一种能够多自由度自调整的充电装置及方法与流程

1.本发明涉及电力隧道巡检机器人充电技术领域，尤其涉及一种能够多自由度自调整的充电装置及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.在城市电力隧道中，有很多场所已经应用了配备移动电源的电力隧道巡检机器人，机器人运行中需要长距离行走，在长距离的轨道上就需要设置一定数量的充电装置，机器人运行过程中在需要充电时可行至其中一处自行充电。对于采用移动电源作为动力源的机器人，耗电量较多，目前电力隧道巡检机器人的充电方式主要有接触式充电和无线充电两种方式。
4.对于接触式的充电方式，充电装置需要安装在电力隧道巡检机器人车体与导轨之间，其间可利用空间非常有限，又涉及到充电电极与充电桩离合的行程，所以对充电桩结构固定要求较高；需要充电装置的结构紧凑，特别是充电接触端的定位及接触满足设定的要求，才能安全可靠的保持工作状态，保证取得足够的电能；同时，又要求取电电极与充电桩之间在充电结束时能有效分离，机器人离开时不产生干涉碰撞。
5.现有技术中的固定式接触充电装置，是在充电臂工作状态下的一种接触与压接。因为充电桩的制造误差，或装配误差，运动部件磨损或其它问题导致的车体运动误差，会使充电接触的定位精度受到影响，进而使得有效接触面积以及压接力度都有可能达不到理想状态，影响充电的可靠性，甚至会由于定位误差导致局部受力造成器件连接部位创伤或松动。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提出了一种能够多自由度自调整的充电装置及方法，该装置及方法可实现充电电极与充电桩紧密接触又能具备受力时保证自适应性，使充电保持最佳受力状态，并且在充电结束后能与充电桩有效分离。
7.在一些实施方式中，采用如下技术方案：
8.一种能够多自由度自调整的充电装置，包括：充电装置本体、电动推杆和充电臂，所述充电臂一端与充电装置本体通过转轴连接，另一端通过电极固定座连接充电电极；所述电动推杆一端通过转轴与充电臂连接，另一端通过转轴与充电装置本体连接；
9.所述充电电极相对于充电桩在上下方向、左右方向和水平旋转方向均具有设定的活动冗余量，以实现充电电极与充电桩的自适应找正。
10.作为进一步地方案，所述充电臂内部设有轴承主轴，所述轴承主轴连接电极固定座；所述轴承主轴与主轴旋转限位杆连接，所述主轴旋转限位杆与轴承主轴垂直设置；所述主轴旋转限位杆一端伸入轴承主轴内部，另一端被相对设置的旋转定位弹簧压紧；使得所
述主轴旋转限位杆能够在旋转定位弹簧对顶力方向上的设定的范围内浮动，从而使得所述轴承主轴在设定范围内保持水平旋转的自由度，进而实现充电电极相对于充电桩在水平旋转方向具有设定的活动冗余量。
11.作为进一步地方案，所述主轴旋转限位杆另一端通过相对设置的至少两个限位杆弹簧顶顶住；每一个所述限位杆弹簧顶一端顶住主轴旋转限位杆，另一端与旋转限位弹簧接触，所述旋转限位弹簧的弹力大小可调。
12.作为进一步地方案，所述充电臂内部设有轴承主轴，所述轴承主轴连接电极固定座；所述轴承主轴上分别设有第一直动弹簧和第二直动弹簧，所述第一直动弹簧和第二直动弹簧的弹力大小可调；所述第一直动弹簧在压缩状态时能够为轴承主轴提供向上的弹力，所述第二直动弹簧在压缩状态时能够为轴承主轴提供向下的弹力；所述轴承主轴能够在外力作用下拉伸或压缩第一直动弹簧和第二直动弹簧，以使得充电电极在设定的范围内向上或向下浮动，进而实现充电电极相对于充电桩在上下方向具有设定的活动冗余量。
