機(jī)控制器404?？刂破?04控制電動(dòng)機(jī)406，依次驅(qū)動(dòng)輪子408。該控制環(huán)還可包括伺服器、激勵(lì)器、發(fā)射器以及類似的設(shè)備。
當(dāng)功能機(jī)器人120移動(dòng)時(shí)，在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)航機(jī)器人110保持不動(dòng)且跟蹤功能機(jī)器人的進(jìn)程。許多合適的跟蹤算法對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是很熟悉的。保持導(dǎo)航機(jī)器人110不動(dòng)極大地減少與跟蹤算法有關(guān)的定位計(jì)算的開(kāi)銷。此外，使用固定的導(dǎo)航機(jī)器人減少了與導(dǎo)航繞過(guò)無(wú)法預(yù)知的障礙物有關(guān)的延遲。首先導(dǎo)航機(jī)器人110可使用一功能機(jī)器人來(lái)測(cè)試計(jì)劃的路線。如果發(fā)生沖突，導(dǎo)航機(jī)器人110仍知道自己的位置并在指揮功能機(jī)器人改變行進(jìn)路程的同時(shí)跟蹤功能機(jī)器人的位置。如圖5所示，導(dǎo)航機(jī)器人110經(jīng)傳感器輸入530能“看到”障礙物510并且能經(jīng)一控制環(huán)520指揮一功能機(jī)器人120繞過(guò)該障礙物510。其計(jì)算強(qiáng)度遠(yuǎn)不及如果導(dǎo)航機(jī)器人110需要自己執(zhí)行一功能機(jī)器人的任務(wù)或如果該功能機(jī)器人120需要執(zhí)行該跟蹤過(guò)程情況下的計(jì)算強(qiáng)度。
在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)功能機(jī)器人以比在傳統(tǒng)系統(tǒng)中快得多的速率移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)航機(jī)器人仍能跟蹤和控制該功能機(jī)器人。具體地，在一個(gè)實(shí)施例中，本系統(tǒng)能以比每秒每1,000 MIPS1英尺快得多的速率移動(dòng)。另外，導(dǎo)航機(jī)器人110可具有足夠的處理能力去執(zhí)行一些或全部繪圖和定位功能，同時(shí)跟蹤和控制功能機(jī)器人。
最后，導(dǎo)航機(jī)器人110可能需要重定位自身以便繼續(xù)跟蹤功能機(jī)器人120。通常，這將發(fā)生在當(dāng)功能機(jī)器人需要走遠(yuǎn)或已經(jīng)移出視線時(shí)。當(dāng)導(dǎo)航機(jī)器人110確定它需要重新定位自身時(shí)，在一實(shí)施例中，它命令功能機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，然后使用該功能機(jī)器人作為陸標(biāo)，進(jìn)行移動(dòng)。
如圖6所示，在一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)導(dǎo)航機(jī)器人110正在移動(dòng)時(shí)，它使用傳感器輸入610對(duì)一功能機(jī)器人120和如房間或窗戶的角落的另一個(gè)陸標(biāo)612作三角形測(cè)量。使用該數(shù)據(jù)，導(dǎo)航機(jī)器人110然后移入正確位置。當(dāng)導(dǎo)航機(jī)器人110到達(dá)該新位置時(shí)，它進(jìn)行動(dòng)態(tài)繪圖和定位(如上所述)以保證了解其所處的位置。該過(guò)程可能需要幾秒種，因?yàn)殛憳?biāo)可能很遠(yuǎn)或不清楚時(shí)，且可能在地圖或定位數(shù)據(jù)中出現(xiàn)錯(cuò)誤。與傳統(tǒng)方法相比，該反復(fù)過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)比較快，因?yàn)橹辽僖粋€(gè)具有精確已知尺寸的陸標(biāo)總是在導(dǎo)航機(jī)器人110的附近。一旦導(dǎo)航機(jī)器人110移動(dòng)到非?？拷δ軝C(jī)器人120，在一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中，該方法返回步驟744(圖7c)，且導(dǎo)航機(jī)器人110計(jì)算下一個(gè)子任務(wù)以促進(jìn)任務(wù)的執(zhí)行。子任務(wù)的遞歸計(jì)算是基于使導(dǎo)航機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)最小化的算法。
