自主表面處理器具的製作方法

2023-07-16 00:51:36 4

專利名稱：自主表面處理器具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種自主表面處理器具(an autonomous floor treating appliance)，如可移動式機器人真空吸塵器，且還涉及一種用於這樣的機器的驅動裝置。
背景技術：
移動式機器人越來越普遍且被使用在多種領域，如太空探索、草坪收割和地面清 潔。最近十年在機器人地面清潔設備領域中，特別是真空吸塵器領域中具有特別迅速的進 步，機器人地面清潔設備的主要目的是在自主地和不唐突地在用戶的房子中巡航的同時清 潔地面。本發明將在機器人真空吸塵器的背景下描述，但它通常也可應用於任何類型的移 動式機器人平臺，如機器人割草機。
對所有移動式機器人常見的是對驅動系統的需要。在機器人地面清潔器的背景 下，普遍的方法是在機器人本體的每側設置輪子，每個輪子可獨立驅動。因此，機器人可 通過在相同方向以相同速度驅動兩個輪子而線性運動，或可通過改變輪子的相對轉動而轉 向。在相反方向驅動兩個輪子能夠使機器人就地轉動。這樣的系統通常將還包括第三輪 子，該輪子被定位在機器人本體的後部，該輪子充當腳輪，其被動地滾動跟隨同時在本體的 一側提供支撐。這樣的系統的顯著優勢在於它使機器人高度可操縱且還避免了對附加轉向 機構的需要。使用這樣的驅動裝置的自主機器人真空吸塵器的例子是iRobot的Roomba 和伊萊克斯的Trilobite 。
如上所述的帶輪子的移動式機器人的缺點在於它有限的越過物體或甚至越過地 面覆蓋物(如電纜或地毯)或爬到地面覆蓋物上的能力。
替代方法是給自主地面清潔器裝配履帶式驅動裝置，如歐洲專利申請 NO.EP1582132中所示。這樣的配置往往會由於與履帶固有的大的接觸區域而改善抓地力， 所以它可更好地越過障礙物(如地毯或電纜)。然而，由於增加的接觸區域，機器人驅動系 統更容易受打滑影響，該打滑是不利的，因為它將誤差引入到機器人的導航系統。發明內容
在這個背景下，本發明提供了一種自主的表面處理器具，該器具包括底座，該底座 具有驅動裝置和控制系統，該控制系統被連接到驅動裝置以便能夠控制器具穿過要被處理 的表面，其中，驅動裝置包括至少一個牽引單元，每個牽引單元包括被約束為繞引導輪和拖 尾輪的表面接合履帶，該引導輪和拖尾輪被布置以便與地面表面相對且在引導輪和拖尾輪 之間延伸的履帶部分限定傾斜爬升表面。
以另一種方式表達，本發明在於一種用於移動式機器人的驅動裝置，該驅動裝置 包括傳動單元(transmission unit),擺動臂,鏈輪,滑輪和履帶,該傳動單元用於從馬達單 元傳輸驅動力到驅動軸，該驅動軸從傳動單元沿驅動軸軸線延伸，該擺動臂被聯接到傳動 單元以便繞驅動軸的軸線有角度地擺動，該鏈輪被安裝到驅動軸，該滑輪被安裝到擺動臂 遠離驅動軸的一部分上且可繞平行於驅動軸軸線的軸線旋轉，該履帶被約束為繞鏈輪和滑輪，其中鏈輪和滑輪被布置以致履帶提供傾斜驅動表面。
相對於鄰近的需要處理的表面的該傾斜爬升表面提高了機器人越過需要處理的 表面中的坑以及越過凸起的障礙物(如電線/地毯的彎曲處和邊緣)的能力。此外，由於履 帶在拖尾輪前方的部分相對於水平方向傾斜，小接觸區域被保持，因為它沒有遭受履帶的 顯著部分接觸地面表面的情況下將經歷的那種打滑，這提供了操縱益處。這在鋪有地毯的 表面上特別地準確，在該情形下如已知坦克履帶配置為例的細長接觸區域使機器人難以就 地轉向。與此相反，本發明的移動式機器人被提供了履帶式爬升表面的爬升優勢和如平面 輪(plain wheel)的小接觸區域的操縱優勢。
為了驅動牽引單元，可提供馬達，在一個實施例中，馬達響應來自控制系統的指令 驅動引導輪。然而，應當理解為拖尾輪也可為被驅動的輪子。
為了簡單和成本起見，馬達是電動馬達，更具體地說，無刷DC馬達。其它馬達驅動 是可能的，如液壓馬達驅動，雖然增加了成本和重量。
雖然引導輪可直接由馬達驅動，在一個示例性實施例中，傳動單元被用於將驅動 力從馬達傳輸到引導輪。這能夠使馬達的速度通過齒輪下降同時增加扭矩和確保控制精度。
傳動單元還提供了安裝部分，牽引單元通過安裝部分可安裝到器具的底座上，同 時還提供了固定點，聯接構件在一端處被可樞轉地安裝在該固定點上，且該連接構件具有 第二端，拖尾輪被安裝到該第二端。因此，該拖尾輪可繞引導輪的驅動軸線有角度地擺動。
當行進越過粗糙表面(如厚的絨毛地毯)時，需要增加牽引力。因此，在驅動裝置 的一個改進中，偏置裝置被提供在傳動箱和聯接構件中間，該偏置裝置將拖尾輪推向需處 理的表面。因此，如果底座由於接觸障礙物或表面結構而引起上升，拖尾輪將被促使接觸表 面因此保持強勁的牽引力。
為了防止物體損壞履帶，聯接構件可包括防護構件，該防護構件至少部分地填充 由引導輪，拖尾輪和履帶的內表面界定的體積。這降低了物體(如沙礫或小石子)將進入 履帶和輪子之間的咬合處的可能性，因此提高牽引單元的可靠性。
