TWI610650B

TWI610650B - 自走式吸塵器

Info

Publication number: TWI610650B
Application number: TW098107533A
Authority: TW
Inventors: 法蘭克梅爾; 馬利歐沃梅爾; 丹尼爾朱柏; 哈羅德溫多夫; 馬丁梅格
Original assignee: 佛維爾克控股公司
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2018-01-11
Also published as: JP5443796B2; DE102008014912A1; IT1393527B1; DE102008014912B4; ITMI20090411A1; TW200948333A; JP2009229458A

Abstract

本發明係有關一種自走式吸塵器(1)，其包括電動馬達驅動的輪子(3)、吸塵器殼體、集塵容器、及吸塵器罩體(6)，其中，該吸塵器(1)具有一個障礙物辨識裝置。本發明尚有關一種具有水平及/或垂直長度的物件，而該物件上設有一個感測裝置(9)。障礙物辨識裝置或感測裝置(9)為光學三角測量系統(T)，具有光源(10,10')及接收單元(E)，而該接收單元則具有一個呈現反射光束接收透鏡(12)之形式的光學元件、及一個光敏元件(11)。為使上述自走式吸塵器及具感測裝置的物件之光學三角測量系統障礙物距離測量被改良，使其在遠距離範圍亦可準確測量距離，本發明在接收單元(E)中影響光束，使得，至少實際距離較遠的障礙物(13,13')之光束，在被接收透鏡(12)聚束後，以較大間距射入光敏元件(11)。

Description

自走式吸塵器

本發明係有關一種自走式吸塵器，其包括電動馬達驅動的輪子、吸塵器殼體、集塵容器、及吸塵器罩體，該吸塵器具有一個障礙物辨識裝置，其為一個光學三角測量系統，包括一個光源及一個接收單元，而該接收單元包含一個反射光束接收透鏡及一個光敏元件。

本發明尚有關一種具有水平及/或垂直長度的物件，該物件上設有一個感測裝置，以偵測障礙物，而該感測裝置為一個光學三角測量系統，包括一個光源及一個接收單元，該接收單元則包含一個反射光束接收透鏡及一個光敏元件。

此種吸塵器為習知型式，例如參閱DE 102 42 257 A1。其障礙物辨識裝置之工作方式及技術完全包含於本案中。

此種設有感測裝置以偵測障礙物的物件同樣為習知型式。此處之物件例如為可行駛的物件，其感測裝置可及時偵測到障礙物，而避免撞擊該障礙物。此種物件亦可為機動式物件，該感測裝置可偵測到接近物件的障礙物。此種物件尚可為將其定位於一空間中之測量裝置。

該物件為可在一空間中行駛的自走式吸塵器時，需可辨識空間界限，而適當的避開。此處之障礙物辨識一般多使用光學距離感測器。辨識出吸塵器路徑上一障礙物時，光學感測器之接收信號被一微處理器處理，而該微處理器停止輪子之轉動，或使吸塵器採取其他適當反應。

三角測量系統為習知，一光點以不同的距離被一接收透鏡構成的光學元件成像在光敏元件之不同位置。由元件的輸出信號可求出距離。此種光學三角測量系統主要用於近距離之測量，其較不適用於遠距離之測量，因為，障礙物與物件或吸塵器的距離增加時，求取距離之特性曲線會扁平化，而無法準確求出障礙物的距離。

本發明之目的在於提供一種自走式吸塵器及一種具感測裝置之物件，改良其光學三角測量系統之障礙物距離測量，使其在遠距離範圍亦可準確測量距離。

本目的由申請專利範圍第1項及第2項之標的物達成，光束在接收單元中受到影響，使得，至少實際距離較遠的障礙物之光束，在被接收透鏡聚束後，以較大間距射入光敏元件。故至少在遠距離範圍，亦即，與障礙物實際距離較遠的範圍，相較於先前技術，得到較陡的特性曲線，而可準確求出遠距離範圍之障礙物。校正係在光束到達光敏元件之前進行，亦即，在設有光學元件的接收單元中。此處並不使用昂貴的電子裝置以處理光敏元件發出的信號，如此對吸塵器特別有利，因為，此種吸塵器通常具有有限的體積。本發明使得距離信號之分析較為簡單，且不易受干擾。接收單元對光束的影響較佳局限於遠距離範圍，故可使遠距離範圍之特性曲線配合近距離範圍之特性曲線。該影響亦可涵蓋整個測量範圍，亦即，近距離與遠距離範圍。故可藉接收單元對光束的影響而影響障礙物距離與光敏元件光束定位之正比關係特性曲線。為反比關係特性曲線時，該影響至少可校正曲線，使得，兩遠距離障礙物實際間距可被光敏元件上接收器所測得光點之間距表示出來。光敏元件之信號除了求出與物體之距離外，尚可提供物體表面特性及反射度之資料，而可配合光敏元件上的光點，求出產生的電流。

以下將說明本發明之其他特徵，其主要依據申請專利範圍第1或2項之標的物或其他申請專利範圍之特徵。其亦可只依據申請專利範圍第1或2項或其他申請專利範圍之單獨一項特徵或為獨立。

