专利名称：用于位置自控制机器人的导航系统以及用于提供该导航系统使用的绝对坐标的地板材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于位置自控制机器人的导航系统，该机器人具有带运动单元的主体，更具体地涉及这样一种导航系统，该导航系统获取正在运动或操作的位置自控制机器人的确切当前位置，并快速计算该位置自控制机器人与每个预定障碍物和预定运动限制线之间的相对距离，从而使得该位置自控制机器人能够根据程序运动算法或存储的行进路线快速而精确地运动。此外，本发明涉及一种用于提供绝对坐标的地板材料，该地板材料包括二维(2D)条码，所述条码在预定的间隔处具有不同的唯一坐标值，从而使得所述位置自控制机器人能够快速地获取当前绝对位置，其中，所述2D条码在可见光下不显示颜色，而是当所述位置自控制机器人运动时在照射到其上的波长为300至850nm的光下显示颜色，从而使所述地板材料具有漂亮的外观。
背景技术：
位置自控制机器人通常从工业领域中广泛应用的机器人发展而来，并在政府、公共办公室、公司、家庭等中得到广泛使用。
使用这种位置自控制机器人用于自控制无需使用者手动控制的自主运动并清洁预定区域的清洁器。为了自主运动，位置自控制机器人需要精确地识别其当前位置并精确地计算运动方向和运动距离。
为了满足这些需要，传统上发展了测距法。使用传统测距法的位置自控制机器人利用测距仪或轮传感器获得速度信息并利用磁传感器获得方位信息，并计算从初始位置到下一位置的运动距离以及运动方向，从而识别其位置和方向。
图1表示在测距法坐标系中识别位置和方向的典型概念。在该测距法坐标系中，位置自控制机器人1的位置由该位置自控制机器人1的转动中心2所位于的坐标xr和yr来限定，而该位置自控制机器人1的方向由该位置自控制机器人1的前向方向与x轴之间的角度tr来限定。
传统的测距法取决于自发产生的信息，而不利用外部输入的信息，并且能够以非常高的采样速率获取位置信息，从而非常快地更新位置信息。此外，测距法为较短的距离提供较高精度，并且成本较低。
然而，因为测距法利用积分来计算位置和方向，所以测量误差将随着行进距离的增加而积累。具体地，由于滑动(其可能是由于运动区域中的地板材料而引起)引起的误差产生积累而没有得到补偿，由此降低了精度。
利用测距法识别位置和方向的一种改进方法是利用无线射频识别(RFID)卡和RFID读取器的方法。
具有唯一位置信息的多个RFID卡放置在地板上的其中位置自控制机器人1运动的区域内。然后，位置自控制机器人1在地板上运动的同时利用RFID读取器检测RFID卡，并读取唯一的位置信息，从而识别其当前位置。
图2表示RFID坐标系中识别位置和方向的概念。位置自控制机器人1的当前位置由该位置自控制机器人1在多个RFID卡3中检测到的RFID卡3的坐标xc和yc限定，所述多个RFID卡3以矩阵形式在运动区域内放置在地板5中。在RFID卡3中分别储存唯一的编号，并且位置自控制机器人1具有与这些呈参考表形式的唯一编号分别对应的RFID坐标值。位置自控制机器人1检测到一个RFID卡3，利用RFID读取器4获取所述RFID卡3的唯一编号，并在参考表中找到与所获取的唯一编号相对应的RFID坐标值，从而识别其当前位置。
在利用RFID的方法中，位置自控制机器人识别位置和方向的精度根据RFID卡3的分布密度来确定。当RFID卡3的分布密度太低时，不能期望位置自控制机器人1能精确地识别位置和方向。在RFID卡3的分布密度太高时，如图3所示，可能会由于从RFID卡3a、3b和3c输出的RF信号之间的干涉而在读取唯一编号中产生误差。
因此，为了防止产生误差，必须将RFID卡3的分布密度限制在合适的范围内。这样的限制使得利用RFID的方法的精度降低。此外，当在放置RFID卡3的位置中存在吸收磁场的物质时，也可能产生误差。
此外，为了在利用RFID的方法中识别方向，如图3所示，需要同时识别两个或更多个RFID卡3a、3b和3c。在RFID卡3的分布密度不是足够高时，对方向的识别就变得困难。