13.作为进一步地方案，所述轴承主轴上设有主轴限位挡圈，所述主轴限位挡圈上下分别设有第一直线轴承和第二直线轴承；所述第一直动弹簧设置在所述主轴限位挡圈与第一直线轴承之间；所述第二直动弹簧设置在所述第二直线轴承与轴承主轴末端之间。
14.作为进一步地方案，所述第一直动弹簧一端与主轴限位挡圈连接，另一端与第一弹簧压母连接；所述第二直动弹簧一端与第二直线轴承连接，另一端与设置在轴承主轴末端的第二弹簧压母连接；通过调节弹簧压母能够调节直动弹簧的压缩量。
15.作为进一步地方案，所述充电臂与电极固定座连接的一端设有滑块和导轨，所述滑块连接电极固定座，所述电极固定座受到横向的外力作用时，所述滑块能够带动电极固定座沿着所述导轨在设定的范围内左右移动，进而实现充电电极相对于充电桩在左右方向具有设定的活动冗余量。
16.作为进一步地方案，所述充电臂与电极固定座连接的一端设有带有空腔结构的平动轴承基座，所述滑块和导轨设置在所述空腔结构内；所述导轨固定在平动轴承固定背板上，所述平动轴承固定背板与平动轴承基座连接；所述滑块的两端分别被限位弹簧销顶紧。
17.作为进一步地方案，所述充电臂上设有第一强磁和第二强磁，所述充电装置本体上的对应位置设有第一霍尔开关和第二霍尔开关，所述充电臂竖起到位后，第一强磁与第一霍尔开关接触，触发电动推杆停止动作；所述充电臂落下到位后，第二强磁与第二霍尔开关接触，触发电动推杆停止动作。
18.在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
19.一种基于多自由度自调整充电臂的充电装置的充电方法，包括：
20.控制移动设备挂载充电装置运行至充电区域，电动推杆伸出，推动充电臂带动充电电极升起至设定位置，电动推杆停止动作；
21.移动设备前进，推动充电电极与充电桩对接；对接过程中，通过充电电极相对于充电桩在上下方向、左右方向和水平旋转方向上的活动冗余量，实现充电电极与充电桩的自适应对接。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23.(1)本发明通过电动推杆的伸缩实现充电电极的升起或收回，电动推杆处于伸出状态时，能够使得充电臂带动充电电极升起，能够与充电桩连接，以实现充电；电动推杆处
于回收状态时，能够使得充电臂带动充电电极收回。这样有利于准确控制充电电极的移动位置，并且节省充电装置占据的空间。
24.(2)本发明的充电电极在上下方向、左右方向和水平旋转方向上均具有活动冗余，能够在有限的空间内实现有效的自适应调整，克服了电力隧道巡检机器人的固定接触式充电装置无法避免定位误差大，不能自适应的缺点。并且有利于充电电极与充电桩在动态环境下的良好接触，提升充电效率。
25.本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
26.图1为本发明实施例中基于多自由度自调整充电臂的充电装置结构示意图；
27.图2为本发明实施例中充电电极回收状态示意图；
28.图3(a)-(b)为本发明实施例中充电臂结构示意图；
29.图4为本发明实施例中轴承主轴与主轴旋转限位杆结构关系示意图；
30.图5(a)为本发明实施例中轴承主轴与直线轴承结构关系示意图；
31.图5(b)为本发明实施例中充电臂内部结构剖视图；
32.图6为本发明实施例中充电臂顶端结构示意图；
