记录封闭空间轮廓的机器人以及利用机器人来记录封闭空间轮廓的方法与流程

本发明总体涉及机器人领域，尤其涉及用于在封闭空间内行进并记录行进轨迹的机器人。

背景技术：

机器人可根据指令从室内的一处移动到另一处。可以沿着边界的走向(例如，转弯拐角处)而调整行进方向的机器人可沿着室内封闭空间的轮廓进行巡视或记录行进轨迹。

为了随边界的走向而调整行进轨迹，需要配备多种传感器来识别一个或多个方向上的边界并进行路线规划。在典型的场景中，机器人通常需要配备视觉、声呐、红外、激光灯传感设备。在机器人行进过程中，需要通过摄像头来识别边界，并且需要结合多种传感设备对周围环境进行测量以得出准确的识别结果，从而进行路线规划。该方案对识别的准确度要求很高，同时，对多种传感器测量的数据进行分析、融合对处理能力提出了很大的挑战。

因此，需要一种通过简单的传感器配置就可实现记录封闭空间的边界轮廓的机器人。

技术实现要素：

以下提供一个或多个方面的简要概述以提供对本公开的多个方面的基本理解。然而，应当注意，以下概述不是构想到的所有方面的详尽综述，并且既不旨在陈述本公开所有方面的关键性或决定性要素，也不试图限定本公开的任何或所有方面的范围。相反，以下概述的唯一目的在于，以简化形式给出本公开的一个或多个方面的一些概念，以作为稍后阐述的具体实施方式的前序。

根据一个实施例，提供用于记录封闭空间轮廓的机器人，所述机器人包括第一传感器、第二传感器、第三传感器、控制器和记录器。其中，所述第一传感器设置于所述机器人的前侧，测量从所述机器人的所述前侧、沿所述机器人的行进方向、至前方边界的第一距离；所述第二传感器设置于所述机器人的后侧，测量从所述机器人的所述后侧、沿与所述机器人的行进方向相反的方向、至后方边界的第二距离；所述第三传感器设置于所述机器人的左侧或右侧，测量从所述机器人的所述左侧或右侧、沿与所述机器人的行进方向垂直的方向、至左侧或右侧边界的第三距离；所述控制器与所述三个传感器连接，并且通过对所述第一距离和所述第二距离中的一者与预设距离进行第一比较、对所述第三距离与所述预设距离进行第二比较来调整所述机器人的行进轨迹；所述记录所述行进轨迹。

在进一步的实施例中，所述控制器在所述第一比较或所述第二比较的结果为不相等时，使所述机器人通过转向、前进和后退动作中的一个或多个来调整所述行进轨迹，使得所述行进轨迹与相应的边界保持所述预设距离。

在进一步的实施例中，在所述第一比较和所述第二比较的结果首次均为相等时，所述控制器指示所述记录器记录所述机器人的初始位置并且开始记录所述机器人的行进轨迹。

在进一步的实施例中，在所述第一比较确定了所述第一距离大于所述预设距离且所述第二比较确定了所述第三距离等于所述预设距离时，所述控制器指示所述机器人不改变行进轨迹继续前进。

在进一步的实施例中，在所述第一比较确定了所述第一距离小于所述预设距离时，所述控制器指示所述机器人：向未设置所述第三传感器的一侧转动，直到所述第三距离为转动过程中的最小值；以及前进第一调整距离。

在进一步的实施例中，在所述第二比较确定了所述机器人在前进所述第一调整距离过程中的所述第三距离小于所述预设距离时，所述控制器指示所述机器人：向未设置所述第三传感器的一侧转过90°；前进，直到所述第二距离等于所述预设距离；以及往回向设置了所述第三传感器的一侧转过90°。

在进一步的实施例中，在所述第一比较确定了所述第一距离大于所述预设距离且所述第二比较确定了所述第三距离大于所述预设距离时，所述控制器指示所述机器人：后退，直到所述第三距离减小到等于所述预设距离；向设置了第三传感器的一侧转过预设角，前进第二调整距离至第一位置处。

