DE19614916A1

DE19614916A1 - Fahrroboter für die automatische Behandlung von Bodenflächen

Info

Publication number: DE19614916A1
Application number: DE19614916A
Authority: DE
Inventors: Detlef Raupach
Original assignee: Individual
Current assignee: Raupach Detlef 10439 Berlin De
Priority date: 1996-04-16
Filing date: 1996-04-16
Publication date: 1997-11-06

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fahr- und Arbeitsroboter für die Säuberung von Bodenflä chen in geschlossenen Räumen oder für die Bearbeitung von Bodenflächen, die begrenzt sind, der sich selbständig, daß heißt ohne direkte Einflußnahme des Menschen, ohne Lernphase und ohne Leiteinrichtungen in den Räumen oder auf den Flächen, orientiert und auf Hindernisse reagiert. Geräte zur Fußbodenreinigung in geschlossenen Räumen werden heute noch üblicherweise mit der Hand über die zu bearbeitende Fläche bewegt. Der Zeitaufwand und der Aufwand an Arbeits kraft ist entsprechend hoch.

Es gibt Reinigungsgeräte wie Staubsauger und Kehrmaschinen, die einige der Arbeitsvorgänge mechanisch oder mit Motorkraft erledigen. Daneben gibt es unterstützende Gestelle für mechani sierte Reinigungsgeräte (Reinigungsmaschinen), die die Reinigungsgeräte aufnehmen und als Fahrgestell für diese Geräte während des Arbeitsvorganges dienen. Auch hier sind Personen notwendig, die diese Geräte bedienen und über die zu bearbeitende Fläche führen. Hierbei werden vorzugsweise große Flächen mit diesen Maschinen gereinigt. Und je größer die Flächen sind, um so größer sind auch die Maschinen. Auch wenn einige Arbeiten durch Motorkraft unterstützt werden und somit die Muskelarbeit verringert werden kann, ist immer Personal zur Führung dieser Maschinen erforderlich.

Des weiteren sind Maschinen bekannt, die durch das sogenannte Touch-in Verfahren die Bewegungsabläufe über die zu bearbeitende Fläche erlernen und bei den folgenden Abläufen selbst ausführen. Die Bewegungsabläufe werden nach dem Erlernen gespeichert und können bei Erforderlichkeit durch die Maschine aufgerufen und wiederholt werden. Diese Maschine benötigt zum Erlernen der Bewegung über den Boden eine mindestens einmalige Führung (Anleitung) und kann bei späteren Abläufen nicht auf Veränderungen, wie Hindernisse, die beim Erlernen des Ablaufs noch nicht vorhanden waren, reagieren. Es benötigt also entweder immer gleichbleibende Bedingungen (Räume) oder eine Aufsichtsperson. Beim Einsatz in einem neuen Raum ist die Lernphase von neuem zu durchlaufen. Es gibt weiterhin Überlegungen, diese Geräte durch Sensoren auf Hindernisse reagieren zu lassen. Es ist aber bisher nicht beschrieben, wie das erfol gen soll und welcher Art die Reaktion ist.

Es sind selbsttätige Maschinen bekannt, die feststehend unabhängig von der Aufsicht durch den Menschen bestimmte festgelegte Aufgaben erfüllen. Diese Aufgabe kann die Bearbeitung eines Werkstücks sein oder der Transport oder andere Aufgaben. Diese werden Roboter benannt, die durch einen Algorithmus, der Soft- und Hardwaremäßig gespeichert ist, gesteuert werden. Im Algorithmus ist ein bestimmter Arbeitsablauf festgelegt, der durch bestimmt äußere Faktoren, die über Sensoren aufgenommen werden, teilweise beeinflußbar sind. Ein Reagieren auf äußere Faktoren ist im begrenztem Maße, nämlich soweit er im Algorithmus vorgesehen ist, möglich. Daneben sind Maschinen bekannt, die zur Erkennung von Eigenschaften, zum Messen von Eigenschaften und zum Auswerten von Eigenschaften eingesetzt werden.

