CN108667110B - 一种可自适应的自动充电装置以及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可自适应的自动充电装置以及充电方法，包括：充电本体和充电座；充电本体包括驱动轮、本体电极以及吸铁；充电座包括集电器、电磁铁、电极轴承、充电支架、集电器架、电磁铁架、充电支架后挡板以及充电座后挡板；所述充电支架可绕电极轴承旋转；所述集电器前端比电磁铁前端凸出；所述集电器架与充电支架后挡板之间，电磁铁架与充电支架后挡板之间均通过第一弹性机构连接；所述充电支架后挡板与充电座后挡板之间通过第二弹性机构连接。本发明能够保证设备本体电极与充电电极之间良好的接触压力；在双方电极具有良好的多点接触压力的情况下，充电座对设备本体进行电流充电，既能够保证慢速充电，也能保证快速充电。

Description

一种可自适应的自动充电装置以及充电方法

技术领域

本发明涉及智能移动设备领域，特别是一种可自适应的自动充电装置以及充电方法。

背景技术

随着技术发展，具有一定功能的智能机器人已经应用于生活中的各个领域，比如电力行业的巡线机器人、科技馆的迎宾机器人、安保行业的安防机器人、餐饮行业的智能送餐车等等，这些智能设备正在改变我们的生活。这些智能设备大多具有移动特性，且需要具备非人为干预的自主移动功能，自然这些智能移动设备就离不开电源。

目前存在的供电方式分两类：一种实时充电方案；一种自带电池，间隔充电；前者是智能移动设备在其工作中实时充电，比如电力行业的巡线机器人，机器人在巡线过程中，通过电缆线直接取电用于机器人的移动及操作；后者为大多数移动机器人采用的方案，本体自带电池，在电池电量高于某一阈值时自主移动并完成相应的功能操作，但电量低于某一阈值时自主寻找自己的充电座，执行自动充电功能。

自动充电过程可分为两个阶段：第一阶段，机器人依靠激光雷达、红外传感器等寻找充电座，自主移动完成定位过程；第二阶段，机器人通过容错机构来消除依靠传感器而产生的定位误差，完成最终的电极对接，开始充电。目前大多数机器人在第一阶段采用的方案大致类似，并没有太大的精度差异，但在第二阶段的容错机构中有很大的差异，方案大致有：

1、将充电电极放在智能设备本体底盘下面，充电座的前端，且设备本体的充电电极面积较大，当设备移动到充电座前端，本体下面的电极与充电座电极接触，开始充电。但是此方案下，地面不平会导致智能移动设备本体的两端电极高低不一致，会导致两端电极的接触力度不一致，在有些情况下甚至会导致电极无法接触，而导致无法充电。且当移动设备相对于充电座的角度偏转误差稍大时，很大可能导致一端电极无法接触，而导致无法充电。

2、将充电电极放在智能设备本体后面，充电座的正面，充电座的电极面积较大，但移动设备移动到充电座正面时，后面的电极与充电电极任意一点接触，则开始充电。此方案下移动设备电极与充电座电极是点接触，对于小电流充电尚可，对于大电流充电则会出现火花或者氧化电极等情况，故这种方式只是适合可允许长时间充电的设备中，但这极大的降低了设备的使用效率。

3、充电座具有伸出机构，当设备移动到充电面前时，充电座伸出充电电极进入设备本体内部，与机器人电极接触，开始充电。此方案下充电座的伸出机构能够准确的***设备本体，这本身对于两者的相对定位精度就有了很高的要求，这往往只是有特定轨道的移动设备中，移动路径确定且精准，这种方案普适性较差。

对于大电流充电环境中而言，既要保证充电电极的多点接触，同时要保证接触的压力。方案一和方案二都无法做到这两点。方案三的优化方案可以做到这两点，但对于初始定位精度要求较高，且前期需要工程实施预设路线，普适性和灵活性都较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种可自适应的自动充电装置以及充电方法，旨在解决现有技术中充电电极接触效果差的问题，实现保证设备本体电极与充电电极之间良好的接触压力。

