JP2019528801A - 自律型ロボットの自動ドッキング及びエネルギー管理システム及び方法 - Google Patents

Abstract

受信コイルとストラクチャードライトセンサとを含む自律型移動床掃除ロボットを、ドッキングベイと送信コイルとを含む充電ドックにドッキングさせる方法が、ストラクチャードライトセンサを用いて、送信コイルから生じる磁場を検知することによって、ロボットをドッキングベイの規定のドッキング位置に位置付けるステップと、その後にロボットがドッキング位置にある状態で受信コイルと送信コイルとを用いてロボットを誘導充電するステップとを含む。【選択図】 図１

Description

〔関連出願との相互参照〕
本出願は、２０１６年７月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／３６１８８１号に対する優先権を主張するものであり、この文献の内容はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。

本発明は、一般にロボットシステムに関し、具体的には、自律型ロボットの自動ドッキングシステム及びエネルギー管理システムに関する。

従来、平凡で時間が掛かり又は危険であると見なされている作業を行うために、自動ロボット及びロボット装置が使用されている。プログラミング技術が向上するにつれ、燃料補給、検査及び保守整備などの作業に最低限の人的交流しか必要としないロボットの需要も増加している。目標は、一回の設定で人間の支援又は介入を必要とせずに自律的に動作するロボットである。

米国特許第９，２１５，９５７号明細書 米国特許出願公開第２０１６／０１６６１２６号明細書 米国特許第８，８８１，３３９号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０２９１８０９号明細書

本発明の実施形態によれば、受信コイルとストラクチャードライトセンサ（構造光センサ）とを含む自律型移動床掃除ロボットを、ドッキングベイと送信コイルとを含む充電ドックにドッキングさせる方法が、ストラクチャードライトセンサを用いて、送信コイルから生じる磁場を検知することによって、ロボットをドッキングベイの規定のドッキング位置に位置付けるステップと、その後にロボットがドッキング位置にある状態で受信コイルと送信コイルとを用いてロボットを誘導充電するステップとを含む。

いくつかの実施形態では、ドックが、直立するバックストップを含み、方法が、ストラクチャードライトセンサを用いてバックストップを検出することにより、ストラクチャードライトセンサを用いて移動床掃除ロボットを充電ドックと整列させるステップをさらに含む。

いくつかの実施形態では、ロボットがドッキング位置にある時に、受信コイルが送信コイルと規定の整列状態に置かれる。

いくつかの実施形態では、方法が、ロボットを用いて掃除任務を実行するステップと、掃除任務中に、ストラクチャードライトセンサを用いてロボットの近くの障害物及び／又は空隙を検出するステップとを含む。

本発明の実施形態によれば、表面を掃除するための自律型移動床掃除ロボットが、ハウジングと、動力システムと、誘導充電システムと、掃除システムとを含む。ハウジングは底部を有する。動力システムは、表面を横切ってロボットを推進する。誘導充電システムは、充電動作中に充電ドックの送信コイルに誘導結合されるように構成された受信コイルをハウジング内の底部近くに含む。掃除システムは、ロボットが表面を横切っている最中に表面を掃除する。掃除システムは、ハウジングの底部に配置された、ロボットからゴミを除去するための排出口を含む。

いくつかの実施形態では、受信コイルがロボットの中心からオフセットされる。

本発明の実施形態によれば、自律型移動ロボットが、ハウジングと、動力システムと、誘導充電システムとを含む。ハウジングは底部を有する。動力システムは、表面を横切ってロボットを推進する。誘導充電システムは、ハウジング内の底部近くに受信コイルを含む。ハウジングは、受信コイルを表面から分離する底壁を含む。

いくつかの実施形態では、ロボットが、ロボットが表面を横切っている最中に表面を掃除する掃除システムをさらに含む。いくつかの実施形態では、受信コイルが、ハウジングによって環境及び掃除システムから密封される。

いくつかの実施形態では、ロボットが、ハウジングの底部から懸架された切断要素をさらに含む。

いくつかの実施形態では、ハウジングが、受信コイルを受け取るように構成された、ハウジングの底部に位置するコイル室を定め、受信コイルがコイル室内に配置される。いくつかの実施形態では、受信コイルが実質的に平面的であり、コイル室が、受信コイルを表面の上方に水平に保持する。いくつかの実施形態によれば、底壁のコイル室を定める部分の公称厚さが少なくとも２ｍｍであり、コイル室を定める上壁の公称厚さが少なくとも２ｍｍである。

いくつかの実施形態によれば、ハウジングが、シャーシ及び底部カバーを含み、シャーシが、受信コイルを覆って受信コイルをロボットの区画から分離するシャーシ底壁を含み、底部カバーが受信コイルを表面から分離する。

いくつかの実施形態では、受信コイルの中心軸が、ロボットの前縁と後縁との間に延びる横方向中心線から一定のオフセット距離だけ水平にオフセットされる。いくつかの実施形態では、オフセット距離が約２ｃｍ〜８ｃｍである。

いくつかの実施形態では、自律型移動ロボットが、受信コイルの少なくとも部分的に上方に配置されたゴミ容器をさらに含む。

いくつかの実施形態によれば、自律型移動ロボットが、ハウジングの底部の、ロボットの前縁と後縁との間に延びる横方向中心線から水平にオフセットされた位置に、コイルに隣接して配置された排出口をさらに含む。

いくつかの実施形態では、ロボットの前面が四角形の輪郭を定める。

いくつかの実施形態によれば、受信コイルが、底壁の下側外面から約１ｍｍ〜５ｍｍの垂直距離に位置する。いくつかの実施形態によれば、受信コイルが、底壁の下側外面から約３ｍｍ未満の垂直距離に位置する。

いくつかの実施形態によれば、底壁の上面の内側に受信コイルの巻線が機械的に固定される。

いくつかの実施形態では、受信コイルが、接着剤又は締結具によって底壁の上面の内側に固定される。

いくつかの実施形態によれば、受信コイルが、底壁内、又は受信コイルの上にあるハウジングの上壁内に成形される。

いくつかの実施形態では、受信コイルが、上面及び底面をいずれもプラスチックで包まれる。

当業者であれば、実施形態についての以下の図及び本発明の例示にすぎない詳細な説明を読むことによって、本発明のさらなる特徴、利点及び詳細を理解するであろう。

本発明の実施形態による自律型カバレッジロボットシステムの背面上方斜視図である。 図１の線２−２に沿って切り取った図１のロボットシステムの断面図である。 図１のロボットシステムの一部を成すロボットの正面下方斜視図である。 図３のロボットの上面図である。 図３のロボットの底面図である。 図１の線２−２に沿って切り取った図３のロボットの部分的断面図である。 図３のロボットの一部を成す撮像素子の正面斜視図である。 図１のロボットの一部を成すドックの正面上方斜視図である。 図８の線９−９に沿って切り取った図８のドックの部分的断面図である。 図１のロボットシステムの一部を成す通信／誘導システムの動作を示す概略図である。 図１のロボットシステムの一部を成す通信／誘導システムの動作を示す概略図である。 図１のロボットシステムの一部を成す電気回路を表す概略図である。 本発明の実施形態による排出ドックの正面上方斜視図である。 図１３の線１４−１４に沿って切り取った図１３のドックの部分的断面図である。 本発明の実施形態による自律型芝刈り機ロボットシステムの分解上面斜視図である。 図１５のロボットシステムの一部を成す芝刈り機ロボットの部分的底面図である。 芝刈り機ロボットを充電するためのドック上に位置する図１５の芝刈り機ロボットシステムの正面図である。

以下、本発明の例示的な実施形態を示す添付図面を参照しながら本発明をさらに完全に説明する。図面では、明確にするために領域又は特徴の相対的サイズを誇張していることがある。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具体化することができ、本明細書に示す実施形態に限定されると解釈すべきではなく、むしろこれらの実施形態は、本開示を徹底的かつ完全なものとし、当業者に本発明の範囲を完全に伝えるように示すものである。

ある要素が別の要素に「結合（ｃｏｕｐｌｅｄ）」されている、又は「接続（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」されていると言う場合、この要素は別の要素に直接接続又は結合することも、或いは介在要素が存在することもあると理解されたい。一方で、ある要素が別の要素に「直接結合（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）」されている、又は「直接接続（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」されていると言う場合、介在要素は存在しない。全体を通じて同じ要素は同じ番号で示す。

また、本明細書では、説明を簡単にするために、「下方の（ｕｎｄｅｒ）」、「下位の（ｂｅｌｏｗ）」、「下側の（ｌｏｗｅｒ）」、「上方の（ｏｖｅｒ）」、「上側の（ｕｐｐｅｒ）」などの空間的相対語を用いて、図に示す１つの要素又は特徴と別の（単複の）要素又は特徴との関係を説明することがある。これらの空間的相対語は、図に示す方向に加え、使用中又は動作中の装置の異なる方向も含むものであると理解されたい。例えば、図の装置をひっくり返した場合、他の要素又は特徴の「下」又は「下方に」あるものとして説明した要素は、他の要素又は特徴の「上方に」配向されるようになる。従って、「下方の」という例示的な用語は、上方の配向と下方の配向とをいずれも含むことができる。装置を別様に配向する（９０度又はその他の配向に回転させる）こともでき、本明細書で使用する空間的相対語は、それに応じて解釈することができる。

本明細書で使用する専門用語は、特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、本発明を限定するためのものではない。本明細書で使用する単数形の「１つの（英文不定冠詞）」及び「その（英文定冠詞）」は、その文脈で別途明確に示していない限り、複数形も含むように意図される。さらに、「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ及び／又はｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用する場合、上述した特徴、整数、ステップ、動作、要素及び／又はコンポーネントの存在を示すが、１又は２以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント、及び／又はこれらの群の存在又は追加を除外するものではないと理解されたい。本明細書で使用する「及び／又は（ａｎｄ／ｏｒ）」という表現は、関連する列挙した項目のうちの１つ又は２つ以上のありとあらゆる組み合わせを含む。

特に定めがない限り、本明細書で使用する（技術用語及び科学用語を含む）全ての用語は、本発明が属する技術の当業者が一般に理解している意味と同じ意味を有する。さらに、一般に使用される辞書に定義されているような用語については、関連技術の文脈におけるこれらの意味に従う意味を有すると解釈すべきであり、本明細書で明確に定義しない限り、理想的な又は過度に形式的な意味で解釈されるものではないと理解されるであろう。

「モノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）」という用語は、接合部又は継ぎ目のない材料で形成又は構成された１つの単一片である物体を意味する。

図１〜図１４に、いくつかの実施形態による自律型カバレッジロボットシステム１０を示す。システム１０は、掃除用ロボット１００と、ベースステーション又はドック２００とを含む。システム１０は、ドック２００に加えて又はその代わりに、排出ドック３００（図１３）を含むこともできる。ロボット１００は、ドック２００及び排出ドック３００に結合するように適合される。

システム１０は、それぞれがロボット１００及びドック２００の協働するコンポーネントを含む、充電又はエネルギー管理システム２０５及び自動ドッキング制御システム２０１も含む。いくつかの実施形態では、エネルギー管理システム２０５が、ドック２００によるロボット１００の無線充電を可能にする（ドック２００の一次コイル又は送信コイル２４４とロボット１００の二次コイル又は受信コイル１６４とを含む）エアギャップ変成器又は誘導充電回路を含む。

以下の自律型ロボット１００の説明では、「前方の（ｆｏｒｗａｒｄ／ｆｏｒｅ）」という用語を用いて一般にロボット１００の主要移動方向を示し、「前後軸（ｆｏｒｅ−ａｆｔ ａｘｉｓ）」（図４の記号「ＦＡ」を参照）という用語が、ロボット１００の前後直径と一致する順移動方向Ｆ（図４）を定める。

ロボット１００は、互いに及び軸ＦＡに垂直な横軸又は左右軸ＬＡと垂直軸ＶＡとをさらに定める。軸ＦＡと軸ＬＡは、（後述する）車輪１３２及びキャスタ１３４の接点又はロボット１００が載る支持面（例えば、床）によって定められる平面に対して実質的に平行な平面を定める。

