(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリを備える自律型ロボットを充電する充電ステーションであって、前記充電ステーションは、
前記自律型ロボットが充電のために前記充電ステーションとドッキングされるとき、前記自律型ロボットの第２の充電部材を受容するよう構成された、前記充電ステーションの第１の充電部材と、
前記自律型ロボットから、前記自律型ロボットのバッテリの種類を示す識別子を受信するよう構成された通信デバイスと、
充電プロファイルにしたがって前記自律型ロボットを充電するよう構成された、前記第１の充電部材に電気的に接続された電源であって、前記充電プロファイルは、前記自律型ロボットから受信した前記識別子に少なくとも部分的に基づいて選択される、電源と、
前記充電プロファイルにしたがって前記自律型ロボットを充電するために前記電源を制御し、充電中に前記自律型ロボットに充電状態（ＳＯＣ）を周期的に提供するように構成されたプロセッサと
を備え、
前記プロセッサは、バッテリ電圧の上限閾値に達した場合に、又は前記電源から所定の電流レベルが出力されている場合に、充電を終えるように構成され、どちらの場合にも、バッテリが完全に充電されていることを示し、充電を終える前に前記プロセッサによって前記自律型ロボットに提供される最後のＳＯＣは、前記自律型ロボットによって、前記自律型ロボットが前記充電ステーションからドッキング解除する場合のＳＯＣとして使用される、充電ステーション。
【請求項２】
前記識別子には、バッテリの種類、自律型ロボットの種類、又はバッテリの状態のうちの１つ又は複数が含まれる、請求項１に記載の充電ステーション。
【請求項３】
前記バッテリの状態にはバッテリの温度が含まれ、特定のバッテリの種類では、通常のバッテリ温度範囲での前記充電プロファイルは、前記通常の温度範囲を上回るバッテリ温度又は前記通常の温度範囲を下回るバッテリ温度での前記充電プロファイルとは異なる、請求項２に記載の充電ステーション。
【請求項４】
前記充電ステーションは、少なくとも１つが前記識別子と一致する、複数の充電プロファイルを記憶させるためのメモリを備える、請求項２に記載の充電ステーション。
【請求項５】
前記通信デバイスは、前記自律型ロボットの対応するトランシーバと通信するトランシーバを備える、請求項４に記載の充電ステーション。
【請求項６】
前記充電ステーションの前記トランシーバ及び前記自律型ロボットの前記対応するトランシーバは、光学トランシーバであり、ＩｒＤＡ通信プロトコルを使用して通信する、請求項５に記載の充電ステーション。
【請求項７】
前記電源から前記自律型ロボットへの電流出力を検知するよう構成された電流センサと、前記電源によって印加された前記第１の充電部材の両端間の電圧を検知するよう構成された電圧センサとをさらに備える、請求項６に記載の充電ステーション。
【請求項８】
前記充電プロファイルには、定電流部分及び定電圧部分が含まれる、請求項７に記載の充電ステーション。
【請求項９】
前記プロセッサは、所定の電圧レベルに達するまで定電流を使用して、前記充電プロファイルの前記定電流充電部分で前記ロボットを充電し、次いで定電圧を使用して、前記充電プロファイルの前記定電圧部分で前記ロボットを充電するよう構成される、請求項８に記載の充電ステーション。
【請求項１０】
前記プロセッサは、前記ロボットが完全に充電された後で前記ロボットが前記充電ステーションからドッキング解除される前に、前記ロボットがドッキング解除されるまで定電圧レベルを維持することによって、前記ロボットに制限された電荷レベルを供給するフロート充電プロファイルを使用して前記ロボットを充電するように、前記電源を制御するよう構成される、請求項９に記載の充電ステーション。
【請求項１１】
前記プロセッサは、定電流部分及び定電圧部分を有する回復プロファイルを使用して、バッテリ上がりの状態の前記ロボットを充電するよう構成され、前記プロセッサはさらに、前記回復充電プロファイルの完了時に、ユーザを促して前記ロボットを起動させ、それにより前記ロボットと前記充電ステーションとの間の通信を確立して、前記自律型ロボットから受信した前記識別子に少なくとも部分的に基づいて選択された充電プロファイルを使用して、ロボットの充電を完了することができるよう構成される、請求項９に記載の充電ステーション。
【請求項１２】
バッテリを備える自律型ロボットを充電する方法であって、
充電ステーションの第１の充電部材を前記自律型ロボットの第２の充電部材と嵌合させることによって、前記自律型ロボットをドッキングするステップと、
前記自律型ロボットのバッテリの種類を示す識別子を含む、前記自律型ロボットからの伝達を受信するステップと、
電源を使用して、充電プロファイルにしたがって前記自律型ロボットのバッテリを充電するステップであって、前記充電プロファイルは、前記自律型ロボットから受信した前記識別子に少なくとも部分的に基づいて選択される、ステップと、
充電中に前記自律型ロボットに充電状態（ＳＯＣ）を周期的に提供するステップと、
バッテリ電圧の上限閾値に達した場合に、又は前記電源から所定の電流レベルが出力されている場合に、充電を終えるステップであって、どちらの場合にも、バッテリが完全に充電されていることを示す、ステップと、
充電を終える前に前記自律型ロボットに提供される最後のＳＯＣを、前記自律型ロボットが前記充電ステーションからドッキング解除する場合のＳＯＣとして使用するステップと
を含む方法。
【請求項１３】
前記識別子には、バッテリの種類、自律型ロボットの種類、又はバッテリの状態のうちの１つ又は複数が含まれる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記バッテリの状態にはバッテリの温度が含まれ、特定のバッテリの種類では、通常のバッテリ温度範囲での前記充電プロファイルは、前記通常の温度範囲を上回るバッテリ温度又は前記通常の温度範囲を下回るバッテリ温度での前記充電プロファイルとは異なる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記方法は、少なくとも１つが前記識別子と一致する複数の充電プロファイルを、前記充電ステーション内のメモリに記憶させるステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記受信するステップは、前記それぞれの自律型ロボット及び前記充電ステーションが１つずつ備える光学トランシーバを使って、ＩｒＤＡ通信プロトコルを使用して通信するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記電源から前記自律型ロボットへの電流出力を、電流センサを使用して検知するステップと、前記電源によって印加された前記第１の充電部材の両端間の電圧を、電圧センサを使用して検知するステップとをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記充電プロファイルには、定電流部分及び定電圧部分が含まれる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
所定の電圧レベルに達するまで定電流を使用して、前記充電プロファイルの前記定電流充電部分で前記ロボットを充電するステップと、所定の電流レベルに達するまで定電圧を使用して、前記充電プロファイルの前記定電圧部分で前記ロボットを充電するステップとをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ロボットが完全に充電された後で前記ロボットが前記充電ステーションからドッキング解除される前に、前記ロボットがドッキング解除されるまで定電圧レベルを維持することによって、前記ロボットに制限された電荷レベルを供給するフロート充電プロファイルを使用して前記ロボットを充電するように、前記電源を制御するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
定電流部分及び定電圧部分を有する回復プロファイルを使用して、バッテリ上がりの状態の前記ロボットを充電するステップと、前記回復充電プロファイルの完了時に、ユーザを促して前記ロボットを起動させるステップとをさらに含み、それにより前記ロボットと前記充電ステーションとの間の通信を確立して、前記自律型ロボットから受信した前記識別子に少なくとも部分的に基づいて選択された充電プロファイルを使用して、ロボットの充電を完了することができる、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２０１７年９月２２日に出願された米国特許出願第１５／７１２，４４１号の優先権の利益を主張し、参照により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
この発明は、充電システムに関し、より詳細には、自律型ロボットの充電プロファイルを自動的に選択する、かかるシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
ロボットは、多くの用途において、人間の代わりに機能を実行するか、又は生産性及び効率を高めるために人間を補助するように使用される。かかる用途の１つが注文の履行であり、これは、通常、インターネットを介して注文した顧客に、宅配便で出荷されるべき製品で満たされた大規模な倉庫で実行される。
【０００４】
かかる注文を適時正確且つ効率的なやり方で履行することは、控え目に言っても、物流上困難である。仮想ショッピング・カートの「チェック・アウト」釦をクリックすると、「注文」が作成される。注文には、特定の住所に出荷されるべき品目のリストが含まれる。「履行」のプロセスには、こうした物品を大規模倉庫から物理的に取り出すこと、すなわち「ピッキング」、物品を梱包すること、及び指定された住所に物品を出荷することが含まれる。したがって、注文履行プロセスの重要な目標は、できるだけ多くの物品をできるだけ短時間で出荷することである。加えて、最終的に出荷されることになる製品は、まず倉庫で受け取り、倉庫全体にわたって整然としたやり方で保管箱に保管又は「配置」し、それにより製品を出荷のために簡単に取り出せる必要がある。
【０００５】
ロボットを使用してピッキング及び配置機能を果たすことは、ロボットだけで、又は人間の操作者の助けを借りて行うことができる。ロボットは、ロボットに搭載されたバッテリに蓄えた電気で駆動される。ロボットが倉庫のあちこちに移動することにより、定期的に再充電する必要がある。したがって、作業を円滑に実行するために、ロボットを充電する効率的で効果的なやり方が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願第１５／７１２，２２２号
【特許文献２】米国特許出願第１５／１２，２５６号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
既存のシステムに対する本発明の恩恵及び利点は、以下の発明の簡単な概要及び詳細な説明から容易に明らかとなろう。当業者は、本教示が、以下に要約又は開示されたもの以外の実施例を用いて実施できることを理解されよう。
【０００８】
一態様では、本発明には、バッテリを備える自律型ロボットを充電するための充電ステーションが含まれる。充電ステーションには、自律型ロボットが充電のために充電ステーションとドッキングされるとき、自律型ロボットの第２の充電部材を受容するよう構成された第１の充電部材がある。自律型ロボットから、自律型ロボットのバッテリの種類を示す識別子を受信するよう構成された通信デバイスがある。また、充電プロファイルにしたがって自律型ロボットを充電するよう構成された、第１の充電部材に電気的に接続された電源もある。充電プロファイルは、自律型ロボットから受信した識別子に少なくとも部分的に基づいて選択される。
【０００９】
