EP1098587A1 - Haushaltsroboter zum automatischen staubsaugen von bodenflächen - Google Patents

Haushaltsroboter zum automatischen staubsaugen von bodenflächen

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EP1098587A1
EP1098587A1 EP99948679A EP99948679A EP1098587A1 EP 1098587 A1 EP1098587 A1 EP 1098587A1 EP 99948679 A EP99948679 A EP 99948679A EP 99948679 A EP99948679 A EP 99948679A EP 1098587 A1 EP1098587 A1 EP 1098587A1
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EP
European Patent Office
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arm
suction
sensors
scanning
obstacles
Prior art date
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Ceased
Application number
EP99948679A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Sommer
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
Priority claimed from DE19916427A external-priority patent/DE19916427B4/de
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Publication of EP1098587A1 publication Critical patent/EP1098587A1/de
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    • G05D1/021—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
    • G05D1/0255—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using acoustic signals, e.g. ultra-sonic singals

Definitions

  • the classic cylinder vacuum cleaner consists of an engine block mounted on rollers, to which various nozzle shapes can be connected via a hose.
  • a rigid nozzle shape attached to a telescopic handle is generally used for this purpose, which enables the vacuuming of an approximately 20 cm wide strip.
  • the engine block can also be integrated in the telescopic handle.
  • a short brush is integrated in most models, which can be pushed out of the nozzle using a pedal or hand switch.
  • a nozzle with a horizontally rotating brush can be used on some models to increase the cleaning effect (tapping). This brush is driven either electrically or indirectly via the air flow.
  • British Patent GB 20 38 615 A shows a remote-controlled vacuum cleaner with a circular base on three wheels, two of which are driven, in which the rigid suction nozzle is attached below the base of the vacuum cleaner.
  • a control method and sensors are not specified.
  • the patent US 50 95 577 describes a self-propelled vacuum cleaner, in which the suction nozzle is attached to the end of a suction hose rolled up on a drum and can be extended with it. Thanks to mechanical sensors and control elements, this device is able to follow the course of a wall and thereby retract and extend the suction nozzle.
  • the published patent application DE 196 14 916 A1 describes an automatically operating driving robot, the orientation of which is essentially based on the stereoscopic one Evaluation of the image data from two video cameras is based. However, no specific tax procedure is specified.
  • Control methods that require manual guidance of the route are too complex and very inflexible, since the floor surface to be vacuumed changes constantly in the household due to the moving of objects. Control procedures that independently determine the outer contours of the surface to be vacuumed before the start of the actual suction process and determine their cleaning paths with this information are overwhelmed if many obstacles, such as e.g. B. furniture, to constant evasive maneuvers.
  • obstacles such as e.g. B. furniture
  • Due to the edge scanning it takes a relatively long time for the actual suction process to begin and the method only works in closed room areas. About that- In addition, it is not possible to specify a specific starting point for the vacuum cleaner from which the cleaning process should start.
  • Powerful vacuum cleaners have a bulky design and are therefore not suitable for use in confined spaces, also because damage to sensitive objects cannot be excluded.
  • numerous and complicated sensors are used, making the devices vulnerable and very expensive.
  • Flat devices with a circular base have recently been developed to improve accessibility. However, this limits the possible battery size and thus the range and the suction power, and yet many areas in corners and niches as well as on furniture edges cannot be cleaned because they are not accessible to the vacuum cleaner.
  • the invention is therefore based on the object of providing a flexible control method which, on the one hand, is able to adapt itself automatically to any floor surface with any obstacles, and on the other hand to avoid unnecessary multiple cleaning of certain areas while other places are not or only insufficiently recorded.
  • the cleaning should be able to start directly at a location specified by the user, without having to laboriously scan the room contours beforehand.
  • the device controlled by the method should cover all floor areas and also furniture edges and narrow niches, a high cleaning effect being required and damage having to be excluded.
  • the device must be made large enough to take up sufficient battery capacity. Appropriate insulation can largely shield the noise generated.
  • the vacuum cleaner should continue to be as simple as possible, robust and avoid complicated sensors in order to enable cost-effective production. solution
  • a fully automatic control method in particular for a self-propelled vacuum cleaner with distance and contact sensors, is presented, which has the following essential features: a close range is defined around the device, which is scanned by sensors, and possible at the limits of the close range new positions saved for the device. After selecting one of the positions saved in the current or previous step, depending on the degree of accessibility, an assigned priority and taking into account the presence of an area that has not yet been scanned in the area of the possible new positions, the selected position is approached and then the described position The sequence of the process steps is repeated until a predetermined total area has been completely covered or no new position can be selected.
  • the floor area scanned by the sensors is mapped into a two-dimensional data field in order to mark obstacles, free areas and possible new positions for the device identified during the scanning by certain statuses.
  • This field in which an image of the accessible floor area with the contours of all obstacles and delimiting edges is gradually created, serves to define control parameters for the device and to control the area already covered.
  • the close range can be determined by the range of the sensors which are rigidly or movably attached to the device.
  • direction-sensitive sensors with long-distance effect can be used or simple contact or distance sensors, which are guided over the surface to be scanned by a suitable mechanism.
  • the scanning of the close-up range can also be carried out in such a way that the effect of sensors with remote control or of movable sensors is emulated by moving the entire device and this determines the maximum accessible close-up range with any obstacles by sensors without remote control.
  • any partial area relative to the position of the device can be defined as the near area.
  • new positions will only be saved after scanning the close range where no obstacles have been detected and also no surface areas that have already been scanned from an earlier position of the device. This condition can be realized particularly simply by storing new positions only at those boundaries of the close range which are marked in the data field as not yet scanned.
  • a transformation into a positive coordinate range takes place for negative coordinates, e.g. B. by forming x_max -
  • the distance and the direction from the current position can be taken into account as evaluation parameters.
  • the shortest route within the area already scanned is determined by avoiding obstacles and the device is moved along this route.
  • the device can be reset to any previous positions and certain intermediate positions can be skipped when resetting the device over several previous positions if a check in the data field shows that the device does not have to pass over areas marked as obstacles during its movement.
  • an unexpected obstacle blocks the movement of the device, it determines the contours of the obstacle by scanning the sensors. Since, during the movement of the device, there is generally no renewed scanning of the path - since only areas that are marked as free in the data field are passed over - the device can encounter obstacles unknown to it by moving objects or possibly by slipping. In this case, the loading movement of the device is aborted, the close range is scanned in order to update the stored environmental information, and then a new position is selected.
  • the new close range is determined by evaluating the data field so that there is only a slight overlap with neighboring areas that have already been scanned.
  • the floor surface is simultaneously cleaned during the scanning.
  • scanning can be carried out by means of a movable arm in such a way that areas which have not yet been scanned are always first swept over by the front end of the arm. If there is an obstacle contact, the arm is guided along the detected obstacles at the smallest possible distance.
  • the near area around the device can be selected in the form of a circular sector, the scanning being carried out by repeated left and right rotation of the device, each with an increased length of the arm.
  • the arm can be shortened accordingly in the angular ranges of obstacles that have already been detected.
  • a device suitable for the method according to the invention which, of course, in addition to a suction device can also contain other cleaning devices, for example for wiping, steam cleaning or spray cleaning, or alternatively for other purposes such as, for. B. Lawn mowing, property search or control tasks can be combined, the following can be combined essential features:
  • the device with driven wheels and steering wheels or controllable drive wheels and sensors and an extendable arm is characterized in that in addition to two driven wheels as the third support point, the front lower end of the arm (head) is used, which z. B. is supported on rollers, balls, wheels or bristles.
  • the device with driven wheels and steering wheels or controllable drive wheels and sensors and an extendable arm with the front is characterized in that one or more rotating plate brush (s) is / are arranged on the head.
  • the device with driven wheels and steering wheels or controllable drive wheels and sensors as well as an extendable arm is characterized in that distance or contact sensors for detecting obstacles are arranged on the arm, which move over the close range by moving the arm and rotating the device can and both detect obstacles to the movement of the arm and those which only represent an obstacle to the movement of the device.
  • the device with driven wheels and steering wheels or controllable drive wheels and sensors is characterized in that the drives z. B. are connected elastically to the respective wheel via worm gears, the displacement of the drives which occurs when the suction device is blocked by an obstacle being detected. This mechanism makes it possible to dispense with an additional external contact sensor which would have to completely surround the device and which is mechanically complex.
  • the plate brush (s) are driven by a sliding shaft by means of a gear motor that is attached to the base of the suction cup.
  • Each brush is surrounded by a dense ring of soft bristles that are slanted outwards to remove dust from furniture edges and prevent damage.
  • each brush can have bristles that are inclined inwards, which loosen dirt from the floor, can support the suction device, and additionally borrowed the suction head at small steps, such as. B. Lift carpet edges.
  • a distance sensor the z. B. by ultrasound or by means of electromagnetic waves, the clear height above the head is used.
  • a sensor e.g. B. in the form of a mechanical button or contactless, detect levels in the flooring below the head, so as to avoid tilting of the device.
  • the movable arm is advantageously designed as a telescopic arm with a rectangular cross section, in order to offer a large cross section for guiding the air flow when used as a suction device with a flat design.
  • the device is not supported on the front end of the extendable arm, it is advantageous to design the telescopic arm so that it is rotatably or vertically movable at its rear end in order to guarantee good ground contact of the head.