説明では、図８に示すドック２００に基づくＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を含む基準系も使用する。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに垂直であり、ドック２００の中心で交差する。Ｙ軸に沿った移動、距離及び寸法は、横方向、左方向又は右方向と呼ぶことができる。本明細書では、Ｘ軸に沿った移動、距離及び寸法を、深度方向、前後方向、順方向又は逆方向と呼ぶことができる。本明細書では、Ｚ軸に沿った移動、距離及び寸法を、垂直方向と呼ぶことができる。Ｘ軸とＹ軸は、ドック２００が載る支持面（例えば、床）に平行な面を定める。

図示の実施形態では、ロボット１００が、ロボットコントローラ１０２と、本体、ハウジング基盤又はハウジング（以下、「ハウジング」）１１１と、電気エネルギー貯蔵バッテリ１２６と、動力システム１３０と、掃除システム１４０と、検出器システム１５０と、エネルギー管理又は充電サブシステム１６０とを含む。検出器システム１５０は、自動ドッキング制御システム２０１の一部を成す。

ハウジング１１１は、車台１１５（図３）を有し、内部メインチャンバ１１８（図２）を定める。車台１１５は、ハウジング１１１及びロボット１００の下面又は底面を成す。ハウジング１１１は、シャーシ１１０と、上部カバー１１２と、底部カバー又は車台カバー１１４と、変位可能バンパ１１６とを含む。ロボット１００は、順方向Ｆ及び逆駆動方向Ｒに移動することができ、従ってシャーシ１１０は、対応する前端部１１０Ａ及び後端部１１０Ｂをそれぞれ有する。

シャーシ１１０は、プラスチックなどの材料から、とりわけロボット１００を動作させる様々なサブシステムの要素を取り付け又は統合するための複数の予備成形されたウェル、凹み及び構造部材を含む一体要素又はモノリシック要素として成型することができる。カバー１１２、１１４は、ポリマ材料（プラスチック）などの材料から、シャーシ１１０を構成的に補完してシャーシ１１０に取り付けられた要素及びコンポーネントに対する保護及びアクセスを提供するそれぞれの一体要素又はモノリシック要素として成型することができる。シャーシ１１０及びカバー１１２、１１４は、いずれかの好適な手段（例えば、ねじ）によって共に取り外し可能に統合される。いくつかの実施形態では、図示のように、ハウジング１１１が、四角形の輪郭を定める前端を有する。いくつかの実施形態では、シャーシ１１０及びカバー１１２、１１４が、前後軸ＦＡに沿って概ね対称な概ねＤ字形の形状を有する最小高さの構造的エンベロープを形成する。

車台カバー１１４とシャーシ１１０の底壁１１０Ｃとには、排出口１２０が定められる。排出口１２０は、閉鎖装置又はフラップ１２０Ａ（図５）を備えることができる。

車台カバー１１４とシャーシ１１０の底壁１１０Ｃとの間には、コイル室１２４が定められる（図３及び図６）。車台カバー１１４は、コイル室１２４の底壁を形成し、底壁１１０Ｃは、コイル室１２４の上壁を形成する。

変位可能バンパ１１６は、シャーシ１１０の前端の形状に概ね一致する形状を有し、シャーシ１１０の前部に移動可能な組み合わせで取り付けられてそこから外向きに延びる（「通常動作位置」）。変位可能バンパ１１６の取り付け構成は、バンパ１１６が所定の質量の静止物又は障害物に衝突する度に（通常動作位置から）シャーシ１１０に向かって変位し（「変位位置」）、（このようなバンパ１１６のあらゆる変位に応答してロボット１００が静止物又は障害物を避けてその作業ルーチンを継続するようにする「バウンス」モードを実装する制御シーケンスの動作によって）静止物又は障害物との接触が終了すると通常動作位置に戻るようになっている。

シャーシ１１０の両側面沿いには、ロボット１００を動かして床面との間に２つの接点をもたらす独立駆動輪１３２が取り付けられる。駆動輪１３２は、バネ付勢することができる。シャーシ１１０の後端部１１０Ｂは、床面との間の第３の接点としてロボット１００の付加的な支持を行う多方向従動キャスタホイール１３４を含む。ハウジング１１１内には、車輪１３２を独立して駆動する１又は２以上の電気駆動モータ１３６が配置される。これらの動力部品は、ロボット１００のコスト又は対象用途に基づいて、モータ、車輪、駆動シャフト又は必要に応じてキャタピラ（ｔｒａｃｋ）のいずれかの組み合わせを含むことができる。

いくつかの実施形態では、掃除システム１４０が、車台１１５に定められた吸引スロット又は開口部１４２Ａを含む。開口部１４２Ａの側面には、１又は２以上のモータ駆動式回転抽出器（例えば、ブラシ又はローラ）１４４が位置する。抽出器１４４間の間隙を通じて電気真空ファン１４６が空気を引き寄せて、抽出器が床面からゴミを抽出するのを支援する吸引力を提供する。間隙を通過する空気及びゴミは、チャンバ１１８内に配置又は収容された掃除容器又はゴミ容器１４５の開口部に通じるプレナム１４２Ｂを経由する。この開口部は、ゴミ容器１４５のゴミ収集キャビティ１４５Ａに通じる。キャビティの上方に配置されたフィルタ１４７が、真空ファン１４６の吸気口に通じる空気通路からのゴミを選別除去する。真空ファン１４６から排出された濾過空気は、排気口１２２を通じて導かれる。

順駆動方向Ｆにおける抽出器１４４の前方の、前端部１１０Ａに近接するシャーシ１１０の側壁沿いには、サイドブラシ１４８が取り付けられる。サイドブラシ１４８は、床面に垂直な軸を中心に回転することができる。ロボット１００は、サイドブラシ１４８によって、床面に沿った掃除対象範囲をさらに拡大することができる。具体的に言えば、サイドブラシ１４８は、ロボット１００の占有面積の外側から中心部の掃除ヘッドアセンブリの経路内にゴミを弾き飛ばすことができる。

掃除用システムの他の好適な構成は、Ｃｏｈｅｎ他に付与された米国特許第９２１５９５７号、Ｍｏｒｉｎ他に付与された米国出願公開第２０１６／０１６６１２６号、及びＧｉｌｂｅｒｔ，Ｊｒ．他に付与された米国特許第８８８１３３９号に開示されており、これらの文献の開示は引用により本明細書に組み入れられる。

（概略的に示す）ロボットコントローラ回路１０２は、シャーシ１１０に担持される。ロボットコントローラ１０２は、ロボット１００の他の様々なコンポーネント（例えば、抽出器１４４、サイドブラシ１４８及び／又は駆動輪１３２）を制御するように構成される（例えば、適切に設計されプログラムされる）。一例として、ロボットコントローラ１０２は、ロボット１００を前方又は後方に動かすように駆動輪１３２を協調して動作させる命令を与えることができる。別の例として、ロボットコントローラ１０２は、時計回りの旋回を行うように一方の駆動輪１３２を順方向に動かして他方の駆動輪１３２を逆方向に動かす命令を発することもできる。同様に、ロボットコントローラ１０２は、回転抽出器１４４又はサイドブラシ１４８の動作を開始又は停止させる命令を与えることもできる。いくつかの実施形態では、ロボットコントローラ１０２が、ロボット１００が自律的に動いて床面を掃除するように仕向ける命令を発するのに適した行動規範型ロボットスキーム（ｂｅｈａｖｉｏｒ−ｂａｓｅｄ−ｒｏｂｏｔｉｃｓ ｓｃｈｅｍｅ）を実装するように設計される。ロボットコントローラ１０２は、ロボット１００の他のコンポーネントと同様に、シャーシ１１０上に配置されたバッテリ１２６によって給電を受けることができる。

検出器システム１５０（図４）は、頂部又は通信／誘導信号受信機又は検出器１５２と、近接センサ又は壁追従センサ１５３と、段差センサ（ｃｌｉｆｆ ｓｅｎｓｏｒ）１５４と、順方向受信機又は検出器１５６と、光学式マウスセンサ１５７と、磁場センサ１５５と、撮像素子１５８と、カメラ１５９とを含む。いくつかの実施形態では、これらのセンサ又は検出器の各々が、ロボットコントローラ１０２に通信可能に結合される。ロボットコントローラ１０２は、ロボット１００の周囲に分散してロボットコントローラ１０２に通信可能に結合された複数のセンサから受け取られたフィードバックに基づく行動規範型ロボットスキームを実装する。

（概略的に示す）近接センサ１５３は、ロボット１００の周辺部に沿ってロボット１００の前方隅部に近接して取り付けられる。近接センサ１５３は、ロボット１００が順駆動方向Ｆに移動する際にロボット１００の前方又は側方に出現する潜在的な障害物の存在に応答する。

段差センサ１５４は、シャーシ１１０の前端部１１０Ａに沿って取り付けられる。段差センサ１５４は、ロボット１００が順駆動方向Ｆに移動する際にロボット１００の前方の潜在的な段差又は床の落差を検出するように設計される。具体的に言えば、段差センサ１５４は、床面の縁部又は段差（例えば、階段の縁部）を示す床の特徴の急変に応答する。

通信／誘導信号検出器１５２は、ロボット１００のハウジング１１１の前方上部に取り付けられる。検出器１５２は、エミッタ（例えば、ドック２００の回避信号エミッタ２３２及び／又は帰還及び整列エミッタ２３４Ｒ、２３４Ｌ）、並びに（任意に）ナビゲーションビーコン又は仮想壁ビーコンのエミッタから放出された信号を受け取ることができる。いくつかの実施形態では、通信検出器１５２がドック２００から放出された帰巣信号（ｈｏｍｅ ｓｉｇｎａｌ）を受け取ったことに応答して、ロボットコントローラ１０２がロボット１００をドック２００にナビゲートしてドッキングさせることができる。

いくつかの実施形態では、図示のように、検出器１５２が、ロボット１００上の最高点に、軸ＦＡ上の矢印によって示す主要移動方向によって定められるロボット１００の前方を向いて取り付けられる。別の実施形態では、頂部信号検出器１５２の代わりに複数の検出器を使用することもできる。このような実施形態は、複数の側部取り付け式センサ又は検出器の使用を含むことができる。各センサは、全てのセンサの集合的視野が単一の頂部取り付け式センサの視野に対応するように配向することができる。単一の全方向性検出器は、最適な性能のためにロボットの最高点に取り付けられるので、複数の側部取り付け式検出器を組み込むことによってロボットの輪郭を低くすることができる。

順方向検出器１５６は、ロボット１００の前端に取り付けられ、バンパ１１６上又はその背後に取り付けることができる。順方向検出器１５６は、ドック２００のエミッタ２３４Ｒ，２３４Ｌから放出された信号を受け取る。他の実施形態では、１対の検出器がエミッタ２３４Ｒ，２３４Ｌからの信号を受け取り、或いは３つ以上の検出器を使用することもできる。

いくつかの実施形態では、検出器１５４、１５６が、フォトダイオードと関連する増幅及び検出回路とを全方向性レンズと併せて含む赤外線（「ＩＲ」）センサ又は検出器モジュールであり、ここで言う全方向性とは、実質的に単一面を意味する。ベースドック２００上のエミッタ２３２、２３４Ｒ、２３４Ｌがロボット１００上の検出器１５２、１５６に整合するように適合されている限り、変調又はピーク検出波長に関わらずあらゆる検出器を使用することができる。別の実施形態では、電子増幅素子の有無に関わらずにＩＲフォトトランジスタを用いて、マイクロプロセッサのアナログ入力部に直接接続することができる。この場合、信号処理を用いてロボット１００におけるＩＲ光の強度を測定することによって、ロボット１００とＩＲ光の光源との間の距離の推定値を提供することができる。

後述するように、いくつかの実施形態では、通信信号検出器１５２及び／又は方向検出器１５６の代わりに又はこれらに加えて、磁場検知検出器１５５が使用される。

カメラ１５９は、ロボット１００の順駆動方向に向けられた視野光軸（ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ ｏｐｔｉｃａｌ ａｘｉｓ）を有するカメラなどの視覚センサである。図示の実施形態では、カメラ１５９がロボットの後端部１１０Ａに配置され、その見通し線が検出器１５２よりも前方上向きに角度を付けられる。いくつかの実施形態では、カメラ１５９がビデオカメラである。いくつかの実施形態では、カメラ１５９を使用して動作環境内の特徴及び目標物（ｌａｎｄｍａｒｋｓ）を検出し、Ｖｉｄｅｏ Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ（ＶＳＬＡＭ）技術を用いて地図を作成する。

