KR100919765B1 - 이동 로봇용 자동충전 시스템 및 그의 충전 방법 - Google Patents

Abstract

이동로봇이 자동충전을 위해 도킹스테이션에 접근하는 경우 접근경로의 진입각도에 따른 오차를 보정하고 배터리 충전 중에도 지속적으로 이동로봇이 작동할 수 있도록 별도의 전원을 공급하는 이동로봇용 자동충전 시스템 및 그 충전 방법에 관한 것으로, 전원 공급 및 충전을 위한 도킹 스테이션과 이동로봇의 도킹부 조립체로 이루어진 이동로봇용 자동충전 시스템으로서, 상기 도킹 스테이션은 x축 볼 부시 베어링, y축 볼 부시 베어링, 압축 스프링을 통하여 x축 및 y축 방향으로의 2축 자유 병진운동을 하고, 자동조심 볼 베어링과 인장 스프링을 통하여 x축 및 y축을 중심으로 하는 2축 자유도를 가지는 암 조립체를 포함하는 구성을 마련한다.

상기와 같은 이동 로봇용 자동충전 시스템 및 그 충전 방법을 이용하는 것에 의해, 이동로봇이 다양한 각도로부터 도킹 스테이션으로 접근할 수 있도록 오차를 보정하여 주며, 배터리 충전과 동시에 이동로봇으로 별도의 전원을 공급하여 충전 중에도 이동로봇이 지속적으로 동작을 할 수 있다.

이동로봇, 자동충전, 도킹

Description

이동 로봇용 자동충전 시스템 및 그의 충전 방법{Auto Recharging System for Mobile Robot and Method thereof}

본 발명은 이동로봇의 자동충전을 위한 도킹시스템 및 그 충전 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이동로봇이 자동충전을 위해 도킹스테이션에 접근하는 경우 접근경로의 진입각도에 따른 오차를 보정하고 배터리 충전 중에도 지속적으로 이동로봇이 작동할 수 있도록 별도의 전원을 공급하는 이동로봇용 자동충전 시스템 및 그 충전 방법에 관한 것이다.

로봇의 어원은 슬라브어의 ROBOTA(노예 기계)에 유래된다고 되어 있다. 이러한 로봇은 대부분이 공장에서의 생산 작업의 자동화·무인화 등을 목적으로 한 다관절 아암·로봇(매니퓰레이터)이나 반송 로봇 등의 산업용 로봇(industrial robot)이었다. 이러한 암형 로봇과 같이 특정한 장소에 고정적으로 설치하는 타입의 로봇이나 행동 반경 또는 동작 패턴이 한정된 로봇인 경우, 상용 AC 전원으로부터 전원 케이블을 통하여 항상 급전할 수 있다.

즉, 1955년부터 산업용 로봇 연구가 시작된 이래 1961년 미국의 GM(General Motors) 자동차 공장에서 최초의 산업용 로봇 `Unimate'가 실용화되었고, 1980년대 부터 세계의 경제 활동이 양적인 확대로부터 질적인 향상으로 전환되고 제품의 다양화가 이루어지면서 산업용 로봇은 급속도로 발전을 해왔다. 또한 20세기 후반에 이르러 컴퓨터, 인터넷의 확산은 가정생활을 혁명적으로 변화시켰고, 최근 IT, BT, NT 등의 기술은 기존의 산업용 로봇 개발을 바탕으로 축적된 로봇 기술과 접목되어 지능형 로봇(비제조업 로봇)분야를 형성하게 되었다. 지능형 로봇은 이동 기능과 인공지능이 융합된 첨단 로봇을 말하며, 산업현장에서 생산성 증대를 위해 단순 반복적인 작업에 사용된 산업용 로봇과는 달리, 변화하는 환경에 대한 적응능력을 가지며 인간 실생활 환경에서 인간과 공존하며 복지 증진을 위해 직간접적인 서비스를 제공하는 로봇을 의미한다. 이러한 지능형 로봇은 10대 차세대 성장 동력 사업 중 하나로 채택되어 미래의 중요한 기술로 예상되고 있다.

또한 최근에는 우체국 내의 지능형 서비스 로봇 활용, 청소로봇의 시장화와 함께 지능형 로봇 분야는 이미 일상생활의 한 부분으로 자리 잡고 있다. 이러한 인간에게 보다 구체적이고 실질적인 서비스를 제공하는 지능형 서비스 로봇은 구동 환경의 특성상 이동 로봇 플랫폼(mobile robot platform)의 형태로 이동성을 가지는 경우가 대부분이다. 이는 인간이 활동하는 대부분의 주거환경이나 근로환경 등이 평지에 가까운 형태를 띠고 있고, 최근 계단 이외에도 승강기가 설치된 건물들이 많아졌기 때문이다. 또한 이동 로봇은 보행 로봇에 비하여 그 구조가 비교적 간단하고 저가에 개발과 제어가 가능하므로 최근 많은 서비스 로봇 시장을 이동 로봇이 차지하고 있다.

