TW202032366A - 用於非完整機器人系統之改良式控制之系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本文中揭示用於非完整機器人系統之改良式控制之系統及方法。根據至少一項非限制性例示性實施例，可判定一非完整機器人上或附近之一完整參考點，及利用該完整參考點來沿著一目標軌跡對該機器人進行導航。歸因於該參考點之完整性，可極大簡化該機器人系統之控制邏輯，藉此增強非完整機器人系統之導航準確性及導航能力。

Description

用於非完整機器人系統之改良式控制之系統及方法
本申請案一般而言係關於機器人，且更具體而言係關於用於非完整機器人系統之改良式控制之系統及方法。
當前，諸多機器人可利用一差動驅動組態來進行運動，其中利用兩個輪或胎面來對機器人進行導航。然而，差動驅動組態及其他類似組態可致使機器人之移動變得非完整(亦即，將機器人約束為沿著受限自由度而移動)。此等機器人之非完整性可為一控制器施加額外約束以產生使致動器將機器人組態成沿著一目標軌跡移動之控制信號。此等機器人之非完整性質可另外對路線規劃施加額外約束，此乃因機器人之非完整性可抑制機器人在沿著一路線之點處之移動。
另外，為克服非完整約束，非完整機器人可基於通常在固定位置後輪或軸之間的一非完整參考點來規劃路線，此可在利用非完整參考點時限制潛在可導航路線之數目。然而，此等非完整機器人可包括機器人內或附近之至少一個完整參考點。因此，在此項技術中需要用於利用一完整參考點來控制非完整機器人系統使得非完整機器人可以經改良準確性及經增加自由度來導航一目標軌跡的經改良系統及方法。
本發明滿足了前述需要，本發明尤其提供用於控制非完整機器人系統之系統及方法。
本文中所闡述之例示性實施例具有創新特徵，其中任何單一者並非必不可少的或並非僅對其等之所期望屬性負責。在不限制本申請專利範圍之範疇之情況下，現將總結有利特徵中之某些特徵。
根據至少一項非限制性例示性實施例，揭示一種用於一非完整機器人之改良式控制之方法。該方法可包括耦合至該機器人之一控制器判定該機器人上或附近之一完整參考點P且利用該參考點P沿著一目標軌跡對該機器人進行準確導航。該方法可進一步包括基於該完整參考點P與一初始參考點M之間的距離而將一線性變換應用於當前路線資料，其中該初始參考點M可係定義該目標軌跡所依據之一非完整或完整參考點。該方法可進一步包括在沿著該目標軌跡之不同位置處利用在該機器人系統之參考座標系內之分開位置處定義之複數個不同完整參考點來執行該目標軌跡之不同移動，每一移動對應於該複數個完整參考點中之一者之使用。
根據至少一項非限制性例示性實施例，揭示一種非完整機器人系統。該非完整機器人系統可包括一專門化處理裝置，該專門化處理裝置經組態以執行一非暫時性儲存媒體上之電腦可讀指令，該等指令在由該專門化處理裝置執行時致使該專門化處理裝置判定該機器人系統上或附近之一完整參考點P且利用該完整參考點P沿著一目標軌跡對該機器人進行導航。該等電腦可讀指令可進一步組態該專門化處理裝置以基於該完整參考點P與一初始參考點M之間的一距離而將線性變換應用於路線資料，其中該初始參考點M可係定義該目標軌跡所依據之一非完整或完整參考點。該等電腦可讀指令可進一步組態該專門化處理裝置以在沿著該目標軌跡之不同位置處利用在該機器人系統之參考座標系內之分開位置處定義之複數個不同完整參考點來執行該目標軌跡之不同移動，每一移動對應於該複數個完整參考點中之一者之使用。
根據至少一項非限制性例示性實施例，揭示一種非暫時性電腦可讀儲存媒體。該非暫時性電腦可讀儲存媒體可包括複數個電腦可讀指令，該等電腦可讀指令在由一專門化處理裝置執行時組態該專門化處理裝置以判定一非完整機器人系統內或附近之一完整參考點P且利用該完整參考點P沿著一目標軌跡對該機器人系統進行導航。該非暫時性電腦可讀儲存媒體可進一步包括電腦可讀指令以基於該完整參考點P與一初始參考點M之間的一距離將一線性變換應用於路線資料，該初始參考點M可係定義該目標軌跡所依據之一完整或非完整參考點。該非暫時性電腦可讀儲存媒體可進一步包括電腦可讀指令以在沿著該目標軌跡之不同位置處利用在該機器人系統之參考座標系內之分開位置處定義之複數個不同完整參考點來執行該目標軌跡之不同移動，每一移動對應於該複數個完整參考點中之一者之使用。
本發明之此等及其他目標、特徵及特性以及相關結構元件之操作方法及功能以及部件之組合與製造經濟性將在參考隨附圖式而考慮以下說明及隨附申請專利範圍之後旋即變得更顯而易見，所有隨附圖式形成本說明書之一部分，其中相似元件符號在各圖中命名對應部件。然而，應明確理解，附圖僅出於圖解及說明之目的，且並不意欲作為對本發明之限制之一定義。除非內容脈絡另有明確規定，否則如本說明書及申請專利範圍中所使用，單數形式「一(a)」、「一(an)」及「該(the)」包含複數個參考物。
下文參考隨附圖式更全面闡述本文中所揭示之新穎系統、設備及方法之各種態樣。然而，本發明可以諸多不同形式體現且不應解釋為限於遍及本發明所呈現之任何特定結構或功能。而是，提供此等態樣使得本發明將係透徹及完整的，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明之範疇。基於本文中之教示，熟習此項技術者將瞭解，本發明之範疇意欲涵蓋本文中所揭示之新穎系統、設備及方法之任何態樣，無論是獨立於本發明之任何其他態樣還是與本發明之任何其他態樣組合而實施。舉例而言，可使用本文中所陳述之任何數目之態樣來實施一種設備或實踐一種方法。另外，本發明之範疇意欲涵蓋使用其他結構、功能性或者作為本文中所陳述之本發明之各個態樣之補充或替代的結構及功能性來實踐之此一設備或方法。應理解，本文中所揭示之任何態樣可藉由一技術方案之一或多個元件來實施。
儘管本文中闡述特定態樣，但此等態樣之諸多變化形式及排列皆歸屬於本發明之範疇內。儘管提及較佳態樣之某些益處及優點，但本發明之範疇並不意欲限於特定益處、用途及/或目標。詳細說明及圖式僅係對本發明之說明而非限制，本發明之範疇係由隨附申請專利範圍及其等效物定義。
本發明提供用於控制非完整機器人系統之系統及方法。如本文中所使用，一機器人可包含經組態以自動執行一系列複雜任務或動作之機械及/或虛擬實體。在某些例示性實施例中，機器人可係由電腦程式及/或電子電路引導及/或指示之機器。在某些例示性實施例中，機器人可包含經組態以用於導航之機電組件，其中機器人可自一個位置移動至另一位置。此等機器人可包含自動及/或半自動汽車、地板清潔器、巡遊器(rover)、無人飛行器、飛機、船舶、手推車、有軌電車、輪椅、工業裝備、織襪機、行動平臺、個人運輸裝置(例如，懸停板、SEGWAYS®等)、織襪機、拖車移動器、運輸工具及諸如此類。機器人亦可包含用於將物品、人、動物、船貨、貨物、物件、行李及/或任何所期望物體自一個位置運輸至另一位置之任何自動及/或半自動機器。
如本文中所使用，一非完整機器人可係指相對於其潛在移動及/或自由度而受限制之一機器人。舉例而言，能夠在一個二維(2D)座標平面中在所有方向(例如，橫向和水平)上移動之一機器人可以被認為係完整的(例如，具有全輪轉向之機器人)。不能夠在一個2D或3D座標平面中在至少一個方向上移動之一機器人可被認為係非完整的(例如，差動驅動機器人，其中該差動驅動機器人可能不能夠在不轉動之情況下水平移動)。
如本文中所使用，一參考點(例如，下文所論述之點M及P)可包括相對於由一機器人利用以沿著一路線進行導航的該機器人之一參考座標系在一恆定位置處之一幾何點。為沿著一路線進行導航，機器人可利用致動器/馬達來移動機器人，且因此移動參考點，使得參考點依循該路線。換言之，沿著一路線之導航包括一機器人移動，使得固定參考點相對於機器人之參考座標系而沿循路線。為清晰起見，點M將表示一非完整參考點，且點P將表示一完整參考點。
