TW202020480A

TW202020480A - 移動機器人上的感測器外殼

Info

Publication number: TW202020480A
Application number: TW108121456A
Authority: TW
Inventors: 梅森阿里; 湯姆布里斯柯
Original assignee: 英商戴森科技有限公司
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2020-06-01
Also published as: GB201812282D0; GB2576142A; WO2020021225A1

Abstract

一種移動機器人，包含有：主要本體，包含至少一感測器外殼；及至少一光學感測器，封裝在感測器外殼內，所述光學感測器包含發射器及接收器；其中感測器外殼包含形成移動機器人的外表面之一部分的外蓋，所述外蓋包含至少一凹槽，所述凹槽於發射器和接收器之間的位置處形成在外蓋中。

Description

移動機器人上的感測器外殼

本發明有關移動機器人，且尤其是有關移動機器人上的感測器外殼。

移動機器人正變得越來越普遍，並且使用於諸如太空探索、遠程監控、家用助理、草皮修剪、和地板清潔等多種領域。最近，家用機器人領域迅速發展，其主要目的是自主地且不引人注意地進行諸如抽真空和清潔之類的諸多操作來導航用戶之家，同時需要盡可能少的人類用戶之幫助，且較佳地是沒有。

在施行此等任務時，移動機器人必須能夠在其環境內自主地導航和越過障礙。為了有效地實現這一點，移動機器人典型設有許多感測器，且通常具有不同類型感測器的選擇，這些感測器被最佳化用於感測周圍環境之不同態樣。例如，一些典型的感測器是微開關，其充當物理碰撞感測器、諸如位置靈敏裝置(PSDs)或飛行時間(TOF)感測器之光學感測器、或視覺系統中的照相機。

圖1顯示經過如先前技術領域中已知之光學感測器1的範例之橫截面。光學感測器1可以是例如PSD或TOF感測器。光學感測器1包含發射器2和接收器3。發射器2發射光，如藉由箭頭2A所表示。藉由發射器2所發射的光2A可以是例如紅外(IR)光，且引導朝感測器周圍之環境。如藉由箭頭3A所表示，接收器3接收從感測器附近的障礙物彈離之入射光。肋條4定位於發射器2和接收器3之間，並防止從發射器2發射的任何光直接進入接收器3。能夠從發射器2傳遞至接收器3而不被送入環境中之光如所預期的那樣已知為串擾，並且在感測器1中造成誤差和錯誤讀數，這尤其會導致精度感測器輸出中之劣化。肋條4防止任何直接串擾。

光學感測器1將典型安置於產品上的感測器外殼內，並且顯示感測器外殼蓋子5之一部分。感測器外殼蓋子5由允許在發射器2處產生的光通過其進入感測器周圍之環境的材料所製成，或另一選擇係可以設有由此一材料所形成之窗口。藉由箭頭6所顯示的少量光在感測器蓋子5之材料內部地反射，且能夠進入接收器3。此光亦呈串擾的形式，並可造成與上述直接串擾相同之有害影響。

本發明提供移動機器人，包含有：主要本體，包含有至少一感測器外殼；及至少一光學感測器，封裝在感測器外殼內，光學感測器包含發射器及接收器；其中感測器外殼包含形成移動機器人的外表面之一部分的外蓋，外蓋包含至少一凹槽，所述凹槽於發射器和接收器之間的位置處形成在外蓋中。

