自主移动机器人及其寻桩方法和控制装置与流程

自主移动机器人及其寻桩方法和控制装置
1.本技术为申请日为2017年9月25日、申请号为cn201710876877.0、名称为“自主移动机器人及其寻桩方法、控制装置和智能清洁系统”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及机器人技术领域，更具体地涉及一种自主移动机器人及其寻桩方法和控制装置。


背景技术：

3.如今，自主移动机器人已经越来越普遍。自主移动机器人一般都配备有充电桩，当自主移动机器人的电量不足时，需要返回充电桩进行充电。目前自主移动机器人的回桩方案通常采取充电桩发射信号，自主移动机器人接收信号的方式，当自主移动机器人需要充电时，会根据充电桩发出的回桩信号，控制系统控制驱动系统，使得自主移动机器人朝向充电桩所在位置移动，直至回桩充电。
4.但是在实际使用过程中，会出现下列情况：自主移动机器人的起始位置离充电桩有一定距离，充电信号时断时续呈现不稳定状态，此时，如果自主移动机器人需要回充，则有很大概率回桩不顺利，并可能越跑越远，最终会报错误。而这时往往需要用户将自主移动机器人放到充电桩附近或者充电桩上，再进行回充，用户体验差，不够智能。
5.因此，需要提供一种自主移动机器人及其寻桩方法、控制装置和智能清洁系统，以至少部分地解决上面提到的问题。


技术实现要素：

6.在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
7.为至少部分地解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种自主移动机器人，其包括：
8.机器主体；
9.驱动系统，所述驱动系统用以驱动所述机器主体及其上的部件移动，以进行自动行走；
10.信号接收器，所述信号接收器设置于所述机器主体的前端，用于接收充电桩发出的信号；
11.控制系统，所述控制系统设置于所述机器主体内，用于绘制所述自主移动机器人所在环境的即时地图，以及基于所述即时地图规划行走路线；
12.在所述自主移动机器人寻找所述充电桩过程中，利用所述信号接收器确定所述自主移动机器人是否位于所述充电桩的信号覆盖或覆盖过的区域，当所述自主移动机器人位于所述充电桩的信号覆盖或覆盖过的区域时，所述控制系统根据所述自主移动机器人所在
环境的即时地图，控制所述驱动系统驱动所述机器主体向开阔区域行走。
13.可选地，所述的自主移动机器人还包括：激光测距装置，所述激光测距装置用于反馈所述自主移动机器人所在环境的障碍物信息。
14.可选地，当所述激光测距装置测得所述自主移动机器人与所述充电桩之间相距预定距离时，所述自主移动机器人停止寻找所述充电桩。
15.可选地，所述充电桩的信号包括近场信号和远场信号。
16.可选地，当所述信号接收器接收到所述进场信号时，所述自主移动机器人停止寻找所述充电桩。
17.可选地，所述的自主移动机器人还包括：禁区探测器。
18.可选地，所述禁区探测器包括虚拟墙和/或悬崖传感器。
19.可选地，所述即时地图中包括所述禁区探测器探测到的虚拟墙和/或悬崖边缘。
20.本发明还提供一种自主移动机器人寻找充电桩的方法，所述方法包括：
21.绘制所述自主移动机器人所在环境的即时地图；
22.确定所述自主移动机器人是否位于所述充电桩的信号覆盖或覆盖过的区域；
23.当所述自主移动机器人位于所述充电桩的信号覆盖或覆盖过的区域时，根据所述自主移动机器人所在环境的即时地图，控制所述自主移动机器人向开阔区域行走。
24.本发明还提供一种自主移动机器人的控制装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上且在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
