KR101941218B1 - 적재물 무게중심 위치 감지를 통해 가감속 제어가 가능한 이동 유닛 - Google Patents

적재물 무게중심 위치 감지를 통해 가감속 제어가 가능한 이동 유닛 Download PDF

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Abstract

임의의 물건들을 포함할 수 있고 소정 높이를 갖는 다양한 적재물을 물류 로봇 등 이동 유닛이 운반함에 있어서, 적재물의 무게중심의 위치를 측정하여 적재물이 전도되지 않도록 하는 가속도 범위를 각 적재물의 특성에 따라 쉽게 정할 수 있도록 하기 위한 효율적인 방안을 제시한다. 본 발명의 한 측면에 의한, 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위한 이동 유닛은, 적재된 하나 이상의 물건을 포함하는 소정 높이의 적재물을 적재하는 지지부; 상기 지지부에 결합되어 상기 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위해 상기 이동 유닛을 가속 및 이동시키는 구동부; 및 상기 적재물의 무게중심 위치를 감지하기 위한 무게중심 감지부를 포함하며, 상기 무게중심 위치에 기하여 상기 가속에 의한 상기 적재물의 전도를 방지하도록 상기 구동부에 의한 가속도를 제어하는 것일 수 있다.

Description

적재물 무게중심 위치 감지를 통해 가감속 제어가 가능한 이동 유닛{MOBILE UNIT WHICH ENABLES CONTROL OF ACCELERATION OR DECELERATION THROUGH SENSING LOCATION OF CENTER OF MASS OF LOAD}
본 발명은 적재물 무게중심의 위치 감지를 통해 가감속 제어가 가능하도록 한 이동 유닛에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 화물의 운송 또는 사람의 이동 등을 위해 사용되는 원격조종 또는 자율주행 방식의 이동 로봇, 차량 등 각종 이동 유닛에서 급가속에 의한 적재물 전도 등의 운송 사고를 방지하면서도 효율적인 운송이 가능하도록 이동 유닛의 가속도를 제어할 수 있는 이동 유닛, 이를 위한 제어 장치, 제어 방법, 해당 제어 방법을 수행하기 위해 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
컨베이어 벨트 시스템을 대체하는 무인대차(AGV; Automatic Guided Vehicle)와 같이 각종 부품 등을 특정 위치까지 이송시키는 형태의 기기가 산업현장에서 널리 사용되어 왔다. 나아가, 최근에는, 전기 차량, 로봇 기술 및 IT기술 등의 발전을 기반으로, 병원, 도서관, 창고 등에서 다량의 물품을 신속하게 운반하거나 사람의 이동을 위해, 원격조종 또는 자율주행 방식에 의해 작동되는 다양한 이동 유닛(각종 화물의 운송 또는 사람의 이동 등을 위해 사용되는 이동 로봇, 차량 등을 포함)이 구현되고 있다.
도 1은 2012년 아마존에서 자사 물류창고에 도입한 '키바(Kiva)'라는 명칭의 창고용 이동 유닛(100)을 예시한다. 예시된 이동 유닛(100)은 화물들이 적재된 창고용 랙(rack)의 하단으로 이동하여 랙을 들어올리고, 회전 및 주행 기능의 적절한 조합을 통해 지정된 위치까지 운반하는 기능을 수행한다. 물류창고 내에서는 다수의 이동 유닛(100)들이 작업 가능하다. 중앙에 구축된 통제시스템에서 무선 링크를 통해 각 이동 유닛(100)과 통신하여, 각 이동 유닛(100)의 위치를 파악하고, 이동 유닛(100) 상호간의 충돌을 방지하고, 작업 순서를 결정하는 등 전반적인 제어를 수행하도록 함으로써 작업효율을 크게 증대시켰고, 이러한 이동 유닛(100)들의 투입을 통한 창고자동화에 의해 막대한 규모의 운영비용 절감을 달성하고 있다. 관련하여, 미국특허등록 제7,873,469호는 도 2에 도시된 창고용 이동 유닛(100)의 경로를 제어하기 위한 시스템 및 방법을 제안하고 있다.
또한, 도 3은 등록특허 제10-1280908호에 제안된 이동 로봇(100)을 도시하는데, 위 선행특허 문헌에서는 도시된 바와 같은 메인 이동 로봇과, 하나 이상의 서브 이동 로봇들의 협업을 통하여, 화물의 중량에 따라 적절한 수의 이동 로봇(100)들이 투입되어 협력 작업이 수행될 수 있도록 하는 화물 운송 시스템을 제안하고 있다.
