CN101297267A - 多功能机器人设备 - Google Patents

Abstract

一种多功能机器人设备可以在各种用途中通用。根据一个方面，多功能机器人设备可以选择性地配置成根据与机器人主体操作连接的可选择性拆卸的功能盒执行所期望的功能。定位和测绘技术可以采用与操作环境的各个部分相关联的局部地图、数据压缩或两者。

Description

多功能机器人设备

相关申请的交叉参考

本申请要求了以下共同未决美国临时申请：2005年9月2日提交的题目为“CARTRIDGE FOR ROBOTIC DEVICE”的No.60/713838；2005年9月29日提交的题目为“LASER ANDCAMERA-BASED FEATURES FOR CONSUMER ROBOTS”的No.60/722781；以及2005年9月29日提交的题目为“WALL BASEAND SELF-RECHARGING FEATURES FOR SELF-MOBILEROBOTS”的No.60/722856的优先权。前面这些临时申请的内容其全文在这里被引用作为参考。

技术领域

本发明大体上涉及机器人设备领域，并且更具体地说涉及可用在各种应用领域中的多功能机器人设备。

背景技术

可用于家庭和商业用途例如清洁的自动或自主装置(即机器人设备或机器人)通常使用需要补充的耗材；在这方面，这些耗件通常包括但不限于清洁水或流体清洁溶液、地板蜡、缓冲剂或清洁垫等。这种普通装置明确需要所有者或操作人员重新补充液体容器或否则手动补充可消耗供应品。从消费者方面看，一般认为这些耗材的处置和安装是困难的、费力的、肮脏的。从制造者方面看，配送多种耗材供单个装置使用效率较低并且比较困难(例如由于配送渠道限制)。现有技术难以为机器人设备的所有者或操作人员提供简单而有效的方式来补充该装置所需的耗材。

机器人设备通常允许一定程度的用户引导或控制以便改变功能特性或操作行为；是否能够完全自主或只是部分自主工作，但是功能机器人设备通常必须操作以在没有或很少具有来自用户或操作人员的投入的环境周围行走。为了对于许多家庭或商业用途而言是经济的，能够实现或便于机器人导航的普通传感器系统趋向于非常简单。在这方面，原始的导航系统使得普通装置效率较低地围绕着工作环境跳飞；这些装置从障碍物反弹回去并且反复重新访问已经经过处理的区域，从而浪费了耗材和电池电能。作为可选方案，最好按照具有多个功能同时减小或者消除了重复劳动以保持成本节约这样一种方式来实现一种完善的传感器系统。

在机器人没有操作时，往往期望在其任务完成时从其操作环境中将机器人移走。例如，承担清洁厨房地板的机器人设备即使在已经完成了清洁循环之后如果仍然保留在拥挤区域中也会对厨房的人造成危害。用来便于机器人存放的普通机构(例如“机库”或充电站)是不完善的；由于机械和电气配套结构不完善以及导航能力不够，所以许多机器人不能可靠持续地与普通机库或充电站接合。在不能提供可靠的机器人存放和充电解决方案的同时，普通设备通常也不能让机器人在接合在其基座或充电站时从有利方面观看其操作环境。

另外，普通机器人设备通常是专用的，即它们被配置并且操作用来执行专门的功能，而不能执行其它功能。例如，拖地板机器人可以包括专门设计并且操作用来执行拖地板功能的结构元件；另外，用来控制或以其它方式影响机器人的操作的计算机硬件和软件、任意传感器系统等都专用于让机器人能够拖地板的特定专用结构布置。这种拖地板机器人不能在不进行明显结构改变的情况下重新配置成执行其它操作(例如对地板吸尘或给地板打蜡)；另外，为了改变通常机器人平台的整体功能还需要传感器重新配置、软件重新编程或其一些组合.传统技术不能为机器人设备的所有者或操作人员选择地提供将该装置重新配置以执行所期望的功能的简单有效的方式。

发明内容

本发明的实施方案克服了传统技术的上述和各种其它缺点，从而提供了能够通用于各种用途的多功能机器人设备。根据本发明的一个方面，可以选择地对多功能机器人设备进行配置以执行所期望的功能。

如下面所更详细地描述的一样，多功能机器人的一个实施方案包括：具有驱动机构的主体；以及与主体连接的功能盒，其中根据功能盒的特性将机器人选择性地配置成执行一项功能。主体还可以包括用来给驱动机构提供指令以使机器人在操作环境中定位的电子模块和用来给电子模块提供数据的感测装置。数据可以与机器人相对于在操作环境中的物体的位置相关。

在一些实施方案中，感测装置包括光学组件，并且数据为光学数据；另外或可选的是，感测装置包括临近传感器，并且数据为临近数据。提供给驱动机构的指令可以受到光学数据、临近数据或两者的影响。

这里披露了这样一些实施方案，其中在功能盒与主体连接时功能盒的特性使得机器人执行拖地功能、吸尘功能或扫地功能。在一些情况中，在功能盒与主体连接时自动地完成机械连接以让功能盒能够操作。在一些实施方案中，主体还包括用来识别出功能盒的特性的检测器部件。

根据本发明的另一个方面，机器人设备的一些实施方案包括：驱动机构；电子模块，用来给驱动机构提供指令以使机器人设备处于操作环境中；光学组件，用来给电子模块提供光学数据，该光学数据与机器人设备相对于操作环境中的障碍物的位置相关并且影响提供给驱动机构的指令；以及可选择性地连接的功能盒，用来建立机器人设备的功能，其中根据功能盒的特性将机器人设备选择性地配置成执行一项功能。

这种机器人设备还可以包括用来识别出功能盒的特性的检测器部件；如上所述，在连接功能盒时可以自动地完成机械连接以让功能盒能够操作。在一些实施方案中，机械连接与驱动机构连接；可选的是，机械连接可以接收来自不同机构的操作能量。另外或可选的是，在连接功能盒时可以自动地完成电连接以使得功能盒能够操作。电连接部分可以与由机器人设备所装载的电源连接。这里披露了这样的实施方案，其中电连接部分使得在功能盒和电子模块之间能够进行双向数据通信；在某些环境中，电子模块根据通过电连接接收到的数据识别出功能盒的特性。

根据一些实施方案，多功能机器人包括主体和用来使连接机构接合在主体上的可选择连接的功能盒，其中根据功能盒的特性所述机器人可选择性地重新配置成执行一项功能。在这方面，主体可以包括：驱动机构；电子模块，用来给驱动机构提供指令以使机器人在操作环境中定位；感测装置，用来给电子模块提供数据，该数据与机器人相对于操作环境中的物体的位置相关；传感器阵列，用来给电子模块提供临近数据，该临近数据与机器人设备相对于操作环境中的障碍物的位置相关；以及连接机构，用来接收功能盒。如上所述，主体还可以包括用来识别出功能盒的特性的检测器部件。

根据本发明的另一个方面，一种将操作环境绘图以便于机器人航行的方法包括：在与表示一部分操作环境的局部地图相关的扫描点处获取光学数据；识别出那部分操作环境的特征并且将所识别出的特征与所述局部地图相关联；在由局部地图表示的那部分操作环境来回移动；获取附加的光学数据；并且根据来回移动和获取附加数据来更新局部地图。这种方法还包括选择地重复来回移动，获取附加数据和更新。

这里披露了这样的实施方案，它们还包括离开局部地图并且前进到表示操作环境不同部分的不同局部地图的扫描点。获取光学数据和获取附加数光学数据可以包括利用准直(collimate)光源，利用漫射光源或两者。在一些实施方案中，识别和更新包括根据光学数据和附加光学数据计算出到所识别的特征的距离。

将操作环境绘图以便于机器人航行的一些方法通常包括：将操作环境分割成多个局部地图，多个局部地图中的相应每一个表示操作环境的相应部分；通过以下步骤来为多个局部地图中的相应一个绘图：获取光学数据以识别出与操作环境的相应部分相关的特征；根据该获取结果，使所识别的特征与多个局部地图中的相应一个相关联；选择性地重复所述获取和关联；并且离开多个局部地图中的所述相应一个并且前进到多个局部地图中表示操作环境不同部分的一个不同局部地图。一些这种实施方案包括选择地重复进行测绘直到已经测绘出操作环境的每一个相应部分。

如上所述并且如下面更详细描述的一样，获取光学数据可以包括利用准直光源，利用漫射光源或两者。在这里所提到的一些情况中，关联包括压缩数据结构，保持表示多个局部地图中的相应一个的数据。

用来确定机器人在操作环境内的位置的一些方法包括：将操作环境分割成多个局部地图；获取与在机器人和由机器人当前所占据的多个局部地图中的一个相对应的一部分操作环境中的特征之间的距离相关的数据；并且根据获取结果计算出机器人的位置。一些这种方法还包括选择性地重复获取和计算。数据获取可以包括准直光源，利用漫射光源或两者。

根据本发明的另一个方面，机器人包括利用用来确定机器人在操作环境中的位置的数据和指令来编码的计算机可读介质；所述数据和指令使得机器人进行以下步骤：产生多个粒子，多个粒子中的每一个具有表示有关机器人的位置和倾斜度的假设情况的相关假设情况数据；从机器人的当前位置中获取与操作环境的一个透视图(perspective)相关的数据；将该数据和与多个粒子中的至少一些相关的假设情况数据进行比较；并且根据该数据和假设情况数据的比较给多个粒子中的至少一些施加权重；其中用于多个粒子中的每一个的假设情况数据的位置分量局限于在操作环境中的位置子集。

附加数据和指令还可以使得机器人执行以下步骤：在相关的假设情况数据类似于由机器人所获取的数据时增加多个粒子中的一个的权重；并且在相关的假设情况数据与由机器人所获取的数据不相似时减小多个粒子中的一个的权重。

在一些实施方案中，数据和指令还可以包括使得机器人放弃多个粒子中其权重低于放弃阈值的那些粒子，复制多个粒子中其权重高于复制阈值的那些粒子，或者两者都进行。

通过结合附图阅读以下详细说明将了解本发明各个实施方案的前面和其它方面。

附图说明

图1A为多功能机器人设备的示例性实施方案的鸟瞰透视图。

图1B为图1A的多功能机器人设备的从下往上看的透视图。

图2A为多功能机器人设备的示例性实施方案的局部分解鸟瞰透视图。

图2B为图2A的多功能机器人设备的局部分解从下往上看的透视图。

图3A为机器人主体的示例性实施方案的局部分解透视图。

图3B-3D为简化示意图，显示出由传感器阵列所采用的传感器几何形状的一个实施方案的侧视图。

图4为设计用于与机器人主体结合使用的专用盒(cartridge)的示例性实施方案的局部分解透视图。

图5A为专用盒的示例性实施方案的简化剖视图。

图5B为专用盒的可选垫片布置的简化剖视图。

图6为简化示意图，显示出蠕动泵送机构的示例性实施方案。

图7A-7C为简化示意图，显示出刷辊组件的示例性实施方案。

图8A-8D为简化示意图，显示出用于与专用盒结合使用的垫片材料的示例性实施方案。

图9为简化示意图，显示出专用盒的另一个示例性实施方案的几个视图。

图10为简化方框图，显示出包括光学传感器的光学组件的示例性实施方案的各个组成部件。

图11为在操作环境中的机器人的简化顶视图。

图12为简化示意图，显示出由光学传感器接收到的不同输入信号。

图13为结合光学组件的示例性实施方案操作的传感器的简化剖视图。

图14为结合光学组件的另一个实施方案操作的传感器的简化剖视图。

图15为结合光学组件的另一个实施方案操作的传感器的简化剖视图。

图16A为在操作环境中的机器人的另一个简化顶视图。

图16B为在操作环境中的机器人的另一个简化顶视图，其特征在于采用了可选光学组件的另一个实施方案。

图16C和16D为简化示意图，示出了光学组件的另一实施方案的简化图。

图16E为简化流程图，显示出同时定位和测绘(mapping)的方法的一个实施方案。

图16F为简化流程图，显示出采用局部地图进行同时定位和测绘的方法的示例性实施方案。

图16G为划分成多个局部地图的操作环境的简化顶视图。

图17为在操作环境中处于第一位置中和处于与基座结合的第二位置中的机器人的简化侧视图。

图18为充电站的简化图。

图19A和19B分别为简化顶视图和剖面侧视图，显示出配置成在不工作时占据最小空间的机器人的一个实施方案。

图20A和20B分别为简化顶视图和剖面侧视图，显示出基座的一个实施方案。

图21为在不工作时期与基座和充电站的一个实施方案结合的机器人的简化侧视图。

图22为在不工作时期与基座和充电站的另一个实施方案结合的机器人的简化侧视图。

具体实施方式

现在参照这些附图，图1A和1B分别为多功能机器人设备的示例性实施方案的鸟瞰透视图和从下往上看的透视图，并且图2A和2B为其鸟瞰局部分解透视图和从下往上看的局部分解透视图。

要理解的是，多功能机器人设备(“机器人”)100其特征通常在于，能够在用户或操作人员没有干涉或干涉很小的情况下自发或自动执行任务。

在这方面，机器人100通常可以包括计算机硬件和软件，用来提供一定程度的智能并且另外控制或影响在下面所述的各种机电和其它结构元件的操作。各个组成部件的整体形状、物理尺寸、结构取向或布置以及操作特性都容许具有对于本领域普通技术人员而言是显而易见的许多变型。

结构概述

如图1A-B和2A-B所示一样，机器人100通常包括主体200和功能盒300。图3A为机器人主体的示例性实施方案的局部分解透视图。图4为设计用于与机器人主体结合使用的专用盒的示例性实施方案的局部分解透视图，并且图5A为其简化剖视图。

如在下面更详细描述的一样，主体200通常可以配置并且操作用来提供机动力以驱动机器人100在操作环境例如所要处理的地板或其它表面四处行走。在这方面，主体200可以包括电子模块220、传感器阵列230、机动驱动机构240(包括例如电机241、243和轮子242、244)、光学传感器装置例如光学组件260、泵机构290以及如下所述可选用来给功能盒300的各个组成部件提供操作能量的附加电机250。

主体200通常还可以包括操作人员输入面板270。如在这些附图中所示一样，面板270可以采用用来接收输入的一连串按(旋)钮，但是面板270可以包括允许操作人员与机器人100互动的其它可选结构，例如选择地打开或断开电源并且输入命令或提供其它指令。在这方面，面板270可以包括显示器例如液晶显示器(LCD)，或者其它用来显示有关操作状态的信息(例如当前程序编制、剩余电池电能、到下一个清洁循环的时间等)的监视器；这种显示器可以为触摸型的，从而接收来自操作人员的输入。另外或可选的是，面板270可以包括键盘，从而使得操作人员能够输入字母-数字字符以指示机器人100进行专门的任务，重新配置软件或防火墙，或者与机器人100互动以影响或控制其操作。在这方面，在面板270处接受的输入可以传送给电子模块220。另外，优选的是，给面板270配备传感器，用来接收来自如本领域所公知的一样通常用来操纵用户电子设备的远程控制单元(未示出)的信号。可选的是，电子模块220可以直接接收来自远程控制单元的输入，即不需要面板270干预。

