Itsenäisesti ohjautuvat automaattitrukit tuovat helpotusta pakettien käsittelyyn verkkokauppojen jakelukeskuksissa. Niiden akkujen lataamisessa ollaan siirtymässä langattomaan tehonsyöttöön, joka mahdollistaa myös sekvenssimuotoisen latauksen tavaroiden käsittelyn aikana.

Verkkokaupan markkinat kasvavat edelleen kaikkialla maailmassa, osittain koronan aiheuttamien liikkumisrajoitusten vuoksi. Nettikaupan ostajamäärät kasvavat ja toimitukset nopeutuvat rajusti kaiken aikaa. Nykyään kuka tahansa voi tilata tavaroita 24 tuntia vuorokaudessa, ja yhä useammat jälleenmyyjät tarjoavat toimituksen 24 tunnin kuluessa tilauksen tekemisestä. Tämä nopea muutos asettaa valtavia paineita nettikauppojen jakelukeskuksille eli DC-yksiköille (Distribution Centre) ja lisää niiden henkilöstön taakkaa työskennellä yhä nopeammin.

Lähivuosina näissä DC-keskuksissa käsiteltävien tavaroiden määrän odotetaan kasvavan edelleen. Työn laadun parantamiseksi, työntekijöiden turvallisuuden varmistamiseksi ja ympärivuorokautisen toiminnan mahdollistamiseksi jakelukeskuksissa otetaan käyttöön yhä enemmän automaatiota kaikkialla maailmassa. Keskeisellä sijalla ovat automaattisesti ohjatut AGV-ajoneuvot (Automatic Guided Vehicles), joita käytetään pakettien siirtelyyn.

AGV on sähköajoneuvo, joka voi ajaa automaattisesti kiinteää reittiä ilman merkittäviä manuaalisia toimenpiteitä. Nämä automaattitrukit ovat saaneet laajan huomion välttämättömänä osana tulevaisuuden logistiikkakeskusten entistä älykkäämpää käyttöä ja suunnittelua.

Viime vuosina IoT- ja tekoälytekniikoiden integroinnin myötä on kehitetty jopa trukkimalleja, jotka voivat ajaa täysin itsenäisesti ja hyödyntää antureita sekä erityisohjelmistoja esteiden väistämiseksi. Näitä AMR-robotteja (Autonomous Mobile Robot) on jo otettu käyttöön.

Latauksen ongelmat

Näiden sähkökäyttöisten robottien päivittäistä työskentelyaikaa kuitenkin rajoittaa ensisijaisesti akun kestoaika. Vaikka ne on ohjelmoitu kulkemaan tietyllä nopeudella sekä optimaalisesti kiihdyttäen ja hidastaen energian säästämiseksi, niiden akut täytyy silti ladata säännöllisesti.

Useimmissa roboteissa lataussyklinä sovelletaan akuissa jäljellä olevien varaustasojen ja kiinteiden ajanjaksojen yhdistelmää, jonka perusteella akun lataamisesta päätetään. Tämä perinteinen menetelmä toimii hyvin, kun laitoksessa toimii vain muutama automaattitrukki. Silloin kullekin niistä on osoitettu omat tehtävät, jotka on suoritettava tietyn ajan kuluessa. Aivan kuten työntekijät pitävät lounastauon, myös trukit siirtyvät ladattaviksi säännöllisesti.

Kaapelin kautta tapahtuva kontaktityyppinen akunlataus saattaa kuitenkin työtilan olosuhteista riippuen synnyttää kipinöitä ja aiheuttaa jopa onnettomuuksia. Jakelukeskuksessa syttyvä palo voi levitä nopeasti ja ainakin keskeyttää toiminnan, kunnes se on saatu sammutetuksi. On mahdollista, että tämä aiheuttaa savuvaurioita tavaroille tai pahimmassa tapauksessa tuhoaa ne.

Mitä enemmän jakelukeskuksessa käytetään robotteja, sitä enemmän reittejä niiden on kuljettava, mikä tekee ohjauksen hallinnasta erittäin monimutkaista. Jos AGV:n akku tyhjenee, eikä latausasemaa ole lähellä, akku on vaihdettava manuaalisesti.

Tällainen suunnittelematon huoltotehtävä maksaa aikaa ja rahaa. Se lisää myös inhimillisten virheiden mahdollisuutta vaihdon aikana. On myös otettava huomioon, että automaattitrukki ei tänä aikana pysty suorittamaan työtehtäviään, mikä vähentää tuottavuutta ja kasvattaa muiden automaattitrukkien työtaakkaa.

Toinen ratkaistava asia on tämän perinteisen lataustavan poistuminen käytöstä, kun siirrytään autonomisiin AMR-robotteihin. Ne liikkuvat täysin itsenäisesti ja priorisoivat itse omat tärkeät tehtävänsä, jotka on suoritettava tietyn aikaikkunan sisällä. Tämän ratkaisemiseksi robotin on kyettävä ajoittamaan lataustoiminta työprosessiin mukautuvalla tavalla, mikä parantaa toiminnan tehokkuutta ja turvallisuutta.

