CN102931711B - 机器人自动充电系统及其充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人自动充电系统，它包括安装在充电室内的导轨和充电极片，导轨上设有导向轮，导向轮指引机器人车轮的移动，每个导轨上还安装相应交流充电座，交流充电座与交流市电的零线和火线连接，充电极片安装在机器人底盘上，所述充电极片依次与充电控制模块、整流模块、充电电池连接，并公开了一种基于本装置的机器人自动充电方法，本发明中的充电系统采用导轨引导机器人运动，保证了机器人停靠位置和姿态的精度；采用交流市电供电，充电座安装在导轨上，不需要外置直流整流装置，系统结构简单；由于采用交流市电供电，电压等级高，可以对大功率的机器人电池进行充电；充电座与充电极片采用简单压紧方式对接，可靠性高。

Description

机器人自动充电系统及其充电方法

技术领域

    本发明涉及一种自动充电系统及其充电方法，尤其涉及一种机器人自动充电系统及充电方法。

背景技术

目前，机器人在各个行业的应用越来越普遍，给人们的生活带来了很大的便利。现有的机器人产品中，大部分采用可充电电池作为动力源。因而，当充电电池电量不足时，机器人能够自动回到充电位置，与充电电源可靠的连接，自主的完成充电过程就变得非常重要。

现有的机器人大都采用直流充电的方式，其方法为：在机器人充电位置安装一个充电器和静态充电座，当机器人控制系统感知到电池电量不足的时候，自动回到该充电位置，通过电机控制机器人上的动态触头运动，或者控制机器人运动使得动态触头与充电座对接，从而实现自动充电。这种充电方法需要外置直流整流装置，因而系统结构通常比较复杂；而且该充电方式通常使用电压等级较低的直流电压充电，对大功率的机器人电池充电时，充电电流非常大，因而不适用于大功率机器人电池充电。如国家知识产权局公布的实用新型专利（申请号：201220137985.9）变电站巡检机器人自动充电机构提到了一种动态触头的实现方法，该机构使用电机带动充电极片与充电座对接，机械结构和控制系统比较复杂；另外由于充电极片尺寸有限，因而对机器人停靠精度要求非常高，机器人停靠位置或者停靠姿态稍有偏差就可能导致充电失败。另外，如国家知识产权局公布的发明专利（申请号：201010149969.7）机器人系统及其机器人与充电座的对接方法提到了一种使用红外传感器引导机器人充电的方法，该方法机器人定位精度有限，而且该方法使用机器人前部与充电座接触进行充电，不适用于闭合路径行驶的机器人；如该发明所述，该发明采用的充电方法比较适用于充电电流较小、室内运行的机器人，如智能玩具机器人、娱乐机器人、室内清扫机器人等，不能应用于大功率的机器人充电。

另外，现有充电方法中，外置的充电座均处于带电状态，机器人通过对接后比较充电触点上的电压状态来判断是否良好接触，错误的对接可能对充电座造成严重的损害，因而安全性较低。

专利名称为变电站巡检机器人自动充电机构，申请号为201220137985.9的专利，该充电机构充电的原理如下：该机器人为磁导航机器人，当机器人需要充电时，机器人会循着磁导航线路回到停到充电座的位置，然后机器人本体从侧面伸出充电极片，与充电座对接，实现充电。该充电方法的缺点如下：由于充电极片伸出的长度是一定的，因而对机器人停靠位置的要求非常高，如果机器人停的左右有偏差或者姿态不正，都可能导致无法充电；该方法使用直流30V左右充电（专利中未提及），共有两个电源，其中一个用于充电，一个用于充电时为机器人供电。其中充电电流为5~6A，供电电流4A左右，总电流10A左右。大电流工作对充电极片和充电座的对接可靠性要求很高；该方法有两个电源，所以需要三个充电极片；因为需要转变为直流充电，所以需要外置充电箱将交流电压整流为直流；该充电机构由电机驱动，控制复杂。同时如上所述，如果停靠偏近，会导致电机堵转而损坏；充电座一直处于带电状态（专利中未提及），对接后通过判断充电极片上是否有电压来判断对接是否正常，判断不准确。