在一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)航機(jī)器人110在功能機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)跟蹤功能機(jī)器人。在一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)航機(jī)器人110使用該任務(wù)所要求的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模型來(lái)幫助跟蹤機(jī)器人。運(yùn)動(dòng)模型包括用于一指定地面類型的功能機(jī)器人的所期望的線和角速度以及加速度，以及到機(jī)器人的發(fā)動(dòng)機(jī)和激勵(lì)器的一組輸入。只要該運(yùn)動(dòng)模型提供功能機(jī)器人的位置的粗略估計(jì)值，導(dǎo)航機(jī)器人110就可使用其傳感器202獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)?？墒褂枚喾N濾波算法來(lái)濾除運(yùn)動(dòng)模型誤差。在一實(shí)施例中，使用卡爾曼濾波，也可使用本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)已知的各種過(guò)濾算法如g-h和Benefict-Bordner。實(shí)質(zhì)上，x-y和方位數(shù)據(jù)被跟蹤且過(guò)濾算法降低了由于該運(yùn)動(dòng)模型和傳感器輸入引起的錯(cuò)誤。
在判定節(jié)點(diǎn)748(圖7c)，導(dǎo)航機(jī)器人110確定整個(gè)任務(wù)或子任務(wù)是否完成。如果任務(wù)完成，該方法返回步驟742，導(dǎo)航機(jī)器人110等待開(kāi)始下一個(gè)任務(wù)或子任務(wù)。在一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中，任務(wù)的完成包括導(dǎo)航機(jī)器人110和功能機(jī)器人返回到基站130(圖1)充電。在這點(diǎn)上，應(yīng)注意在整個(gè)運(yùn)動(dòng)和任務(wù)執(zhí)行中，導(dǎo)航機(jī)器人110可估計(jì)和監(jiān)視功能機(jī)器人的功率電平并且當(dāng)必要時(shí)返回它們以便充電。
在移動(dòng)和執(zhí)行它們的任務(wù)中，有些功能機(jī)器人，如真空吸塵器可能要求來(lái)自墻上插座的電源而不是自含的電源。在使用這樣的機(jī)器人的系統(tǒng)中，導(dǎo)航機(jī)器人110和功能機(jī)器人可能協(xié)同工作以便定位墻上插座并將功能機(jī)器人的插頭插入到該插座中。當(dāng)功能機(jī)器人需要移動(dòng)到遠(yuǎn)離特定插座時(shí)，導(dǎo)航機(jī)器人110和功能機(jī)器人能從該插座拔出且移動(dòng)到另一個(gè)插座。
通過(guò)舉例可最好地表示本發(fā)明所呈現(xiàn)的較在先技術(shù)的進(jìn)步之處?？紤]對(duì)20′*20′房間的吸塵任務(wù)。假定，由于機(jī)器人的尺寸，機(jī)器人每打掃一平方英尺的地面不得不移動(dòng)8縱尺。用每行進(jìn)一縱尺需要在一100MIPS處理器上處理兩秒的定位算法，定位計(jì)算將耗費(fèi)20*20*8*2＝6400秒。這是約13/4小時(shí)的計(jì)算延遲。
相反，根據(jù)本發(fā)明，在一個(gè)實(shí)施例中，功能機(jī)器人120在導(dǎo)航機(jī)器人110的控制下執(zhí)行所有或基本上所有的吸塵。假定在吸塵過(guò)程中，導(dǎo)航機(jī)器人110必須移動(dòng)四次到10英尺遠(yuǎn)的位置，使用每行進(jìn)一縱尺需要40毫秒的跟蹤算法，該定位計(jì)算要求4*10*2＝80秒用于導(dǎo)航機(jī)器人110；且20*20*8*0.4＝128秒用于功能機(jī)器人。
總延遲僅208秒，提高了30多倍。
4.其它實(shí)施例以上示出并描述了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。本發(fā)明的候選實(shí)施例也已經(jīng)被預(yù)見(jiàn)。如本發(fā)明的第二實(shí)施例計(jì)劃使用不止一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人。在第二實(shí)施例中，第一或?qū)Ш綑C(jī)器人組平臺(tái)(移動(dòng)機(jī)器人)負(fù)責(zé)所有或基本上所有繪圖、定位、計(jì)劃和控制功能，而第二或功能組平臺(tái)負(fù)責(zé)功能任務(wù)完成。則第一組機(jī)器人負(fù)責(zé)繪圖、導(dǎo)航以及跟蹤第二組機(jī)器人任務(wù)的執(zhí)行。本發(fā)明的第二實(shí)施例在有太多功能機(jī)器人受一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人命令和控制或在功能機(jī)器人散布在一特別大的地理區(qū)域的情況下可能很合適。
