KR20200091388A - 자율 로봇을 위한 전기 충전 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

재충전 가능한 배터리에 의해 전력을 공급받고 제 1 충전 부재를 갖는 자율 로봇을 충전하기 위한 전기 충전 시스템이 개시된다. 전기 충전 스테이션은 자율 로봇이 재충전 가능한 배터리를 충전하기 위해 전기 충전 스테이션에 도킹될 때 자율 로봇 상의 제 1 충전 부재를 수용하도록 구성된 제 2 충전 부재를 포함한다. 로봇의 재충전 가능한 배터리를 충전하도록 구성된 전원, 및 전원으로부터 로봇으로 전달되는 충전량을 측정하도록 구성된 센서가 존재한다. 전원으로부터 로봇으로 전달되며 센서에 의해 측정되는 충전량으로부터 자율 로봇의 충전 상태(SOC)를 결정하도록 구성된 프로세서가 존재한다. 전기 충전 스테이션에 도킹되어 있는 동안 로봇의 SOC를 로봇에 전송하도록 구성된 통신 디바이스가 또한 존재한다.

Description

자율 로봇을 위한 전기 충전 시스템 및 방법
본 출원은 2017년 9월 22일 출원된 미국 출원 번호 제15/712,516호의 우선권을 주장하며, 이 미국 출원은 본원에 참고로 포함된다.
본 발명은 자율 로봇을 위한 전기 충전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전기 충전 스테이션에서 자율 로봇의 충전 상태를 결정하고 전기 충전 시스템으로부터 자율 로봇으로 상기 충전 상태를 통신하는 그러한 전기 충전 시스템에 관한 것이다.
많은 애플리케이션에서, 로봇은 인간 대신 기능을 수행하거나 생산성 및 효율성을 높이기 위해 인간을 지원하는 데 사용된다. 이러한 하나의 애플리케이션은 전형적으로 가정 배달(home delivery)을 위해 인터넷을 통해 주문한 고객에게 배송할 제품으로 채워진 대형 창고에서 수행되는 주문 풀필먼트(order fulfillment)이다.
적시에, 정확하고 효율적인 방식으로 그러한 주문을 이행(fulfilling)하는 것은 논리적으로 최소한으로 말하기가 어려운 과제가 된다. 가상 쇼핑 카트(virtual shopping cart)에서 "체크 아웃" 버튼을 클릭하면 "주문"이 생성된다. 주문은 특정 주소로 배송될 품목 목록을 포함한다. "풀필먼트(fulfillment)"의 프로세스는 대형 창고에서 이러한 품목을 물리적으로 가져 오거나 "피킹(picking)"하고, 이를 포장(packing)하고, 그리고 이를 지정된 주소로 배송(shipping)하는 과정을 포함한다. 따라서, 주문 풀필먼트 프로세스의 중요한 목표는 가능한 한 짧은 시간 내에 많은 품목을 배송하는 것이다. 또한, 궁극적으로 가장 먼저 배송될 제품이 창고에 입고되고 창고 전체에 걸쳐 보관 빈(storage bins)에 순차적인 방식(orderly fashion)으로 보관되거나 "배치"되어야 하며, 따라서 그 제품들은 배송을 위해 쉽게 회수될 수 있다.
로봇을 사용하여 피킹(picking) 및 배치(placing) 기능을 수행하는 것은 로봇 단독에 의해 수행될 수 있거나 또는 인간 조작자의 지원과 함께 수행될 수 있다. 로봇은 로봇에 탑재된 배터리에 저장된 전기로 구동된다. 로봇은 창고의 모든 곳을 돌아 다니기 때문에 정기적으로 재충전되어야 한다. 따라서, 원활한 작동을 위해서는 로봇을 효율적이고 효과적으로 충전하는 방법이 요구된다.
기존 시스템과 비교할 때 본 발명의 이익 및 장점은 본 발명의 개요 및 후속되는 상세한 설명으로부터 쉽게 알 수 있을 것이다. 본 기술 분야의 기술자는 본 교시가 아래에 요약되거나 개시된 것 이외의 실시예와 함께 실시될 수 있음을 이해할 것이다.
일 양태에서, 본 발명은, 재충전 가능한 배터리에 의해 전력을 공급받고 제 1 충전 부재를 갖는 자율 로봇을 충전하기 위한 전기 충전 시스템(electrical charging system)을 포함한다. 전기 충전 스테이션은 자율 로봇이 재충전 가능한 배터리를 충전하기 위해 전기 충전 스테이션에 도킹될 때 자율 로봇 상의 제 1 충전 부재를 수용하도록 구성된 제 2 충전 부재를 포함한다. 전기 충전 스테이션에 도킹될 때 자율 로봇의 재충전 가능한 배터리를 충전하도록 구성된 전원, 및 충전 동안 전원으로부터 자율 로봇으로 전달되는 충전량을 측정하도록 구성된 센서가 존재한다. 센서와 통신하여, 전원으로부터 자율 로봇으로 전달되며 상기 센서에 의해 측정된 상기 충전량으로부터 자율 로봇의 충전 상태(state of charge)(SOC)를 결정하도록 구성된 프로세서가 존재한다. 또한, 프로세서와 통신하여, 전기 충전 스테이션에 도킹되어 있는 동안 자율 로봇의 SOC를 자율 로봇에 전송하도록 구성된 통신 디바이스가 또한 존재한다.
본 발명의 다른 양태에서, 다음의 특징들 중 하나 이상이 포함될 수 있다. 자율 로봇은 전기 충전 스테이션 상의 통신 디바이스와 통신하도록 구성된 통신 디바이스를 추가로 포함할 수 있다. 자율 로봇은 재충전 가능한 배터리에 의해 전력을 공급받고 자율 로봇이 전기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 자율 로봇을 추진시키도록 구성되는 모터 드라이브(motor drive)를 추가로 포함할 수 있다. 자율 로봇은 자율 로봇이 전기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 자율 로봇을 추진하기 위해 재충전 가능한 배터리에 의해 모터 드라이브에 제공되는 충전량을 측정하도록 구성된 센서를 추가로 포함할 수 있다. 자율 로봇 상의 통신 디바이스는 전기 충전 스테이션으로부터 자율 로봇의 SOC를 수신하도록 구성될 수 있고, 자율 로봇은 전기 충전 스테이션으로부터 수신된 SOC를 저장하기 위한 메모리를 포함한다. 자율 로봇의 메모리는 자율 로봇이 전기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 자율 로봇을 추진하기 위해 재충전 가능한 배터리에 의해 모터 드라이브에 제공되는 충전량을 저장하도록 추가로 구성될 수 있다. 전기 충전 스테이션의 프로세서는 전기 충전 스테이션에 도킹되어 있는 동안 자율 로봇의 SOC를 주기적으로 결정하고, 통신 디바이스가 주기적으로 결정된 자율 로봇의 SOC를 자율 로봇에 전송하게 하도록 구성될 수 있다. 자율 로봇은, 자율 로봇을 추진하기 위해 재충전 가능한 배터리에 의해 모터 드라이브에 제공되는 충전량을 전기 충전 스테이션에 의해 자율 로봇에 전달되는 SOC와 비교함으로써, 전기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 자율 로봇의 SOC를 주기적으로 결정하도록 구성된 프로세서를 추가로 포함할 수 있다. SOC는 적어도 부분적으로 재충전 가능한 배터리 내로 전달되거나 재충전 가능한 배터리로부터 전달되는 쿨롱량(number of coulombs)으로부터 결정될 수 있다. 프로세서는 자율 로봇의 SOC가 사전 결정된 레벨에 도달할 때 자율 로봇이 충전을 위해 전기 충전 스테이션으로 리턴하게 하도록 구성될 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은, 재충전 가능한 배터리에 의해 전력을 공급받는 자율 로봇을 전기 충전 스테이션에서 충전시키는 방법을 특징으로 하고 있다. 상기 방법은 자율 로봇의 제 1 충전 부재와 전기 충전 스테이션의 제 2 충전 부재가 메이팅되도록 전기 충전 스테이션에 자율 로봇을 도킹시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 전기 충전 스테이션에 도킹될 때 자율 로봇의 재충전 가능한 배터리를 전기 충전 스테이션의 전원을 사용하여 충전시키는 단계, 및 충전 동안 전원으로부터 자율 로봇으로 전달되는 충전량을 측정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 전원으로부터 자율 로봇으로 전달된 충전량으로부터 자율 로봇의 충전 상태(SOC)를 결정하는 단계, 및 전기 충전 스테이션에서 도킹되어 있는 동안 자율 로봇의 SOC를 전기 충전 스테이션으로부터 자율 로봇으로 전송하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 다음의 특징들 중 하나 이상이 포함될 수 있다. 상기 방법은 전기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 자율 로봇을 재충전 가능한 배터리에 의해 전력을 공급받는 모터 드라이브를 사용하여 추진시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 자율 로봇이 전기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 자율 로봇을 추진하기 위해 재충전 가능한 배터리에 의해 모터 드라이브에 제공되는 충전량을 측정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 자율 로봇의 통신 디바이스에 의해 전기 충전 스테이션으로부터 자율 로봇의 SOC를 수신하는 단계, 및 전기 충전 스테이션으로부터 수신된 SOC를 자율 로봇의 메모리에 저장하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 자율 로봇이 전기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 자율 로봇을 추진하기 위해 재충전 가능한 배터리에 의해 모터 드라이브에 제공되는 충전량을 자율 로봇의 메모리에 저장하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 자율 로봇의 SOC를 결정하는 단계는 전기 충전 스테이션에 도킹되어 있는 동안 자율 로봇의 SOC를 주기적으로 결정하는 것을 포함할 수 있고, SOC를 자율 로봇에 전송하는 단계는 자율 로봇의 SOC를 주기적으로 전송하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 자율 로봇을 추진하기 위해 재충전 가능한 배터리에 의해 모터 드라이브에 제공되는 충전량을 전기 충전 스테이션에 의해 자율 로봇에 전달되는 SOC와 주기적으로 비교함으로써, 전기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 자율 로봇의 SOC를 주기적으로 결정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. SOC는 적어도 부분적으로 재충전 가능한 배터리 내로 전달되거나 재충전 가능한 배터리로부터 전달되는 쿨롱량(number of coulombs)으로부터 결정될 수 있다. 상기 방법은 자율 로봇의 SOC가 사전 결정된 레벨에 도달할 때 자율 로봇이 충전을 위해 전기 충전 스테이션으로 리턴하게 하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 알 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예는 이제 첨부된 도면을 참조하여 예로서만 기술될 것이다.
도 1은 주문 풀필먼트(order-fulfillment) 창고의 평면도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 창고에서 사용되는 로봇들 중 하나의 베이스(base)의 정면도이다.
도 2b는 도 1에 도시된 창고에서 사용되는 로봇들 중 하나의 베이스의 사시도이다.
도 3은 뼈대가 장착되고 도 1에 도시된 선반(shelf) 앞에 파킹된 도 2a 및 도 2b의 로봇의 사시도이다.
도 4는 로봇 상의 레이저 레이더를 사용하여 생성된 도 1의 창고의 부분 맵이다.
도 5는 창고 전체에 분산된 기준 마커(fiducial markers)를 찾고 기준 마커 포즈(fiducial marker poses)를 저장하는 프로세스를 도시한 흐름도이다.
도 6은 기준 식별자 대 포즈 매핑(fiducial identification to pose mapping)의 테이블이다.
도 7은 빈 위치 대 기준 식별자 매핑(bin location to fiducial identification mapping)의 테이블이다.
도 8은 제품 SKU 대 포즈 매핑의 프로세스를 도시한 흐름도이다.
도 9는 본 발명에 따른 전기 충전 어셈블리의 정면도이다.
도 10은 도 9의 전기 충전 어셈블리의 측면도이다.
도 11은 도 10과 관련한 전기 충전 포트의 사시도이다.
도 12는 전기 충전 포트와 메이팅된 전기 충전 어셈블리의 단면도이다.
도 13a는 본 발명에 따른 충전기 도킹 스테이션의 사시도이다.
도 13b는 외부 커버가 제거된 채 충전기 도킹 스테이션의 내부를 도시하는 도 14a의 충전기 도킹 스테이션의 사시도이다.
도 14a는 도 13a의 충전기 도킹 스테이션의 정면도이다.
도 14b는 외부 커버가 제거된 채 충전기 도킹 스테이션의 내부를 도시하는 도 14a의 충전기 도킹 스테이션의 정면도이다.
도 15a는 도 13a의 충전기 도킹 스테이션의 좌측면도이다.
도 15b는 외부 커버가 제거된 채 충전기 도킹 스테이션의 내부를 도시하는 도 15a의 충전기 도킹 스테이션의 좌측면도이다.
도 16a는 도 13a의 충전기 도킹 스테이션의 후방 사시도이다.
도 16b는 외부 커버가 제거된 채 충전기 도킹 스테이션의 내부를 도시하는 도 16a의 충전기 도킹 스테이션의 후방 사시도이다.
도 17은 도킹된 로봇과 함께 도시된 도 13a의 충전기 도킹 스테이션의 평면도이다.
도 18은 본 발명의 일 양태에 따른 전기 충전 스테이션과 도킹하는 로봇의 개략도이다.
도 19는 전기 충전 스테이션의 전기 컴포넌트의 개략도이다.
도 20은 로봇 충전 프로세스에 이용되는 로봇의 특정 전기 컴포넌트의 개략도이다.
도 21은 다양한 온도에서 로봇 배터리의 방전 프로파일의 그래프이다.
도 22는 본 발명의 일 양태에 따른 로봇 충전 프로세스를 도시한 흐름도이다.
도 23은 본 발명의 일 양태에 따른 전기 충전 스테이션의 동작을 도시한 상태도이다.
본 개시 내용 및 그 다양한 특징들 및 유리한 세부 사항들은 첨부 도면에서 설명되고/되거나 예시되고 아래의 설명에서 상세히 설명되는 비 제한적인 실시예 및 예를 참조하여 보다 완전하게 설명된다. 주목해야 하는 것은 도면에 예시된 특징들은 반드시 축척대로 도시된 것은 아니며, 본 명세서에서 명시적으로 언급되지 않더라도, 본 기술 분야의 기술자가 인식할 수 있는 바와 같이, 일 실시예의 특징들은 다른 실시예들과 함께 이용될 수 있다는 것이다. 널리 알려진 컴포넌트 및 처리 기술에 대한 설명은 본 개시의 실시예를 불필요하게 모호하게 하지 않도록 생략될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 예는 단지 본 개시 내용이 실시될 수 있는 방식의 이해를 용이하게 하고, 추가로 본 기술 분야의 기술자가 본 개시 내용의 실시예를 실시할 수 있게 하기 위한 것이다. 따라서, 본 명세서의 예 및 실시예는 본 개시 내용의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 더욱이, 주목되는 것은 유사한 참조 번호는 도면들의 여러 도면에 걸쳐 유사한 부분을 나타낸다는 것이다.
