CN108508887A - 用于操作自行走机器人的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操作自行走机器人(1)的方法，其中基于该机器人(1)的环境(2)中记录的测量数据，来生成该环境(2)的环境地图，其中估计该环境(2)中的该机器人(1)的位置，并且其中该机器人(1)基于该环境地图及其已知位置在该环境(2)中行走。为了扩展该机器人(1)在该环境(2)中的最大行程，提出了检测当前不需要用于该机器人(1)的导航的环境地图，并传送到外部存储单元(3)。

Description

用于操作自行走机器人的方法
技术领域
本发明涉及用于操作自行走机器人的方法，其中基于该机器人的环境中记录的测量数据来生成该环境的环境地图，其中估计该环境中的机器人的位置，并且其中该机器人基于该环境地图及其已知位置在该环境中行走。
本发明进一步涉及用于在自行走机器人的计算机单元中安装的计算机程序产品。
背景技术
根据现有技术已知自行走机器人以及用于它们的操作的方法。用于生成环境地图的计算通常借助于机器人的专用计算机单元执行，并且存储在该机器人的本地存储器中。
公开DE 10 2011 000 536 A1和DE 10 2008 014 912 A1描述了这样的方法，例如，结合自行走真空吸尘器和/或地面清洁机器人。然而，也能使用这样的方法用于自行走运输(transport)机器人、除草机机器人等。这些机器人优选装备有测量与障碍物的距离的距离传感器。使用测量的距离数据用于生成环境地图，其中该环境地图使得可能计划行走路线，沿着该路线避免与障碍物的碰撞。距离传感器优选按照不接触方式操作，例如，借助于光和/或超声波。进一步已知向机器人提供全面(all-around)距离测量器件，例如按照光学三角测量系统的形式，其被安排在围绕纵轴旋转的平台等上。获取的距离数据借助于机器人的机载计算机处理为环境地图，并存储在该机器人的本地存储器中，使得能在工作模式中为了定向(orientation)目的访问该环境地图。
将环境地图存储在机器人的本地存储器中具有以下缺点，即，由于其有限储存容量，所以能在其中存储仅有限数目的环境地图或仅某一尺寸的环境地图。该有限储存容量所以降低机器人在该环境中的行程(range)，因为机器人仅在该环境地图中也记录的、该环境的片段(sections)中行走。
发明内容
基于前述现有技术，所以本发明旨在扩展环境中的机器人的行程。
为了实现以上定义的目的，本发明提出了检测当前不需要用于机器人的导航的环境地图，并将其传送到外部存储单元。作为选择或附加地，提出了当前不需要用于机器人的导航的环境地图的地图片段被检测、从环境地图提取、并传送到外部存储单元。
根据本发明，将当前未使用的环境地图和/或地图片段标识为未使用的地图或地图片段，并传递到外部存储单元。全部可用于机器人的环境地图或地图片段所以部分存储在机器人的本地存储器中并且部分存储在外部存储单元中。按照该方式，分别在机器人中和外部存储单元中存储的地图素材的量(volume)能取决于机器人的当前导航任务变化。基于访问活动，机器人的导航和自定位装置检测当前不需要用于机器人的导航(特别是沿着计划行走路线的导航)的环境地图或环境地图的地图片段，使得它们能传递到外部存储单元。能进一步基于机器人在环境中以及所以还在环境地图中的当前位置，来检测需要还是不需要某些环境地图或地图片段。外部存储单元的储存容量有利地能灵活改变，使得例如与对于大房间、房子的全部楼层等相比，对于小房间占用外部存储单元的较小储存空间。通常永久安装在机器人中的机器人的本地存储器能对应降低，并由便宜的外部存储器代替。与现有技术相比，机器人自己能装备有相对小的存储器，对于具有相对小房间的用户来说，该存储器足以用于存储所生成的这些房间的环境地图。然而，如果在大房间中、多个楼层上、或甚至在多个房子中使用机器人，则将多个环境地图和/或环境地图的至少一个片段有利地传递到外部存储单元，它/它们能由机器人根据需求从外部存储单元再次恢复，例如，当机器人进入与外部存储单元中存储的不同环境地图或不同地图片段相关的环境的片段时。借助于机器人的本地计算机单元，即基于机器人中当前存储的地图素材，来执行用于机器人的导航的计算。相反，将当前不需要用于导航计算的所有环境地图和地图片段传递到外部存储单元。
