CN207264196U - 机器人自主充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种机器人自主充电系统。它包括机器人主体、充电桩，所述机器人主体包括控制主板、电机驱动模块、行进机构、电量检测模块、充电模块、SLAM导航模块、红色激光接收模块、无线收发模块，所述控制主板包括微控制器、障碍物检测模块、路径规划模块；所述控制主板的微控制器分别与所述电机驱动模块、电量检测模块、障碍物检测模块、路径规划模块、红色激光接收模块、无线收发模块相连；所述行进机构与所述电机驱动模块相连，所述充电模块与所述电量检测模块相连，所述SLAM导航模块分别与所述障碍物检测模块、路径规划模块相连。本实用新型机器人自主充电系统具有定位精度高、受震动影响小、结构简单、安全系数高的优点。

Description

机器人自主充电系统

技术领域

本实用新型涉及一种机器人充电领域，特别是公开一种机器人自主充电系统。

背景技术

现如今，自主移动机器人的快速发展，使得其功能在不断增多，应用范围在不断增大。但移动机器人一般使用机载蓄电池作为动力源，通常只能提供数小时的运行时间，如何实现长时间地、有效地供电成为了机器人产业化必须面对和解决的问题。当机器人电量不足时，能够自动地返回充电站进行充电是现有机器人的一个实用功能，因而可以说自主充电技术是解决机器人自主性的关键。

在国外，Cassini等人设计了一种通过光线束引导机器人与充电站进行自主充电的方法，但该方法只适合在室内光强影响较小的环境。韩国的irobot利用图像识别来实现自主充电，但这需要高精度的视频获取和识别系统，识别时间长，运行成本高。在国内，哈尔滨工业大学使用“Pioneer 3 DX”于室内对自主充电技术展开研发。该机器人为轮式机器人，使用铅酸蓄电池作为能源，自身配有全方位云台的彩色摄像头、里程计及激光传感器，通过使用这些设备来实现自主充电功能，但没有进行充电装置设计，对接容忍度过小，容易导致充电失败。

综上所述，如今的机器人自主充电技术还是有着不少不足之处的，比如容错及其纠错能力不足，引导装置不够可靠，充电站结构的对接容忍度依旧不够，没有环境的普遍适应性，这些问题都是需要去认真思考和解决的。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种可实现机器人与充电桩的快速自主对接，定位精确、稳定性好、效率高的机器人自主充电系统。

本实用新型是这样实现的：一种机器人自主充电系统，其特征在于：包括机器人主体、充电桩，所述机器人主体包括控制主板、电机驱动模块、行进机构、电量检测模块、充电模块、SLAM导航模块、红色激光接收模块、无线收发模块，所述控制主板包括微控制器、障碍物检测模块、路径规划模块；所述控制主板的微控制器分别与所述电机驱动模块、电量检测模块、障碍物检测模块、路径规划模块、红色激光接收模块、无线收发模块相连；所述行进机构与所述电机驱动模块相连，所述充电模块与所述电量检测模块相连，所述SLAM导航模块分别与所述障碍物检测模块、路径规划模块相连，所述充电模块上连有充电端口；

所述充电桩包括：充电桩主控制器、充电控制模块、AC-DC转换电路、红色激光发射器、电源管理器；所述充电桩主控制器分别与所述充电控制模块、AC-DC转换电路、红色激光发射器、电源管理器相连，所述AC-DC转换电路与所述充电控制模块相连；

所述微控制器通过所述电量检测模块实时检测充电模块的电量，所述微控制器通过所述路径规划模块和障碍物检测模块获取所述SLAM导航模块的数据进行定位；当所述电量检测模块检测到电量低于设定值时，所述微控制器控制所述红色激光接收模块进入接收信号状态；所述红色激光接收模块进入接收信号状态后，接收来自所述充电桩的红色激光发射器的激光信号，所述微控制器根据红色激光接收模块接收到的激光信号的位置、通过所述电机驱动模块控制行进机构调整机器人主体与充电桩之间的位置，使充电模块与所述充电控制模块通过充电端口相连；所述AC-DC转换电路将工频交流电转换成直流电；所述电源管理器用于检测所述充电桩的负载情况。

