DE19916427A1

DE19916427A1 - Haushaltsroboter zum automatischen Staubsaugen von Bodenflächen

Info

Publication number: DE19916427A1
Application number: DE19916427A
Authority: DE
Inventors: Volker Sommer
Original assignee: Individual
Current assignee: Technische Fachhochschule Berlin 13353 Berlin De
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1999-04-07
Publication date: 2000-03-16
Anticipated expiration: 2019-04-08
Also published as: DE19916427B4

Abstract

Staubsaugen ist mit herkömmlichen Bodenstaubsaugern eine zeitaufwendige und anstrengende Tätigkeit. Das vorgestellte Verfahren ist mittels einer geeigneten Vorrichtung in der Lage, beliebige Bodenflächen völlig selbständig, schnell und mit hoher Reinigungswirkung zu saugen, wobei auch niedrige Bereiche unter Möbeln und schmale Nischen vom Staubsauger erfaßt werden, Beschädigungen jedoch ausgeschlossen sind. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert eine deterministische Methode zur Reinigung des Nahbereiches um das Gerät mit einem statistischen Ansatz zur Bestimmung der jeweils nächsten Saugerposition. In einem konkreten Ausführungsbeispiel wird der Sauger so gesteuert, daß jeweils der voraus liegende Sektor gereinigt wird, wobei Hindernisse durch spezielle Sensoren detektiert werden und der Saugkopf daran entlanggeführt wird. Anschließend erfolgt mittels der gespeicherten Daten die Bewegung des Saugers auf eine neue Position, solange bis die gesamte Fläche gesaugt wurde. Wesentliches Konstruktionselement des Saugers ist ein ausfahrbarer Saugarm, der in seinem Inneren den Luftstrom führt, und an dessen vorderen Ende eine um ihre vertikale Mittelachse rotierende Saugbürste befestigt werden kann. DOLLAR A Aufgrund seines einfachen mechanischen Aufbaus, der eine kostengünstige Herstellung ermöglicht, sowie der erreichbaren deutlichen Entlastung von manuellen Saugtätigkeiten, kann der Saugroboter vorrangig in privaten Haushalten aber auch in Büroräumen alternativ zu ...

Description

1 Einleitung und Überblick 1.1 Stand der Technik

Die heutigen kommerziellen Haushaltsstaubsauger ähneln in Funktionsweise und Handhabung prinzipiell ihren Vorläufern von Anfang des Jahrhunderts, wenn auch in den Bereichen Saugleistungsoptimierung, Lärmerzeugung sowie Luftfilterung kontinuierliche Verbesserungen im Verlauf der Jahrzehnte erzielt werden konnten. Die verschiedenen auf dem Markt befindlichen Modelle unterscheiden sich dabei neben ihrem Design im wesentlichen in der Motorstärke, die teilweise elektronisch geregelt werden kann, der Geräuschdämmung sowie ihrer Filtergüte.

Der klassische Bodenstaubsauger besteht aus einem auf Rollen gelagerten Mo torblock, an den über einen Schlauch verschiedene Düsenformen angeschlossen werden können. Für das Saugen von Fußböden wird hierfür i. A. eine an einem Teleskopstiel befestigte starre Düsenform, die das Saugen eines etwa 20 cm breiten Streifen ermöglicht, verwendet. Alternativ kann der Motorblock auch in den Teleskopstiel integriert sein. Für glatte Böden ist bei den meisten Modellen eine kurze Bürste integriert, die über einen Tret- bzw. Handschalter aus der Düse her ausgeschoben werden kann. Zusätzlich kann bei einigen Modellen eine Düse mit horizontal rotierender Bürste verwendet werden, um die Reinigungswirkung zu erhöhen (Klopfsaugen). Der Antrieb dieser Bürste erfolgt entweder elektrisch oder indirekt über den Luftstrom.

Zur Erhöhung der Reinigungswirkung wird eine Anordnung von mehreren Teller bürsten für die Anwendung an Kehrmaschinen in der deutschen Patentschrift 10 57 154. Der automatische Staubsauger in DE 43 07 125 A1 weist zwei fest in stallierte Tellerbürsten an seinen vorderen beiden Ecken analog zu einer Kehrma schine auf, die Schmutz im unmittelbaren Seitenbereich unter den Sauger und die dort starr installierte Saugdüse befördern.

In der deutschen Offenlegungsschrift 21 01 659 wird ein Staubsauger mit einem teleskopartig ausfahrbaren Saugarm, der einen kreisrundem Querschnitt aufweist, beschrieben, an dessen Ende die Saugdüse befestigt ist. Der Sauger ist nicht mobil, sondern kann sich lediglich über ein quer angebrachtes Steuerrad in einem gewissen Winkelbereich drehen. Sensoren sind nicht vorhanden, lediglich die Seiten der Saugdüse sind über einen Federmechanismus drehbar gelagert, um Hindernissen ausweichen zu können.

In der britischen Patenschrift GB 2 038 615 ist ein selbstfahrender Sauger mit kreisrunder Grundfläche auf drei Rädern, von denen zwei angetrieben sind, dar gestellt, bei dem die starre Saugdüse unterhalb der Saugergrundfläche ange bracht ist. Ein Steuerverfahren sowie Sensoren werden allerdings nicht angege ben.

Das US-Patent 5,095,577 beschreibt einen selbstfahrenden Staubsauger, bei dem die Saugdüse am Ende eines auf einer Trommel aufgerollten Saugschlau ches befestigt ist und mit diesem ausgefahren werden kann. Durch mechanische Sensoren und Steuerelemente ist dieses Gerät in der Lage, einem Wandverlauf zu folgen und hierbei die Saugdüse ein- und auszufahren.

Derselbe Mechanismus, jedoch zum Ausfahren einer oder zweier Saugdüsen quer zu Fahrtrichtung, wird im US-Patent 5,199,996 dargestellt, wobei allerdings der Staubsauger nur auf parallelen und hierzu senkrechten Bahnen bewegt wird. Einen weiteres Steuerverfahren für einen automatischen Staubsauger zeigt die Patentschrift DE 43 40 771 A1. bei dem der Sauger entlang der inneren Kontur einer zu reinigenden Fläche geführt wird und hierbei die Konturen der zu reinigen de Fläche erfaßt. Dann vergleicht ein Mikroprozessor den Zuschnitt des Raumes mit zuvor gespeicherten Konturen, um das entsprechende Reinigungsprogramm auszuwählen. Für die Orientierung wird neben optischen und Ultraschall-Sensoren auf der Oberseite des Saugers ein Magnetfeldsensor verwendet, um die Lauf richtung zu bestimmen.

In EP 01 42 594 B1 sowie DE 43 07 125 A1 wird ein ähnliches Steuerverfahren beschrieben, allerdings mit der zusätzlichen Funktion, daß der Sauger selbständig nach einen Umlauf zur Bestimmung der Konturen der zu reinigenden Fläche pa rallele Reinigungsbahnen plant und ausführt, ohne daß zuvor ein Reinigungspro gramm für einen bestimmten Raum gespeichert werden müßte.

Die Offenlegungsschrift DE 196 14 916 A1 beschreibt einen automatisch arbei tenden Fahrroboter, dessen Orientierung im wesentlichen auf der stereoskopi schen Auswertung der Bilddaten von zwei Videokameras beruht. Ein konkretes Steuerverfahren wird allerdings nicht angegeben.

Zusätzlich zu den bisher angeführten deterministischen Steuerverfahren ist auf der DOMOTECHNICA 99 ein selbständig arbeitende Staubsauger vorgestellt wor den, der im wesentlichen stochastisch gesteuert wird. Hierbei fährt der Sauger solange in eine bestimmte Richtung, bis ein Hindernis, das durch Sensoren de tektiert wird, seinen Weg blockiert. Der Sauger dreht sich dann von dem Hindernis weg und setzt seinen Weg in eine beliebige andere Richtung fort, bis wiederum ein Hindernis eine Kursänderung erzwingt, und so weiter.

1.2 Problemstellung

Trotz der über die Jahrzehnte erzielten Optimierung in einzelnen Bereichen bleibt Staubsaugen mit den heute zur Verfügung stehenden manuellen Vorrichtungen eine zeitaufwendige und anstrengende Hausarbeit, da häufiges Bücken, u. U. das Verrücken von Möbeln sowie teilweise kräftiges Reiben der Saugdüse erforderlich sind. Hinzu kommt, daß aufgrund der unflexiblen Bodensaugdüsen Beschädigun gen an empfindlichen Möbeln auftreten können und daß beim Übergang von glatten zu mit Teppich belegten Flächen jedesmal manuell die Saugdüse umge schaltet werden muß, um optimale Saugwirkung zu erzielen. Falls Engstellen zu saugen sind, muß sogar umständlich die Saugdüse ausgewechselt werden.

