制约机器人行动行为的系统及方法

摘要

本发明提供了一种制约机器人行动行为的系统及方法，包括一虚拟墙装置及一机器人，虚拟墙装置在一预定接收范围内接收一障碍侦测讯号，并在该预定接收范围内接收到该障碍侦测讯号则发出一虚拟墙讯号，通过该虚拟墙讯号将一活动空间分隔成第一活动区域与第二活动区域，机器人则在行进时发送该障碍侦测讯号，当移动到该虚拟墙讯号的预定发射范围时，接收该虚拟墙讯号，并根据该虚拟墙讯号选择地允许或禁止跨过该虚拟墙讯号的预定发射范围，用以制约机器人在第一活动区域与第二活动区域内移动行为。

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤指涉及一种制约机器人行动行为的系统及方法。

背景技术

现有清洁机器人用于在一室内空间中自主行进，同时无需使用者控制来执行操作的自主移动装置。清洁机器人通常在诸如家庭或办公室等室内空间自主移动，并在移动的同时将地板上的污物(如：垃圾、灰尘等)吸取到其内的集尘盒中，从而执行清洁操作。

但是，清洁机器人在实际操作时，仍有许多应用上的限制，较常见的是，由于各种不同室内摆设(例如，家具)物品及其位置皆有不同，且即使是相同室内空间，于不同的时间，亦可能有不同的室内空间规划，因此，将清洁机器人设定以一固定行走路径供其运行的方式不符合实际需求的操作与控制形态。

而为避免该清洁机器人于室内行走运作时碰撞墙面、家具、摆设物品等障碍物，或者为避免由未设阻隔的阳台、楼梯落下，目前较普遍的作法是以阻隔装置(虚拟墙)设于各个需管制的部位，利用该阻隔装置(虚拟墙)产生对外发射的阻隔信号，而于该清洁机器人上则至少设有可接收该等阻隔信号的接收组件，使该清洁机器人于接收到该等阻隔信号后，可产生后退或偏斜行走的对应方式，以达到上述避免碰撞或掉落的情形。

如美国专利第US7579803号发明专利案，其公开了一种用于机器人定位与制约的方法与系统，是用来制约机器人在特定之空间中。该系统包括可携带障碍信号传送器及可移动之机器人，其中可携带障碍信号传送器主要沿一轴传送信号，而在空间中产生虚拟障碍区域，此虚拟障碍区域对可移动的机器人形成 无法跨越的阻挡，可移动的机器人一旦侦测到该障碍信号即执行回避该障碍信号，在较佳实施例中，该障碍信号以红外线的频率发射，而且该机器人包括全方位的信号侦测器。一旦侦测到该障碍信号，该机器人回转至由障碍回避算法选定之方向上，直到不再侦测到该障碍信号为止，以有效避免前述非预期的碰撞或掉落情形。

但上述发明专利案的结构中，由于可携带障碍信号传送器在运作时，会持续不断地对外发出轴传送信号，致使其必须快速且大量的耗费能源，而在目前可携带障碍信号传送器中，都是使用电池作为主要供应电源，在这种现状下，必须使用较大型的电池，由此会造成可携带障碍信号传送器的体积无法避免的扩大，不利于配合整体室内空间的利用规划，且大量耗费能源也不符合经济效益。

鉴于可携带障碍信号传送器具有上述缺点，因此，业者针对此问题进行改善，如中国第CN102048499号专利公开案，其公开了移动机器人系统以及控制移动机器人系统的方法，其包括移动机器人和信标机(相当于前述的可携带障碍信号传送器)，移动机器人在行进区域中行进时同时会发送信号；当信标机的遥控器接收模块的视场(Field of View，简称：FOV)感测到移动机器人发送的信号时，以响应信号的形式向移动机器人报告感测结果，用以引导移动机器人完成一个房间的清洁后，再引导移动机器人移动到另一房间进行清洁。

在前述中国第CN102048499号专利公开案中，虽然解决了美国专利第US7579803号发明专利案的耗费电源的问题，但是却衍生了另一个问题，信标机所需的组件变得更多，将会提高生产的难度及增加了许多零件采购成本及组装成本，似乎并未能够有效地解决耗费电力的问题，因此，如何提供一个简易的结构组成，且能具有有效的节能效果的信标机或可携带障碍信号传送器，并在信标机使用上较节省电力，乃是一件刻不容缓的课题。

