一种移动设备的电池自动更换系统及方法与流程

本发明涉及自动控制领域，特别涉及一种移动设备的电池自动更换系统及方法。

背景技术：

电驱动的移动设备的电池作为其动力部件，对设备的正常工作十分重要，移动设备种类很多，最常见的就是工业应用的移动机器人，当前的机器人无论是扫地机器人、服务机器人、物流运输机器人的电池系统都是固定在机器本体里面的，当机器运行到电量很低时会自动回到充电座充电或由人将机器送到充电座充电，为了保证机器的续航时间，大都通过加大电池容量的方式来解决，但是这会遇到一个最大的痛点是电池容量增加本身也会增加机器整体的重量，从而增加机器的负荷，消耗更多的电力，因此电池不可能无限放大，而由于电池本身容量过大也会造成充电时间过长，所以目前都需要在电池容量上找一个平衡点，从而导致目前的机器人系统无法长时间运行，而机器人替换人的简单劳动最重要的就是要有好的经济效益才有意义，机器人不能长时间工作，或者说工作一段时间就要充一段时间电，必然会导致机器人的工作效率下降，从而拉长投资回收期，也会降低使用体验。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种机器人的电池自动更换系统及方法，用于实现机器人的可更换电池的方式来为机器人的工作提供续航支持。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种移动设备的电池自动更换系统，包括移动设备本体以及为移动设备工作供电的第一电池；所述更换系统还包括对准系统、第一控制系统、第二控制系统、充电座，所述第一电池可拆卸的设置在移动设备本体的电池仓内，所述移动设备本体内设置第一驱动机构；

所述充电座内设置多个充电座电池仓、第二驱动机构、转动机构，所述第二驱动机构用于驱动转动机构带动充电座电池仓的位置变化；

所述对准系统用于实现电池更换时的位置对准，其分别与第一控制系统、第二控制系统连接，在位置对准时移动设备本体的电池仓仓口与充电座电池仓仓口对准且在位置对准后分别将对准信号发送至第一控制系统、第二控制系统；所述第一控制系统在获取对准信号后控制第一驱动机构将第一电池送入到对应的充电座电池仓内；所述第二控制系统用于在第一电池进入充电座电池仓后控制第二驱动机构转换另一个充电座电池仓与移动设备的电池仓仓口对准并驱动该充电座电池仓内的电池进入到移动设备的电池仓内。

所述第一控制系统包括第一微控制器、电池电量获取模块，所述第一微控制器与电池电量获取模块，所述电池电量获取模块用于获取移动设备的电池的剩余电量数据，所述第一微控制器的输出控制信号至移动设备的控制系统，由移动设备的控制系统控制移动设备移动至充电座所在位置。

所述对准系统包括分别设置在移动设备本体上以及充电座上的导向柱和导向槽。

所述对准系统还包括感应装置，所述感应装置用于检测导向柱是否完全进入导向槽内，所述感应装置的输出端与第一控制系统连接，用于将检测信号发送至第一控制系统。

所述第二控制系统与充电座电池仓内的仓内检测模块连接，所述仓内检测模块用于检测电池仓内是否存在电池，其输出端与第二控制系统连接。

所述第二控制系统与第二驱动机构连接，用于控制转动机构带动充电座电池仓的位置转换以及驱动充电座电池仓内的电池进入到与其对准的移动设备电池仓内。

所述第二驱动机构包括转动驱动机构以及伸缩驱动机构，所述转动驱动机构用于根据第二控制系统的控制控制转动机构带动充电座电池仓位置的转换、、通过伸缩驱动机构驱动电池离开充电座电池仓进入与其对准的移动设备的电池仓内。

移动设备的电池供电/充电口为插接式接口。

在充电座电池仓内设有为仓内电池充电的充电系统。

一种移动设备的电池自动更换系统的更换方法，包括如下步骤：

步骤1、检测移动设备电池的剩余电量，当电池电量低于设定阈值时，移动设备向充电座移动；

步骤2：控制导向槽和导向柱配合以确保移动设备本体的电池仓口与充电座的电池仓口正对；

步骤3：检测到导向柱插到导向槽底部后触发感应装置，根据感应信号控制第一驱动机构将移动设备本体电池仓内的电池送入到正对的充电座电池仓内；

步骤4、当检测到移动设备本体的电池进入到充电座电池仓内后控制第二驱动机构，将装在有已经充满的电池对应的充电座电池仓的仓口正对移动设备本体的仓口位置，并驱动将该电池送入到移动设备本体的电池仓中。

