CN108885456A - 一种控制自主式移动机器人的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制自主式移动机器人的方法，用于在机器人应用区域的局部范围内完成一项工作。根据一个实施例，该方法包括以下步骤：在机器人应用区域内将机器人定位于开始位置；借助至少一个传感器采集关于机器人周围环境的信息；通过某一基本几何形状选定范围；在所采集环境信息的基础上，自动测定以下两个参数中的至少一个：所选定范围的“尺寸和位置(也包括方位/对齐)”。

Description

一种控制自主式移动机器人的方法
技术领域
本发明涉及一种移动型自主式服务机器人，比如对表面进行处理(清洁地面，割草，粉刷墙面等等)的机器人。本发明尤其涉及一种用于控制自主式移动服务机器人以便局部地处理机器人应用(employment)区域的给定部分的方法。
背景技术
近些年来，自主式移动机器人(尤其是服务机器人)越来越多地应用于家庭(比如用于住宅的清洁或者监控)。此外人们还研制出了装备有抓取手臂的服务机器人，比如威楼加拉吉公司(Willow Garage Inc)的PR2(个人机器人2)，它们可用于自动抓取和运送物体(比如从冰箱中取出饮料并送给用户)。关于自主式移动型服务机器人的另一个例子是所谓的远程临场机器人(移动型虚拟化身设备，远程临场机器人)，这种机器人提供信息或者使人能够远距离交流。
服务机器人的一个常见应用场景是：在机器人工作区域(比如一所公寓)内的一个相对较小、位置受限的范围(其位置由用户规定)内完成相应任务。比如用户可以使用小型清洁机器人来清理小的脏污区域，例如在公寓的给定区域中落在地板上的碎屑。用户可以将机器人搬运到污染位置或者以遥控方式操纵机器人抵达该位置。在两种情况下用户都必须主动将机器人移动至污染位置。
作为本发明基础的目的是：提供一种新方法或者对现有方法加以改进，用于将自主移动机器人引导到更大的机器人工作区域内的给定位置以执行任务。以上目的通过符合权利要求1、17、26、32和41所述特征的方法以及符合权利要求27和39所述特征的系统实现。不同的实施例和优化设计是从属权利要求的主题。
发明内容
下面描述一种控制自主式移动机器人的方法，该方法用于在机器人工作区域的局部范围内完成一工作。根据一个实施例，该方法包括以下步骤：在机器人应用区域内将机器人定位于开始位置；借助至少一个传感器探测关于机器人周围环境的信息；选定确定几何形状的范围；在所探测的环境信息的基础上，自动测定所以下参数中的至少一个：选定的范围的尺寸和位置(也包括方位/方向)。
此外，还描述了对配置导航模块的自主式移动机器人进行控制的方法，导航模块具有至少一个传感器，用于借助至少一个电子地图在机器人环境中进行导航和定位。根据一个实施例，上述方法包含以下步骤：在机器人应用区域内将机器人定位于开始位置；进行自我定位，其中机器人借助至少一个传感器和至少一个电子地图，检测是否位于至少一个电子地图中——如果是，则检测位于至少一个电子地图中的哪个位置；检查：一项任务是否与测定的机器人位置或者与测定的机器人位置所处范围相关；以及，必要时通过机器人执行相应任务。
根据另一个实施例，上述方法包含以下步骤：在机器人应用区域内将机器人定位于开始位置；机器人开始执行标准任务；进行自我定位，其中机器人借助至少一个传感器和至少一个电子地图，检测是否位于至少一个电子地图中——如果是，则检测位于至少一个电子地图中的哪个位置；以及，检查：一项任务是否与测定的机器人位置或者与测定的机器人位置所处范围相关；如果机器人完成自我定位，并且一项首要任务与测定的机器人位置或者与测定的机器人位置所处范围相关，则机器人中断标准任务的执行过程并开始执行首要任务。
此外，本文件还描述了借助人机界面(HMI)对自主式移动机器人进行控制的一种方法，其中机器人具有一个导航模块，导航模块包含至少一个电子地图和至少一个传感器，用于在环境中进行导航和定位，机器人和人机界面可以通过通信连接交换数据。根据一个实施例上述方法包含以下步骤：将地图显示在人机界面上；用户在地图中标记一个点；将所标记点的坐标传输至机器人。机器人将进入自动控制状态，开始处理与所选定点相关的确定的范围。
此外，本文件还描述了一种系统，该系统具有自主式移动机器人和用于对自主式移动机器人实施无线控制的外部设备。根据一个实施例，上述设备借助能量收集系统获取工作所需能量。
根据另外一实施例，外部设备具有开关和发送(transmission)单元，当操作开关时，发送单元可以发送编码信号。机器人通过相应设计，能够接收编码信号中包含的编码，其中编码规定了机器人应用区域给定局部范围内需要完成的某项任务，一旦接收到编码信号，机器人立即或者经过规定延迟时间后开始在给定的局部范围内执行给定的任务。
最后，本文件描述了一种控制设计为地面处理机的自主式移动机器人的方法，其中自主式移动型地面处理机包含导航模块，导航模块收集关于地面处理机周围环境的地图信息，并借助这些信息在环境中进行自我定位和导航。地图信息至少可以部分地显示在至少一个人机界面上，地面处理机通过相应设计，从至少一个人机界面接收至少两个不同的用户指令。其中一个用户指令的内容为对地面处理机的应用区域进行完整的地面处理。根据本发明的一个实施例，上述方法包含以下步骤：开始进行完整的地面处理之前删除所有地图信息；执行完整的地面处理期间探测新的地图信息；新探测的地图信息显示在人机界面上，接收一个基于所显示地图信息的用户指令，根据用户指令和新探测的地图信息控制自主式移动型地面处理机。
附图说明
下面借助附图中表述的示例进一步解释本发明。附图没有严格按照比例尺绘制，本发明不仅仅局限于图示内容。附图的主要目的是描述作为本发明基础的原理。其中：
图1以示意图形式显示了自主式移动机器人和用于操纵机器人的移动设备。
图2通过方块图显示了机器人的不同模块。
图3以示意图形式示出在较大的机器人工作区域的局部范围内清洁污染物的方法。
图4显示了需清洁局部范围与所测量污染物分布区的自动“智能”匹配。
图5显示了需清洁局部范围与一个或者多个邻近墙壁的自动“智能”匹配。
