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Die Erfindung betrifft einen Reinigungsroboter für Haushaltszwecke mit einem Gehäuse, mit einem schwenkbar aufgehängten Fahrantrieb auf einer Unterseite des Gehäuses, mit einer Steuerungseinrichtung und mit einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Auslenkzustands des Fahrantriebs. Die Erfindung betrifft außerdem ein entsprechendes Steuerungsverfahren.
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Die
US 2004 049 877 A1 beschreibt einen Sicherheitsmechanismus mit Radsensoren zweier Antriebsräder und eines Bugrads und mit einem Schalter als Auslöser des Sicherheitsmechanismus. In einer ausgelenkten Position wird demnach der Schalter betätigt, um den Antrieb der Antriebsräder abzuschalten, um im Falle eines Hochhebens des Roboters eine Verletzung an sich drehenden Rädern auszuschließen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Fahrverhalten eines derartigen Haushaltsroboters zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Haushaltsroboter erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Erfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, im Betrieb eine Mehrzahl an Auslenkzuständen des Fahrantriebs zu erfassen. Die Erfassung einer Mehrzahl an unterschiedlichen Auslenkzuständen erlaubt es der Steuerungseinrichtung, auf unterschiedliche Betriebszustände des Roboters angepasst zu reagieren. Die Erfindung wendet sich also davon ab, nur bei Erreichen oder Überschreiten eines Grenzwerts mit dem Abschalten des Motors zu reagieren. Sie verfolgt vielmehr das Prinzip, unterschiedliche Betriebszustände anhand einer Mehrzahl von Auslenkzuständen zu erfassen und jeweils individuell darauf zu reagieren.
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Ihr gelingt dies durch eine Definition mehrerer Grenzwerte, mit deren Überschreiten jeweils eigene Maßnahmen oder Reaktionen der Steuerungseinrichtung verbunden sind. So lassen sich beispielsweise durch die Definition zweier Grenzwerte drei Betriebssituationen unterscheiden, wonach unterhalb beider Grenzwerte ein Normalbetrieb stattfindet. Dabei kann die Erfassungseinrichtung keine Auslenkung oder Auslenkungen nur unterhalb eines unteren Grenzwerts detektieren, wonach es zum Beispiel beim Überfahren von kleineren Hindernissen zu nur geringen Auslenkungen kommt. Sie können unberücksichtigt bleiben. Lassen sich Auslenkungen zwischen dem unteren und einem oberen Grenzwert erfassen, deutet dies auf mittelmäßige Auslenkungen hin, in der Regel durch größere, aber überwindbare Hindernisse. Sie können beispielsweise hinsichtlich ihrer Anzahl erfasst werden. Eine Auslenkung jenseits des oberen Grenzwerts dagegen kann die Steuereinrichtung als „Drop“ des Fahrantriebs aufgrund eines Hochhebens des Roboters durch den Benutzer oder aufgrund eines Abgrundes wie einer Treppenstufe auffassen und den Motor des Roboters sicherheitshalber sofort abschalten.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Einrichtung als Inkrementalgeber oder als Absolutwertgeber ausgebildet sein und eine Wegstrecke oder einen Winkel erfassen. Der Inkrementalgeber kann grundsätzlich mit Schleifkontakten, fotoelektrisch oder magnetisch ausgebildet sein und evtl. eine Referenzierung erfordern. Der Absolutwertgeber benötigt sie nicht und kann darüber hinaus optisch, induktiv oder kapazitiv arbeiten.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Erfassungseinrichtung dazu ausgebildet sein, im Betrieb eine Winkeländerung an der schwenkbaren Aufhängung des Fahrantriebs zu erfassen. Damit kann eine besonders kompakte Bauweise für die Erfassungseinrichtung erreicht werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann ein Roboter, der mit mehreren Fahrantrieben ausgestattet ist, über jeweils eine Erfassungseinrichtung für jeden Fahrantrieb verfügen. Mit der separaten Erfassung jedes einzelnen Fahrantriebs lassen sich besondere Betriebszustände wie zum Beispiel ein Verkippen des Roboters erfassen. Erfährt zum Beispiel einer von zwei Fahrantrieben eine deutliche Auslenkung, wohingegen der andere Fahrantrieb nicht ausgelegt wird, kann die Steuerungseinrichtung von