本発明の他の態様では、１つ又は複数の以下の特徴が含まれ得る。識別子には、バッテリの種類、自律型ロボットの種類、又はバッテリの状態のうちの１つ又は複数が含まれ得る。バッテリの状態には、バッテリの温度が含まれる場合があり、特定のバッテリの種類では、通常のバッテリ温度範囲での充電プロファイルは、通常の温度範囲を上回るバッテリ温度又は通常の温度範囲を下回るバッテリ温度での充電プロファイルとは異なる場合がある。充電ステーションは、少なくとも１つが識別子と一致する複数の充電プロファイルを記憶するためのメモリを備えることができる。通信デバイスは、自律型ロボットの対応するトランシーバと通信するためのトランシーバを備えることができる。充電ステーションのトランシーバ及び自律型ロボットの対応するトランシーバは、光学トランシーバであってもよく、ＩｒＤＡ通信プロトコルを使用して通信することができる。電源から自律型ロボットへの電流出力を検知するよう構成された電流センサと、電源によって印加された第１の充電部材の両端間の電圧を検知するよう構成された電圧センサとを、さらに備えることができる。また、充電プロファイルにしたがって自律型ロボットを充電するために、電源を制御するよう構成されたプロセッサも備えることができ、充電プロファイルには、定電流部分及び定電圧部分が含まれ得る。プロセッサは、所定の電圧レベルに達するまで定電流を使用して、充電プロファイルの定電流充電部分でロボットを充電し、次いで定電圧を使用して、充電プロファイルの定電圧部分でロボットを充電するよう構成され得る。充電プロファイルの定電圧充電部分の間に、プロセッサは、バッテリ電圧の上限閾値に達したことを示すＳＯＣの要求をロボットから受信したとき、又は電源から所定の電流レベルが出力されているとき、ＳＯＣをロボットに提供して充電を終えるよう構成することができ、どちらの場合にも、バッテリが完全に充電されていることを示している。プロセッサは、ロボットが完全に充電された後でロボットが充電ステーションからドッキング解除される前に、ロボットがドッキング解除されるまで定電圧レベルを維持することによって、ロボットに制限された電荷レベルを供給するフロート充電プロファイルを使用してロボットを充電するように、電源を制御するよう構成され得る。プロセッサは、定電流部分及び定電圧部分を有する回復プロファイルを使用して、バッテリ上がりの状態のロボットを充電するよう構成され得る。さらにプロセッサは、回復充電プロファイルの完了時に、ユーザを促してロボットを起動させ、それによりロボットと充電ステーションとの間の通信を確立して、自律型ロボットから受信した識別子に少なくとも部分的に基づいて選択された充電プロファイルを使用して、ロボットの充電を完了することができるよう構成され得る。
【００１０】
別の態様では、本発明には、バッテリを備える自律型ロボットを充電するための方法が含まれる。本方法は、充電ステーションの第１の充電部材を自律型ロボットの第２の充電部材と嵌合させることによって、自律型ロボットをドッキングするステップを含む。本方法は、自律型ロボットのバッテリの種類を示す識別子を含む、自律型ロボットからの伝達を受信するステップも含む。本方法は、電源を使用して、充電プロファイルにしたがって自律型ロボットを充電するステップをさらに含む。充電プロファイルは、自律型ロボットから受信した識別子に少なくとも部分的に基づいて選択される。
【００１１】
本発明のさらに他の態様では、１つ又は複数の以下の特徴が含まれ得る。識別子には、バッテリの種類、自律型ロボットの種類、又はバッテリの状態のうちの１つ又は複数が含まれ得る。バッテリの状態には、バッテリの温度が含まれる場合があり、特定のバッテリの種類では、通常のバッテリ温度範囲での充電プロファイルは、通常の温度範囲を上回るバッテリ温度又は通常の温度範囲を下回るバッテリ温度での充電プロファイルとは異なる場合がある。本方法は、少なくとも１つが識別子と一致する複数の充電プロファイルを、充電ステーション内のメモリに記憶するステップをさらに含み得る。該受信するステップは、それぞれの自律型ロボット及び充電ステーションが１つずつ備える光学トランシーバを使って通信するステップを含むことができ、また受信するステップは、ＩｒＤＡ通信プロトコルを使用するステップを含むことができる。本方法は、電源から自律型ロボットへの電流出力を、電流センサを使用して検知するステップと、電源によって印加された第１の充電部材の両端間の電圧を、電圧センサを使用して検知するステップとを、さらに含むことができる。本方法は、充電プロファイルにしたがって自律型ロボットを充電するために、電源を制御するステップも含むことができる。充電プロファイルには、定電流部分及び定電圧部分が含まれ得る。本方法は、所定の電圧レベルに達するまで定電流を使用して、充電プロファイルの定電流充電部分でロボットを充電するステップと、所定の電流レベルに達するまで定電圧を使用して、充電プロファイルの定電圧部分でロボットを充電するステップとをさらに含むことができる。本方法は、充電プロファイルの定電圧充電部分の間に、バッテリ電圧の上限閾値に達したことを示すＳＯＣの要求をロボットから受信したとき、又は電源から所定の電流レベルが出力されているとき、ＳＯＣをロボットに提供するステップと、充電を終えるステップとを含むことができ、どちらの場合にも、バッテリが完全に充電されていることを示している。本方法は、ロボットが完全に充電された後でロボットが充電ステーションからドッキング解除される前に、ロボットがドッキング解除されるまで定電圧レベルを維持することによって、ロボットに制限された電荷レベルを供給するフロート充電プロファイルを使用してロボットを充電するように、電源を制御するステップを含むことができる。本方法は、定電流部分及び定電圧部分を有する回復プロファイルを使用して、バッテリ上がりの状態のロボットを充電するステップと、回復充電プロファイルの完了時に、ユーザを促してロボットを起動させるステップとを追加で含むことができ、それによりロボットと充電ステーション間の通信を確立して、自律型ロボットから受信した識別子に少なくとも部分的に基づいて選択された充電プロファイルを使用して、ロボットの充電を完了することができる。
【００１２】
本発明のこうした特徴及び他の特徴は、以下の詳細な説明及び添付図面から明らかになろう。
【００１３】
次に、本発明の実施例を、以下の添付図面を参照して、ただ単に実例として説明することにする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】注文履行倉庫の上面図である。
【図２Ａ】図１に示す倉庫内で使用されるロボットのうちの１台の、基部の正面図である。
【図２Ｂ】図１に示す倉庫内で使用されるロボットのうちの１台の、基部の斜視図である。
【図３】アーマチュアを装備し、図１に示す棚の前に停車した図２Ａ及び図２Ｂのロボットの斜視図である。
【図４】ロボットのレーザ・レーダを使用して作成された図１の倉庫の部分的マップの図である。
【図５】倉庫全体にわたって分散された基準マーカの場所を突き止めて、基準マーカのポーズを記憶するプロセスを示す流れ図である。
【図６】基準識別表示をポーズにマッピングした表である。
【図７】大箱の場所を基準識別表示にマッピングした表である。
【図８】製品のＳＫＵをポーズにマッピングするプロセスを示す流れ図である。
【図９】この発明による、充電組立体の正面図である。
【図１０】図９の充電組立体の側面図である。
【図１１】図１０の充電ポートの斜視図である。
【図１２】充電ポートと嵌合された充電組立体の断面図である。
【図１３Ａ】この発明による、充電器ドッキング・ステーションの斜視図である。
【図１３Ｂ】外側のカバーが取り外された状態で、充電器ドッキング・ステーションの内部を示す、図１４Ａの充電器ドッキング・ステーションの斜視図である。
【図１４Ａ】図１３Ａの充電器ドッキング・ステーションの正面図である。
【図１４Ｂ】外側のカバーが取り外された状態で、充電器ドッキング・ステーションの内部を示す、図１４Ａの充電器ドッキング・ステーションの正面図である。
【図１５Ａ】図１３Ａの充電器ドッキング・ステーションの左側面図である。
【図１５Ｂ】外側のカバーが取り外された状態で、充電器ドッキング・ステーションの内部を示す、図１５Ａの充電器ドッキング・ステーションの左側面図である。
【図１６Ａ】図１３Ａの充電器ドッキング・ステーションの後面斜視図である。
【図１６Ｂ】外側のカバーが取り外された状態で、充電器ドッキング・ステーションの内部を示す、図１６Ａの充電器ドッキング・ステーションの後面斜視図である。
【図１７】図１３Ａの充電器ドッキング・ステーションを、ドッキングされたロボットと共に示す上面図である。
【図１８】この発明の態様による、充電ステーションとドッキングするロボットの略図である。
【図１９】充電ステーションの電気構成要素の概略図である。
【図２０】ロボット充電プロセスで利用される、ロボットの一部の電気構成要素の概略図である。
【図２１】様々な温度での、ロボットのバッテリの放電プロファイルのグラフである。
【図２２】本発明の態様による、ロボットの充電プロセスを示す流れ図である。
【図２３】この発明の態様による、充電ステーションの動作を示す状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本開示並びにその様々な特徴及び利点の詳細を、添付図面に記載及び／又は例示され、以下の説明で詳述される非限定的な実施例及び実例を参照して、より完全に説明する。図面に示した特徴は、必ずしも原寸に比例して描かれているわけではなく、一実施例の特徴は、本明細書で明示的に述べられていない場合でも、当業者が認識するはずである他の実施例と共に使用され得ることに留意されたい。よく知られている構成要素及び処理技法の説明は、本開示の実施例を不必要に不明瞭にしないために、省略される場合がある。本明細書で使用される実例は、本開示が実施され得るやり方を容易に理解させること、及び当業者が本開示の実施例を実施するのをより一層可能にすることを、単に意図している。したがって、本明細書の実例及び実施例は、本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。さらに、同様の参照番号は、図面のいくつかの図を通して同様の部分を表すことに留意されたい。
【００１６】
本発明は、ロボットの充電に使用する充電システムに関する。どんな特定のロボットの用途にも限定されるものではないが、本発明が使用され得る１つの好適な用途は、注文の履行である。充電システムについての観点を提供するために、この用途でのロボットの使用について説明することにする。
【００１７】
本明細書で提供する説明は、顧客への出荷のために注文を履行するように、倉庫内の大箱の場所から物品をピッキングすることに焦点を当てているが、システムは、後で取り出して顧客に出荷するための、倉庫全体にわたる倉庫内の大箱の場所への受け取った物品の保管又は配置にも、同様に適用可能である。本発明はまた、製品の統合、カウント、検証、検査、及び整頓などの、かかる倉庫システムに関連する在庫管理タスクにも適用可能である。
【００１８】
図１を参照すると、典型的な注文履行倉庫１０は、注文１６に含まれる可能性がある様々な物品で満たされた棚１２を備える。運用に際して、倉庫管理サーバ１５からの注文１６が、注文サーバ１４に到着する。注文サーバ１４は、注文１６を、倉庫１０をうろうろする複数のロボットから選択されたロボット１８に伝達する。また、本発明の一態様による１つ又は複数の充電ステーションが位置することができる、充電エリア１９も示されている。
【００１９】
好ましい実施例では、図２Ａ及び図２Ｂに示すロボット１８は、レーザ・レーダ２２を具備する自律型車輪付き基部２０を備える。基部２０は、ロボット１８が注文サーバ１４からの命令を受信するのを可能にするトランシーバ（図示せず）、及び１対のデジタル光学カメラ２４ａ及び２４ｂも特徴とする。ロボットの基部はまた、自律型車輪付き基部２０に給電する、バッテリを再充電するための充電ポート２６（図１０及び図１１により詳細に示す）も備える。基部２０はさらに、ロボットの環境を表す情報を取り込むために、レーザ・レーダ及びカメラ２４ａ及び２４ｂからデータを受信するプロセッサ（図示せず）を特徴とする。図３に示すように、倉庫１０内の誘導に関連する様々なタスクを実行するばかりでなく、棚１２上に配置された基準マーカ３０へ移動するための、プロセッサと共に動作するメモリ（図示せず）がある。基準マーカ３０（たとえば、２次元バー・コード）は、注文された物品の大箱／場所に対応する。本発明の誘導手法については、図４〜図８に関連して以下で詳細に説明する。基準マーカはまた、この発明の態様にしたがって充電ステーションを識別するために使用され、かかる充電ステーションの基準マーカへの誘導は、注文された物品の大箱／場所への誘導と同じである。ロボットが充電ステーションに移動すると、より正確な誘導手法を使用してロボットを充電ステーションにドッキングする。かかる誘導手法については、以下で説明する。