이러한 이동 로봇이 다양한 임무를 연속적으로 수행하기 위해선 기본적으로 로봇의 에너지를 일정하게 유지시킬 수 있는 기술이 필수적이다. 현재 대부분의 이동 로봇은 배터리를 내장한 형태를 가지고 있으며, 1～2시간 정도의 구동 시간만을 보장하고 있어 계속적인 임무수행에 제약을 가지고 있다. 따라서 사용자가 로봇의 배터리를 충전하고, 다시 구동시켜 임무를 부여하는 행위를 필요로 하게 된다. 이는 사용자의 추가적인 도움을 필요로 하기 때문에, 로봇이 독립적이고 자동화된 시스템으로 발전해 나가는데 저해되는 요인 중 하나로서 부각되고 있다. 이러한 점을 극복하고자 최근에는 로봇이 스스로 배터리를 충전하여, 수행 중이던 임무를 계속 유지하는 자동충전에 대한 연구가 이루어지고 있다. 자동충전 기능은 일부 로봇에게는 필수적인 부분이다. 예를 들어 경비 로봇 또는 공공장소의 서비스 로봇과 같은 경우는 항시 로봇의 임무를 수행할 수 있도록 에너지를 유지시킬 수 있어야 한다.

이는 잠시라도 배터리의 부족으로 경비 로봇, 서비스 로봇의 시스템이 종료되거나 로봇이 임무를 수행하지 못하면 경비 임무에 차질을 가져오거나 서비스를 수행하지 못하여 큰 손실을 가져올 수 있기 때문이다. 앞으로 로봇 기술이 점차 발전해 감에 따라 보다 중요하고 지속적인 임무를 수행하는 로봇들이 증가하게 될 것이고 이로 인해 자동충전 기술은 점차 로봇의 필수적인 요소로 자리 잡을 것으로 전망된다.

즉 최근에는 가정용 청소로봇의 보급률이 증가하고 있으며, 사무실, 관공서 등과 같은 공공장소에서 서비스를 제공하는 중대형 모바일 로봇 또한 계속적으로 등장하고 있다. 이와 같은 모바일 로봇의 자동충전시스템은 로봇의 안정적이고 지속적인 서비스의 제공을 보장할 수 있다.

이러한 자율 로봇 장치는 베이스 스테이션 또는 도킹 스테이션에서 재충전되는 온-보드(on-board) 전력 유닛(통상적으로 배터리)을 포함한다. 로봇들이(예컨대, 무선 신호, 추측 항법(dead reckoning), 초음파 빔, 무선 신호에 결합된 적

외선 빔 등)으로 도킹 또는 탐색함에 있어 사용하는 방법과 충전 스테이션의 타입은 효율성과 응용에 따라 상당히 다양하다. 로봇이 동작하는 지면 아래에 와이어를 매립시키는 것이 일반적이나, 적용 시에는 분명히 한계가 있는데, 왜냐하면 빌

딩의 바닥에 또는 도로면 아래에 안내 와이어를 설치하는 것은 비용이 많이 들기 때문이다. 안내 와이어가 표면에 설치되는 경우, 그 안내 와이어는 로봇 자체에 의해 또는 다른 통행체에 의해 손상을 입을 수 있다. 또한, 와이어는 베이스 스테이션이 재배치되면 이동될 필요가 있다. 따라서, 베이스 스테이션이 로봇 장치를 유인하기 위한 빔 또는 비콘(beacon)을 방출하는 것이 보다 바람직하다. 그러나, 이런 장치는 여전히 수많은 동작적인 한계를 나타낸다.

즉 자율적 또한 자유롭게 돌아다니는 타입의 이동 로봇인 경우, 전원 케이블에 의해서 행동 반경이 제한되게 되기 때문에, 상용 AC 전원에 의한 급전은 불가능하다. 이 당연한 귀결로서, 이동 로봇에는 충전식 배터리에 의한 자율 구동이 도입된다. 배터리 구동에 따르면 이동 로봇은 전원 콘센트의 장소나 전원 케이블 길이 등의 물리적인 제약을 의식하지 않고 사람의 주거 공간이나 각종 작업 공간을 자유롭게 주행할 수 있다.

단지, 배터리 구동식의 로봇에는 배터리의 충전 작업이 따르는 것이 난점이 된다. 이동 로봇은 자동 기기로서 사용하는 것임에도 불구하고, 충전 작업은 완전 자동화의 장벽이 된다. 또한, 충전을 위한 배터리 교환이나 전원 커넥터 접속은 사용자에게 있어서 번거롭기도 하다.