特别地，不方便将RFID卡3放置在地板5中。当RFID卡3出现损坏时，需完全修理地板5，或者需取出损坏的RFID卡3并需将新的RFID卡3放置在地板5中，这破坏了地板5的外观。
另外，因为区域较大，所以需要使用大量RFID卡3，从而导致高的安装费用和高的维护费用，并且在操作位置自控制机器人1中在维护期间需要仔细的处理。
发明内容
本发明提供了这样一种导航系统，通过该导航系统防止位置自控制机器人的当前位置(即，绝对坐标值)与对应于相邻绝对坐标值的识别单元相干涉，从而容易地获取所述位置自控制机器人的所述当前位置，当在预定区域内识别到障碍物时，对障碍物的相对坐标值以及所述位置自控制机器人的确切当前位置与所述障碍物之间的距离进行快速和精确的计算或识别，从而可靠地控制该位置自控制机器人的运动方向和距离，可在任何位置容易地安装不同的唯一位置信息，并且便于维护。
本发明还提供一种具有对于裸眼来说不可见的二维(2D)条码的地板材料，从而防止破坏地板材料的外观，并且只有在获取绝对坐标值时才显示颜色，从而允许获取与所述2D条码相对应的唯一信息(即，所述绝对坐标值)。
根据本发明的一方面，提供了一种用于位置自控制机器人101的导航系统，该位置自控制机器人101包括带有运动单元的主体102。所述导航系统包括2D条码104、条码读取器105以及控制单元。所述2D条码104以预定间隔形成在具有预定尺寸的地板103上，并分别具有不同的唯一坐标值。条码读取器105安装在所述主体102下部中的预定位置处，以读取地板103上的2D条码104。所述控制单元安装在所述主体102上，以与所述条码读取器105电连接，并且该控制单元基于由所述条码读取器105读取的所述2D条码104的唯一坐标值而识别存储在存储器中的预定区域内的绝对坐标，并将所述绝对坐标运用到程序运动算法中，从而控制所述运动单元以使所述主体102运动。
所述导航系统还可包括发光装置106，该发光装置106安装在所述条码读取器105附近以向所述地板103发射具有预定波长范围的光。所述发光装置106可发射波长范围在300nm至850nm之间的光。
根据本发明的另一方面，提供了一种地板材料110，该地板材料110用于提供绝对坐标信息，以使位置自控制机器人101能够识别运动空间中的绝对坐标。所述地板材料101包括至少一个第一片材111，该第一片材通过将分别具有不同唯一坐标值的多个2D条码104以预定间隔反向打印在具有预定面积的透明材料的背面上并通过在所述透明材料的所述背面上形成粘合层111a而形成，从而使所述2D条码104可从所述地板材料110的表面正常地看到。
可以使用可见彩墨和不可见隐显墨(例如，当在该墨上照射具有预定波长的光时该墨可见)中的一种打印所述第一片材111中的所述2D条码104。在所述第一片材111中，所述2D条码104可以以相等间隔成矩阵形式或沿多个同心圆布置。
根据本发明的另一方面，提供了一种地板材料110，该地板材料110用于提供绝对坐标信息，以使位置自控制机器人101能够识别运动空间中的绝对坐标。所述地板材料110包括多个第二片材112，每个第二片材112均通过将具有唯一坐标值的单个2D条码104反向打印在具有预定面积的透明材料的背面上并通过在所述透明材料的所述背面上形成粘合层112a而形成，从而使所述2D条码104可从所述地板材料110的表面正常地看到。
可以使用可见彩墨或不可见隐显墨中的一种打印每个第二片材112中的所述2D条码104。
所述第二片材112可以以相等间隔成矩阵形式或沿多个同心圆布置。
根据本发明的又一方面，提供了一种地板材料110，该地板材料110用于提供绝对坐标信息，以使位置自控制机器人101能够识别运动空间中的绝对坐标。所述地板材料110包括多个以预定间隔打印在所述地板材料表面上的2D条码104。所述2D条码104分别具有不同的唯一坐标值。
可以使用可见彩墨和不可见隐显墨中的一种打印所述2D条码104。所述2D条码104可以以相等间隔成矩阵形式或沿多个同心圆布置。
所述地板材料110还可包括涂覆片材113，该涂覆片材113由透明材料制成，并粘结到其上打印有2D条码104的表面上。
