KR20080073626A - Auto recharging system for mobile robot and method thereof - Google Patents

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Abstract

An auto recharging system for a mobile robot and a charging method thereof are provided to continuously perform a mission for the mobile robot during charging by forming a power supply module. An auto recharging system for a mobile robot comprises a docking station(2) for power supply and charge, a docking part assembly(1) of the mobile robot. The docking station, performing 2 axis degree of freedom translation toward x axis and y axis via an x axis ball bush bearing(21), a y axis ball bush bearing(22), and a compression spring(20), consists of an arm assembly(26) having 2 axis degree of freedom via an automatic aligning ball bearing(25) and a tension spring(19) around x axis and y axis. The docking part assembly includes an inclined separation part(3) for inducing insertion of the arm assembly into its hall in docking. The docking station also has a power supply module(23) for continuously supplying power of the mobile robot during automatic charging.

Description

이동 로봇용 자동충전 시스템 및 그의 충전 방법{Auto Recharging System for Mobile Robot and Method thereof}Auto Recharging System for Mobile Robot and Charging 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.The present invention relates to a docking system and a charging method for the automatic charging of the mobile robot, and more particularly, when the mobile robot approaches the docking station for automatic charging, the error correction according to the entry angle of the approach path and charging the battery The present invention relates to an automatic charging system for a mobile robot and a charging method thereof for supplying separate power so that the mobile robot can continuously operate.

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.The etymology of the robot is said to be derived from Slavic ROBOTA (slave machine). Most of these robots were industrial robots, such as articulated arms and robots (manipulators) and conveying robots, for the purpose of automating and unmanning production operations in factories. In the case of a robot of a type fixedly installed at a specific place, such as a female robot, or a robot having a limited behavior radius or operation pattern, power can always be supplied from a commercial AC power supply through a power cable.

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.In other words, since industrial robot research began in 1955, the first industrial robot 'Unimate' has been put to practical use at the General Motors (GM) automobile factory in the United States in 1961, and the world's economic activity has shifted from quantitative expansion to qualitative improvement since the 1980s. As industrial products are diversified, industrial robots have developed rapidly. In the late 20th century, the proliferation of computers and the Internet revolutionized family life. Recently, technologies such as IT, BT and NT have been combined with robot technology accumulated based on the development of existing industrial robots. Robot) field. An intelligent robot is a high-tech robot that combines mobility and artificial intelligence.In contrast to industrial robots used for simple and repetitive tasks to increase productivity in industrial sites, intelligent robots have the ability to adapt to changing environments and provide humans with the ability to adapt to changing environments. It is a robot that coexists with and provides direct and indirect services to promote welfare. These intelligent robots have been adopted as one of the top 10 next generation growth engines and are expected to be important technologies of the future.

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.Recently, with the use of intelligent service robots in the post office and the market for cleaning robots, the field of intelligent robots has already become a part of daily life. Intelligent service robots that provide more specific and practical services to humans often have mobility in the form of mobile robot platforms due to the nature of the driving environment. This is because most of the living and working environments in which humans are active have a form that is close to flat land, and in recent years, there have been many buildings equipped with elevators in addition to stairs. In addition, since mobile robots are relatively simple in structure and can be developed and controlled at low cost, mobile robots occupy many service robot markets in recent years.

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. In order for such a mobile robot to continuously perform various tasks, a technology capable of keeping the robot's energy constant is essential. Currently, most mobile robots have a built-in battery, which guarantees only one to two hours of driving time, which limits their ability to continue their missions. Therefore, the user needs to charge the robot's battery, drive it again, and give an assignment. As this requires additional user assistance, it is emerging as one of the factors that hinder robots from developing into an independent and automated system. In order to overcome this problem, recently, a robot has been researching an automatic charging system to charge a battery by itself and continue a task that was being performed. Automatic charging is an essential part of some robots. For example, security robots or service robots in public places must be able to maintain energy to carry out their tasks at all times.

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.This is because if the system of the guard robot or service robot is shut down due to a short battery, or if the robot fails to perform the task, it may cause a loss in the guard task or fail to perform the service, thereby causing a great loss. As robot technology progresses in the future, more and more robots performing more important and continuous tasks will increase, which will make the automatic charging technology become an essential element of the robot.