25.根据本发明的自主移动机器人、自主移动机器人寻找充电桩的方法和自主移动机器人的控制装置能够提高机器人局部寻桩的能力，即，当自主移动机器人无法持续感测到充电桩信号时，或者充电桩的位置在自主移动机器人回充的过程中发生变化时，通过执行本技术的上述程序，可使机器人通过自主寻桩而自动找到持续、稳定的充电桩信号，从而可以避免需要人工手动将机器人放到充电桩附近或者充电桩上，进而减少了人工干预，确保了机器人的智能性和可靠性，改善了用户体验。
附图说明
26.以下将结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来对本发明实施例进行进一步的解释，该附图构成说明书的一部分，且与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的附图标记通常代表相同或相似的部件或步骤。
27.图1是根据本发明的优选实施例的自主移动机器人的顶部示意图；
28.图2是根据本发明的优选实施例的自主移动机器人的底部示意图；
29.图3是根据本发明的优选实施例的自主移动机器人的另一个顶部示意图；
30.图4是根据本发明的优选实施例的自主移动机器人的侧部示意图；
31.图5是根据本发明的优选实施例的自主移动机器人寻找充电桩的方法的流程示意图；
32.图6-图10是本发明的优选实施例的自主移动机器人寻找充电桩的方法的原理示意图；
33.图11示意性地示出了根据本发明的优选实施例的自主移动机器人的禁区边界；
34.图12示意性地示出了根据本发明的优选实施例的自主移动机器人在遇到禁区时寻找充电桩的路线。
具体实施方式
35.为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。
36.图1和图2是根据一示例性实施例示出的一种自主移动机器人的结构示意图。下文首先对自主移动机器人的结构予以详细描述。
37.在图示实施例中，自主移动机器人为清洁用机器人10。清洁用机器人10除包括机器主体1和清洁系统外还包括感知系统、控制系统、驱动系统、能源系统和人机交互系统9。下面将对清洁用机器人的各主要部分进行详细说明。
38.机器主体1包括上封盖、前向部分13、后向部分14和底盘11等。机器主体1具有近似圆形形状(前后都为圆形)，也可具有其他形状，包括但不限于前方后圆的近似d形形状。
39.感知系统包括位于机器主体1上方的位置确定装置、位于机器主体1的前向部分13的缓冲器、超声传感器、红外传感器、磁力计、加速度计、陀螺仪、里程计等传感装置。这些传感装置向控制系统提供机器的各种位置信息和运动状态信息。在一个优选实施方式中，位置确定装置包括但不限于红外发射接收装置、摄像头、激光测距装置(lds)。
40.清洁系统包括干式清洁部和湿式清洁部。其中，湿式清洁部为第一清洁部2，其主要作用是通过含有清洁液的清洁布4对被清洁表面(如地面)进行擦拭。干式清洁部为第二清洁部，其主要作用是通过清扫刷等结构清扫被清洁表面的固定颗粒污染物。
41.作为干式清洁部，主要的清洁功能源于滚刷61、尘盒、风机、出风口以及四者之间的连接部件所构成的第二清洁部。与地面具有一定干涉的滚刷61将地面上的垃圾扫起并卷带到滚刷61与尘盒之间的吸尘口前方，然后被风机产生并经过尘盒的有吸力的气体吸入尘盒。扫地机的除尘能力可用垃圾的清扫效率dpu(dust pick up efficiency)进行表征，清扫效率dpu受滚刷61结构和材料影响，受吸尘口、尘盒、风机、出风口以及四者之间的连接部件所构成的风道的风力利用率影响，受风机的类型和功率影响。相比于普通的插电吸尘器，除尘能力的提高对于能源有限的清洁用机器人来说意义更大。因为除尘能力的提高直接有效降低了对于能源要求，也就是说原来充一次电可以清扫80平米地面的机器人，可以进化为充一次电清扫100平米甚至更多。并且减少充电次数的电池的使用寿命也会大大增加，使得用户更换电池的频率也会增加。更为直观和重要的是，除尘能力的提高是最为明显和重要的用户体验，用户会直接得出扫得是否干净/擦得是否干净的结论。干式清洁系统还可包含具有旋转轴的边刷62，旋转轴相对于地面成一定角度，以用于将碎屑移动到第二清洁部的滚刷61的清扫区域中。