33.其中，1.充电装置本体；2.充电臂；3.充电桩；4.电极固定座；5.电动推杆；6.充电电极；7.平动轴承基座；8.平动轴承固定背板；9.轴承主轴；10.主轴限位挡圈；11.主轴旋转限位杆；12.限位杆弹簧顶；13.平动轴承滑块；14.平动轴承导轨；15.平动限位弹簧销；16.第一直线轴承；17.轴承挡板a；18.轴承挡板b；19.轴承挡板c；20.直动弹簧；21.弹簧压母a；22.弹簧压母b；23.主轴限位弹簧销；24.旋转限位弹簧；25.旋转限位顶丝；26.双列角接触轴承；27.推杆头部转轴；28.推杆底部转轴；29.限位螺钉；30.挡圈；31.充电电缆；32.r型线夹；33.电缆支撑架；34.第一霍尔开关；35.第一强磁；36.轨道。
具体实施方式
34.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
35.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
36.实施例一
37.为了使充电电极能够保证准确紧密的压接在充电桩内，需要满足一个重要条件：充电电极6在充电桩3内部的定位准确；但由于各种运动误差累积的存在，充电电极6在进入充电桩3时，不一定严格的中心轴相对应进入，或多或少总会有横向相抗力存在，当巡检机器人车体在轨道36上横向定位已经固定，而充电桩3又没有活动余量时，充电桩3会对充电电极6施加某一方向的横向压力，此时充电电极6若保持固定，则会造成充电电极6或充电桩
3非完整的接触，影响充电效率，甚至可能造成损伤。若充电电极6能有一定的浮动性，则充电电极6在横向抗力的驱动下，就可以实现中心轴对应自动找正的效果，使充电效率发挥最大值，并避免误差造成电机的损伤。
38.基于此，在一个或多个实施方式中，公开了一种能够多自由度自调整的充电装置，包括：充电装置本体1、电动推杆5和充电臂2，所述充电臂2一端与充电装置本体1通过转轴连接，另一端通过电极固定座4连接充电电极6；所述电动推杆5一端通过转轴与充电臂2连接，另一端通过转轴与充电装置本体1连接；电动推杆5处于伸出状态时，能够使得充电臂2带动充电电极6升起，能够与充电桩3连接，以实现充电；电动推杆5处于回收状态时，能够使得充电臂2带动充电电极6收回，进入非充电状态。
39.本实施例中，充电电极6相对于充电桩3在上下方向、左右方向和水平旋转方向均存在设定的活动冗余量，以实现充电电极6与充电桩3的自适应找正。
40.经过分析，巡检机器人车体运动误差所造成的偏移误差往往包括三个方面：
41.1、充电电极6在水平方向的角度偏转误差；
42.2、充电电极6相对充电桩3水平方向的偏移误差；
43.3、充电电极6相对充电桩3竖直方向的偏移误差。
44.因此，本实施例中，通过使固定充电电极6的充电臂2具备以上三种位移情况的自调整功能，则能实现充电电极6在与充电桩3接触时的自适应。这种自适应完全由充电臂2的结构实现其根据抗力自适应的位移，从而保证接触时最佳的接合。
45.具体地，结合图1和图2，基于多自由度自调整充电臂2的充电装置，包括：充电装置本体1、充电臂2和电动推杆5；充电装置本体1与巡检机器人机身连接；电动推杆5通过推杆头部转轴27与充电臂2相连，通过推杆底部转轴28与充电装置本体1相连，充电臂2一端与通过转轴与充电装置本体1相连，另一端连接电极固定座4，电极固定座4上连接有充电电极6。
46.充电臂2内部设有轴承主轴9，轴承主轴9连接电极固定座4；
47.结合图3(a)-(b)和图4，轴承主轴9与主轴旋转限位杆11连接，主轴旋转限位杆11与轴承主轴9相互垂直设置；主轴旋转限位杆11的根部伸入轴承主轴9内部，另一端伸出充电臂2，并能够被相对设置的旋转定位弹簧压紧；使得主轴旋转限位杆11能够在设定的范围内浮动，从而使得所述轴承主轴9在一定范围内保持水平旋转的自由度，进而实现充电电极6相对于充电桩3在水平旋转方向具有设定的活动冗余量。