光学式マウスセンサ１５７は、ロボット１００の車台１１５上に配置される。図４の上面図に示す円は、光学式マウスセンサ１５７の相対的な配置を示すものであるが、この図ではセンサ１５７は見えない。マウスセンサ１５７は、ロボット１００を真っ直ぐに動かし続けるように床を追跡してドリフト補償を支援する。

撮像素子１５８（図７）は、ロボット１００の前端部１１０Ａに取り付けられる。いくつかの実施形態では、撮像素子１５８がバンパ１１６内又はその背後に取り付けられ、透明窓１１６Ａによって保護される。いくつかの実施形態では、撮像素子１５８がストラクチャードライト（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ）センサである。

撮像素子１５８は、プロセッサ１５８Ａと、第１の光源１５８Ｌと、第２の光源１５８Ｕと、イメージセンサ１５８Ｄとを含み、これらは全て単一モジュール１５８Ｅに統合することができる。イメージセンサ１５８Ｄは、ＣＣＤイメージセンサ、アクティブピクセルセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ、又は他の好適なイメージセンサ又はカメラとすることができる。光源１５８Ｌ、１５８Ｕの各々は、ＬＥＤ、レーザダイオード、又は他の好適な光源とすることができる。

光源１５８Ｕ、１５８Ｌは、使用時にそれぞれの標的面又は作業面ＷＳＬ、ＷＳＵ（図１１）上に光を投影し、この光が作業面からイメージセンサ１５８Ｄ上に反射される。イメージセンサ１５８Ｄは、複数の又は一連の画像フレームを取得する。これらの画像フレームをプロセッサ１５８Ａが処理して、各作業面ＷＳＬ、ＷＳＵからの又はこれらの作業面に対する撮像素子１５８の深度、距離及び／又は変位を特定又は計算する。

いくつかの実施形態では、図示のように、光源１５８Ｌが、そのストラクチャードライトビームＢＬ（図１１）を下側作業面ＷＳＬに交わるように（水平に対して）斜め下向きの角度で投影するように構成され、光源１５８Ｕが、そのストラクチャードライトビームＢＵを上側作業面ＷＳＵに交わるように（水平に対して）斜め上向きの角度で投影するように構成される。動作中、通常、下側の面ＷＳＬは、ロボット１００が横切る床又はその他の支持面であり、上側の面ＷＳＵは、床又はその他の支持面の上方に位置するロボット１００の環境内の物体とすることができる。いくつかの実施形態では、撮像素子１５８が、作業面から反射されたビームＢＵ又はＢＬがイメージセンサ１５８Ｄの検出窓内でイメージセンサ１５８Ｄと交差するイメージセンサ１５８Ｄ上の垂直位置に基づいて、各作業面までの距離を特定する。

撮像素子１５８としての使用に適したストラクチャードライト撮像素子としては、台湾のＰｉｘＡｒｔ Ｉｍａｇｉｎｇ社から市販されているＧｌｏｂａｌ Ｓｈｕｔｔｅｒ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒを挙げることができる。

図示の例には示していないが、ロボット１００には、本開示の範囲から逸脱することなく他の様々なタイプのセンサを組み込むこともできる。例えば、ロボット１００には、バンパ１１６の衝突に応答する触覚センサ、及び／又はブラシモータのモータ電流に応答するブラシモータセンサを組み込むことができる。

ロボット１００は、（例えば、全体が引用により本明細書に組み入れられる米国特許出願公開第２０１２／０２９１８０９号に記載されているような）掃除容器１２２内に存在するゴミの量を検知するための容器検出システムをさらに含むことができる。

ロボット充電サブシステム１６０は、二次コイル又は受信コイル１６４を含む充電回路１６２を含む。ロボット充電サブシステム１６０は、エネルギー管理システム２０５の一部を成す。

いくつかの実施形態では、受信コイル１６４が、半径方向に重なり合うセグメント又は巻線１６４Ｂと、入力端及び出力端１６４Ｃとを形成するように同心的に螺旋状に巻かれたワイヤ１６４Ａとを含む。いくつかの実施形態では、コイル１６４が実質的に平面的又は平坦である。

いくつかの実施形態によれば、コイル１６４が、１．２５ｍｍ未満の厚みＴ１（図６）を有し、いくつかの実施形態では約０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの厚みを有する。

受信コイル１６４は、ロボット１００の容器１４５の下方の車台１１５に取り付けられる。図６に示すように、受信コイル１６４は、コイル室１２４に収容され又は閉じ込められる。いくつかの実施形態では、コイル１６４が、コイル室１２４内でハウジング１１１に固定される。いくつかの実施形態では、コイルの巻線がカバー１１４の内面（上面）に機械的に固定される。コイル１６４は、例えば接着剤又は締結具によってカバー１１４及び／又はシャーシ１１０の底壁１１０Ｃに固定することができる。いくつかの実施形態では、コイル１６４が、カバー１１４及び／又は底壁１１０Ｃ内に成形される。いくつかの実施形態では、コイル１６４が、その頂面と底面がいずれもプラスチック（例えば、カバー１１４）によって包み込まれる（すなわち、完全に包み込まれる）ようにプラスチックで成形される。

いくつかの実施形態では、コイル室１２４が、ロボット１００の外部環境及びメインチャンバ１１８から閉鎖又は封鎖される。いくつかの実施形態では、コイル室１２４が、ロボット１００の外部環境及びメインチャンバ１１８から実質的に気密封鎖される。このように、コイル１６４は、環境及びロボット１００の残り部分から隔離される。これにより、コイル１６４は、ロボット周囲の又はロボット１００内に存在する塵埃又はゴミによる汚染から保護される。

受信コイル１６４は、車台１１５内の、ドック２００の送信コイル２４４の位置に対応する位置に配置される。一般に、ロボット１００の受信コイル１６４は、ドック２００の送信コイル２４４に酷似する。いくつかの実施形態によれば、図５に示すように、コイル１６４の中心軸ＲＣＡが、排出口１２０のための空間をもたらすようにロボット１００の横方向中心線ＦＡから水平方向にオフセットされる。いくつかの実施形態では、軸ＲＣＡとＦＡ（すなわち、ロボット１００の前後方向中心線）との間のオフセット距離Ｅ１（図５）が、約２〜８ｃｍである。

いくつかの実施形態では、受信コイル１６４の上方にゴミ容器の少なくとも一部が配置される。横方向中心線ＦＡから水平にオフセットされた位置にコイル１６４を配置することにより、ロボット１００の車台上に、受信コイル１６４の外径の横方向外側に排出口１２０を配置するための空間がもたらされる。この結果、ゴミ容器１４５から排出口１２０までの導管又は流路が受信コイル１６４の外側に位置して、受信コイル１６４の開口部又はコイル室１２４を通らなくなる。

いくつかの実施形態では、コイル１６４が、ロボット１００のＦＡ−ＬＡ面に対して実質的に平行に配向される。

いくつかの実施形態によれば、受信コイル１６４が、底部カバー１１４の下側外面から約３ｍｍ未満の垂直距離Ｅ２（図６）に配置され、いくつかの実施形態では約１ｍｍ〜５ｍｍの垂直距離に配置される。

いくつかの実施形態によれば、底部カバー１１４のコイル室１２４を定める部分の公称厚さＴ２（図６）が少なくとも２ｍｍである。いくつかの実施形態によれば、シャーシ底壁１１０Ｃのコイル室１２４を定める部分（すなわち、コイル室１２４を定める上壁）の公称厚さＴ３（図６）が少なくとも２ｍｍである。

受信コイル１６４及びロボット充電サブシステム１６０の実施形態のさらなる詳細については後述する。

ロボット１００は、あらゆる好適な（単複の）作業を実行するように修正することができる。例えば、ロボット１００は、床のワックス掛け及び艶出し、床洗浄、（通常はＺａｍｂｏｎｉ（登録商標）という商標名で製造された設備によって行われる）整氷、掃き掃除及び掃除機がけ、不完全な床の研磨及び染料／塗料の塗布、融氷及び除雪、草刈りなどに使用することもできる。いくつかの実施形態では、ロボットが、カメラを取り付けた格納式マストを運ぶ移動ベース（ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｂａｓｅ）として構成される。このような作業には多くのコンポーネントが必要になることがあり、必要に応じてこれらのコンポーネントの各々をロボット１００に組み込むことができる。本出願では、単純化のために、例証的な所定の作業として掃除機がけについて説明する。本明細書に開示するエネルギー管理及び自動ドッキング機能には、様々なロボットシステムにわたる幅広い用途がある。

図８は、本発明の１つの実施形態によるドック２００の概略的斜視図である。ドック２００は、実質的に水平なベースプレート又はプラットフォーム２１０と、実質的に垂直なタワー又はバックストップ２２０とを含むハウジング２１１を含む。プラットフォーム２１０上のバックストップ２２０前方には、ドッキングベイＤＢが定められる。ドック２００は、あらゆる様々な形状又はサイズとすることができ、後述する望ましいコンポーネント及びシステムにとって十分な空間を提供する。

プラットフォーム２１０は、内部に定められたコイル室２１６（図９）を含む。コイル室２１６は、隆起したパッド壁２１２によって覆われる。コイル室２１６及びパッド壁２１２の両側には、トラック２１４が定められる。

プラットフォーム２１０は、ドック２００が存在する地面と概ね平行であり、或いは配線用の空間を提供するようにわずかに傾斜させることもできる。プラットフォーム２１０の高さ又は厚みは、送信機誘導コイル２４４を収容するようなサイズにすることができる。

ドック２００は、ドック充電サブシステム２４０と、通信／誘導システム２３０と、ドックコントローラ２２２と、（図示していない電源に接続される）電源入力コネクタ２２４とを含む。ドック充電システム２４０は、エネルギー管理システム２０５の一部を成す。

（概略的に示す）ドックコントローラ回路２２２は、ハウジング２１１に担持される。ドックコントローラ２２２は、他の様々なドック２００のコンポーネントを制御するように構成される（例えば、適切に設計されプログラムされる）。

通信／誘導システム２３０（図８）は、頂部信号エミッタ２３２と、第１の又は前方右側の帰還／整列エミッタ２３４Ｒと、第２の又は前方左側の帰還／整列エミッタ２３４Ｌと、１対の水平に離間した微調整エミッタ（ｆｉｎｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｅｍｉｔｔｅｒｓ）２３８とを含む。

頂部信号エミッタ２３２は、バックストップ２２０の頂部に取り付けられる。エミッタ２３２は、ドック２００の近傍の拡散領域において、ロボットが掃除などの作業実行中に意図せずドック２００と直接接触するのを防ぐ回避信号ＢＡ（図８）などの第１の信号を生成する。頂部信号エミッタ２３２は、放物面反射鏡を利用して回避信号を送信することができる。このような実施形態では、焦点を中心に放物線を回転させることによって決定される幾何学的形状を有するレンズに向けられた単一のＬＥＤによって回避信号が放出される。従って、この放物面反射鏡は、複数のエミッタを必要とすることなく回避信号ＢＡを３６０°パターンで放出する。ロボット上の検出器１５６にも、単一のＬＥＤの代わりに単一の受信機を用いて同様の構成を採用することができる。

帰還／整列エミッタ２３４Ｒ、２３４Ｌは、バックストップ２２０の前壁２２０Ａに配置される。いくつかの実施形態では、エミッタ２３４Ｒ、２３４Ｌがバッフル２３６によって分離される。帰還／整列エミッタ２３４Ｒ及び２３４Ｌは、後述するようなそれぞれの帰還信号ＢＲ及びＢＱ（図１０）を放出又は発射する。いくつかの実施形態では、エミッタ２３４Ｒ、２３４ＬがＬＥＤである。エミッタ２３４Ｒ、２３４Ｌは、ナビゲーションブイ又は基準としての役割を果たす。いくつかの実施形態では、図示のように、ロボット１００がドッキング位置にある時に方向検出器１５６Ｂがエミッタ２３４Ｒ、２３４Ｌ間の実質的に中心に位置するように、エミッタ２３４Ｒ、２３４Ｌがドック２００の中心線Ｘ−Ｘから横方向にオフセットされ、方向検出器１５６Ｂがロボット１００の中心線ＦＡからオフセットされる。

