CN108027915B - 利用语义映射的机器人导航 - Google Patents

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Abstract

一种使用机器人对位于空间中的物品执行任务的方法，所述物品位于接近基准标记，每个基准标记都具有基准标识。所述方法包括接收订单以对至少一个物品执行任务并且确定与所述至少一个物品关联的所述基准标识。所述方法还包括在所述空间所限定的坐标系中使用所述至少一个物品的所述基准标识来获得一组坐标，所述一组坐标代表具有所确定的基准标识的所述基准标记的位置。所述方法还包括将所述机器人导航到与所述所确定的基准标识关联的所述基准标记的所述坐标。

Description

利用语义映射的机器人导航
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年7月31日提交的第14/815,246号的美国申请的优先权，并以引用方式并入本文中，该美国申请与名称为“Operator Identification and PerformanceTracking”的同时提交的美国专利申请第 14/815,110号相关。
技术领域
本发明涉及使用语义映射的机器人导航，并且更具体地，涉及使用语义映射机器人导航，以用机器人辅助的产品订单履行系统在整个仓库中进行机器人导航。
背景技术
通过互联网订购产品以便送货上门是极其受欢迎的购物方式。至少可以说，以及时、准确和高效的方式履行这些订单在后勤方面是有挑战性的。通过点击虚拟购物车中的“结账”按钮，创建了“订单”。该订单包括将被运送到特定地址的物品的清单。“履行”的过程牵涉到从大型仓库中物理地取走或“拣选”这些物品，将它们打包并且将它们运送到指定的地址。因此，订单履行过程的重要目标是在尽可能短的时间内运送尽可能多的物品。
订单履行过程通常是发生在包含包括订单中列出的产品的许多产品的大型仓库中。因此，在订单履行的任务当中的是遍历仓库，寻找并收集订单中列出的各种物品。另外，最终将被运送的产品需要首先被容纳到仓库中，并且在整个仓库中以有序方式被储存或“放置”在储存仓中，使得能够容易地取回它们以进行运送。
在大型仓库中，正在交付和订购的货物可彼此相隔非常远的被储存在仓库中并且分散在大量的其他货物当中。在订单履行过程只利用人类操作者放置和拣选货物时，需要操作者进行大量的步行，这会是低效且耗时的。由于履行过程的效率是每单位时间运送的物品数量的函数，因此时间增加使效率降低。
已经使用机器人辅助的订单履行系统来提高效率和生产率。然而，仍然需要进一步提高这种系统的效率。
发明内容
在一个方面，本发明以一种使用机器人对位于空间中的物品执行任务的方法为特征，所述物品位于接近基准标记，每个基准标记都具有基准标识。所述方法包括接收订单以对至少一个物品执行任务并且确定与所述至少一个物品关联的所述基准标识。所述方法还包括在所述空间所限定的坐标系中使用所述至少一个物品的所述基准标识来获得一组坐标，所述一组坐标代表具有所确定的基准标识的所述基准标记的位置。所述方法还包括将所述机器人导航到与所述所确定的基准标识关联的所述基准标记的所述坐标。
在本发明的其他方面，可包括以下特征中的一个或更多个。所述方法还可包括与人类操作者通信以对所述至少一个物品执行所述任务，其中，所述任务包括以下中的一种：取回所述至少一个物品并且将其放置在所述机器人上；或者从所述机器人取下所述至少一个物品并且将其储存为接近所述基准标记。所述空间可以是仓库，所述仓库容纳在分散在整个所述仓库中的多个容器中储存的多个物品。每个基准标记都可与所述容器中的一个或更多个关联并且位于接近所述容器中的一个或更多个。