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Dokumentenidentifikation DE69512414T2 05.01.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0769923
Titel AUTOMATISCHE MASCHINE UND VORRICHTUNG ZUR BODENENTSTAUBUNG
Anmelder Solar and Robotics S.A., Brüssel/Bruxelles, BE
Erfinder COLENS, Andre, B-1330 Rixensart, BE
Vertreter Patentanwälte HANSMANN-KLICKOW-HANSMANN, 22767 Hamburg
DE-Aktenzeichen 69512414
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 04.07.1995
EP-Aktenzeichen 959263401
WO-Anmeldetag 04.07.1995
PCT-Aktenzeichen BE9500065
WO-Veröffentlichungsnummer 9601072
WO-Veröffentlichungsdatum 18.01.1996
EP-Offenlegungsdatum 02.05.1997
EP date of grant 22.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.01.2000
IPC-Hauptklasse A47L 11/40
IPC-Nebenklasse A47L 9/28   

Beschreibung[de]
Vorrichtung und automatische Maschine zur Staubentfernung von Böden

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein automatisches System zur Staubentfernung von Böden mittels einer selbsttätig auf der Bodenoberfläche verfahrbaren Maschine.

Im Stand der Technik sind bereits zahlreiche Roboter zur Staubentfernung von Böden vorgeschlagen worden, beispielsweise in den Druckschriften GB-A-2.278.937, EP-A-584.888 oder EP-A-490.736. Die Druckschrift US 5.109.666 beschreibt einen automatischen Staubsauger, der in der Lage ist, sich automatisch an einer Ladestation wieder aufzuladen. Der Roboter bewegt sich auf der Basis einer aus Blöcken bestehenden Kartographie, die in den Speicher eines Mikrocomputers geladen wurde.

Die vorliegenden Erfindung bezweckt eine Verbesserung der oben erwähnten Vorrichtungen durch eine Vergrößerung der Autonomie und der automatischen Funktion eines derartigen Apparates.

Die Maschine befindet sich vorzugsweise in einem kontinuierlichen Betriebszustand, d. h., daß der Benutzer, nachdem er die Vorrichtung einmal installiert hat, sich nicht mehr damit beschäftigen muß, einen Saugvorgang zu starten oder zu unterbrechen, da diese Vorgänge automatisch ablaufen. Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist die Maschine dauernd aktiviert. Sie kann mit einer vorzugsweise programmierbaren Einrichtung versehen sein, die in Abhängigkeit von zeitlichen Vorgaben oder anderen Parametern (Geräusche, Helligkeit usw...) ihren Betrieb unterbricht oder aufnimmt.

Die Vorrichtung und das System gemäß der Erfindung basieren im wesentlichen auf der Verwendung eines mobilen Roboters mit geringem Energieverbrauch und geringer Größe, der die zu reinigende Oberfläche in einer aleatorischen oder quasi-aleatorischen Weise überstreicht, der mit einer zentralen Vorrichtung zur Staubentleerung, vorzugsweise einem zentralen Staubsauger, kombiniert ist, an die sich der mobile Roboter periodisch anschließt, um sich des angesammelten Staubes zu entledigen. Gleichfalls ist eine vorzugsweise in die zentrale Entnahmevorrichtung integrierte Ladeeinheit zur Wiederaufladung der aufladbaren Batterien des mobilen Roboters vorgesehen, um auf diese Weise einen erneuten Betriebszyklus zu ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung schlägt daher eine Vorrichtung zur Staubentfernung von Böden vor, die wenigstens folgendes umfaßt

eine autonome mobile Maschine, die mit einer oder mehreren wiederaufladbaren Batterien, einer Staubsaugeinrichtung, einem Staubbehälter, einer Vorrichtung zum Erkennen und Umgehen von Hindernissen und einer elektronischen Kontrolleinheit, die einen Mikroprozessor umfaßt, versehen ist,

- eine im wesentlichen ortsfeste Ladeeinheit für die aufladbaren Batterien, die sich in der mobilen Maschine befinden, wobei die genannte Einheit mit einer Führungseinrichtung versehen ist, die es der genannten autonomen mobilen Maschine ermöglicht, sich für den Ladevorgang wieder einzufinden

- wobei der Mikroprozessor mit einem Algorithmus zum Umgehen von Hindernissen und zum Erkennen der Ladeeinheit versehen ist

- eine zentrale Einheit zur Staubentleerung, die im wesentlichen ortsfest ist, die mit einer Führungseinrichtung versehen ist, die es der genannten autonomen mobilen Maschine ermöglicht, sich zur periodischen Entleerung des Staubbehälters einzufinden

Im Laufe der Beschreibung umfaßt die Bezugnahme auf ein zentrales System oder eine zentrale Staubsaugvorrichtung oder einen zentralen Staubsauger alle äquivalenten Systeme oder Vorrichtungen zur Entnahme von Staub aus einem Staubsammelbehälter eines mobilen Roboters einschließlich von Vorrichtungen, die auf einer Entnahmeöffnung basieren, die mit dem einfachen Effekt der Schwerkraft kombiniert ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet die Ladevorrichtung eine induktive Versorgungseinheit.

