一种机器人自动充电系统及其充电方法

1.本发明涉及机器人充电技术领域，具体涉及机器人自动充电系统及其充电方法。


背景技术：

2.智能机器人现已经广泛应用于学校、医院和政府办事服务大厅等场所，用来提供自助服务和进行现场引导，根据不同的应用场景，会布置一定数量的机器人，为了使机器人能够全天候无间断工作，通常情况下会配备充电桩或者可更换电池组，可更换的电池一般用于野外，无法铺设公共电网的地方或者需要随时转换工作场景的地方，对于固定地点，通常采用安装固定的充电桩来给机器人充电，现有的充电桩仅作为充电器使用，不具备辅助定位功能，且充电的时候没有进行充电状态检测，安全性和充电效率较低。
3.现有公布号为cn108282011a专利申请，公开了一种机器人充电方法、机器人和充电桩，机器人充电方法包括当机器人的电池电量值小于或等于第一电量阈值时，根据充电桩的位置信息进行导航，控制机器人向所述充电桩移动，在机器人移动到充电桩处的预设充电位置时，机器人底部的第一导电金属件与预设充电位置处的导电底板接触，并触发充电桩，以使充电桩将收放在充电桩上的与电源连接的第一电极端口落下，与机器人顶部的第二导电金属件接触，形成充电回路对机器人进行充电，充电定位无引导充电电极对接出错率真高，且充电过程没有监测，安全性较差，具有一定的局限性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供之一是提供一种机器人自动充电系统，该系统用于机器人充电时，充电电极与电极片对接快速且准确，能够在充电时监控充电桩和机器人的状态，充电时安可靠。
5.为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
6.一种机器人自动充电系统及其充电系统和充电方法包括充电桩和机器人，所述充电桩与公共电网连通，所述机器人可自动寻路至所述充电桩的位置，并与所述充电桩连接；
7.所述充电桩包括电源转换模块、电极片、保护壳感应器，所述电源转换模块的一端与所述公共电网相连，另一端与所述电极片相连，所述电极片滑动连接在所述保护壳内，所述感应器设置在所述保护壳内；
8.所述机器人包括底盘、立柱、行走装置、环境感知模块电源模块和充电电极，所述立柱的下端与所述底盘相连，所述行走装置设置在所述底盘上，所述环境感知模块设置在所述底盘上，所述环境感知模块包括多个二维激光雷达和三维激光雷达，多个所述二维激光雷达环绕所述底盘设置，所述三维激光雷达设置在所述立柱的下方，所述电源模块设置在所述底盘内，所述充电电极设置在所述底盘的下方，且与所述电源模块相连；
9.所述环境感知模块扫描定位所述机器人与所述充电桩的位置，所述机器人在充电时所述充电电极与所述电极片抵触。
10.多个所述二维激光雷达设置在同一平面内，实时扫描获得周边的地形数据。
11.所述电源模块包括锂电池和电源管理芯片，所述电源管理芯片与所述锂电池相连，用于对所述锂电池实时监控，保证所述机器人能不间断运行。
12.所述机器人还包括数据采集模块和控制器，所述控制器设置在所述底盘内，所述数据采集模块与所述控制器相连，采集和存储地形的点云数据，用于对比定位和自动寻路。
13.所述充电电极设置成在平面上不超过所述底盘的覆盖范围，使其受到所述底盘的保护不易被损坏，充电的时候不容易被误触而触电。
14.所述充电桩还包括凹坑，所述凹坑设置在所述充电桩的一侧面上，所述充电桩与附近环境存在明显区别，使得所述机器人扫描定位的准确性提高。
15.所述感应器设置在靠近所述电极片朝内的一侧，用于检测到所述电极片的位置，控制所述充电桩的开关。
16.所述行走装置包括多个主动轮和多个支撑轮，多个所述主动轮并列设置在所述底盘的下方，多个所述支撑轮与多个所述主动轮处于同一平面，用于行走和小范围内调整位置，使所述机器人充电时对位更快更准。
17.所述第一三维激光雷达的扫描方向设置成与所述机器人移动的方向相同，避免所述机器人前进时碰撞。
18.本发明的目的是提供之二是提供一种充电方法，该方法用于机器人充电，具有定准快速准确，不用重复，且充电过程中安全可靠，具体步骤如下：
19.s1、初始定位：所述环境感知模块扫描周边环境得所述充电桩与所述机器人的初始位置地图；
20.s2、电量监测：所述机器人工作过程中，所述电源管理芯片检测到所述锂电池电量低于设定的阈值后，所述机器人返回初始位置，准备充电；
