具体实施方式

本文描述了示例方法、设备和系统。应当理解，词语“示例”和“示例性的”在本文用来表示“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例”或“示例性”的任何实施例或特征不一定被解释为比其他实施例或特征更优选或更有利，除非如此指出。在不脱离本文呈现的主题的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行其他改变。

因此，本文描述的示例实施例并不意味着是限制性的。将容易理解的是，如本文一般描述的和附图中示出的，本公开的方面可以以多种不同的配置来布置、替换、组合、分离和设计。

在整个描述中，冠词“一”或“一个”用于介绍示例实施例的元素。对“一”或“一个”的任何引用指的是“至少一个”，而对“该”的任何引用指的是“该至少一个”，除非另有说明，或者除非上下文另有明确规定。在所描述的至少两个术语的列表中使用连词“或”的意图是表示任何列出的术语或列出的术语的任何组合。

诸如“第一”、“第二”、“第三”等序数的使用是为了区分各个元素，而不是表示这些元素的特定顺序。出于本说明书的目的，术语“多个”和“多个”是指“两个或更多个”或“多于一个”

此外，除非上下文另有建议，否则每个附图中所示的特征可以彼此结合使用。因此，附图通常应被视为一个或多个总体实施例的组成方面，应当理解，并非所有示出的特征对于每个实施例都是必要的。在附图中，相似的符号通常标识相似的部件，除非上下文另有规定。此外，除非另有说明，否则附图不是按比例绘制的，并且仅用于说明目的。此外，附图仅是代表性的，并未示出所有部件。例如，可能没有显示附加的结构或约束部件。

此外，本说明书或权利要求中的元件、块或步骤的任何列举都是为了清楚的目的。因此，这种列举不应被解释为要求或暗示这些元件、块或步骤遵循特定的安排或以特定的顺序执行。

I.总览

移动机器人设备可以使用各种传感器来收集关于环境的信息，以帮助机器人在环境中操作。通过优化传感器的选择以及机器人上所选传感器的位置和方位，可以降低总成本，同时允许机器人在感兴趣的区域实现期望的传感器覆盖。对于非工业机器人以及某些类别的工业机器人来说，从成本的角度来看，将单个传感器用于多个不同的目的可能特别有益。

在一些示例中，机器人可以配备有三维(3D)激光雷达传感器。3D激光雷达传感器通过用激光光照射对象并用一个或多个传感元件测量反射光来测量到环境中对象的距离。然后，激光返回时间和/或波长的差异可以用于生成环境的3D表示。一些3D激光雷达传感器采用将光从激光反射到环境中的快速旋转的反射镜，生成反射或返回的3D点云(pointcloud)。因此，3D激光雷达传感器可以具有围绕垂直旋转轴360度的水平视场，但是仅在定义垂直视场的一个固定角度。在一些示例中，垂直视场可以略大于90度(例如，大约95度)。在其他示例中，垂直视场可以显著大于90度、等于90度或小于90度。为了最大限度地受益于3D激光雷达传感器的可用视场，3D激光雷达传感器可以安装在机器人上，处于精心选择的位置和方位。

在本文描述的一些示例中，3D激光雷达传感器可以安装在机器人设备的桅杆的挖出部分中。桅杆可以相对于机器人的移动基座固定。桅杆可以位于可旋转感知外壳和可旋转臂关节之间，作为安装在移动基座前方附近的堆叠塔的一部分。3D激光雷达传感器可以固定在使得3D激光雷达传感器的垂直视场朝向机器人前方的区域向下呈角度的方位。在一些示例中，3D激光雷达可以被安装成使得其垂直轴向前倾斜。3D激光雷达传感器的位置和方位可以被优化，以允许机器人将来自3D激光雷达传感器的深度数据用于多种目的，包括前方悬崖检测、障碍物检测和机器人定位。

关于前方悬崖检测，3D激光雷达传感器可以呈角度放置，使得其垂直视场包括机器人正前方的地面(例如，接触机器人的前缓冲器或与机器人的前缓冲器相距几厘米)。因此，来自3D激光雷达传感器的传感器数据可用于检测机器人前方地面的意外高度变化，这可能指示机器人应该避开的悬崖。包括机器人正前方地面上的点涵盖了在新环境中机器人直接位于悬崖前时打开或激活的安全情况。垂直视场还可以包括距机器人更远的地面上的点，以允许3D激光雷达传感器也检测远处的悬崖。机器人的最大速度可以基于3D激光雷达传感器能够可靠地检测机器人前方的悬崖的距离来设置。在一些示例中，除了3D激光雷达传感器之外，来自机器人感知套件的一个或多个其他传感器(例如，相机)可以提供可用于帮助悬崖检测的传感器数据。

关于障碍物检测，3D激光雷达传感器的垂直视场可以从指向机器人正前方地面的一个极端方向向上扫描到在平行于机器人感知外壳顶部的高度之上延伸的第二极端方向(例如，在机器人前方两米的距离处)。更具体地，在一些示例中，垂直视场可以从指向移动机器人设备前方的水平矢量上方10度至20度之间的第一角度延伸到水平矢量下方75度至85度之间的第二角度。因此，3D激光雷达传感器可以有效地检测机器人自身高度范围内机器人前方的障碍物。

关于机器人定位，通过将3D激光雷达传感器的垂直视场向下朝向机器人前方的区域呈角度，3D激光雷达传感器还将捕获指示机器人后方和上方的表面的传感器数据。此外，桅杆的挖出部分的形状可以防止桅杆阻挡太多来自3D激光雷达传感器的机器人后方的上半球。关于机器人环境的上半球的深度信息可以用来帮助确定机器人在环境中的位置。上半球可以包含大多数静态结构(例如，天花板和/或墙壁的部分)，这些结构为机器人定位提供了良好的参考点。在一些示例中，机器人可以保持环境中被占据体素(voxel)的体素表示。然后，基于来自3D激光雷达传感器的传感器数据的定位可以涉及检测和存储的体素表示之间的体素匹配。

