CN106457556B - 颜色或灰度感测型磁性移动式作标记机器人 - Google Patents

Abstract

在通过移动式机器人在竖直表面上进行交互式作标记的方法中，使包括传感器和致动式标记器的移动式机器人在竖直表面上移位。用该传感器来检测该竖直表面上、其中、或后方的特征。响应于检测到这些特征来控制该移动式机器人的移位和该致动式标记器的致动。

Description

颜色或灰度感测型磁性移动式作标记机器人

背景

美国在科学、技术、工程和数学(俗称“STEM”)领域的教育方面存在问题。这些领域的工作是现代经济的主要驱动因素，并且在其他领域中越来越多的工作需要STEM的知识。然而，许多学生没有成功地学到核心理念。根据近期报道：

·75％的美国八年级学生在结束八年级时在数学方面都不精通；

·79％的十二年级学生在科学方面都没有达到精通水平；并且

·54％的高中毕业生没有为大学水平的数学作好准备。

此外，没有足够的学生在学习STEM学科以满足国家的需要。此外，根据近期报道：

·以STEM专业开始的学生中的38％由于某一方面无法毕业。

·美国在2018年可能短缺多达300万高技能工人。

为了对抗这种趋势并激励更多学生追求STEM学习，总统的科学和技术顾问委员会推荐我们“创造STEM相关体验来激发各种背景的学生并引起他们的兴趣”。我们提出通过使用专门设计的机器人来创造参与式学习体验。已经发现机器人对学生是激发且激励性工具，这样我们相信它们也可以是强大的教育工具。机器人可以有助于教学问题的解决、逻辑、编程、计算思维、以及更多。通过降低必要技术知识的门槛，我们相信，针对课堂所设计的机器人可以对所有年龄段的学生带来独特且刺激的学习体验。

发明内容

在此描述了颜色或灰度(例如多于两种不依赖于颜色本身的暗影)感测型磁性移动式作标记机器人以及通过移动式机器人进行交互式作标记的方法。这些设备和方法的多个不同实施例可以包括下文描述的这些元件、特征和步骤中的一些或全部。

在此描述的是一种可以使用至少两个轮子以及在这些轮子中或者在机器人本体中的其他地方的或与机器人本体相联接的多块磁体而在竖直安装的白板上或其他铁磁表面上导航的机器人。该机器人包括：机器人本体，该机器人本体包括固位器(例如在该机器人本体中限定的孔口)；并且包括被配置成用于使轴在该固位器中往复地移位的致动器。该轴可以采取标记器(例如，干擦除标记器)、或包括擦除器的或与擦除器相联接的轴的形式。该机器人还可以包括在该机器人本体的顶表面和/或底表面上的颜色或灰度传感器阵列，其中这些传感器被配置成用于在该机器人在竖直取向表面上移位时检测颜色图案或带有不同暗度的图案。计算装置可以与这些传感器、该致动器、和这些轮子通信，其中该计算装置包括处理器和与该处理器通信的计算机可读存储器。该计算机可读存储器包括用于以下动作中的至少一项的程序代码：使该机器人移位，以及响应于并且根据来自这些传感器的测量值来致动该致动器。

在通过移动式机器人在竖直表面上进行交互式作标记的方法中，使包括传感器和致动式标记器的移动式机器人在竖直表面上移位。用该传感器来检测该竖直表面上、其中、或后方的特征。响应于检测到这些特征来控制该移动式机器人的移位和该致动式标记器的致动。

用户可以通过用智能手机、平板电脑、或计算机无线地控制该装置并且通过直接在该白板上绘图来改变机器人的环境，而与该机器人交互。因此，虽然该机器人特别适合于课堂使用，但是我们相信，该机器人还具有作为在家使用的教育玩具的强大潜力。家里具有计算装置并且想要给他们的孩子提供参与式和有教育意义的体验的父母可以购买该机器人以便他们的孩子在家使用，从而使孩子们能够在家玩耍和学习，同时父母投资的“玩具”比大多数玩具更长的寿命并且提供实实在在的学习好处。虽然该机器人主要被描述为在竖直表面(例如，竖直安装的白板)上移动，但是该机器人可以替代地在桌子、地板、或水平取向的或处于其他取向的其他表面上操作。