发明名称为机器人系统及其机器人与充电座的对接方法，申请号为201010149969.7；发明名称为一种机器人自动充电方法及其自动充电装置，申请号为200610048955.X；发明名称为智能机器人系统及其充电对接方法，申请号为201010290492.4，这三个专利比较相似，但是侧重点不同，这三个专利的共同特点是应用领域相同，均应用于室内清扫机器人，智能玩具机器人，娱乐机器人等小型家用服务型机器人；充电方式相同：充电触头均位于机器人前部，均需要一个充电座，机器人通过前部与充电座对接。因而，该方法不能用于闭合路径工作的机器人，对接方式的压紧力有限；均使用红外线引导机器人，精度有限；充电电源均为直流电源，并且充电座始终带电，检测不准确。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种机器人充电系统及其充电方法，它具有提高了机器人充电的可靠性和安全性优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种机器人自动充电系统，它包括安装在充电室内的导轨和充电极片，导轨上设有导向轮，导向轮指引机器人车轮的移动，每个导轨上还安装相应交流充电座，交流充电座与交流市电的零线和火线连接，充电极片安装在机器人底盘及机器人车轮内侧，所述充电极片依次与充电控制模块、整流模块、充电电池连接，

所述交流充电座通过常开双触点继电器与交流市电连接，交流充电座通过常闭双触点继电器与脉冲监测模块连接，脉冲监测模块与单片机处理器连接，单片机处理器与双触点继电器线圈连接，在交流充电上设有电流传感器和电压传感器。

所述机器人车轮通过绝缘板与机器人底盘连接，机器人车轮与机器人底盘保持绝缘。

所述充电控制模块包括脉冲发生模块，脉冲发生模块通过双触点继电器与充电极片连接，脉冲发生模块与单片机连接，单片机处理器还与双触点继电器线圈连接，单片机处理器与电压传感器连接，电压传感器与充电极片连接。 

基于一种机器人自动充电系统的一种机器人自动充电方法，具体步骤为：

步骤一：机器人在充电位置停靠完成后，充电控制模块向充电极片发送特定频率和幅值的确认脉冲；充电控制模块进入交流电压监测状态；

步骤二：脉冲检测模块接收该确认脉冲，并且与预先存储的脉冲格式进行对比，如一致，脉冲检测模块进入延时状态，若不一致则说明交流充电座和电极片没有完全对接，单片机处理器控制交流充电座移动直到交流充电座和电极片对接正确；

步骤三：延时结束，单片机处理器控制充电座接通交流市电；单片机处理器进入电压电流监测状态；

步骤四：充电控制模块检测到交流市电后，控制充电电池与整流滤波模块连接，充电过程开始；

步骤五：充电控制模块检测到充电已经完成，或者充电未完成但是机器人需要执行任务时，控制充电电池与整流滤波模块断开连接；

步骤六：电源控制模块检测到充电电流消失，控制充电座与交流市电断开，充电过程结束。

本发明的有益效果：该充电系统采用导轨引导机器人运动，从而保证了机器人停靠位置和姿态的精度；采用交流市电供电，充电座安装在导轨上，不需要外置直流整流装置，系统结构简单；同时由于采用交流市电供电，电压等级高，从而可以对大功率的机器人电池进行充电；充电座与充电极片采用简单压紧方式对接，无需电机驱动和红外引导，结构简单，可靠性高；充电座与充电极片对接后，采用低电压等级的脉冲信号序列通讯，以对接触状况进行判断，比简单的电压判断可靠性高；充电座平常处于不带电状态，由电源控制模块控制充电座电源的通断，只有在系统确认充电座与充电极片接触良好的情况下，才将充电座接通交流市电，启动充电过程，从而提高了安全性。

