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Die
Erfindung betrifft einen mobilen Roboter und ein Verfahren zu seiner
Ansteuerung, wobei der mobile Roboter autonom auf einer Fläche zwischen einem
Start- und einem Zielpunkt verfährt
und zumindest eine an einem Grundkörper angeordnete Antriebseinheit
zum Antrieb von an der Fläche
angreifenden Antriebselementen sowie eine Steuereinrichtung umfasst,
die zumindest die Antriebsanrichtung ansteuert und zumindest Signale
von Sensorelementen während
einer Fahrt entlang einer Verfahrstrecke erfasst und verarbeitet.
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Mobile
Roboter werden zwischenzeitlich für verschiedene Einsatzzwecke
eingesetzt. Beispielsweise werden solche mobile Roboter als Staubsauger
verwendet. Dabei ist vorgesehen, dass der mobile Roboter ausgehend
von einer Basisstation eine Fahrbewegung entlang einer Verfahr strecke
aufnimmt, bis dieser vor einem Hindernis steht. Anschließend wird
der mobile Roboter um eine vorbestimmte Winkelgradzahl gedreht und
nimmt erneut eine Verfahrbewegung abweichend von der vorherigen
Fahrtrichtung auf. Solche mobile Roboter führen eine willkürliche Bewegung
auf einer definierten Fläche
aus, um zu erzielen, dass eine möglichst
große Fläche selbständig gereinigt
wird. Dabei ist die Auswahl der Fahrtrichtung für die noch folgende Verfahrstrecke
zufällig.
Ergänzend
ist zumindest ein weiteres an einer Basisstation angeordnetes Sensorelement
vorgesehen, welches mit dem mobilen Roboter kommuniziert, damit
dieser innerhalb einer vorbestimmten Fläche willkürlich eine Bewegung durchführt.
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Solche
mobile Roboter können
nicht für
eine Zielpunktnavigation eingesetzt werden. Es bestehen jedoch zwischenzeitlich
Anforderungen, dass ein definierter Verfahrweg von einem vordefinierten
Startpunkt zu einem Zielpunkt durchgeführt werden sollen, um bestimmte
Aufgaben zu lösen.
Solche vorbeschriebenen mobilen Roboter eignen sich nicht für solche
Einsatzfälle.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen mobilen Roboter
und ein Verfahren zu seiner Ansteuerung zu schaffen, wodurch mittels
einer einfachen Bedienung ein zielgerichtetes Verfahren zwischen
einem Start- und einem Zielpunkt innerhalb einer vorgegebenen Fläche bei
einer einfachen Bedienung des mobilen Roboters ermöglicht ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
mobilen Roboter gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu seiner Ansteuerung gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 12 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen
abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung des
mobilen Roboters, bei dem an dem Grundkörper zumindest eine erste Sensorkomponente
vorgesehen ist, der zumindest eine weitere Sensorkomponente zur
Bildung eines Verfahrrichtungserkennungssensors zugeordnet ist und
bei dem die zumindest eine weitere Sensorkomponente relativ zur
zumindest ei nen ersten, am Grundkörper vorgesehenen Sensorkomponente
drehbar angeordnet ist und bei dem die zumindest eine weitere Sensorkomponente
aus einer Grundposition heraus an einer Richtungsteuerungseinrichtung
angeordnet ist, wird ermöglicht,
dass durch eine einfache Drehbewegung der Richtungssteuerungseinrichtung
relativ zum Grundkörper
eine Zielpunktnavigation erfolgt. Die Richtungssteuerungseinrichtung
wird durch ein Verdrehen relativ zum Grundkörper auf das Ziel ausgerichtet.
Der Grundkörper
des mobilen Roboters kann durch die Drehbewegung des Richtungssteuerungssensors
nacheilend gedreht werden. Ausgehend von seinem Startpunkt, in dem
vorzugsweise der Grundkörper
und der Richtungssteuerungssensor auf den Zielpunkt ausgerichtet
sind, wird dieser nach einem Startsignal zum Verfahren entlang der
Verfahrstrecke selbständig
zum Zielpunkt fahren. Durch diese einfache Ansteuerung kann der
mobile Roboter schnell und zielsicher auf den neuen Zielpunkt eingestellt werden,
entweder unabhängig
von der Ausrichtung des Grundkörpers
und seinen Antriebselementen zum Zielpunkt oder bereits zum Zielpunkt
ausgerichtet.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung des mobilen Roboters sieht vor, dass ein
Verfahrrichtungserkennungssensor als zumindest ein Drehsensor oder
ein Winkelgeber ausgebildet ist. Als Drehsensor können bspw.
Hallsensoren vorgesehen sein, denen jeweils ein Magnetelement zugeordnet
ist, so dass bei einer Verdrehung des Richtungssteuerungssensors
die weiteren Sensorkomponenten aus ihrer Solllage verfahren werden.
Dieses Herausführen
aus der Solllage wird durch die Hallsensoren, die als erste Sensorkomponenten
vorgesehen sind, erfasst werden. Alternativ können Winkelgeber, Inkrementalgeber
oder dergleichen vorgesehen sein, um die tatsächliche Verdrehung der Richtungssteuerungseinrichtung zum
Grundkörper
zu erfassen.
