机器人吸尘器系统及其与充电设备对接方法

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机器人吸尘器系统及其与充电设备对接方法\n技术领域\n本发明总的来说涉及机器人吸尘器，其具有充电电池和为充电电池充电的外部充电设备，更具体说涉及能有效执行与外部充电设备对接的操作的机器人吸尘器系统及将机器人吸尘器与外部充电设备对接的方法。\n背景技术\n一般来说，机器人吸尘器不仅仅是无需用户的操作就能自动围绕一定清扫区域行进并吸收被清洁表面的灰尘和外部物质，而且能作为监测窗户、气阀等的房屋监测设备来操作。\n机器人吸尘器通过传感器安置在诸如房屋或者办公室等工作区域，因为机器人吸尘器能测量从其当前位置到障碍物如家具、办公用具和墙等的距离，所以机器人吸尘器能在执行必要的工作的同时避免与障碍物相撞。\n这样的机器人吸尘器需要电池作电源驱动该机器人吸尘器。一般来说电池是使用充电电池，当电池电能耗尽时，充电电池能充电。由此，提出一个包含有机器人吸尘器和能为该机器人吸尘器充电的外部充电设备的系统。\n机器人吸尘器还需要感知外部充电设备的位置以便在电池需要再充电的时候能自动返回到外部充电设备。\n感知外部充电设备的传统方法需要外部充电设备产生高频信号，机器人吸尘器接收产生的高频信号，然后机器人吸尘器根据接收到的高频信号的电平来检测外部充电设备的位置。\n然而，这种传统的方法有缺点，因为由于诸如反射波和干涉波等外部因素高频信号的电平会有变化。这样的因素造成高频信号的电平变化而妨碍了精确检测外部充电设备的位置。\n此外，即使在机器人吸尘器精确检测到外部充电设备的位置时，也常常是机器人吸尘器的充电终端不能与外部充电设备的终端精确相连。\n因此，需要一种机器人吸尘器系统及该系统与外部充电设备对接的方法，该系统及该方法具有精确检测外部充电设备的位置和精确连接机器人吸尘器终端和外部充电设备终端的能力。\n发明内容\n为了解决现有技术中上述的问题，本发明得到了发展。由此，本发明的目的是提供具有外部充电设备的机器人吸尘器系统及机器人吸尘器与外部充电设备的对接方法，该系统和该对接方法有精确检测外部充电设备位置和精确连接机器人吸尘器终端和外部充电设备终端的能力。\n通过本发明的机器人吸尘器系统可实现上述的目标，该系统包括外部充电设备和机器人吸尘器。外部充电设备包括连接到电线的电源终端和终端架，其中通过该电线提供民用电，而所述终端架用来支撑电源终端和把外部充电设备固定在预定位置。机器人吸尘器包括移动吸尘器主体的驱动单元，放置在吸尘器主体上用来拍摄机器人吸尘器工作区域上方天花板的上部照相机，放置在吸尘器主体内由电源终端供以电能进行充电的充电电池，沿吸尘器主体外圆周放置且当检测到与障碍物的碰撞后输出碰撞信号的缓冲器，放置在缓冲器上与电源相连同时连接到充电电池的充电终端。开始操作之前，当机器人吸尘器连接到外部充电设备时，机器人吸尘器用上部照相机拍摄仰视图象，计算外部充电设备的位置信息并存储该位置信息，当要返回到外部充电设备时，机器人吸尘器基于由上部照相机拍摄的图片计算出的当前位置信息和存储下来的外部充电设备的位置信息计算出返回路径，并沿返回路径回到外部充电设备。\n机器人吸尘器包括仅依靠检测指示充电终端和电源终端接触的信号就能确定充电终端是否与电源终端相连的装置。\n更恰当地说，机器人吸尘器包括：电池电荷检测部件和控制单元，其中所述电池电荷检测部件检测充电电池中可用电能的总量，所述控制单元在收到电池电荷检测部件发出的充电请求信号时控制驱动单元使操作停止，并且使机器人吸尘器返回到外部充电设备。