그래서, 이동 로봇을 위한 배터리 충전을 확실하게 또는 완전히 자동화하는 방식으로서, 소위 「충전 스테이션」이 도입되고 있다. 충전 스테이션이란, 그 문자 그대로 이동 로봇의 배터리 충전을 행하기 위한 전용 스페이스를 뜻한다.

로봇이 자주식(自走式)·자율적인 작업을 행하고 있는 기간 중에 배터리의 잔존 용량이 저하한 것을 검지하면 작업을 중단하고 스스로(즉, 자동적으로) 충전 스테이션에 다가선다. 충전 스테이션 내에서는 로봇과 전원 간에서 소정의 전기 접속을 완수하고 배터리로의 급전을 받는다. 그리고, 배터리가 만충전 혹은 소정 용량까지 회복되면, 전원과의 전기 접속을 해제함과 함께 충전 스테이션을 떠나 중단했던 작업을 재개한다.

예를 들면, 작업 공간 내에 복수의 충전 스테이션을 설치함으로써, 이동 로봇은 가장 가까운 충전 스테이션에서 급전을 받을 수 있다. 즉, 이동 로봇은 충전 스테이션 간을 넘어서 이동할 수 있어 행동 반경이 실질적으로 확장된다. 또한, 하나의 충전 스테이션을 복수의 로봇 간에 공유할 수 있어 충전 스테이션수를 절약할 수 있다. 또한, 충전 기능의 일부를 충전 스테이션에 이관함으로써 로봇 본체의 요구 사양이나 중량, 비용 등을 삭감할 수 있다.

또한 이러한 이동로봇용 자동충전 시스템에 관한 일 예가 하기 문헌 1 내지 4로서, 대한민국 공개특허공보 2007-0012121(2007.01.25 공개)호, 2007-0007977(2007.01.16 공개)호, 2006-0134368(2006.12.28 공개)호, 2006-0134367(2006.12.28 공개)호, 2006-0127904(2006.12.13 공개)호 등에 개시되어 있다.

예를 들어, 상기 공개특허공보 2006-0127904호에는 도 8에 도시된 바와 같이, 도킹 또는 결합 위치에서의 베이스 스테이션과 로봇 장치의 구조에 대해 개시되어 있다.

즉, 도 10에 도시된 베이스 스테이션은 거의 수평인 기초판과 거의 수직인 보강벽으로 이루어지며, 기초판은 베이스 스테이션이 놓여지는 지표면에 일반적으로 평행하지만, 보강벽을 향하여 약간 위쪽으로 기울어져 있다.

전기적인 충전 접촉부는 기초판의 윗면에 위치되어, 이 접촉부가 로봇 장치(40)의 밑면상의 대응하는 접촉부에 접촉하게 된다. 접촉부 또는 로봇 상의 접촉부는 고정되거나 연성을 가지며, 접촉부는 로봇 상의 대응하는 접촉부에 신뢰성 있게 반복적으로 접촉되도록 크기가 결정되고 위치된다. 즉, 접촉부는 로봇 접촉부와의 접촉을 보장하기 위해 돔(domed) 형태로 기초판 위로 확대되어 있다.

[문헌 1] 대한민국 공개특허공보 2007-0012121호(2007.01.25 공개)

[문헌 2] 대한민국 공개특허공보 2007-0007977호(2007.01.16 공개)

[문헌 3] 대한민국 공개특허공보 2006-0134368호(2006.12.28 공개)

[문헌 4] 대한민국 공개특허공보 2006-0134367호(2006.12.28 공개)

[문헌 5] 대한민국 공개특허공보 2006-0127904호(2006.12.13 공개)