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Die
Richtungssteuerungseinrichtung ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung
als eine zum Grundkörper
drehbare Außenhülle ausgebildet,
welche vorzugsweise in Fahrtrichtung weisend ausgerichtet und entgegen
einer elastischen Rückstellkraft nach
links und rechts zumindest um wenige Winkelgrade drehbar ist. Durch
diese zumindest um wenige Winkelgrade erfolgte Auslenkung der Richtungssteuerungseinrichtung
ge genüber
einer Grundposition kann der Verfahrrichtungssensor erkennen, dass
der Grundkörper
entsprechend der Auslenkrichtung nachzufahren ist. Aufgrund der
Verdrehung gegen eine elastische Rückstellkraft kann ein Drehmoment errechnet
werden, welches wiederum durch die Antriebseinrichtung zur Ansteuerung
der Antriebselemente ausgewertet wird. Beispielsweise kann bei einem
hohen Drehmoment ein schnelles Antreiben der Antriebselemente erfolgen,
wohingegen bei einem niedrigen Drehmoment ein langsames Nachfahren des
Grundkörpers
in die ausgelenkte Drehrichtung der Richtungssteuerungseinrichtung
erfolgt. Diese Ausgestaltung ermöglicht
somit, dass durch eine einfache Drehbewegung der Richtungssteuerungseinrichtung
der Grundkörper
mit seinen Antriebselementen ebenfalls auf den Zielpunkt ausgerichtet
wird, so dass anschließend
nach der Ausrichtung auf den Zielpunkt vorzugsweise eine geradlinige
Fahrt durchgeführt
werden kann. Bevorzugt weist die Außenhülle zumindest in Fahrtrichtung
gesehen einen Gehäuseabschnitt
auf, der den Grundkörper
abdeckt. Dadurch kann auch eine Schutzwirkung für die Antriebseinrichtung geschaffen
werden, so dass ggf. sich in der Verfahrstrecke befindliche Teile
nicht unter den Grundkörper
gelangen können.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Außenhülle als
rotationssymmetrischer Ringbund ausgebildet ist, der einen Grundkörper mit
einer bevorzugt runden Außengeometrie
umgibt, so dass ein flach scheibenförmiger mobiler Roboter ausgebildet
sein kann.
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Die
Richtungssteuerungseinrichtung weist des Weiteren bevorzugt einen
Hinderniserkennungssensor und zumindest einen Verfolgungssensor
auf, die vorzugsweise über
den Umfang verteilt zur Bildung einer Hinderniserkennungseinrichtung
vorgesehen sind. Somit kann ein auf der vorzugsweise geradlinig
verlaufenden Verfahrstrecke liegendes Hindernis rechtzeitig und
sicher erkannt werden, so dass vor dem Hindernis eine Hindernisumgehung
eingeleitet und angesteuert werden kann.
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Bevorzugt
weist die Hinderniserkennungseinrichtung in Fahrtrichtung weisende
Hinderniserkennungssensoren und seitlich zur Fahrtrichtung Verfolgungssensoren
an der Richtungssteuerungseinrichtung auf. Dadurch kann eine Hindernisumgehung
derart eingeleitet werden, dass mit einem vorbestimmten Abstand
zum Hindernis ein sicheres Umfahren des Hindernisses ermöglicht wird. Über den Verfolgungssensor
wird erkannt, wann eine zu umfahrende Seitenfläche des Hindernisses passiert wurde,
so dass im Anschluss daran eine weitere Drehbewegung des mobilen
Roboters eingeleitet werden kann, bis dieser in einem seitlichen
Sichtbereich der Hinderniserkennungssensoren und/oder durch den
Verfolgungssensor wieder ein Hindernis erkennt, um im Anschluss
daran wiederum durch den Verfolgungssensor gesteuert an dem Hindernis
entlang zu fahren und dieses zu umfahren.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Antriebseinrichtung zumindest einen Odometer aufweist.
Dadurch kann eine Antriebsbewegung der Antriebselemente zur Berechnung
einer Bewegungsbahn, insbesondere bei einer Hindernisumfahrung,
erfasst werden, damit der mobile Roboter nach der Hindernisumfahrung
selbständig
auf die vorgesehene Verfahrstrecke zurückkehrt und im Kreuzungspunkt
der Hindernisumfahrung und der vorgesehenen Verfahrstrecke selbständig wieder
die vorgesehene Fahrtrichtung entlang der eingestellten Verfahrstrecke
aufnimmt. Insbesondere umfasst die Antriebseinrichtung einen Differentialantrieb
mit mindestens zwei Motoren, durch den die Antriebselemente angetrieben
werden. Bevorzugt ist für
jedes Antriebselement ein Motor vorgesehen. Als Antriebselemente
sind bevorzugt Räder
vorgesehen, die als ein Räderpaar
am Grundkörper
angeordnet sind. Vorzugsweise wird jedes Antriebselement durch einen
Odometer überwacht.
Dadurch kann bspw. während
oder nach der Einstellung der Richtungssteuerungseinrichtung in einer
Richtung abweichend zur eigentlichen Verfahrrichtung des Räderpaares
eine Drehbewegung des Grundkörpers
auf der Stelle ermöglicht
werden, bis das Räderpaar
in Fahrtrichtung zur eingestellten Verfahrstrecke positioniert ist,
um anschließend
die beiden Räder
mit gleicher Geschwindigkeit anzutreiben.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest
in Fahrtrichtung ausgerichtet am Grundkörper oder an der Richtungssteuerungseinrichtung
zumindest ein Arbeitsraumerkennungssensor, insbesondere ein Tischkantensensor,
vorgesehen. Dadurch kann ermöglicht
werden, dass ohne Vorgabe einer bestimmten Länge der Verfahrstrecke nach
Ausrichtung des mobilen Roboters bzw. Einstellung der Richtung für die Verfahrstrecke der
mobile Roboter am Ende der vorgesehenen Fläche selbständig stillsteht. Bspw. kann
beim Einsatz des mobilen Roboters auf einer Plattform oder einem Tisch
vorgesehen sein, dass dieser bis zu einer Tischkante selbständig verfährt und
unmittelbar an der Tischkante durch Erkennen der Tischkante über den
Arbeitsraumerkennungssensor bzw. Tischkantensensor selbständig anhält.
