TW202407489A - 移動式機器人及其可移動區域的自動判斷方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種移動式機器人及其可移動區域的自動判斷方法。移動式機器人基於探索地圖執行2D障礙設定處理來生成目標地圖；於感測到3D障礙物時對目標地圖執行3D障礙設定處理來更新目標地圖中的可移動區域；執行避障動作；及，於目標地圖的可移動區域內移動。本發明有效避免移動式機器人碰撞障礙物或受困。

Description

移動式機器人及其可移動區域的自動判斷方法
本發明係與移動式機器人有關，特別有關於具有自動判斷可移動區域的功能的移動式機器人及其可移動區域的自動判斷方法。
目前已有許多移動式機器人被提出。現有的移動式機器人可以自動建立封閉環境的地圖，並基於所建立地圖於封閉環境中移動。
為了快速建立地圖，一種移動式機器人(通常是機身高度極低的機器人，如掃地機器人)是搭載了2D雷達，透過2D雷達對環境執行2D掃描來建立2D地圖(如平面圖)。然而，上述方法所產生的2D地圖，僅有障礙物的2D資訊，亦即此種移動式機器人僅極為貼近地面作動及/或移動，障礙物的資訊也是屬於較貼近地面的障礙物資訊，而缺乏3D資訊，這使得當移動式機器人的機身高度增加時，容易與障礙物發生碰撞。
為了避免碰撞障礙物，一種移動式機器人(通常是機身高度較高的機器人，如巡邏機器人或運輸機器人)是藉由輸入外部人類已評估設定好之路線而據以移動，或經由人類於其前面導引領航其適宜行走之路線後由該機器人自己記錄下來。
是以，對於機身高度較高之移動機器人，現有自動判斷移動式機器人的可移動區域存在問題，而亟待更快速、精準、即時及有效的方案被提出。
本發明之主要目的，係在於提供一種具有自動判斷可移動區域功能的移動式機器人及其可移動區域的自動判斷方法，可快速建構移動之地圖，包括具有3D避障功能的2D地圖。
於一實施例中，一種可移動區域的自動判斷方法，用於包含一2D探測裝置及一3D避障裝置的一移動式機器人，包含：a) 取得一探索地圖；b) 基於該探索地圖執行一2D障礙設定處理，以生成一目標地圖，其中該目標地圖標記有排除一2D障礙區域的一可移動區域； c) 於移動過程前，經由該3D避障裝置感測一3D障礙物並對該目標地圖執行一3D障礙設定處理，來設定對應該3D障礙物的一3D障礙區域並更新該可移動區域來排除3D障礙區域，並控制該移動式機器人執行一避障動作；及d) 控制該移動式機器人於該目標地圖的該可移動區域內移動。
於一實施例中，一種移動式機器人，具有自動判斷可移動區域的功能，包含一驅動裝置、一2D探測裝置、一3D避障裝置、一儲存裝置及電性連接該驅動裝置、該2D探測裝置、該3D避障裝置及該儲存裝置的一處理裝置。該驅動裝置用以移動該移動式機器人；該2D探測裝置用以對所在環境執行2D掃描；該3D避障裝置用以感測周圍的3D障礙物；該儲存裝置用以儲存一探索地圖；該處理裝置被設定來基於該探索地圖執行一2D障礙設定處理，以生成一目標地圖，其中該目標地圖標記有排除一2D障礙區域的一可移動區域；該處理裝置還被設定來控制該移動式機器人於該可移動區域內移動，於移動過程前感測任一該3D障礙物並對該目標地圖執行一3D障礙設定處理，來設定對應該3D障礙物的一3D障礙區域並更新該可移動區域來排除3D障礙區域，並控制該移動式機器人執行一避障動作。
本發明有效避免移動式機器人碰撞障礙物或受困。
茲就本發明之一實施例，配合圖式，詳細說明如後。
本發明主要是提出一種具有自動判斷可移動區域功能的移動式機器人及其可移動區域的自動判斷方法。本發明除了使用2D探測模組所建立的環境的2D地圖(探索地圖)外，而額外使用了另一組2D地圖(目標地圖)。
探索地圖用於定位與軌跡記錄。具體地，探索地圖用以指出移動式機器人所在環境的平面圖。另外，當移動式機器人基於探索模式或工作模式而於環境中的移動與探索時，可透過特定模組(例如後續之定位模組304)持續對當前位置進行定位並產生連續定位資訊，基於連續定位資訊形成移動式機器人的移動軌跡，並且記錄於探索地圖中。
目標地圖同時包含基於2D掃描獲得的2D障礙物的位置資訊與基於3D感測建立的3D障礙物的位置資訊，而可以正確指示不會發生碰撞的可移動區域。
請參閱圖1，為本發明一實施例的移動式機器人的架構圖。本實施例的移動式機器人1主要包含2D探測裝置11、3D避障裝置12、驅動裝置13、儲存裝置14與電性連接上述裝置的處理裝置10。
2D探測裝置11，如雷射測距感測器(雷射雷達，LiDAR)或其他2D雷達，用來從設置位置對環境執行2D掃描來獲得所在環境的2D資訊(如同一平面中，移動式機器人1與各物體的距離)。
3D避障裝置12，如影像擷取裝置(可結合電腦視覺)、景深攝影機、超音波感測器或其他避障感測器，用以感測是否有3D障礙物接近設置位置，如3D空間中，移動式機器人與3D障礙物之間的距離小於預設距離時觸發訊號。