einem Verkippen um eine Achse in etwa in Fahrtrichtung ausgehen. Mit der Erfassung einer Auslenkung eines weiteren Fahrantriebs kann die Kippachse genauer bestimmt werden. Dadurch erhält die Steuerungseinrichtung eine zusätzliche Information, die zu einer besseren Erfassung des Fahrverhaltens des Roboters führt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Roboter eine Zeiterfassungseinheit umfassen, die der Steuereinrichtung eine Verknüpfung der Werte für die Auslenkzustände aus der Erfassungseinrichtung mit Zeitwerten ermöglicht. Die zeitabhängige Erfassung von Auslenkungen erlaubt grundsätzlich eine genauere Auswertung der Auslenkdaten. Die zeitabhängige Erfassung kann prinzipiell absolut erfolgen, womit beispielsweise Zeitpunkte für das Auftreten von Hindernissen bezogen auf den Beginn einer Arbeitsfahrt erfasst werden können. Eine relative zeitabhängige Erfassung kann zur Ermittlung von Auslenkgeschwindigkeiten in der Art von linearen oder nichtlinearen Zeit-Werte-Funktionen erfolgen. Über die Auslenkgeschwindigkeit lässt sich zum Beispiel die Höhe von überwundenen Hindernissen erfassen. Die Auswertung und der Vergleich der Funktionen können dazu beitragen, dass die Steuereinrichtung Situationen, in denen der Roboter hochgehoben wird, besser von jenen unterscheiden kann, in denen der Roboter lediglich ein Hindernis überwindet.
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Außerdem lassen sich die Daten mehrere Erfassungseinrichtungen miteinander verknüpfen und gemeinsam auswerten. Werden mehrere Fahrantriebe zum Beispiel mit einem gleichen Zeit-Werte-Verlauf und um einen gleichen großen Winkel ausgelenkt, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass der Roboter durch den Benutzer hochgehoben wurde.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann ein Roboter, der über einen Navigationssensor zur Orientierung im Raum verfügt, dazu ausgebildet sein, dass die Steuerungseinrichtung die Daten zumindest der Erfassungseinrichtung mit den Ortsinformationen des Navigationssensors verknüpft. Damit wird die Steuerungseinrichtung in die Lage versetzt, eine Art Karte zu erstellen oder eine vorhandene Karte zumindest um die Ortsinformationen und die Informationen der Erfassungseinrichtung zu ergänzen. Die Karte und die darin enthaltenen Informationen können in einem abrufbaren Speicher hinterlegt sein, um dem Benutzer zusätzliche Informationen zu den Hindernissen oder um der Steuerungseinrichtung Informationen für zukünftige Betriebsfahrten zur Verfügung zu stellen. Damit erhält die Steuerungseinrichtung die Möglichkeit, Betriebsfahrten beispielsweise unter Berücksichtigung eines Akku-Ladezustands zu optimieren.
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Noch detailliertere Informationen lassen sich unter gleichzeitigem Einbeziehen der Informationen der Zeiterfassungseinheit in der Karte ablegen. Mit ihrer Hilfe lässt sich beispielsweise nicht nur der Ort, sondern auch die Größe von Hindernissen abspeichern. Unter Berücksichtigung des für ihre Überwindung erforderlichen Energieaufwandes beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung Betriebsfahrten des Roboters optimieren. Die Erfassung und gemeinsame Auswertung der Daten der Erfassungseinrichtung, der Zeiterfassungseinheit und des Navigationssensors erlaubt es der Streuungseinrichtung jedenfalls, das Fahrverhalten des Roboters insbesondere über Hindernisse zu verbessern und ein Stehenbleiben des Roboters aufgrund einer Sensorfehlauslösung zu vermeiden.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur Steuerung eines Roboters für Haushaltszwecke mit einem Gehäuse, mit zumindest einem schwenkbar aufgehängten Fahrantrieb auf einer Unterseite des Gehäuses, mit einer Steuereinrichtung und mit einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Auslenkzustands des Fahrantriebs gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
- a) Erfassen eines Werts für eine Auslenkung des Fahrantriebs,
- b) Vergleich des erfassten Werts mit einem ersten Grenzwert und mit mindestens einem zweiten Grenzwert,