Die bekannten Steuerverfahren für selbständig arbeitende Staubsauger weisen folgende Nachteile auf:

- Steuerverfahren, die eine manuelle Vorgabe der Wegführung erfordern, sind zu aufwendig und sehr unflexibel, da sich gerade im Haushalt durch das Ver rücken von Möbeln die zu saugende Bodenfläche ständig ändert.
- Steuerverfahren, die vor Beginn des eigentlichen Saugvorganges selbständig die Außenkonturen der zu saugenden Fläche selbständig ermitteln und mit dieser Information ihre Reinigungsbahnen festlegen, sind überfordert, falls viele Hindernisse, wie z. B. Möbel, zu ständigen Ausweichmanövern zwingen. Außerdem dauert es aufgrund der Randabtastung relativ lange, bis der eigent liche Saugvorgang beginnt und das Verfahren funktioniert nur in abgeschlos senen Raumbereichen. Darüberhinaus ist es nicht möglich, einen bestimmten Startpunkt für den Sauger vorzugeben, von dem aus der Reinigungsvorgang beginnen soll.
- Rein stochastische Steuerverfahren arbeiten ebenfalls unbefriedigend, da be stimmte Flächen sehr häufig überstrichen werden, während andere Bereiche selten oder gar nicht gereinigt werden, wodurch eine ungleichmäßige Reini gung erzielt wird. Der Saugvorgang dauert darüber hinaus sehr lange und es existiert kein Abbruchkriterium.

Die mit obigen Verfahren gesteuerten selbstfahrenden Staubsauger sind aus fol genden Gründen nicht als Ersatz manueller Haushaltsstaubsauger geeignet:

- Leistungsstarke Staubsauger weisen eine sperrige Bauform auf und sind des halb in engen Räumen nicht einsatzfähig, auch weil Beschädigungen an emp findlichen Gegenständen nicht ausgeschlossen werden können. Außerdem werden neben aufwendigen Antrieben zahlreiche und komplizierte Sensoren eingesetzt, wodurch die Geräte anfällig sind und hohe Kosten entstehen.
- Zur Verbesserung der Erreichbarkeit wurden in jüngster Zeit flache Geräte mit kreisförmiger Grundfläche entwickelt. Hierdurch wird allerdings die mögliche Akkugröße und damit die Reichweite und die Saugleistung begrenzt, und den noch können viele Bereiche in Ecken und Nischen sowie an Möbelkanten nicht gereinigt werden, da sie für den Sauger nicht zugänglich sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein flexibles Steuerverfahren zur Verfügung zu stellen, das einerseits in der Lage ist, sich selbsttätig an beliebi ge Bodenflächen mit beliebigen Hindernissen anzupassen, und andererseits un nötige Mehrfachreinigung bestimmter Bereiche zu vermeiden, während andere Stellen nicht oder nur unzureichend erfaßt werden. Darüberhinaus soll die Reini gung an einer vom Nutzer vorgegebenen Stelle direkt starten können, ohne daß zuvor umständlich die Raumkonturen abgetastet werden müssen.

Um eine ernsthafte Alternative zu herkömmlichen Staubsaugern darzustellen, soll die von dem Verfahren gesteuerte Vorrichtung sämtliche Bodenbereiche und ebenfalls Möbelkanten und schmale Nischen erfassen, wobei Beschädigungen ausgeschlossen werden müssen. Die Vorrichtung muß allerdings groß genug ausgeführt werden, um eine genügend große Batterie aufzunehmen. Durch ent sprechende Isolierung soll der entstehende Lärm weitestgehend abgeschirmt werden. Der Staubsauger sollte weiterhin möglichst einfach ausgeführt und robust sein und auf komplizierte Sensoren verzichten, um eine kostengünstige Herstel lung zu ermöglichen.

1.3 Lösung

Zur Lösung der genannten Probleme wird ein vollautomatisches Steuerverfahren für einen Staubsauger vorgestellt, bei dem eine deterministische Methode zur Abtastung und Reinigung des Bereichs unmittelbar um den Staubsauger mit ei nem statistischen Ansatz zur Bestimmung der jeweils nächsten Saugerposition kombiniert ist, und das die folgenden Merkmale aufweist:

- Verfahren zum selbsttätigen Steuern eines selbstfahrenden Gerätes, insbe sondere eines Staubsaugers, mit Abstands- bzw. Kontaktsensoren, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Reichweite der Sensoren definierte Bereich um die Vorrichtung durch die Sensoren auf Hindernisse abgetastet wird, an den Grenzen dieses Abtastbereiches neue Positionen für das Gerät gespei chert werden, anschließend nach Auswahl einer der im aktuellen oder früheren Schritt gespeicherten Position in Abhängigkeit von der Erreichbarkeit und einer vorgegebenen Priorität diese anfährt und danach einen weiteren Abtastschritt und das Anfahren der ermittelten Position ausführt, bis die gesamte Fläche überstrichen wurde oder keine Position mehr zugänglich ist.
- Verfahren zum selbsttätigen Steuern eines selbstfahrenden Gerätes, insbe sondere eines Staubsaugers, mit Abstands- bzw. Kontaktsensoren, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Fläche sukzessive durch Abtastung in ein zweidimensionales Datenfeld abgebildet wird, das somit ein Abbild des realen Raumes darstellt, um hierin während der Abtastung erkannte Hindernisse, freie Bereiche sowie neue Positionen für die Vorrichtung durch bestimmte Stati zu markieren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Steuerverfahrens gehen aus den Un teransprüchen hervor:

- Nach der Abtastung des Bereiches unmittelbar um die Vorrichtung werden nur solche Positionen gespeichert werden, die weder durch Hindernisse blockiert sind noch an Flächenbereiche grenzen, die bereits von einer früheren Position des Gerätes aus abgetastet wurden.
- Bei der Markierung von neuen Positionen können verschiedene Prioritäten für diese Positionen vergeben werden.
- Bei der Auswahl einer neuen Position für die Vorrichtung wird mindestens ei nes der folgenden Kriterien angewandt:
- - Die neue Position darf noch nicht im Datenfeld als bereits abgetastet mar kiert sein,
- - wurde bereits eine mögliche Position gefunden, darf deren Priorität nicht mehr unterschritten werden,
- - durch Auswertung des Saugfeldes wird sichergestellt, daß die neue Positi on von der Vorrichtung erreichbar ist, wobei nur Bereiche überfahren wer den dürfen, die bereits abgetastet wurden und nicht als Hindernis markiert sind.
- es wird bei gleicher Priorität diejenige Position mit dem größten Abstand von der Vorrichtung in einer vorgegebenen Richtung gewählt.
- Beim Anfahren einer neuen Position wird durch Auswertung des Saugfeldes eine optimale Route innerhalb der bereits abgetasteten Fläche unter Umge hung von Hindernissen bestimmt.
- Während der Durchführung des Verfahrens kann die Vorrichtung auf beliebige vorherige Positionen zurückgesetzt werden, wobei beim Zurücksetzen der Vor richtung über mehrere vorherige Positionen bestimmte Zwischenpositionen übersprungen werden, falls eine Überprüfung im Datenfeld ergibt, daß die Vor richtung während ihrer Bewegung keine Hindernisse berührt.
- Bei einer wiederholten Abtastung eines bereits im Datenfeld markierten Berei ches sämtliche Stati dieser Fläche im Datenfeld entsprechend den neuen Sensordaten aktualisiert werden.
- Nach dem Anfahren einer neuen Position wird der neue Abtastbereich so be stimmt, daß nur eine geringe Überlappung mit bereits abgetasteten Nachbar bereichen auftritt.
- Nach einer besonderen Ausprägung der Erfindung erfolgt die Abtastung durch einen beweglichen Arm, an dessen Kopf Abstands bzw. Kontaktsensoren be festigt sind, derart, daß der Kopf gleichzeitig die Bodenfläche reinigt. Der Ab tastbereich um den Staubsauger wird hierbei vorteilhafter Weise in Form eines Kreissektors gewählt, und das Abtasten des Bereiches um die Vorrichtung er folgt so, daß unbekannte Flächen immer zuerst von den am Arm befestigten Sensoren überstrichen werden.
- Nach dem Erkennen eines Hindernisses durch einen Kontaktsensor, der keine Richtungsinformation liefert, wird die exakte Position des Hindernisses durch Auswertung der jeweiligen Bewegungsrichtung des Sensors ermittelt.
- Die Abtastung des Bereiches um die Vorrichtung erfolgt durch periodische Drehung des Staubsaugers mit jeweils um den Kopfdurchmesser vergrößerter Länge des Armes.
- Bei der Abtastung des Bereiches um die Vorrichtung wird der Kopf in möglichst geringem Abstand an Hindernissen entlanggeführt.
- Der Saugkopf wird, nachdem ein Hindernis bei einer bestimmten Länge des Armes in einem bestimmten Winkelbereich detektiert und die Konturen abge tastet wurden, bei den folgenden Drehungen durch Verkürzung des Armes im entsprechenden Winkelbereich vor dem Hindernis entlanggeführt.
- Durch Auswertung des Saugfeldes wird sichergestellt, daß die der Saugmotor nur in denjenigen Bereichen eingeschaltet wird, die im Saugfeld als noch nicht gereinigt markiert sind.

