TWI682258B - 自主移動機器人及其尋樁方法、控制裝置以及智能清潔系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種自主移動機器人及其尋樁方法、控制裝置以及智能清潔系統。尋樁方法包括：S1:以所述自主移動機器人之中心確定第一有效區域；S2:在所述第一有效區域之邊界上確定最佳點，其中，所述最佳點處之剩餘面積最大，所述剩餘面積定義為：第二有效區域之不與所述第一有效區域重疊之剩餘區域之面積，其中所述第二有效區域以所述最佳點為中心確定；S3:控制所述自主移動機器人之中心移動至所述最佳點；S4:重複步驟S1-S3，直至所述自主移動機器人首次接收到充電樁之訊號。可提高設備通過自主尋樁找到樁訊號之可能性，確保設備之智能性及可靠性。

Description

自主移動機器人及其尋樁方法、控制裝置以及智能清潔系統
本發明涉及人工智慧技術領域，尤其涉及一種自主移動機器人及其尋樁方法、控制裝置以及智能清潔系統。
如今，自主移動機器人已經越來越普遍。自主移動機器人一般都配備有充電樁，當自主移動機器人之電量不足時，需要返回充電樁進行充電。目前自主移動機器人之回樁方案通常採取充電樁發射訊號，自主移動機器人接收訊號之方式，當自主移動機器人需要充電時，會根據充電樁發出之回樁訊號，控制系統控制驅動系統，使得自主移動機器人朝向充電樁所在位置移動，直至回樁充電。
然而在實際使用過程中，會出現下列情況：自主移動機器人之起始位置離充電樁很遠，或者起始位置及充電樁之間存在隔離帶，這時自主移動機器人感測不到充電樁訊號。此時，如果自主移動機器人需要回充，則有很大概率找不到充電樁，最終會報錯誤。而這時往往需要用戶將自主移動機器人放到充電樁附近或者充電樁上，再進行回充，用戶體驗差，不夠智能。
因此，需要提供一種自主移動機器人及其尋樁方法、控制裝置及智能清潔系統，以至少部分地解決上面提到之問題。
在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分並不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特徵和必要技術特徵，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。
本發明之實施例提供一種自主移動機器人尋找充電樁之方法、控制裝置及智能清潔系統，以解決自主移動機器人用戶體驗差，不夠智能之問題。
根據本發明實施例之一方面，提供一種自主移動機器人尋找充電樁之方法，該方法包括：S1：以所述自主移動機器人之中心確定第一有效區域；S2：在所述第一有效區域之邊界上確定最佳點，其中，所述最佳點處之剩餘面積最大，所述剩餘面積定義為：第二有效區域之不與所述第一有效區域重疊之剩餘區域之面積，其中所述第二有效區域以所述最佳點為中心確定；S3：控制所述自主移動機器人之中心移動至所述最佳點；S4：重複步驟S1-S3，直至所述自主移動機器人首次接收到充電樁之訊號。
可選地，所述第一有效區域及第二有效區域中均不包括障礙物。
可選地，所述障礙物包括牆壁。
可選地，所述自主移動機器人包括禁區探測器。
可選地，當所述最佳點處於所述自主移動機器人所探測到之禁區內部時，控制所述自主移動機器人沿著所述禁區之邊界移動，直至記錄下所述禁區位置。
可選地，所述第一有效區域及第二有效區域中均不包括所述禁區。
可選地，所述禁區之邊界包括虛擬牆及/或懸崖邊緣。
可選地，所述禁區探測器包括虛擬牆感測器及/或懸崖感測器。
可選地，所述第一有效區域之半徑等於所述第二有效區域之半徑。