所述红色激光接收器包括10~256个水平排列的红色激光接收管，优选32~64个；所述红色激光发射器发射与单个所述红色激光接收管相匹配的激光光束，所述微控制器通过判断所述红色激光接收管的接收激光光束的情况、来判断机器人主体与充电桩之间的相对位置。

所述控制主板还包括与所述微控制器相连的异常检测模块，所述异常检测模块实时监测环境异常信息，并将环境异常信息发送至所述微控制器。

所述障碍物检测模块检测外部障碍物与机器人主体之间的距离，并将距离信号发送至所述微控制器。

所述行进机构包括分别与所述电机驱动模块相连的驱动轮机构和万向轮机构。

一种如上所述的机器人自主充电系统的充电方法，包括如下步骤：

1）寻找充电桩模式：SLAM导航模块实时记录机器人主体的位置及方向，电量检测模块监测机器人主体的电源电压，当电源电压低于设定值时，微控制器通过电机驱动模块控制机器人主体沿最近路径返回充电桩位置，进入寻找充电桩模式；

2）定位机器人主体与充电桩相对位置：通过充电桩的红色激光发射器发射红色激光，红色激光接收模块接收红色激光信号，以定位机器人主体相对于充电桩的相对位置范围；

3）充电对接：随时对比红色激光接收模块接收到的来自红色激光发射器发射的红色激光信号，调整机器人主体的位置，直至机器人主体到达设定位置范围内，以使充电模块通过充电端口与充电桩的充电控制模块相连；

4）若完成充电对接，则充电桩的电源管理器检测到电路负载增加，并将电路负载增加信号发送至充电桩主控制器，充电桩主控制器控制充电控制模块工作，进入充电模式；若对接失败则返回步骤3重新充电对接；

5）当机器人主体的电源检测模块检测到电源电压大于或等于设定值时，向所述微控制器发送电源电压大于或等于设定值的信号，所述微控制器通过电机驱动模块控制所述行进机构使机器人主体离开所述充电桩，此时充电桩进入无负载状态，当所述电源管理器检测到充电桩电路进入无负载状态时，将无负载信号发送至所述充电桩主控制器，充电桩主控制器控制充电控制模块停止充电。

步骤3中调整机器人主体的位置的步骤为：3.1）设定当红色激光接收模块的中心接收到红色激光发射器发射的红色激光时，机器人主体位于充电桩的对接位置中心上；

3.2）在调整机器人主体的位置时，机器人主体到达设定位置范围内时，微控制器通过电机驱动模块向行进机构发送停止运行指令；

3.3）微控制器通过电机驱动模块控制行进机构、使机器人主体前进一段距离L；

3.4）判断机器人主体的红色激光接收模块接收到的红色激光是否处于对接位置中心，若是，则直接进入步骤3.7；若否，则进入步骤3.4；

3.5）判断机器人主体的红色激光接收模块接收到的红色激光是否处于对接位置中心的右侧，若是，向左转一定角度并前进一段距离L，然后进入步骤3.7；否则进入步骤3.6；

3.6）判断机器人主体的红色激光接收模块接收到的红色激光是否处于对接位置中心的左侧，若是，则向右转一定角度并前进一段距离L，然后进入步骤3.7；

3.7）再前进一段距离L后，进入步骤4。

本实用新型的有益效果是：在机器人主体需要充电时，通过SLAM导航模块把机器人主体引导到红色激光接收模块和红色激光发射器的收发范围内，实现由远程对接区域到近程对接区域的转变，在近程对接区域内，由SLAM导航模块的SLAM导航模式切换到红色激光导航方式，利用红色激光接收模块和红色激光发射器之间红色激光的接收位置，逐步改变机器人的位置，使机器人主体位于充电桩的正前方，最终实现机器人主体和充电桩的充电对接，从而实现机器人主体与充电桩之间的高精度定位，本实用新型机器人自主充电系统具有受震动影响小、结构简单、安全系数高的优点。