- c) Ansteuerung des Roboters in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs für das Überschreiten keines Grenzwerts, nur des ersten Grenzwerts oder beider Grenzwerte.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist also in der Lage, während derselben Auslenkbewegung des Fahrantriebs mehrere Werte zu erfassen und jeden Wert mit mehr als einem Grenzwert zu vergleichen. Damit gelingt es der Erfindung, auf unterschiedliche Auslenkzustände individuell zu reagieren, womit sich das Fahrverhalten und der Betrieb des Roboters verbessern lassen.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in Schritt a) zusätzlich zum Erfassen eines Werts eine parallel dazu verlaufende Zeiterfassung erfolgen. Für jede Auslenkung können folglich mehrere Werte über die Zeit erfasst werden und daraus eine Zeit-Werte-Funktion gebildet werden. Sie kann eine Auswertung beispielsweise hinsichtlich der Auslenkgeschwindigkeit, aber auch einen Vergleich mit anderen, parallel ablaufenden Auslenkungen anderer Fahrantriebe und/oder mit früheren Auslenkungen desselben Fahrantriebs erlauben. Damit bietet sich eine Vielzahl an Möglichkeiten für Auswertungen und Konsequenzen daraus für die Steuerungseinrichtung.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in Schritt a) zusätzlich eine Ortsdatenerfassung, anschließend eine Verknüpfung der Ortsdaten mit den erfassten Werten und eine Speicherung der erfassten und verknüpften Daten in einem abrufbaren Datenspeicher ablaufen. Die Ortsdaten können gemeinsam mit Zeitdaten oder ohne sie erfasst und abgespeichert werden. Eine Verknüpfung jedenfalls mit den Daten für eine Auslenkung zumindest eines Fahrantriebs kann in einer Art Karte als Speicher oder in einer bereits vorhandenen Umgebungskarte für einen späteren Zugriff abgelegt werden. Zusammen mit einer Auswertung der Zeitdaten können - wie oben beschrieben - Informationen beispielsweise über die Höhe von Hindernissen erfasst und mit Ortsdaten verknüpft und für einen späteren Zugriff zum Beispiel zur Fahrtroutenoptimierung abgelegt werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Daten mehrerer Fahrantriebe gleichzeitig erfasst und gemeinsam ausgewertet und ggf. abgelegt werden. Eine parallele Auswertung erlaubt genauere Rückschlüsse auf einen Bewegungsablauf des Roboters, weil aus gleichartigen Auslenkungen mehrerer Fahrantriebe beispielsweise auf ein benutzerseitiges Anheben, aus unterschiedlichen Auslenkungen dagegen etwa auf ein Kippen des Roboters geschlossen werden kann. Auch diese Informationen können zu einem besseren Fahrverhalten und Betrieb des Roboters beitragen.
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Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1: eine Prinzipdarstellung eines schwenkbaren Fahrantriebs,
- 2: lineare Funktionen einer Zeit-Werte-Verknüpfung, und
- 3: ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 stellt eine stark schematisierte Prinzipdarstellung eines schwenkbaren Fahrantriebs 10 eines Haushaltsroboters dar: Er setzt sich aus einem Antriebsrad 1, dessen Antrieb nicht dargestellt ist, und einer Schwinge 2 zusammen, die an einer hinteren Achse 3 an einem nicht dargestellten Gehäuse des Roboters schwenkbar gelagert ist. Die Schwinge 2 erfährt bereits eine Auslenkung um den Winkel φ gegenüber der Waagerechten bzw. gegenüber dem Untergrund 4. Im Bereich der hinteren Achse 3 ist ein winkelerfassender Sensor 5 als Erfassungseinrichtung angeordnet, zum Beispiel ein Encoder oder Potentiometer. Er erfasst die Auslenkung der Schwinge 2 um den Winkel φ und meldet den erfassten Wert an die Steuerungseinrichtung des Roboters weiter.
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In 2 sind zwei lineare Funktionen einer Zeit-Werte-Verknüpfung grafisch dargestellt. Die Abszisse stellt die Zeitachse dar, die Ordinate gibt die Auslenkung φ des Fahrantriebs 10 an. Zusammen mit einer Zeiterfassungseinheit kann die Steuerungseinrichtung die ihr vom Sensor 5 gemeldeten Werte in eine Zeit-Werte-Funktion überführen, deren Graph der Einfachheit halber linear dargestellt ist. So liefern die erfassten Werte für eine erste Auslenkbewegung der Schwinge 2 die Gerade a, diejenigen einer zweiten Auslenkbewegung die Gerade b.
