CN208808382U - 自主移动机器人和移动地板清洁机器人系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及自主移动机器人和移动地板清洁机器人系统。一种用于将自主移动地板清洁机器人与充电坞坞接的方法，机器人包括接收器线圈和结构光传感器，充电坞包括坞接湾和发射器线圈，方法包括：使用结构光传感器并且通过感测从发射器线圈放射的磁场来将机器人定位在坞接湾中的规定坞接位置中；以及此后在机器人在坞接位置中的情况下使用接收器线圈和发射器线圈对机器人进行感应充电。

Description

自主移动机器人和移动地板清洁机器人系统

相关申请

本申请要求对2016年7月13日提交的美国临时申请序列号62/361,881的优先权，其全部内容通过引用被结合于此。

技术领域

本发明总地涉及机器人系统，并且更具体地涉及用于自主机器人的自动坞接和能量管理系统。

背景技术

自动机器人和机器人设备用于执行传统上被认为是平凡的、耗时的、或危险的任务。随着编程技术的提高，针对诸如机器人再加燃料、测试和服务之类的任务要求最少量的人类交互的机器人的需求也在提高。目标是可被单次配置然后会自主地进行操作而无需人类的辅助或干预的机器人。

发明内容

根据本发明的实施例，一种用于将自主移动地板清洁机器人与充电坞坞接的方法，机器人包括接收器线圈和结构光传感器，充电坞包括坞接湾和发射器线圈，该方法包括：使用结构光传感器并且通过感测从发射器线圈放射的磁场来将机器人定位在坞接湾中的规定坞接位置；并且其后，在机器人在坞接位置中的情况下使用接收器线圈和发射器线圈对机器人进行感应充电。

在一些实施例中，所述坞包括直立的后挡板，并且方法还包括通过使用结构光传感器检测后挡板来使用结构光传感器将移动地板清洁机器人与充电坞对准。

在一些实施例中，当机器人处于坞接位置时，接收器线圈位于与发射器线圈的规定对准中。

在一些实施例中，该方法包括：使用机器人执行清洁任务；以及在清洁任务期间使用结构光传感器来检测机器人附近的障碍物和/或空隙。

根据本发明的实施例，用于清洁表面的自主移动地板清洁机器人包括壳体、动力系统、感应充电系统和清洁系统。壳体具有底部。动力系统可操作以驱使机器人横越（across）表面。感应充电系统包括壳体中邻近壳体的底部的接收器线圈，接收器线圈被配置为在充电操作期间电感耦合到充电坞中的发射器线圈。清洁系统可操作以随着机器人横穿表面而清洁表面。清洁系统包括位于壳体底部以从机器人中释放碎屑的排空口。

在一些实施例中，接收器线圈从机器人的中心偏移。

根据本发明的实施例，自主移动机器人包括壳体、动力系统和感应充电系统。壳体具有底部。动力系统可操作以驱使机器人横越表面。感应充电系统包括壳体中邻近壳体的底部的接收器线圈。壳体包括将接收器线圈与表面分离的底壁。

在一些实施例中，机器人还包括可操作以随着机器人横穿表面而清洁表面的清洁系统。在一些实施例中，通过壳体将接收器线圈相对于环境和清洁系统进行密封。

在一些实施例中，机器人还包括从壳体的底部悬挂的切割元件。

在一些实施例中，壳体限定线圈室，其被配置为接收接收器线圈，线圈室位于壳体的底部，并且接收器线圈设置在线圈室中。在一些实施例中，接收器线圈基本是平面的，并且线圈室将接收器线圈保持在所述表面上方保持水平。根据一些实施例，底壁的限定线圈室的部分的标称厚度为至少2 mm，并且限定线圈室的顶壁的标称厚度为至少2 mm。

根据一些实施例，壳体包括底盘和底盖，底盘包括覆盖接收器线圈并将接收器线圈与机器人的隔室分离的底盘底壁，并且底盖将接收器线圈与表面分离。

在一些实施例中，接收器线圈的中心轴线从机器人的前边缘和后边缘之间延伸的横向中心线水平地偏移一偏移距离。根据一些实施例，偏移距离在从约2 cm到8 cm的范围内。

在一些实施例中，自主移动机器人还包括至少部分地设置在接收器线圈上方的碎屑仓。

根据一些实施例，自主移动机器人还包括位于壳体底部中在从机器人的前边缘和后边缘之间延伸的横向中心线水平地偏移的位置处并且位于邻接线圈的排空口。

在一些实施例中，机器人的前部限定方形轮廓。

在一些实施例中，接收器线圈位于距底壁的下外表面的在约1 mm至5 mm的范围内的垂直距离处。根据一些实施例，接收器线圈位于距底壁的下外表面的小于约3 mm的垂直距离。

根据一些实施例，接收器线圈的绕组被机械地固定到底壁的顶表面的内侧。

在一些实施例中，接收器线圈通过粘合剂或紧固件固定到底壁的内部顶表面。

根据一些实施例，接收器线圈被模制到底壁或壳体的覆在接收器线圈的上面的顶壁中。

在一些实施例中，接收器线圈在其顶侧和底侧上都用塑料包住。

根据对随后的实施例的详细描述以及附图的阅读，本领域技术人员将认识到本发明的另外的特征、优点和细节，这些描述仅仅是本发明的例示。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的自主覆盖机器人系统的顶后透视图。

图2是图1的机器人系统沿图1的线2-2截取的横截面图。

图3是形成图1的机器人系统的一部分的机器人的前底透视图。

图4是图3的机器人的顶视图。

图5是图3的机器人的底视图。

图6是图3的机器人沿图1的线2-2截取的片段横截面图。

图7是形成图3的机器人的一部分的图像感测设备的前透视图。

图8是形成图1的机器人系统的一部分的坞的前顶透视图。

图9是图8的坞沿图8的线9-9截取的片段横截面图。

图10和11是图示出形成图1的机器人系统的一部分的通信/引导系统的操作的示意图。

图12是表示形成图1的机器人系统的各部分的电气电路的示意图。

图13是根据本发明的实施例的排空坞的前顶透视图。

图14是图13的坞沿图13的线14-14截取的片段横截面图。

图15是根据本发明的实施例的自主割草机器人系统的分解的顶透视图。

图16是形成图15的机器人系统的一部分的割草机器人的片段底视图。

图17是图15的割草机器人系统的前视图，其中割草机器人被定位在割草机器人系统的坞的上方以便对割草机器人进行充电。

具体实施方式

现在将在后文参考附图来更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的例示性实施例。在附图中，为了清楚起见，区域或特征的相对大小可能被夸大。然而，本发明可以以许多不同的形式来体现，并且不应当被解释为受限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将是透彻的和完整的并将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。

将理解的是，当元件被称为“耦合”或“连接”至另一元件时，它可以被直接耦合或连接至另一元件或者也可以存在中间元件。相反地，当元件被称为“直接耦合”或“直接连接”至另一元件时，不存在任何中间元件。在整个附图中类似的数字指代类似的元件。

此外，为了易于描述，本文可能使用诸如“在…之下”、“低于”、“下方”、“在…之上”、“上方”之类的空间相关术语来描述附图中例示的一个元件或特征与另外的（一个或多个）元件或特征的关系。将理解的是，空间相关术语意图涵盖设备在使用或操作中的除附图中描绘的定向之外的不同定向。例如，如果附图中的设备被翻转，描述为在其它元件或特征“之下”或“下面”的元件则将定向在其它元件或特征“之上”。因此，示例性术语“在…之下”可以涵盖之上和之下的两个定向。可以用其它方式对设备进行定向（旋转90度或者以其它定向），并相应地解释本文使用的空间相关描述词。

本文使用的术语仅是为了描述具体实施例的目的，而不意图限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”同样意图包括复数形式，除非上下文另外清楚地指明。还将理解的是，术语“包含”和/或“包括”当在本说明书中使用时指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。如本文所用，表述“和/或”包括相关联的列出项中的一个或多个的任意组合和所有组合。

除非另外定义，否则本文使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与由本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。还将理解的是，诸如通常使用的词典中定义的那些术语之类的术语应被解释为具有与其在相关技术背景中的含义一致的含义，并且不应以理想化的或过度形式上的意义来解释，除非本文明确地如此定义。

术语“单片（monolithic）”意指由材料形成或组成的单个整体片、而没有接合或接缝的对象。

参考图1-14，其中示出了根据一些实施例的自主覆盖机器人系统10。系统10包括真空清洁机器人100和基站或坞200。除了坞200之外或代替坞200，系统10可以包括排空坞300（图13）。机器人100被适配成与坞200和排空坞300配套。

系统10还包括充电或能量管理系统205和自动坞接控制系统201，每一个都包括机器人100和坞200的协同操作的组件。在一些实施例中，能量管理系统205包括气隙变压器或感应充电电路（包括坞200中的初级线圈或发射器线圈244以及机器人100中的次级线圈或接收器线圈164），以使得能够由坞200对机器人100进行无线充电。

