CN107847098B - 机器人导航传感器系统 - Google Patents

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Abstract

一种自主机器人包括机器人主体、经配置以推进机器人的驱动器、安置于机器人主体上的传感器系统以及与驱动器及传感器系统通信的导航控制器电路。传感器系统包括至少一个接近度传感器，接近度传感器包括传感器主体以及由传感器主体容纳的第一发射器、第二发射器及接收器，其中接收器检测接收器视场的经定界检测体积中的物体，接收器视场在机器人主体的外围之外向外及向下瞄准。接收器安置于第一及第二发射器上面且位于其之间，发射器具有经两次重塑发射光束，经两次重塑发射光束向上成角度以在与机器人主体的外围相距固定距离范围处与接收器视场相交以便界定经定界检测体积。

Description

机器人导航传感器系统
相关申请案相交参考
本申请案主张2015年7月1日提出申请的标题为“机器人导航传感器系统(ROBOTNAVIGATIONAL SENSOR SYSTEM)”的第14/789,511号美国申请案的优先权，所述美国申请案的揭示内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及例如地板清洁机器人等自主移动机器人，且涉及用于为此类机器人导航以跨越表面的接近度传感器系统。
背景技术
真空清洁器通常使用空气泵来形成用于通常从地板且任选地也从其它表面提升灰尘及尘埃的部分真空。真空清洁器通常将尘埃收集于灰尘袋或旋风集尘器中以供稍后处置。在家庭中以及在工业中使用的真空清洁器以多种大小及型号存在，例如小型电池操作手持式装置、家用中央真空清洁器、可在倒空之前处置数百公升灰尘的大型固定工业器具及用于回收大量溢出物或移除经污染土壤的自推进真空卡车。这些机器人具有提供机动力以使清洁装置沿着清洁路径自主移动的驱动组合件。
自主机器人真空清洁器在正常操作条件下通常导航通过居住空间的地板表面同时在地板上进行真空吸尘。自主机器人真空清洁器通常包含允许其避开例如墙壁、家具或楼梯等障碍物的传感器。机器人真空清洁器可在其碰到障碍物时变更其驱动方向(例如，转向或后退)。机器人真空清洁器还可在检测到地板上的异常污点时变更驱动方向或驱动模式。
自主导航跨越地板及穿过含有各种物体的房间的机器人还执行其它类型的任务。
已采用各种类型的感测系统来在机器人正经推进跨越地板时检测障碍物。此机器人可遇到的物体包含可为宽或窄、暗或亮的椅子支腿及桌子支腿。
发明内容
在一些方面中，本发明的特征在于一种例如用于自主清洁操作的机器人，其具有接近度传感器，所述接近度传感器具有大体水平定向的多用途接收器及两个发射器。在一些情形中，所述接收器堆叠于所述两个发射器的顶部上且在所述两个发射器之间居中。所述接收器的视场与所述发射器中的每一者的视场相交(即，重叠)，这部分地通过所述接收器及发射器在侧视图中经导向使得其视场轴在所述机器人前面相交。优选地，例如通过使所述发射器的发射穿过小的孔隙且通过额外挡板对其进行约束而将所述发射器从原本扩散输出调整为精细瞄准的光束。
在一些实施例中，一种自主机器人包括：机器人主体，其界定前向驱动方向，所述机器人主体具有底部表面及位于地板表面上面的机器人高度处的顶部表面；驱动器，其经配置以在地板表面上推进所述机器人；传感器系统，其安置于所述机器人主体上；及导航控制器电路，其与所述驱动器及所述传感器系统通信，所述控制器电路经配置以处理从所述传感器系统接收的信号且依据所述经处理信号来控制所述驱动器。所述传感器系统包括至少一个接近度传感器，所述接近度传感器包括传感器主体以及由所述传感器主体容纳的第一发射器、第二发射器及接收器，其中所述接收器经布置以检测从接收器视场的经定界检测体积中的物体反射的辐射，所述接收器视场在所述机器人主体的外围之外向外及向下瞄准。所述接收器安置于所述第一及第二发射器上面且位于其之间，所述第一及第二发射器具有经两次重塑发射光束，所述经两次重塑发射光束向上成角度以在与所述机器人主体的所述外围相距固定距离范围处与所述接收器视场相交以便界定所述经定界检测体积。所述接收器经配置以响应于接收到在循序地激活所述第一及第二发射器时由所述第一及第二发射器产生的所反射辐射而产生信号，且所述第一及第二发射器与所述机器人主体的所述顶部表面以小于所述机器人高度的35％到45％的距离间隔开，且所述接收器与所述机器人主体的所述顶部表面以小于所述机器人高度的20％到35％的距离间隔开。
在一些实施例中，所述第一及第二发射器是并排布置的，且所述接收器沿着所述第一与第二发射器之间的中线居中。所述接收器的所述视场的上部界线平行于所述地板表面，且所述经两次重塑发射光束相对于所述地板表面向上成角度。所述经两次重塑发射光束的下部界线相对于所述地板表面以约10度到约20度成角度。所述接收器的所述视场的下部界线向下成角度以在与所述机器人主体相距小于主体长度的30％的距离处与所述地板表面相交。所述接收器视场的所述上部界线相对于所述地板表面向下成角度为介于约0度与约15度之间。所述接收器的所述视场对向平行于所述地板表面的平面上的角度，所述角度大于发射器的所述经两次重塑光束所对向的平行于所述地板表面的平面上的角度。所述传感器系统包括两个或更多个此类接近度传感器。所述两个或更多个接近度传感器跨越所述机器人主体的前部横向布置成阵列。横向布置成所述阵列的两个接近度传感器分离小于所述机器人主体的最大宽度的25％的距离。从所述阵列中的最外部接近度传感器到所述机器人主体的横向侧的距离小于所述机器人主体的最大宽度的10％。所述接近度传感器阵列的至少第一部分的所述经定界检测体积相对于所述机器人的非转向驱动方向位于所述机器人主体的前部前方。所述经定界检测体积完全安置于与所述机器人主体相距大约55mm的距离内。所述接近度传感器阵列的第二部分的所述经定界检测体积部分地延伸超出所述机器人主体的横向侧。
在其它实施例中，所述经两次重塑发射光束的所述上部及下部界线以及所述接收器视场的所述上部及下部界线由所述传感器主体的相应组的发射及接收器挡板确定。至少一个发射挡板是位于发射源处的针点孔隙。至少一个发射挡板具有进一步界定发射的上部及下部界线以形成所述经两次重塑发射光束的尖锐边缘。所述组接收器挡板包含界定所述接收器视场的上部及下部界线的钝上部挡板边缘及成角度下部挡板边缘。所述接收器视场与所述经两次重塑发射光束中的第一者的相交界定第一经定界检测体积，且所述接收器视场与所述经两次重塑发射光束中的第二者的相交界定第二经定界检测体积，所述第一体积在与所述机器人主体相距2mm的最小距离处与所述第二体积重叠。
在其它实施方案中，一种用于自主机器人的接近度传感器系统包括：传感器，其经布置以在所述机器人于水平表面上移动时对所述机器人的周界外的物体的存在做出响应，所述传感器包括接收器及一组多个发射器；及控制器，其经配置以循序地启用及停用所述发射器，其中所述接收器安置于与所述发射器不同的高度处，且其中所述接收器及所述组发射器经定向为相对于水平线具有不同光束轴定向，使得所述接收器的光束与所述发射器的经两次重塑发射光束相交以界定安置于与所述机器人的外围相距约2mm到约55mm的距离内的经定界检测体积。
在其它实施例中，所述控制器循序地启用及停用所述发射器中的每一者使得一次仅所述发射器中的一者被致动。所述控制器响应于物体干扰所述经定界检测体积而发出方向改变驱动命令。所述控制器响应于物体干扰所述经定界检测体积而发出速度改变驱动命令。所述传感器进一步包括具有至少两个挡板的传感器主体，所述至少两个挡板经布置以限制所述发射器或检测器中的至少一者的所述光束。
在其它实施方案中，一种自主机器人包括：机器人主体，其界定前向驱动方向，所述机器人主体具有底部表面及位于地板表面上面的机器人高度处的顶部表面；驱动器，其经配置以在地板表面上推进所述机器人；传感器系统，其安置于所述机器人主体上；及导航控制器电路，其与所述驱动器及所述传感器系统通信，所述控制器电路经配置以处理从所述传感器系统接收的信号且依据所述经处理信号来控制所述驱动器。所述传感器系统包括至少一个接近度传感器，所述接近度传感器包括传感器主体以及由所述传感器主体容纳的第一发射器、第二发射器及接收器，其中所述接收器经布置以检测从接收器视场中的物体反射的辐射。所述接收器安置于所述第一及第二发射器上面且位于其之间，每一发射器具有经两次重塑发射光束，每一经两次重塑发射光束向上成角度以在与所述机器人主体相距固定距离范围处与所述接收器视场相交。所述接收器经配置以响应于接收到在循序地激活所述第一及第二发射器时由所述第一及第二发射器产生的所反射辐射而产生信号。所述经两次重塑发射光束包含从所述机器人主体的所述顶部表面测量的处于所述机器人高度的35％到45％内的最小高度，且所述接收器视场包含从所述机器人主体的所述顶部表面测量的为所述机器人高度的20％到35％的最大高度。