그러나, 상술한 공보 등에 개시된 기술에 있어서, 현재 상용화되어 있는 대다수의 이동로봇용 충전시스템은 도킹 시 로봇의 접근 오차 보상 가능 범위가 상당히 작아 실질적인 효율성을 보여주지 못하고 있으며, 도킹 후 배터리 충전 시 로봇의 운영체제가 종료된 후 배터리의 충전이 시작되기 때문에, 배터리 완충 후 로봇이 임무를 계속 수행하기 위해서는 사용자가 도킹스테이션에 위치한 로봇의 전원을 켜고 구동시켜, 다시 임무를 부여해야 한다는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 도킹스테이션으로의 다양한 진입각도에 대한 오차를 보상하여 주며, 배터리 충전 시에도 별도의 전원공급부를 두어 지속적인 이동로봇의 전원 확보 및 임무 수행을 할 수 있게 하여주는 이동로봇용 자동충전 시스템 및 그 충전 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템은 전원 공급 및 충전을 위한 도킹 스테이션과 이동로봇의 도킹부 조립체로 이루어진 이동로봇용 자동충전 시스템으로서, 상기 도킹 스테이션은 x축 볼 부시 베어링, y축 볼 부시 베어링, 압축 스프링을 통하여 x축 및 y축 방향으로의 2축 자유 병진운동을 하고, 자동조심 볼 베어링과 인장 스프링을 통하여 x축 및 y축을 중심으로 하는 2축 자유도를 가지는 암 조립체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템에 있어서, 상기 도킹부 조립체는 도킹 시 상기 암 조립체를 도킹부 조립체의 홀 안으로 삽입될 수 있도록 유도하여 주는 경사 구획부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템에 있어서, 상기 도킹 스테이션은 도킹 완료 후 충전 간 외부의 간섭 또는 로봇이 진입하던 힘의 반작용에 의하 여 도킹이 실패하는 경우를 방지하도록, 삽입구 조립체를 고정하기 위한 스냅 스위치에 의해 작동되는 솔레노이드 및 상기 도킹부 조립체의 키가 삽입되는 키 홈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템에 있어서, 상기 도킹 스테이션은 상기 이동로봇의 자동충전 간 이동로봇의 지속적인 전원공급을 위한 전원공급모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템에 있어서, 상기 경사 구획부는 0.25～0.45의 마찰계수 값을 갖는 아세탈(Athetal) 수지로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템에 있어서, 상기 삽입구 조립체는 상기 도킹 스테이션에서 돌출한 기둥형상이며, 상기 삽입구 조립체가 상기 홀 안으로 삽입되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템에 있어서, 상기 도킹 스테이션과 이동로봇의 도킹은 적외선 신호의 송수신에 의해 실행되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템에 있어서, 상기 적외선 신호의 송수신은 상기 도킹 스테이션에 마련된 제1 및 제2의 적외선 송신기와 상기 이동 로봇의 전방에 마련된 적외선 송수신 센서에 의해 실행되며, 상기 경사 구획부는 상기 이동로봇의 후방에 마련되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템에 있어서, 상기 이동 로봇은 전방으로 진행하며 상기 도킹 스테이션과 송수신하고, 충전시 180°회전 후, 후진하여 도킹 스테이션과 도킹하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 방법은 전원 공급 및 충전을 위한 도킹 스테이션과 이동로봇의 도킹부 조립체로 이루어진 이동로봇용 자동충전 방법으로서, 상기 이동 로봇의 충전이 필요한가 판단하는 충전 판단 단계, 상기 판단 단계에서 충전이 필요한 것으로 판단된 경우 상기 도킹 스테이션의 위치를 추적하는 단계, 상기 이동 로봇과 상기 도킹 스테이션과의 거리 및 방향이 일정한 거리 및 방향인가 판단하는 위치 판단 단계, 상기 위치 판단 단계에서 상기 이동 로봇과 상기 도킹 스테이션의 위치 관계가 미리 정한 위치인 것으로 판단되면, 상기 이동 로봇의 위치를 180°회전시켜, 상기 도킹 스테이션과 도킹부 조립체를 도킹시키는 단계를 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템을 통하여 충전을 위한 도킹 시 도킹실패율을 줄일 수 있으며, 충전 간 임무대기상태를 유지할 수 있으므로 충전 중간이나 충전 완료 후, 스스로 재 기동을 실시, 지속적인 임무 수행을 할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템 및 그 충전 방법에 의하면, 이동로봇이 다양한 각도로부터 도킹 스테이션으로 접근할 수 있도록 오차를 보정하여 주며, 배터리 충전과 동시에 이동로봇으로 별도의 전원을 공급하여 충전 중에도 이동로봇이 지속적으로 동작을 할 수 있다는 효과가 얻어진다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

먼저 본 발명의 기본 구성 및 및 작동에 대해 도 1 및 도 2에 따라 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 이동로봇과 도킹 스테이션의 관계를 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템의 동작을 설명하는 흐름도이다.

본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템은 크게 x축 및 y축 방향으로 각각 회전 및 병진운동이 가능한 4자유도(4DOF)를 가지는 도킹 스테이션(2)의 삽입구 조립체(Peg ASSY')와 상기 삽입구 조립체를 이동로봇(100)의 충전모듈로의 유도를 위한 경사구획(Chamfer)부 및 도킹완료 시 자동충전 및 개별 전원공급을 위한 도킹부 조립체(1)로 구성된 특징이 있다.

도킹이 완료되면 전원공급모듈(SMPS)로부터 충전모듈과 삽입구(Peg) 조립체와 도킹부 조립체(1)를 통하여 배터리 충전을 실시하게 되며, 동시에 충전 간 이동로봇(100)의 지속적인 임무수행을 위해 외부 공급 전원이 유지된다.

본 발명에서 개발된 도킹을 위한 시스템은 이동 로봇(100)이 도킹 스테이션(2)으로의 접근 방법으로서 적외선 송수신 센서(101)를 이용한다.