图6显示了组合家具(带有桌子和多把椅子)周围区域的清洁。
图7以示意图形式显示了通过无线电与机器人相联系的外部设备，该设备配有按键，用于启动机器人在机器人应用区域的局部范围内执行某项工作。
图8显示了借助平板电脑操纵机器人在机器人应用区域的局部范围内执行某项工作的过程。
图9显示了流程图，反映了机器人借助运行期间新制作的机器人应用区域地图与用户的交互。
具体实施方式
自主式移动型服务机器人通常能够自动执行一个或者多个任务，比如清洁或监控住宅、或者在住宅范围内运送物品。以下示例举例描述了清洁机器人的不同用途。不过本发明并不局限于阐述的示例，而是能够普遍应用于以下场合：用户希望向自主式移动机器人分配任务，而该任务位于可由用户预先确定的位置、或者位于较大的机器人应用区域中可由用户预先确定的范围内。
移动型自主机器人通常包括驱动模块(可带有电动机、变速器和滚轮等部件)机器人通过该驱动模块可以到达其应用区域的每一个点(理论上)。此外机器人还可以包含工作模块，比如用于清洁地面的清洁模块(即清洁刷、真空吸尘装置等等)、用于拿取和运送物品的抓取手臂。被设计为远程临场机器人的移动型自主机器人不含工作模块，而是具有至少一个包括(比如)麦克风、扬声器、摄像头的多媒体单元和显示屏。
为了能够自主完成任务，移动型自主机器人通常具有导航模块和适合的传感器，机器人通过它们在其环境中定位并实现导航。导航模块可以(比如)实现避障策略和/或使用SLAM-算法(英语：Simultaneous Localization and Mapping；德语：simultaneLokalisierung und Kartener Stellung(同时定位与地图创建)；可参见H.Durrant-Whyte和T.Bailey的文章：“同时定位与地图创建(SLAM)：第一部分，基本算法”；文章载于：机器人和自动化杂志，第13卷，2号，第99-110页，2006年6月)。为此机器人中可以存储一幅或者多幅机器人应用区域地图。机器人可以在工作过程中重新创建机器人应用区域地图，或者使用开始工作时已经存在的地图。现有地图可能由机器人在先前执行工作时(比如探查行驶)自行制作，或者由其它机器人和/或用户提供。适合用于机器人定位和导航的传感器，可以是能够在环境中测量与目标之间距离的传感器，比如光学传感器和/或声音传感器，它们借助于三角测量或者测量所发送信号的运行时间工作(比如三角测量传感器、飞行时间照相机、激光扫描器、超声波传感器等等)。关于所适用传感器的其它例子：摄像头(连同数字式图像处理系统)、触觉传感器、加速度传感器、旋转速度传感器(gyroscopes)、计程表。
负责机器人状态的软件可以完全设计在机器人上(相应的处理器和存储单元)，或者至少一部分转移到外部计算机上，比如可以在家庭网络中或者通过互联网(云)到达的计算机。
如图1所示，自主式移动型服务机器人100的控制可以(比如)借助一台外部移动设备200如智能手表、智能手机、(智能)电视机或者平板电脑实现。移动设备(比如)通过家庭网络300与机器人进行无线通信(比如通过基于IEEE 802.11标准或者类似标准的无线网)。图2借助一个方块图展示了服务机器人100的上述模块。在示例中，机器人100包含一个驱动模块101(可以配置电动机、变速器等等)、一个导航模块102(可以配置传感器、电子地图，具有同时定位与地图创建功能，等等)、一个工作模块103(可以配置清洁刷、吸尘装置等等)以及一个中央控制单元150。控制单元150通常包含一个微处理器，用于执行决定机器人状态的处理器指令。控制单元150主要用于驱动模块101、导航模块102和工作模块103的运行控制，控制单元通过(比如)无线网络300与移动设备200进行通信，借助该移动设备可以实现与用户的交互。模块101、102、103只是功能单元，不一定是在空间上分开的组件。上述单元的结构和工作原理已经为人们所知，所以不再详细阐述。
图3显示了两个方法示例，借此可以通过机器人100在较大的机器人应用区域G中的局部范围内清洁污染物。为此用户将机器人100定位于机器人应用区域G中可自由选择(理论上)位置的、需要清洁的污染物附近。这一目的可以(比如)通过以下方式实现：用户将机器人搬过去；借助用户手工输入的行驶指令，该指令通过(比如)外部设备(如遥控装置，智能手机，等等)上的方向键产生。用户输入完成后(比如通过按压机器人上的按键)，机器人100从其位置出发，按照规定路径P清洁通过机器人位置确定的、预先定义的范围L。预先定义的(标准)范围L可以是一尺寸确定的、简单的基本几何形状，比如正方形(参见图3A)、圆形(参见图3B)、长方形或者其它正多边形。需清洁范围L的位置通过(由用户确定的)机器人位置(包括方向)确定，用户将机器人定位于这一位置。这个位置可以是标准化范围L的一个边界点(尤其是角)(参见图3A)或者中心点(参见图3B)。
标准化范围L的处理可以(比如)沿着回行路径P(参见图3A)或者沿着螺旋形路径P'(参见图3B)实现，其中螺旋形图案也可以带有角，以便(比如)清洁一个正方形区域。清洁还可以沿着构成其它任何一种图案的路径进行。比如可以设计这样的清洁策略：机器人在标准化范围L内沿着随机的/杂乱的路径进行清洁。标准化范围L清洁完毕之后，机器人100可以(比如)通过直接行驶到原先离开的出发点、或者通过按照选择的适当清洁路径进行的二次清洁，回到其出发点。参照图3描述的操作方式具有灵活性差的缺点。当需清洁范围大小不同时，需要通过用户输入才能调整需清洁范围L的尺寸。
为了提高用户实用性，可以采取以下有利的做法：参照图3描述的、自主式移动机器人用于清洁局部污染物的运行模式，以“更加智能”的方式设计。为了实现这一目的，机器人100可以借助适当的传感器检测其周围环境，并根据传感器收集的数据，通过(比如)旋转、移动和/或扩大对标准化范围L进行自动调整。另一种调整标准化范围L的方法是：到达根据传感器所采集数据自动确定的起始点后，自动重新启动用于清洁局部污染物的上述清洁模式。
