CN103676643A - 一种用于轮式机器人自主充电的电源自动对接装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电器控制领域，提供一种用于轮式机器人自主充电的电源自动对接装置，包括悬挂的馈电装置和车载的受电装置，所述馈电装置包括电动机、丝杠、滑块、滑轨、左限位开关、右限位开关、电线悬挂杆、悬挂环、电源线、特制电源插座、悬挂弹簧、悬挂钢丝和无线控制器，所述受电装置包括电动机、丝杠、滑块、滑轨、支撑座、梳状机械手、电极插槽、前限位开关、后限位开关、对接控制器。本发明自动对接装置自主操作过程模拟人的电源对接行为，适应性强，准确且可靠性高，只要轮式机器人停泊在指定区域，尽管可能存在前后、左右以及高度偏差，均能实现电极抓取、插入和拔出的准确控制，完成电源自动对接——分离的完整过程。

Description

一种用于轮式机器人自主充电的电源自动对接装置

技术领域

 本发明属于电器控制领域，具体涉及一种用于轮式机器人自主充电的电源自动对接装置。

背景技术

在20世纪40年代末，Grey Walter开发第一个名为Tortoises的自主充电移动机器人。这种机器人具有在神经学意义上的向着光线走动的行为能力。Walter还发明了一个当作充电站的小橱，橱中设有能够发射光束的装置和充电器。通过光线束的引导，机器人Tortoises自动来到橱前通过接触进行自主充电。这个系统能够将电池与充电器进行具有一定准确性的对接。

1998年，日本Tsukuba大学成功开发出了一款可以自动充电的名为Yalnabico-Liv的导游机器人。通过使用导航系统，该机器人能够利用地图自主导航绕越实验室的环境到达充电站，通过充电站上一些特殊的装置的作用，实现自主充电。

美国卡内基梅隆大学的机器人研究中心也开发出了一种叫做Sage的导游机器人，该机器人从卡内基梅隆历史博物馆所使用的导游机器人Nomad XR4000改进而来。机器人Sage通过其所携带的CCD摄像头对标识环境的三维路标等进行识别和处理，从而自主地寻找充电站实现自动充电。一个特殊的路标直接放于充电站插座的正上方，通过它的引导，实现机器人可靠地停靠在预设的充电位置处，从而实现自主充电。这种电源自动对接装置大约每隔9天就需要人为地进行一些精度校正。

目前，市场上出售的扫地机器人能够通过红外线信号自主寻找特制的电源插座并进行自动充电，但充电功率很小。

轮式机器人由于行程和载重需要，一般均配置较大容量的蓄电池，充电电流较大，因此要求电源对接装置的电极接触面大且具有较大的压力，同时还要求能在机器人停泊位置具有较大误差的情况下实现准确对接。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术的不足之处，而提供一种用于轮式机器人自主充电的电源自动对接装置，它能够实现轮式机器人自主进行电极的抓取、插入和拔出准确控制，完成电源自动对接-分离的完整过程。

本发明的目的是通过如下技术措施来实现的：一种用于轮式机器人自主充电的电源自动对接装置，包括悬挂的馈电装置和车载的受电装置，所述馈电装置包括电动机、丝杠、滑块、滑轨、左限位开关、右限位开关、电线悬挂杆、悬挂环、电源线、特制电源插座、悬挂弹簧、悬挂钢丝和无线控制器，所述电动机输出端与丝杠相连，电动机输入端与无线控制器相连，滑块设于丝杠和滑轨上，滑块经悬挂弹簧、悬挂钢丝与特制电源插座相连，特制电源插座与电源线相连，同时电源线的水平段通过悬挂环挂在悬挂杆上；所述受电装置包括电动机、丝杠、滑块、滑轨、支撑座、梳状机械手、电极插槽、前限位开关、后限位开关、对接控制器，所述电动机输出端与丝杠相连，电动机输入端与对接控制器相连，滑块设于丝杠和滑轨上，滑块与梳状机械手相连，梳状机械手上布置有能够感应特制电源插座的触觉传感器，触觉传感器的输出端与对接控制器相连，在滑轨端部设有与特制电源插座相应的电极插槽。