为达到上述技术目的，本发明提供了一种可自适应的自动充电装置，包括：

充电本体和充电座；

所述充电座上设置自适应浮动机构，所述自适应浮动机构顺力矩方向浮动旋转；

所述充电座还设置有电磁铁和第一弹性机构，通过电磁铁以及第一弹性机构为充电本体以及充电座的电极之间的接触提供正向压力。

优选地，所述自适应浮动机构包括充电支架以及电极轴承，所述充电支架可绕电极轴承旋转。

优选地，所述充电支架上设置集电器架以及电磁铁架，在集电器架上设置集电器，在电磁铁架上设置电磁铁，所述集电器前端比电磁铁前端凸出。

优选地，所述充电座还设置充电支架后挡板以及充电座后挡板，所述第一弹性机构设置于集电器架与充电支架后挡板之间、以及电磁铁架与充电支架后挡板之间。

优选地，所述充电支架后挡板与充电座后挡板之间通过第二弹性机构连接。

优选地，所述第一弹性机构为弹片或弹簧，所述第二弹性机构为拉簧。

优选地，所述充电本体包括驱动轮、本体电极、吸铁以及激光雷达，所述充电座设置对应的激光定位凹槽。

本发明还提供了一种可自适应的自动充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、充电过程中，在充电本体的本体电极接触到充电座集电器时，通过自适应浮动机构的浮动旋转消除左右距离偏差以及旋转角度偏差；

S2、当集电器与本体电极多点碰触时，充电座通过其弹性机构的形变，为多点碰触提供正向压力；

S3、在充电本体停止运动后，充电本体与充电座通过电磁铁吸合；

S4、通过电磁铁吸合后，吸力保持充电座弹性机构处于形变状态，提供正向压力维持多点碰触；

S5、电磁铁掉电后，弹性机构恢复形变，充电座进入初始状态。

优选地，所述弹性机构为弹片或者弹簧。

优选地，所述方法还包括：

当充电本体与充电座之间的相对位置不变后，检测通路是否具备充电条件，如果具备充电条件，充电座开始通过开关电源连接集电器对充电本体进行大电流快速充电。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

与现有技术相比，本发明能够允许智能移动设备本体与充电座之间较大的左右距离偏差和旋转角度偏差；通过浮动平衡结构，保证设备本体电极与充电座电极之间能够多点接触；充电座的充电电极架的弹片的多级弹性缓冲，能够极大地降低设备与充电座之间的冲击，从而更好的保护硬件设备；通过电磁铁的吸力保持特性，能够保证设备本体电极与充电电极之间良好的接触压力；在双方电极具有良好的多点接触压力的情况下，能够充电座对设备本体进行大小电流的充电，既能够保证慢速充电，也能保证快速充电；综上所述，作为一种自动充电方案，该发明具有良好的普适性、灵活性和稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例中所提供的一种可自适应的自动充电装置充电本体结构示意图；

图2为本发明实施例中所提供的一种可自适应的自动充电装置充电座结构示意图；

图3为本发明实施例中所提供的本体电极与集电器多点碰触时的结构示意图；

图4为本发明实施例中所提供的充电座中间剖切结构示意图；

图5为本发明实施例中所提供的一种弹片结构示意图；

图6为本发明实施例中所提供的一种可自适应的自动充电方法流程图；

图中，1驱动轮、2激光雷达、3本体电极、4本体电极架、5吸铁、6激光定位凹槽、7电极轴承固定座、8集电器、9电磁铁、10充电支架、11充电座固定外壳、12电极轴承、13集电器架、14电磁铁架、15第一弹性机构、16充电支架后挡板、17第二弹性机构、18开关电源、19充电座后挡板。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

下面结合附图对本发明实施例所提供的一种可自适应的自动充电装置以及充电方法进行详细说明。

如图1-5所示，本发明实施例公开了一种可自适应的自动充电装置，包括：

驱动轮、激光雷达、本体电极、本体电极架、吸铁、激光定位凹槽、电极轴承固定座、集电器、电磁铁、充电支架、充电座固定外壳、电极轴承、集电器架、电磁铁架、第一弹性机构、充电支架后挡板、第二弹性机构、开关电源、充电座后挡板。

所述第一弹性机构为弹片或弹簧，所述第二弹性机构为拉簧。

所述驱动轮位于充电本体两侧的底部，用于驱动智能移动设备完成移动，而智能移动设备的旋转操作依靠两个驱动轮的差速来实现。驱动轮与所述激光雷达配合工作完成充电本体相对于充电座的自主移动。