본 발명은 로봇 충전에 사용하기 위한 전기 충전 시스템에 관한 것이다. 임의의 특정 로봇 애플리케이션에 제한되지는 않지만, 본 발명이 사용될 수 있는 하나의 적합한 애플리케이션은 주문 풀필먼트(order fulfillment)이다. 이 애플리케이션에서 로봇의 사용은 전기 충전 시스템에 대한 맥락을 제공하기 위해 설명될 것이다.
여기에 제공된 설명은 고객에게 배송하기 위한 주문을 이행하기 위해 창고의 빈 위치(bin locations)에서 품목을 피킹(picking)하는 데 중점을 두고 있지만, 이 시스템은 창고로 입고된 품목을 나중의 회수 및 고객으로의 배송을 위해, 창고 전체의 빈 위치에 보관 또는 배치하는 데에 동일하게 적용될 수 있다. 본 발명은 또한 제품의 통합, 계수, 검증, 검사 및 정화와 같은 창고 시스템과 관련된 재고 관리 작업에도 적용 가능하다.
도 1을 참조하면, 전형적인 주문 풀필먼트 창고(order-fulfillment warehouse)(10)는 주문(16)에 포함될 수 있는 다양한 품목으로 채워진 선반(12)을 포함한다. 동작시, 창고 관리 서버(15)로부터의 주문(16)은 주문 서버(order-server)(14)에 도달한다. 주문 서버(14)는 주문(16)을 창고(10)를 로밍하는 복수의 로봇으로부터 선택된 로봇(18)에 통신한다. 또한, 충전 구역(19)이 도시되며, 이 구역에는 본 발명의 일 양태에 따른 하나 이상의 전기 충전 스테이션이 위치될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 도 2a 및 도 2b에 도시된 로봇(18)은 레이저 레이더(22)를 갖는 자율 휠 베이스(autonomous wheeled base)(20)를 포함한다. 베이스(20)는 또한 로봇(18)이 주문 서버(14) 및 한 쌍의 디지털 광학 카메라(24a 및 24b)로부터 명령어를 수신할 수 있게 하는 트랜시버(미도시)를 특징으로 하고 있다. 로봇 베이스는 또한 자율 휠 베이스(20)에 전력을 공급하는 배터리를 재충전하기 위한 전기 충전 포트(26)(도 10 및 도 11에 보다 상세히 설명됨)를 포함한다. 베이스(20)는 또한 로봇의 환경을 나타내는 정보를 캡처하기 위해 레이저 레이더 및 카메라(24a 및 24b)로부터 데이터를 수신하는 프로세서(미도시)를 특징으로 하고 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 창고(10) 내에서의 내비게이션과 관련된 다양한 작업을 수행하고, 선반(12) 상에 배치된 기준 마커(fiducial marker)(30)로 내비게이션하도록 프로세서와 함께 동작하는 메모리(미도시)가 존재한다. 기준 마커(30)(예를 들어, 2 차원 바코드)는 주문된 품목의 빈(bin)/위치(location)에 대응한다. 본 발명의 내비게이션 접근법은 도 4 내지 도 8과 관련하여 아래에서 상세하게 설명된다. 기준 마커는 또한 본 발명의 일 양태에 따른 전기 충전 스테이션을 식별하는 데 사용되며, 이러한 전기 충전 스테이션 기준 마커로의 내비게이션은 주문된 품목의 빈/위치로의 내비게이션과 동일하다. 로봇이 전기 충전 스테이션으로 내비게이션하면, 로봇을 전기 충전 스테이션에 도킹시키는 데 보다 정확한 내비게이션 접근법이 사용되며, 이러한 내비게이션 접근법은 아래에 설명되고 있다.
다시 도 2b를 참조하면, 베이스(20)는 품목을 운반하기 위한 토트(tote) 또는 빈(bin)이 보관될 수 있는 상부 표면(32)을 포함한다. 또한, 복수의 교환 가능한 뼈대(40) 중 어느 하나와 맞물리는 커플링(34)이 도시되어 있으며, 이러한 뼈대 중 하나가 도 3에 도시되어 있다. 도 3의 특정 뼈대(40)는 품목을 수용하는 토트(44)를 운반하기 위한 토트 홀더(tote-holder)(42)(이 경우, 선반), 및 태블릿(48)을 지지하기 위한 태블릿 홀더(tablet holder)(46)(또는 랩탑/다른 사용자 입력 디바이스)를 특징으로 하고 있다. 일부 실시예에서, 뼈대(40)는 품목을 운반하기 위한 하나 이상의 토트를 지지한다. 다른 실시예에서, 베이스(20)는 수용된 품목을 운반하기 위한 하나 이상의 토트를 지지한다. 본원에 사용된 용어 "토트"는 화물(cargo) 홀더, 빈(bins), 케이지(cages), 선반(shelves), 품목이 매달릴 수 있는 막대(rod), 캐디(caddies), 상자(crates), 랙(racks), 스탠드(stands), 가대(trestle), 컨테이너(containers), 박스(boxes), 캐니스터(canisters), 베슬(vessels), 및 리포지토리(repositories)를 제한 없이 포함한다.
로봇(18)이 현재의 로봇 기술을 사용하여 창고(10) 주위를 이동하는 데에는 우수하지만, 물체에 대한 로봇 조작과 관련된 기술적 어려움으로 인해 선반으로부터 품목을 피킹하고 그 품목을 토트(44)에 배치하는 것을 빠르고 효율적으로 수행하는 데에는 그다지 능숙하지가 않다. 품목을 피킹하는 보다 효율적인 방식은, 선반(12)으로부터 주문된 품목을 물리적으로 제거하고, 그것을 로봇(18) 상에, 예를 들어, 토트(44)에 배치하는 작업을 수행하기 위해, 전형적으로 인간인 로컬 조작자(50)를 이용하는 것이다. 로봇(18)은, 로컬 조작자(50)가 판독할 수 있는 태블릿(48)(또는 랩탑/다른 사용자 입력 디바이스)을 통해, 또는 로컬 조작자(50)가 사용하는 핸드헬드 디바이스에 주문을 전송함으로써, 로컬 조작자(50)에게 주문을 통신한다.
주문 서버(14)로부터 주문(16)을 수신하면, 로봇(18)은, 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 창고 위치로 진행한다. 그것은 메모리에 저장되고 프로세서에 의해 수행되는 내비게이션 소프트웨어에 기반하여 수행된다. 내비게이션 소프트웨어는 레이저 레이더(22)에 의해 수집된 바와 같은 환경에 관한 데이터, 특정 품목이 발견될 수 있는 창고(10)의 위치에 대응하는 기준 마커(30)의 기준 식별자("ID")를 식별하는 메모리 내의 내부 테이블, 및 내비게이션하는 카메라(24a 및 24b)에 의존하고 있다.
정확한 위치에 도달하면, 로봇(18)은 물품이 보관되어 있는 선반(12) 앞에 스스로 파킹하고, 로컬 조작자(50)가 선반(12)으로부터 물품을 회수하여 토트(44)에 배치하기를 기다린다. 로봇(18)이 회수할 다른 품목을 갖는 경우, 로봇은 그 위치로 진행한다. 로봇(18)에 의해 회수된 품목(들)은 그 후 포장 스테이션(100)(도 1)으로 배달되고, 그곳에서 품목들이 포장되어 배송된다.
본 기술 분야의 기술자는 각각의 로봇이 하나 이상의 주문을 이행할 수 있고 각각의 주문은 하나 이상의 품목으로 구성될 수 있음을 이해할 것이다. 전형적으로, 효율성을 증가시키기 위해 어떤 형태의 경로 최적화 소프트웨어가 포함될 수 있을 것이지만, 이것은 본 발명의 범위를 벗어나므로 여기서 설명되지는 않는다.
본 발명의 설명을 단순화하기 위해, 단일 로봇(18) 및 조작자(50)가 설명된다. 그러나, 도 1로부터 명백한 바와 같이, 전형적인 풀필먼트 동작은 연속적인 주문 흐름을 채우기 위해 창고에서 서로 작업하는 많은 로봇 및 조작자를 포함한다.
본 발명의 내비게이션 접근법뿐만 아니라, 품목이 위치한 창고에서 기준 마커와 관련된 기준 ID/포즈에 대한 회수될 품목의 SKU의 시맨틱 매핑이 도 4 내지 도 8과 관련하여 아래에서 상세하게 설명된다. 전술한 바와 같이, 로봇이 배터리를 재충전하기 위해 전기 충전 스테이션으로 내비게이션하는 것을 가능하게 하는 데 동일한 내비게이션 접근법이 사용될 수 있다.
하나 이상의 로봇(18)을 사용하여, 창고 전체에 분산된 다양한 기준 마커의 위치뿐만 아니라, 정적 및 동적인 물체의 위치를 결정하기 위해, 창고(10)의 맵(10)이 생성되고 동적으로 업데이트되어야 한다. 이를 위해, 로봇(18) 중 하나는 레이저 레이더(22) 및 SLAM(simultaneous localization and mapping)을 이용하여, 창고를 내비게이션하고 맵(10a)(도 4)을 구축/업데이트하며, 상기 SLAM은 알려지지 않은 환경의 가상 맵을 구성 또는 업데이트하는 계산적인 방법이다. 널리 사용되는 SLAM 근사화 솔루션 방법은 입자 필터(particle filter) 및 확장된 칼만 필터(extended Kalman filter)를 포함한다. SLAM GMapping 방식이 선호되는 방식이지만, 임의의 적합한 SLAM 방식이 사용될 수 있다.
로봇(18)은, 로봇(18)이 공간 전체를 이동하면서, 자신의 레이저 레이더(22)가 환경을 스캔함에 따라 수신하게 되는 반사에 기반하여, 개방 공간(112), 벽(114), 물체(116), 및 공간 내의 선반(12a)과 같은 다른 정적 장애물을 식별하므로, 레이저 레이더(22)를 이용하여 창고(10)의 맵(10a)을 생성/업데이트한다.
맵(10a)을 구성하는 동안 또는 그 이후에, 하나 이상의 로봇(18)은 환경을 스캔하는 카메라(24a 및 24b)를 사용하여 창고(10)를 내비게이션하여, 창고 전체에 걸쳐 분산되어 있으며 품목들이 보관되어 있는 빈(예컨대, 32 및 34)(도 3)에 인접한 선반 상의 기준 마커(2 차원 바코드)를 찾는다. 로봇(18)은 알려진 참조 포인트 또는 참조를 위한 원점, 예컨대, 원점(110)을 사용한다. 기준 마커, 예컨대, 기준 마커(30)(도 3 및 도 4)가 카메라(24a 및 24b)를 사용하는 로봇(18)에 의해 탐색되면, 원점(110)에 대한 창고 내의 위치가 결정된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 로봇 베이스의 양측에 하나씩인 두 개의 카메라를 사용함으로써, 로봇(18)은 로봇의 양 측면으로부터 확장되는 비교적 넓은 시야(예를 들어, 120도)를 가질 수 있다. 이를 통해, 로봇은 선반의 통로를 따라 위아래로 이동할 때 통로의 양쪽에 있는 기준 마커를 볼 수 있다.
휠 인코더(wheel encoders) 및 헤딩 센서(heading sensors)를 사용함으로써, 벡터(120), 및 창고(10) 내에서의 로봇의 포지션(position)이 결정될 수 있다. 기준 마커/이차원 바코드의 캡처된 이미지 및 그것의 알려진 크기를 사용하여, 로봇(18)은 로봇으로부터 기준 마커/이차원 바코드에 대한 방향 및 거리, 즉 벡터(130)를 결정할 수 있다. 벡터들(120 및 130)이 알려지면, 원점(110)과 기준 마커(30) 간의 벡터(140)가 결정될 수 있다. 벡터(140) 및 로봇(18)에 대한 기준 마커/이차원 바코드의 결정된 방향으로부터, 기준 마커(30)에 대해 4원수(x, y, z, ω)에 의해 정의된 포즈(위치 및 방향)가 결정될 수 있다.
기준 마커 위치 프로세스를 설명하는 흐름도(200)(도 5)가 설명된다. 이것은 초기 매핑 모드에서 그리고 로봇(18)이 피킹, 배치, 및/또는 다른 작업을 수행하는 동안 창고에서 새로운 기준 마커를 만나게 되면 수행된다. 단계(202)에서, 로봇(18)은 카메라(24a 및 24b)를 사용하여 이미지를 캡처하고, 단계(204)에서 캡처된 이미지 내의 기준 마커를 검색한다. 기준 마커가 이미지에서 발견되면(단계 204), 단계(206)에서, 기준 마커가 로봇(18)의 메모리(34)에 위치한 기준 테이블(300)(도 6)에 이미 저장되어 있는지가 결정된다. 기준 정보가 이미 메모리에 저장되어 있으면, 흐름도는 다른 이미지를 캡처하기 위해 단계(202)로 리턴한다. 기준 정보가 메모리에 있지 않으면, 포즈가 상술된 프로세스에 따라 결정되고, 단계(208)에서 기준 대 포즈 룩업 테이블(fiducial to pose lookup table)(300)에 추가된다.
각 로봇의 메모리에 저장될 수 있는 룩업 테이블(300)에는 각 기준 마커마다, 기준 식별자(1, 2, 3, 등), 및 각각의 기준 식별자와 연관된 기준 마커/바코드에 대한 포즈가 포함된다. 포즈는 방향과 함께 창고 내의 x, y, z 좌표, 즉, 4원수(x, y, z, ω)로 구성된다.
각각의 로봇의 메모리에 또한 저장될 수 있는 다른 룩업 테이블(400)(도 7)에는 특정 기준 ID(404)의, 예를 들어, 번호 “11”과 상관 관계에 있는 창고(10) 내의 빈 위치(bin locations)(예를 들어, 402a-f)의 목록이 존재한다. 이 예에서, 빈 위치는 7 개의 영숫자의 문자로 구성된다. 처음 6 개의 문자(예컨대, L01001)는 창고 내 선반 위치와 관련되며 마지막 문자(예컨대, A-F)는 선반 위치에서의 특정 빈을 식별한다. 이 예에서는 기준 ID “11”과 연관된 6 개의 상이한 빈 위치가 존재한다. 각 기준 ID/마커와 연관된 하나 이상의 빈이 있을 수 있다. 충전 구역(19)(도 1)에 위치한 전기 충전 스테이션은 또한 테이블(400)에 저장될 수 있고 기준 ID와 상관될 수 있다. 기준 ID들로부터, 전기 충전 스테이션의 포즈는 테이블(300)(도 6)에서 발견될 수 있다.