 在上述技术方案中，所述梳状机械手包括机械手臂、梳状板和触觉传感器，梳状板上分布有多个圆弧状的梳孔，梳状板与水平面呈一定角度，梳孔之间的连接处为圆弧，每个梳孔均布有触觉传感器，当特制电源插座被拉入梳状板的任意梳孔时，特制电源插座与三个触觉传感器接触形成两个通路使对接控制器检测到两路电信号。

在上述技术方案中，所述特制电源插座，包括铝合金圆锥外壳，绝缘支座，铜管电极、铜环电极、钢丝绳固定扣和绝缘垫片，所述铝合金圆锥外壳上段为内空的圆锥体，下段为有内螺纹的圆柱体；绝缘支座为用绝缘材料制成的与铝合金圆锥外壳配合的带有外螺纹的圆柱体，顶端带有圆柱体凸台，中心有下段直径大上段直径小的轴向通孔，该绝缘支座下端面还刻有环形槽，在环形槽上布置四个对称的轴向通孔，铜管电极用铜棒制成，上段直径小且顶端有螺纹成为接线柱之一、下段直径大且中心有电极插孔，铜环电极由下铜环、上铜环和四个铜螺钉构成，下铜环上四个固定孔带螺纹且螺孔不贯穿，上铜环的四个固定通孔无螺纹，四个铜螺钉中的三个可用普通铜螺钉，另一个为带接线柱的特制铜螺钉，钢丝绳固定扣与悬挂钢丝绳相连；绝缘垫片为带穿线孔的绝缘材料圆片，电源线穿过绝缘垫片与铜管电极的接线柱相连；所述铜环电极的下铜环嵌入绝缘支座下端面的环形槽内，四个铜螺钉穿过环形槽上布置的四个对称的轴向通孔，套上上铜环后由螺栓固定，所述铜管电极套设在绝缘支座的中心轴向通孔内，绝缘支座与铝合金圆锥外壳通过螺纹连接固定。

在上述技术方案中，所述电极插槽，包括插槽，插头，电动推杆，槽位限位开关，插入限位开关，所述插槽是U型不锈钢凹槽，槽口为喇叭口，插头设于插槽下方，插头底部与电动推杆相连，插头中间是针形电极，外围为环形电极，两电极与特制电源插座的铜管电极、铜环电极相匹配，槽位限位开关用于感应特制电源插座入槽状态，插入限位开关用于感应插头插入状态。

在上述技术方案中，所述对接控制器以微处理器作为控制核心，该微处理器与机械手触觉感应器、机械手前后限位开关、槽位限位开关和插入限位开关相连，具有无线电通信接口，并有控制机械手伸缩和电动推杆运动的控制输出接口。

在上述技术方案中，所述无线控制器以微处理器作为控制核心，该微处理器与能够检测馈电装置滑块的左右限位开关相连，具有无线电通信接口，并有控制滑块左右移动的控制输出接口和控制馈电电源开关分合闸的输出接口。

当轮式机器人需要充电而自动停泊在指定的区域时，对接控制器控制梳状机械手向后伸出，随后发出无线电信号控制馈电装置滑块带着电源线和特制电源插座向左移动，当特制电源插座被拉入梳状机械手的任意一个半圆环中并使触觉传感器感知，对接控制器向馈电装置发出停止移动信号，接着梳状机械手向前缩回，将特制电源插座引至并插入电极插槽，电动推杆推出插头接通电路，对接控制器再发出无线电信号使馈电装置合上电源开关，机器人即处于充电状态。充电完成后，对接控制器发出无线电信号使馈电装置断开电源开关，电动推杆缩回拔出插头，随后梳状机械手拔出特制电源插座并带着电源线及特制电源插座向后伸出，接着对接控制器发出无线电信号使馈电装置带着电源线和特制电源插座向右移动离开并回到原位。如此，只要轮式机器人停泊在指定区域，尽管每次停泊可能存在前后、左右偏差以及由于轮胎气压变化引起的机械手离地面高度偏差，均能实现电极抓取、插入和拔出的准确控制，完成机器人自主充电电源自动对接——分离的完整过程。