确定所述基准标识的步骤可包括：基于分散在整个所述仓库中的所述容器的物理布局来建立基准标识系统；并且将每个容器与对应于所述容器在所述仓库中的物理位置的基准标识关联。将每个容器与所述基准标识关联的步骤还可包括将所述容器的所述基准标识链接到所述物品。确定代表具有所述所确定的基准标识的所述基准标记的位置的所述一组坐标的步骤可包括将所述所确定的基准标识与其对应的基准标记相关并且在所述仓库的坐标系中检索代表所述基准标记的位置的一组坐标。检索代表所述基准标记的位置的所述一组坐标可包括确定在所述仓库内对于所述基准标记的姿势，并且所述导航的步骤可包括在不使用中间基准标记的情况下将所述机器人驱使成所述姿势，以将所述机器人导向与所述所确定的基准标识相关的所述基准标记。所述导航的步骤还可包括使用包括对于每个基准标记的姿势的所述仓库的预定地图将所述机器人导向所述基准标记。
在本发明的另一个方面，存在一种被配置为对位于空间中的物品执行任务的机器人，所述物品位于接近基准标记，每个基准标记都具有基准标识。所述机器人包括处理器，所述处理器被配置为确定与所述机器人将要对其执行任务的至少一个物品关联的基准标识。所述机器人还被配置为在所述空间所限定的坐标系中使用所述至少一个物品的所述基准标识来获得一组坐标，所述一组坐标代表具有所确定的基准标识的所述基准标记的位置。存在导航系统，所述导航系统被配置为将所述机器人导航到与所述所确定的基准标识关联的所述基准标记的所述坐标。
在本发明的其他方面，可包括以下特征中的一个或更多个。所述机器人可包括接口设备，所述接口设备被配置为与人类操作者通信以对所述至少一个物品执行所述任务。所述任务可包括以下中的一种：取回所述至少一个物品并且将其放置在所述机器人上或者从所述机器人取下所述至少一个物品并且将其储存为接近所述基准标记。所述空间可以是仓库，所述仓库容纳在分散在整个所述仓库中的多个容器中储存的多个物品。每个基准标记都可与所述容器中的一个或更多个关联并且位于接近所述容器中的一个或更多个。所述仓库中的每个容器可与对应于所述容器在所述仓库中的物理位置的基准标识关联。所述容器的所述基准标识可链接到储存在所述容器中的所述物品。所述处理器还可被配置为将所述所确定的基准标识与其对应的基准标记相关并且在所述仓库的坐标系中检索代表所述基准标记的位置的一组坐标。所述处理器还可被配置为确定在所述仓库内对于所述基准标记的姿势，并且所述导航系统可被配置为在不使用中间基准标记的情况下将所述机器人驱使成所述姿势，以将所述机器人导向与所述所确定的基准标识相关的所述基准标记。所述导航系统可包括具有对于每个基准标记的姿势的所述仓库的地图。
根据下面的详细描述和附图，将清楚本发明的这些和其他特征，其中：
附图说明
图1为订单履行仓库的俯视平面图；
图2为图1中示出的仓库中使用的机器人之一的底座的立体图；
图3为示出了停在图1中示出的货架前方并且配备有电枢的图2中的机器人的立体图；
图4为使用机器人上的激光雷达产生的图1的仓库的局部图；
图5为描绘用于定位分散在整个仓库中的基准标记并且存储基准标记姿势的过程的流程图；
图6为基准标识与姿势的映射的表格；
图7为仓位地址与基准标识的映射的表格；以及
图8为描绘产品库存量单位(SKU)与姿势的映射过程的流程图；以及
具体实施方式
参照图1，典型的订单履行仓库10包括货架12，货架12装满订单 16中可能包括的各种物品。在操作中，来自仓库管理服务器15的订单16 抵达订单服务器14。订单服务器14将订单16传达给从漫步于仓库10的多个机器人中选择的机器人18。
