CN106786882B - 一种适用于室内移动机器人的通用型自动对接充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于室内移动机器人的通用型自动对接充电装置，属于机器人技术领域。该装置包括固定充电站和安装在移动机器人上的自充电附件两部分，其中固定充电站包括充电对接系统，控制系统、无线通信模块A、对接状态检测系统和供电系统；自充电附件，包括电池电量监控模块、无线通信模块B和充电座。自充电附件与移动机器人的控制系统和充电电池系统连接之后，通过执行移动机器人端和固定充电站端各自的程序，实现自动对接充电。所述充电对接系统通过单自由度运动的电动推杆实现与充电座的对接/分离动作，对接状态检测系统通过电压检测判断对接系统状态。

Description

一种适用于室内移动机器人的通用型自动对接充电装置

技术领域

本发明属于移动机器人领域，特别涉及一种适用于室内移动机器人的通用型自动对接充电装置。

背景技术

目前，室内移动机器人(如服务机器人、自动物流场景下的自动导引车AGV)主要依靠高质量的机载可充电蓄电池组来给自身供电，当电能耗尽的时候需要采用人工充电技术，这样机器人就处于一种非连续的任务环。因此，要使机器人处在一个连续的任务环中，必须解决机器人自动充电的问题。目前，一些室内清洁机器人采用了自动充电技术，这类充电装置充电接线柱裸露在外，存在一定的安全隐患，且不便于进行大电流充电。一些自动导引车AGV采用了自动对接充电技术，但多属于专款专用，不便作为功能模块便捷的部署到其他机器人系统中。一些自动充电装置需要增加传感器实现精确对准，增加了系统复杂度和使用成本。

发明内容

针对现有技术的不足，提出了一种具有模块化，低成本，高安全性，适用范围广，即插即用特点的简单实用的自动对接充电技术方案，该方案可在室内移动机器人领域进行广泛应用。

为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：一种适用于室内移动机器人的通用型自动对接充电装置，由固定充电站和安装在机器人上的自充电附件组成，所述固定充电站包括充电对接系统、对接状态检测系统、无线通信模块A、供电系统和充电控制系统，其中充电对接系统、对接状态检测系统、无线通信模块A分别与充电控制系统连接，供电系统给充电对接系统、对接状态检测系统、无线通信模块A和充电控制系统供电；所述自充电附件包括与可充电电池组连接的充电座，与移动机器人控制系统连接的无线通信模块B和电池电量检测模块，电池电量检测模块的检测端与可充电电池组连接。

具体地，所述充电对接系统包括用于固定充电对接系统的充电站支架、电动推杆、充电触头、限位开关和电机驱动模块，充电站支架上固定有电动推杆，电机驱动模块驱动电动推杆的驱动电机转动，控制电动推杆伸长或收缩，充电触头和限位开关设置在电动推杆的自由端。充电触头包括绝缘基体和舌形扁铜片，绝缘基体的后端与电动推杆的伸缩杆前端固定连接，绝缘基体的前端固定舌形扁铜片，限位开关设置在绝缘基体上，通过信号线与充电控制系统连接。舌形扁铜片为两片，平行且相对固定在绝缘基体的两侧。

在上述方案中，所述电动推杆的轴线保持水平，且电动推杆的伸缩杆在伸缩过程中无转动。

进一步充电座的具体结构为：所述充电座具有卡槽、挡板、金属簧片和弹簧，挡板与卡槽通过螺栓固连，形成供舌形铜片进入的开口，卡槽和挡板为绝缘材料制成，在开口中设置有金属簧片，金属簧片与卡槽之间均匀设置有弹簧。金属簧片弯折为三段，分别为接触段、导向段和固定段，接触段为水平状态，导向段与水平面呈30°角，固定段为竖直状态，金属簧片(23)的固定段与挡板固定连接。挡板与卡槽所形成开口的入口处在挡板与卡槽上设有导角。