進一步的牽引力增大可由拖尾輪的配置提供。該拖尾輪可具有與拖尾輪的履帶接 合表面相鄰的邊沿部分(rim portion),且具有比拖尾輪的履帶接合表面更大的直徑。可選 地，該邊沿部分可延伸到與履帶的外表面相同徑向位置處，且可被提供平滑或鋸齒狀的輪 廓。在這個實施例中，由於邊沿部分延伸到相當於履帶半徑的半徑處，在機器人行進越過如 地毯或毛毯這樣的柔軟表面的情況下，履帶將趨於沉入地毯的絨毛中，由此邊沿部分的鋸 齒狀邊緣將傾向於接合地毯且為機器人提供增大的牽引力。然而，在硬表面上，僅僅履帶將 接觸地面表面，這將有利於機器人的操縱能力。
雖然本發明一般應用於移動式機器人和自主表面處理器具，其在機器人真空吸塵 器中特別有用，該機器人真空吸塵器包括空氣流產生器和分離裝置，該空氣流產生器用於 在髒空氣進口和清潔空氣出口之間產生空氣流動，該分離裝置被布置在髒空氣進口和清潔 空氣出口之間的空氣流路徑中以便從空氣流中分離髒物。


為了本發明更容易被理解，現在將僅通過舉例的方式參考附圖，在附圖中
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圖1是根據本發明的實施例的移動式機器人的前透視圖；2是從圖1中的移動式機器人下方觀察的視圖；3是本發明的移動式機器人的分解透視圖，示出了它的主要組件； 4是移動式機器人的底座的前透視圖；5a和5b是從移動式機器人的牽引單元每一側觀察的透視圖；6是圖5a和5b中的牽引單兀和它相對於表面的取向的側視圖；7是圖6中的牽引單元沿線A-A截取的剖視圖；8是圖5a，5b和圖6中的牽引單元的分解透視圖；9是圖6中的牽引單元的側視圖，但示出了三個擺動臂位置；10是移動式機器人的底座的前視圖；11是移動式機器人的底座的後視圖；12是從移動式機器人的主體下面觀察的視圖；13a, 13b, 13c和13d是機器人在各種「撞擊」條件下的示意圖；及 14是移動式機器人的系統示意圖。
具體實施方式
參考圖1，2，3，4和5，自主表面處理器具為機器人真空吸塵器2的形式(下文中稱 為『機器人』)，包括主體，該主體具有四個主要組件底座(或底板)4，本體6，大致圓形外 罩8和分離裝置10，該本體6被承載在底座4上，該大致圓形外罩8可安裝在底座4上且為 機器人2提供大致圓形輪廓，該分離裝置10被承載在本體6的前部上且其突出穿過外罩8 的互補形狀的切口 12。
為了本說明書的目的，機器人的情景中的術語「前」和「後」將按操作期間它的前 進和倒退方向的意思來使用，其中分離裝置10被定位在機器人的前部。同樣地，術語「左」 和「右」將被關於機器人向前運動的方向使用。正如將從圖1中理解，機器人2的主體具有 相對短的圓柱的一般形式，主要為了可操作性的原因，且因此具有圓柱軸線『C』，該圓柱軸 線『C』關於機器人行駛過的表面大致垂直地延伸。因此，圓柱軸線C大致垂直於機器人的 縱向軸線『L』延伸，機器人的縱向軸線『L』沿機器人2的前後方向取向，且因此穿過分離裝 置10的中心。主體的直徑優選從200mm至300mm,更優選從220mm至250mm。更優選地,主 體具有230_的直徑，其被發現為在可操作性和清潔效率之間的特別有效的折衷。
該底座4支撐機器人2的幾個部件且優選由高強度的注射模製塑料材料製造，如 ABS (丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)，雖然它也可由適當的金屬製造，如鋁或鋼，或如碳纖維復 合材料這樣的複合材料。如將說明的，底座4的主要功能是用作驅動平臺和承載清潔裝置， 該清潔裝置用於清潔機器人行駛過的表面。
特別參考圖3和圖4，底座4的前部部分14是相對平坦的且為盤狀形式，且限定彎 曲的機頭15，該彎曲的機頭15形成機器人2的前部。底座的前部部分14的每個側面具有 凹處16、18，相應的牽引單元20可安裝在凹處中。注意圖2和圖3中示出了底座4，其中牽 引單元20被附接，圖4示出了底座4，其中沒有牽引單元20被附接。
一對牽引單元20定位於底座4的相對側上，且可獨立地操作使機器人能根據牽引 單元20的旋轉速度和方向被沿前進和倒退方向驅動，以隨著彎曲的路徑朝向左或右行進，或當場沿任一方向轉動。這樣的配置往往被稱為差速傳動，牽引單元20的細節稍後將在說 明書中更充分地描述。
底座4的相對狹窄的前部部分14向後部部分22變寬，該後部部分22包括清潔頭 24，其具有大致圓柱形形式且相對於底座的縱向軸線『L』橫向地跨底座4的大致整個寬度 延伸。
還參考圖2，其示出了機器人2的底面，清潔頭24限定矩形抽吸開口 26，該開口 26 面向支撐表面且當機器人2運行時汙垢和碎屑被抽吸進入該開口 26。細長的刷棒28被容 納在清潔頭24內且以傳統的方式通過減速齒輪和傳動帶配置32由電動機30驅動，雖然其 他驅動裝置如完全齒輪傳動也被設想。
