CN115485230A - 用于堆叠元件的机器人 - Google Patents

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CN115485230A CN202180030075.2A CN202180030075A CN115485230A CN 115485230 A CN115485230 A CN 115485230A CN 202180030075 A CN202180030075 A CN 202180030075A CN 115485230 A CN115485230 A CN 115485230A
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大卫·勒瓦瑟
贾斯汀·霍尔威尔
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Abstract

一种示例自主车辆包括：主体，该主体被配置为沿着表面移动；以及端部执行器，该端部执行器保持第一元件，该第一元件具有第一特征和第二特征，第一特征和第二特征与第二元件上的互补的第三特征和第四特征相匹配。端部执行器或主体中的至少一者是可控的，以在至少四个自由度上移动。自主装置包括一个或多个传感器，以检测第二元件并且获得用于定位第二元件或其他兼容装置的第三特征和第四特征的信息。自主装置还包括控制系统，用于控制端部执行器或主体中的至少一者在至少四个自由度上移动，以将第一元件堆叠在第二元件的顶部上。

Description

用于堆叠元件的机器人
技术领域
本说明书总体上涉及移动式机器人或其部件的示例，该移动式机器人或其部件被配置为在多个自由度上移动，以将一个元件堆叠在另一个元件的顶部上。
背景技术
叉车或其他可驱动的机械可以用于在空间(诸如仓库或制造工厂)中堆叠元件。元件的示例包括货盘和容器。示例货盘包括在提升期间支撑货物的平坦运输结构。一种示例容器包括可运输结构，该可运输结构具有一个或多个竖直壁，并且具有互锁机构，该互锁机构设计成防止元件之间相对运动。
发明内容
一种示例自主车辆包括：主体，该主体被配置为沿着表面移动；以及端部执行器，该端部执行器保持第一元件，该第一元件具有第一特征和第二特征，第一特征和第二特征与第二元件上的互补的第三特征和第四特征相匹配。端部执行器或主体中的至少一者是可控的，以在至少四个自由度上移动。至少四个自由度包括前向/后向、上/下、左/右，以及偏航、俯仰或滚动中的至少一者。自主装置包括一个或多个传感器以检测第二元件并且获得用于定位第二元件(或另一个兼容装置)的第三特征和第四特征的信息。自主装置还包括控制系统，该控制系统控制端部执行器或主体中的至少一者在至少四个自由度上移动，以通过执行以下操作将第一元件堆叠在第二元件的顶部上，该操作包括：移动第一元件以将第一特征与第三特征对准，移动第一元件以将第二特征与第四特征对准，以及移动第一元件与第二元件接触，使得第一特征与第三特征匹配，并且第二特征与第四特征匹配。自主装置可以单独或组合地包括以下特征中的一个或多个特征。
控制系统可以被编程为基于信息确定从自主车辆到第二元件的第一向量和从一个或多个传感器中的传感器到第一元件的第二向量，并且基于第一向量和第二向量之间的差控制端部执行器或主体中的至少一者移动。控制系统可以被配置(例如被编程)为以前向/后向、上/下或左/右运动中的至少一者移动第一元件，以将第一特征与第三特征对准。控制系统可以被配置为以俯仰、偏航或滚动运动中的至少一者来移动第一元件，以将第二特征与第四特征对准。控制系统可以被配置为控制端部执行器或主体中的至少一者以至少五个自由度移动，其中至少五个自由度包括：前向/后向、上/下、左/右，以及偏航、俯仰或滚动中的至少两者。控制系统可以被配置为控制端部执行器或主体中的至少一者以六个自由度移动，其中六个自由度包括：前向/后向、上/下、左/右、俯仰、偏航和滚动。
一个或多个传感器可以被配置为在三维(3D)空间中定位第三特征和第四特征。一个或多个传感器可以被配置为检测三维(3D)空间中的第二元件并且获得第二元件的3D坐标。一个或多个传感器可以包括以下一者或多者：光探测和测距(LIDAR)传感器、飞行时间(TOF)传感器、雷达传感器、声纳传感器、二维相机传感器或三维相机传感器。
控制系统可以包括一个或多个处理装置，该一个或多个处理装置驻留在自主车辆上，并且被配置为执行软件以独立于来自外部源的数据输入来执行操作。驻留在自主车辆上的一个或多个处理装置可以被配置为执行软件，以至少部分地基于来自自主车辆外部的车队系统的数据输入来执行操作。自主车辆上的一个或多个处理装置可以被编程为从车队系统接收信息，并且一个或多个处理装置可以被编程为基于信息控制主体朝向第二元件的移动。自主车辆上的一个或多个处理装置可以被编程为基于信息识别第二元件的类型。
自主车辆可以包括计算机存储器，该计算机存储器存储数据库，该数据库包含识别不同类型的元件和不同类型的元件的属性的数据。控制系统可以包括一个或多个处理装置，该一个或多个处理装置驻留在自主车辆上，并且被编程为从数据库获得数据以识别第二元件的类型和第二元件或兼容位置的属性。属性可以涉及第二元件的第三特征和第四特征。一个或多个处理装置可以被编程为从自主车辆外部的车队系统接收信息。一个或多个处理装置可以被编程为基于信息移动到接近第二元件的位置，并且在到达位置之后，控制端部执行器或主体中的至少一者在至少四个自由度上移动，以独立于来自车队系统的输入将第一元件堆叠在第二元件的顶部上。所接收到的信息可以包括第二元件所在区域的标测图。