21.s3、导航定位：启动所述环境感知模块对所述充电桩周边环境进行扫描，将扫描得到的点云数据与所述初始位置地图比对，比对完成后原地调整所述机器人的位置和角度；
22.s4、充电：所述机器人朝向所述充电桩移动，直到所述充电电极与所述电极片抵触后停止，所述电源转换模块启动给所述锂电池充电；
23.s5、充电完成：所述电源管理芯片检测到所述锂电池电量充满后，所述机器人离开所述充电桩，进入到待机状态。
24.本发明的有益效果为：
25.(1)该充电系统具有检测模块，能实时监测充电过程中的电源和电池的状态，发生故障时能快速修复和断电，安全性能高。
26.(2)该充电系统具备环境扫描模块，能够对充电桩初始位置进行记录，充电定位时能再扫描对机器人和充电桩位置进行比对，充电电极与电极片对接准确，不用反复移动调整，定位效率高。
27.(3)该充电系统的机器人还具备防反接电路，用于判断充电电极的正负，防止误接电线进行充电导致损坏锂电池，延长了锂电池的使用寿命。
附图说明
28.图1为本发明提供的机器人自动充电系统的组成结构图；
29.图2为本发明提供的机器人的剖面结构图；
30.图3为本发明提供的机器人底盘结构图；
31.图4为本发明提供的充电桩的局部剖视图；
32.图5为本发明提供的机器人自动充电系统充电时的剖面结构示意图；
33.图6为本发明提供的充电系统构成图；
34.图7为本发明提供的机器人充电工作过程图；
35.图8为本发明提供的机器人充时故障处理流程图；
36.图9为本发明提供的机器人充电定位原理图；
37.图10为本发明实施例二提供的剖面结构图。
38.附图标记：
39.1、充电桩；11、电源转换模块；12、电极片；13、保护壳；131、凹坑；14、感应器；15、充电头；16、连接器；17、散热装置；171、排风口；18、隔板；2、机器人；21、底盘；22、立柱；23、行走装置；231、主动轮；232、支撑轮；24、环境感知模块；241、二维激光雷达；242、第一三维激光雷达；243、第二三维激光雷达；25、电源模块；251、锂电池；252、电源管理芯片；26、充电电极；27、数据采集模块；28、防反接电路；29、控制器。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.实施例一
42.如图1-图6所示，一种机器人自动充电系统，包括充电桩1和机器人2，充电桩1与公共电网连通，机器人2可自动寻路至充电桩1的位置，并与充电桩1连接，充电桩1上设有电极片12，机器人2上设有底盘21、立柱22和充电电极26，充电电极26螺栓连接在底盘21的下方，立柱22固定在底盘21的上方，机器人2在充电时充电电极26与电极片12抵触开成充电回路。
43.进一步地，充电桩1上设有电源转换模块11、保护壳13和充电头15，充电头15连接在保护壳13的一侧，电源转换模块11固定在保护壳13内的中部，两个电极片12和连接器16处于充电头15内，两个电极片12分别滑动连接在连接器16上，连接器16与电源转换模块11由弹簧电缆连接，两个电极片12的一端面与充电电极26抵触，用来形成充电电路。
44.优选地，立柱22上可悬挂储物仓来放置物品，用于运输物品，立柱22的上可安装显示屏或者led指示灯，用于辅助使用和向周边人和动物进行警示，防止相互冲撞。
45.进一步地，保护壳13是箱体结构的，一侧壁向内凹陷形成凹坑131，采用注塑成型，保护壳13内部钣金分成前后两个部分，靠近凹坑131的前部是保护腔，用于防止机器人2失速冲击到处于保护壳13后部的电源转换模块11，凹坑131的两侧壁向呈一定夹角，充电桩1的大小和几何轮廓与外部环境的轮廓有明显区别，且外形轮廓能维持稳定的形状不改变，使得机器人2能将保护壳13作为参考，准确的识别充电桩1的位置，使得电极对接时定位准确，提高一次性电极对位成功的机率。
46.优选地，保护壳13上还设有散热装置17，散热装置17由两个风机和两个排风口171组成，排风口171是由多个穿透保护壳13侧壁的槽孔组成，两个排风口171对称分布在与凹
坑131相邻的两侧壁上，排风口171朝向保护壳13的后方和侧方，使得从保护壳13中排出的热空气不会流向正在充电的机器人2，防止热量积累在内部降低机器人2的充电效率，两个风机是小型轴流风机，把由电源转换模块11工作时产生的热量排出至保护壳13外部，防止保护壳13内部热量堆积，触发过热保护中断机器人2充电，进而影响机器人2的正常运作。