附图说明

图1（a）为本发明导轨和交流充电座的结构；

图1（b）导轨与车轮位置关系示意图；

图2为本发明电源控制模块的原理框图；

图3（a）为本发明充电极片的系统接线意图；

图3（b）本发明充电极片安装位置和安装方式；

图4为本发明充电极片结构两个实例的示意图；

图5为本发明充电极片结构两个实例的另一种示意图；

图6为本发明充电控制模块的原理框图；

图7为本发明自动充电方法的电源控制模块控制流程示意图；

图8为本发明自动充电方法的充电控制模块控制流程示意图。

其中，1.导轨，2.导向轮，3.交流充电座，4.单片机处理器I，5.脉冲监测模块，6.双触点继电器，7.电流传感器，8.电压传感器，9.双触点继电器线圈，10.机器人车轮，11.底盘，12.充电极片，13.充电控制模块，14.整流模块，15.充电电源，16.绝缘板，17.脉冲发生模块，18.单片机处理器II。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实例中导轨和交流充电座的结构以及导轨与车轮位置关系示意图,如图1所示，在机器人充电位置共安装两条导轨1，导轨1上安装有导向轮2。导轨1入口处较窄，宽度要小于两机器人车轮10内侧距离，以确保机器人能够正确的驶入导轨1范围，在充电位置，两导轨1平行，两导轨1间宽度与两机器人车轮10内侧距离一直，使得当机器人运动至充电位置时，导向轮2紧贴机器人车轮10内侧，从而限制了机器人的侧向运动，提高机器人停靠位置和姿态的精确度。交流充电座3安装在导轨1上方，并高于导轨1，交流充电座3与导轨1的连接处采用斜面以保证良好的过渡。为了适应不同的机器人的底盘11高度，以提高该充电系统的通用性，交流充电座3设计为高度上下调整的方式，从而提高其通用性。

如图2所示，电源控制模块由单片机处理器I4、脉冲监测模块5、双触点继电器6和双触点继电器线圈9、电流传感器7、电压传感器8组成。交流充电座3通过常开的双触点继电器6与交流市电连接，通过常闭的双触点继电器6与脉冲监测模块5连接。因而在通常情况下，电源控制模块处于监测交流充电座3脉冲信号的状态。当交流充电座3出现脉冲信号时，脉冲监测模块5会捕获该信号，并传递给单片机处理器I4。如果单片机处理器I4判断该脉冲信号正确，则判断为交流充电座3与充电极片12已经良好对接，单片机处理器I4控制双触点继电器线圈9使常开的双触点继电器6闭合，从而将交流充电座3与交流市电连接起来，机器人进入充电状态。在机器人充电过程中，单片机处理器I4通过电流传感器7对充电电流进行监测，通过电压传感器8对充电电压进行监测。在充电过程中，如果电流传感器7检测到的电流变为0，则判断为机器人已经停止充电准备运行或者充电过程出现异常，单片机处理器I4控制双触点继电器线圈9使常闭的双触点继电器6闭合，从而断开交流充电座3与交流市电的连接，重新进入脉冲监测状态，本充电过程结束。

图3（a）和图（b）是本发明充电极片12安装位置和安装方式以及系统接线意图，如图3所示，充电极片12安装在机器人的底盘11下方，机器人车轮10内侧，并通过绝缘板16与机器人的底盘11保持绝缘。充电极片12通过导线与充电控制模块13连接。图4和图5是本发明充电极片结构两个实例的侧视示意图，其中图4所示结构可以获得更大的形变距离，图5所示结构可以获得更大的压紧力。

图6是本发明充电控制模块的原理框图。如图6所示，通常情况下，充电极片12通过另一个常闭的双触点继电器6与脉冲发生模块17连接。当机器人停靠完成后，单片机处理器II18控制脉冲发生模块17向充电极片12发送特定的脉冲信号。之后，单片机处理器II18控制另一个双触点继电器线圈9使得另一个常开的双触点继电器6闭合，将充电极片12与整流模块14连接起来，等待交流市电接通。同时，单片机处理器II18通过另一个电压传感器8采集充电极片12的电压。如果单片机处理器II18判断充电极片12两端出现交流市电电压，则控制整流模块14输出直流电压，对充电电池15进行充电。在充电过程中，单片机处理器II18实时采集充电电池15的充电电流和电压，对充电过程进行监控和控制。如果等待5S后，单片机处理器II18仍然没有从充电极片12两端采集到市电电压，则控制另一个常闭的双触点继电器6闭合，充电极片12重新与脉冲发生模块17连接，进行第二次尝试。连续尝试3次失败后，充电控制模块13向上位机控制系统发送告警信息，提示工作人员充电失败，等待人为干预。