Gemäß einer anderen Ausführungsform, die mit der letzteren vereinbar ist, verwendet die Rückführungseinheit der zur zentralen Staubsaug- und Ladeeinheit einen Algorithmus, der auf dem Gradienten des Feldes basiert.

Die ortsfeste Station besteht im wesentlichen aus einem zentralen Staubsauger, der mit einem Sammelbehälter hinreichender Kapazität ausgestattet ist, einem Hochfrequenzgenerator, zum Beispiel 20 kHz, einer Induktionsspule und einem elektronischen Kontrollmodul.

Gemäß einer Ausführungsform besitzt der Roboter eine äußere Abdeckung in Form einer angenähert halbkugelförmigen Schale, die auf Federn gehaltert ist, die von einem Chassis getragen werden, auf dem die übrigen Komponenten des mobilen Roboters angeordnet sind. Diese Befestigung macht die Maschine sehr stabil, so daß ein Benutzer beispielsweise auf die Abdeckung treten kann, ohne die darunter befindlichen Komponenten zu beschädigen. Wird auf die Abdeckung ein Druck ausgeübt, so geschieht nichts weiter als daß sie herabsinkt und sich auf dem darunter befindlichen Boden abstützt.

Die Abdeckung hat beispielsweise eine Höhe von 15 cm und an ihrer Basis eine Länge von 30 cm. Sie kann vorteilhafterweise aus Polyester bestehen. Das Gewicht der Maschine kann weniger als zwei Kilo betragen, eine Batterie von etwa 500 g eingeschlossen.

Gemäß einer Ausführungsform besitzt der erfindungsgemäße Roboter eine Abdeckung und ein Chassis, wobei letzteres, unabhängig oder nicht, wenigstens trägt:

- wenigstens ein Antriebsrad oder -element, wie eine Raupe, vorzugsweise zwei von wenigstens einem, vorzugsweise zwei Motoren angetriebene seitliche Antriebsräder, wobei jeder Motor derart unabhängig ansteuerbar ist, daß der Roboter gelenkt werden kann,

- eine unter der Abdeckung angeordnete Staubsaugeinrichtung

- einen Staubsammelbehälter geeigneter Kapazität, der im Inneren der Abdeckung angeordnet ist

- eine mit einem Mikroprozessor ausgestattete Kontrolleinheit

- eine wiederaufladbare Batterie

- ein System zum Erkennen und Umgehen von Hindernissen durch die Erkennung von Stößen, vergleichbar demjenigen, wie es für einen automatischen Rasenmäher in der Patentanmeldung WO 92/04817 beschrieben ist

- ein System zur Hinführung zu einen Staubentnahmeeinheit

- ein System zur Hinführung zu einer Ladestation

- eine Einheit zur Entnahme des Staubes aus dem Staubsammelbehälter, wobei diese Einheit automatisch durch die genannte Ladestation aktivierbar ist.

Für häusliche Anwendungen, kann die Leistungsaufnahme des Gebläses 5 bis 10 Watt nicht übersteigen und diejenige des Antriebsmotors für die Räder 2 bis 3 Watt. Vorzugsweise übersteigt die maximale Leistungsaufnahme der Maschine nicht den Wert von 100 W, vorzugsweise von 50 W, und bleibt im allgemeinen geringer als 25 W.

Für anspruchsvollere Anwendungen, zum Beispiel die Reinigung von Industrieböden, kann die Leistungsaufnahme 800 W übersteigen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform bewegt sich der mobile Roboter unter dem Antrieb der beiden Räder fortwährend auf der zu bearbeitenden Oberfläche, der dritte Auflagepunkt kann vorzugsweise von der Saugöffnung gebildet werden, die in bezug auf die zentrale vertikale Achse der Abdeckung in rückwärtiger Richtung exzentrisch angeordnet ist oder vorzugsweise nach vorn in bezug auf die Fortbewegungsrichtung. Die beiden unabhängigen Antriebsräder befinden sich ebenso wie gegebenenfalls die zugeordneten Motoren in etwa zu beiden Seiten der Mitte des Chassis.

Gemäß einer Ausführungsform reibt diese Saugöffnung also über die Bodenoberfläche. Ihre spezielle Ausgestaltung kann daher von den Saugöffnungen herkömmlicher Haushaltsstaubsauger abgeleitet sein und zum Beispiel aus austauschbaren Elementen bestehen.

Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform ist die Saugöffnung oder ein dazu passendes Teil mit einem oder zwei kleinen Rädern ausgestattet, die die Öffnung leicht oberhalb des Niveaus des Bodens halten, gegebenenfalls mit einem Mittel zur Einstellung der Höhe.

Die Bewegungen des Roboters sind durch Hindernisse begrenzt, die sich in der Arbeitsfläche oder um sie herum befinden. Man kann ein verbessertes System der Begrenzung der Oberfläche mittels eines umgebenden Drahtes vorsehen, der von einem Signal durchflossen wird, wie es in der Druckschrift WO 92/04817 für den Fall eines Rasenmähers beschrieben ist.