在自主机器人100的以下描述中，术语“前进/向前”的使用通常指代机器人100的主要运动方向，并且术语前后轴线（参见图4中的参考字符“FA”）限定了前进运动方向F（图4），其与机器人100的前后直径重合。

机器人100还限定了横向轴线或左右轴线LA以及垂直轴线VA，它们彼此垂直并且垂直于轴线FA。轴线FA和LA限定了与由（下面描述的）轮132和脚轮134的接触点限定的平面或者机器人100居于其上的支撑表面（例如，地板）基本平行的平面。

描述还使用包括X、Y和Z轴线的基于坞200的参考系，其在图8中描绘出。X轴线、Y轴线和Z轴线彼此垂直并且在坞200的中心相交。沿Y轴线的移动、距离和尺寸可以被称为横向的、左向的或右向的。沿X轴线的移动、距离和尺寸在本文中可以被称为深度方向的、前后的、前向的或后向的。沿Z轴线的移动、距离和尺寸在本文中可以被称为垂直的。X轴线和Y轴线限定平行于坞200居于其上的支撑表面（例如，地板）的平面。

在所描绘的实施例中，机器人100包括机器人控制器102、主体、壳体基础设施或壳体（后文称为“壳体”）111、电能存储电池126、动力系统130、清洁系统140、检测器系统150以及能量管理或充电子系统160。检测器系统150形成自动坞接控制系统201的一部分。

壳体111具有底架115（图3）并且限定内部主室118（图2）。底架115形成壳体111和机器人100的下侧或底侧。壳体111包括底盘110、顶盖112、底盖或底架盖114和可移位缓冲器116。机器人100可以在前进方向F和反向驱动方向R上移动；因此，底盘110分别具有对应的前端和后端110A和110B。

底盘110可以由诸如塑料的材料模制成整体或单片元件，其包括多个预成型的槽（well）、凹部和结构构件，除其它之外用于安装或集成操作机器人100的各种子系统的元件。盖112、114可以由诸如聚合物材料（塑料）的材料模制成相应的整体或单片元件，其在构造上与底盘110互补，并提供对安装于底盘110的元件和组件的保护和访问。底盘110和盖112、114通过任何合适的手段（例如，螺钉）可拆卸地集成在组合中。在一些实施例中并且如图所示，壳体111具有限定方形轮廓的前端。在一些实施例中，底盘110和盖112、114形成具有通常为D形构造的最小高度的结构包封，该D形构造一般沿前后轴线FA对称。

排空口120被限定在底架盖114和底盘110的底壁110C中。排空口120可被提供有封闭设备或盖片120A（图5）。

线圈室124被限定在底架盖114和底盘110的底壁110C之间（图3和图6）。底架盖114形成线圈室124的底壁，并且底壁110C形成线圈室124的顶壁。

可移位缓冲器116具有一般与底盘110的前端形状相符合的形状，并且可移动组合地安装于底盘110的前向部分以从其向外延伸（“正常操作位置”）。可移位缓冲器116的安装构造使得每当缓冲器116遇到预定质量的静止物体或障碍物时，它都（从正常操作位置）朝向底盘110移位（“移位位置”），并且当与静止物体或障碍物的接触终止时返回正常操作位置（这是由于控制序列的操作，该控制序列响应于缓冲器116的任何此类移位来实施使得机器人100避开静止物体或障碍物并继续其任务例程的“反弹”模式）。

独立的驱动轮132沿底盘110的任一横向侧安装，其使机器人100移动并且提供与地板表面的两个接触点。驱动轮132可以是弹簧加载的。底盘110的后端110B包括非驱动的多方向脚轮134，其提供作为与地板表面的第三接触点的机器人100的附加支撑。一个或多个电气驱动马达136设置在壳体111中并且可操作以独立地驱动轮132。基于机器人100的成本或预期应用，动力组件可以根据需要包括马达、轮、驱动轴或轨道的任何组合。

在一些实施例中，清洁系统140包括在底架115中限定的抽吸槽或开口142A。一个或多个马达驱动的旋转提取器（例如，刷子或辊）144在开口142A的侧面。电动真空风扇146通过提取器144之间的间隙将空气向上拉动以提供抽吸力，该抽吸力辅助提取器从地板表面提取碎屑。穿过间隙的空气和碎屑被引导通过集气室142B，该集气室142B通向设置或包在室118中的清洁或碎屑仓145的开口。该开口通向碎屑仓145的碎屑收集腔145A。位于该腔上方的过滤器147筛除来自通向真空风扇146的空气入口的空气通道的碎屑。从真空风扇146排出的过滤空气被引导通过排气口122。

侧刷148沿底盘110的侧壁安装，靠近前端110A并且在前进驱动方向F上在提取器144前方。侧刷148可围绕垂直于地板表面的轴线旋转。侧刷148允许机器人100产生更宽的覆盖区域，以便沿着地板表面进行清洁。特别地，侧刷148可以将碎屑从机器人100的区域足迹（footprint）外拂扫至位于中心的清洁头组装件的路径中。

Cohen等人的美国专利No. 9,215,957、Morin等人的美国公开No. 2016/0166126和Gilbert，Jr.等人的美国专利No. 8,881,339中公开了用于真空清洁系统的其它合适的构造，其公开内容通过引用被结合于此。

机器人控制器电路102（示意性地描绘）由底盘110承载。机器人控制器102被配置（例如，被适当地设计和编程）为管理机器人100的各种其它组件（例如，提取器144、侧刷148和/或驱动轮132）。作为一个示例，机器人控制器102可以提供用于操作驱动轮132的命令以一致地操纵机器人100向前或向后。作为另一个示例，机器人控制器102可以发出命令以操作一个驱动轮132向前且操作另一个驱动轮132向后来执行顺时针转弯。类似地，机器人控制器102可以提供发起或终止旋转提取器144或侧刷148的操作的命令。在一些实施例中，机器人控制器102被设计成实现适当的基于行为的机器人方案来发出使得机器人100以自主的方式导航和清洁地板表面的命令。机器人控制器102以及机器人100的其它组件可由设置在底盘110上的电池126供电。

检测器系统150（图4）包括顶部或通信/引导信号接收器或检测器152、接近度或沿壁传感器153、陡壁传感器154、前进方向接收器或检测器156、光学鼠标传感器157、磁场传感器155、图像感测设备158和相机159。在一些实施例中，这些传感器或检测器中的每一个通信地耦合到机器人控制器102。机器人控制器102基于从分布在机器人100周围并且通信地耦合到机器人控制器102的多个传感器接收的反馈来实现基于行为的机器人方案。

接近度传感器153（示意性地描绘）沿机器人100的外周安装于机器人100的前角附近。接近度传感器153随着机器人100在前进驱动方向F上移动来对可能出现在机器人100的前方或旁边的潜在障碍物的存在进行响应。

陡壁传感器154沿着底盘110的前端110A安装。陡壁传感器154被设计成随着机器人100在前进驱动方向F上移动而检测机器人100的前方的潜在陡壁或地板下落。更具体地，陡壁传感器154对指示地板表面的边缘或陡壁（例如，楼梯的边缘）的地板特性的突然变化进行响应。

通信/引导信号检测器152安装在机器人100的壳体111的上前方。检测器152可操作以接收从发射器（例如，坞200的回避信号发射器232和/或归位和对准发射器234R、234L）和（可选地）导航或虚拟墙壁信标的发射器投射的信号。在一些实施例中，响应于通信检测器152接收由坞200发射的归位信号，机器人控制器102可以使机器人100导航到坞200并与其坞接。

在一些实施例中并且如图所示，检测器152安装在机器人100上的最高点处并且朝向由（如轴线FA上的箭头所指示的）主要行进方向限定的机器人100的前部。在备选实施例中，可以使用多个检测器来代替顶部信号检测器152。这样的实施例可以包括使用多个侧面安装的传感器或检测器。每个传感器可以使得所有传感器的集体视场对应于单个顶部安装的传感器的视场的方式进行定向。由于单个全向检测器安装在机器人的最高点以获得最佳性能，因此通过并入多个侧面安装的检测器来降低机器人的轮廓是可能的。

前向检测器156安装在机器人100的前端，并且可以安装在缓冲器116上面或后面。前向检测器156接收从坞200上的发射器234R、234L投射的信号。在其它实施例中，一对检测器接收来自发射器234R、234L的信号或者可以使用多于两个的检测器。

在一些实施例中，检测器154、156是红外（“IR”）传感器或检测器模块，其包括与全向透镜结合的光电二极管和相关的放大和检测电路，其中全向指的是基本单个平面。只要基坞200上的发射器232、234R、234L被适配成与机器人100上的检测器152、156匹配，就可以使用任何检测器，而不管调制或峰值检测波长如何。在另一实施例中，IR光电晶体管可以与电子放大元件一起使用，或者可以不与电子放大元件一起使用，并且可以直接连接到微处理器的模拟输入。然后可以在机器人100处使用信号处理来测量IR光的强度，其提供机器人100与IR光源之间的距离的估计。