Lataus langattomaksi

Langattomaan lataukseen siirtymisen etuna on, että se mahdollistaa sekvenssimuotoisen latauksen (kuva 1) ja lisäksi eliminoi perinteisten laturien kytkentä- ja irrotusvaiheessa syntyvät kipinät. Jaksoittain tapahtuva sekvenssilataus tarkoittaa akkujen varaamista työtehtävien aikana, mikä pidentää AMR-robotin akun käyttöaikaa ja kasvattaa kokonaistyöaikaa.

Liikkuvan robotin perinteisen latauksen ja sekvenssilatauksen vertailu.

Ajatus langattomasta tehonsiirrosta on tunnettu jo pitkään. Nikola Tesla ja muut pioneerit tekivät kokeita ja testasivat sähkömagneettisten aaltojen avulla tapahtuvaa langatonta tehonsiirtoa jo 1880-luvulla.

Langaton tehonsiirto voidaan periaatteessa jakaa säteilevään tyyppiin, jossa energiaa siirretään radioaaltojen (mikroaaltojen) tai laserin avulla ja säteilemättömään tyyppiin, jossa energiaa siirretään sähkö- tai magneettikentän avulla. Säteilymenetelmän etuna on, että sen avulla voidaan tehoa siirtää pitkiäkin matkoja, joskin ympäristön aiheuttama energiahäviö on suurta ja siksi menetelmä on melko tehoton. Vertailun vuoksi säteilemätön menetelmä pienentää energiahäviöitä mahdollisimman paljon ja tuottaa siten tehokkaamman siirron, mutta sen heikkoutena on siirtoetäisyyden rajallisuus.

Sähkömagneettista induktiomenetelmää on käytetty laajalti jo 1990-luvulta lähtien esimerkiksi akkukäyttöisten partakoneiden ja hammasharjojen langattomaan lataamiseen. Lisäksi nykyään on kaupallisesti saatavilla monenlaisia latausalustoja ja -telineitä, jotka hyödyntävät induktiomenetelmää älypuhelinten ja muiden mobiililaitteiden lataamiseen.

Toinen tärkeä menetelmä on magneettiresonanssi, joka on teollisuudessa saanut kasvavaa huomiota langattoman latauksen menetelmänä MIT:n (Massachusetts Institute of Technology) vuosina 2006 ja 2007 julkaisemien tutkimustulosten ansiosta.

Magneettiresonanssi avuksi

WPX1000 on TDK:n kehittämä kapasiteetiltaan keskitasoinen 1 kW-luokan langaton teholähdejärjestelmä (kuva 2), joka hyödyntää magneettiresonanssia siirtomenetelmänä. Tämä innovatiivinen tekniikka siirtää tehoa resonanssipiirien kautta, jotka on muodostettu sekä tehonsyötön että vastaanoton puolelle virittämään molemmat puolet resonoimaan samalla taajuudella.

Menetelmän avulla voidaan saavuttaa keloille ±30 mm sallittu siirtymäalue robotin kulkusuunnassa ja 20-40 mm etäisyys tehoa siirtävien kelojen välillä, mikä laajentaa tehonsiirtoaluetta. Järjestelmä kykenee myös reagoimaan kelojen mahdollisiin siirtymiin, ja se on optimaalinen sekvenssimuotoiseen lataukseen.

Langaton tehonsiirtojärjestelmä WPX1000 soveltuu AGV- ja AMR-tyyppisille automaattitrukeille.

Koska kelayksikön rakenne on suojattu pölyltä ja vedeltä (IP65) sekä tehonsyötön että vastaanoton puolella, tämä langaton latausjärjestelmä sopii käytettäväksi ankarissakin ympäristöoloissa sekä sisä- että ulkotiloissa. Lisäksi akun lataamisen optimoiva vakiojännite/vakiovirtaohjaus (CV-CC) mahdollistaa akun suoran latauksen, ja sarjaportin (RS-232) avulla latausjännitettä/virtaa voidaan säätää.

Vaihtoehtoinen lataustapa

Magneettiresonanssia hyödyntävän langattoman tehonsyöttöratkaisun lisäksi TDK on kehittänyt myös sähkömagneettisen induktiomenetelmän. Tätä tekniikkaa käytetään ensisijaisesti puettavassa elektroniikassa ja mobiililaitteissa. Yhtiö on kaupallistanut siihen perustuvia langattomia latausjärjestelmiä mobiililaitteille ja keskitehoisia järjestelmiä teollisuuslaitteisiin.

Erilaisia langattomia teholähderatkaisuja TDK:n tuotevalikoimasta.

TDK kehittää myös suuritehoisia tehonsyöttöjärjestelmiä sähköautoja/PHEV-ajoneuvoja varten (kuva 3). Laajan tuotevalikoiman ytimenä on ferriittiteknologia, joka on yhtiön koko tuotannon perusta. Ferriitti on tehonsyöttö- ja vastaanottokelojen ydinmateriaali, jonka ominaisuudet vaikuttavat merkittävästi langattoman latausjärjestelmän siirtotehokkuuteen.