\n当完成要求的工作时，控制单元控制驱动单元使机器人吸尘器返回到外部充电设备。\n形成终端架，该终端架围住机器人吸尘器缓冲器的外圆周的一部分。\n使用机器人吸尘器与外部充电设备的对接方法可以实现根据本发明的上述目的，该方法包括如下多个步骤：接收工作命令信号；在机器人吸尘器收到工作命令信号而且与外部充电设备相连时，该机器人吸尘器基于由上部照相机拍摄的仰视图象计算外部充电设备的位置信息并存储该位置信息；机器人吸尘器从一个区域行进到另一个区域的同时做工作命令信号要求的工作；当接收到充电命令信号时，基于由上部照相机拍摄的仰视图象计算出的当前位置信息和存储的外部充电设备位置信息计算返回外部充电设备的路径，并沿返回路径返回；收到缓冲器发出的碰撞信号后，确定是否收到接触信号，接触信号指示机器人吸尘器的充电终端与外部充电设部的电源终端的接触；收到缓冲器发出的碰撞信号后，确定没有收到接触信号时，依照预定的角度调整机器人吸尘器的行进角度以便确定接触信号的接收是否完成；在对行进角度的调整超过预定的调整次数后，确定没有收到接触信号时，依照预定的距离使机器人吸尘器后退，然后执行计算返回路径并返回的步骤。\n在工作执行期间预先的总的充入电流耗尽时或工作完成时，发出充电命令信号。\n调整机器人吸尘器行进角度的预定角度大小为15°，机器人吸尘器行进角度调整的次数是6。\n如上所述，根据本发明具有外部充电设备的机器人吸尘器系统及其机器人吸尘器与外部充电设备的对接方法，当机器人吸尘器完成所要求的工作时或者在同外部充电设备分离开后需要充电时，机器人吸尘器通过使用存储的外部充电设备位置信息和当前位置信息能精确地返回到外部充电设备。此外，因为机器人吸尘器依据充电终端的缓冲器信号和接触信号与外部充电设备对接，机器人吸尘器可精确地检测外部充电设备的位置和精确地连接充电终端到外部充电设备。\n附图简述参照附图，通过对本发明的优选实施例进行描述，本发明的上述目的和特性将变得更加清楚，其中：图1为透视图，示出了根据本发明优选实施例的具有外部充电设备的机器人吸尘器系统；图2为方块图，示出了图1中机器人吸尘器系统的元件；图3为透视图，示出了图1中去掉盖的机器人吸尘器；图4为方块图，示出了根据本发明优选实施例的如图2所示的中央控制器；图5为平面顶视图，示出了机器人吸尘器的可选实施例，其中与图1中的机器人吸尘器系统相比，与该机器人吸尘器对接的外部充电设备的终端块形状不同；图6为平面图，示出了图1中机器人吸尘器系统的外部充电设备的电源终端和机器人吸尘器的充电终端，两个终端彼此分离；和图7为流程图，示出了图1机器人吸尘器系统中机器人吸尘器与外部充电设备的对接方法。\n具体实施方式\n下面将参照附图，根据本发明的优选实施例详细的讲述具有外部充电设备的机器人吸尘器系统。\n如图1至3所示，机器人吸尘器系统包括机器人吸尘器10和外部充电设备80。\n机器人吸尘器10包括吸尘器主体11，吸入单元16，驱动单元20，上部照相机30，前部照相机32，控制单元40，存储设备41，收发单元43，传感单元12，缓冲器54，和充电电池50。\n吸入单元16放置在吸尘器主体11中用来利用空气吸力从被清洁的与其相对的表面吸入灰尘。吸入单元16能设计成各种熟知的形式。比如，吸入单元16可包括吸入发动机(未示出)和收集灰尘的集尘室，其中灰尘由吸入发动机的作用通过放置的与被清洁表面反向的通风口或吸气管被吸入。\n驱动单元20包括：两个均放在前端的前轮21a和21b，两个均放在后端的后轮22a和22b，分别旋转驱动两个后轮22a和22b的发动机23和24，至少一个传递两个后轮22a和22b的驱动力到两个前轮21a和22b的定时带25。