所述激光雷达位于充电本体顶部中央位置，通过SLAM(SimultaneousLocalization and Mapping，即时定位与地图构建)技术，通过充电座上的激光定位凹槽的特性匹配，寻找并定位充电座。所述激光雷达与激光定位凹槽匹配后，通过驱动轮的驱动完成自主移动。

当充电本体移动到充电座时，充电本体的本体电极与充电座的集电器首先接触。所述集电器即为充电座电极，上下为一对，分别为正负极。由于在刚接触时，充电本体与充电座之间会存在左右距离偏差以及旋转角度偏差，即本体电极与集电器不能完全对应接触，在此种情况下，需要消除左右距离偏差以及旋转角度偏差。本发明实施例在充电座上设置自适应浮动机构，所述自适应浮动机构顺力矩方向浮动旋转，所述自适应浮动机构包括充电支架以及电极轴承，所述充电支架可绕电极轴承旋转。本体电极与集电器接触的地方开始受力时，充电支架绕电极轴承顺力矩方向浮动旋转，当充电支架旋转到其正向与充电本体的移动方向一致时，集电器与本体电极完全贴合，从而实现多点碰触。

当集电器与本体电极多点碰触时，此时充电本体继续沿原方向继续移动，集电器前端多点接触受力，并将所受的力传递至与集电器紧固的集电器架，集电器与集电器架作为一个整体受力向充电座后方方向移动。在所述集电器架与充电支架后挡板之间设置弹片，在集电器架向后移动时，弹片发生形变，会产生对集电器架移动的阻力，从而实现为集电器与本体电极的接触提供正向压力，以保证大电流快速充电。

在所述集电器的两个电极之间设置有电磁铁，集电器前端比电磁铁前端突出。当集电器与集电器架整体后移一段距离后，电磁铁前端与充电本体的吸铁相接触，由于充电本体的惯性，会继续往后移动，此时电磁铁将所受的力传递至与电磁铁紧固的电磁铁架，电磁铁与电磁铁架作为一个整体受力向充电座后方方向移动。在所述电磁铁架与充电支架后挡板之间设置弹片，在电磁铁架向后移动时，弹片发生形变，会产生对电磁铁架移动的阻力，从而实现缓冲充电本体对充电座的移动冲击。

当充电本体通过缓冲停止运动后，电磁铁吸合吸铁，通过电磁铁与吸铁的吸力，以及保持集电器与本体电极之间由于集电器前端与电磁铁前端距离差而导致的弹片的正向压力，从而为充电本体与充电座之间的电极接触提供多点碰触压力。此时无论移动设备的驱动轮是否发生使能、掉电等情况，都能保证充电本体与充电座之间的相对位置不变，即可保证充电电极之间的接触压力不变。

当充电本体与充电座之间的相对位置不变后，充电器检测通路是否具备充电条件，如果具备充电条件，充电座开始通过开关电源连接集电器对充电本体进行大电流快速充电。

当充电本体电量充满后，充电座检测充电情况并判定停止充电，电磁铁释放吸铁，充电本体在驱动轮的驱动下离开充电座。充电支架通过与充电支架后挡板连接的拉簧的拉力作用，绕着电极轴承回到中间平衡位置，从而进入初始状态。

在充电过程中，因大电流充电会导致集电器与本体电极发热严重，所以对于本体电极架、充电支架、集电器架等，其材质都要求是具有耐高温特性的电木，而对于充电座固定外壳、充电座后挡板则要求结构设计合理，能够承受移动设备的移动冲击。

本发明实施例能够允许智能移动设备本体与充电座之间较大的左右距离偏差和旋转角度偏差；通过浮动平衡结构，保证设备本体电极与充电座电极之间能够多点接触；充电座的充电电极架的弹片的多级弹性缓冲，能够极大地降低设备与充电座之间的冲击，从而更好的保护硬件设备；通过电磁铁的吸力保持特性，能够保证设备本体电极与充电电极之间良好的接触压力；在双方电极具有良好的多点接触压力的情况下，能够充电座对设备本体进行大小电流的充电，既能够保证慢速充电，也能保证快速充电；综上所述，作为一种自动充电方案，该发明具有良好的普适性、灵活性和稳定性。