微調整エミッタ２３８は、前壁２２０Ａに配置される。微調整エミッタ２３８は、所定の距離Ｅ３（図８）だけ離間する。いくつかの実施形態では、距離Ｅ３が約１ｃｍ〜３ｃｍである。微調整エミッタ２３８は、後述するようなそれぞれの近整列信号ＢＮを放出又は発射する。いくつかの実施形態では、微調整エミッタ２３８がＬＥＤである。エミッタ２３８は、ナビゲーションビーコン又は基準としての役割を果たす。

ドック充電サブシステム２４０は、一次コイル又は送信コイル２４４を含む充電回路２４２を含む。

いくつかの実施形態では、送信コイル２４４が、半径方向に重なり合うセグメント又は巻線２４４Ｂと、入力端及び出力端２４４Ｃとを形成するように同心的に螺旋状に巻かれたワイヤ２４４Ａを含む。いくつかの実施形態では、コイル２４４が実質的に平面的又は平坦である。

いくつかの実施形態によれば、コイル２４４が、１．２５ｍｍ未満の厚みＴ４（図９）を有し、いくつかの実施形態では約０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの厚みを有する。

送信コイル２４４は、ドック２００のプラットフォーム２１０に取り付けられる。いくつかの実施形態では、図９に示すように、送信コイル２４４がコイル室２１６に収容される。いくつかの実施形態では、コイル２４４が、コイル室２１６内でプラットフォーム２１０に固定される。コイル２４４は、例えば接着剤又は締結具によってパッド壁２１２及び／又はプラットフォーム２１０の底壁２１０Ａに固定することができる。いくつかの実施形態では、コイル２４４が、パッド壁２１２及び／又は底壁２１７内に成形される。

いくつかの実施形態では、コイル室２１６が、ドック２００の外部環境から閉鎖又は封鎖される。いくつかの実施形態では、コイル室２１６が、ドック２００の外部環境から実質的に気密封鎖される。このように、コイル２４４は、環境から隔離されてロボット１００による汚染から保護される。

送信コイル２４４は、プラットフォーム２１０の、ロボット１００の受信コイル１６４の位置に対応する位置に配置される。

いくつかの実施形態では、コイル２４４が、実質的に床と平行に配向される。

いくつかの実施形態によれば、送信コイル２４４が、パッド壁２１２の上側外面から約７ｍｍ未満の垂直距離Ｅ５（図９）に配置され、いくつかの実施形態では約３ｍｍ〜２０ｍｍの垂直距離に配置される。

いくつかの実施形態によれば、パッド壁２１２のコイル室２１６を定める部分の公称厚さＴ５（図９）が少なくとも２ｍｍである。

送信コイル２４４及びドック充電サブシステム２４０の実施形態のさらなる詳細については後述する。

ロボット１００は、様々な行動モードを使用して作業領域の効果的な掃除を行う。行動モードは、並行して動作できる制御システムの階層である。ロボットコントローラ１０２（例えば、マイクロプロセッサ）は、センサシステムからの入力に基づいていずれかの所与のシナリオのための１又は２以上の主要行動モードを識別して実施する優先的調停スキームを実行する。ロボットコントローラ１０２は、回避、帰還及びドック２００とのドッキング操作の調整も行う。

一般に、説明するロボット１００の行動モードは、（１）カバレッジ行動モード、（２）逃避行動モード、及び（３）安全行動モードとして特徴付けることができる。カバレッジ行動モードは、主にロボット１００がその作業を効率的かつ効果的に実行できるように設計され、逃避行動モード及び安全行動モードは、ロボット１００の通常動作が損なわれた（例えば、障害物に出くわした）、又は損なわれる可能性がある（例えば、落下を検出した）ことがセンサシステムからの信号によって示された時に実施される優先的行動モードである。

ロボット１００の代表的かつ例示的な（掃除のための）カバレッジ行動モードは、（１）スポットカバレッジパターン、（２）障害物追従（又は縁部掃除）カバレッジパターン、及び（３）室内カバレッジパターンを含む。スポットカバレッジパターンは、規定の作業領域内の、例えば人通りの多い領域などの限られた領域をロボット１００に掃除させる。いくつかの実施形態では、スポットカバレッジパターンが螺旋アルゴリズムによって実施される（ただし、多角形などの他のタイプの自己境界的領域アルゴリズムを使用することもできる）。ロボット１００の外向き又は内向きの螺旋状の動きを引き起こす螺旋アルゴリズムは、マイクロプロセッサから動力システムへの、移動時間又は移動距離の関数として回転半径を変化させる（これによってロボット１００の螺旋状の移動パターンを増加／減少させる）制御信号によって実施される。

上述したロボット１００の典型的な行動モードについての説明は、ロボット１００が実行できる動作モードのタイプを示すためのものである。当業者であれば、上述した行動モードを他の組み合わせで実施することも、特定の用途において他のモードを定めて所望の結果を達成することもできると理解するであろう。

ロボット１００が自律的に行うランダムな動きを含む動作アルゴリズムに（ロボット１００の動きを制御する制御信号の形の）決定論的要素を加えることにより、ナビゲーション制御システムをロボット１００と有利に組み合わせて使用してロボット１００の掃除効率を高めることができる。ナビゲーション制御システムは、ナビゲーション制御アルゴリズムの指示で動作する。ナビゲーション制御アルゴリズムは、所定のトリガイベントの定義を含む。

大まかに説明すると、ナビゲーション制御システムは、ナビゲーション制御アルゴリズムの指示でロボット１００の動きをモニタする。１つの実施形態では、以下でさらに詳細に説明するように、モニタした動きをロボット１００の「位置履歴」に関して定義する。別の実施形態では、モニタした動きをロボット１００の「瞬間的位置」に関して定義する。

所定のトリガイベントは、特定のロボット１００の動きの発生又は状態である。所定のトリガイベントが実現すると、ナビゲーション制御システムは、制御信号を生成してロボット１００に通信するように動作する。ロボット１００は、この制御信号に応答して、制御信号によって定められる行為、すなわち規定の行為を実施又は実行するように動作する。この規定の行為が、ロボット１００の動きの決定論的要素を表す。

ロボット１００の様々な動作中には、撮像素子１５８を用いてロボットの誘導及び動作のための情報を取得することができる。いくつかの実施形態では、ロボット１００に関する障害物及び危険物を回避し又はこれらに別様に対処できるように、撮像素子１５８を用いてこれらの障害物及び危険物を検出する。下向きのビームＢＬは、撮像素子１５８の動作範囲内における床面高さ又はその付近の障害物、並びに床の段差又は窪みの検出に使用することができる。上向きのビームＢＵは、ロボットを動作不能にしてしまう可能性のある障害物を検出して回避するために、ロボット１００の上部又は上方の障害物の検出に使用することができる。

いくつかの実施形態では、撮像素子１５８が、少なくともロボット１００の最大１０インチ前方の、いくつかの実施形態では少なくとも最大１２インチ前方の物体及び空隙を効果的に検出する。

カメラ１５９は、ロボットのナビゲート及び他の動作に使用する画像の取得に使用することができる。いくつかの実施形態では、カメラ１５９が、動作環境内の特徴及び目標物を検出して地図を作成するために使用されるＶＳＬＡＭカメラである。

ロボット１００は、掃除を行っている間、定期的に固定ドック１００に接近する。ドック２００に接触すると、ドック１００が損傷を受け、或いはドッキング不可能な領域に動いてしまう恐れがある。従って、回避機能が望ましい。不慮の接触を避けるために、ドック２００は、図１０に示すような回避信号ＢＡを生成することができる。図示の回避信号ＢＡは、バックストップ２２０の頂部のエミッタ２３２から送信されている。ドック２００からの回避信号ＢＡの半径方向範囲は、所定の出荷時設定、ユーザ設定又はその他の留意事項に応じて異なることができる。回避信号ＢＡは、最低限ロボット１００との不測の接触からドック２００を保護するのに十分な距離だけ放出されればよい。回避信号ＢＡの範囲は、用途に応じてドック２００の周辺部を越えてドック２００から数フィート先まで広がることができる。

回避信号ＢＡは、全方向性（すなわち、単一面）の赤外線ビームとすることができるが、複数の単一固定ビーム又は信号などの他の信号も検討される。しかしながら、固定ビームを使用する場合には、十分な数でなければ、ロボット１００がこれらのビームに遭遇する可能性を高めるだけの十分なカバレッジをドック２００の周囲に提供することができない。ロボット１００の検出器１５２がエミッタ２３２からの回避信号ＢＡを受け取ると、ロボット１００は、必要に応じてその進路を変更してドック２００を回避することができる。或いは、ロボット１００は、（再充電又はその他のドッキング目的で）能動的又は受動的にドック２００を探している場合には、後述する帰還信号に遭遇する可能性を高めるように、ドック２００の周囲を回ることなどによってドック２００に向かう進路を変更することができる。

一般に、回避信号ＢＡは、帰還信号ＢＲ、ＢＱと同様に変調され符号化される。ビット符号化方式及び２進符号は、たとえロボット１００が複数の符号を同時に受け取った場合でもロボット１００が各信号の存在を検出できるように選択される。

回避信号ＢＡからの測定可能レベルのＩＲ放射が検出器１５２にぶつかる度に、ロボットのＩＲ回避行動がトリガされる。１つの実施形態では、この行動が、ＩＲ信号が検出可能レベルを下回るまでロボット１００を適所で左向きに回転させる。その後、ロボット１００は以前の動きを再開する。１つの実施形態では、検出器１５２が勾配検出器として機能する。ロボット１００は、ＩＲ強度の高い領域に遭遇すると適所で回転する。検出器１５２はロボット１００の正面に取り付けられ、ロボット１００は後向きには移動しないので、検出器１５２は、常にロボット１００の他の部分よりも先にＩＲ強度の増加が「見える」。従って、適所での回転は、検出器１５２を強度の低い領域に移動させる。ロボット１００は、次に前方に移動する際に、必然的にＩＲ強度の低い領域に移動して回避信号ＢＡから離れる。

他の実施形態では、ドック２００が、異なる出力レベルで符号化された複数のエミッタ、又は時分割多重化システムを用いて自機の出力レベルを変化させるエミッタを含む。これらのエミッタは、ロボット１００が室内の遠くからドック２００に向かって移動できるようにする同心状の符号化信号リングを生成する。従って、ロボット１００は、常にドック２００の存在を認識して、ドック２００の位置特定、ドッキング、部屋を掃除した割合の判定などを容易にすることができる。或いは、ロボット１００は、ＩＲ場を通過する自機の動きを用いてＩＲエネルギーの勾配を測定する。勾配の符号が負である（すなわち、検出したエネルギーが動きと共に減少している）場合、ロボット１００は（ＩＲ源から離れて）真っ直ぐに進む。勾配の符号が正である（エネルギーが増加している）場合、ロボット１００は旋回する。最終的な効果は、「勾配降下アルゴリズム」を実装してロボット１００が回避信号ＢＡの発信源から逃げるようにすることである。この勾配法は、放出された信号の発信源を探すために使用することもできる。様々な出力レベルの同心状リングは、たとえ未加工信号の強度を求める手段が存在しなくてもこの可能性を高める。

いくつかの実施形態では、システム１０が、ドッキングのために、ａ）探索又は発見ステップ、ｂ）帰還又は遠接近（ｆａｒ ａｐｐｒｏａｃｈ）ステップ、及びｃ）近接近（ｎｅａｒ ａｐｐｒｏａｃｈ）ステップという連続ステップを含むドッキング手順を実行する。いくつかの実施形態では、システム１０が、微接近（ｆｉｎｅ ａｐｐｒｏａｃｈ）ステップを実行することもできる。ロボット１００は、これらのステップ（すなわち、探索モード、遠接近モード、近接近モード及び微接近モード）の各々を実行する対応するモードを採用することができる。ドッキング手順は、ロボット１００がドッキングベイＤＢ内の最終的な規定のドッキング位置ＤＰ（図１）に来ると終了する。ドッキング位置ＤＰは、正確な目標ドッキング位置からの許容公差又は許容偏差を含むことができる。

