The market of mobile robot is increasingly expanding and the function of robot diversifies. Robot cleans room, educates children, guards home and so on. Especially, the function of security is applied to diversity robot. Public service robots, home service robots and office robots have the function of security. These robots use automatic battery charging for its power supply. But during recharging, robot can’t work and this is a serious defect in security. To solve this problem, this study suggests an automatic battery exchange system. At battery exchange system, robot exchanges its discharged battery to charged battery autonomously. Using battery exchange, robot can work without stop.
We design an automatic battery exchange system by using axiomatic design. Axiomatic design is a systematic design method. It reduces mistakes in design process and makes it easy to fix design.
A battery exchange system consists of three parts. The homing algorithm makes robot approach to station. The docking mechanism compensates for offset, orientation errors and fixes robot to station without actuator. The battery exchange mechanism exchanges discharged battery to charged battery by using simple mechanism and two motors. We make 3D models of docking mechanism and simulate it. The docking mechanism compensates errors of robot and fix robot to station successfully. Then we make a prototype of battery exchange mechanism. It weights 3.2 Kg and sizes 300mm × 400mm × 70 mm. The battery exchange mechanism exchanges 500g battery successfully in 28 seconds.
모바일 로봇의 시장은 급속히 성장하고 있고 로봇의 기능은 점차 다양화 하고 있다. 로봇은 청소와 교육, 경비 등의 다양한 기능을 수행한다. 이러한 여러 기능 중 최근 경비 기능이 다양한 로봇에 적용되고 있다. 경비 기능은 공공 서비스 로봇이나 가정용 로봇, 사무용 로봇 등의 여러 분야의 로봇에 적용되고 있다. 이러한 로봇들은 전력의 공급을 위해 자동 충전 방식을 사용하는데 이러한 자동 충전 방식은 충전 중에는 로봇의 작동이 중단된다는 단점을 가지고 있다. 특히 이러한 단점은 경비기능에 있어서는 치명적인 문제점이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 자동 배터리 교환 시스템을 제안하였다. 자동 배터리 교환 시스템은 로봇의 방전된 배터리를 충전된 배터리로 자동으로 교환하게 된다. 이러한 자동 배터리 교환 시스템을 통해 로봇은 연속적인 작동이 가능하다.
자동 배터리 교환 시스템을 설계함에 있어 공리설계를 적용하여 설계를 진행하였다. 공리설계는 체계적인 설계 방법으로 설계상의 오류를 줄이고 설계상의 문제가 발생하였을 때, 수정이 용이하다.
자동 배터리 교환 시스템은 세 부분으로 이루어진다. 로봇을 스테이션에 접근시키는 호밍 알고리즘과 접근시의 오프셋 오차와 오리엔테이션 오차를 보상하고 로봇을 스테이션과 결합시키는 도킹 메커니즘 그리고 로봇의 방전된 배터리를 충전된 배터리로 교환하는 배터리 교환 메커니즘이 있다. 본 연구에서는 구동기를 사용하지 않는 패시브 형태의 도킹 메커니즘을 제안하고 이를 시뮬레이션을 통해 성공적으로 동작함을 보였다. 또한 두 개의 구동기와 단순한 구조로 배터리 교환 메커니즘을 설계, 제작하였다. 배터리 교환 메커니즘의 크기는 300㎜ × 400㎜ × 70㎜ 이고 무게는 3.2 ㎏ 이다. 배터리 교환 메커니즘은 500g의 배터리를 28초안에 교환하였다.