附图简要说明

图1是在白板上绘图的机器人原型的摄影图。

图2是该机器人的一个实施例中的多个特征的示意性布局。

图3是该机器人的另一个实施例的透视图。

图4是该机器人和控制系统的示意图，示出了多个部件之间的通信。

图5是机器人的示例性平板电脑编程界面的快照。

图6示出了通过在板上绘制颜色图案来对机器人进行编程的界面，该机器人驶过并扫描该板来确定接着要执行的动作的序列(例如“舞蹈”)。

图7示出了抛射物运动模拟，其中该机器人表现为抛射物，并且用户可以改变抛出力量、抛射物的质量、或重力。

图8示出了比赛游戏的实施例，其中用户可以与多个机器人(由平板电脑传感器控制)在受该表面上绘制的多个特征(障碍物、“隆起物”等)影响的手绘道路上一起玩。

图9示出了机器人感测在白板上投影的信息的实施例的概念简图；这可以被视为非可擦除信息或(使用相机或其他追踪器)可以基于机器人的位置和动作而改变。

图10示出了机器人在白板上充当“机器人蚂蚁”并且可以用多个机器人和模拟信息素来觅食的应用。

图11示出了机器人扫描音符并且播放对应歌曲的应用。

图12示出了机器人通过黑客端口用作无线测试平台以便实现其他科学实验的实施例。

图13是磁性轮子设计的分解视图。

图14是示出了磁场线穿过图13的轮子并且穿过铁磁表面的简图。

图15和16示出了两种不同的颜色感测方法，其中可以将光子检测器阵列放置成靠近检测表面，或者可以使用多个光学元件来将光引导至传感器。

图17示出了，机器人中的线性相机可以与狭缝(像针孔相机)或透镜一起使用以便感测白板的较大表面积。另外，人们可以使用展现不同颜色组合的外部光源(例如，探照灯、监视器等)来与该装置通信。

图18是在一个机器人实施例上的致动式标记器的图像。

图19示出了使用压缩滚轮的致动机构的实施例，其中该可压缩的滚轮用来向标记器施加压力并且抓住该标记器来使之移动。

图20是擦除器附件的实施例的图像。该擦除器上的轴可以用与安装该标记器相同的方式来安装，并且机器人可以用与致动该标记器相同的方式来致动该擦除器。

图21是带有可定制外壳的机器人的图像，其中该机器人的顶表面是磁性的和/或干擦除白板表面。

图22示出了机器人的第一原型，该机器人具有永久擦除块并且不具有致动式标记器。

图23是机器人实施例的下侧的展示，示出了用于检测机器人所穿过的表面上的颜色图案的灯和传感器阵列。

在附图中，贯穿这些不同的视图，类似的参考号指代相同或相似的部分。并且使用撇号来区分共享相同参考号的这些相同或相似物项的多个例子。这些图不一定是按比例的，而是将重点放在展示下文讨论的具体原理上。

详细说明

从以下对本(这些)发明的较宽界限内的多种不同概念和具体实施例的更具体说明中，本发明的各个方面的以上以及其他的特征和优点将变得清楚。上文介绍的且在下文更详细讨论的主题的多个不同方面可以按众多方式中的任一种来实现，因为该主题不局限于任何具体的实现方式。具体实现方式和应用的实例主要是为了展示的目的来提供的。

除非本文另作定义、使用或表征，否则本所文使用的术语(包括技术类和科学类术语)应解释为具有与其在相关领域的背景下可接受的含义相一致的含义、并且不得在理想化的或过度正式的意义上进行解释，除非本文明确地如此定义。例如，如果提及了具体的成分，则该成分可以基本上是纯的但不是完全纯的，因为可能适用了实际而不完美的现实；例如，潜在存在至少痕量杂质(例如，少于1％或2％)可以理解为是在本说明的范围之内；同样，如果提及具体的形状，则该形状旨在包括相对于理想形状的不完美变体，例如由于制造公差。本文表达的百分比或浓度可以是由按重量计或按体积计来代表的。下文描述的工艺、程序和现象可以在环境压力(例如，约50-120kPa—例如约90-110kPa)和温度(例如-20℃至50℃—例如约10℃-35℃)下发生。

虽然本文使用了术语第一、第二、第三等等来描述不同的要素，但这些要素不受这些术语的限制。这些术语只是用来将一个要素与另一个要素进行区分。因此，如下文讨论的第一要素可以被称为第二要素，而并不背离这些示例性实施例的传授内容。

为了描述方便，本文可以使用与空间相关的术语，例如“上方”、“下方”、“左”、“右”、“前方”、“后方”等等来描述一个要素相对于另一个要素的关系，如附图中展示的。应理解的是，这些与空间相关的术语以及所展示的构型旨在除了本文描述的和附图中描绘的取向之外还涵盖设备在使用中或在运行中的不同取向。例如，如果将附图中的设备翻转，则描述为在其他要素或特征“下方”或“之下”的要素将定向成在这些其他要素或特征的“上方”。因此，示例性的术语“上方”可以涵盖上方和相反取向二者。可以按其他方式来定向这种设备(例如，旋转90度或处于其他取向)并且本文使用的与空间相关的描述语句应相应地进行解释。

又另外，在本披露中，当一个要素被称为“在”、“连接到”、“联接到”、或“接触”(等等)另一个要素上时，它可以是直接地在、连接到、联接到、或接触到该另一个要素上，或者可以是存在介入要素的，除非另外指明。

本文使用的术语是出于描述具体实施例的目的的而并不旨在限制示例性的实施例。如本文所使用的，单数形式如“一个”和“一种”旨在也包括复数形式，除非上下文另外指明。此外，术语“包括”、“包括了”、“含有”和“含有了”指明了所叙述的要素或步骤的存在，但不排除存在或添加有一个或多个其他要素或步骤。

此外，本文所指明的这些不同部件可以以组装的或成品的形式提供的；或者这些部件中的一些或全部部件可以被包装在一起并作为套件与用于使顾客进行组装和/或修改来产生成品产品的说明书(例如，书面的、视频的或音频的形式)一起被出售。