本發明一較佳實施方式中，光敏元件入射光之較大間距，可利用一個附設於接收透鏡的校正透鏡而得到。接收單元對光束的影響只藉助光學元件。接收透鏡接收被欲測量障礙物所反射的光束，而將其聚束，一個以光束方向來看位在接收透鏡後方的校正透鏡使光束折射，而使光敏元件入射光之間距增大。光敏元件上光斑之特性曲線被修正，使得，遠距離範圍之距離測量亦可得到高準確性。該校正透鏡使得特性曲線更陡。在另一實施方式中，除了接收透鏡及校正透鏡之外，尚設有另一透鏡。接收透鏡設作聚光透鏡時，該透鏡可使反射光聚束。由於此設計，光束之聚光及聚束分開由前後兩透鏡達成。校正透鏡設在聚束透鏡之後方。

為使聚束及通過校正透鏡之光點特別良好地成像在光敏元件上，本發明一較佳實施方式中，接收單元包含一光圈。接收單元亦可包含多個此種光圈。該光圈以光束方向來看位在第一透鏡(亦即，接收透鏡)之前方，並位在兩透鏡(例如，接收透鏡與校正透鏡)、或最後一透鏡(例如，校正透鏡)與光敏元件之間。

亦為有利的是，使接收單元包含一個濾光元件。該濾光元件對測量所使用光束之波長具最大透射性，非屬該光束之波長則會被濾光元件濾除。藉此減少其他光源(例如，環境光)之干擾，而提高光敏元件之效率。濾光元件可選擇設置在第一透鏡前方、兩透鏡之間、或最後一透鏡與光敏元件之間。在另一實施方式中，可使光敏元件或一個光學元件，例如，透鏡或光圈，被塗佈或染色，以過濾反射光，該塗佈或染色則與濾光元件的功能相同。

視與欲測量物體或欲偵測障礙物之距離及其表面特性(反射度)而定，反射到光敏元件之光量會使其達到光電飽和。此時之信號分析為無意義，會出現測量誤差。該問題尤其會出現在上述之吸塵器，因為，該處之材料具寬光譜(例如，淡色反光壁紙、或深色不反光織物)且光變化強烈(例如，夏日直接的太陽光、及陰暗的空間)，其皆不得干擾光敏元件。為解決該問題，本發明修正接收單元之至少一個透鏡。該修正為使透鏡之光傳輸主動面光學鈍化。亦即，使其不讓光通過。飽和的問題主要出現在近距離範圍，由於三角測量系統之結構，該處被接收單元接收的光量多於遠距離範圍。在一較佳實施方式中，光學鈍化係利用透鏡之機械切割。光學鈍化亦可藉塗佈一層阻光或不透光層而達成。透鏡亦可被梯度染色，使得，近距離範圍的光學主動面之顏色較深，遠距離範圍則具有最大光傳輸。只有在近距離範圍為光學主動遠距離範圍無光傳輸的透鏡部分進行光學鈍化，才有意義。故，遠距離範圍得到高光強度，近距離範圍則可避免飽和。亦可使近距離範圍的部分不完全鈍化，例如，以塗佈進行修正，使得，只有一部分的光能量可以通過。最理想是使光敏元件遠距離範圍的亮度分佈為100%，近距離範圍則例如為20至90%，尤其例如為50%。

除了一般光學用途之全透鏡外，在本發明另一實施方式中，亦可使用菲涅爾透鏡(Fresnel lens)。此種菲涅爾透鏡相較於一般之全透鏡具有較小的厚度、重量及體積。亦可使用全息透鏡(holographic lens)。

為進一步降低光敏元件對干擾光(例如，環境光)之敏感度，本發明一實施方式中，三角測量系統之光源另設一分開的光感測器。光敏元件後方的分析電子裝置，在啟動光源後由分開的光感測器得到一信號，光源之信號曲線可被與光敏元件之信號曲線同步化。分開的光感測器在此處為光源之分開組件，但，光感測器亦可整合在光源中，故，在另一較佳實施方式中，光源為整合有監測二極體的雷射二極體。

為利用光學三角測量系統達到自走式吸塵器及可行駛物件之導航，其中，導航只使用一個感測裝置，可使三角測量系統對一垂直軸旋轉，以避免死角。故，只藉一個三角測量系統或一個感測裝置，即可偵測吸塵器或物件整個周圍的障礙物。三角測量系統對垂直軸的旋轉較佳為360°以上。在一實施方式中，三角測量系統設在一個可相對於固定的吸塵器殼體對一垂直軸旋轉的板體上。該板體例如為覆蓋吸塵器底盤的罩體。亦可使覆蓋底盤的整個罩體構成一個轉盤。除了可連續旋轉的三角測量系統之外，亦可使該三角測量系統、或承載三角測量系統的轉盤進行擺動，而掃描一給定角度之範圍。藉擺動裝置之適當設計，亦可使擺動角度達到360°以上。使用一個以上的三角測量系統時，角度可小於360°。

在一較佳實施方式中，轉盤的驅動係利用一個分開的電動馬達，而該電動馬達係設在吸塵器或物件中。電動馬達可經由齒輪或牽引傳動裝置而驅動轉盤旋轉。有利的是，使轉盤的驅動連結輪子的驅動。故，可使吸塵器的動作與周圍環境的掃描相結合。該結合例如為利用齒輪或牽引傳動裝置。