探索ステップでは、探索モードにあるロボット１００が、ドック２００の存在及びロボット１００に対する大まかな位置を探索して発見する。

次に、遠接近ステップでは、遠接近モードにあるロボット１００が、ドック２００のドッキングベイＤＢと粗い又は大まかな整列を行い、ドッキング位置ＤＰに向かって徐々に移動する。ロボット１００は、ドック２００に向かって中間距離を進むことができ、その後を近接近ステップ及び近接近モードが引き継ぐ。

次に、近接近ステップでは、近接近モードにあるロボット１００が、ドッキングベイＤＢとより密接に整列し、さらにドッキング位置ＤＰに向かって徐々に移動する。このステップでは、ロボット１００が、ロボット１００の前端部１１０Ａとバックストップ２２０の前壁２２０Ａとの間の距離を縮める。ロボット１００は、プラットフォーム２１０に対する自機の側方整列又は回転配向を調整することもできる。いくつかの実施形態では、ロボット１００が、旋回して後向きにドッキングベイＤＢ内に移動する（すなわち、後向きにドッキングする）ことができる。

次に、微接近ステップでは、微接近モードにあるロボット１００が、さらに目標ドッキング位置に向かって徐々に移動し、ドッキング位置ＤＰに到達すると接近を終えることができる。このステップでは、ロボット１００が、ロボット１００の前端部１１０Ａとバックストップ２２０の前壁２２０Ａとの間の距離を微調整する。ロボット１００は、プラットフォーム２１０に対する自機の側方整列又は回転配向を微調整することができる。

いくつかの実施形態では、ロボット１００が、大型の機械的誘導機構を必要とせずに、ドック２００とのドッキングを正確かつ再現可能に実行する。

ロボット１００は、バッテリを再充電する必要性を検出した時、又は部屋の掃除を終えた時に、探索モードに入ってドック２００を探索することができる。上述したように、ロボット１００は、このモードでは発見信号としての役割を果たす回避信号ＢＡ（従ってドック２００）の存在を検出又は発見すると遠接近モードに入り、必要に応じて移動して帰還信号ＢＲ、ＢＬを検出することができる。

遠接近ステップでは、ロボット１００が、帰還信号ＢＲ、ＢＱ（図１０）及びその方向検出器１５６を用いてロボット１００を誘導する。上記の回避信号ＢＡの場合と同様に、帰還信号ＢＲ、ＢＱの放出範囲及び放出方向は、必要に応じて変更することができる。しかしながら、信号が長ければ長いほど、ロボット１００がドック２００を効率的に発見する可能性を高めることができる。長い信号は、ドック２００の位置を無作為に特定するのに異常なほどの時間が掛かる特に広い部屋にロボット１００が配置されている場合にも有用となり得る。帰還信号ＢＲ、ＢＱの範囲は、用途に応じてプラットフォーム２１０の正面約６インチ先から、プラットフォーム２１０の数フィート先まで広がると想定される。帰還信号ＢＲ、ＢＱの角度幅は、用途に応じて異なり得るが、５°〜６０°以上までの角度幅が想定される。各帰還信号ＢＲ、ＢＱの角度幅は、帰還信号ＢＲ、ＢＱのビーム又は掃引によってカバーされる範囲とすることができ、いくつかの実施形態では概ね又は実質的に円錐台形である。上述した勾配行動を用いて、ロボットがドック２００を探し出すのを支援することもできる。

ロボット１００は、２つの帰還信号ＢＲ、ＢＱを、例えば第１の又は右側帰還信号ＢＲ及び第２の又は左側帰還信号ＢＱとして区別することができる。一般に、これらの信号の生成にはＩＲビームが使用され、従って目には見えない。ＩＲビームは変調することができる。ロボット１００がどちらの信号を特定の側に置くべきかを認識している限り、あらゆる信号ビットパターンを使用することができる。或いは、異なる波長又は（例えば、３８０ｋＨｚと３８ｋＨｚなどの）異なる搬送周波数を使用することによって信号ＢＲ、ＢＱを区別することもできる。

従って、ロボット１００は、ドッキングを望んでいる又は必要としている時に、検出器１５６がドック２００から送信された右側信号ＢＲを受け取った場合には、右側信号ＢＲをロボットの右側に保持するように動き、ドック２００から送信された左側信号ＢＱを検出した場合には、左側信号ＢＱをロボットの左側に保持するように動く。２つの信号が重なり合っている場合（重複ゾーンＢＯ）、ロボット１００は、ドック２００がすぐ近くに存在することを分かった上でドッキングすることができる。このようなシステムは、ロボット１００の正しい配向及び接近、並びにドッキングの成功を確実にするために、重複ゾーンＢＯを実質的に可能な限り薄くするように最適化することができる。或いは、右側信号ＢＲ及び左側信号ＢＱを、ロボット１００がドッキングするまで追従する単一の信号に置き換えることもできる。

図１０には、帰還信号を利用したドッキング手順中にロボット１００が辿ることができる例示的な経路ＲＰを示す。検出器１５６が左側信号１５６の場内に存在する場合、ロボット１００は、左側信号ＢＱをロボット１００の左側に保持しようとしてＭＲの方向に右向きに移動する。従って、検出器１５６が右側信号１５６の場内に存在する場合、ロボット１００は、右側信号ＢＲをロボット１００の右側に保持しようとしてＭＬの方向に左向きに移動する。最後に、検出器１５６が重複ゾーンＢＯに遭遇すると、ロボット１００は直接ドック１００に向かってＭＤの方向に移動する。

ロボット１００は、ドック２００に接近している間、円滑なドッキングを確実にするために接近速度を落とし、及び／又は掃除を中断し、或いはその他の機能を実行することができる。これらの動作は、ロボット１００が回避信号ＢＡを検出し、従ってドック２００に近いことを認識した時に、或いはエミッタ２３４Ｒ、２３４Ｌからの信号が変化した時などの他の何らかの所定の時点に行うことができる。

図１１を参照すると、近接近モードでは、ロボット１００が撮像素子１５８を用いて近接近ステップでロボット１００を誘導する。撮像素子１５８からのデータを使用して、バックストップ２００に対するロボット１００の側方整列、及びバックストップ２００に対するロボット１００の深度整列（すなわち、近接性）の両方を誘導することができる（すなわち、撮像素子１５８は深度又は距離検出器として動作する）。撮像素子１５８は、ストラクチャードライトビームＢＬ、ＢＵを用いて、ドック２００の存在、及びロボット１００の前端部１１０Ａに対するドック２００の相対的位置を検出する。いくつかの実施形態では、ロボット１００がドッキングベイＤＢに入ると、撮像素子１５８がバックストップの前壁２２０Ａの位置を検出する。

従って、撮像素子１５８は、ロボット１００の前端部１１０Ａとバックストップ２２０との間の距離を測定し、これによってＸ軸上におけるドック２００に対するロボット１００の位置を測定することができる。この結果、ロボットコントローラ１０２が、この情報を用いてロボット１００の動きを制御することができる。

いくつかの実施形態では、車輪１３２がトラック２１４に係合する前に近接近モードに入る。いくつかの実施形態では、ロボット１００がバックストップ２２０から約８〜１６インチの範囲に来ると近接近モードに入る。

いくつかの実施形態では、ロボットコントローラ１０２が、撮像素子１５８のみを用いてロボット１００の最終位置を決定する。しかしながら、望ましいドッキング位置ＤＰは、前壁２２０Ａとイメージセンサ１５８Ｄとの間の間隔Ｅ７（図２）が撮像素子１５８の特定の又は有効最小範囲Ｅ８（図１１）よりも狭くなる（すなわち、撮像素子１５８が前壁２２０Ａに近すぎて正確に距離を特定できない）ような位置とすることができる。例えば、撮像素子１５８の最小範囲Ｅ８は３ｃｍとすることができ、間隔Ｅ７は５ｍｍ未満とすることができる。このため、ロボット１００は、さらに微接近ステップを実行することができる。微接近ステップは、後述するような異なる技術／装置を用いて遂行することができる。

いくつかの実施形態では、微接近ステップにおいて、ロボット１００が、撮像素子１５８及び微調整エミッタ２３８を用いてロボット１００をその最終ドッキング位置に誘導する。エミッタ２３８は、既知の距離Ｅ３だけ互いに離間する。エミッタ２３８から放出された変調信号ビームＢＮ（図１１）は、イメージセンサ１５８Ｂにおいて直接受け取られる。ロボット１００がバックストップ壁２２０Ａに接近するにつれて、エミッタ２３８との間の知覚距離が縮まり、この知覚距離がロボット１００とバックストップ壁２２０Ａとの間の望ましい間隔Ｅ７の予想値に等しくなると、ロボット１００は停止する。このことから、撮像素子１５８は、（ストラクチャードライトセンシングを用いて）撮像素子１５８の有効最小範囲未満の範囲内の十分な精度でバックストップ壁２２０Ａまでの距離を決定することができる。

この方法によってもたらされる有効最小範囲がロボット１００を最終位置に誘導するのに不十分である場合、ロボットコントローラ１０２は、オドメトリ又は推測航法を用いてドッキング位置ＤＰまでの残りの距離をロボット１００に案内することができる。すなわち、ロボット１００は、イメージセンサ１５８Ｄ及びエミッタ２３８を用いて有効最小範囲内の距離までロボット１００を誘導し、検出位置からドッキング位置ＤＰまでの間隙距離を計算して、ロボット１００を間隙距離だけ推進する。

別の実施形態では、微接近ステップにおいて、ロボット１００が、エミッタ２３８を使用せずに上述したようなオドメトリ又は推測航法を使用する。すなわち、ロボット１００は、撮像素子１５８を用いて撮像素子１５８の有効最小範囲内の距離までロボット１００を誘導し、検出位置からドッキング位置ＤＰまでの間隙距離を計算して、ロボット１００を間隙距離だけ推進する。

別の実施形態では、ロボット１００が、磁気コイル１６４、２４４を用いてドッキングを行う。ロボット１００は、ドック２００に近づく際にドック側のコイル２４４の磁場を検知することによって、ドック側の送信コイル２４４とロボット側の受信コイル１６４との整列を判定することができる。

他の実施形態では、微接近ステップにおいて、ロボット１００が、内蔵衝突センサ（例えば、接触センサ又は変位センサ）を用いて、ロボット１００の前端部１１０Ａが前壁２２０Ａに接触した時点を検出する。ロボット１００は、接触を検出した時点で停止し又は所定の距離だけ逆行して、ロボット１００をドッキング位置ＤＰに位置付けることができる。

他の実施形態では、遠接近ステップにおいてロボット１００を誘導するために、カメラ１５９（例えば、ＶＳＬＡＭカメラ）を用いてドック２００を検出する。カメラ１５９は、上述したＶＳＬＡＭ技術を用いた地図の作成及び使用に使用することもできる。例えば、いくつかの実施形態では、カメラ１５９を（例えば、床から３〜８フィート上方の位置が見えるように）上方に向けて物体又は特徴（例えば、額縁、戸口の枠及び縁）を確認し、ロボット１００をこれらの目標物（すなわち、特徴の集団）に対応付けて限局化する。

帰還信号ＢＲ、ＢＱ、回避信号ＢＡ、及び／又はイメージセンサ信号ＢＬ、ＢＵは、ナビゲーションビーコンとして動作することに加えて、プログラミングデータ、フェイルセーフ及び診断情報、ドッキング制御データ及び情報、メンテナンス及び制御シーケンスなどを含む情報を送信するために使用することもできる。このような実施形態では、ロボット１００がドック２００からの特定の信号に接した時に然るべき行動を取るのとは対照的に、これらの信号が、ロボットの反応を決定付ける制御情報を提供することができる。この場合、ロボット１００は、むしろドック２００のスレーブとして機能して、送信信号によって指示された通りに動作する。