  • an additional support with integrated ball for rolling can be attached below the front end of the arm, which allows any lateral movements.
  • the head pressure can be varied by shifting the weight.
  • the device After the blocking sensor has been triggered, the device is advantageously reset until the sensor no longer indicates a blocking. Subsequently, however, it is advanced again at a reduced speed in order to distinguish between pseudo and real obstacles. If the sensor has triggered for the first time due to a real obstacle, it will respond again even at a reduced speed.
  • the cause was only an insurmountable step in the flooring, e.g. B. a carpet edge, or an increased frictional resistance of the brush, the lower speed causes a reduction in the dynamically acting forces and the frictional forces, so that there is no triggering again.
  • Fig. 1 View of the vacuum cleaner
  • Fig. 2 View of the vacuum cleaner
  • Fig. 3 Longitudinal section of the suction head
  • Fig. 4 Top view of the suction head
  • Fig. 6 Path control for sector suction
  • Fig. 7 Sector suction area with existing obstacles
  • Fig. 10 Overall flow diagram of the suction control
  • Fig. 11 Flow chart 'suction of the sector in front' Fig. 12: Flow chart 'suction rotation with possible shortening of the arm'
  • Fig. 13 Flow chart 'arm extension with possible suction cup rotation'
  • Fig. 14 Flow chart 'Determination of a new suction cup position'
  • Fig. 1 shows the view of the vacuum cleaner while Fig. 2 shows the view of the lowest level of the vacuum cleaner with the dust catcher removed.
  • the extendable is an essential design element of the vacuum cleaner
  • Suction arm see Fig. 1 and 2, which also gives access to hard-to-reach floor areas, e.g. B. under cupboards or in narrow niches.
  • the suction arm has a rectangular cross section and essentially consists of two telescopic hollow bodies made of plastic, through which the air flow is directed.
  • the length of the suction arm is also controlled by a stepper motor, which drives a rack attached to the extendable inner part at the front and allows exact positioning.
  • a rotating suction brush which is set in rotation by a worm gear.
  • the worm in turn is attached to a shaft with a square cross-section on which a bevel gear can slide momentarily.
  • the bevel gear is axially fixed on the base plate of the suction cup by means of a corresponding bearing on the outer side and by a second bevel gear on the inside at an angle of 90 °.
  • This arrangement ensures that the brush can be rotated independently of the current length of the suction arm.
  • the suction arm can be constructed very flat to also clean the floor under low furniture.
  • a commercially available gear motor is used as the drive for the brush, with which a rotational frequency of the brush of approx. 0.5 Hz is set. The cleaning effect is achieved in that the dust is directed into the collecting container via the brush within the suction arm by the air flow which is generated by means of an approx. 50 W electric motor.
  • the high suction power is due in part to the fact that the smooth-walled and streamlined air flow causes little turbulence and thus low losses.
  • suction brush rotating about its vertical central axis, the longitudinal section of which is shown in Fig. 3; the section line B-B 'can be seen in Fig. 4.
  • This brush bundles the air flow and mechanically removes dust and other foreign objects from the floor, within wide limits regardless of the floor covering to be vacuumed.
  • the so-called brush wheel is connected via an axis to a gear wheel above the suction arm into which the worm, which is attached to the end of the rectangular shaft, engages.
  • the brush wheel is designed as a spoked wheel in order to obstruct the air flow as little as possible. All bristles are attached to the outer edge of the brush wheel, the bristles inclined inwards to the axis being relatively stiff and having a sufficiently large mutual distance to allow the air flow to pass between them unhindered; these bristles support the suction cup to the front and cause the outwardly inclined, very soft bristles to just touch the floor covering.
  • the outer bristles are very tight and the air flow can only pass through the gap to the floor, which creates an effective radial nozzle effect.
  • an additional plastic support can be attached underneath the brush wheel, almost as an extension of its axis, to prevent the suction head from sinking too deep.
  • a freely rotatable roller ball is integrated into this support towards the floor to minimize friction loss when the arm moves, see Fig. 3.
  • the inwardly inclined stiff bristles have another important function, because they also enable a smooth transition when crossing small steps in the flooring, e.g. B. on carpet edges. At these, the outer soft bristles are pressed inwards when the suction arm moves, the suction head being slightly raised due to the elasticity of the bristles. This effect is greatly enhanced by the oblique arrangement of the inner support bristles, so that the suction arm can slide over the step.
  • the brush resistance when moving the vacuum cleaner on carpet or over steps is also significantly reduced by the vertical rotation of the brush.
  • the rotational frequency must be adapted to the lateral speed of movement of the suction head in order to allow the suction head to roll optimally. Due to the radial asymmetry of the brush, this effect is independent of the current direction of movement of the vacuum cleaner.
  • the construction presented here has a great advantage in that, especially in the direct outer environment of the suction head, e.g. when vacuuming on furniture edges and baseboards, a high cleaning effect is achieved, whereby damage is prevented by the soft outer bristles.
  • the orientation of the suction cup is based on the calculation of the current suction position based on the distance covered. Due to the exact step control as well as the statistical occurrence of any positioning errors, a location accuracy can be achieved which, even after long distances to be covered when vacuuming a room, is completely sufficient in conjunction with the sensors.
  • the suction head probes by the rotation of the suction cup and the corresponding arm extension in front of the suction cup lying floor surface, see chapter "Vacuuming a sector”.
  • the circular symmetry of the vacuum ensures that only the vacuum head can hit obstacles during rotation.
  • the most important function is the mechanical touch sensor on the suction head, the structure of which can be seen in Fig. 4. This sensor is used to detect the impingement of obstacles when the arm is rotated and moved longitudinally.
  • both strips are coated with a conductive material and connected to the electronics via connecting wires.
  • these surfaces which act as contacts, are electrically insulated from one another by the insulating spacers and the air.
  • the suction head encounters an obstacle, the outer strip is pressed against the inner one, so that the electrical circuit closes; the direction from which the obstacle hits is insignificant.
  • Fig. 1 shows that the touch sensor encompasses the entire height of the suction head and is also guided far downward in order to detect possible obstacles which can block the movement of the suction head.
  • the touch sensor is not able to determine the direction in which an obstacle lies directly, this information can always be obtained by knowing the direction of movement of the suction head.
  • the second very important sensor is the so-called height sensor on the upper, front edge of the suction head, see Fig. 3 and 4.
  • This sensor has the task be able to detect obstacles that do not hinder the suction arm and head, but whose clear height is not sufficient for the entire suction device to pass this point.
  • a commercially available infrared distance sensor is used for this purpose, the release distance of which is set exactly to the height of the suction cup minus the suction head height.
  • This sensor has a high lateral accuracy, so that a lateral spatial resolution of a few centimeters is achieved even with obstacles at a vertical distance of approx. 30 cm.
  • a so-called step sensor is provided as the third sensor, see Fig. 3, for larger displacements of the floor covering e.g. B. on stairs and thereby prevent the vacuum cleaner from tipping over.
  • This sensor consists of a sensitive button, which is attached just behind the suction head to the lower edge of the suction arm, whereby the sensor is at a distance of approx. 1 cm from the floor on flat surfaces. If the suction head is moved down a step with a vertical offset that corresponds at least to the distance of the sensor from the floor, the suction arm touches the button, which triggers the sensor.
  • the power transmission from the stepper motors to the two drive wheels is each equipped with a mechanical blocking sensor.
  • Fig. 5 In order to clarify the function of the blocking sensor, one of the two drives is shown in detail in Fig. 5, see section line AA 'in Fig. 2:
  • the pinion of the stepper motor transmits its moment to a toothed wheel, which in turn drives a worm gear.
  • the shaft on which the gear wheel and the worm are fastened is connected to the drive bracket by axle rings, so that no axial displacement of the shaft against the bracket is possible and therefore the rotation hung the drive shaft is transmitted by the worm gear in the rotation of the impeller.
  • this drive unit does not act as a rigid system, since the common mounting of the shaft and the stepper motor consists of elastic material, which allows slight axial displacements of the drive shaft if the suction device jams during motor rotation.
  • the implementation of a blocking sensor presented has the advantage over rigid systems that when a sudden blockage of the suction cup occurs, no large forces act which may lead to damage, but that, due to the elasticity of the bearing, a gradual increase in the driving force on the shaft sets in until the blocking sensor trips.
  • the elasticity of the drive can be individually adapted to the weight of the suction cup and the dynamically acting forces.
  • the vacuum is controlled in such a way that, starting from the current location and in relation to the previous direction of rotation, a sector of maximum 90 ° is meandered, see Fig. 6: First, the vacuum rotates to the left maximum position. Then there is a maximum rotation to the right, an extension of the suction arm by the suction head diameter, and then a return rotation to the left maximum position. This movement process is repeated until the suction arm has reached its final length, whereupon, after the last rotation to the right, it is completely withdrawn.
  • Fig. 7 shows a restricted sector area, which is from Suction head can be painted over if objects hinder the movement. This can create so-called suction shadows that the suction head cannot reach by blocking the rotation of the suction arm.
  • Figure 8 uses the example of a corner of the room to show how, by lining up individual sector suction areas, areas of any type of border can be completely vacuumed (in this example, all sectors have the maximum opening angle of 180 °). By overlapping the sectors, some areas are vacuumed several times, which additionally increases the cleaning effect and compensates for possible positioning inaccuracies of the vacuum cleaner.