旋轉或擺動的轉盤及放置於其上的三角測量系統，被一個罩體所覆蓋。旋轉件於是被隱藏而不受外界影響。為確保三角測量系統之功能正常，蓋板或罩體至少部分為透明。並設有可發出光束及接收光束的部分。轉盤之三角測量系統設在罩體透明部分。在另一實施方式中，罩體透明部分被設作成光圈及/或濾光元件，例如，利用透明部分之適當塗層。該罩體透明部分之處理，可改良光點在光敏元件上的成像及/或減少干擾，例如，環境光。

轉盤上可設置多個三角測量系統，其均予分佈在轉盤圓周上。此外，轉盤除了三角測量系統之外，尚可設置其他監控元件，例如，超音波感測器或照相機系統。

設置可旋轉或擺動的三角測量系統時，可對其供電。並可將距離資料傳輸至吸塵器或物件。此處，轉盤上三角測量系統之供電，係利用集電圈/電刷。電刷可設在轉盤上，集電圈則設在相對於轉盤為固定的吸塵器上。但亦可相反設置。供電亦可利用轉盤與吸塵器殼體之相對運動。此處，轉盤與吸塵器殼體構成一個發電機，例如，使吸塵器之一固定軸構成一定子，而設有極性交替變換的永久磁鐵或電磁鐵，轉盤則構成一轉子而設有線圈。轉盤旋轉時，線圈感應產生電流，而對三角測量系統供電。此種發電方式與同步發電機之作用方式相同。亦可使用其它發電原理，例如，非同步發電機。

不只使用轉盤，使用固定的三角測量系統時，三角測量系統對吸塵器或物件的資料傳輸亦可利用一個光學系統，而該光學系統可傳輸光敏元件接收到的信號。此處，例如，可使轉盤具有一個光源，其藉交替開啟及關閉而發出數位編碼信號。吸塵器或物件中則設置接收單元，以接收光信號，並將其傳送至吸塵器之控制裝置或一個分析電子裝置。除了光學傳輸之外，距離資料亦可以無線電傳輸，例如，在轉盤上設置發送天線，而在吸塵器或物件上設置接收天線。光敏元件信號之傳輸亦可為感應式，尤其是，配合承載三角測量系統之轉盤，此處，轉盤及相對固定的吸塵器殼體上各設有一線圈，其係以一狹窄氣隙彼此分離。轉盤之線圈通過交流電時，吸塵器之線圈感應而產生交流電，故可進行信號傳輸。轉盤上三角測量系統之供電利用集電圈/電刷時，其可同時被利用於編碼信號之傳輸，例如，使供電與一高頻交流電壓疊加。

本發明另一實施方式中，偵測三角測量系統對固定之吸塵器殼體的旋轉角度，係利用一個感測器。三角測量系統與吸塵器或物件縱軸之角度，被一角度測量系統所測量。故，此處設有可旋轉或擺動的三角測量系統的吸塵器，可連續掃描周遭環境，而藉助於角度感測器，利用所得到的周遭環境資料調整定位，故，可對吸塵器進行導航。角度感測器可使用不同的原理，例如，光學感知器，如具有壓花板的叉形光柵、電位器、簧片繼電器、霍耳感測器，或三角測量系統及轉盤與固定吸塵器構件之間一或多個角度位置上的接點。

在一較佳實施方式中，三角測量系統之光敏元件為一度空間元件，如設作成線形，被障礙物反射且經光學元件聚束及校正的光束投射至該光敏線，而線形的光敏元件之末端被定義作為零點。由出現在線形光敏元件上的光點與零點之間的距離，利用適當的分析電子裝置，可求出三角測量系統與障礙物之距離，而光點與零點之距離增加時，吸塵器與障礙物之距離亦增加。此外，在另一較佳實施方式中，光敏元件為二度空間元件，其為平面狀，此處之零點由二度空間元件之一個垂直於測量不同距離時所出現光點移動方向的邊緣或邊緣部分所構成。

光敏元件為一PSD(Position Sensitive Device)元件。此種PSD元件為線形或平面狀。亦可使用所謂的照相晶片(CCD或CMOS元件)。此種光學感測器可設計成一度空間之線形或二度空間之平面狀。

在一實施方式中，光源發出可見光。但，亦可使用發出非可見光的光源，例如，紅外線光，原則上可使用的光源例如為雷射二極體或一般的發光二極體。本發明標的物一實施方式之光源發出一種波長之光，即所謂的單色光。但，亦可使光源發出光譜範圍中多種波長之光。故，能可靠地求出具有不同表面特性或顏色的障礙物之距離。使用單色光的風險在於，欲測量與吸塵器之距離的障礙物，正好不易反射該波長。此時可能出現測量誤差。使用一種以上光譜成分之光，可避免此種測量誤差。尤其有利於此處所述之自走式吸塵器，因為其係使用於家中，而該處正存在具有不同顏色及表面特性的材料。