底座4的底面特徵在於細長的地面區段25在抽吸開口 26的前方延伸，該抽吸開 口 26限定在它的前邊緣處的傾斜的突出部分。在底板上的多個通道33 (為了簡潔起見僅 僅兩個通道被標識出)提供了用於將髒空氣抽向抽吸開口 26的路徑。底座4的底面還帶 有多個(在所示實施例中為四個)從動輪或滾子31，當它停靠在地面表面上或運動越過地 面表面時，該從動輪或滾子31進一步提供了用於底座4的支撐點。應注意，滾子31支撐底 座以致它的底面處於相對於地面表面平行的取向。此外，雖然輪子或滾子是優選的，它們還 可實現為硬支承點，如滑道或滑槽。
在這個實施例中，清潔頭24和底座4是單個塑料模製件，因此清潔頭24與底座4 是一體的。然而，不是必須如此，該兩個部件可以是獨立的，清潔頭24被適當地固定到底座 4，如用本領域技術人員清楚的螺絲或適當的結合方法。
清潔頭24具有第一和第二端部表面27，29，該第一和第二端部表面27，29延伸到 底座4的邊緣且其與機器人的罩8一致。在如圖2和圖3中的水平或平面輪廓考慮，可以 發現清潔頭24的端部表面27，29是平坦的且沿機器人2的橫向軸線『X』的直徑相對的點 處相對於罩8以切線(標記為『T』)延伸。這樣的益處在於當機器人以『隨壁』模式橫向運 動時，清潔頭24能夠非常接近房子的壁運行，因此能夠一直清潔到壁。此外，由於清潔頭24 的端部表面27，29切向地延伸到機器人2的兩側，無論該壁是在機器人2的右側還是左側， 它都能夠一直清潔到壁。還應該注意的是，該有益的邊緣清潔能力通過位於罩8內且大致 在橫向軸線『X』處的牽引單元20得到增強，這意味著機器人以這種方式操縱使得當隨壁操 作期間，罩8以及由此清潔頭24的端部表面27，29幾乎接觸壁。
在清潔操作期間被抽吸進入抽吸開口 26的汙垢通過管道34離開清潔頭24，該管 道34從清潔頭24向上延伸且通過約90°的弧度朝向底座4的前方彎曲直到它面朝前進方 向。管道34以矩形嘴部36結束，該嘴部36具有柔性波紋管配件38，該波紋管配件38成形 為接合設置在本體6上的互補形狀的導管42。
導管42被設置在本體6的前部部分46上且通向面向前方的大致半圓柱形的凹處 50，該凹處50具有大致圓形的基座平臺48。該凹處50和平臺48提供了對接部，分離裝置 10在使用中被安裝入該對接部，且分離裝置10可從對接部脫離接合用於排空的目的。
應當指出的是在這個實施例中，分離裝置10包括旋風分離器，如W02008/009886 中公開的，其內容通過引用併入於此。這樣的分離裝置的配置是眾所周知的，且在這裡將不 再進一步描述，只要說明分離裝置可通過適當的機構(如快速釋放固定裝置)可移除地連 接到本體6以當裝置10已滿時允許裝置10倒空。分離裝置10的性質不是本發明的重點且旋風分離裝置可被在本領域中所知的其他裝置(例如過濾膜，多孔箱式過濾器或一些其 他形式的分離裝置)代替以從空氣流分離汙垢。對於該裝置不是真空吸塵器的實施例，本 體可容納設備，該設備適用於由該機器執行的任務。例如，用於地面拋光機，主體可容納用 於存儲液態蠟的水槽。
當分離裝置10接合對接部50時，分離裝置10的髒空氣進口 52被導管42接收且 導管42的另一端部可連接到刷棒管道34的嘴部36，從而導管42傳輸來自清潔頭24的髒 空氣到分離裝置10。波紋管38為導管34的嘴部36提供一定程度的彈性以便它可無視一 些角度的未對準而與分離裝置10的髒空氣進口 52密封地配合。雖然這裡描述的是波紋管， 導管34也可被提供有替代的彈性密封件(如柔性橡膠套口密封件)以接合髒空氣進口 52。
髒空氣通過空氣流產生器(在這個實施例中是電動馬達和風扇單元(未顯示)) 被抽吸穿過分離裝置10，該空氣流產生器位於本體6的左手側的馬達外殼60中。該馬達 外殼60包括彎曲的進口嘴部62，該嘴部62在對接部50的圓柱形壁處敞開從而匹配分離 裝置10的圓柱形曲率。雖然沒有顯示在圖4中，分離裝置10包括清潔空氣出口，當分離裝 置10接合對接部50時該清潔空氣出口對準進口嘴部62。在使用中，抽吸馬達可操作以在 馬達進口嘴部62的區域建立低壓，從而沿空氣流路徑抽吸髒空氣，從清潔頭24的抽吸開口 26，穿過管道34和導管42，且從髒空氣進口 52到清潔空氣出口穿過分離裝置10。然後清 潔空氣穿過馬達外殼60且穿過經過濾清潔空氣出口 61從機器人2的後部排出。
罩8在圖3中被示出從本體6分離，在圖1中示出被固定到本體6。由於底座4和 本體6承載機器人的大多數功能部件，罩8提供了外皮，該外皮主要用作保護殼體和用於承 載用戶控制接口 70。
該罩8包括大致圓柱形側壁71和平坦的上表面72，該上表面72提供了與本體6 的平面輪廓一致的大致圓形輪廓，除了使部分圓形切口 12成形為與對接部50和圓柱形分 離裝置10的形狀互補。此外，可見罩8的平坦的上表面72與分離裝置10的上表面IOa共 面，因此當分離裝置10被安裝在主體上時，分離裝置10與罩8齊平。
如圖1和圖3中特別清晰地可以看出，罩8的部分圓形切口 12和本體6中的半圓 柱形凹處50為對接部提供限定兩個突出葉或臂73的馬蹄形凹室，該兩個突出葉或臂73側 翼包圍分離裝置10的每一側，且使得分離裝置10的約5%和40%之間(優選20%)從對接 部50的前部突出。因此，即使當罩8在機器人2的主體上就位時，分離裝置10的一部分保 持暴露，這樣使用戶能迅速地接近分離裝置10用於排空目的。