47.进一步地，保护壳13的底部安装有一块隔板18，隔板18与保护壳13的底部留有间隔，隔板18由钣金制成，与保护壳13通过多颗螺丝柱连接，电源转换模块11固定在分隔保护壳13的金属板上，与隔板18之间留有间隙，电源转换模块11与地面之间，在竖直方向上形成两层空气缓冲，电源转换模块11在工作时，需要一个稳定的环境完成功率转换，两层空气缓冲使得电源转换模块11不易受到外界冲击和环境影响，电源转换模块11的工作状态更稳定，保证了充电电压和电流的稳定，提高了充电效率和充电桩1的使用寿命。
48.进一步地，电极片12由分为正电极片和负电极片，且均可单独伸缩，电极片12由导电率高的铜合金制成的长条状结构件，滑动连接在充电桩1上，电极片12待机状态时处于拉伸状态，电极片12的后方安装有提供弹力的弹簧，电极片12通过弹簧电缆连接电源转换模块11，使得电极片12在伸缩过程中也能与电源转换模块11稳定连通，长条状结构的电极片12在与充电电极26连接时，提供了大的容差范围，提高了一次充电定位的成功率。
49.进一步地，机器人2上设有环境感知模块24、行走装置23、姿态感知模块和控制器29，控制器29是工控机，可控制行走装置23移动，环境感知模块24和姿态感知模块分别通过rj45网线接口与控制器29连通，行走装置23包括两个主动轮231和四个支撑轮232，两个主动轮231并排安装在在底盘21的下方，四个支撑轮232两两为一组分别安装在两个主动轮231轴线的两侧，支撑轮232采用静音万向脚轮，辅助主动轮231承载机器人机体，分摊来自机器人2的负载，降低主动轮231承载的压力，与地面形成多点支撑，扩大底盘21与地面的接触面积，使机器人移动或者受到碰撞时不易倾倒。
50.优选地，机器人2上安装有数据采集模块27，数据采集模块27拥有多个采集通道，可以对机器人2的工作电压和工作电流进行采集，可通过rs485通信接口与控制器29连接，将采集到的通道数据传送给控制器29，方便监测充电状态和运行状态，也方便控制机器人2运动，数据采集模块27与电源模块25相连，用于监测电源模块25在工作和充电过程中的状态，防止出现异常状态损坏电源模块25，提高了机器人2运行和充电时的安全性。
51.进一步地，电源模块25由锂电池251和电源管理芯片252组成，锂电池251采用三元锂电池或者磷酸铁锂电池，具有如下优点：高储存能量密度，已达到460-600wh/kg；使用寿命长，使用寿命可达到6年以上；额定电压高便于组成电池电源组；具备高功率承受力；自放电率很低，一般在1％/月以下；重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5；高低温适应性强，可以在-20℃-60℃的环境下使用；绿色环保，生产、使用和报废，不含有且不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质，电源管理芯片252与锂电池251连接，用于将锂电池251中储蓄的电能分配到机器人2的不同工作部分，并对各个工作部分进行实时监测，使得锂电池251中的电能得到充分利用，提高了电能的利用率、提高了锂电池251的功率密度、延长锂电池251的寿命和提高系统的安全性能。
52.进一步地，充电电极26是由铜合金制成的
‘
l’形结构件，固定在机器人2的下端，且处于机器人2轮子的中间，朝向机器人2移动的方向，充电电极26上设有两个电极台，分别对应锂电池251的正负极，两个电极台是圆台状的凸起，电极台的凸起高度不超出机器人2底
盘21向下的范围，防止机器人2在移动时，碰到障碍损伤电极台，同时电极台与电极片12在充电时抵触，连通充电回路，向锂电池251传递电能，电极台与电极片12的连接处全部由机器人2的保护壳13遮盖住，不易被外物接触到，防止人或动物误触导电，造成安全事故，提高了充电系统的安全性。
53.优选地，机器人2上还设有防反接电路28，防反接电路28是由与充电电极26串联的三极管构成单向导通回路，该电路具有单向导通充电回路的作用，仅在电源转换模块11的正极与机器人2上电极台的正极接触时能通过电流，当电源转换模块11的负极对应机器人2上电极台的正极时，电流无法流过，充电回路开路，防止误接电源损坏锂电池251，提高了充电的安全性。
