CN212811383U - 一种机器人自动对位充电的充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机器人自动对位充电的充电系统，包括充电桩(2)及机器人(1)；所述机器人(1)包括充电接收模块以及安装在所述充电接收模块两侧并用于测量机器人(1)的充电接收模块与充电桩(2)的充电发射模块之间距离的测距传感器(5)；所述充电桩(2)包括固定安装的X向调整组件以及固定安装在所述X向调整组件上的充电桩本体；所述充电桩本体包括安装在X方向上的充电发射模块以及检测判断所述机器人(1)的充电接收模块与所述充电桩(2)的充电发射模块是否对正的充电桩控制盒(23)。本实用新型可以实现机器人与充电桩之间的自动对位，对位精准，方便后续充电，保证充电效率最优。

Description

一种机器人自动对位充电的充电系统

技术领域

本实用新型涉及机器人设备技术领域，尤其涉及一种实现自动对位的充电系统。

背景技术

随着机器人技术的发展，各种类型的机器人产品融入各行各业，替代人工进行工作和服务。配套机器人必不可少的就是充电桩，它为机器人电池充入电能，保证机器人持续工作。而机器人要充电，必须要先移动到充电桩的位置，机器人车载端定位装置如激光雷达、GPS等能引导机器人到达充电桩前，但是存在对位误差，在结构设计上有的厂家会把充电桩做的比车载充电模块更宽，使其能容错机器人本身的定位精度，或者在水平和绕充电桩中心方向设置弹簧装置，使其有一定容错率，这种被动式定位方式在一定程度上能解决充电定位的问题，但是充电桩整体尺寸会做的更大，机器人在充电桩附近需要频繁调整姿态，直到车载充电模块与充电桩对位合适。由于对位精度不高，充电效率不高，对位过程中频繁撞击会造成对机器人及内部元器件振动，影响整体稳定性。

发明内容

发明目的：本实用新型针对上述不足，提出了一种更快捷的对位方式的可自动对位充电桩，机器人相对笨重，调整姿态会更麻烦，相反的，充电桩移动起来会更灵活，配合上传感器定位，能精准的将充电桩与机器人进行对位，方便后续充电，保证充电效率最优。

技术方案：

一种机器人自动对位充电的充电系统，包括充电桩及机器人；

所述机器人包括安装在所述机器人充电位置的充电接收模块以及安装在所述充电接收模块两侧并用于测量机器人的充电接收模块与充电桩的充电发射模块之间距离的测距传感器；

所述机器人根据两个所述测距传感器测得的距离确定其充电接收模块与所述充电桩的充电发射模块之间的角度偏差，并据此运动至其充电接收模块与所述充电桩的充电发射模块平行状态；所述机器人的充电接收模块与所述充电桩的充电发射模块在Y向上的距离，并运动至最优充电距离；

所述充电桩包括固定安装的X向调整组件以及固定安装在所述X向调整组件上并可由所述X向调整组件控制在X方向上移动的充电桩本体；所述充电桩本体包括安装在X方向上的充电发射模块以及检测判断所述机器人的充电接收模块与所述充电桩的充电发射模块是否对正的充电桩控制盒，所述充电桩控制盒与所述X向调整组件通信连接，在前述判断未对正情况下，控制所述X向调整组件调整所述充电桩本体在所述X方向上的位置，直至所述机器人的充电接收模块与所述充电桩的充电发射模块对正。

在所述充电桩位于所述充电发射模块一侧安装有与所述充电桩控制盒通信连接的接近传感器，在所述机器人充电位置相应位置上设置有一凸起；所述充电桩控制盒通过所述接近传感器是否检测到所述机器人上凸起的信号确定所述机器人的充电接收模块与所述充电桩的充电发射模块是否对正；所述接近传感器的检测距离设为0～15mm之间。

所述机器人上的充电接收模块采用的是无线充电接收模块，所述充电桩上的充电发射模块采用的无线充电发射模块；所述无线充电发射模块和所述无线充电接收模块之间通过磁谐振技术传递能量；

所述充电桩控制盒与所述无线充电发射模块通信连接，读取所述无线充电发射模块的谐振电压，并根据谐振电压是否趋近于典型值判断所述机器人的充电接收模块与所述充电桩的充电发射模块是否对正。

所述机器人和所述充电桩之间通过其内设置的无线通讯模块进行通信；所述机器人需要充电时发送充电请求至所述充电桩，所述充电桩的所述充电桩控制盒控制所述无线充电发射模块开启，并进行对正检测；并将对正信息发送给所述机器人。