步骤5：完成电池更换，并将更换完成信号发送至移动设备本体的控制系统中。

步骤6：充电座启动充电系统对更换至充电座电池仓内的电池进行充电。

本发明的优点在于：可以实现快速的更换电池，保证了机器人等移动设备的长时间供电工作，减少了充电时间，提高了移动设备的可持续工作时间，增加了其工作工作效率，保证了设备的长时间运行。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明更换系统的结构示意图；

图2为本发明更换系统对接后示意图；

图3为本发明充电座调整备用的第二电池示意图；

图4为本发明备用的第二电池更换到机器人中的示意图；

图5为本发明更换完成示意图；

图6为本发明机器人本体上的电池仓的驱动控制局部示意图；

图7为充电座的驱动机构结构原理图；

图8为本发明可拆卸电池示意图。

上述图中的标记均为：1、第一电池；2、机器人本体；3、导向柱；4、导向槽；5、充电座；6、第二电池；7、第二驱动机构；8、第一驱动机构；81、电动缸；82、伸缩杆；9、充电座电池仓；10、伸缩机构；11、转盘；12、电机；13、电源转换板；14、探针。

具体实施方式

下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

移动设备是指具有电池供电且可以进行移动的机构、设备等，常见的移动设备包括各种移动机器人，如扫地机器人、物流机器人等，下面以机器人为例进行说明。

如图1所示，一种移动机器人的电池自动更换系统，包括机器人本体2，机器人本体2上设置有机器人的电池仓，机器人的电池1设置在电池仓内，第一电池1可拆卸的设置在机器人本体2的电池仓内，为机器人的工作供电。其供电方式以插接的方式实现可拆卸的供电。机器人本体2内设置第一驱动机构8，第一驱动机构8通过接收第一控制系统的控制信号来驱动第一驱动机构8将电池1推出机器人电池仓，第一驱动机构8可以采用电动缸来实现。如图6所示，为机器人本体内部关于驱动机构驱动电池的局部示意图，驱动机构即为电动缸81，电动缸81的伸缩杠82沿着电池进入仓内和离开仓内的方向伸缩，如图6以左右方向进行伸缩，从而通过伸缩杆的伸缩杆将电池1推出机器人的电池仓，推出后则控制伸缩杆82收缩回来。由于电池包1采用插接式的可拆卸连接方式，故而通过电动缸即可实现将电池1推出电池仓。

电动缸的控制由第一控制系统来实现驱动控制，第一控制系统包括第一微控制器、电池电量获取模块，第一微控制器与电池电量获取模块，电池电量获取模块用于获取机器人电池的剩余电量数据，第一微控制器的输出控制信号至机器人控制系统，由机器人控制系统控制机器人移动至充电座所在位置，从而实现低电量时机器人移动至充电座处更换电池。第一控制系统可以采用另增加的控制芯片或者直接利用机器人的控制系统来实现，只需要集成相对应的控制逻辑即可，此时电池电量获取模块可以采用机器人的电池管理系统来获取。

充电座的本体5内设置多个充电座电池仓、第二驱动机构7、转动机构，第二驱动机构(7)用于驱动转动机构带动充电座电池仓的位置变化，从而实现更换充电座电池仓与机器人电池仓对应。

在更换电池时，需要充电座和机器人对位准确才能实现电池从机器人电池仓到充电座电池仓的更换操作。故而设置对准系统，对准系统用于实现电池更换时的位置对准，其分别与第一控制系统、第二控制系统连接，在位置对准时机器人本体(2)的电池仓仓口与充电座电池仓仓口对准且在位置对准后分别将对准信号发送至第一控制系统、第二控制系统；第一控制系统在获取对准信号后控制第一驱动机构(8)将第一电池(1)送入到对应的充电座电池仓内；第二控制系统用于在第一电池(1)进入充电座电池仓后控制第二驱动机构(7)转换另一个充电座电池仓与机器人电池仓仓口对准并驱动该充电座电池仓内的电池进入到机器人电池仓内。

