CN203800658U - 移动机器人自动充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种移动机器人自动充电装置，包括与供电电源电连接的智能充电器模块以及设于机器人本体上的机器人电池、电源电量检测模块、自动充电检测模块、机器人控制模块和自动充电插头，自动充电插头与机器人电池电连接，智能充电器模块设有与自动充电插头配合的自动充电插座，自动充电插座包括外支架、带电弧形铜片和支撑弹簧。本实用新型所述的移动机器人自动充电插头/插座的结构设计与机器人导航精度误差相结合，具有容错能力强、自适应程度高、鲁棒性等优势的特点，还解决了包括移动机器人电源电量智能检测模块设计、移动机器人自动充电检测模块设计、移动机器人智能充电器模块设计等问题。

Description

移动机器人自动充电装置

技术领域

本实用新型涉及智能移动机器人技术领域，尤其是涉及一种移动机器人自动充电装置。

背景技术

在移动机器人自动充电领域，已有的充电装置的技术类型可以概括为：上置式自动充电模式，即自动充电的连接触点位于移动机器人本体上方；侧置式自动充电模式，即自动充电的连接接触点位于机器人的侧面；下置式自动充电模式，即自动充电连接点位于机器人本体下部。具体来讲，北京航空航天大学张晶等提出一种基于红外对接的移动机器人自动充电方法，山东省电力特种机器人工程实验室提出一种基于磁轨道和RFID定位的自动充电设计，山东电力集团电力科学研究院栾贻青等设计了一种安装在机械导轨上的自动充电系统，中国矿业大学赵世杰等针对煤矿救灾机器人设计了一种基于定位矫正功能的自动充电系统，上海交通大学王景川等设计了一种基于传感器感应的轨道式移动机器人自动充电装置，哈尔滨工业大学赵杰等设计了一种带有定位导头和可控运动充电插头的机器人自动充电系统；日本富士通公司开发的基于无接触感应供电的机器人自动充电系统等。

上述机器人充电装置存在的缺点包括：（1）自充电装置复杂，需要附着在机械导轨上进行充电或设计其他复杂机构进行辅助充电；（2）自动充电系统容错能力差，鲁棒性不够强，只适用于较小的机器人导航误差情况；（3）自动充电状态检测灵敏度低、准确程度有待提高；（4）自动充电系统占用空间较大，需要专门的机器人自动充电泊位，总体成本高；（5）基于无接触感应供电设计的自动充电系统以及普通的机器人充电器模块充电效率低、充电时间长、安全性差。

导致缺点（1）出现的原因在于应用该装置的移动机器人本身就是在机械轨道上进行运动，因此自动充电系统不能脱离机械轨道的约束，需要冗余辅助设备进行自动充电。

导致缺点（2）出现的原因在于自动充电系统的设计为独立的设计，没有结合实际应用装置的机器人的导航精度和误差进行协同设计。

导致缺点（3）出现的原因在于自动充电状态的检测方式，目前一类是利用检测电压是否增加的方式辨识电量是否在增加，即机器人是否已经在充电，这种方式受充电时电压变化时间以及电压ADC采样灵敏度的约束，难以在充电的瞬时检测出机器人已经在充电；另一类检测方式为基于位置的检测方法，即通过RFID或其他对接定位传感器检测机器人是否到达指定充电位置进而判断机器人是否已经开始充电，这种方式的弊端在于RFID或其他对接定位传感器本身带有定位误差，另一方面，RFID或其他对接定位装置只是在检测机器人位置是否到达充电位置而没有检测机器人姿态是否到达了合适的自动充电姿态，因此会导致机器人因为充电插头与充电插座没接触而不充电的后果和机器人因为没有以准确的位姿进行充电对自充电插座产生机械撞击的后果。

导致缺点（4）出现的原因在于现有技术为保证机器人自动充电过程不受干扰而设置特殊的充电泊位、特殊自动充电插座、机器人自动充电定位装置等附加装置，因此占用了较大的空间，使得总体成本高。