Der Roboter kann ebenso in vorteilhafter Weise mit einem System zur Erkennung von Höhenunterschieden ausgestattet sein, das es ihm ermöglicht, eine Kehrtwendung auszuführen, wenn er eine Schwelle überquert, insbesondere am Rand einer hinabführenden Treppe. Zu diesem Zweck kann ein an seinem freien Ende mit einer Rolle ausgestatteter Sensorarm vor jedem der Räder angeordnet sein. Der Arm kann unabhängig vom Chassis in vertikaler Richtung schwenken. Sofern ein wesentlicher Höhenunterschied vor einem der Räder auftaucht, folgt der Arm diesem unter der Wirkung der Schwerkraft und die daraus resultierende Schwenkbewegung des Armes aktiviert einen Unterbrecher, der die Rückwärtsbewegung und ein Verschwenken der Maschine einleitet, wobei der Algorithmus gleich ist demjenigen zum Erkennen von Hindernissen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist ein Mittel zum Erkennen der Menge des aufgesaugten Staubes vorgesehen. Dieses Erkennungsmittel kann aus einem System zur Messung der Absorption und/oder der Reflexion eines den Saugschlauch der Maschine durchquerenden. Lichtstrahles sein. Die Menge des aufgesaugten Staubes kann einer der Parameter des Algorithmus des Mikroprozessors sein, der bei der Wahl der zu durchlaufenden Bahn in Betracht gezogen wird. Wenn die Dichte des Staubes hoch ist, wird die Bahn des Roboters automatisch so angepaßt, daß die Oberfläche mit hoher Staubdichte vollständig durchfahren wird. Dieser Algorithmus kann gleich sein demjenigen der zur Erkennung eines Bereiches mit hohem Gras führt, wie er in der bereits zitierten Druckschrift WO 92/04817 beschrieben ist.

Gemäß einer Ausführungsform ist zum Erkennen und Messen des aufgesaugten Staubes eine Sendevorrichtung und eine Empfangsvorrichtung für Lichtstrahlen vorgesehen, wobei beide Vorrichtungen im Ansaugrohr, zwischen der Saugöffnung und dem Staubbeutel, angeordnet sind, Man mißt entweder die Absorption oder die Reflexion, je nachdem, ob sich der Empfänger in der Achse des ausgesandten Strahles befindet oder nicht. Um die Reflexion zu messen, können Sender und Empfänger sich auf derselben Seite des Ansaugrohres befinden, mehr oder weniger nebeneinanderliegend. Diese letztgenannte Anordnung hat sich insbesondere als geeignet für eine quantitative Abschätzung des aufgesaugten Staubes erwiesen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann sich der Roboter, je nach Gebrauch, in vier bestimmten Zuständen befinden:

- einem Normalmodus, in dem die Batterie ausreichend aufgeladen ist und sich der Roboter aktiv bewegt und mit der sich unter seiner Abdeckhaube befindlichen Öffnung den Staub vom Boden saugt, der sich auf seinem Weg befindet. Der Saugvorgang wird durch eine Saugeinrichtung bewirkt, vorzugsweise ein Gebläse, wie ein Radialgebläse. Die aufgesaugte Luft wird durch einen herkömmlichen Filter gefiltert und dann durch eine seitlich oder oben in seinem Gehäuse vorgesehene Öffnung ausgestoßen. Der Staub und kleine Reste werden auf die bekannte Weise im Staubbeutel oder einem diesem vergleichbaren Mittel zurückgehalten.

- sobald der Ladezustand der Batterie unter einen vorgegebenen Wert absinkt, wechselt der Roboter in einen zweiten Zustand über. In diesem Fall wird das Gebläse angehalten und der Roboter versetzt sich in den Zustand des Suchens der Ladeeinheit, die vorzugsweise funktional mit dem zentralen Staubsauger gekoppelt ist, gemäß einem Suchalgorithmus, der in der elektronischen Kontrolleinheit gespeichert ist,

- nachdem er sich auf diese Weise auf der Aufnahme des zentralen Staubsaugers positioniert hat, wird automatisch ein dritter Zustand ausgelöst. Der zentrale Staubsauger entdeckt die Anwesenheit des Roboters auf seinem Sockel. Dieses Erkennen kann beispielsweise mittels seines Kontrollmoduls erfolgen, der die Schwächung einer Induktionsschleife erfaßt sofern die Maschine und die Ladeeinheit mit geeigneten Mitteln ausgestattet sind. Der zentrale Staubsauger arbeitetet während einiger Sekunden indem er den Auffangsack des Roboters über die Entleerungsöffnungen und die Saugöffnung entleert, die sich in dem festen Sockel unterhalb des Roboters befindet.

- in einem vierten Zustand ist der Staubsauger ausgeschaltet, aber der Roboter lädt sich weiterhin über die Induktionsschleife auf bis die mit dem Mikroprozessor verbundene Meßvorrichtung des Ladezustandes der Batterie eine ausreichende Aufladung anzeigt.

Der Roboter wechselt dann wieder in den erstgenannten Zustand über, verläßt die zentrale Saug- und Ladeeinheit, verfährt wieder und begibt sich wieder auf den Weg zu einem neuen Zyklus des Staubsaugens des Bodens.