根據本發明實施例之另一方面，還提供一種自主移動機器人之控制裝置，包括記憶體、處理器及儲存在所述記憶體上且在所述處理器上運行之電腦程式，所述處理器執行所述程式時實現上述方法之步驟。
根據本發明實施例之再一方面，還提供一種自主移動機器人，所述自主移動機器人包括上述之控制裝置。
可選地，所述自主移動機器人為智能清潔機器人。
根據本發明實施例之再一方面，還提供一種智能清潔系統，包括：充電樁；以及如上所述之自主移動機器人。
為達到上述目的，本發明之自主移動機器人尋找充電樁之方法、自主移動機器人之控制裝置、自主移動機器人及智能清潔系統能夠提高機器人全局尋樁之能力，即，當自主移動機器人無法感測到充電樁訊號時，通過執行本申請之上述程式，可使機器人通過自主尋樁而自動找到充電樁訊號，從而可避免需要人工手動將機器人放到充電樁附近或者充電樁上，進而減少了人工干預，確保了機器人之智能性及可靠性，改善了用戶體驗。
1‧‧‧機器主體主殼體
2‧‧‧第一清潔部前向部分
3‧‧‧液體容置箱後向部分
4‧‧‧清潔布安裝板
9‧‧‧人機交互系統檢測器安裝空間
10‧‧‧清潔用機器人位置確定裝置
11‧‧‧底盤保護罩
13‧‧‧前向部分轉軸安裝槽
14‧‧‧後向部分水準軸
15‧‧‧訊號接收器檢測器
21‧‧‧充電樁主緩衝件
23‧‧‧第一有效區域緩衝支腿
24‧‧‧第二有效區域觸發器
25‧‧‧禁區之邊界輔助緩衝件
61‧‧‧滾刷安裝座
62‧‧‧邊刷緩衝板
523‧‧‧折彎緩衝段
60‧‧‧風道隔板
70‧‧‧行走部
100‧‧‧障礙物
S1~S4‧‧‧本發明一實施例的施行步驟
圖1係根據本發明之優選實施例之自主移動機器人之頂部示意圖。
圖2係根據本發明之優選實施例之自主移動機器人之底部示意圖。
圖3係根據本發明之優選實施例之自主移動機器人之另一個頂部示意圖。
圖4係根據本發明之優選實施例之自主移動機器人之側部示意圖。
圖5係根據本發明之優選實施例之自主移動機器人尋找充電樁之方法之流程示意圖。
圖6-圖10係本發明之優選實施例之自主移動機器人尋找充電樁之方法之原理示意圖。
圖11示意性地示出了根據本發明之優選實施例之自主移動機器人之禁區邊界。
圖12示意性地示出了根據本發明之優選實施例之自主移動機器人在遇到禁區時尋找充電樁之路線。
下面結合附圖(若干附圖中相同之標號表示相同之元素)對本發明實施例之自主移動機器人及其尋樁方法、控制裝置及智能清潔系統進行詳細描述。圖1及圖2係根據一示例性實施例示出之一種自主移動機器人之結構示意圖。下文首先對自主移動機器人之結構予以詳細描述。
在圖示實施例中，自主移動機器人為清潔用機器人10。清 潔用機器人10除包括機器主體1及清潔系統外還包括感知系統、控制系統、驅動系統、能源系統及人機交互系統9。下面將對清潔用機器人之各主要部分進行詳細說明。
機器主體1包括上封蓋、前向部分13、後向部分14及底盤11等。機器主體1具有近似圓形形狀(前後都為圓形)，也可具有其他形狀，包括但不限於前方後圓之近似D形形狀。
感知系統包括位於機器主體1上方之位置確定裝置、位於機器主體1之前向部分13之緩衝器、超音波感測器、紅外線感測器、磁力計、加速度計、陀螺儀、里程計等傳感裝置。這些傳感裝置向控制系統提供機器之各種位置資訊及運動狀態資訊。位置確定裝置包括但不限於紅外線發射接收裝置、攝像頭、雷射測距裝置(LDS)。
清潔系統包括乾式清潔部及濕式清潔部。其中，濕式清潔部為第一清潔部2，其主要作用係通過含有清潔液之清潔布4對被清潔表面(如地面)進行擦拭。乾式清潔部為第二清潔部，其主要作用係通過清掃刷等結構清掃被清潔表面之固定顆粒污染物。