如本文中所使用，網路介面可包含具有一組件、網路或處理程序之任何信號、資料或軟體介面，包含但不限於，火線(例如，FW400、FW800、FWS800T、FWS1600、FWS3200等)、通用串列匯流排(「USB」)(例如，USB 1.X、USB 2.0、USB 3.0、C型USB等)、乙太網路(例如，10/100、10/100/1000 (十億位元乙太網路)、10-Gig-E等)、同軸纜線多媒體聯盟技術(「MoCA」)、同軸纜線系統(例如，TVNET™)、射頻調諧器(例如，頻帶內或OOB、有線電視數據機等)、Wi-Fi (802.11)、WiMAX (例如，WiMAX (802.16))、PAN (例如，PAN/802.15)、蜂巢式(例如，3G、LTE/LTE-A/TD-LTE/TD-LTE、GSM等)、IrDA族系等之彼等組件、網路或處理程序。如本文中所使用，Wi-Fi可包含IEEE-Std. 802.11、IEEE-Std. 802.11之變體、與IEEE-Std. 802.11相關之標準(例如，802.11 a/b/g/n/ac/ad/af/ah/ai/aj/aq/ax/ay)及/或其他無線標準中之一或多者。
如本文中所使用，處理裝置、微處理裝置及/或數位處理裝置可包含任何類型之數位處理裝置，諸如但不限於，數位信號處理裝置(「DSP」)、精簡指令集電腦(「RISC」)、處理裝置複雜指令集電腦(「CISC」)、微處理裝置、閘陣列(例如，場可程式化閘陣列(「FPGA」))、可程式化邏輯裝置(「PLD」)、可重新組態電腦組構(「RCF」)、陣列處理裝置、安全微處理裝置、專門化處理裝置(例如，神經形態處理裝置)及特殊應用積體電路(「ASIC」)。此等數位處理裝置可含納在一單個單式積體電路晶粒上或跨越多個組件而分佈。
如本文中所使用，電腦程式及/或軟體可包含執行一功能之任何序列或者人類或機器可辨識之步驟。此電腦程式及/或軟體可在任何程式設計語言或環境中再現，該等程式設計語言或環境包含(舉例而言) C/C++、C#、Fortran、COBOL、MATLAB™、PASCAL、GO、RUST、SCALA、Python、組合語言、標記語言(例如，HTML、SGML、XML、VoXML)及諸如此類，以及物件導向之環境，諸如共同物件請求代理架構(「CORBA」)、JAVA™ (包含J2ME、Java Beans等)、二進制運行時間環境(例如，「BREW」)及諸如此類。
如本文中所使用，連接、鏈路及/或無線鏈路可包含任何兩個或更多個實體(無論是實體的還是邏輯的/虛擬的)之間的使得能夠在實體之間交換資訊之一因果鏈路。
如本文中所使用，電腦及/或計算裝置可包含(但不限於)個人電腦(「PC」)及小型電腦(無論桌上型電腦、膝上型電腦還是其他電腦)、大型電腦、工作站、伺服器、個人數位助理(「PDA」)、手持式電腦、嵌入式電腦、可程式化邏輯裝置、個人通信器、平板電腦、行動裝置、可攜式導航輔助裝置、配備J2ME之裝置、蜂巢式電話、智慧型電話、個人整合式通信或娛樂裝置及/或能夠執行一組指令且處理一撥入資料信號之任何其他裝置。
現提供本發明之系統及方法之各種實施例之詳細說明。雖然本文中所論述之諸多實例可係指特定例示性實施例，但將瞭解，本文中所含有之所闡述系統及方法可應用於任何種類之機器人。在給出本發明之內容之情況下，熟習此項技術者將易於想到本文中所闡述之技術之大量其他實施例或用途。
有利地，本發明之系統及方法至少：(i)改良非完整機器人之移動之控制及準確性；(ii)徹底並快速減小非完整機器人隨時間之一位置誤差；且(iii)儘管一非完整機器人具非完整性質，但仍使得該機器人在不存在外部障礙物之情況下能夠沿著任何路線進行導航。在給出本發明之內容之情況下，熟習此項技術者易於辨別出其他優點。
根據至少一項非限制性例示性實施例，揭示一種用於一非完整機器人之改良式控制之方法。該方法可包括該機器人之一控制器判定該機器人上或附近之一完整參考點P且利用該參考點P沿著一目標軌跡對該機器人進行準確導航。該方法可進一步包括基於該完整參考點P與一初始參考點M之間的距離而將一線性變換應用於當前路線資料，其中該初始參考點M可係定義該目標軌跡所依據之一非完整或完整參考點。該方法可進一步包括在沿著該目標軌跡之不同位置處利用在該機器人系統之參考座標系內之分開位置處定義之複數個不同完整參考點來執行該目標軌跡之不同移動，每一移動對應於該複數個完整參考點中之一者之使用。
根據至少一項非限制性例示性實施例，揭示一種非完整機器人系統。該非完整機器人系統可包括一專門化處理裝置，該專門化處理裝置經組態以執行一非暫時性儲存媒體上之電腦可讀指令，該等指令在由該專門化處理裝置執行時致使該專門化處理裝置判定該機器人系統上或附近之一完整參考點P且利用該完整參考點P沿著一目標軌跡對該機器人進行導航。該等電腦可讀指令可進一步組態該專門化處理裝置以基於該完整參考點P與一初始參考點M之間的一距離而將線性變換應用於路線資料，其中該初始參考點M可係定義該目標軌跡所依據之一非完整或完整參考點。該等電腦可讀指令可進一步組態該專門化處理裝置以在沿著該目標軌跡之不同位置處利用在該機器人系統之參考座標系內之分開位置處定義之複數個不同完整參考點來執行該目標軌跡之不同移動，每一移動對應於該複數個完整參考點中之一者之使用。
根據至少一項非限制性例示性實施例，揭示一種非暫時性電腦可讀儲存媒體。該非暫時性電腦可讀儲存媒體可包括複數個電腦可讀指令，該等電腦可讀指令在由一專門化處理裝置執行時組態該專門化處理裝置以判定一非完整機器人系統內或附近之一完整參考點P，且利用該完整參考點P，沿著一目標軌跡對該機器人系統進行導航。該非暫時性電腦可讀儲存媒體可進一步包括電腦可讀指令，以基於該完整參考點P與一初始參考點M之間之一距離將一線性變換應用於路線資料，該初始參考點M可係定義該目標軌跡所依據之一完整或非完整參考點。該非暫時性電腦可讀儲存媒體可進一步包括電腦可讀指令，以在沿著該目標軌跡之不同位置處，利用在該機器人系統之參考座標系內之分開位置處定義的複數個不同完整參考點來執行該目標軌跡的不同移動，每一移動對應於該複數個完整參考點中之一者的使用。
圖1A係根據本發明之某些原理之一機器人102之一功能方塊圖。如圖1A中所圖解說明，機器人102可包含控制器118、記憶體120、使用者介面單元112、感測器單元114、導航單元106、致動器單元108及通信單元116，以及其他組件及子組件(例如，可能未經圖解說明之某些組件)。儘管在圖1A中圖解說明一特定實施例，但應瞭解，在給出本發明之內容的情況下，如熟習此項技術者將顯而易見，架構可在某些實施例中有變化。如本文中所使用，機器人102可至少部分地表示本發明中所闡述之任何機器人。
控制器118可控制由機器人102執行之各種操作。控制器118可包含及/或包括一或多個處理裝置(例如，微處理裝置)及其他周邊裝置。如本文中先前所提及和所使用，處理裝置、微處理裝置及/或數位處理裝置可包含任何類型之數位處理裝置，諸如，但不限於，數位信號處理裝置(「DSP」)、精簡指令集電腦(「RISC」)、處理裝置、複雜指令集電腦(「CISC」)、微處理裝置、閘陣列(例如，場可程式化閘陣列(「FPGA」))、可程式化邏輯裝置(「PLD」)、可重新組態電腦組構(「RCF」)、陣列處理裝置、安全微處理裝置、專門化處理裝置(例如，神經形態處理裝置)，及特殊應用積體電路(「ASIC」)。此等數位處理裝置可被含納在一單個單式積體電路晶粒上，或係跨越多個組件分佈。