第一元件和第二元件可以各自是或包括兼容的互锁装置。端部执行器可以被配置为在至少四个自由度上移动。控制系统可以被配置为控制端部执行器在至少四个自由度上移动，以将第一元件堆叠在第二元件的顶部上。端部执行器可以被配置为在至少五个自由度上移动，其中至少五个自由度包括：前向/后向、上/下、左/右以及俯仰、偏航或滚动中的至少一者。控制系统可以被配置为控制端部执行器在至少五个自由度上移动以将第一元件堆叠在第二元件的顶部上。端部执行器可以被配置为在六个自由度上移动，其中六个自由度包括：前向/后向、上/下、左/右、俯仰、偏航和滚动。控制系统可以被配置为控制端部执行器在六个自由度上移动以将第一元件堆叠在第二元件的顶部上。
端部执行器可以包括保持第一元件的尖齿。尖齿可以包括第一尖齿和第二尖齿。第一尖齿可以被配置为在至少一个自由度上独立于第二尖齿移动，并且第二尖齿可以被配置为在至少一个自由度上独立于第一尖齿移动。第二元件上的第三特征或第四特征中的至少一者是或包括在第二元件的角部或侧面或任何其他特征中。
由自主车辆执行的示例方法包括以下操作：使用连接到自主车辆的主体的端部执行器来拾取具有第一特征和第二特征的第一元件，第一特征和第二特征与第二元件上的互补的第三特征和第四特征相匹配；将保持第一元件的自主车辆沿着表面朝向第二元件的位置移动；检测第二元件，其中检测包括定位第二元件的第三特征和第四特征；以及控制端部执行器或主体中的至少一者在至少四个自由度上移动，以通过执行操以下作将第一元件堆叠在第二元件的顶部上，该操作包括：移动第一元件以将第一特征与第三特征对准，移动第一元件以将第二特征与第四特征对准，以及移动第一元件与第二元件接触，使得第一特征与第三特征匹配，并且第二特征与第四特征匹配。该至少四个自由度包括前向/后向、上/下、左/右，以及偏航、俯仰或滚动中的至少一者。
本说明书(包括此发明内容部分)中所描述的特征中的任何两者或更多者可组合以形成本文未具体描述的具体实施。
本文所述的示例机器人和技术或其一部分可以使用计算机程序产品来实现或由计算机程序产品来控制，该计算机程序产品包括存储在一个或多个非暂态机器可读存储介质上的指令，并且该指令可在一个或多个处理装置上执行以控制(例如，协调)本文所述的操作。本文所述的示例机器人和技术或其部分可以被实现为设备或电子系统，该设备或电子系统可以包括一个或多个处理装置以及存储用于实现各种操作的可执行指令的存储器。
附图和以下具体实施方式中陈述了一个或多个具体实施的详细信息。通过具体实施和附图以及通过权利要求书，其他特征结构、对象和优点将显而易见。
附图说明
图1是示出示例自主车辆的透视图的照片真实感图。
图2是图示六个自由度的示意图。
图3是示出图1的自主车辆的透视图的框图。
图4是示出示例元件的透视图的框图。
图5是示出示例元件的透视图的框图。
图6是示出两个元件之间的示例配合的特写透视图的照片真实感图。
图7是示出可以至少部分地由图1的自主车辆执行的堆叠元件的示例操作的流程图。
图8是示出示例货盘堆叠的透视图的照片真实感图。
图9是示出可以用于堆叠元件的示例支架的透视图的图。
图10至图15是包含元件透视图并且图示了图7的示例元件堆叠过程的框图。
不同图中的类似附图标记指示类似元件。
具体实施方式
本文所述的被配置为堆叠元件的自主车辆的示例。堆叠可以包括将一个元件放置在相同或不同类型的另一个元件的顶部上。本文用作示例的自主车辆包括移动机器人(或简称为“机器人”)；然而，可以使用任何适当类型的自主车辆，包括但不限于自动驾驶机械或固定机器人。本文用作示例的元件包括货盘和容器；然而，可以使用任何适当类型的元件，包括但不限于盒、支架、板条箱或箱柜。如上所述，示例货盘包括在提升期间支撑货物的平坦运输结构。货盘还包括机器人的端部执行器可以进入该机构并且用来连接和提升货盘的机构。一种示例容器包括可运输结构，该可运输结构具有一个或多个竖直壁，并且具有互锁机构，该互锁机构设计成防止相对运动。
示例的自主车辆，诸如机器人，其包括主体，该主体被配置为沿着诸如仓库地板的表面移动。端部执行器，诸如包含一个或多个尖齿的叉，被配置为保持第一元件，该第一元件具有与第二元件上的互补或兼容特征相匹配的特征。第二元件包括与第一元件兼容的任何类型的装置。例如，第一元件或第二元件可以包括任何适当类型的兼容互锁元件。在示例中，端部执行器被配置为保持具有第一特征和第二特征的第一元件，该第一特征和该第二特征与位于地板上或机架中的第二元件上的互补的第三特征和第四特征相匹配。端部执行器、主体或端部执行器和主体的组合是可控的，以在至少四个自由度上移动，使得相对于第二元件移动第一元件。在示例中，至少四个自由度包括前向/后向、上/下、左/右，以及偏航、俯仰或滚动中的至少一者。一个或多个传感器，诸如二维(2D)传感器和/或三维(3D)传感器，其被配置为检测第二元件并且获得用于定位第一元件和第二元件的特征(例如，角部或对准机构)的信息。