环境：

我们研发了如图1和2所示的用于在教室中使用的移动式机器人12，该机器人能够在磁性白板16上行驶并且修改(通过使用致动式标记器14或擦除器15)该磁性白板(虽然在此使用了术语“白板”，但是该表面的颜色不一定是严格的白色，只要可以非永久性地被标记即可)。白板16由于以下原因特别适合于微型移动式机器人：

·用户可以通过在白板16的表面上进行绘图或擦除来容易地改变环境；

·通过改变该环境，机器人12可以与用户和其他机器人12交互；

·该白板表面可以竖直地安装以占用最小空间；

·竖直安装的表面更容易从不同位置观察到；

·在竖直地安装时，重力可以通过低成本加速度计提供取向信息；

·白板16广泛地以各种不同大小来购买获得；并且

·白板16已经安装在各种不同的位置中，包括学校。

虽然白板16对机器人12提供了专门的且独特的环境，但是机器人12可以被设计成通过使用相同的轮子18同样在水平的非磁性表面上工作。这种灵活性对机器人12开启了另外的环境和使用情况。例如，机器人12可以在桌子或地板上使用，以允许小孩触摸机器人12并且容易地与之交互。

特征：

微型移动式机器人的多个实施例可以包括以下特征：

·用于管理传感器和致动器并且执行较高水平功能的计算装置(例如，可再编程微控制器)；

·蓝牙4.0低功耗无线链路37，以用于从外部装置38(例如智能手机、平板电脑、或其他计算机，如图4所示)上的界面40(例如，图形用户界面，如图5所示)控制该机器人；

·两个或更多个磁性轮子18，这些磁性轮子以足以支撑该机器人并且在这些轮子上产生牵引力的力附接至铁磁材料上(在其他实施例中，这些磁体可以在该机器人本体中或者与之相联接的其他地方)；

·在水平的非磁性表面上行驶的能力；

·马达20，该马达以足以竖直地驱动机器人12的扭矩附接至驱动轮子18上；

·用于估计位置并且执行精确定位命令的相对位置传感器，例如轮子编码器或光流传感器；

·感测电机做功和停转的驱动电机20的力/电流感测；

·致动器22，该致动器被配置成使轴24穿过由该机器人本体限定的孔口26(图3所示)进行往复地移位；

·标记器14，该标记器可安装成在力控制下被致动器22在该机器人本体的在旋转中心处的孔口26中致动，其中致动器22可以被配置成具有力传感器以确定标记器14正在触摸该白板还是其他行驶表面16；

·带有标记器大小的轴24的专用擦除器附件15，该轴也装配在该机器人本体的孔口26中并且同样是由致动器22可致动的以便将该擦除器15往复地放置成与竖直取向的表面16相接触和将该擦除器15移除到不与该竖直取向的表面16相接触；

·感测标记器14或擦除器附件15是否存在并且确定颜色的能力；

·用于在机器人12处于竖直行驶表面16上时确定取向的加速度计；

·用于测量角速度的陀螺仪传感器；

·光子检测器阵列28，该阵列位于该机器人本体的底部和/或顶部上并且被配置成用于感测在行驶表面16上绘制的颜色或灰度图案(并且充当崖壁检测器)和/或检测投射到机器人12和行驶表面16上的颜色或灰度图像；

·灯，该灯安装在该机器人本体的底表面上并且被配置成用于产生光，光从行驶表面反射以便被光子阵列28记录；

·用于感测行驶表面16的边缘的左和右前保险杠30；

·可更换电池32(例如可再充电的或碱性的)；

·多彩LED光34；

·电池水平监测；

·用于膨胀并再编程的外露引脚(即，“黑客端口”)

·磁性干擦除顶部36，用于定制；

·用于与充电站电联接的导电触点(充电时驱动)；以及

·通过开放的蓝牙应用程序接口(API)来支持各种不同的编程语言。

用途：

机器人12可以被视为机器人蓝牙附件。这允许非常容易地使用该装置并且利用了现代消费者电子装置38的通信和计算能力。在用来控制机器人12的智能手机、平板电脑、或私人计算机内的强大处理器上可以完成大多数的复杂处理。这些装置38上的App可以通过定制蓝牙API 37向机器人12发送命令(或命令串)。机器人12接着解释这些命令，从而通过蓝牙API 37更新其传感器28、30和致动器20、22并且将数据发回给外部装置38。

作为实例，人们可以给平板电脑(例如，来自苹果公司的iPad)创建驱动app(如图8所示)，该应用使用平板电脑的加速度计和陀螺仪进行操控。当该app在计算装置38上运行时，在计算装置38与所希望的机器人12之间建立通信。接着该app使用iPad的传感器28和用户输入来确定适当的轮子速度并且将这些希望的轮子速度简单地发送给机器人12以便通过设定相应的马达速度来实施。