为了执行导航计算，机器人装备有至少一个处理器、以及典型地包含(features)易失性存储器的本地存储器，例如随机存取存储器。然而，原则上，本地存储器可附加包含非易失性存储器，例如闪存。机器人进一步包含各种传感器、驱动器、清洁装置等。根据本发明，当前需要的环境地图或当前需要的地图片段优选保存在机器人的易失性存储器中，如果可应用也保存在机器人的非易失性存储器中，例如用于在机器人的不同工作周期之间维持环境地图的持久性、或用于中间储存目的。传统绘制地图和自定位方法，例如已知SLAM方法，被应用到机器人中存储的环境地图或机器人中存储的地图片段。根据本发明，机器人能测量和绘制地图的环境的部分的尺寸一方面受限于环境地图的空间分辨率(例如，网格地图的方框尺寸)，并且另一方面受限于机器人的本地存储器中(以及外部存储单元中)的可用储存空间。例如，如果机器人在比本地存储器定义的最大可处理环境较小的环境中操作，则该本地存储器的片段保持未使用。然而，如果机器人在相对较大环境中操作，则并非环境地图的所有地图片段或者并非所有多个环境地图能存储在机器人的本地存储器中，而是传送到外部存储单元。除了易失性存储器之外，机器人在该情况下也可包含与外部存储单元相比相对小的非易失性存储器。作为选择，非易失性存储器可被完全转移到外部存储单元中，使得机器人自己仅包含易失性存储器。
自行走机器人通常在能被容易划分为多个片段的环境中操作。这样的片段可包括例如居所的各个房间，诸如厨房、饭厅、卧室等。此外，用于不同居住目的的大的连续房间也能被划分为多个片段，例如起居区域、吃饭区域、厨房区域等。这意味着在单独环境地图中也能对房间的仅这些片段绘制地图。也存储这些环境地图之间的转变点，使得已知空间关系。作为选择，还可能生成用于整个工作区域的全局环境地图。
提出在机器人的本地存储器中存储当前需要用于导航的环境地图和/或当前需要用于机器人的导航的地图片段。本地存储器优选是易失性存储器，诸如随机存取存储器，其中也执行导航计算。在转变为与不同地图片段或不同环境地图相关的、环境的另一部分期间，当前在机器人的本地存储器中存储的活动地图片段从机器人的本地存储器移动到外部存储单元，并且新的当前需要的地图片段或当前需要的环境地图被转移到机器人的本地存储器中。为此目的，机器人向外部存储单元请求需要的环境地图或需要的地图片段。这能通过从存储器下载各个环境地图或地图片段来实现。用于在机器人的存储器和外部存储单元的存储器之间传送环境地图或地图片段的通信链路可包括网络接口，例如WLAN模块。外部存储单元的存储器优选按照数据库的形式实现。
提出将不需要的环境地图和/或不需要的地图片段传送到外部本地服务器和/或因特网服务器并存储在上面。外部本地服务器可包括例如机器人的用户的专用服务器。例如，该本地服务器可以是PC、膝上型计算机、平板计算机、移动电话等。该服务器位于例如和机器人自己相同的家庭网络中。该机器人能例如借助于WLAN模块与服务器通信。作为选择，外部存储单元可包括因特网服务器或因特网服务器的至少某一储存区域。因特网服务器优选提供所谓云。这类云储存优选针对其储存容量可变，使得例如仅实际使用的储存容量经受计费。结果，机器人能装备有小的并所以特别便宜的本地存储器，其中用户然后能根据需求自己判断外部存储单元的储存容量。例如，因特网服务器还可优选包括机器人制造商的服务器。
多个机器人优选向外部存储单元传送环境地图和/或地图片段，其中第一机器人能访问第二机器人传送的环境地图和/或地图片段。根据该实施例，多个机器人访问公共地图数据库，其中每一机器人或至少多个机器人向外部存储单元传送环境地图和/或地图片段，并且一个或多个机器人访问它们的环境地图和/或地图片段。所述多个机器人优选是在公共环境中并行操作的机器人，并且访问一个或多个其它机器人的存储的环境地图和地图片段。机器人的环境地图在外部存储单元中组合，其中在大环境中操作的机器人占用例如外部存储单元的相对大的储存空间，并且在小环境中操作的机器人占用对应较小的储存空间。一旦退出环境片段，每一机器人能在外部存储单元中存储关联的环境地图或关联的地图片段，并从外部存储单元下载随后需要的环境地图或随后需要的地图片段。由于例如因特网服务器上的储存容量几乎是无限的，所以在实际应用中，任意数目机器人能清洁任意尺寸的环境，而不完全占用存储器。交互制作可用环境地图或地图片段的原理也具有以下优点，即，并非涉及的每一机器人不得不自己对其环境绘制地图。