可以包括一个或多个处理装置的控制系统被配置(例如被编程)为控制端部执行器、机器人本体或端部执行器和机器人本体两者在至少四个自由度上移动，以将第一元件堆叠在第二元件的顶部上，其中该处理装置的示例由本文所述。堆叠可以包括对准元件的第一特征、第二特征、第三特征和第四特征。为执行堆叠而执行的操作可以包括但不限于以下：移动第一元件以将第一特征与第三特征对准，移动第一元件以将第二特征与第四特征对准，并且在这些对准之后，移动第一元件与第二元件接触，使得第一特征与第三特征匹配，并且第二特征与第四特征匹配。在元件是箱并且特征是箱的角部的示例中，操作包括移动第一箱以将该箱的第一角部与该箱的第三角部对准，移动第一箱以将该箱的第二角部与该箱的第四角部对准，并且在这些对准之后，移动第一箱与第二箱接触，使得第一角部与第三角部匹配并且第二角部与第四角部匹配。在一些示例中，每个角部可以包括部件(诸如销或凹口)，对其进行每次对准。
图1示出了机器人10的示例，该机器人被配置为以多个自由度移动，以将一个元件堆叠在另一个元件的顶部上。在此示例中，机器人10是自主可控的，即使它包括用于手动控制的机构14。在示例中，自主可控包括机器人基于传感器输入自动移动，并且在一些情况下，基于来自远程系统(诸如车队控制系统)的输入自动移动。机器人10包括具有轮子(未示出)的主体12，以使机器人10能够跨表面行进，诸如仓库、工厂的地板或其他地形。机器人10还包括支撑区域15，该支撑区域被配置为使用端部执行器16支撑元件(诸如是货盘、容器或任何其他待堆叠的装置)的重量。在该示例中，可以控制机器人10将元件从一个位置运输到另一个位置。
如图1中所示，在此示例中，端部执行器16包括由两个尖齿20、21组成的叉。也可以使用其他类型的端部执行器，诸如板或夹具。尖齿可以被配置为在箭头22的方向上竖直移动。这使得尖齿能够拾取元件并且将元件移动到适当的竖直高度以便堆叠。尖齿也可以被配置为在箭头23的方向上水平移动。在一些示例中，尖齿相互连接，并且因此一起移动。在一些示例中，每个尖齿可以被配置为沿着箭头23的方向独立且分离地水平移动。也就是说，每个尖齿可以相对于另一个尖齿移动以调整两者之间的距离(或间距)。为了适应具有不同插口位置的元件，此调整可能是必要的。在一些示例中，每个尖齿可以被配置为沿着箭头23的方向独立且分离地竖直移动。在一些实现方式中，尖齿中的一个可以移开，以允许单个尖齿与一个元件或其他元件相互作用。例如，尖齿20可以在弧24的方向上旋转90°，将尖齿21留在与位于机器人10前面的元件或其他元件相互作用的位置。另一个尖齿21可以类似地操作。
端部执行器、机器人本体或端部执行器和机器人本体的组合可以在四个、五个或六个自由度上移动，以便移动和操纵一个元件，使得将该元件堆叠在另一个元件的顶部上。也就是说，端部执行器、机器人主体或端部执行器和机器人主体的组合可以在四个、五个或六个自由度上移动，以便移动和操纵一个元件，将该元件放置在类似或不同类型的另一个元件的顶部上。图2图示了相对于笛卡尔X轴线、Y轴线和Z轴线27的六个自由度的移动。六个自由度包括前向/后向(波动)28、上/下(起伏)29、左/右(摇摆)30、偏航33、俯仰34和滚动35。
在一些实现方式中，端部执行器是可控的，以独立于机器人主体在至少四个自由度上移动，该至少四个自由度包括前向/后向、上/下、左/右，以及偏航、俯仰或滚动中的至少一者。在一些实现方式中，端部执行器是可控的，以独立于机器人主体在至少五个自由度上移动，该至少五个自由度包括前向/后向、上/下、左/右，以及偏航、俯仰或滚动中的至少两者。在一些实现方式中，端部执行器是可控的，以独立于机器人的主体在六个自由度(包括前向/后向、上/下、左/右、偏航、俯仰和滚动)上移动。这些移动使得元件能够以四个、五个或六个自由度移动。
在一些实现方式中，机器人的主体可控地在至少四个自由度上移动，该至少四个自由度包括前向/后向、上/下、左/右，以及偏航、俯仰或滚动中的至少一者。在一些实现方式中，机器人的主体可控地在至少五个自由度上移动，该至少五个自由度包括前向/后向、上/下、左/右，以及偏航、俯仰或滚动中的至少两者。在一些实现方式中，机器人的主体可控地在六个自由度上移动，该六个自由度包括前向/后向、上/下、左/右、偏航、俯仰和滚动。这些移动使得元件能够以四个、五个或六个自由度移动。
由于端部执行器连接到机器人的主体，端部执行器可以与主体一起移动。端部执行器也可以被配置为独立于机器人主体进行上述移动。也就是说，主体可以在多个自由度上移动，并且端部执行器可以在相同数量的自由度上、更少数量的自由度上或更多数量的自由度上与机器人主体分离移动。例如，如果主体向前移动，则端部执行器可以与主体一起向前移动，但是端部执行器也可以独立于主体的移动而进一步向前或左/右移动。
在一些实现方式中，端部执行器和主体可一起控制，以在至少四个自由度上移动元件，该至少四个自由度包括前向/后向、上/下、左/右，以及偏航、俯仰或滚动中的至少一者。在一些实现方式中，端部执行器和主体可一起控制，以在至少五个自由度上移动元件，该至少五个自由度包括前向/后向、上/下、左/右，以及偏航、俯仰或滚动中的至少一者。在一些实现方式中，端部执行器和主体可一起控制以在六个自由度(包括前向/后向、上/下、左/右、偏航、俯仰和滚动)上移动元件。例如，主体可以被配置为前向/后向和左/右移动，并且端部执行器可以被配置为上/下移动以及偏航、俯仰或滚动中的至少一者(四度)，偏航、俯仰或滚动中的至少两者(五度)，或偏航、俯仰或滚动中的全部(六度)。可以实现与这里描述的不同的移动组合。
