CN111448736B - 用于自主机器人的充电系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于给自主机器人充电的充电系统，自主机器人由可再充电电池供电并具有第一充电构件，充电站包括第二充电构件，构造成当自主机器人与充电站插接时，接收在自主机器人上的第一充电构件以对可再充电电池充电。充电系统包括电源，构造成当自主机器人插接在充电站时对自主机器人的可再充电电池进行充电，充电系统包括传感器，构造成测量在充电期间从电源传输到自主机器人的电荷量，充电系统包括处理器，其与传感器通信且用于根据所述传感器测量的从电源传输到自主机器人的电荷量来确定自主机器人的荷电状态(SOC)，充电系统还包括通信设备，其与处理器通信且构造成当自主机器人对接于充电站时将自主机器人的SOC传输给自主机器人。

Description

用于自主机器人的充电系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年9月22日提交的美国申请序列号15/712,516的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及一种用于自主机器人的充电系统，更特别涉及一种确定在充电站中自主机器人的充电状态并且将该充电状态从充电站传输至自主机器人的充电系统。

背景技术

在许多应用中，机器人被用来代替人类履行职能或辅助人类以提高生产率和效率。一种这样的应用是订单履行，通常在一个装满产品的大型仓库中执行，该些产品将被运送到已经通过互联网下订单进行送货上门的客户。

至少可以说及时、准确和高效地履行此类订单在后勤方面具有挑战性。单击虚拟购物车中的“结账”按钮可创建“订单”。订单包含要运送到特定地址的物品清单。“履行”的过程涉及从大型仓库中实际取走或“挑选”这些物品，包装它们，然后将其运送到指定的地址。因此，订单履行过程的一个重要目标是在尽可能短的时间内运送尽可能多的物品。另外，对于最终将被运输的产品来说，首先需要将其放入仓库中，并在整个仓库中以有序的方式存储或“放置”在储物仓中，以便可以轻松地取回它们进行运输。

使用机器人执行挑选和放置的功能可以单独由机器人完成，也可以在操作员的协助下完成。机器人由电力驱动，电力存储在机器人的电池中。机器人在仓库内的来回移动需要定期对其充电。因此，为了使操作顺利进行，需要一种既有效率又有效果的方式来给机器人充电。

发明内容

通过下面的发明概述和详细说明，本发明相对于现有系统的好处和优点将显而易见。本领域的技术人员将理解可以用除了下面总结或公开的实施例以外的实施例来实践本发明。

在一个方面，本发明包括一种用于给自主机器人充电的充电站，该自主机器人由可再充电电池供电并具有第一充电构件。所述充电站包括第二充电构件，用于当所述自主机器人与所述充电站对接时，接收在所述自主机器人上的所述第一充电构件以对所述可再充电电池充电。具有电源和传感器，电源构造成当所述自主机器人对接于所述充电站时对所述自主机器人的所述可再充电电池进行充电，传感器构造成测量在充电期间从所述电源传输到所述自主机器人的电荷量。具有处理器，处理器与传感器通信且构造成根据所述传感器测量的从所述电源传输到所述自主机器人的电荷量来确定所述自主机器人的荷电状态(SOC)。具有通信设备，通信设备与所述处理器通信且构造成当所述自主机器人对接于所述充电站时将所述自主机器人的SOC传输给所述自主机器人。

在另外一些方面，一个或多个下述特点可以被包括。所述自主机器人还可以包括通信设备，构造成与所述充电站上的所述通信设备通信。所述自主机器人还还可以包括电动机驱动，所述电动机驱动由所述可再充电电池供电，并且用于当所述自主机器人被从所述充电站解除对接时推动所述自主机器人。所述自主机器人还可以包括传感器，所述传感器用于当所述自主机器人被从所述充电站解除对接时，测量由所述可再充电电池提供给所述电动机驱动的以推动所述自主机器人电荷量。所述自主机器人上的所述通信设备可以用于从所述充电站接收所述自主机器人的SOC，并且其中，所述自主机器人包括用于存储从所述充电站接收的SOC的存储器。所述自主机器人的所述存储器还可以用于当所述自主机器人被从所述充电站上解除对接时，存储由所述可再充电电池提供给所述电动机驱动的以推动所述自主机器人的电荷量。所述充电站的所述处理器还可以用于当所述自主机器人对接于所述充电站上时周期性地确定所述自主机器人的SOC，并且使所述通信设备向所述自主机器人传输所述周期性确定的所述自主机器人的SOC。自主机器人还可以包括处理器，该处理器还可以用于通过比较由所述可再充电电池提供给所述电动机驱动的以推动所述自主机器人的电荷量以及所述充电站传送给所述自主机器人的SOC，从而当所述自主机器人被从所述充电站解除对接后周期性地确定所述自主机器人的SOC。所述SOC可以至少部分地由转移到所述可再充电电池中或从所述可再充电电池中转移出的库仑数确定。所述处理器可以用于当所述自主机器人的SOC已经达到预设等级时，使所述自主机器人返回到所述充电站进行充电。

在其它的方面，本发明的特点在于，一种在充电站对由可再充电电池供电的自主机器人进行充电的方法。所述方法包括将所述自主机器人对接于所述充电站上，以使所述自主机器人的第一充电构件与所述充电站的第二充电构件配合。所述方法还包括当所述自主机器人对接于所述充电站时使用所述充电站的电源对所述自主机器人的所述可再充电电池进行充电且测量在充电期间从所述电源传输到所述自主机器人的电荷量。所述方法还包括根据从所述电源传输到所述自主机器人的电荷量来确定所述自主机器人的荷电状态(SOC)且当所述自主机器人对接于所述充电站时将所述自主机器人的SOC传输给所述自主机器人。

在其它的方面，本发明的下述一个或多个特征将被包括。所述方法可以包括当所述自主机器人被从所述充电站解除对接时，使用由所述可再充电电池供电的电动机驱动推动所述自主机器人。所述方法也可以包括当所述自主机器人被从所述充电站解除对接时，测量由所述可再充电电池提供给所述电动机驱动的以推动所述自主机器人的电荷量。所述方法还可以包括通过所述自主机器人上的所述通信设备从所述充电站接收所述自主机器人的SOC，并且将从所述充电站接收到的SOC存储在所述自主机器人上的存储器中。所述方法可以额外地包括当所述自主机器人被从所述充电站上解除对接时，将所述可再充电电池向所述电动机驱动提供的以推动所述自主机器人的电荷量存储在所述自主机器人的存储器中。确定自主机器人的SOC的步骤可以包括：在对接于所述充电站上时周期性地确定所述自主机器人的SOC；以及传输所述自主机器人的SOC的步骤可以包括：周期性地传输所述自主机器人的SOC。所述方法也可以包括通过周期性地比较由所述可再充电电池提供给所述电动机驱动以推动所述自主机器人的电荷量以及所述充电站传送给所述自主机器人的SOC，从而当所述自主机器人被从所述充电站解除对接后周期性地确定所述自主机器人的SOC。所述SOC可以至少部分地由传输到所述可再充电电池中或从所述可再充电电池中转移出的库仑数确定。所述方法可以进一步包括当所述自主机器人的SOC已经达到预设等级时，使所述自主机器人返回到所述充电站进行充电。

通过下面的详细描述和附图，本发明的这些和其他特征将显而易见。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1是订单履行仓库的俯视图；

图2A是在图1所示的仓库中使用的机器人之一的基座的正视图；

图2B是在图1所示的仓库中使用的机器人之一的基座的透视图；

图3是图2A和2B中配备有电枢并停在图1所示的架子前面的机器人的透视图；

图4是使用机器人上的激光雷达创建的图1的仓库的局部图；

图5是描述定位散布在整个仓库中的基准标记并存储基准标记位姿的过程的流程图；

图6是基准标记到位姿映射的表；

图7是仓位置到基准标记映射的表；

图8是描述产品SKU到位姿映射过程的流程图；

图9是根据本发明的充电组件的前视图；

图10是图9的充电组件的侧视图。

图11是图10的充电端口的透视图；

图12是与充电端口匹配的充电组件的剖视图；

图13A是本发明中描述的充电器对接站的透视图；

图13B是图14A中的充电器对接站的透视图，其中外部罩盖被移除，示出了充电器对接站内部；

图14A是图13A的充电器对接站的前视图；

图14B是图14A中的充电器对接站的前视图，其中外部罩盖被移除，示出了充电器对接站内部；

图15A是图13A的充电器对接站的左侧视图；

图15B是图15A中的充电器对接站的左侧视图，其中外部罩盖被移除，示出了充电器对接站内部；

图16A是图13A的充电器对接站的后透视图；

图16B是图16A的充电器对接站的后透视图，其中外部罩盖被移除，示出了充电器对接站内部；

图17是图13A的充电器对接站连同对接的机器人展示的俯视图；

图18是根据本发明的一方面的与充电站对接的机器人的示意图；

图19是充电站的电气部件的示意图；

图20是在机器人充电过程中使用的机器人的某些电气部件的示意图；

图21是机器人电池在各种温度下的放电曲线图；

图22是根据本发明的一方面的描述机器人充电过程的流程图；以及

图23是根据本发明的一方面描述的充电站的操作的状态图。

具体实施方式

参考在附图中描述和/或示出并且在以下描述中详细描述的非限制性实施例和示例，更充分地解释了本公开及其各种特征和有利细节。应当注意，附图中示出的特征不必按比例绘制，并且即使没有在本文中明确陈述，本领域技术人员也可以将一个实施例的特征应用于其他实施例。可以省略公知组件和处理技术的描述，以免不必要地使本公开的实施例不清楚。本文中使用的示例仅旨在促进对可以实践本公开的方式的理解，并且还使本领域技术人员能够实践本公开的实施例。因此，本文的示例和实施例不应解释为限制本公开的范围。此外，应注意，贯穿附图的若干视图，相同的附图标记表示相同的部分。