Eine für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Vorrichtung wird durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet:

- Staubsauger mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbare Antriebsräder und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an seiner Spitze angeordnetem Saugkopf, dadurch gekennzeichnet, daß neben zwei angetriebenen Rädern als dritter Auflagepunkt der Saugkopf dient, der sich z. B. auf Walzen, Kugeln, Rädern oder Borsten abstützt:
- Staubsauger mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbare Antriebsräder und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an seiner Spitze angeordnetem Saugkopf, dadurch gekennzeichnet, daß am Saugkopf eine angetriebene Tellerbürste angeordnet ist. Der erfindungsgemäße Staub sauger schließt allerdings ebenfalls den erweiterten Fall ein, daß mehrere Tellerbürsten verwendet werden. In diesem Fall sollen deren Achsen so ange ordnet sein und so angetrieben werden, daß die Bürsten den Schmutz in Richtung der Saugdüse unterhalb des Saugkopfes befördern.
- Staubsauger mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbare Antriebsräder und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an seiner Spitze angeordnetem Saugkopf, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe, z. B. über Schneckengetriebe, elastisch mit dem jeweiligen Rad verbunden sind, wobei die bei einer Blockierung des Saugers durch ein Hindernis auftretende Verschiebung der Antriebe detektiert wird. Durch diese Vorrichtung kann auf einen Kontaktsensor, der den Staubsauger vollständig umgibt verzichtet wer den.
- Staubsauger mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbare Antriebsräder und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an seiner Spitze angeordnetem Saugkopf, dadurch gekennzeichnet, daß am Saugkopf Abstands- bzw. Kontaktsensoren zur Erfassung von Hindernissen angeordnet sind.

Zusätzliche vorteilhafte Ausprägungen des Staubsaugers werden durch die Un teransprüche detailliert:

- Der Antrieb der Tellerbürste(n) erfolgt über eine verschiebbare Welle durch einen Getriebemotor, der auf der Saugergrundfläche angebracht ist.
- Jede Bürste ist mit einem dichten Kranz schräg nach außen geneigter weicher Borsten umgeben, die den Luftstrom bündeln, und Staub von Möbelkanten entfernen. Darüberhinaus kann jede Bürste schräg nach innen gerichtete Bor sten aufweisen, die den Sauger stützen, den Schmutz vom Boden lösen und den Saugkopf an Stufen wie z. B. Teppichkanten anheben.
- Unterhalb des Saugkopfes kann eine zusätzliche Stütze mit integrierter Kugel zum Abrollen befestigt werden.
- Spezielle Sensoren am Saugkopf können Hindernisse für die Bewegung des Saugkopfes detektieren. Ein Sensor zu diesem Zweck kann vorteilhafter Wei se so ausgeführt sein, daß um den Saugkopf herum in geringem gegenseiti gen Abstand zwei elastische Kunststoffstreifen angebracht sind, deren zuein ander gewandte Flächen leitend beschichtet sind, und von denen der äußere bei Kontakt mit einem Hindernis an den inneren herangedrückt wird.
- Andere Sensoren am Saugkopf detektieren Hindernisse für die Bewegung des Staubsaugers, die jedoch den Saugarm selbst nicht behindern. Zu diesem Zweck kann ein Abstandssensor, der z. B. durch Ultraschall oder mittels elek tromagnetischer Wellen die lichte Höhe oberhalb des Saugkopfes mißt, einge setzt werden. Zusätzlich kann ein Sensor, z. B. in Form eines mechanischen Tasters oder berührungslos, Stufen im Bodenbelag unterhalb des Saugkopfes erfassen, um ein Kippen des Staubsaugers zu verhindern.
- Der bewegliche Arm wird vorteilhafter Weise als Teleskoparm mit rechteckför migem Querschnitt ausgeführt, um bei möglichst flacher Bauweise einen gro ßen Querschnitt zur Führung des Luftstromes zu bieten.
- Falls der Sauger so ausgeführt wird, daß er sich nicht auf dem Saugkopf ab stützt, ist es vorteilhaft, den Teleskoparm so auszuführen, daß er an seinem hinteren Ende vertikal beweglich gelagert ist, um auch in diesem Fall einen guten Bodenkontakt des Saugkopfes zu garantieren.

2 Realisierung

Anhand einer beispielhaften Vorrichtung wird der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert, wobei zum besseren Verständnis zuerst der Aufbau der Vorrichtung beschrieben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist selbstver ständlich unabhängig von der hier beschriebenen Vorrichtung und auch bei belie big geeigneten Vorrichtungen anwendbar.

2.1 Mechanischer Aufbau 2.1.1 Antrieb und Bewegungskonzept

Abb. 1 zeigt die Ansicht des Saugers während Abb. 2 die Aufsicht auf die unterste Ebene des Saugers mit abgenommenem Staubfänger darstellt.

Der Antrieb erfolgt mit zwei Schrittmotoren, die jeweils über ein Schnecken getriebe mit einer Untersetzung von ca. 1 : 30 ein Laufrad mit gummiummantelter Lauffläche antreiben. Durch die Anordnung der Laufräder auf der Symmetrieach se der kreisförmigen Grundfläche kann mittels der zwei Motoren sowohl der Vor trieb (gleiche Drehrichtung) als auch die Drehung um den Mittelpunkt des Saugers (entgegengesetzte Drehrichtung) realisiert werden. Als dritter Auflagepunkt wird hierbei die Saugbürste genutzt, die am vorderen Ende des ausfahrbaren Saugar mes befestigt ist.

Durch entsprechende Anordnung der relativ schweren Batterie, die sowohl sämtli che Motoren als auch die Elektronik mit Energie versorgt, auf der Grundplatte, wird gewährleistet, daß der Sauger ein geringes Übergewicht nach vorn aufweist, wodurch jederzeit eine stabile Auflage sichergestellt ist.

Durch dieses Konzept ergibt sich einerseits ein sehr einfacher mechanischer Auf bau, da kein zusätzliches Stützrad erforderlich ist, andererseits hat die Saugbürste so immer einen sicheren Kontakt zur Bodenfläche, unabhängig von Unebenheiten im Bodenbelag.

2.1.2 Ausfahrbarer Saugarm mit rotierender Bürste

Ein wesentliches Konstruktionselement des Saugers bildet der ausfahrbare Saugarm, siehe Abb. 1 und 2, der auch den Zugang zu schwer zugänglichen Bo denbereichen ermöglicht, z. B. unter Schränken oder in schmalen Nischen.

Der Saugarm weist einen rechteckigen Querschnitt auf und besteht im wesentli chen aus zwei teleskopartig ineinander gesteckten Hohlkörpern aus Kunststoff, durch die der Luftstrom geleitet wird.

Die Länge des Saugarms wird ebenfalls über einen Schrittmotor gesteuert, der eine am ausfahrbaren Innenteil vorne befestigte Zahnstange antreibt und eine exakte Positionierung gestattet.

Am vorderen Ende des Armes ist eine rotierende Saugbürste angebracht, die über ein Schneckengetriebe in Rotation versetzt wird. Die Schnecke ihrerseits ist an einer Welle mit quadratischem Querschnitt befestigt auf der momentenschlüssig ein Kegelzahnrad gleiten kann. Durch ein entsprechendes Auflager auf der äuße ren Seite sowie durch ein zweites Kegelrad innen im Winkel von 90° wird das Ke gelrad auf der Grundplatte des Saugers axial fixiert. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Bürste unabhängig von der aktuellen Länge des Saugarms ge dreht werden kann. Außerdem kann der Saugarm sehr flach aufgebaut sein, um ebenfalls den Boden unter niedrigen Möbeln zu reinigen. Als Antrieb für die Bürste wird ein handelsüblicher Getriebemotor verwendet, mit dem eine Drehfrequenz der Bürste von ca. 0.5 Hz eingestellt wird.

Die Reinigungswirkung wird dadurch erzielt, daß der Staub über die Bürste inner halb des Saugarms durch den Luftstroms, der mittels eines ca. 50 W starken Elektromotors erzeugt wird, in den Auffangbehälter geleitet wird.

Die hohe Saugleistung entsteht zum Teil dadurch, daß die glattwandige und strö mungsgünstige Luftführung nur wenig Turbulenzen und damit geringe Verluste verursacht.