如下文所讨论的，在一些实施例中，代替通信信号检测器152和/或定向检测器156或者除了通信信号检测器152和/或定向检测器156之外，使用磁场感测检测器155。

相机159是基于视觉的传感器，诸如具有定向于机器人100的前进驱动方向的视场光轴的相机。在所示实施例中，相机159位于机器人的后端110A，其视线在检测器152上向前和向上成角度。在一些实施例中，相机159是视频相机。在一些实施例中，相机159用于在操作环境中检测特征和地标，并使用视频同时定位和映射（VSLAM）技术来构建地图。

光学鼠标传感器157位于机器人100的底架115上。图4的顶部视图中所示的圆圈示出了光学鼠标传感器157的相对放置；然而，在该视图中传感器157将不可见。鼠标传感器157跟踪地板并辅助漂移补偿以使机器人100保持直线移动。

图像感测设备158（图7）安装在机器人100的前端110A上。在一些实施例中，图像传感器设备158安装在缓冲器116中或后面，并被透明窗口116A保护。在一些实施例中，图像感测设备158是结构光传感器。

图像感测设备158包括处理器158A、第一光源158L、第二光源158U和图像传感器158D，其全部可以集成到整体模块158E中。图像传感器158D可以是CCD图像传感器、有源像素传感器、CMOS图像传感器或其它合适的图像传感器或相机。光源158L、158U可以各自为LED、激光二极管或其它合适的光源。

在使用中，光源158U、158L将光投射到相应的目标或工作表面WSL、WSU（图11）上，所述光从工作表面反射到图像传感器158D上。图像传感器158D获取多个或一系列图像帧。图像帧由处理器158A处理以确定或计算图像传感器设备158距离或相对于每个工作表面WSL、WSU的深度、距离和/或位移。

在一些实施例中并且如图所示，光源158L被配置为以向下倾斜的角度（相对于水平面）投射其结构光束BL（图11）以与下工作表面WSL相交，并且光源158U被配置为以向上倾斜的角度（相对于水平面）投射其结构光束BU以与上工作表面WSU相交。在操作中，下表面WSL通常将是机器人100沿着其横穿的地板或其它支撑表面，并且上表面WSU可以是机器人100的环境中位于地板或其它支撑表面上方的物体。在一些实施例中，图像感测设备158基于图像传感器158D上的垂直位置确定到每个工作表面的距离，在该垂直位置处自工作表面反射回的光束BU或BL在图像传感器158D的检测窗口中与图像传感器158D相交。

用作图像感测设备158的合适的结构光图像感测设备可以包括可从中国台湾PixArt成像公司获得的全局快门图像传感器。

尽管未在所示示例中示出，但是各种其它类型的传感器也可以并入机器人100中而不脱离本公开的范围。例如，响应于缓冲器116的碰撞的触觉传感器和/或响应于刷式马达的马达电流的刷式马达传感器可以并入机器人100中。

机器人100还可以包括用于感测存在于清洁仓122中的碎屑的量的仓检测系统（例如，如美国专利公开2012/0291809中所述，其全部内容通过引用结合于此）。

机器人充电子系统160包括充电电路162，其包括次级线圈或接收器线圈164。机器人充电子系统160形成能量管理系统205的一部分。

在一些实施例中，接收器线圈164包括电线164A，其同心地螺旋地缠绕以形成径向叠置的段或匝164B以及输入和输出端164C。在一些实施例中，线圈164基本上是平面的或平坦的。

根据一些实施例，线圈164具有小于1.25 mm的厚度T1（图6），并且在一些实施例中具有约0.2 mm至1.5 mm的范围内的厚度。

接收器线圈164安装在机器人100的底架115中，在仓145下方。如图6所示，接收器线圈164被包含或包在线圈室124中。在一些实施例中，线圈164在线圈室124中被固定于壳体111。在一些实施例中，线圈的绕组机械地固定到盖114的内（顶部）表面。线圈164可以例如通过粘合剂或紧固件固定到底盘110的底壁110C和/或盖114。在一些实施例中，线圈164被模制到盖114和/或底壁110C中。在一些实施例中，线圈164以塑料模制，使得其在其顶侧和底侧上被塑料（例如，盖114）包住（即，完全包住）。

在一些实施例中，相对于机器人100外部的环境和主室118，线圈室124被封闭或密封。在一些实施例中，线圈室124基本上相对于与机器人100外部的环境和主室118被气密地密封。以这种方式，线圈164与环境和机器人100的其余部分隔离。由此，线圈164被保护免受机器人周围或存在于机器人100内的灰尘或碎屑的污染。

接收器线圈164位于底架115中与坞200的发射器线圈244的位置相对应的位置处。通常，机器人100上的接收器线圈164映出（mirror）坞200上的发射器线圈244。根据一些实施例并如图5所示，线圈164的中心轴线RCA从机器人100的横向中心线FA水平地偏移，以便为排空口120提供空间。在一些实施例中，轴线RCA和FA（即，机器人100的前后中线）之间的偏移距离E1（图5）在约2 cm至8 cm的范围内。

在一些实施例中，碎屑仓的至少一部分设置在接收器线圈164的上方。通过将线圈164定位在从横向中心线FA水平地偏移的位置处，在机器人100的底架上提供了将排空口120定位于接收器线圈164的外径的横向外侧的空间。结果，从碎屑仓145到排空口120的导管或流动路径位于接收器线圈164的外部，而不是通过接收器线圈164的开口或通过线圈室124。

在一些实施例中，线圈164被定向为基本平行于机器人100的FA-LA平面。

根据一些实施例，接收器线圈164位于距离底盖114的下外表面小于约3 mm（并且在一些实施例中在从约1 mm到5 mm的范围内）的垂直距离E2（图6）处。

根据一些实施例，底盖114中限定线圈室124的部分的标称厚度T2（图6）为至少2mm。根据一些实施例，底盘底壁110C中限定线圈室124（即，限定线圈室124的顶壁）的部分的标称厚度T3（图6）至少为2 mm。

下文提供接收器线圈164和机器人充电子系统160的实施例的进一步细节。

可以修改机器人100以执行任何合适的（一个或多个）任务。例如，机器人100可以用于地板打蜡和抛光、地板擦洗、（如通常由通过品牌名称Zamboni®制造的装备执行的）表面浇冰、清扫和吸尘、未涂末道漆的地板砂纸打磨和着色剂/涂料施加、融冰和除雪、切草等。在一些实施例中，机器人被配置为携带其上安装相机的可伸缩桅杆的移动基座。可能需要任何数量的组件用于这些任务，并且可以根据需要将每个组件并入机器人100中。为了简单起见，本申请将描述吸尘作为示范性的预定任务。本文公开的能量管理和自动坞接功能在各种机器人系统中具有广泛的应用。

图8是根据本发明的一个实施例的坞200的示意性透视图。坞200包括壳体211，壳体211包括基本上水平的基板或平台210以及基本上垂直的塔架或后挡板220。坞接湾DB被限定于平台210上并且在后挡板220的前面。坞200可以是各种形状或尺寸中的任何，从而为下述所需的组件和系统提供足够的空间。

平台210包括限定于其中的线圈室216（图9）。隆起的垫壁212覆在线圈室216的上面。轨道214被限定在线圈室216和垫壁212的任一横向侧上。

平台210一般平行于坞200居于其上的地表面，或者可以略微倾斜以提供布线空间。平台210的高度或厚度的尺寸可以被确定为容纳发射器感应线圈244。

坞200包括坞充电子系统240、通信/引导系统230、坞控制器222和功率输入连接器224（连接到电源，未示出）。坞充电系统240形成能量管理系统205的一部分。

坞控制器电路222（示意性地描绘）由壳体211承载。坞控制器222被配置（例如，被适当地设计和编程）以管理坞200的各种其它组件。

通信/引导系统230（图8）包括顶部信号发射器232、第一或右前方归位/对准发射器234R、第二或左前方归位/对准发射器234L和一对水平隔开的精细对准发射器238。

顶部信号发射器232安装在后挡板220的顶部上。发射器232在坞200附近的扩散区域中生成诸如回避信号BA（图8）的第一信号，以防止机器人在执行诸如吸尘之类的任务时意外地与坞200直接接触。顶部信号发射器232可以利用抛物面反射器来发射回避信号。在这样的实施例中，回避信号由指向透镜的单个LED发射，其几何结构通过绕其焦点旋转抛物线来确定。因此，该抛物面反射器以360°模式投射回避信号BA，而不需要多个发射器。在机器人上的检测器156中可以采用类似的配置，其中使用单个接收器代替单个LED。

归位/对准发射器234R、234L位于后挡板220的前壁220A上。在一些实施例中，发射器234R、234L由挡板236隔开。归位/对准发射器234R和234L发射或投射相应的归位信号BR和BQ（图10），如下文讨论的。在一些实施例中，发射器234R、234L是LED。发射器234R、234L用作导航浮标或基准。在一些实施例中并且如图所示，发射器234R、234L从坞200的中心线X-X横向偏移并且方向检测器156B从机器人100的中心线FA偏移，使得当机器人100处于坞接位置时检测器156B基本上在发射器234R、234L之间居中。