於一實施例中，3D避障裝置12的設置位置高於2D探測裝置11，而可對2D探測裝置11無法偵測的高度範圍進行障礙偵測。於一實施例中，3D避障裝置12的設置位置係確保其偵測之高度範圍等於或高於其移動式機器人1結構本身最高之高度。於一實施例中，3D避障裝置12的數目為複數個，且設置位置高度不同，且運算處理速度、密度可設置為不同，例如中間高度的3D避障裝置12之運算處理速度、密度高於較高高度的3D避障裝置12。
驅動裝置13，可包含如馬達、齒輪組、輪胎等傳動元件，用來將移動式機器人1移動至指定位置(目的地)。
儲存裝置14，可包括快取記憶體、快閃記憶體、RAM、EEPRAM、ROM、其他儲存元件或上述任意組合，用來儲存資料，如後述之探索地圖140與目標地圖141。
值得一提的是，於本發明中，探索地圖140可用來指示環境的平面圖並且可選擇地指示移動式機器人1的移動足跡，目標地圖141可標示不會讓移動式機器人1碰撞障礙物的可移動區域。
於一實施例中，移動式機器人1可包含電性連接處理裝置10的功能裝置15，功能裝置15用來執行特定的功能動作。
舉例來說，當功能裝置15為殺菌燈、消毒水噴灑器、環境狀態感測器(如溫度感測器、濕度感測器、一氧化碳感測器等)或巡檢裝置(如監視攝影機或熱像儀)時，則對應的功能動作可為開啟殺菌燈、噴灑消毒水、取得環境狀態(如溫度、濕度、一氧化碳濃度等)或入侵偵測(如透過RGB影像、紅外線影像或熱感影像判斷是否發生入侵)。
於另一例子中，當功能裝置15為影像擷取裝置或消毒裝置時，對應的功能動作可為監視動作或消毒動作。監視動作例如為透過影像擷取裝置拍攝所在環境的影像，對影像執行異常偵測，並於偵測到任一異常狀態時透過通訊裝置16向外部電腦2發出警示。消毒動作例如為啟動消毒裝置來對所在環境執行消毒。
於一實施例中，移動式機器人1可包含電性連接處理裝置10的通訊裝置16，如紅外線傳輸模組、Wi-Fi模組、蜂巢網路模組、藍芽模組、ZigBee模組等，用來連接外部電腦2(如遙控器、平板電腦或智慧型手機等遙控電腦、雲端伺服器、網路資料庫等)以進行通訊。
於一實施例中，移動式機器人1可包含電性連接處理裝置10的人機介面17，如觸控螢幕、按鍵、顯示螢幕、指示燈、蜂鳴器等輸入/輸出裝置的任意組合，用來提供資訊並與用戶進行互動。
於一實施例中，移動式機器人1可包含電池(圖未標示)，用來提供移動式機器人1運作所需電力。
請參閱圖2，為本發明一實施例的處理裝置的架構圖。於本發明中，移動式機器人1的處理裝置10可包含用以實現不同功能的模組300-311。
2D探測控制模組300，被設定來控制2D探測裝置11對環境進行掃描來取得2D掃描結果。此2D掃描結果基本上會獲得較貼近地面的環境資訊。
3D避障控制模組301，被設定來控制3D避障裝置12對臨近的高度超過2D探測裝置11的掃描高度的3D障礙物進行感測，並可近一步識別3D障礙物的位置。
移動控制模組302，被設定來控制驅動裝置13來移動移動式機器人1至指定的目的地。
功能控制模組303，被設定來控制功能裝置15執行預先設定的功能動作。
定位模組304，被設定來基於探索地圖140計算移動式機器人1的位置，如透過室內定位技術或移動軌跡來計算目前位置。
路徑規劃模組305，被設定來規劃從目前位置到指定位置(如用戶指定的位置、充電站設置位置等)的路線或從目前位置巡迴環境(即經過可移動區域的所有位置)再返回至待機位置的路線(如用戶指定的位置、充電站設置位置等)。
記錄模組306，被設定來控制儲存裝置14的資料存取並可自動儲存地圖資料。
通訊控制模組307，被設定來控制通訊裝置16使用正確的通訊協定與外部電腦2進行通訊。
探索地圖維護模組308，被設定來基於定位結果維護探索地圖140，如探索模式下，可基於目前位置與2D掃描結果更新探索地圖140的已探索區域(如新增或變更2D障礙區域)與未探索區域(如將部分的未探索區域於探索後變更為已探索區域)。
具體地，探索地圖維護模組308將移動式機器人1於探索模式下行經的區域新增為已探索區域，藉以建立或更新所述探索地圖140，其中探索地圖140為所述2D探測裝置11進行2D掃描所對應產生的用來指示環境的平面圖。
值得一提的是，本發明中所指的2D障礙區域，主要指的是移動式機器人在環境中執行2D掃描而基於2D掃描結果獲得的2D障礙物於環境中所在的區域。由於2D障礙物的存在，移動式機器人無法在此區域安全地進行移動，因此將2D障礙物存在的區域設定為所述2D障礙區域，以便將此區域從安全的可移動區域中排除。
於一實施例中，處理裝置10於工作模式下可基於目前位置更新探索地圖140在本次工作的已訪問區域與未訪問區域，並記錄本次工作的移動路線。