本文中所描述的概念的实施方案可特别适用于以比一些其它检测方法所经历的大的准确度检测机器人正逼近的小的相对暗色物体。因此，机器人可经配置以检测所述机器人前面更可预测距离处的此类暗色窄障碍物(例如一些桌子支腿)的存在，从而以较大分辨率分辨所检测物体的位置且检测先前不可容易检测的暗色且小的物体。在机器人与此类物体进行物理接触之前检测所述物体的能力给机器人提供减慢其前向速度的时间，且机器人因此能够轻微接触物体以便不造成对例如敏感物体的损坏。本文中所描述的传感器可经构造为紧凑的且适合于在具有扁平前部轮廓的机器人上使用。另外，所述传感器可具备额外检测器，所述额外检测器例如对红外(IR)发射做出响应且经布置以在机器人前面具有无阻挡视野以检测来自辅助装置的发射。传感器的总体响应视场可经设定以允许机器人感测直接位于机器人前面(即，沿着前后轴)以及在机器人侧面(即，沿着机器人的横向轴延伸)的物体。这些优点特别针对具有正方形前部轮廓的机器人实现，这是因为较早检测到障碍物可允许所述机器人避免被卡住(例如，卡在窄通道中且不能旋转的正方形前部机器人)。
本文中所描述的机器人或其操作方面可实施为计算机程序产品/由计算机程序产品控制，所述计算机程序产品包含存储于一或多个非暂时性机器可读存储媒体上且可在一或多个处理装置上执行以控制(例如，协调)本文中所描述的操作的指令。本文中所描述的机器人或其操作方面可实施为可包含一或多个处理装置及用以存储实施各种操作的可执行指令的存储器的系统或方法的一部分。
在附图及以下描述中陈述本发明的一或多个实施例的细节。根据本描述及图式以及权利要求书，本发明的其它特征、目标及优点将变得显而易见。
附图说明
图1A是示范性清洁机器人的透视图。
图1B是图1A中所展示的机器人的仰视图。
图1C是具有可从机器人拆分的可移除顶盖的图1A中所展示的机器人的透视图。
图2是机器人的控制器及机器人的可利用所述控制器来操作的系统的框图。
图3A是用于图1A中的机器人的接近度传感器的传感器挡板壳体的透视图。
图3B是用于图1A中的机器人的接近度传感器的传感器挡板壳体的侧视图。
图3C是用于图1A中的机器人的接近度传感器的传感器挡板壳体的前视图。
图4A是接近度传感器的侧视图，其展示接近度传感器的发射场及检测场。
图4B是接近度传感器的俯视图，其展示发射场及检测场。
图4C到E是接近度传感器的前视图，其展示发射场及检测场。
图5A到B是示范性清洁机器人的示意性俯视图，其展示跨越机器人的前部的多个传感器。
图6是展示由移动机器人实施以检测且轻微接触障碍物的过程的流程图。
图7是示范性清洁机器人的等轴视图，其展示围绕机器人的周界的多个传感器。
在各种图式中，相似的参考符号指示相似的元件。
具体实施方式
机器人描述
图1A到B分别展示自主机器人清洁器100的透视图及仰视图。在各实施方案中，机器人100具有正方形前部及经修圆后部或“碑石”形状。在其它实施方案中，机器人100是多边形、六边形、圆形、半圆形、三角形、鲁洛(reuleaux)三角形、花键形，或具有任何其它适当形状。参考图1A，机器人100包含主体110、顶部表面101、前向部分112及后向部分114。机器人100可通过相对于由主体110界定的三个互相垂直的轴(横向轴X、前后轴Y及中心垂直轴Z)的各种移动组合而移动跨越地板表面。沿着前后轴Y的前向驱动方向指定为F(下文中称为“前向”)，且沿着前后轴Y的向后驱动方向指定为A(下文中称为“后向”)。横向轴X基本上沿着由轮模块120a、120b(展示于图1B中)的中心点界定的轴在机器人100的右侧R与左侧L之间延伸。前向部分112具有大体垂直于机器人100的侧表面104a、b的前表面103。简单地参考图1A及1B两者，经修圆表面或拐角107a、b将前表面103连接到侧表面104a、b。前表面103是机器人主体的宽度的至少90％。后向部分114是大体经修圆的，具有半圆形横截面。安置于主体110的顶部表面101的一部分上的用户接口140接收一或多个用户命令及/或显示机器人100的状态。
安置于前向部分112上的接近度传感器510a到d检测机器人100的前部附近(例如，机器人主体110的前部及侧面附近)的障碍物的存在。主体110的前向部分112进一步承载检测(例如，经由一或多个传感器)机器人100的驱动路径中的障碍物的缓冲器130。举例来说，如描绘机器人100的仰视图的图1B中所展示，当在清洁例程期间轮模块120a、120b推进机器人100跨越地板表面时，机器人100可通过以下操作而对由缓冲器130及/或接近度传感器510a到d检测的事件(例如，与障碍物、墙壁碰撞，检测到机器人100的前部及侧面附近的物体)做出响应：响应于所述事件而控制轮模块120a、120b以操纵机器人100(举例来说，改变机器人100的前向速度或将机器人100的前进方向改变为远离障碍物)。
仍参考图1B，机器人100的前向部分112的底部表面进一步包含清洁头180，侧刷140，轮模块120a、b，脚轮126，空隙调节器128a、b及落差传感器530b。安置于前向部分112上的清洁头180接纳围绕轴XA旋转的前滚筒310a及围绕轴XB旋转的后滚筒310b。轴XA及XB两者基本上平行于轴X。前滚筒310a及后滚筒310b沿相反方向旋转，其中后滚筒310b在逆时针意义上旋转且前滚筒310a在顺时针意义上旋转。滚筒310a、b可释放地附接到清洁头180。机器人主体110包含安置于机器人主体110的底部前向部分112上的侧刷140。侧刷140轴ZC沿着机器人的轴X及Y偏移，使得其安坐于主体110的前向部分112的横向侧上。在使用时，侧刷140旋转且清扫直接位于落差传感器530b中的一者下面的区。前滚筒310a及后滚筒310b与侧刷140协作以摄取碎屑。侧刷轴ZC安置于前滚筒轴XA及后滚筒轴XB两者的前面。
轮模块120a、120b沿着横向轴X基本上对置且包含驱动相应轮124a、124b的相应驱动电机122a、122b。轮模块120a、b的前向驱动通常诱发机器人100沿前向方向F的运动，而轮模块120a、b的向后驱动通常产生机器人100沿后向方向A的运动。驱动电机122a、b可释放地连接到主体110(例如，经由紧固件或无工具连接)，其中驱动电机122a、b基本上定位于相应轮124a、b上方。轮模块120a、b可释放地附接到主体110且通过相应弹簧驱迫为与地板表面啮合。机器人100净重介于约10N与60N之间。机器人100的大部分重量是在驱动轮124a、b上以确保在表面上的良好牵引及移动性。安置于机器人主体110的后向部分114上的脚轮126可支撑机器人的重量的介于约0到25％之间。空隙调节器128a、b维持主体110的底部表面109与地板表面之间的最小空隙高度(例如，至少2mm)，且支撑机器人的重量的介于约0到25％之间，并且在机器人100加速时确保机器人100的前向部分112不安坐在地面上。
机器人100包含位于机器人主体110的前边缘及后边缘附近的多个落差传感器530b到f。落差传感器530c、530d及530e位于前向部分112上机器人的前表面103附近，且落差传感器530b及530f位于后向部分114上。每一落差传感器安置于侧表面中的一者附近，使得机器人100可检测从其主体110的任一侧到来的下降或落差。每一落差传感器530b到f发射辐射(例如，红外光)且检测所述辐射的反射以确定从落差传感器530b到f直到落差传感器530b到f下方的表面的距离。大于地板与落差传感器530b到f之间的所预期空隙(例如，大于2mm)的距离指示落差传感器530b到f检测到地板形貌中类似于落差的特征。
位于机器人的前向部分112上的落差传感器530c、530d及530e经定位以在机器人沿前向方向F移动时或在机器人转向时检测从其主体110的任一侧到来的下降或落差。因此，落差传感器530c、530d及530e定位于右前拐角及左前拐角附近(例如，将前表面103连接到侧表面104a、b的经修圆表面107a、b附近)。落差传感器530e定位于经修圆表面107b的约1mm到5mm内。落差传感器530c及530d各自定位为与机器人100的拐角(例如，经修圆表面107a)相距介于至少10mm与40mm之间。落差传感器530c及530d定位于侧刷140附近，使得在使用时侧刷140旋转且清扫直接位于落差传感器530c及530d下面的区。