发明内容

有鉴于现有技术的信标机及机器人的组件过多，也有过于耗电的问题，本发明的目的是提供一种可以根据虚拟墙装置发出的虚拟墙讯号而自我制约移动行为的制约机器人行动行为的系统及方法，利用结构简单并较省电的虚拟墙装置来取代现有技术的信标机或可携带障碍信号传送器。

本发明是这样实现的：一种制约机器人行动行为的系统，其包括：

一虚拟墙装置，摆设在一活动空间中，且在该活动空间内的一预定接收范围内接收一障碍侦测讯号，并在该预定接收范围内接收到该障碍侦测讯号则发出一虚拟墙讯号，通过该虚拟墙讯号将该活动空间分隔成一第一活动区域与一第二活动区域，该虚拟墙装置在该预定接收范围内未接收到该障碍侦测讯号即关闭该虚拟墙讯号；

一机器人，在该活动空间移动，并在行进时发送该障碍侦测讯号，及移动到该虚拟墙讯号的预定发射范围时接收该虚拟墙讯号，并根据该虚拟墙讯号选择地允许或禁止跨过该虚拟墙讯号的预定发射范围，使该机器人被制约在第一活动区域与第二活动区域内移动。

进一步地，该虚拟墙装置接收到该障碍侦测讯号，该虚拟墙装置将控制该机器人脱离该虚拟墙讯号的预定发射范围的脱离命令调变成该虚拟墙讯号。

进一步地，该脱离命令为控制该机器人退后、转向的其中之一或组合。

进一步地，该虚拟墙装置还包括身份识别数据及制约期间数据，该虚拟墙装置将该脱离命令、该身份识别数据及该制约期间数据之组合调变成该虚拟墙讯号，该制约期间数据为该机器人限制在该第二活动区域的移动的制约时间。

进一步地，该机器人接收该虚拟墙讯号，而自该虚拟墙讯号中解调出该脱离命令、该身份识别资料及该制约期间数据，且该机器人设有一经过记录，该经过记录记录该机器人是否已接收过身份识别数据以及该制约期间数据，该机器人从进入到脱离该虚拟墙讯号的范围的任一时间起开始起算该制约时间，而当该机器人接收到该虚拟墙讯号，将有如下的行动行为：

第一行动行为：该机器人在第一活动区域移动，并接收到该虚拟墙讯号， 而从该经过记录确认并未收过该身份识别数据，则拒绝执行该脱离命令，直到跨过该虚拟墙讯号的预定发射范围，并进入第二活动区域中；

第二行动行为：该机器人在第二活动区域移动，并接收到该虚拟墙讯号，而从该经过记录确认已接收过该身份识别数据，且确认该制约期间尚未结束，则执行该脱离命令，限制该机器人该第二活动区域中移动；

第三行动行为：该机器人在第二活动区域移动，并接收到该虚拟墙讯号，而从该经过记录确认已接收过该身份识别数据，且确认该制约期间已结束，则拒绝执行该脱离命令，直到跨过该虚拟墙讯号的预定发射范围，并进入第一活动区域中；

第四行动行为：该机器人在第一活动区域移动，并接收到该虚拟墙讯号，而从该经过记录确认已接收过该身份识别数据，且确认该制约期间已结束，则执行该脱离命令，限制该机器人该第一活动区域中移动。

进一步地，该虚拟墙装置包括：

一摆放主体，摆放在该活动空间中；

一第一讯号接收单元，设在该摆放主体，并接收该障碍侦测讯号；

一虚拟墙讯号发射单元，设在该摆放主体，并向该活动空间发出该虚拟墙讯号或停止发出该虚拟墙讯号；

一虚拟墙控制单元，设在该摆放主体，且连接该第一讯号发射器及该虚拟墙讯号发射器，并经由该第一讯号接收器接收该障碍侦测讯号，再根据该障碍侦测讯号，命令该虚拟墙讯号发射器发出该虚拟墙讯号。