通过选择3D激光雷达传感器的位置和方位来优化机器人周围某些区域的覆盖范围，在接受盲点时可能会做出类似的折中。例如，通过朝向机器人前方的区域向下呈角度3D激光雷达传感器，3D激光雷达传感器的垂直视场可以仅稍微延伸到水平视场之上。结果，3D激光雷达传感器可能无法检测到机器人前方和大致上方的区域。在一些示例中，这种折中可能是可以接受的，因为机器人可能不太可能遇到悬停在机器人上方的障碍物。例如，如果操作员站在机器人前方，即使操作员没有完全处于3D激光雷达传感器的视野，3D激光雷达也足以检测到操作员身体的一部分。此外，在一些示例中，位于机器人的感知外壳中的诸如相机的单独传感器可以提供机器人前方的3D激光雷达传感器的视场上方的盲点的覆盖。此外，虽然机器人前方的上半球可能不会被3D激光雷达传感器检测到，但机器人后方的上半球可以同样足以进行机器人定位。

将3D激光雷达传感器的垂直视场朝着机器人前方的区域向下呈角度可能导致的另一个盲点是地面上机器人后方的区域。在一些示例中，折中的解决方案可以涉及使用位于机器人的移动基座后侧的一组一维(1D)飞行时间(time-of-flight，ToF)传感器来检测该区域。虽然不如3D激光雷达传感器精确，但这些1D ToF传感器可以提供机器人背后区域的足够的深度数据。机器人通常可能需要关于机器人更可能通过例如拾取和操纵对象来进行操作的前方区域的更详细的数据。

在其他示例中，附加的3D激光雷达传感器可以安装在桅杆的后侧，以检测机器人后方的障碍物。附加的3D激光雷达传感器可以安装在与前面3D激光雷达传感器分离或相同的桅杆挖出部分中。在各种示例中，附加的3D激光雷达传感器可以向上、向下倾斜，或者固定在垂直方向上。在进一步的示例中，附加的3D激光雷达可以替代地安装在移动基座上(例如，靠近移动设备的后端)，以检测机器人后方的障碍物。在其他示例中，一种或多种不同类型的传感器也可以或者替代地用于检测机器人后方的障碍物。

II.示例机器人系统

图1示出了可以结合本文描述的实施方式使用的机器人系统的示例配置。机器人系统100可以被配置为自主地、半自主地或者使用(多个)用户提供的指示来操作。机器人系统100可以以各种形式(诸如机器臂、工业机器人或一些其他布置)实现。一些示例实施方式涉及被设计成低成本规模并被设计成支持各种任务的机器人系统100。机器人系统100可以被设计成能够在人周围操作。机器人系统100也可以针对机器学习进行优化。在整个描述中，机器人系统100还可以被称为机器人、机器人设备或移动机器人等。

如图1所示，机器人系统100可以包括(多个)处理器102、数据存储装置104和(多个)控制器108，它们一起可以是控制系统118的一部分。机器人系统100还可以包括(多个)传感器112、(多个)动力源114、机械部件110和电气部件116。尽管如此，机器人系统100出于说明的目的被示出，并且可以包括更多或更少的部件。机器人系统100的各种部件可以以任何方式连接，包括有线或无线连接。此外，在一些示例中，机器人系统100的部件可以分布在多个物理实体中，而不是单个物理实体中。机器人系统100的其他示例图示也可以存在。

(多个)处理器102可以作为一个或多个通用硬件处理器或专用硬件处理器(例如，数字信号处理器、专用集成电路等)来操作。(多个)处理器102可以被配置为执行计算机可读程序指令106并操纵数据107，这两者都存储在数据存储装置104中。(多个)处理器102还可以直接或间接与机器人系统100的其他部件(诸如(多个)传感器112、(多个)动力源114、机械部件110或电气部件116)交互。

数据存储装置104可以是一种或多种类型的硬件存储器。例如，数据存储装置104可以包括一个或多个计算机可读存储介质或采取一个或多个计算机可读存储介质的形式，这些介质可以被(多个)处理器102读取或访问。一个或多个计算机可读存储介质可以包括易失性或非易失性存储部件(诸如光学、磁性、有机或另一种类型的存储器或存储)，其可以整体或部分地与(多个)处理器102集成。在一些实施方式中，数据存储装置104可以是单个物理设备。在其他实施方式中，数据存储装置104可以使用两个或更多个物理设备来实现，这些物理设备可以经由有线或无线通信来彼此通信。如前所述，数据存储装置104可以包括计算机可读程序指令106和数据107。数据107可以是任何类型的数据，诸如配置数据、传感器数据或诊断数据等。

控制器108可以包括一个或多个电路、数字逻辑单元、计算机芯片或微处理器，其被配置为(可能在其他任务中)在机械部件110、(多个)传感器112、(多个)动力源114、电气部件116、控制系统118或机器人系统100的用户的任何组合之间实现接口。在一些实施方式中，控制器108可以是专用的嵌入式设备，用于与机器人系统100的一个或多个子系统一起执行特定操作。

控制系统118可以监控并物理改变机器人系统100的操作条件。在这样做时，控制系统118可以充当机器人系统100的部分之间的连杆(link)，诸如机械部件110或电气部件116之间的连杆。在一些情况下，控制系统118可以充当机器人系统100和另一计算设备之间的接口。此外，控制系统118可以用作机器人系统100和用户之间的接口。在一些情况下，控制系统118可以包括用于与机器人系统100通信的各种部件，包括操纵杆、按钮或端口等。上面提到的示例接口和通信可以经由有线或无线连接或两者来实现。控制系统118也可以为机器人系统100执行其他操作。

