DE10060208A1 - Berührungssensor - Google Patents

Abstract

Berührungssensor, insbesondere zur Erfassung von Hindernissen für eine sich autonom bewegende Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Vorrichtung oder ein Teil derselben mit einer beweglich gelagerten äußere Schale umgeben ist, und dass Bewegungen dieser Schale relativ zur Vorrichtung durch einen optischen Sensor erfasst werden. DOLLAR A In vorteilhafter Weise erfolgt die Lagerung der beweglichen Schale momentenstarr, so dass keine Verdrehung der Schale um bestimmte Achsen möglich ist und dadurch ein sehr empfindliches Ansprechen des optischen Sensors erreicht werden kann.

Description

Zur Detektion von Hindernissen für Vorrichtungen, insbesondere für autonome Roboter, die zum Beispiel im Haushalt als automatischer Staubsauger eingesetzt werden, können in vor­ teilhafter Weise mechanische Sensoren dienen, die bei Kontakt mit einem Hindernis anspre­ chen. Die Vorteile gegenüber berührungslosen Abstandssensoren liegen in den deutlich ge­ ringeren Kosten und der hohen Ortsauflösung, was sich zum Beispiel bei der Erstellung einer Umgebungskarte durch die Vorrichtung vorteilhaft auswirkt.

Um zuverlässig Beschädigungen bei der Bewegung des Roboters oder Teile von diesem zu vermeiden, ist es erforderlich, dass bereits leichte Berührungen mit beliebigen Hindernissen durch den Kontaktsensor zuverlässig erkannt und dem Steuerprogramm der Vorrichtung angezeigt werden.

Zur Erfüllung dieser Anforderungen wird ein Sensor mit folgenden Merkmalen vorgeschla­ gen:
Der Berührungssensor, der insbesondere zur Erfassung von Hindernissen für sich autonom bewegende Vorrichtungen dient, ist dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Vorrichtung oder ein Teil derselben von einer beweglich gelagerten äußeren Schale umgeben ist und dass Bewegungen dieser Schale relativ zur Vorrichtung durch einen optischen Sensor er­ fasst werden.

Weiterhin ist der Berührungssensor dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung der Schale momentenstarr erfolgt, so dass Bewegungen der Schale relativ zur Vorrichtung oder eines Teils davon in x-, y- oder z-Richtung möglich sind, bzw. gleichzeitig in mehrere dieser Rich­ tungen, jedoch keine Verdrehung der Schale um beliebige Raumachsen.

Als weiteres Merkmal weist der Berührungssensor mindestens eine Lichtschranke auf, die fest mit dem Vorrichtung oder eines Teils derselben verbunden ist. In den Lichtstrahl der Lichtschranke ragt ein mit der äußeren Schale fest verbundenes Konstruktionselement hin­ ein, z. B. ein Kunststoffstreifen, das bei Bewegungen der Schale relativ zur Vorrichtung oder eines Teils hiervon den Schaltzustand der Lichtschranke ändert.

Durch mehrere Federn oder ähnliche elastische Elemente wird die äußere Schale in einer definierten Ruhelage fixiert, solange kein Hindernis gegen sie drückt.

Insbesondere kann der Kunststoffstreifen ein Loch aufweisen, durch das der Lichtstrahl in der Ruhestellung fällt, und dessen Umrandung bei seitlicher Verschiebung den Lichtstrahl unterbricht.

Durch Kombination dieser Merkmale kann ein sehr empfindlicher Berührungssensor realisiert werden, der unabhängig von der Stelle, an der ein Hindernis gegen die äußere Schale drückt, immer eine definierte Auslöseschwelle aufweist.