导致缺点（5）出现的原因在于无接触供电技术属于利用电磁感应原理通过非接触耦合的方式进行供电，这种技术在感应耦合设计时会不可避免的浪费掉很大部分的电能，因此终端能够用于充电的电能仅仅是一小部分，导致充电时间过长的问题；普通的机器人自动充电充电器模块则是长期处于接通状态，难以实现节能目的。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种低成本、高性能的移动机器人自动充电系统，具体而言包括：设计机器人电量检测模块，能够实时在线检测机器人电池电量的多少，同时能够将检测到的电量信息反馈给机器人控制模块；设计移动机器人自动充电检测模块以检测机器人是否正在处于充电状态，并将该信息反馈给机器人控制模块；设计与机器人导航精度误差相结合的、具有容错能力强、自适应程度高、鲁棒性等优势的移动机器人自动充电插头/插座；设计移动机器人智能充电器模块，以实现智能充电、节约能源、提高充电效率的目的。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种移动机器人自动充电装置，包括与供电电源电连接的智能充电器模块以及设于机器人本体上的机器人电池、电源电量检测模块、自动充电检测模块、机器人控制模块和自动充电插头，自动充电插头与机器人电池电连接，所述智能充电器模块设有与所述自动充电插头配合的自动充电插座，所述自动充电插座包括外支架、带电弧形铜片和支撑弹簧，带电弧形铜片设于外支架的内部，支撑弹簧的两端分别与外支架和带电弧形铜片相抵。

进一步地，所述自动充电插座设有两片所述带电弧形铜片，该两片带电弧形铜片对称地设置于所述外支架的内部，并形成喇叭口状的插口。

优选的，所述自动充电检测模块包括设于所述自动充电插头与所述机器人电池电连接线路上的霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器的输出端通过霍尔电流采集电路与所述机器人控制模块电连接。

优选的，所述电源电量检测模块包括AD转换模块，所述AD转换模块的输入端通过电压采集连接线与所述机器人电池的两放电极电连接，所述机器人电池的两放电极与机器人用电部件电连接，所述AD转换模块的输出端与所述机器人控制模块电连接。

优选的，所述自动充电插头为两相插头，相应地所述自动充电插座为两相插座，所述自动充电插座的两充电带电片之间的距离L1大于所述自动充电插头的插头接触片的宽度L3，所述自动充电插头的两插头接触片之间的距离L4大于所述自动充电插座的充电带电片的宽度L2，所述自动充电插座的充电带电片的宽度L2大于两倍的最大机器人循迹导航误差Emax。

优选的，所述智能充电器模块还包括距离传感器和设于所述供电电源与所述自动充电插座之间的继电器，所述距离传感器的输出端与所述继电器的控制端通讯信号连接。

采用上述技术方案后，本实用新型和现有技术相比所具有的优点是：

与现有技术相比，本实用新型优点在于：（1）自动充电检测模块灵敏度高、检测速度快；（2）电源电量检测模块设计简单、成本低廉；（3）自动充电插座和自动充电插头模块结构精巧、经严格计算尺寸约束的设计保证机器人自动充电成功；（4）智能充电器模块电气安全性高、节能环保、使用寿命得到延长。其中优点（1）与现有技术的不同之处在于本实用新型采用的是通过利用霍尔电流传感器检测电流的方式判断机器人是否进入自动充电状态，而现有技术往往通过检测电池电压是否增加的方式判断电池电量是否增加再进一步判断机器人是否进入自动充电状态，因此相比较，本实用新型能够实现高灵敏度和快速检测。优点（2）与现有技术的不同之处在于本实用新型中电源电量检测模块只用作电池电量检测，而非像现有技术中一样需要做二次处理判断电量是否增减做充电检测用，因此设计简单、成本低廉。优点（3）与现有技术的不同之处在于本实用新型在设计插座和插头时结合考虑了机器人导航误差进行设计，分析做出了严格的尺寸约束及结构设计。优点（4）与现有技术的不同之处在于本实用新型专利在设计时采用了距离感应传感器，通过判断前方机器人与智能充电器模块的远近来控制连接自动充电插座与供电电源的继电器是否导通，即控制自动充电插座是否带电，确保了智能充电器模块电气安全性高、节能环保、使用寿命得到延长。本实用新型解决了移动机器人运行过程中自动智能充电的问题，具体讲解决的问题包括移动机器人电源电量智能检测模块设计、移动机器人自动充电检测模块设计、移动机器人自动充电插头/插座模块设计、移动机器人智能充电器模块设计等，本实用新型在解决自动智能充电问题时具有智能程度高、容错能力强、自适应程度高等优势。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的自动充电检测模块的结构示意图。