如图1所示，对准系统包括感应装置以及分别设置在机器人本体和充电座上的导向柱、导向槽，以机器人本体上设置导向柱、充电座上设置导向槽为例进行说明，感应装置用于检测导向柱是否完全进入导向槽内，所述感应装置的输出端与第一控制系统连接，用于将检测信号发送至第一控制系统。当感应装置的感应到完全插入后，第一控制系统的第一控制器驱动电动缸将机器人电池仓内的电池顶入到仓口正对的空的充电座电池仓内。感应装置可以是激光测距模式设置在导向柱的端部，用于测量距离或者采用压力传感器检测完全插入时的端部与槽内底部压力。为了使机器人准确的找到对准位置可以采用激光对准来实现对位置的查找，或者以路径规划的方式将机器人的充电座的位置数据固定在机器人中，机器人根据此时位置以及充电座的位置按照预先标定的充电位置进行移动，当移动到对应的移动位置时即可充电位置，此时导向柱和导向槽正对。

当检测到完全插入后，第一控制系统会控制将机器人电池仓内的电池顶入到正对机器人电池仓的充电座电池仓内，然后第二控制系统检测正对机器人电池仓的充电座电池仓内是否全部进入，通过仓内检测模块来实现，第二控制系统与充电座电池仓内的仓内检测模块连接，仓内检测模块用于检测电池仓内是否存在电池，其输出端与第二驱动机构连接。当检测到完全进入到充电座的电池仓内后，第二驱动机构控制更换一个充电座电池仓与机器人电池仓仓口正对，然后将更换后的充电座电池仓内的电池顶入到机器人电池仓中。仓内检测模块可以采用激光测距模块来实现，一开电池没有进入时，距离是一定的，然后距离逐渐减小直到小于设定阈值，此时即可认为为完全进入。激光测距模块设置在充电座电池仓的底部并向外发射测距激光。

如图7所示，为第二驱动机构实现控制切换充电座电池仓与机器人电池仓仓口正对的示意图。首先，第二驱动机构采用电机来实现，转动机构采用转盘或平板，电机设置在充电座本体内以电机转子垂直水平面为安装方式，并且在转子的端部固定连接平板，转子是垂直平板的，然后在平板上固定设置两个电池仓，两个电池仓沿一条直线设置，保证电池仓的仓口相反并夹角180°。如图7所示，也就是说当前正对机器人电池仓在电机控制转动180°后，可以切换至另一个充电座的电池仓正对机器人电池仓。如图7所示，以左侧的充电座电池仓与机器人电池仓正对为例，电池仓处于空的状态，当机器人电池仓内的低电量电池进入到该仓内后，第二控制系统检测到进入的信号后控制电机12转动180°，就可以将另一个充电座电池仓由右边转换到左边，使得这两个充电座电池仓的位置互换，然后驱动伸缩机构的伸缩开控制将该电池顶入到与其仓口对应的机器人电池仓内。

如图7所示，伸缩机构10可以采用电动缸，由第二控制系统来实现控制，电动缸包括两个，每一个电动缸对应一个充电座电池仓，用于实现驱动电动缸的伸缩杆的伸缩，从而以伸缩杆伸缩的方式将充满电的电池仓内的电池顶入到对其对应的机器人电池仓内从而实现完成电池的更换。电动缸10也是设置在平板11上，其伸缩杆的伸缩方向为沿着电池推出或进入充电座电池仓的方式即可。第二控制系统主要包括控制器及其外围电路，如以单片机及最小系统组成的第二控制系统，通过第二控制系统驱动电机来控制将两个充电座电池仓位置互换，通过控制信号驱动电动缸的伸缩来驱动将电池顶出充电座电池仓而进入机器人电池仓。