영숫자의 빈 위치는 인간(예를 들어, 조작자(50)(도 3)에게는 품목이 보관되는 창고(10)의 물리적 위치에 대응하는 것으로 이해될 수 있다. 그러나, 이러한 빈 위치는 로봇(8)에는 의미가 없다. 위치를 기준 ID에 매핑함으로써, 로봇(18)은 테이블(300)(도 6) 내의 정보를 사용하여 기준 ID의 포즈를 결정할 수 있고, 그 후 본원에 설명된 바와 같이 포즈에 내비게이션할 수 있다.
본 발명에 따른 주문 풀필먼트 프로세스는 흐름도(500)(도 8)에 도시되어 있다. 단계(502)에서, 창고 관리 시스템(15)(도 1)은 회수될 하나 이상의 품목으로 구성될 수 있는 주문을 획득한다. 단계(504)에서, 품목의 SKU 번호(들)는 창고 관리 시스템(15)에 의해 결정되며, 그리고 단계(506)에서 SKU 번호(들)로부터 빈 위치(들)가 결정된다. 그 후 주문에 대한 빈 위치의 목록이 로봇(18)으로 전송된다. 단계(508)에서, 로봇(18)은 빈 위치를 기준 ID에 상관시키고, 단계(510)에서 기준 ID로부터 각각의 기준 ID의 포즈가 획득된다. 단계(512)에서, 로봇(18)은 도 3에 도시된 바와 같은 포즈에 내비게이션하고, 여기서, 조작자는 적합한 빈으로부터 회수될 품목을 피킹하여 로봇 상에 배치할 수 있다.
창고 관리 시스템(15)에 의해 획득되는 품목 특정 정보, 예컨대, SKU 번호 및 빈 위치는 로봇(18) 상의 태블릿(48)으로 전송될 수 있고, 그에 따라 로봇(50)이 각각의 기준 마커 위치에 도달할 때 회수될 특정 품목이 조작자(50)에게 통지될 수 있다.
SLAM 맵과 기준 ID의 포즈가 알려지면, 로봇(18)은 다양한 로봇 내비게이션 기술을 사용하여 기준 ID 중 임의의 하나에게로 쉽게 내비게이션할 수 있다. 바람직한 접근법은 창고(10) 내의 개방 공간(112) 및 벽(114), 선반(예컨대, 선반(12)), 및 다른 장애물(116)에 대한 지식이 주어지면, 기준 마커 포즈로의 초기 경로를 설정하는 것을 포함한다. 로봇이 레이저 레이더(22)를 사용하여 창고를 가로 지르기 시작함에 따라, 로봇은 자신의 경로 내에 고정 또는 동적인 임의의 장애물, 예컨대, 다른 로봇(18) 및/또는 조작자(50)가 있는지를 결정하고, 기준 마커의 포즈로의 자신의 경로를 반복적으로 업데이트한다. 로봇은 약 50 밀리초마다 한 번씩 자신의 경로를 재계획하며(re-plans), 장애물을 피하면서 가장 효율적이고 효과적인 경로를 지속적으로 검색한다.
일반적으로, 창고(10a) 내의 로봇의 로컬화는 SLAM 가상 맵 상에서 동작되는 다 대 다 다중 해상도 스캔 매칭(many-to-many multiresolution scan matching)(M3RSM)에 의해 달성된다. 무작위 대입(brute force) 방법에 비해, M3RSM은 로봇이 로봇 포즈와 위치를 결정하는 데 있어 두 가지 중요한 단계인 SLAM 루프 클로저(SLAM loop closure) 및 스캔 매칭(scan matching)을 수행하는 계산 시간을 획기적으로 감소시킨다. 로봇 로컬화는 2017년 9월 22일에 출원된 “MULTI-RESOLUTION SCAN MATCHING WITH EXCLUSION ZONES”이라는 명칭의 관련 미국 출원 번호 제15/712,222호에 개시된 방법에 따라 M3SRM 검색 공간을 최소화함으로써 더욱 개선되며, 이 미국 출원은 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
본 명세서에서 모두 기술되는, SLAM 내비게이션 기술과 결합된 제품 SKU/기준 ID 대 기준 포즈 매핑 기술로 인해, 로봇(18)은 창고 내 위치를 결정하기 위한 그리드 라인 및 중간 기준 마커를 포함하여 통상적으로 사용되는 보다 복잡한 내비게이션 접근법을 사용할 필요 없이, 창고 공간에 매우 효율적이고 효과적으로 내비게이션할 수가 있다.
일반적으로, 창고 내에 다른 로봇 및 움직이는 장애물이 존재하는 경우의 내비게이션은 동적 윈도우 접근법(dynamic window approach)(DWA) 및 최적의 상호 충돌 방지(optimal reciprocal collision avoidance)(ORCA)를 포함한 충돌 방지 방법에 의해 달성된다. DWA는 실행 가능한 로봇 모션 궤적 중에서 장애물과의 충돌을 방지하고 타겟 기준 마커에 대한 원하는 경로를 선호하는 증분 이동(incremental movement)을 계산한다. ORCA는 다른 로봇(들)과 통신할 필요없이 다른 움직이는 로봇과의 충돌을 최적으로 방지한다. 내비게이션은 대략 50ms 업데이트 간격으로 계산된 궤도에 따른 일련의 증분 이동으로서 진행된다. 충돌 방지는 2017년 9월 22일에 출원된 “DYNAMIC WINDOW APPROACH USING OPTIMAL RECIPROCAL COLLISION AVOIDANCE COST-CRITIC”이라는 명칭의 미국 출원 번호 제15/712,256호에 설명된 기술에 의해 추가로 개선될 수 있으며, 이 미국 출원은 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
전술한 바와 같이, 로봇(50)은 주기적으로 재충전될 필요가 있다. 품목이 보관되어 있는 창고 내의 위치를 마킹하는 것 외에도, 기준 마커는 창고 내의 하나 이상의 전기 충전 스테이션(들)에 배치될 수 있다. 로봇(18)은 전력이 부족할 때, 전기 충전 스테이션에 위치한 기준 마커로 내비게이션하여 재충전될 수 있다. 일단 로봇은, 조작자가 로봇을 전기 충전 시스템에 연결하거나 또는 로봇이 자신의 내비게이션을 사용하여 전기 충전 스테이션에 스스로 도킹할 수 있도록 하여, 수동으로 재충전될 수 있다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 전기 충전 어셈블리(200)는 전기 충전 스테이션에서 사용될 수 있다. 전기 충전 어셈블리(200)는 제 1 수형 단자 부재(first male terminal member)(204) 및 제 2 수형 단자 부재(second male terminal member)(206)가 배치되는 충전기 베이스(202)를 포함한다. 이 도면에 도시되지는 않았지만, 창고 내의 전기 서비스로부터의 포지티브 전기 입력단은 충전기 베이스(202)에 부착되고 제 1 수형 단자 부재(204) 또는 제 2 수형 단자 부재(206) 중 하나에 전기적으로 연결될 것이다. 또한, 네거티브 전기 입력단은 충전기 베이스(202)에 부착되고 제 1 수형 단자 부재(204) 또는 제 2 수형 단자 부재(206) 중 나머지 하나에 전기적으로 연결될 것이다.
제 1 수형 단자 부재(204)는, 충전기 베이스(202)의 표면(214)에 부착되고 충전기 베이스(202)의 표면(214)으로부터 직교 방향으로 제 1 축(212)을 따라 연장되어 제 1 전기 접점(216)에서 종결되는 제 1 베이스(210)를 갖는다. 제 1 전기 접점(216)은 포지티브 또는 네거티브 전기 커넥션 중 하나가 부착될 충전기 베이스(202) 내로 연장되는 구리 버스 바(copper bus bar)의 형태일 수 있다. 제 2 수형 단자 부재(206)는, 충전기 베이스(202)의 표면(214)에 부착되고 충전기 베이스(202)의 표면(214)으로부터 직교 방향으로 제 2 축(222)을 따라 연장되어 제 2 전기 접점(226)에서 종결되는 제 2 베이스(220)를 갖는다. 제 2 전기 접점(226)은 또한 포지티브 또는 네거티브 전기 커넥션 중 하나가 부착될 충전기 베이스(202) 내로 연장되는 구리 버스 바의 형태일 수 있다.
제 1 수형 단자 부재(204)는 복수의 외부 표면을 가지며, 그 중 적어도 2 개는 제 1 베이스(210)로부터 제 1 전기 접점(216)으로의 곡면 형상을 가져, 오목 표면을 형성한다. 도 9 및 도 10에 도시된 실시예에는 3 개의 곡면; 즉, 상부 곡면(230) 및 대향하는 측면 곡면(232, 234)이 존재하며, 이들 세 개의 곡면은 제 1 베이스(210)로부터 제 1 전기 접점(216)으로 만곡되며, 특정 곡률 반경이 오목 표면을 형성한다. 이 실시예에서, 대향하는 측면 곡면(232 및 234)의 곡률 반경은 대략 63.9mm이다. 상부 곡면(230)의 곡률 반경은 대략 218.7mm이다. 이들은 최적화된 정렬 보정을 제공하기 위해 경험적으로 결정되었다. 수직 방향에 비해 수평 방향에서 더 많은 오정렬이 예상되며; 따라서, 대향하는 측면 곡면에는 더 작은 곡률 반경이 제공된다. 물론, 곡면의 곡률 반경은 애플리케이션에 따라 달라질 수 있다.
또한, 제 1 수형 단자 부재(204)는, 제 1 축(212)에 실질적으로 평행하고 충전기 베이스(202)의 표면(214)에 직교하는 평평한 표면(236)을 갖는다. 평평한 표면(236)은 제 1 전기 접점(216)에 인접한 오목한 표면 부분(238)을 포함한다.
제 2 수형 단자 부재(206)는 복수의 외부 표면을 가지며, 그 중 적어도 2 개는 제 2 베이스(220)로부터 제 2 전기 접점(226)으로의 곡면 형상을 가져, 오목 표면을 형성한다. 도 9 및 도 10에 도시된 실시예에는 3 개의 곡면; 즉, 하부 곡면(240) 및 대향하는 측면 곡면(242, 244)이 존재하며, 이들 세 개의 곡면은 제 1 베이스(220)로부터 제 1 전기 접점(226)으로 만곡되며, 특정 곡률 반경이 오목 표면을 형성한다. 이 실시예에서, 대향하는 측면 곡면(242 및 244)의 곡률 반경은 대략 63.9mm이다. 하부 곡면(240)의 곡률 반경은 대략 218.7mm이다. 이들은 최적화된 정렬 보정을 제공하기 위해 경험적으로 결정되었다. 수직 방향에 비해 수평 방향에서 더 많은 오정렬이 예상되며; 따라서, 대향하는 측면 곡면에는 더 작은 곡률 반경이 제공된다. 물론, 곡면의 곡률 반경은 애플리케이션에 따라 달라질 수 있다.
또한, 제 2 수형 단자 부재(206)는, 제 2 축(222)에 실질적으로 평행하고 충전기 베이스(202)의 표면(214)에 직교하는 평평한 표면(246)을 갖는다. 평평한 표면(246)은 제 2 전기 접점(226)에 인접한 나팔 모양의 표면 부분(flared surface portion)(248)을 포함한다.
제 1 수형 단자 부재(204)와 제 2 수형 단자 부재(206) 사이에는 제 1 수형 단자 부재(204)의 적어도 하나의 평평한 표면(236) 및 제 2 수형 단자 부재(206)의 적어도 하나의 평평한 표면(246)에 의해 정의되는 캐비티(cavity)(250)가 형성되어 있다. 캐비티(250)는 제 1 전기 접점(216)과 제 2 전기 접점(226) 사이의 개구(252)를 갖는다. 개구(252)에는, 평평한 표면(236)의 오목한 표면 부분(238) 및 평평한 표면(246)의 나팔 모양의 표면 부분(248)이 존재한다.
다시 도 9 및 도 10을 참조하면, 금속 접점(260a-e)이 충전기 베이스(202) 상에 배치된다. 이들 금속 접점은 후술하는 전기 충전 포트(300)상의 대응하는 자석과 맞물리고, 충전하는 동안 전기 충전 어셈블리(200) 및 전기 충전 포트(300)를 제자리에 고정시킨다. 대안적으로, 자석은 충전 포트(300) 상의 금속 접점과 함께 충전기 베이스(202) 상에 배치될 수 있다.
로봇이 고정된 전기 충전 스테이션에 도킹중이라면, 로봇은 카메라(24a 및 24b)를 사용하여, 전기 충전 포트(300)가 전기 충전 어셈블리(200)와 메이팅될 수 있도록 하는 위치로 자신을 기동시킬 수 있다. 카메라는 전기 충전 스테이션과 관련된 기준 마커를 미세 로컬화를 위한 참조 포인트로 사용할 수 있으며, 이에 대해서는 아래에서 보다 상세히 설명한다. 로봇이 제자리로 기동함에 따라, 전기 어셈블리(200)의 전기 접점(216 및 226)을 제각기 전기 충전 포트(300)의 전기 접점(304 및 306)과 메이팅시키기 위한 완벽한 정렬을 달성하는 것은 어려울 수 있다. 따라서, 전기 충전 어셈블리(200) 및 전기 충전 포트(300)는 로봇이 보다 신속하게 전기적으로 재충전할 수 있게 보다 쉽고, 보다 효율적이며, 덜 문제가 되는 메이팅을 보장하도록 특별히 설계되었다.
도 11 및 도 12에서 알 수 있는 바와 같이, 전기 충전 포트(300)는 제 1 캐비티(308) 및 제 2 캐비티(310)를 포함하고, 이들은, 로봇 베이스(20a)가 도킹중일 때, 제각기 전기 충전 어셈블리(200)의 제 1 수형 단자 부재(204) 및 제 2 수형 단자 부재(206)를 수용하여 이와 맞물리도록 구성된다. 캐비티(308)는 제 1 수형 단자 부재(204)의 곡면(230, 232 및 234)에 상보적인 오목한 곡면(312)을 갖는다. 다시 말해서, 제 1 캐비티(308)는 제 1 수형 단자 부재(204)의 외부 곡면(230, 232 및 234)의 곡률 반경과 실질적으로 동일한 곡률 반경을 갖는 곡면(312)을 포함할 수 있다. 이 경우 실질적으로 동일한 것은 캐비티(308) 내에 제 1 수형 단자 부재(204)의 삽입 및 제거를 허용하기 위해 단지 약간 더 크다는 것을 의미한다. 캐비티(310)는 또한 제 2 수형 단자 부재(206)의 곡면(240, 242 및 244)에 상보적인 오목한 곡면(314)을 갖는다. 다시 말해서, 제 2 캐비티(310)는 제 2 수형 단자 부재(206)의 외부 곡면(240, 242 및 244)의 곡률 반경과 실질적으로 동일한 곡률 반경을 갖는 곡면(314)을 포함할 수 있다. 이 경우에 실질적으로 동일한 것은 캐비티(310) 내에 제 2 수형 단자 부재(206)의 삽입 및 제거를 허용하기 위해 단지 약간 더 큰 것을 의미한다.