要理解的是，主体200的各个组成部件在操作期间需要电能。因此，主体200可以包括电源例如一次性或可再生电池或电池串或者可以构成为与之连接，它们中的任一个可以包括电能管理硬件、防火墙或软件或者与之结合在一起(例如，电池组或所谓的“灵巧(smart)电池”)。另外或可选的是，可以采用燃料电池、太阳能电池或大电容或电容组。在一些布置中，主体200可以配置成例如通过电线或电缆从外部电源接收操作能量；这种外部能源可以在操作期间给各个组成部件供能，可以给内部电源再充电，或者两者都行。许多适当的电能供应源和连接硬件在本领域都是公知的，并且在这里没有给出详细说明。因此，为了清楚从这些附图中删除了直流电池电源、交流电源、电源接口硬件以及任意附属的变压器和内部电源线。要理解的是，在无需创造性劳动的情况下可以实现鲁棒性强并且灵活的能量供应和管理系统，并且这些说明性实施方案不限于任意特定的能量源，也不限于任意专门的电能管理策略。

另外，主体200可以包括功能盒接合机构(为了清楚在这些附图中没有显示出)，它被配置并且操作用来与功能盒300的结构元件合作，从而可以将功能盒300选择地插入到主体200中或者以其它方式与之物理接合。本领域普通技术人员要理解的是，各种连接和卡合机构都适用于按照固定的方式使功能盒300和主体200接合。合作机构的实施例包括但不限于：凸起和插槽布置；设计用来沿着轨道或导轨滑动的突起。这些接合机构另外可以包括按钮、凸起、旋钮、可滑动闩锁或者其它用来使功能盒300与主体200脱离接合的松开机构(在图1B和2B中的参考标号201)。本发明不期望局限于任意特定的接合和松开技术，也不限于其它可以用来使功能盒300与主体200连接的选择性安装策略，只要该接合机构与如下所述适用于使得由功能盒300装载或设置在其中的组成部件能够操作或以其它方式便于其操作的机械和任意所需或所期望的电连接相适应。

具体地说，主体200和功能盒300可以构成为相互连接，从而一旦与主体200正确接合，可以自动地完成有利于功能盒300的各个组成部件起作用的必要或所期望的机械和电连接。在如此相互连接时，功能盒300和主体200可以被称为可操作连接。在操作中，主体200可以例如根据由电子模块220提供的指令或建议将接合的功能盒300选择地设置在操作环境中的所期望或随机位置处。

电子模块220通常可以包括足以为机器人100提供必要的或所期望的控制功能的合适电子或电气部件。在这方面，电子模块220可以实现为或包括一个或多个可编程计算机处理器、微型计算机、微型控制器或其它硬件元件，它们可以适当编程或以其它方式配置成能够进行下面所述的导航或其它功能的一些或全部。例如，电子模块220可以包括或实现为能够提供指令以影响机器人100或其组成部件的行为的微型处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑控制器(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)或任意其它类型的处理器或可寻址存储器.如本领域所公知的一样，电子模块220可以结合有或以其它方式使用易失性存储器、非易失性存储器或两者的组合(为了清楚起见在这些附图中未示出)。

电子模块220另外可以包括通信端口例如有线(例如，FIREWIRE或通用串行总线(USB))或无线(例如蓝牙或IEEE 802.11(WiFi)标准)通信端口以能够方便结合到电子模块220中或可以对它使用的软件重新编程或重新配置。可选的是，电子模块220可以实现可拆卸(即可更换)插卡或模块，从而能够方便硬件和软件功能的更新或重新配置。另外或可选的是，电子模块220可以使用的存储器(易失性或非易失性)可以包括或实现为可更换卡或存储器模块。

在一些实施方案中，电子模块220可以结合或可以使用射频(RF)接收器以检测从配备有适当RF发射器或安装在其上的设备中发出的信号。为了操作人员方便，可以将电子模块220编程为或指示它识别出从安装在例如钥匙链上的发射器发出或者从贴在无线电话或一些其它物品上的发射标签发射出的信标或RF信号源。在如此构成时，带有具有这种能力的电子模块220的机器人100可以帮助操作人员寻找丢失的皮夹、钥匙链、皮包或任意其它带有RF发射器的物品，这可以与机器人100组装在一起或者作为附件销售。

传感器阵列230通常包括一个或多个传感器231或传感器串235，它们操作用来感测其中采用了机器人100的操作环境中的各个方面.在这方面，传感器阵列230可以获取有关设置在操作环境中的物理结构的有用信息，并且将该信息传送给电子模块220以便进行处理或其它分析。这样，传感器阵列230可以用作“临近(proximity)传感器”，例如允许机器人100避开障碍物同时有效覆盖操作环境的无阻碍部分。

要理解的是，机器人100的一些实施方案在有灰或其它不卫生操作环境中可以用作清洁装置；因此，传感器231可以按照在使用期间保持尽可能清洁和不受阻碍的方式设置在主体200上。如图1A和2A所示，传感器串235可以高高地设置在所要处理的表面上方以便降低传感器231由于颗粒物或其它污垢而可能性能变差的可能性。在这方面，例如另外通过罩子、百页窗或一些其它保护结构例如塑料或丙烯酸窗来防止传感器231受损和染尘。要理解的是，这种保护元件不应该妨碍传感器231的操作，并且可以由允许进出传感器231的信号能够基本上没有削弱地通过的材料构成。用于这种结构的材料可以根据所采用的特定感测技术来选择。

传感器231可以实现为多种感测结构或硬件元件中的任一种。如本领域所公知的一样，传感器231可以设计成对在所选频带中的电磁能量例如RF、红外线(IR)、紫外线(UV)、微波等敏感。例如可以通过传感器231来实施可选的感测技术例如可以采用超声波。在具有足够数据处理资源的更完善系统中，例如传感器231可以为光学或视频传感器。

在传感器231或传感器串235的相对位置和空间取向是已知的并且记录或以其它方式存储在电子模块220中的情况下，传感器阵列230可以方便使机器人100精确定位和导航。在这方面，电子模块220可以通过考虑传感器231相对于彼此的已知几何形状以及由传感器231或传感器串235的组合提供给电子模块220的信号性质和定时来执行定位和导航处理。对于位置而言，可以采用传感器定位器(参考标号236)来使在传感器串235内的每个传感器230保持在所期望的取向中。在如上所述采用窗户或其它保护部件来防止传感器231变脏的情况下，这些结构通常设置在定位器236外面。

要理解的是，在传感器阵列230中的每个单独传感器231可以如此与电子模块220连接，从而可以将信号传送给处理器或其它计算机硬件；另外或者可选的是，传感器串235可以按照类似的方式与电子模块220连接。来自传感器串235的信号可以按照对于在传感器串235中的每个传感器231而言为离散信号形式传送给电子模块220，或者作为来自在传感器串235中的一个以上传感器231的合成信号传送给电子模块220。在一些实施方案中，在特定传感器串235中的各个传感器231无需为相同类型，也无需采用相同的技术。例如，传感器串235可以在一个位置中采用RF传感器并且在另一个位置中采用IR传感器。各种单独传感器技术的组合可以特定用于特定用途。

图3B-3D为简化示意图，显示出由传感器阵列所采用的传感器几何形状的一个实施方案的侧视图。在这些附图中描绘出的发射器和检测器可以通过定位器236固定以产生出所示的检测区域。

包括传感器阵列230的临近传感器系统可以为机器人100提供防撞功能或便于其防撞。在所示的实施方案中，传感器阵列230的元件利用相交锥体来在相对于主体200的所期望或适当位置处产生出检测区域。要理解的是，检测区域相对于主体200的位置可以受到发射器和检测器由定位器236保持的相对角度的影响，并且该区域的所期望或最佳位置会受到许多因素的影响，包括但不限于所采用的感测技术的范围、所期望的机器人100的最大速度、设置在操作环境中的障碍物或结构的尺寸和特性等等。

发射器可以为IR发光二极管(LED)或其它本领域所公知的光源。根据关于发射器所采用的技术，可以选择适当的检测器，从而具有最高的灵敏度以与由发射器提供的输出信号波长相匹配。在操作中，如图3B所示，发射器可以以与用于检测器的检测锥相交的角度形成光锥.在该三维相交区域内，发射器将通常照亮任意物体的一个或多个表面，并且检测器将直接看到或以其它方式观察到反射或漫射光.因此，传感器阵列230的这些传感器231组成部件可以为电子模块220提供表示物体或表面在离主体200为已知接近度内的肯定检测结果的数据。通过如图3A所示例如将多个发射器和检测器布置在机器人100的主体200上，从而可以选择地产生出各种检测锥以检测会阻碍或妨碍安全导航的障碍物和其它潜在危害。

通过采用已知固定的几何形状来在相对于主体200的已知位置和取向中产生出检测区域，示例性方法可以采用简单二进制检测方案，即由检测器输出的信号可以从零切换到非零(或反之亦然)以表示检测.为了便于这个进行，在图3B-3D中所示的几何形状利用了倾斜设置的照射锥(对于发射器而言)和检测锥(对于检测器而言)，从而这些锥体重叠最小并且处于预定位置中。可以对该几何形状进行微调，从而在表面高度中的甚至非常小的升高、悬崖或其它变化使得由检测器观察的反射从零变为非零(或者反之亦然)；输出信号因此可以改变，从而给电子模块220指出传感器231已经进行了检测。在一个示例性实施方案中，该几何形状可以使得传感器231检测高度为1/4英寸或更小的障碍物或其它物品；传感器231可以例如检测低地毯在硬地板上的存在。因为由检测器观察到的光为零或非零(根据表面或物体是否处于在检测区域中的已知位置处)，并且因此由检测器输出的信号因此可以在零和非零之间改变，所以该示例性方案无需依靠测量或以其它方式确定所检测光的强度来估计出离由发射器照射的物体或障碍物的距离。因此，传感器阵列230的性能可以对在所照亮物体的表面颜色、纹理和其它特性中的变化不敏感，否则这会对传感器231精度产生不利影响。

在机器人100在操作环境内行走时，在检测区域中碰到的任意物体将给传感器230呈现可以检测到的表面。示例性几何形状允许较宽范围的入射角(相对于照射表面)，这样传感器231可以高效地作用；可以检测出在相对于传感器231处于实际上任意取向中的表面.同样，甚至具有高度可变表面特征或纹理或者在几何形状或特性方面不规则的物体也可以由传感器231识别出，从而产生出可以报告给例如电子模块220或者以其它方式传送以便进行适当处理的信号.如图3C所示，台阶的水平和垂直表面形成了可以由发射器照射的潜在目标表面，并且因此将入射光反射以便检测器记录。在一些实施方案中，可以将检测区域的高度(或者垂直记录)初始化、编程或以其它方式调节(例如通过定位器236)以使得能够检测其高度在机器人100的攀爬能力之外的障碍物。在一些情况中，最好不要检测其垂直尺寸低于这种阈值的物体；可选的是，这些物体可以由传感器231检测出，但是可以被电子模块220忽略。在其中机器人100能够清洁其高度为1/4英寸的障碍物的一个示例性实施方案中，可以适当确定检测区域的尺寸和取向，从而传感器231不会检测出低于该高度的物体。

除了检测可以表征为障碍物的物理结构之外，最好同样可以检测结构的不存在。例如，传感器231的示例性几何形状便于检测表面的不存在例如在悬崖处。在一些情况中，悬崖可以定义为其垂直尺寸超过机器人100的攀爬能力的向下台阶。如图3D所示，发射器和检测器的几何布置通常可以对在与轮子242、244的底部相同的高度处的表面提供持续或连续检测；即传感器231可以检测其上设有机器人100的表面。在一些实施方案中，可以适当确定检测区域的尺寸和取向以只是在一定程度上垂直伸出，从而机器人100能够下降到其上。在如此布置时，传感器231可以检测出在超过该阈值之外的高度中的任意突然下降；这种悬崖将通常导致来自检测器的信号丧失。这种信号丧失可以报告给电子模块220，该模块可以指示主体200进行路线校正或其它测量以防止对机器人100造成损坏。前面的悬崖检测原理同样可以横向或水平应用，在该情况中由传感器231进行的检测可以使得机器人100例如甚至在墙壁突然转变方向的位置处也能够保持离墙壁适当的恒定距离处。

如上所述，在图3B-3D中所示的传感器231的示例性几何形状可以在无需确定由检测器观察到的信号强度的情况下精确检测出障碍物和悬崖。尽管纹理、反射性、颜色、几何不规则性或这些因素的组合会对一些感测技术的精度产生负面影响，但是所示的实施方案降低或减小了与通常由这些因素引起的检测或距离测量相关的误差。

如上所述，机动驱动机构240例如可以包括用于每个相应轮子242、244的相应电机241、243。要理解的是，可选的机械布置同样可以适用于按照所期望的方式推动机器人100。例如，通常包括驱动轮和踏面的“履带车”或其它牵引机构可以给机器人100提供机动力，并且在一些实施方式中可以提供更大的牵引力。另外或可选的是，对于一些用途而言可以适当采用多个驱动轴，其中一些或全部可以包括可转向轮，或者其它更复杂的转向连接装置或传动组件。

在一个示例性实施方案中，驱动机构240可以例如通过以不同的速度或者沿着不同方向驱动每个轮子242、244来提供简单的方向控制；牵引机传动装置按照类似的方式工作，从而以不同速度或沿着不同的方向单独驱动各个行驶面以围绕着轴产生运动。在操作中，电机241可以根据例如从电子模块220发出的控制信号按照规定的速度和方向独立地驱动轮子242；同样，电机243可以根据由电子模块220提供的信号单独驱动轮子244。采取这种单独驱动策略，从而可以用相对廉价的零部件并且在没有复杂转向机构的情况下实现更加复杂和昂贵的传动转向系统，但是对于一些要求苛刻的用途或者在其中成本约束宽松的情况中最好采用更加复杂和昂贵的传动和转向系统。在一些情况中，电机241和243最好包括或可以接入到电子控制器，例如微型计算机或PLC以便于控制电机速度或扭矩输出。

电机241和243其特征通常在于，例如本领域所公知的电刷电机和类似的装置。例如，可以使用的一种市售电机是型号为FC-280PA-20150(Mabuchi Motor有限公司销售)的电机，它是一种中速、高转矩、高效碳刷电机。各种类型步进电机、感应电机以及其它用于从电源产生出机械转矩或其它驱动力的电驱动装置在本领域是已知的，并且可以适用于某些实施方式。如在下面更详细描述的一样，电机241和243另外可以操作用来例如通过设计用来接合与功能盒300成一体或与之连接的合作结构的机械接口349来驱动功能盒300的各个组成部件。

驱动机构240另外可以包括轮刷247。在机器人100的操作期间，轮刷247防止了轮子242、244抓住会妨碍转动的碎片或其它物品。在这方面，刷子247用来在机器人100前进时清扫这些碎片，并且可以倾斜以例如通过刷辊或其它清扫装置使得任意材料在轮子242、244的路径中向内偏斜(即，朝着机器人100的中心)以便于收集或清除。

