CN112821519A - 一种机器人自动对桩充电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种机器人自动对桩充电系统及方法，包括如下步骤：机器人自动驶入充电区域后将自身的位置信息发送给充电桩；充电桩根据机器人的位置信息不断调整充电接头的位置，直至充电接头对准机器人的充电接口；机器人检测充电桩与机器人之间是否存在障碍物，如有则停止动作并上报管理后台后结束充电；如无则与充电接头进行对接后充电；充电接头与充电接口对接的过程中不断检测之间是否存在障碍物，如有结束充电。本发明可实现机器人与充电桩之间的自动对接充电，降低了对机器人或无人车运动精度的要求，提高了对桩的效率，保证了自动对桩充电过程的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及机器人充电技术领域，尤其涉及一种机器人自动对桩充电系统及方法。
背景技术
机器人或无人驾驶车辆在电力不足时需要充电，现有技术中还大多主要依靠人工操作引导机器人或无人车进行充电，包括引导至充电桩位置、人工连接充电接头等，这样往往会因人员繁忙等原因导致无法及时给机器人或无人车充电，影响效率。而自动充电技术中，机器人或无人驾驶车与充电桩的准确定位和对接充电是技术的关键，现有依靠机器人或无人车的移动来进行准确定位和对接的技术对机器人或无人车的运动精度较高，一方面对机器人或无人车的加工和控制精度提出了更高的要求，提高了成本，另一方面也降低了自动充电对接的成功率，而且现有技术也缺乏对充电过程安全的保护措施。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种可精准对桩、安全性高的机器人自动对桩充电方法，以及实现该方法的机器人自动对桩充电系统。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种机器人自动对桩充电方法，包括如下步骤：
S1、机器人自动驶入充电桩所在的充电区域后，通过机器人自带的摄像头获取充电桩的信息并确认充电桩的匹配性和是否存在故障，如匹配且无故障则将自身的位置信息发送给充电桩。机器人获取的充电桩信息主要包括充电桩的编号信息，获取编号信息后机器人通过网络与管理后台交互，确认该充电桩的匹配性和是否存在故障，如匹配且无故障才进行下一步的操作，否则就要根据管理后台的指令搜寻下一个可以匹配的充电桩。
S2、充电桩根据机器人的位置信息不断移动充电桩上的充电接头调整其在上下左右方向上的位置，机器人通过摄像头捕获充电接头的位置，计算充电接头与机器人充电接口的相对位置，直至充电接头与机器人充电接口的相对位置偏差(充电接头和充电接口的中心位置偏差值)在指定范围之内。即充电桩根据机器人的位置控制充电接头上下左右移动以对准机器人的充电接口，当相对偏差较大时，根据接收到的机器人最新位置信息，充电桩继续控制充电接头移动，如此重复，直至充电接头与机器人充电接口的相对偏差在指定范围之内。此步骤充电接头在竖直平面上进行移动。
S3、机器人通过摄像头检测充电桩与机器人之间是否存在障碍物，如有，则停止充电动作，并发送告警信息给管理后台，结束充电；如没有，则与充电接头进行对接后充电，充电完成后充电接头收回，结束充电。
进一步改进的技术方案是，S3步骤中机器人与充电接头进行对接的方法包括如下步骤：充电桩向机器人伸出充电接头(充电接头在前后方向上移动)，机器人通过自身的摄像头获取深度图像，根据深度图像计算充电接头与机器人充电接口之间的距离变化，并通过网络将距离发送给充电桩，充电桩根据距离调整充电接头的伸出速度，距离越近速度越低，直至充电接头插进机器人的充电接口中；其中，充电接头伸出直至插进充电接口的过程中，机器人通过摄像头不断检测充电桩与机器人之间是否存在障碍物，如有，则通过网络发送告警信息给充电桩和管理后台，充电桩接收到告警信息后控制充电接头停止前伸后再缩回充电接头，结束充电。即，充电接头伸出之前及伸出过程中均不断检测充电接头与机器人之间是否存在障碍物，以保证自动对桩充电过程的安全性。