在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，每一機(jī)器人既是一導(dǎo)航機(jī)器人又是一功能機(jī)器人。從事運(yùn)動(dòng)和任務(wù)執(zhí)行的機(jī)器人具有一些或全部由一個(gè)或多個(gè)其他機(jī)器人執(zhí)行的其導(dǎo)航和相關(guān)的計(jì)算。其他機(jī)器人可能在執(zhí)行導(dǎo)航和計(jì)算的同時(shí)保持不動(dòng)。機(jī)器人能經(jīng)一無(wú)線通信鏈路交換位置數(shù)據(jù)。由于機(jī)器人彼此跟蹤且沒(méi)有機(jī)器人跟蹤自身，因此本實(shí)施例進(jìn)一步簡(jiǎn)化了定位。
在本發(fā)明的第四實(shí)施例中，同時(shí)使用還能夠繪圖、定位、計(jì)劃和控制的功能機(jī)器人。然而，在本實(shí)施例中，功能機(jī)器人自身攜帶一個(gè)或多個(gè)主動(dòng)或被動(dòng)的信標(biāo)。機(jī)器人確定該信標(biāo)的位置然后使用它們距信標(biāo)的距離以便對(duì)它們的位置做三角測(cè)量。
最后，在上述任何一個(gè)實(shí)施例中，可專用一固定計(jì)算機(jī)或另外的移動(dòng)平臺(tái)來(lái)執(zhí)行一些或全部處理和計(jì)算。在這樣一種結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人可安裝適當(dāng)?shù)膫鞲衅饔糜谑占瘮?shù)據(jù)。這些傳感器數(shù)據(jù)，不管是原始的還是部分經(jīng)過(guò)處理的，可經(jīng)一無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或用于通信的任何其他適當(dāng)?shù)难b置被發(fā)送給專用計(jì)算機(jī)或其他移動(dòng)平臺(tái)，用于進(jìn)一步處理。該專用計(jì)算機(jī)可執(zhí)行必要的計(jì)算，并將結(jié)果傳送給導(dǎo)航機(jī)器人。
5.執(zhí)行一多平臺(tái)機(jī)器人系統(tǒng)的方法用于執(zhí)行本發(fā)明的系統(tǒng)的方法在圖8中說(shuō)明。在步驟802中，提供包括兩個(gè)或多個(gè)物理上不同的移動(dòng)平臺(tái)的一自主系統(tǒng)。在步驟804中，繪圖、定位、計(jì)劃和控制功能分配給包括至少一個(gè)不同物理平臺(tái)的系統(tǒng)的第一子集。包含在第一子集中的平臺(tái)被稱為導(dǎo)航機(jī)器人平臺(tái)。
在步驟806中，負(fù)責(zé)功能任務(wù)完成的責(zé)任被分配給系統(tǒng)的第二子集，其組成不包含在第一子集中的平臺(tái)。包含在第二子集中的平臺(tái)被稱為功能平臺(tái)。在步驟808中，導(dǎo)航機(jī)器人平臺(tái)繪制該環(huán)境，在該環(huán)境中定位所有機(jī)器人并計(jì)劃一任務(wù)執(zhí)行表。這些任務(wù)可能被分成更小的任務(wù)以更易于跟蹤并限制移動(dòng)導(dǎo)航機(jī)器人的需要。在步驟810中，導(dǎo)航機(jī)器人可能在控制功能平臺(tái)執(zhí)行分配任務(wù)的同時(shí)保持不動(dòng)。在步驟812中，是可選擇的，導(dǎo)航機(jī)器人可能使用一個(gè)或多個(gè)功能平臺(tái)作為一陸標(biāo)來(lái)移動(dòng)到一個(gè)新的位置。
以上示出本發(fā)明的不同實(shí)施例。這些實(shí)施例僅通過(guò)例子來(lái)呈現(xiàn)，且不應(yīng)該解釋為對(duì)本發(fā)明范疇的限制，本發(fā)明的范圍是由下面的權(quán)利要求及其等效內(nèi)容來(lái)定義的。
權(quán)利要求
1.在一環(huán)境內(nèi)操作的一種自主的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，包括一個(gè)或多個(gè)功能移動(dòng)機(jī)器人，負(fù)責(zé)執(zhí)行功能任務(wù)；以及一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人，其在該環(huán)境內(nèi)定位自己和功能機(jī)器人，計(jì)劃將由功能機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)，以及在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中控制功能機(jī)器人。