还参考图3的框图，一个或多个传感器36a、36b、36c、36d和36e位于机器人10上，用于检测机器人本身的位置，用于检测要拾取的元件，和/或用于检测放置(例如堆叠)元件的位置。传感器还可以用于检测元件上的对准特征的位置，并且在机器人和/或元件相对于堆叠移动时跟踪它们的位置。传感器被配置为至少从至少在端部执行器前面的位置获得3D数据。传感器的示例包括2D和3D传感器。例如，机器人10可以包括3D相机、光探测和测距(LIDAR)扫描仪、光学传感器、声纳传感器、飞行时间(TOF)传感器、雷达传感器、2D相机传感器或其任何适当的组合。为了使用2D传感器获得3D数据，可以使用多个2D传感器。值得注意的是，示例机器人不限于这些类型的传感器。
在示例中，机器人10包括位于机器人前面40的3D相机。3D相机可以捕获红色、绿色、蓝色和深度(RGBD)数据。在该示例中，机器人的前部面向机器人的行进方向。在图3的示例中，机器人的前面可以包括从机器人的一侧到机器人的相对侧跨越180°或更小的弧。在示例中，机器人10可以包括位于机器人的前面的多个激光雷达扫描仪。每个激光雷达扫描仪都被配置为检测感测平面内的物体。两个或更多个激光雷达扫描仪可以被配置和布置成获得正交感测平面中的2D数据。当适当关联和/或组合时，此2D数据构成从机器人的前面获得的3D信息。这些和/或其他传感器的组合可以用于获得表示机器人的前面空间的3D数据。3D数据可以包括表示空间的3D(例如，笛卡尔XYZ)坐标。
在机器人的前面上包括多个传感器的实现方式中，传感器可以位于不同的位置，例如不同的高度。此外，一个或多个传感器可以在机器人上移动。在一些示例中，传感器36a、36c可以位于端部执行器上并且可以与端部执行器一起移动。位于此处的传感器使机器人能够检测并且成像位于端部执行器正前面的元件，诸如货盘或容器。来自此类传感器的数据使得端部执行器能够识别元件中的插口，并且因此便于端部执行器进入元件中的插口中。在一些示例中，一个或多个传感器可以位于机器人的主体上。例如，一个或多个传感器36d可以位于机器人的中点，一个或多个传感器36b可以位于机器人的底部，和/或一个或多个传感器36e可以位于机器人的顶部。策略性地放置在这些或其他位置的传感器使得即使当机器人正保持阻挡传感器的元件时机器人也能够捕获机器人的前面的元件的图像。示例元件包括但不限于以下元件，支架、货盘、包括兼容互锁机构的固定或可移动装置、一个或多个元件叠堆、或包含一个或多个元件叠堆的支架。例如，在正确放置的情况下，如果一个传感器被阻挡，例如被端部执行器上的一个或多个元件阻挡，另一个传感器将不会被这些元件阻挡，使得实现连续感测。传感器捕获的数据被发送到机器人的控制系统进行处理和使用。
在一些实现方式中，机器人10可以在除了机器人的前面以外的位置包括另外的传感器。例如，本文所述类型的传感器可以包括在机器人的一侧或两侧和/或机器人的后面上。在此示例中，机器人的后面是机器人前面的相对侧。在图3的示例中，机器人的后面41包括从机器人的一侧到机器人的相对侧跨越180°或更小的弧。在图3的示例中，机器人的侧面42、43可以包括从机器人的行进方向到与机器人的行进方向相反的方向跨越180°或更小的弧。这些传感器可以辅助诸如物体检测和定位的操作。
激光雷达扫描仪、3D相机和/或任何传感器构成机器人的视觉系统。由视觉系统获得的视觉数据可用于确定机器人在其正穿过的空间内的位置。在这点上，在一些实现方式中，控制系统46将待穿越的空间的标测图存储在计算机存储器中。控制系统46的部件在图3中以虚线示出，因为控制系统的至少一部分可以在机器人内部。标测图可位于机器人上或控制系统可访问的任何位置处。该标测图可以包括界标(诸如柱、角部、窗、杆以及充当机器人参考的空间的其他可分辨特征)的位置。该标测图可以包括界标的尺寸和区别特征，诸如颜色、形状、纹理等，界标诸如是柱、角部、窗、杆以及充当机器人参考的空间的其他可分辨特征。该标测图还可以包括指示空间大小的测量值、指示界标的大小和位置的测量值、指示界标之间距离的测量值以及识别界标在空间中所处位置的坐标信息。控制系统使用标测图中的信息在整个空间中移动，并且使用来自视觉系统的视觉数据和来自标测图的数据来确定机器人在空间中的位置。例如，机器人可识别三个界标在空间内的位置。通过知道机器人相对于这些界标的位置、界标在标测图上并且因此在空间内的位置以及界标之间的距离，控制系统可以确定机器人在空间内的位置。此信息可以用于定位要拾取的元件，或定位要放置的另一个元件，例如，堆叠机器人正保持着或将保持的元件。其他元件的示例包括类似类型的元件、兼容的互锁兼容装置，诸如类似或不同类型的另一个元件，或支架。