传感器阵列230和驱动机构240与电子模块220结合操作或在其控制下一起使得机器人100能够精确地在操作环境中四处行走，同时避开障碍物并且确保对称并且有效地处理整个操作环境。例如，来自一个或多个传感器231的信号可以给电子模块220指出机器人100正在靠近悬崖(例如，在所要处理的表面中的向下台阶或孔)、固定物或一些其它障碍物例如垫子或地毯。在例如根据机器人100行进的速度和对其相对于障碍物的角度倾斜的估计(例如根据从传感器231多次读取和对设置在主体200上的传感器231的相对位置和取向的认识)进行适当处理之后，电子模块220可以给驱动机构240提供适当的信号，从而必要或期望时使电机241和243中的一个或两个减速或加速以便避开障碍物。在这方面，光学组件260还可以给电子模块220提供有关操作环境的有用输入。

在一些实施方案中，光学组件260通常包括适用于获取光学数据的光学传感器装置；在这方面，术语“光学”包括但不限于可视数据。在这方面，光学组件260可以包括电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器或者任意其它类型的可以对在电磁波谱中的所选频率或频带敏感的图像传感器装置。下面具体参照图10至17对光学组件260的结构和操作细节进行说明。

泵驱动机构290通常可以包括泵电机291和用来在功能盒300与主体200正确接合时与设在功能盒300(例如下文中的泵驱动机构390)上的合作结构连接的驱动轴292。在一些实施方案中，轴292可以沉头或以其它方式设置在凹槽内(例如，如图2B所示)；按照前面的方式，轴292其尺寸和位置可以如此设置以便不会与功能盒300的实施方案接触，也不会妨碍其正确安装，它不需要机械连接在泵驱动机构290上。泵电机291可以选择地在电子模块220的控制下操作以如下面更详细描述的一样根据由功能盒300所采用的合作的泵驱动机构390(可以是专用的)的任务要求和特定操作特性来使轴292转动。

泵电机291可以为在上面参照驱动电机241和243所述的任意类型的电机技术。包括换向器电机、步进电机、感应电机等的各个实施方案都可适用，只要泵电机291对来自电子模块220的信号充分响应以满足给机器人100分配任务的应用的要求。

如上面简要描述的一样，主体200可以包括一个或多个电机250，它们按照给功能盒300的功能组成部件提供操作能量这样一种方式配置和设置。例如，电机250可以用来例如通过驱动机构或驱动轴接合在与真空泵、搅拌器杆或两者连接的功能盒300上的合作结构.同样，可以采用电机250来如下所速给设在功能盒300中的用来清洁垫片材料的拾取辊供能。另外或可选的是，驱动电机241和243例如通过如下所述用来给在功能盒的配合齿轮或其它结构提供适当的或所期望的转矩的传动组件来驱动功能盒300的一些组成部件。

通过在主体200中设置电机250(其中可以很容易获得电能和电子控制元件)同时将功能清洁系统的机械元件保持在功能盒300中，从而可以消除或减少电池组和其它系统组成部件的重复；另外，该结构允许与具有更大能力和灵活性的主体200结合采用更大范围的简化功能盒300。在一些实施方案中，例如功能盒300可以如此简单，并且可以由这些廉价零部件构成，功能盒300可以处理为一次性的。另一方面，在一些情况中，例如在功能盒300自身装载有昂贵电机、电池和能量管理硬件以及其它电路的情况下，在使用之后最好不要抛弃功能盒300。

在前面说明书中，要理解的是，主体200的示例性实施方案可以确定为普通的或“在功能上不可知的(agnostic)”，即主体200的组成部件没有针对机器人100所打算适用的任意特定用途或任务来构成、设定尺寸以及在空间上定位。相反，功能盒300可以用专用的组成部件或结构元件来构成。在这种分布式结构中，机器人100的整体功能可以由与主体200结合的功能盒300的特性来形成或限定。例如，功能盒300可以设计用来为硬地面提供湿清洁功能(例如，拖地功能)；在该情况中，在主体200和功能盒300之间的结构配合可以使得功能盒300的组成部件能够收集干碎片，喷洒清洁溶液，并且拭抹清洁溶液，从而机器人100操作作为自动湿拖地装置。可选的是，功能盒300可以设计用来为柔软或带绒表面提供干清洁功能(例如，吸尘功能)；在该情况中，在主体200和功能盒300之间的结构配合可以使得功能盒300的组成部件拍打表面(将灰尘和干碎片拍出)，并且将拍出的碎片吸入到收集容器中，从而机器人100操作作为自动吸尘装置。在两种情况中，并且在这里所给出的其它情况中，主体200及其各个组成部件的结构设计、取向和操作特性可以保持不变，但是可以想到由电子模块220提供的指令可以根据机器人100所用的特定用途改变。

现在参照功能盒300，图4为包括类似特征的示例性实施方案的局部分解透视图，并且图5A为其简化剖视图。如图4和5A所示，功能盒300可以在单个普通包装中组合有用于地板清扫和擦光操作所需或所期望的几个功能。功能盒300的操作部件可以装在外壳内，该外壳如在图4中最清楚显示的一样可以包括壳体部分301A和301B。壳体部分301A和301B可以由任何合适的刚性材料制成以承受在操作期间所施加的扭矩和其它应力。要理解的是，可以采用很大范围内的材料。在要求苛刻的用途中最好采用金属例如铝、不锈钢或各种铜合金，而对于其它用途而言最好采用塑料、聚氯乙烯(PVC)或丙烯酸树脂。在一次性实施方案中，例如壳体部分301A和301B整个可以由薄真空模制塑料或涂蜡或经过其它方式处理的硬纸板构成。

在示例性实施方案中，功能盒300的一个部分通常包括清扫装置310。如在这些附图中所示一样，清扫装置310可以包括刷辊311和碎片空腔或容器312；这些组成部件可以一起设计用来从地板或其它基本上平的表面中收集松散碎片和灰尘。清除灰尘和碎片可以用来使将要进行湿处理的表面准备或“初始化”以便彻底清洁(在这方面，要指出的是，机器人100的正常行进方向由在图5A中的箭头表示)。可选的是，清扫装置310可以包括简单横杆、“橡胶扫帚”擦拭器或类似结构擦拭元件(在这些附图中未示出)，用来将灰尘或其它松散干碎片收集到容器312中。在一些实施方案中，容器312可以包括可拆卸或可选择关闭的盖子，从而防止其内容物不小心溅出或释放出。可以利用各种结构来便于保持容器312的内容物。例如，可以在刷辊311和容器312之间利用铰接或滑动板(在这些附图中未示出)。这种板可以受到弹性偏压或者以其它方式构成为在刷辊311没有工作时保持在关闭位置中(即，将容器312封闭)。在刷辊311转动时，该板可以运动到打开位置(例如，通过铰链或滑轨)，从而使得由刷辊312收集的碎片进入容器312。

图7A-7C为简化示意图，显示出可以用在扫地装置的实施方案中的刷辊组件的示例性实施方案。如在图4和7A中最清楚地所示一样，刷辊311可以包括延伸穿过在壳体部分301A和301B中的孔道313的端部316。在一些实施方案中，刷辊311可以松散装配在壳体部分301A和301B中，即孔道313不需要相对于承载表面314具有紧公差，只要如下面所述一样足够的间隙适应端部316与在主体200上的接口结构正确接合。可选的是，最好确保端部316与孔道313精确对准；一些完善的实施方案可以采用球轴承组件或其它结构来便于紧密配合同时允许刷辊311自由转动。

在一个实施方案中，端部316设计成在将功能盒300正确插入时使与驱动机构340相关的接口249与主体200接合。在图3A所示的实施方案中，接口249包括由电机241、243驱动的传动机构。因此，端部316可以包括用来与在接口249上的齿轮啮合的齿轮316或其它结构。在操作中，齿轮315将力矩传递给端部316，从而使得刷辊311转动。

传动机构可以适用于接口249的一些用途，尤其在例如期望力矩减小的情况下。可选的是，可以采用更简单的机械连接例如简单的驱动轴或皮带或链驱动装置。还要理解的是，与由接口249内在所采用的任何传动机构无关，端部316与接口249的正确接合可以不需要与端部316自身结合或与之连接的齿轮315。例如，可以通过从接口249将锥体或其它具有适当形状的突出结构插入到在端部316处的插座(与刷辊311的旋转轴线对准)中来完成可靠的接合。在接口249上的结构设计成用于插入到端部316的插座或其它配合结构中的情况下，最好给如此设计的接口249的结构进行弹簧加载。在这些实施方案中，弹簧、衬套或其它偏压元件可以使得端部316在使用期间进行可靠接合，同时还提供足够的柔性，或者允许接口249结构插入和拆除，而不需要过大或过度的力，例如会损坏接口249的部件或端部316。可选的是，可以采用橡胶驱动轮或其它基于摩擦的系统来将转动传递给端部316。

虽然前面的实施例给出了其中刷辊311由驱动机构240通过接口249驱动的情况，但是刷辊311如上所述任选可以由单独电机250驱动。在这种可选布置中，如上所述基本上可以实现由接口以及用来使接口接合端部316的机构来传动。

在功能盒300的一些一次性实施方案中，最好使用廉价材料来构成刷辊311。刷辊311的一个这种实施方案如图7B所示一样可以采用由片材构成的非常简单的刷子319。在该说明中，每根垂直线表示在片材中的切口；条带(由参考标号312表示)可以保持完整，从而允许该部分可以安装在主轴或辊上。一旦构成，例如可以将刷子319按照螺旋或旋转方式或者仅仅按照沿着旋转轴线的多排形式胶粘或以其它方式粘接或连接(在条带312处)在硬纸板或塑料管上。在刷子319上的条带312由橡胶或其它足够柔性材料构成的情况下，条带312可以按照预定的图案或布置形成有凹痕或凸起，它们被设计用来接合钻入到或机加工到杆或主轴中的孔或凹部。要理解的是，可以采用其它方式将刷子319连接在主轴或其它旋转元件上。

在图7C中所示的可选实施方案中，刷子319使用将所选部分切掉的“L”形材料件构成。两个这种元件可以互锁。可选的是，可以将具有所示形状的一个或多个刷子319环形安装在轴、管子或其它旋转元件上。

用于在图7B和7C中所示的实施方案的合适材料包括但不限于薄塑料和涂蜡或经过其它方式处理的硬纸板；可以采用任意具有所期望的强度和柔性特性的廉价材料。

要理解的是，使用相对昂贵的过程来形成许多刷子，不论是一次性或不是，其中刷子一次一丛插入到可以为塑料或木头的框架中。典型的地板清洁刷(例如在真空吸尘器中所看到的)通常包括由厚塑料或木头制成的主轴，并且同样具有通过专门及其插入的丛毛。不必打算为一次性的功能盒300的一些实施方案可以采用刷辊311，它比在图7B和7C中所示的实施方案更象典型的真空搅拌器杆刷。在这些更加坚固的实施方案中，刷毛或丛毛可以由尼龙、塑料或其它本领域所公知的材料制成。

现在参照图4和5A，在这些附图中设置在清扫装置310后面的功能盒300的另一个部分通常可以包括流体容器380和泵驱动机构390.在所示的实施方案中，结合到泵驱动机构390中或者与之操作连接的泵393可以将液体例如水或清洁溶液从容器380压到所要处理的表面上.如上所述，泵驱动机构390可以设计用来接收与主体200成一体的泵驱动机构290的轴292或者以其它方式与之连接。在操作中，轴292接合与泵驱动机构290成一体的配合(插座)结构399；轴292(如上所述可以由泵电机391供能)可以如下所述一样驱动泵393。

在一些情况中，最好按照使得功能盒300和主体200能够选择地接合和脱开同时使液体溅出或泄漏最少这样一种方式从容器380中抽出液体。在这方面，泵393可以实现为或包括蠕动泵，如在图4和6中最清楚地所示一样，其中图6为简化图，显示出蠕动泵送机构的示例性实施方案。

作为背景，蠕动泵送在功能盒300的一些应用方式中提供了各种好处。该技术通常比较廉价，从而使得功能盒300的一次性型号切实可行。另外，蠕动泵用作阀门，从而在从主体200将功能盒300拆除时将留在容器380中的任何液体密封住。还有，该技术服从在这里所提出的自动接合策略；因此，不需要操作人员进行泵安装、机械连接、初始化或其它干预。

如在本领域所公知的一样，蠕动泵通常包括叶轮组件394和在上游侧和下游侧上的相应长度管道(分别由参考标号395和396表示)。

叶轮组件394在连续阶段中挤压柔性管道(例如在由参考标号397所示的区域中)，从而将泵送的材料抽入并且通过连续的挤压动作使之向下游运动。与容器380流体连通的供给管道395可以在使用期间给泵393供料。在操作中，与叶轮组件394相关的一系列辊391可以用来挤压管道部分397，从而提供必要的抽吸力以从容器380将液体抽吸穿过供给管道395。泵送的液体通过叶轮组件394并且在静液压力作用下压到分配部分398。分配部分398可以采用一个或多个喷嘴或喷嘴组件；另外或可选的是，分配部分398仅仅可以实现为具有一个或多个滴孔的管道的封闭端部，用来按照所期望的图案释放出泵送液体。如在上面简要指出的一样，分配部分398可以将液体直接沉积到所要处理的表面上，或者沉积到用来拭抹所要处理表面的一部分垫片330上。本领域普通技术人员将理解的是，分配部分398的配置和结构可以有各种变型，并且例如会受到保持在容器380中的液体类型和粘性、由叶轮组件394提供的流速、机器人100行进的速度、由电子模块220所引导分配的特定任务以及其它因素的影响。

通过泵驱动机构390和290的正确接合以及通过轴292和插座399的结构配合从而可以便于叶轮组件394进行必要或所期望的转动；该转动可以通过根据来自电子模块220的信号操作的泵电机291来进行或者由它适当控制。要理解的是，根据操作要求、形式因素限制以及其它考虑可以采用蠕动或其它泵。例如，叶轮组件394可以采用简单廉价的结构，它采用较小的“指状件”或其它凸起来挤压管道部分397，而不是采用如在这些附图中所示的一系列辊子391。虽然蠕动技术具有某些理想的特性以便用在一些用途中，但是当前内容不打算局限于与功能盒300结合或由它所采用的任意特定泵送机构。

在一些实施方案中，可以采用单个蠕动泵来从容器380中抽吸液体.在容器380为刚性密封的情况下(例如在图5A中所示的一样)，液体体积减小以及所导致的压力变化可以导致由于压力差而在功能盒300的结构部件上出现过度应力。为了防止功能盒300受损，泵393可以周期性地反向运行以便将空气泵送回到容器380中并且使在容器380中的压力与大气压均衡。例如，在每个清洁循环之后泵可以反向运行预定时间段；这种策略可以进一步降低或基本上消除泄漏的可能性，因为在均衡压力期间泵393上游的液体在反向泵送操作期间会返回到容器380中。

