ES2901550T3

ES2901550T3 - Sistema y método de carga eléctrica para un robot autónomo

Info

Publication number: ES2901550T3
Application number: ES18808141T
Authority: ES
Inventors: Michael Sussman; Aron Klair Insinga
Original assignee: Locus Robotics Corp
Current assignee: Locus Robotics Corp
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: US10401864B2; CN111448736A; WO2019060732A1; US20190092184A1; CA3076526A1; CA3076526C; EP3685487A1; CN111448736B; JP2020534782A; JP7150010B2; KR102466072B1; KR20200091388A; EP3685487B1

Abstract

Un sistema de carga eléctrica para cargar un robot autónomo (18), que comprende: - un robot autónomo (18) alimentado por una batería recargable (800) y que tiene un primer miembro (300) de carga; y - una estación (500) de carga, que incluye: - un segundo miembro (200) de carga configurado para recibir el primer miembro (300) de carga en el robot autónomo cuando el robot autónomo (18) se acopla a la estación (500) de carga para cargar la batería recargable (800); - un suministro (582) de energía configurado para cargar la batería recargable (800) del robot autónomo cuando se acopla a la estación de carga; - un sensor (650) configurado para medir una cantidad de carga transferida desde el suministro de energía al robot autónomo durante la carga; - un procesador (700), en comunicación con el sensor (650), configurado para determinar, a partir de la cantidad de carga transferida desde el suministro de energía al robot autónomo medida por el sensor, un estado de carga del robot autónomo; y - un dispositivo (574) de comunicaciones, en comunicación con el procesador (700), configurado para transmitir al robot autónomo el estado de carga del robot autónomo mientras se acopla a la estación de carga; - en donde el robot autónomo (18) incluye, además: - un dispositivo (816) de comunicaciones configurado para comunicarse con el dispositivo de comunicaciones en la estación de carga, - un accionador (808) de motor alimentado por la batería recargable (800) y configurado para impulsar el robot autónomo cuando el robot autónomo se desacopla de la estación de carga, y - un sensor (806) configurado para medir la cantidad de carga proporcionada al accionador del motor por la batería recargable para impulsar el robot autónomo cuando el robot autónomo se desacopla de la estación de carga; y - en donde el dispositivo (816) de comunicaciones en el robot autónomo (18) está configurado para recibir el estado de carga del robot autónomo desde la estación de carga y en donde el robot autónomo incluye una memoria para almacenar el estado de carga recibido desde la estación de carga; y - en donde la memoria del robot autónomo está configurada además para almacenar la cantidad de carga proporcionada al accionador del motor por la batería recargable para impulsar el robot autónomo cuando el robot autónomo se desacopla de la estación de carga.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y método de carga eléctrica para un robot autónomo

Campo de la invención

Esta invención se refiere a un sistema de carga eléctrica para un robot autónomo y, más particularmente, a tal sistema de carga que determina un estado de carga del robot autónomo en una estación de carga y comunica el estado de carga desde la estación de carga al robot autónomo.

Antecedentes de la invención

En muchas aplicaciones, los robots se usan para realizar funciones en lugar de humanos o para ayudar a humanos a aumentar la productividad y la eficiencia. Una de tales aplicaciones es el cumplimiento de órdenes, que se realiza, típicamente, en un almacén grande lleno de productos para ser enviados a clientes que han realizado sus órdenes en Internet para la entrega doméstica.

Cumplir tales órdenes de manera oportuna, precisa y eficaz es, al menos, un desafío logístico. Si hace clic en el botón “ revisar” en un carrito de compras virtual, se crea una “orden” . La orden incluye un listado de artículos que se enviarán a una dirección específica. El proceso de “cumplimiento” implica tomar o “ recoger” físicamente estos artículos de un almacén grande, empaquetarlos y enviarlos a la dirección designada. Un objetivo importante del proceso de cumplimiento de la orden es, por lo tanto, enviar el máximo número de productos en el menor tiempo como sea posible. Además, los productos que finalmente serán enviados primero necesitan ser recibidos en el almacén y almacenados o “colocados” en depósitos de almacenamiento de manera ordenada a lo largo del almacén para que puedan ser recuperados fácilmente para su envío.

El uso de robots para realizar funciones de recogida y colocación puede realizarse solo mediante el robot o con la ayuda de operadores humanos. Los robots se alimentan por electricidad, que se almacena en baterías integradas del robot. Con todos los desplazamientos que hacen los robots alrededor del almacén, se deben recargar regularmente. Por lo tanto, para que la operación funcione suavemente, es un requisito una manera eficiente y eficaz de cargar los robots.

Breve sumario de la invención

Los beneficios y ventajas de la presente invención sobre los sistemas existentes resultarán fácilmente evidentes a partir de la Breve descripción de la invención y la Descripción detallada a continuación. Una persona con experiencia en la materia apreciará que las enseñanzas de la presente invención pueden practicarse con realizaciones distintas de las resumidas o descritas a continuación. Los aspectos de la invención se describen en las reivindicaciones independientes 1 y 6.

Además de eso, el procesador de la estación de carga puede configurarse para determinar periódicamente el SOC del robot autónomo mientras está acoplado a la estación de carga y para hacer que el dispositivo de comunicación transmita al robot autónomo el SOC determinado periódicamente del robot autónomo. El robot autónomo puede incluir, además, un procesador configurado para determinar periódicamente el SOC del robot autónomo cuando se desacopla de la estación de carga al comparar la cantidad de carga proporcionada a la unidad del motor mediante la batería recargable para impulsar el robot autónomo al SOC transferido al robot autónomo por la estación de carga. El SOC puede determinarse, al menos en parte, a partir del número de culombios transferidos dentro o fuera de la batería recargable. El procesador puede configurarse para hacer que el robot autónomo regrese a la estación de carga para la carga cuando el SOC del robot autónomo ha alcanzado un nivel predeterminado.

Además de eso, la etapa de determinar el SOC del robot autónomo puede incluir determinar periódicamente el SOC del robot autónomo mientras se acoplan a la estación de carga y la etapa de transmitir el SOC al robot autónomo puede incluir transmitir periódicamente el SOC del robot autónomo. El método puede incluir, además, determinar periódicamente el SOC del robot autónomo cuando se desacopla de la estación de carga al comparar periódicamente la cantidad de carga proporcionada a la unidad del motor mediante la batería recargable para impulsar el robot autónomo al SOC transferido al robot autónomo por la estación de carga. El SOC puede determinarse, al menos en parte, a partir del número de culombios transferidos dentro o fuera de la batería recargable. El método puede incluir, además, hacer que el robot autónomo regrese a la estación de carga para la carga cuando el SOC del robot autónomo ha alcanzado un nivel predeterminado.

Estas y otras características de la invención resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada y de las figuras adjuntas.

Breve descripción de las figuras

Las realizaciones de la presente invención se describirán ahora, a manera de ejemplo solamente, con referencia a as figuras adjuntas, en donde:

a Fig. 1 es una vista en planta superior de un almacén de cumplimiento de órdenes;

a Fig. 2A es una vista frontal en alzado de una base de uno de los robots usados en el almacén mostrado en la Fig. 1;

a Fig. 2B es una vista en perspectiva de una base de uno de los robots usados en el almacén mostrado en la Fig. 1; a Fig. 3 es una vista en perspectiva del robot en las Figs. 2A y 2B equipado con un armazón y estacionado delante de un anaquel mostrado en la Fig. 1;

a Fig. 4 es un mapa parcial del almacén de la Fig. 1 creado mediante el uso de radar láser en el robot;

a Fig. 5 es un diagrama de flujo que representa el proceso para localizar marcadores fiduciarios dispersos por todo el almacén y almacenar las posiciones de los marcadores fiduciarios;

a Fig. 6 es una tabla de la identificación fiduciaria para mapear las posiciones;

a Fig. 7 es una tabla de la ubicación del depósito con respecto al mapeo de identificación fiduciaria;

a Fig. 8 es un diagrama de flujo que representa la SKU del producto para el proceso de mapeo de posiciones; a Fig. 9 es una vista frontal de una unidad de carga eléctrica de acuerdo con esta invención;

a Fig. 10 es una vista lateral en alzado de la unidad de carga eléctrica de la Fig. 9;

la Fig. 11 es una vista en perspectiva del puerto de carga eléctrica de la Fig. 10;

a Fig. 12 es una vista en sección transversal de la unidad de carga eléctrica acoplada con el puerto de carga eléctrica;

a Fig. 13A es una vista en perspectiva de la estación de acoplamiento del cargador de acuerdo con esta invención; a Fig. 13B es una vista en perspectiva de la estación de acoplamiento del cargador de la Fig. 14A con la cubierta exterior retirada que representa el interior de la estación de acoplamiento del cargador;

a Fig. 14A es una vista frontal de la estación de acoplamiento del cargador de la Fig. 13A;

a Fig. 14B es la vista frontal de la estación de acoplamiento del cargador de la Fig. 14A con la cubierta exterior retirada que representa el interior de la estación de acoplamiento del cargador;

a Fig. 15A es una vista lateral izquierda de la estación de acoplamiento del cargador de la Fig. 13A;

a Fig. 15B es la vista lateral izquierda de la estación de acoplamiento del cargador de la Fig. 15A con la cubierta exterior retirada que representa el interior de la estación de acoplamiento del cargador;

a Fig. 16A es una vista en perspectiva posterior de la estación de acoplamiento del cargador de la Fig. 13A;

a Fig. 16B es la vista posterior en perspectiva de la estación de acoplamiento del cargador de la Fig. 16A con la cubierta exterior retirada que representa el interior de la estación de acoplamiento del cargador;

a Fig. 17 es una vista superior de la estación de acoplamiento del cargador de la Fig. 13A que se muestra con un robot acoplado;

a Fig. 18 es una vista esquemática de un robot que se acopla con la estación de carga de acuerdo con un aspecto de esta invención;

a Fig. 19 es un diagrama esquemático de los componentes eléctricos de la estación de carga;

a Fig. 20 es un diagrama esquemático de ciertos componentes eléctricos del robot usado en el proceso de carga del robot;

la Fig. 21 es un gráfico de perfil de descarga de una batería robótica a varias temperaturas;

la Fig. 22 es un diagrama de flujo que representa el proceso de carga del robot de acuerdo con un aspecto de la invención; y

la Fig. 23 es un diagrama de estado que representa la operación de la estación de carga de acuerdo con un aspecto de esta invención.

Descripción detallada de la invención

La descripción y las diversas características y detalles ventajosos de esta se explican más completamente con referencia a las realizaciones y ejemplos no limitantes que se describen y/o ilustran en las figuras adjuntas y se detallan en la siguiente descripción. Cabe señalar que las características ilustradas en las figuras no están necesariamente dibujadas a escala, y las características de una realización pueden emplearse con otras realizaciones como reconocerá el técnico con experiencia, aun cuando no se mencione explícitamente en la presente descripción. Las descripciones de componentes muy conocidos y técnicas de procesamiento pueden omitirse para no oscurecer innecesariamente las realizaciones de la descripción. Los ejemplos usados en la presente descripción pretenden simplemente facilitar una comprensión de las maneras en las que la descripción puede practicarse y permitir, además, que los expertos en la materia pongan en práctica las realizaciones de la descripción. En consecuencia, los ejemplos y realizaciones de la presente descripción no deben interpretarse como limitantes del alcance de la descripción. Además, se observa que números de referencia similares representan partes similares a lo largo de las diversas vistas de las figuras.

La invención está dirigida a un sistema de carga eléctrica para usarse en robots de carga. Aunque no se restringe a ninguna aplicación de robot particular, una aplicación adecuada en la que puede usarse la invención es el cumplimiento de órdenes. El uso de robots en esta solicitud se describirá para proporcionar contexto para el sistema de carga eléctrica.

Aunque la descripción proporcionada en la presente descripción se centra en recoger artículos de ubicaciones en el almacén para cumplir una orden de envío a un cliente, el sistema es igualmente aplicable al almacenamiento o la colocación de artículos recibidos en el almacén en ubicaciones en todo el almacén para su posterior recuperación y envío a un cliente. La invención también es aplicable a tareas de control de inventarios asociadas con tal sistema de almacén, tales como consolidación, recuento, verificación, inspección y limpieza de productos.