本发明涉及一种用于给机器人充电的充电系统。尽管不限于任何特定的机器人应用，但是本发明可以使用的一种合适的应用是订单履行。本申请中关于机器人的应用的描述为了给充电系统提供背景技术信息。

尽管本文提供的描述集中于从仓库中的仓位置挑选物品以履行向客户发货的订单，但该系统同样适用于存储或将收入仓库中的物品放置在整个仓库的仓位置内，以便以后取回并运送给客户。本发明还适用于与这种仓库系统相关的库存控制任务，例如整合、计数、验证、检查和清理产品。

如图1所示，典型的订单履行仓库10包括货架12，货架上装有可以包含在订单16中的各种物品。在操作中，来自仓库管理服务器(warehouse management server)15的订单16到达订单服务器14。订单服务器14将订单16传送给在仓库10中巡回的多个机器人中的一个机器人18。图1还示出了充电区域19，根据本发明的一个方面的描述，充电区域19是一个或多个充电站所在之处。

在优选实施例中，图2A和2B所示的机器人18包括具有激光雷达22的自主轮式基座20。基座20还具有收发器(未示出)和一对数字光学摄像机24a和24b，该收发器使机器人18能够从订单服务器14接收指令。该机器人基座还包括充电端口26(在图10和11中更详细地示出)，用于对为自主轮式基座20供电的电池重新充电。基座20还具有处理器(未示出)，该处理器从激光雷达和摄像机24a和24b接收数据以捕获表示机器人环境的信息。具有存储器(未示出)，其与处理器一起操作以执行在仓库10内的与导航相关联的各种任务，以及导航到设置在架子12上的基准标记30，如图3所示。基准标记30(例如，二维条形码)对应于所订购物品的仓/位置。下面参照图4至图8详细描述本发明的导航方法。根据本发明一个方面的描述，基准标记还用于识别充电站，并且到这种充电站的基准标记的导航与到所订购物品的仓/位置的导航相同。一旦将机器人导航到充电站，将使用更精确的导航方法将机器人与充电站对接，并且下面对这种导航方法进行描述。

再次参考图2B所示，基座20包括上表面32，在该上表面32中可以存储可提容器或箱子以携带物品。该图还示出了联接器34，其联接多个可互换电枢40中的任何一个，图3中示出了可互换电枢40其中之一。图3中的特定电枢40的特点在于，可提容器保持器42(在这种情况下为架子)，其用于承载接收物品的可提容器44，以及用于支撑人机交互屏48的人机交互屏保持器46(或膝上型/其他用户输入设备)。在一些实施例中，电枢40支撑一个或多个搬运物品的可提容器。在其他实施例中，底座20支撑一个或多个可提容器，用于承载接收到的物品。如本文所用，术语“可提容器”包括但不限于货座、箱子、笼子、架子、可悬挂物品的杆子、筒、板条箱、货架、立柜、支架、集装箱、盒子、罐、盛液体的容器、贮藏库。

尽管机器人18擅长围绕仓库10移动，但是利用当前的机器人技术，由于机器人对对象进行操纵相关的技术困难，它并不擅长快速有效地从架子上挑选物品并将其放置在可提容器44中。挑选物品的一种更有效的方法是使用通常是人的本地操作员50来执行从货架12上通过物理的方式卸下已订购的物品并将其放置在机器人18上(例如在可提容器44中)的任务。机器人18通过人机交互屏48(或膝上型/其他用户输入设备)将订单传达给本地操作员50，本地操作员50可以读取该人机交互屏48显示的内容，或者将订单传输到本地操作员50使用的手持设备上。

在从订单服务器14接收到订单16时，机器人18前进到第一仓库位置，如图3所示。它基于存储在存储器中并由处理器执行的导航软件来执行此操作。导航软件依赖于由激光雷达22收集的与环境有关的数据、存储器中识别基准标记30的基准标记(“ID”)的内部表格(该基准标记对应于仓库10中的位置，在该位置上可以找到特定物品)以及摄像机24a和24b以进行导航。

在到达正确的位置时，机器人18将自己停在存放物品的架子12的前面，并等待本地操作员50从架子12取回物品并将其放入可提容器44。如果机器人18还有其他物品要取回，它将继续到相应位置。然后，由机器人18取回的物品(或多个物品)被传送到包装站100，如图1所示，物品(或多个物品)在包装站100被包装和运输。

本领域技术人员将理解，每个机器人可以履行一个或多个订单，并且每个订单可以包括一个或多个物品。通常，将使用包括某种形式的路径优化软件以提高效率，但是这超出了本发明的范围，因此在此不进行描述。

为了简化本发明的描述，本实施例描述了单个机器人18和操作员50。但是，从图1可以明显看出，典型的履行操作包括许多机器人和操作员在仓库中相互合作以完成连续的订单流。

下面将通过图4至图8描述本发明的导航方法，以及待取物品的SKU的语义地图，该语义地图指示到与物品所在仓库的基准标记相关联的基准ID/位姿。如上所述，可以使用相同的导航方法来使机器人导航到充电站，以便为其电池充电。

当使用一个或多个机器人18时，必须创建并动态更新仓库10的地图，以确定静态和动态物体的位置，以及散布在整个仓库中的各种基准标记的位置。为此，如图4所示，机器人18之一在仓库中导航并建立/更新地图10a，利用其激光雷达22以及即时定位与地图构建(SLAM)，这是一种构造或更新未知环境的虚拟地图的计算方法。常用的SLAM近似解法包括粒子滤波器和扩展卡尔曼滤波器。SLAM GMapping方法是首选方法，但是可以使用任何合适的SLAM方法。

机器人18利用激光雷达22来创建/更新仓库10的地图10a。在这个过程中，机器人18在整个空间中行走，并识别开放空间112、墙壁114、物体116和其他静态障碍物(例如空间中的架子12a)，基于激光雷达扫描环境时收到的反射来实现地图10a的创建/更新。

参见图3，在构造地图10a或之后的过程中，一个或多个机器人18使用摄像头24a和24b在仓库10中导航行走来扫描环境，以定位遍布在整个仓库中的诸如32和34所指示的货架前的存放物品的仓上的基准标记(二维条形码)。机器人18使用已知的参考点或原点进行参考，例如原点110。当基准标记，诸如如图3和图4所示的基准标记30，由机器人18使用其摄像机24a和24b进行定位后，该基准标记在仓库中相对于原点110的位置是确定的。如图2A所示，通过使用两个摄像头，每个摄像头位于机器人基座的任一侧，机器人18可以具有从机器人的两侧延伸出的相对较宽的视场(例如120度)。这样，当机器人在架子的上下走道上移动时可以看清，例如可以看到其两侧的基准标记。

通过使用轮式编码器和航向传感器，可以确定矢量120以及机器人在仓库10中的位置。使用捕获的基准标记/二维条形码的图像及其已知大小，机器人18可以确定其相对于基准标记/二维条形码的方向和距离，即矢量130。利用已知的矢量120和130，可以确定原点110和基准标记30之间的矢量140。根据矢量140和确定的基准标记/二维条形码相对于机器人18的方向，可以确定由基准标记30的四元数(x，y，z，ω)定义的位姿(位置和方向)。

