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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und System zur Roboterlokalisierung
und -arbeitsbereichsbeschränkung.
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Im
Stande der Technik wurden viele Systeme vorgeschlagen, um einen
Roboter auf einen spezifischen physikalischen Raum zu Zwecken der
Durchführung
von Arbeit zu beschränken.
Diese Systeme sind typischerweise für jede Art von Roboteranwendung
ausgelegt, wie etwa Rasenpflege, Bodenreinigung, Inspektion, Transport
und Unterhaltung, wobei es gewünscht
wird, dass ein Roboter in einem beschränkten Bereich wirkt, um über die
Zeit Arbeit auszuführen.
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Beispielsweise
kann ein staubsaugender Roboter, der in einem Raum arbeitet, versehentlich von
einem Raum in einen anderen wandern, ohne den ersten Raum zufriedenstellend
zu Ende gesaugt zu haben. Eine Lösung
besteht darin, den Roboter auf den ersten Raum zu beschränken, indem
alle Türen
geschlossen und er physikalisch am Verlassen des ersten Raums gehindert
wird. In vielen Häusern sind
jedoch die Räume
oftmals durch offene Durchgänge
getrennt, und es lassen sich nicht einfach Türen oder andere physikalische
Barrieren in den Ausgangsweg des Roboters stellen. Genauso kann
ein Benutzer wünschen,
dass der Roboter nur in einem Teil eines einzelnen offenen Raums
arbeitet, und deshalb wird die Effizienz gesenkt, wenn man den Roboter
im gesamten Raum arbeiten lässt.
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Es
ist deshalb vorteilhaft, über
Einrichtungen zu verfügen,
die den Bereich beschränken,
in dem ein Roboter arbeitet.
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Ein
Lösungsansatz
im Stande der Technik besteht darin, ausgefeilte Systeme zur Navigation und
Orientierung für
den Roboter bereitzustellen, so dass er sich entweder entlang eines
vorbestimmten Pfads weiterbewegt und/oder seine momentane Aufenthaltsstelle
anhand eines in seinem Speicher abgelegten Plans überwacht.
Diese Systeme erfordern eine ausgefeilte Hardware wie Präzisionssensoren und
erhebliche Computerspeicher- und Rechnerleistung, und lassen sich
typischerweise nicht gut an Veränderungen
in dem Bereich, in dem der Roboter arbeitet, anpassen. Gleichermaßen kann
der Roboter ohne wesentliches Umprogrammieren und Trainieren nicht
so ohne weiteres von einem Gebäude
in ein anderes, und auch nicht von Raum zu Raum verlegt werden.
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Zum
Beispiel erfordert das im US-Patent Nr. 4,700,427 (Knepper) offenbarte
Verfahren eine Einrichtung, um einen Pfad zu schaffen, den der Roboter zurücklegen
soll, was entweder in einer manuell gesteuerten Unterrichtung des
Pfads oder einer automatischen Abbildungsfunktion bestehen kann.
Wenn sich „der
Einsatzort häufig ändert" oder „Räume verändert werden", werden große Mengen
an Datenspeicher erforderlich, um die Daten zu speichern, die sich
auf jede Örtlichkeit
beziehen. Auf ähnliche
Weise erfordern das Verfahren und System, die im US-Patent Nr. 4,119,900
(Kremnitz) offenbart sind, leistungsstarke Berechnung und Sensoren,
um konstant die Lage des Roboters in einem bestimmten Raum zu ermitteln.
Andere Beispiele für
Robotersysteme, die eingegebene Information über den Raum benötigen, in
dem der Roboter arbeitet, umfassen die in den US-Patenten Nr. 5,109,566
(Kobayashi et al.) und 5,284,522 (Kobayashi et al.) aufgezeigten
Verfahren und Systeme.
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Ähnlich machen
bestimmte Systeme aus dem Stand der Technik nicht nur das Trainieren
oder Programmieren des Roboters auf die spezifischen Eigenheiten
eines bestimmten Raums erforderlich, sondern machen auch eine gewisse
Vorbereitung oder Änderung
an dem Raum nötig,
in dem der Roboter arbeiten soll. Beispielsweise offenbart das US-Patent
Nr. 5,341,540 (Soupert et al.) ein System, das in einer bevorzugten
Ausführungsform
fordert, dass der Roboter ein Positionierungssystem umfasst, und
dass der Bereich für
den Roboter mit „Orientierungshilfen" ausgestattet wird,
die „...
an feststehenden Bezugspunkten angebracht sind". Obwohl dieses System ein unbekanntes
Hindernis umgehen und durch Signale aus den Orientierungshilfen
zu seinem vorprogrammierten Weg zurückkehren kann, erfordert es
doch sowohl erhebliche Benutzereinstellungs- als auch roboterintegrierte
Rechnerleistung.
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Die
US 5,165,064 (Mattaboni)
umfasst auch einen mobilen Roboter, der eine Anordnung oder mehrere
Anordnungen von Ultraschallwandlern einsetzt, die mit einem Infrarotorientierungshilfesystem verwendet
werden können.