控制器118係可操作地及/或通信地耦合至記憶體120。記憶體120可包含經組態以儲存數位資料之任何類型的積體電路或其他儲存裝置，包含但不限於，唯讀記憶體(「ROM」)、隨機存取記憶體(「RAM」)、非揮發性隨機存取記憶體(「NVRAM」)、可程式化唯讀記憶體(「PROM」)、電可抹除可程式化唯讀記憶體(「EEPROM」)、動態隨機存取記憶體(「DRAM」)、行動DRAM、同步DRAM (「SDRAM」)、雙倍資料速率SDRAM(「DDR/2 SDRAM」)、擴展資料輸出(「EDO」) RAM、快速頁面模式RAM (「FPM」)、經減少延時DRAM (「RLDRAM」)、靜態RAM (「SRAM」)、快閃記憶體(例如，NAND/NOR)、憶阻器記憶體、假靜態RAM (「PSRAM」)等。記憶體120可將指令及資料提供至控制器118。舉例而言，記憶體120可係一非暫時性電腦可讀儲存設備及/或媒體，其具有經儲存於其上之複數個指令，該等指令可由一處理設備(例如，控制器118)執行以操作機器人102。在某些情形中，該等指令可經組態以在由處理設備執行時，致使處理設備執行本發明中所闡述之各種方法、特徵及/或功能性。因此，控制器118可基於經儲存於記憶體120內之程式指令來執行邏輯及/或算術運算。在某些情形中，可以一硬體組合來儲存記憶體120之指令及/或資料，某些硬體本端地位於機器人102內，且某些硬體位於機器人102遠端(例如，在一雲端、伺服器、網路等中)。
熟習此項技術者應顯而易見，一處理裝置可係在機器人102外部且可利用通信單元116通信耦合至機器人102之控制器118，其中外部處理裝置可自機器人102接收資料、處理資料並將電腦可讀指令往回傳輸至控制器118。在至少一項非限制性例示性實施例中，處理裝置可位於一遠端伺服器(未展示)上。
在某些例示性實施例中，記憶體120 (圖1A中所展示)可儲存一感測器資料庫。在某些情形中，感測器資料可至少部分與物件及/或人相關聯。在例示性實施例中，此庫可包含與不同條件下之物件及/或人相關之感測器資料，諸如與具有不同組成(例如，材料、反射性質、分子構成等)、不同照明條件、角度、大小、距離、清晰度(例如，模糊、遮擋/遮住、部分脫離框架等)、顏色、環境及/或其他條件之物件及/或人相關之感測器資料。庫中之感測器資料可由一感測器(例如，感測器單元114之一感測器或任何其他感測器)獲取及/或諸如藉助一電腦程式自動產生，該電腦程式經組態以自不同照明條件、角度、大小、距離、清晰度(例如，模糊、遮擋/遮住、部分脫離框架等)、顏色、環境及/或其他條件產生/模擬(例如，在一虛擬世界中)庫感測器資料(例如，其可完全以數位方式及/或自實際感測器資料開始而產生/模擬此等庫資料)。庫中之影像數目可至少部分取決於以下各項中之一或多者：可用資料量、機器人102在其中操作之周圍環境之可變性、物件及/或人之複雜性、物件在外觀上之可變性、機器人之實體性質、感測器之特性及/或可用儲存空間量(例如，在庫、記憶體120及/或本端或遠端儲存裝置中)。在例示性實施例中，庫之至少一部分可儲存在一網路(例如，雲端、伺服器、分散式網路等)上及/或可不完全儲存於記憶體120內。作為另一例示性實施例，可將各種機器人(例如，通常相關聯之機器人，諸如藉由一共同製造商、使用者、網路等相關聯之機器人)進行網路連線，使得由個別機器人擷取之資料係與其他機器人共同共用。以此一方式，此等機器人可經組態以學習及/或共用感測器資料，以便促進容易地偵測及/或識別錯誤及/或輔助事件之能力。
仍參考圖1A，操作單元104可耦合至控制器118或任何其他控制器以執行本發明中所闡述之各種操作。某些實施例中可包含操作單元104中之模組中之一者、更多者或不包含操作單元104中之模組。遍及本發明，可參考各種控制器及/或處理裝置。在某些實施例中，一單個控制器(例如，控制器118)可充當所闡述之各種控制器及/或處理裝置。在其他實施例中，可使用不同控制器及/或處理裝置，諸如尤其用於一或多個操作單元104之控制器及/或處理裝置。控制器118可發送及/或接收信號，諸如功率信號、狀態信號、資料信號、電信號及/或任何其他可期望信號，包含去往操作單元104之離散及類比信號。控制器118可協調及/或管理操作單元104，及/或設定時序(例如，同步或異步)、關斷/接通控制功率預算、接收/發送網路指令及/或更新、更新韌體、發送質詢信號、接收及/或發送狀態、及/或執行用於運行機器人102之特徵之任何操作。
返回圖1A，操作單元104可包含執行機器人102之功能之各種單元。舉例而言，操作單元104至少包含導航單元106、致動器單元108、使用者介面單元112、感測器單元114及通信單元116。操作單元104亦可包括提供機器人102之各種功能性之其他單元。在例示性實施例中，可以軟體、硬體或者軟體及硬體兩者將操作單元104實例化。舉例而言，在某些情形中，操作單元104之各單元可包括由一控制器執行之電腦實施之指令。在例示性實施例中，操作單元104之各單元可包括經硬編碼之邏輯。在例示性實施例中，操作單元104之各單元可包括由一控制器執行之電腦實施之指令及經硬編碼之邏輯兩者。在部分地以軟體實施操作單元104之情況下，操作單元104可包含程式碼、演算法及/或一系列可執行步驟之單元/模組，該等單元/模組經組態以提供一或多個功能性。
在例示性實施例中，導航單元106可包含系統及方法，該等系統及方法可以計算方式建構並更新一環境之一地圖、在一地圖中定位機器人102 (例如，找到位置)以及將機器人102導航至目的地/自目的地導航機器人102。可藉由將部分由感測器單元114獲得之資料用於至少部分表示環境之一電腦可讀地圖中來執行製圖。在例示性實施例中，一環境之一地圖可透過使用者介面單元112上載至機器人102、以無線方式或透過有線連接來上載或者由一使用者向機器人102教示。
在例示性實施例中，導航單元106可包含經組態以提供用於機器人102進行導航之方向性指令之組件及/或軟體。導航單元106可處理由製圖及定位單元產生之地圖、路線及定位資訊、來自感測器單元114及/或其他操作單元104之資料。
仍參考圖1A，致動器單元108可包含致動器，諸如電動馬達、氣體馬達、驅動磁體系統、螺線管/棘輪系統、壓電系統(例如，尺蠖式(inchworm)馬達)、磁致伸縮元件、示意動作及/或此項技術中已知之驅動一致動器之任何方式。藉由圖解說明之方式，此等致動器可致動輪以使機器人102導航一路線；繞過障礙物而導航；旋轉相機及感測器。
在某些情形中，致動器單元108可包含用於致動以執行任務之任何系統。舉例而言，致動器單元108可包含驅動磁體系統、馬達/引擎(例如，電動馬達、燃燒引擎、蒸汽引擎及/或此項技術中已知之任何類型之馬達/引擎)、螺線管/棘輪系統、壓電系統(例如，一尺蠖式馬達)、磁致伸縮元件、示意動作及/或此項技術中已知之任何致動器。根據例示性實施例，致動器單元108可包含允許機器人102移動(諸如使推進機動化)之系統。舉例而言，機動化推進可在一向前或向後方向上移動機器人102，及/或至少部分用於使機器人102轉彎(例如，左、右及/或任何其他方向)。藉由圖解說明之方式，致動器單元108可控制機器人102是移動還是停止及/或允許機器人102自一個位置導航至另一位置。
根據例示性實施例，感測器單元114可包括可偵測機器人102內及/或周圍之特性之系統及/或方法。感測器單元114可包括複數個感測器及/或感測器之一組合。感測器單元114可包含位於機器人102內部或外部之感測器，及/或具有部分位於內部及/或部分位於外部之組件。在某些情形中，感測器單元114可包含一或多個外感受性感測器，諸如聲納、光偵測及測距(「LiDAR」)感測器、雷達、雷射、相機(包含視訊攝影機(例如，紅藍綠(「RBG」)相機、紅外線相機、三維(「3D」)相機、熱感相機等)、三維測距(「TOF」)相機、結構光相機)、天線、運動偵測器、麥克風及/或此項技術中已知之任何其他感測器。根據某些例示性實施例，感測器單元114可收集原始量測(例如，電流、電壓、電阻、閘邏輯等)及/或經變換量測(例如，距離、角度、障礙物中之所偵測點等)。在某些情形中，可將量測進行彙總及/或總結。感測器單元114可至少部分基於距離或高度量測而產生資料。此資料可儲存在資料結構中，諸如矩陣、陣列、佇列、清單、陣列、堆疊、包(bag)等。