另外或可选的是，可以设置放气阀来释放由于压力差而导致在容器380和其它结构元件上的应力。作为另一个可选方案，可以采用第二蠕动泵来将空气泵入到容器380中；在这种布置中，第二泵在叶轮组件394上可以采用第二管来避免重复。

在更不容易由于在容器380中所产生出的真空压力而受损的可选实施方案中，最好将容器380实施为可折叠收缩气囊或袋子，如图4所示。该气囊可以由橡胶、塑料或任意其它合适的柔性防漏材料构成。根据该实施方案，容器380在通过供给通道395抽吸液体时在真空作用下收缩。要理解的是，在容器380的气囊在图4的实施方式中收缩时，容器312的体积将因此增大。

再回过来参照图4和5A，在这些附图中设置在泵机构390后面的功能盒300的另一个部分可以包括吸收垫330，它用来拭抹所要处理的操作环境或表面，从而吸取沉积在该表面上的任意清洁溶液以及稀释的污垢和碎片。作为可选方案，一些实施方案可以在将垫子330施加在表面上之前或与之基本上同时让泵393将水或清洁溶液直接供给垫子330(而不是提供给所要处理的表面)。在其它实施方案中，可以将液体施加在单独垫子上(即与在图4和5A中所示的那个无关)。在将这种单独垫子设置在垫子330前面的情况下，可以使它振动或搅拌以擦洗所要处理的表面；在该情况中，可以采用在这些附图中所示的垫子330来抹掉松散的颗粒状物质以及留在该表面上的任意残留清洁溶液。要理解的是，在这些附图中所示的组成部件的空间取向以及用于各种用途的组成部件的类型容易有各种变型和变化，并且可以取决于结合有功能盒300的机器人100的所期望功能或所期望的用途。

如在这些附图中所示一样，垫子330可以实施为连续条带。在使用期间，垫子330的材料例如可以从卷331中供给；可以将多余或弄脏的材料卷入到拾取辊332上。在一部分垫子330在使用期间变脏时，可以用被抽入(由拾取辊322)到与所要处理表面接触的位置中的材料来选择地或周期性地更换它。在这方面，示例性实施方案采用拾取辊332来从卷331中将垫片330抽出；因此拾取辊332可以与在主体200上的配合表面相互作用并且由它驱动。拾取辊332与主体200的操作接合可以基本上如上面具体参照刷辊311所述一样进行。

至于刷辊311，拾取辊332通常包括端部336，端部可以松散装配在壳体部分301A和301B内，从而不需要孔道333来相对于承载表面334具有紧密公差。壳体部分301A和301B可以按照不会干扰端部336与在主体200上的接口结构的正确接合的方式设计。最好确保端部336与孔道333精确对准，同时仍然使得拾取辊332能够自由转动。

在一个实施方案中，端部336设计成在功能盒300与主体200正确插入时接合在与电机250相关的接口259上的弹簧偏压结构；在使用期间，电机250可以对来自电子模块220或者来自专门处理部件的指令进行响应，从而对拾取辊332进行所期望的操作。在图3A中所示的实施方案中，接口259包括由电机250驱动的传动机构。因此，端部336可以包括齿轮335或其它结构，用来与在接口259上的齿轮啮合。在操作中，齿轮335将力矩传递给端部336，从而使得拾取辊332转动。

张紧销钉(在图5A中的参考标号338)可以防止供给辊331在操作期间送出过多(松弛的)垫片330材料。销钉338可以受到弹簧加载，或者可以包括另一个促动机构，用来在拾取辊332卷绕时将垫片330释放出，但是另外在操作期间在垫片330上保持必要或所期望的张力。

如上所述，传动机构可以适用于接口259的一些用途，尤其在期望降低力矩或进行转速控制的情况下。但是至于上述的接口259，接口259可以采用驱动轴、皮带传动装置、或其它更简单的机械连接。与在内部由接口259所采用的任何传动机构无关，除了使用齿轮335之外或者作为其可选方案可以使用上述任意结构元件来实现端部336与接口259的正确接合。

虽然上面的实施例解决了这样一种情况，其中通过单独电机250借助接口259来驱动拾取辊332，但是拾取辊332任选可以由驱动机构240来驱动。在这个可选布置中，通过接口249以及用来使接口249与端部336接合的机构来传动与已经描述的那些类似。在拾取辊332由驱动机构240驱动的情况下，最好将拾取辊332设置在比供给辊331更靠近驱动机构240的位置处，即在图4和5A中所示的拾取辊332和供给辊331的位置可以相反。使拾取辊332运动到更接近驱动机构240的位置可以简化接口249的组成部件。

图5B为用于专用功能盒的可选垫片布置的简化剖视图，但是也可以想到其它布置。在一些实施方案中，可以消除供给辊331。要理解的是，与拾取辊332相反，供给辊331可以与或可以不与任何结构辊机构相关联；在从具体实施方案中将供给辊331删除的情况下，通常也将删除任何附属的辊机构。例如，清洁垫片330材料可以简单地按照扇状褶皱形式存放(即，反复地在自身上折叠)代替按照卷状形式；可选的是，整个垫片330可以由单个辊承载，例如通常在涂覆用途中所实现。在图5B的示例性实施方案中，垫片330材料可以实现为连续条带339。可以采用包括清洁装置(例如刮擦元件、静电元件、流体清洁器或其组合)的组件来在施加到所要处理的表面上之前清洁条带339和垫片330。

图8A-8D为简化示意图，显示出用于与专用功能盒结合使用的垫片材料的示例性实施方案。

垫片330可以包括或结合任意数量的材料。该材料可以为静电或标准的，并且可以为织物或无纺的。在一些用途中可以采用纸张、纤维素、棉或其它纤维材料。垫片330可以由单片材料构成(例如絮棉纸).在这些附图中所示的可选实施方案中，可以将垫片330层叠在一起以产生出所期望的清洁效果。在图8A中，例如垫片330包括吸收层810、塑料或其它不透水层820和表面接触层830。层830可以是磨耗的或者静电的。在图8B中，可以包括网层840。一些网材料例如尼龙、棉或强织纤维材料可以改善垫片330的擦洗或刷洗特性。

如在图8C中所示一样，垫片材料可以浸透液体例如水、清洁溶液、液体地蜡或其它所期望的液体，该液体可以根据用于垫片330的材料、施加在该材料上的化学处理或者两者来选择。在从功能盒300将垫片材料开卷或以其它方式展开时可以刺穿装有液体的袋子850；可选的是，袋子850可以由于与所要处理的表面摩擦而刺穿。在前面的方式中，足以进行清洁操作的液体可以由垫片330材料自身承载，从而减小或消除了为此将容器380结合到功能盒300中的必要，然而为了其它目的例如为了提供湿刷功能、减少从机器人100扬起的灰尘等等容器380可以承载液体。

如图8D所示，垫片条带880可以包括多个区域，其特征在于垫片330(可能可以包括如上所述的吸收层810)由不包括吸收层810的间隙831分开。如在图8D中所示一样，垫片条带880可以包括基本上连续的表面接触层830。该布置可以防止或减小芯吸作用，这在一些湿用途中会使得部分垫片材料过早变湿，或者比所期望的更彻底变湿。

要理解的是，如本领域所公知的一样垫片330可以使用或应用各种材料和化学处理。例如，表面接触层830可以浸透水吸收化学品等以在不增加厚度的情况下提高吸收率。当前内容不打算局限于用作垫片330的任意特定类型材料或材料组合。

图9为简化示意图，显示出专用功能盒的另一个示例性实施方案的几个视图。在一个实施方案中，功能盒900可以用来进行吸尘功能，例如在硬质地板或带绒地板材料例如地毯和垫子上进行吸尘。

在功能盒900构成为由主体200供能的情况下，真空搅拌器杆滚刷911可以构成用来按照与上面参照拾取辊332和刷辊311所述类似的方式在功能盒900与主体200正确接合时接合与电机250相关的接口259；在使用期间，电机250可以例如对来自电子模块220或来自专门处理部件的有关刷子911的所期望操作的指令进行响应。可选的是，刷子911可以基本上如上所述一样由驱动机构240驱动。同样，设置在功能盒900中的真空泵可以由与主体200相连的电机250驱动，以便如上所述一样驱动拾取辊332。在这种实施方案中，最好在功能盒900中或在接口259中包括传动机构，以使转速逐步上升并且使传送给真空泵的力矩逐步降低。

在一些实施方式中，功能盒900在一定程度上自己供能，即它可以包括用于驱动搅拌器杆滚刷911、真空泵939或两者的整体(integral)电机。一旦功能盒900与主体200接合，则可以自动地完成用于给这种电机供能或者用于让电子模块220能够确认功能盒的类型和容量的必要电连接。在整个自供能实施方案中，功能盒900可以包括专用电池或智能电池组。一旦功能盒900与主体200接合，则可以自动地完成让这种电池能够再充电(例，从与主体200连接的外部电源抽吸电能)的电连接。

如图9所示，一个示例性真空盒900通常组合有上述各种特征中的一些。如所示一样，真空盒900包括搅拌器杆组件910、抽吸腔室920和泵组件930。搅拌器杆组件910包括与主体200相连的具有用来由驱动机构240和接口249驱动或者由专用电机250和接口259驱动的端部916的刷子911。机械相互连接基本上可以按照上面所述的方式进行。

在使用期间，搅拌器杆组件91使灰尘脱出以由抽吸腔室920收集。腔室920其特征通常在于结合有过滤器921(例如HEPA(高效颗粒状空气)过滤器、静电过滤器等)的刚性外壳、用于收集颗粒状物质的半透性袋子或气囊或其组合，如在本领域所公知的一样。在任意情况中，最好包括基本上如上面在图4和5A的说明中参照容器312所述一样用来密封腔室920的结构(例如具有弹簧偏压板或铰接门)。腔室920可以包括可选择关闭的开口或门922，从而能够通向腔室920以便丢弃所收集的材料、清洁或更换过滤器921或者在其使用寿命届满附近更换真空袋。

在该示例性实施方案中，真空功能盒900在泵组件930中采用了电机931和皮带驱动机构932。这些组成部件组合在一起如所示一样驱动泵939。在一些用途中，泵939可以鼠笼式鼓风机，但是也可以采用适用于真空用途的其它泵送技术。用于电机931的操作能量可以由专门的电池或智能电池组933提供。一旦功能盒900与主体接合，则可以自动地完成使得电池组933能够再充电(例如从与主体2000连接的外部电源吸取电能)的电连接。可选的是，可以删除电池组933，在该情况中，在真空功能盒900和主体200操作连接时，自动地完成给电机931提供操作能量所需的必要电连接。

泵组件930还可以包括用来控制或以其它方式影响电机931的操作的电子部件(未示出)。例如，在真空袋满了或者腔室920不再允许空气自由流动的情况下，这些电子部件可以用来使电机931减速或者触发离合机构，从而使皮带传动装置脱开，从而防止电机931受损。这些电子部件还可以如下所述一样用来给电子模块220提供有关真空功能盒900的操作特性的数据。

前面为可以用子让机器人100能够执行多种任务而基本上无需重新配置硬件和软件部件的功能盒300和900的一些示例性实施方案。要理解的是，各种变型和变化可以扩展机器人100的能力。例如，通过将去湿技术结合到主体200中或者结合到专门的功能盒中，从而可以从空气中的水气中凝结出水以用作清洁溶液。可选的是，可以将液体容器(例如，用于清洁液体以及用于用过的液体)装入到专门的功能盒中；这些容器可以是一次性的或者可再填充的。在一些实施方案中，液体可以存储在开口容器例如贮液槽中，或者其它可以由外部源填充(例如通过从在结构上的落水管落下或者从软管或喷水头输出的雨水)顶部开口容器。

作为另一个实施例，功能盒可以构成为使用可清洗(即，可选择地拆除)过滤器例如采用织物或其它物理基体的机械过滤器、采用碳或其它过滤介质的化学过滤器等；可以结合这种过滤器或结合沉淀池使用再循环清洁溶液。作为可选方案，可以如此使用蒸发清洁溶液，从而不需要丢弃脏的清洁溶液；所有操作人员所需要的做的事情只是周期性更新清洁溶液并且清洁或更换过滤器。

如上所述，根据本发明的一个方面，可以采用许多不同类型的专用功能盒(例如上面所述的那些)来为机器人100和主体200提供广泛的供能和灵活性。本领域普通技术人员要理解的是，可以很容易将电子模块220编程为在功能盒与主体200结合时识别出不同功能盒类型。在主体200中的电触点可以设计用来读取例如设置在功能盒上的导电薄箔的独特识别图案；同样，可以采用结合到功能盒的结构中的独特磁体图案来识别功能盒类型。也可以采用一系列冲孔或凹痕或其它结构元件。在一些实施方案中，例如在使功能盒与主体200连接之前可以通过光学传感器(下面所述的)或者在功能盒与主体200可操作连接时通过在主体200中对准用来读取编码的专用传感器来读取设在功能盒上的二维或三维条形码。在一些更完善的实施方案中，功能盒可以包括与在主体上的配合触点连接的电源和电气连接件，并且可以包括只读存储器(ROM)或其它合适的易失性或非易失性数据存储器，它们可以给电子模块220提供有关功能盒能力的所期望信息。

按照前面的方式，功能盒可以构成为给电子模块200提供所期望或必要的信息，从而足以将主体200编程或指示它与功能盒结合操作，从而根据功能盒的操作特性有效建立机器人100的功能。可选的是，可以采用面板270来向电子模块220输入有关功能盒的特性和能力的信息。

一旦识别出功能盒所能够实现的特定类型功能，则电子模块220可以如要使用该功能所需要或所期望的一样对某些设定值进行配置或初始化。例如，电子模块220可以识别出用于电机250的适当速度和循环时间设定，适当选择地启用或禁用泵驱动机构290，设定操作时间参数，从多个预编程的清洁循环顺序中的一个选择等等。按照前面的方式，机器人100可以选择地配置成根据与主体200选择连接的可拆卸功能盒的功能来执行特定的任务。

导航&避开障碍物

在一些情况中，最好使得操作人员能够将机器人100引导至在操作环境内的特定位置。不论是在操作人员引导下操作或是自动操作，机器人100通常都必须独自导航。如下面所述一样，光学组件260可以使得机器人100能够确定它在操作环境内相对于其它物体或边界所处的位置。在这方面的空间取向的一个重要方面是能够可靠确定离物体的距离的能力。

图10为简化方框图，显示出包括光学传感器的光学组件的示例性实施方案的组成部件。图11、16A和16B为在操作环境中的机器人的简化顶视图；在图16B中，机器人100其特征在于采用可选光学组件的一个实施方案。

如图10所示，光学组件260通常包括光学传感器1010、光源1090和使得能够与电子模块220进行双向数据通信的接口1020。在一些实施方案中，接口1020任选可以包括用来操作光学组件260的组成部件或者用来便于通过电子模块220控制这些组成部件所需的附件电子部件.虽然光学组件260在图3A和11中显示为与主体200成一体，但是要理解的是，也可以采用外部系统；在该情况中，物理连接(例如USB或FIREWIRE)或无线连接(例如蓝牙或811.02)可以在光学组件260的组成部件和电子模块220之间传送必要或所期望的数据。

