机器人充电系统的制作方法

本发明涉及一种具有移动机器人和对该移动机器人进行充电的充电站移动机器人的机器人充电系统。

背景技术：

在清扫机器人、agv(automatedguidedvehicle)等自主移动机器人中，为了延长其运用时间而准备充电站来对机器人内的电池进行充电的方法广为人知。并且，当移动机器人在充电站进行充电时，使移动机器人的充电端子与充电机器人的充电端子连接来进行充电。作为使彼此的充电端子连接的方法，在专利文献1中记载了“在使移动机器人停在固定设备前面时，吸收相对于固定设备的姿势的偏差，使移动机器人侧的多个受电电极相对于固定设备侧的多个供电电极良好地接触”(专利文献1的摘要)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-26775号公报

发明所要解决的课题

在上述专利文献1中，在发生移动机器人与充电站的位置偏移时，通过使充电端子移动来吸收位置偏移。但是，在无法吸收位置偏移而连接失败的情况下，有可能因充电端子等按压移动机器人，而导致移动机器人翻倒。特别是，在进行与人的交流并进行移动的服务机器人中，由于机器人的活动环境中的制约而存在重心较高、占地面积较小的趋势，因此在发生充电端子的意外接触等的情况下，翻倒的可能性提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够防止翻倒而可靠地进行充电的机器人充电系统。

解决方案

为了解决上述课题，本发明的机器人充电系统具备移动机器人和对所述移动机器人进行充电的充电站，所述移动机器人的充电端子与所述充电站的充电端子能够相互结合或分离，所述机器人充电系统的特征在于，所述移动机器人具有在结合时位于所述充电站侧的延伸部，所述充电站具有在结合时位于所述移动机器人侧且位于所述延伸部的上侧的承接部，在所述移动机器人向与所述充电站相反的一侧倾斜的情况下，所述延伸部与所述承接部接触，并且接触时的所述移动机器人的倾斜角度为倾覆角度以下。

发明效果

根据本发明，能够提供一种能够防止翻倒而可靠地进行充电的机器人充电系统。

附图说明

图1是表示移动机器人的外观的立体图。

图2是表示充电站的外观的立体图。

图3是表示移动机器人与充电站结合的状态的立体图。

图4是实施例所涉及的移动机器人的立体图。

图5是实施例所涉及的充电站的立体图。

图6是移动机器人的功能框图。

图7是表示移动机器人的倾覆角度的定义的图。

图8是表示移动机器人倾斜且其延伸部与充电站的承接部接触的状态的图。

图9是表示移动机器人的控制装置中的处理的流程图。

附图标记说明：

1…移动机器人，2…充电站，10…主体，11l、11r…主车轮，12…辅助车轮，13…(移动机器人的)充电端子，14…摄像机，15…车轮驱动部，16…控制装置，17…移动机器人用充电装置，18…电池，19…延伸部，20…标记，21…充电站用充电装置，22…外部电源连接用插头，23…(充电站的充电端子)，24…承接部，241…翻倒防止罩，261…地板面部，271…结合机构，281…第一引导机构，291…第二引导机构。

具体实施方式

以下，作为本发明的实施方式所涉及的机器人充电系统，使用附图对移动机器人1以及充电站2进行说明。另外，在本实施方式中，特别将进行与人的交流的服务机器人作为移动机器人1的例子来进行说明。

图1是表示移动机器人1的外观的立体图。如图1所示，移动机器人1具备：躯干部101；头部102，其朝向相对于该躯干部101变化；一对腿部103，其与躯干部101的下端连结；以及脚部104，其与各腿部103的下端连结。而且，各脚部104具有位于前方的较大的主车轮111、位于后方的较小的辅助车轮112、以及位于该辅助车轮112的上方的延伸部109。此外，延伸部109支承辅助车轮112，与该辅助车轮112一起形成脚后跟部。

图2是表示充电站2的外观的立体图。如图2所示，充电站2由在上下方向上延伸的背面部251和在水平方向上延伸的地板面部261构成。在背面部251的前面侧设置有：结合机构271，其为了与移动机器人1的躯干部101的背面侧结合而向前方延伸；以及标记201，其用于在与移动机器人1的躯干部101侧的摄像机(未图示)之间进行位置识别。另外，在结合机构271的前端形成有与移动机器人1的充电端子(未图示)连接的充电端子231。

在地板面部261的上表面侧设置有引导主车轮111的行进方向与结合机构271平行的第一引导机构281和校正主车轮111的轴向的位置的第二引导机构291。另外，在地板面部261的后方，安装有从背面部251的左端跨至右端而较长地延伸且在前后方向上也延伸预定长度以上的翻倒防止罩241。

并且，在移动机器人1为了充电而与充电站2结合时，移动机器人1朝向充电站2后退，移动机器人1的延伸部109插入到翻倒防止罩241的下方。之后，当移动机器人1进一步后退时，移动机器人1的充电端子与充电站2的充电端子231连接，成为如图3所示的移动机器人1与充电站2结合的状态。