Es sind Transportroboter bekannt, die sich auf feststehenden Bahnen bewegen. Die fest- stehen den Bahnen werden durch Leiteinrichtungen verschiedenster Art oder durch gespeicherte Weg- und Richtungsinformationen (festgelegte Route) bestimmt. Es gibt inzwischen Roboter, die auf unerwartete Hindernisse in der Bewegungsrichtung durch Ausweichen oder Unterbrechung der eigenen Bewegung reagieren. Die Reaktion ist begrenzt durch die fehlende Information über das Hindernis und den Raum.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fahr- und Arbeitsroboter zu schaffen, der die Bodenreinigung in mittleren und großen Räumen wie Büros, Gänge, Flure, Märkte und dgl. und auch die Bodenbearbeitung, z. B. Rasen mähen auf einer begrenzten Fläche erleichtert, automati siert und ohne direkte Einflußnahme durch den Menschen vollführt. Dabei werden vom Menschen Grundparameter, wie z. B. die Arbeitszeit oder bei natürlichen unbegrenzten Flächen eine Flächenbegrenzung vorgegeben und im folgenden dann nur noch die Ausführung der Arbei ten zyklisch kontrolliert bzw. Verbrauchsmaterialien nachgefüllt und Rückstände des Prozesses aus der Maschine entfernt. Bewegungsablauf und Arbeitsablauf werden durch die Maschine entsprechend der vorgefundenen und durch Sensoren erfaßte äußere Bedingungen selbst entschieden. Es ist eine Maschine der neuesten Generation.

Die Erfindung geht von einem integriertem System aus Fahrgestell, Antrieb, Gehäuse, Arbeits maschine, in diesem Fall Bodenreinigungsmaschine, Sensoren zur Umgebungserfassung, Steuercomputer zur Auswertung der von den Sensoren erfaßten Außenbedingungen, der Entscheidungsfindung zum weiteren Vorgehen durch Schaffung eines Raum- bzw. Flächenmo dells und der Steuerung der Antriebs sowohl in der Richtung als auch in der Geschwindigkeit und der Steuerung der Reinigungsmaschine sowohl in der Behandlungsart als auch in der Bearbei tungszeit (Dauer, Intensität). Die Erfassung und Auswertung und Steuerung erfolgt in Echtzeit, d. h. während der Bewegung. Ein Programm, das auf EPROMS gespeichert ist, beinhaltet des Steueralgorithmus und koordiniert die Abläufe.

Beschreibung der Funktionsweise

Bildaufnahme und Verarbeitung: Durch zwei auf der Oberseite des Gehäuses drehbar um die vertikale Achse gelagert angebrachten Video- oder Matrixkameras wird je ein Bild des umgebe nen Raumes aufgenommen. Die aufgenommenen Bilder werden in einem Analog-Digital-Wand ler in digitale Signal umgewandelt und für die Weiterverarbeitung zwischengespeichert. Die Kameras werden, entsprechend einem vorgegebenen Schema, immer um die vertikale Achse in Winkelschritten weitergedreht und nehmen in der jeweils nächsten Stellung je ein Bild auf, so daß der gesamte umgebende Raum in Paaren von jeweils zwei Bildern erfaßt wird. Der Rechner ( Computer), der für die Bildbearbeitung zuständig ist (Bildrechner) holt sich entsprechend seinem Verarbeitungszyklus die Daten aus einem Zwischenspeicher und verarbeitet sie in folgend beschriebener Weise. Die Bearbeitung wird durch Software (Programm) gesteuert.

- Der Kontrast des Bildes wird erhöht.
- Ein Filter glättet die Farbbereiche (Graustufen)
- Die Farbstufen des Bildes werden reduziert
- Die Konturen werden verstärkt, die Kanten hervorgehoben.
- Die Farbstufen werden weiter reduziert.
- Die Kanten werden auf Linien reduziert und die Vektoren der Linien errechnet.

Es entstehen Datenmengen, die nur noch Informationen über die Kanten und Linien der aufge nommenen Bilder enthalten.