本发明用于轮式机器人自主充电的电源自动对接装置自主操作过程模拟人的电源对接行为，适应性强，准确且可靠性高，只要轮式机器人停泊在指定区域，尽管可能存在前后、左右以及高度偏差，均能实现电极抓取、插入和拔出的准确控制，完成电源自动对接——分离的完整过程。

附图说明

图1为本发明中馈电装置的结构示意图。

图2为本发明中受电装置的结构示意图。

图3为本发明中梳状机械手的结构示意图。

图4为本发明中特制电源插座的外观结构图。

图5为本发明中特制电源插座的铝合金圆锥外壳部分的结构示意图。

图6为本发明中特制电源插座的绝缘支座部分的结构示意图。

图7为本发明中特制电源插座的铜管电极的结构示意图。

图8为本发明中特制电源插座的铜环电极的结构示意图。

图9为本发明中特制电源插座的整体装配示意图。

图10为本发明中电极插槽的插槽部分的结构示意图。

图11为本发明中电极插槽的插头部分的结构示意图。

图12为本发明中电极插槽的整体装配示意图。

图13为本发明中对接控制器电气原理框图。

图14为本发明中无线控制器电气原理框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。

参见图1～图14， 本实施例提供一种用于轮式机器人自主充电的电源自动对接装置，包括悬挂的馈电装置和车载的受电装置。如图1所示，馈电装置包括电动机1、丝杠2、滑块3、滑轨4、滑轨两端设置的左限位开关5和右限位开关6、电线悬挂杆7、悬挂环8、电源线9、特制电源插座10、悬挂弹簧11、悬挂钢丝12和无线控制器13，所述电动机1输出端与丝杠2相连，电动机1输入端与无线控制器13相连，滑块3设于丝杠2和滑轨4上，滑块3经悬挂弹簧11、悬挂钢丝12与特制电源插座10相连，特制电源插座10与电源线9相连，同时电源线9的水平段通过悬挂环8挂在悬挂杆7上；电动机1驱动丝杠2转动，使滑块3左右移动，滑块3又带动悬挂弹簧11、悬挂钢丝12、电源线9垂直段及特制电源插座10跟随移动，同时电源线9水平段在悬挂杆7下伸缩。

如图2所示，受电装置包括电动机14、丝杠15、滑块16、滑轨17、支撑座18、梳状机械手19、电极插槽20、滑轨17两端设置的前限位开关21和后限位开关22、对接控制器23，所述电动机14输出端与丝杠15相连，电动机14输入端与对接控制器23相连，滑块17设于丝杠15和滑轨17上，滑块16与梳状机械手19相连，梳状机械手19上布置有能够感应特制电源插座10的触觉传感器19-3，触觉传感器19-3的输出端与对接控制器23相连，在滑轨17端部设有与特制电源插座相应的电极插槽20；电动机14驱动丝杠15转动，带动滑块16前后移动，从而使梳状机械手19前后伸缩，布在梳状机械手19上的触觉传感器19-3能够感应特制电源插座10，并将感应信号传送给对接控制器23，在对接控制器23控制下梳状机械手19能够完成特制电源插座10的抓取并将其插入电极插槽20的动作。