42.作为湿式清洁部，第一清洁部2主要包括液体容置箱3和清洁布4等。液体容置箱3作为承载第一清洁部2的其他部件的基础。清洁布4可拆地设置在液体容置箱3上。液体容置
箱3内的液体流向清洁布4，清洁布4对滚刷等清扫后的底面进行擦拭。
43.驱动系统用以驱动机器主体1及其上的部件移动，以进行自动行走和清扫。驱动系统包括驱动轮模块，驱动系统可基于距离和角度信息，例如x、y及θ分量，发出驱动命令而操纵机器人跨越地面行驶。驱动轮模块可以同时控制左轮和右轮，为了更为精确地控制机器的运动，优选驱动轮模块分别包括左驱动轮模块和右驱动轮模块。左、右驱动轮模块沿着由机器主体1界定的横向轴对置(对称设置)。为了使机器人能够在地面上更为稳定地运动或者具有更强的运动能力，机器人可以包括一个或者多个从动轮，从动轮包括但不限于万向轮。
44.驱动轮模块包括行走轮和驱动马达以及控制驱动马达的控制电路，驱动轮模块还可以连接测量驱动电流的电路和里程计。驱动轮模块可以可拆卸地连接到机器主体1上，方便拆装和维修。驱动轮可具有偏置下落式悬挂系统，以可移动方式紧固，例如以可旋转方式附接，到机器主体1上，且接受向下及远离机器主体1偏置的弹簧偏置。弹簧偏置允许驱动轮以一定的着地力维持与地面的接触及牵引，同时机器人的清洁元件(如滚刷等)也以一定的压力接触地面。
45.机器主体1的前向部分13可承载缓冲器，在清洁过程中驱动轮模块推进机器人在地面行走时，缓冲器经由传感器系统，例如红外传感器，检测机器人的行驶路径中的一个或多个事件，机器人可通过由缓冲器检测到的事件，例如障碍物、墙壁，而控制驱动轮模块使机器人来对事件做出响应，例如远离障碍物。
46.一般在使用机器人的过程中，为了防止机器人进入家庭中的禁区(例如有易碎物品摆放处区域、卫生间等地面含水区域)，优选地，清洁用机器人中还包括禁区探测器。禁区探测器包括虚拟墙传感器，虚拟墙传感器会根据用户的设定设置虚拟墙从而限定禁区，如图11所示，当虚拟墙传感器检测到虚拟墙时可控制驱动轮模块，以限制清洁用机器人越过禁区的边界25(也就是虚拟墙)而进入禁区。
47.此外，在使用机器人的过程中，为了防止机器人在例如室内楼梯、较高的台阶等处掉落，禁区探测器还包括悬崖传感器，悬崖传感器会根据用户的设定设置边界从而限定禁区，如图11所示，当悬崖传感器检测到禁区边界(也就是悬崖边缘)时可控制驱动轮模块，以限制清洁用机器人越过禁区的边界25，从而避免机器人从台阶上掉落下去。
48.控制系统设置在机器主体1内的电路主板上，包括与非暂时性存储器，例如硬盘、快闪存储器、随机存取存储器，通信的计算处理器，例如中央处理单元、应用处理器，应用处理器根据激光测距装置反馈的障碍物信息利用定位算法，例如slam，绘制机器人所在环境中的即时地图。并且结合缓冲器、悬崖传感器和超声传感器、红外传感器、磁力计、加速度计、陀螺仪、里程计等传感装置反馈的距离信息、速度信息综合判断扫地机当前处于何种工作状态，如过门槛，上地毯，位于悬崖处，上方或者下方被卡住，尘盒满，被拿起等等，还会针对不同情况给出具体的下一步动作策略，使得机器人的工作更加符合主人的要求，有更好的用户体验。进一步地，控制系统能基于slam绘制的即时地图信息规划最为高效合理的清扫路径和清扫方式，大大提高机器人的清扫效率。
49.能源系统包括充电电池，例如镍氢电池和锂电池。充电电池可以连接有充电控制电路、电池组充电温度检测电路和电池欠压监测电路，充电控制电路、电池组充电温度检测电路、电池欠压监测电路再与单片机控制电路相连。主机通过设置在机身侧方或者下方的