遠接近ステップ、近接近ステップ及び微接近ステップの各々では、ロボット１００が、本明細書で説明したナビゲーション支援を用いて、ドック２００に対するロボット１００の側方整列、ドック２００に対するロボット１００の角度配向、及び／又はドック２００内へのロボット１００の深度方向位置（すなわち、バックストップ２２０に対する近接性）を調整する。

一般に、掃除のための制御シーケンスは、測定されたロボット１００のエネルギーレベルに基づく３つのサブシーケンスを含む。これらは、一般に高エネルギーレベル、中エネルギーレベル及び低エネルギーレベルとして参照される。高エネルギーレベルサブシーケンスでは、ロボット１００が所定の作業を行い、この例では（上述したような様々な行動モードを利用して）ドック２００を避けながら掃除を行う。ドック２００を回避する場合、ロボット１００は、回避行動を実行して正常に動作し続ける。この過程は、ロボット１００が自機のエネルギーレベルを継続的にモニタしている間継続する。電源のエネルギーレベルのモニタリングには、クーロメトリ（すなわち、常に電源に出入りする電流の測定）、又は電源に残っている電圧を単純に測定することなどの様々な方法を利用することができる。ロボット１００の他の実施形態は、タイマとメモリに記憶されたルックアップテーブルとを単純に使用して、ロボット１００が異なるエネルギーレベルサブシーケンスに入るまでにどれほど長く動作できるかを決定することができる。さらに他の実施形態では、ロボット１００がどのエネルギーレベルサブシーケンスで動作しているかを特定することなく、再充電まで所定の時間にわたってロボット１００を単純に動作させることができる。ロボット１００が液体燃料又は気体燃料で動作する場合、このレベルは、現在当業で周知の装置を用いて測定することもできる。

ロボット１００は、残りのエネルギーが所定の高レベルを下回ると中エネルギーレベルシーケンスに入る。ロボット１００は、掃除とエネルギーレベルのモニタとを継続する。しかしながら、中エネルギーレベルでは、ロボット１００がドック２００を「受動的に探索」する。ロボット１００は、ドック２００を受動的に探索している間はその移動特性を変化させず、むしろ回避信号ＢＡ又は帰還信号ＢＲ、ＢＱを検出するまで通常の行動モードを継続し、最終的にロボット１００がドック２００にドッキングするまでこれらの信号の各々に追従することができる。換言すれば、ロボットは、受動的に探索を行いながら回避信号ＢＡを検出した場合には、通常行うようにドック２００を回避するのではなく、帰還信号ＢＲ又はＢＱを検出することによってドッキングが可能になるまで自機の移動特性を変化させる。

或いは、ロボット１００は、所定の低レベルよりも低いエネルギーレベルを示すまで、この中エネルギーレベルサブシーケンスで動作し続ける。ロボット１００は、そうなった時点で、動作及び移動特性の変化を特徴とする低レベルサブシーケンスに入る。ロボット１００は、エネルギーを節約するために全ての付帯システムへの、及び掃除などの作業への給電を中止して、ドック２００を「積極的に探索」できるようにできるだけ多くのエネルギーを節約することができる。ロボット１００は、積極的に探索を行っている間、ドック２００を発見する可能性を高めるように自機の移動特性を変化させることができる。ロボット１００は、壁追従などの計画性の高いモードを採用して、必ずしもドック２００の位置を特定する可能性を高めるわけではない螺旋状の動きを使用するものなどの行動モードを中止することができる。この計画的探索は、回避信号ＢＡ又は帰還信号ＢＲ、ＢＱのいずれかを検出することによってロボット１００がドック２００の存在を検出するまで継続する。当然ながら、残りの電力が限界レベルに達した時に警報を鳴らしたり、或いはドック２００の位置を再度特定する役に立つようにドック２００と最後に接触した後にロボット１００が取った経路を再構成したりする追加のサブシーケンスを組み込むこともできる。

ロボット１００は、割り当てられた作業（例えば、部屋の掃除）を完了した、又は自機の容器を空にする必要がある、と判断したことによってドッキングを行うこともできる。ロボット１００は、この判断を、部屋のサイズ、総稼働時間、総移動距離、汚れの検知などに関する留意事項を含む様々な要因に基づいて行うことができる。或いは、ロボットは、ドック２００及び／又は壁、並びに大型の物体を基準点として用いた室内地図作成プログラムを使用することもできる。ロボット１００は、自機の作業を完了したと判断すると、素早くドック２００を発見するために自機の移動特性を変化させる。ドック２００は、充電システムのみを含むことも（すなわち、充電ドック）、或いは充電システムと、ロボット１００の容器からゴミを出して空にする排出システム又は排出ステーションとの両方を含むこともできる。

ロボット１００は、ドッキング位置に来ると自律的に自機を充電することができる。ドック２００内の回路は、ロボット１００の存在を検出すると送信コイル２４４への充電電圧をオンにする。

ロボット１００は、ドック２００にドッキングしている間に他のメンテナンス又は診断チェックを行うこともできる。いくつかの実施形態では、ロボット１００が、様々な要因に基づいて、自機の電源を完全に再充電することも、又は一部のみ充電することもできる。ドッキング位置に存在している間、診断機能、内部機構の清掃、ネットワークとの通信又はデータ操作機能などの他の行動を実行することもできる。

本明細書で上述したように、エネルギー管理システム２０５は、電磁誘導充電を用いてロボット１００を充電する。誘導充電を使用すると、直接的な電気接触充電と比べて多くの利点をもたらすことができる。

誘導充電を使用すると、システム１０の故障点としての電気接点を排除することができる。誘導充電システムは、ドッキングをさらに容易で確実なものにする。

工業意匠にさらなる柔軟性がもたらされる。誘導充電は、完全密封されたドックを可能にする。

本明細書で上述したように、いくつかの実施形態では、送信コイルからの磁場をロボットへのドック回避信号として使用することもでき、この場合はロボットのドック回避センサを省略することができる。

誘導充電システムは、規制から外れないための（ロボット上の）電荷受信回路から（ドック上の）電荷送信回路への明示的な通信を必要としない。

受信コイル１６４及び送信コイル２４４をコイル室１２４及び２１６に入れる（同様に、後述するように送信コイル３４４をコイル室３１６に入れる）ことにより、コイル１６４、２４４、３４４が環境及びロボット１００の内部から隔離されるようになる。この結果、人々、ペット、及びロボット１００の内部コンポーネントがコイルの電圧から保護され、コイルが損傷から保護されるようになる。また、送信コイル２４４、３４４が受信コイル１６４に接触することが防がれる。いくつかの実施形態では、各コイル１６４、２４４、３４４の上面及び底面の各々が、約１〜３ｍｍの厚みのプラスチックに包まれる。

受信コイルと送信コイルとの間の結合係数には様々なパラメータが影響を及ぼすことができ、これらのパラメータは、結合係数を高めるように調整することができる。結合係数は、狭い分離間隙、広いコイル面積及び正確な整列によって増加する。大型のコイルでは、良好な整列はそれほど重要ではない。太いコイルワイヤは効率を高める。

いくつかの実施形態では、コイルが１６０〜２７０ｋＨｚの周波数で動作する。

図１２に、ロボット充電サブシステム１６０とドック充電サブシステム２４０とを含む電磁誘導充電システム２０５を概略的に示す。説明したようにロボット１００がドッキングベイＤＢにドッキングすると、受信コイル１６４が、間に垂直方向又は軸方向の間隙ＧＣを伴って送信コイル２４４に重なる。このようにして、コイル１６４、２４４はエアギャップ変成器を形成する。回路２４２が、送信コイル２４４を通る交流電流を付与し、これによって送信コイル２４４から交流磁場（磁束）が発生する。この磁束が受信コイル１６４によって受け取られて電流に変換される。回路１６２は、この電流を使用してバッテリ１２６を充電し、又はロボット１００に別様にエネルギーを供給する。

誘導充電の効率（エネルギー伝達率及び電力損失）は、コイル１６４、２４４間の整列及び間隔に依存する。本明細書で説明したドッキングモード、その方法、構造及びセンサは、ロボット１００が一貫して正しくドッキング位置ＤＰにドッキングし、これによってコイル１６４、２４４が正しく整列することを確実にすることができる。

いくつかの実施形態では、ロボット１００がドッキング位置ＤＰにある時に、コイル１６４、２４４が実質的に平行な面内に存在する。いくつかの実施形態では、コイル１６４が受信コイル面ＰＲＣ（図２）を定め、コイル２４４が送信コイル面ＰＴＣを定め、面ＰＲＣ及びＰＴＣが平行であり、又は相対的に１０度以下の角度を成す。

ロボット１００が所定のドッキング位置ＤＰにある時（図１及び図２）には、コイル１６４がコイル２４４に対して所定の垂直整列位置に存在する。いくつかの実施形態では、コイル１６４の中心軸ＲＣＡが、コイル２４４の中心軸ＴＣＡと実質的に同軸上にある。いくつかの実施形態では、軸ＲＣＡが、受信コイル面ＰＲＣにおいて軸ＴＣＡの５ｍｍ以内に配置され、いくつかの実施形態では３０ｍｍ以内に配置される。

他の実施形態では、ロボット１００がドッキング位置ＤＰにある時に、送信コイル軸ＴＣＡが、受信コイル軸ＲＣＡから所定のオフセット距離だけオフセットされた位置において受信コイル面ＰＲＣと交わり、送信コイル２４４が受信コイル１６４に垂直に重なる。いくつかの実施形態では、この所定の距離が約５ｍｍ以下であり、いくつかの実施形態では約５〜３０ｍｍである。

とりわけ、ロボット１００がドッキング位置ＤＰにある時に、受信コイル１６４及び送信コイル２４４の中心軸ＲＣＡ、ＴＣＡをさらに密接に整列させるために、送信コイル２４４は、送信コイルの中心軸ＴＣＡがプラットフォーム２１２の中心又は中線からオフセットされるようにプラットフォーム２１２内に水平に配置される。

受信コイル１６４のオフセットは、ドック３００の排出口３１８に対応するものである。

さらに、受信コイル１６４をロボット１００の車台１１５に配置して送信コイル２４４をプラットフォーム２１２に配置すると、コイル１６４、２４４間に比較的狭い軸方向間隙ＧＣ（図２）を設けることができる。それでもなお、コイル１６４、２４４の各々は、コイル室１２４、２１６に閉じ込められることによって環境から保護される。ギャップが狭ければ狭いほど、エネルギー伝達効率の改善が可能になる。いくつかの実施形態では、間隙ＧＣが、７ｍｍ以下の高さＥ１０を有する。

いくつかの実施形態によれば、ロボット充電サブシステム１６０及びドック充電サブシステム２４０が以下のように動作する。ドック充電回路（「送信機ファームウェア」）２４２は、ピング、ハンドシェーク及び充電という主な状態を呈する。一般に、ドック充電回路２４２は、ロボット１００がドック２００上に存在するかどうかを判定するために定期的に（例えば、約１／３秒毎に）「ピング」を発信し、ロボット１００の存在を確認してフル充電を行うかどうかを決定する。

ピングモードでは、ドック充電回路２４２がコイル２４４の振動を開始し、振動を止めて実際のロボットが存在する時点、電力を吸収する異物が存在する時点（「スノーショベル」検出）、及びドック付近に何も存在しない時点を検出するのに掛かる時間を測定する。

ハンドシェークモードでは、ドック充電回路２４２が、短時間にわたって電力を流している時に消費された電力の差分を観察することによってロボット１００からの認証語をリスンする。

充電モードでは、ドック充電回路２４２が、効率を高めて電子機器を有効動作領域（電流及び電圧）に保つように送信電力を制御する。具体的に言えば、充電モードでは、ドック充電回路２４２が、受信機（すなわち、ロボットの充電回路１６２）の離調を検出するまで電圧フィードバック電流制御（ｖｏｌｔａｇｅ−ｆｅｅｄｂａｃｋ−ｃｕｒｒｅｎｔ−ｃｏｎｔｒｏｌ）を用いて電力を送信し、その後に可変時間にわたって電力送信を停止する。電力を停止する時間は、受信機が離調前にどれほど長く電力を消費していたかに基づいて動的に調整される。