提出了机器人在其位置改变时，从该外部存储单元接收该环境地图和/或该地图片段，其与先前不需要的环境地图和/或先前不需要的环境地图的地图片段相关。如上面解释的，环境地图和地图片段的交换所以发生在机器人的本地存储器中。按照该方式，机器人中占用的储存空间不增加。
进一步提出新生成的环境地图和/或新生成的地图片段在其生成的同时，被存储在该机器人的本地存储器中。当机器人进入先前未绘制地图的环境片段时，将先前使用的环境地图或先前使用的地图片段传送到外部存储单元，并且在机器人的本地存储器中建立新的环境地图或新的地图片段。
在所谓“绑架机器人”问题的情况下，其中机器人位于环境的未知地点处并且不得不分别定位(localize)自己或确定其位于环境的未知片段处，机器人在其本地存储器中连续装载每一已知地图片段或每一已知环境地图，并尝试在其中定向自己。在该情况下，与当前测量的测量数据最佳对应的环境地图或地图片段保持装载在本地存储器中。这例如借助于已知扫描匹配方法来实现。如果在所有地图片段中自定位的置信度非常低，即如果在机器人的测量数据和环境地图或地图片段之间仅存在差的对应性，则必须假设机器人位于环境的未知片段中。在该情况下，建立新的环境地图或新的地图片段。
进一步提出在显示器上图示机器人和/或外部存储单元中存储的环境地图和/或地图片段。根据该实施例，例如，机器人可包含显示器，在该显示器上对于用户图示其本地存储器中当前存储的环境地图或地图片段。此外，没有在机器人自身中而是在外部存储单元中存储的环境地图或地图片段能在所述显示器上选择性图示。用户还能例如借助于触摸屏上的选择器开关，优选地选择是否应图示机器人或外部存储单元的存储内容。此外，机器人也能结合包含显示器的外部装置(例如，智能电话、平板计算机、膝上型计算机等)使用。建立外部装置和机器人之间的通信链路，使得该外部装置能访问机器人的本地存储器以及优选该外部存储单元的存储器，并显示其内容。
最终提出机器人预先从该外部存储单元接收环境地图和/或地图片段，其包括机器人的计划行走路线的至少一部分。按照该方式，在不久的将来将需要的环境地图或地图片段能被预先存储在机器人的本地存储器中。这能其作用，例如用于万一机器人和外部存储单元之间的通信链路丢失的安全目的、或者还用于确保在环境地图或地图片段交换期间沿着行走路线的机器人的前进(progress)。如果迄今使用的环境地图或迄今使用的地图片段与相邻环境地图或相邻地图片段至少部分重叠，那么环境地图或地图片段的永久储存是特别有利的。马上需要的环境地图或马上需要的地图片段的预先储存能有利地发生在机器人的非易失性存储器中，它进而由机器人的易失性存储器访问。
可以进一步设想，不仅储存容量而且计算能力从机器人转移到外部单元，优选转移到因特网服务器。按照该方式，能向机器人提供仅具有低计算能力的计算机单元。例如，机器人能包含微控制器。
除了上述用于操作自行走机器人的方法之外，本发明进一步提出了一种计算机程序产品，用于安装在自行走机器人的计算机单元上，其中该计算机程序产品被设计用于提示机器人执行上述方法。特别提出了该计算机程序产品被设计用于提示机器人检测当前不需要用于该机器人的导航的环境地图和/或环境地图的地图片段，并传送到外部存储单元。另外，该计算机程序产品还能启动该方法的其他步骤，例如，需要的环境地图或需要的地图片段在外部存储单元中的储存/向外部存储单元的请求、机器人的本地存储器中的新环境地图的生成或新地图片段的生成、或者机器人和/或外部存储单元中存储的环境地图和/或对应地图片段在机器人或外部装置的显示器上的图示。此外，上面参考该方法描述的所有特性和优点也因此应用到该计算机程序产品。
附图说明
下面参考示范实施例更详细地描述本发明。在图中：
图1示出了环境内的机器人，
图2示出了包括外部存储单元和与其通信的多个机器人的系统，