도 4는 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위한 종래기술의 이동 유닛을 설명하기 위한 개략도이다. 종래기술의 이동 유닛(100)은, 적재된 하나 이상의 물건(41, 42, 43, 44)을 포함한 소정 높이의 적재물(40)을 적재하는 지지부(10)와, 지지부(10)를 상하로 이동시키기 위한 액츄에이터부(30), 적재물(40)을 소정 위치로 이동시키기 위해 이동 유닛(100)을 가속 및 이동시키는 구동부(20)를 포함한다. 여기서, 적재물(40)은 창고의 랙(rack)(45)과, 랙(45)의 각 선반에 적절히 적재된 임의의 물건들(41, 42, 43, 44)을 포함하는 것일 수 있다. 지지부(10)는 적재물을 하단에서 지지하게 되는데, 적재물(40)을 지지부(10) 상단에 올려 놓을 수 있는 별도의 수단(가령, 로봇 암이나, 별도의 크레인 등 공지의 상승 및 하강 운반수단)이 구비되어 있는 경우에 액츄에이터부(30)는 생략될 수도 있다.
상술한 아마존(Amazon)의 키바(KIVA)와 같은 이동 유닛(100)들이 운반하는 적재물(40)은 일반적으로 창고의 랙(rack)(45) 및 이에 쌓인 물품들이다. 이동 유닛(100)은 화물들이 적재된 창고용 랙(rack)(45)의 하단으로 이동하여 랙(45)을 들어올리고, 회전 및 주행 기능의 적절한 조합을 통해 지정된 위치까지 운반하는 기능을 수행한다. 이 경우 적재물(40)은 일정 중량 분포와 높이를 갖는 것이 보통인데, 이동 유닛이 지나치게 급가속 또는 급감속되면 적재물(40)이 전도되거나 지지대로부터 이탈하는 등 운송 사고가 발생할 수 있다. 이러한 운송 사고 발생 시에는 중앙 통제 시스템을 통해 각 이동 유닛(100)의 작동을 정지시키고 인력을 투입하여 사고를 수습하여야 하는데 이는 계획된 작업을 크게 지연시켜 물류 효율을 감소시킨다.
이동 유닛(100)이 운반 작업을 수행하는 동안 적재물(40)이 전도되지 않도록 하기 위해서는 가속도의 제어가 필요하다. 적재물(40)의 전도를 방지하기 위해 다양한 각 적재물(40)의 특성과 관계없이 일률적으로 이동 유닛(100)의 가속도(또는 감속도)를 안전한 범위로 크게 낮추는 방안도 생각해 볼 수 있으나, 이는 적재물(40)의 종류와 관계없이 이동 유닛(100)이 원하는 주행 속도에 도달하도록 하는 데에 언제나 불필요하게 오랜 시간을 필요로 하게 되어 매우 비효율적이다.
각 적재물(40)에 대해 가속 시 전도되지 않는 가속도 범위 등을 별도로 실험적으로 구하거나, 각 적재물(40)을 구성하는 랙(45), 각 물품들(41, 42, 43, 44)의 치수와 밀도 분포 등을 측정하거나 계산하고, 이러한 데이터를 기초로 계산이나 시뮬레이션 등 해석적인 방법으로 전도를 피할 수 있는 가속도 범위를 구하는 것도 이론적으로는 가능할 것이다. 그러나, 물류 산업의 특성상 매우 다양한 종류의 물품을 신속하게 취급 및 운송 처리하여야 하므로 이러한 방안은 전문 인력과 장비를 요하여 많은 시간과 비용의 증가를 초래하게 되므로 현실적이지 않아, 보다 효율적인 방안이 필요한 실정이다.
특허문헌 1: 미국특허등록 제7,873,469호 특허문헌 2: 등록특허 제10-1280908호
본 발명은, 상술한 종래기술의 문제점들을 극복하기 위한 것으로서, 임의의 물건들을 포함할 수 있고 소정 높이를 갖는 다양한 적재물을 물류 로봇 등 이동 유닛이 운반함에 있어서, 적재물의 무게중심의 위치를 측정하여 적재물이 전도되지 않도록 하는 가속도 범위를 각 적재물의 특성에 따라 쉽게 정할 수 있도록 하기 위한 효율적인 방안을 제시하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 각 적재물의 특성에 부합하는 가속도 범위에 따라 이동 유닛을 제어함으로써 운반 작업의 안전성을 향상시키고 이동 유닛의 효율적인 제어를 통해 물류의 신속성을 확보할 수 있는 이동 유닛, 이를 위한 제어 장치, 제어 방법, 해당 제어 방법을 수행하기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 이동 유닛에 적재된 적재물의 무게중심의 위치를 구함으로써 적재물에 포함된 각 물건마다 무게중심을 일일이 측정 또는 계산하거나 기타 전문 장비를 요하지 않고도 효율적으로 적재물의 전도를 방지할 수 있는 가속도 범위를 정할 수 있는 이동 유닛, 이를 위한 제어 장치, 제어 방법, 해당 제어 방법을 수행하기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 한 측면에 의한, 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위한 이동 유닛은, 적재된 하나 이상의 물건을 포함하는 소정 높이의 적재물을 적재하는 지지부; 상기 지지부에 결합되어 상기 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위해 상기 이동 유닛을 가속 및 이동시키는 구동부; 및 상기 적재물의 무게중심 위치를 감지하기 위한 무게중심 감지부를 포함하며, 상기 무게중심 위치에 기하여 상기 가속에 의한 상기 적재물의 전도를 방지하도록 상기 구동부에 의한 가속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 무게중심 감지부는, 상기 지지부를 소정 각도로 기울이기 위한 기울임 구동부를 포함하며, 상기 기울임 구동부 작동에 따른 상기 적재물에 의한 상기 지지부 상의 압력중심 위치 변화를 기초로 상기 무게중심의 위치를 감지하는 것일 수 있다.