ドック充電回路２４２のサイクル毎の制御は、送信コイルのサイクル毎に（いくつかの実施形態では、約２００ｋＨｚ又は５μｓ毎に）実行される割り込みハンドラで実行することができる。割り込みハンドラは、次のサイクルで電流制限（図では「リミット」と呼ぶ）を調整するか、又はエネルギーの追加を完全に停止する（図では「デッド」信号を有効にすると呼ぶ）ことによって、次のサイクルで送信コイル２４４にどれだけの電流を送信するかをサイクル毎に決定する。説明する高レベル制御コードは、ドック充電回路２４２の高レベル状態に依存して送信コイル２４４を管理するためにこれらの割り込みハンドラのうちのどの割り込みハンドラが動作すべきかを決定する。

「充電共振タンク」状態は、ロボット１００に電力を送信する際の主要モードである。このモードでは、ドック充電回路２４２が、ロボット充電回路１６２の離調を検出するまで電流制限を調整する。離調を検出すると、ドック充電回路２４２が「アイドル」状態に入ることにより、受信コイル１６４が電力を引き出していた時間を測定し、計算された時間にわたってスリープするようにバックグラウンドコードがトリガされる。

「ハードスタート」状態及び「減衰」状態は、電力を送信している間の過渡状態である。ドック充電回路２４２は、最初に「ハードスタート」状態に入り、電力の送信中は、ロボット充電回路１６２が離調した時に「アイドル」状態に入るまで「充電共振タンク」状態と「減衰」状態との間を移行する。

ロボット充電回路１６２は、起動して認証コードを送信した後に電力が来ていることをチェックする。電力が来ていれば、ロボット充電回路１６２は、システム電圧が何らかの閾値を超えた時に離調するメインループに入る。これを行うのに要する時間は、ロボット充電回路１６２から引き出されている電力（すなわち、ロボット充電回路１６２がバッテリを充電しているかどうか、及びどれほどの電力がバッテリに送信されているか）に依存する。ロボット充電回路１６２は、次に一時的に離調して、これをドック充電回路２４２が検出し、その後は次にドック充電回路２４２が電力を送信すると決定した時に電力を受け入れるように再同調する。

いくつかの実施形態では、送信コイル２４４から放出される磁場、及びドック充電回路２４２のタンク回路が、ロボット１００のナビゲーション制御においても使用される。ロボット１００は、ドック充電回路２４２によって生成された「ピング」に伴う磁荷を検出する。ロボット１００は、この検出を用いて（例えば、ロボットが掃除の任務を受けて動き回っている間は）ドック２００を回避し、或いは（ドッキングを開始するために）ドック２００を発見することができる。いくつかの実施形態によれば、検出半径がドック２００から約６〜１８インチであり、いくつかの実施形態では１０〜１４インチである。

いくつかの実施形態では、ロボット１００上の磁場センサ１５５を用いてピング信号を検出することができる。センサ１５５を使用すると、ロボットの受信コイル１６４及び充電回路１６２とは無関係にピング信号を検出することができる。磁場センサ１５５は、第１の磁気検知回路１５５Ａと第２の磁気検知回路１５５Ｂとを含むことができる。磁気検知回路１５５Ａ、１５５Ｂの各々は、高利得増幅器を備えた小型ＬＣ回路とすることができる。第１の磁気検知回路１５５Ａのインダクタコイルは、送信コイル２４４までの距離に概ね比例する信号を供給するようにＺ方向（垂直方向）に配向することができる。第２の磁気検知回路１５５Ｂのインダクタコイルは、送信コイル２４４の配向に概ね比例する信号を供給するようにＸ方向又はＹ方向に（左右、前後又は水平方向に）配向することができる。

磁場センサ１５５は、ドッキング中にロボット１００がドック送信コイル２４４の磁場内のどこに存在するかを決定するために使用することもできる。このように、正面方向検出器１５６によって提供されるデータの代わりに又はこれに加えて、磁場センサ１５５からの検出を用いて遠接近ステップを実行することもできる。

磁場センサ１５５は、ロボット１００が完全にドッキングした時点でコイル１６４、２４４が十分に上手く整列していることを確認するために使用することもできる。これによってコイル１６４、２４４間の整列を改善できることにより、良好な電力伝達を達成するための良好な結合効率を保証することができる。

いくつかの実施形態では、ロボット１００がドック２００と整列することにより、コイル１６４がコイル２４４とＸ軸及びＹ軸に沿って±２５ｍｍ以下の、いくつかの実施形態では±５ｍｍ以下の、いくつかの実施形態では約±１ｍｍの許容差で整列する。いくつかの実施形態では、コイル１６４、２４４のＺ軸に沿った整列許容差が２０ｍｍ以下である（すなわち、コイル１６４がコイル２４４の上方に２０ｍｍを超える間隔を空けることはなく、コイル１６４、２４４は実現可能な限り互いに近接する）。

図１３及び図１４に、本発明の１つの実施形態による排出ドック３００を示す。排出ドック３００は、実質的に水平なベースプレート又はプラットフォーム３１０と、実質的に垂直なタワー又はバックストップ３２０とを含むハウジング３１１を含む。プラットフォーム３１０上のバックストップ３２０前方には、ドッキングベイＤＢが定められる。排出ドック３００は、あらゆる様々な形状又はサイズとすることができ、後述する望ましいコンポーネント及びシステムにとって十分な空間を提供する。

プラットフォーム３１０は、内部に定められたコイル室３１６を含む。コイル室３１６は、壁３１２と下壁３１５とによって定められる。コイル室３１６は、隆起したパッド壁３１２によって覆われる。コイル室３１６及びパッド壁３１２の両側には、平行なトラック３１４が定められる。パッド壁３１２には、排出吸込口３１８が定められる。排出吸込口３１８は、プラットフォーム３１０の横方向中心線及びトラック３１４間の中点からオフセットされる。

プラットフォーム３１０は、バックストップ３２０に向かって一定の上向き角度で傾斜する。いくつかの実施形態では、プラットフォーム３１０の上昇角が６〜１０度であり、いくつかの実施形態では８〜１０度であり、いくつかの実施形態では約８．６度である。

排出ドック３００は、充電サブシステム３４０と、通信／誘導システム３３０と、ドックコントローラ３２２と、（図示していない電源に接続される）電源入力コネクタ３２４とを含み、これらはそれぞれ、後述する点を除き、充電サブシステム２４０、通信／誘導システム２３０、ドックコントローラ２２２、及び電源入力コネクタ２２４に対応して同様に動作する。排出ドック３００は、回避エミッタ３３２と、指向性エミッタ３３４Ｒ、３３４Ｌと、１対の微調整エミッタ３３８とを含み、これらはそれぞれ回避エミッタ２３２、指向性エミッタ２３４Ｒ、２３４Ｌ、及びエミッタ２３８に対応する。

充電サブシステム３４０は、充電回路２４２及び送信コイル２４４に対応する充電回路３４２及び送信コイル３４４を含む。コイル３４４は、コイル室２１６及びコイル２４４に関して上述した態様と同じ態様でコイル室３１６に収容される。コイル３４４は、バックストップ３２０に向かって床に対して一定の斜角Ａ１（図１４）で傾斜し又は配向される。いくつかの実施形態では、角度Ａ１が約６〜１０度であり、いくつかの実施形態では８〜１０度であり、いくつかの実施形態では約８．６度である。コイル３４４の中心軸ＲＣＡは、コイル１６４のオフセットと一致するようにプラットフォーム３１０の中線Ｘ−Ｘからオフセットされる。

排出ドック３００は、ゴミ排出システム３５０をさらに含む。排出システム３５０は、タワー３２０内の（取り外し可能とすることができる）ゴミ容器３５２と、プラットフォーム３１０に配置された排出口３１８と、排出口３１８を容器３５２に流体的に接続する１又は複数のダクトと、排出口３１８から容器３５２にゴミを引き込むように構成された吸い込みファン３５４とを含む。

車輪トラック３１４は、ロボットの駆動輪１３２を受け入れて、ロボット１００を排出吸込口３１８と正しく整列させてプラットフォーム３１０上に誘導するように設計される。各車輪トラック３１４は、駆動輪１３２を適所に保持してロボット１００をプラットフォーム３１０に対して確実に整列させて位置付けるとともに、一旦ドッキングしたらロボット１００が傾斜したプラットフォーム３１０を意図せず滑り落ちるのを防ぐ窪んだ車輪ウェル３１９を含む。

ロボット１００は、ドック２００に関して上述したように、プラットフォーム３１０に載って排出ステーション３００のドッキングベイＤＢ内に進むことによって排出ドック３００にドッキングすることができる。排出ドック３００がロボット１００を受け取ると、吸い込みファン３５４が、ロボット１００の掃除容器１４５からプラットフォーム３１０を通じてゴミ容器３５２にゴミを引き込む真空を発生させる。

ロボット１００がドッキングベイＤＢの規定のドッキング位置にドッキングすると、コイル１６４がコイル３４４に重なり合って好適に垂直に整列する。また、ロボット１００の排出口１２０も、排出ドック３００の排出口３１８と整列して排出口３１８に接触又は近接する。

ロボット１００は、ドック２００に関して上述した方法と同じ方法で排出ドック３００を回避し、発見し、遠接近し、近接近し、微接近することができる。微調整エミッタ３８８を省略することも検討される。ロボットは、車輪１３２を捕らえることによってロボットを確実に整列させて位置付け、ロボットがドッキングアプローチの最終部分で正しく整列することを確実にする車輪ウェル３１９に依拠することができる。撮像素子１５８を用いて、車輪１３２が車輪ウェルをオーバーラン又はアンダーランしないように保証することもできる。

ドック２００について上述したように、磁場センサ１５５を用いてコイル３４４からの磁気ピング信号を検出してロボットを誘導することもできる。

いくつかの実施形態では、ロボット１００が排出ドック３００と整列することにより、コイル１６４がコイル２４４とＸ軸及びＹ軸に沿って約±１ｍｍの許容差で整列する。排出ドック３００は、ロボットの排出口１２０と排出ドック３００の吸込口３１８との密接な整列を必要とし、従って位置ずれのための許容差が非常に小さく、ドック２００についての許容差よりも小さい。いくつかの実施形態では、コイル１６４、３４４のＺ軸に沿った整列許容差が約±２０ｍｍである。

図１５〜図１７に、本発明の実施形態による芝刈り機ロボットシステム２０を示す。システム２０は、芝刈り機ロボットと充電ドック５００とを含む。ロボット４００はロボット充電サブシステム４６０含み、ドック５００はドック充電サブシステム５６０を含み、これらは共に誘導充電システム５０５を形成する。

ロボット４００は、ロボットコントローラ４０２と、シャーシ４１０と、切断デッキ４１４と、カバー４１２と、バッテリ４２６と、動力システム４３０と、切断システム４４０とをさらに含む。シャーシ４１０、切断デッキ４１４及びカバー４１２は、ロボット本体、ハウジング基盤又はハウジングを形成する。

動力システム４３０は、１対の独立駆動輪４３４と、１対のキャスタホイール４３５と、車輪４３４を駆動するためのモータ４３４Ａと、自動高さ調整器４３６とを含む。

切断システム４４０は、ロボット１００の本体の底部から懸架された少なくとも１つの切断要素を含む。図示のように、切断システム４４０は、切断デッキ４１４の底部から懸架された１対の回転切断刃４４４と、刃４４４を駆動するための電気モータ４４２とを含む。

ロボット充電サブシステム４６０は、充電回路１６２及び受信コイル１６４に概ね対応する充電回路４６２及び受信コイル４６４を含む。

コイル４６４は、切断デッキ４１４内に定められた受信コイル室４２４に収容される。切断デッキ４１４又はシャーシ４１０は、受信コイル室４２４の一部を定める底壁４１０Ｃを含む。いくつかの実施形態では、底壁４１０Ｃが、少なくとも２ｍｍの公称厚さを有する。底壁４１０Ｃは、下にある表面（例えば、地面又は物体）からコイル４６４を分離する。いくつかの実施形態では、中心軸ＲＣＡ−ＲＣＡが、ロボット４００の前後中心軸ＦＡ−ＦＡを中心とする。