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.In other words, the spread of household cleaning robots has recently increased, and medium and large mobile robots that provide services in public places such as offices and government offices have also been continuously appearing. The automatic charging system of such a mobile robot can guarantee the stable and continuous service of the robot.

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 적Such autonomous robotic devices include on-board power units (typically batteries) that are recharged in a base station or docking station. Robots (e.g., radio signals, dead reckoning, ultrasound beams,

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 빌The method of use and the type of charging station for docking or searching with an external beam, etc., vary considerably depending on the efficiency and the application. It is common to embed wires under the ground on which the robot operates, but there are certain limitations to their application, because

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.It is expensive to install the guide wire at the bottom of the ding or under the road surface. If the guide wire is installed on the surface, the guide wire may be damaged by the robot itself or by another vehicle. The wire also needs to be moved when the base station is relocated. Therefore, it is more desirable for the base station to emit a beam or beacon to attract the robotic device. However, these devices still present a number of operational limitations.

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.That is, in the case of a mobile robot of autonomous and free-running type, since the radius of action is limited by the power cable, power supply by commercial AC power supply is impossible. As a natural consequence, autonomous driving by a rechargeable battery is introduced into the mobile robot. According to battery operation, a mobile robot can travel freely in a human living space or various work spaces without being aware of physical constraints such as a location of a power outlet or a power cable length.

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.However, the battery-powered robot has a difficulty in following the charging operation of the battery. Although mobile robots are used as automatic devices, filling operations are a barrier to full automation. In addition, battery replacement or power connector connection for charging is cumbersome for the user.

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.Thus, a so-called "charge station" has been introduced as a method of reliably or fully automating battery charging for mobile robots. The charging station literally means a dedicated space for charging the battery of the mobile robot.

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.When the robot detects that the battery's remaining capacity has fallen during the self-propelled and autonomous work, the robot stops the work and approaches the charging station on its own (ie, automatically). In the charging station, a predetermined electrical connection is established between the robot and the power supply, and a power supply to the battery is received. When the battery is fully charged or recovered to a predetermined capacity, the electrical connection with the power supply is released, and the work which was interrupted from the charging station is resumed.

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.For example, by installing a plurality of charging stations in the work space, the mobile robot can receive power from the nearest charging station. In other words, the mobile robot can move over between charging stations so that the radius of action is substantially extended. In addition, one charging station can be shared among a plurality of robots, thereby saving the number of charging stations. In addition, by transferring a part of the charging function to the charging station, the requirements, weight, cost, and the like of the robot body can be reduced.

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.In addition, an example of such an automatic charging system for a mobile robot is as follows Documents 1 to 4, Korean Patent Publication No. 2007-0012121 (published Jan. 25, 2007), 2007-0007977 (published Jan. 16, 2007), 2006-0134368 (2006.12) .28 publication), 2006-0134367 (published on December 28, 2006), 2006-0127904 (published on December 13, 2006) and the like.

예를 들어, 상기 공개특허공보 2006-0127904호에는 도 8에 도시된 바와 같이, 도킹 또는 결합 위치에서의 베이스 스테이션과 로봇 장치의 구조에 대해 개시되어 있다.For example, the publication 2006-0127904 discloses the structure of the base station and the robotic device in a docked or engaged position, as shown in FIG. 8.

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.That is, the base station shown in FIG. 10 consists of a substantially horizontal base plate and a reinforcement wall that is almost vertical, and the base plate is generally parallel to the ground surface on which the base station is placed, but is inclined slightly upward toward the reinforcement wall. .

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.Electrical charging contacts are located on the top of the base plate, which contacts the corresponding contacts on the bottom of the robotic device 40. The contact on the contact or robot is fixed or soft and the contact is sized and positioned to reliably and repeatedly contact the corresponding contact on the robot. That is, the contact portion is enlarged on the base plate in a domed shape to ensure contact with the robot contact portion.