캐비티(308, 310)의 개구는 제 1 수형 단자 부재(204) 및 제 2 수형 단자 부재(206)의 전기 접점(216/226)의 폭/길이보다 더 넓고 길다. 여분의 폭/길이는, 제 1 수형 단자 부재(204) 및 제 2 수형 단자 부재(206)가 메이팅 프로세스 동안 수평/수직 방향에서 다소 오정렬되어 있더라도, 제 1 수형 단자 부재(204) 및 제 2 수형 단자 부재(206)가 캐비티(308 및 310) 내에서 보다 쉽게 수용될 수 있게 한다. 로봇이 전기 충전 어셈블리(200)를 향해 이동함에 따라, 상보적으로 만곡된 표면들의 맞물림은 제 1 수형 단자 부재(204)와 제 2 수형 단자 부재(206)가 정렬되도록 안내되게 하여, 전기 충전 어셈블리의 전기 접점(216/226)과 전기 충전 포트(300)의 전기 접점(304/306) 간의 맞물림이 발생되게 할 것이다.
따라서, 메이팅 파트들(수형 단자 부재 및 캐비티)의 반경은 수형 단자 부재가 캐비티 내로 처음 삽입될 때 대략적 정렬을 제공하고, 완전 삽입에 접근함에 따라 미세한 조정을 제공하도록 설계된다.
전기 충전 시스템은 보다 쉬운 수직 정렬을 위한 추가적인 특징을 제공한다. 이는 전기 충전 어셈블리(200)의 캐비티(350)의 개구(352)와 조합하여 캐비티(308)와 캐비티(310) 사이에 있는 분할기(divider)(320)의 상호 작용에 의해 달성된다. 나팔 모양의 표면 부분(248)은 더 넓은 개구를 제공하여, 만약 수직 오정렬이 있는 경우, 도킹 프로세스가 발생할 때 분할기(320)가 수직 상방으로 상승하여 캐비티(350) 내의 제자리로 가게 한다.
제 1 및 제 2 수형 단자 (204 및 206)가 캐비티(308 및 310)에 완전히 삽입될 때, 전기 충전 어셈블리(200)는 자석(360a-e)에 의해 전기 충전 포트(300)와 함께 제자리에 고정되며, 자석(360a-e)은 전기 충전 어셈블리(200) 상의 금속 접점(260a-e)과 맞물리게 된다. 자석은 전기 충전 포트(300)의 외부 표면 아래에 배치될 수 있으며, 따라서 그것들은 가상으로 도시된다.
전기 충전 시스템에는 추가적인 특징이 포함되어 있으며, 이는 조작자가 수동으로 충전할 때 유용하다. 전기 충전 어셈블리(200)가 전기 충전 포트(300)에 잘못 삽입된 경우, 즉 거꾸로 뒤집혀, 전기 충전 어셈블리(200)의 전기 접점(216)이 전기 충전 포트(300)의 전기 접점 (306)에 연결되고 그리고 전기 충전 어셈블리의 전기 접점(226)이 전기 충전 포트(300)의 접점(304)에 연결된 경우, 극성이 반전될 것이고, 로봇 베이스(20a)에 심각한 손상이 초래될 것이다.
이러한 것이 발생하는 것을 방지하기 위해, 전기 충전 포트(300)의 분할기(320)의 표면에는 정지부(stop)(330)(도 11 및 12 참조)가 포함된다. 정지부(330)는 경사진 표면 부분(angled surface portion)(332) 및 평평한 표면 부분(334)을 갖는다. 도 10에 도시된 바와 같이, 전기 충전 어셈블리(200)의 캐비티(250) 내에는, 전기 충전 포트(300) 내로 전기 충전 어셈블리(200)를 완전히 삽입할 수 있게 하는 오목한 표면 부분(238)이 존재한다. 오목부(recess)(238)는, 정지부(330)의 경사진 표면 부분(332) 및 평평한 표면 부분(334)이 퍼즐 조각처럼 오목한 표면 부분(238)의 경사진 부분 및 평평한 부분과 맞물릴 때, 정지부(330)의 제 1 수형 단자 부재(204)에 의한 간격을 허용한다. 전기 충전 어셈블리(200)가 거꾸로 뒤집혀 있다면, 전기 충전 포트(300) 내로 삽입될 때, 제 2 수형 단자 부재(206)의 표면(246)은 정지부(330)와 접촉하여 완전 삽입과 전기 접점(304)과의 접촉이 방지될 것이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 수형 단자 부재(204 및 206)의 전기 접점(216 및 226)이 각각 전기 접점(304 및 306)과 맞물릴 때, 이러한 전기 접점은 스프링 장착형 핀의 형태일 수 있기 때문에 전기 접점(304 및 306)은 압축된다. 전기 접점(304 및 306)은 라인(400)에서의 완전히 확장된 위치로부터 라인(402)에서 압축된 위치(도시되지 않음)로 압축될 수 있다. 각각의 전기 접점(304 및 306)은 5 개의 스프링 장착형 핀을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 사용되는 핀의 수는 충전 프로세스 동안 운반될 예상 전류 및 개별 핀의 용량에 의존하게 된다. 전기 접점에 대해 다수의 스프링 장착형 핀을 사용하는 것은 제조상의 변형 및 부품 마모의 경우에도 수형 단자 부재(204 및 206)의 전기 접점(216 및 226)과의 적절한 접촉을 보장하는 데 유리하다.
전기 접점(304 및 306)이 압축된 포지션에 있을 때, 전기 충전 포트(300)의 자석(360a-e)은 전기 충전 어셈블리(200)의 금속 접점(260a-e)과 인접해 있고 그들은 자기적으로(magnetically) 맞물려 전기 충전 어셈블리(200) 및 전기 충전 포트(300)를 제자리에 고정시킨다. 이 포지션에서, 수형 단자 부재(204 및 206)의 상부 및 하부 곡면(230 및 240)이 각각 캐비티(308 및 310)의 표면(312 및 314)과 상보적으로 맞물리는 것을 알 수 있다.
또한, 도 12에는 제 1 수형 단자 부재(204)의 버스 바(410) 및 제 2 수형 단자 부재(206)의 버스 바(412)가 도시되어 있다. 버스 바는 마운트(414)에 연결되어 전기 접점(216 및 226)의 반대쪽 단부에서 전기 충전 어셈블리(200) 내에 부착된다.
본 발명의 일 양태에 따른 충전기 도킹 스테이션(500)은 도 13 내지 도 16 및 도 17에 도시되어 있다. 특히 도 13 및 도 14를 참조하면, 충전기 도킹 스테이션(500)은 전술한 바와 같이, 충전기 도킹 스테이션(500)의 전면 커버(502)로부터 돌출하는 전기 충전 어셈블리(200)를 포함한다. 전기 충전 어셈블리(200)는, 전면 커버(502)의 개구(506)를 밀봉하면서, 전기 충전 어셈블리(200)가 (후술될) 6 개의 자유도로 이동할 수 있게 하여 재충전이 필요할 때 로봇의 원활한 도킹 프로세스를 가능하게 하기 위해, U 형상의 고무 벨로우즈 마운트(504) 상의 충전기 도킹 스테이션(500)에 장착된다.
또한, 금속으로 구성될 수 있는 보호 범퍼(508)가 도시되어 있는데, 이는 로봇이 원활하게 도킹되지 않을 경우에 충전기 도킹 스테이션(500)을 손상으로부터 보호하기 위해 전면 커버(502)의 하부 부분을 가로 질러 수평으로 장착되어 있다. 충전기 도킹 스테이션(500)은 우측 측면 커버(510) 및 좌측 측면 커버(512)(도 13a에는 보이지 않음)를 더 포함한다. 우측 측면 커버 개구(514a)에는 도 15a에 도시된 바와 같이, 충전기 도킹 스테이션(500)을 보다 용이하게 들어 올리기 위해 손이 삽입될 수 있는 그립 구역(516a)이 위치된다. 이 도면에서 보이지 않지만, 유사한 개구 및 그립 구역이 좌측 측면 커버(512)에 포함되며, 이는 도 16a에 개구(514b) 및 그립 구역(516b)으로 도시되어 있다. 또한, 우측 측면 커버(510)의 후방의 개구에는 충전기 도킹 스테이션(500) 내의 전기 컴포넌트를 냉각시키기 위한 벤트(518a)가 도시되어 있다. 유사한 벤트(518b)가 도 16a에 도시된 좌측 측면 커버(512)에 포함된다.
전면 프레임 부재(520a), 우측 측면 프레임 부재(520b), 좌측 측면 프레임 부재(520c) 및 후면 프레임 부재(520d)를 포함하는 금속 프레임은 충전기 도킹 스테이션(500)을 위한 베이스 구조를 형성하도록 상호 연결된다. 도 13b를 참조하면, 각각의 프레임 부재는 볼트(521a-d)에 의해 창고 내의 바닥에 고정되고, 보호 범퍼(508)는 전면 프레임 부재(520a)를 통해 금속 프레임(520)에 고정된다. 보호 범퍼(508)는 전면 커버(502)의 외부에 있고 전면 커버(502)로부터 외부로 돌출되기 때문에, 보호 범퍼(508)는 로봇이 충전기 도킹 스테이션(500)과 도킹할 때 로봇과의 첫 번째 충돌 포인트가 된다. 로봇에 의한 부주의한 강한 충격력이 존재하는 경우, 이러한 강한 충격력은 전면 커버(502)보다는 보호 범퍼에 부여될 것이다. 우측 측면 커버(510) 및 좌측 측면 커버(512)뿐만 아니라 전면 커버(502)는 전형적으로 경질 플라스틱 재료로 만들어지며, 로봇에 의해 충격을 받으면 깨지거나 부서지기 쉽다. 보호 범퍼(508)에 부여되는 충격력은 전면 프레임 부재(520a)를 통해 금속 프레임(520)으로 더 전환된다. 전면 프레임 부재(520a)는 충전 스테이션(500)의 폭을 가로 질러 연장되는 C 형상의 부재, 및 C 형상의 부재의 상부면과 일체형이고 그 상부면으로부터 연장되는 플랜지를 포함한다. 보호 범퍼(508)는 전면 커버(502)의 복수의 개구를 통해 플랜지와 상호 연결된다. 범퍼(508)로부터의 충격력은 플랜지 및 C 형상의 부재를 통해 전면 프레임 부재로 전달되고, 추가적으로 우측 측면, 좌측 측면 및 후면 프레임 부재(520b-d)로 전달된다. 궁극적으로, 충격력은 볼트(521a-d)를 통해 창고 바닥으로 전달된다. 따라서, 이 보호 범퍼 시스템은 로봇에 의해 부여된 충격력을 흡수하여 경질 플라스틱 전면 커버(502)로부터 다른 곳으로 전환시켜 경질 플라스틱 전면 커버(502)를 손상으로부터 보호한다.
경질 플라스틱 재료로 구성된 상부 커버(524)는 상부 커버(524)의 표면의 캐비티에 배치된 사용자 인터페이스 패널(526)을 포함하며, 상기 사용자 인터페이스 패널(526)은 사용자가 충전기 도킹 스테이션을 동작시키기 위한 특정 표시기(certain indicators) 및 컨트롤(controls)을 포함할 수 있다. 예를 들어, "준비", "충전", "파워 온", "복구 모드", 및 "오류" 또는 "E-Stop"과 같은 다양한 상태를 나타내는 조명 신호(lighting signals)가 포함될 수 있다. "파워 온/오프", "수동 충전 시작", "도킹 해제", "재설정" 및 "E-Stop"과 같은 버튼이 포함될 수 있다.
상부 커버(524)의 후방 에지를 따라 후방 패널(528)이 존재하며, 이 후방 패널(528)은 중앙 패널 섹션(530) 및 중앙 패널(530)의 각각의 우측 측면 및 좌측 측면 상의 측면 패널 섹션(532 및 534)을 포함한다. 중앙 패널(530)은 전면 커버(502)와 실질적으로 평행한 직사각형 전면(536)을 갖는다. 우측 측면 패널(532)은 직사각형 전면(538)을 가지며, 좌측 측면 패널(534)은 직사각형 전면(540)을 갖는다.
우측 및 좌측 측면 패널(532 및 534)은 각각 일 측면 상에 넓은 측벽(542 및 544)을 가지며, 다른 측면 상에서 더 좁은 폭으로 수렴하여 중앙 패널 섹션(530)과 상호 연결된다. 따라서, 우측 및 좌측 측면 패널(532, 534)은 쐐기 형상이 된다. 결과적으로, 그들의 전면(538, 540)은 중앙 패널(530)의 전면(536) 또는 전면 커버(502)와는 평행하지 않다. 이들은 각각 표면(536)에 대해 각도(θ)로 배치된다. 전면(538 및 540)에 배치된 기준 마커(546 및 548)(예를 들어, 2 차원 바코드)는 제각기, 또한 전면(536) 및 전면 커버(502)에 대해 각도(θ)로 배치된다.
아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 로봇은 충전기 도킹 스테이션과의 도킹 프로세스 동안 정밀 내비게이션을 위해 경사진 기준 마커를 사용하며 자신의 온보드 카메라로 이 경사진 기준 마커를 보면서 도킹을 수행한다. 재충전이 필요할 때 일반적으로 충전기 도킹 스테이션으로 내비게이션하기 위해, 로봇은 위에서 설명한 제품 빈으로 내비게이션할 때와 동일한 방식으로 내비게이션한다. 충전 스테이션(500)은, 전면 커버(502)에 근접하게 위치하여 로봇의 온보드 카메라가 후면 패널(528)을 향하도록 일반적으로 (회전가능하게) 정렬된 포즈와 연관될 수 있다.
