磁感受性传感器和竖直行驶机器人的优化绘制和擦除的制作方法

美国在通常被称为“stem”的科学、技术、工程和数学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推动力，并且其他领域中越来越多的工作需要stem知识。然而，许多学生并未成功地学到核心概念。根据近期报道：

·75％的美国八年级学生在上完八年级时并不精通数学；

·79％的十二年级学生在科学方面未表现出精通水平；并且

·54％的高中毕业生没有为大学水平的数学做好准备。

此外，学习stem学科的学生不足以满足国家的需要。此外，根据近期报道：

·以stem专业开始的学生中有38％由于某一方面而未毕业。

·到2018年，美国可能短缺多达300万高技能工人。

为了应对这一趋势并激励更多学生投入stem研究，总统科学与技术顾问委员会(president'scouncilofadvisorsonscienceandtechnology)建议我们“创造激发各种背景的学生并引起他们的兴趣的stem相关体验”。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。经发现，机器人是对于学生来说是一种具有激发性和激励性的工具；如此，我们相信机器人也可以是强大的教育工具。机器人可以有助于教授解决问题、逻辑、编程、计算思维等。通过降低必要技术知识的门槛，我们相信，为课堂设计的机器人可以为所有年龄段的学生带来独特且刺激的学习体验。

技术实现要素：

本文描述了磁性、颜色或灰度(例如，多于两种暗影，而不依赖于颜色本身)感测性移动式标记机器人和用于通过移动式机器人进行交互式标记的方法。装置和方法的各个实施例可以包括下文描述的元件、部件和步骤中的一些或全部。

本文描述了一种竖直行驶标记机器人，所述竖直行驶标记机器人能够使用至少两个轮子以及所述轮子中或机器人本体中的其他地方或与机器人本体联接的磁体而在竖直安装的白板上或在其他铁磁性表面上前行。所述机器人包括：机器人本体；至少一个磁体，所述至少一个磁体处于所述机器人本体中或与所述机器人本体联接，所述至少一个磁体将所述机器人约束为平行于竖直磁响应性表面移动；驱动器，所述驱动器被配置成在所述机器人固持到所述竖直磁响应性表面的同时使所述机器人相对于所述表面移位；固持器，所述固持器被配置成将标记器固持在所述机器人本体中或上；加速度计，所述加速度计测量具有大小和方向的重力矢量；计算设备，所述计算设备与光学传感器、所述加速度计以及所述驱动器通信。所述计算设备包括处理器和与所述处理器通信的计算机可读存储器。所述计算机可读存储器包括用于以下动作中的至少一个动作的非暂态程序代码：a)响应于并且根据所述重力矢量而产生漂移校正以补偿驱动滑移漂移；以及b)响应于所述漂移校正而命令所述驱动器使所述机器人沿着期望轨迹移位。

一种用于驱动机器人的方法包括：将机器人磁性地约束为平行于竖直磁响应性表面移动；测量作用于所述移动式机器人上的具有大小和方向的重力矢量；响应于并且根据所述重力矢量而产生漂移校正以补偿驱动滑移漂移；响应于所述漂移校正而命令驱动器使所述机器人沿着期望轨迹移位；以及使用由所述机器人运送的标记器来标记所述竖直磁响应性表面。

用户可以通过借助于智能电话、平板计算机或计算机无线地控制所述设备并且通过直接在白板上进行绘制来改变机器人的环境，从而与机器人进行交互。因此，尽管所述机器人特别适合于课堂使用，但是我们相信所述机器人也具有很大的潜力作为家庭教育玩具。家里具有计算设备并且想要给孩子提供参与式且有教育意义的体验的父母可以购买所述机器人以便其孩子在家使用，从而使孩子能够在家玩耍和学习，同时父母投资的“玩具”比大多数玩具具有更长的寿命并且提供实实在在的学习益处。虽然所述机器人主要被描述为跨竖直表面(例如，竖直安装的白板)移动，但是所述机器人可以可替代地在桌子、地板或水平定向的或处于其他定向的其他表面上操作。

附图说明

图1是在白板上进行绘制的机器人原型的摄影图像。

图2示出了机器人的一个实施例中的特征的示意性布局。

图3是机器人的另一个实施例的透视图。

图4是机器人和控制系统的示意图，示出了部件之间的通信。

图5是机器人的示例平板计算机编程界面的快照。

图6示出了用于通过在板上绘制颜色图案来对机器人进行编程的界面，所述机器人驶过并且扫描所述板以确定随后要执行的动作的序列(例如，“舞蹈”)。

图7示出了抛体运动模拟，其中，机器人表现为抛体，并且其中，用户可以改变抛出力量、抛体的质量或重力。

图8示出了竞速游戏的实施例，用户可以与多个机器人(由平板计算机传感器控制)在受到绘制于所述表面上的特征(障碍物、“隆起物(power-up)”等)影响的手绘跑道上一起玩。

图9示出了机器人感测投射在白板上的信息的实施例的概念简图；这可以被视为不可擦除的信息，或者可以基于机器人的位置和动作而改变(使用相机或其他跟踪器)。

图10示出了机器人在白板上充当“机器人蚂蚁”并且可以与多个机器人一起觅食的应用，并且示出了模拟信息素踪迹。

图11示出了机器人扫描音符并播放相应歌曲的应用。

图12示出了机器人用作通过黑客端口实现其他科学实验的无线测试平台的实施例。

图13是磁性轮子设计的分解视图。

图14是简图，示出了穿过图13的轮子并且穿过铁磁性表面的磁场线。

图15和图16示出了两种不同的颜色感测方法，其中，可以将光电检测器阵列置于检测表面附近，或者其中，可以使用光学器件将光引导至传感器。

图17示出了机器人中的线性相机可以与狭缝(如针孔相机)或镜头一起使用以感测白板的较大表面区域。另外，人们可以使用显示不同颜色组合的外部光源(例如，投影仪、监视器等)与所述设备通信。

图18是机器人的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，所述压缩滚轮用于施加压力并抓住标记器以使其移动。