在进一步的实施例中，在所述第二比较确定了所述第一位置处的所述第三距离大于所述预设距离时，所述控制器指示所述机器人：向设置了所述第三传感器的一侧转动，直到所述第三距离为转动过程中的最小值；进一步向设置了所述第三传感器的一侧转过90°；前进，直到所述第一距离等于所述预设距离；以及往回向未设置所述第三传感器的一侧转过90°。

在进一步的实施例中，在所述第二比较确定了所述第一位置处的所述第三距离小于所述预设距离时，所述控制器指示所述机器人：向未设置所述第三传感器的一侧转动，直到所述第三距离为转动过程中的最小值；进一步向未设置所述第三传感器的一侧转过90°；前进，直到所述第三距离等于所述预设距离；以及往回向设置了所述第三传感器的一侧转过90°。

在进一步的实施例中，所述第一调整距离小于所述预设距离。

在进一步的实施例中，所述第二调整距离大于所述预设距离，并且所述预设角小于90°。

在进一步的实施例中，所述机器人具有预设的记录结束判断参数，并且在达到所述记录结束判断参数时停止行进并结束记录，所述记录结束判断参数包括记录持续时间和最大记录次数中的任一者或两者。

另一实施例提供了一种利用机器人来记录封闭空间轮廓的方法，包括以下步骤：参数初始化、位置初始化、行进调整以及记录。其中，在参数初始化步骤中，设定预设距离、预设角、第一调整距离和第二调整距离；在位置初始化步骤中，使所述机器人的行进方向平行于左侧或右侧边界，且所述机器人距左侧或右侧边界的距离为所述预设距离；在行进调整步骤中，使所述机器人行进，并且在行进过程中执行第一比较和第二比较，其中，从所述机器人的前侧、沿所述机器人的行进方向、至前方边界的距离为第一距离，从所述机器人的后侧、沿与所述机器人的行进方向相反的方向、至后方边界的距离为第二距离，并且从所述机器人的左侧或右侧、沿与所述机器人的行进方向垂直的方向、至左侧或右侧边界的距离为第三距离，所述第一比较对应于所述第一距离和所述第二距离中的一者与所述预设距离之间的比较，而所述第二比较对应于所述第三距离与所述预设距离之间的比较；并且基于所述第一比较和所述第二比较的结果来调整行进轨迹；在记录步骤中，记录所述行进轨迹。

在进一步的实施例中，所述行进调整步骤进一步包括以下步骤：响应于所述第一比较或所述第二比较的结果为不相等，使所述机器人通过转向、前进和后退动作中的一个或多个动作来调整所述行进轨迹，使得所述行进轨迹与相应的边界保持所述预设距离。

在进一步的实施例中，所述调整步骤进一步包括：响应于所述第一比较确定了所述第一距离大于所述预设距离，并且所述第二比较确定了所述第三距离等于所述预设距离，不改变所述行进轨迹。

在进一步的实施例中，所述调整步骤进一步包括：响应于所述第一比较确定了所述第一距离小于所述预设距离，使所述机器人：向与感测到所述第三距离的那侧相反的侧转动，直到所述第三距离为转动过程中的最小值，并且前进所述第一调整距离。

在进一步的实施例中，所述调整步骤进一步包括：响应于所述第二比较确定了所述机器人在前进所述第一调整距离过程中的所述第三距离小于所述预设距离，使所述机器人：向与感测到所述第三距离的那侧相反的侧转过90°；前进，直到所述第二距离等于所述预设距离；以及往回向感测到所述第三距离的那侧转过90°。

在进一步的实施例中，所述调整步骤进一步包括：响应于所述第一比较确定了所述第一距离大于所述预设距离，并且所述第二比较确定了所述第三距离大于所述预设距离，使所述机器人：后退，直到所述第三距离减小到等于所述预设距离；向感测到所述第三距离的那侧转过所述预设角，前进所述第二调整距离至第一位置处。

在进一步的实施例中，所述调整步骤进一步包括：响应于所述第二比较确定了所述第一位置处的所述第三距离大于所述预设距离，使所述机器人：向感测到所述第三距离的那侧转动，直到所述第三距离为转动过程中的最小值；进一步向感测到所述第三距离的那侧转过90°；前进，直到所述第一距离等于所述预设距离；以及往回向与感测到所述第三距离的那侧相反的侧转过90°。