交互/行为：

在此所描述的机器人设计能够实现各种不同的有趣且独特的交互。以下提供了在研发过程中产生的几个示例性概念。

连接：

为了使用户经由外部计算装置38连接至机器人12上，将机器人12上电(并且使其从睡眠模式中苏醒)。接着可以经由各种不同的方式形成连接，这些方式包括以下：

·广播与可以由用户选择(或改变)的硬件相关的独特名字或ID；

·多个灯34，这些灯在机器人12上以特定(或随机)颜色点亮并且用户选择通过在app中匹配颜色来连接至机器人12上；

·触摸按钮或摇晃机器人12来使该机器人传递其连接信息；

·使机器人12和平板电脑38(或其他控制装置)“碰撞”在一起，由此大约在同一时间基于其具有的强大加速度来使这两个装置相连。

编程：

由于该机器人通过开放的蓝牙4.0LE或其他接口37来通信，所以机器人12可以支持各种不同的编程语言42。这些语言42包括可视编程语言(如Scratch或Blockly)或基于文本的语言(如Python，Java或C)。可以用不同的编程语言中的库来通过蓝牙向该机器人发送命令或命令串。这些命令中的大多数可以在被接收到时被机器人12解释，但是一些特征可以直接在固件中实现(例如，在检测到停转时使该电机20停止)。机器人12还可以运行被发送到机器人12并存储在机器人上的脚本。以这种方式，它可以在无需蓝牙主装置存在的情况下运行。编程环境还可以包括在硬件上运行程序之前使机器人12的预期行为可视化的模拟器。

反馈：

来自机器人12的许多反馈可以直接呈现在控制机器人12的外部装置38上(由于外部装置38典型地与机器人12通信)。人们还可以使用自带的灯34和声音来作为指示。以下是机器人12可以提供的反馈的一些实例：

·机器人12在被启用时亮灯和/或发出声音；

·机器人12在连接至装置38上时亮灯和/或发出声音；

·例如通过使轴24滑移穿过孔口26来激活拨动开关，使机器人12感测到标记器14(或擦除器15)的插入并且如果插入了标记器14则以与标记器15相匹配的颜色照亮(例如，该轴可以包括多个特征，这些特征例如是机器人12物理地或光学地可检测到的并且指示了该标记器的颜色)；

·机器人12的灯34发出标记器22绘制的颜色(当该标记器被放置成抵靠行驶表面16以留下标记17时)；

·该机器人的灯34发出独特地标识自身的颜色(不同的机器人以不同的颜色点亮)；

·这些灯34照明来匹配在机器人12下方由光子检测器28感测到的颜色(提供透明效果)；

·机器人12上的灯44指示机器人12的状态。

活动：

以下是机器人12可以执行的一些示例性活动或挑战：

·对该机器人编程来通过在板上绘制颜色而跳舞、并且使用机器人12来在板16上绘制的颜色图案中进行扫描，如图6所示—学生甚至不需要平板电脑或计算机来对行为编程；

·使用机器人12来模拟抛射物运动(如图7的虚线所示)，其中用户可以改变抛出力量、抛射物的质量、或重力；

·玩游戏，其中机器人12在手绘的道路中行进(例如被iPad传感器控制)并且机器人12可以被在表面16上绘制的“隆起物”48影响，如图8所示；

·机器人12感测由投影仪50投射到白板16上的信息，如图9所示，其中该信息可以被视为非可擦除信息或(使用相机或其他追踪器)可以基于该机器人的位置和动作而改变；

·机器“蚂蚁”以多个机器人和来自这些机器人12的标记17作为信息素进行觅食，如图10所示；

·机器人12扫描音符，如图11所示，并且播放对应歌曲；

·使用黑客端口54来实现其他科学实验，这些实验可以经由无线通信从机器人12投射到显示器16上，如图12所示；

·探索并绘出环境；

·扫描在表面上所绘制的东西；

·最佳的清洁算法(用该擦除器来清洁该白板)；以及

·玩“蛇”或“Tron-like”游戏。

具体而言，机器人12可以使用机器人12的顶部和/或底部上的颜色传感器阵列28来检测在竖直表面16上的和/或投射到机器人12上的颜色图案46、并且响应于并根据来自颜色传感器28的测量值来致动该致动器22(以便向下方表面16施加或移除标记器14或擦除器15)。这个能力有助于在白板16上进行各种各样的涉及颜色标记17的交互活动。