側壁71的相對部分包括拱形的凹處74 (在圖3中僅僅示出一個)，當罩8被連接 到本體6時，該凹處74配合在清潔頭24的相應的端部27，29之上。如圖1中所示，間隙存 在於清潔頭24的端部和相應的拱形部74之間，以便允許在與物體撞擊的事件中在它們之 間的相對運動。
在側壁71的上部邊緣上，罩8包括半圓形手提手柄76，該手柄76可繞兩個直徑 上相對的凸起78在第一、收起位置(在收起位置中手柄76安裝入在罩8的上部外周邊緣 上的互補形狀的凹處80中)和展開位置(在展開位置中手柄76向上延伸(如圖1中的虛 線所示))之間樞轉。在收起位置中，手柄保持罩8的『乾淨的』圓形輪廓且在正常操作機 器人2期間不幹擾使用。同樣地，在這個位置中，手柄用於將機器人的後部過濾器門(未顯 示)鎖定到關閉位置，這在機器人2操作時，阻止過濾器門的意外運動。
在操作中，機器人2能夠由可充電電池組(未顯示)提供動力來自主地推動自身 在其周邊行進。為了實現這個，機器人2承載適當的控制裝置，該控制裝置連接到電池組， 牽弓I單元20和適當的傳感器組82，包括例如在本體6的前部左側和右側的紅外線和超聲波 發射器和接收器。該傳感器組82為控制裝置提供信息，該信息表示機器人與外界中的各種 結構的距離和該結構的尺寸和形狀。此外，該控制裝置被連接到抽吸風扇馬達和刷棒馬達 以便適當地驅動和控制這些部件。因此該控制裝置可操作控制牽引單元20以便於在需要 清潔的房間周圍操縱機器人2。應當指出的是，運行和操縱機器人真空吸塵器的詳細方法不 是本發明的重點，而且一些這樣的控制方法在所屬技術領域中是已知的。例如，一種具體的 操作方法在W000/38025中更加詳細地描述，其中操縱系統中使用了光檢測裝置。這允許清 潔器通過識別何時由光檢測裝置檢測到的光水平和由光檢測裝置先前檢測到的光水平相 同或大致相同，來允許清潔器在房子中定位自身。
已經描述了底座4，本體6和罩8，現在將參考圖5至圖9進一步詳細描述牽引單 元20，在圖5至圖9中為了清晰起見示出了單個牽引單元20的各種透視圖，剖視圖，和分解 圖。
總體上，牽引單元20包括傳動箱90，聯接構件92或『擺動臂』，第一和第二滑輪 94、96，和履帶或連續帶98，該履帶或連續帶98被約束為圍繞滑輪94、96。
傳動箱90容納了齒輪系統,該齒輪系統在安裝在傳動箱90的一端的內側上的輸 入馬達驅動模塊100和從傳動箱90的驅動側(也就是安裝了馬達模塊100的傳動箱90的 另一側)突出的輸出驅動軸102之間延伸。在這個實施例中，該馬達模塊100是直流無刷 馬達，因為這樣的馬達是可靠的，有效的，雖然這並不排除使用其他類型的馬達，例如直流 有刷馬達，步進馬達或甚至液壓驅動器。正如所提到的，馬達模塊100被連接到控制裝置以 接受電源和控制信號且具有用於這個目的的一體的電連接器104。在這個實施例中，齒輪 系統是將馬達模塊100的速度齒輪減速同時增加可用扭矩的齒輪配置，因為這樣的系統可 靠，緊湊和重量輕。然而，其它齒輪配置在本發明的情景中被設想，如帶式或液壓傳動配置。
因此,該牽引單元20集合驅動,傳動,和地面接合功能到自持(self-contained) 和獨立的被驅動單元且通過多個緊固件91 (該實施例中為四個緊固件，如螺絲或螺栓，其 被接收到在底座4的凹處周圍限定的相應的安裝片93中)被容易地安裝到底座4。
牽引單元20可安裝到底座以便當機器人2向前行駛時，第一滑輪94在引導位置。 在該實施例中，引導輪94是從動輪且包括中心孔104，該中心孔104通過壓配合的方法可被 接受到驅動軸102上。該引導輪94也可被稱為是鏈輪(sprocket)，因為它是一對從動輪。 為了提高從驅動軸102到引導輪94的驅動力的傳遞，該滑輪的中心孔104可為內部帶鍵的 以與驅動軸上相應的外部鍵配合。將滑輪固定到軸的替代方法也被設想，如被附接到軸的 部分圓形夾(『開口卡環(circlip)』)。
擺動臂92包括引導端部，該引導端部被安裝到傳動箱90，在傳動箱90和引導輪 94之間，且被安裝以便繞驅動軸102樞轉。位於擺動臂92的安裝孔108中的軸套106被 接收到傳動箱90的向外突出的突起物110上，驅動軸102穿過該突起物110突出。因此軸 套106提供了支撐表面，該支撐表面在突起物110和傳動箱90中間，以允許擺動臂92平 穩地樞轉且阻止相對於傳動箱90傾斜。軸套106優選由適當的工程塑膠製造，如聚醯胺 (polyamide)，其提供了低摩擦表面和高強度。然而軸套106也可用金屬製造，如鋁，鋼，或它們的合金，其也將提供必須的摩擦和強度特徵。
如已組裝的視圖所示，擺動臂92被安裝在突起物110上，且引導輪94被安裝到擺 動臂102的引導端部外側的驅動軸102。短軸112壓配合到位於擺動臂92的相對端或『拖 尾』端上的孔中，該短軸112限定安裝軸，該安裝軸用於沿平行於驅動軸102的軸線的旋轉 軸線的後部滑輪96，或『拖尾輪』。拖尾輪96包括中心孔113，軸承軸套114以壓配合被接 受在中心孔113中。該軸套114以滑動配合被接受在軸112之上，且由此軸套，因此拖尾輪 96也，可相對於擺動臂92旋轉。開口卡環116將拖尾輪固定到軸112。