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In der Steuerungseinrichtung sind zwei Grenzwerte φ1, φ2 hinterlegt, die im Graphen der 2 wiedergegeben sind. Eine Auslenkung φ bis zum Grenzwert φ1 bedeutet eine minimale Auslenkung des Fahrantriebs 10, während er beispielsweise ein kleines Hindernis wie eine flache Türschwelle überwindet. Eine Auslenkung φ zwischen den Grenzwerten φ1 und φ2 wird als eine mittelmäßige Auslenkung angesehen, die beispielsweise durch die Überwindung eines größeren Hindernisses wie einer hohen Teppichkante hervorgerufen wird. Jenseits des Grenzwerts φ2 ist der Fahrantrieb 10 maximal ausgelenkt, gleichbedeutend mit einem „Drop“ bzw. dem Verlust des Kontakts zwischen dem Antriebsrad 1 und dem Untergrund 4.
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Demnach liegt die Gerade a über dem ersten Grenzwert φ1. Die Steuerungseinrichtung registriert die Auslenkung an sich, verknüpft sie ggf. mit Ortsinformationen eines Navigationssensors und legt sie in einer elektronischen Karte ab, die sie aus weiteren Daten des Navigationssensors generiert. Die Steigung der Gerade a dient der Steuerungseinrichtung zudem als Maß für die Höhe des Hindernisses, aus der sich wiederum ein Energieaufwand für die Überwindung des Hindernisses ableiten lässt. Auch diese Information lässt sich in der Karte ablegen und für zukünftige Betriebsfahrten des Roboters nutzen, beispielsweise um sie hinsichtlich des Energieverbrauchs zu optimieren.
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Die Gerade b dagegen liegt oberhalb des Grenzwerts φ2. Die starke Steigung der Geraden b, die einer schnellen Auslenkung des Fahrantriebs 10 entspricht, lässt ein benutzerseitiges Anheben des Roboters vermuten. Aus Sicherheitsgründen schaltet die Steuerungseinrichtung den Antrieb des Antriebsrads 1 daher aus.
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3 zeigt das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Blockdiagramm. Demnach wird in einem ersten Schritt A ein Wert für eine Auslenkung des Fahrantriebs 10 erfasst. Ohne die gleichzeitige Erfassung von Zeitdaten kann der Wert der maximale Wert der aktuellen Auslenkung sein. Er wird an die Steuerungseinrichtung weitergeleitet. Dort erfolgt in einem Schritt B) ein Vergleich des erfassten Werts mit dem obigen, ersten Grenzwert φ1 und mit mindestens einem zweiten Grenzwert, dem obigen Grenzwert φ2. Je nachdem, wie der Vergleich ausfällt, steuert die Steuerungseinrichtung in einem Schritt C) den Roboter an. Ohne Überschreiten eines Grenzwerts gemäß D1) erfolgt bestenfalls eine Registrierung von Ortsinformationen. Bei Überschreiten nur des ersten Grenzwerts φ1 nach D2) erfolgt eine Registrierung von Orts- und ggf. Zeitinformationen. Werden Zeitdaten erfasst, werden die Werte der Auslenkung auch hinsichtlich des Betrags der vorliegenden maximalen Auslenkung ausgewertet und erfasst. Bei Überschreiten beider Grenzwerte φ1, φ2 gemäß D3) schaltet die Steuerungseinrichtung aus Sicherheitsgründen zumindest den Fahrantrieb 10 ab.
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Da es sich bei dem beschriebenen Fahrantrieb und dem Verfahren zur Steuerung eines Haushaltsroboters um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können die konkrete Ausgestaltung des winkelerfassenden Sensors und die Definition der Grenzwerte in anderer Form als in der hier beschriebenen erfolgen. Ebenso kann der Fahrantrieb an sich in einer anderen Form ausgestaltet werden, wenn dies aus Platzgründen bzw. gestalterischen Gründen notwendig ist. Außerdem lässt sich die Erfindung auch auf Roboter für den Außenbereich wie beispielsweise Mähroboter anwenden. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrmals oder mehrfach vorhanden sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsrad
- 2
- Schwinge
- 3
- hintere Achse
- 4
- Untergrund
- 5
- Sensor
- 10
- Fahrantrieb
- a
- erste Gerade
- b
- zweite Gerade
- φ
- Auslenkungswinkel
- φ1
- unterer Grenzwert
- φ2
- oberer Grenzwert
- A... D
- Verfahrensschritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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