Eine andere Vorrichtung ist in der WO 00/38029 (Notetry Limited)
aufgezeigt, die die Verwendung von Schwellensuchgeräten erläutert, um
den Roboter in einem Raum einzugrenzen. Allerdings ist auch hier
wie im vorstehenden Stand der Technik eine erhebliche Benutzereinstellarbeit
erforderlich.
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Ähnliche
Systeme und Verfahren, die einen oder mehrere der vorstehend beschriebenen
Nachteile in sich bergen, sind in den US-Patenten Nr. 5,353,224
(Lee et al.), 5,537,017 (Feiten et al.), 5,548,511 (Bancroft) und
5,634,237 (Paranjpe) offenbart.
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Noch
ein anderer Lösungsansatz,
um einen Roboter auf einen bestimmten Bereich zu beschränken, bringt
es mit sich, eine Vorrichtung bereitzustellen, die die gesamte Abgrenzung
des Bereichs festlegt. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 6,300,737
(Bergvall et al.) ein elektronisches Grenzfestlegungssystem, bei
dem ein Kabel auf oder unter dem Boden verlegt wird, um den inneren
Bereich vom äußeren Bereich
zu trennen. Gleichermaßen macht
das im US-Patent Nr. 6,255,793 (Peless et al.) offenbarte System
den Einbau eines Metalldrahts erforderlich, durch den Elektrizität fließt, um eine
Grenze festzulegen. Obwohl diese Systeme eine effiziente Einrichtung
zur Beschränkung
bereitstellen, sind sie doch schwierig zu installieren, lassen sich
nicht von Raum zu Raum transportieren, und können unansehnlich sein oder
eine Stolpergefahr darstellen, wenn sie nicht unter dem Boden oder
unterhalb eines Teppichbelags verlegt werden. Gleichermaßen von Belang
ist, dass solche Systeme, wenn der Draht oder eine andere Beschränkungsvorrichtung
ausfällt, schwierig
zu reparieren sein können,
weil es schwierig sein kann, die Stelle solcher Ausfälle zu bestimmen,
wenn das System im Boden oder unter Teppich verlegt ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein abgewandeltes und verbessertes
System zur Beschränkung
eines Roboters auf einen bestimmtem Raum ohne die Nachteile aus
dem Stand der Technik bereit.
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Erfindungsgemäß wird ein
wie in Anspruch 1 dargelegtes Roboterarbeitsbereichsbeschränkungssystem
bereitgestellt.
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Dementsprechend
hat die vorliegende Erfindung mehrere Aufgaben und Vorteile.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein vereinfachtes und tragbares
System und ein Verfahren zur Beschränkung eines Roboters auf einen bestimmten
Bereich bereitzustellen.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Beschränkungssystem bereitzustellen,
das nicht installiert zu werden braucht.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Schrankensystem bereitzustellen,
das intuitiv eingestellt werden kann und eine Einrichtung zur visuellen
Anzeige der Schranke umfasst.
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Eine
zusätzliche
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein System bereitzustellen,
derart, dass ein Roboter, der sich der Schranke von irgendeiner Seite
der Schranke nähert,
sich so dreht, dass er ein Überschreiten
der Schranke vermeidet.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Roboterarbeitsbereichsbeschränkungssystem bereitzustellen,
das ungeachtet des Winkels arbeitet, in dem sich der Roboter der
Schranke nähert.
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Eine
zusätzliche
Aufgabe einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung besteht darin, ein System bereitzustellen, das in
Bezug die Auswirkungen von Sonnenlicht im Wesentlichen unempfindlich ist,
keine Störung
mit anderen Geräten
verursacht, und von anderen Geräten
nicht gestört
wird.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist für
eine für
den Innenraum bestimmte Reinigungsrobotervorrichtung vorgesehen, ähnlich der
Arten, die in den US-Patenten Nr. 4,306,329 (Yokoi), 5,293,955 (Lee),
5,369,347 (Yoo), 5,440,216 (KKim), 5,613,261 (Kawakami et al.), 5,787,545
(Colens), 5,815,880 (Nakanishi), 6,076,226 (Reed) offenbart sind.
Dem Fachmann auf dem Gebiet wird klar sein, dass die vorliegende
Erfindung in beliebig vielen Roboteranwendungen eingesetzt werden
kann, wo eine Beschränkung
gewünscht
wird. Darüber
hinaus wird der Fachmann, obwohl die hier beschriebenen bevorzugten
Ausführungsformen
für einen
Roboter ohne Navigationssystem vorgesehen sind, die Nützlichkeit
der Erfindung bei Anwendungen, die ausgefeiltere Roboter verwenden,
erkennen.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein wie in Anspruch 15
dargelegtes Roboterarbeitsbereichsbeschränkungssystem bereitgestellt,
wobei eine Steuereinheit einen Algorithmus ablaufen lässt, der
eine Richtungsumkehr des Roboters erleichtert.
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Nach
noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein wie in Anspruch
16 dargelegtes Verfahren zum Beschränken des Arbeitsbereichs eines
Roboters bereitgestellt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung einschließlich
der dazugehörigen
Zeichnungen und aus den Ansprüchen
hervor.