图3示出了具有本地存储器和其中存储的地图片段的机器人，和
图4示出了其中存储有地图片段的外部存储单元。
具体实施方式
图1示出了环境2，其中机器人1移动。在该情况下，环境2是具有包含障碍物7和墙壁8的多个房间的居所。障碍物7包括例如多件家具或其他室内陈设品，在该情况下，橱柜、餐桌、椅子、小厨房、花卉、床、床头柜、书桌等。机器人在图2和3中按照放大方式图示，并且在该情况下例如按照真空吸尘器机器人的形式实现。机器人包含电机驱动的轮子12，借助于该轮子12，机器人能在环境2内行走。机器人1进一步包含清洁元件10、11，即，侧刷(清洁元件10)和毛辊(清洁元件11)，用于在要清洁的表面上运作(acting)。在清洁元件11附近(In the region of)，机器人1包括未示出的吸嘴开口，借助于电机鼓风机单元能将包括要真空吸尘的材料的空气通过该吸嘴开口吸入机器人1内。机器人1装备有未示出的可再充电电池，用于机器人1的个别电气组件的电力供应，诸如用于轮子12和清洁元件10、11、以及附加提供的电子元件的驱动。机器人1进一步装备有距离测量装置9，在该情况下，该距离测量装置9包含例如三角测量装置。该距离测量装置9测量机器人1的环境2中与障碍物7和墙壁8的距离。该距离测量装置9特别包含激光二极管，其发射的光束借助于偏转装置引导到机器人1的外壳外部，并且可围绕示出的机器人1的定向的旋转纵轴旋转，特别是具有360度的测量角度。由此能实现关于机器人1的全面距离测量。
该距离测量装置9使得可能在优选水平平面中(即，在与要清洁的表面平行扩展的平面中)调查(survey)机器人1的环境2。按照该方式，机器人2能在避免与障碍物7和墙壁8碰撞的同时在环境2中行走。借助于该距离测量装置9所记录的测量数据(代表与环境2中的障碍物7和/或墙壁8的距离)被使用用于生成环境2的环境地图。此外，机器人1可包含例如未示出的里程计(odometry)传感器，其测量机器人1行走的距离。也可进一步想到，例如，提供具有接触传感器等的机器人1。
机器人1进一步包含本地存储器6，用于存储环境地图或环境地图的地图片段5。在该情况下，例如按照易失性存储器的形式实现本地存储器6，其中也执行机器人1的导航和自定位计算。
根据图2，机器人1通信链接到外部存储单元3，该外部存储单元3在该情况下包括例如云储存器。附加机器人1同样通信链接到该外部存储单元3。
图3示出了在本地存储器6中存储有地图片段5的机器人1的更详细的图示。
图4从根本上示出了其中存储有地图片段4的外部存储单元3。
本发明按照这样的方式运行，例如使得图2中图示的机器人的每一个在环境2中行走，并在该处理中执行清洁任务或另一任务。这些任务可一般包括地板清洁任务、或例如仅前进运动，以便运输物体、工具等。每一机器人1生成其环境的环境地图或地图片段4、5，并在其本地存储器6中或在外部存储单元3中存储该环境地图或地图片段。下面仅参考图3中图示的示范机器人1描述该方法，其中网络中涉及的其他机器人1(见图2)可因此操作。
如上所述，机器人1生成环境2的环境地图，并通过比较当前测量数据与环境地图中存储的障碍物7和/或墙壁8的位置数据，来估计其在环境2中的位置。在其在环境2中的前进运动期间，机器人1优选遵循计划的行走路线。在该处理中，其恒定生成例如与图1中图示的环境2的个别房间或房间片段相关的、新环境地图或新地图片段4、5。例如，当机器人1退出环境2的片段(例如房间)、并进入环境的另一片段(例如另一房间)时，其向外部存储单元3传送不再需要的环境地图或不再需要的地图片段4。结果，在机器人1的本地存储器6中仅存储与环境2的机器人1当前位于的片段相关的地图片段5。根据图4，在外部存储单元3中存储当前不再需要的地图片段4，这些地图片段能由其他机器人1或者稍后也能由机器人1自己从该外部存储单元3下载。在机器人1的本地存储器6中仅存储包括机器人1的当前位置并需要相对低储存容量的一个地图片段5。如果机器人1的位置按照这样的方式改变使得其不再被包括在该本地存储器6中存储的地图片段5中，则机器人1将地图片段5传送到外部存储单元3，并进而请求新的地图片段4、5，其中机器人1的行走路线继续。例如，该新的地图片段4、5可以是由另一机器人1在外部存储单元3中存储的地图片段4、5。然而，其也可以是机器人1自己在稍早时间在外部存储单元3中存储的地图片段4、5。在机器人1的前进运动期间，借助于显示器向机器人1的用户提供关于机器人1的本地存储器6中当前存储的环境地图的、或者附加或作为选择、关于在外部存储单元3中存储的环境地图或地图片段4、5的附加信息。
