TWI691302B

TWI691302B - 用於加工表面之設備

Info

Publication number: TWI691302B
Application number: TW105122189A
Authority: TW
Inventors: 洛倫茨希倫; 瑪拉勃蘭特
Original assignee: 德商佛維爾克控股公司
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2020-04-21
Also published as: CN107835653B; JP2018522656A; EP3328255B1; DE102015112174A1; ES2715561T3; US10327614B2; US20180199781A1; CN107835653A; TW201707630A; SG11201709818WA; WO2017016813A1; EP3328255A1

Abstract

本發明係有關於一種用於加工表面(21)之設備(1)，特別是清潔機器人，具有用於識別該表面(21)之種類的偵測裝置(2)，該偵測裝置(2)具有用於以光照射該表面(21)之光源(3、4、5、6)以及用於偵測該表面(21)所反射之光的感測器(7)。為改良表面種類之識別，本發明提出，該感測器(7)對應一形成數個子體積(13、14、15、16)之三維遮光座(12)，其中每個子體積(13、14、15、16)分別對應該感測器(7)之一不同的感測器分區(8、9、10、11)，且其中相鄰之感測器分區(8、9、10、11)彼此間被該遮光座(12)光學隔離，使得來自第一子體積(13、14、15、16)之光無法轉移至第二子體積(13、14、15、16)。此外，本發明係有關於一種用於加工表面(21)之設備(1)的操作方法。

Description

用於加工表面之設備

本發明係有關於一種用於加工表面之設備，特別是清潔機器人，具有用於識別該表面之種類的偵測裝置，該偵測裝置具有用於以光照射該表面之光源以及用於偵測該表面所反射之光的感測器。

上述類型之設備在先前技術中已為吾人所熟知，尤其是用於清潔及/或護理地板或地板覆蓋物之可自動移行的清潔機器人。其例如可為吸塵器及/或濕擦設備。

公開案DE 10 2013 113 426 A1(亦作為US 2014/0166047 A1公開)例如有關於一種清潔設備，其具有用於為可供移行之面製作像片的裝置，其中可在地板覆蓋物之種類方面對像片進行分析，且其中可利用被識別出的地板覆蓋物來制定清潔設備之移行策略及/或設定諸如離地距離、刷子轉速等清潔參數。

儘管此等清潔設備在先前技術中被證明是性能良好的，但仍期望有持續改良。

基於上述先前技術，本發明之目的在於提供一種具有用於識別表面種類之偵測裝置的清潔設備，該清潔設備能更可靠地識別表面種類。

為達成上述目的，本發明提出，該偵測裝置之該感測器對應一形成數個子體積之三維遮光座，其中每個子體積分別對應該感測器之一不同的感測器分區，且其中相鄰之感測器分區彼此間被該遮光座光學隔離，使得來自第一子體積之光無法轉移至第二子體積。

據此，遮光座係用作光闌，該光闌將感測器劃分成數個(例如四個)感測器分區且同時使各感測器分區彼此間光學(即，光技術)隔離，使得表面所反射之光僅在遮光座的一個子體積內部僅射中感測器的一個感測器分區。如此一來，僅為偵測裝置配設單獨一個感測器便能相對於先前技術提高測量可靠性，因為感測器被遮光座劃分成若干感測器分區，該等感測器分區可對射中相關感測器分區之光進行單獨分析。如此一來，該偵測裝置特別容易製造且造價低廉。另外亦不必同時或依次讀出數個感測器之測量資料，從而避免測量週期長度受到影響。在測量期間，將遮光座較佳地鄰近地板佈置於待加工之表面上，以便將進入遮光座之子體積的環境光減至最少，並且使得僅偵測裝置之光源在表面上被反射的光在測量時有作用，從而最終改良表面種類之識別可靠性。