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Die
Richtungssteuerungseinrichtung weist bevorzugt entgegengesetzt zur
Fahrtrichtung ein Bedienfeld auf, welches zumindest ein Startelement und
vorzugsweise zumindest eine Zustandsanzeige aufweist. Somit kann
in einfacher Weise nach dem Auswählen
der Fahrtrichtung über
die Betätigung
des Startelementes die Verfahrbewegung in Gang gesetzt und über die
zumindest eine vorzugsweise vorgesehene Zustandsanzeige ein entsprechender
Betriebszustand angezeigt werden. Bspw. kann die Bereitschaft zum
Verfahren angezeigt werden oder dass sich der mobile Roboter im
Verfahrbetrieb oder einem sonstigen Betriebszustand befindet.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des mobilen Roboters ist
vorgesehen, dass die Richtungssteuerungseinrichtung um eine Mittelachse des
Grundkörpers
drehbar angeordnet ist, eine radiale Auslenkung der Drehachse der
Richtungssteuerungseinrichtung zur Mittelachse des Grundkörpers erfasst.
Dies kann bspw. bei den Sensorkomponenten durch eine Abstandsänderung
zwischen den Sensorkomponenten, insbesondere den Magneten und den
gegenüberliegenden
Hallsensoren, gegeben sein. Dadurch kann eine Kollisionssicherheit
erzielt werden. Alternativ können
zur Erfassung einer solchen Auslenkung zusätzliche Kontaktsensoren wie
bspw. berührungslose
Sensoren oder mechanische Schalter vorgesehen sein.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung des mobilen Roboters mit zumindest einer
Antriebseinrichtung und einer Steuereinrichtung sieht insbesondere
an dem Grundkörper
eine Ladefläche
zum Transport von Gegenständen
vor. Solche mobile Roboter können
mit als auch ohne Richtungssteuerungseinrichtung ausgestattet sein
und lassen sich bspw. auf Tischen einsetzen, um Gegenstände wie
bspw. Kaffeekannen, Kaffeetassen oder Zuckerdosen von einem Sitzplatz
zu einem weiteren Sitzplatz zu transportieren. Dadurch können einfache
Handhabungsaufgaben durch einen solchen mobilen Roboter mit einer Ladefläche übernommen
werden, der aufgrund seiner einfachen Handhabung problemlos einsetzbar ist.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des mobilen Roboters ist
zwischen dem Grundkörper
und der Ladefläche
ein Belastungssensor vorgesehen. Somit kann der mobile Roboter bspw.
erst ab einer vorgesehenen Belastungskraft ein Fahrsignal erhalten,
d. h. nachdem ein Gegenstand auf die Ladefläche aufgestellt wurde, setzt
er sich selbständig
in Gang und verfährt
entlang der eingestellten Verfahrstrecke. Ebenso kann vorgesehen
sein, dass nach der Entnahme des Gegenstandes von der Ladefläche und
einem Erkennen eines Entlastungszustandes der mobile Roboter sich
selbständig
stillsetzt und auf die Ansteuerung für eine nachfolgende Verfahrstrecke
wartet.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird des Weiteren durch ein Verfahren zur Steuerung eines mobilen
Roboters zur Durchführung
einer autonomen Fahrt entlang einer Verfahrstrecke dadurch gelöst, dass
im Startpunkt des mobilen Roboters eine Richtungssteuerungseinrichtung
auf einen Zielpunkt durch eine Drehbewegung relativ zum Grundkörper des
mobilen Roboters eingestellt wird, dass der Umfang der Drehbewegung
der Richtungssteuerungseinrichtung zum Grundkörper von einem Verfahrrichtungserkennungssensor
erfasst wird, dass die Antriebselemente der Antriebseinrichtung
vor oder während
dem Beginn der Fahrt entlang der Verfahrstrecke auf den Zielpunkt
ausgerichtet oder in diese Richtung angetrieben werden. Dadurch
wird eine einfache Bedienung des mobilen Roboters für eine neue vorbestimmte
Verfahrrichtung ermöglicht.
Es bedarf lediglich der Einstellung der Richtungssteuerungseinrichtung
durch eine Drehbewegung, die auf den neuen Zielpunkt ausgerichtet
wird, um den mobilen Roboter auf das gewünschte Ziel einzujustieren.