在一些实现方式中，机器人上的机载控制系统可以使用通过标测图的预先规划的路线来识别在哪里定位要拾取的元件，或定位一个或多个下面的其他元件，在这些元件上放置机器人正保持的元件：元件堆叠、兼容的互锁装置或支架。在一些实现方式中，机器人上的机载控制系统可能不使用通过标测图的预先规划的路线来识别在哪里定位要拾取的元件或定位机器人正保持的元件要放置在其上的其他元件中的一个。在后一个示例中，机器人可以通过空间或围绕空间移动，并且在检测到物体时，尝试识别机器人被控制移动的元件。如本文所解释的，可以通过参考包含元件属性的数据库来执行识别。在机器人识别出感兴趣的元件之后，机器人可以在空间中移动并且围绕空间移动以识别在其上放置机器人所保持的元件的其他元件中的一个。另一个元件的位置可以被预编程，或机器人可以使用其传感器系统搜索整个空间以识别另一个元件。在这点上，在一些实现方式中，机器人正保持的元件或放置该元件的其他元件可以包含诸如条形码、QR码或序列号的标记。机器人可以识别该元件和其他元件上的此类标记，比较所识别的标记，并且当检测到匹配时，确定该元件将被放置在其他元件上。在一些实现方式中，这些操作可以基于该元件和另一个元件的尺寸，或该元件和另一个元件上的其他区别特征(诸如颜色或标记)来执行。
控制系统46可以包括控制机器人操作的电路或机载计算系统。电路或机载计算系统是“机载的”意思是其位于机器人自身上。控制系统可包括例如一个或多个微控制器、一个或多个微处理器、可编程逻辑诸如现场可编程门阵列(FPGA)、一个或多个专用集成电路(ASIC)、固态电路或这些类型的处理装置中的两者或更多者的任何适当组合。在一些具体实施中，控制系统的机载部件可与远程计算系统通信。该计算系统是远程的意思是其不位于机器人自身上。例如，控制系统还可以包括计算资源，该计算资源分布到至少一部分不在机器人上的远程服务，例如，中央服务或云服务。由远程计算系统提供的命令可以由机载计算系统传送执行。在一些具体实施中，控制系统仅包括机载部件。在一些具体实施中，控制系统包括机载部件和远程计算系统的组合。在一些实现方式中，控制系统可以被配置(例如被编程)为在没有来自用户的本地或远程输入的情况下实现控制功能和机器人移动。在一些具体实施中，控制系统可被配置为至少部分地基于来自用户的输入来实现控制功能，包括定位。
在一些实现方式中，远程控制系统可以包括车队控制系统。车队控制系统可以包括一个或多个计算装置，该一个或多个计算装置一起操作以控制、影响或指示本文所述的类型的多个机器人。例如，车队控制系统可以被配置为协调多个机器人的操作，包括指示机器人移动到元件所在的位置和元件将被堆叠(例如，放置)的位置。在一些实现方式中，车队控制系统可以存储、维护和更新一个或多个机器人将要操作的空间的标测图。该标测图可以由每个机器人通过车队控制系统访问，或该标测图可以周期性地、间歇地或不定期地下载到在空间中操作的所有或一些机器人。然后，该标测图可以用于识别元件位于何处以及该元件将被堆叠在何处。例如，机器人可以使用标测图将其接近自身元件定位，以便拾取该元件；机器人可以使用标测图来导航到机器人将放置机器人已经拾取的元件的另一个元件；并且机器人可以使用该标测图将其自身定位为接近机器人将在其上放置机器人已拾取的元件的其他元件。在此示例中，定位可以包括移动机器人(这可以包括移动主体、端部执行器或两者)，使得其端部执行器对准要被拾取的元件中的插口。
在一些实现方式中，包括其远程部分的控制系统可以分布在空间中操作的多个机器人中。例如，其中机器人中的一个可以从车队控制器接收标测图，并且将标测图分发给在空间内本地操作的机器人。类似地，空间内的一个或多个机器人可以向其他机器人发送命令和控制信号。
无论是在机器人上、远离机器人还是在机器人上和远离的组合，控制系统都可以包括计算机存储器，该计算机存储器存储数据库，该数据库包含识别不同类型的元件和不同类型的元件的属性的数据。例如，数据库可以包括识别元件的配置、元件的型号、元件中插口的数量、包括长度、宽度和深度(XYZ)的元件尺寸、制造元件的材料、元件的重量、元件接口(或堆叠)特征、元件上的标记或记号(诸如颜色、序列号、条形码、QR码等)的属性等，以及机器人拾取元件、移动元件并且将元件堆叠在支架或兼容的互锁装置(诸如另一个元件)上可能需要的任何其他适当的信息。机器人可以使用此信息来识别元件并且控制其主体和/或其端部执行器来拾取和移动元件。例如，机器人上的机载控制系统可以从此类型的本地或远程数据库获得信息，并且可以使用此信息来识别元件并且如本文该堆叠元件。
在这点上，不同类型的元件可以具有不同类型的接口特征。在一些示例中，接口特征包括使得一个元件能够稳定地堆叠在另一个元件上的部件、突起和/或凹口。在一些元件中，诸如图4的元件50(在此示例中是货盘)，在元件的四个角部的每一个的顶部和底部上都有接口特征。底部上的那些的用虚线示出。在这种情况下，接口特征包括在元件50的每个角部的顶部上的销51和互补的插口52，其中来自另一个元件的销装配在每个角部的底部上。类似的插脚和插口可以位于元件上的其他地方。因此，为了堆叠多个此类元件，一个元件顶部的销装配到另一个元件底部的插口中。在图5的另一个示例元件54中，接口特征包括在元件54的顶部四个角部处的柱57和在元件的底部四个角部处的互补凹口60。底部上的那些的用虚线示出。类似的凹口和柱可以位于元件上的其他地方。因此，为了堆叠多个此类元件，一个元件顶部上的柱装配到另一个元件底部的互补凹口中。在另一个示例中，元件的顶部每个角部可以锁定到相同类型元件的对应角部的底部。这些被称为互锁角部。因此，为了堆叠多个此类元件，元件的互锁特征被识别和对准，使得顶部元件的互锁特征与顶部元件堆叠在其上的下方元件的互锁特征处于相同的竖直位置。在图6的特写视图中，两个元件63、64的互锁特征包含装配在一起的互补结构65、66。在又一个示例中，接口特征包括元件本身的角部。例如，元件的顶部和底部可以是基本上平坦的。为了提供最稳定的堆栈，在此示例中，元件的边缘也应对准。