欲擴大測量範圍時，可使用兩個或多個光源。該兩個光源可測量兩個較短的測量範圍，其構成一個整體較長的測量範圍。如此而提高三角測量系統之效率。亦可設二或多個光敏元件，其與一或多個光源具有不同的距離。設多個光源或光敏元件時，重要的是，信號分析須已知欲測量的物體位在哪個測量範圍中，否則無法進行測量。此處，在一較佳實施方式中，感測器或光源被彼此同步化，只有在分析電子裝置確認為相應的光敏元件或光源時，才可進行測量及發出光信號。

只設一個光敏元件，但設一個以上的光源時，亦可使光源發出具有不同波長的光，而有利地解決同步的問題。使用一個可偵測入射光波長的光敏元件時，其係用於測量。

在另一實施方式中，光源發出光譜範圍之光時，除了光學元件之外，尚可增設一個色散元件。此種色散元件是一個光學元件，其配合所使用的光而具有不同的折射力，例如，為一光學稜鏡。此處有利的是，使用具有一個以上波長的光進行距離測量。光被色散元件分成光譜各成分，而被折射到光敏元件的不同位置上。尚為有利的是，將光敏元件染色而達到色散，故，藉測量非光敏元件上之一或多個波長的位置，可類似於習知的距離三角測量，而求出與障礙物之距離。

設成一度空間(亦即，線形的)光敏元件時，須對準所使用的光學元件，例如，透鏡及光敏元件，以便準確地進行測量。三角測量系統之所有光學元件須精準校正，以使光斑出現在光敏元件上。此處，一般使用圓形剖面的光束，故，接收器上圓形光斑須與線形光敏元件上重疊。為儘量避免或最簡化需要的校正，本發明二度空間地增大了出現在光敏元件上的光斑，尤其是在垂直方向上，亦即，垂直於一度空間光敏元件之長度方向。故至少簡化了垂直方向上的校正。光斑的增大可利用光的成形，例如，使用特殊的輔助光學元件，及/或在接收範圍設置諸如特殊的所謂柱形透鏡。除了在垂直於線形光敏元件的方向上增大光斑之外，亦可使用一個二度空間光敏元件。此處所需之校正大為簡化。其對此處所述之自走式吸塵器尤其為有利。振動，例如，由門欄等所產生，會導致測量誤差，因為，會接收到垂直偏移的光點。

習知的測量距離之光學三角測量系統的問題在於，近距離範圍光敏元件上的光量高於遠距離範圍。如此會使得近距離範圍出現光敏元件飽和，而無法測量。為解決該問題，本發明使光敏元件屬於近距離範圍的部分聚焦小於屬於遠距離範圍的部分。其可利用適當的平移及/或旋轉光敏元件而達成，故，遠距離範圍聚焦充分，而對光敏元件產生高能量傳輸，近距離範圍則聚焦較差，即能量傳輸較差。藉由使光敏元件傾斜，可在近距離範圍與遠距離範圍之間達到連續的信號衰減過渡。

配合可旋轉或擺動的三角測量系統進行環境導航，本發明標的物另一實施方式係使光敏元件為固定，而與光敏元件互相作用的光學元件則可旋轉。例如，將光源固定在吸塵器或物件上，轉盤具有一個旋轉裝置，其使光束與其他光學接收元件，例如，反射鏡或稜鏡，一起旋轉。故，使得三角測量系統體積縮小，尤其是接收單元，如此對吸塵器特別有利。其亦可應用於不旋轉而連續擺動的三角測量系統，而可掃描某一角度範圍。

為改良上述吸塵器及物件之使用特性，本發明使三角測量系統被懸吊，並另設一個傾斜感測器。例如，使用三角測量系統之萬向懸吊。如此可使其始終保持水平，即使吸塵器失去水平亦然，例如，通過門欄等。在一較佳實施方式中，懸吊設有自己的感測器，例如，傾斜感測器，其可將吸塵器傾斜信號傳送至主動裝置，例如，電動馬達，以使承載三角測量系統的轉盤或三角測量系統本身始終保持水平。亦可設置一個被動的復位系統，其不需要自己的感測器或主動裝置，例如，利用重力或回轉效應。

為改良光學三角測量系統之使用特性，尤其是使用於吸塵器，本發明使三角測量系統在垂直方向上振盪，而進行不同垂直高度上的距離測量。如此，對自走式吸塵器之導航特別有利，因為，可偵測諸如平台、柵欄下的空間、或類似的障礙物。可使整個三角測量系統或其一部分在垂直方向上機械振盪，而偵測不同高度障礙物之距離。亦可使用線形雷射作為光源，而與平面狀的(亦即，二度空間的)光敏元件互相作用。亦可在不同垂直高度上設置光源，而與一個二度空間光敏元件或一個振盪光敏元件互相作用。

上述三角測量系統中，遠距離範圍一般開始於感測器特性曲線明顯變扁平之距離。測量範圍為300cm之距離感測器的遠距離範圍開始於大約100cm。大致劃分時，近距離範圍為感測器測量範圍下面的三分之一，遠距離範圍為上面的三分之二，以信號衰減來定義近距離範圍及遠距離範圍時，須配合使用的光敏元件。實際上，兩範圍之間的過渡為階梯式。原則上，只要光敏元件因光強度太高而出現過載時，近距離範圍即開始進入衰減部分。