与周围环境的“智能化”自动匹配：图4显示了一个示例，其中机器人需要清洁局部范围内的重污染区D。应对标准化范围L(参见图3)进行动态调整，以便在工作过程中尽可能清洁整个污染区D。为此机器人100(比如)拥有识别地面污染区D的污染物传感器(比如一个摄像头)、或者拥有探测所收集污染物数量的传感器。这些传感器已经为人们所知，其设计基础是(比如)：探测所收集污染物颗粒(比如借助一个清洁刷或者通过抽吸)上的散射光，或者探测通过碰撞的污染物颗粒产生的机械振动(比如声学振动)。借助这些污染物传感器，机器人在清洁行驶过程中可以测定地面上污染物的分布状态。基于测定的分布状态，机器人100可以对标准化范围L的界限进行移动或者缩放(或者二者同时进行)，借此自动确定匹配的范围L'。这一过程尤其出现在清洁行驶过程中、或者标准化范围L至少完全清洁一次之后。
在图4A显示的例子中，标准化范围L的界限按照以下要求实施调整：重污染区D尽可能完全包含在调整后的范围L'内。为此将在标准化范围L清洁期间，(比如)将范围L的边界扩宽，直至能够在没有明显收集到污染物的情况下经过(比如回行)清洁路径的一区段。通过这种做法，可以在清洁期间确定调整后范围L'的边界，具体途径是：根据当前收集到的传感器数据，决定是否以及如何继续当前的清洁路径(比如在回行路径上附加另外的直线型路径区段)。
此外还可以确定一个数学分布模型，该模型代表或者近似于(借助污染物传感器测定的、实际的)标准化范围L内的污染物分布。比如可以假定污染物呈(二维)正态分布。这种正态分布通过其最大值(平均值)及其宽度(标准偏差)进行定义。通过测定范围L内污染最严重的位置，可以评估分布平均值。此外通过污染的空间变化并根据污染最严重的位置，可以(在范围L之内)评估标准偏差。根据以这种方式确定的数学分布模型，可以评估范围L之外的污染物数量和分布，以此为基础，按照下面的原则(比如)规定调整后范围L'的边界：在定义的范围L'之外出现污染物的概率小于一个极限值(比如小于1％)。除了正态分布之外，其它任意随机分布模型都可以作为污染物分布的数学模型。在一个备选方案中，借助通过(至少)一个污染物传感器测定的、范围L内污染物实际分布的外推，评估范围L之外的污染物数量和分布。
在图4B所示例子中，整个(图中所示情况为圆形)标准化范围L按照以下方式移动：(比如)污染区D的污染物数量最大值近似位于移动后(并且必要时经过缩放的)范围L中心点。需要说明的是，只有当(通过用户设定的)起始点位于移动后范围L'内时，标准化范围L的移动才是合理的。为了确保符合这一要求，可在必要时放大移动后的范围L'。
此外也可以首先完全清洁标准化范围L。根据传感器测量到的数据重复清洁过程，并在重复期间中清洁移动后范围L'。该范围可以按照以下方式规定：(首次清洁过程中测量到的)污染物数量最大值，位于移动后范围L的中心点。需要时可以不断重复这一操作，其中可以考虑关于上一次清洁或者所有先前清洁的传感器数据。
图5显示了一例子，其中机器人100需要在一拐角(通过房间墙壁W1和W2定义)附近执行清洁工作。在这里机器人100借助一个障碍物检测传感器检测墙壁W1和W2，这个传感器可以是(比如)一个用于测量距离的三角测量传感器，它也用于导航和地图创建(比如借助“同时定位与地图创建”)(参见图2)。在一简单的实施例中(图5A)，机器人围绕其起始位置旋转标准化范围L，以便获得经过修正的、与最近墙壁W1平行的需清洁范围L'。但是在图5A所示例子中墙壁W1和修正后范围L'之间存在一个较小区域。不过污染物通常在墙壁处聚集，因此可以将修正后范围L'扩大至墙壁。图5B显示了一个例子，其中需清洁范围L'在第一方向上扩大至墙壁W1，在第二方向上扩大至墙壁W2，相关区域的形状为正方形。在另一个备选方案示例中范围L'为矩形，其中两条边通过墙壁W1和W2形成，另外两条边(比如)通过原始标准化范围L的角点形成。
关于是否以及如何使标准化范围L对齐墙壁的决定，可以(比如)根据机器人起始位置与最近墙壁之间距离和/或标准化范围L边界点与周围墙壁之间距离作出。在图5所示例子中，标准化范围L与墙壁W1相交，所以要在这个墙壁处对齐。此外还可以(比如)参照附近墙壁考虑机器人的定向。如果(由机器人位置和定向得出的)标准化范围L的(至少)一边，与一附近障碍物基本平行或者垂直(比如角度偏差小于10°)，可以认为用户有意进行相应的定向，标准化范围将在相关墙壁处对齐。
除了根据传感器采集的数据实施的标准化范围L调整之外，机器人也可以调整标准化范围L的基本几何形状，使其与用户所规定起始点周围环境中的实际空间情况相匹配。(比如)机器人可以(借助于传感器)识别到：它已被定位于墙壁和/或房间拐角附近。在这种情况下将选择基本形状为正方形或者矩形的标准化范围L，需清洁范围L的基本形状被修正，以便按照以上所述与墙壁和/或拐角相匹配。与之相反，如果机器人定位于一个较大的自由区域内(比如在房间的中央)，则不存在用于定位(比如)一个正方形的、明显的优先方向，可以为范围L选择圆形作为基本几何形状。这个范围L可以(比如)按照图4B所示进行修正。
为了完成地面的局部清洁而对范围L进行的自动调整，减轻了用户的工作，这种自动调整可以通过大量的其它方案实现。(比如)机器人可以配置识别地面铺层的传感器，并根据这种测量的结果调整标准化范围L。这样用户可以(比如)将机器人放置到地毯上，以便实现有针对性的清洁。范围L可以(比如)沿着地毯边界进行定向，类似于以上所述的、在墙边定向的方式。
机器人可以(比如)拥有一个指向天花板的传感器(比如一个摄像头)。机器人通过这种传感器，探测是否位于一个家具附近(机器人可以在这个家具下面行驶)。此时机器人可以在这种测量的基础上，调整标准化范围L。用户可以(比如)直接将机器人放置到床前(与床边缘之间的距离不超过一个最大间距)，以便有目的地对床下实施清洁。范围L将被调整以便与床的尺寸相匹配。
