机器清洁工及其系统以及使机器清洁工返回到外部充电装置处的方法

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机器清洁工及其系统以及使机器清洁工 返回到外部充电装置处的方法\n发明领域本发明涉及一种机器清洁工、一种利用该机器清洁工的系统以及一种重新连接到一个外部充电装置上的方法，较具体地涉及一种机器清洁工、一种系统和一种有效地重新连接到一个外部充电装置上的方法。\n背景技术\n一般地说，机器清洁工是一种能在无人操作的情况下自动地在一个清洁区上行走并通过吸取清洁区表面上的尘土和异物来执行清洁操作的机器人。\n由于机器清洁工能有规律地探测诸如家俱、办公用品和墙壁等障碍物并测量它们的距离，所以它能在控制不与障碍物相碰撞的情况下来清洁清洁区。\n这种机器清洁工装备了能为其运行提供所需电力的电池。该电池由一个外部充电装置充电。\n于是，当电池需要充电时，机器清洁工必须能自动地确定外部充电装置的位置并返回到该装置处进行充电。\n为此，机器清洁工通常利用一个从外部充电装置接收到的高频信号来探测后者的位置。\n不过，这种方法存在一些缺点，即高频信号的强度可能被例如反射波和干扰波等外部因素改变，而这种强度的改变可能会使机器清洁工不能以能连接到外部充电装置上所需的精度来找到其位置。\n发明内容\n本发明是为了克服上述相关技术的问题或缺点而提出的，因此本发明的一个目的是提供一种机器清洁工，一种利用该机器清洁工的系统，以及一种用于重新连接到一个外部充电装置上的方法。\n本发明的另一个目的是提供一种能让一个机器清洁工容易访问并连接到其上的外部充电装置。\n上述目的通过一个根据本发明的机器清洁工来实现，该机器清洁工包括：一个用来驱动多个轮子的驱动部分；安装在机器清洁工主体上的摄像机，该摄像机用于拍摄外部环境；以及一个控制器，该控制器用于借助摄像机拍摄的图像来识别外部充电装置与机器清洁工的连接位置并存储拍摄到的图像，还用于控制驱动部分使得当机器清洁工连接在外部充电装置上并接收到一个操作开始信号时能从外部充电装置处运动到一个目的地处，还用于在机器清洁工返回到外部充电装置的过程中，通过把摄像机当前拍摄到的当前图像与一个代表机器清洁工与外部充电装置的连接位置的存储图像进行比较，确定出一条通向上述连接位置的路径。\n摄像机包含一个安装在机器清洁工主体上的上方摄像机，用于拍摄相对于机器清洁工运动方向位于机器清洁工垂直上方的物体。控制器从机器清洁工的上方摄像机接收当机器清洁工连接在外部充电装置上时的外部充电装置的上方图像，把接收到的图像作为连接位置图像存储下来，并且当机器清洁工在返回外部充电装置时通过把由上方摄像机拍摄到的图像与连接位置的存储图像进行比较，确定出一条回到外部充电装置处的路径。\n机器清洁工最好还包含一个电力探测部分，用于探测安装在其主体上并能以可卸方式与外部充电装置相连接的电池的电力大小。当控制器从电力探测部分接收到一个充电请求信号时将停止机器清洁工的工作，并控制驱动部分使机器清洁工能返回到外部充电装置处。\n机器清洁工还含有一个安装在其主体上的前方摄像机，用于拍摄机器清洁工运动方向前方的图像，而控制器则接收由前方摄像机拍摄到的外部充电装置的前方图像，并把该图像作为机器清洁工与外部充电装置的连接位置的图像存储下来，当机器清洁工在返回外部充电装置的过程中，控制器通过把前方摄像机拍摄到的图像与机器清洁工/外部充电装置的连接位置的存储图像进行比较，确定出一条通向外部充电装置的路径。\n上述目的也还由一个根据本发明的机器清洁工系统来实现，该系统包括一个与一个机器清洁工进行无线通信的遥控器，其中的机器清洁工含有一个由多个轮子组成的驱动部分和安装在其主体上并能拍摄外部环境的摄像机。