目標地圖維護模組309，被設定來產生目標地圖141，並基於定位結果維護目標地圖141，如依據最新的2D障礙區域(探索模式)與3D障礙區域(工作模式)來設定並即時更新可移動區域。並且，還可依據執行功能動作的位置變更(如擴大)目標地圖141的已工作區域的範圍。
探索模組310，被設定來執行探索模式來控制移動式機器人1對環境進行探索，如對未探索區域進行探索，或對已探索區域進行再探索以更新區域資料。
工作模組311，被設定來執行工作模式來控制移動式機器人1於環境中執行工作任務，如對指定位置或範圍進行消毒、巡邏、量測等。
值得一提的是，前述模組300-311是彼此連接(可為電性連接或資訊連接)，並可為硬體模組(如電子電路模組、積體電路模組、SoC等等)、軟體模組或軟硬體模組混搭，不加以限定。
當前述模組300-311為軟體模組(如韌體、作業系統或應用程式)時，移動式機器人1的儲存裝置14可包含非暫態電腦可讀取記錄媒體，前述非暫態電腦可讀取記錄媒體儲存有電腦程式142，電腦程式142記錄有電腦可執行之程式碼。當處理裝置10執行前述程式碼後，可實現前述模組300-311之控制功能。
圖3為本發明一實施例的自動判斷方法的流程圖。本發明各實施例的自動判斷方法可由本發明所揭露的任一實施例的移動式機器人來加以實現，以下以圖1、2所示之移動式機器人1來配合說明。
於本實施例中，處理裝置10可透過工作模組311進入工作模式，並於工作模式下移動至不同位置工作(即，執行步驟S10-S16)。步驟S10：處理裝置10透過探索地圖維護模組308取得探索地圖140。
於一實施例中，處理裝置10可透過通訊裝置16自外部電腦2(如用戶電腦、所在環境的管理伺服器或地圖資料庫)接收探索地圖140或自儲存裝置14讀取預存的探索地圖140，如藉由探索模式對相同環境執行探索所產生的探索地圖140(相關實施方法將於後面圖4做更詳細說明)。
步驟S11：處理裝置10觸發功能裝置15執行功能動作，並且根據功能裝置15的有效作動範圍，可更新移動式機器人1於探索地圖140中的已訪問區域或／及目標地圖141中的已工作區域的區域範圍，藉以規範機器人的可移動區域。
值得一提的是，當移動式機器人1透過功能裝置15執行功能動作(如前述的監視動作或消毒動作)時，可能同時觸發驅動裝置13來令移動式機器人1進行移動，藉此可在定點上、指定區域中或是沿著預定路線來實現所述功能動作。
步驟S12：處理裝置10可透過目標地圖維護模組309基於功能動作執行後的探索地圖140執行2D障礙設定處理，藉此生成目標地圖141。前述目標地圖141可標記有移動式機器人1的可移動區域，前述可移動區域排除了2D障礙區域，其中2D障礙區域的相關資訊可從探索地圖140中獲得。藉此，當移動式機器人1於可移動區域中移動時，不會碰撞2D障礙物。
步驟S13：於移動過程前(意即，在處理裝置10基於目標地圖141記錄的可移動區域計算出要前往的下一個位置座標，至開始進行移動前的毫秒間)，處理裝置10可透過3D避障控制模組301控制3D避障裝置12，以對環境中無法經由使用2D探測裝置11正確偵測到位置與範圍(即2D探測裝置11的盲點)的3D障礙物進行感測。藉此在移動過程中的任何時間點，處理裝置10可以透過3D避障裝置12持續偵測移動式機器人1是否接近任一3D障礙物，並持續判斷是否可能發生碰撞。
若偵測到任一3D障礙物，則執行步驟S14；否則，控制移動式機器人繼續移動並執行步驟S16。值得一提的是，處理裝置10會持續計算要前往的下一個位置座標(包含了最後的目的地)，並且於計算以及移動的過程中持續感測所述3D障礙物。
步驟S14：處理裝置10可透過目標地圖維護模組309對目標地圖141執行3D障礙設定處理，來於目標地圖141中設定對應此3D障礙物的3D障礙區域並更新可移動區域，藉此於目標地圖141中排除所設定的3D障礙區域。藉此，移動式機器人1以後於可移動區域中移動時，可主動避開存在3D障礙物而無法到達的區域，而不需要完全倚靠3D避障裝置12，而可提升避障成功機率。
步驟S15：處理裝置10可透過3D避障控制模組301與移動控制模組302來控制驅動裝置13，藉此令移動式機器人1執行避障動作。於第一實施例中，處理裝置10可使移動式機器人1停止移動。於第二實施例中，處理裝置10可重新計算在可移動區域內可避開3D障礙物之下一個移動目標點，並控制移動式機器人1往下一個移動目標點移動。於第三實施例中，處理裝置10可使移動式機器人1朝遠離3D障礙物的方向移動等。
步驟S16：若沒有感測到3D障礙物，或是針對3D障礙物執行了避障動作，則處理裝置10可基於目標地圖141指出的可移動區域，透過移動控制模組302控制驅動裝置13來令移動式機器人1移動至下一個位置座標(包含了最終的目的地。