此外机器人还可以通过相应设计，识别配有座椅的桌子(小餐室(dinette))。如果探测到配有座椅的桌子(组合家具)，可以根据组合家具对标准化范围L进行匹配调整。机器人可以(比如)根据识别到的障碍物(尤其是椅子腿和桌腿)选择需清洁范围的尺寸，围绕组合家具(即桌子和所有椅子)清洁(比如)至少相当于机器人宽度的范围。为此将选择(比如)一个矩形范围作为需清洁区域L'，该矩形范围将组合家具完全包含在内。矩形范围的方向可以根据组合家具和/或附近墙壁的方向加以规定。矩形范围的边界可以按照以下方式规定：与桌子腿和/或椅子腿之间的最小距离至少相当于机器人直径。用户可以(比如)在早饭后将机器人定位于早餐桌旁，以便清除掉落的碎屑。可以借助具有图像处理功能的摄像头进行识别，也可通过由椅子腿和桌子腿形成的大量小而规则的障碍物实现识别。
此外用户还可以(比如)将机器人定位于房门附近，从而使标准化范围L位于两个房间内。机器人对需清洁范围进行调整，使其完全位于一个房间中。清洁结束时机器人(在询问或者不询问用户的情况下)重新调整范围L，使其完全位于另外一个房间内。
机器人也可以根据需清洁范围L'新形成的几何形状，选择适合的清洁路径。比如当范围L'较小、呈圆形或者正方形时，可以选择螺旋形路径P(参见图3B)，而在较大的矩形范围内则选择回行路径(参见图3A)，所选路径(比如)平行于矩形范围的长边。
机器人可以拥有能够在其中进行定位的机器人应用区域地图。在这种情况下除了由传感器获取的信息之外，机器人还利用地图中的信息，以便修正需处理范围L并使其与起始点附近的实际情况相匹配。机器人尤其可以考虑和避开事先识别到的或者用户录入的危险区。此外还能通过在传感器测量基础上(导航模块的传感器)、为需清洁范围自动选择预定义基本形状和尺寸，实现匹配调整。当确定需清洁范围L'时，可以对可预定加工量(比如需清洁面积、清洁时间)提出要求。比如可要求至少清洁一平方米，以便实现显著较高的清洁效率。还可以提出如下要求：预期清洁时间不允许超过一个可预定时间(比如十分钟)。对加工量(尤其是最大值和最小值)的要求可以(比如)通过用户预先确定。
定位和归位：人们希望家用服务机器人能够执行经常重复的任务，比如快速清洁被污染的位置(比如小餐室地面)，但不必清洁整个房间或者整个住宅。上述“经常重复的任务”也可以是运送使用过的餐具，比如将餐具从小餐室中的餐桌运送至餐具洗涤机。在参考文献中，配置机器人应用区域永久性地图的机器人系统，被描述为针对这些问题的解决方案。这些地图可以由机器人自行制作或者从外部提供。用户可以将机器人应用区域电子地图显示在一个人机界面(比如平板电脑200，参见图1)上，并借助该地图控制和监视机器人。比如用户可以定义标准工作范围，具体操作方法是(比如)：用户通过手动或者自动化方式选择地图中的子范围、将其永久存储并可随时为清洁工作选定所存储子范围。用户可以(比如)在地图中将一个配有桌子和椅子的“小餐室”和周围的一个适当范围，选定为标准工作范围L"并永久存储(参见图6A和6B)。这样(比如)在饭后用户可以很快地向机器人发出清除掉在落地面上的碎屑的指令。
有些用户可能认为，为了向机器人发出清理少量污染物的指令需要首先寻找(比如)平板电脑并启动的做法很不实用，因为他们可以在更短的时间内将机器人搬到相应位置并启动。此外还存在以下情况：机器人不能自己直接行驶到需加工位置，因为它(比如)在一个包含两个或者多个楼层的房子中使用，无法自行进入另一个楼层。这时用户必须用手搬动机器人，并可同时有目的地将其搬到需加工位置并启动。在上述情况下，可以采取以下有利的做法：用户放下并启动机器人之后，机器人自动识别到一个事先定义的标准工作范围对应于它的位置。比如用户将机器人放置到事先定义的标准工作范围“小餐室”(范围L"，参见图6A)桌子腿TL旁边(参见图6A和6B)，并借助按键(比如一个直接安装到机器人壳体上的按键)启动清洁局部污染区的清洁程序。程序启动后，机器人100借助其地图以及通过(至少)一个传感器识别到的环境特征，检测自己的位置(全局定位)。这样机器人就可以通过其传感器识别(比如)配置椅子的餐桌和附近墙壁，并确认它是否位于被定义为“小餐室”的标准工作范围L"内。机器人100可以在开始真正的清洁过程之前，执行上述(全局)定位，以便能够直接清洁已识别到的、事先定义的标准工作范围L"。如果机器人100没有位于事先定义的标准工作范围内，则它将清洁一个标准化范围L(该范围可以按照上面结合图4和图5所述方法进行修正)。
为了实现加快清洁过程的目的，机器人也可以开始清洁一个标准化范围L(或者一个修正后标准化范围L'，参见图4和5)并同时确定其在地图中的位置。一旦机器人实现自我定位，标准化范围L'可以扩充为标准工作范围“小餐室”(范围L"，参见图6)。
通过机器人100在机器人应用区域现有地图中的定位，机器人100可以借助地图(参见图6A)检查其中是否标记有一个(可以到达的)机器人100基站BS。这样机器人在任务结束后，就可以自动检查它是否能够在(比如)事先未通过传感器检测到基站的情况下，抵达一个基站。如果基站所在房间与用户放下机器人的位置所在房间不同，这一点尤为重要。如果不能到达基站，机器人就会驶回用户事先放下的位置。不过如果能够到达基站，机器人可以自动行驶至这个基站，以便(比如)为其蓄电池充电或者卸载收集的垃圾。
通过机器人100在机器人应用区域现有地图中的定位，机器人100还可以根据地图重新识别以往识别到的和/或由用户标记在地图上的危险区。规定需清洁范围时可以对这些危险区进行考虑并予以避开。这种危险区可能是机器人经常被卡住、并且只有通过用户干预才能摆脱的范围。危险区也可能是用户不希望机器人驶入的区域，这些区域存在非常敏感易坏的设备或者经常散落着玩具之类的小型件。
通过机器人在机器人应用区域现有地图中的定位，机器人100还可以在清洁期间和/或清洁完成后，将需清洁范围(比如图5中的范围L')以及清洁成果显示在人机界面(比如平板电脑200，参见图1)上。此外用户可以将被清洁范围作为标准工作范围(参见图6中的范围L")永久存储，以便能够在将来投入工作时快速选择(如上文所述)。尤其是结合参照图4和5描述的、根据周围环境自动调整标准化范围L的措施，可以创造自动产生上述标准工作范围L"的、简便易行的方法。