48.具体地，主轴旋转限位杆11另一端的左右两侧分别安装限位杆弹簧顶12，两个限位杆弹簧顶12均是一端顶在主轴旋转限位杆11上，另一端顶在旋转限位弹簧24上，两个旋转限位弹簧24分别安装在充电臂2左右两侧的两个孔内，其外侧分别是两个旋转限位顶丝25顶住弹簧的另一端，并且两边都可以自由调节弹簧的松紧。
49.主轴旋转限位杆11的作用就是限制轴承主轴9仅在一定角度范围内转动，同时保证轴承主轴9可以在左右方向保持中间位置浮动。这样轴承主轴9就可以通过旋转限位杆的控制，在两个旋转定位弹簧的压力下保持在左右的中间状态，同时又在一定范围内保持左右旋转的自由度。当充电桩3与充电电极6发生角度偏转误差时，充电电极6受到的横向挤压可驱使轴承主轴9克服旋转限位弹簧24的阻尼，使轴承主轴9发生偏转，而改善充电电极6的插入状态。
50.本实施例中，轴承主轴9上分别设有第一直动弹簧20和第二直动弹簧20，第一直动
弹簧20和第二直动弹簧20的弹力大小可调；第一直动弹簧20在压缩状态时能够为轴承主轴9提供向上的弹力，第二直动弹簧20在压缩状态时能够为轴承主轴9提供向下的弹力；轴承主轴9能够在外力作用下拉伸或压缩第一直动弹簧20和第二直动弹簧20，以使得充电电极6在设定的范围内向上或向下浮动，进而实现充电电极6相对于充电桩3在上下方向具有设定的活动冗余量。
51.具体地，结合图5(a)和图5(b)，轴承主轴9上分别连接第一直线轴承16和第二直线轴承，两只直线轴承分别镶嵌在充电臂2的上下两个孔内，第一直线轴承16在上下方向由轴承挡板和轴承挡板b18进行限位，轴承挡板a17和轴承挡板b18都可以固定于充电臂2上，下轴承由一对轴承挡板c19固定在充电臂2上，这样轴承主轴9就即可以在直线轴承内转动，又可以在轴承轴心方向上平动。
52.轴承主轴9可以在两个直线轴承内上下浮动，两个直线轴承之间设置主轴限位挡圈3010，由限位螺钉29固定，它可以允许轴承主轴9上下浮动。
53.主轴限位挡圈3010的上方装有第一直动弹簧20，在轴承主轴9末端装有第二直动弹簧20，两个直动弹簧20都套入轴承主轴9内，第一直动弹簧20一端顶在主轴限位挡圈3010上，另一端顶在安装在轴承主轴9的弹簧压母a21上，这样当轴承主轴9向下发生位移时，就会压缩第一直动弹簧20；第二直动弹簧20一端顶在第二直线轴承的内端上，另一端顶在安装在轴承主轴9的末端的弹簧压母b22上，这样当调节弹簧压母a21和弹簧压母b22时，会调节上下两个直动弹簧20的力度，使轴承主轴9停在上下方向的中间位置，同时受到上下方向的外力时，轴承主轴9可压缩直动弹簧20，使充电电极6适应向上或向下的浮动。
54.结合图5(a)所示，主轴限位挡圈3010通过限位螺钉29固定在充电臂2上(虚线部分)，为静态，其上有第一直动弹簧20，下有第二直动弹簧20，弹簧压母a21是对第一直动弹簧20作用的螺母，弹簧压母a21旋在主轴的螺纹上，当它下旋时，因为主轴限位挡圈3010是固定态的。它会压紧第一直动弹簧20，第一直动弹簧20压缩会产生对轴承主轴9向上的弹力，而第二直动弹簧20及弹簧压母b22同样，第二直动弹簧20对主轴施加的力量是向下的，当向上的弹力大于向下的弹力时，主轴上行；反之下行；平衡态则不动，但受到外力后可以上下浮动，外力消失后，会恢复平衡态。主轴限位弹簧销23的头部插入到主轴的一个槽内，对轴承主轴9上下运动起一个限位作用，可以限制轴承主轴9上下的位移范围。