Con referencia a la Fig. 1, un almacén 10 de cumplimiento de órdenes típico incluye anaqueles 12 llenos con los diversos artículos que podrían incluirse en una orden 16. En funcionamiento, la orden 16 desde el servidor 15 de administración de almacén llega a un servidor 14 de órdenes. El servidor 14 de órdenes comunica la orden 16 a un robot 18 seleccionado de una pluralidad de robots que monitorizan el almacén 10. También se muestra el área 19 de carga, que es donde pueden ubicarse una o más estaciones de carga de acuerdo con un aspecto de la invención.

En una realización preferida, un robot 18, mostrado en las Figs. 2A y 2B, incluye una base 20 con ruedas autónoma que tiene un radar láser 22. La base 20 presenta, además, un transceptor (no se muestra) que permite que el robot 18 reciba instrucciones desde el servidor 14 de órdenes y un par de cámaras 24a y 24b ópticas digitales. La base de robot incluye, además, un puerto de carga eléctrica 26 (representado con mayor detalle en las Figs. 10 y 11) para recargar las baterías que alimentan la base 20 con ruedas autónoma. La base 20 presenta, además, un procesador (no se muestra) que recibe datos desde las cámaras 24a y 24b de láser y radar para capturar información representativa del entorno del robot. Existe una memoria (no se muestra) que funciona con el procesador para realizar diversas tareas asociadas con la navegación dentro del almacén 10, así como para navegar al marcador fiduciario 30 colocado en los anaqueles 12, como se muestra en la Fig. 3. El marcador fiduciario 30 (por ejemplo, un código de barras bidimensional) corresponde al depósito/ubicación de un elemento ordenado. El enfoque de navegación de esta invención se describe en detalle más adelante con respecto a las Figs. 4-8. Los marcadores fiduciarios se usan, además, para identificar estaciones de carga de acuerdo con un aspecto de esta invención y la navegación a tales marcadores fiduciarios de estación de carga es la misma que la navegación al recipiente/ubicación de los elementos ordenados. Una vez que los robots navegan a una estación de carga, se usa un enfoque de navegación más preciso para fijar el robot con la estación de carga y dicho enfoque de navegación se describe a continuación.

Otra vez con referencia a la Fig. 2B, la base 20 incluye una superficie superior 32 en donde podría almacenarse una bolsa o depósito para portar artículos. También se muestra un acoplamiento 34 que acopla uno cualquiera de una pluralidad de armazones intercambiables 40, uno de los cuales se muestra en la Fig. 3. El armazón 40 particular de la Fig. 3 presenta un soporte 42 de bolsa (en este caso un anaquel) para portar una bolsa 44 que recibe artículos, y un soporte 46 de tableta (u ordenador portátil/otro dispositivo de entrada de usuario) para soportar una tableta 48. En algunas realizaciones, el armazón 40 soporta una o más bolsas para llevar artículos. En otras realizaciones, la base 20 soporta una o más bolsas para transportar los artículos recibidos. Como se usa en la presente descripción, el término “bolsa” incluye, sin limitarse a, soportes de carga, cajones, jaulas, anaqueles, varillas desde las cuales se pueden colgar artículos, chaflanes, cajas, sacos, soportes, botes, contenedores y repositorios.

Aunque un robot 18 se destaca al moverse alrededor del almacén 10, con la tecnología de robot actual, no es muy bueno para recoger elementos rápida y eficientemente de un anaquel y colocarlos en la bolsa 44 debido a las dificultades técnicas asociadas con la manipulación robótica de objetos. Una manera más eficiente de recoger elementos es usar un operador local 50, que es típicamente humano, para llevar a cabo la tarea de retirar físicamente un elemento ordenado de un anaquel 12 y colocarlo en el robot 18, por ejemplo, en la bolsa 44. El robot 18 comunica la orden al operador local 50 a través de la tableta 48 (o portátil/otro dispositivo de entrada de usuario), que el operador local 50 puede leer, o transmite la orden a un dispositivo portátil usado por el operador local 50. Al recibir una orden 16 desde el servidor 14 de órdenes, el robot 18 avanza a una primera ubicación de depósito, por ejemplo, como se muestra en la Fig. 3. Lo hace basándose en el software de navegación almacenado en la memoria y llevado a cabo por el procesador. El software de navegación depende de los datos relativos al entorno, según lo recogido por el láser-radar 22, una tabla interna en la memoria que identifica el identificador fiduciario (“ ID” ) del marcador fiduciario 30 que corresponde a una ubicación en el almacén 10 donde puede encontrarse un elemento particular, y las cámaras 24a y 24b para navegar.

Después de alcanzar la ubicación correcta, el robot 18 se asienta delante de un anaquel 12 en el cual se almacena el elemento y espera que un operador local 50 recupere el elemento del anaquel 12 y lo coloque en una bolsa 44. Si el robot 18 tiene otros elementos para recuperar, avanza a esas ubicaciones. El(los) elemento(s) recuperado(s) por el robot 18 se entrega(n) después a una estación de empaquetado 100, Fig. 1, en donde se empaquetan y se envían.

Los expertos en la técnica entenderán que cada robot puede cumplir una o más órdenes y cada orden puede consistir en uno o más elementos. Típicamente, se incluiría alguna forma de software de optimización de ruta para aumentar la eficacia, pero esto está más allá del alcance de esta invención y, por lo tanto, no se describe en la presente descripción.

Para simplificar la descripción de la invención, se describe un solo robot 18 y operador 50. Sin embargo, como es evidente a partir de la Fig. 1, una operación de cumplimiento típica incluye muchos robots y operadores que trabajan entre sí en el almacén para llenar un flujo continuo de órdenes.

El enfoque de navegación de esta invención, así como el mapeo semántico de una SKU de un elemento que se recuperará en un ID fiduciario/posición asociado con un marcador fiduciario en el almacén en donde se localiza el elemento, se describen detalladamente a continuación con respecto a las Figs. 4-8. Como se mencionó anteriormente, el mismo enfoque de navegación puede usarse para permitir que el robot navegue a una estación de carga para recargar su batería.

Mediante el uso de uno o más robots 18, debe crearse un mapa del almacén 10 y actualizarse dinámicamente para determinar la ubicación de objetos, tanto estáticos como dinámicos, así como las ubicaciones de varios marcadores fiduciarios dispersos en todo el almacén. Para hacer esto, uno de los robots 18 navegan por el almacén y construye/actualiza un mapa 10a, Fig. 4, mediante el uso de su láser radar 22 y localización y mapeo simultáneos (SLAM), que es un método computacional para construir o actualizar un mapa virtual de un entorno desconocido. Los métodos populares de solución aproximados SLAM incluyen el filtro de partículas y el filtro extendido de Kalman. El enfoque SLAM GMapping es el enfoque preferido, pero puede usarse cualquier enfoque SLAM adecuado.

El robot 18 usa su radar láser 22 para crear/actualizar el mapa 10a del almacén 10 a medida que el robot 18 se desplaza por todo el espacio que identifica el espacio abierto 112, las paredes 114, los objetos 116 y otros obstáculos estáticos, tales como los anaqueles 12a en el espacio, en base a las reflexiones que recibe a medida que el radar láser explora el entorno.

Mientras se construye el mapa 10a o después de eso, uno o más robots 18 navega a través del almacén 10 mediante el uso de cámaras 24a y 24b para explorar el entorno para localizar marcadores fiduciarios (códigos de barras bidimensionales) dispersos en todo el almacén en anaqueles próximos a los depósitos, tales como 32 y 34, Fig. 3, en los cual se almacenan artículos. Los robots 18 usan un punto u origen de referencia conocidos para referencia, tal como el origen 110. Cuando un marcador fiduciario, tal como un marcador fiduciario 30, Figs. 3 y 4, se localiza mediante el robot 18 mediante el uso de sus cámaras 24a y 24b, se determina la ubicación en el almacén con relación al origen 110. Mediante el uso de dos cámaras, una a cada lado de la base del robot, como se muestra en la Fig. 2A, el robot 18 puede tener un campo visual relativamente amplio (por ejemplo, 120 grados) que se extiende desde ambos lados del robot. Esto permite que el robot vea, por ejemplo, marcadores fiduciarios en ambos lados del robot a medida que se desplaza hacia arriba y hacia abajo de los pasillos de anaqueles.

Mediante el uso de codificadores de rueda y sensores de cabecera, puede determinarse el vector 120, y la posición del robot en el almacén 10. Mediante el uso de la imagen capturada de un marcador fiduciario/código de barras bidimensional y su tamaño conocido, el robot 18 puede determinar la orientación con respecto a y la distancia del robot del vector 130 de marcador fiduciario/código de barras bidimensional. Con los vectores 120 y 130 conocidos, puede determinarse el vector 140, entre el origen 110 y el marcador fiduciario 30. A partir del vector 140 y la orientación determinada del marcador fiduciario/código de barras bidimensional con relación al robot 18, puede determinarse la posición (posición y orientación) definida por una cuaternización (x, y, z, w) para el marcador fiduciario 30.

El diagrama 200 de flujo, Fig. 5, que describe el proceso de ubicación del marcador fiduciario. Esto se realiza en un modo de mapeo inicial y a medida que el robot 18 encuentra nuevos marcadores fiduciarios en el almacén mientras se realiza la recogida, colocación y/u otras tareas. En la etapa 202, el robot 18 mediante el uso de las cámaras 24a y 24b captura una imagen y en la etapa 204 busca marcadores fiduciarios dentro de las imágenes capturadas. En la etapa 206, si se encuentra un marcador fiduciario en la imagen (etapa 204), se determina si el marcador fiduciario ya está almacenado en la tabla 300 fiduciaria, Fig. 6, que se ubica en la memoria 34 del robot 18. Si la información fiduciaria ya se almacena en la memoria, el diagrama de flujo regresa a la etapa 202 para capturar otra imagen. Si no está en memoria, la posición se determina de acuerdo con el proceso descrito anteriormente y en la etapa 208, se añade de manera fiduciario para poner la tabla 300 de búsqueda.

En la tabla 300 de búsqueda, que puede almacenarse en la memoria de cada robot, se incluye para cada marcador fiduciario una identificación fiduciaria, 1, 2, 3, etc., y una posición para el marcador fiduciario/código de barras asociado con cada identificación fiduciaria. La posición consiste en las coordenadas x,y,z en el almacén junto con la orientación o la cuaternización (x,y,z, w).

En otra tabla 400 de consulta, Fig. 7, que también puede almacenarse en la memoria de cada robot, hay una lista de ubicaciones de depósitos (por ejemplo, 402a-f) dentro del almacén 10, que se correlacionan con ID fiduciarios 404 particulares, por ejemplo, número “ 11” . Las ubicaciones de los depósitos, en este ejemplo, consisten en siete caracteres alfanuméricos. Los primeros seis caracteres (por ejemplo, L01001) corresponden a la ubicación del anaquel dentro del almacén y el último carácter (por ejemplo, A-F) identifica el depósito específico en la ubicación del anaquel. En este ejemplo, hay seis ubicaciones de depósitos diferentes asociadas con el ID fiduciario “ 11” . Puede haber uno o más depósitos asociados con cada ID/marcador fiduciario. Estaciones de carga ubicadas en el área 19 de carga, Fig. 1, puede almacenarse, además, en la Tabla 400 y correlacionarse con identificadores fiduciarios. A partir de los identificadores fiduciarios, la base de la estación de carga puede encontrarse en la tabla 300, Fig. 6.

Las ubicaciones de los depósitos alfanumérico son comprensibles para los seres humanos, por ejemplo, el operador 50, Fig. 3, como corresponde a una ubicación física en el almacén 10 donde se almacenan los artículos. Sin embargo, no tienen que significar al robot 18. Mediante el mapeo de las ubicaciones a los ID fiduciarios, el robot 18 puede determinar la posición del ID fiduciario mediante el uso de la información en la Tabla 300, Fig. 6 y, después, navegar hasta la posición como se describe en la presente descripción.