在操作期间，控制系统118可以经由有线或无线连接与机器人系统100的其他系统通信，并且还可以被配置为与机器人的一个或多个用户通信。作为一个可能的示例，控制系统118可以(例如，从用户或从另一个机器人)接收输入，该输入指示执行所请求的任务(诸如拾取对象并将对象从一个位置移动到另一个位置)的指令。基于该输入，控制系统118可以执行操作以使机器人系统100进行一系列移动来执行所请求的任务。作为另一个示例，控制系统可以接收指示移动到请求位置的指令的输入。作为响应，控制系统118(可能在其他部件或系统的帮助下)可以确定方向和速度，以移动机器人系统100通过环境到达所请求的位置。

控制系统118的操作可以由(多个)处理器102执行。替代地，这些操作可以由(多个)控制器108或者(多个)处理器102和(多个)控制器108的组合来执行。在一些实施方式中，控制系统118可以部分或全部驻留在机器人系统100之外的设备上，因此可以至少部分远程控制机器人系统100。

机械部件110表示可以使机器人系统100执行物理操作的机器人系统100的硬件。作为几个示例，机器人系统100可以包括一个或多个物理构件，诸如手臂、末端执行器、头部、颈部、躯干、基座和轮子。机器人系统100的物理构件或其他部分还可以包括被布置成相对于彼此移动物理构件的致动器。机器人系统100还可以包括一个或多个用于容纳控制系统118或其他部件的结构化主体，并且还可以包括其他类型的机械部件。给定机器人中使用的特定机械部件110可以基于机器人的设计而变化，并且也可以基于机器人可以被配置为执行的操作或任务。

在一些示例中，机械部件110可以包括一个或多个可移除部件。机器人系统100可以被配置为添加或移除这样的可移除部件，这可能涉及来自用户或另一机器人的帮助。例如，机器人系统100可以配置有可移除的末端执行器或手指，其可以根据需要或期望被替换或改变。在一些实施方式中，机器人系统100可以包括一个或多个可移除或可替换的电池单元、控制系统、动力系统、缓冲器或传感器。在一些实施方式中，可以包括其他类型的可移除部件。

机器人系统100可以包括被布置成感测机器人系统100的各方面的(多个)传感器112。(多个)传感器112可包括一个或多个力传感器、扭矩传感器、速度传感器、加速度传感器、位置传感器、接近传感器、运动传感器、定位传感器、负载传感器、温度传感器、触摸传感器、深度传感器、超声波测距传感器、红外传感器、对象传感器或相机等。在一些示例中，机器人系统100可以被配置为从与机器人物理分离的传感器(例如，位于其他机器人上或位于机器人正在操作的环境中的传感器)接收传感器数据。

(多个)传感器112可以向(多个)处理器102提供传感器数据(可能通过数据107的方式)，以允许机器人系统100与其环境的交互，以及监控机器人系统100的操作。传感器数据可用于评估控制系统118对机械部件110和电气部件116的激活、移动和去激活的各种因素。例如，(多个)传感器112可以捕获对应于环境地形或附近对象位置的数据，这可以帮助环境识别和导航。

在一些示例中，(多个)传感器112可以包括RADAR(雷达)(例如，用于远距离对象检测、距离确定或速度确定)、LIDAR(激光雷达)(例如，用于近距离对象检测、距离确定或速度确定)、SONAR(声纳)(例如，用于水下对象检测、距离确定或速度确定)、(例如，用于运动捕获)、一个或多个相机(例如，用于3D视觉的立体相机)、全球定位系统(GPS)收发器或用于捕获机器人系统100正在其中操作的环境的信息的其他传感器。(多个)传感器112可以实时监控环境，并检测障碍物、地形要素、天气条件、温度或环境的其他方面。在另一个示例中，(多个)传感器112可以捕获对应于目标或识别的对象的一个或多个特征的数据，诸如对象的尺寸、形状、轮廓、结构或方位。

此外，机器人系统100可以包括被配置为接收指示机器人系统100的状态的信息的(多个)传感器112，包括可以监控机器人系统100的各种部件的状态的(多个)传感器112。(多个)传感器112可以测量机器人系统100的系统活动，并基于机器人系统100的各种特征的操作(诸如机器人系统100的可延伸臂、末端执行器或其他机械或电气特征的操作)接收信息。由(多个)传感器112提供的数据可以使控制系统118能够确定操作中的错误以及监控机器人系统100的部件的整体操作。

作为示例，机器人系统100可以使用力/扭矩传感器来测量机器人系统100的各种部件上的负载。在一些实施方式中，机器人系统100可以包括臂或端部执行器上的一个或多个力/扭矩传感器，以测量移动臂或端部执行器的一个或多个构件的致动器上的负载。在一些示例中，机器人系统100可以包括在腕部或端部执行器处或附近的力/扭矩传感器，但是不包括在机器臂的其他关节处或附近的力/扭矩传感器。在进一步的示例中，机器人系统100可以使用一个或多个位置传感器来感测机器人系统的致动器的位置。例如，这种位置传感器可以感测臂或端部执行器上的致动器的伸展、缩回、定位或旋转状态。

作为另一个示例，(多个)传感器112可以包括一个或多个速度或加速度传感器。例如，(多个)传感器112可以包括惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)。IMU可以感测相对于重力矢量的通用坐标系中的速度和加速度。由IMU感测的速度和加速度然后可以基于IMU在机器人系统100中的位置和机器人系统100的运动学被转换成机器人系统100的速度和加速度。

