DE10042753A1 - PC basierter Staubsauger-Roboter - Google Patents

Abstract

Vorgestellt wird ein System, bestehend aus einem Staubsauger-Roboter, der seine Steueranweisungen über eine Funkstrecke von einem PC-Programm erhält. Die eigentliche Rechenleistung wird dabei im PC erzeugt. Dies erlaubt wesentlich bessere Entwicklungen in der Ausführungsqualität, da die vom Stand der Technik bekannte Mikro-Controller-Lösung zahlreiche Beschränkungen in der Rechenleistung und in der Erfassung der Wohnungstopologie hat. DOLLAR A Zur Verbesserung der Steuerungs-Sicherheit werden Markierungen vorgestellt, die einen Soll-Ist-Vergleich der Position des Roboters erlauben. Einfache Sensoren sollen die Zusatzkosten gegenüber herkömmlichen Staubsaugern auf ein Minimum reduzieren.

Description

Technische Aufgabe und Zielsetzung

Staubsauger, die selbstständig konstante Flächen abfahren und dabei absaugen sollen, sogenannte Staubsauger-Roboter haben diverse Anforderungen zu erfüllen.

Sie müssen komplexe Flächen möglichst vollständig abfahren, dabei möglichst wenig Flächen mehrfach überfahren. Dabei sollen Gegenstände möglichst dicht umfahren werden, ohne diese zu berühren oder gar umzuwerfen. Der Roboter darf sich nicht in Nischen verklemmen oder an Gegenständen hängen bleiben.

Ziel ist es obige Aufgaben möglichst kostengünstig zu erreichen.

Ziel der Erfindung ist es, sämtliche möglichen Fehlerquellen der Steuerung des Roboters (Navigation) durch Kombination geeigneter Maßnahmen auszuschließen und damit eine fehlerfreie externe Steuerung zu ermöglichen.

Stand der Technik

Bekannt sind Roboter, welche durch Sensoren erkennen, daß sie sich einer Wand nähern. Dabei werden Steuerungsentscheidungen durch bestimmte Steuerungs-Algorithmen ermittelt. Die Qualität der Algorithmen und die Qualität der Sensoren bestimmt wesentlich die Qualität der Flächenbearbeitung.

Mit der Qualität der Flächenbearbeitung ist hier gemeint:

• - der Anteil der Fläche, der doppelt überfahren wird
• - der Anteil der Fläche, der gar nicht überfahren wird,
• - sowie die Wahrscheinlichkeit, mit der sich der Roboter festfährt also navigationsunfähig wird.

Die zur Erfüllung der Aufgaben benötigte Rechenleistung ist je nach Technologie der Sensoren aufwendig und verlangt aufwendige und teure Mikro-Kontroller.

Da jede Wohnung und damit jede Fläche anders geformt ist und sich zudem auch kurzfristig z. B. durch neue Möbelstücke verändern kann, verzichten die meisten Konzepte darauf, den Algorithmen als Input eine Beschreibung der Fläche zu übergeben. Vielmehr werden die Kontroller so konzipiert, dass sie mit jeder Topologie jederzeit zurechtkommen sollen.

Der Benutzer hat keine Möglichkeit, die Topologie einzugeben, also zu beschreiben, da hierzu ein Display und ein Eingabegerät (Maus oder Tastatur) am Roboter notwendig wäre. Aus Kosten- und Gewichtsgründen scheiden solche Konzepte aus. Zudem soll der Roboter möglichst klein bleiben, damit er in alle Winkel fahren kann.

Die technischen Nachteile dieser Lösungen

Entweder sind die lokale Rechenleistung und/oder die Sensoren so aufwendig, dass die Kosten jenseits der für Konsumer-Endgeräte akzeptablen Preisgrenze liegt oder die Qualität der Flächenbearbeitung ist unzureichend.

Besonders nachteilig ist, dass der Roboter bei einfachen Verfahren nicht dagegen geschützt ist, sich festzufahren oder in Endlosschleifen gerät, was bedeutet, dass er immer die gleichen Teilflächen bearbeitet, aber nie seine Aufgabe vollständig erledigt.

Problem Beschreibung

Aufgabe der Erfindung ist es, kostengünstige und einfache Verfahren zu erreichen, mit denen zwar jede Topografie vollständig abfahrbar ist, die dabei aber nicht unbedingt wechselnde Topografien sofort und universell bearbeiten können muß. Hintergrund dieser Überlegung ist, dass das typische Einsatzgebiet eines solchen Roboters, die Wohnung des Benutzers, sich gewöhnlich nicht verändert. Der Roboter muß sich also gar nicht ständig an neue Einsatzgebiete gewöhnen, im Unterschied zu Industrieroboten, die Werkshallen abfahren müssen, in denen ständig neue und wechselnde Hindernisse zu umfahren sind.