根據例示性實施例，感測器單元114可包含可量測機器人102之內部特性之感測器。舉例而言，感測器單元114可量測機器人102之溫度、功率位準、狀態及/或任何特性。在某些情形中，感測器單元114可經組態以判定機器人102之里程計。舉例而言，感測器單元114可包含本體感受性感測器，該等本體感受性感測器可包括諸如加速度計、慣性量測單元(「IMU」)、里程表、陀螺儀、速度計、相機(例如，使用視覺里程計)、時鐘/計時器及諸如此類之感測器。里程計可促進機器人102之自動導航及/或自動動作。此里程計可包含機器人102相對於初始位置的位置(例如，其中位置可包含機器人之位置、位移及/或定向，且有時可與本文中所使用之術語位姿互換)。此資料可儲存在資料結構中，諸如矩陣、陣列、佇列、清單、陣列、堆疊、包等。根據例示性實施例，感測器資料之資料結構可稱為一影像。
根據例示性實施例，使用者介面單元112可經組態以使得一使用者能夠與機器人102互動。舉例而言，使用者介面單元112可包含觸控面板、按鈕、小鍵盤/鍵盤、埠(例如，通用串列匯流排(「USB」)、數位視覺介面(「DVI」)、顯示埠、E-Sata、火線、PS/2、串列、VGA、SCSI、音訊埠、高清晰度多媒體介面(「HDMI」)、個人電腦記憶體卡國際協會(「PCMCIA」)埠、記憶體卡埠(例如，安全數位(「SD」)及迷你SD)及/或用於電腦可讀媒體之埠)、滑鼠、滾球(rollerball)、控制台、振動器、音訊傳感器及/或用於一使用者輸入及/或接收資料及/或命令之任何介面，無論是無線耦合還是透過導線而耦合。使用者可透過語音命令或手勢進行互動。使用者介面單元218可包含一顯示器，諸如但不限於，液晶顯示器(「LCD」)、發光二極體(「LED」)顯示器、LED LCD顯示器、平面內切換(「IPS」)顯示器、陰極射線管、電漿顯示器、高清晰度(「HD」)面板、4K顯示器、視網膜顯示器、有機LED顯示器、觸控螢幕、表面、帆布及/或任何顯示器、電視、監視器、面板及/或此項技術中已知之用於視覺表示之裝置。根據例示性實施例，使用者介面單元112可定位在機器人102之主體上。根據例示性實施例，使用者介面單元112可定位成遠離機器人102之主體但可直接或間接(例如，透過一網路、伺服器及/或一雲端)通信地耦合至機器人102 (例如，經由包含傳輸器、接收器及/或收發器之通信單元)。根據例示性實施例，使用者介面單元112可包含位於機器人近側之一表面(例如，地板)上之一或多個影像投影(例如)以向佔據者或機器人周圍之人提供資訊。該資訊可係機器人進一步移動之方向，諸如向前、向左、向右、向後、以一角度及/或任何其他方向移動之一指示。在某些情形中，此資訊可利用箭頭、顏色、符號等。
根據例示性實施例，通信單元116可包含一或多個接收器、傳輸器及/或收發器。通信單元116可經組態以發送/接收一傳輸協定，諸如BLUETOOTH® 、ZIGBEE® 、Wi-Fi、感應無線資料傳輸、射頻、無線電傳輸、射頻識別(「RFID」)、近場通信(「NFC」)、紅外線、網路介面、諸如3G (3GPP/3GPP2)之蜂巢式技術、高速下行鏈路封包存取(「HSDPA」)、高速上行鏈路封包存取(「HSUPA」)、分時多重存取(「TDMA」)、分碼多重存取(「CDMA」)(例如，IS-95A、寬頻帶分碼多重存取(「WCDMA」)等)、跳頻展開頻譜(「FHSS」)、直接序列展開頻譜(「DSSS」)、全球行動通信系統(「GSM」)、個人區域網路(「PAN」)(例如，PAN/802.15)、全球微波存取互通(「WiMAX」)、802.20、長期演進(「LTE」)(例如，LTE/LTE-A)、分時LTE (「TD-LTE」)、全球行動通信系統(「GSM」)、窄頻帶/分頻多重存取(「FDMA」)、正交分頻多工(「OFDM」)、類比蜂巢式、蜂巢式數位封包資料(「CDPD」)、衛星系統、毫米波或微波系統、聲音、紅外線(例如，紅外線資料協會(「IrDA」))及/或無線資料傳輸之任何其他形式。
通信單元116亦可經組態以利用一傳輸協定經由有線連接(諸如具有一信號線及地線之任何纜線)來發送/接收信號。舉例而言，此等纜線可包含乙太網路纜線、同軸纜線、通用串列匯流排(「USB」)、火線及/或此項技術者已知之任何連接。通信單元116可使用此等協定來與外部系統(諸如電腦、智慧型電話、平板電腦、資料擷取系統、行動電信網路、雲端、伺服器或諸如此類)通信。通信單元116可經組態以發送及接收包括數字、字母、文數字元及/或符號之信號。在某些情形中，可使用符合諸如進階加密標準(「AES」)、RSA、資料加密標準(「DES」)、三重DES及諸如此類之標準的演算法(諸如128位元或256位元秘鑰及/或其他加密演算法)來加密信號。通信單元116可經組態以發送及接收狀態、命令及其他資料/資訊。舉例而言，通信單元116可與一使用者操作者通信以允許該使用者控制機器人102。通信單元116可與一伺服器/網路(例如，一網路)通信以允許機器人102將資料、狀態、命令及其他通信發送至伺服器。伺服器亦可通信地耦合至可用於遠端監視及/或控制機器人102之電腦及/或裝置。通信單元116亦可自用於機器人102之一伺服器接收更新(例如，韌體或資料更新)、資料、狀態、命令及其他通信。
在例示性實施例中，作業系統110可經組態以管理記憶體120、控制器118、電源供應器122、操作單元104中之模組及/或機器人102之任何軟體、硬體及/或特徵。舉例而言(且不限於)，作業系統110可包含裝置驅動器以管理用於機器人102之硬體資源。
在例示性實施例中，電源供應器122可包含一或多個電池，包含但不限於，鋰、鋰離子、鎳鎘、鎳金屬氫化物、鎳氫、碳鋅、氧化銀、鋅碳、鋅空氣、氧化汞、鹼性或此項技術中已知之任何其他類型之電池。某些電池可係可再充電的，諸如無線地(例如，藉由諧振電路及/或一諧振儲槽電路)及/或插入一外部電源中。電源供應器122亦可係任何能量供應者，包含將太陽能、風能、水能、核能、氫能、汽油、天然氣、化石燃料、機械能、蒸汽及/或任何動力源轉換為電能之壁式插座及電子裝置。
關於圖1A所闡述之單元中之一或多者(包含記憶體120、控制器118、感測器單元114、使用者介面單元112、致動器單元108、通信單元116、製圖及定位單元及/或其他單元)可整合至機器人102 (諸如在一整合式系統中)上。然而，根據某些例示性實施例，此等單元中之一或多者可係一可附接模組之部分。此模組可附接至一現有設備以實現自動化使得該現有設備如一機器人一樣表現。因此，本發明中參考機器人102所闡述之特徵可在一模組中實例化，該模組可附接至一現有設備及/或整合至一整合式系統中之機器人102上。此外，在某些情形中，熟習此項技術者將自本發明之內容瞭解，本發明所闡述之特徵之至少一部分亦可遠端運行，諸如在一雲端、網路及/或伺服器中。
如此處所使用，一機器人102、一控制器118或執行下圖中所圖解說明之一任務之任何其他控制器、處理裝置或機器人包括執行儲存在一非暫時性電腦可讀儲存設備(諸如記憶體120)上之電腦可讀指令的一控制器，如熟習此項技術者將瞭解。