进一步的技术方案是，如图3所示，梳状机械手19包括机械手臂19-1、梳状板19-2、触觉传感器19-3。梳状板19-2上分布有多个圆弧状的梳孔。梳状板19-2与水平面呈一定角度，梳孔之间的连接处为圆弧，以方便电源线9进入。每个梳孔均布有触觉传感器19-3，触觉传感器19-3的原理是：在每个梳孔的圆弧上均布三个电极，两个梳齿上分别布置带内部限流电阻的+5V电极A和+5V电极B，圆弧中间部分布置0V电极C，当特制电源插座被拉入梳状板19-2的任意梳孔时，特制电源插座10的铝合金圆锥外壳与三个触觉传感器19-3，即电极A、电极B和电极C接触，从而导通电极A和电极C以及电极B和电极C之间的电流通路，其形成的两个通路使对接控制器23检测到两路电信号，只有当对接控制器23检测到两路电信号后才判断特制电源插座10被拉入梳孔到位，从而启动电动机14，带动梳状机械手19缩回，将特制电源插座10拉入电极插槽20。

进一步的技术方案可以是，如图4至9所示，特制电源插座10，包括铝合金圆锥外壳10-1，绝缘支座10-2，铜管电极10-3、铜环电极10-4、钢丝绳固定扣10-5和绝缘垫片10-6。铝合金圆锥外壳10-1上段为内空的圆锥体，下段为有内螺纹的圆柱体，如图5所示；绝缘支座10-2为用阻燃ABS或尼龙等绝缘材料制成的与铝合金圆锥外壳10-1配合的带有外螺纹的圆柱体，顶端带有圆柱体凸台，中心有下段直径较大上段直径较小的轴向通孔，该绝缘支座下端面还刻有环形槽，在环形槽上布置四个对称的轴向通孔,如图6所示；铜管电极10-3用铜棒制成，上段直径较小且顶端有螺纹成为接线柱之一、下段直径较大且中心有电极插孔，如图7所示；铜环电极10-4由下铜环、上铜环和四个铜螺钉构成，下铜环较厚、环上四个固定孔带螺纹且螺孔不贯穿，上铜环为略薄且其四个固定通孔无螺纹，四个铜螺钉中的三个可用普通铜螺钉，另一个为带接线柱的特制铜螺钉，如图8所示；钢丝绳固定扣10-5为市面上可购置件；绝缘垫片10-6为带穿线孔的绝缘材料圆片，用于隔离钢丝绳固定扣10-5和铜接线柱，电源线9穿过绝缘垫片10-6与铜管电极的接线柱相连。所述铜环电极10-4的下铜环嵌入绝缘支座10-2下端面的环形槽内，四个铜螺钉穿过环形槽上布置的四个对称的轴向通孔，套上上铜环后由螺栓固定，所述铜管电极10-3套设在绝缘支座10-2的中心轴向通孔内，绝缘支座10-2与铝合金圆锥外壳10-1通过螺纹连接固定。

进一步的技术方案还可以是，如图10至12，电极插槽20包括插槽20-1、插头20-2、电动推杆20-3、槽位限位开关20-4、插入限位开关20-5。插槽20-1是U型不锈钢凹槽，槽口为喇叭口，方便特制电源插座10入槽；插头20-2中间是针形电极，外围为环形电极，两电极与特制电源插座10的铜管电极、铜环电极相匹配，该插头有电动推杆20-3驱动插入或拔出；槽位限位开关20-4用于感应特制电源插座10入槽状态；插入限位开关20-5用于感应插头20-2插入状态。

进一步的技术方案还可以是，如图13所示，对接控制器23以微处理器作为控制核心，该微处理器与机械手触觉感应器、机械手前后限位开关、槽位限位开关和插入限位开关相连，能够检测机械手触觉感应信号、机械手前后限位信号、电源插头入槽信号和插头插入信号，具有无线电通信接口，并有控制机械手伸缩和电动推杆运动的控制输出接口。

进一步的技术方案还可以是，如图14所示，馈电装置的无线控制器13以微处理器作为控制核心，该微处理器与能够检测馈电装置滑块的左右限位开关相连，能够检测馈电装置滑块的左右限位信号，具有无线电通信接口，并有控制滑块左右移动的控制输出接口和控制馈电电源开关分合闸的输出接口。