In der nächsten Stufe der Bearbeitung werden die Informationen der getrennt aufgenommen Bilder miteinander verglichen. Dabei werden die Abstände der Objektlinien zur optischen Achse des Bildes ermittelt. Durch den unterschiedlichen Aufnahmewinkel der Kameras bedingt haben gleiche Objektlinien auf den Bildern des Paares jeweils unterschiedliche Abstände zur optischen Achse (Parralaxe). Die Differenzen der Abstände hängen vom jeweiligen Abstand der Objektlinie vom Aufnahmepunkt ab. Über die Methode der Triangulation wird der Abstand der Objektlinie vom Aufnahmepunkt berechnet.

Aus den ermittelten Daten wird ein Modell des Raumes berechnet, in dem die Abstände der jeweiligen Objekte vom Aufnahmepunkt enthalten sind.

Der gesamte Vorgang von der Aufnahme der Bilder bis zur Berechnung des Raummodells wird ständig wiederholt, so daß zu jedem Zeitpunkt alle verfügbaren Informationen in das Raummo dell einfließen.

Das neu errechnete Raummodell wird jeweils mit dem vorhandenen Raummodell verglichen. Die Richtigkeit des Modells wird überprüft, das Modell durch neue Informationen ergänzt.

Nahbereichssensoren: An allen vier Seiten sind Sensoren zur Aufnahme von Informationen aus dem Nahbereich des Roboters vorhanden. Diese sind einmal als Infrarotsensoren mit Sender und Empfänger und einmal als Ultraschallsensoren mit Sender und Empfänger ausgebildet. Über beide Arten werden modulierte Signale ausgesendet und empfangen um Informationen über sich im Nahbereich (ca. 60 cm) befindliche feststehende oder sich bewegende Objekte zu erlangen. Dabei wird keine Information über die Entfernung erlangt. Die aufgenommenen Signale werden in einer Zwischenstufe ausgewertet, derart, daß nur Signalinformationen über Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Objekten im Nahbereich an den Zentralrechner weitergeleitet werden. Im Zentralrechner werden die Informationen mit dem Raummodell verglichen. Eine Nichtüber einstimmung löst eine sofortige Korrektur des Fahrmusters des Roboters aus.

Zentralrechner: Im Zentralen Rechner werden die Steuerinformationen vorbereitet. Über Software (Programm) wird aus den erhaltenden Daten des Raummodells, der Nahbereichs sensoren, der Streckensensoren, der Bearbeitungssensoren eine Fahr- und Bearbeitungs- strecke errechnet. Dabei werden die gefahrene, die bearbeitete Strecke, die Hindernisse (Objekte), der Zustand des Bodens, usw. berücksichtigt. Aus der errechneten Fahrstrecke, die jeweils nach Neuerrechnung des Raummodells neu bestimmt wird, werden die Steuerinformationen für die Fahrmotoren, die Stellmotoren und die Bearbeitungsmaschine errechnet. Die Steuerinformationen werden über Verstärker an die jeweiligen Aggregate weitergegeben.

Bearbeitungseinheit: Die Bearbeitungseinheit, in diesem Falle ein Bodensäuberungsgerät, besteht aus einem Vorratsbehälter für Rückstände (Schmutz), einem Vorratsbehälter für Wasser und Chemikalien, dem Gebläse und dem Bürstenteil. Der Bürstenteil ist am Gehäuse befestigt und bewegt sich auf Rollen über den Boden. Über einen Kanal können bei Bedarf Wasser und Chemikalien auf den Boden aufgebracht werden. Über einen anderen Kanal werden durch Erzeu gen eines Unterdrucks Schmutz und eventuell die aufgebrachte Emulsion über das Gebläse in das Innere des Vorratsbehälters befördert. Im Bürstenteil sind Sensoren untergebracht, die über den Zustand des Bodens Informationen (Albedo, Dichte, usw.) erlangen. Im Auffangbehälter und im Saugkanal sind weiterhin Sensoren angeordnet, die Informationen über das beförderte Material (Dichte) und über die Füllungsstände in den Behältern erlangen.