进一步地，该机器人包括：

一移动主体，在该活动空间内移动；

一障碍侦测单元，设在该移动主体表面，并向该活动空间发出该障碍侦测讯号，使该机器人在行进中侦测在其周遭的障碍物；

一虚拟墙讯号接收单元，设在该移动主体，并在该移动主体移动到该虚拟墙讯号的预定发射范围时接收该虚拟墙讯号；

一机器人控制单元，设在该移动主体，并连接该障碍侦测单元及该虚拟墙讯号接收单元，且命令该障碍侦测单元在该移动主体移动时持续发出该障碍侦测讯号；

其中，该机器人控制单元经由该虚拟墙讯号接收单元接收到该虚拟墙讯号，该机器人控制单元将根据该虚拟墙讯号的解调结果控制该移动主体允许或禁止跨过该虚拟墙讯号的预定发射范围，进而从第一活动区域移动到第二活动区域，或从第二活动区域移动到第一活动区域，或被限制在第一活动区域内移动，或被限制在第二活动区域内移动。

本发明还提供一种制约机器人行动行为的方法，应用在虚拟墙装置及机器人之间，该方法包括下列步骤：

该机器人在一活动空间内行进，并在行进时发送一障碍侦测讯号；

该虚拟墙装置判断是否在该活动空间的一预定接收范围内接收到该障碍侦测讯号；

当该虚拟墙装置在该预定接收范围内接收到该障碍侦测讯号时，该虚拟墙装置在该活动空间发射出一虚拟墙讯号，将该活动空间分隔成一第一活动区域及一第二活动区域；

该机器人判断是否接收到该虚拟墙讯号；

当该机器人接收到该虚拟墙讯号时，该机器人根据该虚拟墙讯号选择地允许或禁止跨过该虚拟墙讯号的预定发射范围，使该机器人被制约在第一活动区域与第二活动区域内移动。

进一步地，该虚拟墙装置接收到该障碍侦测讯号，该虚拟墙装置将控制该机器人脱离该虚拟墙讯号的预定发射范围的脱离命令、身份识别数据及一制约期间数据之组合调变成该虚拟墙讯号；

该机器人设有一经过记录，该经过记录记录该机器人接收到该虚拟墙讯号时是否已经过该制约期间数据所默认的一制约时间，以及记录该机器人是否已接收过身份识别数据，当该机器人接收到该虚拟墙讯号时，该机器人依下列步 骤进行处理，而选择地进入或禁止跨过该虚拟墙讯号的预定发射范围：

该机器人接收到该虚拟墙讯号，判断该经过记录是否接收过该身份识别数据；

当该机器人判断出该经过记录未接收过该身份识别资料，表示机器人正位于第一活动区域中，则拒绝执行该脱离命令，直到跨过该虚拟墙讯号的预定发射范围，并进入第二活动区域中，且在该经过记录中记录已接收过该身份识别数据；

当该机器人在第二活动区域移动，并接收到该虚拟墙讯号时，从该经过记录确认已接收过该身份识别资料，此时再判断是否该制约期间已经结束；

当该机器人在第二活动区域移动，并接收到该虚拟墙讯号时，从该经过记录确认已接收过该身份识别数据，且该制约期间尚未结束，则执行该脱离命令，限制该机器人该第二活动区域中移动；

当该机器人在第二活动区域移动，并接收到该虚拟墙讯号，而从该经过记录确认已接收过该身份识别数据，且确认该制约期间已结束，则拒绝执行该脱离命令，允许跨过该虚拟墙讯号的预定发射范围，并进入第一活动区域中；当该机器人在第一活动区域移动，并接收到该虚拟墙讯号，而从该经过记录确认已接收过该身份识别数据，且确认该制约期间已结束，则执行该脱离命令，限制该机器人该第一活动区域中移动。

本发明所提供的技术特征与现有技术相互比较，可知，本发明至少具有如下优点：

由于一般机器人原本就需要发出障碍侦测讯号，用以回避障碍物，另外，机器人原本就有接收外部控制讯号，根据控制讯号进行相对行为的功能，因此，机器人完全不需要增加新组件；