进一步改进的技术方案是，充电桩控制充电接头的伸出速度，使之与充电接头与充电接口之间的距离成线性关系。
进一步改进的技术方案是，S2步骤中充电桩根据机器人的位置信息不断移动充电桩上的充电接头调整其在上下左右方向上的位置的方法为：当充电接头与机器人充电接口之间的距离>设定值S1时，充电接头以v1的速度进行移动；当充电接头与机器人充电接口之间的距离≤设定值S1时，充电接头以v2的速度进行移动；其中，v1>v2。即，当充电接头与充电接口距离较远时，充电接头以较快的速度移动，当移动至距离较近时，以较慢的速度移动，通过该移动策略，可以快速有效地对接充电接口，提高对准的效率和准确度。
本发明的机器人自动充电，包括以下几种情况：1.机器人处于欠电状态时，发送给管理后台，管理后台根据系统中各充电桩的状态信息分配指定的充电桩给机器人，机器人根据接收后的充电信息(充电桩位置、充电桩编号、行走路径等)后前往自动充电；2.机器人处于欠电状态时，发送给管理后台，同时自行前往充电桩所在区域搜寻充电桩。进一步相应地，对于第一种情况，S1步骤中机器人确认充电桩的匹配性指是否是管理后台分配的指定的充电桩，充电桩编号是否与管理后台预先指定的充电桩编号一致；对于第二种情况，充电桩的的匹配性是指：机器人达到充电区域后搜寻充电桩，管理后台通过搜寻到的充电桩的编号检索充电桩的信息(包括充电桩的型号、充电接头的类型、充电桩是否空闲、是否故障等)，从而判断充电桩是否可为该机器人进行充电。
进一步改进的技术方案是，S1步骤中机器人的位置信息为相对位置信息，其获得方法为：机器人通过自身的双目摄像头获取RGB图像和深度图像；机器人通过图像识别算法(均值滤波、二值化图像)找到RGB图像上面的特定标记的坐标,由该坐标转换即得到机器人的相对位置信息。
一种机器人自动对桩充电系统，用于实现上述机器人自动对桩充电方法，包括机器人、充电桩和管理后台。
所述机器人包括第一双目摄像模块、驱动控制模块、第一通信模块和充电接口，所述第一双目摄像模块用于图像采集，判断机器人自身的位置、计算与充电桩间的距离、以及判断与充电桩之间是否存在障碍物等，所述驱动控制模块用于控制机器人运动。
所述充电桩包括充电接头、第二双目摄像模块、移动控制模块和第二通信模块，所述移动控制模块用于控制充电接头在前、后、左、右、上、下方向上的移动，所述第二双目摄像模块用于图像采集，计算与机器人之间的距离等。所述管理后台通过第一通信模块、第二通信模块分别与机器人和充电桩进行数据相互，机器人通过第一通信模块、第二通信模块与充电桩之间进行数据交互。
进一步地，所述移动控制模块包括控制单元和与所述控制单元相连的动作执行单元，动作执行单元包括第一滑块、第二滑块、水平导轨、竖直导轨、竖直驱动机构、水平驱动机构和伸缩机构，所述伸缩机构与充电接头相连以驱动充电接头前后伸缩，伸缩机构和充电接头均固定在所述第一滑块上；所述第一滑块安装在所述水平导轨上并与所述水平驱动机构驱动连接，水平驱动机构驱动第一滑块沿着水平导轨在水平方向上左右移动；所述第一滑块、水平驱动机构和水平导轨安装在所述第二滑块上，第二滑块安装在所述竖直导轨上并与所述竖直驱动机构驱动相连，竖直驱动机构驱动第二滑块沿着竖直导轨在竖直方向上上下移动。
进一步地，所述竖直驱动机构为丝杆驱动结构，包括驱动电机和与驱动电机相连的竖直设置的丝杆，所述第二滑块螺接在所述丝杆上。
需要说明的是，上述自动对桩充电的系统和方法不仅可应用于机器人，也可应用于无人驾驶车辆等。
本发明通过机器人与充电桩之间的自动对接实现机器人的自动对桩充电，在机器人与充电桩进行对准的过程中，机器人先行走至即定的充电范围内，充电桩再根据更新的机器人的实时位置控制充电接头在上下左右方向上移动，直至在水平方向上对准机器人的充电接口，通过控制充电接头的移动实现对准，降低了对机器人或无人车运动精度的要求，提高了对桩的效率；在自动对桩之前以及自动对桩的过程中，不断检测充电接头与机器人的充电接口之间有无其它障碍物，保证了自动对桩充电过程的安全性；充电桩充电接头根据距离调整移动速度的移动策略可快速有效地实现对准操作，兼顾效率和安全性，提高对桩的成功率和效率。