El proceso de cumplimiento de orden de acuerdo con esta invención se representa en el diagrama 500 de flujo, Fig. 8. En la etapa 502, el sistema 15 de gestión del almacén, Fig. 1, obtiene una orden, que puede consistir en uno o más artículos a recuperar. En la etapa 504, el(los) número(s) SKU de los artículos se determina(n) por el sistema 15 de gestión de depósitos, y a partir del(de los) número(s) SKU, la(s) ubicación(es) de los depósitos se determina(n) en la etapa 506. Una lista de ubicaciones de los depósitos para el pedido se transmite después al robot 18. En la etapa 508, el robot 18 correlaciona las ubicaciones de los depósitos con ID fiduciario y a partir del ID fiduciario, se obtiene el aspecto de cada ID fiduciario en la etapa 510. En la etapa 512, el robot 18 navega hasta la posición, como se muestra en la Fig. 3, donde un operador puede elegir el elemento que va a recuperarse del depósito apropiado y colocarlo en el robot.

La información específica de un elemento, tal como el número SKU y la ubicación del depósito, obtenida por el sistema 15 de gestión del almacén, puede transmitirse a la tableta 48 en el robot 18, de manera que el operador 50 pueda ser informado de los elementos particulares a recuperar cuando el robot llega a cada ubicación de marcador fiduciario.

Con el mapa SLAM y la posición del ID fiduciario conocido, el robot 18 puede navegar fácilmente a cualquiera de los ID fiduciarios mediante el uso de varias técnicas de navegación de robot. El enfoque preferido implica establecer una ruta inicial al marcador fiduciario planteado dado el conocimiento del espacio abierto 112 en el almacén 10 y las paredes 114, anaqueles (tal como el anaquel 12) y otros obstáculos 116. A medida que el robot comienza a atravesar el almacén mediante el uso de su radar láser 22, determina si hay obstáculos en su trayecto, ya sea fijos o dinámicos, tales como otros robots 18 y/u operadores 50, y actualiza iterativamente su trayecto a la posición del marcador fiduciario. El robot replanea su ruta aproximadamente una vez cada 50 milisegundos, buscando constantemente el trayecto más eficiente y eficaz, al mismo tiempo que evita obstáculos.

Generalmente, la localización del robot dentro del almacén 10a se logra mediante muchas coincidencias de exploración de múltiples resoluciones (M3RSM) que opera en el mapa virtual SLAM. En comparación con los métodos de fuerza bruta, M3RSM reduce drásticamente el tiempo computacional para que un robot realice el cierre de bucle SLAM y la coincidencia de exploración, dos etapas críticas en la determinación de la posición y ubicación del robot. La localización del robot mejora aún más al minimizar el espacio de búsqueda de M3SRM de acuerdo con los métodos descritos en la solicitud de los EE. UU. relacionada con núm. de serie 15/712.222 titulada MULTIRESOLUTION SCAN MATCHING WITH EXCLUSION ZONES, presentada el 22 de septiembre de 2017 e incorporada como referencia en su totalidad en la presente descripción.

Con el producto SKU/ID fiduciario a la técnica de mapeo de posición fiduciario combinado con la técnica de navegación SLAM, ambas descritas en la presente descripción, los robots 18 pueden navegar de manera muy eficiente y eficaz el espacio del almacén sin tener que usar, típicamente, enfoques de navegación más complejos usados que implican líneas de cuadrícula y marcadores fiduciarios intermedios para determinar la ubicación dentro del almacén.

Generalmente, la navegación en presencia de otros robots y obstáculos móviles en el almacén se logra mediante métodos de prevención de colisiones que incluyen el dynamic window approach (enfoque dinámico de ventana -DWA) y optimal reciprocal collision avoidance (prevención de colisiones recíprocas óptimas - ORCA). DWA calcula entre los trayectos de movimiento del robot factibles un movimiento incremental que evita colisiones con obstáculos y favorece el trayecto deseado para el marcador fiduciario objetivo. ORCA evita óptimamente colisiones con otros robots en movimiento sin requerir comunicación con el(los) otro(s) robot(s). La navegación procede como una serie de movimientos incrementales a lo largo de trayectos calculados en los intervalos de actualización de aproximadamente 50 ms. La evitación de colisiones puede mejorarse aún más mediante técnicas descritas en la solicitud relacionada de los EE. UU. con núm. de serie 15/712.256, titulada ENTITLED DYNAMIC WINDOW APPROACH USING OPTIMAL RECIPROCAL COLLISION AVOIDANCE COST-CRITIC, presentada el 22 de septiembre de 2017, e incorporada como referencia en su totalidad en la presente descripción.

Como se describió anteriormente, los robots 50 deben recargarse periódicamente. Además de marcar ubicaciones en el almacén donde se almacenan artículos, puede colocarse un marcador fiduciario en una o más estaciones de carga eléctrica dentro del almacén. Cuando el robot 18 tiene baja potencia, puede navegar a un marcador fiduciario ubicado en una estación de carga eléctrica de manera que pueda recargarse. Una vez que puede recargarse manualmente al hacer que un operador conecte el robot al sistema de carga eléctrica o el robot pueda usar su navegación para acoplarse a sí mismo en la estación de carga eléctrica.

Como se muestra en las Figs. 9 y 10, la unidad 200 de carga eléctrica puede utilizarse en una estación de carga eléctrica. La unidad 200 de carga eléctrica incluye una base 202 de carga sobre la cual se dispone un primer miembro 204 terminal macho y un segundo miembro 206 terminal macho. Aunque no se muestra en esta figura, una entrada eléctrica positiva del servicio eléctrico en el almacén se fijaría a la base 202 de carga y se conectaría eléctricamente a uno del primer miembro 204 terminal macho o al segundo miembro 206 terminal macho. Además, se fijaría una entrada eléctrica negativa a la base 202 de carga y se conectaría eléctricamente al otro primer miembro 204 terminal macho o al segundo miembro 206 terminal macho.

El primer miembro terminal macho 204 tiene una primera base 210 fijada a y que se extiende ortogonalmente a lo largo de un primer eje 212 desde la superficie 214 de la base 202 de carga y termina en un primer contacto eléctrico 216. El primer contacto eléctrico 216 puede estar en la forma de una barra colectora de cobre que se extiende hacia la base 202 de carga a la cual se fijaría una de las conexiones eléctricas positivas o negativas. El segundo miembro 206 terminal macho tiene una segunda base 220 fijada a y que se extiende ortogonalmente a lo largo de un segundo eje 222 desde la superficie 214 de la base 202 de carga y termina en un segundo contacto eléctrico 226. El segundo contacto eléctrico 226 puede estar, además, en la forma de una barra colectora de cobre que se extiende hacia la base 202 de carga a la cual se fijaría la otra de las conexiones eléctricas positivas o negativas.

El primer miembro 204 terminal macho tiene una pluralidad de superficies externas, al menos dos de las cuales tienen una forma curva desde la primera base 210 hasta el primer contacto eléctrico 216 que forma una superficie cóncava. En la realización representada en las Figs. 9 y 10 hay tres superficies curvas; a saber, la superficie curva superior 230 y las superficies 232 y 234 curvas laterales opuestas, las tres de estas curvas desde la primera base 210 hasta el primer contacto eléctrico 216, con radios particulares de curvatura, que forman superficies cóncavas. En esta realización, el radio de curvatura de las superficies 232 y 234 curvas del lado opuesto es de aproximadamente 63,9 mm. El radio de curvatura de la superficie curva superior 230 es de aproximadamente 218,7 mm. Estos se determinaron empíricamente para proporcionar corrección de alineamiento optimizada. Se espera más desalineamiento en la dirección horizontal en comparación con la dirección vertical; por lo tanto, las superficies curvas laterales opuestas se proporcionan con un radio de curvatura más pequeño. Por supuesto, los radios de curvatura de las superficies curvas pueden variarse dependiendo de la aplicación.

Además, el primer miembro 204 terminal macho tiene una superficie plana 236 que es sustancialmente paralela al primer eje 212 y ortogonal a la superficie 214 de la base 202 de carga. La superficie plana 236 incluye una porción 238 de superficie cóncava próxima al primer contacto eléctrico 216.

El segundo miembro 206 terminal macho tiene una pluralidad de superficies externas, al menos dos de las cuales tienen una forma curva desde la segunda base 220 hasta el segundo contacto eléctrico 226, que forman una superficie cóncava. En la realización representada en las Figs. 9 y 10 hay tres superficies curvas; a saber, la superficie curva inferior 240 y las superficies 242 y 244 curvas laterales opuestas, las tres de estas curvas desde la primera base 220 hasta el primer contacto eléctrico 226, con radios particulares de curvatura, que forman superficies cóncavas. En esta realización, el radio de curvatura de las superficies 242 y 244 curvas del lado opuesto es de aproximadamente 63,9 mm. El radio de curvatura de la superficie curva inferior 240 es de aproximadamente 218,7 mm. Estos se determinaron empíricamente para proporcionar corrección de alineamiento optimizada. Se espera más desalineamiento en la dirección horizontal en comparación con la dirección vertical; por lo tanto, las superficies curvas laterales opuestas se proporcionan con un radio de curvatura más pequeño. Por supuesto, los radios de curvatura de las superficies curvas pueden variarse dependiendo de la aplicación.

Además, el segundo miembro 206 terminal macho tiene una superficie plana 246 que es sustancialmente paralela al segundo eje 222 y ortogonal a la superficie 214 de la base 202 de carga. La superficie plana 246 incluye una porción 248 de superficie ensanchada próxima al segundo contacto eléctrico 226.

Existe una cavidad 250 formada entre el primer miembro 204 terminal macho y el segundo miembro 206 terminal macho definida por la al menos una superficie plana 236 del primer miembro 204 terminal macho y la al menos una superficie plana 246 del segundo miembro 206 terminal macho. La cavidad 250 tiene una abertura 252 entre el primer contacto eléctrico 216 y el segundo contacto eléctrico 226. En la abertura 252, la porción 238 de superficie rebajada de la superficie plana 236 y la porción 248 de superficie ensanchada de la superficie plana 246 están presentes.

Otra vez con referencia a la Figs. 9 y 10, los contactos metálicos 260a-e se disponen en la base 202 de carga. Estos contactos metálicos se acoplan con los imanes correspondientes en el puerto 300 de carga eléctrica, descrito más adelante, y aseguran la unidad 200 de carga eléctrica y el puerto 300 de carga eléctrica en su lugar mientras se carga. Alternativamente, los imanes podrían disponerse en la base 202 de carga con los contactos metálicos en el puerto 300 de carga.

Si el robot se acopla a una estación de carga eléctrica fija, puede usar la cámara 24a y 24b para maniobrarla a su posición, de manera que el puerto 300 de carga eléctrica pueda acoplarse con la unidad 200 de carga eléctrica. Las cámaras pueden usar los marcadores fiduciarios asociados con la estación de carga como un punto de referencia para localización fina, que se describirá en mayor detalle más abajo. A medida que el robot se maniobra en posición, puede ser difícil lograr una alineación perfecta para el acoplamiento de los contactos eléctricos 216 y 226 de la unidad 200 eléctrica con los contactos eléctricos 304 y 306, respectivamente, del puerto 300 de carga eléctrica. Por lo tanto, la unidad 200 de carga eléctrica y el puerto 300 de carga eléctrica se han diseñado específicamente para asegurar un acoplamiento más fácil, más eficiente y menos problemático para permitir que los robots se recarguen eléctricamente más rápidamente.

Como puede observarse en las Figs. 11 y 12, el puerto 300 de carga eléctrica incluye una primera cavidad 308 y una segunda cavidad 310, configuradas para recibir y acoplarse con el primer miembro 204 terminal macho segundo miembro 206 terminal macho, respectivamente, de la unidad 200 de carga eléctrica, a medida que se acopla la base 20a del robot. La cavidad 308 tiene superficies curvas cóncavas 312 que son complementarias a las superficies curvas 230, 232 y 234 del primer miembro 204 terminal macho. En otras palabras, la primera cavidad 308 puede incluir superficies curvas 312 que tienen radios de curvatura sustancialmente iguales a los radios de curvatura de las superficies curvas externas (230, 232 y 234) del primer miembro 204 terminal macho. Sustancialmente igual en este caso significa solo ligeramente más grande para permitir la inserción y la retirada del primer miembro 204 terminal macho en la cavidad 308. La cavidad 310 tiene, además, superficies curvas cóncavas 314 que son complementarias a las superficies curvas 240, 242 y 244 del segundo miembro 206 terminal macho. En otras palabras, la segunda cavidad 310 puede incluir superficies curvas 314 que tienen radios de curvatura sustancialmente iguales a los radios de curvatura de las superficies curvas externas (240, 242 y 244) del segundo miembro 206 terminal macho. Sustancialmente igual en este caso significa solo ligeramente más grande para permitir la inserción y la retirada del segundo miembro 206 terminal macho en la cavidad 310.