도 13b 및 도 14b를 참조하면, 스프링을 포함할 수 있는 순응 부재(compliant members)(550a-d)가 전기 충전 어셈블리(200) 상의 각각의 레그(551a-d)(레그(551c 및 551d)는 보이지 않음))에 연결되어, 충전기 도킹 스테이션으로 로봇을 내비게이션할 때의 작은 오차를 보정하도록 6 개의 자유도로의 일정량의 이동을 허용하면서 여전히, 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같은, 전기 충전 어셈블리(200)와 전기 충전 포트(300) 간의 적절한 기계적 및 전기적 연결을 가능하게 한다.
또한, 도 15b에서 볼 수 있듯이, 가스 스프링(552)은 전기 충전 어셈블리(200)에 연결되어, 가스 스프링(552)의 축을 따라 화살표(554 및 555)로 표시된 바와 같이 이동하면서 전기 충전 어셈블리(200)를 안정화시킨다. 가스 스프링(552)은 충전기 도킹 스테이션(500)의 바닥 패널(558)에 부착된 프레임(556) 상에 장착된다. 로봇이 메이팅 프로세스(mating process) 동안 충전기 도킹 스테이션(500)을 향해 이동함에 따라, (전술한) 전기 충전 포트(300)는 전기 충전 어셈블리(200)와 접촉하고 화살표(554)의 방향으로 힘을 인가한다. 가스 스프링(552)은 전기 충전 어셈블리(200)와의 전기 충전 포트(300)의 메이팅 동안 어느 정도의 이동량을 허용하기에 충분한 화살표(555) 방향으로의 저항력을 제공하지만, 화살표(554) 방향으로의 과도한 이동을 방지하여 정지부로서 기능하고 적절한 메이팅을 보장한다.
또한, 전기 충전 포트(300)가 언 메이팅 프로세스(un-mating process) 동안 전기 충전 어셈블리 (200)로부터 후퇴중일 때, (전술한 바와 같은) 전기 충전 어셈블리(200)와 전기 충전 포트(300) 사이의 자기 연결(magnetic connection)로 인해, 전기 충전 어셈블리(200)는 자력이 압도당할 때까지 화살표(555)의 방향으로 당겨질 것이다. 가스 스프링(552)은 또한 화살표(554) 방향으로 힘을 제공함으로써 이동이 제한되는 것을 보장한다.
전기 충전 포트(300)(커넥터의 암형 부분(female portion)임)가 본원에서 로봇에 장착되는 것으로 설명되어 있고 전기 충전 어셈블리(200)(커넥터의 수형 부분(male portion)임)가 본원에서 전기 충전 스테이션에 장착되는 것으로 설명되지만, 물론 이러한 컴포넌트들은 역전될 수도 있다. 그러한 경우, 전기 충전 포트(300)는 전기 충전 스테이션에 장착되고 전기 충전 어셈블리(200)는 로봇에 장착될 것이다. 더욱이, 본 기술 분야의 기술자에게는 명백한 바와 같이, 다른 충전기 포트 및 설계가 본원에서 설명된 실시예와 관련하여 사용될 수 있다.
다시 도 13b를 참조하면, 바닥 패널(558)에 장착된 프레임 레그(562 및 564)에 의해 부분적으로 지지되는 상부 패널(560)은 컨트롤러 보드(572) 및 적외선(IR) 트랜시버 보드(574)가 수용되는 캐비티를 포함한다. 컨트롤러 보드(572)는 충전 프로토콜의 활성화, 충전 파라미터 및 프로파일의 선택, 충전 조건 및 상황(예를 들어, 충전 상태 및 배터리 온도)의 모니터링, 및 로봇과의 통신을 포함하여 충전기 도킹 스테이션(500)의 전반적인 제어를 제공하며, 이들 모두는 아래에서 보다 상세히 설명되고 있다. IR 트랜시버 보드(574)는 도킹 및 충전 프로세스 동안 로봇과의 통신에 사용되며 IrDA (Infrared Data Association) 통신 프로토콜을 이용할 수 있다.
도 13b 및 도 15b를 계속 참조하면, 후면 벽 패널(580)은 창고 전력(warehouse power)에 의해 전력을 공급받는 전원(582)을 지지하는 것으로 도시되어 있다. 후면 벽 패널(580)은 또한 전원(582)을 위한 방열판으로서 기능할 수 있고, 열을 더 잘 전도하기 위해 다른 패널과는 다른 금속으로 구성될 수 있다. 후면 벽 패널(580)은 프레임 레그(562 및 564)와 함께 상단 패널(560)을 추가로 지지한다. 창고 전력은, 예를 들어, IEC 커넥터일 수 있는 커넥터(584)를 통해 충전기 도킹 스테이션(500)에 공급된다. 바닥 패널(558)에 연결되고 커넥터(584)에 인접하여 위치된 벽(586)은 충전기 도킹 스테이션에 대한 전원을 추가적으로 보호하는 데 사용될 수 있다.
도 16a 및 도 16b는 각각 커버가 장착되고 커버가 제거된 충전기 도킹 스테이션(500)의 후방으로부터의 사시도를 제공한다. 이러한 사시도는 충전기 도킹 스테이션의 우측 측면을 나타낸다. 도 16a에서, 후면 벽 패널(580)은 포트(592)를 포함하는 것으로 도시되며, 이 포트(592)를 통해 집으로부터의 전원이 공급되어 전기 커넥터(584)에 연결된다. 전기 커넥터(584)의 후면은 후면 벽 패널(580)(도 16b)의 홀을 관통해 돌출되는 것으로 보여질 수 있다.
로봇 도킹
재충전을 위해 로봇을 전기 충전 스테이션(500)에 도킹하는 것이 도 17 및 도 18과 관련하여 설명된다. 도 17에서, 전기 충전 포트(300)를 갖는 로봇(18)은 전기 충전 스테이션(500)의 전기 충전 어셈블리(200)에 메이팅된 것으로 도시되어 있다. 로봇(18)은, 예를 들어, 전기 충전 스테이션을 위해 저장된 포즈에 의해 정의되는 위치(600)로 내비게이션할 수 있다. 포즈(600)로의 내비게이션은 로봇을 창고 전체에 걸쳐 다양한 빈 위치로 내비게이션하기 위해 전술한 방식으로 수행된다. 일단 포즈(600)에서, 로봇(18)을 위치(602)에 포지션시키기 위해 정밀한 내비게이션 프로세스가 수행되며, 이 위치에서 전기 충전 포트(300)는 전기 충전 어셈블리(200)와 메이팅되고 로봇(18)은 충전을 위해 전기 충전 스테이션(500)에 도킹된다.
카메라들(24a 및 24)에 대한 표면들(538 및 540)(및 각각의 기준 마커들(546 및 548))의 방향은 도 18과 관련하여 설명된다. 도 18에 도시된 바와 같이, 로봇(18)은 위치(602)에 위치하고, 따라서 전기 충전 스테이션(500)에 도킹된다. 이 위치에서, 카메라(24a)의 시야(Φ)(약 79.4도)는 표면(536 및 538)에 걸쳐 있는 것으로 도시되어 있다. 카메라(24a)의 광학 축(610)(즉, 시야의 중심선 또는 Φ/2)은 실질적으로 수직인 각도로 표면(38) 및 기준 마커(46)와 교차한다. 또한, 이 위치에서, 카메라(24b)의 시야(Φ)(약 79.4도)는 표면(536 및 540)에 걸쳐 있으며, 카메라(24a)의 시야와 약간 중첩하는 것으로 도시되어 있다. 카메라의 결합된 시야는 로봇(18)에게 대략 120 도의 유효 시야를 제공한다. 결합된 시야는, 로봇의 사각 지대를 생성하는 중첩 부분으로 인해, 카메라들의 시야의 합보다 작다.
카메라(24b)의 광학 축(612)(즉, 시야의 중심선 또는 Φ/2)은 수직인 각도로 표면(40) 및 기준 마커(48)와 교차한다. 도킹될 때 카메라의 광학 축이 표면(538 및 540)에 수직으로 정렬될 것이라는 것을 보장하기 위해, 표면(536)에 대한 표면(538 및 540)의 방향인 각도(θ)가 적절하게 설정되어야 한다. 이 예에서, 각도(θ)는 대략 150 도이다. 이러한 방식으로 기준 마커를 포지셔닝함으로써, 카메라(24a 및 24b)에 의한 기준 마커의 가시성이 증가된다.
전술한 바와 같이, 카메라들은 로봇의 중심으로부터 오프셋되어 있기 때문에 넓은 시야를 제공하도록 결합된다. 그러나, 카메라들의 방향은 전기 충전 스테이션 상의 기준 마커를 보는 것을 어렵게 만든다. 이 문제를 해결하기 위해, 기준 마커는 카메라와 더 잘 정렬되도록 소정의 각도로 지향될 수 있으며, 이는 기준 마커가 보다 정확하게 판독되게 한다. 이것은 로봇이 도킹된 포지션에 있을 때, 도 18에 도시된 바와 같이, 카메라의 광학 축을 기준 마커에 대해 실질적으로 수직인 각도로 지향시키고 그리고 기준 마커의 중심 상으로 지향함으로써 달성될 수 있다.
전기 충전 스테이션(500)과 메이팅하도록 로봇(18)을 제어하는 것은 로봇이 포즈(600)로 내비게이션하는 데 사용된 것보다 더 정확한 내비게이션 접근법을 필요로 할 수 있다. 일단 포즈(600)에서, 로봇은 카메라 프레임 내의, 각각 표면(538 및 540) 상의 기준 마커(546 및 548)의 인식된 포지션 및 방향을 이용할 수 있다. 포즈(600)에서, 로봇(18)은 기준 마커(546 및 548)를 인식하기에 충분히 가까우며, 전기 충전 스테이션(500)의 대략 중심 상에 위치한다. 이 초기 포즈 위치로 내비게이션하는 로봇의 오차를 허용하는 도킹 제어 알고리즘이 사용될 수 있다. 다시 말해서, 포즈(600)에 도달하는 데 사용되며 5cm 해상도 맵을 사용할 수 있는 내비게이션 접근법은 포즈 위치에서 정확하게 포지션되지 않을 수 있다. 로봇(18)은 명목상 포즈(600)에 포지션되지만, 카메라(24a, 24b)를 사용하여 기준 마커(546 및 548)의 포지션 및 방향에 관한 정보를 획득한다. 로봇(18)이 전기 충전 스테이션(500)으로 이동함에 따라, 다음과 같이 2 개의 오차량을 최소화하려고 시도한다:
(1) 각각의 카메라는 하나의 기준 마커를 검출할 것이다: 즉 좌측 및 우측 카메라는 제각기 좌측 기준 마커 및 우측 기준 마커를 검출할 것이다. 기준 마커는, 일단 검출되면, 내부적으로 변환될 수 있고, 그에 따라, 그 기준 마커는 로봇에게는 로봇의 경로에 대해 완전히 수직인 것처럼 보이게 된다(즉, 카메라로부터 경사진 것으로 보이는 것보다는 "평평한" 것으로 인식된다). 그런 다음 각 기준 마커의 상대적 크기를 검출할 수 있고, 이를 사용하여 로봇이 다른 기준 마커보다 한 기준 마커에 더 가까운지를 결정할 수 있다. 이것은 로봇이 접근시에 중심에 완벽하게 위치되지 않으며 중심선을 향해 이동할 필요가 있음을 나타낸다. 보정된 좌측 기준 마커의 픽셀 영역을 S L 이라 지칭하고 보정된 우측 기준 마커의 픽셀 영역을 S R 이라 지칭하면, 로봇은 |S R - S L |을 최소화할 필요가 있다.
(2) 좌측 카메라 이미지 내에서, 좌측 도킹 기준 마커는 이미지의 우측 사이드로부터의 몇몇 개수의 픽셀이 될 것이다. 이 개수는 D L 이라고 지칭될 것이다. 마찬가지로, 우측 카메라 이미지의 경우, 우측 도킹 기준 마커는 이미지의 좌측 사이드로부터의 몇몇 개수의 픽셀 D R 이 될 것이다. 따라서, 로봇은 |D R - D L |을 최소화할 필요가 있다.
로봇이 먼저 (1)의 오차를 보정할 필요가 있으므로, 로봇에 대해 일정한 선형 속도가 발행되고, k S (S R - S L )의 회전 속도를 이 값이 어떤 임계치T S 아래로 떨어질 때까지 로봇에 발행한다. k S 용어는 값이 (0, 1] 범위에 있는 비례 제어 상수이다. 임계치 T S 가 충족되면, 로봇은 k D (D R - D L )의 회전 속도를 로봇에 발행함으로써 (2)의 오차를 최소화하려고 시도하며, k D 는 또한 (0, 1] 범위의 비례 제어 상수이다. 이러한 것은 (a) 로봇이 도킹에 도달하거나, (b) 오차 |S L - S R |이 임계치 T S 를 넘어 증가할 때까지 지속되며, 이 임계치 T S 에서 (1)의 오차를 최소화하는 것으로 다시 전환된다.
전술한 정밀한 내비게이션 접근법은 로봇(18)을 전기 충전 스테이션(500)으로 도킹하는 데 사용될 수 있는 다양한 접근법 중의 일 예이다.
로봇 충전 하드웨어
바람직한 실시예에서 설명된 로봇은 정상적인 “실시간” 동작 동안 전기 충전 스테이션과 자동으로 메이팅하도록 구성되며, 즉 로봇은 충전 중에 전원을 유지하며, 광 통신 또는 기타 방식으로 메이팅되는 동안 전기 충전 스테이션과 정보를 교환할 수 있다. 예를 들어, 전기 충전 스테이션은 충전 동안 로봇의 배터리의 온도를 획득하는 반면 로봇은 전기 충전 스테이션으로부터 배터리로 전달되는 충전량을 획득한다.
도 19를 참조하면, 컨트롤러 보드(572)는 충전 프로토콜의 활성화, (배터리/로봇 타입에 기반한) 충전 파라미터 및 프로파일의 선택, 충전 조건 및 상황(예를 들어, 충전 상태 및 배터리 온도)의 모니터링, 및 로봇과의 통신을 포함하는 전기 충전 스테이션(500)의 전반적인 제어를 제공한다. IR 트랜시버 보드(574)는 도킹 및 충전 프로세스 동안 로봇과의 통신에 사용될 수 있으며 IrDA (Infrared Data Association) 통신 프로토콜을 이용할 수 있다. 로봇과 전기 충전 스테이션 간의 통신은 유선 연결을 포함하여 다양한 공지된 방식으로 구현될 수 있다. 전기 충전 스테이션은 또한 로봇이 도킹될 때 로봇의 암형 전기 충전 포트(300)와 메이팅되는 수형 전기 충전 어셈블리(200)를 포함한다. 본 기술 분야의 기술자는 절연 표면 상에 배치된 암수가 없는(gender-less) 평판을 포함하는 다른 형태의 전기 커넥터가 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
전압 프로그램 가능 전원일 수 있는 전원(582)과, 로봇의 암형 전기 충전 포트(300)와 메이팅될 때 수형 전기 충전 어셈블리(200)를 통해 전원(582)으로부터 로봇으로 출력되는 충전량을 감지하기 위한 전류 센서 보드(650)가 존재한다. IR 트랜시버 보드(574), 전원(582), 및 전류 센서 보드(650)는 각각 컨트롤러 보드(572) 상의 마이크로프로세서(700)에 상호 연결된다. 마이크로프로세서(700)는 ST Microsystems Cortex M4 유도체 또는 다른 Cortex 또는 유사한 타입의 프로세서일 수 있다.