课程：

为了易于在课堂上采用并且提供切实的学习目标，机器人12基于国际和国家标准被设计成有利于课程。

例如，在科学中，可以使用机器人12来促进基于以下各项的课程：颜色和加光；音调/色调；力；磁体；重力；位置、速度和加速度；测量；生物系统；和科学方法。

在技术中，可以使用机器人12来促进基于以下各项的课程：传感器；编程(函数、递归、调试等)；马达；计算机；电路；以及电压和电流。

在工程中，可以使用机器人12来促进基于以下各项的课程：控制；反馈；机器人；通信系统；工程进程；以及解决问题的挑战。

在数学中，可以使用机器人12来促进基于以下各项的课程：几何和形状；变量；单位；平均值；分数；过滤；和逻辑。

技术：

微控制器：

机器人12使用微控制器56(如图4所示)，以管理多个传感器和致动器并且执行较高水平的功能。微控制器56包括：输入/输出外围设备；存储器，该存储器非瞬态地存储例如用于响应于和根据来自这些传感器的测量值来使该机器人和致动器移位的计算机可执行软件代码；以及与该存储器和输入/输出外围设备通信的处理器。微控制器56与蓝牙无线模块37进行通信以便接收从外部控制器38(例如智能手机、平板电脑、或使用定制API的计算机)发出的命令或脚本。API允许外部程序来读取和写入传感器和致动器设置以及数据。固件可以通过专用连接器和/或通过蓝牙连接37在该装置上被更新。该微控制器处理器也接收从传感器28、30接收到的数据并且发出命令，这些命令被传递给例如驱动这些轮子的马达20和致动该标记器14或擦除器15的致动器22。

无线连接：

用户可以在智能手机、平板电脑或个人计算机上使用蓝牙4.0低功耗连接37来与机器人12相连接。这种技术被植入了许多现代设备中、但也可以通过USB棒或其他附件来添加。该技术针对简单的低功耗通信进行了优化，从而允许硬件是便宜的并且允许通信协议相对简单。用户可以搜索附近的机器人12并且连接到一个机器人(或多个装置)上。注意到，单一机器人12典型地在某一时刻仅连接到单一控制装置38上。一旦连接，控制装置38就可以发送命令或脚本以便机器人来执行。作为示例性的接口，人们可以使用在iPad或其他平板计算装置38上运行的基于触摸的可视编程语言42来控制机器人12。

磁性轮子：

机器人12能够通过两个订制磁性轮子18(如图13和14所示)附接至铁磁表面16例如白板上。永磁体58(例如钕稀土磁体)在带有用于容纳磁体58的孔口61的低成本且易于制造的塑料轮毂60中被固持在位。金属板62被放在轮子的两侧上并且被磁体58磁性地固持在位。这些金属板62引导磁场线形成磁路(穿过这些轮子和行驶表面)，该磁路在轮子18处产生强大附着，如图14所示。可以调整磁体58的数量和位置以改变吸引力。该轮子还可以包括围绕塑料轮毂60的外围的、用于改善牵引力的轮胎。该轮胎可以由压缩材料(例如，非滑移聚合物)制成，该压缩材料改善了牵引力并且避免刮花该行驶表面16。改变该轮胎的厚度也改变了磁性轮子18的吸引力。

这些轮子18可以在白板、黑板、其他铁磁材料、或平坦且水平的非磁性表面上使用。这些轮子是由两个电动马达20以足以竖直驱动机器人12的扭矩来驱动的。这些马达20还可以包括用于优化速度/功率消耗的传动装置以及用于精确估计位置和速度的编码器。

滑移感测和减轻：

在竖直表面上行驶的固有问题之一是重力。具体而言，机器人的轮胎可能打滑或拉伸，从而使机器人以意外方式移动。这种损坏可能表现为向下滑移或意外旋转(当单个轮子18比其他轮子滑移更多时)。机器人12可以包括各种不同的特征以帮助减轻这种打滑。这些特征的实例包括减轻重量、增强粘附力、和来自环境的反馈。

增强粘附力可以采取例如以下若干种形式：

·增大磁体58的数量或大小；

·使用更强大的磁体58；

·优化磁路；

·调整轮胎材料、形状、和/或硬度；

·在轮胎接触行驶表面16之前清洁该行驶表面，由此防止灰尘和污垢累积在该轮胎上；以及

·轮胎清洁机构。

用于减轻打滑的有效方法是使用环境信息来考虑机器人12的期望运动与所观察到的运动之间的差异。一些策略包括：

·建立在不同的环境条件下的预期打滑模型，例如机器人相对于重力的取向；机器人12调整其运动来补偿估计的漂移量和方向；

·使用机器人12上的多个传感器来测量机器人12与行驶表面16之间的相对运动；这些传感器可以是光学的(例如，计算机鼠标中的光流传感器)或机械的(例如球脚轮，该球脚轮类似追踪球地带有多个传感器以用于测量该球的速度和方向，该球被保持与行驶表面16相接触)；这些传感器直接追踪机器人的运动，从而允许实现闭环速度控制并且测量与轮子方向垂直的运动；经由导航与路径规划系统来补偿垂直于驱动轮子18的打滑；机器人12可以使用更多的传感器以帮助过滤这些信息并且更好地估计其真实运动；

·使用外部传感器来追踪机器人12；可以使用机器人12外部的传感器(例如相机或其他经校准的追踪系统)来确定机器人12在行驶表面16上的位置、方向、和运动；这个信息可以被返回给机器人控制器38，使得可以更新运动规划以考虑所测量到的滑移；有利的是，还可以使用相机来确定机器人12在环境中的精确位置(例如，用于导航任务)并且估计该环境中的物体的大小(例如，使用该机器人作为已知大小的物体)；

·通过机器人12来追踪行驶表面16上的地标；这些地标可以是行驶表面16固有的(例如，颜色变化)或者是由用户添加的(例如，添加到表面16上的圆点图案)；通过使用同步定位与地图构建(SLAM)技术，可以使用已知的地标(在被机器人12看到时)来更新机器人在其环境中的位置估计；以及