最后，通过机器人在机器人应用区域现有地图中的定位，机器人100还可以自动存储局部清洁范围的位置(图4或者5中的范围L'，或者图6中的范围L")。如果在执行清洁工作时用户定期选择这一范围，说明该范围在平日里污染较重。在常规清洁期间机器人可以对该位置进行特别彻底的清洁，具体做法是：机器人(比如)两次或者多次驶过该位置并实施清洁，或者在该范围内(比如)提高抽吸功率。
通过按压按键快速启动：为了简化操作一个事先定义并存储的标准工作范围L"(参见图6)，用户可以(比如)在一个可编程人机界面(比如平板电脑，智能手机，智能手表，(智能)电视，计算机)的图形用户界面上，设置快速访问(所谓的“快速链接”)，通过一次点击可以直接向机器人下达加工预定标准工作范围L"的指令。
在另外一设计方案中使用了机器人外部的设备，当用户按压按键或者发生其它事件后，设备将信号无线传输至机器人。图7表述了一个示例。图7显示了外部设备210，该设备仅包含一个位于紧凑型壳体中按键213和电子装置211(包括能量供应装置)，当操作按键213时，电子装置将生成一个通过天线212发射的无线电信号S。机器人100可以采取以下设计：作为对上述信号的反应，在预定的(局部)标准工作范围L"中执行预定的工作。用户可以(比如)将设备210放置(比如附接)在应用区域附近，比如餐桌旁或者其它任意可方便拿到的地方，以便在需要时(比如饭后)能够快速激活设备。清洁机器人可以通过这种方式被快速激活，以便(比如)清洁餐桌周围的范围L"(参见图6)。还可以通过这种方式给(比如)运送机器人发出指令，让它将使用过的餐具从餐桌运送至餐具洗涤机，等等。按键213也可以设计为接触开关，从而(比如)将(入户)门、窗户、抽屉或者家猫出入窗等等的打开和/或关闭记录为事件。这样一来就可以按照以下方式配置机器人100：当接收到与入户门相联系的接触开关所触发信号S时，机器人清洁入户门周围的入口范围。这一动作可以在经过可规定的延迟时间后出现，从而使正好进入住宅的用户有足够的时间离开入口范围，而不受机器人的打扰。
这样一种外部设备210可以通过十分简单的方式、以低廉的成本实现。该设备需要能量供应装置(位于电子装置211中)、在出现某一事件时被操作的开关213(比如按键)和发送单元(位于电子装置211中)，发送单元用于产生无线电信号，并在由开关探测的事件出现后向机器人100发送信号S。能量供应装置可以是电池。此外所需要的能量还可以从环境和/或被探测事件中获取(能量收集系统)。所需能量尤其可以从操作开关(按键)所做的机械功中获取。开关可以(比如)与压电元件相连接，该元件从用户按压按键的操作中获取必要的能量，以便将信号发送给机器人。开关213可以设计为简单的按键开关或者接触开关，开关通过用户按压动作或者通过门的开启和/或关闭而触发。发送单元可以发送符合(比如)无线网络(ZigBee、WiFi或者蓝牙等等)标准的电磁信号。信号S可以如图7所述直接由机器人接收，也可以通过其他设备(路由器，中继器)传递。此外上述信号还可以是利用人类可感知频率或者不可感知频率(超声波)的声音信号。如果信号具有唯一的、可与设备相对应的、信号S可借以编码的识别标志(比如MAC地址、识别码、独特的信号频率或者任意一个其它的代码)，就可以满足要求。上述标志尤其可以在生产设备时加以规定并且将来不必更改，从而降低成本(比如所使用存储器的费用)。
信号S可以传递与某一标准工作范围L"(参见图6)和需在该范围执行的任务存在固定联系的信息。该信息包含在用于对信号S进行编码的代码中(比如上文提到的识别标志)。机器人可以将通过(被编码的)信号S传输的代码(比如上文提到的识别标志)，从信号S中提取出来。如果这个被提取的代码对应于机器人在某一范围内需要完成的某一任务，则机器人将开始在相关范围内执行这一任务。
借助能量收集技术获取自身运行所需能量的、用于控制自主式移动机器人的外部设备示例，还可以进行扩充。一般来说，“能量收集(Energy-Harvesting)”是指从周围环境和/或设备使用时所产生能量(比如通过操作开关时的机械功产生的能量)中“收集”能量。为了获取电能可以使用不同的物理效应，比如压电效应、热电效应、光电效应、渗透效应、运动产生的机械功、感应等等。设备也可以不采用上述开关213，而是配置一个用于收集一个或者多个参数(比如花盆中的湿度、游泳池中的pH值)的传感器。测量到的参数值(或者相关值)被无线传输至机器人，机器人根据这些值(或者根据在某一时间内接收到的多个值)，以规定的方式作出反应(比如在预先规定的地点执行预先规定的任务)。机器人可以(比如)浇花或者通过加入化学制剂调整游泳池的pH值。关于机器人应采取什么行动的决定，可以在机器人中作出，也可以在与机器人相连接的服务器(比如云服务器)中作出。
图8展示了向自主式移动机器人发出具体指令、以便清除局部范围内污染物的另外一种方法。图8A显示了一个作为自主式移动机器人100应用区域G的示例住宅，其中经过简化的应用区域G地图可以显示在人机界面比如平板电脑200(另参见图1)上。机器人100相应的运行模式被激活后(比如通过按压平板电脑200触屏上的按钮，参见8B，按钮带有“点”(Spot)标记)，用户可以在地图上选中点P(参见图8B)。由用户所标记点P的坐标可以发送至机器人。这个点P被作为(比如)标准化范围L(可被视为一个正方形，参见图4A或者5A)的中心点。需清洁标准化范围L同样显示在地图上(参见图8C)。用户可以通过按压OK键确认这一范围或者通过按压中断按键(“取消-按钮”)中断整个过程。如果用户(比如)通过手指重新触摸标准化范围L，可以移动该范围并根据自己的愿望进行适配调整，从而规定修正后范围L'。还可以在现有地图数据基础上，自动调整标准化范围L使其与范围L环境中的实际情况相匹配，从而自动规定修正后范围L'。这一目的可以按照结合图4和5描述的方式实现。标准化范围L可以(比如)在附近墙壁处对齐或者扩大至墙壁。