본 발명에 따른 이동 로봇(100)은 도킹 스테이션(2)의 제1의 적외선 송신 부(201) 및 제2의 적외선 송신부(202)에서 출력되는 두 개의 서로 다른 주파수의 적외선 신호를 로봇의 전방에 장착된 적외선 송수신 센서(101)로 감지하여 도킹 스테이션(2)으로 접근하게 된다.

여기서 제1 및 제2의 적외선 송신기(201, 202)는 도킹 스테이션(2)의 왼쪽과 오른쪽으로 구분되어 배치되어 서로 다른 영역으로 신호를 보내게 되며, 두 개의 신호를 동시에 받을 수 있는 중복되는 영역이 존재하게 된다.

이 영역은 이동 로봇(100)이 도킹 스테이션(2)의 위치를 기준으로 되게 한다. 즉, 이동 로봇(100)이 두 개의 신호를 인식할 수 있는 영역을 벗어나게 되어 오른쪽 적외선 신호만 검출하게 된다면, 시계 반대 방향으로, 왼쪽 적외선 신호만 검출되면 시계 방향으로 방향을 전환하여 두 개의 신호가 동시에 검출되는 영역으로 다시 돌아오게 된다.

이와 같은 방법을 반복하여 도킹 스테이션(2)의 중심부로 점차 접근하게 된다. 또한 도킹 스테이션(2)으로부터 도킹 가능 거리보다 짧은 거리에 로봇이 위치하게 되면 후진 및 적외선 센서 감지를 위한 자율 주행의 반복을 통하여 다시 도킹스테이션에 접근을 시도하게 된다. 즉, 이동 로봇(100)과 도킹 스테이션(2)과의 거리 및 방향이 일정한 거리 및 방향으로서, 상술한 두 개의 신호가 동시에 검출되는 영역으로의 접근을 시도하는 것이다.

각 적외선 신호의 수신은 마이크로컨트롤러(MCU, 102)를 통해서 처리되며, 처리된 값은 CAN 통신을 통해 로봇 내의 SBC로 전달된다. 이러한 일련의 과정은 컨트롤 보드를 통해 이루어지게 되며, 보드는 위에서 열거한 기능 외에 자동충전 제 어 기능을 수행할 수 있게 개발하였다.

상술한 바와 같이, 이동 로봇(100)은 본연의 동작을 위한 작동을 실행하고(S10), 마이크로컨트롤러(102)는 이동 로봇(100)의 충전상태를 판단한다(S20). 단계S20에서 충전이 필요한 것으로 판단되면, 송수신 센서(101)를 통해 도킹 스테이션(2)의 위치를 추적한다(S30).

본 발명에 따른 도킹 스테이션으로의 호밍(homing) 메커니즘을 통하여 이동 로봇(100)이 도킹 스테이션(2)에 일정 거리, 즉 도킹을 실행하기 위해 미리 설정된 이동 로봇(100)과 도킹 스테이션(2) 사이의 거리 및 위치에 도달하게 되면(S40), 이동 로봇(100)은 정지(S50)한 후, 약 180°를 회전(S60)하여 로봇의 후방부에 장착되어 있는 도킹부 조립체(1)가 도킹 스테이션(2)을 향하도록 한다. 이는 도킹 모듈인 도킹부 조립체(1)가 이동 로봇(100)의 후방에 위치하기 때문이다.

대부분의 이동 로봇(100)의 전방부에는 장애물 감지를 위한 센서들이 장착되어 있어 도킹 모듈이 센서 신호의 간섭을 일으키지 않기 위함이다. 또한 대부분의 서비스 이동 로봇의 경우는 컨트롤을 위한 LCD창이 전방부에 장착되어 있어, 전방에 도킹 모듈이 장착되어 있다면 충전 시 LCD창을 사용하기 힘든 문제가 발생하기 때문이다.

본 발명에 따른 이동 로봇(100)은 약 180°회전 후, 후방에 위치한 양쪽의 적외선 거리 측정 센서로부터 얻게 되는 도킹스테이션까지의 거리 값을 이용하여 로봇의 자세를 제어하면서 후진하여 도킹 스테이션(2)에 도킹을 하게 된다(S70). 이와 같은 방법으로 정확히 계산하면서 도킹을 시도하더라도 로봇과 도킹 스테이 션(2) 간에는 오차가 생길 수 있으며, 이를 보상하기 위해 본 발명에서는 도킹 메커니즘을 고려하여 도킹부를 설계하였다.

즉 본 발명의 도킹부 설계 및 제작에서는 로봇이 도킹 스테이션(2)에 접근할 때 생기는 거리, 각도 오차를 보상하기 방법으로 RCC(Remote Center Compliance)의 기본적인 원리를 이용하였다. RCC는 1976년도 조립공정에서 부품을 삽입하기 위하여 미국 "Charles Stark Draper" 실험실에서 개발되었다. 도킹부로 들어가는 기둥 모양의 튀어나온 부분을 "삽입부"라 하며, 도킹 시 삽입부가 들어가게 되는 부분을 "홀(Hole)"이라 지칭하며, 삽입부가 도킹부의 홀로 들어가도록 가이드 역할을 해주는 경사진 부분을 "경사 구획부"라 한다.