Dieses Konzept eines Kontaktsensors mit optischen Sensoren bietet gegenüber einer Reali­ sierung mit mechanischen Tastern die folgenden wesentliche Vorteile:

• - Durch Variation der Federkräfte und der Lochgröße in dem Kunststoffstreifen kann der Kontaktsensor sehr exakt auf die optimalen Auslösekräfte eingestellt werden. Durch den Sensoraufbau wird hierbei ein hartes Anschlagen zuverlässig vermieden, da die Lage­ rung der beweglichen Schale auch nach dem Auslösen des Sensors elastisch bleibt.
• - Der erforderliche Spalt zwischen Schale und Vorrichtung ist sehr gering.
• - Da gesamte Kontaktsensor kann durch Verwendung einer oder mehrerer Standardlicht­ schranken äußerst preiswert realisiert werden.
• - Durch den Verzicht auf elektro-mechanischen Komponenten kann eine sehr lange Be­ triebsdauer des Kontaktsensors garantiert werden, da quasi kein Verschleiß auftritt.

Als Beispiel des Erfindung wird im folgenden ein Berührungssensor beschrieben, der am Saugkopf eines Saugroboters mit einem ausfahrbaren Arm befestigt wird, siehe PCT- Anmeldung DE 99/02276. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern kann als Ersatz herkömmlicher Berührungssensoren universell einge­ setzt werden.

Fig. 1 zeigt einen seitlichen Schnitt durch den Saugkopf, wobei als schraffierte Flächen so­ wohl der eigentliche Kontaktsensor als auch ein optionales, zusätzliches Auflager im vorde­ ren Bereich oben auf dem Saugkopf dargestellt sind, das dazu dient, ein Kippen der Schale zu verhindern bzw. die hintere Befestigung zu entlasten.

Um zwischen Schale und Saugkopf einen möglichst geringen Abstand zu realisieren, wird vorgeschlagen, dass die Verbindung zwischen Schale und Kopf nur an einer Stelle erfolgt, und zwar hinter dem Saugkopf, um die Gesamtbauhöhe zu minimieren. Diese Verbindungs­ stelle soll hierbei sowohl die federnde Lagerung der leichten Schale ermöglichen, als auch gleichzeitig als Sensorelement dienen, indem bereits geringe Bewegungen der Schale ge­ genüber dem Kopf einen elektrischen Impuls auslösen.

In dieser Figur ist ebenfalls ein Abstandssensor zur Erfassung der lichten Höhe oberhalb des Saugkopfes eingetragen, der vorn am Saugkopf befestigt ist, wobei die Messung durch ein transparentes Fenster in der beweglichen Schale erfolgt. Diese Anordnung hat gegenüber einer alternativen Befestigung des Abstandssensors auf der beweglichen Schale den Vorteil, dass die Schale sehr leicht gebaut werden kann und keine elektrischen Anschlüsse zu ihr benötigt werden.

Zur Verdeutlichung der Funktion des Kontaktsensors sind nun in den Fig. 2 bis 4 ver­ schiedene Schnitte dargestellt. Fig. 2 zeigt hierbei die Aufsicht von oben entsprechend der Schnittlinie A-A in Fig. 1.

Die wesentliche Funktion der beiden Lagerungen links und rechts liegt darin, zwar eine ela­ stische Verschiebung der äußeren Schale in x- und y-Richtung zu ermöglichen, jedoch keine Verdrehung derselben. Durch diese momentenstarre Lagerung wird erreicht, dass bei Hin­ derniskontakt der beweglichen Schale an beliebiger Stelle seitlich oder im vorderen Bereich eine signifikante Verschiebung eines Kunststoffstreifens auftritt, der auf einer Seite starr mit der Schale verbunden ist und auf der anderen Seite in den Lichtstrahl einer Gabellicht­ schranke hereinragt, siehe Schnitt C-C in Fig. 3b.

Diese preiswerte Standardlichtschranke ist fest mit dem Saugkopf so verbunden, dass der Lichtstrahl exakt in z-Richtung verläuft, und wirkt in Verbindung mit dem Kunststoffstreifen als sehr empfindlicher Detektor bereits für geringste Verschiebungen der Schale.

Dazu weist die Spitze des Kunststoffstreifens ein Loch auf, durch das in Ruhestellung der Schale exakt der Lichtstrahl verläuft. Bei einer Verschiebung der äußeren Schale wird der Lichtstrahl unterbrochen und dadurch ein elektrischer Kontakt geschlossen, wobei durch Va­ riation der Lochgröße die Empfindlichkeit des Sensors sehr genau eingestellt werden kann.