图20是擦除器附件的实施例的图像。擦除器上的轴可以采用与安装标记器的方式相同的方式安装，并且机器人可以采用与致动标记器相同的方式致动擦除器。

图21是具有可定制壳体的机器人的图像，其中，机器人的顶表面是磁性白板表面和/或干擦除白板表面。

图22示出了机器人的第一原型，所述第一原型具有永久性擦除垫并且不具有致动式标记器。

图23是机器人的实施例的下侧的图示，示出了用于检测机器人横穿的表面上的颜色图案的灯和传感器阵列。

图24至图26示出了对磁力传感器(包括永磁体80和霍尔效应传感器82)的使用，所述磁力传感器测量行驶表面16的磁化率以估计机器人12的吸引力和所产生漂移89。

图27至图29示出了为了考虑给定量的漂移89而进行的轨迹校正的一些示例。

图30和图31示出了具有第一端95和第二端97的双端致动器臂94，所述第一端连接至标记器固持器90，并且所述第二端通过顺性接头98连接至集成擦除器15，并且所述致动器被配置成使用单个致动电机91通过三种状态(笔向上/擦除器向下、笔向上/擦除器向上、笔向上/擦除器向下)致动笔14/擦除器15对。

图32是流程图，描述了用于校准、校正或以其他方式调整由连续重力在行驶方向之一上引起的轮子/驱动滑移的过程。

在附图中，贯穿不同视图，类似附图标记指代相同或相似部件；并且撇号用于区分共享相同附图标记的相同或相似项目的多个实例。附图不一定是按比例的，相反，着重于展示下文讨论的具体原理。

具体实施方式

根据以下对本发明更宽界限内的各种概念和具体实施例的更具体描述，本发明的各个方面的上述以及其他特征和优点将变得明显。上文介绍的且在下文更详细讨论的主题的各个方面可以以多种方式中的任何方式来实施，因为主题不限于任何具体实施方式。具体实施方式和应用的示例主要是为了说明的目的而提供的。

除非在本文中另有定义、使用或表征，本文中使用的术语(包括技术术语和科学术语)将被解释为具有与其在相关领域的背景下所接受的含义相一致的含义，而不在理想化或过度正式的意义上进行解释，除非本文中明确如此定义。例如，如果提及了特定组合物，则所述组合物可以基本上但不是完全纯的，因为实际且不完美的现实可能适用；例如，至少痕量杂质(例如，少于1％或2％)的可能存在可以被理解处于本说明书的范围内；同样，如果提及了特定形状，则所述形状旨在包括相对于理想形状的例如由于制造公差产生的不完美变体。本文中所表达的百分比或浓度可以以重量或以体积表示。下文描述的过程、程序和现象可以在环境压力(例如，约50kpa至120kpa，例如，约90kpa至110kpa)和温度(例如，-20℃至50℃，例如，约10℃至35℃)下发生。

尽管在本文中可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅仅是用来将一个元件与另一个元件进行区分。因此，在不背离示例性实施例的教导的情况下，下文讨论的第一元件可以被称为第二元件。

为了便于描述，在本文中可以使用如“上方”、“下方”、“左”、“右”、“前方”、“后方”等空间相对术语来描述一个元件与另一个元件的关系，如附图所示。应理解的是，除了本文描述的和附图中描绘的定向之外，空间相对术语以及所展示的构型旨在还涵盖装置在使用时或在运行时的不同定向。例如，如果将附图中的装置翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”的元件将被定向在所述其他元件或特征“上方”。因此，示例性术语“上方”可以涵盖上方和下方定向二者。可以以其他方式定向装置(例如，旋转90度或处于其他定向)并且以相应的方式解释本文中使用的空间相对描述语。

仍进一步地，在本公开中，当元件被称为“在另一个元件上”、“连接至另一个元件”、“联接到另一个元件”或“与另一个元件接触”等时，所述元件可以直接处于所述另一个元件上、直接连接至所述另一个元件、直接联接到所述另一个元件或与所述另一个元件直接接触，或者可以存在中间元件，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并且不旨在限制示例性实施例。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(includes、including、comprises和comprising)”指定了所陈述的元件或步骤的存在，但不排除存在或添加有一个或多个其他元件或步骤。

此外，本文所标识的各个部件可以以组装的或成品的形式提供；或者所述部件中的一些或全部可以被包装在一起并且作为套件连同指导顾客进行组装和/或修改以产生成品的说明书(例如，以书面、视频或音频形式)一起出售。

环境：

我们已经开发了供课堂中使用的移动式机器人12，如图1和图2所示。移动式机器人12能够在磁性白板16(虽然本文中使用了术语“白板”，但是表面颜色不必严格为白色，只要其可以被非永久性地标记即可)上行驶并且(通过使用致动式标记器14或擦除器15)修改磁性白板。白板16出于以下原因而特别适用于微型移动式机器人：

·用户可以通过在白板16的表面上进行绘制或擦除而容易地改变环境；

·机器人12可以通过改变环境与用户和其他机器人12交互；

·白板表面可以竖直安装以占用最小空间；

·更容易从不同位置观察竖直安装的表面；

·在被竖直安装时，重力可以通过低成本的加速度计提供定向信息；

·可广泛地购买获得各种大小的白板16；以及

·在包括学校在内的各种位置中已经安装了白板16。

虽然白板16为机器人12提供了专门且独特的环境，但是机器人12可以被设计同样成使用相同的轮子18在水平的非磁性表面上工作。这种灵活性为机器人12开启了附加的环境和用例。例如，可以在桌子或地板上使用机器人12，从而允许孩子触摸机器人12并且容易地与其交互。

特征：

微型移动式机器人的实施例可以包括以下特征：

·计算设备(例如，可重新编程的微控制器)，所述计算设备用于管理传感器和致动器并且执行更高级的功能；

·蓝牙4.0低功耗无线链路37，所述无线链路用于从如智能电话、平板计算机或其他计算机等如图4所示的外部设备38上的界面40(例如，图形用户界面，如图5所示)控制机器人；

·两个或更多个磁性轮子18，所述磁性轮子以足以支撑机器人并且在轮子上产生牵引力的力附接至铁磁材料(在其他实施例中，磁体可以处于机器人本体中或者处于与所述机器人本体联接的其他地方)；