또한, 상기 무게중심 감지부는, 상기 적재물에 의한 수직 방향의 힘을 감지하기 위한 힘센서 및 상기 적재물에 의해 상기 기울임 구동부에 유발되는 토크를 감지하기 위한 토크센서를 더 포함하며, 상기 기울임 구동부 작동에 따른 상기 힘센서와 상기 토크센서의 출력 변화를 기초로 상기 적재물에 의한 상기 지지부 상의 압력중심 위치 변화를 구하는 것일 수 있다.
또한, 상기 무게중심 감지부는, 상기 적재물의 고유진동수를 기초로 상기 무게중심의 위치를 감지하는 것일 수 있다.
한편, 상기 무게중심 감지부는, 상기 적재물에 의한 수직 방향의 힘을 감지하기 위한 하나 이상의 힘센서를 포함하며, 상기 구동부에 의한 상기 이동 유닛의 순간 가속에 따른 상기 힘센서의 출력 변화로부터 상기 고유진동수를 얻는 것일 수 있다.
또한, 상기 적재물의 무게중심 위치는 상기 지지대상의 상기 적재물 무게 중심의 높이 및 지지대 중심으로부터 압력중심까지의 거리일 수 있다.
또한, 상기 적재물은, 하나 이상의 화물 및 랙(rack)을 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 이동 유닛은 상기 무게중심 위치를 기초로 하여 상기 구동부의 가속 시 상기 적재물에 미치는 힘의 작용점이 상기 지지부를 벗어나지 않도록 상기 가속도를 제어하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 가속도는 양(+)의 가속도 또는 음(-)의 가속도일 수 있고, 상기 이동 유닛은 창고용 자율 주행 로봇일 수 있다.
본 발명의 다른 한 특징에 의하면, 적재된 하나 이상의 물건을 포함하는 소정 높이의 적재물을 적재하는 지지부와, 상기 지지부에 결합되어 상기 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위해 상기 이동 유닛을 가속 및 이동시키는 구동부를 포함하는, 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위한 이동 유닛의 제어 장치는, 상기 적재물의 무게중심 위치를 감지하기 위한 무게중심 감지부를 더 포함하며, 상기 무게중심 위치에 기하여 상기 가속에 의한 상기 적재물의 전도를 방지하도록 상기 구동부에 의한 가속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 한 특징에 의한, 적재된 하나 이상의 물건을 포함하는 소정 높이의 적재물을 적재하는 지지부와, 상기 지지부에 결합되어 상기 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위해 상기 이동 유닛을 가속 및 이동시키는 구동부를 포함하는, 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위한 이동 유닛의 제어 방법은, 무게중심 감지부를 통하여 상기 적재물의 무게중심 위치를 감지하도록 하는 단계; 및 상기 무게중심 위치에 기하여 상기 가속에 의한 상기 적재물의 전도를 방지하도록 상기 구동부에 의한 가속도를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 한 특징에 의한 컴퓨터 프로그램은, 위 단계들을 실행시키기 위한, 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램일 수 있다.
본 발명에 의해, 임의의 물건들을 포함할 수 있고 소정 높이를 갖는 다양한 적재물을 물류 로봇 등 이동 유닛이 운반함에 있어서, 적재물의 무게중심의 위치를 측정하여 적재물이 전도되지 않도록 하는 가속도 범위를 각 적재물의 특성에 따라 쉽게 정할 수 있도록 하기 위한 효율적인 방안이 제시된다.
또한, 본 발명에 의해, 각 적재물의 특성에 부합하는 가속도 범위에 따라 이동 유닛을 제어함으로써 운반 작업의 안전성을 향상시키고 이동 유닛의 효율적인 제어를 통해 물류의 신속성을 확보할 수 있는 이동 유닛, 이를 위한 제어 장치, 제어 방법, 해당 제어 방법을 수행하기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램이 제공된다.
또한, 본 발명에 의해, 이동 유닛에 적재된 적재물의 무게중심의 위치를 구함으로써 적재물에 포함된 각 물건마다 무게중심을 일일이 측정 또는 계산하거나 기타 전문 장비를 요하지 않고도 효율적으로 적재물의 전도를 방지할 수 있는 가속도 범위를 정할 수 있는 이동 유닛, 이를 위한 제어 장치, 제어 방법, 해당 제어 방법을 수행하기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램이 제공된다.