所述充电座安装在移动机器人的侧面，开口保持水平(使充电座与充电站相配合)，充电插座的开口高度与充电触头的舌形扁铜片平齐。

本发明的优点及有益效果如下：

鉴于以上方案，本发明提供的模块化自动对接充电系统，方便将其快速部署到需要的机器人系统中，实现即插即用，同时兼具安全防护等级高、对机器人的运动定位精度无过高要求等特点，必将大大推动自动对接充电技术在室内移动机器人系统中的广泛应用，从而产生社会经济效益。

本发明提供了一种简单可靠的自动装置，充分利用室内移动机器人移动过程中水平运动特点，充电座设置长的楔形开口降低对接操作精度要求。该装置将结构相对简单的充电座设置于移动机器人端，对于多机器人系统只需要增加充电座，其他部分可以复用，显著降低多机器人自充电系统成本。

附图说明

图1为自动充电装置系统框图；

图2为自动对接系统和充电座的正视结构示意图；

图3为自动对接系统和充电座的俯视结构示意图；

图4为充电座侧视结构示意图；

图5为充电座爆炸结构示意图；

图6为充电对接状态检测电路；

图7为自动对接充电工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

图1展示了一种适用于室内移动机器人的通用型自动对接充电装置的系统框图，包括固定充电站(见图1(a))和安装在移动机器人上的自充电附件(见图1(b)中的虚线框部分)两部分。所述固定充电站包括充电对接系统(见图1(a)中的虚线框部分)，充电控制系统、无线通信模块A、对接状态检测系统和供电系统。所述自充电附件(见图1(b)中的虚线框部分)，包括充电座、电池电量检测模块、无线通信模块A。自充电附件与移动机器人的控制系统和可充电电池组连接之后，移动机器人和固定充电站的控制程序协同工作实现自动对接充电。

图2和图3展示了一种优选的固定充电站侧充电对接系统和移动机器人侧充电座的机构示意图。图2中充电对接系统1由充电站支架(图2中未画出)、电动推杆11、充电触头12、限位开关13和电机驱动模块(图2中未画出)构成。所述电动推杆11固定于充电站支架上，电动推杆轴线保持水平。电动推杆的伸缩杆111在伸缩过程中无转动。所述充电触头由绝缘基体121和舌形扁铜片122构成。绝缘基体121为绝缘材料，绝缘基体121后端与电动推杆的伸缩杆111前端固定连接。绝缘基体121上下两侧固定舌形扁铜片122，绝缘基体121左右两侧固定限位开关13。所述电动推杆中的驱动电机112通过电机驱动模块与充电控制系统连接。

图4和图5展示了一种优选的安装于移动机器人侧面的充电座结构示意图。移动机器人侧充电座2由卡槽21、挡板22、金属簧片23和弹簧24构成，其中卡槽21和挡板23为绝缘材料。卡槽中部凸起两侧和挡板靠近卡槽中部一侧设有导角，挡板23和卡槽21通过螺栓固连，连接之后充电座形成两条水平方向的楔形开口25(见图4)。楔形开口25间隙大于充电触头舌形扁铜片122厚度，开口宽度根据移动机器人的定位精度设置合理余量。楔形卡口25对充电触头对接过程起导向作用。挡板22与卡槽21之间设置有金属簧片23，金属簧片23弯折为三段，分别为接触段、导向段和固定段。金属簧片23的接触段为水平状态，面积最大，其上固定有均匀布置的弹簧24，保证金属簧片23和充电触头舌形扁铜片122可靠接触，金属簧片23的导向段与水平面呈30°角，引导充电触头的扁铜片顺利插入。金属簧片23的固定段为竖直状态，该部分与挡板22通过螺栓固定，与移动机器人可充电电池两极导通的导线连接于此螺栓上。楔形开口25和金属簧片23的导向段有助于充电触头顺利插入充电座。充电座2固定安装于移动机器人的侧面，充电座的楔形开口25保持水平，充电插座的水平楔形开口25高度与充电触头的舌形扁铜片122平齐(见图2)。