步驟S17：處理裝置10透過工作模組311判斷是否完成移動，如已走完設定的路線、抵達目的地或離開工作模式。值得一提的是，功能裝置15執行功能動作時可能伴隨著一或多次的移動。上述步驟S17中，處理裝置10可判斷單一次的移動(例如移動至下一個位置座標)是否完成，或是功能動作所需的所有移動是否皆完成(例如已達到最終的目的地)，而不加以限定。
若未完成移動，則再次執行步驟S10-S16；否則，結束方法的執行。
請一併參閱圖8與圖9，圖8為本發明一實施例的探索地圖的示意圖，圖9為本發明一實施例的目標地圖的示意圖。
如圖8所示，探索地圖4可包含2D障礙區域40與已探索區域42，並可標示出已探索區域42與未探索區域45的邊界41。
2D障礙區域40可由2D探測裝置11所偵測到的2D障礙物(如牆面、桌腳、門、椅腳等)所組成。
已探索區域42可為移動式機器人1於探索模式下行經的位置(可依移動式機器人1的尺寸適度擴張)。
值得一提的是，2D探測裝置11基於其規格而具有一定長度及寬度的探測範圍(如10公尺的長度、5公尺的寬度等)，這使得所掃描到的2D障礙區域40可能不在已探索區域42中，即，2D障礙區域40與已探索區域42之間可能存在未探索區域45。
此外，於每次進入工作模式後，已探索區域42可被隱藏或不使用，作為替代，可新增已訪問區域44 (如圖10，起始可為空白)。已訪問區域44用來記錄移動式機器人1於工作模式下的到訪過的位置。在部分實施例中，已訪問區域44也可被視為移動式機器人1執行功能動作的作用範圍(如巡邏範圍、消毒範圍等)。藉此，透過分析探索地圖4可以知道是否存在任一位置是移動式機器人1沒有訪問到的或作用到的(即本次未訪問區域)。如圖9所示，目標地圖5可包含2D障礙區域50、可移動區域52與3D障礙區域53。
於一實施例中，目標地圖5中的2D障礙區域50可以直接基於探索地圖4中的2D障礙區域40來決定。於另一實施例中，處理裝置10可將探索地圖4中的2D障礙區域40進行擴張，以產生目標地圖5中的2D障礙區域50。
本發明中，移動式機器人1主要是基於目標地圖5中的可移動區域52來進行移動。為了避免2D探測裝置11探測到的2D障礙物的位置或尺寸具有誤差，於上述實施例中，處理裝置10可將探索地圖4中的2D障礙區域40進行擴張(例如朝外增加2D障礙區域40的涵蓋範圍)，較此產生範圍略大於2D障礙區域40的2D障礙區域50(亦可稱為擴張後2D障礙區域50)，並藉由擴張後2D障礙區域50來更新目標地圖5中的可移動區域52。藉此，可避免移動式機器人1基於目標地圖5移動時，因為2D探測的誤差而仍然碰撞環境中的2D障礙物的風險。
3D障礙區域53用來指示3D障礙物的位置與範圍，並可於每次偵測到3D障礙物時進行更新。
本實施例中，目標地圖5中的可移動區域52可為從探索地圖4中的已探索區域42排除了2D障礙區域40(或目標地圖5中的擴張後2D障礙區域50)與3D障礙區域53後所產生的區域。
請一併參閱圖10與圖11，圖10為本發明一實施例的探索地圖的多圖層示意圖，圖11為本發明一實施例的目標地圖的多圖層示意圖。
於一實施例中，為了方便編輯各區域，探索地圖4與目標地圖5可包含多個圖層，如將上述各區域都作為單一圖層，或將兩個以上區域標示在同一圖層上。藉此，透過疊合多個圖層，本發明可以更快的進行地圖資料的分析與處理。
舉例來說，探索地圖4可包含四層圖層，四層圖層分別用來記錄2D障礙區域40、已探索區域42、已訪問區域44(或稱已工作區域，在部分實施例中，已訪問區域44與已工作區域可以是相同的)與移動的軌跡43。
目標地圖5可包含三層圖層，三層圖層分別用來記錄(擴張處理後的)2D障礙區域50、可移動區域52與3D障礙區域53。
在部分實施例中，目標地圖5可更包含圖層用以指示已工作區域54。而在部分實施例中，已工作區域54之圖層可設置於前述之探索地圖4。視工作模式下移動式機器人1所執行工作任務之內容，在部分實施例中，已訪問區域44與已工作區域54可能是相同或不同的。在已訪問區域44與已工作區域54相同的情況下，已工作區域54之圖層除了可以設置於探索地圖4中，也可以如前述不另設已工作區域54圖層，而直接採用前述之已訪問區域44之圖層。
請同時參閱圖3與圖4，圖4為本發明一實施例的探索模式的流程圖。本實施例的自動判斷方法包括透過自動探索來產生探索地圖140的步驟S20-S27。
步驟S20：處理裝置10透過探索模組310切換至探索模式。
步驟S21：處理裝置10透過探索地圖維護模組308開始創建空白的探索地圖140或更新先前已創建並儲存的探索地圖140。
步驟S22：處理裝置10透過2D探索控制模組300使用2D探測裝置11對周圍的環境進行2D掃描以取得2D障礙物的位置與範圍，並透過探索地圖維護模組308基於移動式機器人1的目前位置更新探索地圖140中的已探索區域，藉此縮減探索地圖140中的未探索區域並更新2D障礙區域。
步驟S23：基於當前的探索地圖140的資訊執行2D障礙物設定處理來生成目標地圖141。