Eine zusätzliche, entscheidende Verbesserung des Reinigungseffektes bewirkt dabei die um ihre senkrechte Mittelachse rotierende Saugbürste, deren Längs schnitt in Abb. 3 dargestellt ist; die Schnittlinie B-B' kann Abb. 4 entnommen wer den. Diese Bürste bündelt den Luftstrom und löst Staub sowie andere Fremdkör per mechanisch vom Boden, in weiten Grenzen unabhängig vom zu saugenden Bodenbelag.

Das sogenannte Bürstenrad ist über eine Achse mit einem Zahnrad oberhalb des Saugarmes verbunden, in das die Schnecke, die am Ende der rechteckförmigen Welle befestigt ist, eingreift. Das Bürstenrad ist als Speichenrad ausgeführt, um den hindurchtretenden Luftstrom möglichst wenig zu behindern.

Sämtliche Borsten sind am äußeren Rand des Bürstenrades befestigt, wobei die nach innen zur Achse geneigten Borsten relativ steif ausgeführt sind und einen genügend großen gegenseitigen Abstand aufweisen, um zwischen ihnen den Luftstrom ungehindert hindurchtreten zu lassen; diese Borsten stützen den Sau ger nach vorn ab und bewirken, daß die nach außen geneigten, sehr weichen Borsten soeben den Bodenbelag berühren. Neben der hierdurch bewirkten Ver ringerung des Reibungswiderstandes entsteht ein zusätzlicher Vorteil dadurch, daß die äußeren Borsten sehr dicht stehen und der Luftstrom nur durch den Spalt zum Boden hindurchtreten kann, wodurch eine effektive radiale Düsenwirkung entsteht.

Optional für sehr weiche Bodenbeläge kann unterhalb des Bürstenrades, quasi als Verlängerung von dessen Achse, eine zusätzliche Stütze aus Kunststoff befe stigt werden, um das zu tiefe Einsinken des Saugkopfes zu verhindern. In diese Stütze ist zum Boden hin eine frei drehbare Rollkugel integriert, um den Rei bungsverlust bei Bewegungen des Armes zu minimieren, siehe Abb. 3.

Die nach innen geneigten steiferen Borsten haben noch eine weitere wichtige Funktion, denn sie ermöglichen ebenfalls einen problemlosen Übergang beim Überfahren kleiner Stufen im Bodenbelag, z. B. an Teppichkanten. An diesen werden die äußeren weichen Borsten bei Bewegungen des Saugarmes nach in nen gedrückt, wobei der Saugkopf aufgrund der Borstenelastizität geringfügig angehoben wird. Dieser Effekt wird durch die schräge Anordnung der inneren Stützborsten erheblich verstärkt, so daß der Saugarm über die Stufe hinwegglei ten kann.

Der Bürstenwiderstand beim Bewegen des Saugers auf Teppich oder über Stufen hinweg wird auch ganz wesentlich durch die vertikale Drehung der Bürste verrin gert. Die Drehfrequenz muß an die laterale Bewegungsgeschwindigkeit des Saug kopfes angepaßt werden muß, um den Saugkopf optimal abrollen zu lassen. Die ser Effekt ist aufgrund der Radialsymmetrie der Bürste unabhängig von der aktuel len Bewegungsrichtung des Saugers.

Gegenüber herkömmlichen Saugkopf- und -bürstenformen besteht bei der hier vorgestellten Konstruktion ein großer Vorteil darin, daß gerade im direkten äu ßeren Umfeld des Saugkopfes, z. B. beim Saugen an Möbelkanten und Fußlei sten, eine hohe Reinigungswirkung erzielt wird, wobei durch die weichen äußeren Borsten Beschädigungen ausgeschlossen sind.

Insgesamt wird durch das Zusammenspiel all dieser Faktoren erreicht, daß trotz der aufgrund der Batterieversorgung notwendigerweise beschränkten Motorlei stung die Saugwirkung erheblich besser ist, als bei herkömmlichen Bodenstaub saugern mit wesentlich höheren elektrischen Anschlußwerten.

2.1.3 Orientierung des Saugers mittels Sensoren

Die Orientierung des Saugers basiert auf der Berechnung der jeweils aktuellen Saugposition anhand des zurückgelegten Weges. Aufgrund der exakten Schritt steuerung sowie des statistischen Auftretens etwaiger Positionierfehler kann hier bei eine Ortsgenauigkeit erreicht werden, die auch nach längeren, beim Saugen eines Zimmers zurückzulegenden Wegstrecken im Zusammenspiel mit den Sen soren völlig ausreichend ist.

Zum Erkennen von Hindernissen mit hoher Ortsauflösung tastet der Saugkopf durch die Drehung des Saugers und entsprechende Armverlängerung die vor dem Sauger liegende Bodenfläche ab, siehe Kapitel 2.2.3.1. Hierbei ist durch die Kreissymmetrie des Saugers sichergestellt, daß bei Drehungen ausschließlich der Saugkopf auf Hindernisse treffen kann.

Insgesamt werden für diese Aufgabe drei Sensoren benötigt:
Die wichtigste Funktion hat der mechanische Berührungssensor am Saugkopf, dessen Aufbau Abb. 4 entnommen werden kann. Dieser Sensor dient dazu, bei Dreh- und Längsbewegungen des Armes das Auftreffen auf Hindernisse zu de tektieren.

Er besteht im wesentlichen aus zwei Kunststoffstreifen, die den Saugkopf umge ben und durch zwei seitliche Distanzstücke auf einen gegenseitigen Abstand von wenigen Millimetern gehalten werden. Während der innere Streifen fest mit dem Saugkopf verbunden ist, wird der äußere Streifen lediglich über die Distanzstücke gehalten und besteht aus sehr dünnem elastischem Kunststoff, um eine weiche Federwirkung zu erzielen.

Die zueinander gewandten Innenseiten beider Streifen sind mit einem leitfähigen Material beschichtet und über Anschlußdrähte mit der Elektronik verbunden. Im Normalzustand sind diese als Kontakte wirkenden Flächen durch die isolierenden Distanzstücke sowie die Luft elektrisch voneinander isoliert. Trifft der Saugkopf je doch auf ein Hindernis wird der äußere Streifen an den inneren herangedrückt, so daß sich der elektrische Stromkreis schließt; die Richtung, aus der das Hindernis auftrifft, ist hierbei unbedeutend.

Die beiden Wulste an beiden Seiten des Saugkopfes dienen dazu, um auch exakt seitliche Berührungen bei Drehungen des Saugers sicher detektieren zu können. Diese Wulste übertragen seitlichen Druck auf den äußeren elastischen Streifen, der daraufhin gegen den inneren Streifen gedrückt wird.

Abb. 1 ist zu entnehmen, daß der Berührungssensor die gesamt Höhe des Saug kopfes umfaßt und ebenfalls weit nach unten geführt ist, um dadurch mögliche Hindernisse, welche die Bewegung des Saugkopfes blockieren können, zu erfas sen.

Obwohl der Berührungssensor nicht in der Lage ist, die Richtung, in der ein Hin dernis liegt, direkt zu bestimmen, kann diese Information jedoch immer dadurch gewonnen werden, daß die Bewegungsrichtung des Saugkopfes bekannt ist.

Der zweite sehr wichtige Sensor ist der sogenannte Höhensensor an der oberen, vorderen Kante des Saugkopfes, siehe Abb. 3 und 4. Dieser Sensor hat die Auf gabe, Hindernisse zu detektieren, die zwar den Saugarm und -kopf nicht behin dern, deren lichte Höhe jedoch nicht ausreicht, damit der gesamte Sauger diese Stelle passieren kann.

Für diesen Zweck wird ein handelsüblicher Infrarot-Abstandssensor verwendet, dessen Auslöseabstand genau auf die Höhe des Saugers abzüglich der Saug kopfhöhe eingestellt wird. Dieser Sensor weist eine hohe laterale Genauigkeit auf, so daß auch bei Hindernissen im vertikalen Abstand von ca. 30 cm eine laterale Ortsauflösung von wenigen Zentimetern erreicht wird.

Als dritter Sensor ist ein sogenannter Stufensensor vorgesehen, siehe Abb. 3, um größere Versetzungen des Bodenbelages z. B. an Treppen zu erkennen und hier durch ein Kippen des Saugers zu verhindern.

Dieser Sensor besteht aus einem empfindlichen Taster, der knapp hinter dem Saugkopf an der unteren Kante des Saugarms befestigt ist, wobei auf ebenen Flächen der Sensor einen Abstand von ca. 1 cm vom Boden hat.

Wird der Saugkopf über eine Stufe bewegt mit einem vertikalen Versatz nach un ten, der mindestens dem Abstand des Sensors vom Boden entspricht, setzt der Saugarm mit dem Taster auf, wodurch der Sensor auslöst.