图1C展示具有可移除顶盖105的机器人100的版本的透视图。机器人主体110支撑用于给机器人100的任何电组件供电的电源102(例如，电池)及用于产生真空空气流以使碎屑沉积到垃圾箱(未展示)中的真空模块162。把手106可用于释放可移除顶盖以提供对垃圾箱的接达。释放可移除顶盖还允许对用于清洁头180的释放机构的接达，清洁头180可释放地连接到机器人主体110。用户可移除垃圾箱202及/或清洁头180以清洁任何累积尘埃或碎屑。替代需要对机器人100的大量拆卸来进行清洁，用户可移除清洁头180(例如，通过释放无工具连接器或紧固件)且通过抓握并拉动把手106而倒空垃圾箱202。机器人100进一步支撑机器人控制器151。通常，控制器151操作机器人100的机电组件，例如用户接口140，轮模块120a、b及传感器530(展示于图1A到B中)。
参考图2，机器人控制器151操作清洁系统170、传感器系统500、驱动系统120及导航系统600。清洁系统170经配置以使用滚筒310、侧刷140及真空模块162来摄取碎屑。
传感器系统500具有可彼此联合使用来形成对环境的感知的数个不同类型的传感器，所述感知足以允许机器人100做出关于在所述环境中采取的动作的智能决策。传感器系统500可包含障碍物检测障碍物避开(ODOA)传感器、通信传感器、导航传感器、接触传感器、激光扫描仪、成像声纳等。简单地参考图1A到B，机器人100的传感器系统500包含落差传感器530、可与空隙调节器128a、b一起操作的空隙传感器、可与脚轮126一起操作的接触传感器及具有检测机器人100何时位于障碍物附近的接近度传感器510(包含传感器510a到d)的接近度传感器系统400。另外或替代地，传感器系统500可包含其它接近度传感器、声纳、雷达、光检测与测距(LIDAR，其可需要测量所散射光的性质以得出遥远目标的范围及/或其它信息的光学远程感测)等、红外落差传感器、接触传感器、相机(例如，体积点云成像、三维(3D)成像或深度图传感器、可见光相机及/或红外相机)等。
还参考图1A及1B，包含轮模块120a、b的驱动系统120可基于具有x、y及θ分量的驱动命令而操纵机器人100跨越地板表面。控制器151操作导航系统600，导航系统600经配置而以伪随机模式操纵机器人100跨越地板表面。导航系统600是存储于机器人控制器151上及/或在机器人控制器151上执行的基于行为的系统。导航系统600从传感器系统500接收输入且确定驱动命令并将驱动命令发出到驱动系统120。
控制器151(执行控制系统)经配置以致使机器人执行例如与基站对接、以墙壁沿循方式、地板清扫方式操纵或在例如接近度传感器系统400检测到障碍物时改变其行进方向等行为。控制器151可响应于从传感器系统500的传感器接收的信号而使轮模块120a、120b重新导向，从而致使机器人100在处理地板表面时避开障碍物及杂乱物。如果机器人100在使用期间被卡住或被缠住，那么机器人控制器151可通过一系列躲避行为引导轮模块120a、120b，使得机器人100可躲避且重新开始正常清洁操作。
机器人控制器151可通过独立地控制每一轮模块120a、120b的旋转速度及方向而沿任何方向操纵机器人100跨越地板表面。举例来说，机器人控制器151可沿前向F、后向A、右R及左L方向操纵机器人100。在机器人100基本上沿着前后轴Y移动时，机器人100可进行重复交替的右转向及左转向，使得机器人100围绕中心垂直轴Z来回旋转(下文中称为摆动运动)。此外，机器人控制器151可使用摆动运动来检测机器人停滞。另外或替代地，举例来说，机器人控制器151可操纵机器人100基本上原地旋转使得机器人100可操纵远离障碍物。机器人控制器151可引导机器人100在横越地板表面时越过基本上随机(例如，伪随机)路径。
传感器几何结构
参考图1A，在一个实施方案中，安置于正方形前部或“碑石”状机器人100上的接近度传感器510a到d使用IR感测，IR感测在重叠发射反射与接收器检测区带的原理上操作。每一传感器510a到d包含将光锥体或发射光束广播到所关注区域(例如机器人在其前向方向运动期间的前侧及横向侧附近)处的环境中的发射器及接收来自从机器人100的路径中的物体反射的发射的光的检测器。发射光束的锥体与接收器视场的锥体经布置以彼此相交，且仅在物体位于两个锥体的相交区带的情况下，传感器将做出响应并检测到物体。两个锥体的相交区带粗略地为蛤状或卵形的。增大发射器中心轴与传感器中心轴之间的角度会使蛤的宽度增大，且因此使检测区带/重叠区带/相交区带增大。
机器人100的前表面103附近的物体检测是使用接近度传感器系统400的在此原理上操作的接近度传感器510a到d来实施。还参考图3A及4A，每一接近度传感器510a到d使用红外发射器522a、b及红外检测器或接收器524，红外发射器522a、b与红外检测器或接收器524朝向彼此成角度以便具有重叠发射光束与检测场，且因此具有经定位以横跨远离机器人主体110预定距离范围的经定界检测体积V。所述预定距离可包含介于2mm到55mm之间的距离。通过将检测体积V的界线调谐为在机器人主体110的周界之外的特定近及远距离内，机器人100能够同时感测小的暗物体及大的亮色物体且及时对每一状况做出响应以避免碰撞。所述预定距离范围部分地由接收器检测场及发射光束的经机械变更几何形状确定。替代从发射器不受限地发射出，发射光束被两次重塑且重新导向，且检测区带类似地经重塑以检测机器人附近的小的暗物体及与机器人间隔开较大距离的大的亮色物体两者。经两次重塑发射光束及经重塑接收器检测视场确定传感器510的所得经定界检测体积V的几何形状及其相对于机器人主体110的放置。经两次重塑发射光束及接收器的经重塑检测场以组合方式界定所得检测区带V的近及远边界，借此确定可检测到的物体的最近及最远距离。
本文中所描述的传感器510具有由两个水平重叠的经定界检测体积V1、V2定形状及划定边界的总经定界检测体积V的宽视场。在各实施方案中，机器人100包含具有经定界检测体积V的传感器510的阵列，在俯视图中，经定界检测体积V跨越机器人100的前部且围绕拐角107a、b水平定向。传感器510包含单个接收器524，单个接收器524与两个发射器522a、b成对且经配置使得两个发射器522a、b沿着机器人100的高度定位于与接收器524不同的高度处。在各实施方案中，发射器522a、b安置于传感器510上接收器524下方，且接收器524沿着两个发射器522a、b之间的中线安置。在其它实施方案中，接收器524与发射器522a、b的垂直定向可为相反的，且在又一些实施方案中，接收器可从发射器522a、b之间的中线偏移。使接收器偏移将变更由重叠发射光束523a、b及接收器视场524界定的经定界检测体积V的几何形状。在各实施方案中，接收器524安置于小于机器人100的总体高度的20％到30％的高度处，且发射器522a、b安置于小于机器人100的总体高度的35％到45％的高度处。
一对发射器522a、b的顶部上的接收器524结合传感器510壳体上的挡板的垂直定向控制经定界检测体积V的几何形状及其相对于机器人100的前部及拐角107a、b的放置。一对发射器522a、b的顶部上的接收器524的垂直定向产生水平伸长的蛤壳状检测区带，水平伸长的蛤壳状检测区带提供跨越机器人100的前表面103安置的接近度传感器510的阵列的经定界检测体积V的连续重叠覆盖。此外，接近度传感器的阵列的最外端处的水平蛤壳状检测体积V允许机器人100检测前拐角(例如，图1A的扁平前部机器人100的经修圆表面107a、b)周围的区域中的物体。这给机器人100提供其最宽点处的障碍物检测且允许机器人100检测一或两个拐角107a、b一旁的物体是小的柱子还是将防止机器人100原地转向的实心墙壁。
另外，发射器顶部上的接收器524结合使接收器524的顶部边界以几乎水平角度向外瞄准的传感器主体514几何结构的垂直布置将接收器视场放置于实现也检测来自远程外围装置(例如对接站及/或约束光束发射器)的发射的双重功能的高度及定向处。接收器524因此在不延伸于机器人100的顶部表面101上面的情况下执行导航及外围检测的双重功能。机器人100因此具有足够短以在例如顶部表面101上的单个经升高特征不阻碍移动的情况下在例如沙发及橱柜悬垂物等家具及固定物下面通过的限高标准。双重用途接收器因此允许机器人100利用传感器510与接收器524的单个阵列来导航且检测障碍物，以及检测外围事物。机器人的最高点上的全向经升高传感器可检测围绕机器人的360度，但具有全向传感器的机器人的有效经升高高度将清洁区限制于其空隙高于机器人的最高点的那些区。为了消除此经升高元件但仍检测围绕整个机器人100的外围发射，在一个实施方案中，机器人100进一步包括围绕机器人100的周界安置的多个接收器524，使得接收器的视场针对全周界检测重叠(参见图7)。在此实施方案中，机器人100的前部103处的传感器510的阵列中的双重用途接收器524结合围绕机器人主体110放置的类似独立接收器524消除对全向经升高传感器的需要，从而减小对机器人100的顶部表面101的总体限高标准。通过使联合本文中所描述的发射器522a、b使用的接近度传感器510的接收器视场525的上边界基本上水平对准，传感器系统500充当检测固定物体及感测变更机器人100的行为的外围发射的双重用途。