일 실시예에서, 전기 충전 스테이션(500)은 3 상 충전 프로파일을 사용하여 LiFePO4 (리튬 철 인산염) 배터리의 충전 요건을 수용할 수 있으며, 이 배터리는 본원에 설명된 타입의 로봇에 사용되는 전형적인 배터리일 수 있다. 이 배터리 타입의 경우, 1.5C 충전 레이트를 제공하는 1kW 전원이 이러한 제약 조건을 충족시킬 것이다. 그러나, 전기 충전 스테이션(500)은 상이한 충전 요건을 갖는 다양한 배터리 타입을 충전할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
계속해서 도 19를 참조하면, 컨트롤러 보드(572)는 전원(582)의 보조 5V 출력에 의해 전력이 공급되는 잘 조절된 +3.3V 및 1.8V (또는 필요에 따른) 내부 공급 전압을 제공하기 위해 저 드롭 아웃(low drop-out)(LDO) 레귤레이터(702)를 포함할 수 있다. 컨트롤러 보드는 또한 파워 온(power-on), 전력 중단(power interruption), 워치독 타임아웃(watchdog timeout), 또는 수동 버튼 누름 케이스(manual button press cases)에 대해 마이크로프로세서(700)를 재설정할 수 있는 전력 감시 회로(704)를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서(700) I/O 기능과 관련하여, 충전을 가능하게 하기 위해 전원(582)의 메인 출력을 턴온하는 마이크로프로세서(700)로부터의 출력(706)과, 전원(582)의 메인 출력(710)이 기능하고 있음을 감지하기 위한 전원(582)으로부터의 입력(708)이 존재한다.
마이크로프로세서(700)는 버퍼링된 아날로그 출력(712)에 의해 제공되는 전압 입력을 통해 전원(582)의 출력을 제어한다. 전압 참조 회로(716)로부터의 정밀한 참조 전압과 함께 전원(582)의 출력(710)으로부터 인출되는 스케일링되고 버퍼링된 아날로그 전압 입력(714)은 충전 동안 로봇에 제공되는 충전 전압을 모니터링하기 위해 마이크로프로세서(700)에 입력된다. 또한, 전류 센서 보드(650)로부터 인출되는 버퍼링된 아날로그 전류 입력(718)은 마이크로프로세서(700)에 의해 로봇으로 출력되는 충전 전류를 모니터링하는 데 사용된다.
컨트롤러 보드(572)는 마이크로프로세서(700)와 IrDA 보드(574) 간의 RS485 직렬 통신을 가능하게 하는 통신 인터페이스(720)를 포함하는 여러 포트 및 입력/출력을 갖는다. 이것은 다시 전기 충전 스테이션(500)과 로봇 간의 적외선 통신을 가능하게 한다. 단자 쉘을 통해 디버그/진단을 가능하게 하는 이더넷 포트(722)와, 디바이스 펌웨어 업데이트(device firmware update)(DFU) 부트로더(bootloader)에 대한 액세스를 제공하는 마이크로 USB 커넥터 및 푸시버튼(724)이 존재한다. 또한, 사용자 인터페이스 패널(526)의 디스플레이 상에 준비/충전/오류 표시를 위한 4 개의 고휘도 LED를 구동하기 위한 출력(726)이 존재한다.
일 실시예에서, 전원(582)은 37A 출력 전류를 제공할 수 있는 Meanwell RSP-1000-27 전원일 수 있다. 전원(582)에 대한 입력 전력(730)은 창고의 내부 전력으로부터의 120VAC일 수 있다. 메인 전원 출력 전압/전류(710)는, 마이크로프로세서(700)가 2.5V 내지 4.5 볼트 범위의 전압을 사용하는 버퍼링된 아날로그 출력(712)을 통해 입력 핀을 능동적으로 구동하는 것에 의해 제어되어, 충전 공급 전류(정전류 위상) 또는 전압(정전압 위상)을 제어할 수 있게 된다. 전원 출력 전압/전류(710)는, 예를 들어, 버퍼링된 아날로그 출력(712)에 의해 전달되는 4.5V 입력으로 30V 개방 회로를 출력하도록 조정될 수 있다. S- 및 S+ 감지 핀(732)은 전류/전압 출력(710)을 감지할 수 있고 전원(582)에 대한 피드백으로 사용될 수 있다.
전류가 전기 충전 스테이션(500)으로부터 전기 충전 어셈블리(200)를 통해 로봇으로 공급됨에 따라, 충전 전류는 전원(582)의 포지티브 출력에 연결된 전류 센서 보드(650) 상의 홀 센서를 사용하여 측정될 수 있다. 전류 센서 보드(650)의 측정 범위는 0-50A의 범위에 걸친 포지티브 전용일 수 있고, 전류 센서 보드(650)로부터 인출되는 버퍼링된 아날로그 전류 입력(718)은 마이크로프로세서(700)에 의해, 로봇에 출력되는 충전 전류(및 총 충전량)를 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 그리고, 로봇에 전류가 공급됨에 따라, 전기 충전 어셈블리(200)에 존재하는 전압은, 714에 의해 스케일링되고, 버퍼링되어, 공급될 수 있는 전원(582)의 포지티브측 출력으로부터의 전압 신호를 마이크로프로세서(700)에 제공함으로써, 감지될 수 있다. 공칭 전압 범위는 전형적으로 최대로 총 32V의 스케일일 수 있다. 전기 충전 어셈블리(200)의 네거티브측은 컨트롤러(700)의 접지면에 연결될 수 있다.
도 20을 참조하면, 본 개시 내용의 전기 충전 시스템에 관한 로봇, 예컨대, 도 17/18의 로봇(18) 상의 하드웨어 컴포넌트가 도시되어 있다. 예를 들어, 2 개의 LiFePO4 (리튬 철 인산염) 배터리 - 여기서 각각의 배터리는 13.5V 개방 회로 전압과 32Ah 용량을 가짐 - 를 포함할 수 있는 배터리 팩(800)은 포지티브 단자 상의 퓨즈(801)를 통해 전기 충전 포트(300)에 연결된다. 배터리 팩(800)은 또한 배터리로부터의 포지티브 라인 상의 퓨즈(803)를 통해 모터 컨트롤러(802)에 연결되고 그리고 다양한 컴포넌트, 예컨대, 로봇 컨트롤러, 광학 카메라, 및 라이더(Lidar)에 전력을 공급하는 라인(804)을 통해 DC-DC 컨버터(미도시)에 연결된다.
주목되어야 하는 것은 본원의 시스템은 배터리 충전 상태를 모니터링하기 위한 회로를 포함한 풀 배터리 관리 시스템(full battery management system)을 갖는 배터리 팩을 필요로 하는 것은 아니라는 것이다. 본원의 시스템에 의한 배터리의 충전 상태는 로봇과 전기 충전 스테이션 간에 공유되는 분산 모니터링 접근법을 사용하여 모니터링되며, 이는 아래에서 상세히 설명된다. 결과적으로, 전압, 온도 및 전류와 같은 안전 관련 파라미터만을 모니터링하는 덜 비싼 배터리 관리 시스템이 필요하다.
모터 컨트롤러(802)는 배터리(800)의 포지티브 연결과 연관된 홀 센서와 같은 전류 센서(806)와, 전기 모터(810 및 812)를 구동하여 로봇을 추진시키는 모터 드라이브 회로(808)를 포함할 수 있다. 배터리(800)의 출력 전압을 측정하기 위한 전압 센서(807)가 또한 제공될 수 있다. 모터 컨트롤러(802) 상에는 프로세서(814)가 존재하며, 이 프로세서(814)는, 무엇보다도, 전체 로봇 컨트롤러(도시되지 않음)로부터 수신된 제어 신호에 기반하여 모터 드라이브 회로(808)를 제어하고, 모터 컨트롤러(802)를 통해 전기 모터(810 및 812)에 전력을 공급하는 데 배터리에 의해 사용되며 전류 센서(806)에 의해 검출되는 전류량을 추적한다. 프로세서(814)는 또한 감지된 전류를 사용하여 시간에 따른 측정된 전류에 의한 총 충전 사용량을 결정한다.
전기 충전 스테이션(500)에 의한 충전 동안 로봇에 제공되는 충전량은 전술한 바와 같이 전류 센서 보드(650)에 의해 결정된다. 또한, 전술한 바와 같이, 전기 충전 스테이션(500) 상의 IrDA 보드(574)는 모터 컨트롤러(802) 내의 RS 485 인터페이스에 연결된 IrDA 보드(816)를 자체적으로 포함하고 있는 로봇(18)과 전기 충전 스테이션(500) 간의 적외선 통신을 가능하게 한다. 주기적으로(예를 들어, 초당 1 회), 전기 충전 스테이션으로부터 로봇으로 전달되는 충전량은 적외선 통신을 통해 로봇(18)에 통신되고, 모터 컨트롤러(802) 상에 있을 수 있는 메모리에 저장될 수 있다. 충전이 완료되면, 후술되는 바와 같이, 시작 또는 초기 쿨롱 계수량(starting or initial coulomb count)이 로봇에게 알려지게 될 것이다.
로봇이 충전 도킹에서 떠날 때, 전술한 바와 같이, 전기 모터 및 컨트롤러 보드에 전력을 공급하는 데 사용된 충전량은 주기적으로(예를 들어, 초당 1 회) 결정될 수 있고, 그 후 충전 동안 제공된 충전량(초기 쿨롱 계수량)으로부터 감산되어, 남아 있는 충전량(현재 쿨롱 계수량)을 결정할 수 있다. 이것은 충전 상태(state of charge)("SOC")로 지칭될 수 있다. 로봇은 전술한 바와 같이 SOC를 사전 결정된 임계치 레벨과 비교함으로써 재충전이 필요한 시기를 결정한다.
전기 모터(810 및 812) 및 컨트롤러 보드(802)에 의해 사용되는 충전량은 로봇의 다른 컴포넌트에 전력을 공급하는 데 사용되는 충전량보다 상당히 크며, 따라서, 로봇에 대한 전체 전류 사용량으로 사용될 수 있거나, 또는 더 정밀성이 요구된다면, 전기 모터(810 및 812) 이외의 컴포넌트에 의한 전류 사용량이 측정되어 쿨롱 계수량에 고려될 수 있다.
충전을 위한 소프트웨어 및 프로토콜의 동작은 다음의 섹션에서 설명되고 있다.
로봇 충전 소프트웨어/프로토콜
본원에서 설명된 로봇에 사용되는 배터리는 전형적으로 비교적 평평한 전류 방전 대 전압 곡선을 가질 것이다. 그리고, 배터리는 온도에 매우 의존적일 수 있다. 이러한 특성은 도 21의 그래프에 도시된 -20C, 0C, 23C, 45C 및 60C에 대해 도시된 5 개의 곡선에 의해 입증된다. 그래프는 16A에 의해 방전된 13.5V 개방 회로 전압을 갖는 하나의 LiFePO4 (리튬 철 인산염) 배터리에 대한 곡선을 나타낸다. 배터리가 방전됨에 따라, 배터리 전압은 약 13.5V에서 약 10V로 감소한다. 배터리가 일정량의 용량을 방전한 그래프의 우측에서, 곡선은 배터리에 남아 있는 10V의 전위를 나타내는 "X" 축과 교차한다. 23C 및 45C 곡선은 약 16A를 방전한다. 60C 곡선의 경우, 배터리 관리 시스템의 과열 보호 기능이 기동되고 약 14.4A가 방전된 후 배터리를 셧다운(shut down)시킨다. 더 낮은 온도, 즉 0C 및 -20C에서, 모든 가용 에너지는 배터리로부터 제거될 수 없으며, 각각 약 14.4A 및 12.24A만 방전된 후에 배터리의 기능이 중지된다.
도시된 바와 같이, 배터리 전압은 광범위한 충전 레벨에 걸쳐 상당히 일정하게 유지된다. 예를 들어, 23C에서, 완전히 충전된 상태의 바로 아래에서 대략 14.4A가 방전된 포인트까지 전압은 12.8V에서 12.5V 바로 아래까지만 변하게 된다. 결과적으로, 전압만으로는 SOC가 신뢰성있게 추정될 수 없다. 따라서, SOC 추정을 위해, 본원에 설명된 로봇 배터리 팩과 함께 신뢰성있고 정확한 2-파트 알고리즘이 사용될 수 있다.
SOC 알고리즘의 제 1 양태는 배터리의 (전류 센서(650)(도 19)를 사용하는 전기 충전 스테이션(500)에 의한) 충전 및 (전류 센서(806)(도 20)를 사용하는 로봇에 의한) 방전 동안 전류가 정확하게 측정되는 쿨롱 계수(coulomb-counting)(1 쿨롱 = 1 암페어 * 1 초) 접근법을 이용하며, 시간에 따라 측정된 전류를 적분하여 일정 기간 동안의 총 충전 쿨롱량 또는 총 방전 쿨롱량을 결정한다. 충전하는 동안, 적분된 충전 레벨은 파워 다운 기간 동안의 추적을 유지하기 위해 컨트롤러 보드(572)의 비휘발성 스토리지에 유지된다. 또한, 충전하는 동안, 충전 레벨은 주기적으로 로봇에 통신되고, 예를 들어, 모터 컨트롤러(802) 상의 메모리에 저장된다. 로봇이 충전 스테이션을 떠나면(즉, 로봇이 도킹 해제되면), 방전되는 전류의 양이 모니터링되고, 원래 충전 레벨로부터 전류 SOC가 결정될 수 있다.
그러나, 쿨롱 계수만을 사용하면, 시간에 따라 적분된 측정 오차로 인해 결과가 표류하는 경향이 있다. 이를 극복하기 위해, 완전 충전/완전 방전 임계치를 사용하는 알고리즘의 제 2 양태가 존재한다. 다시 말해서, 전압 레벨 임계치는 로봇에 의해, 완전 방전 및 완전 충전 상태를 신뢰성있게 검출하는 데 사용될 수 있고, 이 상태들은 그 후 추정된 충전의 드리프트를 보정하기 위한 적분기 재설정용으로 사용될 수 있다. 로봇은 SOC 추정치를 유지하고, 쿨롱 계수량을 방전하고, 완전 충전 및 완전 방전 상태의 검출을 담당하게 될 것이다. 충전기는 충전 동안 쿨롱 계수를 담당하게 될 것이다.