所述机器人实时监测其内电池信息，并获取其无线充电接收模块的谐振电压；在充电完成时发送信息至所述充电桩。

所述X向调整组件包括X向驱动组件及X向滑动组件，所述充电桩本体固定安装在所述X向驱动组件及X向滑动组件上，并在所述X向驱动组件驱动下沿X方向运动。

所述X向驱动组件采用丝杠驱动方式、皮带传动、直线电机或齿轮齿条方式，所述X向滑动组件采用导轨滑块结构方式或导轴与直线轴承结构方式。

在所述充电桩本体上还设有Z向调整组件，所述Z向调整组件包括：

Z向导轨，安装在所述充电桩本体上位于充电发射模块左右两侧位置；

Z向滑块，滑动安装在所述Z向滑轨上，并用于固定安装所述充电发射模块；

Z向调节块，与所述充电发射模块固定连接，在其内设有竖直方向上的内螺纹；

Z向调节螺钉，上端转动安装在所述充电桩本体上，下端与所述Z向调节块通过螺纹配合连接。

有益效果：本实用新型通过读取机器人进行无线充电时的充电谐振电压或电流判断机器人与充电桩在X方向上是否对正，并且判断是否达到了二者之间的最佳充电距离，并根据判断结果控制充电桩在X向上左右运动，从而使得机器人与充电桩对正，从而实现机器人与充电桩之间的自动对位，对位精准，方便后续充电，保证充电效率最优。

附图说明

图1是本实用新型的立体示意图。

图2是机器人立体示意图。

图3是充电桩爆炸图。

图4是系统控制框图

图5是机器人充电对位流程图

图6是工作流程一示意图。

图7是工作流程二示意图。

图8是工作流程三示意图。

图9是工作流程四示意图。

图中，1.机器人，2.充电桩，3.机器人控制系统，4.测距传感器支架，5.测距传感器，6.无线充电接收模块，7.上壳，8.Z向调节螺钉，9.Z向调节块，10.无线充电发射模块，11.Z向导轨，12.Z向滑块，13.Z向连接板，14.电机固定法兰， 15.电机，16.底壳，17.X向滑块连接板，18.X向滑块，19.X向导轨，20.丝杠螺母连接板，21.丝杠螺母，22.丝杠，23.充电桩控制盒，24.侧壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型。

图1是本实用新型的立体示意图，如图1所示，本实用新型的充电相关方包括机器人1和充电桩2。图2是机器人立体示意图，如图2所示，机器人1的尾部安装有无线充电接收模块6，其两侧分别装有一个测距传感器5，测距传感器 5通过测距传感器支架4固定在机器人1的尾部位于无线充电接收模块6两侧，在机器人1内设有机器人控制系统3。

图3是充电桩爆炸图，根据图1所示坐标系，如图3所示，充电桩2包括底壳16、上壳7、X向调整组件、充电桩控制盒23、Z向调整组件以及无线充电发射模块10。底壳16固定安装在设定的安装充电桩的位置处，位于充电桩2底部， X向调整组件固定安装在底壳16上方，包括X向导轨滑块组件及丝杠驱动组件， X向导轨滑块组件包括X向导轨19、X向滑块18以及X向滑块连接板17；X 向导轨19为两条，其对称固定在底壳16的前后两侧，X向滑块18滑动安装在 X向导轨19上，X向滑块连接板17固定在X向滑块18上；丝杠驱动组件包括丝杠22、电机15、丝杠螺母21以及丝杠螺母连接板20；丝杠22通过传动座固定安装在底壳16上位于两条X向导轨19之间的位置，电机15通过电机固定法兰14固定安装在丝杠22一端的位置，电机15的输出轴与丝杠22通过联轴器连接，可驱动丝杠22旋转；丝杠螺母21通过螺纹配合安装在丝杠22上，并可在丝杠22转动时在丝杠22上左右移动，丝杠螺母连接板20与丝杠螺母21固定连接，侧壳24固定在X向滑块连接板17、丝杠螺母连接板20上，并可在电机15 的驱动下随着X向滑块连接板17和丝杠螺母连接板20沿X方向左右移动，在侧壳24前侧面设置有凹槽，无线充电发射模块10安装在所述凹槽内，上壳7 盖设在侧壳24上。在侧壳24内固定安装有充电桩控制盒23，如图4所示，充电桩控制盒23分别与无线充电发射模块10和电机15通信连接，并发射控制信号至无线充电发射模块10以控制其开关机，读取无线充电发射模块10谐振电压，并根据谐振电压判断机器人1与充电桩2在X方向上是否对正。如果没有对正，则发送控制信号至电机15控制电机15转动，利用丝杠滑块组件驱动充电桩2 上的无线充电发射模块10左右移动。同时，充电桩控制盒23实时读取无线充电发射模块10谐振电压，直至谐振电压趋近于典型值，即机器人1与充电桩2在 X方向上对正。