作為乾式清潔部，主要之清潔功能源於滾刷61、塵盒、風機、出風口以及四者之間之連接部件所構成之第二清潔部。與地面具有一定干涉之滾刷61將地面上之垃圾掃起並卷帶到滾刷61與塵盒之間之吸塵口前方，然後被風機產生並經過塵盒之有吸力之氣體吸入塵盒。掃地機之除塵能力可用垃圾之清掃效率DPU(Dust pick up efficiency)進行表徵，清掃效率DPU受滾刷61結構及材料影響，受吸塵口、塵盒、風機、出風口以及四者之間之連接部件所構成之風道之風力利用率影響，受風機之類型及功率影響。相比於普通之插電吸塵器，除塵能力之提高對於能源有限之清潔用機器人來說意義更大。因為除塵能力之提高直接有效降低了對於能源要求，也就是說原來充一次電可清掃80平米地面之機器人，可進化為充一次電清掃100平米甚至更多。並且減少充電次數之電池之使用壽命也會大大增加，使得用戶更換電池之頻率也會減少。更為直觀及重要的是，除塵能力之提高是最為明顯及重要之用戶體驗，用戶會直接得出掃得是否乾淨/擦得是否乾淨之結論。乾式清潔系統還可包含具有旋轉軸之邊刷62，旋轉軸相對於地面成一定角度，以用於將碎屑移動到第二清潔部之滾刷61之清掃區域中。
作為濕式清潔部，第一清潔部2主要包括液體容置箱3及清潔布4等。液體容置箱3作為承載第一清潔部2之其他部件之基礎。清潔布4可拆地設置在液體容置箱3上。液體容置箱3內之液體流向清潔布4，清潔布4對滾刷等清掃後之底面進行擦拭。
驅動系統用以驅動機器主體1及其上之部件移動，以進行自動行走及清掃。驅動系統包括驅動輪模組，驅動系統可基於距離及角度資訊，例如x、y及θ分量，發出驅動命令而操縱機器人跨越地面行駛。驅動輪模組可同時控制左輪及右輪，為了更為精確地控制機器之運動，優選驅動輪模組分別包括左驅動輪模組及右驅動輪模組。左、右驅動輪模組沿著由機器主體1界定之橫向軸對置(對稱設置)。為了使機器人能夠在地面上更為穩定地運動或者具有更強之運動能力，機器人可包括一個或者多個從動輪，從動輪包括但不限於萬向輪。
驅動輪模組包括行走輪及驅動馬達以及控制驅動馬達之控制電路，驅動輪模組還可連接測量驅動電流之電路及里程計。驅動輪模組可可拆卸地連接到機器主體1上，方便拆裝及維修。驅動輪可具有偏置下落式懸掛系統，以可移動方式緊固，例如以可旋轉方式附接，到機器主體1上，且接受向下及遠離機器主體1偏置之彈簧偏置。彈簧偏置允許驅動輪以一定之著地力維持與地面之接觸及牽引，同時機器人之清潔元件(如滾刷等)也以一定之壓力接觸地面。
機器主體1之前向部分13可承載緩衝器，在清潔過程中驅動輪模組推進機器人在地面行走時，緩衝器經由感測器系統，例如紅外線感測器，檢測機器人之行駛路徑中之一個或多個事件，機器人可通過由緩衝器檢測到之事件，例如障礙物、牆壁，而控制驅動輪模組使機器人來對事件做出回應，例如遠離障礙物。
一般在使用機器人之過程中，為了防止機器人進入家庭中之禁區(例如有易碎物品擺放處區域、衛生間等地面含水區域)，優選地，清潔用機器人中還包括禁區探測器。禁區探測器包括虛擬牆感測器，虛擬牆感測器會根據用戶之設定設置虛擬牆從而限定禁區，如圖11所示，當虛擬牆感測器檢測到虛擬牆時可控制驅動輪模組，以限制清潔用機器人越過禁區之邊界25(也就是虛擬牆)而進入禁區。
此外，在使用機器人之過程中，為了防止機器人在例如室 內樓梯、較高之臺階等處掉落，禁區探測器還包括懸崖感測器，懸崖感測器會根據用戶之設定設置邊界從而限定禁區，如圖11所示，當懸崖感測器檢測到禁區邊界(也就是懸崖邊緣)時可控制驅動輪模組，以限制清潔用機器人越過禁區之邊界25，從而避免機器人從臺階上掉落下去。