如上面简要指出的一样，传感器1010可以包括或实现为CCD、线性CCD、CMOS、位置敏感检测器(PSD)或者其它在与从光源1090输出的光相同的电磁波谱的频带中敏感的传感器装置。一些这种技术或其变型正在数码相机中以及在其它消费电子用途中普及，并且可以将各种数码相机感测技术结合到光学组件260中。适用于作为传感器1010的装置的一个实施例为CMOS传感器(例如，当前由Pixelplus公司销售的P03130R0型号)，但是如上所述也可以采用其它类型的传感器技术。

光源1090可以包括或实施为激光器、LED或任意其它可以产生由传感器1010检测的波谱频带内的电磁能量的能量源。利用这些技术的组合对于一些用途而言是有利的。光源1090的输出对于人眼而言可以是可见的或是不可见的。合适光源1090的一个示例为短波长激光二极管(例如当前由Union Optronics公司销售的SLD-650-P5-300-05型号)，但是光源1090也可以采用其它类型的输出。

最好可以使用能够在不同频带中产生出可变输出的光源1090，因为所照射物体的颜色和反射性都会通过影响由传感器1010接收到的光的质量和特性来影响采用一些方法进行的距离测量。将光源1090的输出改变到不同频率在一些情况中会产生出精确的结果。另外或者可选的是，可以使用用来使某些频率衰减同时传输其它频率的滤波器来产生类似的效果。还要理解的是，光源1090可以采用一个以上的单独输出源；例如，如下面更详细描述的一样，光源1090可以结合有同时或间歇地操作的激光器和LED。采用了两个或多个单独光源的光源1090的这种实施方式在一些情况中具有特定的实用性。

另外，光源1090可以包括光学元件组件(在图3A中的参考标号1099)，例如本领域所公知的用来校准或以其它方式影响发射光的特性的光学元件组件。这种光学元件组件可以采用一个或多个固定的聚焦透镜、活动的聚焦控制装置、光准直仪、分光器、孔道、反射镜、选通滤波器或这些和其它部件的各种组合。如下面更详细描述的一样，传感器1010同样可以包括光学元件组件1019的各种结构或与之组合实现。

在一些实施方案中，可以使得来自光源1090的输出旋转。在这方面，可以采用在主体200中的专用电机(在图3A中的参考标号1091)来使光源1090自身进行所期望的转动或者使得光学元件组件中的所选元件进行所期望的转动；该布置可以消除在通过共享电机使光源1090的组成部件转动的情况下所需的复杂传动机构，但是这些实施方案是可能的并且在一些情况下更加节约成本。光源1090可以整体旋转，或者可以是光学元件组件1099的特定元件(例如反射镜或分光器)转动。本领域普通技术人员要理解的是，在不涉及创造性劳动的情况下可以实现从普通光源和其它光学元件组成部件中产生出旋转光束。

如图3A所示，光源1090和传感器1010或其相应的光学元件组件可以按照对操作环境具有全部360度视角的方式设置。因此，来自光源1090的光束可以围绕着与放置机器人100的表面垂直的轴线以360度图案连续或间歇地转动；可选的是，光束可以越过小于360度的弧度来回扫射。另外或者可选的是，来自光源1090的输出可以瞬时沿着特定方向瞄准。前面选择中的每一个都可以用于获取便于距离测量的数据。

在使用期间，如图11所示，从光源1090射出的光会从在操作环境中的物体反射出，并且可以由传感器1010以可测量角度接收.在光源1090和传感器1010的相对位置和空间取向是已知的并且记录或以其它方式存储在接口1020或电子模块220中的情况下，光学组件260可以通过允许进行精确距离计算来方便使机器人100精确定位。在这方面，电子模块220可以通过考虑传感器1010相对于光源1090的已知几何形状以及由传感器1010接收到的信号的特性和(定)时间来执行位置和导航处理。例如，可以使用例如在传感器1010和光源1090之间的已知距离、由传感器1010检测到的反射光的角度、机器人100的速度、由光源1090产生光束及其随后在传感器1010接收之间的时间延迟、在连续测量之间的差别等等因素的组合通过三角法确定距离。如图11所示，光进入传感器1010的角度通常随着时间根据机器人100的运动并且由于由光源1090所产生出的光束转动而改变。

可以按照各种方式来确定入射在传感器1010的感测表面1011上的光角度。例如，可以通过识别出在感测表面1011上的阵列中的最亮像素来确定该角度。可选的是，例如可以通过识别出相邻序列的中心或这样区域并且将它当作最亮像素点来利用最亮相邻像素串。可以采用各种图像处理技术例如子像素处理、插值法等来确定在传感器1010的感测表面1011上的明亮区域的位置，并且采用该区域来确定入射光的角度。

在一些实施方案中，来自光源1090的输出可以作为平面投射，从而在入射在基本上垂直表面(例如墙壁)上时，可以将该光检测为在那个表面上基本上垂直线。可以通过测量由传感器1010检测到的光的角度来确定距离投射直线的不同部分的距离。例如，在来自光源1090的输出投射到相对于光学组件260垂直的表面上的情况下，传感器1010可以检测出笔直垂直线。在将来自光源1090的输出投射到不垂直的表面上的情况下，传感器1010可以检测到相对于垂线倾斜的直线.图12为简化示意图，显示出由光学传感器接收到的不同输入。在图12中显示出可以由传感器1010检测到的各种直线形态。

在光学组件260的零部件的这个示例性布置中，可以采用各种方法来检测到物体的距离。所谓的“飞行时间”和三角计算方法在上面进行了简要说明，并且通常可以用于根据组成部件的相对位置、角度取向、速度和多个测量结果进行计算。另一种方法可以采用测量入射在传感器1010上的反射电磁能量的幅度。在这方面，在来自光源1090的输出为激光或其它非常准直的光的情况下，所照射物体的材料、颜色和反射性特性会影响从该物体反射出的由传感器1010检测到的光的幅度；因此，这样所获取的距离测量值非常精确，或者根据所照射的物体的组成由于感测方法的限制而出现明显的不精确性。

用于应对这种缺点的一种策略包括用不同类型的单独光源例如激光(或者其它准直光源)和LED(或其它漫射光源)照射物体。对不同漫射的反射光的测量可以使得在单独操作或组合操作的电子模块220和接口1020中进行计算，以应付例如由受照射物体的颜色、反射性或其它特性引起的在返回准直光中检测到的幅度波动。按照前面的方式，与准直光源结合使用漫射光源例如可以便于误差校正、标准化或其它在评价所检测的准直光的幅度中有用的计算。因此，光源1090的一些实施方案可以采用两个或多个不同种类的电磁能量源，如上所述一样。在这些情况中，光学元件组件1019(下面所述的)可以构成为对于所要检测的每种光采用传感器1010的表面的专门部分。

如上所述计算出的距离测量值的精度会受到获得它们所用的规律性和频率的影响。因此，在一个实施方案中，光源1090永久保持用来产生连续光束；传感器1010可以按照周期性间隔对接收光获取瞬时读取值；在一些情况中，在连续测量之间的间隔越短，则测量值越精确。作为可选方案，在可以得到足够的处理能量的情况下，传感器1010可以连续操作以在机器人100动态改变其取向时实时地检测改变信号。

如上所述，传感器1010与光学元件组件1019结合使用。在一些情况中，光学元件组件1019最好包括窄带光学滤波器，它在与来自光源1090的输出基本上相同的频率下操作；在这些实施方案中，可以由传感器1010检测到的最亮光通常为由光源1090投射的光。要理解的是，这种滤波器策略对于某些用途而言不是很理想。

图13、14和15为与光学元件组件的各个实施方案结合操作的传感器的简化剖视图。

在一些实施方案中，光学元件组件1019可以采用360度透镜或半球形反射镜，从而使得传感器1010能够同时接收来自所有方向的数据.可选的是，反射镜不必是半球形的。例如，具有抛物线或其它横截面的反射镜可以构成为允许不是从水平方向抵达的光线如图13所示一样投射到在传感器1010的感测表面1011上的相同点上；如在该附图中所示一样，透镜或透镜阵列可以便于传感器1010的整体功能.该技术可以简化图像处理同时使检测到的光最大并且改善传感器1010的性能。要理解的是，在图13中所示的聚焦镜和孔道围绕着与感测表面1011垂直的轴线回转，或者构成为360度圆弧，从而使得光能够从相对于该轴线径向的所有方向捕获。因此，图13的布置对于距离测量用途而言只是在感测表面1011上采用窄像素环。然后如图14所示如标准照相机一样实施在感测表面1011上保持不动；另外可以采用用来改善距离测量功能的透镜。

可选的是，如图15所示，代替在图14中所示的透镜可以采用反射镜。在光学元件组件1019按照在图15中所示的方式采用反射镜的情况下，可以从侧面而不是如在图14的布置中一样从上方获取图像数据；如所示一样，必要时可以包括透镜。包括反射镜、透镜、棱镜、过滤器、光准直仪和其它组成部件的各种组合的光学元件组件1019可以设计成允许感测表面1011的中央部分能够接收到来自任意方向的光。

通常对于传感器1010而言，本领域普通技术人员将认识到，一些最佳用于检测在某些电磁波谱频带中的能量的感测技术可以从相对较窄的焦点场和高放大率或“变焦”中获得好处。因此，传感器1010和光学元件组件1019可以用这些组成部件适当构成为提供较窄的聚焦场以及高光学或数字变焦。下面具体参照图16C和16D对一个这种实施方案进行说明。

要理解的是，与光源1090结合使用的光学元件组件可以使用一个或多个分光器或棱镜，从而可以同时输出和旋转多条光束。在一些实施方案中，光学元件组件1019可以构成用来同时或者迅速连续地接收来自多个方向的多个图像。例如，与包括带反射镜的棱锥(或其它布置)的光学元件组件1019结合可以使用单个CCD或CMOS传感器，从而允许同时检测来自四个方向的光束；这个实施方案可以与包括四个激光器或其它单独光源的光源1090或者与通过设在光学元件组件1099中的适当分光器输出的单个光源结合使用。图16A显示出同时并且以大约180度的相对角度从光源1090发射出的两条光束。在前面的情况中，要理解的是，可以使用任意数量和角度取向的光束，但是实际应用通常会受到在电子模块220和接口1020处的处理资源以及传感器1010的能力的限制。

图17为在操作环境中处于第一位置中并且处于与基座结合的第二位置中的机器人的简化侧视图。如上所述，传感器1010和光学元件组件1019可以如此构成，从而在机器人100正在例如在图17的左侧上表示的操作环境中工作时，传感器1010可以有效地围绕与所要处理的表面垂直的轴线进行360度观察。在机器人100处于不同取向中同时停靠在基座处时，如在图17的右侧上所示一样，可以采用传感器1010来从有利的方面观看操作环境，例如通过基本上如上面参照图14和15所述一样利用感测表面1011的中心部分。

在机器人100处于在图17的右侧处所示的取向中时，例如可以采用传感器1010来检测投射到在操作环境中的特定位置上的光的位置和运动。因此，操作人员可以使用例如激光源(激光指示器)或以可以由传感器1010检测到的适当频率操作的一些其它光源来给机器人100输入或发出指令。

例如，可以使用激光指示器来识别出在操作环境中的特定点。可以指示机器人100相对于那个位置信息按照许多不同的方式工作：运动到那个位置以进行清洁功能；避开那个位置；将那个位置存储作为参考点(例如作为描绘特定区域的多边形的顶端)或者边界标识符；等等.在这方面，可以采用遥控单元来给操作人员界面面板270发送信号以提供关于电子模块220将要如何处理由传感器1010检测到的由激光指示器所识别的位置的指令。

本领域普通技术人员要理解的是，光源1090、传感器1010和光学元件组件1019、1099的组成部件的实施方式和结构布置可以有许多变型.例如，可以采用具有普通透镜的一个或多个摄像机；如果在光学元件组件1019中采用了180度“鱼眼”透镜，则两个传感器可以覆盖360度区域。不是采用光学元件组件来使来自光源1090的光束旋转，而是可以在位于机器人的主体200外面的旋转平台上采用固定光源；传感器1010也可以安装或可以不安装在这种旋转平台上.具体地说，图16B为在操作环境中的机器人的另一个简化顶视图，其特征在于可选光学组件的一个实施方案。

如图16B所示，光学组件260可以包括其上安装有传感器1010和光源的旋转平台或吊杆。在操作中，光源1090可以相对于吊杆的纵向轴线固定，从而通过吊杆绕着旋转轴线的转动来实现输出的旋转。该布置可以简化光源1090以及任意附属的光学元件组件1099，从而减少或消除了对内部旋转反射镜或其它旋转组件的需求。如图16B所示，光源1090和传感器1010最好设置在吊杆的旋转轴线的相对侧面上。

图16C和16D为简化示意图，显示出光学组件的另一个可选实施方案的顶视图。如所示一样，光源1090和传感器1010两者都可以位于吊杆的旋转轴线的同一侧上。用来检测临近物体的近程反射镜可以相对靠近传感器1010设置；相反，用来检测远处物体的远程反射镜可以相对远离传感器1010设置、在所示的实施方案中，近程反射镜和远程反射镜可以设置在不同的高度处(例如沿着在图16C中所示的旋转轴线)以允许感测表面1011的相应部分能够检测来自每个相应反射镜的光。

要理解的是，可以使用用于近程和远程反射镜的不同视图来便于进行长距离和短距离检测形态；来自对于特定物体具有更适当视图的反射镜的光可以用来进行距离计算。例如，通过近程反射镜看到的激光点的位置可以用来确定距离附近物体的距离，而通过远程反射镜看到的激光点的位置可以用来确定距离远处物体的距离。由于鱼每个相应反射镜相关的视图、反射镜的准直特性以及其它因素，所以在远距离处的检测精度通过远程反射镜比通过近程反射镜更大。另外或者可选的是，在两个反射镜检测物体时(例如在反射镜的视野重叠的位置中的物体)，可以采用来自两个反射镜的测量值来计算平均值，或者相互进行校验。

在图16A、16B、16C和16D中所示的光学组件的组合体或混合体可以具有理想的距离测量特性。在一个这种混合实施方案中，光源1090可以用来以所期望的角度取向输出两条光束(一条用来补充在图16C和16D中所示的那条光束)，例如补充光束可以相对于照射光束成180度(如图16A所示)。图16C和16D的布置可以适当改变以包括另外的近程反射镜和附加的远程反射镜；这些附加反射镜可以设置用来检测补充光束。在操作环境中可以从各个位置中同时获取距离测量值，但是如上所述实际应用会受到在电子模块220处的处理器频带宽度、在感测表面1011上的可用地方、由光源1090输出的能量以及其它因素的限制。

作为另一个实施例，电子模块220可以构成为针对由传感器1010检测到的操作人员用激光指示器作出的手势进行响应。圆形运动可以表示应该清洁的区域；顺时针方向可以要求一种清洁模式而逆时针运动可以要求另一种。提供沿着特定方向的指示的手势可以由电子模块220解释为用来使机器人100沿着那个方向运动的指令。还有，不同颜色(或频率)的激光可以指示所要进行的交替动作。