图7是示出可以由控制系统和机器人执行以将一个元件堆叠在另一个元件上的示例操作的流程图。根据过程70，机器人10被控制(71)以移动到要拾取的元件的位置。如前所述，机器人可以使用标测图来导航包含该元件的空间，并且可以使用数据库来基于其位置和/或识别特征、尺寸、标记等来识别要拾取的元件。一旦到达元件的位置，机器人自身定位(72)，使得其端部执行器可以插入到元件中。在货盘的情况下，端部执行器被插入货盘的插口中。使用端部执行器，机器人拾取(73)元件并且导航(74)到元件将被放置的位置附近，例如堆叠。如所解释的，该元件包括与另一个元件上的互补或兼容特征相匹配的特征，诸如其角部或部件。机器人自主移动——例如，基于标测图中的信息、传感器和来自控制系统的信号——到接近堆叠、兼容互锁装置或放置元件的机架的位置。没有人驾驶机器人穿越空间。
在移动之后，机器人10检测(75)机器人正保持的元件待堆叠在其上的元件。例如，被检测到的元件可以是兼容的互锁装置或支架。如上面的情况，机器人可以使用标测图来导航到接近检测到的元件的位置，并且可以使用数据库来基于识别特征、尺寸、标记等来识别机器人正保持的元件待堆叠的位置。机器人也可以同样使用识别特征、尺寸、标记等来识别目标目的地。图8示出了元件的示例堆叠80，并且图9示出了示例支架81。该元件可以放置在机架上的元件叠堆上，或放置在地板上的元件叠堆上，也就是说，不在机架上，直接放置在机架上，或放置在具有兼容互锁特征的装置上，这本身可能不涉及堆叠。
此时，机载控制系统执行机器人和环境之间的坐标系转换，以确定如何操纵该元件。更特别地，机器人上的传感器相对于基于机器人的坐标系感测被检测到的元件。此信息被转换成环境坐标系统，该环境坐标系统识别元件将被放置的位置。为此，控制系统确定从机器人到目标位置的第一矢量和从机器人上的传感器到机器人正保持的元件的第二矢量。控制系统确定第一向量和第二向量之间的差，并且使用该差(反映坐标系中的差)来控制元件相对于目标位置的移动。
还参考图1和图10至15，为了将一个元件堆叠(76)在另一个元件上(诸如图8叠堆81上的货盘)，机器人10控制其端部执行器16或其主体12中的至少一者在四个、五个、或六个自由度来执行以下操作，这些操作包括：移动元件83以将元件83的第一角部特征(也称为“对准特征”)对准(77)元件84的第一角部特征，移动元件83以将元件83的第二角部特征(78)对准元件84的第二角部特征，以及移动元件83与元件84接触(79)，使得两个元件的第一角部特征匹配，并且使得两个元件的第二角部特征匹配。如本文所述，角部特征可以包括销和插口、柱和凹口、角部本身或其他机械特征，以将顶部元件配合到底部元件。作为堆叠过程的一部分，机器人上的传感器识别角部特征的位置并且继续监测它们的位置。
在这方面，图10至图15示出了堆叠操作的示例。每个图中都包括示出六个自由度移动的图例85。然而，这些图中省略了机器人。在图10中，机器人主体、端部执行器或两者被控制以在箭头87的方向上向前倾斜元件，使得元件83的前面90低于元件83的后部91。在图11中，机器人主体、端部执行器或两者被控制以在箭头88的方向上左/右滚动元件83，使得元件83的角部94处于环境坐标空间中该元件的最低点。机器人10上的传感器定位元件83和84上的对准柱95和插口96。机器人上的传感器的示例由本文所述。在此示例中，柱和插口位于元件的左侧和右侧，例如，位于元件的线性布置或对角部处。
在图12中，控制机器人主体、端部执行器或两者，以将元件83的角部94处的插口100的笛卡尔XY坐标对准到元件84的角部97处的柱101(该对准由虚线98表示)，并且在此XY坐标对准期间执行元件83到元件84的粗略偏航对准。此时，机器人主体、端部执行器或两者也可以被控制以开始向下降低元件——在负笛卡尔Z方向99上——以朝向柱101移动插口100。在图13中，控制机器人主体、端部执行器或两者来执行偏航107和滚动108移动，以将元件83的角部104处的插口103的笛卡尔XY坐标与元件84的角部107的柱106对准。该对准由虚线93表示。在图14中，控制机器人主体、端部执行器或两者来执行俯仰移动110，以竖直对准元件。对准由元件四个角部上的虚线(未标记)表示。在图15中，机器人主体、端部执行器或两者被控制以向下移动元件83，使得其插口与元件84的柱配合。
在前面的示例中，通过使用角部94和104以及相应的对准特征100和103来对准元件83和84。这些角部可以最初使用优化过程例如基于它们对传感器的可见性和可用性来选择。在一些具体实施中，不一定必需如此。在一些实现方式中，三个或更多个互锁特征可以在配合之前如本文所述对准。在一些实现方式中，用于对准元件的特征可能不位于元件角部上。例如，元件的相对侧或元件的相邻侧上的特征，而不是角部，可以用于对准元件。这些另外的特征也可以用于确认或增强基于角部特征、角部或其组合执行的对准。
本文所述的示例机器人可以至少部分地使用一个或多个计算机程序产品来控制，该计算机程序产品例如为一个或多个信息载体(诸如一个或多个非暂态机器可读介质)中有形地体现的一个或多个计算机程序，用于由一个或多个数据处理装置执行或控制一个或多个数据处理装置的操作，该数据处理装置例如为可编程处理器、计算机、多台计算机和/或可编程逻辑部件。