Energieversorgung: Die gesamte benötigte Energie für die Antriebe und Steuerorgane und die Rechner wird von einem oder mehreren im Gehäuse integrierten Akkumulatoren bereitgestellt. Über Indikatoren wird der Ladezustand der Akkumulatoren an der Außenseite des Gehäuses dargestellt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert

1. In einem gemeinsamen Gehäuse sind Steuereinheit, Akkumulatoren, Gebläsemotor mit Geblä se, Schmutz- und Wasserbehälter, Bearbeitungseinrichtung, Bedieneinrichtungen, Steuer- und Fahreinrichtungen untergebracht. Oberhalb des Gehäuses, aber drehbar um die vertikale Achse mit ihm verbunden befindet sich ein Gehäuse - Kameradom - in dem zwei Videokameras unter gebracht sind.
2. Es sind vier Räder, die als Laufrollen auf Gummi ausgebildet sind, an vier gleichmäßigen Punkten unterhalb der Grundplatte angebracht. Die Räder sind in einer Gabel befestigt, die wiederum um die vertikale Achse drehbar an der Grundplatte befestigt sind.
An den Rädern befinden sich Sensoren (Reflexlichtschranken), die die Umdrehung des Rades messen. Am oberen Ende der Gabel, in der das jeweilige Rad aufgehängt ist, befindet sich eine Scheibe, die als Hebel dient um die Kräfte vom Servo aufzunehmen und in eine Drehbewegung der Radgabel um die vertikale Achse umzuwandeln.
3. Die Räder werden einzeln über Motoren mit Untersetzungsgetriebe und Kraftübertragung über Zahnriemen angetrieben. Die Motoren und die Getriebe sind jeweils unmittelbar an der Gabel, die die Radaufhängung darstellt, befestigt.
4. Die Drehung der Räder um die vertikale Achse verursacht beim Fahren eine Richtungsände rung. Die vertikale Drehung wird erreicht durch die Verbindung der an der Radgabel oben befestigten Raddrehscheibe, die über Gestänge mit dem Stellmotor - Servo - verbunden sind. Es sind jeweils paarweise zwei Raddrehscheiben mit einem Servo verbunden.
5. Auf der Grundplatte sind Akkumulatoren untergebracht, die die Strom- und Spannungsversor gung für den Antrieb, die Arbeitseinrichtung, die Steuerung und sonstige elektrische Bauteile sicherstellt.
6. an der Unterseite der Grundplatte ist die Bürste angeordnet. Sie ist in vertikaler Richtung verschiebbar gelagert, so daß sie sich den Unebenheiten des Untergrundes in der Höhe anpassen kann. An der Bürste sind verschiedene Sensoren angebracht, die Daten über die Beschaffenheit des Untergrundes aufnehmen.
7. Die Bürste hat über Rollen direkten Kontakt mit dem Untergrund. In ihr ist eine Saugkanal und ein wasserführender Kanal untergebracht. Über den Wasserkanal werden Wasser bzw. Chemika lien auf den Untergrund aufgebracht, über den Saugkanal werden Substanzen, die sich auf dem Untergrund befinden in das Innere der Anlage gesaugt. Die Kanäle sind so ausgelegt, daß sie die gesamte Breite des Bürstenteil überdecken.
8. An der Grundplatte ist ein Wasserbehälter für die Bevorratung mit Wasser und/oder Chemika lien angebracht. An der Grundplatte ist weiterhin ein Behälter angebracht, der den angesaugten Schmutz sammelt. Ein Teil dieses Behälters ist mit einer Vorrichtung zum Trennen einzelner Elemente der angesaugten Emulsion ausgelegt.
9. Von der Bürste zum Auffangbehälter führt ein Saugkanal. In diesem Saugkanal befindet sich ein Gebläse, das von einem Gebläsemotor angetrieben wird. Über den Saugkanal gelangt die angesaugte Luft, der angesaugte Staub und/oder die Emulsion aus Schmutz und Wasser in den Auffangbehälter. Ein Teil des Auffangbehälters ist herausnehmbar, so daß der Schmutz bei Bedarf aus der Maschine entfernt werden kann.