步驟S24：處理裝置10透過移動控制模組302控制移動式機器人1基於生成的目標地圖141移動，以對環境執行探索動作。
於一實施例中，前述探索動作可包括先於環境中隨機或朝預設方向移動來建立初步的已探索區域，並朝未探索區域移動以進行探索，直到所有區域都探索完畢。
步驟S25：處理裝置10透過探索模組310判斷是否完成本次探索，如判斷探索地圖140中已不具有可以到達的未探索區域，或者收到停止探索命令等。若本次探索尚未完成，則處理裝置10再次執行步驟S22至步驟S23，以更新探索地圖140及目標地圖141。
步驟S26：於探索完成後，處理裝置10透過移動控制模組302操作驅動裝置13移動移動式機器人1至預設的待機位置(如充電站的位置)，並可透過記錄模組306儲存最後更新的探索地圖140於儲存裝置14。
藉此，本發明可自動生成環境的探索地圖140。
請參閱圖12與圖13，圖12為本發明一實施例的環境平面圖，圖13為基於圖12的環境生成的探索地圖的示意圖。
於本實施例中，移動式機器人6在進行探索時，可對環境(圖12)進行2D掃描並產生對應的探索地圖(圖13)。值得一提的是，於進行探索時，移動式機器人6除了基於2D掃描結果產生對應的探索地圖外，亦可基於2D掃描結果即時對偵測到的2D障礙區域進行分析(如分析通道寬度)，並且移動式機器人6被禁止朝向符合不適宜的探索條件的2D障礙區域前進。所述不適宜的探索條件，可例如為寬度小於、等於或僅略大於移動式機器人6的尺寸的通道，但不以此為限。藉此，本發明的移動式機器人6於進行探索時不會進入狹窄空間，而可避免通道過窄而受困。
請一併參閱圖3與圖5，圖5為本發明一實施例的2D障礙設定處理的流程圖。本實施例的自動判斷方法的步驟S11可包括自動產生目標地圖141的步驟S30-S32。
步驟S30：處理裝置10透過目標地圖維護模組309生成目標地圖141。於一實施例中，處理裝置10直接以探索地圖140的正本作為目標地圖141。於另一實施例中，處理裝置10取得探索地圖140的副本以作為目標地圖141，但不以此為限。
步驟S31：處理裝置10透過目標地圖維護模組309將探索地圖140的已探索區域(即移動式機器人於探索模式中訪問過的位置)直接設定為目標地圖141的可移動區域。
於一實施例中，可移動區域可透過廣度優先搜尋法(Breadth-First Search，BFS)來標記。
於另一實施例中，可移動區域設定為如圖8所示之探索地圖4的 2D障礙區域40以外之區域。
步驟S32：處理裝置10透過目標地圖維護模組309對探索地圖140的2D障礙區域執行擴張處理以擴大2D障礙區域的範圍，藉此產生目標地圖141中的擴張後2D障礙區域，進而縮減目標地圖141中的可移動區域。
如前文所述，由於2D探測裝置11探測到的2D障礙物的位置或尺寸可能會具有誤差，因此處理裝置10於步驟S32中藉由執行擴張處理來產生目標地圖141中的擴張後2D障礙區域，藉此降低移動式機器人1在基於目標地圖141移動時，因為2D探測的誤差而仍然碰撞環境中的2D障礙物的風險。
於一實施例中，所述擴張處理是從探索地圖140中的2D障礙物區域的中央向外擴張其寬度的二分之一至三分之一的範圍，但不以此為限。
藉此，本發明可自動產生目標地圖141，並可降低碰撞2D障礙物的機率，同此方法對於3D障礙物進行相同處理。
請一併參閱圖1與圖6。圖6為本發明一實施例的工作模式的流程圖。本實施例的自動判斷方法的步驟S10至步驟S16可包括於工作模式下自動更新目標地圖141的步驟S40-S43。
步驟S40：處理裝置10透過工作模組311切換至工作模式。
步驟S41：處理裝置10控制功能裝置15執行功能動作，並透過目標地圖維護模組309更新目標地圖141的已工作區域。
於一實施例中，若功能裝置15是用於巡邏監視，則可包括影像擷取裝置。處理裝置10可控制影像擷取裝置拍攝所在環境的影像，對影像執行異常偵測(如移動偵測或人員偵測)，並於偵測到任一異常狀態時透過通訊裝置16向外部電腦2(如管理員的電腦)發出警示。
於一實施例中，若功能裝置15是用於消毒，則可包括消毒裝置。處理裝置10可啟動消毒裝置來對所在環境執行消毒動作。
步驟S42：處理裝置10透過工作模組311於目標地圖的可移動區域中選擇可到達的目的地。
於一實施例中，處理裝置10可透過工作模組311判斷是否可移動區域的任一位置於本次未訪問(即，未訪問區域中的位置)，並選擇未訪問的位置(若有的話)作為目的地，並於可移動區域的所有位置都已訪問時，選擇待機位置作為目的地。
步驟S43：處理裝置10透過移動控制模組302控制驅動裝置13移動移動式機器人1至目的地，並於移動過程中透過探索地圖維護模組308持續更新探索地圖140的已訪問區域(及／或目標地圖141的已工作區域)。
請參閱圖12至圖16，圖14為基於圖12的環境生成的目標地圖的示意圖，圖15為於圖12的環境執行工作的示意圖，圖16為於圖12的環境完成工作的示意圖。