·在水平非磁性表面上行驶的能力；

·电机20，所述电机以足以竖直地驱动机器人12的扭矩附接至行驶轮子18；

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

·对驱动电机20的力/电流感测，所述感测用于感测电机做功和停转；

·致动器22，所述致动器被配置成使轴24穿过由机器人本体限定的孔口26(如图3、图30和图31所示)往复移位；

·标记器14，所述标记器可安装成由致动器22在力控制下、在旋转中心处、在机器人本体中的孔口26中致动，其中，致动器22可以被配置有用于确定标记器14是否触摸白板或其他行驶表面16的力传感器；

·具有标记器大小的轴24的专用擦除器附件15，所述擦除器附件也装配在机器人本体的孔口26中并且同样可由致动器22致动以往复地使擦除器15与竖直定向表面16接触并使擦除器15与竖直定向表面16脱离接触；

·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；

·加速度计，所述加速度计用于确定机器人12处于竖直行驶表面16上时的定向；

·陀螺仪传感器或其他角速度传感器，所述传感器用于测量角速度；

·光电检测器28或其他光学传感器的阵列，所述阵列处于机器人本体的底部和/或顶部并且被配置成感测在行驶表面16上绘制的颜色或灰度图案(并且充当悬崖检测器)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；

·磁力传感器，所述磁力传感器被配置成测量由机器人的磁体中的至少一个和竖直定向磁性表面产生的磁场以产生漂移校正；

·灯，所述灯安装在机器人本体的底表面上并且被配置成产生光，所述光从行驶表面反射以便被光电检测器阵列28记录；

·左前和右前保险杠30，所述保险杠用于感测行驶表面16的边缘；

·可更换电池32(例如，可再充电的或碱性的)；

·彩色led照明34；

·电池电量监测；

·外露引脚(即，“黑客端口”)，所述外露引脚用于扩展和重新编程；

·磁性干擦除顶部36，所述磁性干擦除顶部用于定制；

·导电触点，所述导电触点用于与充电站电联接(充电时行驶)；以及

·通过开放的蓝牙应用程序编程接口(api)支持各种编程语言；

·处理器和存储器，所述存储器非暂态地存储用于响应于传感器输入而产生机器人漂移校正的软件代码。

用途：

机器人12的实施例可以被视为机器人蓝牙附件。这允许非常容易地使用所述设备并且利用现代消费者电子设备38的通信和计算能力。可以在用于控制机器人12的智能电话、平板计算机或个人计算机内的强大处理器上进行大多数复杂处理。这些设备38上的app可以通过定制蓝牙api37(或其他硬件和通信协议)向机器人12发送命令(或命令串)。然后，机器人12解释这些命令，从而更新其传感器28、30和致动器20、22并且通过蓝牙api37将数据发送回到外部设备38。

作为示例，人们可以为平板计算机(例如，来自苹果公司(apple,inc.)的ipad计算机)创建驱动app(如图8所示)，所述驱动app使用平板计算机的加速度计和陀螺仪进行转向。当所述app在计算设备38上运行时，建立计算设备38与期望机器人12之间的通信。然后，所述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期望轮子速度简单地发送到机器人12以通过设定相应的电机速度来实施。

交互/行为：

本文描述的机器人设计实现了各种有趣且独特的交互。下文提供了在开发过程中已经产生的几个示例概念。

连接：

为了使用户通过外部计算设备38连接至机器人12，将机器人12上电(并且使其从睡眠模式中唤醒)。然后，可以通过各种方式进行连接，所述方式包括以下：

·广播与可以由用户选择(或改变)的硬件相关联的唯一名称或id；

·机器人12上的灯34以特定(或随机)颜色点亮，并且用户选择使用app中的匹配颜色连接至机器人12；

·触摸按钮或摇动机器人12以使机器人传输其连接信息；

·使机器人12和平板计算机38(或其他控制设备)“碰撞”在一起，由此基于这两个设备大约在同一时间具有强加速度而连接这两个设备。

编程：

因为机器人通过开放的蓝牙4.0le或其他接口37进行通信，所以机器人12可以支持各种编程语言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)。可以使用不同编程语言的库通过蓝牙向机器人发送命令或命令串。大多数命令可以在其被接收时被机器人12解释，但是可以直接以固件实施一些特征(例如，当检测到停转时停止电机20)。机器人12还可以运行发送到机器人12并存储在其上的脚本。以此方式，机器人可以在不需要蓝牙主设备存在的情况下运行。编程环境还可以包括机器人12的模拟器，所述模拟器用于在硬件上运行程序之前使预期行为可视化。

反馈：

来自机器人12的大部分反馈可以直接呈现在控制机器人12的外部设备38上(因为外部设备38通常将与机器人12通信)。人们还可以使用机载灯34和声音作为指示器。以下是机器人12可以通过其提供反馈的一些示例：

·机器人12在接通时点亮和/或发出声音；

·机器人12在连接至设备38时点亮和/或发出声音；

·机器人12例如借助于通过使轴24滑动穿过孔口26来激活拨动开关从而感测标记器14(或擦除器15)的插入，并且如果标记器14被插入，则以与标记器15的颜色相匹配的颜色点亮(例如，所述轴可以包括例如可由机器人12物理地或光学地检测到并且指示标记器颜色的特征)；

·机器人12的灯34发出标记器22正在绘制(当标记器抵靠行驶表面16移位以留下标记17时)的颜色；

·机器人的灯34发出唯一地标识自身的颜色(不同的机器人以不同的颜色点亮)；

·灯34照亮以匹配由光电检测器28在机器人12下方感测到的颜色(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：

以下是可以使用机器人12执行的一些示例活动或挑战：

·通过在板上绘制颜色并使用机器人12扫描在板16上绘制的颜色图案来将机器人编程为进行舞蹈，如图6所示——学生甚至不需要平板计算机或计算机来对行为进行编程；

·使用机器人12来模拟抛体运动(如通过图7中的虚线所示)，其中，用户可以改变抛出力量、抛体的质量或重力；

·玩游戏，其中，机器人12在手绘跑道中竞速(由例如ipad传感器控制)，并且其中，机器人12可能受到在表面16上绘制的“隆起物”48的影响，如图8所示；

·机器人12感测由投影仪50投射在白板16上的信息，如图9所示，其中，所述信息可以被视为不可擦除的信息或可以基于机器人的位置和动作而改变(使用相机或其他跟踪器)；