Dabei erfasst der Verfahrrichtungserkennungssensor die Abweichung
der Winkellage der Richtungssteuerungseinrichtung zum Grundkörper, woraus
die Antriebseinrichtung die Antriebselemente entsprechend ansteuert,
so dass ausgehend vom Startpunkt eine zielgerichtete Verfahrbewegung
zum Zielpunkt durchgeführt
wird. Dabei kann gemäß einer
ersten vor teilhaften Alternative vorgesehen sein, dass unmittelbar
während
der Drehbewegung der Richtungssteuerungseinrichtung in Richtung
auf den Zielpunkt ein Nacheilen des Grundkörpers angesteuert wird, so dass
unmittelbar nach Beendigung des Ausrichtvorganges der Grundkörper mit
seinen Antriebselementen ebenfalls auf den Zielpunkt ausgerichtet
ist. Eine weitere vorteilhafte alternative Ausführungsform sieht vor, dass
die Richtungssteuerungseinrichtung relativ gegenüber dem Grundkörper verdreht
und auf den Zielpunkt ausgerichtet wird. Sobald ein Startelement
betätigt
wird, dreht sich der Grundkörper
auf der Stelle, so dass die Antriebseinrichtung ebenfalls wieder
in einer Grundposition zur Richtungssteuerungseinrichtung beziehungsweise
die Verfahrrichtungserkennungssensoren in einer Grundposition angeordnet
sind, um anschließend
die Fahrt aufzunehmen.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass
zwischen dem Start- und Zielpunkt eine geradlinige Verfahrstrecke
angesteuert wird. Diese geradlinige Ansteuerung der Verfahrstrecke
ermöglicht
den direkten Weg zwischen Start und Ziel. Darüber hinaus ermöglicht dies
auch eine einfache Handhabung, um den Roboter auf das neue Ziel
einzujustieren.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass bei Erkennung eines in der Verfahrstrecke sich befindenden Hindernisses
eine Hindernisumfahrung eingeleitet wird, indem der mobile Roboter
in einem vorbestimmten Abstand vor dem Hindernis um wenigstens wenige
Winkelgrade gedreht wird, so dass eine Fahrt entlang des Hindernisses
eingeleitet und eine seitliche Verfahrbewegung zum Hindernis durch
zumindest einen Verfolgungssensor überwacht wird, so dass nach
einer ersten seitlichen Umfahrung des Hindernisses der mobile Roboter
zumindest um wenige Winkelgrade gedreht wird, bis ein weiteres paralleles Verfahren
zum Hindernis ermöglicht
wird und dass die Drehbewegung und das parallele Verfahren zum Hindernis
so oft wiederholt werden, bis die Hindernisumfahrung die geplante
Verfahrstrecke kreuzt. Durch eine solche Hinderniserkennung und
Hindernisverfolgung kann ein einfaches Umfahren eines Hindernisses
angesteuert werden, welches sich unmittelbar auf der geradlinigen
Verfahrstrecke zwischen Start- und Zielpunkt befindet.
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Nach
einer weiteren bevorzugen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen,
dass die Verfahrbewegung des mobilen Roboters durch eine Betätigung eines
am Bedienfeld der Richtungssteuerungseinrichtung angeordneten Startelementes
oder durch ein drahtloses Signal eingeleitet wird. Alternativ zur
manuellen Eingabe eines Startsignals kann ein Infrarotsignal, ein
Funksignal, wie beispielsweise ein Bluetoothsignal oder dergleichen,
durch ein separates Steuergerät
erfolgen, um den mobilen Roboter für seine Verfahraufgabe zu starten.
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Zur
Steuerung des mobilen Roboters ist des Weiteren bevorzugt vorgesehen,
dass die Verfahrbewegung zum Zielpunkt durch eine vordefinierte
Länge der
Wegstrecke festgelegt und durch ein drahtloses Signal angesteuert
wird, durch einen Arbeitsraumerkennungssensor erkannt oder bei einer
Entlastung des Belastungssensors an einer Ladefläche am Roboter erfasst wird.
In Abhängigkeit
der jeweiligen Anwendungsfälle
und der jeweiligen Ausführung kann
eines der beispielhaft beschriebenen Ereignisse zum Stillsetzen
der Verfahrbewegung des mobilen Roboters im Zielpunkt führen.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen,
dass die Antriebseinrichtung als Antriebselement ein Radpaar aufweist,
wobei jedes Rad des Radpaars separat durch einen Motor angetrieben
wird, wobei die Motoren zusammen einen Differentialantrieb bilden.
Die Positionierung des Grundkörpers
zur Richtungssteuerungseinrichtung wird durch die Verfahrstrecke
der Antriebselemente erfasst, wobei hierfür beispielsweise Odometer eingesetzt
werden, insbesondere Radencoder. Diese Odometer können vorzugsweise durch
weitere Sensorik, wie beispielsweise GPS oder dergleichen, ergänzt werden.
Bevorzugt wird die Radumdrehung eines jeden Rades erfasst und daraus
eine Berechnung der Bewegungsbahn des Grundkörpers ermittelt. Dadurch kann
auch ein Drehen des Grundkörpers
auf der Stelle erfolgen, so dass der Grundkörper beziehungsweise das Radpaar
entsprechend der einge stellten Richtung der Richtungssteuerungseinrichtung
ausgerichtet wird, bevor dieser die geradlinige Verfahrstrecke zum
Zielpunkt durchläuft.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Beispiele näher
beschrieben und erläutert.
Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale
können
einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt
werden. Es zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen mobilen Roboters,
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2 eine
schematische Ansicht von oben auf den mobilen Roboter gemäß 1,
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3 eine
schematische Schnittdarstellung des mobilen Roboters gemäß 1,
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4 eine
Prinzipdarstellung einer Richtungssteuerungseinrichtung des mobilen
Roboters gemäß 1,
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5 eine
schematische Prinzipdarstellung des mobilen Roboters mit einem Arbeitsraumerkennungssensor,
-
6 eine
schematische Prinzipdarstellung des mobilen Roboters mit einer Hinderniserkennungseinrichtung,
-
7 eine
schematische Darstellung einer Verfahrstrecke zwischen Start- und
Zielpunkt und
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8 eine
schematische Darstellung eines Verfahrweges des mobilen Roboters
mit einer Hindernisumfahrung.
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In
den 1 bis 3 sind verschiedene Ansichten
des erfindungsgemäßen mobilen
Roboters 11 dargestellt. Der mobile Roboter 11 umfasst einen
Grundkörper 12,
an dem eine Antriebseinrichtung 14 vorgesehen ist. Diese
Antriebseinrichtung 14 umfasst einen Differentialantrieb
bestehend aus zumindest zwei Motoren 15, die jeweils ein
Antriebselement 16 antreiben. Dieses umfasst zumindest
ein Rad 17. Bevorzugt ist ein Radpaar als Antriebselement 16 vorgesehen.