遥控器接收摄像机拍摄的用于识别机器清洁工与一个外部充电装置的连接位置的图像并存储该接收到的图像；在机器清洁工连接于外部充电装置上的情况下当接收到一个操作开始信号时将控制驱动部分使得机器清洁工能从外部充电装置处运动到一个目的地；并且通过把摄像机所拍摄到的当前图像与机器清洁工与外部充电装置的连接位置图像进行比较来控制机器清洁工使得其能连接到外部充电装置上。\n遥控器最好能从上方摄像机接收当机器清洁工连接在外部充电装置上时的外部充电装置的上方图像，并把接收到的图像作为充电连接位置图像存储下来。\n遥控器还最好能在接收到一个由电力探测部分产生并由机器清洁工发送来的充电请求信号时停止机器清洁工的工作，并控制驱动部分使得机器清洁工能返回到外部充电装置处。\n上述目的也还由一个外部充电装置实现，该装置用于对一个在执行清洁操作时与外部充电装置有无线通信联系并具有一个能拍摄外部环境的摄像机的机器清洁工进行充电。根据本发明，外部充电装置含有：一个主体，其上安装了一个用来与机器清洁工的电池的充电端头相连接的供电端头；一个制作在主体上某个位置处的导引件，以供机器清洁工的摄像机拍摄；以及一个制作在导引件上某个位置处的充电位置导引标记，以供机器清洁工的摄像机拍摄。\n外部充电装置最好包含一个承座部分，其中制作了凹槽，用于当机器清洁工处于其充电端头连接在供电端头上的位置时接纳机器清洁工的部分轮子。\n导引件平行于承座部分，位于比后者高一个预定高度的位置上，而充电位置导引标记则制作在其下表面上。\n此外，根据本发明的外部充电装置还含有一个从承座部分向上延伸一个预定高度的导引壁，用于让机器清洁工进入或退出承座部分。导引件和充电导引标记延伸了一段对应于导引壁与承座部分之间的距离的预定长度，以供机器清洁工的摄像机拍摄。\n充电位置导引标记以线型图形的方式延伸一个预定的长度。\n根据本发明的另一个方面，导引件以一个预定的高度垂直于主体制作在主体上，而充电位置导引标记则形成在导引件的一个能使导引标记被机器清洁工的摄像机拍摄的位置上。\n导引件位于机器清洁工座落在承座部分时面对着机器清洁工的前方摄像机的位置上。\n此外，根据本发明，上述目的也还由一种能让机器清洁工返回到一个外部充电装置处的方法来实现，该方法包括以下步骤：当连接在外部充电装置上的机器清洁工接收到一个操作开始信号时，由机器清洁工的一个摄像机拍摄一个用于识别充电位置的图像，该图像用于让机器清洁工能识别出它连接在外部充电装置上时的连接位置；通过使机器清洁工运行来执行指定的工作；以及，当机器清洁工需要充电或者完成了指定工作时，借助于把摄像机当前拍摄到的当前图像与用于识别充电位置的存储图像进行比较确定出一条通向外部充电装置的路径，并让机器清洁工返回到外部充电装置处。\n附图说明\n通过参考附图对本发明优选实施例的说明，本发明的上述目的和特点将更为清晰，在附图中：图1是根据本发明的一个机器清洁工在除去罩盖后的透视图；图2是说明利用了图1机器清洁工的一个机器清洁工系统的方框图；图3是图2中的中央控制单元的方框图；图4是说明一个外部充电装置对图1机器清洁工进行充电的一个例子的透视图；图5是一个根据本发明的第二优选实施例的外部充电装置的透视图；图6是一个根据本发明的第三优选实施例的外部充电装置的透视图；以及图7是说明根据本发明的机器清洁工返回外部充电装置的处理的流程图。\n具体实施方式\n以下将参考附图更详细地说明本发明。\n图1是一个根据本发明的机器清洁工在除去了罩盖时的透视图，图2是说明一个利用了图1机器清洁工的机器清洁工系统的方框图。\n参见附图，机器清洁工10包含：一个吸尘部分11，一个传感部分12，一个前方摄像机13，一个上方摄像机14，一个驱动部分15，一个发射接收部分17，一个控制部分18，和一个电池19。\n吸尘部分11形成在清洁工的主体10a上，它通过吸气操作吸取地面上所对面积内的尘土。