机器人系统100可以包括本文没有明确讨论的其他类型的传感器。附加地或替代地，机器人系统可以使用特定的传感器用于本文未列举的目的。

机器人系统100还可以包括一个或多个被配置为向机器人系统100的各种部件提供动力的(多个)动力源114。在其他可能的动力系统中，机器人系统100可以包括液压系统、电气系统、电池或其他类型的动力系统。作为示例说明，机器人系统100可以包括被配置为向机器人系统100的部件提供充电的一个或多个电池。机械部件110或电气部件116中的一些可以各自连接到不同的动力源，可以由相同的动力源提供动力，或者由多个动力源提供动力。

任何类型的动力源都可以用于给机器人系统100提供动力，诸如电力或汽油发动机。附加地或替代地，机器人系统100可以包括液压系统，该液压系统被配置为使用流体动力向机械部件110提供动力。例如，机器人系统100的部件可以基于通过液压系统传输到各种液压马达和液压缸的液压流体来操作。液压系统可以通过管道、柔性软管或机器人系统100的部件之间的其他连杆，通过加压液压流体的方式传递液压动力。(多个)动力源114可以使用各种类型的充电(诸如与外部动力源的有线连接、无线充电、燃烧或其他示例)来充电。

电气部件116可以包括能够处理、传输或提供动电荷或电信号的各种机构。在可能的示例中，电气部件116可以包括电线、电路或无线通信发送器和接收器，以实现机器人系统100的操作。电气部件116可以与机械部件110相互作用，以使机器人系统100能够执行各种操作。例如，电气部件116可以被配置为从(多个)动力源114向各种机械部件110提供动力。此外，机器人系统100可以包括电动机。电气部件116的其他示例也可以存在。

机器人系统100可以包括主体，该主体可以连接到或容纳机器人系统的附件和部件。这样，主体的结构可以在示例中变化，并且可以进一步取决于给定机器人可能已经被设计来执行的特定操作。例如，被开发用来搬运重物的机器人可能具有宽的主体，可以放置负载。类似地，设计用于在狭小空间中操作的机器人可能具有相对高、窄的主体。此外，可以使用各种类型的材料，诸如金属或塑料，来开发主体或其他部件。在其他示例中，机器人可以具有不同结构或由各种类型的材料制成的主体。

主体或其他部件可以包括或携带(多个)传感器112。这些传感器可以位于机器人系统100上的不同位置，诸如主体、头部、颈部、基座、躯干、手臂或末端执行器等。

机器人系统100可以被配置为携带负载，诸如待运输的货物类型。在一些示例中，负载可以由机器人系统100放置到附接到机器人系统100的箱柜或其他容器中。负载还可以表示机器人系统100可以利用的外部电池或其他类型的动力源(例如，太阳能面板)。携带负载表示机器人系统100可以被配置用于的一个示例用途，但是机器人系统100也可以被配置用于执行其他操作。

如上所述，机器人系统100可以包括各种类型的附件、轮子、末端执行器、抓取装置等。在一些示例中，机器人系统100可以包括带有轮子、踏板或一些其他形式的移动的移动基座。附加地，机器人系统100可以包括机器臂或一些其他形式的机器人操纵器。在移动基座的情况下，基座可以被认为是机械部件110中的一个，并且可以包括由一个或多个致动器驱动的轮子，除了主体的其余部分之外，该轮子还允许机器臂的移动。

图2示出了根据示例实施例的移动机器人。图3示出了根据示例实施例的移动机器人的分解图。更具体地，机器人200可以包括移动基座202、中间部分204、臂206、臂端系统(end-of-arm system，EOAS)208、桅杆210、感知外壳212和感知套件214。机器人200还可以包括存储在移动基座202内的计算机箱216。

移动基座202包括位于机器人200前端的两个驱动轮，以便提供对机器人200的移动。移动基座202还包括附加的脚轮(未示出)，以便于移动基座202在地面上的移动。移动基座202可以具有模块化结构，其允许计算机机箱216被容易地移除。计算机箱216可以用作机器人200的可移除控制系统(而不是机械集成控制系统)。在移除外壳之后，计算盒216可以被容易地移除和/或替换。移动基座202也可以被设计成允许附加的模块化。例如，移动基座202也可以被设计成使得动力系统、电池和/或外部缓冲器都可以被容易地移除和/或替换。

中间部份204可以在移动基座202的前端附接到移动基座202。中间部份204包括固定到移动基座202的安装柱。中间部份204还包括用于臂206的旋转关节。更具体地，中间部份204包括臂206的前两个自由度(肩部偏航(yaw)J0关节和肩部俯仰(pitch)J1关节)。安装柱和肩部偏航关节J0可以在移动基座202的前面形成堆叠塔的一部分。安装柱和肩部偏航J0关节可以同轴。中间部分204的安装柱的长度可以选择为臂206提供足够的高度，以在通常遇到的高度水平(例如，咖啡台面和柜台台面)上执行操作任务。中间部份204的安装柱的长度也可以允许肩部俯仰J1关节在移动基座202上旋转臂206，而不接触移动基座202。

当连接到中间部份204时，臂206可以是7DOF机器臂。如上所述，臂206的前两个DOF可以包括在中间部份204中。剩余的五个DOF可以包括在臂206的独立部分中，如图2和3所示。臂206可以由塑料整体连杆结构构成。在臂206内部可以容纳独立的致动器模块、本地电动机驱动器和通孔电缆。