[문헌 1] 대한민국 공개특허공보 2007-0012121호(2007.01.25 공개)[Document 1] Republic of Korea Patent Publication No. 2007-0012121 (published Jan. 25, 2007)

[문헌 2] 대한민국 공개특허공보 2007-0007977호(2007.01.16 공개) [Document 2] Korean Unexamined Patent Publication No. 2007-0007977 (published Jan. 16, 2007)

[문헌 3] 대한민국 공개특허공보 2006-0134368호(2006.12.28 공개) [Document 3] Korean Unexamined Patent Publication No. 2006-0134368 (published Dec. 28, 2006)

[문헌 4] 대한민국 공개특허공보 2006-0134367호(2006.12.28 공개) [Document 4] Korean Unexamined Patent Publication No. 2006-0134367 (published Dec. 28, 2006)

[문헌 5] 대한민국 공개특허공보 2006-0127904호(2006.12.13 공개)[Document 5] Korean Unexamined Patent Publication No. 2006-0127904 (published Dec. 13, 2006)

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. However, in the technology disclosed in the above-mentioned publications, most of the currently available commercial charging systems for mobile robots do not show practical efficiency because the range of compensating the access error of the robot when docked is very small, and the battery of the robot when the battery is charged after docking. Since the charging of the battery is started after the operating system is shut down, in order for the robot to continue its mission after the battery is fully charged, the user needs to turn on and drive the robot located in the docking station and give the task again.

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.An object of the present invention is to solve the problems described above, to compensate for the error of various entry angles into the docking station, and to ensure the power of the continuous mobile robot by providing a separate power supply even when charging the battery It is to provide an automatic charging system and a charging method for a mobile robot that can be performed.

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.In order to achieve the above object, the automatic charging system for a mobile robot according to the present invention is an automatic charging system for a mobile robot including a docking station and a docking unit assembly of a mobile robot for power supply and charging, and the docking station is an x-axis ball bush. Two-axis free translation in the x- and y-axis directions through bearings, y-axis ball bush bearings, and compression springs, and two-axis degrees of freedom around the x- and y-axes through self-aligning ball bearings and tension springs. And an arm assembly.

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.In addition, in the automatic charging system for a mobile robot according to the present invention, the docking unit assembly is characterized in that it comprises an inclined partition to guide the arm assembly to be inserted into the hole of the docking unit assembly when docked.

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.In addition, in the automatic charging system for a mobile robot according to the present invention, the docking station is fixed to the insertion slot assembly to prevent the docking failure due to external interference between the charging or the reaction of the force entered by the robot after the docking completion. And a key groove into which a solenoid operated by a snap switch to be inserted and a key of the docking unit assembly are inserted.

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.In the automatic charging system for a mobile robot according to the present invention, the docking station is characterized in that it further comprises a power supply module for the continuous power supply of the mobile robot between automatic charging of the mobile robot.

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.In addition, in the automatic charging system for a mobile robot according to the present invention, the inclined partition is characterized by consisting of acetal (Athetal) resin having a friction coefficient value of 0.25 ~ 0.45.

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.In the automatic charging system for a mobile robot according to the present invention, the insert assembly is a columnar shape protruding from the docking station, characterized in that the insert assembly is inserted into the hole.

또 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템에 있어서, 상기 도킹 스테이션과 이동로봇의 도킹은 적외선 신호의 송수신에 의해 실행되는 것을 특징으로 한다.In the automatic charging system for a mobile robot according to the present invention, the docking station and the mobile robot are docked by an infrared signal.

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.In the automatic charging system for a mobile robot according to the present invention, the transmission and reception of the infrared signal is performed by the first and second infrared transmitters provided in the docking station and the infrared transmission / reception sensor provided in front of the mobile robot. The inclined partition is characterized in that it is provided at the rear of the mobile robot.

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.In the automatic charging system for a mobile robot according to the present invention, the mobile robot moves forward and receives and transmits and receives the docking station, and after 180 ° rotation during charging, moves backward and docks with the docking station.

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.In addition, in order to achieve the above object, the automatic charging method for a mobile robot according to the present invention is an automatic charging method for a mobile robot consisting of a docking station and a docking unit assembly for power supply and charging, and is it necessary to charge the mobile robot? Determining the charging step of determining, if it is determined that the charging is necessary in the determining step of tracking the position of the docking station, the position determination step of determining whether the distance and direction of the mobile robot and the docking station is a constant distance and direction And when it is determined in the position determining step that the positional relationship between the mobile robot and the docking station is a predetermined position, rotating the position of the mobile robot by 180 ° to dock the docking station and the docking unit assembly. .