接下來參考圖1B，根據一例示性實施例來圖解說明圖1A中所展示之系統中所使用之專門化控制器118之架構。如圖1B中所圖解說明，專門化電腦包含一資料匯流排128、一接收器126、一傳輸器134、至少一個處理裝置130及一記憶體132。接收器126、處理裝置130及傳輸器134全部經由資料匯流排128彼此通信。處理裝置130係可組態以執行專門化演算法之一專門化處理裝置。處理裝置130可組態以存取記憶體132，該記憶體儲存電腦程式碼或指令以便處理裝置130執行專門化演算法。如圖1B中所圖解說明，記憶體132可包括先前在圖1A中所圖解說明之記憶體120之特徵中之某些特徵、無特徵、不同特徵或所有特徵。在下文中進一步詳細論述由處理裝置130執行之演算法。如圖1B中所展示之接收器126可組態以接收輸入信號124。輸入信號124可包括來自圖1A中所圖解說明之複數個操作單元104之信號，包含但不限於，來自感測器單元114之感測器資料、使用者輸入、馬達回饋、外部通信信號(例如，來自一遠端伺服器)及/或來自一操作單元104之需要由專門化控制器118進一步處理之任何其他信號。接收器126經由資料匯流排128將此等所接收信號傳遞至處理裝置130。如熟習此項技術者將瞭解，資料匯流排128係專門化控制器118中之不同組件(接收器、處理裝置及傳輸器)之間的通信構件。如下文所論述，處理裝置130藉由自記憶體132存取專門化電腦可讀指令來執行演算法。上文關於圖1A論述關於處理裝置130在接收、處理及傳輸此等信號中執行專門化演算法之進一步詳細說明。記憶體132係用於儲存電腦程式碼或指令之一儲存媒體。儲存媒體可包含光學記憶體(例如，CD、DVD、HD-DVD、藍光光碟等)、半導體記憶體(例如，RAM、EPROM、EEPROM等)及/或磁性記憶體(例如，硬式磁碟機、軟式磁碟機、磁帶機、MRAM等)以及其他儲存媒體。儲存媒體可包含揮發性、非揮發性、動態、靜態、讀取/寫入、唯讀、隨機存取、順序存取、位置可定址、檔案可定址及/或內容可定址裝置。處理裝置130可經由資料匯流排128將輸出信號傳遞至傳輸器134，如所圖解說明。傳輸器134可經組態以進一步將輸出信號傳遞至複數個操作單元104，由信號輸出136圖解說明。
熟習此項技術者將瞭解，圖1B中所圖解說明之架構可圖解說明一外部伺服器架構，該外部伺服器係可組態以實現自一遠端位置對一機器人設備之控制。亦即，伺服器亦可包含一資料匯流排、一接收器、一傳輸器、一處理裝置，及上面儲存專門化電腦可讀指令之一記憶體。
圖2A係根據本發明之某些例示性實施例之置於一參考X-Y座標平面上之一非完整差動驅動機器人102一俯視圖，以圖解說明機器人102之非完整約束。機器人102可包括經耦合至一剛性軸204之一對剛性後輪202 (亦即，剛性後輪202可係指固定位置之輪或轉向能力受限之輪)，其中後輪202之運動係由軸204約束以使機器人102僅平移地(亦即，向前或向後)移動。因此，後輪202及軸204經約束以根據運動向量206移動。為實現機器人102之受控制的移動，一控制器118可利用後軸204上之一非完整參考點M作為一參考點，使得控制器118可藉由利用參考點M沿循一目標軌跡而沿著該軌跡移動。熟習此項技術者可瞭解，組態有一差動驅動系統之一機器人可使得點M能夠藉由在相反方向上同時起動兩個後輪202來旋轉；然而，歸因於不能水平(亦即，相對於運動向量206成90° )移動點M，非完整約束仍可存在。亦即，為使點M垂直於向量206而移動，機器人102必須首先停在原處、轉彎，然後向前移動。
由剛性後軸204施加在參考點M上之非完整約束可限制機器人102相對於水平移動的移動。此可需要機器人102之一控制器118計算新路線或需要一路線之改變以慮及該限制，這可係控制器118上之一高計算負載，此乃因該等改變可係非線性的，且可包括(舉例而言)迂迴路線以避免由機器人102之非完整性質約束的移動。另外，一機器人102 (受其後輪202 (或其他非完整運動系統)之非完整性質約束)可另外在其準確或高效執行任務之能力上受限，此乃因可需要機器人102在導航期間校正參考點M之非完整性。
根據至少一項非限制性例示性實施例，一非完整機器人102可包括一個三輪車輪組態或其他非完整組態(例如，單輪車、坦克胎面等)。亦即，本文中所圖解說明之機器人102的雙輪差動驅動並不意欲為限制性的。
圖2B圖解說明根據一例示性實施例之置於一X-Y座標平面上之一非完整差動驅動機器人102之一俯視圖，該機器人102利用一新完整參考點P來導航機器人102。完整參考點P可與後軸204之點M相距任何距離h ，且可被定位在機器人102之佔用面積(亦即，所佔據之2D投影面積)之內或之外任何位置處。然而，必須將參考點P選擇為並非沿著軸線208定位，此乃因沿著軸線208之任何點將被認為係非完整的。舉例而言，若機器人102係一地板清潔機器人，則可基於機器人102之一特徵(諸如機器人102之基座上一刷子之一位置)來選擇參考點P。有利地，應瞭解，參考點P並不由後軸204之非完整性約束，此乃因差動驅動機器人102之後輪202可將點P組態為沿著任何方向移動，如由指向所有四個方向之運動向量206所表示。
根據至少一項非限制性例示性實施例，完整參考點P可由機器人102之一操作者或由一外部伺服器判定，其中可經由有線或無線通信將參考點P之位置傳遞至機器人102之一控制器118。
可使用以下方程式相對於參考點M之位置來判定完整參考點P之新位置：
Figure 02_image001
(方程式1)
其中距離h 對應於點M與點P之間的間隔且西塔(θ)對應於機器人102相對於X軸之旋轉角度，如所圖解說明。應瞭解，將h 之量值選擇為大於零(0)。參考點P之運動方程式如下所示：
Figure 02_image003
(方程式2)
其中v 對應於機器人102沿著運動向量206-1之平移速度(例如，以米/秒為單位)且ω對應於機器人102之角速度(例如，弧度/秒)。運動向量206-1可包括x及y分量兩者。另外，ẋp 及ẏp 分別係相對於點P之xp 及yp 座標之時間之一階導數。由於h 之量值必須大於零(0)，因此上文使ẋp 及ẏp 矩陣與v 及ω矩陣相關的矩陣係可逆的。因此，上文矩陣之求逆可用於產生施加在一機器人102之一控制器118上之控制定律，該控制定律利用一點P來克服一非完整約束，如下所示：
Figure 02_image005
(方程式3)
其中xd p 及yd p 對應於作為一時間函數的點P之所期望xp 及yp 位置。xd p 及yd p 之值可基於(舉例而言)待依循之一目標路線而隨時間改變，其中當機器人102沿著路線進行導航時xd p 及yd p 可隨時間改變。類似地，ẋd p 及ẏd p 係其等對應時間導數且亦係時間函數。常數kx 及ky 係正增益，其將在稍後選擇或保持等於1。來自機器人102之複數個感測器單元114之狀態空間資料可用於產生參考點P之當前xp 及yp 位置之量測值，使得控制器118可組態致動器單元108以根據上文控制定律在給出點P之一當前及所期望位置之情況下以由方程式3判定之一角速度及平移速度而移動機器人102。可瞭解，上文方程式3可輸出v 及ω之值以致使機器人102將參考點P自一初始位置(xp , yp )移動至一所期望位置(xd p , yd p )，其中控制器118可另外執行儲存在記憶體120中之專門化演算法以將v 及ω之值轉譯成輸出至致動器單元108之控制信號以實現機器人102之移動。
上文方程式3之控制定律產生一額外非習用結果，其中參考點P之位置誤差隨時間以指數方式衰減。作為一時間函數之一誤差量測可依循以下矩陣：
Figure 02_image007
(方程式4)
回想一下，xp 、xd p 、yp 及yd p 全部係時間函數，當一機器人102導航一線路或執行一任務時，該等時間函數可改變。上文誤差矩陣內之差表示參考點P之一當前位置與參考點P之一所期望位置之間的差，當機器人102執行移動命令時，隨著參考點P之當前位置接近所期望位置，該差可隨時間改變。誤差函數之一階時間導數ė 可依循一實質上相似的矩陣表示，其中上文矩陣e 中之xp 、xd p 、yp 及yd p 之值可由ė 矩陣中之其等對應時間導數表示，此乃因xp 、xd p 、yp 及yd p 係各自獨立的時間函數。將來自方程式2之ẋp 及ẏp 之值代入ė 矩陣中會產生e 與ė 之間的以下關係：
Figure 02_image009
(方程式5)
誤差函數e 之動態依循一線性時不變(LTI)一階系統，其中時間常數由-kx -1 及-ky -1 表示。誤差函數e 之方程式5之解依循隨時間之衰減指數函數。在給出點P之一初始xp 及yp 位置以及點P之一初始所期望xd p 及yd p 位置之情況下，隨時間之誤差函數e 可表示為：
Figure 02_image011
(方程式6)
基於方程式6，誤差函數e 基於常數kx 及ky 之值隨時間以指數方式衰減至零(0)(亦即，x及y誤差隨時間衰減至零(0))。另外，誤差函數e 對於點P之初始條件係不變的。