EOAS 208可以是臂206的末端的末端执行器。EOAS 208可以允许机器人200操纵环境中的对象。如图2和3所示，EOAS 208可以是夹持器，诸如欠驱动的夹紧夹持器。夹持器可以包括一个或多个接触传感器(诸如力/扭矩传感器)和/或非接触传感器(诸如一个或多个相机)，以便于对象检测和夹持器控制。EOAS 208也可以是不同类型的夹具(诸如抽吸夹具)或不同类型的工具(诸如钻头或刷子)。EOAS 208也可以是可交换的，或者包括可交换的部件，诸如抓取指。

桅杆210可以是臂206的肩部偏航J0关节和感知外壳212之间的相对长且窄的部件。桅杆210可以是移动基座202前面的堆叠塔的一部分。桅杆210可以相对于移动基座202固定。桅杆210可以与中间部份204同轴。桅杆210的长度可以便于感知套件214感知由EOAS208操纵的对象。桅杆210可以具有这样的长度，使得当肩部俯仰J1关节垂直向上旋转时，臂206的二头肌的最高点与桅杆210的顶部大致对齐。桅杆210的长度可以足以防止当肩部俯仰J1关节垂直向上旋转时感知外壳212和臂206之间的碰撞。

如图2和3所示，桅杆210可以包括被配置为收集关于环境的深度信息的3D激光雷达传感器。3D激光雷达传感器可以耦合到桅杆210的挖出部分，并以向下的角度固定。激光雷达位置可以针对定位、导航和前方悬崖检测进行优化。

感知外壳212可以包括构成感知套件214的至少一个传感器。感知外壳212可以连接到摇动(pan)/倾斜控制器，以允许感知外壳212的重新定向(例如，以观看由EOAS 208操纵的对象)。感知外壳212可以是固定到移动基座202的堆叠塔的一部分。感知外壳212的后方部分可以与桅杆210同轴。

感知套件214可以包括被配置为收集表示机器人200的环境的传感器数据的传感器套件。感知套件214可以包括红外(IR)辅助立体深度传感器。感知套件214还可以包括用于人机交互和上下文信息的广角红绿蓝(red-green-blue，RGB)相机。感知套件214还可以包括用于对象分类的高分辨率RGB相机。还可以包括围绕感知套件214的表面光环，用于改善人机交互和场景照明。

图4示出了根据示例实施例的机器臂。机器臂包括7个DOF：肩部偏航J0关节、肩部俯仰J1关节、二头肌滚转J2关节、肘部俯仰J3关节、前臂滚转J4关节、腕部俯仰J5关节和腕部滚转J6关节。关节中的每一个可以耦合到一个或多个致动器。耦合到关节的致动器可操作以引起连杆沿着运动链向下移动(以及连接到机器臂的任何末端执行器)。

肩部偏航J0关节允许机器臂朝向机器人的前方以及朝向机器人后方旋转。这种运动的一个有益用途是允许机器人拾起机器人前方的对象，并快速将对象放在机器人的后方部分(以及反向移动)。这种运动的另一个有益用途是将机器臂从机器人后方的收起配置快速移动到机器人前方的活动位置(以及反向运动)。

肩部俯仰J1关节允许机器人提升机器臂(例如，使得二头肌达到机器人上的感知套件水平)和降低机器臂(例如，使得二头肌刚好在移动基座上方)。该运动有利于允许机器人在环境中的不同目标高度水平上有效地执行操纵操作(例如，顶部抓取和侧方抓取)。例如，肩部俯仰J1关节可以旋转到垂直向上的位置，以允许机器人容易地操纵环境中桌子上的对象。肩部俯仰J1关节可以旋转到垂直向下的位置，以允许机器人容易地操纵环境中地面上的对象。

二头肌滚转J2关节允许机器人旋转二头肌，以相对于二头肌移动肘部和前臂。这种运动可能特别有利于机器人的感知套件清晰地观察EOAS。通过旋转二头肌滚转J2关节，机器人可以踢出肘部和前臂，以改善对机器人夹持器中对象的视线。

沿着运动链向下移动，交替的俯仰和滚转关节(肩部俯仰J1关节、二头肌滚转J2关节、肘部俯仰J3关节、前臂滚转J4关节、腕部俯仰J5关节和腕部滚转J6关节)被提供来改善机器臂的可操作性。腕部俯仰J5关节、腕部滚转J6关节和前臂旋转J4关节的轴相交，以减少手臂移动来重新定向对象。提供腕部滚转J6关节来代替腕部中的两个俯仰关节，以改善对象旋转。

在一些示例中，诸如图4所示的机器臂能够在教学模式下操作。特别地，教学模式可以是机器臂的操作模式，其允许用户与机器臂物理交互并引导机器臂进行和记录各种移动。在教学模式中，基于旨在教授机器人如何执行特定任务的教学输入，外力被施加(例如，由用户)到机器臂。机器臂因此可以获得关于如何基于来自用户的指令和指导执行特定任务的数据。这种数据可以涉及机械部件的多种配置、关节位置数据、速度数据、加速度数据、扭矩数据、力数据和动力数据等。

在教学模式期间，在一些示例中，用户可以抓住EOAS或腕部，或者在其他示例中抓住机器臂的任何部分，并且通过物理移动机器臂来提供外力。特别地，用户可以引导机器臂抓到对象上，然后将对象从第一位置移动到第二位置。当用户在教学模式期间引导机器臂时，机器人可以获得并记录与移动相关的数据，使得机器臂可以被配置为在独立操作期间的未来时间独立执行任务(例如，当机器臂在教学模式之外独立操作时)。在一些示例中，外力也可以由物理工作空间中的其他实体施加，诸如由其他对象、机器或机器人系统等施加。