Die bisher beschriebenen Sensoren sind ausreichend, um den Sauger mittels des im Abschnitt 2.2 beschriebenen Steuerverfahrens im Normalfall eindeutig manö vrieren zu können.

Dennoch kann durch das Verrücken von Gegenständen in bereits gesaugte Be reiche nicht ausgeschlossen werden, daß der Sauger während seiner Bewegung auf Hindernisse stößt.

Um auch in diesem Fall dem Steuerprogramm ein Hindernis anzeigen zu können, ist die Kraftübertragung von den Schrittmotoren auf die beiden Antriebsräder mit jeweils einem mechanischen Blockierungssensor ausgestattet.

Um die Funktion des Blockierungssensors zu verdeutlichen, ist in Abb. 5 einer der beiden Antriebe im Detail dargestellt, siehe Schnittlinie A-A' in Abb. 2: Das Ritzel des Schrittmotors überträgt dessen Moment auf ein Zahnrad, das wiederum ein Schneckengetriebe antreibt. Die Welle, auf der das Zahnrad sowie die Schnecke befestigt sind, ist hierbei durch Achsringe mit der Antriebshalterung verbunden, so daß keine axiale Verschiebung der Welle gegen die Halterung möglich ist und deshalb die Drehung der Antriebswelle durch das Schnecken getriebe in die Drehung des Laufrades übertragen wird.

Diese Antriebseinheit wirkt jedoch nicht als starres System, da die gemeinsame Lagerung der Welle und des Schrittmotors aus elastischen Material besteht, wel ches geringfügige axiale Verschiebungen der Antriebswelle zuläßt, falls während der Motordrehung eine Blockierung des Saugers auftritt.

Diese Verschiebung der Lagerung schließt entsprechend Abb. 5 einen elektri schen Kontakt, der von der Steuerelektronik ausgewertet wird.

Die vorgestellte Realisierung eines Blockierungssensors weist den Vorteil gegen über steifen Systemen auf, daß bei Auftreten einer plötzlichen Blockierung des Saugers keine großen Kräfte wirken, die eventuell zu Beschädigungen führen, sondern daß aufgrund der Elastizität der Lagerung eine allmähliche Erhöhung der Antriebskraft an der Welle einsetzt, bis der Blockierungssensor auslöst.

Durch Veränderung der Steifigkeit der Lagerung kann die Elastizität des Antriebs individuell an das Gewicht des Saugers und die dynamisch wirkenden Kräfte an gepaßt werden.

2.2 Automatische Steuerung des Saugers 2.2.1 Darstellung des Steuerprinzips

Die Steuerung des Saugers erfolgt derart, daß ausgehend vom aktuellen Standort und in Bezug auf die jeweils vorherige Laufrichtung ein Sektor von maximal ±90° mäanderförmig gesaugt wird, siehe Abb. 6: Zuerst dreht der Sauger in die linke Maximalstellung. Dann erfolgt eine Drehung maximal nach rechts, eine Verlänge rung des Saugarmes um den Saugkopfdurchmesser, und anschließend die Rück drehung in die linke Maximalstellung. Dieser Bewegungsvorgang wird solange wiederholt, bis der Saugarm seine endgültige Länge erreicht hat, worauf er dann, anschließend an die letzte Drehung nach rechts, vollständig zurückgezogen wird.

Die beschriebene Bewegungssteuerung wird automatisch angepaßt, falls Hinder nisse während der Drehung oder Armbewegung auftreten, siehe Abschnitt 2.2.3.1. In Abb. 7 ist ein eingeschränkter Sektorbereich dargestellt, der vom Saugkopf überstrichen werden kann, falls Gegenstände die Bewegung behindern. Hierdurch können sogenannte Saugschatten entstehen, die der Saugkopf durch die Blockie rung der Drehung des Saugarmes nicht erreichen kann.

Neben diesen Saugschatten werden auch andere freie Randbereiche des aktuell gesaugten Sektors markiert, siehe nächster Abschnitt, und damit als potentielle neue Saugerpositionen gekennzeichnet. Aus der Gesamtheit dieser Positionen wird nach Beendigung des Sektorsaugens die jeweils nächste Saugposition aus gewählt und angefahren, siehe Abschnitt 2.2.3.2.

In Abb. 8 ist am Beispiel einer Zimmerecke dargestellt, wie durch Aneinan derreihung einzelner Sektorsaugbereiche Flächen beliebiger Umrandung vollstän dig gesaugt werden können (In diesem Bsp. haben alle Sektoren den maximalen Öffnungswinkel von 180°). Durch Überlappung der Sektoren werden hierbei einige Bereiche mehrfach gesaugt, was die Reinigungswirkung zusätzlich erhöht und mögliche Positionierungsungenauigkeiten des Saugers ausgleicht.

Zur Vergrößerung der Reichweite mit einer Akku-Ladung wird der Saugermotor, der den größten Verbraucher darstellt, nur während des Sektorsaugens einge schaltet, und nicht, wenn eine neue Saugerposition eingenommen wird.

2.2.2 Markierung der gesaugten Bereiche

Zur globalen Orientierung des Saugers wird die gesamte zu saugende Fläche in einen Programmspeicher, das sogenannte Saugfeld, abgebildet und hierin die verschiedenen Stati, die einem Flächenelement zugeordnet werden können, mar kiert. Diese zweidimensionale Information wird verwendet, um neue Saugpositio nen zu kennzeichnen und den Weg dorthin zu bestimmen. Folgende vier Stati werden unterschieden:

- Status 0: 'ungesaugt'
Dieser Status ist der Defaultwert im Saugfeld beim Start des Sau gers und wird überschrieben, sobald der Saugkopf die entspre chende Stelle erstmals überstrichen hat.
- Status 1: 'gesaugt'
Diesen Status erhalten alle Felder des Saugfeldes, die bereits vom Saugkopf überstrichen wurden und die kein Hindernis für die Bewegung des Saugers darstellen
- Status 2: 'Hindernis'
Dieser Status dient zur Kennzeichnung von Hindernissen, die von den Sensoren erkannt wurden. Ein mit diesem Status versehenes Feld kann vom Sauger bei der Einnahme einer neuen Saugposi tion nicht überfahren werden.
- Status 3: 'Mögliche neue Saugposition'
Mit diesem Status wird während des Saugens eines Sektors ein Randfeld, das vorher den Status 0 haben muß, als mögliche neue Saugposition gekennzeichnet. Wird der Bereich später vom Saugkopf überstrichen, erhält das Feld den Status 1 bzw. 2. Bei der Überprüfung einer möglichen neuen Saugposition zeigt der Status 3 an, daß der entsprechende Bereich bisher noch nicht gesaugt wurde.

Zur Abbildung der realen, zu saugenden Fläche auf das Saugfeld wird ein zweidi mensionales Raster verwendet. Hierbei entspricht die Ortsauflösung in x- und y- Richtung jeweils einem Zentimeter und ist damit für die Detektionsgenauigkeit der Sensoren hinreichend genau. Da für die vier verschiedenen Stati nur zwei Bit be nötigt werden, ist es möglich, mit dieser Auflösung eine Fläche von 10 × 10 m² in einen Speicherbereich von nur 250 kByte abzubilden.

Ein mögliches Problem bei der Minimierung des Speicherbedarfes entsteht da durch, daß zu Beginn des Saugvorganges der Sauger an einer beliebigen Stelle eines Raumes gestartet wird. Ausgehend von diesem Ursprung können für x und y sowohl positive als auch negative Koordinatenwerte auftreten, wobei letztere nicht direkt in das Saugfeld übernommen werden können. Zur Lösung dieses Pro blems wird eine Koordinatentransformation vorgenommen, siehe Abb. 9:

Jeder negative Wert für x bzw. y wird abgebildet auf x_max - x bzw. y_max - x, wobei x_max und y_max die festgelegten maximalen Dimensionen des Saugfeldes für x und y angeben, die den Bewegungsbereich des Saugers begrenzen. Durch die Transformation werden Feldbereiche, bei denen mindestens eine Koordinate ne gativ ist, entsprechend versetzt im Saugfeld abgebildet.

Während der Bewegungssteuerung wird überwacht, daß die Summe aus der ma ximalen positiven und negativen Saugdistanz vom Ursprung in x- und y-Richtung jeweils die vorgegebenen Werte für x_max bzw. y_max nicht überschreitet. Andern falls wird der Programmablauf mit einer entsprechenden Fehlermeldung unterbro chen. Da der Saugkopf sich quasi kontinuierlich bewegt, werden neue Stati im Saugfeld immer dann gesetzt, nachdem eine Strecke von 1 cm zurückgelegt wur de. Hierbei werden jeweils die Felder unterhalb des Außenradius vom Saugkopf, halbkreisförmig bezüglich der jeweiligen Bewegungsrichtung des Kopfes berück sichtigt.