10. Das Gebläse ist als Radialgebläse ausgelegt und unmittelbar im Saugkanal angeordnet. Der Gebläsemotor bekommt Signale zum Ein- und Ausschalten sowie über Drehzahlen von der Steuereinheit.
11. Auf der Maschine ist ein Gehäuse angeordnet, in dem sich zwei Videokameras befinden. Die Kameras sind so angeordnet, daß die Optischen Achsen parallel zueinander verlaufen, der horizontale Abstand zwischen den Achsen ist 12 cm, einen vertikalen Abstand zwischen den optischen Achsen gibt es nicht.
12. Das Kameragehäuse ist im Abstand zur oberen Begrenzung des Maschinengehäuses angeord net, so daß die optische Sicht der Kameras bis 0,8 m vor die Maschine reicht. Das Kameragehäuse ist drehbar um die vertikale Achse angebracht. Es wird von einem Schrittmotor, der sich im Maschinengehäuse befindet, um die vertikale Achse gedreht. Die Steuerinformationen zum Drehen bekommt der Motor von der zentralen Steuercomputer.
13. Ebenfalls im Gehäuse befindet sich ein Wandler für die Aufbereitung der Videosignale. Hier werden die von den Kameras kommenden Signale in digitale Signale umgewandelt und bei Bedarf zwischengespeichert.
14. An der Oberseite des Maschinengehäuses, verdeckt durch eine Abdeckung sind Bedienein richtungen untergebracht, die verschieden Einstellungen und Kontrollfunktionen erfüllen.
15. Die zentrale Steuereinheit befindet sich im Gehäuse und besteht aus einem Mikrocomputer mit Festwertspeicher (EPROM), flüchtigem Speicher (RAM), Recheneinheit und Interface-Bau gruppen für ein und ausgehende Signale. In die zentrale Steuereinheit gelange Signale von den äußeren Sensoren, den Videokameras, den Sensoren an der Bürste, den Innenseiten des Saugka nals und des Auftangbehälters, den Radsensoren und Eingaben über die Bedieneinrichtung.
16. Im Steuerrechner werden die Bilddaten der beiden Kameras, inzwischen digitalisiert, mitein ander verglichen. Über ein Programm werden aus den Bilddaten die Parallaxen zu den von den Kameras aufgenommenen Objekten errechnet. Daraus wird der Abstand der Objekte zur Maschine errechnet und es werden Raumkoordinaten in einem Koordinatensystem gebildet. Es entsteht aus den Daten ein Raummodell. Entsprechend des entstandenen Raummodells wird nach einem Algorithmus die Fahrstrecke und die Bearbeitungsstrecke berechnet. Der Algorithmus berücksichtigt bei der Optimierung der Fahrstrecke neben den den Ausmaßen der Fläche auch Hindernisse und schon bearbeitete Flächen. Die gewonnenen Daten werden in Steuerbefehle umgesetzt und an die einzelnen Steuerorgane weitergegeben.
20. Jeweils an der Außenseite des Gehäuses, im unteren Bereich, zwei an jeder Gehäuseseite sind Schall und Infrarotsender- und -empfänger angeordnet.
21. Die Schallsensoren und die Infrarotsensoren nehmen feststehende und bewegliche Hinder nisse in der unmittelbaren Umgebung wahr. Durch vergleichende Messung der Laufzeiten kann eine annähernde Ortsbestimmung als auch eine annähernde Bewegungsbestimmung der Hinder nisse erreicht werden. Die Ergebnisse der Messungen werden an die zentrale Steuereinheit weitergegeben.
22. Die Ergebnisse der Nahbereichssensoren werden zur Entscheidungsfindung bei der Optimie rung des Fahrweges nicht herangezogen, aber bei Differenzen zwischen dem optisch erreichtem Raumbild und dem Ergebnis der Nahbereichssensoren wird vom Steuerrechner das Raumbild überprüft, um zum Beispiel Kollisionen mit sich bewegenden Gegenständen oder Lebewesen auszuschließen.