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1A zeigt
eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Roboterarbeitsbereichsbeschränkungssystems,
wobei sich der Schrankensignalsender in einem ausgeschalteten Zustand
befindet; 1B zeigt eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Roboterarbeitsbereichsbeschränkungssystems,
wobei sich der Schrankensignalsender in einem eingeschalteten Zustand
befindet,
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2A zeigt
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
des Schrankensignalsenders; 2B zeigt
ein Schaltungsschema einer speziellen Ausführungsform des Schrankensignalsenders;
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3A zeigt
eine schematische Seitenansichtsdarstellung eines mobilen Roboters,
der in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zum Einsatz kommt; 3B zeigt
eine schematische Draufsichtsdarstellung eines mobilen Roboters,
der in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zum Einsatz kommt;
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4 zeigt
eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines allseitig
gerichteten Schrankensignalsensors;
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5 stellt
ein Hardware-Blockschema des in den 3A und 3B gezeigten
Roboters dar;
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6 stellt
eine Schemadarstellung einer alternativen Ausführungsform des Roboters dar,
der mehrere Schrankensignalsensoren einsetzt;
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die 7A und 7B sind
Ablaufdiagramme des Schrankenumgehungsalgorithmus einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung;
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die 8A–C sind
Schemadarstellungen des Systems und Verfahrens einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung;
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die 9A–C sind
Schemadarstellungen des Systems und Verfahrens einer alternativen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Mit
Bezug auf die 1A und 1B ist
ein Wohnzimmer 10 gezeigt, das durch Innenwände 14 und 15 von
einem Speisezimmer 12 getrennt ist. Das Wohn- und/oder
Speisezimmer kann verschiedene Einrichtungsgegenstände enthalten,
beispielsweise eine Couch 16, einen Fernseher 17,
eine Anrichte 18 und einen Tisch und Stühle 19.
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Die
Räume enthalten
auch einen mobilen Roboter 20 und eine Schrankensignalaussendevorrichtung 30,
die zu Zwecken dieser Beschreibung auch Roboterarbeitsbereichsbeschränkungssender 30 (oder
RCON-Sender – Robot
Confinement Transmitter) genannt wird. In den 1A und 1B befindet
sich der Roboter im Wohnzimmer 10, und der RCON-Sender 30 befindet
sich in dem Bereich an einer Innenwand 14, der das Wohnzimmer 10 vom Speisezimmer 12 abteilt,
und ist zur Innenwand 15 hin gerichtet.
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Wie
hier noch ausführlicher
beschrieben wird, zeigt 1B dieselbe
Raumgestaltung, wobei der RCON-Sender 30 in einem eingeschalteten
Zustand ist und sendet, d.h. ein Infrarotstrahl 42 wird vom
RCON-Sender 30 zur Innenwand 15 hin abgegeben. Der
Strahl ist primär
entlang einer Achse gerichtet, um eine Grenze oder Schranke zwischen dem
Wohnzimmer 10 und dem Speisezimmer 12 zu schaffen.
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Das
hier beschriebene System und Verfahren greifen jeweils auf eine
tragbare RCON-Sendereinheit 30 und einen mobilen Roboter 20 zurück. Jedes
dieser Elemente wird zunächst
unabhängig
beschrieben, und dann wird der Betrieb einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erläutert.
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RCON-Sender
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2A stellt
eine bevorzugte Ausführungsform
des RCON-Senders 30 dar. Der RCON-Sender 30 umfasst
einen ersten Infrarotsender 32, einen zweiten Infrarotsender 34,
einen Leistungsschalter 36 und einen verstellbaren Leistungseinstellregler 38.
Das Gehäuse 31 des
RCON-Senders enthält auch
die Batterien (nicht gezeigt) und die für die verschiedenen Bauteile
notwendige Elektronik.
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2B zeigt
ein Schaltungsschema für
die notwendige Elektronik für
eine Ausführungsform
des RCON-Senders 30. Andere Ausführungsformen können andere
herkömmliche
Leistungsquellen verwenden.
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In
der in 2A gezeigten Ausführungsform würde ein
Benutzer den RCON-Sender 30 unter Verwendung des Leistungsschalters 36 zur
selben Zeit einschalten, zu der der Roboter 20 zu arbeiten
beginnt. Der Benutzer kann unter Verwendung des Reglers 38 auch
eine variable Leistung wählen.
In anderen Ausführungsformen
kann eine beliebige Anzahl von bekannten Eingabevorrichtungen, wie
Tastaturen, Kippschalter, usw. verwendet werden, um die Einheit
einzuschalten und/oder eine Leistungseinstellung zu wählen. Es
kann eine höhere
Leistung verwendet werden, um eine längere Schranke bereitzustellen,
die zum Unterteilen eines einzelnen Raums nützlich ist, während eine
niedrigere Leistungseinstellung verwendet werden kann, um eine Schranke
für einen
einzelnen Türdurchgang
bereitzustellen. Aufgrund der reflektierenden Eigenschaften verschiedener
Materialien wie weiß getünchter Wände, sollte
die Leistung des RCON-Senders 30 vorzugsweise auf das zum
Bereitstellen der gewünschten
Schranke notwendige Minimum eingestellt werden.