在此，在移动机器人1的充电端子相对于充电站2的充电端子231错位、或移动机器人1相对于充电站2倾斜的状态下继续后退时，移动机器人1与充电站2的构造物接触而倾斜，若倾斜一定的角度(倾覆角度)以上则有可能翻倒。另外，在移动机器人1刚从充电站2分离之后，用于拉开彼此的充电端子的结合的推力被释放，在该推力作用下，移动机器人1也有可能失去平衡。但是，在本实施方式中，通过使在结合时位于充电站2侧的延伸部109与在结合时位于移动机器人1侧且位于延伸部109的上侧的翻倒防止罩241在倾斜时接触，从而使移动机器人1的姿势复原。

以下，关于本实施方式的机器人充电系统，使用基于简化的模型的实施例进行说明。

图4是本实施例所涉及的移动机器人1的立体图。如图4所示，移动机器人1具备主体10、主车轮11、辅助车轮12、充电端子13、摄像机14、车轮驱动部15、控制装置16、移动机器人用充电装置17、电池18以及延伸部19。延伸部19在主体10的下部形成为从左右两侧分成两条向后方延伸，在该延伸部19的下表面设置有辅助车轮12。充电端子13设置在移动机器人1的背面中央且比延伸部19靠上方的位置。

图5是本实施例所涉及的充电站2的立体图。如图5所示，充电站2具备标记20、充电站用充电装置21、结合机构25、充电端子23以及承接部24。充电端子23设置于向前方延伸的结合机构25的前端，通过与处于后退的移动机器人1的背面侧的充电端子13连接，由此能够进行向移动机器人1的充电。另外，承接部24在充电站2的前表面下部成为向左右方向延伸的形状，形成为收纳移动机器人1的2条延伸部19的左右方向尺寸。另外，该承接部24成为也向前方延伸的形状，在充电站2的充电端子23与移动机器人1的充电端子13接触时，承接部24的前端位于移动机器人1的延伸部19的前端与根部(移动机器人1的背面)之间。

在此，主车轮11安装于主体10的下部，辅助车轮12安装于延伸部19的下部，这些车轮使移动机器人1接地。而且，辅助车轮12例如是球状脚轮，能够向全部方向旋转。另一方面，主车轮11被车轮驱动部15左右独立地驱动，来使移动机器人1移动。

移动机器人用充电装置17与移动机器人的充电端子13以及电池18连接。并且，当通过移动机器人的充电端子13与充电站的充电端子23的结合，使移动机器人用充电装置17与充电站用充电装置21连接来供给电力时，移动机器人用充电装置17对电池18进行充电。

车轮驱动部15具备用于向主车轮11供给动力的马达、检测马达的旋转角度的编码器、以及控制马达的马达驱动器，根据作为控制装置16的指令的目标速度及目标回转角速度来驱动主车轮11，并将与该主车轮11的旋转速度及角度相关的信息发送至控制装置16。

图6是移动机器人1的功能框图。如图6所示，控制装置16与车轮驱动部15及摄像机14连接，由电池18供电。另外，在控制装置16的内部具备标记识别系统30和行动生成部34。

此外，充电站用充电装置21与充电站的充电端子23以及外部电源连接用插头22连接。然后，充电站用充电装置21经由外部电源连接用插头22接受电力的供给，并在充电站的充电端子23与移动机器人的充电端子13结合时，向移动机器人用充电装置17进行供电。

接着，对防止移动机器人1的翻倒的功能进行说明。该翻倒防止功能在移动机器人1失去平衡而向与充电站2相反的一侧倾斜的情况下，也通过使移动机器人1的延伸部19与充电站2的承接部24接触来限制进一步的倾斜，并通过移动机器人1自身的重力而恢复到原来的姿势。

对此，在本实施例中，使延伸部19与承接部24接触时的移动机器人1的倾斜角度为倾覆角度以下。图7是表示移动机器人1的倾覆角度的定义的图，图8是表示移动机器人1倾斜且其延伸部19与充电站2的承接部24接触的状态的图。当移动机器人1保持接地状态而倾斜时，通过以移动机器人1的接地点作为旋转轴心的旋转运动而倾斜。但是，移动机器人1的接地点有时会随着该旋转运动的进行而变化。例如，如图7所示，移动机器人1倾斜之前的接地点为主车轮11以及辅助车轮12的下端，但如图8所示，移动机器人1向前方倾斜一定程度以上时的接地点为移动机器人1的底部前端。另外，由于当移动机器人1倾斜到无法通过自身的重力而复原的程度并翻倒时，移动机器人1的底部前端成为接地点，因此将该底部前端设为倾覆中心o。