도 21을 다시 참조하면, 배터리가 충전됨에 따라(주어진 온도에 대해 그래프를 따라 우측에서 좌측으로 이동함에 따라), 결국 전압은 사전 결정된 상위 전압 임계치로 상승할 것이며, 이 경우에 그 상위 전압 임계치는 (배터리 당) 약 14.3V일 수 있다. 로봇은 배터리가 완전히 충전되었는지를 결정하는 방식으로 이러한 상위 전압 임계치를 사용한다. 로봇은 임계치 전압 레벨에 도달할 때 메모리에 가장 최근에 저장된 쿨롱 계수량을 결정함으로써 자신의 SOC를 알 수 있다. 그 후 로봇은 전기 충전 스테이션을 떠나서 쿨롱 계수 프로세스를 시작하여 사용되는 충전량을 결정할 수 있다.
본원에 설명된 로봇이 배터리 팩 용량의 정확한 추정치를 유지하기 위한 프로세스를 사용하고, 배터리가 완전 방전 상태에 도달하기 전에 로봇이 자율적으로 전기 충전 스테이션에 도달하도록 하는 것이 그 의도이지만, 본 시스템은 전기 충전 스테이션에 도킹되기 전에 그러한 완전 방전 배터리 상태에 도달한 로봇을 복구하도록 설계된다. 배터리가 방전됨에 따라(그래프를 따라 좌측에서 우측으로 이동함에 따라), 전압이 더 낮은 임계치 전압 레벨, 예를 들어, (배터리 당) 9V로 강하되면, 이 낮은 임계치는 배터리가 완전히 방전되었음을 나타내는 데 사용될 수 있다. 이 낮은 임계치 전압 레벨에서, 로봇은 배터리 손상을 방지하기 위해 자동으로 파워 다운된다. 로봇이 도킹 스테이션으로 이동된 후 그리고 후술된 바와 같이 복구 충전(recovery charge)이 제공되면 로봇의 수동 재시작이 요구될 것이다. 배터리 팩이 특정 저전압 레벨(예를 들어, 배터리 당 8V)로 강하되면, 배터리 팩은 전형적으로 내부 보호 셧다운을 트리거할 것이고 배터리는 더 이상 충전되지 않을 것이다. 이러한 단자 조건이 트리거되는 것을 방지하기 위해, 로봇은 단자 전압 레벨보다 높은 사전 결정된 저전압 임계치(예를 들어, 각각의 배터리 당 9V)에서 파워 다운되도록 구성될 수 있다.
주목할 것은 완전 방전 조건이 가끔씩만 발생할 수 있다는 것이다. 이는 로봇이 완전 방전 레벨보다 높은 것으로 알려진 사전 결정된 SOC에서 재충전을 위해 충전 스테이션으로 리턴하도록 프로그래밍될 수 있기 때문이다. 다시 말해서, 전형적으로 완전 방전 포인트보다 높게(예를 들어, 완전 방전 레벨보다 10-20 % 높게) SOC 레벨이 설정될 것이다. 이러한 SOC 레벨에 도달하면, 로봇은 충전을 위해 전기 충전 스테이션으로 이동할 것이다. 로봇이 재충전해야 함을 알게 되면, 로봇은 가장 가까운 이용 가능 충전 스테이션을 결정할 수 있다. 공간 및/또는 창고 관리 시스템에서 동작하는 로봇들은 한 번에 하나의 로봇만이 특정 충전 스테이션에 도킹을 시도할 것이라는 것을 보장하도록 보다 높은 레벨에서 조정될 것이다. 전술한 바와 같이, 각각의 충전 스테이션은 고유 식별자 및 이와 연관된 포즈를 가질 것이다. 로봇은 선택된 충전 스테이션의 포즈로 내비게이션하여 도킹 프로세스를 시작할 것이며, 이들 모든 프로세스는 위에서 상세히 설명되고 있다.
로봇은 완전 충전/방전의 개수를 사용하여 시스템 조작자에게 팩에 대한 수명 종료 경고를 제공할 수 있다. 이러한 통계치는 파워 다운시에 비휘발성 스토리지(플래시)에 기입되고 파워 업시 비휘발성 스토리지(플래시)로부터 판독된다. 예를 들어, 특정 개수의 완전 충전 및/또는 방전 상태에 도달하면, 로봇은 배터리의 공장 서비스가 필요함을 나타낼 수 있다. 또한 주어진 전압 레벨에서의 SOC는 배터리가 더 이상 충전 상태를 유지하고 있지 않은지를 결정하기 위해 모니터링될 수 있으며, 그러한 경우 로봇은 또한 배터리의 공장 서비스가 필요함을 나타낼 수 있다.
로봇이 전기 충전 스테이션에 도달하여 도킹되면, IrDA 보드(574 및 816)에 의해 로봇과 전기 충전 스테이션 간의 통신이 각각 수립되고, 전기 충전 프로세스가 시작될 것이다. 전기 충전 스테이션 컨트롤러(572)(도 19)에 의해 배터리 전압이 전기 충전 어셈블리(200)를 가로 지르는 (히스테리시스를 가진) 임계치 값보다 큰 것으로 감지되면, 성공적인 도킹이 확인되고 표시될 수 있다. 본원에 기술된 배터리 팩(800)(도 20)의 경우, 임계치 전압 레벨은 1V 히스테리시스를 가진 18V일 수 있다(2 개의 배터리 * 9V). 검출된 전압 레벨은 IrDA 통신을 통해 로봇에 통신될 수 있고, 로봇은 수신된 전압 판독치가 일부 허용 레벨 내에서 로봇 내부 전압 측정치와 일치하고 있음을 확인할 수 있다.
통신이 수립되고 임계치 전압 레벨이 확인된 후, 전기 충전 프로세스는, 단락 회로 조건이 검출되지 않고 (로봇에 의해 검출되고 IrDA를 통해 전기 충전 스테이션에 공급되는) 배터리 온도가 허용 가능 범위 내에 있는 경우를 제외하고는 활성화되지 않을 것이다. 배터리 팩(800)의 경우, 온도 범위는 0C 이상 45C 미만일 수 있다. 로봇의 배터리 타입 표시(로봇 타입 또는 배터리 타입 또는 기타 다른 표시자)가 IrDA 통신을 통해 전기 충전 스테이션으로 통신될 수 있고, 그리고 배터리 타입으로부터, 특정 충전 프로파일이 선택될 수 있다. 충전 시작시, 쿨롱 계수가 초기화되고, 선택된 충전 프로파일에 따라 충전 프로세스가 시작된다.
하나의 특정 배터리 타입에 대한 충전 프로파일에 따른 충전 프로세스는 아래의 표 1 및 흐름도(850)(도 22)와 관련하여 설명된다. 또한, 표 1에는 완전히 방전된 배터리에 대한 일반적인 배터리 복구를 위한 파라미터들이 존재한다. 표 1에 표시된 바와 같이, 주어진 배터리의 충전 프로파일은 서로 다른 환경에서 사용되는 다양한 파라미터들을 갖는다. 정상 또는 고속 충전의 경우, 극한 온도(특정 범위를 벗어난 고온 또는 저온)의 파라미터와는 다른 충전 파라미터의 세트가 존재한다.
복구 모드 파라미터는, 로봇이 완전히 방전된 후 수동으로 도킹되고 충전을 시작하도록 수동 복구 스위치가 눌려졌을 때 사용된다. 다시 말해서, 복구 모드 파라미터는, 로봇이 재시작될 수 있고 IrDA 통신이 재수립될 수 있을 때까지 모든 타입의 로봇 배터리를 초기에 충분히 충전하는 데 사용될 것이다.
완전 방전 배터리 복구의 경우, 로봇은 더 이상 턴온되지 않을 것이므로, IrDA 통신은 수립될 수 없으며 전기 충전 스테이션은 로봇의 배터리 타입을 알 수 없을 것이다. 일단 조작자가 로봇을 전기 충전 스테이션에 수동으로 도킹하면, 전기 충전 스테이션 상의 수동 시작 푸시 버튼은 길게 눌려질 것이다. 임계치 배터리 전압에 도달할 때까지 낮은 충전 전류를 출력함으로써 일반적인 초기 충전 프로파일이 시작되며, 이 시간에 조작자에게 로봇을 턴온하라는 표시가 제공된다. 로봇이 턴온되면, IrDA 통신이 수립되고 정상적인 자율 충전 프로세스가 시작된다.
충전 프로파일 이름 사전 충전 전류/
복구 		종료 전압/ 복구 정전류 위상 동안의 충전 전류 정전압 위상 동안의 충전 전압 정전압 위상 동안의 종료 전류 도킹 해제시까지 로봇에 전력을 공급하기 위한 충전 후 플로트 위상 동안의 전압
고속 5.0 A 25.50 V 34.0 A 28.6 V 1.25 A 27.2 V
극한 온도 3.0 A 25.50 V 20.0 A 28.6 V 1.25 A 27.2 V
복구 2.0 A 25.50 V 20.0 A 28.6 V 0.50 A 0.0 V
흐름도(850)(도 22)를 참조하면, 단계(851)에서, 충전기는 충전기에서 감지된 전압을 체킹함으로써 로봇이 도킹되었는지를 결정한다. 로봇이 도킹된 경우, 단계(852)에서, 전기 충전 스테이션은 도킹된 로봇과의 IrDA 통신이 수립되었는지를 결정한다. IrDA 통신이 수립되지 않은 경우, 단계(854)에서, 완전 방전된 배터리를 갖는 로봇의 수동 충전 프로세스를 개시하도록 수동 시작 버튼이 눌려졌는지가 결정된다. 수동 시작 버튼이 눌려지면, 복구 충전 프로파일이 획득되고 시스템은 단계(862)로 진행한다. 단계(852)에서, 로봇과의 통신이 수립되면, 시스템은 단계(858)로 진행하여 도킹된 로봇의 배터리 타입 또는 로봇 타입 및 배터리 조건(즉, 온도)이 전기 충전 스테이션에 통신된다. 배터리/로봇 타입 및 배터리 조건으로부터, 배터리에 대한 특정 충전 프로파일이 단계(860)에서 메모리로부터 복구되고, 시스템은 단계(862)로 진행한다.
단계(862)에서, 배터리 전압이 임계치 전압보다 작은지가 결정되며, 이 임계치 전압은 표 1의 충전 프로파일(고속, 극한 온도, 및 복구)에서 25.5V이다. 배터리 전압이 임계치 전압 미만이 아니면, 시스템은 단계(868)로 진행한다. 전압이 임계치 전압 미만인 경우, 단계(864)에서, 표 1에 열거된 바와 같은 정전류에서 사전 충전이 수행된다. 특정의 사전 충전 전류는 사용중인 충전 프로파일에 따라 달라질 것이다. 따라서, 표 1의 예에서, 고속 충전의 경우 사전 충전 전류는 5.0A이고, 극한 온도의 경우 사전 충전 전류는 3.0A이며, 복구의 경우 사전 충전 전류는 2.0A이다. 사전 충전 동안, 충전기 단자에서의 전압은 임계치 전압에 도달했는지를 결정하기 위해 단계(866)에서 체킹된다. 임계치 전압에 도달한 경우, 시스템은 단계(868)로 진행하고, 만약 임계치 전압에 도달하지 않은 경우에는 임계치 전압에 도달할 때까지 사전 충전이 계속된다.
단계(868)에서, 메인 충전 프로세스는 사용되는 특정의 충전 프로파일로부터 선택된 전류를 사용하여 정전류 충전 단계로 시작된다. 표 1의 예에서, 고속 충전의 경우 충전 전류는 34A로 설정되지만, 극한 온도의 충전 및 복구 충전의 경우 충전 전류는 20A로 설정된다. 각각의 경우에, 이는 단계(870)에서 사전 결정된 전압 레벨이 달성될 때까지 계속된다. 표 1의 예에서, 고속, 극한 온도, 및 복구 충전을 위한 사전 결정된 전압 레벨은 28.6V이다. 일단 이 전압 레벨에 도달하면, 단계(872)에서, 고정 전압 충전 단계가 수행되며, 충전 전압은 28.6V로 유지되며, 충전 단계는 단계(874)에 의해 결정되는 종료 전류에 도달할 때까지 계속된다. 표 1의 고속 및 극한 온도 충전 프로파일의 종료 전류는 1.25A이며, 복구 충전 프로파일의 경우 종료 전류는 0.5A이다. 정전압에서 공급되는 이러한 낮은 레벨의 충전 전류는 로봇이 거의 완전 충전 상태임을 나타내며, 따라서, 충전기 스테이션은 메인 충전 프로세스를 종료한다.
시스템은 단계(876)로 진행하며, 여기서 SOC가 로봇에 통신된다. 흐름도(850)에 구체적으로 도시되어 있지 않지만, 사전 충전 및 메인 충전 프로세스 동안, SOC는 로봇에 정기적으로, 예를 들어, 초당 1 회로 통신될 수 있다. 이 시점에서 로봇은 전기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 수 있지만, 이는 로봇의 제어하에 수행된다. 전술한 바와 같이, 충전하는 동안 배터리 전압이 모니터링되고, 결국 사전 결정된 상위 전압 임계치, 예를 들어, (배터리 당) 14.3V로 상승하게 될 것이다. 로봇은 배터리가 완전히 충전된 시점을 결정하는 방식으로 이러한 상위 전압 임계치를 사용한다. 로봇은 그 시점에 도킹 해제하기로 결정한 경우 상위 전압 임계치에 도달하면 가장 최근에 메모리에 저장된 SOC를 초기 쿨롱 계수량으로서 사용한다. 특정 상황에서, 로봇은 완전히 충전된 경우라도 도킹된 채로 유지될 수 있다. 로봇이 전기 충전 스테이션에 유지되는 한 가지 이유는 창고 바닥에 필요하지 않을 경우 창고 관리 시스템으로부터 전기 충전 스테이션에 유지하고 있으라고 하는 지령을 수신한 것 때문일 수 있다. 메인 충전 프로세스가 완료된 후 로봇이 전기 충전 스테이션에서 유지되고 있으면, 시간이 지남에 따라 자신의 충전량을 상실할 수 있을 것이다. 따라서, 로봇의 충전량을 유지하기 위해 플로트 충전 프로세스가 시작될 수 있다.