收到控制单元40发出的控制信号后，驱动单元20能在正反的方向上彼此独立的驱动每个发动机23和24。行进方向是通过控制发动机23和24的每分钟转数确定的，发动机23和24的每分钟转数不同时实现转弯，转数相近时行进方向是直线。\n前部照相机32放在吸尘器主体11上，该照相机拍摄前视图象并将拍摄的图象输出给控制单元40。\n上部照相机30放置在吸尘器主体11上，该照相机拍摄仰视图象并将拍摄的图象输出给控制单元40。\n传感单元12包括障碍物传感器14和测量行进距离的行进距离传感器13，其中所述障碍物传感器14沿吸尘器主体11的外圆周每隔预定的间隔放置，每个障碍物传感器均有发射信号和接收反射信号的能力。\n每个障碍物传感器14包括发射红外射线的红外光发射元件14a和接收反射回来的光的光接收元件14b，其中红外光发射元件14a和光接收元件14b沿主体11的外圆周形成且彼此垂直放置。作为可供选择的方法，障碍物传感器14可由能发射超声波和接收反射回的超声波的超声波传感器组成。障碍物传感器14能用来测量到障碍物或墙的距离。\n行进距离检测传感器13可以由检测轮21a，21b，22a，22b每分钟转数的旋转传感器组成。比如，旋转检测传感器可以是检测发动机23和24每分钟转数的编码器。\n收发单元43通过天线42发出数据，且通过天线42接收信号且将收到的信号传送到控制单元40。\n缓冲器54沿主体11的外圆周放置，用来吸收与诸如墙等障碍物碰撞产生的冲击力并且将碰撞信号输出到控制器40。由此，缓冲器54由弹性件(未示出)支撑，使得缓冲器54能前进和后退到机器人吸尘器10行进的底端，其中前进后退的方向是平行的关系。当缓冲器54与障碍物相撞时输出碰撞信号的传感器附在缓冲器54上。由此，当缓冲器54与障碍物相撞时，预定的碰撞信号传送到控制单元40。在缓冲器54的前部表面有充电终端56，该充电终端所处的高度与外部充电设备80的电源终端82相对应。如果提供的是三相电源，就需要有三个电极或节点组成充电终端56。\n充电电池50放置在吸尘器体11上，且连接到放置在缓冲器54上的充电终端56。由此，当充电终端56与外部充电设备80的电源终端82对接时，充电电池50由民用交流电源充电。也就是，如图5所示，当机器人吸尘器10连接到外部充电设备80上时，从外部充电设备80的电源终端82经过缓冲器54的充电终端56到充电电池50间，通过可连接到民用交流电源的电源线86输出电能。\n电池电荷检测部件52(图2)检测充电电池50中的可用充入电流的总量，且当被检测电荷的总量达到预定的最低极限时该电池电荷检测部件向控制单元40传送充电请求信号。\n控制单元40处理通过收发装置42接收到的信号，并控制各个元件。如果进一步主体11有键钮输入设备(未示出)，该键钮输入设备有多个设备操作功能设置键钮，则控制单元40处理由键钮输入设备输入的信号。\n当不在操作中时，控制单元40控制各个元件以便机器人吸尘器10连接到外部充电设备80上充电以备用。在非操作期间连接机器人吸尘器10到外部充电设备80上，可以使充电电池50保持在特定的充电量上。\n当机器人吸尘器10从外部充电设备80上分离去做要求的工作之后，机器人吸尘器10要回到外部充电设备时，控制单元40分析上部照相机30拍摄的仰视图象使机器人吸尘器10向前与外部充电设备80相连。\n外部充电设备80包括电源终端82和终端架84。