Der zentrale Staubsauger, der im allgemeinen mit einer höheren Leistung als der Staubsauger in der Maschine ausgestattet ist, ist mit dem Versorgungsnetz des betreffenden Gebäudes verbunden und kann vorzugsweise an einen anderen Ort verbracht werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann er gleichermaßen in ein Möbelstück oder in eine Wand integriert sein.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann selbstverständlich mehrere mobile Roboter umfassen. Diese sind geeignet, unabhängig voneinander zu funktionieren, im einfachsten Fall durch den Ablauf der obengenannten Operationen.

Die zu pflegende Oberfläche kann zum Beispiel ein Parkettfußboden, ein Steinfußboden, eine synthetische Oberfläche mit oder ohne Teppich oder ein glatter Teppich sein. Die Oberfläche kann mehrere Verbindungselemente einschließlich eines Treppenabsatzes enthalten. Die Vorrichtung kann vorzugsweise in einer Wohnung benutzt werden.

Die Hinführung des Roboters zum Ort der Wiederaufladung und des zentralen Staubsaugers kann in gewissen Fällen ein Leitsystem, z. B. mittels Drähten, erfordern. Zahlreiche Drahtleitsysteme sind bereits bekannt.

Gemäß einem anderen, besonders bevorzugten Aspekt der Erfindung wird indessen ein autonomer mobiler Roboter vorgeschlagen, der in der Lage ist, sich wieder mit Energie zu versorgen, ohne sich hierzu physisch an die Ladestation anschließen zu müssen, wobei er sich nicht exakt positionieren muß und wobei er die Quelle selbst als Meß- und Leitsystem für die erneute Energieversorgung benutzt.

Erfindungsgemäß ist der mobile und autonome Roboter mit einem Rechner und einer Einheit zur Messung der Intensität eines Wechselfeldes, das von der Energiequelle selbst erzeugt wird, ausgestattet. Die Intensitätsmessungen werden an den Rechner weitergeleitet, der einen speziellen Algorithmus anwendet, um die erforderlichen Anweisungen an die Steuerungsorgane für das Verfahren der Maschine zu erteilen. Aufgrund der Veränderung der Intensität während seines Verfahrweges kann sich der erfindungsgemäße Roboter selbst zur Energieversorgung leiten.

Die Ladeeinheit umfaßt eine feste Ladestation mit einem Erzeuger für hochfrequenten Wechselstrom, der einerseits mit einer elektrischen Stromquelle, z. B. dem öffentlichen 220 V-Netz, und andererseits mit einer Induktionsschleife verbunden ist, die auf oder unter dem Sockel des zentralen Staubsaugers angeordnet ist. Dieser Generator kann mit sehr geringem Verlust im Dauerbetrieb laufen, sofern sich keine andere Induktionsstromquelle in seiner Nähe befindet. Die Frequenz kann beispielsweise 20 kHz betragen, wobei die Induktionsschleife einen Durchmesser von 10 bis 20 cm aufweist.

In dieser Ausführungsform ist der Roboter außerdem mit einer Empfängerspule ausgestattet, die in seinem Inneren angeordnet ist, und mit einem Empfängerschaltkreis, der auf die Frequenz des Wechselstromes der ortsfesten Versorgungseinheit abgestimmt ist.

Der Roboter ist mit einer Filter- und Ladevorrichtung für den von der Empfängerspule aufgenommenen Induktionsstrom ausgestattet, wobei diese Vorrichtung die Wiederaufladung einer Batterie ermöglicht. Derartige Vorrichtungen sind an sich bekannt.

Sobald die Aufladung beendet ist, wechselt der spezielle Arbeitsalgorithmus im Roboter bis zu einer erneuten Entleerung der aufladbaren Batterie.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann auf verschiedene Weise zur Anwendung gelangen.

Gemäß einer ersten Ausführungsform verläuft die Ebene der Induktionsschleife senkrecht in bezug auf die Bewegungsebene der Maschine.

Die Empfängerschleife ist im vorderen Bereich der mobilen Maschine angeordnet. Die Achse der Schleife befindet sich auf der Bewegungsachse der Maschine.

Die Maschine enthält einen Rechner, der unter anderem die Ladeparameter einer wiederaufladbaren Batterie analysiert. Sofern diese aufgeladen werden muß, übernimmt ein spezieller Algorithmus das Verfahren der Maschine.

Gemäß des Algorithmus führt die Maschine eine Drehung um 360º um sich selbst aus. Die Spannung an den Abgriffen der Empfängerspule durchläuft dabei ein Maximum, wenn die Achse der Maschine (und der Spule) sich in der Richtung des Induktionsgenerators und gleichzeitig senkrecht zur Bewegungsebene der Maschine befinden.

Die Maschine bewegt sich aleatorisch entlang dieser Achse, entweder in Richtung der Quelle oder in entgegengesetzter Richtung. In diesem letzten Fall ist der gemessene Gradient negativ und der Algorithmus veranlaßt eine Drehung um 180º, die die Maschine unweigerlich auf die für eine Annäherung an die aussendende Quelle, die zugleich die Quelle für die Energieversorgung ist, geeignete Bahn bringt.