【００２０】
再び図２Ｂを参照すると、基部２０は、物品を運ぶためにトート又は大箱が格納され得る上面３２を備える。その１つを図３に示す、複数の交換可能なアーマチュア４０のいずれか１つと係合する、連結部３４も示している。図３の特定のアーマチュア４０は、物品を収容するトート４４を運ぶためのトート保持器４２（この場合は棚）、及びタブレット４８を支持するためのタブレット保持器４６（又はラップトップ／他のユーザ入力デバイス）を特徴とする。いくつかの実施例では、アーマチュア４０は、物品を運ぶための１つ又は複数のトートを支持する。他の実施例では、基部２０は、収容された物品を運ぶための１つ又は複数のトートを支持する。本明細書で使用する用語「トート」は、貨物保持器、大箱、籠、棚、そこから物品を吊るすことができる竿、缶、木枠、置き棚、台、架台、コンテナ、箱、キャニスタ、容器、及び収納庫を含むが、これらに限定されるものではない。
【００２１】
ロボット１８は、現在のロボット技術では、倉庫１０内を動き回るのには優れているが、ロボットが対象物を操作することに関連する技術的な難しさのため、棚から物品を迅速且つ効率的にピッキングして、物品をトート４４内に配置することはあまり得意ではない。物品をピッキングするより効率的なやり方は、注文された物品を棚１２から物理的に取り外し、ロボット１８の上、たとえばトート４４内に物品を置くというタスクを実行する、通常は人間である構内操作者５０を使用することである。ロボット１８は、構内操作者５０が読み取ることができるタブレット４８（又はラップトップ／他のユーザ入力デバイス）を介して、又は構内操作者５０が使用する携帯用デバイスに注文を送信することによって、構内操作者５０に注文を伝達する。
【００２２】
ロボット１８は、注文サーバ１４から注文１６を受信すると、たとえば図３に示す、倉庫の最初の場所に進む。ロボットは、メモリに記憶され、プロセッサによって実行される誘導ソフトウェアに基づいて進む。誘導ソフトウェアは、レーザ・レーダ２２、特定の物品を見つけることができる、倉庫１０内の場所に対応する基準マーカ３０の基準識別表示（「ＩＤ」）を識別するメモリ内の内部テーブル、並びに誘導するためのカメラ２４ａ及び２４ｂによって収集される、環境に関するデータに依存する。
【００２３】
正しい場所に到着すると、ロボット１８は、物品が保管されている棚１２の前にロボット自体を停車させ、構内操作者５０が物品を棚１２から取り出してトート４４の中に入れるのを待つ。ロボット１８が他に取り出す物品を有する場合は、その場所に進む。次いで、ロボット１８によって取り出された物品は、図１の梱包ステーション１００に送られ、そこで梱包され出荷される。
【００２４】
当業者は、各ロボットが１つ又は複数の注文を履行している場合があり、各注文が１つ又は複数の物品で構成される場合があることを理解されよう。通常、効率を高めるために何らかの形のルート最適化ソフトウェアが含まれることになるが、これはこの発明の範囲を超えるものであり、したがって本明細書では説明しない。
【００２５】
本発明の説明を簡略化するために、単一のロボット１８及び操作者５０で説明する。しかし、図１から明らかなように、典型的な履行操作には、連続した注文の流れを履行するために、倉庫内で互いに作業する多くのロボット及び操作者が含まれる。
【００２６】
この発明の誘導手法、並びに物品が位置する倉庫内の基準マーカに関連付けられる基準ＩＤ／ポーズへの、取り出されるべき物品のＳＫＵのセマンティック・マッピングについて、図４〜図８に関連して以下で詳細に説明する。上記のように、同じ誘導手法を使用して、ロボットが、ロボットのバッテリを再充電するために充電ステーションに移動することを可能にし得る。
【００２７】
１つ又は複数のロボット１８を使用して、静的及び動的の両方の対象物の場所、並びに倉庫全体にわたって分散される様々な基準マーカの場所を判断するために、倉庫１０のマップを作成して動的に更新する必要がある。これを行うには、ロボット１８の１つが、ロボットのレーザ・レーダ２２、及び未知の環境の仮想マップを構築又は更新する演算方法である、自己位置推定と環境地図作成との同時実行（ＳＬＡＭ：ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｍａｐｐｉｎｇ）を利用して、倉庫を移動し図４のマップ１０ａを構築／更新する。一般的なＳＬＡＭの近似解法には、粒子フィルタ及び拡張カルマン・フィルタが含まれる。ＳＬＡＭ  ＧＭａｐｐｉｎｇ手法が好適な手法であるが、任意の好適なＳＬＡＭ手法を使用できる。
【００２８】
ロボット１８は、ロボットのレーザ・レーダ２２を利用して、スペース全体にわたって移動し、レーザ・レーダが環境をスキャンするときに受信する反射に基づいて、オープン・スペース１１２、壁１１４、物体１１６、及びスペース内の棚１２ａなどの、他の静的障害物を識別して、倉庫１０のマップ１０ａを作成／更新する。
【００２９】
マップ１０ａを構築しながら、又はその後に、１つ又は複数のロボット１８は、カメラ２４ａ及び２４ｂを使用して倉庫１０全体にわたって移動し、環境をスキャンし、倉庫全体に分散され、物品が保管される図３の３２及び３４などの大箱の近位にある棚の上の基準マーカ（２次元バー・コード）の場所を探し出す。ロボット１８は、原点１１０などの既知の基準点又は原点を、基準として使用する。ロボット１８が、図３及び図４の基準マーカ３０などの基準マーカの場所を、ロボットのカメラ２４ａ及び２４ｂを使用して探し出すと、倉庫内の原点１１０に対する場所が決定される。図２Ａに示すように、ロボットの基部のどちらの側部にも１つある、２つのカメラを使用することにより、ロボット１８は、ロボットの両側から広がる比較的広い視野（たとえば、１２０度）を有することができる。広い視野により、ロボットは、たとえば、棚の通路を上下に移動するときに、ロボットの両側にある基準マーカを見ることができる。
【００３０】
ホイール・エンコーダ及び方位センサを使用することにより、ベクトル１２０及び倉庫１０内のロボットの位置を判断できる。ロボット１８は、基準マーカ／２次元バー・コードの取り込まれた画像及びその既知のサイズを使用して、基準マーカ／２次元バー・コードの、ロボットに対する向き及びロボットからの距離、つまりベクトル１３０を判断することができる。ベクトル１２０及び１３０が既知であれば、原点１１０と基準マーカ３０との間のベクトル１４０を判断することができる。ベクトル１４０、及びロボット１８に対する基準マーカ／２次元バー・コードの判断された向きから、基準マーカ３０の４元数（ｘ、ｙ、ｚ、ω）で定義されるポーズ（位置と向き）を判断することができる。
【００３１】
基準マーカ位置特定プロセスを説明する、図５の流れ図２００について説明する。これは、初期のマッピング・モードで、ロボット１８がピッキング、配置、及び／又は他のタスクを実行中に、倉庫内の新しい基準マーカに遭遇すると実行される。ステップ２０２で、カメラ２４ａ及び２４ｂを使用するロボット１８が画像を取り込み、ステップ２０４で、取り込まれた画像内の基準マーカを探索する。基準マーカが画像内で発見された場合（ステップ２０４）、ステップ２０６で、基準マーカが、ロボット１８のメモリ３４にある図６の基準テーブル３００に既に記憶されているかどうかを判断する。基準情報が既にメモリに記憶されている場合、流れ図はステップ２０２に戻り、別の画像を取り込む。基準情報がメモリ内にない場合、ポーズが、上記のプロセスにしたがって判断され、ステップ２０８で、基準対ポーズのルックアップ・テーブル３００に追加される。
【００３２】
各ロボットのメモリに記憶され得るルックアップ・テーブル３００には、基準マーカごとに基準識別表示１、２、３など、及び各基準識別表示に関連付けられた基準マーカ／バー・コードのポーズが含まれる。ポーズは、向きを含む倉庫内のｘ、ｙ、ｚ座標、又は４元数（ｘ、ｙ、ｚ、ω）で構成される。
【００３３】
各ロボットのメモリにも記憶され得る図７の別のルックアップ・テーブル４００は、倉庫１０内の大箱の場所（たとえば、４０２ａ〜ｆ）を列挙したものであり、大箱の場所は、特定の基準ＩＤ４０４、たとえば番号「１１」と関連付けられている。この実例では、大箱の場所は７つの英数字で構成されている。最初の６文字（たとえばＬ０１００１）は、倉庫内の棚の場所に関連し、最後の文字（たとえばＡ〜Ｆ）は、棚の場所にある個々の大箱を特定する。この実例では、基準ＩＤ「１１」に関連付けられた６つの相異なる大箱の場所がある。各基準ＩＤ／マーカに関連付けられた、１つ又は複数の大箱があり得る。図１の充電エリア１９に位置する充電ステーションも、テーブル４００に記憶され、基準ＩＤに関連付けられ得る。充電ステーションのポーズは、基準ＩＤから、図６の表３００内で見つけることができる。
【００３４】
英数字の大箱の場所は、物品が保管される倉庫１０内の物理的場所に一致するので、人間、たとえば図３の操作者５０には理解可能である。ただし、ロボット１８には無意味である。場所を基準ＩＤにマッピングすることにより、ロボット１８は、図６の表３００の情報を使用して基準ＩＤのポーズを判断し、次いで、本明細書で説明するようにポーズに移動できる。
【００３５】
この発明による注文履行プロセスを、図８の流れ図５００に示す。ステップ５０２で、図１の倉庫管理システム１５は、取り出されるべき１つ又は複数の物品で構成され得る注文を取得する。ステップ５０４で、物品のＳＫＵ番号が倉庫管理システム１５によって判断され、ステップ５０６で、ＳＫＵ番号から大箱の場所が判断される。次いで、注文の大箱の場所のリストがロボット１８に送信される。ステップ５０８で、ロボット１８は、大箱の場所を基準ＩＤと関連付け、ステップ５１０で、基準ＩＤから各基準ＩＤのポーズを取得する。ステップ５１２で、ロボット１８は、図３に示すようなポーズに移動し、そこで操作者は、適切な大箱から取り出されるべき物品をピッキングして、ロボット上に置くことができる。
【００３６】
倉庫管理システム１５によって取得されたＳＫＵ番号及び大箱の場所など、物品固有の情報が、ロボット１８のタブレット４８に送信されてもよく、それにより操作者５０は、ロボットが各基準マーカの場所に到着したときに、取り出されるべき特定の物品について知ることができる。
【００３７】
ＳＬＡＭのマップ及び既知の基準ＩＤのポーズを用いて、ロボット１８は、様々なロボット誘導技法を使用して、基準ＩＤのいずれか１つに容易に移動できる。好ましい手法は、倉庫１０内のオープン・スペース１１２、並びに壁１１４、棚（棚１２など）、及び他の障害物１１６の知識を前提として、基準マーカのポーズへの初期ルートを設定することを含む。ロボットは、ロボットのレーザ・レーダ２２を使用して倉庫を移動し始めると、他のロボット１８及び／又は操作者５０などの固定の又は動的な任意の障害物がロボットの経路にあるかどうかを判断し、基準マーカのポーズへのロボットの経路を繰り返し更新する。ロボットは、約５０ミリ秒ごとに１回、ロボットのルートを再計画し、障害物を回避しながらも最も効率的で効果的な経路を常に探索する。
【００３８】
一般に、倉庫１０ａ内のロボットの自己位置推定は、ＳＬＡＭの仮想マップ上で動作する多対多の多分解能スキャン・マッチング（Ｍ３ＲＳＭ：ｍａｎｙ−ｔｏ−ｍａｎｙ  ｍｕｌｔｉｒｅｓｏｌｌｕｔｉｏｎ  ｓｃａｎ  ｍａｔｃｈｉｎｇ）によって実現する。総当たりの方法と比較して、Ｍ３ＲＳＭは、ロボットが、ロボットのポーズ及び位置を判断する２つの重要なステップである、ＳＬＡＭのループの閉じこみ（ｌｏｏｐ  ｃｌｏｓｕｒｅ）及びスキャン・マッチングを実行する演算時間を劇的に削減する。ロボットの自己位置推定は、関連する２０１７年９月２２日に出願された「ＭＵＬＴＩ−ＲＥＳＯＬＵＴＩＯＮ  ＳＣＡＮ  ＭＡＴＣＨＩＮＧ  ＷＩＴＨ  ＥＸＣＬＵＳＩＯＮ  ＺＯＮＥＳ」という名称の特許文献１に開示された方法によって、Ｍ３ＲＳＭの探索空間を最小限に抑えることでさらに改善される。特許文献１は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
【００３９】
その両方を本明細書で説明する、ＳＬＡＭ誘導技法と組み合わせた製品のＳＫＵ／基準ＩＤから基準ポーズへのマッピング技法を用いて、ロボット１８は、通常使用される、倉庫内の場所を判断するためのグリッド線及び中間基準マーカを必要とする、より複雑な誘導手法を使用する必要なく、非常に効率的且つ効果的に倉庫の空間を移動できる。