Des Weiteren ist an dem Grundkörper 12 eine
Steuerungseinrichtung 18 vorgesehen, welche die Antriebseinrichtung 14 steuert. Zum
autarken Betrieb des mobilen Roboters 11 ist eine Energieversorgung 19 vorgesehen.
Dies kann bspw. eine wiederaufladbare Batterie sein. Darüber hinaus
können
Fotozellen oder dergleichen am mobilen Roboter 11 vorgesehen
sein, welche die Energieversorgung 19 unterstützen oder übernehmen. Rechtwinklig
zur Drehachse der Räder 17 bzw.
des Radpaares sind Stützelemente 20 vorgesehen,
welche beispielsweise als drehbar gelagerte Rollen oder Kugeln ausgebildet
sind. Bevorzugt sind zwei Stützelemente 20 vorgesehen,
die paarweise einander gegenüberliegend
und um 90° versetzt
zum Radpaar ausgerichtet sind. Als alternative Ausgestaltung eines
Rades 17 für
ein Antriebselement 16 kann auch ein Antriebsband oder
dergleichen vorgesehen sein.
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Der
Grundkörper 12 des
mobilen Roboters 11 ist bevorzugt mit einer runden Außenkontur
versehen und weist insbesondere einen flachen Aufbau auf. Dieser
Grundkörper 12 wird
von einer Richtungssteuerungseinrichtung 23 umgeben, die
zumindest eine Außenhülle 24 umfasst,
welche sich insbesondere über
radiale Stirnseiten 25 des Grundkörpers 12 erstreckt
und diese abdeckt. Diese Außenhülle 24 ist hülsen- oder
ringbundförmig
ausgebildet und umgibt eine bevorzugt auf dem Grundkörper 12 angeordnete Ladefläche 26.
Diese Ladefläche 26 dient
zur Aufnahme von Gegenständen,
wie bspw. Kaffeetassen, Kaffeekannen oder dergleichen, so dass der
mobile Roboter 11 bspw. für einfache Handhabungsaufgaben
einsetzbar ist, in dem dieser bspw. Gegenstände auf einer Fläche, insbesondere
einem Tisch, von einem Startpunkt 49 zu einem Zielpunkt 51 (7)
befördert.
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Zwischen
der Ladefläche 26 und
dem Grundkörper 12 ist
bevorzugt ein Belastungssensor 27 vorgesehen, der das Vorhandensein
eines Gegen standes für
den anstehenden Transport erkennt. Ein solcher Belastungssensor 27 kann
bspw. eine Wägezelle
mit Dehnmessstreifen umfassen.
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Die
Außenhülle 24 umfasst
ein Bedienfeld 30, welches zumindest ein Startelement 31 und
vorzugsweise zumindest eine Zustandsanzeige 32 aufweist.
Bevorzugt kann eine Start- und Stopptaste oder beide Funktionen
in einem Element oder einer Taste vorgesehen sein, um die Verfahrbewegung manuell
einzuleiten oder zu stoppen. Darüber
hinaus können
ein oder mehrere Zustandselemente 32 bspw. als LEDs vorgesehen
sein, die für
den Benutzer erkenntlich machen, dass der mobile Roboter 11 für einen
nachfolgenden Transport bereit ist. Ebenso kann bspw. der Ladungszustand
der Energieversorgung 19 oder ein Störzustand oder dergleichen angezeigt
werden.
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Die
Außenhülle 24 des
mobilen Roboters 11 ist relativ verdrehbar zum Grundkörper 12 aufgenommen,
wobei vorgesehen ist, dass eine Drehachse der Außenhülle 24 in einer zentralen
Achse des Grundkörpers 12,
insbesondere der Rotationsachse des runden Grundkörpers 12,
liegt. Die Richtungssteuerungseinrichtung 23 ist dabei
bevorzugt um wenige Winkelgrade aus einer Grundposition zum Grundkörper 12 nach
links und nach rechts verdrehbar angeordnet. Die Drehbewegung erfolgt
in jede Richtung jeweils gegen ein elastisches Rückstellelement, insbesondere
ein Federelement, so dass bei einer größer werdenden Winkelabweichung
aus der Grundposition ein erhöhter
Drehwiderstand aufgebaut wird. Aus den betragsmäßigen Auslenkungen der Richtungssteuerungseinrichtung
gegenüber
einer Grundposition zum Grundkörper
wird ein Drehmoment errechnet, welches wiederum von der Antriebseinrichtung 14 zum
Antrieb der Motoren 15 eingesetzt wird, um die Antriebselemente 16 anzusteuern.
Dies führt dazu,
dass während
einer eingeleiteten und gehaltenen Drehbewegung der Richtungssteuerungseinrichtung 33 der
Grundkörper 12 in
dieselbe Drehrichtung nacheilt, so dass die Drehachse des Radpaares
nach einer Ausrichtung der Richtungssteuerungseinrichtung 23 lotgerecht
zum Ziel 51 ausgerichtet ist. In Abhängigkeit des erfassten Drehmomentes
kann eine Ansteuerung der Antriebseinrichtung 14 auf das
Radpaar eingeleitet werden, um den Grundkörper 12 schneller
oder langsamer zu drehen.
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Alternativ
zur vorbeschriebenen Ausrichtung des Grundkörpers 12 im Startpunkt 49 für eine anstehende
autonome Fahrt zum Zielpunkt 51 kann vorgesehen sein, dass
die Richtungssteuerungseinrichtung 33 gegenüber dem
Grundkörper 12 über einen größeren Winkelumfang
verdrehbar angeordnet ist und nachdem die Richtungssteuerungseinrichtung 23 auf
den Zielpunkt 51 ausgerichtet ist, erst ein Nachfahren
des Grundkörpers 12 auf
der Steile erfolgt.