图2中示出的典型的机器人18包括具有激光雷达22的自主轮式底座 20。底座20还以收发器24和相机26为特征，收发器24使机器人18能够接收来自订单服务器14的指令。底座20还以处理器32和存储器34为特征，处理器32接收来自激光雷达22和相机26的数据，以捕获代表机器人的环境的信息，存储器34配合执行与仓库10内的导航关联的各种任务以及导航放置在货架12上的基准标记30，如图3中所示。基准标记30 (例如，二维条形码)对应于所订购物品的仓/位置。下面针对图4至图8 详细地描述本发明的导航方法。
虽然本文中提供的描述集中在从仓库中的仓位地址拣选物品以履行运送给客户的订单，但是该系统同等地适用于将容纳到仓库中的物品存储或放置在整个仓库中的仓位地址，以供稍后被取回并运送给客户。本发明还可用于与此仓库系统关联的诸如物品的整合、物品的计数、验证和检查的其他标准任务。
底座20的上表面36以联接件38为特征，联接件38接合多个可互换电枢40中的任意一个，在图3中示出了这些可互换电枢40中的一个。图 3中的特定电枢40以用于运载接收物品的盛装容器44(tote)的盛装容器支架42和用于支撑平板48的平板支架46。在一些实施例中，电枢40支撑用于运载物品的一个或更多个盛装容器。在其他实施例中，底座20支撑用于运载所接收的物品的一个或更多个盛装容器。如本文中使用的，术语“盛装容器”包括而不限于货物支架、仓、笼、货架、可从其上吊下物品的杆、罐、装货箱、支架、架子、搁板、容器、盒子、桶、器皿和储藏室。
虽然机器人18擅长在仓库10中四处移动，但是由于与机器人操纵物体关联的技术难度，导致利用当前的机器人技术，并不擅长快速高效地从货架上拣选物品并且将其放置在盛装容器44上。拣选物品的更高效方式是利用本地操作者50执行从货架12上物理地取下所订购的物品并且将它放置在机器人上(例如，盛装容器44中)的任务，本地操作者50通常为人。机器人18经由本地操作者50可读取的平板48或者通过将订单发送到本地操作者50所使用的手持设备来将订单传达给本地操作者50。
在从订单服务器14接收到订单16时，机器人18前往至例如图3中示出的第一仓库位置。它这样做是基于存储在存储器34中并且由处理器 32执行的导航软件。导航软件依赖于激光雷达22所收集的有关环境的数据、存储器34中的内部表格和相机26来导航，该内部表格标识与仓库 10中的可发现特定物品的位置对应的基准标记30的基准标识(“ID”)。
在到达正确位置时，机器人18将自身停驻在物品储存在其上的货架 12的前方，等待本地操作者50从货架12上取回物品并且将其放置在盛装容器44中。如果机器人18要取回其他物品，则它前往至那些位置。然后，将机器人18取回的物品递送到包装站100(图1)，在包装站100处，将物品打包运送。
本领域的技术人员应该理解，每个机器人都可履行一个或更多个订单并且每个订单可由一个或更多个物品组成。通常，将包括某些形式的路线优化软件，以提高效率，但是这超出了本发明的范围，因此不在本文中进行描述。
为了简化本发明的描述，描述的是单个机器人18和操作者50。然而，如从图1中明显的，典型的履行操作包括许多机器人和操作者在仓库中彼此协作工作，以履行连续的订单流。另外，某些机器人和操作者可能正在执行将物品存货于仓库中的放置或储存任务或诸如整合物品、物品计数、验证和检查的其他任务。
下面针对图4至图8来详细描述本发明的导航方法以及待取回物品的 SKU与和该物品所处的仓库中的基准标记关联的基准ID/姿势(pose)的语义映射。
使用一个或更多个机器人18，必须创建仓库10的地图，并且必须确定分散在整个仓库中的各种基准标记的位置。为了这样做，机器人18中的一个利用其激光雷达22和同步定位与建图(SLAM)(这是构建或更新未知环境的地图的计算问题)来进行仓库导航并且构建地图10a(图4)。普及的SLAM近似解法包括粒子滤波器和扩展卡尔曼滤波器。SLAMGMapping方法是优选的方法，但是可使用任何合适的SLAM方法。