·机器人“蚂蚁”与多个机器人一起觅食，并且来自机器人12的标记17充当信息素踪迹，如图10所示；

·机器人12扫描音符，如图11所示，并且播放相应歌曲；

·使用黑客端口54实现其他科学实验，所述科学实验可以通过无线通信从机器人12投射到显示器16上，如图12所示；

·探索并绘出环境；

·扫描表面上绘制的内容；

·最佳清洁算法(使用擦除器来清洁白板)；以及

·玩“蛇”或“tron样”游戏。

具体地，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，并且响应于或根据来自颜色传感器28的测量结果而使致动器22致动(以将标记器14或擦除器15应用到下方表面16或从下方表面移除标记器或擦除器)。此能力促进涉及白板16上的颜色标记17的各种各样的交互活动。

课程：

为了便于在课堂上采用并提供切实的学习目标，机器人12被设计成基于州和国家标准促进课程。

例如，在科学中，机器人12可以用于基于以下各项促进课程：颜色和加光；音高/音调；力；磁体；重力；位置、速度和加速度；测量；生物系统；以及科学方法。

例如，在技术中，机器人12可以用于基于以下各项促进课程：传感器；编程(函数、递归、调试等)；电机；计算机；电路；以及电压和电流。

在工程中，机器人12可以用于基于以下各项促进课程：控制；反馈；机器人学；通信系统；工程工艺；以及解决挑战的问题。

在数学中，机器人12可以用于基于以下各项促进课程：几何结构和形状；变量；单位；求平均；分数；过滤；以及逻辑。

技术：

微控制器：

机器人12可以包括微控制器56(如图4所示)，所述微控制器用于管理传感器和致动器并且用于执行更高级的功能。微控制器56包括：输入/输出外围设备；存储器，所述存储器非暂态地存储计算机可执行软件代码，所述计算机可执行软件代码用于例如响应于并且根据来自传感器的测量结果而使机器人和致动器移位；以及处理器，所述处理器与存储器和输入/输出外围设备通信。微控制器56与蓝牙无线模块37(或其他通信设备)通信以接收从如智能电话、平板计算机或计算机等使用定制api的外部控制器38发送的命令或脚本。api允许外部程序读取和写入传感器和致动器设置和数据。可以通过专用连接器和/或通过蓝牙连接37在设备上更新固件。微控制器处理器还接收从传感器28、30接收的数据并且发出命令，所述命令传送至例如驱动轮子的电机20和致动标记器14或擦除器15的致动器22。

无线连接：

用户可以在智能电话、平板计算机或个人计算机上使用例如蓝牙4.0低功耗连接37与机器人12连接。这种技术建立于许多现代设备中，但也可以通过usb棒或其他附件添加。所述技术针对简单的低功耗通信进行了优化，从而使硬件便宜并且使通信协议相对简单。用户可以搜索附近的机器人12并连接至一个机器人(或多个设备)。注意，单个机器人12通常一次仅连接至单个控制设备38。一旦连接，控制设备38就可以发送命令或脚本以供机器人执行。作为示例性接口，用户可以使用在ipad或其他平板计算设备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能够利用如图13和图14所示的两个定制磁性轮子18附接到如白板等铁磁性表面16。如钕稀土磁体等永磁体58被固持在具有用于容纳磁体58的孔口61的低成本且易于制造的塑料轮毂60中的适当位置处。金属板62置于磁性轮子的两侧并且通过磁体58磁性地固持在适当位置。这些金属板62引导磁场线以形成磁路(穿过轮子和行驶表面)，所述磁路在轮子18处引起强附接，如图14所示。可以调整磁体58的数量和位置以改变吸引力。轮子还可以包括塑料轮毂60的周界附近用于提高牵引力的轮胎。轮胎可以由提高牵引力并且避免划伤行驶表面16的压缩材料(例如，防滑聚合物)制成。改变轮胎的厚度也改变了磁性轮子18的吸引力。

轮子18可以在白板、黑板、其他铁磁性表面上或在平坦和水平的非磁性表面上使用。轮子由具有足以竖直地驱动机器人12的扭矩的两个电机20提供动力。这些电机20还可以包括用于优化速度/功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考虑重力。具体地，机器人的轮胎可能滑移或拉伸，从而使机器人以非预期的方式移动。这种损坏可能表现为向下漂移或非预期旋转(当单个轮子18比另一个轮子滑移更多时)。机器人12可以包括各种特征以帮助减轻这种滑移。这些特征的示例包括：减轻重量、增强粘附力以及来自环境的反馈。

增强粘附力可以采取如以下各项等多种形式：

·增加磁体58的数量或大小；

·使用更强的磁体58；

·优化磁路；

·调整轮胎的轮胎材料、形状和/或硬度；

·在轮胎接触之前清洁行驶表面16，由此防止灰尘和污垢累积在轮胎上；以及

·轮胎清洁机构。

用于减轻滑移的有效方法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：

·建立各种环境条件下的预期滑移的模型，如机器人相对于重力的定向；机器人12调整其运动以补偿所估计的漂移量和方向；

·使用机器人12上的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(如计算机鼠标中使用的光流传感器)或机械的(如具有用于测量与行驶表面16保持接触的、类似于轨迹球的球的速度和方向的传感器的球形脚轮)；这些传感器直接跟踪机器人运动，从而允许对垂直于轮子方向的运动的闭环速度控制和测量；垂直于驱动轮18的滑移通过导航和路径规划系统进行补偿；机器人12可以使用更多这些传感器来帮助过滤信息并且更好地估计其真实运动；

·使用外部传感器来跟踪机器人12；可以使用机器人12外部的传感器如相机或其他经校准的跟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；可以将此信息返回到机器人控制器38，使得可以更新运动规划以考虑所测量的滑移；有利地，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)并且估计环境中的物体的大小(例如，将机器人用作已知大小的物体)；

·通过机器人12跟踪行驶表面16上的界标；这些界标可以是行驶表面16固有的(例如，颜色变化)或由用户添加的(例如，添加到表面16上的点图案)；当机器人12看到已知界标时，可以使用即时定位与地图构建(slam)技术、使用所述已知界标更新机器人在其环境中的位置估计；以及