接收器视场525及发射光束523a、b(相对于机器人主体110)的几何形状、定向及位置由传感器主体514界定。参考图3A到B及4A到E，在一个实施方案中，接近度传感器510包含容纳接收器524以及第一发射器522a及第二发射器522b的传感器主体514。传感器主体514经定大小及定形状为具有与接收器524啮合的凹部424及经定大小及定形状以与第一发射器522a及第二发射器522b啮合的两个凹部422a、b。发射器522a、b彼此邻近且相对于彼此在同一水平面上居中，沿着机器人100的横向轴X间隔开。接收器524与发射器522a、b垂直地安置于第一发射器522a与第二发射器522b之间的中线处。即，当将传感器510组装于机器人主体110上时，接收器524沿着机器人100的垂直轴Z从发射器522a、b位移。接收器524具有接收器视场525，且发射器522a、522b中的每一者具有相应发射光束或发射器视场523a、523b。接收器视场525与第一发射器522a的第一发射光束523a相交且界定第一经定界检测体积V1。另外，接收器视场525与第二发射器522b的第二发射光束523b相交，从而界定第二经定界检测体积V2。第一经定界检测体积V1及第二经定界检测体积V2因此界定重叠接收器视场525的两个区域以界定用于刚超出机器人100的周界的障碍物检测的经定界检测体积V，经定界检测体积V具有水平伸长且向下成角度的蛤壳形状，具有来自两个不同源(第一发射器522a及第二发射器522b)的照射。
通过使接收器524与排成一行的发射器522a、b垂直地定向，传感器510的经定界检测体积V在水平维度上大于具有与发射器水平排成一行的接收器的传感器。这在正方形前部机器人100上是特别有用的，这是因为跨越前部间隔开的多个垂直定向的传感器的发射覆盖机器人100的整个水平宽度以及围绕及超出机器人100的前部103的拐角107a、b的区域。经定界检测体积V的重叠阵列因此改善跨越前部103及围绕机器人100的拐角107a、b的检测。经定界检测体积V的此重叠阵列对于正方形前部机器人100是特别有利的，从而允许机器人100避免行进到将防止机器人100原地转向的窄通道中。不同于圆形轮廓机器人(其是对称的且在圆形轮廓机器人转向时在所有定向呈现相同周界)，正方形前部机器人100具有延伸超出机器人的后部的圆形轮廓的拐角。参考图5A，机器人100的拐角的经修圆表面107a、b需要充足空隙来在机器人主体110原地旋转时转向。具有延伸超出机器人主体110的侧面达距离615的重叠经定界检测体积V会确保机器人100可检测物体是较容易经导航绕过的柱子还是将防止原地转向的较大障碍物。机器人100因此能够确定在机器人的任一侧上是否存在充足空隙来实现转向。
在一些实施方案中，发射器522a、b提供相等照射功率，且机器人100在时域中调制发射，从而在其关断发射器522a、b时交替地激发另一发射器522a、b，因此经定界检测体积V相对于接收器视场525的位置从左向右移位，或反之亦然。每一传感器510因此检测包含重叠但循序激活的经定界检测体积V1及V2的总经定界检测体积V，经定界检测体积V1及V2以组合形式横跨由传感器主体514定界线的有效接收器视场525的全水平扩展范围。发射器522a、b将以交替顺序激发闪烁，使得机器人100上的处理器将至少以1ms/传感器的速率处理所检测光反射(所述速率是将使得机器人100能够对所检测障碍物及时做出响应的速率)，且通过减慢行进速率而防止缓冲器130以全速及全力接触障碍物。
发射器522a、b的循序激发允许经定界检测体积V检测刚超出机器人的前表面103及拐角107a、b的区域的实质部分中的障碍物，同时仍提供机器人100可区分体积V1及V2中的近暗色物体及大的亮色物体的高空间分辨率。参考图5A，循序地激活发射器522a、b允许机器人100检测较靠近机器人100的第一区域603内的暗色物体605的位置以及相比于第一区域603距机器人100较远但仍在短距离(例如，小于3英寸)内的第二区域604中的亮色物体610的位置。此结果通过以下操作而实现：阻挡循序激发的发射光束523a、b以控制其大小及形状，且将接收器524上的所接收辐射阈值设定为足够低的值使得所发射光的较高百分比从小的暗光吸收物体605以及从非常靠近机器人100的周界(例如，小于3英寸且优选地小于2英寸)的区域内的具高反射率的较亮表面610往回反射。在各实施方案中，所检测功率比(所接收光对所发射光)介于1E-9与1E-8或1到10十亿分率之间。在各实施方案中，所检测功率介于10与100十亿分率之间。在各实施方案中，发射器效率是35mW/100mA，发射器电流是150mA，发射器功率是52.5mW，接收器效率是3uA/mW/cm2，接收器面积是0.23mm2，接收器阈值电压是100mV，跨阻抗增益是8.00E+08V/A，接收器阈值电流是1.25E-10A，接收器阈值功率是9.58E-08mW，且所检测功率比是1.83E-09。
如果级联地激发发射器(或如果存在单个较宽角度发射器)，那么比检测所述高反射率物项所必需多的光将从大的亮色表面往回反射，且此经增加辐射将比检测从小的暗色近物体返回的反射的小百分比值所需的低阈值大得多。机器人100将接着感测从亮色物体反射的光的此经增加功率值，且确定物体比原来更靠近机器人100。在此情形中，机器人100将减慢以避免太快而碰撞，且将延长任务持续时间并降低清洁效率。因此，通过将确定障碍物的存在所必需的所接收辐射的阈值降低为使得能够检测小的暗色光吸收性表面(例如暗椅子支腿及桌子支腿)的值且通过循序地激发发射器522a、b使得一次仅一个光源照射经定界检测体积V的一部分，大的亮色障碍物(例如，墙壁、大件家具、橱柜等)仅往回反射机器人100检测近距离处障碍物的存在必需的光量。本发明的传感器510因此经调谐以检测靠近机器人100的小的暗色物体及亮色物体两者，使得在接触之前做出减慢的响应或减慢且避免发生靠近物体(例如，近于3英寸且优选地近于2英寸)的接触。
使用下文详细描述的挡板来约束由发射光束523a、b界定的经定界检测体积V1、V2以实现距机器人100的外围处于2mm到55mm的范围的障碍物检测。第一经定界检测体积V1及第二经定界检测体积V2延伸(在具约20cm到40cm宽度及约3cm到8cm的轮直径的机器人中)远离机器人100超出机器人主体110的周界大约2mm到大约5cm。
传感器510安置于前表面103后面且在机器人主体110的顶部表面101附近。当放置于地板10上时，机器人具有从地板10到顶部表面101的总体高度H1及从机器人的底部表面109到机器人主体110的顶部表面101的机器人主体高度H2。传感器经定向为接收器524位于发射器522a、b上面，使得接收器524可与外围信号检测兼容地检测地板表面上面的高度(参见图3B)处的发射。举例来说，传感器510可位于机器人主体110的顶部50％或机器人100的从机器人100的顶部表面101到地板表面10测量的总体高度H1的顶部55％中。在一个实施方案中，接收器524经定位使得其视场525包含高度H，且接收器位于机器人主体高度H2的顶部20％到35％(例如，22％、24％、26％、28％、30％、33％)内。在一个实施方案中，接收器位于机器人100的总体高度H1的20％到30％(例如，21％、23％、25％％、27％)内。
在各实施方案中，发射器522a、b位于机器人主体高度H2的顶部40％到50％(例如，41％、43％、45％、47％)内，且优选地在总体高度H1的顶部35％到45％(例如，37％、39％、40％、41％、43％)内。
举例来说，在具有79mm的机器人主体高度H2及86mm的总体高度H1的机器人100的一个实施方案中，接近度传感器510经定位使得接收器距机器人的顶部表面101大约22mm(例如，21.88mm)，或在机器人主体高度H2的顶部28％(例如，27.6％)及机器人100的总体高度H1的大约25％(例如，25.4％)内。发射器522a、b距机器人主体510的顶部表面101大约35mm(例如，34.38mm)，在机器人主体高度H2的45％(例如，43.5％)及机器人100的总体高度H1的40％(例如，39.9％)内。