連續帶或履帶98提供了機器人2和地面表面之間的接觸面，且在這個實施例中， 是堅韌橡膠化的材料，其在機器人越過表面時為機器人提供高抓地力且越過表面結構和輪 廓的改變。雖然未顯示在圖中，帶98可被提供胎紋以便於增加不平地形上的牽引力。
同樣地，雖然未顯示在圖中，帶98的內表面98a是鋸齒狀的或帶齒的以便與被提 供在引導輪94的圓周表面上的互補齒形構造94a接合，這樣減少了帶98在輪94上滑動的 可能性。在這個實施例中，拖尾輪96沒有帶互補齒形構造，雖然這可在需要時被提供。為 了防止帶98從拖尾輪96滑出，圓周的唇部96a，96b被提供在它的內部和外部邊沿上。至 於引導輪94，圓周的唇部94b被提供在僅僅它的外部邊沿上，因為由於擺動臂92的鄰近部 分使帶98不能從內部邊沿滑出。
正如將被理解的，擺動臂92將引導輪和拖尾輪94，96固定為間隔開的關係且允許 拖尾輪96繞引導輪94有角度地擺動。擺動臂92的角位移的最大和最小界限由相對的拱 形的上部和下部止動構件122a，122b限定，該上部和下部止動構件122a，122b從傳動箱90 的驅動側突出。從擺動臂92的內側延伸的短柱或銷124可與止動件122a，122b接合以限 定擺動臂92的行程。
牽引單元20還包括擺動臂偏置裝置，該擺動臂偏置裝置為螺旋彈簧118的形式， 該螺旋彈簧118被安裝在安裝架126和銷128之間張緊，該安裝架126從擺動臂92的引導 部分向上延伸，該銷128從傳動箱90的拖尾部分突出。在使用中，彈簧118作用以將拖尾 輪96偏壓為與地面表面接合，這在機器人2越過不平表面(如厚的絨毛地毯)或越過障礙 物(如電線)時，增加牽引力。圖9示出了牽引單元20貫穿擺動臂92的運動範圍的三個 示例性位置。
在示例性實施例中，當機器人2位於表面上時，擺動臂92在它的最小行程位置以 致銷124與上部止動件122a接合，且彈簧118被張緊以便簡單地向下推拖尾輪96以增加 牽引力。然而，應當理解更強的彈簧118也可被使用以致當被定位在表面上時，機器人將懸 掛在牽引單元上。
圖6不出了當機器人2閒置時輪子94，96關於地面表面F的相對位置，在該位置 擺動臂92在它的行程的最小界限處，銷124接合上部止動件122a。在這個位置中，履帶98 的圍繞拖尾輪96的一部分定義了與地面表面的接觸區域130，然而在接觸區域前方且延伸 到引導輪的履帶98的一部分由於拖尾輪96比引導輪94更大的半徑而相對於地面表面F 傾斜。這為牽引單元20提供了斜坡爬升表面，該表面改善了機器人2越過地面表面中的坑 以及越過凸起的障礙物(如電線/地毯的彎曲處和邊緣)的能力。應當注意的是特別是當 機器人的底座的底面在平行於表面(機器人行進越過該表面)的取向且由多個滾子31支 撐在該取向時，傾斜的爬升表面被提供。
雖然在這個實施例中傾斜的履帶表面主要是拖尾輪96的直徑比引導輪94的直徑 大的結果，應理解，如果輪子為相同直徑，但擺動臂92被布置為當其在最小行程位置時向 下成更陡峭的角度，則將獲得相當的結果。同樣，應當注意的是雖然當行進越過各種地形 時，擺動臂92提供拖尾輪96在地面表面上向下推的能力，傾斜的履帶表面也可被提供給相 對於底座4處於固定位置中的引導輪和拖尾輪94，96。為了提供傾斜的履帶，拖尾輪的直徑 可大於引導輪。替代地，或附加地，拖尾輪的中心軸線將位於比引導輪的中心更低的水平面 中。
與簡單的輪子相比除了提高了傾斜的履帶98的爬升能力外，牽引單元20由於它 的單個拖尾輪96而保持小的接觸區域130，因為它沒有遭受履帶98的顯著部分接觸地面表 面的情況下將經歷的打滑的程度，這提供了操作益處。
進一步的牽引力增大由拖尾輪96的外部唇部96b提供，該拖尾輪96的外部唇部 96b向外徑向延伸得比輪子96的內側上的唇部96a更遠。如圖6清晰地所示，外部唇部96b 延伸到幾乎與履帶98的外表面的半徑相同，且它的邊緣被提供有帶齒的或鋸齒狀的構造。 這樣的益處在於，在機器人行進越過如小地毯或毛毯這樣的柔軟表面的情況下，履帶98將 趨於沉入地毯的絨毛中，由此外部唇部96b的鋸齒狀的邊緣將接合地毯且將為機器人提供 提高的牽引力。然而，在硬表面上，僅僅履帶98將接觸地面表面，這將有利於機器人的操縱 能力。
更加有益的是該履帶配置提供了大得多的單輪的爬升能力，但沒有大的尺寸，這 允許刷棒被定位為非常接近於機器人的橫向軸線，這對於提供全寬度清潔是重要的。如這 個實施例中所示，拖尾輪96的旋轉軸線與機器人的橫向軸線大致對準，這樣有利於操縱。 清潔頭能夠被定位為非常接近牽引單元20，且在這個實施例中，清潔頭的軸線與機器人的 橫向軸線間隔大約48_，雖然可以設想高到60_的間隔將是可接受的以便最小化清潔頭 從主體的外部殼層突出的量。