最後，可基於控制演算法之一頻率(亦即，演算法對感測器資料進行取樣以產生點P之初始位置及其他狀態空間變數的頻率)而選擇常數kx 及ky 。選擇此等常數以使得每時間常數最少經過控制演算法之五(5)個樣本，從而使得系統保持穩定。換言之，正常數kx 及ky 可依循以下關係，其中fs 表示控制演算法取樣頻率。可瞭解，每時間常數可利用兩(2)個樣本之一絕對最少數目；然而，利用絕對最少數目個樣本可致使機器人系統變得略微穩定，其中利用(舉例而言)五(5)個或更多個樣本可進一步使機器人系統趨向穩定化。
Figure 02_image013
(方程式7)
有利地，歸因於誤差函數隨時間之指數衰減，點P之一位置可由控制器118準確控制，藉此增強控制器118準確實現機器人102之移動之能力，而不管當機器人102依循一路徑或路線時機器人102由其後輪組態導致之非完整性。另外，歸因於快速衰減之誤差函數及經增強之控制準確性，一非完整機器人102可利用本發明之系統及方法來執行額外功能性或具有經增強準確性之功能性。舉例而言，一非完整機器人102可利用其後軸上之一點M來執行清潔一地板之任務，其中可需要將機器人102導航至距附近壁之一近距離處。當利用點M時，參考點M之非完整性可致使機器人102在路線導航期間極大地受非完整性影響，且因此需要機器人以額外誤差裕量自附近壁進行導航(亦即，更加遠離壁而進行導航)，如下文圖3A至圖3B中所圖解說明。利用一單獨完整參考點P (具有完全自由度之一完整點)，歸因於快速衰減之誤差函數及對參考點P之經改良完整控制，機器人102可顯著更接近附近壁而進行導航且可藉此增強其清潔或其他能力。在給出本發明及以上方程式之情況下，熟習此項技術者可易於辨別出利用一點P來增強一非完整機器人102之移動控制之準確性的複數個其他類似益處。
圖3A係根據一例示性實施例之沿著一路線302在三個不同位置處展示之一非完整差動驅動機器人102之一俯視圖，該路線包括在一壁304附近之一轉彎及導航。機器人102之任務係執行轉彎，然後儘可能接近壁304而進行導航。因此，為改良機器人102在轉彎期間之運動控制，選擇一點P作為一參考點以沿循路線302，其中可由機器人102在任何方向上移動點P從而起動其差動驅動之一個或兩個輪，如由移動向量206所表示。當機器人102沿著路線進行導航時，沿著路線302來維持點P，如所圖解說明。圖3A中所圖解說明之機器人102之所執行移動可說明一理想情景，其中機器人102上之一點與壁304之間的最小距離等於或實質上為零(例如，在機器人102-2之位置處)。在執行轉彎之後，機器人102-3在其繼續沿著路線302時與壁304相距距離D。可瞭解，對於所圖解說明之特定移動(亦即，緊鄰一壁304之一右轉彎)，若選擇點P作為機器人102-3之左上拐角以及機器人102-1及102-2之對應拐角之座標，則距離D可減小至零(實質上接近零或可忽略之值)，如下文圖6中所圖解說明。
與圖3A相比，圖3B係根據一例示性實施例之沿著一路線306在三個位置處展示之一非完整機器人102之一俯視圖。機器人102可利用位於兩個後差動驅動輪之間的一非完整參考點M，其中點M可係非完整的且經約束以僅沿著移動向量206並旋轉地圍繞參考點M而移動。路線306可實質上類似於上文圖3A中所圖解說明之路線302；然而，路線306可(線性地)移位以慮及機器人102之參考座標系或世界座標系(對於時間上的任何單個例項)內之點M與P之間的空間間隔。亦即，移位可包括基於在點P與M之間所選擇之距離h 之一線性變換。另外，圖3B中所圖解說明之移動說明壁304附近之一理想右轉彎，其中壁與機器人102之間的最小距離係零(例如，在機器人102-2之位置處)或實質上係零或係可忽略之值。
在利用參考點M來導航路線306時，機器人102-3可在完成轉彎之後旋即與壁304相距距離D’。如所圖解說明，D’係顯著大於D (如上文圖3A中所圖解說明之壁與機器人102-3之間的距離)之值。當利用參考點M之機器人102在壁304附近進行導航時，其可藉由執行電腦可讀指令、程式碼或演算法來反覆地使其自身轉彎及擺正，使得可減小距離D’。然而，此反覆程序可消耗額外時間、能量，可在視覺上不吸引人，不可預測附近之人，並且需要額外空間來最小化D’。
有利地，使用一完整參考點P來對一非完整機器人102進行導航會產生一非習用結果，此乃因儘管有施加在機器人102上之非完整限制，但一非完整機器人102可利用一完整參考點P沿著任何路線進行導航。一非完整機器人102仍可具導航一複雜路線(例如，如下文所圖解說明，一90°急轉彎或路線502)之能力；然而，使用一完整參考點P可進一步增強機器人102導航複雜路線之效率，此乃因可利用點P之完整性質來連續沿循複雜路線。然而，若需要機器人102在一受約束之方向上移動，則使用一非完整參考點M可需要機器人102停止急轉彎並調整自身或其路線。亦即，歸因於機器人102在任何方向上移動點P之能力，儘管機器人102有非完整性質，但機器人102可利用點P來穿越任何路線。另外，若基於機器人102之一特徵(諸如一洗滌器、刷子、真空吸塵器、泵、軟管、庭院修整器或使得使機器人102能夠執行任務之耦合至機器人之其他特徵)而選擇點P，則會增強對特徵之控制。舉例而言，如圖3A中所圖解說明，若點P係機器人102之一真空吸塵器之一位置，則與使用點M來沿循路線306相比，當使用點P來沿循路線302時，機器人102可更接近壁304而真空抽吸碎屑，藉此增加機器人102可在上方導航真空吸塵器之可清潔區域。
舉例而言，如接下來在圖4中所圖解說明，一機器人102可利用一完整參考點P來執行一完美90°轉彎，其中點P可準確並繼續(亦即，不停止)沿循該90°轉彎。利用後輪之間的一非完整點M來執行90°轉彎可迫使機器人102在轉彎之拐角處完全停止，就地執行一轉彎，並沿著路線繼續向前，藉此需要額外時間來執行相同90°轉彎。亦即，包括具有一未定義導數之一或多個點(例如，銳利拐角)之路線仍可藉由機器人102移動點P來連續且準確導航。使用點M來導航路線之此等不可微分部分可需要機器人102停止、轉彎且然後再加速，此將需要額外時間及經增加功率。
作為另一說明性實例，圖5圖解說明根據一例示性實施例之穿越包括複數個急轉彎及環路之一複雜路線502的一非完整機器人102。歸因於點P之完整性，如上文所論述，機器人102之一控制器118可利用點P來準確沿循路線502，藉此準確導航複雜路線502。利用後輪之間的一非完整點M來執行路線502可迫使機器人102在沿著包括急轉彎的路線502之位置處短暫停止並圍繞點M原地旋轉。亦即，參考點M之非完整性質可將所添加約束施加至機器人102沿著複雜路線502之部分之移動。
可瞭解，圖4至圖5中所圖解說明之例示性實施例圖解說明在不存在障礙物之情況下導航一複雜、困難路線之一機器人102。若障礙物被引入路線502附近(舉例而言)，則可改變路線502之部分以慮及障礙物並避免碰撞。
另外，熟習此項技術者可瞭解，如上文所論述，利用一完整參考點P來導航複雜路線502之一機器人102與利用一非完整參考點M來導航一實質上類似之路線之一機器人102相比可執行實質上不同的馬達命令(亦即，在沿著路線502之實質上類似之位置處兩個機器人之間的實質狀態空間參數差)。然而，在某些例項中，此可係合意的。舉例而言，若基於機器人102之一特徵(諸如一真空清潔特徵)而選擇參考點P，則機器人102之移動在提供點P之情況下可係不重要的，且因此真空清潔特徵在由路線502定義之所期望位置上方移動。另外，在給出一複雜路線(諸如路線502)之情況下，機器人102基於一完整參考點P之運動可進一步減少移動參考點P通過所期望路線所需之時間，且因此減少真空清潔特徵通過所期望路線所需之時間，此乃因參考點P之位置不受機器人102之非完整性質約束。作為另一實例，若一路線502包括一環路，則利用一完整參考點P之一機器人102可不將其底盤移動通過全環路，而是機器人102可僅根據環路以一循環方式移動參考點P。相反地，歸因於參考點M之非完整約束，一非完整參考點M之使用將需要參考點M執行全環路。