在进一步的实施例中，所述调整步骤进一步包括：响应于所述第二比较确定了所述第一位置处的所述第三距离小于所述预设距离，使所述机器人：向与感测到所述第三距离的那侧相反的侧转动，直到所述第三距离为转动过程中的最小值；进一步向与感测到所述第三距离的那侧相反的侧转过90°；前进，直到所述第三距离等于所述预设距离；以及往回向感测到所述第三距离的那侧转过90°。

在进一步的实施例中，所述第一调整距离小于所述预设距离。

在进一步的实施例中，所述第二调整距离大于所述预设距离，并且所述预设角小于90°。

在进一步的实施例中，所述参数初始化步骤还包括设定记录结束判断参数的步骤，并且在达到所述记录结束判断参数时，结束所述记录步骤，所述记录结束判断参数包括记录持续时间和最大记录次数中的任一者或两者。

本公开仅使用三个传感器就可获得机器人相对于边界执行调整动作所需的数据，大大减小了对机器人处理能力的要求，简化了机器人的结构和设计。

附图说明

在结合以下附图阅读对本公开的多个实施例的详细描述之后，能够更好地理解本公开的上述特征和优点。在附图中，以相同或类似的附图标记来指定各附图所共有的相同或类似的元件。

图1示出根据本公开的一些实施例的机器人100的结构框图。

图2示出根据本公开的一些实施例的、示出图1中的三个传感器的位置的机器人100的俯视示意图。

图3示出机器人100记录沿封闭空间的边界的行进轨迹的方法300的实施例的流程图。

图4a-4t示出机器人100在行进过程中执行调整动作的多个实施例。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本公开作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本公开的保护范围进行任何限制。

本公开涉及用于测量封闭空间轮廓的机器人和方法。在本发明中，术语“封闭空间”是指由直线边界线相连组成的空间。此类封闭空间例如是室内空间。

图1示出根据本公开的一些实施例的机器人100的结构框图。如图1所示，机器人100包括第一传感器110、第二传感器120、第三传感器130、控制器140以及记录器150。控制器140根据传感器110、120、130中的一个或多个的测量结果来调整机器人100的行进轨迹。

在一些实施例中，传感器110、120、130可以是距离测量器，用于测量机器人100在行进过程中与封闭空间的边界之间的距离。

在一些实施例中，记录器150可用于记录机器人100行进的轨迹，从而实现测绘的目的。

图2示出根据本公开的一些实施例的、示出图1中的三个传感器的位置的机器人100的俯视示意图。

参见图2，在一些实施例中，传感器110设置在机器人100的前侧，用于测量机器人100与前方的边界之间的距离(即，从机器人100的前侧、沿行进方向、至前方边界的距离)；传感器120设置在机器人100的后侧，用于测量机器人100与后方的边界之间的距离(即，从机器人100的后侧、沿与行进方向相反的方向、至后方边界的距离))，并且传感器130设置在机器人100的左侧或右侧，用于测量机器人100与左侧或右侧方向上的边界之间的距离(即，从机器人100的左侧或右侧、沿与行进方向垂直的方向，至左侧或右侧边界的距离)。值得注意的是，图2仅用于示出传感器110、120、130在机器人100上位置设置，控制器140和记录器150的位置设置可以是任意的。

在优选实施例中，将传感器110、120、130设置为高度基本相同，使得测量结果更准确。

图3示出机器人100记录沿封闭空间的边界的行进轨迹的方法300的实施例的流程图。图4a-4t示出机器人100在行进过程中执行调整动作的多个实施例。以下描述针对传感器110、120、130分别位于机器人100的前侧、后侧以及左侧的情形。也就是说，在以下描述中，从俯视视角看机器人相对于封闭空间的各边界的运动，机器人100总是以左侧对着封闭空间的各边界，并且沿着封闭空间轮廓的内侧顺时针行进。应当理解，该描述仅是示例性的，并且机器人100沿轮廓内侧逆时针行进的实施例与之类似，不再赘述。在图4a-4t中，分别以向量n1、n3、n2示出机器人100的前侧、左侧和后侧，并以向量v示出机器人100的运动方向。n1与v同向对应于机器人100前进的场景，而n1与v反向对应于机器人100后退的场景。在图4a-4t中，为使图示清晰，可根据需要示出n1、n3、n2中的任一者、任两者或三者，应当理解，在至少示出一者的情况下，这三个向量的位置都是确定的。