如图6所示，本发明实施例还公开了一种可自适应的自动充电方法包括以下步骤：

S1、充电过程中，在充电本体的本体电极接触到充电座集电器时，通过自适应浮动机构的浮动旋转消除左右距离偏差以及旋转角度偏差；

S2、当集电器与本体电极多点碰触时，充电座通过其弹性机构的形变，为多点碰触提供正向压力；

S3、在充电本体停止运动后，充电本体与充电座通过电磁铁吸合；

S4、通过电磁铁吸合后，吸力保持充电座弹性机构处于形变状态，提供正向压力维持多点碰触；

S5、电磁铁掉电后，弹性机构恢复形变，充电座进入初始状态。

充电本体上设置驱动轮、本体电极、吸铁以及激光雷达，所述充电座设置对应的激光定位凹槽。驱动轮用于驱动智能移动设备完成移动，而智能移动设备的旋转操作依靠两个驱动轮的差速来实现。驱动轮与所述激光雷达配合工作完成充电本体相对于充电座的自主移动。激光雷达通过SLAM技术，通过充电座上的激光定位凹槽的特性匹配，寻找并定位充电座。所述激光雷达与激光定位凹槽匹配后，通过驱动轮的驱动完成自主移动。

当充电本体移动到充电座时，充电本体的本体电极与充电座的集电器首先接触。由于在刚接触时，充电本体与充电座之间会存在左右距离偏差以及旋转角度偏差，即本体电极与集电器不能完全对应接触，在此种情况下，需要消除左右距离偏差以及旋转角度偏差。在充电座上设置自适应浮动机构，所述自适应浮动机构顺力矩方向浮动旋转，所述自适应浮动机构包括充电支架以及电极轴承，所述充电支架可绕电极轴承旋转。本体电极与集电器接触的地方开始受力时，充电支架绕电极轴承顺力矩方向浮动旋转，当充电支架旋转到其正向与充电本体的移动方向一致时，集电器与本体电极完全贴合，从而实现多点碰触。

当集电器与本体电极多点碰触时，此时充电本体继续沿原方向继续移动，集电器前端多点接触受力，并将所受的力传递至与集电器紧固的集电器架，集电器与集电器架作为一个整体受力向充电座后方方向移动。在所述集电器架与充电支架后挡板之间设置弹片，在集电器架向后移动时，弹片发生形变，会产生对集电器架移动的阻力，从而实现为集电器与本体电极的接触提供正向压力，以保证大电流快速充电。

在所述集电器的两个电极之间设置有电磁铁，集电器前端比电磁铁前端突出。当集电器与集电器架整体后移一段距离后，电磁铁前端与充电本体的吸铁相接触，由于充电本体的惯性，会继续往后移动，此时电磁铁将所受的力传递至与电磁铁紧固的电磁铁架，电磁铁与电磁铁架作为一个整体受力向充电座后方方向移动。在所述电磁铁架与充电支架后挡板之间设置弹片，在电磁铁架向后移动时，弹片发生形变，会产生对电磁铁架移动的阻力，从而实现缓冲充电本体对充电座的移动冲击。

当充电本体通过缓冲停止运动后，电磁铁吸合吸铁，通过电磁铁与吸铁的吸力，以及保持集电器与本体电极之间由于集电器前端与电磁铁前端距离差而导致的弹片的正向压力，从而为充电本体与充电座之间的电极接触提供多点碰触压力。此时无论移动设备的驱动轮是否发生使能、掉电等情况，都能保证充电本体与充电座之间的相对位置不变，即可保证充电电极之间的接触压力不变。

当充电本体与充电座之间的相对位置不变后，充电器检测通路是否具备充电条件，如果具备充电条件，充电座开始通过开关电源连接集电器对充电本体进行大电流快速充电。

当充电本体电量充满后，充电座检测充电情况并判定停止充电，电磁铁释放吸铁，充电本体在驱动轮的驱动下离开充电座。充电支架通过与充电支架后挡板连接的拉簧的拉力作用，绕着电极轴承回到中间平衡位置，从而进入初始状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可自适应的自动充电装置，其特征在于，包括：