图3为本实用新型的电源电量检测模块的结构示意图。

图4为本实用新型的自动充电插座的结构示意图。

图5为本实用新型自动充电插座/插头的尺寸比例关系结构示意图。

图6为本实用新型的智能充电器模块的结构示意图。

图中，1：供电电源；2：智能充电器模块；21：自动充电插座；22：继电器；23：距离传感器；211：外支架；212：支撑弹簧；213：带电弧形铜片；3：机器人本体；31：自动充电插头；32：自动充电检测模块；33：电源电量检测模块；34：机器人控制模块；35：机器人电池；41：霍尔电流传感器；42：霍尔电流采集电路；51：电压采集连接线；52：AD转换模块；53：机器人用电部件。

具体实施方式

以下所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不因此而限定本实用新型的保护范围。

实施例，见图1至图6所示：

一种移动机器人自动充电装置，如图1所示，包括与供电电源1电连接的智能充电器模块2以及设于机器人本体3上的机器人电池35、电源电量检测模块33、自动充电检测模块32、机器人控制模块34和自动充电插头31，自动充电插头31与机器人电池35电连接，所述智能充电器模块2设有与所述自动充电插头31配合的自动充电插座21，所述自动充电插座21包括外支架211、带电弧形铜片213和支撑弹簧212，带电弧形铜片213设于外支架211的内部，支撑弹簧212的两端分别与外支架211和带电弧形铜片213相抵。其中电源电量检测模块33用于实时检测机器人电池35的电量多少，自动充电检测模块32用于在机器人前去充电时检测机器人的自动充电插头31是否接触上了自动充电插座21，即是否正在充电，机器人控制模块34用于接收检测到的相关信息并作出处理、结合机器人当前任务状态进行分析并向相关运动控制模块发送指令调节机器人的运动，自动充电插头31与自动充电插座21插接配合用于机器人电池35与智能充电模块的电气连接。

进一步地，所述自动充电插座21设有两片所述带电弧形铜片213，该两片带电弧形铜片213对称地设置于所述外支架211的内部，并形成喇叭口状的插口。

自动充电插头31与自动充电插座21的特点首先在于自动充电插座21的柔性结构设计，如图4所示的插座由外支架211、带电弧形铜片213、支撑弹簧212组成，其中外支架211作为主骨架起到整体支撑作用，带电弧形铜片213可以保证机器人不论从哪个方向过来都可以将自动充电插头31插入插座，支撑弹簧212则能够使得自动充电插座21在被机器人从不同方向插入后都会恢复初始形状。

进一步地，所述自动充电插头31为两相插头，相应地所述自动充电插座21为两相插座，自动充电插头31与自动充电插座21的另一特点在于两者设计时结合机器人自充电时导航误差的尺寸限制，如图5所示，所述自动充电插座21的两充电带电片之间的距离L1大于所述自动充电插头31的触片的宽度L3，以防插头接触片将自动充电插座21的两充电带电片短路造成智能充电器模块2损坏；所述自动充电插头31的两插头接触片之间的距离L4大于所述自动充电插座21的充电带电片的宽度L2，避免自动充电插座21的充电带电片将两个插头接触片短路造成机器人电池35损坏；所述自动充电插座21的充电带电片的宽度L2大于两倍的最大机器人循迹导航误差Emax，以保证机器人在最大导航误差时能成功充电。这种设计使得系统具有容错能力强，鲁棒性、自适应程度高的特点。

本实施例与现有技术实施方案相比特点和优势在于其结构精巧，尺寸约束经过严格计算保证机器人自动充电能够成功。现有技术中的充电插座和插头没有经过特殊设计，因此机器人往往需要通过多次运动才能对准插入进行充电。

优选的，所述自动充电检测模块32包括设于所述自动充电插头31与所述机器人电池35电连接线路上的霍尔电流传感器41，所述霍尔电流传感器41的输出端通过霍尔电流采集电路42与所述机器人控制模块34电连接。如图2所示，自动充电检测模块32通过霍尔电流采集电路42检测自动充电插头31上是否有电流通过，然后将采集到的信息反馈给机器人控制模块34，由机器人控制模块34对采集信息进行分析并判断自动充电插头31是否连接到了自动充电插座21上，即机器人是否进入自动充电状态。而现有技术往往通过检测电池电压是否增加的方式判断电池电量是否增加再进一步判断机器人是否进入自动充电状态，因此相比较，本实施例能够实现高灵敏度和快速检测。