54.进一步地，充电桩1上安装有感应器14，感应器14采用霍尔传感器，用来检测电极片12被机器人2的充电电极26挤压向后移动的距离，当两个电极片12同时压缩到设定的距离时，充电桩1上的电源转换模块11才会启动向充电回路供电，两个电极片12没有被同时触发的时候，电源转换模块11不会启动向充电回路供电，两个电极片12上不带电，与机器人2的充电电极26相连正处于充电状态时，感应器14检测到任一个电极片12被松开，则电源转换模块11也会与充电回路断开，防止人或者动物误触而漏电，形成安全漏洞，同时也保护了电源转换模块11，延长了电源转换模块11的使用寿命。
55.进一步地，环境感知模块24包括八个二维激光雷达241和第一三维激光雷达242，八个二维激光雷达241和第一三维激光雷达242均是激光雷达，八个二维激光雷达241绕机器人2的中心均匀布置，八个二维激光雷达241对称分布在第一三维激光雷达242的两侧，分别朝向机器人2水平面三百六十度的各个方向，二维激光雷达241在机器人工作时，以5hz-30hz的频率持续扫描周边环境，得到周边与二维激光雷达241处于同一高度的物体的二维点云轮廓，实时判断机器人所处的位置和周边感应器14固定在电极片12的后方的障碍物，为机器人2的自主移动提供参考数据，第一三维激光雷达242安装在充电电极26的正上方，处于机器人2的对称线上，第一三维激光雷达242以5hz-30hz的频率扫描区域为机器人2前进方向纵横向70
°
范围内的三维点云数据，机器人2本身不具备很强的越野能力，由第一三维激光雷达242扫描得到的点云数据，经过导航算法计算，来避开机器人2前进方向上的凹陷、凸起和台阶等无法通过的缺陷地形，保证机器人2的行走顺利，同时将二维激光雷达241得到的二维点云数据与第一三维激光雷达242得到的点云数据送入机器人2的上位控制器29，进行处理得到导航地图，用于算法自动规划机器人2前往目的地进行服务的移动路径。
56.进一步地，二维激光雷达241与第一三维激光雷达242在机器人2开机就会进行扫描记录，机器人2和充电桩1处于初始位置时，此时机器人2上的充电电极26与充电桩1上电极片12是对正的，环境感知模块24记录下此时的点云地图作为充电定位图，用于机器人2在返回充电时进行比对和确认，提高机器人充电时电极对接的成功率。
57.如图7和图8所示，机器人的自动充电方法，具体步骤如下：
58.s1初始定位：环境感知模块24扫描周边环境得充电桩1与机器人2的初始位置地图；s2电池电量监测：机器人2在工作过程中，电源管理芯片252实时监测锂电池251的电量；
59.s2.1触发充电，电源管理芯片252检测到锂电池251的电量低于阈值后，机器人2准
60.备返回初始位置进行充电；
61.s3导航定位：机器人2根据环境感知模块24得到实时数据比对初始位置地图，计算
出返回充电位置的移动路径，机器人2移动到充电桩1处，对充电桩1周边环境进行扫描，将扫描得到的点云数据与初始位置地图进行比对；
62.s3.1比对结果不一致，机器人2移动调整位置和角度，使扫描结果与初始位置一致；
63.s4充电：充电电极26与电极片12定位完成后，根据得到结果原地调整机器人2的位置和角度与电极片12对齐，直到触发感应器14后停止，电源转换模块11启动给锂电池251充能，机器人2移动使得充电电极26与电极片12抵触，当电源管理芯片252检测到锂电池251的电量达到100％后，电源转换模块11关闭，机器人2充电完成；
64.s5充电完成:检测到锂电池251电量充满后，充电桩1断开供电回路，机器人2离开充电桩1，进入到待机状态，准备接收任务指令。
65.优选地，机器人2触发充电的阈值可设定范围为5％-55％。
66.参照图9所示电极调整定位方法如下：
67.s1.机器人2离开充电桩1时，检测控制器29中的本地数据中是否有充电桩1的轮廓点云信息，如果没有，则由二维激光雷达241多次采集所处地形的轮廓点云数据，并通过求平均计算出一个最终的轮廓点云，作为充电参考点，记录当前机器人2所处的位置，作为充电位置的参考位置；
68.s2.电量低于预设的阈值时，触发自动回充程序，机器人2通过导航，回到充电参考点，再由二维激光雷达241采集当前地形的轮廓点云数据，获得一份当前的轮廓点云数据；
69.s3.用点云匹配的方法，计算当前轮廓点云和充电参考点云之间的差别，以机器人2本体为参考系，计算距离误差dy和方向角误差da；