吸尘部分11可以用众知的方法制作。例如，吸尘部分11可以含有一个吸尘马达(未示出)和一个尘土室，其中收集了通过驱动吸尘马达而从地面上所对面积内经过一个吸尘管所吸取到的尘土。\n传感部分12含有一些障碍物传感器12a和一个距离传感器12b，各个障碍物传感器12a互相间以预定的间隔设置在主体的表面上，它们能够发送和接收信号；距离传感器12b用于测量运动距离。\n每个障碍物传感器12a都有一个用于发射红外射线的红外发光元件12a1和多个能接收反射光的光接收元件。多个光接收元件以垂直方式沿着障碍物传感器12a的外周边排列。或者，障碍物传感器12a也可以用能发射超声波和接收反射波的超声传感器组成。障碍物传感器12a可以用来测量到墙壁的距离。\n距离传感器12b由能探测轮子15a至15d的转动圈数的转动探测传感器组成。例如，转动探测传感器可以是一个能探测马达15e至15f的转动圈数的编码器。\n前方摄像机13安装在主体10a上，用来拍摄前方物体和把拍摄到的图像输出给控制部分18。\n或者，也可以用一个全景或倾斜摄像机来拍摄前方和上方的物体。\n驱动部分15含有：一对安装在前部两侧的前轮15a、15b，一对安装在后部两侧的后轮15c、15d，一对驱动后轮15c和15d的马达15e和15f，以及一个把后轮15c和15d所产生的驱动力传送给前轮15a和15b的传送带15g。根据来自控制部分18的控制信号，驱动部分15以一个方向驱动马达15e而以相反的方向驱动另一个马达15f。通过用不同的转速来驱动马达15e和15f便可以产生相反方向的转动。\n或者，驱动部分15也可以构筑成用履带结构来替代轮子。\n发射接收部分17通过天线17a向外发送数据，从天线17a接收信号并把接收到的信号传送给控制部分18。\n电池19安装在主体10a上，其安装方式使得它能通过电池充电端头(未示出)被一个外部充电装置30充电。电池充电端头安装在主体10a的外表面上，其安装方式使得它能连接到外部充电装置30上和从其上脱开。\n一个电池电力探测部分20探测电池19的电力，并当探测结果表明电力不足时将发出一个充电请求信号。\n外部充电装置30的结构使得它能通过一条电缆连接到普通的交流电源上从而得到供电，然后通过供电端头把电提供给机器清洁工10。\n图4示出外部充电装置30的一个例子。\n如图4所示，外部充电装置30在其主体上有一个承座部分33。机器清洁工10即坐落在该承座部分33上。\n承座部分33有一个前向开口部分，机器清洁工10即通过该开口部分进入和退出。在承座部分33中还形成有凹槽34，用来部分地接纳机器清洁工10的轮子15。当机器清洁工处于正常坐落位置时，凹槽34与轮子15的位置是对应的。\n供电端头位在承座部分33的后壁上，使得当机器清洁工10处于正常坐落位置时供电端头将与机器清洁工10的电池19的充电端头连接起来。供电端头通过一个内部变压器和电力电缆连接到电源线35上。内部变压器可以省略。\n图5示出外部充电装置30的另一个例子，其结构使得能更容易地确定充电位置和更容易进入外部充电装置。该图中使用与前面各图中同样的代号来代表同样的元件。\n参见图5，外部充电装置30含有一个上方导引件36，该导引件平行于承座部分33，但比后者高一个预定距离。\n此外，导引壁32从承座部分33的侧壁向前伸出，并且是向外倾斜的，使得开口宽度逐渐增大，从而能让机器清洁工10能更容易地进入到承座部分33中。\n为了能把上方导引件36支持在承座部分33上方一个预定距离处并与后者平行，所以上方导引件36具有字母“L”的形状。\n为了让机器清洁工10的上方摄像机14能在从导引壁32到承座部分33这段距离内进行拍摄，平行于承座部分33的上方导引件36的水平部分需从一个对应于承座部分33的位置一直延伸到一个对应于导引壁32的位置。