移動式機器人6可對探索地圖(圖13)執行擴張處理來生成目標地圖(圖14)，並且可隨工作範圍更新已工作區域(圖15)的標記，直到所有區域都工作完畢(圖16)。具體地所述擴張處理指的是對探索地圖140中的2D障礙物區域進行擴張，以產生目標地圖141中的2D障礙物區域。
請一併參閱圖3與圖7，圖7為本發明一實施例的3D障礙設定處理的流程圖。本實施例的自動判斷方法的步驟S14可包括用來執行3D障礙設定處理的步驟S50-S51。
步驟S50：於3D避障裝置12偵測到3D障礙物時，處理裝置10透過3D避障控制模組301識別3D障礙物的位置。
步驟S51：處理裝置10透過目標地圖維護模組309於目標地圖141中對3D障礙物的位置執行擴張處理來生成擴大範圍的3D障礙區域而縮減可移動區域。
具體地，與2D探測裝置11相似，3D避障裝置12探測到的3D障礙物的位置或尺寸亦可能會具有誤差，因此處理裝置10於步驟S51中藉由執行擴張處理來產生擴張後3D障礙區域，藉此降低移動式機器人1在移動時，因為3D探測的誤差而仍然碰撞環境中的3D障礙物的風險。藉此，本發明可自動設定3D障礙區域，並可降低碰撞3D障礙物的機率。
請一併參閱圖17與圖18，圖17為本發明一實施例的環境示意圖，圖18為基於圖17生成的目標地圖的示意圖。
如圖17，於本實施例中，移動式機器人7為消毒燈機器人。環境中放置有一張餐桌與四張座椅。
值得一提的是，若僅使用2D探測裝置11進行障礙偵測，由於2D探測裝置11是對低高度的2D掃描，僅會掃描到桌腳跟椅腳(2D障礙物)，而無法偵測到高度較高的桌面與椅面(3D障礙物)。上述情況會造成移動式機器人7誤以為桌腳與椅腳之間為可移動區域，並於誤入時碰撞桌面與椅面，而造成損壞。
對此，如圖17所示，於本發明的目標地圖中是透過擴張後2D障礙區域70來避免誤入或碰撞。並且，當3D避障裝置12感測到較高的3D障礙物，會即時設定3D障礙區域71來避免誤入或碰撞。
透過所設定的擴張後2D障礙區域70與3D障礙區域71可以決定可移動區域72，並可決定無法到達區域73。
於一實施例中，當要對無法到達區域73的一位置進行工作時，移動式機器人7可選擇與此位置最接近且位於可移動區域72的可到達位置，並移動至此可到達來嘗試對此位置進行工作。
請參閱圖19，為本發明一實施例的已工作區域的示意圖。於本實施例中，可針對功能動作的作用效果來對已工作區域做出分別對應不同程度的作用效果的標記。
以消毒為例，於已工作區域(以圖層8為例)中，移動式機器人80所經過的軌跡81給予第一程度(最高程度)的標示(如100%消毒)，與軌跡81間隔第一預設距離(如2公尺)的第一已工作區域82給予第二程度的標示(如70%消毒)，與軌跡81間隔遠於第一預設距離的第二預設距離(如2-4公尺之間)的第二已工作區域83給予第三程度的標示(如40%消毒)，並對於其他區域(未工作區域84)給予第四程度(最低程度)的標示(如0%消毒)。
透過上述標示方式，本發明可讓用戶與移動式機器人了解作用效果的覆蓋狀況與範圍，並對作用不佳的區域補執行功能動作。
以上所述僅為本發明之較佳具體實例，非因此即侷限本發明之申請專利範圍，故舉凡運用本發明內容所為之等效變化，均同理皆包含於本發明之範圍內，合予陳明。
1:移動式機器人 10:處理裝置 11:2D探測裝置 12:3D避障裝置 13:驅動裝置 14:儲存裝置 140:探索地圖 141:目標地圖 142:電腦程式 15:功能裝置 16:通訊裝置 17:人機介面 2:外部電腦 300:2D探測控制模組 301:3D避障控制模組 302:移動控制模組 303:功能控制模組 304:定位模組 305:路徑規劃模組 306:記錄模組 307:通訊控制模組 308:探索地圖維護模組 309:目標地圖維護模組 310:探索模組 311:工作模組 4:探索地圖 40:2D障礙區域 41:邊界 42:已探索區域 43:軌跡 44:已訪問區域 45:未探索區域 5:目標地圖 50:擴張後2D障礙區域 52:可移動區域 53:3D障礙區域 6:移動式機器人 7:移動式機器人 70:擴張後2D障礙區域 71:3D障礙區域 72:可移動區域 73:無法到達區域 8:圖層 80:移動式機器人 81:軌跡 82:第一已工作區域 83:第二已工作區域 84:未工作區域 S10-S16:移動與判斷步驟 S20-S27:探索步驟 S30-S32:目標地圖設定步驟 S40-S43:移動與工作步驟 S50-S51:3D障礙設定步驟
圖1為本發明一實施例的移動式機器人的架構圖。
圖2為本發明一實施例的處理裝置的架構圖。
圖3為本發明一實施例的自動判斷方法的流程圖。
圖4為本發明一實施例的探索模式的流程圖。
圖5為本發明一實施例的2D障礙設定處理的流程圖。