以下將依據附圖詳細說明本發明之實施例。

圖中顯示一種地板吸塵器1，其為一清潔機器人，包括一底盤2，該底盤2之朝向地板的下方設有電動馬達驅動的輪子3及突出的底盤底部4，及同樣被電動馬達驅動的刷子5。底盤2被罩體6包圍，地板吸塵器1為圓形。但，吸塵器1亦可非為圓型，例如，由一個半圓形部分與一個矩形部分所組成。

吸塵器1之輪子3設在一般行駛方向r上的刷子5之後方，刷子5後方並設有畚箕式的垃圾斜坡7，其可將清掃的垃圾送入一容置部中。

一般行駛方向r上的刷子5前方設有一支撐輪，其係由一自由滾輪8所構成，而使得地板吸塵器1與地板達到三點式接觸。

地板吸塵器1亦可另設或取代刷子5而設一吸入口。此處吸塵器1內設有一個電動的吸塵器鼓風馬達。

吸塵器1之各電氣組件，例如，輪子3之電動馬達、刷子5之電驅動裝置、吸塵器鼓風機、及吸塵器1中之電子控制裝置，其供電皆利用一個充電式電池。

此種地板吸塵器1須能辨識阻止行駛的障礙物，故設有感測裝置9。其在本發明中係由一個三角測量系統T所構成。

在第一實施例(圖1)中，該三角測量系統T之元件被設在罩體6頂側，以達成輕薄短小的結構。亦可將三角測量系統T之發送器S及接收器E分開設置，例如，將發送器S設在罩體6周壁，而將接收器E設在罩體6頂側。

三角測量系統T是一種光學系統，如圖3之第一實施例所示。發送器S最簡單為設作成光源10，可由一個發光二極體或雷射二極體構成，而該光源10發出單色可見光，但亦可為不可見光，例如，紅外線光。

接收器E具有一個光敏元件11。在此處，例如為PSD元件或CCD或CMOS元件，其被設作成直線狀，亦即，為一度空間之結構，如圖12所示。接收器E之另一組件為接收透鏡12，其設在光敏元件11前方。該接收透鏡12之作用在於，將光源10之被障礙物13、13'反射的光束聚束，其中障礙物13為近距離範圍之障礙物，障礙物13'為遠距離範圍之障礙物。

光學三角測量系統T的作用方式如下：配合所測得的障礙物13或13'之距離，光束經接收器透鏡12而到達光敏電子元件11的位置y，該光敏電子元件11上的位置y隨著障礙物13或13'距離之增加，而遠離於光敏元件11一邊緣處之零點位置L。

由光敏元件11上的位置y，可以求得障礙物13、13'之距離。

此外，接收器E尚設有校正透鏡14，其使接收透鏡12所接收的光束被折射，而清晰成像於光敏元件11上。在圖3之實施例中，該校正透鏡14為雙凸透鏡，故其在入射面具有正彎曲半徑，而在出射面具有負彎曲半徑。在本實施例中，設在光束方向上校正透鏡14前方的接收透鏡12為平凸透鏡，而具有平出射面。

由於此種設計，尤其是設置校正透鏡14，即使在遠距離範圍，亦即，較遠的障礙物13'，亦可利用光敏元件11後方之分析電子裝置而求出距離。圖4為三角測量系統T之特性曲線，其顯示測量距離x與光敏元件11上之位置y的關係。該特性曲線比未設校正透鏡14之系統T為陡，可得到簡單、干擾不敏感及精確的距離信號分析。圖4中比較用的無校正透鏡14之系統係以虛線表示。

如圖3之三角測量系統T所示，接收側設有光圈15。在所示實施例中，該光圈位在接收透鏡12與校正透鏡14之間。利用該光圈15，可使被障礙物13、13'反射的光點P在光敏元件11上的成像特別良好。

接收器E中設有一個濾光元件16。該濾光元件16對測量所使用光束的波長具有最大的透射性。非屬該光束的波長則無法通過濾光元件，故可減少其他光源(例如，環境光源)之干擾，而提高光敏元件11之效率。在本實施例中，濾光元件16設在接收透鏡12前方。

除了設置分開的濾光元件16之外，亦可使透鏡(接收透鏡12或校正透鏡14)或光敏元件11至少一光學表面設有一具有濾光元件功能之塗層。

在圖5之另一實施例中光源10之光信號被一分開的光感測器17接收，該光源10被分析電子裝置A調制。光源10一開啟，分析電子裝置A便由光感測器17接收到一信號。故光源10之信號曲線與光敏元件11之信號曲線同步化，而降低三角測量系統T對外部環境干擾，例如環境光的敏感度。圖6以光敏元件信號曲線(特性曲線18)與光源10信號曲線(特性曲線19)之關係顯示利用光感測器17之同步化。

分開的光感測器17亦可由一整合在光源10中的光敏元件構成，例如整合有監控二極體之雷射二極體。

設有感測器欲進行導航時，若只設有一個三角測量系統T，如圖7實施例所示，為避免死角可將三角測量系統T放置在一轉盤20上。該轉盤20例如構成罩體6之蓋板。

轉盤20可對一垂直軸z旋轉。

三角測量系統T偵測出固定的角度範圍α。藉由轉盤20及三角測量系統T對軸z之旋轉，可完全掃描吸塵器1之周圍。亦可使轉盤20及三角測量系統T擺動而掃描所界定之角度範圍。並可在轉盤20上設多個三角測量系統T，而可以小擺動角度完全偵測環境，使得感測系統的掃描速度提高。