원기둥 모양의 삽입부는 좌우로 Kx의 스프링 상수를 가지고 직선 움직임이 가능하며, 또한 Kθ의 회전 방향의 스프링 상수를 가진다. 좌우 및 회전 움직임은 같은 평면상에서 발생하며 삽입부는 반지름 r을 가지며 Lg의 길이를 가지게 된다.

도 3은 RCC의 마찰 콘(Friction cone)을 보여주며 Φ는 마찰 콘의 각도를 나타내며 마찰계수 η에 의하여 결정되는 값이다. 이 마찰 콘 내의 방향으로 삽입부가 접근하게 되면 마찰에 의하여 삽입부는 홀 안으로 진입하지 못하게 된다. 먼저 삽입부의 좌우 거리오차, 각도 오차를 보상하기 위해 경사 구획부의 설계가 이루어져야 한다. 이러한 구조에서 각도가 커질수록 삽입부의 각도 오차 허용 값은 커지게 되지만, 좌우 거리 오차 허용 값은 작아지게 된다.

반면에 경사 구획부의 각도가 작아질수록 삽입부의 각도 오차 허용 값은 작아지고, 좌우 거리 오차 허용 값은 커지게 된다. 본 발명에서 설계된 경사 구회부 의 재질은 아세탈(Athetal) 수지이며, 아세탈 수지는 0.25～0.45(0.35)의 마찰계수(η)값을 가진다. 이를 이용하여 마찰 콘의 값을 구하면 약 ±21.5°를 얻을 수 있으며, 좌우 거리 오차와 각도 오차의 상관관계를 고려하여 도킹부의 경사 구획부는 좌우 거리 오차 ±55.06mm, 각도 오차 ±18.5°까지 허용할 수 있도록 설계하였다.

또 본 발명에 따른 도킹 모듈은 도킹스테이션의 삽입부가 도킹 모듈의 홀로 진입하여 도킹을 성공하게 되면, 홀 내부의 접지 단자와 연결된 마이크로 스위치(micro switch)인 스냅 스위치를 누르게 되어 도킹 여부를 마이크로 컨트롤러(102)가 인식하게 된다. 또한 도킹 성공 후에도 외부의 간섭 또는 로봇이 진입하던 힘의 반작용에 의하여 도킹이 실패하는 경우가 생기게 된다.

이러한 문제점을 방지하기 위하여 본 발명에서는 도킹 고정부를 마련하고, 도킹이 성공하게 되면 마이크로 컨트롤러(102)는 양쪽에 위치한 솔레노이드(Solenoid)를 구동시켜, 2개의 고정부가 홀이 빠져나가지 않도록 도킹을 고정하게 된다. 또한 솔레노이드는 충전 및 외부 전원 단자들 간의 접촉을 도와주는 역할도 하게 된다.

이와 같이 도킹이 완료되면, 충전이 개시된다(S80). 충전이 완료된 것으로 판단되면, 이동 로봇(100)은 로킹 스테이션(2)과 분리되고, 단계S10으로 진행하여 통상의 동작을 실행한다.

다음에 도 1에 도시된 도킹부 조립체(1)과 도킹 스테이션(2)의 구체적인 구조에 대해 도 4 내지 도 7에 따라 설명한다.

또한, 본 발명의 설명에 있어서는 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명의 주제인 이동로봇을 위한 자동충전 시스템의 전면 사시도이며, 도 5는 이동로봇을 위한 자동충전 시스템의 후면 사시도 이며, 도 6은 본 발명의 핵심인 도킹시스템 모듈의 확대 사시도 이며, 도 7은 도킹시스템 모듈의 단면도이다.

본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템은 본 발명은 전원 공급 및 충전을 위한 도킹 스테이션모듈과 이동로봇의 도킹부 조립체로 분류된다.

도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 도킹부 조립체(1)는 전면의 경사구획부(3), 경사구획부(3)와 연결된 홀(4), 도킹부측 접지부의 충전 전원 연결 단자(6), 도킹부측 접지부의 외부 공급전원 연결 단자(7), 도킹부측 접지부(8), 도킹부측 접지부 조립체(9), 전원을 변환하기 위한 DC-DC컨버터(10), 도킹부의 접촉확인을 위한 스냅 스위치(11), 삽입구(13)를 고정하기 위한 키 홈(12), 이를 작동시키기 위한 솔레노이드로 구성된다.