电源终端82通过内部变压器和电源电缆连接到电源线86，同时连接到机器人吸尘器10的充电终端56从而给充电电池50提供电能。电源线86连接到民用交流电源，内部变压器可以被忽略。\n终端架84支撑电源终端82使其保持在与机器人吸尘器10的充电终端56同样的高度，并且使电源终端82固定在预定的位置上。在民用交流电源至少是三相的情况下，终端架84要有三个电极，三个电极组成电源终端82。虽然在本实体例中终端架84是矩形六面体，但不应该认为限定在矩形六面体。也就是说，只要能支撑和固定电源终端82，终端架84可以是任何形状。更确切说，形成电源架84以围起机器人吸尘器10的外圆周，如图5所示。\n下面将讲述机器人吸尘器系统中机器人吸尘器10返回外部充电设备80以及机器人吸尘器10与电源终端82对接的过程。\n初始状态下，机器人吸尘器10处在备用状态，其充电终端56连接到外部充电设备80的电源终端82(图5)。\n收到工作命令信号后，机器人吸尘器10用上部照相机30拍摄下工作区域上方的天花板并生成仰视图象，然后从仰视图象中计算外部充电设备80的位置信息并将该位置信息存储在存储设备41中。\n工作命令信号可能包括清扫的操作或用照相机监测的操作。\n从外部充电设备80上分离下来后，在做由工作命令信号要求的工作的过程中，机器人吸尘器10周期的检测是否收到充电命令信号。\n依据收到的充电命令信号，机器人吸尘器10的控制单元40用上部照相机30拍摄下当前仰视图象并计算出机器人吸尘器10的当前位置。然后，控制单元40加载存储的外部充电设备80的位置信息，从而计算从当前位置到外部充电设备80的最佳返回路径。下一步，控制单元40控制驱动单元20使机器人吸尘器10沿计算过的返回路径返回。\n当机器人吸尘器10完成给定的工作或者在工作操作当中电池电荷检测部件52输出了充电请求信号时，产生充电命令信号。在机器人吸尘器10操作过程中，用户也可以手动产生充电命令信号。\n当控制单元40收到缓冲器54输出的碰撞信号时，控制单元40确定充电终端56是否与电源终端82相接触。当控制单元40同时收到确定充电终端56与电源终端82相接触的接触信号和碰撞信号时，控制单元40确定充电终端56完全连接到外部充电设备80的电源终端82，并且使机器人吸尘器10向前直到缓冲器54按下到某个特定的程度，从而完成电气连接。\n如果收到碰撞信号但没有收到接触信号，控制单元40确定充电终端56没有连接到电源终端82。作为例子，图6示出了收到碰撞信号但没有收到接触信号的情况。\n参考图6，图为当机器人吸尘器10的中心和电源终端82的中心之间的中心线(I-I)与连接机器人吸尘器10的中心到充电终端56的中心线(II-II)不一致时，在所述两个中心线间定义出预定角θ，电源终端82与充电终端56之间的连接没有完成。据此，控制单元40通过调整行进角度的预定角控制驱动单元20驱动机器人吸尘器10旋转。\n机器人吸尘器10旋转过预定角后，当控制单元40收到充电终端56的接触信号，控制单元40使机器人吸尘器10向前行进预定的距离，然后确定是否实现电气连接。\n如果机器人吸尘器10旋转到预定角度，但控制单元没有收到充电终端56的接触信号，控制单元40再次调整机器人吸尘器10的行进角度。如果尝试调整行进角度的次数达到预定的调整次数后，控制单元40没有收到接触信号，控制单元40允许机器人吸尘器10后退到预定的距离。此后，控制单元40再次加载外部充电设备80的位置信息，并计算返回路径和驱动机器人吸尘器10。通过重复上述的过程，当同时收到碰撞信号和接触信号时，控制单元40允许机器人吸尘器10向前行进预定的距离，然后确定是否完成电气连接。