在一個替代實施例中(未顯示)，外部唇部96b的深度和厚度被增加以致唇部96b 的表面位於與圍繞拖尾輪96的履帶98的外表面肩並肩，實際上提供了履帶98的表面的橫 向延長。這在硬地面上也增加了接觸區域130的面積，這在一些情況下可能是期望的。在 這個實施例中，應當理解爬升能力也在沒有沿履帶98的縱向方向增加接觸區域的情況下 通過傾斜履帶表面保持。
之前已經說過，機器人2的牽引單元20提供了改善的性能，用於越過長絨毛小地 毯和毛毯，也用於越過障礙物，比如位於地面上的電線還有在地面表面之間的小臺階。然 而，『履帶車輛』類型的驅動單元可在輪子和帶之間的咬合處中易於受到碎屑的侵入。為了 防止這個，擺動臂92還包括凸起的塊狀部分132，該塊狀部分132從擺動臂92在引導輪和 拖尾輪94，96的相對部分和履帶98的內表面限定的空間中向外延伸。碎屑防護塊132的 側表面132a，132b，132c, 132d成形以坐落為緊靠輪子94，96和帶98的相鄰表面，同時塊 132的外側表面134與輪子94，96的外側面幾乎成一直線地結束。因此，該塊132成形為容 納在輪子94，96之間的大致所有體積，且所以阻止碎屑(如沙礫或小石子)損壞驅動裝置。 儘管該塊132可以是實心的，在這個實施例中，該塊132包括開口 136，該開口 136減少了彈 簧臂92的重量且還減少了成本。雖然塊132優選與擺動臂92是一體的，它也可以是獨立 部件，其被適當地固定到擺動臂，例如通過夾子，螺絲，或粘合劑。可選擇地，該塊可帶有板狀構件，該板狀構件成形為相似於由帶限定的界限。這將進一步減少汙垢侵入驅動裝置的 可能性。
現在參考圖10，11和12，這些示出了本體6是如何被附接到底座4，以使得在彼此 之間能夠相對滑動，和機器人2如何使用該相對動差來收集關於在它的路徑中的與物體撞 擊的信息。
為了使得在底座4和本體6之間能夠相對滑動，前部和後部接合裝置將底座4和 本體6固定在一起以便它們不能沿垂直方向分離，也就是說，沿垂直於機器人2的縱向軸線 L的方向，但是允許相對於彼此小量地滑動。
首先轉到主體的前部部分，如圖11所示，前部接合裝置包括居中定位的細長的槽 狀開口 140，該開口 140狀如卵形，跑道/體育場或側面截斷的圓形，被限定在本體6的前 部部分中，特別是平臺48的中心位置中。活塞銷142形式的可滑動的樞轉構件被接收穿過 該開口且包括套筒區段142a和上部凸緣142b，該套筒區段142a在開口 140下方延伸一小 段。
接合裝置還包括在底座4的前部部分上的帶壁的凹處144形式的互補結構，該互 補結構也是跑道/體育場形以對應於平臺48中的開口 140的形狀。該本體6可安裝到底 座4上以便本體6的平臺48上的開口 140覆在底座4中的凹處144上。於是該活塞銷142 通過適當的機械緊固件(如螺絲)被固定到凹處144的底面；該活塞銷142在圖10中的凹 處144的它的位置中以虛線示出。因此本體6被連接到底座4中，而不能垂直分離。然而， 由於活塞銷142不可動地固定到底座4同時保持在開口 140中可滑動，本體6可相對於活 塞銷142滑動且由於它的圓形形狀可繞活塞銷有角度地樞轉。
底座4的前部部分還包括兩個通道145,凹處144的每一側定位有一個,其用作用 於設置在本體6下側(更具體地說，在平臺48上開口 140的每一側)的相應滾子147的支撐 表面。滾子147提供了用於底座4上的本體6的支撐且促進在兩個部分之間平穩地滑動， 且在圖10中以虛線形式示出。
後部接合裝置限制了本體6的後部部分150相對於底座4的運動。根據圖11和 圖12之間的比較，可以看出在清潔頭24後面的底座4的後部部分146包括撞擊檢測裝置 148，該撞擊檢測裝置148也用作固定安裝件，本體6的後部部分150通過該裝置連接到底 座4。
撞擊檢測裝置的每側包括本體支撐裝置；兩個本體支撐裝置是相同的，所以為了 簡潔僅一個將被詳細地描述。該本體支撐裝置包括套筒狀管狀支撐構件152，該支撐構件 152位於限定在底座154中的碟形凹處154中。在這個實施例中，碟形凹處154設置在板狀 構件155形式的可移除底座部分中，其被跨底座4的後部部分146固定。然而，凹處154可 同樣為底座4的一體部分。
彈簧156在它的下端被連接到底座154且延伸穿過套筒構件152，其中，彈簧的端 部終止於孔眼158。該套筒152和彈簧156與在本體6的下側上的互補的插口 160接合，該 插口 160包括凸起壁160a，當本體6被安裝到底座4上時，套筒152的上部端部位於凸起壁 160a上。當以這種方法安裝時，彈簧156延伸入插口 160中的中心開口 162中，且孔眼158 被固定到在本體6內的固定銷。要注意的是固定銷在圖中未顯示，但是可以為彈簧可連接 的任何銷或適合的固定點。