附图说明

图1 是本实用新型方框原理图。

具体实施方式

根据图1，本实用新型机器人自主充电系统，包括机器人主体、充电桩，所述机器人主体包括控制主板、电机驱动模块、行进机构、电量检测模块、充电模块、SLAM导航模块、红色激光接收模块、无线收发模块，所述控制主板包括微控制器、障碍物检测膜块、路径规划模块、异常检测模块；所述控制主板的微控制器分别与所述电机驱动模块、电量检测模块、障碍物检测模块、路径规划模块、异常检测模块、红色激光接收模块、无线收发模块相连；所述行进机构与所述电机驱动模块相连，所述充电模块与所述电量检测模块相连，所述SLAM导航模块分别与所述障碍物检测膜块、路径规划模块相连；

所述充电桩包括：充电桩主控制器、充电控制模块、AC-DC转换电路、红色激光发射器、电源管理器；所述充电桩主控制器分别与所述充电控制模块、AC-DC转换电路、红色激光发射器、电源管理器相连，所述AC-DC转换电路与所述充电控制模块相连。

所述微控制器通过所述电量检测模块实时检测充电模块的电量，所述微控制器通过所述路径规划模块和障碍物检测模块获取所述SLAM导航模块的数据进行定位；当所述电量检测模块检测到电量低于设定值时，所述微控制器控制所述红色激光接收模块进入接收信号状态；所述红色激光接收模块进入接收信号状态后，接收来自所述充电桩的红色激光发射器的激光信号，所述微控制器根据红色激光接收模块接收到的激光信号的位置、通过所述电机驱动模块控制行进机构调整机器人主体与充电桩之间的位置，使充电模块与所述充电控制模块通过充电端口相连；所述AC-DC转换电路将工频交流电转换成直流电。

所述红色激光接收器包括10~256个个水平排列的红色激光接收管优选32~64个；所述红色激光发射器发射与单个所述红色激光接收管相匹配的激光光束，所述微控制器通过判断所述红色激光接收管的接收激光光束的情况、来判断机器人主体与充电桩之间的相对位置。

所述异常检测模块实时监测环境异常信息，并将环境异常信息发送至所述微控制器。所述障碍物检测模块检测外部障碍物与机器人主体之间的距离，并将距离信号发送至所述微控制器。所述行进机构包括分别与所述电机驱动模块相连的驱动轮机构和万向轮机构。所述无线收发模块用于通过互联网与无线终端进行通讯。

一种如上所述的机器人自主充电系统的充电方法，包括如下步骤：

1）寻找充电桩模式：SLAM导航模块实时记录机器人主体的位置及方向，电量检测模块监测机器人主体的电源电压，当电源电压低于设定值时，微控制器通过电机驱动模块控制机器人主体沿最近路径返回充电桩位置，进入寻找充电桩模式；

2）定位机器人主体与充电桩相对位置：通过充电桩的红色激光发射器发射红色激光，红色激光接收模块接收红色激光信号，以定位机器人主体相对于充电桩的相对位置范围；

3）充电对接：随时对比红色激光接收模块接收到的来自红色激光发射器发射的红色激光信号，调整机器人主体的位置，直至机器人主体到达设定位置范围内，以使充电模块通过充电端口与充电桩的充电控制模块相连；

其中，调整机器人主体的位置的步骤为：

3.1）设定当红色激光接收模块的中心接收到红色激光发射器发射的红色激光时，机器人主体位于充电桩的对接位置中心上；

3.2）在调整机器人主体的位置时，机器人主体到达设定位置范围内时，微控制器通过电机驱动模块向行进机构发送停止运行指令；

3.3）微控制器通过电机驱动模块控制行进机构、使机器人主体前进一段距离L；

3.4）判断机器人主体的红色激光接收模块接收到的红色激光是否处于对接位置中心，若是，则直接进入步骤3.7；若否，则进入步骤3.4；

3.5）判断机器人主体的红色激光接收模块接收到的红色激光是否处于对接位置中心的右侧，若是，向左转一定角度并前进一段距离L，然后进入步骤3.7；否则进入步骤3.6；