Eine Ausnahme von dieser Markierungsregel gilt für den Höhen- und Stufensen sor: Falls diese Sensoren ein Hindernis melden, wird nur das Feld im Saugfeld, das genau unterhalb des entsprechenden Sensors liegt, gekennzeichnet.

2.2.3 Beschreibung des Steuerverfahrens

Das Gesamtflußdiagramm für die Saugersteuerung ist in Abb. 10 dargestellt: (Hinweis: In sämtlichen Flußdiagrammen wird für die Darstellung folgende Notation verwendet: Start und Ende bzw. Rücksprung in das vorhergehende Diagramm sind durch Kreise gekennzeich net. Rechtecke symbolisieren jeweils eine Aktion, wobei schattierte Symbole darauf hinweisen, daß die entsprechende Aktion in einem separaten Diagramm detailliert wird. Sechsecke mit zwei seitli chen Spitzen stehen jeweils für eine Entscheidung mit den beiden Möglichkeiten 'ja' oder 'nein').

Zu Beginn des Saugvorganges und immer dann, wenn eine neue Saugerposition eingenommen wurde, wird die aktuelle Saugerposition gespeichert. Zur eindeuti gen Lokalisierung werden hierzu die x- und y-Koordinate des Saugermittelpunk tes, die Länge des Saugarmes sowie der Winkel, den der Saugarm bezogen auf die x-Achse einnimmt, benötigt.

Anschließend wird die optimale Größe des zu saugenden Sektors innerhalb der maximalen Grenzen des Winkels von ±90° (ausgehend von der vorherigen Lauf richtung des Saugers) sowie der maximal möglichen Länge des Saugarmes R_max bestimmt. Dazu wird im Saugfeld überprüft, welche Punkte noch den Status 0, d. h. ungesaugt, aufweisen. Der Bereich, in dem diese Punkte liegen, wird durch den linken sowie rechten Grenzwinkel W_l und W_r sowie den Außen- und Innenra dius R_a und R_i eindeutig gekennzeichnet, wobei R_i immer der konstanten Arm länge im eingefahrenen Zustand entspricht.

Im nächsten Schritt wird der ermittelte Sektorbereich gesaugt, siehe 2.2.3.1, ein schließlich einer entsprechenden Hindernisbehandlung. Sämtliche überstrichenen Bereiche werden im Saugfeld mit dem Status 1 bzw. bei Detektion eines Hinder nisses mit Status 2 markiert.

Nun werden neue Saugkopfpositionen (Tasks) als mögliche Startpunkte für neue Saugsektoren an den freien äußeren Rändern des gesaugten Bereiches, die durch den Status 0 gekennzeichnet sind, im Saugfeld mit dem Status 3 markiert. Zusätzlich zu dieser Markierung erfolgt die Speicherung jeder Task mit ihren Ko ordinaten, ihrer Priorität sowie der jeweils neuen optimalen Saugrichtung (senk recht zum jeweiligen Rand) in der Liste der noch offenen Tasks.

Falls der Sauger nach W_l bzw. W_r gedreht werden konnte sowie an den Saug schatten hinter Hindernissen, werden die Ecken als mögliche neue Saugposi tionen gekennzeichnet. Außer den seitlichen Rändern wird die Mitte jedes freien Randbereiches (gekennzeichnet dadurch, daß der Arm bis auf R_a ohne Hinder niskontakt ausgefahren werden konnte) markiert. Zur Erhöhung der Anzahl mög licher Saugpositionen werden in größeren freien Randbereichen neben der Mitte noch zusätzliche Randpunkte markiert und gespeichert, allerdings mit der niedri geren Priorität 2. In Abb. 6 sind die möglichen neuen Saugpositionen für den Fall eines Sektors ohne und in Abb. 7 mit Hindernissen als schwarze- (Prio 1) bzw. weiße Pfeile (Prio 2) dargestellt, wobei die Pfeilspitzen die jeweils neuen Saug richtungen angeben.

Die aktuelle Saugkopfposition, von der aus der letzte Sektor gesaugt wurde, wird nun aus der Liste der noch offenen Tasks gelöscht.

Anschließend wird aus der Gesamtheit der gespeicherten Tasks die Saugposition für das nächste Sektorsaugen bestimmt und der Sauger mit seinem Kopf an diese Stelle bewegt, siehe 2.2.3.2.

Konnte keine neue Saugerposition ermittelt und angefahren werden, so wird der Saugvorgang beendet, andernfalls mit dem Speichern der neuen Saugerposition, wie anfangs beschrieben, fortgesetzt.

2.2.3.1 Saugen eines Sektors

Beim Saugens des jeweils aktuellen Sektors, dessen Grenzen nach dem Anfah ren einer neuen Position bestimmt wurden, ermöglicht die im folgenden beschrie bene, wegoptimierte Steuerung des Saugkopfes die exakte Abtastung der Kontu ren beliebiger Gegenstände, welche die Bewegung des Saugarmes behindern.

Werden während des Sektorsaugens keine Hindernisse detektiert, so erfolgt die Bewegung des Saugkopfes wie in Bild 6 dargestellt. Falls der Saugkopf jedoch bei Drehungen oder Längenänderungen auf ein Hindernis stößt, wird er in engem Kontakt an diesem entlanggeführt.

Um den Saugkopf um bereits bekannte Hindernisse herumführen zu können und dadurch eine Doppeldetektion zu vermeiden, wird das sogenannte Winkelfeld ver wendet, das vor jedem Sektorsaugen neu initialisiert wird und dazu dient, den je weils maximal möglichen Radius für jeden Winkel des Sektors zu speichern.

Zu Beginn des Sektorsaugens wird der Sollradius R_s, der die Referenzlänge für den Saugarm angibt und nach jeden Schwenkvorgang inkrementiert wird, auf den inneren Radius R_i gesetzt, den der Saugarm im eingefahrenen Zustand einnimmt. Nun wird der Saugarm auf die linke Sektorgrenze W_l gedreht, maximal jedoch bis zum Auftreffen auf ein Hindernis; dann wird die Drehrichtung umgepolt.

Anschließend erfolgt die Drehung des Saugers in die aktuelle Richtung mit even tueller Verkürzung der Armlänge, siehe nächster Abschnitt und Bild 12. Hierbei wird, falls der ermittelte Endwinkel aufgrund eines Hindernisses nicht direkt ange dreht werden kann, durch schrittweise Verkürzung der Armlänge während der Abtastung der Randkontur des Hindernisses versucht, die Drehung fortzusetzen.

Die Drehung wird beendet, sobald der Saugarm den Endwinkel erreicht bzw. nach einer erforderlichen Armverkürzung frei um den nächsten Schritt gedreht werden kann, da dann der Arm erst erneut verlängert werden muß, um der Kontur des Hindernisses zu folgen.

Danach wird kontrolliert, ob nach Abschluß des Drehvorganges die entsprechende Sektorgrenze erreicht werden konnte bzw. ob sämtliche Winkel bis zur Sektor grenze im mit einem Radius kleiner dem aktuellen Sollradius markiert sind. Nur wenn mindestens eine dieser Bedingungen erfüllt ist, wird die Drehrichtung umge polt, R_s um den Durchmesser des Saugkopfes vergrößert und überprüft, ob R_s den im Abschnitt 2.2.3 bestimmten Außenradius R_a übersteigt. Da in diesem Fall der äußere Rand des Sektors erreicht wurde, wird der Saugmotor gestoppt, der Saugarm wieder auf R_i eingefahren und der Saugvorgang wie in Bild 10 und ab schnitt 2.2.3 beschrieben fortgesetzt.

Wenn diese Abbruchbedingung nicht zutrifft wird anschließend versucht, den Saugarm auf R_s auszufahren, siehe Abschnitt 2.2.3.1.2 und Bild 13. Hierbei wird im Fall eines Hinderniskontaktes die Drehung schrittweise in die aktuelle Richtung fortgesetzt und dann jeweils erneut versucht, R_s zu erreichen.

Dieses Makro endet bei Erreichung von R_s bzw. wenn die Auswertung des Win kelfeldes ergibt, daß in Drehrichtung alle zugänglichen Bereiche bereits gesaugt wurden.

Danach erfolgt der Rücksprung zum Makro 'Saugerdrehung mit eventueller Arm verkürzung', siehe oben.

2.2.3.1.1 Saugerdrehung mit eventueller Armverkürzung

Entsprechend Abb. 12 wird zuerst der Endwinkel der Drehung berechnet, der i. A. ungleich dem linken bzw. rechten Randwinkel W_l bzw. W_r ist. Dazu wird überprüft, ob bei einem vorherigen Schwenk in diese Richtung mit kürzerer Arm länge bereits ein Hindernis detektiert wurde. In diesem Fall würde ein zu großer Drehwinkel bewirken, daß der Saugarm erneut an das bereits bekannte Hindernis stößt, allerdings nicht mit dem Saugkopf und dem daran befestigten Berührungs sensor, sondern weiter hinten. Das Hindernis könnte dann nur mittels des Blockie rungssensors detektiert werden, der allerdings erst bei deutlich größeren An druckkräften als der Berührungssensor auslöst und für diese Anwendung auch nicht vorgesehen ist, siehe 2.1.3.