本发明的工作原理是，通过对接控制器23对无线控制器13的无线控制，电源线9和特制电源插座10在X轴方向移动，梳状机械手19在Y轴方向移动，当电源线9或特制电源插座10与梳状机械手19接触后继续受到向左移动的拉力时，会形成向上的一定范围的移动，即为Z轴方向移动。本发明通过梳状机械手19的前后伸缩和电源线9及特制电源插座10的左右移动，以及电源线9和特制电源插座10在梳状机械手19某个圆弧内的上下移动，实现三维空间的准确定位。

本发明的工作过程如下：按上述原理，当轮式机器人电力不足需要补充电能时，轮式机器人自动停泊到指定区域，对接控制器23发出无线电充电请求信号，首先馈电装置的无线控制器13收到无线电信号，馈电装置中的电动机1驱动丝杠2转动，带动滑块3和下方的电源线9和特制电源插座10移到右端后停止；接着，对接控制器23控制梳状机械手19向后伸出，直到滑块16触碰到后限位开关22，电动机14停止转动；随后对接控制器23发出无线电信号，启动馈电装置动作，电动机1驱动丝杠2转动，带动滑块3和下方的电源线9和特制电源插座10向左移动，电源线9或特制电源插座10与梳状机械手19接触并上移，直到特制电源插座10触碰到梳状机械手19任意圆弧底面的三个触觉传感器19-1，对接控制器23发出无线电信号，控制电动机1停止转动，随之滑块3和下方的电源线9、特制电源插座10停止向左移动；接着，对接控制器23启动受电装置的电机14，驱动丝杠15反向转动，带动滑块16返回，梳状机械手19及特制电源插座10前移，将特制电源插座10引至电极插槽20，直到碰到槽位限位开关20-3，电动机14停止转动；接着，对接控制器23启动电动推杆20-3将插头20-2推向特制电源插座10，直到触碰插入限位开关20-5，电动推杆20-3停止；至此，电源电路连通，对接控制器23再发出无线电信号要求合上电源开关，馈电装置中的无线电控制器13接收到关合信号后，控制电源开关合上，机器人即处于充电状态。充电完成后，对接控制器23发出无线电信号要求断开电源开关，馈电装置中的无线电控制器13接收到断开信号后，控制电源开关断开；随后对接控制器23控制电动推杆20-3拉出插头20-2；接着，对接控制器23启动电动机14驱动丝杠15转动，带动滑块16及梳状机械手19、特制电源插座10向后移动，将特制电源插座10拔出电极插槽20，直到滑块16触碰到后限位开关22，电动机14停止转动；接着，对接控制器23向馈电装置发出无线电信号，要求电动机1驱动丝杠2转动，带动滑块3和下方的电源线9和特制电源插座10向右移动，使它们离开梳状机械手19，直到滑块3碰触到右限位开关6，电动机1停止转动，馈电装置回到原始状态；随后对接控制器23启动受电装置的电动机14，驱动丝杠15反向转动，带动滑块16与梳状机械手19返回，直到滑块16碰触到前限位开关21，电机14停止工作，受电装置回到原始状态，充电过程宣告完成。如此，只要轮式机器人停泊在指定区域，无论是否受到轮式机器人停泊位置偏差以及由于轮胎气压变化引起的机械手离地面高度偏差等的因素影响，均能实现电源插座的抓取、插头的插入和拔出的准确控制，完成自主机器人充电电源自动对接——分离的完整过程。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，如用于任意种类高电导率介质时，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于轮式机器人自主充电的电源自动对接装置，包括悬挂的馈电装置和车载的受电装置，其特征是：所述馈电装置包括电动机、丝杠、滑块、滑轨、滑轨两端设置的左限位开关和右限位开关、电线悬挂杆、悬挂环、电源线、特制电源插座、悬挂弹簧、悬挂钢丝和无线控制器，所述电动机输出端与丝杠相连，电动机输入端与无线控制器相连，滑块设于丝杠和滑轨上，滑块经悬挂弹簧、悬挂钢丝与特制电源插座相连，特制电源插座与电源线相连，同时电源线的水平段通过悬挂环挂在悬挂杆上；所述受电装置包括电动机、丝杠、滑块、滑轨、支撑座、梳状机械手、电极插槽、滑轨两端设置的前限位开关和后限位开关、对接控制器，所述电动机输出端与丝杠相连，电动机输入端与对接控制器相连，滑块设于丝杠和滑轨上，滑块与梳状机械手相连，梳状机械手上布置有能够感应特制电源插座的触觉传感器，触觉传感器的输出端与对接控制器相连，在滑轨端部设有与特制电源插座相应的电极插槽。