도 1은 종래기술의 '키바(Kiva)'라는 명칭의 창고용 이동 유닛(100)을 예시한다.
도 2는 미국특허등록 제7,873,469호에 제시된 종래기술의 창고용 이동 유닛(100)을 예시한다.
도 3은 등록특허 제10-1280908호에 제안된 종래기술의 이동 로봇(100)을 예시한다.
도 4는 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위한 종래기술의 이동 유닛(100)의 작동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 이동 유닛(100)을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 도 5의 실시예에서 지지부(10)가 제1 상태, 가령, 수평 상태에 있을 경우의 압력중심(COP0)의 위치 등을 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 도 5의 실시예에서 기울임 구동부(52)를 작동하여 적재물(40)이 전도되지 않을 정도의 작은 각도 θ만큼 지지부(10)를 약간 회전시킨 상태를 도시한다(도면은 기울임 각도가 다소 과장됨).
도 8은 도 6 및 도 7의 상태에서 무게중심 높이 h, 지지부 중심(O)으로부터 무게중심까지의 거리 L, 거리 d0, 거리 d1, 회전 각도 θ의 관계를 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 무게중심 감지부(50)가 적재물(40)의 고유진동수를 기초로 무게중심의 위치를 감지하도록 한 방식을 예시적으로 설명하기 위한 개략도이다.
도 10은 도 9의 실시예에서 이동 유닛(100)이 정지된 상태의 상황을 설 명하기 위한 개략도이다.
도 11은 도 9의 실시예를 임펄시브 가속의 상황에서 역진자(inverted pendulum) 모델로 근사 시킨 경우를 설명하기 위한 개략도이다.
도 12는 도 9의 실시예에서, 어느 한 힘센서(56, 58)를 통해 출력되는 파형을 예시한다.
도 13은 적재물(40)의 무게중심 위치와 최고 가속도의 관계를 설명하기 위한 개략도이다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명의 권리범위를 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 해당 분야의 통상의 기술자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 아니된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성 요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예들을 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 기술사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 이동 유닛(100)을 설명하기 위한 개략도이다. 실시예의 이동 유닛(100)은, 적재된 하나 이상의 물건(41, 42, 43, 44)을 포함하는 소정 높이의 적재물(40)을 적재하는 지지부(10), 적재물(40)을 소정 위치로 이동시키기 위해 이동 유닛(100)을 가속 및 이동시키는 구동부(20)와, 적재물(40)의 무게중심 위치를 감지하기 위한 무게중심 감지부(50)를 포함하며, 무게중심 위치에 기하여 가속에 의한 적재물(40)의 전도를 방지하도록 구동부(20)에 의한 가속도를 제어하는 것을 특징으로 한다. 필요에 따라 지지부(10)를 상하로 상승 및 하강시키기 위한 액츄에이터부(30)가 더 구비될 수 있다.
도시된 개략도는 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 이동 유닛(100)의 실제 구조에 대한 구체적인 한정을 의도하고 있지 않다. 지지부(10)는 랙(45)을 받치기 위해 그 상단의 적어도 일정 영역이 평판 형태로 된 것이 일반적일 것이나, 요철, 패턴, 센서 등 각종 부품을 결합하기 위한 부분 등 다양한 구조를 포함할 수 있고, 그 형태에 특별히 구애되는 것은 아니다.
구동부(20)는 이동 유닛을 이동시키기 위한 것으로서, 3휠(wheel), 4휠, 5휠 등 어떠한 구조라도 무방하며, 휠(wheel) 구조가 아닌 레그(leg) 구조의 것이거나 이들이 적절히 조합된 것일 수 있다.
도시된 예에서는 지지부(10)를 상하로 이동시키기 위한 액츄에이터부(30)가 예시되었으나, 적재물(40)을 지지부(10) 상단에 올려 놓을 수 있는 별도의 운반 수단(가령, 로봇 암이나, 별도의 크레인 등 공지의 상승 및 하강 운반수단)이 작업공간에 구비되어 있는 경우에는 이러한 액츄에이터부(30)는 생략되어도 무방하다.
본 실시예의 이동 유닛(100)에서 적재물(40)의 무게중심 위치를 감지하기 위한 무게중심 감지부(50)는, 지지부(10)를 소정 각도로 기울이기 위한 기울임 구동부(52)를 포함할 수 있으며, 기울임 구동부(52)의 작동에 따른 적재물(40)에 의한 지지부(10) 상의 압력중심의 위치 변화를 기초로 무게중심의 위치를 감지한다.