图5的流程图200描述了基准标记定位过程。该定位过程在初始地图构建模式下并且当机器人18在执行挑选、放置和/或其他任务时在仓库中遇到新的基准标记时执行。在步骤202中，使用摄像机24a和24b的机器人18捕获图像，并且在步骤204中，在捕获的图像内搜索基准标记。在步骤206中，如果在图像中找到基准标记(步骤204)，则确定基准标记是否已经存储在基准表300中，如图6所示，基准表300位于机器人18的存储器34中。如果基准信息已经存储在存储器中，则流程图返回到步骤202以捕获另一图像。如果它不在存储器中，则根据上述过程确定位姿，并且在步骤208中，将该位姿添加到基准以形成查找表300。

在可以存储在每个机器人的存储器中的查找表300中，每个基准标记包括一个基准标识，如1、2、3等，以及与每个基准标识相关联的基准标记/条形码的位姿。位姿由仓库中的x，y，z坐标以及方向或四元数(x，y，z，ω)组成。

如图7所示，同样可以存储在每个机器人的存储器中的另一个查找表400，是仓库10内的仓位置(例如402a-f)的列表，仓位置与特定的基准ID404，例如，数字“11”相关联。在此示例中，仓位置由七个字母数字字符组成。前六个字符(例如L01001)与仓库中的货架位置相关，最后一个字符(例如A-F)表示货架位置上的特定仓。在该示例中，存在与基准ID“11”相关联的六个不同的仓位置。每个基准ID/标记可能有一个或多个仓。如图1所示，充电区域19中的充电站也可以存储在表400中并且与基准ID相关。根据基准ID，可在图6的表300中找到充电站的位姿。

字母数字代表仓位置是人们可以理解的，例如，如图3所示，操作员50可以明白字母数字对应于仓库10中存储物品的物理位置。但是，它们对机器人18没有意义。如图6所示，通过将位置映射到基准ID，机器人18可以使用表300中的信息确定基准ID的位姿，然后导航到此处所述的位姿。

图8的流程图500中描述了根据本发明的订单履行过程。在步骤502中，图1的仓库管理系统15获得一个订单，该订单可能包含一个或多个待取的物品。在步骤504中，由仓库管理系统15确定物品的SKU编号，并在步骤506中根据SKU编号确定仓位置。然后将订单的仓位置列表发送至机器人18。在步骤508中，机器人18将仓位置与基准ID相关联，并且在步骤510从基准ID中获得每个基准ID的位姿。在步骤512中，机器人18导航到如图3所示的位姿，操作员可以从相应的仓中挑选要取回的物品并将其放在机器人上。

可以将由仓库管理系统15获取的物品特定信息，例如SKU编号和仓位置，传输到机器人18上的人机交互屏48，以便当机器人到达每个基准标记位置时，可以将待取的特定物品通知操作员50。

通过已知的SLAM地图和基准ID的位姿，机器人18可以易于使用各种机器人导航技术导航至基准ID中的任何一个。优选的方法包括在了解了仓库10中的开放空间112以及壁114、多个架子(例如架子12)和其他障碍物116的情况下，设置到基准标记位姿的初始路线。当机器人开始使用其激光雷达22穿行在仓库时，它会确定其路径中是否有固定或动态的障碍物(例如其他机器人18和/或操作员50)，并将其路径迭代更新为基准标记的位姿。机器人大约每50毫秒重新规划路线，不断寻找最有效的路径，同时避开障碍物。

通常，通过在SLAM虚拟地图上运行的多对多的多分辨率扫描匹配(M3RSM)来实现机器人在仓库10a中的定位。与蛮力计算方法相比，M3RSM大大减少了机器人执行SLAM环路闭合和扫描匹配的计算时间，这是确定机器人位姿和位置的两个关键步骤。根据2017年9月22日提交的，名称为排除区域的多分辨率扫描匹配(MULTI-RESOLUTION SCAN MATCHINGWITH EXCLUSION ZONES)的美国专利申请15/712,222中公开的方法，可通过最小化M3SRM搜索空间来进一步改善机器人定位，该申请在此全文引入本文中作为参考。

通过将产品SKU/基准ID到基准位姿的地图构建技术与本文所述的SLAM导航技术相结合，机器人18能够非常有效地在仓库空间内导航，而不必使用通常使用的涉及网格线和中间基准标记来确定仓库内的位置。

通常，通过防撞方法(包括动态窗口方法(DWA)和最佳双向防撞(ORCA))可以在仓库中存在其他机器人和移动障碍物的情况下导航。DWA在可行的机器人运动轨迹之间计算增量运动，该运动避免与障碍物碰撞，并有利于按照所需路径到达目标基准标记。ORCA方法可以在不与其他机器人进行通信的情况下最佳地避免与其他移动机器人的碰撞。导航以一系列沿着大约50毫秒更新间隔计算的轨迹的增量运动进行。可以通过在2017年9月22日提交，名称为使用最佳往复碰撞避免成本的动态窗口方法(DYNAMIC WINDOW APPROACH USINGOPTIMAL RECIPROCAL COLLISION AVOIDANCE COST-CRITIC)的美国专利申请15/12,256中描述的技术来进一步改善避免碰撞的能力，该申请在此全文引入本文中作为参考。

如上所述，机器人50需要定期地再充电。除了在仓库中标记存储物品的位置之外，基准标记可以放置在仓库内的一个或多个充电站处。当机器人18电量不足时，它可以导航到位于充电站的基准标记以便对其进行充电。一旦到达那里，就可以通过操作员将机器人连接到充电系统进行手动充电，或者机器人可以使用其导航将自身对接在充电站。

如图9和图10所示，充电组件200可以在充电站处使用。充电组件200包括充电器基座202，在其上布置有第一阳端子构件204和第二阳端子构件206。尽管在该图中未示出，但是来自仓库中电力服务的正电输入将被附接到充电器基座202，并且电连接到第一阳端子构件204或第二阳端子构件206之一。同样，负电输入将附接到充电器基座202上，并电连接到第一阳端子构件204或第二阳端子构件206中的另一个上。

第一阳端子构件204具有第一基座210，该第一基座210附接到充电器基座202的表面214并由充电器基座202的表面214沿第一轴线212正交地延伸，并且终止于第一电触点216。第一电触点216可以是铜汇流条的形式，该铜汇流条延伸到充电器底座202中，正极或负极电连接之一将附接到该充电器底座202。第二阳端子构件206具有第二基座220，该第二基座220附接到充电器基座202的表面214并由充电器基座202的表面214沿着第二轴线222正交地延伸，并终止于第二电触点226。第二电触点226也可以是铜汇流条的形式，该铜汇流条延伸到充电器底座202中，正极或负极电连接中的另一个将附接到该充电器底座202。

第一阳端子构件204具有多个外表面，且该些外表面中的至少两个具有弯曲形状，弯曲方向为从第一基底210向第一电触点216的方向，从而形成凹形表面。在图9和图10所示的实施例中，有三个弯曲表面；即，顶部弯曲表面230和相对的侧面弯曲表面232和234，这三个弯曲表面从第一基底210到第一电触点216以特定的曲率半径弯曲，从而形成凹面。在该实施例中，相对的侧面弯曲表面232和234的曲率半径为大约63.9mm。顶部弯曲表面230的曲率半径约为218.7mm。这些是凭经验确定的，以提供优化的对准校正。与垂直方向相比，在水平方向上预计会出现更多的未对准情况；因此，相对的侧面弯曲表面具有较小的曲率半径。当然，弯曲表面的曲率半径可以根据应用而变化。

另外，第一阳端子构件204具有平坦表面236，该平坦表面236基本平行于第一轴线212并且正交于充电器基座202的表面214。平坦表面236包括靠近第一电触点216的凹陷形的表面部分238。

第二阳端子构件206具有多个外表面，且该些外表面中的至少两个具有弯曲形状，弯曲方向为从第二基底220向第二电触点226的方向，从而形成凹形表面。在图9和图10所示的实施例中，有三个弯曲表面；即，底部弯曲表面240和相对的侧面弯曲表面242和244，这三个弯曲表面从第一基座220到第一电触点226以特定的曲率半径弯曲，从而形成凹面。在该实施例中，相对的侧面弯曲表面242和244的曲率半径为大约63.9mm。底部弯曲表面240的曲率半径约为218.7mm。这些是凭经验确定的，以提供优化的对准校正。与垂直方向相比，在水平方向上预计会出现更多的未对准情况；因此，相对的侧面弯曲表面具有较小的曲率半径。当然，弯曲表面的曲率半径可以根据应用而变化。

另外，第二阳端子构件206具有平坦表面246，该平坦表面246基本平行于第二轴线222并且正交于充电器基座202的表面214。平坦表面246包括靠近第二电触点226的喇叭形的表面部分248。

在第一阳端子构件204和第二阳端子构件206之间形成有由第一阳端子构件204的至少一个平坦表面236和第二阳端子构件206的至少一个平坦表面246限定的腔室250。腔室250在第一电触点216和第二电触点226之间具有开口252。在开口252处，存在平坦表面236的凹陷形的表面部分238和平坦表面246的喇叭形的表面部分248。