三角測量系統T中轉盤20之驅動，係利用一個分開的未示出的電動馬達、及一個中間的傳動裝置。驅動亦可利用輪子3之驅動裝置。

如圖8及9所示，在另一實施例中，轉盤20及其所承載之三角測量系統T係被蓋板21所覆蓋，而該蓋板較佳為固定，因而沒有旋轉件外露。

蓋板21在三角測量系統T高度上的周壁部分被設作成透明。該透明部分被標示為22。

光學系統之元件，尤其是接收器E之光學元件，可整合在該透明部分22，例如，利用透明部分22之塗佈或染色而構成濾光器或光圈。

三角測量系統之接收信號被一個分析電子裝置A所分析。配合該分析而提出預設的吸塵器1對應方式，例如，繞過該測得的障礙物。可旋轉三角測量系統T，尤其是被轉盤20承載的三角測量系統T，距離資料之傳輸較佳為無接觸式。圖8實施例中，光學信號之傳輸係利用一個設在轉盤20中央的光源23，例如，發光二極體。該光源受三角測量系統T之接收器E之控制，而發出數位光信號，最簡單的方式為利用光源23之開啟及關閉。相對於轉盤20為固定的吸塵器1元件(圖中為固定軸24)中設有一個接收單元25，該接收單元接收光信號，並將其傳送至吸塵器控制裝置。接收單元25例如為光電元件。

如圖9所示，距離資料之信號傳輸亦可利用無線電。此處，轉盤20中央設有一個發送天線26，其可與相對於轉盤20為固定的吸塵器元件中之接收天線27進行傳輸。

如圖8所示，轉盤20上之電子元件，尤其是三角測量系統T，其電源供應係利用機械式集電環。在所示實施例中，該集電環28設在轉盤20下方。與其互相作用的電刷29設在吸塵器上，其連接吸塵器之蓄電池。

圖9中，轉盤20與相對固定的吸塵器構成一個發電機，此處，固定的軸24設有永久磁鐵或極性交替變化的電磁鐵30，而構成定子。轉盤20則設有線圈31，而構成轉子。轉盤20旋轉時，線圈31產生感應電流，而可供三角測量系統T使用。此種發電方式相當於同步發電機。

在另一實施例中，轉盤20上之三角測量系統T之供電用的集電環及電刷，亦可用於距離資料之傳輸，此處，由吸塵器經由集電環28及電刷29而傳輸至轉盤20的電能，被疊加一高頻交流電壓，三角測量系統T藉此而將編碼之距離資料傳輸至吸塵器之分析電子裝置A。

為達到吸塵器1之導航，如圖7所示，可測量轉盤20或三角測量系統T對行駛方向r之旋轉角度。故在此處設置一個位置感測器32。其例如為一個光學感測器，如具有壓花板的叉形光柵。亦可在轉盤20圓周方向上設置數個此種位置感測器32，例如，在一或數個角度位置上的接點。

為提高光敏元件11之效率，圖10所示實施例中的三角測量系統T設有兩個光源10、10'，光源10係用於偵測近距離範圍N之障礙物13，光源10'則用於偵測遠距離範圍F之障礙物13'。

由兩個光源10、10'之設置位置，而得到兩個較短的測量範圍，亦即，近距離範圍N之測量範圍、及遠距離範圍F之測量範圍，合計而得到一個較長的測量範圍。此處，信號分析可得知欲測量的障礙物13、13'位在哪個測量範圍中。接收器E與光源10、10'被同步化，使得，分析電子裝置確認屬於相應接收器E或光源10、10'時，才進行測量或發出光信號。

在所示實施例中，光源10、10'發出不同波長的光。接收器E或光敏元件11可偵測入射光之波長，故可用於測量。

圖11顯示三角測量系統T之實施例，除了未示出的光學元件之外，例如，透鏡或光圈，尚設有一個色散元件33，其係由一個光學稜鏡所構成。此處，較佳由光源10發出具數個波長的光，以測量距離。被障礙物13反射的光經色散元件33而被分成光譜各成分，並投射到光敏元件11的不同位置。此處，光敏元件較佳為一個光學感測器，故可利用光敏元件11之一或數個波長位置之測量，而得到障礙物13之距離。

為避免麻煩地調整反射光投射在光敏元件11上的光點P，圖12之實施例中，光點P被增大為兩度空間。即，成為垂直於光敏元件11之一度空間線形感測範圍11'的縱向長度。該二度空間光點P的增大，可例如在光源10範圍中設特殊的附加光學元件、或在接收側設特殊的所謂柱面透鏡而達成。藉由於此設計，可在垂直方向或垂直於感測範圍11'的方向得到足夠的公差。

亦可在光點P為點狀時，將光敏元件11之感測範圍11'增大為兩度空間。故，設置面狀的感測元件。感測範圍11'垂直於測量方向之增大，相當於光點P直徑的數倍，例如，直徑的二至五倍(比較圖13)。