【００４０】
一般に、他のロボット及び倉庫内を移動する障害物が存在する中での誘導は、動的ウィンドウ手法（ＤＷＡ：ｄｙｎａｍｉｃ  ｗｉｎｄｏｗ  ａｐｐｒｏａｃｈ）及び最適相互衝突回避（ＯＲＣＡ：ｏｐｔｉｍａｌ  ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ  ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ  ａｖｏｉｄａｎｃｅ）を含む衝突回避方法によって実現される。ＤＷＡは、実現可能なロボットの移動軌跡の中から、障害物との衝突を回避し、ターゲットの基準マーカへの望ましい経路を優先する増分移動について演算する。ＯＲＣＡは、他のロボットとの通信を必要とせずに、他の移動するロボットとの衝突を最適に回避する。誘導は、約５０ｍｓの更新間隔で演算された軌跡に沿った、一連の増分移動として進む。衝突回避は、関連する２０１７年９月２２日に出願された「ＤＹＮＡＭＩＣ  ＷＩＮＤＯＷ  ＡＰＰＲＯＡＣＨ  ＵＳＩＮＧ  ＯＰＴＩＭＡＬ  ＲＥＣＩＰＲＯＣＡＬ  ＣＯＬＬＩＳＩＯＮ  ＡＶＯＩＤＡＮＣＥ  ＣＯＳＴ−ＣＲＩＴＩＣ」という名称の特許文献２で説明される技法によって、さらに改善される可能性がある。特許文献２は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
【００４１】
上述のように、ロボット５０は定期的に再充電する必要がある。物品が保管されている倉庫内の場所にマーク付けすることに加えて、基準マーカを、倉庫内の１つ又は複数の充電ステーションに配置できる。ロボット１８の電力が低下すると、ロボット１８は、充電ステーションに位置する基準マーカに移動することができ、それにより再充電され得る。充電ステーションの場所にくると、ロボットは、操作者にロボットを充電システムに接続させて手動で再充電されてもよく、又はロボットがロボットの誘導手法を使用して、ロボット自体を充電ステーションにドッキングさせてもよい。
【００４２】
図９及び図１０に示すように、充電組立体２００は、充電ステーションで使用され得る。充電組立体２００は、第１の雄型端子部材２０４及び第２の雄型端子部材２０６が配設される充電器基部２０２を備える。この図には示していないが、倉庫の電気設備からの正の電気入力が、充電器基部２０２に取り付けられ、第１の雄型端子部材２０４又は第２の雄型端子部材２０６の一方に電気的に接続されることになる。また、負の電気入力が、充電器基部２０２に基部に取り付けられ、第１の雄型端子部材２０４又は第２の雄型端子部材２０６の他方に電気的に接続されることになる。
【００４３】
第１の雄型端子部材２０４は、充電器基部２０２に取り付けられ、充電器基部２０２の表面２１４から第１の軸２１２に沿って垂直に延出する第１の基部２１０を備え、第１の電気接点２１６で終端をなす。第１の電気接点２１６は、正又は負の電気接続の一方が取り付けられることになる、充電器基部２０２内に延出する銅バス・バーの形態であり得る。第２の雄型端子部材２０６は、充電器基部２０２に取り付けられ、充電器基部２０２の表面２１４から第２の軸２２２に沿って垂直に延出する第２の基部２２０を備え、第２の電気接点２２６で終端をなす。第２の電気接点２２６はやはり、正又は負の電気接続の他方が取り付けられることになる、充電器基部２０２内に延出する銅バス・バーの形態であり得る。
【００４４】
第１の雄型端子部材２０４は、複数の外面を備え、そのうちの少なくとも２つは、第１の基部２１０から第１の電気接点２１６まで湾曲した形状を有し、凹面を形成する。図９及び図１０に示す実施例では、３つの湾曲面がある。すなわち、上部湾曲面２３０並びに対向する側部湾曲面２３２及び２３４であり、その３つは、特定の曲率半径で第１の基部２１０から第１の電気接点２１６まで湾曲し、凹面を形成する。この実施例では、対向する側部湾曲面２３２及び２３４の曲率半径は、約６３．９ｍｍである。上部湾曲面２３０の曲率半径は、約２１８．７ｍｍである。これらは、最適な位置合わせ補正を実現するために、経験的に決定された。垂直方向と比較して、水平方向により多くの位置ずれが予想される。したがって、対向する側部湾曲面には、より小さい曲率半径が設けられる。もちろん、湾曲面の曲率半径は用途に応じて変えることができる。
【００４５】
加えて、第１の雄型端子部材２０４は、第１の軸２１２に実質的に平行で充電器基部２０２の表面２１４に垂直な平面２３６を備える。平面２３６は、第１の電気接点２１６に近接するへこんだ表面部分２３８を備える。
【００４６】
第２の雄型端子部材２０６は、複数の外面を備え、そのうちの少なくとも２つは、第２の基部２２０から第２の電気接点２２６まで湾曲した形状を有し、凹面を形成する。図９及び図１０に示す実施例では、３つの湾曲面がある。すなわち、底部湾曲面２４０並びに対向する側部湾曲面２４２及び２４４であり、その３つは、特定の曲率半径で第１の基部２２０から第１の電気接点２２６まで湾曲し、凹面を形成する。この実施例では、対向する側部湾曲面２４２及び２４４の曲率半径は、約６３．９ｍｍである。底部湾曲面２４０の曲率半径は、約２１８．７ｍｍである。これらは、最適な位置合わせ補正を実現するために、経験的に決定された。垂直方向と比較して、水平方向により多くの位置ずれが予想される。したがって、対向する側部湾曲面には、より小さい曲率半径が設けられる。もちろん、湾曲面の曲率半径は用途に応じて変えることができる。
【００４７】
加えて、第２の雄型端子部材２０６は、第２の軸２２２に実質的に平行で充電器基部２０２の表面２１４に垂直な平面２４６を備える。平面２４６は、第２の電気接点２２６に近接する裾が広がった表面部分２４８を備える。
【００４８】
第１の雄型端子部材２０４の少なくとも１つの平面２３６、及び第２の雄型端子部材２０６の少なくとも１つの平面２４６によって画定される、第１の雄型端子部材２０４と第２の雄型端子部材２０６との間の空隙２５０が形成される。空隙２５０は、第１の電気接点２１６と第２の電気接点２２６との間に開口部２５２を有する。開口部２５２には、平面２３６のへこんだ表面部分２３８及び平面２４６の裾の広がった表面部分２４８がある。
【００４９】
再び図９及び１０を参照すると、金属接点２６０ａ〜ｅが充電器基部２０２上に配置されている。これらの金属接点は、後述する充電ポート３００上の対応する磁石と係合し、充電中に充電組立体２００及び充電ポート３００を所定の場所に固定する。或いは、磁石は、充電ポート３００上の金属接点を備えた充電器基部２０２上に配設され得る。
【００５０】
ロボットが、固定された充電ステーションにドッキングしようとする場合、カメラ２４ａ及び２４ｂを使用してロボットを所定の位置にうまく移動させ、それにより充電ポート３００は、充電組立体２００と嵌合できる。カメラは、充電ステーションに関連付けられた基準マーカを、以下でより詳細に説明する、精細な自己位置推定のための基準点として使用することができる。ロボットが所定の位置に移動するとき、電気組立体２００の電気接点２１６及び２２６をそれぞれ充電ポート３００の電気接点３０４及び３０６と嵌合させるための、完全な位置合わせを達成することは困難な場合がある。したがって、充電組立体２００及び充電ポート３００は、ロボットがより迅速に再充電できるように、より容易に、より効率的に、より問題なく確実に嵌合するために、特別に設計されている。
【００５１】
図１１及び図１２を見てわかるように、充電ポート３００は、ロボットの基部２０ａがドッキングしようとしているときに、充電組立体２００の第１の雄型端子部材２０４及び第２の雄型端子部材２０６をそれぞれ受容し、それらと係合するよう構成される、第１の空隙３０８及び第２の空隙３１０を有する。空隙３０８は、第１の雄型端子部材２０４の湾曲面２３０、２３２及び２３４と相補的な凹状湾曲面３１２を備える。言い換えると、第１の空隙３０８は、第１の雄型端子部材２０４の湾曲した外面（２３０、２３２、及び２３４）の曲率半径と実質的に等しい曲率半径を有する湾曲面３１２を備えることができる。この場合、実質的に等しいとは、空隙３０８への第１の雄型端子部材２０４の挿入及び取外しを可能にするように、ほんのわずかにより大きいことを意味する。空隙３１０も、第２の雄型端子部材２０６の湾曲面２４０、２４２及び２４４と相補的な凹状湾曲面３１４を備える。言い換えると、第２の空隙３１０は、第２の雄型端子部材２０６の湾曲した外面（２４０、２４２、及び２４４）の曲率半径と実質的に等しい曲率半径を有する湾曲面３１４を備えることができる。この場合、実質的に等しいとは、空隙３１０への第２の雄型端子部材２０６の挿入及び取外しを可能にするように、ほんのわずかにより大きいことを意味する。
【００５２】
空隙３０８及び３１０の開口部は、第１の雄型端子部材２０４、第２の雄型端子部材２０６の電気接点２１６／２２６の、幅／長さより広く、より長い。余分の幅／長さにより、嵌合プロセス中に水平／垂直方向に多少位置ずれがある場合でも、第１の雄型端子部材２０４、第２の雄型端子部材２０６を空隙３０８及び３１０内に、より容易に受容できる。ロボットが充電組立体２００に向かって移動すると、相補的に湾曲した面の係合により、第１雄型端子部材２０４及び第２雄型端子部材２０６が、位置が合うよう誘導され、それにより充電組立体の電気接点２１６／２２６と充電ポート３００の電気接点３０４／３０６との間の係合が生じることになる。
【００５３】
したがって、嵌合部品（雄型端子部材及び空隙）の半径は、雄型端子部材が空隙に最初に挿入されるときに粗い位置合わせを、そして完全な挿入に近づくにつれて微調整を可能にするよう設計されている。
【００５４】
充電システムは、より簡単な垂直方向位置合わせのためのさらなる特徴を提供する。該特徴は、充電組立体２００の空隙３５０の開口部３５２と組み合わせる、空隙３０８と３１０との間にある仕切り３２０との相互作用によって達成される。裾が広がった表面部分２４８は、より広い開口部をもたらすので、ドッキングのプロセスが行われるときに、垂直方向に位置ずれがある場合、裾が広がった表面部分により、仕切り３２０が空隙３５０内の所定の位置へ垂直方向にずり上がる。
【００５５】
第１及び第２の雄型端子２０４及び２０６が空隙３０８及び３１０に完全に挿入されると、充電組立体２００は、充電組立体２００上の金属接点２６０ａ〜ｅと係合する磁石３６０ａ〜ｅによって、充電ポート３００に所定の位置で固定される。磁石は、充電ポート３００の外面の内側に配設され得るので、したがって、架空の線で示している。
【００５６】
充電システムには、操作者が手動で充電する場合に有用な、さらなる特徴がある。充電組立体２００が不適切に充電ポート３００に挿入された場合、すなわち、充電組立体２００の電気接点２１６が充電ポート３００の電気接点３０６に接続され、充電組立体の電気接点２２６が充電ポート３００の電気接点３０４に接続される上下逆の場合、極性が逆になり、その結果ロボット基部２０ａに重大な損傷が生じるであろう。
【００５７】
重大な損傷が生じないようにするために、ストッパ３３０（図１１及び図１２参照）が、充電ポート３００の仕切り３２０の表面に備えられる。ストッパ３３０は、傾斜面部分３３２及び平面部分３３４を備える。図１０に示すように、充電組立体２００の空隙２５０内には、充電組立体２００を充電ポート３００に完全に挿入することを可能にする、へこんだ表面部分２３８がある。へこみ２３８によって、ストッパ３３０の傾斜面部分３３２及び平面部分３３４が、パズルのピースのごとく、へこんだ表面部分２３８の傾斜部分及び平坦な部分と係合するように、第１雄型端子部材２０４によるストッパ３３０との隙間ができる。充電組立体２００が上下逆になっていた場合、充電ポート３００に挿入されると、第２の雄型端子部材２０６の表面２４６がストッパ３３０に接触し、完全な挿入及び電気接点３０４との接触が防止されることになる。
【００５８】
図１２に示すように、雄型端子部材２０４及び２０６の電気接点２１６及び２２６がそれぞれ電気接点３０４及び３０６と係合すると、電気接点３０４及び３０６は、ばね荷重ピンの形態をとり得るので、圧縮される。電気接点３０４及び３０６は、線４００における電気接点の完全に延出した位置から、線４０２における電気接点の圧縮された位置（図示せず）まで、圧縮することができる。電気接点３０４及び３０６のそれぞれは、５つのばね荷重ピンを備えるよう示している。使用されるピンの数は、充電プロセスの際に流すべき予想される電流及び個々のピンの容量に依存する。電気接点に複数のばね荷重ピンを使用することは、製造のばらつき及び部品の摩耗がある場合でさえも、雄型端子部材２０４及び２０６の電気接点２１６及び２２６との適切な接触を確保するのに有益である。