Das von der Empfängerspule ausgesandte Signal wird ständig von dem sich an Bord der Maschine befindlichen Rechner analysiert, der in der Weise auf die Antriebsräder einwirkt, daß er die Maschine auf der Basis des Gradienten des ausgesandten Signals zum Generator leitet. Die Maschine hält an, sobald das empfangene Signal ausreichend ist, um die Aufladung der Batterie sicherzustellen.

Gemäß ein zweiten Ausführungsform der Erfindung, die besonders bevorzugt ist, befindet sich die Ebene der Induktionsschleife in der Bewegungsebene der Maschine. Die Induktionsschleife kann auf dem Sockel des zentralen Staubsaugers oder unterhalb der Bewegungsoberfläche angeordnet sein.

Die Empfängerschleife ist unterhalb der mobilen Maschine in der Bewegungsebene der Maschine angeordnet, vorzugsweise so nahe wie möglich (wenige Zentimeter) am Boden. Sofern sich die Maschine in Richtung des Generators bewegt, schneidet die Maschine die Äquipotentiallinien des abgestrahlten Feldes senkrecht zu diesen und das Feld verstärkt sich um so schneller, je näher die Maschine am Generator ist. Wenn die Bewegungsrichtung nicht senkrecht zu den Äquipotentiallinien ist, wird der Gradient unvermeidlich ständig schwächer.

Wenn sich die Maschine parallel zu den Linien gleicher Intensität bewegt, bleibt das Feld praktisch konstant, wobei eine mögliche Veränderung geringer ist als das Untergrundrauschen. Der Rechner analysiert den absoluten Wert des Feldes und seinen Gradienten als Funktion des Fortschreitens der Maschine, wobei der Rechner die Maschine zum Generator leiten und sie anhalten kann, wenn das Feld ein Maximum erreicht.

Sofern gleichwohl, bei in Bewegung befindlicher Maschine, das in vorgegebenen Zeitintervallen gemessene Feld praktisch konstant ist (der Gradient ist geringer als ein vorgegebener Wert), läßt der Algorithmus die Maschine eine Drehung um 90º zur einen oder anderen Seite durchführen. Wenn der dann gemessene Gradient negativ ist, führt die Maschine eine zweite Drehung aus, dieses Mal um 180º, der Gradient ist dann positiv bis zu einem vorgegebenen Maximum an, dem sich der Generator befindet, oder bis zu einem Minimum (konstanter Wert), wenn sie eine Linie gleicher Intensität berührt. Dieser zweite Fall wird am häufigsten hervorgerufen werden durch Ungenauigkeiten bei der Messung des Feldes, der durchgeführten Drehungen und der verfolgten Bahnen. In diesem Fall wird eine neue Drehung um 90º durchgeführt und der Zyklus kann sich bis zu einem vorgegebenen Wert des Feldes wiederholen. In der Praxis erreicht die Maschine schließlich die Ladestation durch aufeinanderfolgende Annäherungen.

Bei den vorgenannten Ausführungsformen zieht der Algorithmus auch ändere Faktoren in Betracht, wie Begrenzungssignale, sofern sie vorhanden sind, oder Hindernisse, die Vorrang haben gegenüber dem oben vereinfachend beschriebenen Algorithmus.

Um einen optimalen Energieübertrag zwischen der Abgabe- und der Empfängerspule zu erreichen, wird die exakte Positionierung der mobilen Maschine in bezug auf die Induktions-Ladevorrichtung durch eine Kombination zweier Maßnahmen bewirkt:

- eine Messung des induzierten Feldes in der Empfängerspule, A1, ausgeführt von wenigstens einem selektiven Schaltkreis hoher Verstärkung, dessen Mittenfrequenz auf die Oszillationsfrequenz des Ladeschaltkreises abgestimmt ist und der eine Messung des Signales in großer Entfernung (mehrere zehn Meter) erlaubt

- eine Messung des von der Empfängerspule gelieferten Ladestromes, A2.

Der Ladestrom selbst ist nicht meßbar, da sich die beiden Spulen sehr nahe beieinander befinden, d. h. daß die Dezentrierung der einen in bezug auf die andere ihren Durchmesser nicht übersteigt.

Der Rechner der Maschine berücksichtigt eine Kombination von A1 und A2, um den absoluten Wert A = A1 + A2 des Feldes abzuschätzen.

Die Kombination beider Messungen erlaubt gleichzeitig eine Erkennung auf große Entfernung und eine genaue Positionierung zur Überlagerung der beiden Spulen.

Der Gradient der Feldstärke, d. h. seine Veränderung über eine gewisse Entfernung, ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen der mobilen Maschine und der Ladequelle.

Um eine gleichmäßige Auflösung der Entfernung der Maschine von der Ladequelle zu erreichen, erfolgen die Feldstärkemessungen in Abstandsintervallen d, die um so größer sind, je wichtiger der Abstand zwischen der Maschine und der Quelle ist.