精细对准发射器238位于前壁220A上。精细对准发射器238被隔开规定的距离E3（图8）。在一些实施例中，距离E3在约1 cm至3 cm的范围内。精细对准发射器238发射或投射相应的附近对准信号BN，如下文讨论的。在一些实施例中，精细对准发射器238是LED。发射器238用作导航信标或基准。

坞充电子系统240包括充电电路242，其包括初级线圈或发射器线圈244。

在一些实施例中，发射器线圈244包括同心地螺旋缠绕以形成径向叠置的段或匝244B以及输入和输出端244C的电线244A。在一些实施例中，线圈244基本上是平面的或平坦的。

根据一些实施例，线圈244具有小于1.25 mm（并在一些实施例中，在约0.2 mm至1.5 mm的范围内）的厚度T4（图9）。

发射器线圈244安装在坞200的平台210中。在一些实施例中并且如图9所示，发射器线圈244包含在线圈室216中。在一些实施例中，线圈244在线圈室216中固定到平台210。线圈244可以例如通过粘合剂或紧固件固定到平台210的底壁210A和/或垫壁212。在一些实施例中，线圈244被模制到垫壁212和/或底壁217中。

在一些实施例中，相对于坞200外部的环境，线圈室216被封闭或密封。在一些实施例中，线圈室216基本上相对坞200外部的环境被气密地密封。以这种方式，线圈244与环境隔离并被保护免受机器人100的污染。

发射器线圈244位于平台210中与机器人100的接收器线圈164的位置相对应的位置。

在一些实施例中，线圈244被定向为基本上平行于地板。

根据一些实施例，发射器线圈244位于距离垫壁212的上外表面小于约7 mm（并且在一些实施例中，位于约3 mm至20 mm的范围内）的垂直距离E5（图9）处。

根据一些实施例，垫壁212中限定线圈室216的部分的标称厚度T5（图9）为至少2mm。

后文提供发射器线圈244和坞充电子系统240的实施例的进一步细节。

机器人100使用各种行为模式来有效地对工作区域进行吸尘。行为模式是可并行操作的控制系统层。机器人控制器102（例如，微处理器）可操作以执行优先级化的仲裁方案，以基于来自传感器系统的输入识别并实现针对任何给定场景的一个或多个主导行为模式。机器人控制器102还可操作以协调与坞200的回避、归位和坞接操纵。

通常，所描述的机器人100的行为模式可以被表征为：（1）覆盖行为模式；（2）逃避行为模式；和（3）安全行为模式。覆盖行为模式被首要设计为允许机器人100以高效和有效的方式执行其操作，而逃避和安全行为模式是当来自传感器系统的信号指示机器人100的正常操作被破坏（例如，遇到障碍物）或有可能被破坏（例如，检测到陡降（drop-off））时实现的优先行为模式。

机器人100的代表性和例示性覆盖行为模式（用于吸尘）包括：（1）点覆盖图案；（2）沿障碍物（或边缘清洁）覆盖图案；和（3）房间覆盖图案。点覆盖图案使得机器人100清洁所限定的工作区域内的有限区域，例如高交通量区域。在某些实施例中，借助于螺旋算法（但可以使用其它类型的自定界区域算法，诸如多边形）来实现点覆盖图案。使得机器人100向外或向内螺旋移动的螺旋算法通过从微处理器到动力系统的控制信号来实现，以将其（一个/多个）转弯半径改变为行进的时间或距离的函数（由此增加/减少机器人100的螺旋移动图案）。

机器人100的典型行为模式的上述描述旨在代表可由机器人100实现的操作模式的类型。本领域技术人员将认识到，可以用其它组合的形式实现上述行为模式并且在特定应用中可以限定其它模式来实现期望的结果。

导航控制系统可以有利地与机器人100组合使用，以通过将确定性分量（以控制机器人100的移动的控制信号的形式）添加到由机器人100自主实现的运动算法（包括随机运动）中来增强其清洁效率。导航控制系统在导航控制算法的指引下操作。导航控制算法包括预定触发事件的定义。

广义地描述，导航控制系统在导航控制算法的指引下监视机器人100的移动活动。在一个实施例中，所监视的移动活动在机器人的“位置历史”方面进行限定，如下面进一步详细描述的。在另一实施例中，所监视的移动活动在根据机器人100的“瞬时位置”方面进行限定。

预定触发事件是机器人100的移动活动中的特定发生或状况。在实现预定触发事件时，导航控制系统操作以生成并向机器人100传送控制信号。响应于控制信号，机器人100操作以实现或执行由控制信号规定的行为，即规定行为。此规定行为表示机器人100的移动活动中的确定性分量。

图像感测设备158可以用于在机器人100的各种操作期间获取用于引导和操作机器人的信息。在一些实施例中，图像感测设备158用于检测机器人100周围的障碍物和危险，使得可以避免或以其它方式解决那些障碍物和危险。在图像传感器设备158的操作范围内，指向下方的束BL可用于检测地板层面或接近地板层面的障碍物以及地板中的陡壁或凹陷。指向上方的束BU可用于检测机器人100顶部或上方的障碍物，以便检测并避免机器人可能楔入其中的障碍物。

在一些实施例中，图像感测设备158可操作以有效地检测到机器人100前方多达至少10英寸（并且在一些实施例中，多达至少12英寸）的物体和空隙。

相机159可用于导航机器人并且获取用于其它操作用途的图像。在一些实施例中，相机159是VSLAM相机，并且用于检测操作环境中的特征和地标并构建地图。

当机器人100在吸尘时，其将周期性地靠近静止坞100。与坞200的接触可能会损坏坞100或将坞100移动到将会不可能进行坞接的区域中。因此，回避功能是合期望的。为了避免意外接触，坞200可生成回避信号BA，如图10描绘的。回避信号BA被示出为自后挡板220的顶部上的发射器232发射。来自坞200的回避信号BA的径向范围可以取决于预定义的出厂设置、用户设置或其它考虑而变化。至少，回避信号BA仅需要投射足够的距离来保护坞200免于与机器人100的无意接触。取决于应用，回避信号BA的范围可以从坞200的外周之外延伸到直至并超过距坞200的几英尺距离。

回避信号BA可以是全向（即，单平面）红外束，但是可以构想到其它信号，诸如多个单静止束或信号。然而，如果使用静止束，则足够的数量可以在坞200周围提供充足的覆盖以增加机器人100遇到它们的机会。当机器人100的检测器152从发射器232接收到回避信号BA时，机器人100可以根据需要更改其路线以回避坞200。备选地，如果机器人100主动地或被动地寻找坞200（出于再充电或其它坞接目的），它可以更改其路线以朝向坞200（诸如通过围绕坞200），以此方式来增加遇到如下所述的归位信号的机会。

通常，回避信号BA像归位信号BR、BQ一样被调制和编码。选择位编码方法以及二进制码以使得：即使机器人100同时接收多个代码，机器人100也可以检测到每个信号的存在。

无论来自回避信号BA的可测量IR辐射水平何时撞到检测器152，都触发机器人的IR回避行为。在一个实施例中，这种行为使得机器人100在原位向左旋转，直到IR信号落在可检测水平以下。机器人100然后恢复其先前的运动。在一个实施例中，检测器152充当梯度检测器。当机器人100遇到IR强度较高的区域时，机器人100在原位旋转。因为检测器152安装在机器人100的前部，并且因为机器人100不向后移动，所以检测器152总是在机器人100的其它部分之前“看到”增加的IR强度。因此，在原位旋转将使得检测器152移动到降低强度的区域。当机器人100接下来向前移动时，它必然移动到远离回避信号BA的IR强度降低的区域。

在其它实施例中，坞200包括处于不同功率水平的多个编码发射器或使用时间复用系统改变其功率水平的发射器。这些产生同心编码的信号环，所述信号环使得机器人100能够从房间中的远处朝向坞200导航。因此，机器人100将始终觉察到坞200的存在，便于定位坞200、坞接、确定已经清洁了房间中的多少部分等。备选地，机器人100使用其通过IR场的运动来测量IR能量的梯度。当梯度的符号为负（即，检测到的能量随着运动而减小）时，机器人100走直线（远离IR源）。当梯度的符号为正（能量增加）时，机器人100转向。净效果是实现其中机器人100从回避信号BA的源逃避的“梯度下降算法”。该梯度方法也可用于寻找发射信号的源。即使没有用于确定原始信号强度的手段，处于变换的功率水平的同心环也有助于这种可能性。

在一些实施例中，为了坞接，系统10执行坞接过程，包括以下顺序步骤：a）寻找或发现步骤；b）归位或远处接近步骤；以及c）近处接近步骤。在一些实施例中，系统10还可以执行精细接近步骤。机器人100可以在其执行这些步骤中的每一个步骤时采用对应的模式（即，寻找模式、远处接近模式、近处接近模式和精细接近模式）。坞接过程终止于机器人100处于坞接湾DB内的最终的规定坞接位置DP（图1）中。坞接位置DP可以包括距精确的目标坞接位置的允许的公差或偏离。