압력중심의 위치 변화를 감지하기 위해서, 무게중심 감지부(50)에는 힘센서 및 토크센서(54)가 구비될 수 있다. 여기서, 힘센서는 적재물(40)의 중량에 따라 지지부(10) 상에 미치는 수직 방향의 힘을 감지하기 위한 것이며, 토크센서는 적재물(40)에 의해 기울임 구동부(52)에 유발되는 토크를 감지하기 위한 것이다. 힘센서 및 토크센서 그 자체는 공지된 부품이므로 그 구체적 구조에 대한 상세한 설명은 생략한다.
실시예의 무게중심 감지부(50)는 기울임 구동부(52)의 작동에 따른 힘센서 및 토크센서(54)의 출력 변화를 기초로 적재물(40)에 의한 지지부(10) 상의 압력중심 위치 변화를 감지한다.
도 6 내지 도 8은 본 실시예의 기울임 구동부(52)의 작동을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 지지부(10)가 제1 상태, 가령, 수평 상태에 있을 경우의 압력중심(COP0)의 위치 등을 설명하기 위한 개략도이다. 도시된 바와 같이, 적재물(40)의 무게중심(com)이 높이 h, 지지부(10)의 중심(O)으로부터 거리 L인 위치에 있다면, 이에 의한 지지부(10) 상단의 압력중심(COP0)은 지지부(10)의 중심(O)으로부터 d0 거리에 있게 되고, 이때 힘센서에 미치는 수직 방향의 힘을 f0, 토크센서에 미치는 토크를 τ0라고 한다. 이러한 상황에서, 거리 d0, 수직 방향 힘 f0, 토크 τ0의 관계는 아래 수학식과 같이 근사 될 수 있다.
Figure 112016101362116-pat00001
도 7은 기울임 구동부(52)를 작동하여 제2상태, 즉, 적재물(40)이 전도되지 않을 정도의 충분히 작은 각도 θ만큼 지지부(10)를 약간 회전시킨 상태를 도시한다(도 7은 설명의 편의를 위해 회전 각도가 다소 과장되어 있음). 이때, 압력중심(COP1)의 위치는 도시된 바와 같이 좌측으로 약간 이동하게 된다. 지지부 중심(O)으로부터 압력중심(COP1)에 이르는 거리의 수평방향 성분을 d1, 이때 힘센서에 미치는 수직 방향의 힘을 f1, 토크센서에 미치는 토크를 τ1이라 한다. 이러한 상황에서, d1, 수직 방향 힘 f1, 토크 τ1의 관계는 아래와 같이 근사 될 수 있다.
Figure 112016101362116-pat00002
도 8은 도 6 및 도 7의 상태에서 무게중심 높이 h, 지지부 중심(O)으로부터 무게중심까지의 거리 L, 거리 d0, 거리 d1, 회전 각도 θ의 관계를 도시한 개략도이다. 여기서, L은 미지의 값이지만, 삼각함수 관계로부터 무게중심의 높이 h를 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112016101362116-pat00003
위에서 예시된 과정을 통하여 실시예의 무게중심 감지부(50)는 기울임 구동부(52)의 작동에 따른 힘센서 및 토크센서(54)의 출력 변화를 기초로 적재물(40)의 무게중심 위치를 감지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 무게중심 감지부(50)가 적재물(40)의 고유진동수를 기초로 무게중심의 위치를 감지하도록 한 방식의 예를 설명하기 위한 개략도이다. 무게중심 감지부(50)는 적재물의 고유진동수를 감지하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있는데, 도 9에는 예컨대, 제1힘센서(56) 및 제2힘센서(58)를 포함시켜 구성한 경우를 예시한다.
도시된 예에서도 지지부(10)를 상하로 이동시키기 위한 액츄에이터부(30)가 예시되었으나, 적재물(40)을 지지부(10) 상단에 올려 놓을 수 있는 별도의 운반 수단(가령, 로봇 암이나, 별도의 크레인 등 공지의 상승 및 하강 운반수단)이 작업공간에 구비되어 있는 경우에는 이러한 액츄에이터부(30)는 생략되어도 무방하다.
도 10은 도 9의 실시예에서 이동 유닛(100)이 정지된 상태의 상황을 설명하기 위한 개략도이다. 도시된 바와 같이, 적재물(40)의 무게중심(com)이 높이 h, 지지부 중심(O)으로부터 거리 L인 위치에 있다면, 이에 의한 지지부(10) 상단의 압력중심(COP0)은 지지부의 중심(O)으로부터 d0의 거리에 있게 되고, 이때 제1힘센서(56)에 나타나는 수직 방향의 힘을 fF0, 제2힘센서(58)에 나타나는 수직 방향의 힘을 fR0라 한다. 이러한 상황에서, 거리 d0, 제1힘센서(56)에 나타나는 수직 방향의 힘 fF0, 제2힘센서(58)에 나타나는 수직 방향의 힘 fR0의 관계는 아래와 같이 구할 수 있다.