70.s4.机器人2由行走装置23原地转向和移动，来缓慢地调整位置，每调整一次位置，由二维激光雷达241扫描采集一次当前位置的轮廓点云数据，再与充电参考点云相比对，调整时方向为两次dy和da值的收敛方向，直到dy和da的值小于一定阈值为止；
71.s5.调整完成后，机器人2向前移动，使底盘21上的充电电极26和充电桩1的电极片12接触时，控制器29可以通过与电源转换模块11实时获得电池的电流状态，由此判断已开始充电，行走装置23停止前行，等待回充完成。
72.进一步地，机器人2还具有低电回充和预期回充功能，在控制器29上设置电量低于某个百分比时自动进行回充，具体的回充触发数值可以根据场景内工作情况来设置，完成一次服务进程，消耗的电量低于百分之十的设置回充电量为百分之十五，若一次服务进程消耗电量超过百分之十则设置回充电量为百分之十五，如果机器人2距离充电桩1的距离很近，则相应的回充触发电量可以设置得偏小，反之则可以设置得偏大，回充触发电量百分比参数可由用户自主设定，但不能低于机器人2预设的最低值，防止机器人2断电停止运行；预期回充是指机器人2根据即时任务，计算并预估所需消耗的电量，智能的判断是否需要返回充电桩充电，比如，一次任务只需要进行一项测试服务，根据先前的服务记录比对，当前百分之十五的电量足够支持完成该项测试服务，机器人2做出无需返回充电的判断并立即开始执行测试服务，当完成测试后再返回充电桩1进行充电；又比如，一个任务需要进行项测试服务，预计需要百分之二十的电量，机器人2即刻返回充电桩1进行充电，待充满后再次进入工作状态，服务台将该任务分配到其它待机中的机器2人，若只有当前机器人2空闲，则机器人2返回到充电桩1后，只需充到略高于完成任务所需的电量即可，用以更快地返回完成
任务指令，提高了机器人2的工作效率，当触发回充时，若有任务正在进行，则完成当前任务后，再返回充电桩1，过程中不再接受新的任务指令且会不停提醒用户电量过低。
73.优选地，机器人2正在充电时，充电电极26与电极片12受到外力作用下，突然断开电源管理芯片252检测到充电过程终止，则启动机器人2的环境感知模块24对周边环境进行扫描，机器人2退出充电桩1，进行自检，若锂电池251量不低于百分之八十，则不启动程序并进入待机状态，等待接收任务指令，若锂电池251量在充电后低于百分之八十，则进入回充程序，根据初始地图移动到充电桩1处，由环境感知模块24扫描得到点云轮廓与初始地图数据比对，移动人2移动调整位置，使机器人2的位置与初始记录的位置重合，移动将充电电极26与电极片12抵住，开始充电，若重新对位后，电源管理芯片252仍然不能检测到锂电池251的电量增加，则用声音和屏幕提示，需要工作人员来人工排除故障。
74.进一步地，机器人2在充电过程中，电源管理芯片252检测到在充电状态下，锂电池251电量五到十分钟以内长时间不增加，充电电流时有时无，则断开充电回路，机器人2移动，并再次定位机器人2的充电电极26与充电桩1的电极片12，若经过三次以上重新定位后，仍然不能解决排除故障，则机器人2声音和屏幕提示故障，并通过后台向控制台发出故障提示，需要人工来排除故障。
75.优选地，机器人2在充电时，若充电电压过低，导致充电效率低下，远超过被记录在上位控制器29中的预设值时，重新定位机器人2的充电电极26与充电桩1的电极片12，若经过三次以上重新定位后，故障还不能排除，则机器人2声音和屏幕提示故障，并通过后台向控制台发出故障提示，需要人工进行故障排除。
76.优选地，多台机器人2在同一个工作场景下运行，机器人2与充电桩1的是一一对应的充电，多个充电桩1之间需要间隔一定的距离，间隔的距离超过机器人2底盘21的宽度，防止机器人2导航定时相互碰撞干扰；机器人2和充电桩1在联网后，由后台控制终端控制，多台机器人2在同一场景下工作，可以共享充电桩1，充电桩1的数量至少在机器人2数量的一半以上，以保证机器人2能充分发挥。
77.实施例二
78.如图10所示，参照实施一，相同特征不再赘述，机器人2可在相对于第一三维激光雷达一242的另一边安装一个第二三维激光雷达243，用于辅助机器人2移动和充电过程时定位，通过另一个方向的第二三维激光雷达243扫描得到的三维点云轮廓避开来自后方的移动障碍物或者人，并语音或者led灯提示后方来物，防止机器人2被追尾，同时前后扫描得到的点云轮廓比对，提高定位和导航时的精度。
79.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。