ドック５００は、ハウジング５１１と、地盤アンカー又はスパイク５１２と、ドック充電サブシステム５４０と、帰還システム５３０と、ドックコントローラ５２２とを含む。

ハウジング５１１は、ベース５１０とカバー５１４とを含む。ベース５１０及びカバー５１４は、協働して密閉チャンバ５１６を形成する。

ドック充電サブシステム５４０は、充電回路２４２及び送信コイル２４４に概ね対応する充電回路５４２及び送信コイル５４４を含む。送信コイル５４４は、密閉チャンバ５１６に収容される。カバー５１４は、密閉チャンバ５１６の一部を定める上壁５１４Ａを含む。上壁５１４Ａは、ロボット４００又はその他の上にある物体からコイル５４４を分離する。いくつかの実施形態では、底壁５１４Ａが、少なくとも２ｍｍの公称厚さを有する。

ロボット４００は、自律的な芝刈りのために使用することができる。ロボット４００は、芝刈りセッションを完了した時、又は再充電を必要とする時にドック５００を探索する。

いくつかの実施形態では、ロボット４００が、芝生に関する位置特定ビーコンを使用してドック５００の近傍を詳しく三角測量する。いくつかの実施形態では、ロボット４００が、磁場センサ１５５及びドック充電回路２４２に関して上述したような、ドック充電回路５４２が定期的にピングを送ることによって放出される磁荷を用いてドック５００と整列するように構成される。いくつかの実施形態では、ロボット４００が、ロボット４００がドック５００上の規定のドッキング位置に近づいた時に磁荷ピングを検知してロボットコントローラ４０２がドック５００と整列できるようにするために使用されるホール効果センサを含む。

ロボット４００がドック５００上の規定のドッキング位置に来ると、受信コイル４６４と送信コイル５４４とが実質的に垂直に整列して重なり合い又は近接する。いくつかの実施形態では、ロボット４００が、受信コイル４６４の中心軸ＲＣＡ−ＲＣＡが送信コイル５４４の中心軸ＴＣＡ−ＴＣＡと整列又は近接するようにドック５００上に位置付けられる。ロボット４００は、高さ調整器４３６を用いて、シャーシ５１０及び車輪４３５、従ってコイル４６４に対して切断デッキ４１４を降下させることができる。このようにして、受信コイル４６４を送信コイル５４４に近付ける。いくつかの実施形態では、切断デッキ４１４が降下してドック５００に接触する。

その後、ロボット充電サブシステム４６０及びドック充電サブシステム５４０は、ロボット充電サブシステム１６０及びドック充電サブシステム２４０に関して上述した方法と同じ方法で協働してロボット４００を誘導充電することができる。

コイル１６４、２４４、３４４、４６４、５４４は、あらゆる好適な材料及び構成で形成することができる。いくつかの実施形態では、１又は２以上のコイルが巻き銅線で形成される。いくつかの実施形態では、１又は２以上のコイルが打ち抜き加工した銅で形成される。いくつかの実施形態では、１又は２以上のコイルが巻きアルミ線で形成される。いくつかの実施形態では、１又は２以上のコイルが巻きリッツ線（銅又はアルミニウム）で形成される。

いくつかの実施形態では、ロボットのドッキング時のコイル１６４、２４４間及びコイル１６４、３４４間の垂直間隔距離が２０ｍｍ未満である。

いくつかの実施形態では、コイル１６４が、１．２５ｍｍの厚み、２２の巻き数、５８ｍｍの内径及び１１７ｍｍの外径を有する。

いくつかの実施形態では、受信コイル１６４（「Ｒｘコイル」）及び送信コイル２４４、３４４（「Ｔｘコイル」）が、以下の特性を有する。

Ｔｘコイル（ドック／排出ステーション）
外径：１１０〜１２０ｍｍ
巻き数：１２〜１５
インダクタンス：３０μＨ
最も有力な実施形態はリッツ線コイルである。

Ｒｘコイル（ロボット）
外径：１１０〜１２０ｍｍ、現行〜１１４ｍｍ
巻き数：１８〜２６、現行２２
インダクタンス：３０〜６５μＨ、現行５０μＨ
最も有力な実施形態は銅マグネットワイヤコイルである。

銅マグネットコイルの代表的測定データ

リッツ線コイルも検討され、代表的測定データは以下の通りである。

打ち抜き加工した銅コイルも検討され、代表的測定データは以下の通りである。

打ち抜き加工したアルミコイルも検討され、代表的測定データは以下の通りである。

いくつかの実施形態では、受信コイル１６４（「Ｒｘコイル」）及び送信コイル２４４、３４４（「Ｔｘコイル」）が、以下の特性を有する打ち抜き加工したアルミコイルである。

Ｒｘコイル
外径：１１４ｍｍ
内径：３０ｍｍ
巻き数：３０
トレース幅：１．２ｍｍ
トレース間空間：０．２ｍｍ
推定インダクタンス：５８μＨ（マイクロヘンリー）

Ｔｘコイル
外径：１１４ｍｍ
内径：７２ｍｍ
巻き数：１５
トレース幅：１．２ｍｍ
トレース間空間：０．２ｍｍ
推定インダクタンス：３２μＨ（マイクロヘンリー）

いくつかの実施形態では、ロボット芝刈り機システム２０の受信コイル４６４（「Ｒｘコイル」）及び送信コイル５４４（「Ｔｘコイル」）が以下の特性を有する。

Ｔｘコイル（充電ドック）
巻き数：４
インダクタンス：１０〜２０μＨ、現行１５μＨ
３００Ｗのバッテリを充電する必要あり

Ｒｘコイル（ロボット）
巻き数：９
＃１６ＡＷＧ（米国ワイヤゲージ規格）
公称径：３００ｍｍ
インダクタンス：４０〜６０μＨ、現行５０μＨ
（巻き数８の＃１８ＡＷＧについて測定したデータ：周波数１００ｋＨｚ、５６μＨ、ＥＳＲ０．４９９）

上記の内容は本発明の例示であり、本発明を限定するものとして解釈すべきではない。本発明のほんのいくつかの例示的な実施形態について説明したが、当業者であれば、本発明の新規の教示及び利点から著しく逸脱することなく例示的な実施形態の多くの修正が可能であると容易に理解するであろう。従って、このような全ての修正も本発明の範囲に含まれるように意図されている。従って、上記の内容は本発明の例示であって開示した特定の実施形態に限定されるものとして解釈すべきではなく、開示した実施形態の修正及び他の実施形態も本発明の範囲に含まれるように意図されている。

１０ 自律型カバレッジロボットシステム
１００ 掃除用ロボット
１１１ ハウジング
１５２ 誘導信号検出器
２００ ドック
２０１ 自動ドッキング制御システム
２０５ エネルギー管理システム
２３２ 回避信号エミッタ
ＤＢ ドッキングベイ
ＤＰ ドッキング位置

Claims (25)

1. 受信コイルとストラクチャードライトセンサとを含む自律型移動床掃除ロボットを、ドッキングベイと送信コイルとを含む充電ドックにドッキングさせる方法であって、
   前記ストラクチャードライトセンサを用いて、前記送信コイルから生じる磁場を検知することによって、前記ロボットを前記ドッキングベイの規定のドッキング位置に位置付けるステップと、
   その後に前記ロボットが前記ドッキング位置にある状態で前記受信コイルと前記送信コイルとを用いて前記ロボットを誘導充電するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記ドックは、直立するバックストップを含み、
   前記方法は、前記ストラクチャードライトセンサを用いて前記バックストップを検出することにより、前記ストラクチャードライトセンサを用いて前記移動床掃除ロボットを前記充電ドックと整合させるステップをさらに含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記ロボットが前記ドッキング位置にある時に、前記受信コイルは前記送信コイルと規定の整合状態に置かれる、
   請求項１に記載の方法。
4. 前記ロボットを用いて掃除任務を実行するステップと、
   前記掃除任務中に、前記ストラクチャードライトセンサを用いて前記ロボットの近くの障害物及び／又は空隙を検出するステップと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
5. 表面を掃除するための自律型移動床掃除ロボットであって、
   底部を有するハウジングと、
   前記表面を横切って前記ロボットを推進する動力システムと、
   充電動作中に充電ドックの送信コイルに誘導結合されるように構成された受信コイルを前記ハウジング内の前記底部近くに含む誘導充電システムと、
   前記ハウジングの前記底部に配置され、前記ロボットからゴミを除去するための排出口を含み、前記ロボットが前記表面を横切っている最中に前記表面を掃除する掃除システムと、
   を備えることを特徴とするロボット。
6. 前記受信コイルは、前記ロボットの中心からオフセットされる、
   請求項５に記載のロボット。
7. 自律型移動ロボットであって、
   底部を有するハウジングと、
   表面を横切って前記ロボットを推進する動力システムと、
   前記ハウジング内の前記底部近くに受信コイルを含む誘導充電システムと、
   を備え、
   前記ハウジングは、前記受信コイルを前記表面から分離する底壁を含む、
   ことを特徴とするロボット。
8. 前記ロボットが前記表面を横切っている最中に前記表面を掃除する掃除システムをさらに含む、
   請求項７に記載のロボット。
9. 前記受信コイルは、前記ハウジングによって環境及び前記掃除システムから密封される、
   請求項８に記載のロボット。
10. 前記ハウジングの前記底部から懸架された切断要素をさらに含む、
    請求項７に記載のロボット。
11. 前記ハウジングは、該ハウジングの前記底部に位置し、前記受信コイルを受け取るように構成されたコイル室を定め、
    前記受信コイルは、前記コイル室内に配置される、
    請求項７に記載のロボット。
12. 前記受信コイルは、実質的に平面的であり、前記コイル室は、前記受信コイルを前記表面の上方に水平に保持する、
    請求項１１に記載のロボット。
13. 前記底壁の前記コイル室を定める部分の公称厚さは少なくとも２ｍｍであり、
    前記コイル室を定める上壁の公称厚さは少なくとも２ｍｍである、
    請求項１１に記載のロボット。
14. 前記ハウジングは、シャーシ及び底部カバーを含み、
    前記シャーシは、前記受信コイルを覆って該受信コイルを前記ロボットの区画から分離するシャーシ底壁を含み、
    前記底部カバーは、前記受信コイルを前記表面から分離する、
    請求項７に記載のロボット。
15. 前記受信コイルの中心軸は、前記ロボットの前縁と後縁との間に延びる横方向中心線から一定のオフセット距離だけ水平にオフセットされる、
    請求項７に記載のロボット。
16. 前記オフセット距離は、約２ｃｍ〜８ｃｍである、
    請求項１５に記載のロボット。
17. 前記受信コイルよりも少なくとも部分的に上に配置されたゴミ容器をさらに備える、
    請求項７に記載のロボット。
18. 前記ロボットの前縁と後縁との間に延びる横方向中心線から水平にオフセットされた前記ハウジングの底部の位置に配置されると共に、前記コイルに隣接して配置された排出口をさらに備える、
    請求項７に記載のロボット。
19. 前記ロボットの前面は、四角形の輪郭を定める、
    請求項７に記載のロボット。
20. 前記受信コイルは、前記底壁の下側外面から約１ｍｍ〜５ｍｍの垂直距離に位置する、
    請求項７に記載のロボット。
21. 前記受信コイルは、前記底壁の下側外面から約３ｍｍ未満の垂直距離に位置する、
    請求項２０に記載のロボット。
22. 前記受信コイルの巻線は、前記底壁の上面の内側に機械的に固定される、
    請求項７に記載のロボット。
23. 前記受信コイルは、接着剤又は締結具によって前記底壁の上面の内側に固定される、
    請求項７に記載のロボット。
24. 前記受信コイルは、前記底壁内、又は該受信コイルを覆っている前記ハウジングの上壁内に成形される、
    請求項７に記載のロボット。
25. 前記受信コイルは、上面及び底面をいずれもプラスチックで包まれる、
    請求項７に記載のロボット。

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