Bei dem hier vorgestellten Roboter, wird also bewusst darauf verzichtet, ihm universelle Umfahrungs- und Topologie-Eigenschaften zu implementieren. Der Benutzer muß also nach dem Erwerb des Roboters die Eigenschaften (Bodenarten: Teppich, Stein oder Holz) und die Form der Wohnung in das vorgestellte System eingeben.

Ziel und Vorteil der Erfindung ist es, die Zusatzkosten gegenüber einem Standard-Staubsauger ohne Robotereigenschaft auf ein Minimum zu reduzieren.

Es müssen zudem Vorkehrungen getroffen werden, die eine Wegabweichung des Roboters ausgleichen können. Die Aufdeckung eventueller Fahrfehler muß dabei nicht sofort erfolgen, da Fahrfehler selten sind und davon ausgegangen wird, dass der Zusatzzeitbedarf nachrangig ist. Wider ist im Gegensatz zum industriellen Umfeld im Wohnbereich davon auszugehen, dass der Roboter ausreichend Zeit zur Erfüllung seiner Aufgabe hat, da er ohnehin in Abwesenheit des Benutzers zum Einsatz kommt.

Der hier vorgestellte Roboter könnte erweitert werden um Module, die es erlauben, dass er eine Station anfährt, der er den eingesaugten Staub übergeben kann und an der er seine Batterien wieder aufladen kann.

Zur Erfüllung der typischen Haushaltsaufgaben ist es ausreichend, den Roboter auf eine definierte Startposition zu stellen.

Nach Verrichtung der Aufgaben soll der Roboter irgendwo in der Wohnung, möglichst gut sichtbar und möglichst immer an der gleichen Stelle auffindbar sein.

Lösungs-Beschreibung

Folgenden Komponenten werden für Staubsauger-Roboter im Haushaltsbereich als dem Stand der Technik entsprechend vorausgesetzt:

• - Saugsystem unterhalb oder seitlich vom Roboter,
• - Abluft-Filter,
• - Staubsammelkammer, Staubtüten
• - Motor für Sauger,
• - Motor für Steuerung (Vorwärts, Rückwärts, Lenkung)

Die genannten grundlegenden Nachteile bisheriger Roboter werden durch die Anordnung und Teilkomponenten der vorgestellten Lösung umgangen. Folgende Vorteile stellen sich heraus:

• 1. Die Gesamtkosten verringern sich drastisch.
• 2. Das Gewicht der Steuerung reduziert sich
• 3. Einfache Sensoren reichen aus
• 4. Die Qualität der Steuerung ist vorhersagbar und niemals zufällig, die Qualität daher gleichbleibend.
• 5. Der Benutzer kann sehr komfortabel mit seinem Roboter kommunizieren

Erreicht werden diese Vorteile durch eine neuartig Kombination folgender Teilmaßnahmen:

• 1. Der wesentliche und rechenintensive Teil der Steuerungslogik des Mikro-Controllers wird dezentral ausgelagert und von einem handelsüblichen Personal-Computer übernommen.
• 2. Die Kommunikation zwischen PC und Roboter wird per Funk durchgeführt.
• 3. Damit Fehlsteuerungen kollisionsfrei auffallen, werden am Boden unauffällige Markierungen angebracht, an denen sich der Roboter notfalls orientieren kann und definierte Positionen ansteuern kann. Diese Markierungen werden so gestaltet, dass die dazu passenden Sensoren möglichst billig gefertigt werden können.
• 4. Damit Randflächen auch dann von Staub gereinigt werden, wenn der Roboter diese mit ausreichendem Sicherheitsabstand abfährt, wird der Roboter mit Düsen versorgt, die den Staub aus den Ecken wegblasen.
• 5. Zur Definition der Wohnungstopologie werden dem Benutzer komfortable PC-Programme angeboten. Änderungen, gesperrte Bereiche (Treppen) oder neue Möbelstücke lassen sich schnell eingeben, Fehler werden dem Benutzer verständlich erklärt.

Ausgestaltungsbeispiel

Auf einem handelsüblichen PC wird ein Roboter-Steuerungsprogramm installiert. An die serielle Schnittstelle wird ein Adapter geschraubt, der vorzugsweise die Weiterbenutzung z. B. durch die Maus durch eine eingebaute zusätzliche Schnittstelle erlaubt. Alternativ wäre auch der Anschluß an die parallele Schnittstelle oder dem USB-Port denkbar. Über diesen Kontakt kommuniziert der PC mit dem Roboter.