Z向调整组件包括Z向导轨11、Z向滑块12、Z向滑块连接板13、Z向调节块9以及Z向调节螺钉8，Z向导轨11固定在侧壳24前侧面的两边，Z向滑块12滑动安装在Z向导轨11上，可以沿Z向上下滑动，滑块连接板13固定安装在Z向滑块12上；无线充电发射模块10位于侧壳24的前侧面，其两侧分别与Z向连接板13固定，无线充电发射模块10后侧固定有Z向调节块9，在Z 向调节块9内设有竖直方向上的内螺纹，Z向调节螺钉8穿过上壳7与Z向调节块9通过螺纹配合连接，通过旋转Z向调节螺钉8可使得Z向调节块上下移动，进而驱动无线充电发射模块10沿Z向上下移动，以调整无线充电发射模块10 与机器人1的无线充电接收模块6高度一致。

如图4所示的系统控制框图，无线充电发射模块10和无线充电接收模块6 之间通过磁谐振技术传递能量，且二者之间通过无线通讯进行数据传输，充电控制盒23主要是通过串口与无线充电发射模块10通信，控制无线充电发射模块 10开关机，读取无线充电发射模块10谐振电压，控制电机15转动，机器人控制系统3通过串口通讯与无线充电接收模块6通讯，控制无线充电接收模块6 开关机，读取无线充电接收模块6谐振电压，电池给机器人供电，且机器人控制系统3可与电池之间进行总线通讯，读取电池电量、温度等信息。

机器人控制系统3可以根据机器人1尾部的两个测距传感器5测得的机器人 1尾部与充电桩2的无线充电发射模块10之间的距离值计算得到机器人1自身与充电桩2的无线充电发射模块10之间的角度偏差，并依据该角度偏差规划机器人1运动路径，将机器人1车身调整到与充电桩2的无线充电发射模块10平行状态；在充电桩2的X向调整组件控制充电桩2的无线充电发射模块10左右移动至机器人1与充电桩2在X方向上对正后，再利用测距传感器5检测机器人1与充电桩2的无线充电发射模块10在Y方向上距离值是否满足最优充电距离，在本实用新型中，最优充电距离为0～10mm；在机器人1与充电桩2的无线充电发射模块10在Y方向上的距离不满足最优充电距离时，机器人控制系统3 根据其之间距离与最优充电距离之间的距离差规划机器人1在Y方向上移动的距离，并发送控制指令至机器人1，使机器人1继续靠近充电桩2，直至达到最优充电距离。

图5是机器人充电对位流程图。如图5所示，机器人1检测到自身需要充电后，利用机器人导航规划地图，规划机器人运动路径，将机器人1移动到充电桩 2前，离充电桩2有一定距离。由于自身导航精度问题，机器人1车身可能会与充电桩2之间存在一定角度和位置偏差，此时通过机器人1尾部的两个测距传感器5测得机器人1尾部与充电桩2的无线充电发射模块10之间的距离值，并分别设为S1和S2，并发送至机器人1内部的机器人控制系统3，机器人控制系统 3可以根据距离值计算得到机器人1自身与充电桩2的无线充电发射模块10之间的角度偏差，如图6所示，并依据该角度偏差规划机器人1的运动路径，将机器人1车身调整到与充电桩2的无线充电发射模块10平行状态，如图7所示；再利用测距传感器5检测机器人1的无线充电接收模块6与充电桩2的无线充电发射模块10在Y方向上距离值是否满足最优充电距离，在本实用新型中，最优充电距离为0～10mm；在机器人1与充电桩2的无线充电发射模块10在Y方向上的距离不满足最优充电距离时，机器人控制系统3根据其之间距离与最优充电距离之间的距离差规划机器人1在Y方向上移动的距离，并发送控制指令至机器人1，使机器人1继续靠近充电桩2，如图8所示，直至达到最优充电距离。机器人1与充电桩2相对位置如图9所示。

在本实用新型中，X向调整组件采用的是丝杠驱动方式和导轨滑块配合，但本实用新型不止于此，本实用新型还可以将丝杠驱动方式可以替换为皮带传动、直线电机、齿轮齿条等方式，导轨滑块可以更换为导轴和直线轴承。

在本实用新型中，充电桩控制盒23通过读取谐振电压或电流的方式判断机器人1与充电桩2在X向上是否对正，但本实用新型并不止于此，本实用新型还可以将该方式更换为接近传感器检测，即在充电桩2的侧壳24前侧面安装接近传感器，在机器人1尾部相同高度处设置一凸起区域以方便该接近传感器检测，在前述凸起区域接近前述接近传感器相应距离时，前述接近传感器得到接近信号并发送至充电桩控制盒23，充电桩控制盒23发送控制信号至电机15使电机15 停止转动，X向对位完成。在本实用新型中，前述接近传感器的检测距离为 0～15mm之间。