其結果是，藉由感測器外殼之外蓋內的光之內反射所造成的串擾顯著地減少。並且由於感測器外殼之外蓋形成移動機器人的外表面之一部分，因此不存在進一步串擾的來源。

凹槽可以延伸穿過外蓋以界定穿透孔。其結果是，提供經過感測器外殼之整個厚度的物理屏障，進一步減少串擾之風險。

光學感測器可以是光電感測器，並且可以是飛行時間感測器和位置靈敏偵測器(PSD)之一。

外蓋可包含至少一個由IR透明材料所形成的窗口。其結果是，整個感測器外殼蓋子不需要由IR透明材料所形成。

至少一光學感測器可以定位於至少一窗口之後方。其結果是，光學感測器定位成經過窗口發射和接收光，使得串擾和其他信號雜訊的風險減少。

至少一凹槽可以形成在至少一窗口中。

外蓋可以由IR(紅外線)透明材料所形成。其結果是，安置於感測器外殼內之感測器能夠經過感測器外殼的外蓋發射和接收IR信號。再者，如果外蓋由IR透明材料所形成，其將不需要在外蓋中提供由不同材料所製成之窗口，且因此可以使感測器外殼的成本最小化。

IR透明材料可以是聚碳酸酯。其結果是，感測器外殼之外蓋由輕而堅固且有彈性的材料所形成，所述材料能夠承受移動機器人之外表面預期會經歷的典型碰撞和衝擊。

非IR透明材料可以插入外蓋中之凹槽。其結果是，在凹槽內提供IR擋塊，以更堅固地防止經過感測器外殼材料發生的串擾。

非IR透明材料可以包覆模製至外蓋上。這確保非IR透明材料於凹槽內之良好放置，並且減少在組裝期間非IR透明材料與凹槽不對準的風險。

非IR透明材料可以固定至光學感測器。其結果是，非IR透明材料將與光學感測器之發射器和接收器精確定位，以便最有效地減少串擾。

凹槽的寬度可以實質上等於光學感測器之寬度。其結果是，在光學感測器的整個寬度上將減少串擾。

複數個光學感測器可以安置於至少一感測器外殼內，且用於每一光學感測器之凹槽可提供於外蓋中。

1‧‧‧光學感測器

2‧‧‧發射器

2A‧‧‧箭頭

3‧‧‧接收器

3A‧‧‧箭頭

4‧‧‧肋條

5‧‧‧感測器外殼蓋子

6‧‧‧箭頭

20‧‧‧光學感測器

22‧‧‧發射器

22A‧‧‧IR光

23‧‧‧接收器

23A‧‧‧反射光

24‧‧‧肋條

25‧‧‧感測器外殼蓋子

26‧‧‧箭頭

27‧‧‧凹槽

30‧‧‧光學感測器

32‧‧‧發射器

32A‧‧‧IR光

33‧‧‧接收器

33A‧‧‧反射光

34‧‧‧肋條

35‧‧‧感測器外殼蓋子

36‧‧‧箭頭

37‧‧‧凹槽

38‧‧‧肋條

40‧‧‧移動機器人

42‧‧‧主要本體

44‧‧‧清潔器頭

46‧‧‧旋風分離系統

48‧‧‧坦克履带

50‧‧‧魚眼鏡頭照相機

52‧‧‧感測器外殼

54‧‧‧窗口

56‧‧‧感測器外殼蓋子

60‧‧‧光學感測器

62‧‧‧光學感測器

64‧‧‧光學感測器

65‧‧‧框架

66‧‧‧發射器

68‧‧‧接收器

70‧‧‧肋條

72‧‧‧凹槽

74‧‧‧肋條

76‧‧‧凹槽

78‧‧‧肋條

80‧‧‧凹槽

為了更容易理解本發明，現在將參考以下附圖、通過範例敘述本發明的實施例，其中：

圖1顯示在感測器外殼內之光學感測器的先前技術領域範例；

圖2顯示在感測器外殼內之光學感測器的第一實施例；

圖3顯示在感測器外殼內之光學感測器的第二實施例；

圖4係移動機器人；

圖5係移動機器人，使其外蓋之一部分被移除；

圖6顯示圖4的移動機器人之感測器外殼的局部分解視圖；及

圖7係經過圖6之組裝感測器外殼的橫截面視圖。