Die Steuersoftware erlaubt die Eingabe des Wohnungsform (Topologie, Bodenbeschaffenheit, Sicherheitsabstände) und den Start und Stop des Roboters.

Nach der Eingabe der Wohnungseigenschaften berechnet das Programm den kürzesten Weg, mit dem die Fläche vollständig abfahrbar ist. Dabei berechnet das Programm einen Weg, bei dem die wenigsten Steuerungseingriffe in die Lenkung notwendig sind, da diese immer fehlerbehaftet sind. Das Programm wird also versuchen möglichst gerade Strecken zu erzeugen und oft sogenannte Positions-Markierungen zu überfahren, damit eine Soll-Ist-Kontrolle der Position erreicht wird.

Diese Markierungen können eindeutig sein, d. h. das System erkennt die Position auch dann, wenn der Roboter willkürlich auf eine solche Markierung gesetzt wird. Dies hätte den Nachteil, dass jede Markierung eindeutig identifizierbar sein muß, z. B. nummeriert durch Barcode. Die Sensoren wären dann aufwendiger. Weiterer Nachteil wäre, dass der Benutzer die Position jeder Markierung ins System eingeben muß oder dem System eine Lernphase zugestehen muß, bei der der Roboter die Position der Markierungen selbst ermittelt.

Auch einfache Rückmeldungen (Hinderniskontakt) wären denkbar, die notwendigen Sensoren (Federkontakte) könnten kostengünstig rund um den Roboter plaziert werden.

Denkbar wäre auch, dass man auf die Markierungen komplett verzichtet und damit auf jede Rückmeldung des Systems. Dies setzt aber den unwahrscheinlichen Fall voraus, dass der Roboter sehr exakt die vom PC ermittelten Fahranweisungen ausführt (Lenkung, Verzögerung, Start/Stop).

Durch die Nutzung des PCs, der in den Haushalten, die sich für einen Roboter interessieren fast immer bereits vorhanden ist, können wesentlich leistungsfähigere Algorithmen zum Einsatz kommen. Zudem kann der Benutzer das System durch Korrekturen unterstützen. Beispielsweise können typische Fehlerquellen wie Teppichkanten manuell ausgegrenzt werden. Auch die gesamte Fläche könnte der Benutzer einmal manuell abfahren, dabei würde der Roboter die Steueranweisungen an die PC-Software übertragen und die Software würde "angelernt". Die dabei "gelernten" Steueranweisungen müssten dann zukünftig nur noch abgespielt werden. Oder das manuelle Abfahren dient lediglich dazu, die Fläche zu erfassen. Beliebige Kombinationen des Softwaremodells sind denkbar. Gerade durch die hier vorgestellte Lösung, ist die Softwareprogrammierung wesentlich flexibler, als in einem Mikro-Controller-Modell.

Damit Randbereiche der Fläche nicht unnötig nahe abgefahren werden müssen, kann eine Düse am Roboter angebracht werden, die in Randbereichen aktiviert wird und einen Luftstrahl in die Ecken lenkt, der den Staub in die Hauptfläche leitet. Dort wird der Staub dann wie üblich vom Roboter erfasst.

Die tägliche Benutzung könnte so aussehen, dass der Roboter morgens in eine definierte Wohnungsecke gestellt wird und beim Verlassen der Wohnung per Schalter am Roboter aktiviert wird. Abends kommt der Benutzer zurück und findet seine Wohnung staubfrei vor und entleert wöchentlich den Staubbeutel.

Über Nacht wird der Roboter zum Aufladen der Akkus an eine Steckdose angeschlossen.

Claims (3)

1. Ein Roboter mit eingebautem Staubsauger, der Steuerungsalgorithmen und Sensorverarbeitungen nicht lokal ausführt, sondern dezentral von einem Personal-Computer ausführen läßt, der mit dem Roboter über eine Funkstrecke kommuniziert. Auf diesem Personal-Computer ist die abzufahrende Fläche erfasst und gespeichert. Der PC errechnet die günstigsten Wege und die Steuerungsanweisungen und sendet diese an den Roboter, der seine Motoren und Steuerservos entsprechend betätigt.

2. Ein Controller nach Anspruch 1 zusätzlich mit Sensoren, die Wandkontakte oder das Erreichen markanter Punkte erkennen und an den PC rückmelden.
Dieser vergleicht Sollposition mit Istposition und errechnet Korrektur-Steueranweisungen, die solange an den Roboter weitergegeben werden, bis dieser sich wieder in einer erwarteten Position befindet.

3. Ein Controller nach Anspruch 1 oder 2 mit Luftdüsen, die in Randbereichen aktiviert wird und ansonsten vom Roboter unerreichbaren Staub in Bereiche wirbelt, die der Roboter abfahren kann.