如图7所示，移动机器人1的倾覆角度定义为：在以该倾覆中心o为法线的面上，连结倾覆中心o和重心位置g的轴a与从移动机器人1的基准点(例如顶部前端)向铅垂方向延伸的轴b所形成的角度。另外，如图8所示，移动机器人1的倾斜角度定义为连结移动机器人1的基准点和倾覆中心的轴c与铅垂方向的轴d所形成的角度。此时，即使移动机器人1倾斜，只要其倾斜角度为倾覆角度以下，就能够通过移动机器人1自身的重力，从倾斜的状态恢复到原来的状态(以主车轮11以及辅助车轮12接地的状态)。因此，在本实施例中，在移动机器人的充电端子13与充电站的充电端子23结合时，充电站2的承接部24覆盖移动机器人1的延伸部19，成为即使移动机器人1失去平衡也不会向前侧倾斜倾覆角度以上的位置关系。

另外，在本实施例中，不仅在结合时，而且在移动机器人1接近充电站2而成为预定位置的时刻，预先成为上述的位置关系。由此，即使移动机器人1在为了充电而去往充电站2的途中因意外接触而受力时，也能够防止移动机器人1的翻倒。在此，在本实施例中，延伸部19及承受部24均形成为平板状，但不限于该形状，例如，也可以在一方形成凹部，在另一方形成凸部。在该情况下，优选在移动机器人1侧设置凸部。

另外，在本实施例中，延伸部19设置在比移动机器人1的重心靠下方的位置。这是因为，如果将延伸部设置在移动机器人1的上部的话，由于与充电站2的接触而对上部的较轻的部分施加力，移动机器人1容易损坏。特别是，如图1所示，若在脚后跟部形成延伸部，则不仅不会损害设计性，而且由于在左右分离的2处位置被支承，因此能够进一步稳定地防止翻倒。

另外，如图3所示，相当于承接部的翻倒防止罩241形成为比移动机器人1中的一对主车轮111之间的宽度长。这样，通过使承接部的左右方向的尺寸比延伸部长，具有针对移动机器人1相对于充电站2倾斜地后退而接触的情况下等产生的移动机器人1的左右方向的摆动也能够稳定地支承的优点。

接着，对移动机器人1的控制方法进行说明。如图6所示，本实施例的控制装置16具备标记识别系统30和行动生成部34。标记识别系统30具有图像获取部31、标记识别部32和标记数据部33。

在此，图像获取部31从设置于移动机器人1的后侧的摄像机14获取图像，并向标记识别部32发送图像数据。在标记数据部33中存储有与成为识别对象的标记20的大小、图案以及位置相关的信息，并对标记识别部32的询问发送这些信息。标记识别部32基于从图像获取部31和标记数据部33获取的信息，计算标记20与照相机14的相对位置。

在标记20的相对位置的计算方法中，已知几种方法。例如，在标记20是标准为jisx0510的二维码的情况下，标记识别部32检测3个比率为黑1：白1：黑3：白1：黑1的四边形。标记识别部32通过对这3个四边形在照相机图像上的位置关系和从标记数据部33获取的信息中的位置关系进行比较，能够识别标记20的位置。

以下，以移动机器人1接近充电站2的场景为对象，对行动生成部34的处理进行说明。图9是表示移动机器人的控制装置16的行动生成部34中的处理的流程图。

行动生成部34保持机器人坐标系，该机器人坐标系是以某个瞬间的摄像机14的光轴与摄像机镜头的交点为原点、以摄像方向为x轴、以光轴方向为y轴的摄像机坐标系的副本。

在步骤s101中，行动生成部34从车轮驱动部15获得主车轮11r、11l各自的旋转角度φr、φl、旋转角速度dφr、dφl，并更新机器人坐标系上的移动机器人1的位置。更新处理由下式1表示。

【式1】

其中，下标k表示当前时刻，k-1表示1步之前的时刻。d是主车轮11之间的长度，rx是移动机器人1的机器人坐标系x坐标，ry同样是y坐标。rη是移动机器人所朝向的方向。

在步骤s102中，行动生成部34从标记识别系统30获取成为目标位置的充电站2的位置。

在步骤s103中，行动生成部34计算将在步骤s101中计算出的当前位置与目标位置连结的移动路径。虽然省略了详细说明，但通过rrt(rapidlyexploringrandomtree)法或a*等方法进行计算。根据计算出的移动路径计算移动路径长度，并计算梯形速度模式以使其满足移动路径长度和车轮驱动部15保持的移动机器人1的最大加速度、最大速度。梯形速度模式被分割成针对车轮驱动部15的每个发送间隔的指令值，并记录于行动生成部34。由此，可知移动机器人1在哪个时刻(tk)位于路径上的哪个位置(r)，并参照r的前后的时刻(tk-1、tk+1)的路径点坐标，计算出时刻tk处的移动机器人的目标回转方向。通过将时刻tk处的目标回转方向与时刻tk的1步之前的目标回转方向的差分除以上述发送间隔，来决定目标回转角速度信息。通过以上的计算，行动生成部34生成由各时刻的移动机器人的目标速度和目标回转角速度构成的移动计划。

在步骤s104中，行动生成部34按每个时刻将在步骤s103中计算出的目标速度和目标回转角速度发送到车轮驱动部15。