控制系統設置在機器主體1內之電路主板上，包括與非暫時性記憶體，例如硬碟、快閃記憶體、隨機存取記憶體，通信之計算處理器，例如中央處理單元、應用處理器，應用處理器根據雷射測距裝置回饋之障礙物資訊利用定位演算法，例如SLAM，繪製機器人所在環境中之即時地圖。並且結合緩衝器、懸崖感測器及超音波感測器、紅外線感測器、磁力計、加速度計、陀螺儀、里程計等傳感裝置回饋之距離資訊、速度資訊綜合判斷掃地機當前處於何種工作狀態，如過門檻，上地毯，位於懸崖處，上方或者下方被卡住，塵盒滿，被拿起等等，還會針對不同情況給出具體之下一步動作策略，使得機器人之工作更加符合主人之要求，有更好之用戶體驗。進一步地，控制系統能基於SLAM繪製之即時地圖資訊規劃最為高效合理之清掃路徑及清掃方式，大大提高機器人之清掃效率。
能源系統包括充電電池，例如鎳氫電池及鋰電池。充電電池可連接有充電控制電路、電池組充電溫度檢測電路及電池欠壓監測電路，充電控制電路、電池組充電溫度檢測電路、電池欠壓監測電路再與單片機控制電路相連。主機通過設置在機身側方或者下方之充電電極與充電樁21(如圖6所示)連接進行充電。如果裸露之充電電極上沾附有灰塵，會在充電過程中由於電荷之累積效應，導致電極周邊之塑膠機體融化變形，甚至導致電極本身發生變形，無法繼續正常充電。
如圖3及圖4所示，清潔用機器人10在前端及行進方向之右端設置了訊號接收器15，以用於接收充電樁21發出之訊號。正常來說，當機器人從充電樁21出發時，系統會記住充電樁21之位置，因此，在機器人打掃完畢，或者電量不足時，會控制驅動輪系統往其記憶體中儲存之充電樁21位置處驅動，進而上樁充電。
人機交互系統9包括主機面板上之按鍵，按鍵供用戶進行功能選擇；還可包括顯示幕及/或指示燈及/或喇叭，顯示幕、指示燈及 喇叭向用戶展示當前機器所處狀態或者功能選擇項；還可包括手機客戶端程式。對於路徑導航型清潔設備，在手機客戶端可向用戶展示設備所在環境之地圖，以及機器所處位置，可向用戶提供更為豐富及人性化之功能項。
為了更加清楚地描述機器人之行為，進行如下方向定義：機器人可通過相對於由機器主體1界定之如下三個相互垂直軸之移動之各種組合在地面上行進：前後軸X(即沿機器主體1之前向部分13及後向部分14方向之軸線)、橫向軸Y(即垂直於軸X且與軸X在同一水平面之軸)及中心垂直軸Z(垂直於軸X及軸Y所組成之平面之軸)。沿著前後軸X之前向驅動方向標示為“前向”，且沿著前後軸X之向後驅動方向標示為“後向”。橫向軸Y實質上係沿著由驅動輪模組之中心點界定之軸心在機器人之右輪與左輪之間延伸。
機器人可繞Y軸轉動。當機器人之前向部分向上傾斜，後向部分向下傾斜時為“上仰”，且當機器人之前向部分向下傾斜，後向部分向上傾斜時為“下俯”。另外，機器人可繞Z軸轉動。在機器人之前向方向上，當機器人向X軸之右側傾斜為“右轉”，當機器人向X軸之左側傾斜為“左轉”。
塵盒以機械摳手卡接之方式安裝在容納腔中，摳手被摳住時卡件收縮，摳手放開時卡件伸出卡在容納腔中容納卡件之凹槽中。
下文結合圖5到圖12詳細描述根據本發明之自主移動機器人尋找充電樁之方法。
根據本發明實施例之自主移動機器人尋找充電樁之方法最適用之情境為：當清潔用機器人沒有從充電樁21出發，機器人之記憶體中沒有儲存充電樁21之位置，並且當清潔用機器人及充電樁21相距很遠之距離(例如大於5m以上)時，或者清潔用機器人及充電樁21之間有隔離帶時，機器人無法探測到充電樁21之訊號，在這種情況下機器人需要充電並需要探測到充電樁21之訊號。
根據本發明實施例之自主移動機器人尋找充電樁之方法總體係採用一種打分機制，控制機器人盡可能朝向有充電樁21訊號之位置移動。但由於充電樁21之位置無法確定，則本發明設定一種機制，使得機器人採用一種優化之方式行走找樁，具體地，使得機器人朝向儘 量開闊之地界行走，因為理論上越開闊之地方越容易收到樁訊號，因此越朝向開闊之地界行走，收到樁訊號之機率越大。