·使用该环境周围的、机器人12可以检测到的指向标来对其位置进行三角测量；这些指向标可以使用光和/或声音并且可以是主动或被动的；使用方向信息和/或信号强度信息，机器人12确定其在行驶环境中的位置并且考虑所希望的位置与所测量到的位置之间的差异。

颜色感测：

机器人12可以使用光子检测器阵列28来感测行驶表面16上的颜色46。这些传感器28(或类似传感器)可以用来检测行驶表面16的“崖壁”或边缘。这些光子检测器28可以使用光源66(例如，LED)和颜色或灰度传感器28，如图15、16、和23所示。在具体实施例中，这些传感器28通过使用白色光源和彩色滤光器或着色光源(例如，红色、绿色、和蓝色LED)和无滤光(或IR滤光)传感器来检测颜色。通过测量光在从表面16反射时如何变化，可以确定颜色。例如，表面16上的绿色标记物可以吸收更多红色光和蓝色光、同时反射更多绿色光。可以校准这些传感器28来使入射光与感知到的颜色相关。也可以调整标记器油墨来帮助该机器人在不同标记之间进行区分(例如，通过使特定淡绿色油墨吸收比深绿色标记多得多的红外光)。

如图15和16所示，光子检测器阵列28可以被放置成靠近该检测表面或者可以使用光学元件来将光引导至传感器28。传感器28本身可以由多个分立的部件、或预先组装的感光单元(例如，成像芯片)阵列形成。该阵列可以处于线条、盒子、或任何其他形状的形式(例如，在一个原型中为V形)。

在一个实施例中，线性相机68与限定了狭缝71(像针孔相机)或透镜的屏70一起使用。已知颜色的受控光72从行驶表面16反射(不受控的光源应被阻挡)。反射光线74中的一些透过小的狭缝71(或其他光学元件)并且基于它们在该表面上的起点的地方而到达感光阵列28的一部分。狭缝71与相机68(或其他光学元件)之间的距离确定了将要测量的区域。这提供了在该表面中简单且紧凑的扫描方式。注意到，反射的光74可以前行穿过空气或另一种透明介质(例如玻璃或丙烯酸)到达狭缝71和相机68。

这种类型的传感器28的另一个有趣用途是使用它们来对机器人12重新编程。人们可以使用外部光源(例如，投影仪、监视器等)并且使用不同的颜色组合来与机器人12通信。例如，可以将机器人12放在平板电脑屏幕上。接着该平板电脑上的app显示一系列与特定十六进制数值相对应的多色条形码。这串十六进制数值形成有待在机器人12上运行的程序。

致动式标记器：

为了操纵该行驶表面并且实现各种不同的新的交互，这些机器人18设有致动式标记器14，如图18所示。将标记器14定位在机器人的旋转中心处，使得如果机器人12适当转动(例如，如果与该孔口/标记器的中心点等距且相反地间隔开的两个轮子28以相等的旋转速率沿相反的方向进行旋转)，则它围绕标记器14的尖端转动并且仅留下圆点。用于标记器14和相关特征的孔口26可以具有以下属性：

·被定位在旋转中心处；

·匹配标准的白板(例如，EXPO)标记器并且可以是针对其他标记器为大小可调整的；

·可以在标记器14或擦除器15存在时做出确认并且可以确认颜色；

·可以感测标记器14何时在绘图；

·可以是力受控的(例如，擦除器15可以比标记器14被施加更多的力)；

·可以具有多个锁定状态(例如，标记器向上和向下)；以及

·弹簧或其他机构可以提供恒定且已知的接触力。

致动器22的一个实现方式使用了如图19所示的可压缩滚轮来施加压力并且抓住标记器14使之移动。其他实施例可以包括具有两种或更多种稳定状态的机构(例如，标记器14被升高/降低或不同的接触力)，这些状态需要极少能量或不需要能量来维持。致动器22还可以缠绕弹簧或其他装置以便调整在绘制或擦除时的力。

擦除器附件：

机器人12可以包括专用擦除器附件15，机器人12可以用与致动普通标记器相同的方式来致动该附件。擦除器附件15可以包括连接至标记器大小的轴24上的擦除材料(例如，毛毡)块76。可以将这个轴24插入成与该标记器致动器机构22相接触，以便选择性地施加力并且将干擦除表面16进行擦净。

擦除器15的实施例可以包括以下各项：

·压缩泡沫材料层78，该材料层连接至擦除材料76上以确保均匀的压力和受控的接触力；

·经修改的轴形状，用于改善机器人12的抓握和/或防止旋转(例如，D形轴或带有肋的轴)；

·用于改善与机器人的连接的纹理表面；

·用于对准和/或额外的力的附件轴；

·类似齿条与小齿轮的机构；以及

·轴24中的、用于控制所施加的力的弹簧。

可定制外壳：

机器人12的顶表面36可以是磁性的和/或干擦除白板表面，使得孩子们可以对机器人12进行定制，如图21所示。这种定制对通常被涉及个性和个性化交互的挑战所激励的较年轻用户而言尤其有利。该外壳的顶表面36可以支持来自标准的干擦除标记器的油墨和小的磁性附接件。潜在的磁性附接件包括以下各项：