再次参照图9和图10，金属触点260a-e放置在充电器基座202上。这些金属触点与如下所述的充电端口300上相应的磁体接合，并且在充电时将充电组件200和充电端口300固定在适当的位置。可替代地，磁体可以通过充电端口300上的金属触点设置在充电器基座202上。

如果机器人对接至固定的充电站，则机器人可以使用摄像头24a和24b将其操纵到位，以便充电端口300可以与充电组件200配合。摄像机可以将与充电站相关联的基准标记用作精细定位的参考点，这将在下面更详细地描述。随着机器人操纵到位置上，很难实现完美对准，以使电气组件200的电触点216和226分别与充电端口300的电触点304和306配合。因此，已经专门设计了充电组件200和充电端口300，以确保更容易、更有效且故障更少，从而使机器人能够更快地重新充电。

如图11和12所示，充电端口300包括第一腔室308和第二腔室310，当机器人基座20a对接时，第一腔室308和第二腔室310用于分别容纳充电组件200的第一阳端子构件204和第二阳端子构件206并与之接合。腔室308具有与第一阳端子构件204的弯曲表面230、232和234互补的凹弯曲表面312。换句话说，第一腔室308可以包括具有曲率半径的弯曲表面312，该曲率半径基本等于第一阳端子构件204的弯曲外表面(230、232和234)的曲率半径。在这种情况下，基本等于意味着稍大一点以允许第一阳端子构件204在腔308中插入和移除。腔室310也具有与第二阳端子构件206的弯曲表面240、242和244互补的凹弯曲表面314。换句话说，第二腔室310可以包括弯曲表面314，该弯曲表面314的曲率半径基本等于第二阳端子构件206的外表面(240、242和244)的曲率半径。在这种情况下，基本上等于是指稍大一些以允许第二阳端子构件206插入和移出腔310。

腔室308和310的开口比第一阳端子构件204和第二阳端子构件206的电触点216/226的宽度或长度要宽或长。额外的宽度或长度允许第一阳端子构件204和第二阳端子构件206更容易地容纳在腔室308和310内，即使它们在配合过程中在水平/垂直方向上未对准。当机器人朝着充电组件200移动时，互补弯曲表面的接合使得第一阳端子构件204和第二阳端子构件206被引导成对齐状态，从而使充电组件的电触点216/226和充电端口300的电触点304/306对接。

因此，当将阳端子构件首先插入到腔室中时，配合部分(阳端子构件和腔室)的半径被设计为提供粗略对准，并且随着完全插入而进行微调。

充电系统提供用于更容易垂直对齐的附加特征。这是通过在腔室308和310之间的分隔器320与充电组件200的腔室350的开口352相互作用来实现的。喇叭形的表面部分248提供了一个更宽的开口，因此，当对接过程发生时，如果发生垂直错位，它会使分隔器320垂直向上伸入腔室350中的位置。

当第一阳端子204和第二阳端子206完全插入腔室308和310中时，充电组件200通过磁体360a-e与充电端口300固定在适当位置，磁体360a-e与充电组件200上的金属触点260a-e接合。磁体可以布置在充电端口300的外表面下方，因此它们以虚线示出。

充电系统中包含一个附加特征，在操作员手动充电的情况下很有用。如果将充电组件200不正确地插入充电端口300中，即颠倒，此时充电组件200的电触点216连接到充电端口300的电触点306，而充电组件的电触点226则连接到充电端口300的电触点304，极性被接反，这将对机器人基座20a造成严重损坏。

为了防止这种情况的发生，在充电端口300的分隔器320的表面上包括止动件330(见图11和图12)。止动件330具有倾斜表面部分332和平坦表面部分334。参照图10，在充电组件200的腔室250内，有一个凹陷表面部分238，凹陷表面部分238可以实现充电组件200完全插入到充电端口300中。当止动件330的倾斜表面部分332和平坦表面部分334与拼图一样，与凹陷表面部分238的倾斜部分和平坦部分接合时，凹陷表面部分238允许止动件330的第一阳端子构件204有间隙。如果充电组件200上下颠倒，则当插入充电端口300时，第二阳端子构件206的表面246将接触止动件330，并被阻止完全插入以及与电触点304接触。

如图12所示，当阳端子构件204和206的电触点216和226分别与电触点304和306接合时，电触点304和306被压缩，因为这些触点可以是弹簧负载的引脚的形式。电触点304和306可从线400处他们的完全伸出位置到线402处的它们的压缩位置(未示出)。所示的每个电触点304和306包括五个弹簧负载的引脚。所使用的引脚数取决于充电过程中要被输送的预期电流以及各个引脚的容量。将多个弹簧负载的引脚用于电触点有利于即使在制造工艺变化和部件磨损的情况下，也确保与阳端子构件204和206的电触头216和226适当接触。

当电触点304和306处于压缩位置时，充电端口300的磁体360a-e与充电组件200的金属触点260a-e非常接近，并且它们磁性地接合以将充电组件200和充电端口300固定在适当位置上。在该位置，可以看出，阳端子构件204和206的上弯曲表面230和下弯曲表面240分别与腔室308和310的表面312和314互补地接合。

在图12中也描绘了第一阳端子构件204的汇流条410和第二阳端子构件206的汇流条412。汇流条连接到安装座414，以将它们固定在充电组件200内的与电触点216和226相对的一端。

图13-16和17中描述了本发明的一个方面记载的充电器对接站500。参照图13和图14，充电器对接站500包括如上所述的充电组件200，其从充电器对接站500的前盖502突出。充电组件200安装在U型橡胶波纹管安装座504上的充电器对接站500上以密封前盖502中的开口506，同时还允许充电组件200以六个自由度移动(如下所述)，当需要再充电时有助于实现机器人的平稳对接过程。

图13还示出了起到保护作用的缓冲器508，其可以由金属制成，水平地跨过前盖502的底部安装，以保护充电器对接站500在机器人不能顺利对接的情况下免受损坏。充电器对接站500还包括右侧盖510和左侧盖512(在图13A中不可见)。如图15A所示，在右侧盖开口514a中设有抓握区域516a，该抓握区域516a允许将手伸入以更容易地抬起充电器对接站500。尽管在该视图中不可见，但是在左侧盖512中包括了相似的开口和抓握区域，即在图16A中的所示的开口514b和抓握区域516b。右侧盖510后面的开口中还显示了通风孔518a，用于为充电器对接站500中的电子组件提供冷却。在图16A中可见的左侧盖512中包括类似的通风孔518b。

包括前框架构件520a，右侧框架构件520b，左侧框架构件520c和后侧框架构件520d的金属框架相互连接以形成充电器对接站500的基础结构。如图13B所示，每个框架构件通过螺栓521a-d固定到仓库的地面上，并且用于保护的缓冲器508经由前框架构件520a固定到金属框架520。由于用于保护的缓冲器508位于前盖502的外部并从前盖502伸出，因此这是机器人与充电对接站500对接时的第一冲击点。如果机器人无意中施加了较大的冲击力，那么这种较大的力将施加在用于保护的缓冲器上，而不是前盖502上。前盖502以及右侧盖510和左侧盖512通常由硬塑料制成，并且如果受到机器人的撞击，则容易破裂/碎裂。施加在用于保护的缓冲器508上的力通过前框架构件520a进一步转移到金属框架520。前框架构件520a包括在充电站500的宽度上延伸的C形构件和与C形构件的上表面成一体并从其延伸的法兰。用于保护的缓冲器508通过前盖502中的多个孔与法兰互连。来自用于保护的缓冲器508的力通过法兰和C形构件传递到前框架构件，并且进一步传递到右、左和后侧框架构件520b-d。最终，力通过螺栓521a-d传递到仓库地面。因此，该用于保护的缓冲器系统吸收并转移了由机器人施加的力，使其远离硬质塑料前盖502，从而保护其免受损坏。

顶盖524也由硬质塑料制成，包括用户界面面板526，该用户界面面板526设置在顶盖524的表面中的腔室中，该用户界面面板526可以包括用于用户操作充电对接站的某些指示器和控件。例如，可以包括指示诸如“就绪”、“充电”、“开机”、“恢复模式”以及“故障”或“急停”之类的各种状态的照明信号。还可以包括诸如“电源开/关”、“开始手动充电”、“取消对接”、“重置”和“急停”之类的按钮。

沿着顶盖524的后边缘是后面板528，其包括中央面板部分530以及分别在中央面板530的左侧和右侧上的侧面板部分532和534。中心面板530具有基本平行于前盖502的矩形前表面536。右侧面板532具有矩形前表面538，而左侧面板534具有矩形前表面540。