在寻找步骤中，处于寻找模式的机器人100寻找并发现坞200的存在以及坞200相对于机器人100的大体位置。

然后，在远处接近步骤中，处于远处接近模式的机器人100粗略或大致地对准坞200的坞接湾DB并逐渐朝向坞接位置DP移动。机器人100可以朝向坞200前进通过中间距离，之后由近处接近步骤和模式接管。

然后，在近处接近步骤中，处于近处接近模式的机器人100与坞接湾DB更严密地对准，并且进一步逐渐朝向坞接位置DP移动。在此步骤中，机器人100减小机器人100的前端110A与后挡板220的前壁220A之间的距离。机器人100还可以调整其相对于平台210的横向对准或旋转定向。在一些实施例中，机器人100可以转向并后退地驱动到坞接湾DB中（即，向后坞接）。

然后，在精细接近步骤中，处于精细接近模式中的机器人100进一步逐渐朝向目标坞接位置移动，并且可以在到达坞接位置DP时终止接近。在此步骤中，机器人100精细地调整机器人100的前端110A与后挡板220的前壁220A之间的距离。机器人100还可以精调其相对于平台210的横向对准或旋转定向。

在一些实施例中，机器人100精确地并可重复地执行其与坞200的坞接，而不需要大体的机械引导特征。

当机器人100检测到需要对其电池进行再充电时，或者当其已经完成对房间吸尘时，机器人100可以采取其寻找模式并寻找坞200。如上所述，一旦机器人100检测到或者发现在此模式中用作发现信号的回避信号BA（并且因此，坞200）的存在，它就可以采取远处接近模式并根据要求移动以检测归位信号BR、BL。

在远处接近步骤中，机器人100使用归位信号BR、BQ（图10）及其方向检测器156来引导机器人100。如上所述的回避信号BA一样，可以按照期望变化归位信号BR、BQ的投射范围和定向。然而，应当注意，更长的信号可以增加机器人100高效地找到坞200的机会。如果将机器人100部署在特别大的房间（在其中随机地定位坞200可能是极度耗时的）中，较长的信号也可以是有用的。取决于应用，可构想到从超出平台210的前方约六英寸延伸到超出平台210高达或超过若干英尺的范围的归位信号BR、BQ。归位信号BR、BQ的角度宽度可以根据应用而变化，但可构想到在5°至高达并超过60°的范围内的角度宽度。每个归位信号BR、BQ的角度宽度可以是由归位信号BR、BQ的束或扫描所覆盖的区域，并且在一些实施例中通常或基本上是截头圆锥形。如上所述的梯度行为也可用于帮助机器人寻找坞200。

两个归位信号BR、BQ可由机器人100例如区分为第一或右横向归位信号BR和第二或左横向归位信号BQ。IR束通常用于产生信号，并因此是不可见的。可以调制IR束。可以使用任何信号位模式，只要机器人100识别到哪个信号用来定向到特定侧。备选地，可以通过使用不同的波长或通过使用不同的载波频率（例如，380 kHz对38 kHz等）来区分信号BR、BQ。

因此，当机器人100想要或需要坞接时，如果检测器156接收到从坞200传输的右信号BR，则它移动以保持右信号BR在机器人右侧；如果它检测到从坞200传输的左信号BQ，则它移动以保持左信号BQ在机器人的左侧。在两个信号重叠（重叠区BO）的情况下，机器人100知道坞200在附近并且于是可以坞接。这样的系统可以被优化以使重叠区BO在实践上尽可能薄，以确保机器人100的正确定向和接近以及成功坞接。备选地，右信号BR和左信号BQ可以被单个信号替代，机器人100将跟随该单个信号直到被坞接。

图10描绘了在使用归位信号的坞接过程期间机器人100可以横穿的示例性路径RP。当检测器156处于左信号156场中时，机器人100将以MR方向向右移动，以使该左信号BQ保持在机器人100的左侧。当检测器156处于右信号BR场中时，因此机器人100将以ML方向向左移动，以使此右信号BR保持在检测器156的右侧。最后，当检测器156遇到重叠区BO时，机器人100将以直接朝向坞100的MD方向移动。

当接近坞200时，机器人100可减慢其接近速度和/或不继续吸尘，或执行其它功能以确保无故障坞接。这些操作可以发生在机器人100检测到回避信号BA并因此识别出它靠近坞200时，或者在某些其它预定时间处（例如，在来自发射器234R、234L的信号的改变时）。

参考图11，在近处接近模式中，机器人100使用图像传感器设备158在近处接近步骤中引导机器人100。可以使用来自图像传感器设备158的数据来引导机器人100相对于后挡板220的两个横向对准以及机器人100相对于后挡板200的深度对准（即，接近度）（即，图像传感器设备158作为深度或距离检测器来操作）。图像传感器设备158使用结构光束BL、BU来检测坞200相对于机器人100的前端110A的存在和相对位置。在一些实施例中，随着机器人100进入坞接湾DB，图像传感器设备158检测后挡板前壁220A的位置。

因此，图像传感器设备158可以测定机器人100的前端110A和后挡板220之间的距离，并且由此测定机器人100相对于坞200在X轴上的位置。机器人控制器102然后可以使用此信息来控制机器人100的移动。

在一些实施例中，在轮132与轨道214接合之前采用近处接近模式。在一些实施例中，当机器人100处于距离后挡板220约8至16英寸的范围内时，采用近处接近模式。

在一些实施例中，机器人控制器102将单独使用图像传感器设备158来确定机器人100的最终位置。然而，期望的坞接位置DP可以为使得前壁220A和图像传感器158D之间的间距E7（图2）小于图像传感器设备158的指定或有效最小范围E8（图11）（即，图像传感器设备158太靠近前壁220A而难以精确地确定距离）。例如，图像传感器设备158的最小范围E8可以是3 cm，并且间距E7可以小于5 mm。为此，机器人100可以进一步执行精细接近步骤。如下文讨论的，可以使用不同的技术/设备来完成精细接近步骤。

在一些实施例中，在精细接近步骤中，机器人100使用图像传感器设备158和精细对准发射器238来引导机器人100进入其最终坞接位置中。发射器238彼此隔开已知距离E3。从发射器238发射的调制信号束BN（图11）在图像传感器158B处被直接接收。随着机器人100接近后挡板壁220A，发射器238之间的感知距离收缩，并且当感知距离等于针对机器人100到后挡板壁220A的期望间隔E7的预期值时，机器人100停住。由此，图像传感器设备158可以以足够的精度确定到后挡板壁220A的距离在小于图像传感器设备158的有效最小范围的范围内（使用结构光感测）。

如果由此方法提供的有效最小范围不足以将机器人100引导到最终位置，则机器人控制器102可以使用测程法或航位推算来引导机器人100到坞接位置DP的剩余距离。也就是说，机器人100使用图像传感器158D和发射器238将机器人100引导到有效最小范围内的距离，计算从检测位置到坞接位置DP的间隙距离，然后驱动机器人100向间隙距离前进。

在其它实施例中，在精细接近步骤中，机器人100使用如上所述的测程法或航位推算，而不使用发射器238。也就是说，机器人100使用图像传感器设备158来引导机器人100到图像传感器设备158的有效最小范围内的距离，计算从检测位置到坞接位置DP的间隙距离，并且然后驱动机器人100向间隙距离前进。

在另一实施例中，机器人100使用磁性线圈164、244来进行坞接。通过在接近坞200时感测坞侧线圈244的磁场，机器人100可以确定坞侧发射线圈244和机器人侧接收器线圈164的对准。

在其它实施例中，在精细接近步骤中，机器人100使用机载碰撞传感器（例如，接触传感器或移位传感器）来检测机器人100的前端110A何时与前壁220A进行了接触。在检测到接触时，机器人100可以停止或倒退规定距离以将机器人100定位在坞接位置DP中。

在其它实施例中，相机159（例如，VSLAM相机）用于检测坞200，以便在远处接近步骤中引导机器人100。如上文讨论的那样，相机159还可以用于使用VSLAM技术来构建和使用地图。例如，在一些实施例中，相机159被向上瞄准（例如，以查看地板上方3-8英尺的位置）来查看对象或特征（例如，画框和门口框架和边缘）以用于相对于这些地标（即，特征的群组）对机器人100进行映射和定位。

除了用作导航信标之外，还可以使用归位信号BR、BQ，回避信号BA和/或图像传感器信号BL、BU来传输包括编程数据、故障安全和诊断信息、坞接控制数据和信息、维护和控制序列等的信息。在这样的实施例中，与机器人在接触到来自坞200的某些信号时采取某些动作相反，信号可以提供指示机器人的反应的控制信息。在这种情况下，机器人100更多地用作坞200的从设备，按照所发送的信号的指引进行操作。