2.根据权利要求1所述的用于轮式机器人自主充电的电源自动对接装置，其特征是：所述梳状机械手包括机械手臂、梳状板和触觉传感器，梳状板上分布有多个圆弧状的梳孔，梳状板与水平面呈一定角度，梳孔之间的连接处为圆弧，每个梳孔均布有触觉传感器，当特制电源插座被拉入梳状板的任意梳孔时，特制电源插座与三个触觉传感器接触形成两个通路使对接控制器检测到两路电信号。

3.根据权利要求1所述的用于轮式机器人自主充电的电源自动对接装置，其特征是：所述特制电源插座，包括铝合金圆锥外壳，绝缘支座，铜管电极、铜环电极、钢丝绳固定扣和绝缘垫片，所述铝合金圆锥外壳上段为内空的圆锥体，下段为有内螺纹的圆柱体；绝缘支座为用绝缘材料制成的与铝合金圆锥外壳配合的带有外螺纹的圆柱体，顶端带有圆柱体凸台，中心有下段直径大上段直径小的轴向通孔，该绝缘支座下端面还刻有环形槽，在环形槽上布置四个对称的轴向通孔，铜管电极用铜棒制成，上段直径小且顶端有螺纹成为接线柱之一、下段直径大且中心有电极插孔，铜环电极由下铜环、上铜环和四个铜螺钉构成，下铜环上四个固定孔带螺纹且螺孔不贯穿，上铜环的四个固定通孔无螺纹，四个铜螺钉中的三个可用普通铜螺钉，另一个为带接线柱的特制铜螺钉，钢丝绳固定扣与悬挂钢丝相连；绝缘垫片为带穿线孔的绝缘材料圆片，电源线穿过绝缘垫片与铜管电极的接线柱相连；所述铜环电极的下铜环嵌入绝缘支座下端面的环形槽内，四个铜螺钉穿过环形槽上布置的四个对称的轴向通孔，套上上铜环后由螺栓固定，所述铜管电极套设在绝缘支座的中心轴向通孔内，绝缘支座与铝合金圆锥外壳通过螺纹连接固定。

4.根据权利要求1所述的用于轮式机器人自主充电的电源自动对接装置，其特征是：所述电极插槽，包括插槽，插头，电动推杆，槽位限位开关，插入限位开关，所述插槽是U型不锈钢凹槽，槽口为喇叭口，插头设于插槽下方，插头底部与电动推杆相连，插头中间是针形电极，外围为环形电极，两电极与特制电源插座的铜管电极、铜环电极相匹配，槽位限位开关用于感应特制电源插座入槽状态，插入限位开关用于感应插头插入状态。

5.根据权利要求1所述的用于轮式机器人自主充电的电源自动对接装置，其特征是：所述对接控制器以微处理器作为控制核心，该微处理器与机械手触觉感应器、机械手前后限位开关、槽位限位开关和插入限位开关相连，具有无线电通信接口，并有控制机械手伸缩和电动推杆运动的控制输出接口。

6.根据权利要求1所述的用于轮式机器人自主充电的电源自动对接装置，其特征是：所述无线控制器以微处理器作为控制核心，该微处理器与能够检测馈电装置滑块的左右限位开关相连，具有无线电通信接口，并有控制滑块左右移动的控制输出接口和控制馈电电源开关分合闸的输出接口。

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