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In
alternativen Ausführungsformen
kann die Leistung des RCON-Senders nach einem vorbestimmten Zeitbetrag
automatisch abgeschaltet werden, um die Batterie zu schonen.
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In
alternativen Ausführungsformen
kann ein Steuersystem zum Ein- und Ausschalten des RCON-Senders
oder mehrerer RCON-Sender und/oder Roboter verwendet werden, um
ein automatisches Reinigen mehrerer Zimmer oder Räume auf
eine gesteuerte Weise zuzulassen. Beispielsweise könnte ein „intelligentes
haustechnisches" Steuersystem
direkt mit einem RCON-Sender oder mehreren RCON-Sendern kommunizieren,
um ein Durchlaufen von Arbeitsbereichen zuzulassen. In der Alternative
könnte
der Roboter 20 dem RCON-Sender ein Signal schicken, um
ihn einzuschalten.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
werden zwei Infrarotsender 32 und 34 verwendet.
Der erste IR-Sender 32, der primäre Sender, wird mit Strom versorgt,
um eine gerichtete Schranke 42 mit einer bestimmten Länge vom
RCON-Sender 30 aus bereitzustellen. In dieser Ausführungsform
ist der Strahl 42 ein modulierter, schmaler IR-Strahl.
In der bevorzugten Ausführungsform
wird ein Kollimations-IR-Sender wie ein Waitrony p/n IE-320H verwendet.
Die spezifischen Eigenschaften des/der Sender/s sind dem Fachmann überlassen;
jedoch muss der Strahl 42 aber, wie nachstehend noch erläutert wird,
eine ausreichende Breite haben. Bevorzugt ist die Mindeststrahlbreite
größer als
der Drehradius des Sensors an einem bestimmten Roboter.
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Der
zweite IR-Sender 34 – der
sekundäre Sender – wird mit
Strom versorgt, um einen Streubereich 44 nahe des RCON-Senders 30 bereitzustellen, um
den Roboter 20 daran zu hindern, den Strahl 42 in
seiner schmälsten
Zone im unmittelbaren Nahbereich des RCON-Senders 30 zu
durchqueren, was den Roboter 20 zusätzlich daran hindert, in direkten Kontakt
mit dem RCON-Sender 30 zu geraten. In der bevorzugten Ausführungsform
wird für
den sekundären
Sender eine Linse verwendet, die identisch zum Linsenabschnitt des
nachstehend beschriebenen RCON-Sensors ist. In anderen Ausführungsformen kann
ein einzelner aktiver Sender, der die beiden hier offenbarten Sendersysteme
umfasst und der mit einer geeigneten Optik in Wirkverbindung steht,
verwendet werden, um mehrere Sendepunkte zu schaffen.
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Aufgrund
der möglichen
Interferenz mit Sonnenlicht und anderen IR-Quellen modulieren die meisten
IR-Vorrichtungen, wie Fernbedienungen, PDAs und andere IR-Kommunikationsvorrichtungen, das
Sendesignal. Hier modulieren die Sender 32 und 34 den
Strahl mit 38 kHz. Zusätzlich
modulieren die IR-Vorrichtungen den Strahl, um der zu steuernden Einheit
einen seriellen Bitstrom zukommen zu lassen, um ihr zu sagen, was
sie zu tun hat. In einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verhindert eine zusätzliche Modulation des Strahls
mit einer Frequenz von beispielsweise 500 Hz, die sich von der Frequenz
allgemeiner IR-Bitströme
unterscheidet, eine Interferenz mit anderer IR-Ausrüstung.
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Obwohl
die bevorzugte Ausführungsform
ein Infrarotsignal verwendet, kann das System und Verfahren der
vorliegenden Erfindung auch andere Signale wie elektromagnetische
Energie, einschließlich Funkwellen,
Röntgenstrahlen,
Mikrowellen, usw. zum Erreichen der Ziele einsetzen. Viele dieser
Wellenarten haben signifikante Nachteile. Beispielsweise lassen
sich Funkwellen nur schwieriger und aufwändiger richten, und sichtbares
Licht leidet an von vielen Quellen kommender Interferenz und kann
auf Benutzer störend
wirken. Schallwellen könnten
auch verwendet werden, es ist aber ähnlich schwierig, sie sauber
zu richten, und sie neigen mehr dazu, zu streuen und zu reflektieren.
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Der Roboter
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Wie
in den 3A und 3B gezeigt
ist, umfasst der Roboter 20 in der bevorzugten Ausführungsform
eine im Wesentlichen kreisförmige
Schale 21, die auf einem Fahrwerk angebracht ist, das zwei Räder 22 und 23 enthält, die
an entgegengesetzten Seiten einer Mittellinie angebracht sind, wobei
jedes der Räder 22 und 23 unabhängig angesteuert
werden kann, um den Roboter sich drehen zu lassen. In der bevorzugten
Ausführungsform
sind die Räder
so angebracht, dass sich der Roboter im Wesentlichen auf der Stelle
drehen kann. Die bevorzugte Ausführungsform
des Roboters 20 umfasst auch Motoren 24, eine
Reinigungseinrichtung 25, eine wiederaufladbare Batterie 26,
einen Mikroprozessor 27 und verschieden Berührungs-
und optische Sensoren 28.