在远处接近步骤、近处接近步骤和精细接近步骤中的每一个中，机器人100可以使用本文所描述的导航辅助来调整机器人100相对于坞200的横向对准、机器人100相对于坞200的角度定向和/或机器人100到底座200中的深度方面的位置（即，到后挡板220的接近度）。

通常，用于吸尘的控制序列可以包括基于所测量的机器人100的能量水平的三个子序列。那些子序列通常被称为高能量水平、中能量水平和低能量水平。在高能量水平子序列中，机器人100执行其预定任务，在这种情况下，在回避坞200的同时（利用上述各种行为模式）进行吸尘。当回避坞200时，机器人100执行其回避行为并继续正常操作。此过程在机器人100持续地监视其能量水平的同时继续。可以使用各种方法来监测电源的能量水平，诸如电量表（即，对恒定地进入和离开电源的电流的测量）或简单地测量电源中的剩余电压。机器人100的其它实施例可以简单地使用存储在存储器中的定时器和查找表来确定机器人100在其进入不同的能量水平子序列之前能够操作多长时间。仍其它实施例可以简单地在再充电之前的预定时间段内操作机器人100，而不确定其正在哪个能量水平子序列中操作。如果机器人100以液体或气体燃料进行操作，则此水平也可以使用本领域当前已知的设备来进行测量。

一旦剩余能量下降到预定高水平以下，机器人100就进入其中等能量水平序列。机器人100继续吸尘并监测其能量水平。然而，在中等能量水平中，机器人100“被动地寻找”坞200。当被动寻找坞200的同时，机器人100不更改其行进特性；相反，它继续其正常行为模式，直到它检测到回避信号BA或归位信号BR、BQ，所述信号中的每一个都可被跟随直到机器人100最终与坞200坞接。换句话说，如果机器人在被动寻找的同时检测到回避信号BA，那么并非如其通常那样回避坞200，而是它更改其行进特性，直到它检测到归位信号BR或BQ，从而允许其进行坞接。

备选地，机器人100继续在该中等能量水平子序列中操作，直到其指示出低于预定的低水平的能量水平。此时，机器人100进入低水平子序列，其特征在于操作和行进特性的改变。为了节省能量，机器人100可以不再继续对所有附带系统和操作（诸如吸尘）进行供电，这允许其节省尽可能多的能量以“主动地搜索”坞200。在主动搜索的同时，机器人100可以更改其行进特性以增加找到坞200的机会。它可以不再继续诸如采用螺旋移动的行为模式之类的行为模式（这不一定产生更高的定位坞200的机会），而倾向于更有意图的模式，诸如沿着墙壁。此有意图的寻找将继续直至机器人100（通过检测回避信号BA或者归位信号BR、BQ）检测到坞200的存在。显然，可以并入附加子序列，附加子序列在剩余功率达到临界水平时应当发出警报或者重建机器人100自上次接触坞200以来所采取的路线以帮助重新定位坞200。

机器人100也可以因为它已经确定已经完成了其所分配的任务（例如，对房间进行吸尘）或者它的仓需要被清空而进行坞接。机器人100可以基于各种因素（包括关于房间大小、总运行时间、总行进距离、污物感测等的考虑）做出此确定。备选地，机器人可以通过使用坞200和/或墙壁和大型物体作为参考点来利用房间映射程序。在确定它已经完成其任务之后，机器人100将更改其行进特性，以便快速地找到坞200。坞200可以仅包括充电系统（即，充电坞），或者可以包括充电系统和可操作以从机器人100的仓中清空碎屑的排空系统或排空站。

一旦机器人100处于坞接位置，则它可以自主地对其自身进行再充电。坞200内的电路检测机器人100的存在，并且然后接通到发射器线圈244的充电电压。

当与坞200坞接的同时，机器人100还可以执行其它维护或诊断检查。在某些实施例中，机器人100可以基于各种因素完全地再充电其电源或仅部分地对其进行充电。在处于坞接位置的同时，也可以执行诸如诊断功能、内部机构清洁、与网络的通信、或数据操纵功能之类的其它行为。

如本文中讨论的，能量管理系统205使用电磁感应充电来对机器人100充电。与直接电气接触充电相比，使用感应充电可以提供许多优点。

感应充电的使用消除了作为系统10中的故障点的电气接触。感应充电系统使坞接更容易且更可靠。

为工业设计提供了更大的灵活性。感应充电允许完全密封的坞。

如本文中讨论的，在一些实施例中，来自发射器线圈的磁场可以用作对机器人的坞回避信号，在这种情况下，可以省略机器人的坞回避传感器。

为了遵守规范，感应充电系统不需要从（机器人上的）电荷接收电路到（坞上的）电荷发射器电路的显式通信。

通过将接收器线圈164和发射器线圈244包在线圈室124和216中（并且同样将发射器线圈344包在线圈室316中，如下所述），线圈164、244、344与环境和机器人100的内部隔离。结果，人和宠物以及机器人100的内部组件被保护免受线圈的电压，并且线圈被保护免受损坏。附加地，防止了发射器线圈244、344与接收器线圈164接触。在一些实施例中，每个线圈164、244、344在其顶侧和底侧中的每一个上用塑料包住，塑料具有在约1至3毫米范围内的厚度。

各种参数可能影响接收器线圈和发射器线圈之间的耦合因子，并且可以被调整以改进耦合因子。通过更小的分离间隙、更大的线圈面积和更精确的对准来增加耦合因子。良好的对准对较大的线圈来说不太重要。更厚的线圈电线提高效率。

在一些实施例中，线圈在160-270 kHz范围内的频率下操作。

电磁感应充电系统205在图12中示意性地示出，并且包括机器人充电子系统160和坞充电子系统240。当机器人100如同所述在坞接湾DB中被坞接时，接收器线圈164叠置在发射器线圈244上方，其间具有垂直或轴向间隙GC。以这种方式，线圈164、244形成气隙变压器。电路242通过发射器线圈244施加交变电流，从而产生从发射器线圈244放射的交变磁场（磁通）。磁通被接收器线圈164接收并转换成电流。此电流由电路162用于对电池126充电或以其它方式向机器人100提供能量。

感应充电的效率（能量传递率和功率损耗两者）取决于线圈164、244之间的对准和间距。如本文所述的坞接模式、方法、结构和传感器可以确保机器人100一直正确地坞接在坞接位置DP中，并且线圈164、244由此被正确对准。

在一些实施例中，当机器人100处于坞接位置DP时，线圈164、244位于基本平行的平面中。在一些实施例中，线圈164限定接收器线圈平面PRC（图2），并且线圈244限定发射器线圈平面PTC，并且平面PRC和PTC相对于彼此平行或形成不大于10度的角。

当机器人100处于规定坞接位置DP（图1和图2）中时，线圈164位于相对于线圈244的规定垂直对准位置。在一些实施例中，线圈164的中心轴线RCA基本与线圈244的中心轴线TCA同轴。在一些实施例中，轴线RCA设置在接收器线圈平面PRC中的轴线TCA的5 mm内，并且在一些实施例中设置在30 mm内。

在其它实施例中，当机器人100处于坞接位置DP时，发射器线圈轴线TCA在从接收器线圈轴线RCA偏移规定偏移距离的位置处与接收器线圈平面PRC相交，并且发射器线圈244在垂直方向上与接收器线圈164重叠。在一些实施例中，规定距离不大于约5 mm，并且在一些实施例中在约5 mm至30 mm的范围内。

值得注意的是，发射器线圈244水平地位于平台212中，以使得发射器线圈中心轴线TCA从平台212的中心或中线偏移，以便当机器人100处于坞接位置DP时更严密地对准接收器线圈164和发射器线圈244的中心轴线RCA、TCA。

接收器线圈164的偏移容纳坞300的排空口318。

此外，接收器线圈164在机器人100的底架115中的放置以及发射器线圈244在平台212中的放置可以在线圈164、244之间提供相对小的轴向间隙GC（图2）。然而，线圈164、244各自通过被包封在线圈室124、216中而被保护免受环境的影响。较小的间隙使得能够实现改进的能量传递效率。在一些实施例中，间隙GC具有7 mm或更小的高度E10。

根据一些实施例，机器人充电子系统160和坞充电子系统240如下操作。坞充电电路（“发射器固件”）242采用以下主要状态：声脉冲（Ping）、握手和充电。通常，坞充电电路242周期性地（例如，大约每1/3秒）进行“声脉冲”以确定机器人100是否在坞200上，确认机器人100的存在，并确定是否发送完全装载。

在声脉冲模式中，坞充电电路242启动线圈244振荡，并且测量停止震荡花费多少时间，来检测何时存在真实的机器人、何时存在异物吸收功率（“雪铲”检测）、以及何时坞附近不存在任何事物。