\n在考虑外部充电设备80的电源终端82和机器人吸尘器10的充电终端56的尺寸的基础上而设定用于调整行进角度的预定角的大小。比较适合的调整角度是15°。调整行进角度的频率是考虑了调整角而定的。当行进角度被调整几次时，可以沿同一方向做增大预定角的调整。如果在一个方向上从初始方向开始，即使行进角度被调整了几次之后，接触信号仍然没有收到，最好将机器人吸尘器10退回到初始角度方向，然后沿相反的方向调整行进角度。对于调整角度是15°的情况，机器人吸尘器10的行进角度可以沿一个方向连续被调整3次，每次最多可调整15°。如果在三次连续的调整中没有接触信号，最好从初始行进方向测起沿相反的方向调整三次机器人吸尘器10，每次最多可调整15°。也就是说，机器人吸尘器10可以从初始的连接到外部充电设备80的位置向右旋转45°和向左旋转45°以连接到外部充电设备80，这样通常可以收到充电终端56的接触信号。\n在上述的描述中，控制单元40直接分析仰视图象并自行执行与外部充电设备80的连接。\n根据本发明的另一个目标，为了减少为控制机器人吸尘器10返回外部充电设备80而产生的计算需求，可构造机器人吸尘器系统将外部充电设备80上部图象的存储和对机器人吸尘器10的返回的控制提供给外部控制设备。\n为此，机器人吸尘器10根据从外部收到的控制信号无线传输由上部照相机30拍摄的仰视图象到外围的外部控制并进行操作。遥控器60控制机器人吸尘器10的一系列控制操作，包括工作控制信号和对返回外部充电设备80的控制。\n遥控器60包括无线电中继设备63和中央控制设备70。\n无线电中继设备63处理接收自机器人吸尘器10的无线电信号，并通过电线将信号传送到中央控制设备70，还将接收自中央控制设备70的信号通过天线20无线传送到机器人吸尘器10。\n中央控制设备70一般用计算机，图4所示作为例子。参考图4，中央控制设备70包括中央处理单元(CPU)71，只读存储器72，随机存储器73，显示设备74，输入设备75，存储设备76，和通信设备77。\n存储设备76配有机器人吸尘器驱动器76a用以控制自动机器人吸尘器10和处理来自机器人吸尘器10的信号。\n当启动机器人吸尘器驱动器76a时，在显示设备74上会显示设置机器人吸尘器10的控制的菜单，并处理用户选择的与机器人吸尘器10的菜单相关的信号以便操作被选中的菜单。菜单大部分情况下分为清扫工作和房屋监测工作。作为下属菜单，控制器能提供多个诸如工作区域选择列表、工作模式等菜单，使用的设备能支持该下属菜单。\n当用户通过输入设备75向机器人吸尘器驱动器76a输入设定的工作时间或者工作命令信号，机器人吸尘器驱动器76a首先收到仰视图象，也就是机器人吸尘器10连接到外部充电设备80上处在待用状态时由机器人吸尘器10的上部照相机30拍摄下的天花板的图象，然后基于收到的仰视图象计算外部充电设备80的位置信息并将位置信息存储在存储器76中。\n此后，机器人吸尘器驱动器76a控制机器人吸尘器10去执行用户或者CPU指定的工作。机器人吸尘器10的控制单元40根据通过无线电中继设备63接收自机器人吸尘器驱动器76a的控制信息控制驱动单元20和/或者吸入单元16，并通过无线电中继设备63将由上部照相机30拍摄下的仰视图象向外传输给中央控制设备70。\n当机器人吸尘器驱动器76a接收诸如电池电荷请求信号等充电命令信号和通过无线电中继设备63来自机器人吸尘器10的工作完成信号时，机器人吸尘器驱动器76a通过上述的步骤控制机器人吸尘器10。