·使用环境周围的、机器人12可以检测到的指向标来对其位置进行三角测量；所述指向标可以使用光和/或声音，并且可以是主动的或被动的；使用方向和/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期望位置与测量位置之间的差异。

颜色感测：

机器人12可以使用光电检测器阵列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)还可以用于检测行驶表面16的“悬崖”或边缘。光电检测器28可以使用光源66(例如，led)和颜色或灰度传感器28，如图15、图16和图23所示。在具体实施例中，传感器28通过使用白光源和滤色器或有色光源(如红色、绿色和蓝色led)和未滤光(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上的绿色标记将吸收更多的红色和蓝色光，同时反射更多的绿色光。可以校准传感器28以将入射光与所感知的颜色相关联。还可以调整标记器墨水以帮助机器人区分不同的标记(例如，通过使特殊的浅绿色墨水比深绿色标记吸收明显更多的红外光)。

如图15和图16所示，光电检测器阵列28可以放置在检测表面附近或者可以使用光学器件来将光引导到传感器28。传感器28本身可以由分立部件构成或者由预组装的光敏单元阵列(如成像芯片)构成。所述阵列可以呈线、盒或其他任何形状(如在一个原型中为v形)的形式。

在一个实施例中，线性相机68与限定狭缝71(如针孔相机)或镜头的屏幕70一起使用。已知颜色的受控光72从行驶表面16反射(应阻挡不受控的光源)。反射光线74中的一些穿过小狭缝71(或其他光学器件)并且基于其在表面上的起点而到达光敏阵列28的一部分。狭缝71与相机68(或其他光学器件)之间的距离决定了将测量的区域。这提供了在表面中进行扫描的简单且紧凑的方式。注意，反射光74可以行进穿过空气或另一种透明介质(如玻璃或亚克力)以到达狭缝71和相机68。

这些类型的传感器28的另一种有趣用途是使用所述传感器来对机器人12进行重新编程。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，机器人12可以置于平板计算机屏幕上。然后，平板计算机上的app显示一系列与特定十六进制值相对应的多色条形码。这串十六进制值形成有待在机器人12上运行的程序。

致动式标记器：

为了操纵行驶表面并且实现各种新的交互，机器人18设置有致动式标记器14，如图18所示。标记器14定位在机器人的旋转中心处，使得如果机器人12转动到位(例如，如果与孔口/标记器的中心点等距且相反地间隔开的所述两个轮子28在相反方向以相等的旋转速率旋转)，则其围绕标记器14的尖端转动并且仅留下点。用于标记器14的孔口26以及相关联的特征可以具有以下属性：

·定位在旋转中心处；

·装配标准的白板标记器(例如，来自新泽西州霍博肯的纽威品牌(newellbrands)的expo标记器)并且可以针对其他标记器进行大小调整；

·可以识别标记器14或擦除器15何时存在并且可以识别颜色；

·可以感测标记器14何时正在进行绘制；

·可以是力受控的(例如，相比于标记器14，可以对擦除器15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的一种实施方式使用如图19所示的可压缩滚轮来施加压力并且抓住标记器14以使其移动。其他实施例可以包括具有需要很少或不需要能量来维持的两个或更多个稳定状态(例如，标记器14提升/向下或不同的接触力)的机构。致动器22还可以缠绕弹簧或其他设备以在绘制或擦除时调整力。

擦除器附件：

机器人12可以包括专用的擦除器附件15，机器人12可以采用与致动常规标记器的方式相同的方式致动擦除器附件。擦除器附件15可以包括连接至标记器大小的轴24的、由擦除材料(例如，毡)构成的垫76。可以将此轴24插入成与标记器致动器机构22接触以选择性地施加力并对干擦除表面16进行擦除。

擦除器15的实施例可包括以下各项：

·连接至擦除材料76以确保均匀压力和受控接触力的压缩泡沫材料层78；

·用于改善机器人12的抓握和/或防止旋转的经修改的轴形状(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化表面；

·用于对齐的附加轴和/或附加力；

·齿条和齿轮状机构；以及

·轴24中用于控制所施加的力的弹簧。

可定制壳体：

机器人12的顶表面36可以是磁性白板表面和/或干擦除白板表面，使得儿童可以定制机器人12，如图21所示。这种定制对于通常更多地受到涉及角色和个性化交互的挑战激励的年轻用户来说特别有利。壳体的顶表面36可以支撑来自标准干擦除标记器的墨水和小型磁性附接件。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；

·允许使用乐高(lego)相容积木来堆建的磁性附件；

·用于附加电机的附接件；以及

·附加传感器或分接板。

注意，壳体的顶表面36设置有非导电区域，无线信号可以穿过所述非导电区域。在壳体的附加实施例中，壳体的顶表面36充当大的按钮致动器。通过壳体的这种致动可以是机械的或通过感测电容变化来实现的。

黑客端口：

机器人12可以具有可供用户使用的多个电源和i/o引脚54，也可以通过蓝牙通信控制所述引脚以允许用户添加其自己的传感器和/或致动器，由此使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：

机器人可以由电池32供电，如图22所示，所述电池可以基于最常见的电池化学物质。所述设计还支持可容易地换出的专用电池组(并且甚至基于彼此不同的电池技术)。

课堂用途和可扫描教科书：

为了便于将课程带入课堂，可以部署系统级实施例，其中，传统教科书具有在教科书中打印的可扫描代码(例如，qr代码)，所述代码充当用于通知机器人要进行哪种类型的演示或课程的触发器。例如，教师/学生扫描物理学轨迹问题的代码(如图7所示)；智能设备(外部控制器38)识别扫描，从外部离线或在线数据库加载所述扫描的指令；控制器38将课程程序传送到机器人。然后，机器人12可以在白板上绘制学习材料并且为学生创建其自己的特定于所述扫描的交互演示。教师可以通过仅扫描教科书来利用机器人交互演示，从而使机器人演示的阻碍非常简单。实际的示例也可能存在于数学中，其中，机器人在板上绘制图解。