机器人的电池供电/充电口为插接式接口机器人的插接方式的供电如图7所示，正负极以金属探针的方式插接至供电转换插接件即可，插接件为与金属探针相对应的孔，在孔内布置导电片然后将导电片通过导线连接对应的供电电路经转换后给机器人的各个用电部件供电。同理在充电座中设置为充电座内电池充电的充电系统，充电系统包括充电转换电路，充电转换电路的输出端连接正极探针、负极探针，正负极探针设置在充电座电池仓内底部且朝向电池仓仓口处，电池与充电座电池仓底部相对应一端设置金属充电连接片，当低电流的电池进入到充电座电池仓内后，金属充电片与充电的金属探针接触，从而实现充电，这里相对于现有技术的电池，只是将电池包内的电池模块的正负极分别引出两对端子，一对端子设置在电池包的一端，另一对设置在另一端，而且与机器人充电仓内连接供电的电池包一端设置为探针，在另一端设置为金属片，集成在电池包的外部表面上，这样当电池包处于机器人电池仓内是通过金属探针实现正负极供电，在充电座电池仓内时，仓内底部与正负极金属片连接，从而实现充电，充电电路的输入端可以是通过插座连接的交流市电，充电电路将其转换为电池所需的充电电压电流后为电池包充电。

一种移动机器人的电池自动更换系统的更换方法，：包括如下步骤：

步骤1、检测机器人电池的剩余电量，当电池电量低于设定阈值时，机器人向充电座移动；

步骤2：控制导向槽和导向柱配合以确保机器人本体的电池仓口与充电座的电池仓口正对；

步骤3：检测到导向柱插到导向槽底部后触发感应装置，根据感应信号控制第一驱动机构将机器人本体电池仓内的电池送入到正对的充电座电池仓内；

步骤4、当检测到机器人本体的电池进入到充电座电池仓内后控制第二驱动机构，将装在有已经充满的电池对应的充电座电池仓的仓口正对机器人本体的仓口位置，并驱动将该电池送入到机器人本体的电池仓中。

步骤5：完成电池更换，并将更换完成信号发送至机器人本体的控制系统中。

步骤6：充电座的第二控制系统在控制电机转动更换充电座电池仓位置时控制对更换至充电座电池仓内的低电量电池进行充电。这样就可以始终保持更换的电池在充电座内充电，而需要更换时，移动到相应位置，此时正对的机器人的充电座电池仓属于空的，机器人可以将低电量电池送入到该仓内进行充电，然后充电座控制系统控制已经充满电的电池仓转换位置正对机器人的电池仓仓口，然后充满电的电池顶入到机器人电池仓内，从而完成更换，而此时该充电座电池仓又是空状态，等下一次时再次转换。这里需要指明，充电座电池仓的个数不仅仅是两个，可以是做个，从而方便多个机器人快速更换。其中充电座的形状可以根据需要来设置，只要在其内部集成驱动机构、控制系统、充电系统以及多个电池仓及电池仓对应的驱动转动机构即可，最简单的可以将充电座设置一个内部中控的壳体，然后将各种机构集成在其内部，并留有一个与外界对接的电池仓仓口仓门，以该仓口仓门来实现更换电池。

本发明就是要解决当前机器人电池续航问题的，如图1-5所示本发明分为电池1、机器人主机2、导向柱3、导向槽4、充电座5、电池6、驱动机构7、驱动机构8组成，如图1：当主机2内的电池1低到一定电量时，系统会通知主机自动载着电池1靠近充电座5。如图2：当主机贴上充电座5的时候，导向柱3与导向槽4配合以确保主机2与充电座5保持正确的相对位置，当导向柱插到导向槽底部时会触发感应装置，这时候系统启动控制机构8将电池1从主机2中顶入充电座的电池仓中，如图3：当电池1全部进入充电座电池仓后，系统通知驱动机构7带动电池1与电池6的容纳装置旋转180度从而电池1与电池6的位置互换，如图4：互换完成以后，系统通知驱动机构7将充满电的电池6顶入主机2的电池仓，如图5：主机完成更换电池后，系统通知主机载着电池6离开并开始工作，同时充电座启动给电池1充电。当电池6低到一定电量的时候系统又会通知主机载着电池6回到充电座重复以上的动作将充满电的电池1换走并继续工作，同时充电座给电池6充电。这样周而复始，保证机器人可以一直处于工作状态(由于系统更换的时间相当短，可以忽略不计)，本充电系统的充满一次电的时间大于充满电电池最大可使用时间情况下可以同时支持多个主机的使用。

本申请的电池更换方案大大降低机器的空闲时间，从而大幅提升机器的使用效率，缩短机器的投入产出时间，提升使用感受。通过电池的自动更换来达到机器的长周期使用，本申请移动设备的产品范围包括但不限于所有需要电池驱动的可移动系统，包括机器人、电动汽车但不限于此。

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。