右侧面板532和左侧面板534分别在一侧具有宽的侧壁542和544，而在另一侧会聚成较窄的宽度，并在这一侧与中央面板部分530互连。因此，左右侧板532和534为楔形。基于此，它们的前表面538和540不平行于中央面板530的前表面536或前盖502。它们各自相对于表面536以角度θ布置。分别设置在前表面538和540上的基准标记546和548(例如二维条形码)也相对于前表面536和前盖502以角度θ设置。

如下面将详细描述的那样，在与充电对接站对接的过程中，机器人会通过机载相机观察倾斜的基准标记，使用倾斜的基准标记对其进行精确导航。通常在需要再充电时导航到充电对接站，在此过程中，机器人以与前述的导航到产品仓时相同的方式导航。充电站500可以与位于紧邻前盖502并且通常(旋转地)对准的位姿相关联，以使得机器人的机载相机面向后面板528。

参照图13B和图14B，可包括弹簧的柔性构件550a-d分别连接至充电组件200上的管脚551a-d(管脚551c和55Id不可见)以允许在六个自由度上的一定移动量以解决在将机器人导航到充电器对接站时出现的小错误，同时仍然允许在充电组件200和充电端口300之间进行适当的机械和电气连接，以图12为例。

另外，如在图15B中可以看到的那样，气体弹簧552连接到充电组件200，以使其沿箭头554和555所示的方向沿着气体弹簧552的轴线移动时使其稳定。气体弹簧552安装在框架556上，该框架556固定在充电对接站500的底板558上。当机器人在配合过程中朝充电对接站500移动时，充电端口300(如上所述)与充电组件200接触，并沿箭头554的方向施加力。气体弹簧552在箭头555的方向上提供了足够的阻力，以在充电端口300与充电组件200配合期间允许一定程度的移动，但是防止了在箭头554的方向上的过度移动，即所述气体弹簧充当止动件并确保适当的配合。

另外，由于在解除配合过程中充电端口300从充电组件200缩回，而充电组件200和充电端口300之间通过磁性连接(如上所述)，所以充电组件200将被沿箭头555的方向拉动直到克服磁力。气体弹簧552还通过在箭头554方向上施加力来确保运动受到限制。

尽管此处将充电端口300(连接器的阴极部分)描述为安装在机器人上，而将充电组件200(连接器的阳极部分)描述为安装在充电站上，当然，这些组件的安装位置可以互换。在这种情况下，充电端口300将安装在充电站上，而充电组件200将安装在机器人上。而且，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以结合本文描述的实施例使用其他充电器端口和设计。

再次参考图13B，顶板560部分地由安装在底板558上的框架管脚562和564支撑，该顶板560包括腔室，控制器板572和红外(IR)收发器板574容纳在该腔室中。控制器板572提供充电器对接站500的总体控制，包括激活充电协议、选择充电参数和曲线、监视充电条件和状态(例如，充电状态和电池温度)以及与机器人的通信，所有这些都将在下文中详细描述。IR收发器板574用于在对接和充电过程中与机器人进行通信，并且可以利用IrDA(红外数据协议)通信协议。

继续参考图13B及15B，后壁面板580支撑由仓库电源供电的电源582。后壁面板580还可以用作电源582的散热器，并且可以由与其他面板不同的金属制成以更好地导热。后面板580还与框架管脚562和564一起支撑顶板560。仓库电源通过例如可以是IEC连接器的连接器584被馈送到充电器对接站500。连接至底板558并位于连接器584附近的壁586可用于为充电器对接站的电源提供额外的保护。

图16A和图16B分别为盖子被打开和关闭时充电器对接站500的后部的透视图。这些视图还允许看到充电器对接站的右侧。在图16A中，后壁580被示出为包括端口592，来自仓库的电源通过端口592被馈送以连接至电连接器584。在如图16B中可以看到电连接器584的后部突出穿过后壁580中的孔。

机器人对接

图17及图18描述了将机器人对接至充电站500以进行再充电。在图17中，示出具有充电端口300的机器人18与充电站500的充电组件200配合。例如，机器人18可以导航到位置600，该位置由充电站存储的位姿定义。参考前述的将整个仓库中的机器人导航到各个仓位的方式，将机器人导航到位姿600。一旦处于位姿600，就进行精确的导航过程以将机器人18定位在位置602，在该位置，充电端口300与充电组件200配合，并且机器人18对接在充电站500处以进行再充电。

图18描述了相对于摄像机24a和24的表面(分别是基准546和548)的方位538和540。如图18所示，机器人18位于位置602，因此它可以被对接在充电站500上。在此位置，摄像机24a的视场φ(大约79.4度)显示为横跨表面536和538。摄像机24a的光轴610(即视场的中心线或φ/2)以基本垂直的角度与表面38和基准46相交。另外，在该位置，摄像机24b的视场φ(大约79.4度)被示出为跨越表面536和540，与摄像机24a的视场稍有交叠。摄像机的组合视场为机器人18提供了大约120度的有效视场。由于交叠的部分为机器人创造了一个盲点，因此组合视场略小于摄像机视场的总和。

摄像机24b的光轴612(即视场的中心线或φ/2)以垂直角度与表面40和基准48相交。为了确保在对接时摄像机的光轴将垂直于表面538和540对准，必须适当地设置角度θ，该角度是表面538和540相对于表面536的方位。在该示例中，角度θ约为150度。通过以这种方式定位基准，增加了摄像机24a和24b对基准的可见性。

如上所述，由于摄像机偏离了机器人的中心，因此它们组合起来可以提供广阔的视野。但是，摄像机的布置方位使得查看位于充电站上的基准变得困难。为了解决这个问题，基准可以以一定角度定向以更好地与摄像机对准，这使得基准被更容易更准确地读取。当机器人处于对接位置时，可以通过将摄像机的光轴定向为与基准成大致垂直的角度并以基准为中心来实现，以上如图18所示。

控制机器人18以使其与充电站500配对可能需要比将机器人导航到位姿600所采用的导航方法更为精确的方法。一旦处于位姿600，则机器人可以在其相机框架中分别利用在表面538和540上的基准546和548感知的位置和方向。在位姿600，机器人18足够靠近以感知基准546和548，并且大致位于充电站500的中心。可以使用对接控制算法，该算法允许机器人导航到该初始位姿位置时出现错误。换句话说，用于到达位姿600的导航方法可能不精确地定位在位姿位置，该导航方法可以使用5cm分辨率的地图。当理论上定位在位姿600处时，机器人18使用其摄像机24a和24b获得有关基准546和548的位置和方向的信息。当它移向充电站500时，它尝试将两个误差量减到最小，如下所示：

(1)每个摄像机将检测一个基准：左摄像机和右摄像机将分别检测左基准和右基准。一旦检测到基准，就可以在内部对其进行转换，以使它们对于机器人而言看起来完全垂直于机器人的路径(即，从摄像机上看到的是“平坦”的，而不是看起来是歪斜的)。然后，我们可以检测每个基准标记的相对大小，并以此来确定机器人相对于一个基准的距离小于机器人相对于另一个基准的距离。这表明机器人在其路径中未完全对准中心，需要朝中心线移动。如果我们将校正后的左基准的像素面积称为S_L并将校正后的右基准的像素面积称为S_R，则机器人需要将|S_R-S_L|最小化。

(2)在左摄像机图像内，左对接基准将是由位于图像右侧的一些像素点构成。我们将此像素点数量称为D_L。同样，对于右摄像机图像，右对接基准将是由位于该图像左侧的一些像素点构成，该像素点数量为D_R。基于此，机器人需要最小化|D_R-D_L|。

由于机器人首先需要校正(1)中的误差，因此我们向机器人给定一个恒定的线速度，并向机器人给定一个k_S(S_R-S_L)的旋转速度，直到该值低于某个阈值T_S。k_S是比例控制常数，其值在(0，1]范围内。当满足阈值T_S时，机器人会通过自身设定旋转速度k_D(D_R-D_L)来尝试使(2)中的误差最小化，其中k_D也是在(0，1]范围的比例控制常数。我们继续执行此操作，直到(a)机器人到达对接站，或者(b)误差|S_L-S_R|超出阈值T_S为止，这时我们切换回最小化(1)中误差的步骤。

上述精确导航方法是可用于使机器人18与充电站500对接的各种方法中的一个示例。

机器人充电硬件

在优选实施例中描述的机器人用于与在正常的“带电”操作期间自动与充电站配合，即，机器人在充电期间保持通电，并且它们可以在经由光通信或其他方式配合时与充电站交换信息。例如，充电站获取充电期间机器人电池的温度，而机器人获取从充电站传输到电池的电荷量。