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In 5 ist
ein Hardware-Blockschema eines Roboters ähnlich dem in den 3A und 3B gezeigten
dargestellt. Die Hardware ist um einen 8-Bit-Prozessor der Serie
Winbond W78 XXX herum aufgebaut. Der Prozessor wird von einer Software gesteuert,
die in einem ROM gespeichert ist. Das in 5 gezeigte
System umfasst verschiedene Steuerfunktionen und Motortreiber, zusammen
mit verschiedenen Sensoren z.B. physikalischen Stoßsensoren,
Abgrundsensoren, und den RCON-Detektor/Sensor). Für die vorliegende
Erfindung besitzt der Roboter auch einen RCON-Sensor 50,
der in der bevorzugten Ausführungsform
als standardmäßiges IR-Empfängermodul
vorliegt, das eine Fotodiode und einen dazugehörigen Verstärkungs- und Erfassungsschaltkreis
umfasst, der unter einer allseits gerichteten Linse angebracht ist,
wobei sich allseits gerichtet auf eine einzelne Ebene bezieht. In
einer bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei dem IR-Empfängermodul
um einen East Dynamic Corporation p/n IRM-8601S. Jedoch kann auch
irgendein anderes IR-Empfängermodul,
ungeachtet der Modulation oder Spitzenerfassungswellenlänge, verwendet
werden, wenn auch der RCON-Sender so verändert wird, dass er zum Empfänger passt.
Wie in den 3A und 3B gezeigt
ist, ist der RCON-Sensor am höchsten
Punkt auf dem Roboter 20 und zur Vorderseite des Roboters
hin angebracht, wie sie durch die erste Hauptfortbewegungsrichtung
des Roboters definiert ist, wie in 3B durch
einen Pfeil angegeben ist.
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Obwohl
der RCON-Sensor am höchsten Punkt
des Roboters angebracht sein sollte, um Schatten zu vermeiden, ist
es in manchen Anwendungen wünschenswert,
die Höhe
des Roboters 20 und/oder des RCON-Sensors 50 zu
minimieren, um den Roboter 20 unter Möbeln oder anderen Hindernissen
durchlaufen zu lassen. In manchen Ausführungsformen kann der RCON-Sensor 50 federnd
angebracht sein, um in den Körper
des Roboters zurückzuweichen,
wenn sich dieser unter einem festen überhängenden Gegenstand bewegt.
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4 zeigt
die bevorzugte Ausführungsform des
RCON-Sensors 50 im Detail. Der RCON-Sensor umfasst eine
Linse 52, die das Schrankensignal (oder die Strahlen) 42 von
allen Richtungen durch die äußere Linsenwand 54 einlässt und
das Signal am Brennpunkt 55 fokussiert. Gleichzeitig sind
das Verfahren und die Systeme der vorliegenden Erfindung dazu geeignet,
bei Vorhandensein von Sonnenlicht verwendet zu werden. Da direktes
Sonnenlicht den IR-Sensor 55 leicht sättigen kann, kann versucht
werden, Sonnenlicht vom RCON-Sensor 50 fernzuhalten. Deshalb
wird in der bevorzugten Ausführungsform
eine opake horizontale Kunststoffplatte 57 verwendet, die
von einer Stütze 58 gehaltert
ist.
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Die
in der bevorzugten Ausführungsform
verwendete Linse 52 ist eine in erster Linie zylindrische Vorrichtung,
die dazu ausgelegt ist, Strahlen senkrecht zur Linsenachse aufzunehmen
und Strahlen im Wesentlichen über
oder im Wesentlichen unter der zur Linsenachse senkrechten Ebene
zurückzuwerfen.
Die Linse fokussiert horizontale Strahlen primär auf den unter der Linse angebrachten
IR-Sensor 50.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist die Geometrie der Linse dadurch bestimmt, dass eine Parabel
um ihren Brennpunkt gedreht wird, wobei der Brennpunkt mit dem aktiven
Element des Empfängers 55 zusammengelegt
ist. Die innere Linsenwand 53 ist dabei durch die gewundene
Parabel gebildet. Die Strahlen werden durch die Totalreflexion genannte
Erscheinung reflektiert, die hier durch die Unterbrechung zwischen
dem Linsenmaterial und dem zur inneren Linsenwand 53 innenliegenden
Material gebildet ist. Die bevorzugte Ausführungsform besteht aus klarem
Polycarbonat, das seiner niedrigen Kosten und seines niedrigen Brechungsindexes
wegen ausgewählt
wurde.
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Die
allseits gerichtete Beschaffenheit des RCON-Sensors 50 ermöglicht es,
dass das System mit nur einem einzigen RCON-Sensor 50 genauso gut
funktionieren kann, ganz gleich, wie der Winkel einfallenden Lichts
vom RCON-Sender auch sein mag. Falls der RCON-Sensor 50 für die Strahlen 42 und 44 aus
bestimmten Winkeln unempfänglich
ist, kann der Roboter 20 die Beschränkungsstrahlen 42 und 44 durchbrechen,
wenn der Roboter 20 sich dem/den Strahl/en so nähert, dass
der/die Strahl/en die tote Zone des RCON-Sensors 50 einnimmt/einnehmen.