外部事件-动作控制：

在另一个实施例中，使用通过关联‘事件’和‘动作’来触发的基于拖放的程序。‘事件-动作’关系创建‘规则’。规则是有序的并且可以重新排序以允许机器人12知道哪些规则优先。具有相同优先级编号的规则可以一起并行运行。多个规则的集合变成‘行为’。可以保存‘行为’并将其作为‘动作’重新加载回到编程环境中。例如，使机器人12在行驶表面16上遵循线的‘行为’可以是由‘事件’触发的‘动作’(例如，充当外部控制器38的智能电话被来回摇晃)。此外，此实施例证明，事件不仅限于机器人上的传感器，它们可以包括来自外部控制器38的事件(屏幕触摸、麦克风输入、加速度计信息、相机图像捕获、定时功能或任何其他感测形态)。这些程序可以作为软件代码存储在计算机可读介质上并且由控制器38中的计算机处理器执行；处理器在执行代码时产生的动作然后可以通过控制器38中的无线发射器传输到机器人12中的无线接收器以供执行。

基于轨迹的行驶白板/磁感受性传感器：

在具体实施例中，白板16(或其他行驶表面)可以用如铁等铁磁材料来构造，例如作为背衬。以下讨论(以及本说明书中的其他部分)通过白板被用作行驶表面16的实施例来举例说明，但是以下讨论同样适用于包括磁性或可磁化组合物的其他行驶表面。被广泛称为“磁性”白板的这种类型的白板非常容易受到磁化，从而使永磁体被吸引到所述白板。白板背衬材料的类型和厚度影响来自机器人23中(例如，在机器人12的轮子18中，如图13所示)的永磁体58的吸引力的大小。这些吸引力变化进而影响机器人在竖直(或部分竖直)表面上行驶时经历的漂移的量；在图27至图29中展示了机器人12的作为机器人路径88和预期路径87的函数的漂移89的例示。通常，更具磁感受性的板产生较少的漂移89。此漂移89的原因在于由于平行于行驶表面16作用的重力而引起的轮胎材料变形和滑移并且与轮子18的滑移角度(滚动轮子的行进方向与轮子18指向的方向之间的角度)相关。

因为漂移89与行驶表面16的磁感受性直接相关(考虑到恒定的机器人重量和永磁体安排)，所以人们可以使用包括永磁体80和霍尔效应传感器82的磁力传感器(如图23至图26所示)，所述磁力传感器测量行驶表面16的磁化率[即，通过(多个)永磁体58/80和行驶表面16产生的磁场84]以估计机器人12的吸引力和所产生漂移89。图23至图26的实施例使用机器人12中的永磁体80和霍尔效应传感器82来测量行驶表面16的磁化率。在此配置中，更具磁感受性的行驶表面16使磁场84改变方向并通过传感器82集中。来自传感器82的增加的磁场读数对应于较大的吸引力和较小的漂移89。

然后，人们可以使用以下各项之间的实验确定的关系来校正漂移：行驶表面16上的漂移89的量，行驶表面16的磁化率(使用磁力传感器82测量的)以及由重力引起的力矢量(使用加速度计测量的)。例如，人们可以测量在特定条件下(例如，当在特定磁性白板上行驶时)观察到的实际漂移89，并且然后在发送到在类似条件下控制驱动和转向的电机20的驱动命令中补偿所述所观察到的漂移89。可以通过机器人12机载(或与机器人12远程通信)的计算机处理器/控制器56(“处理器”和“控制器”在本文中可互换地使用)进行校正，所述计算机处理器/控制器执行计算机软件代码，所述计算机软件代码非暂态地存储在与处理器通信的计算机可读存储器中并且包括用于在传感器82测量到磁体80与行驶表面16之间的磁力84减小时增加传送到电机/转向机构的驱动或转动命令的大小的一个或多个算法，所述磁力减小也馈送到处理器56。具体地，为了使机器人12沿着期望轨迹87行驶，其调整航向和行驶距离以考虑漂移89。图27至图29的图像示出了为了考虑给定量的漂移89而进行的轨迹校正的一些示例。注意，在此实施例中，漂移89连续发生并且总是处于重力方向上。

机器人12使用机载加速度计85和角速度传感器86得知(即，其处理器56可以确定)其航向，如图23所示，其中，重力提供传送至处理器56的已知航向。通常，机器人12调整航向88(转动远离重力矢量)和距离(通过轮子速度或时间校正)以抵消漂移89的影响。此校正可以在机器人12上连续运行，使得当机器人12试图相对于重力在任何给定方向88上行驶时，处理器/控制器56相应地调整其速度和航向。注意，人们还可以使用其他传感器或方法如使用相机或实验测量例程来帮助确定漂移89的量从而帮助机器人12估计和校正漂移89。

笔14(“笔”和“标记器”在本文中可互换地使用)可以有利地定位在机器人12的旋转中心处。擦除器15可以被偏离中心地定位在机器人12后部，使得在擦除的同时转动机器人12不会意外地擦除机器人12前面的材料。

为了简化控制并避免需要附加致动器，图30所示的机构被设计成使用单个致动电机91通过三种状态(笔向上/擦除器向下、笔向上/擦除器向上、笔向上/擦除器向下)致动笔14/擦除器15对。所述机构采用具有第一端95和第二端97的双端致动器臂94，所述第一端连接至标记器固持器90，并且所述第二端通过顺性接头98连接至集成的擦除器15。当致动器臂94通过致动电机91旋转时，顺性接头98以大致直线的方式移动。擦除器15和标记器固持器90具有集成的支承表面，所述支承表面与机器人底架上的特征接口连接以引导真正的直线运动。角度传感器检测致动器臂94的角度。

致动器臂94通过致动器臂94的旋转通过三种状态致动笔14和擦除器15。致动器臂94处于中性位置(neutralposition)(其中，笔14和擦除器15两者都从行驶表面移除)，如图31所示。在致动器臂94(在轴向枢转点处)安装到其上的旋转式致动电机91驱动顺时针旋转的情况下，致动器臂94的第一端95旋转以将笔14向下(以所示的定向)推动成与行驶表面16接触从而对行驶表面16进行标记，同时擦除器15缩回(通过致动器臂94的第二端97)远离行驶表面16。另一方面，致动器臂94可以逆时针旋转以将擦除器15推动成与行驶表面16接触从而擦除行驶表面16上的笔标记，同时笔14缩回远离行驶表面16。