Zum Beispiel

wenn Amax = 500, d min = 2 cm, d = 1000 cm : A wenn A = 10d = 1 m (weit entfernt von der Quelle, etwa 10 Meter)

A = 100d = 10 cm (nahe an der Quelle, etwa 1 Meter)

A = 350. d = 3 cm (die beiden Spulen sind teilweise überlagert, nicht zentriert)

Es versteht sich, daß der Algorithmus in der Weise modifiziert werden kann, daß er sich auf komplizierte Anordnungen von (beweglichen) Hindernissen und Grenzen der zu saugenden Oberfläche einstellt.

Es ist gleichwohl auch möglich, daß der Roboter von der ortsfesten Station durch eine Wand getrennt ist. Die Erkennung von Hindernissen würde dann Vorrang haben vor der Annäherungsprozedur an die ortsfeste Station. In diesem Fall kann man beispielsweise vorsehen, daß der Roboter der Mauer folgt, indem er in regelmäßigen Abständen Orientierungsmessungen in bezug auf die ortsfeste Station durchführt bis zu dem Augenblick, in dem der Weg zu dieser nicht mehr durch ein Hindernis abgeschnitten ist.

Es sei angemerkt, daß andere Orientierungssysteme eingesetzt werden können, mit denen sich der Roboter orientieren und seine Ladestation wiederfinden kann. Für den Fall, daß einige Komponenten eine Metallverkleidung aufweisen, kann es sich als vorteilhaft erweisen, ein Infrarot-Orientierungs- und Leitsystem zu verwenden, mit geeignet plazierten Sendern und einem, vorzugsweise zwei Infrarotdetektoren, die auf dem Roboter angeordnet sind und deren Messungen dem Mikroprozessor zugeleitet werden. Es ist besonders vorteilhaft, ein System vorzusehen, bei dem die Führung und die Orientierung über weite Entfernungen auf einer Infraroteinheit beruhen, während sie für kurze Entfernungen auf dem oben beschriebenen Induktiossystem basiert.

Zum besseren Verständnis der Erfindung dienen die nachfolgenden Zeichnungen, die lediglich Beispiele darstellen und in denen:

Fig. 1 eine Schaltung der ortsfesten Station für die Versorgung und die zugehörige Schaltung der mobilen Maschine darstellt

Fig. 2 ein elektronisches Schaltschema ist, das eine Schaltung eines Oszillatorsenders der Art darstellt, wie er bei der Anordnung gemäß Fig. 1 eingesetzt wird

Fig. 3 den Rückführungsalgorithmus darstellt, wie er in dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird.

Fig. 4 ist ein schematischer Schnitt durch die mobile Maschine gemäß der Erfindung.

Fig. 5 ist ein Ansicht des Unterteils der mobilen Maschine gemäß der Erfindung

Fig. 6 illustriert die zentrale Entnahme- und Saugvorrichtung

Fig. 7 erläutert auf schematische und vereinfachte Weise die Funktionen der zentralen Lade- und Saugvorrichtung

Fig. 8 erläutert auf schematische und vereinfachte Weise die Funktionen der in der mobilen Maschine enthaltenen Module.

Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht zum einen die ortsfeste Station 6 und zum anderen den autonomen Roboter 1. Die ortsfeste Station 6 umfaßt einen Gleichrichter 2, der mit dem 220 V Versorgungsnetz verbunden ist. Der Gleichstrom versorgt einen 20 kHz- Oszillator-Schaltkreis 4, der mit einer Induktionsschleife 5 verbunden ist, die einige Zentimeter unterhalb der Aufnahmefläche des Sockels angeordnet ist.

Der autonome Roboter weist eine Empfängerschleife 7 und einen Detektorschaltkreis auf, der seinerseits aus einem Filter 8, einem Verstärker 9 und einem Analog- Digitalwandler 10 besteht, die mit einem Mikroprozessor 11 verbunden sind. Der Mikroprozessor 11 selbst ist mit einer Einheit zur Überwachung der Richtung und des Ladezustandes 13 verbunden, die einerseits mit einer Empfängerschleife und andererseits mit der Batterie zur Aufladung letzterer verbunden ist.

Fig. 2 zeigt in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel des Sende-Oszillatorkreises gemäß der zweiten Ausführungsform. In diesem speziellen Fall ist die Oszillatorfrequenz etwa 25 kHz, die Durchmesser der Spulen etwa 20 cm, die Anzahl der Windungen der festen Station ist etwa 70 (Durchmesser etwa 0.8 mm), die Anzahl der Windungen der mobilen Station ist etwa 14. Bei der Wiederaufladung beträgt der Abstand zwischen den beiden Spulen etwa 4 cm. Der Ladestrom ist etwa 750 mA (entsprechend einer mittleren Ladezeit für eine 12 V Batterie von 1 bis 2 Stunden). Die Ladespannung ist in diesem Fall etwa 13,5 V.