Durch verschiedene Elemente, die hier nicht näher beschrieben sind, wird ein reibungsloses bedienerloses Arbeiten der Maschine gewährleist. So sind Elemente vorgesehen, die den Ausfall der Maschine wegen Verstopfung des Saugkanals (z. B. zu großes Papierstück angesaugt) oder des Ausfalls wegen Überfüllung des Restebehälters verhindern.

Ebensowenig beschrieben sind die Elemente, die die Maschine in Grenzfällen oder gefährlichen Situationen für die Menschen oder die Umgebung, abschalten.

Claims

1. Fahr- und Arbeitsroboter für die Bearbeitung von Böden, vorzugsweise die Reinigung von Fußböden in geschlossenen Räumen, dadurch gekennzeichnet, daß er sich selbständig in den Räumen orientiert und selbständig an Hand eines in dem im gemeinsamen Gehäuse unterge brachtem Computer gespeicherten Algorithmus Entscheidungen über Fahrweg und Bearbeitungs intensität und -abfolge trifft.

2. Fahr- und Arbeitsroboter nach Anspruch unter 1, der sich ohne direkte Einflußnahme des Menschen und ohne vorgegebene Fahrstrecke und ohne Lernphase selbständig über eine zu bearbeitende Fläche bewegt und diese bearbeitet, z. B. reinigt.

3. Fahr- und Arbeitsroboter nach dem Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß Meßsenso ren im weitesten Sinne vorgesehen sind, die die Bedingungen des Raumes, seine Ausdehnung, um den Fahrroboter herum erfassen und die Daten an einen Zentralen Steuercomputer wie unter 1. genannt weitergeben.

4. Fahr- und Arbeitsroboter nach Anspruch unter 1, der dadurch gekennzeichnet ist, daß ein oder mehrere Antriebsorgane die Laufräder antreiben.

5. Fahr- und Arbeitsroboter nach 1, bei dem ein oder mehrere Laufräder um die vertikale Achse beweglich aufgehangen sind und über Stellmotoren in der vertikalen Achse verstellt werden können, so daß eine Richtungsänderung möglich wird. An den Rädern sind Meßsensoren, z. B. Reflexlichtschranken, angebracht, die die Bewegung des Rades messen und die Signale zur Auswertung an die zentrale Steuereinheit weitergeben.

6. Fahr- und Arbeitsroboter nach Anspruch 1-2, bei dem die Bodenreinigungsmaschine oder Bodenbearbeitungsmaschine im Gehäuse integriert ist und in ihrer Arbeit mit vom Zentralcom puter nach einem Entscheidungsalgorithmus, der Hard- oder softwaremäßig gespeichert ist, gesteuert wird.

7. Fahr- und Arbeitsroboter nach dem Anspruch 1-6, der dadurch gekennzeichnet ist, daß aus von Meßsensoren aufgenommene Daten ein Abbild (Modell) des umgebenden Raumes in einem Computer erstellt wird und aus dem Modell durch im Computer gespeicherte Algorithmen ein optimaler und gleichzeitig die Fläche abdeckender Fahrweg errechnet wird.

8. Fahr- und Arbeitsroboter nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren, welche an den Außenseiten des Gehäuses angeordnet sind, zusätzlich die unmittelbare Umgebung erfassen und damit das Ergebnisse der Optischen Sensoren kontrolliert und ergänzt wird.

9. Fahr- und Arbeitsroboter, der unabhängig vom stationären Strom/Spannungsversorgungen ist. Zur Energieversorgung dienen Akkumulatoren, die im gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.

10. Fahr- und Arbeitsroboter nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die aufgenommenen Daten im Zentralcomputer ständig das Modell des Raumes aktualisiert wird.

11. Fahr- und Arbeitsroboter nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz der integrierten Bearbeitungsmaschine durch den zentralen Computer gesteuert wird.

12. Fahr- und Arbeitsroboter nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren die Untergrundbeschaffenheit erfassen und die gewonnenen Daten Einfluß auf die Regelung der Bearbeitung und der Fahrstrecke haben können.