在方法300开始之前，可将机器人100放置在封闭空间内的任一位置。对于该放置，机器人100的朝向以及距封闭空间的任一边界的距离都是任意的。

方法300开始于参数初始化310处，机器人100被设置预设参数。在一些实施例中，预设参数可以是预设距离d、预设角a、第一调整距离h1和第二调整距离h2。在优选实施例中，预设参数还可包括记录结束判断参数。

预设距离d表示机器人100在行进过程中与边界之间保持的距离。当传感器110测得的机器人100与边界之间的距离小于d时，机器人100将调整运动以避开边界。

预设角a表示机器人100为避开边界而转过的角度。在一些实施例中，预设角a可以是小于90°的角，例如，30°、45°、60°，等等。

第一、第二调整距离h1、h2表示机器人100调整完自身的转向之后，为确定转向是否调整到位而继续向前试探地行进的距离。在一些实施例中，第一调整距离h1可以小于预设距离d，并且第二调整距离h2可以大于预设距离d。

记录结束判断参数用于控制机器人100的行进和记录是否结束。在一个实施例中，记录结束判断参数可以是记录持续时间。在另一实施例中，记录结束判断参数可以是最大记录次数，即机器人100遍历封闭空间的边界轮廓的总圈数。在其他实施例中，记录结束判断参数可以是记录持续时间和最大记录次数两者，使得当这两个参数中的任一者达到或两者都达到时，机器人100停止行进并结束记录。

在完成了参数初始化310之后，方法300继续进行到位置初始化320。

在位置初始化320步骤中，对于被放置在封闭空间中的任意位置401处的机器人100，位于机器人100前侧的第一传感器110测量机器人100与前方的边界450之间的距离。如图4a所示，当机器人100的前侧距前方的边界450的距离大于d时，机器人100从位置401处向前行进，直到第一传感器110测量到机器人100距边界450的距离为d为止，机器人100在位置402处停止前进。或者，如图4b所示，当机器人100距边界450的距离小于d时，机器人100从初始位置401后退，直到第一传感器110测量到机器人100距边界450的距离为d为止，机器人100在位置402处停止后退。

随后，在位置402处，机器人100顺时针转过参数初始化时设定的预设角a。在转动过程中，第二传感器120持续地测量机器人100的左侧n3距边界450的距离。在该测量过程中，存在一个最小距离l0(如图4c中所示)，该最小距离l0对应于机器人100的左侧n3距边界450的距离为最小时的转向角a0。在机器人100转到预设角a之后，往回转到转向角a0的方向上。此时，机器人100位于位置402处，其前侧n1平行于边界450，并且左侧n3距边界450为预设距离d，如图4d所示。

随后，如图4e中所示，机器人100向前行进第一调整距离h1。在该前进过程中，第二传感器120持续地测量机器人100的左侧n3与边界450之间的距离l0。如果该距离l0等于预设距离d(即在方法300之前，机器人100被放置为前侧n1垂直于边界450)，则机器人100不进行转向调整。如果该距离l0小于预设距离d(即在方法300之前，机器人100被放置为前侧n1相对于边界450是倾斜的)，则机器人100顺时针转过90°，使得机器人100的前侧n1背离边界450，并且向前行进，直到第三传感器130测量到后侧n2距边界450的距离为预设距离d为止，此时，机器人100位于位置404处。随后，机器人100逆时针转过90°，使其前侧n1再次平行于边界450，并且左侧n3距边界450为预设距离d，如图4g中所示。

通过该位置初始化320步骤，可使机器人100保持左侧n3距边界450为预设距离而前进。由此，机器人100在后续的行进过程中保持与左侧的边界之间的距离为预设距离d，从而记录反映封闭空间轮廓的行进轨迹。