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Die
Richtungssteuerungseinrichtung 23 umfasst Hinderniserkennungssensoren 34,
welche zumindest in Fahrtrichtung an der Außenhülle 24 der Richtungssteuerungseinrichtung 23 vorgesehen sind.
Bevorzugt erstrecken sich diese Hinderniserkennungssensoren 34 über einen
Bereich von wenigstens ±20°, vorzugsweise
von wenigstens ±45°, in Fahrtrichtung
gesehen. Seitlich zur Fahrtrichtung gesehen sind an der Richtungssteuerungseinrichtung 23 bevorzugt
Verfolgungssensoren 36 vorgesehen, die einen seitlichen
Abstand des mobilen Roboters 11 zum Hindernis 45 erfassen
können.
Dies wird näher
in 6 beschrieben. Des Weiteren umfasst die Richtungssteuerungseinrichtung 23 einen
Flächenerkennungssensor 37,
der in 5 näher
beschrieben wird.
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In 4 ist
schematisch vergrößert ein
Verfahrrichtungserkennungssensor 40 dargestellt, der eine
erste Sensorkomponente 41 aufweist, die fest am Außenumfang
des Grundkörpers 12 vorgesehen ist
und zumindest eine zweite Sensorkomponente 42 aufweist,
die an der drehbar zum Grundkörper 12 angeordneten
Richtungssteuerungseinrichtung 23 vorgesehen ist. Beispielsweise
kann ein Drehsensoreingesetzt werden. Dabei sind bspw. die ersten
Sensorkomponenten 41 als Hallsonden und die zweiten Sensorkomponenten 42 als
Magnete ausgebildet. Durch diesen Verfahrrichtungserkennungssensor 40 wird
ermöglicht,
dass durch ein Verdrehen und Ausrichten der Richtungssteuerungseinrichtung 23 auf einen
Zielpunkt 51 die Größe der Drehbewegung durch
die Hallsensoren erfasst wird und eine entsprechende Ansteuerung
der Antriebseinrichtung 14 erfolgt, um die Radachse der
Räder 17 des
Radpaares rechtwinklig zur Verfahrrichtung auszurichten.
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Die
Richtungssteuerungseinrichtung 23 kann bevorzugt radial
verschiebbar zum Grundkörper 12 gelagert
sein. Dadurch kann eine Kollision erfasst werden, wenn sich beispielsweise
ein Abstand zwischen dem ersten und zweiten Sensorelement 41, 42 verändert. Alternativ
kann beim Einsatz von Verfahrrichtungserkennungssensoren 40 wie
bspw. bei Winkelgebern oder dergleichen vorgesehen sein, dass diese
Kollisionsüberwachung
durch zusätzliche Sensoren
erfolgt, die sowohl mechanisch als auch berührungslos Signale erfassen
und ausgeben. Dabei können
einerseits mechanische Schalter und andererseits zusätzliche
Hall-, Infrarot- oder
Ultraschallsensoren vorgesehen sein.
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5 zeigt
schematisch die Anordnung des Arbeitsraumerkennungssensors 37 an
der Richtungssteuerungseinrichtung 23. Dieser Sensor 37 kann
senkrecht zur Fläche 47 ausgerichtet
sein, entlang der der mobile Roboter 11 verfahrbar ist
oder in einem spitzen Winkel dazu. Bevorzugt ist der Arbeitsraumerkennungssensor 37 in
einem Winkel schräg nach
vorne in Fahrtrichtung geneigt, so dass rechtzeitig beim Annähern des
mobilen Roboters 11 bspw. an eine Flächenbegrenzung 46,
insbesondere eine Tischkante, diese erkannt und der mobile Roboter 11 gestoppt
werden kann. Alternativ kann der Arbeitsraumerkennungssensor 37 auch
mehrfach über
den Umfang verteilt am Grundkörper 12 vorgesehen
sein.
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In 6 ist
eine beispielhafte Anordnung von Sensoren der Hinderniserkennungseinrichtung 33 dargestellt.
Diese umfasst zumindest einen Hinderniserkennungssensor 34 und
zumindest einen Verfolgungssensor 36, die an der Richtungssteuerungseinrichtung 23 vorgesehen
sind. Der Verfolgungssensor 36 ist bevorzugt seitlich zur
Fahrtrichtung ausgerichtet, in welche die Hinderniserkennungssensoren 34 ausgerichtet
sind. Durch die Hinderniserkennungssensoren 34 können sich
auf der Verfahrstrecke befindliche Hindernisse 45 erkannt werden.
Durch den Verfolgungssensor 36 kann ein Entlangfahren an
einem Hindernis 45 angesteuert werden, indem eine Ansteuerung
des mobilen Roboters 11 derart erfolgt, dass bevorzugt
ein gleichbleibender Abstand während
dem Entlangfahren an dem Hindernis 45 erzielt wird.
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Die
vorbeschriebene Ausführungsform
des mobilen Roboters 11 gemäß den 1 bis 6 stellt
eine erste Ausführungsform
dar, durch welche eine kleine und flachbauende mobile Einrichtung zum
Transport von Gegenständen
geschaffen wird, die kostengünstig
herstellbar ist und eine einfache Zielpunktnavigation mit einer
kostengünstigen
Sensorik ermöglicht.
Ausgehend von diesem mobilen Roboter 11 wird nachfolgend
anhand der 7 die Steuerung des mobilen
Roboters 11 auf einen neuen Zielpunkt gemäß 7 und
eine Hindernisumfahrung gemäß 8 dargestellt.