Las aberturas de las cavidades 308 y 310 son más anchas y más largas que el ancho/longitud de los contactos eléctricos 216/226 del primer miembro 204 terminal macho segundo miembro 206 terminal macho. El ancho/longitud extra permite que el primer miembro 204 terminal macho segundo miembro 206 terminal macho se reciba más fácilmente dentro de las cavidades 308 y 310 incluso si están algo desalineados en las direcciones horizontal/vertical durante el proceso de acoplamiento. A medida que el robot se mueve hacia la unidad 200 de carga eléctrica, el acoplamiento de las superficies curvas complementarias hace que el primer miembro 204 terminal macho y el segundo miembro 206 terminal macho sean guiados en alineación de manera que se produzca el acoplamiento entre los contactos eléctricos 216/226 de la unidad de carga eléctrica y los contactos eléctricos 304/306 del puerto 300 de carga eléctrica.

Por lo tanto, los radios de las partes de acoplamiento (miembros terminales macho y cavidades) están diseñados para proporcionar alineación gruesa cuando los miembros terminales macho se insertan primero en las cavidades y se ajusta finamente a medida que se acerca a la inserción completa.

El sistema de carga eléctrica proporciona una característica adicional para facilitar la alineación vertical. Esto se logra mediante la interacción de un divisor 320, que se encuentra entre las cavidades 308 y 310, en combinación con la abertura 352 de la cavidad 350 de la unidad 200 de carga eléctrica. La porción 248 de superficie ensanchada proporciona una abertura más ancha, de manera que, si hay una desalineación vertical, provoca que el divisor 320 se monte verticalmente en posición en la cavidad 350, a medida que se produce el proceso de acoplamiento.

Cuando el primer y segundo terminales macho 204 y 206 se insertan totalmente en las cavidades 308 y 310, la unidad 200 de carga eléctrica se fija en posición con el puerto 300 de carga eléctrica por medio de imanes 360a-e, que se acoplan con contactos metálicos 260a-e en la unidad 200 de carga eléctrica. Los imanes pueden disponerse debajo de la superficie externa del puerto 300 de carga eléctrica y, como tales, se muestran en líneas discontinuas. Existe una característica adicional incluida en el sistema de carga eléctrica, que es útil en el caso de carga manual por parte de un operador. Si la unidad 200 de carga eléctrica se insertó incorrectamente en el puerto 300 de carga eléctrica, es decir, al revés con el contacto eléctrico 216 de la unidad 200 de carga eléctrica conectada a los contactos eléctricos 306 del puerto 300 de carga eléctrica y con el contacto eléctrico 226 de la unidad de carga eléctrica conectada a los contactos eléctricos 304 del puerto 300 de carga eléctrica, se invertirían las polaridades y se produciría un daño significativo a la base 20a del robot.

Para evitar que esto suceda, un tope 330 (ver las Figs. 11 y 12) se incluye en la superficie del divisor 320 del puerto 300 de carga eléctrica. El tope 330 tiene una porción 332 de superficie angulada y una porción 334 de superficie plana. Como se muestra en la Fig. 10, dentro de la cavidad 250 de la unidad 200 de carga eléctrica, hay una porción 238 de superficie empotrada, que permite la inserción total de la unidad 200 de carga eléctrica en el puerto 300 de carga eléctrica. La cavidad 238 permite una holgura por parte del primer miembro 204 terminal macho del tope 330 a medida que la porción 332 de superficie angulada y la porción 334 de superficie plana del tope 330 se acoplan con la porción angulada y la porción plana de la porción 238 de superficie cóncava como una pieza de rompecabezas. Si la unidad 200 de carga eléctrica estuviera invertida, cuando se inserta en la superficie 246 del puerto 300 de carga eléctrica del segundo miembro 206 terminal macho contactaría el tope 330 y se evitaría que se inserte completamente y entre en contacto con los contactos eléctricos 304.

Como se muestra en la Fig. 12, cuando los contactos eléctricos 216 y 226 de los miembros terminales macho 204 y 206, respectivamente, se acoplan con los contactos eléctricos 304 y 306, los contactos eléctricos 304 y 306 se comprimen, ya que estos contactos pueden ser en forma de pasadores cargados por resorte. Los contactos eléctricos 304 y 306 pueden comprimirse desde su posición completamente extendida en la línea 400 hasta su posición comprimida (no se muestra) en la línea 402. Se muestra que cada uno de los contactos eléctricos 304 y 306 incluye cinco pasadores cargados por resorte. El número de pasadores utilizados depende de la corriente eléctrica que se espera sea transportada durante el proceso de carga y la capacidad de los pasadores individuales. El uso de múltiples pasadores cargados por resorte para los contactos eléctricos es beneficioso para asegurar el contacto adecuado con los contactos eléctricos 216 y 226 de los miembros terminales macho 204 y 206 incluso en el caso de variaciones de fabricación y desgaste en los componentes.

Cuando los contactos eléctricos 304 y 306 están en la posición comprimida, los imanes 360a-e del puerto 300 de carga eléctrica están muy próximos a los contactos metálicos 260a-e de la unidad 200 de carga eléctrica y se acoplan magnéticamente para fijar en posición la unidad 200 de carga eléctrica y el puerto 300 de carga eléctrica. En esta posición, puede observarse que las superficies curvas superior e inferior 230 y 240 de los miembros terminales macho 204 y 206, respectivamente, se acoplan complementariamente con las superficies 312 y 314 de las cavidades 308 y 310, respectivamente.

Se ilustra, además, en la Fig. 12 están la barra colectora 410 del primer miembro 204 terminal macho y la barra colectora 412 del segundo miembro 206 terminal macho. Las barras colectoras se conectan a un soporte 414 para fijarlas dentro de la unidad 200 de carga eléctrica en el extremo opuesto a los contactos eléctricos 216 y 226.

Una estación 500 de acoplamiento del cargador de acuerdo con un aspecto de esta invención se representa en las Fig. 13-16 y 17. Con referencia particular a las Figs. 13 y 14, la estación 500 de acoplamiento del cargador incluye una unidad 200 de carga eléctrica, como se describió anteriormente, que se proyecta desde la cubierta delantera 502 de la estación 500 de acoplamiento del cargador. La unidad 200 de carga eléctrica se monta en la estación 500 de acoplamiento del cargador sobre el soporte 504 de fuelle de caucho con forma de U para sellar la abertura 506 en la cubierta delantera 502 mientras que también permite que la unidad 200 de carga eléctrica se mueva en seis grados de libertad (como se describirá más adelante) para facilitar un proceso de acoplamiento suave de un robot cuando se necesita recarga.

Además, se muestra un parachoques 508 de protección, que puede fabricarse de metal, montado horizontalmente a través de la porción inferior de la cubierta delantera 502 para proteger la estación 500 de acoplamiento del cargador de daños en caso de que un robot no se acople suavemente. La estación 500 de acoplamiento del cargador incluye, además, una cubierta lateral derecha 510 y una cubierta lateral izquierda 512 (no visible en la Fig. 13A). En la abertura 514a de la cubierta lateral derecha se ubica un área 516a de sujeción que permite insertar una mano para levantar más fácilmente la estación 500 de acoplamiento del cargador, como se muestra en la Fig. 15A. Aunque no es visible en esta vista, una abertura y área de sujeción similares se incluyen en la cubierta lateral izquierda 512, que se ilustran en la Fig. 16A como abertura 514b y área 516b de sujeción. Además, en una abertura en la parte posterior de la cubierta lateral derecha 510 se muestran aberturas 518a de ventilación para proporcionar enfriamiento para los componentes eléctricos dentro de la estación 500 de acoplamiento del cargador. Un respiradero similar 518b se incluye en la cubierta lateral izquierda 512 visible en la Fig. 16A.

Un marco metálico que comprende un miembro 520a de marco anterior, un miembro 520b de marco lateral derecho, un miembro 520c de marco lateral izquierdo y un miembro 520d de marco lateral posterior se interconectan para formar la estructura de base para la estación 500 de acoplamiento del cargador. Con referencia a la Fig. 13B, cada uno de los miembros de marco se asegura a un piso en el almacén por medio de pernos 521 a-d y el parachoques 508 de protección se asegura al marco metálico 520 mediante el miembro 520a de marco anterior. Dado que el parachoques 508 de protección es externo y sobresale de la cubierta delantera 502, es el primer punto de impacto con un robot a medida que se acopla con la estación 500 de acoplamiento del cargador. En el caso de un impacto accidental de alta fuerza de un robot, tales fuerzas altas se impartirán en el parachoques de protección en lugar de en la cubierta delantera 502. La cubierta delantera 502, así como la cubierta lateral derecha 510 y la cubierta lateral izquierda 512 se fabrican, típicamente, un material plástico duro y son susceptibles a agrietarse/romperse si sufren un impacto de un robot. Las fuerzas impartidas sobre el parachoques 508 de protección se desvían aún más al marco metálico 520 a través del miembro 520a de marco frontal. El miembro 520 de marco anterior a comprende un miembro en forma de C que se extiende a través del ancho de la estación 500 de carga y una brida integrada y que se extiende desde una superficie superior del miembro en forma de C. El parachoques 508 de protección se interconecta a la pestaña por medio de una pluralidad de aberturas en la cubierta delantera 502. Las fuerzas desde el parachoques 508 se transmiten al miembro de marco anterior a través de la pestaña y el miembro en forma de C y además se transmiten a los miembros 520b-d de marco laterales derecho, izquierdo y posterior. Finalmente, las fuerzas se transmiten a través de pernos 521a-d hacia el piso del almacén. Por lo tanto, este sistema de parachoques de protección absorbe y desvía las fuerzas impartidas por un robot lejos de la cubierta delantera de plástico duro 502, lo que la protege de daños.

La cubierta superior 524, que se fabrica, además, de un material plástico duro, incluye un panel 526 de interfaz de usuario dispuesto en una cavidad en la superficie de la cubierta superior 524 que puede incluir ciertos indicadores y controles para que un usuario opere la estación de acoplamiento del cargador. Por ejemplo, pueden incluirse señales de iluminación para indicar varios estados, tales como “Listo” , “Carga” , “ Encendido” , “ Modo de recuperación” y “ Fallo” o “ Parada de emergencia” . Pueden incluirse botones, tales como “ Encendido/apagado” , “Iniciar carga manual” , “ Desactivar” , “Restablecer” y “ Parada de emergencia” .

A lo largo del borde posterior de la cubierta superior 524 hay un panel posterior 528, que comprende una sección de panel central 530 y secciones532 y 534 de panel lateral en los lados derecho e izquierdo, respectivamente, del panel central 530. El panel central 530 tiene una superficie frontal rectangular 536 que es prácticamente paralela a la cubierta frontal 502. El panel lateral derecho 532 tiene una superficie frontal rectangular 538 y el panel lateral izquierdo 534 tiene una superficie frontal rectangular 540.

Los paneles laterales derecho e izquierdo 532 y 534 tienen paredes laterales anchas 542 y 544, respectivamente, en un lado y convergen a anchos más estrechos en los otros lados que se interconectan con la sección 530 de panel central. Por lo tanto, los paneles laterales derecho e izquierdo 532 y 534 tienen forma de cuña. Como resultado, sus superficies delanteras 538 y 540 no son paralelas a la superficie delantera 536 del panel central 530 ni a la cubierta delantera 502. Cada una de ellas se dispone en un ángulo, 0, con respecto a la superficie 536. Unos marcadores fiduciarios 546 y 548 (por ejemplo, un código de barras bidimensional) dispuestos en las superficies delanteras 538 y 540, respectivamente, se disponen, además, en el ángulo, 0, con relación a la superficie delantera 536 y a la cubierta delantera 502.