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，當(dāng)功能機(jī)器人移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)航機(jī)器人保持不動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中每一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人包括一個(gè)或多個(gè)傳感器，用于從該環(huán)境收集數(shù)據(jù)；一控制器，用于指揮該導(dǎo)航機(jī)器人和功能機(jī)器人兩者的操作；一存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)環(huán)境地圖；以及一發(fā)射器，用于發(fā)射控制信號(hào)給功能機(jī)器人。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中每一個(gè)功能機(jī)器人包括一接收器，用于接收來(lái)自導(dǎo)航機(jī)器人的控制信號(hào)。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中每一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人通過(guò)獲得從其當(dāng)前環(huán)境的傳感器數(shù)據(jù)，從該傳感器數(shù)據(jù)創(chuàng)建一臨時(shí)地圖，將該臨時(shí)地圖合并到動(dòng)態(tài)地圖中，并移動(dòng)到一個(gè)新位置以獲得新的傳感器數(shù)據(jù)來(lái)生成該環(huán)境的一動(dòng)態(tài)地圖。
6.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，每一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人通過(guò)沿著該環(huán)境的外部周邊前進(jìn)并繪制該外部周邊來(lái)生成該環(huán)境的靜態(tài)地圖。
7.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中每一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人將待由功能機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中導(dǎo)航機(jī)器人通過(guò)確定什么任務(wù)需要完成、將功能機(jī)器人與一特定任務(wù)匹配并生成一任務(wù)表來(lái)計(jì)劃待由功能機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一基站，用于參與任務(wù)完成、功能機(jī)器人的跟蹤及機(jī)器人的再充電。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中與定位、計(jì)劃和控制有關(guān)的計(jì)算由一固定計(jì)算機(jī)執(zhí)行并被傳送到導(dǎo)航機(jī)器人。
11.一種用于在一環(huán)境內(nèi)進(jìn)行自主的多機(jī)器人操作的方法，該方法包括(a)提供至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人和至少一個(gè)功能機(jī)器人；(b)由該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人創(chuàng)建該環(huán)境的一地圖；(c)由該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人，在該地圖內(nèi)定位該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人和該至少一個(gè)功能機(jī)器人；(d)由該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人，計(jì)劃將由該至少一個(gè)功能機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)；(e)由該至少一個(gè)功能機(jī)器人，執(zhí)行由該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人計(jì)劃的任務(wù)；(f)由該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人，在該至少一個(gè)功能機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行控制和跟蹤。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中(b)包括通過(guò)以下步驟創(chuàng)建一當(dāng)前動(dòng)態(tài)地圖從導(dǎo)航機(jī)器人的當(dāng)前環(huán)境獲得傳感器數(shù)據(jù)；從所獲得的傳感器數(shù)據(jù)創(chuàng)建一臨時(shí)地圖；將該臨時(shí)地圖合并到一當(dāng)前動(dòng)態(tài)地圖中；移動(dòng)該導(dǎo)航機(jī)器人到一新的位置；以及通過(guò)獲得該新位置處的傳感器數(shù)據(jù)來(lái)重復(fù)(b)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中(b)進(jìn)一步包括通過(guò)沿該環(huán)境的外部周邊前進(jìn)并對(duì)其進(jìn)行繪制來(lái)創(chuàng)建一靜態(tài)周邊地圖。