Fig. 3 ist eine Draufsicht, die die Kreise gleicher Feldstärke sowie den Algorithmus, dem der autonome Roboter folgt um sich zur ortsfesten Station zu begeben, illustriert. In diesem Beispiel erreicht der autonome Roboter den Ort der Aufladung nach 3 Drehungen um 90º, wobei zweimal eine Korrektur um 180º erfolgte, da die eingeschlagene Richtung entgegengesetzt derjenigen ist, die zum Ort der Aufladung führt. Die befolgte Bahn passiert nacheinander die Punkte A, B, C, D, E, F, bevor die Ladestation G erreicht wird.

Fig. 4 ist ein schematischer Schnitt, der die verschiedenen Komponenten einer mobilen Staubsaugvorrichtung zeigt, die ein Teil der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Maschine umfaßt im wesentlichen drei Motoren 32, 32' und 20 für den jeweiligen Antrieb der beiden Räder 30 und 30', die seitlich in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Maschine angeordnet sind, und des Gebläses 21 der Staubsaugvorrichtung. Die in etwa halbkugelförmige Haube ist, durch in dem hier dargestellten Beispiel zwei Federn 22, unabhängig vom Chassis gehaltert. Außerdem ist ein Staubfilter 27 vorgesehen, ein Staubbehälter 25, dessen Boden mit Entnahmeklappen 28 ausgestattet ist, die z. B. über Federn gehaltert sind. Die Saugöffnung 23 befindet sich unter der Maschine am Eingang eines Saugrohrs, das auf bekannte Weise mit dem Staubbehälter und dem Sauggebläse verbunden ist. Das Saugrohr umfaßt eine Vorrichtung zur optischen Erkennung des Staubes, die eine Abschätzung der Dichte des aufgesaugten Staubes ermöglicht. Diese Vorrichtung kann eine Meßvorrichtung umfassen, die auf der Absorption und Reflexion eines Lichtstrahles beruht, der den Saugschlauch oder das Saugrohr der Maschine durchquert.

Die Saugöffnung kann auf herkömmliche Weise mit unterschiedlichem Zubehör ausgestattet sein, das an die Oberfläche des zu saugenden Bodens angepaßt ist (Bürsten usw...). Die Maschine ist mit einer Kontrollschaltung 26 versehen, die anderswo beschrieben ist, und mit einer Empfängerspule 7, die im unteren Bereich der Haube angeordnet ist und die auf flexible Weise mit dem zentralen Chassis verbunden ist.

Fig. 5 ist eine Draufsicht unter die mobile Maschine gemäß Fig. 4, die unter anderem die aufladbaren Batterien 31 zeigt.

Fig. 6 zeigt die zentrale ortsfeste Auflade- und Entnahmevorrichtung, die demnach einen für die mobile Maschine zugänglichen Sockel 60 umfaßt, dessen Abdeckung mit einem Rückhaltegitter 41 versehen ist, das mit dem Sauggebläse 21 verbunden ist. Der Sockel ist unterhalb seiner Aufnahmefläche mit einer horizontalen Induktionsspule 5 ausgestattet, die funktionell an die Induktionsspule 7 der mobilen Maschine 1 angepaßt ist wenn sich diese dort befindet, ebenso wie ein Sauggitter 43 mit einer Leitung, die, über eine Leitung 44 und eine Klappe 45, mit einem zentralen Staubsauger 50 verbunden ist, der mit einem zentralen Staubbehälter ausgerüstet ist, der gegebenenfalls abnehmbar und/oder ausleerbar ist. Die ortsfeste Station ist mit dem Netz verbunden. 52 stellt den Kontrollmodul und die Stromversorgung für die Ladestation dar.

Fig. 7 ist ein Blockschaltbild der erwähnten Kontrolleinheit und der Stromversorgung für die Ladestation und zeigt einen Kontrollmodul 120, der die für die Erkennung der Anwesenheit des Roboters an seinem Ladeort, die Programmierung der Saugdauer des ortsfesten Staubsaugers und die Kontrolle und die Überprüfung der Funktion der Aufladung mittels Induktion erforderliche Logik enthält. 121 stellt ein Relais zum Ingangsetzen des ortsfesten Staubsaugers dar, das durch den Modul 120 gesteuert wird. 122 zeigt die induktionsgetriebene Aufladevorrichtung und 123 die Versorgung der Elektronik durch das Stromnetz.

Fig. 8 ist ein Blockschaltbild, das in schematischer und vereinfachter Weise die Funktionen der in der mobilen Maschine enthaltenen Module erläutert. 101 zeigt den Erfassungsmodul zur Messung insbesondere der Batteriespannung, des Ladestromes, des Signals zur Erkennung der Position, der Geschwindigkeit der Räder und der Dichte des Staubes. Ein Kontroll-Mikroprozessor 102 ist vorgesehen, in dem das den einzelnen Zyklen des Roboters entsprechende Programm gespeichert ist. 103 stellt den Steuermodul für die Versorgungsvorrichtung einschließlich der Batteriekontrolle 105 und der Kontrolle der Ladevorrichtung dar. Unter 106 ist die induktionsbetriebene Versorgung dargestellt, unter 104 die Kontrolle des Antriebs- und Saugmotors, unter 107 der rechte Antriebsmotor, unter 108 der linke Antriebsmotor und unter 109 der Saugmotor.