Como se describirá detalladamente a continuación, los robots usan los marcadores fiduciarios en ángulo para navegación de precisión durante el proceso de acoplamiento con la estación de acoplamiento del cargador al visualizarlos con sus cámaras integradas. Para navegar, generalmente, a la estación de acoplamiento del cargador cuando se necesita recarga, los robots navegan de la misma manera que lo hacen cuando navegan a los depósitos de productos como se describió anteriormente. La estación 500 de carga puede asociarse con una posición ubicada en estrecha proximidad a la cubierta delantera 502 y generalmente alinearse (rotacionalmente) de manera que las cámaras integradas de los robots se orienten hacia el panel posterior 528.

Con referencia a la Figs. 13B y 14B, los miembros amoldables 550a-d, que pueden incluir resortes, se conectan a unas patas 551a-d (las patas 551c y 551d no son visibles), respectivamente, en la unidad 200 de carga eléctrica para permitir una cierta cantidad de movimiento en los seis grados de libertad para representar pequeños errores en la navegación del robot a la estación de acoplamiento del cargador mientras aún permite una conexión eléctrica y mecánica adecuada entre la unidad 200 de carga eléctrica y el puerto 300 de carga eléctrica, como se muestra en la Fig. 12, por ejemplo.

Además, como puede observarse en la Fig. 15B, un resorte 552 de gas se conecta a la unidad 200 de carga eléctrica para estabilizarla a medida que se mueve a lo largo del eje del resorte 552 de gas como indican las flechas 554 y 555. El resorte 552 de gas está montado en el marco 556 que está fijado a un panel de piso 558 de la estación 500 de acoplamiento del cargador. A medida que el robot se mueve hacia la estación 500 de acoplamiento del cargador durante el proceso de acoplamiento, el puerto 300 de carga eléctrica (descrito anteriormente) entra en contacto con la unidad 200 de carga eléctrica y aplica una fuerza en la dirección de la flecha 554. El resorte 552 de gas proporciona resistencia en la dirección de la flecha 555 suficiente para permitir cierta cantidad de movimiento durante el acoplamiento del puerto 300 de carga eléctrica con la unidad 200 de carga eléctrica, pero evitar que el movimiento excesivo en la dirección de la flecha 554 actúe como tope y asegure el acoplamiento adecuado.

Además, a medida que el puerto 300 de carga eléctrica se retrae de la unidad 200 de carga eléctrica durante el proceso de desacople, debido a la conexión magnética entre la unidad 200 de carga eléctrica y el puerto 300 de carga eléctrica (descrito anteriormente), la unidad 200 de carga eléctrica será estirada en la dirección de la flecha 555 hasta que se supere la fuerza magnética. El resorte 552 de gas asegura, además, que el movimiento sea limitado, al proporcionar una fuerza en la dirección de la flecha 554.

Si bien el puerto 300 de carga eléctrica (que es la porción hembra del conector) se describe en la presente descripción que se monta en el robot y la unidad 200 de carga eléctrica (que es la porción macho del conector) se describe en la presente descripción como montada en la estación de carga, por supuesto, estos componentes podrían invertirse. En cuyo caso, el puerto 300 de carga eléctrica se montaría en la estación de carga y la unidad 200 de carga eléctrica se montaría en el robot. Además, como será evidente para los expertos en la materia, pueden usarse otros puertos y diseños de cargador en conexión con las realizaciones descritas en la presente descripción. Otra vez con referencia a la Fig. 13B, el panel superior 560, que se soporta en parte por las patas 562 y 564 del marco montadas en el panel de piso 558, incluye una cavidad en la que se alojan la placa 572 de controlador y una placa 574 de transceptor infrarrojo (IR). La placa 572 de controlador proporciona un control general de la estación 500 de acoplamiento del cargador, que incluye activar los protocolos de carga, seleccionar parámetros y perfiles de carga, monitorizar las condiciones y el estado de carga (por ejemplo, el estado de carga y la temperatura de la batería) y las comunicaciones con el robot, todos los cuales se describen en mayor detalle más abajo. La placa de transceptor IR 574 se usa para la comunicación con el robot durante los procesos de acoplamiento y carga y puede usar un protocolo de comunicaciones IrDA (Asociación de datos infrarrojos).

Siguiendo con la referencia a la Fig. 13B, así como a la Fig. 15B, se muestra que el panel 580 de pared posterior soporta el suministro 582 de energía que es alimentado por la energía del almacén. El panel 580 de pared posterior puede funcionar, además, como un disipador de calor para el suministro 582 de energía y puede fabricarse de un metal diferente al de los otros paneles para conducir mejor el calor. El panel posterior 580 soporta además el panel superior 560 junto con las patas 562 y 564 del marco. La energía del almacén se alimenta a la estación 500 de acoplamiento del cargador a través del conector 584, que puede ser un conector IEC, por ejemplo. La pared 586 conectada al panel de piso 558 y colocada adyacente al conector 584 puede usarse para proporcionar protección adicional al suministro de energía a la estación de acoplamiento del cargador.

Las Figs. 16A y 16B proporcionan una vista en perspectiva desde la parte posterior de la estación 500 de acoplamiento del cargador con la cubierta encendida y apagada, respectivamente. Estas vistas permiten, además, ver el lado derecho de la estación de acoplamiento del cargador. En la Fig. 16, se muestra que una pared posterior 580 incluye un puerto 592 a través del cual se alimenta el suministro de energía de la casa para conectarse al conector eléctrico 584. La parte posterior del conector eléctrico 584 puede verse sobresaliendo a través de un orificio en la pared posterior 580, Fig. 16b .

Acoplamiento del robot

El acoplamiento de un robot a la estación 500 de carga eléctrica para la recarga se describe con respecto a las Figs.

17 y 18. En la Fig. 17, el robot 18 que tiene el puerto 300 de carga eléctrica se muestra acoplado a la unidad 200 de carga eléctrica de la estación 500 de carga. El robot 18 puede, por ejemplo, desplazarse a la ubicación 600, que está definida por una posición almacenada para la estación de carga. La navegación a la posición 600 se realiza de la manera descrita anteriormente para navegar robots por todo el almacén a varias ubicaciones de depósito. Una vez en la posición 600, se realiza un proceso de navegación de precisión para posicionar el robot 18 en la ubicación 602, en cuya ubicación el puerto 300 de carga eléctrica se acopla con la unidad 200 de carga eléctrica y el robot 18 se acopla a la estación 500 de carga para la recarga.

La orientación de las superficies 538 y 540 (y las fiduciarios 546 y 548, respectivamente) con respecto a las cámaras 24a y 24 se describe con respecto a la Fig. 18. Como se muestra en la Fig. 18, el robot 18 se ubica en la posición 602, por lo tanto, se acopla a la estación 500 de carga. En esta posición, se muestra que el campo visual $ de la cámara 24a (aproximadamente 79,4 grados) se extiende a través de las superficies 536 y 538. El eje óptico 610 (es decir, la línea central del campo de visión o $/2) de la cámara 24a se cruza con la superficie 38 y el fiduciario 46 en un ángulo sustancialmente perpendicular. Además, en esta posición, se muestra que el campo de visión $ de la cámara 24b (aproximadamente 79,4 grados) se extiende a lo largo de las superficies 536 y 540, superponiendo ligeramente el campo visual de la cámara 24a. El campo de visión combinado de las cámaras proporciona al robot 18 un campo de visión eficaz de aproximadamente 120 grados. El campo de visión combinado es menor que la suma de los campos de visión de las cámaras, debido a que las secciones superpuestas crean un punto ciego para el robot.

El eje óptico 612 (es decir, la línea central del campo de visión o $/2) de la cámara 24b se cruza con la superficie 40 y el fiduciario 48 en un ángulo perpendicular. Para asegurar que cuando se acoplan los ejes ópticos de las cámaras se alineen de manera perpendicular a las superficies 538 y 540, el ángulo 0 que es la orientación de las superficies 538 y 540 con respecto a la superficie 536 debe fijarse adecuadamente. En este ejemplo, el ángulo 0 es de aproximadamente 150 grados. Al ubicar los fiduciarios de esta manera, se incrementa la visibilidad de los fiduciarios por las cámaras 24a y 24b.

Como se describió anteriormente, dado que las cámaras están desplazadas desde el centro del robot, estas se combinan para proporcionar un campo visual amplio. Sin embargo, la orientación de las cámaras hace que la visión de los fiduciarios en la estación de carga sea desafiante. Para abordar este problema, los fiduciarios pueden orientarse en un ángulo para alinearse mejor con las cámaras, lo que hace que los fiduciarios sean más fáciles de leer con mayor precisión. Esto puede lograrse al orientar el eje óptico de la cámara para que esté en un ángulo sustancialmente perpendicular y centrado en el fiduciario cuando el robot está en la posición acoplada, como se muestra en la Fig. 18.

Controlar el robot 18 de manera que se acople con la estación 500 de carga, puede requerir un enfoque de navegación más preciso que el usado para navegar el robot a la posición 600. Una vez en la posición 600, el robot puede hacer uso de las posiciones y orientaciones percibidas de los fiduciarios 546 y 548 en las superficies 538 y 540, respectivamente, en sus marcos de cámara. En la posición 600, el robot 18 está lo suficientemente cerca para percibir los fiduciarios 546 y 548 y está aproximadamente centrado en la estación 500 de carga. Puede usarse un algoritmo de control de acoplamiento que permite que los errores en el robot naveguen a esta ubicación inicial de la posición. En otras palabras, el enfoque de navegación usado para llegar a la posición 600, que puede usar mapas de resolución de 5 cm, puede no posicionar con precisión en la ubicación de la posición. Mientras está ubicado nominalmente en la posición 600, el robot 18 obtiene información sobre la posición y la orientación de los fiduciarios 546 y 548 mediante el uso de sus cámaras 24a y 24b. A medida que se desplaza hacia la estación 500 de carga, intenta minimizar dos cantidades de error de la siguiente manera:

(1) Cada cámara detectará un fiduciario: las cámaras izquierda y derecha detectarán los fiduciarios izquierdo y derecho, respectivamente. Los fiduciarios, una vez detectados, pueden transformarse internamente de manera que para el robot parecen estar perfectamente perpendiculares al trayecto del robot (es decir, “planos” , como se percibe desde la cámara, en lugar de parecer sesgados). Entonces podemos detectar los tamaños relativos de cada marcador fiduciario, y usarlos para determinar si el robot está más cerca de un fiduciario que del otro. Esto indica que el robot no está perfectamente centrado en su enfoque y necesita moverse hacia la línea central. Si nos referimos al área de píxeles del fiduciario izquierdo corregido como S^ly al área de píxeles del fiduciario derecho corregido como S^r, entonces el robot necesita minimizar |S^r- S^l|.

(2) Dentro de la imagen de la cámara izquierda, el fiduciario de acoplamiento izquierdo estará a una cierta cantidad de píxeles desde el lado derecho de la imagen. Denominaremos este número D^l. De la misma manera, la para la imagen de la cámara derecha, el fiduciario de acoplamiento derecho estará a una cierta cantidad de píxeles D^rdesde el lado izquierdo de la imagen. Por lo tanto, el robot necesita minimizar |D^r- D^l|.

Dado que el robot necesita corregir el error en (1) primero, emitimos una velocidad lineal constante al robot y emitimos una velocidad de rotación de ks (S^r- S^l) al robot hasta que este valor quede por debajo de cierto umbral Ts. El término ks es una constante de control proporcional cuyo valor está en el intervalo (0, 1]. Cuando el umbral Ts se satisface, el robot intenta minimizar el error en (2) enviando una velocidad de rotación al robot de kD (D^r- D^l), donde kD es también una constante de control proporcional en el intervalo de (0, 1]. Continuamos haciendo esto hasta que (a) el robot alcance la base de acoplamiento, o (b) el error |S^l- S^r| crezca fuera del umbral Ts, momento en el cual regresamos a minimizar el error en (1).

El enfoque de navegación de precisión descrito anteriormente es un ejemplo de varios enfoques que podrían usarse para acoplar el robot 18 a la estación 500 de carga.