图32中提供了流程图，所述流程图描述了用于校准、校正或以其他方式调整由连续重力在行驶方向之一上引起的轮子/驱动滑移的过程。

机器人12可以采用补偿在竖直表面16上行驶的同时由重力引起的漂移89的方法，所述方法通过稍微调整期望轨迹87进行工作以考虑漂移89(例如，使用漂移估计)。漂移89的量由于以下各项、因表面而异：表面材料的磁感受性和重力矢量的方向(例如，在部分竖直/成角度的板上，漂移89较小)、以及轮子18或驱动器上的磨损、轮子18或驱动器的制造变化、表面纹理或摩擦系数和/或可能地影响轮子18、驱动器或表面16的材料特性的相对湿度和温度。因此，可以通过针对特定行驶表面16、环境和/或机器人12校准机器人12的漂移响应来改进机器人12的最终行为。这些校准值可以手动更新，由机器人12使用校准例程进行测量或基于机器人12与行驶表面16之间的所测量磁力进行估计。漂移校正允许在白板表面上进行更精确的绘制。

如本文所述，至少一个磁体58/80定位在机器人12中或与机器人联接，并且将机器人12约束为平行于竖直磁响应性表面16移动(“磁响应”意味着铁磁性、具有磁体本身或者能够与磁力磁性地交互)。然而，轮子18在行驶表面16上的牵引力并不完美，并且可能涉及至少一些驱动滑移(“驱动”意味着轮子、滚轮或轨道由至少两个独立电机驱动以提供两个自由度)。因为重力持续地处于同一(例如，向下)方向上，所以轮子滑移沿着对于期望轨迹来说是加性或减性的矢量发生，这取决于机器人12的航向。可以通过提前校准(在工厂或使用校准例程)、通过实时漂移测量和相应调整或这些方式的组合来校正所产生的漂移(例如，与期望轨迹的偏差)。

参考图32的流程图，如所述图中绘制的那样应用漂移校正。在步骤s321中，输入、选择或确定期望轨迹87(例如，来自远程控制器或输入、来自内部程序、响应地根据所感测到的事件)。“轨迹”是指路径——笔直、弯曲、向前、向后或其任何组合。在步骤s322中(如果使用校准步骤s327，则此步骤可以是可选的)，在机器人12被磁性地约束成平行于行驶表面16移动的同时使用加速度计85测量作用于移动式机器人12上的重力矢量(具有大小和方向)。重力矢量测量可以使用一轴、二轴或三轴加速度计85进行并且可以在机器人12转动的同时进行以确定重力方向。此时，在步骤s322中，可以可替代地或还可以进行由其他可选传感器进行的其他测量；例如，一条、两条或三条轴线中的角速度传感器86可以测量惯性角速度，所述惯性角速度可以用于校正、校准或调整重力矢量。另外地或可替代地，磁力传感器82可以在此处用于测量磁场，如上所述。

在步骤s322中，调整期望轨迹以补偿所估计和/或所建模的漂移；例如，响应于并且根据重力矢量而产生漂移校正以补偿驱动滑移漂移；并且响应于漂移校正而产生或调整驱动命令以使机器人12沿着期望轨迹87移位。也就是说，通过产生经补偿的驱动命令来实现期望轨迹87，不论轮子滑移如何，所述经补偿的驱动命令都将遵循期望轨迹87。如图32所示，步骤s322——产生驱动模型或校正先于步骤s323中的测量和步骤s324中的轨迹调整。然而，也可以基于步骤s323中进行的测量来产生驱动模型或校正(例如，可以在步骤s323之后或与所述步骤同时)。可以在机器人12沿着期望轨迹移位的同时产生漂移校正。

在步骤s325中，更新(所述至少两个独立电机20中的)驱动电机20和/或轮子18的速度；例如，响应于漂移校正而命令驱动电机20和轮子18使机器人12沿着期望轨迹87移位。如本文中所讨论的，沿着期望轨迹87选择性地使用标记器14标记和/或使用可选的擦除器15擦除表面16。

在步骤s323中进行的测量和/或步骤s322中对漂移模型或校正的产生和/或步骤s324中对轨迹的调整可以使用如磁力传感器82测量的在机器人12与行驶表面16之间的磁力的大小和/或机器人12的如通过角速度传感器86测量的角旋转。在这种情况下，可以根据重力矢量、磁力和角旋转的组合来产生漂移校正。

另外地或在替代方案中，在步骤s323中进行的测量和/或步骤s322中对漂移模型或校正的产生和/或步骤s324中对轨迹的调整可以使用向下、向侧面或向外面向房间/环境中的相机来检测或定位机器人旋转外部的房间环境内的界标或其姿势(可以被分类和重新识别的现有物体，或所放置的或所绘制的基准)和/或可以检测在机器人旋转外部的房间环境内的投射光。在这种情况下，可以根据重力矢量、磁力、角旋转、界标检测或投射光检测的组合来产生漂移校正。

另外地或在替代方案中，在步骤s323中进行的测量和/或步骤s322中对漂移模型或校正的产生和/或步骤s324中对轨迹的调整可以使用在传感器阵列28在跨表面16上的机器人12的宽度的不同位置处检测标记时由所述传感器阵列进行的检测。光学传感器阵列28延伸跨过机器人12的宽度的超过50％。在这种情况下，可以根据重力矢量、磁力、角旋转、界标检测、投射光检测和/或所检测到的标记的组合来产生漂移校正。

使用如本文所述的结构等结构，包括致动器臂94在内的致动式连杆可以用于将标记器14和擦除器15中的任一者或两者移动到主动(标记和/或擦除)和被动(非标记和/或非擦除)位置；标记可以用于校准或实时校正或两者。如本文所讨论的，关于校准、校正或在无校准或校正的普通操作期间，标记器14可以在标记器14在表面16上进行绘制的标记位置与标记器14和表面16不接触的非标记位置之间提升；并且机器人12可以将标记器14在标记位置中做出的标记记录为机器人12做出的标记，并且还可以将不是由标记14做出的标记(例如，未沿着或接近之前所遵循的期望标记轨迹的标记)记录为除了机器人12以外的来源做出的标记(例如，由人或另一机器人做出的标记或表面16上的永久标记)。