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中在(c)中，定位功能機(jī)器人包括使用安裝在該導(dǎo)航機(jī)器人上的一可視系統(tǒng)來(lái)跟蹤該功能機(jī)器人。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中在(c)中，定位導(dǎo)航機(jī)器人包括以下步驟將該導(dǎo)航機(jī)器人移向一新位置；使用推算定位和/或陸標(biāo)識(shí)別技術(shù)來(lái)估計(jì)導(dǎo)航機(jī)器人的當(dāng)前位置；確定當(dāng)前位置是否大約就是該新位置，且如果不是，繼續(xù)向新位置移動(dòng)；如果當(dāng)前位置大約就是該新位置停止該導(dǎo)航機(jī)器人并獲得新的傳感器數(shù)據(jù)，由新的傳感器數(shù)據(jù)創(chuàng)建一臨時(shí)地圖；使用一定位算法來(lái)用一環(huán)境地圖對(duì)該臨時(shí)地圖進(jìn)行調(diào)整；以及將來(lái)自臨時(shí)地圖的信息合并到該環(huán)境地圖中。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中(d)包含從以下組中選擇的至少一個(gè)操作，該組包括收集在該環(huán)境中的有關(guān)房間和表面的數(shù)據(jù)；確定可用什么功能機(jī)器人來(lái)執(zhí)行任務(wù)；確定需要完成什么任務(wù)；將該可用的功能機(jī)器人與需要完成的任務(wù)匹配；以及生成一任務(wù)表。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中(f)包括以下步驟命令功能機(jī)器人移進(jìn)一正確位置以開(kāi)始任務(wù)執(zhí)行；功能機(jī)器人移向正確位置時(shí)，對(duì)其進(jìn)行跟蹤；如果功能機(jī)器人移動(dòng)太遠(yuǎn)而不允許跟蹤，則命令該功能機(jī)器人停止且移動(dòng)該導(dǎo)航機(jī)器人使其更靠近該功能機(jī)器人；當(dāng)功能機(jī)器人到達(dá)該正確位置時(shí)，命令功能機(jī)器人開(kāi)始任務(wù)的執(zhí)行；以及在該功能機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)過(guò)程對(duì)其進(jìn)行跟蹤。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，導(dǎo)航機(jī)器人在跟蹤功能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和任務(wù)執(zhí)行的同時(shí)保持不動(dòng)。
19.一種在一環(huán)境內(nèi)實(shí)現(xiàn)一自主移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)的方法，該方法包括提供多個(gè)移動(dòng)平臺(tái)；分配繪圖、定位、計(jì)劃和控制功能給第一組移動(dòng)平臺(tái)；分配功能任務(wù)執(zhí)行的功能給第二組移動(dòng)平臺(tái)；繪制該環(huán)境，定位該環(huán)境中的幾乎所有的平臺(tái)，并由第一組移動(dòng)平臺(tái)計(jì)劃任務(wù)的執(zhí)行；由第二組移動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行任務(wù)；以及由第一組平臺(tái)控制和跟蹤第二組平臺(tái)的任務(wù)執(zhí)行。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中第一組平臺(tái)在控制和跟蹤第二組平臺(tái)的任務(wù)執(zhí)行的同時(shí)保持不動(dòng)。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中第一組平臺(tái)使用第二組平臺(tái)作為一陸標(biāo)移動(dòng)到一新的位置。
22.一種自主機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個(gè)第一移動(dòng)機(jī)器人，用來(lái)在一區(qū)域中執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)重復(fù)的任務(wù)；以及至少一個(gè)第二機(jī)器人，用來(lái)在該區(qū)域中指揮該至少一個(gè)第一機(jī)器人的全部運(yùn)動(dòng)。