图1表示在传统的测距法坐标系中识别位置和方向的概念；图2表示在传统的无线射频识别(RFID)坐标系中识别位置和方向的概念；图3表示由于在传统的RFID卡之间的干涉而产生误差；图4表示位置自控制机器人利用根据本发明的条码读取器从地板材料读取绝对坐标值的状态；图5表示根据本发明的用于位置自控制机器人的导航系统；图6表示根据本发明的二维(2D)条码；图7A表示根据本发明第一实施例的地板材料；图7B表示根据本发明第一实施例用透明墨将2D条码打印到地板材料上的状态；图7C表示使用根据本发明第一实施例的地板材料的状态；图8A表示根据本发明第二实施例的地板材料；图8B表示根据本发明第二实施例用透明墨将2D条码打印到地板材料上的状态；图8C表示使用根据本发明第二实施例的地板材料的状态；
图9A表示在根据本发明的地板材料上以矩阵形式布置的2D条码；图9B表示在根据本发明的地板材料上以放射状形式布置的2D条码；图10表示根据本发明第三实施例的地板材料。
具体实施例方式
以下将参照图4至图10详细描述本发明的结构和操作。
根据本发明的位置自控制机器人101在形状或形式上不受限制。
本发明设置成通过使控制单元能够精确获取绝对坐标并对运动单元进行控制而使得位置自控制机器人101有效运动。因此，该运动单元可具有这样的典型结构，即，其中安装在主体102处的轮107与驱动轮107的驱动电机结合。可在主体102的各相对侧处安装一对链轮和驱动电机，并且可在该对链轮处安装履带，但本发明不限于此。
根据本发明，可采用现有地板或专门制造的地板纸或瓷砖用于地板103。
换言之，可以以预定间隔将二维(2D)条码104打印在现有地板103上，或者可以将其上已经打印有2D条码104的片材附着到现有地板103上。可选地，可以将2D条码104打印在专门制造的地板纸或瓷砖上，或将其上已经打印有2D条码104的片材附着到该地板纸或瓷砖上。
如图6所示，2D条码104为以具有不同宽度的图案表示信息的符号或符号系统。在本发明中，可以以各种格式实施2D条码104。
换言之，每个2D条码104都可实施为任意单个图形，例如环、数字或含有特定信息的专门字符。例如，在图6中示出的2D条码104中，数据沿两个轴线(即，沿X轴方向和Y轴方向)布置并齐平。该2D条码104的优点在于能在狭窄区域中以较高密度储存大量数据，空间利用率非常高，从污染或受损的符号中检测错误和恢复数据的性能非常好，而且由于黑和白的元素不限于一侧，由此容易打印和读取符号，而且可沿每个360°方向读取符号。
因为可沿任何方向读取2D条码104，所以可快速读取。因此，2D条码104适于本发明。
预先在位置自控制机器人101的存储器中设置运动区域的范围。此外，在该存储器中存储运动区域中的绝对坐标值。
因此，当位置自控制机器人101运行时，条码读取器105扫描位置自控制机器人101所位于的地板103，以读取2D条码104，并获取记录在2D条码104中的坐标。然后，控制单元将所获取的坐标值识别为存储在存储器中的、在预定运动范围内的绝对坐标值。
然后，控制单元在程序运动算法中采用所述绝对坐标值，并控制运动单元以将主体102引导至运动方向。
换言之，在由条码读取器105读取到2D条码104的唯一坐标值后，控制单元将该唯一坐标值识别为在存储器中设置的运动区域内的绝对坐标，并识别位置自控制机器人101在运动区域中的当前位置(当前绝对位置)。
在位置自控制机器人101的当前位置(即，绝对坐标)已知时，可采用简单的操作来计算位置自控制机器人和障碍物之间的相对距离，从而由于程序运动算法而使位置自控制机器人101可避开障碍物运动。
同时，如在传统技术中那样，本发明也可采用测距法坐标系来识别障碍物和重新设置行进路径，并可采用视觉。在本发明中，可采用测距法坐标系补偿导航系统，但本发明不限于此。
本发明主要设置成计算障碍物的相对坐标和距障碍物的相对距离，并通过容易地获取绝对坐标来控制位置自控制机器人101沿行进路径运动。