  • the vacuum motor which is the largest consumer, is only switched on during sector vacuuming and not when a new vacuum cleaner position is taken up.
  • the entire surface to be vacuumed is mapped in an electronic data memory, the so-called suction field, and the various states that can be assigned to a surface element are marked therein.
  • This two-dimensional information is used to identify new suction positions, to determine the way there and to determine the sector area.
  • an edge field which must previously have the status 0 is marked as a possible new suction position during the suction of a sector. If the area is later swept over by the suction head, the field receives status 1 or 2. When checking a possible new suction position, status 3 indicates that the corresponding area has not yet been vacuumed.
  • a two-dimensional grid is used to map the real surface to be sucked onto the suction field.
  • the spatial resolution in the x and y directions corresponds to one centimeter each and is therefore sufficiently precise for the detection accuracy of the sensors. Since only two bits are required for the four different statuses, it is possible with this resolution to map an area of 10x10 m 2 into a memory area of only 250 kByte.
  • FIG. 10 The overall flow diagram for the suction control is shown in Fig. 10.
  • the current suction position is saved.
  • the x and y coordinates of the suction center, the length of the suction arm and the angle that the suction arm makes in relation to the x axis are required for clear localization.
  • the optimum size of the sector to be vacuumed is then determined within the maximum limits of the angle of ⁇ 90 ° (based on the previous direction of the vacuum) and the maximum possible length of the vacuum arm R ma ⁇ .
  • a check is made in the suction field to determine which points still have status 0, ie unsucked, exhibit.
  • the area in which these points lie is determined by the left and right limit angles W
  • the determined sector area is vacuumed, see section "Vacuuming a sector", including appropriate obstacle treatment. All swept areas are marked with status 1 in the suction field or status 2 when an obstacle is detected.
  • new suction head positions are marked as possible starting points for new suction sectors on the free outer edges of the suction area, which are identified by status 0, with status 3 in the suction field.
  • each task is saved with its coordinates, its priority and the new optimal suction direction (perpendicular to the respective edge) in the list of open tasks. If the vacuum cleaner moves to W
  • the center of each free edge area is marked.
  • FIG. 6 the possible new suction positions for the case of a sector without and in Fig. 7 depicted with obstacles as black (priority 1) or white arrows (priority 2), the arrowheads indicating the new suction directions.
  • the current suction head position from which the last sector was sucked is now deleted from the list of the still open tasks.
  • the suction head moves as shown in Figure 6. However, if the suction head encounters an obstacle during rotation or changes in length, it is guided along this in close contact. In order to be able to guide the suction head around already known obstacles and thereby avoid double detection, the so-called angular field is used, which is reinitialized before each sector suction and serves to save the maximum possible radius for each angle of the sector.
  • the target radius R s which specifies the reference length for the suction arm and is incremented after each swiveling operation, is set to the inner radius Rj which the suction arm takes up in the retracted state.
  • the suction cup is rotated in the current direction with a possible shortening of the arm length, see next section and Figure 12.
  • the determined end angle cannot be turned on directly due to an obstacle, by gradually reducing the arm length while scanning the Edge contour of the obstacle tries to continue the rotation.
  • the rotation is stopped as soon as the suction arm reaches the end angle or can be freely rotated around the next step after a necessary shortening of the arm, since then the arm must first be extended again in order to follow the contour of the obstacle.
  • This macro ends when R s is reached or when the evaluation of the angular field shows that all accessible areas have already been vacuumed in the direction of rotation.
  • the end angle of the rotation is calculated first, the i. A. not equal to the left or right wetting angle W
  • the obstacle could then only be detected by means of the blocking sensor, which, however, only triggers when the contact pressure is significantly greater than that of the touch sensor and is also not intended for this application (see "Orientation of the suction device by means of sensors").
  • the obstacle was detected for the first time with the current target radius, its contour must be scanned exactly in order to be able to optimally vacuum the edge. Therefore, in this case the arm length is only reduced by 1 cm, and then an attempt is made to turn the head by half a head width (the sector boundaries form an absolute limit, however).
  • the radii of the suction arm in the swept angular range are then saved in the angular field.
  • the suction arm is then pulled in as far as necessary, rotated past the obstacle and then tried again to extend.
  • the swept area is marked in the angular field with the respective radii, and there is a return to the extension of the suction arm as described at the beginning.
  • the basic principle for determining the new vacuum position is to filter out the total of the tasks that are still open by evaluating various criteria to find the optimal task for the current location. If no new task is found from the current location, the previous suction cup positions are then examined in turn. If a new suction position can be determined from one of these old positions, the suction device is returned to this position and the new position is approached from here. At the beginning of the flow diagram in Fig. 14, the test position is set to the current suction cup position. Then all saved tasks are run through and checked to see whether they are possible continuations.
  • the status in the suction field is used to check whether the saved position has already been vacuumed. In this case, the corresponding task is discarded and deleted.
  • the one is selected whose priority is either higher than the previously selected one or which has the larger x-coordinate value with the same priority. This criterion ensures that the surface to be vacuumed is always vacuumed from the back to the front.
  • test position is set to the previous suction cup position and from there a loop is run through all tasks.
  • test position from which a task was found is equal to the current suction cup position. While in this case the new position can be approached directly after rotating the suction cup in the corresponding direction, in all other cases the suction cup must first be reset to the test position.
  • a path optimization is carried out by checking for each intermediate position whether it has been skipped and whether the suction device can possibly be moved back directly from its current position to the position from which the new suction position is subsequently assumed.
  • a condition for a possible 'shortcut' is again that the vacuum cleaner may only drive over areas that are marked with status 1 in the suction field in order to avoid collisions with obstacles.
  • Fig. 1 View of the suction cup
  • Fig. 3 Longitudinal section of the suction head
  • Fig. 4 Top view of the suction head
  • Fig. 10 Overall flow diagram of the suction control
  • Fig. 11 Flow chart 'Sucking the sector ahead'
  • Fig. 12 Flow chart 'Suction cup rotation with possible arm shortening'
  • Fig. 13 Flow chart 'arm extension with possible suction cup rotation'
  • Fig. 14 Flow chart 'Determination of a new suction cup position'

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Abstract

Die Erfindung ermöglicht es, beliebige Bodenflächen völlig selbsttätig und vollständig abzutasten und dabei insbesondere effektiv zu saugen, wobei auch niedrige Bereiche, Kanten und Nischen erfasst werden. Der Roboter wird so gesteuert, dass jeweils der Nahbereich abgetastet wird, wobei Hindernisse durch spezielle Sensoren detektiert und in einem Datenfeld gespeichert werden. Anschliessend erfolgt mittels der gespeicherten Daten die Bewegung auf eine neue Position, solange bis die gesamte zugängliche Fläche überstrichen wurde. Wesentliches Konstruktionselement des Roboters ist ein ausfahrbarer Arm, der den Roboter abstützt und an dem Kontakt- und Abstandssensoren angeordnet sind. Im Einsatz als automatischer Staubsauger wird im Arm des Roboters der Luftstrom geführt, wobei die Reinigungswirkung durch eine oder mehrere rotierende Tellerbürste(n) am vorderen Ende des Armes zusätzlich gesteigert werden kann. Die Erfindung kann insbesondere für private aber auch für gewerbliche Reinigungszwecke alternativ zu herkömmlichen Bodenstaubsaugern eingesetzt werden.

Description

Beschreibung
Haushaltsroboter zum automatischen Staubsaugen von Bodenflächen
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 Motor- block, an den über einen Schlauch verschiedene Düsenformen angeschlossen werden können. Für das Saugen von Fußböden wird hierfür im allgemeinen 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 herausgeschoben 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 speziell für die Anwendung bei Kehrmaschinen wird eine Anordnung von mehreren Tellerbürsten, die über ein Planetengetriebe in Mehrfachrotation versetzt werden, in der deutschen Patentschrift 1057154 beschrie- ben. Ebenfalls bereits von Kehrmaschinen bekannt sind zwei fest installierte Tellerbürsten an den vorderen beiden Ecken, die der automatische Staubsauger in DE 43 07 125 A1 aufweist, um Schmutz im unmittelbaren Seitenbereich des Sauger vor eine starr installierte Saugdüse zu befördern. In der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 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 20 38 615 A ist ein ferngesteuerter Sauger mit kreisrunder Grundfläche auf drei Rädern, von denen zwei angetrieben sind, darge- stellt, bei dem die starre Saugdüse unterhalb der Saugergrundfläche angebracht ist. Ein Steuerverfahren sowie Sensoren werden allerdings nicht angegeben.
Das Patent US 50 95 577 beschreibt einen selbstfahrenden Staubsauger, bei dem die Saugdüse am Ende eines auf einer Trommel aufgerollten Saugschlauches 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 Patent US 51 99 996 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 4340 771 A1. bei dem der Sauger entlang der inneren Kontur einer zu reinigenden Fläche geführt wird und hierbei die Konturen der zu reinigende 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 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 parallele Reinigungsbahnen plant und ausführt, ohne daß zuvor ein Reinigungsprogramm für einen bestimmten Raum gespeichert werden müßte.