23.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中，該至少一個(gè)第二機(jī)器人用于繪制該區(qū)域。
24.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中，該至少一個(gè)第二機(jī)器人用于確定該至少一個(gè)第一機(jī)器人在該區(qū)域中的位置。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中，該至少一個(gè)第二機(jī)器人用來(lái)計(jì)劃該至少一個(gè)第一機(jī)器人在該區(qū)域中的全部運(yùn)動(dòng)。
26.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中，該至少一個(gè)第二機(jī)器人用于跟蹤該至少一個(gè)第一機(jī)器人在該區(qū)域中的全部運(yùn)動(dòng)。
27.一種在一區(qū)域內(nèi)執(zhí)行一重復(fù)任務(wù)的方法，該方法包括由至少一個(gè)第一移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行該重復(fù)任務(wù)；以及在該區(qū)域中由該至少一個(gè)第二機(jī)器人來(lái)指揮該至少一個(gè)第一機(jī)器人的全部運(yùn)動(dòng)。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，進(jìn)一步包括由該至少一個(gè)第二機(jī)器人繪制該區(qū)域。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，進(jìn)一步包括由該至少一個(gè)第二機(jī)器人來(lái)確定該至少一個(gè)第一機(jī)器人的位置。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，進(jìn)一步包括由該至少一個(gè)第二機(jī)器人計(jì)劃該至少一個(gè)第一機(jī)器人在該區(qū)域中的全部運(yùn)動(dòng)。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，進(jìn)一步包括由該至少一個(gè)第二機(jī)器人跟蹤該至少一個(gè)第一機(jī)器人在該區(qū)域中的全部運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
一自主移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)分配繪圖、定位、計(jì)劃和控制功能給至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人，分配任務(wù)執(zhí)行功能給一個(gè)或多個(gè)功能機(jī)器人。該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人繪制工作環(huán)境，在地圖中定位自身及功能機(jī)器人，計(jì)劃將由該至少一個(gè)功能機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)，并在該至少一個(gè)功能機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)期間對(duì)其進(jìn)行控制和跟蹤。該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人執(zhí)行用于其自身和功能機(jī)器人的繪圖、定位、計(jì)劃和控制的幾乎所有的計(jì)算。在一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中，該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人在控制和移動(dòng)至少一個(gè)功能機(jī)器人的同時(shí)保持不動(dòng)以便簡(jiǎn)化定位計(jì)算。在一實(shí)施例中，該至少一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人安裝有執(zhí)行這些任務(wù)所需的傳感器和傳感器處理硬件，而該至少一個(gè)功能機(jī)器人未安裝用于此目的的傳感器或硬件。
文檔編號(hào)B25J13/00GK1399734SQ00816243
公開(kāi)日2003年2月26日 申請(qǐng)日期2000年11月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月24日
發(fā)明者布雷特·A·沃勒克, 哈維·A·科塞卡, 戴維·L·戈拉赫 申請(qǐng)人:個(gè)人機(jī)器人技術(shù)公司