图5A和图5B示出了根据示例实施例的具有3D激光雷达传感器的机器人桅杆。更具体地，图5A示出了机器人500，其可以与参照图2和3示出和描述的机器人相同或相似。机器人500包括桅杆502。桅杆502包括挖出部分504。通过将3D激光雷达传感器506附接在安装点508下方，3D激光雷达传感器506安装在挖出部分504中。

在一些示例中，3D激光雷达传感器506可以被配置为在固定的垂直角度具有360度的水平视场。在一些示例中，固定的垂直角度可以大于90度。在其他示例中，固定的垂直角度可以等于或小于90度。水平视场可以围绕一个或多个镜子的垂直旋转轴来限定，该一个或多个镜子将由一个或多个激光器投射的光反射到机器人500的环境中以收集深度测量值。参考图5A，垂直轴可以穿过3D激光雷达传感器506的中心并穿过安装点508。如图5A所示，3D激光雷达传感器506可以向前倾斜。因此，3D激光雷达传感器506的垂直视场可以朝着机器人500前方的区域向下呈角度。作为示例，3D激光雷达传感器506的垂直轴可以从垂直方向朝向机器人的前方向前倾斜16度。

挖出部分504可以允许3D激光雷达传感器506安装在安装点508下方，使得当从顶部向下看时，3D激光雷达传感器506包含在挖出部分504内。挖出部分504可以位于桅杆502的两个基本上圆柱形的部分之间。附加地，3D激光雷达传感器的至少一部分可以包含在基本上圆柱形的部分之间而不会突出。有利地，通过将3D激光雷达传感器506安装在挖出部分504内，可以防止3D激光雷达传感器遮档机器人500的感知套件中的其他传感器。附加地，挖出部分504可以防止桅杆502遮挡3D激光雷达传感器506的过多水平视场。在一些示例中，基于挖出部分504的形状，3D激光雷达传感器的至少270度的水平视场不会被桅杆502遮挡。在其他示例中，桅杆502和/或挖出部分504可以具有不同的形状或尺寸。

参考图5B，机器人500的桅杆502可以包括背衬部件510，3D激光雷达传感器506安装在背衬部件510上的安装点508下方。背衬部件510可以容纳将3D激光雷达传感器506连接到机器人500的感知外壳和/或中间部分的布线。背衬部件510还可以容纳其他部件，诸如印刷电路板。桅杆502还可以包括两个对称的外壳部件512和514。两个对称外壳部件512和514可以附接到背衬部件510的任一侧，使得3D激光雷达传感器506在由背衬部件510和两个对称外壳部件512和514包围的容积的外部。背衬部件510和/或两个对称的外壳部件512和514可以注塑成型。

在一些示例中，图5A和图5B所示的桅杆502可以是位于机器人500的移动基座前端处的堆叠塔的一部分。在桅杆502上方，堆叠塔可以包括可以摇动和倾斜的感知外壳。在桅杆502下方，堆叠塔可以包括机器臂的旋转关节。机器臂的旋转关节可以被配置为在不旋转桅杆的情况下旋转机器臂。因此，桅杆可以相对于移动基座保持固定。堆叠塔可以固定到移动基座，使得3D激光雷达传感器506被定向成检测移动基座前方的接近地面高度的区域。机器人的移动基座还可以包括一组1D ToF传感器，其指向移动基座后方接近地面高度的区域。总之，这种传感器布置可以为某些应用提供适当的折中，特别是在需要比机器人后方的区域更精确的指示机器人前方的区域的数据的情况下。

图6A、6B和6C示出了根据示例实施例的3D激光雷达传感器的检测。更具体地，图6A示出了缩小的角度视图，图6B示出了自顶向下的视图，并且图6C示出了环境602中机器人600上的3D激光雷达传感器的检测点云的放大的角度视图。机器人600可以与图2、3和/或5A和5B所示的相同或相似。

出于说明的目的，单个点检测分为三类。较小的未填充正方形表示对环境602的地面上的点检测。较大的未填充正方形表示对环境602中对象上的点检测。填充的正方形表示对环境602的上半球(例如天花板和/或墙壁)上的点检测。

关于地面上的点检测，例如如图6B所示，基于机器人600上的3D激光雷达传感器的位置和方位，在机器人600的正前方，点检测最靠近机器人600。在机器人600的侧方，点检测远离机器人600。此外，3D激光雷达传感器不能检测机器人600正后方的地面。这些折中允许精确的前方悬崖检测，假设机器人600的移动基座通常向前导航，这可能是优先考虑的。在一些示例中，在机器人前方的最小距离处可能检测不到地面，例如如图6C所示。给定机器人600上的前轮的位置，该距离可以保持足够小，以防止机器人600的移动基座在悬崖上行进的任何风险。可能不太需要检测机器人600后方的悬崖。因此，可以在机器人600上使用成本较低的替代悬崖检测解决方案，诸如面向下的1D ToF传感器，来检测机器人600后方的悬崖。

关于对象上的点检测，例如如图6B所示，3D激光雷达传感器的定位可以允许机器人600检测位于机器人600前方和侧方的障碍物的至少一些部分。例如，如图6A所示，3D激光雷达传感器的垂直视场可以仅允许机器人600检测直到大约平行于机器人600的感知外壳的高度的障碍物上的点。这种折中可能是可接受的，因为大多数对象不太可能漂浮在机器人上方，而不具有将被机器人600上的3D激光雷达传感器检测到的更接近地面高度的部分。此外，机器人的感知套件中的一个或多个其他传感器(例如，相机)也可以提供该区域的覆盖。此外，可能不太需要检测机器人可能行进的安全关键路径之外的漂浮对象。类似地，检测机器人600后方的对象也可能不太重要。因此，成本较低的替代对象检测解决方案，诸如沿着机器人600后侧水平布置的1D ToF传感器，可以用于检测机器人600后方的障碍物。