Schließlich sei angemerkt, daß der mobile Roboter gemäß der Erfindung mit einer Diebstahlssicherung ausgestattet sein kann, zum Beispiel durch die Aussendung eines Ton- oder elektromagnetischen Signals wenn er sich nicht mehr in Kontakt mit dem Boden befindet oder sich über eine gewissen Abstand hinaus entfernt.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zur Staubentfernung von Böden, mit wenigstens

- einer autonomen mobilen Maschine (1), die mit einer oder mehreren wiederaufladbaren Batterien, einer Staubsaugeinrichtung, einem Staubbehälter (25), einer Vorrichtung zum Erkennen und Umgehen von Hindernissen und einer elektronischen Kontrolleinheit, die einen Mikroprozessor (11) umfaßt, versehen ist,

- einer im wesentlichen ortsfesten Ladeeinheit (6) für die aufladbaren Batterien (31), die sich in der mobilen Maschine befinden, wobei die genannte Einheit mit einer Führungseinrichtung (5, 7, 10, 11) versehen ist, die es der genannten autonomen mobilen Maschine (1) ermöglicht, sich für den Aufladevorgang wieder einzufinden

- wobei der Mikroprozessor (11) mit einem Algorithmus zum Umgehen von Hindernissen und zum Erkennen der Ladeeinheit (6) versehen ist

dadurch gekennzeichnet, daß sie

- eine zentrale Einheit zur Staubentleerung (50, 60) umfaßt, die im wesentlichen ortsfest ist, die mit einer Führungseinrichtung versehen ist, die es der genannten autonomen mobilen Maschine (1) ermöglicht, sich zur periodischen Entleerung des Staubbehälters (25) einzufinden

2. Vorrichtung zur Staubentfernung von Böden gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Staubsauger (43, 50, 51) und die Ladeeinheit (5) sich am selben Ort befinden und ineinander integriert sind, wobei die Führungseinrichtung beiden gemeinsam zugeordnet ist.

3. Vorrichtung zur Staubentfernung von Böden gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Einheit zur Staubentleerung einen Staubsauger (50) umfaßt.

4. Vorrichtung zur Staubentfernung gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufladen der Batterien (31) mittels Induktion erfolgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zum Erkennen abrupter Höhenunterschiede umfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine (1) eine Einheit (24) zum Erkennen der momentanen Dichte des aufgesaugten Staubes aufweist und daß dieser letztgenannte Parameter im Algorithmus zum Verfahren der Maschine (1) berücksichtigt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (24) zum Erkennen der Dichte des aufgesaugten Staubes eine Einrichtung zur Messung der Absorption und Reflexion eines den Saugschlauch (23) der Maschine (1) durchdringenden Lichtstrahles aufweist.

8. Mobile Maschine (1) zum Aufsaugen von Bodenstaub mit einer Haube (40) sowie einem Chassis, wobei das letztere wenigstens trägt:

- zwei von zwei Motoren (32, 32') beaufschlagte seitliche Antriebsräder (30, 30'), wobei jeder Motor derart unabhängig ansteuerbar ist, daß der Roboter (1) gelenkt werden kann,

- eine unter der Haube (40) angeordnete Staubsaugeinrichtung (21)

- einen Staubsammelbehälter (25) geeigneter Kapazität, der im Inneren der genannten Haube (40) angeordnet ist

- eine mit einem Mikroprozessor (11) ausgestattete Kontrolleinheit

- eine wiederaufladbare Batterie (31)

- ein System zum Erkennen und Umgehen von Hindernissen

- ein System zur Hinführung zu einen Staubentnahmeeinheit

- ein System zur Hinführung zu einer Ladestation (6) dadurch gekennzeichnet, daß sie zugleich eine Einheit (28) zur Entnahme des Staubes aus dem Staubsammelbehälter (25) umfaßt, wobei diese Einheit automatisch durch die genannte Ladestation (6) aktivierbar ist.

9. Maschine gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Leistungsaufnahme 25 Watt und vorzugsweise weniger als 12 Watt beträgt.

10. Maschine gemäß den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie sich auf der zu reinigenden Oberfläche aleatorisch oder quasialeatorisch bewegt.

11. Verfahren zur Staubentfernung von Böden mittels einer Vorrichtung, die eine mobile Maschine (1) umfaßt, die mit einem Mikroprozessor (11) zur Kontrolle und Steuerung versehen ist, dem ein Algorithmus zu Umgehen von Hindernissen und eine Staubsaugeinheit (21) zugeordnet ist, wobei die mobile Maschine (1) den Staub sammelt und eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien (25) aufweist, die an einer ortsfesten Station (6) aufladbar sind, an der sich die Maschine (1) automatisch einfinden kann, wenn eine Aufladung erforderlich ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ladevorgang mit einer Entleerung des gesammelten Staubes an der ortsfesten Station (6) verbunden ist derart, daß die Vorrichtung permanent oder quasi-permanent einsetzbar ist, wobei sich die Maschine im wesentlichen aleatorisch über den zu reinigenden Boden bewegt.







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