Hardware de carga del robot

Los robots descritos en la realización preferida están configurados para coincidir automáticamente con una estación de carga durante la operación “en vivo” normal, es decir, los robots permanecen bajo energía durante la carga y pueden intercambiar información con la estación de carga mientras se acoplan mediante comunicaciones ópticas o de cualquier otra forma. Por ejemplo, la estación de carga obtiene la temperatura de las baterías del robot durante la carga, mientras que el robot obtiene la cantidad de carga transferida a las baterías desde la estación de carga.

Con referencia a la Fig. 19, la placa 572 del controlador proporciona un control general de la estación 500 de carga, que incluye activar los protocolos de carga, seleccionar parámetros y perfiles de carga (basados en el tipo de batería/robot), monitorizar las condiciones y estado de carga (por ejemplo, estado de carga y temperatura de la batería) y comunicaciones con el robot. La placa 574 de transceptor IR se puede usar para la comunicación con el robot durante los procesos de acoplamiento y carga y puede usar un protocolo de comunicaciones IrDA (Asociación de datos infrarrojos). Las comunicaciones entre el robot y la estación de carga pueden implementarse de varias maneras conocidas, que incluyen una conexión cableada. La estación de carga también incluye una unidad 200 de carga eléctrica macho que, cuando el robot está acoplado, se acopla con el puerto 300 de carga eléctrica hembra del robot. Aquellos con experiencia en la materia entenderán que pueden usarse otras formas de conectores eléctricos, que incluyen placas planas sin género dispuestas sobre superficies aislantes.

Existe un suministro 582 de energía, que puede ser un suministro de energía programable por voltaje, y una placa 650 de sensor de corriente para detectar la cantidad de salida de carga del suministro 582 de energía al robot a través de la unidad 200 de carga eléctrica macho cuando se acopla con el puerto 300 de carga eléctrica hembra en el robot. La placa 574 de transceptor IR, el suministro 582 de energía, y la placa 650 de sensor de corriente se interconectan cada uno al microprocesador 700 en la placa 572 de controlador. El microprocesador 700 puede ser un derivado de ST Microsystems Cortex M4 u otro Cortex o tipo comparable de procesador.

En una realización, la estación 500 de carga puede ser capaz de acomodar los requisitos de carga de baterías LiFePO4 (fosfato de hierro y litio) mediante el uso de un perfil de carga trifásico, que puede ser una batería típica usada en los robots del tipo descrito en la presente descripción. Para este tipo de batería, un suministro de energía de 1 kW que proporciona una velocidad de carga de 1,5 C cumpliría con estas limitaciones. Sin embargo, se entenderá que la estación 500 de carga puede ser capaz de cargar varios tipos de baterías con diferentes requisitos de carga.

Siguiendo con la referencia a la Fig. 19, la placa 572 del controlador puede incluir low drop-out (reguladores de baja caída - LDO) 702 para proporcionar voltajes internos de suministro de 3,3 V y 1,8 V (o según sea necesario) bien regulados por la salida auxiliar de 5 V de suministro 582 de energía. La placa del controlador puede incluir, además, un circuito supervisor de energía 704 capaz de restablecer el microprocesador 700 en casos de encendido, interrupción de energía, espera de vigilancia o presión manual del botón. Con respecto a las funciones de E/S del microprocesador 700, hay una salida 706 del microprocesador 700 para encender la salida principal del suministro 582 de energía para permitir la carga y una entrada 708 del suministro 582 de energía para detectar que el suministro 582 de energía de la salida principal 710 está funcionando.

El microprocesador 700 controla la salida del suministro 582 de energía por medio de la entrada de voltaje proporcionada por la salida 712 analógica regulada. Una entrada 714 de voltaje analógica regulada a escala tomada desde la salida 710 del suministro 582 de energía junto con el voltaje de referencia de precisión del circuito 716 de referencia de voltaje se ingresan al microprocesador 700 para monitorizar el voltaje de carga que se proporciona al robot durante la carga. Además, la entrada 718 de corriente analógica regulada tomada desde la placa 650 de sensor de corriente se usa mediante el microprocesador 700 para monitorizar la corriente de carga que se emite al robot.

La placa 572 del controlador tiene varios puertos y entradas/salidas, incluyendo la interfaz 720 de comunicaciones que permite comunicaciones en serie RS485 entre el microprocesador 700 y la placa IrDA 574. Esto, a su vez, permite comunicaciones infrarrojas entre la estación 500 de carga y el robot. Hay un puerto Ethernet 722 para permitir la depuración/diagnóstico a través de una cubierta terminal y un conector micro USB y un botón pulsador 724 para proporcionar acceso al cargador de arranque de device firmware update (actualización de firmware del dispositivo - DFU). Además, hay salidas 726 para accionar cuatro LED de alto brillo para la indicación de listo/carga/fallo en una pantalla en el panel 526 de interfaz de usuario.

En una realización, el suministro 582 de energía puede ser un suministro de energía Meanwell RSP-1000-27, que es capaz de proporcionar una corriente de salida de 37 A. La energía 730 de entrada al suministro 582 de energía puede ser de 120 VCA desde la energía interna del almacén. El voltaje/corriente 710 de salida del suministro de energía principal puede controlarse mediante el microprocesador 700 accionando activamente una clavija de entrada mediante la salida 712 analógica regulada utilizando un voltaje que varía de 2,5 V a 4,5 voltios para controlar la corriente (fase de corriente constante) o el voltaje (fase de voltaje constante) de suministro de carga. El voltaje/corriente 710 de salida de suministro puede ajustarse, por ejemplo, a un circuito abierto de salida de 30 V con una entrada de 4,5 V suministrada por la salida 712 analógica regulada. Las clavijas 732 de detección S- y S+ pueden detectar la salida de corriente/voltaje 710 y usarse como retroalimentación para el suministro 582 de energía.

A medida que la corriente se proporciona al robot desde la estación 500 de carga a través de la unidad 200 de carga, la corriente de carga puede medirse mediante el uso de un sensor Hall en la placa 650 de sensor de corriente conectada a la salida positiva del suministro 582 de energía. El rango de medición de la placa 650 de sensor puede ser únicamente positivo en un rango de 0-50 A y una entrada 718 de corriente analógica regulada tomada desde la placa 650 de sensor de corriente puede usarse por el microprocesador 700 para monitorizar la corriente de carga (y la carga total) que se emite al robot. Y, a medida que la corriente se proporciona al robot, el voltaje presente en la unidad 200 de carga puede detectarse al proporcionar una señal de voltaje desde la salida lateral positiva del suministro 582 de energía que puede escalarse, regularse y alimentarse mediante 714 al microprocesador 700. El intervalo de voltaje nominal puede ser, típicamente, de hasta 32 V de escala completa. El lado negativo de la unidad 200 de carga puede conectarse al plano de tierra del controlador 700.

Con referencia a la Fig. 20, los componentes de hardware en el robot, tales como el robot 18 de las Figs. 17/18, pertenecientes al sistema de carga de esta descripción, se muestran. Un paquete de baterías 800, que puede incluir, por ejemplo, dos baterías de LiFePO4 (fosfato de hierro y litio), cada una con un voltaje de circuito abierto de 13,5 V y una capacidad de 32 Ah, está conectado al puerto 300 de carga eléctrica a través de un fusible 801 en el terminal positivo. El paquete de baterías 800 está conectado, además, al controlador 802 de motor a través del fusible 803 en la línea positiva desde la batería y a los transformadores de CC a CC (no mostrados) a través de líneas 804 para alimentar varios otros componentes, tales como el controlador del robot, las cámaras ópticas y el Lidar.

Cabe señalar que el sistema de la presente descripción no requiere un paquete de baterías con un sistema de manejo de baterías completo que incluye circuitos para monitorizar el estado de carga de la batería. El estado de carga de la batería con el sistema de la presente descripción se monitoriza mediante el uso de un enfoque de monitorización distribuido compartido entre el robot y la estación de carga que se describe detalladamente más adelante. Como resultado, se necesita un sistema de gestión de baterías menos costoso que monitoriza solo los parámetros relacionados con la seguridad, tales como el voltaje, la temperatura y la corriente.

El controlador 802 del motor puede incluir un sensor 806 de corriente, tal como un sensor Hall, en línea con la conexión positiva de la batería 800 y el circuito 808 de accionamiento del motor, que acciona los motores eléctricos 810 y 812 para impulsar el robot. También puede proporcionarse un sensor de voltaje 807 para medir el voltaje de salida de la batería 800. Hay un procesador 814 en el controlador 802 del motor, que entre otras cosas, controla el circuito 808 de accionamiento del motor basado en las señales de control recibidas desde el controlador del robot general (no mostrado) y rastrea la cantidad de corriente usada por la batería para alimentar los motores eléctricos 810 y 812 a través del controlador 802 del motor, como se detecta mediante el sensor 806 de corriente. El procesador 814 usa, además, la corriente detectada para determinar el uso de carga total por la corriente medida en el tiempo.

La cantidad de carga proporcionada al robot durante la carga por la estación 500 de carga se determina mediante la placa 650 de sensor de corriente, como se describió anteriormente. Además, como se describió anteriormente, la placa IrDA 574 en la estación 500 de carga permite comunicaciones infrarrojas entre la estación 500 de carga y el robot 18, que en sí incluye una placa IrDA 816 conectada a una interfaz Rs 485 dentro del controlador 802 del motor. Periódicamente (por ejemplo, una vez por segundo), la cantidad de carga transferida desde la estación de carga al robot puede comunicarse al robot 18 mediante comunicaciones infrarrojas y guardarse en la memoria, que puede estar en el controlador 802 del motor. Cuando se completa la carga, como se describe a continuación, el robot conocerá el recuento de culombios de inicio o inicial.

Cuando el robot deja la base de carga, la cantidad de cargado usada para alimentar los motores eléctricos y la placa de controlador, como se describió anteriormente, puede determinarse periódicamente (por ejemplo, una vez por segundo) y, después, restarse de la cantidad de carga proporcionada durante la carga (recuento inicial de culombios) para determinar la carga restante (recuento actual de culombios). Esto puede denominarse State Of Charge (estado de carga - SOC). El robot determina cuándo se necesita recarga comparando el SOC con un nivel umbral predeterminado, como se describió anteriormente.

La cantidad de carga usada por los motores eléctricos 810 y 812 y la placa de controlador 802 es significativamente mayor que la cantidad de carga usada para alimentar los otros componentes del robot y, por lo tanto, puede usarse como el uso actual general para el robot o si se desea una mayor precisión, el uso actual por parte de los componentes distintos de los motores eléctricos 810 y 812 puede medirse y considerarse en el recuento de culombios.

La operación del software y los protocolos para cargar se describen en la siguiente sección.

Software/Protocolos de carga del robot

Las baterías usadas en los robots descritos en la presente descripción tendrán, típicamente, una curva de descarga de corriente relativamente plana vs. voltaje. Y, pueden ser altamente dependientes de la temperatura. Estas características se evidencian mediante las cinco curvas mostradas para -20 C, 0 C, 23 C, 45 C y 60 C ilustradas en el gráfico de la Fig. 21. El gráfico representa las curvas para una batería de LiFePO4 (fosfato de hierro y litio) que tiene un voltaje de circuito abierto de 13,5 V descargado por 16 A. A medida que se descarga la batería, el voltaje de la batería disminuye de aproximadamente 13,5 V a aproximadamente 10 V. En el lado derecho del gráfico, donde la batería ha descargado una cierta cantidad de capacidad, las curvas intersecan el eje “X” , lo que indica 10 V del potencial restante en la batería. Las curvas de 23 C y 45 C descargan aproximadamente 16 A. Con la curva de 60 C, la protección de sobretemperatura del sistema de manejo de baterías activa y cierra la batería después de que se ha descargado aproximadamente 14,4 A. A temperaturas más frías, a saber, a 0 C y -20 C, toda la energía disponible no puede retirarse de la batería y después de descargar solo aproximadamente 14,4 A y 12,24 A, respectivamente, la batería deja de funcionar.