Die Offenlegungsschrift DE 196 14 916 A1 beschreibt einen automatisch arbeitenden Fahrroboter, dessen Orientierung im wesentlichen auf der stereoskopischen Auswertung der Bilddaten von zwei Videokameras beruht. Ein konkretes Steuerverfahren wird allerdings nicht angegeben.
Zusätzlich zu den bisher angeführten deterministischen Steuerverfahren ist auf der Messe „ DOMOTECHNICA 99" ein selbständig arbeitender Staubsauger vorgestellt worden, der im wesentlichen stochastisch gesteuert wird. Hierbei fährt der Sauger solange in eine bestimmte Richtung, bis ein Hindernis, das durch Sensoren detek- tiert 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.
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 Verrük- ken von Gegenständen sowie teilweise kräftiges Reiben der Saugdüse erforderlich sind. Hinzu kommt, daß aufgrund der unflexiblen Bodensaugdüsen Beschädigungen an empfindlichen Möbeln auftreten können und daß beim Übergang von glatten zu mit Teppich belegten Flächen jedesmal manuell die Saugdüse umgeschaltet werden muß, um optimale Saugwirkung zu erzielen. Falls Engstellen zu saugen sind, muß sogar umständlich die Saugdüse ausgewechselt werden. Die bekannten Steuerverfahren für selbsttätig 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 Verrücken von Gegenständen 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 eigentliche Saugvorgang beginnt und das Verfahren funktioniert nur in abgeschlossenen Raumbereichen. Darüber- hinaus 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 bestimmte Flächen sehr häufig überstrichen werden, während andere Bereiche selten oder gar nicht gereinigt werden, wodurch eine ungleichmäßige Reinigung erzielt wird. Der Saugvorgang dauert außerdem sehr lange und es existiert kein Abbruchkriterium.
Die mit obigen Verfahren gesteuerten selbstfahrenden Staubsauger sind aus folgenden Gründen nicht als Ersatz manueller Staubsauger geeignet:
Leistungsstarke Staubsauger weisen eine sperrige Bauform auf und sind deshalb in engen Räumen nicht einsatzfähig, auch weil Beschädigungen an empfindlichen Gegenständen nicht ausgeschlossen werden können. Außerdem werden neben aufwendigen Antrieben zahlreiche und komplizierte Sensoren eingesetzt, wodurch die Geräte anfällig und sehr teuer sind. 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 dennoch 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 beliebige Bo- denflächen mit beliebigen Hindernissen anzupassen, und andererseits unnötige Mehrfachreinigung bestimmter Bereiche zu vermeidet, während andere Stellen nicht oder nur unzureichend erfaßt werden. Darüberhinaus soll die Reinigung 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 eine hohe Reinigungswirkung erforderlich ist und Beschädigungen ausgeschlossen werden müssen. Die Vorrichtung muß groß genug ausgeführt werden, um eine genügende Batteriekapazität aufzunehmen. Durch entsprechende Isolierung kann der entstehende Lärm weitest- gehend abgeschirmt werden. Der Staubsauger sollte weiterhin möglichst einfach ausgeführt, robust sein und auf komplizierte Sensoren verzichten, um eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen. Lösung
Zur Lösung der genannten Probleme wird ein vollautomatisches Steuerverfahren insbesondere für einen selbstfahrenden Staubsauger mit Abstands- und Kontaktsensoren vorgestellt, das die folgenden wesentlichen Merkmale aufweist: Um die Vorrichtung herum wird ein Nahbereich festgelegt, dieser durch Sensoren abgetastet, und an den Grenzen des Nahbereiches werden mögliche neue Positionen für das Gerät gespeichert. Anschließend wird nach Auswahl einer der im aktuellen oder früheren Schritt gespeicherten Positionen, abhängig vom Grad der Erreichbarkeit, einer zugeordneten Priorität und unter Berücksichtigung des Vorhan- denseins von noch nicht abgetasteter Fläche im Bereich der möglichen neuen Positionen, die gewählte Position angefahren und danach die beschriebene Abfolge der Verfahrensschritte solange wiederholt, bis eine vorgegebene Gesamtfläche vollständig überstrichen wurde oder keine neue Position mehr ausgewählt werden kann.
Die von den Sensoren abgetastete Bodenfläche wird in ein zweidimensionales Da- tenfeld abgebildet, um hierin während der Abtastung erkannte Hindernisse, freie Bereiche sowie mögliche neue Positionen für die Vorrichtung durch bestimmte Stati zu markieren. Dieses Feld, in dem somit sukzessive ein Abbild der zugänglichen Bodenfläche mit den Konturen sämtlicher Hindernisse und begrenzenden Rändern entsteht, dient zur Festlegung von Steuerparameter für die Vorrichtung sowie zur Kon- trolle der bereits überstrichenen Fläche.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Steuerverfahrens sind im folgenden angegeben:
Der Nahbereich kann durch die Reichweite der Sensoren festgelegt sein, die an der Vorrichtung starr oder beweglich befestigt sind. Hierbei können richtungssensitive Sensoren mit Fernwirkung eingesetzt werden oder einfache Kontakt- bzw. Abstandssensoren, die durch eine geeignete Mechanik über die abzutastende Fläche geführt werden. Die Abtastung des Nahbereiches kann aber auch so erfolgen, daß die Wirkung von Sensoren mit Fernwirkung oder von beweglichen Sensoren emuliert wird, indem die gesamte Vorrichtung bewegt wird und diese den maximal zugängli- chen Nahbereich mit etwaigen Hindernissen durch Sensoren ohne Fernwirkung ermittelt. In diesem Fall kann als Nahbereich eine beliebige Teilfläche relativ zur Position der Vorrichtung definiert werden. Beim Einsatz von Sensoren, die keine Richtungsinformation liefern, wird nach dem Detektieren eines Hindernisses die exakte Position des Hindernisses durch Berücksichtigung der Abtastrichtung ermittelt.
Um die Anzahl der gespeicherten Positionen zu begrenzen, werden nach der Abta- stung des Nahbereiches nur dort neue Positionen gespeichert werden, wo keine Hindernisse detektiert wurden und auch keine Flächenbereiche angrenzen, die bereits von einer früheren Position des Gerätes aus abgetastet wurden. Besonders einfach läßt sich diese Bedingung dadurch realisieren, daß nur an denjenigen Grenzen des Nahbereichs neue Positionen gespeichert werden, die im Datenfeld als noch nicht abgetastet markiert sind.
Bei der Abbildung eines Punktes (x, y) in das Datenfeld mit den Dimensionen x_max und y nax erfolgt für negative Koordinaten eine Transformation in einen positiven Koordinatenbereich, z. B. durch Bildung von x_max - |x| bzw. y_max - |y|.
Bei der erneuten Abtastung eines bereits im Datenfeld markierten Bereiches werden die Stati dieser Fläche entsprechend den neuen Sensordaten aktualisiert. Hierdurch wird erreicht, daß aufgrund der Überlappung der Abtastbereiche und insbesondere, falls Hindernisse in bereits abgetastete Bereiche gestellt werden, die gespeicherte Information über die abgetastete Fläche immer auf dem neuesten Stand ist.
Bei der Auswahl einer neuen Position für die Vorrichtung werden nur solche Positio- nen berücksichtigt, die im Datenfeld nicht als bereits abgetastet markiert sind. Dieses Kriterium stellt eine einfache aber effektive Möglichkeit dar, um die im Bereich von neuen Positionen jeweils noch nicht abgetasteten Flächen zu berücksichtigen: Wurde eine Position seit ihrer Speicherung im Datenfeld inzwischen als bereits abgetastet markiert, so kann aufgrund der im allgemeinen kompakten Nahbereiche davon ausgegangen werden, daß auch die umgebene Fläche schon abgetastet wurde. Deshalb kann eine solche Position gelöscht werden, da sie nicht mehr angefahren werden muß.
Bei der Speicherung von neuen Positionen können verschiedene Prioritäten für diese Positionen vergeben werden, abhängig z. B. von ihrer Lage und der Nähe zu an- deren Positionen. Bei der Auswahl einer neuen Position für die Vorrichtung werden nur solche Positionen berücksichtigt, deren Priorität diejenige einer bereits vorläufig im aktuellen Verfahrensschritt ausgewählten neuen Position nicht unterschreitet. Bei der Auswahl einer neuen Position werden nur solche Positionen berücksichtigt, die in einer bestimmten Teilfläche liegen, und diese Teilfläche wird während des Ablaufs des Verfahrens modifiziert, falls innerhalb der aktuellen Teilfläche keine neue Position ausgewählt werden kann. Dieses Verfahren ermöglicht eine indirekte Beeinflussung der Bewegung der Vorrichtung, um zum Beispiel zu erreichen, daß die Vorrichtung vorrangig zusammenhängende Flächenbereiche überstreicht.
Bei der Auswahl einer möglichen neuen Position kann der Abstand und die Richtung von der aktuellen Position als Bewertungsparameter berücksichtigt werden.
Darüber hinaus kann bei der Auswahl einer neuen Position für die Vorrichtung durch Auswertung des Datenfeldes sichergestellt werden, daß die neue Position von der Vorrichtung auf direktem Weg erreichbar ist, wobei nur Bereiche überfahren werden dürfen, die bereits abgetastet wurden und nicht als Hindernis markiert sind.