同时，参考图4，发光装置106安装在条码读取器105附近以向地板103发射具有预定波长范围的光，该条码读取器105安装在位置自控制机器人101的主体102的下部。发光装置106可发射波长范围在300nm至850nm之间的光。
设置发光装置106用于对打印在地板110上的透明墨(即，隐显墨)进行显影。用以下将详细描述的透明墨打印的2D条码104对裸眼是不可见的，并且只有在具有预定波长范围的光下才显示颜色。因此，优选在使用发光装置106向2D条码104照射光而使2D条码104可见之后使用条码读取器105读取2D条码104。
同时，地板材料110包括2D条码104。根据本发明第一实施例，在图7A中所示的地板材料110中，在由具有预定面积的透明材料制成的第一片材111的背面上以预定间隔反向打印有多个分别具有不同唯一坐标值的2D条码104。
此外，在临时将保护层114附着到粘合层111a上时，可通过简单地除去该保护层114而立即方便地使用第一片材111。
例如，当在长宽尺寸为180×180cm的第一片材111上以30cm的间隔沿着所有方向打印2D条码104时，沿各长度方向和宽度方向打印六个2D条码104。2D条码104可具有例如(0，0)、(0，1)、(0，2)、(0，3)、(0，4)、(0，5)、(1，0)、(1，1)、...、(5，4)、(5，5)的位置信息。在根据第二实施例将第二片材112粘着到地板材料110上时，以及在根据第三实施例将2D条码104直接打印到地板材料110的表面上时，也可以以相同的方式采用这样的布置和设计。
每个2D条码104都具有唯一的位置信息。多个2D条码104具有不同的位置信息。位置自控制机器人101在2D条码104上运动时对2D条码104进行扫描，获取唯一的位置信息，并基于获取的位置信息在运动区域中维持或改变当前位置、行进路径、运动方向、运动速度等。
粘合层111a形成在打印有2D条码104的表面上，从而可将第一片材111粘结到地板材料110上，如图7C所示。
这里，因为第一片材111是透明的，所以可在正常位置穿过表面看到反向打印到第一片材111的背面上的2D条码104。优选地，采用裸眼可见的彩墨或不可见的隐显或透明墨将2D条码104打印在第一片材111上。
当使用可见彩墨打印2D条码104时，可能损坏具有内在图案和纹理的地板材料110的漂亮外观。因此，优选采用不可见隐显或透明墨打印2D条码104。可由制造商和用户随意选择墨。
在本发明第一至第三实施例中使用的不可见的透明或隐显墨是目前通常使用的墨。当采用不可见的透明或隐显墨时，印在证券纸和诸如纸币、票据和礼券的有价证券上的符号(包括数字)、字符或图形不可见，从而不能复制或扫描。
隐显墨可以为有机荧光材料、猝灭剂(quencher)或固化树脂合成物，其响应于300至850nm波长的光而发射波长为651至900nm的光。可选地，通过按40-20％的比例混合EC(即，由分子式C4H1002表示的2-乙氧基乙醇)与甲醇(MT)制成1升A溶液，并通过将该A溶液与130-170克的CKR(即，MgO活性烷基酚醛树脂)、15-25cc的OX(C17H23CO2H)以及0.01-0.001克的Si混合可生产该隐显墨。本发明不限于此。然而，透明或隐显墨必须响应由发光装置106发射的300至850nm的光而可见。
因为隐显或透明墨通常不可见，而在位置自控制机器人101照射具有预定波长范围的光以获取绝对坐标时变成可见，所以可以使地板材料110的外观保持原样。
如图9A所示，可以以相等的距离将2D条码104布置成矩阵形式，或者如图9B所示，沿实质上绕预定中心点形成的同心圆等距地布置2D条码104。可根据位置自控制机器人获取绝对坐标的运动算法来选择这样的布置形式，或者可将布置形式选择成使得地板材料110具有漂亮的外观。
参照示出了地板材料110的第二实施例的图8A至图8C，具有唯一坐标值的单个2D条码104打印在由透明材料制成的第二片材112的背面上，并且在打印有2D条码104的背面上形成有粘合层112a。多个第二片材112直接粘结到地板材料110上。