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.As described above, the docking failure rate during docking for charging can be reduced through the automatic charging system for mobile robots according to the present invention, and the task standby state can be maintained between charges. In other words, the effect is that the mission can be carried out continuously.

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.In addition, according to the automatic charging system for a mobile robot and the charging method according to the present invention, the mobile robot to correct the error to access the docking station from a variety of angles, and supplies a separate power to the mobile robot at the same time the battery charging Thus, the effect that the mobile robot can continue to operate while charging is obtained.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.The above and other objects and novel features of the present invention will become more apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.

먼저 본 발명의 기본 구성 및 및 작동에 대해 도 1 및 도 2에 따라 설명한다. First, the basic configuration and operation of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

도 1은 본 발명에 따른 이동로봇과 도킹 스테이션의 관계를 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템의 동작을 설명하는 흐름도이다.1 is a block diagram showing a relationship between a mobile robot and a docking station according to the present invention, Figure 2 is a flow chart illustrating the operation of the automatic charging system for a mobile robot according to the present invention.

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.The automatic charging system for a mobile robot according to the present invention includes an insertion assembly (Peg ASSY ') and the insertion opening of the docking station 2 having four degrees of freedom (4DOF) that can be rotated and translated in the x- and y-axis directions, respectively. The inclined compartment (Chamfer) for inducing the assembly to the charging module of the mobile robot 100 and a docking unit assembly (1) for automatic charging and individual power supply when the docking is completed.

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.When the docking is completed, the battery is charged from the power supply module (SMPS) through the charging module, the insertion hole (Peg) assembly and the docking unit assembly (1), and at the same time the external robot for continuous performance of the mobile robot 100 between charging Supply power is maintained.

본 발명에서 개발된 도킹을 위한 시스템은 이동 로봇(100)이 도킹 스테이션(2)으로의 접근 방법으로서 적외선 송수신 센서(101)를 이용한다. The docking system developed in the present invention uses the infrared transmission and reception sensor 101 as a mobile robot 100 access method to the docking station (2).

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. The mobile robot 100 according to the present invention transmits infrared signals of two different frequencies output from the first infrared transmitter 201 and the second infrared transmitter 202 of the docking station 2 to the front of the robot. The infrared transmission and reception sensor 101 is mounted to sense the proximity to the docking station 2.

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. Here, the first and second infrared transmitters 201 and 202 are divided into left and right sides of the docking station 2 to send signals to different areas, and overlapping areas capable of receiving two signals simultaneously. Will exist.

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. This area causes the mobile robot 100 to be based on the position of the docking station 2. In other words, if the mobile robot 100 is out of the area capable of recognizing two signals and detects only the right infrared signal, it rotates in the counterclockwise direction and clockwise if only the left infrared signal is detected. At the same time, it returns to the area to be detected.

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.By repeating this method, the center of the docking station 2 is gradually approached. In addition, when the robot is located at a distance shorter than the dockable distance from the docking station 2, the robot attempts to access the docking station again by repeating autonomous driving for reversing and detecting the infrared sensor. That is, the distance and the direction between the mobile robot 100 and the docking station 2 are a constant distance and direction, and attempt to access an area in which the two signals described above are simultaneously detected.

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.The reception of each infrared signal is processed through the microcontroller (MCU) 102, and the processed value is transmitted to the SBC in the robot through CAN communication. This series of steps is accomplished through the control board, which has been developed to perform automatic charge control functions in addition to the functions listed above.

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).As described above, the mobile robot 100 executes an operation for its original operation (S10), and the microcontroller 102 determines the state of charge of the mobile robot 100 (S20). If it is determined in step S20 that charging is necessary, the position of the docking station 2 is tracked through the transmission / reception sensor 101 (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. The homing mechanism to the docking station according to the present invention allows the mobile robot 100 to set a distance, i.e., between the mobile robot 100 and the docking station 2, in order to effect docking. When the distance and the position of (S40) is reached, the mobile robot 100 stops (S50), and then rotates about 180 ° (S60) to dock the docking unit assembly (1) mounted on the rear of the robot is docked. Facing the station (2). This is because the docking module assembly 1, which is a docking module, is located at the rear of the mobile robot 100.