关于上半球上的点检测，例如如图6A所示，机器人600后方和侧方的天花板和/或墙壁上的点可以由3D激光雷达传感器检测。该传感器数据可用于帮助定位环境602中的机器人600。例如，定位过程可以涉及将检测到的点与环境602中表面的体素网格表示对齐。上半球的这些表面可能特别适合机器人定位，因为这些表面基本上是静态的，不太可能随着时间的推移经常变化。附加地，机器人600后方和侧方的上半球的部分可以与机器人600前方的上半球的点同样有效，其中基于机器人600上的3D激光雷达传感器的位置和方位，这些点可能不会被检测到。

应当理解，图6A、6B和6C中表示的点云是为了说明的目的。实际上，机器人600可以包括提供附加点云数据或其他类型的传感器数据的附加传感器。附加地，在替代示例中，机器人上3D激光雷达传感器的不同布置可以产生环境的不同点云表示。

图7、8和9示出了根据示例实施例的不同安装方位的3D激光雷达传感器的视场。更具体地，图7、图8和图9各自表示由机器人设备上的3D激光雷达传感器的不同安装角度导致的两个相应盲点。对于每幅图，3D激光雷达传感器的垂直视场覆盖了机器人正前方方向上两个盲点之间的区域。出于说明的目的，3D激光雷达传感器的垂直视场在每幅图中被表示为略大于90度。在替代示例中，可以使用具有不同垂直视场的3D激光雷达传感器来代替。

图7表示3D激光雷达传感器在机器人设备上的第一安装位置，其中3D激光雷达传感器朝向机器人的前方向上倾斜。更具体地，机器人700可以包括3D激光雷达传感器702，其垂直轴从垂直方向向后倾斜(例如，18度角)。机器人700前方的第一盲点704可以由3D激光雷达传感器702的这个安装角度产生。附加地，机器人700上方和后方的第二盲点706也可以由3D激光雷达传感器702的这个安装角度产生。

在一些应用中，盲点704可能不允许3D激光雷达传感器702用于前方悬崖检测，因为机器人700前方太大的地面区域是3D激光雷达传感器702无法检测到的。在图7所示的安装角度，3D激光雷达传感器702可以有效地检测机器人700前方和基本上方的区域。附加地，基于盲点706的位置，该安装角度对于使用机器人700前方的上半球的一部分的机器人定位可能是有效的。在一些应用中，图7所示的安装角度可能是优选的安装角度。然而，在一些应用中，3D激光雷达传感器702检测机器人700前方和大致上方的区域可能并不重要。

图8表示3D激光雷达传感器在机器人设备上的第二安装方位，其中3D激光雷达传感器是垂直的。更具体地，机器人800可以包括具有垂直于地面的垂直轴的3D激光雷达传感器802。机器人800前方的第一盲点804可以由3D激光雷达传感器802的这个安装角度产生。此外，机器人800上方的第二盲点806也可以由3D激光雷达传感器802的这个安装角度产生。尽管3D激光雷达传感器802垂直安装在机器人800上，但是基于3D激光雷达传感器802的内部配置，3D激光雷达传感器802的垂直视场可以朝向机器人前方的区域向下呈角度。

在一些应用中，图8所示的3D激光雷达传感器802的安装角度可以是优选的安装角度。然而，尽管比盲点704小，但是盲点804可能不允许3D激光雷达传感器802用于前方悬崖检测，因为机器人800前方的太大的地面区域仍然不能被3D激光雷达传感器802检测到。此外，盲点806可能不允许3D激光雷达传感器802有效地用于机器人定位，因为3D激光雷达传感器802没有检测到环境的足够的上半球。在图8所示的安装角度，与图7中的3D激光雷达传感器702相比，3D激光雷达传感器802可以检测到更少的上半球。

图9表示3D激光雷达传感器在机器人设备上的第三安装方位，其中3D激光雷达传感器朝向机器人的前方向下呈角度。更具体地，机器人900可以包括3D激光雷达传感器902，其垂直轴从垂直方向向前倾斜(例如，16度角)。机器人900前方的第一盲点904可以由3D激光雷达传感器902的这个安装角度产生。此外，机器人900上方和前方的第二盲点906也可以由3D激光雷达传感器902的这个安装角度产生。

盲点904可以足够小(或者在某些情况下不存在)，以允许3D激光雷达传感器902有效地用于前方悬崖检测。此外，盲点906可能不会阻止3D激光雷达传感器902被有效地用于机器人定位，因为3D激光雷达传感器902检测到机器人900后方和上方的环境的足够的上半球。在图9所示的安装角度，3D激光雷达传感器902的垂直视场的上限矢量可以从水平方向稍微向上呈角度。例如，该矢量可以在距离机器人两米的距离处穿过平行于机器人感知外壳顶部的高度。在一些示例中，除了前方悬崖检测和机器人定位之外，该垂直视场还可以为机器人900前方的障碍物检测提供足够的覆盖。因此，在一些应用中，图9所示的3D激光雷达传感器902的安装角度可以是优选的安装角度。

图10是根据示例实施例的方法的框图。在一些示例中，图10的方法1000可以由控制系统(诸如机器人系统100的控制系统118)执行。在进一步的示例中，方法1000可以由一个或多个处理器(诸如(多个)处理器102)来执行，处理器执行存储在数据存储装置(诸如数据存储装置104)中的程序指令，诸如程序指令106。方法1000的执行可以涉及参照图1-4、5A-5B、6A-6C、7-9和/或10所示和描述的任何机器人和/或机器人部件。在方法1000的执行中也可以使用其他机器人设备。在进一步的示例中，方法1000的框中的一些或所有可以由远离机器人设备的控制系统来执行。在又一示例中，方法1000的不同块可以由位于机器人设备上和/或远离机器人设备的不同控制系统来执行。