·具有不同设计的磁性覆盖件；

·允许用LEGO兼容性积木堆建的磁性附件；

·用于另外的马达的附接件；以及

·另外的传感器或分接板。

注意到，该外壳的顶表面36设有无线信号可以穿过的非导电区域。在该外壳的另外的实施例中，该外壳的顶表面36充当大的按钮致动器。这种经由外壳的致动可以是机械性或是通过感测电容变化的。

黑客端口：

机器人12可以具有若干个电源和用户可获得的I/O引脚54，这些引脚还可以通过蓝牙连接来控制，以允许用户添加其自己的传感器和/或致动器，由此使得该平台能够被扩展并且甚至用作其他科学实验的移动平台。电池：

该机器人可以由电池32供电，如图22所示，这可以基于最常见的电池化学组成。该设计还支持专用电池组，这些电池组可以容易地置换出(并且甚至基于彼此不同的电池技术)。

课堂用途和可扫描课本：

为了便于将课程带入教室，可以部署系统级别的实施例，其中传统的课本具有被印在课本中的可扫描代码(例如QR代码)，这些代码充当触发器来告知机器人要产生哪种类型的演示或课程。例如，老师/学生扫描物理学轨迹问题的代码(如图7所示)；智能装置(外部控制器38)确认该扫描、从外部离线或在线数据库扫描加载该扫描的指令；并且控制器38将课程计划传递给该机器人。机器人12接着可以在白板上绘制学习材料并且为学生创建该扫描所特有的交互演示。老师可以通过仅扫描课本来利用机器人交互演示，从而使对于机器人演示的阻碍非常简单。实践实例也可以出现在数学中，其中机器人在板上画出图解。

外部事件-动作控制：

在另一个实施例中，使用了基于拖拽的程序，这些程序通过关联‘事件’与‘动作’而被触发。‘事件-动作’关系创建了‘规则’。规则被排序并且可以重新排序以允许机器人12知道哪些规则优先。带有相同优先级编号的规则可以一起并行地运行。多个规则的集合变成‘行为’。‘行为’可以被保存并且作为‘动作’重新加载回到编程环境中。例如，使得机器人12在行驶表面16上遵循线条的‘行为’可以是由‘事件’触发的‘动作’(例如，充当外部控制器38的智能手机被来回摇晃)。此外，这个实施例演示了，事件不仅限于机器人上的这些传感器，它们可以包括来自外部控制器38的事件(触摸屏、麦克风输入、加速度信息、相机图像捕捉、定时功能、或者任何其他感测形态)。这些程序可以被存储为计算机可读介质上的软件代码并由控制器38中的计算机处理器执行；接着在执行该代码时由该处理器产生的动作可以经由控制器38中的无线发射器被传递给机器人12的无线接收器以便执行。

在描述本发明的实施例时，为清楚起见使用了特定的术语。为了描述的目的，特定的术语旨在至少包括以类似方式起作用而实现类似结果的技术上和功能上的等效物。此外，在本发明的具体实施例包括多个系统要素或方法步骤的一些情形下，这些要素或步骤可以用单一要素或步骤替代；同样地，单一要素或步骤可以用起到相同目的的多个要素或步骤来替代。进一步，在本文针对本发明的实施例指定了多种不同特性的参数或其他值的情况下，这些参数或值可以上下调整1/100、1/50、1/20、1/10、1/5、1/3、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10、19/20、49/50、99/100等等(或向上调整1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100倍等等)、或调整其四舍五入近似值，除非另外指明。此外，虽然已参照本发明的具体实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员应理解的是，可以对其在形式和细节上作出多种不同替代和更改而不背离本发明的范围。又另外的其他方面、功能和优点也是在本发明的范围之内的；并且本发明的所有实施例不必实现所有这些优点或者具有上文描述的所有特性。此外，本文结合一个实施例所讨论的步骤、要素和特征可以同样地结合其他实施例来使用。本文全篇引用的参考文献的内容(包括参考文本、杂志文章、专利、专利申请等)都以其全部内容通过援引并入本文；并且来自这些参考文献中的适当的部件、步骤和特征可以包括在或可以不包括在本发明的实施例中。还进一步地，背景部分中明确的部件和步骤是与本披露一体的并且可以结合在本发明的范围内在本披露的其他地方描述的部件和步骤来使用、或代替这些部件和步骤。在以具体顺序叙述了多个级的方法权利要求中(为了方便引用而添加了或未添加顺序性的前序字符)，这些级不得解释为在时间上受限于对其进行叙述的顺序，除非用术语和短语另外指明或暗示出。

Claims (22)

1.一种颜色或灰度感测型磁性移动式作标记机器人，包括：

机器人本体，该机器人本体包括顶表面和底表面，并且该机器人本体包括被配置用于在其中安装标记器的固位器；

在该机器人本体中或与之相联接的磁体；

至少两个轮子，该至少两个轮子与该机器人本体相联接并且从该本体的底表面伸出，从而允许该机器人以这些轮子与磁性结构的竖直取向的表面相接触地攀爬并且移位跨过该竖直取向的表面，其中该固位器被配置为将安装在该固位器中的标记器的标记尖端放置在这些轮子之间的旋转中心处；