Ebenso ist es möglich, bei der Auswahl einer neuen Position die zurückgelegte Distanz seit Speicherung einer möglichen neuen Position zu berücksichtigen, um den Einfluß von möglichem Schlupf zu begrenzen. Dies kann zum Beispiel dadurch geschehen, daß bei der Überprüfung der Erreichbarkeit einer Position im Datenfeld ein zusätzlicher Sicherheitsabstand an den Rändern der zu überfahrenden Strecke, dessen Breite von der zurückgelegten Distanz abhängt, als frei markiert sein muß.
Nach der Auswahl einer neuen Position durch Auswertung des Datenfeldes wird die kürzeste Route innerhalb der bereits abgetasteten Fläche unter Umgehung von Hindernissen bestimmt und die Vorrichtung entlang dieser Route bewegt.
Die Vorrichtung kann auf beliebige vorherige Positionen zurückgesetzt werden und beim Zurücksetzen der Vorrichtung über mehrere vorherige Positionen können bestimmte Zwischenpositionen übersprungen werden, falls eine Überprüfung im Da- tenfeld ergibt, daß die Vorrichtung während ihrer Bewegung keine als Hindernis markierten Bereiche überfahren muß.
Falls ein unerwartetes Hindernis die Bewegung der Vorrichtung blockiert, ermittelt diese durch Abtastung mittels der Sensoren die Konturen des Hindernisses. Da während der Bewegung der Vorrichtung i. a. keine erneute Abtastung der Wegstrecke erfolgt - denn hierbei werden nur Bereiche überfahren, die im Datenfeld als frei markiert sind - kann die Vorrichtung durch das Versetzen von Gegenständen oder ggf. durch Schlupf an für sie unbekannte Hindernisse stoßen. In diesem Fall wird die Be- wegung der Vorrichtung abgebrochen, der Nahbereich abgetastet um die gespeicherte Umgebungsinformation upzudaten, und dann eine neue Position gewählt.
Nach dem Anfahren einer neuen Position wird der neue Nahbereich durch Auswertung des Datenfeldes so bestimmt, daß nur eine geringe Überlappung mit bereits abgetasteten Nachbarbereichen auftritt.
Besonders vorteilhaft ist es für den Einsatz der Erfindung als Staubsauger, wenn während der Abtastung gleichzeitig die Bodenfläche gereinigt wird.
Dazu kann die Abtastung durch einen beweglichen Arm so erfolgen, daß noch nicht abgetastete Flächen immer zuerst vom vorderen Ende des Armes überstrichen wer- den. Bei Hinderniskontakt wird der Arm in geringst möglichem Abstand an detektier- ten Hindernissen entlanggeführt. In besonders vorteilhafter Weise kann hierbei der Nahbereich um die Vorrichtung in Form eines Kreissektors gewählt werden, wobei die Abtastung durch wiederholte Links- und Rechtsdrehung der Vorrichtung mit jeweils vergrößerter Länge des Armes erfolgt. Um eine mehrfache Abtastung dersel- ben Hindernisse zu vermeiden, kann der Arm hierbei in Winkelbereichen von bereits detektierten Hindernissen entsprechend verkürzt werden.
Durch Auswertung der Information im Datenfeld wird sichergestellt, daß die Reinigung der Bodenfläche nur in denjenigen Bereichen erfolgt, die im Datenfeld als noch nicht gereinigt markiert sind.
Eine für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Vorrichtung, die neben einer Saugeinrichtung selbstverständlich auch andere Reinigungseinrichtungen beispielsweise zum Wischen, Dampfreinigen bzw. Sprühreinigen enthalten kann oder auch alternativ für andere Zwecke wie z. B. Rasenmähen, Objektsuche oder Kontrollaufgaben eingesetzt werden kann, weist die folgenden kombinierbaren wesentlichen Merkmale auf:
Die Vorrichtung mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbaren Antriebsrädern und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm ist dadurch gekennzeichnet, daß neben zwei angetriebenen Rädern als dritter Auflagepunkt das vordere untere Ende des Armes (Kopf) dient, das sich z. B. auf Walzen, Kugeln, Rädern oder Borsten abstützt.
Die Vorrichtung mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbaren Antriebsrädern und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an dessen vorderen Ende angeordnetem Kopf ist dadurch gekennzeichnet, daß am Kopf eine oder mehrere rotierende Tellerbürste(n) angeordnet ist/sind.
Die Vorrichtung mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbaren Antriebsrädern und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm ist dadurch gekennzeich- net, daß am Arm Abstands- bzw. Kontaktsensoren zur Erfassung von Hindernissen angeordnet sind, die durch Bewegung des Armes und Drehung der Vorrichtung den Nahbereich überstreichen können und sowohl Hindernisse für die Bewegung des Armes detektieren als auch solche, welche nur für die Bewegung der Vorrichtung ein Hindernis darstellen. Die Vorrichtung mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbaren Antriebsrädern und Sensoren ist 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 diesen Mechanismus kann auf einen zusätzlichen äußeren Kontaktsensor, der die Vorrichtung vollständig umgeben müßte und der mechanisch aufwendig ist, verzichtet werden.
Zusätzliche vorteilhafte Ausprägungen der Vorrichtung werden durch die folgenden Merkmale beschrieben:
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, um Staub von Möbelkanten zu entfernen und Beschädigungen zu vermeiden. Darüberhinaus kann jede Bürste schräg nach innen gerichtete Borsten aufweisen, die Schmutz vom Boden lösen, den Sauger stützen können, und zusätz- lieh den Saugkopf an kleinen Stufen wie z. B. Teppichkanten anheben.
Falls mehrere Tellerbürsten Verwendung finden, können deren Achsen so angeordnet und angetrieben werden, daß die Bürsten den Schmutz in Richtung der Saugdüse unterhalb des Kopfes befördern. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine an sich bekannte Anordnung, siehe die deutsche Patenschrift 1057154, bei der die Bürsten über ein Planetengetriebe in Eigenrotation versetzt werden und gleichzeitig unterhalb des Kopfes kreisförmig umlaufen. Spezielle Sensoren im Bereich des Kopfes detektieren Hindernisse für die Bewegung des Armes. Ein Sensor zu diesem Zweck kann vorteilhafter Weise so ausgeführt sein, daß um den Kopf des Armes herum in geringem gegenseitigen Abstand zwei elektrische Leiter angebracht "sind, von denen der äußere bei Kontakt mit einem Hindernis elastisch an den inneren herangedrückt wird und hierdurch einen elektrischen Stromkreis schließt.
Andere Sensoren im Bereich des Kopfes detektieren Hindernisse für die Bewegung der Vorrichtung, die jedoch den Arm selbst nicht behindern. Zu diesem Zweck kann ein Abstandssensor, der z. B. durch Ultraschall oder mittels elektromagnetischer Wellen die lichte Höhe oberhalb des Kopfes mißt, eingesetzt werden. Zusätzlich kann ein Sensor, z. B. in Form eines mechanischen Tasters oder berührungslos, Stufen im Bodenbelag unterhalb des Kopfes erfassen, um so ein Kippen der Vorrichtung zu vermeiden. Der bewegliche Arm wird vorteilhafter Weise als Teleskoparm mit rechteckförmigem Querschnitt ausgeführt, um im Einsatz als Sauger bei mög- liehst flacher Bauweise einen großen Querschnitt zur Führung des Luftstromes zu bieten.
Falls die Vorrichtung sich nicht auf dem vorderen Ende des ausfahrbaren Armes abstützt, ist es vorteilhaft, den Teleskoparm so auszuführen, daß er an seinem hinteren Ende um eine horizontale Achse drehbar bzw. vertikal beweglich gelagert ist, um guten Bodenkontakt des Kopfes zu garantieren. Auch in diesem Fall kann unterhalb des vorderen Endes des Armes eine zusätzliche Stütze mit integrierter Kugel zum Abrollen befestigt werden, die beliebige laterale Bewegungen gestattet.
Durch Gewichtsverlagerung kann der Aufsetzdruck des Kopfes variiert werden.
Nach dem Auslösen des Blockierungssensors wird die Vorrichtung vorteilhafter Wei- se soweit zurückgesetzt, bis der Sensor keine Blockierung mehr anzeigt. Anschließend erfolgt ein erneutes Vorsetzen allerdings mit reduzierter Geschwindigkeit, um so zwischen Pseudo- und echten Hindernissen zu unterscheiden. Hat der Sensor beim ersten Mal aufgrund eines reellen Hindernisses ausgelöst, so wird er auch bei verringerter Geschwindigkeit erneut ansprechen. War die Ursache jedoch lediglich eine überwindbare Stufe im Bodenbelag, z. B. eine Teppichkante, oder ein erhöhter Reibungswiderstand der Bürste, so bewirkt die geringere Geschwindigkeit eine Reduzierung der dynamisch wirkenden Kräfte und der Reibkräfte, so daß ein erneutes Auslösen unterbleibt. Ausführungsbeispiel
Anhand eines Staubsaugers als beispielhafte Vorrichtung wird der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert, wobei zum besseren Verständnis zuerst der Aufbau der Vorrichtung beschrieben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist selbstverständlich unabhängig von der hier beschriebenen Vorrichtung und auch bei beliebig geeigneten Vorrichtungen anwendbar.