如果机器人1在环境2的先前未绘制地图的片段中行走，则其借助于其导航和自定位装置在其本地存储器6中生成新的环境地图或新的地图片段5。一旦机器人1不再需要该新生成的环境地图或地图片段5，所述新生成的环境地图或地图片段5也被传送到外部存储单元3。
附图标记列表
1 机器人
2 环境
3 外部存储单元
4 地图片段
5 地图片段
6 本地存储器
7 障碍物
8 墙壁
9 距离测量装置
10 清洁元件
11 清洁元件
12 轮子

Claims (10)

1.一种用于操作自行走机器人(1)的方法，其中基于该机器人(1)的环境(2)中记录的测量数据来生成该环境(2)的环境地图，其中估计该环境(2)中的该机器人(1)的位置，并且其中该机器人(1)基于该环境地图及其已知位置在该环境(2)中行走，其特征在于，当前不需要用于该机器人(1)的导航的环境地图被检测并传送到外部存储单元(3)。
2.一种用于操作自行走机器人(1)的方法，其中基于该机器人(1)的环境(2)中记录的测量数据来生成该环境(2)的环境地图，其中估计该环境(2)中的该机器人(1)的位置，并且其中该机器人(1)基于该环境地图及其已知位置在该环境(2)中行走，其特征在于，当前不需要用于该机器人(1)的导航的环境地图的地图片段(4)被检测、从该环境地图提取、并传送到外部存储单元(3)。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，当前需要用于导航的环境地图和/或当前需要用于该机器人(1)的导航的地图片段(5)被存储在该机器人(1)的本地存储器(6)中。
4.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，将不需要的环境地图和/或不需要的地图片段(4)传送到外部本地服务器和/或因特网服务器并在其上存储。
5.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，多个机器人(1)将环境地图和/或地图片段(4)传送到外部存储单元(3)，其中第一机器人(1)能访问第二机器人(1)传送的环境地图和/或地图片段(4)。
6.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，该机器人(1)在其位置改变时，从该外部存储单元(3)接收该环境地图和/或该地图片段(4)，其与先前不需要的环境地图和/或先前不需要的环境地图的地图片段(4)相关。
7.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，新生成的环境地图和/或新生成的地图片段(5)在其生成的同时，被存储在该机器人(1)的本地存储器(6)中。
8.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，该机器人(1)和/或该外部存储单元(3)中存储的环境地图和/或地图片段(4,5)在显示器上图示。
9.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，该机器人(1)预先从该外部存储单元(3)接收该环境地图和/或该地图片段(4)，该环境地图和/或该地图片段(4)包括机器人(1)的计划行走路线的至少一部分。
10.一种计算机程序产品，用于安装在自行走机器人(1)的计算机单元上，其中该计算机程序产品被设计用于提示机器人(1)执行根据权利要求1-9之一的方法，特别用于提示机器人(1)检测当前不需要用于该机器人(1)的导航的环境地图和/或当前不需要的环境地图的地图片段(4)，并传送到外部存储单元(3)。
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