本發明進一步提出，該遮光座之每個子體積皆對應一自有光源。藉由為遮光座之每個子體積分別設置一自有光源，尤其設置於每個子體積中，可結合遮光座之每個子體積單獨照射待加工之表面。此外可將遮光座直接放置於表面上，使得環境光無法再自外部進入遮光座。藉由為每個子體積分配一自有光源，可以相同或不同方式照射表面之相應分區，使得不同子體積內部形成相似之照明情形，或者不形成。

作為替代方案，本發明提出，該遮光座對應一共用光源，其中每個子體積皆對應該光源之一自有發光元件，特別是光纖。根據此項技術方案，不必為每個子體積皆安裝一自有光源。確切而言，所有子體積可對應一共用光源，藉由導光元件將該光源之發射光導入各子體積。其中，該光源有益地設於該等子體積外部，藉此避免空間損失。舉例而言，該光源可佈置在遮光座外部，有益地亦可設於該加工設備之設備殼體上，其中藉由導光元件(光纖)將光導入每一單個子體積。該等導光元件有益地為光纖，因為光纖成本極低且能根據遮光座或設備殼體之空間條件作出靈活調整。與遮光座的每個子體積各設一自有光源之配置相比，該共用光源有助於實現偵測裝置之低價製造，進而實現該表面加工設備之低價製造。

本發明提出，該子體積內部之光具有一用於照射該表面之特定照明參數，其中至少兩個子體積內部之照明參數彼此不同。此項技術方案能以不同方式照明被照明表面之分區，從而能偵測表面之不同特徵，進而可將不同子體積或分區之測量結果組合成總體上更可靠的測量結果。因此，並非以單一照明參數之光照明待測量之表面，而是以具有大量不同照明參數之光照明待測量之表面，例如在設有四個感測器分區之情況下，使用四個不同照明參數。藉由此項技術方案能以更高的精度區分大量不同之表面種類。特定言之，透過不同照明參數不僅能區分硬地板與鋪地毯的地板，亦能進一步例如在各種硬地板之間進行區分，從而例如針對每種硬地板類型分別向表面施加不同的水分量，避免表面因濕度過高而受損。藉由在照明座內部使用不同照明參數，使得具有第一照明參數之子體積內部顯現表面之特徵，該等特徵例如在具有第二照明參數之第二子體積內部不可見。因此，一定的照明方式能夠依表面之具體種類而增加或減小表面特徵顯現的難度。因此，藉由以大量不同之照明參數照明表面，可產生數個等時測量結果，該等測量結果經特殊組合後有助於更可靠地推斷出表面之種類。因此，藉由照明座能以不同照明參數進行測量，但各子體積之光分量不會相互影響。其中，每個光分量皆對應唯一一個共用感測器之一特定的感測器分區，此能顯著減少偵測裝置之設備配置。在照明參數相似之情況下，可例如與光源及感測器成相同角度地照射待加工之表面的相鄰分區，使得該等子體積之測量結果可相互比較且能酌情確定該等分區之偏差，以免測量到並非為待加工之表面所特有的假影。

本發明提出，該照明參數為該光之角度相關輻射強度、該光在該被照射表面上之入射角、該光源與該感測器間及/或該發光區與該感測器間之角度、該光源及/或該發光區到該被照射表面之距離、該光之偏振態及/或該光之各向同性(Isotropie)。透過此等照明參數，藉由每個子體積內部之光源或光源之發光區以特定入射角、特定波長、偏振、各向同性等等照射表面。光的各向同性係指一光束之光線的差異性方向(abweichende Richtung)，其中當光的各向同性較低時，光束之光線相互平行。而當光完全各向同性時，光束之光線不平行。光的各向同性例如可透過光源/發光區所發射之光在粗糙表面上的反射而實現。此外，為了提供不同照明參數，亦可例如在第一子體積內部使用點狀光源，在第二子體積中則使用平面光源。另外，可直接或間接照明表面。可垂直照明表面或者以不等於90°之角度照明表面。此外亦可用條紋圖案照明表面。此點例如可藉由為光源分配一狹縫光闌而實現。亦可採用其他照明參數。