参考图4B，接收器524经布置以具有与发射器522a、b的发射光束523a、b两者相交的视场525。举例来说，接收器524可具有视场角θ1，其中θ1是大约120°。发射器522a、b可分别具有光束发射角θa、θb。第一光束发射角度θa可大于、小于或等于第二光束发射θb，且第一光束发射角θa及第二光束发射角θb两者均小于θ1。在所说明实例中，第一光束发射角θa及第二光束发射角θb各自为大约60°。改变第一光束发射角θa及第二光束发射角θb会确定发射光束523a、b与接收器视场525交叉之处，且因此确定超出机器人主体110的周界可检测到障碍物的最近及最远距离。第一光束发射角θa及第二光束发射角θb由传感器主体的包含设定为与垂直线成15度角的针点切口526的开口处的一组挡板塑形。此针点切口526使从第一小针点挡板开口519发射的光变窄为经定界视场，使得所发射光为在距机器人主体110的周界处于近及远距离处与接收器视场525交叉的经两次重塑发射光束523a、b。
如果反射是来自较亮反射性材料，那么与来自较暗材料相比，第一经定界检测体积V1及第二经定界检测体积V2内的所接收信号强度较强。在图4B中，第一经定界检测体积V1及第二经定界检测体积V2由线540D定界线，线540D描绘从暗色物体反射的所接收信号的视场的最远检测距离。当信号是从亮色物体(例如，墙壁)反射时，第一经定界检测体积V1及第二经定界检测体积V2延伸到线540L。所述第一及第二体积两者均由发射器与接收器视场的重叠部分且另外由接收器524的阈值信号强度定界线。如所展示，由于所述视场的重叠几何形状由挡板界定，因此经定界检测体积V1、V2是不规则形状的。
经定界检测体积V在检测亮色柱子时具有距机器人100的外围大约55mm的最远检测极限，且在检测暗色柱子时具有距机器人100的外围(或传感器510出口)约25mm的最远检测极限。
如上文所提及，为了形成水平伸长且向下成角度的蛤壳几何形状且将经定界检测体积放置于距机器人100的设定距离处，通过传感器主体514中的顺序挡板将发射视场两次重塑。如图4A及3B中最佳展示，LED发射源附近的点源挡板519将来自发射器522a、b的光吸引到一点中以将所述发射聚焦为受控光束。此光点将在不受限制的情况下向外扩展(如在壳体内传出的光射线所指示)，但传感器壳体的前边缘处的额外挡板521界定发射光束的边界，从而使其成为经两次重塑发射光束523。发射光束523a、b是经两次重塑光束，其首先由圆点源挡板519塑形且接着由在挡板开口上包含尖锐切口526的下游挡板521塑形。如下文所论述，挡板517、518、519、521经布置使得相交经定界检测体积V处于超出机器人主体110的周界预定距离范围。
在一些实施方案中，检测包含接收从第一视场525接收的光的反射，及沿着第一发射光束523a或第二视场从第一发射器522a发射光。所述方法还包含沿着第二发射光束523b或第三视场从第二发射器522b发射光。第一视场525与第一发射光束523a及第二发射光束523b(第二及第三视场)相交，其中第一视场525与第二视场523b的相交界定第一体积V1。第一视场525与第三视场523b的相交界定第二体积V2。第一体积V1检测障碍物直到距感测参考点(由挡板几何形状确定)阈值距离，第二体积V2也如此。
特别参考图4A到B，传感器510具有平分传感器510且沿着机器人主体的水平或前后轴Y布置的纵向感测轴YS。发射器522a、522b围绕此轴YS对称地布置，且接收器524在感测轴YS上居中。感测轴YS平分接收器视场525(如图4B中所展示)。
接收器视场525经布置以检测平行于前后轴Y的水平发射。接收器视场525还与水平线向下稍微成角度，以便与发射光束523a、523b相交。接收器视场525具有与水平线成角度θ524的中心轴Y524。发射光束523a、523b是向上成角度的，具有向上导向的发射光束轴Y523a、Y523b以便与接收器视场525相交。为了确保检测，接收器视场中心轴可相对于感测轴YS(在此情形中，水平前后轴Y)处于介于约0度与约15度之间的角度θ524，且发射光束轴的中心轴Y523a、Y523b相对于感测轴YS(在此情形中，水平前后轴Y)处于介于10度与约20度之间的角度。
由重叠检测体积V1、V2形成的经定界检测体积V由发射器522a、b的发射光束轴Y523a、Y523b的角度及垂直角度扩展范围θ523a、θ523b以及接收器524的中心轴Y524及垂直角度θ524界定。从传感器主体514的前部到检测体积的起点的距离L1界定可检测到传感器壳体前面的物体所处的最近距离或体积V的起点。从传感器主体514的前部到检测体积的最远点的距离L2界定可检测到传感器壳体前面的物体所处的最远距离或体积V的终点。发射器及接收器的类型及功率电平也可影响检测距离L1及L2。
在一些实施方案中，传感器510使用编码调制(在38kHz上的数据)来区分第一发射器522a与第二发射器522b，且所述传感器因此混合有时间编码及频率编码。频率编码排除外部发射源，且时间编码区分发射器。在一些实施方案中，38kHz接收器524利用大约90dB的放大率来使用，从而使用同时编码数据的8个位。六个位用于将发射源识别为接近度传感器510，且两个位用以将发射源识别为属于第一发射器522a还是第二发射器522b。在一些实施方案中，接收器是具有在1kHz下调制的大约80dB的增益的光电二极管，从而使用经编码数据的两个位来将发射源识别为属于第一发射器522a还是第二发射器522b。
发射器522a、b及接收器524可被递增地或循序地激活以防止串扰，串扰在一个传感器组件同时从两个传感器组件接收信号时发生，借此导致物体的不正确(例如，误肯定或误否定)检测。在使用FFT的又一些实例中，同时发射具有防止错误读取的不同频率的发射器。在又一些实例中，发射器522a、b在光学频域中被调制且为了两个源的可靠单独检测而使用两个不同色彩的发射，且接收器524区分两个不同波长。
其中发射器522a、b被循序激活的本文中所描述的传感器510的配置允许机器人100看到靠近机器人的小的暗色物体605及距机器人较远的大的亮色物体610两者。替代一次激活两个发射器以同时照射体积V1及V2，仅激活一个发射器使得机器人100能够区分V1与V2中的物体且改善空间分辨率。由于传感器主体514导致的光的几何形状既限制从经定界检测体积V损耗多少功率又使得经定界检测体积V能够靠近机器人以最小化机器人100感测暗色物体605与亮色物体610的距离差异。机器人100可因此检测小的暗色物体605的位置及边界以及较远距离处的大的亮色物体610的位置，使得机器人100可在减慢其速度以避免在高速下碰撞之前靠近障碍物。
利用所描述的传感器布置，检测经定界检测体积V中的物体。在一些实施方案中，为了覆盖尽可能多的清洁表面，使用机器人的可变操作速度，所述可变操作速度具有在未检测到物体的情况下在正常操作期间的第一速度及在检测区带V中检测到物体时的第二速度。当检测到物体时，机器人将减慢使得第二速度低于第一速度。举例来说，第二速度是第一速度的大约1/3。循序激发发射器522a、b以结合挡板照射检测区带V1、V2会允许经定界检测体积V尽可能靠近机器人，使得机器人可总是检测处于紧密接近度(例如，即将触碰机器人的表面)的物体。如果检测到大的亮色物体610(例如，墙壁)，那么机器人100可在靠近所述物体时从第一速度改变为第二速度，借此改善效率。
循序激发发射器522a、b的另一优点是机器人100可定位小的暗色物体605的边缘。此能力允许机器人导航绕过这些小的暗色物体605。不同于检测到大的亮色物体610，机器人100可不改变速度。举例来说，机器人100频繁遇到的小的暗色障碍物605包含椅子支腿。当机器人在前向运动期间遇到椅子支腿时，机器人可因此不仅检测一般障碍物，而且检测椅子支腿的大小及边缘。机器人可因此确定存在空间来操纵绕过所检测小的暗色障碍物605，且继续前向运动。由于检测区带V从机器人主体110的侧面横向延伸到距离615，因此机器人可在机器人主体110的任一侧上检测到椅子支腿时例如在椅子下面行进，这是因为机器人100已确定椅子支腿的边缘。在清洁操作期间，机器人100可因此有利地感测障碍物的大小且将其分类为可操纵绕过的物体(例如，小的暗色障碍物605)，同时也感测存在机器人可通过其转向的开放空间，从而准许机器人在椅子下面两个椅子支腿之间行进且接着转向并穿过邻近椅子支腿在椅子下面行进出去。由于机器人100可检测物体605的边缘，因此机器人可感测到其并未进入其中其无法原地转向的窄通道，且不需要起始躲避行为以导航远离所述窄通道。