充电本体和充电座；

所述充电座上设置自适应浮动机构，所述自适应浮动机构顺力矩方向浮动旋转；

所述充电座还设置有电磁铁和第一弹性机构，通过电磁铁以及第一弹性机构为充电本体以及充电座的电极之间的接触提供正向压力；

所述自适应浮动机构包括充电支架以及电极轴承，所述充电支架可绕电极轴承旋转；

所述充电支架上设置集电器架以及电磁铁架，在集电器架上设置集电器，在电磁铁架上设置电磁铁，所述集电器前端比电磁铁前端凸出；

所述充电座还设置充电支架后挡板以及充电座后挡板，所述第一弹性机构设置于集电器架与充电支架后挡板之间、以及电磁铁架与充电支架后挡板之间；

所述充电支架后挡板与充电座后挡板之间通过第二弹性机构连接；

所述第一弹性机构为弹片或弹簧，所述第二弹性机构为拉簧；

所述装置的工作原理为：

当充电本体移动到充电座时，充电本体的本体电极与充电座的集电器首先接触；本体电极与集电器接触的地方开始受力时，充电支架绕电极轴承顺力矩方向浮动旋转，当充电支架旋转到其正向与充电本体的移动方向一致时，集电器与本体电极完全贴合，从而实现多点碰触；

当集电器与本体电极多点碰触时，此时充电本体继续沿原方向继续移动，集电器前端多点接触受力，并将所受的力传递至与集电器紧固的集电器架，集电器与集电器架作为一个整体受力向充电座后方方向移动；在所述集电器架与充电支架后挡板之间设置弹片，在集电器架向后移动时，弹片发生形变，会产生对集电器架移动的阻力，从而实现为集电器与本体电极的接触提供正向压力，以保证大电流快速充电；

在所述集电器的两个电极之间设置有电磁铁，集电器前端比电磁铁前端突出；当集电器与集电器架整体后移一段距离后，电磁铁前端与充电本体的吸铁相接触，由于充电本体的惯性，会继续往后移动，此时电磁铁将所受的力传递至与电磁铁紧固的电磁铁架，电磁铁与电磁铁架作为一个整体受力向充电座后方方向移动；在所述电磁铁架与充电支架后挡板之间设置弹片，在电磁铁架向后移动时，弹片发生形变，会产生对电磁铁架移动的阻力，从而实现缓冲充电本体对充电座的移动冲击；

当充电本体通过缓冲停止运动后，电磁铁吸合吸铁，通过电磁铁与吸铁的吸力，以及保持集电器与本体电极之间由于集电器前端与电磁铁前端距离差而导致的弹片的正向压力，从而为充电本体与充电座之间的电极接触提供多点碰触压力，此时无论移动设备的驱动轮是否发生使能、掉电情况，都能保证充电本体与充电座之间的相对位置不变，即可保证充电电极之间的接触压力不变。

2.根据权利要求1所述的一种可自适应的自动充电装置，其特征在于，所述充电本体包括驱动轮、本体电极、吸铁以及激光雷达，所述充电座设置对应的激光定位凹槽。

3.一种可自适应的自动充电方法，其特征在于，所述的方法利用权利要求1所述的装置来实现，所述的方法包括以下步骤：

S1、充电过程中，在充电本体的本体电极接触到充电座集电器时，通过自适应浮动机构的浮动旋转消除左右距离偏差以及旋转角度偏差；

S2、当集电器与本体电极多点碰触时，充电座通过其弹性机构的形变，为多点碰触提供正向压力；

S3、在充电本体停止运动后，充电本体与充电座通过电磁铁吸合；

S4、通过电磁铁吸合后，吸力保持充电座弹性机构处于形变状态，提供正向压力维持多点碰触；

S5、电磁铁掉电后，弹性机构恢复形变，充电座进入初始状态。

4.根据权利要求3所述的一种可自适应的自动充电方法，其特征在于，所述弹性机构为弹片或者弹簧。

5.根据权利要求3所述的一种可自适应的自动充电方法，其特征在于，所述方法还包括：

当充电本体与充电座之间的相对位置不变后，检测通路是否具备充电条件，如果具备充电条件，充电座开始通过开关电源连接集电器对充电本体进行大电流快速充电。