圖6圖解說明根據一例示性實施例在複數個位置處利用一完整參考點P沿著包括兩個急轉彎之一路線602進行導航且接近壁604及606進行導航之一機器人102。另外，機器人102可經約束以接近壁進行導航並執行90°急轉彎以完成一任務(例如，清潔一商店中之貨架附近之一地板)。如先前結合圖4所圖解說明及所論述，可利用一完整參考點P來執行90°急轉彎。另外，如先前所論述，為最小化一壁604與機器人102之間的一距離，選擇一參考點P1 定位在機器人102-1之左下拐角處，使得在完成左轉彎(亦即，機器人102-3之位置處)之後壁604與機器人102之間的距離旋即最小化。
在機器人102-3導航至一後續不同位置102-3處之後，機器人102之一控制器118可旋即基於儲存在記憶體120中之路線資料而判定正在接近一右轉彎。因此，控制器118可在執行第二右轉彎之後旋即將參考點P1 改變為參考點P2 以最小化壁606與機器人102之間的距離。自參考點P1 至參考點P2 之此改變可提前完成且在機器人102接近需要進行一轉彎之彎道之前完成。在機器人102-3之位置處，路線602可藉由控制器118基於點P1 與P2 之間的差在儲存於記憶體120中之一電腦可讀地圖上線性地平移。此線性平移可包括由平移608所表示的路線602之一線性移位。
熟習此項技術者可瞭解，可使用非完整參考點P1 來執行第二轉彎(例如，機器人102-4至102-6之位置)而無需將一線性變換608應用於路線。然而，在某些例項中，基於機器人102之功能性及指派給機器人102之任務來利用兩個或更多個完整參考點P1 及P2 可係有益的。舉例而言，參考點P1 及P2 可係一機器人102執行兩個單獨任務所需之兩個模組或特徵之位置。其中，可期望，圍繞對應於使用中之一模組之一參考點來對機器人102進行導航。
根據至少一項非限制性例示性實施例，一控制器118可判定複數個完整參考點Pn 以最大化其移動效率，如先前在圖6中所圖解說明。舉例而言，一操作者可將一路線給予一機器人102，其中可相對於一非完整參考點M來建立該給定路線。因此，機器人102之一控制器118可判定對給定路線之複數個線性平移，使得控制器118可利用各自對應於沿著給定路線在不同位置處之經平移路線中之一者之複數個不同完整參考點Pn ，以高效且準確地導航給定路線。可瞭解，由於平移之線性可不向控制器118施加大量計算，所以可即時在一路線之導航期間另外判定經平移路線及對應完整參考點Pn 。在一路線之導航期間所利用之一完整參考點P之動態調整可增強控制器118以高精確度執行複數個不同任務之能力，此乃因控制器118可利用一最佳參考點P來執行一最佳對應移動。
根據至少一項非限制性例示性實施例，一非完整機器人102可同時利用複數個完整參考點來導航一路線。舉例而言，一矩形機器人102可利用定位在機器人之每一拐角上之四(4)個完整參考點，使得機器人102可準確執行移動(例如，在壁或障礙物附近轉彎，同時維持與壁或障礙物之一最小距離)。同時使用兩個或更多個完整參考點可進一步包括機器人102利用完整參考點中之每一者同時依循兩條或更多條對應路線。
根據本文中所論述之發明概念，揭示一種用於控制一機器人系統之方法、非暫時性電腦可讀媒體及系統。該非暫時性電腦可讀媒體及系統包括可組態以執行儲存在一記憶體上之電腦可讀指令之一控制器及執行步驟之方法，該等步驟尤其包括：判定該機器人系統內或附近之一第一完整參考點，該第一完整參考點與一非完整參考點分開一距離；利用該第一完整參考點沿著一目標軌跡進行導航，該目標軌跡由相對於一初始參考點所定義之一初始軌跡之一線性變換定義；及基於該第一完整參考點與該初始參考點之間的一空間差而將該線性變換應用於該初始軌跡。進一步，判定與該第一完整參考點分開之一位置處之一第二完整參考點，且在沿著該目標軌跡之不同位置處利用該第一完整參考點或該第二完整參考點來執行該目標軌跡之不同移動，每一移動對應於該第一完整參考點或該第二完整參考點之使用。其中，該初始參考點係完整參考點或該非完整參考點；基於該機器人之一特徵之一位置而選擇該完整參考點，該特徵包含一洗滌器、刷子、真空吸塵器、泵、軟管、庭院修整器或自由旋轉輪中之至少一者；且該非完整參考點係位於該機器人系統之兩個後差動驅動輪之間。
熟習此項技術者將認識到，雖然就一方法之一特定步驟序列來闡述本發明之某些態樣，但此等說明僅圖解說明本發明之較寬泛方法，且可如特定應用所需要地進行修改。某些步驟可在某些情景下變得不必要或選用的。另外，可將某些步驟或功能性添加至所揭示實施例，或變更兩個或更多個步驟之執行次序。所有此等變化皆視為囊括於本文中所揭示及所主張之揭示內容內。
雖然以上詳細說明已展示、闡述及指出如應用於各種例示性實施例之本發明之新穎特徵，但將理解，熟習此項技術者可在不背離本發明之情況下在所圖解說明之裝置或程序之形式及細節方面做出各種省略、替換及改變。前述說明係執行本發明之當前所預期之最佳模式。此說明絕不意欲為限制性的，而是應視為圖解說明本發明之一般原理。應參考申請專利範圍來判定本發明之範疇。
雖然在圖式及前述說明中已詳細圖解說明及闡述本發明，但此圖解及說明應視為說明性或例示性的且並非限制性的。本發明並不限於所揭示實施例。根據對圖式、揭示內容及隨附申請專利範圍之研究，熟習此項技術者可理解及實現所揭示實施例及/或實施方案之變化形式以便實踐所主張揭示內容。
應注意，在闡述本發明之某些特徵或態樣時特定術語之使用不應視為暗示該術語在本文中重新定義而限於包含與彼術語相關聯之本發明之特徵或態樣之任何特定特性。除非另有明確說明，否則本申請案中、尤其隨附申請專利範圍中所使用之術語及片語及其變化形式應解釋為視為具有開放性而非限制性。作為前文之實例，術語「包含(including)」應解讀為意指「包含但不限於(including, without limitation、including but not limited to)」或諸如此類；本文中所使用之術語「包括(comprising)」係與「包含(including)」、「含有(containing)」或「特徵在於(characterized by)」同義，且具有包含性或開放性且並不排除額外未陳述元素或方法步驟；術語「具有(having)」應解釋為「至少具有(having at least)」；術語「諸如(such as)」應解釋為「諸如但不限於」；術語「包含(includes)」應解釋為「包含但不限於(includes but is not limited to)」；術語「實例(example)」用於提供所論述物項之例示性例項，而非其一窮盡性或限制性清單，且應解釋為「實例，但不限於(example, but without limitation)」；諸如「已知(known)」、「正常(normal)」、「標準(standard)」及類似意義之術語之形容詞不應解釋為將所闡述物項限於一給定時間段或在一給定時間可用之一物項，而是應理解為囊括可在現在或將來任一時間可用或已知之已知、正常或標準技術；及如「較佳地(preferably)」、「較佳(preferred)」、「所期望(desired或desirable)」及類似意義之詞語之術語之使用不應理解為暗指某些特徵對於本發明之結構或功能而言至關重要、必要或甚至重要，而是僅意欲強調替代或額外特徵可或可不利用於一特定實施例中。同樣，除非另有明確說明，否則與連接詞「及(and)」連接之物項之一群組應解讀為需要彼等物項中之每一者皆存在於分群中，而不應解讀為「及/或(and/or)」。類似地，除非另有明確說明，否則與連接詞「或(or)」連接之物項之一群組不應解讀為需要在彼群組內相互排斥，而是應解讀為「及/或」。術語「約(about)」或「大約(approximate)」及諸如此類係同義的且用於指示由該術語修飾之值具有與其相關聯之一所理解範圍，其中該範圍可係±20%、±15%、±10%、±5%或±1%。術語「實質上(substantially)」用於指示一結果(例如，量測值)接近一目標值，其中接近(close)可意指(舉例而言)該結果係在值之80%內、在值之90%內、在值之95%內或在值之99%內。而且，如本文中所使用，「定義(defined)」或「判定(determined)」可包含「預定義(predefined)」或「預判定(predetermined)」及/或其他所判定值、條件、臨限值、量測及諸如此類。