计算机程序可采用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，并且其可以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子程序或适用于计算环境中的其他单元。计算机程序可被部署成在一台计算机上或者在一个站点处或分布在多个位点并且通过网络互连的多台计算机上执行。
与实现全部或部分测试相关联的动作可通过一个或多个可编程处理器进行，该处理器执行一个或多个计算机程序来进行本文所述的一些功能。全部或部分测试可使用专用逻辑电路例如FPGA(现场可编程门阵列)和/或ASIC(专用集成电路)来实现。
适用于计算机程序执行的处理器包括(举例来说)通用和专用微处理器两者，以及任何种类数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储区或随机存取存储区或这二者接收指令和数据。计算机(包括服务器)的元件包括用于执行指令的一个或多个处理器以及用于存储指令和数据的一个或多个存储区装置。通常，计算机还将包括(或者操作地耦接以从其接收数据或向其传输数据或这二者)一个或多个机器可读存储介质，诸如用于存储数据的大容量存储装置，例如，磁盘、磁光盘或光盘。适于体现计算机程序指令和数据的机器可读存储介质包括所有形式的非易失性存储区，包括(以举例的方式)半导体存储区装置，例如，EPROM、EEPROM和快闪存储区装置；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。
本文中的任何机械或电连接可包括直接物理连接或包括中间部件的间接连接。
本文所述的不同具体实施的元件可组合在一起以形成未在上面具体阐明的其他实施方案。多个元件可被排除在本文所述的结构之外而不对其操作产生不利影响。此外，各单独元件可组合为一个或多个单个元件来进行本文所述的功能。

Claims (22)

1.一种自主车辆，所述自主车辆包括：
主体，所述主体被配置为沿着表面移动；
端部执行器，所述端部执行器用于保持具有第一特征和第二特征的第一元件，所述第一特征和所述第二特征与第二元件上的互补的第三特征和第四特征相匹配，所述端部执行器或所述主体中的至少一者是可控的，以在至少四个自由度上移动，所述至少四个自由度包括前向/后向、上/下、左/右，以及偏航、俯仰或滚动中的至少一者；
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器用于检测所述第二元件并且获得用于定位所述第二元件的所述第三特征和所述第四特征的信息；和
控制系统，所述控制系统用于控制所述端部执行器或所述主体中的至少一者在所述至少四个自由度上移动，以通过执行以下操作将所述第一元件堆叠在所述第二元件的顶部上，所述操作包括：移动所述第一元件以将所述第一特征与所述第三特征对准，移动所述第一元件以将所述第二特征与所述第四特征对准，以及移动所述第一元件与所述第二元件接触，使得所述第一特征与所述第三特征匹配，并且所述第二特征与所述第四特征匹配。
2.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述控制系统被编程为基于所述信息确定从所述自主车辆到所述第二元件的第一向量和从所述一个或多个传感器中的传感器到所述第一元件的第二向量，并且基于所述第一向量和所述第二向量之间的差来控制所述端部执行器或所述主体中的所述至少一者移动。
3.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述控制系统被配置为以前向/后向、上/下或左/右运动中的至少一者移动所述第一元件，以将所述第一特征与所述第三特征对准；并且
其中所述控制系统被配置为以俯仰、偏航或滚动运动中的至少一者来移动所述第一元件，以将所述第二特征与所述第四特征对准。
4.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述控制系统被配置为控制所述端部执行器或所述主体中的所述至少一者在至少五个自由度上移动，所述至少五个自由度包括：前向/后向、上/下、左/右，以及偏航、俯仰或滚动中的至少两者。
5.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述控制系统被配置为控制所述端部执行器或所述主体中的所述至少一者在六个自由度上移动，所述六个自由度包括：前向/后向、上/下、左/右、俯仰、偏航和滚动。
6.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述一个或多个传感器被配置为在三维(3D)空间中定位所述第三特征和所述第四特征。
7.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述一个或多个传感器被配置为检测三维(3D)空间中的所述第二元件并且获得所述第二元件的3D坐标。
8.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述一个或多个传感器包括以下中的一者或多者：光探测和测距(LIDAR)传感器、飞行时间(TOF)传感器、雷达传感器、声纳传感器、二维相机传感器或三维相机传感器。