為解決光學三角測量系統T距離測量的另一個問題，即，近距離範圍投射於光敏元件11的光量高於遠距離範圍，圖14實施例中，三角測量系統T之光敏元件11傾斜於入射光束，其傾斜角度例如為15°。圖14以虛線顯示垂直於入射光束之光敏元件11，以作為比較。

由於使光敏元件11傾斜，遠距離範圍可達到足夠的聚焦及高光量，近距離範圍則減少聚焦及光量，而在近距離範圍與遠距離範圍之間達到連續的信號衰減過渡。

如圖15所示，三角測量系統T測得一個在恆定高度h上的障礙物13。為偵測不同高度的障礙物，例如台階13"、柵欄下的空間或其他障礙物，而測量不同的高度h、h'、h"。其可利用三角測量系統T在垂直方向上的振盪，整個三角測量系統T或其一部分在垂直方向上機械式振盪，而測量不同高度的距離(比較圖16)。

三角測量系統T亦可具有不同高度的光源，其反射光束投射到一平面，亦即，二度空間的光敏元件11上。

圖17顯示設作成PSD(Position Sensitive Device)元件的光敏元件11，其在本發明中被使用於三角測量系統T，以測量距離。三角測量系統T之光學元件，可使被欲求出距離的物體O(比較圖18)所反射的光，聚焦到光敏元件11上。光點P在線狀感測範圍11'產生兩個光電流i₁及i₂。其可被感測範圍11'末端之一個適當的測量器所測量。

依據光學三角測量之原理，感測範圍11'上光點P之位置為物體距離之一比例。該比例即為兩電流i₁及i₂之比。兩電流i₁及i₂之總合受物體距離及其表面特性，亦即，反射度，所左右。求出距離後，可進一步求取表面特性資料，該資料可使用於空間R中吸塵器1之導航。

圖18顯示空間R中之吸塵器1。空間R之輪廓可被三角測量系統T所偵測。分析幾何資料，可定向空間R中之吸塵器1。藉助於三角測量系統T，亦可使用所述方法求出環境之反射特性，故，吸塵器1可利用該資料於定向及導航。因此，如圖18所示，吸塵器1可辨識出具有不同反射特性的範圍，圖18中，具有不同反射特性的物體O分別被以實線及虛線表示。

三角測量系統T亦可利用信號強度而求出反射度，其光敏元件11例如為光晶片，如CCD或CMOS晶片。

圖19顯示接收器E一實施例，其接收透鏡12設作成平凸透鏡(plan-convex lens)，而校正透鏡14設作成雙凸透鏡(double-convex lens)。其中，至少一個透鏡表面設作成非球面(aspheric face)，而有效地影響光程，該透鏡表面為非球形。圖19中校正透鏡14具兩個非球面。接收透鏡12具一非球面，即，朝向光束的面。

兩透鏡較佳具有柱形鏡框，可使其容置於具有柱形穿孔的支架上。校正透鏡14之柱形鏡框被標示為34。

圖20之實施例在光學透鏡(接收透鏡12及校正透鏡14)之間設有一光圈。該光圈15由不透光材料(例如，不透明塑膠或金屬)所製成，並具有一中心孔35，接收透鏡之光程通過該中心孔。光圈15也可設在接收透鏡12前方，或校正透鏡14與光敏元件11之間。此外，亦可設置一個以上的光圈15。

圖21之實施例設有一個濾光元件，該濾光元件16係由透明材料所製成，該材料被染色而只可讓所使用光之波長通過，其他波長之光則會被吸收。故可使用塑膠材料作為濾光元件16，其在重量輕時亦具高破裂強度，且在極限溫度時具較高的形狀穩定性。

除了染色的濾光元件16之外，亦可使用具有濾光塗層的透明元件。

此外，亦可將所使用的透鏡染色或塗佈。圖22之實施例中，校正透鏡14朝向光束的正面被均勻塗佈一層濾光層36。

亦可將透鏡梯度染色，而使其光學鈍化。圖23之實施例中，校正透鏡14朝向光束的正面被梯度染色。

近距離範圍物體之光才可通過的透鏡部分染成深色(部分37)。遠距離範圍物體之光可通過的透鏡部分呈顏色漸淡，直至校正透鏡14呈完全透明(部分38)。

亦可利用透鏡之機械切割，而使至少一透鏡光學鈍化。圖24中，校正透鏡14之只讓近距離範圍物體之光通過的部分，被所正割(secant)狀切除。圖24中切割部分被標示為39。

光點P之線形增大，可使用例如一個柱形透鏡40而達成。圖25中之柱形透鏡40同時具有校正透鏡14之功能。

在本發明標的物之另一個進一步設計中，三角測量系統T被萬向懸吊，而始終保持在水平方向上。圖26為該萬向懸吊之第一實施例。三角測量系統T被安裝在平台41上。該平台41例如為三角測量系統T殼體之一部分。平台41樞設於水平旋轉軸b，而容置在框體42中，而該框體42則樞設於兩支柱43上的旋轉軸a。旋轉軸a及b相交叉，並構成一直角。

支柱43與吸塵器1之罩體6固定連接。直角相交的旋轉軸a及b二者所構成的共同平面下方設有配重塊44，其質量遠大於三角測量系統T之質量，故，藉由配重塊44之重量，使得三角測量系統T始終保持在水平位置，即使吸塵器1因通過一門欄而傾斜於水平方向時亦然。