Die Abbildungen erläutern das im folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung, dabei zeigt:
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'
Mechanischer Aufbau
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 Schneckengetriebe mit einer Untersetzung von ca. 1 :30 ein Laufrad mit gummiummantelter Lauffläche antreiben. Durch die Anordnung der Laufräder auf der Symmetrieachse der kreisförmigen Grundfläche kann mittels der zwei Motoren sowohl der Vortrieb (gleiche Drehrichtung) als auch die Drehung um den Mittelpunkt des Saugers (entgegengesetzte Drehrichtung) realisiert werden. Als dritter Auflagepunkt wird hierbei die Saug- bürste genutzt, die am vorderen Ende des ausfahrbaren Saugarmes befestigt ist.
Durch entsprechende Anordnung der relativ schweren Batterie, die sowohl sämtliche 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 Aufbau, da kein zusätzliches Stützrad erforderlich ist, andererseits hat die Saugbürste so immer einen sicheren Kontakt zur Bodenfläche, unabhängig von Unebenheiten im Bodenbelag.
Ausfahrbarer Saug arm mit rotierender Bürste
Ein wesentliches Konstruktionselement des Saugers bildet der ausfahrbare
Saugarm, siehe Abb. 1 und 2, der auch den Zugang zu schwer zugänglichen Bodenbereichen ermöglicht, z. B. unter Schränken oder in schmalen Nischen.
Der Saugarm weist einen rechteckigen Querschnitt auf und besteht im wesentlichen 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 äußeren Seite sowie durch ein zweites Kegelrad innen im Winkel von 90° wird das Kegelrad auf der Grundplatte des Saugers axial fixiert. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Bürste unabhängig von der aktuellen Länge des Saugarms gedreht 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 innerhalb 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 strömungsgünstige Luftführung nur wenig Turbulenzen und damit geringe Verluste ver- ursacht.
Eine zusätzliche, entscheidende Verbesserung des Reinigungseffektes bewirkt dabei die um ihre senkrechte Mittelachse rotierende Saugbürste, deren Längsschnitt in Abb. 3 dargestellt ist; die Schnittlinie B-B' kann Abb. 4 entnommen werden. Diese Bürste bündelt den Luftstrom und löst Staub sowie andere Fremdkörper 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 Sauger nach vorn ab und bewirken, daß die nach außen geneigten, sehr weichen Borsten soeben den Bodenbelag berühren. Neben der hierdurch bewirkten Verringerung 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 befestigt werden, um das zu tiefe Einsinken des Saugkopfes zu verhindern. In diese Stütze ist zum Boden hin eine frei drehbare Rollkugel integriert, um den Reibungsverlust 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 innen gedrückt, wo- bei 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 hinweggleiten kann.
Der Bürstenwiderstand beim Bewegen des Saugers auf Teppich oder über Stufen hinweg wird auch ganz wesentlich durch die vertikale Drehung der Bürste verringert. Die Drehfrequenz muß an die laterale Bewegungsgeschwindigkeit des Saugkopfes angepaßt werden muß, um den Saugkopf optimal abrollen zu lassen. Dieser Effekt ist aufgrund der Radiaisymmetrie der Bürste unabhängig von der aktuellen Bewegungsrichtung des Saugers.
Gegenüber herkömmlichen Saugkopf- und -bürstenformen besteht bei der hier vor- gestellten Konstruktion ein großer Vorteil darin, daß gerade im direkten äußeren Umfeld des Saugkopfes, z.B. beim Saugen an Möbelkanten und Fußleisten, 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 Motorleistung die Saugwirkung erheblich besser ist, als bei herkömmlichen Bodenstaubsaugern mit wesentlich höheren elektrischen Anschlußwerten.
Orientierung des Saugers mittels Sensoren
Die Orientierung des Saugers basiert auf der Berechnung der jeweils aktuellen Saugposition anhand des zurückgelegten Weges. Aufgrund der exakten Schrittsteuerung sowie des statistischen Auftretens etwaiger Positionierfehler kann hierbei eine Ortsgenauigkeit erreicht werden, die auch nach längeren, beim Saugen eines Zimmers zurückzulegenden Wegstrecken im Zusammenspiel mit den Sensoren 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 „ Saugen eines Sektors" . 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 detektieren.
Er besteht im wesentlichen aus zwei Kunststoffstreifen, die den Saugkopf umgeben und durch zwei seitliche Distanzstücke auf einen gegenseitigen Abstand von weni- gen 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 jedoch 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 Saugkopfes umfaßt und ebenfalls weit nach unten geführt ist, um dadurch mögliche Hindernisse, welche die Bewegung des Saugkopfes blockieren können, zu erfassen.
Obwohl der Berührungssensor nicht in der Lage ist, die Richtung, in der ein Hindernis liegt, direkt zu bestimmen, kann diese Information jedoch immer dadurch gewon- nen 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 Aufga- be, Hindernisse zu detektieren, die zwar den Saugarm und -köpf nicht behindern, deren lichte Höhe jedoch nicht ausreicht, damit der gesamte Sauger diese Stelle passieren kann.
Für diesen Zweck wird ein handelsüblicher Infrarot-Abstandssensor verwendet, des- sen Auslöseabstand genau auf die Höhe des Saugers abzüglich der Saugkopfhöhe 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 hierdurch 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 unten, 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 „Automatische Steuerung des Saugers" beschriebenen Verfahrens im Normalfall eindeutig manövrieren zu können.
Dennoch kann durch das Verrücken von Gegenständen in bereits gesaugte Bereiche 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 Schnek- kengetriebe 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 Dre- hung der Antriebswelle durch das Schneckengetriebe 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, welches geringfügige axiale Verschiebungen der Antriebswelle zuläßt, falls während der Motordrehung eine Blockierung des Saugers auftritt.
Diese Verschiebung der Lagerung schließt entsprechend Abb. 5 einen elektrischen Kontakt, der von der Steuerelektronik ausgewertet wird.
Die vorgestellte Realisierung eines Blockierungssensors weist den Vorteil gegenüber 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 angepaßt werden.
Automatische Steuerung des Saugers
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 Verlängerung des Saugarmes um den Saugkopfdurchmesser, und anschließend die Rückdrehung 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 Hindernisse während der Drehung oder Armbewegung auftreten, siehe Abschnitt „ Saugen eines Sektors" . 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 Blockierung 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 ausgewählt und angefahren, siehe „ Bestimmung einerneuen Saugerposition" .
In Abbildung 8 ist am Beispiel einer Zimmerecke dargestellt, wie durch Aneinander- reihung einzelner Sektorsaugbereiche Flächen beliebiger Umrandung vollständig 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 eingeschaltet, und nicht, wenn eine neue Saugerposition eingenommen wird.
Markierung der gesaugten Bereiche
Zur globalen Orientierung des Saugers wird die gesamte zu saugende Fläche in ei- nen elektronischen Datenspeicher, das sogenannte Saugfeld, abgebildet und hierin die verschiedenen Stati, die einem Flächenelement zugeordnet werden können, markiert. Diese zweidimensionale Information wird verwendet, um neue Saugpositionen zu kennzeichnen, den Weg dorthin zu bestimmen sowie zur Festlegung des Sektorbereiches.
Folgende vier Stati werden unterschieden:
• Status 0: 'ungesaugt'
Dieser Status ist der Defaultwert im Saugfeld beim Start des Saugers und wird überschrieben, sobald der Saugkopf die entsprechende 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 Saugposition 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 benötigt werden, ist es möglich, mit dieser Auflösung eine Fläche von 10x10 m2 in einen Speicherbereich von nur 250 kByte abzubilden.
Ein mögliches Problem bei der Minimierung des Speicherbedarfes entsteht dadurch, 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 Problems wird eine Koordinatentransformation vorgenommen, siehe Abb. 9: Jeder negative Wert für x bzw. y wird abgebildet auf xmax - |x| bzw. ymax - |y|, wobei xmax uncl Ymax die festgelegten maximalen Dimensionen des Saugfeldes für x und y angeben, die den Bewegungsbereich des Saugers begrenzen. Durch die Transfor- mation werden Feldbereiche, bei denen mindestens eine Koordinate negativ ist, entsprechend versetzt im Saugfeld abgebildet.
Während der Bewegungssteuerung wird überwacht, daß die Summe aus der maximalen positiven und negativen Saugdistanz vom Ursprung in x- und y-Richtung je- weils die vorgegebenen Werte für xmax bzw. ymax nicht überschreitet. Andernfalls wird der Programmablauf mit einer entsprechenden Fehlermeldung unterbrochen. Da der Saugkopf sich quasi kontinuierlich bewegt, werden neue Stati im Saugfeld immer dann gesetzt, nachdem eine Strecke von 1 cm zurückgelegt wurde. Hierbei werden jeweils die Felder unterhalb des Außenradius' vom Saugkopf, halbkreisför- mig bezüglich der jeweiligen Bewegungsrichtung des Kopfes berücksichtigt.
Eine Ausnahme von dieser Markierungsregel gilt für den Höhen- und Stufensensor: Falls diese Sensoren ein Hindernis melden, wird nur das Feld im Saugfeld, das genau unterhalb des entsprechenden Sensors liegt, gekennzeichnet.
Beschreibung des Steuerverfahrens
In den nachfolgend beschriebenen Flußdiagrammen wird für die Darstellung folgende Notation verwendet: Start und Ende bzw. Rücksprung in das vorhergehende Diagramm sind durch Kreise gekennzeichnet. Rechtecke symbolisieren jeweils eine Aktion, wobei schattierte Symbole darauf hinweisen, daß die entsprechende Aktion in einem separaten Diagramm detailliert wird. Sechsecke mit zwei seitlichen Spitzen stehen jeweils für eine Entscheidung mit den beiden Möglichkeiten 'ja' oder 'nein'.