过程包括：根据存储在存储设备76中的外部充电设备80的位置信息和由上部照相机拍摄的仰视图象计算返回外部充电设备80的返回路径；机器人吸尘器10沿计算出的返回路径返回外部充电设备80。\n参照图7示，将描述机器人吸尘器10和外部充电设备80的对接方法，图7示出了过程中各步骤。\n在下面的叙述中，定义初始状态为机器人吸尘器连接到外部充电设备80上，处于待用状态。\n首先，确定是否收到执行工作的命令(S100)。\n当确定收到工作命令时，上部照相机拍摄仰视图象，并计算外部充电设备80的位置信息，然后将位置信息存储到存储设备中(S110)。\n此后，机器人吸尘器10执行诸如清扫或者房屋监测等工作命令(S120)。\n这时，机器人吸尘器首先从外部充电设备上分离，然后被命令驱动吸入单元16以便在沿被清扫区域行进时执行清扫工作。如果收到房屋监测工作命令时，机器人吸尘器从外部充电装置移动到被监测目标区域，然后用照相机拍摄目标区域并向外传输或者记录下拍摄的图象。\n下一步，确定是否收到充电命令信号(S130)。\n当确定步骤S130中没有收到充电命令信号，程序周期地检测是否收到充电命令信号。\n当确定收到充电命令信号时，机器人吸尘器10用上部照相机30拍摄当前的仰视图象，并计算机器人吸尘器10的当前位置信息。然后，机器人吸尘器10基于当前位置信息和存储的外部充电设备80的位置信息计算返回到外部充电设备80的路径。用这个信息，机器人吸尘器10沿计算好的路径行进(S140)。\n有时，在机器人吸尘器10行进当中，可能会收到来自缓冲器54的碰撞信号(S150)。\n当确定收到碰撞信号后，确定是否收到充电终端56的接触信号(S160)。\n在步骤S160中当确定没有收到充电终端56的接触信号，就依照预定角来调整机器人吸尘器10的行进角度(S170)。也就是，控制机器人吸尘器10的驱动单元20使机器人吸尘器10旋转到预定角度以便将机器人吸尘器10连接到充电终端56。调整行进角度可沿一个方向，但是最好若在一个方向的行进角度的预定调整次数超出之后没有收到接触信号，经过预定调整次数沿相反方向调整行进角度。比如，沿左方向调整机器人吸尘器10的行进角度三次，每次调整15°，机器人吸尘器返回到原始或者初始位置，然后向右调整行进角度三次，每次调整15°。\n当调整机器人吸尘器10的行进角度时，行进角度的调整频率限制增加一个。(S180)。\n如果机器人吸尘器10的行进角度的调整频率限制低于设定的值，重复步骤S160确定是否收到充电终端的接触信号(S190)。\n这时，建议在行进角度的调整量为15°时设置行进角度的调整频率限制为6。\n在步骤S160中，当确定收到充电终端54的接触信号时，机器人吸尘器10向前行进预定的距离到调整的方向(S200)，并且确定机器人吸尘器10的充电终端到外部充电设备80的电源终端的连接完成(S210)。\n如上所述，根据本发明实施例具有外部充电设备80的机器人吸尘器系统能使机器人吸尘器10精确地返回到外部充电设备80。因为机器人吸尘器10的充电终端54能精确连接到外部充电设备的电源终端上，充电操作能有效执行。\n虽然以上的描述限制在机器人吸尘器上，但是它们也可以应用到任何包含被充电的充电电池和能用充电电池的电能行进的机器人上。\n上述的实施例和优点仅仅是举例，不能被解释为对本发明的限制。本所述内容能容易的应用到其他种类的设备上。对本发明的描述是为了进行说明，而不是限定权利要求范围。本领域技术人员将会理解在不偏离本发明的原理和实质的情况下，可对这些实施例进行改变，其范围也落入本发明的权利要求及其等同物所限定的范围内。