除了在三角測量系統T之交叉處設有被動補償外，亦可在該處設置兩個調整馬達45,45，如圖27所示。

如圖26所述，三角測量系統T以兩旋轉軸a及b與框體42樞設於兩支柱43上，該等支柱係與吸塵器1之罩體6固定連接。並設有一個傾斜感測器47，其可偵測吸塵器1傾斜於水平面的角度。利用萬向懸吊的幾何度量，可將傾斜角度換算成三角測量系統T對旋轉軸a及b的旋轉角度。該旋轉角度可藉由調整馬達45及46之適當軸承控制而構成調整變量，以補償三角測量系統T對水平面之傾斜。

原則上，所有可被光敏元件11偵測的波長皆可使用。但，較佳為使用標準光色。尚為較佳的是，以輕薄短小的雷射二極體等作為光源10，例如具有紅色光的雷射二極體。該雷射二極體之波長通常在635nm至658nm之間。此外，亦可使用具有綠色光的雷射二極體，其波長範圍約為500nm。亦可使用紅外線範圍的光源，其波長為900nm。此處較佳為使用發光二極體。並可使用紅外線雷射二極體作為光源10。

所有揭示特徵本身皆具有發明性質。本發明揭示之特徵完全包含於本案之申請專利範圍中。

1．．．吸塵器

2．．．底盤

3．．．輪子

4．．．底盤底部

5．．．刷子

6．．．罩體

7．．．垃圾斜坡

8．．．自由滾輪

9．．．感測裝置

10．．．光源

10'．．．光源

11．．．光敏元件

11'．．．感測部分；感測範圍

12．．．(接收)透鏡

13．．．(近)障礙物

13'．．．(遠)障礙物

13"．．．障礙物；台階

14．．．(校正)透鏡

15．．．光圈

16．．．濾光元件

17．．．光感測器

18．．．特性曲線

19．．．特性曲線

20．．．轉盤

21．．．蓋板

22．．．透明部分

23．．．光源

24．．．軸

25．．．接收單元

26．．．發送天線

27．．．接收天線

28．．．集電圈

29．．．電刷

30．．．磁鐵

31．．．線圈

32．．．位置感測器

33．．．色散元件

34．．．鏡框

35．．．中心孔

36．．．濾光層

37．．．(深色)部分

38．．．(淡色)部分

39．．．(切割)部分

40．．．柱形透鏡

41．．．平台

42．．．框體

43．．．支柱

44．．．配重塊

45．．．調整馬達

46．．．調整馬達

47．．．傾斜感測器

A．．．分析電子裝置

E．．．接收器；接收單元

F．．．(遠距離)範圍

L．．．零點位置

N．．．(近距離)範圍

P．．．光點

S．．．發送器

T．．．三角測量系統

O．．．物體

R．．．空間

h‧‧‧高度

h'‧‧‧高度

h"‧‧‧高度

r‧‧‧行駛方向

x‧‧‧距離

y‧‧‧位置

z‧‧‧(垂直)軸

α‧‧‧偵測角度

i₁‧‧‧光電流

i₂‧‧‧光電流

a‧‧‧旋轉軸

b‧‧‧旋轉軸

圖1係本發明吸塵器之立體圖。

圖2係本發明吸塵器之底面立體圖。

圖3係本發明吸塵器三角測量系統第一實施例之示意圖。

圖4係三角測量系統光敏元件測量值之特性曲線圖。

圖5係三角測量系統第一實施例之部分圖。

圖6係圖5三角測量系統光敏元件光源之同步信號圖。

圖7係本發明吸塵器之示意圖，包括一個可繞著吸塵器垂直軸旋轉的三角測量系統、及一個偵測旋轉位置的感測器。

圖8係承載三角測量系統的轉盤及吸塵器軸承部分之另一實施例之剖面圖。

圖9係再另一實施例如圖8之剖面圖。

圖10係三角測量系統另一實施例之示意圖。

圖11係三角測量系統再另一實施例之示意圖。

圖12係三角測量系統之一度空間光敏元件之示意圖，其中之光斑在垂直方向上被增大。

圖13係三角測量系統之二度空間光敏元件之示意圖，其中之光敏元件上的光斑為圓形。

圖14係三角測量系統之光敏元件另一實施例之俯視圖。

圖15係本發明吸塵器與偵測一固定高度的三角測量系統之側視圖。

圖16係如圖15之圖，其中之三角測量系統可掃描不同高度。

圖17係圖12光敏元件之示意圖，其可求取反射度。

圖18係一個空間及此空間中自走式吸塵器之平面圖。

圖19係接收透鏡、校正透鏡及光敏元件所構成的接收器之一實施例。

圖20係具有光圈的接收器之另一實施例。

圖21係如圖20之圖，但設有一濾光元件。

圖22係具有塗佈校正透鏡的接收器之立體圖。

圖23係如圖22之圖，但具有梯度染色的校正透鏡。

圖24係如圖22之圖，但一透鏡部分以機械切割而光學鈍化。

圖25係如圖22之圖，但校正透鏡為柱形透鏡。

圖26係設萬向懸吊三角測量系統之實施例。

圖27係三角測量系統萬向懸吊之另一實施例。