在完成了位置初始化320步骤之后，方法300继续进行到行进调整330。在行进调整330步骤中，机器人100的第一传感器110测量前侧n1与前方的边界之间的距离，当该距离减小到预设距离d时，机器人100通过顺时针转向来调整行进方向，从而总是沿着封闭空间的边界且距边界预设距离来行进。以下结合图4h-4t描述机器人100遇到几种典型的边界交界时执行调整动作的一些实施例。

参考图4h-4k，需要机器人100执行调整动作的场景可可归结为由第一边界460与第二边界470交界而形成的角落。从第一边界460逆时针转动到第二边界470的角度不同，机器人100对相应的角落执行的调整动作也有所不同。以下分别讨论第一边界460与第二边界所成的角度为0～180°、180～270°时机器人100执行的调整动作。

参见图4h-4i，示出第一边界460与第二边界470所成的角度在0～90°范围内的实施例。在该实施例中，机器人100可以是已经过位置初始化320步骤的，即机器人100平行于第一边界460且距第一边界460距离为预设距离d而前进。当机器人100的第一传感器110测量到与机器人100与前方的第二边界470之间的距离减小到预设距离d时，机器人100在位置405处停止前进。随后，机器人100顺时针转过预设角a，在转动过程中，第二传感器120持续地测量机器人100的左侧n3距第二边界470的距离。在该距离测量过程中，存在一个最小距离l1，该最小距离l1对应于机器人100的左侧n3距第二边界470的距离为最小时的预设角a1。在机器人100转到预设角a之后，往回转到转向角为a1的方向上。此时，机器人100的前侧n1平行于第二边界470。随后，机器人100向前行进第一调整距离h1至位置406处，如图4h中所示。在该前进过程中，第三传感器130持续地测量机器人100的左侧n3与第二边界470之间的距离l1。如图4i中所示，该距离l1小于预设距离d，因此，机器人100顺时针转过90°，使得机器人100的前侧n1背离第二边界470。随后，机器人100向前行进，直到到达位置407，即第二传感器120测量到后侧n2距第二边界470的距离等于预设距离d为止。此时，机器人100逆时针转过90°，使其前侧n1再次平行于第二边界470，并且左侧n3距第二边界470为预设距离d。此时，机器人100完成了针对第一边界460与第二边界470交界形成的角落而执行的调整动作。

图4j示出第一边界460与第二边界470之间成90～180°范围内的角的角落的实施例。本领域技术人员将理解，机器人100针对此类角落执行的调整动作与图4h-4i中所示的实施例中所描述的调整动作相同，在此不再赘述。

图4k示出第一边界460与第二边界470之间成直角角落的实施例。机器人100针对此类角落执行的调整动作与图4h-4i中所示的实施例中描述的调整动作类似。区别在于，当机器人100在位置405处顺时针转向后，其右侧n3距第二边界470的距离为预设距离d。在这种情况下，机器人100从位置405前进第一调整距离h1至位置406的过程中，其左侧n3距第二边界470的距离始终保持为预设距离d。因此，机器人100不需要再调整为远离第二边界470。也就是说，当前在位置406处的机器人100已完成了调整动作。