本發明進一步提出，該感測器對應一分析裝置，該分析裝置適於對藉由該感測器分區所接收到的光進行關於一特定表面參數之分析，尤其是該表面之光澤度、顏色及/或紋理。該分析裝置有益地具有微處理器以及用於儲存測量資料及已知表面之參考資料的記憶體。該分析裝置可設於該偵測裝置中，或者設於該用於加工表面之設備的另一分區上。該分析裝置對接收到的光進行關於特定表面參數之分析，藉此分析待識別之表面的不同特徵。此等特徵例如可僅顯現於硬地板上及/或僅與鋪地毯的地板相關。測定表面參數時，視情況可能需要相對應之子體積內部的特定照明參數。舉例而言，測定表面顏色時建議用白光照明。此外，識別表面之微觀結構時可能需要使用特定波長之光。

該表面參數例如可為該表面之光澤度、顏色及/或紋理。因此，在遮光座之第一子體積內部例如可對感測器分區所接收到的測量信號進行關於光輝部(Glanzpunkt)、波長相關最大反射率、反射譜等等之分析，以便能推斷出表面之種類。舉例而言，光輝部之存在指向硬地板，因為鋪地毯的地板通常不具有光輝部。顏色同樣可替代或補充性地幫助推斷特定之表面種類。此外，表面紋理亦是重要的，因為例如地毯或鋪地毯的地板之表面結構不同於例如硬地板。

本發明提出，至少兩個感測器分區之被分析的表面參數彼此不同。藉此在照明座之每個子體積中分別測定一不同之表面參數，從而藉由整個遮光座內部之所有被分析的表面參數來總體上更可靠地識別表面種類。其中，偵測裝置所具有的子體積及感測器分區愈多，則表面種類識別愈準確。

本發明提出，該分析裝置適於將至少兩個感測器分區之表面參數邏輯關聯並且與已知表面之參考資料進行比較以測定該表面之種類。藉由將數個感測器分區之表面參數相結合，形成一表徵特定之表面種類的邏輯組合。藉由分析裝置將該測得組合與參考資料進行比較，該等參考資料包含保存在資料記憶體中之表面參數組合。藉此能可靠識別當前被測之表面。測得之表面參數的數目愈大，則表面種類識別愈可靠。

本發明進一步提出，該感測器為攝影機晶片，特別是CCD感測器或CMOS感測器。其中，根據各子體積之佈置來分析該攝影機晶片之感測面，其中例如在設有四個子體積之情況下，亦將該感測面劃分成四個較佳相同大小之感測器分區。其中，每個感測器分區皆由分析裝置進行關聯性的分析及/或讀出，從而可將測得之表面參數明確分配給遮光座之一特定子體積。

除前述用於加工表面之設備外，本發明亦提出一種操作一設備之方法，尤其是操作前述設備之方法，其中以光照射該表面並且對該表面所反射之光進行分析以識別該表面之種類。本發明之方法包括：在對應一感測器之三維遮光座之數個光學隔離的子體積中發射光，該光射中該表面並且被該表面反射至該感測器之一對應相關子體積的感測器分區，其中在第一子體積內部被發射之光的照明參數不同於在第二子體積內部被發射之光的照明參數，且其中聯繫該表面之不同表面參數對該等感測器分區所接收到的光進行分析。其中，該方法之實施及特徵與上文聯繫該表面加工設備所作之說明相似。

1‧‧‧設備

2‧‧‧偵測裝置

3‧‧‧光源

4‧‧‧光源

5‧‧‧光源

6‧‧‧光源

7‧‧‧感測器

8‧‧‧感測器分區

9‧‧‧感測器分區

10‧‧‧感測器分區

11‧‧‧感測器分區

12‧‧‧遮光座

13‧‧‧子體積

14‧‧‧子體積

15‧‧‧子體積

16‧‧‧子體積

17‧‧‧光源

18‧‧‧光源

19‧‧‧光源

20‧‧‧光源

21‧‧‧表面

下面結合實施例詳細闡述本發明。其中：圖1為本發明設備之立體圖；圖2為該設備之側視圖；圖3為偵測裝置之側視圖；圖4為偵測裝置之底視圖；圖5為遮光座之第一子體積；圖6為遮光座之第二子體積；圖7為遮光座之第三子體積；圖8為遮光座之第四子體積；圖9為感測器所記錄之影像；圖10為供分析用的參考資料表格。