如果用户在作为标准化范围L的另一个范围触摸(比如在平板电脑200显示的)地图，可以添加另一个点P。这个点同样可以移动至适当位置。通过这种方式用户可以在很短时间内向机器人发送多个较小的任务。机器人可以自主规划执行这些任务的方式。比如机器人可以通过规划工作顺序，以尽可能短的时间完成整个加工过程。如果两个(或者多个)范围互相重叠或者非常靠近(间距小于可预先设定的最大值)，机器人可自动将两个标准化范围L(或者L')合并成一个新的范围。在最简单情况下，标准化范围L始终是相同尺寸的正方形或者圆形(比如围绕通过手指标记的点P)。此外用户还可以通过(比如)平板电脑200上显示的菜单，在多个预先规定的尺寸(边长、半径、面积)和形状(圆形、正方形、矩形)之间进行选择。
在图8D所示例子中，用户可以通过用两根手指触摸屏幕，自由调整正方形范围L的尺寸和方位，从而定义修正后范围L'。可以(比如)通过手指接触规定正方形对角线上的两个顶点，实现上述目的。此外通过手指在触屏上滑动，也能达到调整效果，其中用户将手指放置到要求的需清洁区域中心点，并从那里开始(在屏幕上)将手指移开。手指滑动的方向和距离规定了需定义范围的方位和尺寸。
如上文所述，一旦用户通过按压OK按键确认，机器人到达事先规定的范围L或者L'，清洁工作就会开始。为了加快工作开始速度，机器人可以从其现有位置(比如基站)启动，并沿着最先输入位置的方向移动，这时用户输入还在进行中(可参见图8C中的机器人位置)。如果用户通过确认清洁指令，等待机器人到达规定位置，用户就可以直接确认：他在地图中的输入是否与自己认为重要的实际位置相符。需要时用户可以对输入进行再次校正，从而减少因误操作导致的错误。
因为机器人导航使用的地图通常较复杂，对于人类用户来说难于理解，所以可向用户显示经过大大简化的、容易理解的地图。在这种经过简化的地图中，用户可以规定需处理范围L的位置P。接下来通过坐标转换，这个位置P转换为地图中的、机器人100导航使用的坐标。无论通过机器人地图制作简化地图，还是两个地图之间的坐标转换，都可以在机器人100、人机界面200或者外部计算机(尤其是可以通过互联网到达的云服务器)上完成。
在参照图8描述的以上示例中，将借助机器人应用区域地图上的用户交互向机器人发出工作指令，该项操作需要使用可在人机界面(HMI，比如平板电脑200)上显示的电子地图。原则上该地图可以是一种永久存储的地图，它(比如)通过机器人100在学习行驶时确定或者通过用户预先规定。地图的“永久”存储仅是指：地图并非在每次使用机器人时重新确定，而是在机器人每次工作时重复使用(无时间限制，所以称为“永久”)。尤其是“永久”不意味着不可更改或者采取写保护措施，而是仅涉及所存储地图在理论上无限制的重复使用。这种永久存储的地图存在以下问题：(比如)由于机器人周围环境的变化(如家具移动)，地图可能包含一些过时因而无效和/或错误的数据。以下所述方法的目的是避免出现老化数据的问题，同时向用户提供用于交互的机器人应用区域地图。
为实现上述目的，在每次(完整的)清洁行驶期间，地图数据均通过(比如)“同时定位与地图创建”方法完全重新创建。在(完整的)清洁行驶开始之前，旧的地图数据被删除(参见图9，文本框94)，新地图被创建(参见图9，文本框91)。所以通过定期执行的完整清洁过程，基于地图信息向用户显示的数据始终保持在最新状态。无效和/或错误的地图数据导致的清洁行驶干扰得以避免。地图数据可包含(比如)关于环境中障碍物的信息、关于可行驶表面和/或可加工表面的信息。收集的地图数据可以在清洁行驶过程中为用户显示在人机界面(比如平板电脑)上，从而使用户能够观察到加工进展情况。完整的清洁行驶，是指机器人应用区域内可供机器人到达的所有区域都得到加工。这种完整的清洁行驶，可以(比如)通过用户按压机器人或者外部人机界面(比如平板电脑)上的“清洁”键人工启动。此外上述完整清洁流程还可以通过机器人的日历功能，在通过用户预先规定的时间点启动。这种日历功能可以(比如)在每天上午9点安排完整的清洁流程。
完整的清洁流程结束之后，机器人可以(比如)回到其出发点或者基站(参见图6，基站BS)，并等待用户的下一个指令。用户可以在一个人机界面(比如平板电脑)上显示基于地图信息的数据，比如标记有已清洁区域的清洁地图。事先新创建的地图用于后续的用户交互(参见图9，文本框92)。接下来用户(比如)将机器人指派到可行驶区域的某一个点，或者再次选择需加工区域。比如这个区域可以是(如前面所述)一个具有预先规定的基本几何形状的标准化范围(参见图3-5中范围L、L')。此外用户还可以(比如)规定形状为多边形的需加工区域。为此用户可以(比如)在地图上标记多边形的顶点。可以为需处理区域输入任意其它形状。然后机器人行驶至通过以上方式规定的需清洁位置的点，并清洁所有可以到达的范围。机器人可以再次(比如)使用“同时定位与地图创建”方法，以便通过事先收集的地图数据可靠导航。
另一种用户干预可以是移动机器人位置。这时机器人通过用户抬起并在新的应用区域(比如另一楼层)或者原来应用区域的新位置放下，机器人可以(比如)通过滚轮接触开关探测到这一操作。在这种情况下，机器人可能尝试在旧地图中确定自己的位置(全局定位，图9，文本框93)。为了实现这种(全局)定位，机器人(比如)收集被放下位置所处环境中的地图信息。这些地图信息与旧的地图信息相比较，以便确认是否与识别到的环境特征相一致以及一致性如何。如果一致，则机器人位置可以在旧地图中确定，该地图用于机器人的导航和下一步的用户交互。如果在可预定时间内和/或可预定时间之后、可预定尝试次数后和/或通过可预定新地图信息数量(比如所需存储位置限制)，在新旧地图信息是否一致方面没有识别到可预定精确度，则视为定位不成功。在这种情况下旧地图被删除(图9，文本框94)，新地图根据已收集到的新地图信息被创建。尤其是当机器人在清洁行驶期间变换位置以及(全局)定位不成功时，机器人从当前位置重新开始清洁行驶。
另一种用户干预是完全关闭机器人。在这种情况下机器人无法再探测到位置变换。重新启动机器人之后，机器人可以(比如)尝试在旧地图数据中定位。在另外一种实施例中，事先收集的地图信息被存储在易失性电子数据存储器上，关闭机器人时这些信息将被自动删除(图9，文本框94)。重新启动机器人之后，将收集新的地图信息。