图7和图8是本发明自动充电方法的控制流程示意图，其中图7是电源控制模块的控制流程示意图，图8是充电控制模块的控制流程示意图。

本发明机器人自动充电方法包含充电开始和充电结束两个过程，其中充电开始的流程如下：电源控制模块对交流充电座3两端的脉冲信号进行监控，以判断交流充电座3两端是否有正确的脉冲出现。当机器人在充电位置停靠完成后，充电控制模块13会在充电极片12两端输出一个特定的脉冲信号，之后，充电控制模块13会切换双触点继电器6，开始监测充电极片两端的电压。如果电源控制模块检测到该脉冲信号并判定信号正确，则电源控制模块延时2S后切换双触点继电器6，将交流充电座3与交流市电连接起来，之后，电源控制模块进入电流监测状态。如果充电控制模块13检测到充电极片12两端有交流市电电压并且电压正常，则充电控制模块13控制整流模块14输出电流，充电过程开始，否则，如果充电控制模块13没有从充电极片12两端检测到正确的交流市电电压并且等待超时，则该系统重新输出脉冲信号，重复上述步骤。

充电结束的流程如下：当机器人需要离开充电位置时，充电控制模块13会控制整流模块14停止输出电流，结束充电，同时进入充电极片12电压监控状态。这时，如果电源控制模块检测到充电电流消失后，则认为充电已经结束，则电源控制模块延时2S后切换双触点继电器6断开交流充电座3与交流市电的连接，重新进入充电座脉冲监测状态。当充电控制模块13检测到充电极片12两端的交流市电消失后，控制系统开始控制机器人行走，充电过程结束。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种机器人自动充电系统，其特征是，它包括安装在充电室内的导轨，导轨上设有导向轮，导向轮指引机器人车轮的移动，每个导轨上还安装相应交流充电座，交流充电座与交流市电的零线和火线连接，充电极片安装在机器人底盘上，所述充电极片依次与充电控制模块、整流模块、充电电池连接；

所述交流充电座通过双触点继电器的常开触点与交流市电连接，交流充电座通过双触点继电器的常闭触点与脉冲监测模块连接，脉冲监测模块与单片机处理器连接，单片机处理器与双触点继电器线圈连接，在交流充电电路上设有电流传感器和电压传感器。

2.如权利要求1所述机器人自动充电系统，其特征是，所述机器人车轮通过绝缘板与机器人底盘连接，机器人车轮与机器人底盘保持绝缘。

3.如权利要求1所述机器人自动充电系统，其特征是，所述充电控制模块包括脉冲发生模块，脉冲发生模块通过双触点继电器与充电极片连接，脉冲发生模块与单片机处理器连接，单片机处理器还与双触点继电器线圈连接，单片机处理器与电压传感器连接，电压传感器与充电极片连接。

4.基于权利要求1所述的机器人自动充电系统的机器人自动充电方法，具体步骤为：

步骤一：机器人在充电位置停靠完成后，充电控制模块向充电极片发送特定频率和幅值的确认脉冲；充电控制模块进入交流电压监测状态；

步骤二：脉冲检测模块接收该确认脉冲，并且与预先存储的脉冲格式进行对比，如一致，脉冲检测模块进入延时状态，若不一致则说明交流充电座和充电极片没有完全对接，单片机处理器控制交流充电座移动直到交流充电座和充电极片对接正确；

步骤三：延时结束，单片机处理器控制交流充电座接通交流市电；单片机处理器进入电压电流监测状态；

步骤四：充电控制模块检测到交流市电后，控制充电电池与整流模块连接，充电过程开始；

步骤五：充电控制模块检测到充电已经完成，或者充电未完成但是机器人需要执行任务时，控制充电电池与整流模块断开连接；

步骤六：电源控制模块检测到充电电流消失，控制交流充电座与交流市电断开，充电过程结束。