参照图19，控制器板572提供对充电站500的总体控制，包括激活充电协议，选择充电参数和曲线(基于电池/机器人类型)，监视充电条件和状态(例如充电状态和电池温度)以及与机器人的通讯。IR收发器板574可以在对接和充电过程中用于与机器人通信，并且可以利用IrDA(红外数据协会)通信协议。机器人和充电站之间的通信可以以各种已知的方式来实现，包括经由有线连接。充电站还包括阳充电组件200，当对接机器人时，阳充电组件200与机器人的阴充电端口300配合。本领域技术人员将理解，可以使用其他形式的电连接器，包括布置在绝缘表面上的无极性的平板。

电源582可以是电压可编程电源。当阳充电组件200与机器人的阴充电端口300配合时，电流传感器板650用于感测电源582经由阳充电组件200向机器人输出的电荷量。IR收发器板574、电源582和电流传感器板650均互连到控制器板572上的微处理器700。微处理器700可以是ST Microsystems Cortex M4衍生产品或其他Cortex或类似类型的处理器。

在一个实施例中，充电站500能够使用三相充电曲线(charging profile)来适应LiFePO 4(磷酸铁锂)电池的充电要求，该磷酸铁锂电池可以是本文所述类型的机器人中使用的典型电池。对于这种电池类型，提供1.5C充电速率的1kW电源可以满足要求。然而，应当理解的是，充电站500可以对具有不同充电要求的各种电池类型进行充电。

继续参考图19，控制器板572可以包括低压降(LDO)调节器702，以提供经过良好调节的+3.3V和1.8V(或根据需要)内部电源电压，该调节器由电源582输出的辅助5V电压供电。控制器板还可包括电源监控电路704，该电源监控电路704能够在通电、电源中断、监视器超时或手动按钮按下情况下复位微处理器700。关于微处理器700的I/O功能，来自微处理器700的输出706用来打开电源582的主输出以启用充电，并且利用来自电源582的输入708感测电源582正在工作时的主输出710。

微处理器700通过缓冲的模拟输出712提供的电压输入来控制电源582的输出。从电源582的输出710获取的缩放和缓冲的模拟电压输入714以及来自电压参考电路716的精确参考电压被输入到微处理器700，以监视在充电期间提供给机器人的充电电压。另外，微处理器700使用从电流传感器板650获取的缓冲模拟电流输入718来监视输出到机器人的充电电流。

控制器板572具有几个端口和输入/输出，包括通信接口720，该通信接口720允许微处理器700和IrDA板574之间的RS485串行通信。这进而允许充电站500和机器人之间进行红外通信。有一个以太网端口722允许通过终端外壳和微型USB连接器进行调试/诊断，而按钮724提供对设备固件更新(DFU)引导加载程序的访问。同样，在用户界面面板526的显示器上，由输出726驱动四个高亮度LED，以指示就绪/充电/故障。

在一实施例中，电源582可以是Meanwell RSP-1000-27电源，其能够提供37A的输出电流。到电源582的输入功率730可以是来自仓库的内部功率的120VAC。主电源输出电压/电流710可以由微处理器700控制，方法是使用2.5V至4.5伏范围的电压通过缓冲的模拟输出712主动驱动输入引脚，以控制充电电源电流(恒定电流相位)或电压(恒定电压相位)。电源输出电压/电流710是可调节的，例如，将4.5V电压输入缓冲模拟输出712，可输出30V开路电压。S-和S+感测引脚732可以感测电流/电压输出710，并且可以用作电源582的反馈。

当电流通过充电组件200从充电站500提供给机器人时，可以使用连接到电源582的正输出的电流传感器板650上的霍尔传感器来测量充电电流。传感器板650的测量范围可以在0-50A的范围内为正，并且微处理器700可以使用从电流传感器板650获取的缓冲模拟电流输入718来监视正输出到机器人的充电电流(和总电荷)。并且，当电流被提供给机器人时，可以通过提供来自电源582的正极侧输出的电压信号来感测在充电组件200上存在的电压，该电压信号可以被缩放、缓冲并由714馈送到微处理器700。标准电压范围通常可能高达32V满量程。充电组件200的负极侧可以连接到控制器700的接地面。

参照图20，机器人上的硬件组件，与本公开的充电系统有关，其中，机器人可以是图17及图18中的机器人。电池组800可以通过正端子上的保险丝801连接到充电端口300，该电池组800可以包括例如两个LiFePO 4(磷酸铁锂)电池，每个电池具有13.5V的开路电压和32Ah的容量。电池组800还通过来自电池的正极线上的保险丝803连接到电动机控制器802，并通过导线804连接到DC-DC转换器(未显示)，以给各种其他组件供电，例如机器人控制器、光学相机和激光雷达。

应当注意，这里的系统不需要具有包括完整的电池管理系统的电池组，该电池管理系统包括用于监视电池充电状态的电路。使用在机器人和充电站之间共享的分布式监视方法来监视本文中的系统的电池的充电状态，这将在下面详细描述。结果是，需要一种较便宜的电池管理系统，该电池管理系统仅监视诸如电压、温度和电流之类的安全相关参数。

电动机控制器802可以包括依次连接电池800正极和电动机驱动电路808的电流传感器806，例如霍尔传感器，该电动机驱动电路808驱动电动机810和812以推动机器人。还可以提供用于测量电池800的输出电压的电压传感器807。电机控制器802上有一个处理器814，处理器814基于从整个机器人控制器(未显示)接收的控制信号控制电机驱动电路808，并跟踪电池为通过电机控制器802给电动机820和812提供的电流，该电流由电流传感器806检测。处理器814还使用感测到的电流来确定所测量的电流随时间推移所对应的总电荷使用量。

如上所述，在充电站500充电期间提供给机器人的充电量由上述的电流传感器板650确定。同样，如上所述，充电站500上的IrDA板574允许充电站500与机器人18之间进行红外通信，该机器人本身包括连接到电机控制器802中的RS 485接口的IrDA板816。从充电站转移到机器人的电荷量信息可以周期性地(例如每秒一次)经由红外通信传递到机器人18并保存在存储器中，该存储器可以在电动机控制器802上。充电完成后，如下所述，机器人将知道开始或初始库仑计数。

当机器人离开充电座时，可以定期确定(例如，每秒一次)为电动马达和控制器板供电的电荷量，然后从充电过程中提供的电荷量中减去(初始库仑计数)以确定剩余电荷(当前库仑计数)。这可以被称为充电状态(“SOC”)。如上所述，机器人通过将SOC与预定阈值水平进行比较来确定何时需要充电。

电动机810和812以及控制板802所使用的电荷量明显大于为机器人的其他组件供电的电荷量，因此可以用作机器人的整体电流使用量，或者如果期望精度更高，可以测量并考虑除电动机810和812之外的部件使用的电流，并考虑在库仑计数中。

下节介绍了用于充电的软件和协议的操作。

机器人充电软件/协议

本文所述的机器人中使用的电池通常将具有相对平坦的电流放电与电压的关系曲线。并且，它们可能与温度高度相关。这些特性由图21的图表所示的-20℃，0℃，23℃，45℃和60℃的5条曲线证明。该图描绘了一种具有13.5V开路电压并通过16A放电的LiFePO4(磷酸铁锂)电池的曲线。随着电池放电，电池电压从大约13.5V下降到大约10V。在图表的右侧，电池已放电了一定容量，曲线与“X”轴相交，表示电池中剩余10V的电势。23℃和45℃曲线大约放电16A。在60℃曲线中，电池管理系统的过热保护会在大约14.4A的电流放电后激活并关闭电池。在较低的温度下(即0℃和-20℃)，无法从电池中除去所有可用能量，并且仅在分别放电约14.4A和12.24A后，电池停止工作。

如图所示，电池电压在很宽的充电水平范围内保持相当恒定。例如，在23℃时，从刚充满电以下到大约14.4A放电为止，电压仅从12.8V降至12.5V。结果，不能仅从电压可靠地估计SOC。因此，对于本文所述的机器人电池组，可以将可靠且准确的两部分算法用于SOC估计。

SOC算法的第一方面利用库仑计数(1库仑＝1安培*1秒)的方法，在电池充电(通过图19所示的使用电流传感器650的充电站500)和放电(通过图20所示的使用电流传感器806的机器人)以及随着时间的流逝累计期间，都可以准确测量电流以确定一段时间内充电或放电的库仑总数。在充电时，累计充电水平被保存在控制器板572上的非易失性存储器中，以在断电期间保持跟踪。同样，在充电时，充电水平会定期传达给机器人并保存在例如电机控制器802的内存中。当机器人离开充电站时(即，机器人被解除对接)，将监视放电电流量，并根据原始充电水平确定电流SOC。