圖6為本發明一實施例的工作模式的流程圖。
圖7為本發明一實施例的3D障礙設定處理的流程圖。
圖8為本發明一實施例的探索地圖的示意圖。
圖9為本發明一實施例的目標地圖的示意圖。
圖10為本發明一實施例的探索地圖的多圖層示意圖。
圖11為本發明一實施例的目標地圖的多圖層示意圖。
圖12為本發明一實施例的環境平面圖。
圖13為基於圖12的環境生成的探索地圖的示意圖。
圖14為基於圖12的環境生成的目標地圖的示意圖。
圖15為於圖12的環境執行工作的示意圖。
圖16為於圖12的環境完成工作的示意圖。
圖17為本發明一實施例的環境示意圖。
圖18為基於圖17生成的目標地圖的示意圖。
圖19為本發明一實施例的已工作區域的示意圖。
S10-S17:移動與判斷步驟

Claims (20)

  1. 一種可移動區域的自動判斷方法，用於包括一2D探測裝置及一3D避障裝置的一移動式機器人，包括： a) 取得一探索地圖； b) 基於該探索地圖執行一2D障礙設定處理，以生成一目標地圖，其中該目標地圖標記有排除一2D障礙區域的一可移動區域； c) 於移動過程前，經由該3D避障裝置感測一3D障礙物，並對該目標地圖執行一3D障礙設定處理，來設定對應該3D障礙物的一3D障礙區域並更新該可移動區域來排除3D障礙區域，並控制該移動式機器人執行一避障動作；及 d) 控制該移動式機器人於該目標地圖的該可移動區域內移動。
  2. 如請求項1所述之可移動區域的自動判斷方法，其中該步驟a)包括透過一通訊裝置自外部電腦接收該探索地圖或自一儲存裝置讀取該探索地圖； 其中，該探索地圖指示環境的平面圖且可選擇地指示該移動式機器人的移動足跡，該目標地圖標示不會讓該移動式機器人碰撞障礙物的該可移動區域。
  3. 如請求項1所述之可移動區域的自動判斷方法，其中於該步驟a)之前包括： e1) 於一探索模式下，控制該移動式機器人對環境執行一探索動作，其中該探索動作包括朝一未探索區域移動；及 e2) 於探索過程中，透過該2D探測模組使用該2D探測裝置對經過的環境進行2D掃描以取得一2D障礙物的位置與範圍，並基於該移動式機器人的目前位置建立或更新該探索地圖的該2D障礙區域，並將該移動式機器人於該探索模式下行經的區域新增為一已探索區域，藉以建立或更新該探索地圖，其中該探索地圖係該2D探測裝置進行2D掃描所對應產生指示環境的一平面圖。
  4. 如請求項3所述之可移動區域的自動判斷方法，其中於該步驟a)之前更包括： f1) 於探索過程中，基於該移動式機器人的目前位置更新該已探索區域以縮減該未探索區域；及 f2) 於探索完成後，控制該移動式機器人移動至一待機位置並儲存該探索地圖。
  5. 如請求項3所述之可移動區域的自動判斷方法，其中該移動式機器人執行該探索動作時，對該2D障礙區域進行即時分析，並且禁止朝向符合一不適宜探索條件的該2D障礙區域前進，其中該不適宜探索條件至少包括寬度小於、等於或僅略大於該移動式機器人的尺寸的一通道。
  6. 如請求項1所述之可移動區域的自動判斷方法，其中該2D障礙設定處理包括： g1)將於一探索模式下透過一2D探測裝置偵測到的一2D障礙物的位置與範圍定義為該探索地圖中的該2D障礙區域； g2) 直接以該探索地圖的一正本或取得該探索地圖的一副本以作為該目標地圖，其中該移動式機器人將於該探索模式下行經的區域做為一已探索區域，並將該已探索區域設定為該可移動區域。
  7. 如請求項6所述之可移動區域的自動判斷方法，其中該2D障礙設定處理還包括： g3) 對該2D障礙區域執行一擴張處理以擴大該目標地圖中的該2D障礙區域以縮減該目標地圖中的該可移動區域。
  8. 如請求項1所述之可移動區域的自動判斷方法，其中該步驟d)包括： d1) 於一工作模式下，透過該移動式機器人的一功能裝置執行一功能動作，並更新該目標地圖的一已工作區域； d2) 於該目標地圖的該可移動區域中選擇一目的地；及 d3) 控制該移動式機器人移動至該目的地，並於移動過程中更新一已訪問區域。
  9. 如請求項8所述之可移動區域的自動判斷方法，其中該步驟d2)更包括： d21) 於該可移動區域的任一位置本次未訪問時，選擇該位置作為該目的地，並於該可移動區域的所有位置都已訪問時，選擇一待機位置作為該目的地。
  10. 如請求項8所述之可移動區域的自動判斷方法，其中該步驟d1)包括以下步驟的至少其中之一： d11) 透過一影像擷取裝置拍攝所在環境的影像，對該影像執行一異常偵測，並於偵測到任一異常狀態時透過一通訊裝置向一外部電腦發出警示；及 d12) 啟動一消毒裝置來對所在環境執行消毒動作。
  11. 如請求項8所述之可移動區域的自動判斷方法，其中該移動式機器人進行移動時，對所經過的一軌跡的該已工作區域給予第一程序的標示，針對與該軌跡間隔一第一預設距離的該已工作區域給予第二程序的標示，針對與該軌跡間隔遠於該第一預設距離的一第二預設距離的該已工作區域給予第三程序的標示，並針對一未工作區域給予第四程序的標示。