在握手模式中，坞充电电路242通过观察在短的持续时间内运行功率时消耗的功率差异来监听来自机器人100的认证字。

在充电模式中，发送的功率由坞充电电路242控制以提高效率并将电子器件保持在有效操作区域（电流和电压）中。特别地，在充电模式中，坞充电电路242使用电压反馈电流控制来发送功率，直到坞充电电路242检测到接收器（即，机器人充电电路162）解谐，并且然后停止发送功率达可变的时间量。基于接收器在解谐之前消耗功率达多长时间来动态地调整关断功率的时间量。

可以在发射线圈的每个周期（在一些实施例中，大约200 KHz或每5μs）上运行的中断处理程序中执行坞充电电路242的逐周期控制。每个周期，中断处理程序通过调整电流限制（在图中称为“限制（limit）”）或下一个周期完全关闭添加能量（在图中称为启用“断电（dead）”信号）来确定在下一个周期向发射器线圈244发送什么电流。所描述的高水平控制代码根据坞充电电路242的高水平状态来确定应该运行这些中断处理程序中的哪个来管理发射器线圈244。

“充电谐振槽”状态是向机器人100发送功率时的主要模式。在此模式中，坞充电电路242调整电流限制，直到坞充电电路242检测到机器人充电电路162解谐为止。当它这样做时，它进入“空闲”状态，其触发背景代码以测量接收器线圈164抽取功率的时间量并休眠达所计算的时间量。

“硬启动”状态和“衰退”状态是传递功率的瞬时状态。坞充电电路242最初进入“硬启动”状态，并且将在传递功率的同时在“充电谐振槽”状态和“衰退”状态之间移动，直至它在机器人充电电路162解谐时进入“空闲”状态。

在启动并发送认证码之后，机器人充电电路162检查功率是否正在进入。假定是，则机器人充电电路162进入主循环，其中它在系统电压超过某个阈值时解谐。这需要多长时间将取决于从机器人充电电路162抽取的功率（即，它是否对电池充电，以及向电池发送多少功率）。然后机器人充电电路162短暂地解谐，坞站充电电路242将检测到该解谐，并且然后重调谐以在坞充电电路242接下来决定发送功率时接受功率。

在一些实施例中，从发射器线圈244发射的磁场和坞充电电路242的槽电路也用于机器人100的导航控制。机器人100将检测伴随着由坞充电电路242生成的“声脉冲”的磁荷。机器人100可以使用此检测来回避坞200（例如，当机器人在关于其清洁任务进行移动时）或发现坞200（以发起坞接）。根据一些实施例，检测半径在距离坞200的约6至18英寸（并且在一些实施例中为10至14英寸）的范围内。

在一些实施例中，机器人100上的磁场传感器155用于检测声脉冲信号。传感器155可以用于独立于机器人的接收器线圈164和充电电路162来检测声脉冲信号。磁场传感器155可以包括第一磁感测电路155A和第二磁感测电路155B。磁感测电路155A、155B可以各自是具有高增益放大器的小型LC电路。第一磁感测电路155A的电感线圈可以定向于Z方向（垂直），从而它提供与到发射器线圈244的距离大致成比例的信号。第二磁感测电路155B的电感线圈可以定向于X或Y方向（左右、前后或水平），以使得它提供与到发射器线圈244的定向大致成比例的信号。

也可以使用磁场传感器155来确定在坞接期间机器人100位于坞发射器线圈244的磁场中的位置。以这种方式，除了由前向检测器156提供的数据之外或者代替前向检测器156提供的数据，可以使用来自磁场传感器155的检测来执行远处接近步骤。

一旦机器人100完全坞接，磁场传感器155就还可用于确认线圈164、244足够良好地对准。这可以使得能够实现改进的线圈164、244之间的对准，并且从而保证耦合的良好效率以实现良好的功率传递。

在一些实施例中，机器人100与坞200对准，由此线圈164与线圈244对准，沿X轴线和沿Y轴线具有+/- 25 mm或更少（在一些实施例中为+/- 5 mm或更小，并且在一些实施例中为约+/-1 mm）的公差。在一些实施例中，线圈164、244沿着Z轴的对准的公差为20 mm或更小（即，线圈164在线圈244上方间隔不超过20 mm，并且线圈164、244尽可能靠近在一起）。

图13和14示出了根据本发明的一个实施例的排空坞300。排空坞300包括壳体311，壳体311包括基本水平的基板或平台310以及基本上垂直的塔架或后挡板320。坞接湾DB被限定于平台310上并且在后挡板320的前面。排空坞300可以是各种形状或尺寸中的任何，从而为下述所需的组件和系统提供足够的空间。

平台310包括限定于其中的线圈室316。通过壁312和下壁315来限定线圈室316。隆起的垫壁312覆在线圈室316的上面。并行轨道314被限定在线圈室316和垫壁312的任一横向侧面上。排空抽吸口318被限定在垫壁312中。排空抽吸口318从平台310的横向中心线和轨道314之间的中点偏移。

平台310以朝向后挡板320的向上的角度倾斜。在一些实施例中，平台310的上升角在6至10度（在一些实施例中为8至10度，并且在一些实施例中约8.6度）的范围内。

排空坞300包括除了如下讨论的内容外分别与充电子系统240、通信/引导系统230、坞控制器222和功率输入连接器224对应并且以相同的方式操作的充电子系统340、通信/引导系统330、坞控制器322和功率输入连接器324（连接到电源，未示出）。排空坞300包括分别与回避发射器232、定向发射器234R、234L和发射器238对应的回避发射器332、定向发射器334R、334L和一对精细对准发射器338。

充电子系统340包括与充电电路242和发射器线圈244对应的充电电路342和发射器线圈344。线圈344以与上文关于线圈室216和线圈244描述的相同的方式被包在线圈室316中。线圈344相对于地板朝向后挡板320倾斜或定向于斜角A1处（图14）。在一些实施例中，角A1在约6至10度（在一些实施例中为8至10度，并且在一些实施例中为约8.6度）的范围内。线圈344的中心轴线RCA从平台310的中线X-X偏移以匹配线圈164的偏移。

排空坞300还包括碎屑排空系统350。排空系统350包括在塔架320中的碎屑仓352（其可以是可移除的）、位于平台310中的排空口318、将口318流体连接到仓352的一个或多个管道、以及抽吸风扇354，其被配置为将碎屑从排空口318中抽取到仓352中。

轮轨道314被设计为接收机器人的驱动轮132，以将机器人100以与排空抽吸口318正确对准的方式引导到平台310上。每个轮轨道314包括保持驱动轮132在原位的凹陷轮槽319，以相对于平台310主动对准和定位机器人100，并且一旦坞接就防止机器人100无意地滑下倾斜平台310。

如上文关于坞200所述，机器人100可以通过前进到平台310上并进入排空站300的坞接湾DB中而与排空坞300坞接。一旦排空坞300接收机器人100，抽吸风扇354就生成将碎屑从机器人100的清洁仓145通过平台310抽取到碎屑仓352中的真空。

当机器人100被坞接于坞接湾DB中的规定坞接位置时，线圈164将叠置在线圈344上方并且适当地垂直对准线圈344。附加地，机器人100的排空口120将与排空坞300的排空口318对准并接触或者紧邻排空坞300的排空口318。

机器人100可以以与上文关于坞200描述的相同的方式回避、发现、远处接近、近处接近和精细接近排空坞300。还可以构想到，精细对准发射器338可以被省略。机器人可以依靠轮槽319捕获轮132，从而使机器人主动对准和定位，并确保机器人在坞接方法的最后部分中被正确对准。图像传感器设备158可以用于确保轮132不会超出或从轮槽下方通过。

磁场传感器155还可以用于检测来自线圈344的磁声脉冲信号，以如上文针对坞200所述地引导机器人100。

在一些实施例中，机器人100与排空坞300对准，并且线圈164由此与线圈344沿着X轴线并沿着Y轴线具有约+/-1 mm公差地对准。排空坞300需要机器人的排空口120与排空坞300的抽吸口318的严密对准，因此不对准的公差可能非常小并且小于坞200所准许的公差。在一些实施例中，线圈164、344沿着Z轴的对准公差约为+/- 20 mm。

参考图15至17，其中示出了根据本发明的实施例的割草机器人系统20。系统20包括割草机机器人和充电坞500。机器人400包括机器人充电子系统460并且坞500包括坞充电子系统560，它们一起形成感应充电系统505。

机器人400还包括机器人控制器402、底盘410、切割台（deck）414、盖412、电池426、动力系统430和切割系统440。底盘410、切割台414和盖412形成机器人主体、壳体基础设施或壳体。

动力系统430包括一对独立驱动轮434、一对脚轮435、用于驱动轮434的马达434A和自动高度调整器436。

切割系统440包括从机器人100的主体的底部悬挂的至少一个切割元件。如图所示，切割系统440包括从切割台414的底部悬挂的一对旋转切割刀片444，以及用于驱动刀片444的电动马达442。