此外，可在粘合层112a上暂时附着保护层114，从而可以在除去保护层114后将第二片材112立即粘结到地板材料110上。
在本发明的第二实施例中，当位置自控制机器人101的条码读取器105不能识别由于地板材料110的表面的损坏而损坏的2D条码104的唯一坐标值时，可容易地用新的第二片材112来替代损坏的第二片材112。因为可容易地更换仅仅较小的损坏部分，所以容易维护并且使得维护费用最少。
可选地，可擦掉或除去损坏的2D条码104，然后可使用便携式打印机将2D条码104重新打印在地板材料110的相应部分上。因此，用户自己可容易地进行修复，并且可保持地板材料110不受损坏，因此，可降低用于维护和管理的费用。
在本发明的第二实施例中，如图8A所示，可使用可见彩墨打印2D条码104，或者如图8B所示使用不可见的隐显或透明墨来打印2D条码104。如在第一实施例中那样，可由制造商和用户随意选择墨。
在第二实施例中，也可以以图9A示出的矩阵形式或图9B示出的同心圆形式等距地在地板材料110上布置多个2D条码104。
第一片材111和第二片材112可粘结到放置在地板103上的诸如纸、板或瓷砖的地板材料110上。可选地，如上所述，保护层114可附着到相应的第一和第二片材111和112的每个粘合层111a和112a上，从而在除去保护层114之后将第一片材111和第二片材112粘结到地板材料110上。
根据本发明的第三实施例，将分别具有不同唯一坐标值的多个2D条码104以预定间隔打印在地板材料110上，如图10所示。如在第一和第二实施例中那样，可选择性地使用可见彩墨或不可见的隐显或透明墨来打印2D条码104。此外，也可以以相等间隔将多个2D条码104布置成矩阵形式，或以相等间隔沿多个实质同心的圆布置。
优选地，在地板材料110的表面上打印2D条码104后，将由透明材料制成的涂覆片材113粘结到该地板材料110的表面上，从而防止2D条码104损坏。在本发明的上述实施例中，已经说明了具有绝对坐标信息的2D条码104。然而，具有绝对坐标信息的标识符并不限于2D条码104。
换言之，允许基于角度和形心计算角度和方向的方向标记或符号可用作诸如2D条码104的标识符。因为这样的标记或符号可包括特定的数据，从而可选择性地使用含有绝对坐标信息的标记、符号和2D条码104中的任一个。
因为根据本发明第三实施例将2D条码104直接打印在地板材料110的表面上，所以也可以在模制地板材料110时进行该打印。结果，可减少制造时间从而提高生产率。
优选地，使用第三实施例用于象是切割成预定长度并卷起的地板纸的地板材料110。当在根据本发明第三实施例的该地板纸(即，地板材料110)上形成2D条码104时，简单地通过安装地板纸就可在预定区域中设置位置自控制机器人101所参考的绝对坐标。结果，可减少将第一或第二片材111或112附着到例如地板纸的地板材料110上所花费的工作时间。
同时，因为2D条码104已经打印在第一和第二实施例中的、粘结到到地板材料110上的第一片材111和第二片材112中的每个片材的背面上，所以2D条码104不会因为在地板材料100的表面上出现的摩擦而损坏或破坏。此外，因为将由透明材料制成的覆盖片材113粘结到地板材料110的、在第三实施例中已经打印有2D条码104的表面上，所以可防止2D条码104受到诸如表面摩擦的外力。
工业实用性如上所述，本发明消除了将昂贵的RFID卡铺在地板上或为了铺设该RFID卡而改变地板材料结构的不方便性。此外，本发明通过简单地将其上打印有2D条码的片材附着到诸如地板纸、地板或瓷砖的地板材料上，而使得位置自控制机器人能够容易地获取绝对坐标，而无需使用昂贵的RFID卡，从而使位置自控制机器人的应用最大化。另外，本发明使得能够以较低成本使用位置自控制机器人，并因此而有助于位置自控制机器人的推广。此外，根据本发明，可以将2D条码容易地安装在现有地板材料上或在制造期间安装在新的地板材料上。因为2D条码可安装成不可见的，所以它们不会损坏地板材料的漂亮外观。
权利要求