Wurde nach Abschluß der Drehung die Sektorgrenze W_l bzw. W_r erreicht, d. h. es trat kein Hindernis auf, erfolgt der sofortige Rücksprung in Abb. 11, siehe vorheri ger Abschnitt. Der Rücksprung erfolgt ebenfalls, wenn der Drehstop aufgrund ei nes bekannten Hindernisses erfolgte, das sich bis zur Sektorgrenze erstreckt, da dann eine Fortsetzung der Drehung mit dem aktuellen Sollradius hinter dem Hin dernis nicht möglich ist.

Wenn beide Bedingungen nicht zutreffen, wird der Saugkopf um 1 cm zurückge dreht und der Arm anschließend zurückgezogen, wobei zwei Fälle unterschieden werden:

Falls ein bekanntes aber umgehbares Hindernis vorliegt, d. h. die Drehung kann dahinter mit Sollradius fortgesetzt werden, wird der Arm weit genug eingezogen und vor dem Hindernis entlanggedreht. Danach erfolgt der Rücksprung in das vorherige Flußdiagramm.

Falls hingegen das Hindernis mit dem aktuellen Sollradius erstmalig detektiert wurde, muß dessen Kontur exakt abgetastet werden, um die Kante optimal sau gen zu können. Deshalb wird in diesem Fall die Armlänge lediglich um 1 cm ver ringert, und anschließend versucht, den Kopf um eine halbe Kopfbreite weiterzu drehen (Die Sektorgrenzen bilden hierbei jedoch eine absolute Grenze).

Die Radien des Saugarmes im überstrichene Winkelbereich werden anschließend im Winkelfeld gespeichert.

Konnte der Saugarm um die halbe Kopfbreite ohne erneuten Hinderniskontakt ge dreht werden oder wurde die jeweilige Sektorgrenze erreicht, wird in Bild 11 zu rückgesprungen. Melden die Sensoren jedoch ein neues Hindernis, wird wiederum auf Fortsetzung geprüft, wie weiter oben beschrieben.

2.2.3.1.2 Armverlängerung mit eventueller Saugerdrehung

Zunächst wird entsprechend Abb. 13 versucht, den Saugarm auf den aktu ellen Sollwinkel R_s auszufahren. Hierbei wird nach Abschluß der Armverlängerung der Arm gegen die aktuelle Drehrichtung um maximale eine halbe Kopfbreite bis zum Hinderniskontakt zurückgeschwenkt. Da bei der Umgehung eines Hindernis ses die Vorwärtsdrehung in Vielfachen des halben Kopfdurchmessers erfolgt, ist die Rückdrehung erforderlich, um sicherzustellen, daß die Kontur des zu umge henden Hindernisses exakt abgetastet wird. Die Rückdrehung muß allerdings nur dann ausgeführt werden, falls vorher kein Drehrichtungswechsel erfolgte und wird auch nur dann durchgeführt, wenn der Saugarm um eine bestimmte Mindestlänge ausgefahren werden konnte.

Anschließend wird überprüft, ob der Sollradius erreicht wurde oder ob im Winkel feld bereits alle folgenden Winkel in Drehrichtung mit einem Radius kleiner als R_s markiert sind und damit ein bekanntes Hindernis bis zur Sektorgrenze anzeigen. In beiden Fällen erfolgt der Rücksprung in Bild 11.

Liegt in Drehrichtung ein bekanntes Hindernis, daß allerdings nicht bis zur Sektor grenze reicht, wird der Saugarm anschließend soweit wie nötig eingezogen, am Hindernis vorbeigedreht und anschließend wieder versucht, zu verlängern.

Andernfalls wird der Saugarm etwas zurückgezogen, bis vom Sensor kein Hinder nis mehr detektiert wird, und um eine halbe Kopfbreite weitergedreht. Wenn auf grund eines Hindernisses keine Drehung möglich war, erfolgt der Rücksprung in Bild 11.

Konnte der Arm zumindest geringfügig gedreht werden, wird der überstrichene Bereich im Winkelfeld mit den jeweiligen Radien gekennzeichnet, und es erfolgt der Rücksprung zur Verlängerung des Saugarmes wie anfangs beschrieben.

2.2.3.2 Bestimmung der nächsten Saugerposition

Das Grundprinzip zur Ermittlung der neuen Saugerposition besteht darin, aus der Gesamtheit der insgesamt noch offenen Tasks durch Bewertung verschiedener Kriterien die vom aktuellen Standort jeweils optimale Task herauszufiltern. Wird vom aktuellen Standort aus keine neue Task gefunden, werden anschließend der Reihe nach die vorherigen Saugerpositionen untersucht. Kann von einer dieser alten Positionen eine neue Saugposition ermittelt werden, so wird der Sauger auf diese Position zurückgeführt und von hier aus die neue Position angefahren. Zu Beginn des Flußdiagramms in Abb. 14 wird die Testpostion auf die aktuelle Saugerposition gesetzt. Anschließend werden sämtliche gespeicherten Tasks durchlaufen und überprüft, ob sie als mögliche Fortsetzungen in Frage kommen. Folgende Bewertungen in der aufgeführten Reihenfolge werden hierbei durchge führt:

- Zuerst wird anhand des Status' im Saugfeld überprüft, ob die gespeicherte Po sition bereits gesaugt wurde. In diesem Fall wird die entsprechende Task ver worfen und gelöscht.
- Wurde bereits ein möglicher Kandidat für die nächste Position ermittelt, wer den nur noch solche Tasks bewertet, die mindestens dieselbe Priorität aufwei sen, vgl. Abschnitt 2.2.3.
- Ist diese Bedingung erfüllt, wird anschließend die Entfernung der Task von der aktuellen Testposition berechnet und anhand der Stati im Saugfeld überprüft, ob der Sauger mit seinem Kopf auf geradlinigem Weg zu dieser Position be wegt werden kann. Dazu muß der gesamte vom Sauger zurückzulegende Weg mit dem Status 1 markiert sein und die Task zumindest durch das Ausfahren des Saugarmes erreicht werden können.
- Von allen Positionen, die angefahren werden können, wird diejenige gewählt, deren Priorität entweder höher ist als die bisher gewählte, oder die bei gleicher Priorität den größeren x-Koordinatenwert aufweist. Durch dieses Kriterium ist sichergestellt, daß die zu saugende Fläche immer von hinten nach vorn ge saugt wird.

Konnte nach Überprüfung sämtlicher gespeicherter Tasks keine anfahrbare Posi tion ermittelt werden, wird die Testposition auf die jeweils vorherige Saugerpositi on gesetzt und von dort wiederum eine Schleife über alle Tasks durchlaufen.

Falls von keiner der früheren Saugerpositionen eine Fortsetzung mehr möglich ist, entweder weil bereits alle Tasks bearbeitet wurden oder weil die noch offenen Tasks vom Sauger nicht erreicht werden können, bricht der Saugvorgang ab.

Andernfalls wird überprüft, ob die Testposition, von der aus eine Task gefunden wurde, gleich der aktuellen Saugerposition ist. Während in diesem Fall die neue Position nach Drehung des Saugers in die entsprechende Richtung direkt ange fahren werden kann, muß in allen anderen Fällen der Sauger zuerst auf die Test position zurückgesetzt werden.

Hierbei wird bei mehreren auszuführenden Rücksetzoperationen eine Wegopti mierung durchgeführt, indem für jede Zwischenposition überprüft wird, ob sie übersprungen und der Sauger eventuell direkt von seiner aktuellen- auf diejenige Position zurückgefahren werden kann, von der aus anschließend die neue Sau gerposition angenommen wird. Bedingung für eine mögliche 'Abkürzung' ist wie derum, daß der Sauger nur Bereiche überfahren darf, die im Saugfeld mit dem Status 1 markiert sind, um Kollisionen mit Hindernissen zu vermeiden.