在框1010中，方法1000包括从3D激光雷达传感器接收指示移动机器人设备的环境的传感器数据。3D激光雷达传感器可以安装在移动机器人设备的桅杆的挖出部分中。3D激光雷达传感器可以相对于桅杆固定，使得3D激光雷达传感器的垂直视场朝向机器人的前方区域向下呈角度。在一些示例中，3D激光雷达传感器的垂直轴可以相对于垂直方向朝向机器人的前方向前倾斜。传感器数据可以是点云数据。

在一些示例中，3D激光雷达传感器呈角度放置，使得3D激光雷达传感器的垂直视场包括移动机器人设备正前方的地面。例如，3D激光雷达传感器的垂直视场可以包括机器人设备的移动基座的前缓冲器的一部分或者直接与其对齐。

在一些示例中，3D激光雷达传感器的垂直视场大于90度，并且3D激光雷达传感器呈角度放置，使得3D激光雷达传感器的垂直视场的上限从3D激光雷达传感器以指向移动机器人设备前方的水平矢量上方的角度延伸。

在一些示例中，3D激光雷达传感器的垂直视场从指向移动机器人设备前方的水平矢量上方10度至20度之间的第一角度延伸到水平矢量下方75度至85度之间的第二角度。

在框1020中，方法1000还包括基于传感器数据控制移动机器人设备。控制移动机器人设备可以涉及将来自3D激光雷达传感器的传感器数据用于前方悬崖检测、障碍物检测和机器人定位的任意组合。

更具体地，传感器数据可以指示移动机器人设备的移动基座正前方的地面，并且方法1000还可以涉及检测移动机器人设备前方的悬崖。然后，控制移动机器人设备可以涉及基于检测到的悬崖来导航移动机器人设备的移动基座。例如，可以控制移动机器人设备停止或改变方向，以避免越过检测到的悬崖。

来自3D激光雷达传感器的传感器数据也可以指示移动机器人设备前方或侧方的一个或多个障碍物。在这种情况下，基于传感器数据控制移动机器人设备可以包括避免与一个或多个障碍物接触。例如，可以控制移动机器人设备停止或改变方向，以避免碰到检测到的障碍物。

来自3D激光雷达传感器的传感器数据还可以指示移动机器人设备上方和后方的一个或多个表面，并且方法1000可以还涉及确定移动机器人设备相对于一个或多个表面的位置。确定移动机器人设备的位置可以涉及将传感器数据与移动机器人设备的环境的体素网格表示对齐。然后，可以基于所确定的移动机器人设备相对于一个或多个表面的位置来控制移动机器人设备。

本文描述的示例涉及优化移动机器人设备上的3D激光雷达传感器的位置和方位，以利用来自3D激光雷达传感器的传感器数据来进行前方悬崖检测、障碍物检测和机器人定位。传感器数据也可以用于其他目的。此外，可以调整3D激光雷达传感器的位置和方位，以优化为不同应用收集的传感器数据。

III.结论

本公开不限于本申请中描述的特定实施例，这些实施例旨在说明各个方面。对于本领域技术人员来说明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行许多修改和改变。除了本文列举的方法和装置之外，本公开范围内的功能等同的方法和装置对于本领域技术人员来说从前面的描述中将是明显的。这种修改和变化旨在落入所附权利要求的范围内。

以上详细描述参照附图描述了所公开的系统、设备和方法的各种特征和功能。在附图中，相似的符号通常标识相似的部件，除非上下文另有规定。本文和附图中描述的示例性实施例并不意味着是限制性的。在不脱离本文呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行其他改变。将容易理解的是，如本文一般描述的和附图中示出的，本公开的方面可以以各种不同的配置来布置、替换、组合、分离和设计，所有这些都在本文明确地考虑。

表示信息处理的块可以对应于可以被配置为执行本文描述的方法或技术的特定逻辑功能的电路。替代地或附加地，表示信息处理的块可以对应于模块、程序代码(包括相关数据)的段或一部分。程序代码可以包括可由处理器执行的一个或多个指令，用于实现方法或技术中的特定逻辑功能或动作。程序代码或相关数据可以存储在任何类型的计算机可读介质(诸如包括磁盘或硬盘驱动器的存储设备或其他存储介质)上。

计算机可读介质还可以包括非暂时性计算机可读介质，诸如短时间存储数据的计算机可读介质，如寄存器存储器、处理器高速缓存和随机存取存储器(random accessmemory，RAM)。计算机可读介质还可以包括存储程序代码或数据更长时间的非暂时性计算机可读介质，诸如辅助或永久长期存储器，如只读存储器(read only memory，ROM)、光盘或磁盘、光盘只读存储器(compact-disc read only memory，CD-ROM)。计算机可读介质也可以是任何其他易失性或非易失性存储系统。计算机可读介质可以被认为是例如计算机可读存储介质或有形存储设备。

此外，表示一个或多个信息传输的块可以对应于同一物理设备中的软件或硬件模块之间的信息传输。然而，其他信息传输可以在不同物理设备中的软件模块或硬件模块之间进行。

附图中所示的特定布置不应被视为限制。应当理解，其他实施例可以包括给定附图中所示的更多或更少的每个元件。此外，示出的元件中的一些可以被组合或省略。此外，示例实施例可以包括附图中未示出的元件。

虽然本文已经公开了各种方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员来说是明显的。本文公开的各种方面和实施例是为了说明的目的，而不是为了限制，真正的范围由所附权利要求来指示。