挡板/传感器
如先前所提及，使用挡板来限制从机器人100距其中物体诱发传感器响应的经定界检测体积V的最近及最远距离。此挡板改善对响应体积的边缘的界定(例如，控制响应的距离)且改善一组传感器510a到d分辨障碍物的大小及位置的能力。经改善空间分辨率允许传感器为在导航机器人时采用的映射算法提供更有意义数据。机器人100能够通过以下操作检测小的暗色物体：将检测聚焦于靠近机器人主体110的周界的经定界检测体积内，且从两个发射器循序地发射光以改善经定界检测体积V内的空间分辨率。机器人能够产生清洁区的映图，且在所述映图内包含小的暗色物体。在一些实施方案中，相机可安装于机器人主体110上。相机可与接近度传感器510级联地工作以构建机器人环境的映图。参考图3B及4A且如下文详细描述，发射器522a、b附近的小的孔隙519使所发射光更像地充当点源，且较远离传感器的下游挡板521的尖锐切口挡板边缘界定锥体的边界，包含切口526。
除发射器522a、b相对于接收器524的垂直几何结构外，挡板也约束传感器510的响应。挡板限制传感器组件中的至少一者的视场。发射器挡板防止来自发射器的一些光从传感器主体发射出，而接收器挡板界定所接收光从其到达接收器的视场。传感器主体外部的发射光束523a、b是已相对于由发射器522a、b发射的全辐射锥体减小的发射锥体。传感器主体514利用挡板夹点来引导光，且界定发射光束523a、b及接收器视场525的边界以设定检测区带V的近及远距离。挡板壁可经设计以使传感器组件522a、b，524的发射光束523a、b，525变窄或扩展。
参考图3A到C及4A，传感器主体514具有双挡板，所述双挡板具有五个夹点(用于接收器524的两个夹点及用于每一发射器522a、b的一个夹点以及由发射器522a、b共享的一个夹点)。第一发射器夹点是允许发射光束523如同来自点源一般填充传感器主体514的体积的发射器孔隙519的开口，且用于发射器的第二夹点是形成较远离发射器522a、b的用于所发射清晰光边界的清楚截止的下游挡板边缘521。下游挡板边缘521包含以大约15度的角度延伸到壳体中的切口526。所得发射的边缘因此是清晰且非衰减的，且借此改善相交体积V1、V2的准确度。
由于此挡板配置，发射光束523a、523b向上成角度，其中发射光束轴Y523a、Y523b对向大约30°的垂直角度扩展范围θ523a、θ523b。20°到45°的角度也是可能的。发射光束轴Y523a、Y523b及垂直角度扩展范围θ523a、θ523b的所要角度由传感器主体514的尺寸确定。在一个实例中，从发射器522a、b到下部下游挡板边缘521的距离是4.42mm，且到上部下游挡板边缘521的距离是7.62mm，且上部与下部下游挡板边缘521分离3.7mm。下游挡板边缘分离11.13mm。如图3C中最佳展示，上部下游挡板边缘521具有延伸到传感器主体514的主体中的15°切口526角度，其重塑发射光束523a、523b的上边界且界定经两次重塑发射光束523a、523b的形状。
减小下游挡板边缘521的分离会减小垂直角度扩展范围θ523a、θ523b及发射光束轴Y523a、Y523b的角度。这些改变会增大或减小发射光束523a、523b的大小，且相对于由发射器522a、b发射的信号的强度增大或减小从传感器主体514发射的信号的强度。这些改变也会改变发射光束523a、523b从机器人主体110照射的距离。如图3C中所展示，在一个实施方案中，下游挡板边缘521具有3.70mm的高度及11.13mm的宽度。修改任一尺寸会修改垂直或水平角度扩展范围。
两个上部夹点包含较远离接收器524的接收器挡板边缘518，其在传感器主体514内形成从视场525接收的发射上的清楚截止。接收器挡板边缘518经选择以水平地将所接收视场525局限为具有大约120度的角度θ1(图4B)。接收器孔隙517的开口更清晰地检测这些信号。视场525的边缘因此为清晰的，且改善V1、V2的准确度。如图3B到C中所展示，在一个实施方案中，接收器挡板边缘518具有3.06mm的分离高度及9.2mm的宽度，而接收器孔隙517具有2.14mm的高度。改变任一尺寸会修改接收器524接收的垂直或水平角度。
接收器视场525具有从水平线向下成角度θ524的中心轴Y524。接收器视场525也经阻挡以对向垂直角度扩展范围θ525。垂直角度扩展范围θ525可介于15°到30°之间。在一个实例中，从接收器524到接收器挡板边缘518的距离是6.88mm，且上部与下部接收器挡板边缘518分离3.06mm，这产生22.33°的垂直角度扩展范围θ525。接收器挡板边缘518分离9.20mm的宽度。
如图1A、3B、3C及7中所展示，在一个实施方案中，机器人100具有113mm的宽度及86mm的高度。传感器510包含定位于围绕机器人主体110的周界的位置处的接收器524，使得两个发射器522a、b并排且在接收器524下方定位。从发射器522a、b到下部下游挡板边缘521的距离是4.42mm，且到上部下游挡板边缘521的距离是7.62mm，且上部与下部下游挡板边缘521分离3.7mm。下游挡板边缘分离11.13mm的宽度。上部下游挡板边缘521具有15度的切口526角度。从接收器524到接收器挡板边缘518的距离是6.88mm，且上部与下部接收器挡板边缘518分离3.06mm，这产生22.33度的垂直角度扩展范围θ525。接收器挡板边缘518分离9.20mm的宽度。传感器定位于机器人的高度的上半部内。这些特征的组合允许机器人100具有距机器人的周界介于2mm与55mm之间的经定界检测体积V。
修改接收器524附近传感器主体514的尺寸会控制垂直角度扩展范围θ525、视场轴角度θ524及视场轴Y524。这些改变会增大或减小接收器视场525的大小，且相对于入射于壳体上经阻挡边缘518附近的信号的强度增大或减小在传感器524处接收的信号的强度。这些改变也会改变接收器视场525从机器人主体110照射的距离。
由重叠检测体积V1、V2形成的经定界检测体积V因此由发射器522a、b的发射光束轴Y523a、Y523b的角度及垂直角度扩展范围θ523a、θ523b以及接收器524的中心轴Y524及垂直角度θ524界定。从传感器主体514的前部到检测体积的起点的距离L1界定可检测到传感器壳体前面的物体所处的最近距离或体积V的起点。从传感器主体514的前部到检测体积的最远点的距离L2界定可检测到传感器壳体前面的物体所处的最远距离或体积V的终点。各种范围是可能的，其中L1介于1mm与10mm之间，且L2介于40mm与70mm之间。举例来说，L1可为大约2mm，且L2可为大约55mm。发射器及接收器的类型及功率电平也可影响检测距离L1及L2。
参考图5A，如上文所描述配置的接近度传感器510可减小在感测相对亮色物体与相对暗色物体时有效检测距离的差异。具体来说，在近IR范围中光学吸收率非常高的暗色障碍物600(举例来说，黑色桌子支腿)可在检测区带内被准确地检测到，如亮色物体610也可如此。此外，小的及/或窄的暗色物体可通过循序发射使得机器人不仅看到这些物体而且相对知晓其定位于何处以导航绕过所述障碍物而检测到。
多传感器检测
参考图5A到5B，缓冲器130界定与机器人主体110的前外围及沿着前表面呈并排配置(例如，沿着机器人的横向轴)分布的接近度传感器510a到d的阵列550互补的形状。每一接近度传感器510a到d具有两个IR发射器及与所述发射器垂直间隔开的红外检测器且经布置以具有会聚对应发射场及检测场，从而产生相应经定界检测体积Va到d。阵列中的每一接近度传感器对应于沿着移动机器人100的周界的预定接近度传感器位置。此外，每一接近度传感器分离开在邻近接近度传感器之间界定的距离D1。距离D1及传感器布置经选择以便使每一传感器具有经定界检测体积V，经定界检测体积V触碰或在一些情形中重叠以提供跨越机器人的整个前面及横向侧对障碍物的检测。
在一些实例中，传感器分离距离D1可介于机器人的最大宽度的15％与30％之间，例如25％。将传感器510a及510d与机器人的横向边缘分离的横向分离距离D2可不同于D1，例如，大于或小于D2。D1可介于机器人的最大宽度的5％到20％之间，例如，机器人的最大宽度的大约10％。举例来说，针对最大宽度为311mm的机器人，传感器分离距离D1可介于50mm到100mm之间(例如，62mm)，且横向分离距离D2可介于50mm与100mm之间(例如，62.5mm)。