附图说明
图1为本发明实施例的流程框架图。
图2为本发明实施例中动作执行单元的结构示意图。
附图标记：1-充电接头；2-第一滑块；3-第二滑块；4-水平导轨；5-竖直导轨；6-水平驱动机构；7-驱动电机；8-丝杆。
具体实施方式
一种机器人自动对桩充电方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1、机器人自动驶入充电桩所在的充电区域后，通过机器人自带的摄像头获取充电桩的信息并确认充电桩的匹配性和是否存在故障，如匹配且无故障则将自身的位置信息发送给充电桩。
机器人获取的充电桩信息主要包括充电桩的编号信息，获取编号信息后机器人通过网络与管理后台交互，确认该充电桩的匹配性和是否存在故障，如匹配且无故障才进行下一步的操作，否则就要根据管理后台的指令搜寻下一个可以匹配的充电桩。
本发明的机器人自动充电，包括以下几种情况：1.机器人处于欠电状态时，发送给管理后台，管理后台根据系统中各充电桩的状态信息分配指定的充电桩给机器人，机器人根据接收后的充电信息(充电桩位置、充电桩编号、行走路径等)后前往自动充电；2.机器人处于欠电状态时，发送给管理后台，同时自行前往充电桩所在区域搜寻充电桩。相应地，对于第一种情况，这里的匹配性指是否是管理后台分配的指定的充电桩，充电桩编号是否与管理后台预先指定的充电桩编号一致；对于第二种情况，这里的匹配性是指：机器人达到充电区域后搜寻充电桩，管理后台通过搜寻到的充电桩的编号检索充电桩的信息(包括充电桩的型号、充电接头的类型、充电桩是否空闲、是否故障等)，从而判断充电桩是否可为该机器人进行充电。
机器人的位置信息获取可采用现有技术，作为其中一种实施方式，步骤1中机器人的位置信息为相对位置信息，其获得方法为：机器人通过自身的双目摄像头获取RGB图像和深度图像；机器人通过图像识别算法(均值滤波、二值化图像)找到RGB图像上面的特定标记的坐标,由该坐标转换即得到机器人的相对位置信息。
步骤2、充电桩根据机器人的位置信息不断移动充电桩上的充电接头调整其在上下左右方向上的位置，机器人通过摄像头捕获充电接头的位置，计算充电接头与机器人充电接口的相对位置，直至充电接头与机器人充电接口的相对位置偏差在指定范围之内。相对偏差可用充电接头与充电接口的中心位置的偏差值来衡量，充电桩根据机器人的位置控制充电接头上下左右移动以对准机器人的充电接口，当相对偏差较大时，根据接收到的机器人最新位置信息，充电桩继续控制充电接头移动，如此重复，直至充电接头与机器人充电接口的相对偏差在指定范围之内，可通过红外发射接收装置确定两者的相对偏差。此步骤充电接头在竖直平面上进行移动，同一充电桩可对不同型号、尺寸大小的机器人进行充电，机器人的型号不同可能会导致其充电接口所在的位置不一，因此需要先在竖直平面上调整其位置以对准机器人的充电接口，才能再通过伸缩动作插入充电接头。
作为其中一种实施方式，步骤2中充电桩根据机器人的位置信息不断移动充电桩上的充电接头调整其在上下左右方向上的位置的方法为：当充电接头与机器人充电接口之间的距离>设定值S1时，充电接头以v1的速度进行移动；当充电接头与机器人充电接口之间的距离≤设定值S1时，充电接头以v2的速度进行移动；其中，v1>v2。即，当充电接头与充电接口距离较远时，充电接头以较快的速度移动，当移动至距离较近时，以较慢的速度移动，通过该移动策略，可以快速有效地对接充电接口，提高对准的效率和准确度。充电接头与机器人充电接口之间的距离还可以通过机器人或充电桩上的红外、激光雷达、超声传感器等来测量。
步骤3、机器人通过摄像头检测充电桩与机器人之间是否存在障碍物，如有，则停止充电动作，并发送告警信息给管理后台，结束充电；如没有，则与充电接头进行对接后充电，充电完成后充电接头收回，结束充电。