具體地，如圖5及圖6所示，首先，機器人之處理器控制執行程式S1：以自主移動機器人之中心確定第一有效區域。具體地，機器人在起始位置處以其自身為中心，確定一個圓形區域，並在該圓形區域中確定第一有效區域23。該圓形區域之半徑可根據機器人之型號及實際家庭通常面積而定，在一個實施例中，該圓形區域之半徑設為1.5m。其中，有效區域中不包括牆壁等障礙物，且不包括禁區。例如，有效區域之一個示例為圖6之圓形區域中之陰影部分。
其次，執行程式S2：在第一有效區域之邊界上確定最佳點。其中，最佳點為在此處剩餘面積最大之點。剩餘面積定義為：以最佳點為中心確定之第二有效區域之不與第一有效區域重疊之剩餘區域之面積。以圖7及圖8為例，在圖7中，假設A為最佳點，則以A為中心確定圓形之第二有效區域24，剩餘區域即為第二有效區域24之不與第一有效區域23重疊之區域(即區域24中之陰影部分)。與圖7類似，圖8中之剩餘區域即為以B為中心確定之第二有效區域24之不與第一有效區域23重疊之區域(即區域24中之陰影部分)。很明顯，圖8中之剩餘面積比圖7中之剩餘面積大。因此圖8中之點B確定為最佳點。在實際運用過程中，機器人可通過其處理器之運算程式而自動確定最佳點。優選地，機器人在確定第二有效區域24時之探射之半徑與在確定第一有效區域23時之探射之半徑相等。
接著執行步驟S3：控制自主移動機器人之中心移動至最佳點；以及步驟S4：當自主移動機器人移動至最佳點時，重複上述步驟S1-S3，即以自主移動機器人之中心繼續確定有效區域，並在有效區域之邊界上繼續確定最佳點。如圖9及圖10所示，按照上述之確定最佳點之方法，顯而易見，圖10中之機器人之行走路線為優選路線，以此方式，可使得機器人逐漸趨向於廣域地界行走，直到機器人首次探測到充電樁訊號，則尋樁步驟結束，進入正常之回樁步驟。
需要說明的是，在機器人每一步之行走過程中，確定之最佳點可能不止一個，那麼他們之權重是相同之。在實際運用過程中可由機器人之遍曆演算法確定下一步要去之點。總體趨勢是使機器人朝向廣 闊區域行走，以較大概率地獲得充電樁訊號。
如圖12所示，當機器人確定之下一個最佳點處於自主移動機器人所探測到之禁區內部時，控制機器人沿著禁區之邊界25(也就是虛擬牆或懸崖邊緣)移動，直至機器人記錄下禁區之位置為止。具體地，處理器可在構建之房間地圖上對該禁區位置進行標記並儲存在記憶體中，從而可控制機器人不再回到禁區位置。
本發明實施例還公開了一種控制裝置，包括記憶體、處理器及儲存在記憶體上且在處理器上運行之電腦程式，其中處理器執行程式時執行上述步驟。本發明還公開了一種包括該控制裝置之自主移動機器人以及智能清潔系統，智能清潔系統包括充電樁及上述之自主移動機器人。
根據本發明實施例之自主移動機器人尋找充電樁之方法、自主移動機器人之控制裝置、自主移動機器人及智能清潔系統能夠提高機器人全局尋樁之能力，即，當自主移動機器人無法感測到充電樁訊號時，通過執行本申請之上述程式，可使機器人通過自主尋樁而自動找到充電樁訊號，從而可避免需要人工手動將機器人放到充電樁附近或者充電樁上，進而減少了人工干預，確保了機器人之智能性及可靠性，改善了用戶體驗。
儘管這裏已經參考附圖描述了示例實施例，應理解上述示例實施例僅僅是示例性之，並且不意圖將本發明之範圍限制於此。本領域中具有通常知識者可在其中進行各種改變及修改，而不偏離本發明之範圍及精神。所有這些改變及修改意在被包括在所附權利要求所要求之本發明之範圍之內。
在此處所提供之說明書中，說明了大量具體細節。然而，能夠理解，本發明之實施例可在沒有這些具體細節之情況下實踐。在一些實例中，並未詳細示出公知之方法、結構及技術，以便不模糊對本說明書之理解。