致动器，该致动器被配置成用于使轴在该固位器中往复地移位；

颜色或灰度传感器阵列，该颜色或灰度传感器阵列位于该顶表面和该底表面中的至少一者上并且被配置成用于在该机器人移位跨过该竖直取向的表面时检测颜色或灰度图案；以及

与这些传感器、该致动器、和这些轮子通信的计算装置，其中该计算装置包括处理器和与该处理器通信的计算机可读存储器，其中该计算机可读存储器包括用于以下动作中的至少一项的非瞬态程序代码：

a)使该机器人移位；以及

b)响应于并且根据来自这些传感器的测量值来致动该致动器。

2.如权利要求1所述的颜色或灰度感测型磁性移动式作标记机器人，其中，该固位器是由该机器人本体限定的孔口，并且该轴穿过该孔口进行往复运动。

3.如权利要求1或2所述的颜色或灰度感测型磁性移动式作标记机器人，进一步包括：包括轴的擦除器，该轴装配在该机器人本体的该固位器中并且是该致动器可致动的以便将该擦除器往复地放置成与该竖直取向的表面相接触和将该擦除器移到不与该竖直取向的表面相接触。

4.如权利要求2所述的颜色或灰度感测型磁性移动式作标记机器人，进一步包括：包括轴和作标记尖端的至少一个干擦除标记器，其中该轴装配在该机器人本体的该孔口中并且是该致动器可致动的以便将该作标记尖端往复地放置成与该竖直取向的表面相接触和将该作标记尖端移到不与该竖直取向的表面相接触。

5.如权利要求1所述的颜色或灰度感测型磁性移动式作标记机器人，其中，在这些轮子中包括多个磁体。

6.如权利要求1所述的颜色或灰度感测型磁性移动式作标记机器人，其中，这些颜色传感器被安装在该机器人本体的底表面上。

7.如权利要求6所述的颜色或灰度感测型磁性移动式作标记机器人，进一步包括灯，该灯安装在该机器人本体的底表面上并且被配置成用于产生光，该光从该竖直取向的表面反射并且被这些传感器记录。

8.如权利要求1所述的颜色或灰度感测型磁性移动式作标记机器人，其中，这些传感器安装在该机器人本体的顶表面上。

9.如权利要求1所述的颜色或灰度感测型磁性移动式作标记机器人，其中，该计算机可读存储器包括响应于并根据来自这些传感器的测量值来使该机器人移位以及致动该致动器的程序代码。

10.一种通过移动式机器人在竖直表面上进行交互式作标记的方法，包括：

使移动式机器人在竖直表面上移位，其中，所述移动式机器人包括：包括固位器的机器人本体；至少两个轮子，该至少两个轮子与该机器人本体相联接并被配置为在该竖直表面上移位所述移动式 机器人；传感器；以及致动式标记器，该标记器安装在该固位器中，并具有放置在这些轮子之间的旋转中心处的标记尖端；

用该传感器来检测该竖直表面上、其中、或后方的特征；并且

响应于这些特征的检测来控制该移动式机器人的移位和该致动式标记器的致动。

11.如权利要求10所述的方法，其中，通过光学检测该竖直表面上的颜色或灰度特征来执行该特征检测。

12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：以与该机器人在该竖直表面上检测到的颜色相匹配的颜色来启用该机器人上的或其中的发光元件。

13.如权利要求12所述的方法，进一步包括：以与检测到的该标记器的颜色相匹配的颜色来启用这些发光元件。

14.如权利要求10所述的方法，其中，该标记器通过往复移位被致动成在该固位器内和抵靠该竖直表面。

15.如权利要求14所述的方法，其中，该固位器是在该机器人中限定的并且穿过该机器人的孔口。

16.如权利要求14或15所述的方法，其中，在该机器人中安装了擦除器，该方法进一步包括使该机器人在该竖直表面上移位，使得该擦除器擦除由该标记器在该竖直表面上形成的标记。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括：从该固位器中取出该标记器并且用该擦除器来替换该标记器。

18.如权利要求10所述的方法，进一步包括：使用与该机器人没有物理联接的外部控制器来控制该机器人的移位和该标记器的致动。

19.如权利要求10所述的方法，其中，该机器人是经由多块磁体附着至该竖直表面上的。

20.如权利要求10所述的方法，其中，该竖直表面是白板。

21.如权利要求10所述的方法，其中，该移动式机器人包括与该竖直表面相接触的多个轮子，并且其中通过旋转这些轮子使该移动式机器人在该竖直表面上移位，该方法进一步包括：

检测这些轮子中的至少一个轮子在该竖直表面上的滑移；并且

调整该机器人的移位以补偿该滑移。

22.如权利要求10所述的方法，进一步包括：从具有外部控制器和通信命令的书中将代码扫描到移动式机器人以用于响应于所扫描的代码来执行。

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