【００５９】
電気接点３０４及び３０６が圧縮された位置にあるとき、充電ポート３００の磁石３６０ａ〜ｅは、充電組立体２００の金属接点２６０ａ〜ｅに近接し、それらは磁気的に係合して、充電組立体２００及び充電ポート３００を所定の位置で固定する。この位置では、雄型端子部材２０４及び２０６の上側及び下側湾曲面２３０及び２４０がそれぞれ、空隙３０８及び３１０の表面３１２及び３１４のそれぞれと、相補的に係合していることがわかる。
【００６０】
また、第１の雄型端子部材２０４のバス・バー４１０及び第２の雄型端子部材２０６のバス・バー４１２も図１２に示す。バス・バーは取付台４１４に接続され、充電組立体２００内に、電気接点２１６及び２２６の反対側の端部で、バス・バーを固定する。
【００６１】
この発明の一態様による充電器ドッキング・ステーション５００を、図１３〜図１６及び図１７に示す。特に図１３及び１４を参照すると、充電器ドッキング・ステーション５００は、上記のように、充電器ドッキング・ステーション５００の前面カバー５０２から突出する充電組立体２００を備える。充電組立体２００は、再充電が必要なときにロボットが容易に円滑なドッキング・プロセスを進めるように、充電組立体２００が（以下で説明するように）６自由度で動くことを可能にしながらも、前面カバー５０２の開口部５０６を密封するために、充電器ドッキング・ステーション５００のＵ字型ゴム蛇腹取付台５０４上に装着される。
【００６２】
ロボットが円滑にドッキングしない場合に、充電器ドッキング・ステーション５００が損傷しないよう保護するために、前面カバー５０２の底部を横切って水平に装着される、金属製であり得る保護バンパ５０８も示す。充電器ドッキング・ステーション５００は、右側面カバー５１０及び左側面カバー５１２（図１３Ａでは見えない）をさらに備える。図１５Ａに示すように、右側面カバー開口部５１４ａには、充電器ドッキング・ステーション５００をより容易に持ち上げるために手を挿入することができる、把持エリア５１６ａがある。この図では見えないが、同様の開口部及び把持エリアが左側面カバー５１２に設けられ、開口部５１４ｂ及び把持エリア５１６ｂとして図１６Ａに示している。右側面カバー５１０の後部の開口部には、充電器ドッキング・ステーション５００内の電気部品を冷却する通気孔５１８ａも示す。同様の通気孔５１８ｂは、図１６Ａに見える左側面カバー５１２に設けられる。
【００６３】
前部フレーム部材５２０ａ、右側フレーム部材５２０ｂ、左側フレーム部材５２０ｃ、及び後ろ側フレーム部材５２０ｄを備える金属フレームは、充電器ドッキング・ステーション５００の基本構造を形成するために相互に連結される。図１３Ｂを参照すると、フレーム部材のそれぞれは、ボルト５２１ａ〜ｄによって倉庫の床に固定され、保護バンパ５０８は、前部フレーム部材５２０ａを介して金属フレーム５２０に固定される。保護バンパ５０８は、前面カバー５０２の外側にあり、前面カバーから突き出ているので、ロボットが充電器ドッキング・ステーション５００とドッキングするときに、ロボットとの最初の衝撃点となる。ロボットによる不注意での強い力の衝撃を受けるとき、かかる大きな力は、前面カバー５０２ではなく保護バンパに加えられるであろう。前面カバー５０２並びに右側面カバー５１０及び左側面カバー５１２は、典型的には、硬質プラスチック材料で作られ、ロボットから衝撃を受けた場合に亀裂／破壊を受けやすい。保護バンパ５０８に加えられた力は、前部フレーム部材５２０ａを介して、さらに金属フレーム５２０に散逸される。前部フレーム部材５２０ａは、充電ステーション５００の幅の端から端まで延在するＣ字形部材と、Ｃ字形部材と一体であり、Ｃ字形部材の上面から延出するフランジとを備える。保護バンパ５０８は、前面カバー５０２の複数の開口を介してフランジと相互に連結する。バンパ５０８からの力は、フランジ及びＣ字形部材を介して前部フレーム部材に伝わり、さらに右側、左側、及び後ろ側フレーム部材５２０ｂ〜ｄに伝わる。最終的に、力は、ボルト５２１ａ〜ｄを介して倉庫の床に伝わる。したがって、この保護バンパ・システムは、ロボットから与えられた力を吸収して硬質プラスチック製前面カバー５０２から散逸させ、前面カバーを損傷から保護する。
【００６４】
やはり硬質プラスチック材料でできている上部カバー５２４は、上部カバー５２４の表面の空隙内に配設された、ユーザが充電器ドッキング・ステーションを操作するためのいくつかのインジケータ及び制御部を具備することができる、ユーザ・インタフェース・パネル５２６を備える。たとえば、「準備完了」、「充電中」、「電源オン」、「回復モード」、及び「故障」又は「非常停止」などの様々な状態を示す点灯式の信号が含まれ得る。「電源オン／オフ」、「手動充電開始」、「ドッキング解除」、「リセット」、及び「非常停止」などの釦が備えられ得る。
【００６５】
上部カバー５２４の後縁に沿って後部パネル５２８があり、後部パネル５２８は、中央パネル部５３０と、中央パネル５３０の右側及び左側にそれぞれ側部パネル部５３２及び５３４とを備える。中央パネル５３０は、前面カバー５０２に実質的に平行な長方形の前面５３６を備える。右側部パネル５３２は、長方形の前面５３８を備え、左側面パネル５３４は長方形の前面５４０を備える。
【００６６】
右及び左の側部パネル５３２及び５３４は、それぞれ一方の側部に広い側壁５４２及び５４４を備え、他方の側部で、中央パネル部５３０と相互に連結する、より狭い幅に収束する。したがって、右及び左の側部パネル５３２及び５３４は、くさび型である。その結果、側部パネルの前面５３８及び５４０は、中央パネル５３０とも前面カバー５０２の前面５３６とも平行ではない。側部パネルの前面はそれぞれ、表面５３６に対して角度θで配設される。前面５３８及び５４０にそれぞれ配設された基準マーカ５４６及び５４８（たとえば、２次元バー・コード）も、前面５３６及び前面カバー５０２に対して角度θで配設される。
【００６７】
以下で詳細に説明するように、ロボットは、内蔵されたカメラを使って基準マーカを見ることにより、充電器ドッキング・ステーションとドッキングするプロセスの際に、精密な誘導のために角度の付いた基準マーカを使用する。概して、充電が必要なときに充電器ドッキング・ステーションに誘導するために、ロボットは、上記のように、製品の大箱に誘導するときと同じように誘導する。充電ステーション５００は、前面カバー５０２に近接して位置し、ロボットの内蔵されたカメラが後部パネル５２８の方を向くように、一般に（回転して）位置合せされるポーズに関連付けられ得る。
【００６８】
図１３Ｂ及び図１４Ｂを参照すると、ばねを含み得る柔軟な部材５５０ａ〜ｄは、充電組立体２００上の脚部５５１ａ〜ｄ（脚部５５１ｃ及び５５１ｄは見えない）にそれぞれ接続され、６自由度すべての一定量の動きを可能にし、ロボットを充電器ドッキング・ステーションに誘導する際の小さな誤差の原因となるが、一方でたとえば図１２に示すように、充電組立体２００と充電ポート３００との間の適切な機械的及び電気的接続を依然として可能にする。
【００６９】
加えて、図１５Ｂを見てわかるように、ガス・スプリング５５２は、矢印５５４及び５５５によって示すように、充電組立体２００がガス・スプリング５５２の軸に沿って移動するときに充電組立体２００を安定させるために、充電組立体２００に連結される。ガス・スプリング５５２は、充電器ドッキング・ステーション５００の床パネル５５８に取り付けられたフレーム５５６上に装着される。嵌合プロセスの際に、ロボットが、充電器ドッキング・ステーション５００に向かって移動すると、充電ポート３００（上記）が充電組立体２００に接触し、矢印５５４の方向に力を加える。ガス・スプリング５５２は、充電ポート３００と充電組立体２００との嵌合中に、ある程度の移動を可能にするのに十分な矢印５５５の方向への抵抗力をもたらすが、矢印５５４の方向への過度の移動を防止して、ストッパとして作用し、確実に適切に嵌合させる。
【００７０】
加えて、充電組立体２００と充電ポート３００との間の磁気連結（上述）により、嵌合解除プロセスの間に、充電ポート３００が充電組立体２００から後退しているとき、充電組立体２００は、磁力に打ち勝つまで矢印５５５の方向に引っ張られることになる。ガス・スプリング５５２はまた、矢印５５４の方向へ力を与えることにより、移動が確実に制限される。
【００７１】
充電ポート３００（コネクタの雌型部分である）は、本明細書ではロボットに装着されるものと説明し、充電組立体２００（コネクタの雄型部分である）は、本明細書では充電ステーションに装着されるものとして説明しているが、もちろん、これらの構成要素は逆にすることが可能である。逆の場合、充電ポート３００は充電ステーションに装着されることになり、充電組立体２００はロボットに装着されることになる。さらに、当業者には明らかであるように、他の充電器ポート及び設計が、本明細書で説明する実施例に関連して使用されてもよい。
【００７２】
再び図１３Ｂを参照すると、床パネル５５８上に装着されたフレーム脚部５６２及び５６４によって部分的に支持されている上部パネル５６０は、制御基板５７２及び赤外線（ＩＲ：ｉｎｆｒａｒｅｄ）トランシーバ基板５７４が収容される空隙を有する。制御基板５７２は、充電プロトコルのアクティブ化、充電パラメータ及びプロファイルの選択、充電条件及び状態（たとえば、充電状態及びバッテリ温度）の監視、並びにロボットとの通信を含む、充電器ドッキング・ステーション５００の全体的な制御を可能にする。これらのすべてを、より詳細に後述する。ＩＲトランシーバ基板５７４は、ドッキング及び充電プロセスの際のロボットとの通信に使用され、ＩｒＤＡ（赤外線データ協会：ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｄａｔａ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）通信プロトコルを利用することができる。
【００７３】
図１３Ｂ並びに図１５Ｂを引き続き参照すると、後壁パネル５８０を示しており、これは、倉庫の電力によって給電される電源５８２を支持する。後壁パネル５８０は、電源５８２のためのヒート・シンクとして機能することもでき、熱をよりよく伝導するために他のパネルとは異なる金属で作られてもよい。後部パネル５８０はさらに、フレーム脚部５６２及び５６４と共に上部パネル５６０を支持する。倉庫の電力は、たとえばＩＥＣコネクタであり得るコネクタ５８４を介して充電器ドッキング・ステーション５００に供給される。床パネル５５８に連結され、コネクタ５８４に隣接する位置にある壁５８６を使用することで、充電器ドッキング・ステーションへの、電源のさらなる保護が可能となり得る。
【００７４】
図１６Ａ及び図１６Ｂは、それぞれカバーが付いた状態及び外れた状態での、充電器ドッキング・ステーション５００の背面からの斜視図を提示する。これらの図では、充電器ドッキング・ステーションの右側面を見ることもできる。図１６Ａでは、それを通って電気コネクタ５８４に接続するための、家庭からの電源が供給されるポート５９２を備える後壁５８０を示している。電気コネクタ５８４の後部が、図１６Ｂの後壁５８０の穴を通って突出していることがわかる。
【００７５】
ロボットのドッキング
再充電のための充電ステーション５００へのロボットのドッキングについて、図１７及び図１８に関して説明する。図１７では、充電ステーション５００の充電組立体２００に嵌合されている、充電ポート３００を備えるロボット１８を示す。ロボット１８は、たとえば、充電ステーションについて記憶されたポーズによって定義される場所６００に移動することができる。ポーズ６００への誘導は、倉庫全体にわたる様々な大箱の場所にロボットを誘導するために、上記のやり方で行われる。ポーズ６００に達すると、ロボット１８を場所６０２に位置決めするために精密誘導プロセスが行われ、その場所で、充電ポート３００が充電組立体２００と嵌合し、再充電のためにロボット１８が充電ステーション５００にドッキングされる。
【００７６】