充电电极与充电桩21(如图6所示)连接进行充电。如果裸露的充电电极上沾附有灰尘，会在充电过程中由于电荷的累积效应，导致电极周边的塑料机体融化变形，甚至导致电极本身发生变形，无法继续正常充电。
50.如图3和图4所示，清洁用机器人10在前端和行进方向的右端设置了信号接收器15，以用于接收充电桩21发出的信号。正常来说，当机器人从充电桩21出发时，系统会记住充电桩21的位置，因此，在机器人打扫完毕，或者电量不足时，会控制驱动轮系统往其内存中存储的充电桩21位置处驱动，进而上桩充电。
51.人机交互系统9包括主机面板上的按键，按键供用户进行功能选择；还可以包括显示屏和/或指示灯和/或喇叭，显示屏、指示灯和喇叭向用户展示当前机器所处状态或者功能选择项；还可以包括手机客户端程序。对于路径导航型清洁设备，在手机客户端可以向用户展示设备所在环境的地图，以及机器所处位置，可以向用户提供更为丰富和人性化的功能项。
52.为了更加清楚地描述机器人的行为，进行如下方向定义：机器人可通过相对于由机器主体1界定的如下三个相互垂直轴的移动的各种组合在地面上行进：前后轴x(即沿机器主体1的前向部分13和后向部分14方向的轴线)、横向轴y(即垂直于轴x且与轴x在同一水平面的轴)及中心垂直轴z(垂直于轴x和轴y所组成的平面的轴)。沿着前后轴x的前向驱动方向标示为“前向”，且沿着前后轴x的向后驱动方向标示为“后向”。横向轴y实质上是沿着由驱动轮模块的中心点界定的轴心在机器人的右轮与左轮之间延伸。
53.机器人可以绕y轴转动。当机器人的前向部分向上倾斜，后向部分向下倾斜时为“上仰”，且当机器人的前向部分向下倾斜，后向部分向上倾斜时为“下俯”。另外，机器人可以绕z轴转动。在机器人的前向方向上，当机器人向x轴的右侧倾斜为“右转”，当机器人向x轴的左侧倾斜为“左转”。
54.尘盒以机械抠手卡接的方式安装在容纳腔中，抠手被抠住时卡件收缩，抠手放开时卡件伸出卡在容纳腔中容纳卡件的凹槽中。
55.下文结合图5到图12详细描述根据本发明的自主移动机器人寻找充电桩的方法。
56.根据本发明的自主移动机器人寻找充电桩的方法最适用的情境为：当清洁用机器人没有从充电桩21出发，机器人的存储器中没有存储充电桩21的位置，并且当清洁用机器人和充电桩21相距一定距离，使得机器人接收到的桩信号不稳定，或者充电桩21中途被移动了位置，使得机器人回充过程中桩信号突然消失，机器人无法持续和稳定地探测到充电桩的信号。这时，如果需要充电，机器人是无法直接顺利找到充电桩位置进行充电的。
57.根据本发明的自主移动机器人寻找充电桩的方法总体是采用一种打分机制，控制机器人尽可能朝向充电桩21的附近移动。但由于充电桩21的位置无法确定，则本发明设定一种机制，使得机器人采用一种优化的方式行走找桩。具体地，使得机器人沿着上一次获得充电桩信号的方向朝向尽量开阔的地界行走，因为理论上越开阔的地方越容易收到桩信号，而上一次接收到的充电桩信号的方向往往预示着充电桩大概的方向，因此在结合充电桩信号的基础上越朝向开阔的地界行走，最终走到充电桩附近的几率越大。
58.具体地，如图5和图6所示，首先，机器人的处理器控制执行程序s1：以自主移动机器人为中心确定第一有效区域。具体地，机器人在起始位置处以其自身为中心，确定一个圆形区域，并在该圆形区域中确定第一有效区域23。该圆形区域的半径可根据机器人的型号
和实际家庭通常面积而定，在一个实施例中，该圆形区域的半径设为1.5m。其中，有效区域中不包括墙壁等障碍物，且不包括禁区。例如，有效区域的一个示例为图6的圆形区域中的阴影部分。
59.其次，执行程序s2：在第一有效区域上确定第一有效边界。第一有效边界为第一有效区域23中的覆盖或覆盖过充电桩21的信号的区域的边界(如图7所示的e区段)。