\n在上方导引件36的下表面上以线型形式形成了一个上方导引标记37(即上方充电位置标记)，这样将使上方摄像机14在拍摄中易于识别。上方导引标记将有助于引导机器清洁工10进入承座部分33。上方导引标记37的颜色与上方导引件36下表面其他部分的颜色不同，使得在图像处理中可以把上方导引标记37与其他部分区分开来。例如，导引标记37可以是黑色的，而其余面积则是白色的。\n图6是根据本发明第三个优选实施例的一个外部充电装置的透视图。该图中用与前面各图相同的代号来代表相同的元件。\n参见图6，外部充电装置30含有一个垂直地形成在承座部分33的表面上的垂直导引件38。\n垂直导引件38从承座部分33向上升起一个预定的高度，面对着坐落在承座部分33上的机器清洁工10的前方摄像机13。\n为了在前方摄像机13拍摄时易于识别图像，还为了让机器清洁工10易于确定充电位置，在垂直导引件38的中心附近形成了一个圆形充电位置导引标记39。\n充电位置导引标记39的颜色与垂直导引件38其余部分的颜色不同。\n控制部分18对通过发射接收部分17接收到的信号进行处理，并相应地去控制各个器件。如果在主体10a上设有一个含有多个按键的用于设定各个器件的功能的按键输入装置(未示出)，则控制部分18将对通过按键输入装置输入的信号进行处理。\n当机器清洁工10不工作时，控制部分18将控制各个器件使得机器清洁工10在连接于外部充电装置30上并被后者充电的同时还处于待用状态。通过让不工作时的机器清洁工10连接在外部充电装置30上，电池19将得以保持一定的电力。\n当接收到操作开始信号时，连接在外部充电装置30上的控制部分18将把由上方摄像机14所拍摄到的外部充电装置30上方的物体的图像和/或由前方摄像机13所拍摄到的外部充电装置30前方的物体的图像存储到存储器16中。\n也就是说，当采用图4或图5的外部充电装置时，控制部分18将把上方摄像机14所拍摄到的上方设备或饰品、或者上方导引标记37的图像存储下来。\n当采用图6的外部充电装置时，控制部分18将把当机器清洁工10处于与外部充电装置30相连接的状态下的和/或当机器清洁工10处于从外部充电装置30退出了一个预定距离的状态下的、由面对着圆形充电位置导引标记39的前方摄像机13所拍摄到的圆形充电位置导引标记39的图像存入存储器16。\n操作开始信号中的操作或者是指清洁操作，或者是指借助于摄像机12和14的监视操作。\n当机器清洁工10返回外部充电装置30时，控制部分18把由上方摄像机14和/或由前方摄像机13拍摄到的当前图像与存储的充电位置图像进行比较，以确定充电位置是否正确，并相应地控制驱动部分15使得机器清洁工10能正确地坐落到外部充电装置30上。\n也就是说，当机器清洁工10返回外部充电装置30时，控制部分18通过比较存储的外部充电装置30的上方和/或前方图像与机器清洁工10当前摄取的上方和/或前方图像来识别机器清洁工10相对于外部充电装置30的距离和方向。相应地，控制部分18将控制驱动部分15使得机器清洁工10能从当前位置返回到目的地，即返回到外部充电装置30。在运动到目的地的路径上，控制部分18根据由编码器测得的运动距离和对当前摄取到的上方和/或前方图像与存储图像的比较结果所获得的关于当前位置的信息来控制驱动部分15，使得机器清洁工10能跟踪通往目的地的路径。\n在上述各个例子中，控制部分18直接拍摄和存储外部充电装置30的上方和/或前方图像，并利用存储的和当前摄取的图像让机器清洁工返回到外部充电装置30处。\n根据本发明的另一个方面，为了减少机器清洁工10的图像处理负担，提供了一种机器清洁工系统，以便在外部进行机器清洁工10的返回处理，例如对上方和/或前方图像进行外部的存储和分析。