Abbildungen

Abb. 1: Ansicht des Saugers

Abb. 2: Aufsicht des Saugers

Abb. 3: Längsschnitt des Saugkopfes

Abb. 4: Aufsicht des Saugkopfes

Abb. 5: Antrieb mit Blockierungssensor

Abb. 6: Wegsteuerung beim Sektorsaugen

Abb. 7: Sektorsaugbereich bei vorhandenen Hindernissen

Abb. 8: Aneinanderreihung von Sektorsaugbereichen

Abb. 9: Speicherung der gesaugten Bereiche

Abb. 10: Gesamtflußdiagramm der Saugersteuerung

Abb. 11: Flußdiagramm 'Saugen des voraus liegenden Sektors'

Abb. 12: Flußdiagramm 'Saugerdrehung mit eventueller Armverkürzung'

Abb. 13: Flußdiagramm 'Armverlängerung mit eventueller Saugerdrehung'

Abb. 14: Flußdiagramm 'Bestimmung einer neuen Saugerposition'

Claims

1. Verfahren zum selbsttätigen Steuern eines selbstfahrenden Gerätes, insbesonde re eines Staubsaugers, mit Abstands- bzw. Kontaktsensoren, dadurch ge kennzeichnet, daß der durch die Reichweite der Sensoren definierte Bereich um die Vorrichtung durch die Sensoren auf Hindernisse abgetastet wird, an den Grenzen dieses Abtastbereiches neue Positionen für das Gerät gespeichert werden, anschließend nach Auswahl einer der im aktuellen oder früheren Schritt gespei cherten Position in Abhängigkeit von der Erreichbarkeit und einer vorgegebenen Priorität diese anfährt und danach einen weiteren Abtastschritt und das Anfahren der ermittelten Position ausführt, bis die gesamte Fläche überstrichen wurde oder keine Position mehr zugänglich ist.

2. Verfahren zum selbsttätigen Steuern eines selbstfahrenden Gerätes, insbesonde re eines Staubsaugers, mit Abstands- bzw. Kontaktsensoren, dadurch ge kennzeichnet, daß die gesamte Fläche sukzessive durch Abtastung in ein zweidimensionales Datenfeld, abgebildet wird, um hierin während der Abtastung er kannte Hindernisse, freie Bereiche sowie neue Positionen für die Vorrichtung durch bestimmte Stati zu markieren.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Abtastung des Bereiches um die Vorrichtung nur solche Positionen gespeichert wer den, die weder durch Hindernisse blockiert sind noch an Flächenbereiche grenzen, die bereits von einer früheren Position des Gerätes aus abgetastet wurden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Markierung von neuen Positionen verschiedene Prioritäten für diese Positionen ver geben werden können.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der folgenden Kriterien bei der Auswahl einer neuen Position für die Vorrichtung angewandt wird:

1. Die neue Position darf noch nicht im zweidimensionalen Datenfeld als bereits abgetastet markiert sein,
2. wurde bereits eine mögliche Position gefunden, darf deren Priorität nicht mehr unterschritten werden,
3. durch Auswertung des zweidimensionalen Datenfeldes wird sichergestellt, daß die neue Position von der Vorrichtung erreichbar ist, wobei nur Bereiche überfah ren werden dürfen, die bereits abgetastet wurden und nicht als Hindernis markiert sind.
4. es wird bei gleicher Priorität diejenige Position mit dem größten Abstand von der Vorrichtung in einer vorgegebenen Richtung gewählt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anfahren einer neuen Position durch Auswertung des zweidimensionalen Da tenfeldes eine optimale Route innerhalb der bereits abgetasteten Fläche unter Um gehung von Hindernissen bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor richtung auf beliebige vorherige Positionen zurückgesetzt werden kann.

8. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Zurücksetzen der Vorrichtung über mehrere vorherige Positionen bestimmte Zwischenpositionen übersprungen werden, falls eine Überprüfung im zweidimensio nalen Datenfeld ergibt, daß die Vorrichtung während ihrer Bewegung keine Hinder nisse berührt.

9. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer wiederholten Abtastung eines bereits im zweidimensionalen Datenfeld mar kierten Bereiches sämtliche Stati dieser Fläche im Datenfeld entsprechend den neu en Sensordaten aktualisiert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Anfahren einer neuen Position der neue Abtastbereich so bestimmt wird, daß nur eine geringe Überlappung mit bereits abgetasteten Nachbarbereichen auf tritt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab tastung durch einen beweglichen Arm erfolgt, an dessen Kopf Abstands bzw. Kon taktsensoren befestigt sind.

12. Verfahren nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastbereich um die Vorrichtung in Form eines Kreissektors gewählt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung des Bereiches um die Vorrichtung so erfolgt, daß der Kopf gleichzeitig die Bodenfläche reinigt.

14. Verfahren nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtasten des Bereiches um die Vorrichtung so erfolgt, daß unbekannte Flächen immer zuerst von den am Arm befestigten Sensoren überstrichen werden.

15. Verfahren nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erkennen eines Hindernisses durch einen Sensor die exakte Position des Hindernisses durch Auswertung der jeweiligen Abtastrichtung ermittelt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung des Bereiches um die Vorrichtung durch periodische Drehung mit je weils um den Kopfdurchmesser vergrößerter Länge des Armes erfolgt.

17. Verfahren nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abtastung des Bereiches um die Vorrichtung der Kopf in möglichst geringem Abstand an Hindernissen entlanggeführt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf, nachdem ein Hindernis bei einer bestimmten Länge des Armes in einem bestimmten Winkelbereich detektiert und die Konturen abgetastet wurden, bei den folgenden Drehungen durch Verkürzung des Armes im entsprechenden Winkelbe reich vor dem Hindernis entlanggeführt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Auswertung der Information im zweidimensionalen Saugfeld sichergestellt wird, daß die Reinigung der Bodenfläche nur in denjenigen Bereichen erfolgt, die im Saugfeld als noch nicht gereinigt markiert sind.

20. Staubsauger, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19 mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbare Antriebsräder und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an seiner Spitze angeordnetem Saugkopf, dadurch gekennzeichnet, daß neben zwei angetriebenen Rädern als dritter Auflagepunkt der Saugkopf dient, der sich z. B. auf Walzen, Kugeln, Rädern oder Borsten abstützt.

21. Staubsauger, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19 mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbare Antriebsräder und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an seiner Spitze angeordnetem Saugkopf, dadurch gekennzeichnet, daß am Saugkopf mindestens eine angetriebene Tellerbürste angeordnet ist.

22. Staubsauger nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Bürste über eine verschiebbare Welle durch einen Motor erfolgt, der auf der Saugergrundfläche angebracht ist.

23. Staubsauger nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürste schräg nach innen gerichtete Borsten aufweist.

24. Staubsauger nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürste mit einem dichten Kranz schräg nach außen geneigter weicher Borsten um geben ist.

25. Staubsauger nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß in nerhalb der Tellerbürste auf der Rotationsachse eine zusätzliche Stütze mit inte grierter Kugel zum Abrollen befestigt werden kann.

26. Staubsauger, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19 mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbare Antriebsräder und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an seiner Spitze angeordnetem Saugkopf, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe, z. B. über Schneckengetriebe, elastisch mit dem jeweiligen Rad verbunden sind, wobei die bei einer Blockierung des Saugers durch ein Hindernis auftretende Verschiebung der Antriebe detektiert wird.

27. Staubsauger, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19 mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbare Antriebsräder und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an seiner Spitze angeordnetem Saugkopf, dadurch gekennzeichnet, daß am Saugkopf Sensoren zur Erfassung von Hindernissen angeordnet sind.

28. Staubsauger nach Anspruch 20, 21, 26 oder 27, dadurch gekennzeich net, daß die Sensoren Hindernisse für die Bewegung des Saugkopfes detektieren.

29. Staubsauger nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor so ausgeführt ist, daß um den Saugkopf herum in geringem gegenseitigen Abstand zwei elastische Kunststoffstreifen angebracht sind, deren zueinander ge wandte Flächen leitend beschichtet sind, und von denen der äußere bei Kontakt mit einem Hindernis an den inneren herangedrückt wird.

30. Staubsauger nach Anspruch 20, 21, 26 oder 27 dadurch gekennzeich net, daß die Sensoren Hindernisse für die Bewegung des Staubsaugers detektie ren.

31. Staubsauger nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstandssensor, z. B. durch Ultraschall oder mittels elektromagnetischer Wellen die lichte Höhe oberhalb des Saugkopfes mißt.

32. Staubsauger nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor, z. B. in Form eines mechanischen Tasters oder berührungslos, Stufen im Bodenbelag unterhalb des Saugkopfes detektiert.

33. Staubsauger nach einem der Ansprüche 20, 21, 26 oder 27, dadurch ge kennzeichnet, daß der Arm als Teleskoparm ausgeführt ist.

34. Staubsauger nach einem der Ansprüche 20, 21, 26 oder 27, dadurch ge kennzeichnet, daß der Arm einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist.

35. Staubsauger nach einem der Ansprüche 21, 26 oder 27, dadurch gekenn zeichnet, daß der Arm als Teleskoparm ausgeführt ist, der an seinem hinteren Ende drehbar gelagert ist.

36. Staubsauger nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß durch Gewichtsverlagerung der Aufsetzdruck des Saugkopfes variiert werden kann.