随着激光雷达扫描环境，当机器人18基于其接收到的反射在整个空间中行进以对空间中的开放空间112、墙壁114、物体116和诸如货架12 的其他静态障碍物进行识别时，机器人18利用其激光雷达22创建了仓库 10的地图10a。
在构建地图10a的同时或在此之后，一个或更多个机器人18利用相机26扫描环境来定位接近其中储存物品的仓(诸如，图3中的32和34) 的货架上的分散在整个仓库中的基准标记(二维条形码)，从而在整个仓库10中进行机器人18的导航。机器人18使用诸如原点110的已知起点或原点作为参考。当机器人18使用其相机26来定位基准标记(诸如，基准标记30)时(图3和图4)，确定仓库中的相对于原点110的位置。
通过使用轮编码器和航向传感器，可确定矢量120和机器人在仓库 10中的位置。使用所捕获的基准标记/二维条形码的图像及其已知大小，机器人18可确定机器人相对于基准标记/二维条形码的取向和机器人与基准标记/二维条形码的距离(矢量130)。在矢量120和130已知的情况下，可确定原点110和基准标记30之间的矢量140。用矢量140和所确定的基准标记/二维条形码相对于机器人18的取向，可确定用四元数(x，y， z，ω)定义的基准标记30的姿势(位置和取向)。
流程图200(图5)描述了基准标记定位过程。该过程以初始映射模式执行，并且当机器人18在执行拣选、放置和/或其他任务时，在仓库中遇到新的基准标记。在步骤202中，使用相机26的机器人18捕获图像，并且在步骤204中，搜索所捕获图像内的基准标记。在步骤206中，如果在图像中发现基准标记(步骤204)，则确定该基准标记是否已经被存储在位于机器人18的存储器34中的基准表300(图6)中。如果该基准信息已经被存储在存储器中，则流程图返回步骤202，以捕获另一个图像。如果不在存储器中，则根据上述过程来确定姿势，并且在步骤208中，将其添加到基准与姿势的查询表300。
在可存储在每个机器人的存储器中的查询表300中，包括每个基准标记的基准标识1、2、3等和与每个基准标识关联的基准标记/条形码的姿势。该姿势由仓库中的x、y、z坐标连同取向一起组成或四元数(x，y， z，ω)组成。
在也可存储在每个机器人的存储器中的另一个查询表400(图7)中，存在与特定基准ID 404(例如，编号“11”)相关的仓库10内的仓位地址 (例如，402a-f)的清单。在这个示例中，仓位地址由七个字母数字字符组成。前六个字符(例如，L01001)属于仓库内的货架位置，最后一个字符(例如，A-F)标识货架位置处的特定仓。在这个示例中，存在与基准 ID“11”关联的六个不同的仓位地址。可存在与每个基准ID/标记关联的一个或更多个仓。
字母数字仓位地址能被人(例如，操作者50，图3)理解为对应于其中储存物品的仓库10中的物理位置。然而，他们对机器人18而言没有意义。通过将地址映射到基准ID，机器人18可使用查询表300(图6)中的信息来确定基准ID的姿势，然后导航到如本文中描述的姿势。
在流程图500(图8)中描绘了根据本发明的订单履行过程。在步骤502中，仓库管理系统15(图1)获得一个订单，该订单可由一个或更多个待取回物品组成。在步骤504中，由仓库管理系统15确定物品的SKU 编号，并且在步骤506中，用SKU编号来确定仓位地址。然后，将订单的仓位地址列表发送到机器人18。在步骤508中，机器人18将仓位地址与基准ID关联，并且在步骤510中，用基准ID来获得每个基准ID的姿势。在步骤512中，机器人18导航到如图3中所示的姿势，其中，操作者可从合适的仓中拣选待取回物品并且将其放置在机器人上。
仓库管理系统15获得的物品特定信息(诸如，SKU编号和仓位地址) 可被发送到机器人18上的平板48，使得当机器人抵达每个基准标记位置时，可将特定的待取回物品告知操作者50。