根据以上所述方案，自主式移动型地面处理机可以按照以下方式控制：在地面处理机应用区域内启动完整的地面处理之前，首先删除所有地图信息。在完整的地面处理期间将采集新的。新采集地图信息按照以上所述显示在人机界面上，以便实现用户交互。至少一个基于所显示地图信息的用户指令，从人机界面被接收，自主式移动型地面处理机将根据用户指令和新收集的地图信息接受控制。在这种情况下地面处理机需要一个导航模块(另参见图1)，导航模块采集关于地面处理机周围环境的地图信息，并借助这些信息在环境中定位。地图信息至少部分地显示在至少一个人机界面上。地面处理机从至少一个人机界面接收至少两个不同的用户指令，其中一个用户指令涉及以上所述的、地面处理机应用区域完整的地面处理。

Claims (41)

1.一种借助人机界面(HMI)控制自主式移动机器人的方法，
其中，机器人(100)具有导航模块(102)，导航模块(102)配有电子地图和至少一个用于在环境中导航和定位的传感器，以及
其中，所述机器人(100)和所述人机界面(200)可以通过通信连接交换数据；所述方法包含以下步骤：
将地图显示在所述人机界面(200)上；
用户在地图中标记点(P)；
将标记的点(P)的坐标传递至所述机器人(100)；
对所述机器人进行自动控制，使其开始处理与所选择的点相关的确定范围(L、L')。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，规定的范围具有预先定义的基本形状、尺寸和方位，根据电子地图中存储的最初信息，自动调整基本形状、尺寸和方位三个参数中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述最初信息至少涉及以下方面中的一个：墙壁的位置、地板覆盖物类型、障碍物的位置和形状。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其中，在地图上选择多个点，机器人依次在每个点处理确定的范围，以及
其中，机器人在此之前计算出各个点的最佳顺序，以便使所需要的总时间最短。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其中，在地图上选择多个点，机器人依次在每个点处理确定的范围，以及
相互重叠的范围合并成一个范围。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，每个确定的范围都可以通过人机界面借助触屏探测到的手势，在尺寸和/或方位进行匹配调整。
7.根据权利要求6所述的方法，
其中，在用户标记其它点和调整确定的范围的操作结束之前，机器人自动驶向通过最初选定的点(P)定义的位置。
8.一种控制自主式移动机器人(100)的方法，该方法用于在机器人应用区域(G)的局部范围内执行活动；该方法包括以下步骤：
在所述机器人应用区域(G)内将所述机器人(100)定位于开始位置(P)；
借助至少一个传感器探测关于机器人周围环境的信息；
选定具有确定的基本几何形状的范围(L)；以及
在所探测的关于环境的信息的基础上，自动测定以下参数中的至少一个：所选定的范围(L)的尺寸和位置。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所选定的范围(L)的位置取决于起始位置(P)。
10.根据权利要求8或者9所述的方法，该方法还包含步骤：
接收开始执行活动的控制指令。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，根据所探测的环境信息选择基本几何形状。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，自动测定过程通过以下方式实现：
从基本几何形状的标准尺寸和标准方位——通过旋转、移动、缩放、围绕至少一个附加子范围扩大等操作中的至少一个——修正范围(L)。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中，机器人(100)由用户搬到起始位置(P)，或者机器人借助用户通过远程控制单元输入的行驶指令行驶到起始位置(P)。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其中，至少一个传感器是污垢传感器，该传感器配置为探测地板表面上的脏污区域，并且其中，关于机器人的环境的信息包括关于地板表面的至少一部分的脏污区域的信息。
15.根据权利要求14所述的方法，该方法还包含以下步骤：
根据所探测的、关于起始点(P)周围的脏污区域的信息，确定概率分布；
根据所确定的概率分布——通过旋转、移动、缩放、围绕至少一个附加子范围扩大等操作中的至少一个——修正范围(L)。
16.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其中，至少一个传感器是用于探测墙壁和障碍物的传感器，并且其中关于机器人环境的信息包括关于墙壁(W1、W2)或其他障碍物的位置的信息。
17.根据权利要求16所述的方法，该方法还包含以下步骤：
围绕范围(L)和被探测到的墙壁(W1、W2)或者其它障碍物之间的至少一个附加子范围，扩大范围(L)，从而实现对范围(L)的修正。
18.根据权利要求17所述的方法，其中只有当附加子范围的至少一个尺寸低于极限值时，才会扩大范围(L)。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，该方法还包含以下步骤：
通过旋转范围(L)从而使该范围沿着优先方向对齐来对范围(L)进行修正。
20.根据权利要求19所述的方法，其中优先方向通过墙壁或者相邻障碍物的方位确定。
21.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其中，至少一个传感器用于探测不同地板覆盖物之间的边界，所选定范围的尺寸和位置按照以下要求确定：使得该范围与地板覆盖物边界对齐。