도킹부 조립체(1)와 접촉하는 도킹 스테이션(2)은 도킹부 조립체(1)와 접촉하는 삽입구 조립체(13), 삽입구측 접지부의 충전 전원 연결 단자(14), 삽입구측 접지부의 외부 공급전원 연결 단자(15), 삽입구측 접지부(16), 충전 시 삽입구를 고정하기 위한 키 홈(18), 도킹 시 각도 및 위상 오차를 보정하기 위한 인장 스프링(19), 압축 스프링(20), x축 볼 부시 베어링(21), y축 볼 부시 베어링(22), 배터리 충전을 위한 충전모듈(24), 충전모듈 및 이동로봇으로의 전원 공급을 위한 전원 공급모듈(23), 자동조심 볼 베어링(25), x축 볼 부시 베어링(21)과 y축 볼 부시 베어링(22), 압축 스프링(20)을 통하여 x축 및 y축 방향으로의 2축 자유 병진운동을 행할 수 있는 암 조립체(26)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 이동로봇용 자동충전 시스템의 동작을 도 8 및 도 9에 따라 상세하게 설명한다.

도 8은 이동 로봇의 도킹과정을 나타내는 도면이고, 도 9는 이동 로봇과 도킹 스테이션의 도킹과정을 나타내는 도면이다.

도킹부 조립체(1)는 이동로봇에 장착되어 이동로봇이 배터리 충전을 위해 도킹스테이션으로의 도킹을 시도할 때 경사구획(Chamfer)부(3)을 통하여 삽입구 조립체(13)를 도킹부측 접지부 조립체(9)가 위치한 홀(Hall : 4) 안으로 유도한다.

도킹완료 후, 홀(4) 내측의 스냅 스위치(11)가 닫히게 되면 상, 하의 솔레노이드(5)에 의해 도킹부 조립체(1)의 키(12)가 삽입구(Peg) 조립체(13)의 키 홈(18)에 물리게 되어 충전 도중 외부의 간섭 또는 로봇이 진입하던 힘의 반작용에 의하여 도킹이 실패하는 경우를 방지하게 된다.

솔레노이드(5)에 의해 도킹이 완전히 완료된 후 도킹부측 접지부의 충전 전원 연결 단자(6)에 의해 배터리의 충전이 실시되며, 충전 간 로봇의 지속적인 임무수행 대기 및 데이터 보존을 위하여 도킹부측 접지부의 외부 공급전원 연결 단자(15)를 통해 전력을 공급받게 된다.

삽입구 조립체(13), 전원공급모듈(SMPS : 23), 충전모듈(24)로 구성된 도킹 스테이션(2)은 도킹 및 충전 시 이동로봇의 배터리 충전 및 외부전원 공급 기능을 수행한다.

삽입구 조립체(13)는 충전 및 외부전원 공급을 위한 삽입구 측 접지부 조립체(17)와 4자유도(DOF)를 가지는 암 조립체(26)로 구성되어 있다.

암 조립체(26)는 x축 볼 부시 베어링(21)과 y축 볼 부시 베어링(22), 압축 스프링(20)을 통하여 x축 및 y축 방향으로의 2축 자유 병진운동을 행할 수 있으며, 자동조심 볼 베어링(25)과 인장 스프링을 통하여 x축 및 y축 을 중심으로 하는 2축 자유도를 가진다.

접지부 조립체(17)는 충전 시 삽입구측 접지부의 충전 전원 연결 단자(14)를 통하여 배터리 충전을 실시하며, 삽입구측 접지부의 외부 공급전원 연결 단자(15)를 통하여 로봇으로의 외부전원을 공급한다.

충전모듈(24)은 충전 간 배터리의 잔량 측정 및 충전상태를 관리하며, 전원공급모듈(23)은 충전을 위한 배터리로의 전원 공급 및 이동로봇으로의 외부전원 공급의 기능을 수행한다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.먼저 본 발명의 개념에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 이동로봇과 도킹 스테이션의 관계를 나타내는 블록도,

도 2는 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템의 동작을 설명하는 흐름도,

도 3은 본 발명에 따른 동작을 설명하기 위한 RCC의 마찰 콘을 나타내는 도면,

도 4는 본 발명의 이동로봇을 위한 자동충전 시스템의 전면 사시도,

도 5는 본 발명의 이동로봇을 위한 자동충전 시스템의 후면 사시도,

도 6은 본 발명의 도킹시스템 모듈의 확대사시도,

도 7은 본 발명의 도킹시스템 모듈의 단면도,

도 8은 본 발명에 따라 이동 로봇의 도킹과정을 나타내는 도면,

도 9는 본 발명에 따라 이동 로봇과 도킹 스테이션의 도킹과정을 나타내는 도면,

도 10은 종래의 도킹 또는 결합 위치에서의 베이스 스테이션과 로봇 장치의 구조를 나타내는 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 도킹부 조립체 2: 도킹 스테이션