Das Gesamtflußdiagramm für die Saugersteuerung ist in Abb. 10 dargestellt.
Zu Beginn des Saugvorganges und immer dann, wenn eine neue Saugerposition eingenommen wurde, wird die aktuelle Saugerposition gespeichert. Zur eindeutigen Lokalisierung werden hierzu die x- und y-Koordinate des Saugermittelpunktes, 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 Laufrichtung des Saugers) sowie der maximal möglichen Länge des Saugarmes Rmaχ 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| und Wr sowie den Außen- und Innenradius Ra und Rj eindeutig gekennzeichnet, wobei Rj immer der konstanten Armlänge im eingefahrenen Zustand entspricht. Im nächsten Schritt wird der ermittelte Sektorbereich gesaugt, siehe Abschnitt „ Saugen eines Sektors" , einschließlich einer entsprechenden Hindernisbehandlung. Sämtliche überstrichenen Bereiche werden im Saugfeld mit dem Status 1 bzw. bei Detektion eines Hindernisses 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 Koordinaten, ihrer Priorität sowie der jeweils neuen optimalen Saugrichtung (senkrecht zum jeweiligen Rand) in der Liste der noch offenen Tasks. Falls der Sauger nach W| bzw. Wr gedreht werden konnte sowie an den Saugschatten hinter Hindernissen, werden die Ecken als mögliche neue Saugpositionen gekennzeichnet. Außer den seitlichen Rändern wird die Mitte jedes freien Randbereiches (gekennzeichnet dadurch, daß der Arm bis auf Ra ohne Hinderniskontakt ausgefahren werden konnte) markiert. Zur Erhöhung der Anzahl möglicher Saugpositio- nen werden in größeren freien Randbereichen neben der Mitte noch zusätzliche Randpunkte markiert und gespeichert, allerdings mit der niedrigeren 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 Abschnitt „ Bestimmung der nächsten Saugerposition" . Konnte keine neue Saugerposition ermittelt und angefahren werden, so wird der Saugvorgang beendet, andernfalls mit dem Speichern der neuen Saugerposition, wie anfangs beschrieben, fortgesetzt. Saugen eines Sektors
Beim Saugens des jeweils aktuellen Sektors, dessen Grenzen nach dem Anfahren einer neuen Position bestimmt wurden, ermöglicht die im folgenden beschriebene, wegoptimierte Steuerung des Saugkopfes die exakte Abtastung der Konturen belie- biger 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 Doppeidetektion zu vermeiden, wird das sogenannte Winkelfeld verwendet, das vor jedem Sektorsaugen neu initialisiert wird und dazu dient, den jeweils maximal möglichen Radius für jeden Winkel des Sektors zu speichern.
Zu Beginn des Sektorsaugens wird der Sollradius Rs, der die Referenzlänge für den Saugarm angibt und nach jeden Schwenkvorgang inkrementiert wird, auf den inneren Radius Rj gesetzt, den der Saugarm im eingefahrenen Zustand einnimmt.
Nun wird der Saugarm auf die linke Sektorgrenze W| 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 eventuel- ler Verkürzung der Armlänge, siehe nächster Abschnitt und Bild 12. Hierbei wird, falls der ermittelte Endwinkel aufgrund eines Hindernisses nicht direkt angedreht 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 Sektorgrenze im mit einem Radius kleiner dem aktuellen Sollradius markiert sind. Nur wenn mindestens eine dieser Bedingungen erfüllt ist, wird die Drehrichtung umgepolt, Rs um den Durchmesser des Saugkopfes vergrößert und überprüft, ob Rs den vorher bestimmten Außenradius Ra übersteigt. Da in diesem Fall der äußere Rand des Sektors erreicht wurde, wird der Saugmotor gestoppt, der Saugarm wieder auf Rj eingefahren und der Saugvorgang wie in Bild 10 und Abschnitt „ Beschreibung des Steu- erverfahrens" beschrieben fortgesetzt.
Wenn diese Abbruchbedingung nicht zutrifft wird anschließend versucht, den Saugarm auf Rs auszufahren, siehe Abschnitt „Armverlängerung mit eventueller Saugerdrehung" und Bild 13. Hierbei wird im Fall eines Hinderniskontaktes die Drehung schrittweise in die aktuelle Richtung fortgesetzt und dann jeweils erneut versucht, Rs zu erreichen.
Dieses Makro endet bei Erreichung von Rs bzw. wenn die Auswertung des Winkelfeldes ergibt, daß in Drehrichtung alle zugänglichen Bereiche bereits gesaugt wurden.
Danach erfolgt der Rücksprung zum Makro „ Saugerdrehung mit eventueller Armver- kürzung" , siehe oben.
Saugerdrehung mit eventueller Armverkürzung
Entsprechend Abb. 12 wird zuerst der Endwinkel der Drehung berechnet, der i. A. ungleich dem linken bzw. rechten Randwinkel W| bzw. Wr ist. Dazu wird überprüft, ob bei einem vorherigen Schwenk in diese Richtung mit kürzerer Armlänge 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 Berührungssensor, sondern weiter hinten. Das Hindernis könnte dann nur mittels des Blockierungssensors detektiert werden, der allerdings erst bei deutlich größeren Andruckkräften als der Be- rührungssensor auslöst und für diese Anwendung auch nicht vorgesehen ist (siehe „ Orientierung des Saugers mittels Sensoren" ).
Wurde nach Abschluß der Drehung die Sektorgrenze W| bzw. Wr erreicht, d. h. es trat kein Hindernis auf, erfolgt der sofortige Rücksprung in Abb. 11 , siehe vorheriger Abschnitt. Der Rücksprung erfolgt ebenfalls, wenn der Drehstop aufgrund eines be- kannten Hindernisses erfolgte, das sich bis zur Sektorgrenze erstreckt, da dann eine Fortsetzung der Drehung mit dem aktuellen Sollradius hinter dem Hindernis nicht möglich ist. Wenn beide Bedingungen nicht zutreffen, wird der Saugkopf um 1 cm zurückgedreht 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 saugen zu können. Deshalb wird in diesem Fall die Armlänge lediglich um 1 cm verringert, und an- schließend versucht, den Kopf um eine halbe Kopfbreite weiterzudrehen (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 zurückgesprungen. Melden die Sensoren jedoch ein neues Hindernis, wird wiederum auf Fortsetzung geprüft, wie weiter oben beschrieben.
Armverlängerung mit eventueller Saugerdrehung
Zunächst wird entsprechend Abb. 13 versucht, den Saugarm auf den aktuellen Sollwinkel Rs 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 Hindernisses die Vorwärtsdrehung in Vielfachen des halben Kopfdurchmessers erfolgt, ist die Rückdre- hung erforderlich, um sicherzustellen, daß die Kontur des zu umgehenden 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 Winkelfeld bereits alle folgenden Winkel in Drehrichtung mit einem Radius kleiner als Rs mar- kiert 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 Sektorgrenze reicht, wird der Saugarm anschließend soweit wie nötig eingezogen, am Hin- dernis vorbeigedreht und anschließend wieder versucht, zu verlängern.
Andernfalls wird der Saugarm etwas zurückgezogen, bis vom Sensor kein Hindernis mehr detektiert wird, und um eine halbe Kopfbreite weitergedreht. Wenn aufgrund eines Hindernisses keine Drehung möglich war, erfolgt der Rücksprung in Abb. 11.
Konnte der Arm zumindest geringfügig gedreht werden, wird der überstrichene Be- reich im Winkelfeld mit den jeweiligen Radien gekennzeichnet, und es erfolgt der Rücksprung zur Verlängerung des Saugarmes wie anfangs beschrieben.
Bestimmung der nächsten Saugerposition
Das Grundprinzip zur Ermittlung der neuen Saugerposition besteht darin, aus der Gesamtheit der insgesamt noch offenen Tasks durch Bewertung verschiedener Kri- terien 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 durchgeführt:
Zuerst wird anhand des Status' im Saugfeld überprüft, ob die gespeicherte Position bereits gesaugt wurde. In diesem Fall wird die entsprechende Task verworfen und gelöscht.
Wurde bereits ein möglicher Kandidat für die nächste Position ermittelt, werden nur noch solche Tasks bewertet, die mindestens dieselbe Priorität aufweisen, vgl. Abschnitt „ Beschreibung des Steuerverfahrens" . 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 bewegt 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 gesaugt wird.
Konnte nach Überprüfung sämtlicher gespeicherter Tasks keine anfahrbare Position ermittelt werden, wird die Testposition auf die jeweils vorherige Saugerposition 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 angefahren werden kann, muß in allen anderen Fällen der Sauger zuerst auf die Testposition zurückgesetzt werden.