机器人充电子系统460包括大体上对应于充电电路162和接收器线圈164的充电电路462和接收器线圈464。

线圈464被包含在切割台414中限定的接收器线圈室424中。切割台414或底盘410包括限定接收器线圈室424的一部分的底壁410C。在一些实施例中，底壁410C具有至少2 mm的标称厚度。底壁410C将线圈464与其下的表面（例如，地面或物体）分离。在一些实施例中，中心轴线RCA-RCA以机器人400的前后中心轴线FA-FA为中心。

坞500包括壳体511、接地锚或钉512、坞充电子系统540、归位系统530和坞控制器522。

壳体511包括基部510和盖514。基部510和盖514一起形成封闭的室516。

坞充电子系统540包括大体上对应于充电电路242和发射器线圈244的充电电路542和发射器线圈544。发射器线圈544被包含在室516中。盖514包括限定室516的一部分的顶壁514A。顶壁514A将线圈544与机器人400或其它覆在其上的物体分离。在一些实施例中，顶壁514A具有至少2 mm的标称厚度。

机器人400可用于自主地修剪草坪。当机器人400已经完成其割草会话或需要再充电时，它将寻找坞500。

在一些实施例中，机器人400使用关于草坪的定位信标来三角测量到坞500的附近。在一些实施例中，机器人400被配置为（诸如如上关于磁场传感器155和坞充电电路242所述）使用由坞充电电路542的周期性声脉冲发射的磁荷来与坞500对准。在一些实施例中，机器人400包括霍尔效应传感器，该霍尔效应传感器用于感测磁荷声脉冲，使得机器人控制器402能够随着机器人400接近其在坞500上的规定坞接位置而将机器人400与坞500对准。

当机器人400处于其在坞500上的规定坞接位置中时，接收器线圈464和发射器线圈544将基本上垂直对准、重叠或接近。在一些实施例中，机器人400定位在坞500上方，以使得接收器线圈464的中心轴线RCA-RCA对准或变得严密接近发射器线圈544的中心轴线TCA-TCA。机器人400可以使用高度调整器436使切割台414相对于底盘510和轮435降低，并从而降低线圈464。以这种方式，接收器线圈464被更严密地接近发射器线圈544。在一些实施例中，切割台414被降低成与坞500接触。

机器人充电子系统460和坞充电子系统540之后可以以与上文关于机器人充电子系统160和坞充电子系统240所述相同的方式进行协作以对机器人400感应充电。

线圈164、244、344、464、544可以由任何合适的材料和构造形成。在一些实施例中，线圈中的一个或多个由缠绕的铜线形成。在一些实施例中，线圈中的一个或多个由冲压铜形成。在一些实施例中，线圈中的一个或多个由缠绕的铝线形成。在一些实施例中，线圈中的一个或多个由缠绕的利兹线（铜或铝）形成。

在一些实施例中，当机器人坞接时，线圈164和244之间以及线圈164和344之间的垂直间距距离小于20 mm。

在一些实施例中，线圈164为1.25 mm厚，具有22个绕组，内径为58 mm，并且外径为117 mm。

在一些实施例中，接收器线圈164（“Rx线圈”）和发射器线圈244、344（“Tx线圈”）具有以下特性：

Tx线圈（坞/排空站）

OD：110-120mm

12-15匝

30微亨的电感

优选实施例是利兹线线圈。

Rx线圈（机器人）

OD：110-120mm，当前〜114mm

18-26匝，当前22匝

30-65 uH的电感，当前为50微亨

优选实施例是铜磁线线圈。

铜磁线圈的代表性测量数据：

也构想到利兹线线圈，其代表性测量数据如下：

也构想到冲压铜线圈，其代表性测量数据如下：

也构想到冲压铝线圈，其代表性测量数据如下：

在一些实施例中，接收器线圈164（“Rx线圈”）和发射器线圈244、344（“Tx线圈”）是具有以下特性的冲压铝线圈：

Rx线圈:

外径：114 mm

内径：30 mm

匝数：30

迹线宽度：1.2 mm

迹线之间的间距：0.2mm

估计电感：58 uH (微亨)

Tx线圈:

外径：114 mm

内径：72 mm

匝数：15

迹线宽度：1.2 mm

迹线之间的间距：0.2mm

估计电感：32 uH (微亨)。

在一些实施例中，机器人割草机系统20的接收器线圈464（“Rx线圈”）和发射器线圈544（“Tx线圈”）具有以下特性：

Tx线圈（充电坞）

4匝

10-20uH的电感，当前15微亨

需要对300W电池充电

Rx线圈（机器人）

9匝

#16AWG（美国线规）

标称直径：300mm

40-60uH的电感，当前50微亨

（在8匝的#18 AWG上测量到的数据：100kHz频率，56.uH，0.499 ESR）。

前述内容是对本发明的例示，而不应被解释为对本发明的限制。虽然已经描述了本发明的一些示例性实施例，但是本领域技术人员将容易地领会到，在示例性实施例中的许多修改都是可能的，而在实质上不脱离本发明的新颖教导和优点。因此，所有这些修改旨在被包括在本发明的范围内。因此，应当理解，前述内容是对本发明的例示，而不应被解释为将本发明限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例的修改以及其它实施例旨在被包括在本发明的范围内。

Claims (19)

1.一种自主移动机器人，包括：

壳体，该壳体限定位于所述壳体的底部处的线圈室；

可操作以驱使所述移动机器人横越表面的动力系统；

清洁系统，其可操作以随着所述机器人横穿所述表面而对所述表面进行清洁；以及

感应充电系统，其包括所述线圈室中的接收器线圈；

其中，所述线圈室包括将所述接收器线圈与所述表面分离的底壁。

2.如权利要求1所述的自主移动机器人，其中，所述接收器线圈是平面的，并且所述线圈室将所述接收器线圈保持水平保持在所述表面上方。

3.如权利要求1所述的自主移动机器人，其中，所述接收器线圈的中心轴线从在所述壳体的前边缘和后边缘之间延伸的横向中心线水平地偏移一偏移距离。

4. 如权利要求3所述的自主移动机器人，其中，所述偏移距离在从2 cm到8 cm的范围中。

5.如权利要求1所述的自主移动机器人，还包括至少部分地设置在所述接收器线圈上方的碎屑仓。

6.如权利要求1所述的自主移动机器人，还包括位于所述壳体的底部中在从所述机器人的前边缘和后边缘之间延伸的横向中心线水平地偏移的位置处并且位于邻接所述线圈室的排空口。

7.如权利要求1所述的自主移动机器人，其中，所述壳体的前部限定方形轮廓。

8. 如权利要求1所述的自主移动机器人，其中，所述接收器线圈位于距所述底壁的下外表面的在1 mm至5 mm的范围中的垂直距离处。

9. 如权利要求8所述的自主移动机器人，其中，所述接收器线圈位于距所述底壁的下外表面的小于3 mm的垂直距离处。

10. 如权利要求1所述的自主移动机器人，其中：

所述底壁中限定所述线圈室的部分的标称厚度为至少2 mm；并且

限定所述线圈室的顶壁的标称厚度为至少2 mm。

11.如权利要求1所述的自主移动机器人，其中，所述接收器线圈的绕组被机械地固定到所述底壁的顶表面内侧。

12.如权利要求1所述的自主移动机器人，其中，所述接收器线圈通过粘合剂或紧固件固定到所述底壁的内顶表面。

13.如权利要求1所述的自主移动机器人，其中，所述接收器线圈被模制到所述线圈室的所述底壁或顶壁中。

14.如权利要求1所述的自主移动机器人，其中，所述接收器线圈在其顶侧和底侧上都用塑料包住。

15. 一种移动地板清洁机器人系统，包括：

如权利要求1至14中任一项所述的自主移动机器人；以及

充电坞，该充电坞包括发射器线圈，所述发射器线圈在充电操作期间被耦合至所述自主移动机器人的所述接收器线圈。

16.如权利要求15所述的移动地板清洁机器人系统，其中，所述充电坞限定用于接收所述发射器线圈的发射器线圈室，并且其中，当处于坞接位置中时，所述自主移动机器人移动至所述发射器线圈室上方以耦合所述接收器线圈和所述发射器线圈以实现所述充电操作。

17.如权利要求16所述的移动地板清洁机器人系统，其中，所述充电坞包括用于将所述自主移动机器人导引至所述坞接位置的倾斜基平台。

18. 一种移动地板清洁机器人系统，包括：

如权利要求1至14中任一项所述的自主移动机器人；以及

充电坞，该充电坞包括发射器线圈，所述发射器线圈在充电操作期间被耦合至所述自主移动机器人的所述接收器线圈，其中，所述自主移动机器人还包括用于将所述接收器线圈与所述发射器线圈对准至规定对准中的结构光传感器。

19. 一种移动地板清洁机器人系统，包括：

如权利要求1至14中任一项所述的自主移动机器人；以及

充电坞，该充电坞包括发射器线圈，所述发射器线圈在充电操作期间被耦合至所述自主移动机器人的所述接收器线圈；

其中，所述动力系统包括驱动轮并且所述充电坞包括用于接收所述驱动轮以使得所述接收器线圈与所述发射器线圈处于规定对准中的凹陷轮槽。