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. The front part of most mobile robots 100 are equipped with sensors for detecting an obstacle so that the docking module does not cause interference of the sensor signal. In addition, most service mobile robots are equipped with an LCD window for control, and if a docking module is mounted at the front, it is difficult to use the LCD window when charging.

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. The mobile robot 100 according to the present invention rotates about 180 ° and then moves backward while controlling the attitude of the robot by using a distance value to the docking station obtained from both infrared distance measuring sensors located at the rear of the docking station 2. Docked to (S70). Even when attempting docking with accurate calculation in this manner, an error may occur between the robot and the docking station (2). In order to compensate for this, the docking unit is designed in consideration of the docking mechanism.

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. That is, in the design and manufacture of the docking part of the present invention, the basic principle of Remote Center Compliance (RCC) was used as a method for compensating the distance and angle error generated when the robot approaches the docking station 2. The RCC was developed in the US "Charles Stark Draper" laboratory to insert components in the assembly process in 1976. The protruding part of the columnar shape into the docking part is called the "insertion part", and the part into which the insertion part enters when docking is called a "hole", and the inclined part that serves as a guide for the insertion part to enter the hole of the docking part. Referred to as "slope compartment".

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. The cylindrical insert has a spring constant of K x to the left and right, and linear movement is possible, and also has a spring constant in the rotational direction of K θ . The left and right and rotational movements occur on the same plane and the insertion part has a radius r and a length of Lg .

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. 3 shows a friction cone of the RCC, Φ represents the angle of the friction cone and is a value determined by the friction coefficient η. If the insert approaches the friction cone in the direction, the insert will not enter the hole due to friction. First, the inclination partition must be designed to compensate for the left and right distance error and the angular error of the insert. In this structure, as the angle increases, the angle error allowable value of the insert becomes larger, but the left and right distance error allowable values become smaller.

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. On the other hand, as the angle of the inclined partition is smaller, the angle error allowable value of the insert becomes smaller and the left and right distance error allowable value becomes larger. The material of the inclined section designed in the present invention is acetal (Athetal) resin, the acetal resin has a coefficient of friction (η) of 0.25 ~ 0.45 (0.35). Using this value, the friction cone can be obtained to obtain approximately ± 21.5 ° .In consideration of the correlation between the left and right distance error and the angle error, the inclined partition of the docking part can tolerate the left and right distance error ± 55.06mm and the angle error ± 18.5 °. It is designed to be.

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. In addition, in the docking module according to the present invention, when the insertion portion of the docking station enters the hole of the docking module and successfully docks, the docking module presses a snap switch, which is a micro switch connected to the ground terminal inside the hole, to determine whether the docking device is a microcontroller ( 102 becomes aware. In addition, even after a successful docking, the docking may fail due to external interference or reaction of the force entered by the robot.

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.In order to prevent this problem, in the present invention, the docking fixing unit is provided, and when the docking is successful, the microcontroller 102 drives the solenoids (Solenoid) located at both sides, and the two fixing units fix the docking so that the holes do not escape. Done. The solenoid also helps to charge and contact the external power terminals.

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. When the docking is completed in this way, charging is started (S80). If it is determined that the charging is completed, the mobile robot 100 is separated from the locking station 2, and proceeds to step S10 to perform a normal operation.

다음에 도 1에 도시된 도킹부 조립체(1)과 도킹 스테이션(2)의 구체적인 구조에 대해 도 4 내지 도 7에 따라 설명한다.Next, specific structures of the docking unit assembly 1 and the docking station 2 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 4 to 7.

또한, 본 발명의 설명에 있어서는 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.In addition, in description of this invention, the same code | symbol is attached | subjected to the same part and the repeated description is abbreviate | omitted.

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.4 is a front perspective view of an automatic charging system for a mobile robot which is the subject of the present invention, FIG. 5 is a rear perspective view of an automatic charging system for a mobile robot, and FIG. 6 is an enlarged perspective view of a docking system module which is the core of the present invention. 7 is a cross-sectional view of the docking system module.