作为其中一种实施方式，步骤3中机器人与充电接头进行对接可采取如下方法：充电桩向机器人伸出充电接头(充电接头在前后方向上移动)，机器人通过自身的摄像头获取深度图像，根据深度图像计算充电接头与机器人充电接口之间的距离变化，并通过网络将距离发送给充电桩，充电桩根据距离调整充电接头的伸出速度，距离越近速度越低，以兼顾效率和安全，直至充电接头插进机器人的充电接口中；其中，充电接头伸出直至插进充电接口的过程中，机器人通过摄像头不断检测充电桩与机器人之间是否存在障碍物，如有，则通过网络发送告警信息给充电桩和管理后台，充电桩接收到告警信息后控制充电接头停止前伸后再缩回充电接头，结束充电。即，充电接头伸出之前及伸出过程中均不断检测充电接头与机器人之间是否存在障碍物，以保证自动对桩充电过程的安全性。
充电接头的伸出速度根据充电接头与充电接口之间的距离调整，距离远时采用较快的速度，距离越近速度越小，具体地，伸出速度与距离之间可采取线性递增或递减的函数关系，也可采取如上述步骤2中充电接头在上下左右方向上的移动速度与距离之间的关系。
一种机器人自动对桩充电系统，用于实现上述机器人自动对桩充电方法，包括机器人、充电桩和管理后台。
所述机器人包括第一双目摄像模块、驱动控制模块、第一通信模块和充电接口，所述第一双目摄像模块用于图像采集，判断机器人自身的位置、计算与充电桩间的距离、以及判断与充电桩之间是否存在障碍物等，所述驱动控制模块用于控制机器人运动。这些模块均为机器人或无人驾驶车辆的常用模块，本发明可采用现有的可实现上述功能的模块。
所述充电桩包括充电接头、第二双目摄像模块、移动控制模块和第二通信模块，所述移动控制模块用于控制充电接头在前、后、左、右、上、下方向上的移动，所述第二双目摄像模块用于图像采集，计算与机器人之间的距离等。移动控制模块可具体包括控制单元和与所述控制单元相连的动作执行单元，控制单元主要控制动作执行单元的动作，动作执行单元主要实现充电接头的上下移动、左右移动和前后移动，动作执行单元的结构可为现有任何可实现上述功能的结构或形式。作为其中一种实施方式，如图2所示，动作执行单元包括第一滑块2、第二滑块3、水平导轨4、竖直导轨5、竖直驱动机构、水平驱动机构6和伸缩机构(图中未示出)，所述伸缩机构与充电接头1相连以驱动充电接头1前后伸缩，以伸出与机器人上的充电接口对接或缩回，伸缩机构和充电接头1固定在所述第一滑块2上；所述第一滑块2安装在所述水平导轨4上并与所述水平驱动机构6驱动连接，水平驱动机构6驱动第一滑块2沿着水平导轨4在水平方向上左右移动；所述第一滑块2、水平驱动机构6和水平导轨4安装在所述第二滑块3上，第二滑块3安装在所述竖直导轨5上并与所述竖直驱动机构驱动相连，竖直驱动机构驱动第二滑块3沿着竖直导轨5在竖直方向上上下移动。
竖直驱动机构可为如图1所示的丝杆驱动结构，包括驱动电机7和与驱动电机7相连的竖直设置的丝杆8，上述第二滑块3螺接在所述丝杆8上，驱动电机7驱动丝杆8转动，丝杆8带动第二滑块3沿着丝杆8上下移动，从而带动第二滑块3上的充电接头1上下移动。竖直驱动机构也可为由电机驱动的皮带或链条升降结构，还可为气缸、液压缸或电动推杆等形式。水平驱动机构6可为如图2所示的气缸形式，也可为丝杆、液压缸或电动推杆等结构或形式，同样，伸缩机构也可为丝杆、气缸、液压缸或电动推杆等结构和形式，在此不一一赘述。可在第一滑块或充电接头的相应位置上设置红外等探测装置，用于探测充电接头与机器人上的充电接口的位置偏差，从而判断是否对准。
所述管理后台通过第一通信模块、第二通信模块分别与机器人和充电桩进行数据相互，机器人通过第一通信模块、第二通信模块与充电桩之间进行数据交互。
需要说明的是，上述自动对桩充电的系统和方法不仅可应用于机器人，也可应用于无人驾驶车辆等。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
Claims (9)
1.一种机器人自动对桩充电方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、机器人自动驶入充电桩所在的充电区域后，通过自身的摄像头获取充电桩的信息并确认充电桩的匹配性和是否存在故障，如匹配且无故障则将自身的位置信息发送给充电桩；