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Zusätzlich ist
der RCON-Sender 30 in der bevorzugten Ausführungsform
batteriebetrieben. Dies setzt bei dem am Roboter angebrachten Sensor 50 eine
hohe Empfindlichkeit voraus, um eine lange Batterienutzdauer im
Sender 30 zu fördern.
Als solches sollte das RCON-Erfassungssystem so ausgelegt sein,
dass es so viel IR-Signale wie möglich
von dem/den Sender/n aufnimmt.
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Der
RCON-Sensor der bevorzugten Ausführungsform
ist dazu ausgelegt, durch modulierte IR-Signale über einer bestimmten Intensitätsschwelle
ausgelöst
zu werden. Liegen die IR-Pegel unter der bestimmten Schwelle, berechnet
der RCON-Sensor keine wie auch immer geartete Erfassung und löst deshalb
keine speziellen Steuerbefehle aus.
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Ein
Fachmann wird erkennen, dass in alternativen Ausführungsformen
mehrere RCON-Sensoren 50 verwendet werden können. 6 stellt
eine solche Ausführungsform
dar, die sechs seitenmontierte Sensoren 50 einsetzt. Jeder
der Sensoren sollte so ausgerichtet sein, dass sein Sichtfeld demjenigen
des einzelnen, an der Spitze angebrachten Sensors entspricht. Weil
ein einzelner, allseits gerichteter RCON-Sensor für optimale
Leistung am höchsten Punkt
des Roboters angebracht sein sollte, ist es möglich, die Außenlinie
des Roboters tiefer zu legen, indem man mehrere Sensoren einbaut.
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Wie
vorstehend offenbart, lässt
sich das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung mit jeder
beliebigen Anzahl von im Stande der Technik vorkommenden Robotern
einsetzen, einschließlich
derjenigen, die für
Innenraumreinigungsanwendungen ausgelegt sind.
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Betrieb des Systems und
Verfahrens
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Wie
in den 8A–C gezeigt ist, wird ein IR-Strahl
dazu verwendet, den Raum (Wohnzimmer 10 und Speisezimmer 12)
in zwei einzelne Bereiche zu unterteilen. Um diesen Strahl 42 zu
erfassen, besitzt der Roboter einen oben an seiner Vorderseite angebrachten
Sensor. Wie in 8B zu sehen ist, wird, wann
immer ein messbarer Pegel an IR-Strahlung auf den Sensor trifft,
das IR-Vermeidungsverhalten des Roboters ausgelöst. In einer bevorzugten Ausführungsform
bringt dieses Verhalten den Roboter dazu, sich so lange an einer
Stelle nach links zu drehen, bis das IR-Signal unter erfassbare
Pegel sinkt (8C). Der Roboter nimmt dann
seine vorherige Bewegung wieder auf. Eine Linksdrehung ist in manchen
Systemen erwünscht,
weil es sein kann, dass der Roboter herkömmlicher Weise versucht, während der
folgenden Betriebsabläufe
alle Gegenstände
zu seiner Rechten zu halten. Das Beschränkungsverhalten des Roboters
stimmt mit seinen sonstigen Verhaltensweisen überein, wenn er sich beim Erfassen
des Beschränkungsstrahls 42 nach links
dreht. In dieser Ausführungsform
wirkt der IR-Sensor als Gradientendetektor. Wenn der Roboter auf
einen Bereich mit höherer
IR-Intensität
trifft, dreht er sich an der Stelle. Da der IR-Sensor an der Vorderseite
des Roboters angebracht ist und sich der Roboter nicht rückwärts bewegt,
sieht der Sensor die zunehmende IR-Intensität immer vor den anderen Teilen
des Roboters. So bringt das Drehen an der Stelle den Sensor dazu,
sich zu einem Bereich mit niedrigerer Intensität zu verschieben. Wenn sich
der Roboter dann wieder dem Sensor folgend nach vorn bewegt, bewegt
er sich unweigerlich – weg
vom Strahl – zu
einem Bereich mit niedrigerer Intensität.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
wirkt das Raumbeschränkungsverhalten
als Einzelverhalten in einem strikt auf Priorität beruhenden Verhaltenssystem,
das die Roboterbewegung steuert. Jeder der Verhaltensweisen ist
eine Priorität zugeteilt,
und das Verhalten mit der höchsten
Priorität verlangt
jederzeit nach der Steuerung des Roboters und verfügt über die
volle Steuerung des Roboters. Diese Verhaltensweisen können umfassen,
nach vorn zu fahren, zu drehen, wenn angestoßen wurde, Spiralen zu fahren,
usw. Das Beschränkungsverhalten
ist eine der Verhaltensweisen mit der höchsten Priorität. Es verlangt
die Steuerung des Roboters, wenn der IR-Sensor für Raumbeschränkung ein
Signal von einem Sender für
Raumbeschränkung
erfasst hat.
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Ein
Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Steuerlogik
des Beschränkungsverhaltens
ist in 7A gezeigt. Der Roboter ermittelt,
ob der RCON-Sensor ein Signal erfasst (Schritt 110). Wird
ein Signal erfasst, wählt
der Roboter eine Drehrichtung (Schritt 120). Der Roboter
beginnt dann, sich in der gewählten
Richtung zu drehen, bis das Signal nicht mehr erfasst wird (Schritt 130).