由于虚拟墙装置只在侦测到障碍侦测讯号后才会发出虚拟墙讯号，因此，相对于现有技术而言，相当地节省电力。

虚拟墙装置只需要侦测障碍侦测讯号及发出虚拟墙讯号即可限制机器人第 一活动区域在第二活动区域的行动行为，因此，本发明的虚拟墙装置也不需要太多的组件。

附图说明

图1-图4是本发明实施例提供的制约机器人行动行为的系统的结构示意图。

图5是图1的制约机器人行动行为的系统中的虚拟墙装置及机器人的结构示意图。

图6和图7是本发明实施例提供的制约机器人行动行为的方法的结构示意图。

附图中涉及的标号明细如下：

1：虚拟墙装置

10：预定接收范围

12：预定发射范围

14：摆放主体

16：第一讯号接收单元

18：虚拟墙讯号发射单元

19：虚拟墙控制单元

2：机器人

22：移动主体

24：障碍侦测单元

26：虚拟墙讯号接收单元

2：机器人控制单元

3：活动空间

30：第一活动区域

32：第二活动区域

S601～S607：步骤流程

S701～S706：步骤流程

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种制约机器人行动行为的系统，其包括一个虚拟墙装置1及一个机器人2，其中，虚拟墙装置1摆设在一活动空间3中，例如：摆放在室内空间中的门框边的地板上，或者是摆放在室内空间中的门框边的上缘处，且在活动空间3中以全向性或指向性的预定接收范围10内接收障碍侦测讯号。当虚拟墙装置1在预定接收范围10内接收到障碍侦测讯号时，即在预定发射范围12内发出一虚拟墙讯号，通过虚拟墙讯号将活动空间3虚拟分隔成一第一活动区域30与一第二活动区域32，虚拟墙装置1在预定接收范围10内未接收到障碍侦测讯号即关闭虚拟墙讯号。

而机器人2可为清洁机器人、服务机器人等，凡是可移动的机器人皆属于本发明所称的机器人。机器人2在活动空间3内移动同时发送障碍侦测讯号，且机器人2是以随机移动模式、螺旋移动模式、S形移动模式或智能构图模式等任一种模式在活动空间内移动。另外，机器人2移动到虚拟墙讯号的预定发射范围12时，机器人2接收虚拟墙讯号，并根据虚拟墙讯号选择地允许或禁止跨过虚拟墙讯号的预定发射范围12，使机器人2被制约在第一活动区域30与第二活动区域32内移动。

在本发明中，虚拟墙装置1接收到障碍侦测讯号，虚拟墙装置1将脱离命令调变成虚拟墙讯号，脱离命令为控制机器人2的退后命令、转向命令的其中 之一或组合，通过控制机器人2脱离虚拟墙讯号的预定发射范围12。更进一步地，虚拟墙装置1还包括身份识别资料及制约期间数据，其中身份识别数据为唯一的编码数据，制约期间数据为机器人限制在第二活动区域的移动的制约时间，可以依据不同的第二区域的大小分别给予不同的制约时间，例如：7～10坪的房间制约时间30分钟、小于7坪的房间制约时间20分钟，虚拟设备上提供有设定制约时间的设定切换开关，以便使用者设定为大房间或小房间，虚拟墙装置1将脱离命令、身份识别数据及制约期间数据之组合调变成虚拟墙讯号。

在本发明中，机器人2接收虚拟墙讯号，而自虚拟墙讯号中解调出脱离命令、身份识别数据及制约期间数据，且机器人2储存一个经过记录20，经过记录20是记录机器人2是否已接收过身份识别数据，以及制约期间资料，机器人2可以从进入到脱离虚拟墙讯号的范围的任一时间起开始起算制约时间，制约时间的起算时点的一个实施例是机器人2脱离虚拟墙讯号的预定发射范围12开始起算。

请同时参阅图2至图4，机器人2接收到虚拟墙讯号，将有如下的行动行为：

1.第一行动行为：

机器2人在第一活动区域30移动，并接收到虚拟墙讯号，而从虚拟墙讯号中解调出脱离命令、身份识别数据及制约期间数据，再从经过记录20确认是否曾记录过相同的身份识别数据，当机器人2未曾记录过相同的身份识别数据，则拒绝执行脱离命令，并允许跨入虚拟墙讯号的预定发射范围12，而进入第二活动区域32中；