55.本实施例中，充电臂2与电极固定座4连接的一端设有滑块13和导轨14，滑块13连接电极固定座4，电极固定座4受到横向的外力作用时，滑块13能够带动电极固定座4沿着所述导轨14在设定的范围内左右移动，进而实现充电电极6相对于充电桩3在左右方向具有设定的活动冗余量。
56.具体地，结合图6，充电臂2与电极固定座4连接的一端设有带有空腔结构的平动轴承基座7，滑块13和导轨14设置在所述空腔结构内；导轨14固定在平动轴承固定背板8上，平动轴承固定背板8与平动轴承基座7连接；滑块13的两端分别被限位弹簧销顶紧。
57.在平动轴承基座7的两侧各有一螺孔，用以旋入平动限位弹簧销15，调整平动限位弹簧销15的力度，可以推动滑块13，使其停在中间位置，而安装在滑块13上的电极固定座4，可以在左右方向上进行平移，当充电电极6受到左右方向的横向力时，充电电极6就可以驱动其下方固定的平动轴承滑块13进行左右平移，从而使充电电极6与充电桩3保持最佳的接触位置。
58.本实施例中，充电电极6引出的充电电缆3131向下延伸，在充电臂2中央由r型线夹3232固定，r型线夹3232固定在电缆支撑架3333上，以保证电缆不被扭曲，，电缆支撑架3333安装在充电臂2的中部，充电桩3安装在轨道3636上。
59.充电臂2上设有第一强磁35和第二强磁，前面和后面各有一个，第一霍尔开关34和第二霍尔开关设置在充电装置本体1上，分别与第一强磁35和第二强磁各自对应；
60.充电臂2竖起到位后，第一强磁35与第一霍尔开关34接触，触发电动推杆5停止动作；充电臂2落下到位后，第二强磁与第二霍尔开关接触，触发电动推杆5停止动作。
61.实施例二
62.在一个或多个实施方式中，公开了一种实施例一所述的基于多自由度自调整充电臂2的充电装置的充电方法，包括：
63.(1)控制移动设备挂载充电装置运行至充电区域，电动推杆5伸出，推动充电臂2带动充电电极6升起至设定位置，电动推杆5停止动作；
64.首先，智能巡检机器人挂载充电装置行至充电区域，到达充电桩3前方适当位置，电动推杆5动作伸展，推动安装在充电臂2的推杆头部转轴27，推杆头部转轴27与充电臂2通过一对双列角接触轴承26与充电臂2固定，充电臂2以推杆底部转轴28为轴旋转至与充电装置本体1垂直位置；本实施例中，充电装置本体1可以是巡检机器人的机身。
65.挡圈30用以电动推杆5底部与头部的安装孔在双列角接触轴承26之间的限位，用来隔开电动推杆5与轴承内圈，避免电动推杆5与轴承主轴9或充电装置本体1的运动干涉。
66.此时，强磁与霍尔开关也到达相应位置，霍尔开关的感应信息传回巡检机器人的中央控制单元，中央控制单元发送指令至充电推杆，控制充电推杆停止动作。
67.(2)移动设备前进，推动充电电极6与充电桩3对接；对接过程中，通过充电电极6相对于充电桩3在上下方向、左右方向和水平旋转方向上的活动冗余量，实现充电电极6与充电桩3的自适应对接。
68.具体地，当充电臂2达到充电状态，控制机器人前进，充电电极6被推入充电桩3，此时若有位置定位误差，通过三种位移的冗余可以保证充电电极6与充电桩3的有效接触，保证高效率充电。
69.(3)当充电结束，机器人携带充电装置后退，充电电极6此时从充电桩3中拔出，电动推杆5进行动作收缩，带动充电臂2旋转退回到非充电状态，当到达非充电状态时，安装在充电装置本体1底部的霍尔开关会感应到充电臂2的强磁，信息会传到中央控制单元，由中央控制单元发出指令，电动推杆5停止动作。充电臂2在非充电状态时，可以自由通过充电桩3，不会发生运动干涉。
70.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。