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Der
mobile Roboter 11 befindet sich bspw. auf einer begrenzten
Fläche 47,
insbesondere einer Tischplatte. Die Antriebselemente 16,
insbesondere die Radachse der Räder 17,
sind rechtwinklig zur Fahrtrichtung ausgerichtet, welche bspw. durch
einen Pfeil 48 dargestellt ist. Von diesem Startpunkt 49 soll
der mobile Roboter 11 eine Verfahrbewegung zum Zielpunkt 51 durchführen, wobei
der Zielpunkt 51 außerhalb
der Fahrtrichtung der Antriebselemente am Startpunkt 49 gemäß Pfeil 48 liegt.
Zur Einstellung der Fahrtrichtung am mobilen Roboter 11 wird die
Richtungssteuerungseinrichtung 23 gedreht, so dass die
Fahrtrichtung gemäß Pfeil 48 zum
Zielpunkt 51 weist. Hierzu ist bevorzugt auf der Außenhülle 24 zumindest
eine Ausrichthilfe oder eine Anvisierungseinrichtung vorgesehen.
Ausgehend von dieser eingestellten Drehbewegung kann die Verfahrbewegung durch
Betätigen
des Startelementes 31 am Bedienfeld 30 oder durch
eine separate Steuereinrichtung zur Ausgabe eines Startsignals erfolgen.
Zwischen dem Start- und Zielpunkt 49, 51 wird
bevorzugt immer eine geradlinige Verfahrstrecke 60 ausgewählt. Ausgehend
hiervon wird nunmehr aufgrund der durch den Verfahrrichtungserkennungssensor
erfassten Drehbewegung der Richtungssteuerungseinrichtung 23 eine
Drehbewegung des Grundkörpers 12 auf
der Stelle im Startpunkt 49 eingeleitet und vorzugsweise
durch einen Encoder am Motor 45 die Radumdrehung odometrisch
erfasst, wodurch somit eine exakte Ausrichtung des Grundkörpers 12 in Fahrtrichtung
der neuen Verfahrstrecke erfolgt. Anschließend bewegt sich der mobile
Roboter 11 auf den Zielpunkt 51 zu. Im Zielpunkt 51 erfolgt
ein Anhalten des mobilen Roboters 11 bspw. dadurch, dass der
Arbeitsraumerkennungssensor 37 die Flächenbegrenzung 46 der
Fläche 47 erkennt.
Des Weiteren kann ein separates Signal durch eine Steuerungseinrichtung
durch den Benutzer gegeben werden, um die Verfahrbewegung stillzusetzen.
Darüber
hinaus kann ein Benutzer den transportierten Gegenstand von der
Ladefläche 26 des
mobilen Roboters 11 entnehmen und dadurch über den
Belastungssensor 27 ein Signal von der Steuerungseinrichtung 18 weitergegeben
werden, dass der Zielpunkt 51 erreicht ist.
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In 8 ist
bspw. eine Hindernisumfahrung dargestellt, welche selbständig von
dem mobilen Roboter 11 vorgenommen wird. Sobald der Hinderniserkennungssensor 34 der
Hinderniserkennungseinrichtung 33 des mobilen Roboters 11 das
Hindernis 45 erkennt, erfolgt eine Drehbewegung des mobilen
Roboters in eine vorbestimmte Drehrichtung, bis ein Verfolgungssensor 36 das
Hindernis 45 erkannt hat und der Hinderniserkennungssensor 34 das
Hindernis 45 nicht mehr kennt. Anschließend erfolgt eine Fahrt parallel
zum Hindernis 45 solange der Verfolgungssensor 36 das
Hindernis 45 erkennt. Bevorzugt wird der Abstand zum Hindernis 45 erfasst
und ein paralleles Verfahren zum Hindernis 45 angesteuert. Sofern
der Verfolgungssensor 36 das Hindernis 45 nicht
mehr erkennt, erfolgt eine erneute Drehung in entgegengesetzter
Erkennungsrichtung zur vorhergehenden Richtung mit gleichzeitiger
Vorwärtsfahrt, bis
der Verfolgungssensor 36 eine weitere Seitenfläche des
Hindernisses 45 erkennt, so dass wiederum diese Seitenfläche verfolgt
werden kann oder dass der Hinderniserkennungssensor 34 eine
weitere Seitenfläche
oder ein weiteres Hindernis 45 erkennt und so die gesamte
Routine neu wiederholt wird, bis der Verfolgungssensor 36 eine
Seitenfläche
wieder erkennt. Diese Routine wird so lange durchgeführt, bis das
Hindernis 45 vollständig
umfahren ist und der Weg der Hindernisumfahrung 61 die
beabsichtigte Verfahrstrecke 60 zum Zielpunkt 51 kreuzt.
Dies wird über
die Odometrie errechnet und festgestellt. Anschließend setzt
der mobile Roboter 11 auf seiner beabsichtigten geradlinigen
Verfahrstrecke seine Fahrt bis zum Zielpunkt 51 fort.
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Diese
vorbeschriebene bevorzugte Ausführungsform
eines mobilen Roboters 11 kann bevorzugt nachfolgend näher beschriebene
weitere Ausgestaltungen umfassen:
Zum autarken Betrieb des
mobilen Roboters 11 kann die Energieversorgung durch Laden
von Akkumulatoren über
eine Ladestation oder direkt über
ein Ladekabel erfolgen.
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Des
Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Ladefläche 26 mit einer Daten-
oder Energieschnittstelle verbunden ist, um bspw. beim Aufnehmen
einer Kaffeekanne auf der Ladefläche 26 eine Warmhaltefunktion
zu erfüllen
oder dass die Ladefläche 26 als
Warmhalteplatte ausgebildet ist, welche bei einer Belastung erwärmt wird.