2.第二行动行为：

机器人2在第二活动区域32移动，并接收到虚拟墙讯号，而从虚拟墙讯号中解调出脱离命令、身份识别数据及制约期间数据，再由经过记录20确认已接收过身份识别数据，但尚未到达制约期间，则执行脱离命令，即可在制约期间内限制机器人2仅在第二活动区域32中移动；

3.第三行动行为：

机器人在第二活动区域32移动，并接收到虚拟墙讯号，而从虚拟墙讯号中解调出脱离命令、身份识别数据及制约期间数据，再由经过记录20确认已接收过身份识别数据，且确认制约期间已结束，则拒绝执行脱离命令，而跨过虚拟墙讯号的预定发射范围12，并进入第一活动区域30中；

4.第四行动行为：

机器人2在第一活动区域30移动，并接收到虚拟墙讯号，而从虚拟墙讯号中解调出脱离命令、身份识别数据及制约期间数据，再从经过记录20确认已接收过身份识别数据且制约期间已结束，则执行脱离命令，用以限制机器人2在第一活动区域30内移动。

在本发明中，请参阅图5，虚拟墙装置1包括摆放主体14、第一讯号接收单元16、虚拟墙讯号发射单元18及虚拟墙控制单元19，其中摆放主体14被摆放在活动空间30中。第一讯号接收单元16设在摆放主体内，并用于接收障碍侦测讯号。虚拟墙讯号发射单元18也设在摆放主体14内，用于向活动空间3发出虚拟墙讯号或停止发出虚拟墙讯号。虚拟墙控制单元19设在摆放主体中，且连接第一讯号发射器16及虚拟墙讯号发射器18，虚拟墙控制单元19经由第一讯号接收器19接收障碍侦测讯号，以根据障碍侦测讯号命令虚拟墙讯号发射器18发出虚拟墙讯号。其中虚拟墙控制单元19在接收到障碍侦测讯号后，将脱离命令、身份识别数据及制约期间数据传送给虚拟墙讯号发射器19，虚拟墙讯号发射器19将脱离命令、身份识别数据及制约期间数据调变成虚拟墙讯号。

在本发明中，请再次参阅图5，机器人2包括移动主体22、障碍侦测单元24、虚拟墙讯号接收单元26及机器人控制单元28。其中移动主体22在活动空间3内移动，障碍侦测单元24设在移动主体22表面，并向外发出障碍侦测讯号，令机器人2在行进中侦测在其周遭的障碍物。虚拟墙讯号接收单元26设在移动主体22内，并用于接收虚拟墙讯号，并从虚拟墙讯号解调出脱离命令、身份识别数据及制约期间数据。机器人控制单元28设在移动主体22内，并连接 障碍侦测单元24及虚拟墙讯号接收单元26，且命令障碍侦测单元24在移动主体移动时持续发出障碍侦测讯号。另外，机器人控制单元28经由虚拟墙讯号接收单元26接收虚拟墙讯号，并根据虚拟墙讯号的解调出的脱离命令、身份识别数据及制约期间数据，用以决定允许或禁止移动主体22跨过虚拟墙讯号的预定发射范围，进而从第一活动区域30移动到第二活动区域32，或从第二活动区域32移动到第一活动区域30，或被限制在第一活动区域30内移动，或被限制在第二活动区域32内移动。