1.一种用于位置自控制机器人的导航系统，该位置自控制机器人包括具有运动单元的主体，所述导航系统包括二维条码、即2D条码，该二维条码以预定间隔形成在具有预定尺寸的地板上，所述2D条码分别具有不同的唯一坐标值；条码读取器，该条码读取器安装在所述主体下部中的预定位置处，以读取在所述地板上的2D条码；以及控制单元，该控制单元安装在所述主体上，以与所述条码读取器电连接，所述控制单元基于由所述条码读取器读取的所述2D条码的唯一坐标值来识别存储在存储器中的预定区域内的绝对坐标，并将所述绝对坐标应用到程序运动算法中，从而控制所述运动单元以使所述主体运动。
2.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于，该导航系统还包括发光装置，该发光装置安装在所述条码读取器附近以向所述地板发射具有预定波长范围的光。
3.根据权利要求2所述的导航系统，其特征在于，所述发光装置发射波长范围在300nm至850nm之间的光。
4.一种地板材料，该地板材料用于提供绝对坐标信息，以使得位置自控制机器人能够识别运动空间中的绝对坐标，所述地板材料包括至少一层第一片材，该第一片材通过将分别具有不同唯一坐标值的多个二维条码、即2D条码以预定间隔反向打印在具有预定面积的透明材料的背面上并通过在所述透明材料的所述背面上形成粘合层而制成，从而所述2D条码可从所述地板材料的表面正常地看到。
5.根据权利要求4所述的地板材料，其特征在于，使用可见彩墨和不可见隐显墨中的一种打印所述2D条码。
6.根据权利要求4所述的地板材料，其特征在于，以矩阵形式等间隔地布置所述2D条码。
7.根据权利要求4所述的地板材料，其特征在于，沿多个同心圆等间隔地布置所述2D条码。
8.一种地板材料，该地板材料用于提供绝对坐标信息，以使得位置自控制机器人能够识别运动空间中的绝对坐标，所述地板材料包括多层第二片材，每层所述第二片材均通过将具有唯一坐标值的单个二维条码、即2D条码反向打印在具有预定面积的透明材料的背面上并通过在所述透明材料的背面上形成粘合层而制成，从而所述2D条码可从所述地板材料的表面正常地看到。
9.根据权利要求8所述的地板材料，其特征在于，使用可见彩墨和不可见隐显墨中的一种来打印所述2D条码。
10.根据权利要求9所述的地板材料，其特征在于，以矩阵形式等间隔地布置所述第二片材。
11.根据权利要求9所述的地板材料，其特征在于，沿多个同心圆等间隔地布置所述第二片材。
12.一种地板材料，该地板材料用于提供绝对坐标信息，以使得位置自控制机器人能够识别运动空间中的绝对坐标，所述地板材料包括多个以预定间隔打印在所述地板材料表面上的二维条码、即2D条码，所述2D条码分别具有不同的唯一坐标值。
13.根据权利要求12所述的地板材料，其特征在于，使用可见彩墨和不可见隐显墨中的一种来打印所述2D条码。
14.根据权利要求12所述的地板材料，其特征在于，以矩阵形式等间隔地布置所述2D条码。
15.根据权利要求12所述的地板材料，其特征在于，沿着多个同心圆等间隔地布置所述2D条码。
16.根据权利要求12所述的地板材料，其特征在于，该地板材料还包括涂覆片材，该涂覆片材由透明材料制成，并被粘结到其上打印有所述2D条码的所述表面上。
全文摘要
本发明提供了一种用于位置自控制机器人的导航系统以及用于提供该导航系统使用的绝对坐标的地板材料。该位置自控制机器人包括具有运动单元的主体。所述导航系统包括二维(2D)条码、条码读取器、以及控制单元。所述2D条码以预定间隔形成在具有预定尺寸的地板上，并分别具有不同的唯一坐标值。所述条码读取器安装在所述主体下部中的预定位置处，以读取地板上的2D条码。所述控制单元安装在所述主体上，以与所述条码读取器电连接，所述控制单元基于由所述条码读取器读取的2D条码的唯一坐标值来识别在预定区域内的、存储在存储器中的绝对坐标，并将所述绝对坐标应用到程序运动算法中，从而控制所述运动单元以使所述主体运动。
文档编号B41M5/00GK1925988SQ200480042597
公开日2007年3月7日 申请日期2004年10月4日 优先权日2004年3月27日
发明者金庚根 申请人:微型机器人株式会社