在已知SLAM地图和基准ID的姿势的情况下，机器人18可容易地使用各种机器人导航技术而导航到基准ID中的任一个。优选的方法涉及：在了解了仓库10中的开放空间112和墙壁114、货架(诸如，货架12) 和其他障碍物116的情况下，设置通向基准标记姿势的初始路线。当机器人使用其激光雷达26遍历仓库时，它确定在其路径中是否存在固定的或动态的任何障碍物(诸如，其他机器人18和/或操作者50)并且重复更新其通向基准标记的姿势的路径。机器人大约每50毫秒重新计划一次其路线，不断搜索最高效且有效的路径，同时避开障碍物。
利用本文中描述的产品SKU/基准ID与基准姿势的映射技术结合 SLAM导航技术这两种技术，机器人18能够非常高效且有效地进行仓库空间导航，而不必使用通常使用的牵涉到用于确定仓库内位置的网格线和中间基准标记的较复杂的导航方法。
已经描述了本发明及其优选的实施例，声明为新的并且由专利证提供保证。

Claims (8)

1.一种使用机器人对位于空间中的物品执行任务的方法，所述物品位于接近基准标记，每个基准标记都具有基准标识，其中，所述空间是仓库，所述仓库容纳分散在整个所述仓库中的多个仓中储存的多个物品，所述方法包括由所述机器人创建地图，包括：
利用激光雷达和同步定位与建图SLAM在所述仓库中对所述机器人进行导航，其中，基于所述激光雷达扫描环境时收到的反射来识别所述空间中的开放空间和静态障碍物；
利用所述机器人的相机扫描所述环境，以定位分散在整个所述仓库中靠近仓的货架上的基准标记，其中，所述机器人利用已知起点或原点作为参考；
如果在所述相机捕获的图像中发现了基准标记，则确定所述基准标记是否被存储在位于所述机器人存储器中的基准与姿势的查询表中，其中，所述基准与姿势的查询表包括每个基准标记的基准标识和与每个基准标识关联的所述基准标记的姿势，其中，如果所述基准标记不在所述基准与姿势的查询表中，则确定姿势并将其添加到所述基准与姿势的查询表中，
其中，确定所述姿势包括：当所述机器人利用所述相机定位基准标记时，确定所述基准标记在所述仓库中相对于所述原点的位置，其中，所述机器人的轮编码器和航向传感器用于确定代表所述机器人在所述仓库中的位置的矢量，其中，捕获的基准标记的图像及其已知大小用于确定所述基准标记相对于所述机器人的取向和与所述机器人的距离，其中，根据所述矢量以及确定的所述基准标记相对于所述机器人的取向和与所述机器人的距离，确定所述原点与所述基准标记之间的矢量，并且其中，根据所述原点与所述基准标记之间的矢量以及确定的所述基准标记相对于所述机器人的取向，确定由四元数定义的姿势，所述姿势包括所述基准标记的位置和取向；接收订单以对至少一个物品执行任务；
获得所述至少一个物品的库存量单位SKU；
由所述至少一个物品的所述库存量单位确定在所述空间内的与所述库存量单位关联的仓地址；
利用存储在所述机器人的存储器中的所述基准与姿势的查询表，确定与所述仓地址关联的基准标识，所述基准与姿势的查询表是所述仓库内与特定基准标识关联的仓地址列表；
在所述空间所限定的坐标系中，使用与所述仓地址关联的所述基准标识，从所述基准与姿势的查询表中获得具有所确定的基准标识的基准标记的姿势；以及
将所述机器人导航到与所述所确定的基准标识关联的所述基准标记的姿势，