3: 경사구획부 4: 홀

5: 솔레노이드 6: 도킹부측 접지부의 충전 전원 연결 단자

7: 도킹부측 접지부의 외부 공급전원 연결 단자

8: 도킹부측 접지부 9: 도킹부측 접지부 조립체

10: DC-DC 컨버터 11: 스냅 스위치

12: 키 13: 삽입구 조립체

14: 삽입구측 접지부의 충전 전원 연결 단자

15: 삽입구측 접지부의 외부 공급전원 연결 단자

16: 삽입구측 접지부 17: 삽입구측 접지부 조립체

18: 키 홈 19: 인장 스프링

20: 압축 스프링 21: x축 볼 부시 베어링

22: y축 볼 부시 베어링 23: 전원공급모듈

24: 충전모듈 25: 자동조심 볼 베어링

26: 암 조립체

Claims (13)

1. 전원 공급 및 충전을 위한 도킹 스테이션과 이동로봇의 도킹부 조립체로 이루어진 이동로봇용 자동충전 시스템으로서,

   상기 도킹 스테이션은 x축 볼 부시 베어링, y축 볼 부시 베어링, 압축 스프링을 통하여 x축 및 y축 방향으로의 2축 자유 병진운동을 하고, 자동조심 볼 베어링과 인장 스프링을 통하여 x축 및 y축을 중심으로 하는 2축 자유도를 가지는 암 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동로봇용 자동충전 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 도킹부 조립체는 도킹 시 상기 암 조립체를 도킹부 조립체의 홀 안으로 삽입될 수 있도록 유도하여 주는 경사 구획부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동로봇용 자동충전 시스템.
3. 제2항에 있어서,

   상기 도킹 스테이션은 도킹 완료 후 충전 간 외부의 간섭 또는 로봇이 진입하던 힘의 반작용에 의하여 도킹이 실패하는 경우를 방지하도록, 삽입구 조립체를 고정하기 위한 스냅 스위치에 의해 작동되는 솔레노이드 및 상기 도킹부 조립체의 키가 삽입되는 키 홈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 도킹 스테이션은 상기 이동로봇의 자동충전 간 이동로봇의 지속적인 전원공급을 위한 전원공급모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 시스템.
5. 제3항에 있어서,

   상기 경사 구획부는 0.25～0.45의 마찰계수 값을 갖는 아세탈(Athetal) 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 시스템.
6. 제5항에 있어서,

   상기 삽입구 조립체는 상기 도킹 스테이션에서 돌출한 기둥형상이며, 상기 삽입구 조립체가 상기 홀 안으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 시스템.
7. 제6항에 있어서,

   상기 도킹 스테이션과 이동로봇의 도킹은 적외선 신호의 송수신에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 시스템.
8. 제7항에 있어서,

   상기 적외선 신호의 송수신은 상기 도킹 스테이션에 마련된 제1 및 제2의 적외선 송신기와 상기 이동 로봇의 전방에 마련된 적외선 송수신 센서에 의해 실행되며,

   상기 경사 구획부는 상기 이동로봇의 후방에 마련되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 시스템.
9. 제8항에 있어서,

   상기 이동 로봇은 전방으로 진행하며 상기 도킹 스테이션과 송수신하고, 충전시 180°회전 후, 후진하여 도킹 스테이션과 도킹하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 시스템.
10. 전원 공급 및 충전을 위한 도킹 스테이션과 이동로봇의 도킹부 조립체로 이루어진 이동로봇용 자동충전 방법으로서,

    상기 이동 로봇의 충전이 필요한가 판단하는 충전 판단 단계,

    상기 판단 단계에서 충전이 필요한 것으로 판단된 경우 상기 도킹 스테이션의 위치를 추적하는 단계,

    상기 이동 로봇과 상기 도킹 스테이션과의 거리 및 방향이 일정한 거리 및 방향인가 판단하는 위치 판단 단계,

    상기 위치 판단 단계에서 상기 이동 로봇과 상기 도킹 스테이션의 위치 관계가 미리 정한 위치인 것으로 판단되면, 상기 이동 로봇의 위치를 180°회전시켜, 상기 도킹 스테이션과 도킹부 조립체를 도킹시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동로봇용 자동충전 방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 도킹 스테이션과 이동로봇의 위치 판단은 적외선 신호의 송수신에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 방법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 적외선 신호의 송수신은 상기 도킹 스테이션에 마련된 제1 및 제2의 적외선 송신기와 상기 이동로봇에 마련된 적외선 송수신 센서에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 제1 및 제2의 적외선 송신기는 상기 도킹 스테이션의 왼쪽과 오른쪽으로 구분되어 배치되어 서로 다른 영역으로 각각 신호를 보내고,

    상기 미리 정한 위치는 상기 각각의 신호가 동시에 검출되는 영역인 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 방법.

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