60.接着，执行程序s3：在第一有效边界上确定最佳点。其中，最佳点为在此处剩余面积最大的点。剩余面积定义为：以最佳点为中心确定的第二有效区域的不与第一有效区域重叠的剩余区域的面积。以下结合图8和图9简要说明最佳点的确定方式：在图8中，假设a为最佳点，则以a为中心确定圆形的第二有效区域24，剩余区域即为第二有效区域24的不与第一有效区域23重叠的区域(即区域24中的阴影部分)。与图8类似，图9中的剩余区域即为以b为中心确定的第二有效区域24的不与第一有效区域23重叠的区域(即区域24中的阴影部分)。很明显，图9中的剩余面积比图8中的剩余面积大。因此图9中的点b确定为最佳点。在实际运用过程中，机器人可通过其处理器的运算程序而自动确定最佳点。优选地，机器人在确定第二有效区域24时的探射的半径与在确定第一有效区域23时的探射的半径相等。
61.在确定了最佳点之后，接着执行步骤s4：控制自主移动机器人的中心移动至最佳点；以及步骤s5：当自主移动机器人移动至最佳点时，重复上述步骤s1-s4，即以自主移动机器人为中心继续确定有效区域和有效边界，并在有效边界上继续确定最佳点。图10示出了机器人按照上述的确定最佳点的方法的部分移动路线，以此方式，使得机器人沿着上一次获得充电桩信号的方向朝向尽量开阔的地界行走，可以使得机器人较快地移动到充电桩附近，当机器人移动到充电桩附近时，则寻桩步骤结束，进入正常的回桩步骤。
62.需要说明的是，在机器人每一步的行走过程中，确定的最佳点可能不止一个，那么他们的权重是相同的。在实际运用过程中可由机器人的遍历算法确定下一步要去的点。总体趋势是使机器人在结合充电桩信号的基础上朝向广阔区域行走，以较快地到达充电桩附近。
63.在一个优选实施方式中，机器人中包括激光测距装置(上文已有描述)。当激光测距装置测得机器人与充电桩之间相距预定距离时，判定机器人到达充电桩附近，此时机器人可停止寻桩。优选地，当机器人与充电桩的正前方之间相距70cm左右的预定距离时，机器人停止寻桩。优选地，该预定距离可由用户在例如手机app的程序中自行设定。
64.在另一个优选实施方式中，充电桩能够发射近场信号和远场信号。当机器人离充电桩较远时，无法感测到近场信号，只能感受到远场信号。而当机器人移动至能够感测到充电桩发射的近场信号时可判定机器人到达充电桩附近，此时机器人可停止寻桩。
65.如图12所示，当机器人确定的下一个最佳点处于自主移动机器人所探测到的禁区内部时，控制机器人沿着禁区的边界25(也就是虚拟墙或悬崖边缘)移动，直至机器人记录下禁区的位置为止。具体地，处理器可在构建的房间地图上对该禁区位置进行标记并存储在存储器中，从而可控制机器人不再回到禁区位置。
66.本发明还公开了一种控制装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上且在处理器上运行的计算机程序，其中处理器执行程序时执行上述步骤。本发明还公开了一种包括该控制装置的自主移动机器人以及智能清洁系统，智能清洁系统包括充电桩和上述的自主移动机器人。
67.根据本发明的自主移动机器人寻找充电桩的方法、自主移动机器人的控制装置、自主移动机器人和智能清洁系统能够提高机器人局部寻桩的能力，即，当自主移动机器人无法持续感测到充电桩信号时，或者充电桩的位置在自主移动机器人回充的过程中发生变化时，通过执行本技术的上述程序，可使机器人通过自主寻桩而自动找到持续、稳定的充电桩信号，从而可以避免需要人工手动将机器人放到充电桩附近或者充电桩上，进而减少了人工干预，确保了机器人的智能性和可靠性，改善了用户体验。
68.尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本发明的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本发明的范围之内。
69.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
70.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。