\n于是，把机器清洁工10构筑成能无线地发送由摄像机13和14所拍摄到的图像，并能根据无线地从外部接收到的控制信号进行操作。此外还提供了一个遥控器40，用来在诸如操作控制、返回到充电装置30等方面的处理上无线地控制机器清洁工10。\n遥控器40含有一个无线中继器41和一个中央控制单元50。\n无线中继器41对从机器清洁工10接收到的无线信号进行处理，然后通过导线把经处理的信号传送给中央控制单元50，其后无线中继器41通过天线42把从中央控制单元50接收到的信号无线地发送给机器清洁工10。\n如图3所示，可以用一个通用计算机来作为中央控制单元50。在图3中，中央控制单元50包含一个中央处理单元(CPU51)，一个只读存储器(ROM52)，一个随机访问存储器(RAM，53)，一个显示器54，一个输入装置55，一个存储器56，和一个通信装置57。\n存储器56含有一个机器清洁工驱动器56a，它能控制机器清洁工10和处理从机器清洁工10发送来的信号。\n机器清洁工驱动器56a被激励时将在显示器54上提供一个菜单，供用户设定机器清洁工的控制。当用户从菜单中作出某一选择时，机器清洁工驱动器56a的处理将使机器清洁工10能执行用户所选择的项目。菜单最好被分成两大类，例如清洁操作和监视操作，每个大类都带有一个次级选项菜单，提供诸如目标区选择清单、操作方法等可为所用设备支持的多个选项。\n当在预定的时间或者通过输入装置55向机器清洁工10输入一个操作开始信号时，驱动器56a将从机器清洁工10接收由处于连接在外部充电装置30上的待用状态的机器清洁工10的上方摄像机14和/或前方摄像机13所拍摄到的外部充电装置30的上方和/或前方图像，并把该图像存入存储器56。其后，驱动器56a控制机器清洁工10使其能执行所命令的工作。根据通过无线中继器41从驱动器56a接收到的控制信息，机器清洁工10的控制部分18将控制驱动部分15和/或吸尘部分11，并把由上方摄像机14和/或前方摄像机13所拍摄到的机器清洁工10的上方和/或前方的图像通过无线中继器41发送给中央控制单元50。\n当从机器清洁工10接收到电池充电请求信号或者确定了工作已经完成时，驱动器56a将控制机器清洁工10使它能返回到外部充电装置30处。在控制过程中，驱动器56a将把存储在存储器56中的外部充电装置30的上方和/或前方图像与由上方摄像机14和/或前方摄像机13所拍摄和发送的机器清洁工10的当前上方和/或前方的图像进行比较，确定出一个通向外部充电装置30的路径，并控制机器清洁工10返回到外部充电装置30的正确位置上。\n下面将参考图7更详细地说明确定对通向外部充电装置30的路径的处理。\n在下面的说明中，假定初始状态是机器清洁工10处于待用状态，并且连接在外部充电装置30上。\n首先，判断是否接收到了操作开始信号(步骤S100)。\n当判定已经接收到了操作开始信号时，拍摄并存储充电位置的图像，以供机器清洁工10在需要识别外部充电装置30的位置时使用(步骤S110)。\n这里，“充电位置图像”是指当机器清洁工10连接在外部充电装置30上时所拍摄到的外部充电装置30上方和/或前方的图像。当采用图5和图6的外部充电装置时，上方导引标记37或圆形导引标记39的图像将被用作充电位置图像。\n在完成了充电位置图像的拍摄和存储之后，将执行所命令的操作(步骤S120)。也就是说，如果所命令的是清洁操作，则将驱动机器清洁工10使之脱离与外部充电装置30的连接，并按一个预定路径运动。在机器清洁工10运动的过程中，其吸尘部分11将被驱动，从被清洁表面上吸入异物。如果所命令的是监视操作，则将驱动机器清洁工10使之脱离与外部充电装置30的连接，并运动到一个被监视的目的地，在那里用摄像机13和14拍摄目标物体并发送或记录拍摄结果。