圖2顯示經過光學感測器20之橫截面。光學感測器20包含發射器22及接收器23。發射器22發射呈IR光22A形式的電磁輻射。IR光22A離開發射器22，且接著通過由IR透明材料所形成之感測器外殼蓋子25，允許IR光發射進入感測器周圍的環境中。如果附近有障礙物，則IR光22A將撞擊障礙物，且入射光以反射光23A之形式從障礙物反射。反射的IR光23A通過IR透明感測器蓋子25返回並藉由接收器23所接收。感測器外殼蓋子25具有形成在其中的凹槽27，且與光學感測器20相關聯之肋條24承納於凹槽27內。肋條24由非IR透明材料所形成，並與凹槽27一起，防止任何IR光經過感測器外殼蓋子25的材料內反射並直接從發射器22進入接收器23，且因此防止兩者之間的串擾。這是串擾防止在圖2中示出，其中藉由箭頭26所表示之IR光經過感測器外殼蓋子25內反射，但是當其抵達凹槽27和肋條24時停止。凹槽27本身可以進行某種減少串擾的方法。然而，非IR透明之肋條24確保沒有IR光能夠通過。

圖3顯示光學感測器30的替代實施例。與圖2之光學感測器20一樣，圖3的光學感測器30包含發射器32及接收器33。發射器32發射呈IR光32A形式之電磁輻射。IR光32A離開發射器32並通過由IR透明材料所形成的感測器外殼蓋子35，允許IR光發射進入感測器30周圍之環境中。如果附近有障礙物，則IR光32A將撞擊障礙物，且入射光以反射光33A的形式從障礙物反射。反射之IR光33A通過IR透明感測器蓋子35返回並藉由接收器33所接收。

然而，於圖3的實施例中，與光學感測器30相關聯之肋條34不會延伸穿過感測器外殼蓋子35中的凹槽37。替代地，由非IR透明材料所形成之分開的串擾防止肋條38經過感測器外殼蓋子35之材料防止任何IR光內反射，如藉由箭頭36所表示，並直接從發射器22進入接收器23。串擾防止肋條38可以包覆模製至感測器外殼蓋子35、或可以附著至光學感測器30。

圖4顯示移動機器人40。移動機器人40是機器人真空吸塵器，且具有包括旋風分離系統46和清潔器頭44的地板清潔系統。設在移動機器人40之主要本體42內側的真空馬達(未示出)經過清潔器頭44吸入髒空氣，並經過旋風分離器46，在此污物顆粒從氣流中移除，且接著經過機器人40背面中之通風口(未示出)排出清潔空氣。移動機器人40具有呈坦克履带48的形式之驅動致動器，其可被驅動以使移動機器人40圍繞其所處的環境移動。移動機器人40具有包含魚眼鏡頭照相機50之導航感測器，所述照相機能夠擷取移動機器人40周圍區域的影像。移動機器人之控制系統對藉由照相機50所擷取的影像使用同時定位和映射(SLAM)技術，以便建立環境地圖並識別移動機器人40在該地圖內之位置。藉由控制系統所施行的SLAM技術亦使用由從動坦克履带48所提供之量距測量、以及亦由定位於旋風分離器46的任一側之感測器外殼52中所坐落的其他感測器(諸如近接感測器)所提供之資訊。感測器外殼52的每一者具有感測器外殼蓋子56，其形成移動機器人40之主要本體42的外表面之一部分。感測器外殼蓋子56的每一者具有形成在其中之多個窗口54。在這些窗口54的每一個後面者是光學感測器、諸如PSD或TOF感測器，其可用於決定遠離移動機器人周圍環境中之物體和障礙物的距離。

圖5顯示移動機器人40，使兩個感測器外殼蓋子56中之一個被移除。在移除感測器外殼56的情況下，可以看到多個光學感測器60、62和64。與圖4之比較顯示光學感測器60、62和64如何定位成使得它們緊接定位於感測器外殼蓋子56的窗口54後面。在每一感測器外殼52中提供多個光學感測器。光學感測器60、62和64之每一個不同地定向，以便它們可感測移動機器人40周圍的環境之不同區域。例如，感測器60直接大體上向前移動，以便能夠於移動機器人40在向前方向中行進時偵測移動機器人40前面的障礙物，定向感測器62，因此其能偵測朝移動機器人40側面之附近障礙物，且感測器64是引導出移動機器人40的側面之遠程飛行時間(TOF)，但是其能夠偵測離感測器62較遠距離的障礙物。