S2、充电桩根据机器人的位置信息不断移动充电桩上的充电接头调整其在上下左右方向上的位置，机器人通过摄像头捕获充电接头的位置，计算充电接头与机器人充电接口的相对位置，直至充电接头与机器人充电接口的相对位置偏差在指定范围之内；
S3、机器人通过摄像头检测充电桩与机器人之间是否存在障碍物，如有，则停止充电动作，并发送告警信息给管理后台，结束充电；如没有，则与充电接头进行对接后充电，充电完成后充电接头收回，结束充电。
2.根据权利要求1所述的一种机器人自动对桩充电方法，其特征在于，S3步骤中机器人与充电接头进行对接的方法包括如下步骤：
充电桩向机器人伸出充电接头，机器人通过自身的摄像头获取深度图像，根据深度图像计算充电接头与机器人充电接口之间的距离变化，充电桩根据距离调整充电接头的伸出速度，距离越近速度越低，直至充电接头插进机器人的充电接口中；
充电接头伸出直至插进充电接口的过程中，机器人通过摄像头不断检测充电桩与机器人之间是否存在障碍物，如有，则通过网络发送告警信息给充电桩和管理后台，充电桩控制充电接头停止前伸后再缩回充电接头，结束充电。
3.根据权利要求2所述的一种机器人自动对桩充电方法，其特征在于，充电桩控制充电接头的伸出速度，使之与充电接头与充电接口之间的距离成线性关系。
4.根据权利要求1所述的一种机器人自动对桩充电方法，其特征在于，S2步骤中充电桩根据机器人的位置信息不断移动充电桩上的充电接头调整其在上下左右方向上的位置的方法为：
当充电接头与机器人充电接口之间的距离>设定值S1时，充电接头以v1的速度进行移动；
当充电接头与机器人充电接口之间的距离≤设定值S1时，充电接头以v2的速度进行移动；
其中，v1>v2。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种机器人自动对桩充电方法，其特征在于，S1步骤中机器人确认充电桩的匹配性，包括充电桩编号是否与管理后台预先指定的充电桩编号一致，或者在管理后台未指定的情况下，充电桩的型号是否匹配该机器人以及充电桩是够处于空闲状态。
6.根据权利要求1至4任一项所述的一种机器人自动对桩充电方法，其特征在于，S1步骤中机器人的位置信息为相对位置信息，其获得方法为：
机器人通过自身的双目摄像头获取RGB图像和深度图像；
机器人通过图像识别算法找到RGB图像上面的特定标记的形状图案的坐标,由该坐标通过计算转换机器人的相对位置信息。
7.一种机器人自动对桩充电系统，用于实现如权利要求1至6任一项所述的机器人自动对桩充电方法，其特征在于，包括机器人、充电桩和管理后台；
所述机器人包括第一双目摄像模块、驱动控制模块、第一通信模块和充电接口，所述第一双目摄像模块用于图像采集，所述驱动控制模块用于控制机器人运动；
所述充电桩包括充电接头、移动控制模块、第二双目摄像模块和第二通信模块，所述移动控制模块用于控制充电接头在前、后、左、右、上、下方向上的移动，所述第二双目摄像模块用于图像采集；
所述管理后台通过第一通信模块、第二通信模块分别与机器人和充电桩进行数据相互，机器人通过第一通信模块、第二通信模块与充电桩之间进行数据交互。
8.根据权利要求7所述的一种机器人自动对桩充电系统，其特征在于，所述移动控制模块包括控制单元和与所述控制单元相连的动作执行单元，动作执行单元包括第一滑块、第二滑块、水平导轨、竖直导轨、竖直驱动机构、水平驱动机构和伸缩机构，所述伸缩机构与充电接头相连以驱动充电接头前后伸缩，伸缩机构和充电接头均固定在所述第一滑块上；所述第一滑块安装在所述水平导轨上并与所述水平驱动机构驱动连接，水平驱动机构驱动第一滑块沿着水平导轨在水平方向上左右移动；所述第一滑块、水平驱动机构和水平导轨安装在所述第二滑块上，第二滑块安装在所述竖直导轨上并与所述竖直驱动机构驱动相连，竖直驱动机构驱动第二滑块沿着竖直导轨在竖直方向上上下移动。
9.根据权利要求8所述的一种机器人自动对桩充电系统，其特征在于，所述竖直驱动机构为丝杆驱动结构，包括驱动电机和与驱动电机相连的竖直设置的丝杆，所述第二滑块螺接在所述丝杆上。
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