圖1示出本發明之設備1，該設備在此構建為可自動移行之吸塵機器人。設備1具有移行輪以及用於驅動該等移行輪之電動馬達。此外，設備1可配置能幫助設備1在房間內部自動辨認方向之導航裝置(未示出)。該導航裝置通常包含用於識別障礙物及房間狀況之裝置。

圖2為設備1之側視圖，其中以虛線示出安裝在設備1中之偵測裝置2，該偵測裝置用於識別表面21之種類。偵測裝置2以偵測面對準待測量之表面21，該表面在此例如為鋪地毯的地板。

圖3以側面示意圖示出偵測裝置2。偵測裝置2具有感測器7及三維遮光座12，該感測器在此為一包含攝影機晶片(CCD晶片)之攝影機，該遮光座呈傘狀且以其頂面承載感測器7。遮光座12具有數個子體積13、14、15、16，在該側視圖中僅能看到其中兩個子體積13、14。每個子體積13、14、15、16皆對應感測器7之一特定的感測器分區8、9、10、11。此外，在每個子體積13、14、15、16中皆設有一自有光源17、18、19、20(參見圖5至圖8)。遮光座12經構建而使得子體積13、14、15、16受遮光座12之壁部影響而彼此光學隔離，使得光在子體積13、14、15、16之間無法傳播，意即，某一子體積13、14、15、16中所發射之光無法轉移至另一子體積13、14、15、16。子體積13、14、15、16由此可被理解為遮光座12之光隔離區域，在該等區域內，分別有一自有光源17、18、19、20向待識別之表面21的一分區發射光，且其中每個子體積13、14、15、16皆對應感測器7之一感測器分區8、9、10、11，該感測器分區被表面21所反射之光照射。

圖4以仰視角度，即以自表面21到遮光座12之方向示出偵測裝置2。如圖所示，遮光座12之各子體積13、14、15、16分別對應感測器7之一感測器分區8、9、10、11。

圖5至圖8分別以垂直剖面圖示出其中一子體積13、14、15、16。各光源17、18、19、20所發射之光分別具有對應相關子體積13、14、15、16之用於照射表面21的特徵性照明參數。藉此可在子體積13、14、15、16內部創造表面21之不同照明條件且可僅藉由一個(供所有子體積13、14、15、16共用之)感測器7來偵測該等照明條件。不同照明參數使得各感測器分區8、9、10、11上顯現不同表面參數，該等表面參數表徵目前被測之表面21。感測器7所接收到的全部信號彼此間可產生邏輯關聯且可被合併成一總資料集，由該總資料集可得知表面21之種類。

圖5示出遮光座12之第一子體積13，在該子體積中設有第一光源17及第一感測器分區8。光源17如此佈置在子體積13內部，使得該光源垂直照射待識別之表面21。其中，光源17僅照射表面21之一有限分區，該分區在遮光座12之子體積13的出光面積中僅占較小面積份額。根據表面21之種類，會有一定的光分量自表面21到達感測器分區8。舉例而言，若表面21為鋪地毯的地板，則光在表面21上散射，使得一漫射光分量射中感測器分區8。但若該表面為硬地板，則被垂直照射之表面21將光基本上垂直反射回去，使得僅一相對較小之光分量射中感測器分區8。如此可藉由所謂的「光輝部」來區分硬地板與鋪地毯的地板。