亦可以提供於其他定向中之附加感測器。例如，移動機器人40具有附加的光學感測器，所述光學感測器未示出，且朝移動機器人40正行進之地板表面引導向下。這些面向下的感測器可偵測到地板之距離中的變化，且因此能夠在移動機器人40行進越過邊緣之前偵測到諸如樓梯之大的下落。這些面向下之感測器典型被稱為峭壁感測器。

圖6更詳細地顯出感測器外殼52的一部分，且在此感測器外殼蓋子56與感測器外殼52之其餘部分分開。感測器60、62及64安裝至框架65上。肋條70形成為框架65的一部分，並與感測器64相關聯。肋條70定位於光學感測器64之發射器66和接收器68之間。另一肋條74形成為框架65的一部分，並且與感測器60相關聯。感測器60小於感測器64，但肋條74類似地定位於感測器60的發射器和接收器部件之間。另一肋條78形成為框架65的一部分，並與光學感測器62相關聯。關於其他肋條70、74，肋條78定位在感測器62的發射器和接收器部件之間。肋條70、74、78的每一個延伸與其相關聯之光學感測器的整個寬度，確保最大程度地防止感測器之整個寬度上的串擾。

感測器外殼蓋子56包含三個窗口54，每一窗口與光學感測器60、62、64中之一個相關聯，且每一窗口包含凹槽72、76、80。當感測器外殼蓋子56如藉由箭頭A所指示地放置就位時，肋條70插入凹槽72，肋條74插入凹槽76，且肋條78插入凹槽80。

圖7顯示經過感測器外殼52的橫截面。橫截面取自經過感測器外殼，並在橫截面通過感測器64中間之一點處。此視圖顯示光學感測器68的發射器66和接收器68如何緊接地定位於感測器外殼蓋子56中所形成之窗口54的後方，以及肋條70如何定位在窗口54中之凹槽內，使得它位於發射器66和接收器68之間。肋條70延伸經過窗口54的整個路徑，確保任何光都不可能通過在感測器外殼蓋子56之材料內反射而直接從發射器66傳遞至接收器68。

雖然到目前為止已經敘述特定的範例和實施例，但是應理解，在不脫離藉由申請專利範圍所界定之本發明的範圍之情況下，可以進行諸多修改。例如，在此所敘述及顯示的感測器外殼蓋子內之凹槽具體化為延伸經過整個感測器外殼蓋子的凹槽。然而，應當理解，於一些實施例中，凹槽可以僅局部地延伸經過感測器外殼之壁面的厚度。以此方式，感測器外殼蓋子之外觀看起來將“更乾淨”，沒有可見的斷裂，然而這可能潛在地會對串擾預防之程度造成輕微損害。雖然如此，藉由局部地延伸經過感測器外殼蓋子的壁面之凹槽可達成足夠程度的串擾預防。

此外，於圖5及6中，肋條顯示為與安裝光學感測器之框架成一體的。然而，應當理解，肋條之多個替代實施例仍然將達成相同的結果，例如，肋條可以包覆模製至感測器外殼蓋子上，或可安裝至光學感測器本身或與光學感測器本身成一體。

再者，在此所敘述及顯示之實施例都具有形成於感測器蓋子中的窗口。然而，如果感測器蓋子由IR透明材料所形成，則感測器蓋子並不總是必須設有窗口。當然，即使整個感測器外殼蓋子由IR透明材料所之所形成，仍可以提供窗口。使用窗戶可確保光學感測器定位於蓋子的最佳化用於光學感測器之一部分後面，以發揮其最大潛力，但是由於單一射出成形部件從單一材料所製成，因而易於製造感測器蓋子，且製造感測器蓋子的成本低廉。