Die hier vorgeschlagene Realisierung der momentenstarren Lagerung ist in den Fig. 3a und 4 dargestellt: Die konischen Mittelteile der beiden Lagerungen werden durch jeweils zwei am Saugkopf befestigte Schienen so fixiert, dass nur eine Verschiebung in x-Richtung möglich ist. Zwei an der beweglichen Schale rechts und links befestigte nach innen ragende, rechteckförmige Ausbuchtungen tauchen in zwei hierzu passende Führungen auf den koni­ schen Mittelteilen ein, und können lediglich in y-Richtung verschoben werden.

Je nach den Abmessungen des Saugkopfes und unter Berücksichtigung einer möglichst einfachen Herstellung und Montage kann die Lagerung der Schale auch modifiziert werden, solange sichergestellt ist, dass nur Bewegungen in x- und y-Richtung möglich sind.

Durch zwei schräg angebrachte Federn wird erreicht, dass die Schale ohne Hinderniskontakt in seitlicher Mittelstellung gehalten wird und gleichzeitig bis zum Anschlag nach vorn ge­ schoben wird. Durch Variation des Winkels und der Federstärke können die benötigten Aus­ lösekräfte in x- und y-Richtung in weiten Grenzen beliebig eingestellt werden, wobei insbe­ sondere auch die gewünschte sehr weiche Aufhängung realisiert werden kann.

Die Präzision der seitlichen Fixierung in Mittellage kann ggf. durch eine flache Schwelle, die in z-Richtung verläuft, verbessert werden, so dass bei seitlichen Hinderniskontakten ein ge­ ringer Druckpunkt zu überwinden ist.

Zeichnungen

Fig. 1 Seitlicher Schnitt des Kopfes mit Abstands- und Kontaktsensor

Fig. 2 Schnitt A-A mit Blick von oben auf den Kontaktsensor

Fig. 3 Seitlicher Schnitt B-B (a) und C-C (b) des Kopfes mit Kontaktsensor

Fig. 4 Schnitt D-D mit Blick von hinten auf den Kontaktsensor

Claims (4)

1. Berührungssensor, insbesondere zur Erfassung von Hindernissen für eine sich autonom bewegende Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Vorrichtung oder ein Teil derselben mit einer beweglich gelagerten äußere Schale umgeben ist, und dass Bewegungen dieser Schale relativ zur Vorrichtung durch einen optischen Sensor erfasst werden.

2. Berührungssensor, insbesondere zur Erfassung von Hindernissen für eine sich autonom bewegende Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Vorrichtung oder ein Teil derselben mit einer beweglich gelagerten äußere Schale umgeben ist, und dass die Lagerung dieser Schale momentenstarr erfolgt, so dass Bewegungen der Schale relativ zur Vorrichtung oder eines Teils davon in x-, y- oder z-Richtung möglich sind, bzw. gleichzeitig in mehrere dieser Richtungen, jedoch keine Verdrehung der Schale um beliebige Raumachsen.

3. Berührungssensor, insbesondere zur Erfassung von Hindernissen für eine sich autonom bewegende Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Vorrichtung oder ein Teil derselben mit einer beweglich gelagerten äußere Schale umgeben ist, und dass die Lagerung dieser Schale momentenstarr erfolgt, so dass Bewegungen der Schale relativ zur Vorrichtung oder eines Teils davon in der xy-Ebene nur in x- oder y-Richtung möglich sind, bzw. gleichzeitig in beide dieser Richtungen, jedoch keine Verdrehung der Schale um die z-Achse.

4. Berührungssensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bewegungen der äußeren Schale durch mindestens eine Lichtschranke erfasst werden, die fest mit der Vorrichtung oder einem Teil davon verbunden ist, und dass in den Lichtstrahl dieser mindestens einen Lichtschranke jeweils ein mit der äußeren Schale fest verbundenes Konstruktionselement hineinragt, z. B. ein Kunststoffstreifen, das bei Bewegungen der Schale den Schaltzustand der entsprechenden Lichtschranke ändert.