此外，本領域之技術人員能夠理解，儘管在此所述之一些實施例包括其他實施例中所包括之某些特徵而不是其他特徵，但是不同實施例之特徵之組合意味著處於本發明之範圍之內並且形成不同之實施例。例如，在權利要求書中，所要求保護之實施例之任意之一都可以 任意之組合方式來使用。
以上所述，僅為本發明之具體實施方式，但本發明之保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域之技術人員於本發明揭露之技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋於本發明之保護範圍之內。因此，本發明之保護範圍應以所述權利要求之保護範圍為准。
S1~S4‧‧‧本發明一實施例的施行步驟

Claims (13)

  1. 一種自主移動機器人尋找充電樁之方法，其中，包括：S1：以所述自主移動機器人之中心確定第一有效區域；S2：在所述第一有效區域之邊界上確定最佳點，其中，所述最佳點處之剩餘面積最大，所述剩餘面積定義為：第二有效區域之不與所述第一有效區域重疊之剩餘區域之面積，其中所述第二有效區域以所述最佳點為中心確定；S3：控制所述自主移動機器人之中心移動至所述最佳點；S4：重複步驟S1-S3，直至所述自主移動機器人首次接收到所述充電樁之訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，所述第一有效區域及第二有效區域中均不包括障礙物。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，所述障礙物包括牆壁。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，所述自主移動機器人包括禁區探測器。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中，當所述最佳點處於所述自主移動機器人所探測到之禁區內部時，在S3執行：控制所述自主移動機器人沿著所述禁區之邊界移動，直至記錄下所述禁區位置。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中，所述第一有效區域及第二有效區域中均不包括所述禁區。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中，所述禁區之邊界包括虛擬牆及/或懸崖邊緣。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，所述禁區探測器包括虛擬牆感測器及/或懸崖感測器。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，所述第一有效區域之半徑等於所述第二有效區域之半徑。
  10. 一種自主移動機器人之控制裝置，包括：記憶體、處理器及儲存在所述記憶體上且在所述處理器上運行之電 腦程式，其特徵在於，所述處理器執行所述程式時實現申請專利範圍第1至9中任一項所述方法之步驟。
  11. 一種自主移動機器人，其中，包括：如申請專利範圍第10項所述之控制裝置。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之自主移動機器人，其中，所述自主移動機器人包括智能清潔機器人。
  13. 一種智能清潔系統，其中，包括：充電樁；以及如申請專利範圍第11或12項所述之自主移動機器人。
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