步骤s327是可选步骤，在所述步骤中，执行校准例程以通知漂移模型。步骤s327的校准例程可以例如在制造机器人12的工厂处执行。另外地或可替代地，校准例程s327可以在用户进行首次设置时执行；在附加实施例中，校准可以由机器人定期执行(例如，通过时间或距离间隔设置)。在附加实施例中，校准可以作为用户的服务、支持或维护的一部分执行或者可以整合到每个启动循环中。例如，可以命令驱动电机20和轮子18使机器人沿着不具有漂移校正的校准轨迹移位，其中，处于标记位置的标记器14将沿着校准轨迹的至少一部分绘制校准标记。校准标记可以由阵列28在跨表面16上的机器人12的宽度的不同位置处检测到。可以响应于并且根据对重力矢量或校准标记的检测(或组合在校准或校正步骤期间进行的其他测量)产生漂移校正以补偿驱动滑移漂移，并且作为响应，可以通过例如向电机发送信号以改变轮子的驱动角和/或旋转速度来实现漂移校正。

例如，可以通过脚本、通过预定例程、通过基于表面16特性的算法或通过手动或部分手动控制在绘制或标记的同时来回驱动机器人12。可选地，不使用或在此例程期间不使用已经确定的漂移校正或补偿(例如，如果关闭，则用于确定适当漂移补偿的目的，或者如果开启，则用于检查所提出的或当前的漂移补偿的性能)。因为更容易在更长的距离内测量漂移，所以距离可以包括表面16宽度的1/2或更大的水平距离或者可以包括水平行进的最小阈值(例如，大于一米的累积水平移动)。足以测量较小表面16上的漂移的水平移动可被命令为前后移动。机器人12借助于光学传感器阵列28可以记录1d相机传感器28检测设定量的漂移(例如，绘制标记到达扫描传感器的一端)耗费多少时间(即，多少距离)。例如，当机器人12在无补偿的情况下从左到右行驶时，所述机器人可能向下漂移，从而绘制从左到右向下成角度的线。如果校准例程在无补偿的情况下从右到左驱动机器人12(可选地通过加速度计检测保持水平)，从而检测到从右到左成角度的线，则机器人12将再次向下漂移并且将检测到成角度的线，例如，由于漂移而甚至更加成角度。基本上，将所行驶的距离除以漂移(例如，通过任何必要的校正系数进行调整)可以给出沿着轴线(竖直或水平)的用于轨迹校正的百分比漂移。可以对竖直分量进行类似例程，例如，通过绘制来对角线地或竖直地行驶，同时重复地上下行驶设定距离，其中，期望线路的竖直分量之间的差异在于漂移分量。在每种情况下，机器人12最终将向下漂移，使得1d相机或扫描仪28检测到机器人12正做出的标记并且可以确定其期望位置与其测量或检测位置之间的差异。

对于这些校准方法，测量磁力可以是可选的。此外，可以基于磁力与漂移百分比之间的确定关系来估计校准或校正参数。已经对其执行了校准的行驶表面16(例如，白板)可以通过磁力、反射率、其他光学测量、声学测量或这些方式的任何组合进行指纹识别；可替代地，可以通过机器人12恢复之前确定的和(本地或远程)存储的校准或校正。在附加实施例中，通过在校准期间做出假设和/或指示用户(例如，通过传达使用同等驱动的电机20进行的机器人向前运动是足够笔直的并且在行驶的同时不旋转和/或使得用户将机器人放置成接近水平/竖直)，可以在没有加速度计85的情况下执行校准。

此外，在替代方案中或独立地，在步骤s323中进行的测量、步骤s322中对漂移模型或校正的产生、步骤s324中对轨迹的调整、步骤s327的校准例程和/或机器人12的正常操作可以在跨表面16上的机器人12的宽度的不同位置处检测标记。标记可以通过使用标记器14进行绘制(在标记位置中，向上提升以不进行绘制)和使用擦除器15进行擦除(在擦除位置中，向上提升以不擦除)中的任一者或两者来产生。区域(例如，标记区域、线、点、实心区域)可以由阵列28检测并且响应于变量和标记将所述区域标识为与标记器14的提升(包括放置以进行标记)、擦除器15的提升(包括放置以进行擦除)以及机器人12沿着期望轨迹87的位移有关或相关联而被记录例如与其相关联。具体地，可以根据重力矢量、磁力、角旋转、界标检测、投射光检测或所检测到的标记以及标记器14和/或擦除器15的提升和应用的组合来产生漂移校正或校准。

这些步骤(和/或附加和/或不同步骤)可以由包括之前描述的结构在内的结构执行，如测量具有大小和方向的重力矢量的加速度计85，在跨机器人的宽度的不同位置处检测标记的光学传感器28，在主动位置与被动位置之间移动固持器/标记器的致动式连杆以及包括与表面16接触的、由至少两个电机20在至少两个自由度上驱动的至少两个旋转构件18的驱动器。

在描述本发明的实施例时，为清楚起见使用了特定术语。为了描述的目的，特定术语旨在至少包括以类似方式操作以实现类似结果的技术等效物和功能等效物。此外，在本发明的具体实施例包括多个系统元件或方法步骤的一些情形下，那些元件或步骤可以用单个元件或步骤替代；同样，单个元件或步骤可以用起到相同目的的多个元件或步骤替代。进一步地，在本文中针对本发明的实施例指定了各种特性的参数或其他值的情况下，那些参数或值可以上调或下调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(或上调1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100倍等)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，但是本领域的技术人员应理解的是，在不背离本发明的范围的情况下，可以对其在形式和细节上作出各种替代和更改。仍进一步地，其他方面、功能和优点也处于本发明的范围内；并且本发明的所有实施例不必实现所有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、元件和特征可以同样结合其他实施例使用。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、专利申请等特此通过引用整体并入本文；并且来自这些参考文献的适当部件、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。仍进一步地，

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部分中标识的部件和步骤与本公开是一体的并且可以结合在本发明的范围内在本公开的其他地方描述的部件和步骤来使用或代替所述部件和步骤。在以具体顺序叙述了多个级的方法权利要求中——为了便于引用而添加了或未添加顺序性的前序字符，这些级不应被解释为在时间上受限于对其进行叙述的顺序，除非通过术语和短语另外指明或暗示。