由於支撐套筒構件152被可運動地安裝在底座4和本體6之間，該套筒構件152可 沿任何方向傾斜，這使本體6能沿機器人的縱向軸線『L』線性地『搖動』，但也使本體6的後 部部分能有角度地擺動，由於受制於現在將進一步描述的後部接合裝置而可繞活塞銷142 樞轉大約10度。在這個實施例中，彈簧156提供了自居中力到支撐套筒構件152，這促使套 筒構件152進入直立位置，這個行為也提供了用於撞擊檢測系統的復位力。在替代實施例 中(未顯示)，支撐套筒構件152可為實心的，且『復位』本體相對於底座的位置的力將由替 代偏置機構提供。
雖然套筒構件152允許本體6 『騎』在底座4上並具有一定量的橫向運動，它們沒 有將本體6的後部部分150固定連接到底座4來抵抗垂直分離。為此，撞擊檢測裝置148 包括第一和第二引導構件，該引導構件為被設置在本體6上的柱或棒160，162的形式，其接 合被提供在底座4上的相應的銷164，166。如圖12中所示，該銷164，166延伸穿過限定在 板狀構件155中的相應的窗口 168，170，且通過相應的墊圈172，174保持在該處。為了將本 體6的後部部分150安裝到底座4的後部部分146上，引導構件160，162被推動配合到插 銷164，166上直到它們接觸相應的墊圈172，174。因此，本體6的後部部分150的運動被約 束為符合窗口 168，170的形狀從而窗口用作導軌。在這個實施例中，窗口 168，170是大致 三角形的形狀，所以這將允許本體6相對於活塞銷142線性滑動以及在由窗口 167，170設 定的行程界限內繞它有角度地擺動。然而，應當注意的是本體6被允許的運動可通過窗口 168，170的適當地重新成形而改變。
撞擊檢測裝置148還包括開關裝置180，該開關裝置180用於檢測本體6相對於底 座4的運動。該開關裝置180包括被設置在本體6的後部部分150下側上的第一和第二微 型快動開關180a，180b (也俗稱『微動開關』)，當本體6被安裝到底座4上時，該兩個開關 180a，180b位於被設置在底座4的後部部分146的中心部分中的促動器182的每一側。在 這個實施例中，促動器182採取楔形的形式，其具有用於激活開關180a，180b的成角度的引 導邊緣。雖然未顯示在圖中，開關180a，180b被連接到機器人的控制裝置。開關180a，180b 相對於楔形促動器182的位置顯示在圖12中；要注意的是開關180a，180b顯示為虛線。可 見，開關180a，180b被定位為使得它們的活動臂183被定位為與楔形促動器182的成角度 的前部邊緣的每一側直接相鄰。
當機器人繞房子操縱進行清潔任務時，開關180a，180b在機器人2碰到障礙物的 情況下被激活。這樣的撞擊檢測設備用於自主真空吸塵器是令人滿意的，因為這樣的機器 人的傳感和映射系統可能是不可靠的，且有時障礙物沒有被及時檢測到。其他機器人真空 吸塵器以『隨機彈跳』方法運行，其中用於檢測碰撞的裝置是必要的。因此，撞擊檢測設備被 需要用於檢測碰撞以便機器人可採取迴避動作。例如控制裝置可決定簡單地後退機器人， 然後沿不同方向繼續向前運動或替代地停止向前運動，轉動90°或180°然後再一次繼續 向前運動。
現在將參考圖13a，13b，13c和13d對開關180a，180b的激活進行描述，圖中示出 了底座4，本體6和撞擊檢測裝置在不同撞擊情況下的示意圖。在下列圖中，與先前各圖中 的相同的部件被標有相同的參考標號。
圖13a示出了在未碰撞位置中本體6，底座4，活塞銷142，本體樞轉開口 140，開關 180a，180b和楔形促動器182的相對位置。可見，開關180a，180b都沒有被激活，如標號『X』所示。
圖13b示出了機器人2在『正前方』位置碰撞到障礙物，如箭頭C所指示。本體6 被導致向後線性(也就是沿它的縱向軸線L)運動，因此，兩個開關180a，180b相對於楔形 促動器182向後運動從而大致同時觸發開關180a，180b，如勾號所示。
替代地，如果機器人2與在它的右手邊的障礙物碰撞，如圖13c中箭頭C所示，本 體6將被導致繞活塞銷142向左擺動，在這些情況下，開關180a，180b將相對於促動器182 向左運動，結果右手側開關180b在左手側開關180a激活之前被激活，如用於開關180b的 勾號所示。
相反地，如果機器人2與在它的左手邊的障礙物碰撞，如圖13d中箭頭C所指示 的，本體6將被導致向右擺動，在這種情況下，開關180a，180b將相對於促動器182向右運 動，因此左手側開關180a在右手側開關180b之前被觸發，如用於開關180a的勾號所示。
雖然在圖13c和圖13d中示出的傾斜角碰撞中僅僅開關180a，180b中的一個示出 為被激活的，應當理解這樣的撞擊也可激活開關的另一個，雖然是在第一個被激活的開關 之後。
由於開關180a，180b被連接到機器人的控制裝置，該控制裝置可通過監測開關 180a，180b的觸發和在開關的觸發事件之間的相對時間來辨別撞擊的方向。
由於機器人2通過感測在本體6和底座4之間相對線性和角度運動能夠檢測碰 撞，本發明避免了安裝對於已知機器人真空吸塵器而言常見的撞擊外殼(bump shell)到機 器人的前部的需要。撞擊外殼可為易碎的和龐大的，所以本發明增加了機器人的堅固性，而 且使尺寸和複雜性的降低變得可能。