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Das
Erreichen eines Zielpunktes 51 kann auch dadurch angesteuert
werden, indem bspw. der mobile Roboter 11 eine Einlernfahrt
für einen
bestimmten Zielpunkt 51 durchführt und mit Hilfe der Odometrie
eine Karte der zu befahrenden Fläche 47, insbesondere
in der Größe des Tisches,
erstellt wird. Eine solche Karte kann die Bahnplanung und die Zielpunktfindung
unterstützen.
Des Weiteren kann zusätzlich
vorgesehen sein, dass verschiedentliche Navigationssysteme wie bspw.
GPS oder Galileo eingesetzt werden, um einen definierten Zielpunkt 51 einzugeben,
so dass dadurch der Zielpunkt 51 gezielt angefahren werden
kann.
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Des
Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Erkennung von Hindernissen 45 anstelle über einen
Hinderniserkennungssensor 34, der als Abstandssensor, insbesondere
als Infrarot-, Ultraschallsensor oder mittels Laser arbeitet, über eine RFID-Kennung
erfolgt, indem bspw. einzelne Hindernisse 45 mit RFID-Tags
bzw. -Etiketten versehen sind und von einem RFID-Empfänger am
mobilen Roboter erkannt werden.
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Des
Weiteren kann bevorzugt vorgesehen sein, dass ein selbständiges Verfahren
und Finden einer Ladestation auf einer Fläche 42 vorgesehen
ist. Bspw. kann von der Ladestation ein Sendesignal ausgegeben werden,
um ein automatisches Andocken des mobilen Roboters an der Ladestation
zu ermöglichen.
Gleichzeitig kann eine solche Ladestation bspw. in eine Kaffeemaschine,
Warmhalteplatte oder dergleichen integriert werden.
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Des
Weiteren kann zur Ansteuerung des mobilen Roboters 11 vorgesehen
sein, dass die Kopplung einer Bluetooth-ID eines Handy und eine
Sitzplatznummer an einem Tisch zur Zielfindung vorgesehen sind.
Dabei können
die Sitzplätze
als Koordinaten zur Karte aus der vorgenannten Einlernfahrt hinzugefügt werden,
so dass ein gezieltes Anfahren bestimmter Personen ermöglicht ist.
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Darüber hinaus
kann als weitere Variante vorgesehen sein, dass zusätzliche
Sensorik-Kameras zur Hinderniserkennung und/oder Zielpunkterkennung
verwendet werden. Diese können
auf dem mobilen Roboter 11 zur Decke gerichtet oder an
der Decke vorgesehen sein. Der Roboter 11 kann auch nach
dem Leuchtturmprinzip arbeiten, bei dem mindestens eine Sendestation
als Leuchtturm fungiert, also ein Signal aussendet, welches vom
Roboter detektiert werden kann. Aus den Empfangssignalen kann dann
die aktuelle Position des Roboters 11 berechnet und der
Roboter 11 lokalisiert und verfahren werden. Durch die
absolute Lokalisierung ist ein völlig
autonomes Verfahren ohne Eingriff eines Bedieners bei der Zielpunktvorgabe
möglich.
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Des
Weiteren kann alternativ durch eine Geräuschortung und/oder Geräuschsteuerung
eine einfache Bedienung realisiert werden. Über eine entsprechende Sensorik
wie bspw. Richtmikrophone kann die Herkunft oder Richtung eines
definierten Tonsignals wie bspw. Pfeifen, Klatschen oder gesprochene
Wörter
erkannt werden. Durch die Unterscheidung verschiedener Geräusche ist
es möglich,
unterschiedliche Aktionen auszulösen
und dadurch den mobilen Roboter entsprechend anzusteuern.
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Des
Weiteren kann vorgesehen sein, dass der mobile Roboter 11 eine
Anhängerkupplung
für eine
weitere Transporteinheit aufweist, um beispielsweise Lasten befördern zu
können,
die nicht auf die Ladefläche
passen. Alternativ kann der mobile Roboter 11 auch ohne
Ladefläche
ausgebildet sein, wobei über
eine Anhängerkupplung
eine weitere Transporteinrichtung mit dem mobilen Roboter 11 verbunden wird,
der eine Ladefläche
zum Befördern
von Lasten umfasst.
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Alternativ
kann des Weiteren vorgesehen sein, dass im Bereich der Zielpunktfindung
beziehungsweise des Zielpunktes 51 ein Gegenstand mit einem
RFID als Ziel vorgesehen ist. Darüber hinaus kann über eine
Karte und Bluetooth-ID eine Zielvorgabe gemacht werden.
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Des
Weiteren kann vorgesehen sein, dass ein solcher mobiler Roboter 11 als
Spielzeug eingesetzt wird. Bspw. können durch zufälliges Drehen
des Roboters 11 am Tisch sitzende Personen ausgewählt werden,
welche dann miteinander interagieren müssen. Ebenso ist auch ein Spiel
möglich,
bei dem das Gewicht von Gegenständen
geschätzt
und eine bestimmte Menge von Gegenständen so auf die Ladefläche 26 gelegt
werden muss, dass ein vorgegebenes Gesamtgewicht erreicht wird.
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Zusätzlich kann
ein Sicherheitsmerkmal für den
mobilen Roboter 11 dahingehend gegeben sein, dass ein Hochhebesensor
vorgesehen ist, durch welchen ein Hochheben des Roboters 11 erkannt
und ein vollständiges
Abschalten erzielt wird. Dadurch, dass durch das Hochheben die Lokalisierung
verloren geht, muss die aktuelle Position des Roboters 11 abgespeichert
werden.