9.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述控制系统包括一个或多个处理装置，所述一个或多个处理装置驻留在所述自主车辆上，并且被配置为执行软件以独立于来自外部源的数据输入来执行所述操作。
10.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述控制系统包括一个或多个处理装置，所述一个或多个处理装置驻留在所述自主车辆上，并且被配置为执行软件以至少部分地基于来自所述自主车辆外部的车队系统的数据输入来执行所述操作。
11.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述控制系统包括驻留在所述自主车辆上的一个或多个处理装置，所述一个或多个处理装置被编程为从所述自主车辆外部的车队系统接收信息，所述一个或多个处理装置被编程为基于所述信息控制所述主体朝向所述第二元件的移动。
12.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述控制系统包括驻留在所述自主车辆上的一个或多个处理装置，所述一个或多个处理装置被编程为从所述自主车辆外部的车队系统接收信息，所述一个或多个处理装置被编程为基于所述信息识别所述第二元件的类型。
13.根据权利要求1所述的自主车辆，所述自主车辆还包括：
计算机存储器，所述计算机存储器存储数据库，所述数据库包含识别不同类型的元件和所述不同类型的元件的属性的数据；
其中所述控制系统包括驻留在所述自主车辆上的一个或多个处理装置，所述一个或多个处理装置被编程为从所述数据库获得数据以识别所述第二元件的类型和所述第二元件的属性，所述属性与所述第二元件的所述第三特征和所述第四特征相关。
14.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述控制系统包括驻留在所述自主车辆上的一个或多个处理装置，所述一个或多个处理装置被编程为从所述自主车辆外部的车队系统接收信息，所述一个或多个处理装置被编程为基于所述信息移动到接近所述第二元件的位置，并且在到达所述位置之后，控制所述端部执行器或所述主体中的至少一者在所述至少四个自由度上移动，使得独立于来自所述车队系统的输入将所述第一元件堆叠在所述第二元件的顶部上。
15.根据权利要求14所述的自主车辆，其中所述信息包括所述第二元件所在区域的标测图。
16.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述第一元件和所述第二元件各自包括货盘。
17.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述端部执行器被配置为在所述至少四个自由度上移动；并且
其中所述控制系统被配置为控制所述端部执行器在所述至少四个自由度上移动，以将所述第一元件堆叠在所述第二元件的顶部上。
18.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述端部执行器被配置为在至少五个自由度上移动，所述至少五个自由度包括：前向/后向、上/下、左/右以及俯仰、偏航或滚动中的至少一者；并且
其中所述控制系统被配置为控制所述端部执行器在所述至少五个自由度上移动，以将所述第一元件堆叠在所述第二元件的顶部上。
19.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述端部执行器被配置为在六个自由度上移动，所述六个自由度包括：前向/后向、上/下、左/右、俯仰、偏航和滚动；并且
其中所述控制系统被配置为控制所述端部执行器在所述六个自由度上移动，以将所述第一元件堆叠在所述第二元件的顶部上。
20.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述端部执行器包括用于保持所述第一元件的尖齿，所述尖齿包括第一尖齿和第二尖齿，所述第一尖齿被配置为在至少一个自由度上独立于所述第二尖齿移动，并且所述第二尖齿被配置为在所述至少一个自由度上独立于所述第一尖齿移动。
21.根据权利要求1所述的自主车辆，其中所述第二元件上的所述第三特征或所述第四特征中的至少一者位于所述第二元件的角部处。
22.一种由自主车辆执行的方法，所述方法包括：
使用连接到所述自主车辆的主体的端部执行器来拾取具有第一特征和第二特征的第一元件，所述第一特征和所述第二特征与第二元件上的互补的第三特征和第四特征相匹配；
将保持所述第二元件的所述自主车辆沿着表面朝向所述第二元件的位置移动；
检测所述第二元件，其中检测包括定位所述第二元件的所述第三特征和所述第四特征；以及
控制所述端部执行器或所述主体中的至少一者在至少四个自由度上移动，以通过执行以下操作将所述第一元件堆叠在所述第二元件的顶部上，所述操作包括：移动所述第一元件以将所述第一特征与所述第三特征对准，移动所述第一元件以将所述第二特征与所述第四特征对准，以及移动所述第一元件与所述第二元件接触，使得所述第一特征与所述第三特征匹配，并且所述第二特征与所述第四特征匹配；
其中所述至少四个自由度包括前向/后向、上/下、左/右，以及偏航、俯仰或滚动中的至少一者。
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