其中，所述导航的步骤包括使用创建的地图和姿势将所述机器人驱使成所述姿势，而不使用中间的基准标记或与确定的基准标识关联的基准标记来引导所述机器人到所述姿势。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括与人类操作者通信以对所述至少一个物品执行所述任务；其中，所述任务包括以下中的一种：取回所述至少一个物品并且将其放置在所述机器人上；或者从所述机器人取下所述至少一个物品并且将其储存为接近所述基准标记。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述基准标识的步骤包括：基于分散在整个所述仓库中的所述仓的物理布局来建立基准标识系统；并且将每个仓与对应于所述仓在所述仓库中的物理位置的基准标识关联。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，将每个仓与所述基准标识关联的步骤还包括将所述仓的所述基准标识链接到所述物品。
5.一种被配置为对位于空间中的物品执行任务的机器人，所述物品位于接近基准标记，每个基准标记都具有基准标识，其中，所述空间是仓库，所述仓库容纳分散在整个所述仓库中的多个仓中储存的多个物品，所述机器人包括：
激光雷达；
相机；
存储器；
处理器；以及
导航系统，
其中，所述处理器被配置为：
使所述机器人通过以下方式创建所述仓库的地图：
利用激光雷达和同步定位与建图 SLAM在所述仓库中对所述机器人进行导航，其中，基于所述激光雷达扫描环境时收到的反射来识别所述空间中的开放空间和静态障碍物；
利用所述机器人的相机扫描所述环境，以定位分散在整个所述仓库中靠近仓的货架上的基准标记，其中，所述机器人利用已知起点或原点作为参考；
如果在所述相机捕获的图像中发现了基准标记，则确定所述基准标记是否被存储在位于所述机器人存储器中的基准与姿势的查询表中，其中，所述基准与姿势的查询表包括每个基准标记的基准标识和与每个基准标识关联的所述基准标记的姿势，其中，如果所述基准标记不在所述基准与姿势的查询表中，则确定姿势并将其添加到所述基准与姿势的查询表中，其中，确定所述姿势包括：当所述机器人利用所述相机定位基准标记时，确定所述基准标记在所述仓库中相对于所述原点的位置，其中，所述机器人包括被配置为确定代表所述机器人在所述仓库中的位置的矢量的轮编码器和航向传感器，其中，捕获的基准标记的图像及其已知大小用于确定所述基准标记相对于所述机器人的取向和与所述机器人的距离，其中，根据所述矢量以及确定的所述基准标记相对于所述机器人的取向和与所述机器人的距离，确定所述原点与所述基准标记之间的矢量，并且其中，根据所述原点与所述基准标记之间的矢量以及确定的所述基准标记相对于所述机器人的取向，确定由四元数定义的姿势，所述姿势包括所述基准标记的位置和取向；
接收订单以对至少一个物品执行任务；
获得所述至少一个物品的库存量单位SKU；
由所述至少一个物品的所述库存量单位确定在所述空间内的与所述库存量单位关联的仓地址；
利用存储在所述机器人的存储器中的所述基准与姿势的查询表，确定与所述仓地址关联的基准标识，所述基准与姿势的查询表是所述仓库内与特定基准标识关联的仓地址列表；以及
在所述空间所限定的坐标系中，使用与所述仓地址关联的所述基准标识，从所述基准与姿势的查询表中获得具有所确定的基准标识的基准标记的姿势，
其中，所述导航系统被配置为使用创建的地图和姿势将所述机器人导航成与所确定的基准标识关联的基准标记的姿态，而不使用中间的基准标记或与确定的基准标识关联的基准标记来引导所述机器人到所述姿势。
6.根据权利要求5所述的机器人，还包括接口设备，所述接口设备被配置为与人类操作者通信以对所述至少一个物品执行所述任务；其中，所述任务包括以下中的一种：取回所述至少一个物品并且将其放置在所述机器人上；或者从所述机器人取下所述至少一个物品并且将其储存为接近所述基准标记。
7.根据权利要求5所述的机器人，其中，所述仓库中的每个仓与对应于所述仓在所述仓库中的物理位置的基准标识关联。
8.根据权利要求7所述的机器人，其中，所述仓的所述基准标识链接到储存在所述仓中的所述物品。
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