另外或者可选的是，电子模块220可以针对特定操作环境的各个方面进行“训练”或以其它方式编程或教导。例如，可以将具有所选反射特性的一个或多个材料条带、段或样本安放在操作环境内以便如此训练电子模块220；在训练操作之后可以去除该材料并且将它丢弃或存储以便对电子模块220进行随后训练。在一些实施方案中，该材料可以为例如粘性材料卷，从而可以在操作环境中描绘出具有所选长度的图案或边界。虽然在下面可以采用术语“条带”或“样本”，但是该材料可以为任意形状或尺寸，只要所选的材料给主体200的组成部分提供足够独特的传感器输入，从而因此允许电子模块220识别或认识出该条带。

在训练操作期间，机器人100可以使用传感器阵列230、光学组件260或两者的组合来识别出相应材料条带的位置和范围以在操作环境中行走。操作人员输入可以借助面板270或者借助遥控单元来接收以关于由条带描绘出的操作环境的区域的意义或目的对电子模块220作出指示。例如，可以描绘或以其它方式识别出永久障碍物(例如楼梯)的位置和范围。另外或可选的是，可以采用材料条带来竖立起虚拟或“假想”墙壁，即指示机器人100将它处理为物理障碍。电子模块220可以存储有关这些障碍物的位置或其它位置信息(相对于基座位置或如下所述的其它信标的位置)，并且不再进行训练以访问那些位置，除非并且直到另有指示。

同样，可以采用这些材料条带来将在操作环境内的区域分隔或划分成多个区域(例如通过例如采用假想壁)；每个区域针对机器人操作而言进行不同的处理。例如，在某些区域中可以更加频繁地进行清洁，同时完全忽略一些区域。可以在一些区域中(例如，在硬质木头或精致地板材料上)禁止进行清洁操作，同时在其它区域中(例如在铺地砖的厨房地板上)允许进行清洁操作。例如通过粘性小片或其它具有已知反射性或其它特性的材料给电子模块220提供容易识别的传感器输入可以允许对机器人100(通过电子模块220)进行详细编程和控制以便进行可定制的自主操作。要理解的是，这种定制可行的程度会受到电子模块220的处理能力以及与之相关或者由此可以使用的任意存储器或数据存储器的容量的影响。

如上所述采用传感器阵列230和光学组件260的机器人100的实施方案在彻底对称地覆盖整个操作环境处特别有效。

在这方面，电子模块220可以至少部分根据与由光学组件260获取的距离测量值相关的数据来引导或影响机器人100。在这些用途中可以采用各种类型的同时定位和测绘(SLAM)技术。

根据通常的SLAM方法，根据一起形成操作环境的表示的多个数据点或“粒子”的产生来进行定位。每个离散粒子为在数据结构中的节点，并且包括与对机器人100的当前位置的估计相关的数据，以及与对其方向或取向(即，所谓的“倾斜”)估计相关的数据。另外，保持足够的数据以使得每个相应粒子能够产生出其自身相应板的整个操作环境的地图(即，“全部”地图)。这些地图的表示可以为线段，或者界定边界或以其它方式描绘出操作环境的特征的格栅。

在机器人100在操作环境中来回运动(traverse)时，可以使用距离传感器读取值(例如，由光学组件260所获取的)来更新与每个离散粒子相关的空间地图，以及增加或减小粒子权重、相关性分数以及表示估计精确度的一些其它因素。如果实时获取的特定距离测量值与粒子所期望的测量值相配(例如根据粒子的数据与其全球地图版本相关)，可以增大该粒子的权重。另一方面，在特定距离测量值与粒子所期望的该测量值不匹配时，可以减小该粒子的权重。通常，如果单个粒子的权重或相关性分数低于预定阈值，则可以丢弃那个粒子或者在随后处理中忽略，而可以复制其权重或相关性分数足够高(例如，高于不同的预定阈值)的粒子，从而产生出两个或多个同样的粒子。

对于在操作环境中来回行走而言，可以用里程表或其它仪表来测量出机器人100的轮子运动。然后在轮子242、244的运动已知的情况下，根据对将期望每个粒子如何运动的估计来更新每个相应粒子的位置。将少量的随机误差引入到粒子的运动更新中；这种随机误差使得同样的(即，复制的)粒子随着更新数量增加而相互离开。

另外，期望机器人100将不会精确跟随里程表读取值所建议的路径；例如，机械反跳、引起机器人100偏航的碎片以及无数其它因素会造成机器人100的行程按照不能采用简单里程表读取值来预测的方式偏离。向粒子位置更新加入随机误差趋向于导致全部粒子分别跟随机器人100的每个可能的实际路径。因此，粒子权重(或其它相关性评分系统)通常提供了通过这些可能性来评选的机构以识别出有希望的可能性，并且加强最好的那些。

图16E为简化流程图，显示出同时定位和测绘的方法的一个实施方案。如在方框1601处所示一样，可以产生出全部粒子，每个表示有关机器人100的位置和倾斜的假设情况，并且每个都具有与之相关的全部地图的相应版本。在机器人100在操作环境中来回运动时(方框1602)，实时数据获取(例如通过光学组件260)可以给操作环境的可观察特征提供距离测量值。可以采用这些距离测量值来更新每个粒子的位置数据；如在方框1603处所示一样，这种更新可以基于所预测或所估计的机器人100的运动(例如通过光学元件组件260观察、里程表输出等)，并且通常可以考虑对于每个粒子不同的随机误差因素.可以分配或改变(即，增大或减小)每个粒子的权重或相关性分数；如在方框1604处所示一样，对于给定粒子的权重可以基于在其相关全部地图中给定粒子的位置如何好地说明了给定的测量值，或者受到它的影响。然后重新对全部粒子取样，从而可以根据权重或相关性复制或丢弃粒子(方框1605)。按照前面的方式，加强了良好候选粒子，同时可以忽略对整体地图的估计不好的粒子。至少根据前面的处理，如在方框1606处所示一样可以更新与每个离散粒子相关的整体地图的版本。该过程通常是迭代的，如由回到方框1602的循环所示一样。

由于在该方法中内在具有一般不确定性以及随机误差的故意引入，所以通常的SLAM方法采用大量的假定情况(即粒子)。采用成千上万个粒子来帮助SLAM算法在可以为与实时获取的单个距离测量值相关的机器人100的位置的最精确表示的许多可能的类似位置(如在数据结构中所示一样)之间进行选择。

在采用整体地图的情况下，粒子数量与地图即整个操作环境的尺寸成比例地增大。在该情况中，两个因素明显增加了最小存储器容量和处理花费要求：粒子的数量随着操作环境增大而增加；因此每个粒子必须保持在存储器中的整个地图的尺寸也增大。因此，数据存储所需的存储器的尺寸或容量按照操作环境的面积的平方增大。另外，处理器资源会由于在每次迭代处更新所需的数据量增大而增加负担，即以预定的间隔进行的每一次距离测量或者两者的组合。

采用整个操作环境的局部地图的类似方法可以更有效，从而减小了处理花费和所需的存储器容量。在这种可选的方法中，定位也可以基于离散的粒子，每个粒子可以表征为在数据结构中的离散节点，每个分别包括与机器人100的当前位置和倾斜度的估计相关的数据。在上面提出的方法之外，数据结构的可选实施方式不需要离散的粒子与操作环境的全局地图的离散版本相关联。而是，单个地图可以与所有粒子相关联。

另外，可以将整个操作环境分割或分隔开，从而不必使用全局地图。在该实施方案中，可以采用一系列局部地图来按照马赛克或瓷砖的方式覆盖整个操作环境。在这方面，图16G为分隔成多个局部地图的操作环境的简化顶视图。局部地图由参考标号P1、P2、...、Pn表示。要理解的是，可以选择足够数量n个局部地图来确保完全覆盖操作环境；所需的数量n会受到各种因素的影响，包括但不限于：操作环境的整体尺寸；操作环境的特别形状；设置在操作环境的边界内或处的障碍物；在机器人100接受训练或以其它方式被指示不要访问的操作环境内的位置的形状和表面积；光学组件260或其它感测装置的限制；等等。

局部地图通常可以为任意形状和尺寸，但是某些实施方案如在下面更详细说明的一样会受到限制。另外，要理解的是，在相邻局部地图之间的边界无需是严格(rigid)的，也无需精确计算出。可以期望某些局部地图可以与相邻的局部地图重叠。例如，局部地图P4如在图16G中所示一样与局部地图P2和P5两者重叠(例如在由网纹线所表示的区域中)；同样，局部地图Pn-1和Pn显示为重叠。其它局部地图与在这些附图中所示的那些相比同样可以更多或更少地重叠。为了清楚起见通常从图16G中将这些所想到的在局部地图之间的重叠区域删除了.还要指出的是，在图16G中对操作环境的表示不是与在图11和16A-B中所示的操作环境的比例相同。另外，虽然图16G显示出按照相当简单的格栅图案设置的多个局部地图，但是要理解的是可以例如采用笛卡尔坐标或极坐标来构造出局部地图，并且当前内容不打算局限于局部地图的任意特定布置或取向，除非针对某些实施方案另有指明。

在机器人100在操作环境中来回运动时，可以采用距离传感器测量值(例如来自光学组件260的输出)来更新空间地图，以及为了定位目的适当地增加或减小粒子权重。与参照图16E描述的方法一样，如果特定实时距离测量值与给定粒子所期望的那个测量值非常匹配(根据与局部地图相关的数据)，则可以增加该粒子的权重或相关性分数。但是如果特定距离测量值与给定粒子所期望的测量值不是很匹配，则可以减小该粒子的权重或相关性分数。与前面的方法一样，如果相关的权重或相关性分数低于预定阈值，则可以废弃或忽略某个粒子；相反如果相关的权重或相关性分数超过不同的预定阈值，则可以复制某个粒子(产生出两个或更多的相同粒子)。

与图16E的实施方案类似，在已知轮子242、244的转动的情况下，可以用里程计或其它仪表测量出轮子运动，然后根据对将期望每个粒子如何运动的估计来更新每个相应粒子的位置。可以引入少量随机误差，从而使得同样的(即复制的)粒子随着时间相互逐渐分开。如上所述，机器人100不会精确跟随里程计读取值所建议的路径，并且加入随机误差趋向于导致说明许多可能性的全部粒子。粒子权重(或者其它相关性评分系统)通常会便于估计较差的可能性、识别出有希望的可能性并且加强最好的可能性。

在操作环境分隔成局部地图P1、P2、...、Pn的情况下，即使在粒子数量较少的情况下也可以获得精确的定位结果。具体地说，在较小的粒子地图空间内，可能位置和倾斜的数量相对较少(例如与整个操作环境相比，其范围可能不是已知的)。在一些实施方案中，与采用上述SLAM技术来表示全局地图需要成千上万个粒子相比，50个粒子就可以足以表示局部地图。另外，因为在任意给定的处理步骤处只要考虑全局地图的子集或部分，所以不必随着整个空间的尺寸增大而增大粒子的数量；因此，数据结构所需的存储器容量可以与操作环境的整个面积成比例地线性增大(与根据面积的平方增大相反)。

另外，由于所有粒子在该可选实施方式的一个实施方案中根据单个地图获取了方位(bearing)(而不是需要每个离散粒子采用全局地图的相应专门版本)，所以可以实现额外的存储器容量节约。例如，该可选方法与上面参照图16E所述的方法相比在所需的存储器或数据存储容量方面可以提供50倍的减少。要理解的是，由于存储器要求线性而不是呈指数增加，所以根据操作环境的范围，存储器减小可以大于50X。

根据该可选实施方案，根据在能够识别并且精确测绘出的操作环境内的特征构建出局部地图Pn。在示例性实施方案中，局部地图的边界通常会受到在距离感测装置(例如光学组件260)的直径范围内的最大正方形的限制，但是这种地图的其它形状以及影响那些地图的扩展的不同标准在各种用途中也具有实用性。局部地图P1、P2、...、Pn可以由在操作环境内的障碍物和其它特征的物理末端以及由通向相邻或临近局部地图的“出口”来界定。在这方面，要理解的是，相对于局部地图的“出口”边界通常可以表现为通向另一个(例如但不必局限于相邻的)局部地图的路径或通道。

在一些实施方案中，每个局部地图其特征在于相应的“扫描点”。实际上，可以根据对在该空间内哪个位置可以最好地观看整个局部地图空间的估计来选择在局部地图内的位置；可选的是，可以根据方便性、效率或便利来选择这种扫描点，与针对从特定位置观看的质量的任何评价无关。在一个实施方式中，例如可以将该扫描点选择为估计是离所有已知或观察到的边界或特征最远的点的位置，但是也可以有其它选择.如下面所述一样，采用局部地图的定位和测绘技术尤为牢靠，并且不许依靠在相对于视野、最大可观察范围或其它因素而言的任意特定“理想”或“最佳”扫描点上的功效。

每个局部地图另外可以包括便于识别相邻(或其它)局部地图的相对位置的位置数据。这些数据可以表示每个相应相邻局部地图的所选扫描点的相应相对位置的指示或估计。该信息例如存储在出口结构中，这通知在电子模块220的控制或引导下工作的机器人100如何到达相邻局部地图的扫描点。在这方面，局部地图可以通过通向相邻地图的扫描点的出口的连接(在数据结构内)“松散相关联”；即在相邻地图之间的相对位置信息不必精确。在机器人100从一个局部地图运动到下一个时，可以很容易计算出其在新的局部地图内的正确位置。

如上所述，整个全局地图其特征可以在于多个局部地图的集合，并且必要时可以根据来自已知局部地图的数据重新构建。

为了确认机器人100是否已经进入预先知道的局部地图，可以将一些粒子故意放在预先访问过的局部地图中(“标记”粒子)。如果还发现机器人100在给定时刻的当前位置(根据一个或多个标记颗粒的存在)将处于前面访问过的局部地图中，则标记粒子可以开始从该系统接收高权重。通常被称为“闭环分析”的这种策略使得机器人100(通过电子模块260或其它处理元件)能够确定它已经重新进入已知的空间。通过跟踪与将局部地图连接在一起(例如贴砖或缝合)相关的集合误差的最大值，可以限制这些标记粒子放入到最可能表示机器人100实际占据的位置的区域上。该技术会减小与插入可能需要的标记粒子相关的额外存储器。另外，与机器人100当前正在来回穿越的局部地图相关的粒子相比，标记粒子的权重更新可以更不频繁。降低标记粒子更新的频率降低了保持这些附加粒子的精确记录所需的处理能量。