所述固定充电站侧对接状态检测系统3，通过设计电压检测电路检测触头扁铜片122是否与充电座金属簧片23可靠接触。其工作原理为，当簧片与充电触头金属片(舌形扁铜片122)可靠接触时，电压检测电路能检测到稳定电压；当无接触或接触不可靠时，电压检测电路无法检测到电压或电压存在波动。当接触可靠时打开开关进行充电；当接触不可靠时，缩短充电触头，调整移动机器人的位置和方向，重新进行对接操作，直至检测到可靠接触。

图6展示了一种可行的电压检测电路。该电路采用OPA333运放实现电压比较器功能，同相输入+IN＝1.47V，当充电对接系统未接触时，反向输入-IN＝0，由+IN>-IN,可知输出OUT＝5V，为高电平。当充电对接系统可靠接触时，则-IN＝3.08V，由-IN>+IN，可知输出OUT＝0。将此高低电平信号送入对接控制系统检测，即可完成对接装置可靠接触检测功能。

所述固定充电站侧对充电控制系统6，选用低功耗嵌入式微处理芯片作为主控系统；该芯片的2个数字输入口采集限位开关的状态，2个数字输出口与电机驱动模块14相连，分别控制电动推杆驱动电机112的正反转和电机使能开关，1个串行接口与无线通信模块A4相连，1个模拟输入口与对接状态检测模块相连。

所述固定充电站侧供电系统5采用AC-DC开关电源，分别为充电控制系统6、电机驱动模块14、对接状态检测系统3和无线通信模块A 4提供能源。

固定充电站和移动机器人侧的无线通信模块A 4和无线通信模块B 10采用相同模块，该模块均通过串行接口与固定充电站或移动机器人侧的移动机器人控制测的主控芯片连接。

电池电量检测模块7，采用库伦计测量电池电量，通过串口与移动机器人控制系统相连。

为了实现自主对接充电，需要移动机器人和固定充电站协同工作方能实现，两侧控制程序流程如图7所示。如图7(a)所示，移动机器人端的控制程序流程如下:第一步，移动机器人检测可充电电池电量信息，当电量低于设定阈值后，移动到设定充电点附近；第二步，移动机器人系统的主控通过无线通信模块B向自动充电装置发送充电请求,并等待充电开始的应答信号；第三步，移动机器人接收到充电开始的应答信号后，循环监测充电电池电量信息，待电池电量充满后，向自动充电装置端发送停止充电请求，并等待停止充电应答信号；第四步，移动机器人接收到停止充电应答信号后，离开充电站，并跳转到第一步。

如图7(b)所示，固定充电站端的控制程序流程如下：第一步，自动充电装置主控系统通过循环读取并解析无线通信模块A监听移动机器人发出的充电请求；第二步，当自动充电装置主控系统监听到请求充电指令时，控制电机转动从而驱动充电插头(舌形扁铜片)前伸；第三步，电动推杆前伸时，主控系统周期查询限位开关状态，当限位开发触发后，电动推杆停止前伸；第四步，自动充电装置通过对接状态检测电路检查对接状态，若对接状态检测正常，则打开充电开关开始对电池进行充电；第五步，监听移动机器人发出的停止充电信号，当接受到停止充电信号后，断开充电继电开关，之后控制丝杠电机反向转动从而驱动充电插头后缩，直到触发后缩限位开关并停止后缩；第六步，发送停止充电应答信号，并跳转到第一步。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种适用于室内移动机器人的通用型自动对接充电装置，由固定充电站和安装在机器人上的自充电附件组成，其特征在于：所述固定充电站包括充电对接系统(1)、对接状态检测系统(3)、无线通信模块A(4)、供电系统(5)和充电控制系统(6)，其中充电对接系统(1)、对接状态检测系统(3)、无线通信模块A(4)分别与充电控制系统(6)连接，供电系统(5)给充电对接系统(1)、对接状态检测系统(3)、无线通信模块A(4)和充电控制系统(6)供电；所述自充电附件包括与可充电电池组(9)连接的充电座(2)，与移动机器人控制系统(8)连接的无线通信模块B(10)和电池电量检测模块(7)，电池电量检测模块(7)的检测端与可充电电池组(9)连接；