  12. 如請求項1所述之可移動區域的自動判斷方法，其中該3D障礙設定處理包括： h1) 對該3D障礙物的位置執行一擴張處理來生成擴大範圍的該3D障礙區域並縮減該可移動區域； 其中，該避障動作包括停止移動該移動式機器人、重新計算在該可移動區域內可避開該3D障礙物之下一個移動目標點並控制該移動式機器人移動至該下一個移動目標點，或朝遠離該3D障礙物的方向移動該移動式機器人。
  13. 如請求項1所述之可移動區域的自動判斷方法，其中該目標地圖與該探索地圖包括多個圖層，該多個圖層分別用來記錄該2D障礙區域、該3D障礙區域、該可移動區域、一已工作區域、一已探索區域、一已訪問區域與一移動軌跡。
  14. 如請求項1所述之可移動區域的自動判斷方法，其中該移動式機器人於移動時持續對當前位置進行定位並產生一連續定位資訊，基於該連續定位資訊形成該移動式機器人於環境中的一移動軌跡，並且該探索地圖記錄該移動軌跡。
  15. 一種移動式機器人，具有自動判斷可移動區域的功能，包括： 一驅動裝置，用以移動該移動式機器人； 一2D探測裝置，用以對所在環境執行2D掃描； 一3D避障裝置，用以感測周圍的3D障礙物； 一儲存裝置，用以儲存一探索地圖； 一處理裝置，電性連接該驅動裝置、該2D探測裝置、該3D避障裝置及該儲存裝置，該處理裝置被設定來基於該探索地圖執行一2D障礙設定處理，以生成一目標地圖，其中該目標地圖標記有排除一2D障礙區域的一可移動區域； 其中，該處理裝置還被設定來控制該移動式機器人於該可移動區域內移動，並於移動過程前，感測任一該3D障礙物並對該目標地圖執行一3D障礙設定處理，來設定對應該3D障礙物的一3D障礙區域並更新該可移動區域來排除3D障礙區域，並控制該移動式機器人執行一避障動作。
  16. 如請求項15所述之移動式機器人，其中該2D探測裝置包括一雷射測距感測器、一雷射雷達或一2D雷達，該3D避障裝置包括一影像擷取裝置、一景深攝影機或一超音波感測器； 其中，該處理裝置包括： 一探索模組，被設定來於一探索模式下控制該移動式機器人對環境執行一探索動作，該探索動作包括朝一未探索區域移動，該探索模組還被設定來於探索完成後，控制該移動式機器人移動至一待機位置；及 一探索地圖維護模組，被設定來使用該2D探測裝置對經過的環境進行2D掃描以取得一2D障礙物的位置與範圍，並基於該移動式機器人的目前位置更新該探索地圖的該2D障礙區域，並基於該移動式機器人的位置更新該已探索區域以縮減該未探索區域。
  17. 如請求項15所述之移動式機器人，其中該處理裝置包括： 一3D避障控制模組，被設定來識別該3D障礙物的位置；及 一目標地圖維護模組，被設定為直接以該探索地圖的一正本或取得該探索地圖的一副本作為該目標地圖，並將該已探索區域設定為該可移動區域，對該2D障礙區域執行一擴張處理以擴大該目標地圖的該2D障礙區域並縮減該可移動區域，該目標地圖維護模組還被設定來對該3D障礙物的位置執行該擴張處理來生成擴大範圍的該3D障礙區域並縮減該可移動區域； 其中，該處理裝置被設定來執行該避障動作來停止移動該移動式機器人、重新計算在該可移動區域內可避開該3D障礙物之下一個移動目標點並控制該移動式機器人移動至該下一個移動目標點，或朝遠離該3D障礙物的方向移動該移動式機器人。
  18. 如請求項15所述之移動式機器人，更包括電性連接該處理裝置的一功能裝置，用來執行一功能動作； 該處理裝置包括： 一移動控制模組，被設定來於一工作模式下，於該目標地圖的該可移動區域中選擇一目的地，控制該移動式機器人移動至該目的地； 一探索地圖維護模組，被設定來基於目前位置更新該探索地圖的一已訪問區域；及 一目標地圖維護模組，被設定來基於執行該功能動作的位置更新該目標地圖的一已工作區域； 其中，該探索地圖指示環境的平面圖且可選擇地指示該移動式機器人的移動足跡，該目標地圖標示不會讓該移動式機器人碰撞障礙物的該可移動區域。
  19. 如請求項15所述之移動式機器人，其中該目標地圖與該探索地圖包括多個圖層，該多個圖層分別用來記錄該2D障礙區域、該3D障礙區域、該可移動區域、一已工作區域、一已探索區域、一已訪問區域與一移動路線。
  20. 如請求項15所述之移動式機器人，更包括電性連接該處理裝置的一功能裝置，該功能裝置包括一影像擷取裝置或一消毒裝置； 該處理裝置包括一功能控制模組，被設定來執行一監視動作或一消毒動作，該監視動作包括透過該影像擷取裝置拍攝所在環境的影像，對該影像執行一異常偵測，並於偵測到任一異常狀態時透過一通訊裝置向一外部電腦發出警示，該消毒動作包括啟動該消毒裝置來對所在環境執行消毒。
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