102:機器人/非完整機器人/非完整差動驅動機器人/差動驅動機器人/矩形機器人 102-1:機器人 102-2:機器人 102-3:機器人 102-4:機器人 102-5:機器人 102-6:機器人 104:操作單元 106:導航單元 108:致動器單元 110:作業系統 112:使用者介面單元 114:感測器單元 116:通信單元 118:控制器/專門化控制器 120:記憶體 122:電源供應器 124:輸入信號 126:接收器/製圖及定位單元 128:資料匯流排 130:處理裝置 132:記憶體 134:傳輸器 136:信號輸出 202:剛性後輪/後輪 204:剛性軸/軸/後軸/剛性後軸 206:運動向量/向量/移動向量 206-1:運動向量 208:軸線 302:路線 304:壁 306:路線 502:路線/複雜路線 602:路線 604:壁 606:壁 608:平移/線性變換 D:距離 D’:距離 h:距離 M:初始參考點/點/非完整參考點/參考點/非完整點 P:完整參考點/參考點/點/新完整參考點/單獨完整參考點/最佳參考點 P1:參考點/點/非完整參考點/完整參考點 P2:參考點/點/完整參考點 X:軸 x:分量 Xp:座標/位置/當前位置/初始位置/時間函數 y:分量 Yp:座標/位置/當前位置/初始位置/時間函數 θ:旋轉角度
下文將結合隨附圖式闡述所揭示態樣，提供隨附圖式以圖解說明且並不限制所揭示態樣，其中，相似命名表示相似元件。
圖1A係根據本發明之某些實施例之一主機器人之一功能方塊圖。
圖1B係根據本發明之某些實施例之一控制器或處理裝置之一功能方塊圖。
圖2A係根據本發明之某些實施例之一後輪差動驅動機器人之一俯視圖，以圖解說明一機器人系統上之非完整性約束。
圖2B係根據一例示性實施例之利用一改良式控制方案之一後輪差動驅動機器人之一俯視圖。
圖3A係根據一例示性實施例之利用一完整參考點導航至接近一壁之一非完整機器人之一俯視圖。
圖3B係根據一例示性實施例之利用一非完整參考點導航至接近一壁之一非完整機器人之一俯視圖。
圖4係根據一例示性實施例之利用一完整參考點來執行一90o 急轉彎之一非完整機器人之一俯視圖。
圖5係根據一例示性實施例之利用一完整參考點來執行包括複數個急轉彎及環路之一複雜路線的一非完整機器人之一俯視圖。
圖6係根據一例示性實施例之利用多個完整參考點來執行不同移動之一非完整機器人之一俯視圖。
本文中所揭示之所有圖皆係大腦公司(Brain Corporation) ©版權2018所有。保留所有權利。
102:機器人/非完整機器人/非完整差動驅動機器人/差動驅動機器人/矩形機器人
202:剛性後輪/後輪
204:剛性軸/軸/後軸/剛性後軸
206:運動向量/向量/移動向量
206-1:運動向量
208:軸線
h:距離
M:初始參考點/點/非完整參考點/參考點/非完整點
P:完整參考點/參考點/點/新完整參考點/單獨完整參考點/最佳參考點
X:軸
x:分量
Xp:座標/位置/當前位置/初始位置/時間函數
y:分量
Yp:座標/位置/當前位置/初始位置/時間函數
θ:旋轉角度

Claims (18)

  1. 一種用於控制一機器人系統之方法，其包括： 判定該機器人系統內或附近之一第一完整參考點，該第一完整參考點係與一非完整參考點分開一距離；及 利用該第一完整參考點，沿著一目標軌跡來進行導航，該目標軌跡係由相對於一初始參考點定義之一初始軌跡之一線性變換定義。
  2. 如請求項1之方法，進一步包括： 基於該第一完整參考點與該初始參考點之間之一空間差，將該線性變換應用於該初始軌跡。
  3. 如請求項1之方法，進一步包括： 判定與該第一完整參考點分開之一位置處之一第二完整參考點，且在沿著該目標軌跡之不同位置處，利用該第一完整參考點或該第二完整參考點來執行該目標軌跡之不同移動，每一移動對應於該第一完整參考點或該第二完整參考點之使用。
  4. 如請求項1之方法，其中， 該初始參考點係一完整參考點或一非完整參考點。
  5. 如請求項4之方法，其中， 該完整參考點係基於機器人之一特徵之一位置而選擇，該特徵包含一洗滌器、刷子、真空吸塵器、泵、軟管、庭院修整器或自，由旋轉輪中之至少一者。
  6. 如請求項1之方法，其中該非完整參考點係位於該機器人系統的兩個後差動驅動輪之間。
  7. 一種機器人系統，其包括： 一非暫時性電腦可讀儲存媒體，其包括經儲存於其上之複數個電腦可讀指令；及 一處理裝置，其可組態以執行該複數個電腦可讀指令以， 判定該機器人系統內或附近之一第一完整參考點，該第一完整參考點係與一非完整參考點分開一距離，且 利用該第一完整參考點，沿著一目標軌跡來進行導航，該目標軌跡係由相對於一初始參考點定義之一初始軌跡之一線性變換定義。
  8. 如請求項7之機器人系統，其中該處理裝置可進一步組態以執行該複數個電腦可讀指令以， 基於該第一完整參考點與該初始參考點之空間差，將線性平移應用於該初始軌跡。
  9. 如請求項7之機器人系統，其中該處理裝置可進一步組態以執行該複數個電腦可讀指令以， 判定與該第一完整參考點分開之一位置處之一第二完整參考點，且在沿著該目標軌跡之不同位置處，利用該第一完整參考點或該第二完整參考點來執行該目標軌跡之不同移動，每一移動對應於該第一完整參考點或該第二完整參考點之使用。
  10. 如請求項7之機器人系統，其中， 該初始參考點係一完整參考點或一非完整參考點。
  11. 如請求項10之機器人系統，其中， 該完整參考點係基於機器人之一特徵之一位置而選擇，該特徵包含一洗滌器、刷子、真空吸塵器、泵、軟管、庭院修整器，或自由旋轉輪中之至少一者。
  12. 如請求項7之機器人系統，其中該非完整參考點係位於該機器人系統的兩個後差動驅動輪之間。
  13. 一種非暫時性電腦可讀儲存媒體，其包括經儲存於其上之複數個電腦可讀指令，該等電腦可讀指令在由一處理裝置執行時組態該處理裝置以， 判定該機器人系統內或附近之一第一完整參考點，該第一完整參考點係與一非完整參考點分開一距離，且 利用該第一完整參考點，沿著一目標軌跡來進行導航，該目標軌跡係由相對於一初始參考點定義之一初始軌跡之一線性變換定義。
  14. 如請求項13之非暫時性電腦可讀儲存媒體，其中該處理裝置可進一步組態以執行該複數個電腦可讀指令以， 基於該第一完整參考點與該初始參考點之空間差，將線性平移應用於該初始軌跡。
  15. 如請求項13之非暫時性電腦可讀儲存媒體，其中該處理裝置可進一步組態以執行該複數個電腦可讀指令以， 判定與該第一完整參考點分開之一位置處之一第二完整參考點，且在沿著該目標軌跡之不同位置處，利用該第一完整參考點或該第二完整參考點來執行該目標軌跡之不同移動，每一移動對應於該第一完整參考點或該第二完整參考點之使用。
  16. 如請求項13之非暫時性電腦可讀儲存媒體，其中， 該初始參考點係一完整參考點或非一完整參考點。
  17. 如請求項16之非暫時性電腦可讀儲存媒體，其中， 完整參考點係基於機器人之一特徵之一位置而選擇，該特徵包含一洗滌器、刷子、真空吸塵器、泵、軟管、庭院修整器，或自由旋轉輪中之至少一者。
  18. 如請求項13之非暫時性電腦可讀儲存媒體，其中該非完整參考點係位於該機器人系統的兩個後差動驅動輪之間。
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