图4l-4o示出示出第一边界460与第二边界470之间成180～270°范围内的角的角落的一些实施例。参见图4l，图4l示出第一边界460与第二边界470所成的角度在180～270°范围内的实施例。在该实施例中，机器人100如果不改变行进方向一直前进，则其前侧n1距前方的边界的距离大于预设距离d，并且左侧n3距离左侧的边界的距离将大于预设距离d。也就是说，第一边界460与第二边界470实际上形成向外扩展的角落。相应地，机器人100如果不改变行进方向，将远离封闭空间的轮廓，因此，机器人100应当相对于封闭空间“向外地”调整行进方向。当机器人100从位置408(位置408距第一边界460与第二边界470之间的交界处的距离为预设距离d)处继续向前行进到位置409的过程中，第三传感器130测量到机器人100的左侧n3距第二边界470的距离大于预设距离d。响应于此测量，机器人100后退至位置408处。随后，如图4m中所示，机器人100逆时针转过预设角a，并向前行进第二调整距离h2至位置410处，该位置410使得机器人100的左侧n3面向第二边界470。随后，如图4n所示，机器人100逆时针转过预设角a，在转动过程中，第二传感器120持续地测量机器人100的左侧n3距第二边界470的距离。在该距离扫描的过程中，存在一个最小距离l2，该最小距离l2对应于机器人100的左侧n3距第二边界470的距离为最小时的预设角a2。在机器人100转到预设角a之后，往回转到转向角为a2的方向上。此时，机器人100的前侧n1平行于第二边界470。随后，如图4o中所示，机器人100顺时针转过90°，使得机器人100的前侧n1背离第二边界470。随后，机器人100向前行进，直到到达位置411，即第二传感器120测量到后侧n2距第二边界470的距离等于预设距离d为止。此时，机器人到达位置411处。随后，机器人100逆时针转动90°，使得其前侧n1与第二边界470平行，并且其左侧距该第二边界470的距离为预设距离d。至此，机器人100完成了“搜寻”外扩的边界的动作。

图4p-4r示出示出第一边界460与第二边界470之间成180～270°范围内的角的角落的另一些实施例。图4p-4r示出的实施例与图4m-4o示出的实施例类似，区别在于，机器人100需要面向第二边界470前进来调整与第二边界470之间的距离。参见图4p，当机器人100类似于图4l所示退回到位置408后，机器人100逆时针转过预设角a，并向前行进第二调整距离h2至位置410处，该位置410使得机器人100的左侧n3面向第二边界470。随后，如图4q所示，机器人100逆时针转过预设角a，在转动过程中，第二传感器120持续地测量机器人101的左侧n3距第二边界470的距离。在该距离测量过程中，存在一个最小距离l3，该最小距离l3对应于机器人100的左侧n3距第二边界470的距离为最小时的转向角a3。在机器人100转到预设角a之后，往回转到转向角为a3的方向上。此时，机器人100的前侧n1平行于第二边界470。随后，如图4r中所示，机器人100逆时针转过90°，使得机器人100的前侧n1面向第二边界470。随后，机器人100向前行进，直到到达位置411，即第一传感器110测量到前侧n1距第二边界470的距离为预设距离d为止。此时，机器人到达位置411处。随后，机器人100顺时针转动90°，使得其前侧n1与第二边界407平行，并且其左侧n3距该第二边界407的距离为预设距离d。至此，机器人100完成了“搜寻”外扩的边界的动作。

图4s和图4t分别示出第一边界460与第二边界470之间成270°角落以及270～360°范围内的角的角落的其他实施例。机器人100针对这两种情况执行的调整动作可归结于图4l-4o或图4p-4r所述的情况中的一种，在此不再赘述。

已针对封闭空间直线段边界形成的角落的各种情况讨论了机器人100的行进动作。对于实际的边界组成的封闭空间，机器人100可执行上述动作的组合或执行上述动作的仅子集来沿着封闭空间的各边界来行进，从而记录行进轨迹以实现测绘的目的。

往回参见图3，在完成了行进调整330操作之后，方法300继续进行到记录结束判断340处。在该记录结束判断340步骤中，机器人100判断是否达到了最大记录条件。在一个实施例中，如果达到了最大记录结束判断参数(例如，记录持续时间和最大记录次数中的任一者或两者)，则方法300结束。否则，方法300往回进行到行进调整330。也就是说，机器人100从位置409处沿与第二边界470平行的方向继续前进。

本公开通过仅使用三个传感器就可获得机器人相对边界执行调整动作所需的数据，这大大减小了对机器人处理能力的要求，简化了机器人的结构和设计。

上文中已针对根据本公开的各实施例描述了本公开的多个方面，应当理解，以上各实施例仅是示例性而非限制性的，并且可组合以上多个实施例以形成新的替代实施例，或者可仅执行一个实施例的子集来实践本公开。提供对本公开的以上描述是为使本领域任何技术人员都能够实践或使用本公开。然而，对以上描述作出的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体中而不背离本公开的精神或范围。由此，本公开不旨在限于本文中所描述的多个实施例，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。