圖6示出第二子體積14，在該子體積中設有第二光源18及第二感測器分區9。光源18如此佈置在子體積14內部，使得表面21不被直接照射。確切而言，光源18對準子體積14之一角區，使得光源18所發射之輻射被遮光座12之內壁反射並以漫射方式間接照射表面21。此外，光源18所發射之光在該角區上擴展，使得射中表面21之輻射在一擴展光錐內部以不同角度到達表面21。對不同表面21(例如硬地板及鋪地毯的地板或不同之硬地板及/或鋪地毯的地板)的漫射性照射又會產生不同之反射信號，故根據感測器分區9所接收到的光可推斷出表面21之種類。在此，子體積14內部之佈局係用於識別木材特有色調，即用於識別表面參數「顏色」，以及用於識別表面21之紋理。舉例而言，若該紋理具有優勢方向，則幾乎可以肯定地排除表面21為鋪地毯的地板或PVC覆蓋物之可能性。確切而言，表面21有可能為具有木紋之木地板。

圖7示出具有第三光源19及第三感測器分區10之第三子體積15。光源19以光軸大致平行於表面21定向，其中發射光基於錐形擴展光束而部分直接以斜角射中表面21且另一部分在遮光座12之壁部上被反射，視情況以漫射方式射中表面21。感測器分區10接收被表面21反射之光，在此例如在表面參數「黑像素含量」方面分析該部分光。若感測器分區10所接收到之光信號具有特別高的黑像素含量，則可得出該表面為鋪地毯的地板之結論。但若黑像素含量較低，則表面21有可能為木材或PVC。

圖8示出遮光座12之第四子體積16，在該子體積中設有三個光源20及一感測器分區11。光源20相互平行佈置，使得發射光分量基本上相互平行傳播並且光呈條狀射中表面21。由此在待識別之表面21上形成條紋圖案，根據該條紋圖案之亮暗過渡可推斷出表面21之種類。舉例而言，若表面21為鋪地毯的地板，則過渡結構不規則。反之，表面21愈光滑，則亮暗過渡愈清晰，此點例如適用於PVC，特別適用於木材。

圖9示出感測器7所偵測到的攝影機影像形式之全部光信號。該攝影機影像按照各感測器分區8、9、10、11進行劃分。其中，每個感測器分區信號由於子體積13、14、15、16內部之不同照明參數而分別再現不同之表面參數。此處示出感測器分區8、9、10、11之相應信號。對應感測器分區8之影像用於測定光輝部，對應感測器分區9之影像用於測定紋理，對應感測器分區10之影像用於測定影像上之黑像素含量，對應感測器分區11之影像用於評價亮暗過渡。在此例如可識別出，表面21不具有光輝部，其紋理不具有優勢方向，黑像素含量高且亮暗過渡不呈直線。將此等表面參數邏輯關聯成一總資料集並且與已知表面21之參考資料進行比較以測定表面21之種類，該等參考資料儲存在分析裝置之資料記憶體內部。若目前所測得之資料集與內儲資料集一致，則能可靠確定表面21之種類。保存在資料記憶體中之參考資料可作為表格加以保存。在前述示例中，該表格外觀如圖10所示。

有益地，在設備1在表面21上移行期間實施該用於識別表面21之種類的方法。感測器7在此期間連續工作。聯繫每個子體積13、14、15、16提取一特定表面參數。將該等表面參數邏輯關聯並在識別表面21時作為參考。

通常採用監督學習方法進行分析。此等方法例如包含一個為分析裝置顯示大量不同表面21之訓練階段。相關表面21是已知的且連同其附屬表面參數儲存在資料記憶體內部。其中，以下同樣是可行的：不僅可識別已知表面參數，亦可識別不同的相似表面參數，分析裝置可自動分配該等表面參數。藉此亦可識別表面21之不同類型，該等類型之表面參數彼此不同但相似，故分析裝置可將該等類型分配給表面21之某一種類。

在知曉目前被測之表面21的種類後，可藉由設備1對表面21之進一步加工進行控制。舉例而言，若被識別表面21為鋪地毯的地板，則設備1會避免將表面21潤濕並將清潔過程例如侷限於吸除及/或刷除。