Como se muestra, el voltaje de la batería permanece bastante constante en una amplia variedad de niveles de carga. Por ejemplo, a 23 C desde justo por debajo de la carga total hasta aproximadamente un punto en el que se han descargado 14,4 A, el voltaje varía solamente de 12,8 V a justo por debajo de 12,5 V. Como resultado, el SOC no puede estimarse fiablemente a partir del voltaje solamente. Por lo tanto, puede usarse un algoritmo de dos partes fiable y preciso para la estimación del SOC con los paquetes de baterías de robot descritos en la presente descripción.

El primer aspecto del algoritmo del SOC utiliza un enfoque de recuento de culombios (1 culombio = 1amperio * 1 segundo) donde la corriente se mide con precisión durante la carga (mediante la estación 500 de carga usando el sensor 650 de corriente, Fig. 19) y la descarga (mediante el robot usando el sensor 806 de corriente, Fig. 20) de las baterías e integrar con el tiempo la corriente medida para determinar el número total de culombios cargados o descargados durante un período de tiempo. Mientras se carga, el nivel de carga integrada se mantiene en almacenamiento no volátil en la placa 572 de controlador para mantener el seguimiento durante períodos de apagado. Además, mientras se carga, el nivel de carga se comunica periódicamente al robot y se guarda en la memoria en, por ejemplo, el controlador 802 del motor. Cuando el robot sale de la estación de carga (es decir, el robot está desacoplado), se monitoriza la cantidad de corriente descargada y desde el nivel de carga original, pueden determinarse el SOC actual.

Sin embargo, al usar solo recuento de culombios, los resultados tienden a desviarse debido al error de medición integrado a lo largo del tiempo. Para superar esto, existe un segundo aspecto del algoritmo que usa umbrales de carga completa/descarga completa. En otras palabras, el robot puede usar umbrales de nivel de voltaje para detectar de manera fiable la descarga completa y los estados de carga completa y estos estados pueden usar después para el reinicio del integrador para corregir el desvío de la carga estimada. El robot será responsable de mantener el SOC estimado, para el recuento de culombios de descarga, y para detectar estados de carga completa y descarga completa. El cargador será responsable del recuento de culombios durante la carga.

Con referencia nuevamente a la Fig. 21, a medida que la batería se carga (moviéndose de derecha a izquierda a lo largo del gráfico para una temperatura dada), eventualmente el voltaje aumentará a un umbral predeterminado de voltaje superior, que en este caso puede ser de aproximadamente 14,3 V (por batería). El robot usa este umbral superior como una manera de determinar que la batería está completamente cargada. Conoce su SOC determinando el recuento de culombios almacenado más recientemente en la memoria cuando se alcanza el nivel de voltaje umbral. Después, el robot puede apartar la estación de carga e iniciar el proceso de recuento de culombios para determinar la cantidad de carga que se está usando.

Si bien el robot descrito en la presente descripción usa un proceso para mantener una estimación precisa de la capacidad del paquete de baterías y la intención es que alcanzará una estación de carga autónomamente antes de que la batería alcance un estado completamente descargado, el sistema se diseña para recuperar robots que han alcanzado tal estado de batería completamente descargado antes de acoplarse a una estación de carga. A medida que la batería se descarga (moviéndose de izquierda a derecha a lo largo del gráfico), si el voltaje cae a un nivel de voltaje umbral inferior, por ejemplo, 9 V (por batería), este umbral inferior puede utilizarse para indicar que la batería está completamente descargada. A este nivel de voltaje umbral más bajo, el robot se apaga automáticamente para evitar dañar la batería. Se necesitaría un reinicio manual del robot después de que el robot se mueve a una estación de acoplamiento y se proporciona con una carga de recuperación, como se describe más abajo. Cuando los paquetes de baterías caen a un cierto nivel de bajo voltaje (por ejemplo, 8 V por batería), típicamente, activarán una parada de protección interna y la batería ya no tomará carga. Para evitar que esta condición terminal se active, el robot puede configurarse para apagar el umbral predeterminado de voltaje bajo (por ejemplo, 9 V cada batería), que está por encima del nivel de voltaje del terminal.

Nótese que la condición de descarga completa solo puede ocurrir ocasionalmente. Esto se debe a que el robot puede programarse para que regrese a una estación de carga para la recarga en un SOC predeterminado, que sería conocido por estar por encima del nivel de descarga completo. En otras palabras, por lo general, habrá un nivel de SOC por encima del punto de descarga completa (por ejemplo, 10-20 % por encima del nivel de descarga completa). Cuando se alcanza tal nivel, el robot se desplazará a una estación de carga para la recarga. Una vez que el robot conoce que debe recargarse, puede determinar la estación de carga disponible más cercana. Los robots que operan en el espacio y/o el sistema de administración de almacenes coordinarán a un nivel más alto para asegurar que solo un robot intentará acoplarse con una estación de carga particular a la vez. Como se describió anteriormente, cada estación de carga tendrá un identificador único y una posición asociada con la misma. El robot navegará hasta la posición de la estación de carga seleccionada y comenzará el proceso de acoplamiento, ambos procesos se describieron anteriormente en detalle.

El robot puede usar el número de cargas/descargas completas para proporcionar al operador del sistema una advertencia de fin de vida útil de los paquetes. Estas estadísticas se escriben en almacenamiento no volátil (flash) encendido y se leen desde almacenamiento no volátil (flash) encendido. Por ejemplo, cuando se alcanza un cierto número de estados de carga y/o descarga completa, el robot puede indicar que se requiere el servicio de fábrica de la batería. Además, el SOC a niveles de voltaje dados puede monitorizarse para determinar si la batería ya no mantiene suficientemente una carga, en cuyo caso el robot también puede indicar que se requiere mantenimiento de fábrica de la batería.

Cuando un robot llega a una estación de carga y está acoplado, las comunicaciones serán establecidas entre el robot y la estación de carga por las placas IrDA 574 y 816, respectivamente, y comenzará el proceso de carga. La conexión exitosa puede confirmarse e indicarse cuando el controlador 572 de la estación de carga, Fig. 19 detecta que el voltaje de la batería es mayor que un valor umbral (con histéresis) a través de la unidad 200 de carga eléctrica. Con el paquete de baterías 800, Fig. 20, descrito en la presente descripción, el nivel umbral de voltaje puede ser de 18 V con histéresis de 1 V (2 baterías * 9 V). El nivel de voltaje detectado puede comunicarse al robot mediante comunicaciones IrDA y el robot puede confirmar que las lecturas de voltaje recibidas coinciden con la medición de voltaje interno del robot dentro de algún nivel de tolerancia.

Después de que se establecen las comunicaciones y se confirma el nivel de voltaje umbral, el proceso de carga no se habilitará a menos que no se detecte una condición de cortocircuito y la temperatura de la batería (detectada por el robot y suministrada a la estación de carga a través de IrDA) esté dentro de un rango aceptable. Para el paquete de baterías 800, el rango de temperatura puede ser mayor que 0 C y menor que 45 C grados. Una indicación del tipo de batería en el robot (ya sea el tipo de robot o el tipo de batería o algún otro indicador) puede comunicarse mediante comunicaciones IrDA a la estación de carga y desde el tipo de batería, puede seleccionarse un perfil de carga específico. Al inicio de la carga, se inicializa el recuento de culombios y comienza el proceso de carga según el perfil de carga seleccionado.

El proceso de carga de acuerdo con un perfil de carga para un tipo de batería particular se describe con respecto a la Tabla 1 a continuación y al diagrama 850 de flujo, Fig. 22. Además, en la Tabla 1 se representan los parámetros para una recuperación de batería genérica para una batería completamente descargada. Como se indica en la Tabla 1, el perfil de carga para la batería dada tiene diferentes parámetros usados en diferentes circunstancias. Para carga normal o rápida existe un conjunto de parámetros de carga que difieren de los parámetros para temperaturas extremas (caliente o frío fuera de intervalos específicos).

Los parámetros del modo de recuperación se utilizan cuando un robot se acopla manualmente después de haber sido completamente descargado y se ha presionado un interruptor de recuperación manual para comenzar la carga. En otras palabras, estos parámetros se usarían para cargar inicialmente cualquier tipo de batería de robot suficientemente hasta que el robot pueda reiniciarse y las comunicaciones IrDA puedan restablecerse.

En el caso de una recuperación de batería de descarga completa, dado que el robot ya no se activará, no pueden establecerse las comunicaciones IrDA y la estación de carga no conocerá el tipo de batería del robot. Una vez que un operador ha acoplado manualmente el robot a la estación de carga, se presionará y mantendrá presionado un botón de inicio manual en la estación de carga. Se instituye un perfil genérico de carga inicial mediante la salida de una corriente de carga baja hasta alcanzar un voltaje umbral de batería, momento en el cual se da una indicación al operador para encender el robot. Una vez encendido, se establecen las comunicaciones IrDA y se inicia el proceso de carga autónoma normal.

Tabla 1

Con referencia al diagrama 850 de flujo, Fig. 22, en la etapa 851, el cargador determina si un robot se acopla mediante la comprobación de un voltaje detectado en el cargador. Si un robot está acoplado, en la etapa 852, la estación de carga determina si se han establecido comunicaciones IrDA con un robot acoplado. Si no se han establecido comunicaciones IrDA, en la etapa 854, se determina si el botón de inicio manual se ha presionado para iniciar un proceso de carga manual de un robot con una batería completamente descargada. Si el botón de inicio manual se ha presionado, se obtiene el perfil de carga de recuperación y el sistema procede a la etapa 862. Si en la etapa 852, se establecen comunicaciones con el robot, el sistema avanza a la etapa 858 donde el tipo de batería o el tipo de robot y la condición de la batería (es decir, la temperatura) del robot acoplado se comunica a la estación de carga. A partir del tipo de batería/robot y la condición de la batería, el perfil de carga particular para la batería se recupera desde la memoria en la etapa 860 y el sistema procede después a la etapa 862.

En la etapa 862 se determina si el voltaje de la batería es menor que el voltaje umbral, que en los perfiles de carga (rápida, temperatura extrema, y recuperación) de la Tabla 1 es 25,5 V. Si el voltaje de la batería no está por debajo del voltaje umbral, el sistema avanza a la etapa 868. Si el voltaje está por debajo del voltaje umbral, en la etapa 864, la precarga se realiza a una corriente constante como se expone en la Tabla 1. La corriente precargada particular dependerá del perfil de carga que se use. Por lo tanto, para el ejemplo en la Tabla 1, la corriente de carga rápida la corriente de precarga es 5,0 A, para la temperatura extrema de la corriente de precarga es 3,0 A, y para la recuperación la corriente de precarga es 2,0 A. Mientras se carga previamente, el voltaje en el terminal del cargador se verifica en la etapa 866 para determinar si se ha alcanzado el voltaje umbral. Si se ha alcanzado, el sistema procede a la etapa 868 y si no se ha precargado continúa hasta que se alcanza el voltaje umbral.

En la etapa 868, el proceso de carga principal comienza con una etapa de carga de corriente constante utilizando la corriente seleccionada del perfil de carga particular que se utiliza. En el ejemplo de la Tabla 1, para carga rápida, la corriente de carga se configura en 34 A, mientras que para carga de temperatura extrema, así como carga de recuperación, la corriente de carga se configura en 20 A. En cada caso, esto continúa hasta que en la etapa 870 se alcanza un nivel de voltaje predeterminado. En el ejemplo de la Tabla 1, el nivel de voltaje predeterminado para la carga rápida y extrema de recuperación es 28,6 V. Una vez que se alcanza este nivel de voltaje, en la etapa 872, se realiza una etapa de carga de voltaje fijo, con el voltaje de carga mantenido a 28,6 V de carga continúa hasta que se alcanza una corriente de terminación, como se determina en la etapa 874. La corriente de terminación para los perfiles de carga de temperatura rápida y extrema en la Tabla 1 es 1,25 A y para el perfil de carga de recuperación es 0,5 A. Tal nivel bajo de corriente de carga que se suministra al voltaje constante es indicativo de que el robot está casi a carga completa, de manera que la estación de carga termina el proceso de carga principal.