カメラ２４ａ及び２４に対する表面５３８及び５４０（及びそれぞれの基準５４６及び５４８）の向きは、図１８に関連して説明する。図１８に示すように、ロボット１８は、位置６０２に位置し、したがって、ロボット１８は充電ステーション５００にドッキングされる。この位置では、カメラ２４ａの視野φ（約７９．４度）は、表面５３６及び５３８にわたって広がることを示している。カメラ２４ａの光軸６１０（すなわち、視野の中心線又はφ／２）は、実質的に垂直な角度で表面３８及び基準４６と交差する。加えて、この位置では、カメラ２４ｂの視野φ（約７９．４度）は、表面５３６及び５４０にわたって広がり、カメラ２４ａの視野とわずかに重なっていることを示している。カメラの組み合わされた視野は、ロボット１８に約１２０度の有効視野をもたらす。組み合わされた視野は、重なり合った部分がロボットの死角を作るため、カメラの視野の合計よりも小さくなる。
【００７７】
カメラ２４ｂの光軸６１２（すなわち、視野の中心線又はφ／２）は、垂直な角度で表面４０及び基準４８と交差する。ドッキング時に、カメラの光軸が表面５３８及び５４０に対して確実に垂直に位置合せされるようにするためには、表面５３６に対する表面５３８及び５４０の向きである角度θを正確に設定する必要がある。この実例では、角度θは約１５０度である。このように基準を位置決めすることにより、カメラ２４ａ及び２４ｂによる基準の視認性が向上する。
【００７８】
上記のように、カメラはロボットの中心からずれているので、カメラは組み合わされて広い視野をもたらす。ただし、カメラの向きによっては、充電ステーションの基準を見るのが困難になる。この問題に対処するために、基準を、カメラとよりよく位置合せした角度に向けることができ、これにより、基準をより正確に読み取ることがより容易になる。これは、図１８に示すように、ロボットがドッキングされた位置にあるときに、カメラの光軸を、基準に対して実質的に垂直な角度になり、基準の中心に合うように向きを合わせることにより、達成することができる。
【００７９】
ロボットが充電ステーション５００と嵌合するようにロボット１８を制御することは、ロボットをポーズ６００に誘導するために使用される手法よりも正確な誘導手法を必要とする場合がある。ロボットは、ポーズ６００に達すると、ロボットのカメラのフレーム内の、表面５３８及び５４０のそれぞれの基準５４６と５４８の認識された位置及び向きを使用することができる。ポーズ６００では、ロボット１８は、基準５４６及び５４８を認識するのに十分近く、充電ステーション５００のほぼ中心に位置する。この初期ポーズ位置へのロボットの誘導における誤差を許容する、ドッキング制御アルゴリズムを使用することができる。言い換えると、ポーズ６００に到達するために使用される、５ｃｍの分解能のマップを使用する場合がある誘導手法は、ポーズの場所に正確に位置しない可能性がある。ロボット１８は、名目上はポーズ６００の位置にある間に、ロボットのカメラ２４ａ及び２４ｂを使用して、基準５４６及び５４８の位置及び向きに関する情報を取得する。ロボットは、充電ステーション５００に向かって移動するとき、以下の２つの誤差量を最小限に抑えようとする。
【００８０】
（１）各カメラが、１つの基準を検出することにする。左のカメラ及び右のカメラが、それぞれ左の基準及び右の基準を検出することにする。基準は、検出されると、基準がロボットには、ロボットの経路に対して完全に垂直に見えるように（すなわち、歪んで見えるのではなく、「平坦に」カメラから認識されるように）、内部で変換され得る。次いで、各基準マーカの相対的なサイズを検出し、それを使用して、ロボットが一方の基準に、他方の基準より近いかどうかを判断できる。一方の基準に近いことは、ロボットが、完全にはロボットの進入路の中心に位置しておらず、中心線に向かって移動する必要があることを示している。補正された左の基準の画素領域をＳＬと呼び、補正された右の基準の画素領域をＳＲと呼ぶ場合、ロボットは、｜ＳＲ−ＳＬ｜を最小化する必要がある。
【００８１】
（２）左のカメラ画像内で、左のドッキング基準は、画像の右側からある画素数のところにあろう。この数をＤＬと呼ぶこととする。同様に、右のカメラ画像の場合、右のドッキング基準は、画像の左側からある画素数ＤＲのところにあることとする。したがって、ロボットは、｜ＤＲ−ＤＬ｜を最小化する必要がある。
【００８２】
ロボットは最初に（１）の誤差を修正する必要があるので、一定の線速度をロボットに発行し、且つｋＳ（ＳＲ−ＳＬ）の回転速度を、この値がある閾値ＴＳを下回るまでロボットに発行する。項ｋＳは、値が（０，１）の範囲にある比例制御の定数である。閾値ＴＳが満たされると、ロボットは、回転速度ｋＤ（ＤＲ−ＤＬ）をロボットに発行して（２）の誤差を最小化しようとする。ここでｋＤも、（０，１）の範囲にある比例制御の定数である。（ａ）ロボットがドックに到着するか、又は（ｂ）誤差｜ＳＬ−ＳＲ｜が閾値ＴＳを超えて大きくなるまでこれを継続し、（ｂ）の時点で（１）の誤差を最小化するように切り替えて戻す。
【００８３】
上記の精密誘導手法は、ロボット１８を充電ステーション５００にドッキングするために使用され得る様々な手法の一実例である。
【００８４】
ロボット充電ハードウェア
好ましい実施例において説明するロボットは、通常の「ライブ」動作中に、充電ステーションと自動的に嵌合するよう構成される。すなわち、ロボットは、充電中も電力がある状態で保持され、嵌合されながらも光通信又は他の方法を介して充電ステーションと情報交換できる。たとえば、充電ステーションは、充電中にロボットのバッテリの温度を取得し、一方ロボットは、充電ステーションからバッテリに運ばれた電荷量を取得する。
【００８５】
図１９を参照すると、制御基板５７２は、充電プロトコルのアクティブ化、充電パラメータ及びプロファイルの選択（バッテリ／ロボットの種類に基づく）、充電条件及びステータスの監視（たとえば、充電状態及びバッテリ温度）、並びにロボットとの通信を含む、充電ステーション５００の全体的な制御を行う。ＩＲトランシーバ基板５７４は、ドッキング及び充電プロセスの際のロボットとの通信に使用することができ、ＩｒＤＡ（赤外線データ協会）通信プロトコルを利用することができる。ロボットと充電ステーションとの間の通信は、有線接続を介することを含む様々な既知のやり方で実施することができる。充電ステーションはまた、ロボットがドッキングされたときにロボットの雌型充電ポート３００と嵌合する、雄型充電組立体２００も備える。絶縁表面上に配設されたジェンダレス平板（ｇｅｎｄｅｒ−ｌｅｓｓ  ｆｌａｔ  ｐｌａｔｅ）を含む、他の形態の電気コネクタを使用してもよいことは、当業者には理解されよう。
【００８６】
電圧がプログラム可能な電源であり得る電源５８２、及びロボットの雌型充電ポート３００と嵌合したときに、雄型充電組立体２００を介して電源５８２からロボットに出力される電荷量を検知するための電流センサ基板６５０がある。ＩＲトランシーバ基板５７４、電源５８２、及び電流センサ基板６５０は、それぞれ、制御基板５７２のマイクロプロセッサ７００に相互接続される。マイクロプロセッサ７００は、ＳＴ  ＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓのＣｏｒｔｅｘ  Ｍ４派生品又は他のＣｏｒｔｅｘ若しくは相当する種類のプロセッサであり得る。
【００８７】
一実施例では、充電ステーション５００は、３相充電プロファイルを使用してＬｉＦｅＰＯ４（リン酸鉄リチウム）バッテリの充電要件に適応させることができ得る。ＬｉＦｅＰＯ４は、本明細書で説明する種類のロボットで使用される典型的なバッテリであり得る。この種類のバッテリでは、１．５Ｃの充電率を可能にする１ｋＷ電源が、こうした制約を満たすであろう。しかし、充電ステーション５００は、相異なる充電要件で、様々な種類のバッテリを充電でき得ることが理解されよう。
【００８８】
図１９を参照し続けると、制御基板５７２は、低ドロップアウト（ＬＤＯ：ｌｏｗ  ｄｒｏｐ−ｏｕｔ）レギュレータ７０２を備え、電源５８２の補助５Ｖ出力によって給電される、よく調節された＋３．３Ｖ及び１．８Ｖ（又は必要に応じて）の内部供給電圧を供給することができる。制御基板はまた、電源オン、電源遮断、ウォッチドッグのタイムアウト、又は手動釦が押下された場合に、マイクロプロセッサ７００をリセットすることができる電力監視回路７０４を備えることができる。マイクロプロセッサ７００のＩ／Ｏ機能に関して、電源５８２の主出力をオン状態にして充電を可能にする、マイクロプロセッサ７００からの出力７０６、及び電源５８２の主出力７１０が機能していることを検知する、電源５８２からの入力７０８がある。
【００８９】
マイクロプロセッサ７００は、バッファ付きアナログ出力７１２によって供給される電圧入力を介して、電源５８２の出力を制御する。電源５８２の出力７１０から取得される、スケーリングされたバッファ付きアナログ電圧入力７１４は、電圧基準回路７１６からの精密な基準電圧と共にマイクロプロセッサ７００に入力され、充電中にロボットに供給されている充電電圧を監視する。加えて、電流センサ基板６５０から取得されるバッファ付きアナログ電流入力７１８は、ロボットに出力されている充電電流を監視するために、マイクロプロセッサ７００によって使用される。
【００９０】
制御基板５７２は、マイクロプロセッサ７００とＩｒＤＡ基板５７４との間のＲＳ４８５シリアル通信を可能にする通信インタフェース７２０を含む、複数のポート及び入力／出力を備える。通信インタフェースにより、さらに、充電ステーション５００とロボットとの間の赤外線通信が可能になる。端末シェル及びマイクロＵＳＢコネクタを介したデバッグ／診断を可能にするイーサネット・ポート７２２、及びデバイスのファームウェア更新（ＤＦＵ：ｄｅｖｉｃｅ  ｆｉｒｍｗａｒｅ  ｕｐｄａｔｅ）ブートローダへのアクセスを可能にする押し釦７２４がある。また、ユーザ・インタフェース・パネル５２６のディスプレイ上に準備完了／充電中／故障表示するための、４つの高輝度ＬＥＤを駆動する出力７２６もある。
【００９１】
一実施例では、電源５８２は、３７Ａの出力電流を供給することができるＭｅａｎｗｅｌｌ  ＲＳＰ−１０００−２７電源であり得る。電源５８２への入力電力７３０は、倉庫の内部電力からの１２０ＶＡＣであり得る。主電源出力電圧／電流７１０は、バッファ付きアナログ出力７１２によって、２．５Ｖから４．５ボルトの範囲の電圧を使用して入力ピンをアクティブに駆動し、充電供給電流（定電流段階）又は電圧（定電圧段階）を制御することで、マイクロプロセッサ７００により制御され得る。供給出力電圧／電流７１０は、たとえば、バッファ付きアナログ出力７１２から送出される４．５Ｖ入力によって、３０Ｖ開路を出力するよう調整され得る。Ｓ−及びＳ＋検知ピン７３２は、電流／電圧出力７１０を検知し、電源５８２へのフィードバックとして使用され得る。
【００９２】
充電組立体２００を介して充電ステーション５００からロボットに電流が供給されているとき、電源５８２の正の出力に接続された電流センサ基板６５０のホール・センサを使用して、充電電流を測定することができる。センサ基板６５０の測定範囲は、０〜５０Ａの範囲にわたる正側だけであり得る。マイクロプロセッサ７００は、電流センサ基板６５０から取得されたバッファ付きアナログ電流入力７１８を使用して、ロボットに出力されている充電電流（及び総電荷）を監視することができる。そして、ロボットに電流が供給されているとき、充電組立体２００にある電圧は、７１４によってスケーリングされ、バッファされ、供給され得る、電源５８２の正側出力からの電圧信号をマイクロプロセッサ７００に提供することにより、検知され得る。公称電圧範囲は通常、フル・スケールで最大３２Ｖであり得る。充電組立体２００の負側は、コントローラ７００の接地面に接続され得る。
【００９３】
図２０を参照すると、この開示の充電システムに関する、図１７／図１８のロボット１８などのロボットのハードウェア構成要素を示している。たとえば、各々が１３．５Ｖの開路電圧及び３２Ａｈの容量を有する２つのＬｉＦｅＰＯ４（リン酸鉄リチウム）バッテリを備えることができるバッテリ・パック８００は、正の端子のヒューズ８０１を介して充電ポート３００に接続される。バッテリ・パック８００はまた、バッテリからの正のライン上のヒューズ８０３を介してモータ・コントローラ８０２にも接続され、またライン８０４を介してＤＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）にも接続され、ロボット・コントローラ、光学カメラ、及びライダなどの、他の様々な構成要素に給電する。
【００９４】