尽管展示其中接近度传感器各自分离相等分离距离D1的机器人配置，但在其它实施方案中，接近度传感器510a到d可具有非均匀分离距离。第一与第二接近度传感器之间的距离可不同于第二与第三接近度传感器之间的第二距离，且第三与第四传感器之间的第三距离可不同于或相同于其它分离距离。优选地，针对机器人主体110上具有最少可能数目个传感器的最大覆盖范围使传感器均匀地间隔开以实现经改善处理、性能及成本。
在一些实施方案中，阵列中的接近度传感器510a到d的发射场及检测场中的至少一些与沿着移动机器人100的前表面的其它接近度传感器的场重叠。传感器510a到d的此布置可不仅允许检测在机器人前面的障碍物，而且允许检测横向超出机器人的侧表面达距离615的障碍物(图5A)。针对具有正方形前部轮廓的机器人，这是特别有利的，因为对横向超出机器人的侧表面的物体的检测允许机器人检测到其已进入其将难以躲避的窄区域(例如，正方形前部机器人处于窄通道中且不能旋转)。不同于具有圆形轮廓的机器人，本文中所描述的机器人100具有包含拐角的正方形前部轮廓，所述拐角可捕获靠近机器人的横向侧的障碍物。优点包含更佳路径规划、覆盖地板表面中的经增加效率，这归因于机器人必须后退或发射指示机器人被卡住的信号的次数的消除或减少及其中机器人由于卡在窄通道中而不能完成清洁过程的次数的减少或消除。
对横向超出机器人的侧表面处于距离615的亮色障碍物及暗色障碍物两者的检测准许机器人100确定障碍物的存在。控制器151可接着引导驱动系统120以例如通过反转方向及后退远离先前前进方向而操纵远离障碍物直到传感器系统500不再检测到障碍物为止。机器人100还可确定横向定位的物体是小的还是大的。横向接近度传感器510a或510d可例如通过跨经确定行进距离(例如10cm)在机器人的侧面处使检测场内的物体的存在对齐而检测到所述物体是大的。机器人可将物体分类为墙壁，且控制器151可引导驱动系统120将驱动行为改变为墙壁沿循或其它行为。如果横向接近度传感器510a或510d两者均检测到大的物体的存在，那么控制器可引导驱动系统120执行躲避，例如，停止前向运动，后退直到不再检测到墙壁中的一者或两者为止，及接着转向。横向接近度传感器510a或510d可例如通过跨经确定行进距离(例如10cm)使检测场内的物体的存在对齐且接着通过所述物体不存在于机器人的侧面处而检测到所述物体是小的。由于发射器522a、b的循序激发及经改善空间分辨率，机器人可将物体分类为椅子支腿，且控制器151可引导驱动系统120将驱动行为改变为小物体沿循或其它行为。
如图5A到B中所展示，移动机器人100的前表面可沿着其整个宽度并非扁平的，即，不平行于横向轴。如果与缓冲器130的形状互补，那么传感器510a到d因此经布置使得每一传感器具有纵向感测轴YS，纵向感测轴YS不平行于前后轴且可不同于其它传感器中的每一者的其它纵向感测轴YS。在此实例中，两个中心接近度传感器510b、c经定向为其感测轴YS平行于前后轴，而两个横向接近度传感器510a、510d位于机器人的前拐角处的经修圆表面处。这两个传感器的感测轴YS因此不与中心传感器510b、510c的那些感测轴平行。另外或替代地，传感器510a到d的不同纵向感测轴YS可通过相对于移动机器人100的前表面旋转传感器510a到d的放置而实现。替代将每一传感器主体放置为与前表面齐平，可使传感器主体514相对于前表面成角度。
不论传感器510a到d的感测轴YS是否平行，传感器阵列550中的呈并排布置的每一传感器510a到d均经布置以具有重叠经定界检测体积V。
在本文中所描述的实施方案中，通过使接收器的接收体积水平地布置而实现优点。此配置允许机器人100检测外围装置，例如对接站或虚拟墙壁信标。组合障碍物检测与外围检测的功能会减少机器人的部件的数目，从而减小机器人100的成本及重量。被组合的所述两个功能允许消除对在机器人的顶部表面101上面延伸的全向接收器的需要。双重用途接收器实施例减小机器人的总体高度。所得机器人更精简且具低轮廓，且能够在不受机器人上的单个高点限制的情况下在家具及脚趾踢动物(toe kicks)下面更佳地操纵。
图6中展示围绕环境操纵机器人100的方法1000。所述方法在步骤1010处开始。在步骤1020处，机器人1020以其第一速度(例如1m/s)围绕环境导航。在步骤1030处，机器人接收到来自接近度传感器的信号。在步骤1040处，机器人确定在传感器的经定界检测体积內是否检测到待避开的障碍物。如果未检测到物体，那么机器人返回到步骤1020且继续以所述第一速度围绕环境导航。如果接近度传感器检测到物体，那么在步骤1050中，机器人将其前向速度减慢到通常为所述第一速度的约1/3的第二速度且以所述第二速度前进。在步骤1060处，机器人接着确定是否已与缓冲器所感测的所检测物体接触。如果否，那么机器人继续以所述第二速度向前移动以轻微触碰所检测物体。当缓冲器检测到与所述物体接触时，在步骤1070处，机器人执行操纵行为(例如，墙壁沿循、反转方向)。在步骤1080处，机器人接着将速度增加回到第一速度，且继续围绕环境导航，步骤1020。
机器人100可经设计以与位于清洁区中或附近的基站或对接站互动。基站包含界定机器人可从其恰当地对接的对接方向的基座及容纳于基座中的机器人充电器。全向光束发射器可安装于基座上且经配置以围绕对接站横向地投射接近度光束。两个导航场发射器容纳于基座中且经布置以分别发射信号束的相应横向经定界且重叠的发射场。所发射场中的一者界定与对接方向对准且与所述场中的另一者重叠的横向场边缘。基站的两个导航场发射器经定位以在其间形成介于约45度与90度之间的角度。基站的两个导航场发射器的发射场可为例如可从接近度传感器510的检测器524检测的红外光。两个导航场发射器经定位以在其间形成介于约45度与90度之间的角度。
在一些实例中，在清洁操作终止后，机器人100即刻自主起始对接模式以朝向基站操纵且与所述基站对接。机器人通过检测与对接方向对准的重叠场的横向场边缘且沿着所述边缘前进而朝向基站操纵直到与所述基站对接为止。在一些实施方案中，机器人利用跨越正方形前部机器人的前部均匀间隔开的四个接近度传感器510检测基站的发射以在流动运动中容易地以对接站为中心且逼近对接站。举例来说，最靠近机器人的中线的中间传感器510b及510c检测对接站的发射器且沿着对接站的所发射光束直接移动到对接站中。传感器阵列550的呈并排布置的四个接近度传感器510a到d允许机器人识别对接站发射的发射或光束的两个锥体，且识别两个光束之间的重叠部分。这给出对接站的中心或识别所述中心的目标方向。机器人100可接着向前移动，使得其前后轴保持与对接站的中心重叠部分对准。机器人100可平稳地对接，从而使中心光束保持对准且不存在机器人的任何来回运动以检测对接信号的边缘。
机器人主体的前部分可为圆形、半圆形、三角形、鲁洛三角形、花键形，或具有任何其它适当形状。在这些情形中，缓冲器可具有与本文中所描述的矩形形状不同的几何形状。
尽管已描述机器人100在机器人的前部处具有四个接近度传感器510a到d，但在机器人的前部处可使用较多或较少接近度传感器。举例来说，可使用两个、三个或五个或者更多个传感器。另外，接近度传感器510可定位于机器人的横向侧处及/或后部处。在此配置中，机器人100将能够感测围绕机器人的整个周界处于距离625的障碍物，从而形成环绕机器人主体110的外检测区带620。
环绕机器人主体110的外检测区带620使得机器人能够检测沿环绕机器人的所有移动方向的障碍物。因此不需要机器人上部表面上面的经升高检测器。在由于不存在经升高传感器而具有较低轮廓的情况下，机器人仍能够在外检测区带620内从其周围环境接收360°信号。
在一些实施方案中，机器人可经配置使得在机器人的后区域附接到对接站的情况下对接。位于机器人的后部及侧面处的接近度传感器510允许此功能性。在操作中，机器人100检测且逼近对接站以进行前向对接。然而，当机器人前部上的接近度传感器510检测到其距对接站10cm到30cm远时，机器人停止。机器人可能够通过从对接站接收的信号的强度而确定其处于所述距离。机器人接着原地旋转直到机器人后部上的接近度传感器510检测到且识别对接站的发射器的中心重叠区域为止。机器人接着以较低速度倒退(沿后向方向前进)直到机器人的后部分被对接为止。后对接运动可在不存在机器人的摆动运动或不需要重新对接程序来校正机器人主体110与对接站之间的对准的情况下平稳地执行。
参考图7，针对后对接实施例，位于机器人的后部及侧面上的接近度传感器510可相同或不同于位于机器人的前部上的接近度传感器510。为了节省成本，后接近度传感器510可仅包含接收器且不包含发射器，这是因为侧面接收器及后接收器从主动发信号的对接站接收信号。由于重叠的发射区带与检测区带，后接近度传感器510的接收器因此不受经定界检测体积V约束，且因此从到机器人主体110的侧面及后部的距离635接收信号。