3.6）判断机器人主体的红色激光接收模块接收到的红色激光是否处于对接位置中心的左侧，若是，则向右转一定角度并前进一段距离L，然后进入步骤3.7；

3.7）再前进一段距离L后，进入步骤4。

4）若完成充电对接，则充电桩的电源管理器检测到电路负载增加，并将电路负载增加信号发送至充电桩主控制器，充电桩主控制器控制充电控制模块工作，进入充电模式；若对接失败则返回步骤3重新充电对接；

5）当机器人主体的电源检测模块检测到电源电压大于或等于设定值时，向所述微控制器发送电源电压大于或等于设定值的信号，所述微控制器通过电机驱动模块控制所述行进机构使机器人主体离开所述充电桩，此时充电桩进入无负载状态，当所述电源管理器检测到充电桩电路进入无负载状态时，将无负载信号发送至所述充电桩主控制器，充电桩主控制器控制充电控制模块停止充电。

本实用新型所述的微控制器可采用意法半导体公司生产的型号为STM32F103R8T6的ARM芯片，其特点是运算速度快，内置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4个16位定时器、3路USART通讯口等多种资源，性价比极高。

本实用新型所述的充电桩主控制器可采用飞利浦公司生产的型号为LPC2368的ARM7芯片，其特点是稳定可靠，调试方便。

本实用新型所述激光发射模块可采用Mzlaser公司生产的型号为Hc5650100D-AL的红色激光发射器，其特点是发射精确的650nm谱线的红色激光和接受管频谱匹配，可有效减少其他干扰信息。

Claims (5)

1.一种机器人自主充电系统，其特征在于：包括机器人主体、充电桩，所述机器人主体包括控制主板、电机驱动模块、行进机构、电量检测模块、充电模块、SLAM导航模块、红色激光接收模块、无线收发模块，所述控制主板包括微控制器、障碍物检测模块、路径规划模块；所述控制主板的微控制器分别与所述电机驱动模块、电量检测模块、障碍物检测模块、路径规划模块、红色激光接收模块、无线收发模块相连；所述行进机构与所述电机驱动模块相连，所述充电模块与所述电量检测模块相连，所述SLAM导航模块分别与所述障碍物检测模块、路径规划模块相连，所述充电模块上连有充电端口；

所述充电桩包括：充电桩主控制器、充电控制模块、AC-DC转换电路、红色激光发射器、电源管理器；所述充电桩主控制器分别与所述充电控制模块、AC-DC转换电路、红色激光发射器、电源管理器相连，所述AC-DC转换电路与所述充电控制模块相连；

所述微控制器通过所述电量检测模块实时检测充电模块的电量，所述微控制器通过所述路径规划模块和障碍物检测模块获取所述SLAM导航模块的数据进行定位；当所述电量检测模块检测到电量低于设定值时，所述微控制器控制所述红色激光接收模块进入接收信号状态；所述红色激光接收模块进入接收信号状态后，接收来自所述充电桩的红色激光发射器的激光信号，所述微控制器根据红色激光接收模块接收到的激光信号的位置、通过所述电机驱动模块控制行进机构调整机器人主体与充电桩之间的位置，使充电模块与所述充电控制模块通过充电端口相连；所述AC-DC转换电路将工频交流电转换成直流电；所述电源管理器用于检测所述充电桩的负载情况。

2.根据权利要求 1 所述的机器人自主充电系统，其特征在于：所述红色激光接收模块包括10~256个水平排列的红色激光接收管；所述红色激光发射器发射与单个所述红色激光接收管相匹配的激光光束，所述微控制器通过判断所述红色激光接收管的接收激光光束的情况，来判断机器人主体与充电桩之间的相对位置。

3.根据权利要求 1 所述的机器人自主充电系统，其特征在于：所述控制主板还包括与所述微控制器相连的异常检测模块，所述异常检测模块实时监测环境异常信息，并将环境异常信息发送至所述微控制器。

4.根据权利要求 1 所述的机器人自主充电系统，其特征在于：所述障碍物检测模块检测外部障碍物与机器人主体之间的距离，并将距离信号发送至所述微控制器。

5.根据权利要求 1 所述的机器人自主充电系统，其特征在于：所述行进机构包括分别与所述电机驱动模块相连的驱动轮机构和万向轮机构。