Figure 112016101362116-pat00004
이러한 상황에서 이동 유닛(100)을 가속 및 이동시키는 구동부(20)의 작동에 의해 이동 유닛(100)을 짧은 시간 동안 순간적으로 가속시켰다가 정지시키는 방식으로 임펄시브(impulsive)한 가속도를 가하면, 고유진동수에 따라 힘센서의 출력에 진동이 나타나게 된다.
도 11은 이러한 임펄시브 가속의 상황에서 도 9의 실시예를 역진자(inverted pendulum) 모델로 근사 시킨 경우를 설명하기 위한 개략도이다. 위와 같이 임펄시브 가속에 의해 적재물(40)이 진동하는 상황은 도 11과 같이 마치 적재물(40)의 무게중심(com) 위치에 있는 집중질량이 스프링 계수 k의 스프링(D)과 감쇄 계수 b의 댐퍼(C)를 통해 역진자(inverted pendulum) 형태로 지지부(10) 상의 압력중심에 연결된 모델로 근사 시킬 수 있다. 도시된 바와 같이 역진자의 각 변위를 θ라 하고, 집중질량을 mcom이라 하면, 역진자의 운동방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016101362116-pat00005
여기서, 집중질량 mcom은 도 10에 나타낸 정지 상태의 제1힘센서(56) 및 제2힘센서(58)의 출력들과 다음과 같은 관계를 만족시킨다.
Figure 112016101362116-pat00006
이때, 각 변위 θ가 매우 작은 값일 경우에 θ는 sinθ로 근사 시킬 수 있으므로, 위의 수학식 5의 운동방정식은 다음과 같이 근사 시킬 수 있다.
Figure 112016101362116-pat00007
이러한 운동방정식을 통해 해석되는 역진자 운동의 고유진동수 ωn은 다음과 같이 표현된다.
Figure 112016101362116-pat00008
여기서, 랙(45)의 구조와 재질은 일반적으로 각 창고 별로 표준화되어 있거나 미리 파악할 수 있다. 물건(41, 42, 43, 44)이 적재되어 있지 않고 랙(45)만이 적재되어 있을 경우의 무게중심 위치(h)도 랙(45)과 이동 유닛(100)의 재질과 구조를 이미 알고 있으므로 계산에 의해 파악이 가능하다.
스프링 계수 k는 랙(45)과 이동 유닛(100)의 구조에 의해 결정되는 값이므로, 물건(41, 42, 43, 44)이 적재되어 있지 않고 랙(45)만이 적재되어 있는 상태에서 그때의 집중 질량(mcom)과 무게중심 위치(h)를 이미 알고 있으므로, 그 때의 고유진동수 ωn을 어느 한 힘센서(56, 58)의 출력 파형으로부터 측정하면 위 수학식 8의 관계로부터 스프링 계수 k를 얻을 수 있다.
위와 같이 스프링 계수 k의 파악이 가능하므로, 이때, 물건(41, 42, 43, 44)이 적재된 상태의 고유진동수 ωn을 어느 한 힘센서(56, 58)의 출력 파형으로부터 측정하면 무게중심의 높이 h는 다음의 관계식으로부터 얻을 수 있다.
Figure 112016101362116-pat00009
도 12는 본 실시예에서, 어느 한 힘센서(56, 58)를 통해 출력되는 파형을 예시한다. 예시된 힘센서의 출력 파형(E)으로부터 고유진동수 ωn을 측정할 수 있다. 본 실시예에서 순간적인 임펄시브 가속을 주기 위해서는 이동 유닛(100)을 가속 및 이동시키는 구동부(20)를 이용하면 되므로 별도의 구동 장치(가령, 도 5의 52) 등은 필요하지 않다.
도 13은 무게중심의 높이 h와 최고 가속도의 관계를 설명하기 위한 개략도이다. 가속 운동 시에 적재물(40)의 가속을 위한 힘의 작용점이 지지면적, 즉, 지지부(10)를 벗어나지 않아야만 적재물(40)의 전도를 방지할 수 있게 된다.
그러므로, 도 13에 도시된 바와 같이, 전도를 방지하기 위한 허용 최대 가속도 amax로 가속 시에도 적재물(40) 하단에서의 힘의 작용점은 지지부(40)를 벗어나서는 안되므로, 지지부(40)의 폭이 l이라고 하면, 도 13에 나타낸 기하학적 관계로부터 최대 가속도는 다음과 같이 얻어진다.
여기서, d0 + l/2의 경우는 도 13에서 좌측 방향으로 가속할 경우의 최고 가속도를 나타내며, d0 - l/2의 경우는 도 13에서 우측으로 가속할 경우의 최고 가속도를 나타낸다. 무게중심이 도 13에서 좌측으로 치우쳐 있으므로 우측으로 가속할 경우의 최고 가속도가 더 낮게 된다.