优选的，所述电源电量检测模块33包括AD转换模块52，所述AD转换模块52的输入端通过电压采集连接线51与所述机器人电池35的两放电极电连接，机器人电池35的两放电极与机器人用电部件53电连接，所述AD转换模块52的输出端与所述机器人控制模块34电连接。如图3所示，电源电量检测模块33采用测量机器人电池35放电两极电压的形式辨识电量的高低，首先通过电压采集连接线51采集出机器人电池35电压，然后将模拟量的机器人电池35电压经过AD转换模块52变为数字量的机器人电池35电压信息，最后将该数字信息反馈至机器人控制模块34处理分析机器人电池35电量高低，进而结合机器人当前状态控制机器人运动模块，即制定机器人当前任务是需要开始执行自充电任务还是继续前面的任务。

优选的，所述智能充电器模块2还包括距离传感器23和设于所述供电电源1与所述自动充电插座21之间的继电器22，所述距离传感器23的输出端与所述继电器22的控制端通讯信号连接。本实施例的智能充电器模块2的特点在于其智能性与安全性，如图6所示，距离传感器23检测前方机器人距离充电器的距离，当智能充电器模块2距离前方机器人小于阈值距离时继电器22导通，自动充电插座21接通220V电源，经滤波、变压、稳压后变为30V直流电供机器人电池35充电，当前方无机器人或者机器人距离智能充电器模块2大于阈值时继电器22不再导通，自动充电插座21不与220V电源接通，因此智能充电器模块2末端不输出电压，通过这种机制，智能充电器模块2的电气安全性能得到提高。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施方式，故凡依本实用新型专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本实用新型专利申请范围内。

Claims (6)

1.一种移动机器人自动充电装置，包括与供电电源（1）电连接的智能充电器模块（2）以及设于机器人本体（3）上的机器人电池（35）、电源电量检测模块（33）、自动充电检测模块（32）、机器人控制模块（34）和自动充电插头（31），自动充电插头（31）与机器人电池（35）电连接，其特征在于：所述智能充电器模块（2）设有与所述自动充电插头（31）配合的自动充电插座（21），所述自动充电插座（21）包括外支架（211）、带电弧形铜片（213）和支撑弹簧（212），带电弧形铜片（213）设于外支架（211）的内部，支撑弹簧（212）的两端分别与外支架（211）和带电弧形铜片（213）相抵。

2.根据权利要求1所述的移动机器人自动充电装置，其特征在于：所述自动充电插座（21）设有两片所述带电弧形铜片（213），该两片带电弧形铜片（213）对称地设置于所述外支架（211）的内部，并形成喇叭口状的插口。

3.根据权利要求1或2所述的移动机器人自动充电装置，其特征在于：所述自动充电检测模块（32）包括设于所述自动充电插头（31）与所述机器人电池（35）电连接线路上的霍尔电流传感器（41），所述霍尔电流传感器（41）的输出端通过霍尔电流采集电路（42）与所述机器人控制模块（34）电连接。

4.根据权利要求1或2所述的移动机器人自动充电装置，其特征在于：所述电源电量检测模块（33）包括AD转换模块（52），所述AD转换模块（52）的输入端通过电压采集连接线（51）与所述机器人电池（35）的两放电极电连接，所述机器人电池（35）的两放电极与机器人用电部件（53）电连接，所述AD转换模块（52）的输出端与所述机器人控制模块（34）电连接。

5.根据权利要求1或2所述的移动机器人自动充电装置，其特征在于：所述自动充电插头（31）为两相插头，相应地所述自动充电插座（21）为两相插座，所述自动充电插座（21）的两充电带电片之间的距离L1大于所述自动充电插头（31）的插头接触片的宽度L3，所述自动充电插头（31）的两插头接触片之间的距离L4大于所述自动充电插座（21）的充电带电片的宽度L2，所述自动充电插座（21）的充电带电片的宽度L2大于两倍的最大机器人循迹导航误差Emax。

6.根据权利要求1或2所述的移动机器人自动充电装置，其特征在于：所述智能充电器模块（2）还包括距离传感器（23）和设于所述供电电源（1）与所述自动充电插座（21）之间的继电器（22），所述距离传感器（23）的输出端与所述继电器（22）的控制端通讯信号连接。