图16F为简化流程图，显示出采用局部地图同时定位和测绘的方法的示例性实施方案。

如在方框1621处所示一样，产生出全部粒子，每个粒子表示有关机器人100的位置和倾斜度的假设情况。如上所述，这些粒子没有一个需要与之相关的相应版本全局地图；实际上，在一些实施方案中，不需要任何全局地图。如在方框1631处所示一样可以对操作环境进行初始扫描(例如，在360度或其它弧度中)；可以例如通过光学组件260或者通过一些其它距离测量技术来执行该扫描。至少部分根据初始扫描的结果，如在方框1632处所示一样可以选择出用于局部地图的扫描点；如上所述，可以将在特定地图中估计为离落入在局部地图内的操作环境的每个可观察特征最远的点选择作为扫描点，但是在一些应用中也可以采用其它准则。在保持定位(例如根据初始扫描的结果)的同时，机器人100可以横越操作环境到所识别出的扫描点。

如在方框1633处所示一样，可以进行补充扫描(例如在360度或其它弧度中)以从扫描点获取光学数据。可以采用这些光学数据作为开始构件局部地图的基础。例如，可以将从该扫描点观察到的有关操作环境的特征和边界、有关设置在操作环境中的障碍物或每个的组合的位置信息存储在存储器中以便随后由电子模块220处理。作为基线，可以理解的是，在该补充光学扫描期间收集到的信息与在随后扫描操作期间所获取的任意信息相比可以在更大程度上影响局部地图。

在机器人100在它执行所分配的或预编程的任务时正在操作环境中来回运动期间(方框1622)，可以重复进行在图16F的右边画出的测绘程序。对于由机器人100当前所占据的局部地图(即，“当地”局部地图)而言，可以用从距离感测技术(即光学组件260)输出的新获取信息来更新该本地地图；可以例如根据在电子模块220处可以使用的可用处理器资源、在光学组件260中应用的硬件的限制条件、编程代码的复杂程度以及其它因素来连续地、周期性地或按照需要提供更新数据。本地地图因此可以根据新获取的数据在接收到那些数据时进一步完善；在方框1634处描绘出该更新功能。为了简化处理操作，电子模块220最好总是假设机器人100正确设置在当地局部地图内的给定位置处(在图16F的左下部分中描绘出定位程序)。

如在方框1635处所示一样，在电子模块220在机器人100执行所分配的任务期间构建和改变该本地局部地图时，可以将前面的更新操作迭代。在已经根据提供给电子模块220的动态改变的或预定的指令对本地局部地图的所有区域进行处理时，机器人100可以从本地地图中搜索未开发的出口(判断框1636)。可以根据规定了对于未开发出口的相对优先级的逻辑或者必要时根据不同的规则来随机访问任意未开发的出口。在方框1637处显示出该功能。要理解的是，可以采用各种确定下面要访问哪一个局部地图的方法。例如，电子模块220可以指示机器人100首先访问最近的未开发出口；可选的是，可以首先检查具有最小估计物理尺寸的出口(例如，可以认为该出口最可能为死端)。作为另一个可选方案，高级算法可以估计出访问局部地图的顺序，这减小了用于特定任务的总操作时间。当前内容不打算局限于用来决定访问局部地图的顺序或优先级的任意特定方法。

如果没有存在任何离开当地局部地图的未开发出口，则电子模块220可以横扫整个地图结构以识别出与任意局部地图相关的最近未开发出口(是否与该本地地图相邻)；如果存在一个或多个未开发出口，则指示机器人100行进到其中一个以便继续所分配的任务；如上所述，下一个连续局部地图的选择可以是随机的、预先确定的，或者根据各种因素确定。在该地图结构中的任何地方都不存在未开发出口时，测绘程序可以中止，因为已经走完并且适当测绘了整个操作环境。

一旦机器人100已经到达未开发出口，则重复前面的从至少部分根据在初始光学扫描操作(相对于下一个连续局部地图)期间接收到的输入识别出扫描点开始的程序(如由回到方框1631的循环所示一样)。

另外，机器人100可以使用开发出的出口以从在一个局部地图中的位置穿越到在另一个局部地图中的已知位置。例如，可以指示机器人100在完成任务时返回到充电站或基座(下面所述的)，或者返回到一些其它预定或以其它方式指定的位置；在机器人100完成该任务时，电子模块260可以采用有关已知开发出的出口的数据来引导机器人100通过一系列局部地图，从而使得机器人100能够从其当前位置前进至预定或以其它方式指定的目的地。在穿越特定局部地图期间，机器人100会发现其方位足以确定通向适当相邻局部地图的出口的位置。

如上所述，在图16F的左下部中描绘出定位程序。一开始，可以至少部分根据本地局部地图的初始扫描结果来将粒子初始化(如在方框1631处所示一样)。在该初始化程序之后，可以假设每个粒子处于机器人100的位置处。

可以基本上如上所述一样监测机器人100的运动。例如，运动的估计结果可以基于自从该算法的最后迭代以来所获取的里程表(或其它)测量值.可以根据该运动模型对每个粒子进行位置更新；如在方框1641处所示一样，在对于每个粒子而言不同的一些误差因素下位置更新会出现有意扭曲。

然后可以计算出每个粒子的权重或其它分数；该计算可以至少部分基于最后的距离测量值以及对那些测量值如何与本地局部地图一致的估计，假设这些测量值从当前分析并且加权重的粒子的位置中获取.具体地说，可以将每个粒子评价为确定其相对于本地局部地图的位置如何很好地说明或重新确认最近所获取的光学数据。在方框1642处显示出该程序。

可以使每个粒子的权重或分数标准化，并且可以对全部粒子重新采样，如在方框1643处所示一样。在这方面，重新采样操作可以根据权重来复制粒子，例如在可以将权重当作可能性的情况下。高权重粒子通常可以预测为具有更高被识别为精确的可能性；因此，可以将具有最高分数的粒子(或者那些具有最大权重的粒子)复制几次。相反，权重更低的粒子将最不可能复制；在随后处理中可以废弃或忽略权重最低的粒子。根据该实施方案中，可以将复制的粒子处理为新的工作粒子，即对于分析起作用并且可用的粒子。

如在方框1644处所示一样，可以根据前面操作的结果计算出用于机器人100的局部化的(localized)位置。在一些实施方案中，可以通过针对当前可用于分析的所有粒子计算出平均位置和角度来计算出局部化位置，但是在一些情况中也可以采用其它计算方法。例如，可以通过确定这些粒子在具有高(或最高)粒子密度的区域内的平均位置和角度来计算出局部化位置；这种区域的边界会例如受到阈值粒子密度的影响，或者可以人为地局限于某些最大区域。如由回到方框1622的循环所示一样，前面定位程序可以迭代，从而在机器人100穿越操作环境以执行任务时连续或周期性地出现。

要理解的是，图16E的实施方案需要与每个粒子相关的全局地图以便于在较大空间中进行闭环分析。使用绕过走廊作为实施例，如果全局地图没有精确模拟每个转弯的长度和形状，则它不可能知道走廊自身形成封闭环路。保持与每个离散粒子相关联的离散全局地图允许相对于整体全局地图具有大量的假设情况，从而使得机构确保这种复杂操作环境的实际形状以及包括在可能性集合中。

但是对于采用了局部地图的图16F的实施方案而言，闭环分析相对更容易，因为光学组件260可以观察到在给定本地局部地图内的每个结构、特征和障碍物，并且因此可以给电子模块220提供有关这些物品的信息。关闭更大环路并不更加复杂，因为该环路穿越了多个局部地图。由于这些局部地图通过如上所述的结构松散连接，所以累积误差不会妨碍该系统识别出该环路已经关闭。

要理解的是，前面功能的一些或全部可以由例如单独操作或与光学组件260的接口1020结合操作的电子模块220执行。在单个芯片上或者在非常小的包装中可以实现足够的处理器资源和存储器，尤其在采用了局部地图的图16F的实施方案中。要指出的是，在图16F中的方框的布置不必暗示特定的事件顺序或序列，它也不打算排除其它可能性。例如，在方框1622、1634和1635处描绘出的操作基本上相互同时出现；另外，这些操作通常与在方框1622和1641-1644处所描绘的定位操作基本上同时出现。本领域普通技术人员将很容易认识到例如根据处理器和内部通信带宽、存储器容量、光学组件260的能力等在某些情况中可以采用许多变型和变化。

另外，操作环境的任意永久特性或其它特殊特征可以存储在存储器中并且与特定的局部地图或所选的局部地图组相关联。该策略可以在存储器中保存在单个操作循环期间或在各个循环之间应该或必须“记住”的操作环境的任意特征或方面，以便于导航、避开障碍物或两者.例如，如果在操作环境内限定了虚拟或假想壁以防止机器人100进入特定的空间，可以将那个假想壁的位置存储作为在给定局部地图或一系列局部地图内的特征(例如根据假想壁的范围)。虽然光学组件260不会预测到这种特征，但是电子模块220会获悉其存在，并且保持与适当局部地图相关联的适当数据记录。

在这方面，要理解的是，与某些局部地图有关或相关联的数据可以按照压缩的格式存储以降低对存储器的要求。在里面机器人100当前没有工作的局部地图(即，不是本地局部地图)与例如上述任意永久特性或特殊特征一起可以按照压缩的格式存储；随后在机器人100进入该局部地图并且它变为本地局部地图时可以与特定局部地图相关联的数据解压缩或扩展以便处理。

另外或者可选的是，与本地局部地图相关联的数据可以采用与用于其它局部地图的压缩格式相同或不同的压缩格式存储在存储器中.由于与本地局部地图相关联的一些数据在机器人100运动穿过操作环境时会更新，所以用来降低或最小化与解压缩和重新压缩相关联的处理负担的压缩方案在这种实施方案中特别有用。一种这种压缩方案可以将本地局部地图存储作为分级方框结构；在一些实施方案中，可以将本地局部地图的整个空间分割成形成空间马赛克的方块；作为局部地图提供了整个操作环境的分段表示时，这些方块可以提供本地局部地图的分段表示。这些方块可以布置成如上所述的平铺的马赛克，或者可以在一定程度上重叠。方块可以包括已经测绘出的结构或特征的表示，并且另外或可选的是包括其中没有存在任何结构或虚拟元件的区域。

在这方面，每个方块可以被识别或标记成具有一个状态。在一些实施方案中，最好可以识别出三种状态：未知；空缺；以及“其它”。如果将方块标记为“未知”，则可以如上所述一样获取有关在由该方块表示的操作环境中的位置的数据；随后获取这种数据可以使得“未知”方块重新表征或重新归类为具有不同的状态。如果在由方块表示的操作环境中的位置已知为缺乏结构、障碍物或其它(物理或假想)需要测绘的特征，则可以将该方块标记为“空缺”，并且可以在进一步的处理操作中潜在地被忽略。如果将方块标记为“其它”，则那个方块可以包含更小的方块(即，“子方块”，它们可以按照类似的方式识别或标记)。子方块可以包含包括针对单元是否空的或空缺的表示或其它指示的格栅单元。要理解的是，标记为“其它”的方块可以包含“空缺”的区域或子方块以及通过测绘的结构或特征表征的区域或子方块。

在一些实施方案中，前面的数据结构可以便于通过最小化所要解压缩、更新并且随后重新压缩的本地局部地图的数据量来方便处理。如从上面提供的细节中可以理解的是，同时定位和测绘技术所需的大部分处理能量通常可以与确定每个粒子期望距离感测装置或仪器在相对于机器人100的每个角度处获取的距离测量值相关。如果已知本地局部地图的大面积都是空的并且能够因此识别出，则精确定位和测绘基本上需要更少的处理能量(例如，可以删除相对于这种空区域的随后处理，从而使得用于对未知区域或包括可识别特征的区域的处理的资源自由)。按照前面的方式，可以在处理之前检查数据结构，从而更新某些方块，同时不更新其它方块。

充电和不工作循环

如上所述，往往期望从操作环境中将机器人100去除。图18为充电站的简化图。图19A和19B分别为简化的顶视图和剖面侧视图，显示出构成为在不工作时占据最小空间的机器人的一个实施方案。如所示一样，机器人100的实施方案可以构成用来压靠在墙壁上垂直攀爬。图20A和20B分别为简化顶视图和剖面侧视图，显示出基座的一个实施方案。

在一些实施方案中，机器人100可以展开至竖直姿态以到达充电站1800以及实现如上所述操作环境的有利方面。充电站1800可以包括插入到普通电出口1801的适配器1810，并且可以提供与机器人100结合的适当电触点。如图18所示，充电站1800任选可以包括副电出口1830，从而其它装置可以共享将充电站1800插入到其中的主出口1801。充电站1800还可以包括用来将其位置传播给(例如用RF或IR信号)机器人100的跟踪信标1840。传感器阵列230、光学组件260或两者的组合可以用来单独或者在来自跟踪信标1840的帮助下将机器人100引导至充电站1800。本领域普通技术人员将很容易理解的是，也可以采用充电站1800的其它实施方案；例如将充电站1800刚性固定在墙壁上的所期望位置处，并且可以使用电线或电缆来接收电能。可选的是，充电站1800可以与其中采用了它的家庭或商业建筑物的电气系统硬接线连接。

在没有使用时，机器人100可以接合充电站1800以接收足以给由主体200或功能盒装载的任何内部电池或电池组充电的能量。因此，主体200可以包括电连接器或其它导电结构，其位置和尺寸适当地设置成在机器人100接合充电站1800时与在充电站1800上的电触点1820配合.用于在两个部件的操作接合时完成自动电连接的各种方法通常是已知的并且广泛用于各个领域中。

为了使机器人100适当地设置以便进行充电操作，充电站1800通常可以包括基座1900或与基座1900结合使用。在这方面，基座1900其特征可以在于，用于方便机器人100与充电站1800连接以及使机器人100沿着所期望的取向设置的结构。在一些实施方案中，基座1900可以包括电机或其它促动器，它将机器人100主动地提升至正确位置以便与充电站1800连接；一旦与轨道1910或其它机构接合，则机器人100可以在不使用其自身能量的情况下取向到所期望的位置中。可选的是，机器人100可以在其自身能量下使用驱动机构240操作以将自身定位在基座1900上。

在图19A和19B中所示的实施方案中，在主体200的底面上的接合齿轮246可以构成为与和基座1900相连的轨道1910相配合。机器人100可以通过T形槽固定在轨道1910上。在不需要在主体200上加入齿轮246的另一个实施方案中，基座1900通常可以包括设置成接合与轮子242和244成一体的齿轮或链轮齿(在图1A和1B中的参考标号245)，如图20A和20B所示一样。根据该实施方案，机器人100可以在其自身能量作用下通过如上所述的驱动机构140攀爬到所期望的位置中。

为了如图20A和20B所示爬上带齿轮的基座1900，用于每个相应轮子242、244的相应齿轮245可以与设置在与基座1900相关联的导轨2010上的那些齿轮对准。要理解的是，可以按照几种方式来完成齿轮245和导轨2010的正确对准。轮子242、244可以设有内置传感器，用来检测在齿轮245上的齿的位置。机器人可以如此选择地使轮子242、244转动，从而齿轮245的齿相互并且与在导轨2010上的齿轮齿精确对准.机器人可以采用传感器阵列230、光学组件260或两者的组合以帮助对准。在导轨2010上的齿轮轨道可以具有互锁机构，用来防止轮子242、244向前行进，除非两者都正确接合；机器人100可以安装导轨2010并且用较低的力矩使得两个轮子242、244缓慢运动直到正确接合允许进行自由运动。