본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템은 본 발명은 전원 공급 및 충전을 위한 도킹 스테이션모듈과 이동로봇의 도킹부 조립체로 분류된다.The automatic charging system for a mobile robot according to the present invention is classified into a docking station module and a docking unit assembly of a mobile robot for power supply and charging.

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. As shown in FIGS. 4 to 7, the docking unit assembly 1 may include the inclined compartment 3 at the front, a hole 4 connected to the inclined compartment 3, and a charging power connection terminal 6 at the docking side ground. ), The external power supply connection terminal (7) of the docking part grounding part, the docking part grounding part (8), the docking part grounding part assembly (9), the DC-DC converter 10 for converting the power, and confirming the contact of the docking part. It consists of a snap switch 11, a key groove 12 for fixing the insertion hole 13, and a solenoid for operating it.

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.The docking station 2 in contact with the docking assembly 1 has an insertion assembly 13 in contact with the docking assembly 1, a charging power connection terminal 14 of the insertion opening ground, and an external supply power connection of the insertion opening ground. Terminal 15, insertion hole side ground portion 16, key groove 18 for fixing the insertion hole during charging, tension spring 19 for correcting the angle and phase error during docking, compression spring 20, x-axis Ball bush bearing (21), y-axis ball bush bearing (22), charging module (24) for battery charging, power supply module (23) for power supply to charging module and mobile robot, self-aligning ball bearing (25) ), through the x-axis ball bush bearing 21, the y-axis ball bush bearing 22, and the compression spring 20 to the arm assembly 26 capable of biaxial free translation in the x- and y-axis directions. It is composed.

상기와 같이 구성된 본 발명의 이동로봇용 자동충전 시스템의 동작을 도 8 및 도 9에 따라 상세하게 설명한다.The operation of the automatic charging system for a mobile robot of the present invention configured as described above will be described in detail with reference to FIGS. 8 and 9.

도 8은 이동 로봇의 도킹과정을 나타내는 도면이고, 도 9는 이동 로봇과 도킹 스테이션의 도킹과정을 나타내는 도면이다.FIG. 8 is a view illustrating a docking process of a mobile robot, and FIG. 9 is a view illustrating a docking process of a mobile robot and a docking station.

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. The docking unit assembly 1 is mounted to the mobile robot so that when the mobile robot attempts to dock to the docking station for charging the battery, the docking unit 13 is connected to the docking unit side through the inclined compartment 3. Guide into the hall where (9) is located.

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. After the docking is completed, when the snap switch 11 inside the hole 4 is closed, the keys 12 of the docking unit assembly 1 are moved by the upper and lower solenoids 5 to the key grooves of the Peg assembly 13. It is bitten by (18) to prevent the docking failure due to external interference during the charging or reaction of the force entered by the robot.

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.After the docking is completed by the solenoid 5, the charging of the battery is performed by the charging power connection terminal 6 of the grounding part of the docking part. Power is supplied through the power connection terminal 15.

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.The docking station 2 including the insertion hole assembly 13, the power supply module (SMPS) 23, and the charging module 24 performs battery charging and external power supply functions of the mobile robot during docking and charging.

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. The inlet assembly 13 is composed of an inlet side ground assembly 17 for charging and external power supply and an arm assembly 26 having four degrees of freedom (DOF).

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. The arm assembly 26 can perform two-axis free translation in the x- and y-axis directions through the x-axis ball bush bearing 21, the y-axis ball bush bearing 22, and the compression spring 20, and automatically It has a two-axis degree of freedom around the x- and y-axes through the careful ball bearing 25 and the tension springs.

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. The grounding assembly 17 charges the battery through the charging power connection terminal 14 of the insertion-side ground portion during charging, and supplies external power to the robot through the external supply power connection terminal 15 of the insertion-side ground portion. .

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.The charging module 24 manages the remaining amount of battery measurement and charging state between charges, and the power supply module 23 performs a function of supplying power to the battery for charging and supplying external power to the mobile robot.

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.As mentioned above, although the invention made by this inventor was demonstrated concretely according to the said Example, this invention is not limited to the said Example and can be variously changed in the range which does not deviate from the summary. Explain the concept.