Hierbei wird bei mehreren auszuführenden Rücksetzoperationen eine Wegoptimierung 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 Saugerposition angenommen wird. Bedingung für eine mögliche 'Abkürzung' ist wiederum, 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 'Armveriängerung mit eventueller Saugerdrehung'
Abb. 14: Flußdiagramm 'Bestimmung einer neuen Saugerposition'

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum selbsttätigen Steuern eines selbstfahrenden Gerätes, insbesondere eines Staubsaugers, mit Abstands- bzw. Kontaktsensoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nahbereich um die Vorrichtung festgelegt und abgeta- stet wird, an den Grenzen dieses Nahbereiches mögliche neue Positionen für das Gerät gespeichert werden, anschließend nach Auswahl einer der im aktuellen oder früheren Schritt gespeicherten Positionen, abhängig vom Grad der Erreichbarkeit, einer zugeordneten Priorität und unter Berücksichtigung des Vorhandenseins von noch nicht abgetasteter Fläche im Bereich der möglichen neuen Positionen, die ge- wählte Position angefahren wird, und daß danach die beschriebene Abfolge der
Verfahrensschritte solange wiederholt wird, bis eine vorgegebene Gesamtfläche vollständig überstrichen wurde oder keine Position mehr ausgewählt werden kann.
2. Verfahren zum selbsttätigen Steuern eines selbstfahrenden Gerätes, insbesondere eines Staubsauger, mit Abstands- bzw. Kontaktsensoren, dadurch g e - kennzeichnet, daß die von den Sensoren abgetastete Bodenfläche in ein zweidimensionales Datenfeld abgebildet wird, um hierin während der Abtastung erkannte Hindernisse, freie Bereiche sowie mögliche neue Positionen für die Vorrichtung durch bestimmte Stati zu markieren, und daß dieses Feld, in dem somit sukzessive ein Abbild der zugänglichen Bodenfläche mit den Konturen sämtlicher Hin- dernisse und der begrenzenden Ränder entsteht, zur Festlegung von Steuerparameter für die Vorrichtung sowie zur Kontrolle der bereits überstrichenen Fläche dient.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nahbereich durch die Reichweite der Sensoren festgelegt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Detektieren eines Hindernisses durch einen Sensor die exakte Position des
Hindernisses durch Berücksichtigung der Abtastrichtung ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Abtastung des Nahbereiches nur dort neue Positionen gespeichert werden, wo keine Hindernisse detektiert wurden und auch keine Flächenbereiche angrenzen, die be- reits von einer früheren Position des Gerätes aus abgetastet wurden.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abbildung eines Punktes (x, y) in das Datenfeld mit den Dimensionen x_max und yjnax für negative Koordinaten eine Transformation in einen positiven Koordinatenbereich, z. B. durch Bildung von x_max - |x| bzw. y_max - |y|, erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der erneuten Abtastung eines bereits im Datenfeld markierten Bereiches sämtliche Stati dieser Fläche entsprechend den neuen Sensordaten aktualisiert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswahl einer neuen Position für die Vorrichtung nur solche Positionen berücksichtigt werden, die im Datenfeld nicht als bereits abgetastet markiert sind.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Speicherung von neuen Positionen verschiedene Prioritäten für diese Positionen vergeben werden, und daß bei der Auswahl einer neuen Position für die Vorrichtung nur solche Positionen berücksichtigt werden, deren Priorität diejenige einer bereits vorläufig im aktuellen Verfahrensschritt ausgewählten Position nicht unterschreitet.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswahl einer neuen Position nur solche Positionen berücksichtigt werden, die in einer bestimmten Teilfläche liegen, und daß diese Teilfläche während des Ablaufs des Verfahrens modifiziert wird, falls innerhalb der aktuellen Teilfläche keine neue Position ausgewählt werden kann.
11.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswahl einer neuen Position der Abstand zwischen einer möglichen neuen Position und der jeweils aktuellen Position der Vorrichtung berücksichtigt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswahl einer neuen Position die Richtung, in der eine mögliche neuen Position von der jeweils aktuellen Position der Vorrichtung aus liegt, berücksichtigt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswahl einer neuen Position die zurückgelegte Distanz seit der Speicherung einer Position berücksichtigt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswahl einer neuen Position für die Vorrichtung durch Auswertung des Da- tenfeldes sichergestellt wird, daß die neue Position von der Vorrichtung auf direktem Weg erreichbar ist, wobei nur Bereiche überfahren werden dürfen, die bereits abgetastet wurden und nicht als Hindernis markiert sind.
15. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Auswahl einer neuen Position durch Auswertung des Datenfeldes die kürzeste Route dorthin innerhalb der bereits abgetasteten Fläche unter Umgehung von Hindernissen bestimmt und die Vorrichtung entlang dieser Route bewegt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung auf beliebige vorherige Positionen zurückgesetzt werden kann und beim Zurücksetzen der Vorrichtung über mehrere vorherige Positionen bestimmte Zwischenpositionen übersprungen werden können, falls eine Überprüfung im Datenfeld ergibt, daß die Vorrichtung während ihrer Bewegung keine als Hindernis mar- kierten Bereiche überfahren muß.
17. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß, falls ein unerwartetes Hindernis die Bewegung der Vorrichtung blockiert, diese die Konturen des Hindernisses durch Abtastung mit den Sensoren ermittelt.
18. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Anfahren einer neuen Position der neue Nahbereich durch Auswertung des Datenfeldes so bestimmt wird, daß nur eine geringe Überlappung mit bereits abgetasteten Nachbarbereichen auftritt.
19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung des Nahbereiches durch Bewegung der gesamten Vorrichtung oder eines Teiles derselben erfolgt.
20. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Abtastung gleichzeitig die Bodenfläche gereinigt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung durch einen beweglichen Arm so erfolgt, daß noch nicht abgetastete Flächen zuerst vom vorderen Ende des Armes überstrichen werden.
22. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung durch einen beweglichen Arm erfolgt, dessen vorderes Ende in geringst möglichem Abstand an detektierten Hindernissen entlanggeführt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab- tastung durch einen beweglichen Arm erfolgt und der Nahbereich um die Vorrichtung in Form eines Kreissektors gewählt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung durch wiederholte Links- und Rechtsdrehung der Vorrichtung mit jeweils vergrößerter Länge eines beweglichen Armes erfolgt.
25. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung durch wiederholte Links- und Rechtsdrehung der Vorrichtung mit jeweils vergrößerter Länge eines beweglichen Armes erfolgt und hierbei durch Verkürzung des Armes im Winkelbereich von bereits detektierten Hindernissen eine mehrfache Abtastung derselben vermieden wird.
26. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Auswertung der Information im Datenfeld die Reinigung der Bodenfläche nur in denjenigen Bereichen erfolgt, die im Datenfeld als noch nicht gereinigt markiert sind.
27. Vorrichtung, insbesondere Staubsauger zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 26 mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbaren Antriebsrädern und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an dessen vorderen Ende angeordnetem Kopf, dadurch gekennzeichnet, daß neben zwei angetriebenen Rädern als dritter Auflagepunkt der Kopf dient, der sich z. B. aufWalzen, Kugeln, Räder oder Borsten abstützt.
28. Vorrichtung, insbesondere Staubsauger zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 26 mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbaren Antriebsrädern und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an dessen vorderen Ende angeordnetem Kopf, dadurch gekennzeichnet, daß am Kopf mindestens eine angetriebene Tellerbürste angeordnet ist.
29. Vorrichtung, insbesondere Staubsauger zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 26 mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbaren Antriebsrädern und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an dessen vorderen Ende angeordnetem Kopf, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Kopfes Kontakt- und Abstandssensoren angeordnet sind, mit denen sowohl Hindernisse für die Bewegung des Armes detektiert werden können, als auch solche Hindernisse, die zwar nicht den Arm aber die Bewegung der Vor- richtung blockieren.
30. Vorrichtung, insbesondere Staubsauger zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 26 mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbaren Antriebsrädern und Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe, z. B. über Schneckengetriebe, elastisch mit dem jeweiligen Rad verbunden sind, wobei die bei einer Blockierung der Vorrichtung durch ein Hindernis auftretende Verschiebung der Antriebe einen elektrischen Stromkreis schließt.
31.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27, 28, oder 29, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Arm als Teleskoparm ausgeführt ist.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27, 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist.
33. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß durch Gewichtsverlagerung der Aufsetzdruck des Kopfes variiert werden kann.
34. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm als Teleskoparm ausgeführt ist, der an seinem hinteren Ende um eine horizontale Achse drehbar bzw. vertikal beweglich gelagert ist.
35. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Bürste(n), z. B. über eine verschiebbare Welle, durch einen Motor erfolgt, der auf der Grundfläche der Vorrichtung angebracht ist.
36. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Bürste schräg nach innen gerichtete Borsten aufweist und mit einem dichten Kranz schräg nach außen geneigter weicher Borsten umgeben ist.
37. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontaktsensor so ausgeführt ist, daß um den Kopf des Armes herum in geringem gegenseitigen Abstand zwei elektrische Leiter angebracht sind, von denen der äußere bei Kontakt mit einem Hindernis elastisch an den inneren herangedrückt wird und hierdurch einen elektrischen Stromkreis schließt.
38. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstandssensor, z. B. durch Ultraschall oder mittels elektromagnetischer Wellen die lichte Höhe oberhalb des Kopfes mißt.
39. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor, z. B. in Form eines mechanischen Tasters oder berührungslos, Stufen im Bodenbelag detektiert.
40. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Auslösen des Blockierungssensors die Vorrichtung soweit zurückgesetzt wird bis keine Blockierung mehr angezeigt wird, und anschließend ein erneutes Vorsetzen mit reduzierter Geschwindigkeit erfolgt.
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