所述充电对接系统(1)包括用于固定充电对接系统(1)的充电站支架、电动推杆(11)、充电触头(12)、限位开关(13)和电机驱动模块(14)，充电站支架上固定有电动推杆(11)，电机驱动模块(14)驱动电动推杆(11)的驱动电机(112)转动，控制电动推杆(11)伸长或收缩，充电触头(12)和限位开关(13)设置在电动推杆(11)的自由端；

所述充电座(2)具有卡槽(21)、挡板(22)、金属簧片(23)和弹簧(24)，挡板(22)与卡槽(21)通过螺栓固连，形成供舌形铜片(122)进入的开口，在开口中设置有金属簧片(23)，金属簧片(23)与卡槽(21)之间均匀设置有弹簧(24)；

所述金属簧片(23)弯折为三段，分别为接触段、导向段和固定段，接触段为水平状态，导向段与水平面呈30°角，固定段为竖直状态，金属簧片(23)的固定段与挡板(22)固定连接；

移动机器人端的控制步骤如下:第一步，移动机器人检测可充电电池电量信息，当电量低于设定阈值后，移动到设定充电点附近；第二步，移动机器人系统的主控通过无线通信模块B(10)向固定充电站发送充电请求,并等待充电开始的应答信号；第三步，移动机器人接收到充电开始的应答信号后，循环监测充电电池电量信息，待电池电量充满后，向固定充电站发送停止充电请求，并等待停止充电应答信号；第四步，移动机器人接收到停止充电应答信号后，离开固定充电站，并跳转到第一步；

固定充电站端的控制步骤如下：第一步，固定充电站的充电控制系统(6)通过循环读取并解析无线通信模块A(4)监听移动机器人发出的充电请求；第二步，当充电控制系统(6)监听到请求充电指令时，控制驱动电机(112)转动从而驱动电动推杆(11)前伸；第三步，电动推杆(11)前伸时，充电控制系统(6)周期查询限位开关状态，当限位开关触发后，电动推杆(11)停止前伸；第四步，充电控制系统(6)通过对接状态检测电路检查对接状态，若对接状态检测正常，则打开充电开关开始对电池进行充电；第五步，监听移动机器人发出的停止充电信号，当接收到停止充电信号后，断开充电继电开关，之后控制驱动电机(112)反向转动从而驱动电动推杆(11)后缩，直到触发后缩限位开关并停止后缩；第六步，发送停止充电应答信号，并跳转到第一步。

2.根据权利要求1所述一种适用于室内移动机器人的通用型自动对接充电装置，其特征在于：所述充电触头(12)包括绝缘基体(121)和舌形扁铜片(122)，绝缘基体(121)的后端与电动推杆(11)的伸缩杆(111)前端固定连接，绝缘基体(121)的前端固定舌形扁铜片(122)，限位开关(13)设置在绝缘基体(121)上，通过信号线与充电控制系统(6)连接。

3.根据权利要求2所述一种适用于室内移动机器人的通用型自动对接充电装置，其特征在于：所述舌形扁铜片(122)为两片，平行且相对固定在绝缘基体(121)的两侧。

4.根据权利要求 1或2或3所述一种适用于室内移动机器人的通用型自动对接充电装置，其特征在于：所述电动推杆(11)的轴线保持水平，且电动推杆(11)的伸缩杆(111)在伸缩过程中无转动。

5.根据权利要求1所述一种适用于室内移动机器人的通用型自动对接充电装置，其特征在于：所述挡板(22)与卡槽(21)所形成开口的入口处在挡板(22)与卡槽(21)上设有导角。

6.根据权利要求5所述一种适用于室内移动机器人的通用型自动对接充电装置，其特征在于：所述卡槽(21)和挡板(22)为绝缘材料制成。

7.根据权利要求5或6所述一种适用于室内移动机器人的通用型自动对接充电装置，其特征在于：所述充电座(2)安装在移动机器人的侧面，开口保持水平，充电插座(2)的开口高度与充电触头(12)的舌形扁铜片(122)平齐。