仅使用库仑计数的情况下，由于随着时间的推移累积的测量误差，计数结果趋于动荡。为克服这一点，该算法的第二个方面使用了满充电/满放电阈值。换句话说，机器人可以使用电压电平阈值来可靠地检测完全放电和完全充电状态，然后可以将这些状态用于积分器重置以校正估计电荷的不定性。机器人将负责维护SOC估算、放电库仑计数以及检测满充电和满放电状态。充电器将负责充电过程中的库仑计数。

再次参考图21，当电池充电时(在给定温度下，沿曲线图从右向左移动)，最终电压将上升到预定的上限电压阈值，在这种情况下可能约为14.3V(每电池)。机器人使用此上限阈值作为确定电池已充满电的方式。当达到阈值电压电平时，它会通过确定内存中最近存储的库仑计数来了解其SOC。然后，机器人可以离开充电站，并开始进行库仑计数过程，以确定正在使用的电荷量。

虽然此处描述的机器人使用一种过程来维持对电池组容量的准确估算，并且其目的是在电池达到完全放电状态之前使机器人自动到达充电站，但该系统旨在恢复已达到目标位置的机器人的这种完全放电的电池状态，然后再对接在充电站。当电池放电时(沿图表从左到右移动)，如果电压下降到较低的阈值电压等级，例如9V(每个电池)，此较低阈值可用于指示电池已完全放电。在此较低的阈值电压等级下，机器人会自动关闭电源，以免损坏电池。如下所述，在将机器人移至对接站并提供恢复充电后，需要手动重启机器人。当电池组降至某个低电压等级时(例如每电池8V)，它们通常会触发内部保护关闭，并且电池将不再充电。为了防止触发此极端条件，可以将机器人配置为在预定的低电压阈值(例如，每个电池9V)时关闭电源，该预定的低电压阈值高于极端电压等级。

请注意，完全放电状态可能仅偶尔发生。这是因为可以对机器人进行编程以使其返回充电站，以便以预定的SOC进行充电，该SOC已知会高于完全放电水平。换句话说，通常将SOC水平设置为高于完全放电的点(例如，高于完全放电水平的10-20％)。当达到此水平时，机器人将行驶到充电站进行充电。一旦机器人知道必须对其充电，就可以确定最近的可用充电站。在空间和/或仓库管理系统中运行的机器人将在更高级别进行协调，以确保一次只有一个机器人会尝试与特定的充电站对接。如上所述，每个充电站将具有唯一的标识符和与之关联的位姿。机器人将导航到所选充电站的位置并开始对接过程，上面已详细介绍了这两个过程。

机器人可以使用完全充电/放电的次数为系统操作员提供电池组寿命终止警告。这些统计信息在断电时被写入非易失性存储(闪存)，并在通电时从非易失性存储(闪存)读取。例如，当达到一定数量的完全充电和/或放电状态时，机器人可以指示需要对电池进行工厂维护。同样，可以监视给定电压等级的SOC，以确定电池是否不再足够容纳电荷，在这种情况下，机器人可能还会指出需要对电池进行工厂维护。

当机器人到达充电站并对接时，将分别通过IrDA板574和816建立机器人与充电站之间的通信，然后开始充电过程。当通过图19的充电站控制器572检测到电池电压大于整个充电组件200的阈值(具有滞后性)时，可以确认并指示成功对接。对于本文所述的图20的电池组800，阈值电压电平可以是具有1V磁滞的18V(2个电池×9V)。可以通过IrDA通信将检测到的电压等级传达给机器人，并且机器人可以确认接收到的电压读数与机器人内部电压测量值在某个容限范围内一致。

建立通信并确认阈值电压等级后，除非未检测到短路情况且电池温度(由机器人检测并通过IrDA提供给充电站的温度)在可接受的范围内，否则将无法启用充电过程。对于电池组800，温度范围可能高于0℃且低于45℃度。可以通过IrDA通信将机器人上的电池类型指示(机器人类型或电池类型或其他指示)传递到充电站，并可以根据电池类型选择特定的充电曲线。在充电开始时，库仑计数被初始化，并且根据选择的充电曲线开始充电过程。

参照下面的表1和图22的流程图850描述了根据针对一种特定电池类型的充电曲线的充电过程。此外，表1中还列出了用于完全放电电池的通用电池恢复的参数。如表1所示，给定电池的充电曲线具有在不同情况下使用的不同参数。对于正常或快速充电，有一组与极端温度(热或冷超出特定范围)的参数不同的充电参数。

当机器人在完全放电后手动对接并且按下手动恢复开关以开始充电时，将使用恢复模式参数。换句话说，这些参数将用于对任何类型的机器人电池进行足够的初始充电，直到可以重新启动机器人并重新建立IrDA通信为止。

在恢复已完全放电的电池的场景下，由于机器人将不再打开，因此无法建立IrDA通信，并且充电站将不知道机器人的电池类型。一旦操作员手动将机器人对接在充电站上，充电站上的手动启动按钮也会被按下并保持。通过输出低充电电流直到达到阈值电池电压来建立通用的初始充电曲线，这时会向操作员发出指示以打开机器人电源。一旦打开，就会建立IrDA通信，并启动正常的自主充电过程。

表1

参考图22的流程图850，在步骤851，充电器通过检查在充电器处感测到的电压来确定机器人是否被对接。如果机器人被对接，则在步骤852，充电站确定是否已经建立了与对接的机器人的IrDA通信。如果尚未建立IrDA通信，则在步骤854，确定是否已按下手动启动按钮以启动电池完全放电的机器人的手动充电过程。如果已按下手动启动按钮，则获得恢复充电曲线，并且系统进行到步骤862。如果在步骤852中，与机器人建立了通信，则系统进行到步骤858，其中将对接机器人的电池类型或机器人类型以及电池状态(即温度)通信到充电站。根据电池/机器人的类型和电池状况，在步骤860中从内存中恢复电池的特定充电曲线，然后系统进入步骤862。

在步骤862，确定电池电压是否小于阈值电压，在表1的充电曲线(快速，极端温度和恢复)中该阈值为25.5V。如果电池电压不低于阈值电压，则系统进行到步骤868。如果电压低于阈值电压，则在步骤864，以表1所示的恒定电流进行预充电。特定的预充电电流将取决于所使用的充电曲线。因此，对于表1中的示例，快速充电的预充电电流为5.0A，在极端温度下，预充电电流为3.0A，对于恢复，预充电电流为2.0A。在预充电时，在步骤866处检查充电器端子处的电压以确定是否已经达到阈值电压。如果已经达到，则系统前进至步骤868，并且如果未达到，则继续进行预充电直到达到阈值电压。

在步骤868，主充电过程开始于恒定电流充电阶段，其使用从正在使用的特定充电曲线中选择的电流。在表1的示例中，对于快速充电，充电电流被设置为34A，而对于极端温度充电以及恢复充电，充电电流被设置为20A。在每种情况下，这种情况一直持续到在步骤870中达到预定的电压等级。在表1的示例中，用于快速，极端温度和恢复充电的预定电压等级为28.6V。一旦达到该电压等级，在步骤872，进行固定电压充电阶段，其中充电电压保持在28.6V，继续充电直到达到步骤874所确定的终止电流。表1中快速和极端温度充电曲线的终止电流为1.25A，恢复充电曲线的终止电流为0.5A。以恒定电压提供的如此低的充电电流水平表明机器人几乎处于完全充电状态，因此充电器站终止了主充电过程。

系统进行到步骤876，在步骤876中SOC被传送到机器人。尽管在流程图850中未具体示出，但是在预充电和主充电过程中，SOC可以定期地传递给机器人，例如每秒一次。此时，机器人可能会从充电站上退出，但这是在机器人的控制下。如上所述，在充电期间，监视电池电压，并且电池电压最终将上升到预定的上限电压阈值，例如，14.3V(每个电池)。机器人使用此上限阈值来确定电池何时充满电。当达到上限电压阈值时，它将最近存储在内存中的SOC用作其初始库仑计数，如果它决定在此时取消对接。在某些情况下，即使机器人充满电，机器人也可能会保持对接状态。机器人留在充电站的一个原因可能是由于从仓库管理系统收到的命令，如果不需要在地上移动，则要留在充电站。如果在完成主要充电过程后将机器人留在充电站，则随着时间的流逝，它将丢失其电荷。因此，可以开始浮动充电过程以保持机器人的充电。

在步骤878，确定充电曲线是否包括浮动充电阶段。如果不是，则系统进行到步骤880，在此确定机器人是否已解除对接。如果还没有解除对接，则系统循环回到步骤880，直到机器人解除对接为止，然后系统进入步骤881，在此终止充电站的充电。然后，系统进行到步骤851，并等待下一个机器人对接充电。当机器人离开充电站时，它开始进行库仑计数过程以确定所使用的电荷量。