本明細書のシステムは、バッテリの充電状態を監視する回路を具備する、完全なバッテリ管理システムを備えたバッテリ・パックを必要としないことに留意されたい。本明細書のシステムを使ったバッテリの充電状態は、以下で詳細に説明する、ロボットと充電ステーションとの間で共有される分散型監視手法を使用して監視される。その結果、電圧、温度、及び電流などの安全関連パラメータだけを監視する、より安価なバッテリ管理システムが必要である。
【００９５】
モータ・コントローラ８０２は、バッテリ８００の正の接続をもつラインにあるホール・センサなどの電流センサ８０６と、ロボットを推進するために電気モータ８１０及び８１２を駆動するモータ駆動回路８０８とを備えることができる。バッテリ８００の出力電圧を測定するための電圧センサ８０７も、備えることができる。とりわけ、ロボット・コントローラ（図示せず）全体から受信された制御信号に基づいてモータ駆動回路８０８を制御し、且つバッテリがモータ・コントローラ８０２を介して電気モータ８１０及び８１２に給電するために使用する、電流センサ８０６によって検出される電流量を追跡する、モータ・コントローラ８０２のプロセッサ８１４がある。プロセッサ８１４はまた、検知された電流を使用して、経時的に測定された電流による総電荷使用量を判断する。
【００９６】
充電ステーション５００による充電中にロボットに供給される電荷量は、上記のように、電流センサ基板６５０によって判断される。また、上記のように、充電ステーション５００のＩｒＤＡ基板５７４は、充電ステーション５００とロボット１８との間の赤外線通信を可能にし、ロボット自体が、モータ・コントローラ８０２内のＲＳ４８５インタフェースに接続されたＩｒＤＡ基板８１６を備える。充電ステーションからロボットに運ばれる電荷量は、定期的（たとえば、１秒に１回）に、赤外線通信を介してロボット１８に伝達され、モータ・コントローラ８０２上にあり得るメモリに保存される。充電が完了すると、以下に説明するように、ロボットは、開始時の、すなわち最初のクーロン量（ｃｏｕｌｏｍｂ  ｃｏｕｎｔ）を知ることになる。
【００９７】
ロボットが充電ドックを離れると、上記のように、電気モータ及び制御基板に給電するために使用される電荷量が定期的に判断され（たとえば、１秒に１回）、次いで残りの電荷（現在のクーロン量）を判断するために、充電の際に供給された電荷量（最初のクーロン量）から差し引かれ得る。これは、充電状態（「ＳＯＣ：ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ」）と呼ばれ得る。ロボットは、上記のように、ＳＯＣを所定の閾値レベルと比較することにより、再充電が必要な時期を判断する。
【００９８】
電気モータ８１０及び８１２並びに制御基板８０２が使用する電荷量は、ロボットの他の構成要素に給電するために使用される電荷量よりも大幅に多く、したがって、ロボットの全体的な現在の使用量として使用してもよい。又は、より高い精度が望まれる場合は、電気モータ８１０及び８１２以外の構成要素による現在の使用量が測定され、クーロン量の中に考慮されてもよい。
【００９９】
充電のためのソフトウェアの動作及びプロトコルについて、以下の段落で説明する。
【０１００】
ロボット充電ソフトウェア／プロトコル
本明細書に記載するロボットに使用されるバッテリは、通常、比較的平坦な電流放電対電圧曲線を有するであろう。そして、バッテリは、温度依存性が高い可能性がある。こうした特性を、図２１のグラフに示す、−２０Ｃ、０Ｃ、２３Ｃ、４５Ｃ、及び６０Ｃに対して示す５つの曲線によって証明する。グラフは、１６Ａだけ放電される、１３．５Ｖの開放電圧を持つ、あるＬｉＦｅＰＯ４（リン酸鉄リチウム）バッテリの曲線を示す。バッテリが放電すると、バッテリ電圧は約１３．５Ｖから約１０Ｖに低下する。グラフの右側で、バッテリが所定の容量を放電した場合、曲線は「Ｘ」軸と交差し、バッテリに１０Ｖの電位が残っていることを示す。２３Ｃ及び４５Ｃの曲線は、約１６Ａを放電する。６０Ｃの曲線では、バッテリ管理システムの過熱保護機能が作動し、約１４．４Ａが放電された後にバッテリをシャット・ダウンする。より低い温度、すなわち０Ｃ及び−２０Ｃでは、使用可能なエネルギーをすべてバッテリから取り出すことができず、それぞれ約１４．４Ａ及び１２．２４Ａだけ放電した後、バッテリは機能を停止する。
【０１０１】
図示のように、バッテリ電圧は、広範囲の電荷レベルにわたってかなり一定のままである。たとえば、２３Ｃでは、完全に充電された僅かに下から１４．４Ａが放電された箇所近くまで、電圧は、１２．８Ｖから１２．５Ｖの僅かに下までしか変化しない。そのため、電圧だけではＳＯＣを確実に推定することはできない。したがって、本明細書で説明するロボット用バッテリ・パックでのＳＯＣ推定には、信頼性が高く正確な２部構成のアルゴリズムが使用され得る。
【０１０２】
ＳＯＣアルゴリズムの第１の態様は、バッテリの充電（図１９の電流センサ６５０を使用した充電ステーション５００によって）と放電（図２０の電流センサ８０６を使用したロボットによって）との両方の際に、電流を正確に測定し、測定された電流を経時的に積分して、ある期間にわたる充電又は放電されたクーロンの総量を判断する、クーロン・カウント法（１クーロン＝１アンペア×１秒）を利用する。充電中、積分された電荷レベルは、制御基板５７２の不揮発性記憶部に維持され、電源が切れている期間を通して追跡を継続する。また、充電中、電荷レベルは定期的にロボットに伝達され、たとえばモータ・コントローラ８０２のメモリに保存される。ロボットが充電ステーションを離れる（すなわち、ロボットがドッキング解除される）と、放電されている電流量が監視され、元の電荷レベルから現在のＳＯＣを判断できる。
【０１０３】
ただし、クーロン量の計算だけを使用すると、時間の経過と共に積分される測定誤差により結果がドリフトする傾向がある。これを克服するために、完全充電／完全放電の閾値を使用するアルゴリズムの第２の態様がある。言い換えると、ロボットが、電圧レベルの閾値を使用して完全放電及び完全充電の状態を確実に検出することができ、次いでこれらの状態を積分器のリセットに使用して、推定される電荷のドリフトを補正できる。ロボットは、ＳＯＣ推定値の維持、放電クーロン量計算、並びに完全充電及び完全放電の状態の検出を担当することになる。充電器は、充電中のクーロン量計算を担当することになる。
【０１０４】
再び図２１を参照すると、バッテリが充電されると（所与の温度でグラフに沿って右から左に移動する）、最終的に電圧は、この場合（バッテリ当たり）約１４．３Ｖであり得る、所定の上限電圧閾値まで上昇するであろう。ロボットは、バッテリが完全に充電されていることを判断するやり方として、この上限閾値を使用する。ロボットは、閾値電圧レベルに達したときに、メモリに最後に記憶されたクーロン量を判断することで、バッテリのＳＯＣを知る。次いで、ロボットは、充電ステーションを離れ、クーロン量計算プロセスを開始して、使用されている電荷量を判断することができる。
【０１０５】
本明細書で説明するロボットは、バッテリ・パック容量の正確な推定値を維持するプロセスを使用し、バッテリが完全に放電された状態に達する前に自律的に充電ステーションに到着するようになることを意図しているが、システムは、充電ステーションにドッキングする前にかかる完全に放電されたバッテリ状態に達したロボットを、回復させるよう設計される。バッテリが放電しているときに（グラフに沿って左から右に移動する）、電圧が下限閾値電圧レベル、たとえば９Ｖ（バッテリ当たり）まで降下する場合、この下限閾値を使用して、バッテリが完全に放電していることを示すことができる。この下限閾値電圧レベルでは、ロボットの電源が自動的に切れて、バッテリの損傷を回避する。以下に説明するように、ロボットがドッキング・ステーションに移動され、回復充電が行われた後、ロボットを手動で再起動する必要があろう。バッテリ・パックが特定の低電圧レベル（たとえば、バッテリ当たり８Ｖ）まで降下すると、バッテリ・パックは通常、内部保護シャット・ダウン機能をトリガし、バッテリはもはや充電されなくなるであろう。この最終状態がトリガされるのを防ぐために、ロボットは、最終電圧レベルより高い所定の低電圧閾値（たとえば、各バッテリで９Ｖ）で電源を切るよう構成できる。
【０１０６】
完全放電状態は、たまにしか起き得ないことに留意されたい。というのは、完全放電レベルを超えることがわかるはずである所定のＳＯＣで、再充電するために充電ステーションに戻るように、ロボットをプログラムすることができるからである。言い換えると、通常、完全放電のポイントより高いＳＯＣレベルが設定されることになる（たとえば、完全放電レベルより１０〜２０％高く）。かかるレベルに達すると、ロボットは、再充電のために充電ステーションに移動するであろう。ロボットは、再充電が必要であることがわかると、最も近い利用可能な充電ステーションを判断することができる。スペース及び／又は倉庫の管理システムで動作するロボット群は、より高いレベルで協調し、確実に、一度に１台のロボットしか特定の充電ステーションにドッキングしようとしない。上記のように、各充電ステーションは、各充電ステーションに関連付けられた固有の識別子及びポーズを有するであろう。ロボットは、選択された充電ステーションのポーズに移動し、ドッキング・プロセスを開始するであろう。両方のプロセスを、上記で詳細に説明している。
【０１０７】
ロボットは、完全充電／放電回数を使用して、システム操作者にパックの寿命についての警告を提供することができる。こうした統計は、電源を切っているときに不揮発性記憶部（フラッシュ）に書き込まれ、電源投入時に不揮発性記憶部（フラッシュ）から読み取られる。たとえば、特定の回数の完全充電及び／又は放電状態に達した場合、ロボットは、バッテリの、工場でのサービスが必要であることを示すことができる。また、所与の電圧レベルでのＳＯＣを監視して、バッテリがもはや電荷を十分に保持していないことを判断することもでき、その場合ロボットはやはり、バッテリの、工場でのサービスが必要であることを示すことができる。
【０１０８】
ロボットが充電ステーションに到着してドッキングされると、ロボットと充電ステーションとの間で、それぞれＩｒＤＡ基板５７４と８１６とによって通信が確立され、充電プロセスが開始されるであろう。図１９の充電ステーションのコントローラ５７２によって、バッテリ電圧が、充電組立体２００の両端間の（ヒステリシスをもつ）閾値よりも大きいと検知されたときに、ドッキングに成功したと確認され、表示され得る。本明細書で説明した図２０のバッテリ・パック８００の場合、閾値電圧レベルは１８Ｖであり、１Ｖのヒステリシスをもつことができる（２つのバッテリ×９Ｖ）。検出された電圧レベルは、ＩｒＤＡ通信を介してロボットに伝達することができ、ロボットは、受信した電圧読取値がロボットの内部電圧測定値と、ある許容レベルの範囲内で一致していることを確認できる。
【０１０９】
通信が確立され、閾値電圧レベルが確認された後、短絡状態が検出されるか、又はバッテリ温度（ロボットによって検出され、ＩｒＤＡを介して充電ステーションに供給される）が許容範囲内にない場合は、充電プロセスは起動しないであろう。バッテリ・パック８００では、温度範囲は、０度Ｃを超え４５度Ｃ未満になり得る。ロボットのバッテリ種類の表示（ロボット種類、バッテリ種類、又は何らかの他の指標）は、ＩｒＤＡ通信を介して充電ステーションに伝達され、バッテリ種類から、特定の充電プロファイルが選択され得る。充電の開始時に、クーロン量の計算が初期化され、選択された充電プロファイルにしたがって充電プロセスが開始される。
【０１１０】
ある特定のバッテリ種類の充電プロファイルによる充電プロセスを、以下の表１及び図２２の流れ図８５０に関して説明する。また、表１には、完全に放電されたバッテリの一般的なバッテリ回復パラメータも示している。表１に示すように、所与のバッテリの充電プロファイルには、様々な状況で使用される様々なパラメータがある。通常充電又は急速充電については、極端な温度（特定の範囲外の高温又は低温）に対するパラメータとは異なる１組の充電パラメータがある。
【０１１１】
回復モードのパラメータは、ロボットが、完全に放電された後に手動でドッキングされ、充電を開始するために手動回復スイッチが押された場合に使用される。言い換えると、回復パラメータは、ロボットを再起動でき、ＩｒＤＡ通信を再確立できるようになるまで、どんな種類のロボットのバッテリをも最初に十分に充電するために使用されることになる。