본 발명에서 설명된 이동 유닛(100)은, 창고용 자율 주행 로봇일 수 있으며, 그 외에도 물품이나 사람 등을 운반하기 위한 각종 이동 로봇, 모바일 로봇, 전동 카트 등일 수 있으며, 그 명칭에 구애 받는 것은 아니다.
본 발명의 기술사상은 소정의 이동 유닛에 탑재되는 제어 장치의 형태로도 구현될 수 있는데, 이는, 적재된 하나 이상의 물건을 포함한 소정 높이의 적재물을 적재하는 지지부와, 지지부에 결합되어 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위해 이동 유닛을 가속 및 이동시키는 구동부를 포함하는, 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위한 이동 유닛의 제어 장치일 수 있다. 실시예의 제어 장치는 적재물의 무게중심 위치를 감지하기 위한 무게중심 감지부를 더 포함하고, 무게중심 위치에 기하여 가속에 의한 적재물의 전도를 방지하도록 구동부에 의한 가속도를 제어하는 것일 수 있다. 그 구체적인 작동은 상술한 실시예의 경우로부터 통상의 기술자에게 이해될 수 있으므로 생략한다.
또한, 본 발명의 기술사상은 소정의 이동 유닛을 구동하기 위한 제어 방법의 형태로도 구현될 수 있는데, 이는, 적재된 하나 이상의 물건을 포함한 소정 높이의 적재물을 적재하는 지지부와, 지지부에 결합되어 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위해 이동 유닛을 가속 및 이동시키는 구동부를 포함하는, 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위한 이동 유닛의 제어 방법일 수 있다. 실시예의 제어 방법은, 무게중심 감지부를 통하여 적재물의 무게중심 위치를 감지하도록 하는 단계와, 무게중심 위치에 기하여 가속에 의한 적재물의 전도를 방지하도록 구동부에 의한 가속도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 그 구체적인 작동은 상술한 실시예의 경우로부터 통상의 기술자에게 이해될 수 있으므로 생략한다.
또한 본 발명의 기술사상은 위 단계들을 실행시키기 위한, 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램의 형태로도 구현될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 위 실시예 및 도면들은 단지 예시적인 것일 뿐, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성요소가 아닐 수 있다. 본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"라는 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등 범주 내에서 설계 조건 및 요소에 따라 구성될 수 있음을 이해할 수 있다.
10: 지지부
20: 구동부
30: 액츄에이터부
40: 적재물
41, 42, 43, 44: 물건
45: 랙
50: 무게중심 감지부
52: 회전 구동부
54: 힘센서 및 토크 센서
56: 제1힘센서
58: 제2힘센서
100: 이동 유닛

Claims (13)

  1. 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위한 이동 유닛에 있어서,
    적재된 하나 이상의 물건을 포함하는 소정 높이의 적재물을 적재하는 지지부;
    상기 지지부에 결합되어 상기 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위해 상기 이동 유닛을 가속 및 이동시키는 구동부; 및
    상기 적재물의 무게중심 위치를 감지하기 위한 무게중심 감지부를 포함하며,
    상기 무게중심 위치에 기초하여 상기 가속에 의한 상기 적재물의 전도를 방지하도록 상기 구동부에 의한 가속도를 제어하고,
    상기 이동 유닛은, 상기 무게중심 위치를 기초로 하여 상기 구동부에 의한 가속 시 상기 적재물에 미치는 힘의 작용점이 상기 지지부를 벗어나지 않도록 하는 가속도 범위를 결정하며,
    상기 적재물의 전도를 방지하기 위한 최대 허용 가속도는, 상기 지지부의 중심으로부터 압력중심까지의 거리에 비례하고, 상기 지지부로부터 상기 적재물의 무게중심까지의 거리에 반비례하는 것을 특징으로 하는 이동 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무게중심 감지부는, 상기 지지부를 소정 각도로 기울이기 위한 기울임 구동부를 포함하며, 상기 기울임 구동부 작동에 따른 상기 적재물에 의한 상기 지지부 상의 압력중심 위치 변화를 기초로 상기 무게중심의 위치를 감지하는 것을 특징으로 하는 이동 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 무게중심 감지부는, 상기 적재물에 의한 수직 방향의 힘을 감지하기 위한 힘센서 및 상기 적재물에 의해 상기 기울임 구동부에 유발되는 토크를 감지하기 위한 토크센서를 더 포함하며, 상기 기울임 구동부 작동에 따른 상기 힘센서와 상기 토크센서의 출력 변화를 기초로 상기 적재물에 의한 상기 지지부 상의 압력중심 위치 변화를 구하는 것을 특징으로 하는 이동 유닛.