可以任一形式的编程语言(包含编译语言或解译语言)写入计算机程序，且可以任一形式部署所述计算机程序，包含部署为独立程序或部署为模块、组件、子例程或适合在计算环境中使用的其它单元。
与控制本文中所描述的机器人相关联的操作可由执行一或多个计算机程序的一或多个可编程处理器执行以执行本文中所描述的功能。对本文中所描述的机器人的全部或一部分的控制可使用专用逻辑电路(例如，FPGA(现场可编程门阵列))及/或ASIC(专用集成电路)来实施。
以实例方式，适合于执行计算机程序的处理器包含通用微处理器及专用微处理器两者，以及任一种类的数字计算机的任何一或多个处理器。一般来说，处理器将从只读存储区或随机存取存储区或两者接收指令及数据。计算机的元件包含用于执行指令的一或多个处理器及用于存储指令及数据的一或多个存储区装置。一般来说，计算机还将包含用于存储数据的一或多个机器可读存储媒体(例如大容量PCB(例如，磁盘、磁光盘或光盘))或以操作方式耦合以从所述一或多个机器可读存储媒体接收数据或向其传送数据或既接收又传送数据。适合于体现计算机程序指令及数据的机器可读存储媒体包含所有形式的非易失性存储区，包含(以实例方式)半导体存储区装置，例如，EPROM、EEPROM及快闪存储区装置；磁盘，例如，内部硬磁盘或可装卸磁盘；磁光盘；以及CD-ROM及DVD-ROM磁盘。
虽然本说明书含有许多特定细节，但不应将这些特定细节视为对本发明或可主张的范围的限制，而是应将其视为本发明特定实施方案所特有的特征的描述。还可将本说明书中在单独实施方案的上下文中描述的某些特征以组合形式实施于单个实施方案中。相反地，在单个实施方案的上下文中描述的各种特征也可单独地或以任何适合子组合形式实施于多个实施方案中。此外，尽管上文可将特征描述为以某些组合起作用且甚至最初主张如此，但来自所主张组合的一或多个特征在一些情形中可从所述组合去除，且所述所主张组合可针对于子组合或子组合的变化形式。
类似地，虽然在图式中以特定次序描绘操作，但不应将此理解为需要以所展示的特定次序或以按顺序次序执行此类操作，或执行所有所说明的操作以实现合意的结果。在某些情况下，多任务及并行处理可为有利的。此外，不应将在上文所描述的实施例中的各种系统组件的分离理解为在所有实施例中需要此分离，且应理解，通常可将所描述的程序组件及系统一起集成于单个软件产品中或封装到多个软件产品中。
因此，其它实施例在所附权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种自主机器人，其包括：
机器人主体，其界定前向驱动方向，所述机器人主体具有底部表面及位于地板表面上面的机器人高度处的顶部表面；
驱动器，其经配置以在地板表面上推进所述机器人；
传感器系统，其安置于所述机器人主体上；及
导航控制器电路，其与所述驱动器及所述传感器系统通信，所述控制器电路经配置以处理从所述传感器系统接收的信号且依据所述经处理信号来控制所述驱动器；
其中所述传感器系统包括至少一个接近度传感器，所述接近度传感器包括：
传感器主体，及
第一发射器、第二发射器及接收器，其由所述传感器主体容纳，
其中所述接收器经布置以检测从所述接收器视场的经定界检测体积中的物体反射的辐射，所述接收器视场在所述机器人主体的外围之外向外及向下瞄准，
其中所述接收器安置于所述第一发射器及所述第二发射器上面且位于所述第一发射器及所述第二发射器之间，所述第一发射器及所述第二发射器具有经两次重塑发射光束，所述经两次重塑发射光束向上成角度以在与所述机器人主体的所述外围相距固定距离范围处与所述接收器视场相交以界定所述经定界检测体积，
其中所述接收器经配置以响应于接收到在循序地激活所述第一发射器及所述第二发射器时由所述第一发射器及所述第二发射器产生的所反射辐射而产生信号，且
其中所述第一发射器及所述第二发射器与所述机器人主体的所述顶部表面以小于所述机器人高度的35％到45％的距离间隔开，且所述接收器与所述机器人主体的所述顶部表面以小于所述机器人高度的20％到35％的距离间隔开。
2.根据权利要求1所述的自主机器人，其中所述第一发射器及所述第二发射器是并排布置的，且所述接收器沿着所述第一发射器与所述第二发射器之间的中线居中。
3.根据权利要求1所述的自主机器人，其中，所述接收器的所述视场的上部界线平行于所述地板表面，且所述经两次重塑发射光束相对于所述地板表面向上成角度。
4.根据权利要求3所述的自主机器人，其中所述经两次重塑发射光束的下部界线相对于所述地板表面以约10度到约20度成角度。
5.根据权利要求3所述的自主机器人，其中所述接收器的所述视场的下部界线向下成角度以在与所述机器人主体相距小于所述主体长度的30％的距离处与所述地板表面相交。
6.根据权利要求5所述的自主机器人，其中所述接收器视场的所述上部界线相对于所述地板表面向下成角度为介于约0度与约15度之间。
7.根据权利要求1所述的自主机器人，其中所述接收器的所述视场对向平行于所述地板表面的平面上的角度，所述角度大于发射器的所述经两次重塑光束所对向的平行于所述地板表面的平面上的角度。
8.根据权利要求1所述的自主机器人，其中所述传感器系统包括两个或更多个此类接近度传感器。
9.根据权利要求8所述的自主机器人，其中所述两个或更多个接近度传感器跨越所述机器人主体的前部横向布置成阵列。
10.根据权利要求9所述的自主机器人，其中横向布置成所述阵列的两个接近度传感器分离小于所述机器人主体的最大宽度的25％的距离。
11.根据权利要求9或10所述的自主机器人，其中从所述阵列中的最外部接近度传感器到所述机器人主体的横向侧的距离小于所述机器人主体的最大宽度的10％。
12.根据权利要求9或10所述的自主机器人，其中所述接近度传感器的所述阵列的至少第一部分的所述经定界检测体积相对于所述机器人的非转向驱动方向位于所述机器人主体的前部前方。
13.根据权利要求12所述的自主机器人，其中所述经定界检测体积完全安置于与所述机器人主体相距大约55mm的距离内。
14.根据权利要求12所述的自主机器人，其中所述接近度传感器的所述阵列的第二部分的所述经定界检测体积部分地延伸超出所述机器人主体的横向侧。
15.根据权利要求1所述的自主机器人，其中所述经两次重塑发射光束的上部界线及下部界线以及所述接收器视场的上部界线及下部界线由所述传感器主体的相应组的发射挡板及接收器挡板确定。
16.根据权利要求15所述的自主机器人，其中至少一个发射挡板是位于发射源处的针点孔隙。
17.根据权利要求15所述的自主机器人，其中至少一个发射挡板具有进一步界定发射的上部界线及下部界线以形成所述经两次重塑发射光束的尖锐边缘。
18.根据权利要求15所述的自主机器人，其中所述组接收器挡板包含界定所述接收器视场的上部界线及下部界线的钝上部挡板边缘及成角度下部挡板边缘。
19.根据权利要求1所述的自主机器人，其中所述接收器视场与所述经两次重塑发射光束中的第一者的相交界定第一经定界检测体积，且所述接收器视场与所述经两次重塑发射光束中的第二者的相交界定第二经定界检测体积，所述第一体积在与所述机器人主体相距2mm的最小距离处与所述第二体积重叠。
20.一种自主机器人，其包括：
机器人主体，其界定前向驱动方向，所述机器人主体具有底部表面及位于地板表面上面的机器人高度处的顶部表面；
驱动器，其经配置以在地板表面上推进所述机器人；
传感器系统，其安置于所述机器人主体上；及
导航控制器电路，其与所述驱动器及所述传感器系统通信，所述控制器电路经配置以处理从所述传感器系统接收的信号且依据所述经处理信号来控制所述驱动器；
其中所述传感器系统包括至少一个接近度传感器，所述接近度传感器包括：
传感器主体，及
第一发射器、第二发射器及接收器，其由所述传感器主体容纳，
其中所述接收器经布置以检测从接收器视场中的物体反射的辐射，所述接收器视场在所述机器人主体的外围之外向外及向下瞄准，
其中所述接收器安置于所述第一发射器及所述第二发射器上面且位于所述第一发射器及所述第二发射器之间，每一发射器具有经两次重塑发射光束，每一经两次重塑发射光束向上成角度以在与所述机器人主体相距固定距离范围处与所述接收器视场相交，
其中所述接收器经配置以响应于接收到在循序地激活所述第一发射器及所述第二发射器时由所述第一发射器及所述第二发射器产生的所反射辐射而产生信号，且
其中所述经两次重塑发射光束包含从所述机器人主体的所述顶部表面测量的处于所述机器人高度的35％到45％内的最小高度，且所述接收器视场包含从所述机器人主体的所述顶部表面测量的为所述机器人高度的20％到35％的最大高度。
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