22.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其中，至少一个传感器用于识别所选定范围是否至少部分地位于家具下方，所选定范围的尺寸和位置按照以下要求确定：该范围完全包含位于被探测家具下方的地面，或者完全位于被探测家具的下方。
23.根据权利要求8至22中任一项所述的方法，
其中，环境信息存储在机器人电子地图中，以及
其中，基本几何形状根据地图中存储的信息选择和/或所选定范围的尺寸和位置根据地图中存储的信息确定。
24.一种对配置有导航模块(102)的自主式移动机器人(100)进行控制的方法，导航模块(102)具有至少一个传感器，用于借助至少一个电子地图在所述机器人(100)环境中进行导航和定位，该方法包含以下步骤：
在机器人应用区域(G)内将所述机器人(100)定位于开始位置(P)；
进行自我定位，其中所述机器人(100)借助至少一个传感器和至少一个电子地图，检测是否位于至少一个电子地图中——如果是，则检测位于至少一个电子地图中的哪个位置；
检查一任务是否与测定的机器人位置或者与测定的机器人位置所处范围相关；
通过机器人(100)执行该任务。
25.根据权利要求24所述的方法，
其中，只有机器人(100)接收到相关的用户指令时，机器人(100)才开始执行任务。
26.根据权利要求24或者25所述的方法，其中，任务是在所述范围内清洁地面。
27.根据权利要求24至26中任一项所述的方法，
其中，机器人(100)激活后，开始在自我定位期间执行标准任务；以及
其中，如果机器人结束自我定位，并且一任务与测定的机器人位置或者与测定的机器人位置所处范围相关，则对任务进行适配调整。
28.根据权利要求24至27中任一项所述的方法，
其中，机器人(100)在完成任务后借助至少一个地图检查是否能够到达其基站(BS)，如果能，机器人与基站对接。
29.根据权利要求24至28中任一项所述的方法，
其中，机器人(100)在执行任务时考虑至少一个地图中标注的危险位置，如果存在危险位置则避开它们。
30.根据权利要求24至29中任一项所述的方法，其中，如果没有任务与所测定的机器人位置相联系，则执行以下步骤：
选择具有规定的基本几何形状的范围(L)；
根据用于在机器人环境中进行导航和定位的至少一个传感器所采集信息，自动确定以下参数中的至少一个：所选定范围(L)的尺寸和位置。
31.根据权利要求30所述的方法，
其中，根据所确定尺寸和/或位置选择的范围(L)显示在人机界面上、供用户存储并与任务建立联系。
32.根据权利要求24至31中任一项所述的方法，其中，在随后清洁机器人的整个应用区域时，通过比如多次重复清洁对相关范围进行彻底清洁。
33.一种对配置有导航模块(102)的自主式移动机器人(100)进行控制的方法，导航模块(102)具有至少一个传感器，用于借助至少一个电子地图在所述机器人(100)环境中进行导航和定位，该方法包含以下步骤：
在机器人应用区域(G)内将所述机器人(100)定位于开始位置(P)；
所述机器人(100)开始执行标准任务；
进行自我定位，其中机器人(100)借助至少一个传感器和至少一个电子地图，检测机器人(100)是否位于至少一个电子地图中——如果是，则检测位于至少一个电子地图中的哪个位置；
检查一任务是否与测定的机器人位置或者与测定的机器人位置所处范围相关；
如果机器人完成自我定位，并且一项首要任务与测定的机器人位置或者与测定的机器人位置所处范围相关，则机器人中断标准任务的执行过程并开始执行首要任务。
34.一种包含自主式移动机器人(100)和外部设备(210)的系统，外部设备(210)具有开关(213)和发送单元(211)，如果操作开关，外部设备可以发送编码信号，
其中，机器人接收编码信号中包含的代码，代码定义了机器人应用区域某局部范围内某一需要完成的任务，一旦接收到编码信号，机器人立即或者经过规定延迟时间后开始在规定的局部范围内执行规定的任务。
35.根据权利要求34所述的系统，其中，机器人拥有机器人应用区域电子地图，在电子地图的地图数据的基础上，规定的范围连同规定的任务一起存储在存储器中，从而使范围和任务联系起来。
36.根据权利要求34或者35所述的系统，其中，该系统还具有人机界面(200)，人机界面(200)配置为显示所述机器人(100)的电子地图，使用户能够根据所显示地图为机器人的任务与地图上的范围建立联系，并将任务与代码对应起来。
37.根据权利要求34至36中任一项所述的系统，其中，外部设备借助能量收集获取运行所需要的能量。
38.根据权利要求37所述的系统，其中，在采用能量收集时，外部设备运行所需能量从操作开关时所做功获取。
39.一种包含自主式移动机器人(100)和用于对自主式移动机器人(100)进行无线控制的外部设备(210)的系统，其中所述设备(210)运行需要的能量通过能量收集获取。
40.根据权利要求39所述的系统，其中所述外部设备(210)具有至少一个用于采集至少一个参数的传感器，所述外部设备(210)配置为将关于所采集的参数的信息无线传输给机器人，作为对所传递信息的反应，所述机器人(100)在机器人应用区域中的预先规定的范围内执行一预先规定的任务。
41.一种控制自主式移动型地面处理机的方法,
其中，自主式移动型地面处理机包含导航模块，导航模块收集关于地面处理机周围环境的地图信息，并借助这些信息在环境中进行自我定位和导航；
其中，地图信息至少可以部分地显示在至少一个人机界面上；
其中，地面处理机配置为从至少一个人机界面接收至少两个不同的用户指令；其中一个用户指令的内容为对地面处理机的应用区域进行完整的地面处理；所述方法包含以下步骤：
开始进行完整的地面处理之前删除所有地图信息；
执行完整的地面处理期间收集新的地图信息；
新收集的地图信息显示在人机界面上；
接收基于所显示地图信息的用户指令；
根据用户指令和新收集的地图信息控制自主式移动型地面处理机。
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