El sistema procede a la etapa 876 donde el SOC se comunica al robot. Si bien no se muestran específicamente en el diagrama 850 de flujo, durante los procesos de precarga y de carga principal, el SOC pueden comunicarse al robot regularmente, por ejemplo, una vez por segundo. En este punto, el robot puede desacoplarse de la estación de carga, sin embargo, que está bajo el control del robot. Como se describió anteriormente, durante la carga, se monitoriza el voltaje de la batería y finalmente se eleva a un umbral de voltaje superior predeterminado, por ejemplo, 14,3 V (por batería). El robot usa este umbral superior como una manera de determinar cuándo la batería está completamente cargada. Usa el SOC almacenado más recientemente en la memoria cuando se alcanza el umbral de voltaje superior como su recuento inicial de culombios si decide desconectar en ese punto. En ciertas situaciones, el robot puede permanecer acoplado evento esté completamente cargado. Una razón para que el robot permanezca en la estación de carga puede deberse a la recepción de un comando desde el sistema de gestión del almacén para permanecer en la estación de carga si no necesita estar en el suelo. Si el robot permaneciera en la estación de carga después de completar el proceso de carga principal, perdería su carga a lo largo del tiempo. Por lo tanto, puede instituirse un proceso de carga flotante para mantener la carga del robot.

En la etapa 878, se determina si el perfil de carga incluye una fase de carga flotante. De lo contrario, el sistema procede a la etapa 880, donde se determina si el robot se ha desacoplado. Si no ha sido así, el sistema vuelve a la etapa 880 hasta que el robot se ha desacoplado y después el sistema procede a la etapa 881 donde se termina la carga por la estación de carga. Después, el sistema procede a la etapa 851 y espera que el siguiente robot se acople para la carga. Cuando el robot se aparta a la estación de carga, comienza el proceso de recuento de culombios para determinar la cantidad de carga que se está usando.

Si en la etapa 878, se determina que el perfil de carga incluye una fase de carga flotante, en la etapa 882 se instituye una fase flotante. En la fase flotante, el voltaje de carga de la estación de carga se fija en el nivel de voltaje de la fase flotante mientras que una “carga de goteo” entra en el robot. En el ejemplo de la Tabla 1, para los perfiles de temperatura rápidos y extremos, el voltaje de la fase flotante puede ser 27,7 V. La carga resultante por goteo puede ser aproximadamente 0,2 A. Durante la fase flotante, el cargador suministra una corriente de espera que el robot consume (suponiendo que el robot esté encendido). El consumo de corriente en espera de robot es de aproximadamente 0,2 A (200 mA), pero no está regulado por el cargador. Esto continúa hasta que el robot se desacopla como se determina en la etapa 884. Cuando el robot se desacopla, el sistema procede a la etapa 881 donde se termina la carga por la estación de carga. Después, el sistema procede a la etapa 851 y espera que el siguiente robot se acople para la carga. Y, cuando el robot se aparta a la estación de carga, comienza el proceso de recuento de culombios para determinar la cantidad de carga que se está usando.

Aunque no se ilustra en el diagrama 850 de flujo, existen varios eventos que pueden producirse durante el proceso de carga que requieren que el proceso se termine. Esto incluye una condición de cortocircuito que puede detectarse mediante la estimación de la resistencia de carga basada en la relación de corriente sobre voltaje. Si está por debajo de un valor umbral, por ejemplo, 50 M Ohm, la estación de carga puede determinar que un cortocircuito ha sido detectado y finalizado el proceso de carga. Además, si se detecta un circuito abierto o resistivo (mayor que un umbral, por ejemplo, 1 Ohm), el proceso de carga también puede terminarse para evitar el sobrecalentamiento. Si se pierden las comunicaciones IrDA o se detectan otras condiciones importantes, el proceso de carga puede terminarse. Como se describió anteriormente, el nivel de carga integrada se mantiene en almacenamiento no volátil en la placa 572 de controlador para asegurar el seguimiento preciso de la carga durante los períodos de apagado.

La operación de nivel más alto de la estación 500 de carga se representa en la máquina 900 de estado de la Fig. 23. La estación 500 de carga se enciende e inicializa en el estado 902. Una vez que se completa la inicialización, la estación de carga entra en un modo inactivo en el estado 904 y espera que se detecte una batería (robot listo para la carga automática) o se detecte una entrada de anulación manual (botón presionado por el operador para entrar en el modo de carga manual para un robot con una batería “muerta” ). Si se detecta una batería, el sistema avanza al estado 906 donde se establecen las comunicaciones entre el robot y la estación de carga. Si se detecta una entrada de anulación manual, el sistema procede a iniciar el estado 908 de recuperación.

En el proceso de carga automática, si no se establecen comunicaciones con el robot en el estado 906, se determina un error de comunicación en el estado 910 y el sistema regresa al estado inactivo 904. Si se establecen comunicaciones en el estado 906, el proceso de carga comienza en el estado 912 como se describió anteriormente. Al finalizar la carga, si el robot solicita un charge cycle log (registro de ciclo de carga - CCLOG), en la etapa 914, la estación de carga envía al robot el CCLOG y termina el proceso de carga en el estado 916. Si el robot no solicita el CCLOG, el sistema simplemente procede del estado 912 de carga al estado 916 de finalización. En cualquier caso, el robot regresa después al estado inactivo 904.

Si en cambio se detecta la entrada de anulación manual, en el estado 908 comienza el proceso de recuperación manual. Si no se detecta una batería o la batería está en modo de apagado protector, el sistema entra en el estado 918 fallido de recuperación y después regresa al estado inactivo 904. Si en el estado 908 de recuperación inicial la batería se detecta y la batería no está en parada protectora, el proceso de recuperación como se describió anteriormente se realiza en el estado 920. Cuando el proceso de recuperación se completa en el estado 922, el sistema procede a establecer comunicaciones con el robot en el estado 906 y emprender el proceso de carga automática.

Aunque no se muestra en la máquina 900 de estado, existen varios eventos que pueden producirse durante el proceso de carga que requieren que el proceso se termine, por ejemplo, un cortocircuito o circuito abierto, o si el robot sale de la estación de carga antes de que se complete la carga.

Si bien la descripción anterior de la invención permite a un experto en la materia elaborar y usar lo que se considera actualmente el mejor modo de la misma, los expertos en la materia entenderán y apreciarán la existencia de variaciones, combinaciones y equivalentes de las realizaciones y ejemplos específicos de la presente descripción. Las realizaciones descritas anteriormente de la presente invención pretenden ser solamente ejemplos. Aquellos con experiencia en la materia pueden efectuar alteraciones, modificaciones y variaciones a las realizaciones particulares sin apartarse del alcance de la invención, que se define únicamente por las reivindicaciones anexas a la presente descripción. Por lo tanto, la invención no está limitada por las realizaciones y ejemplos descritos anteriormente.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Un sistema de carga eléctrica para cargar un robot autónomo (18), que comprende:

- un robot autónomo (18) alimentado por una batería recargable (800) y que tiene un primer miembro (300) de carga; y

- una estación (500) de carga, que incluye:

- un segundo miembro (200) de carga configurado para recibir el primer miembro (300) de carga en el robot autónomo cuando el robot autónomo (18) se acopla a la estación (500) de carga para cargar la batería recargable (800);

- un suministro (582) de energía configurado para cargar la batería recargable (800) del robot autónomo cuando se acopla a la estación de carga;

- un sensor (650) configurado para medir una cantidad de carga transferida desde el suministro de energía al robot autónomo durante la carga;

- un procesador (700), en comunicación con el sensor (650), configurado para determinar, a partir de la cantidad de carga transferida desde el suministro de energía al robot autónomo medida por el sensor, un estado de carga del robot autónomo; y

- un dispositivo (574) de comunicaciones, en comunicación con el procesador (700), configurado para transmitir al robot autónomo el estado de carga del robot autónomo mientras se acopla a la estación de carga;

- en donde el robot autónomo (18) incluye, además:

- un dispositivo (816) de comunicaciones configurado para comunicarse con el dispositivo de comunicaciones en la estación de carga,

- un accionador (808) de motor alimentado por la batería recargable (800) y configurado para impulsar el robot autónomo cuando el robot autónomo se desacopla de la estación de carga, y - un sensor (806) configurado para medir la cantidad de carga proporcionada al accionador del motor por la batería recargable para impulsar el robot autónomo cuando el robot autónomo se desacopla de la estación de carga; y

- en donde el dispositivo (816) de comunicaciones en el robot autónomo (18) está configurado para recibir el estado de carga del robot autónomo desde la estación de carga y en donde el robot autónomo incluye una memoria para almacenar el estado de carga recibido desde la estación de carga; y

- en donde la memoria del robot autónomo está configurada además para almacenar la cantidad de carga proporcionada al accionador del motor por la batería recargable para impulsar el robot autónomo cuando el robot autónomo se desacopla de la estación de carga.
2. El sistema de carga eléctrica de la reivindicación 1 en donde el procesador de la estación de carga está configurado para determinar periódicamente el estado de carga del robot autónomo mientras está acoplado a la estación de carga y para hacer que el dispositivo de comunicaciones transmita al robot autónomo el estado de carga periódicamente determinado del robot autónomo.
3. El sistema de carga eléctrica de la reivindicación 2 en donde el robot autónomo incluye además un procesador configurado para determinar periódicamente el estado de carga del robot autónomo cuando se desacopla de la estación de carga comparando la cantidad de carga proporcionada al accionador del motor por la batería recargable para impulsar el robot autónomo al estado de carga transferido al robot autónomo por la estación de carga.
4. El sistema de carga eléctrica de la reivindicación 3 en donde el estado de carga se determina al menos en parte a partir del número de culombios transferidos dentro o fuera de la batería recargable.
5. El sistema de carga eléctrica de la reivindicación 4 en donde el procesador está configurado para hacer que el robot autónomo regrese a la estación de carga para la carga cuando el SOC del robot autónomo ha alcanzado un nivel predeterminado.
6. Un método para cargar un robot autónomo (18) alimentado por una batería recargable (800) en una estación (500) de carga, que comprende:

- acoplar el robot autónomo (18) a la estación (500) de carga de manera que un primer miembro (300) de carga del robot autónomo y un segundo miembro (200) de carga de la estación de carga se acoplan;

- cargar (912), usando un suministro (582) de energía de la estación de carga, la batería recargable (800) del robot autónomo cuando se acopla a la estación de carga;

- medir una cantidad de carga transferida desde el suministro (582) de energía al robot autónomo (18) durante la carga;

- determinar, a partir de la cantidad de carga transferida desde el suministro (582) de energía al robot autónomo (18), un estado de carga del robot autónomo;

- transmitir desde la estación (500) de carga al robot autónomo el estado de carga del robot autónomo mientras se acopla a la estación de carga;

- recibir mediante un dispositivo (816) de comunicaciones en el robot autónomo (18) el estado de carga del robot autónomo desde la estación (500) de carga y almacenar en una memoria en el robot autónomo el estado de carga recibido desde la estación de carga;

- impulsar el robot autónomo cuando se desacopla de la estación de carga usando un accionador (808) de motor alimentado por la batería recargable (800);

- medir la cantidad de carga proporcionada al accionador (808) de motor por la batería recargable (800) para impulsar el robot autónomo cuando el robot autónomo se desacopla de la estación de carga; y

- almacenar en la memoria del robot autónomo (18) la cantidad de carga proporcionada al accionador (808) de motor por la batería recargable para impulsar el robot autónomo cuando el robot autónomo se desacopla de la estación de carga,

- en donde la etapa de determinar el estado de carga del robot autónomo (18) incluye determinar periódicamente el estado de carga del robot autónomo mientras está acoplado a la estación (500) de carga, y la etapa de transmitir el estado de carga al robot autónomo (18) incluye transmitir periódicamente el estado de carga del robot autónomo (18).

El método de la reivindicación 6 que incluye además determinar periódicamente el estado de carga del robot autónomo cuando se desacopla de la estación de carga al comparar periódicamente la cantidad de carga proporcionada al accionador de motor por la batería recargable para impulsar el robot autónomo al estado de carga transferido al robot autónomo por la estación de carga.

El método de la reivindicación 7 en donde el estado de carga se determina al menos en parte a partir del número de culombios transferidos dentro o fuera de la batería recargable.

El método de la reivindicación 8 que incluye además hacer que el robot autónomo regrese a la estación de carga para la carga cuando el estado de carga del robot autónomo ha alcanzado un nivel predeterminado.