단계(878)에서, 충전 프로파일이 플로트 충전 위상을 포함하는지가 결정된다. 만약 포함하고 있지 않은 경우, 시스템은 단계(880)로 진행하여 그 단계에서 로봇이 도킹 해제되었는지를 결정한다. 만약 도킹 해제되지 않은 경우, 시스템은 로봇이 도킹 해제될 때까지 단계(880)로 다시 순환하고, 그 후 시스템은 단계(811)로 진행하여 그 단계에서 전기 충전 스테이션에 의한 충전이 종료된다. 그 후 시스템은 단계(851)로 진행하여 다음 로봇이 충전을 위해 도킹하기를 기다린다. 로봇이 전기 충전 스테이션을 떠날 경우, 쿨롱 계수 프로세스를 시작하여 사용되는 충전량을 결정한다.
단계(878)에서, 충전 프로파일이 플로트 충전 위상을 포함하고 있다고 결정되면, 단계(882)에서 플로트 위상이 시작된다. 플로트 위상에서, 전기 충전 스테이션의 충전 전압은 플로트 위상 전압 레벨로 고정되는 반면 "트리클 충전(trickle charge)"이 로봇에 입력된다. 표 1의 예에서, 고속 및 극단 온도 프로파일의 경우, 플로트 위상 전압은 27.7V일 수 있다. 결과적인 트리클 충전은 대략 0.2A일 수 있다. 플로트 위상 동안, 충전기는 (로봇이 턴온되어 있다고 가정할 때) 로봇에 의해 소비되는 대기 전류를 공급한다. 로봇 대기 전류 소비는 약 0.2A (200mA)이지만 충전기에 의해 조절되지는 않는다. 이는 단계(884)에서 결정된 바와 같이 로봇이 도킹 해제할 때까지 계속된다. 로봇이 도킹을 해제하면, 시스템은 단계(881)로 진행하여 전기 충전 스테이션에 의한 충전을 종료한다. 그 후 시스템은 단계(851)로 진행하여 다음 로봇이 충전을 위해 도킹하기를 기다린다. 그리고, 로봇이 전기 충전 스테이션을 떠날 경우, 쿨롱 계수 프로세스를 시작하여 사용되는 충전량을 결정한다.
흐름도(850)에 도시되지 않았지만, 충전 프로세스 동안 발생할 수 있는 몇 가지 이벤트가 있는데, 이들 이벤트는 프로세스가 종료될 것을 필요로 한다. 이는 전류 대 전압의 비율에 기반하여 부하 저항을 추정함으로써 검출될 수 있는 단락 회로 조건을 포함한다. 만약 이 부하 저항이 임계치 값, 예를 들어, 50M 옴 미만이면, 전기 충전 스테이션은 단락 회로가 검출되었다고 결정하고 충전 프로세스를 종료할 수 있다. 추가적으로, 개방 또는 (임계치, 예를 들어, 1 Ohm보다 큰) 저항 회로가 검출되면, 과열을 방지하기 위해 충전 프로세스가 또한 종료될 수 있다. IrDA 통신이 끊어지거나 다른 중요한 조건이 검출되면, 충전 프로세스가 종료될 수 있다. 전술한 바와 같이, 적분된 충전 레벨은 파워 다운 기간 동안 정확한 충전 추적을 보장하기 위해 컨트롤러 보드(572)의 비휘발성 스토리지에 유지된다.
전기 충전 스테이션(500)의 상위 레벨 동작은 도 23의 상태 머신(900)에 도시되어 있다. 전기 충전 스테이션(500)은 상태(902)에서 전력을 공급받고 초기화된다. 초기화가 완료되면, 전기 충전 스테이션은 상태(904)에서 유휴 모드로 들어가서, 배터리(자동 충전이 준비된 로봇)가 검출되기를 또는 수동 오버라이드 입력("데드" 배터리를 가진 로봇에 대해 수동 충전 모드를 입력하도록 작업자에 눌려진 버튼)이 검출되기를 기다린다. 배터리가 검출되면, 시스템은 상태(906)로 진행하여, 로봇과 전기 충전 스테이션 간의 통신을 수립한다. 수동 오버라이드 입력이 검출되면, 시스템은 복구 상태(908)를 시작하도록 진행한다.
자동 충전 프로세스에서, 상태(906)에서 로봇과의 통신이 수립되지 않으면, 상태(910)에서 통신 에러가 결정되고, 시스템은 유휴 상태(904)로 리턴하게 된다. 상태(906)에서 통신이 수립되면, 전술한 바와 같은 충전 프로세스가 상태(912)에서 시작된다. 충전 완료시에, 로봇이 충전 사이클 로그(charge cycle log)(CCLOG)를 요청하면, 단계(914)에서, 전기 충전 스테이션은 로봇에 CCLOG를 전송하고, 상태(916)에서 충전 프로세스를 종료한다. 로봇이 CCLOG를 요청하지 않으면, 시스템은 단순히 충전 상태(912)에서 완료 상태(916)로 진행한다. 어느 경우이든, 로봇은 그 후 유휴 상태(904)로 리턴한다.
대신에, 수동 오버라이드 입력이 검출되면, 상태(908)에서 수동 복구 프로세스가 시작된다. 배터리가 감지되지 않거나 배터리가 보호 셧다운 모드인 경우, 시스템은 복구 실패 상태(918)로 진입하고, 그 후 유휴 상태(904)로 리턴한다. 복구 시작 상태(908)에서 배터리가 검출되고, 배터리가 보호 셧다운 모드에 있지 않으면, 전술한 바와 같은 복구 프로세스가 상태(920)에서 수행된다. 상태(922)에서 복구 프로세스가 완료되면, 시스템은 상태(906)에서 로봇과의 통신을 수립하고 자동 충전 프로세스를 수행하도록 진행한다.
상태 머신(900)에 도시되지 않았지만, 충전 프로세스 동안 발생할 수 있는 몇몇 이벤트가 존재하며, 이 이벤트는, 예를 들어, 단락 또는 개방 회로, 또는 로봇이 충전이 완료되기 전에 전기 충전 스테이션을 떠나는 경우에, 프로세스가 종료될 것을 필요로 한다.
전술한 본 발명의 설명은 통상의 기술자가 현재 최선의 모드인으로 간주되는 것을 만들고 사용할 수 있게 하지만, 통상의 기술자는 본원의 특정 실시예 및 예의 변형, 조합 및 등가물의 존재를 이해하고 인식할 것이다. 본 발명의 전술한 실시예는 단지 예일 뿐이다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 기술 분야의 기술자에 의해 특정 실시예에 대한 변경, 수정 및 변형이 이루어질 수 있으며, 본 발명의 범위는 본 명세서에 첨부된 청구항에 의해서만 정의된다. 그러므로, 본 발명은 전술한 실시예 및 예에 의해 제한되지는 않는다.
본 발명 및 이의 바람직한 실시예를 기술했지만, 특허증에 의해 신규하고 보호되는 것으로 보장되는 것은 다음과 같다:

Claims (19)

  1. 자율 로봇을 충전하기 위한 전기 충전 시스템으로서,
    재충전 가능한 배터리에 의해 전력을 공급받고 제 1 충전 부재를 갖는 자율 로봇; 및
    충전 스테이션
    을 포함하며,
    상기 충전 스테이션은,
    상기 자율 로봇이 상기 재충전 가능한 배터리를 충전하기 위해 상기 충전 스테이션에 도킹될 때 상기 자율 로봇 상의 상기 제 1 충전 부재를 수용하도록 구성된 제 2 충전 부재;
    상기 충전 스테이션에 도킹될 때 상기 자율 로봇의 상기 재충전 가능한 배터리를 충전하도록 구성된 전원;
    충전 동안 상기 전원으로부터 상기 자율 로봇으로 전달되는 충전량을 측정하도록 구성된 센서;
    상기 센서와 통신하여, 상기 전원으로부터 상기 자율 로봇으로 전달되며 상기 센서에 의해 측정된 상기 충전량으로부터 상기 자율 로봇의 충전 상태(state of charge)(SOC)를 결정하도록 구성된 프로세서; 및
    상기 프로세서와 통신하여, 상기 충전 스테이션에 도킹되어 있는 동안 상기 자율 로봇의 SOC를 상기 자율 로봇에 전송하도록 구성된 통신 디바이스
    를 포함하는 것인,
    전기 충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자율 로봇은 상기 충전 스테이션 상의 상기 통신 디바이스와 통신하도록 구성된 통신 디바이스를 추가로 포함하는 것인,
    전기 충전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자율 로봇은, 상기 재충전 가능한 배터리에 의해 전력을 공급받고 상기 자율 로봇이 상기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 상기 자율 로봇을 추진시키도록 구성되는 모터 드라이브(motor drive)를 추가로 포함하는 것인,
    전기 충전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 자율 로봇은, 상기 자율 로봇이 상기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 상기 자율 로봇을 추진하기 위해 상기 재충전 가능한 배터리에 의해 상기 모터 드라이브에 제공되는 충전량을 측정하도록 구성된 센서를 추가로 포함하는 것인,
    전기 충전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자율 로봇 상의 통신 디바이스는 상기 충전 스테이션으로부터 상기 자율 로봇의 SOC를 수신하도록 구성되고, 상기 자율 로봇은 상기 충전 스테이션으로부터 수신된 SOC를 저장하기 위한 메모리를 포함하는 것인,
    전기 충전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 자율 로봇의 메모리는 또한, 상기 자율 로봇이 상기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 상기 자율 로봇을 추진하기 위해 상기 재충전 가능한 배터리에 의해 상기 모터 드라이브에 제공되는 충전량을 저장하도록 구성되는 것인,
    전기 충전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 충전 스테이션의 프로세서는, 상기 충전 스테이션에 도킹되어 있는 동안 상기 자율 로봇의 SOC를 주기적으로 결정하고, 상기 통신 디바이스가 상기 주기적으로 결정된 자율 로봇의 SOC를 상기 자율 로봇에 전송하게 하도록 구성되는 것인,
    전기 충전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 자율 로봇은, 상기 자율 로봇을 추진하기 위해 상기 재충전 가능한 배터리에 의해 상기 모터 드라이브에 제공되는 충전량을 상기 충전 스테이션에 의해 상기 자율 로봇에 전달되는 SOC에 비교함으로써, 상기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 상기 자율 로봇의 SOC를 주기적으로 결정하도록 구성된 프로세서를 추가로 포함하는 것인,
    전기 충전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 SOC는 적어도 부분적으로 상기 재충전 가능한 배터리 내로 전달되거나 상기 재충전 가능한 배터리로부터 외부로 전달되는 쿨롱량으로부터 결정되는 것인,
    전기 충전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 자율 로봇의 SOC가 사전 결정된 레벨에 도달할 때 상기 자율 로봇이 충전을 위해 상기 충전 스테이션으로 리턴하게 하도록 구성되는 것인,
    전기 충전 시스템.
  11. 재충전 가능한 배터리에 의해 전력을 공급받는 자율 로봇을 충전 스테이션에서 충전시키는 방법으로서,
    상기 자율 로봇의 제 1 충전 부재와 상기 충전 스테이션의 제 2 충전 부재가 메이팅되도록 상기 충전 스테이션에 상기 자율 로봇을 도킹시키는 단계;
    상기 충전 스테이션에 도킹될 때 상기 자율 로봇의 재충전 가능한 배터리를 상기 충전 스테이션의 전원을 사용하여 충전시키는 단계;
    충전 동안 상기 전원으로부터 상기 자율 로봇으로 전달되는 충전량을 측정하는 단계;
    상기 전원으로부터 상기 자율 로봇으로 전달되는 상기 충전량으로부터 상기 자율 로봇의 충전 상태(SOC)를 결정하는 단계; 및
    상기 충전 스테이션에 도킹되어 있는 동안 상기 자율 로봇의 SOC를 상기 충전 스테이션으로부터 상기 자율 로봇에 전송하는 단계
    를 포함하는,
    자율 로봇을 충전 스테이션에서 충전시키는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 상기 자율 로봇을 상기 재충전 가능한 배터리에 의해 전력을 공급받는 모터 드라이브를 사용하여 추진시키는 단계를 추가로 포함하는,
    자율 로봇을 충전 스테이션에서 충전시키는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 자율 로봇이 상기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 상기 자율 로봇을 추진하기 위해 상기 재충전 가능한 배터리에 의해 상기 모터 드라이브에 제공되는 충전량을 측정하는 단계를 추가로 포함하는,
    자율 로봇을 충전 스테이션에서 충전시키는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 자율 로봇의 통신 디바이스에 의해 상기 충전 스테이션으로부터 상기 자율 로봇의 SOC를 수신하는 단계, 및 상기 충전 스테이션으로부터 수신된 SOC를 상기 자율 로봇의 메모리에 저장하는 단계를 추가로 포함하는,
    자율 로봇을 충전 스테이션에서 충전시키는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 자율 로봇이 상기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 상기 자율 로봇을 추진하기 위해 상기 재충전 가능한 배터리에 의해 상기 모터 드라이브에 제공되는 충전량을 상기 자율 로봇의 메모리에 저장하는 단계를 추가로 포함하는,
    자율 로봇을 충전 스테이션에서 충전시키는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 자율 로봇의 SOC를 결정하는 단계는 상기 충전 스테이션에 도킹되어 있는 동안 상기 자율 로봇의 SOC를 주기적으로 결정하는 단계를 포함하고, 상기 SOC를 상기 자율 로봇에 전송하는 단계는 상기 자율 로봇의 SOC를 주기적으로 전송하는 단계를 포함하는 것인,
    자율 로봇을 충전 스테이션에서 충전시키는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 자율 로봇을 추진하기 위해 상기 재충전 가능한 배터리에 의해 상기 모터 드라이브에 제공되는 충전량을 상기 충전 스테이션에 의해 상기 자율 로봇에 전달되는 SOC와 주기적으로 비교함으로써, 상기 충전 스테이션으로부터 도킹 해제될 때 상기 자율 로봇의 SOC를 주기적으로 결정하는 단계를 추가로 포함하는,
    자율 로봇을 충전 스테이션에서 충전시키는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 SOC는 적어도 부분적으로 상기 재충전 가능한 배터리 내로 전달되거나 상기 재충전 가능한 배터리로부터 외부로 전달되는 쿨롱량으로부터 결정되는 것인,
    자율 로봇을 충전 스테이션에서 충전시키는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 자율 로봇의 SOC가 사전 결정된 레벨에 도달할 때 상기 자율 로봇이 충전을 위해 상기 충전 스테이션으로 리턴하게 하는 단계를 추가로 포함하는,
    자율 로봇을 충전 스테이션에서 충전시키는 방법.
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