本实用新型通过读取机器人进行无线充电时的充电谐振电压或电流判断机器人1与充电桩2在X向上是否对正，并根据判断结果控制充电桩2在X向上左右运动，从而使得机器人1与充电桩2对正，从而实现机器人1与充电桩2 之间的自动对位；然后再判断是否达到了二者之间的最佳充电距离，并据此控制机器人在Y向上运动，以达到最优充电距离。本实用新型对位精准，方便后续充电，可以保证充电效率最优。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本实用新型的保护。

Claims (8)

1.一种机器人自动对位充电的充电系统，其特征在于：包括充电桩(2)及机器人(1)；

所述机器人(1)包括安装在所述机器人(1)充电位置的充电接收模块以及安装在所述充电接收模块两侧并用于测量机器人(1)的充电接收模块与充电桩(2)的充电发射模块之间距离的测距传感器(5)；

所述机器人(1)根据两个所述测距传感器(5)测得的距离确定其充电接收模块与所述充电桩(2)的充电发射模块之间的角度偏差，并据此运动至其充电接收模块与所述充电桩(2)的充电发射模块平行状态；再根据测距传感器(5)测得所述机器人(1)的充电接收模块与所述充电桩(2)的充电发射模块在Y向上的距离，并运动至最优充电距离；

所述充电桩(2)包括固定安装的X向调整组件以及固定安装在所述X向调整组件上并可由所述X向调整组件控制在X方向上移动的充电桩本体；所述充电桩本体包括安装在X方向上的充电发射模块以及检测判断所述机器人(1)的充电接收模块与所述充电桩(2)的充电发射模块是否对正的充电桩控制盒(23)，所述充电桩控制盒(23)与所述X向调整组件通信连接，在前述判断未对正情况下，控制所述X向调整组件调整所述充电桩本体在所述X方向上的位置，直至所述机器人(1)的充电接收模块与所述充电桩(2)的充电发射模块对正。

2.根据权利要求1所述的机器人自动对位充电的充电系统，其特征在于：在所述充电桩(2)位于所述充电发射模块一侧安装有与所述充电桩控制盒(23)通信连接的接近传感器，在所述机器人(1)充电位置相应位置上设置有一凸起；所述充电桩控制盒(23)通过所述接近传感器是否检测到所述机器人(1)上凸起的信号确定所述机器人(1)的充电接收模块与所述充电桩(2)的充电发射模块是否对正；所述接近传感器的检测距离设为0～15mm之间。

3.根据权利要求1所述的机器人自动对位充电的充电系统，其特征在于：所述机器人(1)上的充电接收模块采用的是无线充电接收模块(6)，所述充电桩(2)上的充电发射模块采用的无线充电发射模块(10)；所述无线充电发射模块(10)和所述无线充电接收模块(6)之间通过磁谐振技术传递能量；

所述充电桩控制盒(23)与所述无线充电发射模块(10)通信连接，读取所述无线充电发射模块(10)的谐振电压，并根据谐振电压是否趋近于典型值判断所述机器人(1)的充电接收模块与所述充电桩(2)的充电发射模块是否对正。

4.根据权利要求3所述的机器人自动对位充电的充电系统，其特征在于：所述机器人(1)和所述充电桩(2)之间通过其内设置的无线通讯模块进行通信；所述机器人(1)需要充电时发送充电请求至所述充电桩(2)，所述充电桩(2)的所述充电桩控制盒(23)控制所述无线充电发射模块(10)开启，并进行对正检测；并将对正信息发送给所述机器人(1)。

5.根据权利要求4所述的机器人自动对位充电的充电系统，其特征在于：所述机器人(1)实时监测其内电池信息，并获取其无线充电接收模块(6)的谐振电压；在充电完成时发送信息至所述充电桩(2)。

6.根据权利要求1所述的机器人自动对位充电的充电系统，其特征在于：所述X向调整组件包括X向驱动组件及X向滑动组件，所述充电桩本体固定安装在所述X向驱动组件及X向滑动组件上，并在所述X向驱动组件驱动下沿X方向运动。

7.根据权利要求6所述的机器人自动对位充电的充电系统，其特征在于：所述X向驱动组件采用丝杠驱动方式、皮带传动、直线电机或齿轮齿条方式，所述X向滑动组件采用导轨滑块结构方式或导轴与直线轴承结构方式。

8.根据权利要求1所述的机器人自动对位充电的充电系统，其特征在于：在所述充电桩本体上还设有Z向调整组件，所述Z向调整组件包括：

Z向导轨(11)，安装在所述充电桩本体上位于充电发射模块左右两侧位置；

Z向滑块(12)，滑动安装在所述Z向导轨(11)上，并用于固定安装所述充电发射模块；

Z向调节块(9)，与所述充电发射模块固定连接，在其内设有竖直方向上的内螺纹；

Z向调节螺钉(8)，上端转动安装在所述充电桩本体上，下端与所述Z向调节块(9)通过螺纹配合连接。

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