도 1은 본 발명에 따른 이동로봇과 도킹 스테이션의 관계를 나타내는 블록도, 1 is a block diagram showing a relationship between a mobile robot and a docking station according to the present invention,

도 2는 본 발명에 따른 이동로봇용 자동충전 시스템의 동작을 설명하는 흐름도,2 is a flowchart illustrating the operation of the automatic charging system for a mobile robot according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 동작을 설명하기 위한 RCC의 마찰 콘을 나타내는 도면,3 is a view showing a friction cone of the RCC for explaining the operation according to the present invention,

도 4는 본 발명의 이동로봇을 위한 자동충전 시스템의 전면 사시도,4 is a front perspective view of an automatic charging system for a mobile robot of the present invention;

도 5는 본 발명의 이동로봇을 위한 자동충전 시스템의 후면 사시도,5 is a rear perspective view of an automatic charging system for a mobile robot of the present invention;

도 6은 본 발명의 도킹시스템 모듈의 확대사시도,6 is an enlarged perspective view of a docking system module of the present invention;

도 7은 본 발명의 도킹시스템 모듈의 단면도,7 is a cross-sectional view of the docking system module of the present invention;

도 8은 본 발명에 따라 이동 로봇의 도킹과정을 나타내는 도면, 8 is a view showing a docking process of a mobile robot according to the present invention;

도 9는 본 발명에 따라 이동 로봇과 도킹 스테이션의 도킹과정을 나타내는 도면,9 is a view showing a docking process of a mobile robot and a docking station according to the present invention;

도 10은 종래의 도킹 또는 결합 위치에서의 베이스 스테이션과 로봇 장치의 구조를 나타내는 도면.10 illustrates the structure of a base station and robotic device in a conventional docking or mating position.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

1: 도킹부 조립체 2: 도킹 스테이션1: docking assembly 2: docking station

3: 경사구획부 4: 홀3: inclined compartment 4: hole

5: 솔레노이드 6: 도킹부측 접지부의 충전 전원 연결 단자5: Solenoid 6: Charging power connection terminal of docking part grounding part

7: 도킹부측 접지부의 외부 공급전원 연결 단자7: External power supply connection terminal of the docking part grounding part

8: 도킹부측 접지부 9: 도킹부측 접지부 조립체8: Docking Side Grounding Part 9: Docking Side Grounding Assembly

10: DC-DC 컨버터 11: 스냅 스위치10: DC-DC Converter 11: Snap Switch

12: 키 13: 삽입구 조립체12: key 13: insert assembly

14: 삽입구측 접지부의 충전 전원 연결 단자14: Charging power connection terminal of insertion part grounding part

15: 삽입구측 접지부의 외부 공급전원 연결 단자15: External power supply connection terminal of insertion part ground

16: 삽입구측 접지부 17: 삽입구측 접지부 조립체16: Insertion side ground part 17: Insertion side ground part assembly

18: 키 홈 19: 인장 스프링 18: key groove 19: tension spring

20: 압축 스프링 21: x축 볼 부시 베어링20: compression spring 21: x-axis ball bush bearing

22: y축 볼 부시 베어링 23: 전원공급모듈22: y-axis ball bush bearing 23: power supply module

24: 충전모듈 25: 자동조심 볼 베어링24: charging module 25: self-aligning ball bearing

26: 암 조립체26: arm assembly

Claims (13)