如果在步骤878确定充电曲线包括浮动充电阶段，则在步骤882建立浮动充电阶段。在浮动阶段，将充电站的充电电压固定在浮动阶段的电压等级，同时向机器人输入“涓流充电”。在表1的示例中，对于快速和极端温度曲线，浮动阶段电压可以为27.7V。产生的涓流充电可能约为0.2A。在浮动阶段，充电器将提供待机电流，待机电流由机器人消耗(假设机器人已打开)。机器人待机电流消耗约为0.2A(200mA)，但不受充电器调节。这一直持续到机器人取消对接(如步骤884所确定)为止。当机器人解除对接时，系统前进至步骤881，在此终止充电站的充电。然后，系统进行到步骤851，并等待下一个机器人对接充电。并且，当机器人离开充电站时，它开始进行库仑计数过程以确定正在使用的电荷量。

尽管在流程图850中未示出，但是在充电过程中可能发生若干事件，这些事件需要终止充电过程。这包括短路状况，可以通过基于电流与电压的比率估算负载电阻来检测短路状况。如果该比率这低于阈值，例如50M欧姆，充电站可以确定已经检测到短路并终止充电过程。此外，如果检测到开路或电阻电路(大于一个阈值，例如1欧姆)，充电过程也可能终止，以防止过热。如果IrDA通信丢失或检测到其他重要条件，则充电过程可能会终止。如上所述，累积电荷水平保持在控制器板572上的非易失性存储器中，以确保在断电时段期间精确的电荷跟踪。

在图23的流程900中描绘了充电站500的更高级别的操作。在步骤902中，充电站500通电并进行初始化。初始化完成后，充电站将在步骤904进入空闲模式，直到检测到电池(机器人已准备好进行自动充电)，或者检测到手动操作(操作员对带有“失效”电池的机器人按下按钮进入手动充电模式)。如果检测到电池，则系统进入步骤906，在步骤906中建立机器人与充电站之间的通信。如果检测到手动复位输入，则系统进入开始恢复的步骤908。

在自动充电过程中，如果在步骤906未建立与机器人的通信，则在步骤910确定通信错误，并且系统返回到步骤904进入空闲模式。如果在步骤906建立了通信，则开始上述步骤912的充电过程。在充电完成时，如果机器人请求充电周期日志(CCLOG)，则在步骤914，充电站将CCLOG发送给机器人，并在步骤916终止充电过程。如果机器人不请求CCLOG，则系统仅从充电步骤912步骤进入完成步骤916步骤。在这两种情况下，机器人都将返回到空闲步骤904。

如果相反，则检测到手动复位输入，则在步骤908，即手动恢复过程开始。如果未检测到电池或电池处于保护性关机模式，则系统进入恢复失败步骤918，然后返回到空闲步骤904。如果在开始恢复步骤908中检测到电池且电池未处于保护性关闭状态，则在步骤920中进行如上所述的恢复过程。当在步骤922完成恢复过程时，系统在步骤906继续与机器人建立通信并进行自动充电过程。

尽管流程900中未显示，但在充电过程中可能会发生一些需要终止过程的事件，例如短路或开路，或者机器人在充电完成之前离开充电站。

尽管本发明的前述描述使本领域普通技术人员能够制造和使用目前被认为是其最佳模式的技术，但是本领域普通技术人员将理解并认同还存在特定实施例和示例的变型，及其他组合和等效形式的存在。在这里。本发明的上述实施方式仅是示例。在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对特定实施例进行改变、修改和变化，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。因此，本发明不受上述实施例和示例的限制。

在描述了本发明及其优选实施例之后，以字母专利保护的新权利要求保护的是：

Claims (9)

1.一种用于给自主机器人充电的充电系统，包括：

自主机器人，所述自主机器人由可再充电电池供电并具有第一充电构件；

充电站，所述充电站包括：

第二充电构件，所述第一充电构件构造成当所述自主机器人对接于所述充电站时，接收在所述自主机器人上的所述第一充电构件以对所述可再充电电池充电；

电源，所述电源构造成当所述自主机器人对接于所述充电站时对所述自主机器人的所述可再充电电池进行充电；

传感器，所述传感器构造成测量在充电期间从所述电源传输到所述自主机器人的电荷量；

处理器，所述处理器与传感器通信，构造成根据所述传感器测量的从所述电源传输到所述自主机器人的电荷量来确定所述自主机器人的荷电状态；

通信设备，所述通信设备与所述处理器通信且用于当所述自主机器人对接于所述充电站时将所述自主机器人的荷电状态传输给所述自主机器人；

其中，所述自主机器人还包括通信设备，所述通信设备构造成与所述充电站上的所述通信设备通信；

其中，所述自主机器人还包括电动机驱动，所述电动机驱动由所述可再充电电池供电，并且构造成当所述自主机器人被从所述充电站解除对接时推动所述自主机器人；

其中，所述自主机器人还包括传感器，所述传感器构造成当所述自主机器人被从所述充电站解除对接时，测量由所述可再充电电池提供给所述电动机驱动以推动所述自主机器人的电荷量；

其中，所述自主机器人上的所述通信设备构造成从所述充电站接收所述自主机器人的荷电状态，并且其中，所述自主机器人包括用于存储从所述充电站接收的荷电状态的存储器；

其中，所述自主机器人的所述存储器还构造成当所述自主机器人被从所述充电站上解除对接时，存储由所述可再充电电池提供给所述电动机驱动以推动所述自主机器人的电荷量。

2.如权利要求1所述的充电系统，其中，所述充电站的所述处理器构造成当所述自主机器人对接于所述充电站时周期性地确定所述自主机器人的荷电状态，并且使所述通信设备向所述自主机器人传输周期性确定的所述自主机器人的荷电状态。

3.如权利要求2所述的充电系统，其中，所述自主机器人还包括：处理器，所述处理器构造成通过比较由所述可再充电电池提供给所述电动机驱动以推动所述自主机器人的电荷量以及所述充电站传送给所述自主机器人的荷电状态，从而当所述自主机器人被从所述充电站解除对接后周期性地确定所述自主机器人的荷电状态。

4.如权利要求3所述的充电系统，其中，所述荷电状态至少部分地由转移到所述可再充电电池中或从所述可再充电电池中转移出的库仑数确定。

5.如权利要求4所述的充电系统，其中，所述处理器构造成当所述自主机器人的荷电状态已经达到预设等级时，使所述自主机器人返回到所述充电站进行充电。

6.一种在充电站对由可再充电电池供电的自主机器人进行充电的方法，包括：

将所述自主机器人对接于所述充电站，以使所述自主机器人的第一充电构件与所述充电站的第二充电构件配合；

当所述自主机器人对接于所述充电站时使用所述充电站的电源对所述自主机器人的所述可再充电电池进行充电；

测量在充电期间从所述电源传输到所述自主机器人的电荷量；

根据传感器测量的从所述电源传输到所述自主机器人的电荷量来确定所述自主机器人的荷电状态；

当所述自主机器人对接于所述充电站时将所述自主机器人的荷电状态传输给所述自主机器人；

还包括：通过所述自主机器人上的通信设备从所述充电站接收所述自主机器人的荷电状态，并且将从所述充电站接收到的荷电状态存储在所述自主机器人上的存储器中；

还包括：当所述自主机器人被从所述充电站解除对接时，使用由所述可再充电电池供电的电动机驱动推动所述自主机器人；

还包括：当所述自主机器人被从所述充电站解除对接时，测量由所述可再充电电池提供给所述电动机驱动以推动所述自主机器人的电荷量；

还包括：当所述自主机器人被从所述充电站解除对接时，将所述可再充电电池向所述电动机驱动提供的以推动所述自主机器人电荷量存储在所述自主机器人的存储器中；

其中，确定自主机器人的荷电状态的步骤包括：周期性地确定对接于所述充电站上的所述自主机器人的荷电状态；以及传输所述自主机器人的荷电状态的步骤包括：周期性地传输所述自主机器人的荷电状态。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：通过周期性地比较由所述可再充电电池提供给所述电动机驱动以推动所述自主机器人的电荷量以及所述充电站传送给所述自主机器人的荷电状态，从而当所述自主机器人被从所述充电站解除对接后周期性地确定所述自主机器人的荷电状态。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述荷电状态至少部分地由传输到所述可再充电电池中或从所述可再充电电池中转移出的库仑数确定。

9.如权利要求8所述的方法，还包括：当所述自主机器人的荷电状态已经达到预设等级时，使所述自主机器人返回到所述充电站进行充电。