\n接着，判断操作是否已经完成(步骤S130)。\n当步骤S130判定操作尚未完成时，判断是否需要充电(步骤S140)。\n如果判定操作已经完成或者需要充电，则执行返回充电位置的处理。\n在返回模式中，利用自从机器清洁工10脱离外部充电装置30之后就一直在测量着的关于机器清洁工10的运动的轨迹信息和/或自从机器清洁工10在脱离外部充电装置30之后就一直被摄像机13和14拍摄和存储的机器清洁工10的周围的图像，计算出一个返回路径，也即计算出外部充电装置30的距离和方向。然后根据计算得到的关于机器清洁工10的路径信息，控制驱动部分15使之返回外部充电装置30处。\n在机器清洁工10离开/返回外部充电装置30的过程中，最好能利用通过比较由编码器测得的运行距离、摄像机13和14所拍摄到的当前图像、以及存储图像而获得和识别出的信息，来确定机器清洁工10的位置。\n在机器清洁工10返回外部充电装置30的处理中，判断摄像机13和14是否捕捉到了存储的充电位置图像(步骤S160)。较具体地说，判断在上方摄像机14或前方摄像机13所拍摄到的图像中是否全部地或部分地包含了光电位置的上方图像或者上方导引标记37和39的图像。\n如果判定当前图像中没有包含充电位置图像，则将调整机器清洁工10返回充电位置的路径(步骤S170)。\n调整返回路径包括诸如让机器清洁工10转动一个预定角度或前进一个预定距离这样的处理。\n步骤S150至S170将重复进行，直到当前图像中包含了充电位置图像。\n当经过了上述处理后判定出当前图像包含了充电位置图像时，将使机器清洁工10连接到外部充电装置30上(步骤S180)。\n下面是采用图4或图5外部充电装置30时的例子。在该情形中，当在步骤S160中由上方摄像机14捕捉和拍摄到了外部充电装置30的上方或上方导引标记37的存储图像时，将根据关于外部充电装置30上方图像或上方导引标记37图像的信息使机器清洁工10前进到承座部分33中。较具体地说，当机器清洁工10接近到达外部充电电装置30处从而捕捉到了存储在摄像机14中的外部充电装置30上方或上方导引标记37的图像的某些部分时，机器清洁工10将会在根据屏幕上当前拍摄到的关于导引标记位置的信息来调节其路径的同时，逐渐地进入外部充电装置30的承座部分33。所以，上方图像或上方导引标记37能够在屏幕上跟踪出一条预定的路径。\n下面是采用图6外部充电装置30时情况。在该情形中，当前方摄像机13在步骤S160中捕捉到了充电位置导引标记37时，将根据下面将说明的在步骤S180中得到的关于导引标记37的图像信息来执行机器清洁工10与外部充电装置30的连接处理。也就是说，把充电位置圆形导引标记39的当前图像与标记39的存储图像在大小、失真程度和屏幕中的位置等方面进行比较，使机器清洁工10沿着一条能让圆形导引标记39的当前图像与其存储图像相匹配的返回路径往返回到充电位置上(步骤S180)。\n当摄像机13捕捉到了充电位置图像时，根据当前拍摄到的充电位置图像在屏幕上的位置信息来执行机器清洁工10在承座部分33中的前进和定位将变得容易，并且可减少出错率。\n如上所述，利用根据本发明的机器清洁工10、机器清洁工系统，和确定通向外部充电装置30的路径的方法，离开了外部充电装置30的机器清洁工10将能在完成了它的清洁操作或需要充电时利用原先存储的充电位置图像和摄像机拍摄到的当前位置图像来返回到外部充电装置30处。于是，可以减少因外部干扰信号而经常发生的位置识别出错率，还可以减少确定通向充电装置的路径的错误和机器清洁工10连接到外部充电装置30上的错误。\n上面已示出和说明了本发明的一些优选实施例。然而，本发明并不受限于这里所说明的这些优选实施例，熟悉本技术领域的人们可以在不脱离权利要求书中所声称的本发明要点的情况下对本发明作出修改。