Sobald das Signal nicht mehr erfasst wird, dreht sich der Roboter
um einen zusätzlichen
Abstand weiter (Schritt 140).
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In
der bevorzugten Ausführungsform
von Schritt 120 wird die Richtung durch einen Algorithmus
gewählt,
der in dem in 7B gezeigten Ablaufdiagramm
dargestellt ist. Die Steuerlogik des Roboters verfolgt die einzelnen
Interaktionen des Roboters mit dem Strahl. Der Roboter lässt zuerst
den Zähler
um Eins vorrücken
(Schritt 122). Bei Interaktionen mit ungeraden Zahlen wählt der
Roboter zufällig
eine neue Drehrichtung (Schritte 124 und 126);
bei Interaktionen mit geraden Zahlen verwendet der Roboter seine
letzte Drehrichtung.
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In
anderen Ausführungsformen
kann sich der Roboter immer in eine einzige Richtung drehen oder
zufällig
eine Richtung wählen.
Wenn sich der Roboter immer in eine Richtung dreht, kann er in einer
Schleife hängen
bleiben, indem er sich vom Strahl wegdreht, an ein anderes Hindernis
in einem Raum stößt, sich
wieder zurück
zum Strahl dreht, den Strahl wieder sieht, sich wegdreht, wieder
anstößt, usw.,
usf. Wenn sich der Roboter nur in einer einzigen Richtung dreht,
hört dies
vorzugsweise an einem Ende des Strahls auf. Wenn die Aufgabe des
Roboters darin besteht, seine Arbeit, wie Reinigen, gleichmäßig über einen
ganzen Raum fertigzustellen, ist eine einzige Drehrichtung nicht
optimal. Wird die Richtung rein zufällig gewählt, kann sich der Roboter ein
ganzes Stück
nach vorn und hinten drehen, wenn er mehr als einmal auf den Strahl
trifft.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
von Schritt 140 dreht sich der Roboter um zusätzliche
20 Grad ab dem Punkt, an dem er das Signal verliert. Der Betrag
der Drehung, die in der bevorzugten Ausführungsform willkürlich gewählt war,
bleibt dem besonderen Roboter und der besonderen Anwendung überlassen.
Die zusätzliche
Drehung verhindert, dass der Roboter sofort, nachdem er aus dem
Strahl ausgetreten ist, wieder auf den Beschränkungsstrahl trifft. Für verschiedene
Anwendungen kann der Betrag zusätzlicher
Bewegung (linear oder drehend) eine vorbestimmte Distanz oder Zeit
sein, oder kann als Alternative eine Zufallskomponente umfassen.
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In
noch einer anderen Ausführungsform kann
es das Vermeidungsverhalten des Roboters umfassen, seine Richtung
umzukehren, bis der Strahl 42 nicht mehr erfasst wird.
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In
anderen Ausführungsformen
ist der RCON-Sensor in der Lage, die Gradientenpegel des Strahls
zu bestimmen. Diese Information kann dazu verwendet werden, den
Roboter in die Richtung mit dem niedrigsten Erfassungspegel zu schicken
und somit die Situation zu verhindern, in der sich der Roboter vollkommen
im Strahl befindet und sich deshalb um 360 Grad dreht, ohne dass
der Sensor aus dem Strahl austritt. Wenn sich in diesen Ausführungsformen
der Roboter um 360 Grad dreht, ohne aus dem Strahl auszutreten,
kann die Steuerlogik einem „Gradientenverhalten" eine höhere Priorität einräumen. Das
Gradientenverhalten unterteilt die möglichen Robotersteuerkurse
in eine feststehende Anzahl von Winkelsegmenten, wobei jedes Segment
den gleichen Durchlauf eines Winkelbereichs um den Roboter abdeckt.
Der Roboter dreht sich dann mit einer konstanten Rate, während er
die Anzahl der Erfassungen in jedem Winkelsegment abtastet. (Bei
einem System, das Infrarotsignale verwendet, werden die Erfassungszählungen
gleichförmig
zur Signalstärke in
Bezug gesetzt.) Nachdem sich der Roboter um mehr als 360 Grad gedreht
hat, befiehlt das Gradientenverhalten dem Roboter, sich zum Winkelsegment mit
der niedrigsten Erfassungszahl zu drehen. Wenn der Roboter den richtigen
Steuerkurs erreicht, befiehlt das Gradientenverhalten dem Roboter,
sich um einen vorbestimmten Abstand, z.B. die Hälfte der Breite des Roboters,
nach vorn zu bewegen, dann findet keine Steuerung des Gradientenverhaltens mehr
statt. Falls nötig
wird dieser Vorgang wiederholt, bis sich der Roboter in einen Bereich
bewegt hat, in dem die IR-Intensität unter der Erfassungsschwelle
liegt.
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Ein
Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass das Sender-/Sensorsystem
auch dazu verwendet werden kann, den Roboter auf beliebig vielen Wegen
zu führen.