【０１１２】
完全放電されたバッテリを回復させる場合、ロボットは、もはやオン状態にならないので、ＩｒＤＡ通信を確立できず、充電ステーションはロボットのバッテリ種類を知らないであろう。操作者が手作業でロボットを充電ステーションにドッキングすると、充電ステーションの手動開始押し釦が押されて保持されるであろう。一般的な最初の充電プロファイルは、閾値のバッテリ電圧に達するまで低充電電流を出力することによって開始され、閾値に達したとき、ロボットをオン状態にするように、操作者に指示が与えられる。オン状態になると、ＩｒＤＡ通信が確立され、通常の自律充電プロセスが開始される。
【０１１３】
【表１】
0006985504.tif 000002
【０１１４】
図２２の流れ図８５０を参照すると、ステップ８５１で、充電器は、充電器で検知された電圧をチェックすることにより、ロボットがドッキングされているかどうかを判断する。ロボットがドッキングされている場合、ステップ８５２で、充電ステーションは、ドッキングされたロボットとのＩｒＤＡ通信が確立されているかどうかを判断する。ＩｒＤＡ通信が確立されていない場合、ステップ８５４において、完全に放電されたバッテリを備えるロボットの手動充電プロセスを開始するために、手動開始釦が押されたかどうかを判断する。手動開始釦が押された場合、回復充電プロファイルが取得され、システムはステップ８６２に進む。ステップ８５２において、ロボットとの通信が確立されている場合、システムはステップ８５８に進み、ドッキングされたロボットのバッテリの種類又はロボットの種類及びバッテリの状態（すなわち温度）が充電ステーションに伝達される。ステップ８６０で、バッテリ／ロボットの種類及びバッテリの状態から、バッテリの特定の充電プロファイルがメモリから取り出され、次いでシステムはステップ８６２に進む。
【０１１５】
ステップ８６２で、バッテリ電圧が閾値電圧よりも低いかどうかが判断され、該閾値電圧は、表１の充電プロファイル（急速、極端な温度、及び回復）では２５．５Ｖである。バッテリ電圧が閾値電圧を下回っていない場合、システムはステップ８６８に進む。電圧が閾値電圧を下回っている場合、ステップ８６４で、表１に示すように、一定の電流で予備充電が行われる。特定の予備充電電流は、使用されている充電プロファイルに依存することになる。すなわち、表１の実例では、急速充電の予備充電電流は５．０Ａであり、極端な温度の場合、予備充電電流は３．０Ａであり、回復の場合、予備充電電流は２．０Ａである。ステップ８６６で、予備充電中、充電器端子における電圧が、閾値電圧に達したかどうかを判断するためにチェックされている。該電圧が達した場合、システムはステップ８６８に進み、達していない場合、閾値電圧に達するまで予備充電が継続される。
【０１１６】
ステップ８６８で、主充電プロセスは、使用されている特定の充電プロファイルから選択された電流を使用する、定電流充電段階で始まる。表１の実例では、急速充電の場合、充電電流は３４Ａに設定され、一方極端な温度での充電の場合並びに回復充電の場合、充電電流は２０Ａに設定される。いずれの場合も、定電流充電段階は、ステップ８７０で所定の電圧レベルが達成されるまで続く。表１の実例では、急速、極端な温度、及び回復充電での所定の電圧レベルは２８．６Ｖである。この電圧レベルに到達すると、ステップ８７２で、固定電圧充電段階が行われ、充電電圧は２８．６Ｖに維持され、ステップ８７４で判断される、終了電流に達するまで充電が継続される。表１の急速及び極端な温度での充電プロファイルの終了電流は１．２５Ａであり、回復充電プロファイルでは０．５Ａである。定電圧で供給されている、かかる低レベルの充電電流は、ロボットがほぼ完全に充電されていることを示しているため、充電器ステーションは主充電プロセスを終了する。
【０１１７】
システムは、ＳＯＣがロボットに伝達されるステップ８７６に進む。流れ図８５０には具体的に示していないが、予備充電及び主充電プロセスの間、ＳＯＣは、定期的に、たとえば１秒に１回、ロボットに伝達され得る。この時点で、ロボットは、充電ステーションからドッキング解除できるが、それはロボットの制御下にある。上記のように、充電中、バッテリ電圧は監視され、最終的には所定の上限電圧閾値、たとえば（バッテリ当たり）１４．３Ｖまで上昇するであろう。ロボットは、いつバッテリが完全に充電されるかを判断するやり方として、この上限閾値を使用する。上限電圧閾値に達したときに、ロボットは、その時点でドッキング解除すると決定した場合、メモリに最後に記憶されたＳＯＣをバッテリの最初のクーロン量として使用する。特定の状況では、ロボットは、完全に充電されているのにも関わらず、ドッキングされた状態で保持されることがある。ロボットが充電ステーションに留まる理由の１つは、ロボットが、フロアで必要がない場合に充電ステーションに留まるよう、倉庫管理システムからのコマンドを受信するためであり得る。主充電プロセスが完了した後、ロボットが充電ステーションに留まるべきである場合、時間の経過と共にロボットの充電は失われることになる。したがって、ロボットの電荷を維持するために、フロート充電プロセスが開始され得る。
【０１１８】
ステップ８７８で、充電プロファイルにフロート充電段階が含まれるかどうかを判断する。含まれない場合、システムはステップ８８０に進み、ロボットがドッキング解除されたかどうかを判断する。解除されていない場合、システムは、ロボットがドッキング解除されるまでステップ８８０に繰り返して戻り、次いでシステムはステップ８８１に進み、充電ステーションによる充電が終了する。次いで、システムはステップ８５１に進み、次のロボットが充電のためにドッキングされるのを待つ。ロボットが充電ステーションを離れると、ロボットは、クーロン量計算プロセスを開始して、使用されている電荷量を判断する。
【０１１９】
ステップ８７８で、充電プロファイルがフロート充電段階を含むと判断された場合、ステップ８８２で、フロート段階が開始される。フロート段階では、「トリクル充電」がロボットに入力されている間、充電ステーションの充電電圧は、フロート段階電圧レベルに固定される。表１の実例では、急速及び極端な温度プロファイルでは、フロート段階電圧は２７．７Ｖであり得る。結果として生じるトリクル充電は、約０．２Ａであり得る。フロート段階の間、充電器は、ロボットによって消費されるスタンバイ電流を供給している（ロボットがオン状態になっていると仮定して）。ロボットのスタンバイ時の消費電流は、約０．２Ａ（２００ｍＡ）であるが、充電器によって調節はされない。トリクル充電は、ステップ８８４で判断される、ロボットがドッキング解除されるまで続く。ロボットがドッキング解除されると、システムはステップ８８１に進み、充電ステーションによる充電が終了する。次いで、システムはステップ８５１に進み、次のロボットが充電のためにドッキングされるのを待つ。そして、ロボットが充電ステーションを離れると、ロボットは、クーロン量計算プロセスを開始して、使用されている電荷量を判断する。
【０１２０】
流れ図８５０には示していないが、プロセスを終了させる必要がある、充電プロセス中に発生する可能性のあるいくつかのイベントがある。イベントには、電圧に対する電流の比率に基づいて負荷抵抗値を推定することによって検出できる短絡状態が含まれる。負荷抵抗値が閾値、たとえば５０Ｍオームを下回っている場合、充電ステーションは、短絡が検出されたと判断し、充電プロセスを終了することができる。さらに、開路又は抵抗回路（たとえば１オームの閾値を超える）が検出された場合、過熱を防止するために、やはり充電プロセスを終了することができる。ＩｒＤＡ通信が失わるか、又は他の重要な状態が検出される場合、充電プロセスを終了することができる。上記のように、積分された電荷レベルは、制御基板５７２の不揮発性記憶部に維持され、電源が切れている期間に、確実に正確に電荷を追跡する。
【０１２１】
充電ステーション５００のより高いレベルの動作を、図２３のステート・マシン９００に示す。充電ステーション５００は、状態９０２で電源投入され、初期化される。初期化が完了すると、充電ステーションは状態９０４でアイドル・モードに入り、バッテリが検出される（ロボットが自動充電の準備を完了している）か、又は手動オーバライド入力が検出される（操作者が、「上がった」バッテリを備えるロボットのための手動充電モードに入るよう、釦を押す）のを待つ。バッテリが検出されると、システムは状態９０６に進み、ロボットと充電ステーションとの間の通信が確立される。手動オーバライド入力が検出された場合、システムは回復開始状態９０８に進む。
【０１２２】
自動充電プロセスにおいて、状態９０６でロボットとの通信が確立されない場合、状態９１０で通信エラーが判断され、システムはアイドル状態９０４に戻る。状態９０６で通信が確立された場合、充電プロセスは、上記のように、状態９１２で開始される。充電完了時に、ロボットが充電サイクルのログ（ＣＣＬＯＧ：ｃｈａｒｇｅ  ｃｙｃｌｅ  ｌｏｇ）を要求した場合、ステップ９１４で、充電ステーションはロボットにＣＣＬＯＧを送信し、状態９１６で充電プロセスを終了する。ロボットがＣＣＬＯＧを要求しない場合、システムは単に充電状態９１２から完了状態９１６に進む。どちらの場合も、ロボットは、次いでアイドル状態９０４に戻る。
【０１２３】
そうではなくて、手動オーバライド入力が検出された場合、状態９０８で、手動回復プロセスが開始される。バッテリが検出されないか、又はバッテリが保護シャットダウン・モードにある場合、システムは回復失敗状態９１８に入り、次いでアイドル状態９０４に戻る。回復開始状態９０８において、バッテリが検出され、且つバッテリが保護シャットダウン状態にない場合、状態９２０で上記の回復プロセスが行われる。状態９２２で回復プロセスが完了すると、システムは、状態９０６に進んでロボットとの通信を確立し、自動充電プロセスを始める。
【０１２４】
ステート・マシン９００には示していないが、プロセスを終了する必要がある、充電プロセス中に発生する可能性があるいくつかのイベントがある。たとえば短絡若しくは開路、又は充電が完了する前にロボットが充電ステーションを離れた場合である。
【０１２５】
本発明の前述の説明により、当業者は、現在その最良の形態であると考えられるものを作成及び使用することができるが、当業者は、本明細書での具体的な実施例及び実例の変形、組合せ、及び同等物の存在を、理解及び認識するであろう。上記の本発明の実施例は、実例にすぎないことを意図している。当業者は、ここに添付される特許請求の範囲によってのみ定義される本発明の範囲から逸脱することなく、特定の実施例に対して変更、修正、及び変形を行うことができる。したがって、本発明は、上述の実施例及び実例によって限定されない。
【０１２６】
本発明及びその好ましい実施例を説明してきたが、新規であるとして特許請求され、特許証によって保護されるものは、以下である。
【図１】
0006985504.tif 000003
【図２Ａ】
0006985504.tif 000004
【図２Ｂ】
0006985504.tif 000005
【図３】
0006985504.tif 000006
【図４】
0006985504.tif 000007
【図５】
0006985504.tif 000008
【図６】
0006985504.tif 000009
【図７】
0006985504.tif 000010
【図８】
0006985504.tif 000011
【図９】
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【図１０】
0006985504.tif 000013
【図１１】
0006985504.tif 000014
【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
0006985504.tif 000019
【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
0006985504.tif 000024
【図１８】
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【図１９】
0006985504.tif 000026
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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