  4. 삭제
  5. 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위한 이동 유닛에 있어서,
    적재된 하나 이상의 물건을 포함하는 소정 높이의 적재물을 적재하는 지지부;
    상기 지지부에 결합되어 상기 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위해 상기 이동 유닛을 가속 및 이동시키는 구동부; 및
    상기 적재물의 무게중심 위치를 감지하기 위한 무게중심 감지부를 포함하며,
    상기 무게중심 위치에 기초하여 상기 가속에 의한 상기 적재물의 전도를 방지하도록 상기 구동부에 의한 가속도를 제어하고,
    상기 이동 유닛은, 상기 무게중심 위치를 기초로 하여 상기 구동부에 의한 가속 시 상기 적재물에 미치는 힘의 작용점이 상기 지지부를 벗어나지 않도록 하는 가속도 범위를 결정하며,
    상기 무게중심 감지부는, 상기 적재물에 의한 수직 방향의 힘을 감지하기 위한 하나 이상의 힘센서를 포함하고, 상기 구동부에 의한 상기 이동 유닛의 순간 가속에 따른 상기 힘센서의 출력 변화로부터 상기 적재물의 고유진동수를 획득하며, 상기 고유진동수를 기초로 상기 무게중심의 위치를 감지하는 것을 특징으로 하는 이동 유닛.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 적재물의 무게중심 위치는 상기 지지부 상의 상기 적재물 무게 중심의 높이 및 상기 지지부의 중심으로부터 압력중심까지의 거리인 것을 특징으로 하는 이동 유닛.
  7. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 적재물은, 하나 이상의 화물 및 랙(rack)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 유닛.
  8. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 적재물의 전도를 방지하기 위한 최대 허용 가속도(amax)는 아래 수학식을 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 이동 유닛.
    [수학식]
    Figure 112018116813799-pat00024

    여기서, d0는 지지부의 중심으로부터 압력중심까지의 거리, h는 지지부로부터 적재물의 무게중심까지의 거리, l은 지지부의 폭, g는 중력 가속도임.
  9. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 가속도는 양(+)의 가속도 또는 음(-)의 가속도인 것을 특징으로 하는 이동 유닛.
  10. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 이동 유닛은 창고용 자율 주행 로봇인 것을 특징으로 하는 이동 유닛.
  11. 적재된 하나 이상의 물건을 포함하는 소정 높이의 적재물을 적재하는 지지부와, 상기 지지부에 결합되어 상기 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위해 상기 이동 유닛을 가속 및 이동시키는 구동부를 포함하는, 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위한 이동 유닛의 제어 장치에 있어서,
    상기 적재물의 무게중심 위치를 감지하기 위한 무게중심 감지부를 더 포함하며,
    상기 무게중심 위치에 기초하여 상기 가속에 의한 상기 적재물의 전도를 방지하도록 상기 구동부에 의한 가속도를 제어하고,
    상기 이동 유닛은, 상기 무게중심 위치를 기초로 하여 상기 구동부에 의한 가속 시 상기 적재물에 미치는 힘의 작용점이 상기 지지부를 벗어나지 않도록 하는 가속도 범위를 결정하며,
    상기 무게중심 감지부는, 상기 적재물에 의한 수직 방향의 힘을 감지하기 위한 하나 이상의 힘센서를 포함하고, 상기 구동부에 의한 상기 이동 유닛의 순간 가속에 따른 상기 힘센서의 출력 변화로부터 상기 적재물의 고유진동수를 획득하며, 상기 고유진동수를 기초로 상기 무게중심의 위치를 감지하는 것을 특징으로 하는 이동 유닛 제어 장치.
  12. 적재된 하나 이상의 물건을 포함하는 소정 높이의 적재물을 적재하는 지지부와, 상기 지지부에 결합되어 상기 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위해 상기 이동 유닛을 가속 및 이동시키는 구동부를 포함하는, 적재물을 소정 위치로 이동시키기 위한 이동 유닛의 제어 방법에 있어서,
    상기 적재물에 의한 수직 방향의 힘을 감지하기 위한 하나 이상의 힘센서를 포함하는 무게중심 감지부를 통하여, 상기 적재물의 무게중심 위치를 감지하도록 하는 단계; 및
    상기 무게중심 위치에 기초하여 상기 가속에 의한 상기 적재물의 전도를 방지하도록 상기 구동부에 의한 가속도를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 무게중심 위치 감지 단계는, 상기 구동부에 의한 상기 이동 유닛의 순간 가속에 따른 상기 힘센서의 출력 변화로부터 상기 적재물의 고유진동수를 획득하고, 상기 고유진동수를 기초로 상기 무게중심의 위치를 감지하며,
    상기 가속도 제어 단계는, 상기 무게중심 위치를 기초로 하여 상기 구동부에 의한 가속 시 상기 적재물에 미치는 힘의 작용점이 상기 지지부를 벗어나지 않도록 하는 가속도 범위를 결정하는 것을 특징으로 하는 이동 유닛 제어 방법.
  13. 제12항의 단계들을 컴퓨터 상에서 실행시키기 위한, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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