Beispielsweise könnte
der Strahl 42 dazu verwendet werden, den Roboter parallel
zum Rand des Strahls Arbeit verrichten zu lassen, ihn beispielsweise
den Boden bis zum Rand des Raumbeschränkungsstrahls reinigen zu lassen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann der RCON-Sender sowohl einen Signalsender
als auch einen Signalsensor umfassen. Wie in 9A gezeigt
ist, umfasst der RCON-Sender 210 sowohl einen primären Sender 212 als
auch einen Sensor 214. Der RCON-Sender 210 ist
an einem Ende der gewünschten
Schranke angeordnet, und ein Rückstrahler 230 ist
am entgegengesetzten Ende der ge wünschten Schranke angeordnet.
Der Rückstrahler,
der den Strahl ungeachtet der Ausrichtung des Rückstrahlers in Bezug auf den
Strahl zurück
zum Sender reflektiert, kann beispielsweise aus standardmäßigen Fahrradrückstrahlern
bestehen. Wie in 9A gezeigt ist, erzeugt der primäre Sender 212 einen
Strahl 242. Ein Teil des Strahls 242 wird vom
Rückstrahler 230 reflektiert
und vom Sensor 214 erfasst.
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In
der in den 9A und 9B gezeigten Ausführungsform
kann die vom primären
Sender 212 abgegebene IR-Strahlung auf eine oder zwei Weisen moduliert
werden, die ein Signal A oder ein Signal B darstellen. Während des
normalen Betriebs wird der vom primären Sender 212 abgegebene
Strahl 242 durch das rückstrahlende
Material 230 zurück
in den Sensor 214 gestrahlt. Wenn dies zutrifft, sendet
der RCON-Sender Signal A, das vom Roboter 220 empfangen
wird. Wenn wie in 9B gezeigt, der Roboter oder
ein anderes Objekt zwischen den Sender 212 und das Rückstrahlmaterial 230 gerät, wird
kein Signal zum Empfänger 214 zurückgeschickt,
und der RCON-Sender 210 sendet Signal B, das vom Roboter 220 empfangen
wird. Der Roboter 220 nutzt dann diese Information, um
seine Leistung zu verbessern. Der Roboter dreht sich nur dann wie
vorstehend beschrieben vom Strahl weg, wenn er Signal B erfasst. Wenn
der Roboter Signal A erfasst, wird nichts unternommen.
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Für bestimmte
Anwendungen stellt die in den 9A und 9B gezeigte
Ausführungsform
eine verbesserte Leistung bereit. Beispielsweise wird bei einer
Reinigungsanwendung die Vollständigkeit
der Reinigung verbessert, weil der Roboter dazu neigt, bis zu der
Linie zu reinigen, die die Beschränkungsvorrichtung und das rückstrahlende
Material verbindet. Auch ist diese Ausführungsform widerstandsfähiger gegen
ein Versperren des Strahls. Wenn Möbel oder andere Hindernisse
den Strahl teilweise verdecken, neigt der Roboter dazu, sich wegzudrehen, wenn
er vom Überschreiten
des Strahls weiter weg ist. Schließlich kann dem RCON-Sender
noch eine Anzeigevorrichtung wie eine LED hinzugefügt werden,
um anzuzeigen, wann die Vorrichtung funktioniert und richtig auf
Zielkurs ist.
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In
anderen Ausführungsformen
kann der RCON-Sender dazu verwendet werden, einen ringförmigen Beschränkungsbereich
festzulegen. Beispielsweise kann ein RCON-Sender mit zwei allseits gerichteten
Sendern verwendet werden, wobei der erste Sender den modulierten
Standardstrahl und der zweite Sender eine zum Ausgang des ersten
Senders um 180 Grad phasenverschobene Strahlung senden würde, aber
mit weniger Leistung. Der Roboter wäre so programmiert, dass er
sich dreht, wenn die IR-Strahlung nicht erfasst wird. Wenn der Roboter weiter
weg vom Sender gerät,
würde er
eventuell den Strahl verlieren und in ihn zurückkehren. Wenn er näher kommt,
würde die
Strahlung aus dem zweiten Sender die Strahlung aus dem ersten Sender
stören, wodurch
ein im Wesentlichen unmoduliertes IR-Signal erzeugt wird. Der Sensor
würde dieses
nicht erfassen können
und der Roboter würde
wieder in den Kreisring zurückkehren.
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In
noch einer anderen Ausführungsform kann
der RCON-Sender als „Zielbasis" verwendet werden.
Sobald zum Beispiel die Spannung der Roboterbatterie unter einen
vorbestimmten Pegel absinkt, kann der Roboter das Gradientenerfassungsverhalten
einsetzen, um den RCON-Sender als Ziel anzusteuern. Dies lässt den
Benutzer den Roboter, wenn dieser seine Reinigungsarbeit beendet
hat, leicht auffinden, denn er endet nicht zufällig in irgendwelchen Ecken,
unter Möbelstücken, usw.
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Obwohl
die vorstehende Erfindung viele spezielle Merkmale enthält, sollten
diese nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend, sondern vielmehr als
lediglich Darstellungen einiger der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen
dieser Erfindung bereitstellend aufgefasst werden.
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Andere
Ausführungsformen
der Erfindung liegen im Rahmen der folgenden Ansprüche.