전원 공급 및 충전을 위한 도킹 스테이션과 이동로봇의 도킹부 조립체로 이루어진 이동로봇용 자동충전 시스템으로서,An automatic charging system for a mobile robot consisting of a docking station and a docking unit assembly of a mobile robot for power supply and charging, 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.The docking station performs two-axis free translation in the x- and y-axis directions through the x-axis ball bush bearing, the y-axis ball bush bearing, and the compression spring, and the x-axis and the y-axis through the self-aligning ball bearing and the tension spring. An automatic charging system for a mobile robot, characterized in that it comprises an arm assembly having a two-axis freedom to the center. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 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.The docking unit assembly includes an inclined partition that guides the arm assembly to be inserted into the hole of the docking unit assembly when docking. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 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.The docking station of the docking unit assembly and the solenoid actuated by a snap switch to secure the insertion assembly assembly to prevent the docking failure due to external interference between the charge after the docking or reaction of the force entered by the robot. Automatic charging system for a mobile robot, characterized in that it further comprises a key groove into which the key is inserted. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 도킹 스테이션은 상기 이동로봇의 자동충전 간 이동로봇의 지속적인 전원공급을 위한 전원공급모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 시스템.The docking station further comprises a power supply module for the continuous power supply of the mobile robot between the automatic charging of the mobile robot automatic charging system for a mobile robot. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 경사 구획부는 0.25~0.45의 마찰계수 값을 갖는 아세탈(Athetal) 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 시스템.The inclined partition portion is an automatic charging system for a mobile robot, characterized in that made of acetal (Athetal) resin having a coefficient of friction value of 0.25 ~ 0.45. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 삽입구 조립체는 상기 도킹 스테이션에서 돌출한 기둥형상이며, 상기 삽입구 조립체가 상기 홀 안으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 시스템.The insert assembly is a columnar shape protruding from the docking station, the insert assembly is inserted into the hole automatic charging system for a mobile robot. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 도킹 스테이션과 이동로봇의 도킹은 적외선 신호의 송수신에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 시스템.Docking of the docking station and the mobile robot is an automatic charging system for a mobile robot, characterized in that executed by the transmission and reception of infrared signals. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 적외선 신호의 송수신은 상기 도킹 스테이션에 마련된 제1 및 제2의 적외선 송신기와 상기 이동 로봇의 전방에 마련된 적외선 송수신 센서에 의해 실행되며,The transmission and reception of the infrared signal is performed by the first and second infrared transmitters provided in the docking station and the infrared transmission / reception sensor provided in front of the mobile robot. 상기 경사 구획부는 상기 이동로봇의 후방에 마련되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 시스템.The inclined compartment is a mobile robot automatic charging system, characterized in that provided in the rear of the mobile robot. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 이동 로봇은 전방으로 진행하며 상기 도킹 스테이션과 송수신하고, 충전시 180°회전 후, 후진하여 도킹 스테이션과 도킹하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 시스템.The mobile robot proceeds forward and transmits and receives with the docking station, and after charging, rotates 180 °, and moves backward to dock with the docking station. 전원 공급 및 충전을 위한 도킹 스테이션과 이동로봇의 도킹부 조립체로 이루어진 이동로봇용 자동충전 방법으로서,An automatic charging method for a mobile robot consisting of a docking station and a docking unit assembly of a mobile robot for power supply and charging, 상기 이동 로봇의 충전이 필요한가 판단하는 충전 판단 단계,A charging determination step of determining whether charging of the mobile robot is necessary; 상기 판단 단계에서 충전이 필요한 것으로 판단된 경우 상기 도킹 스테이션의 위치를 추적하는 단계,Tracking the location of the docking station when it is determined that charging is necessary in the determining step; 상기 이동 로봇과 상기 도킹 스테이션과의 거리 및 방향이 일정한 거리 및 방향인가 판단하는 위치 판단 단계,A position determining step of determining whether a distance and a direction between the mobile robot and the docking station are a constant distance and a direction; 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.If it is determined in the position determination step that the positional relationship between the mobile robot and the docking station is a predetermined position, by rotating the position of the mobile robot 180 °, comprising the step of docking the docking station and the docking unit assembly Automatic charging method for a mobile robot, characterized in that. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 도킹 스테이션과 이동로봇의 위치 판단은 적외선 신호의 송수신에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 방법.Positioning of the docking station and the mobile robot is automatic charging method for a mobile robot, characterized in that performed by the transmission and reception of infrared signals. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 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.Transmitting and receiving the infrared signal is performed by the first and second infrared transmitters provided in the docking station and the infrared transmission and reception sensor provided in the mobile robot. 제12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 제1 및 제2의 적외선 송신기는 상기 도킹 스테이션의 왼쪽과 오른쪽으로 구분되어 배치되어 서로 다른 영역으로 각각 신호를 보내고,The first and second infrared transmitters are divided into left and right sides of the docking station to send signals to different areas, respectively. 상기 미리 정한 위치는 상기 각각의 신호가 동시에 검출되는 영역인 것을 특징으로 하는 이동 로봇용 자동충전 방법.The predetermined position is an automatic charging method for a mobile robot, characterized in that the respective signals are detected at the same time.
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