出於完備性，圖14示意性地示出了機器人的控制裝置以及它與上述部件的連接。 控制裝置為控制器200的形式，其包括適當的控制電路和處理功能，以處理接收自它的各 種傳感器的信號且以適當的方式驅動機器人2。該控制器200被連接到機器人2的傳感器 組82，機器人2通過該裝置收集關於它的即時環境的信息，以便映射出它的環境且計劃用 於清潔的最佳路線。存儲器模塊201被提供用於控制器以執行它的處理功能，應理解存儲 器模塊201可以替代地集成到控制器200中而不是這裡所示的單獨部件。
該控制器200還具有來自用戶接口 204，撞擊檢測裝置206和適當的旋轉傳感裝置 208 (比如被設置在牽引單元20上的旋轉編碼器)的適當的輸入。電力和控制輸入被從控 制器200提供到牽引單元20且也到抽吸馬達210和刷棒馬達212。
最後，電力輸入被從電池組214提供到控制器200且充電器接口 216被提供，通過 該接口，當電池電源電壓下降到合適的閾值之下時，控制器200可執行對電池組214的充 電。
許多變式是可能的，而不會背離本發明的構思。例如，雖然牽引單元20被描述具 有連續的橡膠化的皮帶或履帶，本發明也可由這樣的履帶完成，該履帶包括連結到到一起 以形成鏈條的大量不連續的履帶或胎面區段。
在上述實施例中，本體6被描述為能關於底座線性運動以及有角度地運動。然而， 應理解，這是為了使得碰撞可從寬範圍的角度中檢測出，本發明也存在於這樣的撞擊檢測 系統，其中本體相對於底座線性地或有角度地運動而不是這樣的運動的組合。
傳感裝置被描述為包括快動開關，該快動開關被布置在楔形促動器的每一側，且這樣的配置能夠便利地使開關在本體線性(兩個開關同時被激活)或有角度地(一個開關 在另一個之前被激活)運動時被激活。然而，技術人員將認識到其它開關機構是可能的，例 如無觸點開關，如光閘開關或磁性的/霍爾效應開關。
權利要求
1.一種自主表面處理器具，該器具包括底座，該底座具有驅動裝置和控制系統，該控制系統操作地連接到驅動裝置以便能夠控制器具穿過要被處理的表面，其中，驅動裝置包括至少一個牽引單元，這個或每個牽引單元包括被約束為繞引導輪和拖尾輪的表面接合履帶，以便限定與地面表面相對且在引導輪和拖尾輪之間延伸的履帶部分，該引導輪和拖尾輪被布置以便該履帶部分限定傾斜的爬升表面。
2.如權利要求1所述的器具，其中牽引單元包括單個拖尾輪。
3.如權利要求1或2所述的器具，其中，拖尾輪的直徑大於引導輪的直徑。
4.如權利要求1-3中任一項所述的器具，其中，驅動裝置包括馬達，該馬達響應來自控制系統的指令驅動引導輪。
5.如權利要求4所述的器具，其中，馬達是直流無刷電動馬達。
6.如權利要求4或5所述的器具,其中,這個或每個牽引單元還包括傳動單元,該傳動單元在馬達和引導輪之間延伸。
7.如權利要求1-6中任一項所述的器具，其中，拖尾輪被安裝到聯接構件的第一端部， 其中，該聯接構件的第二端部可繞引導輪的軸線樞轉。
8.如權利要求7所述的器具，其中，聯接構件包括防護構件，該防護構件至少部分地填充由引導輪，拖尾輪和履帶界定的體積。
9.如權利要求7或8所述的器具，當從屬於權利要求6時，其中，聯接構件被可繞引導輪軸線樞轉地安裝到傳動單元，且其中，傳動單元被安裝到底座。
10.如權利要求9所述的器具，其中，偏置裝置被提供在傳動單元和聯接構件之間以便促使拖尾輪接觸要處理的表面。
11.如權利要求1-10中任一項所述的器具，其中，拖尾輪包括履帶接合表面和邊沿部分，該邊沿部分與履帶接合表面相鄰且具有比履帶接合表面更大的直徑。
12.如權利要求11所述的器具，其中，邊沿部分延伸到與履帶的外表面相同的徑向位置。
13.如權利要求11或12所述的器具，其中，邊沿部分具有鋸齒狀輪廓。
14.如上述任一權利要求所述的器具，還包括空氣流產生器和分離裝置，該空氣流產生器用於在髒空氣進口和清潔空氣出口之間產生空氣流動，該分離裝置被布置在髒空氣進口和清潔空氣出口之間的空氣流路徑中以便從空氣流中分離髒物。
15.如上述任一權利要求所述的器具，其中，底座包括支撐裝置，該支撐裝置將底座以大致平行取向支撐在地面表面上。
16.如權利要求15所述的器具，其中，支撐裝置包括輪子，滾子或滑道。
17.—種自主表面處理器具，其大致如本文參考附圖的描述或如附圖所示。
全文摘要
一種自主表面處理器具，該器具包括底座，該底座具有驅動裝置和控制系統，該控制系統被連接到驅動裝置以便能夠控制器具穿過要被處理的表面，其中，驅動裝置包括至少一個牽引單元，每個牽引單元包括被約束為繞引導輪和拖尾輪的表面接合履帶，該引導輪和拖尾輪被布置以便與地面表面相對且在引導輪和拖尾輪之間延伸的履帶部分限定傾斜的爬升表面。
文檔編號A47L9/00GK102987987SQ20121033334
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月10日 優先權日2011年9月9日
發明者J.戴森, P.D.甘默克, M.S.範德思蒂根-德雷克, P.J.博特 申請人:戴森技術有限公司