请参阅图6，本发明实施例提供一种制约机器人行动行为的方法，应用在虚拟墙装置及机器人之间，其包括下列步骤：

(S601)机器人在一活动空间内行进，并在行进时发送一障碍侦测讯号；

(S602)虚拟墙装置判断是否在活动空间的一预定接收范围内接收到障碍侦测讯号，若是进行步骤(S603)，否则进行步骤(S606)；

(S603)当虚拟墙装置在预定接收范围内接收到障碍侦测讯号时，虚拟墙装置在活动空间发射出一虚拟墙讯号，将活动空间分隔成一第一活动区域及一第二活动区域；

(S604)机器人在行进的同时判断是否接收到虚拟墙讯号，若是进行步骤(S605)，否则进行步骤(S601)；

(S605)当机器人接收到虚拟墙讯号时，机器人根据虚拟墙讯号选择地允许或禁止跨过虚拟墙讯号的预定发射范围，令机器人被制约在第一活动区域与第二活动区域内移动；

(S606)当虚拟墙装置在预定接收范围内未接收到障碍侦测讯号时，虚拟墙装置判断是否已发射出虚拟墙讯号，若是进行步骤(S607)，否则进行步骤(S602)；

(S607)当虚拟墙装置在预定接收范围内未接收到障碍侦测讯号，且正发射出虚拟墙讯号时，虚拟墙装置停止发出虚拟墙讯号，再进行步骤(S601)；

在本发明中，当虚拟墙装置接收到障碍侦测讯号时，虚拟墙装置将控制机器人脱离虚拟墙讯号的预定发射范围的脱离命令、身份识别数据及制约期间数 据之组合调变成虚拟墙讯号。机器人设有一经过记录，经过记录记录机器人接收到虚拟墙讯号时是否已经过制约期间数据所默认的一制约时间，以及记录机器人是否已接收过身份识别数据。

请参阅图7，当机器人接收到虚拟墙讯号时，机器人依下列步骤进行处理，而选择地进入或禁止跨过虚拟墙讯号的预定发射范围：

(S701)机器人接收到虚拟墙讯号，判断经过记录是否接收过身份识别数据，若是进行步骤(S702)，否则进行步骤(S703)；

(S702)当机器人判断出经过记录未接收过身份识别资料，表示机器人正位于第一活动区域中，则拒绝执行脱离命令，直到跨过虚拟墙讯号的预定发射范围，并进入第二活动区域中，且在经过记录中记录已接收过身份识别数据；

(S703)当机器人在第二活动区域移动，并接收到虚拟墙讯号时，从经过记录确认已接收过身份识别资料，此时再判断是否制约期间已经结束，若是进行步骤(S704)，否则进行步骤(S705)；

(S704)当机器人在第二活动区域移动，并接收到虚拟墙讯号，而从经过记录确认已接收过身份识别数据，且确认制约期间已结束，则拒绝执行脱离命令，允许跨过虚拟墙讯号的预定发射范围，并进入第一活动区域中，再进行步骤(S706)；

(S705)当机器人在第二活动区域移动，并接收到虚拟墙讯号时，从经过记录确认已接收过身份识别数据，且制约期间尚未结束，则执行脱离命令，限制机器人第二活动区域中移动，再进行步骤(S703)；

(S706)当机器人在第一活动区域移动，并接收到虚拟墙讯号，而从经过记录确认已接收过身份识别数据，且确认制约期间已结束，则执行脱离命令，限制机器人第一活动区域中移动。

综上所述，本发明机器人接受直接简单脱离命令，并不需要进行任何的算法，用来回避虚拟讯号，解决了美国专利第US7579803号发明专利案在遭遇到障碍信号需要执行算法操控机器人来回避障碍讯号的问题。而且机器人几乎没 有增加任何新的组件，即可完成本发明，大大地降低了生产成本。

本发明的虚拟墙装置只在收到障碍侦测讯号才会发出虚拟讯号，解决了美国专利第US7579803号发明专利案不断发出障碍讯号之问题，达到节省电力的功效。

另外，本发明的虚拟墙装置只需要较少的组件，即可达成中国第CN102048499号专利公开案引导移动机器人完成一个房间的清洁后，再引导移动机器人移动到另一房间进行清洁的目的。此外，本发明的虚拟墙装置并不要不断地响应机器人响应讯号，相对于中国第CN102048499号专利公开案更省电。

假设有活动空间放置有多个本发明的虚拟墙装置，即可将活动空间虚拟分隔成多个活动区域，只要各虚拟墙装置的分别设置唯一的身份识别数据以及设置各自的制约期间数据，则制约机器人在各活动区域内的移动时间，这是现有技术所未具有、也无法预期的功效。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。