基座1900可以包括用来方便机器人100对准以便与轨道1910或导轨2010接合的反射镜。例如，可以这样将小反射镜或其它反射表面设置在基座1900上以便反射由传感器231输出的信号。在主体200上的传感器231的特定几何形状和相对位置是已知的情况下，这些反射表面可以如此设置和取向，从而传感器231在已经实现精确对准时接收特定的信号(例如最大反射)或其它指示。按照前面的方式，可以在与轨道1910或导轨2010接触之前或与之基本上同时确保正确的对准。可选的是，机器人100可以试图在不对准接合的情况下爬上基座1900；在导轨2010包括对准机构(例如隧道或加宽部分)的情况下，机器人100可以更不精确，并且导轨2010构成为方便正确接合。

图21和22为在不工作循环期间与基座和充电站的实施方案接合的机器人的简化侧视图。要理解的是，可以设置方便从基座1900中将机器人100移除以便操作的机构。在机器人100如图21所示设置的情况下，主体200的下部在机器人100下降(即离开墙座)时运动离开墙壁。使得机器人100自身能够脱离基座1900和充电站1800的机构例如可以按照几种方式设置。在物理上可以采用机械杠杆来在机器人100下降时将主体200的下部推离基座1900。可选的是，在驱动机构240中可以包括阻尼机构或调速器。根据该实施方案，在轮子242和244的速度比规定速度更快时，调速器系统干预以延迟转动。这种阻尼机构可以是气动的或液压的，或者可以为基于摩擦的。给轮子242、244供能以使得机器人100的下降的速度比阻尼机构允许轮子242、244转动的速度更快，这可以使得这种阻尼机构在机器人100上施加力矩，从而通常趋向于将下部向外并且向上拉。

可选的是，可以将可以为主动或被动的副轮或齿轮包括在主体200上，并且设置成接合与基座1900相关联的轨道(例如在导轨2010或专门的轨道上)。除了通过使得主体200适当取向来便于与基座1900脱开之外，该实施方案可以提供额外的优点，例如在一些情况中可以实现所期望的机械供能。例如，可以采用这种副轮或齿轮来在每次机器人100在清洁循环之后返回到基座1900时执行维护供能。如上所述，最好使得蠕动泵周期性地反向运行，可以采用设置在主体200上并且构成为接合在基座1900处的轨道的副传动机构来实现泵393的这种反向循环。另外或可选的是，使用这种副齿轮可以预付垫片330材料(例如通过拾取辊332或在不同实施方案中的另一个结构)。同样可以执行其它供能，例如：可以打开或去除部件盖；可以展开传感器；可以切换光学元件260的操作模式(作为实现该电气的可选方案，例如在电子模块220的控制下)；机器人100的结构组成部件可以重新配置成在机器人不工作期间占据更少的空间；等。

如上所述，可以将副轮、齿轮或其它突出的结构件设置成骑在用来将机器人100设置在基座1900上或设置在可选的副轨道中的轨道(例如可以由导轨2010所采用)中。副轨道在一些情况中是有利的。在这方面，副轨道可以允许副齿轮或轮子组进行定制运动，从而对于由此能够实现的供能提供了灵活性。例如，副轨道可以包括用于有限距离的齿轮或螺纹，从而使得第二齿轮组比主驱动轮(242，244)转动更少。

图22的基座1900的实施方式可以使得机器人100能够手动拆除。如图22所示，用来实现这个供能的一种方式在于使得机器人100能够驱动到在导轨2010中的齿轮齿的极限位置处。任选在基座1900的顶部处包括隧道形状(如在图22的右侧所示一样)可以便于手动更换机器人100.在基座1900的一些实施方式中，导轨2010设计成将机器人100拖向在基座1900顶部附近的墙壁。这种布置可以使得机器人100相对于墙壁尽可能保持平坦，同时避免在地板附近伸出成型。另外，该策略可以便于主体200的组成部件与在充电站1800处的充电触点1820正确接合。

与基座1900相关联的部分轨道可以选择地拆卸，从而允许基座1900如在这些附图中所示一样压靠在墙壁上使用(即，在安装有垂直部分的情况下)或者在将垂直部分卸下时在地板上使用。这提供了灵活性，并且可以允许即使在不期望垂直取向的基座1900的情况下也能够采用基座1900的某些特征(例如与充电站1800、信标特征等操作连接)。

除了由充电站1800所采用的任意导航技术之外，或作为其可选方案，基座1900可以包括允许机器人100识别出基座1900在操作环境内的位置的特征。可使用信标，例如使用可以由传感器阵列230接收到的RF或IF信号。另外或者可选的是，可以使用例如由光学组件260执行的距离测量技术来检测出独特识别形状、有色点的布置或其它识别符号。

在这方面，要理解的是，基座1900可以结合有结构元件或电子部件，用来方便在操作环境中导航。导航助理可以包括根据传输角度改变符号的信标。例如，IR或RF标识器可以扫过操作环境同时在扫描出现时改变信号特性(例如频率)或者数据特征(例如数字传输表示当前角度的数据)。一旦由传感器阵列230接收到并且由电子模块220进行适当的处理，则机器人100可以使用这种信号来确定其当前位置的分量，即相对于基座1900的角度取向。

如果离基座1900的距离是已知的，则传输角度信息的单个基座1900可以帮助机器人100确定其在操作环境中的正确位置。可以通过检查在基座1900的两个已知特征之间的相对角度来确定距离。这些特征可以为两个信标，在该情况中机器人100可以从如上所述的每个信标直接接收角度信息。另外或可选的是，这些特征可以是结构特征，在该情况中机器人100可以采用光学组件260来观察角度取向。在这些特征之间的距离是已知的并且存储在电子模块220中时，可以很容易计算出离基座1900的精确距离。作为另一个可选方案，多个工作站可以从在操作环境中或周围的不同位置传输角度信息；这些工作站中的一个可以为基座1900，同时其它工作站可以为简单的信标站。从多个工作站接收到的信号的三角法可以帮助精确测量机器人100的精确位置。

要理解的是，基座1900的各种变型在某些情况中具有实用性，并且可以包括附加的结构以实现或便于所期望的功能。例如，基座1900可以包括一个或多个液体容器以能够在需要或期望的情况下自动或手动的更新清洁溶液或其它液体(例如填充容器380)。另外或可选的是，基座1900可以包括用于从功能盒的元件(例如从容器312或抽吸腔室920)中接收碎片或其它颗粒状物质。在一些完善的实施方案中，基座1900可以如此构成以换出多个功能盒，从而在第二功能盒与主体200连接以便使用时第一功能盒可以保持连接在基座1900上，反之亦然.按照前面的方式，可以减少操作人员操作耗材、废物以及机器人100的结构部件。

另外，基座1900可以构造有架子、搁架、隔室或其它存储区域以容纳耗材、瓶子和其它供应品(例如如上所述用来训练电子模块200所采用的反射条或小片)。在一个实施方案中，基座1900可以采用保持器、夹子、插座或其它结构来固定遥控单元。在更完善的实施方案中，支架可以与基座成一体，以实现漂亮的外观或者用于功利的目的。在一些情况中，这种布置可以允许遥控单元与基座1900可操作连接以允许遥控单元能够给内部电池充电，并且能够在遥控单元和基座1900或电子模块220之间实现双向数据通信。

已经参照以只是实施例方式而不是以限定的方式给出的具体实施方案对本发明的几个特征和方面进行了详细说明和描述。本领域普通技术人员要理解的是，在当前公开内容的范围和构思范围内对所披露的实施方案可以作出各种可选实施方式和各种变型。因此，本发明意欲只由所附权利要求的范围来限定。

Claims (40)

1.一种多功能机器人，它包括：

具有驱动机构的主体；以及

与所述主体连接的功能盒，其中根据功能盒的特性将机器人选择性地配置成执行一项功能。

2.如权利要求1所述的多功能机器人，其中所述主体还包括用来给所述驱动机构提供指令以使机器人在操作环境中定位的电子模块。

3.如权利要求2所述的多功能机器人，其中所述主体还包括用来给电子模块提供数据的感测装置，所述数据与机器人相对于在操作环境中的物体的位置相关。

4.如权利要求3所述的多功能机器人，其中所述感测装置包括光学组件，并且其中所述数据为光学数据。

5.如权利要求4所述的多功能机器人，其中所述指令受到所述光学数据的影响。

6.如权利要求3所述的多功能机器人，其中所述感测装置包括临近传感器，并且其中所述数据为临近数据。

7.如权利要求6所述的多功能机器人，其中所述指令受到所述临近数据的影响。

8.如权利要求1所述的多功能机器人，其中所述特征使得机器人在所述功能盒与所述主体连接时执行拖地功能。

9.如权利要求1所述的多功能机器人，其中所述特征使得机器人在所述功能盒与所述主体连接时执行吸尘功能。

10.如权利要求1所述的多功能机器人，其中所述特征使得机器人在所述功能盒与所述主体连接时执行扫地功能。

11.如权利要求1所述的多功能机器人，其中在所述功能盒与所述主体连接时自动地实现机械连接以使得所述功能盒能够操作。

12.如权利要求1所述的多功能机器人，其中所述主体还包括用来识别所述功能盒的所述特征的检测器部件。

13.一种机器人设备，包括：

驱动机构；

电子模块，用来给驱动机构提供指令以使机器人设备处于操作环境中；

光学组件，用来给电子模块提供光学数据，所述光学数据与机器人设备相对于操作环境中的障碍物的位置相关并且影响提供给所述驱动机构的指令；以及

可选择性地连接的功能盒，用来建立机器人设备的功能，其中根据功能盒的特性将机器人设备选择性地配置成执行一项功能。

14.如权利要求13所述的机器人设备，还包括用来识别出所述功能盒的所述特征的检测器部件。

15.如权利要求13所述的机器人设备，其中在连接所述功能盒时自动地完成机械连接以让所述功能盒能够操作。

16.如权利要求15所述的机器人设备，其中所述机械连接与所述驱动机构连接。

17.如权利要求13所述的机器人设备，其中在连接所述功能盒时自动地完成电气连接以使得所述功能盒能够操作。

18.如权利要求17所述的机器人设备，其中所述电连接部分与由机器人设备所装载的电源连接。

19.如权利要求17所述的机器人设备，其中所述电连接部分使得在所述功能盒和所述电子模块之间能够进行双向数据通信。

20.如权利要求19所述的机器人设备，其中所述电子模块根据通过所述电连接接收到的数据识别出所述功能盒的所述特性。

21.一种多功能机器人，包括：

主体，包括：

驱动机构；

电子模块，用来给驱动机构提供指令以使机器人在操作环境中定位；

感测装置，用来给电子模块提供数据，该数据与机器人相对于操作环境中的物体的位置相关；

传感器阵列，用来给电子模块提供临近数据，该临近数据与机器人设备相对于操作环境中的障碍物的位置相关；以及

连接机构，用来接收功能盒；

以及

用来接合所述连接机构的可选择性连接功能盒，其中根据功能盒的特性所述机器人可选择性地重新配置成执行一项功能。

22.如权利要求21所述的多功能机器人，其中所述主体还包括用来识别出所述功能盒的所述特性的检测器部件。

23.一种将操作环境绘图以便于机器人航行的方法，所述方法包括：

在与表示一部分操作环境的局部地图相关的扫描点处获取光学数据；

识别出该部分操作环境的特征并且将所识别出的特征与所述局部地图相关联；

在由局部地图表示的该部分操作环境来回移动；

获取附加的光学数据；并且

根据所述来回移动和所述获取附加数据来更新所述局部地图。

24.如权利要求23所述的方法，还包括选择地重复所述来回移动，所述获取附加数据和所述更新。

25.如权利要求23所述的方法，还包括离开局部地图并且前进到表示操作环境的不同部分的不同局部地图的扫描点。

26.如权利要求23所述的方法，其中所述获取光学数据和所述获取附加数光学数据包括利用准直光源。

27.如权利要求23所述的方法，其中所述获取光学数据和所述获取附加数光学数据包括利用漫射光源。

28.如权利要求23所述的方法，其中所述识别和所述更新包括根据所述光学数据和附加光学数据计算出到所识别的特征的距离。

29.一种将操作环境绘图以便于机器人航行的方法，所述方法包括：

将操作环境分割成多个局部地图，多个局部地图中的相应每一个表示操作环境的相应部分；

通过以下步骤来为多个局部地图中的相应一个绘图：

获取光学数据以识别出与操作环境的相应部分相关的特征；

根据该获取结果，使所识别的特征与多个局部地图中的相应一个相关联；

选择性地重复所述获取和关联；并且

离开多个局部地图中的所述相应一个并且前进到多个局部地图中表示操作环境的一个不同部分的一个不同局部地图；

以及

选择地重复进行测绘直到已经测绘出操作环境的每一个相应部分。

30.如权利要求29所述的方法，其中所述获取光学数据包括利用准直光源。

31.如权利要求30所述的方法，其中所述获取光学数据包括利用漫射光源。

32.如权利要求29所述的方法，其中所述关联包括压缩数据结构，所述数据结构表示多个局部地图中的相应一个的数据。

33.一种用来确定机器人在操作环境内的位置的方法，所述方法包括：

将操作环境分割成多个局部地图；

获取与在机器人和由机器人当前所占据的所述多个局部地图中的一个相对应的一部分操作环境中的特征之间的距离相关的数据；并且

根据获取结果计算机器人的位置。

34.如权利要求33所述的方法，还包括选择性地重复所述获取和计算。

35.如权利要求33所述的方法，其中所述获取数据包括利用准直光源。

36.如权利要求33所述的方法，其中所述获取数据包括利用漫射光源。

37.一种机器人，包括利用用来确定机器人在操作环境中的位置的数据和指令来编码的计算机可读介质；所述数据和指令使得机器人进行以下步骤：

产生多个粒子，所述多个粒子中的每一个具有表示有关机器人的位置和倾斜度的假设情况的相关假设情况数据；

从机器人的当前位置中获取与操作环境的一个透视图相关的数据；

将所述数据和与多个粒子中的至少一些相关的所述假设情况数据进行比较；并且

根据所述数据和所述假设情况数据的比较给多个粒子中的至少一些施加权重；

其中用于所述多个粒子中的每一个的所述假设情况数据的位置分量局限于在操作环境中的位置子集。

38.如权利要求37所述的机器人，还用所述数据和指令编码；所述数据和指令还使得机器人执行以下步骤：

在所述相关的假设情况数据类似于由机器人所获取的所述数据时增加所述多个粒子中的一个的权重；并且

在所述相关的假设情况数据与由机器人所获取的所述数据不相似时减小所述多个粒子中的一个的权重。

39.如权利要求38所述的机器人，还用数据和指令进行编码；所述数据和指令还使得机器人放弃所述多个粒子中其权重低于放弃阈值的那些粒子。

40.如权利要求38所述的机器人，还用数据和指令进行编码，所述数据和指令还使得机器人复制所述多个粒子中其权重高于复制阈值的那些粒子。

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